(57)【要約】      （修正有）【課題】モータ部が小型化、重量も減少、騒音も減少でき、バランサが小型で、省エネルギーとロボットの軽量化に寄与する。【解決手段】皿バネのような小さい変異に対して大きな応力が得られるバランサを、関節近傍の回動するアームなどに設けると、大きな回動トルクが必要な低位角度ほど介助応力が強く働く。アーム回動にモータとバランサ装置を併用すれば、アーム角度が６０度まで介助すれば、全回動区間にわたって１／２以下のトルクで済み、モータの小型化、ロボットの軽量化が達成できる。また、バランサに除塵手段を施すと、磁性流体による関節部シールドと合わせ、高いクリーン度を維持することができる。このバランサ装置は、クリーンルーム内の各種垂直回動装置の介助に応用することができる。【選択図】図５
2005319550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに近接及び離反運動する第１の部材と第２の部材と、
前記二つの部材に連結されて前記第１の部材の前記離反運動を介助するバランサを有するバランサ装置において、
前記第１の部材の前記離反運動範囲の一部を介助することを特徴とする、バランサ装置。
【請求項２】
前記近接及び離反運動が垂直回動運動であって、
前記垂直回動の軸に同心軸状に連結または固定された連結部材と、
一端が前記連結部材に連結し他端が前記第２の部材に連結したバランサと、
前記連結部材に施され前記同心軸を中心とする円弧状長穴と、
前記円弧状長穴に嵌合するピンとからなり、
前記ピンは前記第１の部材又は前記バランサの一端に連結または固定されていること
を特徴とする、請求項１に記載のバランサ装置。
【請求項３】
少なくとも、取付け部を有する筒状部と、弾性体部と、弾性体抑え部に固定され取付け部を有するロッドとからなるバランサを有するバランサ装置において、
前記弾性体抑え部が前記弾性体部から離れて前記筒状部の内部で自由に移動できる空間が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のバランサ装置。
【請求項４】
前記バランサがする弾性体部は、少なくとも1つの皿バネにより構成されていること
を特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のバランサ装置。
【請求項５】
前記近接及び離反運動が垂直回動運動であって、
前記介助される前記第１の部材の前記垂直回動の角度範囲が、水平位置に対して−４５度から＋７０度であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のバランサ装置。
【請求項６】
上下運動するために垂直回動する第１の部材と、
前記第１の部材と垂直回動の中心軸を共有する第２の部材と、
前記第１の部材を回動させるための少なくとも１つモータ部と、
前記第１の部材の上端または他の垂直回動する部材の上端に設けた作業装置と、
少なくとも前記モータ部の運動を制御する手段と、を有するロボットにおいて、
請求項１から５いずれかに記載のバランサ装置を備えることを特徴とする、ロボット。
【請求項７】
少なくとも、取付け部を有する筒状部と、弾性体部と、バネ抑え部に固定され取付け部を有するロッドとからなる円筒状バランサにおいて、
前記筒状部の内部から排出される空気を塵埃無関係領域に導くための配管と、
前記筒状部側面にもうけた吸気口と
を有することを特徴とする、バランサ。
【請求項８】
少なくとも、取付け部を有する筒状部と、弾性体部と、バネ抑え部に固定され取付け部を有するロッドとからなる円筒状バランサにおいて、
前記筒状部の内部に出入する空気の通気口にフィルタを設けることを特徴とする、バランサ。
【請求項９】
少なくとも、取付け部を有する筒状部と、弾性体部と、バネ抑え部に固定され取付け部を有するロッドとからなる円筒状バランサにおいて、
前記筒状部の側面に回動軸である取付け部を設けることを特徴とする、バランサ。
【請求項１０】
請求項７から９いずれかに記載のバランサを有することを特徴とする清浄環境用装置。
【請求項１１】
請求項７から９いずれかに記載のバランサを有することを特徴とする請求項６記載のロボット。  
【請求項１２】
請求項６、１０、１１のいずれかに記載のロボットを配設したことを特徴とする薄板状物製造設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上下運動を介助するバランサ装置を有する、塗装用、溶接用、搬送用等の垂直回動型部材を有する装置、特に垂直回動型ロボットに関する。特に、半導体ウエハや液晶ディスプレー用、有機エレクトロルミネッセンス・ディスプレー用、プラズマ・ディスプレー用ガラス基板などの薄板を搬送するロボットに関し、さらに、本発明のロボットを組み込んだ薄板状物製造設備にも関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、塗装用、溶接用のロボットは、垂直回動型がほとんどで、シリコンウエハやガラス基板などの薄板状製品の搬送にも使用されてきた。これら薄板状物は、半導体チップや液晶ディスプレー（ＬＣＤ）、有機エレクトロルミネッセンス・ディスプレー（ＥＬＤ）、プラズマ・ディスプレー（ＰＤＰ）などの製造に使用され、クリーンルーム内やクリーンブース内で、搬送される。最近、特にＬＣＤやＰＤＰの大型化にともない、これらに使用するガラス基板はさらに大きく、大型ディスプレー製品の２〜８倍の面積があるため、これに使用する搬送用ロボットも大きくなってきている。
