JP6167622B2 - 制御システムおよび制御方法 - Google Patents
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Description
まず、本実施の形態に係る制御システムの一つの適用例について説明する。図1は、本実施の形態に係る制御システム1の全体構成を示す模式図である。図1に示す制御システム1は、画像処理を用いてアライメントを行う。アライメントは、典型的には、工業製品の製造過程などにおいて、対象物(以下、「ワーク」とも称す)を生産ラインの本来の位置に配置する処理などを意味する。このようなアライメントの一例として、制御システム1は、液晶パネルの生産ラインにおいて、ガラス基板に回路パターンの焼付処理(露光処理)前に、露光マスク4に対するガラス基板2の位置決めを制御する。ワークには、予め定められた位置に位置決め用の特徴部分である位置決めマーク12および14が設けられている。制御システム1では、ガラス基板上に予め設けられている位置決めマーク12および14を撮影し、この撮影した画像に対して画像処理を行うことで、精密な位置決めを実現する。
次に、本実施の形態に係る制御システム1を構成する装置の構成について説明する。
図2は、本実施の形態に係る制御システム1を構成する画像処理装置100のハードウェア構成を示す模式図である。図2を参照して、画像処理装置100は、典型的には、汎用的なコンピュータアーキテクチャに従う構造を有しており、予めインストールされたプログラムをプロセッサが実行することで、後述するような各種の画像処理を実現する。
図3は、本実施の形態に係る制御システム1を構成するモーションコントローラ200のハードウェア構成を示す模式図である。図3を参照して、モーションコントローラ200は、主制御ユニット210と、複数のサーボユニット240,242,244とを含む。本実施の形態に係る制御システム1では、ステージ300が3軸分のサーボモータ310,312,314を有する例を示し、この軸数に応じた数のサーボユニット240,242,244がモーションコントローラ200に含まれる。
内部バスコントローラ230は、内部バス226を介したデータの遣り取りを制御する。より具体的には、内部バスコントローラ230は、バッファメモリ236と、DMA(Dynamic Memory Access)制御回路232と、内部バス制御回路234とを含む。
次に、本実施の形態に係るアライメントに係る制御方法の理解を容易にするために、本発明の関連技術について説明する。
図1に示すような適用例におけるアライメントでは、高い位置精度が要求されるため、1回の移動では要求精度を満たさない場合がある。この主たる原因は、キャリブレーション誤差やカメラのノイズなどによる画像処理における計測誤差である。そのため、特許文献1に開示されるように、位置計測と移動とを数回繰返すことで、位置精度を高めるという手法が採用される場合がある。
装置の駆動機構を止めずに位置決めする方法として、「ビジュアルサーボ」が知られている。この「ビジュアルサーボ」は、動いているワークをカメラで連続的に撮影し、その画像処理の結果からワークの動きの方向や速度を時々刻々と調整する方法である。非特許文献1に開示されるように、ロボットの制御などの分野において研究が進んでいる。
本実施の形態に係るアライメントは、上述したような関連技術に比較して、アライメント開始から終了までに要する時間を最小化することを目的とする。具体的な手法として、アライメントの最初の段階では、システム許容の最大速度で目標地点に近付くとともに、目標地点からある範囲内に到達すると、上述したようなノンストップアライメントに切替えて目標地点に到達する。すなわち、本実施の形態に係るアライメントは、移動速度を高めることができる通常アライメントと、ステージ300を停止させることなく目標地点への位置決めが可能なノンストップアライメントとを組み合わせた方法である。ステージ300の動きを停止させることなく、通常アライメントとノンストップアライメントとを切替えることで、全体としての移動に要する時間を最小化する。
次に、本実施の形態に係るアライメントの実施に必要な設定について説明する。
(a)通常アライメントにおける減速開始タイミング:遅いほど好ましい
(b)ノンストップアライメント開始タイミング:遅いほど好ましい
すなわち、時間t2をより長くするとともに、時間t4をより短くすることが好ましい。上述の(3)式および(5)式を参照すると、ノンストップアライメント開始距離dns(以下、「NSA開始距離dns」とも称す)をより短くすることで、上述の(a)および(b)の要件を満たすことがわかる。
