JP5472283B2 - ロボットのアーム構造およびロボット - Google Patents

Description

開示の実施形態は、ロボットのアーム構造およびロボットに関する。

従来、液晶用のガラス基板や半導体ウェハ等の薄板状ワークをストッカ等に出し入れするロボットとして、減圧状態に保たれたチャンバ（以下、「真空チャンバ」と記載する）内に設置されるロボットが知られている。

また、かかるロボットによって基板を搬送する場合に、搬送される基板の状態を判定するセンサを、真空チャンバ側に設置する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

そして、かかる基板処理装置では、基板の状態を判定するセンサが、基板の出し入れが行われる箇所すべてに設置される。

特開２０１１−２１０８１４号公報

しかしながら、従来の基板処理装置では、上記したように複数のセンサを設ける必要があり、装置コストの削減という観点から改善の余地があった。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、装置コストを削減することができるロボットのアーム構造およびロボットを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る減圧状態に保たれる真空チャンバに設置されてワークを搬送するロボットのアーム構造は、第１アーム部と、第２アーム部と、エンドエフェクタと、隔壁と、気密端子とを備える。第１アーム部は、アームベース上に基端部が回転可能に連結され、内部に所定の駆動系を含み、前記内部が大気圧状態に保たれ、第２アーム部は、前記第１アーム部の先端部上に基端部が回転可能に連結され、内部に駆動系を含まない。エンドエフェクタは、前記第２アーム部の先端部上に可動ベース部を介して回転可能に連結され、ワークを保持する。隔壁は、前記第１アーム部と前記第２アーム部との連結部近傍に設けられ、前記第１アーム部内の前記大気圧状態を前記減圧状態から隔絶する。また、気密端子は、前記隔壁に設けられ、前記大気側および前記減圧状態側を気密状態で電気的に導通可能とする。また、前記第１アーム部は、前記第２アーム部を駆動する中空の駆動軸を具備する減速機を備える。前記隔壁は、前記中空の駆動軸における中空領域と連通する前記第２アーム部側の閉空間に設けられる。そして、前記第１アーム部に内包されるケーブルが前記中空領域経由で前記気密端子へ接続される。

実施形態の一態様によれば、装置コストを削減することができる。

図１は、本実施形態に係るロボットの模式斜視図である。 図２は、ロボットを真空チャンバへ設置した状態を示す模式側面図である。 図３Ａは、ケーブルの状態を示す模式側面図その１である。 図３Ｂは、ケーブルの状態を示す模式側面図その２である。 図４は、気密端子を説明するための模式側面図である。 図５は、変形例に係る気密端子を示す模式側面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するロボットのアーム構造およびロボットの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

まず、本実施形態に係るロボットの構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るロボットの模式斜視図である。

図１に示すように、ロボット１は、水平方向に伸縮する２つの伸縮アームを備える水平多関節ロボットである。具体的には、ロボット１は、胴体部１０と、アームユニット２０とを備える。

胴体部１０は、アームユニット２０の下部に設けられるユニットである。かかる胴体部１０は、筒状の筐体１１内に昇降装置を備えており、かかる昇降装置を用いてアームユニット２０を鉛直方向に沿って昇降させる。

昇降装置は、たとえば、モータやボールねじ、ボールナット等を含んで構成され、モータの回転運動を直線運動へ変換することによって昇降フランジ部１５を鉛直方向に沿って昇降させる。これにより、昇降フランジ部１５上に固定されるアームユニット２０が昇降する。

筐体１１の上部には、フランジ部１２が形成される。ロボット１は、フランジ部１２が真空チャンバに固定されることによって、真空チャンバに設置される状態となる。かかる点については、図２を用いて説明する。

アームユニット２０は、昇降フランジ部１５を介して胴体部１０と連結するユニットである。具体的には、アームユニット２０は、アームベース２１と、第１アーム部２２と、第２アーム部２３と、可動ベース部２４と、補助アーム部２５とを備える。

なお、本実施形態に係るロボット１は、第１アーム部２２、第２アーム部２３、可動ベース部２４および補助アーム部２５で構成される伸縮アーム部を２組備える双腕ロボットについて説明する。

