(57)【要約】【課題】加工装置のフレーム等の材料としてより良い特性を有する構造体、当該構造体の製造方法および当該構造体を使用した加工装置を提供する。【解決手段】構造体（ＣＦＲＰ構造体）１０は、炭素繊維を主成分とする第一の材料と、炭素繊維以外を主成分とする第二の材料とが一体化された構造を有する。第一の材料の熱膨張係数と第二の材料の熱膨張係数とは、その正負が逆であり、第二の材料の厚さは第一の材料の厚さよりも薄い。このような構造体１０は、加工装置の構成部材を支持するフレームとして用いることができる。【選択図】      図１
2019136889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維を主成分とする第一の材料と、炭素繊維以外を主成分とする第二の材料とが一体化された構造を有し、
前記第一の材料の熱膨張係数と前記第二の材料の熱膨張係数とは、その正負が逆であり、
前記第二の材料の厚さは前記第一の材料の厚さよりも薄いことを特徴とする構造体。
【請求項２】
前記第一の材料は、炭素繊維強化プラスチック部材であることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記第二の材料は、金属を主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項４】
前記第一の材料は、ピッチ系の炭素繊維強化プラスチック部材であることを特徴とする請求項３に記載の構造体。
【請求項５】
前記金属は、鉄であることを特徴とする請求項３または４に記載の構造体。
【請求項６】
熱膨張係数が鉄の１０分の１以下で、かつヤング率が鉄よりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項７】
前記第一の材料と前記第二の材料とは、常温硬化型の樹脂により一体化されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項８】
炭素繊維を主成分とする第一の材料と、炭素繊維以外を主成分とする第二の材料とを準備する工程と、
前記第一の材料と前記第二の材料とを一体化する工程と、を含み、
前記準備する工程では、
熱膨張係数の正負が互いに逆となる前記第一の材料と前記第二の材料を選択し、
前記第一の材料の熱膨張係数、ヤング率および厚さを乗算した値と、前記第二の材料の熱膨張係数、ヤング率および厚さを乗算した値との和が０になるように、前記厚さが設定された前記第一の材料と前記第二の材料とを準備することを特徴とする構造体の製造方法。
【請求項９】
前記第二の材料は、金属を主成分とすることを特徴とする請求項８に記載の構造体の製造方法。
【請求項１０】
ワークを加工する加工装置であって、
前記加工装置の構成部材を支持するフレームは、請求項１から７のいずれか１項に記載の構造体を含むことを特徴とする加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維を含む構造体、当該構造体の製造方法および当該構造体を使用した加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、露光装置やレーザ加工装置などの加工装置において、構成部材を支持するフレームは、鉄などの金属により構成されていた。露光装置の場合、フレームは、光照射部、マスクステージ、投影レンズ、ワーク（基板）ステージなどの構成部材を支持している。また、レーザ加工機の場合、フレームは、レーザ装置、ワークステージなどの構成部材を支持している。
このような加工装置において、周辺温度の変化や装置自体の発熱が生じると、金属であるフレームが熱膨張により伸縮する。フレームが伸縮すると、フレームに支持されている上記の構成部材の位置が変化し、加工精度が低下するおそれがある。
そのため、加工装置のフレームの材料としては、熱膨張率ができるだけ低い材料を用いることが望ましい。
【０００３】
また、加工装置のフレームには、高い剛性（ヤング率）も必要である。上述したように、加工装置において、フレームはワークステージを支持する。ワークステージは、例えば、基板の領域を分割して露光するステップ・アンド・リピートや、基板内に多数のスルーホールを形成する穴あけ加工において、頻繁に逐次移動を繰り返す。そのため、剛性が低いフレームでワークステージを支持すると、ワークステージの逐次移動によってフレームが大きく振動し、フレームの振動が停止するまでの時間、即ち、次の露光や加工を行うまでの時間が長くなる。その結果、ワークの処理時間が長くなり、装置の生産性が低下してしまう。
