JP2004166321A

JP2004166321A - デジタル磁気浮上回転装置

Info

Publication number: JP2004166321A
Application number: JP2002325748A
Authority: JP
Inventors: Koshi Yamada; 耕嗣山田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】安価かつ高機能なデジタル磁気浮上回転装置を提供する。
【解決手段】このデジタル磁気浮上回転装置５は、装置本体６と、制御部７と、ホスト装置２０とを備える。制御部７において、プロセッサ２２は、位置センサ１１の検出結果をＡ／Ｄ変換回路２１を介して取り込み、ＰＬＤ２５とデータのやりとりをするとともにデジタル信号処理を行ない、Ｄ／Ａ変換回路２３およびアンプ２４を介して磁気軸受８を制御する。ＰＬＤ２５は、回転センサ１５の検出結果を取り込み処理し、ホスト装置２０およびプロセッサ２２とデータのやりとりを行なうとともに、モータ駆動装置２６を介してモータ１２を制御する。したがって、一般的で安価かつロジック変更も容易なＰＬＤ２５が一部の制御アルゴリズムを実行し、プロセッサ２２は磁気軸受制御を主として実行することで、安価かつ高機能なデジタル磁気浮上回転装置５が実現できる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はデジタル磁気浮上回転装置に関し、特に、回転体を非接触で回転させるデジタル磁気浮上回転装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来の一般的なデジタル磁気浮上回転装置の概略構成を示すブロック図である。このデジタル磁気浮上回転装置では、モータ制御と磁気軸受制御の両方がＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ：デジタル信号処理プロセッサ）などのプロセッサによって行なわれていた。
【０００３】
図４において、このデジタル磁気浮上回転装置は、装置本体４０、制御部４１、およびホスト装置４２を備える。装置本体４０は、回転軸４３、位置センサ４４、磁気軸受４５、回転センサ４６、およびモータ４７を含む。制御部４１は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路４８、プロセッサ４９、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路５０、アンプ５１、およびモータ駆動装置５２を含む。
【０００４】
次に、このデジタル磁気浮上回転装置の動作について説明する。位置センサ４４は、回転軸４３の位置変位を検出し、アナログ位置変位信号をＡ／Ｄ変換回路４８に出力する。Ａ／Ｄ変換回路４８は、入力されたアナログ位置変位信号をデジタル位置変位信号に変換してプロセッサ４９に出力する。プロセッサ４９は、ホスト装置４２とデータのやりとりをするとともにデジタル信号処理を行ない、デジタル電流指令信号をＤ／Ａ変換回路５０に出力する。Ｄ／Ａ変換回路５０は、入力されたデジタル電流指令信号をアナログ電流指令信号に変換してアンプ５１に出力する。電流フィードバックループを持つアンプ５１が入力された電流指令信号によって指令された電流を磁気軸受４５のコイルに流すと、磁気軸受４５は回転軸４３を非接触で支持して磁気浮上させる。
【０００５】
回転センサ４６は、回転軸４３の回転数を検出してその検出結果をプロセッサ４９に出力する。プロセッサ４９は、回転センサ４６の検出結果を取り込み処理して、ホスト装置４２とデータのやりとりを行なうとともにモータ駆動装置５２に制御信号を出力する。モータ駆動装置５２が入力された制御信号に従ってモータ４７を駆動制御すると、モータ４７は回転軸４３を所定の回転数で回転させる。このように、プロセッサ４９はモータ駆動制御と磁気軸受制御の両方を行なっていた。
【０００６】
