JP2003291081A

JP2003291081A - アーム駆動装置

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Publication number: JP2003291081A
Application number: JP2002097043A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Yazawa; 隆之矢澤
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-14
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP3881579B2

Abstract

(57)【要約】【課題】第２アーム先端における直進性を確保する。【解決手段】関節部２に設けられた第１のタイミング
プーリ１１と、関節部３に設けられた第２のタイミング
プーリ１２との間に掛け渡されるタイミングベルトを、
２本の短いタイミングベルト１５，１６で構成し、これ
ら２本のタイミングベルト１５，１６を同時に駆動する
駆動源７を第１アーム５の途中に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アーム駆動装置に
関する。さらに詳述すると、本発明は、例えば半導体の
ウェハ、大型液晶搬送ロボット等の大型のワークをカセ
ットや膜付装置等のプロセス装置の間で移動させる多関
節ロボットにおけるアーム駆動装置の構造の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】複数のアームを互いに回転可能に連結す
ると共に回転駆動源の回転力を伝達して伸縮等の動作を
させるようにしたアーム駆動装置が、例えば半導体のウ
ェハ等のワークをカセットや膜付装置等のプロセス装置
の間で移動させる多関節ロボットとして使用されてい
る。

【０００３】例えば図５に示すアーム駆動装置１０３
は、基台１０４上の関節部を中心に回転可能な第１アー
ム１０５と、この第１アーム１０５の先端部に関節部を
介して回転可能に連結された第２アーム１０６と、基台
１０４に固定された第１のタイミングプーリ１０７と、
関節部において第２アーム１０６に固定された第２のタ
イミングプーリ１０８と、これら第１のタイミングプー
リ１０７及び第２のタイミングプーリ１０８に掛け渡さ
れたタイミングベルト１１１とを備え、第１アーム１０
５が回転したときの第２アーム１０６の回転量を規制し
てこの第２アーム１０６の先端部を直線的に移動させる
ものであり、ワーク１０１をハンド１０２上に載置し、
このハンド１０２を常時一定方向に向けながら直線上を
移動させることが可能である。ハンド１０２は、第２ア
ーム１０６のハンド側プーリ１１０に取り付けられてい
る。第１アーム１０５と第２アーム１０６は同じ長さで
あり、第１アーム１０５は２つのタイミングプーリ１０
７，１０８と１本の長いタイミングベルト１１１とを収
容し、第２アーム１０６は２つのタイミングプーリ１０
９，１１０と１本の長いタイミングベルト１１２とを収
容している。

【０００４】また、第１アーム１０５に固着された駆動
軸１１３が第１のタイミングプーリ１０７と同心となる
位置に回転可能に設けられており、基台１０４及び第１
のタイミングプーリ１０７に対して第１アーム１０５を
回転可能に支持している。この駆動軸１１３は、基台１
０４に内蔵されるモータ（図示せず）によって回転され
る。また、第２のタイミングプーリ１０８と第２アーム
１０６とは連結筒１１４により固定されている。さら
に、第１アーム１０５と第３のタイミングプーリ１０９
とは連結軸１１５により固定されている。この連結軸１
１５は、連結筒１１４の内部に回転可能に収容されてい
る。

【０００５】ここで、第１のタイミングプーリ１０７と
第２のタイミングプーリ１０８との径（歯数）の比は
２：１とされ、第３のタイミングプーリ１０９と第４の
タイミングプーリ１１０との径（歯数）の比は１：２と
されている。このため、第１のタイミングプーリ１０
７、第２のタイミングプーリ１０８そして第４のタイミ
ングプーリ１１０の回転角比は１：２：１となる。

【０００６】このアーム駆動装置１０３を使用する際
は、モータを駆動することにより第１アーム１０５を基
台１０４に対して回転させる。このとき、固定的な基台
側プーリ１０７に対し相対的に回転するタイミングベル
ト１１１が、第１アーム１０５に対してハンド側プーリ
１０８を相対回転させる。このハンド側プーリ１０８の
第１アーム１０５に対する回転により、第１アーム１０
５に対して第２アーム１０６が回転すると共に第２アー
ム１０６に対して基台側プーリ１０９が回転する。さら
に、第２アーム１０６に対して基台側プーリ１０９が回
転することにより、第２アーム１０６に対してハンド側
プーリ１１０が回転してハンド１０２が回転する。

