JP3616543B2 - Xyステージ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はワイヤボンダに好適なXYステージに関し、特に、高速移動による振動の防止及び制御性の向上を図ったXYステージに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置である大規模集積回路(LSI)とリードフレームとを金線等で接続する際には、XYステージを備えたワイヤボンダが使用されている。このようなXYステージには、高速で高精度の位置決めが要求されており、駆動/停止後の残留振動は低いことが必要とされる。
【0003】
図20は従来のワイヤボンダステージの構造を示す模式図であり、図21は図20に示す従来のワイヤボンダステージ上にボンディングヘッドが取り付けられた状態を示す模式図である。
【0004】
従来のワイヤボンダステージには、正方形板状のベース101上に2本のX軸ガイド102が設けられている。2本のX軸ガイド102は相互に平行な方向に延びており、この方向をX軸方向とする。X軸ガイド102上にX軸テーブル103が設けられている。X軸テーブル103の下面には、X軸ガイド102に倣うX軸倣い部(図示せず)が形成されており、X軸テーブル103はX軸方向に移動可能である。一方、X軸テーブル103の上面には、X軸方向に対して直交するY軸方向に延びる2本のY軸ガイド104が設けられている。そして、Y軸ガイド104上に可動テーブル105が設けられている。可動テーブル105の下面には、Y軸ガイド104に倣うY軸倣い部(図示せず)が形成されており、可動テーブル105はY軸方向に移動可能であると共に、X軸テーブル103及びX軸ガイド102によりX軸方向にも移動可能である。可動テーブル105の上面は平面となっており、ここに、ボンディングヘッド110が固定される。
【0005】
また、可動テーブル105のX軸方向の側方にX軸ボイスコイルモータ(以下、ボイスコイルモータをVCMという。)106が配置され、Y軸方向の側方にY軸VCM107が配置されている。
【0006】
X軸VCM106には、土台に固定され横方向に貫通する開口部を有する角筒状のヨーク部106cが設けられている。ヨーク部106cの中間高さには、開口部を2つの空間に仕切る鉄芯106dが設けられている。また、X軸VCM106には、可動テーブル105に連結されるX軸可動子106a及びこのX軸可動子106aに巻き付けられたコイル106bが設けられている。コイル106bは鉄芯106dを包囲するように巻かれている。なお、コイル106bの横方向の長さは可動テーブル105の可動範囲と同程度又はそれ以上であり、X軸可動子106a及びコイル106bはY軸方向で拘束されることなく移動可能である。また、ヨーク部106cの内部の上面及び底面には磁石が取り付けられ、コイル106bの内部及び周囲に磁界を形成する磁気回路が形成されている。
【0007】
同様に、Y軸VCM107には、土台に固定され横方向に貫通する開口部を有する角筒状のヨーク部107cが設けられている。ヨーク部107cの中間高さには、開口部を2つの空間に仕切る鉄芯107dが設けられている。また、Y軸VCM107には、可動テーブル105に連結されるY軸可動子107a及びこのY軸可動子107aに巻き付けられたコイル107bが設けられている。コイル107bは鉄芯107dを包囲するように巻かれている。なお、コイル107bの横方向の長さは可動テーブル105の可動範囲と同程度又はそれ以上であり、Y軸可動子107a及びコイル107bはX軸方向で拘束されることなく移動可能である。また、ヨーク部107cの内部の上面及び底面には磁石が取り付けられ、コイル107bの内部及び周囲に磁界を形成する磁気回路が形成されている。
【0008】
そして、可動テーブル105及びY軸可動子107aからステージ上段部108が構成され、X軸テーブル103及びX軸可動子106aからステージ中段部109が構成されている。
【0009】
なお、ボンディングヘッド110の質量は、上段部108及び中段部109のそれと比して大きい。このため、X軸方向及びY軸方向に移動可能な部材であるボンディングヘッド110、上段部108及び中段部109の全体的な重心は、一体化されたボンディングヘッド110及び上段部108を一つの部材とすると、この部材の重心位置とほぼ一致している。
【0010】
このように構成された従来のワイヤボンダステージにおいては、中段部109はX軸ガイド102に倣ってベース101に対してX軸方向に案内され、上段部108はY軸ガイド104に倣ってX軸テーブル103に対してY軸方向に案内されると共に、中段部109と一体となってX軸方向にも移動可能である。
【0011】
また、このような可動部を外部からガイドを介して間接的に2次元駆動するXYステージでは、位置精度が低いとし、この欠点を解決すべく可動テーブルを直接的に位置決めするXYステージが提案されている(特開平1−291194号公報)。
【0012】
この公報に記載されたXYステージにおいては、ベース上に2個のリニアモータが配設され、各リニアモータのコイルが可動テーブルの裏面に直接連結されている。また、X軸ガイドレール及びX軸リニアガイドによってX軸方向に案内されるLの字型のX軸ステージが可動テーブルと同一平面に設けられている。X軸ステージの一直線部はY軸ガイドレールとして機能し、これとY軸リニアガイドによって可動テーブルがY軸方向に案内される。X軸ステージ及び可動テーブルとベースとの間には、平面軸受が設けられている。このようにして、可動テーブルがガイドを介することなくリニアモータにより直接的に駆動される。
【0013】
また、移動を高速化するために可動テーブルをベース表面に平行に保持するリンク機構を設けたXYステージが提案されている(特開平11−148984号公報)。
【0014】
