JP2011185368A - Magnetic bearing device and magnetic floating stage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気軸受装置および磁気浮上ステージに関し、特に、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石を備える磁気軸受装置、および、このような磁気軸受部を備える磁気浮上ステージに関する。 The present invention relates to a magnetic bearing device and a magnetic levitation stage, and more particularly, to a magnetic bearing device including an electromagnet that supports an electromagnet target by a magnetic attractive force, and a magnetic levitation stage including such a magnetic bearing portion.
従来、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石を備える磁気軸受装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a magnetic bearing device including an electromagnet that supports an electromagnet target with a magnetic attractive force is known (for example, see Patent Document 1).
上記特許文献1には、磁極および励磁巻線(励磁コイル)を含む電磁石と、回転軸(浮上体)が取り付けられ、電磁石により支持される電磁石ターゲットと、電磁石および電磁石ターゲットを収納するハウジングと、ハウジングに固定的に支持された永久磁石とを備えたスラスト軸受部(磁気軸受装置)が開示されている。このスラスト軸受部では、電磁石ターゲットの下方側に電磁石を配置するとともに、電磁石ターゲットの上方側に永久磁石を配置している。これにより、電磁石ターゲットを上下両側からの磁気吸引力で支持することができるので、電磁石ターゲットを一方側からの磁気吸引力で支持する場合に比べて、電磁石ターゲットを支持する堅さ(剛性)を高めることが可能であると考えられる。 In Patent Document 1, an electromagnet including a magnetic pole and an excitation winding (excitation coil), an electromagnet target to which a rotating shaft (floating body) is attached and supported by the electromagnet, a housing that houses the electromagnet and the electromagnet target, A thrust bearing portion (magnetic bearing device) having a permanent magnet fixedly supported by a housing is disclosed. In this thrust bearing portion, an electromagnet is disposed below the electromagnet target, and a permanent magnet is disposed above the electromagnet target. As a result, the electromagnet target can be supported by the magnetic attraction force from both the upper and lower sides. Therefore, compared to the case where the electromagnet target is supported by the magnetic attraction force from one side, the rigidity (rigidity) that supports the electromagnet target is increased. It is thought that it can be increased.
しかしながら、上記特許文献1では、永久磁石による磁気吸引力により電磁石ターゲットの剛性を高めることが可能である一方、永久磁石による磁気吸引力は一定であるため、支持する回転軸(浮上体)の重量が変化した場合などに、回転軸を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させる際に、永久磁石の吸引力が一定であることに起因して所望の磁気軸受特性を維持することができないという問題点がある。 However, in Patent Document 1, the rigidity of the electromagnet target can be increased by the magnetic attraction force by the permanent magnet, while the magnetic attraction force by the permanent magnet is constant, so the weight of the rotating shaft (floating body) to be supported is When the electric current of the electromagnet is changed to support the rotating shaft at a fixed position, for example, the desired magnetic bearing characteristics can be maintained due to the constant attraction force of the permanent magnet. There is a problem that it is not possible.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、電磁石ターゲットを挟むように電磁石および永久磁石を設けた構成において、支持する浮上体の重量が変化した場合にも、所望の磁気軸受特性を維持することが可能な磁気軸受装置、および、このような磁気軸受部を備える磁気浮上ステージを提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and one object of the present invention is to support the weight of a floating body to be supported in a configuration in which an electromagnet and a permanent magnet are provided so as to sandwich an electromagnet target. It is to provide a magnetic bearing device capable of maintaining desired magnetic bearing characteristics and a magnetic levitation stage equipped with such a magnetic bearing portion even when the angle changes.
上記目的を達成するために、この発明の第1の局面における磁気軸受装置は、浮上体に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲットと、第1磁極と励磁コイルとを含み、電磁石ターゲットに対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を含む第2磁極とを備え、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている。 In order to achieve the above object, a magnetic bearing device according to a first aspect of the present invention includes an electromagnet target made of a magnetic material, a first magnetic pole, and an excitation coil, and is opposed to the electromagnet target. And an electromagnet that supports the electromagnet target with a magnetic attraction force, and a second magnet that includes a permanent magnet that is arranged to face the portion of the electromagnet target opposite to the electromagnet and that attracts the electromagnet target with the magnetic attraction force. The magnetic pole is provided, and the distance between the second magnetic pole and the electromagnet target is adjustable.
この発明の第1の局面による磁気軸受装置では、上記のように、電磁石ターゲットに対向するように電磁石を配置し、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように永久磁石を含む第2磁極を配置するとともに、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成することによって、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整することにより永久磁石を含む第2磁極による磁気吸引力を調整することができる。これにより、電磁石ターゲットを挟むように電磁石および永久磁石を設けた構成において、支持する浮上体の重量が変化した際に、浮上体を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させた場合にも、永久磁石(第2磁極)による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。また、この第1の局面による磁気軸受装置では、永久磁石(第2磁極)の電磁石ターゲットに対する距離の調整により永久磁石による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。 In the magnetic bearing device according to the first aspect of the present invention, as described above, the electromagnet is disposed so as to face the electromagnet target, and the permanent magnet is included so as to face the portion of the electromagnet target opposite to the electromagnet. The magnetic attraction force by the second magnetic pole including the permanent magnet by adjusting the distance between the second magnetic pole and the electromagnet target by arranging the two magnetic poles and adjusting the distance between the second magnetic pole and the electromagnet target. Can be adjusted. Thus, in the configuration in which the electromagnet and the permanent magnet are provided so as to sandwich the electromagnet target, when the current of the electromagnet is changed to support the levitated body at a fixed position when the weight of the levitating body to be supported changes. However, by adjusting the magnetic attraction force by the permanent magnet (second magnetic pole), the magnetic bearing characteristics can be adjusted and the desired magnetic bearing characteristics can be maintained. In the magnetic bearing device according to the first aspect, the magnetic attraction force by the permanent magnet can be adjusted by adjusting the distance of the permanent magnet (second magnetic pole) to the electromagnet target. It can be easily changed according to.
