３点支持装置および３次元形状計測装置
【課題】高剛性で安定性のよい固定体接触支持と、低剛性で自由度の高いキネマティックマウント等を切り替え自在な３点支持装置を実現する。
【解決手段】被支持物体１を支持ベース２上に３点支持する３つの脚部３は、それぞれ、固定支柱１２を被支持物体１の下面から突出する脚１１に接触させて３点支持する高剛性の支持形態と、板バネを含む弾性支持手段１４によって支持されたスラストベアリング１５を脚１１と一体であるフランジ１３に接触させて、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向の４自由度をもつ低剛性で支持する支持形態とを有し、２つの支持形態をリフト機構であるベローズシリンダ１６によって切り替える。
【解決手段】被支持物体１を支持ベース２上に３点支持する３つの脚部３は、それぞれ、固定支柱１２を被支持物体１の下面から突出する脚１１に接触させて３点支持する高剛性の支持形態と、板バネを含む弾性支持手段１４によって支持されたスラストベアリング１５を脚１１と一体であるフランジ１３に接触させて、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向の４自由度をもつ低剛性で支持する支持形態とを有し、２つの支持形態をリフト機構であるベローズシリンダ１６によって切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、半導体露光装置等において精度の高い光学素子を支持する３点支持装置や、その光学素子を被検物として形状を計測する３次元形状計測装置に用いられる基準ミラーを取り付けたフレームや被検物など、１μｍ以下の変形が問題になるような被支持物体を支持する３点支持装置および３次元形状計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１μｍ以下の精度で光学素子や被検物等の被支持物体を保持または支持する公知の３点支持装置として、キネマティックマウントが挙げられる。キネマティックマウントは、被支持物体が搭載面の変形から受ける変形や、被支持物体の取り置きによる変形といった、形状変化を軽減し、変形前の被支持物体の形状の再現性を向上させる目的で考案された支持機構である。
【０００３】
図６は一従来例によるキネマティックマウントの構成を示すもので、被支持物体２０１は、円錐状の凹部２０２およびＶ型溝２０３を有する底面との間に球体２０４〜２０６を介して３つの脚部２０７〜２０９により支持され、各脚部２０７〜２０９は支持ベース２１０に立設・固定される。第１の支持部は、支持ベース２１０に固定された第１の脚部２０７に設けられた円錐状の凹部２０７ａと、被支持物体２０１の円錐状の凹部２０２と、円錐状の凹部２０２、２０７ａに挿入される球体２０４から構成され、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３方向に拘束し、各軸周りの回転成分ωＸ、ωＹ、ωＺ方向の３自由度を持つ。第２の支持部は、支持ベース２１０に固定された第２の脚部２０８に設けられたＶ型溝２０８ａと被支持物体２０１に設けられたＶ型溝２０３、およびＶ型溝２０３、２０８ａに挿入される球体２０５から構成され、Ｙ、Ｚ方向の２方向に拘束し、Ｘ、ωＸ、ωＹ、ωＺ方向の４自由度を持つ。第３の支持部は、支持ベース２１０に固定された第３の脚部２０９の上面２０９ａと被支持物体２０１の下面に接触する球体２０６から構成され、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ、ωＺ方向の５自由度を持ち、Ｚ方向のみを拘束している。
【０００４】
このように構成することで、例えば、支持ベース２１０に負荷されている荷重Ｆに変化があったり、熱分布状態が変化したりすることで、支持ベース２１０が被支持物体２０１に対して無視できない量で変形した場合でも、これに伴う被支持物体２０１の変形を無視できるレベルまで軽減することができる。また、被支持物体２０１をいったん取り外し、再びキネマティックマウント上に搭載した場合でも、被支持物体２０１の形状は初期状態からほとんど変化しない良好な再現性を得ることができる。
【０００５】
次に、被支持物体の変形に対して良好な再現性を得る別の方法として、特許文献１に開示されている方法がある。これは、計測器で被検物の形状を計測する際に、被検物の持ち方や、載物台への載せ方による被検物の変形の影響を軽減するもので、例えば、図７に示す計測装置において、架台３０１上に、計測器３０３を保持する支柱３０２を立設し、架台３０１に支持されたスピンドル３０４の上端に、平面度が高く表面に給気穴３０６を有する載物台３０５を持つことで、搭載する面３０８ａが平面である被検物３０８を載物台３０５に搭載後、圧縮空気供給部３０７から給気をして一旦被検物３０８を浮上させ、被検物３０８内部の歪を解放することで、載物台３０５上の被検物３０８を常に一定の状態に再現することができるように構成されている。
【特許文献１】特開２００２−２３６０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図６に示した従来例によるキネマティックマウントでは３点の点接触による支持であるため、被支持物体を平面で支持した場合と比較すると、基本的に剛性を大きくとれない支持機構であるうえに、被支持物体と支持ベースの間には、１箇所の脚部あたり１個の球体が存在し、球体と被支持物体間、球体と支持ベースの双方が点接触であるから応力の集中する部分が弱く、点接触部の剛性が被支持物体と支持ベース間の剛性を支配する構成であるために剛性が小さくなるという未解決の課題があった。
【０００７】
点接触部の剛性は、球体のヤング率や、球体の径を大きくすることで、向上は図れるが、特に被支持物体が、例えば１０００ｋｇを越す重量をもつような大重量物体を支持する場合、キネマティックマウントの各支持部の剛性を必要レベルにするためには、球体の径を極端に大型化する必要があり、物理寸法上、１箇所に球体１個の配置は実現が難しくなる。それに対する対策案として、１箇所あたりに１個ではなく、複数の球体を並べて用いることで、剛性を上げるという手法も考えられるが、１箇所あたりが複数点支持となり１点の支持ではなくなるために、面で支持した場合と同様に、複数点のどの位置を中心に荷重を受けるかのバラツキが発生し、再現性の劣化の原因となる。また、支持剛性が低くなると、例えば、計測装置の被検物の支持や、計測基準の構造体の支持に用いる場合、床からの振動や、装置の傾きによる重力加速度方向の変化など、外乱加速度の影響を受けやすくなり、計測精度の劣化の原因となる。
【０００８】
また、図７に示した構成では、被検物を一旦空気によって浮上させて歪を解放することで、被検物の形状に再現性を得ることができ、計測中は面受けであるため剛性が強く、外乱加速度の影響も小さくすることができるが、被検物側に浮上するのに十分な面積をもった平面が必要になることや、計測中は面受けであるため、計測中の載物台の平面度の微小な変化は、そのまま被検物の形状を変化させてしまう可能性がある。
【０００９】
加えて、被検物の取り置き時も、正確に決められた位置に被検物を搭載しないと、載物台の平面度の影響で、被検物の受け点が変化することになるため、被検物の取り置きの形状再現性も得られない可能性がある。
【００１０】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、被支持物体の歪を任意に解放することで形状変化を低減することが自在であり、しかも、キネマティックマウントよりも大きな支持剛性を得ることができる高性能で信頼性の高い３点支持装置および３次元形状計測装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明の３点支持装置は、支持ベースとの間に３つの脚部を介して被支持物体を支持する３点支持装置であって、少なくとも１つの脚部が、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する固定体による第１の支持機構と、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向の４自由度のうちの少なくとも１つを有する可動体による第２の支持機構と、前記第１および前記第２の支持機構を交互に不作動にするための切り替え手段とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
