(57)【要約】【課題】機密容器内部に設置された出力リンク部を気密容器外部に設置した各動力源により、駆動動作させる。出力リンク部は同一平面内の直交２自由度、および回転１自由度の３自由度の動作を行う。さらに前記平面に直交する方向への直動１自由度の駆動を行う。【解決手段】回転軸が平行に配置された３つの回転駆動部を設け、ひとつの出力リンクに対して、各々の回転駆動部に接続された各々２リンクを持つ接続リンク機構により接続され駆動される、同一平面内３自由度の動作の伝達を行うパラレルリンク機構において、気密容器内に設置された出力リンク部の３点のピン支持部手前の各々に伸縮および屈曲が可能なシール機構を設け、気密性を保持しながら３自由度の駆動伝達を実現する。さらに前記の動作平面に対して直交方向に駆動する直動駆動軸を追加することで、４自由度の気密容器内部に対する駆動伝達を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密構造の容器の外部に固定設置された３式の回転駆動源を有し、それらは同一の部材に接続固定され、各々の回転駆動源の回転軸は平行であり、それらの回転駆動部に接続固定された各々第1段目のリンク部材を有し、第1段目のリンク部材の回転駆動部接続部に相対する一端は駆動回転軸に対して平行のピン支持部を持ち、両端がそれぞれ平行のピン支持部を持つ一端の第２段目のリンク部材の片側のピン支持部が第1段目のピン支持部に接続し、回転拘束支持され、各々の第2段目のリンク部材のもう一端の回転支持部には、３点のピン支持部を持つ第3段目の一体のリンク部材に接続され、第３段目のリンク部材の一部は、第1段目、および第2段目のリンク部材、および３台の回転駆動源の設置される環境に対して気密性を持つ容器に収納され、第3のリンク部材の一部は気密容器の一部に接続された３つの各々の伸縮および屈曲が可能なシール機構によって気密シールされていることを特徴とした、同一平面内で直交2軸および回転の３自由度の動作を行う駆動伝達機構。
【請求項２】
前記１項の装置において、手先効果部に設けられた３つの第2段目のリンク接続支持部の回転中心間距離は同一であり、３つの第２段目のリンク部材はその両端のピン支持部間距離が同一であり、３式の回転駆動源の回転中心間の距離も同一であることを特徴とした、同一平面内で直交2軸および回転の３自由度の動作を行う駆動伝達機構。
【請求項３】
前記１項、および、または前記２項の同一平面内で直交2軸および回転の３自由度の動作を行う駆動伝達機構に、前記の３自由度の駆動平面に直交する方向に動作させるための駆動機構を加えたことを特徴とする、合計４自由度の駆動伝達機構。
【請求項４】
前記１項、および、または前記２項の同一平面内で直交2軸および回転の３自由度の動作を行う駆動伝達機構の３台の回転駆動源、および第1段目のリンク部材、および第２段目のリンク部材について、前記の３自由度の駆動平面に直交する方向に動作させるための直動駆動機構を有し、第３段目のリンク部材の一部は、第1段目、および第2段目のリンク部材、および３台の回転駆動源の設置される環境に対して気密性を持つ容器に収納され、直動駆動動作による位置変位を吸収しかつ気密性を保つための、伸縮が可能なシール機構を設けたことを特徴とする、合計４自由度の駆動伝達機構。
【請求項５】
前記の伸縮シール部材には金属製のベローズを用いたことを特徴とする請求項１〜４項に記載の駆動伝達機構。
【請求項６】
前記の回転駆動部には回転位置決め機能を持つ電動モータを用いたことを特徴とする請求項１〜４に記載の駆動伝達機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体製造装置やバイオ・医療機器など、気密容器内部の部材を、容器外部から気密性を保ったままで、水平面内３自由度の位置決めを行い、さらにその手先効果部を昇降させる用途に適用できる。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置では装置の気密容器内部を真空環境にしたり、特殊なガス雰囲気とすることが多いが、気密容器内部にある部材の位置決め駆動を行う場合に、駆動源を気密容器外部に設置し、気密性を保持できる駆動導入機構を介して、内部部材への位置決め駆動をすることが広く採用されている。
