JP5455533B2

JP5455533B2 - 圧力制御装置

Info

Publication number: JP5455533B2
Application number: JP2009232490A
Authority: JP
Inventors: 祐之中屋
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-10-06
Also published as: JP2011081548A

Description

本発明は、エアーベアリング等の流体装置に供給する流体の圧力を制御する圧力制御装置に関するものである。

一般的に、圧力制御に用いられる圧力センサの原理は、内部をダイアフラムにより気密に仕切り、一方に計測圧を印加し、他方に背圧（通常、大気圧）が加わるようにし、背圧側に歪センサ等のセンサ素子を配置する構成である。このような圧力センサでは、計測圧と背圧との差圧によるダイアフラムの変形量を、センサ素子により検出して電気抵抗や電圧などの電気量の変動として取り出し、圧力値に変換する。

しかし、従来の圧力センサでは、計測圧をダイアフラムの変形量から測定するため、高圧下においては、ダイアフラム等もその圧力に耐えうるだけの強固な構造にしなければならない。そうすると、圧力変動に対するダイアフラムの変形量は減少し、圧力センサで検出する電気的出力も減少する。そして、電気的な出力変化が減少すると、種々のノイズに埋没し、信号が取り出し難くなる。つまり、定格圧力が高圧になるにつれ、センサの感度、分解能などが低下するという問題がある。

例えば、超精密エアーベアリングに給気する圧力に必要な安定性は、０．８ＭＰａ±２０Ｐａである。これに対して、市販品の中でも超高精度な圧力計（商品名：横河電機製ＭＵ１０１）でも、レンジ０〜３ＭＰａ、分解能６０Ｐａ、精度±３００Ｐａであり、求められる圧力安定性±２０Ｐａを実現することはできない。また、圧力を安定制御するレギュレータ（商品名：藤倉ゴム製超精密レギュレータＲＳ−８−２）にて圧力制御をする方法もよく用いられる。しかし、この場合においても圧力制御安定性は０．８ＭＰａ±８４０Ｐａであり、求められる圧力安定性±２０Ｐａを実現することはできない。

そこで、高圧下でも高分解能、高応答で圧力を測定する手段として、差圧式圧力センサとタンクとを気密的に繋いで、それを水中に挿入し、水圧を測定するという装置がある（特許文献１参照）。この装置は、差圧式圧力センサとタンクとを繋いでいることで、水中深く挿入しても、測定する水圧と均衡してタンク内の圧力も変化するため、差圧式センサに過大な圧力がかからない。そのため、差圧式センサには、変形し易い高感度なダイアフラムを使用することが可能となる。

特開平６−１６７４０６号公報

しかしながら、上記従来例による圧力測定方法は、水圧を利用して差圧を測定するものであるため、大気中にある高圧な円管内の圧力を測定できない。そのため、半導体露光装置のエアーベアリング等に用いる流体の圧力制御には適用できない。

本発明は、エアーベアリング等に供給される流体の圧力を高安定かつ高感度に制御する圧力制御装置を提供することを目的とするものである。

本発明の圧力制御装置は、流体装置に供給する流体の圧力を、前記流体装置に前記流体を供給する配管に接続されたノズルフラッパ弁によって制御する圧力制御装置において、第１ポート及び第２ポートを有し、前記第１ポートと前記第２ポートとの間に印加された圧力の圧力差を計測する差圧計と、前記第１ポートに接続され、前記差圧計に印加する基準圧力を調整可能な基準圧力発生手段と、前記第２ポートに接続され、前記基準圧力発生手段及び前記配管のうちいずれか一方に前記第２ポートが連通するよう切り替わる電磁弁と、前記配管の流体圧力及び前記基準圧力のそれぞれの許容圧力範囲の設定を調整可能な許容圧力設定手段と、設定された前記流体の目標圧力及び前記差圧計の計測値に基づいて、前記ノズルフラッパ弁を制御すると共に、設定された前記目標圧力と同期して、前記差圧計に印加する前記基準圧力と、前記流体圧力及び前記基準圧力のそれぞれの前記許容圧力範囲とを変化させるように前記基準圧力発生手段及び前記許容圧力設定手段を制御する制御手段と、前記許容圧力設定手段の設定により、前記流体圧力及び前記基準圧力がそれぞれ前記許容圧力範囲内にあるときに、前記第２ポートを前記配管に連通させ、前記流体圧力及び前記基準圧力のうちいずれか一方が前記許容圧力範囲外にあるときに、前記第２ポートを前記基準圧力発生手段に連通させるよう、前記電磁弁を動作させる手段と、を備えたことを特徴とする。

