KR20110099055A - 웨브 기점을 사용한 위상-고정된 웨브 위치 신호 - Google Patents

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KR20110099055A
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Abstract

웨브 위치 결정을 향상시키기 위한 접근법은 웨브 움직임 인코더 신호를 감지된 웨브 기점 신호에 위상 고정시키는 단계를 포함한다. 기재의 종축을 따라 배치된 기점들이 감지되고, 대응하는 센서 신호들이 생성된다. 추정된 웨브 위치가 하나 이상의 인코더 신호에 의해 제공된다. 센서 신호와 인코더 신호 사이의 위상차가 계산되고, 위상차에 기초하여 웨브 위치 오차가 결정된다. 웨브 위치 오차 신호는 인코더 신호를 조절하기 위해 피드백될 수 있으며, 이는 웨브 위치 결정의 정확도를 개선시킨다.

Description

웨브 기점을 사용한 위상-고정된 웨브 위치 신호{PHASE-LOCKED WEB POSITION SIGNAL USING WEB FIDUCIALS}
본 발명은 긴 웨브(web)의 종방향 위치를 결정하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
가요성 전자 또는 광학 구성요소를 포함한 많은 물품의 제조는 긴 기재(substrate) 또는 웨브 상에 침착되거나 형성된 재료의 층들 사이의 정합(registration)을 포함한다. 웨브 상에 재료 층들을 형성하는 것은 연속적인 공정 또는 하나의 단계로 일어날 수 있고 다수의 단계들을 포함하는 공정을 반복할 수 있다. 예를 들어, 재료의 패턴이 다수의 침착 단계들을 통해 긴 웨브 상에 층들로 침착되어 층상(layered) 전자 또는 광학 소자를 형성할 수 있다. 다른 물품은 웨브의 일면 또는 양면 상에 적용되는 특징부의 정확한 정합을 필요로 한다.
층들 사이의 정확한 정합을 달성하기 위해, 웨브가 다수의 제조 단계를 통해 이동할 때, 측방향 웨브 횡단방향(lateral crossweb) 위치설정 및 종방향 웨브 하류방향(longitudinal downweb) 위치설정이 유지되어야 한다. 웨브 상에 형성된 층들 사이의 정합을 유지하는 것은 웨브가 가요성이거나 신장가능할 때 더욱 복잡해진다. 몇몇 물품의 제조는, 웨브에 재료 또는 공정을 적용하고 공정 단계들 사이의 정확한 위치 정합을 필요로 하는 다수의 패스(pass)(또는 스테이지(stage))를 수반한다.
본 발명의 실시예들은 긴 웨브의 종방향 위치를 결정하기 위한 방법 및 시스템을 포함한다. 일 실시예는 추정된 오차 신호에서 오차를 나타내는 오차 신호를 생성하는 방법을 포함한다. 기재의 종축을 따라 배치된 기점(fiducial)들이 감지되고, 감지된 기점들에 기초하여 대응하는 센서 신호들이 생성된다. 하나 이상의 웨브 움직임 신호는, 예를 들어 웨브 수송 견인 롤러의 인코더에 의해 생성된다. 센서 신호와 움직임 신호 사이의 위상차가 결정된다. 위상차에 기초하여 오차 신호가 생성된다.
본 발명의 다른 실시예는 웨브 위치 시스템에 관한 것이다. 센서 모듈이 기재의 종축을 따라 배치되는 하나 이상의 기점을 감지하고, 기점 마크(mark)에 기초하여 하나 이상의 연속적인 주기적 센서 신호를 생성한다. 신호 생성기가 기재의 움직임에 기초하여 하나 이상의 연속적인 주기적 신호를 생성한다. 위상 검출기가 센서 신호와 움직임 신호 사이의 위상차를 결정하고, 위상차에 기초하여 오차 신호를 생성한다.
본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 실시예 또는 모든 구현예를 설명하고자 하는 것이 아니다. 본 발명의 보다 완전한 이해와 함께, 이점 및 달성(attainment)은 첨부 도면과 관련하여 취해진 하기의 상세한 설명 및 특허청구범위를 참조함으로써 명백해지고 이해될 것이다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 실시예에 따른, 긴 웨브 상에 종방향으로 배치된 실질적으로 연속적인 기점 마크들의 다양한 구성을 도시하는 도면.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른, 웨브의 종방향 및 측방향 위치를 결정하도록 구성된 웨브 위치 검출기의 블록도.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른, 기점 마크를 감지하도록 사용될 수 있는 영역 센서의 이미지 뷰(image view)의 일례를 도시하는 도면.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른, 기점 마크를 감지하도록 사용될 수 있는 라인 스캔 센서(line scan sensor)의 이미지 뷰의 일례를 도시하는 도면.
도 2d는 본 발명의 실시예에 따른, 기점 마크를 감지하도록 사용될 수 있는 순차 스캔 센서(progressive scan sensor)의 이미지 뷰를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 종방향 웨브 위치를 결정하기 위한 방법을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 사인(sine) 및 코사인(cosine) 기점 마킹을 사용하여 웨브의 대략적인 위치 및 정밀한 위치를 결정하는 방법을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 잉크젯을 통해 폴리에스테르 웨브 상에 인쇄된 기점 마크의 사진.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 칼만 필터링(Kalman filtering) 전과 후의 노이즈 있는 데이터(noisy data)에 기초한 웨브의 추정된 종방향 위치를 도시하는 도면.
도 7은 웨브 위치 오차 신호를 생성하도록 구성된 시스템의 블록도.
도 8은 조절된 웨브 위치 신호를 제공하기 위해 웨브 위치 오차 신호를 사용하도록 구성된 시스템의 블록도.
