JP3817120B2 - Displacement control method for moving table, member processing method, XY stage device, and method for manufacturing the XY stage device - Google Patents

Displacement control method for moving table, member processing method, XY stage device, and method for manufacturing the XY stage device Download PDF

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Description

【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、Ｙ軸案内機構９０６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９０７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９０７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。
【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、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９０６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、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ干渉し合うことなく独立して移動・復元可能な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ＯＮ・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、前記移動テーブルをＸ方向及びＹ方向にそれぞれ干渉し合うことなく独立して移動・復元可能な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Ｘ方向、Ｙ方向に相互に干渉しない復元力を付与可能に構成し、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、√（Ｔ2−７５００）＜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＋７５００）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、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。
【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、５６と連結される以外は、固定ベース１Ｂと移動ベース２Ｂ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５４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。
【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２Ａ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、固定テーブル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ｐｘ，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４Ａ、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８０Ｈｚ＜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＜１１０Ｈｚ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、ｋｘ＝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。
【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５８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、９２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Ｆｘ、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】

Figure 0003817120
【０１００】
これは、既に示したように各方向の剛性ｋｘ、ｋｙは、ｋｘ＝Ｍｘ（２πＴ）2、ｋｙ＝Ｍｙ（２πＴ）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】
Figure 0003817120
【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９０、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・ｓｉｎ（２πｆｔ）
Ｆｍｙ＝−Ｍｘ｛（２πＴ）2−（２πｆ）2｝・ｒ・ｃｏｓ（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Ｍｘ、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３８２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３８２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、３０７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３１５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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an XY stage apparatus including a moving table guided in an XY plane and capable of displacing a member placed on the moving table in the XY plane. The present invention relates to an XY stage apparatus, a displacement control method for a moving table, and a member processing method using the displacement control method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this type of XY stage apparatus has been widely used in many industrial fields such as electronic component mounting apparatuses (chip mounters), machine tools, and control systems for optical systems (lenses, mirrors, etc.).
[0003]
FIG. 14 shows a conventional XY stage apparatus 900. This XY stage apparatus 900 is obtained by mounting a Y-axis guide mechanism 906 having a movable table 907 on an X-axis table (not shown) in the X-axis guide mechanism 903. The X-axis guide mechanism 903 holds the Y-axis guide mechanism 906 and linearly guides in the X-axis direction, and an X-axis ball screw 902 arranged in parallel with the X-axis guide rail 908. And an X-axis servo motor 901 that rotationally drives the X-axis ball screw 902. By appropriately controlling the X-axis servo motor 901, the entire Y-axis guide mechanism 906 is moved and positioned in the X direction. The Y-axis guide mechanism 906 holds the movable table 907 and linearly guides in the Y-axis direction, a Y-axis guide rail 909 arranged in parallel with the Y-axis guide rail 909, And a Y-axis servo motor 904 that rotationally drives the axial ball screw 905. By appropriately controlling the Y-axis servo motor 904, the movable table 907 moves and positions in the Y direction on the Y-axis guide mechanism 906. Is done. Therefore, if the X-axis and Y-axis servomotors 901 and 904 are controlled, the movable table 907 is positioned at arbitrary positions in the X direction and the Y direction.
[0004]
In other words, in the XY stage apparatus 900, the X axis and Y axis guide rails 908 and 909 in the X axis and Y axis guide mechanisms 903 and 906 guide the movable table 907 in the XY plane. It can be said that the X-axis and Y-axis ball screws 902 and 905 and the X-axis and Y-axis servomotors 901 and 904 function as a driving device.
[0005]
For the control method of the X-axis and Y-axis servo motors 901 and 904, for example, the movement amount of the movable table 907 is predicted from the rotation amount of the X-axis and Y-axis ball screws 902 and 905 measured by the encoder, and the predicted value is A semi-closed loop control method for controlling the X-axis and Y-axis servo motors 901 and 904, and the movement amount of the movable table 907 are directly measured by a linear gauge or the like, and the X-axis and Y-axis servo motors 901 and 904 are measured from the measured values. There is a fully closed loop control system that performs feedback control.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, the field of use of such an XY stage apparatus 900 has been extremely diverse. In addition to simple “static positioning” in which a member is stopped at a predetermined position as in the past, the member is periodically moved. Opportunities are being used for the purpose of “dynamic positioning” such as In particular, with the advancement and complexity of technology in recent years, there is a strong demand to move a member so as to draw a circular locus (including an ellipse) “fast” and “precision”. Note that high-speed circular locus motion is almost similar to “vibration”.
[0007]
However, when trying to achieve a high-speed circular locus motion, the drive system using the shaft mechanism such as each ball screw 902, 905 increases the drive side that is increased at the time of forward / reverse switching, sudden acceleration / deceleration, etc. The vibration acts as a disturbance on the high-speed circular locus motion (close to the vibration), and eventually there is a certain limit to increase the control speed. Also, when the movable table 907 is to be moved so as to draw a stable (constant) circular locus, the semi-closed loop control method does not take into account the bending or backlash of the ball screws 902 and 905, so the movement locus is It fluctuated and the error (deviation from the target trajectory) increased.
[0008]
In addition, the full closed loop control method makes it possible to draw a circular locus more precisely. However, when the control speed increases, the vibrations of the ball screws 902 and 905 are transmitted to the movable table 907 as described above. The position measurement signal of the movable table 907 became unstable. As a result, there is a problem that the responsiveness of the feedback control cannot be improved because the signal becomes unstable, and the moving table 907 is accurately set to the target positions of the X axis and the Y axis that change every moment. In order to follow, there has been a problem that extremely high acceleration performance and damping performance are required on the drive mechanism side.
[0009]
These facts mean that it is practically difficult for the conventional support structure of the movable table 907 to draw a high-speed and precise circular locus (including an ellipse) on the movable table 907.
[0010]
Further, since the XY stage apparatus 900 has a two-stage stacked structure in which the Y-axis guide mechanism 906 is installed on the X-axis guide mechanism 903, the center of gravity becomes high and the overturning moment is caused by its own weight. As a result, there is a tendency that the movable table 7 is shaken during the circular locus motion control and the error increases. In the case of such a two-stage stacked structure, all of the Y-axis guide mechanism 906 becomes a moving load (inertial load) for the X-axis guide mechanism 903 located at the lowermost stage. Since the moving load is only the movable table 907, a large difference occurs in the responsiveness between the control in the X direction and the control in the Y direction, and there is a problem that the circular locus motion is likely to be displaced.
