JP4395873B2 - 薄板状物の変位量検出方法及び変位量修正方法 - Google Patents

Description

【技術分野】
本発明は、運搬・加工のために載置する際に高い位置精度を必要とする薄板状物を取り扱う搬送ロボットに関し、特に、半導体ウエハ、液晶表示板用基板、プラズマディスプレー基板、有機エレクトロルミネッセンス基板、無機エレクトロルミネッセンス基板、プリント配線基盤等の薄板状物を、カセットと各種処理装置との間を移動させるための搬送装置に関するものである。
【背景技術】
一般に半導体や液晶用基板等の薄板状物の製造は高清浄な環境いわゆるクリーンルームで行われる。このクリーンルームにおける前記薄板状物の運搬は、薄板状物をカセット内の棚段上に収納して、カセット搬送用大型ロボット等によりカセットごと運搬する。
図１３は本出願人が従来使用している取扱装置１について示すものである。この装置ではカセット３を設置するための複数のステージ２４と、各種処理を行う処理装置６と、カセット３と前記処理装置６との間で薄板状物２を搬送する公知の産業用の搬送ロボット４と、この搬送ロボット４を処理装置６やカセット３の搬出入口２５の正面へと移動を行う直線移動手段５を備えており、これらを用いて加工処理の施される薄板状物２は、カセット３の棚段２６上から取り出されて、処理装置６の載置台２３まで移動し、且つ載置される。
この後、処理装置６内で薄板状物２に対し各種の加工処理が施される。この際に薄板状物２を載置する位置精度について高い精度を必要とする加工処理がある。たとえば、２枚の薄板状物２の貼り合わせる処理を行う場合であり、このさい処理装置の所定載置位置に対して１枚目の薄板状物２と、２枚目の薄板状物２とを予め教示した位置へ、それぞれの傾きや位置のずれを生じさせることなく受け渡す必要がある。
ところで、前記したカセット３の棚段２６上の薄板状物２は、左右方向にある程度の余裕を持って載置されており、この点でそれぞれは適宜に微妙なずれた状態で収納されている。したがって、このずれた状態のまま、薄板状物２を処理装置６へ搬送すれば正確な載置が行われず、処理製品の良品率（歩留まり）が悪くなる問題となる。
この問題を解決するための従来の手法は、上記位置ずれ状態を検出するための検出手段を処置装置付近に別途備えしめ、これを用いて薄板状物の位置ずれを検知すると共にずれ量を算出して、これを修正するようになすのであり、これら一連の手順を、図１３に基づいて以下に説明する。
本実施例では検出手段１８は直線移動手段５上へ設置されている。
始めに搬送ロボット４を直線移動手段５の作動でステージ２４上に載置されたカセット３正面へ移動させ、次に、このロボットのアームを作動させてカセット３内部から薄板状物２をエンドエフェクタ１１上に取り出す。その後、再び直線移動手段５の作動で搬送ロボット４を検出手段１８の正面位置へ移動させると共に、エンドエフェクタ１１上に載置されている薄板状物２の端縁が検出手段１８の光軸を遮断するようにアーム１２，１３を回動させるのである。そして該回動で薄板状物２の縁部が検出手段１８の光軸を遮断して得られる位置情報と、教示により予め得られている位置情報とを比較することで変位量を算出するのである。而して、この算出値に基づいて、搬送ロボット４は処理装置６の搬出入口２５正面へと移動し、且つ支持アーム１４の作動でエンドエフェクタ１１の薄板状物２を載置台２３上に載置するさい、上記算出値に基づいて修正した位置に載置するようになすのである。以上により、薄板状物２はその適正位置で必要な処理が行われるのであり、この後は再び搬送ロボット４によって処理装置６からカセット３へと返却（再収納）されるのである。
上記における検出手段１８は、図示例の通り搬送ロボット４の移動途中に設けて上述の通り使用してもよいが、複数の処理装置の前面側へそれぞれ備えさせることができる。ここに検知手段１８は投光器１９と受光器２０とからなる光学式の透過型センサであり、光軸は鉛直となして装置中央に一つ備えた構成である。
なお、予め教示により得られる位置情報とは、搬送ロボット４のエンドエフェクタ１１上の薄板状物２が適正な所定位置にあるとき、該薄板状物２の縁部が検出手段１８の光軸を遮断したときの位置情報のことである。
