JP2011101912A - アーム機構およびそれを備えた真空ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】高剛性で耐熱性もある真空環境内に適した真空ロボットのアーム構成を提供すること。
【解決手段】内部に気密な空間を有するアームベース８と、アームベース８内に設置されたアーム駆動用モータ９と、アーム駆動用モータ９によって回転する中空の減速機シャフト３１と、減速機シャフト３１の回転が入力されて所定の比だけ減速し、減速機シャフト３１の周囲で回転する第１減速機出力軸３２と、からなり、アームベース８内に減速機シャフト３１の下端が露出するよう設置された第１減速機１０と、中空の減速機シャフト３１の上端が侵入することでアームベース８の気密な空間と同圧となる気密な空間を有し、かつ第１減速機出力軸３２に固定される第１アーム２と、第１アーム２の先端に設置され、入力軸が減速機シャフト３１と接続された第２減速機１５と、第２減速機１５の出力軸に固定され、内部に気密な空間を有しない第２アームと、第１アーム２と第２アーム５とに追従するリンク機構と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェハやガラスなどの基板を真空中にて搬送するロボットにおいて、特にそのロボットアームの構成に関するものである。

基板を搬送するロボットのアームの構成には、例えば特許文献１などがある。特許文献１には、ロボットのアーム及びハンドを動作させるため、アームの内部にモータ、減速機、タイミングベルトといった伝達機構が配置されている。一方、このようなロボットは、大気圧状態から減圧された真空容器内に設置され、ウェハやガラスなどの基板を搬送するのに用いられることがある。真空容器内に設置されるロボットは真空ロボットと呼ばれている。真空ロボットは、真空容器内の真空環境を壊さないため、大気圧環境と真空環境を隔絶しながら動作することが必要である。また、蒸発によって水分やガスなどを真空環境内に放出してしまうなど、真空内での使用が望ましくない材質のものは、真空ロボットには使用できない。
このような観点から、特許文献１のようなロボットの構成を、そのまま真空容器内に設置することはできない。アームの内部に設置されている汎用的なモータや減速機などには真空環境に適さない様々な材質が使用されているからである。このような課題を解決するため、特許文献１のようなアームの構成において、アームの内部を大気圧に保持することも考えられている。アームの内部を大気圧に維持すれば、汎用的なモータなどを使用しても真空環境に悪い影響を与えることがないからである。

ところで、真空ロボットが使用される製造装置では、半導体はもちろん、液晶、有機ＥＬ、太陽電池パネルなどが製造される。これらの装置では、ウェハやガラスなどの基板のサイズが年々大型化しており、それら基板の搬送距離が長くなってきており、搬送質量も大きくなっている。それらに伴い、真空容器も大型化せざるを得ないが、製造装置の設置面積は小さくしたい、或いは基板の処理の都合から容器内の圧力をより低い状態に保ちたいので真空容器内容積をできる限り少なくしたい、との要望がある。従って真空容器内で動作する基板搬送用の真空ロボットに対しては、真空容器内部に入る部分は少ないこと、基板の搬送距離が大きいがコンパクトであること、重量のあるものを搬送できるような高剛性であること、が要求されている。
さらに、真空ロボットが設置される真空容器内においては、その周囲に基板の処理室が接続されており、処理室での処理は高温になる場合がある。処理室では、エッチング、ＣＶＤといった処理が減圧環境でかつ高温で行なわれており、これらの処理のため、真空ロボットが搬送する基板は高温の状態のまま搬送しなくてはならないことがある。このような場合、真空ロボットが設置される真空容器も、基板からの熱や処理室からの熱を受けて高温になる。基板自体は１００度以上の高温になることがある。従って真空ロボットに対しては、特に処理室に入るアームに、熱に対する対策も要求されている。熱の問題に対する対策としては、アーム自体をリンク構成にすることが方法のひとつである（例えば、特許文献２）。アームをリンク構成にすれば、ベルトなど有機系の部材が減るので、熱の問題を解決しやすい。

特許第３８８１５７９号 特開２００７−１５０２３号公報

ところが、上記で説明したように、特許文献１のようなロボットをそのまま真空容器内に設置すると、例えば、減圧された真空環境内にタイミングベルトが入ることになるので、タイミングベルトから放出される水分やガスによって、要求されていた圧力までの減圧ができない場合や、減圧までに時間がかかるといった課題があった。
また、仮に特許文献１のようなロボットにおいてアームの内部を大気圧状態に維持したとしても、第１アームのほか、第２アーム内部にも減速機、タイミングベルトが配置される必要があるので、アーム部全体の厚みが大きくなり、必要な真空容器の容積も大きくなってしまうという問題がある。また、特に第２アームの高さ方向の厚みが薄くできないという問題が残る。上記で説明した処理室の真空容器と、真空ロボットが設置される真空容器との間には、一般的に面積の小さい開口しか設けられておらず、この開口をハンド（基板が載置されるもの）と第２アームが通過しなくてはならない場合、第２アームの厚みが薄いことが必要である。
また、アーム伸縮動作の際、第１アーム、第２アームの回転をタイミングベルトにより行うために、アームの重量が大きい場合や、重い搬送物を搬送する場合には、タイミングベルトの伝達剛性が低いことでアーム伸縮の途中で理想の直線軌跡から逸脱した横揺れや振動が発生するというような問題もあった。さらに、特許文献１のような構成では、モータが第１アームと高さ方向で干渉するため、アームの伸縮動作領域が制限され、長い伸縮距離を確保できないという問題がある。
また、タイミングベルトが真空環境内に曝されるため、真空容器内の温度が高いと、タイミングベルトが熱の影響を受け、アーム伸縮時の位置決め精度が悪化するなどの問題がある。
また、アーム駆動用のモータが第１アーム内にあるために、高温の基板を搬送した場合など、モータが熱源となる基板の近くにあるため、熱の影響を受けやすいなどの問題があった。
また、特許文献１のようなアーム構成とした場合、第２アーム先端にまで減速機を配置する必要があるため、第２アーム先端の重量が増大し、アームのたわみを抑えるために各アームの関節部の支持剛性を高める必要があることや、真空中では第２アーム内及び、第２アーム先端の減速機までを大気状態にする必要があり、構造的に複雑となる等の問題があった。

