JPH06241237A - 真空チャンバーロボット装置用2重同軸磁気カプラ - Google Patents
真空チャンバーロボット装置用2重同軸磁気カプラInfo
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- JPH06241237A JPH06241237A JP6008679A JP867994A JPH06241237A JP H06241237 A JPH06241237 A JP H06241237A JP 6008679 A JP6008679 A JP 6008679A JP 867994 A JP867994 A JP 867994A JP H06241237 A JPH06241237 A JP H06241237A
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Abstract
向の動きをつなぐための2つの磁気式カプラをもつコン
パクトな装置に関するものである。 【構成】 各カプラは、周上に磁石が配置された同一中
心のリングを2つ有し、これらのリングは、対応するリ
ング中にある磁石間で磁気的な結合が得られるように配
置されている。磁石が比較的多く配置されているので、
リング間で堅固な結合が得られるが、これらのリングに
は磁石とともに磁束リングがあるので、各リング上の隣
接する磁石間の不要な周方向の結合が小さくなってい
る。磁束リングによってリング間の径方向の磁力線に対
して帰り道が形成される。各リングに磁気シールドがあ
るので、カプラ間の相互結合は小さくなっている。これ
らの磁気シールドによって、カプラをその共通の軸上で
近接して配置することができる。腐食を抑えるために、
真空容器壁の真空側に配置された各磁石のリングは、ス
テンレスですっぽりと覆われている。
Description
ンバー或いは他の大気のない環境下で用いられるメカト
ロロボット(electromechanichal robots )に関し、特
に、真空シールを用いないで真空チャンバーの壁を通し
て機械的なトルクを伝達するための磁気カプラを用いた
真空チャンバー用ロボット(vacuum chamber robots )に
関する。
かすために様々なタイプのロボットがよく用いられてい
る。例えば、半導体の製作工程において、真空或いは真
空に近い環境下でプロセスチャンバ(processing chambe
rs )から出し入れするために基板やウェハを動かす必要
がある。
adial motion )ができる真空チャンバー用ロボットをデ
ザインする上で2つの問題点がある。典型的なプロセス
システムでは、真空チャンバーは、プロセスチャンバー
に囲まれるようにしてほぼ中央に配置され、ロボット
は、基板やその他の加工物をあるプロセスチャンバーか
らほかのプロセスチャンバーに動かすという機能を果た
す。
つの問題は、大型の基板をあるプロセスチャンバーから
取り出し、新しい位置に回転し、ほかのプロセスチャン
バーにいれるようにするため、この大型の基板を収容す
るには真空チャンバーがかなり大きくなってしまうこと
である。デザイン目標は真空チャンバーの大きさを小さ
くすることにあり、これによって、より低い製造コス
ト、体積の小さなプロセスシステム、汚染の可能性の減
少をもたらすことになる。システムの大きさを規定す
る、周囲の多くのプロセスチャンバがあるなら、真空チ
ャンバーの大きさを減少することは難しい。しかし、多
くのプロセスチャンバーが比較的小さくなるとき、真空
チャンバーの容積を減少することは、通常、重要な目標
になる。
の一つの方法は、ロボットの回転中央上に基板を配置で
きるようなロボットを装備することである。こうするこ
とで、可能な限り小さい真空チャンバー内でロボット及
び基板を回転させることができるようになる。ロボット
を中央位置の上方(over-center position)にまで動かし
うるようにするには、真空チャンバーの下方から真空チ
ャンバーの中へ結合するようなロボットの駆動機構が必
要になる。本発明は、真空チャンバーの中へ同軸シャフ
トの角方向の動きを伝達するための磁気式カプラに関わ
るものである。
ブモータは、チャンバーの外に取付けられるのが望まし
く、角方向の動きは真空チャンバーの壁を通して伝達さ
れねばならない。真空チャンバーの壁を貫通する回転可
能な1本以上のシャフトを適応させるように真空チャン
