(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板からなる電極プレートと、前記電極プレート上に複数に分割配置されると共に、正電圧または負電圧の少なくとも何れかが印加される靜電浮上用電極と、前記靜電浮上用電極と対向する被搬送物と、前記被搬送物が目標位置に浮上できるように前記靜電浮上用電極へ印加する電圧を制御する制御器と、を備え、 前記靜電浮上用電極への電圧の印加により前記被搬送物を静電吸引力により吸引して非接触で保持して前記被搬送物を予定された位置に搬送させる静電浮上搬送装置において、前記複数に分割された静電浮上用電極は、前記電極プレートと空隙を介して対向配置され、前記電極プレートは、前記靜電浮上用電極との間を接続するように設けた可撓性を有する梁部と、前記梁部に設けられると共に、前記梁部が前記靜電浮上用電極の静電吸引力で可動する際に生じる前記梁部の歪み量を検出する歪み検出素子とよりなる力センサが設けられ、前記力センサの検出信号に応じて前記制御器にフィードバックするようにしたことを特徴とする静電浮上搬送装置。
【請求項２】
前記電極プレートに、前記電極プレートの加速度を検出する加速度センサが設けられ、前記加速度センサにより得た加速度検出値に比例した前記被搬送物の慣性力を求めるようにした請求項１記載の静電浮上搬送装置。
【請求項３】
前記電極プレートに、前記電極プレートが浮上した際に基準面となる床からの変位を検出する変位センサが設けられ、前記変位センサの変位検出値から演算により前記電極プレートの加速度を求めるようにした請求項１記載の静電浮上搬送装置。
【請求項４】
前記電極プレートは、ロボットのマニピュレータに取付けられ、前記ロボットに内蔵されたモータのエンコーダの回転速度から前記電極プレートの加速度を検出するようにした請求項１記載の静電浮上搬送装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の静電浮上搬送装置と、前記静電浮上搬送装置の電極プレートを先端部に装着したマニピュレータと、を備えたことを特徴とする静電浮上搬送装置付ロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、被搬送物を静電吸引力により非接触で浮上させて搬送する静電浮上搬送装置および静電浮上搬送装置付ロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造工程などのクリーン度の高い作業環境において、シリコンウェハやガラス基板などの板状の被搬送物を非接触で搬送するのに用いられる静電浮上搬送装置は、図９のようになっている。図において、Sは靜電浮上搬送装置、２は絶縁基板でできた円形状の電極プレート、２ａ、２ｂは電極プレート２上の分離帯、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは分離帯２ａ、２ｂを挟んで均等に分割された扇状の靜電浮上用電極で、各々の電極に正電圧と負電圧とが交互に印加される。４は靜電浮上用電極１ａ〜１ｄと対向するように配置された被搬送物、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは靜電浮上用電極１ａ〜１ｄと被搬送物４とのギャップを、半導体レーザを用いて光量測定方式あるいは三角測量方式で検出する変位センサ、８は被搬送物４が目標位置に浮上できるように靜電浮上用電極１ａ〜１ｄへ印加する電圧を制御する制御器である。このような靜電浮上搬送装置Ｓは、変位センサ３ａ〜３ｄにより得られた靜電浮上用電極１ａ〜１ｄと被搬送物４間のギャップ検出値を制御器８にフィードバック信号として送り、制御器８で各変位センサ３ａ〜３ｄからの入力信号と予め設定された目標値を比較し、その偏差を演算処理して被搬送物４が目標位置に安定浮上できるのに必要な電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄを作りだす。これにより靜電浮上用電極と被搬送物との間の静電吸引力を制御し、被搬送物を非接触で浮上搬送させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、以下に示すような問題があった。