脚部の剛性を、固定体との接触による大きな剛性を有する支持形態から、被支持物体の剛性と比較して非常に小さな剛性の可動体による支持形態に切り替えて被支持物体内部の歪を解放したうえで、再び固定体との接触による大きな剛性の支持形態に戻すことにより、内部歪のない変形前の支持状態を大きな支持剛性で再現することができる。
【００１３】
例えば、３つの脚部がそれぞれ被支持物体のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３位置を高剛性で固定支持する状態から、総合的に６自由度拘束支持形態（キネマティックマウント）に切り替えるように構成することにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向を固定した支持状態で被支持物体内部に発生した変形に起因する歪や、３つの脚部が固定されている支持ベースの変形の影響で発生した歪が、支持ベースと被支持物体の相対的な位置関係を変化させることなく解放される。このように歪を解消した状態で、再度３点の固定体接触による支持形態に切り替えることにより、被支持物体と支持ベースとの相対位置関係を変えることなく、被支持物体の変形前の形状を復元し、かつ、高剛性で安定した支持形態を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に示すように、被支持物体１を、支持ベース２との間に３つの脚部３を介して支持する３点支持装置において、各脚部３は、固定体の接触によって水平２軸の方向であるＸ、Ｙ方向および垂直１軸の方向であるＺ方向に被支持物体１を拘束して支持する第１の支持機構（１１、１２）と、Ｘ、Ｙ方向および、水平方向２軸周りの回転方向であるωＸ、ωＹ方向の計４自由度で移動可能な可動体の接触によって被支持物体１を支持する第２の支持機構（１３〜１５）と、前記第１および第２の支持機構による支持形態を交互に切り替える切り替え手段であるリフト機構１６とを設ける。
【００１５】
４自由度を有する第２の支持機構においては、例えば、Ｘ、Ｙ方向のうちのＹ方向の自由度を拘束するＸガイド等を付加することで、前記４自由度のうちの１〜３自由度を任意に拘束する構成に変更できる。
【実施例１】
【００１６】
図１は実施例１による３点支持装置を示すもので、被支持物体１は、支持ベース２上に、３つの脚部３を介して３点支持されている。図２は、各脚部３の内部構成を拡大して示すもので、被支持物体１の底面から突出する例えば１００ｍｍ以上の半径を持つ緩やかな球面の一部である球面部１１ａを備えた脚１１と、支持ベース２に固定され、平面形状を有する平面座１２ａを備えた固定体である固定支柱１２とからなる第１の支持機構においては、脚１１が固定支柱１２の平面座１２ａに接触支持され、被支持物体１は支持ベース２に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に拘束支持された極めて剛性の高い支持形態となる。
【００１７】
各脚部３の第２の支持機構は、脚１１を水平に一周囲むように、被支持物体１と一体に設けられたフランジ１３に、リング状のハウジング１４ａを有する弾性支持手段１４に支持された軸受手段であるスラストベアリング１５を有し、スラストベアリング１５は、２枚のリング状の平板１５ａ、１５ｂの間に挟まれた球体１５ｃが保持器１５ｄに保持された形で全周にわたって入っている。下側のリング状の平板１５ｂの底面は、リング状のハウジング１４ａに固定され、ハウジング１４ａの底面は、リフト機構であるリング状のベローズシリンダ１６に固定されている。ベローズシリンダ１６は、２枚のリング状の平板１６ａ、１６ｂの間に、径方向寸法が異なる２つのベローズ状の筒１６ｃ、１６ｄを溶接したもので、水平断面において二重管形状になっており、ベローズ状の筒１６ｃ、１６ｄに挟まれた部分を空気室とし、給排気孔１６ｅから、空気を出し入れすることで、Ｚ方向に伸び縮みすることができる。ベローズシリンダ１６は、支持ベース２に固定されており、ハウジング１４ａは、支持ベース２に固定されたスタンド１４ｂに、Ｚ方向のガイドとなる板バネ１４ｃを介して連結されている。
【００１８】
ベローズシリンダ１６の給排気によって、ハウジング１４ａおよびスラストベアリング１５を、板バネ１４ｃの剛性が高いＸ、Ｙ方向およびＺ軸周りの回転方向であるωＺ方向に拘束した状態でＺ方向に移動させることが可能となる。
【００１９】
ベローズシリンダ１６に所定の圧力で給気を行い、ハウジング１４ａを上昇させると、脚１１の球面部１１ａが、固定支柱１２の平面座１２ａに点接触した状態から、スラストベアリング１５の上方の平板１５ａの上面がフランジ１３に当接され、この面を用いて、被支持物体１をリフトした状態になる。このリフトした状態では、被支持物体１は、支持ベース２上で、ベローズシリンダ１６と、Ｚ方向ガイドの板バネ１４ｃと、スラストベアリング１５等を含む可動体の接触によって拘束された状態となる。スラストベアリング１５は、Ｘ、Ｙ方向に、バネ性が無く転動するか、あるいは微小領域では、非常に柔軟なバネ性を示す。また、ベローズシリンダ１６は、ωＸ、ωＹ方向に柔軟であり、Ｚガイドの板バネ１４ｃも、ωＸ、ωＹに柔軟であるため、リフトされた状態では、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向に柔軟でバネ性をもった支持形態となる。
【００２０】
このように、各脚部３においては、ベローズシリンダ１６への給気の有り無しによって、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する支持形態と、４自由度を有する支持形態を交互に切り替えることが可能である。
【００２１】
３つの脚部３によって被支持物体１を図１に示すように３点支持した場合、３つの脚部３が給気を行っていない固定体の接触による支持形態では、被支持物体１に発生する変形は、解放することができない。例えば、被支持物体１を吊り上げて取り外し再び搭載した場合は、吊り上げた時の吊点位置は、支持点の位置と異なるために、吊り上げた状態の変形が発生し、再び搭載したときには、固定体の接触部の摩擦の影響で、被支持物体１は元の３点支持されていた状態には戻らず変形してしまう。また、被支持物体１を搭載した状態にて、支持ベース２が変形した場合も同様に固定体の接触部の摩擦の影響で、被支持物体１へ力が伝達するため、被支持物体１も変形してしまう。
【００２２】
このような場合に、各脚部３に給気を行い、３点の支持を一旦４自由度の支持に切り替えることにより、被支持物体１の内部歪を解放することが可能となる。ただし、この状態では、支持剛性が大幅に低下した状態であるので、その後、再びＸ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する支持に各脚部３を切り替えて、復元後の高剛性を維持する。
【００２３】
ところで、図１の構成では、被支持物体の変形を支持剛性を落とすことなく、任意に解消することができるものの、各脚部を４自由度の支持に切り替えた時に、被支持物体には、支持ベースに対してＸ、Ｙ、ωＺ方向の３つの自由度が発生し、被支持物体の位置がずれてしまう可能性がある。以下に述べる実施例２は、このような不具合を解決するものである。
【実施例２】
【００２４】
図３に示すように、被支持物体２１は、支持ベース２２上に構成の異なる３つの脚部２３、２４、２５を介して支持されている。
【００２５】
上記３つの脚部のうちの脚部２５は、水平方２軸周りのωＸ、ωＹ方向と、垂直軸周りのωＺ方向の、３つの自由度を有し、脚部２４は、固定体の点接触にてＸ、Ｙ、Ｚ方向の３自由度を拘束する支持形態と、Ｘ、Ｙ方向のうちの１軸方向およびωＸ、ωＹ方向の計３自由度方向に移動可能な可動体によって被支持物体２１を支持する支持形態の、２種類の支持形態を有し、脚部２３は、固定体の点接触にてＸ、Ｙ、Ｚ方向の３自由度を拘束する支持形態と、Ｘ、Ｙ方向およびωＸ、ωＹ方向の計４自由度方向に移動可能な可動体によって被支持物体２１を支持する支持形態の、２種類の支持形態を有することにより、被支持物体２１の支持形態を、３点がそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ方向の３自由度を拘束支持する状態と、３点の異なる支持形態の組み合わせにて総合的に６自由度拘束支持形態（キネマティックマウント）となる状態に切り替えることが自在である。
