JP4515785B2 - シャフト駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、シャフトを駆動させるシャフト駆動装置に関し、特に、複数のシャフトを互いに同期して駆動させるシャフト駆動装置に関する。

例えば半導体素子などの製造業において、先端側にクランプリングが接続された複数のシャフトを駆動させるシャフト駆動装置が提案されている。
このようなシャフト駆動装置は、複数のシャフトをその軸方向に沿って並列に移動させることにより、これらのシャフトの先端に取着された上述のクランプリングを、電極上に載置されたウェハの上面に押し当てたり、ウェハから引き離したりする。このように、クランプリングがウェハを電極上に押し付けることにより、そのウェハに対して例えばドライエッチングなどの処理を適切に行うことができ、クランプリングがウェハから離れることにより、そのウェハを搬送可能な状態にすることができる。

図８は、従来のシャフト駆動装置の外観を示す外観図である。
このシャフト駆動装置は、モータ９０１と、モータ９０１の駆動により巡回するベルト９０２と、ベルト９０２の巡回により図８中上下方向に移動する２つのボールネジ９０３とを備えている。
２つのボールネジ９０３は、それぞれ筒の内部に１つずつ備えられており、１つのベルト９０２の巡回によって双方共に上向き又は下向きに移動する。

また、２つのシャフト２０１はそれぞれ各ボールネジ９０３の先端側に取り付けられており、上述のようなボールネジ９０３の移動に伴って移動する。
即ち、従来のシャフト駆動装置は、モータ９０１による回転運動を、ベルト９０２を介して２つのボールネジ９０３の直線運動に変換し、この直線運動によって２つのシャフト２０１を駆動する。

ここで、２つのシャフト２０１の先端には取付治具２０２が取着されている。取付治具２０２は、枠体２０２ａと、その枠体２０２ａに突設された３つの円筒体２０２ｂとからなる。これらの円筒体２０２ｂにはバネ２０３が挿入され、バネ２０３の一端側は枠体２０２ａに固定され、他端側はクランプリング２０４に接続される。これにより、クランプリング２０４は、バネ２０３の弾性力により取付治具２０２の枠体２０２ａ側に引き寄せられ、取付治具２０２の円筒体２０２ｂの先端を押圧する形で固定される。

図９は、シャフト２０１が上下方向に移動したときのクランプリング２０４の状態を説明するための説明図である。
シャフト駆動装置が２本のシャフト２０１を下方向に動かすと、クランプリング２０４の内周側の縁が、バネ２０３の弾性力を利用してウェハ１の外周部上面を押さえ込む。また、シャフト駆動装置がシャフト２０１を上方向に動かすと、クランプリング２０４がウェハ１から離れ、ウェハ１が搬送可能な状態となる。

図１０は、従来のシャフト駆動装置により移動するクランプリング２０４及びシャフト２０１の先端の様子を説明するための説明図である。
クランプリング２０４は時刻ｔ０１にウェハ１を完全に押さえ込んでいる。即ち、クランプリング２０４は、シャフト２０１先端の枠体２０２ａにバネ２０３で引き寄せられており、そのバネ２０３の弾性力によりウェハ１を押さえ込んでいる。

ここで、モータ９０１の駆動によりシャフト駆動装置は、２本のシャフト２０１に対して軸方向に沿って上向きにゆっくりと移動を開始させる。そして、クランプリング２０４が時刻ｔ０２にウェハ１からゆっくりと離れると、シャフト駆動装置は、時刻ｔ０３にモータの回転速度を上げて、シャフト２０１及びクランプリング２０４をそれぞれ同じ速度で速く上向きに移動させ、上端高さに達する時刻ｔ０４にその移動を停止させる。

次に、シャフト駆動装置はモータ９０１の逆向きの駆動により時刻ｔ０５に、２本のシャフト２０１及びクランプリング２０４に対して共に同じ速度で下向きの移動を開始させる。そして、シャフト駆動装置は、クランプリング２０４がウェハ１に近づくと、時刻ｔ０６にモータの制御により移動速度を減速させる。その後、時刻ｔ０７にクランプリング２０４がウェハ１にゆっくりと接触すると、シャフト駆動装置はシャフト２０４をさらに下向きに移動させて、クランプリング２０４をバネ２０３の弾性力でウェハ１にしっかりと押さえつけさせ、時刻ｔ０８にシャフト２０４を停止させる。

