JP4162838B2 - X−yステージ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の方向にのみ曲げ変形が可能とされた弾性ヒンジを介して、可動テーブルを変位自在に支持した精密駆動用のX−Yステージ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種のX−Yステージ装置は、電子部品搭載装置(チップマウンタ)、工作機械、光学系(レンズ・ミラー等)の制御機構等の数多くの産業分野で広く利用されている。
【0003】
図8に、従来のX−Yステージ装置900を示す。このX−Yステージ装置900は、X軸案内機構903におけるX軸テーブル(図示省略)上に、可動テーブル907を有するY軸案内機構906を搭載したものである。X軸案内機構903は、X軸方向に配置されるX軸ボールネジ902と、このX軸ボールネジ902を回転駆動するX軸サーボモータ901と、を備えており、このX軸サーボモータ901を適宜制御することによって、Y軸案内機構906全体がX軸方向に移動・位置決めされる。Y軸案内機構906は、Y軸方向に配置されるY軸ボールネジ905と、このY軸ボールネジ905を回転駆動するY軸サーボモータ904と、を備えており、このY軸サーボモータ904を適宜制御することによって、可動テーブル907が、Y軸案内機構906上でY軸方向に移動・位置決めされる。従って、X軸及びY軸サーボモータ901、904を制御すれば、可動テーブル907がX軸方向及びY軸方向の任意の位置に位置決めされるようになっている。
【0004】
X軸及びY軸サーボモータ901、904の制御方式には、例えば、エンコーダによって計測されるX軸及びY軸ボールネジ902、905の回転量から可動テーブル907の移動量を予測し、その予測値からX軸及びY軸サーボモータ901、904を制御するセミクローズドループ制御方式や、又、可動テーブル907の移動量をリニアゲージ等によって直接計測し、その値からX軸及びY軸サーボモータ901、904をフィードバック制御するフルクローズドループ制御方式等がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
近年、技術の高度化に伴って可動テーブル907の「高速制御」、「精密制御」等の要求が高まってきている。高速制御を達成しようとする場合、各ボールネジ902、905等のシャフト機構による駆動方式では、正転・逆転の切換時や、急加減速時等に振動が増大するので、制御速度を高めるのに一定の限界があった。又、精密制御を達成しようとする場合、セミクローズドループ制御方式では、各ボールネジ902、905の撓み、バックラッシ等が考慮されないので、結局、可動テーブル907を精密に制御することが困難であった。
【0006】
又、フルクローズドループ制御方式によればより精密な制御が可能になるが、しかしながら制御速度が上昇すると各ボールネジ902、905の振動が可動テーブル907に伝達して可動テーブル907の位置計測信号が不安定となった。その結果、信号が不安定となる分、フィードバック制御の応答性を高めることが出来ないという問題が生じた。
【0007】
これらの事実は、結局従来の可動テーブルの支持構造では、該可動テーブルの駆動の応答性、あるいは位置決めの精度をフィードバック制御によって高めることには限界があることを意味している。
【0008】
更に、X−Yステージ装置900が、X軸案内機構903の上にY軸案内機構906設置するという2段積み上げ構造となっているので、重心が高くなって自身の重さによって転倒モーメントが生じ易く、その結果、急激な加・減速制御の際に可動テーブル907に振れが発生して位置決め誤差が増大した。また、このような2段積み上げ構造の場合、最下段に位置するX軸案内機構903にとっては、Y軸案内機構906の全てが移動負荷(慣性負荷)となるが、Y軸案内機構906の移動負荷は可動テーブル907のみであるので、X軸方向の制御とY方向の制御との応答性に大きな差が生じてしまい、高速な制御を実現することが困難となっていた。