（１）特に、被搬送物がガラス基板の場合、光量測定方式の変位センサは、レーザ光がガラスを透過してしまいガラス表面からの反射光の光量が少ないため靜電浮上搬送装置に使用することができなかった。また、三角測量方式の変位センサは、レーザ光のガラス裏面から反射の影響や、床などのガラスの下方にある物体からの反射の影響により該装置に使用することができなかった。
（２）静電浮上搬送装置が用いられるクリーンルームは、高真空に保たれている場合が多いが、高真空中では変位センサに用いられる半導体レーザの放熱が困難であるため、安定にレーザの発振ができなかった。
（３）変位センサを電極プレートの各々の靜電浮上用電極の上方に設置する構成から取り付けスペースの確保が必要なため、省スペース化に不向きという問題があった。そこで、本発明は、被搬送物の材質または光学特性に影響することなく被搬送物を安定に浮上することができると共に、高真空中で発熱のない、小形に構成し得る静電浮上搬送装置および静電浮上搬送装置付ロボットを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の本発明は、絶縁基板からなる電極プレートと、前記電極プレート上に複数に分割配置されると共に、正電圧または負電圧の少なくとも何れかが印加される靜電浮上用電極と、前記靜電浮上用電極と対向する被搬送物と、前記被搬送物が目標位置に浮上できるように前記靜電浮上用電極へ印加する電圧を制御する制御器と、を備え、 前記靜電浮上用電極への電圧の印加により前記被搬送物を静電吸引力により吸引して非接触で保持して前記被搬送物を予定された位置に搬送させる静電浮上搬送装置において、前記複数に分割された静電浮上用電極は、前記電極プレートと空隙を介して対向配置され、前記電極プレートは、前記靜電浮上用電極との間を接続するように設けた可撓性を有する梁部と、前記梁部に設けられると共に、前記梁部が前記靜電浮上用電極の静電吸引力で可動する際に生じる前記梁部の歪み量を検出する歪み検出素子とよりなる力センサが設けられ、前記力センサの検出信号に応じて前記制御器にフィードバックするようにしたものである。
請求項２の本発明は、請求項１記載の静電浮上搬送装置において、前記電極プレートに、前記電極プレートの加速度を検出する加速度センサが設けられ、前記加速度センサにより得た加速度検出値に比例した前記被搬送物の慣性力を求めるようにしたものである。
請求項３の本発明は、請求項１記載の静電浮上搬送装置において、前記電極プレートに、前記電極プレートが浮上した際に基準面となる床からの変位を検出する変位センサが設けられ、前記変位センサの変位検出値から演算により前記電極プレートの加速度を求めるようにしたものである。
請求項４の本発明は、請求項１記載の静電浮上搬送装置において、前記電極プレートは、ロボットのマニピュレータに取付けられ、前記ロボットに内蔵されたモータのエンコーダの回転速度から前記電極プレートの加速度を検出するようにしたものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の静電浮上搬送装置と、前記静電浮上搬送装置の電極プレートを先端部に装着したマニピュレータと、を備えた静電浮上搬送装置付ロボットを特徴としている。
上記手段により、力センサの信号をフィードバック信号として浮上電極への印加電圧を制御し、静電浮上力をコントロールすることにより被搬送物を非接触に浮上させることができる。そのため、光学式の変位センサが不要となり、高真空のクリーンルーム内で使用できるし、被搬送物がガラスの場合も浮上搬送することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施例を示す静電浮上搬送装置であって、（ａ）は静電浮上搬送装置の概略構成図、（ｂ）は電極プレートと静電浮上用電極の配置を示す平面図、（ｃ）は電極プレートと静電浮上用電極の配置を示す測断面図である。
図において、従来と同じ構成要素については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