この公報に記載されたXYステージにおいては、可動テーブルにコイルが固定された2個のVCMが設けられている。また、可動テーブルには、複数のリンクが連結されており、可動テーブルがベースから宙に浮いた状態で、可動テーブル表面とベース表面の平行が保持されている。このような構成とすることにより、テーブルは1個で足りるため、XYステージ自体を小型化することも可能である。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図20及び21に示した従来のワイヤボンダステージでは、前述のように、ボンディングヘッド110の質量が大きいので、動作時にモーメントが発生しやすく、それに耐えるだけの剛性がガイドに必要とされている。図22はボンディングヘッド110をY軸方向に移動させたときの可動部の重心gの位置の変化を示す図であって、(a)は移動前の位置を示す模式図、(b)は移動後の位置を示す模式図である。
【0016】
通常、ボンディングヘッド110は上段部108及び中段部109より重く、一体化されたボンディングヘッド110及び上段部108からなる部材の総質量は中段部109より重いため、上段部108及びボンディングヘッド110がY軸方向に移動すると、図22(a)及び(b)に示すように、可動部の重心gの位置が大きく変化する。このため、この状態でX軸VCM106を駆動した場合、平面視で可動部の重心gから著しくずれた位置に駆動力が作用することになる。また、可動テーブル105をX軸方向に移動させる場合、可動テーブル105のY軸方向の位置に関係して可動部の重心gの位置が変化する。このため、モーメント力が発生し、ヨーイング方向の振動が問題となっている。ワイヤボンダでは、XYステージが停止した直後にボンディングする工程が行われるが、上述のような振動があると位置決め精度が劣る等してボンディング性が著しく損われることになる。そこで、前述のように、X軸ガイド102及びY軸ガイド104には、可動テーブル105及びボンディングヘッド110の移動によるモーメント荷重を支え得るだけの剛性が必要とされる。このため、XYステージ自体の小型化が困難であるという問題点がある。
【0017】
また、特開平1−291194号公報に記載された従来のXYステージにおいては、VCMのコイルの高さと可動テーブルの高さとが相異しているため、VCMからの駆動力は可動部の重心には作用しない。このため、可動ステージの高速移動により生じる振動を十分に抑制することは困難である。
【0018】
更に、位置検出器が設けられている位置が可動テーブルの上方であるため、位置検出の精度は十分ではない。このため、位置制御が困難となる場合がある。
【0019】
更にまた、特開平11−148984号公報に記載された従来のXYステージによれば、所期の目的は達成することができたものの、可動ステージの高速移動により生じるヨーイング方向の振動を抑制することは困難である。
【0020】
また、これらの従来のXYステージにおいては、ヨーイング方向の振動が生じるため、振動による影響を低減するためにはフィードバック制御を行う必要があり、また、制御帯域が狭いという問題点がある。
【0021】
更に、X軸VCM106からの推力が作用する部材には、X軸テーブル103、Y軸ガイド104、可動テーブル105、Y軸可動子107a及びY軸VCM107のコイル107bが含まれるので、高推力が必要とされる場合には、X軸VCM106には極めて大型なVCMを使用する必要がある。このため、可動部全体の慣性が大きくなり、低い周波数で共振するヨーイング方向等の振動が問題になっている。
【0022】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、可動部が高速移動した後の振動を十分に抑制することができ、容易にその移動を制御することができるXYステージを提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るXYステージは、ベースと、このベース上にX−Y平面内でX方向及びY方向に移動可能に配置された可動テーブルと、この可動テーブル上に設けられた作業部材と、夫々土台に固定され磁界を発生させる固定子、この固定子に対して相対的に移動可能な可動子及びこの可動子に巻き付けられ前記固定子が発生する磁界の影響を受けるコイルを備え前記可動テーブル及び作業部材からなる可動部の重心位置と同一の高さ位置にて前記可動テーブルに夫々X方向及びY方向の駆動力を与える第1及び第2のリニアモータと、前記第1のリニアモータの可動子を前記可動テーブルとは独立して前記Y方向に移動可能な状態で前記可動テーブルの上面又は側面に連結する第1の連結部材と、前記第2のリニアモータの可動子を前記可動テーブルとは独立して前記X方向に移動可能な状態で前記可動テーブルの上面又は側面に連結する第2の連結部材と、を有することを特徴とする。
【0026】
本発明のXYステージにおいては、前記作業部材は、例えばボンディングヘッドであり、ワイヤボンディングに使用される。
【0030】
本発明においては、平面視で前記重心を通り前記X方向に延びる直線上に配置され前記可動部の前記X方向における移動量を検出する第1の位置検出器と、平面視で前記重心を通り前記Y方向に延びる直線上に配置され前記可動部の前記Y方向における移動量を検出する第2の位置検出器と、を有することができる。また、平面視で前記重心の位置に配置され前記可動部の前記X方向及びY方向における移動量を検出する位置検出器を有していてもよい。これらの場合、例えば前記位置検出器は、光学センサを有していてもよく、例えば前記ベース表面に前記X方向及びY方向における移動量を示す目盛が設けられる。
【0031】
また、前記リニアモータは、前記固定子内に鉛直方向の磁界を形成する磁気回路を有することができ、前記磁気回路は、例えば上下方向で相異する極が対向するように配置された少なくとも2個の磁石を有する。
【0032】
また、前記位置検出器により検出された移動量に基づいて前記リニアモータの動作を制御するフィードバック制御部を有してもよく、前記リニアモータは、ACリニアモータであってもよい。