【０００３】
従来の溶接ロボットや建設機械のように、上下運動（Ｚ軸動作）を、垂直回動多関節アーム群による屈伸動作に依存し、油圧シリンダやエアシリンダにより回動させて行う方法がある。また、前記クリーンルーム用ロボットでは、Ｚ軸動作をボールねじによるほかに、例えば特開平１１−２６５９２４号公報に提案されたように、関節内にモータ部、減速機を組み込んでそれらから発生する塵埃を閉じ込めてしまう方法が一般的である。クリーンルーム以外で使用する場合は、Ｚ軸の屈伸動作を介助するバランサを用いる例として、特開平５−２２８８８４号公報で提案され、図１、図２に示す塗装用ロボットように、エアシリンダ内に介助用バネを組み込んだ例もある。
【０００４】
図１は、従来のバランサ装置を有する工業用ロボットで、基台上の旋回部と、第１のモータ部により垂直回動する第１アームと、第２のモータ部によりリンクを介して垂直回動する第２アームと、第２アームの後部内に配置された３つのモータ部（不図示）により駆動される先端部に、作業装置を設けたものである。ここで、可動部でもっとも重量のある第１アームをバランス装置が、空気供給ユニットの制御により、その上下運動を介助している。
【０００５】
前記従来例のバランサは、図２で示すように、シリンダ内の下部にバネ抑えで隔離され弾性係数の小さいバネ設けられた部屋に、シリンダ側部に取付けられた給排気管を通して空気供給ユニットから制御された圧縮空気が圧入されることによってロッドが収縮し、モータ部による第１アームの上方への回動を介助する。即ち、バランス装置は、バネと空気圧によって第１のモータ部の出力を介助するようになっている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２６５９２４号公報
【特許文献２】特開平５−２２８８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、クリーンルーム内では、大きな動力を必要としない小型ロボットが多かった。近年、特に液晶パネル製造用に要求される大型ロボットでは、例えば、図１のバランサ５のようにそれ自体が大きく長くなってきた。バランサは、大きくなると回動するアームに対して鋭角に連結せざるを得ず、バランサの出力も大きく設計しなければならない。
【０００８】
加えて摩擦部分が露出するバランサではロッド近傍からの油漏れや発塵の問題があり使用されていなかった。従って、前記のバランサのクリーンルーム用途には、油圧シリンダと同様な理由で用いられていない。前述の理由から、近年のクリーンルーム用大型ロボットは、前記特開平１１−２６５９２４号公報が提案するように、関節内にモータや減速機を組み込んだものが一般的となっている。
【０００９】
また、関節内モータ部組み込み型屈伸ロボットは、逆テコの原理から最初の立ち上がりで最も大きな回転力を必要とするため、前記バランサがあったとしても、前記モータ部には大出力が要求され、大型のモータ部を関節部に取付けざるを得ない。そのため、アームの強度、関節部の強度などを支える部品も大きくなり、ロボット全体の重量が増加してくる。このことはロボットが床面上を左右（Ｘ軸）に移動、あるいは前後（Ｙ軸）に移動する場合には、重いロボットを支持するために強固な基礎工事と大電力を要する大型モータ部が必要となり、設備費、ランニングコストが高額になるという問題があった。
【００１０】
また、前記図１においては、大きなバランサ装置を効率的に作動させるために、空気供給ユニットを用いて供給空気圧を制御し、モータ部を介助しているが、そのような制御装置を設けることにより、構造の複雑化とコスト上昇をもたらし、また、空気圧の応答変化速度を上げることができないため迅速に運動できず、必ずしも得策とは言えなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、前述の課題を解決するためには、大きなエネルギーが必要な負荷と自重が移動する上下運動（Ｚ軸運動）のための動力を軽減させる装置、即ち、真に効果的なバランサ装置の開発が重要であるとの考えから鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。即ち、本発明ではまず、互いに近接及び離反運動する第１の部材と第２の部材と、
前記二つの部材に連結されて前記第１の部材の前記離反運動を介助するバランサを有するバランサ装置において、前記第１の部材の前記離反運動範囲の一部を介助することを特徴とする、バランサ装置を開発した。
【００１２】
本発明では、上記バランサ装置の一種として、前記近接及び離反運動が垂直回動運動であって、前記垂直回動の軸に同心軸状に連結または固定された連結部材と、一端が前記連結部材に連結し他端が前記第２の部材に連結したバランサと、前記連結部材に施され前記同心軸を中心とする円弧状長穴と、前記円弧状長穴に嵌合するピンとからなり、前記ピンは前記第１の部材又は前記バランサの一端に連結または固定されていることを特徴とする、請求項１に記載のバランサ装置を開発した。