このように、従来のシャフト駆動装置は、ウェハ１に与える衝撃を抑えるため、クランプリング２０４がウェハ１を押さえるときやウェハ１から離れるときには、モータ９０１の回転速度を遅くしている。
しかし、上記従来のシャフト駆動装置では、シャフト２０１を同期して動かすためにボールネジ９０３やベルト９０２を用いるため、例えばベルト９０２の締め付け強度の調整や、ベルト９０２とボールネジ９０３とを連動させるための調整などを要し、メンテナンス性が悪いという問題がある。また、ベルト９０２の磨耗により粉塵が発生し、周囲の環境を汚してしまうという問題もある。

ところで、このようなシャフト２０１の代わりに複数のプランジャを同期して駆動させるマルチ式封止装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。上記従来のシャフト駆動装置ではボールネジ９０３やベルト９０２を用いることにより複数のシャフト２０１を同期して移動させたが、このようなマルチ式封止装置は、油圧に応じて連動する複数のピストンを用いることで、複数のプランジャを同期して移動させる。

そこで、上記従来のシャフト駆動装置に対して、特許文献１のような油圧に応じて連動する複数のピストンを適用することにより、上述のような問題は解決される。
特開平３−２９２１１７号公報

しかしながら、上記従来のシャフト駆動装置に対して、特許文献１のような油圧に応じて連動するピストンを適用しても、上述のようにウェハ１に対する衝撃を抑えるためには、モータ９０１の回転速度を調整しなければならず、複雑な制御を要するという問題が残る。
そこで、本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、制御し易いシャフト駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るシャフト駆動装置は、複数のシャフトをそれぞれ駆動するシャフト駆動装置であって、互いの内部間で流体が移動自在となるように接続された複数のシリンダと、前記複数のシリンダのそれぞれの中に配設され、前記複数のシリンダ間の流体の移動に伴ってそれぞれ連動する複数のピストンと、前記複数のピストンのそれぞれに対して１つずつ配設され、前記複数のピストンのそれぞれの動きに応じて回転する複数の回転軸と、カム機構により前記複数の回転軸の回転運動をそれぞれ往復運動に変換することで、前記複数のシャフトをそれぞれ軸方向に沿って移動させる変換手段とを備えることを特徴とする。

これにより、各シャフトは流体の移動に伴って同期して移動するため、従来例のようにベルトやボールネジなどを要さず、メンテナンス性を向上し、さらに粉塵なども発生することがなく周辺環境を清潔に保つことができる。さらに、変換手段がカム機構により回転運動を往復運動に変換するため、ピストンに一定の動きをさせれば、各シャフトはそれぞれ同じように時系列に沿ってサインカーブを描くように往復運動する。その結果、例えば、シャフトの先端にウェハを押さえるためのクランプリングが取り付けられている場合には、ピストンの動きを一定にしながらも、クランプリングがウェハに近づくと、クランプリングをゆっくりとウェハに接触させて押し当てることができ、従来例のモータに対して行うような複雑な制御を省き、制御し易くすることができる。

また、前記複数のピストンはそれぞれ、前記複数のシリンダのうちの何れかに注入される空気の気圧を動力源にして連動することを特徴としても良い。
これにより、例えば工場内に配設されているエアコンプレッサーなどから簡単に動力源を得ることができ、従来例のようにモータなどを要することなく、コスト低減を図ることができる。

ここで、前記複数のピストンはそれぞれ、前記複数のシリンダ間のオイルの移動に伴ってそれぞれ連動することを特徴としても良い。
これにより、例えば気体と比べてオイルの体積は外圧によって変動することが少なく、各シャフトを確実に同期させることができる。

本発明のシャフト駆動装置は、複雑な制御を省くことができるという作用効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態におけるシャフト駆動装置について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態におけるシャフト駆動装置の外観を示す外観図である。
本実施の形態のシャフト駆動装置は、制御し易いものであって、流体の流入又は流出により回転運動を生成する２つの回転部１１０と、各回転部１１０により生成された回転運動を往復運動に変換する２つの変換部１２０とを備えている。

ここで、２本のシャフト２０１のそれぞれの一端は、接続部１３０を介して変換部１２０に各別に接続されており、シャフト２０１の他端には、従来例で説明した取付治具２０２とクランプリング２０４が取り付けられている。

図２は、回転部１１０の内部構成を簡略的に示す構成図である。
回転部１１０は、シリンダ１１１と、シリンダ１１１内部に注入されるエア及びオイルにより往復運動するピストン１１２と、ピストン１１２の往復運動により軸心を中心に回転する回転軸１１３とを備えている。

エアは、例えば外部のエアコンプレッサーなどから図２中のシリンダ１１１上部に注入され、オイルは、図５中のシリンダ１１１下部に注入される。
つまり、エアがシリンダ１１１に注入されると、ピストン１１２はエアの圧力により下向きに移動するとともに、オイルはシリンダ１１１外部に排出される。一方、オイルがシリンダ１１１に注入されると、ピストン１１２は上向きに移動するとともに、エアはシリンダ１１１外部に排出される。

