JP5114805B2 - ロボット及びその教示方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ターゲットの位置を教示可能なロボット及びその教示方法に関わり、特に、上下方向におけるターゲットの位置を教示可能なロボット及びその教示方法に関する。
従来、半導体の製造に用いられるシリコンウェハや、液晶表示パネルの製造に用いられるガラス基板等のワークを搬送する際には、変位自在のアームを備えたロボットが使用されている。この種のロボットは、ワークを所定の位置に正確に搬送するために、予めターゲット位置を教示する機能を備えている。
近年、半導体ウェハやガラス基板の大形化に伴って、ロボットへの教示が益々難しくなってきており、オペレータに要求される技量のレベルも高くなっている。このため、オペレータの技量不足による教示ミスが発生しやすく、オペレータの技量に頼らずに正確な位置をロボットに教示できる技術が求められている。
特許文献１には、３軸スカラ型ロボットでターゲットの位置を検出して教示点を求める方式が記載されている。この方式においては、ロボットのエンドエフェクタを、カセットなどに追加したターゲットに向けて移動させて、ターゲットに接触させる。このとき、トルク及び速度の変化を検出する。そして、エンドエフェクタがターゲットに接触する場合と、そうでない場合とで、トルク及び速度の変化を比較して、エンドエフェクタとターゲットとの接触点を検出し、検出した接触点からターゲットの位置を求め、教示点を計算する。
［特許文献１］ 米国特許６，２４２，８７９号明細書
ところが、上述した従来の教示方式においては、エンドエフェクタをターゲットに接触させたときに、エンドエフェクタ及びターゲットが変形したり、パーティクルが発生したりするという不具合が生じる。このような不具合を防ぐためには、ロボットを非常に低速で動作させる必要があるが、この場合、ロボットの駆動系の、変動要素及び経時変化要素に支配されて、位置の検出精度が低くなってしまうという問題がある。ここで、変動要素は、トルク変動及び摩擦などを含み、経時変化要素は、ヒステリシスなどを含む。
特に、上下方向においてターゲット位置を教示する場合には、エンドエフェクタに対してその厚み方向（上下方向）への反力がターゲットから加えられるため、エンドエフェクタが変形しやすく、高精度の検出が難しいという問題がある。
例えば半導体ウェハを搬送するためのロボットのエンドエフェクタは、ＳＥＭＩ(Semiconductor Equipment and Materials International)規格のウェハカセットなどにアクセスする関係上、２−４ｍｍ程度の厚みが限界であり、それ以上厚くすることは極めて困難もしくは不可能である。また、近年の半導体ウェハのサイズにあわせて、一般的にエンドエフェクタの長さは２００−３００ｍｍ程度必要である。
このように半導体ウェハ搬送用のロボットのエンドエフェクタは、２−４ｍｍ程度の厚みで且つ２００−３００程度の長さに形成する必要があるため、ロボットの上下方向（Ｚ方向）に支える重量（例えば、１０−３０ｋｇ）をターゲットとの接触強さと考えた場合、エンドエフェクタを変形させることなく信号を検出することは困難である。このため、ターゲットとの接触によりエンドエフェクタにダメージを与えるばかりでなく、ターゲットの検出精度も極めて悪くなってしまう。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、エンドエフェクタやターゲットの変形を引き起こすことなく、また、パーティクルの発生を防止しつつ、上下方向におけるターゲットの位置を高精度で検出することができるロボット及びその教示方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明によるロボットは、先端部にエンドエフェクタが設けられたロボットアームと、前記ロボットアームを少なくとも上下方向に変位駆動するアーム駆動手段と、板状部材を保持するために前記エンドエフェクタに設けられた保持手段と、前記保持手段により前記板状部材が保持されているか否かを検出する保持状態検出手段と、前記アーム駆動手段及び前記保持手段を制御するロボット制御手段と、を備え、前記ロボット制御手段は、前記