JP3590816B2

JP3590816B2 - 支持機構

Info

Publication number: JP3590816B2
Application number: JP25076994A
Authority: JP
Inventors: 伸夫前田; 潔外山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-10-17
Filing date: 1994-10-17
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2019-11-17
Also published as: JPH08114250A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、被支持体を支持する支持機構に係り、特に、座標測定機の載置台や基準鏡保持枠等の構造物を支持する支持機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、超精密加工に対する高精度化の要求が高まり、それに伴って、加工対象物の測定に用いられる測定機についても高精度化が求められている。この測定機の中には、例えば、図５に示すような、加工対象物３１の３次元形状を測定する座標測定機３０がある。座標測定機３０は、加工対象物３１を測定するためのプロ−ブ３２と、加工対象物３１が載置される載置台３３と、載置台３３を固定する移動台３４と、移動台３４を所定の方向に案内する移動ガイド３５と、移動ガイド３５を固定する基盤３６とを有して構成されている。プロ−ブ３２は、上下に移動可能に設けられている。また、移動台３４は、図示しない駆動モ−タによって、前記移動ガイド３５に沿って移動する。
【０００３】
ところで、当該座標測定機３０を構成する各部材をはじめ、一般的に、構造物を構成する各部材は、与えられた外力や熱により変形が生じる。例えば、図５において、移動台３４が移動ガイド３５上を移動した場合には、移動ガイド３５の真直度の悪さ加減に応じて載置台３３に変形が生じてしまう。
【０００４】
また、座標測定機のなかには、前述した移動台や移動ガイドを用いずに、プロ−ブ側を３次元的に移動させるタイプのものもある。この場合、載置台は、基盤に直接固定される。また、プロ−ブは、前記基盤に固定された駆動機構（図示せず）によって、その測定位置を変えることができる。
【０００５】
しかしながら、このタイプの座標測定機においても、前記基盤上を移動する物体、例えば、前記駆動機構が存在する場合には、その移動による基盤の変形が、前記載置台に伝播してしまう。
【０００６】
載置台に変形が生じると、その変形にならうように、前記加工対象物も変形してしまう。高精度を要求される測定においては、この変形量は、無視出来ない量となる。
【０００７】
このような問題点を考慮して、従来では、載置台への変形の伝播をできるだけ小さくするために、図６、図７に示すような支持機構（いわゆる、キネマチックマウント）を用いていた。
【０００８】
図６の支持機構４０は、載置台４１に３本の脚４２、４３、４４を設けている。各脚の先端には、球形部材４２ａ、４３ａ、４４ａが設けられている。基盤４５（前述の移動台として用いてもよい）の上面には、Ｖ溝４６と、三角錐状の穴４７が形成されている。Ｖ溝４６には、球形部材４２ａが、穴４７には、球形部材４３ａが配置されている。一方、球形部材４４ａは、基盤４５の上面に置かれている。
【０００９】
各球形部材が図６に示すように配置された場合、載置台４１と基盤４５との相対的位置関係が一意的に決定される。そして、基盤４５に何らかの変形が生じた場合には、その変形に応じて各球形部材の配置位置が変化し、基盤４５の変形の伝播を吸収する。図７の支持機構５０においても同様であり、基盤５１の上面に形成されたＶ溝５２、５３、５４に、各球形部材が配置されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６、図７に示した支持機構では、載置台への変形の伝播を小さくすることができるが、この伝播を定量的に把握することが困難であった。具体的には、載置台への変形の伝播量を求めるために、各球形部材と基盤との摩擦が関係する、各部材間の接触状態を考慮しなければならならなかった。載置台の変形を極限まで小さくしなければならない現在、載置台への変形の伝播量をはじめ、支持機構の特性を定量的に把握することは不可欠である。
【００１１】
一方、載置台の移動に対して、高速かつ高精度に制御を行うためには、載置台や支持機構を含む構造物全体の固有振動数を正確に把握する必要がある。この固有振動数を求めるためには、例えば、図６に示した支持機構を用いた場合、脚４２、４３、４４のバネ定数を知る必要がある。しかしながら、加工対象物や載置台の重量が大きくなると、球形部材の支持点の圧縮応力が弾性限界を越えるため、この従来の支持機構においては、支持方向のバネ定数が不確定となると共に、支持方向に直角な方向のバネ定数も容易に計算することができない等の問題があった。
