JP5390122B2 - 密閉室内作業機構 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビーム加工、レーザ加工、電解加工等の精密で複雑な加工を、例えば真空雰囲気、腐食雰囲気、ガス雰囲気、或いは液体内等の、外部から遮断された特殊環境下で行えるようにするための密閉室内作業機構に関するものである。

近年、ニーズの多様化に伴い、例えば真空雰囲気、腐食雰囲気、ガス雰囲気、或いは液体内等の、外部から遮断された特殊環境下で精密で複雑な加工を行う例が増えており、被加工物或いは加工手段を支持する作業台に対して、その運動の誤差が数ミクロンという極めて正確な動作を要求される場合がある。

このような正確で複雑な動作を大気中において行える作業機構は、従来から多々開発され、提案されているが、特殊環境下で使用可能な作業機構、特に多自由度の作業機構の開発は遅れている。

例えば、特許文献１には、被加工物を支持するための作業台を、真空室内において積み重ねて構成した直交する２つのリニアモータにより支持して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に移動可能とした構成、即ち２自由度のリニアアクチュエータ機構が記載されている。尚、この特許文献１には、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の移動に加えて、Ｚ軸方向の移動やθ軸の回りの回転をするための機構を組み合わせて多自由度とすることが可能である旨の記載がされているが、その具体的な構成は記載されていない。

一方、大気中において正確で複雑な動作を行うことが可能な作業機構の一例としては、例えば特許文献２に示されるような機構がある。即ち、この特許文献２には、６つのリニアアクチュエータを円周上に並設し、それらの本体に対して進退可能な作動軸の先端に球面軸受を介して支持リンクの一端側を連結すると共に、テーブル等の作業台の円周上の等間隔の３個所に球面軸受を配置し、隣接するリニアアクチュエータに対応する一対の支持リンクの他端側を作業台の共通の球面軸受に連結した構成の作業機構が記載されている。

このような作業機構においては、６つのリニアアクチュエータを駆動源により夫々動作させて、夫々の作動軸を本体に対して前進または後退を行わせることにより、作業台を、三次元座標のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させることと、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回りの夫々α方向、β方向、γ方向に回転させることが可能であり、即ち、作業台を、６自由度において正確に運動を行わせることができる。
特許第３４４８７３３号公報 特開２００１−４００５号公報

特許文献２に示されるような大気中で使用する作業機構に用いられる機構要素、例えば駆動源としてのモータやリニアアクチュエータ等を、特殊環境、例えば真空雰囲気において使用すると、モータやアクチュエータ自体又はそれに使用されている潤滑剤等から真空度に悪影響を与えるガスが発生したり、発熱のために長時間の運転が不可能である等の不都合が生じ、また腐食雰囲気において使用すると、機構要素の腐食による低寿命化の不都合が生じるため、このような特殊環境で使用する作業機構の要素は、特殊環境に適する特殊な材質や構造が要求される。

このような特殊な材質や構造を採用しなければならないため、特殊環境用の作業機構は上述したように開発が遅れており、また開発されたとしても非常に高価となって実用に適さないのが現状である。

一方、特許文献１に示されるように、１自由度に対応する機構要素を積み重ねて多自由度の機構を構成するものでは、機構が大型化してしまい、これによって作業機構の大型化や価格の上昇等を来してしまう。
本発明はこのような課題を解決することを目的とするものである。

本発明では、上述した目的を達成するために、駆動源を設けた本体と、本体に対して進退可能な作動軸とを有する複数のリニアアクチュエータの夫々の前記本体を密閉室外に配置すると共に、夫々の前記作動軸をシール手段を介して進退可能に前記密閉室の壁を貫通させ、前記密閉室内の複数の前記作動軸のみにより作業台を前記密閉室内において運動可能に支持した構成の密閉室内作業機構を提案する。

また本発明では、上述した課題を解決するために、回転駆動軸により駆動源に接続した本体と、本体に対して進退可能な作動軸とを有する複数のリニアアクチュエータの夫々の前記作動軸と前記本体を密閉室内に配置し、前記駆動源を前記密閉室外に配置すると共に、夫々の前記回転駆動軸はシール手段を介して回転可能に前記密閉室の壁を貫通させ、前記密閉室内の複数の前記作動軸のみにより作業台を前記密閉室内において運動可能に支持した構成の密閉室内作業機構を提案する。

