静圧軸受け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

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11750201
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 藤田 壽憲 東京工業大学, 精密工学研究所, 助手 (70242279)
• Keywords: 流体制御 / 空気圧 / 半導体製造装置 / 精密ステージ / 静圧軸受 / 精密位置決め / 非接触駆動

Research Abstract

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。
今年度は静圧軸受を採用することにより、ピストンを完全非接触で駆動する1軸ステージを設計・製作した。サーボステージの概要はストロークが50〔mm〕、受圧面積は27〔cm^2〕であり、位置センサには光学式エンコーダを用いた。ピストン、シリンダ部などはすべてセラミック製である。これにより、ねじのような磨耗、発塵がないことと併せて、発熱も皆無であるなど優れた利点を有したサーボステージが構成できた。0.01〔Hz〕の超低速で駆動しても、スティックスリップを発生することもなく滑らかに動作させることができ、極めて低摩擦な状態を作り出すことができた。
また、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、整定時間18〔ms〕、そのときの位置精度も10〔μm〕であり、応答周波数も約50〔Hm〕と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。現在は、単純な状態フィードバックにより制御しているが、来年度は、サーボ弁の動特性と空気圧の非線形性を考慮した制御法・設計法について検討し、高性能化をはかっていく予定である。