(57)【要約】【課題】吸着ヘッドの吸着面が物品に接触するときの衝撃を十分に小さくして、機械的に脆い物品でも安定かつ確実に吸着保持し、搬送可能にする。【解決手段】固定部と吸着部との間に設けられて、それらの間に閉じられた気室を形成するベローズを備え、吸着部の吸着面を物品へ接触させる時には、物品に接触する際に生じる衝撃力により吸着部が持ち上がる程度の第１の圧力で、吸着部の吸着面にて吸着された物品を搬送する時には、第１の圧力よりも大きく、搬送中にストッパ部が固定部から離れない程度の第２の圧力で、可動部材のストッパ部が固定部に当接するように、ベローズ内の気室の圧力を調整して物品を吸着保持することを特徴とする吸着ヘッド。【選択図】図１
2006137000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス板、プラスチックシート、水晶板、セラミックス板、半導体ウエハのような薄い板状の物品の表面を吸引して保持する吸着ヘッドにおいて、
固定部と、
前記固定部にスライド可能に支承された可動部材と、
前記可動部材の一端に備えられて、前記物品を吸着保持し得る硬い樹脂材料からなる吸着部と、
前記可動部材の他の一端に備えられて、前記固定部に当接することで、前記吸着部の吸着面が設定レベルよりも下がるのを防止するストッパ部と、
前記固定部と前記吸着部との間に設けられて、それらの間に閉じられた気室を形成するベローズと、
前記可動部材の内部に形成され、前記気室に外部から気体を供給するための気流路と、
を備え、
前記吸着部の前記吸着面を前記物品へ接触させる時には、前記物品に接触する際に生じる衝撃力により前記吸着部が持ち上がる程度の第１の圧力で、前記吸着部の前記吸着面にて吸着された前記物品を搬送する時には、前記第１の圧力よりも大きく、搬送中に前記ストッパ部が前記固定部から離れない程度の第２の圧力で、前記可動部材の前記ストッパ部が前記固定部に当接するように、前記ベローズ内の前記気室の圧力を調整して前記物品を吸着保持することを特徴とする吸着ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、薄いガラス板、プラスチックシート、水晶板、セラミックス板、半導体ウエハのような割れ易い又は吸着痕のつき易い物品を吸着保持する吸着ヘッド、吸着装置及びそれを備えた搬送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的軽い物品を搬送したり、別の場所に移載する場合には、吸着ヘッドにその物品を吸着させて運ぶことが広く行われている。例えば、その物品が数１００μｍ以下の厚みで固い材質からなるガラス板、プラスチックシート、水晶板、セラミックス板、半導体ウエハなどを吸着保持する場合には、吸着ヘッドの吸着部としては吸着面と物品との間の衝撃を吸収し易いゴムのような弾性材料で、衝撃を吸収し易い形状にされた吸着パッドなどが用いられる。しかし、吸着部が弾性材料からなる場合には物品に吸着痕が残る場合があり、その吸着痕がその後の処理に悪影響を及ぼすときにはこのような吸着パッドを用いずに、図５に示すようにテフロン樹脂（登録商標）のような硬い樹脂材料からなる吸着部３を用いることがある。この場合には、テフロン樹脂のような硬い樹脂材料からなる吸着部３が前述のような割れやすい物品１に接触すると割れてしまう場合があるので、吸着時には物品１と吸着部３の吸着面との間隙Ａを十分に高い精度で制御しなければならず、高精度の位置制御技術が必要であった。なお、４０は物品１を水平に受ける受け台であり、必要に応じて図示しない上下駆動装置により上下方向に動くことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このように吸着時に物品１と吸着部３の吸着面との間隙Ａを十分に高い精度で制御しなければならない従来技術では、吸着ヘッド２を含む搬送装置の価格が高くならざるを得なかった。しかも、物品１と吸着部３の吸着面との間には間隙Ａがあるので、吸着の瞬間に物品１の位置がずれることがあり、物品の予め決められた位置を正確に吸着できず、物品を正確に所定位置に搬送又は移載することができなかった。また、割れ易い物品の場合にはゴムなどの柔らかい材料からなる吸着パッドを用いても、吸着ヘッドの吸着面が物品に接触するときの衝撃で割れることもある。