さらに、フレームの剛性が低いと、外部からの振動に対しても弱く、揺れが生じやすい。そのため、加工精度が悪くなる原因にもなり得る。
【０００４】
また、フレーム部材の条件として、大型の装置であっても比較的軽量になるように、密度が小さいことも重要である。重量が重くなると、装置を設置する工場の床を補強しなければならなくなるなど、装置に係るコストが大きくなる。
このように、加工装置のフレームは、剛性（ヤング率）が高く、かつ熱膨張係数および密度が小さいといった特性を有することが望まれる。これらの条件を満たす材料として、炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic：ＣＦＲＰ）がある。
例えば特許文献１には、自動車のフレーム等にＣＦＲＰを利用する点が開示されている。この特許文献１には、金属部材の表面にＣＦＲＰ製の補強材を接着することで、重量の増加を抑えながら自動車の骨格部材を補強する点が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献２】特開２０１７−６１０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載の技術にあっては、自動車のフレームの補強材としてＣＦＲＰを利用する点が開示されているだけであり、加工装置のフレームとして適切な材料については考慮されていない。
加工装置のフレームとしてＣＦＲＰを単体で用いることも考えられるが、近年、加工装置には非常に高い加工精度が要求されており、当該フレームの材料として、ＣＦＲＰ単体よりもさらに良い特性を有する構造体を用いることが求められる。ところが、特性を改良するために、例えば、ＣＦＲＰと金属などの他の材料とを組み合わせるにしても、それらをどのように組み合わせればよいのかが明らかではない。
【０００７】
そこで、本発明は、加工装置のフレーム等の材料としてより良い特性を有する構造体、当該構造体の製造方法および当該構造体を使用した加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る構造体の一態様は、炭素繊維を主成分とする第一の材料と、炭素繊維以外を主成分とする第二の材料とが一体化された構造を有し、前記第一の材料の熱膨張係数と前記第二の材料の熱膨張係数とは、その正負が逆であり、前記第二の材料の厚さは前記第一の材料の厚さよりも薄い。
このように、炭素繊維を主成分とする第一の材料と炭素繊維以外を主成分とする第二の材料とを組み合わせた構造体は、熱膨張係数が小さい（熱膨張係数が０または０に近い）構造体とすることができ、ＣＦＲＰ単体よりも温度変化による寸法変形が少ない構造体とすることができる。また、剛性が比較的高く、密度が比較的小さく比剛性が高くなるような構造体とすることも可能である。つまり、加工装置のフレーム等の材料として、ＣＦＲＰ単体よりもさらに良い特性を有する構造体とすることができる。
【０００９】
さらに、上記の構造体において、前記第一の材料は、炭素繊維強化プラスチック部材であってもよい。
ピッチ系ＣＦＲＰは負の熱膨張係数を有し、ＰＡＮ系ＣＦＲＰは正の熱膨張係数を有している。したがって、第二の材料として正負のいかなる熱膨張係数を有する材料を使用したとしても、第一の材料と第二の材料とを組み合わせた構造体は、熱膨張係数が小さい（０または０に近い）構造体とすることができる。つまり、第二の材料として正の熱膨張係数を有する材料を使用した場合には、第一の材料としてピッチ系のＣＦＲＰ部材を用い、第二の材料として負の熱膨張係数を有する材料を使用した場合には、第一の材料としてＰＡＮ系のＣＦＲＰ部材を用いればよい。
また、上記の構造体において、前記第二の材料は金属を主成分とするものであってもよく、前記第一の材料は、ピッチ系の炭素繊維強化プラスチック部材であってもよい。
ピッチ系のＣＦＲＰは、熱膨張係数が負の値を有し、加熱すると繊維方向に縮むという特性を有する。一方、金属は、熱膨張係数が正の値を有する。したがって、ピッチ系のＣＦＲＰ部材である第一の材料と、金属を主成分とする第二の材料とを組み合わせることで、熱膨張係数が例えば０となる構造体を比較的容易に得ることが可能となる。また、ピッチ系のＣＦＲＰ部材である第一の材料と金属を主成分とする第二の材料とを組み合わせた構造体は、金属に比べて剛性が高く、密度が小さく比剛性の高い構造体とすることができる。
【００１０】
さらに、上記の構造体において、前記金属は、鉄であってもよい。このように、鉄を主成分とする金属部材を第二の材料として利用することができる。この場合、比較的安価に構造体を得ることができる。
