(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定基台に対して移動テーブルを所定のＸ軸−Ｙ軸平面内において微少変位可能に支持し、該移動テーブルに載置される部材をＸ軸−Ｙ軸平面内で位置決め可能なＸ−Ｙステージ装置において、
Ｘ軸方向に対してのみ柔で、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に対して剛の特性を有し、前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内のＹ軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のＸ軸方向における相対変位のみを許容する第１弾性ヒンジと、
Ｙ軸方向に対してのみ柔で、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対して剛の特性を有し、前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内のＸ軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のＹ軸方向における相対変位のみを許容する第２弾性ヒンジと、
前記固定基台と移動テーブルとの間における前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内に介在された中間部材と、
Ｘ軸方向における固定部及び可動部を備え、前記固定基台及び前記移動テーブルに該Ｘ軸方向における固定部及び可動部がそれぞれ配置され、前記移動テーブルを固定基台に対してＸ軸方向にのみ相対移動させることが可能なＸ軸方向駆動用のリニアモータと、
Ｙ軸方向における固定部及び可動部を備え、前記固定基台及び前記移動テーブルに該Ｙ軸方向における固定部及び可動部がそれぞれ配置され、前記移動テーブルを固定基台に対してＹ軸方向にのみ相対移動させることが可能なＹ軸方向駆動用のリニアモータと、を備え、
前記移動テーブルが固定基台に対して前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内において微少変位可能で且つＺ軸方向については所定の位置に保持される態様となるように、前記固定基台、中間部材、及び移動テーブルを、前記第１，第２弾性ヒンジを組み合わせて用いることによって連結し、前記固定基台に対して移動テーブルを前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内で非接触で微少変位可能に構成し、
前記中間部材が、第１、第２中間部材を含む複数の中間部材に分割され、
前記固定基台と第１中間部材との間に前記第１弾性ヒンジが配置されて両部材間のＸ方向の相対変位が許容されると共に、該第１中間部材と移動テーブルとの間に前記第２弾性ヒンジが配置されて両部材間のＹ方向の相対変位が許容されることによって、移動テーブルの固定基台に対するＸ軸及びＹ軸方向の相対変位が許容され、一方、
前記固定基台と第２中間部材との間に前記第２弾性ヒンジが配置されて両部材間のＹ方向の相対変位が許容されると共に、該第２中間部材と移動テーブルとの間に第１弾性ヒンジが配置されて両部材間のＸ軸方向の相対変位が許容されることによって、移動テーブルの固定基台に対するＸ軸及びＹ軸方向の変位が許容され、且つ、
前記第１、第２中間部材と第１、第２弾性ヒンジの数と大きさが一致され、該第１、第２中間部材と第１、第２弾性ヒンジが全体として点対称構造となるように配置されている
ことを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ軸−Ｙ軸平面内で移動可能な移動テーブルを備え、該移動テーブル上に設置される部材を前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内で位置決め可能なＸ−Ｙステージ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のＸ−Ｙステージ装置は、電子部品搭載装置（チップマウンタ）、工作機械、光学系（レンズ・ミラー等）の制御機構等の数多くの産業分野で広く利用されている。
【０００３】
図１０に、従来のＸ−Ｙステージ装置３００を示す。このＸ−Ｙステージ装置３００は、Ｘ軸案内機構３０３におけるＸ軸テーブル（図示省略）上に、Ｘ−Ｙテーブル３０７を有するＹ軸案内機構３０６を搭載したものである。Ｘ軸案内機構３０３は、Ｘ軸方向に配置されるＸ軸ボールネジ３０２と、このＸ軸ボールネジ３０２を回転駆動するＸ軸サーボモータ３０１と、を備えており、このＸ軸サーボモータ３０１を適宜制御することによって、Ｙ軸案内機構３０６全体がＸ軸方向に移動・位置決めされる。Ｙ軸案内機構３０６は、Ｙ軸方向に配置されるＹ軸ボールネジ３０５と、このＹ軸ボールネジ３０５を回転駆動するＹ軸サーボモータ３０４と、を備えており、このＹ軸サーボモータ３０４を適宜制御することによって、Ｘ−Ｙテーブル３０７が、Ｙ軸案内機構３０６上でＹ軸方向に移動・位置決めされる。従って、Ｘ軸及びＹ軸サーボモータ３０１、３０４を制御すれば、Ｘ−Ｙテーブル３０７がＸ軸方向及びＹ軸方向に位置決めされるようになっている。
【０００４】
