High Efficient Operation Method of Wirelessly Powered High-Precision Stage for Next-Generation Lithography Systems

下一代光刻系统无线供电高精度平台的高效操作方法

• 批准号: 21J13598
• 负责人: 林 拓巳
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J13598/
• 关键词: 無線電力伝送; 精密ステージ; パワーエレクトロニクス; 制御工学

液晶パネルや半導体の製造に用いられる精密ステージは，製品の高性能化と低価格化を達成するために，高速高精度な駆動が要求される。精密ステージの位置決め精度を低下させる要因は複数考えられ，これまでに機構面・制御面の両面から解決が図られてきた。本研究グループでは最後に残された要因であるケーブル張力による外乱に着目し，それを解決すべく電力ケーブルの代わりに無線電力伝送で駆動する精密ステージ（Wireless High-Precision Stage; WHPS）を試作した。本研究ではWHPSの電力制御や位置決め制御，機構面の改善に取り組む。2021年度は電力制御と位置決め制御に取り組んだ。WHPSでは無線電力伝送回路に接続されている負荷のモータの消費電力が時々刻々と変わり，ステージの動作軌道，特に減速時によっては回生が起きることが考えられる。そのようなときに負荷の直流電圧が不安定化することに着目し，力行と回生で受電側の整流回路のスイッチング動作を切り替えることで電圧を安定化させる制御を提案した。また，WHPSの駆動効率の向上を目的とし，送電側電圧を制御することで無線電力伝送の効率と受電側の整流効率の向上させる手法を提案した。両手法ともに，WHPSの動作軌道や駆動条件から計算される消費電力軌道に基づいた手法であり，WHPS特有の手法である。また，両手法はWHPSのモデルを利用した数値シミュレーションで検証した。また，位置決め制御においては，精密ステージで近年盛んに研究されているフィードバック制御器の状態変数のリセットを利用した制御に着目し，位置決めのオーバーシュートを低減する制御を提案した。より効果が大きかったボールねじ駆動ステージで検証したが，提案手法の理論自体は一般的であり，WHPSの位置決め制御にも適用可能だと考えられる。

用于制造液晶面板和半导体的精密平台需要高速、高精度驱动，以实现更高性能和更低价格的产品。有多种因素会降低精密平台的定位精度，人们已经从机械和控制的角度努力解决这些问题。该研究小组专注于最后一个因素，即电缆张力引起的干扰，为了解决这个问题，我们原型设计了一种由无线电力传输而不是电源驱动的精密平台（无线高精度平台；WHPS）电缆。 。在这项研究中，我们将致力于改进 WHPS 的功率控制、定位控制和机械方面。 2021年，我们做了动力控制和定位控制。在WHPS中，连接到无线电力传输电路的负载电机的功耗每时每刻都在变化，并且根据平台的运行轨迹，特别是在减速期间，可能会发生再生。针对这种情况下负载的直流电压变得不稳定的情况，我们提出了一种通过在受电侧整流电路的开关操作之间切换受电运行和再生来稳定电压的控制方法。此外，以提高WHPS的驱动效率为目标，我们提出了一种通过控制发送侧电压来提高无线电力传输效率和接收侧整流效率的方法。这两种方法都是 WHPS 独有的，因为它们基于根据 WHPS 运行轨迹和驾驶条件计算出的功耗轨迹。此外，这两种方法均通过 WHPS 模型的数值模拟进行了验证。此外，对于定位控制，我们重点关注近年来在精密平台上积极研究的利用反馈控制器状态变量重置的控制，并提出了减少定位超调的控制。虽然验证是使用效果较大的滚珠丝杠驱动台进行的，但所提出的方法本身的理论是通用的，并且认为它也可以应用于WHPS的定位控制。

项目成果

非ゼロ状態リセット制御器の初期値応答を利用した工作機械の過切削を抑制するボールねじ駆動ステージの制御手法の提案

提出一种使用非零状态复位控制器的初始值响应来抑制机床过切的滚珠丝杠驱动级控制方法

• 发表时间: 2021
• 作者: 林拓巳;藤本博志;伊佐岡慶浩;寺田祐貴
• 通讯作者: 寺田祐貴

Negative Quadrant Glitch Suppression Control of Ball-screw-driven Stage for Machine Tool by Friction Compensation and Initial Value Compensation

摩擦补偿和初值补偿的机床滚珠丝杠传动台负象限毛刺抑制控制

• DOI: 10.1541/ieejias.142.400
• 发表时间: 2022
• 作者: 林拓巳;藤本博志;伊佐岡慶浩;寺田祐貴
• 通讯作者: 寺田祐貴

Negative Quadrant Glitch Suppression of Ball-screw-driven Stage by Initial Value Compensation with Additional Input

通过附加输入的初始值补偿抑制滚珠丝杠驱动级的负象限毛刺

• 发表时间: 2022
• 作者: Takumi Hayashi; Hiroshi Fujimoto; Yoshihiro Isaoka; Yuki Terada
• 通讯作者: Yuki Terada