JP3343188B2 - 微小部品用パレット及びそれを用いた作業装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微小な被加工物を
扱う微細な作業において、作業対象物である微小部品を
把持した状態で搬送するとともに、作業装置に対して所
定位置に保持するための微小部品用パレットに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、マイクロマシン、医療器具、情報
機器などに用いる微小部品に切削、研削、配線、接合な
どの加工を施したり、微小部品同士を組み立てる作業
は、顕微鏡下で操作者が手にピンセットやピペットなど
の道具を持って手作業で行うか、または、手作業では不
可能な微細加工や、真空中でプラズマやビームを用いて
加工を行なう場合は、マイクロマニュピレータの先端に
微小部品を接着剤やねじで固定して作業を行っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、微小部
品を扱う作業を手作業で行なうには、高度の熟練を要す
る。ピンセットによる作業の場合、ピンセットの持ち換
えの瞬間に部品の異なる箇所に異なる方向の力が働き、
これによってモーメントが発生し、部品に内部応力が発
生する。部品が微小になると、その小さな内部応力で十
分にその部品自体の構造を破壊したり、応力を解放する
ときの力で飛散することがある。そこで、多くの人はピ
ンセットを軽く持とうとし、そのため部品が落下しやす
く、部品は、ごみにまみれてコンタミネーション、損
傷、紛失などが発生する。そこで、微小部品のハンドリ
ングには、職人的な技能が要求される。また、微小部品
をさまざまなプロセスに通してバッチ処理する場合、微
小部品をその都度把持し直し、所定の位置に位置決めし
なければならず、運搬や操作に時間が掛かって作業能率
が悪い。

【０００４】特に、微小な部品を回転させながら加工し
て回転対称性を有する曲面を加工することがあるが、取
付軸の中心と部品の回転中心を一致させる軸合わせの作
業は手間の掛かる作業であり、この作業を各工程におい
て毎回行なうのは作業能率の低下や加工精度の低下をも
たらす。また、このような軸合わせのためには複雑な装
置が必要であり、これを各工程の作業ステーション毎に
設けるのは、装置の複雑化と占有スペースの拡大化を招
いた。本発明は、係る従来技術の課題に鑑みてなされた
もので、微小部品を複数の作業ステーションを通して加
工や組立を行なう際に、運搬性と、特に部品を回転させ
ながら加工する際の操作性を良くした微小部品のパレッ
トを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、パレット本体と、微小部品の保持部とを有し、上記
パレット本体を加工装置に対して位置決めして該微小部
品を加工するために用いる微小部品用パレットであっ
て、上記保持部が、パレット本体に回転自在に支持され
た軸体上に設けられ、軸体と微小部品とを相対的に並進
・回転運動させて相互の芯合わせを行なう芯出し機構を
備えていることを特徴とする微小部品用パレットであ
る。また、上記軸体に、該軸体を外部の駆動機構に係脱
自在に接続する動力伝達機構を設けることができる。ま
た、上記動力伝達機構が、プーリとこれに巻き掛けられ
たベルトを有していてもよい。また、上記動力伝達機構
を、外部駆動機構のギヤに噛み合わせられるギアとする
ことができる。

【０００６】また、上記動力伝達機構は、摩擦力で駆動
されるローラを有していてもよい。請求項２に記載の発
明は、上記軸体を支持する軸受に予圧を掛けておく構造
として軸体の振れを１０μｍ以下に抑えるようにしてい
ることを特徴とする請求項１に記載の微小部品用パレッ
トである。軸受としては、アンギュラ玉軸受や深溝玉軸
受けが用いられる。請求項３に記載の発明は、微小部品
に加工及び／又は組立作業を施す微小部品用作業装置で
あって、加工及び／又は組立を行なう作業ステーション
と、微小部品をこの作業ステーションへ搬送するととも
に作業ステーションの加工及び／又は組立位置に位置決
めする微小部品用パレットとを備え、上記微小部品用パ
レットが、パレット本体に回転自在に支持された軸体上
に設けられた保持部を有し、該保持部は、軸体と微小部
品とを相対的に並進・回転運動させて相互の芯合わせを
行なう芯出し機構を備えていることを特徴とする微小部
品用作業装置である。