【０００７】ここで、第１アーム１０５及び第２アーム
１０６が同じ長さであると共に第１アーム１０５の基台
側プーリ１０７とハンド側プーリ１０８（即ち、第２ア
ーム１０６の基台側プーリ１０９）と第２アーム１０６
のハンド側プーリ１１０との回転角度比は１：２：１で
あるので、第１アーム１０５を回転させることにより、
第１アーム１０５と第２アーム１０６との角度が変化し
て、第１アーム１０５の基台側プーリ１０７の中心と第
２アーム１０６のハンド側プーリ１１０の中心とを結ん
だ直線上をハンド１０２が向きを一定にしながら移動す
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造のアーム駆動装置１０３においては、以下のよ
うな問題がある。

【０００９】すなわち、第１アーム１０５内の関節部に
設けられた基台側プーリ１０７とハンド側プーリ１０８
との間にかけ渡された１本の長いタイミングベルト１１
１で第２アーム１０６を直接駆動し、同様に１本の長い
タイミングベルト１１２でハンド１０２を駆動する構造
であるため、ハンド１０２を直進駆動させる際の精度が
これらタイミングベルト１１１，１１２自体の剛性によ
って左右されてしまう。ところが、高い剛性を確保しよ
うとすればベルト幅を大きくしたり強度を増加させたり
する必要があり、アーム駆動装置１０３全体の大型化を
招く。このため、タイミングベルト１１１，１１２には
剛性上の限界があり、アーム駆動装置１０３の高い精度
を確保するのが難しい。

【００１０】また、タイミングベルト１１１に伸びが生
じれば、その伸び分がそのまま第２アーム１０６の回転
の遅れとなるのに対し、駆動軸１１３によって直接駆動
される第１アーム１０５は遅れなく回転することから、
第１アーム１０５と第２アーム１０６との回転にずれが
生じる。したがって、第２アーム１０６の先端部の直進
性が阻害され、直線移動を維持するのが難しくなる。

【００１１】そこで、本発明は、第２アーム先端におけ
る直進性を確保できるようにしたアーム駆動装置を提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、基台上の関節部を中心に回
転可能な第１アームと、この第１アームの先端側の関節
部に回転可能に連結された第２アームと、基台上の関節
部に設けられた第１のタイミングプーリと、第１アーム
先端側の関節部に設けられた第２のタイミングプーリ
と、これら第１のタイミングプーリ及び第２のタイミン
グプーリに掛け渡されたタイミングベルトとを備え、第
１アームが回転したときの第２アームの回転量を規制し
てこの第２アームの先端部を直線的に移動させるアーム
駆動装置において、タイミングベルトを２本の短いタイ
ミングベルトで構成し、これら２本のタイミングベルト
を同時に駆動する駆動源を第１アームの途中に設けてい
るものである。

【００１３】このアーム駆動装置において、２本に分割
されたタイミングベルトの一方側（第１のタイミングプ
ーリと駆動源との間に掛け渡されるベルト）は、駆動源
の回転を第１のタイミングプーリに伝達することにより
第１アームを回転させる。また、他方側のタイミングベ
ルトは、駆動源の回転を第２のタイミングプーリに伝達
して第２アームを回転させる。この場合、各タイミング
ベルトに伸びが生じればその分だけアームの回転に遅れ
が生じうるが、ここで用いられるタイミングベルトは通
常の１本の長いものに比べて半分程度の長さであること
からベルトの伸びも半分程度となり、伸びによる影響
（回転遅れ）が少ない。このため、タイミングベルトの
精度が相対的に向上することになり、第２アーム先端に
おける直進性が確保しやすくなる。

【００１４】しかも、２本のタイミングベルトのそれぞ
れが伸びることによって遅れが相殺されるから、第１ア
ームと第２アームとの間における回転ずれが更に少なく
なる。このため、第２アーム先端の直進性をより確保し
やすい。

【００１５】この場合における２本の短いタイミングベ
ルトは、請求項２記載の発明のように、伸びにより生じ
る回転遅れが同程度であることが好ましい。こうした場
合、第１アームと第２アームとの間における遅れを相殺
して回転ずれをなくすことが可能となる。