また、上記の構造体は、熱膨張係数が鉄の１０分の１以下で、かつヤング率が鉄よりも大きければよい。このように、熱膨張係数が鉄の１０分の１以下、すなわち±１．０×１０-6の範囲で、かつヤング率が鉄よりも大きい構造体は、加工装置のフレーム等の材料として、ＣＦＲＰ単体よりも良い特性を有する構造体である。
また、上記の構造体において、前記第一の材料と前記第二の材料とは、常温硬化型の樹脂により一体化されていてもよい。この場合、加熱処理により発生する残留応力を抑制しつつ第一の材料と第二の材料とを一体化させることができる。したがって、残留応力に起因して構造体に変形が生じることを抑制することができる。
【００１１】
さらに、本発明に係る構造体の製造方法の一態様は、炭素繊維を主成分とする第一の材料と、炭素繊維以外を主成分とする第二の材料とを準備する工程と、前記第一の材料と前記第二の材料とを一体化する工程と、を含み、前記準備する工程では、熱膨張係数の正負が互いに逆となる前記第一の材料と前記第二の材料を選択し、前記第一の材料の熱膨張係数、ヤング率および厚さを乗算した値と、前記第二の材料の熱膨張係数、ヤング率および厚さを乗算した値との和が０になるように、前記厚さが設定された前記第一の材料と前記第二の材料とを準備する。
これにより、熱膨張係数が０であり、ＣＦＲＰ単体よりも温度変化による寸法変形が少ない構造体を製造することができる。つまり、加工装置のフレーム等の材料として、ＣＦＲＰ単体よりもさらに良い特性を有する構造体を製造することができる。
また、上記の構造体の製造方法において、前記第二の材料は金属を主成分とするものであってもよい。
このように、炭素繊維を主成分とする第一の材料と金属を主成分とする第二の材料とを組み合わせることで、熱膨張係数が０であり、金属に比べて剛性が高く、密度が小さく比剛性の高い構造体を製造することができる。
【００１２】
また、本発明に係る加工装置の一態様は、ワークを加工する加工装置であって、前記加工装置の構成部材を支持するフレームは、上記のいずれかの構造体を含む。
このように、炭素繊維を主成分とする第一の材料と炭素繊維以外を主成分とする第二の材料とを組み合わせた構造体をフレームの材料とした利用した加工装置は、温度変化や外的要因による寸法変形が少なく、比較的軽量な加工装置とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、加工装置のフレーム等の材料としてより良い特性、具体的には、剛性の低下や密度の増加を抑えつつ、ＣＦＲＰ単体よりも熱膨張係数が小さい特性を有する構造体を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態における構造体の断面図である。
【図２】露光装置の概略構成を示す図である。
【図３】レーザ加工装置の概略構成を示す図である。
【図４】比較例の構造体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第一の実施形態）
図１は、第一の実施形態の構造体１０の概略構成を示す断面図である。本実施形態において、構造体１０は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を含むＣＦＲＰ構造体である。
構造体１０は、炭素繊維を主成分とする第一の材料１１と、炭素繊維以外を主成分とする第二の材料１２とが一体化された構成を有する。本実施形態では、第一の材料１１は、炭素繊維強化プラスチック部材（ＣＦＲＰ部材）であり、第二の材料１２は、金属部材である。
【００１６】
ＣＦＲＰ部材１１は、特に図示しないが、複数のプリプレグが積層されて構成されている。プリプレグは、炭素繊維に、繊維の方向性を持たせたまま樹脂を含浸させたシート状の部材である。プリプレグを構成する樹脂は、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂である。なお、プリプレグを構成する樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、シアネートエステル、ポリイミド等の熱硬化性樹脂を用いることもできる。
【００１７】
ＣＦＲＰは、型の中に、複数のプリプレグを繊維の方向が異なるように、必要層数（例えば二十層）積層し、減圧下で１２０℃〜１３０℃程度に加熱し、加圧（圧着）して硬化させることで成形される。ここで、プリプレグを、繊維の方向が異なるように重ね合わせるのは、プリプレグの面内方向の強度を等方的に強化させるためである。
なお、プリプレグの代用としては、安価にストックできる基準寸法（標準寸法）の標準ＣＦＲＰ板（例えば、５ｍｍのＵＤ（ＵＮＩ−ＤＩＲＥＣＴＩＯＮ）材）を使用することができる。なお、ＵＤ材とは繊維の方向が一方向にのみ延びている材料のことである。