また、上記装置における搬送ロボット４はクリーンルーム用スカラ型の搬送ロボット４であって、薄板状物２を吸着保持するエンドエフェクタ１１と、エンドエフェクタ１１を回動可能に支持する支持アーム１４（図示例では下アーム１３と上アーム１２の２体からなる）を回動させることができる旋回部１５と、旋回部１５を高さ方向に移動可能にする昇降手段１６と、基台１７とからなる。
図１３に示す取扱装置１では、カセット３から処理装置６へ薄板状物２を運搬する途中にある検出手段１８の箇所で搬送ロボット４を検知のために停止させる必要があり、上記カセットからの取り出し及び再収納の１サイクルに要する搬送時間が増大するため、生産効率が悪くなっている。
また、検出手段１８を搬送ロボット４の直線移動手段５上に備えており、搬送ロボット４の移動中にその支持アームなどとの干渉を防止するため、投光器１９と受光器２０の距離を長くしたりする必要があるが、このように光軸を長くした検出手段１８は非常に高価であり、且つ光軸調整が非常に困難であるなどの問題がある。もし調整の不十分な検出手段１８で測定したとすれば、測定精度が低下して不具合が生じる問題となる。
日本特開平９−３６２０１号公報で示される図２のものにおいては、各処理装置の薄板状物６の載置台１８毎に多数の検出手段３１を備える装置を提案している。この装置では薄板状物６の変位量を検出するため、載置台１８の数だけ検出手段が必要であり、従ってコストが高くなるほか、検出手段３１毎の調整が必要となって作業効率の低下につながるものとなる。
日本特開平９−１６２２５７号公報で示される図７のものにおいては、検出手段１４を搬送ロボットのエフェクタ３１ｃに備える装置を提案している。この搬送ロボットでは、検出手段１４を回動するモータ等の動力源を別に備える必要があるため、この別途費用が掛かるほか、機構が複雑でかつ動作制御も困難になる問題がある。
【発明の開示】
本発明は本出願人が使用している取扱装置を改良したものであって、その特徴は取扱装置の位置を含めた基準座標系のもとで、エンドエフェクタ上に取り出した薄板状物の変位量を検出するさい、エンドエフェクタの支持アーム上の板材面内へコ字状体に形成した検出手段を取り付け、支持アームの回動動作時にエンドエフェクタ上の薄板状物の縁部と検出手段の光軸がコ字状体の開放口内で交差するものとなし、これにより得られる数値と予め教示されてなる薄板状物の当該数値とを比較して修正変位量を算出するものとなすことを特徴とする。
また本発明では、上記の修正変位量の検出を、薄板状物がカセットの棚段から取り出される支持アームの動作中に行われる事を特徴とする。
また本発明の変位量検出手段は透過型センサの検出手段であって、上記コ字状体の開放口をエンドエフェクタ側となるようにしてエンドエフェクタの手前側支持アーム上に配置するほか、その開放口を薄板状物の縁部が通過可能となる間隙寸法を有するものとなすのである。
また本発明では、コ字状体となした変位量検出手段の開放口側に取り付ける投光器と受光器からなる透過型センサの数及びその配置に関するもので、すなわち複数個の配置では支持アームの回動中心からの距離が異なる関係にずらして取り付けるようになすのであり、これにより支持アームの回動で薄板状物の縁部の複数箇所が同時に検出されるものとなる。
また本発明では、支持アームの回動動作中に支持アームに取り付けたコ字形状の検出手段により自動的に算出された修正変位量を基に、取扱装置を基準座標で所定の位置に修正して移動させ、薄板状物を載置台上の適正位置へ載置させるようになすのである。
すなわち、本発明の取扱装置１は、薄板状物２をカセットから取り出して移動するさい、エンドエフェクタ上の載置ずれを自動的に算出し、且つこれを修正して、処理装置の適正位置へ載置可能とする装置であり、その具体的構成は、薄板状物２を把持もしくは吸着して搬送する公知のロボット、および該搬送ロボット４を薄板状物２のカセット３が延在する方向に移動可能とするボールネジ軸等を備えた直線移動手段５、並びに搬送ロボット４によって薄板状物２を載置する載置台２３を備え、且つこの載置台を水平面内で直線移動もしくは回動することで薄板状物の位置決めを行うアライメント装置等からなっている。
一方、取扱装置の位置を含めた基準座標系とは、取扱装置１が制御手段７からの動作命令により動作を行うときの取扱装置１の始動位置や、取扱装置１が配設される位置及び、受け渡し位置等を含んだ空間を仮想の座標としてみたてたものである。
