JP2007107604A - Vibration resistant device, and vibration resistant method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、新規な除振装置に関する。また、本発明は、この除振装置を用いる新規な除振方法に関する。 The present invention relates to a novel vibration isolator. The present invention also relates to a novel vibration isolation method using this vibration isolation device.
従来、半導体露光装置等の超精密機器の振動制御には、空気バネ式除振装置が使われており、その除振装置内部の圧力を、サーボバルブを用いて精密に制御している(例えば、非特許文献1参照。)。 Conventionally, an air spring vibration isolator has been used for vibration control of ultra-precision equipment such as a semiconductor exposure apparatus, and the pressure inside the vibration isolator is precisely controlled using a servo valve (for example, Non-patent document 1).
空気バネ式除振装置には、排気流量の大きい圧力制御型弁であるノズルフラッパ型空気圧サーボバルブが用いられ、変位と加速度をフィードバック信号として制御が行われている。ノズルフラッパ型空気式サーボバルブは、圧力に対して高い制御性を持っている。 The air spring type vibration isolator uses a nozzle flapper type pneumatic servo valve, which is a pressure control type valve with a large exhaust flow rate, and controls displacement and acceleration as feedback signals. The nozzle flapper type pneumatic servo valve has high controllability with respect to pressure.
空気ばね式除振装置の除振性能の向上には柔らかいばねの実現が重要である。この実現のために、空気ばね室内の容器容積を大きくすることが必要となる。そこで、空気ばね式除振装置と比べ容積が大きいバッファタンクを空気ばね式除振装置に接続し、空気ばね内の容器容積を大きくする方法がとられている。 In order to improve the vibration isolation performance of the air spring vibration isolator, it is important to realize a soft spring. In order to realize this, it is necessary to increase the container volume in the air spring chamber. Therefore, a method has been adopted in which a buffer tank having a volume larger than that of the air spring type vibration isolator is connected to the air spring type vibration isolator so as to increase the container volume in the air spring.
一方、高精度な圧力微分計の開発がなされている(例えば、非特許文献2〜8参照。)。
しかしながら、上述した従来の方法では、スペースを取るだけでなく、バッファタンク内空気も制御する必要があり、エネルギー消費も大きいという問題がある。 However, in the conventional method described above, there is a problem that not only the space is taken but also the air in the buffer tank needs to be controlled, and the energy consumption is large.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な除振装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、この除振装置を用いる新規な除振方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a novel vibration isolation device.
Another object of the present invention is to provide a novel vibration isolation method using this vibration isolation device.
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の除振装置は、除振台と、前記除振台を支持する空気バネと、前記空気バネへの給気と排気を行うバルブと、前記除振台の位置を検出する位置検出手段と、前記除振台の加速度を検出する加速度検出手段と、前期位置検出手段の出力を用いる位置フィードバックループと、前記加速度検出手段の出力を用いる加速度フィードバックループを有する除振装置において、前記空気バネの圧力変化を検出する圧力変化検出手段と、前記圧力変化検出手段の出力を用いる圧力変化フィードバックループを有し、前記バルブが圧力制御型バルブであることを特徴とする。 In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, a vibration isolation device of the present invention performs a vibration isolation table, an air spring that supports the vibration isolation table, and supplies and exhausts air to the air spring. A valve, position detection means for detecting the position of the vibration isolation table, acceleration detection means for detecting the acceleration of the vibration isolation table, a position feedback loop using the output of the previous position detection means, and output of the acceleration detection means And a pressure change detection loop for detecting a pressure change of the air spring and a pressure change feedback loop using an output of the pressure change detection means, wherein the valve is a pressure control type. It is a valve.
ここで、限定されるわけではないが、圧力制御型バルブはノズルフラッパ型サーボバルブであることが好ましい。また、限定されるわけではないが、圧力変化フィードバックループにおいて、圧力変化検出手段の出力を、P補償器を通して負帰還させることが好ましい。また、限定されるわけではないが、圧力変化検出手段は、容器と、空気バネ内と前記容器内を連絡する導通路と、前記空気バネ内と前記容器内の圧力差を求める差圧計とを有する圧力微分計であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、導通路は管、スリット、またはすきま流路であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、計測時の導通路内の流れは層流であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、容器は等温化圧力容器であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、容器は等温化具材が充填されていることが好ましい。また、限定されるわけではないが、等温化具材は金属細線であることが好ましい。また、限定されるわけではないが、差圧計はダイアフラム式差圧計であることが好ましい。 Here, the pressure control type valve is preferably a nozzle flapper type servo valve, although not limited thereto. Although not limited, it is preferable that the output of the pressure change detection means is negatively fed back through the P compensator in the pressure change feedback loop. Further, although not limited, the pressure change detection means includes a container, a conduction path that communicates between the inside of the air spring and the inside of the container, and a differential pressure gauge that calculates a pressure difference between the inside of the air spring and the inside of the container. It is preferable to have a pressure differential meter. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that a conduction path is a pipe | tube, a slit, or a clearance channel. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that the flow in the conduction path at the time of measurement is a laminar flow. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that a container is an isothermal pressure vessel. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that the container is filled with the isothermal material. Moreover, although not necessarily limited, it is preferable that the isothermal device material is a thin metal wire. Although not limited, the differential pressure gauge is preferably a diaphragm type differential pressure gauge.
本発明の除振方法は、除振台を空気バネにより支持し、前記空気バネへの給気と排気をバルブにより行い、前記除振台の位置を位置検出手段により検出し、前記位置検出手段の出力をフィードバックし、前記除振台の加速度を加速度検出手段により検出し、前記加速度検出手段の出力をフィードバックする除振方法において、前記空気バネの圧力変化を圧力変化検出手段により検出し、前記圧力変化検出手段の出力をフィードバックし、前記バルブが圧力制御型バルブであることを特徴とする。 In the vibration isolation method of the present invention, the vibration isolation table is supported by an air spring, the air spring is supplied and exhausted by a valve, the position of the vibration isolation table is detected by position detection means, and the position detection means In the vibration isolation method of detecting the acceleration of the vibration isolation table by the acceleration detection means and feeding back the output of the acceleration detection means, the pressure change detection means detects the pressure change of the air spring, The output of the pressure change detecting means is fed back, and the valve is a pressure control type valve.