【0033】
本発明においては、可動部がリニアモータによって駆動される際にリニアモータからの力が可動部の重心に作用する。このため、可動テーブルの位置がその駆動方向に直交する方向にずれても、常に重心を駆動することになるので、可動テーブルを高速移動しても、モーメント力はほとんど発生せず、ヨーイング方向の振動はほとんど生じない。このため、可動部を案内するために従来のものよりも剛性が低い案内部材を使用しても、安定した動作が可能であるため、軽量化・小型化が可能となる。また、ヨーイング方向の振動が抑制されるので、制御可能な周波数帯域が広くなる。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係るワイヤボンダステージについて、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は第1の参考例に係るワイヤボンダステージの構造を示す模式図であり、図2は図1に示すワイヤボンダステージ上にボンディングヘッドが取り付けられた状態を示す模式図である。
【0035】
本参考例においては、例えば正方形板状のベース1上に2本のX軸ガイド(第1の案内部材)2が設けられている。2本のX軸ガイド2は相互に平行な方向に延びており、この方向をX軸方向とする。X軸ガイド2上にX軸テーブル(中間テーブル)3が設けられている。X軸テーブル3の下面には、X軸ガイド2に倣うX軸倣い部(図示せず)が形成されており、X軸テーブル3はX軸方向に移動可能である。一方、X軸テーブル3の上面には、X軸方向に対して直交するY軸方向に延びる2本のY軸ガイド(第2の案内部材)4が設けられている。そして、Y軸ガイド4上に可動テーブル5が設けられている。可動テーブル5の下面には、Y軸ガイド4に倣うY軸倣い部(図示せず)が形成されており、可動テーブル5はY軸方向に移動可能であると共に、X軸テーブル3及びX軸ガイド2によりX軸方向にも移動可能である。可動テーブル5の上面は平面となっており、ここに、ボンディングヘッド(作業部材)10が固定される。
【0036】
また、可動テーブル5のX軸方向の側方にX軸VCM(リニアモータ)6が配置されている。図3はX軸VCM6の構造を示す図であって、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A線による断面図である。
【0037】
X軸VCM6には、土台に固定され可動テーブル5側に開口部を有するヨーク部6cが設けられている。そして、可動テーブル5の側面に連結されたX軸可動子6a及びこのX軸可動子6aに巻き付けられたコイル6bがヨーク部6c内にその開口部から挿入されている。コイル6bは可動テーブル5の表面と平行に巻かれている。開口部の大きさは可動テーブル5のY軸方向における可動範囲と同程度又はそれ以上であり、可動子6a及びコイル6bはY軸方向で拘束されることなく移動可能である。また、ヨーク部6cの内部の上面には、S極が下方を向く磁石6d及びN極が下方を向く磁石6eが取り付けられている。更に、ヨーク部6cの内部の底面には、N極が上方を向く磁石6f及びS極が上方を向く磁石6gが夫々磁石6d及び6eと対向する位置に取り付けられている。このようにして、X軸VCM6にコイル6bの内部及び周囲に磁界を形成する磁気回路が形成されている。
【0038】
このように構成されたX軸VCM6においては、図3(b)に矢印で示すような磁界が形成され、図3(b)に示す方向の電流がコイル6bに流れた場合、図中の右方向に可動子6aが移動する。
【0039】
また、可動テーブル5のY軸方向の側方には、Y軸VCM(リニアモータ)7が配置されている。Y軸VCM7には、X軸VCM6と同様に、土台に固定され可動テーブル5側に開口部を有するヨーク部7cが設けられている。そして、可動テーブル5の側面に連結されたY軸可動子7a及びこのY軸可動子7aに巻き付けられたコイル7bがヨーク部7c内にその開口部から挿入されている。コイル7bは可動テーブル5の表面と平行に巻かれている。開口部の大きさは可動テーブル5のX軸方向における可動範囲と同程度又はそれ以上であり、可動子7a及びコイル7bはX軸方向で拘束されることなく移動可能である。また、Y軸VCM7には、X軸VCM6と同様に、コイル7bの内部及び周囲に磁界を形成する磁気回路が形成されている。
【0040】
そして、Y軸倣い部を含む可動テーブル5、X軸可動子6a及びY軸可動子7aからステージ上段部8が構成され、X軸倣い部を含むX軸テーブル3及びY軸ガイド4からステージ中段部9が構成されている。また、可動テーブル5及びボンディングヘッド10から可動部が構成されている。
【0041】
なお、ボンディングヘッド10の質量は、上段部8及び中段部9のそれと比して大きい。このため、X軸方向又はY軸方向に移動可能な部材であるボンディングヘッド10、上段部8及び中段部9からなる可動部の全体的な重心は、一体化されたボンディングヘッド10及び上段部8を一つの部材とすると、この部材の重心位置とほぼ一致することになる。従って、ボンディングヘッド10をX軸方向及びY軸方向のいずれの方向に移動させる場合でも、重心の位置も実質的に同じ距離だけ同じ方向に同時に移動することになる。
【0042】
更に、X軸テーブル3の下面には、可動部のベース1に対するX軸方向の相対的な位置を検出するX軸方向位置検出器(図示せず)が取り付けられ、可動テーブル5の下面には、可動部のベース1に対するY軸方向の相対的な位置を検出するY軸方向位置検出器(図示せず)が取り付けられている。なお、X軸方向位置検出器が取り付けられた位置を通りX軸方向に平行な直線は、可動部の重心を通りX軸方向に平行な直線と平面視で実質的に重なり、Y軸方向位置検出器が取り付けられた位置を通りY軸方向に平行な直線は、可動部の重心を通りY軸方向に平行な直線と平面視で実質的に重なっている。X軸位置検出器及びY軸位置検出器としては、例えば一次元の光学センサ及び磁気センサ等が使用可能である。光学センサを使用する場合、例えば、これと対向するベース1の表面の位置にX軸方向及びY軸方向の移動量を示す目盛が設けられる。
