【手続補正書】
【提出日】平成20年5月19日(2008.5.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書 
【発明の名称】  衝突検出センサおよびロボット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の回転軸と、前記第１の回転軸の回転を第２の回転軸に伝達する回転伝達手段と、を備えたロボットアームの衝突検出センサにおいて、
前記第１の回転軸の回転を検出するための第１のエンコーダと、
前記第２の回転軸の回転を検出するための第２のエンコーダと、
前記第１および第２のエンコーダがそれぞれ出力する信号に基づいて回転角度比を監視する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする衝突検出センサ。
【請求項２】
第１の回転軸と、第１の回転軸の回転を第２の回転軸に伝達する回転伝達手段と、を備え、前記第１の回転軸が回転することによりアームが動作するロボットにおいて、
前記第１の回転軸の回転を検出するための第１のエンコーダと、
前記第２の回転軸の回転を検出するための第２のエンコーダと、
前記第１および第２のエンコーダがそれぞれ出力する信号に基づいて回転角度比を監視する信号処理手段と、を備えたことを特徴とするロボット。
【請求項３】
前記第１の回転軸はモータシャフトであり、
前記回転伝達手段はベルトであり、
前記第１および第２のエンコーダは、位相が９０度ずれた２相信号を出力する磁気式エンコーダであり、
前記信号処理手段は、前記２相信号を位相変調することにより回転角度比を監視することを特徴とする請求項２に記載のロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クリーン／真空環境下で使用される水平多関節ロボットのアームの衝突を検出する衝突検出センサに関わる。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置などの分野では、シリコンウエハの搬送や液晶表示パネル用ガラス基板の搬送のため、水平多関節ロボットと呼ばれるクリーン／真空ロボットが使用されている。このようなロボットを使う時は、ロボット自身が暴走したり、作業者のミス・ティーチングによってアームをチャンバ等に衝突させたりすると、ウエハや液晶基板を落下させて破損させてしまうことがある。このようなトラブルは後工程のスループットを低下させる原因となるため、衝突による故障を未然に防ぐことが必要である。このため、現在は、ロボットアーム内にショックセンサ等の衝突検出センサを搭載したり、アームを駆動するモータの電流値を監視するといった衝突対策が講じられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、衝突の検出にショック（加速度）センサを用いると、通常の動作をしている時よりも大きな加速度が検出されてはじめて衝突と判断されるので、障害物にアームが強く衝突すれば大きな加速度信号が検出されて、応答性、検出感度ともに良好であるものの、ロースピードで軽く衝突するような場合は検出できないことがある。
一方、モータの駆動電流値を監視して衝突を検出するときは、衝突時の動作速度に応じて検出レベルを可変にする必要があり、スロースピードで衝突した場合には、上記と同様に応答性や検出感度の点で問題があった。
このように従来技術では、衝突の度合いによっては衝突検出が遅れ、ロボットが故障したり、ウエハや液晶基板を落下、破損させたりするという問題があった。そこで本発明は、クリーン／真空環境下で動作する水平多関節ロボットの衝突による故障を未然に防止することができ、応答性と検出感度に優れ、かつ容易に構成できる衝突検出センサ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、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、第１の回転軸と、前記第１の回転軸の回転を第２の回転軸に伝達する回転伝達手段と、を備えたロボットアームの衝突検出センサにおいて、前記第１の回転軸の回転を検出するための第１のエンコーダと、前記第２の回転軸の回転を検出するための第２のエンコーダと、前記第１および第２のエンコーダがそれぞれ出力する信号に基づいて回転角度比を監視する信号処理手段と、を備えたことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、第１の回転軸と、第１の回転軸の回転を第２の回転軸に伝達する回転伝達手段と、を備え、前記第１の回転軸が回転することによりアームが動作するロボットにおいて、前記第１の回転軸の回転を検出するための第１のエンコーダと、前記第２の回転軸の回転を検出するための第２のエンコーダと、前記第１および第２のエンコーダがそれぞれ出力する信号に基づいて回転角度比を監視する信号処理手段と、を備えたことを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記第１の回転軸はモータシャフトであり、前記回転伝達手段はベルトであり、前記第１および第２のエンコーダは、位相が９０度ずれた２相信号を出力する磁気式エンコーダであり、前記信号処理手段は、前記２相信号を位相変調することにより回転角度比を監視することを特徴とするものである。