上記第1の局面による磁気軸受装置において、好ましくは、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータをさらに備える。このように構成すれば、アクチュエータにより、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を容易に調整することができるので、第2磁極による磁気吸引力を容易に調整することができる。これにより、支持する浮上体の重量が変化した場合でも、容易に、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。 The magnetic bearing device according to the first aspect preferably further includes an actuator for adjusting the distance between the second magnetic pole and the electromagnet target. If comprised in this way, since the distance of a 2nd magnetic pole and an electromagnet target can be easily adjusted with an actuator, the magnetic attraction force by a 2nd magnetic pole can be adjusted easily. Thereby, even when the weight of the floating body to support changes, a magnetic bearing characteristic can be adjusted easily and a desired magnetic bearing characteristic can be maintained.
この場合、好ましくは、電磁石に流れる電流を検出する電流検出手段と、少なくとも電流検出手段により検出された電磁石に流れる電流に基づいて、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を、所望の磁気軸受特性が得られる第2磁極と電磁石ターゲットとの目標距離になるようにアクチュエータを制御する制御部とをさらに備える。このように構成すれば、支持する浮上体の重量が変化したことに伴って電磁石に流れる電流が変化した場合でも、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を電磁石に流れる電流に応じた目標距離に調整して容易に所望の磁気軸受特性を維持することができる。 In this case, preferably, the distance between the second magnetic pole and the electromagnet target is set to a desired magnetic bearing characteristic based on the current detection means for detecting the current flowing through the electromagnet and at least the current flowing through the electromagnet detected by the current detection means. And a control unit that controls the actuator so as to be a target distance between the second magnetic pole and the electromagnet target. If comprised in this way, even when the electric current which flows into an electromagnet changes with the weight of the floating body to support, the distance of a 2nd magnetic pole and an electromagnet target will be made into the target distance according to the electric current which flows into an electromagnet. The desired magnetic bearing characteristics can be easily maintained by adjustment.
上記制御部を備える構成において、好ましくは、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を検出する距離検出手段と、電流検出手段により検出された電磁石に流れる電流と、距離検出手段により検出された第2磁極と電磁石ターゲットとの距離とに基づいて、所望の磁気軸受特性が得られる第2磁極と電磁石ターゲットとの目標距離を演算する演算部とをさらに備え、制御部は、演算部により演算された目標距離になるように、アクチュエータを制御するように構成されている。このように構成すれば、演算部により、電磁石に流れる電流および第2磁極と電磁石ターゲットとの距離の両方に基づいて精度よく第2磁極と電磁石ターゲットとの目標距離が演算されるので、所望の磁気軸受特性を精度よく維持することができる。 In the configuration including the control unit, preferably, a distance detection unit that detects a distance between the second magnetic pole and the electromagnet target, a current that flows through the electromagnet detected by the current detection unit, and a second that is detected by the distance detection unit. And a calculation unit that calculates a target distance between the second magnetic pole and the electromagnet target that provides desired magnetic bearing characteristics based on the distance between the magnetic pole and the electromagnet target. The actuator is configured to control the target distance. If comprised in this way, since the target part of a 2nd magnetic pole and an electromagnet target will be accurately computed by the calculating part based on both the electric current which flows into an electromagnet, and the distance of a 2nd magnetic pole and an electromagnet target, desired Magnetic bearing characteristics can be accurately maintained.
上記演算部を備える構成において、好ましくは、演算部は、電流検出手段により検出された電磁石に流れる電流と、距離検出手段により検出された第2磁極と電磁石ターゲットとの距離とに基づいて、所望の磁気軸受特性が得られるように、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持するための第2磁極と電磁石ターゲットとの目標距離を演算するように構成されている。このように構成すれば、支持する浮上体の重量が変化した際に、浮上体を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させた場合にも、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持することにより所望の磁気軸受特性を維持することができる。 In the configuration including the calculation unit, the calculation unit is preferably configured based on the current flowing through the electromagnet detected by the current detection unit and the distance between the second magnetic pole detected by the distance detection unit and the electromagnet target. In order to obtain the magnetic bearing characteristics, the target distance between the second magnetic pole and the electromagnet target for maintaining the compliance characteristic as an index of rigidity at a predetermined value is calculated. With this configuration, when the weight of the floating body to be supported changes, even when the current of the electromagnet is changed in order to support the floating body in a fixed position, the compliance characteristic serving as an index of rigidity is set to a predetermined value. By maintaining the value, desired magnetic bearing characteristics can be maintained.
上記アクチュエータを備える構成において、好ましくは、アクチュエータは、空気圧で駆動されるように構成されている。このように構成すれば、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータの空気圧による減衰効果を利用して、電磁石ターゲットに振動が発生した場合にも振動を有効に減衰させることができる。これにより、電磁石ターゲットの振動を減衰させるための減衰装置を別途設けることなく、振動を迅速に低減することができるので、磁気軸受装置の制御応答性を向上させることができる。 In the configuration including the actuator, the actuator is preferably configured to be driven by air pressure. If comprised in this way, a vibration can be effectively damped also when a vibration generate | occur | produces in an electromagnet target using the damping effect by the air pressure of the actuator which adjusts the distance of a 2nd magnetic pole and an electromagnet target. As a result, the vibration can be quickly reduced without separately providing a damping device for damping the vibration of the electromagnet target, so that the control response of the magnetic bearing device can be improved.