[0011]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and is mainly intended to enable a moving table in an XY stage apparatus to move by drawing a circular locus in an XY plane at high speed and with high accuracy. With a purpose.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The first invention includes a moving table guided in the XY plane, and the member placed on the moving table can be displaced in the XY plane by driving the moving table by a driving device. In the displacement control method of the moving table in an XY stage apparatus, the moving table is Can move and restore independently without interfering with each other in the X and Y directions While guiding in the XY plane by an XY guide mechanism with an elastic deformation action, the natural frequency in the X direction and the natural frequency in the Y direction when the moving table moves in the X direction and the Y direction are obtained. Further, the movement frequency f is set to √ (T 2 −7500) <f <√ (T 2 The above object is achieved by moving the moving table in a circular locus so that +7500).
[0013]
Since every member is elastically deformed, there is a natural frequency unique to that member. Although it is considered that the XY guide mechanism also has a natural frequency due to such an elastic deformation action, in general, the natural frequency becomes an unstable element that induces resonance and the like. It is thought to adversely affect control.
[0014]
Therefore, it is common knowledge to design the target frequency on the control side so that the natural frequency on the device side (controlled side) does not match. The natural frequency of the moving table itself was set to be significantly increased with respect to the frequency. If a guide mechanism that involves elastic deformation of an elastic member is employed, the natural frequency is generally set to be significantly small so as not to affect the movement.
[0015]
However, the present inventor has paid attention to the positive use of resonance near the natural frequency, contrary to such a general idea. Specifically, an XY guide mechanism “with elastic deformation of the elastic member” is employed, the natural frequencies in the X direction and the Y direction are matched, and a predetermined range (√ (T 2 −7500) <f <√ (T 2 The moving table is driven by the driving device at a motion frequency of +7500)). Note that this motion frequency is substantially synonymous with the rotational speed of a circle (including an ellipse) motion.
[0016]
When driven in this way, the moving table moves in the predetermined range close to its own natural frequency, so that the driving force on the driving device side and the restoring force of the elastic member are combined in the same direction. As a result, since the driving force required for the driving device is reduced by the amount of the driving force supplemented by the restoring force, the energy consumption on the driving device can be drastically reduced. This also prevents heat generation and the like on the drive device side, reduces thermal expansion on the drive mechanism and the moving table side, and improves positioning accuracy. The predetermined range is more preferably √ (T 2 −5000) <f <√ (T 2 +5000).
[0017]
In addition, since the natural frequencies coincide with each other in the X direction and the Y direction, the moving table can perform a motion (vibration) depicting an accurate circular orbit (including both a perfect circle and an ellipse).
[0018]
More specifically, conventionally, when the moving table is moved in a circular locus, it is driven so as to draw a circle only by the forcing force of the driving device. Even so, in the first place, there was no idea that the natural frequency was used, and the natural frequency in the X direction and the Y direction was different, so “swell” occurred in the trajectory, I couldn't get a stable motion track.
[0019]
However, since the natural frequencies are matched in the present invention, once the circular trajectory is drawn on the moving table by the driving device, the subsequent moving table vibrates so as to maintain the trajectory “self”. Therefore, even if complicated (or compulsory) control is not performed so as to draw a circle in the XY plane from time to time, it is always stable by controlling the displacement of the movement trajectory of the moving table to such an extent that it can be corrected. It is possible to move with an extremely stable trajectory at a specified frequency.
[0020]
For example, since the moving table basically moves in a self-drawn circle, a certain degree of positioning accuracy can be obtained even if it is intermittently driven by the driving device, and the responsiveness of the driving mechanism is set too high. There is no need.
[0021]
Note that the case where the natural frequencies are “matched” is not limited to the case where they are completely matched. Some deviation is unavoidable for reasons of design and production. In short, it is sufficient that the circular trajectory can stably move. For example, for one natural frequency, the other is It may be set within the range of 10% before and after that. Desirably, it is within the range of 5% before and after.
[0022]
The natural frequency of the moving table means the frequency when the energized state (or engaged state) on the drive device side is ignored (released). For example, when the drive device is a ball screw, the ball screw is It means the natural frequency when the motor to be driven is opened. For example, when the driving device is a non-contact type linear motor, it means the natural frequency when the urging force (thrust) is released. Yes.
[0023]
Under the same idea as the first invention, when the motion frequency f is in the range of 90 <f <110 Hz, the approximate relationship 0.5T <f <1.5T is satisfied. The moving table may be moved in a circular locus (this second invention), and more preferably, 0.8 <f <1.2T is satisfied. In that case, the natural frequency T may be set as appropriate so that it can be driven at a motion frequency f of 100 Hz.
[0024]
By the way, in the first and second inventions, the drive device is a drive linear motor in which one of its fixed part or movable part is arranged on the moving table, and is not contacted by the drive linear motor. The moving table is preferably moved in a circular locus in a state.
[0025]
If a non-contact linear motor is used as the driving device in this way, the moving table does not have any external influence when its own thrust is zero, that is, when the current is OFF. In this case, the moving table vibrates freely. It becomes like this. For example, when driven by a ball screw or the like, it is necessary to follow the free vibration of the moving table even if it does not need to generate a driving force because it needs to be connected to the moving table. However, wasteful energy is consumed (although very little energy consumption is required). However, according to the linear motor, it is possible to drive intermittently depending on ON / OFF of its own thrust, the magnitude of the thrust, and the like, so that the power consumption can be greatly reduced.
[0026]
Furthermore, the linear motor has a feature that its own vibration is extremely small. For example, when the moving table is moved at a high frequency by driving a ball screw or the like, vibration on the driving side is easily transmitted to the moving table and acts as a disturbance, but such a problem hardly occurs in the linear motor.
[0027]
The displacement control method described above can be used in all industrial fields, but can also be applied to, for example, processing a member placed on a moving table. Specifically, in a member processing method for forming a processing hole in a member placed on a moving table movable in an XY plane in an XY stage apparatus, the moving table is the first table. Then, the circular trajectory is moved by the displacement control method of the second invention, and a machining hole having a size equal to or larger than the circular trajectory is formed in the member placed on the moving table by electric discharge machining. 3 invention).
[0028]
By doing so, the member side moves while drawing a stable circular locus, so that a hole having a size along the circular locus is formed in the member while the machining electrode of the electric discharge machining apparatus is stationary. Accordingly, if the circular locus is a perfect circle, a perfect hole is processed, and if the circular locus is an ellipse, an elliptical hole is processed. In addition, a hole is not limited to what penetrates, The concave hole processed halfway may be sufficient.
[0029]
If this XY stage apparatus itself is installed in another XY mechanism and the entire XY stage apparatus is moved so as to draw a predetermined trajectory (this is not limited to a circle), a member can be obtained. In addition, a groove along the trajectory (which can be said to be a movement trajectory of the “hole”) can be formed. Of course, in this case, the width of the groove can be changed by changing the size of the circular locus.