【0009】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成で、高速且つ高精度な駆動・位置決め制御が可能とされ、更に可動テーブルのX軸方向周り及びY軸方向周りの回転運動を効果的に防止することのできるX−Yステージ装置を得ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固定基台に対して可動テーブルをX軸−Y軸平面内において微少変位可能に支持するX−Yステージ装置において、前記X軸方向に対してのみ柔で、前記Y軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のX軸方向における相対変位のみを許容する第1弾性ヒンジと、前記Y軸方向に対してのみ柔で、前記X軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のY軸方向における相対変位のみを許容する第2弾性ヒンジと、をそれぞれ複数備え、前記可動テーブルに対し前記固定基台を前記X軸−Y軸平面を含む位置に配置すると共に、該固定基台と可動テーブルとの間における前記X軸−Y軸平面内に中間部材を介在させ、該中間部材が、第1、第2中間部材を含む複数の中間部材に分割され、該固定基台と第1中間部材との間に前記第1弾性ヒンジが配置されると共に、該第1中間部材と可動テーブルとの間に前記第2弾性ヒンジが配置され、且つ、前記固定基台と第2中間部材との間に前記第2弾性ヒンジが配置されると共に、該第2中間部材と可動テーブルとの間に前記第1弾性ヒンジが配置されることを特徴とするX−Yステージ装置により、上記目的を達成するものである。
【0011】
本発明者は、X−Yステージの可動テーブルの支持構造として、該可動テーブルをX−Y平面内で移動可能な状態で保持する「弾性ヒンジ」を備えた構成を採用した。
【0012】
弾性ヒンジ自体の基本的な構造は公知であり、一般に特定の一方向においてのみ柔で他の方向において剛なる特性を有し、自身の両端に接続された部材間の前記柔の方向、即ち自身の長さ方向と直角の一方向における相対変位のみを許容する機能を有する。従って、今、例えばX軸方向に対してのみ柔で、Y軸方向及びZ軸方向に対して剛の特性を有し、前記X−Y平面内のY軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のX軸方向における相対変位のみを許容する第1弾性ヒンジを考えた場合、該第1弾性ヒンジの弾性変形により、可動部材を固定部材に対しX軸方向に相対移動させることが出来る。その一方で、この第1弾性ヒンジはY軸方向の相対移動は殆ど許容しない。つまり、可動部材をX軸方向に「案内」することができるようになる。
【0013】
全く同様に、Y軸方向に対してのみ柔で、X軸方向及びZ軸方向に対して剛の特性を有し、前記X−Y平面内のX軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のY軸方向における相対変位のみを許容する第2弾性ヒンジ(配置方向が異なるのみで具体的な構造は第1弾性ヒンジと同じものを採用できる)を考えた場合、この第2弾性ヒンジによって可動部材をY軸方向に「案内」することができるようになる。
【0014】
ただし、固定基台と可動テーブルとを単純に第1、第2弾性ヒンジを介して連結したのでは、せっかくの個々の「案内」機能が互いに干渉し、可動テーブルを意図した通りに位置決めするのは現実には不可能になってしまう。
【0015】
そこで、本発明者は、「中間部材」を固定基台と可動テーブルとの間に介在させる構造を発案し、この不具合を解消した。
【0016】
X−Y平面の固定基台と可動テーブルとの間に中間部材を介在させた上で、3者を第1、第2弾性ヒンジを介して連結すると、該中間部材が第1、第2弾性ヒンジの剛とされた方向に対して固定状態を維持するようになるため、固定基台に対して可動テーブルがX軸方向、Y軸方向の双方向に直線的に「案内」されて移動することが出来るようになり、又、バックラッシュ、滑り、転がり等が本質的に存在しないため、極めて応答性が良く且つ安定した制御が可能になる。
【0017】
又、従来は微小・精密制御を、例えばボールネジやベアリング等を介在させて行おうとすると、このボールネジ等における局所部分(特定部分)に繰り返し応力が作用し、局所的に疲労が生じて寿命が低下するという問題があったが、弾性ヒンジによれば、転動疲労等が構造上生じないため、長時間に亘って安定した制御特性を発揮できるようになる。
【0018】
ところで、弾性ヒンジだけで中間部材や可動ステージを支持するようにした場合、(僅かではあるが)駆動方向であるX軸方向及びY軸方向以外にも、X軸周りθxやY軸周りθyに回転運動が発生してしまうという問題が生じる可能性がある。