【0043】
また、X軸位置検出器及びY軸位置検出器の替わりに、平面内の移動量を検出することができる二次元光学センサからなる位置検出器を使用することもできる。この場合、位置検出器は可動テーブル5の下面に取り付けられ、ベース1の表面にX軸方向及びY軸方向の移動量を示す目盛が設けられる。
【0044】
次に、上述のように構成された参考例のワイヤボンダステージの動作について説明する。図4はボンディングヘッド10をY軸方向に移動させたときの可動部の重心Gの位置の変化を示す図であって、(a)は移動前の位置を示す模式図、(b)は移動後の位置を示す模式図である。
【0045】
可動テーブル5をY軸方向に移動させる場合には、Y軸VCM7を駆動する。これにより、可動テーブル5がY軸ガイド4に倣ってX軸テーブル3に対してY軸方向に案内される。この際に可動テーブル5のX軸方向の位置が変化しても、Y軸可動子7aはX軸方向に拘束されることなく移動することが可能であり、また、一体化されたボンディングヘッド10と上段部8とからなる部材の総質量が中段部9のそれよりも重いため、可動部の重心Gの位置はほとんど変化しない。従って、Y軸VCM7からの力は可動部の重心Gの位置に作用することになる。
【0046】
一方、可動テーブル5をX軸方向に移動させる場合には、X軸VCM6を駆動する。これにより、X軸テーブル3がX軸ガイド2に倣ってベース1に対してX軸方向に案内され、この上に設けられている可動テーブル5がX軸方向に移動する。この際に上段部8のY軸方向の位置が変化しても、可動テーブル5に直接連結されたX軸可動子6aはY軸方向に拘束されることなく移動することが可能であるため、可動部の重心Gの位置はほとんど変化しない。従って、X軸VCM6からの力は可動部の重心Gの位置に作用することになる。
【0047】
このように、本参考例のワイヤボンダステージによれば、可動テーブル5がX軸方向及びY軸方向のいずれの方向に移動する場合であっても、重心Gの位置がほとんど変化せず重心駆動となるため、モーメント力はほとんど発生しない。従って、例えば、可動テーブル5がY軸方向に移動しても、X軸方向のVCM駆動力に対する位置の伝達特性上ヨーイングピークは小さいため、XY平面内の振動に関しては、Y軸ガイド4のX軸並進方向の剛性に着目すればよい。また、Y軸方向の駆動時には、モーメント荷重を支える剛性を考慮しなくてよい。一般に、並進方向の剛性は、ヨーイング方向に対する剛性より大きいので、本参考例では、X軸ガイド2及びY軸ガイド4には、従来のものと比して剛性が低いガイドを使用しても安全である。剛性が低いガイドを使用する場合、ガイドを小型化することが可能であり、ガイドを保持する部分をも小型化することができる。この結果、可動部総質量が小さくなるため、その移動を高速化することができる。
【0048】
また、上段部8の側面にX軸可動子6a及びY軸可動子7aを直接連結することにより得られる効果として、ガイドに起因する振動が抑制される。図5(a)は参考例のようにX軸可動子が可動テーブルに連結されているモデルを示す模式図、(b)は従来のようにX軸可動子がX軸テーブルに連結されているモデルを示す模式図である。
【0049】
図5(a)に示すモデルにおける上段部及びボンディングヘッドからなる部材21及び中段部22の運動方程式は、夫々下記数式1及び2で表される。
【0050】
【数1】
【0051】
【数2】
【0052】
但し、Mは部材21の総質量、mは中段部22の質量、Kは中段部22上に設けられたY軸ガイドの剛性値、kはベース23上に設けられたX軸ガイドの剛性値、FはX軸VCMによる駆動力である。
【0053】
また、このモデルの共振周波数ωは下記数式3で表される。
【0054】
【数3】
【0055】
一方、図5(b)に示すモデルにおける上段部及びボンディングヘッドからなる部材21及び中段部22の運動方程式は、夫々下記数式4及び5で表される。
【0056】
【数4】
【0057】
【数5】
【0058】
このモデルの共振周波数は、図5(a)に示すモデルと同様に、下記数式6で表される。
【0059】
【数6】
【0060】
なお、いずれのモデルにおいても、剛性値kはスライド方向のものとなるため、0となる。
【0061】
図6は中段部22の質量mが部材21の総質量Mと等しいときの周波数特性を示す図であって、(a)は利得と周波数との関係を示すグラフ図、(b)は位相と周波数との関係を示すグラフ図である。図7は中段部22の質量mが部材21の総質量Mより小さいときの周波数特性を示す図であって、(a)は利得と周波数との関係を示すグラフ図、(b)は位相と周波数との関係を示すグラフ図である。また、図8(a)及び(b)は図6(a)及び(b)に対する閉ループ特性を示すグラフ図であり、図9(a)及び(b)は図7(a)及び(b)に対する閉ループ特性を示すグラフ図である。
【0062】
数式3及び6より、上段部とボンディングヘッドとからなる部材21及び中段部22からなる可動部の総質量が一定ならば、中段部22の質量mが部材21の総質量Mと等しいとき、図6(a)及び(b)に示すように、共振周波数ωは最も低くなる。なお、通常、ワイヤボンダのボンディングヘッドは、上段部及び中段部と比較して重く、部材21の総質量は中段部22と比較して大きい。
【0063】
前述の参考例では、上段部8にX軸可動子6a及びY軸可動子7aの双方が直接連結されているため、中段部9に一方の軸方向に駆動するVCMの可動子が連結されている場合と比して、中段部の質量と比較した上段部8及びボンディングヘッド10からなる部材の総質量はより重くなり、可動部全体の質量が一定であるならば、図7(a)及び(b)に示すように、固有振動数(共振周波数)が高くなる。また、XYステージに対しフィードバック制御を行う場合には、制御上も問題となる固有振動数が高くなるため、図8(a)及び(b)と図9(a)及び(b)とを比較すると分かるように、制御帯域が広がって制御性が向上する。
