精密滾筒刻寫的運動控制挑戰：實現次微米精度與同步觸發

次微米定位、高速同步與誤差補償：精密刻寫關鍵

高精密捲對捲 (roll-to-roll) 製造的滾筒，廣泛應用於生產全球銷售的日常消費品；例如，這些滾筒被用來製造信用卡的安全全像圖，以及用於提升手機和其他 LCD 螢幕亮度的特殊光學薄膜；隨著防偽技術日趨精密，驅動了更先進、更複雜全像圖的發展，同時電子產品的小型化趨勢，也要求在特殊薄膜上製作尺寸更小的嵌入式特徵，這些高階產品的生產，皆需仰賴更高精密度母滾筒的製造。精密的運動控制系統，透過精準調控滾筒相對於聚焦雷射光束的運動，並在精確的時間點與位置觸發雷射，實現了更微小、更精準的雷射滾筒特徵刻寫。

 

圖 1. 捲對捲滾筒處理薄基材。
 

對於先進運動控制而言，小型化之所以極具挑戰性，其關鍵在於最終產品的精密要求；為了滿足複雜圖案設計以及電子元件尺寸不斷縮小的技術演進，現今所需的個別壓印或刻寫特徵已達到次微米等級，部分應用中，特徵之間的精確間距更必須小於 100 nm；不僅如此，這類滾筒的加工時程可能長達數週，這也驅使製造商開發運作速度更快的系統。
 

舉例來說，一個直徑 300 mm 的滾筒若以 50 rpm 的轉速進行加工，要在其外圓周表面產生 1 µm 的雷射脈衝特徵，雷射脈衝的觸發間隔必須達到每 0.0012 ms 一次，這相當於以每秒 800,000 次脈衝的高頻率命令雷射進行觸發，且點對點的間距控制需達到人類髮絲寬度的千分之一，每一次觸發的位移量僅相當於人類血球直徑的五分之一，實現如此高精度的控制絕非易事。
 

Aerotech 開發了高效能運動子系統，用以應對在捲對捲製程中進行特徵小型化所面臨的挑戰，同時確保達到終端產品所要求的極度嚴苛精度公差；製造精密滾筒所需的關鍵運動控制技術，涵蓋了高定位解析度、高精度機構設計、依據滾筒經校準的精確位置觸發雷射之能力，以及讓雷射得以在其最佳焦距運作的自動對焦控制功能；透過導入這些技術，便能夠實現次微米等級的特徵尺寸，以及小於 100 nm 的個別特徵間距控制。
 

圖 2：用於滾筒製造的 Aerotech 空氣軸承運動子系統。線性軸承載雷射光學組件，而旋轉軸則轉動滾筒。
 

Aerotech 運動系統是藉由採用高解析度位置回饋裝置、精密空氣軸承技術，以及先進的控制器與驅動器，來達成次微米等級的特徵尺寸；通常會利用放大正弦回饋裝置與硬體倍頻板，以獲取奈米等級的直線解析度與次角秒等級的角度解析度。舉例而言，若要在直徑 300 mm 的滾筒上，將雷射脈衝的間距進行電子控制達到 1 µm 的精度，連接於滾筒旋轉軸的旋轉編碼器，其解析度最低需求為 0.00038 度，理想情況下更應高出一個數量級，以徹底消除取樣誤差所帶來的影響。
 

軸承技術必須能夠支援軸進行近乎無摩擦的運動，方能達成次微米等級的細微移動；空氣軸承因其軸承表面之間無任何機械接觸，從而實現了此一目標。此外，精密的機械設備必須與高效能的驅動電子元件及軟體相結合，才能將運動控制的精密度提升至奈米等級。控制電子元件本身需具備足夠高的電氣解析度與極低的雜訊水準，才能對定位平台上的馬達進行如此精密的微電流控制；考量到電子切換式的 PWM（脈衝寬度調變）放大器可能引入伺服馬達雜訊，因此在允許的情況下，應優先選用線性放大器。Aerotech 運用高解析度編碼器、空氣軸承技術以及線性放大器來建構系統，最終呈現的是一套專為精密滾筒母模製造而設計、整合完善的運動子系統。

既然精密的運動控制已能實現，接下來的關鍵便是確保加工工具（雷射）必須與滾筒的實際位置精確同步，否則刻寫出的特徵將會產生變形，或無法準確地定位在滾筒表面。Aerotech 已開發出專利技術，能夠根據滾筒經過校準的實際位置來觸發雷射；這排除了控制器延遲與運動輪廓形狀可能造成的影響，直接利用來自軸的校準編碼器回饋訊號，精準命令雷射觸發的時機。此項特殊功能稱為位置同步輸出 (Position Synchronized Output, PSO)，它利用高速電子硬體與雷射的輸入通道進行通訊；系統會整合各運動軸的位置資訊，使得雷射觸發能夠在旋轉的滾筒與進行線性運動的雷射之間達到精確協調。此功能支援以高達 12.5 MHz 的速率觸發雷射，其延遲時間僅有 160 奈秒。
 

