JP4162838B2

JP4162838B2 - Ｘ−ｙステージ装置

Info

Publication number: JP4162838B2
Application number: JP2000207045A
Authority: JP
Inventors: 誠金子; 洋森田; 靖仁中森; 正信杉峰; 良幸冨田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2000-07-07
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: JP2002022867A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の方向にのみ曲げ変形が可能とされた弾性ヒンジを介して、可動テーブルを変位自在に支持した精密駆動用の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８に、従来のＸ−Ｙステージ装置９００を示す。このＸ−Ｙステージ装置９００は、Ｘ軸案内機構９０３におけるＸ軸テーブル（図示省略）上に、可動テーブル９０７を有するＹ軸案内機構９０６を搭載したものである。Ｘ軸案内機構９０３は、Ｘ軸方向に配置されるＸ軸ボールネジ９０２と、このＸ軸ボールネジ９０２を回転駆動するＸ軸サーボモータ９０１と、を備えており、このＸ軸サーボモータ９０１を適宜制御することによって、Ｙ軸案内機構９０６全体がＸ軸方向に移動・位置決めされる。Ｙ軸案内機構９０６は、Ｙ軸方向に配置されるＹ軸ボールネジ９０５と、このＹ軸ボールネジ９０５を回転駆動するＹ軸サーボモータ９０４と、を備えており、このＹ軸サーボモータ９０４を適宜制御することによって、可動テーブル９０７が、Ｙ軸案内機構９０６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９０１、９０４を制御すれば、可動テーブル９０７がＸ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置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９０１、９０４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９０２、９０５の回転量から可動テーブル９０７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９０１、９０４を制御するセミクローズドループ制御方式や、又、可動テーブル９０７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９０１、９０４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可動テーブル９０７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９０２、９０５等のシャフト機構による駆動方式では、正転・逆転の切換時や、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９０２、９０５の撓み、バックラッシ等が考慮されないので、結局、可動テーブル９０７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９０２、９０５の振動が可動テーブル９０７に伝達して可動テーブル９０７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】
これらの事実は、結局従来の可動テーブルの支持構造では、該可動テーブルの駆動の応答性、あるいは位置決めの精度をフィードバック制御によって高めることには限界があることを意味している。
【０００８】
更に、Ｘ−Ｙステージ装置９００が、Ｘ軸案内機構９０３の上にＹ軸案内機構９０６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・減速制御の際に可動テーブル９０７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９０３にとっては、Ｙ軸案内機構９０６の全てが移動負荷（慣性負荷）となるが、Ｙ軸案内機構９０６の移動負荷は可動テーブル９０７のみであるので、Ｘ軸方向の制御とＹ方向の制御との応答性に大きな差が生じてしまい、高速な制御を実現することが困難となっていた。
【０００９】