【００１３】
前記円弧状長穴の長さと前記連結部材の回動角度により、介助する回動角度を定める。介助する最低角度から最大角度までは、前記ピンが前記円弧状長穴の一方の端位置にあって第１の部材の回動を介助し、介助範囲を超えて第１の部材が回動する場合は、その後ピンは前記の円弧状長穴内を自由に相対的移動する。
ここでバランサの一端は前記連結部材に連結されるが、その連結場所は、アームとの同心軸以外には特に限定はなく、設計上配置しやすい場所に連結することができる。好ましくは、前記同心軸から見て前記円弧長穴の外側に位置すると、テコの原理により、より大きな力でアームの回動を介助する。
【００１４】
また、別種として、本発明は、少なくとも、取付け部を有する筒状部と、弾性体部と、弾性体抑え部に固定され取付け部を有するロッドと、からなるバランサを有するバランサ装置において、前記弾性体抑え部が前記弾性体部と離れて筒状部の内部で自由に移動する空間が設けられたことを特徴とするバランサ装置をも開発した。このバランサ装置は、第１の部材の運動の介助範囲においては、圧縮された前記弾性体部が前記弾性体抑え部を介して前記ロッドを押し出してバランサを伸張させ、介助範囲を超えて第１の部材が運動する場合は、前記筒状部の内部の空間を自由に移動する。
【００１５】
本発明のバランサ装置の応用分野として、大型ロボットがある。即ち、上下運動するために垂直回動する第１の部材と、前記垂直回動の中心軸を共有する第２の部材と、前記アームを回動させるための少なくとも１つモータ部と、前記アームの上端または他の垂直回動アームの上端に設けた作業装置と、すべての可動部を制御する手段と、を有するロボットにおいて、前述のバランサ装置のいずれかを備えることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の前記ロボットにおいては、第１の部材とはアームやリンク、リンクを駆動するためのリンク装置などをいう。また、第２の部材としては、基台や他のアーム、作業装置を設置する支台、前述のリンクとは別のリンクなどがある。前記ピンは、前記アーム、リンクまたはバランサのロッド端部のいずれかに固設され、バランサの反発応力をこれらに伝達する部材である。
【００１７】
ここでバランサは、少なくとも、アーム又はロボットの下部基台や上部作業台に連結するための端部を有するシリンダと、弾性体と、バネ抑え部に固定され連結用端部を有するロッドとからなる。弾性体としては金属製ないしセラミック製のコイル状バネ、帯状バネ、シリンダに封じ込まれた空気、ゴムなどを用いることができる。ここでは、鋼製のバネがメンテナンスフリーとすることができるために好ましく、バネの中でも皿バネが少量の変位で大きな応力を発するため最も好ましい。シリンダに設ける取付け部は、通常シリンダ外部の底部に固設するが、シリンダ側部に固設してもよい。一般にバランサは全長を運動半径内に収めなければならないが、シリンダの側部にバランサを回動させるための軸状の取付け部を設けると、バランサのより大きな介助伸張距離が得られ好ましい。
【００１８】
本発明のバランサを取付ける垂直回動アームの回動に要するトルクについて、水平面に対する回動角度の函数として考察する。アームを回動させるに必要なトルクFは、回動角θとの関係で定まり、Ｆ＝Ｗｃｏｓθ  で表される（ここでＷ＝関節に架かる最大トルク）。前記バランサによって介助されるアームの垂直回動の範囲は、全荷重の１／２以上を介助、即ち、アームの回動角度の−４５度から７０度までを介助することが好ましい。−４５度を下回ると、連結部材とバランサとの連結部分が、他方の連結部分を連結した基台などに干渉し、回動できなくなる。７０度を超えると、回動させるに必要な負荷は少なくモータなどの駆動部のみでも問題はなく、介助する必要はない。通常、−３０度から６０度を介助範囲とするとバランサを小型化でき好ましい。また、アームの回動角度範囲が０度から９０度の場合、０度から６０度間を介助範囲とすると、さらにバランサを小型化でき、且つ、多くの関節部に適用でき実用的には効果がある。また、アームの回動角度の最大は９０度までが一般的で、その場合の８８度程度にすることが、次の第２アーム２の収縮動作を開始するために好ましい。しかし、本発明では、モータによる回動を組み合わせているので、アームの回動角度の最大は、連結部材に設ける円弧状長穴を長く設計する事により９０度を超えて１８０度まで広げることができる。
【００１９】
これらの範囲を超えるアームの回動は、モータ部のみによる。モータ部は、前記回動関節の軸に直結、またはベルト・プーリやギヤにより間接的に連結してもよい。最低介助角度から最大介助角度までの範囲では、バランサとモータ部双方の力により、低角度ほどバランサが貢献し、高角度ほどモータ部が寄与することになる。バランサが回動に寄与しない範囲では、前述の円弧状長穴の中をアームに固定されたピンが移動して最大回動角度まで案内する。モータ部とは、モータ単独または減速機を組み合わせた原動部分を指し、モータとしては公知の電動モータであり、特に公知のサーボモータまたはステッピングモータが好ましい。垂直回動用モータ部の取付け部位は、昇降部分の重量を軽減し、また、配線距離を短くするために基台に近い場所が好ましいが、複数の垂直回動関節がある場合は２以上のモータ部を搭載してもよい。この際、関節内に設置してもよいが、関節から離れた部位にモータを取付けベルトとプーリ、ギヤ、チェーンなどの伝動部品を用いてトルクを伝達してもよい。