【００２６】
脚部２３は、実施例１の脚部３と、まったく同一構造であり、その内部を構成する部材は同じであるから同一符号で表わし、説明は省略する。脚部２３の給気時の被支持物体２１をリフトした状態では、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向に柔軟なバネ性をもった４自由度の支持形態となる。
【００２７】
脚部２４は、実施例１の脚部３のスラストベアリング１５に、前記４自由度のうちのＹ方向の自由度を拘束するＸガイド１７を設けた以外は、まったく同じ構造である。すなわち、スラストベアリング１５には、リング状の平板１５ａと１５ｂの間に、Ｘガイド１７を構成する板バネ１７ａ、１７ｂがスペーサ１７ｃを間に挟む形で固定されている。このように構成することで、スラストベアリング１５のリング状の平板１５ａと１５ｂの相対的な動きに対する剛性が、動く方向によって異なり、Ｘ方向には小さな剛性を示すのに対し、Ｙ方向には、大きな剛性を示す。また、Ｚ方向には、球体１５ｃの剛性と比較して、小さな剛性を示す。Ｘガイド１７のバネ機構を追加することによって、ベローズシリンダ１６に、所定の圧力の空気を供給すると、脚部２４はスラストベアリング１５を介して、被支持物体２１をリフトすることができるが、スラストベアリング１５の可動方向が、Ｙ方向には拘束されているために、給気時の被支持物体２１をリフトした状態では、Ｘ、ωＸ、ωＹ方向に柔軟なバネ性をもった、３自由度の支持形態となる。
【００２８】
脚部２５は、被支持物体２１と一体である脚１８を有し、その先端は球面形状１８ａとなっている。受け座１９は、円錐状の凹部１９ａをもっており、両者を組み合わせることで、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３つの自由度を拘束し、ωＸ、ωＹ、ωＺ方向には可動である転動体を構成する。
【００２９】
支持ベース２２上に被支持物体２１を支持した状態において、脚部２３、２４への給気の有無によって、支持剛性の大きい３点の固定体の接触による支持形態と、支持剛性は小さいが、被支持物体内部の歪を解放できる６自由度拘束支持形態であるキネマティックマウントに切り替えることが可能となる。
【００３０】
３点支持の固定体の接触による支持形態では、例えば、被支持物体２１を吊り上げて取り外し再び搭載した場合、吊り上げた時の吊点位置は、支持点の位置と異なるために、吊り上げた状態の変形が発生し、再び搭載しただけでは、固定体の接触支持部の摩擦の影響で元の状態には戻らず、被支持物体２１は変形している。また、被支持物体２１を搭載した状態にて、支持ベース２２が変形した場合も同様に固定体の接触支持部の摩擦の影響で、被支持物体２１へ力が伝達するため、被支持物体２１も変形してしまう。そのような場合に、脚部２３、２４に給気を行い、一時的に６自由度拘束支持形態に切り替えることにより、被支持物体２１内部の歪を解放する。その後、再び各支持部をＸ、Ｙ、Ｚの３自由度拘束の固定体の接触支持に切り替えることにより、高剛性の支持状態を維持することができる。また、脚部２３、２４へ給気した時も、被支持物体２１は、キネマティックマウントによって支持ベース２２に対して６自由度拘束された状態であるため、被支持物体２１の位置関係は支持ベース２２に対してずれることがない。
【実施例３】
【００３１】
図５は実施例３による３次元形状計測装置を示すもので、吸振部材１０１を介して床面に支持された測定台１０２上の被測定物１０３の被測定面に沿って、触針であるプローブ１０４を移動させ、プローブ１０４の３次元位置と、測定基準である基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃとの相対距離を計測することで被測定物１０３の表面形状を計測する。被測定物１０３を搭載する測定台１０２と、基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃを保持するフレーム１０６とは、計測中はその相対間距離を常に一定に保つ必要があり構造上連結されていなければならない。しかし、同時に、各基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃ自体は、被測定物１０３の取り外し等に発生する測定台１０２の変形の影響を受けて変形しないことが必要となる。このために、基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃを支持するフレーム１０６の支持構造に、実施例２による３点支持装置を用いることで、フレーム１０６に歪が生じた際には、支持形態をキネマティックマウントに切り替えて、フレーム１０６と測定台１０２の間の相対移動を可能にすることで歪を解放し、フレーム１０６をもとの安定形状に復帰させる。そして、再び高剛性の固定体接触支持に切り替える。
【００３２】
測定中は、被測定物１０３を搭載する測定台１０２と基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃを保持するフレーム１０６とが構造上連結された状態を維持し、床からの振動や、装置の傾きによる重力加速度方向の変化など、外乱加速度の影響を基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃが受けにくく、その相対間距離を常に一定に保つことができるため、高精度な３次元形状計測が可能となる。
【００３３】
同様に被測定物１０３の支持構造にも、実施例２による３点支持装置を用いて、被測定物１０３の測定台１０２への取り置き後、一時的に支持形態をキネマティックマウントに切り替えて、被測定物１０３と測定台１０２の間の相対移動を可能にすることで、被測定物１０３の取り置き時に発生した歪を解放する。その後、再び支持形態を元に戻すことで、形状測定時は支持剛性の大きい３点の固定体接触による支持形態で支持する。このようにして、形状変化のない状態で被測定物１０３を支持し、同時に外乱加速度等の影響を受けることなく、極めて高精度で安定した３次元形状計測が可能となる。
【００３４】
図５の３次元形状計測装置の駆動部は、床面に支持された定盤１１０上にＹスライド１１１、転動ガイド１１２、回転モーター（不図示）に連結された送りねじ１１３を有する。Ｙスライド１１１上には、Ｘスライド１１４、転動ガイド１１５、送りねじ１１６、回転モーター１１７が設けられる。さらに、Ｘスライド１１４上には、Ｚスライド１１８、Ｚスライドガイド１１９、送りねじ１２０、回転モーター１２１が設けられている。Ｚスライド１１８の先端には、接触式のプローブ１０４を支持するハウジング１３０が固定されている。
【００３５】
接触式のプローブ１０４は、被測定物１０３の表面のＺ方向高さを測定するためのものであり、ハウジング１３０に対して平行板バネ１３１ａ〜１３１ｄを介してＺ方向のみ移動可能に支持されている。プローブ１０４の下端には、形状精度が高いことが保証されている球であるマスターボール１０４ａが取り付けられており、上部には、ミラー１０４ｂが設けられている。Ｚスライド１１８のプローブ１０４の直上方の位置には、レーザー干渉計１３４が設けられており、Ｚ基準ミラー１０５ｃとプローブ１０４上部のミラー１０４ｂとの距離Ｚ１を計測する。ハウジング１３０には、ミラー１０４ｂの位置を検出する変位センサー１３２が取り付けられており、ハウジング１３０に対するプローブ１０４の相対変位を検出する。プローブ１０４を被測定物１０３の表面上に接触させた状態にて、Ｘ、Ｙスライド１１１、１１４を駆動し、被測定物１０３の表面上を走査する際、Ｚスライド１１８の位置を制御することで、プローブ１０４の被測定物１０３への押し付け圧を一定にすることが可能となる。また、Ｚスライド１１８の先端部には、Ｚスライド１１８のＸ方向の距離を測定するためのレーザー干渉計１３５、１３６が設けられており、Ｚスライド１１８上下の２箇所とＸ基準ミラー１０５ａとの距離Ｘ１、Ｘ２を測定する。Ｙ方向においても同様なレーザー干渉計（不図示）が設けられており、Ｚスライド１１８の上下２箇所と、Ｙ基準ミラー１０５ｂとの間の距離Ｙ１、Ｙ２を測定する。Ｘ、Ｙ、Ｚの基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃは、一つの構造体であるフレーム１０６に保持されており、フレーム１０６は、測定台１０２に対して、図４に示した脚部２３〜２５と同じ構成の支機構材による３点支持装置１０７によって支持されている。また、被測定物１０３も同様の３点支持装置１０８によって、測定台１０２に支持されている。