【００１２】
以上のような問題点を考慮して、本発明の目的は、基盤に生じた変形の被支持体への伝播を抑えることができる支持機構を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第１の態様によれば、基盤と、当該基盤に固定された、第１、第２および第３の支持部材と、当該第１、第２および第３の支持部材に固定され、かつ、これらの支持部材によって支持された被支持体とを備え、前記第１、第２および第３の支持部材の各バネ定数の相互関係は、当該３つの支持部材を通る仮想平面を想定した場合に、前記第１の支持部材と前記第３の支持部材とを通る軸である、前記仮想平面上のＸ軸の軸方向において、前記第１の支持部材のバネ定数が、前記第３の支持部材のバネ定数よりも大きくなっており、前記仮想平面上のあらゆる方向において、前記第２の支持部材のバネ定数が、前記第１の支持部材のバネ定数よりも小さくなっており、前記Ｘ軸に垂直な軸である、前記仮想平面上のＹ軸の軸方向における前記第３の支持部材のバネ定数が、前記仮想平面上のあらゆる方向における前記第２の支持部材のバネ定数よりも大きくなっていることを特徴とする支持機構が提供される。
【００１４】
上記目的を達成するための本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、前記仮想平面は、前記被支持体が前記第１、第２および第３の支持部材に支持される３つの支持点を通る平面であることを特徴とする支持機構が提供される。
【００１５】
上記目的を達成するための本発明の第３の態様によれば、第１または第２の態様において、前記第１、第２および第３の支持部材のそれぞれは、前記被支持体に固定されている部分の断面積が、前記基盤に固定されている部分の断面積よりも小さいことを特徴とする支持機構が提供される。
【００１６】
上記目的を達成するための本発明の第４の態様によれば、基盤と、当該基盤に固定された、少なくとも３つの支持部材と、各支持部材に固定され、かつ、これらの支持部材によって支持された被支持体とを備え、各支持部材のバネ定数は、前記基盤に生じた変形に起因する、前記被支持体の変形が減少するように、それぞれ異なっていることを特徴とする支持機構が提供される。
【００１７】
【作用】
第１、第２の態様では、前記第１、第２および第３の支持部材の各バネ定数の相互関係により、前記基盤に生じた変形が前記被支持体に対して伝搬しにくくなる。第３の態様では、前記支持部材の変形による前記被支持体への影響が減少する。第４の態様では、前記基盤に生じた変形に起因する、前記被支持体の変形が減少する。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１９】
図１には、本発明に係る支持機構の第１の実施例が示されている。
【００２０】
支持機構１は、被支持体（本実施例では、目的の対象物が載置される載置台）２と、載置台２の下面に固定され、かつ、載置台２を支持する３つの支持部材（第１の支持部材３、第２の支持部材４、第３の支持部材５）と、これらの支持部材を、その上面に固定する基盤６とを備えている。載置台２と基盤６とは、互いに平行に配置されている。３つの支持部材のそれぞれは、同一円周上において、当該円周を３等分する位置に配置されている。前記３つの支持部材の各バネ定数の相互関係は、以下のようになっている。
【００２１】
いま、図１に示すようなＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる３次元座標を想定したとする。Ｘ軸は、各支持部材の３つの支持点によって決定される平面（載置台２の下面）において、第１の支持部材３および第３の支持部材５を通る軸である。Ｙ軸は、載置台２の下面において、第１の支持部材３を通り、かつ、前記Ｘ軸に垂直な軸である。Ｚ軸は、第１の支持部材３の軸線であり、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸のそれぞれに対して垂直である。
【００２２】
第１の支持部材３のバネ定数は、この座標空間のＸ軸方向において、第３の支持部材５のバネ定数よりも大きくなっている。また、ＸＹ平面上のあらゆる方向において、第２の支持部材４のバネ定数は、第１の支持部材３のバネ定数よりも小さくなっている。そして、Ｙ軸方向における、第３の支持部材５のバネ定数は、ＸＹ平面上のあらゆる方向における、第２の支持部材４のバネ定数よりも大きくなっている。なお、各支持部材のＺ軸方向のバネ定数をはじめ、各支持部材の断面寸法、支持部材長は、各支持部材の発生応力、座屈限界、必要な最低固有振動を考慮して決定されている。
【００２３】
