(57)【要約】【課題】非放射状の直線動作と三次元動作が可能なロボットアーム構造の提供。【解決手段】ロボットアーム構造（１０）は、少なくともリンク１、リンク２を備える。θ動作は最基端のリンク１の基端部分の第１軸（ｚ１）のまわりに与えられる。Ｒ動作は第１軸から半径方向に前進し、それによって最末端のリンク３の末端部分は半径方向に延びる直線に沿って動ける。エンドエフェクタ（１８）は第１軸と平行なエンドエフェクタ軸のまわりに最末端のリンク３の末端部分に対して回転できるように回動可能に取付けられる。構造（１０）は、アームの手首をそれぞれの軸のまわりに回転させるヨー、ピッチ及びロールモータ３のうち１又は複数を付加することにより改良される。センサアレイは、ｒ、θ、ｚとヨー、ピッチ及びロール動作の１又は複数とを検出し、コンピュータはｒ、θ、ｚ及びヨー、ピッチ及びロール動作の１又は複数を監視及び制御する。【選択図】図１（ｂ）
2012223880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアーム構造をコントロールする電子コンピュータを利用する方法であって、前記ロボットアーム構造は、それぞれＲ動作とθ動作とを与えるラジアル駆動シャフトとロータリー駆動シャフトとを有し、第１及び第２のＹ（ヨー）動作を与える第１及び第２のエンドエフェクタ駆動シャフトを有し、各駆動シャフトはそれぞれのモータによって駆動され、前記ロボットアーム構造はｎ個の長手方向に延びるリンクを有し、各リンクはそれぞれ基端部分と末端部分とを有し、ｎは２又はそれ以上の整数で、第１及び第２エンドエフェクタが最も外側のリンクの末端部分に取付けられ、
前記ラジアル駆動シャフトは、最も内側のリンクの基端部分に配置され、
前記ロータリー駆動シャフトは、前記ラジアル駆動シャフトと同軸に配置され、
前記第１及び第２のエンドエフェクタ駆動シャフトは、前記最も外側のリンクの前記末端部分に、前記ラジアル駆動シャフトと平行に配置され、
θ動作はロータリー駆動シャフトのまわりで行われる旋回運動であり、
Ｒ動作はラジアル駆動シャフトを中心とする動径方向に前進するものであり、
前記第１及び第２のＹ動作は互いに独立に、かつ、前記Ｒ動作及びθ動作から独立に、前記第１及び第２のエンドエフェクタ駆動シャフトのまわりに前記第１及び第２のエンドエフェクタをそれぞれ回転させるものであり、
前記ラジアル駆動シャフト、前記ロータリー駆動シャフト、及び前記第１及び第２のエンドエフェクタ駆動シャフトの回転位置を繰返し測定し、
前記回転位置を表す電気信号を発生させて、
前記回転位置を表す前記電気信号を前記電子コンピュータ手段に伝達して、
前記電子コンピュータ手段を利用して、前記駆動シャフトの回転位置を表す電気信号から前記第１のエンドエフェクタの位置を計算し、モータをコントロールして前記第１のエンドエフェクタをそのリーチ内のあらゆる所望の位置に動かし位置決めすることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１のエンドエフェクタの所望の位置、水平面内の向き、速度、加速度、及びジャークを連続的に発生させ、
モータの位置を連続的に測定し、
前記第１のエンドエフェクタの位置及び向きと第１のエンドエフェクタのトラッキング誤差とを計算することによって位置レベルで順運動学問題を解いて、
現在の第１のエンドエフェクタの経路を計算して、
前記第１のエンドエフェクタの速度プロフィールを生成し、
第１のエンドエフェクタの速度ベクトルを計算して、
速度レベルで逆運動学問題を解いて、
ジョイントの速度をモータの速度に変換して、
前記モータの速度をモータに伝達する、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ワークピースを取扱うためのＲ動作、θ動作、及びＹ（ヨー）動作を与えるロボットアーム機構であって、
２対のリンクであって、各リンク対は基端部分及び末端部分を有する基端リンクと基端部分及び末端部分を有する末端リンクとを有し、リンク対のそれぞれの前記末端リンクの前記末端部分は互いに末端の軸にて回動可能に取付けられて、各基端リンクの前記末端部分はそれぞれ肘の軸において対応する末端リンクの前記基端部分に回動可能に取付けられて、各基端リンクの前記基端部分はそれぞれ肩の軸において静止支持体に間隔を隔てた関係で回動可能に取付けられて、
前記末端リンクの末端部分には末端の軸のまわりに回動可能に第１及び第２のエンドエフェクタが取付けられ、
すべての回動軸は互いに平行で第１の方向を向いており、前記リンクと前記第１及び第２のエンドエフェクタとは前記末端の軸の方向に互いに間隔を隔てており、リンクは前記第１の方向と直交する方向に前記第１の方向に延びる空間を互いに干渉せずに動くことができ、
θ動作は前記静止支持体の第１の軸のまわりで行われる旋回運動であり、
Ｒ動作は前記第１の軸を中心とする動径方向に前進するものであり、
Ｙ動作は前記末端の軸のまわりに前記第１及び第２のエンドエフェクタを独立に回転させるものであり、
前記第１及び第２のエンドエフェクタを前記末端の軸のまわりに相対的に独立に回転駆動するように連結された第１及び第２のヨーモータを備え、
末端リンクのそれぞれのひとつの前記基端部分と対応する末端リンクの前記基端部分との相対的な回転駆動を行う肘部分のモータを備え、
前記基端リンクのひとつの前記基端部分を前記静止支持体に対して回転駆動する肩部分のモータを備えた、ことを特徴とするロボットアーム機構。
【請求項４】
前記リンクと前記第１のエンドエフェクタとは前記末端の軸の方向に互いに間隔を隔てており、前記静止支持体から妨害されることなく、前記静止支持体を通り越えて、前記第１の方向と直交する方向に動くことができることを特徴とする請求項３に記載のロボットアーム機構。
【請求項５】
前記肘部分のモータはリンクのそれぞれの一方に回転駆動すべく結合され、前記肩部分のモータはリンクのそれぞれの他方に回転駆動すべく結合されていることを特徴とする請求項４に記載のロボットアーム機構。
【請求項６】
前記肩の軸のそれぞれひとつに沿って前記静止支持体に前記第１のヨーモータが取付けられ、前記同じ肩の軸に沿って前記静止支持体に前記肩部分のモータが取付けられ、前記第１のヨーモータから前記末端の軸に回転動作を伝達するためのベルト及びプーリー手段を前記機構は備え、前記肩の軸のそれぞれ他方に前記肘部分のモータが取付けられ、前記肘部分のモータから前記肘の軸に回転動作を伝達するためのベルト及びプーリー手段を前記機構は備えたことを特徴とする請求項３に記載のロボットアーム機構。
【請求項７】
それぞれがワークピースを扱うことができる複数のハンド部分を前記第１のエンドエフェクタが有していることを特徴とする請求項３に記載のロボットアーム機構。
【請求項８】
前記リンクと前記第１のエンドエフェクタとは前記末端の軸の方向に互いに間隔を隔てており、前記静止支持体から妨害されることなく、前記静止支持体を通り越えて、前記第１の方向と直交する方向に動くことができることを特徴とする請求項７に記載のロボットアーム機構。
【請求項９】
前記肘部分のモータはリンクのそれぞれの一方に回転駆動すべく結合され、前記肩部分のモータはリンクのそれぞれの他方に回転駆動すべく結合されていることを特徴とする請求項８に記載のロボットアーム機構。
【請求項１０】
前記肩の軸のそれぞれひとつに沿って前記静止支持体に前記ヨーモータが取付けられ、前記同じ肩の軸に沿って前記静止支持体に前記肩部分のモータが取付けられ、前記ヨーモータから前記末端の軸に回転動作を伝達するためのベルト及びプーリー手段を前記機構は備え、前記肩の軸のそれぞれ他方に前記肘部分のモータが取付けられ、前記肘部分のモータから前記肘の軸に回転動作を伝達するためのベルト及びプーリー手段を前記機構は備えたことを特徴とする請求項７に記載のロボットアーム機構。
【請求項１１】
前記第１及び第２のヨーモータ、前記肘部分のモータ、及び前記肩部分のモータを制御するための電子コンピュータ手段を備え、
前記第１及び第２のエンドエフェクタの前記末端の軸のまわりにおける回転位置、前記末端リンクのそれぞれのひとつの基端部分と対応する基端リンクの前記末端部分と基端リンクのひとつの基端部分との静止支持体に対する相対的な回転位置を検出し、前記末端の軸のまわりにおける回転位置、及び前記相対的な回転位置を表す１又は複数の電気信号を発生させるセンサ手段を備え、
前記１又は複数の電気信号を前記電子コンピュータ手段に伝達する手段を備え、前記電子コンピュータ手段は、前記第１及び第２のエンドエフェクタが所望の位置に位置決めされるように、前記第１及び第２のヨーモータ、前記肘部分のモータ、及び前記肩部分のモータを制御する、ことを特徴とする請求項３に記載のロボットアーム機構。
【請求項１２】
前記リンクと前記エンドエフェクタとは前記軸の方向に互いに間隔を隔てており、前記静止支持体から妨害されることなく、前記静止支持体を通り越えて、前記第１の方向と直交する方向に動くことができることを特徴とする請求項１１に記載のロボットアーム機構。
【請求項１３】
前記肘部分のモータはリンクのそれぞれの一方に回転駆動すべく結合され、前記肩部分のモータはリンクのそれぞれの他方に回転駆動すべく結合されていることを特徴とする請求項１２に記載のロボットアーム機構。
【請求項１４】
前記肩の軸のそれぞれひとつに沿って前記静止支持体に前記第１のヨーモータが取付けられ、前記同じ肩の軸に沿って前記静止支持体に前記肩部分のモータが取付けられ、前記第１のヨーモータから前記末端の軸に回転動作を伝達するためのベルト及びプーリー手段を前記ロボットアーム機構は備え、前記肩の軸のそれぞれ他方に前記肘部分のモータが取付けられ、前記肘部分のモータから前記肘の軸に回転動作を伝達するためのベルト及びプーリー手段を前記ロボットアーム機構は備えたことを特徴とする請求項１１に記載のロボットアーム機構。
【請求項１５】
それぞれがワークピースを扱うことができる複数のハンド部分を前記第１のエンドエフェクタが有していることを特徴とする請求項１１に記載のロボットアーム機構。
【請求項１６】
前記リンクと前記第１のエンドエフェクタとは前記軸の方向に互いに間隔を隔てており、前記静止支持体から妨害されることなく、前記静止支持体を通り越えて、前記第１の方向と直交する方向に動くことができることを特徴とする請求項１５に記載のロボットアーム機構。
【請求項１７】
前記肘部分のモータはリンクのそれぞれの一方に回転駆動すべく結合され、前記肩部分のモータはリンクのそれぞれの他方に回転駆動すべく結合されていることを特徴とする請求項１６に記載のロボットアーム機構。
【請求項１８】
前記肩の軸のそれぞれひとつに沿って前記静止支持体に前記第１のヨーモータが取付けられ、前記同じ肩の軸に沿って前記静止支持体に前記肩部分のモータが取付けられ、前記第１のヨーモータから前記末端の軸に回転動作を伝達するためのベルト及びプーリー手段を前記機構は備え、前記肩の軸のそれぞれ他方に前記肘部分のモータが取付けられ、前記肘部分のモータから前記肘の軸に回転動作を伝達するためのベルト及びプーリー手段を前記機構は備えたことを特徴とする請求項１５に記載のロボットアーム機構。
【請求項１９】
第１の軸のまわりでθ動作、Ｒ動作、及びＺ動作を提供するθモータ、Ｒモータ、及びＺモータと、電子コンピュータ手段とを有するロボットアーム構造であって、
θ動作は前記第１の軸のまわりで行われる旋回運動であり、
Ｒ動作は前記第１の軸を中心とする動径方向に前進するものであり、
Ｚ動作は前記第１の軸に沿って行われ、
アーム構造は前記第１の軸と平行なエンドエフェクタ軸のまわりに回転するように回動可能に取付けられたエンドエフェクタ部分を有し、θモータ、Ｒモータ、及びＺモータを制御することにより対応する動作を制御する電子コンピュータ手段と、前記Ｒ動作、θ動作、及びＺ動作を検出しそれらを表す電気信号を発生させるセンサ手段と、前記電気信号を前記電子コンピュータ手段へ伝達する信号伝達手段とにより前記アーム構造は制御され、
前記第１のエンドエフェクタのヨー（Ｙ）動作を提供する手段を備え、
Ｙ動作は前記第１のエンドエフェクタ駆動シャフトのまわりに前記第１のエンドエフェクタを回転させるものであり、
前記第２のエンドエフェクタのヨー（Ｙ）動作とロール（Ｅ）動作を提供する手段を備え、
Ｙ動作は、前記第１のエンドエフェクタ駆動シャフトのまわりの前記第１のエンドエフェクタの回転から独立に、前記第２のエンドエフェクタ駆動シャフトのまわりに前記第２のエンドエフェクタを回転させるものであり、
Ｅ動作は前記第１のエンドエフェクタの延在方向に沿ったロール軸のまわりに前記第２のエンドエフェクタを回転させるものであり、
前記第１のエンドエフェクタでピックアップするべきワークピースの向きを決定し、その向きを表す誤差電気信号を発生させるためのワークピース方向決定手段を備え、
前記誤差信号を前記電子コンピュータ手段に伝達するための手段を備え、
前記第１のエンドエフェクタで前記ワークピースを所望の向きにピックアップして搬送できるように、Ｒ動作、θ動作、Ｚ動作、Ｙ動作及びＥ動作に適用する修正を計算するための手段を前記電子コンピュータ手段が備えている、ことを特徴とするロボットアーム構造。
【請求項２０】
請求項１９に記載のロボットアーム構造と、第１のエンドエフェクタからカセットのすべてには動径方向でアクセスできない経路に沿ってワークピースを装填したカセットを搬送するベルトコンベアとを備えたことを特徴とするワークピース処理システム。
【請求項２１】
請求項１９に記載の複数のロボットアーム構造を備え、前記複数のロボットアーム構造のそれぞれが１又は複数の加工ステーションをリーチ内に有し、第１のアームのリーチ内にある加工ステーションのひとつにワークピースが搬送され処理された後に、同ワークピースは第１のアームによって第２のアームのリーチ内にもなる転送ステーションに搬送され、第２のアームのリーチ内にある加工ステーションで処理されることを特徴とするワークピース処理システム。
【請求項２２】
請求項１９に記載のロボットアーム構造と、センサアレイとを備え、前記ロボットアーム構造により搬送されるワークピースが前記センサアレイを通過するように前記センサアレイが配置され、センサにてワークピースのアライメントの偏位があれば、その偏位が測定され、電気的誤差信号が発生されて、前記ワークピースを正しく位置決めすべくＲ動作、θ動作、Ｚ動作、Ｙ動作及びＥ動作の修正をするようにアームをコントロールする電子コンピュータ手段へ伝達されることを特徴とするシステム。
【請求項２３】
第１の軸のまわりでθ動作、Ｒ動作、及びＺ動作を提供するθモータ、Ｒモータ、及びＺモータと、電子コンピュータ手段とを有するロボットアーム構造であって、
θ動作は前記第１の軸のまわりで行われる旋回運動であり、
Ｒ動作は前記第１の軸を中心とする動径方向に前進するものであり、
Ｚ動作は前記第１の軸に沿って行われ、
