JPH0623687A

JPH0623687A - ロボット

Info

Publication number: JPH0623687A
Application number: JP5656293A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Watanabe; 和英渡辺; Yoichi Kanemitsu; 陽一金光; Hiroyuki Shinozaki; 弘行篠崎; Naoharu Hirashiro; 直治平城; Shinichi Moriyama; 伸一森山
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1992-02-21
Filing date: 1993-02-22
Publication date: 1994-02-01

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体の製造工程等の、特に発塵や潤滑が問
題となる特殊環境下で使用することのできる、機械的接
触部分を有さないロボットを提供する。【構成】先端ハンドを有するアーム（２）を水平方向
に非接触で支持し移動させる、磁気軸受とリニアモータ
からなる水平駆動部（３）と、該水平駆動部（３）を搭
載した浮上体（５）を非接触で支持し回転させる、磁気
軸受と回転形モータからなる回転駆動部（６）とを具備
することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットに係り、特に
発塵や潤滑が問題となる特殊環境下（宇宙、真空中、ク
リーンルーム、液体中）で使用することができるロボッ
トに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体製造プロセスに於いて、
高いクリーン度を維持するためにクリーンルーム内で使
用するロボットには以下の対策が必要とされる。（１）低発塵、無発塵機構の採用。発塵要素を除去するか、又は削減し、低発塵又は無発塵
機構を採用する。（２）防塵機構の組み込み。防塵機構を組み込み、内部発生粒子の外部流出を防止す
るとともに拡散防止をする。（３）信頼性、保全性の向上。信頼性、保全性の向上をはかりメンテナンスフリー化を
図る。

【０００３】具体的な対策方法としては以下の方法があ
る。（１）内部負圧吸引ロボットの内部を負圧として、外部に開口した部分を通
して塵埃が流出しないように、常に外部から内部に向か
う空気の流れを作る。（２）磁性流体シール磁性流体によってロボット内部と外部を完全に分離し、
内部からの塵埃の拡散防止を図る。（３）ＡＣサーボモータブラシが無いため、従来のＤＣサーボモータに比べそれ
自体の発塵が少なくなり、メンテナンスもフリーにな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】宇宙、真空中、クリー
ンルーム、液体中などの特殊環境下では、アクチュエー
タの接触部からの発塵や、軸受部に潤滑を要することな
どが問題となる。例えば、半導体製造分野ではＬＳＩの
高集積化が進み、よりクリーン度の高い製造環境、装置
が要求されている。このため現在、製造プロセス内の無
人化が進められているが、使用するロボット内部からの
発塵や、潤滑を必要とする部分のメンテナンス等が問題
となっている。現状ではこれらの問題に対応するために
発塵源となるロボットに防塵機構を設けるなど前述の対
応策を施している。

【０００５】本発明は係る事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、防塵機構を設ける等の対策を
せずに位置決め精度がよく無発塵、無潤滑のロボットを
実現し、特殊環境下でも問題なく使用することができる
ロボットを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のロボットは、先
端にハンドを有するアームを水平方向に非接触で移動さ
せる、磁気軸受とリニアパスモータからなる水平駆動部
と、該水平駆動部を搭載したアウターロータを非接触で
回転させる、磁気軸受とステッピングモータからなる回
転駆動部とを具備することを特徴とする。

【０００７】

【作用】アームを水平方向に非接触で移動する水平駆動
部は、磁気軸受とリニアパルスモータで構成されている
ので、機械的な接触部分を有しない。同様に、水平駆動
部を搭載したアウターロータを非接触で回転させる回転
駆動部は、磁気軸受とパルスモータにより構成されてい
るので、機械的な接触部分を有しない。それ故、塵埃の
発生が一切生じない、潤滑の必要の無い、雰囲気を汚染
することのない、且つ高精度の位置決めの可能な高清浄
度空間等の特殊環境下での使用に好適なロボットが実現
される。