ここで、限定されるわけではないが、圧力制御型バルブがノズルフラッパ型サーボバルブであることが好ましい。また、限定されるわけではないが、圧力変化検出手段の出力を、P補償器を通して負帰還させることが好ましい。また、限定されるわけではないが、圧力変化検出手段が、容器と、空気バネ内と前記容器内を連絡する導通路と、前記空気バネ内と前記容器内の圧力差を求める差圧計とを有する圧力微分計であることが好ましい。 Here, although not necessarily limited, the pressure control type valve is preferably a nozzle flapper type servo valve. Although not limited, it is preferable to negatively feed back the output of the pressure change detection means through the P compensator. Although not limited, the pressure change detecting means includes a container, a conduction path that communicates between the inside of the air spring and the inside of the container, and a differential pressure gauge that calculates a pressure difference between the inside of the air spring and the inside of the container. It is preferable to have a pressure differential meter.
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明は、除振台と、前記除振台を支持する空気バネと、前記空気バネへの給気と排気を行うバルブと、前記除振台の位置を検出する位置検出手段と、前記除振台の加速度を検出する加速度検出手段と、前期位置検出手段の出力を用いる位置フィードバックループと、前記加速度検出手段の出力を用いる加速度フィードバックループを有する除振装置において、前記空気バネの圧力変化を検出する圧力変化検出手段と、前記圧力変化検出手段の出力を用いる圧力変化フィードバックループを有し、前記バルブが圧力制御型バルブであるので、新規な除振装置を提供することができる。
The present invention has the following effects.
The present invention includes an anti-vibration table, an air spring that supports the anti-vibration table, a valve that supplies and exhausts air to the air spring, a position detection unit that detects a position of the anti-vibration table, and the anti-vibration table. In a vibration isolator having an acceleration detecting means for detecting acceleration of a shaking table, a position feedback loop using the output of the previous position detecting means, and an acceleration feedback loop using the output of the acceleration detecting means, the pressure change of the air spring is detected. Since the pressure change detecting means for detecting and the pressure change feedback loop using the output of the pressure change detecting means are provided and the valve is a pressure control type valve, a novel vibration isolator can be provided.
本発明は、除振台を空気バネにより支持し、前記空気バネへの給気と排気をバルブにより行い、前記除振台の位置を位置検出手段により検出し、前記位置検出手段の出力をフィードバックし、前記除振台の加速度を加速度検出手段により検出し、前記加速度検出手段の出力をフィードバックする除振方法において、前記空気バネの圧力変化を圧力変化検出手段により検出し、前記圧力変化検出手段の出力をフィードバックし、前記バルブが圧力制御型バルブであるので、新規な除振方法を提供することができる。 In the present invention, the vibration isolator is supported by an air spring, the air spring is supplied and exhausted by a valve, the position of the vibration isolator is detected by a position detector, and the output of the position detector is fed back. In the vibration isolation method for detecting the acceleration of the vibration isolation table by the acceleration detection means and feeding back the output of the acceleration detection means, the pressure change detection means detects the pressure change of the air spring, and the pressure change detection means Since the valve is a pressure control type valve, a novel vibration isolation method can be provided.
以下、除振装置および除振方法にかかる発明を実施するための最良の形態について説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the invention relating to a vibration isolation device and a vibration isolation method will be described.
除振装置および除振方法として、圧力制御型バルブを用いた空気バネ式除振装置および除振方法、並びに、圧力制御型バルブと圧力微分計を用いた空気バネ式除振装置および除振方法について説明する。 As a vibration isolator and a vibration isolation method, an air spring vibration isolator and a vibration isolation method using a pressure control valve, and an air spring vibration isolation device and a vibration isolation method using a pressure control valve and a pressure differential meter Will be described.
圧力制御型バルブを用いた空気バネ式除振装置および除振方法 Air spring type vibration isolator using pressure control type valve and vibration isolation method
圧力制御型バルブであるノズルフラッパ型サーボバルブは入力電圧uに対して固定容器の圧力Pが1次遅れ系の関係になる。つまり、入力電圧がステップ的に変化した場合の圧力応答の時間波形は次式(数1)で与えられる。 In the nozzle flapper type servo valve which is a pressure control type valve, the pressure P of the fixed container is in a first-order lag relationship with respect to the input voltage u. That is, the time waveform of the pressure response when the input voltage changes stepwise is given by the following equation (Equation 1).
ここで、Kは比例ゲイン、Tは時定数である。この関係をブロック線図で表すと図1となる。
空気バネ式除振装置は通常、質量、ばね、ダンパで表現される。運動方程式で表すと、次式(数2)となる。
Here, K is a proportional gain, and T is a time constant. This relationship is represented by a block diagram in FIG.
An air spring type vibration isolator is usually expressed by a mass, a spring, and a damper. When expressed by the equation of motion, the following equation (Equation 2) is obtained.
ここで、xは空気バネの変位、mは空気バネ上の負荷質量、Aは空気バネにおける負荷を支える部分の面積、Pは空気バネ内の圧力、kはバネ係数、bは粘性係数である。 Where x is the displacement of the air spring, m is the load mass on the air spring, A is the area of the air spring that supports the load, P is the pressure in the air spring, k is the spring coefficient, and b is the viscosity coefficient. .
