(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体と、前記磁性体に対向して配置される第１および第２の磁気検出手段と、前記第１および第２の磁気検出手段がそれぞれ出力する信号を処理する信号処理手段と、を備え、可動体が移動する第１の方向および第２の方向のアブソリュート位置を計測する２次元アブソリュート位置センサにおいて、
前記磁性体は、前記第１の方向および第２の方向の位置をそれぞれ計測するためのスリットを備え、
前記第１および第２の磁気検出手段は、それぞれ前記スリットとの対向位置に応じて位相の異なるＡ相信号およびＢ相信号を出力し、
前記信号処理手段は、前記第１の磁気検出手段が出力するＡ相信号とＢ相信号とのレベルを比較する第１のコンパレータと、前記第２の磁気検出手段が出力する信号の振幅を検出する振幅検出回路と、前記振幅検出回路の出力信号と比較信号とのレベルを比較する第２のコンパレータと、を備え、前記第１のコンパレータの出力と前記第２のコンパレータの出力とに基づいて位置有効信号を出力して前記第１の方向の位置計測領域を特定することを特徴とする２次元アブソリュート位置センサ。
【請求項２】
前記磁性体は、略十字型またはＴ字型の外形状を有することを特徴とする請求項１記載の２次元アブソリュート位置センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の２次元アブソリュート位置センサを備えたことを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面運動する可動体の２次元アブソリュート位置を計測する位置センサに係り、特にクリーン／真空環境下で使用されるロボットのエンドエフェクタの２次元アブソリュート位置を計測する２次元アブソリュート位置センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置などの分野でシリコンウエハ搬送や液晶表示パネル用ガラス基板搬送として、一般にクリーン真空環境下で動作するロボットが使用されている。このようなロボットのアームの先端には、ウエハやガラス基板等を保持あるいは搬送し、２次元平面内で運動を行う可動体としてエンドエフェクタが装着されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、上記のロボットに何らかのトラブルが起こり、エンドエフェクタを有するアームを再ティーチングする必要が生じた場合、ティーチング作業が煩雑であるために時間を要し、後工程でのスループットの低下を招くという問題があった。
また、ロボットのアームを駆動するベルトが経年変化によって伸長し、エンドエフェクタが徐々に位置ずれを起こすという問題があった。
この問題を解決するために、エンドエフェクタの位置ずれを補正するには、エンドエフェクタの厚みが僅か数ミリであることも考慮すると、エンドエフェクタの構造に大幅な改良を加える必要のない、小型軽量な２次元アブソリュート位置センサを装備しなければならない。
特に、クリーン・真空環境下で動作するロボットは、作業環境を汚染するパーティクルの発生は許容されず、また、薬液雰囲気中での使用も考えられる。
上記に述べた理由から、従来から、クリーン・真空環境下で動作するロボットにおいて、耐環境性に優れ、エンドエフェクタの２次元アブソリュート位置を非接触で、計測することができる、適当な位置センサが見当たらなかった。
そこで、本発明は、クリーン真空環境下で動作するロボットのエンドエフェクタが位置ずれを起こした際に、非接触で、且つ容易に２次元アブソリュート位置を計測できると共に、耐環境性に優れ、小型軽量な２次元アブソリュート位置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記載の発明は、磁性体と、前記磁性体に対向して配置される第１および第２の磁気検出手段と、前記第１および第２の磁気検出手段がそれぞれ出力する信号を処理する信号処理手段と、を備え、可動体が移動する第１の方向および第２の方向のアブソリュート位置を計測する２次元アブソリュート位置センサにおいて、前記磁性体は、前記第１の方向および第２の方向の位置をそれぞれ計測するためのスリットを備え、前記第１および第２の磁気検出手段は、それぞれ前記スリットとの対向位置に応じて位相の異なるＡ相信号およびＢ相信号を出力し、前記信号処理手段は、前記第１の磁気検出手段が出力するＡ相信号とＢ相信号とのレベルを比較する第１のコンパレータと、前記第２の磁気検出手段が出力する信号の振幅を検出する振幅検出回路と、前記振幅検出回路の出力信号と比較信号とのレベルを比較する第２のコンパレータと、を備え、前記第１のコンパレータの出力と前記第２のコンパレータの出力とに基づいて位置有効信号を出力して前記第１の方向の位置計測領域を特定することを特徴とするものである。
