CN1121331A - 铰接臂传送装置 - Google Patents

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Abstract

一个用于铰接臂传送装置的同心轴旋转驱动系统可将运动传给在一真空室内的组合件，其中将旋转运动传给在真空室内的转子是通过设在真空室外的定子所产生的磁场来完成的。

Description

铰接臂传送装置
                 本发明的背景
1.本发明的领域
本发明一般地涉及材料传送装置。所传送的材料可包括但并不限于半导体晶体如硅片和砷化镓片、半导体封装基片如高密度互连(High Density)、半导体制造过程中的图象板如掩模或掩模原版以及大面积显示板如主动性矩阵液晶显示板。
2.现有技术的说明
制造半导体器件时，在多个工作站或工位之间传送精细的硅片之类物品是一个独特的搬动问题。因为硅片非常精细并有高度抛光的表面。粗暴地搬动时，硅晶片会滑动，导致表面磨损，或者如果发生碰撞，其边缘会损坏。
在现有技术中有不少传送硅晶片的装置曾被说明过。例如：
美国专利3,823,836号曾公开一种装置，其中包括一个设有多条突起边沿以便夹持硅晶片的供料小车和一个设有真空吸盘的吸取装置。真空吸盘与一可使吸盘升降的升降器连结。有一支与真空吸盘耦合的水平的传送臂，被用来将硅晶片从供料小车传送到所需的工作站。
美国专利3,370,595号曾公开一种晶片传送用的装置，该装置有一可定方位的小车，用来将晶片传送到工作站和从工作站传送出来。晶片是借助一个具有定向空气射流的晶片弹出器接收器臂通过一条空气滑道进入和离开晶片小车的。晶片弹出器接收器臂控制着对晶片的驱动，使它从空气滑道出来进入小车内或从小车出来进入到空气滑道上，以便使晶片移向工作站或从工作站移出。
美国专利4,062,463、3,874,525和4,028,159号也都公开过晶片传送装置，其中或用气动部件或用夹持机构来搬动晶片。
美国专利4,666,366和4,909,701号所公开的晶片传送搬动装置具有一个铰接臂组合件，它可以伸出和缩拢，作出“蛙式”的运动，以便将一物品如晶片在多个工位之间传送。两个铰接臂可有效地耦合在一起，使得当其中一个臂被电动机驱动时两个铰接臂可以伸出和缩拢作出“蛙式”或“蛙跳”式的运动。有一平台与铰接臂耦合在一起，要传送的物品就放在其上。
美国专利4,951,601号所公开的晶片传送搬动装置具有一个铰接臂组合件，它包括一个同心轴的旋转驱动系统。但这种驱动系统所需的旋转密封件能够污染真空室。在美国专利4,951,601号的驱动系统内。内轴98装在滚筒111上，滚筒111是由装在主动轮115上的缆索113所转动的，而主动轮115又由皮带转动。看上去主动轮115似在真空室的孔内旋转的，这就需要转动密封。空心的中轴96装在滚筒101上，滚筒101是由装在主动轮100上的缆索103所转动的，而主动轮100又由皮带转动。虽然不清楚哪一个部件是在真空中，但显然有一些旋转件必须在真空室的孔内旋转，这样就需转动密封。而本发明的装置却没有这种转动密封。本发明的所有轴承都完全放在真空内，所有旋转部分也都完全放在真空内。
                   本发明的概述
本发明所提供的用于铰接臂传送装置的同心轴旋转驱动系统，该传送装置适宜用来在设在各个轴向和径向平面上的多个工位之间传送物品，例如硅晶片、照相机透镜、晶体振荡器之类。
驱动系统允许整个铰接臂组合件在一个径向平面内旋转。与现有技术的装置相同，这种旋转是当末端的操作机构不在伸出的位置上时进行的。