Ｘ軸及びＹ軸サーボモータ３０１、３０４の制御方式には、例えば、エンコーダによって計測されるＸ軸及びＹ軸ボールネジ３０２、３０５の回転量からＸ−Ｙテーブル３０７の移動量を予測し、その予測値からＸ軸及びＹ軸サーボモータ３０１、３０４を制御するセミクローズドループ制御方式や、又、Ｘ−Ｙテーブル３０７の移動量をリニアゲージ等によって直接計測し、その値からＸ軸及びＹ軸サーボモータ３０１、３０４をフィードバック制御するフルクローズドループ制御方式等がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、技術の高度化に伴ってＸ−Ｙテーブル３０７の「高速制御」、「精密制御」等の要求が高まってきている。高速制御を達成しようとする場合、各ボールネジ３０２、３０５等のシャフト機構による駆動方式では、正転・逆転の切替時や、急加減速時等に振動が増大するので、制御速度を高めるのに一定の限界があった。又、精密制御を達成しようとする場合、セミクローズドループ制御方式では、各ボールネジ３０２、３０５の撓み、バックラッシ等が考慮されないので、結局、Ｘ−Ｙテーブル３０７を精密に制御することが困難であった。
【０００６】
又、フルクローズドループ制御方式によればより精密な制御が可能になるが、しかしながら制御速度が上昇すると各ボールネジ３０２、３０５の振動がＸ−Ｙテーブル３０７に伝達してＸ−Ｙテーブル７の位置計測信号が不安定となった。その結果、信号が不安定となる分、フィードバック制御の応答性を高めることが出来ないという問題が生じた。
【０００７】
更に、Ｘ−Ｙステージ装置３００が、Ｘ軸案内機構３０３の上にＹ軸案内機構３０６設置するという２段積み上げ構造となっているので、重心が高くなって自身の重さによって転倒モーメントが生じ易く、その結果、急激な加・減速制御の際にＸ軸−Ｙ軸テーブル７に振れが発生して位置決め誤差が増大した。また、このような２段積み上げ構造の場合、最下段に位置するＸ軸案内機構３０３にとっては、Ｙ軸案内機構３０６の総てが移動負荷（慣性負荷）となるが、Ｙ軸案内機構３０６の移動負荷はＸ−Ｙテーブル３０７のみであるので、Ｘ軸方向の制御とＹ軸方向の制御との応答性に差が生じていた。例えば円を描く場合やＸ−Ｙ軸に斜行する移動のように、Ｘ−Ｙテーブル３０７をＸ軸、Ｙ軸同時に駆動する場合に精度が悪化するという問題が生じ、高速な制御を実現することが困難となっていた。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成で、高速且つ高精度制御が可能とされたＸ−Ｙステージ装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固定基台に対して移動テーブルを所定のＸ軸−Ｙ軸平面内において微少変位可能に支持し、該移動テーブルに載置される部材をＸ軸−Ｙ軸平面内で位置決め可能なＸ−Ｙステージ装置において、Ｘ軸方向に対してのみ柔で、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に対して剛の特性を有し、前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内のＹ軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のＸ軸方向における相対変位のみを許容する第１弾性ヒンジと、Ｙ軸方向に対してのみ柔で、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対して剛の特性を有し、前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内のＸ軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のＹ軸方向における相対変位のみを許容する第２弾性ヒンジと、前記固定基台と移動テーブルとの間における前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内に介在された中間部材と、Ｘ軸方向における固定部及び可動部を備え、前記固定基台及び前記移動テーブルに該Ｘ軸方向における固定部及び可動部がそれぞれ配置され、前記移動テーブルを固定基台に対してＸ軸方向にのみ相対移動させることが可能なＸ軸方向駆動用のリニアモータと、Ｙ軸方向における固定部及び可動部を備え、前記固定基台及び前記移動テーブルに該Ｙ軸方向における固定部及び可動部がそれぞれ配置され、前記移動テーブルを固定基台に対してＹ軸方向にのみ相対移動させることが可能なＹ軸方向駆動用のリニアモータと、を備え、前記移動テーブルが固定基台に対して前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内において微少変位可能で且つＺ軸方向については所定の位置に保持される態様となるように、前記固定基台、中間部材、及び移動テーブルを、前記第１，第２弾性ヒンジを組み合わせて用いることによって連結し、前記固定基台に対して移動テーブルを前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内で非接触で微少変位可能に構成し、前記中間部材が、第１、第２中間部材を含む複数の中間部材に分割され、前記固定基台と第１中間部材との間に前記第１弾性ヒンジが配置されて両部材間のＸ方向の相対変位が許容されると共に、該第１中間部材と移動テーブルとの間に第２弾性ヒンジが配置されて両部材間のＹ方向の相対変位が許容されることによって、移動テーブルの固定基台に対するＸ軸及びＹ軸方向の相対変位が許容され、一方、前記固定基台と第２中間部材との間に前記第２弾性ヒンジが配置されて両部材間のＹ方向の相対変位が許容されると共に、該第２中間部材と移動テーブルとの間に第１弾性ヒンジが配置されて両部材間のＸ軸方向の相対変位が許容されることによって、移動テーブルの固定基台に対するＸ軸及びＹ軸方向の変位が許容され、且つ、前記第１、第２中間部材と第１、第２弾性ヒンジの数と大きさが一致され、該第１、第２中間部材と第１、第２弾性ヒンジが全体として点対称構造となるように配置されていることにより上記目的を達成するものである。
