静圧軸受機構を利用した高速・高精度空気圧サーボテーブルの開発

开发采用静压轴承机构的高速、高精度气动伺服工作台

• 批准号: 11750201
• 负责人: 藤田 壽憲
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1999
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1999 至 2000
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-11750201/
• 关键词: 流体制御; 空気圧; 半導体製造装置; 精密ステージ; 静圧軸受; 非接触駆動; 精密位置決め

半導体などの製造装置においては,高速性,耐久性の点から電動駆動による限界が近づいている.一方,空気圧サーボ機構では比エネルギの高さを生かした高速駆動が可能であるものの,パッキン摩擦により精密な駆動が困難であるとされてきた.そこで本研究では上記の問題を解決する新しい精密位置決め用アクチュエータとして,静圧軸受機構を用いた空気圧サーボテーブルを提案し,その制御性について検討することを目的としている.昨年度は,静圧軸受を用いて完全非接触な1軸ステージを試作し,これを100[Hz]の高応答性を有するサーボ弁で駆動したところ,2[mm]のステップ入力に対して,電動機のに匹敵する位置決め精度と電動機を越える高速化を達成することができた.今年度はサーボ弁の改善と制御手法を研究課題の中心した.空気圧サーボ弁の特性が,結果としてサーボテーブルの高速化と位置決め精度を決定していることが明らかになった.そこで,これまでリニアの電流アンプと差動トランスが用いられきたサーボ弁を,トランジスタによるPWM駆動とエンコーダによる検出に切り替えサーボ弁特性の改善をはかった.サーボ弁の動特性を考慮した制御設計法を確立し,サーボ弁のヒステリシス特性の向上とあわせて,昨年度の結果に比べ応答の高速化と著しい位置決め精度の向上が見られた.また空気圧の非線形性も,厳密な線形化による手法により補償が可能であることがわかり,外乱オブザーバとの併用で任意の位置で50[nm]の位置決め精度と,良好な応答性を確保することができた.

在半导体和其他制造设备中，电力驱动在高速和耐用性方面已接近其极限。另一方面，气动伺服机构利用其高比能的优势能够进行高速驱动，但仍然受到包装的限制据说精确驱动是困难的，因此，在本研究中，我们开发了一种采用静压轴承机构的新型精密定位执行器来解决上述问题。该项目的目的是提出一种压力伺服工作台并检验其可控性。去年，我们使用静压轴承制作了完全非接触式单轴工作台原型，并开发了其在驱动时具有 100[Hz] 的高响应。通过带有伺服阀的伺服阀，我们能够实现与电动机相媲美的定位精度，并且对于2毫米的步进输入，速度超过了电动机。研究的主要重点是气动伺服阀的改进和控制方法。很明显，气动伺服阀的特性决定了伺服工作台的速度和定位精度，而以前使用的是差动伺服阀。变压器，改为使用晶体管的PWM驱动和使用编码器的检测，以改善伺服阀的特性。伺服阀的动态特性我们建立了考虑到这一点的控制设计方法，除了改善伺服阀的迟滞特性外，与去年的结果相比，我们还观察到响应速度更快，定位精度显着提高。此外，气压的非线性我们还发现，可以使用线性化方法进行补偿，并且当与干扰观测器结合使用时，我们能够在任意位置确保 50 [nm] 的定位精度和良好的响应性。