[0030]
The displacement control method and member processing method described above are realized by an XY stage apparatus as shown below.
[0031]
In other words, the fourth invention capable of solving the above-described problem includes a moving table that can move in a XY plane via an XY guide mechanism with respect to a fixed table, and the moving table is driven by a driving device. Thus, in the XY stage apparatus capable of positioning the member placed on the moving table in the XY plane, the XY guide mechanism is The moving table can be moved and restored independently without interfering with each other in the X and Y directions. By providing the elastic member, the elastic member is mutually guided in the X direction and the Y direction with respect to the moving table guided in the XY plane. Do not interfere Provides resilience Possible And an X-Y stage apparatus characterized in that the natural frequency in the X direction and the natural frequency in the Y direction coincide with each other when the moving table moves in the X direction and the Y direction. is there.
[0032]
In particular, the XY guide mechanism including an elastic member is flexible only in the X direction, has rigidity in the Y direction and the Z direction, and extends along the Y direction in the XY plane. A plurality of first elastic hinges that allow only relative displacement in the X direction between members connected to both ends of the members, and flexible only in the Y direction, with respect to the X direction and the Z direction A plurality of second elastic hinges having a rigid characteristic and arranged only along the X direction in the XY plane so as to allow only relative displacement in the Y direction between members connected to both ends thereof A movable base that can be fixed to the movable table, a fixed base that can be fixed to the fixed table, and is arranged to include the same XY plane as the movable base, and Between the fixed base and the moving base And an intermediate base disposed so as to include the same XY plane, and the movable base is slightly displaceable in the XY plane with respect to the fixed base, and the Z direction is predetermined. It is preferable that the fixed base, the intermediate base, and the moving base are connected by a combination of the first and second elastic hinges so as to be held in the position.
[0033]
This XY guide mechanism employs a configuration including an “elastic hinge” as an elastic member.
[0034]
The basic structure of the elastic hinge itself is known, and generally has a characteristic that it is flexible only in one specific direction and is rigid in the other direction, and the relative displacement in the flexible direction between the members connected to both ends of the elastic hinge. It has a function to allow only. Therefore, for example, it is flexible only in the X direction and rigid in the Y direction and the Z direction, and is arranged along the Y direction in the XY plane so that both ends thereof When considering the first elastic hinge that allows only relative displacement in the X direction between the members connected to each other, the movable member can be moved relative to the fixed member in the X direction by elastic deformation of the first elastic hinge. I can do it. On the other hand, the first elastic hinge hardly allows relative movement in the Y direction. That is, the movable member can be “guided” in the X direction.
[0035]
Exactly in the same way, it is flexible only in the Y direction and rigid in the X and Z directions. By being arranged along the X direction in the XY plane, When considering a second elastic hinge that allows only relative displacement in the Y direction between the connected members (the specific structure can be the same as that of the first elastic hinge, only the arrangement direction is different). The movable member can be “guided” in the Y direction by the elastic hinge.
[0036]
However, if the fixed base and the moving base are simply connected via the first and second elastic hinges, the individual “guide” functions interfere with each other, and smooth driving in the X and Y directions is prevented. In reality, it becomes very difficult, and naturally the natural frequencies in both directions cannot be matched. Therefore, the present inventor has devised a structure in which an “intermediate member” is interposed between the fixed base and the movable base, and has solved this problem.
[0037]
When an intermediate member is interposed between the fixed base and the movable base in the XY plane and the three members are connected via the first and second elastic hinges, the intermediate member becomes the first and second elastic hinges. Since the fixed state is maintained with respect to the rigid direction, the moving base can be “guided” and moved independently of the fixed base in both the X and Y directions. become. Therefore, if the XY guide mechanism having this structure is arranged between the fixed table and the movable table, the movable table is guided in the XY plane with respect to the fixed table.
[0038]
In this XY guide mechanism, rigidity (elastic coefficient) when the moving table moves in the X direction is mainly determined by the first elastic hinge side, and rigidity (elastic coefficient) when the moving table moves in the Y direction. Is mainly determined by the second elastic hinge. That is, since the stiffness in the X direction and the Y direction is independent, the stiffness setting in each direction can be easily performed, and the natural frequency in each direction can be easily set in relation thereto. That is, the natural frequencies in the X direction and the Y direction can be matched easily and with high accuracy.
[0039]
By the way, the natural frequency is greatly influenced by the mass of the vibrating part (movable part) in addition to the rigidity. Therefore, when the vibration partial mass in the X direction and the vibration partial mass in the Y direction are different, the rigidity in each direction must be set in consideration of the difference.
[0040]
Since the above XY guide mechanism has a structure that can greatly reduce the difference in mass of the movable part in each direction compared to the conventional case, the rigidity in each direction can be set (designed) independently. With this, the natural frequency in each direction can be matched with high accuracy. In addition, since there is essentially no backlash, slip, rolling, etc., extremely responsive and stable control is possible.
[0041]
Further, for example, when trying to guide a minute displacement by interposing a ball screw, a bearing or the like, there is a problem that the pressure acts on a local portion (specific portion) of the ball screw or the like to reduce the life. However, according to the guide mechanism using the elastic hinge, since rolling fatigue or the like does not occur structurally, it becomes possible to exhibit stable control characteristics over a long period of time, that is, a stable circular orbit guide function. The number and shape of the intermediate member and the first and second elastic hinges are not particularly limited. This may be appropriately arranged as necessary.
[0042]
In the above-described XY stage apparatus, it is preferable that the driving apparatus includes a linear motor for driving in the X direction and a linear motor for driving in the Y direction. When the value of the natural frequency matched with the direction and the Y direction is T, and the frequency when the X-direction and Y-direction driving linear motor moves the moving table in a circular path is f, √ ( T 2 −7500) <f <√ (T 2 It is preferable to set so that the relationship +7500) is established.
[0043]
Further, when manufacturing such an XY stage apparatus, generally, the target motion frequency f of the moving table suitable for the purpose of use is requested / set by the customer, and designed / manufactured accordingly. There are many things to do.
[0044]
In this case, the moving table is guided by an XY guide mechanism having an elastic deformation action (so that natural vibration occurs), and X when the moving table moves in the X direction and the Y direction is used. The natural frequency in the direction is matched with the natural frequency in the Y direction, and the natural frequency value matched with respect to the target motion frequency f when the moving table is caused to move in a circular path by the driving device. T, √ (f 2 −7500) <T <√ (f 2 It may be manufactured so as to be set within the range of +7500).
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, examples of embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0046]
1 and 2 show the overall configuration of an XY stage apparatus 15 according to an embodiment of the present invention. The XY stage device 15 includes a moving table 2 movable in the XY plane, and a member (not shown) installed on the moving table 2 can be positioned in the XY plane. It has become.