【００２０】
前述の最低介助角度におけるバランサの発現する応力は、荷重とのバランスにおいて任意に定めることができる。ここで前述の最低介助角度におけるバランサの発現応力は、前記回動関節での荷重と等価であることが好ましい。しかし、作業装置の構造や付属部品の有無により前記荷重の増減があり、前記バランサの発現応力は、前記荷重よりわずかに少なくすることも出来る。変化するトルクに対しては、前記回動関節に連結するモータ部の出力調整によって対応する。
【００２１】
本発明のロボットは、半導体やフラットパネルディスプレーなどの製造プロセスが要求するクリーンな環境で使用されるため、バランサについても、発塵には注意をしなければならない。そのため、バランサのロッドの伸縮に伴ってシリンダ内に出入りする空気を、その出入り口に設けるフィルタで濾過することができる。また、シリンダに２つの口を設け一方の口からシリンダ内の空気を塵埃無害な区域に排気し、他方の口から清浄環境の空気を導入し換気することができる。従って、バネ抑え部にも通気口を設けることができる。
【００２２】
本発明のバランサは、取付け部を有する筒状部と、弾性体部と、取付け部と反対側にバネ抑え部を有するロッドとからなるシリンダ状であって、前記筒状部の底部のみならず、側面に回動軸状の取付け部を移動して設けることもできる。これにより小型であっても、シリンダを長くすることができロッドの伸縮距離も大きくとることができる。
【００２３】
本発明のロボットには、介助されるアームの上端または他の垂直回動アームの先端に設ける作業装置を有するものすべてを含む。ここで作業装置とは、各種物体、特に薄板状物を搬送する装置、塗装装置、溶接装置、組み立て装置、ねじ止め装置などで、一般に作業ヘッドともよばれるものを含む。このほかに本発明は、コンピュータや機械的装置による制御手段のほか、ベアリングなど公知の要素、手段を備えることができる。
【００２４】
次に本発明においては、前記のような新規なバランサを垂直回動するアームの回動運動を介助に応用したロボット、或いは、公知のバランサによって回動範囲の一部を介助するロボットを配置した薄板状物製造設備をも含む。この薄板状物製造設備は、本発明のロボット、基板を載荷するためのカセット、カセットを載置するための台、基板の処理装置などを備えた設備である。また、カセットに変えて各種容器に基板を収納して搬送し、ロードポートなどの台に載置する場合や、クリーン環境にしたロボット動作空間などがあるが、これらすべてを含む。ここで薄板とは、シリコンウエハ、ガラス基板、化合物半導体基板或いはこれらを用いた薄板状製品など薄板状物すべてを含む。また、処理装置とは、プラズマＣＶＤ装置、プラズマ・アッシング装置、プラズマＲＩＥ装置、レジスト塗布装置、露光装置、現像装置、熱酸化装置、熱処理装置、蒸着装置、メッキ装置、リアクティブメカニカルポリッシング装置などをいう。
【００２５】
また、本発明のバランサ装置は、他のクリーン環境用装置における垂直回動する部材の回動を介助することができる。例えば、プラズマ用・移送機用などの真空チャンバー装置、スピンコート、現像、ウエットエッチング用の湿式装置などにおける水平状蓋や垂直状蓋の開閉がある。さらに、クリーン環境に係わらず、一般のクレーン装置などにも本発明のバランサ装置を応用する事もできる。
【発明の効果】
【００２６】
垂直回動型ロボットのアームの回動をバランサによる介助装置と前記回動関節内に回動用モータ部を有するロボットおいては、水平近傍でアームを上に回動するに必要トルクは最大となる。そのため、水平近傍を含む回動角度範囲の一部をバランサで介助すると、回動用モータ部の負荷は大幅に減少でき、省エネルギー効果は非常に大きい。回動角度が６０−７０度以上では、必要トルクは水平の場合の２分の１以下になり介助の必要はない。必要トルクを減少させることができることは、前記モータ部も小型化でき、その重量も減少させることができ、モータの騒音も減少させることができる。
【００２７】
また、本発明のバランサは、従来の全角度介助型バランサに比べ、アームを最大７０度までしか介助しないためロッドの伸縮距離が短く、バランサ自体も小型化でき、ロボット全体をコンパクトに設計できる。さらに、小型のバランサと円弧状長穴を有する連結板によって、バランサを介助すべきアームに対し、直角前後に配置する事ができ、介助の効果も大きくなる。さらに、バランサが小型であるため、複数の垂直回動関節にこれらを配設することができ、省エネルギーとロボットの軽量化に寄与する。
【００２８】