エンドエフェクタ上に前記板状部材を載せた状態で、前記保持手段をオフにして、前記アーム駆動手段を制御して前記エンドエフェクタを予め与えられた暫定の載置位置よりも高い初期位置から前記暫定の載置位置の方向に向けて所定距離だけ降下させ、前記エンドエフェクタを停止させた状態で、前記保持手段をオフからオンに切り替え、前記保持状態検出手段によって、前記板状部材が前記保持手段により保持されているか否かの判定を行い、前記板状部材が前記保持手段により保持されていると判定された場合には、前記保持手段をオフにすると共に前記エンドエフェクタを更に前記所定距離だけ降下させ、前記エンドエフェクタを停止させた状態で再び前記判定を行い、一方、前記板状部材が前記保持手段により保持されていないと判定された場合には、その時点での前記エンドエフェクタの位置を正規の載置位置として検出するように構成されていることを特徴とする。
好ましくは、前記保持手段は、前記板状部材を吸着する真空吸着手段を有し、前記保持状態検出手段は、前記真空吸着手段により真空状態が達成されていることを検出する真空センサを有する。
好ましくは、前記保持手段は、前記板状部材の縁部に解放可能に係合する可動係合部と、前記可動係合部を進退駆動するプランジャと、を含むエッジグリップ手段を有し、前記保持状態検出手段は、前記プランジャの位置を検出する位置センサを有する。
好ましくは、前記正規の載置位置は、複数の前記板状部材を収容するカセットの内側に上下方向に等ピッチで配設された複数の載置棚の位置であり、前記初期位置は、上下方向に隣接する一対の前記載置棚同士の上下方向中央位置である。
好ましくは、前記ロボットアームは、前記上下方向に対応するＺ軸方向への自由度に加えて、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への自由度を有して変位駆動されるように構成されている。
上記課題を解決するために、本発明は、上記いずれかのロボットに前記板状部材の前記正規の載置位置を教示する方法であって、前記エンドエフェクタ上に前記板状部材を載せた状態で、前記保持手段をオフにして、前記アーム駆動手段を制御して前記エンドエフェクタを予め与えられた暫定の載置位置よりも高い初期位置から前記暫定の載置位置の方向に向けて所定距離だけ降下させる降下工程と、前記降下工程に続いて、前記エンドエフェクタを停止させた状態で、前記保持手段をオフからオンに切り替える切替工程と、前記切替工程に続いて、前記保持状態検出手段によって、前記板状部材が前記保持手段により保持されているか否かを判定する判定工程であって、前記板状部材が前記保持手段により保持されていると判定された場合には前記降下工程に戻る、判定工程と、前記判定工程において、前記板状部材が前記保持手段により保持されていないと判定された場合には、その時点での前記エンドエフェクタの位置を正規の載置位置として検出する検出工程と、を備えたことを特徴とする。
好ましくは、前記正規の載置位置は、複数の前記板状部材を収容するカセットの内側に上下方向に等ピッチで配設された複数の載置棚の位置であり、前記初期位置は、上下方向に隣接する一対の前記載置棚同士の上下方向中央位置であり、最初の前記降下工程に先立って、前記エンドエフェクタに保持された前記板状部材を前記カセットの内部の前記上下方向中央位置に挿入する挿入工程を更に備える。
本発明の一実施形態によるロボットをウェハカセットと共に示した斜視図。 図１に示したロボットのウェハ保持手段及び保持状態検出手段の概略を示した図。 図１に示したロボットのウェハ保持手段及び保持状態検出手段の他の例の概略を示した図。 図１に示したロボットのロボットアームの内部構造を示した図。 図１に示したロボットの制御駆動系の構成を示したブロック図。 図１に示したロボットにおける教示操作を説明するための平面図。 図１に示したロボットにおける教示操作を説明するための正面図。 図１に示したロボットにおける教示操作を示したフローチャート。
本発明の一実施形態としてのロボット及びその教示方法について、図面を参照しながら以下に説明する。
図１に示したように本実施形態によるロボット１０は、半導体ウェハ５０を搬送するロボット本体２０と、このロボット本体２０の動作を制御するロボット制御手段４０とを備えている。
