JP2012009023A

JP2012009023A - エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システム

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Publication number: JP2012009023A
Application number: JP2011134776A
Authority: JP
Inventors: Woo Lee Seok; ソウク−ウー・リー
Original assignee: Soonhan Eng Corp; SOONHAN ENGINEERING CORP
Current assignee: Soonhan Eng Corp; SOONHAN ENGINEERING CORP
Priority date: 2010-06-18
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: TWI549774B; KR101139292B1; JP5797942B2; CN102364306B; CN102364306A; TW201200289A; KR20110137875A

Abstract

【課題】エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムを提供する。
【解決手段】リニア・エンコーダ２３は、移動式往復台２５の側面に設置した一対の側面リニア・エンコーダ２３−１、２３−１’と、移動式往復台２５の一側部の下部に設置した一対の下面リニア・エンコーダ２３−２、２３−２’とで構成され、このように構成されたリニア・エンコーダ２３が、基準マーク、垂直位置誤差を補償するためのＬトラック、および水平位置［誤差］を補償するためのＴトラックを有するスケールに沿って移動することで、高い精度レベルで平面度、ピッチ、真直度、ヨー、およびロールに関連した誤差を補償するものであり、したがって、加工することが不可能である部分を最小限にし、加工コストを減少させ、精密なステージを実現する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムに関し、より詳細には、本発明は、持ち運び可能ガントリ・システムについての左右および上下方向の誤差値としてリアルタイム・フィードバックを与え、次いでプリロードされた真空エア（ｐｒｅ−ｌｏａｄｅｄｖａｃｕｕｍａｉｒ）の圧力をこの結果値に調整することによって平面度、ピッチ、真直度、ヨー、およびロールに関連した誤差を精密に制御する、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムに関する。

近年、産業の発達に伴って、製造品および製造部品が非常に機能的になり小型化する傾向があり、ＩＴ、ＢＴおよびＮＴ分野の発達に伴って、生産技術は、ナノ・レベルの精度を備える必要があるという状況が生じている。そのような状況に歩調を合わせている生産システムの中で、直線運動を行うリニア・ステージの精度レベルを高めた精密リニア・ステージが、開発されており、さらに開発が続いている。

一方、リニア・ステージは、直線運動を行う生産システムを構成するが、そのようなシステムの誤差は、移動方向の誤差だけに限定されるのではない。

図１を参照すると、図１は、リニアガイド（１１）に沿って移動するリニア・ステージを例示しつつ従来のリニア・ステージ誤差を示しており、ムーバ（１２）の移動方向をｘ軸として表すとき、ｙ軸方向に生じる水平方向移動誤差（ｅｈ）およびｚ軸方向に生じる垂直方向移動誤差（ｅｖ）の平行移動誤差成分、ならびにｘ／ｙ／ｚ軸方向の回転運動誤差成分を構成するロール誤差、ピッチ誤差、およびヨー誤差が生じる。

そのような誤差は、精密リニア・ステージに大きな問題をもたらし、したがって、そのような誤差を測定し、リニア・ステージの精度を確かなものにすることが、極めて重要である。

従来、そのような誤差を測定するために、レーザ干渉計、オートコリメータ、および容量性センサなどの様々な装置が、それぞれ、各誤差を計算するのと同時に使用されていた。

様々な装置を、そのような従来の測定方法において同時に使用するために、そのような装置をセットアップするのは、面倒であったし、測定の操作は、とても難しいものであった。さらに、器材のセットアップ中に、セットアップ誤差（ｓｅｔｕｐｅｒｒｏｒ）も生じた。したがって、誤差測定時に、統一した初期位置に基づいて測定を行うことが必要であったが、様々な装置が使用されるので、正確な初期位置を得ることはしばしば不可能であった。

さらに、従来の測定方法に関しては、上述のように誤差が生じる高い可能性に加えて、測定値の正確さを確かなものにすることがとても困難であったということもある。

また、従来の測定方法に用いられる様々な装置の中でも、レーザ干渉計およびオートコリメータは、非常に高価な装置であり、したがって、両方の装置を同時に設置することは、経済的な観点から大変な負担となる。