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、高速且つ高精度な駆動・位置決め制御が可能とされ、更に可動テーブルのＸ軸方向周り及びＹ軸方向周りの回転運動を効果的に防止することのできるＸ−Ｙステージ装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固定基台に対して可動テーブルをＸ軸−Ｙ軸平面内において微少変位可能に支持するＸ−Ｙステージ装置において、前記Ｘ軸方向に対してのみ柔で、前記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、前記Ｙ軸方向に対してのみ柔で、前記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、前記可動テーブルに対し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、該固定基台と可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、該中間部材が、第１、第２中間部材を含む複数の中間部材に分割され、該固定基台と第１中間部材との間に前記第１弾性ヒンジが配置されると共に、該第１中間部材と可動テーブルとの間に前記第２弾性ヒンジが配置され、且つ、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ると共に、該第２中間部材と可動テーブルとの間に前記第１弾性ヒンジが配置されることを特徴とするＸ−Ｙステージ装置により、上記目的を達成するものである。
【００１１】
本発明者は、Ｘ−Ｙステージの可動テーブルの支持構造として、該可動テーブルをＸ−Ｙ平面内で移動可能な状態で保持する「弾性ヒンジ」を備えた構成を採用した。
【００１２】
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、即ち自身の長さ方向と直角の一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−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第１弾性ヒンジを考えた場合、該第１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軸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軸方向の相対移動は殆ど許容しない。つまり、可動部材をＸ軸方向に「案内」することができるようになる。
【００１３】
全く同様に、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−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第２弾性ヒンジ（配置方向が異なるのみで具体的な構造は第１弾性ヒンジと同じものを採用できる）を考えた場合、この第２弾性ヒンジによって可動部材をＹ軸方向に「案内」することができるようになる。
【００１４】
ただし、固定基台と可動テーブルとを単純に第１、第２弾性ヒンジを介して連結したのでは、せっかくの個々の「案内」機能が互いに干渉し、可動テーブルを意図した通りに位置決めするのは現実には不可能になってしまう。
【００１５】
そこで、本発明者は、「中間部材」を固定基台と可動テーブルとの間に介在させる構造を発案し、この不具合を解消した。
【００１６】
Ｘ−Ｙ平面の固定基台と可動テーブルとの間に中間部材を介在させた上で、３者を第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、固定基台に対して可動テーブルがＸ軸方向、Ｙ軸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。
【００１７】
又、従来は微小・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、弾性ヒンジによれば、転動疲労等が構造上生じないため、長時間に亘って安定した制御特性を発揮できるようになる。
【００１８】
ところで、弾性ヒンジだけで中間部材や可動ステージを支持するようにした場合、（僅かではあるが）駆動方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向以外にも、Ｘ軸周りθｘやＹ軸周りθｙに回転運動が発生してしまうという問題が生じる可能性がある。