アーム構造は前記第１の軸と平行なエンドエフェクタ軸のまわりに回転するように回動可能に取付けられた第１及び第２のエンドエフェクタを有し、θモータ、Ｒモータ、及びＺモータを制御することにより対応する動作を制御する電子コンピュータ手段と、前記Ｒ動作、θ動作、及びＺ動作を検出しそれらを表す電気信号を発生させるセンサ手段と、前記電気信号を前記電子コンピュータ手段へ伝達する信号伝達手段とにより前記アーム構造は制御され、第１の軸と平行な平坦な領域に配置されたカセット内のワークピースをピックアップし搬送することを可能にするもので、
前記第１のエンドエフェクタのヨー（Ｙ）動作を提供するための手段を備え、
Ｙ動作は、前記エンドエフェクタ軸のまわりに前記第１のエンドエフェクタを回転させ、
前記第２のエンドエフェクタのヨー（Ｙ）動作及びピッチ（Ｊ）動作を提供するための手段を備え、
Ｙ動作は、前記第１のエンドエフェクタ軸のまわりの前記第１のエンドエフェクタの回転から独立に、前記第２のエンドエフェクタ軸のまわりに前記第２のエンドエフェクタを回転させるものであり、
Ｊ動作は、前記エンドエフェクタ軸及びエンドエフェクタの延在方向に直交するピッチ軸のまわりにエンドエフェクタを回転させるものであり、
前記第２のエンドエフェクタでピックアップするべきワークピースの向きを決定し、それを表す電気信号を発生させるためのワークピース方向決定手段を備え、
前記信号を前記電子コンピュータ手段に伝達するための手段を備え、
前記第２のエンドエフェクタで前記ワークピースを所望の向きにピックアップして搬送できるように、Ｒ動作、θ動作、Ｚ動作、Ｙ動作及びＪ動作の制御に適用する修正を計算するための手段を前記電子コンピュータ手段が備えていることを特徴とするロボットアーム構造。
【請求項２４】
請求項２３に記載のロボットアーム構造と、エンドエフェクタからカセットのすべてには動径方向でアクセスできない、第１の軸と平行な平坦な領域中の経路に沿ってワークピースを装填したカセットを搬送するベルトコンベアとを備えたことを特徴とするワークピース処理システム。
【請求項２５】
請求項２３に記載の複数のロボットアーム構造を備え、前記複数のロボットアーム構造それぞれが１又は複数の加工ステーションをリーチ内に有し、第１のアームのリーチ内にある加工ステーションのひとつにワークピースが搬送され処理された後に、同ワークピースは第１のアームによって第２のアームのリーチ内にもなる転送ステーションに搬送され、第２のアームのリーチ内にある加工ステーションで処理されることを特徴とするワークピース処理システム。
【請求項２６】
請求項２３に記載のロボットアーム構造と、センサアレイとを備え、前記ロボットアーム構造により搬送されるワークピースがセンサアレイを通過するようにセンサアレイが配置され、センサにてワークピースのアライメントの偏位があれば、その偏位が測定され、電気的誤差信号が発生されて、前記ワークピースを正しく位置決めすべくＲ動作、θ動作、Ｚ動作、Ｙ動作及びＪ動作の修正をするようにアームをコントロールする電子コンピュータ手段へ伝達されることを特徴とするシステム。
【請求項２７】
ワークピースを処理して製品を製造する方法であって、
複数の平行なワークピースを１又は複数のカセット内に配置して、前記カセットはＲ動作、θ動作、及びＺ動作が可能であるとともに、Ｙ動作、Ｅ動作、及びＪ動作の１又は複数が可能なロボットアームの作動範囲に配置されており、
θ動作は前記第１の軸のまわりで行われる旋回運動であり、
Ｒ動作は前記第１の軸を中心とする動径方向に前進するものであり、
Ｚ動作は前記第１の軸に沿って行われ、
前記カセットは前記ロボットアームの第１の軸と同一平面にない軸を有し、
第１のエンドエフェクタをＹ軸、ロール軸及びピッチ軸の１又は複数のまわりに選択的に独立的に回転させて、
Ｙ動作は前記Ｙ軸のまわりに前記エンドエフェクタを回転させるものであり、
Ｅ動作は前記ロール軸のまわりに前記エンドエフェクタを回転させるものであり、
Ｊ動作は前記ピッチ軸のまわりに前記エンドエフェクタを回転させるものであり、
第２のエンドエフェクタをＹ軸のまわりに選択的に独立的に回転させ、
前記アームのＲ位置、θ位置及びＺ位置を監視するとともに、前記アームの手首位置のＹ位置、Ｅ位置及びＪ位置の１又は複数を監視して、
前記アームのＲ位置、θ位置及びＺ位置を制御するとともに、前記アームの手首位置のＹ位置、Ｅ位置及びＪ位置の１又は複数を制御して、
前記アームでピックアップするべき各ワークピースの現在のアライメントを測定して、  各ワークピースをピックアップして処理に適したアライメントで配達するように前記アームを制御して、
前記ワークピースを処理して製品を製造し、
該製品を回収する、ことを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非半径方向に延びる直線を含む直線に沿って進退でき、また、所望の非直線の経路でも動くことができる精密アーム機構に関する。いくつかの実施形態では、通常の鉛直な軸から装置を傾斜させてワークピースのミスアライメントを修正することができる。本発明は、装置の通常の動作平面から傾いて配置されたワークピースをピックアップし配送することができる。本発明は、半導体ウエハや、ウエハを保持したカセット、パネル、コンピュータハードディスクなどのような様々な目的物を処理及び／又は使用のために位置決めするのに適している。
【背景技術】
【０００２】
目的物を位置決めし配置させるためにロボットアームを用いることは良く知られている。一般的にアームは、在来の円筒座標系において、Ｚ、Ｒ、θの動作をする。半導体ウエハの処理においては、処理工程を行うワークステーションにウエハを非常に正確に位置決めできるようにするために、直線動作をできる能力が極めて重要である。アーム末端のエンドエフェクタ又はメカニカルハンドを、Ｒすなわち半径方向の直線に動かすことは様々なやり方で完成している。
【０００３】
一例としては、この目的のために、入れ子式のアームが用いられる。この構造では、１の摺動可能な部材が他の部材に嵌まり込んで、アームの直線的な伸びを可能にする。
より一般的には、この目的のために、等しいリンク長さの２本のリンクアームが用いられる。第１のリンクの末端が、第２のリンクの基端に回動可能に取付けられるように、互いにリンクは結合される。リンクはベルト駆動を用いており、第１のリンクに対して第２のリンクが対応させて回転させられ、回転比のｉ2,1は２／１であり、エンドエフェクタとロボットアームの末端のリンクとの間の回転比のｉ3,2は１／２である。ｉ2,1が２／１であり、ｉ3,2が１／２であるとき、第１のリンクに対するエンドエフェクタの回転比ｉ31は、２／１×１／２すなわち単位動作となって、半径方向の直線的動きが得られる。米国特許第5,064,340号に示されたような３リンクアームの場合には、第３のリンクと第２のリンクとの間の回転比は１／１であり、他の回転比は上述したのと同様である。このとき、ｉ21は２／１であり、ｉ3,2は１／１であり、ｉ4,3は１／２である。そのため、ｉ4,1は単位動作となって、半径方向の直線動が得られる。
【０００４】
英国特許出願GB 2193482A号（１９８８年２月１０日公開）はウエハを取扱うアームを開示しており、これは２本の等しくない長さのリンクを備えていて、一方のリンクの末端に他方のリンクの基端が回動可能に取付けられており、末端のリンクの末端にハンドが一体的に設けられ、カムに固定されたベルト駆動を用いて、ほぼ直線動を得ている。
二等辺三角形タイプのリンクを用いることも知られており、２つの等しい長さのリンクが回動可能に結合されて、末端のリンクの末端にメカニカルハンドが回動可能に取付けられる。リンクのそれぞれとリンクの他端が枢着された点同士を結ぶ線とが作る角度に比べて、２本のリンクの間の角度が２倍の速度で変化するように、プーリーとベルトが用いられる。このリンク機構は、モータ軸から基端のリンクの基端部を直接に駆動する。モータ軸と同軸の静止プーリーに巻掛けられたベルトが、２本のリンクの互いの枢着点に設けられたプーリーに巻掛けられる。他のプーリーとベルト装置が、第２のリンクがメカニカルハンドに回動可能に結合された箇所の他のプーリーを回転させる。半径方向の直線動が得られる。
【０００５】
他の装置では、一対の二等辺三角形タイプのリンク機構を向い合わせにして、末端側のリンク２つの末端にメカニカルハンドを回動可能に取付ける。基端側のリンクの各基端部は、一般的には適当な歯車装置を用いて、単一のモータ軸により反対方向に回転するように駆動される。結果は、各二等辺三角形タイプのリンクが他方のそのようなリンクを制御するように手段として働く「カエル足」タイプの動作となり、各二等辺三角形の２つのリンクのなす角度が、リンクのそれぞれとリンクの他端が枢着された点同士を結ぶ線とが作る角度に比べて２倍の速度で変化する。半径方向の直線動が得られる。カエル足型のリンクは、特別な強度が得られる利点があり、一定の条件下では特に有効で、特に真空環境においては、塵が発生しにくいように真空チャンバ内の可動部品の数が少ないことを要求する傾向があるため有効である。
【０００６】
ここに援用する前述した来国特許第5,064,340号は、それぞれが末端部分と末端部分とを有する第１、第２、及び第３の縦に延びるリンクを備えたアーム構造を開示している。第２の縦に延びるリンクは、第１のリンクの有効長さの２倍である。第２のリンクの基端部分は、第１の枢軸によって、第１のリンクの末端部分に回動可能に取付けられている。第３のリンクの基端部分は、第３の枢軸によって、第２のリンクの末端部分に回動可能に取付けられている。エンドエフェクタは、第３のリンクの末端部分に、第４の枢軸によって、回動可能に取付られている。第１のリンクと第２のリンクと第３のリンクとエンドエフェクタとを協調して回転させる手段が設けられていて、第１の軸対、第２の軸対、第３の軸対、第４の軸の回転比は１：２：２：１である。再び言えば、エンドエフェクタが回動するトルクは、駆動手段のトルクと等しい。半径方向の直線動が得られる。
【０００７】
上述したすべての半径方向の位置決めアームには共通する問題が存在する。この問題とはすなわち、ワークピースが処理されている間、アームは無駄に待機していなければならないということである。例えば、半導体ウエハはアームの末端のエンドエフェクタによりローディングカセットからピックアップされる。ウエハはプロセスステーションに搬送され載置される。アームは退去して、ステーションのプロセスが完了するまで、無駄に待機している。いったん、プロセスが完了すると、単一のエンドエフェクタはプロセスチャンバ中に進入し、処理されたウエハをピックアップして引き戻り、受入れカセットの方へ回転し、受入れカセットに処理されたウエハを入れて、ローディングカセットの方へ回転し、他のウエハをピックアップして、ウエハを載置して再び引き戻り、プロセスが完了するまで待機する。これは総計１１の動作であり、これらの動作に要する時間がスループット、すなわち、所定の時間内に処理することができるワークピース（例えば、ウエハ）の数を制限する。
【０００８】
ここに援用する来国特許第5,007,784号は、上述の問題を解決するために、中央部分とワークピースをそれぞれがピックアップすることができる２つの実質的に反対向きに延びるハンドとを有するエンドエフェクタ構造を備えたロボットアームを提供している。中央部分は、リンクの最末端の末端部分に中央に回動可能に取付けられている。リンク、エンドエフェクタ構造、及び静止部分構造は、ロボットアームがリンクの最基端の基端部分の枢軸を越えて反転できるように構成されている。ラジアル駆動手段は、エンドエフェクタ構造の中央部分の枢軸が実質的に直線的に半径方向にだけ直線に沿って動き、最基端リンクの基端部分の枢軸とエンドエフェクタ構造の中央部分の枢軸とに鉛直に通り過ぎるように、リンクを駆動する。エンドエフェクタ構造体は前記直線に関して所定の角度に維持される。回転の駆動手段もまた設けられる。
【０００９】
さらに最近の他の開発では、リンクの相対的な長さの点についてはそれほど厳密に定義されていないロボットアームを用いて、半径方向の直線動を達成している。そのようなロボットアームは、同時係属出願第08/432,682号（出願日１９９５年５月２日）に開示されており、同出願をここに援用する。
【００１０】
従前の市販された装置は、米国特許第5,007,784号の装置と類似している。しかし、従前の市販された装置では、エンドエフェクタ構造は２つのハンドを有しており、ハンドはエンドエフェクタの枢軸から互いに実質的に直角方向に延びている。エンドエフェクタは、その枢軸のまわりの２の異なる回転位置のうちひとつをとることができる。２つの位置は、実質的に直角だけ離れており、リンクの最末端の末端部が直線的に動いていずれかのハンドを配置することができる。
【００１１】
今日のロボットアーム機構における非常に重要な問題点は、ロボットアームがＲ、θ平面における一点から他点へ、半径方向の直線（Ｒ）経路又は円弧（θ）経路だけでしかたどれないことである。従って、例えばウエハカセットのようなカセット中に又はワークステーションに、ピックアップして搬送すべき目的物があるとき、アームは最初に半径方向に延びて、カセット又はワークステーションに入って、目的物を一般的には真空を用いてピックアップし、その後でカセット又はワークステーションから半径方向に引き戻って、その後で他のカセット又はワークステーションに向けて反転して、その後で半径方向に進み出て他のカセット又はワークステーションに入って目的物を載置する。これは全体的に急停止／急発進の動作を与えるため、何千回もの動作により装置の損傷につながることがあり、しかも、搬送される目的物を振動させて製品の歩留りに悪影響を与えることがある。
【００１２】
また、半導体プロセスの操作で生じ得るようにアームの動作の平面に突出した障害物があるときには、その障害物で隠れた又は影になった物を非効率な経路で追従しなければならず、すなわち、障害物を越えるまで半径方向に内方へアームを直線経路で退却させて、その後でアームのエンドエフェクタが障害物を越えるようにラジアル動作をさせて、次に所望のワークステーションへと放射状外方の動作をさせる。曲線の経路に沿って動ける能力が望ましく、それによりＲ及びθの共同した動きができるとともに、ロボットアーム機構のより迅速な動作が誤差れる。
【００１３】
そのようなロボットアームシステムにおいて生じる他の非常に重要な問題点は、ロボットアームの近くのウエハで充填されたカセットへの積み入れに関する。
【００１４】
