JP3881579B2

JP3881579B2 - アーム駆動装置

Info

Publication number: JP3881579B2
Application number: JP2002097043A
Authority: JP
Inventors: 隆之矢澤
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003291081A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーム駆動装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、例えば半導体のウェハ、大型液晶搬送ロボット等の大型のワークをカセットや膜付装置等のプロセス装置の間で移動させる多関節ロボットにおけるアーム駆動装置の構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数のアームを互いに回転可能に連結すると共に回転駆動源の回転力を伝達して伸縮等の動作をさせるようにしたアーム駆動装置が、例えば半導体のウェハ等のワークをカセットや膜付装置等のプロセス装置の間で移動させる多関節ロボットとして使用されている。
【０００３】
例えば図５に示すアーム駆動装置１０３は、基台１０４上の関節部を中心に回転可能な第１アーム１０５と、この第１アーム１０５の先端部に関節部を介して回転可能に連結された第２アーム１０６と、基台１０４に固定された第１のタイミングプーリ１０７と、関節部において第２アーム１０６に固定された第２のタイミングプーリ１０８と、これら第１のタイミングプーリ１０７及び第２のタイミングプーリ１０８に掛け渡されたタイミングベルト１１１とを備え、第１アーム１０５が回転したときの第２アーム１０６の回転量を規制してこの第２アーム１０６の先端部を直線的に移動させるものであり、ワーク１０１をハンド１０２上に載置し、このハンド１０２を常時一定方向に向けながら直線上を移動させることが可能である。ハンド１０２は、第２アーム１０６のハンド側プーリ１１０に取り付けられている。第１アーム１０５と第２アーム１０６は同じ長さであり、第１アーム１０５は２つのタイミングプーリ１０７，１０８と１本の長いタイミングベルト１１１とを収容し、第２アーム１０６は２つのタイミングプーリ１０９，１１０と１本の長いタイミングベルト１１２とを収容している。
【０００４】
また、第１アーム１０５に固着された駆動軸１１３が第１のタイミングプーリ１０７と同心となる位置に回転可能に設けられており、基台１０４及び第１のタイミングプーリ１０７に対して第１アーム１０５を回転可能に支持している。この駆動軸１１３は、基台１０４に内蔵されるモータ（図示せず）によって回転される。また、第２のタイミングプーリ１０８と第２アーム１０６とは連結筒１１４により固定されている。さらに、第１アーム１０５と第３のタイミングプーリ１０９とは連結軸１１５により固定されている。この連結軸１１５は、連結筒１１４の内部に回転可能に収容されている。
【０００５】
ここで、第１のタイミングプーリ１０７と第２のタイミングプーリ１０８との径（歯数）の比は２：１とされ、第３のタイミングプーリ１０９と第４のタイミングプーリ１１０との径（歯数）の比は１：２とされている。このため、第１のタイミングプーリ１０７、第２のタイミングプーリ１０８そして第４のタイミングプーリ１１０の回転角比は１：２：１となる。
【０００６】
このアーム駆動装置１０３を使用する際は、モータを駆動することにより第１アーム１０５を基台１０４に対して回転させる。このとき、固定的な基台側プーリ１０７に対し相対的に回転するタイミングベルト１１１が、第１アーム１０５に対してハンド側プーリ１０８を相対回転させる。このハンド側プーリ１０８の第１アーム１０５に対する回転により、第１アーム１０５に対して第２アーム１０６が回転すると共に第２アーム１０６に対して基台側プーリ１０９が回転する。さらに、第２アーム１０６に対して基台側プーリ１０９が回転することにより、第２アーム１０６に対してハンド側プーリ１１０が回転してハンド１０２が回転する。
【０００７】