本発明で用いるバランサは、内部のバネ及びバネ抑え部がシリンダ内壁と摩擦して発塵することが予想されるが、シリンダに通気口を設け、フィルタや排気手段を施して、周囲に塵埃を散布しないクリーン度を保証している。また、運動装置として摩擦スライド型ではなく垂直回動型及び水平回動型を採用しているため、回動部分に公知の磁性流体を用いてシールすることができ、発塵の恐れのあるモータやベアリングをアーム内やロボット体内に配置しても体内から塵埃無害な場所に排気すれば何ら問題はなく、クリーン仕様を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図３に、本発明のロボット４０の一例を示す。第１アーム１は、関節部２３ａを回動軸とする第１アーム１と基台１０に連結されたバランサ装置３２の介助と、モータ部３によって垂直回動する。バランサ装置３２は、図５で詳述するように第１アーム１の水平位置から60度の位置まで介助する。このとき、図３において、第アーム１とリンク４ａと基台１０とリンク駆動部７とが平行リンクを形成し、モータ部３のトルクをリンク４ｂに伝達する。第１アーム１の他端に設けた垂直回動関節２３ｂを軸に、第１アーム１と同じ長さの第２アーム２が、リンク４ｂとリンク駆動部７の作用によって、第２アーム２の上端に設けた支台８を、平行リンクの原理により水平に保ちながら垂直に昇降させる。支台８の上には、第３アーム２０、支持筒１９、第４アーム２１ａ、２１ｂ、エンドエフェクタ２２ａ、２２ｂ、旋回部９、チルト装置１８と、第３アーム２０内に設けられ不図示のモータ部、プーリ、ベルトからなる作業装置２４が配設されている。
前記の構成要素と不図示の制御手段により、高さ差をもって重ね合わさっているエンドエフェクタ２２ａ、２２ｂが交互に同一方向に直線状に伸縮し、第１アーム１、第２アーム２の垂直回動動作と合わせ、フラットパネル表示器あるいはそれ用の基板など薄板状物を載置し搬送する。
【００３０】
本発明においては、バランサは複数の関節部に配設してもよい。図４（ａ）、（ｂ）は、３箇所の垂直回動関節を有し、上部と下部の垂直回動関節部２３ａ、２３ｃ近傍にそれぞれ１つずつ、中央部の垂直回動関節部２３ｂ近傍に２つ、合計４つの本発明のバランサ装置３２を設けたロボットの一例である。図４（ａ）は、ロボットの右側面図で、モータ部３が組み込まれた垂直回動軸２３ａ近傍での第１アーム１の回動介助装置は、前述の図３と同じである。垂直回動関節２３ｂの回動を介助するバランサ５の一方は、シリンダ側取付け部２９ａを第１アーム１に連結し、バランサのロッド１３の取付け部２９ｂにピン３１がロッド１３に直角に固定され、このピン３１は、連結部材１７に設けられた円弧状長穴３０に嵌合されて連結されている。本例では、垂直回動関節２３ｂ内に図示しないモータ部を設け、下部の垂直回動関節２３ａに取付けられたモータ３と共に、第１アーム１と第２アーム２の屈伸運動を駆動する。連結部材１７は、垂直回動関節２３ｂの軸に固定され、この軸は第１アーム１と第２アーム２内を通って第２アーム２の関節部に固定されて、第２アーム２の回動を介助する。また、前記垂直回動関節２３ｂの軸は、前記の不図示のモータ部が駆動する。
【００３１】
図４（ｂ）は、図４（ａ）と同じ３箇所の垂直回動関節を有する本発明のバランサ５を設けたロボットを図４（ａ）の紙面裏側から見た左側面図である。ここでは垂直回動関節２３ｂ近傍に設けた他方のバランサ５は、その端部を第２アーム２に連結し、バランサのロッド１３の端部はリンク４ｂに連結してある。ここで用いるバランサ５は、後述の図９に示したもので、皿バネ１２ｂが伸びきった後は、バネ抑え部１４とロッド１３がシリンダ１１内を自由に移動し介助はしない。垂直回動関節２３ａの裏側にあるモータ部３と不図示の垂直回動関節２３ｂ内のモータ部が起動しロボット４０が立ち上がる際、第１アーム１と第２アーム２とが上方に回動すると、これに平行して設けられているリンク４ａが垂直回動関節２３ｂと同心軸のリンク装置７を押し、リンク装置７は第２アーム２に平行して設けられているリンク４ｂを押し、支台８を押して第２アーム２を起こしている。ここでバランサ５が、リンク４ｂの平行運動を押すように配置され第２アーム２の回動を介助する。
【００３２】
図４（ｂ）の垂直回動関節２３ｃ近傍に示したバランサ装置３２について説明する。ここでは、支台８と第２アーム２の上部とをバランサ５と連結部材１７で連結し、第２アーム２の回動を介助する。リンク４ｂは、リンク駆動部７の回動に伴い支台８を昇降させるが、支台８と第２アーム２とに連結したバランサ装置３２は上方への回動を介助する。これによりモータ部３を配設されていない垂直回動関節２３ｃは、支台８は水平を維持しながら垂直に上昇する。
尚、図４（ａ）、（ｂ）ではバランサ装置３２を、３箇所すべての垂直回動関節部に配設したが、いずれかの１箇所ないし２箇所に配設してもよい。
【００３３】
例えば図５において、本発明でバランサ装置３２は、バランサ５と連結部材１７と駆動すべき第１アーム１に固定されたピン３１と、これを案内するための連結部材１７に施した円弧状長穴３０とからなる構成体を指す。さらにバランサ５は、不図示のバネ１２を内臓し取付け部２９ａを有するシリンダ１１と、シリンダ内にあるバネ抑え部１４と、バネ抑え部１４に固定され反対側に取付け部２９ｂを有するロッド１３とからなる。ここでモータ部３としては、不図示の減速機とサーボモータとを組み合わせて構成している。
【００３４】