しかし、これに限定されるものではなく、ロボット１は、伸縮アーム部が１つである片腕ロボットでもよいし、伸縮アーム部が３つ以上設けられるロボットであってもよい。

アームベース２１は、昇降フランジ部１５に対して回転可能に支持される。アームベース２１は、モータや減速機等からなる旋回装置を備えており、かかる旋回装置を用いて回転する。

具体的には、旋回装置は、出力軸が胴体部１０に固定される減速機に対してモータの回転を伝達ベルト経由で入力する。これにより、アームベース２１は、減速機の出力軸を旋回軸として水平方向に自転する。

なお、アームベース２１は、大気圧に保たれる箱状の収納部を内部に備え、かかる収納部内に、モータや減速機、伝達ベルト等を備える。これにより、後述するように、ロボット１を真空チャンバ内で使用する場合であっても、グリス等の潤滑油の乾燥を防止することもできる他、発塵によって真空チャンバ内が汚染されることを防止することができる。

アームベース２１の上部には、第１アーム部２２の基端部が、後述する第１減速機を介して回転可能に連結される。この第１アーム部２２は、大気圧に保たれる箱状の収納部を内部に備えている。また、第１アーム部２２の先端部の上部には、第２アーム部２３の基端部が、後述する第２減速機を介して回転可能に連結される。なお、第２アーム部２３は、アームベース２１とは異なり、全体が減圧環境に暴露される。

そして、第２アーム部２３の先端部には、可動ベース部２４が回転可能に連結される。可動ベース部２４は、薄板状ワークを保持するためのエンドエフェクタ２４ａを上部に備え、第１アーム部２２および第２アーム部２３の回転動作に伴って直線的に移動する。なお、以下では、薄板状ワークを単に基板と記載するが、基板は、液晶用のガラス基板であってもよいし、半導体ウェハであってもよい。

ここで、基板を移載する際、従来では、真空チャンバ内に設けられるセンサによって基板の有無を判定していた。また、従来では、真空チャンバ内で基板の出し入れが行われる箇所すべてにセンサを設ける必要があり、装置にコストがかかってしまう。

また、センサが設けられる位置まで第２アーム部２３を引いた状態で基板の有無を判定するが、図１に示したような双腕ロボットの場合には、一対のエンドエフェクタ２４ａはそれぞれ上下に重畳する状態となっている。

したがって、従来のロボットは、基板の有無を判定する際に、上側のエンドエフェクタ２４ａに載置される基板であるか、下側のエンドエフェクタ２４ａに載置される基板であるかの判定までは判定することができない。

そこで、本実施形態に係るロボット１では、基板の有無を検知するセンサを各エンドエフェクタ２４ａに設けることとした。このようにすることによって、本実施形態に係るロボット１では、装置コストを削減することができるとともにいずれのエンドエフェクタ２４ａに基板が載置されているかを正確に判定することができる。

また、本実施形態に係るロボット１では、基板をエンドエフェクタ２４ａに載置する瞬間にセンサによって基板の有無を検知できるので、置き損じて落ちかかった状態の基板を移載している際に基板を落下させるようなことを防止することができる。

また、ロボット１は、第１アーム部２２および第２アーム部２３に内包されるケーブル（図示せず）経由で、センサへ電流を供給する。なお、かかるケーブルの配線についての詳細は図３を用いて後述する。

ロボット１は、第１アーム部２２および第２アーム部２３を同期的に動作させることで、エンドエフェクタ２４ａを直線的に移動させる。具体的には、ロボット１は、第１減速機および第２減速機の双方を１つのモータを用いて回転させることで、第２アーム部２３を第１アーム部２２と同期して動作させる。

また、ロボット１は、第１アーム部２２に対する第２アーム部２３の回転量がアームベース２１に対する第１アーム部２２の回転量の２倍となるように、第１アーム部２２および第２アーム部２３を回転させる。