特許文献２のようにリンク機構でアームを構成した場合、タイミングベルト、モータ、減速機などは大気圧雰囲気の環境下に配置されるので、これらからの水分やガスなどの放出を避けられる。しかし、上記で説明したように、真空ロボットが設置される真空容器内では、十分な搬送距離を確保しつつも、極力真空内の容積を小さくしたいという要望があるのに対し、特許文献２のようなリンク構成は、第１リンクと第１アームを同じ高さに配置し、ロボットアームの高さも低くするようにしていた。そのため、アーム伸縮動作の際、第１アームと第１リンクが干渉しない範囲で動作させる必要があり、アームの伸縮範囲が制限されることがあった。アームの伸縮範囲を延長したい場合は、各アームの軸間距離や各リンクの軸間距離を長く取る必要があるため、各アーム質量が増加することや、第１アームと第１リンク間の軸間距離を長くすることで、アームベースを必要以上に大きくしなければならない等の問題があった。

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、真空環境内に適した真空ロボットのアーム構成を提供することである。より具体的には、真空環境内で発生する水分やガスを低減すること、アーム伸縮時の横揺れや振動を低減し、高負荷の搬送物を真空内で搬送することができること、アームの高さ方向を低減させながらも、十分なアーム伸縮範囲を確保することが可能であること、熱に対しても問題ないこと、を解決する真空ロボット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、減圧環境内で基板を搬送する真空ロボットにおいて、そのアームが、内部に気密な空間を有するアームベースと、前記アームベースの気密な空間内に設置されたアーム駆動用モータと、前記アーム駆動用モータの回転が入力されて回転する中空の減速機シャフトと、前記減速機シャフトの回転が入力されて所定の比だけ減速し、前記減速機シャフトの周囲で回転する第１減速機出力軸と、からなり、前記アームベースの気密な空間内に前記中空の減速機シャフトの下端が露出するよう設置された第１減速機と、前記中空の減速機シャフトの上端が侵入することで前記アームベースの気密な空間と同圧となる気密な空間を有し、かつ基端部が前記第１減速機出力軸に固定される第１アームと、 前記第１アームの先端に設置され、入力軸が前記減速機シャフトの上端と伝達機構によって接続された第２減速機と、前記第２減速機の出力軸に基端部が固定され、内部に気密な空間を有しない第２アームと、前記アームベース上に基端部が回転可能に支持された第１リンクと、前記第１リンクの先端上に基端部が回転可能に支持された第２リンクと、前記第２リンクの基端部の回転軸上と同軸でその一端が回転可能に支持され、前記第２アームの基端の回転軸上と同軸でその他端が回転可能に支持された第１連結リンクと、前記第２リンクの先端上にその一端が回転可能に支持され、前記第２アームの先端上にその他端が回転可能に支持された第２連結リンクと、前記第２連結リンクに締結されたハンドと、を備えたことを特徴とする真空ロボットとするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の真空ロボットにおいて、前記第１リンクの下面が、前記第１アームの上面よりも上側になるよう前記第１リンクが前記アームベース上に支持されたことを特徴とする真空ロボットとするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の真空ロボットにおいて、前記アームベースにおいて前記アーム駆動用モータが収容されている箇所の上面に前記第１リンクが支持され、前記第１減速機は前記アーム駆動用モータが収容されている箇所の上面よりも低い面に設置されることで、前記第１リンクの下面が前記第１アームの上面よりも上側になるよう構成されたことを特徴とする真空ロボットとするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載の真空ロボットにおいて、前記第１リンクの高さ方向の厚みが、前記第１アームの厚みよりも大きくなるよう構成されたことを特徴とする真空ロボットとするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項２記載の真空ロボットにおいて、前記第２アームと前記第２リンクの高さ方向の厚みがほぼ同程度に形成され、かつ前記第２アームと前記第２リンクとの高さが同じになるよう、それぞれが前記第１アームと前記第１リンクに連結されたことを特徴とする真空ロボットとするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１記載の真空ロボットにおいて、前記ハンドから配設されてくるケーブルが、前記第２連結リンクの一端から前記第２アームの裏面に配設され、前記第２アームの基端に設けられた穴から前記第１連結リンクに配設され、前記第１リンクの先端から前記第１リンクの裏面に配設され、前記第１リンクの基端の回転中心を通って、前記アームベース上に設けられた電流導入端子に接続されたことを特徴とする真空ロボットとするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１記載の真空ロボットにおいて、前記アームベースの気密な空間に連通するシャフトと、前記シャフトを旋回させる旋回機構と、前記シャフトを上下させる上下機構と、前記シャフトと前記旋回機構と前記上下機構とを収容するボディと、をさらに備えたことを特徴とする真空ロボットとするものである。
請求項８に記載の発明は、減圧環境内で基板を搬送するためのロボットのアーム機構において、内部に気密な空間を有するアームベースと、前記アームベースの気密な空間内に設置されたアーム駆動用モータと、前記アーム駆動用モータの回転が入力されて回転する中空の減速機シャフトと、前記減速機シャフトの回転が入力されて所定の比だけ減速し、前記減速機シャフトの周囲で回転する第１減速機出力軸と、からなり、前記アームベースの気密な空間内に前記中空の減速機シャフトの下端が露出するよう設置された第１減速機と、前記中空の減速機シャフトの上端が侵入することで前記アームベースの気密な空間と同圧となる気密な空間を有し、かつ基端部が前記第１減速機出力軸に固定される第１アームと、 前記第１アームの先端に設置され、入力軸が前記減速機シャフトの上端と伝達機構によって接続された第２減速機と、前記第２減速機の出力軸に基端部が固定され、内部に気密な空間を有しない第２アームと、前記アームベース上に基端部が回転可能に支持された第１リンクと、前記第１リンクの先端上に基端部が回転可能に支持された第２リンクと、前記第２リンクの基端部の回転軸上と同軸でその一端が回転可能に支持され、前記第２アームの基端の回転軸上と同軸でその他端が回転可能に支持された第１連結リンクと、前記第２リンクの先端上にその一端が回転可能に支持され、前記第２アームの先端上にその他端が回転可能に支持された第２連結リンクと、前記第２連結リンクに締結されたハンドと、を備えたことを特徴とするロボットのアーム機構とするものである。