本発明の介助装置の代表例として図５に、垂直回動関節２３ａの近傍で、第１アーム１と基台１０との間に設けたバランサ装置３２とモータ部３とを示す。連結部材１７に施した円弧状長穴３０の円弧中心軸は、連結部材１７の回動中心と、第１アーム１の回動中心である垂直回動関節２３ａと共に、同心軸状に基台１０に連結されている。この連結部材１７は円弧状長穴３０と第１アーム１に固定されたピン３１とが許容する範囲で垂直回動する。連結部材１７に設けた固定軸３４にバランサ５のロッド端を連結し、シリンダ側の他端は基台１０の下部に設けた固定軸３３に連結する。本実施例では、最低角の０度（水平）から６０度まで、ピン３１が円弧状長穴３０の最低部位に支持されて、モータ部３を介助して第１アーム１を上方に向けて回動させる。最大介助角度６０度を超えるとモータ部３のみの力により第１アーム１を回動させる。この際、最大角度以上ではバランサ５は伸びないため、第１アーム１を引っ張らないようにするために、ピン３１が円弧状長穴３０内を自由な状態で案内される。本実施例では前記最大角度６０度から８８度まで、第１アーム１に固定されたピン３１が円弧状長穴３０内を移動する。
【００３５】
図６に本発明の一例として、図４におけるロボット４０の作業装置２４の下にある垂直回動関節２３ｃ近傍における第２アーム２の回動とバランサ装置３２の介助の動作状況を示す。図６（ａ）は作業装置２４が最低位置の水平状態にある場合で、バランサ５のロッド１３は、シリンダ１１の中に隠れバネを最も圧縮し露出していない。この時、円弧状長穴３０の最上端に、第２アーム２に固定されたピン３１が接触し、連結部材１７の端部に連結したバランサは、最も大きな応力をピン３１を通して第２アーム２に負荷している。図６（ｂ）では、リンク４ｂによって伝達される応力により第２アーム２が水平の０度から６０度までの間の角度θをなす状況では、円弧状長穴３０の最上端にピン３１が接触したまま、第２アーム２の回動をバランサ５のロッド１３が伸張することによって介助する。ここで回動角度θが図５と同様、０度から６０度の間をバランサ５が介助する。図６(ｃ)では、第２アーム２の回動角度θが６０度をこえた場合である。この状況では、バランサ５のロッド１３は最大に伸びきり、リンク４ｂの伝達する応力によってのみ水平に保つように支台８が回動され、これに固定されたピン３１は円弧状長穴３０内を移動し、これに応じて連結部材１７は垂直回動関節２３ｃと同心軸にθが８８度まで回動する。
【００３６】
本発明のバランサ５はクリーン環境で使用する。この一例としての図７は、前記図５にも示したバランサ５の断面図を示したもので、換気構造を設けて塵埃をクリーン環境に出さないようにすることができる。バランサ５は、シリンダ１１と内部にあるバネ１２ｂとバネ抑え部１４に固定したロッド１３とからなるが、ロッドが移動する際、シリンダ１１内に空気が出入りする。この際、内部でバネ１２ｂが摩擦して発塵するため、吸気口２６から新鮮空気を吸い込み、排気管２８を真空に引いて、塵埃無害な外部環境へ排気する。図７にバランサ５の内部構造を示す。ここではバネとして複数の皿バネ１２ｂをシリンダ１１内に収納し、皿バネ１２ｂと連結するバネ抑え部１４には通気口１６ｂを設け、吸気口２６から入った空気は、隙間をもたせた皿バネ１２ｂの近傍を通って排気管２８に達し排出される。バランサ５の取付け部２９ａ、２９ｂは、基台、支台、アーム、リンクのいずれかに連結されるが、上下どちらにしても許容される。
【００３７】
図８は、一箇所ある吸気口にフィルタ２７を取付け、ロッドの運動に伴い空気が出入りする通気口１６とした本発明のバランサである。ここで用いるフィルタは、粒子径０．１μｍの以上の塵埃を９９．９９％以上遮断することが好ましく、ＨＥＰＡフィルタ、ＵＬＰＡフィルタ、メンブレンウルトラフィルタ、金属微粒子焼結体、セラミック焼結体、各種微粒子の多孔質接着体など公知の材料でよい。
【００３８】
図９は、取付け部２９ｄをシリンダ１１の側部に取付けた本発明のバランサ５の断面図である。ロッド端の取付け部２９ｂとシリンダの取付け部２９ｄとの距離に比べて、シリンダ１１とロッド１３の長さを大きく取る事ができ、長い介助距離が要求される場合に対応する。シリンダ１１内には、皿バネ１２ｂを多く用いロッド１３の伸張距離と収縮時の大きい応力を実現させている。尚、ここでは前記図８と同様に、通気口１６にフィルタ２７を取付け、クリーン環境に塵埃を出さないように配慮している。
【００３９】
図１０は、本発明のバランサ装置３２の他の例を示す。ここでは、皿バネ１２ｂが圧縮されている間は介助力を発揮するが、伸びきった後は、バネ抑え部１４が固定されたロッドが、シリンダ１１内を自由に往復できる空間３５を有する例である。図５で示したバランサ装置のような円弧状長穴３０とピン３１を用いないで、これと同様な作用を行うことができる。
【００４０】
図１１には、前記図９に示し、シリンダ１１とロッド１３の長さを大きく取った本発明のバランサ５を使用したロボットを示す。ここでは第１アーム１を水平以下（負の角度）まで下げる事ができ、第２アーム２の先端には作業装置２４の一例として塗装ガンを取付けた。このロボットは、第１アーム１を−３０度から１２０度までの範囲を回動させることができ、そのうち−３０度から６０度までの回動を介助する。図１１で連結部材１７の円弧状長穴３０は、第１アーム１が垂直（９０度）を超えて不図示の１２０度まで、即ち、紙面に向かって左側３０度まで回動できるように設計されている。但し、９０度を超えて第１アーム１を回動させるとこれが自重で倒れるため、垂直回動関節２３内に設けられたモータ部の出力は９０度で自動的に逆転させる必要がある。
【００４１】
