JP4643685B2 - 駆動ステージ及びそれを用いたチップマウンタ - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置や電子部品実装装置に用いられる駆動ステージ及びそれを用いたチップマウンタに関する。

半導体製造装置や電子部品実装装置（チップマウンタ）は、例えば、電子部品をプリント基板にマウントする機構がレール上を一軸方向（Ｘ方向）に移動させる駆動ステージと、その駆動ステージをレールの垂直方向（Ｙ方向）に移動させる機構とにより、プリント基板上（ＸＹ平面上）に電子部品を実装させるものである。特に、チップマウンタに用いられる駆動ステージには、マウント機構を移動させるためのアクチュエータとしてリニアモータを用いたものがある。

図６は、従来の駆動ステージの一例を示す側面図である（特許文献１参照）。

図６に示すように、従来の駆動ステージは、１つのリニアモータ固定子（リニアモータ１８）がビーム１６長手方向に垂直な断面の左側縦線部中央ビームに設置され、１つのリニアモータ可動子がリニアモータ固定子と対向するように移動体１７に設置される。ビーム１６に設置される１つのリニアモータ固定子と、移動体１７に設置される１つのリニアモータ可動子との間には、図４紙面水平方向に磁気吸引力が作用する。

図７はリニアガイドレール１９とスライダ２０で構成されるリニアガイド構造の斜視図である。

図７に示すように、リニアガイド構造は、リニアガイドレール１９とスライダ２０の間に複数個の金属球２１を挟み、スライダ２０内において金属球２１が循環する経路を有しており、金属球２１がスライダ２０内を転がることによって、スライダ２０と固定される移動体１７がビーム１６上に設置されたリニアガイドレール１９に沿って駆動することができる。

このリニアガイド構造は、リニアガイドレール１９設置面に垂直方向に作用する荷重に対して高強度に設計されており、これに対して、平行方向に作用する荷重に対しては弱く金属球２１が摩耗し易い。また、リニアガイドレール１９のビームへの設置については、その設置面に対しボルトの軸方向が垂直に交わるように締結されるのが一般的である。したがって、リニアガイドレール１９設置面に平行方向に荷重が作用する場合、締結部のすべりやボルト２２のせん断破壊が生じる可能性がある。

上記のリニアガイド構造中の金属球２１の摩耗や、締結部のすべりやボルト２２のせん断破壊は、移動体１７の駆動案内を不安定にし、駆動ステージの案内精度を大きく低下させる原因となる。

図６に示した従来例においては、２つのリニアガイドレール１９とビーム１６への設置面とそれぞれにかかる磁気吸引力の作用方向が垂直であるため、上記のようなリニアガイド構造の故障を防ぐことが可能である。しかしながら、リニアモータ可動子ａおよびリニアモータ固定子ｂとの間に作用する磁気吸引力は、ビーム１６および移動体１７を変形させる。この対策としてビームの高剛性化を図るとビーム１６の質量が増加し、機器全体の質量が増加するという問題が生じる。

図８は特許文献２に記載される従来の駆動ステージの実施例を示す側面図である。図８に示す従来の駆動ステージは、２つのリニアモータ固定子１８ｂのそれぞれをビーム１６左側面の上側と下側に設置し、１つのリニアモータ可動子１８ａは移動体１７のI字形状断面における右側中央部分に設置されている。これによって、リニアモータ可動子１８ａと２つのリニアモータ固定子１８ｂとの間に作用する磁気吸引力の作用方向が同軸かつ反対方向のため、磁気吸引力が相殺される。したがって、磁気吸引力によるビーム１６のたわみやねじれ変形は、特許文献１記載の駆動ステージの構造よりも小さくなる。しかし、２つのリニアガイドレール１９とビーム１６との設置面は互いに平行である。２つのリニアガイドレール１９設置面と平行方向に荷重（図中、上からの荷重）が作用する場合、リニアガイドレール１９をビーム１６に締結固定する締結部のすべりやボルトのせん断破壊が生じる可能性があり、駆動案内を不安定にし、駆動ステージの案内精度を大きく低下させる可能性がある。