他方、本発明の検出手段１８はたとえば、光学式の透過型及び反射型のセンサ等であり、非接触で薄板状物２の縁部を検出するセンサが好ましい。この検出手段１８は投光器１９と受光器２０からなり、投光器１９と受光器２０をコ字形の固定部材２１の先端付近に向かい合わせて、光軸が鉛直となるよう又は傾斜状に備えており、薄板状物の縁部が光軸を遮断する事でその位置を検出するのである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の搬送ロボット４の一実施例を示す斜視図面である。
図２は、搬送ロボット４上に備えられた検知手段１８を示す一部切り欠き斜視図である。
図３は、（ａ）〜（ｃ）は搬送ロボット４が１個のセンサで検出量を算出する状態の使用説明図である。
図４は、上記で２個のセンサを使用した場合の作用説明図である。
図５は、薄板状物２の傾き状態を算出するための作用説明図である。
図６は、修正作用を説明する平面図である。
図７は、傾いた薄板状物２の修正作用を説明する平面図である。
図８は、検出手段を下アーム１３に備える搬送ロボット４を示す平面図である。
図９は、（ａ）〜（ｃ）は、上記に於ける薄板状物の変位量算出を示す説明図である。
図１０は、搬送ロボット４の他の例を示す斜視図である。
図１１は、搬送ロボット４の他の例を示す斜視図である。
図１２は、搬送ロボット４の他の例を示す斜視図である。
図１３は、従来の薄板状物の位置検出手段を備えた取扱装置の全体斜視図である。
［発明を実施するための最良の形態］
図１は図１３で説明した本出願人の従来例を改良した取扱装置１であり、本発明の改良点は、処理装置６の前面や直線移動手段５上に備えしめたりする検出手段１８を取り除き、即ちこれは独特なコ字形状となして支持アーム１４の板材面内に備えさせるものとする。
以下に本発明の最良の実施形態の例を説明する。なお、以下の実施形態は本願発明の範囲を限定するものではない。したがって、当業者であれば本願発明の原理の範囲で、他の実施形態を採用することが可能である。
図２は本発明の検出手段１８の部分拡大斜視図である。この検出手段１８は扁平な開放口と奥行きを備えたコ字形状の固定部材２１の先端付近に投光器１９と受光器２０を備えたものとなすのであり、かつその取り付けにはコ字形状の開放口がエンドエフェクタ１１側を向けて設置されるようになされるのである。このさい投光器１９と受光器２０はそれぞれ１個設けるようになしてもよいが、複数個を図２に示すように奥側に向け位置をずらして設けるようにすることができる。
本発明では支持アーム１４の回動動作と共に検出手段１８が回動する際に、エンドエフェクタ１１に保持された薄板状物２の縁部がコ字形状の固定部材２１の開放口を通過し、投光器１９から受光器１９へ向かう光軸を遮断するのであり、これにより薄板状物２の位置検出が行われるのである。このため、コ字形状の開放口間隙Ｐ及びその奥行きＳの寸法は薄板状物２の縁部が支障なく通過可能となる範囲で設計される。
而して、上記薄板状物２のエンドエフェクタ１１上における位置ずれや傾きなどの算出は、支持アーム１４の回動をＸ，Ｙの座標系で表示することにより算出するのであり、具体的にはエンドエフェクタ１１を支持する支持アーム１４の枢軸をＸ，Ｙ座標の原点Ｏとし、Ｘ軸は搬送ロボット４が直線移動手段５を移動する方向であり、これに対しＹ軸はこれと直交する方向である。以下、その算出手法について説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）では、上アーム１２に検出手段１８を備えており、エンドエフェクタ１１上の薄板状物２の点線は適正状態に置かれたものを、これ対し実線はずれた状態のものを示す。まず適正位置（教示位置）におけるデータを得るためには次のようにして行われる。支持アーム１４が回動し、上アーム１２上のセンサ３１が図３（ａ）のＡから図３（ｃ）の薄板状物２の縁部を検出する位置Ｂまで回動することで、その回動角度（測定値）を得ることがきるのであり、具体的には、始点Ａの座標を（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ）となし、教示位置Ｂの座標を（Ｘ_Ｂ，Ｙ_Ｂ）として回動角度を測定し、この測定した回動角度を基に教示位置を算出するのである。
上述の教示位置の座標を算出する式は次の通りとなる。

