JP2011064247A - ベルトの駆動装置及びそれを備えたロボット - Google Patents

Abstract

【課題】ベルト駆動装置やロボットの動作性能の低下を防止するとともに、ロボットのメンテナンス時期を通知することを課題とする。
【解決手段】ベースに対して回転可能な駆動プーリ７と従動プーリ８との間に掛けられて一定の張力が維持されるベルト６と、駆動プーリ７を回転させるサーボモータ１１と、サーボモータ１１を制御するコントローラ１５と、張力を測定可能なロードセル１０と、を少なくとも備えたベルト駆動装置において、コントローラ１５が、ロードセル１０の測定結果からベルト６の固有振動数を算出する自動設定部１５５を備え、測定結果が問題の無い張力であったとき、サーボモータ１１を駆動するモータ駆動部１５２のノッチフィルタのカットオフ周波数として固有振動数を設定する。

【選択図】図５

Description

本発明は、ベルトによって駆動される装置において、そのベルトの寿命予測およびベルトの寿命を延ばすための装置に関する。また、特にその装置を半導体製造装置のウェハ搬送装置である半導体ウェハ搬送ロボットに適用したものに関する。

半導体製造装置に限ったことではないが、半導体製造における稼働率低下を避けるため、ＭＴＴＲのような指標に代表されるダウンタイムを極力小さくすることが求められている。半導体製造装置のシステムがロボットの故障などのエラーにより異常停止することを防止するため、システム内のロボットなど各モジュールが異常であるのか自己の状態を監視し、メンテナンス時期を予測、通知することが求められている。
半導体製造装置のウェハ搬送装置には、例えばベルト駆動の半導体ウェハ搬送ロボットが多く用いられている。従来、ベルト駆動は、図２（ａ）に示すように駆動プーリ７と従動プーリ８の間にベルト６が掛装されており、駆動プーリ７の駆動力が従動プーリ８に伝えられる構造となっている。つまりベルト駆動の場合、ベルトのテンションによって動力を伝達している。図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、ベルト駆動の半導体ウェハ搬送ロボットの場合、ベルト６のテンションを保持するためにアイドラ９などが設置されており、アイドラ９の位置を調整することによってベルト６のテンションを調整している。これによって、ベルト６の剛性を確保し、ロボット１の動作中の精密な動作性能を確保している。
しかし、長時間動作による経年変化、および異常負荷によるベルトの伸び、劣化の影響でベルトのテンションが弱くなり、ベルトの剛性が確保できなくなることで、アームの水平経路の精度が悪化し、ロボットとしての動作性能が低下する。従来、ベルトのテンションを検出するには、定期的なメンテナンスにて作業者がロボットを分解し、計測するしか方法がなかった。これに対し、ベルトのテンションをロードセルで計測してベルトの特性を予測することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これを示すのが図２（ｂ）である。特許文献１では、アイドラ９がベルト６から受けるテンションの反力を測定するロードセル１０が設けられている。