ピストン１１２には、シリンダの長手方向に沿って配列する複数の溝１１２ａが形成されている。
回転軸１１３は、自らが有する歯車１１３ａをピストン１１２の溝１１２ａに噛み合わせる形でシリンダ１１１に軸支されている。
これにより、回転軸１１３はピストン１１２の往復運動に応じて回転し、その回転軸１１３の先端側に取着された変換部１２０のカム１２１を回転させる。

このような２つの回転部１１０は、互いのオイル出入口を移送管１４０により接続されており、一方の回転部１１０から排出されたオイルは、他方の回転部１１０のシリンダ１１１内部に注入される。
従って、一方の回転部１１０のシリンダ１１１にエアが注入されると、上述のようにピストン１１２が下向きに移動するとともに、オイルが他方の回転部１１０のシリンダ１１１内に流れ込む。そして、他方の回転部１１０のピストン１１２は上向きに移動するとともに、その他方の回転部１１０のシリンダ１１１からエアが排出される。

つまり、このような２つの回転部１１０は、エアの圧力を動力源として利用し、各シリンダ１１１間のオイルを移動させることで、それぞれの回転軸１１３を同期して回転させる。

図３は、２つの回転部１１０のピストン１１２及び回転軸１１３がそれぞれ同期して運動する様子を説明するための説明図である。
図３（ａ）に示すように、図中左側の回転部１１０のシリンダ１１１にエアが注入されると、その回転部１１０のピストン１１２は下向きに移動して回転軸１１３を右周りに回転させる。これにより、オイルは、左側の回転部１１０のシリンダ１１１から右側の回転部１１０のシリンダ１１１に流れ込む。その結果、右側の回転部１１０のピストン１１２は上向きに移動して回転軸１１３を左周りに回転させる。そして、右側の回転部１１０のシリンダ１１１からはエアが排出される。

一方、図３（ｂ）に示すように、図中右側の回転部１１０のシリンダ１１１にエアが注入されると、その回転部１１０のピストン１１２は下向きに移動して回転軸１１３を右周りに回転させる。これにより、オイルは、右側の回転部１１０のシリンダ１１１から左側の回転部１１０のシリンダ１１１に流れ込む。その結果、左側の回転部１１０のピストン１１２は上向きに移動して回転軸１１３を左周りに回転させる。そして、左側の回転部１１０のシリンダ１１１からはエアが排出される。
このように、２つの回動部１１０はそれぞれ同時に同一速度で逆方向に回転軸１１３を回転させる。

図４は、変換部１２０の内部構成を簡略的に示す構成図である。
変換部１２０は、上述のカム１２１と、略箱状の筐体１２２と、筐体１２２の壁を貫通して軸方向に沿って移動自在に支持される駆動軸１２３と、駆動軸１２３とカム１２１とを連結する連結片１２４とを備えている。

このような変換部１２０は、いわゆるカム機構（リンク機構）として構成されており、回転軸１１３の回転によりカム１２１が回動すると、その回動に伴って連結部１２４が駆動軸１２３を軸方向に沿って往復させる。

図５は、変換部１２０の駆動軸１２３が移動する様子を説明するための説明図である。
変換部１２０のカム１２１が一定の回転速度で回動すると、図５の（ａ）及び（ｅ）に示すように、カム１２１の連結片１２４と接続された部位Ａが下側を向いているときには、駆動軸１２３の先端は低い位置でゆっくりと昇降し、図５の（ｂ）及び（ｄ）に示すように、カム１２１の連結部１２４と接続された部位Ａが水平方向を向いているときには、駆動軸１２３の先端は早い速度で昇降する。そして、図５の（ｃ）に示すように、カム１２１の連結片１２４と接続された部位Ａが上側を向いているときには、駆動軸１２３の先端は高い位置でゆっくりと昇降する。

このような駆動軸１２３の先端には、上述のように接続部１３０を介してシャフト２０１の一端が接続される。従って、このような変換部１２０の駆動軸１２３の往復運動により、シャフト２０１及びクランプリング２０４が時系列に沿ってサインカーブを描くように上下方向に移動する。また、シャフト２０１やシャフト駆動装置の配置及び寸法は、クランプリング２０４が最下端に達するときにウェハ１を押さえ込むように調整されている。