よって、(2)式より圧力Pから変位xまでの関係をブロック線図で表すと図2となる。図2に示される制御対象である空気バネ式除振装置の制御では、通常、変位計を用いて変位xを、加速度計を用いて加速度d2x/dt2をそれぞれ計測する。それらの値をフィードバック信号として制御器に取り込んで、所定の制御方法による演算を行い、制御弁であるノズルフラッパ型サーボバルブに制御信号を与えることで、圧力Pを制御して変位および加速度の変化を最小限に押さえるように制御を行う。 Therefore, if the relationship from the pressure P to the displacement x is expressed by a block diagram from the equation (2), FIG. 2 is obtained. In the control of the air spring type vibration isolator shown in FIG. 2, the displacement x is usually measured using a displacement meter, and the acceleration d 2 x / dt 2 is measured using an accelerometer. These values are taken into the controller as feedback signals, calculation is performed according to a predetermined control method, and a control signal is given to the nozzle flapper type servo valve, which is a control valve, to control the pressure P and change the displacement and acceleration. Control to keep it to a minimum.
制御方法としては、変位に関して目標値xrに対するPI制御、加速度に対しては比例ゲインKaをかけた信号をフィードバックすることが一般的である。つまり、バルブへの制御信号(通常電圧)uは次式(数3)で与えられる。ここで、Kpは比例ゲインであり、TIは積分時定数である。 As control method, PI control with respect to the target value x r with respect to the displacement, it is common to feedback a signal multiplied by the proportional gain K a for acceleration. That is, the control signal (normal voltage) u to the valve is given by the following equation (Equation 3). Here, K p is a proportional gain, and T I is an integration time constant.
よって、従来の制御方法をブロック線図にまとめると図3となる。ノズルフラッパ型サーボバルブは出力が圧力(不完全積分値)であり、圧力制御には大変有効である。 Therefore, the conventional control method is summarized in a block diagram as shown in FIG. Nozzle flapper type servo valves output pressure (incomplete integral value) and are very effective for pressure control.
除振装置は、除振台と、前記除振台を支持する空気バネと、前記空気バネへの給気と排気を行うバルブと、前記除振台の位置を検出する位置検出手段と、前記除振台の加速度を検出する加速度検出手段と、前記位置検出手段の出力を用いる位置フィードバックループと、前記加速度検出手段の出力を用いる加速度フィードバックループを有する除振装置である。前記バルブは、圧力制御型バルブであるノズルフラッパ型サーボバルブである。 The vibration isolation device includes a vibration isolation table, an air spring that supports the vibration isolation table, a valve that supplies and exhausts air to the air spring, a position detection unit that detects a position of the vibration isolation table, An anti-vibration device having an acceleration detection means for detecting an acceleration of a vibration isolation table, a position feedback loop using an output of the position detection means, and an acceleration feedback loop using an output of the acceleration detection means. The valve is a nozzle flapper type servo valve which is a pressure control type valve.
図4は、空気バネをアクチュエータとする従来の空気バネ式除振装置の構成を示す。同図において、1は空気バネのバッファタンク部分、2は空気バネのゴムベローズ部分を、3は除振台を示す。空気バネ1と2は除振台3を支持している。4は除振台の位置を検出する位置センサ(位置検出手段)を示す。位置センサ4としては渦電流式変位センサ、静電容量センサ、光電変換素子を応用した位置検出センサなどが使用できる。5は、除振台の加速度を検出する加速度センサ(加速度検出手段)である。6は空気の供給源を示す。7は、空気バネへ動作流体である空気の給気および排気を行うノズルフラッパ型サーボバルブである。
FIG. 4 shows a configuration of a conventional air spring vibration isolator using an air spring as an actuator. In the figure,
つぎに、空気バネ式支持脚12に対するフィードバック装置120の構成とその動作を説明する。まず、加速度センサ5の出力は、適切な増幅度と時定数とを有するフィルタ8−bを通った後にP補償器15を通り、ノズルフラッパ型サーボバルブ7の弁開度制御用電圧電流変換器11の前に負帰還している。この加速度フィードバックループにより機構の安定化が図られる。すなわち、ダンピングが付与される。
Next, the configuration and operation of the
さらに、位置センサ4の出力は、同じく適切な増幅度と時定数とを有するフィルタ8−aを通って、設定変位との比較器9への入力となっている。ここでは、空気バネ式支持脚12の設置面に対する目標位置となる設定変位と比較され、偏差信号がPI補償器10を通って電圧電流変換器11に入力する。サーボバルブ7の弁開度の変化によって空気バネ1と2の内圧が調整されて除振台3は目標設定変位に定常偏差なく保持できる。このように、位置検出手段の出力を用いる位置フィードバックループが形成されている。ここで、Pは比例を、Iは積分動作をそれぞれ意味する。
Further, the output of the position sensor 4 is input to the comparator 9 with the set displacement through the filter 8-a which also has an appropriate amplification degree and time constant. Here, the displacement is compared with a set displacement that is a target position with respect to the installation surface of the air spring
圧力制御型バルブと圧力微分計を用いた空気バネ式除振装置および除振方法 Air spring type vibration damping device and pressure damping method using pressure control type valve and pressure differential meter
ここでは、高分解能で圧力微分値が測定可能な圧力微分計の信号をフィードバックする。このほかは、上述した圧力制御型バルブを用いた空気バネ式除振装置と同様である。 Here, a pressure differential meter signal capable of measuring a pressure differential value with high resolution is fed back. The rest is the same as the air spring type vibration isolator using the pressure control type valve described above.
図5の点線で囲ったブロック図に示すように、圧力微分値をフィードバックすると、入力電圧がステップ的に変化した場合の圧力応答の時間波形は次式(数4)で与えられえる。 As shown in the block diagram surrounded by the dotted line in FIG. 5, when the differential pressure value is fed back, the time waveform of the pressure response when the input voltage changes stepwise can be given by the following equation (Equation 4).
つまり、時定数をTからT+Kdpに大きくすることができる。圧力微分値をフィードバックすると電圧から圧力までの伝達関数はP/u=K/((T+K・Kdp)s+1)で表される。
空気ばねのばね定数kは次式(数5)で与えられる。
That is, the time constant can be increased from T to T + K dp . When the pressure differential value is fed back, the transfer function from voltage to pressure is expressed by P / u = K / ((T + K · K dp ) s + 1).
The spring constant k of the air spring is given by the following equation (Equation 5).