【００１８】
このようにして製作されたＣＦＲＰは、鉄やアルミなどの金属材料よりも低密度（即ち軽い）でありながら、高強度な材料となる。ＣＦＲＰ部材１１は、上記の完成されたＣＦＲＰを所望の大きさに切り出した部材である。
また、ＣＦＲＰは、出発原料の違いにより、ポリアクリロニトリルを原料とするＰＡＮ系と、コールタールピッチや石油ピッチを原料とするピッチ系とに分類される。本実施形態におけるＣＦＲＰ部材１１を構成するＣＦＲＰは、ピッチ系ＣＦＲＰである。
【００１９】
金属部材１２は、ＣＦＲＰ部材１１の表面（第一面）１１ａに一様に一体化して形成されている。本実施形態では、金属部材１２が鉄により構成されている場合について説明する。また、金属部材１２の厚さＤ２は、ＣＦＲＰ部材１１の厚さＤ１よりも薄く設定されている。ここで、「厚さ」とは、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ａに直交する方向における部材の厚さである。
なお、金属部材１２は、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ａに複数の金属ワイヤーを平行に平面状に並べるようにして形成してもよい。
構造体１０は、ＣＦＲＰ１１と金属部材１２とを接着剤（不図示）によって貼り合わせた構成とすることができる。上記接着剤は、例えば、常温硬化型の樹脂により構成することができる。ただし、接着剤の種類は、上記に限定されない。
【００２０】
なお、ＣＦＲＰ部材１１は、主成分である炭素繊維と、副成分である硬化剤（樹脂）とにより構成されている。そこで、構造体１０は、ＣＦＲＰ部材１１の主成分である炭素繊維のみと金属部材１２とを、ＣＦＲＰ部材１１の副成分である硬化剤をモールド材として一体化して形成してもよい。
【００２１】
以下、本実施形態における構造体１０の製造方法の一例について説明する。
まず、完成しているＣＦＲＰを必要な大きさだけ切り出し、ＣＦＲＰ部材１１を準備する。また、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ａと同じ大きさの金属部材１２を準備する。このとき、ＣＦＲＰ部材１１および金属部材１２の厚さは、それぞれ後述する方法により設定する。
次に、ＣＦＲＰ部材１１の表面１１ａに液状の常温硬化型の樹脂を塗布し、その上に金属部材１２を配置して、加熱せずに常温で硬化させる。このとき、樹脂層に気泡が混入しないように、例えば、容器の中にＣＦＲＰ部材１１と金属部材１２とを配置し、ＣＦＲＰ部材１１と金属部材１２との間隙に真空引きをしながら液状の樹脂を充填し、その後、大気解放するようにしてもよい。
【００２２】
このようにして、ＣＦＲＰ部材１１と金属部材１２とが一体化され、構造体１０が製造される。構造体１０は、例えば、加工装置のフレームに用いることができる。
ここで、加工装置は、例えば、半導体基板やプリント基板に回路などのパターンを露光する露光装置や、レーザを基板に照射して切断や穴あけ加工を行うレーザ加工装置などを含む。また、露光装置やレーザ加工装置の構成の一部として使用されるステージ装置なども、加工装置に含むことができる。ステージ装置は、上記の基板などのワークを保持して移動させる装置のことである。
【００２３】
図２は、露光装置の概略構成を示す図である。
図２に示す露光装置２００は、ワークを露光する投影露光装置である。ここで、ワークは、シリコンワーク、プリント基板または液晶パネル用のガラス基板等であり、表面にレジスト膜が塗布されたワークである。
【００２４】
露光装置２００は、光照射部２１と、マスク２２と、投影レンズ２３と、ワークステージ２４と、フレーム２５と、を備える。
光照射部２１は、紫外線を含む光を放射する露光用光源であるランプ２１ａと、ランプ２１ａからの光を反射するミラー２１ｂとを有する。ランプ２１ａおよびミラー２１ｂは、ランプハウス２１ｃに収容されている。なお、ここでは光照射部２１の光源がランプ２１ａである場合について説明するが、光源は、ＬＥＤやレーザなどであってもよい。
【００２５】
マスク２２には、ワークに露光（転写）される回路パターンなどのパターンが形成されている。光照射部２１からの露光光は、マスク２２と投影レンズ２３とを介して、ワークステージ２４が保持するワークに照射され、マスク２２に形成されたパターンが、ワーク上に投影され露光される。
フレーム２５は、光照射部２１、マスク２２、投影レンズ２３およびワークステージ２４といった露光装置２００の主要部材を支持する。これらの主要部材は、フレーム２５によって所定の位置で水平状態を保って保持されている。