【００１０】
本発明者は、Ｘ−Ｙステージ装置において、移動テーブルをＸ軸−Ｙ軸方向に移動可能な状態で保持する「弾性ヒンジ」と、移動テーブルを駆動する「リニアモータ」とを備えた構成を採用した。
【００１１】
弾性ヒンジ自体の基本的な構造は公知であり、一般に特定の一方向においてのみ柔で他の方向において剛なる特性を有し、自身の両端に接続された部材間の前記柔の方向における相対変位のみを許容する機能を有する。従って、今、例えばＸ方向に対してのみ柔で、Ｙ方向及びＺ方向に対して剛の特性を有し、前記Ｘ−Ｙ平面内のＹ方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のＸ方向における相対変位のみを許容する弾性ヒンジを考えた場合、該弾性ヒンジの弾性変形により、可動部材を固定部材に対しＸ方向に相対移動させることが出来る。その一方で、この第１弾性ヒンジはＹ方向及びＺ方向の相対移動は殆ど許容しない。つまり、可動部材をＸ方向に「案内」することができるようになる。
【００１３】
このような弾性ヒンジを利用して移動テーブルをＸ−Ｙ平面内で移動可能に支持するようにした場合、従来のような複雑な案内機構が不要となるため、小型化、低コスト化が可能となると共に、移動テーブル周りの（移動テーブルと一緒に駆動される）部材の構造を簡素化できるため、移動テーブルを駆動するための駆動手段の慣性負荷を小さくすることができ、応答性の良い高精度な駆動制御が可能となる。
【００１４】
ここで、本発明においては、このように弾性ヒンジを介して支持された移動テーブルをリニアモータを用いて駆動するようにしている。これは、これらを組み合わせることによって以下のような「相乗効果」を得るためである。
【００１５】
即ち、本発明において駆動装置として採用されているリニアモータは、固定子と可動子が固定基台と移動テーブルとの間に直接設置され、磁力による「非接触状態の」推力によって相対部材を直接的に駆動し、高速且つ高精度制御が達成できるという特徴を有している。従って、非接触であることから、移動テーブルを一方向（例えばＸ軸方向）に駆動すると共に、それと直角方向（例えばＹ軸方向）の移動テーブルの移動を「許容」することができる。従って、ボールネジ等の駆動機構のように、Ｘ軸方向駆動装置の「上に」Ｙ軸方向駆動装置を設置する必要がなるなるので、慣性負荷が激減すると共に低重心化を図ることが出来る。
【００１６】
勿論、弾性ヒンジが弾性変形すると自身の長手方向寸法に変動が生じやすいので、移動テーブルの変位に「微小のずれ（スライド成分）」が発生する可能性がある。しかし、リニアモータによれば、そのずれも許容することもでき、しかも、その「ずれ」分の誤差は、直交する他方のリニアモータ及び弾性ヒンジによって補正することが出来る。
【００１７】
従って、弾性ヒンジとリニアモータが合理的な思想で組み合わされているので、Ｘ軸−Ｙ軸平面内で極めて高速且つ高精度な位置決めが可能となっている。
【００１８】
又この弾性ヒンジは、移動テーブルが変位するに伴って生じる反力（復元力）が「線形性」（或いは線形性に近い特性）を有しているという特徴を有する。一般的に、ボールネジ等の機械的な駆動手段を利用する場合はその回転量等によって容易に移動テーブルの変位量を算出することが出来るが、磁力によって駆動するリニアモータは、移動テーブルの変位量等を直接計測することによるフルクローズドループ制御を採用しなければならない。従って、その案内機構の非線形的変動が大きいと、制御が複雑となり応答性等に大きな影響を受けてしまうが、上述のように線形に近い特性を有する構成にした結果、移動テーブルのＸ軸−Ｙ軸方向計測値からのフィードバック制御が容易となり、高速且つ高精度な位置決め（位置補正）が可能となる。
【００１９】
その結果、各リニアモータの駆動力と上記復元力を合理的に組み合わせれば、極めて応答性の良い位置決め制御が可能になり、特に、移動テーブル上に配設される部材を微小振動又は揺動回転させることも可能となる（なお、これらの運動は、高速の周期的な位置決め制御としてとらえることができる）。これは、リニアモータにおける推力の正・逆を高速に（電気的に）切り換えることが出来るという特徴と、復元力の「線形性」という特徴とが融合された結果である。
【００２０】
又、以上に示したような微小・精密制御を、例えばボールネジやベアリング等を介在させて行おうとすると、このボールネジ等における局所部分（特定部分）に繰り返し応力が作用し、局所的に疲労が生じて寿命が低下するという問題があったが、この弾性ヒンジによれば、転動疲労が構造上生じないため、長時間に渡って安定した制御特性を発揮できるようになる。
【００２１】
更に、例えば、各リニアモータの通電状態をＯＦＦにすれば、弾性ヒンジの復元力によって移動テーブルが自動的に中立位置に復帰しようとするので、積極的に中立位置に戻す動作（制御）を省略することも出来るようになる。これは、ボールネジ等の機械式タイプと異なり、非接触タイプのリニアモータの電源をＯＦＦにしてその推力を開放すれば、移動テーブルとの関係が完全にフリーになるからである。
【００２２】
