JP2006526223A - 加速度のフィードフォワードを使用した正確な動作制御 - Google Patents

Abstract

本発明は高精度位置付け制御装置に関する。基準フレーム（１０）上に支持された対象物はアクチュエーター（１４）によって移動させられる。基準フレーム（１０）に取り付けられた位置センサー（１６）は位置信号を生成し、加速度センサー（２４）は加速度信号を生成する。制御システムは対象物が最小の追従誤差とともに命令された軌跡に従って移動するように、アクチュエーター（１４）を制御するために位置信号及び加速度信号に応答する。

Description

本発明は動作制御に関し、詳細に述べると、加速度信号のフィードフォワードを利用した高精度の動作制御に関する。

高精度の機械は通常、基準となるフレームに対する基板、加工中の製品、マスク、または処理用の器具等の、移動する部材の位置付けを必要とする。一般的な基準フレームは頑丈な花崗岩のベース部であり、そのベース部に移動する部材が搭載され、部材を移動するためのアクチュエーター（または、作動装置）が取り付けられる。当業者には周知なように、花崗岩のベース部自体は建物に対して取り付けられ、花崗岩のベース部への外部源からの動きの影響を最小にするような様式で建物内に収容される。しかしながら、そのような様式で設置されても、外部からの影響はベース部が動くことを引き起こす可能性がある。さらに重要なことに、ベース部は位置付けされる物体が移動するときにも影響を受ける。すなわち、位置付けされる物体の動きによって発生する花崗岩のベース部への反作用力はベース部自体が動くことを引き起こすだろう。また、いくつかの用途においては、基準フレームがそれ自体で動くように命令される場合もある。これらの全ての状況において、ベース部の動きはシステムの正確な位置付けの能力を低下させる。

対象物（または、物体）の基準フレームに対する所望の位置を維持するために、制御システムは移動する対象物に必要な力を発生しなければならない。位置情報及び命令された軌跡を受信する典型的な制御システムにおいて、適当な力の発生は移動する部材の所望の位置と実際の位置との間にいくらかの追従誤差（following error）が存在することを必要とするので、結果として性能の低下を引き起こしている。この分野において、基準フレームの動きを予想し、移動する部材の位置を制御する制御システムに必要な情報を供給することによって、既知のベース部の動きに対する事前の補正を行うことが知られている。しかしながら、そのような情報は常に有効であるとは限らず、また、基準フレームが内部または外部の擾乱によって動くときに予想不可能である。

また、印刷装置において、加速度信号をフィードフォワードの様式で利用することが知られている。例えば、米国特許出願No.6,420,716B1参照。詳細に述べると、この発明は投射システムの動きを補正することを試みている。

１つの側面において、基準フレーム構造物に支持された移動可能な物体（または、対象物）の動きを制御するための、本発明の装置は基準フレームとして機能する構造物を含む。移動可能な物体は構造物に対する動き（または、移動）のために構造物によって支持される。アクチュエーター（または、作動装置）は構造物に取り付けられ、移動可能な物体を構造物に対して移動させるために構成されている。移動可能な物体の基準フレーム構造物に対する位置に応答する位置センサーは位置信号を生成するために備えられる。また、加速度センサーは加速度信号を生成するために基準フレーム構造物に取り付けられる。位置信号及び加速度信号に応答する制御システムは対象物（または、物体）を命令された軌跡に従って移動させるようにアクチュエーターを制御するために備えられる。好まれる実施例において、制御システムはＰＩＤサーボフィルターを含み、加速度信号に比例する信号がＰＩＤサーボフィルターの出力に加えられる（または、加算される）。この実施例において、アクチュエーターを駆動するための増幅器が備えられ、増幅器は加速度信号とＰＩＤサーボフィルターの出力との和に応答する。本発明に対して適当な基準フレーム構造物は花崗岩のベース部である。

図１を参照すると、基準フレームまたはベース部１０は、この分野で周知なように、例えば、花崗岩の機械ベース部である。ベース部は外部の擾乱を最小にするために隔離支持体（isolation support）上に支持されてもよい。移動する部材１２は基準フレーム１０に対する動き（または、移動）のために支持された、例えば、基板、加工中の製品、マスク、または処理用の器具等であってもよい。移動する部材１２は複数の自由度で移動してもよいが、図１の例においては、単一の自由度で移動する。移動する部材１２は通常、ボールベアリングやエアベアリング等を使用して、摩擦の少ない状態でベース部１０上に支持される。

アクチュエーター（または、作動装置）１４はベース部１０に固定され、移動する部材１２がベース部１０に対して移動するように、部材に力を適用するように配置されている。位置フィードバックセンサー１６はベース部１０に対する移動する部材１２の位置に応答し、ＰＩＤサーボフィルター１８に位置フィードバック信号を送信する。当業者には周知なように、ＰＩＤサーボフィルターとは比例-積分-微分（Proportional-Integral-Derivative）サーボコントローラーのことである。この分野で周知のように、ＰＩＤサーボフィルター１８はアクチュエーター１４を駆動する増幅器２２への入力を与える制御出力信号２０を生成するために命令された位置を測定された位置と比較する。当業者には周知なように、ＰＩＤサーボコントローラーが必要な力を発生するためには移動する部材の所望の位置と実際の位置の間に（いくらかの）追従誤差（following error）が存在しなければならず、結果としてシステムの能力を低下させている。