【０００８】

【実施例】図１は、本発明の一実施例のロボットの斜視
図である。アーム２は、その先端にハンド１を具備し、
ハンド１には半導体ウエファ等の被搬送物が載置され
る。アーム２は、磁気軸受とリニアパルスモータで構成
される水平駆動部３によって、水平方向に非接触で支持
された状態で駆動され半導体ウエファ等を搬送する。水
平駆動部３は、浮上体であるアウターロータ５に固定支
持されており、アウターロータ５は、磁気軸受とステッ
ピングモータ（回転形モータ）により構成される回転駆
動部６によって、非接触で支持され且つ円周方向に回転
駆動される。又、回転駆動部６の駆動部分はキャン内に
密閉され、その駆動部分は、スクリューネジによる上下
駆動部７によって、上下方向に移動される。従って、ハ
ンド１に載置された半導体ウエファ等は、水平、回転、
上下の３自由度で搬送される。

【０００９】図示するように、水平駆動部３を構成する
電磁石及びその配線等は、キャン９に密閉されており、
外部の高清浄度空間等の特殊環境に露出しない。同様
に、上下駆動部７を構成するスクリューネジ、及び磁気
軸受とステッピングモータからなる回転駆動部６の駆動
部分は、キャン１０に密閉されており、その電磁石及び
配線等は、高清浄度空間等に露出しない。従って、電磁
石及び配線等より発生するガス等により環境を汚染する
という問題が生じない。

【００１０】図２は、本発明の第二の実施例のロボット
の斜視図である。このロボットは、前述の実施例とアー
ム２が回転駆動部６の片側のみにある点が異なってい
る。アーム２を片側のみに配置することによって、アー
ム２の重量を減らし、回転駆動部６の負荷を低減するこ
とができる。図３はロボットの動作の説明図であり、五
角形チャンバー１３内は、高い真空度の高清浄度空間で
ある。半導体ウエファ１１は、半導体製造装置であるＣ
ＶＤチャンバー１２より引き出され、例えば他の搬送口
１５に搬送される。以下、この図面によって、本ロボッ
トの動作について説明する。

【００１１】まず、水平駆動部３は半導体ウエファ１１
が載置されたハンド１を先端に有するアーム２を水平方
向に引出し移動する。そして、半導体ウエファ１１が、
五角形チャンバー１３の内部に入り、アーム２の重心
が、水平駆動部３の中に入ると、回転駆動部６は回転
し、半導体ウエファ１１が他の搬送口１５の前で停止す
る。アーム２の重心を水平駆動部３に置いて回転駆動す
ることにより、バランスが取れ、回転駆動部６の負荷を
低減することができる。次に水平駆動部３は、アーム２
を水平方向に駆動し、半導体ウエファ１１を他の搬送口
１５の中央部まで移動する。そして、図示しない上下駆
動部により、アーム２の位置を下げることによって、半
導体ウエファ１１は搬送口１５の他の装置に引き渡され
る。

【００１２】そして、水平駆動部３によりアームを水平
方向に駆動し、ハンド１を五角形チャンバー１３の内側
に戻し、回転駆動部６によりアーム２を回転させ、ＣＶ
Ｄチャンバー１２の前にハンド１を移動する。次にアー
ム２を水平方向に水平駆動部３によって駆動し、ハンド
１をＣＶＤチャンバー１２の半導体ウエファ１１の下の
位置まで移動させる。次に図示しない上下駆動部により
アーム２を上方に駆動することによって、半導体ウエフ
ァ１１をハンド１に載置する。このようにして、本ロボ
ットによる、ウエファの搬送工程の１サイクルが終了す
る。

【００１３】図４は、本発明の第二の実施例のロボット
のアームの構造図であり、（Ａ）は平面図であり、
（Ｂ）は側面図であり、（Ｃ）は（Ａ）の要部の拡大図
であり、（Ｄ）は（Ｃ）のＡ−Ａ′線に沿った断面図で
ある。半導体ウエファを載置するハンド１は、アルミの
薄板であり、アーム２は高透磁率の磁性材料より作られ
ている。（Ｃ）の拡大図に示されるように、アーム２は
その中央に一定のピッチの凹凸からなる磁性体の歯２１
を備えており、水平駆動部３に水平方向に配列された電
磁石が順次励磁されることにより、リニアパルスモータ
として水平方向に駆動される。（Ｄ）の断面図に示され
るように、アーム２の両側には厚い板状の部分２２を備
えており、水平駆動部３に水平方向に配列された電磁石
の磁気力により、磁気軸受のターゲットとして鉛直方
向、且つ水平方向に非接触で支持される。

