JP6150283B2

JP6150283B2 - ワーク嵌合装置および嵌合方法

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Publication number: JP6150283B2
Application number: JP2013139531A
Authority: JP
Inventors: 友章佐藤; 小林　彰; 彰小林
Original assignee: Hamai Co Ltd
Current assignee: Hamai Co Ltd
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: JP2015013320A

Description

本発明は、ワークキャリアのキャリアホールにワークを嵌合させるワーク嵌合装置およびこのワーク嵌合装置を用いる嵌合方法に関する。

両面研磨装置（ラップおよびポリッシュを含む）において、両面研磨装置への未加工のワークの装填作業および加工後のワークの回収作業を其々自動化して、品質の安定化や省力化による加工コストの低減を図る動きが活発になっている。

しかしながら、自動化を妨げる各種の問題が存在する。例えば、ワークは、半導体ウェーハ、ガラスディスク、水晶ウェーハなどの薄物ワークであることが多く、このような薄物ワークのハンドリング時にワークの破損等を生じやすいという問題がある。また、薄物ワークは上下の定盤面に貼り付きやすく、貼り付いた薄物ワークを剥がす手間を生じ、加工が中断されるという問題もある。

そして、自動化工程で最も問題となるのはワークキャリアへのワークの装填・嵌合作業である。これは、遊離砥粒を適用した研磨方法では水や砥粒がワークやワークキャリアに付着・滞留することから、光センサやカメラ等の視覚センサによる監視が難しいためである。さらにまた、キャリアホール内へ水が溜まることもあるのでワークのエッジ検出が難しいためである。

このワークの装填・嵌合作業がうまく行かずにワークがワークキャリア上に乗り上げた状態で上定盤を着盤して研磨を行うと、挟み込んだワークが破損すると同時に、その破損した破片が他のワークの上面に入り込んだり、上定盤全体が異常な振動（クラッシュ）を起こして、ワークだけでなくワークキャリアや定盤をも損傷する事態となってしまう。

そこでワークの装填・嵌合作業を確実に行う必要があり、具体的には、次のような手段を講じることが重要となる。
（Ａ）ワークキャリアの繰り返し位置決め精度を確保する。
（Ｂ）ワークを把持・ハンドリングするロボット等がワークを置く位置の繰り返し位置決め精度を確保する。
（Ｃ）嵌合をより確実にするための支援や補助手段を適用する。あるいはキャリアホールへワークを装填・嵌合した後、嵌合状態を確認する。
（Ｄ）嵌合不良が生じた時、再度嵌合作業を行う。
（Ｅ）上定盤着盤時に嵌合不良を検出（キャリア面へのワーク乗り上げを検出）する。

まず、上記（Ａ）について検討する。ワークキャリアの繰り返し位置決め精度を確保するため、平面研磨装置ではワークキャリアを自転・公転させるためのインターナルギアおよびサンギアの位置決め精度が重要となる。これは一般に高精度位置決め等に適用されるサーボモータ等の性能と中間の駆動伝達系のバックラッシュなどにより、位置決め精度が決定されることになる。誤差要因となるのはワークキャリアおよび各駆動ギアの噛合い部における双方の摩耗、ワークキャリアと下定盤との貼り付き状態の変化による位置ずれ、などがキャリアの位置決め誤差が生じる要因として考えられる。しかしながら、自動化装置として要求精度を達成することは設計事項といえるものであり、比較的容易に実現することができる。

続いて、上記（Ｂ）について検討する。ワークを把持・ハンドリングするロボット等がワークを置く位置の繰り返し位置決め精度を確保するため、例えば６軸多関節ロボットに代表されるロボットの適用が予想されるが、製品固有の位置決め精度からみても、目標レベルを容易に達成することができる。

続いて、上記（Ｃ）について検討する。嵌合をより確実にするための支援や補助手段を適用する、あるいは、キャリアホールへワークを装填・嵌合した後、嵌合状態を確認する、という手段については従来から開発が試みられており、多数発明が特許出願されるに至っている。

例えば、特許文献１（特公平５−５６３２号公報、発明の名称「平面ラッピング装置」）に開示されたものが知られている。この先行技術は、カメラによる位置決めを行うものである。ワークキャリアの位置あるいはワークキャリア内のキャリアホール（ワーク装填孔）の位置を複数の視覚センサを使って求め、所定の位置からのずれ量をワークハンドリング装置側で補正して、ワークの装填・嵌合をより確実に行う。さらに、ハンドリングしているワークの位置も同様に視覚センサで求めて、より高精度な位置決めを行う。

