JPH0694008A - 形状可変アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 柔軟な動きによる、半導体製造装置にお
ける搬送機構に適したフレキシブルアクチュエータを提
供する。 【構成】 周回方向の強化繊維３は、チューブ２の
半径方向の伸長を全域にわたって規制する。２箇所に設
けられている軸方向の強化繊維（４および５）は、チュ
ーブ２の軸方向の伸長を部分的に規制するとともに、ウ
ェハ等負荷の荷重によるチューブ２の上下方向の変形を
防ぐ。かかるアクチュエータ１は、加圧されると軸方向
の強化繊維（４および５）が接合されている所以外が軸
方向に伸長するため、湾曲する。この動きはチューブ２
に印加される空気圧によるものであるので柔軟性があ
り、他の部材に当たっても衝撃を与えることはなく、半
導体製造装置におけるウェハ搬送に適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は柔軟運動が可能なゴムア
クチュエータに関し、さらに詳細には両端を保持された
複数のゴムアクチュエータを環状に連結することによ
り、板状部材を周囲から柔軟に保持できるゴムアクチュ
エータに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程においては、ウェハに機
械的衝撃が加わると内部欠陥が発生してその電気特性に
影響することがある。また、このような機械的衝撃によ
り必然的に発生するパーティクルは、ウェハ上に形成さ
れるべき微細回路素子よりも大きいことがあるので、必
要な微細回路加工を妨害することになる。これらの理由
により、半導体製造上、機械的衝撃は可能な限り排除す
べきである。しかし従来、モータ、ピストン機構のよう
なアクチュエータにおける機械的運動要素は、一般には
剛性のある構造とされ、かかる剛性によりミクロンオー
ダの運動と位置決め精度を持ちうるように構成されてい
る。このような剛的な運動要素が所定の運動をしている
途中に他の部材等に当たると、機械的衝撃を発生するこ
とになる。以下これを硬い動きという。したがって前記
半導体製造工程におけるウェハ搬送等にこのような硬い
動きを用いる場合には、極度に綿密な位置制御および速
度制御を行って、機械的衝撃の発生を抑える必要があ
る。

【０００３】これに対し、現在のロボット駆動に見られ
るように、発達した視覚、触覚センサを利用したマイク
ロプロセッサによる統括制御の下で使用されるアクチュ
エータは、必ずしも剛構造であり、かつ高加工精度を有
するものばかりでなくてもよい。むしろ、柔軟な動きが
可能なフレキシブルアクチュエータをかかる統括制御下
にて用いれば、人間の手指に代替できる人工手指の開発
につながるものと期待されている。したがって、このよ
うな柔軟な動きをするアクチュエータによれば、硬い動
きをするアクチュエータに比べてはるかに簡単な制御下
で、半導体製造工程に適用可能な無衝撃の搬送機構が実
現できると考えられる。そこで、かかる用途へ適用すべ
きフレキシブルアクチュエータとして次の４種類が知ら
れている。

【０００４】その１は、ゴムチューブ３０を管軸に対し
て傾斜した方向の強化繊維３１により被覆したもの（図
５（ａ））である。かかるゴムチューブ３０内に圧縮空
気を送り込むと、圧縮空気はチューブ内容積（πＤ2Ｌ
／４ 、Ｄはチューブ内径、Ｌはチューブ長）を増大さ
せようとする。しかしながら、チューブ３０を被覆して
いる強化繊維３１がチューブ表面積（πＤＬ）を一定に
保とうとする。したがって、チューブ径Ｄが増大し、そ
れに反比例してチューブ長Ｌが減少すれば、チューブ内
容積はチューブ径Ｄの２次関数であるため、チューブ表
面積を一定としたまま、チューブ内容積は増大すること
になる。

【０００５】よってこのゴムチューブ３０は、加圧され
ることにより軸方向に収縮する（図５（ｂ））。そし
て、収縮した状態ではＤとＬとの比が自由状態での比か
らずれているので、ゴムチューブ３０の壁材にはせん弾
応力がかかっている。よって加圧が解かれると、このゴ
ムチューブ３０は、伸長して自由長にもどる。かかるゴ
ムチューブ３０の一端を固定することにより、他端がそ
の位置をかえるアクチュエータとして使用するものであ
る。（福田・細目、ロボティクス・メカトロニクス講演
会 '８９（平１−６）、１３８〜１３９参照）

