JP2002018665A - 移動テーブルの変位制御方法、部材加工方法、ｘ−ｙステージ装置、該ｘ−ｙステージ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速且つ高精度に移動テーブルを円軌跡運動
させる。 【解決手段】 Ｘ−Ｙ平面内で案内される移動テーブル
２を備え、移動テーブル２に載置される部材をＸ−Ｙ平
面内で変位可能なＸ−Ｙステージ装置１５における、移
動テーブル２の変位制御方法において、移動テーブル２
を、弾性変形作用を伴うＸ−Ｙガイド機構５０によって
Ｘ−Ｙ平面内で案内すると共に、移動テーブル２がＸ方
向及びＹ方向に移動する際のＸ方向の固有振動数とＹ方
向の固有振動数とを一致させ、更にこの固有振動数の値
Ｔに対して運動周波数ｆが０．６６Ｔ＜ｆ＜２．０Ｔと
なるように移動テーブル２を円軌跡運動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｘ−Ｙ平面内で案
内される移動テーブルを備え、該移動テーブルに載置さ
れる部材をＸ−Ｙ平面内で変位可能なＸ−Ｙステージ装
置に関連するものであり、特に、該Ｘ−Ｙステージ装
置、移動テーブルの変位制御方法、及び該変位制御方法
を利用した部材加工方法に関するものである。

【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１４に、従来のＸ−Ｙステージ装置９０
０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、Ｙ軸案内機構９
０６を保持すると共にＸ軸方向に直線的に案内するＸ軸
ガイドレール９０８と、このＸ軸ガイドレール９０８と
平行に配置される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方
向に移動・位置決めされる。Ｙ軸案内機構９０６は、可
動テーブル９０７を保持すると共にＹ軸方向に直線的に
案内するＹ軸ガイドレール９０９と、このＹ軸ガイドレ
ール９０９と平行に配置される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９
０７が、Ｙ軸案内機構９０６上でＹ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方向及び
Ｙ方向にの任意の位置に位置決めされるようになってい
る。

【０００４】つまり、このＸ−Ｙステージ装置９００で
は、Ｘ軸、Ｙ軸案内機構９０３、９０６におけるＸ軸、
Ｙ軸ガイドレール９０８、９０９が、可動テーブル９０
７をＸ−Ｙ平面内で案内するＸ−Ｙガイド機構として機
能し、又、Ｘ軸、Ｙ軸ボールネジ９０２、９０５及びＸ
軸、Ｙ軸サーボモータ９０１、９０４が駆動装置として
機能しているといえる。

【０００５】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９０
７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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、このようなＸ−
Ｙステージ装置９００の利用分野は極めて多岐に渡って
おり、従来のように、部材を所定の場所に停止させる単
なる「静的な位置決め」以外にも、部材を周期的に動か
すような「動的な位置決め」を目的として利用される機
会が増えつつある。特に、近年の技術の高度化・複雑化
に伴って、部材が「高速」且つ「精密」に円軌跡（楕円
を含む）を描くように運動させたいという強い要望が存
在する。なお、高速の円軌跡運動はほどんど「振動」に
近いものとなる。

【０００７】しかしながら、高速な円軌跡運動を達成し
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、
急加減速時等に増大してしまう駆動側の振動が、（振動
に近い）高速な円軌跡運動に対して外乱として作用して
しまい、結局、制御速度を高めるのに一定の限界があっ
た。又、安定した（一定の）円軌跡を描くように可動テ
ーブル９０７を運動させようとする場合、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、運動軌跡が
変動して誤差（目標軌跡からのズレ）が増大した。

【０００８】又、フルクローズドループ制御方式であれ
ばより精密に円軌跡を描くことが可能になるが、制御速
度が上昇すると、既に述べたように各ボールネジ９０
２、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、更に、
時々刻々と変化するＸ軸、Ｙ軸の目標位置に、移動テー
ブル９０７を正確に追随させるためには、駆動機構側に
極めて高い加速性能、減衰性能等が要求されるという問
題が生じた。

【０００９】これらの事実は、結局従来の可動テーブル
９０７の支持構造では、可動テーブル９０７に高速且つ
精密な円軌跡（楕円を含む）を描かせることが事実上困
難であることを意味している。

【００１０】更に、前記Ｘ−Ｙステージ装置９００で
は、Ｘ軸案内機構９０３の上にＹ軸案内機構９０６を設
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、円軌跡運動制御の際に可動テーブル７
に振れが発生して誤差が増大する傾向にあった。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
総てが移動負荷（慣性負荷）となるが、Ｙ軸案内機構９
０６の移動負荷は可動テーブル９０７のみであるので、
Ｘ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、円軌跡運動にズレが発生しやすいという問
題があった。

【００１１】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、Ｘ−Ｙステージ装置における移動テーブルが、
高速且つ高精度にＸ−Ｙ平面内で円軌跡を描いて運動を
できるようにすることを主な目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本第１発明は、Ｘ−Ｙ平
面内で案内される移動テーブルを備え、駆動装置によっ
て該移動テーブルを駆動することにより、該移動テーブ
ルに載置される部材をＸ−Ｙ平面内で変位可能なＸ−Ｙ
ステージ装置における、該移動テーブルの変位制御方法
において、前記移動テーブルを、弾性変形作用を伴うＸ
−Ｙガイド機構によってＸ−Ｙ平面内で案内すると共
に、該移動テーブルがＸ方向及びＹ方向に移動する際の
Ｘ方向の固有振動数とＹ方向の固有振動数とを一致さ
せ、更に前記駆動装置によって、一致された該固有振動
数の値Ｔに対して運動周波数ｆが√（Ｔ²−７５００）
＜ｆ＜√（Ｔ²＋７５００）となるように前記移動テー
ブルを円軌跡運動させることにより上記目的を達成する
ものである。

【００１３】あらゆる部材は少なからず弾性変形するの
で、その部材特有の固有振動数を有している。Ｘ−Ｙガ
イド機構にも、その様な弾性変形作用によって固有振動
数を有していたと考えられるが、一般的にその固有振動
数は、共振等を誘引する不安定な要素となることから、
制御に悪影響を与えるものと考えられている。

【００１４】従って、制御側の目標周波数と装置側（被
制御側）の固有振動数とが一致しないように設計するの
が常識であり、実際に従来は、移動テーブルを周期的に
往復運動させる際の目標周波数に対して、移動テーブル
自身の固有振動数が大幅に大きくなるように設定されて
いた。又、仮に弾性部材の弾性変形が伴ってしまうガイ
ド機構を採用する場合には、その固有振動数を大幅に小
さく設定して、運動に影響を及ぼさないようにするのが
一般的である。

