(57)【要約】【課題】空気圧サーボ弁の応答特性における非線形性が吸収されるとともに、接続する空気圧管路等の無駄時間特性によるゲイン低下が防止され、空気圧の高速制御が可能となる高速圧力制御装置を提供する。【解決手段】空気圧サーボ弁の気体出口に配置された流量センサ１によって測定される気体流量に応じて第１の制御信号を空気圧サーボ弁に出力するとともに、当該流量センサ１の下流に配置された圧力センサ２によって測定される空気圧に応じて第２の制御信号を空気圧サーボ弁に出力し、空気圧サーボ弁を制御するカスケード制御機構を備える高速気体圧力制御装置。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧サーボ弁を通じて流通する空気の圧力を制御する高速気体圧力制御装置であって、
前記空気圧サーボ弁の気体出口に配置された流量センサと、当該流量センサの下流に配置された圧力センサとを備え、前記流量センサによって測定される気体流量に応じて第１の制御信号を前記空気圧サーボ弁に出力するとともに、前記圧力センサによって測定される空気圧に応じて第２の制御信号を前記空気圧サーボ弁に出力し、前記第１の制御信号と第２の制御信号によって前記空気圧サーボ弁を制御するカスケード制御機構を備える高速気体圧力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速気体圧力制御装置に関し、特に空気圧機器等における圧力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧力容器または空気圧機器の管路内の空気圧を制御する装置として、空気圧サーボ弁を用いる制御装置がある。この制御装置は、対象となる圧力容器または管路内の空気圧を圧力センサを用いて検出し、その検出信号を圧力制御演算器にフィードバックして目標圧力との差を計算する。そして、その差がなくなるようにＰＩＤ制御（Ｐ：比例、Ｉ：積分、Ｄ：微分）演算を行って、空気圧サーボ弁の作動部に制御電圧を入力するものである（特許文献１、２等参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００１−５１７８２０号公報
【特許文献２】
特表２００１−５１７８２１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、空気圧サーボ弁は、応答特性が非線形性を有し、また負荷として接続する空気圧管路の無駄時間特性によりゲインの低下を起こしてしまう。さらに、空気圧サーボ弁は、いわゆるオーバーラップ特性と呼ばれる特性を示すため、中立点近傍で空気流が流れない領域では、制御性の劣化が著しくなる。そのため、圧力センサによる圧力検出信号をフィードバックして空気圧サーボ弁を制御する従来の制御装置は、高速で空気圧を制御できなかった。
【０００５】
そこで、本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、空気圧サーボ弁の応答特性における非線形性が吸収されるとともに、接続する空気圧管路等の無駄時間特性によるゲイン低下が防止され、空気圧の高速制御が可能となる高速圧力制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明は、空気圧サーボ弁を通じて流通する空気の圧力を制御する高速気体圧力制御装置であって、前記空気圧サーボ弁の気体出口に配置された流量センサと、当該流量センサの下流に配置された圧力センサとを備え、前記流量センサによって測定される気体流量に応じて第１の制御信号を前記空気圧サーボ弁に出力するとともに、前記圧力センサによって測定される空気圧に応じて第２の制御信号を前記空気圧サーボ弁に出力し、前記第１の制御信号と第２の制御信号によって前記空気圧サーボ弁を制御するカスケード制御機構を備える高速気体圧力制御装置を発明の構成とする。
【０００７】
この高速気体圧力制御装置では、流量センサによって測定される気体流量に応じてマイナーループ制御を行うことにより、空気圧サーボ弁の応答特性における非線形性が吸収される。また、接続する空気圧管路等の無駄時間特性によるゲイン低下が防止される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る高速気体圧力制御装置の構成を示すブロック図である。
【０００９】
図１に示す高速気体圧力制御装置は、流量センサ１と、圧力センサ２と、第１の制御手段３と、第２の制御手段４とを含むカスケード制御機構を備えるものである。