しかしながら、これら複数の視覚センサを使って高精度に位置決めするには、上記のように遊離砥粒が飛散して環境が悪いため、検出精度の悪化が予想される。よって、嵌合不良の検出と復旧操作とが必要になる。また、視覚センサを使った位置決め手段はあくまでも嵌合確率を上げるための補助手段であり、同じ視覚センサで嵌合後の確認を行うことは困難であると同時に、仮にワークの乗上げを検出できても復旧の手段がないので、自動化プロセスを継続することはできない。

また、特許文献２（特開平１１−３３３７１５号公報、発明の名称「４ウェイ遊星歯車方式平行平面加工盤におけるワーク着脱装置」）に開示されたものが知られている。この先行技術は、スイープピンによる嵌合補助方法であり、装填ワークの外周に複数のピンを下方へ張り出し、ワークをキャリアホールへ離脱した後、これらを下降させ全体を水平面内で揺動させることにより、いずれかのピンでワークの端部を押してキャリアホールへ落とし込む方法である。特許文献１に記載の先行技術のような複数の視覚センサを使用することなく、安価なシステムで構成することができる。

しかしながら、ワークのずれが想定より大きい場合には対応できないこと、嵌合の確認手段がないのでワークが乗り上げていても工程が進んでしまうこと、などの問題がある。また、実用上の問題としては、ワーク自身の面積が大きかったり、ワークと定盤面との貼り付きが大きい場合には、１本のピンでワークの端部を押すことになるのでワーク端部を破損させる懸念があること、破損がなくてもピンが上方へ逃げてしまい、ワークを押すことができなくなる、などの問題が生じる。

また、特許文献３（特開昭６２−１１４８７１号公報、発明の名称「全キャリア内装填ワーク検知方法」）に開示されたものが知られている。この先行技術は、装填ワーク検知により自公転中のワークの乗り上げ等を検出する。これはワーク装填・嵌合はなく行われた前提での話であり、当該発明の手段によればどの段階でワークが乗り上げてもこれを検出することができる。

この先行技術では、装填装置と異なる別途設けたワークの異常検知装置を使った手段であるため、ワークを装填した後、ワークの異常検知工程を別途設ける必要があり、全体の工程時間が増大してしまう。さらに、検査後に異常ワークがあった場合の処理作業（復旧作業）は全て人手で行う必要があることから、自動化プロセスを継続することはできない。

このように上記（Ｃ）の嵌合をより確実にするための支援や補助手段を適用する、あるいは、キャリアホールへワークを装填・嵌合した後、嵌合状態を確認する点については適切なものがなかった。

続いて、上記（Ｄ）について検討する。嵌合不良が生じた時、再度嵌合作業を行う点は様々な自動化システムでも試みられた例がない。通常は、ワーク異常検知によりオペレータコールとなり、人手により復旧している。よって、省力化を図る場合の大きな障害となっている。

続いて、上記（Ｅ）について検討する。上定盤着盤時に嵌合不良を検出（キャリア面へのワーク乗り上げを検出）するというものであり、上定盤によりワークを挟み込んで初めて検出することができる。よって、挟んだワークは破損することがあり、また破損しなくともその後の作業を続行できないので、自動化の続行が困難である。なお、上記（Ｃ），（Ｄ）が実現されれば解消される問題である。

特公平５−５６３２号公報特開平１１−３３３７１５号公報特開昭６２−１１４８７１号公報

発明者らの検討では、まず上記の（Ｄ）項までを確実に行うことにより、ワークを損傷することなく、自動化を続行することができるとの結論に達した。したがって、従来では実現されていなかった上記（Ｃ）および（Ｄ）を安価かつ確実に行うことができるシステムの構築が要望されている。

そこで、本発明は上記した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ワークキャリアのキャリアホールにワークを確実に嵌合させるワーク嵌合装置、および、このワーク嵌合装置を用いてワークを確実に嵌合させる嵌合方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係るワーク嵌合装置は、研磨装置の下定盤上にあるワークキャリアのキャリアホールにワークを嵌合するワーク嵌合装置であって、
移載ロボットと、
移載ロボットにより移動するようになされ、ワークを吸着するロボットハンドと、
前記ロボットハンドに搭載され、ワークの外周部が前記キャリアホールの内周部に乗り上げたか否かを検出する複数の乗上げ検出装置と、を備えると共に、
前記乗上げ検出装置は、
前記ワークの外周部の一部と前記キャリアホールの内周部の一部とを押圧する軟質材からなる押し当て部材と、
前記押し当て部材を昇降させるシリンダと、
前記ワークキャリアまたは前記下定盤に近接しているか否かを検出する近接センサと、
を備え、
前記ロボットハンドがワークを前記キャリアホールに入れて前記押し当て部材を押し当てた状態で前記近接センサが近接状態にないと検出したときに前記キャリアホールにワークが嵌合されていないと判定し、前記押し当て部材を押し当てた状態で前記近接センサが近接状態にあると検出したときに前記キャリアホールにワークが嵌合されていると判定することを特徴とする。

