JP2010052063A - 超音波浮揚装置及びそれを備えた搬送ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンウェハなどの物体を非接触浮上させる超音波浮揚装置とロボットを組み合わせた搬送ロボットが提案されているが、この浮揚装置は、縦方向の体積が大きく、作業内での干渉の問題があった。浮揚装置の縦方向の体積が大きくなる原因は、超音波振動子の縦振動を利用している点にあった。
【解決手段】超音波振動子１０１と、超音波振動子１０１の音波振動を伝達するホーン１０５と、ホーン１０５に接続されて振動し、音波の放射圧によって物体を浮揚させる振動体１０６と、を備えた超音波浮揚装置において、ホーン１０５は、音波振動の波の節の位置において波が伝わる方向と直交する方向に延長された部分が形成され、延長された部分の先端に振動体１０６が接続される超音波浮揚装置とした。
【選択図】図１

Description

本発明は物体（例えばシリコンウェハ）を超音波によって空中に浮揚させ、浮揚した物体をハンドリングする超音波浮揚装置及びそれを備えた搬送ロボットに関する。

従来技術として、音源から発生した音響エネルギを音響共鳴管で増幅させ、音響エネルギを音響放射圧に変換する浮揚エネルギ供給板に供給し、音響放射圧により物体（例えばシリコンウェハや液晶ガラス基板）を浮揚させる装置がある。（例えば、特許文献１参照）。また、ロボットのエンドエフェクタに超音波浮揚装置を備え、音響放射圧によりシリコンウェハを浮揚させ、ロボットを使って浮揚したシリコンウェハをハンドリングする装置もある。（例えば、非特許文献１参照）。

図７は、特許文献１における、音響共鳴管を使った浮揚装置の斜視図である。図７において、音響共鳴管７０１は中空円筒形状である。スピーカ等により構成されており、音響共鳴管７０１に音響エネルギを供給する音源７０２は、音響共鳴管７０１の側面の所定の位置に設けられる。また音響共鳴管７０１の一端には、共鳴強調用底板７０３が設けられる。音響共鳴管７０１の他端には、共鳴強調用底板７０３に対向するように、浮揚エネルギ供給板７０４が設けられる。浮揚エネルギ供給板７０４上には、たとえばシリコンウェハなどの浮揚体７０５が配置可能である。ここで、音源７０２に動電型スピーカを用いた時には、動電型スピーカの膜面の質量ｍと、その膜面を支持する剛性ｋにより決定されるｆ０周波数と呼ばれる共振の基本周波数とを利用した駆動によっても、同様に音響エネルギを有効に音響共鳴管７０１内に発生させる事ができる。ここで、このｆ０周波数とは、以下の式（１）により表す事ができる。

一般的に、ｆ０周波数は、音響共鳴管７０１の最低次の共鳴周波数に比べて低い５０〜１００Ｈｚの帯域に設定されることが多い。そして、このような低い帯域で、式（１）で決定される最低次の共鳴周波数よりも更に低い周波数で音響共鳴管７０１に音響加振を加えると、音響共鳴管７０１内の媒体があたかも一体となった大きな呼吸運動が発生する。従って、大きな振幅を音響エネルギ供給板７０４に与える事ができる。

図８は従来の超音波を利用した浮揚装置の側断面図である。図８において、超音波振動子８０１は、振動発生源となる圧電素子８０２と超音波振動子を把持するための節プレート８０３と振動を外部に伝える金属円柱８０４からなる。超音波振動子８０１内部で発生した振動は縦波として、ホーン８０５と呼ばれる振動振幅拡大器に伝えられ、浮揚体８０７とホーン８０５の間に音響放射圧が発生し、浮揚体８０７を浮揚させる。また、ホーン８０５中に配管８０６を設け、ポンプで浮揚体８０７とホーン８０５の間の空気を引く事により、負圧が発生し、図８に記載した超音波浮揚装置を上下反転させても、浮揚体を非接触で浮揚させる事ができる。