【００１５】しかし、本発明者は、そのような一般的な
思想とは全く反対に、固有振動数付近の共振を積極的に
利用することに着目した。具体的には、「弾性部材の弾
性変形を伴う」Ｘ−Ｙガイド機構を敢えて採用し、その
Ｘ方向とＹ方向の固有振動数を一致させ、その固有振動
数に近い所定範囲（√（Ｔ²−７５００）＜ｆ＜√（Ｔ²
＋７５００））の運動周波数で駆動装置によって移動テ
ーブルを駆動させるようにした。なお、この運動周波数
とは、円（楕円を含む）運動の回転数と略同義である。

【００１６】このように駆動すれば、移動テーブルは自
らの固有振動数に近い上記所定範囲で運動するので、駆
動装置側の駆動力と弾性部材の復元力が同方向に合成さ
れる。その結果、駆動力が復元力で補われる分、駆動装
置側に要求さる駆動力は小さくなるので、駆動装置側の
消費エネルギを激減させることが出来る。これは、駆動
装置側の発熱等が防止されることにもなり、駆動機構や
移動テーブル側の熱膨張が低減されて位置決め精度がよ
り向上する。なお、上記所定範囲は、より好ましくは√
（Ｔ²−５０００）＜ｆ＜√（Ｔ²＋５０００）とする。

【００１７】又、Ｘ方向及びＹ方向に固有振動数が一致
されているので、移動テーブルは自ら正確な円軌道（真
円、楕円の双方を含む）を描いた運動（振動）が可能と
なっている。

【００１８】具体的に説明すると、従来は、仮に移動テ
ーブルを円軌跡運動させる場合には、駆動装置の強制力
のみによって円を描くように駆動していた。そのように
しても、そもそも、固有振動数を利用するという思想が
存在しなかったこともありＸ方向とＹ方向の固有振動数
が相違していたので、軌道に「うねり」が発生して、ど
うしても安定した運動軌跡を得ることが出来なかった。

【００１９】しかし、本発明では固有振動数を一致させ
ているので、駆動装置によって移動テーブルに一旦円軌
跡を描かせれば、その後の移動テーブルは、その軌跡を
「自ら」維持するように振動する。従って、時々刻々と
Ｘ−Ｙ平面内で円を描くように複雑な（或いは強制的
な）制御をしなくても、移動テーブルの運動軌跡のズレ
を修正可能な程度に制御すれば、常に安定した周波数
で、且つ極めて安定した軌跡で運動させることが出来
る。

【００２０】例えば、基本的に移動テーブルは自分で勝
手に円を描くように動くので、駆動装置によって断続的
に駆動してもある程度の位置決め精度を得ることがで
き、駆動機構の応答性もあまり高く設定する必要がなく
なる。

【００２１】なお、固有振動数を「一致」させる場合と
は、完全に一致させる場合に限らない。設計・製作上の
理由から多少のズレは避けることが出来ないものであ
り、要は、安定して円軌跡運動可能な程度であれば良
く、例えば、一方の固有振動数に対して、他方がその前
後１０％の範囲内で設定されていればよい。望ましく
は、前後５％の範囲内に納める。

【００２２】又、移動テーブルの固有振動数とは、駆動
装置側の付勢状態（あるいは係合状態）を無視（開放）
した場合の振動数を意味し、例えば駆動装置がボールネ
ジの場合には、ボールネジを駆動するモータを開放した
場合における固有振動数を意味し、又、例えば駆動装置
が非接触タイプのリニアモータの場合には、その付勢力
（推力）を開放した場合における固有振動数を意味して
いる。

【００２３】又、上記第１発明と全く同様な思想の下、
運動周波数ｆが９０＜ｆ＜１１０Ｈｚの範囲内の場合に
は、近似的な関係がある０．５Ｔ＜ｆ＜１．５Ｔを満た
すように移動テーブルを円軌跡運動させればよく（本第
２発明）、より望ましくは、０．８＜ｆ＜１．２Ｔを満
たすようにする。その際には固有振動数Ｔを適宜設定し
て、１００Ｈｚの運動周波数ｆで駆動可能としても良
い。

【００２４】ところで、上記第１、第２発明において
は、前記駆動装置が、自身の固定部又は可動部の一方が
前記移動テーブル配置される駆動用リニアモータとされ
ており、該駆動用リニアモータによって非接触状態で前
記移動テーブルを円軌跡運動させることが好ましい。

【００２５】このように駆動装置として非接触のリニア
モータを採用すれば、自らの推力が零、即ち電流ＯＦＦ
の際に移動テーブルに何等外的な影響を与えないので、
その場合に移動テーブルが自由振動するようになる。例
えば、ボールネジ等によって駆動する場合には、移動テ
ーブルと連結される必要があるので、自らが駆動力を発
生する必要が無くても、移動テーブルの自由振動に追従
させる必要が生じ、（従来よりも極めて少ないエネルギ
消費量で済むものの）無駄なエネルギーが消費されてし
まう。しかし、リニアモータによれば、自身の推力のＯ
Ｎ・ＯＦＦや大小等によって断続的に駆動することが可
能となるので、消費電力をより大幅に低減させることが
出来る。

【００２６】更に、リニアモータは自身の振動が極めて
小さいという特徴がある。例えばボールネジ等の駆動に
より移動テーブルを高い周波数で運動させる場合には、
駆動側の振動が移動テーブルに伝達して外乱として作用
し易いが、リニアモータではそのような問題は殆ど生じ
ない。

【００２７】以上に示した変位制御方法は、あらゆる産
業分野で利用することが出来るものであるが、例えば、
移動テーブルに載置される部材を加工する場合にも適用
できる。具体的には、Ｘ−Ｙステージ装置における、Ｘ
−Ｙ平面内で移動可能な移動テーブルに載置される部材
に対して加工穴を形成する部材加工方法において、前記
移動テーブルを、上記第１、第２発明の変位制御方法に
よって円軌跡運動させ、放電加工によって、該移動テー
ブルに載置される部材に該円軌跡と同等以上の大きさの
加工穴を形成するようにすればよい（第３発明）。

【００２８】このようにすると、部材側は安定した円軌
跡を描いて運動するので、放電加工装置の加工電極を静
止させた状態で、その円軌跡に沿った大きさの穴が部材
に形成される。従って、その円軌跡を真円にすれば真円
の穴が、円軌跡を楕円にすれば楕円の穴が加工される。
なお、穴は貫通するものに限定されず、途中まで加工さ
れた凹状の穴であってもよい。