【００１９】
それは、弾性ヒンジは、自身の構造からＺ軸方向には撓み難い性質を有するものの、全く変形しないというものではなく、僅かではあるが変形する可能性があるためである。同様に、Ｘ軸周りθｘやＹ軸周りθｙに捩れ変形が発生する可能性もある。即ち、後述するように、一般に弾性ヒンジにはノッチによって形成した減肉部（曲がりやすい部分）が弾性ヒンジの長さ方向に２カ所存在するため、弾性ヒンジにおけるＺ軸方向の変形やＸ軸周りθｘ及びＹ軸周りθｙの変形が複雑化する可能性があるためである。可動テーブルの、Ｘ軸周りθｘやＹ軸周りθｙに回転運動は、高精度のステージ制御を実現しようとする場合には、無視できない問題となる。
【００２０】
この弱点を克服する方法として一番単純な方法は、第１、第２弾性ヒンジ自体の剛性をアップすることで、Ｘ軸周り（θｘ）やＹ軸周り（θｙ）の規制を強化することである。しかしながら、この場合、Ｘ軸−Ｙ軸方向の剛性も同時に高くなってしまうため、好ましくない。
【００２１】
なお、上記事情を考慮し、弾性ヒンジ自体の剛性を強化せずに、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの可動テーブルの回転運動を有効に防止するには、以下の構成を採用するとよい。それは、可動テーブルの重心と一致した重心を有する仮想多角形の各頂点に配置され、自身の軸線方向が前記Ｘ軸―Ｙ軸方向と直交するＺ軸方向に向けられ、自身の一端が前記固定基台を保持する固定側部材に固定され、他端が前記可動テーブルに固定され、且つ、曲げ方向に柔で該軸線方向に剛なる特性を有した複数本の棒状部材を備えるようにしているものである。このように構成することにより、棒状部材の軸線方向の剛性によって、移動テーブルのＺ軸方向の変位を抑えることができ、結果としてＸ軸周りθｘ、あるいはＹ軸周りθｙの回転抑制を行うことができる。
【００２２】
棒状部材は曲げ方向には柔軟であるから、Ｘ軸−Ｙ軸方向の駆動制御にはほとんど悪影響を与えない。また、棒状部材を付加することによってＸ軸周りθｘとＹ軸周りθｙの回転抑制を行っていることから、Ｘ軸−Ｙ軸方向の第１、第２弾性ヒンジ自体のＺ軸方向の剛性強化を図る必要がなく、従って、その分第１、第２弾性ヒンジの剛性を低く設定して、Ｘ軸−Ｙ軸方向の駆動制度の向上、及び応答性の向上を図ることができるようになる。
【００２３】
なお、棒状部材の設置位置や設置本数が特に限定されない。発明者の試験によれば、棒状部材は１本でもある程度の効果が得られることが確認されている。そこで、可動テーブルの重心と一致している仮想多角形を考慮した場合に、その各頂点位置に位置するようにして複数の棒状部材を設置するようにすると、少ない本数でＸ軸周り、Ｙ軸周りの双方に関して有効な抑制効果を得ることができる。
【００２４】
また、上記の中間部材や第１、第２弾性ヒンジの数・形状等も特に限定されない。これは、必要に応じて適宜配置されてよい。
【００２９】
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、第２弾性ヒンジを含めて、前記可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。
【００３０】
【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。
【００３１】
図１は、第１ベース技術である互いに直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に微駆動し得る２自由度のＸ−Ｙ軸ステージの可動ステージ装置ＳＴを示す平面図である。ここでは便宜上、紙面の左右方向をＸ軸方向、上下方向をＹ軸方向、紙面と垂直な方向をＺ軸方向としてある。
【００３２】
図１において、１は矩形（方形）ブロック状のベース（固定基台）、２はその矩形ブロック状のベース１の外側に配置された矩形枠状（方形リング状）の中間フレーム（中間部材）、３はその中間フレーム２の外側に配置された矩形枠状（方形リング状）の外枠フレーム（可動テーブル）である。ここでは、ベース１が固定され、外枠フレーム３が、微少駆動し得る可動ステージ（可動テーブル）として構成されているが、これを逆にして、外枠フレーム側を固定し、ベース側を可動テーブルとして構成してもよい。
【００３３】
これらの矩形状に形成されたベース１、中間フレーム２、及び外枠フレーム３は、それぞれ対向二辺（Ｘ軸方向延在部）１ｘ、１ｘ、２ｘ、２ｘ、３ｘ、３ｘをＸ方向に平行に配し、残る対向二辺（Ｙ軸方向延在部）１ｙ、１ｙ、２ｙ、２ｙ、３ｙ、３ｙをＹ軸方向に平行に配した上で、Ｘ軸−Ｙ軸平面内に入れ子式に配置されており、互いに干渉しない構造となっている。