実開平６−３３０４１

特許文献１によればベルトのテンションをロードセルによる計測することでベルトのテンションを知ることはでき、これをもとにある程度の寿命予測は可能となるが、ロボットの動作性能の低下を防止することは考えられていなかった。また、測定装置は大型であり、使用するためには環境が限られてしまう。
そこで本発明は、ロボットアームなどにも使用できるようにするため、アイドラの位置を調整する治具に直接ロードセルを取り付けることによって装置を小型化する。また、検出されたベルトのテンションからベルトの共振周波数を算出し、これを用いて可能な限りロボットの動作性能の低下を防止するとともに、ロボットのメンテナンス時期を自己診断して通知し、ロボットの故障などのエラーによって異常停止することを予め防ぐことを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１記載の発明は、ベースに対して回転可能な駆動プーリと従動プーリとの間に掛けられて一定の張力が維持されるベルトと、前記駆動プーリを回転させるサーボモータと、前記サーボモータを制御するコントローラと、前記張力を測定可能なロードセルと、を少なくとも備えたベルト駆動装置において、前記コントローラが、前記ロードセルの測定結果から前記ベルトの固有振動数を算出する自動設定部を備え、前記測定結果が問題の無い張力であったとき、前記サーボモータを駆動するモータ駆動部のノッチフィルタのカットオフ周波数として前記固有振動数を設定することを特徴とするベルト駆動装置とするものである。
請求項２記載の発明は、前記ロードセルの測定結果が、予め定めたある範囲内であったとき、前記コントローラが、前記ベルトのメンテナンスを促すワーニングを発することを特徴とする請求項１記載のベルト駆動装置とするものである。
請求項３記載の発明は、前記ロードセルの測定結果が、予め定めた値以下であったとき、前記コントローラがエラーを発することを特徴とする請求項１記載のベルト駆動装置とするものである。
請求項４記載の発明は、前記ベースにネジによって固定され、前記一定の張力を前記ベルトに与えるアイドラと、前記ロードセルが、リング型であって、前記ネジと前記アイドラとの間に装着されたことを特徴とする請求項１記載のベルト駆動装置とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１記載のベルト駆動装置によって駆動されるアームを備えたことを特徴とする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、検出されたベルトのテンションからベルトの共振周波数を算出し、これを用いて可能な限りベルト駆動装置の動作性能の低下を防止することができる。さらに、このことによって、稼働率低下を避けることができる。
請求項２に記載の発明によると、ベルト駆動装置のメンテナンス時期を自己診断して通知するため、故障などで異常停止することを予め防ぐことができる。
請求項３に記載の発明によると、ベルトの張力が予め定めた値以下であれば装置の稼動を停止するのでベルト駆動装置に損傷を与えることを防げる。
請求項４に記載の発明によると、アイドラの位置を調整し固定するネジに直接ロードセルを取り付けることで小型化することができる。
請求項５に記載の発明によると、ベルトの動作性能の低下を防止して稼働率低下を避けることができるロボットとすることができる。

本発明を適用した半導体ウェハ搬送ロボット装置の構成概念図 従来のベルト駆動の概念図と特許文献１の張力測定装置概念図 本発明のベルト駆動装置の上面図と側面図 本発明のベルトテンション測定装置の側面図 本発明のコントローラ内部処理のブロック図 ノッチフィルタの周波数特性と制御ブロック図 本発明の処理フロー

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。

本実施例では、半導体ウェハ搬送用のロボットのアームに本発明を適用した事例として説明する。半導体ウェハ搬送用のロボットは、清浄な雰囲気下に設置されることや、省フットプリント化の要求から他の産業用ロボットと比較して狭い環境に設置されることなどの理由から、メンテナンスがしにくいことが多い。また、ロボットのアームやベース部は、以下で説明するとおり、ベルトによって駆動されることが多い。従って本発明を適用するのに適したロボットである。本実施例では、以下で説明するように、ロボットのアームやベース部におけるベルトについて、寿命予測を行なうとともに、ベルトの寿命がより延びるような措置を行なう。

図１に示すように、本発明の全体の構成は、ロボット１およびコントローラ１５からなる。ロボット１は、ベース部２、例えば第１アーム３ａ、第２アーム３ｂといった１つ以上のアーム部３、１つ以上のエンドエフェクタ４から構成されている。アーム部３内、もしくはベース部２内には、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、モータ１１、駆動プーリ７、従動プーリ８、アイドラ９、ロードセル１０、ベルト６、および減速機１２が設置されている。アイドラ９とロードセル１０とで、以下に説明する測定装置１３としての役割も担う。
また、図５で示すように、コントローラ１５は上位ホスト１６からの命令を処理するコマンド処理部１５１、コマンドによってモータ１１を駆動するモータ駆動部１５２、測定装置１３によってベルトテンションの測定を行なうテンション測定部１５３、自動的にノッチフィルタ周波数を設定する自動設定部１５５、ベルト６のメンテナンス時期を判断、通知するメンテナンス通知部１５４からなる。これらのコントローラ内部の機能は図示しないＣＰＵなどの演算装置内に記述されたソフトウェアによって実行される。