[0047]
The XY stage device 15 further includes a fixed table 1 arranged parallel to the moving table 2 (moving base 2A) with a predetermined gap S in the Z-axis direction, and the fixed table 1 and the moving table 2. And an XY guide mechanism 49 disposed between the two.
[0048]
The movable table 2 has an opening at the center thereof, a mounting table 82 fixed and arranged on the XY guide mechanism 49 with bolts, and a mounting plate 84 (covering the opening of the mounting table 82). 2 reference line). Accordingly, the mounting table 84 and the mounting table 82 constitute the moving table 2. The opening of the mounting table 82 secures a space for inserting and tightening bolts when the XY guide mechanism 49 is fixed to the fixed table 1.
[0049]
The fixed table 1 and the moving table 2 can be relatively moved in the X-axis direction, and the Y-axis direction driving linear motor 3 that can move the moving table 2 in the Y-axis direction. A linear motor 7 for driving in the X-axis direction is installed.
[0050]
Each of the linear motors 3 and 7 functions as a pair in which two drive units are arranged in series in their drive direction (thrust generation direction). For example, the X-axis direction driving linear motor 7 includes two driving units 7A and 7B disposed on both ends of the moving table 2 in the X-axis direction, and these driving units 7A and 7B are combined into a set X. Functions to generate axial thrust.
[0051]
Specifically, as shown in an enlarged view in FIG. 7, the drive unit 7A of the X-axis direction drive linear motor 7 (same for other linear motors) is fixed to the fixed table 1 side and functions as a stator. The unit 28 includes a coil 8A that is fixed (built in) on the mounting table 82 side and functions as a mover.
[0052]
The magnet unit 28 includes permanent magnets 21A to 21D arranged so that a magnetic field G is generated in the Z-axis direction with respect to the coil 8A, two yokes 20A and 20B that support the permanent magnets 21A to 21D, and the yoke 20A. And a holder 22 for holding 20B in a state where a predetermined interval is maintained, and the entire magnet unit 28 is fixed by fixing one yoke 20B to the fixed table 1. . On the other hand, the coil 8A is arranged so that a current flows in the Y-axis direction through the magnetic field G in the Z-axis direction (see FIG. 1). As a result, the coil 8A receives the propulsive force 32 in the X-axis direction. It is like that.
[0053]
In this embodiment, only the case where the magnet unit 28 functions as a stator and the coil 8A functions as a mover is shown. Of course, the magnet unit 28 is installed in the opposite direction, the magnet unit 28 is used as a mover, and the coil 8A is used as a stator. It may be made to function as. Further, the present invention is not limited to the case where a pair of drive units 7A and 7B are arranged, and a single drive unit may be used.
[0054]
Next, the XY guide mechanism 49 will be described in detail.
[0055]
As shown in an enlarged view in FIG. 3, the XY guide mechanism 49 is formed in a rectangular ring shape, and is connected to the moving table 2 by a bolt and to the fixed table 1 by a bolt. And a plate-like fixed base 1B arranged so as to include the same XY plane as that of the moving base 2B, and the same XY plane between the fixed base 1B and the moving base 2B. And an intermediate base 50 disposed between the two via an elastic hinge (details will be described later).
[0056]
The intermediate base 50 is composed of two X-axis direction extending portions 50A and 50A extending in the X-axis direction and two Y-axis direction extending portions 50B and 50B extending in the Y-axis direction. As a whole, it is configured in a substantially square ring shape in the XY plane. In addition, some X-axis direction or Y-axis direction extending portions 50A and 50B are partially bent to prevent interference with other equipment such as sensors.
[0057]
A first elastic hinge 54 that allows deformation in the X direction is disposed between the fixed base 1 </ b> B and the intermediate base 50. Specifically, the first elastic hinge 54 is disposed between “each” of the fixed base 1B and the two X-axis extending portions 50A, and one X-axis extending portion 50A and the fixed base 1B A total of four first elastic hinges 54 are arranged in parallel with each other with an interval LX1 between them. The same applies between the other X-axis direction extending portion 50A and the fixed base 1B.
[0058]
Between the intermediate base 50 and the moving base 2B (moving table 2), a second elastic hinge 56 that allows displacement in the Y direction is disposed. Specifically, the second elastic hinge 56 is disposed between “each” of the fixed base 1B and the two Y-axis extending portions 50A, that is, one Y-axis extending portion 50B and the fixed base. A total of four second elastic hinges 56 are arranged in parallel with each other at an interval LY1 between 1B and 1B. The same is true between the other Y-axis extending portion 50B and the fixed base 1B.
[0059]
Therefore, the XY guide mechanism 49 is nested, and has a structure close to line symmetry as a whole. Further, the intermediate base 50 is not in contact with the fixed base 1B and the movable base 2B except that the intermediate base 50 is connected to the elastic hinges 54 and 56.
[0060]
The first elastic hinge 54 that allows deformation in the X direction is flexible only in the X direction, has rigidity in the Y direction and the Z direction, and is arranged along the Y direction in the XY plane. By doing so, only relative displacement in the X direction between members connected to both ends of itself is allowed. Further, the second elastic hinge 56 that allows deformation in the Y direction is flexible only in the Y direction, has rigidity in the X direction and the Z direction, and extends along the X direction in the XY plane. Therefore, only relative displacement in the Y direction between members connected to both ends of the device is allowed.
[0061]
Next, the structure of the first elastic hinge 54 that allows movement in the X direction will be described. Although there are some differences in size and the like, the first elastic hinge and the second elastic hinge have almost the same structure except that the longitudinal direction is different in the X direction and the Y direction. Description of the structure and the like will be omitted.
[0062]
As shown in the perspective view of FIG. 5, the first elastic hinge 54 includes a bridge member 70 that connects between two members (the fixed base 1 </ b> B and the intermediate base 50). Notches 80 are formed at two locations on the outer peripheral surface of the bridge member 70 that are spaced apart in the length direction, and a thinned portion 90 that is easily elastically bent and deformed is formed from the notches 80. By this bending deformation of the thinned portion 90, the relative displacement between the two members can be allowed.
[0063]
In this case, the notch 80 has two external faces facing the direction in which the bridge member 70 having a square cross section is bent and deformed (X direction in the case of the first elastic hinge 54, Y direction in the case of the second elastic hinge 56). On the side, it is formed in a symmetric semi-circle. This is because local thinning is attempted (that is, the thinning portion 90 is created), and the minimum cross-sectional area portion can be easily bent and deformed.
[0064]
FIG. 6 shows the cross-sectional shape of the minimum cross-sectional area portion of the first elastic hinge 54.
