(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ−Ｙステージ上に搭載されてＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能なベーステーブルと、
前記ベーステーブルに設けられた複数の板ばねにより支持されている加工テーブルと、
前記加工テーブルの複数箇所に設けられた加工テーブル側磁性体と、
前記加工テーブル側磁性体に対応してその上側、下側の少なくとも下側に位置する前記ベーステーブルに設けられた複数のベーステーブル側磁性体と、
電磁石を構成するために前記複数のベーステーブル側磁性体にそれぞれ巻回された複数のコイルとを備え、
該複数の電磁石へのそれぞれの電流を制御することにより、前記加工テーブルをＸ軸とＹ軸とで規定されるＸ−Ｙ平面に対して傾斜可能とするとともに、該Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ軸方向にも可動としたことを特徴とする多自由度加工ステージ装置。
【請求項２】
請求項１記載の多自由度加工ステージ装置において、前記板ばねとして、３枚の板ばねを前記加工テーブルの重心から放射状に延びる方向に設けたことを特徴とする多自由度加工ステージ装置。
【請求項３】
請求項１記載の多自由度加工ステージ装置において、前記加工テーブル側磁性体を前記加工テーブルに等角度間隔をおいて３箇所に設け、これら３つの加工テーブル側磁性体に対応させて前記ベーステーブル側磁性体を設けると共にコイルを巻回して３組の電磁石を備えたことを特徴とする多自由度加工ステージ装置。
【請求項４】
請求項３記載の多自由度加工ステージ装置において、前記３つの加工テーブル側磁性体はそれぞれ、加工テーブル側上部磁性体と加工テーブル側下部磁性体とから成り、前記３組の電磁石はそれぞれ、前記加工テーブル側上部磁性体に非接触で対向しているベーステーブル側上部磁性体及びこれに巻回された上部側コイルと前記加工テーブル側下部磁性体に非接触で対向しているベーステーブル側下部磁性体及びこれに巻回された下部側コイルとから成ることを特徴とする多自由度加工ステージ装置。
【請求項５】
請求項３記載の多自由度加工ステージ装置において、前記３つの加工テーブル側磁性体はそれぞれ、前記加工テーブルの下部に設けられた加工テーブル側下部磁性体から成り、前記３組の電磁石はそれぞれ、前記加工テーブル側下部磁性体に非接触で対向しているベーステーブル側下部磁性体及びこれに巻回された下部側コイルとから成ることを特徴とする多自由度加工ステージ装置。
【請求項６】
請求項５記載の多自由度加工ステージ装置において、前記加工テーブル側下部磁性体、前記ベーステーブル側下部磁性体の一方に永久磁石を組み合わせて成ることを特徴とする多自由度加工ステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加工ステージ装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光による精密加工が広く普及している。一般に、レーザ加工では、レーザ光の光軸は固定し、移動ステージにより被加工部材を移動させる方式がとられている。このような方式では、移動ステージはレーザ光に対して垂直な平面内を２自由度で動くタイプが一般的である。
【０００３】
しかし、３次元加工や、焦点合わせが必要な加工のために、多自由度の移動ステージが必要となってきている。レーザ光による加工では、光軸周りの回転運動は意味をなさないため、それを除く５自由度が意味のある最大の自由度である。すなわち、光軸をＺ軸とした時のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｘ軸回り方向、Ｙ軸回り方向の５自由度である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでのレーザ光による加工装置のための移動ステージは、レーザ光に対して垂直な平面内を２自由度（Ｘ−Ｙ方向）で動くタイプが一般的である。このような加工装置では、被加工部材に斜めにレーザ光を照射するような加工はできない。また、レーザ光を絞って焦点で加工を行うような方法では、加工装置に生じる歪みや被加工部材の厚みの変化によって焦点がずれてしまい、このずれを補正することができない。
【０００５】
これらの問題を解決するために、ピエゾアクチュエータを利用する方法が提案されているが、ストロークが短く、３次元加工や、厚みのある材料の加工には不十分である。
【０００６】
また、ボールねじやシリンダを利用したパラレルリンク機構の多自由度ステージは存在するが、加工ステージに応用するのに十分な精度、剛性を持たせることができない。
【０００７】