【００３４】
中間フレーム２は、Ｘ軸方向にのみ曲げ変形可能な第１弾性ヒンジ５を介してベース１に連結され、外枠フレーム３は、Ｙ軸方向にのみ曲げ変形可能な第２弾性ヒンジ６を介して中間フレーム２に連結されている。
【００３５】
Ｘ軸方向の変形を許容する第１弾性ヒンジ５は、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、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。具体的な構造は後に詳述する。この第１弾性ヒンジ５は、ベース１のＸ軸方向に沿った辺１ｘと中間フレーム２のＸ軸方向に沿った辺２ｘとの間に間隔をおいて対称的に一対（合計４個）配置され、長さ方向をＸ軸方向と直交する方向（Ｙ軸方向）に向けて、ベース１と中間フレーム２とをブリッジ状に連結している。
【００３６】
第１弾性ヒンジ５、５の間隔ＬＸは、該第１弾性ヒンジ５、５によって相互に連結されるベース１及び中間フレーム２のＸ軸方向に沿った辺１ｘ、２ｘの長さとの関係で取り得る最大値に設定されている。
【００３７】
つまり、このＸ−Ｙステージ装置ＳＴでは、第１弾性ヒンジ５、５を、ベース１のＸ軸方向に沿った辺１ｘの両端にできるだけ近い位置に配置しており、これにより、第１弾性ヒンジ５、５の間隔（スパン）ＬＸを最大限に広げている。
【００３８】
Ｙ軸方向の変形を許容する第２弾性ヒンジ６は、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。この第２弾性ヒンジ６は、中間フレーム２のＹ軸方向に沿った辺２ｙと外枠フレーム３のＹ軸方向に沿った辺３ｙとの間に間隔をおいて対称的に一対（合計４個）配置され、長さ方向をＹ軸方向と直交する方向（Ｘ軸方向）に向けて、中間フレーム２と外枠フレーム３とをブリッジ状に連結している。
【００３９】
第２弾性ヒンジ６、６の間隔ＬＹも、該第２弾性ヒンジ６、６によって相互に連結される中間フレーム２及び外枠フレーム３のＹ軸方向に沿った辺２ｙ、３ｙの長さとの関係で取り得る最大値に設定されている。
【００４０】
つまり、このＸ−Ｙステージ装置ＳＴでは、第２弾性ヒンジ６、６を、中間フレーム２のＹ軸方向に沿った辺２ｙの両端にできるだけ近い位置に配置しており、これにより、第２弾性ヒンジ６、６の間隔（スパン）ＬＹを最大限に広げている。
【００４１】
各第１、第２弾性ヒンジ５、６は基本的に全て同じ構造に作られており、配置する位置及び方向のみが異なっている。
【００４２】
各第１、第２弾性ヒンジ５、６は、図３の斜視図に示すように、２つの部材間（ベース１と中間フレーム２との間、あるいは中間フレーム２と外枠フレーム３との間）をつなぐブリッジ部材７の長さ方向に離間した２箇所に、ブリッジ部材７の外周面にノッチ８を形成することで、弾性曲げ変形容易な減肉部９を形成し、該減肉部９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ように構成したものである。
【００４３】
この場合、矩形断面のブリッジ部材７の、曲げ変形させようとする方向（第１弾性ヒンジ５の場合はＸ軸方向、第２弾性ヒンジ６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のノッチ８を形成することで、局部的な減肉化を図り（つまり減肉部９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にしている。
【００４４】
図４は弾性ヒンジ５、６の最小断面積部の断面形状を示している。
【００４５】
この最小断面積部の断面Ｓは、ブリッジ部材７の肉厚に相当する縦方向（Ｚ軸方向）の寸法ａに対して、横方向（Ｘ軸方向又はＹ軸方向）の寸法ｂが短縮した矩形断面をなしており、それにより、減肉部９が、縦方向（Ｚ軸方向）にはほとんど曲がらないものの、横方向（Ｘ軸方向又はＹ軸方向）には曲がり易い特性を得ている。
【００４６】
なお、外枠フレーム３は目的により適宜に選択した図示せぬ駆動手段（例えばリニアモータ或いは圧電素子等）によってＸ軸方向及び／又はＹ軸方向に駆動される。本発明は、この駆動手段については、特に限定されない。
【００４７】
一方、可動ステージとして機能する外枠フレーム３のＸ軸−Ｙ軸平面内における互いに離間した４点には棒材（棒状部材）２０が配されている。
【００４８】