また、制御システム1では、画像処理装置100によって取得された位置情報に基づいてモーションコントローラ200からサーボユニットに対して指示を与えるので、最大で1つのノンストップアライメント制御周期f分だけ遅延する。そのため、ステージ300の2周期分に亘って移動する距離(図9の面積S1と面積S2の合計に相当)だけ誤差が発生する。この発生し得る誤差を要求精度Rより小さくする必要がある。そのため、この要件を満足するための条件としては、以下のように示すことができる。
これを整理すると、以下のような条件が導き出される。
上記の(1)式および(2)式を同時に満たすように、ノンストップアライメント許容最大速度Vns_maxが決定される。
次に、本実施の形態に係るアライメントの処理手順について説明する。図10は、本実施の形態に係るアライメントの処理手順を示すフローチャートである。図10に示す各ステップは、基本的には、画像処理装置100およびモーションコントローラ200が協働して実行する。なお、本実施の形態においては、2つの処理主体(画像処理装置100およびモーションコントローラ200)を用いる構成を例示するが、これらの処理主体を一体化した実装形態を採用することもできる。この場合には、以下に示す各ステップは、その一体化された処理主体が実行することになる。すなわち、本実施の形態に係るアライメントの実施に必要な各処理は、画像処理装置100およびモーションコントローラ200が互いに連係して、または、いずれか一方が単独で実行する。この処理の分担は、一種の設計事項であり、システム要求や各種制約に応じて適宜選択される。
図10の処理手順のステップS2のキャリブレーションについて説明する。キャリブレーションは、ステージ300の座標系とカメラ102および104の座標系との整合をとる処理を意味する。すなわち、カメラ102および104がワークを撮影することで得られる位置情報と、実際のワーク(または、ステージ300)の位置情報との関係性を決定する処理である。
図10の処理手順のステップS4のワークの目標地点の決定処理について説明する。本実施の形態に係る制御システム1において、ステージ300はXY方向の移動およびθ方向の回転が可能になっている。ステージ300によるワークの回転中心を目標地点に設定することで、ステージ300を用いてワークのXY方向の移動およびθ方向の回転を合せた位置決めを行うことができる。そのため、本実施の形態においては、前処理として、ステージ300の回転中心を予め特定しておき、この回転中心を目標地点に決定する。
上述したように、ノンストップアライメント開始距離(NSA開始距離)dnsをより短くすることで、全体としての移動時間を短縮できる。すなわち、本実施の形態に係るアライメントを早く完了させるためには、NSA開始距離dnsは、なるべく小さい、すなわちNSA開始距離(ノンストップアライメント開始位置)が目標地点になるべく近い方が好ましい。
一方で、NSA開始距離dnsは、ワークが目標地点を行き過ぎないようにするための余裕距離に相当し、制御安定性の観点からは、より長い方が好ましい。そのため、NSA開始距離dnsを適切に決定する必要がある。
=Vns_max×Vns_max2/2α
上述の理論値での考慮に加えて、各種の動的に変動する誤差を考慮して、ノンストップアライメント開始距離dnsを決定する必要がある。具体的には、NSA開始距離dnsの最小値は、1回目の撮影による画像処理の結果から算出した移動量に含まれる誤差の最大値に相当する。このような誤差の原因は、(a)カメラのノイズによる計測誤差、および、(b)ステージや光学系の特性に分類できる。(a)の原因は、計測毎に変化し、(b)の原因は、計測位置に依存し、計測毎には変化しない。
[i1:決定方法その1]
図16は、本実施の形態に係るアライメントに用いるノンストップアライメント開始距離dnsを決定する方法(その1)を説明するための図である。図16に示す方法は、ワークの移動量(ベクトル量)をランダムに決定し、このようにランダムに決定された移動量だけワークを移動させた場合に生じる誤差を実験的に取得する。図17は、図16に示すノンストップアライメント開始距離dnsを決定する手順を示すフローチャートである。