本発明が従来と異なる構成は以下のとおりである。
すなわち、図１（ａ）において電極プレート２と靜電浮上用電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとの間に力センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを設け、各靜電浮上用電極に加わる静電吸引力を検出するようにしたものであり、制御器８は、力センサ５ａ〜５ｄからの検出信号に応じて各静電浮上用電極１ａ〜１ｄに電圧を印加するようになっている。
また、力センサ５の構造を図１（ｂ）にて説明する。電極プレート２の内部に円形状の凹部が形成され、５１ａ、５１ｂ、５１、５１ｄは電極プレート２の凹部の周縁部において靜電浮上用電極１ａ〜１ｄとの間に設けた可撓性を有する材料から成る梁部、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄは各梁部５１ａ〜５２ｄの表面にそれぞれ設けられ、静電浮上用電極１ａ〜１ｄが静電吸引力で可動した際に生じる梁部５１ａ〜５１ｄの歪み量を検出する歪みゲージであり、基本的に力センサは梁部と歪みゲージから構成される。
次に、動作について説明する。
静電浮上用電極１ａ〜１ｄにおいて、制御器８から電圧が印加されると、静電浮上用電極１ａ〜１ｄと被搬送物４の間に静電吸引力が働き、静電浮上用電極１ａ〜１ｄが可動する。次に、この静電浮上用電極１ａ〜１ｄの可動に基づいて梁部５１ａ〜５１ｄに歪みが生じ、この歪み量が、梁部５１ａ〜５１ｄに設けた歪みずゲージ５２ａ〜５２ｄで検出される。歪みゲージ５２ａ〜５２ｄの出力は制御器８に送られ、結果として力センサ５ａ〜５ｄからの静電吸引力として表される検出信号に応じて各静電浮上用電極１ａ〜１ｄごとに分散した電圧が印加される。
一方、被搬送物４は静電浮上用電極１ａ〜１ｄとの間に電圧が印加されて静電吸引力が働くと、静電吸引力をＦＳ、被搬送物の質量をｍ、重力加速度をｇとすれば、被搬送物４にはＦＳ−ｍｇの力が上向きに働く。さらに静電吸引力を大きくしＦＳ＞ｍｇになると、被搬送物４は（ＦＳ−ｍｇ）／ｍの加速度で上昇する。上昇後、ＦＳ＝ｍｇを保つように制御器８にフィードバックがかけられ非接触に浮上ができる。
したがって、電極プレートと静電浮上用電極との間に、静電浮上用電極へ印加される静電吸引力に対応した歪み量を検出する力センサを設け、静電吸引力を直接検出するようにしたので、被搬送物がガラス基板の場合において、光学式の変位センサによりガラス基板の材質または光学特性に影響されるような変位検出を行うことが不要となり、被搬送物を安定に浮上することができる。また、力センサを用いることで放熱の影響がなく高真空のクリーンルーム内で使用できると共に、該装置における省スペース化も可能となる。
【０００６】
次に、この図１に示した静電浮上搬送装置によるウェハおよびガラス基板の搬送例を説明する。
まず、図１に示す力センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを用いて、静電浮上搬送装置によりウェハを搬送する際。初期の静電浮上用電極１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとウェハのギャップを０．４ｍｍとした。次に、静電浮上用電極１ａ、１ｃへ＋６００Ｖ、１ｂ、１ｄへ−６００Ｖ印加すると、ウェハは上昇をはじめた。この、上昇の始まりは、各力センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄから得られた静電浮上力の和と、ウェハの自重が釣り合った時点である。その後、各力センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄから得られた静電浮上力の和を制御器内の演算器で積分し上昇距離を求めた。上昇距離が、初期ギャップの半分である０．２ｍｍとなった時点で、各静電浮上用電極に働く静電浮上力が、ウェハの自重の１／４となるように、各静電浮上用電極に取り付けた力センサを用いてフィードバック制御を行った。その結果、ウェハは、床面および浮上用電極から離れた状態で、浮上することができた。