また、従来のデジタル磁気浮上回転装置として、モータ駆動制御と磁気軸受制御の両方をプロセッサで処理することによって、モータを任意の回転数指令で制御し、磁気軸受異常時はモータを停止させることで磁気軸受の損傷を未然に防止しているものがある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、磁気軸受のコイルに流す電流を監視し、その電流の大きさがリミットを越えるとアラームを出力若しくはモータを非常停止させることで、回転体のタッチダウンを未然に防止しているものもある（たとえば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−１５９５３０号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開平７−１５１１４６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
半導体の製造プロセスに用いられるステッパー装置に搭載されるエキシマレーザ装置は、大型のファンを駆動するためモータの負荷が高く、モータトルクは十数（Ｎ・ｍ）にもなる。そのため、モータからの吸引力の影響が大きく、磁気軸受の安定制御が難しい。さらに、真空から数気圧までのガス圧環境で運転されるため大きな負荷変動が生じ、すべてのガス圧環境での安定制御は非常に困難である。
【００１１】
ソフトウエアによるデジタル制御では、サンプリングに伴う位相遅れが生じて安定制御がさらに複雑になってしまうため、これまでは調整や仕様変更が煩雑な電気素子を用いたアナログ制御が主流であった。
【００１２】
デジタル制御による高機能安定制御を行なうためには、複雑な制御アルゴリズムを実装できるプロセッサが必要となる。また、ホスト装置とのデータのやりとりやモータ駆動装置の制御などにも処理時間を要するため、ＤＳＰのような高速なプロセッサが必要となり、装置のコストを上げてしまうという問題があった。
【００１３】
プロセッサは、制御アルゴリズムの計算は得意であるが、ホスト装置からの指令監視やスイッチ操作監視などをする場合は、定期的にポーリング（監視）を行なうので実際に入力されたとき以外は無駄な動作をすることになる。割り込み処理を行なうと、擬似的にホスト装置からの指令監視やスイッチ操作監視などと制御アルゴリズムの計算を並列処理することができるが、スイッチ入力時はプロセッサがその処理を行なうため、その間プロセッサは制御アルゴリズムを計算できなくなってしまう。また、割り込み処理のオーバーヘッドも大きい。デジタル制御の周期が数十〜数百（μｓ）であるのに対して、モータ駆動装置の制御周期や外部装置とのデータのやりとりなどの間隔は極めて長い。すなわち、プロセッサ側から見ればめったに起こらない処理のために、処理時間の余裕を確保しなければならなかった。
【００１４】
それゆえに、この発明の主たる目的は、安価かつ高機能なデジタル磁気浮上回転装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るデジタル磁気浮上回転装置は、回転体を非接触で回転させるデジタル磁気浮上回転装置であって、回転体を非接触で支持する磁気軸受と、回転体の主軸位置変位を検出する位置センサと、回転体を回転させるモータと、回転体の回転数を検出する回転センサと、位置センサの検出結果に基づいて磁気軸受を制御する磁気軸受制御手段および回転センサの検出結果に基づいてモータを駆動制御するモータ制御手段とを含む制御手段と、制御手段とデータのやりとりを行なうホスト装置とを備える。制御手段は、モータ制御手段のデジタル制御処理およびホスト装置とのデータのやりとりのうち一部のデジタル制御処理を実行するプログラマブル・ロジック・デバイスと、磁気軸受制御手段のデジタル制御処理およびプログラマブル・ロジック・デバイスが実行するデジタル制御処理以外のデジタル制御処理を実行するプロセッサとを含む。
【００１６】
好ましくは、制御手段とホスト装置とのデータのやりとりは、パラレル信号およびシリアル信号で行なう。
【００１７】
また、好ましくは、プログラマブル・ロジック・デバイスは、プロセッサ周辺のチップのアドレスデコード機能を含む。
【００１８】
また、好ましくは、磁気軸受制御手段は、シリアルインターフェースのデジタル／アナログ変換回路およびアナログ／デジタル変換回路を含み、プログラマブル・ロジック・デバイスは、パラレル／シリアル変換処理を行なう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１によるエキシマレーザ装置の要部を示す図である。図１において、このエキシマレーザ装置は、真空状態にされた後に所定のガスが導入されるチャンバ１と、チャンバ１内のガスを冷却させるためのラジエータ２と、チャンバ１内のガスを循環させるためのファン３と、ファン３を回転させるための回転軸４とを備える。
