JP2020041669A - 支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の位置および姿勢の調整を可能としつつ該物体を高い剛性で支持する支持装置を提供する。【解決手段】物体の互いに異なる箇所をそれぞれ支持する３つの支持機構１１の各々は、調整機構１１１と、調整機構によって支持される応力吸収機構１１２と、を含み、調整機構は、固定部材１１１３によって支持された可動部材１１１２を含み、応力吸収機構は、支持部材１１２４と、第１軸の周りの回転ＡＲ４、第２方向、第２軸の周りの回転ＡＲ２、第３軸の周りの回転ＡＲ３に関して自由度を有し、第１方向および第３方向に関しては自由度を有しないように可動部材と支持部材とを結合する結合部材１１２０とを含み、可動部材は、第１方向に自由度を有する一方で、少なくとも第３方向に自由度を有しないように固定部材によって支持され、３つの支持機構がそれぞれ配置された位置を頂点とする三角形の外接円の内側にそれぞれの第２方向が向くように配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、物体を支持する支持装置に関する。

物体を変形させることなく、物体の表面の法線方向とそれに直交する２方向にそれぞれ平行な２軸の周りの回転とに関して物体の位置および姿勢を調整可能で、高い剛性を有する支持装置が要求されている。特許文献１には、３個の圧電アクチュエータを使用してθＺステージ上にメインステージを保持する精密ステージ装置が記載されている。各圧電アクチュエータは、積層圧電素子と、積層圧電素子によって駆動される球面ヒンジとを有し、球面ヒンジがメインステージに結合されている。球面ヒンジは、積層圧電素子の駆動方向に関しては高い剛性を有し、他の方向に関しては弱い弾性を有する。

特許第２７８０８１７号公報

特許文献１に記載された精密ステージ装置では、メインステージが傾くときに、メインステージから球面ヒンジに対してＸＹ平面方向の力が作用する。この際に、球面ヒンジは、容易にＸＹ平面方向に弾性変形するので、メインステージ自体に過大な歪み応力が発生することがない。しかしながら、球面ヒンジは、積層圧電素子の駆動方向以外の方向（ＸＹ平面方向）については剛性が小さいので、メインステージを高い剛性で支持することができない。

本発明は、物体の位置および姿勢の調整を可能としつつ該物体を高い剛性で支持するために有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、物体を支持する支持装置に係り、前記支持装置は、前記物体の互いに異なる箇所をそれぞれ支持する３つの支持機構を備え、前記３つの支持機構の各々は、調整機構と、前記調整機構によって支持される応力吸収機構と、を含み、前記調整機構は、固定部材と、前記固定部材によって支持された可動部材とを含み、前記応力吸収機構は、前記物体を支持する支持部材と、第１方向に平行な第１軸の周りの回転、前記第１方向に直交する第２方向、前記第２方向に平行な第２軸の周りの回転、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に平行な第３軸の周りの回転に関して自由度を有し、前記第１方向および前記第３方向に関しては自由度を有しないように前記可動部材と前記支持部材とを結合する結合部材と、を含み、前記可動部材は、前記第１方向に自由度を有する一方で、少なくとも前記第３方向に自由度を有しないように前記固定部材によって支持され、前記３つの支持機構は、前記３つの支持機構がそれぞれ配置された位置を頂点とする三角形の外接円の内側にそれぞれの前記第２方向が向くように配置されている。

本発明によれば、物体の位置および姿勢の調整を可能としつつ該物体を高い剛性で支持するために有利な技術が提供される。

本発明の１つの実施形態の支持装置の構成を示す図。 本発明の１つの実施形態の支持装置における１つの支持機構の構成を示す斜視図。 本発明の１つの実施形態の支持装置における１つの支持機構の構成を示す断面図。 支持装置における３つの支持機構の配置の１つの例を示す図。 支持装置における３つの支持機構の配置の他の例を示す図。 支持機構における調整機構の変形例を示す図。 支持機構における応力吸収機構の変形例を示す図。 支持機構における応力吸収機構の他の変形例を示す図。

