(57)【要約】【課題】ベローズにねじり動作を加えることなく、気密容器内部の被駆動部に回転運動を伝達する導入機構およびそれを用いた位置決め導入機構を提供する。【解決手段】ベローズの変位する各点の軌跡が被駆動部の回転駆動軸と直角またはその近傍となるように配置することにより、ベローズ自身にねじりを加えることなく、ねじり導入シール機構を実現する。また、ベローズを２つ対向、または３以上の場合は放射状に配置することで、ベローズの推力を打ち消すこともできる。アクチュエータは１自由度でも良く、その場合は回転の１自由度が導入駆動できる。３自由度分のアクチュエータを適切に配置することで、３自由度のねじり、および水平面内の駆動伝達のための導入も実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密構造の容器内部での回転動作を行う駆動機構において、容器内部の被駆動部を駆動するためのアクチュエータを気密容器の外部に設置し、アクチュエータの動きを気密容器の内部に伝達するために、被駆動部とアクチュエータの動作を伝達する部材を剛体である部材で接続し、容器の気密性を保持したままで、容器とアクチュエータの動作による変位に追従するベローズを前記の剛体である部材と容器の間に設け、そのベローズの変位する各点の軌跡が被駆動部の回転軸に対して直交する平面内、もしくはその近傍となるようにベローズを設置したことを特徴とした回転導入機構。
【請求項２】
気密構造の容器内部での回転運動およびその回転軸自体が回転軸に直交する平面内を動作する駆動機構において、容器内部の被駆動部を駆動するためのアクチュエータを気密容器の外部に設置し、アクチュエータの動きを気密容器の内部に伝達するために、被駆動部とアクチュエータの動作を伝達する部材を剛体である各部材で接続し、容器の気密性を保持したままで、容器とアクチュエータの動作による変位に追従するベローズを前記の剛体である部材と容器の間に設け、そのベローズの変位する各点の軌跡が被駆動部の回転軸に対して直交する平面内、もしくはその近傍となるようにベローズを設置したことを特徴とした回転および平面運動の導入機構。
【請求項３】
気密構造の容器内部での回転運動およびその回転軸自体が回転軸に直交する平面内を動作する３自由度の駆動機構において、被駆動部を駆動するための３式のアクチュエータを気密容器の外部に各々設置し、アクチュエータの動きを気密容器の内部に伝達するために、被駆動部とアクチュエータの動作を伝達する部材を剛体である各部材で接続し、容器の気密性を保持したままで、容器とアクチュエータの動作による変位に追従するベローズを前記の剛体である部材と容器の間に設け、そのベローズの変位する各点の軌跡が被駆動部の回転軸に対して直交する平面内、もしくはその近傍となるようにベローズを設置したことを特徴とした３自由度の導入機構。
【請求項４】
前記の被駆動部を駆動するための３式のアクチュエータには回転駆動を行い回転角度の位置決め制御ができるものを用い、前記アクチュエータにはそのアクチュエータにより回転駆動される駆動リンクが接続され、そのアクチュエータの回転中心軸は前記被駆動部の回転運動軸と平行であり、前記被駆動部と、前記のアクチュエータの動作を伝達する部材との間と、そのアクチュエータにより回転駆動される駆動リンクの間にピン支持された被駆動リンクを各々設け、各３式のアクチュエータの回転角度を位置決め制御することで、被駆動部の回転、および被駆動部の回転軸に対して直交する平面内の２自由度の位置決め制御を行う３自由度の位置決め導入機構。
【請求項５】
前記の被駆動部を駆動するための３式のアクチュエータには伸縮運動を行い伸縮位置の位置決め制御ができるものを用い、その各アクチュエータの一端である固定部は駆動部の回転軸に対して平行にピン支持され、各アクチュエータのもう一端側は、前記被駆動部と、前記のアクチュエータの動作を伝達する部材との間が各々ピン支持され、各３式のアクチュエータの伸縮位置を位置決め制御することで、被駆動部の回転、および被駆動部の回転軸に対して直交する平面内の２自由度の位置決め制御を行う３自由度の位置決め導入機構。
【請求項６】
前記ベローズにはその材質を金属としたことを特徴とする、請求項１〜５に記載の導入機構。
【請求項７】
前記の気密性容器はその内部を真空雰囲気としたことを特徴とする、請求項１〜６に記載の導入機構。
【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、位置決めを行う装置・分野に適用できる。
【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リングや磁性流体シール機構、金属ベローズなどの可撓構造部気密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回転運動や直動運動を伝達するため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、真空環境における気体の耐透過性、および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１１）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１０）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１２で図示したように、伸縮動作させることができる。また、図１３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１４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、ねじりの導入に適したベローズを実現するため、ベローズ本体の構造について下記の特許文献のような提案が行われている。