【0019】
それは、弾性ヒンジは、自身の構造からZ軸方向には撓み難い性質を有するものの、全く変形しないというものではなく、僅かではあるが変形する可能性があるためである。同様に、X軸周りθxやY軸周りθyに捩れ変形が発生する可能性もある。即ち、後述するように、一般に弾性ヒンジにはノッチによって形成した減肉部(曲がりやすい部分)が弾性ヒンジの長さ方向に2カ所存在するため、弾性ヒンジにおけるZ軸方向の変形やX軸周りθx及びY軸周りθyの変形が複雑化する可能性があるためである。可動テーブルの、X軸周りθxやY軸周りθyに回転運動は、高精度のステージ制御を実現しようとする場合には、無視できない問題となる。
【0020】
この弱点を克服する方法として一番単純な方法は、第1、第2弾性ヒンジ自体の剛性をアップすることで、X軸周り(θx)やY軸周り(θy)の規制を強化することである。しかしながら、この場合、X軸−Y軸方向の剛性も同時に高くなってしまうため、好ましくない。
【0021】
なお、上記事情を考慮し、弾性ヒンジ自体の剛性を強化せずに、X軸周り及びY軸周りの可動テーブルの回転運動を有効に防止するには、以下の構成を採用するとよい。それは、可動テーブルの重心と一致した重心を有する仮想多角形の各頂点に配置され、自身の軸線方向が前記X軸―Y軸方向と直交するZ軸方向に向けられ、自身の一端が前記固定基台を保持する固定側部材に固定され、他端が前記可動テーブルに固定され、且つ、曲げ方向に柔で該軸線方向に剛なる特性を有した複数本の棒状部材を備えるようにしているものである。このように構成することにより、棒状部材の軸線方向の剛性によって、移動テーブルのZ軸方向の変位を抑えることができ、結果としてX軸周りθx、あるいはY軸周りθyの回転抑制を行うことができる。
【0022】
棒状部材は曲げ方向には柔軟であるから、X軸−Y軸方向の駆動制御にはほとんど悪影響を与えない。また、棒状部材を付加することによってX軸周りθxとY軸周りθyの回転抑制を行っていることから、X軸−Y軸方向の第1、第2弾性ヒンジ自体のZ軸方向の剛性強化を図る必要がなく、従って、その分第1、第2弾性ヒンジの剛性を低く設定して、X軸−Y軸方向の駆動制度の向上、及び応答性の向上を図ることができるようになる。
【0023】
なお、棒状部材の設置位置や設置本数が特に限定されない。発明者の試験によれば、棒状部材は1本でもある程度の効果が得られることが確認されている。そこで、可動テーブルの重心と一致している仮想多角形を考慮した場合に、その各頂点位置に位置するようにして複数の棒状部材を設置するようにすると、少ない本数でX軸周り、Y軸周りの双方に関して有効な抑制効果を得ることができる。
【0024】
また、上記の中間部材や第1、第2弾性ヒンジの数・形状等も特に限定されない。これは、必要に応じて適宜配置されてよい。
【0029】
なお、この場合は、分割された第1、第2中間部材が、該第1、第2中間部材に連結された前記第1、第2弾性ヒンジを含めて、前記可動テーブルの中心に対して点対称となるように配置するとよい。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態の例について詳細に説明する。
【0031】
図1は、第1ベース技術である互いに直交するX軸方向及びY軸方向に微駆動し得る2自由度のX−Y軸ステージの可動ステージ装置STを示す平面図である。ここでは便宜上、紙面の左右方向をX軸方向、上下方向をY軸方向、紙面と垂直な方向をZ軸方向としてある。
【0032】
図1において、1は矩形(方形)ブロック状のベース(固定基台)、2はその矩形ブロック状のベース1の外側に配置された矩形枠状(方形リング状)の中間フレーム(中間部材)、3はその中間フレーム2の外側に配置された矩形枠状(方形リング状)の外枠フレーム(可動テーブル)である。ここでは、ベース1が固定され、外枠フレーム3が、微少駆動し得る可動ステージ(可動テーブル)として構成されているが、これを逆にして、外枠フレーム側を固定し、ベース側を可動テーブルとして構成してもよい。
【0033】
これらの矩形状に形成されたベース1、中間フレーム2、及び外枠フレーム3は、それぞれ対向二辺(X軸方向延在部)1x、1x、2x、2x、3x、3xをX方向に平行に配し、残る対向二辺(Y軸方向延在部)1y、1y、2y、2y、3y、3yをY軸方向に平行に配した上で、X軸−Y軸平面内に入れ子式に配置されており、互いに干渉しない構造となっている。
