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

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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。