DE69630509T2 - Magnetschwebe-Dämpfungsgerät - Google Patents

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Gebiet der Erfindung:
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetschwebevibrationsdämpfungsvorrichtung und insbesondere auf eine Magnetschwebevibrations- oder Schwingungsdämpfungsvorrichtung zum Isolieren eines hochpräzisen Systems, wie beispielsweise eine Halbleiterherstellungsvorrichtung, eines Elektronenmikroskops oder dergleichen von Vibrationen oder Schwingungen eines Bodens auf dem das Hochpräzisionssystem installiert ist, so dass das Hochpräzisionssystem keine Nachgiebigkeits- oder Genauigkeitsprobleme aufweist, die ansonsten infolge der Schwingungen des Fußbodens aufgeprägt würden.
• Beschreibung des Standes der Technik
• Hochpräzisionssysteme wie beispielsweise eine Halbleiterherstellungsvorrichtung, ein Elektronenmikroskop oder dergleichen müssen gegenüber Schwingungen oder Vibrationen eines Bodens auf dem sie installiert sind isoliert werden, da sie ansonsten Nachgiebigkeits- und Genauigkeitsprobleme erfahren wenn sie nicht hinreichend gegenüber den Schwingungen des Bodens isoliert sind. Üblicherweise werden Bodenschwingungen mit einer Luftfeder oder einem schwingungsbeständigen Gummikörper gedämpft, wobei diese bzw. der unterhalb der Bodenplatte einer Schwingungsdämpfungsbasis angeordnet ist, auf der das eine hohe Präzision besitzende System installiert ist. Eine andere Bauart einer Schwingungsdämpfungsbasis die die Bewegung einer Fußbodenplatte steuert besitzt einen hydraulischen oder pneumatischen Zylinder oder einen elektromagnetischen Elektromagnetbetätiger zum Eliminieren der Schwingungen der Bodenplatte.
• Die Schwingungsdämpfungsbasis die vertikal durch die Luftfeder oder den vibrationsbeständigen Gummikörper getragen wird, sieht ein vertikales Resonanzsystem vor, welches eine Feder und eine Masse aufweist. Die durch die Luftfeder oder den schwingungsbeständigen Gummikörper getragene Vibrati onsdämpfungsbasis ist in der Lage Schwingungen oder Vibrationen bei Frequenzen zu dämpfen, die höher liegen als die Resonanzfrequenz des vertikalen Resonanzsystems, wobei aber diese Basis vollständig ineffektiv ist bei der Isolation von Schwingungen bei Frequenzen niedriger als die Resonanzfrequenz.
• Die Schwingungsdämpfungsbasis besitzt ein in einem Gebäude installierten Rahmen. Das Gebäude besitzt eine horizontale Eigenfrequenz die geringer ist als die vertikale Eigenfrequenz davon, und das Gebäude überträgt Horizontalschwingungen zu allen Zeiten auf die Erde. Daher ist es insbesondere erforderlich, dass die Schwingungsdämpfungsbasis die Horizontalschwingungen dämpft. Die Materialien der Luftfeder und der vibrations- oder schwingungsbeständige Gummikörper besitzen im allgemeinen eine größere horizontale Starrheit als eine vertikale Starrheit. Die Vibrations- oder Schwingungsdämpfungsbasis und die Luftfeder oder der vibrationsbeständige Gummikörper sehen gemeinsam ein Horizontalresonanzsystem vor oder auch ein Vertikalresonanzsystem. Da die Eigenfrequenz des horizontalen Resonanzsystems gleich oder höher als die Eigenfrequenz des Vertikalresonanzsystems ist, ist die Schwingungsdämpfungsbasis weniger effektiv bei der Dämpfung von Horizontalschwingungen als bei der Dämpfung von Vertikalschwingungen. Daher ist die konventionelle Schwingungsdämpfungsbasis nicht in der Lage das Erfordernis der Dämpfung von Horizontalschwingungen zu erfüllen.
• In der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 2-203040 und der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 4-74053 sind beispielsweise Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtungen (magnetisch levitierte Schwingungsdämpfungsvorrichtungen) gezeigt. Die vorgeschlagene Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung besitzt einen Tisch zum Tragen eines Systems von dem die Schwingungen zu isolieren sind, d. h. zu trennen sind und ferner eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, die den Tisch außer Kontakt damit trägt, so dass der Tisch magnetisch levitiert oder in einem Schwebezustand gehalten ist. Infolge dessen werden die Schwingungen eines Bodens auf dem die vorgeschlagene Magnetschwebeschwingungsdämp fungsvorrichtung installiert ist nicht direkt auf den Tisch übertragen. Magnetische Anzugskräfte mit denen der Tisch in der Luft getragen wird, und zwar durch die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung und der Tisch selbst bilden gemeinsam ein Resonanzsystem, welches eine Feder und eine Masse aufweist. Die vorgeschlagene Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung umfasst auch eine Steuervorrichtung, die eine relative Verschiebung oder Versetzung detektiert, und zwar zwischen dem Tisch und der Magnetpoloberfläche des elektromagnetischen Betätigers und ferner wird die absolute Beschleunigung des Tisches detektiert und ein an den elektromagnetischen Betätiger gelieferter Strom wird geregelt basierend auf der detektierten relativen Verschiebung und der absoluten Beschleunigung. Abhängig von der Anordnung der Steuervorrichtung kann sich eine der Feder entsprechende Konstante verändern, was unterschiedliche Schwingungsdämpfungscharakteristika ergibt.
• Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung bzw. des vorliegenden Patents berichten über ein Beispiel einer derartigen Steuervorrichtung in der folgenden Literaturstelle: „Study of a magnetically levitated vibration damping apparatus" (2n report, the vibration attenuation characteristics of a three-dimensional vibration damping apparatus) von Katsuhide Watanabe, Youichi Kanemitsu, Kenichi Yano und Takayuki Mizuno, Machine Society, Collected lecture papers, Nr. 930-39, Juli 1993.
• Wie 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, besitzt die Magnetschwebedämpfungsvorrichtung über die in dem oben genannten Dokument berichtet wird einen elektromagnetischen Betätiger 12 zum magnetischen Levitieren oder in Schwebezustandbringen eines Tisches 11 um Schwingungen zu isolieren, die ansonsten auf den Tisch übertragen würden. Die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung 12 weist vertikale und horizontale Gleichstromsteuerelektromagnete auf, um vertikale und horizontale magnetische Anzugskräfte zu erzeugen und ferner ist ein Versetzungs- oder Displacementsensor 14 vorgesehen, um eine relative Versetzung bzw. Verschiebung zwischen einem Boden auf dem die Schwebevibrationsdämpfungsvorrichtung installiert ist und dem Tisch 11 zu detektieren. Der Tisch 11 besitzt einen Beschleunigungssensor 13 zum Detektieren der vertikalen horizontalen Absolutbeschleunigungen des Tisches 11.
• Die Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung besitzt auch ein Steuersystem 15, einschließlich vertikaler und horizontaler Steuersysteme, wobei jedes eine analoge Steuervorrichtung aufweist. Im Betrieb wird eine relative Vertikalverschiebung zwischen Boden 10 und Tisch 11 durch den Verschiebungssensor 14 detektiert und es erfolgt eine Rückkopplung zur Steuerung der Gleichstromsteuerelektromagnete um den Tisch 11 auf eine bestimmte Zielposition hin anzuheben. Der Tisch 11 wird durch eine Rückholkraft horizontal gehalten, wobei diese durch einen vertikalen Gleichstromsteuermagneten erzeugt wird. Die vertikalen und horizontalen Absolutbeschleunigungen des Tisches werden durch den Beschleunigungssensor 13 detektiert und zurückgekoppelt, um die Gleichstromssteuerelektromagnete zu steuern, und zwar zur Dämpfung der Schwingungen in den vertikalen und horizontalen Richtungen.
• Der vertikale Gleichstromsteuermagnet erzeugt eine magnetische Anzugskraft Fa um den Tisch 11 außer Kontakt damit vertikal zu tragen und erzeugt auch eine Rückstellkraft Fr, die dazu dient um passive stabile Starrheit zu liefern, und zwar zum Halten des Tisches 11 in Horizontalrichtung. Die Rückstellkraft Fr ist wesentlich kleiner als die vertikale magnetische Anzugskraft Fa. Da der Tisch 11 stabil in Horizontalrichtung mit der gleichen passiven Starrheit gehalten wird, ist der Tisch 11 sobald er schwebt von den Horizontalschwingungen angelegt vom Boden 10 isoliert.
• Der vertikale Gleichstromsteuerelektromagnet ist oberhalb des Tisches 11 positioniert, um den Tisch anzuziehen und zu halten, und zwar unter dem Einfluss der vertikalen magnetischen Anzugskraft. Wenn die relative Verschiebung zwischen dem vertikalen Gleichstromsteuerelektromagneten und dem Tisch 11 reduziert wird, so wird der Tisch 11 zu dem vertikalen Gleichstromsteuermagnet hin angezogen. Wenn die Relativverschiebung zwischen dem vertikalen Gleichstromsteuerelektromagneten und dem Tisch 11 erhöht wird, wird der Tisch 11 weg von dem vertikalen Gleichstromsteuerelektromagneten bewegt, und zwar durch die Schwerkraft. Daher bilden der vertikale Gleichstromsteuerelektromagnet und der Tisch 11 gemeinsam ein instabiles System.
• Um das instabile System zu stabilisieren, wird eine relative Position zur Rückkopplungssteuerung am nicht stabilen System bewirkt, und zwar durch einen PID-(proportional plus integral plus derivative = proportional plus integral plus Ableitungs)-Regelvorrichtung 21 des Steuersystems 15 bewirkt. Die Schwingungsübertragungsfähigkeit G(S) des nicht stabilen Systems welches stabilisiert wird, wird durch eine Übertragungs- oder Transferfunktion wie folgt ausgedrückt: G(S) = –(KP + KdS + Kl/S) (1)dabei sind K_P, K_d, K_l Parameter.
• Mit dem obigen Schwingungstransfersystem werden sämtliche Schwingungen des Bodens 10 auf den Tisch 11 übertragen, und zwar innerhalb eines Ansprechfrequenzbereichs der relativen Verschiebung oder Versetzung.
• Um die Schwingungsübertragungsfähigkeit oder Transmissibilität G(S) zu verbessern, besitzt das Steuersystem 15 auch eine Beschleunigungs und Geschwindigkeitssteuervorrichtung 22, um einen absoluten Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsrückkopplungswert G_AV(S), wie unten ausgedrückt, zur Schwingungsübertragungsfähigkeit G(S) in dem relativen Positionsrückkopplungssystem zu übertragen: GAV(S) = –(KAVS2 + KVVS) (2)
• Die Transfer- und Übertragungsfunktion der Verschiebung W(S) des Bodens 10 und der Verschiebung Z(S) des Tisches 11 wird durch die Gleichung (3), die unten angegeben ist, repräsentiert und somit wird die Schwingungsübertragungsfähigkeit G(S) durch die Beschleunigung K_AV und die Geschwindigkeit K_VV verbessert.