【００３６】
被測定物１０３の表面をプローブ１０４が、被測定物１０３への押し付け圧を一定に保ちながら走査した時の、距離Ｚ１と距離Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２を同時に測定することで、被測定物１０３に接触しているマスターボール１０４ａのＸ、Ｙ、Ｚの基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃからの相対距離を正確に知ることができる。この位置情報には、被測定物１０３の表面の３次元形状の他に、例えば、フレーム１０６や、測定台１０２、Ｚスライド１１８等のさまざまな周波数成分を持った構造体の固有振動数が原因のノイズが混入している。しかし、それらのノイズは時間的な周波数をもった成分であり、被測定物１０３の表面の３次元形状は、時間的な周波数を持っていない成分であるため、所定の時間に平均化を行うことによって、周波数成分のみのキャンセルが可能であり、被測定物１０３の表面の３次元形状のみを抽出することが可能である。
【００３７】
この３次元形状計測装置においては、被測定物１０３の表面形状は、フレーム１０６に保持された基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃからのマスターボール１０４ａの位置情報から求められる。ゆえに、基準ミラーを支持するフレーム１０６の変形は、被測定物１０３の測定形状誤差要因になるため、フレーム１０６は常に同一の形状を保つことが望まれる。また、計測中の、被測定物１０３とフレーム１０６の相対変位の変化も誤差の要因となるため、測定中は、フレーム１０６と測定台１０２は強固に連結されてフレーム１０６と測定台１０２間の固有振動数もなるべく高くとることが望ましい。また、測定台１０２に搭載される被測定物１０３は、様々な形状、重量を持っており、様々な被測定物を搭載する度に、測定台１０２の変形状態が変わる。この問題に対処するために、本実施例では、基準ミラーを支持するフレーム１０６は測定台１０２に対し、実施例２と同様の３点支持装置１０７を用いて支持されている。
【００３８】
すなわち、脚部２３、２５への給気の有無によって、フレーム１０６の支持形態は、支持剛性の大きい３点の固定体接触による支持形態と、被支持物体内部の歪を解放できる３点の６自由度拘束支持形態（キネマティックマウント）に切り替えることができる。被測定物１０３を測定台１０２へ搭載後、脚部２３、２４への給気を行い、６自由度拘束支持にすることで、測定台１０２の変形の影響等でフレーム１０６に発生した歪を解放した後、脚部２３、２４の排気を行い、形状測定時は支持剛性の大きい３点の固定体の接触支持に切り替える。
【００３９】
また、被測定物１０３も同様に、実施例２と同様の３点支持装置１０８を用いて支持されているため、測定台１０２への取り置き時の歪を解放し、形状測定時は支持剛性の大きい３点の固定体接触支持で支持することができる。
【００４０】
このようにして、基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃを支持するフレーム１０６および被測定物１０３の形状の再現性の向上を図り、同時に、常時キネマティックマウントで支持した場合と比較して計測中のフレーム１０６等の支持剛性を大きくとることができ、測定時の構造体の固有振動数が原因のノイズ周波数を高く、振幅を小さくすることが可能となる。その結果、計測精度の向上と、ノイズ平均化のためのデータサンプリング時間の短縮による測定時間の短縮等に大きく貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１による３点支持装置を示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は各脚部のみを断面で示す立面図である。
【図２】図１の脚部の内部構成を示す断面図である。
【図３】実施例２による３点支持装置を示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は各脚部のみを断面で示す立面図である。
【図４】図３の各脚部の内部構成を示す図である。
【図５】実施例３による３次元形状計測装置を示す模式図である。
【図６】一従来例によるキネマティックマウントを示す図である。
【図７】別の従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１、２１ 被支持物体
２、２２ 支持ベース
３、２３、２４、２５ 脚部
１１、１８ 脚
１２ 固定支柱
１３ フランジ
１４ 弾性支持手段
１４ａ ハウジング
１４ｂ スタンド
１４ｃ 板バネ
１５ スラストベアリング
１５ａ、１５ｂ 平板
１５ｃ 球体
１５ｄ 保持器
１６ ベローズシリンダ
１７ Ｘガイド
１９ 受け座
１０２ 測定台
１０３ 被測定物
１０４ 触針
１０５ａ〜１０５ｃ 基準ミラー
１０６ フレーム
１０７、１０８ ３点支持装置
１１０ 定盤
１１１ Ｙスライド
１１４ Ｘスライド
１１８ Ｚスライド
１３４〜１３６ レーザー干渉計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、半導体露光装置等において精度の高い光学素子を支持する３点支持装置や、その光学素子を被検物として形状を計測する３次元形状計測装置に用いられる基準ミラーを取り付けたフレームや被検物など、１μｍ以下の変形が問題になるような被支持物体を支持する３点支持装置および３次元形状計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
１μｍ以下の精度で光学素子や被検物等の被支持物体を保持または支持する公知の３点支持装置として、キネマティックマウントが挙げられる。キネマティックマウントは、被支持物体が搭載面の変形から受ける変形や、被支持物体の取り置きによる変形といった、形状変化を軽減し、変形前の被支持物体の形状の再現性を向上させる目的で考案された支持機構である。
【０００３】
図６は一従来例によるキネマティックマウントの構成を示すもので、被支持物体２０１は、円錐状の凹部２０２およびＶ型溝２０３を有する底面との間に球体２０４〜２０６を介して３つの脚部２０７〜２０９により支持され、各脚部２０７〜２０９は支持ベース２１０に立設・固定される。第１の支持部は、支持ベース２１０に固定された第１の脚部２０７に設けられた円錐状の凹部２０７ａと、被支持物体２０１の円錐状の凹部２０２と、円錐状の凹部２０２、２０７ａに挿入される球体２０４から構成され、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３方向に拘束し、各軸周りの回転成分ωＸ、ωＹ、ωＺ方向の３自由度を持つ。第２の支持部は、支持ベース２１０に固定された第２の脚部２０８に設けられたＶ型溝２０８ａと被支持物体２０１に設けられたＶ型溝２０３、およびＶ型溝２０３、２０８ａに挿入される球体２０５から構成され、Ｙ、Ｚ方向の２方向に拘束し、Ｘ、ωＸ、ωＹ、ωＺ方向の４自由度を持つ。第３の支持部は、支持ベース２１０に固定された第３の脚部２０９の上面２０９ａと被支持物体２０１の下面に接触する球体２０６から構成され、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ、ωＺ方向の５自由度を持ち、Ｚ方向のみを拘束している。
【０００４】
