JP2009012088A - 衝突トルク緩衝機構を備えた基板搬送ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】ハンドが衝突した際に発生する力を逃がす機構（衝突トルク緩衝機構）を提供することで、アーム側への力の伝達を緩衝させる。
【解決手段】ハンド２８とアーム２７の先端との間にあって、ハンド２８に固定されるハンド側フランジ部５２と、アーム２７の先端に固定されるとともに、一定の摩擦力によってハンド側フランジ部５２と相対的に回転しないよう前記ハンド側フランジ部５２を保持するアーム側フランジ５１と、を備え、ハンド２８の衝突時の衝突回転トルクが前記摩擦力を超えたとき、ハンド側フランジ部５１とアーム側フランジ部５２とが滑り出すようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、ロボットアームが周囲の機器と衝突したときに、その際の衝撃を緩衝させる衝突トルク緩衝機構を備えた基板搬送ロボットに関する。

半導体製造や液晶パネル製造において、ウェハや液晶ガラス基板といった基板を所望の位置に搬送するために、従来から基板搬送ロボットが使用されている。この基板搬送ロボットは、基板を搭載するハンド部と、ハンド部を動かすアーム部と、アーム部を旋回させる旋回部などから構成され、各部を連結する関節部の相対回転によって、昇降（上下）動作、回転動作、伸縮動作が可能である。基板搬送ロボットの各部の動作には、通常、回転型のサーボモータが使用されている。
そして、サーボモータの出力軸に減速機が取り付けられ、モータから高いトルクを得ながら各部の動作を実現している。基板搬送ロボットは、ロボットコントローラに接続される教示装置を介して基板の搬送位置が教示され、以後、その教示された搬送位置間を繰り返し動作して基板を搬送する。例えば、基板が挿入されているカセットから基板を取り出して、再び別のカセットに移載したり、或いは基板を製造装置側や目的の場所へと搬送する。
一方、半導体製造や液晶パネル製造の製造装置においては、スループット向上、装置の省フットプリント化が要求されているため、基板搬送ロボットは必要最小限の動作範囲において、基板の高速搬送を行うことが求められている。
このような状況におかれた基板搬送ロボットは、作業者が教示する際に、教示する搬送位置を間違ったり、操作ミスなどすることがあり、特にロボットのハンドが周囲の機器（カセットなど）に衝突してしまうことが多くあった。
また、教示する時以外の、いわゆる通常動作時でも、周囲の機器の動作とタイミングが合わずに衝突が発生したり、ロボット自体の誤動作で同様な衝突が発生することがあった。衝突が発生すると、その衝突力がハンドを介してロボットのアームに直接伝わってしまい、モータの減速機を破損させてしまうので、その交換の場合モータや減速機はアームのカバーに覆われているため交換するのに煩雑な作業が行われることとなった。
このように、ハンドとハンドを回転可能に支持するアームのフランジとが直接接続されていて、これらの間で相対回転が出来なかったために、ハンドの衝突時に発生したトルクを緩衝できなかった。
そこで、障害物との衝突に際しての衝撃を十分に緩和でき、ロボットアームと障害物の双方の機械的損傷を最小限に抑制し得る衝突防止機能を備えたロボットがこれまで開発されてきた（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２７８０８１号公報

特許文献１記載のロボットはそのロボットアームの外側に触感スリーブを弾性結合し、この触感スリーブのロボットアームに対する複数箇所の支持部に応力の発生を検出して応力信号を出力する複数の応力センサをそれぞれ取り付け、各応力センサにアーム位置制御装置を接続して成るものである。そして、応力センサからの応力信号に基づいて衝突の有無と衝突の方向とを検出し、アーム位置制御装置がこの衝突検出信号に基づいて触感スリーブに生じた応力の方向とは逆方向にロボットアームを位置制御するというものである。