【０００４】
したがって、本発明は吸着ヘッドの吸着面を機械的に脆い物品に接触させて吸着保持する場合にも、物品が割れることのない吸着ヘッドを提供することを主な課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は前記課題を解決するため、ガラス板、プラスチックシート、水晶板、セラミックス板、半導体ウエハのような薄い板状の物品の表面を吸引して保持する吸着ヘッドにおいて、固定部と、前記固定部にスライド可能に支承された可動部材と、前記可動部材の一端に備えられて、前記物品を吸着保持し得る硬い樹脂材料からなる吸着部と、前記可動部材の他の一端に備えられて、前記固定部に当接することで、前記吸着部の吸着面が設定レベルよりも下がるのを防止するストッパ部と、前記固定部と前記吸着部との間に設けられて、それらの間に閉じられた気室を形成するベローズと、前記可動部材の内部に形成され、前記気室に外部から気体を供給するための気流路と、を備え、前記吸着部の前記吸着面を前記物品へ接触させる時には、前記物品に接触する際に生じる衝撃力により吸着部が持ち上がる程度の第１の圧力で、前記吸着部の前記吸着面にて吸着された前記物品を搬送する時には、前記第１の圧力よりも大きく、搬送中に前記ストッパ部が前記固定部から離れない程度の第２の圧力で、前記可動部材の前記ストッパ部が前記固定部に当接するように、前記ベローズ内の前記気室の圧力を調整して前記物品を吸着保持することを特徴とする吸着ヘッドを提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、吸着ヘッドの吸着面が物品に接触するときの衝撃を十分に小さくできるので、機械的に脆い物品でも安定かつ確実に吸着保持し、搬送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
先ず、図１を利用して、本発明の吸着ヘッド２の実施の形態について説明する。この発明は、吸着部３がガラス板、プラスチックシート、水晶体、セラミックス板、半導体ウエハなどのような割れ易い板状の物品１に接触するときのショック（衝撃）を和らげるためには、吸着部３と固定部分との間に弾性体を設ければ良いという知見に基づいている。弾性体として一般的に使用されているのはスプリングコイルであるが、スプリングコイルだけでは、重力の影響を受け易いという大きな問題がある。物品１に接触するときのショック（衝撃）を和らげるためには、弾性力の弱いスプリングコイルを用いねばならないが、弾性力が弱いと僅かな力で伸縮し易く、高速搬送が難しいこと、搬送時に搬送機構を水平に旋回させたり、反転させるのは不可能であることなど、種々の問題がある。
【０００８】
したがって、この発明では弾性体としてベローズを用いると共にベローズの内側に閉じられた気室１１を形成し、そのベローズの気室１１を通して伸びる可動部材に吸着部を取り付け、気室１１の圧力を選択的に調整し、吸着ヘッド２が上方向から物品１に接触してそれを吸着する場合には気室１１の圧力を低い第１の設定値にして、可動部材のストッパ部が固定部に安定かつ小さな加圧力で接するようにする。そして、搬送工程において吸着ヘッド２がある角度回転又は旋回する搬送動作を含み、吸着ヘッド２が横方向又は上下逆さの状態で物品を吸着、又は受け渡しする場合には、気室１１の圧力を前記第１の設定値よりも大きな第２の設定値にしてベローズを伸長させ、これにより吸着ヘッド２の吸着面が物品１に接触するときにはストッパ部が前記安定かつ小さな加圧力で固定部に接触するように気室の気圧を調整することにより、吸着ヘッド２が物品１に接触するときには物品１の衝撃を小さくし、また旋回、回転などを含む搬送動作を安定かつ確実に行うことができるようにする。
【０００９】