【００１６】また、請求項３記載のように、タイミング
プーリの回転を減速して伝達する減速機が関節部に設け
られていることが好ましい。この場合、タイミングベル
トの回転量が減じて伝達されるとともに、タイミングベ
ルトの伸びに伴う回転遅れも減じて伝達されることにな
るため回転遅れの影響がその分排除される。また、タイ
ミングプーリを各関節部に直接取り付けた場合よりも高
い剛性と精度とを確保しやすい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

【００１８】図１〜図４に、本発明の一実施形態を示
す。本発明にかかるアーム駆動装置１は、基台９上の関
節部２を中心に回転可能な第１アーム５と、この第１ア
ーム５の先端側の関節部３に回転可能に連結された第２
アーム６と、関節部２に設けられた第１のタイミングプ
ーリ１１と、関節部３に設けられた第２のタイミングプ
ーリ１２と、第１アーム５が回転したときの第２アーム
６の回転量を規制してこの第２アーム６の先端部を直線
的に移動させるようにしている。第２アーム６の先端部
の関節部４にはハンド１０が回転可能に連結されてい
る。ワーク８が載置されるハンド１０は、常時一定方向
を向きながら直線上を移動する。また本実施形態の場
合、第１のタイミングプーリ１１と第２のタイミングプ
ーリ１２との間には２本の短いタイミングベルト１５，
１６が掛け渡され、これら２本のタイミングベルト１
５，１６を同時に駆動するモータ７が第１アーム５の途
中であって関節部２と関節部３とのほぼ中間に設けられ
ている。

【００１９】第１アーム５と第２アーム６は、関節部２
から関節部３までの長さと関節部３から関節部４までの
長さが等しくされている。また、それぞれのアーム５，
６の両端部にはタイミングプーリ１１，１２，１３，１
４が設けられている。第１アーム５の基台側プーリ（第
１のタイミングプーリ）１１とハンド側プーリ（第２の
タイミングプーリ）１２とは、タイミングベルト１５，
１６を介してモータ７の回転を伝達する。また、第２ア
ーム６の基台側プーリ（第３のタイミングプーリ）１３
とハンド側プーリ（第４のタイミングプーリ）１４と
が、第２のタイミングプーリ１２から伝達された回転を
更にハンド１０まで伝達する。

【００２０】ここで、これら各タイミングプーリ１１〜
１４は基台９、アーム５，６あるいはハンド１０に回転
不能あるいは回転可能に直接取り付けられていても構わ
ないが、減速機を介して取り付けられていることが好ま
しい。例えば減速比100の減速機を介した場合、タイミ
ングベルトの伝達回転量が1／100になるとともに、伝達
伸び量も1／100となるため、タイミングベルトの伸びに
よる回転遅れなどの影響を排除できる。また、タイミン
グプーリを各関節部に直接取り付けた場合よりも高い剛
性と精度とを確保しやすい。本実施形態の場合、関節部
２，３，４にそれぞれ減速機１７，１８，１９を設け、
これらを介して各タイミングプーリ１１〜１４を取り付
けるようにしている。減速機１７〜１９としては、例え
ば中心軸（入力軸）と回転可能なシャフトケーシング
（出力軸）との間に遊星ギヤを挟み込み入力回転数を一
定の比で減速して逆方向に出力する軸継手のようなもの
が該当するがこれは一例でありこれに限られることはな
い。

【００２１】本実施形態では、第１減速機１７により基
台９と第１アーム５とが回転可能に連結されている。第
１アーム５は、第１減速機１７のケーシング１７ａに取
り付けられている。第１減速機１７の中心軸１７ｂには
第１のタイミングプーリ１１が取り付けられている。第
１減速機１７は入力回転数を１／ｂ₁に減速して出力す
る減速比ｂ₁の減速機である。また、第１アーム５と第
２アーム６とは減速比ｂ₂の第２減速機１８により回転
可能に連結されている。第１アーム５は、第２減速機１
８のケーシング１８ａに取り付けられている。第２減速
機１８の中心軸である連結軸２０には第２のタイミング
プーリ１２と第３のタイミングプーリ１３とが同量回転
するように取り付けられている。さらに、第２アーム６
とハンド１０とが減速比ｂ₃の第３減速機１９により回
転可能に連結されている。第３減速機１９の中心軸１９
ｂには第４のタイミングプーリ１４が取り付けられてい
る。ハンド１０は、第３減速機１９のケーシング１９ａ
に取り付けられている。第３のタイミングプーリ１３と
第４のタイミングプーリ１４との間には従来と同じよう
な１本の長い第２のタイミングベルト２１が掛け渡され
ている。