なお、上記の中間部材や弾性ヒンジの数・形状等に特に限定はない。これは、必要に応じて適宜配置されるものである。例えば、Ｘ軸方向に対してのみ柔で、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に対して剛の特性を有し、前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内のＹ軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のＸ軸方向における相対変位のみを許容する第１弾性ヒンジと、Ｙ軸方向に対してのみ柔で、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対して剛の特性を有し、前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内のＸ軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のＹ軸方向における相対変位のみを許容する第２弾性ヒンジと、をそれぞれ複数備え、微少変位させようとする前記移動テーブル及び前記固定基台を前記Ｘ軸−Ｙ軸平面を含む位置に配置すると共に、該固定基台と移動テーブルとの間における前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内に、中間部材を介在させ、前記移動テーブルが固定基台に対して前記Ｘ軸−Ｙ軸平面内において微少変位可能で且つＺ軸方向については所定の位置に保持される態様となるように、前記固定基台、中間部材、及び移動テーブルを、前記第１，第２弾性ヒンジを組み合わせて用いることによって連結するような構成を採用できる。
【００２３】
Ｘ−Ｙ平面の固定基台と移動テーブルとの間に中間部材を介在させた上で、３者を前記第１、第２弾性ヒンジを介して連結すると、該中間部材が第１、第２弾性ヒンジの剛とされた方向に対して固定状態を維持するようになるため、固定基台に対して移動テーブルがＸ方向、Ｙ方向の双方向に直線的に「案内」されて移動することが出来るようになり、又、バックラッシュ、滑り、転がり等が本質的に存在しないため、極めて応答性が良く且つ安定した制御が可能になる。
【００２４】
特に、前記中間部材が、Ｘ軸方向に延在する２本のＸ軸方向延在部、及びＹ軸方向に延在する２本のＹ軸方向延在部を有する方形のリング状に形成されると共に、前記第１弾性ヒンジが、前記中間部材における２本のＸ軸方向延在部と前記固定基台との間にＹ軸方向に複数配置されることによって、該固定基台と前記中間部材のＸ軸方向の相対変位が許容され、一方、前記第２弾性ヒンジが、前記中間部材における２本のＹ軸方向延在部と前記移動テーブルとの間にＸ軸方向に複数配置されることによって、該中間部材と移動テーブルとのＹ軸方向の相対変位が許容される構成とした場合には、構造が単純であるだけに設計がし易く、又、計４つの各延在部のそれぞれに（つまり、リングの各辺に）弾性ヒンジが配設されるので、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向それぞれに線対称的に各弾性ヒンジを配置することが容易に可能となり、その結果、中間部材自体がＺ軸方向周りに回転する現象が発生するのを抑制できる。そのため、精度の高い位置決めが可能になる。
【００２５】
更に、このように中間部材をリング状に構成することで中間部材自体の剛性も増大し、該中間部材自体の弾性変形が抑制されて位置決め精度が向上する。
【００２６】
もっとも、中間部材の構成については、本発明では特に上記構成のみに限定されない。中間部材については、上述した方形のリング状に形成する構成のほか、例えば前記中間部材が、第１、第２中間部材を含む複数の中間部材に分割され、前記固定基台と第１中間部材との間に前記第１弾性ヒンジが配置されて両部材間のＸ方向の相対変位が許容されると共に、該第１中間部材と移動テーブルとの間に第２弾性ヒンジが配置されて両部材間のＹ方向の相対変位が許容されることによって、移動テーブルの固定基台に対するＸ軸及びＹ軸方向の相対変位が許容され、一方、前記固定基台と第２中間部材との間に前記第２弾性ヒンジが配置されて両部材間のＹ方向の相対変位が許容されると共に、該第２中間部材と移動テーブルとの間に第１弾性ヒンジが配置されて両部材間のＸ軸方向の相対変位が許容されることによって、移動テーブルの固定基台に対するＸ軸及びＹ軸方向の変位が許容されるようにした構成が採用できる。
【００２７】
なお、この場合は、分割された第１、第２中間部材が、該第１、第２中間部材に連結された前記第１弾性ヒンジおよび第２弾性ヒンジを含めて、前記移動テーブルの中心に対して点対称となるように配置するとよい。
【００２８】
例えば、中間部材の構造として、上記リング状の構造を採用した場合を考えると、一方向側の慣性負荷は、ほぼ「移動テーブル＋リング状中間部材」、となるのに対し、他方向側の慣性負荷は、ほぼ「移動テーブル」のみとなるので、（従来の案内機構を用いた構造よりははるかに影響は小さいものの）Ｘ軸方向とＹ軸方向の慣性負荷が若干異なってしまうのが避けられない。
【００２９】
しかし、例えば、中間部材を分割し、移動テーブルの中心に対して第１弾性ヒンジ及び第２弾性ヒンジが点対称となるように配置することにより、Ｘ軸方向とＹ軸方向の慣性負荷を均一にすることが可能になり、双方向にバランスの取れた位置決め制御が可能になる。
【００３０】