• 
• Ein Modell der konventionellen Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung wurde hergestellt und getestet hinsichtlich einer Auswertung der Schwingungsdämpfungscharakteristika der Bodenschwingungen. Die 2A, 2B und 3A, 3B zeigen die Schwingungswiderstandsfähigkeiten der getesteten Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung. Speziell zeigt 2A die Horizontalbeschleunigung des Bodens und 2B zeigt die Horizontalbeschleunigung des Tisches der getesteten Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung. 3A zeigt die Vertikalbeschleunigung des Bodens und 3B zeigt die Vertikalbeschleunigung des Tisches der getesteten Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung. Wie in den 2A und 2B gezeigt ist, war die getestete Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung in der Lage die horizontalen Bodenschwingungen auf ungefähr 1/10 zu dämpfen. Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, war die getestete Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung in der Lage die vertikalen Bodenschwingungen auf ungefähr ½ bis ungefähr 1/3 zu dämpfen.
• Wie oben beschrieben ist die konventionelle Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung hinreichend effektive, um horizontale Schwingungen angelegt vom Boden zu dämpfen. Obwohl der Absolutbeschleunigungs- und Geschwindigkeits-Rückkopplungswert zur Vibrationsübertragungsfähigkeit (Transmissibilität) in dem relativen Rückkopplungssystem hinzuaddiert wurde, sind jedoch die vertikalen Bodenschwingungen nur auf ungefähr ½ bis ungefähr 1/3 reduziert, was nicht ausreicht.
• Der PID-Regler 21 bewirkt bei der relativen Positionsrückkopplungssteuerung bzw. -regelung dass ein Spalt Z beibehalten wird zwischen dem elektromagnetischen Betätiger 12 und dem Tisch 11, und zwar auf einem konstanten Zielwert. Die relative Positionssteuerung bewirkt durch den PID-Regler 21 umfasst eine integrale (I) Regelbetriebsart zum Reduzieren eines Stetigkeitsfehlers und eine Differential-(D)-Regelbetriebsart zum Stabilisieren des Tisches 11. Die Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssteuervorrichtung 22 dient zur Rückkopplung der absoluten Beschleunigung und der Geschwindigkeit des Tisches 11 in einer Richtung über den Spalt Z hinweg, um die Schwingungen davon zu dämpfen. Die Differential-(D)-Steuer- oder -regelbetriebsart zum Stabilisieren des Tisches 11 steht in Beziehung mit dem Steuerprozess der durch die Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssteuervorrichtung 22 ausgeführt wird, da die Differential-(D)-Steuerbetriebsart ähnlich der einfachen und doppelten Differentation durch die Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssteuervorrichtung 22 der Verschiebung des Tisches 11 über den Spalt Z für die Dämpfung der Schwingungen des Tisches 11 ist. Daher gilt folgendes: wenn optimale Parameter für die Differential-(D)-Steuerbetriebsart zum Stabilisieren des Tisches 11 ausgewählt werden, dann werden die Schwingungen des Tisches 11 nicht hinreichend durch den Steuerprozess gedämpft, der durch die Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssteuervorrichtung 22 ausgeführt wird. Wenn umgekehrt optimale Parameter für den Steuerprozess ausgewählt werden der durch die Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssteuervorrichtung 22 ausgeführt wird, dann wird der Tisch 11 nicht hinreichend in der Differential-(D)-Steuerbetriebsart stabilisiert. Selbst dann, wenn die Parameter wiederholt ausgewählt werden wird die Stabilität des Tisches 11 und die Dämpfung der Schwingungen desselben nicht hinreichend erreicht.
• Was den Stand der Technik anlangt, so wird weiterhin auf US-A-5,285,995 hingewiesen wo ein aktives Nivellier- und Schwingungsauslöschsystem für einen optischen Tisch dargestellt ist ähnlich dem was im Oberbegriff des Anspruchs 1 erwähnt ist.
• Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine Magnetschwebedämpfungsvorrichtung gemäss Anspruch 1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
• Die obigen sowie weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, wie bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft darstellen:
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 ist ein Diagramm, welches das Konzept einer konventionellen Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung zeigt;
• 2 ist ein Diagramm der Horizontalbeschleunigung eines Bodens bezüglich der konventionellen Magnetschwebeschwindungsdämpfungsvorrichtung die getestet wurde;
• 2B ist ein Diagramm welches die Horizontalbeschleunigung des Tisches zeigt, und zwar von der getesteten Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung;
• 3A ist ein Diagramm der Vertikalbeschleunigung des Bodens bezüglich der konventionellen Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung die getestet wurde;
• 3B ist ein Diagramm welches die Vertikalbeschleunigung des Tisches der getesteten Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung zeigt:
• 4 ist ein Diagramm welche das Konzept einer Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung zeigt;
• 5 ist eine Draufsicht auf eine Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• 6 ist eine Vorderansicht der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss 5;
• 7 ist ein Blockdiagramm eines Rückkopplungssystems der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss 5 und 6;
• 8 ist eine perspektivische Ansicht eines Modells der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6;
• 9 ist ein Blockdiagramm einer verallgemeinerten Anlage einer Steuerung bzw. Regelung der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6;
• 10 ist ein Diagramm welches die Frequenzcharakteristika eines H∞-Reglers und eines PI-Reglers der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6 zeigt;
• 11 ist ein Diagramm welches den Schritt des Ansprechend des H∞-Reglers und des PI-Reglers der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6 zeigt;
• 12 ist ein Diagramm welches die Schwingungs- oder Vibrationstransmissibilität oder Übertragungsfähigkeit des H∞-Reglers und des PI-Reglers der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6 zeigt;
• 13 ist ein Diagramm welches die Ansprechcharakteristika eines Tisches zeigt, wenn dieser magnetisch in einem Schwebezustand gehalten wird, und zwar von der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6 zeigt;
• 14 ist ein Diagramm welches die Vibrationsübertragungsfähigkeit der Beschleunigung eines Bodens und eines Tisches der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6 zeigt;
• 15A ist ein Diagramm welches die Schwingung (Beschleunigung) des Bodens der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6 zeigt;
• 15B ist ein Diagramm welches die Schwingung (Beschleunigung) des Tisches der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6 zeigt;
• 16 ist ein Diagramm welches die Stoßcharakteristika des Tisches der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6 zeigt, wenn eine Störung direkt an den Tisch angelegt wurde,
• 17 ist eine Vorderansicht einer Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• 18 ist eine Draufsicht auf die Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss 17;
• 19 ist ein Querschnitt, und zwar teilweise in Blockform, und zwar von einem Steuersystem der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung der 17 und 18; und
• 20 ist eine Vorderansicht eines Steuersystems einer Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
• Die gleichen oder entsprechende Teile sind mit den gleichen oder entsprechenden Bezugszeichen versehen.
• 4 zeigt schematisch das Konzept der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss der Erfindung.
• Wie in 4 gezeigt, ist die Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung der Erfindung auf einem Boden 10 installiert und besitzt einen Tisch 11 zum Tragen eines System von dem die Schwingungen isoliert oder getrennt werden sollen, wobei ferner ein elektromagnetischer Betätiger 12 vorgesehen ist zum magnetischen Levitieren oder im Schwebezustandhalten des Tisches 11 außer Kontakt damit, um Schwingungen oder Vibrationen zu isolieren, die ansonsten an den Tisch von einem Boden 10 angelegt würden; ferner ist ein Beschleunigungssensor 13 am Tisch 11 angebracht, um vertikale und hori zontale Absolutbeschleunigung des Tisches 11 zu messen; ein Versetzungs- oder Verschiebungssensor 14 ist am Boden 10 angebracht, um die relative Versetzung bzw. Verschiebung zwischen dem Boden 10 und dem Tisch 11 zu detektieren und ein Steuersystem 15 mit einem PI-Regler zur Steuerung eines relativen Spalts (relative Versetzung) Z zwischen dem elektromagnetischen Betätiger 12 und dem Tisch 11 ist vorgesehen und ferner ein H∞-Regler zur Steuerung der Vibrationen oder Schwingungen des Tisches 11. Der H∞-Regler regelt die Schwindungen des Tisches 11 in einer Art und Weise, um die Stabilitätskontrolle des Tisches vorzusehen. Dies ist effektiv zur Vereinheitlichung der Ableitungssteuerung und Lösung des konventionellen Problems dass zwei Steuer- oder Reglerregeln korreliert sind. Parameter in proportional integral und Ableitungssystemen der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtungen können unabhängig voneinander festgelegt werden.
• Die Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss der Erfindung ist somit in der Lage in hinreichender Weise Schwingungen des Tisches in Vertikalrichtung während der Stabilisation des Tisches zu stabilisieren.
• Die Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss speziellen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nunmehr beschrieben.
• Wie in den 5 und 6 gezeigt, weist eine Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung grundsätzlich einen flachen Tisch 11 auf, und zwar zum Tragen eines Systems von dem Schwingungen isoliert werden sollen, wobei der Tisch eine flache Platte aus Magnetmaterial besitzt, vier Elektromagnetbetätiger 12 zum magnetischen Levitieren oder Anheben bzw. im Schwebezustandhaltend des Tisches 11 durch Anziehen der flachen Platte außer Kontakt damit und wobei ferner eine Steuervorrichtung (unten beschrieben) vorgesehen ist zum Steuern der elektromagnetischen Betätiger 12. Beschleunigungssensoren 13 zum Detektieren von Schwingungen des Tisches 11 sind am Tisch 11 angebracht. Die elektromagnetischen Betätiger 12 sind mit den entsprechenden Versetzungs- oder Verschiebungssensoren assoziiert, um die relativen Verschie bungen zwischen dem Tisch 11 und dem Boden 10 zu detektieren. Die Elektromagnete der elektromagnetischen Betätiger 12 weisen vertikale und horizontale DC-Steuerregler mit Elektromagneten auf, und zwar zur Erzeugung von vertikalen und horizontalen magnetischen Anzugskräften um den Tisch 11 magnetisch im Schwebezustand zu halten, und um unerwünschte Vibrationen vom Tisch zu eliminieren. Die vertikalen Gleichstromsteuerelektromagnete, von denen vier vorhanden sind, sind in der Lage Objekte mit beträchtlichen Gewichten zu tragen.