【０００６】第２のアクチュエータは、ゴム管内を円周
方向に３室に分割して軸方向に長い３つの圧力室の集合
体としたもので、各圧力室にそれぞれ異なる圧力を印加
することにより、湾曲、軸方向の伸長、軸回りのねじり
等、多様な柔軟変形を可能としたものである。（鈴森、
日本機械学会論文集Ｃ編（平１−１０）、２５４７〜２
５５２参照）

【０００７】そして第３のアクチュエータは、ゴム管３
２の周囲に強化繊維（周強化繊維）３３を密に巻き、そ
して別の強化繊維（軸強化繊維）３４を軸方向に沿って
接合したもの（図６（ａ））である。周強化繊維３３は
ゴム管内に加圧されたとき、ゴム巻の径が膨張するのを
防ぎ、軸方向にのみ膨張させる作用がある。そして軸強
化繊維３４が接合されている箇所においては軸方向の膨
張も防がれるので、このアクチュエータは加圧される
と、軸強化繊維３４のないところが膨張し、全体として
は湾曲することになる（図６（ｂ））。そして軸強化繊
維３４を、軸方向に対して傾斜角をもたせて接合したア
クチュエータ（図６（ｃ））とすれば、このアクチュエ
ータは加圧により軸回りにねじれる動きを見せる。さら
にこの傾斜角を場所により変えれば、湾曲とねじれとが
複合した動きをするアクチュエータが実現される。（田
中、機械設計３６、８（１９９２−７）、３２〜３９参
照）

【０００８】第４のアクチュエータは、外管たるゴム管
と加圧により変形しない硬質の内管とを接合して２重管
としたものであって、内管は図７（ａ）に示す形状のも
のを２個使用し、図７（ｂ）のように外管のみの部分を
Ｖ字形に形成したものである。このアクチュエータは、
加圧されることにより、中央のＶ字部分のみが膨張する
ので、関節状に屈伸する動きを見せる。（田中、機械設
計３６、８（１９９２−７）、３２〜３９参照）

【０００９】これらのフレキシブルアクチュエータを、
半導体製造装置のウェハ搬送装置に応用すれば、機械的
衝撃による内部欠陥やパーティクルの発生のおそれがな
い、すぐれたウェハ搬送機構が実現されるものと期待さ
れている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た各フレキシブルアクチュエータは種々の問題点を有し
ている。第１のアクチュエータは、それ自体では伸縮動
作しかできないので、機器における微小で多様な変形動
作をさせるためには、特別な工夫が必要とされる。第２
のアクチュエータは、それ自体で多様な動作が可能であ
るが、円周方向に３分割されたゴム管の製作は容易では
なく、コスト的に不利である。特に、細径長寸のものの
実現は困難となる。また、使用するにあたって３種類の
圧力の圧縮空気を必要とするという難点がある。さら
に、３室の形状と供給圧とによる管の実際の変形挙動の
解析にはきわめて複雑な３次元解析を要する。よって、
管設計および駆動圧力設計には、例えば有限要素法を利
用した高度な解析技術が必要となる。

【００１１】第３および第４のアクチュエータは、これ
らの問題点を解消すべく考えられたものであるが、これ
らはいずれも一方の端のみが固定され、非固定端を出力
端として使用するように考えられている。しかしこの種
のフレキシブルアクチュエータは、片持ち支持にて重い
ものを駆動するのに使用すると、負荷の慣性による揺れ
および重力による曲がりが発生し、その結果必要な位置
精度が得られないのである。また、片持ちであることに
より例えば第３のアクチュエータにおいては、軸強化繊
維３４の接合位置が少しでもずれていると、アクチュエ
ータとしての動きもそのずれを忠実に反映したものとな
るので、軸強化繊維３４の接合位置は厳密に管理しなけ
ればならない。

【００１２】仮にその両端を固定すれば負荷の慣性によ
る揺れはほぼ解消され、第３のアクチュエータにおける
軸強化繊維３４の接合位置も必ずしも厳密でなくてもよ
くなると考えられるのであるが、これらのアクチュエー
タは全長が変化できない部分があるので、両端を固定し
た場合には動作ができないのである。したがって、半導
体製造装置のウェハ搬送・位置決め機構のように、高い
位置精度が要求される分野への適用がそのままでは困難
なのである。

