TWI612237B - 具有分爲多個區段之支撐體的振動隔離系統及用以控制該系統之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種振動隔離系統,該系統包括一被分為數個剛性區段的支撐體,在其上安置有一可移動載台。該等區段被設置在氣動軸承上,而該等各個區段的該等氣動軸承的控制係彼此獨立並基於該可移動載台的位置。
Description
本發明涉及一種振動隔離系統,特別是用於可製造出半導體裝置之機器抗振動安裝上,其包括一可在一支撐體上移動的載台。本發明還涉及一種用以控制一隔離振動系統的方法。
前案的振動隔離系統係特別基於氣動隔離器,並且可包括所謂的載台前饋。除了一氣動軸承外,該等隔離器還包括位置或加速度感測器。位置感測器係特別被用於檢測該抗振動安裝載荷在每一個隔離器其位置上的高度。
在載台前饋控制中,該可移動載台的加速度和位置資訊會被傳遞到一振動隔離系統的該控制器,該系統隨後基於前饋控制計算並輸出該振動隔離系統之該等力致動器的控制信號,根據其由該可移動質量所誘發的該等力會預期有六個自由度而且補償力會被提供。如此的控制系統可獨立於或附加於該振動隔離系統的該實際(反饋和位置)控制來使用。產生的力變化取決於該可移動載台的該重量、
加速度、和位移,並且因此確定該所需要的補償力。該補償力通常係由磁性致動器來提供。
對於許多應用(例如,在有關於平板顯示器製造系統的處理中)來說,該所需的補償力已變得如此之大,以致於使用傳統的勞倫茲馬達(永久磁鐵和可動線圈系統)已經不再是經濟上的可行方案。因此,目前的趨勢是以其他方式來提供該力。
歐洲專利申請EP 2 295 829 A1(Integrated Dynamics Engineering GmbH)公開了一種改進的主動振動隔離系統,該系統使用了該氣動子系統的閥門,即,該等氣動軸承的閥門,以提供在一垂直方向中的補償力。在其他的情況該等閥門僅被提供用以把整個系統移動到一特定的垂直工作點。然而,透過適當的控制,甚至可以透過在壓力中的變化,可提供一足夠大範圍的輸入力,使得在一種垂直方向上的補償力基本上可由該氣動子系統來提供。
特別是在一種負荷轉移的情況中,該等靜力必須保持一段相當長的時間,供應給勞倫茲馬達之持續電流現在不再是必要的,反而這些力都是透過在該等隔離器中的一種壓力增加來產生的。
為了提供必要的橫向補償力,當一力脈衝在一水平的方向上被引起時,產生一種機械式的接地短路是有可能的,舉例來說,由在該等隔離器中的非牛頓流體、半活動狀態、或磁性或電性流體來產生。這甚至可把相當大的機器與地面的振動隔離,並最小化由在該被支撐質量上之
可移動部件所誘發之力其產生的影響,並最小化時間效應。
隨著欲生產的設備,諸如平板顯示器,其尺寸的增加,該所需的地板空間,即用做振動隔離的底面積也會增加。
該製造過程的一持續性需求係要讓面板可藉著可移動載台在該整個表面被移動,以便能夠把該工件的任何部分放置在特定工具之下。因此,一可移動載台其所需要的移動距離增大,因而該位移距離的該支撐體表面亦為增加。
因此幾乎不可能再為可移動載台提供一種足夠大的一致支撐體,其將不會被變形。
相反地,有必要把該支撐體分為數個區段,該等區段僅適度地彼此耦合。
在這種情況下,將有必要使用比傳統三個或四個還要多的隔離器,不只是因為所採用的該等質量。相反地,每一個區段也可以使用三個或四個隔離器。
假如由於一適當大數量隔離器的該大質量被提供,隔離器被連接在一起以形成群組,其被提供有來自一控制迴路的控制信號。舉例來說,四個群組可以被提供,在一支撐體之四個角的每一個有一群組,每一群組包括數個隔離器,而且在同一群組中的該等隔離器係以相同的方式被驅動。