【００２９】又、このＸ−Ｙステージ装置自体を、更に
別のＸ−Ｙ機構に設置し、Ｘ−Ｙステージ装置全体を所
定の軌跡（これは円に限定されない）を描くように移動
させれば、部材に、その軌跡に沿った溝（上記「穴」の
移動軌跡といえる）を形成することも出来るようにな
る。勿論この場合には、円軌跡の大きさを変化させるこ
とによって、溝の幅を変化させることが出来る。

【００３０】以上に示した変位制御方法、部材加工方法
は、以下に示すようなＸ−Ｙステージ装置によって実現
される。

【００３１】即ち、上記課題を解決可能な本第４発明
は、固定テーブルに対してＸ−Ｙガイド機構を介してＸ
−Ｙ平面内で移動可能な移動テーブルを備え、駆動装置
によって該移動テーブルを駆動することで、該移動テー
ブルに載置される部材をＸ−Ｙ平面内で位置決め可能な
Ｘ−Ｙステージ装置において、前記Ｘ−Ｙガイド機構が
弾性部材を備えることで、該弾性部材がＸ−Ｙ平面内で
案内される前記移動テーブルに対して復元力を付与する
ように構成し、更に該移動テーブルがＸ方向及びＹ方向
に移動する際のＸ方向の固有振動数とＹ方向の固有振動
数とを一致させるようにしたことを特徴とするＸ−Ｙス
テージ装置である。

【００３２】特に、弾性部材を備える上記Ｘ−Ｙガイド
機構は、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複数の第
１弾性ヒンジと、Ｙ方向に対してのみ柔で、Ｘ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Ｘ
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方向における相対変位のみを許容する
複数の第２弾性ヒンジと、前記移動テーブルに対して固
定可能とされる移動ベース、前記固定テーブルに対して
固定可能とされると共に、前記移動ベースと同一のＸ−
Ｙ平面を含むように配置される固定ベース、及び該固定
ベース及び移動ベースとの間において前記同一のＸ−Ｙ
平面を含むように配設される中間ベースと、を備えると
共に、前記移動ベースが固定ベースに対して前記Ｘ−Ｙ
平面内において微少変位可能で且つＺ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、該固定ベー
ス、中間ベース、及び移動ベースが、前記第１，第２弾
性ヒンジを組み合わせによって連結されるようにするこ
とが好ましい。

【００３３】このＸ−Ｙガイド機構は、弾性部材として
「弾性ヒンジ」を備えた構成を採用した。

【００３４】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。

【００３５】全く同様に、Ｙ方向に対してのみ柔で、Ｘ
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Ｘ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
方向に「案内」することができるようになる。

【００３６】ただし、固定ベースと移動ベースとを単純
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」機能が干渉してしまい、Ｘ方向と
Ｙ方向の円滑な駆動が現実には非常に困難になってしま
うため、当然両方向の固有振動数を一致させることもで
きなくなってしまう。そこで、本発明者は、「中間部
材」を固定ベースと移動ベース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。

【００３７】Ｘ−Ｙ平面の固定ベースと移動ベースとの
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、固定ベースに対して移動ベースがＸ方
向、Ｙ方向の双方向に独立して「案内」されて移動する
ことが出来るようになる。従って、この構造のＸ−Ｙガ
イド機構を、固定テーブルと移動テーブルの間に配置す
れば、移動テーブルが固定テーブルに対してＸ−Ｙ平面
内で案内される。

【００３８】このＸ−Ｙガイド機構は、Ｘ方向に移動テ
ーブルが移動する際の剛性（弾性係数）が主に第１弾性
ヒンジ側によって決定され、Ｙ方向に移動テーブルが移
動する際の剛性（弾性係数）が主に第２弾性ヒンジによ
って決定される。つまり、Ｘ方向とＹ方向の剛性が独立
していることから各方向の剛性設定が容易となり、それ
に関連して、各方向の固有振動数を容易に設定すること
が出来る。つまり、Ｘ方向とＹ方向の固有振動数を容易
且つ高精度に一致させることが出来るようになる。

【００３９】ところで、固有振動数は、剛性以外にも振
動部分（可動部分）の質量に大きく影響される。従っ
て、Ｘ方向の振動部分質量とＹ方向の振動部分質量とが
異なる場合には、その差を考慮して各方向の剛性を設定
しなければならない。

【００４０】上記のＸ−Ｙガイド機構は、従来と比較し
て各方向の可動部質量の差を大幅に低減させることが出
来る構造であるので、各方向の剛性を独立して設定（設
計）できるという特徴と相まって、各方向の固有振動数
を高精度に一致させることが出来るようになる。なお、
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も可能にな
る。

【００４１】又、例えばボールネジやベアリング等を介
在させて微小変位をガイドしようとすると、このボール
ネジ等における局所部分（特定部分）に集中して圧力が
作用して寿命が低下するという問題があった。しかし、
弾性ヒンジによるガイド機構によれば、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、
即ち安定した円軌道案内機能を発揮できるようになる。
なお、上記の中間部材や第１、第２弾性ヒンジの数・形
状等は特に限定されない。これは、必要に応じて適宜配
置されてよい。

【００４２】なお、以上に示したＸ−Ｙステージ装置に
おいては、前記駆動装置として、Ｘ方向駆動用のリニア
モータと、Ｙ方向駆動用のリニアモータと、を備えるよ
うにすることが好ましく、又更に、Ｘ方向及びＹ方向に
一致されている前記固有振動数の値をＴ、前記Ｘ方向及
びＹ方向駆動用リニアモータが前記移動テーブルを円軌
跡運動させる場合の周波数をｆ、とした場合に、√（Ｔ
²−７５００）＜ｆ＜√（Ｔ²＋７５００）の関係が成立
するように設定することが好ましい。

【００４３】又、このようなＸ−Ｙステージ装置を製造
する際には、一般的に、その使用目的に適した移動テー
ブルの目標運動周波数ｆが客先から要求・設定され、そ
れに対応させて設計・製造する事が多い。

【００４４】その場合には、（固有振動が生じるよう
に）移動テーブルが弾性変形作用を伴うＸ−Ｙガイド機
構によって案内される構成とすると共に、この移動テー
ブルがＸ方向及びＹ方向に移動する際のＸ方向の固有振
動数とＹ方向の固有振動数とを一致させ、更に、駆動装
置によって前記移動テーブルを円軌跡運動させる際の目
標となる運動周波数ｆに対して、一致された固有振動数
の値Ｔを、√（ｆ²−７５００）＜Ｔ＜√（ｆ²＋７５０
０）の範囲内に設定するように製造すればよい。

【００４５】

【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。

【００４６】図１及び図２に、本発明の実施形態に係る
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。

【００４７】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テーブル１と、こ
の固定テーブル１及び移動テーブル２の間に配置される
Ｘ−Ｙガイド機構４９とを備える。

