JP4543249B2

JP4543249B2 - 搬送アーム

Info

Publication number: JP4543249B2
Application number: JP2004219824A
Authority: JP
Inventors: 敏彦光吉
Original assignee: アテル株式会社
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-07-28
Also published as: JP2006041233A

Description

本発明は搬送アームに係り、半導体製造装置等に搭載され、コンパクトで安定した状態で基板を、高精度に搬送できることができるようにした搬送アームに関する。

一般に半導体製造装置内には所定の動作シーケンスでウェハ等の基板を移動させる基板搬送装置が備えられている。この種の基板搬送装置には高精度の動作及び塵等が発生しないクリーンな動作環境が要求されている。出願人は、すでにこの要請に応えるために、基板等の搬送を高精度に行えることができ、また可動部の摩耗等がほとんどないクリーンな環境を長期にわたって保持でき、耐久性に富む搬送アームを提案している（特許文献１参照）。

図６（ａ）は出願人が既に提案した搬送アーム１００の屈曲状態、図６（ｂ）は同アームの伸長状態を示した平面図である。搬送アーム１００は、全体が基台プレート１０２の回転軸Ｒ₁₀₁、Ｒ₁₀₂に支持された２組の平行リンク１１０，１２０が短節を共有して連結され、一体として動作するように構成されている。

搬送アーム１００は２本の平行配置されたアーム１１１，１１２の軸端を結んでなる短節１１３の１方の関節１１４を駆動回転軸Ｒ₁₀₁とし、他の関節１１５を従動回転軸Ｒ₁₀₂としている。駆動回転軸Ｒ₁₀₁の回転により短節１１３に対向する他の短節１１６とで平行四辺形を保持してアーム１１１，１１２をそれぞれの回転軸Ｒ₁₀₁、Ｒ₁₀₂に対して旋回させる第１平行リンク１１０と、第１平行リンク１１０の短節１１６と共有する短節１２６を有し、この短節１２６の両端関節１２７，１２８に２本の平行配置されたアーム１２１，１２２の各端が連結された第２平行リンク１２０と、短節１１６（１２６）に直交する方向に直線案内するリニアガイド１３２（図６（ｂ））を主構造とし、第１平行リンク１１０のアーム１１１に付与された旋回動作によってリニアガイド１３２のスライダ１３１を直線移動させることで第２平行リンク１２０のアーム１２２を第１平行リンク１１０と反対向き等角度に旋回させる同期リンク１４０と、図示しない基板等の搬送対象を載置する搬送台１５０とを備えている。

このような構成からなる搬送アーム１００では、回転軸Ｒ₁₀₁に関する時計回りの旋回動作により、搬送アームは図６（ａ）に示した状態からの平行リンク１１０，１２０を変形させることにより、搬送台１５０を矢印Ａ方向に図６（ｂ）の状態まで直線移動させるようになっている。図７は、このときの搬送アーム１００の平行リンクの伸長状態及び屈曲状態を線図で示したリンクモデル図である。同図に示したように、この搬送アーム１００では屈曲状態において基台プレート１０２（図６（ａ））の回転により、旋回半径Ｒ_rで搬送台１５０を所定回転方向に所定角度だけ旋回させる一方、回転軸Ｒ₁₀₁の旋回動作によるアームの伸長により矢印Ａ方向へ搬送距離Ｌだけ直線移動させることができる。

特開２００１−１８５５９６公報。

ところで、上述のリニアガイドは同期リンクを備えるため、部材点数が多く、関節部分が厚くなり、アーム屈曲部の薄型化が難しかった。また、リニアガイドは線状をなす内部経路をベアリングボールが連続して転動する構造であるが、従来の転動経路の短い玉軸受に比べて潤滑性に劣るおそれがあり、アームのスムースな屈曲、伸長が求められる場合、各関節等の可動部において、実績のある玉軸受の使用が望まれている。

そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、アーム屈曲部がコンパクトで薄型のアーム構造からなり、高精度の基板搬送が可能な搬送アームを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は長辺部材としてのアームと、短辺部材としての短節とからなる第１平行リンクの前記短節の一方と、長辺部材としてのアームと短辺部材としての短節とからなる第２平行リンクの前記短節の一方とを共有して連結し、前記第１平行リンクの駆動力導入端側の短節に付与された旋回動作により、前記第１平行リンクのアームと第２平行リンクのアームのなす角度を変化させて前記第２平行リンクの自由端側の短節に設けられた搬送台を直線移動させるようにした搬送アームにおいて、前記共有された短節の端部軸を構成する各関節位置から、前記第１平行リンクの各長辺部材の軸線方向に所定量延長した位置を端部支点とし、該端部支点間を連結した第１の連結部材と、前記共有された短節の端部軸を構成する各関節位置から、前記第２平行リンクの各長辺部材の軸線方向に所定量、前記自由端側の位置を中間支点とし、該中間支点間を連結した第２の連結部材とを、両連結部材間の前記直線移動方向へのズレを規制するとともに、両連結部材間が平行状態を保持して相対変位を許容する規制部材で連結してなる平行保持部を備えたことを特徴とする。

長辺部材としてのアームと、短辺部材としての短節とからなる第１平行リンクの前記短節の一方と、長辺部材としてのアームと短辺部材としての短節とからなる第２平行リンクの前記短節の一方とを共有して連結し、前記第１平行リンクの駆動力導入端側の短節に付与された旋回動作により、前記第１平行リンクのアームと第２平行リンクのアームのなす角度を変化させて前記第２平行リンクの自由端側の短節に設けられた搬送台を直線移動させるようにした搬送アームにおいて、前記共有された短節の端部軸を構成する各関節位置から、前記第１平行リンクの各長辺部材の軸線方向に所定量、前記駆動力入力端側の位置を中間支点とし、該中間支点間を連結した第１の連結部材と、前記共有された短節の端部軸を構成する各関節位置から、前記第２平行リンクの各長辺部材の軸線方向に所定量延長した位置を端部支点とし、該端部支点間を連結した第２の連結部材とを、両連結部材間の前記直線移動方向へのズレを規制するとともに、両連結部材間が平行状態を保持して相対変位を許容する規制部材で連結してなる平行保持部を備えたことを特徴とする。

このとき、前記規制部材は、前記第１の連結部材と第２の連結部材との間に掛け渡された板状バネ部材とすることが好ましい。

前記第１の連結部材の前記第１平行リンクの各アームの長辺部材上での前記関節位置から前記端部支点までの軸線距離と、前記第２の連結部材の前記第２平行リンクの各アームの長辺部材上での前記関節位置から前記中間支点までの軸線距離とを等しくするか、または前記第１の連結部材の前記第１平行リンクの各アームの長辺部材上での前記関節位置から前記中間支点までの軸線距離と、前記第２の連結部材の前記第２平行リンクの各アームの長辺部材上での前記関節位置から前記端部支点までの軸線距離とを等しくすることが好ましい。

以上に述べたように、本発明の搬送アームによれば、コンパクトな装置構成により、基板等の搬送を高精度に行えることができ、また可動部の潤滑特性に優れ、摩耗等がほとんどないので、クリーンな環境を長期にわたって保持でき、その結果高い耐久性を得ることができるという効果を奏する。

以下、本発明の搬送アームの実施するための最良の形態として、以下の実施例について添付図面を参照して説明する。

以下、本発明の搬送アームの一実施例について、添付図面を参照して説明する。図１（ａ）は全体が基台プレート２のリンク駆動回転軸Ｒ₁に支持された搬送アーム１全体を示した平面図である。図１（ｂ）は搬送アームの屈曲状態および、後述する規制部材としての板バネ１８及び板バネ１８が固定される連結プレート１６，１７（後述）の位置関係を示した矢視側面である。搬送アーム１は、特許文献１で示した２組の平行リンクを用いた公知の搬送アームと同様に短節を共有して連結し動作する２組の平行リンク１０、２０とから構成され、装置中心に装備され、図示しない駆動モータの回転により、搬送アーム全体を所定の旋回方向、旋回速度で回転可能なアーム旋回駆動軸（図示せず）の上端に支持されている。