【0034】
中間フレーム2は、X軸方向にのみ曲げ変形可能な第1弾性ヒンジ5を介してベース1に連結され、外枠フレーム3は、Y軸方向にのみ曲げ変形可能な第2弾性ヒンジ6を介して中間フレーム2に連結されている。
【0035】
X軸方向の変形を許容する第1弾性ヒンジ5は、X軸方向に対してのみ柔で、Y軸方向及びZ軸方向に対して剛の特性を有し、X軸−Y軸平面内のY軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のX軸方向における相対変位のみを許容する。具体的な構造は後に詳述する。この第1弾性ヒンジ5は、ベース1のX軸方向に沿った辺1xと中間フレーム2のX軸方向に沿った辺2xとの間に間隔をおいて対称的に一対(合計4個)配置され、長さ方向をX軸方向と直交する方向(Y軸方向)に向けて、ベース1と中間フレーム2とをブリッジ状に連結している。
【0036】
第1弾性ヒンジ5、5の間隔LXは、該第1弾性ヒンジ5、5によって相互に連結されるベース1及び中間フレーム2のX軸方向に沿った辺1x、2xの長さとの関係で取り得る最大値に設定されている。
【0037】
つまり、このX−Yステージ装置STでは、第1弾性ヒンジ5、5を、ベース1のX軸方向に沿った辺1xの両端にできるだけ近い位置に配置しており、これにより、第1弾性ヒンジ5、5の間隔(スパン)LXを最大限に広げている。
【0038】
Y軸方向の変形を許容する第2弾性ヒンジ6は、Y軸方向に対してのみ柔で、X軸方向及びZ軸方向に対して剛の特性を有し、前記X軸−Y軸平面内のX軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のY軸方向における相対変位のみを許容する。この第2弾性ヒンジ6は、中間フレーム2のY軸方向に沿った辺2yと外枠フレーム3のY軸方向に沿った辺3yとの間に間隔をおいて対称的に一対(合計4個)配置され、長さ方向をY軸方向と直交する方向(X軸方向)に向けて、中間フレーム2と外枠フレーム3とをブリッジ状に連結している。
【0039】
第2弾性ヒンジ6、6の間隔LYも、該第2弾性ヒンジ6、6によって相互に連結される中間フレーム2及び外枠フレーム3のY軸方向に沿った辺2y、3yの長さとの関係で取り得る最大値に設定されている。
【0040】
つまり、このX−Yステージ装置STでは、第2弾性ヒンジ6、6を、中間フレーム2のY軸方向に沿った辺2yの両端にできるだけ近い位置に配置しており、これにより、第2弾性ヒンジ6、6の間隔(スパン)LYを最大限に広げている。
【0041】
各第1、第2弾性ヒンジ5、6は基本的に全て同じ構造に作られており、配置する位置及び方向のみが異なっている。
【0042】
各第1、第2弾性ヒンジ5、6は、図3の斜視図に示すように、2つの部材間(ベース1と中間フレーム2との間、あるいは中間フレーム2と外枠フレーム3との間)をつなぐブリッジ部材7の長さ方向に離間した2箇所に、ブリッジ部材7の外周面にノッチ8を形成することで、弾性曲げ変形容易な減肉部9を形成し、該減肉部9の曲げ変形により、2つの部材間の相対変位を許容できるように構成したものである。
【0043】
この場合、矩形断面のブリッジ部材7の、曲げ変形させようとする方向(第1弾性ヒンジ5の場合はX軸方向、第2弾性ヒンジ6の場合はY軸方向)に面する2つの外側面に対称形状の半円形のノッチ8を形成することで、局部的な減肉化を図り(つまり減肉部9を作り出して)、最小断面積部を曲がり点として、容易に曲げ変形できるようにしている。
【0044】
図4は弾性ヒンジ5、6の最小断面積部の断面形状を示している。
【0045】
この最小断面積部の断面Sは、ブリッジ部材7の肉厚に相当する縦方向(Z軸方向)の寸法aに対して、横方向(X軸方向又はY軸方向)の寸法bが短縮した矩形断面をなしており、それにより、減肉部9が、縦方向(Z軸方向)にはほとんど曲がらないものの、横方向(X軸方向又はY軸方向)には曲がり易い特性を得ている。
【0046】
なお、外枠フレーム3は目的により適宜に選択した図示せぬ駆動手段(例えばリニアモータ或いは圧電素子等)によってX軸方向及び/又はY軸方向に駆動される。本発明は、この駆動手段については、特に限定されない。
【0047】