【０００７】また、上記作業ステーションに上記軸体を
駆動する駆動機構を設け、上記パレット本体に、該軸体
を外部の駆動機構に係脱自在に接続する動力伝達機構を
設けることができる。また、上記動力伝達機構が、プー
リとこれに巻き掛けられたベルトを有していてもよい。
これは、例えば駆動側と被駆動側の軸を相対移動させて
所定の位置関係に置き、そこでそれぞれの軸のプーリに
ベルトを巻き掛けることによりなされる。また、上記動
力伝達機構がギヤの噛み合わせからなるものであっても
よい。これは、いわゆるギアを使ったトランスミッショ
ンで、例えば駆動側と被駆動側の軸を相対移動させて所
定の位置関係に置けば自然に２つのギアが噛み合うよう
な構造とする。

【０００８】また、上記動力伝達機構は、摩擦力で駆動
されるローラを有していてもよい。これは、ローラどう
しの接触による場合、又はローラとベルトなどの他の部
材との接触による場合とがある。一方が弾性を有する
か、弾性的な接触をする構造が好ましい。また、上記軸
体を支持する軸受に予圧を掛けておく構造として軸体の
振れを１０μｍ以下に抑えるようにすることができる。
また、当該微小部品に対する加工手段をエネルギービー
ムによる加工をマスクを通して行うものとすることがで
きる。 また、当該パレットの搬送を、搬送ロボットで行
うこととしてもよい。この搬送ロボットは、例えば適当
な走行装置、部品を載せるための台、及び部品を取り扱
うためのアーム装置などを備えたものが用いられる。ま
た、加工及び／又は組立作業を真空中で行うこととして
もよい。また、複数の作業ステーションを気密弁を介し
て接続してもよい。

【０００９】

【作用】請求項１又は３に記載の発明によれば、微小部
品は、パレット本体の軸体上に形成された保持部に取り
付けられて、搬送され、加工及び／又は組立装置に置い
て位置決めされ、その位置で軸体の回転に伴い回転す
る。また、芯出し機構により、軸体と微小部品とが相対
的に並進・回転運動させられて、相互の芯合わせが行わ
れ、軸体の回転による芯振れのない高精度の加工が行わ
れる。 また、軸体は、必要に応じて動力伝達機構を介し
て外部の駆動機構に接続されて回転させられ、駆動手段
をパレットに搭載する必要がない。また、プーリにベル
トを巻き掛けることにより外部駆動機構の動力が軸体に
伝達される。また、互いのギヤを噛み合わることによ
り、外部駆動機構の動力が軸体に伝達される。また、ロ
ーラどうし又はローラとベルトなどの接触摩擦により、
外部駆動機構の動力が軸体に伝達される。請求項２に記
載の発明によれば、ロータ側とステータ側のベアリング
リングの間に予圧を掛けることにより、ベアリングとこ
れを支持するリングの間の隙間を無くし、軸体の振れを
１０μｍ以下に抑えられ、高精度の加工や組立作業が行
われる。

【００１０】また、微小部品がマスクを通して、マスク
のパターンに応じた分布量となるようにエネルギービー
ムが照射されて加工がなされる。また、当該パレットの
搬送が搬送ロボットによって行われる。また、加工及び
／又は組立作業が真空中で外部の影響を排除した状態で
行われる。また、複数の作業ステーションが互いに気密
弁を介して接続され、それぞれでの作業が互いの雰囲気
の影響を排除した状態でおこなわれ、パレットの搬送は
この気密弁を開閉しつつ行われる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面を参照しな
がら説明する。図１は、本発明の微小部品用パレットの
一実施例を示すもので、ここでは、エネルギービームを
用いて微細な加工作業を行なう加工装置において使用さ
れている状態を示す。この加工装置Ａは、上部のエネル
ギービーム源１から発生するエネルギービームを、ビー
ム路に取り付けたマスク２を介して微小部品（被加工
物）３に照射して、加工パターンを制御しながら加工す
るものである。微小部品用パレットＰは、平板状のパレ
ット本体４の一部が切り欠かれており、この切欠部５に
跨って軸体６が図示しない軸受により支持されている。
この軸体６はパレット本体４の端部側に突出しており、
この先端部には微小部品３を保持する保持部７が設けら
れている。この軸体６には、その切欠部５の間の部分に
回転伝達用の被駆動ギヤ８が設けられている。上記軸受
としては、アンギュラ玉軸受や深溝玉軸受けが用いら
れ、ロータ側とステータ側のベアリングリングの間に予
圧を掛けることにより、ベアリングとこれを支持するリ
ングの間の隙間を無くし、軸体６の振れを１０μｍ以下
に抑えられるようになっている。