本発明によると、真空環境内にモータや減速機を配置せずに済むため、真空内の発ガス量を抑制することができる。
また、第１アーム、及び第２アームを直接減速機によって駆動させるため、各アームをタイミングベルトによって駆動させる場合よりも伝達剛性を向上でき、伸縮時の直線軌跡を良好に保ちつつ搬送物を搬送することが可能となる。
更に、第１アームより下部にあるアームベース内の大気圧空間内にアーム駆動用モータを配置することで、高温の基板を搬送する場合であっても、基板から離れた位置にモータを配置することができ、モータが外部からの熱の影響を受けにくくすることができる。
また、ハンドの動作を直進させる機構を平行リンク機構とすることで、アーム伸縮時の伝達剛性を高くすることができ、直線軌跡を良好に保つことが可能となる。更に、平行リンク機構を単にハンドの動作方向を規制させるものとしてだけ作用させるのではなく、第１及び第２アームと同等以上の厚みを持たせるので、アーム全体の剛性を上げることができる。また、搬送質量に対してアームとリンクの多点支持ができるため、より高負荷の搬送物を支持することが可能となる。
更に、第１アームより下部にあるアームベース内にモータを配置することで、第１アーム内にモータを必要とせず、第１アームの高さ方向寸法を低く抑えることができる。これによって第１アームと第１リンクの合計高さを抑えながら、これらを異なる高さに配置することが可能となり、第１アームと第１リンクの干渉を高さ方向で避けることができるため、第１アームの回転軸と第１リンクの回転軸の軸間距離を大きく離さなくても、アームの伸長距離を長く取ることが可能となる。
また、ハンド上に基板の有り無しを判別するセンサなどのケーブルをアーム側ではなくリンク機構側に配線するので、高速で回転する減速機内を通すことなく、安全に配線することができるようになる。

本発明の第１実施形態を示す真空ロボットのアームの側断面図 図１の上面図 図１の外観側面図 第１実施形態の第１アームと第１リンクとの段差による効果を説明する図

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、本発明の一実施形態を示すものであって、真空ロボットの主にアーム部を示す側断面図である。また、図２は、図１の上面図である。また、図３は、図１の外観上の側面図である。図２のように、本実施形態では２本のアームを備えた、所謂、双腕の真空ロボットとした形態を示しているが、以下説明するように、アームが１本の真空ロボットであっても問題はない。なお、２本のアームのそれぞれは同様な構成であるため、以下、図１及び図２をもとにいずれか一方のアームの構成についてのみ説明する。
アームは、概ね、後述するアームベース８の上で回転可能な第１アーム２と、第１アーム２の先端部上で回転可能な第２アーム５と、アームベース８の上で回転可能であって、その先端が第１連結リンク４によって第１アーム２の先端と回転可能に連結された第１リンク３と、基端が第１リンク３の先端に回転可能に連結され、その先端が第２連結リンク７によって第２アーム５の先端と回転可能に連結された第２リンク６と、第２連結リンク７に固定され、基板を載置するハンド（図示せず）と、から構成されている。以下、各部の詳細構成について説明する。