【００１０】
流量センサ１は、空気圧サーボ弁６の気体出口７に流路６ｂを介して連絡され、空気圧サーボ弁６から流出する空気の流量を測定するように構成される。また、流量センサ１は、信号伝送線１ａを介して第１の制御手段３に接続されている。さらに、この流量センサ１は、流路１ｂに連絡されている。この流量センサ１は、空気圧サーボ弁６を通って気体出口７より流路６ｂに流出する空気の流量を検出し、その流量に関する検出信号を信号伝送線１ａを介して第１の制御手段３に出力するものである。
【００１１】
圧力センサ２は、前記流量センサ１の後流側の流路１ｂに圧力導入管２ｂを介して接続され、流路１ｂにおける空気圧を測定するように構成される。また、圧力センサ２は、信号伝送線２ａを介して第２の制御手段４に接続されている。
この圧力センサ２は、流路１ｂにおける空気圧を検出し、その空気圧に関する検出信号を信号伝送線２ａを介して第２の制御手段４に出力するものである。
【００１２】
第１の制御手段３は、信号伝送線１ａを介して流量センサ１と接続され、さらに信号伝送線３ａを介して空気圧サーボ弁６に接続されている。この第１の制御手段３は、流量センサ１から信号伝送線１ａを介して出力される流量に関する検出信号を受信して、その検出信号に基づいてＰＩＤ制御演算を行う。そして、その演算結果に基づいて、空気圧サーボ弁６を制御する信号（第１の制御信号）を信号伝送線３ａを介して空気圧サーボ弁６に出力するものである。
【００１３】
第２の制御手段４は、信号伝送線２ａを介して圧力センサ２と接続され、さらに信号伝送線４ａを介して空気圧サーボ弁６に接続されている。この第２の制御手段４は、圧力センサ２から信号伝送線２ａを介して出力される圧力に関する検出信号を受信して、その検出信号に基づいてＰＩＤ制御演算を行う。そして、その演算結果に基づいて、空気圧サーボ弁６を制御する信号（第２の制御信号）を信号伝送線４ａを介して空気圧サーボ弁６に出力するものである。
【００１４】
この高速気体圧力制御装置において、流量センサ１と、信号伝送線１ａと、第１の制御手段３と、信号伝送線３ａとによってマイナーループの制御機構が構成されている。さらに、流量センサ１と、その流量センサ１と信号伝送線１ａを介して接続された第１の制御手段３と、信号伝送線３ａと、流量センサ１の後流側に配置した圧力センサ２と、信号伝送線２ａと、第２の制御手段４と、信号伝送線４ａとによってカスケード制御機構が構成される。
【００１５】
次に、この図１に示す高速気体圧力制御装置による空気圧の制御方法について説明する。
【００１６】
図１に示す装置において、空気圧サーボ弁６には、図示しない空気圧供給源から流路５を通って空気が供給される。そして、空気圧サーボ弁６の気体出口７より流路６ｂを通って流出する空気の流量が、流量センサ１によって検出される。流量に関する検出信号は、信号伝送線１ａを介して第１の制御手段３に入力される。
【００１７】
第１の制御手段３は、流量センサ１より入力された流量に関する信号に基づいてＰＩＤ制御演算を行う。そして、その演算結果に基づいて、空気圧サーボ弁６を制御する信号（第１の制御信号）を信号伝送線３ａを介して空気圧サーボ弁６に出力する。この流量センサ１による流量の検出、その流量に関する検出信号に基づく第１の制御手段における制御信号の演算、さらに、その制御信号による空気圧サーボ弁６の制御により、マイナーループ制御が行われる。
【００１８】
この第１の制御手段３におけるＰＩＤ制御演算は、流量センサ１で検出された流量と目標流量とを比較対照して偏差を求め、その偏差によって、例えば、下記式（１）によって空気圧サーボ弁６の制御量を求める演算である。また、場合によっては、不完全微分演算式によって制御量を求めることが必要とされる。そして、その制御量に関する信号（第１の制御信号）は、空気圧サーボ弁に電圧信号として出力される。
制御量＝Ｋｐ×偏差＋Ｋｉ×偏差の累積値＋Ｋｄ×前回偏差との差    （１）
Ｋｐ：比例ゲイン
Ｋｉ：積分の比例係数
Ｋｄ：微分の比例係数
【００１９】
また、圧力センサ２においては、流路１ｂ内の空気圧が検出され、その空気圧に関する検出信号が、信号伝送線２ａを介して第１の制御手段４に出力される。
【００２０】