【０００６】
それらに関する情報として、例えば下記の文献に記載されている。
また、非特許文献３は本発明の応用例に組み合わせる、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】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許公報  平５−６７８３５
【特許文献２】特願２００６−１３６１８５
【特許文献３】特願２００１−２９５７３７
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】技術評論社  「プロの教えるシールのごくい」  （平成３年１２月２５日発行）
【非特許文献２】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３】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】
【０００９】
たとえば溶接ベローズは、図１１に示すように、円形薄板の内周側、および外周側を溶接接合することで製作される。これらの溶接作業は専用の自動機械によって行われることが多く、円形薄板の形状やサイズを変更することは容易ではない。したがってねじり変形を実現するためにベローズ形状を前述の特許文献の例のように変更することは、特にコスト面での課題が多く、広く採用されるには至っていない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は一般的な形状の金属ベローズを用い、ベローズの中心軸をねじり回転軸と直交方向にずらすことで、金属ベローズのねじり動作を用いず、屈曲動作、および伸縮動作を用い、材料強度的に無理なく気密容器内へねじり動作の位置決め導入を実現するものである。また駆動軸をねじりの１軸に加えて、さらに２軸を追加することで、ねじり回転軸に直角な平面上の２自由度の導入も実現するものである。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【００１２】
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、２個以上のベローズを推力が打ち消しあう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。
【００１３】
さらに、駆動軸を複数追加することで、ねじり導入に加え、ねじり回転軸に直交する平面内の位置決め動作も実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１はねじり導入の実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図２】図２は図１のねじり導入後の状態を示した説明図である。（実施例１）
【図３】図３は対向する２つのベローズを用いてねじり導入の実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図４】図４は図３のねじり導入後の状態を示した説明図である。（実施例２）
【図５】図５は放射状に配置した３つのベローズを用いてねじり導入の実施方法を示した説明図である。（実施例３）
【図６】図６は図５のねじり導入後の状態を示した説明図である。（実施例３）
【図７】図７は直動アクチュエータによるねじり動作の実施方法を示した説明図である。（実施例４）
【図８】図８は直動アクチュエータによるねじり動作、および２自由度の平面位置決め動作の実施方法を示した説明図である。（実施例５）
【図９】図９は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。（実施例６）
【図１０】図１０は成形ベローズの断面形状を示した説明図である。
【図１１】図１１は溶接ベローズの断面形状を示した説明図である。
【図１２】図１２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１３】図１３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１４】図１４は溶接ベローズのねじりの状態を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ねじり角のシールに不向きな金属ベローズの中心軸を、ねじり回転軸に直交させることで、金属ベローズに無理な応力を発生させることなく、ねじり導入を実現した。
【実施例１】
【００１６】
図１、および図２は本発明装置の実施例１である。この実施例において、５１は気密容器であり、本例では真空状態を想定している。５４、５９の伝達リンクは５８の気密フランジに一体的に固定されており、これらは５２の駆動アクチュエータによって支持されている。
【００１７】