一般にバネの反発応力は収縮距離に比例するので、収縮距離を求めれば応力を計算する事ができる。図１２において、回動半径Ｒの第１アーム１の回動軸（図５では２３ａ）中心をＯ，バランサ５の基台１０への取付け部（図５では３３）の中央をＱ，第１アーム１に取付けたピン３１の中央位置（図５では３４）をＰとし、ＯＱの水平ＯＨに対する角度をα、第１アーム１ＯＰの水平ＯＨに対する回動角度をθとすると、変数はバランサの長さＰＱと回動角度θで、距離ＯＰと距離ＯＱとは一定である。図１２のＰ点を半径Ｒの円周上を移動させて、距離ＰＱを図上計算すると、ＰＱは、回動角度θの−４５度から７０度の範囲でθに対して非常にゆるいカーブを描くが、ほぼ直線に近似できる事がわかる。長さＰＱの圧縮量はバランサの反発応力に正比例するから、第１アーム１に与える回動トルクも、回動角度θに対してほぼ直線とみることができる。
【００４２】
図１３に、モータの必要トルクを図示する。ここでは、回動角θが０度のとき、搬送物なしの場合の必要トルクにバランサの介助トルクを一致させて設計している。水平位置にあるアームを回動させ始めるトルクを１とすると、アームの回動に必要なトルクは、cosθと表わされ、図１３の曲線「全揚力」となる。他方、バランサの介助トルクは、前述のように直線的に変化し、θが６０度でバランサのバネが伸びきるように設計すると、ここで介助力は０となるので、図１３の直線「バランサ」となる。従って、バランサの介助は図１３のａｂとなり、モータが出力すべきトルクはｂｃとなり、これを改めて曲線「モータ」として描くと、モータの出力は、最大値の１／２以下でよいことが解る。尚、本実施例では、アームの回動が停止した場合は、モータが電磁ブレーキの作用を発揮するように設計されている。ここでの揚力とは、モータのトルクやバランサの反発力により発生する、上向きに働く力を指す。
【００４３】
図１４は、前記図１１のロボットの場合について前述と同様な方法で考察し、図上計算した例である。アームの回動可能角度θが−３０度（直線０Ｅ）から１２０度（直線０Ｆ）まで、合計１５０度の全可動範囲のうち、−３０度から６０度までの全９０度間をバランサが介助する。ここでは、−３０度でのアームを回動させる必要トルクとバランサの介助トルクとを一致させて設計している。同様に、バランサの介助トルクはａｂとなり、モータが出力すべきトルクは、ｂｃとなり、θが−３０度から１２０度の範囲にわたって、最大値の６０％程度以下で良い事が解る。
【００４４】
図１５には、前述の新規なバランサ装置３２を備えたクリーン環境用処理装置６０の一つである大型平面表示パネル用レジスト膜現像装置の例を示す。現像は液体処理工程であるから、現像液が漏れないようにするために蓋５９は上部に取付けられている。この蓋５９の開閉は、この蓋５９に固定した垂直回動軸２３ｄを中心に水平（０度）から７５度までの範囲で、蓋５９の反対側に設けたリンク４ｃの先端と、処理装置５０本体下部に設けた取付け台４４との間に連結したエアシリンダ４３の伸縮により駆動される。エアシリンダ４３にはその円筒部の上端と下端に設けた配管によりほぼ一定圧力の圧搾空気を導入して伸縮させるため、リンク４ｃを牽引する力もほぼ一定である。
【００４５】
そのため、エアシリンダ４３による蓋５９の回動を介助するために、本例では、バランサ装置３２を回動軸近傍に設けた。即ち、垂直回動軸２３ｄと同心軸に連結部材１７が独立して回動するように連結する。この連結部材１７に設けられた円弧状長穴３０に嵌合したピン３１を直角にバランサ５のロッド１３先端の取付け部２９ａに固定し、バランサ５のシリンダ１１の取付け部２９ｂは処理装置５０本体に連結する。ここではバランサ５は、蓋５９の回動初期の０度から４５度までピン３１が円弧状長穴３０の上端に接して介助し、４５度から７５度まではエアシリンダ４３単独でリンク４ｃを引いて蓋５９を回動させている。
【００４６】
本発明は、前述の新規なバランサ装置３２を有するロボット４０を備えた薄板状物製造設備をも含む。例えば、図１６に示す液晶パネルの製造工程において、カセット台５４上に載置され複数の棚段に大型ガラス基板を収納したカセット５３と、本発明のロボット４０と、処理装置５０とをこの順に並べて配置する。さらに、前記に配置された装置は、送風機を有するフィルタユニット５２を備えたクリーンブース５５内に収納し、大型ガラス基板を収納したカセット５３は、その近傍に設けたクリーンブースドア５８を通して、不図示のカセット搬送装置により搬入搬出される。クリーンブース５５内には、フィルタユニット５２から供給される清浄空気が層流状態を保ちながら供給され、その下部に設けた排気口５６から排出される。
【００４７】