一方、可動ステージとして機能する外枠フレーム3のX軸−Y軸平面内における互いに離間した4点には棒材(棒状部材)20が配されている。
【0048】
これらの棒材20は、曲げ方向には柔であるものの軸線方向には剛なる特性を有するもの(例えば、曲げ抵抗が小さく、圧縮抵抗や引張抵抗が大きい細い金属棒よりなる)で、自身の軸線方向をZ軸方向に向けて配した状態で、図2に示すように、下端がベース1を保持する固定側部材14に固定され、上端が外枠フレーム3に固定されている。
【0049】
次に作用を説明する。
【0050】
駆動手段によって外枠フレーム3をX軸方向に駆動する場合は、該外枠フレーム3と第2弾性ヒンジ6を介して連結されている中間フレーム2が一体的にX軸方向に駆動される。即ち、第2弾性ヒンジ6はX軸方向に関しては「剛体」として機能するため、外枠フレーム3のX軸方向の移動はそのままダイレクトに中間フレーム3の移動として伝達される。この移動は第1弾性ヒンジ5の減肉部9における弾性変形によって吸収される。即ち、該第1弾性ヒンジ5によって、ベース1に対する中間フレーム2のX軸方向の相対変位が許容される。
【0051】
一方、駆動手段によって外枠フレーム3をY軸方向に駆動する場合は、第2弾性ヒンジ6によって中間フレーム2とのY軸方向の相対変位が許容される。中間フレーム2とベース1は、(第1弾性ヒンジ5を介して連結されていることから)Y軸方向については相対変位が許容されない状態が形成されており、従って、外枠フレーム3がY軸方向に駆動されたとしても中間フレーム2は固定状態を維持している。
【0052】
この結果、このように中間フレーム2が第1弾性ヒンジ5によってベース1に対してX軸方向に変位可能に支持され、且つ、外枠フレーム3が第2弾性ヒンジ6によって中間フレーム2に対してY軸軸方向に変位可能に支持されていることにより、外枠フレーム3が、ベース1に対してX軸方向、Y軸方向の双方の方向に独立して(互いに干渉し合うことなく)変位可能とされている。
【0053】
第1、第2弾性ヒンジ5,6は、Z軸方向(X軸−Y軸平面と垂直な方向)については、「剛体」として機能する。従って、この第1、第2弾性ヒンジ5、6の存在だけでも外枠フレーム3は基本的にZ軸方向に変位することはなく、常にX軸−Y平面上に維持される。それにも拘わらず、本ベース技術では、更に、各軸線方向をZ軸方向に向けた4本の棒材20により外枠フレーム3を支持している。そのため棒材20の軸線方向の剛性によって外枠フレーム3のZ軸方向の変位を一層確実に抑えることができる。つまり、X軸周りθxとY軸周りθyの回転運動をほぼ完全に規制することができる。
【0054】
棒材20の曲げ方向(X軸方向及びY軸方向)の剛性は、第1弾性ヒンジ5、6の当該方向の曲げ剛性と比べて無視し得るほどに小さいため、第1、第2弾性ヒンジの弾性変形にはほとんど影響を与えない。従ってX軸−Y軸方向の外枠フレームの駆動制御にもほとんど影響を与えない。
【0055】
又、単に棒材20を付加するだけで、X軸周りθxとY軸周りθyの回転運動を規制できるから、第1、第2弾性ヒンジ5、6自体のZ軸方向の剛性強化を図る必要もなく、従って、その分、第1、第2弾性ヒンジ5、6の剛性を低く設定して、X軸−Y軸方向の駆動精度の向上と応答性の向上を図ることができる。
【0056】
又、ペアで配置した第1、第2弾性ヒンジ5、6の間隔(スパン)LX、LYを最大限大きく設定していることにより、Z軸周りθzの回転剛性を上げることもできる。
【0057】
よって、X軸方向及びY軸方向へ外枠フレーム3を駆動するリニアモータ等の適宜の駆動手段を設けることによって、外枠フレーム3をX軸−Y軸平面内に確実に維持した状態で該X軸−Y平面内の任意の方向へ微少駆動することができる。
【0058】
なお、上記第1ベース技術では、ベース1、中間フレーム2を完全な方形状に形成していたが、現実のX−Yステージ装置においては、特に駆動手段の配置との関係で、ベース1や中間フレーム2、あるいは外枠フレーム3の形状を完全な方形状に形成できない場合もある。その場合にはこれらの形状を適宜に変形するのは無論可能である。
【0059】
図5にその変形例を示す。
【0060】
この変形例(第2ベース技術)は、ベース101、或いは中間フレーム102の形状が完全な方形となっていないだけで、基本的な構成自体は上記第1ベース技術と同様である。従って、同一又は類似の機能を有する部分に上記第1ベース技術と下2桁が同一の符号を付すにとどめ、重複説明は省略する。