【００１４】図５は、水平駆動部の構造図である。水平
駆動部を構成する電磁石３１，３２，３３，３４，３
６，３７，３８, ３９、等は、水平方向に配列されてお
り、キャン９に密閉されており、キャン９を隔てて図中
点線で示すアーム２を非接触で支持するとともにリニア
パルスモータとしてアーム２を水平方向に移動させる。
アーム２の両側の厚い板状部分２２は、水平駆動部を構
成する電磁石３１，３２，３３，３４の磁気吸引力によ
ってキャン９に対して非接触で鉛直方向、水平方向に支
持される。磁気軸受用センサ４１，４２，４３，４４
は、それぞれ電磁石３１，３２，３３，３４がアーム２
を非接触支持するためのアーム２の鉛直方向及び水平方
向の位置を検出するセンサである。電磁石３６，３７，
３８，３９は水平方向に配列されたリニアパルスモータ
を構成する電磁石である。アーム２の中央部の凹凸部分
からなる磁性体の歯２１がリニアパルスモータを構成す
るこれらの電磁石をパルスによって順次励磁することに
より駆動される。リニアパルスモータ用位置センサ４
５，４６は、アーム２の磁性体の歯２１の凹凸を検出
し、電磁石３６，３７，３８，３９のパルス電流の励磁
のタイミングを与えるためのものである。

【００１５】図６（Ａ）は、水平駆動部の図４のＡ−
Ａ′線に沿った断面図である。水平駆動部を構成する電
磁石等は、キャン９により密閉され水平方向に配列され
ている。電磁石３６，３７，３８，３９は永久磁石２５
と共に、アーム２を水平方向に移動させるリニアパルス
モータの役割を果たす。即ち、永久磁石２５は、バイア
スの磁束を発生させ、電磁石３６，３７，３８，３９の
ヨークは、アーム２の磁性体の歯２１にそれぞれ強さの
異なった磁束を与える。即ち、例えば電磁石３６がパル
ス電流により相対的に強く励磁されると、電磁石３６の
ヨークには、相対的に強い磁気吸引力が働き、アーム２
の磁性体の歯２１の近傍の凸状部分を引き寄せる。磁性
体の歯２１の凸状部分が電磁石３６のヨークの真下にく
ると、電磁石３８のヨークの真下は１／２ピッチだけア
ーム２の磁性体の歯２１の凸部がずれている。このた
め、次のタイミングで電磁石３８をパルス電流により強
く励磁すると、アーム２は電磁石３８のヨークの真下に
その磁性体の歯２１の凸部が引き寄せられる。このよう
にして、水平方向に配列された電磁石３６，３７，３
８，３９を順次励磁することにより、リニアパルスモー
タとしてアーム２を水平方向に左右に移動させることが
できる。リニアパルスモータ用位置センサ４５，４６
は、アーム２の磁性体の歯２１の凹凸を検出し、電磁石
３６，３７，３８，３９のパルス電流の励磁のタイミン
グを与えるためのものである。

【００１６】図６（Ｂ）は、水平駆動部の図５のＢ−
Ｂ′線に沿った断面図である。電磁石３２，３４は、そ
の磁気吸引力により、アーム２の両側の厚い板状部分２
２をキャン９より非接触浮上した状態で鉛直方向、水平
方向の所定の位置に支持する。磁気軸受用センサ４２，
４４は、電磁誘導型のセンサであり、アーム２の両側の
厚い板状部分２２の位置を検出し、磁気軸受用電磁石３
２，３４の励磁電流、即ち磁気吸引力を制御することに
より、アーム２を所定の位置に非接触浮上させるための
ものである。