• 7 zeigt ein Steuersystem der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6. Wie in 7 gezeigt, weist das Steuer- bzw. Regelsystem einen Digitalregler 15 auf, mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) 18, einem A/D-Wandler und einem D/A-Wandler 17. Relative Verschiebungssignale von den Verschiebungssensoren und absolute Beschleunigungssignale von den Beschleunigungssensoren 13 werden durch den A/D-Wandler 16 zum DSP 18 übertragen. Der DSP 18 verarbeitet die gelieferten Signale und erzeugt und gibt Digitalsignale ab durch den D/A-Wandler 17 und einen Leistungsverstärker 18 an die Elektromagnete der elektromagnetischen Betätiger 12 um dadurch den Tisch 11 magnetisch in Schwebezustand zu halten und unerwünschte Schwingungen vom Tisch 11 zu eliminieren.
• 8 zeigt ein Modell der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6. In 8 wird der Tisch 11 durch die vier elektromagnetischen Betätiger 12 im Gleichgewicht gehalten. Die magnetischen Anzugskräfte werden durch Elektromagnete in den Richtungen der Koordinatenachsen gemäss 8 erzeugt und wirken auf Punkte die in einer x-y-Ebene liegen, d. h. einer horizontalen Ebene die den Schwerpunkt des Tisches 11 enthält verschiedene Symbole die in 8 verwendet werden sind wie folgt definiert:
  G: Schwerpunkt
  F_xi, F_yi, F_zi (i = 1~4): Steuer- bzw. Regelkräfte der elektromagnetischen Betätiger;
  Mα, Mβ, Mγ: Steuerkraftmomente
  K_xi, K_yi, (i = 1~4): Federkonstanten infolge der magnetische Rückstellkräfte erzeugt in Horizontalrichtung durch die vertikalen Steuerelektromagnete;
  C_xi, C_yi (i = 1~4): Dämpfungskoeffizienten infolge der magnetischen Rückstellkräfte erzeugt in Horizontalrichtung durch die vertikalen Steuerelektromagnete;
  x, y, z: Verschiebungen des Tisches;
  α, β, γ: Winkelverschiebung des Tisches;
  u, v. w: Verschiebung des Bodens; und
  ε, η, ξ: Winkelverschiebungen des Bodens.
• Das in 8 gezeigte Modell wird als Fall eines perfekten entkoppelten Trägers eines idealen starren Körpers angesehen und gestattet, dass das Steuersystem unabhängig bezüglich jedes Freiheitsgrades ausgelegt wird. Daher erfüllt das Modell die folgenden Bedingungen:
• (1) Die Koordinatenachsen fallen mit den Trägheitshauptachsen der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung zusammen, wobei ein trägheitsgekoppelter Ausdruck entfällt.
• (2) Die elastischen Mittel und die elastischen Hauptachsen infolge der magnetischen Rückstellkräfte erzeugt in horizontaler Richtung durch die vier Vertikalsteuerungselektromagnete fallen mit dem Schwerpunkt und den Trägheitshauptachsen der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung zusammen.
• Die Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung besitzt die folgende Bewegungsgleichung: MẌ + CẊ + KX = F X = [xyzαβγ]τ dabei ist M = diag[mmmIαIβIγ] (4) C = diag[CxCy000Cγ] K = diag[KxKy000Rγ] F = [FxFyFzMαMβMγ]T dabei ist ferner m gleich die Masse, I_α, I_β, I_γ Trägheitsmomente um die entsprechenden Achsen K_x, K_y, K_γ Federkonstanten infolge der magnetischen Rückstellkräfte erzeugt in der Horizontalrichtung durch die vertikalen Steuerelektromagnete, und C_x, C_y, C_γ sind die Dämpfungskoeffizienten infolge der magnetischen Rückstellkräfte erzeugt in Horizontalrichtung durch die vertikalen Steuerelektromagnete.
• Eine Steuerkraftvektor F wird wenn in der Nähe des Gleichgewichtszustand liniearisiert, wie folgt ausgedrückt: F = Ku(X – Xo) + KcIc (5) Xo = [uvwεηζ]T dabei ist Ic = [i_xi_yi_zi_αi_βi_γ]^T Ku = diag[KuxKuyKuzKuαKuβKuγ] Kc = diag[KcxKcyKczKcαKγβKγγ]wobei I die Steuerströme sind und wobei K_u, K_c Konstanten sind, durch die die Verschiebung bzw. die Ströme multipliziert werden.
• Das Steuersystem für das Modell ist unter der Annahme ausgelegt, dass es sechs unabhängige Freiheitsgrade besitzt. Das Steuersystem für die vertikale Steuerung des Tisches zum stabilen Schweben und zur gleichzeitigen Dämpfungen der Schwingungen wird unten beschrieben. Das vertikale Steuersystem besitzt einen Freiheitsgrad für die Translationsbewegung und zwei Freiheitsgrade für die Drehbewegung. Das Vertikalsteuersystem ist derart ausgelegt, dass es unabhängig für die drei Freiheitsgrade arbeitet, und zwar durch Anwendung der „Robust"-H∞ (unendlich) Steuer- oder Regeltheorie. In der Tat werden die Signale (repräsentativ für die relative Verschiebungen und die absoluten Beschleunigungen) durch die Sensoren detektiert und Steuerströme werden an die Elektromagnete geliefert und werden umgewandelt in Koordi naten der Steuervorrichtung, um es möglich zu machen, dass der Tisch für jeden seiner Freiheitsgrade gesteuert bzw. geregelt wird. Das Auslegen des Steuer- bzw. Regelsystems mit einem Freiheitsgrad für die Translationsbewegung wird unten beschrieben.