[0065]
The cross section S of the minimum cross-sectional area portion is a rectangular cross section in which the horizontal direction (X direction) dimension b is shortened with respect to the vertical direction (Z direction) dimension a corresponding to the thickness of the bridge member 70. As a result, the thinned portion 90 has a characteristic of being easily bent in the horizontal direction (X direction), although it hardly bends in the vertical direction (Z direction). Moreover, since the longitudinal direction (Y direction) of the bridge member 70 acts as a tension bar, movement in the Y direction between the two members is not allowed.
[0066]
Next, the interaction of the first elastic hinge 54, the fixed base 1B, and the intermediate base 50 will be described.
[0067]
The pair of first elastic hinges 54, 54 are fixedly supported at both ends by the fixed base 1 </ b> B and the intermediate base 50, as shown in an enlarged view in FIG. As shown in FIG. 4B, when the intermediate base 50 moves in the X-axis direction (downward in the figure) with respect to the fixed base 1B, the respective thinned portions on both ends of the first elastic hinge 54 Since 90 is elastically deformed in preference to other parts, it is possible to follow the relative movement. As a result, the intermediate base 50 is linearly guided in the X-axis direction by the first elastic hinge 54.
[0068]
Although not particularly shown, the second elastic hinge 56 has a substantially similar structure. Accordingly, the second elastic hinge 56 guides the moving base 2 </ b> A in the Y-axis direction with respect to the intermediate base 50.
[0069]
In any case, the first and second elastic hinges 54 and 56 function as “rigid bodies” in the Z direction (direction perpendicular to the XY plane). Accordingly, the intermediate base 50 is supported on the fixed base 1B in a cantilever state via the first elastic hinge 54, and the movable base 2B is supported on the intermediate base 50 in a cantilever state via the second elastic hinge 56. Therefore, the moving base 2B is held in the XY plane without any support means in the Z direction.
[0070]
As a result, in the XY guide mechanism 49 described above, the intermediate base 50 is supported by the first elastic hinge 54 so as to be displaceable in the X-axis direction with respect to the fixed base 1B, and the moving base 2B is Since the second elastic hinge 56 is supported so as to be displaceable in the Y-axis direction with respect to the intermediate base 50, as a whole, the moving base 2B is both in the X-axis direction and the Y-axis direction with respect to the fixed base 1B. Can be displaced independently of each other (without interfering with each other). That is, it has a guide function in the X axis direction and the Y axis direction.
[0071]
From the above, if the XY guide mechanism 49 is installed so that the fixed base 1B is fixed to the fixed table 1 and the movable base 2B is fixed to the movable table 2, the movable table 2 is fixed to the fixed table. It becomes “guided” linearly in both directions of the X-axis direction and the Y-axis direction, and a very stable guide characteristic with essentially no backlash, slip, rolling, etc. is obtained.
[0072]
An X-axis measurement reference surface 23 and a Y-axis measurement reference surface 24 are formed on the inner peripheral side of the ring-shaped moving base 2B, and are fixed so as to face the reference surfaces 23 and 24. An X-axis displacement sensor 14 and a Y-axis displacement sensor 15 are installed on the table 1 side. These displacement sensors 14 and 15 measure the X-axis direction displacement amount and the Y-axis direction displacement amount of the moving table 2 with respect to the fixed table 1.
[0073]
Next, the natural frequency of the XY stage apparatus 15 will be described.
[0074]
As already described in detail, the XY guide mechanism 49 for guiding the moving table 2 includes first and second elastic hinges 54 and 56 that are elastic members. Accordingly, when the moving table 2 is displaced from the neutral position, the elastic hinges 54 and 56 (XY guide mechanism 49) urge the moving table 2 with the restoring force Fsx in the X direction and the restoring force Fsy in the Y direction. It is supposed to be. As a result, the moving table 2 has inherent frequencies px and py in the X direction and the Y direction, respectively, with the thrust of each of the drive linear motors 3 and 7 being ignored.
[0075]
The natural frequencies px and py in each direction are obtained as follows.
[0076]
Since the restoring forces Fsx and Fsy change in proportion to the displacement amounts x and y of the moving table 2, values (Fsx / x and Fsy / y) obtained by dividing the restoring force by the displacements x and y are X direction. And stiffness (elastic coefficient) kx, ky in the Y direction.
[0077]
From the rigidity kx, ky in each direction, the movable part mass Mx when the moving table 2 moves in the X direction, and the movable part mass My when moved in the Y direction, the natural frequencies px, py are expressed by the following equations. Sought by.
[0078]
px = (1 / 2π) · √ (kx / Mx) {Hz}
py = (1 / 2π) · √ (ky / My) {Hz}
[0079]
By the way, the movable part mass My in the Y direction is the sum of the masses of the moving table 2 (including the built-in coils 4A, 4B, 8A, and 8B) and the moving base 2B. Further, the movable part mass Mx in the X direction is obtained by adding the total mass of the second elastic hinges 56 and the intermediate base 50 to the movable part mass My in the Y direction. This is because, as shown in FIG. 3, when the moving base 2B moves in the X direction, the second elastic hinge 56 and the intermediate base 50 also move together. In addition, when the member mass mounted in the movement table 2 is already known, you may add the mass to each movable part mass Mx and My.
[0080]
Although the movable part mass Mx in the X direction and the movable part mass My in the Y direction have different values (Mx> My), in the XY stage apparatus 15, the dimensions of the first and second elastic hinges 54 and 56 are appropriately set. By setting the stiffness kx and ky in each direction (specifically, kx> ky), the natural frequency px in the X direction and the natural frequency py in the Y direction in the above formula are matched. Is set to In this way, since the vibration periods in the X direction and the Y direction coincide with each other, a constant trajectory is always drawn when the moving table 2 vibrates freely (ignoring attenuation).
[0081]
Note that “perfectly” matching is not realistic in design, and in this embodiment, if py falls within the range of 0.9 px <py <1.1 px with respect to px, it is included in the concept of matching. To do.
[0082]
Further, in the XY stage apparatus 15, T: the natural frequency values (= px, py) {Hz} matched in the X direction and the Y direction, f: the linear motor 3 for driving in the X direction and the Y direction. , 7 is the frequency {Hz} for moving the moving table 2 in a circular locus, √ (T 2 −7500) <f <√ (T 2 +7500) (more preferably √ (T 2 −5000) <f <√ (T 2 +5000)) is established. Note that the frequency f of the circular locus motion is synonymous with the number of motion rotations per unit time.
[0083]
Specifically, in this embodiment, the natural frequency T is set to 120 Hz, and the frequency f when the moving table 2 is moved in a circular path by the linear motors 3 and 7 is set to 100 Hz. Preferably, the natural frequency T is set to 80 Hz <T <120 Hz, and the motion frequency f may be set within the above range with respect to the value T.