このように、従来の浮揚装置は音響共鳴管を使うか、超音波振動子を使って音響放射圧を発生させ、シリコンウェハ等の部品を浮揚させるのである。
特開平１１−３０１８３２号公報（図１） Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ＆ｓｃｈｉｌｐ社，Ｐｒｏｄｕｃｔ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｈａｎｄｌｉｎｇ，Ｆｉｇ２

従来の浮揚装置は、音響共鳴管と動電型スピーカを使って、音響共鳴管の内部に１００Ｈｚ以下の呼吸運動を発生させ、さらに音響エネルギは浮揚エネルギ供給板を介して浮揚物体を浮上させているが、１００Ｈｚ程度の周波数で呼吸運動した場合、浮揚物体は重力落下により約４９０μｍ程度上下動するという問題があった。
また、従来のように超音波を利用してウェハを浮揚させる場合、超音波振動子の縦振動を利用していたため、浮揚装置の縦方向の体積が大きくなり、作業空間内での干渉の問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、超音波振動を利用することにより、浮揚物体の上下変動を抑制するとともに、超音波振動の横波を利用する事により、浮揚装置の縦方向の体積を小さくし、搬送ロボットのエンドエフェクタに適用してもロボットの作業空間内の干渉を低減することができる超音波浮揚装置を提供す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に記載の発明は、超音波振動子と、前記超音波振動子の音波振動を伝達するホーンと、前記ホーンに接続されて振動し、音波の放射圧によって物体を浮揚させる振動体と、を備えた超音波浮揚装置において、前記ホーンは、前記音波振動の波の節の位置において前記波が伝わる方向と直交する方向に延長された部分が形成され、前記延長された部分の先端に前記振動体が接続されたことを特徴とする超音波浮揚装置とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記ホーンが、Ｌ字形状またはＴ字形状であることを特徴とする請求項１記載の超音波浮揚装置とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記ホーンは、ポアソン比が０．３以上の金属で形成され、前記延長された部分が、前記振動体に向かって先細り形状であることを特徴とする請求項１または２記載の超音波浮揚装置とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記振動体は、Ｈ形状の薄板であることを特徴とする請求項１記載の超音波浮揚装置とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載の超音波浮揚装置において、前記超音波振動子の節プレートを保持して該超音波振動子と前記ホーンとを格納するケースを備え、前記ケースに、前記延長された部分が貫通して突出する貫通穴を設けたことを特徴とする超音波浮揚装置とするものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５記載の超音波浮揚装置において、前記ケースに前記物体を把持可能な可動ガイドを備えたことを特徴とする超音波浮揚装置とするものである。
また、請求項７に記載の発明は、請求項１記載の超音波浮揚装置が、ロボットアームの先端に取り付けられたことを特徴とする搬送ロボットとするものである。

請求項１に記載の発明によると、振動の出力方向を変換できるので、超音波浮揚装置の縦方向の体積を小さくでき、作業領域における干渉問題を回避できる。
また、請求項２に記載の発明によると、ホーンをＬ字形状にした場合、装置がよりコンパクトになり、ホーンをＴ字形状にした場合、浮揚させる物体として例えば２枚のシリコンウェハを非接触浮揚させる装置とすることができる。
また、請求項３に記載の発明によると、振動の横波成分を大きくできるので、振動体の振動振幅を大きくできる。
また、請求項４に記載の発明によると、浮揚させる物体がシリコンウェハであるとき、シリコンウェハが複数枚格納されたカセットなどからシリコンウェハの取り出しを容易にし、振動体を点対称に励起できるので、振動体を確実に浮揚させることができる。
また、請求項５に記載の発明によると、ケースによってホーン及び超音波振動子を保護すると共に、ケース末端をロボットなどのエンドエフェクタに取り付ける事ができる。
また、請求項６に記載の発明によると、可動ガイドにより、浮揚物体の位置ずれを補正できる。
また、請求項７に記載の発明によると、ロボットの作業領域における干渉問題が発生しにくい搬送ロボットにすることができる。