しかしながら、特許文献１記載のロボットが備えている衝突防止機能のものは、衝突防止の検知のためにロボットアームの外側にわざわざ中空円筒状の触感スリーブを特設するものであり、これによってロボットアームの周りが逆に嵩張ってしまい、本来のロボットアームだけであれば衝突しなかったものが、この触感スリーブがあるために衝突と検知してしまう無駄な衝突を誘発してしまうという欠点があった。
そこで本発明は、ロボットアームの周りが何ら嵩張らないでしかもハンドが衝突した際に発生する衝撃力を逃がす機構（衝突トルク緩衝機構）を有し、かつ衝突があったことを検知することのできる衝突防止装置を提供することで、アーム側への力の伝達を緩衝させ、ロボットの減速機を保護し、周辺装置やハンドの損傷を軽減させることを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の基板搬送ロボットの発明は、基板を搭載するハンドと、前記ハンドを先端で回転可能に支持する水平多関節アームと、を備える基板搬送ロボットにおいて、前記ハンドと前記アームの先端との間にあって、前記ハンドに固定されるハンド側フランジ部と、前記アームの先端に固定されるとともに、正常動作時は一定の摩擦力によって前記ハンド側フランジ部と相対的に回転しないよう前記ハンド側フランジ部を保持するアーム側フランジとから成り、前記ハンドの衝突時の衝突回転トルクが前記摩擦力を超えたとき、前記ハンド側フランジ部と前記アーム側フランジ部とが滑り出す衝突トルク緩衝機構を備えたことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の基板搬送ロボットにおいて、前記衝突トルク緩衝機構が前記ハンド側フランジ部と前記アーム側フランジ部との接触面に潤滑剤が充填されているものであることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の基板搬送ロボットにおいて、前記衝突トルク緩衝機構が前記ハンド側フランジ部と前記アーム側フランジ部との材質が異なるもので形成されたことを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の基板搬送ロボットにおいて、前記ハンド側フランジ部の外周に設けられたセンサと、前記アーム側フランジ部の外周に設けられ、前記センサに対向するよう設けられた検知板と、を備え、前記第ハンド側フランジ部と前記アーム側フランジ部とが滑り出したとき、前記センサが前記検知板を検知して、前記ハンド側フランジ部と前記アーム側フランジ部との相対的な回転の発生を検知し、その検知信号をロボットコントローラへ送出することを特徴としている。

請求項１記載の発明によると、基板搬送ロボットのように狭い空間で高速で基板を搬送する装置において、ハンドが他の機器と衝突しても、一定以上の衝撃の場合のみハンドがアームに対してすべるよう構成されるから、衝突時のトルクを緩衝でき、アームを駆動するサーボモータの減速機を破損させることがない。また、ハンド自体の損傷も軽減できる。
また、請求項２記載の発明によると、ハンド側とアーム側のフランジが滑り出す一定のトルクを安定したものにすることができる。
また、請求項３記載の発明によると、ハンドがアームに対して滑っても、ハンド側フランジ部とアーム側フランジ部との材質が異なるので、いわゆるかじりつき（焼きつき）が防止できる。
また、請求項４記載の発明によると、ハンドがアームに対して滑り出したことをコントローラで検知できるので、ロボットをコントローラ側で停止させることができ、それ以上のハンドの損傷を回避できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の衝突トルク緩衝機構１０を備えた基板搬送ロボット２０の側面図を示している。基板搬送ロボット２０は、ロボットコントローラ２９に接続されてその動作が制御される。また、ロボット２０はフロアなどに基台２１を介して固定されている。基台２１には、第１垂直アーム２２の一端がＣ１軸を中心として回転可能に支持されている。Ｃ１軸には図示しないサーボモータと減速機とが収容されていて、第１垂直アーム２２を回転させる。第１垂直アーム２２の他端には、Ｃ２軸を中心として第２垂直アーム２３の一端が回転可能に支持されている。Ｃ２軸にも図示しないサーボモータと減速機とが収容されていて、第２垂直アーム２３を回転させる。第２垂直アーム２３の他端には、旋回胴基台３４がＣ３軸を中心として回転可能に支持されている。旋回胴基台３４には旋回胴２５がθ軸を中心に旋回可能に支持されている。旋回胴２５は図示しないモータによってθ軸にて旋回動作する。
一方、第２垂直アーム２３と第１垂直アーム２２とに沿うようにリンクバーが備えられ、リンク機構２４が構成されている。リンク機構２４の先端は旋回胴基台３４に接続されている。これにより、第１垂直アーム２２と第２垂直アーム２３の姿勢に関わらず、旋回胴２５は常に一定の姿勢を保つことができ、第１垂直アーム２２と第２垂直アーム２３の回転動作によって旋回胴２５はＺ方向に昇降（上下）動作が可能である。