本発明の課題は、多自由度の加工ステージ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による多自由度加工ステージ装置は、Ｘ−Ｙステージ上に搭載されてＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能なベーステーブルと、前記ベーステーブルに設けられた複数の板ばねにより支持されている加工テーブルと、前記加工テーブルの複数箇所に設けられた加工テーブル側磁性体と、前記加工テーブル側磁性体に対応してその上側、下側の少なくとも下側に位置する前記ベーステーブルに設けられた複数のベーステーブル側磁性体と、電磁石を構成するために前記複数のベーステーブル側磁性体にそれぞれ巻回された複数のコイルとを備え、該複数の電磁石へのそれぞれの電流を制御することにより、前記加工テーブルをＸ軸とＹ軸とで規定されるＸ−Ｙ平面に対して傾斜可能とするとともに、該Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ軸方向にも可動としたことを特徴とする。
【０００９】
前記板ばねとしては、前記加工テーブルの重心を中心として等角度間隔をおいて放射状に３枚設けるのが好ましい。
【００１０】
また、前記加工テーブル側磁性体を前記加工テーブルに等角度間隔をおいて３箇所に設け、これら３つの加工テーブル側磁性体に対応させて前記ベーステーブル側磁性体を設けると共にコイルを巻回して３組の電磁石を備えることが好ましい。
【００１１】
前記３つの加工テーブル側磁性体はそれぞれ、加工テーブル側上部磁性体と加工テーブル側下部磁性体とから成り、前記３組の電磁石はそれぞれ、前記加工テーブル側上部磁性体に非接触で対向しているベーステーブル側上部磁性体及びこれに巻回された上部側コイルと前記加工テーブル側下部磁性体に非接触で対向しているベーステーブル側下部磁性体及びこれに巻回された下部側コイルとから成る。
【００１２】
前記３つの加工テーブル側磁性体はそれぞれ、前記加工テーブルの下部に設けられた加工テーブル側下部磁性体から成り、前記３組の電磁石はそれぞれ、前記加工テーブル側下部磁性体に非接触で対向しているベーステーブル側下部磁性体及びこれに巻回された下部側コイルとから成るようにしても良い。この場合、前記加工テーブル側下部磁性体、前記ベーステーブル側下部磁性体の一方に永久磁石を組み合わせることが好ましい。
【００１３】
【作用】
本発明による多自由度加工ステージ装置は、板ばねの剛性が引っ張り方向には強く、曲げ方向には弱いことを利用して、３つの自由度（すなわち、Ｚ軸、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り）を残しながらＸ−Ｙステージで加工テーブルを駆動する。また、電磁石が非接触で力を伝えられることを利用して、単純な構造の直接駆動３自由度ステージを構成することにより、５自由度加工ステージ装置を実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による加工ステージ装置を５自由度の場合について説明する。但し、以下の説明では、レーザ光の光軸方向をＺ軸（図中、縦方向）、光軸に垂直な平面をＸ−Ｙ平面（図中、水平方向）と呼ぶ。
【００１５】
図１〜図３は、第１の実施の形態による加工ステージ装置を示す。本装置は、Ｘ−Ｙステージ１、ベーステーブル２、加工テーブル３、３組のテーブル上部鉄心４、３組のテーブル上部鉄心４のそれぞれに対応して設けられる３組のテーブル下部鉄心５、３組の上部電磁石コイル６、上部電磁石コイル６を巻回するための上部電磁石鉄心７、３組の上部電磁石コイル６のそれぞれに組合わされる３組の下部電磁石コイル８、下部電磁石コイル８を巻回するための下部電磁石鉄心９、３組の電磁石保持台１０、３組の板ばね１１、３組の板ばね保持台１２より構成されている。
【００１６】
ベーステーブル２は非磁性体でできており、３組の電磁石と、３つの板ばね保持台１２が固定されている。
【００１７】
ベーステーブル２は、Ｘ−Ｙステージ１の移動テーブルとなっており、Ｘ−Ｙ平面を駆動することができる。なお、本形態ではＸ−Ｙステージ１に３自由度駆動機構を積み上げる構成となっているため、Ｘ−Ｙステージ１には既存のＸ−Ｙステージを使用することができる。
【００１８】
３組の電磁石はそれぞれ、磁性体による上部電磁石鉄心７、磁性体による下部電磁石鉄心９、各上部電磁石鉄心７に巻回された上部電磁石コイル６、及び各下部電磁石鉄心９に巻回された下部電磁石コイル８から成る。上部電磁石鉄心７と下部電磁石鉄心９の間には、非磁性体から成る電磁石保持台１０があり、これらは固定されている。
【００１９】
上部電磁石コイル６、下部電磁石コイル８には、それぞれ任意の値の電流を流すことができる。
【００２０】
３組の板ばね１１は、Ｘ−Ｙ平面上において加工テーブル３の中心（重心）から放射状に配置されており、その外側は板ばね保持台９に固定されている。板ばね１１の先端側には、加工テーブル３が固定されている。加工テーブル３は、ベーステーブル２とは直接固定されておらず、板ばね１１の弾性にしたがってＺ軸、Ｘ軸回り、Ｙ軸回りに動く。
【００２１】
加工テーブル３は非磁性体で作られ、これに磁性体によるテーブル上部鉄心４とテーブル下部鉄心５が固定されている。
【００２２】
テーブル上部鉄心４は上部電磁石鉄心７の下側に非接触に、テーブル下部鉄心５は下部電磁石鉄心９の上側に非接触にそれぞれ配置する。
【００２３】
次に、本装置の動作について以下に説明する。加工テーブル３はベーステーブル２に対して３組の板ばね１１で吊られた構造になっている。このため、加工テーブル３はベーステーブル２に対して、Ｘ−Ｙ方向及びＺ軸周りの回転については高い剛性で締結されるが、Ｚ軸方向及びＸ−Ｙ平面に対する傾斜に関しては板ばね１１の弾性によって容易に動くことができる。