• Ein mit einem Freiheitsgrad für die Translationsbewegung zum Steuern des Objekts ausgedrückt in einem Zustandsraum wird repräsentiert durch: ẋp= Apxp + Bpip (6) y = Cpxp + Dpip (7) xp = [zż]dabei ist

  

  dabei ist z die absolute Verschiebung in Vertikalrichtung. Die magnetischen Abzugskräfte in Vertikalrichtung erfahren eine Phasenverzögerung infolge von Wirbelstrom erzeugt deshalb weil der Tisch aus einem soliden oder massiven Material hergestellt ist. Eine derartige Phasenverzögerung Ka(S) wird durch die folgenden Zustandsgleichungen (8) und (9) ausgedrückt: ẋf = Afxf + Bfiz (8) ip = Cfxf (9)dabei sind A_f, B_f, C_f Konstanten bei Annäherung mit einer Verzögerung erster Ordnung.
• Die auszulegende Steuer- bzw. Regelvorrichtung muss die Erfordernisse für die Schwebesteuerung und die Schwingungseliminationssteuerung gleichzeitig erfüllen. Es ist daher notwendig sowohl die relative Verschiebung zwischen Tisch und Boden wie auch die absolute Beschleunigung des Tisches zurückzukoppeln. Aus diesem Grunde weist eine verallgemeinerte Anlage die hier gestellt wird, ein Relativverschiebungsrückkopplungssystem auf. Das Relativ verschiebungsrückkopplungssystem besitzt einen PI-(proportional plus integral)-Regler K_r(S), und zwar erforderlich um den Tisch in der Mitte des Spaltes schwebend zu halten und zu positionieren, und zwar zwischen dem Tisch und dem Elektromagneten. Der PI-Regler K_r(S) wird durch die folgenden Gleichungen (10), (11) ausgedrückt und eine Steuereingangsgröße u wird durch die folgende Gleichung (12) ausgedrückt: ẋr = Arxr + Bryr (10) ur = Crxr + Dryr (11) u = iz + ur (12)
• 9 zeigt die verallgemeinerte Anlage der Steuer- bzw. Regelvorrichtung.
• An die verallgemeinerte Anlage angelegte Störungen sind Bodenschwingung w1 und Beschleunigungssensorrauschen w2. Tatsächlich werden die unten angegebenen Werte d1, d2 erzeugt durch Multiplikation der Störungen w1, w2 mit den entsprechenden Gewichtungskoeffizienten K_f, K_n an die verallgemeinerte Anlage angelegt: d1 = Kfw1 (13) d2 = Knw2
• Steuergrößen werden als absolute Größen (Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung) ausgewählt und als relative Verschiebung des Tisches. Die Steuereingangsgröße (Steuerströme) wird auch ausgewertet, da sie auf ein angenähertes Niveau reduziert werden muss. Diese Größen oder Quantitäten werden wie folgt repräsentiert:

  
• Gewichtungskoeffizienten für die Steuergrößen und die Steuereingangsgröße werden als skalare Größen gegeben. Da alle absoluten Größen (Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung) ausgewertet werden, werden die Steuergrößen und die Steuereingangsgröße in der gleichen Art und Weise gewichtet als wenn sie frequenzgewichtet wären, was eine niedrigere Dimension für die Steuervorrichtung zur Folge hat. Eine Ausgangsgröße y wird gegeben als absolute Beschleunigung detektiert durch Beschleunigungssensoren und ausgedrückt wie folgt: y = Kas(z .. + d2) (15)dabei ist K_as die Verstärkung der Beschleunigungssensoren und K_as ist die Verstärkung der Versetzungs- bzw. Verschiebungssensoren. Aus obigem kann man die verallgemeinerten Anlage gemäss 8 ableiten. Daher wird das Zustandsraummodell für die verallgemeinerte Anlage durch die vorliegende Gleichung (16), (17), (18) definiert: ẋ = Ax + B1w + B2u (16) z = C1x + D11w + D12u (17) y = C2x + D21w + D22u (18) x = [xpxfxr]T w = [w1w2]T

  

  C2 = [KasEpApKasEpBpCf0]

  

  D21 = [KasEpApHpKf0] Du = [0]

  
• Ein H∞-Regler ist bezüglich eines erweiterten Systems ausgelegt einschließlich des PI-Reglers zur Rückkopplung der relativen oben erzeugten Verschiebungen. Aus dem Zustandsraummodell der verallgemeinerten Anlage wird eine Transfer- oder Übertragungsfunktion gemäss der vorliegenden Gleichung (19) ausgedrückt:

  

  G11(s) = C1(sI – A)–1B1 + D11 (20)dabei ist G12(s) = C1(sI – A)–1B2 + D12 (21) G21(s) = C2(sI – A)–1B1 + D21 (22) G22(s) = C2(sI – A)–1B2 (23)
• Wenn eine Reglerregel für das erweiterte System wie folgt definiert wird: u = K(s)yund ein Rückkopplungsreglersystem mit einer solchen Regleregel konstruiert wird, dann wird die Übertragungsfunktion einer geschlossenen Schleife (Regelschleife) von w bis z durch die folgende Gleichung (24) gegeben: ϕ = G11 + G12K(I – G22K)–1G21 (24)
• Die Regelung K(s) zur internen Stabilisierung G(s) und zur Erfüllung der Ungleichung (25) die unten angegeben ist wird bestimmt: ||ϕ||∞ < γ (25)
• Um sowohl das Magnetschwebesystem zu stabilisieren und eine gute Schwingungseliminierungsperformance gleichzeitig zu erreichen werden bei der Bestimmung des Reglers jeder der Gewichtungskoeffizienten und γ ausgewählt, um die Empfindlichkeit gegenüber Störung d₁ der absoluten Verschiebung z bei niedrigen Frequenzen zu minimieren, und wenn wiederholt Berechnungen ausgeführt werden.