【００２６】
図３は、レーザ加工装置の概略構成を示す図である。
図３に示すレーザ加工装置３００は、レーザ出射部３１と、ワークステージ３２と、フレーム３３と、を備える。
レーザ出射部３１は、図中矢印に示す方向にレーザを出射する。レーザ出射部３１からのレーザ光は、ワークステージ３２が保持するワークに照射され、ワークの切断や穴あけ等の加工が行われる。
フレーム３３は、レーザ出射部３１およびワークステージ３２といったレーザ加工装置３００の主要部材を支持する。これらの主要部材は、フレーム３３によって所定の位置で水平状態を保って保持されている。
【００２７】
加工装置のフレームは、それぞれ適切に位置決めされた主要部材を支持している。そのため、加工装置の置かれている場所の温度が変化し、フレームが熱膨張により伸縮すると、フレームに支持されている主要部材の位置が変化し、加工精度が低下してしまう。さらには、所望の位置に露光することができない、レーザ加工（穴あけや切断）ができないという不具合が生じることも考えられる。
このような対策として、加工装置が設置される工場内は、常に一定の温度になるように環境が管理され、さらには、個々の装置を恒温のブースの中に入れて温度の管理が行われている。
【００２８】
しかしながら、上記のように環境の管理を行っていたとしても、加工装置が動作すれば、装置自体が発熱することは避けられない。例えば、ワークステージが移動すれば、モータ等の駆動部から熱が発生するし、レーザ加工装置であれば、ワークの加工している部分（穴あけや切断を行っている部分）には熱が発生する。また、露光装置の場合、光が投影レンズを通過するとき、レンズやレンズを保持する鏡筒に光が吸収されることにより、投影レンズ部分が熱を生じる。
フレームが熱膨張しやすい材料により構成されていると、上記のような装置自体の発熱によってもフレームが伸縮し、加工精度を低下させる原因となる。そのため、加工装置のフレームの材料としては、熱膨張係数ができるだけ小さい材料、例えば、熱膨張係数が鉄などの金属に対して１／１０以下（好ましくは０）である材料が望まれる。
【００２９】
また、加工装置のフレームには、高い剛性（ヤング率）も必要である。上述したように、加工装置において、フレームは、ワークステージを支持する。ワークステージは、例えば、基板の領域を分割して露光するステップ・アンド・リピートや、基板内に多数のスルーホールを形成する穴あけ加工において、頻繁に逐次移動を繰り返す。
そのため、剛性が低いフレームでワークステージを支持した場合、ステージが移動して停止した後、フレームの振動が停止するまでの時間が長くなり、ワークの処理時間が長くなり、装置の生産性が低下してしまう。また、フレームの剛性が低いと、外部からの振動に対しても弱く、揺れが生じやすいので、このことも加工精度が悪くなる原因となる。
したがって、加工装置のフレームの材料としては、剛性ができるだけ高い材料、例えば、剛性が鉄などの金属よりも高い材料が望まれる。
【００３０】
さらに、加工装置のフレームは、大型の装置であっても比較的軽量になるように、密度が小さいことも重要である。装置の重量が重くなると、装置を設置する工場の床を補強しなければならなくなるなど、装置に係るコストが大きくなる。
つまり、加工装置のフレームを構成する材料（構造体）としては、以下の三つの特性を有するものが望ましい。
（１）熱膨張係数（ＣＴＥ）が０に近い（温度変化による寸法変形が少ない。）。
（２）剛性が高い、即ち、ヤング率が大きい（曲り、たわみ、歪みが生じにくい、即ち、外的要因による寸法変形が少ない。）。
（３）密度が小さい（大型の装置であっても、比較的軽量になる。）。
【００３１】
これらの条件を満たす材料として、ＣＦＲＰがある。加工装置のフレームとして、ＣＦＲＰを単体で用いることも考えられるが、近年、加工装置には非常に高い加工精度が要求されており、当該フレームの材料として、ＣＦＲＰ単体よりもさらに良い特性を有する構造体を用いることが求められている。
【００３２】
そこで、本発明者は、加工装置のフレームとしてより優れた性能を引き出せる構造体として、炭素繊維を主成分とする第一の材料と、炭素繊維以外の例えば金属を主成分とする第二の材料とを組み合わせた構造体について研究を行った。そして、本発明者は、上記の構造体を作るための、分かりやすい基準や計算式を見出した。この点について、以下、詳細に説明する。
【００３３】
炭素繊維を主成分とする第一の材料としては、ＣＦＲＰを用いた。ＣＦＲＰは、ピッチ系ＣＦＲＰにより構成されたものと、ＰＡＮ（Polyacrylonitrile）系ＣＦＲＰにより構成されたものとに分類される。