図18は、本実施の形態に係るアライメントに用いるノンストップアライメント開始距離dnsを決定する方法(その2)を説明するための図である。上述の図16に示す方法では、ワークの移動量をランダムに決定してNSA開始距離dnsを算出する手法について説明したが、図18に示す方法では、規則的に配置された各座標について誤差を評価することで、NSA開始距離dnsを算出する手法について説明する。図19は、図18に示すノンストップアライメント開始距離dnsを決定する手順を示すフローチャートである。
図10の処理手順のステップS28において、モーションコントローラ200は、画像処理装置100から取得した位置計測の結果がステージ300の制御に使用できるか否かを判定する。この判定処理は、必須のステップではないが、ノンストップアライメントの位置決め精度を高めるためには、実行することが好ましい。
(2)前回の計測結果からの移動距離が大き過ぎる、または、サーボモータのエンコーダ値から推測される現在位置との差がしきい値以上離れている(なお、ノンストップアライメントにおける移動距離は、図8に示す時間t4のうちに進む距離d4を越えることはない)
(3)画像処理が所定処理時間内に完了しなかった(ノンストップアライメントのための画像処理は、図8に示すノンストップアライメント制御周期fを超えてはいけない)
なお、上記の(3)の場合には、最初に、画像処理装置100における画像処理を中断するようにしてもよい。
上述の実施の形態においては、1種類のカメラで位置決めマークを撮影する構成について例示したが、要求される位置精度を満足するために、異なる視野をもつ複数のカメラを用いる構成が採用される場合がある。すなわち、単一のカメラでは視野サイズの広さと分解能の高さとの両方を満足することが困難である。そのため、移動量に対して要求精度が厳しい場合には、視野サイズの異なる複数種類のカメラを用いたアライメントシステムが構成される場合がある。
図1に示すアライメントシステムの適用例においては、ステージを水平方向(XY平面)のみならず、垂直方向(Z軸)にも移動させることがある。変形例2として、このような垂直方向の移動が同時に行われる場合の補正処理について説明する。
Y=Y’+BZ
ここで、X,Yは補正前の座標を示し、X’,Y’は補正後の座標を示し、ZはZ軸方向の移動量を示す。係数AおよびBは、予めキャリブレーションによって取得しておく。上式において、補正量がZ軸方向の移動量に関する値になっているのは、図24に示すように、目標地点に対するオフセット成分は、露光マスク4のZ位置によって動的に変化させる必要があるからである。
本実施の形態に係るアライメント手法では、静止しているワークに対して一回の撮影で目標地点までの移動に係る動きを決定し、その決定した動きに従って当該ワークを移動させる制御(一種のフィードフォワード制御)手法と、移動しているワークに対して一回以上の撮影を順次行うことで、移動速度や移動量を順次調整する制御(一種のフィードバック制御)手法とを途中で切替える。これによって、アライメントに要する時間を短縮化できる。
Claims (9)
- 位置決め用の特徴部分が設けられた対象物を撮影して得られる画像データを取得し、前記画像データに含まれる前記特徴部分の位置を特定する画像処理手段と、
前記対象物の位置を変更する移動機構に対して、前記特定された特徴部分の位置に基づいて制御指令を与えることで、前記対象物を所定の最終目標位置に位置決めする制御手段とを備える制御システムであって、
前記制御システムは、第1の制御動作を実行後に第2の制御動作を実行し、
前記第1の制御動作において、前記画像処理手段は、前記画像データを取得して前記特徴部分の位置を特定し、前記制御手段は、前記特定された特徴部分の位置に基づいて、前記対象物を所定の第1の速度まで加速した後で前記第1の速度より小さい所定の第2の速度まで減速して前記最終目標位置から所定の余裕距離だけ離れた中間目標位置に移動するための制御指令を予め決定し、
前記第2の制御動作において、前記画像処理手段は、前記移動機構の移動中に前記画像データを取得して前記特徴部分の位置を特定し、前記制御手段は、前記特定された特徴部分の位置に基づいて、前記対象物を前記最終目標位置に位置決めするための制御指令を決定し、前記画像処理手段による前記特徴部分の位置の特定と、前記制御手段による前記対象物を前記最終目標位置に位置決めするための制御指令の決定とが繰返し実行され、