以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。

図１には、本発明の１つの実施形態の支持装置１０の構成が示されている。支持装置１０は、物体１２を支持する。物体１２は、例えば、ステージまたはチャック等の部材または構造物であってもよいし、ミラー等の光学部品であってもよいが、これらに限定されるものではない。支持装置１０は、物体１２の位置および姿勢を調整可能に構成されうる。例えば、支持装置１０は、物体１２の表面の法線方向における物体１２の位置と、該法線方向に直交する２つの方向にそれぞれ平行な２つの軸の周りにおける物体１２の姿勢（傾き）と、の３自由度を調整可能に構成されうる。あるいは、支持装置１０は、支持装置１０が設置された構造体の表面の法線方向における物体１２の位置と、該法線方向に直交する２つの方向にそれぞれ平行な２つの軸の周りにおける物体１２の姿勢（傾き）と、の３自由度を調整可能に構成されうる。

支持装置１０は、物体１２の互いに異なる箇所をそれぞれ支持する３つの支持機構１１を備えうる。支持装置１０は、追加の１以上の支持機構１１を備えてもよい。換言すると、支持装置１０は、物体１２の互いに異なる箇所をそれぞれ支持する４以上の支持機構１１を備えてもよい。一例において、支持装置１０は、物体１２の互いに異なる箇所にそれぞれ固定された３つの結合部１３のそれぞれを３つの支持機構１１のうち対応する支持機構１１が支持するように構成されうる。

図２には、１つの支持機構１１の構成が例示されている。図３には、図２に示された支持機構１１の断面の構成が例示されている。ここで、本明細書および図面では、方向を表現する用語として、相互に直交する方向を示す第１方向、第２方向、第３方向という用語が用いられる。第１方向は、物体１２の表面の法線方向、または、支持装置１０が設置された構造体の表面の法線方向でありうる。第１方向は、複数の支持機構１１において共通する方向を示す用語として使用されるが、第２方向および第３方向は、個々の支持機構１１における方向を示す用語として使用される。例えば、ある支持機構１１における第２方向および第３方向は、他の支持機構１１における第２方向および第３方向とはそれぞれ異なりうる。

各支持機構１１は、調整機構１１１と、調整機構１１１によって支持される応力吸収機構１１２とを含みうる。応力吸収機構１１２は、結合部１３を介して物体１２を支持する。調整機構１１１は、固定部材１１１３と、可動部材１１１２とを含む。図２の例では、固定部材１１１３は、支持装置１０を設置するべき床、筐体、台等の構造体に固定されうる。可動部材１１１２は、第１方向にのみ自由度を有するように固定部材１１１３によって支持されうる。調整機構１１１は、可動部材１１１２が第１方向にのみ自由度を有するように固定部材１１１３と可動部材１１１２とを結合する第１弾性部材１１１１を含みうる。第１方向における可動部材１１１２の変位は、矢印ＡＲ１によって示されている。第１弾性部材１１１１は、一例において、複数の板バネで構成される平行リンク構造を有しうる。図２の例では、第１弾性部材１１１１は、４枚の板バネで構成される平行リンク構造を有する。第１弾性部材１１１１が平行リンク構造を有することにより、可動部材１１１２は、第１方向にのみ自由度を有する。つまり、可動部材１１１２は、第１方向以外の方向および回転に関しては、高い剛性を有する（自由度を有しない）。ただし、後述するように、可動部材１１１２は、第１方向に自由度を有する一方で、少なくとも第３方向に自由度を有しないように固定部材１１１３によって支持されてもよい。

可動部材１１１２を第１方向に変位させる構成、換言すると、第１方向における可動部材１１１２の位置を調整するための構成として、ネジ機構を採用することができる。図３の例では、雄ネジを有するボルト１１４が、雌ネジを有する固定部材１１１３に固定されている。ボルト１１４の先端は、可動部材１１１２に当接している。ボルト１１４を回転させることによって、第１方向における可動部材１１１２の位置が調整されうる。ネジ機構に代えて、第１方向における可動部材１１１２の位置を調整するための構成として、固定部材１１１３と可動部材１１１２との距離を調整することができるように、モータまたは圧電素子等のアクチュエータが設けられてもよい。