許容圧力設定手段と電磁弁からなる過大圧力保護機構を設けることで、差圧計に対して定格値以上の過大な圧力が印加されて、差圧計が破損することを防ぐ。このため、流体圧力が高圧であったとしても差圧計のダイアフラムを強固なものにする必要がなく、変形し易いダイアフラムを採用することで、低圧から高圧まで高分解能な圧力測定が可能となる。

さらに、制御手段にて、設定された目標圧力と、基準圧力発生手段の基準圧力と、許容圧力設定手段の圧力閾値となる許容圧力範囲とを同期して制御することで、低圧から高圧まで、どの圧力レンジでも高分解能で安定した圧力制御が可能となる。

一実施形態による圧力制御装置の構成を示す模式図である。図１の装置における圧力制御安定性を示すグラフである。圧力スイッチの動作を説明する図である。

図１は一実施形態を示すもので、主なエア（流体）の流れは、圧力制御部（商品名：藤倉ゴム工業製レギュレータＲＳ−８−２）１を通過後、２つに分岐して、一方を制御対象２へ供給する。また、もう一方をノズルフラッパ弁（商品名：インターナショナルサーボデータ製Ｍｏｄｅｌ５８）３へと供給する。そして、流体装置である制御対象２の直前の配管内の流体圧力である測定圧力４と基準圧力発生装置（商品名：ＧＥ製７２５０）５から出力した基準圧力６との圧力差を、差圧計（商品名：ＧＥ製ＬＰＭ９０００）７によって測定する。基準圧力発生装置５は、０．８ＭＰａ±１０Ｐａという高安定な基準圧力６を作り出すことが可能である。

差圧計７は、レンジ−１〜１ｋＰａを精度±１Ｐａにて測定することが可能である。よって、この圧力測定システムでの圧力測定安定性は、合わせて±１１Ｐａという高安定な圧力測定が可能となる。そして、測定した圧力差（計測値）を、制御手段である制御コントローラ（制御用ＰＣ）８に取り込み、ＰＩＤ制御を行い、ノズルフラッパ弁３へと指令を与える。ノズルフラッパ弁３は指令に従って開閉することで排気する流量を調節しており、制御対象２の圧力を一定の目標値（目標圧力）に安定制御する。

図２のグラフＡは、本実施形態による圧力制御システムでの圧力制御安定性を示すもので、圧力安定性は、４８時間で±２０Ｐａという高安定な圧力制御を実現できる。図２のグラフＢは、従来例によるレギュレータ（商品名：藤倉ゴム工業製超精密レギュレータＲＳ−８−２）にて圧力制御した結果である。グラフＡ、Ｂから、圧力安定性が大幅に改善していることがわかる。

差圧計７に耐圧（５０ｋＰａ）以上の圧力が掛かると差圧計７が破損してしまうため、過大圧力差から差圧計７を保護するための過大圧力保護機構を設ける。これは、基準圧力発生装置５から出力した基準圧力６を分岐し、一方を電磁弁（商品名：ＳＭＣ製ＶＳ３１１５）９に、もう一方を差圧計７の第１ポートに接続する。測定圧力４は電磁弁９を介して差圧計７の第２ポートに接続する。圧力スイッチ（商品名：ＳＭＣ製ＩＳＥ３０）１０ａ、１０ｂは、基準圧力６、測定圧力４をそれぞれ計測している。

