JP3395142B2 - 光学系駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学系を搭載した
テーブル部材を固定ベースに対して相対的に２次元平面
内で移動させるための光学系駆動装置に関し、特に、レ
ーザ加工装置のように集光レンズを収容したレーザ照射
用ノズル及びテーブルを２次元平面内で移動させてレー
ザ加工を行うのに適した光学系駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームにより切断あるいは穴あけ
のような微細加工を行なうには、加工対象物表面に集光
されたレーザビーム集光点を高精度に走査することが必
要である。走査速度は、加工対象物の材質、厚さやレー
ザ光源のパワー等の加工条件によって決定される。

【０００３】近年、レーザ光源の大パワー化、生産速度
向上の要求等から、走査速度は高速化する傾向にあり、
集光レンズを収容している照射用ノズルに高速かつ高精
度の軌跡生成能力が要求される。このような要求に応え
るため、本発明者らはトレパニングヘッドと称する光学
系駆動装置を提案した（特開平７−９１７８号）。

【０００４】図８〜図１１を参照して、上記のトレパニ
ングヘッドについて説明する。

【０００５】図８は、トレパニングヘッドの要部を概略
的に示している。集光レンズ８１は、構造体８２に保持
されている。構造体８２は、構造体８３及びカップリン
グ８４、８５を介して固定ベース８０に２次元方向内で
移動自在に保持されている。構造体８２には、コア９０
にまかれたコイル９１が固定されており、コイル９１と
対向して永久磁石９２が配置されている。永久磁石９２
は、固定ベース８０に固定されたヨーク９３に設置され
ている。構造体８２の位置は、変位センサ９５ａ、９５
ｂによって２軸方向でモニタされる。

【０００６】コイル９１に制御された電流を流すことに
より、コイル９１には２次元方向の駆動力が作用し、構
造体８２を２次元平面内で駆動する。なお、集光レンズ
８１を保持する構造体８２にコイル９１を設ける構成を
示したが、構造体８２に永久磁石を固定して可動とし、
対向して固定ベース８０に固定されたコイルを配置して
もよい。構造体８２に基準位置に復帰するための復帰力
を作用させることもできる。

【０００７】図９は、集光レンズ８１の駆動により、レ
ーザビーム１００の集光点１０１を走査させる原理を概
略的に示す。集光レンズ８１の光軸Ｏｘに関し、レーザ
ビーム１００が偏心した位置から入射した場合には、レ
ーザビーム１００の集光点１０１は、光軸Ｏｘ上に位置
する。集光レンズ８１をレーザビーム１００の軸の垂直
面内を回転運動させると、集光点１０１は円運動を行な
う。このような操作により、加工対象物に微細な円形開
孔やビアホールを形成することができる。

【０００８】このように、集光レンズ８１を円軌道上に
駆動するため、構造体８２には、コイル９１と永久磁石
９２との組合せを含み、２方向に推力を発生させる電磁
駆動手段が設けられている。

【０００９】図１０は、電磁駆動手段の機能を説明する
ための概略図である。図１０において、ヨーク９３上に
は複数個の永久磁石９２が配置されている。永久磁石９
２の磁極は、図１０中、上下方向に向けられ、上面の極
が、Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極、と交互になるように配置
されている。

【００１０】永久磁石９２の上方には、コア９０に巻か
れたコイル９１が配置されている。コイル９１は、各永
久磁石９２に対応して分割して配置されている。ここ
で、コイル９１の１単位の幅は永久磁石９２の１単位の
幅よりも狭くされ、コイル９１が駆動されるストローク
域内で均等な力を発揮できるようにされている。

【００１１】図１１に示すように、永久磁石９２から発
する磁力線Ｂがコイル９１の下側の巻線と交差する。こ
のコイル９１に図１０中に示すような電流ｉを流すと、
フレミングの法則に基づく電磁力によりコイル９１には
図面に垂直方向の力が発生する。