また、請求項２記載の発明は、前記磁性体は、略十字型またはＴ字型の外形状を有することを特徴とするものである。
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の２次元アブソリュート位置センサを備えた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、本発明の実施例を示すエンドエフェクタに取り付けた状態における２次元アブソリュート位置センサの構成図であって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
図において、１１はクリーン／真空環境下で動作するロボットに設けたエンドエフェクタ、１２は磁性スリット薄板、１３はＸ位置計測用磁気センサヘッド、１４はＹ位置計測用磁気センサヘッドである。Ｘ位置計測用磁気センサヘッド１３、Ｙ位置計測用磁気センサヘッド１４は、それぞれ磁気センサ１６、１７、バイアス磁石１８ａ、１８ｂおよび後述する基本検出回路が一体になったもので構成されている。
ここで、基本検出回路とは、各々の磁気センサ１６、１７の抵抗値変化を電圧信号に変換するものである。図２は、磁気センサヘッドに設けた基本検出回路を説明する図であって、（ａ）は基本検出回路の回路図、（ｂ）はＭＲ素子の配置図を示す。ＭＲ素子２１〜２４は磁性スリット薄板のスリットピッチ間隔をＰとしたとき、Ｐ／４のピッチ間隔で各磁気センサヘッド１３、１４内に配列されている。
また、磁性スリット薄板１２はエンドエフェクタ１１の付根に配置される状態で取り付けられており、各磁気センサヘッド１３、１４と数ミリ程度の空隙を介して対向配置されている。図３は磁性スリット薄板１２の外形図である。磁性スリット薄板１２は、ケイ素鋼板等の磁性体材料を略十字形に成形したものである。図において、３１はＸ位置計測用スリット、３２はＹ位置計測用スリットであり、エッチング等の手法によって製作される。
次に、Ｘ軸、Ｙ軸方向の２次元アブソリュート位置信号を検出する動作を中心に説明する。
図４はＸ、Ｙ軸両方の信号処理回路のブロック図である。
以下、ここではＸ位置計測の信号処理回路を例により説明する。
Ｘ位置計測用磁気センサ１６上を磁性スリット薄板１２のＸ位置計測用スリット３１が通過すると、スリットの有無に伴う磁束変化により磁気センサ１６の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を図２の基本検出回路において９０度位相の異なるＡ相、Ｂ相の電圧信号に変換し、各々の信号を増幅器４１ａで増幅した後、位相変調回路４２ａで位相変調する。ここで，位相変調とは，磁性スリット薄板の変位量をｘ，A相信号VAおよび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及び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)]
= V0V1 cos(ωt-2π・x/ P)                                       （３）
すなわち，Ａ相および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ることにより，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る．よって，この位相変調回路４２ａで得られた位相変調信号４９ａを、位相差検出回路４４ａにおいて位相変調基準信号発生回路    ４３から出力される位相変調基準信号４６と比較し、その位相差を検出することによりＸ位置信号４００ａを出力する。
ところが、このままでは図５に示すように、Ａ、Ｂ相増幅信号４７ａ、４８ａが数スリットにわたって繰り返し観測されるので計測位置を特定できない。そのため、同図に示すように、B相増幅信号４８aがA相増幅信号４７aより大きいときのＢ＞Ａ信号５３ａとＸ位置有効領域判定信号５４ａを生成する、計測領域を一つに特定できるようなＸ位置有効領域判定用回路４５aを付加した。ここで、Ｂ＞Ａ信号５３ａをＡ相増幅信号４７ａがＢ相増幅信号４８ａより大きいＢ＜Ａ信号としてもよい。
図６は位置有効領域判定用回路を示したものである。Ｘ位置有効領域判定回路４５ａにおいて、６１ａはＸ位置計測用磁気センサ１６のA相増幅信号４７ａとＢ相増幅信号４８ａの大きさを比較するコンパレータ、６２ａはY位置計測用磁気センサ１７から得られる信号の振幅を検出する振幅検出回路であって、ここでは位相変調信号４９ｂのピークをホールドするピークホールド回路として用いている。また、６６ａはピークホールド回路６２ａのピークホールド信号と比較電圧の大きさを比較するコンパレータである。ここで、ピークホールド回路は、磁気センサから得られる信号の振幅を検出するものであれば、この回路だけに限定されるものではない。