如果一載台前饋系統被採用,它將會使用該可移
動載台的位置和加速度信號來為該等閥門產生控制信號,其通常會被提供給一所謂的氣動軸,該軸結合了隔離群組的邏輯組合和代表了實體的自由度(X-轉動、Y-轉動、和Z-平移)。然而,理論上也有可能產生用於隔離器個別群組或個別隔離器的控制信號。
該等隔離器每一個具有一氣動軸承閥門和至少一個用在該垂直方向的距離感測器。為了結合致動器的群組,每一組閥門群組可安裝一電線路並用相同的控制信號來做控制。
然而,不可能透過距離感測器來檢測該結構的一種偏向。此外,當隔離器被連接在一起作為跨越區段的致動器時,一偏向是不會被抵消的。
本發明所基礎的目的係提供一種具有大底面積的振動隔離系統,其中一可移動載台的影響會被最小化。
根據該等獨立請求項的任意一項,本發明的目的已經由一振動隔離系統和用以控制一振動隔離系統的一方法來實現。
本發明的較佳實施例和修改被述明在該等相關請求項的技術主題中。
本發明涉及一種振動隔離系統,該系統係特別提供來針對用於製造半導體裝置的機器提供振動隔離。特別
地是,本發明涉及到在顯示面板製造中所使用的一種振動隔離系統。
該振動隔離系統包括一抗振動安裝支撐體,其被分為數個剛性區段,而該等區段被安裝在氣動軸承上,該等軸承至少在垂直方向上是有效的。
該支撐體用於支撐一可移動載台,舉例來說,在該載台上一顯示面板可在該支撐體上被移動。
因此,該支撐體被分為多個區段,其中在該等區段之間的一交集區域比起該等區段有一較低的剛度。這意味著,該等區段可被相互連接。特別地是,可預期該支撐體包括數個花崗岩板或一種複合材料板,舉例來說。如果這些板被連接,例如被螺合在一起,則在該交界處的剛性將會較低。因此,在本發明的上下文中,包含有數個區段的支撐體可以是一種包含有相互連接之若干個板的支撐體。
該可移動載台至少可沿著該等區段的該延伸方向做移動。
該等氣動軸承最好可構成一隔離器的一個組件,其除了氣動軸承之外還包括至少一感測器用以做位置和/或加速度的檢測。任選地,該隔離器還包括電控制的磁性致動器用以主動振動隔離(例如,勞倫茲馬達),其可特別地用於一水平方向上的主動振動隔離。因此,根據本發明,除了在該水平方向上的該主動振動隔離之外,它還特別考慮透過致動器來在其他的空間方向提供主動振動隔離。
該振動隔離系統還進一步包括感測器,用以檢測該支撐體在數個支撐體位置上的高度。較佳的情況是,這些感測器被集成在一隔離器中,其每一個都還包括一空氣軸承。
此外,基於來自該等用以檢測該支撐體高度之感測器的信號並且同時基於該可移動載台的位置,該等氣動軸承是可控制的。「控制」係指提供一控制信號給該等氣動軸承,透過其該氣動組件中的該壓力會被改變,因此該支撐力會被改變。
因此,該等氣動軸承的前饋控制不僅考慮到來自該等感測器的該信號,也考慮到該可移動載台的位置。
另外,還考慮到了該載台在該支撐體的數個區段上移動,該等區段並不是被剛性連接的。
特別地是,一區段之該等氣動軸承的控制係獨立於一鄰接區段的該等氣動軸承。
因此,根據本發明,該支撐體不被認為是一種一致的剛性板,反而該支撐體的該等區段係被個別地控制。
至少有隔離器或氣動軸承的群組其係由一控制信號來控制,該信號係獨立於所有其他區段的該控制信號。
在本發明的一實施例中,該支撐體至少被分為三個剛性區段。
另外,該等區段的每一個係安裝在至少四個氣動軸承上的抗振動,其通常被設置在該個別區段的周圍。
每一區段的該等軸承係獨立於其他區段的該等軸承來控制的。
最好每一區段至少具有一感測器用以檢測該高度。
更好的方式是,每一個軸承,其特別是一隔離器的部分,已經與其伴隨有一感測器。