【００１２】図１０に示すように、磁力線は永久磁石９
２のＮ極から隣接する永久磁石９２のＳ極に向かう。隣
接するコイル９１には逆方向の電流を供給すると、隣接
するコイル９１に入射する磁力線の向きの反転を相殺し
て、同一方向に推力が発生する。

【００１３】コア９０に磁性体を用いれば、永久磁石９
２から発する磁力線は、コイル９１の下側巻線を通過し
た後、コア９０内に入り、隣接する永久磁石９２に向か
って進み、コイル９１の上側の巻線にはほとんど到達し
ない。したがって、永久磁石９２の磁極を交互に反転さ
せ、隣接するコイル９１に逆方向の電流を供給すること
により、図１０の面に平行な方向に推力を発生すること
ができる。ただし、コア９０に磁性体を用いることは必
須要件ではなく、非磁性体としても良い。

【００１４】コイル９１の上側の巻線と下側の巻線を磁
力線が横切ると、逆方向の力が発生するが、磁力線の分
布はコイル９１の下側で密、コイル９１の上側で粗にな
るため、全体としてはコイル９１の下側の巻線に発生す
る力の方向に推力が発生する。

【００１５】構造体８２が移動自在なＸ−Ｙ平面内にお
いて、Ｘ軸方向駆動用の電磁駆動手段とＹ軸方向駆動用
の電磁駆動手段とを備えることにより、２次元方向に任
意の駆動を行うことができる。

【００１６】図１２を参照して、上記のトレパニングヘ
ッドの加工原理を説明する。加工原理は、上記のトレパ
ニングヘッドを用いて集光用レンズ８１の収まったガス
ノズル２００全体を２次元平面内で移動させることによ
り、レーザビーム１００の集光点（焦点）Ｐを走査し切
断加工を行う。ここで、レーザビームによる切断加工の
精度を決める要因として、切断部にアシストガスノズル
２０１より供給されるアシストガスの向きと流量が一定
であることが重要である。そのため、本例ではガスノズ
ル２００全体を駆動する構成としている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】以下に、上記のトレパ
ニングヘッドの問題点について述べる。

【００１８】１）上記の電磁駆動手段では、図１０に示
すように、推力発生部の磁気回路の空隙が大きい構成と
なっており、磁気抵抗が大きいためコイル９１の推力発
生部での磁束密度が小さい。よって、推力発生部の推力
定数（Ｎ／Ａ）は小さく、発生推力／可動部質量比（加
速度）も小さくなり、加減速能力が低い。

【００１９】２）図１３をも参照して、移動精度を決め
る要因の一つとして、フィードバック用の変位センサ９
５ａ（９５ｂ）の配置並びにセンサターゲット１１０の
取付精度がある。前者の変位センサ９５ａ（９５ｂ）の
配置においては、ガイド系１１１で発生したピッチング
運動による誤差は、変位センサ９５ａ（９５ｂ）と集光
点Ｐとの間の垂直方向の距離Ｌによるアッベ誤差ｅの原
因となる。すなわち、制御目標点は集光点Ｐであるのに
対し、ガイド系１１１がピッチング誤差θ_P を発生する
と、集光点Ｐではアッベ誤差ｅ（＝Ｌ・ｓｉｎθ_P ）が
生じる。また、Ｘ軸、Ｙ軸の直交度はＸ軸及びＹ軸のそ
れぞれのセンサターゲット間の取付時の直交度に依存す
るため、その部品の加工精度及び取付基準面の加工精度
に支配される。このことから、移動精度に限界がある。