請求項２に係るワーク嵌合装置は、請求項１に記載のワーク嵌合装置において、前記ロボットと前記ロボットハンドとの接続部に設けられる力覚センサを備え、嵌合されていないと判定されたワークの再嵌合動作を行う場合、移動するワークが前記キャリアホールの内周面に突き当たって生じる反力を前記力覚センサで検出した時点でワークが嵌合されていると判定することを特徴とする。

請求項３に係る嵌合方法は、請求項１に記載のワーク嵌合装置を用いる嵌合方法であって、前記乗上げ検出装置が前記キャリアホールにワークが嵌合されていないと判定するときに前記ロボットハンドによる吸着を維持し、前記移載ロボットが前記ロボットハンドとともにワークを、ワークを構成する面内において、ハンド中心から乗上げている各近接センサの位置を結ぶ各ベクトルの和と反対方向へ低速度で移動させて前記キャリアホールに対するワークの再嵌合動作を行うと同時に、任意の移動量毎に停止と前記乗上げ検出装置によるワークの嵌合を判定する動作とを間欠的に繰り返し行い、ワークの嵌合を判定するときに前記ロボットハンドによる吸着を停止することによりワークを離脱することを特徴とする。

請求項４に係る嵌合方法は、請求項２に記載のワーク嵌合装置を用いる嵌合方法であって、前記乗上げ検出装置が前記キャリアホールにワークが嵌合されていないと判定するときに前記ロボットハンドによる吸着を維持し、前記移載ロボットが前記ロボットハンドとともにワークを、ワークを構成する面内において、ハンド中心から乗上げている各近接センサの位置を結ぶ各ベクトルの和と反対方向へ低速度で移動させて前記キャリアホールに対するワークの再嵌合動作を行うと同時に、ワークの移動時において、ワークが前記キャリアホールの内周面に突きあたるときの反力を前記力覚センサで検出した時点でワークの再嵌合動作を終了して前記ロボットハンドによる吸着を停止することによりワークを離脱することを特徴とする。

このような本発明によれば、ワークキャリアのキャリアホールにワークを確実に嵌合させるワーク嵌合装置、および、このワーク嵌合装置を用いてワークを確実に嵌合させる嵌合方法を提供することができる。

研磨システムの全体図である。ワークキャリアの説明図である。ワーク嵌合装置のロボットハンドの平明図である。ワーク嵌合装置のロボットハンドの説明図であり、図４（ａ）はロボットハンドの正面図、図４（ｂ）は乗上げ検出装置の説明図である。ワーク嵌合装置のロボットハンドがキャリアホールへワークを嵌合する状態の説明図である。ワーク嵌合装置の説明図であり、図６（ａ）は初期状態の説明図、図６（ｂ）はワーク嵌合状態の説明図、図６（ｃ）はワーク乗上げ状態の説明図である。ワーク嵌合装置のロボットハンドのずれ方向を説明する説明図であり、図７（ａ）はロボットハンドの全体図、図７（ｂ）は乗り上げ部の拡大平面図である。ワーク嵌合装置のロボットハンドのずれ方向を説明する説明図であり、図８（ａ）はロボットハンドの全体図、図８（ｂ）は乗り上げ部の拡大図である。ワーク嵌合装置のロボットハンドのワークがキャリアホールに乗り上げた状態の説明図である。キャリアホールにワークが突き当たる状態の説明図である。他のワークキャリアの説明図である。本発明を実施するための他の形態のワーク嵌合装置のロボットハンドの説明図であり、図１２（ａ）はロボットハンドの平明図、図１２（ｂ）はロボットハンドの側面図である。本発明を実施するための他の形態のワーク嵌合装置のロボットハンドによるワークの嵌合状態の説明図である。

続いて、本発明を実施するための形態のワーク嵌合装置および嵌合方法について、図１〜図１０を参照しつつ説明する。図１は、本発明のワーク嵌合装置を含む研磨システム１の全体図であり、ワーク嵌合装置１０、ワーク給排装置２０、両面研磨装置３０を備え、多数のワーク４０を研磨するシステムである。図１のワーク嵌合装置１０は、１枚（枚葉式）ワークハンドリングシステムを構成している。

ワーク嵌合装置１０は、図１で示すように、移載ロボット１１、ロボットハンド１２を備えている。移載ロボット１１は、三次元空間の各３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）と各３軸のそれぞれの軸周りの３方向に移動可能な６軸多関節ロボットである。この移載ロボット１１の先端にロボットハンド１２が設けられる。このワーク嵌合装置１０の動作については後に詳述する。