도 9는 서로 위상이 다른 2개의 기점 센서 신호에 기초하여 오차 검출 및 피드백을 제공하는 시스템을 도시하는 도면.
도 10은 제조 공정을 제어하고/제어하거나 웨브 위치 결정을 위해 인코더 신호를 조절하기 위해서 위상 고정을 사용하는 과정을 도시한 흐름도.
도 11은 웨브 위치의 절대 위치를 주기적으로 결정하기 위한 접근법을 도시하는 도면.
본 발명이 다양한 변형예와 대안적인 형태를 따를 수 있지만, 그 특정 형태가 예로서 도면에 도시되어 있고 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명된 특정 실시예로 한정하고자 하는 것이 아님이 이해될 것이다. 반면에, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 범주 내에 속하는 모든 변형, 등가물, 및 대안을 포함하고자 한다.
예시된 실시예들의 하기의 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조하며, 도면에서는 본 발명이 실시될 수 있는 다양한 실시예가 예시로서 도시되어 있다. 다른 실시예가 이용될 수 있고, 구조적 변화가 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고서 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.
본 개시내용에 설명된 실시예는 웨브 상에 종방향으로 배치되는 연속 기점 마킹에 기초하여 웨브의 종방향 위치를 결정하기 위한 방법 및 시스템을 예시한다. 긴 웨브의 위치의 결정은 연속하는 처리 단계들 동안에 웨브의 정렬을 허용한다. 예를 들어, 본 개시내용의 실시예는 롤 투 롤(roll to roll) 제조 공정 동안에 웨브 상에 침착된 재료의 다수의 층들 사이의 정렬을 용이하게 하도록 사용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 공정은 웨브 상에 형성된 다층 전자 소자의 층들을 정렬시키는 데 특히 유용하다. 종방향 웨브 위치를 결정하기 위해 웨브 상에 배치된 이산된 기점 마크들을 사용하는 접근법은 단지 주기적 위치 검출만을 제공하고, 이산된 마크들 사이의 간격 동안에 위치 정보를 제공하지 못한다. 본 명세서에서 논의된 다양한 실시예에 의해 예시된 기점 마크는 연속적인 종방향 위치 업데이트 및 더욱 정확한 웨브 위치설정을 제공하도록 사용될 수 있다.
본 개시내용의 접근법은 웨브 처리 응용에서 일반적으로 발생하는 웨브 스트레인의 변화를 자동적으로 보상한다. 웨브 스트레인이 증가될 때(즉, 웨브가 더욱 신장될 때), 종방향 웨브 기점은 웨브 상에 형성된 대응하는 요소 또는 특징부와 함께 신장된다. 이는 웨브 기점이 웨브 상에 침착된 요소의 위치를 정확하게 추적하도록 사용되게 한다. 예를 들어, 기점은 웨브 요소의 층과 실질적으로 동시에 웨브 상에 침착될 수 있다. 기점 및 웨브 요소가 침착될 때, 웨브 상에 침착된 요소 및 기점은 동일한 양의 웨브 스트레인을 겪는다. 기점은 후속 공정에서의 웨브 스트레인의 양에 무관하게, 웨브 요소의 위치를 정확하게 추적하도록 사용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 접근법을 사용하여, 웨브가 신장된 때에도, 웨브 요소에 대한 정확한 정합이 달성될 수 있다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 구성의 기점 마크를 도시한다. 기점 마크들은 실질적으로 연속하거나 구분적으로(piecewise) 연속하고, 웨브의 종축을 따라, 예를 들어 웨브 에지를 따라 배치된다. 기점 마크들은 일반적으로 마크들의 기울기가 웨브의 종축에 대해 유한하고 0이 아닌 영역을 갖는다.
기점 마크들은 예를 들어 웨브 종축에 대해 비-주기 또는 주기 함수일 수 있다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 주기적 기점 마크는 웨브의 대략적인 위치 및 정밀한 위치 둘 모두를 결정하도록 사용될 수 있다. 대략적인 위치 정보 및 정밀한 위치 정보의 조합은 큰 거리에 걸쳐 고 해상도 위치 측정을 제공한다.
몇몇 실시예에서, 단일의 실질적으로 연속인 기점 마크들이 종방향 위치를 결정하도록 사용될 수 있다. 단일의 실질적으로 연속인 기점 마크가 도 1a에서 웨브(100)의 종축(102)을 따라 배치되는 사인곡선형(sinusoidal) 마크(101)로서 도시된다. 다른 실시예에서, 도 1b의 사인 마크(101) 및 코사인 마크(103)에 의해 도시된 바와 같이, 2개의 사인곡선형 마크들이 사용된다. 사인 마크(101) 및 코사인 마크(103)와 같은 2개의 실질적으로 연속인 기점 마크들의 사용은 단일 마크보다 실질적으로 더 높은 노이즈 내성(noise immunity), 정확도, 및 해상도를 산출하는 여분의 정보를 제공한다.