真空ロボットのボディ２７の一部は真空容器底面２８に固定されている。ボディ２７の一部と真空容器底面２８との接触部にはＯリングなどのシール材が設けてあり、これで真空容器内の真空環境を維持する。ボディ２７の上面ではアームベース８がボディ２７に対して旋回するように設置されている。アームベース８より上の部分は真空容器内に入る。ボディ２７の内部については図示しないが、この内部にアームベース８を上下に移動させる上下機構と、アームベース８を旋回させる旋回機構とが設置されている。アームベース８の中央下部には中空状のシャフト２９が設けられていて、このシャフト２９を旋回機構が回転させることによってアームベース８より上の部分を旋回させる。また、このシャフト２９を上下機構が上下させることによってアームベース８より上の部分を上下させる。シャフト２９の周囲を包むようにベローズ３０が配されている。ベローズ３０の上端はボディ２７の上面のフランジに気密に接続されている。シャフト２９の下部付近の周囲には図示しない磁性流体シールなどが装着されていて、磁性流体シールを保持する部材にベローズ３０の下端が気密に接続されている。従って、ベローズ３０とシャフト２９と図示しない磁性流体シールとで囲まれた空間は真空容器の雰囲気に曝される。

アームベース８は、その内部に気密性の空間を有している。アームベース８の内部空間と中空状のシャフト２９の内部空間は連通している。アームベース８の内部空間からシャフト２９の内部空間へと、後述するケーブルが挿入される。中空状のシャフト２９の下端は図示しないボディ２７の内部空間と連通しており、本実施形態の場合、ボディ２７は大気圧環境に曝される。よってシャフト２９の内部空間およびアームベース８の気密な内部空間も大気圧環境に曝される。アームベース８の内部空間にアーム駆動用モータ９が収容されている。アーム駆動用モータ９は、その出力軸が鉛直下向きになるようアームベース８内で固定されている。アーム駆動用モータ９の出力軸にはプーリ１１が固定されている。
一方、アームベース８には、アーム駆動用モータ９とほぼ同じ高さで第１減速機１０が固定されている。第１減速機１０のケーシングの外周部は、真空シール２１を介してアームベース８に対して固定される。第１減速機１０は、減速機の上下に貫通する中空状の減速機シャフト３１を備えている。減速機シャフト３１の下端にはプーリ１２が固定されている。減速機シャフト３１の上端にはプーリ１７が固定されている。上述したプーリ１１とプーリ１２にはこれらに高速側タイミングベルト１３が巻装されている。ここで高速側タイミングベルト１３と呼ぶのは、プーリ１１、プーリ１２、高速側タイミングベルト１３の回転が、アーム駆動用モータ９の回転を伝達して第１減速機１０に入力されて減速されていない速さであって、後述する第１減速機１０の減速機出力軸３２の回転よりも高速な回転であるからである。
また、第１減速機１０は減速機シャフト３１の外側に減速機出力軸３２を有している。減速機出力軸３２は、アーム駆動用モータ９の出力軸の回転動作によって減速機シャフト３１が回転するとき、減速機シャフト３１の回転が所定の比率で減速されながら回転する。つまり、減速機シャフト３１はプーリ１１とプーリ１２との比だけ減速された速さで回転し、減速機出力軸３２は減速機シャフト３１の回転がさらに所定の比率で減速された速さで回転する。従って減速機出力軸３２は減速機シャフト３１よりも比較的低速で回転する。減速機出力軸３２は、第１減速機１０のケーシングの内周面に対して回転可能な真空シール１４を介して回転する。以上の構成から、第１減速機１０の内部は、減速機シャフト３１の中空形状によってアームベース８の内部空間と連通していて大気状態に維持される。

第１アーム２は内部に気密な空間を有するように形成されている。第１アーム２の基端の下面に穴部が形成されていて、上述した減速機シャフト３１の上端部がこの穴部から第１アーム２の内部空間へと挿入されている。また、第１アーム２の基端穴部の周辺の下面が減速機出力軸３２と直接締結されている。これらの締結部分には真空シール２２が配されていて、気密性を保持している。上述したように減速機シャフト３１の上端にはプーリ１７が固定されている。
一方、第１アーム２の先端側の上面には、第２減速機１５が固定されている。この固定面には真空シール２３が装着されていて、第１アーム２および第２減速機１５の内部の気密性を保持している。第２減速機１５は第１アーム２の先端側の上面から突出するように固定されていて、第２減速機の下面に露出している入力軸に固定されているプーリ１８が上述したプーリ１７とほぼ同じ高さになるように配置されている。プーリ１８にはプーリ１７に巻装されている高速側タイミングベルト１９が巻装されている。第２減速機１５は、アーム駆動用モータ９がある方向に回転したとき、第１減速機１０の減速機出力軸３２と第２減速機１５の出力軸が互いに逆方向に回転するようにしておく。第２減速機１５の出力軸と第２減速機１５のケーシングとの間には、回転可能な真空シール１６が装着されていて、第２減速機１５の出力軸が回転しても第２減速機１５の内部の気密性を維持する。

第２減速機１５の出力軸には、第２アーム５の基端側下面が直接締結されている。この部分にも真空シール２４が装着されているので、第２減速機１５の内部の気密性は保持される。第２アーム５は、第１アーム２のように内部に気密性のある空間を有しない。第２アーム５には適所に軽量化のための凹部が形成されているのみであり、第２アーム５の厚みは搬送する基板の重量に応じて必要十分な厚みを有するだけでよい。
第２アーム５の先端部上には、回転可能なシャフトが配置されている。そのシャフトの上端に第２連結リンク７の一端が固定されている。第２連結リンク７には図示しないハンドが固定される。ハンドには搬送対象である基板が載置される。