アームでアクセスされるカセットが１より多く用いられるときには、各カセットの長手方向の軸（積入れと積出しをする方向）がロボットアームの回転中心を通るように並べることが必要である。この制限は、アームが半径方向だけの直線に沿って延びることができることから存在する。このためカセットを運び込むのに直線型のベルトコンベアを用いることはできず、従って、本質的に非効率な操作方法である手作業によって処理を行わなければならない。もしも、直線的な経路すなわちベルトコンベアによって運ばれる積込みカセット（カセットの長手方向の軸は必ずしもロボットアームの回転中心を通らない）からウエハを取出すことができるとすれば、操作全体の速度は著しく増加するであろう。これは、スループットを増加させ、利益の増加／低コスト動作に直接つながる。現在のところ行われているのは、半径方向に並べられたカセットの一群とワークステーションとの間から他の箇所へと軌道システムを用いてロボットを動かすことであり、望ましいとは決して言えない操作方法である。
【００１５】
平面表示パネルに関して生じる特別な問題点は、カセット中のパネルがしばしばある程度傾いてアライメントが狂っている（ミスアライメント）ことである。そのようなパネルをワークステーションに適切に位置決めしなければならない。これを行うために在来型のロボットアームでは、例えばＣＣＤセンサのようなミスアライメントを検出するセンサを備えたチャックにパネルを配して、チャックを用いてパネルを回転させたのち、パネルをピックアップしてワークステーションに適切なアライメントで搬送する。これは、在来型のロボットアームでは、（位置及び角度のミスアライメントに起因して）エンドエフェクタの座標フレームと一致しない、パネル（又はウエハ）座標フレームに対して、アームが回転できないからである。在来型のアームはエンドエフェクタの縦軸に沿ってだけ動くことができ、それを回転させるには、中間的にピン又は類似物上に落下させることなしにはミスアライメントを修正することができない。そのようなチャック又はピンを中間に使用せずに所望のアライメントが得られるとしたら非常に望ましい。同様に、そのようなチャック又はピンを用いることなしにウエハをその地形的中心のまわりに位置決めすることが可能であれば非常に望ましい。
【００１６】
カセットに積込まれワークステーションへピックアップされるウエハやパネルに共通する他の問題点は、アライメント誤差のためにカセット等の軸に対してロボットアームのＺ軸が完全には平行でないことである。相対的な傾きは、あらゆる方向になりうるが、通常はわずか数度である。このミスアライメントが存在するときには、アームに適切に配置されたエンドエフェクタは、ウエハ／パネルに適切に接近してピックアップすることができず、ウエハ／パネルの正確な位置決めを完全に制御することができない。ここに援用する先に出願した米国特許出願第08/661,292号（出願日は１９ 年 月 日）は、あらゆる方向に傾斜可能なＺ軸を有するロボットアームを開示している。しかし、同出願で明らかにされた構造は、ロボットアームの手首又はその付近を回転させる能力を持たないため、上述した性質のミスアライメントに必要な修正を行うには不十分である。上述したチャックやピンを中間的に使用することなしに、ミスアライメントを完全に修正することができ、ウエハ／パネルを適切に位置決めできるとすれば望ましい。
【００１７】
半導体ウエハ及びフラットパネルを処理するための従来技術のロボットアームでは、エンドエフェクタを半径方向に直線的に動かしてアームのエンドエフェクタがカセットとワークステーションに入るように配置しなければならなかった。
【００１８】
例えば、カセットやワークステーションの長手方向の軸がＺ軸と平行でないときには、カセットやワークステーションに入ることができない。それでも、ウエハやフラットパネルのプロセス操作のスペースは貴重であるから、カセット及び／又はワークステーションをそのように配置できることは非常に望ましい。
【発明の開示】
【００１９】
本発明は、上述した問題点の１又は複数を解決することを目的とする。
Ｒ動作、θ動作及びＺ動作を有するロボットアーム構造の改良が本発明の１実施形態を構成する。アーム構造は、θ動作が最基端のリンクの基端部分の第１の軸を中心とする少なくとも２つのリンクを含む。Ｒ動作は第１の軸から半径方向に前進し、それにより最末端のリンクの末端部分が半径方向に延びる直線に沿って動くことができる。エンドエフェクタは、第１番目の軸と平行なエンドエフェクタ軸を中心にして、最末端のリンクの末端部分に関して回転可能に取付けられたエンドエフェクタ部分を有する。末端のリンク及びエンドエフェクタのそれぞれにモータが設けられている。このモータは、最末端のリンクの末端部分とエンドエフェクタ部分との間のエンドエフェクタ軸を中心にして相対回転するように結合され、これによりヨー（Ｙ）動作を与える。電子コンピュータ手段とセンサは、Ｒ動作、θ動作、Ｚ動作、及びＹ動作を制御する。
【００２０】
Ｒ動作、θ動作、及びＺ動作を有するロボットアーム構造の改良が本発明の他の実施形態を構成する。このアーム構造はｎ個の長手方向に延びる、各々が基端部分と末端部分とを備えたリンクを有し、ここに、ｎは２又はそれ以上の整数である。各リンクの基端部分は、それぞれのｎ番目の軸を中心にして回転するように回動可能に取付けられる。エンドエフェクタは、ｎ番目のリンクの末端部分に配置された（ｎ＋１）番目の軸を中心にして回転するように回動可能に取付けられている。このリンクの枢軸及びエンドエフェクタの枢軸は全て平行である。ラジアル駆動回転シャフトは、被動端部分と駆動端部分とを有し、また、第１番目の軸に沿って延びている。ラジアル駆動モータ手段は、第１番目の軸を中心にしてラジアル駆動シャフトの被動端部分を回転させる。ロータリー駆動回転シャフトは、被動端部分と駆動端部分とを有し、第１番目の軸に沿って延びる。ロータリー駆動モータ手段は、ロータリー駆動シャフトの駆動端を第１の軸を中心にして回転させる。ロータリー駆動シャフトの駆動端部分は、第１番目のリンクの基端部分に隣接して配置されており、互いに接触して回転駆動する状態にある。（ｎ−１）のベルト手段が設けられ、各ベルトは（ｎ−１）の対応するプーリーのそれぞれにより回転させられる。第１番目のプーリーは、ラジアル駆動シャフトの駆動端部分により回転させられる。ベルト手段は、次に続くリンクをその夫々の軸を中心にして回転させるように配置される。本発明の改良は、（ｎ＋１）番目の軸に配置されたエンドエフェクタ駆動シャフトを駆動し且つエンドエフェクタをその軸を中心にして回転させるエンドエフェクタモータを有する。ラジアル、ロータリー、及びエンドエフェクタのモータ駆動機構のセンサ手段は、夫々のラジアル、ロータリー、及びエンドエフェクタのモータ駆動シャフトの回転位置を表す量を測定して、この回転位置を表す電気信号を発生する。手段は電気信号を電子計算手段に伝達する。電子コンピュータ手段は、ラジアル、ロータリー、及びエンドエフェクタの駆動シャフトの回転位置からエンドエフェクタの軌道を計算する。コンピュータ手段は、所望の経路を追従し所望の軌道に到着するようにエンドエフェクタを位置決めするように、駆動モータを制御する。
【００２１】
本発明の更に別の実施形態によれば、ｎが２以上の整数であるときに、ｎ個の長手方向に延びる、各々が基端部分と末端部分とを備えたリンクを有するアーム構造を制御する方法が示される。ラジアル、ロータリー、及びエンドエフェクタの駆動シャフトの回転位置が測定される。電気信号が生成され、この信号は電子コンピュータ手段に伝達される。電子コンピュータ手段は、上記の信号からエンドエフェクタの軌道を計算して駆動モータを制御してエンドエフェクタを動かし、そのリーチ内のあらゆる所望の位置に位置決めする。
【００２２】
本発明の他の実施形態は、上述した性質のロボットアームと一緒に使用される、ウエハ又は他の目的物が装填されたカセットを実質的に直線の経路に沿って搬送するベルトコンベアを含むウエハ処理システムを備える。
【００２３】
本発明の別の実施形態は複数のロボットアームからなり、各ロボットアームは、そのリーチ内に１又は複数のワークステーションを有し、ロボットアームは互いに十分に接近して配置されて、第１のアームのリーチ内にあるワークステーションにウエハが搬送された後に、同ウエハは第１のアームによって転送ステーションに搬送され、この転送ステーションは、第２のアームのリーチ内のワークステーションでの処理のためにこの第２のアームのリーチの範囲内にある。
【００２４】
本発明の更に他の実施形態は、上述したアームにより搬送される目的物がセンサアレイを通過することができ、目的物のアライメントの偏位があれば検出されて、目的物を適切に整列させるように適当なＲ、θ、Ｙの修正をすることができるように、所定位置に配置されたセンサアレイである。
【００２５】
本発明の更に別の実施形態によれば、Ｙ（ヨー）動作の提供を介して、完全な多方向平面（Ｒ、θと等価以上）の動作を提供するロボットアーム機構がワークピースを取り扱うようになっている。この機構は２カセットのリンクを備え、各リンク機構は基端部分及び末端部分を有する基端リンクと、基端部分及び末端部分を有する末端リンクとを有する。各リンク機構の末端リンクの末端部分は、手首の軸において互いに回動可能に取付けられる。各基端リンクの末端部分は、夫々の肘部分の軸において、対応する末端リンクの基端部分に回動可能に取付けられる。各基端リンクの基端部分は、比較的静的な支持体に、それぞれの肩部分の軸において回動可能に取付けられ、肩部分の軸は互いに間隔が隔てられている。
【００２６】
エンドエフェクタは、末端リンクの末端部分に手首軸を中心に回動動作可能に取付けられている。回動軸は互いに平行であり、第１の方向に延びている。リンクとエンドエフェクタは軸の方向に沿って互いに間隔が隔てられており、リンクは第１の方向と直交する方向に、第１の方向に延びる空間を互いに干渉せずに動くことができる。ヨーモータは、末端の軸を中心にして、エンドエフェクタを相対回転させる。肘部分のモータは、末端リンクのそれぞれのひとつの基端部分と、対応する末端リンクの基端部分とを相対回転させる。肩部分のモータは、静止構造に関して、基端リンクのひとつの基端部分を回転させる。この機構の動作を制御するために、センサとマイクロプロセッサの制御が設けられる。
【００２７】
本発明の更に他の実施形態によれば、ヨー動作及び／又はエンドエフェクタの長手方向の回転動作を提供するモータと一緒に、鉛直から傾斜可能なエレベータを用いることによって、ワークピースを保持するカセットのミスアライメントが修正される。
【００２８】
本発明の更に別の実施形態にあっては、本発明は上述した方法及び／又は装置のいずれかを用いて、例えばウエハ、フラットパネル、コンピュータ記憶ディスクなどを取り扱って処理することにより、完成したワークピースを作る方法を提供する。
【００２９】
本発明は、数多くの物、特に半導体ウエハ、パネル表示器、他の概略平らな目的物を処理するためにピックアップして搬送するのに有用なロボットアーム構造と制御方法を提供する。このシステムは、エンドエフェクタの少なくともほぼ３６０°の円弧に亘って、例えば少なくとも約２７０°に亘る連続的なＹつまりヨー動作を提供し、これにより電子コンピュータ手段によってより効率的な経路が選択され、また、これにより振動が著しく低減され、従って潜在的な停止時間を少なくする。回転経路に沿ってすべての位置の連続的な入手可能性及び利用可能なヨー動作の程度は、共に、４軸アームの一層効率的な動作のための自由度を提供するに重要である。従来技術のロボットアームに比べて著しく制限を受けないエンジニアが利用できる設計パラメータを提供する。特に有用な特徴は、エンドエフェクタを非放射状の直線に沿って動かす能力である。これは数多くの実際的な利点を有し、例えば、ワークピースを装填したカセットをまっすぐなベルトコンベアに載せて供給する能力を提供する。アーム構造及び方法は、デュアルの（２ハンドー）エンドエフェクタ、トリプルの（３ハンドー）エンドエフェクタなどと共に使用できるようになっており、従来技術のアーム構造とその制御方法を用いて可能であるのに比べて一層任意の位置に、パネルのためのチャック及び／又はウエハのプリアライメント、ワークステーションを位置決めすることができる。
【００３０】
本発明の利点は以下の通りである。
（１）ロボットの改善された機械特性、特に、単純化したアーム機構（伝達機構が少ない）；向上した剛性と精度。
【００３１】
（２）エンドエフェクタにヨー軸を導入することによるロボットの改善した動作能力；これによりＺ軸の位置により定められる平面においてエンドエフェクタが全般的な動作（並進及び回転）を実行することができる（エンドエフェクタは任意の向きの任意の軌跡に沿って動くことができる）。
【００３２】
（３）全般的なカセットの向きを可能にする。ヨー軸により（放射状以外に）任意に向いたカセットとウエハ処理装置の最適な配置が可能になる。すなわち、自由度を追加したために、障害物を避けられるようになり、ウエハ処理装置の機器のデザインとプラニングに自由度が与えられ、処理のための非常に高価な土地（不動産）が少なくてもよい。
【００３３】
（４）直列に並べられたモジュールの取扱い。ロボットは、並進させることなく、図２に示すように直列に並べられたカセットを取扱うことができる。この新たな機構は、カセットの配置が放射状でなければならない制限に従うためにロボットが軌道により並進する現在使用されている小型軌道システムに完全に置換わることを意図する。直列にモジュールを配置することで、少ない資本の投資でより信頼できる複数の非放射状のカセットの取扱いを達成することが容易になる。
【００３４】
（５）プロセス間でのウエハの交換。直列にカセットを扱うというコンセプトにより、別のプロセスに関連するいくつかのロボットがウエハを相互交換して、静止した中間カセット（図３（ａ））に挿入したり取出したりさせることができる。
【００３５】
（６）数多くの非放射状のカセットの取扱い。直列にカセットを扱うというコンセプトにより、ベルトコンベアにより前進する数多くの組のカセットを扱うことができる。すなわち、ベルトコンベア上にいくつかの組のカセットが連続的に配置される。プロセス全体は、各組が通過すべき異なるステージに分割される。ベルトコンベアは所定の組のカセットがアームの作業範囲に入るまで動く。ロボットアームは、その作業範囲にあるカセットからウエハをピックアップして、他のカセットでの処理のために配送する。このステージが完了した後、作業空間からすべてのカセットがベルトコンベアで次の処理ステージへと搬送される（図３（ｂ））。
【００３６】
（７）オンザフライ(on the fly)でのウエハのセンタリング（図４）。すなわち、オンザフライでのウエハのセンタリングの際に、本発明によるアームを用いることができる（ウエハの向きは、このプロセスでは重要ではない）。ウエハは、ピックアップされ、ＣＣＤセンサのような非接触の測定装置を用いて測定され、単一動作で（ウエハの特別な位置決めは要求されない）中心出しをされてカセット又はプロセスステーションに入れられる。測定とセンタリングの処理はともにアームが動作している間に実行される。そのような種類の取扱いの利点は次の通りである。ウエハに接触するのはエンドエフェクタだけである。ウエハの進入及び最終位置決めの精度が向上し、性能が向上する。