次に、Ｘ位置有効領域を判定する動作について簡単に説明する。
Ｙ位置計測用磁気センサ１７から得られる位相変調信号４９ｂは、Ｙ位置計測用磁気センサ１７を構成する４つのＭＲ素子を通過する磁束密度に大きな差異がある場合に振幅が大きくなり、逆に4つのＭＲ素子を通過する磁束密度に差異がない場合に振幅が小さくなる。すなわち、Ｙ位置計測用スリット３２がＹ位置計測用磁気センサ１７上にある時、位相変調信号４９ｂの振幅が大きくなるため、ピークホールド回路６２ａでピークホールドした位相変調ピークホールド信号６７ａはコンパレータ６６ａの比較電圧より大となり、Ｘ位置有効領域判定信号５４ａは有効信号となる。
逆に、Ｙ位置計測用スリット３２がＹ位置計測用磁気センサ１７上にないとき位相変調信号４９ｂの振幅が小さくなるため、ピークホールド回路６２ａでピークホールドした位相変調ピークホールド信号６７ａはコンパレータ６６ａの比較電圧より小となり、Ｘ位置有効領域判定信号５４ａは無効信号となる。このＸ位置有効領域判定信号５４ａとＢ＞Ａ信号５３ａの積をとれば、Ｘ位置有効信号６３が生成され、Ｘ位置有効領域を判定できる。
以上、Ｘ位置計測の信号処理回路について説明したが、Ｙ位置計測の信号処理回路も同様な構成となっている。
したがって、本実施例によれば、２次元アブソリュート位置センサは、ロボットのエンドエフェクタにX及びY方向にスリットを形成した磁性スリット薄板を少なくとも一つ設け、磁性スリット薄板と空隙を介して対向配置されるX及びＹ位置計測用磁気センサと、磁気センサからの信号からアブソリュート位置信号を出力する信号処理回路を設け、さらに信号処理回路にはXおよびY位置有効領域判定回路を構成したので、XおよびY位置有効領域判定回路がそれぞれＸ、Ｙ位置有効信号を同時に出力するような領域は無限平面内に1ヶ所しか存在しなくなる。すなわち、Ｘ位置有効信号とＹ位置有効信号の積である有効信号を監視することで計測領域を一意に限定することができる。
ところで、図７に示すような磁性スリット薄板７１を用い、これと磁気センサヘッドが磁性スリット薄板のエッジ部に位置する場合、磁気センサヘッド１３、１４がスリット７２、７３上に位置していないにもかかわらず、Ｘ、Ｙ位置有効領域判定回路４５ａ、４５ｂにおいてＢ＞Ａ信号５３ａ、５３ｂとＸ、Ｙ軸有効領域判定信号５４ａ、５４ｂが出力される。結果として、有効信号６５が出力され、本来の計測領域であるスリット７２、７３上以外で計測が行われてしまう。そこで、本実施例の図３に示す十字型磁性スリット薄板を、図７に示す磁性スリット薄板と比較すると、十字型磁性スリット薄板は、本来の計測領域以外では、常に一方の位置有効信号が出力されても他方の位置有効信号は出力されないため、有効信号６５は出力されず、誤認識領域は存在しない。したがって、このような誤認識領域が全く存在しないようにすることができる。
なお、スリット薄板の外形状は、本実施例では略十字型の例を挙げたが、誤認識領域が存在しないような形状であれば任意の形状で良く限定されない。一例として、1枚の磁性スリット薄板で計測を行う場合、図８に示すような略Ｔ字型などがある。
また、X及びY位置計測用スリットをそれぞれ別に分割して2枚の磁性スリット薄板で計測を行っても構わず、図９に示すような矩形型の磁性スリット薄板としても良い。なお、磁性スリット薄板は、その取付け位置をエンドエフェクタ付根とした場合は、略十字型あるいはＴ字型が好ましく、図１０のようにエンドエフェクタ先端とした場合は、矩形型が好ましい。
以上のように、有効領域判定回路４５ａ、４５ｂを付加し、スリット外形状を十字型とすることにより、無限平面内でＰ／２の領域だけが有効と判定されるので、この領域内のアブソリュート位置を計測することができ、位置補正に利用できる
最後に、クリーン／真空ロボットのエンドエフェクタの位置補正方法と再ティーチング方法について説明する。
まず、クリーン／真空ロボットのエンドエフェクタの位置補正方法について説明する。
図１１にクリーン／真空ロボットの位置補正システムの構成図を示す。
図において、磁気センサヘッド１０１は、クリーン／真空ロボットのエンドエフェクタ１１がシステム原点計測ポイントにおいて、磁性スリット薄板１２に対向するように配置されている。ここで、システム原点とは、ロボットの運動の基準点で、２次元アブソリュート位置センサの計測領域内に定義するものである。システム原点計測ポイントにおけるエンドエフェクタの２次元アブソリュート位置信号１０５は、ロボットコントローラ１０３等の上位コントローラにフィードバックされている。従って、このフィードバック信号によりエンドエフェクタのシステム原点からの位置ずれが求まるため、これを基に位置補正を行うことができる。