即ち、この中間部材と分割した構成では、移動テーブルが固定基台に対してＸ軸方向に相対移動する場合には、第１、第２中間部材のそれぞれの第１弾性ヒンジのＸ軸方向の弾性変形が寄与し、移動テーブルが固定基台に対してＹ軸方向に相対移動する場合には第１、第２中間部材のそれぞれの第２弾性ヒンジのＹ軸方向の弾性変形が寄与する。従って、移動テーブルをＸ軸方向に駆動する際の慣性負荷は（テーブルに載置される部材を無視すれば）、ほぼ「移動テーブル＋第１中間部材」となり、又、Ｙ軸方向に駆動する際の慣性負荷は、ほぼ「移動テーブル＋第２中間部材」となる。その結果、例えば第１中間部材と第２中間部材の数を一致させたり、相互の質量を均等にしたりすればＸ方向とＹ方向の慣性負荷を均一にすることが可能になり、双方向にバランスの取れた位置決め制御が可能になるものである。
【００３１】
なお、この点対称支持は１個のみの中間部材を備える構造では実現不可能であり、中間部材を複数の中間部材に分割し、固定基台と複数の中間部材との間で第１、第２弾性ヒンジの双方が存在すると共に、複数の中間部材と移動テーブルとの間においても第１、第２弾性ヒンジの双方が存在するような構成として初めて実現できるものである。
【００３８】
ところで、このＸ軸方向及びＹ軸方向の駆動用リニアモータの数に特に制限はない。例えば、２つのＸ軸方向駆動用リニアモータを、Ｙ軸方向に所定の間隔を空けて配設すれば、その２つのリニアモータの変位量の差によってＺ軸回転方向の位置補正も可能になる。勿論、Ｙ軸方向駆動用リニアモータも同様にしてもよい。又各方向に３つ以上のリニアモータを配置しても構わない。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態の例について詳細に説明する。
【００４０】
図１及び図２に、便宜上本発明を創案する際に基礎となったＸ−Ｙステージ装置１５の全体構成を示す。このＸ−Ｙステージ装置１５は、Ｘ−Ｙ平面内で移動可能な移動テーブル２を備えており、この移動テーブル２上に設置される部材（図示省略）をＸ−Ｙ平面内で位置決め可能となっている。
【００４１】
Ｘ−Ｙステージ装置１５は、更に、移動テーブル２（移動ベース２Ａ）に対してＺ軸方向の所定の隙間Ｓを空けて平行に配置される固定基台１と、この固定基台１及び移動テーブル２の間に配置される中間部材５０とを備える。
【００４２】
移動テーブル２は、方形リング状に構成される移動ベース２Ｂと、この移動ベース２Ｂ上にボルトによって固定・配設される搭載テーブル２Ａと、を備えている。又、特に図示しないが、搭載テーブル２Ａには更に所定のプレートが設置されるので、従って、このプレートと、移動ベース２Ｂ及び搭載テーブル２Ａによって移動テーブル２が構成される。又、固定基台１は、外部部材５２に直接固定される固定テーブル１Ａと、この固定テーブル１Ａにボルトによって固定・配設されるプレート状の固定ベース１Ｂと、を備える。
【００４３】
図３を参照して、中間部材５０の詳細構成と、この中間部材５０、固定ベース１Ｂ、及び移動ベース２Ｂの配置関係等について説明する。
【００４４】
中間部材５０は、Ｘ軸方向に延在する２本のＸ軸方向延在部５０Ａ、５０Ａ、及びＹ軸方向に延在する２本のＹ軸方向延在部５０Ｂ、５０Ｂから構成されており、全体として、Ｘ−Ｙ平面内において略方形のリング状に構成されている。なお、幾つかのＸ軸方向又はＹ軸方向延在部５０Ａ、５０Ｂは部分的に屈曲されており、例えばセンサ等の他の機材との干渉が防止されている。
【００４５】
固定ベース１Ｂ（固定基台１）と中間部材５０との間には、Ｘ軸方向の変形を許容する第１弾性ヒンジ５４が配置されている。具体的に、この第１弾性ヒンジ５４は、固定ベース１Ｂと２本のＸ軸方向延在部５０Ａの「各々の」間に配置され、一方のＸ軸方向延在部５０Ａと固定ベース１Ｂとの間に間隔ＬＸ１を空けて２本ずつ、計４本の第１弾性ヒンジ５４が並列配置される。他方のＸ軸方向延在部５０Ａと固定ベース１Ｂとの間も同様である。
【００４６】
中間部材５０と移動ベース２Ｂ（移動テーブル２）の間には、Ｙ軸方向の変位を許容する第２弾性ヒンジ５６が配置されている。具体的に、この第２弾性ヒンジ５６は、固定ベース１Ｂと２本のＹ軸方向延在部５０Ａの「各々の」間に配置され、つまり、一方のＹ軸方向延在部５０Ｂと固定ベース１Ｂとの間に間隔ＬＹ１を空けて２本ずつ、計４本の第２弾性ヒンジ５６が並列配設される。他方のＹ軸方向延在部５０Ｂと固定ベース１Ｂとの間も全く同様である。
【００４７】
従って、これらの中間部材５０、固定ベース１Ｂ及び移動ベース２Ｂは入れ子状に配置されており、全体的には線対称に近い構造となっている。
【００４８】
Ｘ軸方向の変形を許容する第１弾性ヒンジ５４は、Ｘ軸方向に対してのみ柔で、Ｙ軸方向及びＺ方向に対して剛の特性を有し、Ｘ−Ｙ平面内のＹ軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のＸ軸方向における相対変位のみを許容する。又、Ｙ軸方向の変形を許容する第２弾性ヒンジ５６は、Ｙ軸方向に対してのみ柔で、Ｘ軸方向及びＺ方向に対して剛の特性を有し、Ｘ−Ｙ平面内のＸ軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のＹ軸方向における相対変位のみを許容する。
【００４９】
次に、Ｘ軸方向の移動を許容する第１弾性ヒンジ５４の構造について説明する。なお、多少の大きさ等の相違はあるものの、長手方向がＸ軸方向とＹ軸方向で異なる以外には、第１弾性ヒンジと第２弾性ヒンジの構造は殆ど同じであるので、第２弾性ヒンジ５６の構造等の説明は省略する。
【００５０】
第１弾性ヒンジ５４は、図６の斜視図に示すように、２つの部材間（固定ベース１Ｂと中間部材５０）との間をつなぐブリッジ部材７０によって構成される。このブリッジ部材７０の外周面における、長さ方向に離間した２箇所にはノッチ８０が形成されており、このノッチ８０から弾性曲げ変形容易な減肉部９０が構成される。この減肉部９０の曲げ変形により、２つの部材間の相対変位を許容できる。