これにより、本実施の形態におけるシャフト駆動装置は、一定の回転速度でカム１２１を回動させることにより、その回転速度を変化させることなくクランプリング２０４でウェハ１をゆっくりと押さえ込み、ウェハ１からクランプリング２０４が十分に離れると速い速度でクランプリング２０４を移動させることができる。

図６は、本実施の形態により移動するクランプリング２０４及びシャフト２０１先端の様子を説明するための説明図である。
クランプリング２０４は時刻ｔ１にウェハ１を完全に押さえ込んでいる。即ち、クランプリング２０４は、シャフト２０１先端の枠体２０２ａにバネ２０３で引き寄せられており、そのバネ２０３の弾性力によりウェハ１を押さえ込んでいる。
ここで、シャフト駆動装置の一方の回転部１１０にエアが注入されると、２つの回転部１１０の回転軸１１３がそれぞれ回転し、２つの変換部１２０のカム１２１が回動する。これにより、シャフト駆動装置は、２本のシャフト２０１に対して軸方向に沿って上向きにゆっくりと移動を開始させる。そして、クランプリング２０４が時刻ｔ２にウェハ１からゆっくりと離れると、シャフト駆動装置は、シャフト２０１及びクランプリング２０４をそれぞれ同じ速度で速く上向きに移動させ、クランプリング２０４が上端高さに近づくと、その移動速度をゆっくりと減速させる。その後、クランプリング２０４が時刻ｔ３に上端高さに達すると、シャフト駆動装置は、シャフト２０１及びクランプリング２０４を停止させる。

次に、時刻ｔ４にシャフト駆動装置の他方の回転部１１０にエアが注入されると、２つの回転部１１０の回転軸１１３がそれぞれ上述とは逆の向きに回転して、２つの変換部１２０のカム１２１が回動する。これにより、シャフト駆動装置は、２本のシャフト２０１及びクランプリング２０４に対して共に同じ速度でゆっくりと下向きの移動を開始させる。そして、シャフト駆動装置は、その移動速度を途中で速めて、クランプリング２０４がウェハ１に近づくと再び移動速度を減速させる。その後、時刻ｔ５にクランプリング２０４がウェハ１にゆっくりと接触すると、シャフト駆動装置は、シャフト２０１をさらにゆっくりと下向きに移動させて、クランプリング２０４をバネの弾性力でウェハ１にしっかりと押さえつけさせ、時刻ｔ６にシャフト２０４を停止させる。

したがって、本実施の形態では上述のように、一定の回転速度でカム１２１を回動させることにより、つまり一定の速度でピストン１１２を移動させることにより、複雑な制御を要さずシャフト２０１及びクランプリング２０４の移動速度を適切に調整することができる。また、クランプリング２０４がウェハ１に近い位置にあるときには、各カム１２１の回転角度のずれによって生じる各シャフト２０１先端の高さのずれを抑えることができる。例えば、その回転角度が４°ずれていても、各シャフト２０１先端の高さのずれを約０．０５ｍｍに抑えることができる。その結果、クランプリング２０４にウェハ１を偏りなく押さえつけさせることができる。

また、本実施の形態におけるシャフト駆動装置は、オイルの移動により各シャフト２０１を同期して移動させるため、従来例のようにベルトなどを要さず、メンテナンス性を向上し、粉塵なども発生することがなく周辺環境を清潔に保つことができる。
さらに、本実施の形態では、シャフト駆動装置の動力源にエアの圧力を利用するため、例えば工場に配設されたエアコンプレッサーなどからエアを導くことにより、従来例のようなモータを要することがなく、コスト低減を図ることができる。

しかも、本実施の形態では、二組の回転部１１０及び変換部１２０がそれぞれ２本のシャフト２０１を各別に移動させてクランプリング２０４をいわゆる両持ちで昇降させるため、クランプリング２０４をいわゆる片持ちで昇降させる場合と比べて、クランプリング２０４の傾きの発生を抑えることができ、クランプリング２０４を水平に沿わせた状態で安定して昇降させることができる。

（変形例）
ここで、エア及びオイルの出入口に関する本実施の形態の変形例について説明する。
本変形例に係る回転部１１０は、シリンダ１１１の下部にエアの出入口を有するともに、シリンダ１１１の上部にオイルの出入口を有する。
図７は、本変形例に係る２つの回転部１１０のピストン１１２及び回転軸１１３がそれぞれ同期して運動する様子を説明するための説明図である。
図７（ａ）に示すように、図中左側の回転部１１０のシリンダ１１１にエアが注入されると、その回転部１１０のピストン１１２は上向きに移動して回転軸１１３を右周りに回転させる。これにより、オイルは、左側の回転部１１０のシリンダ１１１から右側の回転部１１０のシリンダ１１１に流れ込む。その結果、右側の回転部１１０のピストン１１２は下向きに移動して回転軸１１３を左周りに回転させる。そして、右側の回転部１１０のシリンダ１１１からはエアが排出される。