在本發明的一個實施例中,該振動隔離系統包含有構件用以在一學習階段中儲存一資料集,該資料集代表在該可移動載台的一次運行中在該支撐體的數個支撐點高度上的變化。這個誤差信號會被用於調整在該等支撐點上的參數。這些參數然後在操作期間會被用於計算一用以控制該等氣動軸承的補償信號。
因此,該支撐體被分為支撐點,在一所謂的學習過程中一誤差信號被產生並且被儲存為一資料集,其代表在該等支撐點上該可移動載台的影響。
該誤差信號然後被使用,在該學習階段中,以一種方式來調整在該等支撐點上的該等參數從而使得該誤差信號被最小化。在一般操作期間,在該等支撐點上的該等參數則用來產生一補償信號。
這個補償信號然後可在該振動隔離系統的操作期間被加入到該常規的主動控制上。
本發明還涉及一種用以控制一振動隔離系統的方法,該系統包括一可移動載台,該載台被安置在一抗振動安裝支撐體上,該支撐體被分為數個剛性區段,並且其
中該支撐體的高度係在不同的點上使用數個感測器來判定。
氣動軸承,透過其該支撐體的該等剛性區段被支撐,係基於可移動載台的該位置來控制的。
在本發明的一個較佳實施例中,該支撐體被分為數個支撐點,並且在一學習階段中一資料集被產生,其代表在該支撐體上該載台的移位期間數個支撐點高度中的變化,而該等該氣動軸承會根據這個資料集來被控制。最好的情況是,就此目的,一補償信號被產生。
該載台在任意方向上位移的期間中,該等最近的氣動軸承係基於該載台的位置來被控制的。
所以如此的補償信號被加入到該通常的高度控制信號上。該補償信號最好是取決該載台的位置以及為一支撐點所儲存的參數。該補償信號被使用來控制相鄰於一支撐點的該等氣動軸承。
垂直振動隔離最好是使用該等氣動軸承被單獨地完成。
在本發明的一個實施例中,至少部分的該等支撐點係位於該等感測器之間,並在這些支撐點上之該支撐體高度係由在該等相鄰感應器位置上的該等支持體高度做內插來決定的。
1‧‧‧振動隔離系統
2‧‧‧支撐體
3‧‧‧載台
2a、2b、2c‧‧‧剛性區段
4-1、4-4、4-12‧‧‧氣動軸承
5a、5b、5c‧‧‧樞軸點
1~12‧‧‧軸承
6‧‧‧支撐點
S1~S6‧‧‧支撐點
V i ‧‧‧閥門輸出信號
圖1係一振動隔離系統的一示意俯視圖。
圖2係在圖1中所示之振動隔離系統的一象徵性
和示意性的側視圖。
圖3係一視圖,其圖示出把一振動隔離系統的該支撐體分為多個區段。
圖4展示出該等氣動軸承的位置和該等伴隨的隔離器。
圖5展示出該等個別隔離器之該等感測器的該信號,該等隔離器係關聯於投入到圖中之該載台的不同位置。
圖6係一振動隔離系統的該等支撐點的一種示例性安置。
圖7圖示出在該載台的不同位置上該等振動隔離器之該等閥門的該輸出信號。
圖8係本發明用來計算補償信號之該方法的一流程圖。
藉由一示意性圖示出的示例實施例並參照圖1至圖8的該等圖示,本發明現在將進行更詳細的描述。
圖1係一振動隔離系統的一示意俯視圖。
振動隔離系統1包括一支撐體2,一可移動載台3被安置在其上。
載台3被使用來,舉例來說,支撐一顯示面板的一基板。
載台3可在支撐體2上移動,至少在Y-方向上,以
把將被處理之該組件傳送到不同的站台。
在本示例性實施例中,可移動載台3也可以在X-方向上行動。可移動載台3包括連接到一控制器的一輸出埠,透過其該載台3的位置被轉送(圖中未示出)。該控制器係一振動隔離系統的部分。
圖2係此一振動隔離系統1的一象徵性和示意性的側視圖。
可以看出,該支撐體被分為三個剛性區段2a、2b、2c。
剛性區段2a、2b、2c係安裝在氣動軸承4-1、4-4、4-12上的抗振動。
為了有助於對本發明的理解,僅圖示出一二維的視圖。
圖3是另一視圖,其圖示出把支撐體2分為區段2a、2b、2c。
圖4展示出該等氣動軸承和伴隨於圖3所示之區段2a、2b、2c的隔離器,它們有被編號。