【００５１】
この場合、ノッチ８０は、方形断面のブリッジ部材７０の曲げ変形させようとする方向（第１弾性ヒンジ５４の場合はＸ軸方向、第２弾性ヒンジ５６の場合はＹ軸方向）に面する２つの外側面に、対称形状の半円形に形成されている。これは、局部的な減肉化を図り（つまり減肉部９０を作り出して）、最小断面積部を曲がり点として、容易に曲げ変形できるようするためである。
【００５２】
図７は第１弾性ヒンジ５４の最小断面積部の断面形状を示している。
【００５３】
この最小断面積部の断面Ｓは、ブリッジ部材７０の肉厚に相当する縦方向（Ｚ方向）の寸法ａに対して、横方向（Ｘ軸方向）の寸法ｂが短縮された矩形断面をなしており、それにより、減肉部９０は、縦方向（Ｚ方向）にはほとんど曲がらないものの、横方向（Ｘ軸方向）には曲がり易い特性を得ている。又、ブリッジ部材７０の長手方向（Ｙ軸方向）は、自身が緊張棒として作用するので、２つの部材間のＹ軸方向の移動は許容していない。
【００５４】
次に第１弾性ヒンジ５４、固定ベース１Ｂ及び中間ベース５０２の相互作用を説明する。
【００５５】
一対の第１弾性ヒンジ５４、５４は、図４（Ａ）に拡大して示されるように、自身の両端が固定ベース１Ｂと中間ベース５０とによって固定支持されている。図４（Ｂ）に示されるように、固定ベース１Ｂに対して中間ベース５０がＸ軸方向（図の下方向）に移動した場合には、第１弾性ヒンジ５４の両端側の各減肉部９０が他の部分に優先して弾性変形するので、その相対移動に追従することができる。その結果、第１弾性ヒンジ５４によって中間ベース５０がＸ軸方向に直線的に案内される。
【００５６】
特に図示しないが、第２弾性ヒンジ５６においてもほぼ同様な構造となっている。従って、第２弾性ヒンジ５６は、中間部材５０に対して移動ベース２ＡをＹ軸方向に案内するようになっている。
【００５７】
なお、いずれの場合も、第１、第２弾性ヒンジ５４，５６は、Ｚ方向（Ｘ−Ｙ平面と垂直な方向）については「剛体」として機能する。従って、第１弾性ヒンジ５４を介して中間部材５０が固定ベース１Ｂに片持ち状態で支持され、且つ、第２弾性ヒンジ５６を介して移動ベース２Ｂがこの中間部材５０に片持ち状態で支持される。結局、移動テーブル２は、何らのＺ方向の支持手段がなくても、Ｘ−Ｙ平面内に保持されることになる。
【００５８】
なお、第１弾性ヒンジ５４の合計数は本実施例では８本であるが、本発明では何等限定されるものではない。しかし、各弾性ヒンジ５４、５６に捻れが生じないようにするには、各弾性ヒンジ５４、５６をそれぞれ少なくとも３本、好ましくは４本以上配置して、それらを仮想線によって結べば所定の「仮想面」が構成されるようにする。また、移動テーブル２をより安定させる為には、移動テーブル２の両外側に相当する位置に配設することが好ましい。これは、第２弾性ヒンジ５６でも同様である。
【００５９】
この結果、中間部材５０が第１弾性ヒンジ５４によって固定ベース１Ｂに対してＸ軸方向に変位可能に支持され、且つ、移動ベース２Ｂが第２弾性ヒンジ５６によって中間部材５０に対してＹ軸方向に変位可能に支持されていることにより、全体としては、移動ベース２Ｂが、固定ベース１Ｂに対してＸ軸方向、Ｙ軸方向の双方の方向に独立して（互いに干渉し合うことなく）変位可能とされている。つまり、第１及び第２弾性ヒンジ５４、５６の組み合わせによって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のガイド機能が発揮されることになる。このガイド機能によって、バックラッシュ、滑り、転がり等が本質的に存在しない極めて安定した変位特性が得られる。
【００６０】
図１及び２に戻って、固定基台１及び前記移動テーブル２には、移動テーブル２をＹ軸方向に相対移動させることが可能なＹ軸方向駆動用リニアモータ３と、移動テーブル２をＸ軸方向に相対移動させることが可能なＸ軸方向駆動用リニアモータ７と、が設置されている。
【００６１】
各リニアモータ３、７は、各々、自身の駆動方向（推力発生方向）に直列的に２つの駆動ユニットが配置されて対となって機能する。例えば、Ｘ軸方向駆動用リニアモータ７は、移動テーブル２のＸ軸方向両端側に配置される２つの駆動ユニット７Ａ、７Ｂを備えており、これらの駆動ユニット７Ａ、７ＢがセットになってＸ軸方向の推力を発生するように機能する。
【００６２】
詳細には図５に拡大して示されるように、Ｘ軸方向駆動用リニアモータ７（他のリニアモータも同様）の駆動ユニット７Ａは、固定基台１側に固定されて固定子として機能する磁石ユニット２８と、搭載テーブル２Ａ側に固定（内蔵）されて可動子として機能するコイル８Ａと、を備える。
【００６３】
磁石ユニット２８は、コイル８Ａに対してＺ軸方向に磁界Ｇが生じるように配置される永久磁石２１Ａ〜２１Ｄと、この永久磁石２１Ａ〜２１Ｄを支持する２つのヨーク２０Ａ、２０Ｂと、このヨーク２０Ａ、２０Ｂを所定の間隔を維持した状態で保持するホルダ２２と、を備えており、一方のヨーク２０Ｂが固定基台１に固定されることで、磁石ユニット２８全体が固定されるようになっている。一方、コイル８Ａは、上記Ｚ軸方向の磁界Ｇ中をＹ軸方向に電流が流れるように配置されており（図１参照）、その結果、該コイル８ＡがＸ軸方向の推進力３２を受けるようになっている。
【００６４】
なお、この例では磁石ユニット２８が固定子、コイル８Ａが可動子として機能する場合に限って示したが、勿論これらを反対に設置して、磁石ユニット２８を可動子、コイル８Ａを固定子として機能させるようにしてもよい。又、一対の駆動ユニット７Ａ、７Ｂを配置する場合に限定されず、単一の駆動ユニットであっても構わない。