これらの棒材２０は、曲げ方向には柔であるものの軸線方向には剛なる特性を有するもの（例えば、曲げ抵抗が小さく、圧縮抵抗や引張抵抗が大きい細い金属棒よりなる）で、自身の軸線方向をＺ軸方向に向けて配した状態で、図２に示すように、下端がベース１を保持する固定側部材１４に固定され、上端が外枠フレーム３に固定されている。
【００４９】
次に作用を説明する。
【００５０】
駆動手段によって外枠フレーム３をＸ軸方向に駆動する場合は、該外枠フレーム３と第２弾性ヒンジ６を介して連結されている中間フレーム２が一体的にＸ軸方向に駆動される。即ち、第２弾性ヒンジ６はＸ軸方向に関しては「剛体」として機能するため、外枠フレーム３のＸ軸方向の移動はそのままダイレクトに中間フレーム３の移動として伝達される。この移動は第１弾性ヒンジ５の減肉部９における弾性変形によって吸収される。即ち、該第１弾性ヒンジ５によって、ベース１に対する中間フレーム２のＸ軸方向の相対変位が許容される。
【００５１】
一方、駆動手段によって外枠フレーム３をＹ軸方向に駆動する場合は、第２弾性ヒンジ６によって中間フレーム２とのＹ軸方向の相対変位が許容される。中間フレーム２とベース１は、（第１弾性ヒンジ５を介して連結されていることから）Ｙ軸方向については相対変位が許容されない状態が形成されており、従って、外枠フレーム３がＹ軸方向に駆動されたとしても中間フレーム２は固定状態を維持している。
【００５２】
この結果、このように中間フレーム２が第１弾性ヒンジ５によってベース１に対してＸ軸方向に変位可能に支持され、且つ、外枠フレーム３が第２弾性ヒンジ６によって中間フレーム２に対してＹ軸軸方向に変位可能に支持されていることにより、外枠フレーム３が、ベース１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。
【００５３】
第１、第２弾性ヒンジ５，６は、Ｚ軸方向（Ｘ軸−Ｙ軸平面と垂直な方向）については、「剛体」として機能する。従って、この第１、第２弾性ヒンジ５、６の存在だけでも外枠フレーム３は基本的にＺ軸方向に変位することはなく、常にＸ軸−Ｙ平面上に維持される。それにも拘わらず、本ベース技術では、更に、各軸線方向をＺ軸方向に向けた４本の棒材２０により外枠フレーム３を支持している。そのため棒材２０の軸線方向の剛性によって外枠フレーム３のＺ軸方向の変位を一層確実に抑えることができる。つまり、Ｘ軸周りθｘとＹ軸周りθｙの回転運動をほぼ完全に規制することができる。
【００５４】
棒材２０の曲げ方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の剛性は、第１弾性ヒンジ５、６の当該方向の曲げ剛性と比べて無視し得るほどに小さいため、第１、第２弾性ヒンジの弾性変形にはほとんど影響を与えない。従ってＸ軸−Ｙ軸方向の外枠フレームの駆動制御にもほとんど影響を与えない。
【００５５】
又、単に棒材２０を付加するだけで、Ｘ軸周りθｘとＹ軸周りθｙの回転運動を規制できるから、第１、第２弾性ヒンジ５、６自体のＺ軸方向の剛性強化を図る必要もなく、従って、その分、第１、第２弾性ヒンジ５、６の剛性を低く設定して、Ｘ軸−Ｙ軸方向の駆動精度の向上と応答性の向上を図ることができる。
【００５６】
又、ペアで配置した第１、第２弾性ヒンジ５、６の間隔（スパン）ＬＸ、ＬＹを最大限大きく設定していることにより、Ｚ軸周りθｚの回転剛性を上げることもできる。
【００５７】
よって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向へ外枠フレーム３を駆動するリニアモータ等の適宜の駆動手段を設けることによって、外枠フレーム３をＸ軸−Ｙ軸平面内に確実に維持した状態で該Ｘ軸−Ｙ平面内の任意の方向へ微少駆動することができる。
【００５８】
なお、上記第１ベース技術では、ベース１、中間フレーム２を完全な方形状に形成していたが、現実のＸ−Ｙステージ装置においては、特に駆動手段の配置との関係で、ベース１や中間フレーム２、あるいは外枠フレーム３の形状を完全な方形状に形成できない場合もある。その場合にはこれらの形状を適宜に変形するのは無論可能である。
【００５９】
図５にその変形例を示す。
【００６０】
この変形例（第２ベース技術）は、ベース１０１、或いは中間フレーム１０２の形状が完全な方形となっていないだけで、基本的な構成自体は上記第１ベース技術と同様である。従って、同一又は類似の機能を有する部分に上記第１ベース技術と下２桁が同一の符号を付すにとどめ、重複説明は省略する。
【００６１】