【0064】
本参考例によれば、前述のように、ヨーイング方向の振動を抑制することができる。以下、この効果について、図面を参照して説明する。図10は従来のワイヤボンダステージにおける周波数特性を示す図であって、(a)は利得と周波数との関係を示すグラフ図、(b)は位相と周波数との関係を示すグラフ図である。図11は参考例に係るワイヤボンダステージにおける周波数特性を示す図であって、(a)は利得と周波数との関係を示すグラフ図、(b)は位相と周波数との関係を示すグラフ図である。また、図12(a)及び(b)は図10(a)及び(b)に対する閉ループ特性を示すグラフ図であり、図13(a)及び(b)は図11(a)及び(b)に対する閉ループ特性を示すグラフ図である。
【0065】
従来のワイヤボンダステージでは、重心駆動でないために生じるヨーイング方向の振動が生じており、この振動が制御上問題となっていた。このヨーイング方向の振動は、図10(a)及び(b)に示すように、並進方向の振動よりも低い周波数で生じている。一方、参考例では、可動部の重心位置が駆動されるので、図11(a)及び(b)に示すように、ヨーイング方向の振動が抑制されている。また、メカ共振ピークの影響を制御上受けにくくなるため、図12(a)及び(b)と図13(a)及び(b)とを比較すると分かるように、安定した広い制御帯域を得ることができる。
【0066】
図14は一次元センサの位置検出器の位置による検出量の変化を説明するための模式図である。可動部の重心を原点Oとする座標系において、位置検出器が重心からrの距離でX軸からθ゜回転した位置Aに設けられている場合に、この位置検出器が更にX軸からθ0゜回転すると、その位置検出器がX軸方向位置検出器であるときの検出量及びY軸方向位置検出器であるときの検出量は、夫々下記数式7及び8で表される。
【0067】
【数7】
【0068】
【数8】
【0069】
従って、0≦θ≦180゜の範囲では、X軸方向位置検出器をθ=0゜の位置Bに配置し、Y軸方向位置検出器をθ=90゜の位置Cに配置した時にそれらの検出量は最も小さくなる。従って、一次元センサを使用する場合には、いずれかの駆動軸方向の位置検出器を可動部の重心を通るその駆動軸上に配置すると、制御系からはメカ共振ピークが認識されにくくなるため、移動量に基づいて制御を行うフィードバック制御部を設け制御的フィードバックを構成したときの閉ループ制御帯域の拡大が可能となり、制御性が向上する。一方、二次元センサを使用する場合には、位置検出器を可動部の重心に配置すれば、同様に制御性が向上する。
【0070】
なお、VCMの構造は、図3(a)及び(b)に示すものに限定されるものではない。図15は他のVCMの構造を示す図であって、(a)は平面図、(b)は(a)のB−B線による断面図である。
【0071】
このVCMには、土台に固定され横方向に貫通する開口部を有する角筒状のヨーク部31が設けられている。ヨーク部31の中間高さには、開口部を2つの空間に仕切る鉄芯32が設けられている。また、VCMには、可動テーブルに連結される可動子33及びこの可動子33に巻き付けられたコイル34が設けられている。コイル34は鉄芯32を包囲するように巻かれている。可動子33には、可動テーブルに固定される固定部33a及びこの固定部33aとコイル34が巻き付けられた部分とを連結する連結部33bが設けられている。なお、コイル34の横方向の長さは可動テーブルの可動範囲と同程度又はそれ以上であり、可動子33及びコイル34はその駆動方向と直交する方向で拘束されることなく移動可能である。また、ヨーク部31の内部の上面には、N極が下方を向く磁石35が取り付けられている。更に、ヨーク部31の内部の底面には、S極が上方を向く磁石36が磁石35と対向する位置に取り付けられている。このようにして、VCMにコイル34の内部及び周囲に磁界を形成する磁気回路が形成されている。
【0072】
このように構成されたVCMにおいては、図15(b)に矢印で示すような磁界が形成され、図15(b)に示す方向の電流がコイル34に流れた場合、図中の右方向に可動子33が移動する。
【0073】
また、リニアモータは、VCMに限定されるものではなく、例えば、ACリニアモータを使用しても本発明による効果が得られる。
【0074】
更に、前述の参考例においては、案内部材を使用して機械的に可動テーブルを案内しているが、可動部の重心を駆動する構成とすれば、空気軸受けを使用してもよい。
【0075】
次に、第2の参考例について説明する。第2の参考例においては、X軸VCMの可動子及びY軸VCMの可動子が夫々可動テーブルのY軸方向及びX軸方向での移動に拘束されない構成となっている。図16は第2の参考例に係るワイヤボンダステージの構造を示す模式図である。なお、図16に示す第2の参考例において、図1等に示す第1の参考例と同一の構成要素には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【0076】
第2の参考例においては、可動テーブル5のX軸方向の端部上にY軸方向に延びる板状のカムフォロワガイド(第1の突起部案内部材)51が設けられ、可動テーブル5のY軸方向の端部上にX軸方向に延びる板状のカムフォロワガイド(第2の突起部案内部材)52が設けられている。本実施例では、図16に示すように、カムフォロワガイド51及び52は互いに連結されているが、分離していてもよい。
【0077】
また、可動テーブル5のカムフォロワガイド51が設けられた側の端部の側方にX軸VCM56が配置され、カムフォロワガイド52が設けられた側の端部の側方にY軸VCM57が配置されている。
【0078】