５５のエンドエフェクタのねじり回転軸は、５２の駆動アクチュエータの、７２の駆動軸と同軸であり、駆動アクチュエータを回転動作させると、５５のエンドエフェクタは同じ角度、および速度で回転動作する。
【００１８】
このとき、５７のベローズにはねじり動作は加わらず、屈曲、および伸縮の複合的な動作のみが加わる。屈曲、および伸縮の動作はベローズにとって容易に対応できる動作であり、無理な応力が発生せず、長寿命かつ動作抵抗力も小さくなることが期待できる。
【実施例２】
【００１９】
図３、および図４は本発明装置の実施例２である。上記実施例１では、５７のベローズに推力が発生する。気密容器内部が真空で気密容器外部が大気圧の場合は、５７のベローズが収縮する方向に推力が働く。この推力の影響を打ち消すために、実施例１の５７のベローズに対向する位置に同様の６０のベローズ、６１の気密フランジ、およびそれらを６４の接続するリンクを設けている。こうすることで、５７のベローズ、および６０のベローズそれぞれに収縮方向の推力が発生するが、７２のねじり駆動軸に対しては対向するため推力が打ち消され、５２の駆動アクチュエータへの推力の影響は小さくなる。
【実施例３】
【００２０】
図５、および図６は本発明装置の実施例３である。上記実施例２では、ベローズを２個設け対向させることで推力を打ち消していたが、本実施例では放射状３方向に等配しベローズを設置している。ベローズの推力を打消しあうためには、本図のように、それぞれが等配位置に配置されることで推力キャンセルが実現できる。
【００２１】
推力キャンセルは３つのベローズを均等配置する他に、ベローズの有効径とベローズの成す角度配置を適切に組み合わせることでも実現できる。また、推力キャンセルは本発明において必須ではなく、多少の推力アンバランスを許容することでも実用性は期待できる。
【実施例４】
【００２２】
図７は直動アクチュエータを用いた本発明装置の実施例４である。図では省略されているが、エンドエフェクタ部は気密容器内部で回転拘束されている。直動アクチュエータは大地に固定された８３のピン支持部に固定され、同じく８４のピン支持部を介して、アクチュエータの伸縮量に合わせてエンドエフェクタの回転角位置を変更させる。
【実施例５】
【００２３】
図８は３つの直動アクチュエータを用いた本発明装置の実施例５である。実施例４と異なり、エンドエフェクタ部は気密容器には拘束されていない。直動アクチュエータは大地に固定された８３、８６、８８の各ピン支持部に固定され、同じく８４、８７、９０の各ピン支持部を介して、それぞれのアクチュエータの伸縮量に合わせてエンドエフェクタ位置・姿勢を変化させる。この動作は９１の矢印で図示されたねじり角、水平方向位置２自由度分の合計３自由度で構成される。
【実施例６】
【００２４】
図９は実施例５と同様の動作を３つの回転アクチュエータを用いた本発明装置の実施例６である。動作位置決めの原理は非特許文献３に記載されている。実施例５と同様、エンドエフェクタ部は気密容器には拘束されていない。１０１、１０２、１０３の各回転アクチュエータは大地に固定され、１０４、１０５、１０６の各駆動リンクをそれぞれ回転駆動する。１０７、１０８、１０９の各接続リンクは両端が回転自由支持されたリンクである。それぞれのアクチュエータの回転角に合わせてエンドエフェクタ位置・姿勢が変化する。この動作は１１５の矢印で図示されたねじり角、水平方向位置２自由度分の合計３自由度で構成される。
【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
３０  固定ベース
５１  気密容器
５２  回転駆動アクチュエータ
５３  軸カップリング
５４  伝達リンク
５５  出力リンク（エンドエフェクタ）
５６  出力リンクの回転位置の目印
５７  溶接ベローズ
５８  気密フランジ
５９  伝達リンク
６０  溶接ベローズ
６１  気密フランジ
６２  溶接ベローズ
６３  気密フランジ
６４  伝達リンク
６５  伝達リンク
７１  位置決め動作方向（ねじり）
７２  駆動アクチュエータの回転動作方向
７３  位置決め動作変位角（ねじり）
８１    直動アクチュエータ
８３  直動アクチュエータピン支持部（固定部は大地）
８４  ピン支持部
８５  直動アクチュエータ
８６  直動アクチュエータピン支持部（固定部は大地）
８７  ピン支持部
８８  直動アクチュエータ
８９  直動アクチュエータピン支持部（固定部は大地）
９０  ピン支持部
９１  位置決め動作方向（直動２軸＋ねじり）
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】
2014233818.tif 000004
【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】
2014233818.tif 000009
【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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【図１３】
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【図１４】
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