【００２４】
したがって、加工テーブル３のＸ−Ｙ平面内での位置決めは、Ｘ−Ｙステージ１によってベーステーブル２を駆動することにより行うことができる。これは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の自由度が与えられることを意味する。
【００２５】
一方、Ｚ軸方向の位置及びＸ−Ｙ平面に対する傾斜は、ベーステーブル２上の３組の電磁石で操作することができる。すなわち、電磁石の上部電磁石コイル６に電流を流すと磁界が発生し、上部電磁石鉄心７がテーブル上部鉄心４を上側に吸引する力を生じる。同様に、下部電磁石コイル８に電流を流すことにより、下部電磁石鉄心９がテーブル下部鉄心５を下側に吸引する力を発生させることができる。３組の電磁石の上部電磁石コイル６、下部電磁石コイル８には、それぞれ任意の値の電流を流すことができるので、それぞれの電磁石の吸引力を制御することができる。
【００２６】
３組の電磁石に同じ値の電流を流す場合、上部電磁石コイル６の電流が下部電磁石コイル８の電流より大きければ加工テーブル３は上に動き、小さければ下に動く。これは、Ｚ軸方向の自由度が与えられることを意味する。一方、３組の電磁石に一様でない電流を流せば、加工テーブル３は傾斜する。これは、Ｘ軸回り方向、Ｙ軸回り方向の自由度が与えられることを意味する。電磁石は非接触で駆動できるので、加工テーブル３が傾斜してもアクチュエータの向きを変える必要がない。このため構造が簡単で剛性が高い。加えて、直接、加工テーブル３を駆動できるため大きな力を発生することが可能で制御もし易い。
【００２７】
電磁石のストロークには制限があるが、レーザ光による精密加工では、例えばウェハを加工するかウェハ上に載せた材料を加工するのが一般的であるため、Ｚ軸方向の移動及びＸ−Ｙ平面への傾斜の駆動範囲としては十分である。Ｘ−Ｙ方向には大きなストロークが要求されるが、このようなＸ−Ｙステージは既に提供されており、既存のステージを採用すれば良い。
【００２８】
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施の形態による加工ステージ装置について説明する。本装置は、基本的には第１の実施の形態と同じであるが、第１の実施の形態におけるテーブル上部鉄心４、上部電磁石コイル６、上部電磁石鉄心７、電磁石保持台１０が省略されている。また、板ばね保持台１２は第１の実施の形態のものよりも位置的に高い。必要に応じて、テーブル下部鉄心５または、下部電磁石鉄心９に永久磁石が入れられる。
【００２９】
作用について説明する。本形態では、テーブル上部鉄心４、上部電磁石コイル６、上部電磁石鉄心７が無い。このため、板ばね保持台１２を第１の実施の形態のものより高くすることにより、発生する板ばね１１の弾性による上方向への力を利用する。
【００３０】
３つの電磁石に一様に電流を流す場合、下部電磁石コイル８の電流を大きくすれば、加工テーブル３は下方向に動き、小さくすれば板ばね１１の弾性によって上方向に動く。一方、３つの電磁石に一様でない電流を流せば、加工テーブル３は傾斜する。
【００３１】
加工テーブル３を所望の位置で動かすためには、板ばね１１の弾性力と釣り合う力を電磁石が発生し続けなければならない。この場合、テーブル下部鉄心５または下部電磁石鉄心７に永久磁石を入れることにより、電力の節約ができ、電磁石の発熱も抑えることができる。
【００３２】
なお、板ばね１１及び電磁石の個数は３個に制限されないことは言うまでも無い。
【００３３】
本発明による多自由度加工ステージ装置は、レーザ加工装置に適しているが、マイクロマシン用の加工ステージ、ワイヤボンダ、ステッパ等にも適用できることは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、微細加工装置において、３次元加工や光線の焦点合わせが必要な加工などのために必要十分な自由度、位置決め精度、剛性、ストローク、発生力を持つ精密加工ステージが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による加工ステージを５自由度の場合について示した模式図である。
【図２】図１の加工ステージをより具体的に示した斜視図である。
【図３】図２の線Ａ−Ａによる断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による加工ステージを図３と同じ断面で示した断面図である。
【符号の説明】
１    Ｘ−Ｙステージ
２    ベーステーブル
３    加工テーブル
４    テーブル上部鉄心
５    テーブル下部鉄心
６    上部電磁石コイル
７    上部電磁石鉄心
８    下部電磁石コイル
９    下部電磁石鉄心
１０    電磁石保持台
１１    板ばね
１２    板ばね保持台
【図１】
0003590946.tif 000002
【図２】
0003590946.tif 000003
【図３】
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【図４】
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