上記第1の局面による磁気軸受装置において、好ましくは、電磁石は、電磁石ターゲットの上方に配置され、電磁石ターゲットを鉛直上方向の磁気吸引力により支持するスラスト電磁石を含み、第2磁極は、電磁石ターゲットの下方に配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により鉛直下方向に吸引する永久磁石を含むスラスト磁極を含む。このように構成すれば、電磁石ターゲットを鉛直方向に支持する磁気軸受装置において、支持する浮上体の重量が変化した場合でも、電磁石ターゲットに対するスラスト磁極による鉛直下方向への磁気吸引力およびスラスト電磁石による鉛直上方向への磁気吸引力のそれぞれを調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。 In the magnetic bearing device according to the first aspect, preferably, the electromagnet includes a thrust electromagnet that is disposed above the electromagnet target and supports the electromagnet target with a magnetic attraction force in a vertically upward direction, and the second magnetic pole is the electromagnet target. And a thrust magnetic pole including a permanent magnet that attracts the electromagnet target vertically downward by a magnetic attraction force. With this configuration, in the magnetic bearing device that supports the electromagnet target in the vertical direction, even if the weight of the floating body to be supported changes, the magnetic attraction force in the vertical downward direction by the thrust magnetic pole with respect to the electromagnet target and the thrust electromagnet It is possible to maintain desired magnetic bearing characteristics by adjusting each of the magnetic attraction forces in the vertically upward direction.
この発明の第2の局面における磁気浮上ステージは、浮上ステージ部と、浮上ステージ部を鉛直方向に支持する磁気軸受部とを備え、磁気軸受部は、浮上ステージ部に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲットと、第1磁極と励磁コイルとを有し、電磁石ターゲットに対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を有する第2磁極とを含み、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている。 A magnetic levitation stage according to a second aspect of the present invention includes a levitation stage portion and a magnetic bearing portion that supports the levitation stage portion in the vertical direction, and the magnetic bearing portion is attached to the levitation stage portion and is made of a magnetic material. An electromagnet target, having a first magnetic pole and an exciting coil, arranged to face the electromagnet target, and opposed to the portion of the electromagnet target opposite to the electromagnet that supports the electromagnet target by magnetic attraction force And a second magnetic pole having a permanent magnet that attracts the electromagnet target with a magnetic attraction force, and is configured such that the distance between the second magnetic pole and the electromagnet target can be adjusted.
この発明の第2の局面による磁気浮上ステージでは、上記のように、電磁石ターゲットに対向するように電磁石を配置し、電磁石ターゲットの電磁石とは反対側の部分に対向するように永久磁石を含む第2磁極を配置するとともに、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成することによって、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整することにより永久磁石を含む第2磁極による磁気吸引力を調整することができる。これにより、電磁石ターゲットを挟むように電磁石および永久磁石を設けた構成において、支持する浮上ステージ部の重量が変化した際に、浮上ステージ部を定位置で支持するために電磁石の電流を変化させた場合にも、永久磁石(第2磁極)による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。また、この第2の局面による磁気浮上ステージでは、永久磁石(第2磁極)の電磁石ターゲットに対する距離の調整により永久磁石による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。 In the magnetic levitation stage according to the second aspect of the present invention, as described above, the electromagnet is disposed so as to face the electromagnet target and the permanent magnet is included so as to face the portion of the electromagnet target opposite to the electromagnet. The magnetic attraction force by the second magnetic pole including the permanent magnet by adjusting the distance between the second magnetic pole and the electromagnet target by arranging the two magnetic poles and adjusting the distance between the second magnetic pole and the electromagnet target. Can be adjusted. Thus, in the configuration in which the electromagnet and the permanent magnet are provided so as to sandwich the electromagnet target, the current of the electromagnet is changed in order to support the levitation stage portion at a fixed position when the weight of the levitation stage portion to be supported changes. Even in this case, by adjusting the magnetic attractive force by the permanent magnet (second magnetic pole), it is possible to adjust the magnetic bearing characteristics and maintain the desired magnetic bearing characteristics. In the magnetic levitation stage according to the second aspect, the magnetic attraction force by the permanent magnet can be adjusted by adjusting the distance of the permanent magnet (second magnetic pole) to the electromagnet target. It can be easily changed according to.