前記余裕距離は、前記移動機構を許容される最大加速度で前記第2の速度から減速させたときに前記対象物が前記最終目標位置を行き過ぎることのないよう定められている、制御システム。 - 前記余裕距離は、前記移動機構を予め定められた移動量だけ移動させて、当該移動後の対象物の位置を前記画像処理手段が特定した結果と、当該予め定められた移動量との比較により決定される第1の距離と、前記画像処理手段が画像データを取得してから前記特徴部分の位置を特定するまでの間だけ前記移動機構を前記第2の速度にて移動させ、さらに前記移動機構を許容される最大加速度で前記第2の速度から減速させ停止させるまでの間の前記移動機構の移動量である第2の距離との和である、請求項1に記載の制御システム。
- 前記第1の制御動作における前記制御指令は、前記移動機構を許容される最大加速度で加速させる指令を含む、請求項1または2に記載の制御システム。
- 前記制御手段は、前記第2の制御動作において、前記画像処理手段による前記特徴部分の位置の特定が正常ではない場合に、前記制御指令の決定をスキップする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の制御システム。
- 前記画像処理手段は、互いに視野サイズの異なる第1および第2のカメラからそれぞれ画像データを取得するように構成されており、
前記制御手段は、
視野サイズがより大きい第1のカメラからの画像データに基づいて前記第1の制御動作において用いられる前記制御指令を決定し、
前記第1の制御動作において、前記移動機構の移動中に、前記画像データの取得先を前記第1のカメラに代えて視野サイズがより小さい第2のカメラに切換える、請求項1〜4のいずれか1項に記載の制御システム。 - 前記画像処理手段は、前記第2の制御動作において、前記特徴部分の位置の特定が正常ではない場合に、前記制御指令の決定をスキップする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の制御システム。
- 前記移動機構は、前記第1および第2の制御動作に従って位置決めされる座標系に加えて、さらに移動可能な別の座標系を有しており、
前記制御手段は、当該別の座標系において前記移動機構が移動することによって生じる誤差に応じて、前記第2の制御動作における制御指令を補正する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の制御システム。 - 位置決め用の特徴部分が設けられた対象物を撮影して得られる画像データを取得し、前記画像データに含まれる前記特徴部分の位置を特定するステップと、
前記対象物の位置を変更する移動機構に対して、前記特定された特徴部分の位置に基づいて制御指令を与えることで、前記対象物を所定の最終目標位置に位置決めするステップとを含む制御方法であって、
前記制御方法において、第1の制御動作を実行後に第2の制御動作が実行され、
前記第1の制御動作において、前記画像データを取得して前記特徴部分の位置を特定するステップが実行された後、前記位置決めするステップは、前記特定された特徴部分の位置に基づいて、前記対象物を所定の第1の速度まで加速した後で前記第1の速度より小さい所定の第2の速度まで減速して前記最終目標位置から所定の余裕距離だけ離れた中間目標位置に移動するための制御指令を予め決定するステップを含み、
前記第2の制御動作において、前記移動機構の移動中に前記画像データを取得して前記特徴部分の位置を特定するステップが実行された後、前記位置決めするステップは、特定された特徴部分の位置に基づいて、前記対象物を前記最終目標位置に位置決めするステップを含み、前記特徴部分の位置を特定するステップと、前記対象物を前記最終目標位置に位置決めするステップとは繰返し実行され、
前記余裕距離は、前記移動機構を許容される最大加速度で前記第2の速度から減速させたときに前記対象物が前記最終目標位置を行き過ぎることのないよう定められている、制御方法。 - 前記位置決めするステップは、前記対象物と目標地点との間の距離が、前記画像データから特定される位置に生じる誤差に応じた距離以下になると、前記第1の制御動作から前記第2の制御動作への切替えるステップを含み、
前記制御方法は、さらに
前記移動機構を予め定められた移動量だけ移動させるステップと、
前記移動後の対象物の位置を撮影して得られる画像データから位置を特定するステップと、
前記移動機構を複数回移動させるとともに、前記予め定められた移動量と前記特定された対象物の位置とのそれぞれの比較に応じて、前記誤差に応じた距離を決定するステップとを含む、請求項8に記載の制御方法。
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