【００３７】
（８）オンザフライ(on the fly)によるフラットパネルのアライメント（図５）。本発明のアームは、矩形の目的物をオンザフライで整列させるためにフラットパネルを取り扱う際にも使用できる。フラットパネルはピックアップされ、測定され、オンザフライで整列され、単一の動作でカセット又はプロセスステーションに入れられる。直線方向と角度方向のオフカセットの計算は、その補償と共にロボットの動作中に実行される。その利点は（６）と同様である。
【００３８】
（９）連続動作の取り扱い。ヨー軸により２つのカセットの間の連続的な軌跡（図６）を計画し実行することが可能になり、この結果ウエハ又はフラットパネルの取り扱いが円滑かつ迅速になる。これにより搬送される材料（ウエハ、フラットパネル）及びプロセス機器にかかる応力を低減する。古典的なθＲＺスキームでウエハをひとつのカセットから他方に移すのに使用されていた一連の「退却ー回転−伸長」のシーケンスは、アームの回転を必要としない滑らかな軌跡に沿った単一の動作によって置換される。これは移動時間を実質的に短縮し、装置の全体的な性能を改善する。
【００３９】
（１０）２以上の（サイズの制限から一般的には３つの）ハンドを備えたエンドエフェクタを効率的に利用できる能力。連続的なＹ動作の能力により、電子コントローラ、例えばマイクロプロセッサを用いて３つのハンドのエンドエフェクタを非常に効率的に制御でき、それにより処理量を向上させることができる。
【００４０】
（１１）カエル足タイプの機構を利用したときには、この装置は真空環境下で用いるのに非常に適している。カエル足タイプでない機構と比べて、ベルトとプーリーの数が減少するため、ベルトの動作中に発生する塵の量が大幅に低減される。真空環境では塵は極めて望ましくない。さらに、カエル足タイプでない機構では、Ｒ及びθ動作を提供するベルト及びプーリーは、リンクの内部に装着される。その結果、ヨー動作を与えるには、現実的な方法としては、モータを最も末端のリンクかエンドエフェクタ自体に配置しなければならない。真空環境では、スペースは最小であり、ヨーモータをこのやり方で据付けるのに十分な空間は無い。
【００４１】
（１２）ロボットアーム軸に関するカセット軸のミスアライメントを修正できる能力。
（１３）Ｚ軸に関して傾斜して挿入しなければならない入口を有するカセット及び／又はワークステーションに侵入できる能力。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１（ａ）】従来技術の装置を模式的に示している。
【図１（ｂ）】本発明の実施形態による装置を模式的に示している。
【図２】本発明の実施形態による装置の使用状態と、本発明の方法による直列に配置されたカセットとワークステーションとの動作を模式的に示している。
【図３ａ】本発明の実施形態によるマルチロボットシステムとその動作を示す模式図である。
【図３ｂ】本発明の実施形態によるマルチプル・オフラジアル・カセットハンドリング・ロボットシステムを示す模式図である。
【図４】半導体ウエハ又は他の円形目的物をセンタリングするためのセンサアレイと組合わせた本発明の実施形態を示す模式図である。
【図５】図４と類似した装置及びセンサアレイであって、フラットパネル又は他の矩形目的物を位置決めするためのものを示す模式図である。
【図６（ａ）】ヨー動作を有しない従来技術によるウエハの軌跡を模式的に示す図である。
【図６（ｂ）】ヨー動作を与える本発明のロボットアームによるウエハの軌跡を模式的に示す図である。
【図７】アームのコンピュータ制御中の計算に使用される様々な角度を示す図である。
【図８】コンピュータ動作コントローラへの情報の流れを模式的に示すブロック図である。
【図９】本発明の実施形態で用いるのに有用な３つのハンドを有するエンドエフェクタを示す上面図であって、３枚のウエハを仮想線で示している。
【図１０】本発明の実施形態によるカエル足タイプのリンクであって、２つのハンドのエンドエフェクタを備えたものを示す上面図である。
【図１１】図１の実施形態を一部を破断して示す側面図である。
【図１２】図１０及び図１１の実施形態を示す端面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態を拡大して示す一部破断端面図である。
【図１４】本発明の更に別の実施形態を拡大して示す一部破断端面図である。
【図１５ａ】本発明の実施形態のカエル足タイプのリンクの動作のフェーズを示す上面図である。
【図１５ｂ】本発明の実施形態のカエル足タイプのリンクの動作のフェーズを示す上面図である。
【図１６】本発明による動作制御の方法を数学的に示す上面図である。
【図１７ａ】本発明の構造と動作の詳細を示す図である。
【図１７ｂ】本発明の構造と動作の詳細を示す図である。
【図１８ａ】本発明の実施形態によるウエハを位置決めする手段を示す、それぞれ側面図と平面図である。
【図１８ｂ】本発明の実施形態によるウエハを位置決めする手段を示す、それぞれ側面図と平面図である。
【図１９】本発明の実施形態において３つのハンドのエンドエフェクタを用いたようすを示す上面図である。
【図２０】本発明の実施形態によるＺ軸動作をカセット込んだ装置を一部を破断して示す側面図である。
【図２１ａ】本発明の１又は複数の実施形態による全方向に調節可能なロボットアームを示す、それぞれ側面断面図と平面図であり、図示のアームはＹ軸動作とＥ軸のまわりの回転動作の両方が可能で、Ｅ軸はエンドエフェクタの長さ方向に向いて延びている。
【図２１ｂ】本発明の１又は複数の実施形態による全方向に調節可能なロボットアームを示す、それぞれ側面断面図と平面図であり、図示のアームはＹ軸動作とＥ軸のまわりの回転動作の両方が可能で、Ｅ軸はエンドエフェクタの長さ方向に向いて延びている。
【図２２】本発明の実施形態のエレベータ構造について、仮想線にて入れ子が外に出た状態を示した、側面断面図である。
【図２３】図２２に示した装置の一部について、エレベータを傾けるモータのひとつに沿って破断して示した拡大側面図である。
【図２４】図２２に示したエレベータにロボットアーム機構を取付けた装置の退却した形態と伸長した形態とを示す模式図であって、ロボットアームにはその一部としてセンサが備えている。
【図２５】本発明の実施形態において有用なエレベータ構造の下部部分の構造の詳細を一部分を拡大して示す側面断面図である。
【図２６】図２５と同様な図であるが、図２５に示した要素の詳細について、個々の部品を別々に示した側面図及び平面図である。
【図２７】Ｙ軸動作とＪ軸動作の両方が可能な本発明の実施形態の装置について、図２１ａと同じように示した図である。
【図２８】Ｙ軸動作とＪ軸動作の両方が可能な本発明の実施形態の装置について、図２１ｂと同じように示した図である。
【図２９ａ】エンドエフェクタのウエハをピックアップする部分（ハンド）が各々Ｙ軸動作とＪ軸動作の両方をすることができる、２つのエンドエフェクタを備えた本発明の実施形態の装置について、それぞれ図２１ａと図２１ｂと同じように示した図である。
【図２９ｂ】エンドエフェクタのウエハをピックアップする部分（ハンド）が各々Ｙ軸動作とＪ軸動作の両方をすることができる、２つのエンドエフェクタを備えた本発明の実施形態の装置について、それぞれ図２１ａと図２１ｂと同じように示した図である。
【図３０ａ】Ｙ軸動作とＪ軸動作の両方が可能であり、Ｚ軸と平行な平面に配置されたカセットにアクセスすることができる、本発明の実施形態の装置を示した部分断面側面図と平面図である。
【図３０ｂ】Ｙ軸動作とＪ軸動作の両方が可能であり、Ｚ軸と平行な平面に配置されたカセットにアクセスすることができる、本発明の実施形態の装置を示した部分断面側面図と平面図である。
【図３１ａ】各ハンドがＹ軸、Ｅ軸、及びＪ軸動作することができる２つのエンドエフェクタを備えた本発明の実施形態の装置について、それぞれ図２１ａと図２１ｂと同じように示した図である。
【図３１ｂ】各ハンドがＹ軸、Ｅ軸、及びＪ軸動作することができる２つのエンドエフェクタを備えた本発明の実施形態の装置について、それぞれ図２１ａと図２１ｂと同じように示した図である。
【図３２】本発明の実施形態によるロボットアームによる緯度方向のミスアライメントの補正を示した側面断面図である。
【図３３】本発明の実施形態によるロボットアームによる経度方向のミスアライメントの補正を示した模式図である。
【図３４ａ】本発明の実施形態によるロボットアームの経度方向のミスアライメントと補正を示した平面図である。
【図３４ｂ】本発明の実施形態によるロボットアームの経度方向のミスアライメントと補正を示した平面図である。
【図３５ａ】それぞれが２つのエンドエフェクタを備えた複数（２つが示されている）のエンドエフェクタであって、各２つのエンドエフェクタが別個のヨー動作モータを備えているものを示した、それぞれ部分断面側面図と平面図である。
【図３５ｂ】それぞれが２つのエンドエフェクタを備えた複数（２つが示されている）のエンドエフェクタであって、各２つのエンドエフェクタが別個のヨー動作モータを備えているものを示した、それぞれ部分断面側面図と平面図である。
【図３６】図３５ａのＹ軸モータ部分を示した拡大詳細図である。
【図３７】２つハンドのエンドエフェクタにおけるエンドエフェクタの最小作業空間を示している。
【図３８】２つのＹ軸の単一ハンドのエンドエフェクタにおけるエンドエフェクタの最小作業空間を示している。
【図３９】ａ〜ｆは、本発明の実施形態のひとつの動作モードを示している。
【図４０】図２２から図２６に示したエレベータ構造の概略図であって、テーブルのすべてのプレートが対称的な関係になっている。
【図４１】上側のプレートが傾いているときの、図２２から図２６に示したエレベータ構造におけるジョイント間に生じる変形を示す概略図である。
【図４２】図２２から図２６に示したエレベータ構造の概略図であって、ユニバーサルジョイントのまわりのブッシュが弾性体である第１の実施形態を示している。
【図４３】ロッド部材が弾性体である、図２２から図２６に示したエレベータ構造を示す図である。
【図４４】本発明のロボットに用いるのに好適なエレベータ構造の他の実施形態を示す側面図である。
【図４５】図４４に示したロボットの第２の側面図である。
【図４６】図４４に示したエレベータ構造の上面図である。
【図４７】図４４から図４６に示したエレベータ構造に用いられるスプリング機構の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明は、添付図面の符号を参照することによって、より良く理解されるであろう。図面において、対応する符号は対応する部品を示している。
【００４４】
本発明は、ロボットアームのエンドエフェクタに独特のヨー動作を与えるものであり、これによりヨー動作ができない従来のアームに比べて、より効率的にアームを使用できるようにする。或る実施形態では、ロール動作とピッチ動作の両方又はいずれか一方が提供される。このアームの動作は、ラジアル駆動シャフトとロータリー駆動シャフトの回転速度（及びそれにより位置）及びヨー駆動シャフト（もし使用するのであればロール駆動シャフト及びピッチ駆動シャフト）の回転速度（及びそれにより位置）を計測すること、および、ロボットアームのエンドエフェクタが所望の経路を追従するように、これらの量を制御するためのコンピュータを使用することを含む機構によって制御される。このアームは、直線動の能力を保有しており、実際、この能力を半径方向にほかならない直線動及び自在な軌道まで拡張する。本発明には数多くの独特の特徴がある。
【００４５】
本発明の理解のために、用語「ベルト」、「ベルト手段」、「プーリー」及び「プーリー手段」を、時として、歯車装置として述べることに留意すべきである。更に、用語「ベルト」及び「ベルト手段」は、広義に用いられており、歯付き構造及び歯無し構造、チェーン、織物ベルト、編物ベルトなどを含む。これらは、任意の適当な材料、天然又は合成の、有機、無機、重合体、複合材、又は金属から作られる。同様に、用語「プーリー」及び「プーリー手段」は、ベルトと確実に係合し、或いは、ベルトと摩擦だけで係合する歯付構造及び歯無し構造を含むように広義に用いられている。ベルトは、また、任意の好適な材料、天然又は合成の、有機、無機、重合体、複合材、又は金属から作られる。更に述べると、用語「鉛直」及び「水平」は、本発明の或る実施形態の説明を簡単にするために時々使用される。これらの用語は、説明を簡単にするために使用するのであって、要するに、互いに直交する２つの軸を意味している点に留意すべきである。以上のことを念頭において、以下に、この発明を詳しく説明する。
【００４６】
本発明の目的に合致し且つ本発明の範囲に入る動作を支配する基本的な数式の理解は、情報を与えて、発明の理解の助けになるだろう。これらとその使用は、図７及び図１６に図式的に示されている。使用されている基本的な表記は次のとおりである。
【００４７】
Ｘはエンドエフェクタの位置ベクトルであって、Ｘ＝［Ｒ θ Ｚ φ］T、又は、Ｘ＝［Ｘ Ｙ Ｚ φ］Tである。ここでＲ、θ、及びＺは、エンドエフェクタポールの円筒座標系であり、一方、Ｘ、Ｙ、Ｚはそのデカルト座標系であり、ここに、φは、エンドエフェクタの縦軸とワールド座標フレームの横軸とのなす角度である。
【００４８】
Ｘd ……エンドエフェクタの所望の位置
ｅ＝Ｘd−Ｘ ……軌跡トラッキング誤差
ｄＸ／ｄｔ ……エンドエフェクタの直線速度ベクトルであり、ｄＸ／ｄｔ＝［ｄＲ／ｄｔ ｄθ／ｄｔ ｄＺ／ｄｔ］T、又は、ｄＸ／ｄｔ＝［ｄＸ／ｄｔｄＹ／ｄｔ ｄｚ／ｄｔ］Tである。ここに、ｄ／ｄｔは、各量についての１階の導関数を示す表記である。
【００４９】
‖Ｘ‖ ……Ｘのユークリッドノルム
Ｑ ……ジョイント座標ベクトルであり：Ｑ＝［Ｑ１ Ｑ２ Ｑ３ Ｑ４］Tである、ここに、Ｑ１−Ｑ３は図１に示すようにリンクの間の角度であり、Ｑ４はＺ軸と一致する。それぞれ１階の導関数はｄＱ／ｄｔであり、Θ＝モータ座標ベクトル：Θ＝［Θ1Θ2Θ3Θ4］Tである。ここに、Θ1−Θ4はモータの位置を記述する。
【００５０】
