JP2010201606A - 搬送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搬送対象物を高い位置精度で搬送することが可能な搬送装置を提供する。
【解決手段】搬送装置１０００は、ベース部４と、第１アームレバー５と、第２アームレバー６と、保持部７とを有する。第２アームレバー６と保持部７との間の関節部６７には、第２アームレバー６に対して保持部７を３自由度で動かすことが可能なアクチュエータ１００が設けられている。例えば、搬送装置１０００は、アクチュエータ１００を駆動させることにより、基板Ｗを、水平を維持したまま搬送することが可能である。このため、基板Ｗの位置精度を確保することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば、半導体ウェハ基板、ガラス基板等の搬送対象物を搬送する搬送装置に関する。

シリコン基板等の搬送対象物を搬送する搬送装置として、多関節アームを備える搬送装置が存在する。この搬送装置は、駆動機構を内蔵したベース部と、ベース部から延出する複数のブームが連結されたアームと、多関節アームの先端に取り付けされた保持部を備えているものが一般的である。搬送対象物は保持部に保持され、多関節アームの屈伸により搬送される。

このような搬送装置では、搬送後の位置で基板処理等が行われることが多く、搬送の位置精度が重要である。ここで、搬送対象物が大型（重い）、あるいはアーム長が長い場合、アームが搬送対象物の重量により撓み、搬送の位置精度が悪化する場合がある。

これに対し、特許文献１には、ワーク搬送装置の制御装置が開示されている。当該制御装置は、アームの先端に載置されたワークをアームの伸縮、回転により搬送する搬送装置を制御する。そして、当該制御装置は、アームの撓みによる下降幅をアーム先端の水平移動量から算出し、アームの旋回軸を鉛直方向に上昇させることによりワークの垂直位置を維持する。

なお、非特許文献１には、三自由度球面電磁アクチュエータが記載されている。このアクチュエータは、固定子と可動子とから構成され、可動子を固定子に対して回転させると伴に回転軸を傾動させることが可能である。

特開２０００−１８３１２８号公報

電気学会研究会資料LD-08-46「３自由度球面電磁アクチュエータの研究」加嶋俊大、山本匡史、平田勝弘

特許文献１に記載のワーク搬送装置の制御装置は、ワークの垂直位置を維持するためにアーム全体を上昇させる構成であるため、撓みによるアーム先端の水平面に対する傾斜（垂れ下がり）を補正することはできない。また、ワークのサイズが異なる毎に、旋回軸の上昇幅を変更する必要がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、搬送対象物を高い位置精度で搬送することが可能な搬送装置を提供することにある。

本発明の一形態に係る搬送装置は、アーム機構と、アクチュエータとを具備する。
上記アーム機構は、関節部を有し、搬送対象物を保持することが可能である。
上記アクチュエータは、可動子と、固定子とを有し、前記関節部に設けられ前記アーム機構を伸縮させることが可能である。
上記可動子は、円周状に配置された複数の磁極対を有する。
上記固定子は、複数の第１の電磁石及び複数の第２の電磁石を有する。
上記複数の第１の電磁石は、前記可動子の外周に沿って配置されている。
上記複数の第２の電磁石は、前記複数の第１の電磁石にそれぞれ対応するように、前記可動子に対して前記各第１の電磁石とそれぞれ対称位置に配置されている。

上記搬送装置によれば、アクチュエータは、可動子を固定子に対して回転させ、かつ傾動させることが可能に構成されている。当該アクチュエータをアーム機構の関節部に設け、可動子を固定子に対して傾動させることにより、アーム機構の撓みによる傾斜を補正することが可能である。

上記搬送装置は、上記アーム機構が上記搬送対象物の保持面を水平に維持するように上記アクチュエータを駆動する制御手段をさらに具備してもよい。

上記搬送装置によれば、重力によってアーム機構が撓んでも、搬送対象物を水平に維持することが可能である。

上記制御手段は、上記保持面の水平面に対する角度を検出するセンサの出力に基づき上記アクチュエータを駆動してもよい。あるいは、制御手段がセンサを含んでいてもよい。

上記アーム機構は、上記搬送対象物を保持する保持部と、上記関節部を介して上記保持部に接続されたアームレバーとを有してもよい。

上記搬送装置によれば、保持部の回転角の分解能を高めることが可能である。保持部のアームレバーに対する回転を制御することにより、アーム機構全体が旋回して保持部を旋回させる場合に比べその回転角の分解能が高い。