【００２０】以上のような理由で、近年のニーズに対し
て上記のトレパニングヘッドでは移動の高速化並びに高
精度化に限界があった。

【００２１】本発明は、光学系の移動の高精度化並びに
加減速時間の高速化（短縮化）を課題としている。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明による光学系駆動
装置は、光学系を搭載し、固定ベースに対して相対的に
２次元平面内で移動するように案内されるテーブル部材
と、前記固定ベースに磁極面が互いに対向するように固
定された少なくとも一対のＸ軸用永久磁石と、前記テー
ブル部材に固定され、前記少なくとも一対のＸ軸用永久
磁石の間にあって前記Ｘ軸用永久磁石からの磁束と電流
との相互作用により前記２次元平面内のＸ軸方向に可動
のＸ軸用コイルとを含むＸ軸駆動系と、前記固定ベース
に磁極面が互いに対向するように固定された少なくとも
一対のＹ軸用永久磁石と、前記テーブル部材に固定さ
れ、前記少なくとも一対のＹ軸用永久磁石の間にあって
前記Ｙ軸用永久磁石からの磁束と電流との相互作用によ
り前記２次元平面内のＹ軸方向に可動のＹ軸用コイルと
を含むＹ軸駆動系とを備えた光学系駆動装置において、
前記Ｘ軸用コイル及び前記Ｙ軸用コイルは、前記テーブ
ル部材に固定されていることを特徴とする。

【００２３】なお、前記Ｘ軸駆動系及び前記Ｙ軸駆動系
はそれぞれ、前記固定ベースに固定された略Ｅ形のヨー
ク部材を有し、その両外側の脚部の内側にそれぞれ同磁
極面が対向するように永久磁石が固定され、中央の脚部
がコイルを貫通していることにより、ボイスコイル型リ
ニアモータを構成しているものが好ましい。

【００２４】前記コイルの移動方向の延在長は、前記永
久磁石の前記移動方向と同方向の延在長より、前記コイ
ルのストローク分だけ長くされていることが望ましい。

【００２５】Ｘ軸用の前記ボイスコイル型リニアモータ
及びＹ軸用の前記ボイスコイル型リニアモータはそれぞ
れ、それぞれのコイルに作用する推力が前記テーブル部
材を含む可動部の重心に向かう位置に配置されることが
望ましい。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１、図２を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。全体はベースプレート１
０、２組（Ｘ軸、Ｙ軸）のクロスローラガイド１１、１
２によって案内されるＸ−Ｙテーブル、駆動系である２
組（Ｘ軸、Ｙ軸）のリニアモータ２０、３０から構成さ
れる。

【００２７】固定構造体であるマシニングヘッド１３側
から構造を説明すると、べースプレート１０上にＹ軸ク
ロスローラガイド１２によって直線運動が案内される中
間ステージ１４がある。中間ステージ１４上にはＹ軸ク
ロスローラガイド１２と直交する方向にＸ軸クロスロー
ラガイド１１によって直線運動が案内されるセンターテ
ーブル１５が締結されている。これによりＸ−Ｙテーブ
ルを構成している。

【００２８】次に、センターテーブル１５に集光用レン
ズ１６を含むガスノズル１７が固定されている。ガスノ
ズル１７を含むＸ−Ｙテーブルは、センターテーブル１
５の側面にＬ字状に配置されたＸリニアモータ２０、Ｙ
リニアモータ３０により駆動される。本形態で用いるリ
ニアモータは、ムービングコイルを用いた、いわゆるボ
イスコイルモータを採用し、センターテーブル１５に対
してＸモータコイル２１、Ｙモータコイル３１のそれぞ
れの中心軸が直交するように締結されている。

【００２９】次に、図３を参照してＸリニアモータ２０
の構造について説明する。このＸリニアモータ２０は、
Ｅ型のヨーク２２と、ヨーク２１の両外側の脚部の内側
に固定された一対の永久磁石２３、ヨーク２１の中央の
脚部に設けられたＸモータコイル２１によって構成され
る。一対の永久磁石２３は、同磁極面が対向するように
配置され、これらの間にＸモータコイル２１がその中心
軸方向に可動の状態で配置されている。