區段2a擱置在軸承1至4上、區段2b在軸承6至8上、以及區段2c在軸承9至12上。
如果現在支撐體2被認為是一整塊板,就是傳統的方式,通常隔離器2、3、和6;隔離器7、10、和11;隔離器1、4、和5;以及隔離器8、9、和12會被組合成一各自的隔離器群組,其係以用相同的控制信號來被操作。
當載台3被移動時,可以預期的是,由於該有限
的剛度,區段2a、2b、2c的每一個將圍繞一各自的樞軸點5a、5b、5c來移動,如圖2所示,並不僅是圍繞該整個系統的一整體質心。
圖5圖示該等個別隔離器之該等感測器的該信號,其係有關於該可移動載台的不同位置。
最上面的那些圖顯示出來自位於圖4中位置1至4之該等感測器的信號,中間的那些圖顯示出來自圖4中感測器6至8的信號,而最下面的那些圖顯示出來自圖4中感測器9至12的信號。
應當被理解的是,在每一種情況下,來自四個感測器的該信號被給定,並且在這個示意圖中該個別的圖形是從那一感測器所衍生出的對於本發明的理解來說是無關緊要的。
在每一種情況下,位置偏離被繪製在y-軸上,單位為微米,而x-軸為時間。
該載台的相關位置係由該等箭頭來指出。
可被看出的是,在該等各別區段中該等位置的偏離取決於該載台的位置。
圖6圖示出的支撐點6的一種示例性佈置。
在圖6中該等隔離器的佈置對應於圖3。氣動軸承4-1至4-12中可以被看出,其位置對應於在圖4中的編號。
現在,支撐點6不再位於該等軸承的位置,而是散佈在該支撐體上。該等氣動軸承是在該等感測器的位置上。將被理解的是,該等感測器也可以被安置在與該等軸
承間有些距離。
支撐點6現在必須做實質上的考慮而且它們係位於在該等軸承和感測器之間,被使用來過濾該信號。
如果致動器將被使用於一種載台前饋控制,在該氣動(高度)控制中的該等群組將不會是有用的。
相反的是,根據本發明,該等致動器會以一種不同的方式被分組和連接,以適於致動器使用來補償由該載台移動所造成的該等力。
在這種情況下,該載台最好被認為是在各別的位置上作用於該載台其質心的一種重力。
由於剛度,雖然是有限的,但還是頗大,可以假定該等樞軸點並不和該等子結構的該等質心是在相同位置上,但顯然係偏向區段2a、2b、2c的該等連接處。所提供的該等距離感測器可被使用來測量該等結構的行為細節。
可移動載台3可以在X-方向和在Y-方向中移動,
並提供其位置資訊給該控制系統。後者然後必
須提供控制信號給閥門(t)=(V 1 V 2...V N )的該等可用埠,使得該等高度H i (t)與各自零位置N i 間的該平方偏差總和會在該程序過程中被最小化:
由於該控制系統操作在離散時間中,該積分會被轉換成一總和:
其中一般而言一總和係被計算在一組在該可移動載台之運動軌跡的一範圍內的時間點t上。因此,一函數F i ()被搜尋,其從可移動載台的該位置資訊產生用於的閥門V i 的一輸出信號:
具有
在前饋系統中,該搜尋的函數F i ((t))通常是那些線性相依於該等輸入變數Xpos和Ypos的函數,因為它們有關於簡單的負載位移,其力作用係與該質心間的距離成線性比例。此外,該函數線性相依於該力致動器的位置,因為該致動器的該力作用係以該槓桿臂到質心的長度做縮放。因此,該函數族可以被寫成一純量矩陣。
在圖示為多部件移動系統的情況下,該函數會複雜得多,因為區段可以在不同的樞軸點周圍移動。
因此,不再可能藉由一線性函數來產生當該載台被移動時還能將該系統保持在一足夠穩定位置上的閥門控制信號。由於該複雜的振盪幾何,針對這個問題的一種純粹算術解法也有可能是不可行的。然而,這個問題是可以用下列的方式來解決的:
在其上該可移動載台可被移動的該區域被分為一有限數量的象限。該等象限的該等交集可能,但不一定必須與該等閥門/隔離器V i 的位置重合。該等象限也不一定具相同的大小、或為正方形、或為均勻分佈的。
然而,為了可做較簡單的說明,在這裡假設該等象限是正方形的且是均勻地分佈的。為了進一步簡化該圖示,在這裡僅有一個空間方向被考慮(如在圖2中所示)。
用以補償一可移動載台該力作用的一種前饋控制系統其基本構想如下:用於一隔離器之一閥門的該閥門輸出信號被定義為一個僅為該等象限之該等支撐點的函數,並且對於中間位置,一種基於該等周遭支撐點的內插被使用。這可以是一種線性內插作為一種第一近似,但一種樣條或其他多項式內插也可以被考慮,以在該等支撐點提供一連續函數。
然後,必須為每一閥門輸出信號V i 提供與定義一純量矩陣,其被使用於計算該輸出信號,如在圖7中所示,其示出了在該載台不同位置上的該輸出信號。
該等中間值被獲得,例如,藉由在兩個支撐點之
間做線性內插。在這種方式中,該等閥門控制信號的最佳化原為連續位置值(Xpos/Ypos)其函數的最佳化現被精簡為一有限數量純量的最佳化。因此,該用以計算一輸出信號V i 的該函數被精簡為一基於(幾個)參數()的函數關係。現在,對於所有的V i ,各自對應參數的一最佳集合必須被求出,當該載台被移動時其會最小化在目標高度和當前高度之間的高度差。
該輸出信號V i 並不需要和可用閥門/隔離器的數量相同,但也可指定相互連接的閥門/隔離器群組。這可能是合適的,舉例來說,假如只有一有限數量的(電)埠可用於控制目的。然而,最有效的方法將會是使用所有的閥門,使得所有可用的自由度都會被利用到。因此,在每一個各別的情況中必須要在成本和可能的效能之間找到一種平衡。
在本文中所呈現的該矩陣方法可被簡化如下。
所有參數的參數化過程實際上避開了一種手動操作程序,因為即使只用6×3個支撐點和10個閥門(群組)就已經有180個參數必須被調整。
然而,參數化過程可被大大地簡化並可提供一個有意義的手動參數化過程:正如可以在圖2中被看到的,一閥門埠被連接到一隔離器,從而導致一具局部限制的致動器作用。那意味著,該閥門的位置確定這個致動器應該用於該載台的位置,並且可以
有效地應用其力的作用。
因為由於它們的尺寸(和因為其成本),該等致動器在數量上僅為有限的,並被分佈成在可能的負荷下,故該將被考慮的區域自然地分為可與該等對應的致動器相關聯的區域。因此,不再需要為每一閥門輸出信號V i 提供一自己的向量,只要為所有的V i 有提供一向量即可。
該等參數的擬合可以透過實驗來完成:當該載台被移動並因此在一特定點的高度落在該目標高度之下時,很直觀清楚的是在這位置附近之向量中的該等支撐點必須要被提高。在圖7(中間那一個)中,這會是支撐點S4,在該曲線圖中位於支撐點S3之下。在該計算中,該載台會被認為是一點載荷,該點載荷取決於其對應的位置被佈置在該載台的質心中。
該等參數改變的選擇以及有關於該誤差(即所謂的誤差信號)的程度資訊是可用的。
使用該可移動載台的位置資訊作為一所謂的參考信號,這參數現在可以使用數位濾波器用來做自適應的標準化技術(例如最小均方演算法、RLS、或其他)來做自動地擬合。在這個「學習階段」之後,參數化過程的改變可被凍結並被保存。
將被理解的是,也可以設想在操作的過程中定期地或連續地計算一誤差信號,並不斷地調整在該等支撐點上的該等參數。因此,在該情況下該學習階段將在操作期間中繼續。因此,該振動隔離系統將能夠適應它本身,特別是能夠適應由機械磨損所造成之組件的剛性變化。
參照圖8,本發明的方法將會參照一流程圖被詳細地說明。
該支撐體的該垂直位置會在數個支撐點使用數個感測器來被檢測。一般而言,該等位置感測器將被安置在該等氣動軸承處。因此,該等氣動軸承的該等支撐點和該等感測器彼此相互對應。