このように構成することで、例えば、支持ベース２１０に負荷されている荷重Ｆに変化があったり、熱分布状態が変化したりすることで、支持ベース２１０が被支持物体２０１に対して無視できない量で変形した場合でも、これに伴う被支持物体２０１の変形を無視できるレベルまで軽減することができる。また、被支持物体２０１をいったん取り外し、再びキネマティックマウント上に搭載した場合でも、被支持物体２０１の形状は初期状態からほとんど変化しない良好な再現性を得ることができる。
【０００５】
次に、被支持物体の変形に対して良好な再現性を得る別の方法として、特許文献１に開示されている方法がある。これは、計測器で被検物の形状を計測する際に、被検物の持ち方や、載物台への載せ方による被検物の変形の影響を軽減するもので、例えば、図７に示す計測装置において、架台３０１上に、計測器３０３を保持する支柱３０２を立設し、架台３０１に支持されたスピンドル３０４の上端に、平面度が高く表面に給気穴３０６を有する載物台３０５を持つことで、搭載する面３０８ａが平面である被検物３０８を載物台３０５に搭載後、圧縮空気供給部３０７から給気をして一旦被検物３０８を浮上させ、被検物３０８内部の歪を解放することで、載物台３０５上の被検物３０８を常に一定の状態に再現することができるように構成されている。
【特許文献１】特開２００２−２３６０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図６に示した従来例によるキネマティックマウントでは３点の点接触による支持であるため、被支持物体を平面で支持した場合と比較すると、基本的に剛性を大きくとれない支持機構であるうえに、被支持物体と支持ベースの間には、１箇所の脚部あたり１個の球体が存在し、球体と被支持物体間、球体と支持ベースの双方が点接触であるから応力の集中する部分が弱く、点接触部の剛性が被支持物体と支持ベース間の剛性を支配する構成であるために剛性が小さくなるという未解決の課題があった。
【０００７】
点接触部の剛性は、球体のヤング率や、球体の径を大きくすることで、向上は図れるが、特に被支持物体が、例えば１０００ｋｇを越す重量をもつような大重量物体を支持する場合、キネマティックマウントの各支持部の剛性を必要レベルにするためには、球体の径を極端に大型化する必要があり、物理寸法上、１箇所に球体１個の配置は実現が難しくなる。それに対する対策案として、１箇所あたりに１個ではなく、複数の球体を並べて用いることで、剛性を上げるという手法も考えられるが、１箇所あたりが複数点支持となり１点の支持ではなくなるために、面で支持した場合と同様に、複数点のどの位置を中心に荷重を受けるかのバラツキが発生し、再現性の劣化の原因となる。また、支持剛性が低くなると、例えば、計測装置の被検物の支持や、計測基準の構造体の支持に用いる場合、床からの振動や、装置の傾きによる重力加速度方向の変化など、外乱加速度の影響を受けやすくなり、計測精度の劣化の原因となる。
【０００８】
また、図７に示した構成では、被検物を一旦空気によって浮上させて歪を解放することで、被検物の形状に再現性を得ることができ、計測中は面受けであるため剛性が強く、外乱加速度の影響も小さくすることができるが、被検物側に浮上するのに十分な面積をもった平面が必要になることや、計測中は面受けであるため、計測中の載物台の平面度の微小な変化は、そのまま被検物の形状を変化させてしまう可能性がある。
【０００９】
加えて、被検物の取り置き時も、正確に決められた位置に被検物を搭載しないと、載物台の平面度の影響で、被検物の受け点が変化することになるため、被検物の取り置きの形状再現性も得られない可能性がある。
【００１０】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、被支持物体の歪を任意に解放することで形状変化を低減することが自在であり、しかも、キネマティックマウントよりも大きな支持剛性を得ることができる高性能で信頼性の高い３点支持装置および３次元形状計測装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明の３点支持装置は、支持ベースとの間に３つの脚部を介して被支持物体を支持する３点支持装置であって、少なくとも１つの脚部が、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する固定体による第１の支持機構と、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向の４自由度のうちの少なくとも１つを有する可動体による第２の支持機構と、前記第１および前記第２の支持機構を交互に不作動にするための切り替え手段とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
脚部の剛性を、固定体との接触による大きな剛性を有する支持形態から、被支持物体の剛性と比較して非常に小さな剛性の可動体による支持形態に切り替えて被支持物体内部の歪を解放したうえで、再び固定体との接触による大きな剛性の支持形態に戻すことにより、内部歪のない変形前の支持状態を大きな支持剛性で再現することができる。
【００１３】
例えば、３つの脚部がそれぞれ被支持物体のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３位置を高剛性で固定支持する状態から、総合的に６自由度拘束支持形態（キネマティックマウント）に切り替えるように構成することにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向を固定した支持状態で被支持物体内部に発生した変形に起因する歪や、３つの脚部が固定されている支持ベースの変形の影響で発生した歪が、支持ベースと被支持物体の相対的な位置関係を変化させることなく解放される。このように歪を解消した状態で、再度３点の固定体接触による支持形態に切り替えることにより、被支持物体と支持ベースとの相対位置関係を変えることなく、被支持物体の変形前の形状を復元し、かつ、高剛性で安定した支持形態を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に示すように、被支持物体１を、支持ベース２との間に３つの脚部３を介して支持する３点支持装置において、各脚部３は、固定体の接触によって水平２軸の方向であるＸ、Ｙ方向および垂直１軸の方向であるＺ方向に被支持物体１を拘束して支持する第１の支持機構（１１、１２）と、Ｘ、Ｙ方向および、水平方向２軸周りの回転方向であるωＸ、ωＹ方向の計４自由度で移動可能な可動体の接触によって被支持物体１を支持する第２の支持機構（１３〜１５）と、前記第１および第２の支持機構による支持形態を交互に切り替える切り替え手段であるリフト機構１６とを設ける。
【００１５】
４自由度を有する第２の支持機構においては、例えば、Ｘ、Ｙ方向のうちのＹ方向の自由度を拘束するＸガイド等を付加することで、前記４自由度のうちの１〜３自由度を任意に拘束する構成に変更できる。
【実施例１】
【００１６】
図１は実施例１による３点支持装置を示すもので、被支持物体１は、支持ベース２上に、３つの脚部３を介して３点支持されている。図２は、各脚部３の内部構成を拡大して示すもので、被支持物体１の底面から突出する例えば１００ｍｍ以上の半径を持つ緩やかな球面の一部である球面部１１ａを備えた脚１１と、支持ベース２に固定され、平面形状を有する平面座１２ａを備えた固定体である固定支柱１２とからなる第１の支持機構においては、脚１１が固定支柱１２の平面座１２ａに接触支持され、被支持物体１は支持ベース２に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に拘束支持された極めて剛性の高い支持形態となる。
【００１７】