したがって、本発明は、上記課題を解決するために開発されたものであり、本発明の目的は、リアルタイムの位置誤差フィードバックを与えるためにリニア・エンコーダを用い、次いでこのフィードバックに応じてエア・ベアリング・パッド（ａｉｒｂｅａｒｉｎｇＰＡＤ）のプリロードされた真空エアの圧力を調整することによって、平面度、ピッチ、真直度、ヨー、およびロールに関連した誤差を補償する、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムを提供することである。

本発明による、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムは、花崗岩またはアルミニウム製の高品質の基部と、移動式往復台を移動させるために同じ送り軸方向に平行するように配置および駆動される２個のリニア・モータと、位置誤差を補償するために各リニア・モータの位置値を検出し、この位置値をフィードバックとして与えるリニア・エンコーダと、基部の表面を基準として用いて移動し、移動式往復台が移動できるように所定の接触力／張力／圧縮力を圧縮空気の力として付与するエア・ベアリングおよび真空パッド（ａｉｒｂｅａｒｉｎｇａｎｄｖａｃｕｕｍＰＡＤ）と、基部に置いた器材を固定し、または荷重を移動させる移動式往復台と、磁石のプリロード力（ｐｒｅ−ｌｏａｄｆｏｒｃｅ）を引き起こすための棒鋼（ｓｔｅｅｌｂａｒ）と、モーメントの外力に耐えることができるように高程度の剛性を形成するためにエア・ベアリングおよび真空パッドと逆方向に磁力をもたらすプリロードされた磁石（ｐｒｅ−ｌｏａｄｅｄｍａｇｎｅｔ）とで構成され、
これらリニア・エンコーダが、移動式往復台の側面に設置した一対の側面リニア・エンコーダと、移動式往復台の一側部の下部に設置した一対の下面リニア・エンコーダとで構成され、リニア・エンコーダが、基準マーク、垂直位置誤差を補償するためのＬトラック（Ｌｔｒａｃｋ）、および水平位置［誤差］を補償するためのＴトラック（Ｔｔｒａｃｋ）を有するスケールに沿って移動されることを特徴とする。

上記の通り、本発明による、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムは、μｍ単位の高い精度レベルで平面度、ピッチ、真直度、ヨー、およびロールに関連した誤差を補償するものであり、したがって、以下の利益、すなわち、加工することが不可能である部分を最小限にし、加工コストを減少させ、精密なステージを実現することができるという利益を達成する。

従来のリニア・ステージの誤差の概要を示す説明図である。本発明によるリニア・ステージの詳細正面図である。本発明によるリニア・ステージの平面図である。図２のリニア・エンコーダおよびスケールの説明図である。図２のリニア・エンコーダおよびスケールの詳細図である。図２のエア・ベアリングおよび真空パッドの詳細図である。図６のエア・ベアリングおよび真空パッドに装備され、プリロードされた真空エア・ベアリングの詳細図である。本発明による真直度誤差補償システムの説明図である。本発明によるヨー誤差補償システムの説明図である。本発明による平面度誤差補償システムの説明図である。本発明によるピッチ誤差補償システムの説明図である。本発明によるロール誤差補償システムの説明図である。

以下、本発明による、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムを、図面を参照することによってより詳細に説明する。本発明の説明において、関連したオープン構造または構成要素（ｏｐｅｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の特定の説明が、本発明の要旨を不明瞭にするおそれがあると判断された場合、そのようなものについての詳細な説明は省略している。さらに、本明細書に記載されている用語は、本発明の機能を考慮して定義されたものであり、そのような用語は、顧客、操作者または使用者の目的または使用法に応じて代わり得る。したがって、定義は、本明細書全体を包含する詳細に基づいていなければならない。
同じ参照符号は、図面全体を通じて同じ構造的要素を指す。

図２は、本発明によるリニア・ステージの詳細正面図である。図３は、本発明によるリニア・ステージの平面図である。図４は、図２のリニア・エンコーダおよびスケールの説明図である。図５は、図２のリニア・エンコーダおよびスケールの詳細図である。図６は、図２のエア・ベアリングおよび真空パッドの詳細図である。図７は、図６のエア・ベアリングおよび真空パッドに装備され、プリロードされた真空エア・ベアリングの詳細図である。図８は、本発明による真直度誤差補償システムの説明図である。図９は、本発明によるヨー誤差補償システムの説明図である。図１０は、本発明による平面度誤差補償システムの説明図である。図１１は、本発明によるピッチ誤差補償システムの説明図である。図１２は、本発明によるロール誤差補償システムの説明図である。