驱动系统还允许平台组合件在轴向上移动。本发明的组合件适宜用于多种环境，包括在一真空室内或其他受控环境下的操作。组合件可以安装得能在真空室内运动，其中组合件和其支座之间设有真空密封。
                   附图的简要说明
图1为按照本发明构造的双轴装置连接到它所要驱动的铰接臂传送装置后的中心剖面图，这个铰接臂传送装置是美国专利5,1 80,276号所公开的那种型式，该专利是授予Hendrickson的，并已转让给本申请的受让人；
图2为图1的中心剖面图的一部分的详图；
图3为图2的中心剖面图的一部分的详图；
图4为图1的装置的平面图；
图5为现有技术的装置的等角视图；
图6为图1的装置的平面图，只是已作修改以便驱动另一种铰接臂传送装置，那种铰接臂传送装置是在Eastman和Davis的申请日为1992年12月28日、序号为997，773的一项同时进行的申请中所公开的型式，并已转让给本申请的受让人；
图7为图6的沿7-7线的中心剖面图；
图8为与图1相似的中心剖面图，只是所示为本发明的另一个实施例，其中采用了单个电动机和两个制动器。
                本发明的详细说明
参阅图1到4，有一安装凸缘1连结在真空室底壁2的开孔区域上，在该真空室内支承着一个铰接臂传送装置。安装凸缘本身有一中心孔，有两根同心的输出轴延伸通过该中心孔。外轴用标号4指出，内轴用标号5指出。在这两根输出轴在真空室内的终端上有一导向轴承6把这两根轴隔开并使它们相互支承着。这两根轴都可独立旋转。但在本发明的较优实施例中，这两根轴的相对运动只限于两种情况，一种情况是两者一同旋转，另一种情况是两者以相反的方向旋转。前一种运动用来使铰接臂传送装置旋转，而后一种运动用来使铰接臂传送装置伸出和缩拢。
内轴比外轴长，内轴在真空室外面的终端的延伸超出外轴的相应终端，并达到一个与外轴相当的最大外径。有一转子7支承在外轴4的外表面上，并有一相应的定子8在转子7的外面被支承着。与此相似，有一转子9支承在内轴5的外表面上，并有一相应的定子10在转子9的外面被支承着。每一定子都是用来转动相应轴的驱动装置的部件。如同后面将会显示的，每一转子都是在真空内，而每一定子都是在真空外。
每一转子定子对7、8和9、10都可构成传统的无刷直流电动机的部件，这种电动机例如象美国11 779纽约龙肯科马(Ronkonkoma)区13条街20号MFM技术公司所制造的M&K系列。
利用公知的伺服机构技术，可将合适的信号施加到定子线圈上，使每一根轴进行旋转运动。
每一根轴在旋转时的位置变化可用一与适当码盘或类似物结合的适当感测机构来检测。例如，可使一个透明盘上的不透明部分的编码模式在一光源和一光检测器之间通过。也可用磁感测机构来取代这种光感测机构，其中磁盘上的磁化部的编码模式可被磁性扫描。此外，感测机构可以是机械式的，如同齿轮和开关的结合，也可以是声学式的，使每根轴在旋转时产生某种编码的喀呖声；甚至还可设计成静电系统。为了说明起见，现在就一个光感测机构进行描述，但本发明的范围并不因此而受到限制。
用夹板12将一块盘11固定在外轴4的外终端上。使该盘的不透明部分的编码模式在一发光二极管罩13和一读出头14之间通过，从那里发出的信号通过信号引线15被传送到适当的外部电路上。发光二极管罩13、读出头14、和信号引线15都支承在一个驱动壳体16上，该壳体构成真空密闭的管状外套17的一个部件。转子7固定在外轴4上，而定子8则用定子夹紧部件18固定在驱动壳体16上，其所处位置使定子8能够与转子7互相作用；并有两个轴承设在外轴4与相应的驱动壳体16之间，在该壳体上装着驱动装置。与此相似，有一盘31用夹板22固定在内轴5的外终端上。使该盘的不透明部分的编码模式在一发光二极管罩33和一读出头34之间通过，从那里发出的信号通过信号引线35被传送到适当的外部电路上。转子9固定在内轴5上，而定子10则用定子夹紧螺栓37固定在驱动壳体36上，其位置须使定子10能够与转子9互相作用；并有两上轴承38、39设在内轴5和相应的驱动壳体36之间，在该壳体上装着驱动装置。