ここで、Pは空気ばね内の圧力、Aは空気ばねの受圧面積Vは空気ばね内の容積を表す。(5)式より柔らかいばねはVを大きくすることで実現できることがわかる。 Here, P represents the pressure in the air spring, A represents the pressure receiving area V of the air spring, and the volume in the air spring. From the equation (5), it can be seen that a softer spring can be realized by increasing V.
ノズルフラッパ型バルブにおいて、ある平衡圧Pでの圧力変化ΔPと質量流量変化ΔGから、流量ゲインaを次式(数6)で与える。 In the nozzle flapper type valve, the flow rate gain a is given by the following equation (Equation 6) from the pressure change ΔP and the mass flow rate change ΔG at a certain equilibrium pressure P.
時定数Tは、次式(数7)で示される。ここで、Rは気体定数、θは気体の絶対温度である。 The time constant T is expressed by the following equation (Formula 7). Here, R is a gas constant, and θ is the absolute temperature of the gas.
つまり、時定数Tを大きくすることは、容積Vを大きくすることと比例関係にあり、(5)式からばね定数kが小さくなることが明らかである。つまり、柔らかいばねが実現できることを意味する。通常容積を大きくしてばね定数を小さくする方法がとられる。図5の方法では、圧力微分計を用いることで(4)式から明らかなように、ノズルフラッパ型バルブの時定数を大きくできることから、容積を大きくしたことと等価な効果が得られ、仮想的に容積を大きくしたことになる。 That is, increasing the time constant T is proportional to increasing the volume V, and it is clear from the equation (5) that the spring constant k decreases. That is, it means that a soft spring can be realized. Usually, a method of increasing the volume and reducing the spring constant is employed. In the method of FIG. 5, the time constant of the nozzle flapper type valve can be increased by using a pressure differential meter, as apparent from the equation (4). The volume was increased.
除振装置は、図6に示すように圧力微分計(圧力変化検出手段)13の信号もフィードバックするものである。図6の空気バネ式支持脚12に対するフィードバック装置120の構成とその動作を説明する。まず、加速度センサ5と位置センサ4の出力は図4の従来の方法と同様にサーボバルブに与えられる。
As shown in FIG. 6, the vibration isolator also feeds back a signal from the pressure differential meter (pressure change detection means) 13. The configuration and operation of the
さらに、空気バネの圧力変化を検出する圧力微分計13の出力が適切な増幅度と時定数とを有するフィルタ8−cを通った後に、P補償器14を通して負帰還される。このように、圧力変化検出手段の出力を用いる圧力変化フィードバックループが形成される。微圧制御では、圧力センサの出力を微分した信号を負帰還してもノイズの影響等で有効な信号として使用することが困難である。しかし、圧力微分計13を用いることによって、高分解能、低ノイズに圧力変化が測定可能となり、負帰還信号として有効となる。これらの制御信号によって、空気バネ1と2内の圧力が調整されて除振台3は目標変位に定常偏差なく保持できる。
Further, the output of the pressure differential meter 13 for detecting the change in pressure of the air spring passes through the filter 8-c having an appropriate amplification degree and time constant, and is then negatively fed back through the
空気バネの容積は50cc〜0.1m3の範囲内にあることが好ましい。空気バネの容積が50cc以上であると、空気バネとしての効果が期待できるという利点がある。空気バネの容積が0.1m3以下であると、スペースの確保が可能であるという利点がある。なお、空気バネの容積は、空気バネのバッファタンク部分1の容積とゴムベローズ部分2の容積の合計の値である。
The volume of the air spring is preferably in the range of 50 cc to 0.1 m 3 . If the volume of the air spring is 50 cc or more, there is an advantage that an effect as an air spring can be expected. When the volume of the air spring is 0.1 m 3 or less, there is an advantage that a space can be secured. The volume of the air spring is a total value of the volume of the
つぎに、圧力微分計について説明する。図7は、圧力微分計の構成を示すものである。圧力微分計は、容器と、計測対象と容器内を連絡するすきま流路と、計測対象と容器内の圧力差を求める差圧計とを有している。 Next, the pressure differential meter will be described. FIG. 7 shows the configuration of the pressure differential meter. The pressure differential meter has a container, a clearance channel that connects the measurement object and the inside of the container, and a differential pressure gauge that calculates a pressure difference between the measurement object and the container.
容器としては、等温化圧力容器21を用いることができる。等温化圧力容器21には、等温化具材が充填されている。等温化具材としては、例えば金属細線を使用することができる。
An
金属細線としては、例えば銅細線を使用することができる。このほか、鉄、アルミニウム、ステンレスなどの細線や、木綿、ナイロンなどを使用することができる。すなわち、材料が繊維状であり、その径が10〜50μmの範囲にあり、熱伝導度が0.05W/mK以上であれば採用することができる。 As the metal fine wire, for example, a copper fine wire can be used. In addition, fine wires such as iron, aluminum, and stainless steel, cotton, and nylon can be used. That is, if the material is fibrous, the diameter thereof is in the range of 10 to 50 μm, and the thermal conductivity is 0.05 W / mK or more, it can be adopted.
等温化圧力容器の容積に対する等温化具材の体積比は、3〜15%の範囲にあることが好ましい。体積比が3%以上であると、ほぼ等温変化を実現できるという利点がある。体積比が15%以下であると、容器内の圧力が分布せず、容器のどの個所で圧力を測定しても問題ないという利点がある。 The volume ratio of the isothermal tool material to the isothermal pressure vessel volume is preferably in the range of 3 to 15%. If the volume ratio is 3% or more, there is an advantage that an almost isothermal change can be realized. When the volume ratio is 15% or less, the pressure in the container is not distributed, and there is an advantage that there is no problem even if the pressure is measured at any part of the container.