【００４８】移動テーブル２は、自身の中心に開口が形
成され、Ｘ−Ｙガイド機構４９にボルトによって固定・
配設される搭載テーブル８２と、搭載テーブル８２の開
口を覆うように設置される搭載プレート８４（２点鎖線
参照）と、を備える。従って、この搭載プレート８４と
搭載テーブル８２によって移動テーブル２が構成され
る。なお、搭載テーブル８２の開口は、Ｘ−Ｙガイド機
構４９を固定テーブル１に固定する際に、ボルトを挿入
し、締めるための空間を確保するものである。

【００４９】固定テーブル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。

【００５０】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。

【００５１】詳細には図７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、固定テーブル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８２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。

【００５２】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２
１Ａ〜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２
２と、を備えており、一方のヨーク２０Ｂが固定テーブ
ル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。

【００５３】なお、この実施形態では磁石ユニット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、７
Ｂ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。

【００５４】次にＸ−Ｙガイド機構４９について詳細に
説明する。

【００５５】図３に拡大して示されるように、このＸ−
Ｙガイド機構４９は、方形リング状に構成されて、移動
テーブル２にボルトによって連結される移動ベース２Ｂ
と、固定テーブル１にボルトによって連結されると共
に、移動ベース２Ｂと同一のＸ−Ｙ平面を含むように配
置されるプレート状の固定ベース１Ｂと、この固定ベー
ス１Ｂ及び移動ベース２Ｂとの間における同一のＸ−Ｙ
平面内を含むようにして、両者との間に弾性ヒンジ（詳
細は後述）を介して配設される中間ベース５０と、を備
える。

【００５６】中間ベース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。

【００５７】固定ベース１Ｂと中間ベース５０との間に
は、Ｘ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。

【００５８】中間ベース５０と移動ベース２Ｂ（移動テ
ーブル２）の間には、Ｙ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。

【００５９】従って、このＸ−Ｙガイド機構４９は入れ
子状になっており、全体的には線対称に近い構造となっ
ている。又、中間ベース５０は、各弾性ヒンジ５４、５
６と連結される以外は、固定ベース１Ｂと移動ベース２
Ｂと非接触の状態を保っている。

【００６０】Ｘ方向の変形を許容する第１弾性ヒンジ５
４は、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、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。又、Ｙ方向の
変形を許容する第２弾性ヒンジ５６は、Ｙ方向に対して
のみ柔で、Ｘ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方向における相対変
位のみを許容する。

【００６１】次に、Ｘ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方向とＹ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。

【００６２】第１弾性ヒンジ５４は、図５の斜視図に示
すように、２つの部材間（固定ベース１Ｂと中間ベース
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ように構成したものであ
る。

【００６３】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方向、第２弾性ヒンジ５６の場合
はＹ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。

【００６４】図６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。

【００６５】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方向の移動は許容していな
い。

【００６６】次に第１弾性ヒンジ５４、固定ベース１Ｂ
及び中間ベース５０の相互作用を説明する。

【００６７】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９
０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。

【００６８】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、中間ベース５０に対して移動ベース２
ＡをＹ軸方向に案内するようになっている。

【００６９】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を介して中間ベース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がこの中間ベース５０に片持ち状態
で支持されるため、移動ベース２Ｂ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。

【００７０】この結果、以上に説明したＸ−Ｙガイド機
構４９は、このように中間ベース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によって中間ベース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、Ｘ軸方向及びＹ軸方向
のガイド機能を有することになる。

【００７１】以上のことから、固定テーブル１に上記固
定ベース１Ｂを、移動テーブル２に上記移動ベース２Ｂ
を固定するようにして、Ｘ−Ｙガイド機構４９を設置す
れば、移動テーブル２が固定テーブルに対してＸ軸方
向、Ｙ軸方向の双方向に直線的に「案内」されるように
なり、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ガイド特性が得られる。

【００７２】なお、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２
４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、固定テーブル１側に、Ｘ軸変位センサ１
４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の固定テーブ
ル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。

【００７３】次に、このＸ−Ｙステージ装置１５の固有
振動数等について説明する。

【００７４】移動テーブル２を案内するＸ−Ｙガイド機
構４９は、既に詳細に説明したように、弾性部材である
第１,第２弾性ヒンジ５４、５６を備えている。従っ
て、移動テーブル２が中立位置から変位すると、各弾性
ヒンジ５４、５６（Ｘ−Ｙガイド機構４９）が移動テー
ブル２に対して、Ｘ方向の復元力Ｆｓｘ及びＹ方向の復
元力Ｆｓｙを付勢するようになっている。その結果、各
駆動用リニアモータ３、７の推力を無視した状態で、移
動テーブル２はＸ方向及びＹ方向にそれぞれ固有の振動
数ｐｘ、ｐｙを有している。

【００７５】この各方向の固有振動数ｐｘ、ｐｙ以下の
ように求められる。

【００７６】上記復元力Ｆｓｘ、Ｆｓｙは、移動テーブ
ル２の変位量ｘ、ｙによって比例的に変化するので、復
元力をこの変位ｘ，ｙによって除した値（Ｆｓｘ／ｘ、
Ｆｓｙ／ｙ）は、Ｘ方向及びＹ方向の剛性（弾性係数）
ｋｘ，ｋｙとなっている。

【００７７】これらの各方向の剛性ｋｘ，ｋｙと、移動
テーブル２がＸ方向に移動する際の可動部質量Ｍｘ、Ｙ
方向に移動する際の可動部質量Ｍｙから、固有振動数ｐ
ｘ，ｐｙは下記の式によって求められる。

【００７８】 ｐｘ＝（１／２π）・√（ｋｘ／Ｍｘ）｛Ｈｚ｝ ｐｙ＝（１／２π）・√（ｋｙ／Ｍｙ）｛Ｈｚ｝

【００７９】ところで、Ｙ方向の可動部質量Ｍｙは、こ
こでは、移動テーブル２（内蔵されている各コイル４
Ａ、４Ｂ、８Ａ、８Ｂを含む）、及び移動ベース２Ｂの
各質量を合計したものである。又、Ｘ方向の可動部質量
Ｍｘは、Ｙ方向の可動部質量Ｍｙに、更に、計８本の第
２弾性ヒンジ５６、及び中間ベース５０の各質量を加え
たものである。これは、図３に示したように、移動ベー
ス２ＢがＸ方向に移動する際には、第２弾性ヒンジ５６
と中間ベース５０も一緒に移動するからである。なお、
移動テーブル２に載置される部材質量が既にわかってい
る場合には、各可動部質量Ｍｘ，Ｍｙにその質量を加え
ても構わない。