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、本発明の超音波浮揚装置の側断面図である。図において、超音波振動子１０１は、圧電素子１０２と金属円柱１０４と節フランジ１０３から構成されており、一般にボルト締めランジュバン振動子という名称で知られている。圧電素子１０２に超音波振動子１０１の固有振動数に相当する高周波電圧（例えば２８ｋＨｚ、±７０Ｖ程度）を印加すると、超音波振動子１０１が振動し、縦波がホーン１０５に伝達される。ホーン１０５は、十字、Ｔ字もしくはＬ字状のジュラルミン等で形成されたポアソン比が０．３以上の金属棒である。図１ではＬ字のホーンで説明する。ホーン１０５の先に振動体１０６を取り付け、超音波振動子１０１で発生した振動がホーン１０５を介して振動体１０６に伝達される。振動体１０６が高周波で振動する事により、浮揚体１０７との間に音響放射圧が発生し、浮揚体１０７が浮揚する。ここで、浮揚体１０７は、シリコンウェハや液晶ガラス板などを表す。また、超音波振動子１０１やホーン１０５をケース１０８で保護する。ケース１０８は節フランジ１０３とケース１０８で締結されているものとする。ケース１０８には、浮揚体１０７を位置決めするためのガイド１０９を接合している。また、ケース１０８の末端にネジ１１０を備える事により、ロボットのエンドエフェクタに取り付ける事ができる。
本発明が従来技術と異なる部分は、ホーン１０５を直棒ではなく十字、Ｔ字もしくはＬ字状の棒材にした部分である。

図２は、本発明の超音波浮揚装置の動作原理を示す側断面図である。超音波振動子２０１で発生した縦波２０３はホーン２０２に伝わる。さらに、縦波２０３の１/４波長に相当するホーン位置で縦波２０３の節となる。この縦波２０３の節で縦波が伝わる方向と直交するようにホーンをＬ字とすることで、横波２０４が伝達される。ホーンの断面積がホーンのどの箇所でも同じ場合、縦波２０３の節位置から超音波振動子２０１までのホーンの長さと縦波の節位置から振動体までのホーンの長さは等しくなる。例えば、ホーンの断面積を一様でＬ字状、ホーンの材質をジュラルミン、超音波振動子から伝わる振動を２８ｋＨｚとすると、式（２）を使ってホーンの長さを決定する事ができる。λは金属中の波長、Ｅは金属のヤング率、ρは金属の密度、ｆは振動周波数である。

ジュラルミンの場合には、ヤング率は１９７＊１０９（Ｎ/ｍ２）、金属の密度は８＊１０３（ｋｇ/ｍ３）である。この式から、縦波の節位置から超音波振動子までのホーンの長さ及び縦波の節位置から振動体までの長さは、４４．３ｍｍとなる。

図３は、本発明のホーン形状の一例を示す側断面図である。ホーン３０２の節位置から振動板までの金属棒を一様ではなく先細り形状（コニカル）にした場合には、振動体３０４の振動振幅を増幅させることができ、浮揚体の浮上量を大きくすることが可能である。図２と同様にジュラルミンを使用した場合を想定して、コニカル部３０３の長さを求める。ジュラルミンの金属中を伝わる音速は、４．９６４＊１０５（ｃｍ/ｓ）であり、ホーンの断面積比を断面積（ホーン側）/断面積（振動体側）＝２．６とした時の周波数で表したホーン長さ（ｋｌ）は、超音波技術便覧（実吉他著、日刊工業新聞、昭和５８年発行、ｐ１６４６の図２５・１５）を参照すると２．２７５（ｒａｄ/ｓ）となる。これらの値を式（３）に代入するとコニカル部３０３の長さを求める事ができる。 ωは振動周波数（ｒａｄ/ｓ）、ｃは音速（ｃｍ/ｓ）、ｌ（エル）はホーンの長さである。