このような本発明において、密閉室は気密的に密閉可能な構成と、液密的に密閉可能な構成が適用できる。

まず第１の発明では、複数のリニアアクチュエータの作動軸により作業台を運動可能に支持した構成において、ガスの発生や発熱等の問題があるモータ等の駆動源はリニアアクチュエータの本体と共に密閉室の外側に配置し、密閉室内に配置する作業台は、シール手段を介して進退可能に密閉室の壁を貫通させた作動軸によって支持する。

作動軸自体は、密閉室内の雰囲気に適したものとするのが容易であり、またそれを壁に貫通させるためのシール手段による密閉の維持が容易であるので、密閉室内の特殊環境に悪影響を与えずに、作動軸により作業台を密閉室内において運動させて所定の加工を行うことができる。

次に第２の発明においては、駆動源がモータ等の回転駆動源の場合に、ガスの発生や発熱等の問題がある回転駆動源は密閉室の外側に配置すると共に、リニアアクチュエータの本体は、作動軸と共に密閉室内に配置し、そして本体と回転駆動源を連結する回転駆動軸はシール手段を介して回転可能に密閉室の壁を貫通させる。

リニアアクチュエータの本体や回転駆動軸は密閉室内の雰囲気に適したものとするのが容易であり、またそれを壁に貫通させるためのシール手段による密閉の維持が容易であるので、密閉室内の特殊環境に悪影響を与えずに、作動軸により作業台を密閉室内において運動させて所定の加工を行うことができる。

本発明において密閉室は、真空室、腐食雰囲気室やガス雰囲気室等の気密的に密閉可能な構成や、液体充填室等の液密的に密閉可能な構成とすることができる。

次に本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
まず図１〜図７は本発明による密閉室内作業機構の第１の実施の形態に対応するもので、図１〜図６は構成と動作を示す説明的断面図、図７は要部の断面図である。

図中、符号１は密閉室であり、この密閉室は上述したように真空室、腐食雰囲気室やガス雰囲気室等の気密的に密閉可能な構成や、液体充填室等の液密的に密閉可能な構成とすることができる。符号２ａ，２ｂ，２ｃはリニアアクチュエータであり、これらのリニアアクチュエータ２ａ，２ｂ，２ｃは、夫々モータ等の駆動源３ａ，３ｂ，３ｃを設けた本体４ａ，４ｂ，４ｃと、本体４ａ，４ｂ，４ｃに対して進退可能に構成された作動軸５ａ，５ｂ，５ｃとから構成されている。

この実施の形態においては、ガスの発生や発熱等の問題がある駆動源３ａ，３ｂ，３ｃはリニアアクチュエータ２ａ，２ｂ，２ｃの本体４ａ，４ｂ，４ｃと共に密閉室１の外側に配置し、作動軸５ａ，５ｂ，５ｃは密閉室１の壁６に形成した貫通孔７を貫通させ、貫通孔７に設けたシール手段８により気密又は液密を維持する構成としている。

作動軸５ａ，５ｂ，５ｃの先端には回転継手１１ａ，１１ｂ，１１ｃを介して支持リンク１０ａ，１０ｂ，１０ｃの一端を連結しており、支持リンク１０ａ，１０ｂの他端はテーブル等の作業台９に設けた共通の回転継手１１ｄに連結すると共に、支持リンク１０ｃは作業台９に設けた他の回転継手１１ｅに連結している。この際、支持リンク１０ａ，１０ｂは二等辺三角形の二等辺を構成する配置で、支持リンク１０ｂ，１０ｃは平行四辺形の対向辺を構成する配置としている。

次に動作を説明すると、まず図１の状態において、全てのリニアアクチュエータ２ａ，２ｂ，２ｃの作動軸５ａ，５ｂ，５ｃを本体４ａ，４ｂ，４ｃ内に後退させると、作業台９を図２に示すようにＺ軸方向で下方に移動することができる。逆に全てのリニアアクチュエータ２ａ，２ｂ，２ｃの作動軸５ａ，５ｂ，５ｃを本体４ａ，４ｂ，４ｃから前進させると作業台９をＺ軸方向で上方に移動することができる。