ここで、第１アーム１０５及び第２アーム１０６が同じ長さであると共に第１アーム１０５の基台側プーリ１０７とハンド側プーリ１０８（即ち、第２アーム１０６の基台側プーリ１０９）と第２アーム１０６のハンド側プーリ１１０との回転角度比は１：２：１であるので、第１アーム１０５を回転させることにより、第１アーム１０５と第２アーム１０６との角度が変化して、第１アーム１０５の基台側プーリ１０７の中心と第２アーム１０６のハンド側プーリ１１０の中心とを結んだ直線上をハンド１０２が向きを一定にしながら移動する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構造のアーム駆動装置１０３においては、以下のような問題がある。
【０００９】
すなわち、第１アーム１０５内の関節部に設けられた基台側プーリ１０７とハンド側プーリ１０８との間にかけ渡された１本の長いタイミングベルト１１１で第２アーム１０６を直接駆動し、同様に１本の長いタイミングベルト１１２でハンド１０２を駆動する構造であるため、ハンド１０２を直進駆動させる際の精度がこれらタイミングベルト１１１，１１２自体の剛性によって左右されてしまう。ところが、高い剛性を確保しようとすればベルト幅を大きくしたり強度を増加させたりする必要があり、アーム駆動装置１０３全体の大型化を招く。このため、タイミングベルト１１１，１１２には剛性上の限界があり、アーム駆動装置１０３の高い精度を確保するのが難しい。
【００１０】
また、タイミングベルト１１１に伸びが生じれば、その伸び分がそのまま第２アーム１０６の回転の遅れとなるのに対し、駆動軸１１３によって直接駆動される第１アーム１０５は遅れなく回転することから、第１アーム１０５と第２アーム１０６との回転にずれが生じる。したがって、第２アーム１０６の先端部の直進性が阻害され、直線移動を維持するのが難しくなる。
【００１１】
そこで、本発明は、第２アーム先端における直進性を確保できるようにしたアーム駆動装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、基台上の関節部を中心に回転可能な第１アームと、この第１アームの先端側の関節部に回転可能に連結された第２アームと、基台上の関節部に設けられた第１のタイミングプーリと、第１アーム先端側の関節部に設けられた第２のタイミングプーリと、これら第１のタイミングプーリ及び第２のタイミングプーリに掛け渡されたタイミングベルトとを備え、第１アームが回転したときの第２アームの回転量を規制してこの第２アームの先端部を直線的に移動させるアーム駆動装置において、タイミングベルトを２本のタイミングベルトで構成し、これら２本のタイミングベルトを同時に駆動する駆動源を第１アームの途中に設けているものである。
【００１３】
このアーム駆動装置において、２本に分割されたタイミングベルトの一方側（第１のタイミングプーリと駆動源との間に掛け渡されるベルト）は、駆動源の回転を第１のタイミングプーリに伝達することにより第１アームを回転させる。また、他方側のタイミングベルトは、駆動源の回転を第２のタイミングプーリに伝達して第２アームを回転させる。この場合、各タイミングベルトに伸びが生じればその分だけアームの回転に遅れが生じうるが、ここで用いられるタイミングベルトは通常の１本の長いものに比べて半分程度の長さであることからベルトの伸びも半分程度となり、伸びによる影響（回転遅れ）が少ない。このため、タイミングベルトの精度が相対的に向上することになり、第２アーム先端における直進性が確保しやすくなる。
【００１４】
しかも、２本のタイミングベルトのそれぞれが伸びることによって遅れが相殺されるから、第１アームと第２アームとの間における回転ずれが更に少なくなる。このため、第２アーム先端の直進性をより確保しやすい。
【００１５】
この場合における２本のタイミングベルトは、請求項２記載の発明のように、同じものであることが好ましい。こうした場合、第１アームと第２アームとの間における遅れを相殺して回転ずれをなくすことが可能となる。
【００１６】