つぎに、高真空中において、図１に示す構成の静電浮上搬送装置を配置し、浮上試験を行った。その結果、上述の場合と同様に浮上することができた。光学式の変位センサを使った従来の静電浮上搬送装置では、真空層内で１時間程度使用すると光センサが発熱しギャップの計測ができなくなったが、本静電浮上搬送装置では、４８時間の連続搬送試験においても何ら問題なく使用することができた。よって、本発明は高真空における非接触搬送に非常に有効である。
次に、静電浮上搬送装置を使用して石英ガラスの浮上試験を行った。この場合にもウェハと同様に浮上させることができた。光学式の変位センサを使用した従来の静電浮上搬送装置では、ガラスの浮上はほとんどできず、希に浮上できたとしても光量の変化によってガラスを落下させてしまうことがあった。本発明の静電浮上搬送装置で、室内の照明をオン・オフしながら浮上−移動−設置という一連の搬送動作を図９に示すロボットを使い、１０００回おこなったが、１度もガラスを落下させることがなかった。よって、本発明は、光学式の変位センサでギャップが検知できないガラスなどの透明基板の非接触搬送に有効である。
さらに、この装置の電極プレートを手で持ち運んだが、ウェハは非接触に浮上したままであり、本発明の装置により、静電浮上搬送装置が実現可能であることがわかった。
なお、図２に示すように静電浮上用電極の上部において、静電浮上用電極１ａ〜１ｄと同様に扇状に４分割された絶縁材料からなる支持部材６を形成し、支持部材６と電極プレート２とを梁部５１ａ〜５１ｄで接続するようにしても良い。あるいは、支持部材８は、４分割された扇形状のものに代えて、図３に示すような一体化した１枚の円板状のものとしても構わない。
また、力センサの変形例として、図４に示すように電極プレート２の形状を平板状とし、電極プレート２の下方に対向配置した静電浮上用電極１ａ〜１ｄと電極プレート２との間において各々の面に垂直方向に弾性材料から成る支柱７を設けるようにしても良い。あるいは電極プレート２と静電浮上用電極１ａ〜１ｄとの間に支持部材６を設け、支柱７により支持部材６を固定しても構わない。ここで、支柱７は、静電浮上用電極１ａ〜１ｄのうち一つずつ設けても良く、あるいは複数設けても構わない。この時、各電極に１つ設ける場合は、電極の重心に配置するのが好ましい。
また、静電浮上用電極による被搬送物の浮上の安定性を向上させる手段として、力センサの出力から求められる上昇時の加速度（ＦＳ−ｍｇ）／ｍの積分値から、上昇した距離ｄを求め、この上昇距離ｄが所定の距離ｄ０に一致した時点で、ＦＳ＝ｍｇとなるように制御器によりフィードバックをかけるようにしてもよい。その際、好ましくは所定の距離ｄ０を初期状態での被搬送物と電極間ギャップの半分にするとよい。これにより、被搬送物を安定に浮上することができる。
また、さらに図５に示すように、浮上前の初期状態で被搬送物を可動支持物１１により支持し、力センサから求められる浮上用電極に働く静電吸引力が、被搬送物の自重と等しく（ＦＳ＝ｍｇ）なったら制御器８の指令によりフィードバックをかけ、被搬送物を支持していた可動支持物１１を降下させるようにしても良い。この場合、初期状態での被搬送物と電極間ギャップを維持して、被搬送物を非接触に浮上することができる。
また、力センサの一部を構成する歪み検出素子として歪みゲージを設けたが、圧電素子を設けても構わない。
【０００７】
本発明の第２の実施例を示す構成図を図６に示す。
すなわち、第１の実施例との基本的な違いは、図に示される電極プレート２の上方に、電極プレート２の加速度αを検出するための加速度センサ１２を取り付けたものである。