表１に、ピッチ系ＣＦＲＰとＰＡＮ系ＣＦＲＰ、さらに、比較例として鉄の熱膨張係数（ＣＴＥ）、ヤング率、密度、比剛性について大まかな値を示す。なお表１においては、比剛性の単位を「ＧＰａ」と略して示している。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
熱膨張係数は、表１の中では鉄が最も大きく、ＣＦＲＰは、ピッチ系ＰＡＮ系とも、鉄に比べれば１／１０程度である。このように、ＣＦＲＰは、鉄に比べると、温度変化による寸法変形が少ないことが分かる。
また、ヤング率は、ピッチ系ＣＦＲＰが鉄の２倍あるが、ＰＡＮ系ＣＦＲＰは鉄の約１／２である。つまり、ピッチ系ＣＦＲＰは、鉄に比べて剛性が高いが、ＰＡＮ系ＣＦＲＰは鉄よりも剛性が低い。さらに、密度は、ＣＦＲＰは鉄に比べて約１／４であり、同じ大きさであれば鉄と比べてかなり軽くなることが分かる。
また、比剛性は、ヤング率を密度で除した値である。この値が大きいほど、単位密度あたりの剛性が大きい、言い換えれば「軽くて強い」ということになる。装置の大きさや床の耐荷重に制限がある場合は、この値が大きい材料を使えば有利になる。
【００３６】
加工装置において、精度の高い加工を行ううえで最も重要な課題は、温度変化による寸法変形を極小に抑えることである。つまり、加工装置のフレームとしては、熱膨張係数は小さければ小さいほど（０に近いほど）良い。ピッチ系ＣＦＲＰもＰＡＮ系ＣＦＲＰも、鉄に比べれば熱膨張係数は小さいが、０ではない。
そこで、まず、構造体の熱膨張係数を０に近づける材料の組み合わせを考える。本実施形態では、互いに熱膨張係数の符号が正負逆となる二つの材料を選択することで、二つの材料を組み合わせた構造体の熱膨張係数が０に近づくようにした。
【００３７】
表１に示した三つの材料の場合、熱膨張係数の符号が正負逆になる組み合わせは、ピッチ系ＣＦＲＰとＰＡＮ系ＣＦＲＰとの組み合わせと、ピッチ系ＣＦＲＰと鉄との組み合わせである。したがって、ピッチ系ＣＦＲＰとＰＡＮ系ＣＦＲＰとの組み合わせを用いた構造体、およびピッチ系ＣＦＲＰと鉄との組み合わせを用いた構造体は、その熱膨張係数を０にすることができると考えられる。
【００３８】
次に、選択した二つの材料を組み合わせた構造体の熱膨張係数を０にするための、両者の配分（割合）を考える。
まず、第一の材料と第二の材料とについて、それぞれ熱膨張係数とヤング率との積を算出し、それらを比較しその割合を求める。そして、その割合に応じて両者の厚さを設定する。
【００３９】
例えば、ピッチ系ＣＦＲＰとＰＡＮ系ＣＦＲＰとの組み合わせの場合、ピッチ系ＣＦＲＰの熱膨張係数とヤング率との値の積（Ａ）と、ＰＡＮ系ＣＦＲＰの熱膨張係数とヤング率との値の積（Ｂ）とは、以下のとおり計算することができる。
Ａ＝−１．５×１０-6×４００＝−６００×１０-6  ………（１）
Ｂ＝０．５×１０-6×１２０＝６０×１０-6  ………（２）
上記（１）式および（２）式により算出された積Ａと積Ｂとの絶対値を比較すると、ＡはＢの１２倍である。したがって、Ｂに対応するＰＡＮ系ＣＦＲＰを用いたＣＦＲＰ部材（ＰＡＮ系ＣＦＲＰ部材）の厚さを、Ａに対応するピッチ系ＣＦＲＰを用いたＣＦＲＰ部材（ピッチ系ＣＦＲＰ部材）の１０倍にして両者を貼り合わせれば、構造体の熱膨張係数を０にすることができる。
【００４０】
図４は、ピッチ系ＣＦＲＰ部材１１とＰＡＮ系ＣＦＲＰ部材１３とを組み合わせた構造体１０Ａを示す図である。仮に、ピッチ系ＣＦＲＰ部材１１の厚さＤ１を１００μｍとすると、ＰＡＮ系ＣＦＲＰ部材１３の厚さＤ３は１０００μｍとなる。
上記のような構造とすることにより、熱膨張係数の小さい（計算上は０の）構造体１０Ａを作ることができる。
また、構造体１０Ａの密度ＭＡは、下式から求められるように、１．７８ｇ／ｃｍ３であり鉄と比べて非常に軽い。
ＭＡ=（１．６ｇ／ｃｍ3×１００μｍ＋１．８ｇ／ｃｍ3×１０００μｍ）／（１００μｍ＋１０００μｍ）=１．７８ｇ／ｃｍ3  ………（３）
また  構造体１０Ａの比剛性ＨＡも、下式から求められるように、７１Ｇｐａ・ｃｍ3／ｇとなり、鉄よりも大きな値となる。
ＨＡ=１２７ＧＰａ／１．７８ｇ／ｃｍ3=７１Ｇｐａ・ｃｍ3／ｇ  ………（４）
【００４１】
ただし、図４に示す構造体１０Ａは、剛性について問題がある。構造体１０Ａのヤング率（剛性：Ｇ１）は下式から求められるように１２７ＧＰａである。この値は、鉄のヤング率（２００ＧＰａ）よりも小さい。
Ｇ１=（４００ＧＰａ×１００μｍ＋１００ＧＰａ×１０００μｍ）／（１００μｍ+１０００μｍ）=１２７ＧＰａ  ………（５）
