JP3136445B2 - 真空チャンバ用産業ロボット装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、真空チャンバ内に設
置されて作業を行う産業用ロボットを備えた真空チャン
バ用産業ロボット装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、装置全体を真空チャンバ内に設
置した状態で作業を行う自動装置は、例えば、実開昭６
２−１５８７５７号公報や、実開平１−１５３６３８号
公報等に開示されて公知である。この種の自動装置は、
扱い得るワーク重量に限度があり、動作範囲が狭いな
ど、適用対象が軽作業に限られ、単純作業しか行えな
い。一方、例えば磁気ディスクの製造過程において、真
空チャンバ内におけるワークの取扱いや処理を、より自
由に、大重量のワークでも、能率よく、高い作業精度の
下に行えるようにすることが要請されつつあり、こうし
た要請に応えるために、産業用ロボットの導入が検討さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、真空チャンバ
内に産業用ロボットを設置することが考えられるが、そ
の場合には、内部に組み込まれたモータ等から発生する
熱の除去や、潤滑剤の蒸発などが問題となる。真空環境
下では、主として輻射作用によって放熱が行われるた
め、発生した熱を十分に除去できなくなることに加え、
通常の潤滑用オイルやグリースはすぐに蒸発、消散して
しまうからである。因みに放熱が不十分であると、コイ
ルの焼損や局所的な温度上昇による作動不良等の重大な
故障を生じやすい。

【０００４】また一方、上記の問題点を解消するため
に、産業用ロボットの内部に空気などの冷却気体を導入
し、通常環境と同じように発熱体に冷却気体を接触さ
せ、その伝導作用及び対流作用によって放熱することが
考えられる。こうした場合、産業用ロボットの各軸系ご
とに気密用のシールを設け、冷却気体が真空チャンバ内
へ流出するのを防ぐことになる。技術的には、上記気密
シールとして耐圧度の高い真空シールを用いるのが簡潔
である。

【０００５】しかし、真空シールは常圧下で用いられる
気密シールに比べて摩擦抵抗が大きく、シール構造自体
も複雑であるためロボット自体が大形化する。常圧下で
用いられる気密シールをそのまま適用できればよいが、
耐圧度が低いため容易にシール破壊を生じる。

【０００６】この発明は、斯かる点に鑑みてなされたも
ので、産業用ロボットの内外の圧力差を所定状態に制御
することにより、耐圧性が低い小形低摩擦の気密シール
の適用を可能とし、真空チャンバ内で作業を行う産業用
ロボットの小形化を実現することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明が講じた手段は、真空チャンバ内に設置さ
れて作業を行う産業用ロボットは複数の軸系を有し、該
各軸系が回転軸を介して接続された多関節ロボットから
なること、上記各軸系は互いに通気自在に連通され、各
回転軸に装着した常圧用の気密シールで封止されている
こと、上記産業用ロボットには、冷却気体を供給する送
気装置が接続されると共に、冷却気体を排気するロボッ
ト用真空装置が制御バルブを介して接続され、上記真空
チャンバには、該真空チャンバ内の気体を排気するチャ
ンバ用真空装置が制御バルブを介して接続されているこ
と、上記産業用ロボットの内部圧力と、上記真空チャン
バ内の圧力との差圧を予め設定された所定差圧に保持す
るように少なくとも上記ロボット用真空装置側の制御バ
ルブの開度を制御するバルブ制御手段が設けられている
こと、上記産業用ロボットの内部空間と真空チャンバ内
との連通及び遮断を行う開閉弁が設けられていることを
要件とする。

【０００８】上記所定差圧は、例えば、０．１〜０．２
atm の範囲に設定する。これは以下の理由による。ま
ず、下限値の０．１atm については、これ以下の圧力状
態では冷却気体による放熱作用が不十分となり、発熱部
品が過熱状態に陥るからである。一方、上限値について
は、適用する気密シールの耐圧性能で決まる。例えば、
０．２atm の耐圧で設計された気密シールを用いる場
合、差圧が０．２atm を越えるとシール破壊を生じ、且
つ産業用ロボット自体が破損するるおそれがあり、軸部
の封止が困難となるからである。