• 10 zeigt die Frequenzcharakteristik des H∞-Reglers und des PI-Reglers die beispielhaft aufgelegt sind für die Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 5 und 6.
• 11 zeigt den Schritt des Ansprechens des H∞-Reglers und des PI-Reglers und 12 zeigt die Empfindlichkeit, d. h. die Schwingungsübertragungsfähigkeit des H∞-Reglers und des PI-Reglers von Störung d₁ zur absoluten Verschiebung z.
• Aus den 10 und 11 ergibt sich, dass der H∞-Regler und der PI-Regler eine gute Schwingungsübertragungsfähigkeit liefern, während der Tisch stabilerweise schwebt. Regler mit zwei Freiheitsgraden für die Drehbewegung werden in ähnlicher Weise ausgelegt.
• Der konstruierte Regler mit drei Freiheitsgraden wurde als ein Digitalregler implementiert und zur Auswertung getestet. Die Steuervorrichtung mit drei Freiheitsgraden weist einen H∞-Regler und einen PI-Regler auf und besaß zwei Eingangsanschlüsse und einen Ausgangsanschluss. 13 zeigt die Ansprechcharakteristika des Tisches zu der Zeit der magnetischen Anhebung bzw. des magnetischen Schwebezustands. 14 zeigt die Schwingungsübertragungsfähigkeit der Beschleunigung des Bodens und des Tisches zur Zeit als der Tisch im Gleichgewicht war. Die 15A und 15B zeigen die Schwingung (Beschleunigung) des Bodens und des Tisches abhängig von der Zeit. Aus den Ergebnissen der 13, 14, 15A und 15B erkennt man, dass im wesentlichen die gleiche Performance wie simuliert erreicht wurde, und zwar für die schwebende Anhebung des Tisches in stabiler Weise, und wobei gleichzeitig die Schwingungen reduziert wurden die vom Boden ausgingen, und zwar um 1/10. 16 zeigt die Stosscharakteristika des Tisches wenn eine Störung direkt an den Tisch angelegt wurde. Eine Untersuchung der 16 zeigt, dass die Beschleunigung des Tisches augenblicklich konvergierte.
• In dem ersten Ausführungsbeispiel werden die elektromagnetischen Betätiger dazu verwendet, um den Tisch außer Kontakt im Schwebezustand zu halten. Es kann jedoch ein Luftfederbetätiger in Kombination mit elektromagnetischen Betätigern verwendet werden, um den Tisch wie unten beschrieben magnetisch im Schwebezustand zu halten.
• 17 und 18 zeigen eine Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in den 17 und 18 gezeigt, besitzt die Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung einen Tisch 30, um einen hochpräzises System zu tragen, wie beispielsweise eine Halbleiterherstellungsvorrichtung, eine Elektronenmikroskop oder dergleichen, wobei dieses System gegenüber Schwingungen isoliert werden soll. Der Tisch 30 wird vertikal durch Luftfedern 31 getragen, und zwar positioniert an den entsprechenden vier Ecken des Tisches. Die Luftfedern 30 besitzen untere Enden an einer gemeinsamen Basis 32 befestigt und die Basis ist fest am Boden befestigt. Beschleunigungssensoren 33 dienen zur Detektion von Beschleunigungen in den X-, Y-, Z-Richtungen und sie sind auf dem Tisch 30 angebracht.
• Die Luftfedern 31 werden durch eine Luftdrucksteuervorrichtung 42 (vgl. 19) gesteuert, und zwar für eine Vertikalpositionierung des Tisches 30 basierend auf Signalen von den Versetzungs- oder Verschiebungssensoren 38 (vgl. 19) um den größten Teil des Gewichtes des Tisches 30 und des auf dem Tisch 30 getragenen Hochpräzisionssystems aufzunehmen. Die Verschiebungssensoren sind mit entsprechenden elektromagnetischen Betätigern 35 angeordnet zwischen Tisch 30 und gemeinsamer Basis 32 kombiniert. Die Verschiebungssensoren detektieren den Spalt zwischen der gemeinsamen Basis 32 und dem Tisch 30 um dadurch Relativverschiebung des Tisches 30 zu detektieren. Schwingungen detektiert durch die Beschleunigungssensoren 33 werden zurückgekoppelt, um Ströme zu steuern bzw. zu regeln, die an die elektromagnetischen Betätiger 35 geliefert werden, um dadurch die magnetischen Anzugskräfte zu steuern bzw. zu regeln, die von den elektromagnetischen Betätigern 35 an den Tisch 30 zum horizontalen und vertikalen Dämpfen von Schwingungen des Tisches 30 angelegt werden.
• In dem zweiten Ausführungsbeispiel sind sechs Schraubenfedern 36 zur Positionierung des Tisches 30 in der Horizontalrichtung in den X-, Y-, und θ-Richtungen positioniert. Die Schraubenfedern 36 die somit in den X-, Y-, und θ-Richtungen positioniert sind, erzeugen Federkräfte, die zum Ausbalancieren oder im Gleichgewichthalten des Tisches 30 in der Mitte des Spaltes zwischen dem Tisch und dem horizontalen elektromagnetischen Betätiger 35 halten.
