TW202322949A - 光學機器用載台裝置 - Google Patents
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Abstract
[課題] 可以使光學機器精確地指向支撐於移動的載台之對象物上的期望的目標位置。
[解決手段] 光學機器用載台裝置(2)，具備：機台(22)，支撐對象物，使光學機器(1)指向其對象物上的任意處的可與對象物一起移動，及檢測機構檢測：支撐於上述機台(22)的對象物上之上述光學機器(1)應指向的目標位置與光學機器(1)實際指向之位置的偏差。
Description
本發明是有關用於支撐對象物使其移動，並使光學機器應指向該對象物上的任意之處的載台裝置。
光學機器是採取例如雷射照射裝置或顯微鏡等(的雷射光軸、物鏡等)應指向加工對象物或觀測對象物(工件)的任意之處，將該對象物支撐於從光學機器獨立的XY載台(XY機台)，藉XY載台使對象物在X軸方向及Y軸方向相對移動的樣態(一例為參閱下述專利文獻)。
XY載台是在基台(或架台、平台)支撐X軸載台部，並且在X軸載台部支撐Y軸載台部。X軸載台部是可相對於基台相對地在X軸方向移動，Y軸載台部是可相對於X軸載台部相對地在Y軸方向移動。除此之外，在Y軸載台部設置機台，在該機台上載放對象物。
X軸載台部及Y軸載台部的現在的位置座標是分別透過已知的線性標度(或線性編碼器)等即時地進行實測。並且，反饋控制(或伺服控制)載台以縮小其位置座標與目標座標。
但是，現實上，基台、X軸載台部、Y軸載台部或機台等會因溫度變化或經年變化而收縮或變化。其結論為，僅反饋控制載台本身的位置，則在對象物上的應有的目標位置與光學機器實際指向的位置之間，雖些微但仍產生偏移。在雷射光等照射對象物形成多數個細微孔的加工等中，尋求公差降低至1μm以下，因而會有雷射照射位置的些許偏移的問題。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1] 日本特開2015-054330
[發明所欲解決之課題]
本發明是以可將光學機器精確地指向支撐於移動的載台之對象物上的期望的目標位置為期待的目的。
[用於解決課題的手段]
為解決上述的課題，構成光學機器用載台裝置，具備：機台，支撐對象物，使光學機器應指向其對象物上的任意處的可與對象物一起移動，及檢測機構，檢測：支撐於上述機台的對象物上之上述光學機器應指向的目標位置，及光學機器實際指向之位置的偏差。
光學機器一般是稱利用光的作用或性質而獲得某種效用的機器。光學機器的具體例，可舉例如雷射光照射於對象物上之期望的位置的雷射處理或加工裝置；觀測或攝影對象物上之期望的位置的顯微鏡或照相機；光波照射於對象物的期望的位置接收其反射光的分析裝置等。
上述檢測機構，例如具有：設置在上述光學機器朝著與上述機台的移動方向平行伸長的標度，及設置在上述機台讀取上述標度上的位置的檢測頭。
上述機台可朝著X軸方向及Y軸方向(相對於X軸交叉(尤其是正交))方向的二維方向移動的場合，在上述光學機器，作為上述標度，設有朝X軸方向伸長的X軸標度，及朝Y軸方向伸長的Y軸標度，在上述機台，作為上述檢測頭，設有支撐於該機台可一邊在Y軸方向相對地位移一邊與上述X軸標度相對而讀取X軸標度上的位置的X軸檢測頭，及支撐於同機台可一邊在X軸方向相對地位移一邊與上述Y軸標度相對而讀取Y軸標度上的位置的Y軸檢測頭。
上述X軸檢測頭是例如支撐於固定在上述機台並沿著朝Y軸方向延伸的Y軸軌道移動的Y軸塊。同樣地，上述Y軸檢測頭是例如支撐於固定在上述機台並沿著朝X軸方向延伸的X軸軌道移動的X軸塊。藉由以該等軌道及塊為要素的機構的介於其間，標度與檢測頭之間在Z軸(相對於X軸及Y軸交叉(尤其是正交))周圍會有偏移產生的可能性。為檢測此偏移，以在上述機台設定朝Y軸方向擴張的Y軸基準面，及朝X軸方向擴張的X軸基準面，上述檢測機構，進一步具有：測量上述Y軸塊與上述Y軸基準面的距離的X軸偏移測量機構，及測量上述X軸塊與上述X軸基準面的距離的Y軸偏移測量機構為佳。