【０００９】ここで、低耐圧用の気密シールとは、常圧
下で軸封に用いられる通常形態の気密シールを意味し、
オイルシールや磁性流体シール等を含むこととする。

【００１０】差圧を所定状態に維持するについては、産
業用ロボットの内部圧力と、真空チャンバ内の圧力とか
ら、バルブ制御手段によって制御バルブの開度を制御
し、各空間の気体の排気速度を制御して実現している。

【００１１】

【作用】上記の構成により、本発明では、作動状態にお
いて、産業用ロボットの内部へは、送気装置によって空
気やヘリウムなどの冷却気体が送給されており、この冷
却気体によって発熱部品で生じた熱を奪っている。熱交
換を終えた冷却気体はロボット用真空装置によって回収
される。このとき、開閉弁によって産業用ロボットの内
部空間と真空チャンバ内とは遮断され、産業用ロボット
内外の差圧は、例えば、０．１〜０．２atm に維持され
るので、低耐圧用の気密シールを用いているにも拘らず
各回転軸の封止を、高耐圧用の気密シールと同様に確実
に行うことができる。このように、低耐圧用の気密シー
ルを用いるシール形態では、高耐圧用の気密シールに比
べて回転軸の摩擦抵抗を小さくでき、しかもシール構造
を小形化できる。産業用ロボットを、各軸系が回転軸を
介して接続された多関節ロボットで構成することも、各
軸系の接続部におけるシール構造を簡素化することに役
立っている。封止対象のすべてが回転軸となるので、オ
イルシールや磁性流体シール等の小形の気密シールで軸
封を行えるからである。

【００１２】また、上記産業用ロボットの内部と真空チ
ャンバの内部の排気を行う場合は、開閉弁によって産業
用ロボット内と真空チャンバ内とが連通している。

【００１３】

【発明の効果】従って、本発明によれば、産業用ロボッ
トを各軸系が回転軸を介して接続された多関節ロボット
として構成し、その内部に冷却気体を導入してモータな
どの発熱部品の冷却を行うについて、産業用ロボット内
外の差圧を所定状態に維持して、各回転軸の気密シール
に作用する圧力負荷を緩和できるようにしている。この
ため、各回転軸を低耐圧用の気密シールで、高耐圧用の
気密シールを用いたのと同様に確実に封止することが可
能となり、高耐圧用の気密シールを用いる場合に比べ
て、回転軸が受ける摩擦抵抗を軽減し、併せてシール構
造を小形化でき、全体として真空チャンバ内で使用され
る産業用ロボットの小形化を実現できることとなった。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００１５】図１乃至図５に示すように、真空チャンバ
用産業ロボット装置は、真空チャンバＣ内に産業用ロボ
ットＲが収納されて構成されており、図２にその産業用
ロボットＲの外観を示している。該産業用ロボットＲは
第１〜第６軸系１〜６を有し、各軸系１〜６のそれぞれ
が回転軸を介して接続された多関節ロボットであり、各
軸系１〜６はそれぞれ矢印で示すように回転できる。
尚、第６軸系６はワークを捕捉するロボットハンドであ
る。各軸系１〜６を接続する回転軸のうち、第１〜第４
軸系１〜４の回転軸は、図３及び図４に示すようにオイ
ルシール７を封止要素とする気密シール８Ａでそれぞれ
封止されており、残りの軸系５，６の回転軸は図５に示
すように磁性流体シールからなる気密シール８Ｂでそれ
ぞれ封止されている。

【００１６】図３において、上記第２軸系２は第１軸系
１に対してクロスローラベアリング１０とハーモニック
減速機１１を介して回転駆動可能に支持されており、そ
の回転軸１２Ａと第１軸系１のケース端壁１３との間が
気密シール８Ａで封止されている。ハーモニック減速機
１１は、図外のモータの動力を伝動ギヤ１４を介して受
け継ぎ、その回転数を減速して出力する。減速された動
力は筒構造の受動体１５を介して回転軸１２Ａへ伝わ
る。第１軸系１と第２軸系２とは、減速軸１１ａを縦通
する通路１６を介して連通されている。他の軸系同士も
同様に接続されている。