エンドエフェクタポールを、指定されたエンドエフェクタの向きで、デカルト空間中の連続軌跡（直線、円弧、など）に沿って動かすには、モータの速度を同調させなければならない。モータの速度は、実行する軌跡、向きの変化、及び動きのパラメータ（直線速度及び角速度及び加速度）に依存する。このタスクを解決するための第１のステップは、各サンプリングタイムにおけるエンドエフェクタの速度（直線速度及び角速度）を計画することである。通常は、ユーザーがエンドエフェクタの動きの最中における最大の直線速度及び角速度、加速度及びジャーク（加速度の１階導関数）の基準を指定する。これらの要求に合致する速度プロフィールの生成を制御システムが行う。各サンプリングタイムにおいて、速度プロフィール生成器は、エンドエフェクタの現在位置を考慮しつつ、エンドエフェクタの直線速度及び角速度を計算する。それらは、速度レベルでの逆運動学問題（Inverse Kinetics Problem）を解いて、ジョイント速度及びモータ速度に変換される。ジョイント速度とモータ速度を計算するためには、現在のモータ位置が入手可能でなければならない（モータ位置はエンコーダにより与えられ、位置レベルでの順運動学問題（Direct Kinematics Problem）の解法を通じてジョイント位置に変換される）。モータ速度は動作コントローラにロードされ、軌跡の終点に到達するまで、各サンプリングタイムで上記シーケンスが繰返される。図８は、これらの原理を具体化したコントロールのスキームを明らかにしている。
【００５１】
図１（ａ）を参照すると、従来技術のロボットアームカセット立体１０が示されており、これは、ロボットベース、リンクＬ１、Ｌ２、及びＬ３、及びエンドエフェクタ１８を備えている。ラジアル駆動モータであるサーボモータ１がラジアル駆動シャフト２０を駆動する。ラジアル駆動モータであるサーボモータ１は歯車列２８を動かして、歯車列２８がラジアル駆動シャフト２０を駆動する。
【００５２】
図１（ａ）及び図１（ｂ）では、長さ方向に延びる３つのリンクが存在する。各リンクは基端部分と末端部分とを有する。図１（ａ）のロボットアームについての詳しい説明は米国特許第5,064,340号に見られる。各々のリンクは、その基端部分が、対応するｎ番目の軸を中心にして回転可能に設けられている。すなわち、第１のリンクＬ１は、その基端部分が第１の軸２１を中心にして回転可能に設けられており、第２のリンクＬ２は、その基端部分が第２の軸２３を中心にして回転可能に設けられている、などである。エンドエフェクタ１８は、(ｎ＋１）番目の軸を中心にして、図１（ａ）及び図１（ｂ）の実施形態では、先行するリンクの末端部分（図示の実施形態では第３のリンクＬ３の末端部分）に位置する４番目の（エンドエフェクタ）軸２５を中心にして回転するように回転可能に設けられている。なお、これらリンクの軸とエンドエフェクタの軸とは、全て、互いに平行である。
【００５３】
ここに、米国特許第5,064,340号のロボットアームは、本発明の実施形態を有利に利用することのできる数多くのロボットアームのひとつにすぎない。例えば、限定するものではないが、米国特許出願第08/432,682号のロボットアームを使用してもよいし、この明細書や他の箇所で説明される他のアームを使用してもよい。
【００５４】
ベルト手段（破線で示す）は、各々、対応するｎ番目のプーリーによって回転する。第１のプーリーは、ラジアル駆動シャフト２０の駆動端部分によって回転する。図１（ａ）では、ｎ番目を除いた一連のベルト手段は、次に続くリンクをその軸を中心にして回転させるように設けられている。ｎ番目のベルト手段は、エンドエフェクタ１８を（ｎ＋１）番目の軸２５を中心にして回転させるように設けられる。図１（ｂ）では、ｎ番目のベルト手段が設けられておらず、その代りに、本発明に従い、サーボモータ３によってエンドエフェクタを回転させる。
【００５５】
ラジアル駆動要素の動作は米国特許第5,064,340号に述べられているものと実質的に同じである。各リンクの有効長さは、リンクの基端が回動可能に取付けられた第１の枢軸と次のリンクの基端部分が回動可能に取付けられた第２の枢軸との間の距離として定義される。回転可能なラジアル駆動シャフト２０はロボットベースに関して回転する。回転可能なラジアル駆動シャフト２０は、これと一体的に回転するプーリー駆動ホイールを駆動する。この駆動ホイールは第１の軸２１と同軸である。第１のリンクＬ１はロボットベースのベアリング構造に回動可能に取付けられている。
【００５６】
第１のリンクＬ１の末端部分には、第２の枢軸２３に沿って支柱が取付けられている。この支柱は第２の有効円筒面を有し、この第２の有効円筒面は第２の枢軸２３を中心とする円筒形状である。第２のリンクＬ２は、ベアリング２２によって、支柱に関して回動可能に取付けられており、これにより第２のリンクＬ２はその基端部分において第２の枢軸２３を中心にして回転可能である。第２のリンクＬ２は、第１のプーリー面に対向して整列された第２のプーリー面を有し、また、第３の軸２７の回りに位置する第４のプーリー面に対向して整列された第３のプーリー面を有する。図１（ａ）では、追加的なベルト・プーリー装置がエンドエフェクタ１８を回転させる機能を有し、エンドエフェクタ１８は、第２のリンクＬ２の末端部分に取付けられた支柱の回りのベアリングを介して、回動可能に設けられている。ベルトは、図１（ａ）の様々な軸を中心とした必要な回転を与える機能を有する。望ましいのであれば、第１の軸２１と第２の軸２３との間の第１のリンクＬ１に歯車装置を設けてもよい。このような構成は、前述の米国特許第5,064,340号に示されている。
【００５７】
本発明によれば、ラジアル駆動シャフト２０の軸２１を中心とした回転位置を表す量を測定してラジアル駆動シャフト２０の回転位置を示す電気信号を発生するために、ラジアル駆動センサー手段９０、実際にはインクリメンタルフォトエンコーダが設けられている。便利かつ正確性のために、ラジアル駆動シャフト２０の回転位置を表す、実際に測定される量は、シャフト２０の延長部２６の回転位置すなわちラジアル駆動モータつまりサーボモータ１の回転位置である。この２つの量は互いに比例するので、得られた電気信号は、所望の量つまりラジアル駆動シャフト２０の回転位置を示す。フォトエンコーダは、本質的には、光源と、光の経路が遮断されていないときに光源からの光を受けるように配置された光センサとから構成されてもよい（図１７ａ、図１７ｂ、この技術を記述するテキストを参照）。
【００５８】
線９２で示す手段は、ラジアル駆動シャフト２０の回転位置を示す電気信号を電子計算手段９６に伝達するために設けられている。同様に、ロータリー駆動センサ手段９８は、ロータリー駆動シャフト７８の回転位置を示す量を測定し、ロータリー駆動シャフト７８の第１の軸２１を中心とした回転位置を示す電気信号を発生するために設けられている。
この量は、実際には、中間シャフト６４で測定される。線１００で示す手段は、ロータリー駆動シャフト７８の回転位置を示す電気信号を電子計算手段９６に伝達するために設けられている。
【００５９】
電子計算手段９６は、様々なリンクの特定の長さ及び様々なプーリーの直径により規定される幾何学的な関係を利用して、ラジアル回転シャフト２０及びロータリー駆動シャフト７８の検出された回転位置からエンドエフェクタ１８の位置を計算するための位置計算手段１０２を含む。電子計算手段９６は、ラジアル駆動シャフト７８の回転数ｎｅで割ったロータリー駆動シャフト２０の回転数ｎRが「−Ｋ」と等しくなるように、ラジアル駆動モータつまりサーボモータ１及びロータリー駆動モータつまりサーボモータ２を制御するための駆動制御手段１０４を更に含み、これにより、半径方向の直線経路に追従し所望の位置に到達するようにエンドエフェクタ１８を位置決めする。「−Ｋ」の値は、非半径方向の直線経路に関しては、この関係を満足しない。この制御信号は、ラジアル駆動モータつまりサーボモータ１とロータリー駆動モータつまりサーボモータ２に夫々至る線１０６、１０８によって表されている。
【００６０】
図１（ｂ）は本発明の基本的な実施形態を示す。エンドエフェクタ１８は、サーボモータ３の作動によって、軸２５を中心にして回転し、この軸２５は、Ｙ軸又はヨー軸と呼んでＹ軸又はヨー軸とみなすことができる。この図示の実施形態では、サーボモータ３はリンクＬ３の末端に取付けられており、サーボモータ３のシャフトがエンドエフェクタ１８を直接的に回転させる。しかしながら、所望のヨー動作を与えるようにサーボモータ３を配置する限り、このサーボモータ３を所望の位置に設けてもよいことに留意すべきである。例えば、限定するものではないが、例えばサーボモータ１及び２の近くなどの、いずれかのリンク内にサーボモータ３を設けてもよい。サーボモータ３を軸２５に設けない場合には、ヨー軸を中心とする回転駆動が生じるように、ロータリー動作とラジアル動作を伝達するための前述したような適当なベルト・プーリー装置が設けられる。
【００６１】
図２は、図１（ａ）の装置の実用例を示す。ワークステーションＷとウエハカセットＣが、ロボットアームの軸２１から半径方向に等距離に配置されていないことに注意されたい。ヨー能力を用いることで、ワークステーションとカセットとが軸２１に関して半径方向に整列されていない場合であっても、エンドエフェクタ１８を各ワークステーション及びカセットの中にまっすぐに挿入することができるように、このエンドエフェクタ１８を整合させることが可能である。このようにして、ここで述べたロボットシステムは、完全に、直線的に並べられたカセットを取扱うべく軌道でロボットを運ぶ（移送する）高価な小型軌道システムに取って代わることができる。
【００６２】
図３（ａ）は、２つのアーム１０、１０’の連続した使用を示す。アーム１０の左方にあるアーム（図示せず）が、最も左側の３つのカセットのいずれかからウエハをピックアップして、このウエハを処理すべくその作業空間に運ぶ。処理に続いて、アームは、この作業空間の最も右側の共用カセット（陰影を付して示す）まで処理後のウエハを運ぶ。ここに、共用カセットとは、特定の共用場所にあるカセットとして定義されるものであり、継続的なカセットの各々は、ウエハが共用場所を通過するときに共用カセットとして機能する。アーム１０は、この方法で、作業空間の中のいずれかのカセットから処理後のウエハをピックアップし、処理するために運び、処理に続いて、この作業空間の最も右側の陰影を付したカセットまで運ぶ。次いで、アーム１０’が、同じような操作をする。必要数のアームを、このようにして次々と配置すればよい。
【００６３】
図３（ｂ）は、マルチ式の半径方向から離れたカセットの取り扱いを示す。コンベアベルトＢに連続的に並べられた幾つかのカセットのカセットＣは、コンベアベルトＢに示す方向に進行する。全てのプロセスは、各カセットのカセットが通過すべき別々のステージに分割されている。コンベアベルトＢは、所定のカセットのカセットがアームの作業空間（点線の四角によって描いてある）に入るまで移動する。ロボットアームは、作業空間の中のいずれかのカセットからウエハをピックアップして、処理後のウエハを次のカセットに運ぶ。このステージが完了した後、この作業空間から全てのカセットがコンベアベルトＢによって次の処理ステージまで搬送される。
【００６４】
図４は、半導体ウエハ（カセットＣの中にアライメントが狂った状態で収められている）を（ウエハがワークステーションＷへの経路を横断するときに）オンザフライ(on the fly)でセンタリングするためのヨー動作を備えたロボットアームの使用を示す。そのようなウエハは、通常、チャックの中に移動させてそのセンタリング及び回転をさせて、ワークステーションへ配送のために適当に整合させなければならない。本発明の実施形態によれば、エッジ検知デバイス、例えばＣＣＤセンサのような光学センサを、このセンサの範囲内にウエハを差し向けて、所定の位置からのウエハの中心のあらゆる偏位を検知するのに都合のよい場所に配設してもよい。次いで、センサアレイ（この例では単一のセンサがアレイを構成している）は、ヨーモータ（サーボモータ３）にミスアライメントを修正するように指示する電子コンピュータ制御回路に信号を送る。次いで、ウエハは、処理するのに適したアライメントでワークステーションＷに配送される。
【００６５】
図４の実施形態のウエハ操作の概要は以下のとおりである。
ポジションＡ：センタリングされていないウエハがソースカセットに入っている。エンドエフェクタ座標フレームはソースカセット座標フレームと一致している。エンドエフェクタは、ウエハをカセットから引出すまで、それ自身の座標フレームに関して移動する（縦座標軸に 沿って並進する）。
【００６６】
ポジションＢ：ウエハが測定領域に入る。エンドエフェクタ座標フレームに対するウエハ中心の偏位をセンサ（ＣＣＤ）の読取り値に基づいて計算する。ウエハ座標フレームの各軸はエンドエフェクタ座標フレームの対応する軸と平行である。
【００６７】
ウエハの搬送及びセンタリングフェーズ：ポジションＤに到着するまで、ウエハを並進及び回転させて、適切に位置決めする（縦座標軸を一致させた状態で、ウエハ座標フレームはデスティネーションカセット座標フレームと平行である）。エンドエフェクタは、ポジションＥに到着するまで、ウエハ座標フレームに関して移動すべきである（縦座標軸に沿った並進）。
【００６８】
ポジションＥ：ウエハがセンタリングされる。ウエハの座標フレームはデスティネーションカセット座標フレームと一致する。
【００６９】
図５は、図４と良く似ているが、矩形形状の表示パネルＰのために、オンザフライでの目的物のアライメントを示している。オンザフライでの進行を示すために、パネルＰをポジションＡ〜Ｄで示す。センサアレイは、この例では、３つのセンサを含み、２つのセンサでエッジを規定し、第３番目のセンサで直角のエッジを規定して、これによりパネルＰの位置を完全に定める。
【００７０】
図５の実施形態のパネルのセンタリング操作の概要は以下のとおりである。
ポジションＡ：フラットパネルがソースカセットに収められており、角度方向と直線方向とのミスアライメントがある。エンドエフェクタ座標フレームはソースカセット座標フレームと一致している。エンドエフェクタは、パネルがカセットから引出されるまで、それ自身の座標フレームに関して動く（縦座標軸に沿って並進する）。
【００７１】
ポジションＢ：フラットパネルが測定領域に入る。エンドエフェクタ座標フレームとフラットパネル座標フレームとの間の直線方向及び回転方向のオフカセットを、センサ（ＣＤＤ）の読取り値に基づいて計算する。ウエハ座標フレームの各軸はエンドエフェクタ座標フレームの対応する軸と平行である。
【００７２】
フラットパネルの搬送及び整合フェーズ:ポジションＣに達するために、パネルは並進及び回転されて、適切に位置決め及び方向調整される（縦座標軸が一致した状態で、パネル座標フレームはデスティネーションカセット座標フレームと平行である。）。エンドエフェクタは、ポジションＤに到達するまで、フラットパネル座標フレームに関し移動すべきである（フレイパネル(flay panel)の縦座標軸に沿って並進する）。
【００７３】
ポジションＤ：フラットパネルが整合される。フラットパネルの座標フレームはデスティネーションカセット座標フレームと一致する。
【００７４】
図６（ａ）は、ヨーモータを含まない従来のロボットアームの操作を示す。ウエハがポジションＡでピックアップされ、アームは、線分Ａ−Ｂに沿ってＲ方向に退却する（そして振動を発生するのをやめる）。次いで、アームは軸２１を中心として円弧Ｂ−Ｃに沿って回転する（そして更なる振動を発生するのをやめる。）。最後に、アームは、線分Ｃ−Ｄに沿ってＲ方向に伸長して、ウエハをポジションＤに載置する。図６（ａ）の右側のグラフはストップ／スタート動作を示す。
