KR20010071520A - 2차원 절대위치 센서 - Google Patents

Abstract

2차원 절대위치 센서에 있어서 로봇 암의 선단에 장착된 평면 운동을 하는 엔드이펙터에 X 방향 및 Y 방향에 각각 슬릿을 가지고 또한 적어도 하나 배설된 자성슬릿 박판과, 자성슬릿 박판과 공극을 사이에 두고 대향 배치되는 X 방향 및 Y 방향의 위치 계측을 행하는 자기 센서와 자기 센서에 자계를 인가하는 바이어스 자석으로 이루어지는 센서 헤드와, 자기 센서로부터의 신호에서 절대 위치신호를 출력하는 신호 처리회로를 구비하고 있다.

이로써 로봇의 엔드이펙터의 2차원 절대위치를 비접촉으로 또한 용이하게 계측할 수 있음과 동시에 내환경성이 우수하고 소형이며 경량인 2차원 절대위치 센서를 제공할 수 있다.

Description

2차원 절대위치 센서{Two-dimensional absolute position sensor}

종래부터 반도체 제조장치 등의 분야에서 실리콘웨이퍼 반송이나 액정표시 패널용 유리기판 반송으로서 일반적으로 청정 진공환경 하에서 작동하는 로봇이 사용되어 왔다. 이러한 로봇의 암 선단에는 웨이퍼나 유리기판 등을 유지 또는 반송하여 2차원 평면 내에서 운동을 행하는 가동체로서 엔드이펙터가 장착되어 있다.

그렇지만 이러한 상기한 로봇에 무슨 문제가 생겨 엔드이펙터를 가지는 암을 재티칭해야 할 경우에 티칭 작업이 번잡하기 때문에 시간이 들고 뒷공정에서의 처리량 저하가 초래된다는 문제가 있었다.

또한 로봇의 암을 구동하는 벨트가 사용년수에 따라 신장되어 엔드이펙터가 서서히 위치 이탈을 일으킨다는 문제가 있었다.

이 문제를 해결하기 위하여 엔드이펙터의 위치 이탈을 보정하기 위해서는 엔드이펙터의 두께가 수㎜라는 것을 고려하면, 엔드이펙터의 구조에 대폭적인 개량을 가할 필요가 없는 소형이며 경량인 2차원 절대위치 센서를 갖추어야만 한다.

특히 청정·진공환경 하에서 작동하는 로봇은 작업 환경을 오염시키는 입자가 발생되는 것을 허용치 않으며, 또한 약액 분위기 가운데서 사용하는 것도 고려되어 진다. 상기한 이유에서 청정·진공환경 하에서 작동하는 로봇에 있어서 종래부터 내환경성이 우수하고 더군다나 엔드이펙터의 2차원 절대위치를 비접촉으로 계측할 수 있는 적절한 위치 센서를 찾아낼 수 없으며 당해 기술을 기재한 공보도 발견되지 않았다.

따라서, 본 발명은 청정 진공환경 하에서 작동하는 로봇의 엔드이펙터가 위치 이탈을 일으켰을 때에 비접촉으로 용이하게 2차원 엔드이펙터 위치를 계측할 수 있음과 동시에 내환경성이 우수하고 소형이며 경량인 2차원 절대위치 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 위치 센서가 비접촉임과 동시에 자기식이기 때문에 내환경성이 우수하고 피계측 물체에 대폭적인 가공을 필요로 하지 않으며 피계측 물체에 소형의 자성 박판 스케일을 부착시키는 구성으로 계측이 가능하고, 청정/진공 로봇의 엔드이펙터(end effector)의 위치 센서로서 적용되는 2차원 절대위치 센서에 관한 것으로서, 엔드이펙터의 위치 보정 및 로봇의 재티칭을 용이하게 할 수 있는 2차원 절대위치 센서에 관한 것이다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예를 나타내는 엔드이펙터에 부착시킨 상태에 있어서의 2차원 절대위치 센서의 구성도로서, 도 1a는 그 평면도, 도 1b는 도 1a의 측면도이고,

도 2a 및 도 2b는 자기센서 헤드에 설치한 기본 검출회로를 설명하는 도면으로서, 도 1a는 기본 검출회로의 회로도, 도 1 b는 MR 소자의 배치도이고,

도 3은 자성슬릿 박판의 외형도이고,

도 4는 신호 처리회로를 나타내는 블록 도면이고,

도 5는 X위치 계측에 있어서의 슬릿 위치와 신호 출력의 관계를 나타내는 설명도이고,

도 6은 유효영역 판정회로를 나타내는 블록 도면이고,

도 7은 본래의 계측 영역 이외에서 유효 신호가 출력될 때의 자성슬릿 박판과 센서 헤드의 위치 관계를 나타내는 배치도이고,

도 8은 T형 자성슬릿 박판의 외형도이고,

도 9는 직사각형 자성슬릿 박판의 외형도이고,

도 10은 직사각형 자성슬릿 박판을 가지는 엔드이펙터의 외형도이고,

도 11은 청정 진공 로봇의 위치보정 시스템의 구성도이다.