以上のように本実施形態では、アーム駆動用のモータ９をアームベース８内に配置しているので、第１アーム２の内部にはアーム駆動用のモータが配置されておらず、第１アーム２は高さ方向の厚みを低くすることができる。つまり、第１アーム２の内部空間は、プーリ１７、高速側タイミングベルト１９、プーリ１８、そして必要に応じてベルトのテンショナ機構が配置されるのみであり、従来のようにアームの途中やその内部空間にモータなど動力源を配置する構成に比べて、第１アーム２の厚みを薄く形成できる。
また、第２アーム５は内部に機構を有しない単純な構造であり、強度上、必要十分な厚みを必要とするだけであるので、従来のようにアームの内部に機構を有する構成に比べて第２アーム５の厚みも薄く形成できる。

次に、上記のハンドを常に一定の方向に向けるよう規制するリンク機構について説明する。図２が示す上面図に記載されているように、アームベース８が旋回機構によって旋回し、図の左右方向が第２連結リンク７すなわちハンドを進退させたい方向だとする。この方向をアームの伸縮方向あるいは進退方向と呼び、図で右に向かう方向をアームの伸長方向（進方向）、左に向かう方向をアームの縮小方向（退方向）と呼ぶ。
アームベース８には第１リンク３の基端側がアームベース８に対して回転可能に連結されている。第１リンク３の基端側の回転中心は、第１アーム２の基端側の回転中心をアームの退方向にシフトした位置に配置される。第１リンク３は、その内部に第１アーム２のような気密空間を有しない。つまり第２アーム５と同様な形態である。第１リンク３の先端側上面には、第２リンク６の基端側が回転可能に連結されている。さらに、この連結部分の上側にこれと同軸上で第１連結リンク４の一端が回転可能に連結されている。第１連結リンク４の他端は、上述した第１アーム２先端上での第２アーム５の基端側が連結されている部分の、さらに上側でこれと同軸上に回転可能に連結される。第２リンク６の先端側は、上述した第２連結リンク７の他端に回転可能に連結される。第２リンク６も、その内部に第１アーム２のような気密空間を有しない。なお、第１および第２連結リンクは板状の部材である。

以上のアーム構成において、さらに各部の長さ等について補足する。
まず、第１アーム２と第１リンク３について、第１アーム２と第１リンク３はそれぞれの基端部の回転軸から先端部の回転軸までの軸間距離が同じ長さになるように設定する。また、第１アーム２の基端部と第１リンク３の基端部の回転軸間距離と、第１連結リンク４の両端の軸間距離が同じ長さになるように設定する。これによって、第１アーム２の基端部の回転軸と第１リンク３の基端部の回転軸と第１アーム２の先端部の回転軸と第１リンク３の先端部の回転軸と、を結んだ線は平行四辺形をなす。
更に、第２アーム５と第２リンク６は、それぞれの基端部の回転軸から先端部の回転軸までの軸間距離が、第１アーム２の基端部の回転軸から先端部の回転軸までの軸間距離と同じ長さになるように設定する。また、第１連結リンク４の両端の回転軸間距離と第２連結リンク７の両端の回転軸間距離が同じになるように第２連結リンク７を設定する。これによって、第２アーム５の基端部の回転軸と第２リンク６の基端部の回転軸と第２アーム６の先端部の回転軸と第２リンク６の先端部の回転軸と、を結んだ線は平行四辺形をなす。
更に、第１減速機１０と第２減速機１５の出力軸の回転数は、第１減速機１０の回転数に対して第２減速機１５の回転数が２倍となるように、各減速機の減速比とプーリ１７及びプーリ１８の歯数を決定する。

本実施形態では、第１リンク３の下面は、第１アームの上面よりも高くなるようにアームベース８に支持される。アームベース８の内部に収容されているアーム駆動用モータ９は一定量の高さを有しており、これがアームベース８の高さ方向の厚みをほぼ決定する。よってアーム駆動用モータ９が収容されている部分の上面にあたる位置に、第１リンク３の基端部が支持されるように配置される。一方、アームベース８の上面では、第１リンク３が支持される面よりも低い段差の面が形成されており、この低い面上に上述した第１減速機１０が固定されている。この構成により、第１アーム２は第１リンク３よりも低い位置に配置されるようになっている。
従って、図２内の下側のアーム（伸長しているアーム）のように、第１アーム２の先端側がアームの伸方向へ回転したとき、第１連結リンク４の作用によって第１リンク３は第１アーム２と同じ回転量だけ回転し、このとき第１リンク３は第１アーム２に重なるようにして回転する。一方、図２の上側のアーム（縮小しているアーム）のように、第１アーム２の先端側がアームの縮小方向（退方向）へ回転したとき、第１アーム２は、上述したアームベース８上面の段差（アーム駆動用モータ９が収納されているために発生している段差）と干渉することになるため、第１アーム２は進方向と退方向で同等量回転できない。つまり、退位置にあるほうが若干量だけ少ない回転量になる。つまり、このことにより、本実施形態のアームは、退位置でのアームの引き量を犠牲にすることで、基板をより遠くまで搬送できるよう構成されている。しかし、このように構成されているために、アームベース８の内部空間を小さくできるので、この内部空間から真空環境へのリークの可能性を低減でき、真空容器の必要な容積も低減できている。
また、上述したように、第１アーム２の内部空間にはプーリ１７、高速側タイミングベルト１９、プーリ１８、そして必要に応じてテンショナ機構が配置されるのみであり、本実施形態の第１アーム２は厚みを薄く形成できる。このことは、真空容器内に存在する大気圧の空間が小さくなることであり、大気圧の空間から真空容器内の真空雰囲気に気体がリークする可能性を低減できる効果がある。しかし、第１アーム２の厚みを薄くすれば、アーム全体の剛性が低下してしまう。そこで本実施形態では、第１アーム２の厚みよりも第１リンク３の厚みを厚くするよう構成している。そうすることで、第１アーム２からのリークの可能性を低減しつつ、アームの剛性を高めていて、重量が重い基板を搬送する際にもアームが垂れるといった問題を少なくすることができる。