先ず、図１を利用して、本発明に係る吸着ヘッド２の実施例について説明する。図１において、３はガラス板、プラスチックシート、水晶体、セラミックス板、半導体ウエハなどのような割れ易い板状の物品１を吸着保持したり、解放する吸着部であり、吸着面３ａにほぼ垂直に形成された複数の吸引通路３ｂを有する。吸着部３はテフロン樹脂などのような比較的硬い材料からなり、軽量化を図るため吸着機能に影響を与えない範囲で薄く、かつ小面積になるよう形成されている。
【００１０】
４は、吸着部３を支承する気流基体部であり、吸着部３の各吸引通路３ｂに通じる吸引路４ａと後述する気室に気体を供給する気流路４ｂと、気室内に延びる中央凸部４ｃとを備える。気流路４ｂには、図２に示すような気流供給機構の気流パイプ２０が接続されており、その気流パイプは途中で二股に分岐されて、各分岐された気流パイプ２１、２２の途中には電気信号により開閉される第１、第２の開閉バルブ２３、２４と第１、第２の流量調整バルブ２５、２６がそれぞれ備えられている。また、分岐点から延びる排気路には排気バルブ２７が備えられる。分岐された気流パイプ２１、２２は流量調整バルブ２５、２６の上流側で合流され、ストップバルブ２８を通して気体供給装置２９に接続されている。ここで第１の流量調整バルブ２５は第２の流量調整バルブ２６に比べて気体の単位時間当たりの流量が小さい第１の流量に設定され、第２の流量調整バルブ２６の流量はそれよりも大きな第２の流量に設定される。なお、第１、第２、３の開閉バルブ２３、２４、２７は電気信号により開閉して気体を通過又は遮断する電磁弁であり、排気バルブ２７は第１と第２の開閉バルブ２３、２４のいずれか一方又は双方が開いているときは閉じており、第１と第２の開閉バルブ２３、２４の双方が閉じて気体を供給していないときは開いて、気室１１を大気に接続する。
【００１１】
次に、５は図３の参照記号３０で示される搬送アーム又は移載アームなどに取り付けられる第１の固定部であり、６は第１の固定部材５に固定される第２の固定部であって、これら第１の固定部５と第２の固定部６は固定部材を構成する。第２の固定部６の中央長手方向に延びる空洞壁を形成する摺動部７を備える。
【００１２】
８は摺動部７に対して摺動可能に支承されたシャフト部であり、その一方の端部側にストッパ部９が取り付けられるか、あるいは一体的に形成されている。摺動部７は、後述するように吸着ヘッド２が回転又は旋回するときに安定にシャフト部８を支承できるように、ある長さを持つと共にシャフト部８との間の遊びが小さくなるよう作られているのが好ましい。また、図示していないが、摺動部７とシャフト部８との間には潤滑油又はグリースのような固形の潤滑剤が塗布されていても良く、また、摺動部７又はシャフト部８の特定位置に潤滑剤溜りとなる環状の溝を備えても良い。シャフト部８の他端側は気流基体部４の中央凸部４ｃに結合、又はそれと一体的に形成されている。ストッパ部９は、第１の固定部５に形成されている空間部５ａを動けるようになっている。ここでシャフト部８とストッパ部９と気流基体部４は可動部材を構成する。なお、ここで摺動部に代えて、例えば図示しない複数のラジアルベアリングを用い、その外輪を固定部材に嵌合し、その内輪にシャフト部８を嵌挿させる構造でも良い。
【００１３】
第２の固定部６と気流基体部４との間には市販のベローズ１０が備えられ、前述の閉じられた気室１１を形成する。ベローズ１０は中央にそれぞれの大きさと形状の穴を有する端板１０ａ、１０ｂとそれらに空気漏れが無いように固定されたベローズ部１０ｃとからなる。一方の端板１０ａは第２の固定部６の下面に固定されると共に、他方の端板１０ｂは気流基体部４の環状上面に固定され、シャフト部８と気流基体部４の中央凸部４ｃとの結合部又はそれに相当する一体的部分は気室１１内に存在する。ここで、気流基体部４に形成された気流路４ｂは気室１１に通じている。気室１１の密閉性を高めるために、気流基体部４とベローズ１０の端板１０ｂとの間、第２の固定部６とベローズ１０の端板１０ａとの間、第１の固定部５と第２の固定部６との間にＯリング１２ａ、１２ｂ、１２ｃがそれぞれ備えられる。
【００１４】