【００１７】図７は、図５の水平駆動部のＣ−Ｃ′線に
沿った断面図である。図示するように、磁気軸受用電磁
石３３，３４は、アーム２の両側の厚い板状部分２２を
その磁気吸引力により鉛直方向に非接触浮上した状態で
支持する。アーム２の両側の厚い板状部分２２の端部
が、電磁石３３，３４のヨークのほぼ中央部分に位置す
るのは、板上部分２２の端部の磁気せん断力により、ア
ーム２を電磁石３３，３４のヨーク間のほぼ中央の位置
に水平方向に支持するためである。

【００１８】図８は、本発明のロボットアーム２の他の
実施例の構造図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）
は側面図であり、（Ｃ）は（Ａ）の要部の拡大図であ
る。半導体ウエファを載置するハンド１は、アルミの薄
板からなる載置部分がアルミの厚板部によってアーム２
に接続固定されている。アーム２は鉄板などの高透磁率
の磁性材料より作られている。（Ｃ）の拡大図に示され
るように、アーム２はその中央に一定のピッチの磁性体
の歯２３を備えておりその歯間は貫通孔２４となってい
る。アーム２の両側には厚い板状の部分２２を備えてお
り、水平駆動部２に水平方向に配列された電磁石３１，
３２，３３，３４の磁気力により、磁気軸受のターゲッ
トとして鉛直方向、且つ水平方向に支持される。磁性体
の歯２３は、水平駆動部３の水平方向に配列された電磁
石３６，３７，３８，３９が順次励磁されることによ
り、リニアパルスモータの被駆動体として水平方向に駆
動される。

【００１９】このように本実施例のロボットアームは、
両側の厚い板状部分２２と歯２３と貫通孔２４によりは
しご状をなしている。このため、板厚を厚くすることに
よって弾性係数を上げアームをたわまないようにするこ
とができると共に、貫通孔２４によってアームの軽量化
を図ることができる。本ロボットアームの水平駆動部に
よる動作は前述の図５、図６、図７における説明と同様
である。

【００２０】図９は、回転駆動部６及びアウターロータ
５の構造図である。回転駆動部６を構成する電磁石等
は、キャン１０によって密閉され円筒状に配列されてい
る。回転駆動部６は、スラスト磁気軸受，永久磁石４
８，４９，ブレーキ用電磁石５２，５３と、ラジアル磁
気軸受及びステッピングモータを構成する電磁石５１，
５４とが円筒状に配列され、内周に磁極を具備するアウ
ターロータ５を非接触保持し、回転させるものである。
円筒状の永久磁石４８，４９は、スラスト磁気軸受のヨ
ークから空隙を介してアウターロータ５の内周の磁性体
５０を通り、ラジアル磁気軸受兼ステッピングモータの
ヨーク５１，５４と磁気回路を形成し、スラスト磁気軸
受部においては空隙に生じる磁気せん断力により、アウ
ターロータ５をスラスト方向に保持する。また、スラス
ト磁気軸受のみでは、スラスト方向の振動に対して減衰
効果が無いので、ブレーキ用電磁石５２，５３により減
衰を与える。

【００２１】電磁石５１，５４は、ステッピングモータ
とラジアル軸受とを兼ねたものを構成する。電磁石５
１，５４は、放射状の磁極の先端に歯を具備し、アウタ
ーロータ５の内周の磁性体５０の、対向する部分にも磁
性体の歯を具備する。電磁石５１，５４の放射状の磁極
は、アウターロータ５の内周の磁性体５０と磁気回路を
形成し、コイルの励磁電流の磁気吸引力によりラジアル
磁気軸受を構成する。電磁石５１，５４の放射状の磁極
の先端の歯及び対向するアウターロータ５の内周の磁性
体の歯は、水平駆動部で説明したのと同様に、放射状の
磁極の歯とロータの内周の磁性体の歯のピッチをずらし
ておき、パルス電流を放射状の磁極に選択的に順次印加
して励磁することにより、ステッピングモータとしてア
ウターロータ５をステータである回転駆動部６の周囲に
回転させることができる。