上記アーム機構は、複数の上記関節部を有し、複数の上記アクチュエータが、上記複数の関節部にそれぞれ設けられていてもよい。

上記搬送装置によれば、それぞれのアクチュエータでの可動子が固定子に対して傾動する角度が積算されるため、それぞれの傾動可能な角度が小さくてもアーム機構全体として補正可能な角度を大きくすることが可能である。

以上のように、本発明によれば、搬送対象物を高い位置精度で搬送することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る搬送装置を示す斜視図である。 搬送装置の構成を示す模式図である アクチュエータの構成を示す斜視図である。 着磁の向きを示す模式図である。 アクチュエータの動作原理を説明するための図である。 搬送装置の撓み補正動作を説明するための模式図である。 第２の実施形態に係る搬送装置の動作を示す図である。 第３の実施形態に係る搬送装置を示す模式図である。 第４の実施形態に係る搬送装置を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る搬送装置を示す斜視図である。

同図に示すように、搬送装置１０００は、ベース部４と、第１アームレバー５と、第２アームレバー６と、保持部７とを有する。搬送装置１０００は、例えば、基板成膜ユニット、その他基板に所定の処理を施す装置等に設けられる。以下、第１アームレバー５、第２アームレバー６及び保持部７をアーム機構と称する。

図２は、搬送装置１０００の構成を示す平面図である。図２（ａ）は鉛直方向（上方）、図２（ｂ）は水平方向から見た搬送装置１０００を示す。

搬送装置１０００は、ベース部４及び第１アームレバー５の間の関節部４５、第１アームレバー５及び第２アームレバー６の間の関節部５６、第２アームレバー６及び保持部７の間の関節部６７により、屈伸可能に構成されている。

ベース部４には図示しないアーム機構を駆動するためのサーボモータ４１が内蔵されている。典型的には、搬送装置１０００は、このサーボモータ４１に接続されたギア部４２、このギア部４２に接続され、かつ、第１アームレバー５に設けられた１対のプーリ５１、これらプーリ５１に接続されたタイミングベルト５２を備えている。１対のプーリのうち、関節部４５側のプーリは、第１アームレバー５に対して固定である。関節部５６側のプーリ５１は、図示しないベアリング等を介して第１アームレバー５内に回転可能に設けられている。これにより、サーボモータ４１の動力が、ギア部４２を介してプーリ５１に伝達され、プーリ５１の動きに応じて第１アームレバー５が水平面内で旋回する。

また、一方のプーリ５１は、第２アームレバー６に内蔵され固定されたギア部６１に接続されている。これにより、第２アームレバー６は、第１アームレバー５の旋回に応じた量だけ連動して反対方向に旋回する。

また、典型的には、ベース部４内には、関節部４５を中心にアーム機構全体を水平面内で旋回させる、サーボモータ４１とは別のサーボモータ（図示せず）が設けられている。なお、ベース部４内にはアーム機構を鉛直方向に昇降する機構が備えられていてもよい。

第２アームレバー６と保持部７との間の関節部６７には、第２アームレバー６に対して保持部７を３自由度で動かすことが可能なアクチュエータ１００が設けられている。

保持部７はメカニカルチャック機構、静電チャック機構、バキュームチャック機構等を備え、搬送対象物である基板Ｗを保持可能に構成されている。基板Ｗは、例えば、半導体ウェハ基板、ディスプレイ用のガラス基板等である。

以下、アクチュエータ１００の構成について説明する。

図３はアクチュエータ１００の構成を示す斜視図である。

図３では、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を有するｘｙｚ空間において、アクチュエータ１００を図示している。なお、本発明の一実施形態に係るアクチュエータ１００は、可動子をｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の各軸周りに回転駆動可能な球面アクチュエータの一種として構成されている。

アクチュエータ１００は、図３に示すように、可動子１と固定子２とを備える。可動子１は、ｘｙ平面内の円周方向に沿って４つの分割された磁性体１１と、隣接する２つの磁性体１１の各間に等ピッチ(９０°間隔)で挿入された４つの永久磁石１２(例えば、Br=１．４T)とを有している。すなわち、可動子１は、円周方向に２つの磁極対を有する。永久磁石１２は、図４に示す矢印ｄの向きに着磁されている。