バーをデザインするのは、このドライブシャフトのまわ
りのシールがよく故障を起こすことから、好ましいもの
ではない。2次元の動きを与えるようなロボットの場
合、2つの独立の駆動モータが必要であり、これはとて
も込み入った問題である。米国特許 4,951,601号(Mayd
an et al. )に記載されているようなロボットは、2つ
の駆動トルクを真空チャンバー内に同軸で伝達するのに
好適である。このことを考慮すれば、ロボットをコンパ
クトにし、中央位置の上方にまで動かせるようにするに
は、同軸の駆動機構も必要になる。
で用いられてきた。基本的には、磁気式のトルクカプラ
は、2セットの磁石(通常は永久磁石)からなり、同軸
の離れたシャフトに取付けられ、真空バリアによって離
されている。磁石のセットはともに磁気的に結合してお
り、一本のシャフトの回転によって他方が同期して回転
するようになっている。
いるには、特に、2同軸駆動のカプラとして用いる場合
には大きな問題点がある。根本的な要求として、機械的
なカプラは強くかつ堅固(stiff )でなけらばならない。
磁石の一方のセットの回転により、最小の応答おくれで
他方のほとんど同期した回転が生じなければばならな
い。磁気的な結合がゆるくなれば、ロボットの位置が不
正確なものになるか、良くても顕著な位置遅れ(positio
n delays )が生じる。もし、真空チャンバー内で2つの
駆動シャフトをつなぐのに2つのカプラを用いる場合、
これらのカプラの間の不要な相互結合(cross-coupling)
を最小にするようにカプラを通常は空間的に離さなけれ
ばならない。
分野においては、まだ改良の必要がある。本発明はこの
要求にこたえるものである。
チャンバー用ロボットに用いるための2軸の磁気式同軸
カプラを備えたものである。簡単に一般用語でいえば、
本発明の機構は、第1及び第2のカプラを有するもので
あり、これらの各カプラは、磁石の主リング(primary r
ing)と、この主リングと同一中心と略同一平面の磁石の
副リング(secondary ring)を有し、これら主リング及び
副リングは、共通の軸を中心にして独立して回転し得る
ように取り付けられ(mounted for independed rotation
)、半径方向にむけられた複数の磁石を含む。主リング
中にある磁石は、同じカプラの副リング中にある対応す
る磁石と径方向で磁気的に結合している。
る隣り合った磁石間の不要な周方向の結合(unwanted ci
rcumferential coupling )を最小化する手段(means for
minimizing)と、異なる主又は副リングにおける隣り合
う磁石間の相互結合(cross-coupling)を最小化する手段
とを有する。本機構は、同軸の第1及び第2のカプラ
に、不要な周方向の結合又は相互結合を最小限にして強
い磁気的な結合を与える。
は副リング中にある磁石は、一つの磁石の位置から次の
磁石位置へとその極性が交互になるようにし、磁石の主
リング及び副リングは真空バリア(vacuum barrier)を隔
てて互いに反対側になるように配置されている。同じリ
ング中にある隣り合った磁石間の不要な周方向の結合を
最小化する手段は、真空バリアから最も離れた磁石の端
部に極めて近接して各主リング及び副リング中にある磁
石の隣に配置された環状磁束路リングを含んで構成され
る。環状磁束路リングは、真空バリアを通る径方向の磁
気的な結合(radial magnetic coupling across the vac
uum barrior)に対して低い磁気抵抗の磁路(flux path )
を与え、真空バリアに最も近い磁石端部における不要な
周方向の結合をできるだけ小さくする。
小化する手段は、磁石の主及び副リングのそれぞれの環
状の磁気シールドを含む。磁気シールドは、他方のカプ
ラに最も近い位置においてリング中にある磁石に近接し
て装備される。環状の磁気シールドがなかった場合に2
つのカプラ間の不要な相互結合が生じるであろう磁力線
に対して、各磁気シールドは他の磁路を与える。
アの真空側に配置されたリングは、例えばステンレス製
などの保護カバーを有するものとし、真空を汚染する腐
食性の物質による影響を最小化するのが望ましい。
は、真空チャンバー用ロボットに用いるための磁気式カ
プラの分野において大きな進歩をもたらすものである。
特に、本発明のカップリング機構(coupling mechanism)
