JP4821389B2 - スタッカークレーンの駆動制御装置 - Google Patents

Description

半導体製造、液晶表示パネル等の製造工場に於いて、製造途中にある中間製品を工程時間調整等の目的で一時的に保管、収納するストッカ内に設置され、ストッカ内に設けられた棚への中間製品の格納又は取り出し作業を行うスタッカークレーンに関する。中でも、高層ストッカに設置される高層スタッカークレーンに関する。

典型的な半導体工場クリーンルームのレイアウトでは、複数の工程内間環状軌道およびこれら複数の工程内環状軌道を連結する工程間軌道が敷設され、ウエハなど基板に一連の処理加工（薄膜形成、フォトリソグラフィー、洗浄、エッチング、検査等）を施す半導体処理装置や、加工途中の基板等を一時的に保管するストッカがこれら工程内間環状軌道や工程間軌道に隣接して配置される。通常ウエハ等基板はＦＯＵＰ等の塵埃汚染からの保護可能な専用収納容器に収納され、これら半導体処理装置やストッカ間を搬送される。
また、ウエハ等の基板の処理工程は、当該基板が収納されるＦＯＵＰに取り付けられたタグで管理され、工程を統括するコントローラはタグ情報に基づき基板を認識し、加工処理の指示を出す。

ＦＯＵＰは基板の塵埃汚染からの保護を目的として、複数の基板をスリットに差込み収納保管する容器であるが、塵埃汚染から保護するため、搬送中は気密状態に保たれる。 また、ＦＯＵＰは各半導体処理装置での処置を実施する時のみ、前面扉が開放され、基板移載手段により基板は一枚ずつ取り出され、必要な処理の終了後は再度基板移載手段によりＦＯＵＰ内に格納され前面扉が閉じられる。
なお、クリーンルーム内に於けるＦＯＵＰ搬送手段にはＯＨＴ搬送台車、無人搬送車、ローラコンベア搬送システムなどが多用される。

ところで、一連の半導体製造プロセスでは、ＦＯＵＰに収納される基板は処理を受ける処理ステーションの処理の種類によって処理時間が様々に異なる。従って、常にある処理の終了した基板を収納するＦＯＵＰが、直ちに次の処理装置に引き取られ、次の処理をタイムリー受けるとは限らない。このことは、ある処理の終了した基板を収納するＦＯＵＰを次工程の処理装置に供給するまでに待ち時間の発生する場合のあることを意味し、更には、この工程待ちのＦＯＵＰを一時保管する保管手段が必要となることを意味する。通常この目的で設置されるＦＯＵＰ保管手段がストッカである。

ストッカは高さ方向全面に碁盤目状に設けられた棚と、スタッカークレーンから構成され、スタッカークレーンは高さ方向全面に配置された各棚に位置合わせし、棚へのＦＯＵＰの搬入、搬出の荷役動作を行う。ストッカ内へのＦＯＵＰの搬入は、ある半導体製造装置での処理が終了し、次工程の半導体処理措置での処理までに待ち時間のある場合に発生し、搬出は半導体製造装置からストッカ内に保管されたＦＯＵＰに対し処理要求が出されることにより発生する。
さて、前記棚へのＦＯＵＰの搬入及び前記棚からのＦＯＵＰの搬出には、スタッカークレーンが用いられる。
このスタッカークレーンは、水平方向に敷設された軌道に沿って走行制御を受ける本体と、この本体の要部をなすマストにおいて、上下方向に移動制御を受ける昇降体とから構成され、前記昇降体にはロボットハンドが設けられ、このロボットハンドによって前記棚へのＦＯＵＰの搬入及び前記棚からのＦＯＵＰの搬出が行われる。