然而，本發明相關的載台裝置具備操作上述機台的控制裝置，以縮小支撐於上述機台之對象物上的上述光學機器應指向的目標位置，及光學機器實際指向的位置的偏差。
上述光學機器，例如包括用於雷射光照射在對象物上的任意之處，使其雷射光的光軸位移以調整雷射光指向之對象物上的位置的掃描裝置，具備操作上述掃描裝置的控制裝置，以縮小支撐於上述機台之對象物上的上述光學機器應指向的目標位置，及光學機器實際指向的位置的偏差。
[發明效果]
根據本發明，可以使光學機器精確地指向支撐於移動的載台之對象物上的期望的目標位置。
參閱圖示說明本發明之一實施形態。圖1至圖11表示的本實施形態是提供一種將雷射光照射於對象物(工件)上的任意之處朝著對象物施以期望的加工或處理之用途的雷射加工機。此雷射加工機是以光學機器的雷射照射裝置1，及載放對象物之載台裝置2為主的構成元件。
雷射照射裝置1是透過框架31支撐於雷射加工機的基台(或架台、平台)。基台3是透過防震構件與地板面接地。防震構件是例如防震(制震)橡膠或氣墊等被動懸吊，具有抑制頻率高於預定值的震動從地板面傳至基台3的作用。
將雷射照射裝置1固定於基台3，不朝著水平或大致水平方向的X軸方向及Y軸方向移動。在此，Y軸是交叉(尤其是正交)於X軸。但是，如後述，包括與對象物相對的加工噴嘴(加工頭)14的部分是可在垂直或大致垂直的Z軸方向位移。Z軸是與X軸及Y軸分別交叉(尤其是正交)。
如圖5表示，雷射照射裝置1具有：雷射光源的震盪器(未圖示)；使得從雷射震盪器震盪的雷射L的光軸位移的掃描裝置的掃描震鏡11、12；及將其雷射L聚光並朝對象物照射的物鏡(或聚光鏡)13，從加工噴嘴14射出雷射光。
掃描震鏡11、12是以伺服馬達、步進馬達等111、121轉動反射雷射光L的鏡子112、122，可以使雷射L的光軸變化。本實施形態是兼具備：使雷射L的光軸朝著X軸方向變化的X軸掃描震鏡11，及使雷射L的光軸朝著Y軸方向變化的Y軸掃描震鏡12，可在X軸及Y軸的二維方向控制對象物上之雷射L照射的位置。物鏡13是例如Fθ透鏡或遠心透鏡等。並且，雷射照射裝置1包括有上述以外的光學元件，例如雷射L通過的光纖或柱面透鏡、偏光板、分光鏡等。
載台裝置2是可一邊支撐對象物，一邊使得該對象物相對於雷射照射裝置1相對地在X軸方向及Y軸方向移動。載台裝置2具備：XY載台(XY機台)21，及支撐於XY載台21的機台22。
如圖1表示，XY載台21具有：支撐於基台3並相對於該基台3可相對地在X軸方向移動的X軸載台部211，及支撐於X軸載台部211並相對於該X軸載台部211可相對地在Y軸方向移動的Y軸載台部212。X軸載台部211及Y軸載台部212是例如分別被已知的線性馬達台車等(未圖示)所驅動。並且，X軸載台部211及Y軸載台部212的現在的位置座標是分別透過已知的線性標度(或者線性編碼器)等(未圖示)即時地進行實測。
機台22設置於Y軸載台212。亦即，支撐對象物的機台22是藉XY載台21，相對於基台3與雷射照射裝置1(進而從雷射照射裝置1射出的雷射光L)相對地在X軸及Y軸的二維方向運動。機台22是例如以超因瓦鋼(鐵、鎳、鈷的合金，在常溫區的熱膨脹率(或線膨脹係數)極小的金屬材料。也稱為超不變鐵、超不變鋼、因瓦合金)等為原料材所製作。對象物是以吸附、夾持的其他適當的手段保持固定於機台22上。
雷射照射裝置1與XY載台21及機台22(除支撐於基台3的點)未機械連接而是彼此獨立。另外，本實施形態是在相對於雷射照射裝置1精準地調整對象物的位置的雷射照射裝置1與機台22之間中介著相對位置的檢測機構。