応力吸収機構１１２は、調整機構１１１の可動部材１１１２に結合された基礎部材１１２５と、物体１２を支持する支持部材１１２４と、基礎部材１１２５と支持部材１１２４とを結合する結合部材１１２０とを含みうる。この例では、基礎部材１１２５を介して可動部材１１１２と支持部材１１２４とが結合部材１１２０によって結合されている。これに代えて、基礎部材１１２５を設けずに、調整機構１１１の可動部材１１１２と支持部材１１２４とを結合部材１１２０によって直接に結合してもよい。結合部材１１２０は、第１方向に平行な第１軸の周りの回転、第２方向、第２方向に平行な第２軸の周りの回転、第３方向に平行な第３軸の周りの回転に関して自由度を有するように可動部材１１１２（基礎部材１１２５）と支持部材１１２４とを結合する。また。結合部材１１２０は、第１方向および第３方向に関しては自由度を有しないように可動部材１１１２（基礎部材１１２５）と支持部材１１２４とを結合する。

第１方向に平行な第１軸の周りにおける支持部材１１２４の回転は、矢印ＡＲ４によって示されている。第２方向における支持部材１１２４の変位は、矢印ＡＲ５によって示されている。第２方向に平行な第２軸の周りにおける支持部材１１２４の回転は、矢印ＡＲ２によって示されている。第３方向に平行な第３軸の周りにおける支持部材１１２４の回転、矢印ＡＲ３によって示されている。

結合部材１１２０は、第２弾性部材１１２１、第３弾性部材１１２２および第４弾性部材１１２３を含みうる。第１弾性部材１１２１は、支持部材１１２４に対して第２方向に平行な第２軸の周りの回転（ＡＲ２）の自由度を与えるように、基礎部材１１２５と支持部材１１２４とを結合する。第３弾性部材１１２２は、支持部材１１２４に対して第３方向に平行な第３軸の周りの回転（ＡＲ３）の自由度を与えるように、基礎部材１１２５と支持部材１１２４とを結合する。第４弾性部材１１２３は、支持部材１１２４に対して第２方向の変位（ＡＲ５）の自由度を与えるように、基礎部材１１２５と支持部材１１２４とを結合する。第２弾性部材１１２１および第３弾性部材１１２２の少なくとも一方は、支持部材１１２４に対して第１方向に平行な第１軸の周りの回転（ＡＲ４）の自由度を与えるように基礎部材１１２５と支持部材１１２４とを結合しうる。第２弾性部材１１２１、第３弾性部材１１２２および第４弾性部材１１２３は、支持部材１１２４と基礎部材１１２５との間に直列に接続されている。

図２の例において、第２弾性部材１１２１は、矢印ＡＲ２の方向への可撓性を有する板バネで構成され、支持部材１１２４が矢印ＡＲ２の方向に回転することを可能にする。また、図２の例において、第３弾性部材１１２２は、矢印ＡＲ３の方向へ可撓性を有する板バネで構成され、支持部材１１２４が矢印ＡＲ３の方向に回転することを可能にする。また、第２弾性部材１１２１および第３弾性部材１１２２は、矢印ＡＲ４の方向への捻れを可能にする長さを有し、これにより支持部材１１２４が矢印ＡＲ４の方向に回転することを可能にする。第１方向における第２弾性部材１１２１および第３弾性部材１１２２の長さは同じであってもよいし、一方を他方より十分に長くして、捻れの機能を当該一方に与えてもよい。また、図２の例において、第４弾性部材１１２３は、第２方向への可撓性を有する４つの板バネを用いた平行リンク構造を有し、支持部材１１２４が矢印ＡＲ５の方向に変位することを可能にする。以上の構成により、応力吸収機構１１２は、支持部材１１２４が矢印ＡＲ２、ＡＲ３、ＡＲ４、ＡＲ５の方向の自由度を与え、他の方向に関しては自由度を与えない。

図４には、支持装置１０における３つの支持機構１１の配置の１つの例が示されている。図４に例示されるように、３つの支持機構１１は、当該３つの支持機構１１がそれぞれ配置された位置を頂点とする三角形の外接円の内側にそれぞれの第２方向が向くように配置されうる。また、３つの支持機構１１は、当該３つの支持機構１１がそれぞれ配置された位置を頂点とする三角形の外接円の中心にそれぞれの第２方向が向くように配置されうる。また、別の観点において、３つの支持機構１１は、当該３つの支持機構１１がそれぞれ配置された位置を頂点とする三角形の重心にそれぞれの第２方向が向くように配置されうる。３つの支持機構１１がそれぞれ配置された位置を頂点とする三角形は、一例において、正三角形である。