몇몇 실시예에서, 기점 마크들은 도 1c에 도시된 바와 같은 구분적 연속 마크들을 포함할 수 있다. 구분적 연속 마크들은 연속 마크들이 웨브의 일부분을 절단할 곳에서 웨브 내에 빈 공간(void)들을 생성하는 기점 마킹 방법에 특히 유용하다. 도 1c에 도시된 기점 마크들은 웨브 종축(102)에 대해 유한한, 0이 아닌 기울기를 갖는 일련의 대각선(104)을 포함한다. 도 1d의 비선형 구분적 연속 기점 마크(105)에 의해 도시된 바와 같은 비선형 구분적 연속 패턴이 또한 가능하다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 것들과 같은 실질적으로 연속인 기점 마크들은 웨브 위치의 측방향 편이(shift)가 무시해도 될 정도이고/이거나 웨브의 측방향 위치가 추적된 종방향 거리에 걸쳐 유지되는 시스템에서 웨브의 종방향 위치를 추적하도록 사용될 수 있다. 웨브의 측방향 위치가 무시해도 될 정도가 아닌 시스템에서, 측방향 웨브 움직임은 종방향 거리를 더 정확하게 결정하도록 제어될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 측방향 웨브 움직임은 종방향 거리의 결정 동안 검출되고 고려될 수 있다.
몇몇 구현예에서, 측방향 웨브 움직임은 웨브 에지 또는 웨브 상에 배치된 기점 마크들을 사용하여 결정된다. 예를 들어, 웨브 에지 또는 웨브 상에 배치된 수평선이 측방향 위치 정보를 제공할 수 있다. 종방향 위치 정보를 제공하는 하나 이상의 연속 기점 마크에 더하여, 측방향 위치 기준이 사용될 수 있다. 도 1e는 일 실시예에 따라, 종방향 위치 감지에 사용되는 사인 마크(101) 및 코사인 마크(103)에 더하여, 측방향 위치 감지에 사용될 수 있는 웨브(100) 상에 배치된 수평선(106)을 도시한다. 도 1f는 일 실시예에 따라, 측방향 위치를 감지하기 위한 일련의 수평선(107) 및 종방향 위치를 감지하기 위한 일련의 대각선(104)을 도시한다. 도 1f에 도시된 구성은 예를 들어 웨브의 절단 또는 웨브의 레이저 융제와 같은, 웨브 내에 빈 공간을 생성하는 기점 마킹 방법에 특히 유용하다.
기점 마크는 웨브 상에 제조되거나 웨브에 적용되는 패턴을 포함한다. 광학 구성에서, 기점 마크는 투과된 광 또는 반사된 광을 변조한다. 마크는 접촉 직접 인쇄, 잉크젯 인쇄, 레이저 인쇄, 레이저 마킹, 융제, 미세복제, 스크라이빙(scribing), 엠보싱, 캐스팅(casting), 코팅 및/또는 다른 방법에 의해 웨브에 만들어지거나 적용될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른, 웨브의 종방향 및 측방향 위치를 결정하도록 구성된 웨브 위치 검출기의 블록도이다. 이 실시예에서, 단일 센서(212)가 종방향 및 측방향 기점 마크(204 내지 206) 둘 모두를 감지하도록 사용된다. 다른 구성에서, 제1 센서가 측방향 기점을 감지하도록 사용되고, 제2 센서가 종방향 기점 마크를 감지하도록 사용된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 웨브(202)는 사인 및 코사인 마크(204, 205)들을 포함하는 종방향 기점 마크들을 포함한다. 웨브(202)는 또한 수평 마크(206)를 포함하는 측방향 기점 마크를 구비한다. 웨브(202)가 롤러(208, 210)들 사이를 통과할 때, 센서(212)는 종방향 기점 마크(204, 205) 및 측방향 기점 마크(206) 둘 모두를 감지한다. 센서(212)는 카메라 또는 다른 유형의 광학 센서, 전자기 센서, 밀도 센서, 접촉 센서, 또는 기점 마크를 감지할 수 있는 임의의 다른 유형의 센서일 수 있다. 도 2a에 도시된 실시예에서, 센서는 CCD 카메라를 포함한다.
카메라(212)의 출력은 카메라(212)로부터 기점 마크(204 내지 206)의 이미지를 획득하여 디지털화하는 이미지 데이터 획득 회로(214)로 전송된다. 이미지 데이터 획득 회로(214)로부터의 기점 마크의 디지털 이미지는 디지털 이미지 처리 시스템(216)으로 전송된다. 디지털 이미지 처리 시스템(216)은 감지된 기점 마크에 대응하는 신호를 생성하기 위해 이미지를 분석한다. 디지털 이미지 처리 시스템(216)에 의해 생성된 신호는 종방향 위치 검출기(218) 및 선택적으로 측방향 위치 검출기(220)로 출력될 수 있다. 측방향 웨브 위치 검출기(220)로부터의 정보는 종방향 웨브 위치의 내삽(interpolation)을 향상시키기 위해 종방향 웨브 위치 검출기(218)에 의해 사용될 수 있다. 각각 종방향 웨브 위치 검출기(218) 및 측방향 웨브 위치 검출기(220)에 의해 결정되는 종방향 및 측방향 위치는 웨브의 종방향 및 측방향 위치를 제어하도록 구성되는 움직임 제어 시스템으로 출력될 수 있다. 종방향 웨브 위치설정에 실질적으로 연속인 기점 마크들을 사용하여, 웨브의 위치는 1 마이크로미터보다 더 양호한 정확도로 결정될 수 있다. 정확도 및 해상도는 몇몇 요인에 의해 결정된다. 하나의 요인은, 마킹 공정에 의해 생성되고 센서에 이용가능한 기점 마크의 콘트라스트 레벨(level of contrast)이다. 콘트라스트가 높을수록, 가능하게 되는 해상도가 더 높아진다. 정확도 및 해상도에 영향을 미치는 다른 요인은 반복 사이클(주기)이 얼마나 작게 만들어질 수 있는지이다. 정확도 및 해상도에 영향을 미치는 또 다른 요인은 센서의 해상도이다. 예를 들어, 1 mm 주기 및 12 비트 센서 해상도를 갖는 사인곡선형 기점의 경우, 약 0.25 마이크로미터 또는 심지어 약 0.1 마이크로미터의 해상도가 얻어질 수 있다.