【００７５】
図６（ｂ）は、ポジションＡからポジションＤへの同一の動きを示すものであり、ここでは、円滑で制御されたやり方であり、特に半導体産業で行われる高速動作を鑑みて、相当な振動を発生させる中間停止を行わない。経路は連続軌跡Ａ−Ｄに沿っている。
【００７６】
図９は、３−ハンドエンドエフェクタ１１８を示し、この３−ハンドエンドエフェクタ１１８は、図１（ｂ）に示したエンドエフェクタ軸２５から１２０°の角度で延びるハンドを備えている。電子コンピュータ手段９６は、最も効率的な動作のために、位置計算手段１０２を用いて、ヨーモータ（図示のサーボモータ３）を制御し、これにより処理能力を向上させる。制御されたヨー動作を与えることにより、Ｚ軸と交差して動かなければならない軸を備えた（これにより更に効率的な動きができる）２−ハンド又は３−ハンドエンドエフェクタを具備する必要がなくなるとともに、Ｚ軸と交差した出入りの直線動を用いる必要がなくなる。
【００７７】
フラットパネル表示器等の取り扱いなどのために、エンドエフェクタ１８を、このエンドエフェクタ１８の長手方向軸線である、便宜のためにＥ軸として示すロール軸を中心にして回転させるための手段、例えば付加的な（第５番目の）モータによって付加的な自由度を与えてもよい。これにより、このようなパネルをロール軸を中心にして回転させて鉛直平面の中に入れることができる。
【００７８】
図２１ａ及び図２１ｂに示すような、エンドエフェクタ１８をそのロール軸３０４を中心に回転させるための最末端軸モータ３０２を、ある例では、特に、アームカセット立体１０を第１の軸２１に沿って移動させるエレベータ３１０を傾けるときに、第１の軸２１との平行関係からのカセット又はワークステーションのミスアライメントを修正するのに、（サーボモータ３のような）エンドエフェクタモータの代りに用いてもよい。基本的には、ウエハ／パネルを保持するカセット／ワークステーションのほぼ鉛直な軸に軸２１を整合させるのに十分にエレベータ３１０が傾くと、モータ３０２はエンドエフェクタ１８を傾けるように働いて、エンドエフェクタはウエハ／パネルに完全に適切な角度アライメントの状態で接近し、ウエハ／パネルをピックアップして、処理のために送り込む。必要とされる他の修正を以下に詳しく説明する。
【００７９】
実際には、図２１の実施形態は以下のように動作する。ピエゾ結晶３１１が、エレベータ構造３１０の軸の回りに、ほぼ等間隔で１２０°毎に設けられている。各ピエゾ結晶３１１は、フィードバックセンサ３１３により測定されたそれ自身の一般座標を有し、また、アームリンクの平面が所定の向きになるように適切に制御される。これらはロボットベース（ロアプレート）３２８の傾きを検知する。Ｙ軸モータ及び／又はＥ軸モータは以下に説明するように調節され、各モータの位置が検出されて、所望の向きと位置に到達するようにこれらのモータを制御するコンピュータコントローラに伝達される。
【００８０】
図示の実施形態では、エンドエフェクタ１８は、最末端のリンクと末端部分３１９とに回動可能に取付けられる基端部分３１７を含む。ロールモータ３０２は、基端部分３１７又はエンドエフェクタ１８の末端部分３１９に配置されている。図示のように、モータ３０２は基端部分３１７に堅固に取付けられ、モータシャフト３１５は末端部分３１９に堅固に取付けられている。従って、ロールモータ３０２のシャフト３１５が回転すると、末端部分３１９は、基端部分３１７に関してロール軸３０４を中心に回転する。Ｙ軸モータのときのように、Ｅ軸モータのための図示の装置を用いなくてもよい。他方、Ｅ軸モータを配置してもよく、必要であれば、所望のロール動作をさせるのにベルト・プーリー装置を設けてもよい。しかしながら、一般的には、図示のようなロールモータを設置するのが好ましい。
【００８１】
本明細書の他の場所で述べる性質の適当なセンサは、基端部分及び末端部分の相対的な位置を測定するのに役立つ。その情報はコンピュータコントローラへ伝達され、コンピュータコントローラは、基端部分と末端部分の相対的な位置を制御するために、制御信号をモータに送る。これによってロール動作を与える。Ｙ軸動作は、本明細書の他の箇所で述べるように、Ｙ軸モータの作動によって与えられる。全て動作は、様々なモータのシャフトの位置を検知してこの情報をコンピュータへ伝達するセンサを用いて、コンピュータにより制御される。
【００８２】
図２２は、本発明のある実施形態に有用な、ほぼ全方向の傾きを調節することのできるエレベータ構造３１０を示している。エレベータ構造３１０は、退却した形態（実線）と伸長した形態（破線）とで示されている。
【００８３】
エレベータ構造３１０は、２つの別個の部分からできており、すなわち、堅固なフレーム３１２は、上向きのほぼ平坦な面３１６を備えたベース３１４と、上端構造部分３２０を備えた堅固な鉛直構造３１８（この堅固な構造３１８は、平坦な面３１６とほぼ直交して上端構造部分３２０まで上方に延びている）と、上端構造部分３２０に設けられたフランジ３２２（このフランジ３２２は平坦な面３１６とほぼ平行である）とを含む。
【００８４】
エレベータ３１０の第２の部分は、堅固なフレーム３１２に入れ子状に取付けられた昇降可能な可動構造３２４である。可動構造３２４は、フランジ３２２の開口３２５を通って上下動する。昇降可能な可動構造３２４は、アッパープレート３２６と、アッパープレート３２６と平行に、このアッパープレート３２６から離間して配置されたロアプレート３２８と、同一平面にはない直線状に延びる少なくとも３つの略平行な部材３３０とを含む。各部材３３０は、上端部分３３２と下端部分３３４とを備えている。各部材３３０はアッパープレート３２６からロアプレート３２８に延びている。部材３３０は、各々、プレート３２６及び３２８に関してほぼ直交している（正確には、傾斜中は直交していない）。一般的に、同一平面にない部材３３０は、アッパープレート３２６及びロアプレート３２８の周回りに実質的に等間隔に離間されている。
【００８５】
複数のアッパーユニバーサルジョイント３３６がアッパープレート３２６によって支持されている。ここで用いる用語「ユニバーサルジョイント」は、２自由度又は３自由度のジョイントを含むとともに、結合されるプレート又は他の部材の動きを制限するのに使用できる他の運動学的に等価なあらゆるジョイントを含む。アッパーユニバーサルジョイント３３６の数は、直線状に延びる部材３３０の数と同じである。各アッパーユニバーサルジョイント３３６は、直線状に延びる部材３３０の各上端部分３３２をアッパープレート３２６に取付けるために配置されている。同様に、ロアプレート３２８によって支持される複数のロアユニバーサルジョイント３３８が設けられている。ロアユニバーサルジョイント３３８の数は、直線状に延びる部材３３０の数と等しい。各ロアユニバーサルジョイント３３８は、直線状に延びる部材３３０の下端部分３３４をロアプレート３２８に取付けるために配置される。
【００８６】
図２３に示すように、モータ手段３４０が、一般的に、ベース３１４によって堅固に支持される。モータ手段３４０は、直線状に延びる部材３３０の各々を、他の直線状に延びる部材３３０から独立して、ベース３１４に対して接離動作させる。好ましいモータ手段３４０は、３つの独立したモータからなり、図２３には、その一つを参照符号３４２で示してある。各モータは、ベルト・プーリー装置３４４を介して、ベース３１４に関し及びフランジ３２２に関して回転可能に取付けられたリードスクリュー３４６を回転させる。直線状に延びる部材３３０にはブラケット３５２が取付けられており、このブラケット３５２は延長アーム３５４を有し、この延長アーム３５４のボア３５６は、リードネジ３４６と係合する例えば（好ましくは）ボールネジベアリングまたは雌ネジのようなネジフォロア構造３５７を有する。これにより、モータ３４２が駆動すると、リードネジ３４６の回転は、モータ３４２の回転方向で規定される方向にブラケット３５２を動かし、これが直線状に延びる部材３３０を直線動作させる（そして、すべてのモータが同じように回転しない場合にはアッパープレート３２６を傾け、また、ロアプレート３２８を傾ける）。変形例として、複雑なプーリー・ベルト装置、適当な歯車装置及び／又はクラッチと組合わせた単一のモータを用いてもよい。
【００８７】
本発明によるエレベータ構造３１０は、この明細書の他の箇所で述べるように、物体位置決め装置３６０と組合わせると便利であり、装置３６０は、昇降可能な構造３２４に好適に取付けることができ、一般的には、図２４に示すようにアッパープレート３２６又はロアプレート３２８に取付けられる。図に示すように、装置３６０は、アッパープレート３２６に取付けられている。図２４に示す特定の装置は、前部アーム３６４に回動可能に結合されたエンドエフェクタ３６２を備え、前部アーム３６４は基端アーム３６６に回動可能に結合され、基端アーム３６６は支柱３６８の軸３６９を中心にして回動可能に結合され、支柱３６８は、従来と同様に、Ｚ軸の動作を提供するために、鉛直に動かされる。エンドエフェクタ３６２は、従来と同様に、半導体ウエハその他の物をピックアップするのに便利な真空ピックアップ手段を備えていてもよい。すべての要素は、従来と同様に、制御手段すなわち計算手段９６によって制御される。
【００８８】
テーブルの形成において、勿論、固有の弾性がなければならない。一つ実施形態では、上述したユニバーサルジョイントがいくらかの弾性を有し、ロッド及びテーブルは堅固である。そのような弾性が必要な理由は、テーブルが傾斜したときにジョイントの中心間の直線距離が変化するからである。図４０は対称な関係（すべてのプレートが平行）にある傾斜機構を示す。この形態では、夫々のジョイント３３８1、３３８2の互いの中心間距離（Ｉ）は、この対称な関係が維持されている場合には、等しい。しかし、図４１に示すように、アッパープラットホーム３２６の第１の端部３２６1が第２の端部３２６2よりも高くなると、ユニバーサルジョイント３３８1、３３８2の各中心間距離（Ｉ）は、対称な場合に比べて距離ｄ１だけ大きくなる。このため、ユニバーサルジョイントは、テーブルが動いたときの距離ｄ１の変化を許容するのに十分な弾性を備えていることが必要になる。図４２は第１の解決策を示しており、ここに、ブッシュは、変化ｄ１を許容するために、その中に配置された弾性要素を備えている。図４３は第２の解決策を示しており、ここに、ロッド自体が弾性的に変形できる。ロッドとジョイントの両方において、その構造に用いられた材料の有限の剛性によって弾性が生じることは当業者には明らかであろう。
【００８９】
図４４乃至図４７は、図２２乃至図２６に示したエレベータテーブルに代る他の実施形態を示す。この実施形態では、エレベータ構造をコンパクトな装置にするために、アーム部材３３０−１の中にエレベータスクリュー３４６−１が設けられており、ロボットのための物理的なスペースが制限された用途に適している。フレーム３１２の基部にはスプリング部材３６０が配置され、平行なアーム部材３３０−１が回転しないようにしている。３つのモータ手段３４４−１、３４４−２、３４４−３は、３つのベルト・プーリー装置３４４−０１、３４４−２、３４４−３にそれぞれ結合されており、上述の説明に従ってスクリューを回転させてプラットホーム３２２−１を上下動させる。
【００９０】
適当な位置測定センサシステム３７０（図２４）は、（ａ）ワークピースに平行なエンドエフェクタ３６２の末端から長手方向前方へ第１の信号（例えば光又は音信号）を送るための信号送信手段と、（ｂ）衝突エネルギーを示す信号を供給するための信号検知手段（例えば光又は音信号検知器）と、（ｃ）ワークピースからの第１の信号の反射によるエネルギーを集めて、そのエネルギーを信号検知手段に伝達するためのエネルギー収集伝達手段とを含む。夫々のワークピースの各々からの第１の信号の反射によるエネルギーの有無を示す信号を制御手段に伝達するためのステータス信号伝達手段が設けられている。
【００９１】
位置測定センサシステム３７０は、ピックアップするべきウエハ、パネル、カセット、又はワークステーションが適切に位置決めされているか、又は、アライメントが狂っていくらか斜めになっているかを検知するためにエンドエフェクタ３６２に設けられる。アライメントが狂っている場合には、エレベータ構造３１０を用いて物体位置決め装置３６０全体を傾けて、エンドエフェクタ３６２の真空ピックアップがウエハを適切にピックアップするように位置決めされる。エンドエフェクタ３６２は、ｎ番目の軸２５のまわりに、又はエンドエフェクタ３６２の縦軸３０４のまわりにおいて、それぞれサーボモータ３又はモータ３０２を用いて適当に傾けられる。基本的には、エレベータ構造３１０の傾きは、サーボモータ３とロールモータ３０２を用いて調節され、半導体／パネルのプロセス動作において、ウエハ／パネル／などがウエハ／パネルの処理ステーションに配達するために適切な位置になるようにする。図２４を参照すると、物体位置決め装置３６０は２つの位置において示されており、一方はロッド３６８とエレベータ３１０が共に完全に退却した状態であり、他方はエレベータ３１０と物品位置決め装置３６０が少なくとも部分的に伸長した状態である。
【００９２】
物体位置決め装置３６０は、図示の実施形態ではアッパープレート３２６により支持されている、底部３６３を有する。物体位置決め装置３６０は、フランジ３２２の略中央の開口３２５を通ってアッパープレート３２６の上に伸びる。図２２乃至２４に示した特定の実施形態では、３つのリードネジ／ブラケット／直線状に延びる部材の組合わせ（一つだけ示す）が、フランジ３２２のまわりに、この例では円形に、等間隔に設けられる。構造の剛性は堅固な鉛直構造３１８によって与えられ、図示の特定の実施形態では、３本の堅固な管体がベース３１４からフランジ３２２へと取付けられている。
【００９３】
図２５及び図２６に示されるように、第１の膜３８４に空気圧シリンダ３８６が取付けられている。第２の膜３８２にはボルト３７９により堅固にフランジ３９２が取付けられている。シリンダ３８６に圧力をかけると、シリンダロッド３８９はフランジ３９２に力を及ぼす。フランジ３９２はこの力を第２の膜３８２へ伝達する。結果として、エレベータ３１０の底部にボルト３９１で堅固に取付けられている第２の膜３８２は、上方へ屈曲する。同時に、第１の膜３８４は下方へ屈曲する傾向をもつ。
【００９４】
膜３８２、３８４の変形をコントロールするための他の機構が設けられている。第１の膜３８４の下に間隔を隔ててフランジ３８５が設けられている。構造３８８の上端部分３９３がフランジ３９２に取付けられている。構造３８８は、非接触の関係で第１の膜３８４を貫通して延び、その下部部分がフランジ３８５に取付けられている。調節機構３８７により、フランジ３８５を第１の膜３８４に対して近づけたり遠ざけたりすることができる。従って、フランジ３８５と第１の膜３８４との間のギャップ３８１は、シリンダロッド３８９の移動量を決定し、それにより第１の膜３８４と第２の膜３８２の変形程度を決定する。