固定子２は、可動子１を駆動するための複数の電磁石３を有する。これら電磁石３は、コア３２及びこのコア３２に巻かれたコイル３１で構成されている。電磁石３は、上段及び下段にそれぞれ６個ずつ設けられている。下段の複数の電磁石３とは、ｚ軸方向で対称位置となるように、それぞれ対応するように配置されている。

各コア３２は、それぞれ可動子１に向けて突出するように、円周形状である固定子２の外枠部２１の内周面側に等ピッチ（６０°間隔）取り付けられている。コア３２の端部である磁極３２１の先端面は、可動子１の外周面と対向している。可動子１と固定子２との対向面は球面にそれぞれカットされ、所定のギャップ(例えば、０．５mm)を有するように支持されている。

各コイル３１に供給される電流は独立して制御することが可能であり、１２個の磁極３２１のそれぞれにおける励磁量も独立に制御することが可能である。

アクチュエータ１００は、固定子２が第２アームレバー６に、可動子１が保持部７に、上記ｚ軸が鉛直方向となるように配置され、保持部７を、第２アームレバー６に対して旋回及び傾動可能に接続している。アクチュエータ１００は、ベース部４に内蔵されている図示しない制御ユニットに電気的に接続されている。この制御ユニットは、サーボモータ４１及びアクチュエータ１００の駆動を統括して制御するものである。このような制御ユニットは、ベース部４に内蔵されていなくてもよく、搬送装置１０００の外部に設けられていてもよい。

例えば、制御ユニットは、図１及び図２（ａ）に示した両方の状態の運動、つまり保持部７の水平面内での旋回角を変えずにアーム機構を伸縮運動させるように、サーボモータ４１及びアクチュエータ１００の駆動を制御可能となっている。また、後述するように、制御ユニットは、アーム機構全体を旋回させるための別のサーボモータの駆動をも制御するようになっている。

以下、アクチュエータ１００の動作原理を説明する。

まず、ｘ軸周りの回転運動について動作原理を説明する。図５（ａ）は、図３で示したｘ軸に垂直な断面、すなわち断面Ａを表している。ここで、断面Ａ内には４つの磁極３２１が存在している。また、これら４つの磁極３２１に対向する磁性体１１は、永久磁石１２の着磁方向により、Ｓ極の磁性を示している。

今、図５（ａ）で示した磁極が現れるようにコイル３１が励磁されると、可動子１は図中の矢印方向にトルクを得ることができる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は図５（ａ）とは反対方向にトルクを得ることになる。ｘ軸周りの回転におけるトルク量は、断面Ａ内に存在するコア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。

次に、ｙ軸周りの回転運動について、図５（ｂ）をもとに説明する。図５（ｂ）は断面Ａをｚ軸周りに６０°回転させた断面、すなわち断面Ｂまたは断面Ｃを示している。ここで、断面Ｂ及び断面Ｃにおいても、その断面内には４つの磁極３２１が存在している。また、これら４つの磁極３２１に対向する磁性体１１は、永久磁石１２の着磁方向により、Ｎ極の磁性を示している。

今、図５（ｂ）で示した磁極が現れるようにコイル３１が励磁されると、可動子１は図中の矢印方向にトルクを得ることができる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は図５（ｂ）とは反対方向にトルクを得ることになる。すなわち、断面Ｂ及び断面Ｃの両方において、同様の作用によって同じ大きさのトルクを作用させれば、可動子に働く合力はｙ軸周りの回転トルクとなる。ｙ軸周りの回転におけるトルク量は、断面ＢまたはＣ内に存在するコア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。

最後に、ｚ軸周りの回転について、図５（ｃ）をもとに動作原理を説明する。図５（ｃ）はｚ軸に垂直な断面図を示している。今、図５（ｃ）で示した磁極が現れるようコイル３１が励磁されると、可動子１は図中の矢印方向にトルクを得ることができる。ｚ軸に沿って配置された２つの固定子についてそれぞれ同じ磁極を発生させれば、ｚ軸以外の軸にはトルクは発生しないことになる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は反対方向にトルクを得ることになる。ｚ軸周りの回転におけるトルク量は、コア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。