【0061】
次に、図6を用いて本発明の第1実施形態について説明する。
【0062】
この第1実施形態は、中間部材を、計4個の第1、第2中間部材に分割し、この分割した第1、第2中間部材を可動テーブルの中心に対して第1弾性ヒンジ及び第2弾性ヒンジを含めて点対称となるように配置したものである。
【0063】
なお、この第1実施形態では、紙面上のX軸方向及びY軸方向がこれまでの実施形態とは敢えてに逆に設定してある。このように、本発明におけるX軸方向、Y軸方向は、あくまで相対的なものであり、実際の装置においてはいずれの方向に定義されてもよく、一度何れかの方向に定義した場合に、その定義した方向に従って他の構成との関係を考慮すればよいものである。
【0064】
前記中間部材202は、L字形とされた一対の第1中間部材202A、202B、及び第2中間部材202C、202Dに分割されている。ここでは、自身とベース(固定基台)201との間にX軸方向の相対変位を許容する第1弾性ヒンジ205を有し、自身と外枠フレーム(可動テーブル)203との間にY軸方向の相対変位を許容する第2弾性ヒンジ206を有している中間部材を第1中間部材と定義する。また、自身とベース(固定基台)201との間にY軸方向の相対変位を許容する第2弾性ヒンジ206を有し、自身と外枠フレーム(可動テーブル)203との間にX軸方向の相対変位を許容する第1弾性ヒンジ205を有している中間部材を第2中間部材と定義する。
【0065】
即ち、ベース(固定基台)201と第1中間部材202A、202Bの前記L字形のX軸方向に沿った一辺202Ax、202Bxとの間には、X軸方向の相対変位を許容する第1弾性ヒンジ205が一対(複数)配置されており、該第1中間部材202A、202Bの前記L字形のY軸方向に沿った一辺202Ay、202Byと外枠フレーム203との間にはY軸方向の相対変位を許容する第2弾性ヒンジ206が一対(複数)配置されている。この結果、ベース201に対する外枠フレーム203のX軸−Y軸方向の相対変位が許容される。
【0066】
一方、ベース201と第2中間部材202C、202DのL字形のY軸方向に沿った一辺202Cy、202Dyとの間にY軸方向の相対変位を許容する第2弾性ヒンジ206が一対(複数)配置されると共に、該第2中間部材202C、202DのL字形のX軸方向に沿った一辺202Cx、202Dxと外枠フレーム203との間にX軸方向の相対変位を許容する第1弾性ヒンジ205が一対(複数)配置されることによって外枠フレーム203のベース201に対するX軸−Y軸方向の変位が許容される。
【0067】
第1中間部材202A、202B及び第2中間部材202C、202Dは、ベース201、外枠フレーム203に対する可動方向(X軸−Y軸)が逆になっているものの、全体としては複数の第1、第2弾性ヒンジ205、206と共にいわいるヒンジアッセンブリHA1〜HA4を構成している。即ち、各ヒンジアッセンブリHA1〜HA4はベース201に対して外枠フレーム203をX軸方向、Y軸方向の双方の方向に相対変位可能としていることになる。
【0068】
この第1実施形態では第1中間部材202A、202Bの数(2個)と、第2中間部材202C、202Dの数(2個)はそれぞれ等しく設定されており、又それぞれの大きさも等しく設定している。更に、図から明らかなように、第1、第2中間部材202A〜202Dに連結されている第1、第2弾性ヒンジ205、206を含め、各ヒンジアッセンブリHA1〜HA4は、外枠フレーム203の中心Oに対して点対称に配置されている。
【0069】
この第1実施形態のその他の構成は、基本的に先の第1ベース技術と同様であり、各第1,第2弾性ヒンジ205、206の構造も定義も既に説明した第1,第2弾性ヒンジ5、105、或いは6、106と同様である。従って、図中で同一又は類似する機能を有する部分に下2桁が同一の符号を付すにとどめ、重複説明は省略する。
【0070】
これらの構成から、この第1実施形態では次のような作用が得られる。
【0071】
(1)外枠フレーム203がX軸方向に駆動される際には、各第1弾性ヒンジ205、第2弾性ヒンジ206の機能により2つの第1中間部材202A、202Bが追従してX軸方向に平行に移動する。この結果、外枠フレーム203はX軸方向にスムーズに平行移動できる。なお、このとき2つの第2中間部材202C、202Dは移動しない。
【0072】