【００２２】スラスト兼ラジアル位置センサ５５，５６
は、アウターロータ５のスラスト方向及びラジアル方向
位置を検出し、電磁石５１，５２，５３，５４にフィー
ドバックすることにより、アウターロータ５を回転駆動
部６の中心軸の所定位置に支持する。回転角センサ５７
は、アウターロータ５の内周の磁性体５０の歯の位置を
検出することにより、放射状の電磁石５１，５４を適切
なタイミングで順次励磁することにより、アウターロー
タ５をステッピングモータとして回転させるためのもの
である。

【００２３】回転駆動部６の中央には、スクリューネジ
５９によって、回転駆動部６を上下に移動する上下駆動
部７を具備する。スクリューネジ５９を回転することに
よって、回転駆動部６は機械的に上下し、回転駆動部６
に支持されたアウターロータ５及びアウターロータに固
定された水平駆動部３も共に上下に移動する。尚、スク
リューネジ５９はキャン１０に密閉されているので、高
清浄度の環境を汚染するという問題は生じない。

【００２４】図１０は、他の実施例の回転駆動部６の構
造図である。回転駆動部６は、前述の実施例と同様に、
内周に磁性体５０を具備するアウターロータ５を円筒状
に配列されたラジアル磁気軸受、スラスト磁気軸受及び
ステッピングモータによって非接触で保持し回転させ
る。又、スクリューネジ５９によって、回転駆動部６を
上下に移動させることができる。回転駆動部６を構成す
る要素は、図１０の上から、ラジアル兼スラストセンサ
６１、ラジアル磁気軸受６２、ステッピングモータ６
３、受動型のスラスト磁気軸受６４、ブレーキ６５，６
６、ラジアル磁気軸受６７、ラジアル兼スラストセンサ
６８、回転角センサ６９の順序で配列される。

【００２５】図１１は、更に他の実施例の回転駆動部の
構造図である。回転駆動部６の機能は、前述の実施例と
同じである。電磁石又は永久磁石を円筒状に配列した回
転駆動部６は、図１１の上から、ラジアル兼スラストセ
ンサ７１、ラジアル磁気軸受７２、受動型スラスト磁気
軸受７３、ステッピングモータ７４、ブレーキ７５，７
６、受動型スラスト磁気軸受７７、ラジアル磁気軸受７
８、ラジアル兼スラストセンサ７９、回転角センサ８０
の順序で構成される。

【００２６】尚、図１１に示す回転駆動部の構造は、特
願昭６３−２０６８９０号特許出願にその詳細が開示さ
れている。ラジアル磁気軸受７２及び受動型スラスト磁
気軸受７３とを一体的に構成したもので、その部分の斜
視図を図１２に、磁束及び電流の流れを図１３に示す。
即ち、環状の永久磁石から発生する磁束Ｂ₀ を、受動型
スラスト磁気軸受７３の磁束兼ラジアル磁気軸受７２の
バイアス磁束として用い、電磁石の電流ΔＩによって生
じる磁束Ｂｌによって、半径方向（ラジアル）の磁気吸
引力を制御するものである。かかる構造によって、スラ
スト磁気軸受の専用のスラストディスクが不要となり、
簡単な構造のラジアル、スラスト一体型磁気軸受が得ら
れる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本ロボット
によれば、アームの水平方向の移動は、磁気軸受とリニ
アパルスモータを組み合わせたもので、そして、回転方
向には、磁気軸受とステッピングモータの組み合せによ
り高精度の位置決めが可能となる。そして水平駆動部、
回転駆動部及び上下駆動部はキャンの容器に密閉されて
いる。それ故、アームの駆動部分に機械的な接触部分が
ないため、無発塵となり、又、潤滑の必要が無く、雰囲
気中の汚染が防止される。またメンテナンスフリーとな
り、高度の洗浄度の要求される半導体製造工程等の特殊
環境に好適なロボットが実現された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のロボットの斜視図。