これらの駆動導入機構には、気密性を保持するシール部材として、例えばOリングや磁性流体、金属ベローズなどの可撓構造部材が用いられており、固定結合部はもちろんのこと、位置決め動作を伝達する機構部のシール機構としても用いられている。
ベローズはOリングや磁性流体を用いた非金属系シールに比べると、気密性・耐透過性が高く、特にベローズに金属材料を用いると、真空環境における放出ガスが抑制されるので、高真空環境が求められる装置には広く用いられている。
【０００３】
気密性を保持できる駆動導入機構には、直進動作の導入ができるもの、回転動作の導入ができるもの、搖動動作ができるもの、それらを組み合わせた複合動作ができるものがある。たとえば直進動作を導入する駆動導入機構のシール材には、Oリングや金属ベローズを用いたものが広く採用されている。一方、回転動作を導入する駆動導入機構のシール材には、Oリングや磁性流体シールが広く採用されている。また、搖動動作を導入する駆動導入機構のシール材には、金属ベローズシールが広く採用されている。駆動導入方式によってシール構造が使い分けられている理由には、シール部材・構造によって適性が異なることが挙げられる。
【０００４】
金属ベローズには、円形薄板を積層溶接した溶接ベローズ（図８）と、薄板を蛇腹状に成形させることで同様の機能を実現した成形ベローズ（図７）がある。これらは細部形状が異なるが、いずれも円形の薄板を積層した構造物とみなすことができ、円形薄板の積層された方向（＝ベローズ中心軸方向）には、図９で図示したように、伸縮動作させることができる。また、図１０で図示したように円形薄板の一端を伸縮させず、その１８０反対側の端部を伸縮させる動作（＝屈曲動作）も容易なことからその特性を利用した搖動導入動作も広く用いられている。しかしながら図１１に図示したような円形薄板の中心軸回りにねじる動作（＝ねじり動作）については、剛性が高く可撓性が低くなることにより、剛性が高いことを活かしたベローズカップリングに用いられることはあっても、可撓性を活かす用途に使われることはほとんどない。
【０００５】
そこで、図６で示したような機器構成とすることで、金属ベローズを用いて、ねじりの導入を実現する方法がある。ベローズの中心軸をねじり回転軸に直角に配置し、かつ水平２自由度の駆動平面とベローズ中心軸を平行に設定し、３つのベローズを介する３式のアクチュエータにより位置決めを行うことで、手先効果部の水平位置２自由度、およびねじり姿勢を位置決めするものである。
【０００６】
非特許文献１は本発明のシール機構部に組み合わせる、金属ベローズについて記載されたものである。
非特許文献２は本発明の位置決め駆動部に組み合わせる、パラレルリンク式の位置決め駆動メカニズムが記載されたものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】製品カタログ  バルカー  ダイナミックベローズ  （No.PC07）
【非特許文献２】日本機械学会論文集（C編）６２巻５９９号（１９９６  ７）任意の出力節姿勢角がとれる実用作業領域に優れた３自由度平面パラレルメカニズム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来大気圧環境に設置したアクチュエータの動作を真空装置内に伝達するために、回転導入機、および直線導入機のようなコンポーネントを介して行なわれてきた。
回転導入機とは、大気側の回転動力をOリングやベローズ、または磁性流体シールといった回転動力を伝えながら気密機能を持たせた機構のことである。
直線導入機とは、大気側の直線動力をOリングやベローズ、または磁性流体シールといった直線動力を伝えながら気密機能を持たせた機構のことである。
一般的には、回転、または直線の動力を複数の自由度分を伝達させることが多くあり、回転導入機、および直線導入機を複数、シリーズに組み合わせることで実現されることが多い。
しかしながら、シリーズにそれらが連結し組み合わされるために、各導入機は他の組み合わされた導入機の動作の干渉を受けることになり、アクチュエータ自身が可動部に設置されることとなる。その結果、直動、回転といったアクチュエータケーブルなどの案内機構が必要であり不都合が多かった。また、アクチュエータが直交して配置されるなど、装置の大型化を招くことも多い。
【０００９】