ロボット本体２０は、ウェハカセット５１内から半導体ウェハ５０を搬出し、或いはカセット５１内へウェハ５０を搬入することができる。ここで、ウェハカセット５１は、ＳＥＭＩ規格に基づいて製造されたものである。
ロボット本体２０はロボット基台２１を有し、このロボット基台２１には、上下方向に延びるアーム基軸２２が昇降自在に設けられている。アーム基軸２２の上端には、第１アーム部２３の基端部が固定されている。第１アーム部２３の先端部には、第２アーム部２４の基端部が回転自在に取り付けられている。
第２アーム部２４の先端部には、エンドエフェクタとしてのハンド２５が回転自在に設けられており、このハンド２５は、半導体ウェハ５０がその上に載置されるように構成されている。ハンド２５は、その上に載置されたウェハ５０を解放可能に保持するためのウェハ保持手段６０を備えている。
ロボット制御手段４０は、コンピュータによって実現されるものであり、ロボット本体２０の動作を制御するための動作プログラムが格納された記憶部４１と、この記憶部４１に格納された動作プログラムを実行してロボット本体２０を制御するＣＰＵ４２と、を備えている。
記憶部４１には、ロボット本体２０の動作を制御するための教示点に関するデータを格納することもでき、記憶部４１に格納された教示点データに基づいて、ハンド２５が所定の位置へと動かされる。また、記憶部４１には、ハンド２５の形状・寸法に関するデータ、ハンド２５に保持されたウェハの形状・寸法に関するデータも格納されている。
図２に示したようにロボット１０のハンド２５には、ウェハ保持手段６０としての真空吸着手段６１が設けられており、この真空吸着手段６１は真空源６２に接続されている。
また、ロボット１０は、ウェハ５０がウェハ保持手段６０により保持されているか否かを検出するための保持状態検出手段６３としての真空センサ６４を備えている。
即ち、ハンド２５上にウェハ５０が載置された状態で真空源６２をオンにすると、真空吸着手段６１において真空状態が達成される。そこで、この真空状態を真空センサ６４により検出することで、ウェハ５０がハンド２５上に載置されて真空吸着手段６１により保持されていることを検出することをできる。一方、真空源６２をオンにしても真空センサ６４が真空状態を検出しない場合には、ハンド２５上にウェハ５０が載置されていないものと判断される。
図３は、ウェハ保持手段６０の他の例として、エッジグリップ手段を示している。この例においては、ウェハ５０の縁部に解放可能に係合する可動係合部６５が、ハンド２５の先端部に形成された凸部６８と共に、ウェハ保持手段６０として用いられる。可動係合部６５はプランジャ６６に接続されており、このプランジャ６６の進退動作に連動して可動係合部６５が進退駆動される。
プランジャ６６には、保持状態検出手段６３として、プランジャ６６の位置を検出する位置センサ６７が付設されている。即ち、ハンド２５上にウェハ５０を載置した状態でプランジャ６６を駆動して可動係合部６５をウェハ５０の縁部に係合させた場合と、ハンド２５上にウェハ５０が載置されていない状態でプランジャ６６を駆動して可動係合部６５をフリーな状態で移動させた場合とでは、駆動されたプランジャ６６の停止位置が異なる。そこで、プランジャ６６を駆動してその停止位置を位置センサ６７によって検出することにより、ハンド２５上にウェハ５０が載置されて保持されているか否かを検出することができる。
図４に示したように、第２アーム部２４は、その基端部にて、第１アーム部２３の先端部に回転自在に設けられた第２アーム回転軸２６に固定的に取り付けられている。ハンド２５は、その基端部にて、第２アーム２４の先端部に回転自在に設けられた手首軸２７に固定的に取り付けられている。
このようにロボット本体２０のロボットアーム２８は、アーム基軸２２、第１アーム部２３、第２アーム部２４、ハンド２５、第２アーム回転軸２６、及び手首軸２７を含んでいる。この種のロボットアーム２８は、スカラ型水平多関節アームと呼ばれ、ロボット制御手段４０によりロボットアーム２８の動作を制御することにより、ハンド２５をＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の所望の位置まで動かすことができる。