搬送アーム１は、図１（ａ）に示したように、装置中心軸に一致する関節６をリンク駆動回転軸Ｒ₁の上端に固着され、他端が関節７である、２本の平行配置された長辺部材としての２本のアーム１１，１２の軸端を結ぶ一方の短辺部材であり、リンク駆動回転軸Ｒ ₁ からの駆動力導入端となる短節としての連結プレート５と、連結プレート５と対向する位置にあり、他方の短辺部材としての短節２６とで平行四辺形を構成する第１平行リンク１０と、第１平行リンク１０と共有する短節２６としての両端関節２７、２８を、それぞれ回転軸として支持された２本の平行配置されたアーム２１、２２の各端が連結された第２平行リンク２０と、第１平行リンク１０の短節２６の両端部の関節２７，２８から、アーム１１，１２の軸線方向に、わずかに延長した位置となるように設定された、アーム１１，１２の部材端１１ａに位置する端部支点１３，１４に、玉軸受３１（図１（ｂ））を介して取り付けられた、第１の連結部材としての下面連結プレート１６と、第２平行リンク２０のアーム２１，２２の関節２７，２８から、アーム２１，２２の軸線方向を、所定量だけ短節２５側（内側）に位置するように設けられた中間支点２３，２４に玉軸受３２（図１（ｂ））を介して取り付けられた、第２の連結部材としての上面連結プレート１７と、下面連結プレート１６と上面連結プレート１７の外側端に固着された規制部材としての板状バネ１８とからなる平行保持部３０と、第２平行リンク２０の自由端で短節２５として機能し、図示しない基板等の搬送対象を載置する搬送台５０とから構成されている。

以下、搬送アーム１の各関節（軸）及び関節（軸）を介して連結された各部材の構成について説明する。
［平行リンクの構成］
第１平行リンク１０の基台への取付構造の構成について図１各図〜図２を参照して説明する。図１（ａ）は、一実施例として、搬送アーム１の原点位置に停止した状態の搬送アームを示した平面図である。同図に示したように、関節２７，２８が共有され連結された２組の平行リンク１０，２０は最も屈曲した状態にある。このとき、図１（ａ）に示したように、は第１平行リンク１０のアーム１１は、装置中心軸に関して同軸配置された搬送アーム旋回駆動軸（図示せず）とリンク駆動回転軸Ｒ₁の軸端に図示しないボルトよって玉軸受（図示せず）を介して独立して回転可能に基台プレート２上に支持されている。基台プレート２は平面視して円板状で、仕様に応じて真空空間内の一部の固定部３上にボルト結合等により固定される。搬送アーム旋回駆動軸及びリンク駆動回転軸Ｒ₁はそれぞれ、図示しない制御装置により搬送アーム全体の旋回、リンク機構の変形による搬送台５０の直線移動が独立して、あるいは同時に行えるように適宜設定できるようになっている。

第１平行リンク１０の構成について、図１、図２各図、図３、図４を参照して説明する。図３，図４は平行リンク１０，２０の各部材の構成するリンク機構を軸線で示したリンクモデルによる図である。図３に示したように、搬送アームの屈曲状態においては、第１平行リンクのアーム１１，１２は、関節部分の中心軸を平行リンクの頂点とするが、その形状は図１（ａ）に示したように、各関節位置に配置された所定厚さ及び直径を有する玉軸受（２９，３１，３２：図１（ｂ））を部材端に組み込めるように部材の両端１１ａ、１１ａが円板形状となっている。