ワーク給排装置２０は、図１で示すように、ロード用載置台２１、複数の未加工のワーク４０を収納する第１ロード用カセット２２、複数の未加工のワーク４０を収納する第２ロード用カセット２３、アンロード用載置台２４、複数の加工済みのワーク４０を収納する第１アンロード用カセット２５、複数の加工済みのワーク４０を収納する第２アンロード用カセット２６、ワーク４０の搬入・搬出を行うワークハンドリングロボット２７を備える。

両面研磨装置３０は、図１では上定盤が上昇して内部が見える状態を図示しており、この図示しない上定盤に加え、下定盤３１、ワークキャリア３２、インターナルギア３３、サンギア３４を備える。ワークキャリア３２はさらに図２で示すようにキャリアホール３２ａを備え、このキャリアホール３２ａ内にワーク４０が配置される。そして、上定盤を下降させ、ワークキャリア３２のキャリアホール３２ａに配置されたワーク４０の表裏面を上定盤および下定盤３１に当接させた状態で、インターナルギア３３およびサンギア３４によりワークキャリア３２を遊星運動させて、ワーク４０の表裏面を研磨する。

この研磨システム１では、ワーク給排装置２０と両面研磨装置３０との間をワーク嵌合装置１０がワーク４０を搬送するものであって、以下のような一連の動作でワークのロードおよびアンロードがなされる。

まず、両面研磨装置３０へのワーク４０のローディングを説明する。
（ａ）ワーク給排装置２０のワークハンドリングロボット２７が第１ロード用カセット２２（または第２ロード用カセット２３）から未加工のワーク４０を取り出してロード用載置台２１にワーク４０を配置する。

（ｂ）ワーク嵌合装置１０の移載ロボット１１がロボットハンド１２をロード用載置台２１まで移動させ、ロボットハンド１２にワーク４０を吸着させる。

（ｃ）ワーク嵌合装置１０の移載ロボット１１がロボットハンド１２およびワーク４０を、ローディング位置にあるワークキャリア３２のキャリアホール３２ａまで移動させ、ロボットハンド１２にワーク４０を離脱させ、ワーク４０をワークキャリア３２のキャリアホール３２ａ内に入れる。
このようにしてワーク４０のローディングが行われる。

続いて、両面研磨装置３０からのワーク４０のアンローディングを説明する。
（Ａ）ワーク嵌合装置１０の移載ロボット１１がロボットハンド１２を、アンローディング位置にあるワークキャリア３２のキャリアホール３２ａまで移動させ、ロボットハンド１２に加工済みのワーク４０を吸着させる。

（Ｂ）ワーク嵌合装置１０の移載ロボット１１がロボットハンド１２およびワーク４０をアンロード用載置台２４まで移動させ、ロボットハンド１２にワーク４０を離脱させ、ワーク４０をアンロード用載置台２４に載せる。

（Ｃ）ワーク給排装置２０のワークハンドリングロボット２７がアンロード用載置台２４からワーク４０を取り出して第１アンロード用カセット２５（または第２アンロード用カセット２６）にワーク４０を収納する。
この研磨システム１でのワーク４０のロードおよびアンロードはこのようにして行われる。

このようなワーク嵌合装置１０では、ワークキャリア３２のキャリアホール３２ａにワーク４０が嵌合されているか否かについて検出する機能を有する。図３，図４は、移載ロボット１１の先端にあるロボットハンド１２を説明する図である。ロボットハンド１２はさらに、乗上げ検出装置１２１、吸着パッド１２２、力覚センサ（特に図４（ａ）参照）１２３、パッドプレート１２４を備える。移載ロボット１１の先端に力覚センサ１２３が設けられている。本形態のように面積の大きなワークを対象とする場合に、複数（具体的には５個）の吸着パッド１２２を適用する。そして、ワーク４０の外周の端部に位置するように乗上げ検出装置１２１を複数（具体的には６個）配置する。

乗上げ検出装置１２１は、ワークキャリア３２のキャリアホール３２ａの円周のエッジ部付近でワーク４０が乗り上げているか否か、換言すれば嵌合されているか否かについて検出するというものであり、図４（ｂ）で示すように、押し当て部材１２１ａ、近接センサ１２１ｂ、シリンダ１２１ｃを備えている。

押し当て部材１２１ａは、下降時にワーク４０と接触するため、ウレタンゴム等のやや柔軟性のある材料を使用しており、押し当て部材１２１ａがワーク４０と接触するときのワーク４０へ作用する負荷を分散させ、最少化する。また、押し当て部材１２１ａは、キャリアホール３２ａの外周の端部直上に来るように配置する。この位置は、ワーク４０が乗り上げた時に乗り上げ部に押し当て部材１２１ａを確実に当接させる最適な位置となる。