【００３０】ヨーク２２と一対の永久磁石２３とによる
磁気回路は、図３に破線で示すように形成される。被駆
動部となるＸモータコイル２１は中空のコイルボビン２
４に巻かれており、図中上側の巻線部分には上側の永久
磁石２３の磁束が作用し、図中下側の巻線部分には下側
の永久磁石２３の磁束が作用する。そして、Ｘモータコ
イル２１に、巻線に付した方向で電流を流すと、図中上
側の巻線部分と図中下側の巻線部分には同じ方向に力が
発生し、結果として、図中のＸ方向に推力Ｆを発生す
る。この構造は、Ｙリニアモータ３０の場合もまったく
同じであるので、図示説明は省略する。

【００３１】図４に図３のＸリニアモータ２０の上面図
を示す。Ｘリニアモータ２０のＸモータコイル２１は、
Ｘ−Ｙ平面上を運動するセンターテーブル１５に固定さ
れる。このため、その移動方向の延在長は、推力発生方
向（Ｘ方向）に関して、永久磁石２３の寸法に可動スト
ロークを加えた寸法としている。Ｙモータコイル３１に
ついても同様であり、その移動方向の延在長は、推力発
生方向（Ｙ方向）に関して、永久磁石２３の寸法に可動
ストロークを加えた寸法としている。

【００３２】Ｘ−Ｙテーブルの位置検出は、図１に示す
ように、Ｘ−Ｙ平面の直交する２軸を同時計測できるＸ
−Ｙリニアエンコーダ１８によって行われる。本形態で
は、ガスノズル１７が固定されるセンターテーブル１５
の端面にＸ−Ｙリニアエンコーダ１８の一部となるガラ
ススケール１９を固定し、センサヘッドをリニアモータ
のステータ部に配置している。そのため、可動部側には
センシングのためのケーブルが必要の無い構成である。
この種のＸ−Ｙリニアエンコーダ１８は周知であるので
詳しい説明は省略する。

【００３３】図１において、本装置及びガスノズル１７
内には、可動ストローク範囲内でどの位置にあってもレ
ーザビーム１００の光路を確保できるように貫通穴が形
成されている。

【００３４】図１において、可動部はＸ−Ｙテーブル、
ガスノズル１７、Ｘモータコイル２１、及びＹモータコ
イル３１である。これらの可動部は、Ｘ軸クロスローラ
ガイド１１によりＸ軸方向に並進案内され、Ｙ軸クロス
ローラガイド１２により、それに直交する方向（Ｙ軸方
向）に並進案内される。その結果、ヨー方向の回転運動
を拘束されながら２次元平面、すなわちＸ−Ｙ平面上を
案内される。

【００３５】図３において、可動部を駆動するＸ軸方向
の推力について述べる。前に述べたように、破線で示す
磁気回路により上部ギャップ２６中を図中下向きに向か
う磁束とＸモータコイル２１の上側の巻線に流れる電流
とにより、図中左（あるいは右）方向にフレミングの法
則により電磁力を発生する。下部ギャップ２７において
は磁束の向きが図中上向きになるが、Ｘモータコイル２
１の図中下側の巻線を流れる電流の向きも逆になるた
め、上部ギャップ２６と同一方向に推力を発生する。Ｘ
モータコイル２１の上下両側の２面で推力を発生させる
構成により、従来の電磁駆動手段に比べ推力定数（Ｎ／
Ａ）を増大させることができる。

【００３６】また、磁気回路においても磁気抵抗を低く
するために、図３のようなヨーク２２の形状とすること
で、推力発生部のギャップの磁束密度を大きくしてい
る。同様に、Ｙ軸方向の推力もＸ軸方向に直交するよう
に配置されたもう一組のＹリニアモータ３０により駆動
用推力を得ている。特に、全ストロークで均一な推力
（通電電流を一定とする）を発生できるように、図４で
説明したように、Ｘモータコイル２１あるいはＹモータ
コイル３１の永久磁石２３と対向する面積を永久磁石２
３の面積に平面内のストローク分（Ｘ軸方向、Ｙ軸方
向）を加えた寸法としている。また、センターテーブル
１５にＸモータコイル２１、Ｙモータコイル３１を直接
付属させている。これにより、被駆動部であるガスノズ
ル１７を直接、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向共に駆動することが
できる。