【００２２】タイミングベルト１５はモータ７の出力軸
７ａと第１のタイミングプーリ１１との間に掛け渡され
ている。また、タイミングベルト１６はモータ７の出力
軸７ａと第２のタイミングプーリ１２との間に掛け渡さ
れている。モータ７を駆動することにより、両タイミン
グベルト１５，１６は同方向に回転する。

【００２３】また第１のタイミングプーリ１１は、その
径（歯数）がモータ７の出力軸７ａの径（歯数）のａ₁
倍であり、回転数を１／ａ₁に減速する減速比ａ₁のプー
リである。同様に、第２のタイミングプーリ１２と出力
軸７ａとは減速比ａ₂でタイミングベルト１６により接
続されている。さらに、第３のタイミングプーリ１３と
第４のタイミングプーリ１４とは減速比１／ａ₃でタイ
ミングベルト２１により接続されている。

【００２４】ここで、本実施形態では第２アーム６の先
端部（ここでは関節部４が該当する）が直線移動するよ
うにしているが、このための条件は以下のとおりであ
る。すなわち、第１アーム５と第２アーム６の長さが
同じであることの他、（減速比ａ₁）×（第１減速機１７の減速比ｂ₁）＝
（減速比ａ₂）×（第２減速機１８の減速比ｂ₂）×２第１アーム５と第２アーム６の回転方向が反対である
ことが必要となる。

【００２５】さらに、第２アーム６の先端部においてハ
ンド１０の向きが一定となる条件は以下のとおりであ
る。すなわち、２×（第２減速機１８の減速比ｂ₂−１）＝第３の減
速機１９の減速比ｂ₃×（減速比ａ₃）第２アーム６とハンド１０の回転方向が反対であるこ
とが必要となる。〜の条件全てが満たされた場合、第
１アーム５、第２アーム６、ハンド１０の回転角比が
１：２：１となり、ハンド１０が同じ方向を向きつつ直
線上を移動するようになる。

【００２６】第４のタイミングプーリ１４に回転可能に
設けられるハンド１０は、特にその構造が限られるもの
ではないが、例えば図２に示すように平行な２本の平行
な支持フレーム１０ａを備える等してワーク８を支持可
能なものである。

【００２７】また、本実施形態のアーム駆動装置１は、
基台９がロボット本体２５に昇降及び回転可能に設置さ
れることにより支持されている（図２参照）。この場
合、基台９自体を昇降させあるいは回転させることによ
ってハンド１０を直線運動させる際の高さや方向を変更
することができる。

【００２８】上述したアーム駆動装置１の動作を以下に
説明する。以下に示す回転方向（例えば時計回り）は、
アーム駆動装置１を上方から見た場合における方向であ
る（図３、図４参照）。

【００２９】図３に示すように屈曲した状態から図４に
示すように伸長した状態となるようにアーム駆動装置１
を動作させる場合について説明する。図１においてモー
タ７の出力軸７ａを反時計回りに回転させると、第１の
タイミングプーリ１１が１／ａ₁に減速されて同じく反
時計回りに回転する。この回転は、第１減速機１７によ
って更に１／ｂ₁に減速され、シャフト１７ｃの時計回
りの回転となって現れる。シャフト１７ｃは、この基台
９に固定されている第１アーム５を１／（ａ₁・ｂ₁）に
減速して関節部２を中心に時計回りに回転させる。

【００３０】また、反時計回りに回転するモータ７の出
力軸７ａは、タイミングベルト１６を介して第２のタイ
ミングプーリ１２及びこのプーリ１２と同軸上の第３の
タイミングプーリ１３を１／ａ₂に減速して反時計回り
に回転させる。この回転は、第２減速機１８によって更
に１／ｂ₂に減速され、シャフト１８ｃの反時計回りの
回転となって現れる。第１アーム５の回転角と第２アー
ム６の回転角の比は１：２である。