各脚部３の第２の支持機構は、脚１１を水平に一周囲むように、被支持物体１と一体に設けられたフランジ１３に、リング状のハウジング１４ａを有する弾性支持手段１４に支持された軸受手段であるスラストベアリング１５を有し、スラストベアリング１５は、２枚のリング状の平板１５ａ、１５ｂの間に挟まれた球体１５ｃが保持器１５ｄに保持された形で全周にわたって入っている。下側のリング状の平板１５ｂの底面は、リング状のハウジング１４ａに固定され、ハウジング１４ａの底面は、リフト機構であるリング状のベローズシリンダ１６に固定されている。ベローズシリンダ１６は、２枚のリング状の平板１６ａ、１６ｂの間に、径方向寸法が異なる２つのベローズ状の筒１６ｃ、１６ｄを溶接したもので、水平断面において二重管形状になっており、ベローズ状の筒１６ｃ、１６ｄに挟まれた部分を空気室とし、給排気孔１６ｅから、空気を出し入れすることで、Ｚ方向に伸び縮みすることができる。ベローズシリンダ１６は、支持ベース２に固定されており、ハウジング１４ａは、支持ベース２に固定されたスタンド１４ｂに、Ｚ方向のガイドとなる板バネ１４ｃを介して連結されている。
【００１８】
ベローズシリンダ１６の給排気によって、ハウジング１４ａおよびスラストベアリング１５を、板バネ１４ｃの剛性が高いＸ、Ｙ方向およびＺ軸周りの回転方向であるωＺ方向に拘束した状態でＺ方向に移動させることが可能となる。
【００１９】
ベローズシリンダ１６に所定の圧力で給気を行い、ハウジング１４ａを上昇させると、脚１１の球面部１１ａが、固定支柱１２の平面座１２ａに点接触した状態から、スラストベアリング１５の上方の平板１５ａの上面がフランジ１３に当接され、この面を用いて、被支持物体１をリフトした状態になる。このリフトした状態では、被支持物体１は、支持ベース２上で、ベローズシリンダ１６と、Ｚ方向ガイドの板バネ１４ｃと、スラストベアリング１５等を含む可動体の接触によって拘束された状態となる。スラストベアリング１５は、Ｘ、Ｙ方向に、バネ性が無く転動するか、あるいは微小領域では、非常に柔軟なバネ性を示す。また、ベローズシリンダ１６は、ωＸ、ωＹ方向に柔軟であり、Ｚガイドの板バネ１４ｃも、ωＸ、ωＹに柔軟であるため、リフトされた状態では、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向に柔軟でバネ性をもった支持形態となる。
【００２０】
このように、各脚部３においては、ベローズシリンダ１６への給気の有り無しによって、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する支持形態と、４自由度を有する支持形態を交互に切り替えることが可能である。
【００２１】
３つの脚部３によって被支持物体１を図１に示すように３点支持した場合、３つの脚部３が給気を行っていない固定体の接触による支持形態では、被支持物体１に発生する変形は、解放することができない。例えば、被支持物体１を吊り上げて取り外し再び搭載した場合は、吊り上げた時の吊点位置は、支持点の位置と異なるために、吊り上げた状態の変形が発生し、再び搭載したときには、固定体の接触部の摩擦の影響で、被支持物体１は元の３点支持されていた状態には戻らず変形してしまう。また、被支持物体１を搭載した状態にて、支持ベース２が変形した場合も同様に固定体の接触部の摩擦の影響で、被支持物体１へ力が伝達するため、被支持物体１も変形してしまう。
【００２２】
このような場合に、各脚部３に給気を行い、３点の支持を一旦４自由度の支持に切り替えることにより、被支持物体１の内部歪を解放することが可能となる。ただし、この状態では、支持剛性が大幅に低下した状態であるので、その後、再びＸ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する支持に各脚部３を切り替えて、復元後の高剛性を維持する。
【００２３】
ところで、図１の構成では、被支持物体の変形を支持剛性を落とすことなく、任意に解消することができるものの、各脚部を４自由度の支持に切り替えた時に、被支持物体には、支持ベースに対してＸ、Ｙ、ωＺ方向の３つの自由度が発生し、被支持物体の位置がずれてしまう可能性がある。以下に述べる実施例２は、このような不具合を解決するものである。
【実施例２】
【００２４】
図３に示すように、被支持物体２１は、支持ベース２２上に構成の異なる３つの脚部２３、２４、２５を介して支持されている。
【００２５】
上記３つの脚部のうちの脚部２５は、水平方２軸周りのωＸ、ωＹ方向と、垂直軸周りのωＺ方向の、３つの自由度を有し、脚部２４は、固定体の点接触にてＸ、Ｙ、Ｚ方向の３自由度を拘束する支持形態と、Ｘ、Ｙ方向のうちの１軸方向およびωＸ、ωＹ方向の計３自由度方向に移動可能な可動体によって被支持物体２１を支持する支持形態の、２種類の支持形態を有し、脚部２３は、固定体の点接触にてＸ、Ｙ、Ｚ方向の３自由度を拘束する支持形態と、Ｘ、Ｙ方向およびωＸ、ωＹ方向の計４自由度方向に移動可能な可動体によって被支持物体２１を支持する支持形態の、２種類の支持形態を有することにより、被支持物体２１の支持形態を、３点がそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ方向の３自由度を拘束支持する状態と、３点の異なる支持形態の組み合わせにて総合的に６自由度拘束支持形態（キネマティックマウント）となる状態に切り替えることが自在である。
【００２６】
脚部２３は、実施例１の脚部３と、まったく同一構造であり、その内部を構成する部材は同じであるから同一符号で表わし、説明は省略する。脚部２３の給気時の被支持物体２１をリフトした状態では、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向に柔軟なバネ性をもった４自由度の支持形態となる。
【００２７】
脚部２４は、実施例１の脚部３のスラストベアリング１５に、前記４自由度のうちのＹ方向の自由度を拘束するＸガイド１７を設けた以外は、まったく同じ構造である。すなわち、スラストベアリング１５には、リング状の平板１５ａと１５ｂの間に、Ｘガイド１７を構成する板バネ１７ａ、１７ｂがスペーサ１７ｃを間に挟む形で固定されている。このように構成することで、スラストベアリング１５のリング状の平板１５ａと１５ｂの相対的な動きに対する剛性が、動く方向によって異なり、Ｘ方向には小さな剛性を示すのに対し、Ｙ方向には、大きな剛性を示す。また、Ｚ方向には、球体１５ｃの剛性と比較して、小さな剛性を示す。Ｘガイド１７のバネ機構を追加することによって、ベローズシリンダ１６に、所定の圧力の空気を供給すると、脚部２４はスラストベアリング１５を介して、被支持物体２１をリフトすることができるが、スラストベアリング１５の可動方向が、Ｙ方向には拘束されているために、給気時の被支持物体２１をリフトした状態では、Ｘ、ωＸ、ωＹ方向に柔軟なバネ性をもった、３自由度の支持形態となる。
【００２８】
脚部２５は、被支持物体２１と一体である脚１８を有し、その先端は球面形状１８ａとなっている。受け座１９は、円錐状の凹部１９ａをもっており、両者を組み合わせることで、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の３つの自由度を拘束し、ωＸ、ωＹ、ωＺ方向には可動である転動体を構成する。
【００２９】
支持ベース２２上に被支持物体２１を支持した状態において、脚部２３、２４への給気の有無によって、支持剛性の大きい３点の固定体の接触による支持形態と、支持剛性は小さいが、被支持物体内部の歪を解放できる６自由度拘束支持形態であるキネマティックマウントに切り替えることが可能となる。
【００３０】
３点支持の固定体の接触による支持形態では、例えば、被支持物体２１を吊り上げて取り外し再び搭載した場合、吊り上げた時の吊点位置は、支持点の位置と異なるために、吊り上げた状態の変形が発生し、再び搭載しただけでは、固定体の接触支持部の摩擦の影響で元の状態には戻らず、被支持物体２１は変形している。また、被支持物体２１を搭載した状態にて、支持ベース２２が変形した場合も同様に固定体の接触支持部の摩擦の影響で、被支持物体２１へ力が伝達するため、被支持物体２１も変形してしまう。そのような場合に、脚部２３、２４に給気を行い、一時的に６自由度拘束支持形態に切り替えることにより、被支持物体２１内部の歪を解放する。その後、再び各支持部をＸ、Ｙ、Ｚの３自由度拘束の固定体の接触支持に切り替えることにより、高剛性の支持状態を維持することができる。また、脚部２３、２４へ給気した時も、被支持物体２１は、キネマティックマウントによって支持ベース２２に対して６自由度拘束された状態であるため、被支持物体２１の位置関係は支持ベース２２に対してずれることがない。
【実施例３】
【００３１】