X軸VCM56には、土台に固定され横方向に貫通する開口部を有する角筒状のヨーク部56cが設けられている。ヨーク部56cの中間高さには、開口部を2つの空間に仕切る鉄芯56dが設けられている。また、X軸VCM56には、可動テーブル5の上方まで延びるX軸可動子56a及びこのX軸可動子56aに巻き付けられたコイル56bが設けられている。コイル56bは鉄芯56dを包囲するように巻かれている。なお、コイル56bの縦方向及び横方向の長さは、例えば鉄心56dに接触しない程度のものである。X軸可動子56aの端部には、垂直方向に延びる2本のカムフォロワ(第1の突起部)56f及び56gが固定されている。2本のカムフォロワ56f及び56gは、それらの間にカムフォロワガイド51を挟むようにして配置されている。また、ヨーク部56cの内部の上面及び底面には磁石(図示せず)が取り付けられ、コイル56bの内部及び周囲に磁界を形成する磁気回路が形成されている。即ち、X軸VCM56は、図3に示すような構造を有している。更に、ヨーク部56cの両側方で土台に固定されたコイルガイド56hが設けられている。このコイルガイド56hに倣ってX軸可動子56aがX軸方向に移動する。
【0079】
同様に、Y軸VCM57には、土台に固定され横方向に貫通する開口部を有する角筒状のヨーク部57cが設けられている。ヨーク部57cの中間高さには、開口部を2つの空間に仕切る鉄芯57dが設けられている。また、Y軸VCM57には、可動テーブル5の上方まで延びるY軸可動子57a及びこのY軸可動子57aに巻き付けられたコイル57bが設けられている。コイル57bは鉄芯57dを包囲するように巻かれている。なお、コイル57bの縦方向及び横方向の長さは、例えば鉄心57dに接触しない程度のものである。Y軸可動子57aの端部には、垂直方向に延びる2本のカムフォロワ57(第2の突起部)f及び57gが固定されている。2本のカムフォロワ57f及び57gは、それらの間にカムフォロワガイド52を挟むようにして配置されている。また、ヨーク部57cの内部の上面及び底面には磁石が取り付けられ、コイル57bの内部及び周囲に磁界を形成する磁気回路が形成されている。即ち、Y軸VCM57は、図3に示すような構造を有している。更に、ヨーク部57cの両側方で土台に固定されたコイルガイド57hが設けられている。このコイルガイド57hに倣ってY軸可動子57aがY軸方向に移動する。
【0080】
このように、第2の参考例においては、X軸可動子56a及びY軸可動子57aは、カムフォロワ及びカムフォロワガイドを介して可動テーブル5に連結されている。
【0081】
次に、上述のように構成された第2の参考例のワイヤボンダステージの動作について説明する。
【0082】
可動テーブル5をX軸方向に移動させる場合には、X軸VCM56を駆動する。これにより、可動テーブル5に固定されたカムフォロワガイド51にカムフォロワ56f又は56gから駆動力が伝達されるので、X軸テーブル3がX軸ガイド2に倣ってベース1に対してX軸方向に案内され、この上に設けられている可動テーブル5がX軸方向に移動する。このとき、カムフォロワガイド52もX軸方向に移動するが、カムフォロワガイド52はカムフォロワ57f及び57gの間を移動するのみで、これらを拘束しないので、Y軸可動子57aは停止したままである。即ち、可動テーブル5はY軸VCM57とは独立して移動することになる。
【0083】
一方、可動テーブル5をY軸方向に移動させる場合には、Y軸VCM57を駆動する。これにより、可動テーブル5に固定されたカムフォロワガイド52にカムフォロワ57f又は57gから駆動力が伝達されるので、可動テーブル5がY軸ガイド4に倣ってX軸テーブル3に対してY軸方向に案内される。このとき、カムフォロワガイド51もY軸方向に移動するが、カムフォロワガイド51はカムフォロワ56f及び56gの間を移動するのみで、これらを拘束しないので、X軸可動子56aは停止したままである。即ち、可動テーブル5はX軸VCM56とは独立して移動することになる。
【0084】
このように、第2の参考例によれば、X軸VCM56のX軸可動子56a、Y軸VCM57のY軸可動子57aをカムフォロワ及びカムフォロワガイドを介して可動テーブル5に連結しているので、可動部と両軸のVCMの可動子とが独立して移動することができる。このため、Y軸可動子57aにX軸方向に広く移動可能となるような冗長性を持たせる必要がなく、Y軸VCM57を小型化できる。また、Y軸可動子57aが可動テーブル5に固定されていないため、従来と同程度のX軸方向の推力を可動テーブル5に印加する場合、従来と比較して小さなX軸VCM56を使用することができる。このため、可動部の慣性が小さくなって固有振動数が高くなるので、振動を抑制することができる。更に、両軸のVCMの可動子が可動部に固定されないので、X軸ガイド2及びY軸ガイド4に作用する質量が小さくなる。この結果、X軸ガイド2及びY軸ガイド4に、従来のものよりも剛性が低いガイドを使用することができ、ワイヤボンダステージ自体を軽量化することができる。
【0085】
更にまた、第2の参考例においても、上段部にX軸可動子56a及びY軸可動子57aが連結されているので、X軸ガイド2及びY軸ガイド4の固有振動数が大きくなり、制御性が向上する。即ち、前述のように、ガイドに起因する振動周波数は、中段部と上段部とから構成される可動部の総質量が一定ならば、中段部及び上段部の質量が等しいときに一番低くなり、XYステージは最も不利な構成となる。但し、ワイヤボンダの場合、一般にボンディングヘッドが他の部材と比して著しく重いため、ボンディングヘッド及び上段部の総質量が中段部の質量と比して大きく、振動周波数は大きい。特に、本参考例のように、X軸可動子56a及びY軸可動子57aの両可動子を上段部に連結すると、上段部に対して中段部がより一層軽くなって固有振動数が大きくなるので、制御性が著しく向上する。
【0086】
次に、本発明の実施例について説明する。実施例では、各VCMと可動テーブルとの連結方法が第2の参考例と異なっている。図17は本発明の実施例に係るワイヤボンダステージの構造を示す模式図である。
【0087】