近接センサ１２１ｂは、押し当て部材１２１ａのキャリアホール３２ａの外側（ワークキャリア３２の上）に配置される。図４（ｂ）では、押し当て部材１２１ａを構成するゴム製母材に近接センサ１２１ｂを埋め込み、押し当て部材１２１ａに対して近接センサ１２１ｂの上下方向位置を一定に保持する構造としている。ただし、近接センサ１２１ｂの下面には押し当て部材１２１ａと同質材を配置して、ワークキャリア３２あるいはワーク４０と万が一接触しても影響のないような構造とする。

このように押し当て部材１２１ａおよび近接センサ１２１ｂは一体構造であり、これをシリンダ１２１ｃのシリンダロッドが保持している。通常はシリンダ１２１ｃのシリンダロッドを引き上げておき、ワーク嵌合確認のための検出時にシリンダ１２１ｃのシリンダロッドを下方へ伸長させて押し当て部材１２１ａをワーク４０あるいはワークキャリア３２面上へ軽く押し当てる。この時の作用圧力は小さく設定しておく。

ワーク４０がワークキャリア３２に乗り上げている場合と、ワーク４０が乗り上げずに嵌合している場合と、を比較すると、近接センサ１２１ｂとワークキャリア３２面との距離がワーク４０の厚みの分だけ変化するので、この変化を検出して乗り上げの有無を判定する。判定の閾値は、乗り上げがないときに検出される距離と乗り上げがあるときに検出される距離との加算値を２で除した中間値（中間位置を表す）とすればよい。閾値よりも距離が大きければ近接していないため乗り上げがあると判定し、閾値よりも距離が小さければ近接しているため乗り上げがないと判定する。このような判定基準に従う。

ここで、本願発明で特に近接センサ１２１ｂを採用する理由について説明する。図６の動作図でも分かるように、ワーク４０の乗上げを検出するには押し当て部材１２１ａの下面に空いた隙間の量を計測できればよいので、非接触式のギャップ計測センサや場合によれば接触式のセンサでも適用は可能である。しかしながら、押し当て部材の下面に水膜や研磨材等介在物があると誤計測する懸念があることから、これらの介在物の影響を受けずに金属製のキャリア面あるいは下定盤面までの距離を安定して計測できる近接センサを適用した。
乗上げ検出装置１２１はこのようなものである。

図３，図４（ａ）に戻るが、吸着パッド１２２は、図示しないエアチューブを介して真空ポンプなどの吸引部と接続されており、ワーク４０が接触した状態で吸引部が吸引することで、ワーク４０を吸着するようになされている。この吸着パッド１２２はワーク４０の大きさや重量などにより単体あるいは複数配置されており、一枚のワーク４０を単体あるいは複数箇所で吸引して確実に吸着するようにしている。

力覚センサ１２３は、図４（ａ）で示すように、移載ロボット１１とロボットハンド１２との連結箇所に設置する。力覚センサ１２３は、三次元空間の各３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）と各３軸のそれぞれの軸周りの３方向のモーメントの合計６軸の分力を検出可能なセンサである。この力覚センサ１２３を移載ロボット１１の先端に設置することにより、ロボットハンド１２に作用する６つの分力を感度よく検出することができる。

パッドプレート１２４は、ワーク４０の形状に対応する板体であり、複数の乗り上げ検出装置１２１や単体あるいは複数の吸着パッド１２２が機械的に取り付けられる。ロボットハンド１２の構成はこのようなものである。

続いて、ワーク嵌合装置１０によるキャリアホール３２ａへのワーク４０の嵌合について説明する。まず、正確にワークが嵌合される場合について説明する。図５で示すようにワーク嵌合装置１０の移載ロボット１１がロボットハンド１２およびワーク４０を、ローディング位置にあるワークキャリア３２のキャリアホール３２ａまで移動させ、ワーク４０をワークキャリア３２のキャリアホール３２ａ内に入れる。ここでは乗り上げがなく正確に入ったものとする。

続いて、乗上げ検出装置１２１が、ワークキャリア３２にワーク４０が乗り上げているか否かについて検出する乗上げ検出を行う。乗上げ検出装置１２１は、図６（ａ）で示す初期状態から、押し当て部材１２１ａおよび近接センサ１２１ｂのモジュールをシリンダ１２１ｃで下降させて、ワーク４０がワークキャリア３２の上面に乗り上げているか否かを検出する。