(2)外枠フレーム203がY軸方向に移動する際には、2つの第2中間部材202C、202Dが追従してY軸方向に平行に移動する。この結果、外枠フレーム203はY軸方向にスムーズに平行移動できる。なお、このとき2つの第1中間部材202A、202Bは移動しない。
【0073】
(3)X軸方向に駆動する際の駆動手段に対する慣性負荷は、外枠フレーム203に載置される部材の質量を無視すれば、「外枠フレーム203+第2弾性ヒンジ206(4個分)+ 第1中間部材202A、202B」となる。一方、Y軸方向に駆動する際の駆動手段に対する慣性負荷は、「可動テーブル203+第1弾性ヒンジ205(4個分)+ 第2中間部材202C、202D」となる。ここで、この実施形態では第1中間部材202A、202B、第2中間部材202C、202Dの数(2個)とそれぞれの大きさを等しくしており、各第1、第2弾性ヒンジ205、206の構造、大きさも同一にしてある。更に、第1、第2中間部材202A〜202D及び第1、第2弾性ヒンジ205、206(ヒンジアッセンブリAH1〜AH4)が該外枠フレーム203の中心Oに対して点対称に配置されている。従って、X軸方向とY軸方向の慣性負荷は同一となる。
【0074】
(4)第1、第2弾性ヒンジ205、206はいずれもZ軸方向には剛体として機能するため、特別な指示手段を設けなくても外枠フレーム203はX軸−Y軸平面内から外れない。
【0075】
図7に本発明の第2実施形態を示す。
【0076】
この第2実施形態は、基本的な構成は先の第1実施形態と同様であり、第1中間部材302A、302B、第2中間部材302C、302D、第1、第2弾性ヒンジ305、306の定義も前述した第1実施形態と同一である。但し、各中間部材及び弾性ヒンジの形状或いは接続態様が異なっている。
【0077】
即ち、この第2実施形態においては、各中間部材302A〜302Dは何れも方形とされている。又、各中間部材302A〜302Dに連結されている第1弾性ヒンジ305および第2弾性ヒンジ306のペアの各端部305s、306sが、それぞれの中間部材302A〜302Dのそれぞれの所定の一点P1及びP2、P3及びP4、P5及びP6、或いはP7及びP8に隣接して連結されている。
【0078】
更に、各中間部材302におけるそれぞれの一対の第1弾性ヒンジ305の配置位置がY軸方向にずらされると共に各中間部材302におけるそれぞれの一対の第2弾性ヒンジ306の配置位置がX軸方向にずらされている。具体的には、この実施形態では各第1、第2弾性ヒンジの間隔L1、L2とほぼ等しい長さL3、L4だけずらされ、結果として各連結位置P1とP2、P3とP4、P5とP6、或いはP7とP8がX軸方向、又はY軸方向に対し約45度傾いた状態となるように設定してある。
【0079】
この結果、前述した第2実施形態によって得られる前記4つの作用に加え、さらに次のような作用が得られる。
【0080】
(5)各中間部材302A〜302Dに連結されている第1弾性ヒンジ305および第2弾性ヒンジ306のペアの各端部305s、306sが、それぞれの中間部材302A〜302Dの所定の一点P1及びP2、P3及びP4、P5及びP6、或いはP7及びP8に隣接して連結されているため、各弾性ヒンジ305,306において固定状態を維持すべき端部の固定をより直接的かつ確実に行うことができる。従って、当該弾性ヒンジにおいて許容すべき(吸収すべき)変位に相当する分だけ、両端に接続された部材を確実に相対変位させることができる。その結果、ベース301に対して各中間部材302自体や外枠フレーム303がZ軸方向周りに回転するのが効果的に防止される。
【0081】
(6)各中間部材302における一対の第1弾性ヒンジ305のそれぞれの配置位置がY軸方向に(約45度相当分)ずらされると共に、各中間部材302におけるそれぞれの一対の第2弾性ヒンジ306のそれぞれの配置位置がX軸方向に(約45度相当分)ずらされているため、中間部材全体の固定方向に対する剛性が一層高められ、該中間部材302のZ軸方向周りの回転や固定方向の滑り(或いはスウェイ)がより確実に防止される。
【0082】
これらの作用は、いずれも外枠フレーム(可動テーブル)303のX軸方向及びY軸方向の位置決め精度をより高める要素として機能する。
【0083】