第２アーム５と第２リンク６について説明する。これらの高さ方向の厚みについて、本実施形態では第２アーム５の厚みと第２リンク６の厚みをほぼ同じに構成している。また、これらが同じ高さに位置するよう、それぞれが第１アーム２の先端と第１リンク３の先端とに連結されている。この構成により、狭い開口を第２アーム５および第２リンク６が通過しなくてはならない場合であっても、問題なく通過できるように構成されている。また、上述したように、第２アーム５と第２リンク６は、その内部にプーリなど伝達機構やモータなどを内包するものではないので、剛性が確保できる限り、それぞれ薄く形成できることからも、狭い間口を通過させやすくなる。また、このことは、真空容器の容積を低減させることにも作用する。

さらに本実施形態における、ケーブルの処理について説明する。ハンド付近には、ハンド上の基板の有無を検知するセンサ、ハンド上の基板の載置位置（ずれ）を検知するセンサ、ハンドの先端などに設置されて基板が収納されるカセットでの基板の有無を検知するセンサ、などが必要に応じて設置されることがある。これらセンサの信号線や電源線（以下まとめてケーブルと称する）について、本実施形態では、図１のようにケーブル３３が配線される。つまり、図示しないハンドから配設されてきたケーブル３３は、第２連結リンク７の一端と第２アーム５の先端部とが連結されている回転軸の中空に形成されている穴を通り、第２アーム５の裏側を這うように配設される。第２アーム５の基端側には、第２アーム５の上側に位置する第１連結リンク４の連結軸に中空穴が形成されていて第１連結リンク４に到達している。第２アーム５の基端部に到達したケーブル３３は、ここをとおって第１連結リンク４へと配設される。第１連結リンク４の内部には、ケーブル３３が通過可能な通路が形成されている。この通路は真空容器内の真空雰囲気にさらされている。この通路を通って第１連結リンク４の他端側に到達したケーブル３３は、第２リンク６の基端側と第１リンク３の先端側とが連結されている回転軸中心に形成された中空穴を通り、第１リンク３の裏側へと配設される。第１リンク３の裏側を這ってその基端側へと配設されたケーブル３３は、第１リンク３の基端側付近に形成された穴部を通って、第１リンク３の上側へと配設される。その後、ケーブル３３は第１リンク３の基端部の回転軸中心を通ってアームベース８まで下ろされる。さらにケーブル３３は、アームベース８上に設けられた電流導入端子に各線ごとに接続される。電流導入端子は真空容器内の真空雰囲気とアームベース８内の気密な空間内の雰囲気との間にあってこれらを隔絶しながら、各ケーブルを各雰囲気間で接続するものである。その後、ケーブル３３はシャフト２９の中空穴へと挿入されて、図示しない箇所へと適宜接続される。
本実施形態では以上のようにケーブルが配設されているので、アームやリンクの動作をケーブルが妨げることがない。また、ケーブルは真空環境内にさらされることになるが、第１アーム２の内部を通っていないので、第１アーム２の内部のプーリやベルトと接触するおそれが無い。