式（３）より、コニカル部３０３のホーンの縦振動の節から振動板までの長さは、約６４ｍｍとなる。

図４は、本発明の超音波浮揚装置の上面図（ａ）と側断面図（ｂ）である。ケース４０１の内部にＬ字型ホーンと超音波振動子が格納されており、ケース４０１で超音波振動子の節プレート４０２を挟むように締結する。ホーン４０４は、ホーン４０４がケース４０１に接触しない程度の大きさの穴から貫通しており、Ｈ型の振動体４０３とネジなどで締結されている。振動体４０３の形状は、振動体４０３から浮揚体（例えばシリコンウェハ）までの浮揚距離を大きくするには、円形が良い。これは、振動源を中心として円形状の定在波が発生しやすいからであり、定在波を発生させる事により強力な音響放射圧が発生するからである。一方、振動体４０３の形状は、シリコンウェハの一般的な載置部やカセットからの取り出しと挿入時を考慮すると、フォーク形状が好ましい。この二つの条件を満足する形状として本実施例ではＨ型とした。ケース４０１端面の取り付けネジ４０５でロボットアーム４０６の先端に結合し、超音波浮揚装置をロボットのエンドエフェクタとする事ができる。このようにロボットアームから延長するように超音波浮揚装置を配置できるので、ロボットの作業領域内での干渉の問題を回避できる。

図５は、本発明の超音波浮揚装置のガイド５００の底面図を表す。アーム５０１は、アーム５０１の端に取り付けられた第一プーリー５０２と連動して動く。第一プーリー５０２は、ワイヤー５０４を介して第二プーリー５０６に連動して動く。第二プーリー５０６は、ワイヤー５０７を介して第三プーリー５０８に連動して動く。第三プーリー５０８は、ワイヤー５０９を介して、電動機５１１に直結された第四プーリー５１０に連動して動く。電動機５１１に取り付けられた第四プーリー５１０が、紙面に向かって反時計回りに回転すると太矢印方向に各アームが回転し、浮揚体５１４を把持する。また、電動機５１１に取り付けられた第四プーリー５１０が、紙面に向かって時計回りに回転すると一点鎖線方向に各アームが回転する。すなわち本実施例の場合、浮揚体５１４に対して放射状に配置した４本のアーム５０１を１台の電動機５１１によって同時に回転させることによって浮揚体５１４の周囲に各アーム５０１を当接させて浮揚体５１４を掴んだり、また、浮揚体５１４の周囲から各アーム５０１を離反させて浮揚体５１４を開放するよう構成している。なお、ワイヤー５０４とワイヤー５０７の巻き方を変える事により、各アームの回転方向を変えて、例えば各アームが全て同じ方向に同時に回転するようにして浮揚体５１４を掴んだり、放したりするようにしてもよい。本実施例では、４本のアーム５０１のうち、２本のアームと連動して動く第一プーリー５０２と第二プーリー５０６とに巻きかけられたワイヤー５０４がクロスして巻きかけられているので、この２本のアームが、これら以外の２本のアームと反対方向に回転するよう構成されている。音響放射圧では、浮揚体の横滑りを拘束する力が弱いので、ガイド５００により位置ずれを補償できる。
また、アーム５０１の先端には緩衝材５０３が備えられており、この緩衝材５０３で浮揚体５１４の端面を把持する。