본 발명은 로봇 암의 선단에 장착된 평면 운동을 하는 가동체의 X 방향 및 Y 방향의 2차원 절대위치를 계측하는 2차원 절대위치 센서에 있어서, 상기 가동체의 평면 내에 X 방향 및 Y 방향의 제각기 방향에 분리되어 배치된 슬릿을 가지고 또한 상기 슬릿을 적어도 하나를 설치한 자성슬릿 박판과, 상기 자성슬릿 박판과 공극을 사이에 두고 대향 배치되는 X 방향 및 Y 방향의 위치 계측을 행하는 자기 센서와 상기 자기 센서를 사이에 두고 상기 자성슬릿 박판과의 반대쪽에 부착시킨 상기 자기 센서에 자계를 인가하는 바이어스 자석으로 이루어지는 자기 센서헤드와, 상기 자기 센서로부터의 신호에서 절대위치 신호를 출력하는 신호 처리회로를 구비한 것이다.

또한 본 발명은 상기 신호 처리회로가 X 방향 및 Y 방향 중 한쪽 방향의 위치 계측을 행하는 자기 센서부터 얻어지는 위상이 다른 신호 레벨을 비교하는 제1 콤퍼레이터와, 다른 한쪽 반향의 위치 계측을 행하는 자기 센서부터 얻어지는 신호의 진폭을 검출하는 진폭 검출회로와, 상기 진폭 검출회로의 출력을 비교 전압에 대해서 크기를 비교하는 제2 콤퍼레이터로 구성되는 유효영역 판정회로를 구비하여, 상기 제1 콤퍼레이터와 상기 제2 콤퍼레이터의 출력부터 위치 유효신호를 출력하여 한 방향의 위치 계측영역을 특정하는 것이며, 마찬가지로 다른 방향의 위치 계측영역을 특정함으로써 2차원 절대위치를 계측하게 한 것이다.

또한 본 발명은 상기한 자성슬릿 박판이 거의 십자형 또는 티자형의 형상을 가지는 것이다.

본 발명을 도면에 따라서 설명한다. 도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예를 나타내는 엔드이펙터에 부착시킨 상태에 있어서의 2차원 절대위치 센서의 구성도로서, 도 1a는 그 평면도, 도 1b는 도 1a의 측면도이다. 11은 청정 진공환경 하에서 작동하는 로봇에 설치한 엔드이펙터, 12는 자성슬릿 박판, 13은 X위치 계측용 자기 센서헤드, 14는 Y위치 계측용 자기 센서헤드이다. X위치 계측용 자기 센서헤드(13), Y위치 계측용 자기 센서헤드(14)는 각각 자기 센서(16, 17), 바이어스 자석(18a, 18b) 및 후술하는 기본 검출회로가 일체로 구성되어 있다. 여기서 기본 검출회로란 각각의 자기 센서(16, 17)의 저항치 변화를 전압 신호로 변환하는 것이다.

도2a 및 도 2b는 자기 센서헤드에 설치한 기본 검출회로를 설명하는 도면으로서, 도 2a는 기본 검출회로의 회로도, 도 2b는 MR 소자의 배치도를 각각 나타낸다. MR 소자(21∼24)는 자성슬릿 박판의 슬릿 피치 간격을 P라고 할 때, P/4의 피치 간격으로 각 자기 센서헤드(13, 14) 내에 배열되고 있다. 또, 자성슬릿 박판(12)은 엔드이펙터(11) 부근에 배치되는 상태로 부착되어 있어서 각 자기 센서헤드(13, 14)와 수㎜ 정도의 공극을 사이에 두고 대향 배치되어 있다.

도 3은 자성슬릿 박판(12)의 외형도이다. 자성슬릿 박판(12)은 규소 동판 등의 자성체 재료를 거의 십자형으로 성형한 것이다. 도면에 있어서 31은 X위치 계측용 슬릿, 32는 Y위치 계측용 슬릿으로서 에칭 등의 수법에 의해서 제작된다.