は、不要な周方向の結合や相互結合を最小におさえて、
2同軸のシャフトの角度位置(angular position)での強
い磁気的な結合をもたらす。本発明の他の態様及び利点
は、次に示す詳細な説明及び添付図面から明らかになろ
う。
空チャンバー用ロボットに関するものであり、真空チャ
ンバー壁を通して2つのシャフトの角度変位をロボット
装置に伝達するための2同軸の磁気カプラ(dual coaxia
l magnetic couplers)に関するものである。磁気カプラ
を用いることによって、フリクションシール(friction
seals)、磁性流体シール(ferrofluidic seals)やベロー
構造(bellow structure)を採る必要がなくなり、また、
真空チャンバー内の微粒子汚染をほとんどなくすことが
できる。しかし、2同軸の磁気カプラはデザインするの
がむつかしく、このおもな理由は、強力な(stiff )磁気
的な結合を要する一方、2つのカプラの間で(磁気的
な)不要な結合又はクロストークをなくさねばならない
からである。クロストークは、弱い磁石を用いたり、磁
石の数が少なかったりすると減少するのであるが、これ
によってカップリングが弱くなるなど好ましくないこと
になる。クロストークは、2つのカプラをさらに遠くに
離間することによっても減少するが、これは利用できな
いほど大きなカプラ装置になる。
型の装置で、強い磁気的な結合(magnetic coupling) が
備わっているが、これらの結合の間のクロストークが非
常に小さいものになっている。本発明の実施例では、回
転軸の回りを角度方向に動くことができ、回転軸上方に
実際に加工物を移動させるよう内側に径方向に動くこと
ができる連結ロボット(linkage robot )即ちフロッグレ
ッグロボット(flog-leg robot)を駆動するために2同軸
カプラが用いられている。
12の中にある符号10で示されるロボットのメカニズ
ムを示したものである。一般に、ロボットは、半導体又
はガラスの基板といった加工物を、あるプロセスチャン
バーから他のプロセスチャンバーに、或いはプロセスチ
ャンバーと基板の装填及び脱着用エアロックの間で、動
かすのに用いられる。プロセスチャンバーとエアロック
は図1では示されていないが、良好な空間配置になるよ
うに真空チャンバーと隣接されている。この図に示すよ
うにロボットの駆動機構14は、真空チャンバー12の
下方に全体的に外側で配置され、これによって、真空チ
ャンバーの汚染を小さし、ロボットの駆動機構のメンテ
ナンスが簡単になるようにしている。
いられるフロッグレッグロボット機構の原理を示したも
のである。フロッグレッグ機構は取付け板(mounting pl
ate)20を有し、この取付け板20に、エンドエフェク
タとよばれる図示しないワークピース支持部(workpiece
support )がつながれる。エンドエフェクタマウント2
0は、回転軸22に対して径方向及び角度方向に動かす
ことができる。この機構は、エンドエフェクタマウント
20に加えて、第1及び第2の近位アーム(proximal ar
m)24,26、第1及び第2の遠位アーム(distal arm)
28,29、という4つの基本的なコンポーネントを持
つ。第1及び第2の近位アーム24,26は、軸22を
中心に回動可能に装備されている。第1の遠位アーム2
8は、一端で第1の近位アーム24の自由端に回動可能
に接続されており、その他端は、エンドエフェクタマウ
ント20の一の側面に回動可能に接続されている。第2
の遠位アーム29も同様に、第2の近位アーム26の自
由端部及びエンドエフェクタマウント20の他の側面に
回動可能に接続されている。
矢印で示すように、同じ角速度で反対方向に回転する
と、エンドエフェクタマウント20は軸22の方にその
半径に沿って動く。近い方にある第1及び第2のアーム
24,26が、同じ角速度で同じ方向に回転すると、エ
ンドエフェクタマウント20は、軸までの距離を維持し
ながら軸22を中心に回転する。エンドエフェクタマウ
ント20を径方向に延ばしてプロセスチャンバーから基
板その他の物を取り出し、エンドエフェクタマウント2
0を縮めて新たなプロセスチャンバーがある方に回転
し、エンドエフェクタマウント20を再び延ばして新た
なチャンバーに基板を置くというのがこのロボット機構
の通常の操作手順である。真空チャンバーの体積を小さ
くするには、実質的に回転軸22の上方の位置にエンド