また、図９は特許文献２に記載される従来の駆動ステージの実施例を示す側面図である。図７に示す従来の駆動ステージは、図８に示す従来の駆動ステージの構成とほぼ同様であり、リニアモータ可動子１８ａと２つのリニアモータ固定子１８ｂとの間に作用する磁気吸引力は相殺されている。しかし、断面Γ字形状の移動体１７はビーム１６上面に設置された１つのリニアガイドレール１９のみでビーム１６へ固定されている。これは、駆動ステージの移動によりリニアガイドレール１９の設置面と平行に荷重（図中、横からの荷重）が作用すると、締結部のすべりやボルトのせん断破壊が生じる可能性は大きく、駆動案内を不安定にし、案内精度を大きく低下させる。

そこで、駆動ステージの故障を防ぐため、リニアガイドレール１９の大型化など、リニアガイドレール１９の補強や構成材料の変更などの検討がされてきた。

特開２００８−０７０７３２号公報 特開２００４−１４０８８８号公報

しかしながら、リニアガイドレールの補強や材料変更による故障の抑制には限界があり、移動体の質量増加や磁気吸引力の増加により、リニアガイドレールとビームの設置面に平行方向の荷重が増加すると、故障を防ぐことが困難になる。また、大面積のウェハに電子部品の実装を行うべく、リニアガイドレールの大型化を図ると、設置面の確保によりビームを大型化することが必要になるため、全体的に機器の重量が増加してしまう。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、締結部のすべりやボルトのせん断破壊の発生を防ぎ、磁気吸引力によるビームのねじれ変形を抑え、駆動ステージの高寿命化と高精度化を図ることができる駆動ステージ及びそれを用いたチップマウンタを提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る駆動ステージは、ビームと、そのビーム上にビーム長手方向に沿って設けられた複数本のリニアガイドレールと、リニアガイドレールに沿って摺動自在なスライダと、そのスライダに固定され前記スライダを介してリニアガイドレールに沿って移動する移動体とを備えた駆動ステージにおいて、前記複数本のリニアガイドレールのうち、少なくとも１本のリニアガイドレールのビームとの設置面と、他のリニアガイドレールのビームとの設置面とが垂直であるものである。

本発明によれば、チップマウンタにおいてビームとリニアガイドレールの締結部のすべりやボルトのせん断破壊の発生を防ぐことができ、また、磁気吸引力によるビームのねじれ変形を抑えることができ、駆動ステージの高寿命化と高精度化を図ることができる。
さらに、ビームの前記上側突出部が前記下側突出部よりも短く形成された、従来よりも軽量な駆動ステージを駆動ステージ移動手段で移動するため、チップマウンタ動作の高速化と、部品取付け時の位置決め精度向上を実現することができる。

また、本発明によれば、駆動ステージの駆動加速度を増加させるためのリニアモータ高性能化に伴うリニアモータの重量が増加し、リニアガイドレールとビームとの設置面に平行方向の荷重が大きくなっても、駆動ステージ故障を防ぐことができるので、駆動ステージの高速化を図ることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明は、駆動ステージと駆動ステージを備えるチップマウンタとに係る発明であり、まず、チップマウンタの構成を説明する。

図４及び図５は、チップマウンタの構成を示す概略構成図であり、図４はその側面図、図５は平面図である。図４及び図５に示すように、チップマウンタ３０は、基板３１が配置される基台３２と、基台３２上に設けられ駆動ステージ１０を支持し１方向（Ｙ軸方向とする）に移動させる駆動ステージ移動手段３３と、駆動ステージ移動手段３３上に設けられる駆動ステージ１０とを有する。

駆動ステージ移動手段３３は、基台３２上に、基板３１を挟んで互いに平行に配置される１対のリニアガイドレール（Ｙ軸用リニアガイドレール）３４と、リニアガイドレール３４に沿って摺動し駆動ステージ１０をその両端で支持するステージ支持スライダ３５と、ステージ支持スライダ３５を駆動させるためのリニアモータ（Ｙ軸用リニアモータ）３６とを有する。

駆動ステージ１０は、２つのＹ軸用リニアガイドレール３４間を架橋する程度に長尺なビーム１６と、そのビーム１６上にビーム長手方向（Ｘ軸方向とする）に沿って設けられた２本のリニアガイドレール（Ｘ軸用リニアガイドレール）１９と、リニアガイドレール１９に沿って摺動自在なスライダと、そのスライダに固定された移動体１７とを備える。移動体１７には、電子部品を基板３１上に実装するためのチップ実装機構３７が取り付けられる。