図２〜図１２を参照すると、本発明による、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムは、花崗岩またはアルミニウム製の高品質の基部（２１）と、移動式往復台を移動させるために同じ送り軸方向に平行するように配置および駆動される２個のリニア・モータ（２２）と、位置誤差を補償するために各リニア・モータの位置値を検出し、この位置値をフィードバックとして与えるリニア・エンコーダ（２３）と、基部（２１）の表面を基準として用いて移動し、移動式往復台が移動できるように所定の接触力／張力／圧縮力を圧縮空気の力として付与するエア・ベアリングおよび真空パッド（２４）と、基部に置いた器材を固定し、または荷重を移動させる移動式往復台（２５）と、磁石のプリロード力を引き起こすための棒鋼（２６）と、モーメントの外力に耐えることができるように高程度の剛性を形成するためにエア・ベアリングおよび真空パッド（２４）と逆方向に磁力をもたらすプリロードされた磁石（２７）とで構成される。

リニア・エンコーダ（２３）は、移動式往復台（２５）の側面に設置した一対の側面リニア・エンコーダ（２３−１、２３−１’）と、移動式往復台（２５）の一側部の下部に設置した一対の下面リニア・エンコーダ（２３−２、２３−２’）とで構成され、このように構成されたリニア・エンコーダ（２３）が、基準マーク（４１）、垂直位置誤差を補償するためのＬトラック（４２）、および水平位置［誤差］を補償するためのＴトラック（４３）を有するスケールに沿って移動する。したがって、真直度、平面度、ピッチ、ヨー、およびロールに関連したフィードバックが可能になる。本明細書では、側面リニア・エンコーダ（２３−１、２３−１’）および下面リニア・エンコーダ（２３−２、２３−２’）が、移動式往復台（２５）の両側にそれぞれ設置される。

エア・ベアリングおよび真空パッド（２４）は、プリロードされた真空エア・ベアリング（ｐｒｅ−ｌｏａｄｅｄｖａｃｕｕｍａｉｒｂｅａｒｉｎｇ）（７０）と共に単一のユニットとして構成され、エア・ベアリングおよび真空パッド（２４）は、プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の圧力を調整し、したがって、エア・ベアリングおよび真空パッドのプリロード力を制御可能である。

ここで、図２〜図１２を参照して、本発明による、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムの平面度、ピッチ、真直度、ヨー、およびロールに関連した誤差を補償するシステムをより詳細に説明する。

まず、本発明による、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムの真直度誤差を補償するシステムを検討すると、移動式往復台（２５）は、前述のように、基準マーク（４１）、垂直位置誤差を補償するためのＬトラック（４２）、および水平位置［誤差］を補償するためのＴトラック（４３）を有するスケールに沿って矢印によって示すような移動方向に移動する。したがって、移動式往復台（２５）の左右側面に付着した一対の側面リニア・エンコーダ（２３−１、２３−１’）の中から側面リニア・エンコーダ（２３−１、２３−１’）の１つが、スケールに沿って移動するとき、Ｔトラック（４３）についての誤差値に関するフィードバックが、スケールの水平位置を補償するために与えられ、各プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が、スケールの水平位置に応じるために調整され、したがってエア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧（ｐｒｅ−ｌｏａｄｅｄｐｒｅｓｓｕｒｅ）が調整され、それによって移動式往復台（２５）の真直度誤差を補償する。

さらに、本発明による、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムのヨー誤差を補償するシステムを検討すると、移動式往復台（２５）は、前述のように、基準マーク（４１）、垂直位置誤差を補償するためのＬトラック（４２）、および水平位置［誤差］を補償するためのＴトラック（４３）を有するスケールに沿って矢印によって示すような移動方向に移動する。したがって、移動式往復台（２５）の左右側面に付着した側面リニア・エンコーダ（２３−１、２３−１’）が、スケールに沿って移動するとき、Ｌトラック（４２）についての誤差値に関するフィードバックが、スケールの垂直位置を補償するために与えられ、各プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が、フィードバックを与えた誤差値に応じるために調整され、したがってエア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧が調整され、一方で同時にリニア・モータ（２２）が制御され、それによって移動式往復台（２５）のヨー誤差を補償する。