【００１３】本発明は前記従来技術の問題点を解決する
ためになされたものであり、無用な振動が起こらず、し
たがって柔軟な動きによる高い位置精度が実現でき、か
つ複雑な制御機構を必要としない、半導体製造分野への
適用に適したフレキシブルアクチュエータを提供するこ
とを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述した問題点を解決す
るため本発明の形状可変アクチュエータは、柔軟性のあ
るチューブと、前記チューブの周囲に密に巻回された周
強化繊維と、前記チューブに軸長のうちの一部にわたっ
て軸方向に接合された軸強化繊維とからなるゴムアクチ
ュエータにおいて、前記チューブの両端が固定されてお
り、前記チューブには前記軸強化繊維が接合された箇所
が複数箇所あることを特徴とする構成とされる。また
は、複数個の前記の形状可変アクチュエータを環状に配
置したことを特徴とする構成とされる。

【００１５】

【作用】前記構成を有する本発明の形状可変アクチュエ
ータでは、両端が固定されたチューブ内に空気圧を印加
すると、チューブに接合されている強化繊維により部分
的に伸縮規制されるので、チューブが湾曲する。印加し
た圧力を開放すると、チューブが直線状態にもどる。か
かるアクチュエータを環状に配置するとともに、共通加
圧口から空気圧を印加すると各単体アクチュエータに該
圧力が伝えられる構成にすると、各アクチュエータが該
圧力に感応して湾曲変形し、その中央部が環の中心に向
かって移動する。印加した圧力を開放すると、各単体ア
クチュエータが直線状態にもどる。以上の動きにより、
環内に置かれた板状部材の保持および開放が柔軟にでき
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を具体化した形状可変アクチュ
エータの実施例を図面を参照して説明する。図１（ａ）
は本実施例の形状可変アクチュエータの構成図である。
図１（ａ）に示すアクチュエータ１は、柔軟性のあるチ
ューブ２に接着剤により強化繊維を接合したものであ
る。かかる強化繊維は、チューブ２の軸方向に垂直なも
のと軸方向に平行なものとの２種類がある。軸方向に垂
直な周強化繊維３は、チューブ２をその全長にわたって
密に巻回しており、チューブ２の半径方向の伸長収縮を
規制する機能を有している。

【００１７】そしてチューブ２の軸方向に沿って軸強化
繊維４および軸強化繊維５が、それぞれチューブ２の両
端付近の、かつ互いに延長線上の位置に接合されてい
る。軸強化繊維４および軸強化繊維５は、それらが接合
されている位置において、チューブ２の軸方向の伸長収
縮を規制する機能を有しているとともに、チューブ２の
半径方向のうち意図する変形と直角な方向への湾曲を規
制する機能を有している。

【００１８】かかるアクチュエータ１は、その両端がチ
ューブホルダ６およびチューブホルダ７に固定して取り
付けられており、そして、給圧ホース８を介して圧縮空
気ボンベ９に接続されている。遮断弁１０は圧縮空気ボ
ンベ９からアクチュエータ１への圧縮空気の供給を断続
するものであり、開放弁１１はアクチュエータ１に供給
された圧縮空気を大気に開放してアクチュエータ１を自
然状態に復帰させるものである。以上の構成を有するア
クチュエータ１は、自然状態、すなわちチューブ２の内
部が大気圧であるときには、図１（ａ）に示すように直
線状となっている。そして、開放弁１１を閉じ遮断弁１
０を開くと、圧縮空気ボンベ９から圧縮空気が供給さ
れ、チューブ２の内部は高圧になる。

【００１９】このとき柔軟性のあるチューブ２は全体に
膨張しようとするが、接合されている各強化繊維により
伸長が規制されていること、および両端が固定されてい
ることにより、独特の動きを示す。すなわち、全長にわ
たって巻回されている周強化繊維３により半径方向の伸
長が規制されるので、チューブ２は主として軸方向に伸
長しようとする。ところが軸強化繊維４および軸強化繊
維５により、軸方向の伸長は部分的に規制されている。