第２の制御手段４は、圧力センサ２より入力された圧力に関する検出信号に基づいてＰＩＤ制御演算を行う。そして、その演算結果に基づいて、空気圧サーボ弁６を制御する信号（第２の制御信号）を信号伝送線４ａを介して空気圧サーボ弁６に出力する。この第２の制御手段４におけるＰＩＤ制御演算は、圧力センサ２で検出された圧力と目標圧力とを比較対照して偏差を求め、その偏差によって、例えば、前記式（１）と同様にして空気圧サーボ弁６の制御量を求める演算である。そして、その制御量に関する信号（第２の制御信号）は、空気圧サーボ弁６に電圧信号として出力される。
【００２１】
空気圧サーボ弁６は、第１の制御手段３から入力される第１の制御信号によって、空気圧サーボ弁６の気体出口７より流出する空気の流量が目標流量になるように弁開度をマイナーループ制御するとともに、第２の制御手段４から入力される第２の制御信号によって、流路１ｂにおける空気圧が目標圧力になるように弁開度を制御する。この２つの制御信号による空気圧サーボ弁６の制御によって、流路１ｂにおける空気圧が高速で制御される。特に、前記マイナーループ制御により、空気圧サーボ弁６の応答特性における非線形性が吸収され、また、接続する空気圧管路等の無駄時間特性によるゲイン低下が防止され、空気圧が高速で制御される。
【００２２】
なお、図１に示す装置では、第１の制御手段３と第２の制御手段４とが、それぞれ別個独立に構成され、第１の制御手段３からの第１の制御信号と第２の制御手段４から第２の制御信号とがそれぞれ信号伝送線３ａ、４ａを介して別個独立に空気圧サーボ弁６に入力するように構成されている。しかし、本発明の高速気体圧力制御装置は、この構成に限定されず、第１の制御手段３と第２の制御手段４とが各制御手段に対応する制御機構を備え、空気圧サーボ弁６と単一の信号伝送線で接続されている単一の制御手段によって構成されていてもよい。この単一の制御手段は、流量センサ１より流量に関する検出信号が入力されて、前記第１の制御手段３と同様に第１の制御信号を生成して、これを信号伝送線Ａを介して空気圧サーボ弁６に出力して空気圧サーボ弁６を制御する。同時に、圧力センサ２より圧力に関する検出信号が入力されて、前記第２の制御手段４と同様に第２の制御信号を生成して、これを信号伝送線を介して空気圧サーボ弁６に出力して空気圧サーボ弁６を制御する。
【００２３】
次に、図２は、本発明の高速気体圧力制御装置を用いて、空気を充填するチャンバ８内の空気圧を制御する実施形態を示す概略構成図である。
【００２４】
この図２に示す装置は、圧力供給源９に流路１０を介して連絡された空気圧サーボ弁１１と、その空気圧サーボ弁１１の気体出口１２に連絡された高速流量センサ１４と、高速流量センサ１４の下流側に配置され、チャンバ８に接続された圧力センサ１５と、パーソナルコンピュータ１６（第１の制御手段および第２の制御手段）とから構成される。
【００２５】
空気圧サーボ弁１１は、信号伝送線１６ａを介してパーソナルコンピュータ１６と接続されている。この空気圧サーボ弁１１は、パーソナルコンピュータ１６から信号伝送線１６ａを介して入力する制御信号に基づいて弁を開閉し、圧力供給源９より流路１０を通って流入する空気の流量を制御するものである。
【００２６】
高速流量センサ１４は、流路１３を介して空気圧サーボ弁１１の気体出口１２に連絡し、また、流路１７を介してチャンバ８に連絡している。また、高速流量センサ１４は、信号伝送線１４ａを介してパーソナルコンピュータ１６と接続されている。この高速流量センサ１４は、流路１３を通って流入する空気の流量を検出して、その流量に関する検出信号を信号伝送線１４ａを介してパーソナルコンピュータ１６に出力するものである。
【００２７】
チャンバ８は、流路１７を介して高速流量センサ１４の後流側に配置され、気体導入口１８より空気が流入して、内部に空気が充填されるものである。このチャンバ８は、流路１９を介して電磁弁２０に連絡している。また、電磁弁２０は、空気排出路２１に連絡している。本実施形態は、このチャンバ８内の空気圧を所定の値に維持されるように制御するものである。
【００２８】
圧力センサ１５は、圧力検出管８ａを介してチャンバ８と接続されている。また、圧力センサ１５は、信号伝送線１５ａを介してパーソナルコンピュータ１６と接続されている。この圧力センサ１５は、圧力検出管８ａを介してチャンバ８内の空気圧を検出して、その空気圧に関する検出信号を信号伝送線１５ａを介してパーソナルコンピュータ１６に出力するものである。
【００２９】