図６は、搬送装置１０００の撓み補正動作を説明するための模式図である。

なお、この図において、搬送装置１０００の撓み量は実際のものより誇張されている。

搬送装置１０００は、図６（ａ）に示す、基板Ｗを保持していない状態から駆動され、第１アームレバー５、第２アームレバー６及び保持部７のすべて（アーム機構）は水平面上を伸縮、旋回して、基板Ｗを取得する。この際、この際、ベース部４及びアーム機構が鉛直方向に昇降してもよい。保持部７が、載置されている基板Ｗを掬い上げる等して基板Ｗを取得する。

図６（ｂ）は、基板Ｗを保持している搬送装置１０００の、撓み補正がされていない状態を示す。同図に示すように、アーム機構は、基板Ｗの重量により鉛直下方に撓みを生じ、基板Ｗは水平面に対して傾斜した状態で保持されている。

ここで、図６（ｃ）に示すように、アーム機構の撓みが補正される。上述のようにアクチュエータ１００の可動子１は、ｘ軸及びｙ軸方向に回転（ｘ−ｙ平面から傾動）することが可能である。このため、可動子１は、第２アームレバー６に固定されている固定子２に対して傾動し、即ち、アクチュエータ１００は、保持部７を第２アームレバー６に対して傾動させることが可能である。これにより、第２アームレバー６の水平面からの傾斜に拠らず、保持部７及び基板Ｗは水平に維持される。

例えば、搬送装置の設計者が、基板Ｗの重量に応じた、アクチュエータ１００の可動子１の駆動量、すなわち撓みの補正量を予め設定しておくことができ、つまり、オープンループでの撓み補正の制御が可能となる。あるいは、設計者は、重量の異なる複数種類の基板Ｗの各重量、及び、アクチュエータ１００の可動子１の各駆動量の各情報を対応付けたテーブルを、搬送装置１０００が持つメモリに記憶させておくことも可能である。

搬送装置１０００は、以上のように撓みが補正された状態で基板Ｗを保持し、アーム機構が伸縮されて基板Ｗが搬送される。所定の位置において、基板Ｗの保持が解除され、搬送が完了する。

保持部７が基板Ｗを保持していない状態からアーム機構の撓みが発生することもあり得る。この場合、保持部７が基板Ｗを保持していない状態のアーム機構の撓み量と、保持部７が基板Ｗを保持している状態のアーム機構の撓み量との合計の撓み量を、アクチュエータ１００が補正してもよい。

以上のように、搬送装置１０００は、基板Ｗを、水平を維持したまま搬送することが可能である。このため、基板Ｗの位置精度を確保することができる。また、撓みを補正することが可能であるため、アーム機構を撓みが生じないような高い剛性の材料で形成する必要がなく、搬送装置１０００の小型軽量化が可能である。なお、搬送対象物は撓みを生じない重量に限定されない。

（第２の実施形態）
上記搬送装置１０００の第２の実施形態に係る動作について説明する。図７は、その動作を説明するための図である。

図７（ａ）に示すように、搬送装置１０００は、保持部７が基板Ｗを保持した後、基板Ｗを図示しない処理部へ搬入するために、アーム機構を直線状に伸ばす。アーム機構が本来の直線Ｅの位置からずれて直線Ｄに位置した場合、基板Ｗの位置もずれる。

このような場合、図７（ｂ）に示すように、アクチュエータ１００の駆動により、保持部７を水平面内で所定の角度旋回させることにより、基板Ｗのアンローディング位置を微調整することができる。

これに対し、アクチュエータ１００が設けられていない場合、すなわち、図２（ｂ）に示したプーリ５１及びベルト５２でなる機構が、第１アームレバー５だけでなく第２アームレバー６にも設けられる場合に、次のような問題がある。例えば、そのような従来の搬送装置の場合、ベース部４に内蔵されたサーボモータによって保持部７の位置を調整することにより、すなわち、アーム機構全体が旋回することによって基板Ｗのアンローディング位置が調整される。したがって、平面で見て関節部６７から基板Ｗまでの距離に比べ、関節部４５から基板Ｗまでの距離が遠いため、本実施形態のようにアクチュエータ１００により基板Ｗの位置が調整される場合に比べ、サーボモータは高い角度分解能を必要とする。

すなわち、制御ユニットは、アクチュエータ１００を用いて、保持部７の第２アームレバー６に対する旋回角度を直接制御することが可能であり、搬送対象物を高い位置精度で搬送することが可能である。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態を説明するための図である。