式（１）を展開すると次のようになる。

これで教示位置Ｂ（Ｘ_Ｂ，Ｙ_Ｂ）が数値的に算出される。
次に、実線で示される薄板状物２とのずれについては、支持アームがさらに回動した即ち図３（ｃ）における座標（Ｘ_Ｃ，Ｙ_Ｃ）を測定するのであり、この変位位置の座標を算出する式は次の通りである。

上式を展開すると、

これで変位位置Ｃ（Ｘ_Ｃ，Ｙ_Ｃ）が数値的に算出される。
ところで、Ｘ軸方向の変位量Ｌ_Ｃを算出するには、上記教示位置と変位位置とのＸ座標値の差を求めるのであり、式は次のとおりである。

式（２）と式（５）より変位量Ｌ_Ｃは次のように表される。

これが変位量Ｌ_Ｃである。
本発明ではコ字形状の検知手段１８に対し、２個以上のセンサを備えることができるのであり、次に２個のセンサを取り付けた例について図４により説明する。２個のセンサは適当な間隔をあけて設けるのであり、これによりそれぞれの回動半径を異ならしめるのであり、支持アーム１４の回動で薄板状物２の縁部における２箇所の位置検出が効率よく行われるものとなる。また、このものでは検出した測定値を基に薄板状物２のＸ軸方向の変位量と薄板状物の傾き４０を算出することができる。
図４（ａ）〜（ｃ）は図３と同様にして、その算出手段を図解して示すものである。図面で３２，３３は２個のセンサを示しており、エンドエェクタ１１上の点線で示した薄板状物２は教示位置を、これに対し実線はずれた状態のものを示す。図中（ｂ）は支持アーム１４の回動で教示位置を算出する状態を、同（ｃ）はずれた位置を算出する状態の説明図である。
まず、教示位置の算出は次の式により求めることができる。

式（９）を展開すると、

式（１０）を展開すると、

これが教示位置点Ｅ（Ｘ_Ｅ，Ｙ_Ｅ），Ｈ（Ｘ_Ｈ，Ｙ_Ｈ）である。
これに対し変位位置Ｆ（Ｘ_Ｆ，Ｙ_Ｆ），Ｉ（Ｘ_Ｉ，Ｙ_Ｉ）は次の式で算出することができる。

式（１５）を展開すると、

式（１６）を展開すると、

これが変位位置の２点Ｆ（Ｘ_Ｆ，Ｙ_Ｆ），Ｉ（Ｘ_Ｉ，Ｙ_Ｉ）の算出値である。
次に、図５にもとづいて薄板状物の傾き４０の算出方法を説明する。
本発明で薄板状物の傾き４０は、エンドエフェクタ１１上で薄板状物が部分的な回動を生じさせられたものであって、これは教示位置の規準となされる薄板状物２の中心線４１（Ｙ軸と平行）と変位した薄板状物２の中心線４３とが角度θ_Ｌだけ傾きを生じるときその角度θ_Ｌとして表される。ところで、実施例の薄板状物２は長方形の平面形状をなしており、薄板状物２の中心線４３とその縁部側面は平行である。このもので薄板状物の傾きの角度θ_Ｌを数値的に算出するには、変位した薄板状物２の２つの検出位置ＦからＩへ向かうベクトルＦＩと、教示した薄板状物の中心線４１上の単位ベクトルｙとがなす角度θ_Ｌを算出することで求めることができる。
ベクトルＦＩは、