【００８０】Ｘ方向の可動部質量ＭｘとＹ方向の可動部
質量Ｍｙは異なる値となるが（Ｍｘ＞Ｍｙ）、このＸ−
Ｙステージ装置１５では、第１、第２弾性ヒンジ５４、
５６の寸法を適宜設定することによって、各方向の剛性
ｋｘ，ｋｙを調整し（具体的には、ｋｘ＞ｋｙとし
て）、上記式におけるＸ方向の固有振動数ｐｘとＹ方向
の固有振動数ｐｙとが一致するように設定されている。
このようにすると、Ｘ方向とＹ方向の振動周期が一致す
るので、移動テーブル２が自由振動する際に（減衰を無
視すれば）常に一定の軌跡が描かれるようになる。

【００８１】なお、「完全に」一致させることは設計上
現実的ではなく、本実施形態では、ｐｘに対してｐｙが
０．９ｐｘ＜ｐｙ＜１．１ｐｘの範囲に収まれば一致の
概念に含まれるものとする。

【００８２】更にＸ−Ｙステージ装置１５においては、
Ｔ：Ｘ方向及びＹ方向に一致されている前記固有振動数
の値（＝ｐｘ，ｐｙ）｛Ｈｚ｝、ｆ：Ｘ方向及びＹ方向
駆動用リニアモータ３、７が移動テーブル２を円軌跡運
動させる場合の周波数｛Ｈｚ｝、とした場合に√（Ｔ²
−７５００）＜ｆ＜√（Ｔ²＋７５００）（より好まし
くは√（Ｔ²−５０００）＜ｆ＜√（Ｔ²＋５０００）と
する）の関係が成立するように設定されている。なお、
円軌跡運動の周波数ｆとは、単位時間当たりの運動回転
数と同義である。

【００８３】具体的には、本実施形態では、固有振動数
Ｔが１２０Ｈｚ、リニアモータ３、７によって移動テー
ブル２を円軌跡運動させる際の周波数ｆが１００Ｈｚに
設定されている。なお、好ましくは、固有振動数Ｔを８
０Ｈｚ＜Ｔ＜１２０Ｈｚに設定し、その値Ｔに対して上
記範囲内で運動周波数ｆを設定すればよい。

【００８４】特に、このように周波数ｆを９０＜ｆ＜１
１０Ｈｚの範囲内に設定することを意図する場合、０．
５Ｔ＜ｆ＜１．５Ｔの関係が満たされるように、周波数
ｆ及び固有振動数Ｔを設定すればよい。より望ましく
は、０．８Ｔ＜ｆ＜１．２Ｔとする。

【００８５】なお、一致された固有振動数Ｔによって各
方向の剛性ｋｘ，ｋｙを表現すると、上記の式から、ｋ
ｘ＝Ｍｘ（２πＴ）²、ｋｙ＝Ｍｙ（２πＴ）²となる。

【００８６】以上に示したＸ−Ｙステージ装置１５にお
ける移動テーブル２の変位制御方法について、制御系の
構成等を含めて図８を参照して説明する。

【００８７】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４
Ａ、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。

【００８８】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。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軸方向位置を設定して減算
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。

【００８９】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。

【００９０】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。

【００９１】図９には、Ｘ−Ｙステージ装置１５の制御
システムのブロック線図が示されている。

【００９２】ｒｘ、ｒｙは、移動テーブル２を真円軌跡
運動させる際の目標値であり、上記位置指令出力手段５
８から出力されるものである。従って、半径ｒの真円軌
道、周波数ｆ、との条件で円軌跡運動させたい場合を考
えると、目標値はｒｘ＝ｒ・ｓｉｎ（２πｆｔ）、ｒｙ
＝ｒ・ｃｏｓ（２πｆｔ）となる。実際に計測される移
動テーブル２の変位量はｘ，ｙである。

【００９３】Ｘ軸、Ｙ軸位置制御補償器４７、４８は目
標値ｒｘ、ｒｙと実測値ｘ、ｙとの差に依存して制御特
性Ｋｘ（ｓ）、Ｋｙ（ｓ）で位置補償演算を行う。この
各位置制御補償器４７、４８を経て出力されたＸ方向及
びＹ方向操作量は、各方向の電流アンプ５４、５６と駆
動用リニアモータ３、７から構成されるＸ方向及びＹ方
向駆動系９０、９２に入力される。この各方向の駆動系
９０、９２におけるＸ方向及びＹ方向の電流アンプ・モ
ータ係数は共にｋｔｈｒであり、この各駆動系９０、９
２を経ることで、駆動用リニアモータ３、７が所定の推
力Ｆｍｘ，Ｆｍｙを発生する。その一方で、既に所定の
変位量ｘ，ｙとなっている状態の移動テーブル２は、Ｘ
−Ｙガイド機構４９からの復元力Ｆｓｘ、Ｆｓｙを受け
ているので、実際に移動テーブル２に作用する外力Ｆ
ｘ、Ｆｙはこれらの合力となる。

【００９４】なお、上記復元力Ｆｓｘ、Ｆｓｙは、既に
説明したように、剛性ｋｘ、ｋｙから以下のようになっ
ている。

【００９５】Ｆｓｘ＝−ｋｘ・ｘ Ｆｓｙ＝−ｋｙ・ｙ

【００９６】上記外力Ｆｘ、Ｆｙによる移動テーブル２
の加速度は、各方向の可動部質量Ｍｘ，Ｍｙから、Ｆｘ
／Ｍｘ、Ｆｙ／Ｍｙとなる。移動テーブル２には摩擦が
存在しないため、これらの加速度を２階積分したものが
変位ｘ、ｙとなる。この関係をラプラス変換子ｓを用い
て表わすと以下のようになる。

【００９７】ｘ＝Ｆｘ／（Ｍｘ・ｓ²） ｙ＝Ｆｙ／（Ｍｙ・ｓ²）

【００９８】ところで、上記目標運動の周波数ｆが移動
テーブル２の固有振動数Ｔと一致するように設定されて
おり、目標真円半径ｒと一致して実際に円軌跡運動して
いる場合（つまり、ｘ＝ｒ・ｓｉｎ（２πＴｔ）、ｙ＝
ｒ・ｃｏｓ（２πＴｔ）で運動している場合）を考える
と、上記復元力Ｆｓｘ、Ｆｓｙは下記のようになる。