[0084]
In particular, when the frequency f is intended to be set within the range of 90 <f <110 Hz in this way, the frequency f and the natural frequency T are set so that the relationship of 0.5T <f <1.5T is satisfied. You only have to set it. More preferably, 0.8T <f <1.2T.
[0085]
When the rigidity kx, ky in each direction is expressed by the matched natural frequency T, kx = Mx (2πT) from the above equation. 2 Ky = My (2πT) 2 It becomes.
[0086]
The displacement control method of the moving table 2 in the XY stage apparatus 15 described above will be described with reference to FIG. 8 including the configuration of the control system and the like.
[0087]
As already described, the movement table 2 in the XY stage apparatus 15 includes a total of four coils 4A, 4B, 8A, and 8B. The coil pair 4A, 4B generates a propulsive force in the Y-axis direction, and the coil pair 8A, 8B generates a propulsive force in the X-axis direction, and each coil pair is controlled as a unit (set).
[0088]
The control system includes a subtractor 44 to which the detection value of the Y-axis displacement sensor 15 is input, and a subtractor 45 to which the detection value of the X-axis displacement sensor 14 is input. Various command values from the position command output means 58 are further input to the subtracters 44 and 45 to which the detected values are input. This position command output means 58 sets the X-axis direction position value of the moving table 2 and outputs it to the subtracter 45, and sets the Y-axis direction position and outputs it to the subtractor 44. The subtractor 44 calculates the deviation between the Y-axis direction command position and the detected value of the Y-axis displacement sensor 14 and outputs the result to the Y-axis position control compensator 47. The subtracter 45 calculates the deviation between the X-axis direction command position and the detected value of the X-axis displacement sensor 15 and outputs the result to the X-axis position control compensator 48.
[0089]
Each position control compensator 47, 48 calculates the operation amount of each linear motor from each input value. That is, the Y-axis position control compensator 47 outputs the Y-axis direction operation amount to the Y-axis direction drive linear motor 3. Similarly, the X-axis position control compensator 48 outputs an X-axis direction operation amount to the X-axis direction driving linear motor 7.
[0090]
Current amplifiers 54 and 56 are connected immediately before the coil pairs (4A, 4B) (8A, 8B), respectively. Therefore, based on the X-axis direction operation amount and the Y-axis direction operation amount, the current amplifiers 54 and 56 cause a predetermined current to flow through the coil pairs (4A, 4B) (8A, 8B). As a result, a desired thrust is generated in each of the coil pairs (4A, 4B) (8A, 8B), whereby the moving table 2 is moved in the XY direction.
[0091]
FIG. 9 shows a block diagram of a control system of the XY stage apparatus 15.
[0092]
rx and ry are target values for moving the moving table 2 in a perfect circular locus, and are output from the position command output means 58. Accordingly, when considering a case where a circular locus movement is desired under the condition of a true circular orbit having a radius r and a frequency f, the target values are rx = r · sin (2πft) and ry = r · cos (2πft). The displacement amount of the moving table 2 actually measured is x, y.
[0093]
The X-axis and Y-axis position control compensators 47 and 48 perform the position compensation calculation with the control characteristics Kx (s) and Ky (s) depending on the difference between the target values rx and ry and the actual measurement values x and y. The X-direction and Y-direction operation amounts output through the position control compensators 47 and 48 are the X-direction and Y-direction drive systems configured by the current amplifiers 54 and 56 and the drive linear motors 3 and 7 in the respective directions. 90 and 92. The current amplifier / motor coefficients in the X and Y directions in the drive systems 90 and 92 in each direction are both kthr, and the drive linear motors 3 and 7 pass a predetermined thrust through the drive systems 90 and 92. Fmx and Fmy are generated. On the other hand, the moving table 2 in the state where the predetermined displacement amounts x and y are already received the restoring forces Fsx and Fsy from the XY guide mechanism 49, and thus actually acts on the moving table 2. The external forces Fx and Fy are the resultant force.
[0094]
The restoring forces Fsx and Fsy are as follows from the rigidity kx and ky, as already described.
[0095]
Fsx = −kx · x
Fsy = −ky · y
[0096]
The acceleration of the moving table 2 by the external forces Fx and Fy becomes Fx / Mx and Fy / My from the movable part masses Mx and My in each direction. Since there is no friction in the moving table 2, these accelerations are second-order integrated to give displacements x and y. This relationship is expressed as follows using a Laplace transformer s.
[0097]
x = Fx / (Mx · s 2 )
y = Fy / (My · s 2 )
[0098]
By the way, when the frequency f of the target motion is set so as to coincide with the natural frequency T of the moving table 2, and the actual circular locus motion coincides with the target perfect circle radius r (that is, x = Considering the case of moving at r · sin (2πTt), y = r · cos (2πTt), the restoring forces Fsx and Fsy are as follows.
[0099]
Figure 0003817120
[0100]
As already shown, the rigidity kx, ky in each direction is kx = Mx (2πT) 2 Ky = My (2πT) 2 It is because it is expressed by.
[0101]
Of course, this restoring force is nothing but an external force required when the moving table 2 moves in a circular locus at a frequency T and a true circular orbit radius r. For this reason, the thrusts Fmx and Fmy generated (required) by the drive systems 90 and 92 are zero. That is, there is no need to “drive” at all.
[0102]
Next, consider a case where the target frequency f and the natural frequency T are different (f ≠ T). The restoring force when the moving table 2 moves in this period f is as follows.
[0103]
Figure 0003817120
[0104]
On the other hand, the “necessary” external forces Fx and Fy when the moving table 2 actually moves at the frequency f and the radius r of the perfect circular orbit are expressed as follows.
[0105]
Fx = −Mx (2πf) 2 ・ R · sin (2πft)
Fy = −Mx (2πf) 2 ・ R ・ cos (2πft)
[0106]
Therefore, the difference between the restoring forces Fsx and Fsy and the external forces Fx and Fy, that is, the amount that must be compensated by the thrust for the restoring forces Fsx and Fsy is the thrust Fmx and Fmy required for the drive systems 90 and 92. It is.
[0107]
In particular,
Fmx = −Mx {(2πT) 2 − (2πf) 2 } · R · sin (2πft)
Fmy = −Mx {(2πT) 2 − (2πf) 2 } · R · cos (2πft)
It becomes.
[0108]
Therefore, the closer the target frequency f and the natural frequency T are, the smaller the thrust required for the drive systems 90 and 92 is. This means that the power consumed by the drive linear motors 3 and 7 can be greatly reduced as compared with the conventional case. According to the analysis of the present inventor, it was found that the effective power changes as shown in FIG. 10 when the target frequency f is fixed to 100 Hz and the natural frequency T is changed.