パーソナルコンピュータ１６は、信号伝送線１４ａを介して流量センサ１４と接続され、また、信号伝送線１５ａを介して圧力センサ１５と接続され、さらに信号伝送線１６ａを介して空気圧サーボ弁１１と接続されている。このパーソナルコンピュータ１６は、前記図１に示す第１の制御手段３として、信号伝送線１４ａを介して高速流量センサ１４より入力する流量に関する検出信号に基づいて、その流量と目標流量との偏差Ｄ１を演算する。そして、求められた偏差Ｄ１によって、前記式（１）に示すようにＰＩＤ制御演算して、空気圧サーボ弁１１の動作量を電圧値として導出する。導出された電圧値はＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換後、制御電圧値Ｖ１として信号伝送線１６ａを介して空気圧サーボ弁１１に出力される。
【００３０】
また、パーソナルコンピュータ１６は、信号伝送線１５ａを介して圧力センサ１５より入力する圧力に関する検出信号に基づいて、その圧力と目標圧力との偏差Ｄ２を演算する。そして、求められた偏差Ｄ２によって、前記式（１）に示すようにＰＩＤ制御演算して、空気圧サーボ弁１１の動作量を電圧値で導出する。導出された電圧値はＤ／Ａ変換後、制御電圧値Ｖ２として信号伝送線１６ａを介して空気圧サーボ弁１１に出力される。
【００３１】
空気圧サーボ弁１１は、信号伝送線１６ａを介してパーソナルコンピュータ１６より入力する制御電圧値Ｖ１および制御電圧値Ｖ２によって、弁開度を制御する。この空気圧サーボ弁１１における弁開度の制御により、流路１３、１７を通ってチャンバ８内に充填される空気量が制御される結果、チャンバ８内の空気圧が目標圧力になるように高速制御される。
【００３２】
このとき、高速流量センサ１４より入力する流量に関する検出信号に基づいて演算された制御電圧値による空気圧サーボ弁１１の制御、いわゆるマイナーループ制御を行うことにより、空気圧サーボ弁１１の応答特性における非線形性が吸収され、また、接続する空気圧管路等の無駄時間特性によるゲイン低下が防止され、空気圧が高速で制御される。
【００３３】
次に、図３は、本発明の高速気体圧力制御装置および従来の圧力制御装置によって、それぞれチャンバ内に目標圧力となるまで空気の充填したときの空気圧の変化を計算により求めた結果を示す図である。図３において、実線は、図２に示す構成の高速気体圧力制御装置によって空気圧サーボ弁１１を制御した場合のチャンバ内の空気圧の変化を示す。また、破線は、圧力センサのみをチャンバ８に接続して空気圧サーボ弁１１を制御する従来の圧力制御装置によって空気圧サーボ弁１１を制御した場合のチャンバ内の空気圧の変化を示す。
【００３４】
図３から分るように、同じ程度の応答速度になるようにゲインを調整すると、従来の制御装置ではオーバーシュートが起き、整定するまでかなり時間がかかる。しかし、本発明の制御装置ではオーバーシュートはほとんどおきず、高速に空気圧が目標値に整定するように制御される。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の高速気体圧力制御装置は、流量センサによって測定される気体の流量に応じてマイナーループ制御を行うことにより、空気圧サーボ弁の応答特性における非線形性が吸収され、また、接続する空気圧管路等の無駄時間特性によるゲイン低下が防止され、空気圧を高速で制御することができる。そのため、本発明の高速気体圧力制御装置は、電子顕微鏡、半導体製造装置（例えば、フォトリソグラフィーに用いられるウエハ露光装置等）等の精密機械装置に用いられる除振装置に適用して、高い除振能力を付与し、残留振動も短時間で減衰させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る高速気体圧力制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の高速気体圧力制御装置を用いて、空気を充填するチャンバ内の空気圧を制御する実施形態を示す概略構成図である。
【図３】図２に示す実施形態において、チャンバ内の空気圧が目標圧となるまで空気を充填したときの空気圧の変化を計算により求めた結果を示す図である。
【符号の説明】
１      流量センサ
２      圧力センサ
３      第１の制御手段
４      第２の制御手段
５、６ｂ      流路
６      空気圧サーボ弁
７      気体出口
８      チャンバ
９      圧力供給源
１０    流路
１１    空気圧サーボ弁
１２    気体出口
１４    高速流量センサ
１５    圧力センサ
１６    パーソナルコンピュータ
【図１】
2004310478.tif 000003
【図２】
2004310478.tif 000004
【図３】
2004310478.tif 000005