【００９９】 Ｆｓｘ＝−ｋｘ・ｘ＝−ｋｘ・ｒ・ｓｉｎ（２πＴｔ） ＝−Ｍｘ（２πＴ）²・ｒ・ｓｉｎ（２πＴｔ） Ｆｓｙ＝−ｋｙ・ｙ＝−ｋｙ・ｒ・ｃｏｓ（２πＴｔ） ＝−Ｍｘ（２πＴ）²・ｒ・ｃｏｓ（２πＴｔ）

【０１００】これは、既に示したように各方向の剛性ｋ
ｘ、ｋｙは、ｋｘ＝Ｍｘ（２πＴ） ²、ｋｙ＝Ｍｙ（２
πＴ）²で表現されるからである。

【０１０１】この復元力は、勿論、移動テーブル２が周
波数Ｔ、真円軌道半径ｒで円軌跡運動する際に必要とな
る外力に他ならない。このため、駆動系９０、９２によ
って発生される（要求される）推力Ｆｍｘ，Ｆｍｙは零
となる。つまり、全く「駆動」する必要がない。

【０１０２】次に、目標周波数ｆと固有振動数Ｔが異な
る場合（ｆ≠Ｔ）を考える。この周期ｆで移動テーブル
２が運動する場合の復元力は下記のようになる。

【０１０３】 Ｆｓｘ＝−ｋｘ・ｘ＝−ｋｘ・ｒ・ｓｉｎ（２πｆｔ） ＝−Ｍｘ（２πＴ）²・ｒ・ｓｉｎ（２πｆｔ） Ｆｓｙ＝−ｋｙ・ｙ＝−ｋｙ・ｒ・ｃｏｓ（２πｆｔ） ＝−Ｍｘ（２πＴ）²・ｒ・ｃｏｓ（２πｆｔ）

【０１０４】一方、周波数ｆ、真円軌道の半径ｒで実際
に移動テーブル２が運動する際に「必要な」外力Ｆｘ、
Ｆｙは以下のように示される。

【０１０５】 Ｆｘ＝−Ｍｘ（２πｆ）²・ｒ・ｓｉｎ（２πｆｔ） Ｆｙ＝−Ｍｘ（２πｆ）²・ｒ・ｃｏｓ（２πｆｔ）

【０１０６】従って、上記復元力Ｆｓｘ，Ｆｓｙと上記
外力Ｆｘ，Ｆｙとの差、つまり、復元力Ｆｓｘ，Ｆｓｙ
に対して推力で補わなければならない分が、駆動系９
０、９２に要求される推力Ｆｍｘ，Ｆｍｙである。

【０１０７】具体的には、 Ｆｍｘ＝−Ｍｘ｛（２πＴ）²−（２πｆ）²｝・ｒ・ｓ
ｉｎ（２πｆｔ） Ｆｍｙ＝−Ｍｘ｛（２πＴ）²−（２πｆ）²｝・ｒ・ｃ
ｏｓ（２πｆｔ） となる。

【０１０８】従って、目標周波数ｆと、固有振動数Ｔが
近づけば近づくほど、駆動系９０、９２に要求される推
力は少なくなる。このことは、各駆動リニアモータ３、
７によって消費される電力を、従来よりも大幅に減少さ
せることが出来ることを意味する。本発明者の解析によ
ると、目標周波数ｆを１００Ｈｚに固定して固有振動数
Ｔを変化させた場合に実効電力が図１０に示されるよう
に変化することがわかった。

【０１０９】なお、解析時の各設定値は、可動部質量Ｍ
ｘ、Ｍｙ＝１．２（ｋｇ）、各リニアモータ３、７のコ
イル抵抗Ｒ＝１８（Ω）、真円半径ｒ＝５０（μｍ）、
モータ推力定数ｋ＝３０（Ｎ／Ａ）である。

【０１１０】この結果、目標周波数ｆと固有振動数Ｔと
の関係が−７５００＜ｆ²−Ｔ²＜７５００、あるいは
０．５ｆ＜Ｔ＜１．５ｆとなる範囲において、特に電力
消費量を激減させることが出来る。又、更に好ましく
は、０．８ｆ＜Ｔ＜１．２ｆとする。もちろん、Ｔとｆ
とは対等の関係にあり、これらを入れかえた０．５Ｔ＜
ｆ＜１．５Ｔとなる範囲においても電力消費量を激減さ
せることができる。

【０１１１】実際の値としては既に述べたように、まず
固有振動数Ｔが８０＜Ｔ＜１２０｛ＨＺ｝の範囲内にあ
る値に設定し、その値Ｔに対して、上記関係を満たすよ
うに目標周波数ｆを設定することが好ましい。

【０１１２】このＸ−Ｙステージ装置１５では、固有振
動数が積極的に利用されている。具体的には、弾性ヒン
ジ５４、５６の弾性変形を伴うＸ−Ｙガイド機構４９を
採用し、そのＸ方向とＹ方向の固有振動数を値Ｔで一致
させ、その固有振動数Ｔに近い所定範囲の運動周波数に
よって、移動テーブル２を駆動させるようにした。

【０１１３】このように駆動すれば、移動テーブル２が
自らの固有振動数Ｔに近い範囲で運動するので、各リニ
アモータ３、７側の推力（駆動力）と弾性ヒンジ５４、
５６による復元力が同方向に合成される。その結果、復
元力が移動テーブル２を円軌跡運動させる分、リニアモ
ータ３、７側に要求さる推力が小さくなり消費エネルギ
が激減される。

【０１１４】又、Ｘ方向及びＹ方向に固有振動数が一致
されているので、移動テーブル２は自ら正確な円軌道
（真円、楕円の双方を含む）を描いた運動（振動）が可
能となっている。具体的に説明すると、従来は（そもそ
も、固有振動数を利用する思想が存在しなかったことも
あり）Ｘ方向とＹ方向の固有振動数はむしろ相互に影響
し合わないように敢えて一致させず、移動テーブル２を
円軌跡運動させる場合には、駆動装置の強制力によって
のみ駆動していた。しかしながら、Ｘ方向とＹ方向の固
有振動数の相違から、どうしても軌道に「うねり」が発
生して安定した運動軌跡を得ることが出来ないという問
題があった。

【０１１５】しかし、このＸ−Ｙステージ装置１５で
は、移動テーブル２に円軌跡を一度描かせれば、その後
はその軌跡を「自ら」維持するように振動する。従っ
て、複雑な（或いは強制的な）制御をしなくても、移動
テーブル２の運動軌跡のズレや、周波数のズレ分を修正
可能な程度に制御（駆動）すれば、常に安定した周波数
で、且つ極めて安定した軌跡で運動させることが出来
る。