たとえば、ロボット１は、第１アーム部２２がアームベース２１に対してα度回転した場合に、第２アーム部２３が第１アーム部２２に対して２α度回転するように第１アーム部２２および第２アーム部２３を回転させる。これにより、ロボット１は、エンドエフェクタ２４ａを直線的に移動させることができる。

第１減速機、第２減速機、モータ、伝達ベルトといった駆動機構は、真空チャンバ内の汚染防止等の観点から、大気圧に保たれる第１アーム部２２の内部に収納される。

補助アーム部２５は、移動中のエンドエフェクタ２４ａが常に一定の方向を向くように、第１アーム部２２および第２アーム部２３の回転動作と連動して可動ベース部２４の回転を規制するリンク機構である。

具体的には、補助アーム部２５は、第１リンク部２５ａと、中間リンク部２５ｂと、第２リンク部２５ｃとを備える。

第１リンク部２５ａは、基端部がアームベース２１に対して回転可能に連結され、先端部において中間リンク部２５ｂの先端部と回転可能に連結される。また、中間リンク部２５ｂは、基端部が第１アーム部２２と第２アーム部２３との連結軸と同軸上に軸支され、先端部が第１リンク部２５ａの先端部と回転可能に連結される。

第２リンク部２５ｃは、基端部において中間リンク部２５ｂと回転可能に連結され、先端部において可動ベース部２４の基端部と回転可能に連結される。また、可動ベース部２４は、先端部において第２アーム部２３の先端部と回転可能に連結され、基端部において第２リンク部２５ｃと回転可能に連結される。

第１リンク部２５ａは、アームベース２１、第１アーム部２２および中間リンク部２５ｂと共に第１平行リンク機構を形成する。すなわち、第１アーム部２２が基端部を中心として回転すると、第１リンク部２５ａおよび中間リンク部２５ｂが、それぞれ第１アーム部２２およびアームベース２１と平行な状態を保ちながら回転する。

また、第２リンク部２５ｃは、第２アーム部２３、可動ベース部２４および中間リンク部２５ｂと共に第２平行リンク機構を形成する。すなわち、第２アーム部２３が基端部を中心として回転すると、第２リンク部２５ｃおよび可動ベース部２４が、それぞれ第２アーム部２３および中間リンク部２５ｂと平行な状態を保ちながら回転する。

中間リンク部２５ｂは、第１平行リンク機構によってアームベース２１と平行な状態を保ちながら回転する。このため、第２平行リンク機構の可動ベース部２４もアームベース２１と平行な状態を保ちながら回転する。この結果、可動ベース部２４の上部に取り付けられるエンドエフェクタ２４ａは、アームベース２１と平行な状態を保ちながら直線的に移動することとなる。

このように、ロボット１は、補助アーム部２５によってアーム全体の剛性を高めることができるため、エンドエフェクタ２４ａの動作時の振動を低減することができる。したがって、エンドエフェクタ２４ａの動作時の振動に起因する発塵も抑えることができる。

また、本実施形態に係るロボット１は、第１アーム部２２、第２アーム部２３、可動ベース部２４および補助アーム部２５で構成される伸縮アーム部を２組備える。このため、ロボット１は、たとえば、一方の伸縮アーム部を用いてある搬送位置から基板を取り出しつつ、他方の伸縮アーム部を用いてかかる搬送位置へ新たな基板を搬入する等、２つの作業を同時平行で行うことができる。

次に、ロボット１を真空チャンバへ設置した状態について図２を用いて説明する。図２は、ロボット１を真空チャンバへ設置した状態を示す模式側面図である。

図２に示すように、ロボット１は、胴体部１０に形成されるフランジ部１２が、真空チャンバ３０の底部に形成される開口部３１の縁部に対してシール部材を介して固定される。これにより、真空チャンバ３０は密閉された状態となり、真空ポンプ等の減圧装置によって内部が減圧状態に保たれる。なお、胴体部１０の筐体１１は、真空チャンバ３０の下部から突出しており、真空チャンバ３０を支持する支持部３５内の空間に位置する。