と表され、
Ｙ軸上の単位ベクトルｙは、

と、表される。
従って、ベクトルＦＩとベクトルＹとがなす角度θ_Ｌは、次のように表すことができる。

式（２１）と式（２２）を式（２３）に代入してθ_Ｌについて解く。

これが薄板状物の傾きの角度θ_Ｌを示す算出値である。
［載置位置の修正方法］
本発明では変位している薄板状物２を修正して載置するために、先に得た変位量及び傾きを基にして薄板状物２の位置修正を行うのであり、この修正の仕方を図６に基づいて説明する。
図面で４は搬送ロボット、５はその直線移動手段であって、搬送ロボット４の旋回部１５の回転中心を原点Ｏとする座標として考える。而して、この座標では、直線移動手段５の移動方向をＸ軸となし、Ｙ軸は原点ＯでＸ軸と直交する方向であり、且つこれは薄板状物を教示位置へ載置させる方向である。
本図で薄板状物２のＸ軸方向の変位量Ｌ_Ｃを修正するには、前述の式（２４）で求めた算出値により行うのである。これは実線で示す変位位置にある薄板状物２を、点線で示す教示位置に修正するのであり、搬送ロボット４を直線移動手段に対してＸ軸の正方向へ距離Ｌ_Ｃ＝Ｘ_Ａ（ｃｏｓθ_Ｂ−ｃｏｓθ_Ｃ）−Ｙ_Ａ（ｓｉｎθ_Ｂ−ｓｉｎθ_Ｃ）だけ移動することで可能となる。
図７は傾いた薄板状物２の修正の方法を示すものであり、本図では、上アーム１２に２個のセンサ３２、３３を備えたものとなしてある以外は図６と変わりない。
実線の傾いた薄板状物２を点線の適正位置（教示位置）に修正するには、搬送ロボット４の旋回部１５を用いて反時計回りに角度θ_Ｌ＝Ｙ_ＦＩ／（Ｘ_ＦＩ ^２＋Ｘ_ＦＩ ^２）^１／２だけ回動する。この回動によって薄板状物２の縁部上の点Ｆは点Ｊへと移転し、点Ｆと点ＪとのＸ軸方向の変位量Ｌ_Ｊが生じる。これを修正するため、直線移動手段５で搬送ロボット４を変位量である距離Ｌ_Ｊだけ移動する。
上述のＸ軸方向における移動量である距離Ｌ_Ｊの算出方法は次の通りである。

式（２５）を展開すると、

これが、変位位置の座標Ｊ（Ｘ_Ｊ，Ｙ_Ｊ）の算出値である。
次に、教示位置Ｅと上述の算出値Ｊとを比較してＸ軸方向の変位量Ｌを次式で算出する。

これにより回動後の薄板状物２がＸ軸の負方向に距離Ｌ_Ｊだけ変位していることが算出されて、直線移動手段５で搬送ロボット４をＸ軸の正方向に距離Ｌ_Ｊだけ移動すれば、所定の位置に載置することができる。
上記の実施例では検出手段１８を上アーム１２に備える実施例を説明したが、図８に示す搬送ロボット４では、検出手段１８を下アーム１３に備える。この搬送ロボット４では、回動時に検出手段１８と上アーム１２との衝突をさけるため、下アーム１３と上アーム１２とを連結する支軸２９が従来のものより長くなっており、高さ方向に距離Ｔだけ間隙を設けている。
また、この実施例のエンドエフェクタ１１は下アーム１３の下部に備えしめてある。
図９（ａ）〜（ｃ）は、図８の搬送ロボット４で薄板状物２を取り出す（受け渡す）際に、起生するエンドエフェクタ１１上のずれ（変位量）を算出する手法を図解して示すものである。図面で３１は検出手段１８のセンサを示しており、エンドエェクタ１１上の点線で示した薄板状物２は教示位置を、これに対し実線は距離Ｌ_Ｎだけずれた状態のものを示す。
本例では旋回部１５の回動中心を座標の原点Ｏとして下アーム１３上に設けた検出手段１８のセンサ３１が回動する。このとき得られる測定値を基に上述の計算式を利用して同様に変位量を算出することができる。
図９（ａ）では、センサ３１が上記動作始点Ｋ（Ｘ_Ｋ，Ｙ_Ｋ）にある状態を示している。
図９（ｂ）では、センサ３１が動作始点Ｋ（Ｘ_Ｋ，Ｙ_Ｋ）から角度θ_Ｍだけ回動して、教示位置Ｍ（Ｘ_Ｍ，Ｙ_Ｍ）にある状態を示している。
図９（ｃ）では、センサ３１をさらに動作始点からの角度θ_Ｎまで回動して、検知位置Ｎ（Ｘ_Ｎ，Ｙ_Ｎ）にある状態を示している。
この搬送ロボット４を用いて薄板状物２の変位量を算出する手順は、上述の検出手段１８が上アーム１２に備える場合と同様であり、その結果、次式の通り変位量Ｌ_Ｎが得られる。