【００９５】
図２７及び図２８は本発明の実施形態を示し、ここに、Ｅ軸及びＹ軸と直交する、エンドエフェクタのピッチ軸（Ｊ軸と称する）を中心にした他の動作を提供する。エンドエフェクタ１８の基端部分と末端部分との間で働くピッチモータが設けられて、Ｊ軸のまわりの相対回転を与える。この動作は、フラットパネルを水平位置から鉛直位置に回転させるのに便利である。また、例えば水平なカセット又はワークステーションから鉛直なカセット又はワークステーションにカセットを容易に搬送するのに便利であり、又は、水平に整列されたカセット以外（カセット１、２、及び３を参照）から単に出し入れするのに便利である。Ｙ軸動作とＪ軸動作の両方が与えられれば、カセットを半径方向に整列させる必要はない。
【００９６】
最大限の多様性のために、単一のエンドエフェクタにＹ軸動作、Ｊ軸動作、Ｅ軸動作を与えてもよい。Ｊ軸動作とＥ軸動作の両方を与える場合には、Ｊ軸動作、Ｅ軸動作が得られるように、エンドエフェクタが、その基端部分、中央部分、及び末端部分を備えることが必要になる。Ｊ軸モータは、適当なセンサ、コンピュータコントローラへの信号の伝達、コンピュータコントローラからＪ軸モータへの制御信号の伝達を介して、他の全てのモータと同様に制御される。
【００９７】
再び図２１ａ及び図２１ｂを参照すると、図示のロボットアームは７自由度を有し、三次元空間でコントロールされた全般的な動作が可能である。Ｙ軸とＥ軸の組合わせは、Ｒ及びθの２自由度で可動の「平面的な」二次元アームに取付けられた２自由度の手首とみなすことができる。アーム全体は、鉛直（Ｚ軸方向）に動くプラットホームに球状に動くように取付けられている。球面ベアリングを中心とするアームの回転（傾き）は、３つのピエゾ結晶によりコントロールされる。各ピエゾ結晶は、それ自身の一般化された座標系をもち、この座標系は、他の箇所で述べたように、それぞれのフィードバックセンサにより測定される。これは、リンクの平面が所定の向きになるように適切に制御される。
【００９８】
図２９ａ及び図２９ｂは、ヨーモータと２つのエンドエフェクタ７１８とを備えたロボットの実施形態を示しており、各エンドエフェクタの末端部分７１８ａ、７１８ｂは、それぞれのピッチ軸７２０ａ、７２０ｂを中心にして、コンピュータコントローラ９２に結合されてこのコントローラによって制御される各自のピッチモータ７２２ａ、７２２ｂと適当なセンサ７２４ａ、７２４ｂとを用いて回転可能である。これにより、ワークピースを再位置決めするときにワークステーション又はカセットを扱うのに必要な時間を最小にすることができる。ワークピースは、ピッチ軸を合わせることを介して、第１のエンドエフェクタ部分によってピックアップされて、ワークステーションで、第２のエンドエフェクタ部分に既に準備されたワークピースに置換される。
【００９９】
図３０ａ及び図３０ｂは、鉛直に整列されたカセットＣ及び水平に整列されたカセットＣの両方からワークピースをピックアップする、Ｊ軸を備えたロボットアームを示す。
図３１ａ及び図３１ｂは、２つのエンドエフェクタを備え、各手首部分がＹ軸動作、Ｊ軸動作、Ｅ軸動作するロボットアームを示す。これにより全方向に調節可能な手首が得られる。ロボットは、θ、Ｒ、Ｚ、Ｙ、Ｅ、及びＪ軸の動作を用いることにより、カセット／ワークステーションの軸のＺ軸に関するミズアライメントを補償ができるので、この構造では傾斜可能なエレベータは必要ではない。
【０１００】
作業空間において、アームは、あらゆる任意に置かれたカセットに到達することができ、また、ワークピースをピックアップ又は適当な入口にカセットを接近させることができる。
【０１０１】
カセット中で傾いているワークピースをピックアップし、又は、Ｚ軸に関して傾いているカセットからワークピースをピックアップするためにエレベータを傾けたときには、エンドエフェクタ１８の位置決めに関する修正をすることが重要である。この修正が必要とされるのは、この傾斜が、ロボットアーム１０を取付けたエレベータプラットホームについてのものであり、エンドエフェクタがエレベータのプラットホームの平面から離れた平面内にあることによる。これらの修正は図３２乃至図３４ｂから理解されよう。
【０１０２】
図３２は、ロボットアーム１０と傾斜可能なエレベータを示し、ここに、アーム部分は２つの異なる位置で図示されている。カセットの縦軸のミスアライメントを修正すべくエレベータプラットホームが水平から傾くと、ｄαと示された角度の修正によって、それぞれｄＲ及びｄＺと示したＲ及びＺ方向に誤差が生じる。コンピュータコントローラは、既知の幾何学的情報及び既知のｄαの値から要求Ｒ及び要求Ｚの修正を行う。
【０１０３】
図３３は、細長いカセットのミスアライメントを補償する場合に必要な修正を示している。ここでも、アームは２つの位置で図示されている。エンドエフェクタの平面とロボットアームが支持されているエレベータプラットホームの平面とが分れていることから、プラットホームの角度の変化ｄαは、エンドエフェクタのヨー、Ｒ、及びθの方向の誤差につながる。再び、コンピュータコントローラは、既知の幾何学的情報及び既知のｄα値を考慮して必要な修正を計算してこれを実行する。図３４ａ及び図３４ｂは誤差を示しており、図３４ａは修正前の状態であり、ここに、右手のアームが、ロボットアームのＺ軸のシフトｄｓにより距離ｄｒだけオフカセットしている。図３４ｂは、エンドエフェクタを図３４ａの右手のアームから必要な位置及び向きにシフトさせるｄθ、ｄＹ、ｄＲ（Ｒ２−Ｒ１）の修正を示す。
【０１０４】
特定の傾き可能なエレベータ構造について説明したけれども、当業者には明らかなように、コンピュータで制御できる傾き可能な他のエレベータで置換してもよく、また、この特定分野の改良は、傾き可能なエレベータと、コンピュータで制御される１以上の手首軸を中心とした回転動作の追加的な自由度との組合わせと協調にある。
【０１０５】
本発明によれば、上述したように装置を使用することから、水平（又は他の装填向き）からミスアライメントされ且つ間隔を隔てて積重ねられた複数のワークピースの一つである見かけ上は水平な（便宜上、ワークピースが水平に配列されているものとして述べるが、初期の向き限定されない）ほぼ平らなワークピースをピックアップするための方法が提供される。基本的には、エンドエフェクタ３６２はワークピースの付近まで移動する。エンドエフェクタ３６２のセンサ３７０を用いて、各ワークピースをピックアップする前に各ワークピースのアライメントを測定する。いずれかのワークピースが整列していないときには、そのミスアライメントの程度を測定してコンピュータ制御手段９６に伝達する。コンピュータ制御手段９６を用いて、モータ手段３４０とサーボモータ３及び／又はモータ３０２と物体位置決め装置を制御して、エンドエフェクタ３６２を整列つまり調整して、ミスアライメントのワークピースをピックアップする。次いで、再びモータ手段３４０を制御して、ワークピースを所望の向きに位置決めする。
【０１０６】
また、本発明は、ｎ個の長手方向に延びるリンクを備え、ｎが２以上の整数の場合には、各リンクが基端部分と末端部分とを備えたアーム構造１０を制御するための方法を提供する。かかる方法では、ラジアル駆動シャフト、ロータリー駆動シャフト、及びエンドエフェクタ駆動シャフトの回転位置が全て測定される。
【０１０７】
この回転位置を表す電気信号が生成される。各種の駆動シャフトの回転位置を示す電気信号は電子コンピュータ手段に伝達されて、図８でブロック図で示す方法で処理される。電子コンピュータ手段は、駆動シャフトの回転位置を表す電気信号からエンドエフェクタ１０の軌道を計算する。コンピュータ手段は、また、駆動モータを制御して、エンドエフェクタを移動させてそのリーチ範囲内の所望の位置に位置決めする。
【０１０８】
図３５ａ及び図３５ｂは、複数のＹ軸エンドエフェクタ（２つのエンドエフェクタ１００２、１００４が示されているが、それ以上が実用的であり且つ容易に実施できる）を備えた本発明の実施形態を示し、各エンドエフェクタは、２つのハンド部分１００２ａ、１００２ｂ及び１００４ａ、１００４ｂを有するという意味で、デュアルエンドエフェクタである。図から分かるように、２つのエンドエフェクタ１００２、１００４のＹ軸は同じに延びている。別々のＹ軸モータ１００６、１００８は各エンドエフェクタ１００２、１００４を共通のＹ軸１０１０を中心に駆動する。この駆動手段の詳細は図３６に最も良く示されている。図３５ｂは、明確化のために、エンドエフェクタ１００２、１００４を互いに直角に示している。しかし、本実施形態の利点は、図３５ａに示されるように、２つのエンドエフェクタの一方が他方の下方に位置しており、交互に回転できることにある。また、両方のエンドエフェクタ１００２、１００４としてデュアルハンドのエンドエフェクタを示しているが、一方又は両方をシングルハンド、ダブルハンド、トリプルハンドなどにすることができることも明らかである。ここで述べる他の実施形態と同様に、各Ｙ軸モータの位はセンサにより決定されて、その情報はコンピュータコントローラ９２に伝達され、コンピュータコントローラ９２は、これらの作動を、Ｒ、Ｚ、θ軸モータとエレベータのモータの動作とともにコントロールし互いに関連付けて非常に多様な動作を提供する。
【０１０９】
図３６を参照すると、モータ１００８は、互いに噛合う歯車装置１０１２を介して中空の円筒状シャフト１０１４を回転させる。シャフト１０１４はベアリング１０１６を介して支柱１０１８に支持されており、支柱１０１８は、ロボットアーム１０の最末端のリンクの末端部分から上方に延びるように支持されている。シャフト１０１４の最下部１０２０は、エンドエフェクタ１００４を駆動すべくその中心部分１００４ｃに結合されている。同軸の中空の円筒状のシャフト１０２２は、ベアリング１０２４を介して、シャフト１０１４によって支持されている。シャフト１０２２の最下部１０２６は、エンドエフェクタ１００２を駆動すべくその中心部分１００２ｃに結合されている。モータ１００６は、互いに噛合う歯車駆動列１０２８を介して、シャフト１０２２を回転駆動させる。
【０１１０】
Ｙ軸を中心として回転する同軸のシングルのエンドエフェクタを２以上設けることの利点は、ロボットアームの最小作業範囲を小さくできることである。図３７は、単一のＹ軸とダブルの（ハンドが２つの）エンドエフェクタとを備えたロボットの最小作業範囲を示している。この構造で、２つのアームを備えるのに必要な最小作業範囲を円で示してある。図３８は、一対のシングルの（各ひとつのハンドの）エンドエフェクタであるが、ダブルＹ軸駆動機構を備えて各エンドエフェクタがそれぞれのモータにより独立にコントロールされるものについて、最小作業範囲を再び円で示したものである。エンドエフェクタの一方を他方の上に積重ねることができるため、最小作業範囲は小さくなる。
【０１１１】
２つのＹ軸駆動機構とデュアルのエンドエフェクタとを組合わせると、エンドエフェクタの両方のハンド部分を、θ軸のまわりに回転させることなしに、同一のカセット又はプロセスステーションに届かせることができる。デュアルのエンドエフェクタを、それぞれが別々のＹ軸モータで駆動される２つのシングルエンドエフェクタに置換することによって、最小作業範囲を広げることなしに（最小作業範囲は、一方のエンドエフェクタを他方に重ねることができるために、シングルエンドエフェクタを備えたＹ軸回転可能なロボットと同じになる）、プロセスステーションでのウエハの交換を非常に迅速にできるようになる。そのような交換は多くのウエハプロセス処理において障害になる。
【０１１２】
図３９ａ乃至図３９ｆは、上述した実施形態の一例を示す。図３９ａでは、ワークステーションに処理済みウエハが存在し、アームはこれから処理すべる他のウエハを保持している。アームは、図３９ａの位置から図３９ｂの位置に向けて直線に沿って伸び、次いで、図３９ｃの位置へ直線に沿って退却する。これらの動作中、両方のＹ軸モータが同軸の２つのＹ軸を中心とした動きを駆動して、直線経路を保証し、また、作業範囲（図中の水平な直線同士の間の空間）の未処理ウエハをエンドエンドエフェクタが保持することを確実にする。図３９ｄは、処理の完了したウエハを右まわりに回転させて、まだ処理されていないウエハをワークステーションへまっすぐに挿入し始めるところを示す。図３９ｅ及び図３９ｆは、ワークステーションへの未処理ウエハの装填の完了を示す。
【０１１３】
図１０乃至図１２は、本発明の実施形態によるカエル足タイプのリンク機構を示す。ロボットアーム機構４１０は、異なる高さの管状部材４１６、４１８を介してカエル足タイプのリンク機構４１４を支持する比較的動きのない（静的）構造４１２を含んでいる。
【０１１４】
カエル足タイプのリンク機構４１４は一対の基端側のリンク４２０、４２２を有し、リンク４２０、４２２は、基端部分４２４、４２６と末端部分４２８、４３０とを備えている。基端部分４２４、４２６は、機構４１０の肩部分として後に述べる箇所で、管状部材４１６、４１８に基端部の軸４３２、４３４を中心に回転可能に取付けられている。一対の末端側のリンク４３６、４３８は、機構４１０の肘部分として後に述べる箇所で、基端側のリンク４２０、４２２の末端部分４２８、４３０に軸４４４、４４６を中心に回転可能に取り付けられた基端部分４４０、４４２を備えている。末端側のリンク４３６、４３８は、機構４１０の手首部分として後に述べる箇所で、末端の軸４５４を中心に互いに関して、また、エンドエフェクタ４５２に関して回転可能に設けられている。異なる長さのリンクを使用することも可能ではあるが、基端側のリンク４２０、４２２を互いに同じ長さとし、また、末端側のリンク４３６、４３８も互いに同じ長さとすることが非常に望ましい。もっともすべてのリンクの長さを等しくすることは必要ではない。
【０１１５】
図１０乃至図１２の実施形態では、所望の動作を提供するために３つのモータが設けられている。図１１には肩部分のモータ４５６が示されている。モータ４５６は、図１に矢印で示すように、肩部分での動きを提供する。図１０には肘部分のモータ４５８が示されている。肘部分のモータ４５８が基端側のリンク４２０の長さ方向に伸縮すると、肘のまわりの回転が生じる。図１１及び図１２に示すヨーモータ４６０によって、手首部分のまわりのヨー動作が生じる。電子プロセツサ９６は、信号受信線９２で示すように、肩部分のモータ４５６の回転及び手首部分のモータ４６０の回転の程度ならびに肘部分のモータ４５８の伸縮の程度を表す信号を受信するように接続されており、これらの量を測定するためのセンサが取付けられている。また、電子プロセッサ９６は、１００、１０６、１０８で示す制御ラインを介して、エンドエフェクタ４５２を所望の向きに位置決めするように、モータ４５６、４５８、４６０の動作をコントロールする信号を伝達する。リンク機構４１４のリンクは互いに結合されて一緒に動くように束縛されているので、あらゆる所望の動作を与えるのに１つの肩部分モータと１つの肘部分モータだけで十分である。必要又は希望するならば、Ｅ軸及び／又はＪ軸の動作や傾斜エレベータを備えることもできる。