加えて、本発明による、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムの平面度誤差を補償するシステムを検討すると、移動式往復台（２５）は、前述のように、基準マーク（４１）、垂直位置誤差を補償するためのＬトラック（４２）、および水平位置［誤差］を補償するためのＴトラック（４３）を有するスケールに沿って矢印によって示すような移動方向に移動する。したがって、移動式往復台（２５）の両端の下部に付着した下面リニア・エンコーダ（２３−２、２３−２’）が、スケールに沿って移動するとき、Ｔトラック（４３）についての誤差値に関するフィードバックが、スケールの水平位置を補償するために与えられ、プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が、フィードバックを与えた誤差値に応じるために同時に調整され、したがってエア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧が調整され、それによって移動式往復台（２５）の平面度誤差を補償する。

また、本発明による、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムのピッチ誤差を補償するシステムを検討すると、移動式往復台（２５）は、前述のように、基準マーク（４１）、垂直位置誤差を補償するためのＬトラック（４２）、および水平位置［誤差］を補償するためのＴトラック（４３）を有するスケールに沿って矢印によって示すような移動方向に移動する。したがって、移動式往復台（２５）の両端の下部に付着した下面リニア・エンコーダ（２３−２、２３−２’）が、スケールに沿って移動するとき、Ｔトラック（４３）についての誤差値に関するフィードバックが、スケールの水平位置を補償するために与えられ、下面リニア・エンコーダ（２３−２、２３−２’）の各誤差値に関するフィードバックが与えられ、各プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が、フィードバックを与えた誤差値に応じるために調整され、したがってエア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧が調整され、それによって移動式往復台（２５）のピッチ誤差を補償する。

また、本発明による、エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムのロール誤差を補償するシステムを検討すると、移動式往復台（２５）は、前述のように、基準マーク（４１）、垂直位置誤差を補償するためのＬトラック（４２）、および水平位置［誤差］を補償するためのＴトラック（４３）を有するスケールに沿って矢印によって示すような移動方向に移動する。したがって、移動式往復台（２５）の左右側面に付着した側面リニア・エンコーダ（２３−１、２３−１’）の一対が、スケールに沿って移動するとき、Ｔトラック（４３）についての誤差値に関するフィードバックが、スケールの水平位置を補償するために与えられ、各プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が、フィードバックを与えた誤差値に応じるために調整され、したがってエア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧が調整され、それによって移動式往復台（２５）のロール誤差を補償する。

［移動式往復台（２５）］が、基準マーク（４１）、垂直位置誤差を補償するためのＬトラック（４２）、および水平位置［誤差］を補償するためのＴトラック（４３）を有するスケールに沿って移動すると共に、フィードバック誤差が与えられ、各プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が調整され、それによってエア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧が調整されるリアルタイムに誤差を補償するシステムが使用されてきたが、別個のレーザ走査装置を使用して基部の下面および側面を走査した後に、次いで誤差補償ソフトウェアを使用して各プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が調整され、それにより、エア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧を調整するライン測定に続く補償のシステムによって、平面度、ピッチ、真直度、ヨー、およびロールに関連した誤差を補償することも、もちろん可能になされる。

本発明を、上記好適な実施に係る例を与えることを通じて説明してきたが、これら実施に係る例は、本発明を限定するものではなく、例示のために与えられるものであり、実施に係る例に対する変更、修正、または調整が、本発明の当業者によって様々なやり方で、本発明の技術的詳細から逸脱することなく行われてもよい。したがって、本発明の保護範囲は、本発明の技術的詳細の要旨の中に包含される変更、修正、および調整の全ての例を包含するように解釈されるものとする。

２１基部
２２リニア・モータ
２３リニア・エンコーダ
２３−１、２３−１’ 側面リニア・エンコーダ
２３−２、２３−２’ 側面リニア・エンコーダ［原文のままであるが、下面リニア・エンコーダのはずである］
２４エア・ベアリングおよび真空パッド
２５移動式往復台
２６棒鋼
２７プリロードされた磁石
４１基準マーク
４２Ｌトラック
４３Ｔトラック
７０プリロードされた真空エア・ベアリング