図２は図１におけるＡから見た部分図である。
図２において、Ｌ側とＲ側、すなわち図で左右に計２組の水平多関節アームが旋回胴２５の上面に備えられている。代表してＬ側（左側）の水平多関節アームの構成を説明するが、基本構成はＲ側も同等なので、Ｒ側の構成説明は省略する。
なお、図中番号のＬ、Ｒの添え字がそれぞれ左側、右側を表しているので、以後、特に添え字を付さずに記載する場合は、左右を区別していないものとする。
旋回胴２５には、３１Ｌ軸を中心として第１水平アーム２６Ｌの一端が水平方向において回転可能に支持されている。また、図１のように、第１水平アーム２６Ｌの他端には、３３Ｌ軸を中心として第２水平アーム２７Ｌの一端が水平方向において回転可能に支持されている。第１水平アーム２６Ｌ及び第２水平アーム２７Ｌの内部には、図示しないベルトが張架されていて、図示しないサーボモータ及び減速機の回転により、３１Ｌ軸及び３３Ｌ軸を中心としてそれぞれのアームが同時に回転する。第２水平アーム２７Ｌの他端には、アーム先端フランジ１１が３２Ｌ軸を中心として回転可能に支持されている。
さらに、アーム先端フランジ１１には、本発明の衝突トルク緩衝機構１０の一端が固定されていて、その他端にハンド２８Ｌが固定されている。ハンド２８Ｌには基板６１ａが搭載される。第１水平アーム２６及び第２水平アーム２７が回転したとき、アーム先端フランジ１１は各アームに対して相対的に回転し、その回転角度を維持するよう構成されているので、衝突トルク緩衝機構１０及びハンド２８は、その姿勢を維持したまま、図１においてＸ方向（左右方向）に伸縮動作する。

基板搬送ロボット２０は、以上で説明した構成及びその動作によって、コントローラ２９に予め記憶された教示位置（搬送位置）を再現することで、基板６１をハンド２８に搭載しながら所望の位置へと搬送する。
しかしながら、上述したように、基板搬送ロボット２０に対して教示作業を行う際など、ハンド２８を周囲の機器と衝突させてしまうと、第１水平アーム２６及び第２水平アーム２７を駆動するサーボモータの減速機、或いは旋回胴２５を駆動するサーボモータの減速機にとって、出力側から無理に回転させられてしまうため、このとき減速機が破損してしまう。
そこで、本発明では、アーム先端フランジ１１とハンド２８との間に、衝突トルク緩衝機構１０を設けている。以下、この衝突トルク緩衝機構１０について詳細に説明する。

図３は本発明の衝突トルク緩衝機構を説明する図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図で、衝突トルク緩衝機構に係る部分のみ断面図で示し、（ｃ）は検知版をセンサ側から見た図である。
図において、１０は本発明に係る衝突トルク緩衝機構で、この衝突トルク緩衝機構１０は、概ね、アーム側フランジ部５１とハンド側フランジ部５２と滑り検知機構４０とから構成される。