ところで、前記ストッカ内の荷役に用いられるスタッカークレーンは、ストッカ内の棚の段数に応じて必要な高さが増し、複数階を貫通させて設けられる高層ストッカでは通常、かなりの高さとなる。高層ストッカでは走行時のマストの撓み、停止時のマスト上端部における振動の制定時間が問題となる。即ち、マストの撓みはスタッカークレーンの位置合わせ精度に、また振動の制定時間は、スタッカークレーンがマスト振動の減衰後でしか搬出入作業のできないことから作業能率に大きく影響を与える。これら問題の解決策として慣用される技術は、マスト剛性を高める方法であるが、この慣用技術ではマストの大型化、マスト走行に必要とされる動力の増大を来し、その適用には限界があった。

前記慣用技術では対応不可能として、これら問題等の改善を図るための先行技術として下記特許文献１、２がある。
先ず、特許文献１に開示の技術は、図１に示されるようなスタッカークレーンに係る技術であって、当該スタッカークレーンの要部構成としてのマスト１の上部と、下部とに夫々上部走行駆動装置２と、下部走行駆動装置３とを設け、下部走行駆動装置３でスタッカークレーンの走行制御、位置制御を行う構成を基礎としている。
そして、この特許文献１の特徴は、前記下部走行駆動装置３の速度信号（速度０の制動信号を含むものと解される）に基づいて上部走行駆動装置の駆動乃至制動を行い、当該上部走行駆動装置２でマスト１の振動抑制を行うようにしている。

一方、特許文献２に開示の技術は、特に機体の高いスタッカークレーンにおいて、走行停止時に発生する振動の抑制と、当該スタッカークレーンの上端部の正確な位置決めを図るための構成を要旨としている。
そして、この特許文献２の特徴は、図１及び図２に示されるように、スタッカークレーンの支柱１の上部走行方向に沿って配置される天井レール６に対し、スタッカークレーンの上フレーム２の端部に固定される押付ローラ１１を押付け、スタッカークレーンの安定走行を図っている。

更に、スタッカークレーンが所定箇所において停止し、昇降体５を稼動させるに当たり、
スタッカークレーンの上下端部同士のずれ相当分を上部パルスエンコーダ１６によって検知し、ずれを補正するために、上部モータ１４の動力を、電磁クラッチ１３を介して前記押付ローラを駆動する。
これによって、スタッカークレーンは所定停止位置にて傾斜することなくかつ、停止時において、マスト上部の振動の抑制も的確になされる。
特開２００５−２１２９１９ 特開平６−１００１０９

前記のように、ストッカ内におけるＦＯＵＰ載置用棚の数は、近年における半導体素子の需要の急激な伸びによって増加の一途を辿り、ひいては棚の段数も増す傾向にある。
これに伴い、ストッカ内において所定の棚へのＦＯＵＰの搬入乃至所定の棚からのＦＯＵＰの搬出を司るスタッカークレーンの高さは増している。
従って、スタッカークレーンの底部における駆動のみによっては、その走行中に受ける応力による傾斜或いは停止時の上方部における振動を抑制するためにスタッカークレーンのマストの剛性を増す必要が生じ、ひいてはスタッカークレーンの大型化、重量増大化を来たす。
このように前記マストの剛性の増大を来すことなくスタッカークレーンをストッカ内の所定の経路を走行させる場合は、止む無く走行速度を落とさざるを得ないため、所望の搬送効率が望めない。

このような課題を解決しようとする特許文献１の技術は、スタッカークレーンのマスト上部と下部とに夫々上部走行駆動装置２と下部走行駆動装置３とを設けていることからマストを変形させる力が抑制され、特にマストの剛性を高くする必要がなく、マストの大型化、重量増大化は回避できる。
また、上部走行駆動装置２と下部走行駆動装置３の制動作用も同期して与えられマスト上部における振動は防止できる。

しかし、上部走行駆動装置２の駆動輪２１は、磨耗ほかの要因で外径が変動することがあり、下部走行駆動装置３の駆動／制動等の制御信号にて動作しても、上部走行距離と下部走行距離に食い違いが生じ、スタッカークレーン停止時において、スタッカークレーンのマストは必ずしも垂直状態を維持できるとは限らない。
従って、このマストの傾斜状況によっては、このマストの上下方向に沿って案内される昇降体７が所定の棚に対して正規に位置決めできない恐れがある。