실질적으로 수평인 기점 마크(206)는 측방향 위치 감지에 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 수평 기점 마크(206)는 기점 마크(204, 205)의 진폭을 결정하기 위해 기준 기점으로서 사용될 수 있다.
도 2b 내지 도 2d는 다양한 유형의 센서의 이미지 필드의 예를 도시한다. 도 2b는 영역 센서(area sensor)의 이미지 필드(270) 내의 기점 마크(204, 205, 206)들을 도시한다. 영역 센서는 각각의 픽셀 위치의 광 세기를 나타내는 값의 Xi × Yj 어레이를 출력한다. 영역 센서는 신호 처리를 위한 대량의 데이터를 제공한다. 큰 데이터 세트는 예를 들어 위치 정확도의 가능한 이점으로 이어지는 현재 뷰(view)와 마지막 뷰의 비교 및 데이터의 더 정교한 필터링을 허용한다. 영역 센서는 비교적 더 큰 데이터 세트를 획득하고 처리하는 데 걸리는 시간으로 인해 몇몇 다른 유형의 센서와 비교할 때 보다 느린 위치 업데이트 속도를 제공한다.
도 2c는 라인 스캔 센서의 이미지 필드(280) 내의 기점 마크(204, 205, 206)들을 도시한다. 라인 스캔 센서는 픽셀 세기의 1 × Yn 벡터를 출력한다. 라인 스캔 센서는 영역 센서와 비교할 때 빠른 위치 업데이트를 제공하지만, 위치 이력의 데이터 저장이 요구된다.
도 2d에서, 기점 마크(204, 205, 206)들이 순차 스캔 센서의 이미지 필드(290) 내에 도시되어 있다. 일반적으로, 영역 스캔 센서는 사용자가 스캔할 라인의 개수, 예를 들어 Xn = 4 또는 다른 수를 선택하게 한다. 순차 스캔 센서는 라인 스캔보다 신호 처리를 위해 더욱 많은 데이터를 제공하지만, 보다 느리다.
사인 및 코사인 마크(204, 205)들은 최대 해상도를 달성하도록 스케일링될 수 있다. 예를 들어, 마크의 진폭은 측방향 위치 오차를 감안하기 위해 얼마간의 여유를 갖고서, 센서의 이미지 뷰(270, 280, 290) 내에서 마크(204, 205)를 최대화시키기 위해 가능한 한 크게 형성될 수 있다. 종방향 스케일링은 예측된 작동 속도에 기초하여 선택될 수 있다. 보다 촘촘한 피치(보다 높은 주파수 및 보다 작은 피크간 거리)의 사인 및 코사인 마크(204, 205)들을 사용하는 것은 종방향으로 보다 급한 경사, 및 보다 높은 해상도를 제공한다. 과도하게 큰 피치는 신호 대 잡음비를 감소시킬 수 있고, 또한 필요로 하는 샘플링 속도를 증가시킨다. 최소 샘플링 속도는 샘플들 사이에서 ½ 이하의 사이클이 진행될 것을 요구한다. 그러나, 최소 샘플링 속도의 3 내지 4배 이상의 샘플링 속도가 사용될 때 작업이 향상된다. 달성가능한 샘플링 속도는 사용되는 센서의 유형에 따라 변하지만, 카메라 센서의 경우 1 kHz 초과의 속도가 가능하다.
도 3의 도면은 본 발명의 실시예에 따라 종방향 웨브 위치를 결정하기 위한 방법을 도시한다. 이 방법은 웨브 상에 종방향으로 배치된 하나 이상의 실질적으로 연속인 기점 마크들을 감지하는 단계(310)를 포함한다. 감지된 기점 마크에 대응하는 센서 신호가 생성된다(320). 센서 신호를 사용하여 웨브의 종방향 위치가 결정된다(330).
사인 및/또는 코사인 마크와 같은 주기적 기점 마크는 웨브의 대략적인 위치 및 정밀한 위치를 결정하도록 사용될 수 있는 정보를 포함한다. 대략적인 위치는 주기적 기점 마크들의 주기적으로 순환하는 특징부들로부터 결정될 수 있다. 사인 또는 코사인 기점 마크의 경우에, 웨브의 대략적인 종방향 위치를 결정하도록 사용되는 주기적으로 순환하는 특징부들은 예를 들어 피크 또는 영교차(zero crossing)를 포함할 수 있다.
사인 및 코사인 기점 마크를 사용하는 일 실시예에서, 각각의 사이클의 영교차는 대략적인 위치를 결정하도록 계수된다. 사인 및 코사인 신호의 적절한 부호 처리 조작과 함께, 아크탄젠트2 함수를 취함으로써, 임의의 사이클 내의 정밀한 위치가 결정될 수 있다. 도 4의 도면은 사인 및 코사인 기점 마크로부터 이용가능한 대략적인 위치설정 및 정밀한 위치설정을 사용하여 종방향 웨브 위치를 결정하기 위한 방법을 도시한다. 웨브 상에 배치된 사인 및 코사인 마크가 감지되고, 사인 및 코사인 마크에 대응하는 센서 신호가 생성된다(410, 420). 이 방법은 측방향 웨브 움직임을 보상하기(430) 위한 몇몇 공정을 포함한다. 예를 들어, 측방향 웨브 움직임은 기점 마크 또는 웨브 에지와 같은 측방향 기점 기준을 사용하여 추적될 수 있다. 측방향 기준의 사용을 통해, 웨브는 센서 윈도우 내에 정확하게 위치될 수 있다. 대안적으로, 약 3 사이클의 지속기간을 갖는 동작중인 최소-최대 검출기(running min-max detector)가 사용될 수 있다. 사인 및 코사인 신호들의 피크간 진폭이 고정되기 때문에, 각각의 사인 및 코사인 값의 최대 및 최소 피크 값의 변화에 주목함으로써 웨브의 측방향 움직임이 결정될 수 있다. 서로 고정된 관계에 있는 최대 피크 및 최소 피크 둘 모두의 변화는 웨브의 측방향 위치의 편이를 나타낸다. 측방향 기점의 직접적인 감지가 바람직한데, 그 이유는 이것이 신호 처리 복잡성을 감소시킬 뿐만 아니라, 측정의 지연 시간을 감소시키기 때문이다. 웨브 에지가 또한 측방향 움직임을 결정하는 데 사용될 수 있다.