図２における矢印ＡＲ２、ＡＲ３、ＡＲ４の方向に関する支持部材１１２４の自由度は、３つの支持機構１１によって支持される物体１２を傾けた場合に物体１２において発生する応力を吸収し、物体１２の変形を低減するように機能する。図２における矢印ＡＲ５の方向に関する支持部材１１２４の自由度は、３つの支持機構１１によって支持される物体１２を傾けた場合に３つの支持機構１１のそれぞれの支持部材１１２４の相互の間隔の変化を許容する。したがって、図２における矢印ＡＲ５の方向に関する支持部材１１２４の自由度も、物体１２において発生する応力を吸収し、物体１２の変形を低減するように機能する。

物体１２を傾ける場合、３つの支持機構１１をそれぞれ頂点とする三角形は、その中心に向かって縮小するように変形しうる。したがって、３つの支持機構１１のうちの少なくとも１つの支持機構１１は、その第２方向が外接円の中心または三角形の重心を向くように配置されることが好ましい。また、３つの支持機構１１のうちの２つの支持機構１１は、その第２方向が外接円の中心または三角形の重心を向くように配置されることがより好ましい。また、３つの支持機構１１の全ての第２方向が外接円の中心または三角形の重心を向くように配置されることが最も好ましい。

図５には、３つの支持機構１１の配置の他の例が示されている。図５では、３つの支持機構１１を相互に区別するための符号１１ａ、１１ｂ、１１ｃが付されている。図５の例では、３つの支持機構１１をそれぞれ頂点とする三角形およびその外接円を考えることができる。図５の例では、３つの支持機構１１ａ、１１ｂ、１１ｃのうちの１つの支持機構１１ａは、その第２方向が三角形の重心および外接円の中心に向くように配置されている。また、３つの支持機構１１ａ、１１ｂ、１１ｃのうちの２つの支持機構１１ｂ、１１ｃは、それらの第２方向が支持機構１１ａの第２方向に直交するように配置されている。このような構成においても、物体１２を傾けた場合における物体１２の変形を低減することができる。

ここで、図４、図５は、３つの支持機構１１の少なくとも１つの支持機構１１の第２方向が三角形の内側を向き、かつ、３つの支持機構１１の少なくとも１つの支持機構１１の第２方向が他の支持機構１１の第２方向と平行ではない構成を例示している。あるいは、図４、図５は、３つの支持機構１１の少なくとも１つの支持機構１１の第２方向が三角形の中央部を向き、かつ、３つの支持機構１１の少なくとも１つの支持機構１１の第２方向が他の支持機構１１の第２方向と平行ではない構成を例示している。ここで、三角形の中央部は、例えば、三角形の重心を中心とする円であって該三角形の面積の３０％又は２０％又は１０％の面積を有する円の中の領域でありうる。

本実施形態の支持装置１０は、それによって支持される物体１２の変形を抑えながら、物体１２の表面の法線方向における物体１２の位置と該法線方向に直交する２つの方向にそれぞれ平行な２つの軸の周りにおける物体１２の姿勢とを調整することができる。

図６には、支持機構１１における調整機構１１１の変形例が示されている。図６の例では、第１弾性部材１１１１は、可動部材１１１２が第１方向、および、第３方向に平行な第３軸の周りの回転のみに自由度を有するように固定部材１１１３と可動部材１１１２とを結合する。第１弾性部材１１１１は、可動部材１１１２が第３軸の周りで回転できるように固定部材１１１３と可動部材１１１２とを結合する板バネでありうる。図３に例示されるようなネジ機構、又は、アクチュエータによって可動部材１１１２を図６の白矢印の方向に押圧することによって、可動部材１１１２は、第３軸の周りで回転しつつ第１方向に変位しうる。図６に示された例においても、調整機構１１１は、固定部材１１１３と、第１方向に自由度を有する一方で、少なくとも第３方向に自由度を有しないように固定部材１１１３によって支持された可動部材１１１２とを含む。

図７には、応力吸収機構１１２の変形例が示されている。図７の例では、第４弾性部材１１２３は、支持部材１１２４に対して第２方向、および、第３方向に平行な第３軸の周りの回転のみの自由度を与えるように調整機構１１１（可動部材１１１２）と支持部材１１２４とを結合する板バネで構成されている。