【００２０】
回転軸４の端部には、回転軸４を非接触で回転させるデジタル磁気浮上回転装置５が設けられている。デジタル磁気浮上回転装置５は、装置本体６と、装置本体６を制御する制御部７とを含む。装置本体６は、回転軸４を非接触で支持するための磁気軸受８と、回転軸４の位置変位を検出するための位置センサ１１と、回転軸４を回転させるためのモータ１２と、回転軸４の回転数を検出するための回転センサ１５とを含む。
【００２１】
磁気軸受８は、回転軸４の外周面に設けられたリング状のターゲット９と、ターゲット９の外周面に対向して設けられた複数の電磁石１０とを含む。位置センサ１１の検出結果に基づいて各電磁石１０とターゲット９との間の吸引力（または、反発力）を制御することにより、回転軸４を非接触で支持することができる。
【００２２】
モータ１２は、回転軸４に固定されたロータ１３と、ロータ１３に対向して設けられた複数のステータ１４とを含む。回転センサ１５の検出結果に基づいて、ステータ１４に流す電流を制御して回転磁界を発生させることにより、回転軸４を所望の回転数で回転させることができる。
【００２３】
図２は、図１に示したデジタル磁気浮上回転装置５の概略構成を示すブロック図である。このデジタル磁気浮上回転装置５は、装置本体６、制御部７、およびホスト装置２０を備える。装置本体６は、回転軸４、磁気軸受８、位置センサ１１、モータ１２、および回転センサ１５を含む。制御部７は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路２１、プロセッサ２２、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）変換回路２３、アンプ２４、ＰＬＤ（ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ：プログラマブル・ロジック・デバイス）２５、およびモータ駆動装置２６を含む。図２を参照して、このデジタル磁気浮上回転装置５が図４に示した従来のデジタル磁気浮上回転装置と異なる点は、ＰＬＤ２５が追加されている点である。
【００２４】
ＰＬＤ２５は、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ：プログラマブル論理ゲート配列）などのプログラム変更が容易にできるプログラマブル・ロジック・デバイスである。ＰＬＤ２５は、プロセッサ２２とＩ／Ｏ信号線（または、バス）で接続されるとともに、ホスト装置２０とパラレル信号線およびシリアル信号線で接続される。たとえば、パラレル信号線には起動・停止・エラーなどの重要なデータが割り当てられ、シリアル信号線にはそれらに付随するエラーコードや各種ステータスに関するデータが割り当てられる。
【００２５】
次に、このデジタル磁気浮上回転装置５の動作について説明する。位置センサ１１は、回転軸４の位置変位を検出し、アナログ位置変位信号をパラレルＩ／Ｆ（インターフェース）のＡ／Ｄ変換回路２１に出力する。Ａ／Ｄ変換回路２１は、入力されたアナログ位置変位信号をデジタル位置変位信号に変換してプロセッサ２２に出力する。プロセッサ２２は、入力されたデジタル位置変位信号を取り込み処理して、ＰＬＤ２５とデータのやりとりをするとともにデジタル信号処理を行ない、デジタル電流指令信号をパラレルＩ／ＦのＤ／Ａ変換回路２３に出力する。Ｄ／Ａ変換回路２３は、入力されたデジタル電流指令信号をアナログ電流指令信号に変換してアンプ２４に出力する。電流フィードバックループを持つアンプ２４が入力された電流指令信号によって指令された電流を磁気軸受８のコイルに流すと、磁気軸受８は回転軸４を非接触で支持して磁気浮上させる。
【００２６】
回転センサ１５は、回転軸４の回転数を検出してその検出結果をＰＬＤ２５に出力する。ＰＬＤ２５は、回転センサ１５の検出結果を取り込み処理して、ホスト装置２０およびプロセッサ２２とデータのやりとりを行なうとともにモータ駆動装置２６に制御信号を出力する。モータ駆動装置２６が入力された制御信号に従ってモータ１２を駆動制御すると、モータ１２は回転体４を回転させる。