チップマウンタ３０は、駆動ステージ移動手段３２のＹ軸用リニアモータ３６の駆動によりＹ軸用リニアガイドレール３４上の駆動ステージ１０をＹ方向に移動させると共に、駆動ステージ１０のＸ軸用リニアモータ１９の駆動により移動体１７を、駆動ステージ移動方向と垂直な方向（Ｘ方向）に移動させることできる。これにより、基台３２上に載置された基板（半導体ウェハや電子回路基板等）３１上のいずれの位置にも移動体１７を位置合わせすることができ、移動体１７に取り付けられたチップ実装機構３７により、基板３１上の所望の位置に電子部品を実装することができる。

本実施形態の駆動ステージ１０の詳細を図１〜図３に基づき説明する。図１は、本実施形態の駆動ステージを示す断面図、図２は斜視図、図３は側面図である。

図１〜図３に示すように、ビーム１６は、そのビーム１６の横断面（長手方向に対して垂直な断面）においてコ字状に形成され、その形状はビーム長手方向において一様である。ここで、断面コ字状に形成されたビーム１６について、上側の突出した部分を上側突出部１６ａ、下側の突出した部分を下側突出部１６ｂ、上側突出部１６ａと下側突出部１６ｂ間の領域を開口部と定義する。ビーム１６は、基本的には断面コ字状に形成されているが、本実施形態では、上側突出部１６ａが下側突出部１６ｂよりも短く形成されている。

ビーム１６は、長手方向に一様同断面の中空部１６ｃを有する中空構造に形成され、ビーム内部にはビーム補強用の補強壁２３が設けられている。ビーム１６はアルミニウム材等の軽量な金属等で構成され、押出し成型により安価にビーム１６を作製することが可能になる。

２本のリニアガイドレール１９のうち、一方のリニアガイドレール１９ｂは下側突出部１６ｂの端面１６ｄにビーム長手方向に沿って配置され、他方のリニアガイドレール１９ａは上側突出部１６ａ側の上面１６ｅにビーム長手方向に沿って配置される。すなわち、本実施形態の駆動ステージ１０は、１本のリニアガイドレール１９ａとビーム１６の設置面と、他のリニアガイドレール１９ｂとビーム１６の設置面とが垂直である構成となっている。

リニアガイドレール１９は、締結手段（ボルト２２と雌ネジ）によりビーム１６に固定されている。ビーム１６のリニアガイドレール１９が固定される箇所付近では、ビーム１６の壁（フレーム）が締結手段（雌ネジ）の深さを確保する程度に厚肉に形成されている。その厚肉部２４の厚さは、少なくともボルト２２の径以上必要であり、荷重に対する耐久度と軽量化の観点からボルトの径の２〜３倍であるのが好ましい。

２本のリニアガイドレール１９には、１つの移動体１７に固定され各々リニアガイドレール１９に沿って摺動するスライダ２０が設けられている。

移動体１７は、ビーム長手方向の垂直断面が一様にΓ字形に形成されている。具体的には、ビーム１９の突出部の端面側に配置される縦板部１７ａとその縦板部１７ａに垂直に設けられ上側突出部１６ａの上面１６ｅ側に配置される横板部１７ｂとからなるΓ字状に形成されている。この移動体１７の縦板部１７ａ及び／又は横板部１７ｂにはチップ実装機構が取り付けられる。

リニアモータ１８は、リニアモータ可動子１８ａと複数のリニアモータ固定子１８ｂとで構成される。リニアモータ可動子１８ａは移動体１７に固定され、複数のリニアモータ固定子１８ｂはビーム１６に固定される。具体的には、リニアモータ可動子１８ａは、移動体１７の縦板部１７ａのほぼ中央に固定され、かつ、ビーム１６の開口部に配置される。複数のリニアモータ固定子１８ｂは、ビーム１６の上側突出部１６ａの下面（開口部側）にビーム長手方向に整列して固定されると共に、ビーム１６の下側突出部１６ｂの上面（開口部側）にビーム長手方向に整列して固定される。リニアモータ可動子１８ａは、上下両面にコイルを有し、両コイルがそれぞれ上側突出部１６ａ側のリニアモータ固定子１８ｂ及び下側突出部１６ｂ側のリニアモータ固定子１８ｂと作用する。

本実施形態の作用を説明する。移動体１７にはチップ実装機構等の装置が取り付けられるので、その装置等の重みにより、ビーム１６とリニアガイドレール１９との設置面に下方向（Ｚ方向）への荷重が作用する。また、駆動ステージ１０は、チップマウンタ３０に搭載され、駆動ステージ長手方向と垂直方向（Ｙ方向）に移動することにより、ビーム１６とリニアガイドレール１９との設置面に横方向（Ｙ方向）への荷重が作用する。