また、気密容器内部に位置決め動作を伝達するためには駆動動作においても気密性を保持できるシール機構が必要となる。たとえば金属ベローズは気密性能も高く放出ガスも少ないが、ベローズの伸縮方向の軸まわりのねじりに対しては極めて許容変位量が少なく、３自由度の位置決め動作の伝達には許容される動作変位量が大きくできないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は非特許文献２に示すパラレルリンク式同一平面３自由度位置決め機構に、３つのベローズを各パラレルリンク機構の手先効果部近傍に組み込み配置することで、気密シール性を実現しながら３自由度の導入を実現するものである。さらに昇降機構を組み合わせることで、コンパクトな４自由度位置決め機構を実現するとともに、昇降機構部にもベローズを独立して設けることで、４自由度の気密シールを実現しつつ、４自由度の位置決め導入を実現するものである。
【００１１】
また、シール機構の機能と特性から見て合理的な配置構造とすることで、ベローズによる気密シール機構には伸縮および屈曲の動作のみが加わるようにすることができ、ベローズを用いたシール機構としては比較的大きな許容動作変位量を実現するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、ベローズにはねじり動作が行われないため、発生する応力を低く抑えたままでねじり導入が実現できる。また、駆動アクチュエータとエンドエフェクタの間に存在するリンクはボールベアリングやすべり軸受けのように剛性を損なうことのない、一体的な結合とすることができるので、伝達剛性を高くすることができ、耐腐食性や気密容器内への汚染を最小限に抑制する効果が期待できる。
【００１３】
また、ベローズにはその内外の圧力差による推力が発生するが、３個のベローズを推力が打ち消しあうよう均等角度方向に配置することで、圧力差による推力の影響を小さく抑える効果も期待できる。
【００１４】
リフター機構に３自由度のパラレルリンク機構を組み合わせることで、フットプリントの小さな装置構成が実現できる。
【００１５】
また、各アクチュエータ部が可動部ではなく固定部に設置することが可能になるため、電線の引き回しも簡素になり、装置の小型化の実現はもちろんのこと、電線の可動による断線のリスクも大幅に減少することになり、装置の信頼性も大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は４自由度リフター機構の実施方法を示した説明図である（ベローズ部は理解を助けるために断面図示している）。（実施例２）
【図２】図２は図１の４自由度リフター機構の実施方法を別の角度から見た説明図である（ベローズ部は理解を助けるために断面図示している）。（実施例１）
【図３】図３は図１の４自由度リフター機構の実施方法を側面から見た説明図である（ベローズ部は理解を助けるために断面図示している）。（実施例２）
【図４】図４は図１の４自由度リフター機構の実施方法を上面から見た説明図である（ベローズ部は理解を助けるために断面図示している）。（実施例２）
【図５】図５は図１の伸縮および屈曲シール機構部を断面表示で表した説明図である（ベローズ部は理解を助けるために断面図示している）。（実施例２）
【図６】図６は図５を簡略化して示し、回転アクチュエータ、およびリンク機構によるねじり動作の実施方法を示した説明図である。
【図７】図７は成形ベローズの断面形状を示した説明図である。
【図８】図８は溶接ベローズの断面形状を示した説明図である。
【図９】図９は溶接ベローズの伸縮時の状態を示した説明図である。
【図１０】図１０は溶接ベローズの屈曲時の状態を示した説明図である。
【図１１】図１１は溶接ベローズのねじりの状態を示した説明図である。
【図１２】図１２は３自由度ステージ機構の実施方法を示した説明図である（ベローズ部は理解を助けるために断面図示している）。（実施例１）
【発明を実施するための形態】
【００１７】
３自由度のパラレルリンク機構の出力リンク部を伸縮および屈曲が可能なシール機構を配置することにより、シール機構部で気密構造とされた容器内に位置決め動作の駆動伝達を実現した。
また、直動の１自由度を追加することにより、４自由度の駆動伝達を実現した。  
【実施例１】
【００１８】
図１２は本発明装置の３自由度ステージを実現した実施例１である