図４及び図５に示したように、ロボット本体２０は更に、第１アーム部２３を回転駆動する第１アーム駆動手段２９、第２アーム部２４を回転駆動する第２アーム駆動手段３０、手首軸２７を回転駆動する手首軸駆動手段３１、及びアーム基軸２２を昇降駆動する昇降駆動手段３２を備えている。
第１アーム駆動手段２９は、ロボット基台２１の内部空間に配置され、サーボモータ３３及びその動力伝達機構３４を含む。第２アーム駆動手段３０は、第１アーム部２３の内部空間に配置され、サーボモータ３５及びその動力伝達機構３６を含む。手首軸駆動手段３１は、第２アーム部２４の内部空間に配置され、サーボモータ３７及びその動力伝達機構３８を含む。各サーボモータ３３、３５、３７は、各エンコーダ３３Ａ、３５Ａ、３７Ａを内蔵している。
動力伝達機構３４、３６、３８には、減速機を備えた歯車動力伝達機構が用いられる。サーボモータ３３、３５、３７の動力が減速機の入力側に伝達され、そのトルクが予め定める増幅比で増幅されると共に、その回転速度が予め定める減速比で減速されて、減速機の出力側から出力される。このようにして減速機の出力側から出力された動力によって、アーム基軸２２、第２アーム回転軸２６、及び手首軸２７のそれぞれが回転駆動される。これにより、第１アーム部２３、第２アーム部２４、及びハンド２５のそれぞれが回転駆動される。
なお、変形例としては、ダイレクトドライブモータによってアーム基軸２２、第２アーム回転軸２６、及び／又は手首軸２７を駆動するようにしても良い。
昇降駆動手段３２は、ロボット基台２１の内部に設けられており、角変位量を調整可能な回転モータを用いたボールねじ機構によって実現される。例えば、昇降駆動手段３２は、ねじ棒と、このねじ棒に螺合される螺合体と、ねじ棒を回転駆動する回転モータと、を含み、螺合体にアーム基軸２２が固定される。昇降駆動手段３２の回転モータには、エンコーダ３９Ａを内蔵するサーボモータ３９が用いられる。
上記構成を備えたロボット本体２０においては、第１アーム駆動手段２９によって、アーム基軸２２が、ロボット基台２１に対して回転軸線Ｌ１周りに回転駆動される。これにより、第１アーム部２３が、ロボット基台２１に対して回転軸線Ｌ１周りに回転駆動される。
第２アーム駆動手段３０によって、第２アーム回転軸２６が、第１アーム部２３に対して回転軸線Ｌ２周りに回転駆動される。これにより、第２アーム部２４が、第１アーム部２３に対して回転軸線Ｌ２周りに回転駆動される。
手首軸駆動手段３１によって、手首軸２７が、第２アーム部２４に対して回転軸線Ｌ３周りに回転駆動される。これにより、ハンド２５が、第２アーム部２４に対して回転軸線Ｌ３周りに回転駆動される。
回転軸線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は互いに平行であり、且つ、Ｚ軸方向（上下方向）に延びている。上記の通りロボットアーム２８は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の方向への自由度を有して変位駆動される。
ロボット制御手段４０は、第１アーム駆動手段２９、第２アーム駆動手段３０、手首軸駆動手段３１、及び昇降駆動手段３２のそれぞれのサーボモータ３３、３５、３７、３９のエンコーダ３３Ａ、３５Ａ、３７Ａ、３９Ａから、各サーボモータ３３、３５、３７、３９の角度位置を取得することによって、各駆動手段２９、３０、３１、３２をフィードバック制御することができる。これにより、ハンド２５を目的位置に精度良く位置合わせすることが可能となる。
次に、図６乃至図８を参照して、ロボット１０においてターゲットの位置を教示する方法について説明する。ここでターゲットは、半導体ウェハ５０を収容するためのウェハカセット５１である。このウェハカセット５１は、ＳＥＭＩ規格に基づいて、左右の内壁面５２、５３に複数の載置棚５４が上下方向に等ピッチで形成されている。
ロボット制御手段４０のＣＰＵ４２は、記憶部４１に格納されているウェハカセット５１に関する正規位置データ及び／又は暫定位置データを読み込む。このときに読み込まれるデータには、載置棚５４の暫定位置に関するデータが含まれている。
ロボット制御手段４０は、読み込んだカセット位置データに基づいて、第１アーム駆動手段２９、第２アーム駆動手段３０、手首軸駆動手段３１、及び昇降駆動手段３２を制御して、ハンド２５上に保持されているウェハ５０をカセット５１内に挿入する（図７（１））。