驱动壳体16、36具有特殊的外形，并且是真空密封的外套17的重要部件，可将装置的抽成真空的区域与大气区域隔开。两个驱动壳体具有相似的形状并用一适配接头40连接在一起。
可以通过支承在两条直线滑道41和两根传动螺杆42上的驱动壳体的垂直运动来使两轴进行垂直运动。但除了这种传动螺杆与旋转电动机结合的方法外，也可使用线性电动机(伺服的或步进的)或音圈或螺线管。垂直方向可动的驱动壳体与安装凸缘之间可用适当的波纹管43隔开，最外面的驱动壳体的外终端可用封口螺钉44封闭。这样，在波丝管、驱动壳体和封口螺钉之内的整个区域便可抽成真空，而在这真空区域内只有各种轴承具有带摩擦的运动。
每一驱动壳体都有一个在相关的转子和定子之间通过的部分，必须在转子与驱动壳体的这个部分之间留出足够的间隙。
图5示出一个现有技术的装置。旋转运动是通过旋转柱销的旋转赋予铰接臂传送装置的。蛙腿的伸出和缩拢是由两根伸出缩拢驱动轴的相反旋转来完成的。本发明的结构由于采用特殊构造的同心轴，所需密封的数目和型式都可减少。从现有技术的装置可见控制可以通过(1)一根轴的简单旋转和(2)两根轴的相反旋转来进行。在本发明的装置中，(1)可在两根同心轴一同旋转时提供，而(2)可在两根同心轴作相反旋转时提供。在本装置中旋转运动并不受基本机构的限制，而是可以朝任何方向旋转到任何所需的角度。
三种运动(垂直的、旋转的及伸出/收拢)可同时进行以便使端头的操作机构得到任何需要的运动轨迹。在另一方面，在某些用途上并不需要三种运动都起动，所以在本发明的范围内也包括那些在上述三种运动中只有一、二种起动的装置。
现在参阅图4并结合图1-3，外轴4连接到铰接臂传送装置的一个上臂51上，而内轴5连接到另一个上臂52上，该传送装置如同上面提到的美国专利5,180,276号中所揭示的那样。对于θ运动(即端部操作机构53的旋转)，两个转子7、9在一个方向上同步旋转。对于R运动(即端部操作机构53的伸出和缩拢)，每一转子7、9都以另一个转子为镜象，进行角度相等但方向相反的旋转。这些运动都由计算机应用从两个编码器来的输入来加以控制。
当两个转子7、9在一个方向上同步旋转时，轴4、5也在那个方向上旋转。参阅图4，如果轴4、5按顺时针方向旋转，那么上臂51、52也按顺时针方向旋转，并且图4所示的装置的其余部分也在那个方向旋转。反之，如果轴4、5按反时针方向旋转，那么图4中的整个装置都按反时针方向旋转。如果在另一方面，外轴4按顺时针旋转，而内轴5按反时针旋转，那么上臂51将按顺时针旋转而上臂52将按反时针旋转。结果图4中的两个操作机构都会向下运动。反之，如果外轴4按反时针旋转，而内轴5按顺时针旋转，那么上臂51将按反时针旋转而上臂52将按顺时针旋转。结果图4中的两个操作机构都会向上运动。
现在参阅图6和7，在外轴4上固定着一个固定块54，其上面可旋转地支承着一个铰接臂传送装置的上从动臂55，这个传送装置如同上面提到的正在同时进行的序号为997，773的申请中所揭示的那样。这种铰接臂传送装置的上驱动臂56固定在内轴5上以便与它一起旋转。在这种情况下进行θ运动时两根轴同步旋转，而在进行径向运动时外轴4保持固定，只有内轴5旋转。