一方、特許文献２の技術は、前記機構に基づいてスタッカークレーンが所定の位置にて停止した場合、主柱１は、常に直立に規制される利点がある。
しかし、スタッカークレーンの始動時から電磁クラッチ１３への通電によってローラ１１がブレーキとして動作するまでは、もっぱら下部モータ１９のみで駆動されるため、とりわけスタッカークレーンの始動時に大きな慣性力が主柱に作用し、加速度に制限を受け、ひいては稼動率の低下を招く恐れがある。
また、スタッカークレーンの停止時にその主柱を垂直に規制するための構成及び制御が煩雑で、高価となる傾向がある。

そこで、本発明の目的は、スタッカークレーンの高さの如何に拘らずその剛性を増すことなく、当該スタッカークレーンの走行時における撓みを生じず、かつ、停止時におけるスタッカークレーンの上端部の振動減衰時間を著しく短縮し、スタッカークレーンの走行停止後、遅滞なくスタッカークレーンのマストの上下方向に昇降体を走行させ、当該昇降体に設置されているロボットの稼動を開始できるスタッカークレーンの駆動制御装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

前記課題を解決するため、請求項１に記載のスタッカークレーンの駆動制御装置は、所定の方向に敷設されたレールに沿って走行制御を受ける本体要部が、垂直に立設されるマストと、該マストを上下方向に移動制御を受ける昇降体とから構成され、前記マストの上部走行駆動装置と、下部走行駆動装置と、を設け、前記マストの上部及び下部の走行速度が略等しくなるように、前記上部走行駆動装置及び下部走行駆動装置への速度及び位置の何れかの指令信号を供給する手段と、
前記マストの走行停止以降であって前記昇降体が荷役開始前に上部走行駆動装置の固定側に対する駆動拘束力を開放する手段を備えたことを特徴とする。

この請求項１に係る発明によれば、スタッカークレーンの昇降体案内用マストの高さが増しても、スタッカークレーンの要部構成としてのマストの剛性を特に強化する必要がなく、これに伴い、スタッカークレーン全体の重量は抑制され、走行に要する動力は軽減される。
従って、スタッカークレーンが特定の停止位置から所定の位置まで走行するに当り、加減速度を高めることができ、スタッカークレーンの稼動率の向上を図ることができる。
さらに、下部走行駆動装置と上部走行駆動装置とが略同一スピードに制御されるので走行時に生じるマストの撓みは僅かであり、スタッカークレーンが所定の位置に停止する際、上部駆動源の開放前に生じた下部と上部の走行距離の食い違いに起因するマストの傾斜も僅かとなり、このマスト傾斜に起因して発生するマスト上部の振動も最小限に押さえられ、ごく短時間で消滅するため、マストに沿って昇降する昇降体の正規な昇降動作を妨げることはない。
また、所定の位置まで走行後上部駆動拘束源は開放されるので、上部駆動拘束源の開放前に生じた下部と上部の走行距離の食い違いに起因するマストの傾斜は、マスト自体の剛性により解消され、目的棚位置に対し正確に位置合わせできる。

請求項２に記載のスタッカークレーンの駆動制御装置は、請求項１に記載のスタッカークレーンの駆動制御装置において、上部走行駆動装置の固定側に対する駆動拘束力を遮断する手段が、電磁クラッチを使用すること、及び前記電磁クラッチを使用せず駆動モータの励磁を断とする方法の何れかであることを特徴とする。
この請求項２に係る発明によれば、引用先の請求項１に係る発明の効果は元より上部走行駆動装置の動力の開放動作を、タイムラグを有することなくほぼ瞬時に行うことができる。