사인 및 코사인 신호는 디지털화되고, 필터링되거나 달리 처리될 수 있다. 시스템은 사인 마크의 영교차를 탐색한다(440). 영교차가 찾아진 때, 영교차가 계수되고, 대략적인 웨브 위치가 결정된다(450). 사인 및 코사인 신호 값의 아크탄젠트2 함수가 계산된다(460). 아크탄젠트2 계산으로부터 결정된 각도 및 4분면은 최근접 영교차로부터 참조되는 웨브의 정밀한 위치를 제공한다(460).
도 5의 사진은 잉크젯을 통해 폴리에스테르 웨브 상에 인쇄된 기점 마크를 보여준다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 잉크젯 인쇄 공정은 마크들에서 얼마간의 왜곡을 야기한다. 인쇄 공정으로부터의 개별적인 점(dot)을 볼 수 있고, 플롯 엔진(plot engine)으로부터의 단기 주기적 오차를 또한 볼 수 있다. 기점 마크에서의 결함은 다양한 신호 처리 기술을 통해 보상될 수 있다. 예를 들어, 마크에 응답하여 생성된 센서 신호는 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 레벨 편이, 필터링, 및/또는 각도 조절될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 센서 신호의 개선은 선형 또는 비선형 필터링에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 현재 웨브 속도가 알려져 있거나 추정되면, 다음의 추정된 위치 업데이트에 한계가 부여될 수 있다. 이들 한계 밖의 임의의 값은 노이즈인 것으로 추정될 수 있다. 특히, 칼만 필터(Kalman filter)의 사용을 통한 것과 같은 순환 필터링이 추정된 웨브 위치를 개선하도록 사용될 수 있다. 칼만 필터는 신호의 통계 자료의 지식에 기초하여 최상의 추정된 값을 형성하기 위해 2개 이상의 정보원을 사용하고 이들을 조합한다. 통계 자료는 실시간으로 생성될 수 있거나, 정상 과정(stationary process)의 경우, 연산 부담을 감소시키기 위해 오프라인으로 생성될 수 있다. 도 6은 칼만 필터링 전(610)과 후(620) 노이즈 있는 잉크젯 데이터에 기초한 추정된 위치를 도시하는 그래프를 보여준다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 필터링되지 않은 신호(610)에 큰 주기적 오차가 있으며, 이는 칼만 필터링이 적용된 후 실질적으로 감소된다(620).
본 발명의 몇몇 실시예는 웨브 위치 결정의 정확도를 개선하기 위해 피드백 루프에 사용될 수 있는 웨브 위치 오차를 계산하는 단계를 포함한다. 웨브 위치 오차는 웨브 수송 롤러 상의 인코더에 의해 생성된 하나 이상의 웨브 움직임 신호의 위상을, 예를 들어 웨브 상의 기점을 감지함으로써 생성된 하나 이상의 신호의 위상과 비교함으로써 결정될 수 있다. 웨브 움직임 신호, 예를 들어 인코더 신호는 추정된 웨브 위치를 제공한다. 웨브 움직임 신호와 기점 센서 신호 사이의 위상차는 웨브 위치 오차를 나타낸다. 몇몇 구현예에서, 웨브 위치 오차 신호는 웨브 움직임 신호가 기점 센서 신호에 위상-고정되도록 웨브 움직임 신호를 조절하도록 사용된다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 웨브 움직임 신호를 기점 센서 신호와 위상 고정시키는 것은 웨브 위치 결정의 정확도를 증가시킨다.
도 7은 웨브 위치 오차 신호를 생성하기 위한 접근법을 도시한다. 센서 모듈(710)이 웨브의 종축을 따라 배열된 하나 이상의 기점을 감지하고, 감지된 기점에 기초하여 연속적인 주기적 기점 센서 신호(711)를 생성한다. 센서 모듈은 센서 신호를 필터링, 스케일링, 및/또는 달리 처리하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 웨브 움직임 신호(721)가 웨브 움직임에 기초하여 생성되고, 웨브의 추정된 위치를 나타낸다. 예를 들어, 웨브 움직임 신호(721)는 웨브를 수송하는 데 사용되는 견인 롤(730) 상의 인코더(720)에 의해 생성될 수 있다. 웨브 움직임 신호(721) 및 기점 센서 신호(711)는 웨브 움직임 신호(721)와 기점 센서 신호(711) 사이의 위상차를 결정하는 위상 검출기(740)에 입력된다. 위상차는 인코더 신호(721)의 웨브 위치 오차의 척도이다. 위상 검출기(740)는 위상차에 기초하여 웨브 위치 오차 신호(750)를 생성한다. 웨브 위치 오차 신호(750)는 선형 거리, 예를 들어 마이크로미터로 변환될 수 있다.