次にかかる構造の吸着ヘッド２の動作について説明する。図１では既に物品１を吸着保持しているが、未だ吸着保持する前の段階では、開閉バルブは閉じた状態にあり、したがって気室は排気バルブ２７により大気中につながっている。この状態では、ストッパ部９が第２の固定部６の上面に接触している場合と、接触していない場合とが考えられる。ストッパ部９が第２の固定部６に接触している場合は、シャフト部８、ストッパ部９、気流基体部４からなる可動部材と吸着部３の重量の和に対してベローズ１０の上方向に引っ張る力が小さくなるように設定されており、ストッパ部９が第２の固定部６に接触せずに離れている場合は、前記とは逆に可動部材と吸着部３の重量の和に対してベローズ１０の上方向に引っ張る力が大きくなるように設定されている。スプリングコイルに限らず、ベローズにおいても重力の影響や経年変化によって弾性力が僅かづつ低下するので、最初は後者になるように設定し、ベローズの弾性力の低下は気室に供給する気体の流量の調整によって補償するのが好ましい。
【００１５】
後者の場合には、吸着部３の下面、つまり吸着面のレベルが一定になり難いので、吸着部３が物品１に接触する前に、第１の開閉バルブ２３を開き、第１の流量調整バルブ２５を通して第１の流量の気体を気室に供給し、ベローズ１０を伸長させてストッパ部９を第２の固定部６にほぼ所定の小さな圧力で接触させる。このときの接触圧は物品１の脆さや、前記可動部材と吸着部２の重量の和とベローズ１０の上方向に引っ張る力との差などによって決定される。前者も同様にこの状態で、吸着ヘッド２を下降又は物品１を上昇させて吸着面３ａを物品１に接触させ、接触した状態で図示しない一般的な吸引装置を動作させて吸引路４ａ及び吸引通路３ｂを通して物品１を吸着する。ここで、吸着ヘッド２を下降又は物品１を上昇させて吸着面３ａを物品１に接触させる工程については、吸着ヘッド２と物品１との間隔が僅かな設定位置に近づくまで高速で接近させ、その後は接近速度を落として接触させる２段階で接近させる方法も併用すると、さらに接触時の物品１への衝撃を小さくできる。
【００１６】
吸着から水平方向にある角度、例えば９０度だけ搬送する機構について、図３（Ａ）、（Ｂ）を用いて詳しく説明する。３０は前述したような構造の吸着ヘッド２を先端部分に備えた搬送アームであり、他端は駆動機構３１に固定されている。駆動機構３１は水平方向、つまり紙面とは垂直方向に所定角度回転し得る回転板３２ａを持つ回転駆動装置３２と、その回転板３２ａ上に搭載されて上下動するロッド３３ａを備える上下動装置３３とからなる。上下動装置３３にはアーム支承用部材３４が水平に固定され、そのアーム支承用部材３４に搬送アーム３０が水平に固定される。なお、図３では吸着ヘッド２の気室１１に気体を供給する、図２に示したような気流供給機構については図示するのを省略している。
【００１７】
次にその動作について図１ないし図３により説明する。先ず、駆動機構３１の回転駆動装置３２と上下動装置３３は基本位置にあり、搬送アーム３０は実線で示す位置にある。その基本位置で、電気信号により図２の第１の開閉バルブ２３が開き、第１の流量調整バルブ２５を通して気体がベローズ１０内の気室１１に供給される。このとき、上下動装置３３のロッド３３ａが下降動作を開始し、図３（Ｂ）の鎖線で示す位置で吸着部３の吸着面３ａが物品１に接触する。この接触するまでの間に、気室１１の気圧は低いレベルの第１の設定値になり、ストッパ部９は第２の固定部６の上面に小さな加圧力で安定に当接している。したがって、吸着部３の吸着面３ａは吸着ヘッド２における設定最下限位置にあり、その設定最下限位置にある吸着面３ａは上下動装置３３のロッド３３ａの下降により、物品１に接触する。このとき、前記ストッパ部９が第２の固定部６の上面に与えている小さな加圧力よりも大きな衝撃力が物品に加わると、吸着部３はもちあがるので、予定以上の衝撃力が物品１に加わることはない。そして、この接触とほぼ同時に吸引路４ａを通して吸引が行われ、物品１は吸着ヘッド２の吸着部３に吸着される。
【００１８】