以後，針對檢測機構進行詳述。如圖2至圖4表示，在雷射照射裝置1的框體(外殼)15，分別設有朝X軸方向平行伸長的X軸標度162，及朝Y軸方向平行伸長的Y軸標度172。具體而言，相對於框體15固定朝X軸方向延伸的臂部161的下面側安裝有X軸標度162，並相對於框體15固定朝Y軸方向延伸的臂部171的下面側安裝有Y軸標度172。框體15及臂部161、171是例如以超因瓦鋼等為原料材所至作。X軸標度162及Y軸標度172是例如已知的磁標度。
圖6為標度162、172的詳細的安裝構造。圖6是表示Y軸標度172的安裝構造。將朝著對象物射出雷射光L的加工噴嘴14支撐於噴嘴托架，使噴嘴托架支撐於Z軸支撐體142。將Z軸支撐體142支撐於Z軸底座143，可相對於Z軸底座143相對地沿著Z軸方向位移。將Z軸底座143固定於框體15。並且，相對於Z軸底座143，固著基準桿175。
線性標度172接著在標度安裝座173的下面。標度安裝座173使其前端抵接於基準桿175，並透過線性導件174吊掛於標度臂171。線性導件174容許標度安裝座173相對於標度臂171沿著其伸長方向(圖6為Y軸方向)相對位移。在線性導件174與框體15之間，中介有預壓彈簧176。
標度臂171穿設有複數個安裝孔1711、1722。螺絲1714插入於安裝孔1711、1722，將螺絲1714螺合緊固於形成在框體15的螺孔151。如圖7的A-A線剖面圖，在一方的安裝孔1711及螺孔151緊密嵌合著軸環1713。在插穿於此軸環1713螺絲1714鬆緩的狀態，調整使得標度臂171及標度安裝座173與XY載台21及機台22的移動方向平行，然後緊固插入各安裝孔1711、1712的螺絲1714。
另一方面，在機台22分別設有與X軸標度162相對的X軸檢測頭221，及與Y軸標度172相對的Y軸檢測頭222。X軸檢測頭221是讀取沿著X軸標度162上的X軸方向的座標位置。Y軸檢測頭222是讀取沿著Y軸標度172上的Y軸方向的座標位置。
X軸檢測頭221是支撐於機台22可沿著Y軸方向相對位移。更具體而言，在機台22設置Y軸線性導件223、224，並在其線性導件的塊224安裝X軸檢測頭221。Y軸線性導件固定於機台22沿著朝Y軸方向延伸的Y軸軌道223，藉著滾珠螺桿傳送機構等使Y軸塊224移動。機台22在Y軸方向移動時，使支撐X軸檢測頭221的Y軸塊224相對於機台22沿著Y軸方向與機台22反向地移動。藉此，將X軸檢測頭221經常地定位在X軸標度162的正下方。
並且，藉由Y軸線性導件223、224的中介，在X軸標度162與X軸檢測頭221之間，有Z軸周圍之偏移(扭轉)產生的可能性。可檢測此偏移的本實施形態是在機台22設定朝Y軸方向擴張的Y軸基準面，構成測量該Y軸基準面與支撐X檢測頭221的Y軸塊的距離的X軸偏移測量機構227、228。X軸偏移測量機構是例如以配設在Y軸基準面上的反射板227，及安裝於Y軸塊224的雷射位移計(測距儀)228為元件。雷射位移計228是射出雷射光，通過接收射至反射板227而反射的反射光，測量反射板227與雷射位移計228之間的距離，乃至於Y軸基準面與X軸檢測頭221之間的距離。
Y軸檢測頭222是支撐於機台22可沿著X軸方向相對位移。更具體而言，在機台22設置X軸線性導件225、226，並在其線性導件的塊226安裝Y軸檢測頭222。X軸線性導件固定於機台22沿著朝X軸方向延伸的X軸軌道225，藉著滾珠螺桿傳送機構等使X軸塊226移動。機台22在X軸方向移動時，使支撐Y軸檢測頭222的X軸塊226相對於機台22沿著X軸方向與機台22反向地移動。藉此，將Y軸檢測頭222經常地定位在Y軸標度172的正下方。
並且，由於X軸線性導件225、226的中介，在Y軸標度172與Y軸檢測頭222之間，會有Z軸周圍之偏移產生的可能性。可檢測此偏移的本實施形態是在機台22設定朝X軸方向擴張的X軸基準面，構成測量支撐該X軸基準面與Y軸檢測頭222之X軸塊226的距離的Y軸偏移測量機構229、220。Y軸偏移測量機構是例如以配設於X軸基準面上的反射板229，及安裝在X軸塊的雷射位移計220為元件。雷射位移計220射出雷射光，通過接受射至反射板229而反射的反射光，測量反射板229與雷射位移計220之間的距離，以至於X軸基準面與Y軸檢測頭222之間的距離。