다음에 X측, Y측 방향의 2차원 절대위치 신호를 검출하는 동작을 중심으로 설명한다. 도 4는 X측, Y측 양쪽의 신호 처리회로의 블록도이다. 이하 여기에서는 X위치 계측의 신호 처리회로를 예로 들어서 설명하기로 한다. X위치 계측용 자기센서(16) 상을 자성슬릿 박판(12)의 X위치 계측용 슬릿(31)이 통과하면 슬릿의 유무에 따른 자속 변화에 의하여 자기 센서(16)의 저항치가 변화된다. 이 저항치 변환을 도2의 기본 검출회로에 있어서 90도 위상이 다른 A상, B상의 전압 신호로 변화시키고 각각의 신호를 증폭기(41a)로 증폭한 후 위상 변조회로(42a)로 위상 변조시킨다. 여기서 위상 변조란 자성슬릿 박판의 변위량을 x, A상 신호 V_A및 B상 신호 V_B를 각각 아래 수학식 1과 수학식 2로 표시할 수 있다.

V_A= V₀sin(2πㆍx/P)

V_B= V₀cos(2πㆍx/P)

각각 진폭이 V₁로서 각주파수 ωt(2πㆍx/P<<ωt)의 반송파 V₁sinωt 및 V₁cosωt로 평형 변조하여 가산되는 것으로서 피변조 신호 S는 다음과 수학식 2로서 나타낼 수 있다.

S = V₀V₁sin(2πㆍx/P)sinωt + V₀V₁cos(2πㆍx/P)cosωt

= (V₀V₁/2){cos(ωt - 2πㆍx/P) - cos(ωt + 2πㆍx/P) +

cos(ωt - 2πㆍx/P) + cos(ωt + 2πㆍx/P)}

= V₀V₁cos(ωt - 2πㆍx/P)

즉, A상 및 B상 신호의 전압 신호를 각주파수 ωt의 반송파로 평형 변조하여 가산함으로써 x 변위하면 피현조 신호 S의 위상이 2πㆍx/P 만큼 변화되게 된다. 따라서 이 위상 변조회로(42a)에서 얻어진 위상 변조신호(49a)를 위상차 검출회로(44a)에 있어서 위상변조 기준신호 발생회로(43)부터 출력되는 위상변조 기준신호(43)와 비교하여 그 위상차를 검출함으로써 X위치 신호(400a)를 출력한다.

그런데 도 5의 X위치 계측에 있어서의 슬릿 위치와 신호 출력의 관계로 나타난 바와 같이 이대로는 A, B상 증폭신호(47a, 48a)가 몇개의 슬릿에 걸쳐 되풀이되어 관측되므로 계측 위치를 특정할 수 없다. 이 때문에 같은 도면에 나타내듯이 B상 증폭신호(48a)가 A상 증폭신호(47a)보다 클 때에 B>A 신호(53a)와 X위치 유효영역 판정신호(54a)를 생성한다. 계측 영역을 하나로 특정할 수 있을 만한 X위치 유효영역 판정용 회로(45a)를 부가했다. 여기서 B>A 신호(53a)를 A상 증폭신호(47a)가 B상 증폭신호(48a)보다 큰 B<A 신호로 해도 좋다.

도 6은 위치 유효영역 판정용 회로를 나타낸 것이다. X위치 유효영역 판정회로(45a)에 있어서 61a는 X위치 계측용 자기 센서(16)의 A상 증폭신호(47a)와 B상 증폭신호(48a)의 크기를 비교하는 비교기, 62a는 Y위치 계측용 자기센서(17)에서 얻어지는 신호의 진폭을 검출하는 진폭 검출회로이며, 여기서는 위상 변조신호(49b)의 피크를 홀드하는 피크홀드 회로로서 사용하고 있다. 또, 66a는 피크홀드 회로(62a)의 피크홀드 신호와 비교 전압의 크기를 비교하는 비교기이다. 여기서 피크홀드 회로가 자기 센서로부터 얻어지는 신호의 진폭을 검출하는 것이라면 이 회로에만 한정되는 것은 아니다.

다음에 X위치 유효영역을 판정하는 동작에 대해서 간편하게 설명한다.