図５は実施例３による３次元形状計測装置を示すもので、吸振部材１０１を介して床面に支持された測定台１０２上の被測定物１０３の被測定面に沿って、触針であるプローブ１０４を移動させ、プローブ１０４の３次元位置と、測定基準である基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃとの相対距離を計測することで被測定物１０３の表面形状を計測する。被測定物１０３を搭載する測定台１０２と、基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃを保持するフレーム１０６とは、計測中はその相対間距離を常に一定に保つ必要があり構造上連結されていなければならない。しかし、同時に、各基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃ自体は、被測定物１０３の取り外し等に発生する測定台１０２の変形の影響を受けて変形しないことが必要となる。このために、基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃを支持するフレーム１０６の支持構造に、実施例２による３点支持装置を用いることで、フレーム１０６に歪が生じた際には、支持形態をキネマティックマウントに切り替えて、フレーム１０６と測定台１０２の間の相対移動を可能にすることで歪を解放し、フレーム１０６をもとの安定形状に復帰させる。そして、再び高剛性の固定体接触支持に切り替える。
【００３２】
測定中は、被測定物１０３を搭載する測定台１０２と基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃを保持するフレーム１０６とが構造上連結された状態を維持し、床からの振動や、装置の傾きによる重力加速度方向の変化など、外乱加速度の影響を基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃが受けにくく、その相対間距離を常に一定に保つことができるため、高精度な３次元形状計測が可能となる。
【００３３】
同様に被測定物１０３の支持構造にも、実施例２による３点支持装置を用いて、被測定物１０３の測定台１０２への取り置き後、一時的に支持形態をキネマティックマウントに切り替えて、被測定物１０３と測定台１０２の間の相対移動を可能にすることで、被測定物１０３の取り置き時に発生した歪を解放する。その後、再び支持形態を元に戻すことで、形状測定時は支持剛性の大きい３点の固定体接触による支持形態で支持する。このようにして、形状変化のない状態で被測定物１０３を支持し、同時に外乱加速度等の影響を受けることなく、極めて高精度で安定した３次元形状計測が可能となる。
【００３４】
図５の３次元形状計測装置の駆動部は、床面に支持された定盤１１０上にＹスライド１１１、転動ガイド１１２、回転モーター（不図示）に連結された送りねじ１１３を有する。Ｙスライド１１１上には、Ｘスライド１１４、転動ガイド１１５、送りねじ１１６、回転モーター１１７が設けられる。さらに、Ｘスライド１１４上には、Ｚスライド１１８、Ｚスライドガイド１１９、送りねじ１２０、回転モーター１２１が設けられている。Ｚスライド１１８の先端には、接触式のプローブ１０４を支持するハウジング１３０が固定されている。
【００３５】
接触式のプローブ１０４は、被測定物１０３の表面のＺ方向高さを測定するためのものであり、ハウジング１３０に対して平行板バネ１３１ａ〜１３１ｄを介してＺ方向のみ移動可能に支持されている。プローブ１０４の下端には、形状精度が高いことが保証されている球であるマスターボール１０４ａが取り付けられており、上部には、ミラー１０４ｂが設けられている。Ｚスライド１１８のプローブ１０４の直上方の位置には、レーザー干渉計１３４が設けられており、Ｚ基準ミラー１０５ｃとプローブ１０４上部のミラー１０４ｂとの距離Ｚ１を計測する。ハウジング１３０には、ミラー１０４ｂの位置を検出する変位センサー１３２が取り付けられており、ハウジング１３０に対するプローブ１０４の相対変位を検出する。プローブ１０４を被測定物１０３の表面上に接触させた状態にて、Ｘ、Ｙスライド１１１、１１４を駆動し、被測定物１０３の表面上を走査する際、Ｚスライド１１８の位置を制御することで、プローブ１０４の被測定物１０３への押し付け圧を一定にすることが可能となる。また、Ｚスライド１１８の先端部には、Ｚスライド１１８のＸ方向の距離を測定するためのレーザー干渉計１３５、１３６が設けられており、Ｚスライド１１８上下の２箇所とＸ基準ミラー１０５ａとの距離Ｘ１、Ｘ２を測定する。Ｙ方向においても同様なレーザー干渉計（不図示）が設けられており、Ｚスライド１１８の上下２箇所と、Ｙ基準ミラー１０５ｂとの間の距離Ｙ１、Ｙ２を測定する。Ｘ、Ｙ、Ｚの基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃは、一つの構造体であるフレーム１０６に保持されており、フレーム１０６は、測定台１０２に対して、図４に示した脚部２３〜２５と同じ構成の支機構材による３点支持装置１０７によって支持されている。また、被測定物１０３も同様の３点支持装置１０８によって、測定台１０２に支持されている。
【００３６】
被測定物１０３の表面をプローブ１０４が、被測定物１０３への押し付け圧を一定に保ちながら走査した時の、距離Ｚ１と距離Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２を同時に測定することで、被測定物１０３に接触しているマスターボール１０４ａのＸ、Ｙ、Ｚの基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃからの相対距離を正確に知ることができる。この位置情報には、被測定物１０３の表面の３次元形状の他に、例えば、フレーム１０６や、測定台１０２、Ｚスライド１１８等のさまざまな周波数成分を持った構造体の固有振動数が原因のノイズが混入している。しかし、それらのノイズは時間的な周波数をもった成分であり、被測定物１０３の表面の３次元形状は、時間的な周波数を持っていない成分であるため、所定の時間に平均化を行うことによって、周波数成分のみのキャンセルが可能であり、被測定物１０３の表面の３次元形状のみを抽出することが可能である。
【００３７】
この３次元形状計測装置においては、被測定物１０３の表面形状は、フレーム１０６に保持された基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃからのマスターボール１０４ａの位置情報から求められる。ゆえに、基準ミラーを支持するフレーム１０６の変形は、被測定物１０３の測定形状誤差要因になるため、フレーム１０６は常に同一の形状を保つことが望まれる。また、計測中の、被測定物１０３とフレーム１０６の相対変位の変化も誤差の要因となるため、測定中は、フレーム１０６と測定台１０２は強固に連結されてフレーム１０６と測定台１０２間の固有振動数もなるべく高くとることが望ましい。また、測定台１０２に搭載される被測定物１０３は、様々な形状、重量を持っており、様々な被測定物を搭載する度に、測定台１０２の変形状態が変わる。この問題に対処するために、本実施例では、基準ミラーを支持するフレーム１０６は測定台１０２に対し、実施例２と同様の３点支持装置１０７を用いて支持されている。
【００３８】
すなわち、脚部２３、２５への給気の有無によって、フレーム１０６の支持形態は、支持剛性の大きい３点の固定体接触による支持形態と、被支持物体内部の歪を解放できる３点の６自由度拘束支持形態（キネマティックマウント）に切り替えることができる。被測定物１０３を測定台１０２へ搭載後、脚部２３、２４への給気を行い、６自由度拘束支持にすることで、測定台１０２の変形の影響等でフレーム１０６に発生した歪を解放した後、脚部２３、２４の排気を行い、形状測定時は支持剛性の大きい３点の固定体の接触支持に切り替える。
【００３９】
また、被測定物１０３も同様に、実施例２と同様の３点支持装置１０８を用いて支持されているため、測定台１０２への取り置き時の歪を解放し、形状測定時は支持剛性の大きい３点の固定体接触支持で支持することができる。
【００４０】
