JPH0584691A - 真空チヤンバ用産業ロボツト装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】産業用ロボットの内外の圧力差を所定値保持す
ることで、耐圧性の低い小形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
形化を実現し、更に圧力差の増大に伴う真空チャンバの
汚染を防止する。 【構成】真空チャンバＣ内に設置された産業用ロボット
Ｒは複数の軸系を有し、該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い
る。産業用ロボットＲには、冷却気体を供給する送気装
置３１と、冷却気体を排気するロボット用真空装置３２
とが接続され、真空チャンバＣには、チャンバＣ内の気
体を排気するチャンバ用真空装置４０が接続されてい
る。更に、産業用ロボットＲの内部圧力と真空チャンバ
Ｃ内の圧力との差圧を予め設定された所定差圧に保持す
る差圧保持手段３５と、差圧が上限値をこえると送気装
置３１の操作弁３３，３４を閉じる遮断制御手段Ｍとが
設けられている。

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や液晶パネルディスプレ
イ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、軽量でないワークで
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、発生した熱を大気中に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、その目的は、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とともに、も
し上記圧力差が上限値を越えたときには、送気装置の操
作弁を閉じるよう制御することにより、上記気密シール
が破損して冷却気体が真空チャンバ内に大量に流入して
真空チャンバ内を汚染するのを防止することにある。

【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
気装置と、冷却気体を排気するロボット用真空装置とが
それぞれ少なくとも電磁バルブ，空圧バルブ等の操作弁
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
に保持する差圧保持手段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、差圧保持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】また、差圧の異常な上昇による産業用ロボ
ット及び気密シールの破損を防止すると同時に、真空チ
ャンバ内に大量の気体が流入して真空環境を汚染するこ
とを防止するために、差圧が一定の上限値例えば０．２
atm を越える状態が発生した場合、遮断制御手段によ
り、瞬時に操作弁を閉じてロボット内の内部空間を大気
側から遮断するという安全策を採っている。

【００１２】

【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、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。

【００１３】また、産業ロボット内部の圧力と真空チャ
ンバ内の圧力との差圧が一定の上限値を越えるときは、
遮断制御手段により、操作弁を閉じるように制御される
ので、産業ロボット内の冷却気体が真空チャンバ内に流
入することはない。

【００１４】

【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。

【００１５】しかも、例えば制御バルブの故障等により
差圧が上限値を越えたときには、操作弁が閉じるため、
産業ロボット内部に冷却気体が大量に流入することがな
く、したがって真空チャンバ内にも流入しないので、真
空チャンバ内の環境の汚染が有効に防止されることにな
る。

【００１６】

【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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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、通常時は全開に、異常時には全閉に維持される操
作弁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は真空チャンバ
Ｃの内部に接続されており、その内部圧力は、圧力計４
２により監視されている。

【００２３】そして、上記送気装置３１の吐出側には、
本発明でいうところの差圧保持手段として機能する電−
空レギュレータ３５が介設されており、この電−空レギ
ュレータ３５は、図６に示すようなリニアな入出力特性
に従って、電気信号を圧力信号に変換するものである。
上記電−空レギュレータ３５及び両操作弁３３，３４
は、コントローラＭに接続されており、該コントローラ
Ｍにより以下のように制御するようになされている。

【００２４】すなわち、上記圧力計３９，４２からの圧
力信号を受けると、両者の圧力差と目標圧力差（例えば
０．１５atm ）とのずれΔＳを演算する。そして、この
ずれΔＳが「０」のときに、実験で求められた最適供給
圧力（図６のＰｏ）を出力するよう入力電気信号の基準
点（図６のＶｏ）を決定し、ずれΔＳが正値のときには
Ｖｏ以下の電気信号を、ずれΔＳが負値のときにはＶｏ
以上の電気信号をコントローラＭから電−空レギュレー
タ３５に差圧信号として出力する。この差圧信号に応じ
て、電−空レギュレータ３５から上記図６の特性に従っ
た圧力が供給される。この電−空レギュレータの供給圧
力調節作用により、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。す
なわち、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、シール破壊の可能性
領域に入って産業用ロボット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。

【００２５】なお、差圧保持手段の構成は、上記の電−
空レギュレータ３５に限定されるものではなく、例えば
送気装置３１の吐出側または吸入側に制御バルブを設け
て、その開度を制御することにより差圧を一定に保持す
ることもでき、或は産業ロボット内部の冷却気体を真空
チャンバＣ内へ放出するリーク弁を設け、差圧が一定値
を越えるとリーク弁を開くようにしてもよい。

【００２６】さらに、コントローラＭにより、上記両圧
力計３９，４２の信号を受けて、産業用ロボットＲ内と
真空チャンバＣ内との差圧が上限値（例えば０．２atm
）以上に上昇すると、上記両操作弁３３，３４を閉じ
るように制御され、コントローラＭは本発明にいう遮断
制御手段として機能するものである。

【００２７】なお、稼動時に産業用ロボットＲの内部圧
力が０．２atm.を越えて異常に上昇すると、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 を越えて操作弁３３，３４を
閉じた結果、内外差圧の上昇を防止しきれずに各気密シ
ール８Ａ，８Ｂの破損を招く限度（例えば０．３atm.）
を越えるとその隔壁が破れて内部圧力を解放する。

【００２８】次に上記各機器の動作手順を説明する。

【００２９】まず、操作弁３４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。この状態で操作弁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。

【００３０】そして、電−空レギュレータ３５により供
給圧力を調節することにより、産業用ロボットＲの内外
圧力差を０．１〜０．２atm の範囲内に保持し、冷却気
体による放熱作用を維持しながら、各回転軸の気密シー
ルに作用する圧力負荷を緩和し、産業用ロボットの小形
化を可能にしている。

【００３１】そのとき、例えば電−空レギュレータ３５
等の差圧保持手段が故障する等により、差圧が上限値
（０．２atm ）を越えたときには、コントローラＭ（遮
断制御手段）により、操作弁３３，３４を閉じるよう制
御され、産業ロボットＲ内部に冷却気体等が大量に流入
することがないようになされている。従って、真空チャ
ンバＳ内部にも冷却気体が流入することがなく、真空チ
ャンバＣ内部の環境の汚染が有効に防止される。

【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。

【図６】電−空レギュレータの入出力特性図である。

【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 33,34 操作弁 35 電−空レギュレータ（差圧保持手段） 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（遮断制御手段）

Claims (1)

【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
   と、冷却気体を排気するロボット用真空装置とがそれぞ
   れ操作弁を介して接続され、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差圧保持
   手段が設けられており、 上記差圧が一定の上限値を越えた場合には、上記両操作
   弁を閉じるよう制御する遮断制御手段が設けられている
   ことを特徴とする真空チャンバ用産業ロボット装置。