【００１２】加工装置Ａの基台９上には、エネルギービ
ーム源１と対向する位置にＸＹステージ１０が設けら
れ、これには電動モータ（回転駆動装置）１１が設けら
れたモータ台１２の上にパレット支持台１３が載せられ
ている。この電動モータ１１は、モータ台１３の側面に
設けられた伝達軸１４とプーリ１５，１６及びベルト１
７を介して連動しており、この伝達軸１４には伝達ギア
１８が設けられている。この伝達ギア１８はその一部が
パレット支持台１３の上面に突出しており、パレットＰ
を支持台１３に置いて水平方向に位置合わせすると被駆
動ギア８と噛み合うようになっている。加工装置Ａに
は、この他に、エネルギービーム源１と微小部品３の間
にマスク２を保持するためのマスク保持機構（Ｚ方向ス
テージ）１９と、断面Ｌ字状のパレット押さえ機構２０
がそれぞれ昇降自在に設置されている。パレット本体４
の切欠部５と反対の側は、ロボットアーム２１などで把
持するための平坦部２２となっている。

【００１３】図２及び図３は、軸体６の先端の保持部７
の構造を示すもので、これは軸体６の中心と取り付けら
れた微小部品３の中心を位置合わせする位置合わせ機構
２３を備えている。すなわち、軸体６の先端部２４は、
軸線に直交する面内で互いに直交する方向に微動可能な
弾性ヒンジとなっている。軸体６のこの部分は断面正方
形に形成され、その基端側には直交する２方向に２つの
正方形の孔２５，２６が形成され、これによって２対の
平行平板部２５ａ，２６ａが形成されている。その先端
には、光ファイバ（微小部品）３を装着する穴２７が設
けられている。軸体３には、その先端部２４を取り囲む
ように筒状のアウターリング２８が固定されている。こ
のアウターリング２８には、断面において９０度づつ隔
てた４つの方向から、先端に向けて軸線に斜め３０度の
角度をもって、Ｍ２の雌ねじ２９が穿設され、これには
Ｍ２の精密ネジ３０が螺合されている。

【００１４】図４及び図５は、この作業装置の全体の構
成を示すもので、上記の加工装置Ａを備えた加工室４０
と、主に組み立てを行なう作業室４１とが、それぞれ気
密に形成され、ゲートバルブ（気密弁）４２を介して接
続されている。作業室４１には、中央の作業ステージ４
３とこれを取り囲む組立用マニピュレータ４４、簡易ビ
ーム加工装置４５、拡大観察装置４６などが設けられて
いる。加工室４０と作業室４１の間は、レール４７によ
って連絡され、この上を走行する搬送ロボット４８によ
り、微小部品用パレットＰが搬送されるようになってい
る。搬送ロボット４８は、４つの回転リンクを持ったア
ーム４９を持ち、その胴体５０はレール４７の切れた部
分より長くなっている。従って、ゲートバルブ４２のと
ころで切断されたレール４７の上を跨って渡ることがで
きる。このように、２つの気密な室４０，４１の間を微
小部品３が行き来することで、複雑な形状をした部品を
容易に作製できるようになる。

【００１５】次に、上記の装置によって光ファイバの加
工を行なう場合の作用を示す。まず、パレットＰの軸体
６の先端の保持部７の装着穴２７に、光ファイバ３を所
定の治具などを用いて固定する。このパレットＰを、搬
送ロボット４８のアーム４９によりパレット支持台１３
の所定位置に運び、ＸＹステージ１０を駆動して水平方
向に位置決めし、パレット押さえ機構２０を下降させて
パレットＰを支持台１３に押しつける。これにより、被
駆動ギア８と伝達ギア１８が噛み合い、駆動モータ１１
の回転が、タイミングベルト１７、ギヤ１８，８、軸体
６を介してパレットＰに取り付けられた光ファイバ３に
伝えられる。

【００１６】ここで、芯出しの方法を説明する。軸体６
自体に芯ぶれが無いにも関わらず、これに光ファイバ３
を取り付けた後に回転させて光ファイバ３が振れ回るよ
うならば、それは、この光ファイバ３の軸と軸体６の軸
とが一致していないのが原因である。これに対処するた
めに、平行平板部２５ａ，２６ａの自由端側を精密ネジ
３０で押してこれを撓ませることにより、微小部品３を
軸体６に垂直な面内で軸体６に対して相対並進運動させ
る。この場合、精密ネジを斜めに装着されているので、
ネジ１回転あたりの平行平板部のたわみ量がネジのピッ
チより小さくなる。Ｍ２のねじは一回転あたり０．４mm
進むが、３０度傾けることにより、平行平板部２５ａ，
２６ａを押す距離は０．２mmになる。このように微小距
離を進める調整を繰り返すことにより光ファイバ３の芯
を回転中心と合わせていく。