また、請求項３記載のように、タイミングプーリの回転を減速して伝達する減速機が関節部に設けられていることが好ましい。この場合、タイミングベルトの回転量が減じて伝達されるとともに、タイミングベルトの伸びに伴う回転遅れも減じて伝達されることになるため回転遅れの影響がその分排除される。また、タイミングプーリを各関節部に直接取り付けた場合よりも高い剛性と精度とを確保しやすい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１〜図４に、本発明の一実施形態を示す。本発明にかかるアーム駆動装置１は、基台９上の関節部２を中心に回転可能な第１アーム５と、この第１アーム５の先端側の関節部３に回転可能に連結された第２アーム６と、関節部２に設けられた第１のタイミングプーリ１１と、関節部３に設けられた第２のタイミングプーリ１２と、第１アーム５が回転したときの第２アーム６の回転量を規制してこの第２アーム６の先端部を直線的に移動させるようにしている。第２アーム６の先端部の関節部４にはハンド１０が回転可能に連結されている。ワーク８が載置されるハンド１０は、常時一定方向を向きながら直線上を移動する。また本実施形態の場合、第１のタイミングプーリ１１と第２のタイミングプーリ１２との間には２本のタイミングベルト１５，１６が掛け渡され、これら２本のタイミングベルト１５，１６を同時に駆動するモータ７が第１アーム５の途中であって関節部２と関節部３とのほぼ中間に設けられている。
【００１９】
第１アーム５と第２アーム６は、関節部２から関節部３までの長さと関節部３から関節部４までの長さが等しくされている。また、それぞれのアーム５，６の両端部にはタイミングプーリ１１，１２，１３，１４が設けられている。第１アーム５の基台側プーリ（第１のタイミングプーリ）１１とハンド側プーリ（第２のタイミングプーリ）１２とは、タイミングベルト１５，１６を介してモータ７の回転を伝達する。また、第２アーム６の基台側プーリ（第３のタイミングプーリ）１３とハンド側プーリ（第４のタイミングプーリ）１４とが、第２のタイミングプーリ１２から伝達された回転を更にハンド１０まで伝達する。
【００２０】
ここで、これら各タイミングプーリ１１〜１４は基台９、アーム５，６あるいはハンド１０に回転不能あるいは回転可能に直接取り付けられていても構わないが、減速機を介して取り付けられていることが好ましい。例えば減速比100の減速機を介した場合、タイミングベルトの伝達回転量が1／100になるとともに、伝達伸び量も1／100となるため、タイミングベルトの伸びによる回転遅れなどの影響を排除できる。また、タイミングプーリを各関節部に直接取り付けた場合よりも高い剛性と精度とを確保しやすい。本実施形態の場合、関節部２，３，４にそれぞれ減速機１７，１８，１９を設け、これらを介して各タイミングプーリ１１〜１４を取り付けるようにしている。減速機１７〜１９としては、例えば中心軸（入力軸）と回転可能なシャフトケーシング（出力軸）との間に遊星ギヤを挟み込み入力回転数を一定の比で減速して逆方向に出力する軸継手のようなものが該当するがこれは一例でありこれに限られることはない。
【００２１】
本実施形態では、第１減速機１７により基台９と第１アーム５とが回転可能に連結されている。第１アーム５は、第１減速機１７のケーシング１７ａに取り付けられている。第１減速機１７の中心軸１７ｂには第１のタイミングプーリ１１が取り付けられている。第１減速機１７は入力回転数を１／ｂ₁に減速して出力する減速比ｂ₁の減速機である。また、第１アーム５と第２アーム６とは減速比ｂ₂の第２減速機１８により回転可能に連結されている。第１アーム５は、第２減速機１８のケーシング１８ａに取り付けられている。第２減速機１８の中心軸である連結軸２０には第２のタイミングプーリ１２と第３のタイミングプーリ１３とが同量回転するように取り付けられている。さらに、第２アーム６とハンド１０とが減速比ｂ₃の第３減速機１９により回転可能に連結されている。第３減速機１９の中心軸１９ｂには第４のタイミングプーリ１４が取り付けられている。ハンド１０は、第３減速機１９のケーシング１９ａに取り付けられている。第３のタイミングプーリ１３と第４のタイミングプーリ１４との間には従来と同じような１本の長い第２のタイミングベルト２１が掛け渡されている。
【００２２】