特に、ベース部１０の動きが存在する場合に、このような追従誤差を減少させるために、加速度センサー２４がベース部１０に固定される。加速度センサー２４は信号調節部材２６の入力として利用される出力信号を生成する。当業者には周知なように、信号調節部材２６は単に、適当に選択された利得定数であってもよい。信号調節部材２６からの出力信号２８は加算接合器３０で制御出力信号２０と組み合わされる。これにより、信号調節部材からの出力信号２８が増幅器２２への命令を変更し（または、補正し）、アクチュエーター１４から移動する部材１２に変更された力（または、補正された力）が適用される。

変更された力は、移動する部材１２が基準フレームまたはベース部１０と「ともにとどまる」ように部材を加速させるのに十分な程度にされ、それによって、追従誤差を容認可能な範囲内に減少させる。出願人は本発明をDanaher Corporation（Westborough, MA）によって生産された大型のガントリー型（gantry type）AC 3500位置付けプラットフォームに対して実施した。これらの機械は電子機器のための高精度基板の製造に使用されている。この機械に対する典型的な用途は、後続の処理ステップが実施される前に移動軸が命令された最終的な位置の±５μｍ以内であることを必要とする。この機械の場合、移動軸は１３１ｍｍの増分で移動し、処理量に対する考察は移動が開始された後、約５２５ｍｓ以内に整定基準（±５μｍ）が達成されることを必要とする。

この実施例で使用された加速度計２４はJewel Instruments, LLC（Manchester, NH）から入手可能な部品番号LCF-165の加速度計であった。適当な位置フィードバックセンサー１６は５０ｎｍ／カウントの分解能を有する直線エンコーダーである。したがって、±５μｍの整定基準は位置センサー１６からの１００カウントと等価である。

実験は加速度センサー２４が有効な場合と有効でない場合の両方に対して実施された。図２は制御ループにおいて加速度センサー２４が利用された場合の、１３１ｍｍの移動に対する追従誤差vs時間のプロットである。示されているように、（カウントで表された）追従誤差は移動の開始後約５１０ｍｓの時点において１００カウント未満に減少している。残留性の振動が存在するが、それらは整定許容範囲内である。図３は制御ループに加速度センサー２４が利用されない場合の、時間の関数としてカウント数で測定された追従誤差のプロットである。図３には整定処理におけるベース部１０の揺れ（または、振動）の強い影響が示されている。示されているように、追従誤差は約５２０ｍｓの最初のピークで４００カウント（２０μｍ）を超え、約７８０ｍｓの第２のピークで２５０カウント（１２.５μｍ）を超えている。整定における長い遅延は処理ステップの時間を大幅に増大させ、処理量を減少させるので、このような特性レベルは容認できない。

ここで、加速度計の代わりに、ジャイロスコープや傾斜計等の慣性センサーが使用されてもよいことは理解されなければならない。また、２つ以上の自由度が制御される場合、複数の軸に対する慣性計測器が使用されてもよいことは理解されなければならない。

さらに、当業者には本発明に対する変更や改良が明白であり、それらも付随する請求の範囲で規定される本発明の範囲に含まれることは理解されなければならない。

本発明の実施例の概略図である。 加速度信号が使用された場合の、本発明の実施例に対する追従誤差vs時間のグラフである。 加速度信号を使用しないシステムに対する追従誤差vs時間のグラフである。

符号の説明

１０ 基準フレーム
１２ 移動する部材
１４ アクチュエーター
１６ 位置フィードバックセンサー
１８ ＰＩＤサーボフィルター
２０ 制御出力信号
２２ 増幅器
２４ 加速度センサー
２６ 信号調節部材
２８ 信号調節部材の出力信号
３０ 加算接合器

Claims (8)

1. 基準フレーム構造物上に支持された移動可能な物体の動きを制御するための装置であって：
   基準フレームとして機能する構造物；
   前記構造物に対する移動のために前記構造物によって支持される移動可能な物体；
   前記構造物に対して前記移動可能な物体を移動させるために前記構造物に取り付けられたアクチュエーター；
   位置信号を生成するために前記基準フレーム構造物に対する前記移動可能な物体の位置に応答する位置センサー；
   加速度信号を生成するために前記基準フレーム構造物に取り付けられた加速度センサー；及び、
   前記移動可能な物体を命令された軌跡に従って移動させるように前記アクチュエーターを制御するために前記位置信号及び前記加速度信号に応答する制御システムを備える装置。
2. 前記制御システムがＰＩＤサーボフィルターを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記加速度信号に比例する信号が前記ＰＩＤサーボフィルターの出力に加算される、請求項２に記載の装置。
4. 前記基準フレーム構造物が花崗岩のベース部である、請求項１に記載の装置。
5. 前記アクチュエーターを駆動するための増幅器であって、前記加速度信号と前記ＰＩＤサーボフィルターの前記出力の和に応答する増幅器をさらに備える、請求項３に記載の装置。
6. 前記加速度センサーが加速度計である、請求項１に記載の装置。
7. 前記加速度センサーがジャイロスコープである、請求項１に記載の装置。
8. 前記加速度センサーが傾斜計である、請求項１に記載の装置。

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