該等氣動軸承被控制用以調整一目標位置。
特別顧及到的是有考慮到在一軸承處位置的變化對該支撐體在其它軸承處位置的影響。此外,地面的振動可以在一種前饋控制環路的意義下被檢測,並且該振動可透過控制該等氣動軸承來抵消。這樣子的一種垂直振動隔離方案基本上是已知的。
根據本發明,在該支撐體上一可移動載台的位置被檢測。基於該載台的位置並基於對應於該個別支撐點位置的參數,一補償信號被計算。這些參數特別取決於該支撐體的特定性質,該支撐體並不被認為是一剛性板,因為它被分為數個相互連接的剛性區段。
該補償信號被加入到該常規的高度控制信號。
以這種方式,使得大量改善振動隔離很容易地變
為可能。
本發明本質上在該支撐體的多個區段之下的該等氣動軸承是獨立控制的,至少部分是。因此,該等軸承不會被組合成群組並假定將位在該支撐體的角部,反而是該支撐體的該等區段將會被個別地考慮並個別地控制。
1‧‧‧振動隔離系統
2a、2b、2c‧‧‧剛性區段
3‧‧‧載台
4-1、4-4、4-12‧‧‧氣動軸承
5a、5b、5c‧‧‧樞軸點
Claims (13)
- 一種振動隔離系統,其包含有:一抗振動安裝支撐體,該支撐體被分為數個剛性區段,該等區段被安裝在氣動軸承上,該等軸承至少在一垂直方向上是有效的,其中該支撐體用於支撐一可移動載台;感測器,用以檢測在該支撐體的數個點上之該支撐體的高度;其中該等氣動軸承可基於來自該等用以檢測該支撐體的高度之感測器的信號且同時基於該可移動載台的位置來控制。
- 如請求項1之振動隔離系統,其中該等剛性區段係彼此耦合。
- 如請求項1之振動隔離系統,其中一區段之該等氣動軸承係可獨立於一鄰接區段之該等氣動軸承來控制。
- 如請求項1之振動隔離系統,其中每一區段包括用於檢測該高度的至少一感測器。
- 如請求項1之振動隔離系統,其中有磁性致動器佈置在該等氣動軸承上。
- 如請求項1之振動隔離系統,其中該振動隔離系統包括用以在一學習階段期間儲存一資料集的構件,該資料集代表了在該可移動載台的一次運行期間在該支撐體之數個支撐點處的一高度變化。
- 如請求項1之振動隔離系統,其中該支撐體至少被分為三個剛性區段。
- 如請求項1之振動隔離系統,其中各該區段係抗振動地安裝在至少四個氣動軸承上,其中一區段之該等軸承係獨立於其他區段的該等軸承受控制。
- 一種用以控制振動隔離系統的方法,其中該振動隔離系統包括一安置在一抗振動安裝支撐體上的可移動載台,該支撐體被分為數個剛性區段;該方法包含有:使用數個感測器在不同的點處檢測該支撐體的高度;以及基於該可移動載台的位置,控制支撐該支撐體之該等剛性區段的氣動軸承。
- 如請求項9之用以控制振動隔離系統的方法,其包含有:把該支撐體分為數個支撐點;在一學習階段中產生一資料集,該資料集代表該載台在該支撐體上方移動的期間在該等數個支撐點處的高度變化;隨後在同時考慮到該資料集的狀況下控制該等氣動軸承。
- 如請求項10之用以控制振動隔離系統的方法,其中該資料集包含有一計算出的補償信號,該信號是該載台和該等相鄰氣動軸承之位置的函數,且該信號被加入到一高度控制信號。
- 如請求項9之用以控制振動隔離系統的方法,其含有:為了計算用以控制該等氣動軸承的信號,把該支撐體分為數個支撐點;以及當該載台沿任何方向移動時,控制最靠近該載台之質心的該等氣動軸承。
- 如請求項9之用以控制振動隔離系統的方法,其中至少部分的該等支撐點係位於該等感測器之間,其中在這些支撐點之該支撐體的高度係由在相鄰感測器位置之該支撐體的高度做內插來決定。
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