【００２０】ここでチューブ２を軸強化繊維４または軸
強化繊維５が接合されているかどうかにより区間分けし
て考察する。すなわち図１（ａ）中、軸強化繊維４が接
合されている区間を区間Ａとし、中央の軸強化繊維４と
軸強化繊維５とのいずれも接合されていない区間を区間
Ｂとし、そして軸強化繊維５が接合されている区間を区
間Ｃとする。区間Ａおよび区間Ｃにおいては、軸強化繊
維４または軸強化繊維５が接合されている側（図１
（ａ）中上側）のみ、軸方向の伸長が規制され、その反
対側（図１（ａ）中下側）では軸方向の伸長は規制され
ない。したがってこれらの区間では、チューブ２は図中
上側を内側にして湾曲しようとすることになる。そして
両端が固定されているので、チューブ２の中央付近は図
中上方向に移動する。そして区間Ｂでは、いずれの側で
も軸方向の伸長は規制されないので、区間Ａおよび区間
Ｃの湾曲に合わせて変形する。結果として、高圧印加時
のアクチュエータ１は、図１（ｂ）に示す状態となる。

【００２１】遮断弁１０を閉じ開放弁１１を開くと、チ
ューブ２の内部の高圧が開放され大気圧になるので、ア
クチュエータ１は図１（ａ）の直線状にもどる。そして
ここで述べたアクチュエータ１の動きは、柔軟性のある
チューブ２の空気圧による伸縮によるものであるため、
剛的なものではなく、動きの途中で他の物に当たっても
衝撃を与えることはない。以上のことから、本実施例で
は、加圧および大気開放により、中央部分が上下方向に
ソフトな動きを示すアクチュエータが実現されているこ
とが理解できる。

【００２２】また本実施例では、アクチュエータの両端
が固定されていることにより、種々の利点を有してい
る。まず、過大な振動が発生することがないことが挙げ
られ、ついで軸強化繊維の接合位置が少しずれていても
アクチュエータとしての動きに大きな影響が出ないこと
が挙げられる。さらに、図１中チューブホルダ６の先に
もう１つのアクチュエータ１を配置し、同時に作動させ
ることができる。このときアクチュエータ１は、アクチ
ュエータとしての機能と配管としての機能とを兼ねてい
るといえる。

【００２３】なお、以上のアクチュエータ１において、
チューブ２の材質として例えばシリコーンゴム、生ゴム
等が考えられるが、これらに限らず適度な柔軟性と伸縮
性を備えるものであれば何でもよい。また、周強化繊維
３、軸強化繊維４および軸強化繊維５の材質としては、
金属、炭素繊維のほか、絹糸等でもよいが、チューブ２
および接着剤とのなじみがよく、動作方向にのみ柔軟性
が高く非動作方向には柔軟性が低いものを選択すべきで
ある。そしてこれらを接合する接着剤としては、チュー
ブ２と同質のものを用いるのがよい。

【００２４】続いて、本発明にかかる第２の実施例であ
るウェハ保持装置について、図２を参照して説明する。
図２（ａ）に上面図で示すウェハ保持装置１２は、中央
に孔１４を形成されたフレーム板１３上の四隅に配置さ
れたチューブホルダ１５に、前述した第１の実施例にか
かるアクチュエータ１を４個配設して正方形状をなさせ
たものである。このウェハ保持装置１２においては、４
個のアクチュエータ１の内部は、各チューブホルダ１５
を介して互いに連通されており、図中右上のチューブホ
ルダ１５に形成されている共通給圧口１６から、圧力を
供給されるようになっている。

【００２５】共通給圧口１６の先には、前述の例同様、
圧縮空気ボンベ、遮断弁、開放弁（図示略）が接続され
ており、圧縮空気の供給および大気圧への開放ができる
ようになっている。そして、ウェハ保持装置１２におけ
る各アクチュエータ１は、その軸強化繊維（４および
５）が接合されている側が、正方形の内側に位置するよ
うに配置されており、各アクチュエータ１の中央には、
ウェハクリップ１７が取り付けられている。ウェハ保持
装置１２の側面図を図２（ｂ）に示す。そして、かかる
ウェハ保持装置１２全体は図示しない装置間搬送装置に
より、半導体製造装置のウェハ取出部と他の半導体製造
装置のウェハ受入部との間を移動されるようになってい
る。

【００２６】かかるウェハ保持装置１２では、圧縮空気
が供給されないときは、すべてのアクチュエータ１が大
気圧であるので、前述のように直線状態である。図２
（ａ）はこの状態を示している。したがってこの状態で
は各ウェハクリップ１７がウェハ１８に当接していない
ので、ウェハ保持装置１２はウェハ１８を保持しない。
この状態におけるＥ−Ｆ断面図を図３（ａ）に示す。