次に、以上で構成された本実施形態のアームの動作について説明する。
アーム駆動用モータ９の出力軸が回転すると、プーリ１１、高速側タイミングベルト１３、プーリ１２を介して、第１減速機１０の減速機シャフト３１が回転する。減速機シャフト３１が回転するとこの回転が第１減速機１０で減速され、減速機出力軸３２も回転し、第１アーム２が回転する。さらにこのとき同時に、減速機シャフト３１上端のプーリ１７の回転が、高速側タイミングベルト１９、プーリ１８を介して、第２減速機１５の入力軸も回転させる。プーリ１７とプーリ１８は高速側タイミングベルト１９によってつながっているため同じ方向に回転し、第１減速機１０の減速機出力軸３２と第２減速機１５の出力軸は、互いに逆方向に１：２の速比で回転することとなる。つまり、第１アーム２が一定量回転したとき、第２アーム５は第１アーム２の回転方向とは逆方向にその回転量の２倍回転する。
一方、第１アーム２の基端部と第１リンク３の基端部と第１アーム２の先端部と第１リンク３の先端部の各回転軸を結んだ線は平行四辺形であるため、第１アーム２と第１リンク３は平行を保ったまま同時に回転し、第１連結リンク４は第１アーム２の基端部回転中心と第１リンク３の基端部回転中心を結んだ線（つまり進退方向）と平行を維持しながら移動を行うことになる。
同様に、第２アーム５の基端部と第２リンク６の基端部と第２アーム５の先端部と第２リンク６の先端部の各回転軸を結んだ線は平行四辺形であるため、第２アーム５が回転すると、第２アーム５と第２リンク６は平行を保ったまま回転運動をするとともに、第２リンク５の基端部と第２リンク６の基端部の回転軸中心間を結んだ線、つまり第１連結リンク４の両端各回転軸を結んだ線と、第２リンク５の先端部と第２リンク６の先端部の回転軸中心間を結んだ線、つまり第２連結リンク７の両端各回転軸を結んだ線とは、平行を維持したまま移動を行うこととなる。
更に、第１アーム２と第２アーム５はそれぞれの基端部から先端部の各回転軸間距離が同じ長さで、基端部を中心とした回転速度が１：２のため、第２連結リンク７の両端各回転軸を結んだ直線は、第１アーム２の基端部回転中心と第１リンク３の基端部回転中心を結んだ直線上を移動することになる。
第２連結リンク７上に図示しないハンドを固定すれば、ハンドは上述の平行リンク機構の作用によって、アームの回転動作（伸縮動作）に伴い、図２のような直線運動を行なうので、ハンド上に載置した基板が搬送可能となる。

以上のように本実施形態では、旋回ベース８内、第１アーム２内及び第２減速機１５までを、回転可能な真空シールとＯリング等によって気密性を有するよう構成し、それらの内部を大気圧状態とすることで、真空容器内の真空環境にタイミングベルト、減速機、モータ等を曝すことがない。これにより、真空環境に適したアーム構成とすることができる。
また、旋回ベース８内部のアーム駆動用モータ９の回転を、同じく旋回ベース８内に配置された第１減速機１０に入力する際、その回転を第１減速機１０の中心を通ってそのまま第１アーム２内部に取り出す減速機シャフト３１と、減速機シャフト３１の回転を入力して減速させ、減速した回転を取り出す減速機出力軸３２を第１アーム２の基端側と連結し、さらに減速機シャフト３１の回転を伝達する伝達機構のみを第１アーム２内に配置し、この回転を第１アーム２の先端に設けた第２減速機１５に入力して第２アーム５を回転させるように構成したので、第１アーム２の内部に伝達機構のみが入るだけとなり、第２アーム５の内部には精密な機構が入らない。このことは、上述した第１アーム２の内部空間からのリーク量の低減のほか、ハンド上の基板が高温であり、これから伝達する熱があっても、第２アームが熱の影響を受けることが少なく、従って高精度な基板の搬送状態を維持できる。また、各減速機の出力軸を直接アームの基端に固定することで、減速機出力軸側にタイミングベルトを設ける機構よりも伝達剛性を高くすることが可能となっている。
また、第１アーム内ではなく、アームベース内にアーム駆動用モータを配置し、そのモータの収容によって生じる段差の低い面に第１減速機を配し、その出力軸に第１アームを支持することで、第１アームの高さを第１リンクよりも低くし、第１アームと第１リンクの重なりを可能にすることで、アームを伸ばしたときの第１アームと第１リンクの干渉を避けることが可能となり、アームの伸長距離を長くすることができる。さらに、第２アームと第２リンクはほぼ同じ厚みに形成した上で同じ高さに設けることで、アーム全体の高さを抑えることができる。
なお、図４は、本実施形態の第１アームと第１リンクとの段差による効果を説明する上面図であって、上側のアームは第１アームと第１リンクに段差が無い場合のアームの伸長状態、下側のアームは本実施形態のように第１アームと第１リンクに段差がある場合のアームの伸長状態を示している。本実施形態におけるアームは、図中αだけ伸長距離が長い。
また、アームベース内にアーム駆動用モータを配置しているので、高温の基板を搬送する場合でも、熱源である基板からモータまでの距離が離れることになり、熱源の影響を受けにくくすることが可能である。
また、第２連結リンク７およびハンドが直進するよう規制するリンク機構については、上述のような平行リンク機構とすることにより、リンク内にケーブルを通すことが可能である。つまり、各アームの減速機の内部にケーブルを通さずに、また伝達機構が存在する空間に配設されることがなく、断線や接触などの危険性を低減できる。

１ 真空ロボット
２ 第１アーム
３ 第１リンク
４ 第１連結リンク
５ 第２アーム
６ 第２リンク
７ 第２連結リンク
８ アームベース
９ アーム駆動用モータ
１０ 第１減速機
１１ プーリ
１２ プーリ
１３ 高速側タイミングベルト
１４ 回転可能な真空シール
１５ 第２減速機
１６ 回転可能な真空シール
１７ プーリ
１８ プーリ
１９ 高速側タイミングベルト

２１ 真空シール（Ｏリング）
２２ 真空シール（Ｏリング）
２３ 真空シール（Ｏリング）
２４ 真空シール（Ｏリング）

２７ ボディ
２８ 真空容器底面
２９ シャフト
３０ ベローズ
３１ 減速機シャフト
３２ 減速機出力軸
３３ ケーブル
３４ 電流導入端子

Claims (8)