【００３７】また、図５のリニアモータの通電電流と発
生推力との関係が任意の位置において得られる。

【００３８】以上により、それぞれのリニアモータによ
り可動部に任意の推力ベクトルＦ（Ｘ軸、Ｙ軸）を作用
させることで任意の運動ができる。また、推力を直接可
動部に作用させることができるリニアモータを用いてバ
ックラッシュの無い駆動方法とすることができる。

【００３９】図６に本光学系駆動装置の位置制御システ
ムの構成を示す。本位置制御システムでは、Ｘ軸、Ｙ軸
の各軸の指令値Ｘｒｅｆ、Ｙｒｅｆに基づいて位置制御
装置４１、４２により、電流アンプ４３、４４を介して
Ｘリニアモータ２０、Ｙリニアモータ３０をそれぞれ駆
動する。可動部の変位量はＸ−Ｙリニアエンコーダ１８
によりセンターテーブル１５上面で非接触にて計測さ
れ、計測されたＸ軸方向変位量Ｘａｐ、Ｙ軸方向変位量
Ｙａｐがそれぞれ減算器４５、４６を通して位置制御装
置４１、４２にフィードバックされることにより、いわ
ゆるフィードバック制御による位置制御が行われる。

【００４０】本来、本装置の位置制御対象はガスノズル
１７内の集光レンズ１６の移動であるが、Ｘ−Ｙリニア
エンコーダ１８の計測が集光レンズ１６の近傍に対して
行われるため、案内系のピッチング運動による計測誤差
（アッベ誤差）は低く抑えられる構造となっている。

【００４１】本形態では、高速・高加減速時の軌跡指令
に対する追従精度を確保するため、Ｘリニアモータ２
０、Ｙリニアモータ３０をそれぞれ、図１において可動
部の重心と同じ高さ位置であって各モータの推力発生方
向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）が、可動部の重心に向かう位
置に配置している。これにより、案内系のガイドにモー
タ推力によるモーメントの発生を押さえて、ピッチング
誤差を無くし、加減速運動時の軌跡精度を確保してい
る。

【００４２】なお、本形態では、推力発生源としてＸ、
Ｙそれぞれの軸に１組ずつのリニアモータを配置した
が、より高い加速度を得たい場合、図７に示すように、
１軸当たり２組のリニアモータ２０−１、２０−２、３
０−１、３０−２を配置するようにしても良い。この場
合、センターテーブル１５を間にした対象位置に一対の
Ｘリニアモータ２０−１、２０−２、一対のＹリニアモ
ータ３０−１、３０−２が配置される。

【００４３】また、上記の形態では、レーザ加工装置に
適用する場合について説明したが、これに限らず、顕微
鏡光学系の平面駆動装置や、半導体製造装置であるダイ
ボンダーやワイヤボンダのボンダヘッドの位置決め用Ｘ
−Ｙステージにも適用することができる。

【００４４】

【発明の効果】１）ノズルの移動軌跡を高精度かつ高速
に移動制御することが可能となる。しかも、従来機では
Ｘ軸方向及びＹ軸方向の運動の直交度は、装置の組み立
て精度に依存していたが、本発明では、Ｘ−Ｙリニアエ
ンコーダの測定精度に依存するためこの誤差は小さくで
きる。

【００４５】２）従来の電磁駆動手段の配置では、電磁
駆動手段間の推力差が、加減速運動時、案内系に不要な
モーメントを発生させていたが、本発明ではリニアモー
タの推力発生時のモーメントによる運動誤差が低く抑え
られるモータ配置である。

【００４６】３）リニアモータに任意形状のコマンドを
与えることで任意形状に移動させることができ、その結
果、任意形状の加工を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学系駆動装置をレーザ加工装置
に適用した場合の主要部の構成を示した縦断面図であ
る。