【０１１６】
図１３は本発明の実施形態による別のカエル足タイプの構造を示している。図示のロボットアーム機構５１０では、異なる位置にモータ５６０が取付けられて、モータ５６０のシャフト５６８の回転動作によって手首の動きが得られる。シャフト５６８が回転すると手首が駆動されるように適当なベルト・プーリー手段が設けられている。シャフト５６８はプーリー５７０を回転させ、プーリー５７０はベルト５７２及びプーリー５７４を介して、ベアリング５７８の中で回転するシャフト５７６を回転させる。シャフト５７６はプーリー５８０を回転させ、プーリー５８０は、ベルト５８２及びプーリー５８４を介して、ベアリング５８８の中で回転するシャフト５８６を回転させ、このシャフト５８６は、その上端部分５９０がデュアルのエンドエフェクタ５５２を回転駆動するように結合されている。
【０１１７】
図１３に見られるように、肘部分のモータ５５８の回転軸５９２はプーリー５９４を回転させる。この駆動力はベルト５９６によってプーリー５９８に伝達され、プーリー５９８は、ベアリング６０２の中のシャフト６００を回転させる。
【０１１８】
シャフト６００の上端部分６０４は末端側のリンク５３６の基端部分５４０に結合され、これにより基端側のリンク５２０と末端側のリンク５３６との間で肘部分を中心に相対回転させる。
【０１１９】
図示の両方の実施形態では、肘部分のモータが、対向するリンク機構つまり肩部分のモータのものとは別の対の基端側のリンクと末端側のリンクを駆動するように連結されている。これは構造を簡単にするためである。図１３の実施形態では、肘部分の動きと手首部分の動きとを提供するベルト・プーリー装置が反対側のリンクに設けられているが、そうでなければこれらは互いに干渉することだろう。
【０１２０】
図１４は図１３と非常によく似ている。異なる点は、プーリー５８４からシャフト５８６が延びている方向と、これに対応して、関連するリンク及びシャフト６００の位置が変化している点である。
【０１２１】
上述したカエル足タイプの構造では、静的構造物の内部にモータを収めたけれども、非真空環境の場合、又はスペースが問題にならない真空環境の場合に、手首と肘のモータを隣り合せに取付けたり、カエル足タイプ以外の実施形態と同様に手首や肘の箇所に取付けたりすることもできる。
【０１２２】
図１５ａ及び図１５ｂは、アーム機構５１０、６１０のリーチを模式的に示した上面図である。図１５ａでは、複数のワークピースを収納するカセット６０５（２つ図示している）と、ワークステーション６０６を示している。ワークステーション６０６とカセット６０５とはともにロボットアーム機構５１０、６１０の中心から半径方向には配置されていないので、Ｒ及びθ方向にのみ動作可能なアームは、本発明のアーム機構５１０、６１０のエンドエフェクタ５５２と同じようには、そのエンドエフェクタをカセットやワークステーションに鉛直に進入させることはできない。アーム機構５１０、６１０においては、カセット６０５／ワークピース６０６のどれに対しても、整合して互いに直交するように進入、退出することができる。たとえワークステーション６０６とカセット６０５が肩部分に対して半径方向の方向に整列されていなくとも、ヨーの能力を用いることによって、各ワークステーション６０６とカセット６０５に対してまっすぐにエンドエフェクタが挿入されるようにこれを整合させることができる。このようなやり方により、上述のロボットシステムは、直列に配列されたカセットを取扱うために、軌道でロボットを運ぶ（移動さる）高価な小型軌道システムに、全体的に、とって代わることができる。これらの動作は、手首モータの存在によって得られる。図示の２つのハンド５５２ａ、５５２ｂのような２以上のハンドを備えたエンドエフェクタ５５２を用いることは特に効率的であり、停止時間に迅速な動作を提供できる。常識的に、追加のハンドを使用すれば利点を増大させる。３つのハンドのエンドエフェクタによれば、さらに動作効率を高めることができる。もちろん、複数のワークピースがスペースを占有する一方、カセットは限られたサイズの開口しか持たないので、動作の干渉が生じるほどにはハンドの数を増やすべきではない。
【０１２３】
リンクが上下方向に互いにオフカセットしているので（図１３及び図１４参照）、リンク機構５１４が互いにすれ違い、静的構造５１２の上を通過することができて、図１５に示した動作が可能になることに注目すべきである。
【０１２４】
本発明によれば、肩部分のモータセンサ手段６２０（図１３に示す）、実際には、インクリメンタルフォトエンコーダを設けて、肩部分のモータの駆動シャフト６２２の軸５４４のまわりの回転位置を示す量を測定し、肩部分のモータの駆動シャフト６２２の回転位置を示す電気信号を発生させる。実際には、そのようなモータセンサはモータハウジングの延長部分６２１中に内蔵されたものが市販されている。得られた電気信号は、所望の量、すなわち肩部分のモータの駆動シャフト６２２の回転位置を示している。フォトエンコーダは、本質的には、光源と、光の経路が遮断されていないときに光源からの光を受けるように配置された光センサとからなる。光源からの光線は、回転シャフトと平行な方向に差し向けられる。ここに、回転シャフトには光源と光センサとの間になるように円板が取付けられて光線中に侵入している。円板には透明な部分と不透明な部分とが交互に設けられており、モータが回転しているときに光センサが発生するパルスの数は、モータの回転速度、つまりシャフトの回転位置を表す。図１７ａ及び図１７ｂにその構造を示す。
【０１２５】
線９２（図１２）で示した手段は、肩部分のモータの駆動シャフトの回転位置を示す電気信号を電子計算手段９６へ伝達するためのものである。同様に、フォロア６２６の伸縮の量（図１０ないし図１２）を表す量、または、肘部分モータ駆動シャフト５９２の回転位置を示す量（図１３）を測定を測定して、この測定した量を表す電気信号を発生するための肘部分モータ駆動センサ手段６２４が設けられている。ここに、フォロア６２６は、図１０の肘部分のモータ駆動シャフトに螺合され、その回転に伴って伸長する。フォロア６２６は末端側のリンク５３６の基端部分５４０に取付けられており、フォロア６２６が肘部分のモータ駆動シャフトの回転によって動くと、リンク間の角度が変化する。これに代えて、より一般的には、図１７ａ及び図１７ｂに示したセンサを用いてシャフト５９２の回転を測定し、その情報とシャフト５９２のネジのピッチの大きさとから伸縮量を計算し、その結果と既知の幾何学的な関係とから基端側のリンクと末端側のリンクとの間の角度を計算して、これを希望するように調節してもよい。線９２で示した手段は、フォロア６２６の位置、又は、肘部分のモータ駆動シャフト５９２の位置を示す電気信号を電子計算手段５６２に伝達するためのものである。
【０１２６】
図１７ａ及び図１７ｂに本発明のセンサ手段を示す。モータ５６０、５５８、５５６のハウジング中の各モータ軸５６８、５９２、６２２の延長部分７００は円板７０２を有し、円板７０２は延長部分７００と一体的に回転する。図１７ａでは符号７０４で示す各センサ６２０、６２４、６２７は、円板７０２の下面に光線を照射して、反射が生じた時を検知する。円板７０２は、複数の反射部分を有し、これらの反射部分は、複数の反射しない部分又は開口部分によって分離されている（図１７ｂ参照）。光線は反射部分のみで反射される。反射部分と非反射部分の位置及び間隔は既知であり、得られる信号は各軸の回転速度に比例する。
【０１２７】
電子コンピュータ手段５６２は、その動作を図８に模式的に示してあるが、種々のリンクの特定の長さ及び種々のプーリーの直径により定る幾何学的関係を用いて、各駆動シャフト及び／又はフォロア６２６の検出された位置からエンドエフェクタ５５４の軌道を計算するための軌道計算手段を含んでいる。更に、電子計算手段５６２は、あらゆる任意の平面曲線（必要なら直線を含む）であってよい所望する軌跡に沿ってエンドエフェクタの軌道５５４が動くように、肩部分の駆動モータ５５６と肘部分の駆動モータ５５８とを制御する駆動制御手段を含んでいる。
【０１２８】
図１８ａ及び図１８ｂは、ワークピースアライメントチャック８０２と関連させてエンドエフェクタ５５２に設けられたセンサ８００の使用方法を示す。チャック８０２はウエハを回転させるのに用いられ、あらゆる平面を検知し位置決めすることができるほか、ウエハの幾何学的中心をチャック８０２の回転軸に一致させることができる。図面は、チャック８０２上のウエハ８０４を示す。このセンサ８００は、ウエハの周縁部を受入れ可能な開口８０６を備えている。センサの上部８０８から下部８１０に進む検出光線を下部８１０で検出してもよく、或いは、センサの上部８０８に向って反射する光線を上部８０８で検出してもよい。このようにして、ウエハ８０４を保持しているチャック８０２が回転すると、ウエハの縁が検知され、そこからあらゆる平面の位置と向きに関する情報を取り出して、ウエハ８０４の幾何学的中心の位置を決定できる。その後で、エンドエフェクタ５５２の反対側の端部８１２がウエハを所望の向きにピックアップしてこのウエハをワークステーションへ運ぶ。
【０１２９】
図１９は、３ハンドーエンドエフェクタ９１０を示しており、この３ハンドーエンドエフェクタ９１０は、他の図面に示した２ハンドーエンドエフェクタと直ちに置換可能である。
【０１３０】
図２０は、図１３に示した機構を図示するものであるが、この機構は、Ｚ軸モータ５００が駆動するリードネジ９５２、及び、モータ５５６及び５６０を搭載したフレーム９５６を昇降させるリードネジフォロアブラケット９５４と共にＺ軸モータ９５０が付加され、これによりＺ軸動作を得るようにしてある。
【０１３１】
以上のように、本発明は、アーム機構５１０、６１０を制御する方法を提供する。アーム機構５１０を制御する方法によれば、肘部分モータ駆動シャフトの直線位置、肩部分モータ駆動シャフト及び手首モータ駆動シャフトの回転位置は、その全てが測定される。このような位置を示す電気信号が生成される。ラジアル、ロータリー、及びエンドエフェクタの駆動シャフトの位置を示す電気信号が、図１２にブロック図で示す方法で電子コンピュータ手段に伝達される。電子コンピュータ手段は、駆動シャフトの位置を示す電気信号からエンドエフェクタ５５２の軌道を計算する。また、コンピュータ手段は、駆動モータを制御して、エンドエフェクタを動かしてそのリーチ範囲内のあらゆる希望する位置に位置決めする。アーム機構６１０を制御する方法によれば、肘部分モータ駆動シャフト、肩部分モータ駆動シャフト及び手首駆動シャフトの回転位置の全てが測定される。
それらの回転位置を示す電気信号が生成される。その後は、アーム機構５１０と同様に行われる。
【０１３２】
更に、本発明は、半導体ウエハやフラットパネル表示器のようなワークピースを処理する方法を提供する。かかる方法では、複数のほぼ平行なウエハ／パネルが一以上のカセットに収納されているが、カセットの軸は、ロボットアームの主軸に対して精密に平行である必要はない。アームは、ヨー軸及び／又はロール軸及び／又はピッチ軸を中心にして選択的且つ個々独立してエンドエフェクタを回転させるためのモータを含んでいる。このアームは、アームのＲ、θ及びＺの位置、アームの手首のＹ及び／又はＥ及び／又はＪの位置を監視する手段と、このような位置を制御するための手段とを含む。一般的には、アームでピックアップしようとする各ワークピースのアライメントを測定するためのセンサ手段が設けられる。各ワークピースをピックアップして、それぞれのワークステーションでの処理に適したアライメントで連続的に運ぶために、アームを制御するコンピュータ制御手段を用いて、ウエハがピックアップされる。生産品の歩留りを改善し、生産量を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明が提供するロボットアーム構造１０、５１０、６１０は、数多くの用途、特に半導体ウエハをその処理のために位置決めし、表示パネルをその処理のために位置決めするのに有用である。本システムによれば、設計者に大きな自由度を提供することができ、また、アーム構造の動作中の振動を大幅に低減できる。ワークピースの処理量を増大することができる。
【０１３４】
本発明を特定の実施形態に関連して説明したが、更なる変形が可能なことは理解されるであろう。本出願は、本発明の原理に一般的に従うあらゆる変形、利用、応用を包含することを意図している。また、本出願は、本発明の属する技術分野での既知の技術や慣用技術に入り且つここに述べた本質的な特徴に適用され且つ請求の範囲に入るような、本明細書に開示されていないものを含む変形、利用、応用を包含することを意図するものである。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１ａ】
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【図２１ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９ａ】
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【図２９ｂ】
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【図３０ａ】
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【図３０ｂ】
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【図３１ａ】
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【図３１ｂ】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４ａ】
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【図３４ｂ】
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【図３５ａ】
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【図３５ｂ】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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