• 19 veranschaulicht ein Steuersystem der Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 17 und 18. Wie in 19 gezeigt, werden Signale von den Verschiebungssensoren 38 an einen PI-Regler 39 geliefert, der die Position des Tisches 30 regelt. Signale von Beschleunigungssensoren 33 werden an einen H∞-Regler 40 geliefert, die Schwingungen angelegt an den Tisch 30 eliminiert. Die Steuer- oder Regelsignale vom PI-Regler 39 und dem H∞-Regler 40 werden über einen Leistungsverstärker 55 an Elektromagnet 41 der elektromagnetischen Betätiger 35 geliefert. Das in 19 gezeigte Regelsystem bewegt somit eine Kombination aus einer H∞-Regelung und einer PI-Regelung, so dass eine Positionsstabilitätsrege lung der H∞-Regelung hinzuaddiert wird. Daher ist die Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss den 17 und 18 in der Lage in hinreichender Weise Vertikalschwingungen angelegt an den Tisch 30 zu dämpfen während der Tisch 30 stabil positioniert wird. Die Luftfeder 31 wird mit einem Luftdruck beliefert, der von einer Luftdruckquelle 43 kommt und gesteuert durch den Luftdruckregler 42 basierend auf einem Einstellpunkt.
• Da der größte Teil des Gewichtes des Tisches 30 und des Hochpräzisionssystems auf dem Tisch 30 durch die Luftfedern 31 getragen wird, kann gemäss dem zweiten Ausführungsbeispiel die Kapazität der elektromagnetischen Betätiger 35 auf 1/10 oder weniger beispielsweise reduziert werden. Der Tisch kann in hochakkurater Weise und schnell mit einer Präzision von mehreren Mikrometern positioniert werden, da sich unter der PI-Regelung befindet.
• 20 zeigt ein Steuersystem einer Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Steuersystem gemäss 20 ist ähnlich dem Steuer- bzw. Regelsystem der 19 mit der Ausnahme, dass Signale von den Verschiebungssensoren 38 an den PI-Regler 39 geliefert werden, der Steuersignale an die Luftdrucksteuerung 42 ausgibt, um den an die Luftfedern 31 gelieferten Luftdruck zu steuern bzw. zu regeln, und ferner Signale von den Beschleunigungssensoren 33 werden an den H∞-Regler 40 geliefert, der Steuersignale durch den Leistungsverstärker 44 zu den elektromagnetischen Betätigern 41 liefert, um dadurch Schwingungen angelegt an den Tisch 30 zu eliminieren. Das Steuersystem gemäss 20 bewirkt auch eine Kombination der H∞-Regelung mit der PI-Regelung derart, dass eine Positionsstabilitätssteuerung bewirkt durch die Luftfedern 31 der H∞-Regelung hinzuaddiert wird. Daher ist die Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung gemäss 20 auch in der Lage in hinreichender Weise Vertikalschwingungen angelegt an den Tisch 30 zu dämpfen, während der Tisch 30 in stabiler Weise positioniert wird.
• Da der Tisch 30 nur durch die Luftfedern 31 positioniert ist, wird mit dem Regelsystem gemäss 20 die Kapazität der elektromagnetischen Betätiger 35 weiter reduziert. Da jedoch die Positionierung des Tisches 30 durch die Druckregulierung der Luftfedern 31 ausgeführt wird, wird die Genauigkeit und das Ansprechen mit der der Tisch 30 positioniert wird, schlechter wenn der Tisch 30 durch die elektromagnetischen Betätiger 35 positioniert ist.
• Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt und im einzelnen beschrieben wurden ist klar, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen gemacht werden können.

Claims (5)

1. Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung, die Folgendes aufweist: einen Tisch (11, 30) zum Tragen eines Systems, das von Schwingungen oder Vibrationen eines Bodens (10) isoliert werden soll, wobei der Tisch eine flache Tafel aus Magnetmaterial aufweist; eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung (12, 35) zum Anlegen magnetischer Anziehungskräfte zum schwebenden Anordnen des Tisches; einen Verschiebungssensor (14, 38) zum Detektieren einer relativen Verschiebung zwischen dem erwähnten Tisch und der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung; ein Beschleunigungssensor (13, 33) zum Detektieren der absoluten Beschleunigung des Tischs; und ein Regel- bzw. Steuersystem (15) zur Regelung bzw. Steuerung eines Stroms, geliefert an die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung (12, 35), basierend auf Signalen von dem Verschiebungssensor (14, 38) und dem Beschleunigungssensor (13, 33), gekennzeichnet durch: eine erste Steuerregel zur Steuerung eines Spalts zwischen dem Tisch (11, 30) und der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtungsoberfläche, basierend auf dem Signal von dem Versetzungssensor (14, 38), wobei die erste Steuerregel eine PI-Steuerregel ist; und eine zweite Steuerregel zum Steuern der Schwingungen des Tischs (11, 30), basierend auf dem Signal von dem Beschleunigungssensor (13, 33), wobei die zweite Steuerregel eine H ∞ Steuerregel ist.
2. Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Beschleunigungssensor (13, 33) auf dem Tisch (11, 30) zum Detektieren der absoluten Beschleunigung des Tischs angeordnet ist.
3. Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verschiebungssensor (14, 38) auf dem Boden (10) angebracht ist, um die relative Versetzung zwischen Boden (10) und Tisch (11, 30) zu detekieren.
4. Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erwähnte H ∞ Steuerregel eine Stabilitätssteuerung bzw. Regelung der relativen Verschiebung des Tischs der erwähnten PI-Steuerregelumfasst.
5. Magnetschwebeschwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ferner ein Luftfederbetätiger (31) vorgesehen ist zum Tragen des Tischs (30).