即ち、ピッチ系ＣＦＲＰ部材１１とＰＡＮ系ＣＦＲＰ部材１３との組み合わせは、大きなヤング率（４００ＧＰａ）を有するピッチ系ＣＦＲＰの利点を損なう組み合わせであるといえる。
【００４２】
次に、ピッチ系ＣＦＲＰと鉄とを組み合わせた構造体１０Ｂについて、二つの材料の配分（割合）について考える。ピッチ系ＣＦＲＰの熱膨張係数とヤング率との値の積（Ａ）は、上記（１）式のとおり−６００×１０-6であり、鉄の熱膨張係数とヤング率との値の積（Ｃ）は下記（６）式のとおり２０００×１０-6である。
Ｃ＝１０×１０-6×２００＝２０００×１０-6  ………（６）
上記（１）式および（６）式により算出された積Ａと積Ｃとの絶対値を比較すると、ＡはＣの１／３である。したがって、Ｃに対応する鉄を用いた部材（金属部材）の厚さを、Ａに対応するピッチ系ＣＦＲＰ部材の１／３にして両者を貼り合わせれば、構造体の熱膨張係数を０にすることができる。
【００４３】
ピッチ系ＣＦＲＰ部材と金属部材とを組み合わせた構造体は、図１に示されている。図１に示す構造体１０において、仮に、ピッチ系のＣＦＲＰ部材１１の厚さＤ１を１００μｍとすると、金属部材１２の厚さＤ２は約３３μｍとなる。
上記のような構造とすることにより、熱膨張係数の小さい（計算上は０の）構造体１０を作ることができる。
【００４４】
また、構造体１０Ｂのヤング率（剛性：Ｇ２）について計算してみると、次式に示すように３５０ＧＰａになる。
Ｇ２＝（４００ＧＰａ×１００μｍ＋２００ＧＰａ×３３μｍ）／（１００μｍ＋３３μｍ）＝３５０ＧＰａ  ………（７）
この値は、鉄のヤング率（２００ＧＰａ）の１．７５倍である。ヤング率が鉄よりも大きければ、加工装置のフレームの材料としては望ましい。
さらには、図４に示すピッチ系ＣＦＲＰ部材１１とＰＡＮ系ＣＦＲＰ部材１３とを組み合せた構造体１０Ａよりも、全体の厚さが約１／１０と薄くすることができる。
【００４５】
また、構造体１０Ｂの密度（ＭＢ）については、鉄を使用するために、ＣＦＲＰ単体よりも大きくなる。しかしながら、鉄の厚さは上記のように薄くてすむので、下式の通り密度ＭＢは約３．１６ｇ／ｃｍ3となり、鉄の密度（７．９ｇ／ｃｍ3）と比べると半分以下とすることができる。
ＭＢ＝（１．６ｇ／ｃｍ3×１００μｍ＋７．９ｇ／ｃｍ3×３３μｍ）／（１００μｍ＋３３μｍ）＝３．１６ｇ／ｃｍ3  ………（８）
このように、組み合せる二つの材料のうち、密度の高い材料を用いた部材（金属部材）の厚さが、密度の低い材料を用いた部材（ＣＦＲＰ部材）の厚さよりも薄ければ、得られる構造体の密度が大きくなることを抑制することができる。
さらに、構造体１０Ｂの比剛性ＨＢも、下式から求められるように、１１１Ｇｐａ・ｃｍ3／ｇとなり、鉄よりも、また上記で示した構造体１０Ａよりも大きな値なる。
ＨＢ=３５０ＧＰａ／３．１６ｇ／ｃｍ3=１１１Ｇｐａ・ｃｍ3／ｇ  ………（９）
このように、ＣＦＲＰ部材と金属部材を組合せることにより、使用する金属部材よりも比剛性の高い（軽くて強い）構造体を実現することができる。
【００４６】
以上のように、炭素繊維を主成分とする第一の材料と金属を主成分とする第二の材料とを組み合わせることで、熱膨張係数が小さく（計算値としては０）、剛性、比剛性ともに金属よりも高く、また密度の増加が抑制された軽量で強靭な構造体を製造することができる。ここで、第一の材料および第二の材料としては、熱膨張係数の正負が互いに逆となる材料を選択する。そして、第一の材料の熱膨張係数、ヤング率および厚さを乗算した値と、第二の材料の熱膨張係数、ヤング率および厚さを乗算した値との和が０になるように、これら二つの材料の厚さを設定する。
このような構造体を加工装置のフレームの材料として利用すれば、温度変化や外的要因による寸法変形が少なく軽量な加工装置を実現することができる。
【００４７】
上記のとおり製造された構造体は、熱膨張係数の正負が互いに正負逆である第一の材料と第二の材料とが一体化された構造を有し、第二の材料の厚さは第一の材料の厚さよりも薄く設定される。
ここで、第一の材料は、ピッチ系のＣＦＲＰ部材とすることができる。ピッチ系のＣＦＲＰ部材は、熱膨張係数が−１．２×１０-6〜−１．５×１０-6であり、負の熱膨張係数を有する。一方、金属は、熱膨張係数が正の値を有する。したがって、ピッチ系のＣＦＲＰ部材である第一の材料と、金属を主成分とする第二の材料とを組み合わせることで、ＣＦＲＰ単体よりも熱膨張係数が０に近い構造体を容易に得ることができる。
【００４８】