圖8及圖9為反射板227、229的詳細的安裝構造。反射板227、229是呈圍繞機台22的四方框型。在其四方的側壁的中央，穿設有貫穿孔231。插穿於貫穿孔231的支撐桿233、234支撐於設置在機台22的外圍的桿承件232。桿承件232是將軸承用滾子配置成V字型。在構成機台22與反射板227、229的框體之間，間設有預壓彈簧225。
四個支撐桿之中的三個233緊密嵌合於貫穿孔231。但是，剩餘的一個234是使其軸的一部分縮徑，使得與貫穿孔231之間的間隙成為更大。將三個支撐桿233放置於桿承件232之後，調整反射板227、229相對於機台22的位置，組入最後一個234。反射板227、229的內側面與機台22的外側面之間形成有間隙，即使因溫度變化使得機台22伸縮，反射板227、229的中央仍可維持著與機台22的中心一致的狀態，使反射板227、229的位置不會變化。
掌管雷射加工機的控制的控制裝置4是例如構成以泛用性的個人電腦或工作站為主體。如圖10表示，控制裝置4具備：CPU(Central Processing Unit)41主記憶體42、輔助記憶設備43、視訊編解碼器44、顯示器45、通訊介面46、操作輸入設備47等的硬體資源，將該等聯繫動作。
輔助記憶設備43為快閃記憶體、硬碟驅動器、光碟驅動器等。視訊編解碼器44是以生成藉CPU43接受的描繪指示為基礎所表示的畫面並將其畫面訊號朝顯示器45送出的GPU(Graphics Processing Unit)、預先暫時儲存畫面或影像的數據的視訊記憶體等為元件。視訊編解碼器44也可以是安裝軟體而非硬體。通訊介面46是該控制裝置4用於進行外部的裝置與資訊通訊的設備。操作輸出入設備47是操作員以手指操作之鍵盤、按鍵、搖桿(操作桿)、滑鼠或觸控面板(與顯示器45重疊物)的指向設備、其他。
控制裝置4中，藉CPU41將應執行的程式儲存於輔助記憶設備43，在程式的執行時從輔助記憶設備43讀入主記憶體42，藉CPU41解讀。控制裝置4是根據上述程式使上述硬體資源動作，實現雷射加工機的控制。
圖11表示控制裝置4藉雷射加工機進行雷射處理時之處理的順序例。首先，控制裝置4作為雷射光L從雷射照射裝置1照射於對象物上之目標位置的準備，賦予XY載台21控制訊號，以通過物鏡13使照射於對象物的雷射L的光軸指向之對象物上的位置與目標位置一致或位於其附近的方式，驅動XY載台21使得機台22及對象物在X軸方向及/或Y軸方向移動(步驟S1)。控制裝置4是預先將對象物上的目標位置的XY座標記憶保持於主記憶體42或輔助記憶設備43。
接著，控制裝置4是透過檢測機構檢測通過物鏡照射於對象物之雷射L的光軸實際指向的對象物上的位置與目標位置的偏差(步驟S2)。亦即，透過X軸檢測頭221讀取X軸標度162上的位置，藉此獲得機台22及對象物相對於雷射裝置1的沿著X軸方向的相對位置座標。並且，透過Y軸檢測頭222讀取Y軸標度172上的位置，藉此獲得機台22及對象物相對於雷射裝置1的沿著Y軸方向的相對位置座標。同時，透過雷射位移計228、220，測量Y軸基準面與X軸檢測頭221之間的距離，及X軸基準面與Y軸檢測頭222之間的距離。
之後，控制裝置4使得以步驟S2檢測的雷射L的光軸實際指向之對象物上的位置與目標位置的偏差縮小的方式，實施反饋控制(步驟S3)。步驟S3是操作XY載台21校正機台22及對象物的位置，或操作掃描震鏡11、12校正雷射L的光軸的方向。