等温化圧力容器の容積は1.0×10−8〜1.0×10−4m3の範囲にあることが好ましい。容積が1.0×10−8m3以上であると、等温化圧力容器が構成しやすいという利点がある。容積が1.0×10−4m3以下であると、高応答の計測が可能であるという利点がある。 The volume of the isothermal pressure vessel is preferably in the range of 1.0 × 10 −8 to 1.0 × 10 −4 m 3 . When the volume is 1.0 × 10 −8 m 3 or more, there is an advantage that the isothermal pressure vessel is easy to configure. When the volume is 1.0 × 10 −4 m 3 or less, there is an advantage that high-response measurement is possible.
圧力微分計の計測対象としては、空気が適用できる。計測対象は空気に限定されない。このほか、窒素、水素、二酸化炭素などあらゆる気体などに適用することができる。 Air can be applied as a measurement target of the pressure differential meter. The measurement target is not limited to air. In addition, it can be applied to all gases such as nitrogen, hydrogen, carbon dioxide, and the like.
すきま流路(導通路)は、2つの曲面の間に形成されるすきまである。図7の例において、曲面は円筒形状である。すきま流路26は、外半径r1、内半径r2、および長さLの円筒形状である。円筒形状の平均半径rmは、rm=(r1+r2)/2で表すことができる。すきま流路6の厚さhは、h=r1-r2で表すことができる。 The clearance channel (conduction channel) extends to a gap formed between two curved surfaces. In the example of FIG. 7, the curved surface has a cylindrical shape. The clearance channel 26 has a cylindrical shape with an outer radius r 1 , an inner radius r 2 , and a length L. The average radius r m of the cylindrical shape can be expressed by r m = (r 1 + r 2 ) / 2. The thickness h of the clearance channel 6 can be expressed by h = r 1 -r 2 .
ここで、円筒形状の平均半径rmは1〜100mmの範囲内にあることが好ましい。平均半径rmが1mm以上であると、加工が容易であるという利点がある。平均半径rmが100mm以下であると、センサが大きくならずに済むという利点がある。 The average radius r m of the cylindrical shape is preferably in the range of 1 to 100 mm. If the average radius r m is at 1mm or more, there is an advantage that machining is easy. If the average radius r m is at less than 100mm, there is an advantage that the sensor need not be large.
すきま流路の厚さhは0.00001〜0.001mの範囲にあることが好ましい。厚さhが0.00001m以上であると動特性がある程度確保できること、圧力損失が大きくならずに済みという利点がある。厚さhが0.001m以下であると、層流の実現が容易であるという利点がある。 The thickness h of the clearance channel is preferably in the range of 0.00001 to 0.001 m. When the thickness h is 0.00001 m or more, there are advantages that dynamic characteristics can be secured to some extent and pressure loss does not have to be increased. When the thickness h is 0.001 m or less, there is an advantage that laminar flow can be easily realized.
すきま流路の長さLは20〜500mmの範囲内にあることが好ましい。長さLが20mm以上であると、助走距離の影響を小さくできるという利点がある。長さLが500mm以下であると、時定数が大きくならずに済むという利点がある。 The length L of the clearance channel is preferably in the range of 20 to 500 mm. If the length L is 20 mm or more, there is an advantage that the influence of the approach distance can be reduced. When the length L is 500 mm or less, there is an advantage that the time constant is not increased.
すきま流路の形状は、上述の円筒形状(断面が円形の筒形状)に限定されるものではない。このほかすきま流路の形状としては、断面が楕円の筒形状、断面が矩形の筒形状などを採用することができる。 The shape of the clearance channel is not limited to the above-described cylindrical shape (a cylindrical shape having a circular cross section). In addition, as the shape of the clearance channel, a cylindrical shape having an elliptical cross section, a cylindrical shape having a rectangular cross section, or the like can be employed.
すきま流路は、上述のように種々の形状を採用することができる。ここで、形状はその全体であっても、またその一部であってもよい。たとえば断面が円形の筒形状(円筒形状)においては、断面が円形すべてばかりでなく、一部が欠けているもの(たとえば半円形)であってもよい。 Various shapes can be adopted for the clearance channel as described above. Here, the shape may be the whole or a part thereof. For example, in a cylindrical shape (cylindrical shape) having a circular cross section, the cross section may be not only all circular but also partially lacking (for example, semicircular).
すきま流路は、1つばかりでなく、複数個設置してもよい。すきま流路を複数個設置すると、時定数を小さくできるという利点がある。 A plurality of clearance channels may be installed instead of only one. When a plurality of clearance channels are installed, there is an advantage that the time constant can be reduced.
計測時のすきま流路内の流れは、層流であることが好ましい。その理由は、圧力と流量に比例関係が成立し、圧力微分計が構成できるからである。 The flow in the clearance channel at the time of measurement is preferably a laminar flow. The reason is that a proportional relationship is established between the pressure and the flow rate, and a pressure differential meter can be configured.
図7に示すように、計測対象と等温化圧力容器内の圧力差を求めるために差圧計を用いる。差圧計としては、ダイアフラム式差圧計22を用いることができる。差圧計は、このダイアフラム式差圧計22に限定されない。このほか、ベローズを使用するものなどあらゆる差圧計を用いることができる。なお、差圧計は、図7のように内蔵されている必要は必ずしもない。外付けでも、すきま流路間の差圧が計測できればよい。
As shown in FIG. 7, a differential pressure gauge is used to obtain a pressure difference between the measurement target and the isothermal pressure vessel. As the differential pressure gauge, a diaphragm type
計測対象である下部の容器内圧力Psが変化すると、すきま流路を通って等温化圧力容器内の圧力Pcが僅かに遅れて変化し、その時の差圧Pj=Ps-Pcをダイアフラム式差圧計で計測することにより、Psの微分値を求めることが可能である。 When the pressure P s in the lower vessel to be measured changes, the pressure P c in the isothermal pressure vessel changes slightly after passing through the clearance channel, and the differential pressure P j = P s -P c at that time It is possible to obtain the differential value of P s by measuring with a diaphragm type differential pressure gauge.