次に、図６を用いて本発明の第１実施形態について説明する。
【００６２】
この第１実施形態は、中間部材を、計４個の第１、第２中間部材に分割し、この分割した第１、第２中間部材を可動テーブルの中心に対して第１弾性ヒンジ及び第２弾性ヒンジを含めて点対称となるように配置したものである。
【００６３】
なお、この第１実施形態では、紙面上のＸ軸方向及びＹ軸方向がこれまでの実施形態とは敢えてに逆に設定してある。このように、本発明におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向は、あくまで相対的なものであり、実際の装置においてはいずれの方向に定義されてもよく、一度何れかの方向に定義した場合に、その定義した方向に従って他の構成との関係を考慮すればよいものである。
【００６４】
前記中間部材２０２は、Ｌ字形とされた一対の第１中間部材２０２Ａ、２０２Ｂ、及び第２中間部材２０２Ｃ、２０２Ｄに分割されている。ここでは、自身とベース（固定基台）２０１との間にＸ軸方向の相対変位を許容する第１弾性ヒンジ２０５を有し、自身と外枠フレーム（可動テーブル）２０３との間にＹ軸方向の相対変位を許容する第２弾性ヒンジ２０６を有している中間部材を第１中間部材と定義する。また、自身とベース（固定基台）２０１との間にＹ軸方向の相対変位を許容する第２弾性ヒンジ２０６を有し、自身と外枠フレーム（可動テーブル）２０３との間にＸ軸方向の相対変位を許容する第１弾性ヒンジ２０５を有している中間部材を第２中間部材と定義する。
【００６５】
即ち、ベース（固定基台）２０１と第１中間部材２０２Ａ、２０２Ｂの前記Ｌ字形のＸ軸方向に沿った一辺２０２Ａｘ、２０２Ｂｘとの間には、Ｘ軸方向の相対変位を許容する第１弾性ヒンジ２０５が一対（複数）配置されており、該第１中間部材２０２Ａ、２０２Ｂの前記Ｌ字形のＹ軸方向に沿った一辺２０２Ａｙ、２０２Ｂｙと外枠フレーム２０３との間にはＹ軸方向の相対変位を許容する第２弾性ヒンジ２０６が一対（複数）配置されている。この結果、ベース２０１に対する外枠フレーム２０３のＸ軸−Ｙ軸方向の相対変位が許容される。
【００６６】
一方、ベース２０１と第２中間部材２０２Ｃ、２０２ＤのＬ字形のＹ軸方向に沿った一辺２０２Ｃｙ、２０２Ｄｙとの間にＹ軸方向の相対変位を許容する第２弾性ヒンジ２０６が一対（複数）配置されると共に、該第２中間部材２０２Ｃ、２０２ＤのＬ字形のＸ軸方向に沿った一辺２０２Ｃｘ、２０２Ｄｘと外枠フレーム２０３との間にＸ軸方向の相対変位を許容する第１弾性ヒンジ２０５が一対（複数）配置されることによって外枠フレーム２０３のベース２０１に対するＸ軸−Ｙ軸方向の変位が許容される。
【００６７】
第１中間部材２０２Ａ、２０２Ｂ及び第２中間部材２０２Ｃ、２０２Ｄは、ベース２０１、外枠フレーム２０３に対する可動方向（Ｘ軸−Ｙ軸）が逆になっているものの、全体としては複数の第１、第２弾性ヒンジ２０５、２０６と共にいわいるヒンジアッセンブリＨＡ１〜ＨＡ４を構成している。即ち、各ヒンジアッセンブリＨＡ１〜ＨＡ４はベース２０１に対して外枠フレーム２０３をＸ軸方向、Ｙ軸方向の双方の方向に相対変位可能としていることになる。
【００６８】
この第１実施形態では第１中間部材２０２Ａ、２０２Ｂの数（２個）と、第２中間部材２０２Ｃ、２０２Ｄの数（２個）はそれぞれ等しく設定されており、又それぞれの大きさも等しく設定している。更に、図から明らかなように、第１、第２中間部材２０２Ａ〜２０２Ｄに連結されている第１、第２弾性ヒンジ２０５、２０６を含め、各ヒンジアッセンブリＨＡ１〜ＨＡ４は、外枠フレーム２０３の中心Ｏに対して点対称に配置されている。
【００６９】
この第１実施形態のその他の構成は、基本的に先の第１ベース技術と同様であり、各第１，第２弾性ヒンジ２０５、２０６の構造も定義も既に説明した第１，第２弾性ヒンジ５、１０５、或いは６、１０６と同様である。従って、図中で同一又は類似する機能を有する部分に下２桁が同一の符号を付すにとどめ、重複説明は省略する。
【００７０】
これらの構成から、この第１実施形態では次のような作用が得られる。
【００７１】
（１）外枠フレーム２０３がＸ軸方向に駆動される際には、各第１弾性ヒンジ２０５、第２弾性ヒンジ２０６の機能により２つの第１中間部材２０２Ａ、２０２Ｂが追従してＸ軸方向に平行に移動する。この結果、外枠フレーム２０３はＸ軸方向にスムーズに平行移動できる。なお、このとき２つの第２中間部材２０２Ｃ、２０２Ｄは移動しない。
【００７２】