上記第2の局面による磁気浮上ステージにおいて、好ましくは、第2磁極と電磁石ターゲットとの距離を調整するアクチュエータと、浮上ステージ部を水平面内の第1水平方向に非接触状態で駆動する第1水平方向駆動部と、浮上ステージ部を第1水平方向に直交する水平面内の第2水平方向に非接触状態で駆動する第2水平方向駆動部とをさらに備える。このように構成すれば、第1水平方向駆動部および第2水平方向駆動部による水平面内の動作に伴って浮上ステージ部に外乱が生じた場合でも、この第2の局面による磁気浮上ステージでは、アクチュエータにより磁気軸受部の磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができるので、浮上ステージ部の安定した浮上状態を得ることができ、その結果、第1水平方向駆動部および第2水平方向駆動部により、浮上ステージ部を水平面内で安定して動作させることができる。 In the magnetic levitation stage according to the second aspect, preferably, an actuator that adjusts a distance between the second magnetic pole and the electromagnet target, and a first horizontal that drives the levitation stage portion in a non-contact state in a first horizontal direction in a horizontal plane. A direction driving unit, and a second horizontal direction driving unit that drives the levitation stage unit in a non-contact state in a second horizontal direction within a horizontal plane orthogonal to the first horizontal direction. If constituted in this way, even when a disturbance occurs in the levitation stage part due to the movement in the horizontal plane by the first horizontal direction drive unit and the second horizontal direction drive unit, in the magnetic levitation stage according to the second aspect, Since the desired magnetic bearing characteristics can be maintained by adjusting the magnetic bearing characteristics of the magnetic bearing section by the actuator, a stable levitation state of the levitation stage section can be obtained. As a result, the first horizontal driving section and By the second horizontal direction drive unit, the levitation stage unit can be stably operated in the horizontal plane.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1を参照して、本発明の第1実施形態によるスラスト磁気軸受装置100の構成について説明する。なお、スラスト磁気軸受装置100は、本発明の「磁気軸受装置」の一例である。
(First embodiment)
With reference to FIG. 1, the structure of the thrust magnetic bearing
本発明の第1実施形態によるスラスト磁気軸受装置100は、図1に示すように、浮上体110を鉛直方向(Z方向)の所定位置(定位置)に非接触で浮上させるように構成されている。また、スラスト磁気軸受装置100は、浮上体110に取り付けられた電磁石ターゲット1と、電磁石ターゲット1の上方(Z1方向)に所定の距離を隔てて配置されたスラスト電磁石2と、電磁石ターゲット1の下方(Z2方向)に所定の距離を隔てて配置された永久磁石31を含むスラスト磁極3とを備えている。なお、スラスト電磁石2は、本発明の「電磁石」の一例であり、スラスト磁極3は、本発明の「第2磁極」の一例である。
As shown in FIG. 1, the thrust
電磁石ターゲット1は、磁性材からなり、水平方向に延びるように形成されている。また、スラスト電磁石2は、上側フレーム120に固定的に取り付けられ、電磁石ターゲット1の上面(Z1方向の表面)に対向するように設置されている。また、スラスト電磁石2は、上側磁極部21と、上側磁極部21に巻き付けられた励磁コイル22とにより構成されている。また、スラスト電磁石2は、鉛直上方向(Z1方向)の磁気吸引力により電磁石ターゲット1を支持するように構成されている。具体的には、スラスト電磁石2は、励磁コイル22に電流を流して鉛直上方向の磁気吸引力を発生させる。なお、上側磁極部21は、本発明の「第1磁極」の一例である。
The electromagnet target 1 is made of a magnetic material and is formed to extend in the horizontal direction. Further, the
スラスト磁極3は、電磁石ターゲット1の下面(Z2方向の表面)に対向するように配置されている。また、スラスト磁極3は、上記した永久磁石31と、永久磁石31が中央部に配置された下側磁極部32とにより構成されている。すなわち、下側磁極部32は、凹形状を有するとともに、凹形状の底面中央部に永久磁石31が埋め込まれるように配置されている。また、永久磁石31は、左右方向(水平方向)にN極およびS極が配列されている。また、スラスト磁極3は、鉛直下方向(Z2方向)の磁気吸引力により電磁石ターゲット1を吸引するように構成されている。また、電磁石ターゲット1を、重力に加えてスラスト磁極3による磁気吸引力によっても鉛直下方向(Z2方向)に吸引することにより、電磁石ターゲット1が鉛直下方向に重力のみで吸引される場合に比べて、電磁石ターゲット1の剛性を高めることができる。
The thrust
ここで、第1実施形態では、スラスト磁極3は、アクチュエータ33により鉛直方向(Z方向)に移動可能に構成されており、電磁石ターゲット1からの離間距離Dが調整可能に構成されている。アクチュエータ33は、下側フレーム130の上面に固定的に設置され、スラスト磁極3の下側(Z2方向側)に配置されている。また、アクチュエータ33は、空気圧で駆動されるように構成されている。
Here, in the first embodiment, the thrust
また、スラスト磁気軸受装置100には、電磁石ターゲット1とスラスト電磁石2との離間距離を検出するための上側センサ4と、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dを検出するための下側センサ5とが設けられている。上側センサ4は、ギャップセンサであり、スラスト電磁石2が取り付けられる上側フレーム120の下面に固定的に取り付けられている。また、下側センサ5は、ギャップセンサであり、スラスト磁極3の下側磁極部32に固定的に取り付けられている。なお、下側センサ5は、本発明の「距離検出手段」の一例である。
The thrust
また、スラスト磁気軸受装置100は、励磁コイル22に流れる電流を検出する電流検出器6と、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との目標離間距離を演算する演算器7と、アクチュエータ33の駆動を制御する制御器8とをさらに備えている。なお、電流検出器6は、本発明の「電流検出手段」の一例であり、演算器7は、本発明の「演算部」の一例である。また、制御器8は、本発明の「制御部」の一例である。
The thrust