Y위치 계측용 자기센서(17)에서 얻어지는 위상 변조신호(49b)는 Y위치 계측용 자기센서(17)를 구성하는 4개의 MR 소자를 통과하는 자속 밀도에 큰 차이가 날 경우에 진폭이 커지고, 반대로 4개의 MR 소자를 통과하는 자속 밀도에 차이가 나지 않을 경우에 진폭이 작아진다. 즉, Y위치 계측용 슬릿(32)이 Y위치 계측용 자기센서(17) 상에 있을 때, 위상 변조신호(49b)의 진폭이 커지기 때문에, 피크홀드 회로(62a)에서 피크홀드한 위상변조 피크홀드신호(67a)는 비교기(66a)의 비교 전압에 보다 크며, X위치 유효영역 판정신호(54a)는 유효 신호가 된다.

반대로 Y위치 계측용 슬릿(32)이 Y위치 계측용 자기센서(17) 상에 없을 때에 위상 변조신호(49b)의 진폭이 작아지기 때문에 피크홀드 회로(62a)에서 피크홀드한 위상변조 피크홀드신호(67a)는 비교기(66a)의 비교 전압보다 작게 되어, X위치 유효영역 판정신호(54a)는 무효 신호가 된다. 이 X위치 유효영역 판정신호(54a)와 B>A 신호(53a)를 곱한 값을 구하면 X위치 유효신호(63)가 생성되어 X위치 유효영역을 판정할 수 있다.

이상, X위치 계측의 신호 처리회로에 대해서 설명했지만 Y위치 계측의 신호 처리회로도 같은 구성으로 되어 있다.

따라서 본 실시예에 따르면 2차원 절대위치 센서는 로봇의 엔드이펙터에 X 및 Y 방향에 슬릿을 형성한 자성슬릿 박판을 적어도 하나 설치하고, 자성슬릿 박판과 공극을 사이에 두고 대향 배치되는 X 및 Y위치 계측용 자기센서와, 자기 센서부터의 신호에서 절대위치 신호를 출력하는 신호 처리회로를 설치하며, 또한 신호 처리회로에는 X 및 Y위치 유효영역 판정회로를 구성했기 때문에 X 및 Y위치 유효영역 판정회로가 각각 X, Y위치 유효신호를 동시에 출력할 만한 영역은 무한 평면 내에 한 군데밖에 존재하지 않게 된다. 즉, X위치 유효신호와 Y위치 유효신호를 곱한 값인 유효 신호를 감시함으로써 계측 영역을 하나의 의미로 한정시킬 수 있다.

그런데 도 7에 제시하는 바와 같은 자성슬릿 박판(71)을 사용하고 이것과 자기 센서헤드가 자성슬릿 박판의 단부에 위치할 경우, 자기 센서헤드(13, 14)가 슬릿(72, 73) 상에 위치하지 않음에도 불구하고 X, Y위치 유효영역 판정회로(45a,45b)에 있어서 B>A 신호(53a, 53b)와 X, Y측 유효영역 판정신호(54a, 54b)가 출력된다. 결과적으로 유효 신호(65)가 출력되어 본래의 계측 영역인 슬릿(72, 73) 상 이외에서 계측이 행하여 지게 되어 버린다. 그래서 본 실시예의 도 3에 제시하는 십자형 자성슬릿 박판을 도 7에 제시하는 자성슬릿 박판과 비교하면, 십자형 자성슬릿 박판은 본래의 계측 영역 이외에서는 항상 한쪽 위치 유효신호가 출력되어도 다른 쪽 위치 유효신호는 출력되지 않으므로 유효 신호(65)는 출력되지 않아 오인식 영역은 존재하지 않는다. 따라서 이러한 오인식 영역이 전혀 존재하지 않도록 할 수 있다.

그리고 슬릿 박판의 외형상은 본 실시예에서는 거의 십자형의 예를 들었지만, 오인식 영역이 존재하지 않을 만한 형상이라면 임의의 형상이라도 좋고 한정되지 않는다. 한 예로서 1장의 자성슬릿 박판으로 계측을 행할 때 도 8에 도시한 바와 같은 거의 T자형의 자성슬릿 박판(81)이 있다.

또, X, Y위치 계측용 슬릿을 각각 따로 분할하여 2장의 슬릿 박판으로 계측을 행해도 상관없고 도 9에 나타내는 바와 같은 직사각형의 자성슬릿 박판(91)으로 해도 좋다. 그리고 자성슬릿 박판은 그 부착 위치를 엔드이펙터 부근으로 했을 경우는 거의 십자형 또는 티자형이 바람직하고 도 10과 같이 엔드이펙터(11)의 선단으로 했을 경우는 직사각형의 자성슬릿 박판(91)이 바람직하다.