請求項３に記載のスタッカークレーンの駆動制御装置は、請求項１又は２に記載のスタッカークレーンの駆動制御装置において、前記上部走行駆動装置の固定側に対する駆動拘束力を開放する時点を前記マストの走行停止時点とすることを特徴とする。
この請求項３に係る発明によれば、引用先の請求項１又は２に係る発明の効果は元より上部走行駆動装置の動力の開放動作を、スタッカークレーンのマスト上部の振動を抑制する適切なタイミングにて行うことができる。

請求項４に記載のスタッカークレーンの駆動制御装置は、請求項１乃至３の何れかに記載のスタッカークレーンの駆動制御装置において、下部走行駆動装置の駆動源としてサーボモータを使用し、上部走行駆動装置の駆動源として、モータの駆動軸に減速機構を介してガイドレールに圧接されるゴム弾性体からなるタイヤを備えていることを特徴とする。
この請求項４に係る発明によれば、引用先の請求項１乃至３の何れかに係る発明の効果は元より下部走行駆動装置の駆動源としてサーボモータを用いることに伴いスタッカークレーンを所定の搬送元から所定の搬送先に高精度な移動が実現でき、上部走行駆動装置はさほど精度を要求されないウレタンゴムなどのゴム弾性体からなるタイヤを用いる安価な構成にて賄うことが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
先ず、この実施の形態に関連する図面の概要を述べると、図１は本発明が適用されるスタッカークレーンの正面図、図２は図１の一部詳細図、図３は動作を説明するためのフローチャート、図４はスタッカークレーンの停止時の振れ状態を示す特性図である。

次に、本発明を適用する基礎となる構成について、図１及び図２を参照して説明する。
図１において、１はスタッカークレーン走行用レール、２はスタッカークレーン上部フレーム案内用レールで、夫々ウエハ等の基板を収納したＦＯＵＰ保管用棚を縦横に配列したストッカ内の所定の経路に沿って敷設される。３はスタッカークレーンで、上下方向に延びるマスト３ａと、当該マスト３ａの上下両端部に夫々設けられる上部フレーム３ｂ、下部フレーム３ｃにて本体を構成している。

３１は走行輪で、駆動輪３１ａ及び遊輪３１ｂからなり、前記下部フレーム３ｃに支持され、スタッカークレーン走行用レール１上を走行できるように構成されている。３２は第１の駆動機構で、モータ、減速機構、ブレーキを保有し、スプロケットとチェーンとの連結等周知の動力伝達手段にて、駆動輪３１ａに動力を伝達し、スタッカークレーン３を水平方向に、所定の搬送元から所定の搬送先に移動させる。また、レールに沿い図示しないラックが設けられこれと対をなすピニオンがスタッカークレーン本体に設けられている。

３３は下部ガイドローラで、前記走行用レール１を挟むように両側一対のローラからなり、走行輪３１が全て走行用レール１上から外れないように規制している。３４は昇降体で、マスト３ａの上下方向に沿って摺動自在な案内部材３４ａに水平状態を維持できるように支持されている。３５は第２の駆動機構で、モータ、減速機構、ブレーキ、リールを備え、ワイヤー３５ａの巻取り、繰出しを司る。

そして、前記第２の駆動機構３５から巻取り、繰出し作用を受けるワイヤー３５ａは定滑車３５ｂにて方向転換のうえ、当該ワイヤー３５ａの端部が前記案内部材３４ａに固定される。
この構成によって、昇降体３４は、ワーヤー３５ａが第２の駆動機構３５によって繰出されるときは降下し、ワーヤー３５ａが駆動機構３５によって巻取られるときは上昇するように上下動制御を受ける。