図３は、許容圧力設定手段である圧力スイッチ１０ａ、１０ｂのそれぞれの動作を説明する図である。図３（ａ）に示すように、基準圧力６が圧力スイッチ１０ａの設定範囲内（許容圧力範囲内）である圧力閾値Ｐｂ１からＰｂ２の間であればＯＮ、前記設定範囲外であればＯＦＦという電気信号を出力する。同様に、図３（ｂ）に示すように、測定圧力４が圧力スイッチ１０ｂの設定範囲内（許容圧力範囲内）である圧力閾値Ｐｍ１からＰｍ２の間であればＯＮ、範囲外であればＯＦＦという電気信号を出力する。圧力スイッチ１０ａ、１０ｂは、リレー（商品名：ＯＭＲＯＮ製ＭＹ４Ｎ）１１に電気的に繋がれており、リレー１１は電磁弁９を動作させる手段である。つまり、基準圧力６と測定圧力４がそれぞれ圧力スイッチ１０ａ、１０ｂの設定範囲内であれば、リレー１１を通じて電磁弁９を動作させ、差圧計７に基準圧力６と測定圧力４をそれぞれ印加する。逆に、基準圧力６と測定圧力４のどちらかが圧力スイッチ１０ａ、１０ｂの設定範囲外であれば、電磁弁９は動作させず、差圧計７の２つのポートにはどちらも基準圧力６を印加する。

ここで、圧力スイッチ１０ａ、１０ｂの設定値を決める基準として、Ｐｂ１からＰｂ２までの幅と、Ｐｍ１からＰｍ２までの幅とは、差圧計７の耐圧力以内に設定する。例えば、圧力スイッチ１０ｂの圧力閾値をＰｍ１＝７８０、Ｐｍ２＝８２０とすると、７８０〜８２０ｋＰａの範囲内であればＯＮ、その範囲外であればＯＦＦすることになる。そうすると、差圧計７にかかる最大圧力は４０ｋＰａであり、差圧計７の耐圧５０ｋＰａ以内であるために、差圧計７に耐圧以上の圧力がかかり破損することを防止できる。

また、低圧から高圧までの全レンジにて圧力制御を行うために、制御コントローラ８は、圧力制御部１と基準圧力発生装置５と圧力スイッチ１０ａ、１０ｂに対して電気的に接続されている。制御コントローラ８は、圧力制御部１によって設定される目標圧力に応じて、基準圧力発生装置５の基準圧力６と、圧力スイッチ１０ａ、１０ｂの圧力閾値Ｐｂ１、Ｐｂ２、Ｐｍ１、Ｐｍ２を、それぞれ同期して変化させる。これにより、低圧から高圧までの全レンジにて圧力制御を行うことが可能となる。

本発明の圧力制御装置は、半導体露光装置等に搭載される超精密なエアーベアリングの作動流体の圧力制御に適用される。

１圧力制御部
２制御対象
３ノズルフラッパ弁
５基準圧力発生装置（基準圧力発生手段）
７差圧計
８制御コントローラ（制御手段）
９電磁弁
１０ａ、１０ｂ圧力スイッチ（許容圧力設定手段）
１１リレー（電磁弁を動作させる手段）

Claims

流体装置に供給する流体の圧力を、前記流体装置に前記流体を供給する配管に接続されたノズルフラッパ弁によって制御する圧力制御装置において、
第１ポート及び第２ポートを有し、前記第１ポートと前記第２ポートとの間に印加された圧力の圧力差を計測する差圧計と、
前記第１ポートに接続され、前記差圧計に印加する基準圧力を調整可能な基準圧力発生手段と、
前記第２ポートに接続され、前記基準圧力発生手段及び前記配管のうちいずれか一方に前記第２ポートが連通するよう切り替わる電磁弁と、
前記配管の流体圧力及び前記基準圧力のそれぞれの許容圧力範囲の設定を調整可能な許容圧力設定手段と、
設定された前記流体の目標圧力及び前記差圧計の計測値に基づいて、前記ノズルフラッパ弁を制御すると共に、設定された前記目標圧力と同期して、前記差圧計に印加する前記基準圧力と、前記流体圧力及び前記基準圧力のそれぞれの前記許容圧力範囲とを変化させるように前記基準圧力発生手段及び前記許容圧力設定手段を制御する制御手段と、
前記許容圧力設定手段の設定により、前記流体圧力及び前記基準圧力がそれぞれ前記許容圧力範囲内にあるときに、前記第２ポートを前記配管に連通させ、前記流体圧力及び前記基準圧力のうちいずれか一方が前記許容圧力範囲外にあるときに、前記第２ポートを前記基準圧力発生手段に連通させるよう、前記電磁弁を動作させる手段と、を備えたことを特徴とする圧力制御装置。