実施例においては、可動テーブル5のX軸方向の端部上に2個のカムフォロワ56i及び56jが形成されている。2個のカムフォロワ56i及び56jはX軸方向に並んで配置されている。また、可動テーブル5のY軸方向の端部上に2個のカムフォロワ57i及び57jが形成されている。2個のカムフォロワ57i及び57jはY軸方向に並んで配置されている。
【0088】
一方、X軸可動子56aの端部にはカムフォロワは設けられておらず、端部から下方向に突出した板状のカムフォロワガイド53が設けられている。このカムフォロワガイド53の端面はカムフォロワ56i及び56j間で可動テーブル5に当接する。
【0089】
同様に、Y軸可動子57aの端部にはカムフォロワは設けられておらず、端部から下方向に突出した板状のカムフォロワガイド54が設けられている。このカムフォロワガイド54の端面はカムフォロワ57i及び57j間で可動テーブル5に当接する。
【0090】
このように構成された実施例においては、カムフォロワ及びカムフォロワガイドが固定された部材が、第2の参考例と入れ替わっているのみであるので第2の参考例と同様の動作により同様の効果が得られる。
【0091】
次に、第3及び第4の参考例について説明する。第3及び第4の参考例においては、各可動子と可動テーブルとがスライダ及びレールから構成されるリニアガイドを介して連結されている。
【0092】
図18は第3の参考例に係るワイヤボンダステージの構造を示す模式図であり、図19は第4の参考例に係るワイヤボンダステージの構造を示す模式図である。
【0093】
第3の参考例においては、可動テーブル5のX軸方向の一側面にレール61aが取り付けられ、Y軸方向の一側面にレール62aが取り付けられている。また、X軸可動子56aの端面にレール61aに倣って滑動するスライダ61bが取り付けられ、Y軸可動子57aの端面にレール62aに倣って滑動するスライダ62bが取り付けられている。レール61a及びスライダ61bから1個のリニアガイドが構成され、レール62a及びスライダ62bから1個のリニアガイドが構成されている。なお、本参考例では、リニアガイドが設けられているので、コイルガイド56h及び57hは、不要である。
【0094】
このように構成された第3の参考例においても、可動テーブル5がX軸方向に移動するときは、Y軸可動子57aは停止したままであり、可動テーブル5がY軸方向に移動するときは、X軸可動子56aは停止したままである。従って、第2の参考例と同様の効果が得られる。
【0095】
第4の参考例においては、可動テーブル5の側面にスライダ61b及び62bが取り付けられ、X軸可動子56a及びY軸可動子57aの端面に夫々レール61a及び62aが取り付けられている。本参考例においても、リニアガイドが設けられているので、コイルガイド56h及び57hは、不要である。
【0096】
このように構成された第4の参考例においては、スライダ及びレールが取り付けられた部材が、第3の参考例と入れ替わっているのみであるので、第3の参考例と同様の動作により、第2の参考例と同様の効果が得られる。
【0097】
なお、リニアガイドの他にクロスローラ等の直動案内装置を使用することも可能である。また、第2乃至第4の参考例および実施例においては、図15に示すようなVCMを使用しているが、第1の参考例と同様な図3に示すようなVCMを使用することもできる。更に、第1の参考例と同様、リニアモータは、VCMに限定されるものではなく、例えば、ACリニアモータを使用しても本発明による効果が得られる。
【0098】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、可動部がリニアモータによって駆動される際にリニアモータからの力が可動部の重心に作用するので、可動テーブルの位置がその駆動方向に直交する方向にずれても、常に重心を駆動することができる。このため、可動テーブルを高速移動しても、モーメント力はほとんど発生せず、高速移動による振動を防止することができる。また、ヨーイング方向の振動を抑制することができるので、制御可能な周波数帯域を広げ、制御性を向上させることができる。
【0099】
更に、可動部を案内するために従来のものよりも剛性が低い案内部材を使用しても、安定した動作が可能であるため、XYステージ自体を軽量化・小型化することができる。
【0100】
更にまた、可動部と両軸のリニアモータの可動子とを独立して移動可能としているので、冗長性(移動のための余裕)を低減することができると共に、推力が作用する部材数を低減することができる。このため、リニアモータを小型化することができる。従って、可動部の慣性が小さくなって固有振動数が高くなるので、振動をより一層容易に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の参考例に係るワイヤボンダステージの構造を示す模式図である。
【図2】図1に示すワイヤボンダステージ上にボンディングヘッドが取り付けられた状態を示す模式図である。
【図3】X軸VCM6の構造を示す図であって、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A線による断面図である。
【図4】ボンディングヘッド10をY軸方向に移動させたときの可動部の重心Gの位置の変化を示す図であって、(a)は移動前の位置を示す模式図、(b)は移動後の位置を示す模式図である。
【図5】(a)は従来のようにX軸可動子がX軸テーブルに連結されているモデルを示す模式図、(b)は第1の参考例のようにX軸可動子が可動テーブルに連結されているモデルを示す模式図である。
【図6】中段部22の質量mが部材21の総質量Mと等しいときの周波数特性を示す図であって、(a)は利得と周波数との関係を示すグラフ図、(b)は位相と周波数との関係を示すグラフ図である。
【図7】中段部22の質量mが部材21の総質量Mより小さいときの周波数特性を示す図であって、(a)は利得と周波数との関係を示すグラフ図、(b)は位相と周波数との関係を示すグラフ図である。
【図8】(a)及び(b)は図6(a)及び(b)に対する閉ループ特性を示すグラフ図である。