如果在上面提到的美国专利4,666,366号和4,909,701号中所揭示的那种铰接臂传送装置(如同图5所示)是由两根同心轴制成的，外轴用来使铰接臂作θ运动中，而内轴用来产生伸出/缩拢运动，那么就可能用一个电动机(和编码器)及两个制动器来转动这种合适的轴组合机构，制动器之一将把内轴锁在外轴上，而另一个则把外轴锁在外套上。
如果把外轴锁在外套上，而将肩部组合件装在外(旋转)轴上，那么肩部将不能旋转。用一连结在内轴上的电动机使内轴旋转便可产生伸出/缩拢运动，这一点在目前是用图5所示那种铰接臂传送的伸出/缩拢电动机来完成的。
反之，如果将内轴锁紧在外轴上，那么就不再能进行伸出/缩拢运动。如果此时将外轴与外套间的制动器松开，那么电动机在转动内轴时将同时转动外轴，从而就可进行θ运动。
如果在每一种运动终止时把两个制动器都锁定，然后把合适的制动器松开，那么当编码器发出的信号在计算机内与制动指令结合时，一个编码器就能指出其中某一种参数的运动。如果需要更高的精确度，那么可用两个编码器，如图1(11、31)所示。
依靠正确的设计和使用磁性材料和非磁性材料，有可能将包括制动靴和电动机转子在内的所有运动部件都放到一个密封的圆筒形外套内而将所有部件的磁性线圈都放到外套外的大气中。这样就可消除漏气问题和电路引线，当系统在真空内具有主动的电磁铁时，这种电路引线会降低系统的效能。
这种机构可与本申请的受让人所制造的机器上典型的任一种伸出臂组合件一起工作，当采用图6和7所示的上面提到的臂并把它用在上面提到的、正在同时进行的、序号为997，773的申请中所公开的那种铰接臂传送装置上时，其特别优点在于，在肩部只需一根驱动轴，并且在旋转轴的顶部可以不需齿轮传动装置。
现在参阅图8，有一安装凸缘61连结在真空室底壁的开孔区域上，在该真空室内支承着一个铰接臂传送装置。该铰接臂传送装置属于图4和5所示的那种形式。安装凸缘本身有一中心孔，有两根同心的输出轴延伸通过该中心孔。外轴用标号63指出，内轴用标号64指出。在这两根输出轴在真空室内的终端上有一导向轴承65把这两根轴隔开并使它们相互支承着。这两根轴都可以独立旋转。但在图8的装置中只有一根轴被一电动机驱动旋转，而另一根轴的旋转是由两个制动器确定的，制动器之一可使两根轴一同旋转，而另一只则可使另一根轴保持固定。前一种运动可用来转动铰接臂传送装置，而后一种运动可用来使铰接臂传送装置伸出和缩拢。
内轴比外轴长，内轴在真空室外面的终端延伸到超出外轴的相应终端。有一具有磁性材料盘67的制动器66支承在外轴63的外表面上，该盘与另一个可滑动地支承在由非磁性的真空密闭材料制成的外套69内侧的磁性材料盘68协同作用。有一磁性线圈70当被供能激发时可将这两盘67、68磁化，使它们互相压紧在一起，从而象制动器那样阻止外轴63的旋转。与此相似，有一具有磁性材料盘72的制动器71支承在外轴63的外表面上，该盘与另一个可滑动地支承在内轴64上的磁性材料盘73协同作用。有一磁性线圈74当被供能激发时可将这两盘72、73磁化，使它们互相压紧在一起，象一个制动器或联轴器那样把两根轴锁在一起。有一电动机75，其构造与图1中转子9和定子10的构造相似，用来转动内轴64。更具体点说，有一转子76支承在内轴64的外表面上，另有一相应的定子77支承在转子76的外面。定子77是转动内轴64的驱动装置的部件。转子76是在真空内而定子77是在真空外。
转子定子对76、77可作为传统的无刷直流电动机的部件，这种电动机例如象美国11779纽约Ronkonkoma区13条街200号MFM技术公司所制造的M&K系列。
利用公知的伺服机构技术，可将合适的信号施加到定子77的线圈上使内轴64进行旋转运动。