次に上下動装置３３が動作を開始してロッド３３ａを所定ストロークだけ後退させて短くすることにより、吸着ヘッド２は物品１に接触した後に吸着保持し、次にロッド３３ａが所定ストロークだけ前進して長くなることにより物品１を受け台４０から受け取って上昇する。これと同時に回転駆動装置３２が動作を開始して回転板３２ａを所定角度だけ水平方向に回転させる。これに伴い、上下動装置３３、アーム支承用部材３４及び搬送アーム３０は所定角度だけ旋回して、その搬送アーム３０は図３（Ａ）の鎖線で示す位置で止まる。その後、上下動装置３３は動作してロッド３３ａを設定ストロークだけ伸長させて吸着ヘッド２を下降させ、別の受け台４０上に物品１が接触したときに、吸引路４ａを通して行われていた吸引を停止し、吸着部３は物品１を解放して受け台１上に載置する。しかる後、再び上下動装置３３により搬送アーム３０は上昇すると共に、回転駆動装置３２の回転動作により実線で示す位置まで戻り、次の吸着動作に備える。この搬送によれば、前述のように吸着部３が物品１に接触して受け台４０から受け取るとき、及び吸着ヘッド２が下降して物品１の下面が受け台４０に接触するときの衝撃を予定値以下に和らげることができる。
【００１９】
図４により物品１の表裏を反転する実施例について説明する。この実施例の場合には、図３の回転駆動装置３２の回転板３２ａを紙面の方向、つまり図示の回転板３２ａとは垂直方向に取り付け、その回転板に図示と同様な方向に上下動装置３３を固定した駆動機構とするか、あるいは市販の単軸ロボットを用いる。前者のような駆動機構を用いる場合には、先ず吸着ヘッド２が物品１を吸着保持した後、回転駆動装置３２が動作して、紙面方向、つまり垂直方向に広がる回転板を９０度回転させる。これに伴い、搬送アーム３０と吸着ヘッド２は垂直面を９０度回転し、Ｙ１の位置からＹ２の位置へ移動する。
【００２０】
この実施例では、前述のように吸着ヘッド２が物品１を吸着した後、上下動装置３３の動作により物品１は所定ストロークだけ上昇する動作を行い、この過程で図２に示した第２の開閉バルブ２４が開いて第２の流量調整バルブ２６を通して第１の設定量よりも多い第２の設定量の気体を気室１１に供給する。これに伴い短時間で気室１１の圧力は第２の設定値まで高くなり、吸着ヘッド２が位置Ｙ１から位置Ｙ２に移動し停止した状態では、ストッパ部９が第２の固定部６から離れない程度以上に、気室１１の圧力は保持される。この理由は、吸着ヘッド２が位置Ｙ１にあるときはシャフト部８などからなる可動部の重量がかかるが、位置Ｙ２にあるときはその重量の影響がほとんど無いので、その重量分程度だけ気室１１の気圧を高くしないと、ストッパ部９が第２の固定部６から離れ、物品１の水平方向位置が不安定になり、後述する物品１の受渡しに支障を生ずるからである。
【００２１】
次に、回転駆動装置３２が動作して、紙面方向に広がる回転板を９０度回転させて吸着ヘッド２と物品１を位置Ｙ２に搬送する。吸着ヘッド２と物品１が位置Ｙ２にある状態では、前述のように気室１１の圧力は第２の開閉バルブ２４により第１の設定値よりも高い第２の設定値に保持され、したがって、ストッパ部９が第２の固定部６から離れることが無い程度に接触しており、物品１は正確に設定位置に保持される。他方、吸着ヘッド２と同じ構造の別の吸着ヘッド２’が吸着ヘッド２に対応する位置Ｙ３に待機しており、吸着ヘッド２が位置Ｙ２に移行するとき、図３に示したような上下動装置が動作してアームを所定ストロークだけ前進させて長くする。これに伴い、吸着ヘッド２’の吸着部の吸着面が物品１の裏側に接触する。このときは、吸着ヘッド２’の気室の圧力も第２の設定値にあるので、所定ストロークだけ吸着面が前進するときその吸着面は正確に物品１の裏側に接触する位置まで前進するだけである。
【００２２】
しかる後、前述と同様に吸着ヘッド２’は物品１を吸着し、これと若干遅れて吸着ヘッド２は吸着動作を止めて物品１を解放することにより、物品１は吸着ヘッド２’に保持される。これに伴い、上下動装置が動作してアームを所定ストロークだけ後退させて短くすると共に、前述したように回転駆動装置が動作して回転板を反時計方向に９０度回転させることにより、吸着ヘッド２’は位置Ｙ４の上方に搬送される。この前後で、電気信号により第２の開閉バルブ２４が閉じると共に、排気バルブ２７が開いて気室１１の気体を排気し、これと少し遅れて第１の開閉バルブ２３は開く。上下動装置が動作してアーム３３ａを所定ストロークだけ前進させて長くして吸着ヘッド２’を下げ、位置Ｙ４で物品１を別の受け台４０に載置する。物品１が別の受け台に接触する時点では、気室１１は前記第１の設定値になっている。