本発明のロボット４０は台車４２上に設置され、複数のカセット台５４の前に移動できるようにレール４１（Ｘ軸という）によって導かれる。このようなクリーン環境下で、ロボット４０は、カセット５３の棚間にエンドエフェクタ２２ｂを直線運動（Ｙ方向）させて挿入し、これを少し持ち上げて（Ｚ軸方向）ガラス基板５７を載置し、第３アーム２０を回動させて連動する前記エンドエフェクタ２２ｂをカセット５３から引き出し、２２ａと２２ｂとが重なる状態（ホームポジションという）で旋回部９を回動させてエンドエフェクタを１８０度旋回させ、Ｘ軸上を処理装置５０の前までロボット４０を移動させる。処理装置ドアが開くのを待ってエンドエフェクタ２２ｂは伸張しないままエンドエフェクタ２２ａを直進させ、Ｚ軸を少し持ち上げ処理装置５０内部の処理済みガラス基板を２２ａに載置してホームポジションまで直線的にもどし、代わって、エンドエフェクタ２２ｂを伸張させて、新しいガラス基板５７を処理装置５０内に挿入して載置し、エンドエフェクタ２２ｂをホームポジションにもどすと処理装置ドアがしまって処理が始まる。エンドエフェクタ２２ａ、２２ｂが上下に重なった状態で再び１８０度旋回し、必要に応じてＸ軸上を移動して所定のカセット５３の前まで行き、処理済基板をそのカセット５３に処理済ガラス基板を収納する。以上の一連の動作を繰り返し行ってガラス基板を処理していく。
【００４８】
図１６では、カセット５３は２段積みとしたが、カセットも大型になると強度、重量に問題がでる場合は３段に分割して上下に重ねてもよい。逆に、強度に問題が無ければ、１段であってもよい。また、カセット台５４は、紙面に奥にも配置し複数台設けることができる。また、処理装置５０としては、レジスト塗布装置、露光装置、現像装置、化学エッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、プラズマアッシング装置、プラズマＲＩＥ装置、熱処理装置、熱酸化装置、金属蒸着装置などがある。また、クリーン環境として、クリーンブース５５は用いず、０．３μｍ塵埃についてクラス１００以下の薄板状物製造設備以外の装置も据え付ける事のできる大きなクリーンルームを利用してもよい。しかし、０．３μｍクラス１００程度のクリーンルーム内に前記クリーンブース５５を設置して、その中は０．１μｍクラス１０以下の高清浄環境を保つ事が好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、新規または公知のバランサ５による新規なバランサ装置３２によって大型であって省エネルギー型、且つ、クリーン環境対応のロボット４０を提供する。これによって、従来の塗装用や溶接用のロボットとしてのみならず、近年ますます大型化する第６世代、第７世代、第８世代の液晶パネルの製造工程や、大型プラズマディスプレーの製造工程などに利用され、それらの製造に貢献する。また本発明では、ロボット４０のみならず、これを用いてクリーン環境での薄板状物の製造設備を提供する。また、本発明のバランサ５のうち皿バネを用いた場合は、少ない変位に対し大きな応力変化がえられ、本発明の垂直回動装置の介助に最適である他に、発塵防止装置を備えたクリーン仕様のバランサ５は、クリーンルーム内の各種機器、例えば水平蓋の開閉介助などにも応用できる。また、本発明のバランサ装置３２は、クリーン仕様の不要な建設機械、塗装ロボット、組み立てロボット、その他回動する重量機械部分の介助にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】従来のバランサを有するロボットの一例の斜視図
【図２】従来のバランサの一例の断面図
【図３】本発明のバランサを有するロボットの一例の斜視図
【図４】本発明のバランサを有するロボットの一例の側面図
【図５】本発明のバランサ装置の一例の斜視図
【図６】本発明のバランサ装置の他の例の動作図
【図７】本発明のバランサの一例の断面図
【図８】本発明のバランサの他の例の斜視図
【図９】本発明のバランサの他の例の断面図
【図１０】本発明のバランサの他の例の断面図
【図１１】本発明のバランサを有するロボットの他の例の側面図
【図１２】バランサの長さ計算図
【図１３】本発明の一例のバランサ介助力と必要トルクを表すグラフ
【図１４】本発明の他の例のバランサ介助力と必要トルクを表すグラフ
【図１５】本発明のバランサを有するクリーン環境用装置例の側面図
【図１６】本発明の薄板状物製造設備の側面図
【符号の説明】
【００５１】
１    第１アーム
２    第２アーム
３    モータ部
４    リンク
５    バランサ
６    空気供給ユニット
７    リンク駆動部
８    支台
９    旋回部
１０  基台
１１  シリンダ
１２  バネ
１３  ロッド
１４  バネ抑え部
１５  給排気管
１６  通気口
１７  連結部材
１８  チルト装置
１９  支持筒
２０  第３アーム
２１  第４アーム
２２  エンドエフェクタ
２３  垂直回動関節
２４  作業装置
２５  ボルト・ナット
２６  吸気口
２７  フィルタ
２８  排気管
２９  取付け部
３０  円弧状長穴
３１  ピン
３２  バランサ装置
３３  固定軸
３４  連結部材固定軸
３５  空間
４０  ロボット
４１  レール
４２  台車
４３  エアシリンダ
４４  取付け台
４５  エア配管
５０  処理装置
５１  処理装置ドア
５２  フィルタユニット
５３  カセット
５４  カセット台
５５  クリーンブース
５６  排気口
５７  ガラス基板
５８  クリーンブースドア
５９  蓋
６０  クリーン環境用処理装置
６１  カセット載置台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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