Claims

エンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システムであって、花崗岩またはアルミニウム製の高品質の基部（２１）と、
移動式往復台を移動させるために同じ送り軸方向に平行するように配置および駆動される２個のリニア・モータ（２２）と、
位置誤差を補償するために各前記リニア・モータの位置値を検出し、前記位置値をフィードバックとして与えるリニア・エンコーダ（２３）と、
基部（２１）の表面を基準として用いて移動し、前記移動式往復台が移動できるように所定の接触力／張力／圧縮力を圧縮空気の力として付与するエア・ベアリングおよび真空パッド（２４）と、
前記基部に置いた器材を固定し、または荷重を移動させる移動式往復台（２５）と、磁石のプリロード力を引き起こすための棒鋼（２６）と、
モーメントの外力に耐えることができるように高程度の剛性を形成するために前記エア・ベアリングおよび真空パッド（２４）と逆方向に磁力をもたらすプリロードされた磁石（２７）と
で構成され、
前記リニア・エンコーダ（２３）が、前記移動式往復台（２５）の側面に設置した一対の側面リニア・エンコーダ（２３−１、２３−１’）と、前記移動式往復台（２５）の一側部の下部に設置した一対の下面リニア・エンコーダ（２３−２、２３−２’）とで構成され、
前記リニア・エンコーダ（２３）が、基準マーク（４１）、垂直位置誤差を補償するためのＬトラック（４２）、および水平位置の誤差を補償するためのＴトラック（４３）を有するスケールに沿って移動する、誤差補償システム。
前記移動式往復台（２５）の左右側面に付着した前記一対の側面リニア・エンコーダ（２３−１、２３−１’）の中から前記側面リニア・エンコーダ（２３−１、２３−１’）の１つが、前記スケールに沿って移動するとき、Ｔトラック（４３）についての誤差値に関するフィードバックが、前記スケールの水平位置を補償するために与えられ、各プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が、前記スケールの前記水平位置に応じるために調整され、前記エア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧が調整されることによって前記移動式往復台（２５）の真直度誤差を補償する、請求項１に記載のエンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システム。
前記移動式往復台（２５）の左右側面に付着した前記側面リニア・エンコーダ（２３−１、２３−１’）が、前記スケールに沿って移動するとき、Ｌトラック（４２）についての誤差値に関するフィードバックが、前記スケールの垂直位置を補償するために与えられ、プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が、フィードバックを与えた前記誤差値に応じるためにそれぞれ調整され、前記エア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧が調整され、一方で同時に前記リニア・モータ（２２）が制御されることによって前記移動式往復台（２５）のヨー誤差を補償する、請求項１に記載のエンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システム。
前記移動式往復台（２５）の両端の下部に付着した前記下面リニア・エンコーダ（２３−２、２３−２’）が、前記スケールに沿って移動するとき、Ｔトラック（４３）についての誤差値に関するフィードバックが、前記スケールの水平位置を補償するために与えられ、プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が、フィードバックを与えた前記誤差値に応じるために同時に調整され、前記エア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧が調整されることによって、前記移動式往復台（２５）の平面度誤差を補償する、請求項１に記載のエンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システム。
前記移動式往復台（２５）の両端の下部に付着した前記下面リニア・エンコーダ（２３−２、２３−２’）が、前記スケールに沿って移動するとき、Ｔトラック（４３）についての誤差値に関するフィードバックが、前記スケールの水平位置を補償するために与えられ、前記下面リニア・エンコーダ（２３−２、２３−２’）の各誤差値に関するフィードバックが与えられ、各プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が、フィードバックを与えた前記誤差値に応じるために調整され、前記エア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧が調整されることによって前記移動式往復台（２５）のピッチ誤差を補償する、請求項１に記載のエンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システム。
前記移動式往復台（２５）の左右側面に付着した前記側面リニア・エンコーダ（２３−１、２３−１’）の一対が、前記スケールに沿って移動するとき、Ｔトラック（４３）についての誤差値に関するフィードバックが、前記スケールの水平位置を補償するために与えられ、各プリロードされた真空エア・ベアリング（７０）の空気圧が、フィードバックを与えた前記誤差値に応じるために調整され、前記エア・ベアリングおよび真空パッド（２４）のプリロード圧が調整されることによって、前記移動式往復台（２５）のロール誤差を補償する、請求項１に記載のエンコーダ・フィードバック、誤差マッピング、および空気圧制御を用いた誤差補償システム。