【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、本発明の衝突検出センサを用いた水平多関節ロボットの構成図である。図において、５はベース１５に設けられたモータシャフトであり、図示しないモータの回転をプーリとベルトを介して第２アームと第３アームへと伝達し、アームの伸縮を行うものである。６は磁性体スリット円板、１３はベース１５内に固定された磁気センサヘッドであり、この２つでアームの回転角度を検出する磁気エンコーダをなしている。磁性体スリット円板６のスリットの形状は図２に示すようになっており、モータシャフト５と同芯となるよう固着されていっしょに回転するようになっている。磁性体スリット円板６は、エッチング等の加工技術により、ケイ素鋼板等の磁性体にスリットを形成して製作される。磁気センサヘッド１３は、磁性体スリット円板６のスリット２１上に数百ミクロン〜数ミリの空隙を介して対向配置されている。磁気センサヘッド１３、１４は、図３に示すように、それぞれＭＲ素子３１〜３４からなる磁気センサと、バイアス磁束を発生させるバイアス磁石３５、図４の基本検出回路が一体になったもので構成されている。図４の基本検出回路は、ＭＲ素子３１〜３４の抵抗変化を電圧信号に変換する。ＭＲ素子３１〜３４は磁性体スリット円板のスリット２１のピッチ間隔をＰとしたとき、Ｐ／４のピッチ間隔で各磁気センサヘッド内に配列されている。１２は磁性体スリット円板であり、第３アーム回転軸１１と同芯になるよう固着されていっしょに回転するようになっている。１４は第２アーム内に固定された磁気センサヘッドであり、磁気センサヘッド１３と同じ構成をしている。１は信号処理回路であり、磁気センサヘッド１３、１４の信号を受けて信号処理をする。
【０００６】
次に、このような構成の衝突検出センサの動作について説明する。ロボットアームが移動し、図５の磁気センサヘッド１３上をスリット２１が通過すると、スリット２１の有無に伴う磁束変化によりＭＲ素子３１〜３４の抵抗値が変化する。この抵抗変化を図２の基本検出回路で９０度位相の異なるＡ相、Ｂ相の電圧信号に変換し、各信号を増幅器５２ａ、５２ｂで増幅した後、位相変調回路５４ａで位相変調する。一方、磁気センサヘッド１４から出力されるＡ相、Ｂ相信号も同様の回路で同様に位相変調する。ここで、位相変調とは、磁性体スリット円板の回転によるスリット変位量をｘ、Ａ相信号VAとＢ相信号VBをそれぞれ
VA＝V0sin（2π・x/P）                              （１）
VB＝V0cos（2π・x/P）                              （２）
としたとき、それぞれ振幅がV1で角周波数ωt（2π・x/P<<ωt）の搬送波V1sinωt、V1cosωtで平衡変調して加算するものであり、被変調信号Sは、次のように表すことができる。
S＝V0V1sin(2π・x/P)sinωt＋V0V1cos(2π・x/P)cosωt
＝(V0V1/2)｛（cos(ωt−2π・x/P)−cos(ωt＋2π・x/P)
＋cos(ωt−2π・x/P)＋cos(ωt＋2π・x/P)｝
＝V0V1cos(ωt−2π・x/P)                               （３）
すなわち、Ａ相、Ｂ相信号の電圧信号を角周波数ωtの搬送波で平衡変調して加算すれば、ｘ変位すると被変調信号Ｓの位相が2π・x/Pだけ変化することになり、磁性スリット円板の回転角度情報を位相信号に変換することができる。ロボットアームが伸縮動作を行うと、磁性体スリット円板６、１２の回転角度比は一定（通常１：１）となるので、各センサの位相変調信号を比較すると、磁気センサヘッド１３から得られる位相変化と磁気センサヘッド１４から得られる位相変化の比は一定となる。しかし、何らかの原因でアームが衝突すると、アームにトルクが加わると共に、ベルト８が伸長する。ベルト８が伸長すると、磁性体スリット円板の回転角度比が変化するため、位相変化の比が一定では無くなる。これによって、位相差検出回路５５で位相差が検出され、これを監視することによって、アームの衝突を検出できる。
【０００７】
なお、上記実施例では、磁性体スリット円板１２は、第２アームに対する第３アームの回転角度が検出できるように第３アーム回転軸１１と共に同芯で回転するようになっているが、第１アームに対する第２アームの回転角度が検出できるように第２アーム回転軸１０と共に同芯で回転するように取付けても良い。あるいは、上記実施例では、磁性体スリット円板６はアームの伸縮を行うモータシャフト５の、ロボット本体に対する回転角度が検出できるようにモータシャフト５と共に同芯で回転できるように取り付けられているが、第１アームに対する第２アーム回転角度が検出できるように第２アーム回転軸１０と共に同芯で回転するように取付けても良い。
また、ロボットの駆動方式には各種のものがあって、上記実施例はその一例にすぎないが、本発明の趣旨に従えば、その他の駆動方式にも適用することが充分に可能である。すなわち、アームを駆動するモータの回転角度とエンドエフェクタの回転角度が検出可能となるようにエンコーダを装備し、各々の通常動作時の回転角度比を比較し、監視すれば、衝突を検出することができ、衝突検出センサとすることができる。
【０００８】
本発明の衝突検出センサは、ロボットアームが衝突する時は、アームに加わるトルクがモータシャフト５と第３アーム回転軸１１の回転角度比変化として瞬時に現れるので、応答性に優れるという特徴がある。さらに、本発明の衝突検出センサの構成の一部分は、クリーン／真空ロボットに装備されているエンコーダの構成と重複しているので、磁性体スリット円板１２と、回転角度比を検出し、監視する信号処理回路を付加するだけで本発明の衝突センサの機能を付加することができる。
【０００９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ロボットアームの衝突はモータシャフトと第３アーム回転軸にそれぞれ取付けられたスリット円板のスリットの相対位置変化として瞬時に現れるので、応答性および検出感度の良好な衝突検出センサを提供できるという効果がある。
また、本発明によれば、元来ロボットが装備するエンコーダ装置に加え、アーム回転軸の回転角度を検出するエンコーダと信号処理回路を付加するだけで容易に衝突検出センサを構成できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の衝突検出センサを用いた水平多関節ロボットの構成図
【図２】磁性体スリット円板の外形図
【図３】磁気センサヘッドの構成図
【図４】基本検出回路の回路図
【図５】信号処理回路のブロック図
【符号の説明】
１  信号処理回路
２、３、４  アーム
５  モータシャフト
６、１２  磁性体スリット円板
７、９  プーリ
８  ベルト
１０、１１  アーム回転軸
１３、１４  磁気センサヘッド
２１  スリット
３１、３２、３３、３４  ＭＲ素子
５２、５３  増幅器
５４  位相変調回路
５５  位相差検出回路