エフェクタマウント20を縮めることができるのが望ま
しい。当該機構は、最も縮めたときの位置が点線で、プ
ライムの付された符号で引用されたコンポーネントとと
もに示されている。
にするには、エンドエフェクタマウント20が回転軸2
2の上方を自由に通れるようにしなければならない。そ
のためには、まず、近位アーム24,26を回転させる
ために用いられる駆動機構14(図1)が全体的に真空
チャンバーの下方に配置されなければならない。一つの
近位アームが真空チャンバーの下方から駆動され、他方
が真空チャンバー12の上方から駆動されるような場合
では、十分縮んだ位置にはならない。
ト機構を駆動するための2同軸磁気カプラについてコン
パクトな装置を提供するものである。強力な磁気的なカ
ップリング(magnetic coupling )を、不要な相互結合や
同じカプラ側にある隣り合った磁石間の実質的な結合(s
ubstantial coupling)をなくして達成するものである。
図3に示すように、このデュアルカプラ機構は、第1及
び第2の主リング30,32から成り、これらの主リン
グ30,32は、真空チャンバー壁12の外側に配置さ
れ、共通の軸22を中心に回転するように取付けられて
いる。例えば、第1の主リング30は、フランジの付い
たシャフト34に取付けられ、第2の主リング32は、
シャフト上に回転自在に取付けられたフランジの付いた
ブッシング36に取付けられるようにしてもかまわな
い。シャフト34及びブッシング36には、図に模式的
に示すように、別々の駆動モータM1(38),M2
(40)がつながれる。例えば、駆動モータM1はドラ
イブベルトでブッシング36につなぎ、駆動モータM2
は直接シャフト34につなぐようにしてもかまわない。
駆動モータM1,M2には従来からあるサーボモータを
用いて、角度位置及び角速度の正確な制御を可能にして
いる。
リング30,32はそれぞれ、かなり多くの永久磁石を
備える。図では、磁石のN極及びS極は各々「N」,
「S」で示されている。図に示す本発明の実施例では、
各リングには48個の磁石がある。特定設計における磁
石の個数は、カプラの大きさとか望ましい磁気的な結合
の強さとかいった要因できまる。説明が進むにつれて明
らかになるように、磁石は主リング30,32と次に説
明する副リングにこれらの径方向に置かれる。
第2の副リング42,44を有し、これらの副リング4
2,44は、共通の軸22を中心に回転するように取付
けられているが、真空チャンバー壁12の内側に全体が
配置されている。これら副リングは主リング30,32
と同じ数の磁石にするのが望ましい。主リング30,3
2中にある磁石と各副リング42,44中にある対応す
る磁石との間の半径方向の結合の結果としてカップリン
グメカニズムが機能する。主及び副リング中にある反対
極性は、真空チャンバー壁12を通して互いに引き合
い、主リング30,32の一つの角度方向の動きは、副
リング42,44の対応した動きとなる。副リング4
2,44はロボット機構10としっかりと連結されてい
る(この点に付いては図示せず)。図2で示されている
フロッグレッグロボット機構の場合、副リング42,4
4はそれぞれ、近い方のアーム24,26につながれて
いる。
ては、永久磁石を周方向の線に沿って磁極をつなぐよう
にして配置したものがある。これに関しては2つの欠点
がある。まず、所定のサイズのリングにはそれほど多く
の磁石をのせることはできない。また、第2に、密接し
て磁石をリングに組み込むと、主リングと副リングとの
間で得られる所望の径方向の磁束路を犠牲にしてリング
の周りに強い周方向の磁束路が生じてしまう。
のリングサイズに多くの磁石をのせ、これによって主リ
ングと副リングとの間でより強い磁気的な結合が得られ
ている。また、各リングに環状の磁束路を設けることに
よって、同じリング中にある隣り合った磁石間の不要な
結合を最小限にしている。特に、主リング30,32
は、その磁石の内側に配置された環状の磁束リング4
6,48を有する。同様に、副リング42,44は、磁
石の外側に配置された環状の磁束リング50,52を有
する。磁束リング46,48,50,52は、並んだ主
リング及び副リングのペアの間の径方向の磁束線に対し
て磁気抵抗の小さな帰路になる。図6の拡大図に示すよ
うに、環状の磁束リングは主及び副リング中にある磁石
の間の磁束は強める。真空チャンバー壁面(interface )