이상과 같이 유효영역 판정회로(45a, 45b)를 더하여 슬릿 외형상을 십자형으로 함으로써 무한 평면 내에서 P/2의 영역만이 유효로 판정되기 때문에 이 영역 내의 절대 위치의 계측이 가능하여 위치 보정에 이용할 수 있다.

마지막으로 청정/진공 로봇의 엔드이펙터의 위치보정 방법과 재티칭 방법에 대해서 설명한다.

우선 청정/진공 로봇의 엔드이펙터의 위치보정 방법에 대해서 설명한다.

도 11에 청정/진공 로봇의 위치보정 시스템의 구성도를 나타낸다.

도면에 있어서 자기 센서헤드(101)는 청정/진공 로봇의 엔드이펙터(11)가 시스템 원점 계측포인트에 있어서 자성슬릿 박판(12)에 대향하도록 배치되어 있다. 여기서 시스템 원점이란 로봇 운동의 기준점으로서 2차원 절대위치 센서의 계측 영역 내에 정의되는 것이다. 시스템 원점 계측포인트에 있어서의 엔드이펙터의 2차원 절대위치 신호(105)는 로봇 제어기(103) 등의 상위 제어기에 피드백되어 있다. 따라서 이 피드백 신호에 의하여 엔드이펙터의 시스템 원점으로부터의 위치 이탈이 구해지기 때문에 이를 근거로 하여 위치 보정을 행할 수 있다.

다음에는 재티칭에 대해서 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 위치 센서는 절대식이기 때문에 계측 영역 내 임의의 위치와 상기 시스템 원점의 위치 이탈을 구할 수 있다. 따라서 청정/진공 로봇의 교환(치환)이나 어떠한 이유로 재티칭이 필요하게 될 때는 엔드이펙터(11)를 2차원 절대위치 센서의 계측 영역의 임의 위치에 이동시키기만 하면 이 후에는 로봇 쪽에서 상기한 시스템 원점으로 복귀할 수 있고, 첫 티칭에 의한 시스템 원점 위치로부터의 티칭 포인트를 제어기(103)에 기억시켜 놓으며 시스템 원점 이외의 티칭 포인트에 대한 재티칭을 생략할 수 있다. 이로써 엔드이펙터(11)를 2차원 절대위치 센서의 계측 영역 내에 이동시키기만 하면 재티칭이 완료되어 이에 요구되는 시간이 대폭적으로 단축된다.

이상과 같이 본 발명에 관련된 2차원 절대위치 센서는, 예를 들어서 청정/진공환경 하에서 사용되는 로봇의 엔드이펙터의 2차원 절대위치를 계측하는 것으로서 유용하다.

Claims (3)

1. 로봇 암의 선단에 장착된 평면 운동을 하는 가동체의 X 방향 및 Y 방향의 2차원 절대위치를 계측하는 2차원 절대위치 센서에 있어서,

   상기 가동체의 평면 내에 X 방향 및 Y 방향의 각각 방향에 분리되어 배치된 슬릿을 가지며 또한 상기 슬릿을 적어도 하나 설치한 자성슬릿 박판과, 상기 자성슬릿 박판과 공극을 사이에 두고 대향 배치되는 X 방향 및 Y 방향의 위치 계측을 행하는 자기 센서와 상기 자기 센서를 사이에 두고 상기 자성슬릿 박판과의 반대쪽에 부착시킨 상기 자기 센서에 자계를 인가하는 바이어스 자석으로 이루어지는 자기 센서헤드와, 상기 자기 센서로부터의 신호에서 절대위치 신호를 출력하는 신호 처리회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 2차원 절대위치 센서.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 신호 처리회로는 X, Y 방향 중 한쪽 방향의 위치 계측을 행하는 자기 센서에서 얻어지는 위상이 다른 신호 레벨을 비교하는 제1 비교기와, 다른 한쪽 방향의 위치 계측을 행하는 자기 센서에서 얻어지는 신호의 진폭을 검출하는 진폭 검출회로와, 상기 진폭 검출회로의 출력을 비교 전압에 대해서 크기를 비교하는 제2 비교기로 구성되는 유효영역 판정회로를 구비하고,

   상기 제1 비교기와 상기 제2 비교기의 출력에서 위치 유효신호를 출력하여 한 방향의 위치 계측영역을 특정함과 동시에 마찬가지로 다른 방향의 위치 계측영역을 특정함으로써 2차원 절대위치를 계측하게 한 2차원 절대위치 센서.
3. 제1 또는 2 항에 있어서,

   상기 자성슬릿 박판은 거의 십자형 또는 티자형의 형상을 가지는 2차원 절대위치 센서.