【図9】(a)及び(b)は図7(a)及び(b)に対する閉ループ特性を示すグラフ図である。
【図10】従来のワイヤボンダステージにおける周波数特性を示す図であって、(a)は利得と周波数との関係を示すグラフ図、(b)は位相と周波数との関係を示すグラフ図である。
【図11】第1の参考例に係るワイヤボンダステージにおける周波数特性を示す図であって、(a)は利得と周波数との関係を示すグラフ図、(b)は位相と周波数との関係を示すグラフ図である。
【図12】(a)及び(b)は図10(a)及び(b)に対する閉ループ特性を示すグラフ図である。
【図13】(a)及び(b)は図11(a)及び(b)に対する閉ループ特性を示すグラフ図である。
【図14】一次元センサの位置検出器の位置による検出量の変化を説明するための模式図である。
【図15】他のVCMの構造を示す図であって、(a)は平面図、(b)は(a)のB−B線による断面図である。
【図16】第2の参考例に係るワイヤボンダステージの構造を示す模式図である。
【図17】本発明の実施例に係るワイヤボンダステージの構造を示す模式図である。
【図18】第3の参考例に係るワイヤボンダステージの構造を示す模式図である。
【図19】第4の参考例に係るワイヤボンダステージの構造を示す模式図である。
【図20】従来のワイヤボンダステージの構造を示す模式図である。
【図21】図20に示す従来のワイヤボンダステージ上にボンディングヘッドが取り付けられた状態を示す模式図である。
【図22】ボンディングヘッド110をY軸方向に移動させたときの可動部の重心gの位置の変化を示す図であって、(a)は移動前の位置を示す模式図、(b)は移動後の位置を示す模式図である。
【符号の説明】
1、101;ベース
2、102;X軸ガイド
3、103;X軸テーブル
4、104;Y軸ガイド
5、105;可動テーブル
6、56、106;X軸VCM
6a、56a、106a;X軸可動子
6b、56b、106b;X軸コイル
6c、56c、106c;ヨーク部
6d、6e、6f、6g;磁石
7、57、107;Y軸VCM
7a、57a、107a;Y軸可動子
7b、57b、107b;Y軸コイル
7c、107c;ヨーク部
8、108;上段部
9、109;中段部
10、110;ボンディングヘッド
21;部材
22;中段部
23;ベース
31;ヨーク部
32、106d;鉄芯
33;可動子
33a;固定部
33b;連結部
34;コイル
35、36;磁石
51、52、53、54;カムフォロワガイド
56f、56g、56i、56j、57f、57g、57i、57j;カムフォロワ
56h、57h;コイルガイド
61a、62a;レール
61b、62b;スライダ
G、g;重心
Claims (10)
- ベースと、このベース上にX−Y平面内でX方向及びY方向に移動可能に配置された可動テーブルと、この可動テーブル上に設けられた作業部材と、夫々土台に固定され磁界を発生させる固定子、この固定子に対して相対的に移動可能な可動子及びこの可動子に巻き付けられ前記固定子が発生する磁界の影響を受けるコイルを備え前記可動テーブル及び作業部材からなる可動部の重心位置と同一の高さ位置にて前記可動テーブルに夫々X方向及びY方向の駆動力を与える第1及び第2のリニアモータと、前記第1のリニアモータの可動子を前記可動テーブルとは独立して前記Y方向に移動可能な状態で前記可動テーブルに連結する第1の連結手段と、前記第2のリニアモータの可動子を前記可動テーブルとは独立して前記X方向に移動可能な状態で前記可動テーブルに連結する第2の連結手段とを有し、前記第1及び第2の連結手段は夫々前記可動テーブルの上面上に配置された1対のカムフォロワと、前記可動子の端部から下方向に突出して前記1対のカムフォロワ間に位置する板状のカムフォロワガイドとを具備することを特徴とするXYステージ。
- 前記作業部材は、ボンディングヘッドであり、ワイヤボンディングに使用されることを特徴とする請求項1に記載のXYステージ。
- 平面視で前記重心を通り前記X方向に延びる直線上に配置され前記可動部の前記X方向における移動量を検出する第1の位置検出器と、平面視で前記重心を通り前記Y方向に延びる直線上に配置され前記可動部の前記Y方向における移動量を検出する第2の位置検出器と、を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のXYステージ。
- 平面視で前記重心の位置に配置され前記可動部の前記X方向及びY方向における移動量を検出する位置検出器を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のXYステージ。
- 前記位置検出器は、光学センサを有することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載のXYステージ。
- 前記ベース表面に前記X方向及びY方向における移動量を示す目盛が設けられていることを特徴とする請求項5に記載のXYステージ。
- 前記リニアモータは、前記固定子内に鉛直方向の磁界を形成する磁気回路を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のXYステージ。
- 前記磁気回路は、上下方向で相異する極が対向するように配置された少なくとも2個の磁石を有することを特徴とする請求項7に記載のXYステージ。
- 前記位置検出器により検出された移動量に基づいて前記リニアモータの動作を制御するフィードバック制御部を有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のXYステージ。
- 前記リニアモータは、ACリニアモータであることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載のXYステージ。
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