【００２７】
この場合、回転・停止などのモータ駆動制御は、ＰＬＤ２５においてハードウエアで実行されるため信頼性が向上する。また、ＰＬＤ２５の機能はＶＨＤＬ（ＶｅｒｉｌｏｇＨａｒｄｗａｒｅＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎＬａｎｇｕａｇｅ）などの言語で記述できるため、機能変更が容易である。なお、モータ駆動制御が不要なシステムの場合、ＰＬＤ２５と回転センサ１５との処理、ＰＬＤ２５とモータ駆動装置２６との処理は不要である。
【００２８】
プロッセサ２２とＰＬＤ２５とのデータのやりとりは、たとえば、浮上・停止などの数ビットのＩ／Ｏ信号（または、８〜１６ビット程度のバスアクセス信号）で行なわれる。プロセッサ２２は、ＰＬＤ２５のあるアドレスを読み込むことでＰＬＤ２５からの指令を取り込み、ＰＬＤ２５のあるアドレスにアクセスすることでプロセッサ２２のステータスを書き込む。
【００２９】
図示していないが、外部メモリなどのプロセッサ２２周辺のチップのアドレスデコード機能をＰＬＤ２５に統合してもよい。ここで、アドレスデコードとは、アドレスバスの値によって特定のチップのみと接続させることであり、たとえば、ＰＬＤ２５の１０００番地にメモリ（図示しない）、２０００番地にＡ／Ｄ変換回路２１、３０００番地にＤ／Ａ変換回路２３を割り当てて設計し、プロセッサ２２のアドレスバスが２０００番地である場合、プロセッサ２２とＡ／Ｄ変換回路２１のみが接続されることになる。デジタル制御装置のように種々の周辺チップを搭載した装置はこの機能が必要であり、通常は、容量の小さいＰＬＤやロジックＩＣなどで実装される。しかし、この機能をＰＬＤ２５に統合することで搭載チップが１つ減ることになる。この場合、より安価で簡易なシステムが実現できる。なお、アドレスデコード機能は、このＰＬＤ２５に搭載される機能に比べて非常に小さいため、アドレスデコード機能を追加するために、より大きな容量のＰＬＤが必要になるようなことはない。
【００３０】
図示していないが、ＰＬＤ２５とモータ駆動装置２６との間にＤ／Ａ変換回路を挿入することによって、ＰＬＤ２５はアナログモータ駆動装置を制御することもできる。
【００３１】
また、図示していないが、ＰＬＤ２５とモータ駆動装置２６とのデータのやりとりと、ＰＬＤ２５とホスト装置２０とのデータのやりとりのうち少なくとも一つをプロセッサ２２で処理させてもよい。
【００３２】
したがって、この実施の形態１によれば、一般的で安価かつロジック変更も容易なＰＬＤ２５が一部の制御アルゴリズムを実行し、プロセッサ２２は磁気軸受８の制御を主として実行することで、安価かつ高機能なデジタル磁気浮上回転装置５が実現できる。
【００３３】
（実施の形態２）
図３は、この発明の実施の形態２によるデジタル磁気浮上回転装置３０の概略構成を示すブロック図である。図３を参照して、このデジタル磁気浮上回転装置３０が図２に示したデジタル磁気浮上回転装置５と異なる点は、制御部３１において、シリアルＩ／ＦのＡ／Ｄ変換回路３２およびＤ／Ａ変換回路３３がプロセッサ２２に接続される代わりにＰＬＤ２５に接続されている点である。
【００３４】
この場合、高価なパラレルＩ／Ｆのチップに比べて安価なシリアルＩ／Ｆのチップが、プロセッサ２２のオーバーヘッドなしで使用できるようになる。プロセッサ２２は、ＰＬＤ２５のあるアドレスのパラレルデータを読み書きするだけでよい。ＰＬＤ２５は、パラレル／シリアル変換を行ない、シリアルＩ／ＦのＡ／Ｄ変換回路３２およびＤ／Ａ変換回路３３を制御する。したがって、プロセッサ２２を擬似的にパラレルＩ／Ｆを持つＡ／Ｄ変換回路およびＤ／Ａ変換回路としてみることができる。