上記の例では、導通路としてすきま流路を挙げた。導通路は、このすきま流路に限定されない。このほか、断面が円形の管、断面が矩形のスリットなどを用いることができる。導通路内の流れは、層流であることが好ましい。 In the above example, a clearance channel is used as the conduction channel. The conduction path is not limited to this clearance path. In addition, a tube having a circular cross section, a slit having a rectangular cross section, or the like can be used. The flow in the conduction path is preferably a laminar flow.
図7において、等温化圧力容器21内は常に等温であり、すきま流路の流れが層流であると、エネルギー方程式とハーゲンポアズイユの法則より、計測対象の圧力Psの微分値と圧力の出力の間には、次式(数8)の関係が導かれる(非特許文献3)。
7, is always the
(8)式より、圧力微分計の出力Pdoと計測対象の圧力Psの微分値の間には、一次遅れの関係が成立する。ここで、Pcは等温化圧力容器内の圧力、Pjはダイアフラム式差圧計の出力信号である。圧力微分計の出力ゲイン From the equation (8), a first-order lag relationship is established between the output P do of the pressure differential meter and the differential value of the pressure P s to be measured. Here, the P c pressure isothermal pressure vessel, is P j is the output signal of the diaphragm-type differential pressure gauge. Output gain of pressure differential meter
は定数となる。(9)式において、μは粘度、Rは空気の気体定数、θは容器内の絶対温度、ρaは大気圧下における空気の密度、Paは大気圧下の圧力、Vは等温化圧力容器の容積、Lはすきま流路の長さ、r1はすきま流路の外半径、r2はすきま流路の内半径である。 Is a constant. In equation (9), μ is the viscosity, R is the gas constant of air, θ is the absolute temperature in the container, ρ a is the air density under atmospheric pressure, P a is the pressure under atmospheric pressure, and V is the isothermal pressure. The volume of the container, L is the length of the clearance channel, r 1 is the outer radius of the clearance channel, and r 2 is the inner radius of the clearance channel.
圧力微分計を加圧下(Pc≧Pa)で使用する場合には、容器内が加圧されるほど、時定数 When using a pressure differential meter under pressure (P c ≧ P a ), the time constant increases as the pressure in the container increases.
は小さくなる。 Becomes smaller.
つぎに、圧力制御型バルブを用いた空気バネ式除振装置、および圧力制御型バルブと圧力微分計を用いた空気バネ式除振装置について、除振装置としての評価を実験により行った。使用機器と実験条件は以下のとおりである。 Next, the air spring type vibration isolator using the pressure control type valve and the air spring type vibration isolator using the pressure control type valve and the pressure differential meter were evaluated by experiments. The equipment used and the experimental conditions are as follows.
圧力制御型バルブを用いた空気バネ式除振装置 Air spring type vibration isolator using pressure control type valve
図4に示す除振装置において実験を行った。使用した空気ばねの容積1700ccに対して、容積1000ccのサブバッファタンク(図示していない)を除振台に並列で繋ぎ実験をした。なお、サブバッファタンクなしの状態での固有周波数は1.4Hzとなり、サブバッファタンクを付加した場合は1.1Hzとなった。 An experiment was conducted in the vibration isolator shown in FIG. An experiment was performed by connecting a sub-buffer tank (not shown) with a capacity of 1000 cc in parallel with a vibration isolation table to the capacity of 1700 cc of the air spring used. The natural frequency without a sub-buffer tank was 1.4 Hz, and 1.1 Hz when a sub-buffer tank was added.
除振装置において、変位センサおよび加速度センサは以下のものを用いた。
変位センサ:PE−LS5、富士電機社製
加速度センサ:MG−102−20、特許機器社製
In the vibration isolator, the following displacement sensors and acceleration sensors were used.
Displacement sensor: PE-LS5, manufactured by Fuji Electric Co., Ltd. Acceleration sensor: MG-102-20, manufactured by Patent Equipment Co., Ltd.
実験は空気ばねに負荷86Kgを載せて目標位置3mmで浮上させた状態から、負荷上のシリンダを駆動させることで外乱を与え、その際の変位を計測した。
実験条件としては、実験番号1:サブバッファタンクをつけた状態での実験、実験番号2:サブバッファタンクを外した状態での実験、の2種類を行った。表1に実験パラメータを示す。
In the experiment, a load was applied to the air spring, and a disturbance was applied by driving a cylinder on the load from a state where the load was lifted at a target position of 3 mm, and the displacement at that time was measured.
As experiment conditions, two types of experiments were conducted: experiment number 1: experiment with the sub-buffer tank attached and experiment number 2: experiment with the sub-buffer tank removed. Table 1 shows the experimental parameters.
圧力制御型バルブと圧力微分計を用いた空気バネ式除振装置 Air spring type vibration isolator using pressure control type valve and pressure differential meter
図6に示す除振装置において実験を行った。使用した空気ばねの容積1700ccである。
圧力微分計を製作した。製作した圧力微分計の仕様は以下のとおりである。
容器の形状:筒型(直径dv=20mm、高さHv=45mm)
V:(π/4)dv 4Hv=8.2×10-6m3
r1:10mm
r2:9.9mm
h:100μm
L:25mm
Pc,Psを計測する圧力センサ:豊田工機PD64S500K
Pjを測定するダイアフラム式圧力センサ:長野計器KL-17
等温化具材:φ25μmの銅細線、12g(体積比7.1%、
単位体積あたりの質量620kg/m3)
An experiment was conducted in the vibration isolator shown in FIG. The volume of air spring used is 1700cc.
A pressure differential meter was manufactured. The specifications of the manufactured pressure differential meter are as follows.