【００６５】
図３に示されるように、リング状の移動ベース２Ｂにおける内周側には、Ｘ軸計測基準面２３及びＹ軸計測基準面２４が形成されており、又、各基準面２３、２４に対向するようにして、固定基台１側に、Ｘ軸変位センサ１４及びＹ軸変位センサ１５が設置されている。これらの変位センサ１４、１５は、移動テーブル２の固定基台１に対するＸ軸方向変位量及びＹ軸方向変位量を計測する。
【００６６】
以上に示したＸ−Ｙステージ装置１５に採用される制御系の構成ついて図８を参照して説明する。
【００６７】
Ｘ−Ｙステージ装置１５における移動テーブル２には、既に説明したように、合計４つのコイル４Ａ、４Ｂ、８Ａ、８Ｂが内蔵されている。なお、コイル対４Ａ、４ＢによってＹ軸方向の推進力が生じ、コイル対８Ａ、８ＢによってＸ軸方向の推進力が生じるようになっており、各コイル対は一体（セット）として制御される。
【００６８】
制御系は、Ｙ軸変位センサ１５の検出値が入力される減算器４４と、Ｘ軸変位センサ１４の検出値が入力される減算器４５と、を備える。
【００６９】
各検出値が入力された上記減算器４４、４５には、更に、位置指令出力手段５８からの各種指令値が入力される。この位置指令出力手段５８は、移動テーブル２のＸ軸方向位値を設定して減算器４５に出力し、Ｙ軸方向位置を設定せて減算器４４に出力するものである。減算器４４では、そのＹ軸方向指令位置とＹ軸変位センサ１４の検出値との偏差を演算してその結果をＹ軸位置制御補償器４７に対して出力する。減算器４５には、Ｘ軸方向指令位置とＸ軸変位センサ１５の検出値との偏差を演算し、その結果をＸ軸位置制御補償器４８に対して出力する。
【００７０】
各位置制御補償器４７、４８では、入力された各値から各リニアモータの操作量を算出する。つまり、Ｙ軸位置制御補償器４７においては、Ｙ軸方向駆動用リニアモータ３に対してＹ軸方向操作量を出力する。同様に、Ｘ軸位置制御補償器４８においては、Ｘ軸方向駆動用リニアモータ７に対してＸ軸方向操作量を出力する。
【００７１】
各コイル対（４Ａ、４Ｂ）（８Ａ、８Ｂ）の直前にはそれぞれ電流アンプ５４、５６が接続されている。従って、Ｘ軸方向操作量及びＹ軸方向操作量に基づいて、各電流アンプ５４、５６が各コイル対（４Ａ、４Ｂ）（８Ａ、８Ｂ）に所定の電流を流す。この結果、各コイル対（４Ａ、４Ｂ）（８Ａ、８Ｂ）では所望の推力が発生するので、それによって移動テーブル２がＸ−Ｙ方向に移動されるようになっている。
【００７２】
このＸ−Ｙステージ装置１５では、駆動装置としてリニアモータ３、７が採用されている。このリニアモータ３、７は、固定子と可動子が固定基台１と移動テーブル２との間に直接設置され、更に、磁力による「非接触状態の」推力によって移動テーブル２を直接且つ直線的にに駆動できる。従って、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の慣性荷重が、殆ど移動テーブル２のみとなり、低重心状態で応答性の高い高速制御が達成できる。
【００７３】
又、各リニアモータ３、７は非接触タイプであることから、移動テーブル２を一方向（例えばＸ軸方向）に駆動すると共に、それと直角方向（例えばＹ軸方向）に移動テーブル２が移動することを「許容」できる。更には、例えば、移動テーブル２がＸ軸方向に移動する際に、第１弾性ヒンジ５４が斜めになることによって生じる移動テーブル２のＹ軸方向の「微小なずれ」も許容することもできる。しかも、その「微小なずれ」分の誤差は、直交するＹ軸方向駆動用リニアモータ３及び第２弾性ヒンジ５６によって補正することが出来る。このように、弾性ヒンジ５４、５６とリニアモータ３、７が合理的な思想の下で組み合わされているので、その相乗効果によってＸ−Ｙ平面内で極めて高精度な位置決めが可能となっている。
【００７４】
又第１及び第２弾性ヒンジ５４、５６は、移動テーブル２が変位するに伴って生じる反力（復元力）が「線形性」（或いは線形性に近い特性）を有しているので、移動テーブル２のＸ−Ｙ方向計測値からのフィードバック制御が容易となる。特に、リニアモータ３、７は元来自身の振動等が少ないものであり、又その振動が移動テーブル２に直接伝しないことから、Ｘ−Ｙ変位センサ１４、１５から安定した検出値を得ることが出来るので、制御の応答性を大幅に高めることが出来る。
【００７５】
又、各リニアモータ３、７の駆動力と各弾性ヒンジ５４、５６の復元力を合理的に組み合わせれば、移動テーブル２上に配設される部材を周期的に微小振動させたり、又は揺動回転させたりすることも可能となる（なお、これらの運動は、高速の周期的な位置決め制御としてとらえることができる）。これは、推力の正・逆を高速に（電気的に）切り換えることが出来るリニアモータ３、７の特性と、復元力が線形に近いという弾性ヒンジ構造の特性とが融合された結果である。
【００７６】
中間部材５０はリング状に構成されているので、上記に示したように、内周側に固定ベース１Ｂ（の弾性ヒンジ固定部分）を配置し、外周側に移動ベース２Ｂ（の弾性ヒンジ固定部分）を配置することが出来る。又、計４つの各延在部５０Ａ、５０Ｂのそれぞれに（つまり、リングの各辺に）弾性ヒンジ５４、５６が配設されるので、これらの弾性ヒンジ５４、５６の相対的なバランスによって中間部材５０及び移動テーブル２の回転が抑制されて精度の高い位置決めが可能になる。つまり、第１及び第２弾性ヒンジ５４、５６の「直線ガイド機能」を、移動テーブル２の移動に効果的に反映させることが出来る。更に、このようにリング状に構成すると剛性も増大するので、中間部材５０の弾性変形が抑制されてより高精度に位置決めできる。上記例とは反対に、内周側に移動ベース、外周側に固定ベースを配置してもよい。