【００３５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係るデジタル磁気浮上回転装置は、回転体を非接触で回転させるデジタル磁気浮上回転装置であって、回転体を非接触で支持する磁気軸受と、回転体の主軸位置変位を検出する位置センサと、回転体を回転させるモータと、回転体の回転数を検出する回転センサと、位置センサの検出結果に基づいて磁気軸受を制御する磁気軸受制御手段および回転センサの検出結果に基づいてモータを駆動制御するモータ制御手段とを含む制御手段と、制御手段とデータのやりとりを行なうホスト装置とを備える。制御手段は、モータ制御手段のデジタル制御処理およびホスト装置とのデータのやりとりのうち一部のデジタル制御処理を実行するプログラマブル・ロジック・デバイスと、磁気軸受制御手段のデジタル制御処理およびプログラマブル・ロジック・デバイスが実行するデジタル制御処理以外のデジタル制御処理を実行するプロセッサとを含む。したがって、一般的で安価かつロジック変更も容易なプログラマブル・ロジック・デバイスが一部の制御アルゴリズムを実行し、プロセッサは磁気軸受の制御を主として実行することで、安価かつ高機能なデジタル磁気浮上回転装置が実現できる。
【００３７】
好ましくは、制御手段とホスト装置とのデータのやりとりは、パラレル信号およびシリアル信号で行なう。この場合、パラレル信号とシリアル信号とを分けて処理することで、効率的な信号処理ができる。
【００３８】
また、好ましくは、プログラマブル・ロジック・デバイスは、プロセッサ周辺のチップのアドレスデコード機能を含む。この場合、搭載チップを減らすことができるため、より安価で簡易なデジタル磁気浮上回転装置を実現することができる。
【００３９】
また、好ましくは、磁気軸受制御手段は、シリアルインターフェースのデジタル／アナログ変換回路およびアナログ／デジタル変換回路を含み、プログラマブル・ロジック・デバイスは、パラレル／シリアル変換処理を行なう。この場合、安価なシリアルインターフェースのチップを使用することができ、より安価なデジタル磁気浮上回転装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるエキシマレーザ装置の要部を示す図である。
【図２】図１に示したデジタル磁気浮上回転装置５の概略構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態２によるデジタル磁気浮上回転装置３０の概略構成を示すブロック図である。
【図４】従来のデジタル磁気浮上回転装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１チャンバ、２ラジエータ、３ファン、４，４３回転軸、５，３０デジタル磁気浮上回転装置、６，４０装置本体、７，３１，４１制御部、８，４５磁気軸受、９ターゲット、１０電磁石、１１，４４位置センサ、１２，４７モータ、１３ロータ、１４ステータ、１５，４６回転センサ、２０，４２ホスト装置、２１，３２，４８Ａ／Ｄ変換回路、２２，４９プロセッサ、２３，３３，５０Ｄ／Ａ変換回路、２４，５１アンプ、２５ＰＬＤ、２６，５２モータ駆動装置。

Claims

回転体を非接触で回転させるデジタル磁気浮上回転装置であって、
前記回転体を非接触で支持する磁気軸受、
前記回転体の主軸位置変位を検出する位置センサ、
前記回転体を回転させるモータ、
前記回転体の回転数を検出する回転センサ、
前記位置センサの検出結果に基づいて前記磁気軸受を制御する磁気軸受制御手段と、前記回転センサの検出結果に基づいて前記モータを駆動制御するモータ制御手段とを含む制御手段、および
前記制御手段とデータのやりとりを行なうホスト装置を備え、
前記制御手段は、
前記モータ制御手段のデジタル制御処理と、前記ホスト装置とのデータのやりとりのうち一部のデジタル制御処理とを実行するプログラマブル・ロジック・デバイス、および
前記磁気軸受制御手段のデジタル制御処理と、前記プログラマブル・ロジック・デバイスが実行するデジタル制御処理以外のデジタル制御処理とを実行するプロセッサを含む、デジタル磁気浮上回転装置。
前記制御手段と前記ホスト装置とのデータのやりとりは、パラレル信号およびシリアル信号で行なう、請求項１に記載のデジタル磁気浮上回転装置。
前記プログラマブル・ロジック・デバイスは、前記プロセッサ周辺のチップのアドレスデコード機能を含む、請求項１または請求項２に記載のデジタル磁気浮上回転装置。
前記磁気軸受制御手段は、シリアルインターフェースのデジタル／アナログ変換回路およびアナログ／デジタル変換回路を含み、
前記プログラマブル・ロジック・デバイスは、パラレル／シリアル変換処理を行なう、請求項１から請求項３までのいずれかに記載のデジタル磁気浮上回転装置。