最後，整合在 Aerotech 控制器內的自動對焦程序，允許將雷射焦距持續維持在相對於滾筒表面的最佳距離；這一點至關重要，因為空白滾筒在製造過程中難以保證在整個長度上都維持完美的同心度公差，不可避免地會產生程度不一的錐度。自動對焦程序能夠有效減緩這些錐度所帶來的不良影響；為實現自動對焦功能，系統沿著雷射光束方向額外加裝了一個位置位移感測器，用以量測滾筒表面相對於雷射頭或光學元件的即時位置。每種雷射系統都有其理想的焦距，在此焦距下，雷射的光斑尺寸最小且能量強度最為集中，而自動對焦程序的目標便是將焦點維持在此最佳位置。位移感測器所量測到的數值可以直接回饋至 Aerotech 的控制迴路，用以命令對應的運動軸進行補償移動；如此便能確保雷射光束始終維持理想的焦距，進而在滾筒的整個圓周與長度範圍內，達成一致且高品質的特徵圖案創建。
 

隨著日常生活中使用的捲對捲製程產品技術含量日益提升，其生產所依賴的母滾筒製造方法也必須同步精進。這些產品的小型化趨勢以及不斷增長的複雜性，正持續推動著捲對捲製造環境中對運動子系統性能提升的需求。Aerotech 憑藉其高階的機械設備、整合的先進控制電子元件、以及專業的雷射控制功能與軟體，為此挑戰提供了完整的解決方案。
 

部分速度位置同步輸出

部分速度位置同步輸出 (Part-Speed PSO) 是 位置同步輸出 (PSO) 的一種進階模式，它依據指令的向量速度而非實際位置回饋來觸發高速、低延遲的輸出脈衝。
 

這項技術的核心應用價值在於，它突破了傳統 PSO 對直接編碼器回饋與標準笛卡兒座標系的依賴；因此，Part-Speed PSO 能將 PSO 的精密同步觸發功能，擴展至使用複雜運動學轉換的系統（如多軸平台、振鏡掃描儀）、執行工具法線控制的應用，或是在無法直接存取相容編碼器訊號的場合，大幅提升了 PSO 技術的適用性與彈性。
 

Aerotech：滿足您獨特的運動控制需求

除了領先業界的標準運動控制元件與系統，Aerotech 更深入了解不同產業的特殊製程需求，並提供兩大系列的解決方案，助您克服獨特的技術挑戰：
 

特定製程運動控制解決方案

此系列專為高度特定的工業應用所設計，整合了 Aerotech 在精密定位、雷射控制、光學對準等領域的核心技術，提供開箱即用或稍作調整即可符合嚴苛製程要求的優化平台；無論是：

• 高精度的雷射加工 (如 LaserTurn 系列平台)
• 微米級的光纖對準與光子元件測試 (如 FiberMaxHP, FiberAlign, FiberGlide 系列)
• 精密的表面形貌量測 (如 SMP 平台)
• 或是要求氣密性的雷射封裝焊接 (如 HermeSys 系統)

Aerotech 都能提供經過驗證、性能卓越的整合運動控制解決方案，確保您的製程達到最佳的精度、穩定性與產出效率。
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客製化運動平台解決方案

當標準產品無法滿足您獨一無二的應用規格或整合需求時，Aerotech 的客製化能力將是您的最佳後盾。我們經驗豐富的工程團隊擅長與客戶緊密合作，從概念發想、設計分析到製造組裝，打造完全符合您需求的運動平台。我們的客製化範疇涵蓋：

• 多軸整合與特殊運動軌跡 (如 XY-Theta 系統、六軸/七軸/八軸複合運動系統)
• 空氣軸承、機械軸承或混合軸承的靈活選用與配置 (如各式客製化 IGM 系統、分軸空氣軸承系統、平面空氣軸承系統)
• 特殊環境對應 (如真空、潔淨室) 或特殊負載/尺寸需求 (如高負載平衡旋轉台、大行程龍門系統、重載平面空氣軸承系統)
• 針對特定儀器或製程設備的精密整合 (如多軸薄層成像系統)

從桌上型 XYZ 運動系統到大型模組化龍門系統，Aerotech 的客製化運動平台不僅滿足您的規格要求，更在精度、動態性能與長期可靠性上達到業界頂尖水準。
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