同様に、第２平行リンク２０の構成について説明する。第１平行リンクのアーム１１、１２端の関節２７，２８位置の玉軸受２９（図１（ｂ））を介して第２平行リンク２０のアーム２１，２２の円板部２１ａ、２２ａがボルト（図示せず）止めされている。一方、第２平行リンク２０の各アーム２２、２１の自由端の短節２５位置には関節を構成する玉軸受上に搬送台５０が固着されている。搬送台５０の形状は載置される基板や液晶用ガラス等（図示せず）の大きさ、重量等に応じて最適なフォーク形状を有するように設定される。本実施例では便宜的に仮想線による略四角形で示している。なお、各平行リンクを構成する部材形状は、各リンク部材の軸部材を支持する軸受を保持でき、またリンク形状の変形において部材の干渉がないような形状であれば、適宜の寸法形状に設定できることは言うまでもない。

［平行保持部の構成］
図１（ｂ）、図２（ｂ）、図３（屈曲状態）、図４（伸長状態）に示したように、第１平行リンク１０の関節２７，２８を通るアーム１１，１２の延長線上の端部支点１３，１４において、アーム１１，１２のそれぞれの円板部１１ａ、１２ａの下面に、関節２７，２８の玉軸受２９より小さな直径の玉軸受３１を介して下面連結プレート１６が取着されている。この玉軸受３１を介して下面連結プレート１６が端部支点１３，１４を連結しているため、第１平行リンク１０の平行四辺形が、たとえば図３から図４の状態に変形した際、下面連結プレート１６は、短節２６を構成する部位と平行状態を保持して第１平行リンク１０の変形に追従して変位（移動）できる。

このように、第１平行リンクは１０は、アーム１１，１２、連結プレート５及び関節２７，２８間の短節２６と、端部支点１３，１４を連結した下面連結プレート１６で構成されている。一方、第２平行リンク２０は、アーム２１，２２、短節２５及びアーム１１，２２の関節２７，２８近傍の中間支点２３，２４を連結する上面連結プレート１７とで構成されている。この構造において、さらに下面連結プレート１６の端部と上面連結プレート１７の端部とは、規制部材としての所定の剛性を備えた板バネ１８により連結され、これにより平行リンク１０，２０の変形による搬送台５０の直線移動を確実に保持するための平行保持部３０が構成されている。

すなわち、平行保持部３０は、端部支点１３，１４が、図３，図４に示したように、それぞれアーム１１，１２上の中心線（リンクを構成する軸線）上の任意の位置に関節２７，２８，端部支点１３，１４の４点で扁平な平行四辺形ができるように配置され、同様に中間支点２３，２４が、それぞれアーム２１，２２上の中心線（リンクを構成する軸線）上の関節２７，２８に近い位置に玉軸受３２を介して上面連結プレート１７が連結され、関節２７，２８，上面連結プレート１７の中間支点２３，２４の４点で平行四辺形ができるように配置された構成からなる。そしてリンク機構は、幾何学的には、関節２７から端部支点１３，中間支点２３及び関節２８から端部支点１４，２４までの各アーム１１，１２，２１，２２の軸線に沿った軸線距離が等しくなるように設定されている。すなわち、関節２７，２８を頂点とする二等辺三角形（△ＥＩＣ，△ＦＪＤ）が構成され、第１平行リンク１０と第２平行リンク２０が変形する際にその頂点の角度が変化するようにリンクは変形する。なお、図３，４では、簡単化のために各リンクの頂点に英文字を付して説明する。

この搬送アームのリンク機構の動作により搬送台５０のＡ方向への直線移動が実現する（図１→図２、図３→図４及び図５参照）。この搬送台５０が仮想線Ｃ上をＡ方向に直進するためには、上述したように二等辺三角形（△ＥＩＣ，△ＦＪＤ）が不等辺三角形にならないよう、すなわち、端部支点１３，１４を結ぶ下面連結プレート１６と中間支点２３，２４を結ぶ上面連結プレート１７とがＸ方向に相対的にずれないように保持されることが必要である。そのために本発明では、規制部材として厚さ０．２mm、幅８０mmの鋼板を板バネ１８として使用し、上面連結プレート１７と下面連結プレート１６の端面にボルト１９で固定した。また搬送アーム１の屈曲、伸長動作時において、端部支点１３，１４を結ぶ直線（ＩＪ）と中間支点２３，２４を結ぶ直線（ＣＤ）とが関節２７，２８を挟んでＹ方向へ同量だけ相対位置が変化する。上述の板バネ１８はこの相対位置変化により生じた連結板１６と連結板１７のＹ方向ずれを吸収可能な余裕長さに設定されている。