３６は第３の駆動機構である。３７、３８は上部ローラで、スタッカークレーン３の上部フレーム案内用レール２の両側に圧接されている。そして、一方のローラ３７が前記第３の駆動機構に３６よって駆動される。
これらの第３の駆動機構３６、上部ローラ３７、３８の具体的構成を図２をも参照して説明する。
先ず、第３の駆動機構３６は、モータ３６ａ、減速機構３６ｂ、電磁クラッチ３６ｃから構成され、スタッカークレーン３の上部フレーム３ｂの走行方向における１端部に固定される。そして、電磁クラッチ３６ｃの入力軸３６ｃｙが減速機構３６ｂの出力側に、出力軸３６ｃｘが前記ローラ３７に連結されている。

なお、前記電磁クラッチ３６ｃは、入力軸３６ｃｙの内方端には、フェーシング３６ｃｕが固定され、出力軸３６ｃｙの内方端部には、軸方向に移動できるようにスプライン係合するアーマチュア３６ｃｖを設けている。
そして、このアーマチュア３６ｃｖは、例えば、無励磁作動形電磁クラッチでは、図示しないコイルの無励磁時には、図示しないばねの復帰力によって前記フェーシング３６ｃｕに圧接し、前記フェーシング３６ｃｕと、前記アーマチュア３６ｃｖとは互いの対向面が圧接し、電磁クラッチ３６ｃの入力軸３６ｃｙから出力軸３６ｃｘへ動力が伝達される。

一方、図示しないコイルへの励磁時には、図示しないばねの復帰力に対して電磁力が勝り、アーマチュア３６ｃｖは点線の位置に移動し、電磁クラッチ３６ｃの入力軸３６ｃｙから出力軸３６ｃｘへの動力の伝達は解除される。
３９（図１参照）はパルスエンコーダで、スタッカークレーン３の走行距離が一定量増す毎にカウントし、このカウント数によって所定の搬送元から所定の搬送先までの距離を測定する。

前記図１及び図２の構成において、その作用を図３のフローチャートを参照しつつ説明する。
第１ステップ（Ｓ１）：
第１、第３の駆動装置３２、３６が保有する各モータに対して略同期を得るように制御信号を与え、各モータを駆動させる。
第２ステップ（Ｓ２）
第１、第３の駆動装置３２、３６の動作に伴って、スタッカークレーン３は上下各フレーム３ｂ、３ｃが駆動力を受けて所定の搬送元から所定の搬送先に走行する。
この際、所定の搬送先にスタッカークレーン３が到達していない（パルスエンコーダ３９が所定の計数値に達していない）場合は前記第１、第３の駆動装置３２、３６を動作させ、スタッカークレーン３を更に走行させ、所定の搬送先にスタッカークレーン３が到達した（パルスエンコーダ３９が所定の計数値に達した）場合には、前記第１、第３の駆動装置３２、３６の動作を停止させる。

第３ステップ（Ｓ３）：
スタッカークレーン３を停止させる。
第４ステップ（Ｓ４）：
第３の駆動装置３６の構成要素としての電磁クラッチ３６ｃの動力伝達作用を解き、駆動ローラ３７、３８をフリーな状態とする。
第５ステップ（Ｓ５）：
スタッカークレーン３が停止し、前記電磁クラッチ３６ｃの動力伝達作用を解く直前には、スタッカークレーン３はやや傾斜している。この原因はスタッカークレーン３の移動距離を規制する第１の駆動装置３２による位置精度がラックピニオンにより正確に維持されるのに対して、第３の駆動装置３６の走行距離精度が当該第３の駆動装置によって駆動される駆動ローラ３７の上部フレーム案内用レールへの接触状態の変化や、当該駆動ローラ３７の磨耗などに起因して変動することによる。