ロボット１は、真空チャンバ３０内において基板の搬送作業を行う。たとえば、ロボット１は、第１アーム部２２および第２アーム部２３を用いてエンドエフェクタ２４ａを直線的に移動させることで、図示しないゲートバルブを介して真空チャンバ３０と接続される他の真空チャンバから基板を取り出す。

つづいて、ロボット１は、エンドエフェクタ２４ａを引き戻したのち、旋回軸Ｏを中心にアームベース２１を水平方向に回転させることで、基板の搬送先となる他の真空チャンバに対してアームユニット２０を正対させる。そして、ロボット１は、第１アーム部２２および第２アーム部２３を用いてエンドエフェクタ２４ａを直線的に移動させることで、基板の搬送先となる他の真空チャンバへ基板を搬入する。

真空チャンバ３０は、ロボット１の形状に合わせて形成される。たとえば、図２に示すように、真空チャンバ３０には、底面に凹部が形成されており、かかる凹部に対して、アームベース２１や昇降フランジ部１５といった下方へ突出するロボット１の部位が納められる。このように、真空チャンバ３０をロボット１の形状に合わせて形成することで、チャンバ内の容積を小さくすることができる。したがって、真空チャンバ３０の減圧状態を容易に維持することが可能となる。

次に、センサの信号線や電源線（以下、単に「ケーブル」と記載する）の配線についての詳細を図３Ａおよび図３Ｂを用いて説明する。図３Ａおよび図３Ｂは、ケーブル６０の状態を示す模式側面図である。

まず、図３Ａに示すように、エンドエフェクタ２４ａに設けられるセンサ（図示せず）には、ケーブル６０が接続されている。かかるケーブル６０は、可動ベース部２４と第２アーム部２３の先端部とが連結されている連結部を通り、第２アーム部２３内に配線される。

さらに、ケーブル６０は、第１アーム部２２と第２アーム部２３との連結部に設けられる気密端子５０に各線ごとに接続される。

気密端子５０とは、減圧状態に保たれる第２アーム部２３と、大気圧に保たれる第１アーム部２２との間の隔壁５６に設けられ、双方を隔絶し、ケーブル６０を各雰囲気間で電気的に接続するためのコネクタである。これにより、第２減速機５２の中空の駆動軸が回転しても、第２アーム部２３および第２減速機５２内部の気密性を互いに維持することができる。なお、気密端子５０の詳細については図４を用いて後述する。

気密端子５０に接続されるケーブル６０は、第２減速機５２の中空の駆動軸における中空領域を通り、第１アーム部２２内に配線される。そして、ケーブル６０は、第１アーム部２２の基端部の回転軸中心を通ってアームベース２１まで配線される（図示せず）。

なお、ここで、第２減速機５２の中空の駆動軸における中空領域の詳細について図３Ｂを用いて説明しておく。

図３Ｂに示すように、第２減速機５２の出力軸５２ｂには、筒状の保護パイプ５７の上端部が固定されている。保護パイプ５７は、第２減速機５２の出力軸５２ｂを介して第２アーム部２３に第１アーム部２２に対して回転可能に連結される。

また、保護パイプ５７は、中ほどの内側に具備されるオイルシール５８を介して回転可能に支持される。なお、第２減速機５２の入力軸５２ａと出力軸５２ｂとは減速ギア等（図示せず）を介して回転可能に連結される。

さらに、保護パイプ５７は、第２減速機５２の入力軸５２ａに回転可能に連結されるプーリ５５の中空の駆動軸および入力軸５２ａにおけるそれぞれの中空領域の内壁に接していない。

このように、保護パイプ５７は、第２減速機５２の入力軸５２ａに非接触で貫通するように延伸する。そして、気密端子５０に接続されるケーブル６０は、第２減速機５２の出力軸５２ｂおよび保護パイプ５７の中空領域を通り、第１アーム部２２内に配線される。

このように、本実施形態に係るロボット１では、第２アーム部２３とともに回転する第２減速機５２の出力軸５２ｂおよび保護パイプ５７の各中空領域にケーブル６０を通すこととした。

これにより、本実施形態に係るロボット１では、高速で回転する第２減速機５２の入力軸５２ａやプーリ５５とケーブル６０とが摩擦するのを防止するとともにケーブル６０が絡まることなく安全に配線される。