【００２７】そして、圧縮空気が供給されると各アクチ
ュエータ１が高圧状態になり、図１（ｂ）に示すように
変形する。ウェハ保持装置１２においては、軸強化繊維
（４および５）は前述のように正方形に対して内側に位
置するように配設されているので、各アクチュエータ１
は内側に向かって湾曲する。このときの上面図を図４に
示す。したがってこのとき、各ウェハクリップ１７がウ
ェハ１８に当接しウェハ保持装置１２はウェハ１８を保
持することとなる。この状態でのＧ−Ｈ断面図を図３
（ｂ）に示す。

【００２８】そしてこのときの各アクチュエータ１の動
きは、前述のように柔軟な動きである。したがってウェ
ハ１８の当初位置が正しい位置から少しずれていて、４
つのウェハクリップ１７のうちいずれか１つが他より先
にウェハ１８に当たるようなことがあっても、ウェハ１
８に機械的衝撃はかからず、内部欠陥やパーティクルの
発生につながることがない。しかもその後、４つのアク
チュエータ１の協働によりウェハ１８は自然に正しい位
置に保持される。

【００２９】この状態でウェハ１８を保持したまま、装
置間搬送装置によりウェハ保持装置１２全体が、他の半
導体製造装置のウェハ受入部へ移動される。かかる移動
の途中においても、各アクチュエータ１はその両端がフ
レーム板１３に対して固定されているので、ウェハ１８
の慣性による振動は最小限に抑えられる。そして移動先
で空気圧が開放されると、各アクチュエータ１が直線状
態に戻るのでウェハ１８は保持されなくなり、該半導体
製造装置に受け入れられる。そしてウェハ保持装置１２
は、次のウェハを移動するため装置間搬送装置によりも
との場所へ戻る。以上の説明から、本実施例においては
空気圧印加および圧力開放によりソフトな動きを示すア
クチュエータを組み合わせることによって、衝撃を伴う
ことのないすぐれたウェハ保持装置１２が実現されてい
ることが理解できる。しかも、複雑な空気圧制御等は不
要である。

【００３０】以上詳細に説明したとおり本実施例にかか
る形状可変アクチュエータでは、複雑な空気圧制御なく
して、柔軟な動きが可能である。したがって衝撃を嫌う
半導体製造装置のウェハ搬送にも適用できるすぐれたフ
レキシブルアクチュエータを提供できる。なお、前記実
施例は本発明を限定するものではなく、本発明の要旨を
逸脱しない範囲内において種々の変形、改良が可能であ
ることはもちろんである。例えば前記実施例では圧縮空
気源としてボンベを使用したが、コンプレッサを使用し
てもよい。また、半導体製造装置以外の分野に適用して
もよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように本発
明によれば、無用な振動が起こらず、したがって柔軟な
動きによる高い位置精度が実現でき、かつ複雑な制御機
構を必要としない、すぐれたフレキシブルアクチュエー
タを提供でき、その奏する効果は大である。そしてかか
るフレキシブルアクチュエータを、例えば半導体製造分
野へ適用すれば、ウェハに機械的衝撃を与えることのな
いすぐれたウェハ搬送装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるフレキシブルアクチュエータの
構成図である。

【図２】本発明にかかるフレキシブルアクチュエータを
応用したウェハ保持装置の平面図および側面図である。

【図３】図２に示したウェハ保持装置の断面図である。

【図４】図２に示したウェハ保持装置の加圧時における
平面図である。

【図５】従来技術にかかるフレキシブルアクチュエータ
の例を示す説明図である。

【図６】従来技術にかかるフレキシブルアクチュエータ
の例を示す説明図である。

【図７】従来技術にかかるフレキシブルアクチュエータ
の例を示す説明図である。

【符号の説明】

２ チューブ ３ 周強化繊維 ４、５ 軸強化繊維 ６、７、１５ チューブホルダ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柔軟性のあるチューブと、 前記チューブの周囲に密に巻回された周強化繊維と、 前記チューブに軸長のうちの一部にわたって軸方向に接
   合された軸強化繊維とからなるゴムアクチュエータにお
   いて、 前記チューブの両端が固定されており、 前記チューブには前記軸強化繊維が接合された箇所が複
   数箇所あることを特徴とする形状可変アクチュエータ。
2. 【請求項２】 複数個の請求項１記載の形状可変ア
   クチュエータを環状に配置したことを特徴とする形状可
   変アクチュエータ。