【０１１６】又、駆動装置として非接触のリニアモータ
３、７が採用されているので、自らの推力が零、即ち電
流ＯＦＦの際に移動テーブル２に何等外的な影響を付与
しない。その結果、移動テーブル２が自由振動する事が
出来るようになる。従って、リニアモータ３、７によっ
て、推力のＯＮ・ＯＦＦや大小等によって断続的に移動
テーブル２を駆動することが可能となるので、消費電力
をより大幅に低減させることが出来る。

【０１１７】なお、リニアモータ３、７は自身の振動が
極めて小さいという特徴がある。移動テーブル２を高い
周波数で運動させる場合であっても、安定したガイド特
性であるＸ−Ｙガイド機構４９との相乗作用によって外
乱振動が殆ど発生しないので、極めて安定した運動が可
能となり、制御の応答性を向上させることが出来る。

【０１１８】以上に示したＸ−Ｙステージ装置１５や、
その移動テーブル２の変位制御方法は、あらゆる産業分
野で利用することが出来るものである。例えば、移動テ
ーブルに載置される部材を加工する為に適用した例を第
２実施形態として以下説明する。

【０１１９】図１１に、本発明に第２実施形態に係る部
材加工方法が適用される放電加工装置３００を部分的に
示す。

【０１２０】この放電加工装置３００は、加工電極３８
２と、工作液が貯留される工作液層３８４と、工作液内
に浸されるようにして工作液層３８４に載置される加工
部材３８６と、該工作液層３８４をＸ−Ｙ平面内で移動
可能に支持するＸ−Ｙステージ装置３１５と、該Ｘ−Ｙ
ステージ装置３１５を、更にＸ−Ｙ平面内で移動可能に
支持している大型Ｘ−Ｙ駆動装置３８８（２点鎖線参
照）と、を備える。なお、Ｘ−Ｙステージ装置３１５
は、第１実施形態で示したＸ−Ｙステージ装置１５と同
様であるので、その構成・作用等の詳細な説明は省略す
る。

【０１２１】放電加工は、加工部材３８６と加工電極３
８２との間に火花放電を発生させて、その放電に伴って
加工部材３８６から微量の切り屑を取り去って穴をあけ
るものである。従って、その穴は加工電極３８２の先端
の断面形状と同等形状となるのが一般的である。

【０１２２】放電加工装置３００におけるＸ−Ｙステー
ジ装置３１５によって、工作液層３８４がＸ−Ｙ平面内
で案内される。又、（移動テーブル２を含む）工作液層
３８４がＸ方向及びＹ方向に移動する際のＸ方向の固有
振動数とＹ方向の固有振動数とが値Ｔで一致されてお
り、Ｘ方向及びＹ方向駆動用リニアモータ３０３、３０
７によって、固有振動数Ｔに対して運動周波数ｆが√
（Ｔ²−７５００）＜ｆ＜√（Ｔ²＋７５００）となるよ
うに、工作液層３８４が半径ｒの真円を描くように運動
される。なお、加工電極３８２は、Ｘ−Ｙ平面内で静止
している。

【０１２３】このようにすると、図１２に示されるよう
に、工作液層３８４内に載置される加工部材３８６も同
様に円軌跡運動するので、この真円Ｃの半径ｒ以上、具
体的にはこの円軌跡Ｃに沿って加工電極３８２が移動し
た場合と同等の大きさとなる加工穴３８８が形成され
る。なお、図１２では便宜上、「実際には移動してい
る」加工部材３８６を基準座標として、加工電極３８２
が相対的に移動しているように示してある。

【０１２４】このようにすると、加工部材３８６側は安
定した円軌跡Ｃを描いて運動するので、精密な大きさの
加工穴３８８を形成することができる。従って、その円
軌跡Ｃを真円にすれば真円の穴が、楕円にすれば楕円の
穴が加工される。なお、加工穴３８８は貫通するものに
限定されず、途中まで加工された凹状の穴であってもよ
い。

【０１２５】ところで、放電加工装置３００は、Ｘ−Ｙ
ステージ装置３２５自体が、更に別の大型Ｘ−Ｙ駆動装
置３８８に設置されているので、Ｘ−Ｙステージ装置３
１５全体を所定の軌跡（これは円に限定されない）を描
くように移動させることができる。

【０１２６】大型Ｘ−Ｙ駆動装置３８８によって、加工
部材３８６を線Ｌにそって移動させた場合の加工状態を
図１３に示す。このようにすると、上記加工穴３８８の
移動軌跡となる加工溝３８９を形成することが出来る。
勿論この場合には、円軌跡Ｃの大きさ（半径ｒ）を変化
させることによって、加工溝３８８の幅を変化させるこ
とも出来る。

【０１２７】なお、ここでは第１、第２実施形態を示し
たが、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、他の実
施形態も勿論存在しする。つまり、本発明の実施形態
は、今回示した第１、第２実施形態に限定されるもので
はない。

【０１２８】又、明細書全文に表れてくる部材の形容
（機能・形状）はあくまで例示であって、これらの記載
に限定されるものではない。

【０１２９】

【発明の効果】本発明によれば、Ｘ−Ｙステージ装置に
おけり移動テーブルを、極めて安定した軌跡で円運動さ
せることが出来るようになる。又、駆動装置側の消費エ
ネルギーを激減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るＸ軸−Ｙ軸ステー
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】同Ｘ−Ｙステージ装置における弾性ヒンジの構
造を拡大して示す斜視図

【図６】図５のVI−VI矢視断面図

【図７】図３におけるVII部を拡大して示す部分断面図

【図８】同Ｘ−Ｙステージ装置の制御系を示す概念図

【図９】同Ｘ−Ｙステージ装置における制御システムの
ブロック線図

【図１０】同Ｘ−Ｙステージ装置の電力消費量を解析し
た結果を示す線図

【図１１】本発明の第２実施形態に係る部材加工方法が
適用される放電加工機をしめす部分斜視図

【図１２】同放電加工機によって加工された加工部材を
示す拡大図

【図１３】同放電加工機によって加工された加工部材を
示す拡大図

【図１４】従来のＸ軸−Ｙ軸ステージ装置を示す斜視図

【符号の説明】

１…固定基台 ２…移動テーブル ３…Ｙ軸方向駆動用リニアモータ ７…Ｘ軸方向駆動用リニアモータ １５、３１５…Ｘ軸−Ｙ軸ステージ装置 ５０…中間部材 ５４…第１弾性ヒンジ ５６…第２弾性ヒンジ ３００…放電加工装置

フロントページの続き (72)発明者 中森 靖仁 東京都田無市谷戸町二丁目１番１号 住友 重機械工業株式会社田無製造所内 (72)発明者 杉峰 正信 神奈川県平塚市夕陽ケ丘63番30号 住友重 機械工業株式会社平塚事業所内 Ｆターム(参考） 2F078 CA03 CA08 CB02 CB04 CB09 CB12 CC02 CC07 CC11 3C048 BC02 DD06 DD26 EE10 3C059 AA01 AB01 CF01 CH01