도 7의 오차 검출 시스템은 웨브 위치 오차 신호에 기초하여 웨브 움직임 신호를 교정하는 피드백을 포함하도록 확장될 수 있다. 도 8은 피드백 시스템을 도시한다. 도 7과 관련하여 이전에 설명된 바와 같이, 센서 모듈(810)이 웨브 상의 하나 이상의 기점을 감지하고, 기점 센서 신호를 생성한다. 웨브 롤러(830) 상의 인코더(820)가 웨브 움직임에 관련된 하나 이상의 신호(821)를 생성한다. 기점 센서 신호(811) 및 인코더 신호(821)는 기점 센서 신호(811)와 인코더 신호(821) 사이의 위상의 차이를 결정하는 위상 검출기(840)에 입력된다. 위상 검출기(840)는 위상차에 기초하여 웨브 오차 신호(850)를 출력한다.
오차 신호(850)는 인코더 신호(821)의 정확도를 개선하도록 사용될 수 있다. 도 8은 인코더 신호(821)가 기점 신호(811)와 동기화되도록 인코더 신호(821)를 조절하도록 사용될 수 있는 폐루프 피드백 회로를 도시한다. 비례-적분(PI) 제어기 또는 비례 적분-미분(PID) 제어기와 같은 피드백 제어 회로(860)는 인코더(830)로부터의 출력과 합산되는 피드백 신호(861)를 생성한다. 합산기로부터의 출력은 조절된 웨브 위치 신호(825)를 제공한다. 조절된 웨브 위치 신호(825)는 사실상 웨브 인코더 신호이다.
조절된 웨브 위치 신호(825)는 적어도 부분적으로 향상된 웨브 위치 결정을 제공하는데, 그 이유는 조절된 웨브 위치 신호(825)가 감지된 기점 신호(811)보다 "더 깨끗하기(노이즈가 덜하기)" 때문이다. 도 8에 설명된 피드백 접근법은 신장, 수축, 및/또는 다른 왜곡과 같은 웨브의 변화가 검출되고 웨브 위치가 종방향 웨브 축을 따라 예상 거리에 대해 교정되도록 인코더 신호를 수정하기 위해 웨브 상의 감지된 기점을 사용하는 것을 허용한다. 조절된 웨브 위치 신호는 잉크젯 인쇄, 포토리소그래픽 패터닝(photolithographic patterning), 및/또는 다른 제조 공정과 같은 다양한 제조 공정을 제어하도록 사용될 수 있다.
도 9는 사인 및 코사인 신호와 같은, 서로 위상이 다른 2개의 기점 센서 신호에 기초하여 오차 검출 및 피드백을 제공하는 시스템을 도시한다. 오차 계산은 기점 센서 신호와 움직임 신호 사이의 위상차를 결정하는 것을 포함한다. 사인 기점 센서 신호와 코사인 움직임 신호의 제1 곱이 계산되고, 코사인 기점 센서 신호와 사인 움직임 신호의 제2 곱이 계산된다. 이들 계산치는 위상차의 사인인
Figure pct00001
를 결정하기 위해 삼각함수 항등식(trigonometric identity)(하기의 수학식 1 참조)을 사용하는 것을 허용한다. 오차 신호는 위상차의 아크사인으로서 생성된다.
도 9는 기점 센서 신호를 처리하도록 사용되는 필터(915, 917) 및 스케일링 회로(916, 918)를 도시한다. 예를 들어, 기점 센서 신호는 이질적 노이즈(extraneous noise)를 제거하도록 필터링되고/되거나, 신호 증배 회로(940, 942)로의 입력 전에 +/-1 피크간 신호로 스케일링될 수 있다. 사인 및 코사인 인코더 신호는 웨브를 수송하도록 사용되는 롤러에 결합되는 인코더(920)에 의해 생성된다. 사인 및 코사인 인코더 신호는 신호 증배 회로(940, 942)에 입력된다.
증배 회로(940, 942)는 사인 센서 신호와 코사인 인코더 신호의 곱 및 코사인 센서 신호와 사인 인코더 신호의 곱을 계산한다. 삼각함수 항등식에 기초하여, 위상차의 사인인
Figure pct00002
는 다음과 같이 계산된다:
[수학식 1]
Figure pct00003
여기서, sin(u)는 사인 센서 신호이고,
Figure pct00004
는 코사인 움직임 신호이며,
Figure pct00005
는 코사인 기점 신호이고,
Figure pct00006
는 사인 움직임 신호이다. 곱
Figure pct00007
및
Figure pct00008
는 합산 블록(960)에 입력된다. 합산 블록(960)의 출력(961)은 기점 센서 신호와 인코더 신호 사이의 위상 오차의 사인이다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 어느 하나의 사인곡선형 신호가 사용될 수 있지만, 사인 및 코사인 신호 둘 모두를 사용하는 것은 정확도 및 방향 추적을 향상시킨다. 사인 곡선 이외의 주기적 신호가 대안적으로 사용될 수 있다.
회로(962)가 위상 오차 신호(961)의 아크사인을 취하여, 웨브 위치 오차를 라디안 단위로 생성한다. 오차 신호는 비례-적분-미분(PID) 제어기 또는 다른 유형의 제어기와 같은 제어 회로(970)에 적용된다. 제어기(970)의 출력은 도 7 및 도 8과 관련하여 논의된 바와 같이 인코더 신호를 조절하도록 사용될 수 있거나, 예를 들어 웨브 위치를 제어함으로써 제조 공정(980)을 제어하도록 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 위상 오차 신호(961)는 인코더 신호를 조절하기 위해 또는 제어기 회로(970) 없이 공정을 제어하기 위해 직접 적용된다.