勿論、何れの実施形態の場合でも、各軸線方向をZ軸方向に向けた複数の棒材20、120、220、320(棒状部材)により外枠フレーム3、103、203、303(可動テーブル)を支持した構成とすることにより、棒材20、120、220、320の軸線方向の剛性によって外枠フレーム3、103、203、303のZ軸方向の変位を一層確実に抑えることができる。つまり、何れの実施形態でも弾性ヒンジのみによっで可動ステージを支持していながら、X軸周りθxとY軸周りθyの回転運動をほぼ完全に規制することができる。
【0084】
なお、棒材(棒状部材)は、1本だけ配置してもある程度の効果は期待できるが、少なくとも3本以上配置することが望ましく、上記実施形態のように4本配置することが、バランスを保つ上で最も好ましい。
【0085】
この場合、棒状部材の配置位置の重心を可動テーブルの重心と一致させるようにするとより効果的に可動テーブルのZ軸方向の動きを規制することができる。
【0086】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、弾性ヒンジのみで可動ステージをX軸−Y軸方向に高精度に案内でき、しかも弾性ヒンジ自体の剛性強化を図らなくても、棒材を配置するという簡単な構成を付加する場合には、X軸周り及びY軸周りの回転運動を規制することができ、高精度且つ高応答性の駆動制御を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1ベース技術に係るステージ装置の平面図
【図2】同ステージ装置の側面図
【図3】同ステージ装置における弾性ヒンジの拡大斜視図
【図4】同弾性ヒンジの最小断面積部の断面図
【図5】本発明の第2ベース技術に係るX−Yステージ装置を示す平面図
【図6】本発明の第1実施形態に係るX−Yステージ装置を示す平面図
【図7】本発明の第2実施形態に係るX−Yステージ装置を示す平面図
【図8】従来のX−Yステージ装置を示す斜視図
【符号の説明】
1、101、201、301…固定基台
2、102、202、302…中間フレーム(中間部材)
3、103、203、303…外枠フレーム(可動テーブル)
1x…X方向延在部
1y…Y方向延在部
5、105、205、305、405…第1弾性ヒンジ
6、106、206、306、406…第2弾性ヒンジ
20、120、220、320…棒材(棒状部材)
202A、202B、302A、302B…第1中間部材
202C、202D、302C、302D…第2中間部材
Claims (3)
- 固定基台に対して可動テーブルをX軸−Y軸平面内において微少変位可能に支持するX−Yステージ装置において、
前記X軸方向に対してのみ柔で、前記Y軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のX軸方向における相対変位のみを許容する第1弾性ヒンジと、
前記Y軸方向に対してのみ柔で、前記X軸方向に沿って配置されることにより、自身の両端に接続された部材間のY軸方向における相対変位のみを許容する第2弾性ヒンジと、をそれぞれ複数備え、
前記可動テーブルに対し前記固定基台を前記X軸−Y軸平面を含む位置に配置すると共に、該固定基台と可動テーブルとの間における前記X軸−Y軸平面内に中間部材を介在させ、
該中間部材が、第1、第2中間部材を含む複数の中間部材に分割され、
該固定基台と第1中間部材との間に前記第1弾性ヒンジが配置されると共に、該第1中間部材と可動テーブルとの間に前記第2弾性ヒンジが配置され、
且つ、前記固定基台と第2中間部材との間に前記第2弾性ヒンジが配置されると共に、該第2中間部材と可動テーブルとの間に前記第1弾性ヒンジが配置される
ことを特徴とするX−Yステージ装置。 - 請求項1において、更に、
前記可動テーブルの重心と一致した重心を有する仮想多角形の各頂点に配置され、
自身の軸線方向が前記X軸―Y軸方向と直交するZ軸方向に向けられ、
自身の一端が前記固定基台を保持する固定側部材に固定され、他端が前記可動テーブルに固定され、且つ、
曲げ方向に柔で該軸線方向に剛なる特性を有した複数本の棒状部材を備えることを特徴とするX−Yステージ装置。 - 請求項1又は2において、
前記分割された第1、第2中間部材が、該第1、第2中間部材に連結された前記第1、第2弾性ヒンジを含めて、前記可動テーブルの中心に対して点対称となるように配置された
ことを特徴とするX−Yステージ装置。
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