また、各支持部材の外形は、以上説明したような関係が保たれていれば、特に限定されない。本実施例では、第１の支持部材３および第２の支持部材４に、円柱状のものを用いており、第３の支持部材５には、直方体のものを用いている。もちろん、各支持部材に、その断面形状が楕円、正方形、多角形等になっているものを用いてもよい。
【００２４】
つぎに、支持機構１の動作について説明する。
【００２５】
支持機構１において、載置台２のＺ軸方向の並進運動が生じた場合には、第１、第２および第３の支持部材のそれぞれは、Ｚ軸方向の剛性によって、この運動を抑制する。また、Ｘ軸、Ｙ軸まわりの回転運動に対しても、各支持部材のＺ軸方向の剛性で、これを抑制する。
【００２６】
一方、載置台２のＸＹ平面と平行な並進運動は、第１の支持部材３の軸直角方向の剛性で抑制する。そして、載置台２のＺ軸と平行な軸回りの回転運動は、第１の支持部材３と第３の支持部材５のＹ方向の剛性で抑制する。このとき、前述のバネ定数の大小関係から、第３の支持部材５のＸ方向、および、第２の支持部材２のＸ方向、Ｙ方向における剛性は、比較的小さいものとなり、過剰な拘束を避けることができる。
【００２７】
つぎに、本発明に係る支持機構の第２の実施例について、図２〜図４を用いて説明する。図２に示すように、本実施例における支持機構１０の各支持部材（第１の支持部材１３、第２の支持部材１４、第３の支持部材１５）は、載置台２に固定されている部分の断面積が、基盤６に固定されている部分の断面積よりも小さくなるように形成されている。具体的には、各支持部材は、断面積が異なるように段差がつけられており、その先端に形成された突起部で載置台２を支持している。このように構成すれば、支持部材と載置台２との固定面積が小さくなり、支持部材の曲げ変形による載置台２への曲げモーメントの伝播が小さくなる。なお、突起部の断面積は、出来るだけ小さくすることが望ましいが、発生応力を勘案して決定する。突起部の断面形状については、任意で良く、円形にこだわらないが、円形、正方形等の、その中心に対して対称となる形が望ましい。また、突起部の軸方向寸法は、ＸＹ平面（図１参照）に沿った方向のバネ定数に影響を与えるため、小さい方が望ましい。
【００２８】
つぎに、各突起部の断面積と載置台の変形量との関係について具体的に説明する。
【００２９】
この例では、図３に示すような支持機構２０を用いている。載置台２には、縦６００ｍｍ、横６００ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、縦弾性係数９２００ｋｇ／ｍｍ^２（９４０Ｎ／ｍｍ^２）、重量１８ｋｇのガラス材を用いている。第１の支持部材２３は、直径７０ｍｍ、長さ８０ｍｍの円柱部材と、その上面に設けられた突起部２３ａとから構成されている。第１の支持部材２３のバネ定数は、９．５×１０^８Ｎ／ｍである。第２の支持部材２４は、縦横２．５ｍｍ、長さ６５ｍｍの角柱９本を格子状に束ねた部分と、この上面に設けられた突起部２４ａとから構成されている。第２の支持部材２４のバネ定数は、７．３×１０^５Ｎ／ｍである。第３の支持部材２５は、その中央部が、幅６０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ、長さ４０ｍｍの板状に形成された円柱部材と、突起部２５ａとから構成されている。第３の支持部材２５のバネ定数は、Ｘ軸方向（図１参照）が１．１×１０^５Ｎ／ｍ、Ｙ軸方向が１．７×１０^８Ｎ／ｍである。各支持部材には、ニッケルを含有した合金であるインバ−を用いており、また、縦弾性係数は、１４０００ｋｇ／ｍｍ^２（１４３０Ｎ／ｍｍ^２）である。なお、各支持部材は、直径４００ｍｍの円周上において、当該円周を３等分するように配置されている。基盤６は、縦６００ｍｍ、横６００ｍｍ、厚さ１００ｍｍ、縦弾性係数８０００ｋｇ／ｍｍ^２（８２０Ｎ／ｍｍ^２）となっており、ニッケルを含有した鋳造合金を用いている。
【００３０】
各支持部材の突起部の長さは、２ｍｍとなっている。そして、図４には、基盤６に一定の変形を付与した場合における、各突起部の直径と載置台２の変形量（平面度の変化量）との関係が示されている。図４に示すように、各突起部の直径すなわち断面積が小さいほど、基盤６に生じた変形の載置台２への伝播が減少する。なお、基盤６に対する付与変形は、基盤６の下面４隅のうち、対角２点を固定し、残る２点に１μｍの変位を付与して行っている。
【００３１】
また、図３に示す支持機構２０において、載置台２の厚さを６０ｍｍ、載置台２の重量を５５ｋｇ、各支持部材の突起部の直径を５ｍｍとし、当該基盤６に１μｍの変形を与えた場合には、載置台２の平面度変化は０．８ｎｍとなり、変形の伝播が１／１０００以下となった。また、最低固有振動数は、第１の支持部材３を軸とした載置台２の下面内の回転振動となり、１０２Ｈｚが達成できた。なお、この場合の基盤６の付与変形は、基盤６の下面の相対する２辺を固定し、Ｕ字形に１μｍの変形を付与して行った。
【００３２】