有一盘78固定在内轴64的外终端上。该盘有一不透明部分的编码模式，该模式穿过一合适的编码器79(例如可具有一个发光二极管罩和一个读出头)，从它那里发出的信号可通过一条信号引线传送到外部电路)内通过。轴63、64支承在位轴63、64之间的合适轴承65、80上及位于外轴63和外套69之间的合适轴承81、82上。
外套69具有特殊的外形，并且是将装置的真空的区域与其在大气中的区域隔开的壁的重要部件。
可以通过外套69的垂直运动来使两轴进行垂直运动，其方式如同以前结合图1所说明的那样。
外套69有一部分在转子76和定子77之间通过，必须在转子76和外套69之间留出足够的间隙。
上面结合图示的实施例对本发明的原理进行了说明，但应理解虽然采用了专门术语，这些术语只是概念性的和描述性的，并不能以此作为对本发明的限制，本发明的范围应以下面的权利要求所列出的为准。

Claims (11)

1.装置，它具有：
一个设有一个孔眼和一个装在所说孔眼上的带盖的管状件的真空室，该管状件包括一个第一驱动壳体和一个第二驱动壳体；
一根用轴承装在所说第一驱动壳体上内侧的外轴；
一根设在所说外轴内并与它同心的内轴，该内轴同轴承装在所说第二驱动壳体上的内侧；
一个装在所说外轴上的第一转子；
一个装在所说内轴上的第二转子；
一个装在所说第一驱动壳体上并位于其外侧的第一定子；
一个装在所说第二驱动壳体上并位于其外侧的第二定子；
一个将所说外轴支承在所说内轴上的导向轴承；及
用来使每一个所说定子将一合适的电磁场施加到其相关的转子上以便使它进行旋转运动的部件。
2.用来传送物品的装置，其特征为：它具有：
一个支座；
一个支承在所说支座上从而可环绕第一轴线旋转的第一上臂；
一个支承在所说支座上从而可环绕第二轴线旋转的第二上臂；
用来使所说第二上臂被所说第一上臂旋转驱动的设施；
第一对铰接到所说第一和第二上臂的前臂；
第二对铰接到所说第一和第二上臂的前臂；
每一个所说上臂的长度都小于每一个前臂；
枢支地耦合到所说第一对前臂上的第一夹持部件和枢支地耦合到所说第二对前臂上的第二夹持部件，所说第一对前臂间的接合可使所说第一夹持部件不再转动，所说第二对前臂间的接合可使所说第二夹持部件不再转动；以及
能够驱动所说第一上臂使它旋转一个角度的驱动部件，该角度的范围为从大于120°起直到并包括180°，该驱动设施还能使所说第一夹持部件在第一伸出位置和第一缩拢位置之间移动，同时使所说第二夹持部件在第二伸出位置和第二缩拢位置之间移动，所说驱动部件包括下列部件；
一个设有一个孔眼和一个装在所说孔眼上的带盖的管状件的真空室，该管状件包括一个第一驱动壳体和一个第二驱动壳体；
一根用轴承装在所说第一驱动壳体上内侧的外轴；
一根设在所说外轴内并与它同心的同轴，该内轴用轴承装在所说第二驱动壳体上的内侧；
一个装在所说外轴上的第一转子；
一个装在所说内轴上的第二转子；
一个装在所说第一驱动壳体上外侧的第一定子；
一个装在所说第二驱动壳体上外侧的第二定子；
一个将所说外轴支承在所说内轴上的导向轴承；及
用来使每一个所说定子将一合适的电磁场施加到其相关的转子以便使它进行旋转运动的部件。
3.一个用来传送物品的装置，其特征为，该装置具有：
一个支座：
一个支承在所说支座上而可环绕第一轴线旋转的第一上臂；
一个支承在所说支座上而可环绕第二轴线旋转的第二上臂；
包括第一前臂和第二前臂的一对前臂，所说一对前臂用连杆设施铰接到所说第一和第二上臂上；
所说连杆部件具有一个连杆，一根可旋转地支承在所说连杆上的上轴，一根可旋转地支承在所说连杆上的下轴，以及用来使一根轴在一个方向上转动并使另一根轴在反对方向上转动的部件；