タイミングベルト１５はモータ７の出力軸７ａと第１のタイミングプーリ１１との間に掛け渡されている。また、タイミングベルト１６はモータ７の出力軸７ａと第２のタイミングプーリ１２との間に掛け渡されている。モータ７を駆動することにより、両タイミングベルト１５，１６は同方向に回転する。
【００２３】
また第１のタイミングプーリ１１は、その径（歯数）がモータ７の出力軸７ａの径（歯数）のａ₁倍であり、回転数を１／ａ₁に減速する減速比ａ₁のプーリである。同様に、第２のタイミングプーリ１２と出力軸７ａとは減速比ａ₂でタイミングベルト１６により接続されている。さらに、第３のタイミングプーリ１３と第４のタイミングプーリ１４とは減速比１／ａ₃でタイミングベルト２１により接続されている。
【００２４】
ここで、本実施形態では第２アーム６の先端部（ここでは関節部４が該当する）が直線移動するようにしているが、このための条件は以下のとおりである。すなわち、▲１▼第１アーム５と第２アーム６の長さが同じであることの他、
▲２▼（減速比ａ₁）×（第１減速機１７の減速比ｂ₁）
＝（減速比ａ₂）×（第２減速機１８の減速比ｂ₂）×２
▲３▼第１アーム５と第２アーム６の回転方向が反対であること
が必要となる。
【００２５】
さらに、第２アーム６の先端部においてハンド１０の向きが一定となる条件は以下のとおりである。すなわち、
▲４▼２×（第２減速機１８の減速比ｂ₂−１）
＝第３の減速機１９の減速比ｂ₃×（減速比ａ₃）
▲５▼第２アーム６とハンド１０の回転方向が反対であること
が必要となる。▲１▼〜▲５▼の条件全てが満たされた場合、第１アーム５、第２アーム６、ハンド１０の回転角比が１：２：１となり、ハンド１０が同じ方向を向きつつ直線上を移動するようになる。
【００２６】
第４のタイミングプーリ１４に回転可能に設けられるハンド１０は、特にその構造が限られるものではないが、例えば図２に示すように平行な２本の平行な支持フレーム１０ａを備える等してワーク８を支持可能なものである。
【００２７】
また、本実施形態のアーム駆動装置１は、基台９がロボット本体２５に昇降及び回転可能に設置されることにより支持されている（図２参照）。この場合、基台９自体を昇降させあるいは回転させることによってハンド１０を直線運動させる際の高さや方向を変更することができる。
【００２８】
上述したアーム駆動装置１の動作を以下に説明する。以下に示す回転方向（例えば時計回り）は、アーム駆動装置１を上方から見た場合における方向である（図３、図４参照）。
【００２９】
図３に示すように屈曲した状態から図４に示すように伸長した状態となるようにアーム駆動装置１を動作させる場合について説明する。図１においてモータ７の出力軸７ａを反時計回りに回転させると、第１のタイミングプーリ１１が１／ａ₁に減速されて同じく反時計回りに回転する。この回転は、第１減速機１７によって更に１／ｂ₁に減速され、シャフト１７ｃの時計回りの回転となって現れる。シャフト１７ｃは、この基台９に固定されている第１アーム５を１／（ａ₁・ｂ₁）に減速して関節部２を中心に時計回りに回転させる。
【００３０】
また、反時計回りに回転するモータ７の出力軸７ａは、タイミングベルト１６を介して第２のタイミングプーリ１２及びこのプーリ１２と同軸上の第３のタイミングプーリ１３を１／ａ₂に減速して反時計回りに回転させる。この回転は、第２減速機１８によって更に１／ｂ₂に減速され、シャフト１８ｃの反時計回りの回転となって現れる。第１アーム５の回転角と第２アーム６の回転角の比は１：２である。
【００３１】
また、１／ａ₂に減速されて反時計回りに回転する第３のタイミングプーリ１３は、タイミングベルト２１を介して第４のタイミングプーリ１４を更に１／ａ₃に減速して回転させる。この回転は、第３減速機１９によって更に１／ｂ₃に減速され、ケーシング１９ａの時計回りの回転となって現れる。時計回りに回転するケーシング１９ａは、ハンド１０を第２アーム６に対して時計回り方向へ相対回転させる。
【００３２】
上述したように、本実施形態のアーム駆動装置１においては、第１アーム５及び第２アーム６が同じ長さであると共に、第１アーム５、第２アーム６、ハンド１０の回転角比が１：２：１であることから、図４に示すようにハンド１０が同じ方向を向きつつ、関節部２と関節部４のそれぞれの回転中心を結んだ直線上を移動する。