一方、図７（ｂ）に示すように、図中右側の回転部１１０のシリンダ１１１にエアが注入されると、その回転部１１０のピストン１１２は上向きに移動して回転軸１１３を右周りに回転させる。これにより、オイルは、右側の回転部１１０のシリンダ１１１から左側の回転部１１０のシリンダ１１１に流れ込む。その結果、左側の回転部１１０のピストン１１２は下向きに移動して回転軸１１３を左周りに回転させる。そして、左側の回転部１１０のシリンダ１１１からはエアが排出される。

このように、本変形例においても、２つの回動部１１０はそれぞれ同時に同一速度で逆方向に回転軸１１３を回転させる。
以上、本発明に係るシャフト駆動装置について上記実施の形態及び変形例を用いて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、本実施の形態及び変形例では、各シリンダ１１１間を流れる流体にオイルを用いたが、エアを用いても良い。但し、エアの体積はオイルに比べて外圧による影響を受け易いため、各ピストン１１２の同期を確実に図るためには、オイルを用いるのが好適である。

さらに、本実施の形態及び変形例では、回転部１１０及び変換部１２０の組を２組だけ備えたが、３組以上備えても良い。この場合、各組それぞれがシャフト２０１を１本ずつ昇降させる。
また、本実施の形態及び変形例に、各駆動軸１２３のストロークや、各回転軸１１３の回転角度などを検出するセンサと、そのセンサの検出結果に応じて各シャフト２０１の移動を停止させる停止装置とを備えても良い。例えば、停止装置は、センサによる検出結果に基づいて、各ストロークや回転角度にずれが生じたと判断すると、各シャフト２０１の移動を停止させる。その結果、傾いたクランプリング２０４による不適切なウェハ１の押さえ付けによって、ウェハ１に対して不適切な処理がなされるのを防ぐことができる。

本発明のシャフト駆動装置は、複雑な制御を省くことができるという効果を有し、電子機器生産業などに適用することができる。

本実施の形態におけるシャフト駆動装置の外観を示す外観図である。 同上の回転部の内部構成を簡略的に示す構成図である。 同上の２つの回転部のピストン及び回転軸がそれぞれ同期して運動する様子を説明するための説明図である。 同上の変換部の内部構成を簡略的に示す構成図である。 同上の変換部の駆動軸が移動する様子を説明するための説明図である。 同上のシャフト駆動装置により移動するクランプリング及びシャフト先端の様子を説明するための説明図である。 同上の変形例に係る２つの回転部のピストン及び回転軸がそれぞれ同期して運動する様子を説明するための説明図である。 従来のシャフト駆動装置の外観を示す外観図である。 同上のシャフトが上下方向に移動したときのクランプリングの状態を説明するための説明図である。 同上のシャフト駆動装置により移動するクランプリング及びシャフト先端の様子を説明するための説明図である。

符号の説明

１１０ 回転部
１１１ シリンダ
１１２ ピストン
１１３ 回転軸
１２０ 変換部
１２１ カム
１３０ 接続部
２０１ シャフト
２０２ 取付治具
２０３ バネ
２０４ クランプリング

Claims (4)

1. 複数のシャフトをそれぞれ駆動するシャフト駆動装置であって、
   互いの内部間で流体が移動自在となるように接続された複数のシリンダと、
   前記複数のシリンダのそれぞれの中に１つずつ配設され、前記複数のシリンダ間の流体の移動に伴ってそれぞれ連動する複数のピストンと、
   前記複数のピストンのそれぞれに対して１つずつ配設され、前記複数のピストンのそれぞれの動きに応じて回転する複数の回転軸と、
   カム機構により前記複数の回転軸の回転運動をそれぞれ往復運動に変換することで、前記複数のシャフトをそれぞれ軸方向に沿って移動させる変換手段と
   を備えることを特徴とするシャフト駆動装置。
2. 前記複数のピストンはそれぞれ、前記複数のシリンダのうちの何れかに注入される空気の気圧を動力源にして連動する
   ことを特徴とする請求項１記載のシャフトの駆動装置。
3. 前記複数のピストンはそれぞれ、前記複数のシリンダ間のオイルの移動に伴ってそれぞれ連動する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のシャフト駆動装置。
4. 前記複数のピストンはそれぞれ、前記複数のシリンダ間の空気の移動に伴ってそれぞれ連動する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のシャフト駆動装置。

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