【図２】図１の装置を線Ａ−Ａ部分から見た図である。

【図３】図１に示されたＸリニアモータを説明するため
の図である。

【図４】図３のＸリニアモータにおけるコイルと永久磁
石との関係を説明するための上面図である

【図５】本発明で使用されるリニアモータの電流−発生
推力の関係を示した特性図である。

【図６】本発明による光学系駆動装置における位置制御
システムの構成を示した図である。

【図７】本発明に使用されるリニアモータの組合せの他
の例を示した図である。

【図８】従来の光学系駆動装置の一例を説明するための
主要部の構成を示した断面図である。

【図９】図８における集光レンズとレーザビームとの関
係を説明するための図である。

【図１０】図８における電磁駆動手段の構成を示した図
である。

【図１１】図１０における永久磁石とコイルとの相互作
用による推力発生作用を説明するための図である。

【図１２】図８の光学系駆動装置を適用した場合の加工
原理を説明するための図である。

【図１３】従来の光学系駆動装置におけるアッベ誤差を
説明するための模式図である。

【符号の説明】

１０ ベースプレート １１ Ｘ軸クロスローラガイド １２ Ｙ軸クロスローラガイド １３ マシニングヘッド １４ 中間ステージ １５ センターテーブル １６ 集光レンズ １７ ガスノズル １８ Ｘ−Ｙリニアエンコーダ １９ ガラススケール ２０ Ｘリニアモータ ２１ Ｘモータコイル ２２ ヨーク ２３ 永久磁石 ２４ コイルボビン ３０ Ｙリニアモータ ３１ Ｙモータコイル １００ レーザビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/08

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学系を搭載し、固定ベースに対して相
   対的に２次元平面内で移動するように案内されるテーブ
   ル部材と、 前記固定ベースに磁極面が互いに対向するように固定さ
   れた少なくとも一対のＸ軸用永久磁石と、前記テーブル
   部材に固定され、前記少なくとも一対のＸ軸用永久磁石
   の間にあって前記Ｘ軸用永久磁石からの磁束と電流との
   相互作用により前記２次元平面内のＸ軸方向に可動のＸ
   軸用コイルとを含むＸ軸駆動系と、 前記固定ベースに磁極面が互いに対向するように固定さ
   れた少なくとも一対のＹ軸用永久磁石と、前記テーブル
   部材に固定され、前記少なくとも一対のＹ軸用永久磁石
   の間にあって前記Ｙ軸用永久磁石からの磁束と電流との
   相互作用により前記２次元平面内のＹ軸方向に可動のＹ
   軸用コイルとを含むＹ軸駆動系とを備えた光学系駆動装
   置において、 前記Ｘ軸用コイル及び前記Ｙ軸用コイルは、前記テーブ
   ル部材に固定されている ことを特徴とする光学系駆動装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光学系駆動装置におい
   て、前記Ｘ軸駆動系及び前記Ｙ軸駆動系はそれぞれ、前
   記固定ベースに固定された略Ｅ字形のヨーク部材を有
   し、その両外側の脚部の内側にそれぞれ同磁極面が対向
   するように永久磁石が固定され、中央の脚部がコイルを
   貫通していることにより、ボイスコイル型リニアモータ
   を構成していることを特徴とする光学系駆動装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の光学系駆動装置におい
   て、前記コイルの移動方向の延在長が、前記永久磁石の
   前記移動方向と同方向の延在長より、前記コイルのスト
   ローク分だけ長くされていることを特徴とする光学系駆
   動装置。
4. 【請求項４】 請求項２記載の光学系駆動装置におい
   て、Ｘ軸用の前記ボイスコイル型リニアモータ及びＹ軸
   用の前記ボイスコイル型リニアモータはそれぞれ、それ
   ぞれのコイルに作用する推力が前記テーブル部材を含む
   可動部の重心に向かう位置に配置されることを特徴とす
   る光学系駆動装置。