【００１７】加工装置Ａにより、光ファイバ３のエッチ
ング加工を行なうには、エネルギービーム源１から照射
されたエネルギービームをマスク２のスリットを通して
照射する。このとき、回転駆動装置１１を用いて光ファ
イバ３を回転させながら加工を施すことにより、立体的
な回転体を形成する加工を施すことができる。図６はそ
の１つの例を示すもので、軸体６を有するパレットＰに
光ファイバ３を取り付け、開口部５０に突出する円形の
突起５１のパターンを有するマスク３を通して高速原子
線を照射する。このようにして加工した光ファイバ３
は、図７に示すように先端が球形をしており、レンズ作
用を持っている。

【００１８】図８は、細長いスリット５２のパターンを
持つマスク２を用いて、同じく光ファイバ３を回転させ
つつエネルギービームを照射して、図９に示すような先
端に尖った針状部を有するＳＴＭ（走査トンネル顕微
鏡）プローブ５３を作った例である。ここでは、ＸＹス
テージ１０を光ファイバ３の軸方向に速度を制御しつつ
往復移動させながら加工を行い、これによって、同図
（ｂ）に示すようにビーム照射量すなわち加工量を軸方
向に制御し、このような形状を得ている。このようにし
て加工を行った後、光ファイバ３をパレットＰごと取り
外し、次に、作業室４１に持っていき、他の同様に加工
されて搬送された微小部品とともに組み立てて、マイク
ロマシンなどを製造する。

【００１９】図１０は、この発明の装置により、スキャ
ニング・ニアフィールド・オプティカル・マイクロスコ
ープ（ＳＮＯＭ）と原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を組み合
わせたプローブ５４を作る例を示す。前者によって吸光
度分布と表面形状の足し合わせた情報が得られ、後者に
よって表面形状の情報が得られる。従って、これらを組
み合わせた本素子により、吸光度分布情報が得られる。
この素子は、図１０（ａ）に示すように、ＡＦＭとして
は板バネ部５５の先端に針部５６を取り付けた構成とな
っており、ＳＮＯＭとしてはこれらの部分が光ファイバ
で一体に形成され、先端表面部５７と板バネ部背面の反
射鏡部５８を金メッキしている。この素子の作成は、ま
ず、同図（ｂ）に示すように、作業室４１において、微
小部品である光ファイバ３の先端にヒータ５９により加
熱しつつ、工具５９を当てて曲げ加工し、次に、同図
（ｃ）に示すように、スリット６０が形成されたマスク
２を介してエネルギービームを照射して光ファイバの表
面を研削して反射鏡部５８を形成する。

【００２０】図１１は、本発明の微小部品用パレットの
他の実施例を示すもので、外部駆動機構であるモータの
回転が、摩擦力を利用したローラによってパレットに伝
達される場合を示す。モータ７１の回転はタイミングベ
ルト７２によって軸７３に伝達され、この回転はさらに
タイミングベルト７５を介してアーム７６の先端にある
ローラ７７に伝達され、これを回転させる。アーム７６
は、回転の自由度を固定されていないため、ローラ７４
の回転とともに回転しようとするが、アームがパレット
のステンレス製の金属ローラ７８に接触するとアームの
回転が止められ、ローラ７７が回転しはじめる。ここで
は、アーム７６の回転は、ローラ７７と金属ローラ７８
との押しつけ力に変換される。

【００２１】こうして、金属ローラ７８は、タイミング
ベルト７５に押しつけられ、摩擦力によって、タイミン
グベルト７５の回転が伝達され、回転する。また、金属
ローラ７８を支持する軸受７９の構造を（ｂ）に示す。
軸受７９は、ワイヤ放電加工によって一体製作されてお
り、３枚の薄い板バネ８０で軸を押し合っている。従っ
て、軸には予圧が加えられており、ガタなく回転でき
る。この板バネ８０と軸とは互いに摺動するが、軸の回
転は１０ｒｐｍ程度と遅いため、磨耗の心配はない。

【００２２】

【発明の効果】請求項１又は３に記載の発明によれば、
微小部品は、パレット本体の軸体上に形成された保持部
に取り付けられて、搬送され、加工及び／又は組立装置
において位置決めされるので、微小部品を複数の作業ス
テーションを通して加工や組立を行なう際に、運搬性と
操作性が良い。特に部品を回転させながら加工する際
に、そのままの状態でそのような加工を行なうことがで
き、加工及び／又は組立作業の手間や時間を省くことが
でき、また加工精度を向上させることができる。また、
それぞれの作業ステーションで位置決め装置を設けなく
てもよいので、装置全体の簡略化、小型化が図れ、装置
の製造コストを低減させることができる。また、芯出し
機構により、軸体と微小部品の相互の芯合わせが高精度
で行われ、微小な回転体を高精度で加工することがで
き、微細な光ファイバなどに応用性が高い。