次に、再ティーチングについて説明する。
本発明による位置センサはアブソリュート式であるため、計測領域内の任意位置と前記システム原点の位置ずれを求めることができる。よって、クリーン／真空ロボットの交換（置き換え）や、何らかの原因で再ティーチングが必要となった場合には、エンドエフェクタ１１を２次元アブソリュート位置センサの計測領域の任意位置に移動させるだけで、後はロボット側で前述のシステム原点に復帰でき、最初のティーチングによるシステム原点位置からのティーチングポイントをコントローラ１０３に記憶させておけば、システム原点以外のティーチングポイントに対する再ティーチングを省略することができる。これにより、エンドエフェクタ１１を2次元アブソリュートセンサの計測領域内に移動させるだけで再ティーチングは完了し、これに要する時間は大幅に短縮される。
【０００６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、磁気式であるため、非接触かつ耐環境性に優れた２次元アブソリュート位置センサを提供できるという効果がある。
さらに、本発明による２次元アブソリュート位置センサは被計測物体に小型軽量の磁性薄板スケールを取付けるだけで計測が可能なため、被計測物体に大幅な加工を必要とせず、クリーン／真空ロボットのエンドエフェクタの２次元アブソリュート位置センサとして適用できる。その結果、エンドエフェクタの位置を補正できると同時に、ロボットの再ティーチングが容易になり、スループットが向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すエンドエフェクタに取り付けた状態における２次元アブソリュート位置センサの構成図であって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図２】磁気センサヘッドに設けた基本検出回路を説明する図であって、（ａ）は基本検出回路の回路図、（ｂ）はＭＲ素子の配置図である。
【図３】磁性スリット薄板の外形図である。
【図４】信号処理回路を示すブロック図である。
【図５】Ｘ位置計測におけるスリット位置と信号出力の関係を示す説明図である。
【図６】有効領域判定回路を示すブロック図である。
【図７】本来の計測領域外で有効信号が出力される場合の、磁性スリット薄板とセンサヘッドの位置関係を示す配置図である。
【図８】Ｔ型磁性スリット薄板の外形図である。
【図９】矩形型磁性スリット薄板の外形図である。
【図１０】矩形型磁性スリット薄板を有するエンドエフェクタの外形図である。
【図１１】クリーン／真空ロボットの位置補正システムの構成図である。
【符号の説明】
１１  エンドエフェクタ（可動体）
１２  磁性スリット薄板（十字型）
１３  X位置計測用磁気センサヘッド
１４  Y位置計測用磁気センサヘッド
１６  Ｘ位置計測用磁気センサ
１７  Ｙ位置計測用磁気センサ
１８ａ  Ｘ位置計測用バイアス磁石
１８ｂ  Ｙ位置計測用バイアス磁石
２１、２２、２３、２４  ＭＲ素子
３１  Ｘ位置計測用スリット
３２  Ｙ位置計測用スリット
４１ａ、４１ｂ  増幅器
４２ａ、４２ｂ  位相変調回路
４３  位相変調基準信号発生回路
４４ａ、４４ｂ位相差検出回路
４５ａ  Ｘ位置有効領域判定回路
４５ｂ  Ｙ位置有効領域判定回路
４６  位相変調基準信号
４７ａ、４７ｂ  Ａ相増幅信号
４８ａ、４８ｂ  Ｂ相増幅信号
４９ａ、４９ｂ  位相変調信号
４００ａ  Ｘ位置信号
４００ｂ  Ｙ位置信号
４０１ａ  Ｘ有効位置信号
４０１ｂ  Ｙ有効位置信号
５３ａ、５３ｂ  B＞Ａ信号
５４ａ  Ｘ位置有効領域判定信号
５４ｂ  Ｙ位置有効領域判定信号
６１ａ、６１ｂ、６６ａ、６６ｂ  コンパレータ
６２ａ、６２ｂ  ピークホールド回路 (振幅検出回路)
６３  Ｘ位置有効信号
６４  Ｙ位置有効信号
６５  有効信号
６７ａ、６７ｂ  位相変調ピークホールド信号
７１  磁性スリット薄板（矩形型）
７２  Ｘ位置計測用スリット
７３  Ｙ位置計測用スリット
８１  磁性スリット薄板（Ｔ字型）
９１  磁性スリット薄板（矩形型）
１０１  磁気センサヘッド
１０２  信号処理回路
１０３  ロボットコントローラ
１０４  A、B相センサ信号
１０５  エンドエフェクタ２次元アブソリュート位置信号
１０６  指令信号
１０７  各軸角度位置信号
【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】
0004239042.tif 000010
【図１０】
0004239042.tif 000011
【図１１】
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