シリンダ１２１ｃにより押し当て部材１２１ａが下降して、図５，図６（ｂ）で示すように、押し当て部材１２１ａがワーク４０とワークキャリア３２とを上から押し当てる。そして、ワークキャリア３２が金属体であれば近接センサ１２１ｂが、近接センサ１２１ｂの最下端から、ワークキャリア３２の上面まで、の距離により近接しているか否かを検出する。また、ワークキャリア３２が樹脂などの非金属体であれば近接センサ１２１ｂが、近接センサ１２１ｂの最下端から、下定盤３１の研磨面まで、の距離により近接しているか否かを検出する。

そして、この検出結果は図示しない制御演算部に送られる。制御演算部は、上記判定処理に従って近接しているとする検出結果から、当該箇所ではワーク４０がワークキャリア３２に乗り上げていないと判定する。そして、他の箇所の乗上げ検出装置１２１でも制御演算部が距離に基づいて近接しているか否かの検出を行い、何れの箇所でもワーク４０がワークキャリア３２に乗り上げていないと判定されたとき、ワーク４０は嵌合されたと判定する。そして、制御演算部が吸着パッド１２２の吸着を停止するように吸引部を制御して、吸着パッド１２２からワーク４０を離脱する。既にワーク４０はキャリアホール３２ａに入っている状態の位置まで移送されているので、離脱した時点でワーク４０がキャリアホール３２ａへ嵌合されている。続いて、移載ロボット１１がロボットハンド１２を所定の位置へ復帰させる。正確にワーク４０が嵌合される場合はこのようになされる。

次に、乗り上げがあってワークが嵌合されていない場合について説明する。図５で示すようにワーク嵌合装置１０の移載ロボット１１がロボットハンド１２およびワーク４０を、ローディング位置にあるワークキャリア３２のキャリアホール３２ａまで移動させ、ワーク４０をワークキャリア３２のキャリアホール３２ａ内に入れる。しかしながら、乗り上げが生じたものとする。

続いて、乗上げ検出装置１２１が、ワーク４０がワークキャリア３２に乗り上げているか否かについて検出する。図６（ａ）で示す初期状態から、シリンダ１２１ｃにより押し当て部材１２１ａが下降して、図６（ｃ）で示すように、押し当て部材１２１ａがワーク４０とワークキャリア３２とを上から押し当てる。そして、ワークキャリア３２が金属体であれば近接センサ１２１ｂが、近接センサ１２１ｂの最下端から、ワークキャリア３２の上面まで、の距離により近接しているか否かを検出する。また、ワークキャリア３２が樹脂などの非金属体であれば近接センサ１２１ｂが、近接センサ１２１ｂの最下端から、下定盤３１の研磨面まで、の距離により近接しているか否かを検出する。

そして、この検出した距離は図示しない制御演算部に送られる。制御演算部は、上記判定処理に従って近接していないとする検出結果から、当該箇所ではワーク４０がワークキャリア３２に乗り上げていると判定する。そして、他の箇所の乗上げ検出装置１２１でも制御演算部が距離に基づいて近接しているか否かの検出を行い、他のワーク４０がワークキャリア３２に乗り上げている箇所を判定する。そして、吸着パッド１２２の吸着を維持して、ロボットハンド１２を移動させた後に、再度ワーク４０をキャリアホール３２へ入れる再嵌合処理が行われることとなる。乗り上げがあったワーク４０の再嵌合はこのようになされる。

このワークの乗り上げ状態では位置ずれが生じているが、どのような位置ずれであるかを検出する必要がある。この位置ずれの検出について説明する。
図７（ａ），（ｂ）は、ワーク４０がワークキャリア３２面上の多数位置で乗り上げており、ワーク４０がキャリアホール３２ａに正確に嵌合していない状態を示す模式図である。この図７（ａ），（ｂ）は３カ所の乗上げ検出装置１２１が乗り上げを検出した場合の例である。

ワーク４０が図の上方へずれた場合の想定図で、上側３カ所の乗上げ検出装置１２１で乗り上げが検出され、乗り上げ状態と判定される。なお下側３カ所は押し当て部材１２１ａが当接したとき下側に下がるので乗り上げは検出されない。次にハンド中心軸である起点から、乗り上げている各乗上げ検出装置１２１まで、のベクトルの和が図中の「ワークずれ方向」となるので、これと反対方向へワーク４０を移動させれば嵌合する方向となる。これが図中の「ハンド動作方向」となる。なお、当然ながら、センサの配置数が多く配置間隔が小さいほどワークのずれ方向をより正確に求めることができる。

また、他の例について説明する。図８（ａ），（ｂ）は、ワーク４０がワークキャリア３２の上面の多数位置で乗り上げており、ワーク４０がキャリアホール３２ａに正確に嵌合していない状態を示す模式図である。この図８（ａ），（ｂ）は２カ所の乗上げ検出装置１２１が乗り上げを検出した場合の例である。