1. 減圧環境内で基板を搬送する真空ロボットにおいて、
   そのアームが、
   内部に気密な空間を有するアームベースと、
   前記アームベースの気密な空間内に設置されたアーム駆動用モータと、
   前記アーム駆動用モータの回転が入力されて回転する中空の減速機シャフトと、前記減速機シャフトの回転が入力されて所定の比だけ減速し、前記減速機シャフトの周囲で回転する第１減速機出力軸と、からなり、前記アームベースの気密な空間内に前記中空の減速機シャフトの下端が露出するよう設置された第１減速機と、
   前記中空の減速機シャフトの上端が侵入することで前記アームベースの気密な空間と同圧となる気密な空間を有し、かつ基端部が前記第１減速機出力軸に固定される第１アームと、
   前記第１アームの先端に設置され、入力軸が前記減速機シャフトの上端と伝達機構によって接続された第２減速機と、
   前記第２減速機の出力軸に基端部が固定され、内部に気密な空間を有しない第２アームと、
   前記アームベース上に基端部が回転可能に支持された第１リンクと、
   前記第１リンクの先端上に基端部が回転可能に支持された第２リンクと、
   前記第２リンクの基端部の回転軸上と同軸でその一端が回転可能に支持され、前記第２アームの基端の回転軸上と同軸でその他端が回転可能に支持された第１連結リンクと、
   前記第２リンクの先端上にその一端が回転可能に支持され、前記第２アームの先端上にその他端が回転可能に支持された第２連結リンクと、
   前記第２連結リンクに締結されたハンドと、
   を備えたことを特徴とする真空ロボット。
2. 請求項１記載の真空ロボットにおいて、
   前記第１リンクの下面が、前記第１アームの上面よりも上側になるよう前記第１リンクが前記アームベース上に支持されたことを特徴とする真空ロボット。
3. 請求項２記載の真空ロボットにおいて、
   前記アームベースにおいて前記アーム駆動用モータが収容されている箇所の上面に前記第１リンクが支持され、前記第１減速機は前記アーム駆動用モータが収容されている箇所の上面よりも低い面に設置されることで、前記第１リンクの下面が前記第１アームの上面よりも上側になるよう構成されたことを特徴とする真空ロボット。
4. 請求項１記載の真空ロボットにおいて、
   前記第１リンクの高さ方向の厚みが、前記第１アームの厚みよりも大きくなるよう構成されたことを特徴とする真空ロボット。
5. 請求項２記載の真空ロボットにおいて、
   前記第２アームと前記第２リンクの高さ方向の厚みがほぼ同程度に形成され、かつ前記第２アームと前記第２リンクとの高さが同じになるよう、それぞれが前記第１アームと前記第１リンクに連結されたことを特徴とする真空ロボット。
6. 請求項１記載の真空ロボットにおいて、
   前記ハンドから配設されてくるケーブルが、前記第２連結リンクの一端から前記第２アームの裏面に配設され、前記第２アームの基端に設けられた穴から前記第１連結リンクに配設され、前記第１リンクの先端から前記第１リンクの裏面に配設され、前記第１リンクの基端の回転中心を通って、前記アームベース上に設けられた電流導入端子に接続されたことを特徴とする真空ロボット。
7. 請求項１記載の真空ロボットにおいて、
   前記アームベースの気密な空間に連通するシャフトと、
   前記シャフトを旋回させる旋回機構と、
   前記シャフトを上下させる上下機構と、
   前記シャフトと前記旋回機構と前記上下機構とを収容するボディと、をさらに備えたことを特徴とする真空ロボット。
8. 減圧環境内で基板を搬送するためのロボットのアーム機構において、
   内部に気密な空間を有するアームベースと、
   前記アームベースの気密な空間内に設置されたアーム駆動用モータと、
   前記アーム駆動用モータの回転が入力されて回転する中空の減速機シャフトと、前記減速機シャフトの回転が入力されて所定の比だけ減速し、前記減速機シャフトの周囲で回転する第１減速機出力軸と、からなり、前記アームベースの気密な空間内に前記中空の減速機シャフトの下端が露出するよう設置された第１減速機と、
   前記中空の減速機シャフトの上端が侵入することで前記アームベースの気密な空間と同圧となる気密な空間を有し、かつ基端部が前記第１減速機出力軸に固定される第１アームと、
   前記第１アームの先端に設置され、入力軸が前記減速機シャフトの上端と伝達機構によって接続された第２減速機と、
   前記第２減速機の出力軸に基端部が固定され、内部に気密な空間を有しない第２アームと、
   前記アームベース上に基端部が回転可能に支持された第１リンクと、
   前記第１リンクの先端上に基端部が回転可能に支持された第２リンクと、
   前記第２リンクの基端部の回転軸上と同軸でその一端が回転可能に支持され、前記第２アームの基端の回転軸上と同軸でその他端が回転可能に支持された第１連結リンクと、
   前記第２リンクの先端上にその一端が回転可能に支持され、前記第２アームの先端上にその他端が回転可能に支持された第２連結リンクと、
   前記第２連結リンクに締結されたハンドと、
   を備えたことを特徴とするロボットのアーム機構。

Images