から最も離れた磁石の端部での周方向の結合(circumfer
encial coupling)は、望ましいものになる(換言すれ
ば、主リング30,32の内側の磁極の近くにあり、副
リング42,44の外側の磁極の近くにあるためであ
る)。これらの領域内の周方向の磁路は、径方向に並べ
られた磁石を通る複数の並列の磁気回路(図6の点線参
照)を形成し、真空バリアを横切る径方向の結合(coupl
ing)を強める。真空チャンバー壁近くの磁極では、周方
向の結合がある程度あるであろうが、磁束リングがある
ことによって、この不要な結合は比較的小さく抑えられ
る。磁束リングがなければ、径方向の磁力線に対する磁
気抵抗の小さな帰路がなくなり、真空チャンバー壁12
を横切る径方向の結合は弱いものになる。
た本発明の2つの特徴をさらに示したものである。コン
パクトなデュアルカプラ装置は、多くの理由から最も好
ましいものであるが、できるだけ真空チャンバーの高さ
を小さくできることがその主なものである。そのために
は、磁石の主リング30,32と磁石の副リング42,
44とは、極めて接近して配置されねばならない。図
3,5から明らかなように、このように接近した配置に
すると、主リング及び副リング中にある磁石間に不要な
相互結合(cross coupling)が生じることになる。この相
互結合によって悪い場合には、主リング30,32の一
方の動きによって、他方が動いてしまう。このような相
互結合は、明らかに、デュアルカプラを操作する際にお
いて様々な問題を孕むことになる。本発明の態様の一つ
では、各主リング30,32及び各副リング42,44
はそれぞれ、主及び副リング中にある磁石に接触する環
状のシールドリング60を備える。各主リング上の環状
のシールドリング60は、他方の主リングに最も近い磁
石の面上に接して配置されている。同様に、各副リング
上の環状のシールドリング60は、他方の副リングに最
も近い磁石の面上に接して配置されている。各シールド
リング60は、主リング同士或いは副リング同士の結合
を妨げるような磁路を形成する。シールドリング60の
大きさ及び材質は、隣接する磁石リング間の空気又は真
空路の磁気抵抗よりも実質的に小さな磁気抵抗を与える
ように選択されねばならないが、磁石間を「ショート」
させたり、真空バリアを横切る所望の磁路を除外するほ
ど小さな磁気抵抗のものを選んではならない。
は、各副磁石リング42,44を囲む保護層62を用い
ることである。副リング42,44は真空に近い環境下
に晒されるが、真空チャンバーは、周りのプロセスチャ
ンバーで使用された原料などによって汚染されるように
なる。これらの汚染物質の多くは、主及び副リングに用
いられる強磁性体材料に対して腐食性がある。保護層6
2はステンレス鋼或いは類似の材料でできている。
は、磁気カプラの分野に大きな進歩をもたらすものであ
り、とくに、真空バリアを通して機械的なシャフトの回
転を伝達するのに用いるカプラの分野に大きな進歩をも
たらすものである。本発明は、良好で磁気的に強く堅固
であるが、隣り合った磁石間の不要な周方向の結合や不
要な相互結合のない磁気式同軸デュアルカプラを提供し
得る。発明の実施例は説明のために示されるものであ
り、発明の本質或いは範囲に基づいて様々な変形を行い
得ることは明らかである。したがって、本発明は、クレ
ーム以外では限定されない。
用いるための磁気式カプラの分野において大きな進歩を
もたらすものである。特に、本発明のカップリング機構
(coupling mechanism)は、不要な周方向の結合や相互結
合を最小におさえて、2同軸のシャフトの角度位置(ang
ular position)での強い磁気的な結合をもたらしうる。
を示す簡単な全体図である。
ット機構(flog-leg robot mechanism)の平面図である。
した簡単な全体図である。
の一つの平面図である。
プラの拡大断面図である。
あり、図4と類似の部分拡大図である。
…副リング、軸、34…シャフト、36…ブッシング、
38,40…モータ、46,48,50,52…磁束路
リング、60…磁気シールド保護カバー
Claims (8)
- 【請求項1】 磁石の主リング及びこの主リングと同一
中心で略同一平面上にある磁石の副リングを有し、これ
ら各リングが軸を共通にして回転するように取付けられ
るとともに複数の半径方向に向けられたそ磁石を含み、
前記主リングにある磁石が前記副リング上の対応する磁