アーム側フランジ部５１は、アーム先端側フランジ１１に対してネジ１１ａによって一端が固定されるアーム側Ａフランジ１２と、そのアーム側Ａフランジ１２の他端に対してネジ１４で固定されるアーム側Ｂフランジ１３と、から構成されている。いずれのフランジもリング状のフランジである。
ハンド側フランジ部５２は、ハンド２８に対してネジ１９によって一端が固定されるハンド側Ｂフランジ１６と、そのハンド側Ｂフランジ１６の他端に対してネジ１８で固定されるハンド側Ａフランジ１５と、から構成されている。いずれのフランジもリング状のフランジである。
アーム側Ａフランジ１２は、アーム側Ｂフランジ１３との間にハンド側Ａフランジ１５の鍔部を狭持している。具体的には、アーム側Ａフランジ１２の内周側に突出した鍔の上面と、アーム側Ｂフランジ１３の内周側の下面とで、ハンド側Ａフランジ１５の外周側に突出した鍔部を狭持している。
また、アーム側Ａフランジ１２とアーム側Ｂフランジ１３との接触面であって、ネジ１４の内側にあたる部分にＯリング１７ａが狭持されている。また、アーム側Ｂフランジ１３の内周面と、ハンド側Ａフランジ１５の鍔部上側の外周面との間にも同様にＯリングが狭持されている。また、アーム側Ａフランジ１２の内周側に突出した鍔の上面と、ハンド側Ａフランジ１５の下面との間にも同様にＯリングが狭持されている。そして、これらＯリング１７ａ〜１７ｃで囲まれた微小な隙間の空間に、潤滑剤（グリース）が充填されている。
以上の構成によって、アーム側フランジ部５１とハンド側フランジ部５２は、アーム側Ａフランジ１２とアーム側Ｂフランジ１３とがハンド側Ａフランジ１５の鍔部を狭持しているので、この狭持部分の摩擦力によって相対的に回転しない状態を保持している。しかし、アーム側フランジ部５１とハンド側フランジ部５２とが一定のトルク以上で相対的に回転する力を受けたとき、潤滑剤の作用によって回転する（滑る）ようになっている。
この滑り出すトルクは、水平アームを駆動するサーボモータの減速機が耐えうるトルク未満であり、かつ水平アームが動作したり、旋回胴が動作する際に、慣性力によって受ける回転トルクですべらないよう、それ以上に予め調節する。
この一定のトルクの再現性を保つためには、摩擦力を保持する各フランジ面の面精度を一定値まで向上させ、潤滑剤の量を調整する。また、滑ったときの、いわゆるかじりを防止するため、アーム側Ａフランジ１２とアーム側Ｂフランジ１３のフランジの材質と、ハンド側Ａフランジ１５のフランジの材質を異なるもので構成する。ここでは、アーム側Ａフランジ１２とアーム側Ｂフランジ１３のフランジの材質をステンレス系のもので、ハンド側Ａフランジ１５を真鍮で、それぞれ製作している。

滑り検知機構４０は、ハンド側Ｂフランジ１６の外周部に一端が固定されたセンサ支持部材４１と、センサ支持部材４１の他端に固定されたセンサ４２と、アーム側Ａフランジ１２の外周側に一端が固定された検知板支持部材４４と、検知板支持部材４４の他端に固定された検知板４３とから構成される。
センサ４２は反射式光ファイバーセンサである。このセンサ４２の光軸が検知板４３にあたるよう、センサ４２の出力側先端と検知版４３とが対向している。検知版４３をセンサ４２側から見た図が図３（ｃ）である。検知板４３には、長穴形状の貫通穴４３ｂが形成されているが、その中央に微小な幅のブリッジ４３ａが残されるよう形成されている。そして、センサ４２の光線が、このブリッジ４３ａにあたって反射し、センサ４２が常時ＯＮの状態になるように調整されている。一方センサ４２の光線がこのブリッジ４３ａを外れると、貫通穴４３ｂによって反射光がセンサ側に戻らず、センサはＯＦＦとなる。センサ４２のケーブルは図示しないアンプへと接続され、その信号はロボットコントローラ２９へと入力される。センサ４２がＯＦＦとなったとき、基板搬送ロボット２０は減速停止を行うように設定されている。
なお、滑り検知機構４０は、図３（ｂ）のようにセンサ４２の光軸が水平方向を向くように構成することで、ハンド２８とアーム先端フランジ１１との間に設けられても、衝突トルク緩衝機構１０が薄く構成できるようになっている。

以上で構成された衝突トルク緩衝機構１０は、基板搬送ロボット２０の教示時などにハンド２８が周囲の機器に衝突した場合、この衝突時に衝突トルク緩衝機構１０にかかる衝突トルクが、アーム側フランジ部５１とハンド側フランジ部５２の摩擦による保持力以上のものとなれば、アーム側フランジ部５１とハンド側フランジ部５２とは互いに滑り出すので、この場合、ハンド２８側のハンド側フランジ部５２が、ハンド２８とともにアーム側フランジ部５１に対して滑り出す。このとき、滑り検知機構４０は、センサ４２の光軸が検知版４３のブリッジ４３ａからずれるので、センサの反射光が戻らず、センサはＯＦＦとなる。そしてセンサＯＦＦをロボットコントローラ２９が検知すると、基板搬送ロボット２０を減速停止させる。