図８には、応力吸収機構１１２の変形例が示されている。図８の例でも、図７の例と同様に、第４弾性部材１１２３は、支持部材１１２４に対して第２方向、および、第３方向に平行な第３軸の周りの回転のみの自由度を与えるように調整機構１１１（可動部材１１１２）と支持部材１１２４とを結合する板バネで構成されている。図８の例では、第４弾性部材１１２３が第３弾性部材１１２２に対して直接に接続されており、一つの長い板バネ構造が構成されている。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０：支持装置、１１：支持機構、１２：物体、１３：結合部、１１１：調整機構、１１１１：第１弾性部材、１１１２：可動部材、１１１３：固定部材、１１１４：ボルト、１１２：応力吸収機構、１１２０：結合部材、１１２１：第２弾性部材、１１２２：第３弾性部材、１１２３：第４弾性部材、１１２４：支持部材

Claims (10)

1. 物体を支持する支持装置であって、
   前記物体の互いに異なる箇所をそれぞれ支持する３つの支持機構を備え、
   前記３つの支持機構の各々は、調整機構と、前記調整機構によって支持される応力吸収機構と、を含み、
   前記調整機構は、固定部材と、前記固定部材によって支持された可動部材とを含み、
   前記応力吸収機構は、前記物体を支持する支持部材と、第１方向に平行な第１軸の周りの回転、前記第１方向に直交する第２方向、前記第２方向に平行な第２軸の周りの回転、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向に平行な第３軸の周りの回転に関して自由度を有し、前記第１方向および前記第３方向に関しては自由度を有しないように前記可動部材と前記支持部材とを結合する結合部材と、を含み、
   前記可動部材は、前記第１方向に自由度を有する一方で、少なくとも前記第３方向に自由度を有しないように前記固定部材によって支持され、
   前記３つの支持機構は、前記３つの支持機構がそれぞれ配置された位置を頂点とする三角形の外接円の内側にそれぞれの前記第２方向が向くように配置されている、
   ことを特徴とする支持装置。
2. 前記調整機構は、前記可動部材が前記第１方向にのみ自由度を有するように前記固定部材と前記可動部材とを結合する第１弾性部材を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の支持装置。
3. 前記第１弾性部材は、平行リンク構造を有する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の支持装置。
4. 前記調整機構は、前記可動部材が前記第１方向、および、前記第３軸の周りの回転のみに自由度を有するように前記固定部材と前記可動部材とを結合する第１弾性部材を含み、前記第１弾性部材は、前記可動部材が前記第３軸の周りで回転できるように前記固定部材と前記可動部材とを結合する板バネである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の支持装置。
5. 前記結合部材は、前記支持部材に対して前記第２軸の周りの回転の自由度を与えるように前記可動部材と前記支持部材とを結合する第２弾性部材と、前記支持部材に対して前記第３軸の周りの回転の自由度を与えるように前記可動部材と前記支持部材とを結合する第３弾性部材と、前記支持部材に対して前記第２方向の自由度を与えるように前記可動部材と前記支持部材とを結合する第４弾性部材とを含む、
   ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の支持装置。
6. 前記第２弾性部材および前記第３弾性部材の少なくとも一方が、前記支持部材に対して前記第１軸の周りの回転の自由度を与えるように前記可動部材と前記支持部材とを結合する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の支持装置。
7. 前記第４弾性部材は、前記支持部材に対して前記第２方向のみの自由度を与えるように前記可動部材と前記支持部材とを結合する平行リンク構造を有する、
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の支持装置。
8. 前記第４弾性部材は、前記支持部材に対して前記第２方向、および、前記第３方向に平行な前記第３軸の周りの回転のみの自由度を与えるように前記可動部材と前記支持部材とを結合する板バネである、
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の支持装置。
9. 前記３つの支持機構の少なくとも１つの支持機構の前記第２方向が前記三角形の中央部を向き、かつ、前記３つの支持機構の少なくとも１つの支持機構の前記第２方向が他の支持機構の前記第２方向と平行ではない、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の支持装置。
10. 前記３つの支持機構は、前記三角形の中心にそれぞれの前記第２方向が向くように配置されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の支持装置。

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