従って、スタッカークレーン３の停止以降、前記クラッチ３６ｃの動力伝達作用を解いた直後スタッカークレーン３は微視的に見れば僅かな振れが残っている。
このようなスタッカークレーン３の振れは、スタッカークレーン３の上部フレーム３ｂを駆動する第３の駆動装置３６がない場合（図４の点線参照）に比べて少ない（図４の実線参照）ので殆どスタッカークレーン３の停止直後に昇降体３４は稼動のため昇降できる状況にあるが、昇降可能状態の確認を行う。
第６ステップ（Ｓ６）：
第５ステップにて、上部フレームの振れが昇降体３４の動作可能の範囲である確認を得た際、昇降体３４の動作を開始する。この上部フレームの振れ状態は、周知の検出器（光電検知装置ほか）にて検出できる。
なお、図４の横軸はスタッカークレーン３の停止時点からの時間（ｔ）を、縦軸はスタッカークレーン３の振れの振幅（ｗ）を夫々示し、昇降体３４の稼動が許容される振れの範囲をＬ１、Ｌ２にて表示している。

図１に示す第３の駆動機構３６は、モータ３６ａ、減速機構３６ｂ、電磁クラッチ３６ｃから構成され、モータ３６ａのローラ３７に対する駆動力の連結と開放は電磁クラッチ３６ｃにより実施されるが、同様の効果は電磁クラッチ３６ｃを除いても実現可能である。
この場合、図２においてモータ３６ａにサーボモータを用い、減速機構３６ｂの出力側をローラ３７に連結する構成となる。また、ローラ３７の駆動拘束力の開放はサーボモータのサーボオフで実施できる。

前記パルスエンコーダ３９は、正確にスタッカークレーン３を位置決めすることができるがこれに代え、若しくはこれとともに第１の駆動装置３２の駆動モータとしてサーボモータを採用する。

前記上部ローラ３７、３８における前記案内レール２に接するタイヤ部材としてウレタンゴムを使用することにより、コスト面、耐久面においての効果を期待できる。

本発明が適用されるスタッカークレーンの正面図である。 図１の一部詳細図、 動作を説明するためのフローチャートである。 スタッカークレーンの停止時の振れ状態を示す特性図である。

符号の説明

１・・・・・・・・・スタッカークレーン走行用レール
２・・・・・・・・・スタッカークレーン上部フレーム案内用レール
３・・・・・・・・・スタッカークレーン
３ａ・・・・・・・・マスト
３２・・・・・・・・第１の駆動機構
３５・・・・・・・・第２の駆動機構
３４・・・・・・・・昇降体
３６・・・・・・・・第３の駆動機構
３６ａ・・・・・・・モータ
３６ｂ・・・・・・・減速機構
３６ｃ・・・・・・・電磁クラッチ
３９・・・・・・・・パルスエンコーダ

Claims (4)

1. 床及び天井に敷設されたレールに沿い所定の方向に走行制御を受けるスタッカークレーンであって、
   前記スタッカークレーンの本体要部が垂直に立設されるマストと、該マストを上下方向に移動制御を受ける昇降体とから構成され、
   前記マストに上部走行駆動装置と、下部走行駆動装置と、を設け、
   前記マストの上部及び下部の走行速度が略等しくなるように、前記上部走行駆動装置及び下部走行駆動装置への速度及び位置の何れかの指令信号を供給する手段と、
   前記マストの走行停止直後、前記昇降体が荷役開始前に上部走行駆動装置の固定側に対する駆動拘束力を開放する手段を備えたことを特徴とするスタッカクレーンの駆動制御装置。
2. 前記上部走行駆動装置の固定側に対する駆動拘束力を遮断する手段が、電磁クラッチを使用すること、及び前記電磁クラッチを使用せず駆動モータの励磁を断とする方法の何れかであることを特徴とする請求項１に記載のスタッカクレーンの駆動制御装置。
3. 前記上部走行駆動装置の固定側に対する駆動拘束力を開放する時点を前記マストの走行停止時点とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のスタッカクレーンの駆動制御装置。
4. 下部走行駆動装置の駆動源としてサーボモータを使用し、上部走行駆動装置の駆動源として、モータの駆動軸に減速機構を介してガイドレールに圧接されるゴム弾性体からなるタイヤを備えていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のスタッカクレーンの駆動制御装置。
   
   
   

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