ワーク４０が図の右斜め上方へずれた場合の想定図で、上側２カ所の乗上げ検出装置１２１で乗り上げが検出され、乗り上げ状態と判定される。なお他の４カ所は押し当て部材１２１ａが当接したとき下側に下がるので乗り上げは検出されない。次にハンド中心軸である起点から、乗り上げている各乗上げ検出装置１２１まで、のベクトルの和が図中の「ワークずれ方向」となるので、これと反対方向へワーク４０を移動させれば嵌合する方向となる。これが図中の「ハンド動作方向」となる。なお、当然ながら、センサの配置数が多く配置間隔が小さいほどワーク４０のずれ方向をより正確に求めることができる。これらのようにして「ハンド動作方向」が容易に判定できる。

続いて、「嵌合不良」を検出して、「ハンド動作方向」を決定したあとで行う再度のワークの嵌合について説明する。図９ではワークが嵌合せずワークの乗り上げが検出された後の再嵌合動作を示す状態図である。乗り上げが検出され、上記方法により「ハンド動作方向」の決定がなされているものとする。この場合、乗上げ検出装置１２１を上昇させ、移載ロボット１１は、ワーク吸着状態のままのロボットハンド１２を「ハンド移動方向」へ低速度でワークキャリア３２の上面と平行に移動していく。「ワークずれ方向」と反対方向（「ハンド動作方向」）へワーク４０を移動させれば嵌合する方向となる。このように乗り上げを解消する「ハンド移動方向」へロボットハンド１２をワークキャリア３２の上面と平行（水平面内で）に移動する。この時、乗り上げ部の反対側の嵌合していない側のワーク４０のエッジ部はキャリアホール３２ａ内で姿勢を保持しながら、キャリアホール３２ａの内周面に接触するまで移動を継続する。

続いて、キャリアホール３２ａの内周面にワーク４０のエッジ部が突き当たったものとする。図１０は、キャリアホール３２ａの内周面にワーク４０のエッジ部が突き当たった時の状態図を表す。ワーク４０を水平方向へ低速度で移動させていくと、キャリアホール３２ａの内周面にワーク４０の外周面が突き当たる位置がある。

ワーク４０がキャリアホール３２ａの内周面に突きあたることによりハンド送り方向と反対方向へ反力が発生し、これが上方に設置している力覚センサ１２３では図の矢印方向のモーメントあるいは反力として検出することができる。このとき、移載ロボット１１上の力覚センサ１２３には図中の矢印方向へ曲げモーメントが発生するので、ワーク４０の嵌合位置を最短で知ることができる。この反力を検出した時点で移載ロボット１１のロボットハンド１２の移動を停止して再度乗上げ検出装置１２１により嵌合を確認する。そして嵌合状態が確認されれば、図示しない制御演算部の制御により、ワーク４０の吸着を解除してワーク４０を離脱し、移載ロボット１１がロボットハンド１２を次の所定の動作位置へ復帰させる。

なお、上記の力覚センサ１２３を適用せずに嵌合位置を検出するにはワークの乗上げを解消する方向に微小量毎（例えばハンド移動量１mm毎）に移動停止して、その都度乗上げ検出を行う方法も可能であるが、嵌合位置を特定するまでの動作に時間が掛る。一方で、力覚センサ１２３を適用することにより、ワーク４０の嵌合終了位置を直接検出することができるので、一連の動作の信頼性が確保できると同時に、嵌合動作自身を円滑に速く行うことができるので、生産性を大きく損ねることがない。

続いて他の形態について説明する。図１１は４枚ワークハンドリング図で示すように、１枚のワークキャリア５２に４個のキャリアホール５２ａが形成されており、４枚のワーク４０を入れることができる。ワーク嵌合装置６０は、移載ロボット１１、ロボットハンド６１を備える。ロボットハンド６１は、図１２（ａ），（ｂ）で示すように、さらに、先に説明した乗上げ検出装置１２１、先に説明した吸着パッド１２２、先に説明した力覚センサ１２３を備える。ロボットハンド６１は、１枚のワーク４０に対して、図２と同様に、４個の乗上げ検出装置１２１や４個の吸着パッド１２２を配置しており、さらに４枚のワークを吸着できるようにしている。そして図１３で示すように、一回に４個のワーク４０をワークキャリア５２に配置する。このような形態を採用しても良い。