次に図１の状態において、リニアアクチュエータ２ｃの作動軸５ｃを本体４ｃから前進させると、作業台９は図３に示すように、回転継手１１ｄを支点としてθ軸の回りに反時計方向に回転させることができる。逆にリニアアクチュエータ２ｃの作動軸５ｃを本体４ｃ内に後退させると、作業台９は図４に示すように、回転継手１１ｄを支点としてＹ軸の回り、即ちθ方向に時計方向に回転させることができる。

次に、図１の状態において、リニアアクチュエータ２ａの作動軸５ａを本体４ａ内に後退させると、作業台９は図５に示すように、支持リンク１０ｃ，１０ｄによりθ方向には回転せずに、支持リンク１０ｃ，１０ｄの図中反時計回りの回転軌跡に沿って左下方に移動する。この際、作業台９の下方への移動距離に見合う距離だけ作動軸５ａ，５ｂ，５ｃを本体４ａ，４ｂ，４ｃから前進させるように制御すれば、作業台９はＺ軸方向には移動せず、Ｘ軸方向に図中左方に移動させることができる。

逆に、図１の状態においてリニアアクチュエータ２ａの作動軸５ａを本体４ａから前進させると、作業台９は図６に示すように、支持リンク１０ｃ，１０ｄによりθ方向には回転せずに、支持リンク１０ｃ，１０ｄの図中時計回りの回転軌跡に沿って右上方に移動する。この際、作業台９の上方への移動距離に見合う距離だけ作動軸５ａ，５ｂ，５ｃを本体４ａ，４ｂ，４ｃ内に後退させるように制御すれば、作業台９はＺ軸方向には移動せず、Ｘ軸方向に図中右方に移動させることができる。

上述したとおり図７は、要部、特にリニアアクチュエータ２の構成を拡大して示すもので、符号１２は駆動源としてのモータ３の回転駆動軸、１３はカップリング、１４はねじシャフト、１５は作動軸５の基端側に設けた雌ねじ、１６はねじシャフト１４が嵌入する間隙である。即ち、この実施の形態におけるリニアアクチュエータ２は、モータ３を用いたねじシャフト式の構成である。その他リニアアクチュエータとしては、後述するリニアモータ式、電磁式等適宜である。

次に図８、図９は本発明の第２の実施の形態を示す要部断面図であり、第１の実施の形態の構成要素に相当する要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
この実施の形態では、リニアアクチュエータ２はリニアモータ式の構成としている。即ち、符号１７ｄ，１７ｅは固定側の電磁石コイル、１８ｄ，１８ｅは移動側のマグネットロッドであり、これらの電磁石コイル１７ｄ，１７ｅとマグネットロッド１８ｄ，１８ｅとから駆動源３ｄ，３ｅとしてのリニアモータが構成されており、夫々のマグネットロッド１８ｄ，１８ｅに作動軸５ｄ，５ｅが結合されてリニアアクチュエータ２ｄ，２ｅが構成されている。

第１の実施の形態と同様に、作動軸５ｄ，５ｅは密閉室１の壁６に形成した貫通孔７を貫通させ、貫通孔７に設けたシール手段８により気密又は液密を維持する構成としている。

一方側の作動軸５ｄの先端は回転継手１１ｆによって作業台９と連結し、また他方側の作動軸５ｅの先端は、作業台９に設けた水平方向の案内レール１９に沿って移動可能なスライダー２０に回転継手１１ｇに連結している。

ここで図８の状態において、両方のリニアアクチュエータ２ｄ，２ｅの作動軸５ｄ，５ｅを、同時に本体４ｄ，４ｅに対して前進又は進退させると、密閉室１内の作業台９をＺ軸方向に移動することができる。

次に図８の状態において図中左側のリニアアクチュエータ２ｄの作動軸５ｄを本体４ｄから前進させると、作業台９は図中左側が上方に移動して時計方向に回転して傾斜し、逆に作動軸５ｄを本体４ｄ方向に後退させると、作業台９は図中左側が下方に移動して反時計方向に回転して傾斜する。この際、作動軸５ｄの前進又は後退の動作と共に、作動軸５ｅを適宜前進又は後退させることにより、作業台９を所望の位置において傾斜させることができる。

この実施の形態の構成では、作業台９が傾斜した状態と、傾斜していない状態では、回転継手１１ｆと回転継手１１ｇ間の距離が変化するが、この距離の変化は、スライダー２０が案内レール１９に沿って移動することで打ち消されるため、機構が干渉することはない。