図１〜図５は本発明装置の図１２の機構に直動の１自由度を追加し４自由度を実現した実施例２である。この実施例では図示は省略されているが、符号３１ａ，３１ｂ，３１ｃの出力リンク部は例えば符号３９ａ、３９ｂ、３９ｃの回転駆動源などが設置された環境に対して気密隔離された環境に設置される。符号４０の固定部は図示で省略された気密容器に接続固定されている。
【００１９】
符号４０の固定部には伸縮動作の気密シールができる符号３４のベローズシールが接続されており、符号３６の直動駆動源、および符号３８ａ，３８ｂからなる直動案内機構により後述する３自由度パラレルリンク機構を昇降動作させる。なお、符号４０の固定部、および符号３８ｂの直動案内機構を兼ねたフレームは固定部であり、さらに符号３７の回転駆動源固定部が固定接続されている。
【００２０】
符号３７の回転駆動源固定部には３台の符号３５の回転駆動源が固定接続されている。この符号３５の回転駆動源には回転位置の位置決め制御が可能なアクチュエータが用いられ、本実施例の場合は、エンコーダを内蔵した電動サーボモータを想定している。
【００２１】
各々の符号３５の回転駆動源には、符号３３で図示される、各々計３つの駆動伝達用第１段リンクが接続されている。このリンクは回転駆動源の回転駆動により回転駆動される。
【００２２】
各々の符号３３のリンクのもう一端はピン支持部となっており、各々、符号３２の第２段目のリンク部材が接続される。
【００２３】
符号３１ａ，３１ｂ，３１ｃは出力リンク部であり、構成部品としては別部材であるが、ボルト締結により締結され一体構造となっている。符号３１ｂの部分には、符号３７の固定部に固定接続された気密容器の一部と符号３１ｂの間を動作可能かつ気密構造とするための符号３９ａ，３９ｂ，３９ｃの伸縮および屈曲のシール機構が設けられ、本実施例の場合は金属ベローズを想定している。
【００２４】
符号３６、３８ａ，３８ｂを省略した３自由度の駆動伝達機構としても利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
たとえば、気密容器の内部は真空状態にすることができ、大気側に設置したアクチュエータから真空容器内部の位置決め動作が実現できる。
また、たとえば、気密容器の内部は特殊なガス雰囲気の状態にすることができ、容器外側側に設置したアクチュエータから気密容器内部の位置決め動作が実現できる。
【符号の説明】
【００２６】
１  溶接ベローズの初期状態
２  溶接ベローズの伸び状態
３  溶接ベローズの縮み状態
４  ベローズ中心軸
５  ベローズの伸び量
６  ベローズの縮み量
７  円形薄板
８  気密フランジ
９  気密フランジ
１０  溶接部（外周側）
１１  溶接部（内周側）
１２  ベローズの屈曲状態
１３  ベローズの屈曲状態
１４  ベローズの屈曲角
１５  ベローズの屈曲角
１６  気密フランジの回転位置の目印（説明用）
１７  気密フランジの回転位置の目印（説明用）
１９  ベローズのねじり角
２０  ベローズのねじり角
２１  成形ベローズ
２２  気密フランジ
２３  気密フランジ
３１  ３１ａ  出力リンク部（ワークである基板積載部）
３１ｂ、３１ｃ    出力リンク部
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ    第２段目のリンク
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ    第１段目のリンク
３４  直動動作のための気密性保持用伸縮シール機構
３５  回転駆動源
３６  直動駆動源
３７  回転駆動源固定部
３８ａ、３８ｂ  直動案内機構
３９ａ，３９ｂ，３９ｃ  伸縮および屈曲シール機構
４０  駆動機構固定部
１０１  回転駆動アクチュエータ
１０２  回転駆動アクチュエータ
１０３  回転駆動アクチュエータ
１０４  回転駆動リンク
１０５  回転駆動リンク
１０６  回転駆動リンク
１０７  接続リンク
１０８  接続リンク
１０９  接続リンク
１１０  ピン支持部
１１２  ピン支持部
１１３  ピン支持部
１１４  ピン支持部
１１５  位置決め動作方向（直動２軸＋ねじり）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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