Container shape: cylindrical (diameter d v = 20mm, height H v = 45mm)
V: (π / 4) d v 4 H v = 8.2 × 10 −6 m 3
r 1 : 10mm
r 2 : 9.9mm
h: 100μm
L: 25mm
Pressure sensor that measures P c and P s : Toyoda Machine Works PD64S500K
Diaphragm type pressure sensor for measuring the P j: Nagano Keiki KL-17
Isothermal material: φ25μm copper wire, 12g (volume ratio 7.1%,
Mass per unit volume 620kg / m 3 )
実験は空気ばねに負荷86Kgを載せて目標位置3mmで浮上させた状態から、負荷上のシリンダを駆動させることで外乱を与え、その際の変位を計測した。実験条件としては、実験番号3:サブバッファタンクを外した状態で、圧力微分値をフィードバックした場合の実験を行った。表1に実験パラメータを示す。 In the experiment, a load was applied to the air spring, and a disturbance was applied by driving a cylinder on the load from a state where the load was lifted at a target position of 3 mm, and the displacement at that time was measured. As an experimental condition, an experiment No. 3: an experiment was conducted when the pressure differential value was fed back with the sub-buffer tank removed. Table 1 shows the experimental parameters.
実験結果は、図8,9に示すとおりである。
図8は、サブバッファタンクを付けた場合(実験番号1)の変位と、サブバッファタンクを外した場合(実験番号2)の変位を比較した図である。浮上させて20秒経ってから、シリンダを駆動させて外乱を与えた。目標位置3mmに対し、一度沈んでから行き過ぎた後に定常状態に戻っている。図中の(1)の線が容積を大きくした場合(実験番号1)であり、より大きく変位が変動しており、柔らかいばねとなっていることがわかる。
The experimental results are as shown in FIGS.
FIG. 8 is a diagram comparing the displacement when the sub-buffer tank is attached (experiment number 1) and the displacement when the sub-buffer tank is removed (experiment number 2). After 20 seconds of ascent, the cylinder was driven to give a disturbance. With respect to the target position of 3 mm, after sinking once, it goes back to the steady state after going too far. The line (1) in the figure is the case where the volume is increased (experiment number 1), and it can be seen that the displacement fluctuates more and is a soft spring.
図9は、サブバッファタンクを付けた場合(実験番号1)の変位と、サブバッファタンクを外した状態で、圧力微分値をフィードバックした場合(実験番号3)の変位を比較した図である。両者はよく一致しており、実験番号3の方法で仮想的に容積を大きくした場合と等価な効果が得られていることがわかる。 FIG. 9 is a diagram comparing the displacement when the sub-buffer tank is attached (experiment number 1) and the displacement when the pressure differential value is fed back (experiment number 3) with the sub-buffer tank removed. Both agree well, and it can be seen that an effect equivalent to that obtained when the volume is virtually increased by the method of Experiment No. 3 is obtained.
実験番号3の方法によって空気ばね式除振台の制御用バルブの動きを任意に変更することが可能となり、空気ばねにサブバッファタンクを設けた場合と同様な柔らかな動きが実現できる。つまりサブバッファタンクをつけた状態を仮想的に実現でき、省スペース化と省エネルギー化の双方が実現可能である。従来のサブバッファタンクを設置する方法と比較して、その分の容積の省スペース化が実現できるとともに、バッファタンクでの消費空気量を削減できる。通常サブバッファバンクは空気ばね内容積の10倍程度の場合が多い。よって、その分のスペースと消費空気量が削減できる。 The movement of the control valve of the air spring type vibration isolation table can be arbitrarily changed by the method of Experiment No. 3, and a soft movement similar to the case where the sub buffer tank is provided in the air spring can be realized. That is, the state with the sub-buffer tank attached can be virtually realized, and both space saving and energy saving can be realized. Compared with the conventional method of installing a sub-buffer tank, it is possible to realize a space saving of the corresponding volume and reduce the amount of air consumed in the buffer tank. Usually, the sub-buffer bank is often about 10 times the volume of the air spring. Therefore, the space and the amount of air consumed can be reduced accordingly.
省エネルギー化が実現できるのは、バッファタンクへの空気の充填、放出の必要性がないことから、消費空気量が削減できるからである。 The energy saving can be realized because the air consumption can be reduced because there is no need to fill and discharge the buffer tank with air.
なお、上述の除振装置では、垂直方向の振動の制御について説明したが、この垂直方向に限定されるわけではない。本発明の除振装置は、このほか水平方向などあらゆる方向の振動の制御に用いることができる。 In the vibration isolator described above, the control of vibration in the vertical direction has been described, but the present invention is not limited to this vertical direction. The vibration isolator of the present invention can also be used for controlling vibrations in all directions including the horizontal direction.
上述の例では、圧力微分計の出力をフィードバックさせることを説明したが、この方法に限定されるわけではない。このほか、圧力微分値の出力を積分してフィードバックして制御をすることもできる。この方法は、圧力制御型バルブ(たとえばノズルフラッパ型サーボバルブ)ばかりでなく、流量制御型バルブ(たとえばスプール型サーボバルブ)にも適用できる。 In the above example, the feedback of the output of the pressure differential meter has been described. However, the present invention is not limited to this method. In addition, the output of the pressure differential value can be integrated and fed back for control. This method can be applied not only to a pressure control type valve (for example, a nozzle flapper type servo valve) but also to a flow rate control type valve (for example, a spool type servo valve).
本発明の除振装置は、半導体露光装置等の超精密機器の振動制御ばかりでなく、加工装置、車両などの振動制御にも使用することができる。 The vibration isolator of the present invention can be used not only for vibration control of ultra-precision equipment such as a semiconductor exposure apparatus but also for vibration control of a processing apparatus, a vehicle, and the like.
以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、除振台と、前記除振台を支持する空気バネと、前記空気バネへの給気と排気を行うバルブと、前記除振台の位置を検出する位置検出手段と、前記除振台の加速度を検出する加速度検出手段と、前期位置検出手段の出力を用いる位置フィードバックループと、前記加速度検出手段の出力を用いる加速度フィードバックループを有する除振装置において、前記空気バネの圧力変化を検出する圧力変化検出手段と、前記圧力変化検出手段の出力を用いる圧力変化フィードバックループを有し、前記バルブが圧力制御型バルブであるので、新規な除振装置を提供することができる。 From the above, according to the best mode for carrying out the present invention, a vibration isolation table, an air spring that supports the vibration isolation table, a valve that supplies and exhausts air to the air spring, and Position detection means for detecting the position of the vibration isolation table, acceleration detection means for detecting the acceleration of the vibration isolation table, a position feedback loop using the output of the previous position detection means, and acceleration feedback using the output of the acceleration detection means The vibration isolator having a loop has a pressure change detecting means for detecting a pressure change of the air spring and a pressure change feedback loop using an output of the pressure change detecting means, and the valve is a pressure control type valve. A novel vibration isolation device can be provided.