【００２３】また、軸体が、動力伝達機構を介して外部
の駆動機構に接続されるので、パレット自体に回転駆動
機構を持つ必要がなく、パレットを小型化、軽量化で
き、搬送の負荷も小さくなって、装置全体としてコスト
を下げることができる。また、プーリへのベルトの巻き
掛けや、ギヤの噛み合わせ、あるいはローラへの接触と
いう簡単な機構で、外部駆動機構の動力が軸体に確実に
伝達される。請求項２に記載の発明によれば、軸受が軸
体を予圧して軸体の振れを１０μｍ以下に抑えており、
軸体の回転による芯振れのない高精度の加工が行われ
る。

【００２４】また、マスクのパターンに応じて加工分布
量を制御することで、種々の複雑な形状の加工を行え
る。また、搬送ロボットによって搬送作業が迅速かつ正
確に行える。また、加工及び／又は組立作業が真空中で
外部の影響を排除した状態で行われ、汚染や環境変化に
よる品質の変動のない高品位の微小部品を製造すること
ができる。また、気密弁を開閉しつつ加工や搬送を行な
うことにより、作業性の向上と品質の向上を両立させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の加工装置を示す斜視図で
ある。

【図２】図１の実施例の要部を拡大して示す斜視図であ
る。

【図３】図２の断面を模式的に示す図である。

【図４】この発明の一実施例の作業装置を示す斜視図で
ある。

【図５】図４の断面を模式的に示す図である。

【図６】この発明の加工装置による加工の工程を示す図
である。

【図７】図６の工程により製造される光ファイバの例を
示す図である。

【図８】この発明の加工装置による別の加工の工程を示
す図である。

【図９】図８の工程により製造される光ファイバの例を
示す図である。

【図１０】図４の作業装置による加工・組立工程の例を
示す図である。

【図１１】この発明の他の実施例の加工装置を示す斜視
図である。

【符号の説明】

Ａ 加工装置 Ｐ 微小部品用パレット １ エネルギービーム源 ２ マスク ４ パレット本体 ６ 軸体 ７ 保持部 ８ 被駆動ギヤ １０ ＸＹステージ １１ 回転駆動装置 １４ 伝達軸 １５ プーリ １７ ベルト １８ 伝達ギア ２３ 位置合わせ機構 ４０ 加工室 ４１ 作業室 ４８ 搬送ロボット ７７，７８ ローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 隆男 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株式会社 荏原総合研究所内 (72)発明者 梶山 雅章 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会 社 荏原製作所内 (72)発明者 都築 隆 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会 社 荏原製作所内 (72)発明者 畑村 洋太郎 東京都文京区小日向２−12−11 (72)発明者 中尾 政之 千葉県松戸市新松戸４−272 Ｄ−805 (56)参考文献 特開 平１−109036（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−48542（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−11245（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−89552（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−104366（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−229894（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−127694（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B81C 5/00 B23K 26/02 B23P 19/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パレット本体と、微小部品の保持部とを
   有し、上記パレット本体を加工装置に対して位置決めし
   て該微小部品を加工するために用いる微小部品用パレッ
   トであって、 上記保持部は、パレット本体に回転自在に支持された軸
   体上に設けられ、軸体と微小部品とを相対的に並進・回
   転運動させて相互の芯合わせを行なう芯出し機構を備え
   ていることを特徴とする微小部品用パレット。
2. 【請求項２】 上記軸体を支持する軸受に予圧を掛けて
   おく構造として軸体の振れを１０μｍ以下に抑えるよう
   にしていることを特徴とする請求項１に記載の微小部品
   用パレット。
3. 【請求項３】 微小部品に加工及び／又は組立作業を施
   す微小部品用作業装置であって、 加工及び／又は組立を行なう作業ステーションと、 微小部品をこの作業ステーションへ搬送するとともに、
   作業ステーションの加工及び／又は組立位置に位置決め
   する微小部品用パレットとを備え、 上記微小部品用パレットは、パレット本体に回転自在に
   支持された軸体上に設けられた保持部を有し、該保持部
   は、軸体と微小部品とを相対的に並進・回転運動させて
   相互の芯合わせを行なう芯出し機構を備えていることを
   特徴とする微小部品用作業装置。