上述の実施例では支持アーム１２を１組備える（以下これをシングルアームと呼ぶ）構成の搬送ロボット４について説明したが、図９では支持アーム１２を２組備える（以下これをダブルアームと呼ぶ）構成の搬送ロボット４を示す。
また、本図の搬送ロボット４は旋回部１５と下アーム１３とが一体化しており、下アーム１３を動作させる代わりに旋回部１５を回動することで、図１の搬送ロボット４と同様の動作が可能となり、同様の算出手法を用いて変位量を算出することができる。
本例では旋回部１５と一体化されて回動する２組の下アーム１３，１３上に取り付ける１組の上アーム１２については、回動中の緩衝を避けるために従来のものより少し長い支軸２９を備えることで高さ方向に隙間（距離Ｔ）が形成されるものとなしてある。而して、検出手段１８を他のものでは上アーム１２の上部に設けるものとなすが、前記の隙間を形成した上アーム１２ではその下部に備えしめるのである。
図１０では下アーム１３と旋回部１５とが一体化した搬送ロボット４について説明したが図１に示す搬送ロボット４のように下アーム１３と旋回部１５とが独立して動作でき、支持アーム１４を２組備える搬送ロボット４であっても本発明を実施することが可能である。
上述した搬送ロボット４では支持アーム１４の構成を上アーム１２と下アーム１３の２個になしたが、図１０の搬送ロボット４は、支持アーム１４を上アーム１３だけの１個となしたものであり、検知手段１８はアーム１２に於けるエンドエフェクタ１１と反対側の側面に取り付けたものとなしてある。
また、図１２の搬送ロボット４の支持アーム１４は上記例と異なる３個、即ち上アーム１２と、中間アーム２８と、下アーム１３とで構成される。この搬送ロボット４では検出手段１８を上アーム１２に備えるものとなしたが、中間アーム２９若しくは下アーム１３に備えるようになしても良く、本発明の実施の範囲とする。
本発明では、検出手段１８を搬送ロボットの支持アーム１４に対し独特の構成で取り付けしめることで、搬送ロボット４が薄板状物２を取り出す（受け渡す）動作中、自動的且つ迅速にその変位量検出を行うことができるのであり、装置全体のコスト低減下と生産性の向上に寄与すること大ならしめるものである。
なお、コ字状となした検出手段１８は投光・受光間の光軸が短いので、このセンサの調整やメンテナンスが極めて容易であり、価格も安価なものである。

Claims (3)

1. 薄板状物の取扱装置にその取扱装置の位置を含めるＸ，Ｙの座標系のもとで、上記薄板状物の変位量を検出する際に、
   薄板状物を保持するエンドエフェクタの支持アーム上に、アームの回動中心からの距離が異なる関係にずらして取り付けられたコ字状体の開放口側に投光器と受光器からなる複数個の透過型センサを、当該支持アームの回動によりコ字状体の開放口の円弧軌跡がエンドエフェクタに保持された記薄板状物の縁部と交差する位置に取り付け
   前記１つの透過型センサが前記薄板状物の縁部を交差した際により得られる角度を表す数値と予め教示された数値とを比較してＸ座標の修正変位量を算出し、
   前記複数個の透過型センサが前記薄板状物の縁部を交差した際により得られる角度を表す数値により傾き角度量を算出することを特徴とした薄板状物の変位量検出方法。
2. 修正変位量の検出は、薄板状物をその棚段上へ収納してなるカセットから取り出す動作中に行われる事を特徴とする請求項１に記載の薄板状物の変位量検出方法。
3. 請求項１又は２において、算出された修正変位量及び傾き角度量を基に、取扱装置を基準座標で所定の位置に移動させて修正することを特徴とした薄板状物変位量修正方法。

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