この規制部材としての板状バネとしてはＹ方向へのズレを吸収し、Ａ方向への変位を拘束可能なねじれ剛性を備えた部材であれば、上述の寸法に限定されず、またバネ鋼以外の材質等、適宜選定できることはいうまでもない。また、同様の変位の規制が実現し、同様の効果が得られる機構であれば、各種のリニアガイド、リンク機構等で代替させることができる。

また、上述の第１平行リンク１０と第２平行リンク２０との連結において形成される平行保持部３０の他の実施例として、端部支点１３，１４が、それぞれアーム２１，２２上の中心線（リンクを構成する軸線）上の関節２７，２８を、軸線方向に沿って所定量延長した位置に設けられ、関節２７，２８、端部支点１３，１４の４点で扁平な平行四辺形が形成され、同様に中間支点２３，２４が、それぞれアーム１１，１２上の中心線（リンクを構成する軸線）上の関節２７，２８に近いアーム１１，１２上に配置された軸受位置に設けられ、同形の平行四辺形が形成され、上述した上面連結プレート１７と下面連結プレート１６の上下の位置関係が逆になる配置としても良い。

以下、上述した搬送アーム１の直線移動について図３〜図５を参照して説明する。
リンク駆動回転軸Ｒ₁の上端に締結されたアーム１１は、同回転軸Ｒ₁を中心に回転し、この結果、第１平行リンク１０は、図３、図４に示したように、アーム１１，１２，連結プレート５，下面連結プレート１６で構成された平行四辺形（□ＡＣＤＢ）は、旋回動作に応じて扁平四辺形→長方形→扁平四辺形と変形する。また同時に下面連結プレート１６が支持された端部支点１３，１４と関節２７，２８とで構成された、当初扁平な平行四辺形（□ＥＣＤＦ）も同様に変形する。このとき、第２平行リンク２０は関節２７，２８を介して、平行保持部３０を介して第１平行リンク１０に連結されている。これにより、さらに第２平行リンク２０のアーム２１，２２上の中間支点２３，２４を連結するように取り付けられた上面連結プレート１７は、第１平行リンク１０の下面連結プレート１６に固着された板状バネ１８によってＸ方向に対しての相対ズレが規制される。そして、第１平行リンク１０と第２平行リンク２０の一部で形成される平行四辺形（□ＥＣＤＦ，□ＩＥＦＪ）は短節２６を対称軸（ＥＦ）とした対称形状を保持して第１平行リンクと同様の形状を経て変形する。したがって、第２平行リンク２０も関節２７，２８を一辺とする平行四辺形（□ＥＦＨＧ）が第１平行リンク１０の平行四辺形（□ＥＦＢＡ）と同様に変形し、この結果、第２平行リンク２０の短節２５上の搬送台５０は、仮想線Ｃ上を矢印Ａ方向に直線移動することができる（図２，図４参照）。

図５は、本発明の第１平行リンク１０及び第２平行リンク２０と、それぞれのアームに取着された平行保持部３０を構成する下面連結プレート１６と、上面連結プレート１７と、下面連結プレート１６と上面連結プレート１７とを連結する板状バネ１８との位置関係を、搬送アーム１の屈曲、伸長状態に応じて示した模式リンクモデル図である。同図に示したように、第１平行リンク１０と第２平行リンク２０とがもっとも屈曲した状態（ａ）から、もっとも伸長した状態（ｅ）のうち、下面連結プレート１６と上面連結プレート１７の間の距離が大きいのが、同図（ｂ）の上下の平行リンク１０，２０が重なる状態で、この状態で板状バネ１８がもっともＹ方向にずれた状態となる。板状バネ１８はこの状態でも過度の応力状態とならないような形状寸法に設定されている。