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｘ−Ｙ平面内で案内される移動テーブルを
   備え、駆動装置によって該移動テーブルを駆動すること
   により、該移動テーブルに載置される部材をＸ−Ｙ平面
   内で変位可能なＸ−Ｙステージ装置における、該移動テ
   ーブルの変位制御方法において、 前記移動テーブルを、弾性変形作用を伴うＸ−Ｙガイド
   機構によってＸ−Ｙ平面内で案内すると共に、 該移動テーブルがＸ方向及びＹ方向に移動する際のＸ方
   向の固有振動数とＹ方向の固有振動数とを一致させ、更
   に前記駆動装置によって、一致された該固有振動数の値
   Ｔに対して運動周波数ｆが√（Ｔ²−７５００）＜ｆ＜
   √（Ｔ²＋７５００）となるように前記移動テーブルを
   円軌跡運動させることを特徴とする移動テーブルの変位
   制御方法。
2. 【請求項２】Ｘ−Ｙ平面内で案内される移動テーブルを
   備え、駆動装置によって該移動テーブルを駆動すること
   により、該移動テーブルに載置される部材をＸ−Ｙ平面
   内で変位可能なＸ−Ｙステージ装置における、該移動テ
   ーブルの変位制御方法において、 前記移動テーブルを、弾性変形作用を伴うＸ−Ｙガイド
   機構によってＸ−Ｙ平面内で案内すると共に、 該移動テーブルがＸ方向及びＹ方向に移動する際のＸ方
   向の固有振動数とＹ方向の固有振動数とを一致させ、更
   に前記駆動装置によって、一致された該固有振動数の値
   Ｔに対して前記運動周波数ｆが９０＜ｆ＜１１０（Ｈ
   ｚ）且つ０．５Ｔ＜ｆ＜１．５Ｔとなるように前記移動
   テーブルを円軌跡運動させることを特徴とする移動テー
   ブルの変位制御方法。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、 前記駆動装置が、自身の固定部又は可動部の一方が前記
   移動テーブルに配置される駆動用リニアモータとされて
   おり、該駆動用リニアモータによって非接触状態で前記
   移動テーブルを円軌跡運動させることを特徴とする移動
   テーブルの変位制御方法。
4. 【請求項４】Ｘ−Ｙステージ装置における、Ｘ−Ｙ平面
   内で移動可能な移動テーブルに載置される部材に対して
   加工穴を形成する部材加工方法において、 前記移動テーブルを、請求項１、２又は３のいずれかに
   記載の変位制御方法によって円軌跡運動させ、放電加工
   によって、該移動テーブルに載置される部材に該円軌跡
   と同等以上の大きさの加工穴を形成することを特徴とす
   る部材加工方法。
5. 【請求項５】固定テーブルに対してＸ−Ｙガイド機構を
   介してＸ−Ｙ平面内で移動可能な移動テーブルを備え、
   駆動装置によって該移動テーブルを駆動することで、該
   移動テーブルに載置される部材をＸ−Ｙ平面内で位置決
   め可能なＸ−Ｙステージ装置において、 前記Ｘ−Ｙガイド機構が弾性部材を備えることで、該弾
   性部材がＸ−Ｙ平面内で案内される前記移動テーブルに
   対して復元力を付与するように構成し、更に該移動テー
   ブルがＸ方向及びＹ方向に移動する際のＸ方向の固有振
   動数とＹ方向の固有振動数とを一致させるようにしたこ
   とを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。
6. 【請求項６】請求項５において、 前記Ｘ−Ｙガイド機構が、 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複数の第１弾性ヒ
   ンジと、 Ｙ方向に対してのみ柔で、Ｘ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Ｘ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
   方向における相対変位のみを許容する複数の第２弾性ヒ
   ンジと、 前記移動テーブルに対して固定可能とされる移動ベー
   ス、前記固定テーブルに対して固定可能とされると共
   に、前記移動ベースと同一のＸ−Ｙ平面を含むように配
   置される固定ベース、及び該固定ベース及び移動ベース
   との間において前記同一のＸ−Ｙ平面を含むように配設
   される中間ベースと、を備えると共に、 前記移動ベースが固定ベースに対して前記Ｘ−Ｙ平面内
   において微少変位可能で且つＺ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、該固定ベース、中間
   ベース、及び移動ベースが、前記第１，第２弾性ヒンジ
   の組み合わせによって連結されたことを特徴とするＸ−
   Ｙステージ装置。
7. 【請求項７】請求項５又は６において、前記駆動装置と
   して、 前記固定テーブル及び前記移動テーブルに自身の固定部
   及び可動部が配置され、前記移動テーブルを固定テーブ
   ルに対してＸ方向に相対移動させることが可能なＸ方向
   駆動用のリニアモータと、 前記固定テーブル及び前記移動テーブルに自身の固定部
   及び可動部が配置され、前記移動テーブルを固定テーブ
   ルに対してＹ方向に相対移動させることが可能なＹ方向
   駆動用のリニアモータと、を備えることを特徴とするＸ
   −Ｙステージ装置。
8. 【請求項８】請求項７において、 Ｘ方向及びＹ方向に一致されている前記固有振動数の値
   をＴ、 前記Ｘ方向及びＹ方向駆動用リニアモータが前記移動テ
   ーブルを円軌跡運動させる場合の周波数をｆ、とした場
   合に、 √（Ｔ²−７５００）＜ｆ＜√（Ｔ²＋７５００） の関係が成立するように設定されていることを特徴とす
   るＸ−Ｙステージ装置。
9. 【請求項９】Ｘ−Ｙ平面内で案内される移動テーブルを
   備え、駆動装置によって該移動テーブルを駆動すること
   により、該移動テーブルに載置される部材をＸ−Ｙ平面
   内で変位可能なＸ−Ｙステージ装置の製造方法におい
   て、 前記移動テーブルが弾性変形作用を伴うＸ−Ｙガイド機
   構によって案内される構成とすると共に、該移動テーブ
   ルがＸ方向及びＹ方向に移動する際のＸ方向の固有振動
   数とＹ方向の固有振動数とを一致させ、更に、 前記駆動装置によって前記移動テーブルを円軌跡運動さ
   せる際の目標となる運動周波数ｆに対して、一致された
   前記固有振動数の値Ｔを、√（Ｔ²−７５００）＜Ｔ＜
   √（Ｔ²＋７５００）の範囲内に設定することを特徴と
   するＸ−Ｙステージ装置の製造方法。