以上、第１、第２の実施例について記述したが、このように本発明に係る実施例によれば、外部要因によって基盤に生じる変形の載置台への伝播を大幅に減衰させることが可能となり、載置台上に固定あるいは積載された対象物の変形あるいは位置関係変化を低く抑えることが出来る。また、バネ定数が明らかな支持部材を用いて基盤と載置台とを固定しているので、このバネ定数を用いた有限要素法等の構造解析手法を行えば、変形伝播、固有振動数、発生応力等の支持機構の特性を定量的に把握することができる。
【００３３】
また、第２の実施例によれば、支持部材と載置台との結合部の断面積が小さくなっているので、基盤に生じる変形の載置台への伝播を更に減衰させることができる。
【００３４】
また、第１、第２の実施例では、各支持部材は、載置台を下から支持しているが、本発明に係る支持機構は、重力方向による制限は無い。すなわち、重力方向を考慮した各支持部材の発生応力を勘案し、必要な精度が得られるバネ定数、固有振動数を、支持部材の形状、寸法を選択することにより決定すれば、様々な姿勢の支持機構を実現することができる。例えば、図１の支持機構１の上下を入れ換えた懸垂構造、また、壁面から載置台を支持する構造等も可能である。
【００３５】
【発明の効果】
三つの支持部材のバネ定数の相互関係が定められた支持機構に係る発明によれば、三つの支持部材のＸ，Ｙ方向の剛性に関して、少なくとも一つの支持部材の剛性が低いので、被支持体の過剰拘束を避けることができ、基盤に生じた変形の被支持体への伝播を抑えることができる。また、各支持部材の被支持体に固定されている部分の断面積が基盤に固定されている部分の断面積よりも小さい支持機構に係る発明によれば、各支持部材の曲げ変形による被支持体への曲げモーメントの伝播が小さくなり、結果として、外部要因によって基盤に生じる変形の被支持体への伝播を大幅に減衰させることができる。
また、支持部材の製作過程で、支持部材の各方向のバネ定数を把握することになるので、このバネ定数を用いた有限要素法等の構造解析手法を行えば、変形伝播、固有振動数、発生応力等の支持機構の支持特性を定量的に把握することができる。
【００３６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る支持機構の第１の実施例を示す構成図である。
【図２】本発明に係る支持機構の第２の実施例を示す構成図である。
【図３】本発明に係る支持機構の第２の実施例を示す構成図である。
【図４】本発明に係る支持機構の第２の実施例において、基盤に生じた変形と各支持部材の突起部の断面積との関係の一例を示すグラフである。
【図５】従来の測定機の一例を示す構成図である。
【図６】従来の支持機構の一例を示す構成図である。
【図７】従来の支持機構の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
１、１０、２０、４０、５０・・・支持機構、２、３３、４１、５１・・・載置台、３、１３、２３・・・第１の支持部材、４、１４、２４・・・第２の支持部材、５、１５、２５・・・第３の支持部材、６、３６、４５・・・基盤、３０・・・座標測定機、３１・・・加工対象物、３２・・・プロ−ブ、３４・・・移動台、３５・・・移動ガイド、４２、４３、４４・・・脚、４６、５２、５３、５４・・・Ｖ溝、４７・・・孔

Claims

基盤と、当該基盤に固定された、第１、第２および第３の支持部材と、当該第１、第２および第３の支持部材に固定され、かつ、これらの支持部材によって支持された被支持体とを備え、
前記第１、第２および第３の支持部材の各バネ定数の相互関係は、当該３つの支持部材を通る仮想平面を想定した場合に、前記第１の支持部材と前記第３の支持部材とを通る軸である、前記仮想平面上のＸ軸の軸方向において、前記第１の支持部材のバネ定数が、前記第３の支持部材のバネ定数よりも大きくなっており、前記仮想平面上のあらゆる方向において、前記第２の支持部材のバネ定数が、前記第１の支持部材のバネ定数よりも小さくなっており、前記Ｘ軸に垂直な軸である、前記仮想平面上のＹ軸の軸方向における前記第３の支持部材のバネ定数が、前記仮想平面上のあらゆる方向における前記第２の支持部材のバネ定数よりも大きくなっていること
を特徴とする支持機構。
請求項１において、
前記仮想平面は、前記被支持体が前記第１、第２および第３の支持部材に支持される３つの支持点を通る平面であること
を特徴とする支持機構。
請求項１または２において、
前記第１、第２および第３の支持部材のそれぞれは、前記被支持体に固定されている部分の断面積が、前記基盤に固定されている部分の断面積よりも小さいこと
を特徴とする支持機構。
基盤と、当該基盤に固定された、少なくとも３つの支持部材と、各支持部材に固定され、かつ、これらの支持部材によって支持された被支持体とを備え、
各支持部材のバネ定数は、前記基盤に生じた変形に起因する、前記被支持体の変形が減少するように、それぞれ異なっていること
を特徴とする支持機構。