【図２】本発明の第二の実施例のロボットの平面図。

【図３】ロボットの動作の説明図

【図４】ロボットアームの構造図。

【図５】水平駆動部の構造図。

【図６】水平駆動部の断面図。

【図７】水平駆動部の断面図。

【図８】ロボットアームの他の実施例の構造図。

【図９】回転駆動部の構造図。

【図１０】回転駆動部の構造図。

【図１１】回転駆動部の構造図。

【図１２】図１１に示す回転駆動部のラジアル磁気軸受
及びスラスト磁気軸受の斜視図。

【図１３】図１１に示す回転駆動部のラジアル磁気軸受
及びスラスト磁気軸受の説明図。

【符号の説明】

１ハンド２アーム３水平駆動部５アウターロータ６回転駆動部７上下駆動部９，１０キャン１１半導体ウエファ１２ＣＶＤチャンバー１３五角形チャンバー１５搬送口２１，２３磁性体の歯２２厚い板状部分２４貫通孔２５永久磁石３１，３２，３３，３４電磁石３６，３７，３８，３９電磁石４１，４２，４３，４４磁気軸受用センサ４５，４６位置センサ４８，４９永久磁石５０磁性体５１，５４ラジアル磁気軸受兼ステッピングモータ５２，５３ブレーキ用電磁石５５，５６位置センサ５９スクリューネジ６１，６８，７１，７９センサ６２，６７，７２，７８ラジアル磁気軸受６３，７４ステッピングモータ６４，７３，７７スラスト磁気軸受６５，６６，７５，７６ブレーキ６９，８０回転角センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平城直治福岡県飯塚市大字伊岐須１−４−４−401 (72)発明者森山伸一福岡県飯塚市大字伊岐須１−４−４−202

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端にハンドを有するアームを水平方向
に非接触で支持し移動させる、磁気軸受とリニアモータ
からなる水平駆動部と、該水平駆動部を搭載した浮上体
を非接触で支持し回転させる、磁気軸受と回転形モータ
からなる回転駆動部とを具備することを特徴とするロボ
ット。
【請求項２】前記水平駆動部と前記回転駆動部とはそ
れぞれ隔壁によって密閉され、前記回転駆動部を上下方
向に移動させる上下駆動部を前記回転駆動部の密閉され
た隔壁内に更に備えることを特徴とする請求項１のロボ
ット。
【請求項３】前記水平駆動部は、前記アームを非接触
で鉛直方向及び水平方向に支持する磁気軸受を構成する
電磁石、又は永久磁石と電磁石の組み合わせと、前記ア
ームを水平方向に移動させるリニアモータを構成する電
磁石、又は永久磁石と電磁石の組み合わせと、前記アー
ムの鉛直方向及び水平方向の位置を検出する磁気軸受用
変位センサと、前記アームの水平方向移動位置を検出す
るリニアモータ用位置検出センサとからなるものである
ことを特徴とする請求項１、又は２のロボット。
【請求項４】前記アームは、高透磁率の磁性材料より
なり、その両側には前記鉛直方向及び水平方向に支持す
る磁気軸受のターゲットとなる厚い板状の部分を備え、
その中央には前記リニアモータによって駆動される一定
ピッチの歯を備え、該歯間は貫通孔となっていることを
特徴とする請求項３のロボット。
【請求項５】前記回転駆動部は、前記水平駆動部を搭
載した前記浮上体を非接触で半径方向に支持するラジア
ル磁気軸受と鉛直軸方向に支持するスラスト磁気軸受と
を構成する電磁石、又は永久磁石と電磁石の組合わせ
と、及び前記浮上体を非接触で回転させる回転形モータ
を構成する電磁石、又は永久磁石と電磁石の組合わせと
を備え、前記浮上体の半径方向及び鉛直軸方向位置を検
出する磁気軸受用変位センサと、前記浮上体の回転位置
を検出する回転角センサとからなるものであることを特
徴とする請求項１、又は２のロボット。
【請求項６】前記回転駆動部は、前記浮上体の上下振
動を減衰させ位置決めを行う減衰用電磁石が具備された
ことを特徴とする請求項１、２、又は５のロボット。