【００１７】図４において、気密シール８Ａはケース端
壁１３に圧入された２個のオイルシール７，７と、これ
ら両シール７，７の間に充填された真空グリース１７と
からなり、外側のオイルシール７はリップ部７ａが外部
空間の側に位置し、内側のオイルシール７はリップ部７
ａがケース端壁１３の内部空間の側に位置する状態で、
それぞれ装着する。外側のオイルシール７はケース端壁
１３に固定したリング１８で抜止め支持されている。１
９はシールばねである。

【００１８】図５において、第６軸系６は第５軸系５に
対してクロスローラベアリング２１とハーモニック減速
機２２を介して回転駆動可能に支持されており、その回
転軸１２Ｂと第５軸系５のケース端壁２３との間が気密
シール８Ｂで封止されている。ハーモニック減速機２２
は、前述の駆動機構と同様に調整された動力を駆動軸２
４を介して受け継ぎ、減速後の動力をクロスローラベア
リング２１のインナレースを兼ねる受動体２５を介して
回転軸１２Ｂへ出力する。ここでも両軸系５，６は、ハ
ーモニック減速機２２及び駆動軸２４を縦通する連通管
２６を介して通気自在に連通されている。以上の接続機
構は第４軸系４と第５軸系５との間にも採用されてい
る。

【００１９】先に述べたように、上記接続部に設けられ
る気密シール８Ｂは磁性流体シールからなる。これはリ
ング状のマグネット２７の両側に強磁性体からなる保持
板２８，２８を固定し、保持板２８，２８と回転軸１２
Ｂとの間に磁性流体２９を介在させたものである。磁性
流体シールを用いるのは、オイルシールを封止要素とす
る場合に比べて、シール構造の小形化を実現し、駆動系
に対する負荷を軽減できるからである。第１〜第４軸系
１〜４ではモータ出力に十分な余裕があるのでこうした
配慮は不要である。

【００２０】図１に示すように、上記の産業用ロボット
Ｒは、真空チャンバＣ内の床面に設置される。産業用ロ
ボットＲの内部には、モータなどの発熱部品が多数個収
容されている。これらの発熱部品の冷却を行うために、
冷却気体を供給する送気装置３１（単なるガスボンベを
含む。）を設け、さらに冷却気体を強制排気するロボッ
ト用真空装置３２を設けている。これら両装置３１，３
２は制御バルブ３３，３４を介して産業用ロボットＲの
内部に接続するが、送気装置３１は第１軸系１に、ロボ
ット用真空装置３２は第６軸系６に接続する。産業用ロ
ボットＲの内部において、冷却気体を万遍なく循環させ
るためである。上記以外に、第１軸系１の内部空間と連
通する状態で、開閉弁３７とフィルタ３８とを設け、さ
らに圧力計３９で内部圧力を監視できるようにしてい
る。また、真空チャンバＣはこれ専用のチャンバ用真空
装置４０で排気される。このチャンバ用真空装置４０は
制御バルブ４１を介して真空チャンバＣの内部に接続さ
れている。４２は圧力計である。

【００２１】そして、上記制御バルブ３４，４１は、コ
ントローラＭに接続されており、該コントローラＭは、
上記圧力計３９，４２からの圧力信号を受けて上記両制
御バルブ３４，４１を制御するバルブ制御手段を構成
し、産業用ロボットＲ内と真空チャンバＣ内との差圧を
予め設定された所定値に保持しており、例えば、０．１
〜０．２atm の範囲に保持している。この産業用ロボッ
トＲ内外の差圧を０．１atm 程度より小さくすると、産
業用ロボットＲ内の冷却気体が稀薄になり、この冷却気
体が稀薄になると、発熱部品の放熱量が低下し、徐々に
過熱状態に陥ることになり、これを避ける必要から設定
されている。また、差圧を０．２atm 程度より大きくす
ると、シール破壊を生じ、且つ産業用ロボットＲ自体が
破損するおそれがあり、常圧型の気密シール８Ａ，８Ｂ
等では軸部の封止が困難となるからである。