【００２３】
この実施例では、吸着ヘッド２、２’が垂直下方向を向いているときには気室の圧力を低い第１の設定値にし、水平方向を向いているときにはこれよりも大きい第２の設定値にしているので、吸着面３ａが物品１に接触するときには、ストッパ部９が第２の固定部６に安定かつほぼ一定の小さな圧力で接触しており、したがって、吸着ヘッド２、２’の吸着面３ａが物品１に接触するときの衝撃を十分に小さくできる。
【００２４】
以上の述べた吸着ヘッド間で物品を受渡して物品を反転する搬送方法の他に、搬送機構の占有面積を小さくするために１８０度回転、つまり物品を吸着した位置の真上で物品を受渡しして反転する方法など種々の方法が考えられるが、吸着ヘッドがいずれの方向を向いた状態であろうともその吸着面が物品に接触するときには、ストッパ部９が第２の固定部６に安定かつほぼ一定の小さな圧力で接触するように、ベローズ内の気室の圧力は調整される。これにより、吸着ヘッドの吸着面が物品に接触するときの衝撃を十分に小さくでき、かつ物品を安定かつ確実に吸着保持することができる。なお、１８０度回転する垂直方向の反転動作を行う場合には、前記可動部の重力がベローズ１０の弾性力の方向と同じになるので、ストッパ部９が第２の固定部６から離れないように気室１１の圧力を第２の設定値よりも更に高い第３の設定値の設定値にする必要がある。
【００２５】
また、シャフト部８及び気流気体部４などからなる可動部材を軽量にした方が、気室１１の圧力を小さくすることができると共に、応答速度を大きくできるので、シャフト部を中空のパイプ状にしたり、材質、形状、大きさなどを検討して可動部材をできるだけ軽量するのが望ましい。ここで、上下動装置は水平方向にロッドを進退動作を行わせる場合もあるので、直線駆動装置と言っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明にかかる吸着ヘッドの１実施例を示す。
【図２】本発明に用いられる気体供給機構の１例を示す。
【図３】本発明に係る搬送機構の１実施例を示す。
【図４】本発明に係る搬送機構の別の１実施例を示す。
【図５】従来の吸着ヘッドの１例を示す。
【符号の説明】
【００２７】
１・・物品                          ２・・吸着ヘッド
３・・吸着部                        ３ａ・・吸着面
４・・気流気体部                    ４ａ・・吸引路
４ｂ・・気流路                      ５・・第１の固定部
６・・第２の固定部                  ７・・摺動部
８・・シャフト部                    ９・・ストッパ部
１０・・ベローズ                    １１・・気室
１２・・Ｏリング                    ２０・・気流パイプ
２１、２２・・分岐された気流パイプ
２３、２４・・第１、第２の開閉バルブ
２５、２６・・第１、第２の流量調整バルブ
２７・・排気バルブ                  ２８・・ストップバルブ
３０・・搬送アーム                  ３１・・駆動装置
３２・・回転駆動装置                ３２ａ・・回転板
３３・・上下動装置                  ３４・・アーム支承用部材
【図１】
2006137000.tif 000003
【図２】
2006137000.tif 000004
【図３】
2006137000.tif 000005
【図４】
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【図５】
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