도 10은 웨브 위치설정을 위해 및/또는 제조 공정을 제어하기 위해 인코더 신호를 조절하도록 위상 고정하는 과정을 도시하는 흐름도이다. 웨브 상에 종방향으로 배열된 하나 이상의 기점이 센서 모듈에 의해 감지된다(1010). 감지된 기점에 기초하여 연속적인 주기적 신호가 생성된다(1015). 몇몇 실시예에서, 기점은 웨브의 종축을 따라 인쇄되거나 달리 배열될 수 있는 연속적인 주기적 기점들을 포함한다. 몇몇 구현예에서, 기점은 연속적인 기점 센서 신호를 생성하기 위해 에너지를 변조하는 특징부를 포함한다. 연속적인 기점 센서 신호를 생성하기 위해 광 또는 다른 유형의 에너지를 변조하는 특징부가, 2007년 6월 19일자로 출원되고 본 명세서에 참고로 포함되는, 통상적으로 소유된 미국 특허 출원 제60/944882호(관리번호 제62845US002호)에 더 상세히 설명되어 있다.
웨브 움직임 신호가 웨브 움직임에 기초하여 생성된다(1020). 이전에 논의된 바와 같이, 웨브 움직임을 추적하도록 사용되는 인코더가 웨브 움직임 신호를 제공할 수 있다. 기점 센서 신호와 웨브 움직임 신호 사이의 위상차가 계산된다(1025). 위상차에 기초하여 오차 신호가 생성된다(1030). 하나의 선택적 과정에서, 오차 신호는 인코더 신호를 조절하도록 사용될 수 있다(1035). 조절된 인코더 신호에 기초하여 웨브 위치가 결정될 수 있다(1040). 다른 선택적 과정에서, 오차 신호는 웨브 속도와 같은, 제조 공정의 다른 측면을 제어하도록 사용될 수 있다(1050). 몇몇 응용에서, 도 10에 도시된 선택적 과정 둘 모두가 구현된다.
예를 들어 도 7 내지 도 10과 관련하여 설명된 바와 같은 조절된 웨브 위치를 결정하기 위한 위상 고정은 기점 센서 신호의 다수의 주기적 사이클에 걸쳐 고도로 정확한 웨브 위치설정을 제공하도록 사용될 수 있다. 그러나, 몇몇 구현예에서, 주기적 기점 신호에 대해 긴 거리에 걸쳐 위치 조절을 유지함에 있어서 이점이 거의 없다. 웨브 상에 형성되는 대부분의 패턴은 비교적 작은 스케일일 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 바와 같은 웨브 위치 감지 기술을 사용하여 약 51 cm(20 인치)의 디스플레이 스크린이 제조될 수 있다. 51 cm(20 인치) 디스플레이 스크린의 경우, 웨브 패턴은 매 61 cm(24 인치) 정도마다 재조절될 수 있다.
웨브 패턴의 재조절은 연속적인 기점 마크들과 관련하여 사용되는, 웨브 상에 배치된 이산된 기점 마크(제로 마크)들에 기초하여 달성될 수 있다. 이산된 마크들은 패턴의 시작에 대응하는 절대 웨브 위치를 결정하도록 기재 위치 회로에 의해 사용되고, 연속적인 기점들은 패턴 영역 내의 웨브 위치를 결정하도록 사용된다. 도 11은 연속적인 주기적 기점(1111) 및 반복가능 간격으로 배열된 제로 마크(1112, 1113)들을 구비한 웨브(1100)의 일부분을 도시한다. 제로 마크들 사이의 간격은 제조되는 패턴의 크기에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 길이가 15 cm(6 인치)인 회로가 웨브 상에 패턴화되는 경우, 제로 마크들은 웨브를 따라 20 cm(8 인치) 간격으로 배치될 수 있다.
웨브 위치가 기재 위치 회로에 의해 추적될 때, 보조 센서가 제로 마크(1112, 1113)들의 통과를 식별한다. 보조 센서의 출력(1150)이 도 11에 도시되어 있다. 예를 들어, 제로 마크의 검출은 패턴을 위한 시작점을 식별하도록 사용되는 펄스(1152, 1153)를 생성할 수 있다. 제로 마크의 감지는 조절된 웨브 위치 신호(1160)의 가장 최근의 영교차를 식별하도록 기재 위치 회로에 의해 계산을 개시한다. 영교차(1162)는 제로 마크(1112)에 대한 가장 최근의 영교차로서 식별된다. 영교차(1163)는 제로 마크(1113)에 대한 가장 최근의 영교차로서 식별된다. 이러한 예에서 조절된 웨브 위치 신호가 사인곡선이고, 사이클당 2개의 영교차를 갖는 것에 주목한다. 제로 마크(1112, 1113)가 사인곡선형 신호(1160)의 단일 사이클 내에서 검출되는 한, 조절된 웨브 위치 신호(1160)의 올바른 마지막 영교차(1162, 1163)가 정확하게 결정될 것이다.
연속적인 기점 마크들을 포함하는 본 명세서에 설명된 실시예는 이동하는 웨브의 종방향 위치의 연속적인 추적을 제공한다. 웨브 기점을 종이, 섬유, 직포 또는 부직포 재료로 제조된 웨브와 같은 범용 웨브에 적용하기 위해 간단한 접근법이 사용될 수 있다. 웨브는 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, PET 또는 다른 중합체 웨브를 포함할 수 있다. 사인 및 코사인 마크의 사용을 통해 이용가능한 용장도(redundancy)는 높은 노이즈 내성을 제공하고, 정확한 웨브 위치설정을 허용한다. 이 접근법은 가요성 웨브와 관련하여 사용될 때 특히 유용하다.