ベルト６のテンションを測定する機構を図４に示す。駆動プーリ７と従動プーリ８との間にベルト６のテンションを測定するために測定装置１３をベルト６の内側から設置する。測定装置１３は、アイドラ９と、アイドラ９の設置位置を調整する治具、ロードセル１０で構成される。本実施例では、リング型のロードセル１０を治具固定用のネジに直接取り付けることで、図４に示す装置を小型化することができる。アイドラ９の設置位置をベルト６に対して垂直方向へ調整することでベルト６のテンションＴを調整できる。アイドラ９の設置位置は、メンテナンス時に作業者が手作業にて調整しても、アイドラ９の位置を変化させるようなアクチュエータを別途設置して調整しても良い。

図５から図７を用いて、ベルトのメンテナンス時期を通知したり判断したりすること、及びベルトの寿命を延ばすための方法、について説明する。まず、特許文献１に示されるように、ベルト６からアイドラ９などに対して、内側の反力をロードセル１０にて測定することで、ベルト６のテンションを測定できることは既知の通りである。なお、以下の一連の動作や作業について、図７がそれらのフローをまとめて示している。

本実施例における、ベルト６のテンションを測定および確認する方法について説明する。上位ホスト１６からコントローラ１５にシリアル通信や、Ｉ／Ｏなどの信号を介して、ベルト６のテンションを測定する命令であるメンテナンスコマンドが発行される。コマンド処理部１５１が上位ホスト１６からのメンテナンスコマンドを受信、処理する。ベルト６が駆動しているとき、モータなどあらゆる要因が含まれるため、ベルト６だけのテンションを測定することは困難となる。そこで、ロボット１が停止しているとき、つまりコントローラ１５内で他のコマンドが発行されていないことをコマンド処理部１５１で確認する。他のコマンドが発行されていないときに、コマンド処理部１５１からテンション測定部１５３にベルト６のテンション測定を行なう命令、データ取得コマンドを発行する。データ取得コマンドを受信したテンション測定部１５３は測定を開始する。ベルト６のテンション測定結果は、測定装置１３からＩ／Ｏなどの信号を介して、テンション測定部１５３に測定結果を返す。

次に、ベルト６のメンテナンス時期の判定方法について説明する。メンテナンス時期の判定はメンテナンス通知部１５４で行なう。事前にロボット１の動作性能を確保できる最低限のベルト６のテンションを検証しておき、この値を許容値として設定しておく。上記測定結果が、
（測定結果）＜（許容値）
ならば、ロボット１の動作性能を確保できない。これによって、ベルト６の異常が検出可能となり、コマンド処理部１５１からシリアル通信やＩ／Ｏなどを介して、上位ホスト１６にエラーを通知する。

あるいは（測定結果） ＞（許容値）
ならば、下記に示す自動設定部１５５によってノッチフィルタのゲイン設定を行なう。
ただし、
（許容値）＜（測定結果）＜１２０％＊（許容値）
ならば、同時にコマンド処理部１５１からシリアル通信やＩ／Ｏなどを介して、上位ホスト１６にメンテナンスを促すワーニングを通知する。