図３Ａの説明に戻り、第１アーム部２２内には、モータ５３が設けられ、第１アーム部２２の基端部には第１減速機５１が、第１アーム部２２の先端部には第２減速機５２が設けられる。第１減速機５１とモータ５３との間および第２減速機５２とモータ５３との間には、伝達ベルト５４ａ，５４ｂを備える。

モータ５３の駆動力を第１減速機５１の入力軸へ伝達する伝達ベルト５４ａと第２減速機５２の入力軸へ伝達する伝達ベルト５４ｂの双方をモータ５３の出力軸に対して掛け渡し、１つのモータ５３の駆動力を２つの減速機へ伝達させる。

このように、第１減速機５１、第２減速機５２、モータ５３、伝達ベルト５４ａ，５４ｂといった駆動機構は、大気圧に保たれる第１アーム部２２内に収納される。また、ロボット１は真空チャンバ３０内で使用される。

このため、第１アーム部２２は、真空チャンバ３０内の減圧状態を維持するために気密性を必要とする。したがって、第１アーム部２２は、第２アーム部２３や補助アーム部２５よりも太く形成されることとなる。

第１アーム部２２は、第２アーム部２３や補助アーム部２５よりも太く形成し、高気密となるような構成としたので、ロボット１を真空チャンバ３０内で使用する場合であっても、グリス等の潤滑油の乾燥を防止することもできる。また、ロボット１は、第１アーム部２２内の駆動機構による発塵によって第２アーム部２３内および真空チャンバ３０内が汚染されることを防止することができる。

このように、ロボット１は、補助アーム部２５ではなく第１アーム部２２や第２アーム部２３にケーブル６０を配線することによって、減圧環境に暴露される補助アーム部２５のような細い空間へケーブル６０を配線する必要がない。また、ロボット１は、補助アーム部２５やケーブル６０からのガス放出を抑制することができる。

また、第２アーム部２３の基端部上面には蓋部２３ａが設けられており、蓋部２３ａを外すことによってユーザによる気密端子５０やケーブル６０のメンテナンス作業を行うことができる。

次に、気密端子５０の詳細について図４を用いて説明する。図４は、気密端子５０を説明するための模式側面図である。

図４に示すように、気密端子５０は、減圧状態に保たれる空間（以下、「真空側」と記載する）と大気圧に保たれる空間（以下、「大気側」と記載する）との雰囲気間に設けられ、隔壁５６の穴部に高気密に配設される。なお、ここでは、気密端子５０上部を真空側１０１、下部を大気側１０２として説明する。

たとえば、図４に示したように、気密端子５０をボルトによって隔壁５６へシール剤を介して固定させる。また、気密性を高めるために、隔壁５６と気密端子５０との間にＯリングを装填させてもよい（図示せず）。

気密端子５０は、真空側１０１および大気側１０２に一対のピン５０ａ、５０ｂが設けられ、各ピン５０ａ、５０ｂは、センサの信号線や電源線等に対応し、各雰囲気間で電気的に接続される。なお、ここでは、３ピンタイプについて示したが、ピンの本数は、配線するケーブル６０に含まれる各線の数によって異なる。

ケーブル６０先端に設けられるケーブル側端子６０ａは、凹部が形成されており、ケーブル側端子６０ａを気密端子５０のピン５０ｂ方向（図４の矢印方向）へ装填させることによってかかる凹部に対して、各ピン５０ｂが収められる。

このように、減圧環境に暴露される第２アーム部２３と、大気圧に保たれる第１アーム部２２との間の隔壁５６へ気密端子５０を設けることにより、第２アーム部２３および第２減速機５２内部の気密性を互いに維持することができる。

なお、ここでは、第２アーム部２３と第２減速機５２との連結部内の領域に気密端子５０を設けることとした。しかし、これに限定されるものではなく、第２アーム部２３および第２減速機５２内部の気密性を互いに維持するような設置箇所であればよい。たとえば、図５に示すように、ロボット１は、第２減速機５２の中空の駆動軸における中空領域に気密端子５０を設けてもよい。