このようにして、基準ミラー１０５ａ〜１０５ｃを支持するフレーム１０６および被測定物１０３の形状の再現性の向上を図り、同時に、常時キネマティックマウントで支持した場合と比較して計測中のフレーム１０６等の支持剛性を大きくとることができ、測定時の構造体の固有振動数が原因のノイズ周波数を高く、振幅を小さくすることが可能となる。その結果、計測精度の向上と、ノイズ平均化のためのデータサンプリング時間の短縮による測定時間の短縮等に大きく貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例１による３点支持装置を示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は各脚部のみを断面で示す立面図である。
【図２】図１の脚部の内部構成を示す断面図である。
【図３】実施例２による３点支持装置を示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は各脚部のみを断面で示す立面図である。
【図４】図３の各脚部の内部構成を示す図である。
【図５】実施例３による３次元形状計測装置を示す模式図である。
【図６】一従来例によるキネマティックマウントを示す図である。
【図７】別の従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１、２１ 被支持物体
２、２２ 支持ベース
３、２３、２４、２５ 脚部
１１、１８ 脚
１２ 固定支柱
１３ フランジ
１４ 弾性支持手段
１４ａ ハウジング
１４ｂ スタンド
１４ｃ 板バネ
１５ スラストベアリング
１５ａ、１５ｂ 平板
１５ｃ 球体
１５ｄ 保持器
１６ ベローズシリンダ
１７ Ｘガイド
１９ 受け座
１０２ 測定台
１０３ 被測定物
１０４ 触針
１０５ａ〜１０５ｃ 基準ミラー
１０６ フレーム
１０７、１０８ ３点支持装置
１１０ 定盤
１１１ Ｙスライド
１１４ Ｘスライド
１１８ Ｚスライド
１３４〜１３６ レーザー干渉計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持ベースとの間に３つの脚部を介して被支持物体を支持する３点支持装置であって、少なくとも１つの脚部が、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する固定体による第１の支持機構と、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向の４自由度のうちの少なくとも１つを有する可動体による第２の支持機構と、前記第１および前記第２の支持機構を交互に不作動にするための切り替え手段とを備えていることを特徴とする３点支持装置。
【請求項２】
支持ベースとの間に３つの脚部を介して被支持物体を支持する３点支持装置であって、第１の脚部が、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する固定体による支持形態と、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向の４自由度を有する可動体による支持形態とを交互に切り替え自在であり、第２の脚部が、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する固定体による支持形態と、Ｘ、Ｙ方向のいずれか一方およびωＸ、ωＹ方向の３自由度を有する可動体による支持形態とを交互に切り替え自在であり、第３の脚部が、ωＸ、ωＹ、ωＺ方向の３自由度を有する転動体による支持形態を有することを特徴とする３点支持装置。
【請求項３】
前記可動体が、２枚の平板の間に複数の球体を有する軸受手段と、前記軸受手段を弾力的に支持する弾性支持手段とを備えていることを特徴とする請求項１または２記載の３点支持装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか１項記載の３点支持装置と、測定台と、触針とを有し、前記３点支持装置を介して前記測定台上に被測定物を支持し、前記被測定物の被測定面に前記触針を接触させ、前記被測定面に沿って移動させながら前記触針の３次元位置を計測することを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項５】
請求項１ないし３いずれか１項記載の３点支持装置と、被測定物を支持する測定台と、触針と、前記触針の３次元位置を計測するための測定基準を有するフレームとを有し、前記３点支持装置を介して前記測定台上に前記フレームを支持し、前記被測定物の被測定面に前記触針を接触させ、前記被測定面に沿って移動させながら前記触針の３次元位置を計測することを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項１】
支持ベースとの間に３つの脚部を介して被支持物体を支持する３点支持装置であって、少なくとも１つの脚部が、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する固定体による第１の支持機構と、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向の４自由度のうちの少なくとも１つを有する可動体による第２の支持機構と、前記第１および前記第２の支持機構を交互に不作動にするための切り替え手段とを備えていることを特徴とする３点支持装置。
【請求項２】
支持ベースとの間に３つの脚部を介して被支持物体を支持する３点支持装置であって、第１の脚部が、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する固定体による支持形態と、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ方向の４自由度を有する可動体による支持形態とを交互に切り替え自在であり、第２の脚部が、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ方向の自由度を拘束する固定体による支持形態と、Ｘ、Ｙ方向のいずれか一方およびωＸ、ωＹ方向の３自由度を有する可動体による支持形態とを交互に切り替え自在であり、第３の脚部が、ωＸ、ωＹ、ωＺ方向の３自由度を有する転動体による支持形態を有することを特徴とする３点支持装置。
【請求項３】
前記可動体が、２枚の平板の間に複数の球体を有する軸受手段と、前記軸受手段を弾力的に支持する弾性支持手段とを備えていることを特徴とする請求項１または２記載の３点支持装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか１項記載の３点支持装置と、測定台と、触針とを有し、前記３点支持装置を介して前記測定台上に被測定物を支持し、前記被測定物の被測定面に前記触針を接触させ、前記被測定面に沿って移動させながら前記触針の３次元位置を計測することを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項５】
請求項１ないし３いずれか１項記載の３点支持装置と、被測定物を支持する測定台と、触針と、前記触針の３次元位置を計測するための測定基準を有するフレームとを有し、前記３点支持装置を介して前記測定台上に前記フレームを支持し、前記被測定物の被測定面に前記触針を接触させ、前記被測定面に沿って移動させながら前記触針の３次元位置を計測することを特徴とする３次元形状計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−７８１８７（Ｐ２００６−７８１８７Ａ）
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５９２０３（Ｐ２００４−２５９２０３）
【出願日】平成１６年９月７日（２００４．９．７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月７日（２００４．９．７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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