本発明による搬送アームの一実施例（原点位置：アーム屈曲状態）を示した平面図、一部断面アーム側面図。図１に示した搬送アームの伸長状態を示した平面図、一部断面アーム側面図。図１に示したアーム状態におけるリンクモデル図。図２に示したアーム状態におけるリンクモデル図。リンクモデル図によるアームの屈曲、伸長状態を段階的に示した状態説明図。従来の搬送アームの一例（屈曲、伸長状態）を示した平面図。図６に示した搬送アームの屈曲、伸長状態を示したリンクモデル図。

符号の説明

１搬送アーム
２基台プレート
５連結プレート
１０第１平行リンク
１１，１２，２１，２２アーム
１１ａ，１２ａ，２１ａ，２２ａ部材端
１３、１４端部支点
１６下面連結プレート
１７上面連結プレート
１８板バネ
２０第２平行リンク
２３，２４中間支点
２５，２６短節
３０平行保持部
５０搬送台
Ｒ₁ リンク駆動回転軸

Claims

長辺部材としてのアームと、短辺部材としての短節とからなる第１平行リンクの前記短節の一方と、長辺部材としてのアームと短辺部材としての短節とからなる第２平行リンクの前記短節の一方とを共有して連結し、前記第１平行リンクの駆動力導入端側の短節に付与された旋回動作により、前記第１平行リンクのアームと第２平行リンクのアームのなす角度を変化させて前記第２平行リンクの自由端側の短節に設けられた搬送台を直線移動させるようにした搬送アームにおいて、
前記共有された短節の端部軸を構成する各関節位置から、前記第１平行リンクの各長辺部材の軸線方向に所定量延長した位置を端部支点とし、該端部支点間を連結した第１の連結部材と、前記共有された短節の端部軸を構成する各関節位置から、前記第２平行リンクの各長辺部材の軸線方向に所定量、前記自由端側の位置を中間支点とし、該中間支点間を連結した第２の連結部材とを、
両連結部材間の前記直線移動方向へのズレを規制するとともに、両連結部材間が平行状態を保持して相対変位を許容する規制部材で連結してなる平行保持部を
備えたことを特徴とする搬送アーム。
長辺部材としてのアームと、短辺部材としての短節とからなる第１平行リンクの前記短節の一方と、長辺部材としてのアームと短辺部材としての短節とからなる第２平行リンクの前記短節の一方とを共有して連結し、前記第１平行リンクの駆動力導入端側の短節に付与された旋回動作により、前記第１平行リンクのアームと第２平行リンクのアームのなす角度を変化させて前記第２平行リンクの自由端側の短節に設けられた搬送台を直線移動させるようにした搬送アームにおいて、
前記共有された短節の端部軸を構成する各関節位置から、前記第１平行リンクの各長辺部材の軸線方向に所定量、前記駆動力入力端側の位置を中間支点とし、該中間支点間を連結した第１の連結部材と、前記共有された短節の端部軸を構成する各関節位置から、前記第２平行リンクの各長辺部材の軸線方向に所定量延長した位置を端部支点とし、該端部支点間を連結した第２の連結部材とを、
両連結部材間の前記直線移動方向へのズレを規制するとともに、両連結部材間が平行状態を保持して相対変位を許容する規制部材で連結してなる平行保持部を備えたことを特徴とする搬送アーム。
前記規制部材は、前記第１の連結部材と第２の連結部材との間に掛け渡された板状バネ部材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の搬送アーム。
前記第１の連結部材の前記第１平行リンクの各アームの長辺部材上での前記関節位置から前記端部支点までの軸線距離と、前記第２の連結部材の前記第２平行リンクの各アームの長辺部材上での前記関節位置から前記中間支点までの軸線距離とが等しいことを特徴とする請求項１に記載の搬送アーム。
前記第１の連結部材の前記第１平行リンクの各アームの長辺部材上での前記関節位置から前記中間支点までの軸線距離と、前記第２の連結部材の前記第２平行リンクの各アームの長辺部材上での前記関節位置から前記端部支点までの軸線距離とが等しいことを特徴とする請求項２に記載の搬送アーム。