（２）外枠フレーム２０３がＹ軸方向に移動する際には、２つの第２中間部材２０２Ｃ、２０２Ｄが追従してＹ軸方向に平行に移動する。この結果、外枠フレーム２０３はＹ軸方向にスムーズに平行移動できる。なお、このとき２つの第１中間部材２０２Ａ、２０２Ｂは移動しない。
【００７３】
（３）Ｘ軸方向に駆動する際の駆動手段に対する慣性負荷は、外枠フレーム２０３に載置される部材の質量を無視すれば、「外枠フレーム２０３＋第２弾性ヒンジ２０６（４個分）＋第１中間部材２０２Ａ、２０２Ｂ」となる。一方、Ｙ軸方向に駆動する際の駆動手段に対する慣性負荷は、「可動テーブル２０３＋第１弾性ヒンジ２０５（４個分）＋第２中間部材２０２Ｃ、２０２Ｄ」となる。ここで、この実施形態では第１中間部材２０２Ａ、２０２Ｂ、第２中間部材２０２Ｃ、２０２Ｄの数（２個）とそれぞれの大きさを等しくしており、各第１、第２弾性ヒンジ２０５、２０６の構造、大きさも同一にしてある。更に、第１、第２中間部材２０２Ａ〜２０２Ｄ及び第１、第２弾性ヒンジ２０５、２０６（ヒンジアッセンブリＡＨ１〜ＡＨ４）が該外枠フレーム２０３の中心Ｏに対して点対称に配置されている。従って、Ｘ軸方向とＹ軸方向の慣性負荷は同一となる。
【００７４】
（４）第１、第２弾性ヒンジ２０５、２０６はいずれもＺ軸方向には剛体として機能するため、特別な指示手段を設けなくても外枠フレーム２０３はＸ軸−Ｙ軸平面内から外れない。
【００７５】
図７に本発明の第２実施形態を示す。
【００７６】
この第２実施形態は、基本的な構成は先の第１実施形態と同様であり、第１中間部材３０２Ａ、３０２Ｂ、第２中間部材３０２Ｃ、３０２Ｄ、第１、第２弾性ヒンジ３０５、３０６の定義も前述した第１実施形態と同一である。但し、各中間部材及び弾性ヒンジの形状或いは接続態様が異なっている。
【００７７】
即ち、この第２実施形態においては、各中間部材３０２Ａ〜３０２Ｄは何れも方形とされている。又、各中間部材３０２Ａ〜３０２Ｄに連結されている第１弾性ヒンジ３０５および第２弾性ヒンジ３０６のペアの各端部３０５ｓ、３０６ｓが、それぞれの中間部材３０２Ａ〜３０２Ｄのそれぞれの所定の一点Ｐ１及びＰ２、Ｐ３及びＰ４、Ｐ５及びＰ６、或いはＰ７及びＰ８に隣接して連結されている。
【００７８】
更に、各中間部材３０２におけるそれぞれの一対の第１弾性ヒンジ３０５の配置位置がＹ軸方向にずらされると共に各中間部材３０２におけるそれぞれの一対の第２弾性ヒンジ３０６の配置位置がＸ軸方向にずらされている。具体的には、この実施形態では各第１、第２弾性ヒンジの間隔Ｌ１、Ｌ２とほぼ等しい長さＬ３、Ｌ４だけずらされ、結果として各連結位置Ｐ１とＰ２、Ｐ３とＰ４、Ｐ５とＰ６、或いはＰ７とＰ８がＸ軸方向、又はＹ軸方向に対し約４５度傾いた状態となるように設定してある。
【００７９】
この結果、前述した第２実施形態によって得られる前記４つの作用に加え、さらに次のような作用が得られる。
【００８０】
（５）各中間部材３０２Ａ〜３０２Ｄに連結されている第１弾性ヒンジ３０５および第２弾性ヒンジ３０６のペアの各端部３０５ｓ、３０６ｓが、それぞれの中間部材３０２Ａ〜３０２Ｄの所定の一点Ｐ１及びＰ２、Ｐ３及びＰ４、Ｐ５及びＰ６、或いはＰ７及びＰ８に隣接して連結されているため、各弾性ヒンジ３０５，３０６において固定状態を維持すべき端部の固定をより直接的かつ確実に行うことができる。従って、当該弾性ヒンジにおいて許容すべき（吸収すべき）変位に相当する分だけ、両端に接続された部材を確実に相対変位させることができる。その結果、ベース３０１に対して各中間部材３０２自体や外枠フレーム３０３がＺ軸方向周りに回転するのが効果的に防止される。
【００８１】
（６）各中間部材３０２における一対の第１弾性ヒンジ３０５のそれぞれの配置位置がＹ軸方向に（約４５度相当分）ずらされると共に、各中間部材３０２におけるそれぞれの一対の第２弾性ヒンジ３０６のそれぞれの配置位置がＸ軸方向に（約４５度相当分）ずらされているため、中間部材全体の固定方向に対する剛性が一層高められ、該中間部材３０２のＺ軸方向周りの回転や固定方向の滑り（或いはスウェイ）がより確実に防止される。
【００８２】
これらの作用は、いずれも外枠フレーム（可動テーブル）３０３のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置決め精度をより高める要素として機能する。
【００８３】
勿論、何れの実施形態の場合でも、各軸線方向をＺ軸方向に向けた複数の棒材２０、１２０、２２０、３２０（棒状部材）により外枠フレーム３、１０３、２０３、３０３（可動テーブル）を支持した構成とすることにより、棒材２０、１２０、２２０、３２０の軸線方向の剛性によって外枠フレーム３、１０３、２０３、３０３のＺ軸方向の変位を一層確実に抑えることができる。つまり、何れの実施形態でも弾性ヒンジのみによっで可動ステージを支持していながら、Ｘ軸周りθｘとＹ軸周りθｙの回転運動をほぼ完全に規制することができる。