演算器7は、電流検出器6から励磁コイル22に流れる電流の検出結果を取得するとともに、下側センサ5から電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dの検出結果を取得するように構成されている。また、演算器7は、浮上体110の重量変化や外乱などにより浮上体110に外力が生じた場合に、励磁コイル22に流れる電流および電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dに基づいて、浮上体110の外力を推定して電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との目標離間距離を演算するように構成されている。ここで、第1実施形態では、浮上体110の重量変化や外乱などにより浮上体110に外力が生じた場合に、電磁石ターゲット1を定位置で支持しながら、所望の磁気軸受特性を維持するための電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との間の距離を目標離間距離として設定している。
The
第1実施形態においては、演算器7は、浮上体110の重量変化や外乱などにより浮上体110に外力が生じた場合でも、浮上体110を定位置で支持したまま、磁気軸受特性を所望の値に維持するための電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との距離を目標離間距離として取得する。ここで、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との距離を調整することにより、電磁石ターゲット1に対するスラスト磁極3(永久磁石31)の磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受装置の不平衡剛性Kuを調整することが可能である。したがって、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との距離を調整することにより、剛性の指標となるコンプライアンス特性を調整することが可能である。
In the first embodiment, the
制御器8は、演算器7による演算結果に基づいて、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との距離が目標離間距離になるようにアクチュエータ33をZ方向に動作させるように構成されている。
The controller 8 is configured to operate the
次に、第1実施形態によるスラスト磁気軸受装置100において、浮上体110に外力が生じた場合の動作について説明する。
Next, in the thrust
まず、浮上体110の重量変化や外乱などにより浮上体110に外力が生じると、電磁石ターゲット1を定位置で支持するために、励磁コイル22に流れる電流を変化させてスラスト電磁石2による鉛直上方向への磁気吸引力を変化させる。そして、演算器7により、電流検出器6により検出されるスラスト電磁石2の電流および下側センサ5により検出される電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dに基づいて、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との目標離間距離を演算する。具体的には、演算器7は、浮上体110に外力が生じた前後において、浮上体110を定位置で支持したまま、磁気軸受特性を変化させないための電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との距離を求める。その後、制御器8により、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dが目標離間距離となるようにアクチュエータ33をZ方向に駆動させる。これにより、スラスト磁極3による鉛直下方向への磁気吸引力を所望の大きさに変化させることができる。
First, when an external force is generated in the
第1実施形態では、上記のように、電磁石ターゲット1の上面に対向するようにスラスト電磁石2を配置し、電磁石ターゲット1の下面に対向するように永久磁石31を含むスラスト磁極3を配置するとともに、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dを調整可能に構成することによって、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dを調整することにより永久磁石31を含むスラスト磁極3による磁気吸引力を調整することができる。これにより、電磁石ターゲット1を挟むようにスラスト電磁石2および永久磁石31を設けた構成において、支持する浮上体110の重量が変化した際に、浮上体110を定位置で支持するためにスラスト電磁石2の電流を変化させた場合にも、永久磁石31(スラスト磁極3)による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。その結果、浮上体110の重量変化に対して安定した浮上状態を得ることができる。また、このスラスト磁気軸受装置100では、永久磁石31を含むスラスト磁極3の電磁石ターゲット1に対する離間距離Dの調整により永久磁石31による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。
In the first embodiment, as described above, the
また、第1実施形態では、上記のように、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dを調整するアクチュエータ33を設けることによって、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dを容易に調整することができるので、スラスト磁極3による磁気吸引力を容易に調整することができる。これにより、支持する浮上体110の重量が変化した場合でも、容易に、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。
In the first embodiment, as described above, by providing the
また、第1実施形態では、上記のように、スラスト電磁石2に流れる電流に基づいて、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dを所望の磁気軸受特性が得られる電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との目標離間距離になるようにアクチュエータ33を制御する制御器8を設けることによって、支持する浮上体110の重量が変化したことに伴ってスラスト電磁石2に流れる電流が変化した場合でも、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dをスラスト電磁石2に流れる電流に応じた目標離間距離に調整して容易に所望の磁気軸受特性を維持することができる。
Further, in the first embodiment, as described above, based on the current flowing through the
また、第1実施形態では、上記のように、スラスト電磁石2に流れる電流と、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dとに基づいて、所望の磁気軸受特性が得られる電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との目標離間距離を演算する演算器7を設け、制御器8を、演算器7により演算された目標離間距離になるように、アクチュエータ33を制御するように構成することによって、演算器7により、スラスト電磁石2に流れる電流および電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dの両方に基づいて精度よく電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との目標離間距離が演算されるので、所望の磁気軸受特性を精度よく維持することができる。
In the first embodiment, as described above, the electromagnet target 1 that obtains desired magnetic bearing characteristics based on the current flowing through the
また、第1実施形態では、上記のように、演算器7により、スラスト電磁石2に流れる電流と、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dとに基づいて、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持するための電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との目標離間距離を演算することによって、支持する浮上体110の重量が変化した際に、浮上体110を定位置で支持するためにスラスト電磁石2の電流を変化させた場合にも、剛性の指標となるコンプライアンス特性を所定の値に維持することができる。これにより、所望の磁気軸受特性を維持することができる。