また、第一の材料は、上記のようにＣＦＲＰ部材とすることができる。このように、炭素繊維と樹脂とを組み合わせたＣＦＲＰ部材を第一の材料として利用することができる。したがって、ＣＦＲＰ部材と金属を主成分とする第二の材料とを貼り合わせた簡易な構造で、容易に上記構造体を得ることができる。
【００４９】
さらに、金属部材は、鉄により構成することができる。このように、比較的安価な金属を用いることで、構造体を低コストで提供することができる。
また、従来、加工装置のフレームとして一般的に利用されていた鉄と、ＣＦＲＰとを組み合わせることで、熱膨張係数が鉄に比べてはるかに小さく（計算値としては０）、剛性も炭素繊維の特性を活かして鉄よりも高く、また密度も鉄に比べてはるかに小さい軽量で、比剛性の高い構造体を得ることができる。
【００５０】
さらに、第一の材料と第二の材料とは、常温硬化型の樹脂により一体化することができる。常温硬化型の樹脂は、硬化時に加熱を必要としないので、形成後の樹脂層の内部に、加熱に起因した残留応力が生じない。そのため、残留応力に起因して構造体に変形が生じることを適切に抑制することができる。
また、常温硬化型の樹脂は、常温硬化型のエポキシ樹脂とすることができる。常温硬化型のエポキシ系の樹脂は、ＣＦＲＰにおいて炭素繊維同士を接着し固めることに使用されており、炭素繊維の特性を損なわない接着剤として実績があるものである。さらに、エポキシ樹脂は、一般的な樹脂であり、比較的安価であるため、構造体を低コストで提供することができる。
【００５１】
以上のように、本実施形態では、第一の材料と第二の材料とを組み合わせた構造体を製造する場合に、非常に簡単な手順で、第一の材料と第二の材料とを選択し、両者の配分（厚さ）を設定することができる。したがって、単体の炭素繊維よりも熱膨張係数が小さく、また、鉄などの金属に比べて剛性が大きく、かつ密度が小さく比剛性の高い構造体を容易かつ適切に得ることができる。  そして、上記のような構造体を加工装置のフレームとして利用することで、温度変化や外的要因による寸法変形が少なく軽量な加工装置を実現することができる。
【００５２】
（変形例）
なお、上記実施形態においては、構造体１０を加工装置のフレームとして利用する場合について説明したが、上記に限定されるものではない。構造体１０は、熱膨張係数が０であり、剛性が高く、比較的軽量で比剛性も高いという特性を有する。したがって、これらの特性を活かして、温度変化等が起こり得る環境下で厳しい寸法安定性が要求される大型装置の構成部品の材料として、構造体１０を利用してもよい。
【００５３】
また、上記実施形態においては、構造体１０の熱膨張係数を０にするように、ＣＦＲＰ部材１１と金属部材１２との厚さを設定する場合について説明したが、熱膨張係数は０に近い値であればよい。具体的には、熱膨張係数は、鉄（１０×１０-6）１０分の１以下、すなわち、±１．０×１０-6の範囲であれば、加工装置のフレームの材料として望ましい。
さらに、上記実施形態においては、第二の材料について金属を主成分とする材料を用いる場合について説明したが、これに限定されるものではない。第二の材料は、第一の材料に対して熱膨張係数の正負が互いに逆となる材料を選択すればよい。また、第一の材料として炭素繊維強化プラスチック部材（ＣＦＲＰ）を用いれば、上記のように、ピッチ系ＣＦＲＰは負の熱膨張係数を有し、ＰＡＮ系ＣＦＲＰは正の熱膨張係数を有している。したがって、第二の材料として正負のいかなる熱膨張係数を有する材料を使用したとしても、組み合わせた時に熱膨張係数を０にする第一の材料を選択することができる。
また、上記実施形態においては、金属部材１２を構成する金属として鉄を用いる場合について説明したが、鉄に限定されるものではない。当該金属は、炭素繊維を主成分とする第一の材料（例えばＣＦＲＰ部材）と組み合わせた場合に、熱膨張係数が鉄の１０分の１以下で、かつヤング率が鉄（２００ＧＰａ）よりも大きい構造体を実現可能な材料であればよく、例えば、チタンなどであってもよい。なお、加工装置のフレームの材料としては、ヤング率が鉄よりも大きい値であることが望ましく、現実的な値としては、例えば２００ＧＰａ〜４００ＧＰａである。
【符号の説明】
【００５４】
１０…構造体（ＣＦＲＰ構造体）、１１…ＣＦＲＰ部材（ピッチ系）、１２…金属部材、１３…ＣＦＲＰ部材（ＰＡＮ系）、２１…光照射部、２２…マスク、２３…投影レンズ、２４…ワークステージ、２５…フレーム、３１…レーザ出射部、３２…ワークステージ、３３…フレーム、２００…露光装置（加工装置）、３００…レーザ加工装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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