上述したように、本実施形態では、ロボットは、第１アーム部と第２アーム部との連結部に設けられる隔壁に気密端子を設け、第２減速機の中空の駆動軸における中空領域にケーブルを通すこととした。これにより、本実施形態に係るロボットでは、高速で回転する第２減速機の入力側とケーブルとが摩擦するのを防止するとともに、ケーブルが絡まることなく安全に配線される。

また、本実施形態では、基板の有無を検知するセンサをエンドエフェクタに設けることとした。このようにすることによって、本実施形態に係るロボットは、装置コストを削減することができるとともに、基板を載置した瞬間に基板の有無を判定することができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ ロボット
１０ 胴体部
１１ 筐体
１２ フランジ部
１５ 昇降フランジ部
２０ アームユニット
２１ アームベース
２２ 第１アーム部
２３ 第２アーム部
２３ａ 蓋部
２４ 可動ベース部
２４ａ エンドエフェクタ
２５ 補助アーム部
２５ａ 第１リンク部
２５ｂ 中間リンク部
２５ｃ 第２リンク部
３０ 真空チャンバ
３５ 支持部
５０ 気密端子
５１ 第１減速機
５２ 第２減速機
５２ａ 入力軸
５２ｂ 出力軸
５３ モータ
５４ａ、５４ｂ 伝達ベルト
５５ プーリ
５６ 隔壁
５７ 保護パイプ
５８ オイルシール
６０ ケーブル
６０ａ ケーブル側端子
１０１ 真空側
１０２ 大気側

Claims (7)

1. 減圧状態に保たれる真空チャンバに設置されてワークを搬送するロボットのアームベース上に基端部が回転可能に連結され、内部に所定の駆動系を含み、前記内部が大気圧状態に保たれる第１アーム部と、
   前記第１アーム部の先端部上に基端部が回転可能に連結され、内部に駆動系を含まない第２アーム部と、
   前記第２アーム部の先端部上に可動ベース部を介して回転可能に連結され、ワークを保持するエンドエフェクタと、
   前記第１アーム部と前記第２アーム部との連結部近傍に設けられ、前記第１アーム部内の前記大気圧状態を前記減圧状態から隔絶する隔壁と、
   前記隔壁に設けられ、前記大気側および前記減圧状態側を気密状態で電気的に導通可能とする気密端子と、を備えるロボットのアーム構造において、
   前記第１アーム部は、
   前記第２アーム部を駆動する中空の駆動軸を具備する減速機を備え、
   前記隔壁は、
   前記中空の駆動軸における中空領域と連通する前記第２アーム部側の閉空間に設けられ、
   前記第１アーム部に内包されるケーブルが前記中空領域経由で前記気密端子へ接続されることを特徴とするロボットのアーム構造。
2. 前記エンドエフェクタは、
   所定のセンサを備え、
   前記センサのケーブルが前記第２アーム部を経由して前記気密端子へ接続されることを特徴とする請求項１に記載のロボットのアーム構造。
3. 前記中空の駆動軸と同軸上に軸支される中間リンク部と、
   前記第１アーム部と前記中間リンク部と前記アームベースとの間で第１平行リンク機構を形成する第１リンク部と、
   前記第２アーム部と前記中間リンク部と前記可動ベース部との間で第２平行リンク機構を形成する第２リンク部と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のロボットのアーム構造。
4. 前記第１アーム部および前記第２アーム部は、前記第１リンク部および前記第２リンク部よりも太く形成されることを特徴とする請求項１、２または３に記載のロボットのアーム構造。
5. 前記駆動軸の内壁に固定され、前記減速機内に前記駆動軸と同軸上に配置される中空の入力軸の中空領域を、当該入力軸と非接触で貫通するように延伸する保護パイプ
   をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のロボットのアーム構造。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載のアーム構造を備えることを特徴とするロボット。
7. 前記アームベースは、
   鉛直方向と平行な旋回軸を中心として回転する旋回部を備えることを特徴とする請求項６に記載のロボット。

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