次に図１０〜図１４は本発明による密閉室内作業機構の第３の実施の形態に対応するもので、図１０は一部を切り欠いた斜視図、図１０〜図１４は動作を説明する模式的斜視図である。
この実施の形態では、６つのリニアアクチュエータ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆを円周上に並設し、ガスの発生や発熱等の問題がある駆動源３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆはリニアアクチュエータ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆの本体４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆと共に密閉室１の外側に配置し、作動軸５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆは密閉室１の壁６に形成した貫通孔７を貫通させ、貫通孔７に設けたシール手段８により気密又は液密を維持する構成としている。（この構成は第１の実施の形態と同様であるので図７も参照のこと。）

そして作動軸５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆの先端には、夫々球面軸受やジンバル構造等を利用した３自由度の回転継手２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆを介して支持リンク１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆの一端側を連結すると共に、作業台９の円周上の等間隔の３個所に球面軸受やジンバル構造等を利用した３自由度の回転継手２１ｇ，２１ｈ，２１ｉを配置し、隣接するリニアアクチュエータ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆに対応する一対の支持リンク１０ａ，１０ｂ；１０ｃ，１０ｄ；１０ｅ，１０ｆの他端側を、上述した作業台９の夫々共通の回転継手２１ｇ，２１ｈ，２１ｉに連結した構成である。即ち、この実施の形態における作業機構自体は、上述した特許文献２に記載されている６自由度の機構と同様である。

図１１〜図１４はこの実施の形態の動作を示すもので、各図において、破線は図１０と同様な状態である初期状態を示しており、実線が、破線の状態から運動した後の状態を示すものである。また図中の一点鎖線の楕円は初期状態の回転継手２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆを通る円周で、これらの位置を示すものである。

図１１は初期状態から作動軸５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆを図中Ｚ軸方向に移動して、作業台９をＸ軸方向に移動させた状態を示すもので、この場合、図に示すように、作動軸５ｄ，５ｅは上方に移動すると共に、作動軸５ｃ，５ｆは僅かに下方に移動し、更に作動軸５ａ，５ｂを、作動軸５ｃ，５ｆよりも下方に移動させている。

図１２は、作動軸５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆを図中Ｚ軸方向に移動して、作業台９を図１１の状態から初期状態に戻し、次いでＹ軸方向に移動させた状態を示すもので、この場合、図に示すように、作動軸５ｄ，５ｅは略初期状態に移動させ、作動軸５ａ，５ｆは上方に移動し、更に作動軸５ｂ，５ｃを下方に移動させている。

次に図１３は、作動軸５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆを図中Ｚ軸方向に移動して、作業台９を初期状態から図１１の状態に移行させた後、Ｙ軸方向に移動させ、更に、Ｚ軸方向に移動させた状態を示すもので、この場合、図に示すように、作動軸５ｄ，５ｅは略初期状態に移動させ、次いで全ての作動軸５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆを上方に移動することにより作業台９をＺ軸方向に上方に移動させている。

次に図１４は、作動軸５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆを図中Ｚ軸方向に移動して、作業台９を初期状態から図１３の状態に移行させた後、作動軸５ａ，５ｂ，５ｃを下降することにより、作業台９をＹ軸の回り、即ち図１０のβ方向に傾斜させた状態を示すものである。

以上のように、この実施の形態の作業機構においては、６つのリニアアクチュエータ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆを、真空室１外の駆動源３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆにより夫々動作させて、夫々の作動軸５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆを、真空室１外の本体４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆに対して前進または後退を行わせることにより、作業台９を、三次元座標のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させることと、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回りの夫々α方向、β方向、γ方向に回転させることが可能であり、即ち、作業台９を、６自由度において正確に運動を行わせることができる。

次に図１５は、本発明による密閉室内作業機構の第４の実施の形態に対応するもので、特にリニアアクチュエータ２の構成を拡大して示している。
この実施の形態では、リニアアクチュエータ２の本体４は、特殊環境に適応する構成とすると共に、回転駆動軸１２により駆動源３に接続する構成としており、本体４に対して進退可能に構成した作動軸５と前記本体４を密閉室１内に配置すると共に、前記駆動源３を密閉室１外に配置し、前記回転駆動軸１２はシール手段８を介して回転可能に密閉室１の壁６を貫通させた構成としている。