以上のように、従来はハンド２８とアーム先端フランジ１１とが直接接続されていて、これらの間で相対回転が出来なかったためにハンドの衝突時に発生したトルクを緩衝できなかったり、また、衝突防止装置があってもその装置自体がアーム自体を嵩張らせてしまい衝突を引き起こしていたが、本発明ではアームの周囲を囲うタイプではなくてハンド２８とアーム先端フランジ１１との間に衝突トルク緩衝機構１０を設けたので、ハンド側とアーム側とが一定のトルク以上で回転させられたときに相対回転が可能となり、したがってハンドの衝突時に、水平アームを駆動するモータ及びその減速機にその衝突トルクが伝達しにくくなるため、これらが十分保護できる。また、ハンド２８の破損も最小限となるので、衝突後は、アーム側フランジ部５１とハンド側フランジ部５２との相対位置関係をもとの状態に戻すだけで復旧できる。しかも衝突の検出も確実に行うことが可能となる。

本発明の衝突トルク緩衝機構を備えた基板搬送ロボットの側面図である。 図１におけるＡから見た部分図である。 本発明の衝突トルク緩衝機構を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ）は検知版をセンサ側から見た図である。

符号の説明

１０ 衝突トルク緩衝機構
１１ アーム先端フランジ
１２ アーム側Ａフランジ
１３ アーム側Ｂフランジ
１４ ネジ
１５ ハンド側Ａフランジ
１６ ハンド側Ｂフランジ
１７ Ｏリング
１８ ネジ
１９ ネジ
２０ 基板搬送ロボット
２１ 基台
２２ 第１垂直アーム
２３ 第２垂直アーム
２４ リンク機構
２５ 旋回胴
２６ 第１水平アーム
２７ 第２水平アーム
２８ ハンド
２９ ロボットコントローラ
３１ 第１水平アーム回転軸
３２ ハンド回転軸
３３ 第２水平アーム回転軸
３４ 旋回胴基台
４０ 滑り検知機構
４１ センサ支持部材
４２ センサ
４３ 検知板
４３ａ 貫通穴の間のブリッジ
４３ｂ 長穴形状貫通穴（２個）
４４ 検知板支持部材
５１ アーム側フランジ部
５２ ハンド側フランジ部
６１ 基板

Claims (4)

1. 基板を搭載するハンドと、前記ハンドを先端で回転可能に支持する水平多関節アームと、を備える基板搬送ロボットにおいて、
   前記ハンドと前記アームの先端との間にあって、前記ハンドに固定されるハンド側フランジ部と、前記アームの先端に固定されるとともに、正常動作時は一定の摩擦力によって前記ハンド側フランジ部と相対的に回転しないよう前記ハンド側フランジ部を保持するアーム側フランジとから成り、前記ハンドの衝突時の衝突回転トルクが前記摩擦力を超えたとき、前記ハンド側フランジ部と前記アーム側フランジ部とが滑り出す衝突トルク緩衝機構を備えたことを特徴とする基板搬送ロボット。
2. 前記衝突トルク緩衝機構が前記ハンド側フランジ部と前記アーム側フランジ部との接触面に潤滑剤が充填されているものであることを特徴とする請求項１記載の基板搬送ロボット。
3. 前記衝突トルク緩衝機構が前記ハンド側フランジ部と前記アーム側フランジ部との材質が異なるもので形成されたことを特徴とする請求項１記載の基板搬送ロボット。
4. 前記ハンド側フランジ部の外周に設けられたセンサと、前記アーム側フランジ部の外周に設けられ、前記センサに対向するよう設けられた検知板と、を備え、前記第ハンド側フランジ部と前記アーム側フランジ部とが滑り出したとき、前記センサが前記検知板を検知して、前記ハンド側フランジ部と前記アーム側フランジ部との相対的な回転の発生を検知し、その検知信号をロボットコントローラへ送出することを特徴とする請求項１記載の基板搬送ロボット。

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