石と径方向で磁気的に結合するように構成された第1カ
プラと、 第1カプラと類似の構成をもち、主リング及びこの主リ
ングと同一中心で略同一平面上にある副リングを有する
第2カプラであって、第2カプラのこれら各リングが前
記第1のカプラと同じ軸を中心に回転するように取付け
られるとともに複数の半径方向に向けられた磁石を含
み、前記第1のカプラに対して軸方向に近く間隔を開け
て配置された第2のカプラと、 前記リングのどの隣接した磁石間の不要な周方向の結合
(circumferential coupling)を小さくする手段と、 異なった前記主リング又は副リングの隣接する磁石間の
相互結合(cross coupling)を小さくする手段とを備え、 周方向の不要な結合或いは前記相互結合を小さくして前
記第1及び第2の同軸カプラの間で強い磁気的な結合を
与える2重磁気カプラ機構。 - 【請求項2】 前記各主及び副リングにある磁石は一つ
の磁石の位置から次の磁石位置へと交互に替わる磁極を
有し、 磁石の前記主及び副リングは、真空バリアに向かい合う
側に配置され、 前記同じリングにある隣接する磁石間の周方向の不要な
結合を小さくする手段は、前記真空バリアから最も離れ
た磁石の端部に近接させて前記各主及び副リングの磁石
と隣接させて配置された環状の磁束路リングを含んで構
成され、 前記環状の磁束路リングは、前記真空バリアを通る径方
向の磁気的な結合に対して低い磁気抵抗の磁束路を与
え、真空バリアに最も近い磁石端部での周方向の不要な
結合を小さくする請求項1記載の2重磁気カプラ機構。 - 【請求項3】 前記相互結合を小さくする手段は、前記
主及び副リングの各々に、前記カプラの一方に最も近い
位置でそのリング上の磁石に近接して取付けられた環状
の磁気シールドを含んで構成され、 前記磁気シールドの各々は、それがなければ2つの前記
カプラ間で不要な周方向の結合が生じるであろう磁束線
に対して磁路を与える請求項1記載の2重磁気カプラ機
構。 - 【請求項4】 前記相互結合を小さくする手段は、前記
主及び副リングの各々に、前記カプラの一方に最も近い
位置でそのリングにある磁石に近接して取付けられた環
状の磁気シールドを含んで構成され、 前記磁気シールドの各々は、それがなければ2つの前記
カプラ間で不要な周方向の結合が生じるであろう磁束線
に対して磁路を与える請求項2記載の2重磁気カプラ機
構。 - 【請求項5】 前記主及び副リングは、真空バリアに向
かい合う側に配置され、 前記真空バリアの真空側に配置された前記リングは、真
空を汚染する腐食性物質の影響を小さくするための保護
カバーを有する請求項1記載の2重磁気カプラ機構。 - 【請求項6】 前記保護カバーはステンレス鋼でできて
いる請求項5記載の2重磁気カプラ機構。 - 【請求項7】 前記第1のカプラは、その第1主リング
を第1の駆動用モータとつなぐための手段と、その第1
副リングを前記真空バリアの真空側にある2軸ロボット
とつなぐための手段とをさらに有し、 前記第2のカプラは、その主リングを第2の駆動用モー
タとつなぐための手段と、その副リングを前記2軸ロボ
ットとつなぐための手段とをさらに有する請求項2記載
の2重磁気カプラ機構。 - 【請求項8】 前記第1主リングを第1の駆動用モータ
とつなぐための手段は、前記第1主リングが取付けられ
ているシャフトを含んで構成され、 前記第2主リングを第2の駆動用モータとつなぐための
手段は、前記シャフト上で回転し得るように取付けられ
るとともに前記第2主リングが取付けられている筒形の
ブッシングを含んで構成されている請求項2記載の2重
磁気カプラ機構。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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JP3529416B2 JP3529416B2 (ja) | 2004-05-24 |
Family
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JP00867994A Expired - Lifetime JP3529416B2 (ja) | 1993-01-28 | 1994-01-28 | 真空チャンバーロボット装置用2重同軸磁気カプラ |
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