[0109]
In addition, each set value at the time of analysis is the movable part mass Mx, My = 1.2 (kg), the coil resistance R = 18 (Ω) of each linear motor 3, 7, the perfect circle radius r = 50 (μm), The motor thrust constant k = 30 (N / A).
[0110]
As a result, the relationship between the target frequency f and the natural frequency T is -7500 <f 2 -T 2 In the range where <7500 or 0.5f <T <1.5f, the power consumption can be drastically reduced. More preferably, 0.8f <T <1.2f. Of course, T and f have an equal relationship, and the power consumption can be drastically reduced even in a range where 0.5T <f <1.5T in which these are replaced.
[0111]
As described above, as described above, first, the natural frequency T is set to a value within the range of 80 <T <120 {HZ}, and the target frequency is set so as to satisfy the above relationship with respect to the value T. It is preferable to set f.
[0112]
In the XY stage apparatus 15, the natural frequency is actively used. Specifically, an XY guide mechanism 49 with elastic deformation of the elastic hinges 54 and 56 is employed, the natural frequencies in the X direction and the Y direction are made to coincide with each other with a value T, and a predetermined value close to the natural frequency T is obtained. The moving table 2 is driven by the range of motion frequencies.
[0113]
If driven in this way, the moving table 2 moves within a range close to its own natural frequency T, so that the thrust (driving force) on the linear motors 3 and 7 side and the restoring force by the elastic hinges 54 and 56 are in the same direction. Is synthesized. As a result, the thrust required for the linear motors 3 and 7 is reduced by the amount that the restoring force causes the moving table 2 to move in a circular path, and energy consumption is drastically reduced.
[0114]
In addition, since the natural frequencies coincide with each other in the X direction and the Y direction, the moving table 2 can perform a motion (vibration) depicting an accurate circular orbit (including both a perfect circle and an ellipse). . More specifically, in the past (there was no idea of using natural frequencies in the first place), the natural frequencies in the X direction and the Y direction were not intentionally matched so as not to affect each other. When the moving table 2 is moved in a circular locus, it is driven only by the forcing force of the driving device. However, due to the difference between the natural frequencies in the X direction and the Y direction, there is a problem that “swells” occur in the trajectory and a stable motion trajectory cannot be obtained.
[0115]
However, in this XY stage apparatus 15, once a circular locus is drawn on the moving table 2, it vibrates so as to maintain the locus "self" thereafter. Therefore, even if complicated (or compulsory) control is not performed, if the control (drive) is performed to such an extent that the shift of the movement trajectory of the moving table 2 and the shift of the frequency can be corrected, the frequency is always stable. In addition, it can be exercised with a very stable trajectory.
[0116]
Further, since the non-contact linear motors 3 and 7 are employed as the driving device, no external influence is given to the moving table 2 when its own thrust is zero, that is, when the current is OFF. As a result, the moving table 2 can freely vibrate. Therefore, since the linear motors 3 and 7 can drive the moving table 2 intermittently by turning the thrust on and off, and by the magnitude thereof, the power consumption can be greatly reduced.
[0117]
The linear motors 3 and 7 have a feature that their own vibration is extremely small. Even when the moving table 2 is moved at a high frequency, disturbance vibration hardly occurs due to a synergistic action with the XY guide mechanism 49 which is a stable guide characteristic. Responsiveness can be improved.
[0118]
The XY stage apparatus 15 and the displacement control method for the moving table 2 described above can be used in all industrial fields. For example, an example applied to process a member placed on a moving table will be described below as a second embodiment.
[0119]
FIG. 11 partially shows an electric discharge machining apparatus 300 to which the member machining method according to the second embodiment is applied.
[0120]
The electric discharge machining apparatus 300 includes a machining electrode 382, a machining fluid layer 384 in which machining fluid is stored, a machining member 386 placed on the machining fluid layer 384 so as to be immersed in the machining fluid, and the machining tool 382. An XY stage device 315 that supports the liquid layer 384 movably in the XY plane, and a large XY that further supports the XY stage device 315 movably in the XY plane. And a driving device 388 (refer to a two-dot chain line). Since the XY stage device 315 is the same as the XY stage device 15 shown in the first embodiment, a detailed description of the configuration and operation thereof will be omitted.
[0121]
In the electric discharge machining, a spark discharge is generated between the machining member 386 and the machining electrode 382, and a small amount of chips are removed from the machining member 386 along with the discharge to make a hole. Therefore, the hole generally has the same shape as the cross-sectional shape of the tip of the machining electrode 382.
[0122]
The working fluid layer 384 is guided in the XY plane by the XY stage device 315 in the electric discharge machining apparatus 300. Further, the natural frequency in the X direction and the natural frequency in the Y direction when the working fluid layer 384 (including the moving table 2) moves in the X direction and the Y direction are equal to each other by the value T. With the Y-direction driving linear motors 303 and 307, the motion frequency f becomes √ (T 2 −7500) <f <√ (T 2 +7500), the working fluid layer 384 is moved to draw a perfect circle having a radius r. The processing electrode 382 is stationary in the XY plane.
[0123]
In this way, as shown in FIG. 12, the machining member 386 placed in the working fluid layer 384 similarly moves in a circular path, so that the radius r of the true circle C is greater than, specifically, this circle. A machining hole 388 having a size equivalent to that when the machining electrode 382 moves along the locus C is formed. In FIG. 12, for the sake of convenience, the machining electrode 382 is relatively moved with the machining member 386 “actually moving” as a reference coordinate.
[0124]
In this way, the machining member 386 side moves while drawing a stable circular locus C, so that a machining hole 388 having a precise size can be formed. Therefore, if the circular locus C is a perfect circle, a perfect circle hole is processed, and if it is an ellipse, an elliptic hole is processed. Note that the processed hole 388 is not limited to a through-hole, and may be a concave hole processed halfway.
[0125]
By the way, since the XY stage apparatus 325 itself is installed in another large XY drive apparatus 388, the electric discharge machining apparatus 300 has a predetermined trajectory (this is a circle). (But not limited) can be moved.
[0126]
FIG. 13 shows a machining state when the machining member 386 is moved along the line L by the large XY drive device 388. In this way, it is possible to form the machining groove 389 that becomes the movement locus of the machining hole 388. Of course, in this case, the width of the machining groove 388 can also be changed by changing the size (radius r) of the circular locus C.
[0127]
In addition, although 1st, 2nd embodiment was shown here, as long as it is the range which does not deviate from the summary of this invention, other embodiment also exists. That is, the embodiment of the present invention is not limited to the first and second embodiments shown this time.