本実施形態の駆動ステージ１０によれば、１本のリニアガイドレール１９ａとビーム１６の設置面と、他のリニアガイドレール１９ｂとビーム１６の設置面とが垂直となるように構成しているので、リニアガイドレール１９とビーム１６の設置面にＹ方向及びＺ方向への荷重が掛かると、一方の設置面に垂直に荷重がかかり、他方の設置面には平行に荷重が掛かる。したがって、それぞれのリニアガイドレール１９とビーム１６の設置面に平行に加わる荷重の低減化（分散化）を図ることができ、締結部のすべりやボルトのせん断破壊を防ぐことができる。

特に、ビーム１６を長手方向垂直断面においてコ字状に形成し、移動体１７をΓ字状に形成し、リニアガイドレール１９の一方をビーム１６の上面１６ｅに配置すると共に他方を下側突出部１９ｂの端面１９ｄに配置し、リニアモータ１８をビームの開口部に配置した構成としたことにより、ステージのコンパクト化（軽量化）を維持しつつ、締結部のすべりやボルトのせん断破壊の防止効果を高めることができる。

また、リニアモータ可動子１８ａをΓ字形状の移動体１７の縦板部１７ａに設置し、リニアモータ固定子１８ｂをリニアモータ可動子１８ａを挟んで対向するように配置することによって、リニアモータ可動子１８ａと上側のリニアモータ固定子１８ｂとの間で発生する磁気吸引力の作用方向と、リニアモータ可動子１８ａと下側のリニアモータ固定子１８ｂとの間で発生する磁気吸引力の作用方向とを互いに同軸かつ反対方向となり、互いに磁気吸引力相殺させることができる。よって、磁気吸引力によるリニアガイドレール１９に加わる荷重を低減することができ、リニアガイド構造の破壊を防ぐことができる。

また、ビーム１６の内部を中空に形成することにより、駆動ステージを軽量化している。これにより、駆動ステージ１０がチップマウンタ３０に搭載される場合、チップマウンタ１０のステージ移動手段３３への荷重を低減することができる。

ビーム１６の中空化に伴い、リニアガイドレール１９をビーム１６に固定する締結部周辺は雌ネジの深さを確保するために厚肉に形成されているので、ボルト２２と雌ネジのねじ山に発生する応力集中を低減し、締結部のすべりやボルト２２のせん断破壊を防ぐことができる。

リニアモータ１８による磁気吸引力がビーム１６に加わると、その磁気吸引力により、ビーム１６の開口部が開く或いは閉じる（上側突出部１６ａ及び下側突出部１６ｂが撓む）ようにねじれ変形が発生する。本駆動ステージ１０では、中空化されたビーム内部に補強壁２３を設けることにより、リニアモータの可動子１８ａと固定子１８ｂ間で発生する磁気吸引力が印加された際に、ビーム１６の開口部が開く或いは閉じるように変形するビーム１６のねじれ変形を抑制することができる。

また、ビーム１６を中空構造にしたことにより、ビーム１６を構成する壁（枠）が薄くなるが、リニアガイドレール１９が設置されるビーム１６の締結部（ボルト２２、雌ネジ部分）付近では、その壁（枠）を厚肉に形成することにより、締結部の深さを確保し、締結部のすべりやボルトのせん断破壊を防止することができる。

ビーム１６に補強壁２３及び厚肉部２４を設けることより、リニアガイドレール１９とリニアモータ固定子１８ｂの固定の安定性は格段に高まる。また、リニアガイドレール１９やリニアモータ固定子１８ｂの固定部の安定性を高めるだけでなく、ビーム１６に移動体１７を搭載し駆動する際のビーム１６のたわみやねじれを防ぐ効果がある。

以上、本実施形態の駆動ステージによれば、ビーム１６とリニアガイドレール１９との締結部のすべりやボルトのせん断破壊の発生を防ぐことができ、磁気吸引力によるビーム１６のねじれ変形を抑えることができる。ひいては、駆動ステージ１０の高寿命化と高精度化を図ることができる。また、駆動ステージ１０の駆動加速度を増加させるために高性能なリニアモータを用いるとリニアモータ重量が増加するが、リニアガイドレール１９とビーム１６との設置面に平行方向の荷重が大きくなっても駆動ステージ故障を防ぐことができることから、駆動ステージ１０の高速化を図ることができる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定される。