【００７８】
次に、図９を参照して本発明の実施形態に係るＸ−Ｙステージ装置１１５について説明する。
【００７９】
このＸ−Ｙステージ装置１１５が先の例に係るＸ−Ｙステージ装置１５と異なる点は、主に、中間部材及び第１、第２弾性ヒンジの構成である。従って、それ以外の重複説明を避けるために全体の構成・図示等は省略することにし、又、ほどんど同様な部分・部材等についての符号は、先の例における符号と下二桁を一致させ、その機能等の詳細な説明は省略する。
【００８０】
Ｘ−Ｙステージ装置１１５では、中間部材が、第１、第２中間部材６２、６４を含む複数の中間部材に分割されている。
【００８１】
固定ベース１０１Ｂと第１中間部材６２との間には、第１弾性ヒンジ６６が配置されており、両部材（固定ベース１０１Ｂと第１中間部材６３）間のＸ軸方向の相対変位が許容されている。又、この第１中間部材６２と移動ベース１０２Ｂとの間には第２弾性ヒンジ６８が配置されており、両部材（第１中間部材６３と移動ベース１０２Ｂ）間のＹ軸方向の相対変位が許容されている。その結果、移動テーブル１０２の固定基台１０１に対するＸ軸及びＹ軸方向の相対変位が許容される。
【００８２】
一方、固定ベース１０１Ｂと第２中間部材６４との間には、第２弾性ヒンジ６８が配置されており、両部材（固定ベース１０１Ｂと第２中間部材６４）間のＹ軸方向の相対変位が許容されている。又、この第２中間部材６４と移動ベース１０２Ｂとの間には第１弾性ヒンジ６６が配置されており、両部材（第２中間部材６４と移動ベース１０２Ｂ）間のＸ軸方向の相対変位が許容されている。その結果、移動テーブル１０２の固定基台１０１に対するＸ軸及びＹ軸方向の変位が許容される。なお、これらの第１及び第２弾性ヒンジ６６、６８の構成・機能等については、既に図６、７等で示したものとほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００８３】
これらの第１、第２中間部材６２、６４、第１、第２中間ヒンジ６６、６８は、全体として点対称構造となるように配置されている。具体的には、２つの第１中間部材６２、６２、及び２つの第２中間部材６４、６４がそれぞれ対角線上に配置される。
【００８４】
次に、作用について説明する。
【００８５】
移動ベース１０２ＢがＸ軸方向に移動する際には、第１弾性ヒンジ６６が弾性変形するので、２つの第１中間部材６２、６２も移動ベース１０２Ａと一緒になってＸ軸方向に移動する。その際、第２弾性ヒンジ６８は剛方向となるので、２つの第２中間部材６４、６４は殆ど移動しない。これとは反対に、移動ベース１０２ＢがＹ軸方向に移動する際には、第２弾性ヒンジ６８が弾性変形するので、２つの第２中間部材６４、６４も移動ベース１０２Ａと一緒になってＸ軸方向に移動する。その際、第１弾性部材６６は剛方向となるので、２つの第１中間部材６２、６２は殆ど移動しない。
【００８６】
以上に示した関係をまとめると以下のようになる。
【００８７】
（１）移動テーブル１０２（移動ベース１０２Ｂ）がＸ軸方向に移動する際には、２つの第１中間部材６２、６２が追従してＸ軸方向に移動する
（２）移動テーブル１０２（移動ベース１０２Ｂ）がＹ軸方向に移動する際には、２つの第２中間部材６４、６４が追従してＹ軸方向に移動する
【００８８】
この結果、Ｘ軸方向に移動する際のＸ軸方向駆動用リニアモータ１０７に作用する慣性負荷は、（移動テーブル１０２に載置される部材を無視すれば）「移動テーブル１０２」＋「第１中間部材６２、６２」となり、又、Ｙ軸方向に移動する際のＹ軸方向駆動用リニアモータ１０３に作用する慣性負荷は「移動テーブル１０２」＋「第２中間部材６４、６４」となる。この実施例では、第１及び第２中間部材６２、６４の数（２個）と大きさを一致させているので、Ｘ軸方向とＹ軸方向の慣性負荷が均一となっており、双方向にバランスの取れた位置決め制御が可能になる。勿論、図１等で示した先の例に係るＸ−Ｙステージ装置１５と同様な効果も得られる。
【０１００】
【発明の効果】
本発明に係るＸ−Ｙステージ装置によれば、簡潔な構成で、高速且つ高精度なＸ−Ｙ制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を創案する際に基礎となったＸ−Ｙステージ装置を示す斜視図
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視断面図
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図
【図４】図３におけるＩＶ部を拡大して示す部分断面図
【図５】図２におけるＶ部を拡大して示す部分断面図
【図６】同Ｘ−Ｙステージ装置における弾性ヒンジの構成を示す拡大斜視図
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図
【図８】同Ｘ−Ｙステージ装置に採用される制御系の構成を示す制御系統図
【図９】本発明の実施形態に係るＸ−Ｙステージ装置における弾性ヒンジの配置等を示す断面
【図１０】従来のＸ−Ｙステージ装置を示す斜視図
【図１】
0003958916.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003958916.tif 000008
【図８】
0003958916.tif 000009
【図９】
0003958916.tif 000010
【図１０】
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