Further, in the first embodiment, as described above, the computing characteristic 7 causes the compliance characteristic to be an index of rigidity based on the current flowing through the
また、第1実施形態では、上記のように、アクチュエータ33を空気圧で駆動されるように構成することによって、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離Dを調整するアクチュエータ33の空気圧による減衰効果を利用して、電磁石ターゲット1に振動が発生した場合にも振動を有効に減衰させることができる。これにより、電磁石ターゲット1の振動を減衰させるための減衰装置を別途設けることなく、振動を迅速に低減することができるので、スラスト磁気軸受装置100の制御応答性を向上させることができる。
In the first embodiment, as described above, the
(第2実施形態)
次に、図2および図3を参照して、第2実施形態について説明する。この第2実施形態では、上記第1実施形態のスラスト磁気軸受装置100と同様の構成のスラスト磁気軸受装置100aを磁気浮上ステージ200に適用した場合について説明する。なお、第2実施形態では、上記第1実施形態と同じ構成については同じ符号を付してその説明を省略する。また、スラスト磁気軸受装置100aは、本発明の「磁気軸受部」の一例である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, a case where a thrust
本発明の第2実施形態による磁気浮上ステージ200は、半導体基板に回路パターンを現像する露光装置に用いられるものであり、ウエハを支持可能に構成されている。また、磁気浮上ステージ200は、図2および図3に示すように、Y方向から見て逆U字形状の浮上ステージ部201と、浮上ステージ部201のX方向の両側でY方向に延びるように形成された2つのスラスト磁気軸受装置100aとを備えている。また、浮上ステージ部201は、X方向の両端部において2つのスラスト磁気軸受装置100aの2つの電磁石ターゲット1に取り付けられている。なお、浮上ステージ部201は、本発明の「浮上体」の一例である。
The
また、磁気浮上ステージ200は、内部に2つのスラスト磁気軸受装置100aを収納する筐体202と、浮上ステージ部201上に設置されたウエハ保持器203とをさらに備えている。筐体202の内側上面には、2つのスラスト磁気軸受装置100aの2つのスラスト電磁石2が固定的に設置されている。また、2つのスラスト電磁石2は、X方向において浮上ステージ部201を両側から挟むように配置されている。また、各スラスト電磁石2は、浮上ステージ部201に取り付けられた対応する電磁石ターゲット1の上面(Z1方向の表面)に対向するように設置されている。また、筐体202の内側上面には、上側センサ4が各スラスト電磁石2に隣接するように固定的に設置されている。
The
また、筐体202の内側下面上には、2つのスラスト磁気軸受装置100aの2つのアクチュエータ33が固定的に設置されている。また、2つのアクチュエータ33の上部には、2つのスラスト磁極3が鉛直方向(Z方向)に移動可能に設けられている。また、各スラスト磁極3は、浮上ステージ部201に取り付けられた対応する電磁石ターゲット1の下面(Z2方向の表面)に対向するように設置されている。ここで、この第2実施形態においても、2つの永久磁石31を含む2つのスラスト磁極3が2つのアクチュエータ33により鉛直方向に駆動されることによって、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離が調整可能である。また、各スラスト磁極3の下側磁極部32には、下側センサ5が固定的に取り付けられている。上記の構成により、磁気浮上ステージ200は、2つのスラスト磁気軸受装置100aにより、浮上ステージ部201を鉛直方向(Z方向)の所定位置(定位置)に非接触で支持している。
In addition, two
また、図2に示すように、浮上ステージ部201のY方向の両側には、浮上ステージ部201をX方向に動作させるための一対のXリニアモータ204aおよび204bが設けられている。一対のXリニアモータ204aおよび204bは、X方向に延びるように形成されている。また、図3に示すように、浮上ステージ部201の内側には、浮上ステージ部201をY方向に動作させるための一対のYリニアモータ205aおよび205bが設けられている。一対のYリニアモータ205aおよび205bは、Y方向に延びるように形成されている。これにより、磁気浮上ステージ200では、浮上ステージ部201をX方向、Y方向およびZ方向の3軸方向に動作させることが可能である。なお、Xリニアモータ204aおよび204bは、本発明の「第1水平方向駆動部」の一例であり、Yリニアモータ205aおよび205bは、本発明の「第2水平方向駆動部」の一例である。
Further, as shown in FIG. 2, a pair of X
また、図2および図3には図示していないが、第2実施形態の2つのスラスト磁気軸受装置100aにも、上記第1実施形態と同様の電流検出器6、演算器7および制御器8が設けられている。
Although not shown in FIGS. 2 and 3, the two thrust
なお、第2実施形態のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。 In addition, the other structure of 2nd Embodiment is the same as that of the said 1st Embodiment.
第2実施形態では、上記のように、2つの電磁石ターゲット1の上面に対向するように2つのスラスト電磁石2を配置し、2つの電磁石ターゲット1の下面に対向するように永久磁石31を含む2つのスラスト磁極3を配置するとともに、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離を調整可能に構成することによって、電磁石ターゲット1とスラスト磁極3との離間距離を調整することにより永久磁石31を含む2つのスラスト磁極3による磁気吸引力を調整することができる。これにより、2つの電磁石ターゲット1を挟むように2つのスラスト電磁石2および2つの永久磁石31を設けた構成において、支持する浮上ステージ部201の重量が変化した際に、浮上ステージ部201を定位置で支持するために2つのスラスト電磁石2の電流を変化させた場合にも、2つの永久磁石31(スラスト磁極3)による磁気吸引力を調整することによって、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。その結果、浮上ステージ部201の重量変化に対して安定した浮上状態を得ることができる。また、この磁気浮上ステージ200では、永久磁石31(スラスト磁極3)の電磁石ターゲット1に対する離間距離の調整により2つの永久磁石31による磁気吸引力を調整することができるので、一旦設定した磁気軸受特性を状況に応じて容易に変更することができる。
In the second embodiment, as described above, the two
また、第2実施形態では、Xリニアモータ204a、204bやYリニアモータ205a、205bの駆動に伴って浮上ステージ部201に外乱が生じた場合でも、2つのスラスト磁気軸受装置100aの2つの永久磁石31による磁気吸引力を調整することにより、磁気軸受特性を調整して所望の磁気軸受特性を維持することができる。これにより、安定した浮上ステージ部201の浮上状態を得ることができるので、Xリニアモータ204a、204bおよびYリニアモータ205a、205bにより、浮上ステージ部201を水平面内で安定して動作させることができる。
In the second embodiment, the two permanent magnets of the two thrust
なお、第2実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。 The remaining effects of the second embodiment are similar to those of the aforementioned first embodiment.
なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
たとえば、上記第1および第2実施形態では、電磁石ターゲットの上方にスラスト電磁石を配置し、電磁石ターゲットの下方に第2磁極としてのスラスト磁極を配置する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットの下方に電磁石を配置し、電磁石ターゲットの上方に第2磁極を配置する構成であってもよい。 For example, in the first and second embodiments, the example in which the thrust electromagnet is disposed above the electromagnet target and the thrust magnetic pole as the second magnetic pole is disposed below the electromagnet target is shown. Not limited to. In this invention, the structure which arrange | positions an electromagnet below an electromagnet target and arrange | positions a 2nd magnetic pole above an electromagnet target may be sufficient.
また、上記第1および第2実施形態では、磁気軸受装置の一例として、電磁石ターゲットを鉛直方向において支持するスラスト磁気軸受装置を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットを水平方向において支持する磁気軸受装置であってもよいし、鉛直方向および水平方向以外の方向において支持する磁気軸受装置であってもよい。 Moreover, in the said 1st and 2nd embodiment, although the thrust magnetic bearing apparatus which supports an electromagnet target in a perpendicular direction was shown as an example of a magnetic bearing apparatus, this invention is not limited to this. In this invention, the magnetic bearing apparatus which supports an electromagnet target in a horizontal direction may be sufficient, and the magnetic bearing apparatus which supports in directions other than a vertical direction and a horizontal direction may be sufficient.
また、上記第1および第2実施形態では、電磁石ターゲットと第2磁極としてのスラスト磁極との距離をアクチュエータにより調整する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットと第2磁極との距離を調整可能な構成であればよく、たとえば、電磁石ターゲットと第2磁極との距離を手動で調整する構成であってもよい。 In the first and second embodiments, the example in which the distance between the electromagnet target and the thrust magnetic pole as the second magnetic pole is adjusted by the actuator is shown, but the present invention is not limited to this. In the present invention, any configuration may be used as long as the distance between the electromagnet target and the second magnetic pole can be adjusted. For example, the configuration may be such that the distance between the electromagnet target and the second magnetic pole is manually adjusted.
また、上記第1および第2実施形態では、アクチュエータを空気圧で駆動する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、空気圧以外でアクチュエータを駆動する構成であってもよい。 Moreover, in the said 1st and 2nd embodiment, although the example of the structure which drives an actuator with an air pressure was shown, this invention is not limited to this. In the present invention, the actuator may be driven by other than air pressure.
また、上記第1および第2実施形態では、スラスト電磁石に流れる電流、および、電磁石ターゲットと第2磁極としてのスラスト磁極との距離の両方に基づいて、電磁石ターゲットとスラスト磁極との目標離間距離を演算する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石に流れる電流に基づいていれば、電磁石に流れる電流にのみ基づいて電磁石ターゲットとスラスト磁極との目標離間距離を演算する構成であってもよいし、電磁石に流れる電流および電磁石ターゲットと第2磁極との距離に加えて、その他の要素にも基づいて目標離間距離を演算する構成であってもよい。 In the first and second embodiments, the target separation distance between the electromagnet target and the thrust magnetic pole is set based on both the current flowing through the thrust electromagnet and the distance between the electromagnet target and the thrust magnetic pole as the second magnetic pole. Although the example of the structure which calculates is shown, this invention is not limited to this. In the present invention, as long as it is based on the current flowing through the electromagnet, the target separation distance between the electromagnet target and the thrust magnetic pole may be calculated based only on the current flowing through the electromagnet. The current flowing through the electromagnet and the electromagnet target The target separation distance may be calculated based on other factors in addition to the distance between the first magnetic pole and the second magnetic pole.
また、上記第1および第2実施形態では、距離検出手段の一例として、電磁石ターゲットと第2磁極としてのスラスト磁極との距離を検出するギャップセンサからなる下側センサを示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電磁石ターゲットと第2磁極との距離を検出可能であれば、たとえば、アクチュエータの駆動距離(第2磁極の移動距離)を検出して電磁石ターゲットと第2磁極との距離を取得する距離検出手段であってもよい。 In the first and second embodiments, as an example of the distance detection unit, the lower sensor including the gap sensor that detects the distance between the electromagnet target and the thrust magnetic pole as the second magnetic pole is shown. It is not limited to this. In the present invention, if the distance between the electromagnet target and the second magnetic pole can be detected, for example, the distance between the electromagnet target and the second magnetic pole is obtained by detecting the driving distance of the actuator (movement distance of the second magnetic pole). It may be a distance detection means.
また、上記第2実施形態では、磁気軸受装置としてのスラスト磁気軸受装置を、露光装置に用いられる磁気浮上ステージに適用する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明の磁気軸受装置を露光装置以外の用途に用いられる装置に適用してもよい。 Moreover, although the example which applies the thrust magnetic bearing apparatus as a magnetic bearing apparatus to the magnetic levitation stage used for exposure apparatus was shown in the said 2nd Embodiment, this invention is not limited to this. You may apply the magnetic bearing apparatus of this invention to the apparatus used for uses other than exposure apparatus.