【００３１】また、１／ａ₂に減速されて反時計回りに
回転する第３のタイミングプーリ１３は、タイミングベ
ルト２１を介して第４のタイミングプーリ１４を更に１
／ａ ₃に減速して回転させる。この回転は、第３減速機
１９によって更に１／ｂ₃に減速され、ケーシング１９
ａの時計回りの回転となって現れる。時計回りに回転す
るケーシング１９ａは、ハンド１０を第２アーム６に対
して時計回り方向へ相対回転させる。

【００３２】上述したように、本実施形態のアーム駆動
装置１においては、第１アーム５及び第２アーム６が同
じ長さであると共に、第１アーム５、第２アーム６、ハ
ンド１０の回転角比が１：２：１であることから、図４
に示すようにハンド１０が同じ方向を向きつつ、関節部
２と関節部４のそれぞれの回転中心を結んだ直線上を移
動する。

【００３３】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発
明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能で
ある。例えば本実施形態ではタイミングベルト１５とタ
イミングベルト１６とに同じベルトを用い、モータ７を
第１アーム５のほぼ中間に設けるようにしたがこれは好
適な一例に過ぎずこれに限られることはない。例えば、
タイミングベルト１５，１６として長さや幅が異なるベ
ルトを用いればこれに伴ってモータ７の設置位置も当然
に変わってくるが、このような場合でも、両タイミング
ベルト１５，１６の伸びにより生じうる回転遅れの一部
あるいは全部を相殺させて回転ずれを少なくする（ある
いはなくす）ことが可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、請求項
１記載のアーム駆動装置によると、駆動源の駆動力が通
常よりも短いタイミングベルトによってタイミングプー
リ等に伝達されるため、伸びによる影響つまり回転遅れ
が少なくなる。したがって、この分だけタイミングベル
トの精度が相対的に向上することになり、第２アーム先
端における直進性を確保しやすくなる。

【００３５】しかも、２本のタイミングベルトのそれぞ
れが伸びることによって遅れが相殺されるから、第１ア
ームと第２アームとの間における回転ずれが更に少な
い。このため、第２アーム先端の直進性をより確保しや
すくなる。

【００３６】また、請求項２記載のアーム駆動装置によ
ると、２本の短いタイミングベルトの伸びにより生じる
回転遅れが同程度となるようにしていることから、第１
アームと第２アームとの間における遅れを相殺して回転
ずれをなくすことが可能となる。

【００３７】また、請求項３記載のアーム駆動装置によ
ると、タイミングプーリの回転を減速して伝達する減速
機を関節部に設け、タイミングベルトの伸びに伴う回転
遅れを減じて伝達するようにしているため回転遅れの影
響をその分排除することができる。しかも、タイミング
プーリを各関節部に直接取り付けた場合よりも高い剛性
と精度とを確保しやすい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るアーム駆動装置の一実施形態を示
す側面図である。

【図２】アーム駆動装置の外観例を示す斜視図である。

【図３】屈曲状態にある第１アーム、第２アームおよび
ハンドを示す平面からの概略図である。

【図４】伸長状態となった第１アーム、第２アームおよ
びハンドを示す平面からの概略図である。

【図５】従来のアーム駆動装置の構造を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１アーム駆動装置２関節部３関節部５第１アーム６第２アーム７モータ（駆動源）８ワーク９基台１１第１のタイミングプーリ１２第２のタイミングプーリ１５タイミングベルト１６タイミングベルト１７減速機１８減速機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基台上の関節部を中心に回転可能な第１
アームと、この第１アームの先端側の関節部に回転可能
に連結された第２アームと、前記基台上の関節部に設け
られた第１のタイミングプーリと、前記第１アーム先端
側の関節部に設けられた第２のタイミングプーリと、こ
れら第１のタイミングプーリ及び第２のタイミングプー
リに掛け渡されたタイミングベルトとを備え、前記第１
アームが回転したときの前記第２アームの回転量を規制
してこの第２アームの先端部を直線的に移動させるアー
ム駆動装置において、前記タイミングベルトを２本の短
いタイミングベルトで構成し、これら２本のタイミング
ベルトを同時に駆動する駆動源を前記第１アームの途中
に設けていることを特徴とするアーム駆動装置。
【請求項２】前記２本の短いタイミングベルトは伸び
により生じる回転遅れが同程度であることを特徴とする
請求項１記載のアーム駆動装置。
【請求項３】前記タイミングプーリの回転を減速して
伝達する減速機が前記関節部に設けられていることを特
徴とする請求項１または２記載のアーム駆動装置。