본 발명의 다양한 실시예들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 모두 망라하거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 한정하려고 의도한 것이 아니다. 상기 교시에 비추어 많은 수정예 및 변형예가 가능하다. 본 발명의 범주가 이러한 상세한 설명에 의해 한정되지 않고 오히려 본 명세서에 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되도록 의도된다.

Claims (22)

  1. 기재(substrate)의 종축을 따라 배치되는 하나 이상의 기점(fiducial)을 감지하는 단계;
    감지된 기점에 기초하여 하나 이상의 연속적인 주기적 센서 신호를 생성하는 단계;
    기재의 움직임에 기초하여 하나 이상의 연속적인 주기적 신호를 생성하는 단계;
    센서 신호와 움직임 신호 사이의 위상차를 결정하는 단계; 및
    위상차에 기초하여 오차(error) 신호를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 기점을 감지하는 단계는 하나 이상의 실질적으로 연속적인 주기적 기점을 감지하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기점을 감지하는 단계는 서로 위상이 다른 2개의 실질적으로 연속적인 주기적 기점을 감지하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 센서 신호를 생성하는 단계는 사인(sine) 및 코사인(cosine) 센서 신호들을 생성하는 단계를 포함하고,
    하나 이상의 움직임 신호를 생성하는 단계는 사인 및 코사인 움직임 신호들을 생성하는 단계를 포함하며,
    센서 신호와 움직임 신호 사이의 위상차를 결정하는 단계는,
    사인 센서 신호 및 코사인 움직임 신호의 제1 곱을 결정하는 단계,
    코사인 센서 신호 및 사인 움직임 신호의 제2 곱을 결정하는 단계, 및
    제1 곱과 제2 곱 사이의 차이를 결정하는 단계를 포함하고,
    오차 신호를 생성하는 단계는 제1 곱과 제2 곱 사이의 차이의 아크사인을 취하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 오차 신호에 기초하여 움직임 신호를 조절하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 조절된 움직임 센서 신호에 기초하여 종축을 따라 기재 위치를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 기재 위치에 기초하여 제조 공정을 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 조절된 움직임 센서 신호에 기초하여 기재의 움직임을 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    기재의 종축을 따라 배치되는 기준 기점을 감지하는 단계; 및
    기준 기점에 기초하여 하나 이상의 기점의 진폭을 결정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    기재의 종축을 따라 배치되는 기준 기점을 감지하는 단계; 및
    기준 기점을 사용하여 웨브(web)의 측방향 위치를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    기점을 감지하는 단계는 하나 이상의 실질적으로 연속적인 주기적 기점을 감지하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은 기재 상의 이산된 기점 마크(mark)들을 검출하는 단계 및 이산된 기점 마크들의 검출에 기초하여 주기적 기점 마크들의 근접 영교차(nearby zero crossing)의 식별을 개시하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 기재의 종축을 따라 배치되는 하나 이상의 기점을 감지하도록 그리고 기점에 기초하여 하나 이상의 연속적인 주기적 센서 신호를 생성하도록 구성되는 센서 모듈;
    기재의 움직임에 기초하여 하나 이상의 연속적인 주기적 신호를 생성하도록 구성되는 신호 생성기; 및
    센서 신호와 움직임 신호 사이의 위상차를 결정하도록 그리고 위상차에 기초하여 오차 신호를 생성하도록 구성되는 위상 검출기를 포함하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    기재는 회전 드럼 상에 배치되는 긴 가요성 웨브를 포함하고,
    신호 발생기는 드럼의 회전을 검출하도록 구성되는 인코더를 포함하는 시스템.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 하나 이상의 기점은 서로 위상이 다른 2개의 실질적으로 연속적인 주기적 기점을 포함하는 시스템.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 기점은 사인 및 코사인 기점들을 포함하는 시스템.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 오차 신호에 기초하여 움직임 신호를 조절하도록 구성되는 피드백 회로를 추가로 포함하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    기재 상에 물품을 조립하도록 구성되는 조립 시스템; 및
    조절된 움직임 신호를 사용하여 조립 시스템을 제어하도록 구성되는 제어 회로를 추가로 포함하는 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 조절된 움직임 센서 신호에 기초하여 종축을 따라 기재 위치를 결정하도록 구성되는 기재 위치 회로를 추가로 포함하는 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    하나 이상의 기점은 하나 이상의 실질적으로 연속적인 주기적 기점을 포함하고,
    센서 모듈은 주기적 기점들의 영교차를 검출하도록 구성되며,
    기재 위치 회로는 검출된 영교차에 기초하여 절대 위치를 결정하도록 구성되는 시스템.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    센서 모듈은 기재의 종축을 따라 배열되는 일련의 이산된 기점들을 검출하도록 구성되고,
    기재 위치 회로는 이산된 기점 마크들의 검출에 기초하여 영교차의 식별을 개시하도록 구성되는 시스템.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    센서 모듈은 기재의 종축을 따라 배치되는 기준 기점을 감지하도록 추가로 구성되고,
    기재 위치 회로는 기준 기점과 하나 이상의 기점 사이의 거리에 기초하여 기재의 횡축을 따라 기재 위치를 결정하도록 구성되는 시스템.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    센서 모듈은 기재의 종축을 따라 배치되는 기준 기점을 감지하도록 추가로 구성되고,
    기재 위치 회로는 기준 기점에 기초하여 하나 이상의 기점의 진폭을 결정하도록 구성되는 시스템.
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