[0128]
The features (functions / shapes) of the members appearing in the entire specification are merely examples, and are not limited to these descriptions.
[0129]
【The invention's effect】
According to the present invention, the moving table in the XY stage apparatus can be circularly moved with a very stable trajectory. In addition, the energy consumption on the drive device side can be drastically reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an X-axis / Y-axis stage apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
3 is a cross-sectional view taken along arrow III-III in FIG.
4 is an enlarged partial cross-sectional view showing a portion IV in FIG. 3;
FIG. 5 is an enlarged perspective view showing a structure of an elastic hinge in the XY stage apparatus.
6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG.
7 is an enlarged partial sectional view showing a portion VII in FIG. 3;
FIG. 8 is a conceptual diagram showing a control system of the XY stage apparatus.
FIG. 9 is a block diagram of a control system in the XY stage apparatus.
FIG. 10 is a diagram showing the result of analyzing the power consumption of the XY stage apparatus;
FIG. 11 is a partial perspective view showing an electric discharge machine to which a member machining method according to a second embodiment of the present invention is applied.
FIG. 12 is an enlarged view showing a processed member processed by the electric discharge machine
FIG. 13 is an enlarged view showing a processed member processed by the electric discharge machine.
FIG. 14 is a perspective view showing a conventional X-axis / Y-axis stage apparatus;
[Explanation of symbols]
1 ... Fixed base
2 ... Moving table
3 .... Y-axis direction linear motor
7 ... X-axis direction linear motor
15, 315 ... X axis-Y axis stage device
50. Intermediate member
54. First elastic hinge
56. Second elastic hinge
300 ... Electrical discharge machine

Claims (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、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ干渉し合うことなく独立して移動・復元可能な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。An XY stage apparatus having a moving table guided in an XY plane and capable of displacing a member placed on the moving table in the XY plane by driving the moving table by a driving device. In the displacement control method of the moving table in
The moving table is guided in the XY plane by an XY guide mechanism having an elastic deformation action that can be moved and restored independently without interfering with each other in the X direction and the Y direction .
The natural frequency in the X direction and the natural frequency in the Y direction when the moving table moves in the X direction and the Y direction are made to coincide with each other. And moving the moving table so that the moving frequency f becomes √ (T 2 −7500) <f <√ (T 2 +7500). 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、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ干渉し合うことなく独立して移動・復元可能な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（Ｈｚ）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。An XY stage apparatus having a moving table guided in an XY plane and capable of displacing a member placed on the moving table in the XY plane by driving the moving table by a driving device. In the displacement control method of the moving table in
The moving table is guided in the XY plane by an XY guide mechanism having an elastic deformation action that can be moved and restored independently without interfering with each other in the X direction and the Y direction .
The natural frequency in the X direction and the natural frequency in the Y direction when the moving table moves in the X direction and the Y direction are made to coincide with each other. And moving the moving table so that the moving frequency f satisfies 90 <f <110 (Hz) and 0.5T <f <1.5T. 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。In claim 1 or 2,
The drive device is a drive linear motor in which one of its fixed part or movable part is disposed on the moving table, and the moving table is moved in a circular path in a non-contact state by the driving linear motor. A displacement control method for a moving table. 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。In a member processing method for forming a processing hole in a member placed on a movable table movable in an XY plane in an XY stage apparatus,
The movement table is moved in a circular locus by the displacement control method according to any one of claims 1, 2, or 3, and a member mounted on the movement table is sized equal to or larger than the circular locus by electric discharge machining. A member machining method, characterized by forming a machining hole. 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、前記移動テーブルをＸ方向及びＹ方向にそれぞれ干渉し合うことなく独立して移動・復元可能な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Ｘ方向、Ｙ方向に相互に干渉しない復元力を付与可能に構成し、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。A movable table that is movable in the XY plane via an XY guide mechanism with respect to the fixed table is provided, and the movable table is driven by a driving device, so that a member placed on the movable table is moved to X In an XY stage apparatus that can be positioned in the -Y plane,
The XY guide mechanism includes an elastic member that can move and restore the moving table independently without interfering with each other in the X direction and the Y direction, so that the elastic member guides in the XY plane. The moving table is configured to be able to apply a restoring force that does not interfere with each other in the X direction and the Y direction, and the natural frequency in the X direction and the Y when the moving table moves in the X direction and the Y direction. An XY stage apparatus characterized by matching the natural frequency of the direction. 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。In claim 5,
The XY guide mechanism is
A member that is flexible only in the X direction and rigid in the Y direction and the Z direction, and is arranged along the Y direction in the XY plane, thereby being connected to both ends of itself. A plurality of first elastic hinges allowing only relative displacement in the X direction between them;
A member that is flexible only in the Y direction and rigid in the X direction and the Z direction, and is arranged along the X direction in the XY plane so that it is connected to both ends of itself. A plurality of second elastic hinges allowing only relative displacement in the Y direction between them;
A movable base that can be fixed to the movable table, a fixed base that can be fixed to the fixed table, and is arranged to include the same XY plane as the movable base, and the fixed An intermediate base arranged to include the same XY plane between the base and the moving base, and
The fixed base, the intermediate base, and the movable base are arranged such that the movable base can be slightly displaced in the XY plane with respect to the fixed base and is held at a predetermined position in the Z direction. The XY stage apparatus is connected by a combination of the first and second elastic hinges. 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。The drive device according to claim 5 or 6,
A linear motor for driving in the X direction in which the fixed part and the movable part are arranged on the fixed table and the movable table, and the movable table can be moved relative to the fixed table in the X direction;
A linear motor for driving in the Y direction, the fixed part and the movable part of which are arranged on the fixed table and the movable table, and capable of moving the movable table relative to the fixed table in the Y direction. An XY stage apparatus characterized by the above. 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。In claim 7,
The natural frequency value matched in the X and Y directions is T,
When the frequency when the linear motor for driving in the X direction and the Y direction moves the moving table in a circular path is f,
√ (T 2 −7500) <f <√ (T 2 +7500)
An XY stage apparatus characterized in that the relationship is established. 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、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ干渉し合うことなく独立して移動・復元可能な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。An XY stage apparatus having a moving table guided in an XY plane and capable of displacing a member placed on the moving table in the XY plane by driving the moving table by a driving device. In the manufacturing method of
The moving table is guided by an XY guide mechanism having an elastic deformation action that can be moved and restored independently without interfering with each other in the X direction and the Y direction. And match the natural frequency in the X direction and the natural frequency in the Y direction when moving in the Y direction,
The value T of the natural frequency matched with the target motion frequency f when the moving table moves the moving table in a circular locus is represented by √ (T 2 −7500) <T <√ (T 2 +7500). The manufacturing method of the XY stage apparatus characterized by the above-mentioned.
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