図６は、本発明の超音波浮揚装置において、ホーン形状をＴ字型にした場合の超音波浮揚装置の側面図である。
図６において、アーム６０１からケース取り付け冶具６１２までは、図５のアーム５０１からケース取り付け冶具５１２と同じ構成である。ケース取り付け冶具６１２にて、ガイド６００を支持している。ケース６１３からは、Ｔ型のホーン６１４が貫通しており、ホーン６１４は振動体６１５とネジなどで締結されている。振動体６１５から放出される音響放射圧により、浮揚体６１６は浮揚する。Ｔ型のホーン６１４にすることで、下側にもガイド６００、振動体６１５を配置でき、浮揚体を上と下で非接触把持することができる。ただし、この場合には、ホーンの内部に配管６１７を通し、図示しない真空ポンプ６１８で振動体６１５と浮揚体６１６の間に負圧を発生させ、浮揚体６１６を吸引すると共に、振動体６１５の音響放射圧により斥力を発生させる。これにより、上下で浮揚体６１６を非接触浮揚させることが可能である。ケース６１３の末端の取り付けネジ６１９により、ロボットのエンドエフェクタに取り付けることができる。

本発明の第１実施例を示す超音波浮揚装置の側断面図 本発明の超音波浮揚装置の動作を示す断面図 本発明のホーン形状の側面図 本発明の超音波浮揚装置の上面図と側断面図 本発明のガイドの底面図 本発明のホーン形状をＴ字型にした場合の超音波浮揚装置の側面図 従来の浮揚装置の斜視図 従来の超音波浮揚装置の側断面図

符号の説明

１０１、２０１、８０１ 超音波振動子
１０２、８０２ 圧電素子
１０３、４０２、８０３ 節プレート
１０４、８０４ 金属円柱
１０５、２０２、３０１、４０４、６１４、８０５ ホーン
１０６、３０４、４０３、６１５ 振動板
１０７、５１４、６１６、７０５、８０７ 浮揚体
１０８、６１３ ケース
１０９、５００、６００ ガイド
１１０、４０５、６１９ 取り付けネジ
２０３ 縦波
２０４ 横波
３０２ 一様ホーン
３０３ コニカルホーン
４０１ ケース
４０６ ロボットアーム
５０１、６０１ アーム
５０２、６０２ 第一プーリー
５０３、６０３ 緩衝材
５０４、５０５、５０７、５０９、６０４、６０５、６０７、６０９ ワイヤー
５０６、６０６ 第二プーリー
５０８、６０８ 第三プーリー
５１０、６１０ 第四プーリー
５１１、６１１ 電動機
５１２、６１２ ケース取り付け冶具
５１３ ホーン貫通穴
６１７ 配管
６１８ 真空ポンプ
７０１ 音響共鳴管
７０２ 音源
７０３ 共鳴強調用底板
７０４ 浮揚エネルギ供給板
８０２ 圧電素子
８０４ 金属円柱
８０６ 配管

Claims (7)

1. 超音波振動子と、前記超音波振動子の音波振動を伝達するホーンと、前記ホーンに接続されて振動し、音波の放射圧によって物体を浮揚させる振動体と、を備えた超音波浮揚装置において、
   前記ホーンは、前記音波振動の波の節の位置において前記波が伝わる方向と直交する方向に延長された部分が形成され、前記延長された部分の先端に前記振動体が接続されたことを特徴とする超音波浮揚装置。
2. 前記ホーンが、Ｌ字形状またはＴ字形状であることを特徴とする請求項１記載の超音波浮揚装置。
3. 前記ホーンは、ポアソン比が０．３以上の金属で形成され、前記延長された部分が、前記振動体に向かって先細り形状であることを特徴とする請求項１または２記載の超音波浮揚装置。
4. 前記振動体は、Ｈ形状の薄板であることを特徴とする請求項１記載の超音波浮揚装置。
5. 請求項１記載の超音波浮揚装置において、前記超音波振動子の節プレートを保持して該超音波振動子と前記ホーンとを格納するケースを備え、前記ケースに、前記延長された部分が貫通して突出する貫通穴を設けたことを特徴とする超音波浮揚装置。
6. 請求項５記載の超音波浮揚装置において、前記ケースに前記物体を把持可能な可動ガイドを備えたことを特徴とする超音波浮揚装置。
7. 請求項１記載の超音波浮揚装置が、ロボットアームの先端に取り付けられたことを特徴とする搬送ロボット。