JP2002022867A - Ｘ−ｙステージ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 弾性ヒンジのみで可動テーブルをＸ軸−Ｙ軸
方向に高精度に案内し、且つ、弾性ヒンジの剛性を強化
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。 【解決手段】 ベース（固定基台）１に対し、曲げ変形
可能な方向をＸ軸方向に設定した第１弾性ヒンジ５を介
して、中間フレーム２をＸ軸方向に変位可能に連結し、
該中間フレーム２に対し、曲げ変形可能な方向をＹ方向
に設定した第２弾性ヒンジ６を介して、外枠フレーム
（可動テーブル）３をＹ方向に変位可能に連結する。外
枠フレーム３のＸ軸−Ｙ平面内における互いに離間した
少なくとも３点に、曲げ方向に柔で軸線方向に剛なる特
性を有した棒材２０を、自身の軸線方向をＺ軸方向に向
けて配置し、該棒材（棒状部材）２０の一端をベース１
に固定すると共に他端を外枠フレーム３に固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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９０
２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９
０６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。

【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ると共に、特に移動テーブル
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、をそれ
ぞれ複数備え、微少変位させようとする前記可動テーブ
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、前
記可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、及び可動テーブルを、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、且つ、
曲げ方向に柔で軸線方向に剛なる特性を有した棒状部材
を、自身の軸線方向をＺ軸方向に向けて配置し、該棒状
部材の一端を前記固定ベースに固定すると共に、他端を
前記可動テーブルに固定したことを特徴とする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移
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θ
ｙ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。移動テーブルの、Ｘ軸周りθ
ｘ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】本発明は、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べく、自身の軸線
方向をＺ軸方向に向けた棒状部材によって移動テーブル
を（補助的に）支持するようにしている。この結果、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θ
ｘ、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θ
ｘ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。しかしながら、請求項２の発明のように、該仮想多
角形の重心が移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。例えば、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可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、該中間部材と可
動テーブルとのＹ軸方向の相対変位が許容される構成を
採用することができる（請求項３）。

【００２５】この構成は、構造が単純であるため設計が
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。更
に、このようにリング状に構成することで中間部材の剛
性も増大し、該中間部材の弾性変形が抑制されて位置決
め精度が向上する。

【００２６】なお、この構成の場合、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軸方向に一対配置され、且つ該一
対の第１弾性ヒンジの間隔が、該第１弾性ヒンジによっ
て相互に連結される固定ベース及び中間部材のＸ軸方向
に沿った長さとの関係で取り得る最大値に設定されると
共に、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
向に一対配置され、該一対の第２弾性ヒンジの間隔が、
該第２弾性ヒンジによって相互に連結される中間部材及
び可動テーブルのＹ軸方向に沿った辺の長さとの関係で
取り得る最大値に設定されるようにすると一層良い（請
求項４）。それは、このように一対の弾性ヒンジの間隔
を最大限にとりようにすると、特にＺ軸周りの回転誤差
が発生するのを効果的に防止することができるようにな
るためである。

【００２７】もっとも、中間部材及び第１、第２弾性ヒ
ンジの具体的構成については、本発明では特に上記構成
のみに限定されない。

【００２８】中間部材については、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ることによって、可動テーブルの固
定基台に対するＸ軸−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に
よって、可動テーブルの固定基台に対するＸ軸−Ｙ軸方
向の変位が許容される構成としたたことを特徴とするＸ
−Ｙステージの可動テーブルの支持構造が採用できる
（請求項５）。

【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（請求項
６）。

【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、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、本実施形態では、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実施形態では、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実施形態）は、ベース１
０１、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実施
形態と同様である。従って、同一又は類似の機能を有す
る部分に上記第１実施形態と下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３実施形態
について説明する。

【００６２】この第３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３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、２０２
Ｂの前記Ｌ字形のＹ軸方向に沿った一辺２０２Ａｙ、２
０２Ｂｙ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２０２
Ｃ、２０２ＤのＬ字形のＹ軸方向に沿った一辺２０２Ｃ
ｙ、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３実施形態では第１中間部材２０２
Ａ、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２０
５、２０６を含め、各ヒンジアッセンブリＨＡ１〜ＨＡ
４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３実施形態のその他の構成は、基本
的に先の第１実施形態と同様であり、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３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２０２
Ｃ、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、２０
２Ｂ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２０２
Ｃ、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２
０２Ａ〜２０２Ｄ及び第１、第２弾性ヒンジ２０５、２
０６（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、２０
６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４実施形態を示す。

【００７６】この第４実施形態は、基本的な構成は先の
第３実施形態と同様であり、第１中間部材３０２Ａ、３
０２Ｂ、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３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４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３
０２Ａ〜３０２Ｄのそれぞれの所定の一点Ｐ１及びＰ
２、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Ｌ
３、Ｌ４だけずらされ、結果として各連結位置Ｐ１とＰ
２、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４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Ｐ
８に隣接して連結されているため、各弾性ヒンジ３０
５，３０６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３０
２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、２２
０、３２０（棒状部材）により外枠フレーム３、１０
３、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、２０
３、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
だけで、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。又、対で配置した弾性ヒンジの間隔を
最大限に広げるようにすることにより、Ｚ軸周りの剛性
強化も図ることもできる。

【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実施形態に係るＸ−Ｙステージ装
置を示す平面図

【図６】本発明の第３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４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

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 冨田 良幸 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 CA08 CB09 CB12 CB14 CC04 3C048 BB12 CC20 5F031 KA06 PA30

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【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、をそれぞれ複数備え、 微少変位させようとする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、 前記可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、及び可動テーブルを、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、且
   つ、 曲げ方向に柔で軸線方向に剛なる特性を有した棒状部材
   を、自身の軸線方向をＺ軸方向に向けて配置し、該棒状
   部材の一端を前記固定ベースに固定すると共に、他端を
   前記可動テーブルに固定したことを特徴とするＸ−Ｙス
   テージ装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記Ｚ軸方向の棒状部材が、仮想多角形の各頂点位置に
   位置するようにして複数本設置されており、該仮想多角
   形の重心が前記移動テーブルの重心と一致していること
   を特徴とするＸ−Ｙステージ装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２において前記中間部材が、
   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可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、該中間部材と可動テーブル
   とのＹ軸方向の相対変位が許容される構成としたことを
   特徴とするＸ−Ｙステージ装置。
4. 【請求項４】請求項３において、 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軸方向に一対配
   置され、且つ該一対の第１弾性ヒンジの間隔が、該第１
   弾性ヒンジによって相互に連結される固定ベース及び中
   間部材のＸ軸方向に沿った長さとの関係で取り得る最大
   値に設定されると共に、 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軸方向に一
   対配置され、該一対の第２弾性ヒンジの間隔が、該第２
   弾性ヒンジによって相互に連結される中間部材及び可動
   テーブルのＹ軸方向に沿った辺の長さとの関係で取り得
   る最大値に設定されたことを特徴とするＸ−Ｙステージ
   装置。
5. 【請求項５】請求項１又は２において、 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ることによっ
   て、可動テーブルの固定基台に対するＸ軸−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によっ
   て、可動テーブルの固定基台に対するＸ軸−Ｙ軸方向の
   変位が許容される構成としたことを特徴とするＸ−Ｙス
   テージの可動テーブルの支持構造。
6. 【請求項６】請求項５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。