所说第一上臂固定在所说上轴上；
所说第二上臂可旋转地装在所说下轴上；
所说第一前臂固定在所说下轴上；
所说第二前臂可旋转地装在所说上轴上；
枢支地耦合到所说一对前臂上的夹持部件；
能够驱动至少一个所说上臂使它旋转一个角度的驱动部件，该角度的范围为从大于120°起直到并包括180°，该驱动设施还能使所说夹持部件在一伸出位置和一缩拢位置之间移动；所说驱动部件包括下列部件：
一个设有一个孔眼和一个装在所说孔眼上的带盖的管状件的真空室，该管状件包括一个第一驱动壳体和一个第二驱动壳体；
一根用轴承装在所说第一驱动壳体内侧的外轴；
一根设在所说外轴内并与它同心的内轴，该内轴用轴承装在所说第二驱动壳体的内侧；
一个装在所说外轴上的第一转子；
一个装在所说内轴上的第二转子；
一个装在所说第一驱动壳体上外侧的第一定子；
一个装在所说第二驱动壳体上外侧的第二定子；
一个将所说外轴支承在所说内轴上的导向轴承；及
用来使每一个所说定子将一合适的电磁场施加到其相关的转子上以便使它进行旋转运动的设施。
4.用来使真空室内的组合件进行旋转运动的装置，其特征为，该装置由下列部件组合而成：一个由非磁性材料制成的真空密闭的管状外套，所说外套有一纵轴线；
一根可旋转地沿着所说轴线装在所说外套上内侧的第一轴，在所说第一轴上装有一个第一磁性材料盘；
一根可旋转地环绕所说第一轴而装在所说外套内侧的第二轴，所说第二轴为管状并在其上外侧装有第二磁性材料盘；
一个装在所说外套的外侧的第一线圈可在所说第一磁盘内产生一个磁场；
一个装在所说外套的外侧的第二线圈可在所说第二磁盘内产生一个磁场；
至少所说第一线圈可产生一个转动所说第一轴的第一旋转磁场模式，所说第一磁盘被磁化成为一个可被所说第一旋转磁场模式转动的模式。
5.按照权利要求4的装置，其特征为，所说第二线圈可产生一个转动所说第二轴的第二旋转磁场模式，所说第二磁盘被磁化成为一个可被所说第二旋转磁场模式转动的模式。
6.按照权利要求4的装置，其特征为，在所说第一轴上装有第三磁性材料盘，而在所说第二轴上装有第四磁性材料盘与所说第三磁盘邻近，并在所说外套上的内侧装有第五磁性材料盘与所说第二磁盘邻近，所说第一线圈可产生一个磁场模式用来将所说第二磁盘和所说第五磁盘压紧在一起以便起到制动作用将所说第二轴联结到所说第一轴，所说装置还包括一个第三线圈装在所说外套的外侧，可在所说第三磁盘和第四磁盘内产生一个磁场用来将所说第三磁盘和第四磁盘压紧在一起以便起到制动作用，将所说第二轴联结到所说外套上。
7.按照权利要求4的装置，其特征为，有一感测机构支承在所说外套上的内侧并有一磁盘固定在所说第一轴上，所说磁盘具有一个编码模式可使所说感测机构起作用。
8.按照权利要求7的装置，其特征为，有一第二感测机构以承在所说外套上的内侧并有一个第二磁盘固定在所说第二轴上，所说磁盘具有一个编码模式可使所说第二感测机构起作用。
9.按照权利要求7的装置，其特征为，有一发光二极管和一读出头支承在所说外套上的内侧并有一盘固定在所说第一轴上，所说盘有一不透明部分的编码模式适于在所说发光二极管和所说读出头之间通过。
10.按照权利要求8的装置，其特征为，有一第二发光二极管和一第二读出头支承在所说外套上的内侧，并且，有一第二盘固定在所说第二轴上，所说盘有一不透明部分的编码模式适于在所说第二发光二极管和所说第二读出头之间通过。
11.按照权利要求1的装置，其特征为，所说电磁场是根据装在一根或两根所说轴上的一个或多个编码器产生出来的。
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