【００３３】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態ではタイミングベルト１５とタイミングベルト１６とに同じベルトを用い、モータ７を第１アーム５のほぼ中間に設けるようにしたがこれは好適な一例に過ぎずこれに限られることはない。例えば、タイミングベルト１５，１６として長さや幅が異なるベルトを用いればこれに伴ってモータ７の設置位置も当然に変わってくるが、このような場合でも、両タイミングベルト１５，１６の伸びにより生じうる回転遅れの一部あるいは全部を相殺させて回転ずれを少なくする（あるいはなくす）ことが可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載のアーム駆動装置によると、駆動源の駆動力が通常よりも短いタイミングベルトによってタイミングプーリ等に伝達されるため、伸びによる影響つまり回転遅れが少なくなる。したがって、この分だけタイミングベルトの精度が相対的に向上することになり、第２アーム先端における直進性を確保しやすくなる。
【００３５】
しかも、２本のタイミングベルトのそれぞれが伸びることによって遅れが相殺されるから、第１アームと第２アームとの間における回転ずれが更に少ない。このため、第２アーム先端の直進性をより確保しやすくなる。
【００３６】
また、請求項２記載のアーム駆動装置によると、２本のタイミングベルトを同じものにしていることから、第１アームと第２アームとの間における遅れを相殺して回転ずれをなくすことが可能となる。
【００３７】
また、請求項３記載のアーム駆動装置によると、タイミングプーリの回転を減速して伝達する減速機を関節部に設け、タイミングベルトの伸びに伴う回転遅れを減じて伝達するようにしているため回転遅れの影響をその分排除することができる。しかも、タイミングプーリを各関節部に直接取り付けた場合よりも高い剛性と精度とを確保しやすい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアーム駆動装置の一実施形態を示す側面図である。
【図２】アーム駆動装置の外観例を示す斜視図である。
【図３】屈曲状態にある第１アーム、第２アームおよびハンドを示す平面からの概略図である。
【図４】伸長状態となった第１アーム、第２アームおよびハンドを示す平面からの概略図である。
【図５】従来のアーム駆動装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１アーム駆動装置
２関節部
３関節部
５第１アーム
６第２アーム
７モータ（駆動源）
８ワーク
９基台
１１第１のタイミングプーリ
１２第２のタイミングプーリ
１５タイミングベルト
１６タイミングベルト
１７減速機
１８減速機

Claims

基台上の関節部を中心に回転可能な第１アームと、この第１アームの先端側の関節部に回転可能に連結された第２アームと、前記基台上の関節部に設けられた第１のタイミングプーリと、前記第１アーム先端側の関節部に設けられた第２のタイミングプーリと、これら第１のタイミングプーリ及び第２のタイミングプーリに掛け渡されたタイミングベルトとを備え、前記第１アームが回転したときの前記第２アームの回転量を規制してこの第２アームの先端部を直線的に移動させるアーム駆動装置において、前記タイミングベルトを２本のタイミングベルトで構成し、これら２本のタイミングベルトを同時に駆動する駆動源を前記第１アームの途中に設けていることを特徴とするアーム駆動装置。
前記駆動源を前記第１アームの中間に設けると共に、前記第１のタイミングプーリと前記駆動源との間に掛け渡されたタイミングベルトと、前記第２のタイミングプーリと前記駆動源との間に掛け渡されたタイミングベルトとに同じベルトを用いたことを特徴とする請求項１記載のアーム駆動装置。
前記タイミングプーリの回転を減速して伝達する減速機が前記関節部に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のアーム駆動装置。