以上、本発明のワーク嵌合装置および嵌合方法について説明した。本形態では、面積の大きなワークでは複数の吸着パッドを適用するものとして説明したが、面積の比較的小さなワークでは吸着パッド１個のロボットハンドとしても良い。吸着パッドはワーク形状・大きさによって、単体〜複数まで様々な構成がある。通常は研磨加工後の剥離動作も考慮して吸着機能や配置等を決定する。吸着したワークの円周状に「乗上げ検出装置」を複数配置する。この配置もワークの大きさやキャリアホールとの嵌合精度等を勘案して決定する。ワークが大きければ乗上げ検出装置の数を増やして検出感度を保持する。ワークとキャリアホールとの隙間（要求される嵌合精度に影響される）が小さければやはり乗上げ検出装置の数を増やして検出感度を大きくし、復旧動作の方向をより正確に設定する。

このようなワーク嵌合装置や嵌合方法は、３−ウェイ方式や４−ウェイ方式の遊星歯車方式の両面研磨装置などに適用可能である。

以上のような本発明に係るワーク嵌合装置および嵌合方法は、特に自動化により研磨を行う研磨システムへの搭載が好適である。

１：研磨システム
１０，６０：ワーク嵌合装置
１１：移載ロボット
１２，６１：ロボットハンド
１２１：乗上げ検出装置
１２１ａ：押し当て部材
１２１ｂ：近接センサ
１２１ｃ：シリンダ
１２２：吸着パッド
１２３：力覚センサ
１２４：パッドプレート
２０：ワーク給排装置
２１：ロード用載置台
２２：第１ロード用カセット
２３：第２ロード用カセット
２４：アンロード用載置台
２５：第１アンロード用カセット
２６：第２アンロード用カセット
２７：ワークハンドリングロボット
３０：両面研磨装置
３１：下定盤
３２：ワークキャリア
３２ａ：キャリアホール
３３：インターナルギア
３４：サンギア
４０：ワーク

Claims

研磨装置の下定盤上にあるワークキャリアのキャリアホールにワークを嵌合するワーク嵌合装置であって、
移載ロボットと、
移載ロボットにより移動するようになされ、ワークを吸着するロボットハンドと、
前記ロボットハンドに搭載され、ワークの外周部が前記キャリアホールの内周部に乗り上げたか否かを検出する複数の乗上げ検出装置と、を備えると共に、
前記乗上げ検出装置は、
前記ワークの外周部の一部と前記キャリアホールの内周部の一部とを押圧する軟質材からなる押し当て部材と、
前記押し当て部材を昇降させるシリンダと、
前記ワークキャリアまたは前記下定盤に近接しているか否かを検出する近接センサと、
を備え、
前記ロボットハンドがワークを前記キャリアホールに入れて前記押し当て部材を押し当てた状態で前記近接センサが近接状態にないと検出したときに前記キャリアホールにワークが嵌合されていないと判定し、前記押し当て部材を押し当てた状態で前記近接センサが近接状態にあると検出したときに前記キャリアホールにワークが嵌合されていると判定することを特徴とするワーク嵌合装置。
請求項１に記載のワーク嵌合装置において、
前記ロボットと前記ロボットハンドとの接続部に設けられる力覚センサを備え、
嵌合されていないと判定されたワークの再嵌合動作を行う場合、移動するワークが前記キャリアホールの内周面に突き当たって生じる反力を前記力覚センサで検出した時点でワークが嵌合されていると判定することを特徴とするワーク嵌合装置。
請求項１に記載のワーク嵌合装置を用いる嵌合方法であって、
前記乗上げ検出装置が前記キャリアホールにワークが嵌合されていないと判定するときに前記ロボットハンドによる吸着を維持し、
前記移載ロボットが前記ロボットハンドとともにワークを、ワークを構成する面内において、ハンド中心から乗上げている各近接センサの位置を結ぶ各ベクトルの和と反対方向へ低速度で移動させて前記キャリアホールに対するワークの再嵌合動作を行うと同時に、任意の移動量毎に停止と前記乗上げ検出装置によるワークの嵌合を判定する動作とを間欠的に繰り返し行い、ワークの嵌合を判定するときに前記ロボットハンドによる吸着を停止することによりワークを離脱することを特徴とする嵌合方法。
請求項２に記載のワーク嵌合装置を用いる嵌合方法であって、
前記乗上げ検出装置が前記キャリアホールにワークが嵌合されていないと判定するときに前記ロボットハンドによる吸着を維持し、
前記移載ロボットが前記ロボットハンドとともにワークを、ワークを構成する面内において、ハンド中心から乗上げている各近接センサの位置を結ぶ各ベクトルの和と反対方向へ低速度で移動させて前記キャリアホールに対するワークの再嵌合動作を行うと同時に、ワークの移動時において、ワークが前記キャリアホールの内周面に突きあたるときの反力を前記力覚センサで検出した時点でワークの再嵌合動作を終了して前記ロボットハンドによる吸着を停止することによりワークを離脱することを特徴とする嵌合方法。