【００２２】また、稼動時に産業用ロボットＲの内部圧
力が異常に上昇すると、各気密シール８Ａ，８Ｂにおい
てシール破壊を生じ、その補修のために周辺の構造体を
分解する必要が生じる。こうした手間を省くために、第
１軸系の外部壁に内部空間と真空チャンバＣとを連通す
る開口を設け、これを破裂板４３で気密状に閉塞してい
る。破裂板４３は、産業用ロボットＲの内外差圧が０．
２atm を越えるとその隔壁が破れて内部圧力を解放す
る。

【００２３】次に上記各機器の動作手順を説明する。

【００２４】まず、制御バルブ３４，４１を開操作し
て、各真空装置３２，４０を起動し、真空チャンバＣ内
部及び産業用ロボットＲ内の排気を行う。このとき産業
用ロボットＲ内外で圧力差が生じることを防ぐために開
閉弁３７を開状態にし、産業用ロボットＲの内部空間を
真空チャンバＣと連通させておく。真空チャンバＣ内の
圧力が所定状態（１０〜３Ｔｏｒｒ）にまで降下した
ら、開閉弁３７を閉じ産業用ロボットＲの内部空間を真
空チャンバＣから遮断する。この状態で制御バルブ３３
を開いて送気装置３１からヘリウムや清浄で乾燥した空
気などの冷却気体を供給し、冷却気体を第１軸系１から
第６軸系６へと流動させる。ロボット用真空装置３２は
引続き稼動させておく。

【００２５】例えば、真空成膜用のワークをハンドリン
グするような場合、真空チャンバＣ内の圧力は、予め所
定圧力に決定される。従って、該真空チャンバＣ内の圧
力を制御バルブ４１によって上記所定圧力にコントロー
ルしつつ、制御バルブ３４をコントロールして、つま
り、排気速度を制御して産業用ロボットＲの内外圧力差
を０．１〜０．２atm の範囲内に保持する。その際、上
記制御バルブ３４は、送気装置３１による冷却気体の供
給量によってもコントロールされる。

【００２６】特に、この場合、上記真空チャンバＣ内に
は、送気装置３１からの産業用ロボットＲ内に供給され
た冷却気体等が流入しないので、真空チャンバＣ内への
冷却気体等の流入が好ましくない場合に有効である。

【００２７】尚、上記実施例において、コントローラＭ
は、両制御バルブ３４，４１を制御するようにしたが、
ロボット用真空装置３２側の制御バルブ３４のみを制御
して差圧を保持するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の内容を示す原理説明図である。

【図２】産業用ロボットの側面図である。

【図３】第１軸系と第２軸系の接続部の断面図である。

【図４】図３におけるシール構造の詳細を示す断面図で
ある。

【図５】第５軸系と第６軸系の接続部の断面図である。

【符号の説明】

１ 第１軸系 ２ 第２軸系 ３ 第３軸系 ４ 第４軸系 ５ 第５軸系 ６ 第６軸系 8A,8B 気密シール 12A,12B 回転軸 31 送気装置 32 ロボット用真空装置 34,41 制御バルブ 40 チャンバ用真空装置 Ｒ 産業用ロボット Ｃ 真空チャンバ Ｍ コントローラ（バルブ制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−162187（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−125791（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 19/00 B25J 21/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空チャンバ内に設置されて作業を行う
   産業用ロボットを備えた真空チャンバ用産業ロボット装
   置であって、 上記産業用ロボットは複数の軸系を有し、各軸系が回転
   軸を介して接続された多関節ロボットで構成され、 上記各軸系は互いに通気自在に連通され、各回転軸に装
   着した気密シールで封止されており、 上記産業用ロボットには、冷却気体を供給する送気装置
   が接続されると共に、冷却気体を排気するロボット用真
   空装置が制御バルブを介して接続され、上記真空チャン
   バには、該真空チャンバ内の気体を排気するチャンバ用
   真空装置が制御バルブを介して接続される一方、 上記産業用ロボットの内部圧力と、真空チャンバ内の圧
   力との差圧を予め設定された所定差圧に保持するように
   少なくとも上記ロボット用真空装置側の制御バルブの開
   度を制御するバルブ制御手段が設けられ、 上記産業用ロボットの内部空間と真空チャンバ内との連
   通及び遮断を行う開閉弁が設けられ ていることを特徴と
   する真空チャンバ用産業ロボット装置。