リニアアクチュエータ２の本体４は、駆動源３と比較して密閉室１内の雰囲気に適したものとするのが容易であり、また回転駆動軸１２を壁６に貫通させるためのシール手段８による密閉の維持が容易であるので、第１、第２の実施の形態と同様に、密閉室１内の特殊環境に悪影響を与えずに、作動軸５により作業台９を密閉室１内において運動させて所定の加工を行うことができる。

図１６は、第５の実施の形態を示し、この実施の形態は、第４の実施の形態の構成を利用して、第３の実施の形態の作業機構を構成した例を示すもので、リニアアクチュエータ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆが真空室１内に配置されている以外は、第３の実施の形態と構成、動作が同様であるため、重複する説明は省略する。

本発明は以上の通りであるので、電子ビーム加工、レーザ加工、電解加工等の精密で複雑な加工を、例えば真空雰囲気、腐食雰囲気、ガス雰囲気、或いは液体内等の、外部から遮断された特殊環境下で行えるようにするための密閉室内作業機構を、大型でない簡単な機構として構成することができ、従ってコストを低減すると共に密閉室内空間の有効利用を図ることができ、産業上の利用可能性が大である。

本発明による密閉室内作業機構の第１の実施の形態を示す説明的断面図である。 本発明による密閉室内作業機構の第１の実施の形態を他の局面で示す模式的側面図である。 本発明による密閉室内作業機構の第１の実施の形態を更に他の局面で示す模式的側面図である。 本発明による密閉室内作業機構の第１の実施の形態を更に他の局面で示す模式的側面図である。 本発明による密閉室内作業機構の第１の実施の形態を更に他の局面で示す模式的側面図である。 本発明による密閉室内作業機構の第１の実施の形態を更に他の局面で示す模式的側面図である。 本発明による密閉室内作業機構の第１の実施の形態を示す要部拡大断面図である。 本発明による密閉室内作業機構の第２の実施の形態を示す要部断面図である。 本発明による密閉室内作業機構の第２の実施の形態を、図８とは別の局面で示す要部断面図である。 本発明による密閉室内作業機構の第３の実施の形態を示す一部切欠斜視図である。 本発明による密閉室内作業機構の第３の実施の形態の動作を示す模式的斜視図である。 本発明による密閉室内作業機構の第３の実施の形態の他の動作を示す模式的斜視図である。 本発明による密閉室内作業機構の第３の実施の形態の更に他の動作を示す模式的斜視図である。 本発明による密閉室内作業機構の第３の実施の形態の更に他の動作を示す模式的斜視図である。 本発明による密閉室内作業機構の第４の実施の形態を示す拡大断面図である。 本発明による密閉室内作業機構の第５の実施の形態を示す一部切欠斜視図である。

符号の説明

１ 密閉室
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ リニアアクチュエータ
３ 駆動源（モータ）
４ 本体
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ 作動軸
６ 壁
７ 貫通孔
８ シール手段
９ 作業台
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 支持リンク
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 回転継手
１２ 回転駆動軸
１３ カップリング
１４ ねじシャフト
１５ 雌ねじ
１６ 間隙
１７ｄ，１７ｅ 電磁石コイル
１８ｄ，１８ｅ マグネットロッド
１９ 案内レール
２０ スライダー
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈ，２１ｉ 回転継手

Claims (4)

1. 駆動源を設けた本体と、本体に対して進退可能な作動軸とを有する複数のリニアアクチュエータの夫々の前記本体を密閉室外に配置すると共に、夫々の前記作動軸をシール手段を介して進退可能に前記密閉室の壁を貫通させ、前記密閉室内の複数の前記作動軸のみにより作業台を前記密閉室内において運動可能に支持したことを特徴とする密閉室内作業機構。
2. 回転駆動軸により駆動源に接続した本体と、本体に対して進退可能な作動軸とを有する複数のリニアアクチュエータの夫々の前記作動軸と前記本体を密閉室内に配置し、前記駆動源を前記密閉室外に配置すると共に、夫々の前記回転駆動軸はシール手段を介して回転可能に前記密閉室の壁を貫通させ、前記密閉室内の複数の前記作動軸のみにより作業台を前記密閉室内において運動可能に支持したことを特徴とする密閉室内作業機構。
3. 密閉室は気密的に密閉可能な構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載の密閉室内作業機構。
4. 密閉室は液密的に密閉可能な構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載の密閉室内作業機構。

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