本実施形態では、上述した搬送装置１０００の保持部７の、基板Ｗの載置面である保持面の、水平面に対する角度を検出するセンサ８が設けられている。センサ８は、典型的には、図示しない処理チャンバ側に配置されている。センサ８としては、典型的には光学センサが用いられるが、電波等の光の波長以外を利用するセンサが用いられてもよい。センサ８により検出された情報が上記搬送装置１０００に送られ、図示しない制御ユニットが、この情報に基づいてアクチュエータ１００の制御信号を生成し、アクチュエータ１００の傾動角度を制御する。

なお、センサ８は、第２アームレバー６の端部（関節部６７側の端部）６４に取り付けられていてもよい。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る搬送装置を示す図である。

搬送装置２０００は、関節部４５、５６及び６７のすべてに上記アクチュエータ１００が設けられている。ベース部４内または搬送装置２０００の外部に設けられた図示しない制御ユニットは、これらのアクチュエータ１００の駆動をそれぞれ制御することが可能になっている。このような場合、関節部４５のアクチュエータ１００により、ベース部４に対する第１アームレバー５の旋回運動及び傾動運動が制御され、また、関節部５６のアクチュエータ１００により、第２アームレバー６の旋回運動及び傾動運動が制御される。アーム機構全体の撓みが、各アクチュエータ１００のうち少なくとも１つにより補正されてもよい。

（その他の実施形態）
本発明は上述の実施形態にのみ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内において種々の変更を加え得る。

アクチュエータ１００は、例えば搬送装置１０００では関節部６７に設けられる構成であった。しかし、関節部４５、５６及び６７のうち少なくとも１つにアクチュエータ１００が搭載されてもよい。

上述の各実施形態に係る搬送装置は、第１アームレバー５及び第２アームレバー６の２つのアームレバーを有するものとしたが、その数は２つに限られない。

アクチュエータ１００は、例えばｚ軸周りの可動子１の回転角を検出するセンサを備えていてもよい。これにより、基板Ｗの位置精度を向上させることが可能である。

上記各搬送装置は、加速度センサを備えていてもよい。この場合、加速度センサは、例えば保持部７に設けられ、搬送装置は、この加速度センサによって基板Ｗの振動を検知し、アクチュエータ１００にフィードバックすることにより、基板Ｗの振動を低減させることが可能である。

基板Ｗを搬送する搬送装置とした実施形態を例に挙げて説明したが、基板Ｗ以外にも様々な搬送対象物を搬送する、産業用または家庭用の搬送装置を実現することができる。

１ 可動子
２ 固定子
３ 電磁石
４ ベース部
５ 第１アームレバー
６ 第２アームレバー
７ 保持部
８ センサ
１１ 磁性体
１２ 永久磁石
３１ コイル
３２ コア
１００ アクチュエータ
３２１ 磁極
１０００ 搬送装置
２０００ 搬送装置

Claims (5)

1. 関節部を有し、搬送対象物を保持することが可能なアーム機構と、
   円周状に配置された複数の磁極対を有する可動子と、複数の第１の電磁石及び複数の第２の電磁石を有する固定子であって、前記可動子の外周に沿って配置された複数の第１の電磁石と、前記複数の第１の電磁石にそれぞれ対応するように、前記可動子に対して前記各第１の電磁石とそれぞれ対称位置に配置された複数の第２の電磁石とを有する固定子とを有し、前記関節部に設けられ前記アーム機構を伸縮させることが可能なアクチュエータと
   を具備する搬送装置。
2. 請求項１に記載の搬送装置であって、
   前記アーム機構が前記搬送対象物の保持面を水平に維持するように前記アクチュエータを駆動する制御手段をさらに具備する搬送装置。
3. 請求項２に記載の搬送装置であって、
   前記制御手段は、前記保持面の水平面に対する角度を検出するセンサの出力に基づき前記アクチュエータを駆動する搬送装置。
4. 請求項１から３のうちいずれか１項に記載の搬送装置であって、
   前記アーム機構は、
   前記搬送対象物を保持する保持部と、
   前記関節部を介して前記保持部に接続されたアームレバーと
   を有する搬送装置。
5. 請求項１から４のうちいずれか１項に記載の搬送装置であって、
   前記アーム機構は、複数の前記関節部を有し、
   複数の前記アクチュエータが、前記複数の関節部にそれぞれ設けられている搬送装置。