1 電磁石ターゲット
2 スラスト電磁石(電磁石)
3 スラスト磁極(第2磁極)
5 下側センサ(距離検出手段)
6 電流検出器(電流検出手段)
7 演算器(演算部)
8 制御器(制御部)
21 上側磁極部(第1磁極)
22 励磁コイル
31 永久磁石
33 アクチュエータ
100、100a スラスト磁気軸受装置(磁気軸受装置、磁気軸受部)
110 浮上体
200 磁気浮上ステージ
201 浮上ステージ部
204a、204b Xリニアモータ(第1水平方向駆動部)
205a、205b Yリニアモータ(第2水平方向駆動部)
1
3 Thrust magnetic pole (second magnetic pole)
5 Lower sensor (distance detection means)
6 Current detector (current detection means)
7 Calculator (Calculator)
8 Controller (control unit)
21 Upper magnetic pole part (first magnetic pole)
22
DESCRIPTION OF
205a, 205b Y linear motor (second horizontal driving unit)
Claims (9)
第1磁極と励磁コイルとを含み、前記電磁石ターゲットに対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、
前記電磁石ターゲットの前記電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を含む第2磁極とを備え、
前記第2磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている、磁気軸受装置。 An electromagnet target made of a magnetic material attached to a floating body;
An electromagnet including a first magnetic pole and an excitation coil, disposed to face the electromagnet target, and supporting the electromagnet target by a magnetic attraction;
A second magnetic pole including a permanent magnet that is disposed so as to face a portion of the electromagnet target opposite to the electromagnet and that attracts the electromagnet target with a magnetic attraction force;
A magnetic bearing device configured to be capable of adjusting a distance between the second magnetic pole and the electromagnet target.
少なくとも前記電流検出手段により検出された前記電磁石に流れる電流に基づいて、前記第2磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を、所望の磁気軸受特性が得られる前記第2磁極と前記電磁石ターゲットとの目標距離になるように前記アクチュエータを制御する制御部とをさらに備える、請求項2に記載の磁気軸受装置。 Current detecting means for detecting a current flowing through the electromagnet;
Based on at least the current flowing through the electromagnet detected by the current detection means, the distance between the second magnetic pole and the electromagnet target is determined based on the target between the second magnetic pole and the electromagnet target that provides desired magnetic bearing characteristics. The magnetic bearing device according to claim 2, further comprising a control unit that controls the actuator so as to be a distance.
前記電流検出手段により検出された前記電磁石に流れる電流と、前記距離検出手段により検出された前記第2磁極と前記電磁石ターゲットとの距離とに基づいて、前記所望の磁気軸受特性が得られる前記第2磁極と前記電磁石ターゲットとの目標距離を演算する演算部とをさらに備え、
前記制御部は、前記演算部により演算された目標距離になるように、前記アクチュエータを制御するように構成されている、請求項3に記載の磁気軸受装置。 Distance detecting means for detecting a distance between the second magnetic pole and the electromagnet target;
Based on the current flowing through the electromagnet detected by the current detection means and the distance between the second magnetic pole and the electromagnet target detected by the distance detection means, the desired magnetic bearing characteristics can be obtained. A calculation unit for calculating a target distance between the two magnetic poles and the electromagnet target;
The magnetic bearing device according to claim 3, wherein the control unit is configured to control the actuator so that the target distance calculated by the calculation unit is reached.
前記第2磁極は、前記電磁石ターゲットの下方に配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により鉛直下方向に吸引する永久磁石を含むスラスト磁極を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の磁気軸受装置。 The electromagnet is disposed above the electromagnet target and includes a thrust electromagnet that supports the electromagnet target with a magnetic attraction force in a vertically upward direction.
The said 2nd magnetic pole is arrange | positioned under the said electromagnet target, and contains the thrust magnetic pole containing the permanent magnet which attracts | sucks the said electromagnet target vertically downward with a magnetic attraction force. Magnetic bearing device.
前記浮上ステージ部を鉛直方向に支持する磁気軸受部とを備え、
前記磁気軸受部は、
前記浮上ステージ部に取り付けられ、磁性材からなる電磁石ターゲットと、
第1磁極と励磁コイルとを有し、前記電磁石ターゲットに対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により支持する電磁石と、
前記電磁石ターゲットの前記電磁石とは反対側の部分に対向するように配置され、前記電磁石ターゲットを磁気吸引力により吸引する永久磁石を有する第2磁極とを含み、
前記第2磁極と前記電磁石ターゲットとの距離を調整可能に構成されている、磁気浮上ステージ。 A floating stage,
A magnetic bearing portion that supports the levitation stage portion in the vertical direction;
The magnetic bearing portion is
An electromagnet target attached to the levitation stage and made of a magnetic material;
An electromagnet having a first magnetic pole and an exciting coil, disposed to face the electromagnet target, and supporting the electromagnet target by a magnetic attraction;
A second magnetic pole having a permanent magnet that is disposed so as to face a portion of the electromagnet target opposite to the electromagnet and that attracts the electromagnet target by a magnetic attraction force;
A magnetic levitation stage configured to be capable of adjusting a distance between the second magnetic pole and the electromagnet target.
前記浮上ステージ部を水平面内の第1水平方向に非接触状態で駆動する第1水平方向駆動部と、
前記浮上ステージ部を前記第1水平方向に直交する水平面内の第2水平方向に非接触状態で駆動する第2水平方向駆動部とをさらに備える、請求項8に記載の磁気浮上ステージ。 An actuator for adjusting a distance between the second magnetic pole and the electromagnet target;
A first horizontal driving unit that drives the levitation stage unit in a non-contact state in a first horizontal direction within a horizontal plane;
9. The magnetic levitation stage according to claim 8, further comprising a second horizontal direction drive unit that drives the levitation stage unit in a non-contact state in a second horizontal direction within a horizontal plane orthogonal to the first horizontal direction.
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