リニアガイドレール１９は、３本以上設けられてもよく、そのうち、少なくとも１本がビーム長手方向垂直断面における突出部端面１９ｄに配置され、かつ、少なくとも１本がビーム長手方向垂直断面における上側突出部側の上面１９ｅ或いは下側突出部側の下面に配置されればよい。また、本実施形態では、リニアガイドレール１９ｂを下側突出部１６ｂの端面１６ｄに設置する構成としたが、上側突出部１６ａの端面に設置してもよい。

本駆動ステージ１０は、移動体１７を移動させるアクチュエータとしてリニアモータ１８を用いているが、他に、ボールネジ機構を用いてもよい。また、ピストン機構により移動体１７を移動させる機構、例えば、油圧式ピストン機構を用いてもよい。

本発明に係る一実施形態の駆動ステージを示す断面図である。 図１の駆動ステージの斜視図である。 図１の駆動ステージの側面図である。 駆動ステージを用いたチップマウンタを示す平面図である。 図４のチップマウンタの側面図である。 従来の駆動ステージの一例を示す側面図である。 従来の駆動ステージの他の例を示す一部切欠斜視図である。 従来の駆動ステージの他の例を示す断面図である。 従来の駆動ステージの他の例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 駆動ステージ
１６ ビーム
１７ 移動体
１８ リニアモータ
１８ａ リニアモータ可動子
１８ｂ リニアモータ固定子
１９ リニアモータガイドレール
２０ スライダ
２２ ボルト
２３ 補強壁
２４ 厚肉部

Claims (6)

1. ビームと、そのビーム上にビーム長手方向に沿って設けられた複数本のリニアガイドレールと、リニアガイドレールに沿って摺動自在なスライダと、そのスライダに固定され前記スライダを介してリニアガイドレールに沿って移動する移動体とを備えた駆動ステージを有するチップマウンタにおいて、
   前記複数本のリニアガイドレールのうち、少なくとも１本のリニアガイドレールの前記ビームとの設置面と、他のリニアガイドレールの前記ビームとの設置面とが垂直であるとともに、前記ビームは長手方向の垂直断面がコ字状に形成され、前記少なくとも１つのリニアガイドレールは、前記ビームの長手方向垂直断面における突出部の端面に配置され、前記他のリニアガイドレールは、前記ビームの長手方向垂直断面における上側突出部の上面或いは下側突出部の下面に配置され、前記ビームの前記上側突出部が前記下側突出部よりも短く形成され、前記駆動ステージを前記移動体の移動方向に対して垂直方向に移動させる駆動ステージ移動手段を備えていることを特徴とするチップマウンタ。
2. 請求項１記載のチップマウンタにおいて、前記移動体は、前記ビームの前記突出部の端面側に配置される縦板部と前記上側突出部側に配置される横板部とからなるΓ字状に形成され、前記移動体を駆動させる手段として、前記ビームにビーム長手方向に整列して固定される複数のリニアモータ固定子と、前記移動体に固定されるリニアモータ可動子とからなるリニアモータを備えたことを特徴とするチップマウンタ。
3. 請求項２記載のチップマウンタにおいて、前記リニアガイドレールは、前記ビームの下側突出部の端面に１本配置され、前記ビームの前記上側突出部側の上面に１本配置されていることを特徴とするチップマウンタ。
4. 請求項２又は３記載のチップマウンタにおいて、前記リニアモータ固定子は、前記ビームの上側突出部と前記ビームの下側突出部とに固定され、前記リニアモータ可動子は、前記移動体の縦板部に固定かつ前記ビームの開口部に配置され、前記上側突出部側のリニアモータ固定子及び前記下側突出部側のリニアモータ固定子側の両面にコイルを有することを特徴とするチップマウンタ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載のチップマウンタにおいて、前記ビームは内部に中空部を有する中空構造に形成され、ビーム内部にはビーム補強用の補強壁が設けられたことを特徴とするチップマウンタ。
6. 請求項５記載のチップマウンタにおいて、前記ビームの前記リニアガイドレールが固定される箇所は、前記リニアガイドレールを前記ビームに固定するための締結固定用ネジの深さを確保する程度に厚肉に形成されていることを特徴とするチップマウンタ。

Images