【００８４】
なお、棒材（棒状部材）は、１本だけ配置してもある程度の効果は期待できるが、少なくとも３本以上配置することが望ましく、上記実施形態のように４本配置することが、バランスを保つ上で最も好ましい。
【００８５】
この場合、棒状部材の配置位置の重心を可動テーブルの重心と一致させるようにするとより効果的に可動テーブルのＺ軸方向の動きを規制することができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、弾性ヒンジのみで可動ステージをＸ軸−Ｙ軸方向に高精度に案内でき、しかも弾性ヒンジ自体の剛性強化を図らなくても、棒材を配置するという簡単な構成を付加する場合には、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの回転運動を規制することができ、高精度且つ高応答性の駆動制御を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１ベース技術に係るステージ装置の平面図
【図２】同ステージ装置の側面図
【図３】同ステージ装置における弾性ヒンジの拡大斜視図
【図４】同弾性ヒンジの最小断面積部の断面図
【図５】本発明の第２ベース技術に係るＸ−Ｙステージ装置を示す平面図
【図６】本発明の第１実施形態に係るＸ−Ｙステージ装置を示す平面図
【図７】本発明の第２実施形態に係るＸ−Ｙステージ装置を示す平面図
【図８】従来のＸ−Ｙステージ装置を示す斜視図
【符号の説明】
１、１０１、２０１、３０１…固定基台
２、１０２、２０２、３０２…中間フレーム（中間部材）
３、１０３、２０３、３０３…外枠フレーム（可動テーブル）
１ｘ…Ｘ方向延在部
１ｙ…Ｙ方向延在部
５、１０５、２０５、３０５、４０５…第１弾性ヒンジ
６、１０６、２０６、３０６、４０６…第２弾性ヒンジ
２０、１２０、２２０、３２０…棒材（棒状部材）
２０２Ａ、２０２Ｂ、３０２Ａ、３０２Ｂ…第１中間部材
２０２Ｃ、２０２Ｄ、３０２Ｃ、３０２Ｄ…第２中間部材

Claims

固定基台に対して可動テーブルをＸ軸−Ｙ軸平面内において微少変位可能に支持するＸ−Ｙステージ装置において、
前記Ｘ軸方向に対してのみ柔で、前記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、
前記Ｙ軸方向に対してのみ柔で、前記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、
前記可動テーブルに対し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、該固定基台と可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、
該中間部材が、第１、第２中間部材を含む複数の中間部材に分割され、
該固定基台と第１中間部材との間に前記第１弾性ヒンジが配置されると共に、該第１中間部材と可動テーブルとの間に前記第２弾性ヒンジが配置され、
且つ、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ると共に、該第２中間部材と可動テーブルとの間に前記第１弾性ヒンジが配置される
ことを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。
請求項１において、更に、
前記可動テーブルの重心と一致した重心を有する仮想多角形の各頂点に配置され、
自身の軸線方向が前記Ｘ軸―Ｙ軸方向と直交するＺ軸方向に向けられ、
自身の一端が前記固定基台を保持する固定側部材に固定され、他端が前記可動テーブルに固定され、且つ、
曲げ方向に柔で該軸線方向に剛なる特性を有した複数本の棒状部材を備えることを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。
請求項１又は２において、
前記分割された第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、第２弾性ヒンジを含めて、前記可動テーブルの中心に対して点対称となるように配置された
ことを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。