このとき、上下方向に隣接する一対の載置棚５４の暫定位置に関するデータに基づいて、当該一対の載置棚５４同士の間の上下方向中間位置にウェハ５０が挿入される（図８のステップ１：ウェハ挿入工程）。
このようにしてカセット５１内に挿入されたウェハ５０の上下方向には、図７（１）に示したように、ウェハ５０の上下方向への移動（特に下方への移動）を可能とする間隙が存在する。
図７（１）に示した状態からロボット制御手段４０は、ウェハ保持手段６０をオフにすると共に、昇降駆動手段３２を制御してハンド２５を微小距離だけ降下させて停止させる（図８のステップ２：降下工程）。
ここで、「微小距離」は、ウェハ５０をカセット５１に挿入する際に上下一対の載置棚５４の暫定位置に基づいて決定した上記上下方向中間位置から、当該一対の載置棚５４のうちの下側の載置棚５４の暫定位置までの暫定離間距離に基づいて、当該暫定離間距離よりも短い距離として設定される。
次に、ハンド２５を停止させた状態で、ウェハ保持手段６０を再びオンにする（図８のステップ３：切替工程）。このとき、ウェハ５０がカセット５１の載置棚５４に到達していなければ、保持状態検出手段６３は、ウェハ保持手段６０によりウェハ５０が保持されていること（検出結果がオンであること）を検知する（図８のステップ４：判定工程）。
このように、保持状態検出手段６３によって、ウェハ保持手段６０によりウェハ５０が保持されていることが検知されたら、上述したステップ２（降下工程）へ戻り、続いてステップ３（切替工程）を実行する。
上記の操作を繰り返すことにより、図７（２）に示したようにウェハ５０が載置棚５４に到達してそこに支持された状態になり、更にハンド２５を降下させることにより、ウェハ５０がハンド２５から離れた状態になる（図７（３））。
このようにウェハ５０がハンド２５から離れた状態でウェハ保持手段６０をオンにすると（ステップ３：切替工程）、保持状態検出手段６３は、ウェハ保持手段６０によりウェハ２５が保持されていないこと（検出結果がオフであること）を検出する（ステップ４：判定工程）。
そこで、ウェハ保持手段６０をオンにしても保持状態検出手段６３の検出結果がオフとなったとき、その時点でのハンド２５の位置を正規の載置位置として検出し、当該位置データを記憶部４１に記録する（ステップ５：検出工程）。
このように本実施形態によるロボット１０の教示方法によれば、ハンド２５やウェハ５０をターゲットに押し付ける必要がないので、接触時にパーティクルが発生し難く、また、ロボット１０の駆動系が有する変動要素や経時変化要素の影響を受けることなく、ターゲット位置を高精度で検出することができる。
また、実際にウェハ５０を保持した状態で教示操作を行うことにより、実際の運転状況に即した正確な教示データを取得することができる。
また、上述したように本実施形態は、ハンド２５でウェハ５０を保持した状態で上下方向のターゲット位置（載置棚５４の位置）の教示操作を行うものであるが、この上下方向の教示操作に先立って（或いはその後に）、ハンド２５で保持したウェハ５０をカセット５１の左右の内壁面５２、５３に接触させることにより、カセット５１の水平方向位置に関する教示操作を行うことができる。このようにすれば、水平方向位置の教示操作と上下方向の教示操作とを、一連のロボット動作によって極めて短時間で行うことができる。
なお、ウェハカセット５１は、ＳＥＭＩ規格に基づいて、その左右の内壁面５２、５３の間の水平方向の距離が、ウェハ５０の直径よりもやや大きい寸法に設定されている。従って、カセット５１内に挿入されたウェハ５０の側方には、ウェハ５０の左右方向への移動を可能とする間隙が存在する。これにより、上述したような水平方向の教示操作が可能となるものである。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の範囲内で適宜変更することができる。例えば、上記実施形態によるロボットは半導体ウェハ（円形基板）を搬送するものであるが、これに代えて、液晶表示パネルに用いられるガラス基板（方形基板）を搬送するものとすることもできる。

Claims (7)