次に、自動設定部１５５によってノッチフィルタのゲイン設定を行なう方法について説明する。上記許容値は、ロボット１の動作性能を確保できるように設定されているが、ベルトのテンションが弱くなると、ベルトの剛性が低くなる。その結果、トルク波形にベルト６の固有振動が入り込み、水平経路などの動作性能に影響を与える。ノッチフィルタとは、特定の周波数帯域だけを減衰するフィルタである。本発明では、モータ１１を駆動するモータ駆動部１５２に対してノッチフィルタのカットオフ周波数にベルト６の固有振動数を設定することで、モータ１１のトルク波形に入り込んだ固有振動を減衰させ、ロボット１の動作性能を維持する。具体的には、自動設定部１５５が、ベルト６のテンション測定結果からベルト６の固有振動数を算出し（下記式１によって算出する）、ノッチフィルタのカットオフ周波数にベルト６の固有振動数を設定する。ただし、フィードバック制御系にて設定された応答周波数の６倍以下にノッチフィルタを設定すると制御系が不安定になることがあるため、算出された固有振動数が前記条件となる場合、コマンド処理部１５１からシリアル通信やＩ／Ｏなどを介して、上位指令システム１６にエラーを通知する。

・・・式１
ｆ：ベルトの固有振動数［Ｈｚ］
Ｔ：ベルトのテンション測定値［Ｎ］
Ｍ：単位質量［ｇ／（ｍ＊ｍｍ）］
Ｗ：幅［ｍｍ］
Ｓ：スパン長［ｍｍ］

本実施例では、１つのアームに対して本発明を適用した例についてのみ説明したが、本発明がアームの数によらず有効であることはもちろんのことであり、アームが単数の場合であっても、多数の場合であっても適用可能であることは言うまでもない。多数の場合であれば、どのベルト６がメンテナンス対象であるのかを個別に通知可能となる。さらに、アイドラ９がないベルト駆動の場合、駆動プーリ７および従動プーリ８の位置を調整することで、テンションを確保することになることは周知のとおりであるが、前記条件のときは、プーリの位置を固定するネジにリング型のロードセル１０を取り付けることで、適用可能であることは言うまでもない。

本実施例のような半導体ウェハ搬送ロボットだけでなく、ベルト駆動によって動力を伝達している自動車のタイミングベルト、各種生産ラインで使用されているベルトコンベヤなどにおいても、測定装置の配置を工夫することによって、適応可能である。また、駆動系がベルトだけでなく、ワイヤやチェーンなど、ひも状部材のテンションによって動力を伝達している駆動システムであれば、同様の効果が得られることはもちろんのことである。

１ ロボット
２ ベース部
３ アーム部
４ エンドエフェクタ

６ ベルト
７ 駆動プーリ
８ 従動プーリ
９ アイドラ
１０ ロードセル
１１ モータ
１２ 減速機
１３ 測定装置

１５ コントローラ
１５１ コマンド処理部
１５２ モータ駆動部
１５３ テンション測定部
１５４ メンテナンス通知部
１５５ 自動設定部
１６ 上位ホスト

Claims (5)

1. ベースに対して回転可能な駆動プーリと従動プーリとの間に掛けられて一定の張力が維持されるベルトと、前記駆動プーリを回転させるサーボモータと、前記サーボモータを制御するコントローラと、前記張力を測定可能なロードセルと、を少なくとも備えたベルト駆動装置において、
   前記コントローラが、
   前記ロードセルの測定結果から前記ベルトの固有振動数を算出する自動設定部を備え、
   前記測定結果が問題の無い張力であったとき、前記サーボモータを駆動するモータ駆動部のノッチフィルタのカットオフ周波数として前記固有振動数を設定することを特徴とするベルト駆動装置。
2. 前記ロードセルの測定結果が、予め定めたある範囲内であったとき、前記コントローラが、前記ベルトのメンテナンスを促すワーニングを発することを特徴とする請求項１記載のベルト駆動装置。
3. 前記ロードセルの測定結果が、予め定めた値以下であったとき、前記コントローラがエラーを発することを特徴とする請求項１記載のベルト駆動装置。
4. 前記ベースにネジによって固定され、前記一定の張力を前記ベルトに与えるアイドラと、前記ロードセルが、リング型であって、前記ネジと前記アイドラとの間に装着されたことを特徴とする請求項１記載のベルト駆動装置。
   
   
   
   
   
   
5. 請求項１記載のベルト駆動装置によって駆動されるアームを備えたことを特徴とするロボット。

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