本實施形態是構成具備檢測機構的光學機器用載台裝置2，該檢測機構是檢測支撐對象物並與對象物一起移動的機台22，及對象物上之光學機器(雷射照射裝置1、雷射L的光軸)應指向的目標位置與光學機器1實際指向之位置的偏差。根據本實施形態，工學機器可精確地指向支撐於移動之機台22的對象物上的期望的目標位置。
並且，本發明不限於以上所詳述的實施形態。例如，與本發明相關之載台裝置2組合的光學機器不限於雷射光L照射在支撐於機台22的對象物的雷射照射裝置1。光學機器是有觀測或攝影對象物上的期望的位置的顯微鏡或照相機、將光波照射於對象物的期望的位置接收其反射光的分析裝置等。
其他、各部的具體的構成或處理的順序等在不脫離本發明的主旨的範圍內可進行種種變形。
1:光學機器(雷射照射裝置)
162:X軸標度
172:Y軸標度
2:載台裝置
22:機台
221:X軸檢測頭
222:Y軸檢測頭
4:控制裝置
[圖1]是表示本發明之一實施形態的雷射加工機的整體構成的透視圖。
[圖2]是表示同實施形態之雷射照射裝置及機台裝置的透視圖。
[圖3]是表示同實施形態之機台的透視圖。
[圖4]是表示同實施形態之雷射照射裝置及機台裝置的側面圖。
[圖5]是表示同實施形態之雷射照射裝置的光學系的圖。
[圖6]是表示同實施形態之標度及標度臂的安裝構造的側面圖。
[圖7]是表示同實施形態的標度臂之安裝構造的細部的A-A圖剖面圖。
[圖8]是表示同實施形態之反射板的安裝構造的透視圖。
[圖9]是表示同實施形態之反射板的安裝構造的分解透視圖。
[圖10]是表示同實施形態之控制裝置的構成的圖。
[圖11]是表示同實施形態的控制裝置根據程式執行之處理的順序例的流程圖。
1:光學機器(雷射照射裝置)
2:載台裝置
3:基台
15:框體
21:XY載台
22:機台
31:框架
211:X軸載台部
212:Y軸載台部
Claims (6)
- 一種光學機器用載台裝置，具備： 機台，支撐對象物，使光學機器應指向其對象物上的任意處，且可與對象物一起移動，及 檢測機構，檢測：支撐於上述機台的對象物上之上述光學機器應指向的目標位置，及光學機器實際指向之位置的偏差。
- 如請求項1記載的光學機器用載台裝置，其中，上述檢測機構，具有：設置在上述光學機器朝著與上述機台的移動方向平行伸長的標度，及設置在上述機台讀取上述標度上的位置的檢測頭。
- 如請求項2記載的光學機器用載台裝置，其中，上述機台可朝著X軸方向及與X軸方向交叉的Y軸方向的二維方向移動， 在上述光學機器，作為上述標度，設有朝X軸方向伸長的X軸標度，及朝Y軸方向伸長的Y軸標度， 在上述機台，作為上述檢測頭，設有支撐於該機台可一邊在Y軸方向相對地位移一邊與上述X軸標度相對而讀取X軸標度上的位置的X軸檢測頭，及支撐於同機台可一邊在X軸方向相對地位移一邊與上述Y軸標度相對而讀取Y軸標度上的位置的Y軸檢測頭。
- 如請求項3記載的光學機器用載台裝置，其中，上述X軸檢測頭是支撐於固定在上述機台並沿著朝Y軸方向延伸的Y軸軌道移動的Y軸塊， 上述Y軸檢測頭是支撐於固定在上述機台並沿著朝X軸方向延伸的X軸軌道移動的X軸塊， 在上述機台設定朝Y軸方向擴張的Y軸基準面，及朝X軸方向擴張的X軸基準面， 上述檢測機構，進一步具有：測量上述Y軸塊與上述Y軸基準面的距離的X軸偏移測量機構，及測量上述X軸塊與上述X軸基準面的距離的Y軸偏移測量機構。
- 如請求項1記載的光學機器用載台裝置，其中，具備操作上述機台的控制裝置，以縮小支撐於上述機台之對象物上的上述光學機器應指向的目標位置，及光學機器實際指向的位置的偏差。
- 如請求項1記載的光學機器用載台裝置，其中，上述光學機器，包括用於雷射光照射在對象物上的任意之處，使其雷射光的光軸位移以調整雷射光指向之對象物上的位置的掃描裝置， 具備操作上述掃描裝置的控制裝置，以縮小支撐於上述機台之對象物上的上述光學機器應指向的目標位置，及光學機器實際指向的位置的偏差。
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