また、本発明を実施するための最良の形態によれば、除振台を空気バネにより支持し、前記空気バネへの給気と排気をバルブにより行い、前記除振台の位置を位置検出手段により検出し、前記位置検出手段の出力をフィードバックし、前記除振台の加速度を加速度検出手段により検出し、前記加速度検出手段の出力をフィードバックする除振方法において、前記空気バネの圧力変化を圧力変化検出手段により検出し、前記圧力変化検出手段の出力をフィードバックし、前記バルブが圧力制御型バルブであるので、新規な除振方法を提供することができる。 According to the best mode for carrying out the present invention, the vibration isolator is supported by an air spring, the air spring is supplied and exhausted by a valve, and the position of the vibration isolator is detected by a position detecting means. And detecting the acceleration of the vibration isolation table by the acceleration detection means, and feeding back the output of the acceleration detection means to the pressure change of the air spring. Since it is detected by the change detecting means and the output of the pressure change detecting means is fed back, and the valve is a pressure control type valve, a novel vibration isolation method can be provided.
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。 The present invention is not limited to the best mode for carrying out the above-described invention, and various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
1‥‥空気バネのバッファタンク部分、2‥‥空気バネのゴムベローズ部分、3‥‥除振台、4‥‥位置センサ、5‥‥加速度センサ、6‥‥空気の供給源、7‥‥ノズルフラッパ型サーボバルブ、8a,8b,8c‥‥フィルタ、9‥‥比較器、10‥‥PI補償器、11‥‥電圧電流変換器、12‥‥空気バネ式支持脚、13‥‥圧力微分計、14,15‥‥P補償器、21‥‥等温化圧力容器、22‥‥ダイアフラム式差圧計、24‥‥容器、26‥‥すきま流路
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記空気バネの圧力変化を検出する圧力変化検出手段と、前記圧力変化検出手段の出力を用いる圧力変化フィードバックループを有し、
前記バルブが圧力制御型バルブである
ことを特徴とする除振装置。 A vibration isolation table, an air spring that supports the vibration isolation table, a valve that supplies and exhausts air to the air spring, position detection means that detects the position of the vibration isolation table, and acceleration of the vibration isolation table In an anti-vibration apparatus having an acceleration detecting means for detecting the position, a position feedback loop using the output of the position detecting means, and an acceleration feedback loop using the output of the acceleration detecting means,
A pressure change detecting means for detecting a pressure change of the air spring; and a pressure change feedback loop using an output of the pressure change detecting means,
The vibration isolation device, wherein the valve is a pressure control type valve.
ことを特徴とする請求項1記載の除振装置。 The vibration isolator according to claim 1, wherein the pressure control type valve is a nozzle flapper type servo valve.
ことを特徴とする請求項1記載の除振装置。 The vibration isolation device according to claim 1, wherein in the pressure change feedback loop, the output of the pressure change detection means is negatively fed back through a P compensator.
ことを特徴とする請求項1記載の除振装置。 The pressure change detection means is a pressure differential meter having a container, a conduction path that communicates between the inside of the air spring and the inside of the container, and a differential pressure gauge that obtains a pressure difference between the inside of the air spring and the inside of the container. The vibration isolator according to claim 1.
ことを特徴とする請求項4記載の除振装置。 The vibration isolator according to claim 4, wherein the conduction path is a pipe, a slit, or a clearance channel.
ことを特徴とする請求項4記載の除振装置。 The vibration isolator according to claim 4, wherein the flow in the conduction path during measurement is a laminar flow.
ことを特徴とする請求項4記載の除振装置。 The vibration isolator according to claim 4, wherein the container is an isothermal pressure container.
ことを特徴とする請求項4記載の除振装置。 The vibration isolator according to claim 4, wherein the container is filled with an isothermal material.
ことを特徴とする請求項8記載の除振装置。 The vibration isolator according to claim 8, wherein the isothermal material is a thin metal wire.
ことを特徴とする請求項4記載の除振装置。 The vibration isolator according to claim 4, wherein the differential pressure gauge is a diaphragm type differential pressure gauge.
前記空気バネへの給気と排気をバルブにより行い、
前記除振台の位置を位置検出手段により検出し、前記位置検出手段の出力をフィードバックし、
前記除振台の加速度を加速度検出手段により検出し、前記加速度検出手段の出力をフィードバックする
除振方法において、
前記空気バネの圧力変化を圧力変化検出手段により検出し、前記圧力変化検出手段の出力をフィードバックし、
前記バルブが圧力制御型バルブである
ことを特徴とする除振方法。 The vibration isolation table is supported by an air spring,
Supply and exhaust air to the air spring by a valve,
Detecting the position of the vibration isolation table by a position detection means, and feeding back the output of the position detection means;
In the vibration isolation method, the acceleration detection unit detects the acceleration of the vibration isolation table and feeds back the output of the acceleration detection unit.
Detecting a pressure change of the air spring by a pressure change detecting means, and feeding back an output of the pressure change detecting means;
The vibration isolation method, wherein the valve is a pressure control type valve.
ことを特徴とする請求項11記載の除振方法。 The vibration isolation method according to claim 11, wherein the pressure control type valve is a nozzle flapper type servo valve.
ことを特徴とする請求項11記載の除振方法。 The vibration isolation method according to claim 11, wherein the output of the pressure change detection means is negatively fed back through a P compensator.
ことを特徴とする請求項11記載の除振方法。
The pressure change detection means is a pressure differential meter having a container, a conduction path that communicates between the inside of the air spring and the inside of the container, and a differential pressure gauge that obtains a pressure difference between the inside of the air spring and the inside of the container. The vibration isolation method according to claim 11.
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