  1. 先端部にエンドエフェクタが設けられたロボットアームと、前記ロボットアームを少なくとも上下方向に変位駆動するアーム駆動手段と、板状部材を保持するために前記エンドエフェクタに設けられた保持手段と、前記保持手段により前記板状部材が保持されているか否かを検出する保持状態検出手段と、前記アーム駆動手段及び前記保持手段を制御するロボット制御手段と、を備え、
    前記ロボット制御手段は、前記エンドエフェクタ上に前記板状部材を載せた状態で、前記保持手段をオフにして、前記アーム駆動手段を制御して前記エンドエフェクタを予め与えられた暫定の載置位置よりも高い初期位置から前記暫定の載置位置の方向に向けて所定距離だけ降下させ、前記エンドエフェクタを停止させた状態で、前記保持手段をオフからオンに切り替え、前記保持状態検出手段によって、前記板状部材が前記保持手段により保持されているか否かの判定を行い、前記板状部材が前記保持手段により保持されていると判定された場合には、前記保持手段をオフにすると共に前記エンドエフェクタを更に前記所定距離だけ降下させ、前記エンドエフェクタを停止させた状態で再び前記判定を行い、一方、前記板状部材が前記保持手段により保持されていないと判定された場合には、その時点での前記エンドエフェクタの位置を正規の載置位置として検出するように構成されていることを特徴とするロボット。
  2. 前記保持手段は、前記板状部材を吸着する真空吸着手段を有し、
    前記保持状態検出手段は、前記真空吸着手段により真空状態が達成されていることを検出する真空センサを有する請求項１記載のロボット。
  3. 前記保持手段は、前記板状部材の縁部に解放可能に係合する可動係合部と、前記可動係合部を進退駆動するプランジャと、を含むエッジグリップ手段を有し、
    前記保持状態検出手段は、前記プランジャの位置を検出する位置センサを有する請求項１記載のロボット。
  4. 前記正規の載置位置は、複数の前記板状部材を収容するカセットの内側に上下方向に等ピッチで配設された複数の載置棚の位置であり、
    前記初期位置は、上下方向に隣接する一対の前記載置棚同士の上下方向中央位置である請求項１乃至３のいずれか一項に記載のロボット。
  5. 前記ロボットアームは、前記上下方向に対応するＺ軸方向への自由度に加えて、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への自由度を有して変位駆動されるように構成されている請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロボット。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のロボットに前記板状部材の前記正規の載置位置を教示する方法であって、
    前記エンドエフェクタ上に前記板状部材を載せた状態で、前記保持手段をオフにして、前記アーム駆動手段を制御して前記エンドエフェクタを予め与えられた暫定の載置位置よりも高い初期位置から前記暫定の載置位置の方向に向けて所定距離だけ降下させる降下工程と、
    前記降下工程に続いて、前記エンドエフェクタを停止させた状態で、前記保持手段をオフからオンに切り替える切替工程と、
    前記切替工程に続いて、前記保持状態検出手段によって、前記板状部材が前記保持手段により保持されているか否かを判定する判定工程であって、前記板状部材が前記保持手段により保持されていると判定された場合には前記降下工程に戻る、判定工程と、
    前記判定工程において、前記板状部材が前記保持手段により保持されていないと判定された場合には、その時点での前記エンドエフェクタの位置を正規の載置位置として検出する検出工程と、を備えたことを特徴とするロボットの教示方法。
  7. 前記正規の載置位置は、複数の前記板状部材を収容するカセットの内側に上下方向に等ピッチで配設された複数の載置棚の位置であり、
    前記初期位置は、上下方向に隣接する一対の前記載置棚同士の上下方向中央位置であり、
    最初の前記降下工程に先立って、前記エンドエフェクタに保持された前記板状部材を前記カセットの内部の前記初期位置に挿入する挿入工程を更に備えた請求項６記載のロボットの教示方法。
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