このような構成において、静電浮上用電極１ａ〜１ｄを用いることにより、被搬送物４を静電吸引により浮上させた後の搬送は、図示しないロボット等のマニピュレータにより電極プレート２を垂直方向に上昇させ、つぎに水平方向に移動させるようにしている。電極プレート２が垂直方向に急速に上昇した場合は、被搬送物４には重力と電極プレート２の加速度に比例した慣性力が働き、その結果、浮上制御の外乱となる。一方、電極プレート２に取り付けた加速度センサ１２により電極プレート２の加速度αを検出することで、被搬送物４に加わる慣性力ｍαを求めることができる。そのため、静電吸引力ＦＳが被搬送物４に加わる重力ｍｇと慣性ｍαと釣り合うように、すなわちＦＳ＝ｍｇ＋ｍαとなるように、この加速度センサ１２の信号を制御器８にフィードバックして制御をおこなうと、電極プレート２が垂直方向に急速に上昇した場合にも安定に浮上が行える。
【０００８】
次に、本発明の第３の実施例を図８に示す。
すなわち、第１の実施例、第２の実施例との違いは、電極プレート２の上方に、電極プレート２の床面１４からの変位を計測する変位センサ１３を取り付けたものである。
このような構成において、電極プレート２に取り付けた変位センサ１３により、電極プレート２の変位を検出し、その検出値を２回微分することで電極プレート２の加速度αを求めるようにしたものであり、さらに被搬送物４に加わる慣性力ｍαを求めることができる。そのため、この変位センサ１３の信号を制御器１０にフィードバックし静電吸引力ＦＳが、被搬送物４に加わる重力ｍｇと慣性ｍαと釣り合うように、ＦＳ＝ｍｇ＋ｍαとなるように制御をおこなうと、第１、第２の実施例同様に被搬送物を安定に浮上するとができる、
【０００９】
次に、本発明の第４の実施例を図８に示す。
すなわち、第１〜第３の実施例との違いは、図８に示す電極プレート２をマニピュレータ１５ａの先端部に装着したロボット１５で説明すると、ロボット１５に内蔵されたモータ１５ｂのエンコーダ１５ｃの回転速度信号を演算することにより、電極プレート２の加速度を求めるようにした点である。これにより第１〜第３の実施例同様に、被搬送物を安定に浮上制御することができる。
【００１０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、従来必要であった光学式の変位センサを必要としないため、高真空中で静電浮上搬送装置を用いることができる。さらに、静電浮上用電極に加わる静電吸引力をフィードバック信号として用いるため、被搬送物の材質、光学特性によらず静電浮上搬送をおこなうことができる。特に、従来の方法では、困難であったガラス基板の静電浮上搬送を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の実施例を示す静電浮上搬送装置であって、（ａ）は静電浮上搬送装置の概略構成図、（ｂ）は電極プレートと静電浮上用電極の配置を示す平面図、（ｃ）は電極プレートと静電浮上用電極の配置を示す測断面図である。
【図２】力センサと静電浮上用電極の間に支持基板を設けた例を示す概略構成図である。
【図３】力センサと静電浮上用電極の間に支持基板を設けた例であり、支持基板を一体化した概略構成図である。
【図４】力センサの変形例を示す概略構成図である。
【図５】第１の実施例における可動支持部を設けた静電浮上搬送装置の概略構成図である。
【図６】本発明の第２の実施例を示す静電浮上搬送装置の概略構成図である。
【図７】本発明の第３の実施例を示す静電浮上搬送装置の概略構成図である。
【図８】本発明の第４の実施例を示す静電浮上搬送装置の概略構成図である。
【図９】従来例を示す静電浮上搬送装置の概略構成図である。
【符号の説明】
Ｓ：静電浮上搬送装置
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ：静電浮上用電極
２：電極プレート
４：被搬送物
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ：力センサ
５1ａ、５1ｂ、５1ｃ、５1ｄ：梁部
５２ａ、５２ｂ、５２Ｃ、５２ｄ：歪みゲージ（歪み検出素子）
6：支持基板
7：支柱
8：制御器
１１：可動支持部
１２：加速度センサ
１３：変位センサ
１４：床
１５：ロボット
１５ａ：マニピュレータ
１５ｂ：モータ
１５ｃ：エンコーダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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