JP3611797B2

JP3611797B2 - 真空チャックを搭載したマニピュレータ及び部品組立方法

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Publication number: JP3611797B2
Application number: JP2001056230A
Authority: JP
Inventors: 武原田; 篤志石川; 喜重遠藤; 達雄名取
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2001-03-01
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2021-03-01
Also published as: JP2002254380A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空チャックを搭載したマニピュレータ及び部品組立方法に係り、特にマイクロポンプなどのマイクロマシンや時計などのミニチュアマシンの組立などに用いる超小型の真空チャックを搭載したマニピュレータ及び部品組立方法に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
時計やマルチメディア家電製品等の精密小型機械（ミニチュアマシン）の組立工場では、マニピュレータ（ロボットを含む）が真空チャックを持ち、部品を吸着・把持して搬送、組立を行っている。また、Ｓｉマイクロマシニング技術を用いて製作されるマイクロポンプなどのマイクロマシンの製作においても、複数のデバイスを統合するシステム製作のために組立作業が必要である。
【０００３】
ミニチュアマシンあるいはマイクロマシンの組立のために有効な把持デバイスとして、１９９４年度日本機械学会講演論文集（ＩＶ）４８８頁に記載の真空チャック（従来技術１）がある。また、１９９６年度日本機械学会講演論文集（ＩＶ）４６８頁には数μｍ程度のごく微小な素材を把持するマイクログリッパ（従来技術２）の研究が報告されている。また、ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩＥＥＥ−ＭＥＭＳ９７の７２頁には、直径数１０μｍの部品を把持する静電駆動マイクログリッパ（従来技術３）がマイクロ部品の把持デバイスとして報告されている。さらに、特開平８−２２９７５０号公報（従来技術４）及び特開平９−２６７２７９号公報（従来技術５）には、マニピュレータとの間に微動機構を具備した把持用ツールの例が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ミニチュアマシンあるいはマイクロマシンの構成部品は、概略数μｍから数ｍｍ程度の寸法を有する。それを高精度かつ自由な姿勢でハンドリングするためには、機構全体が組立用マニピュレータ本体の先端部に搭載可能で、配管や配線がマニピュレータの位置制御の障害にならないような超小型の把持デバイスが必要となる。
【０００５】
しかしながら、前述した従来技術１の真空チャックや従来技術２の数μｍ程度のごく微小な素材を把持するマイクログリッパでは、いかに微小な部品が把持できるかに主眼点が置かれ、把持デバイス自身の寸法をマイクロ化することは考慮されておらず、精密で複雑な作業を要するミニチュアマシンあるいはマイクロマシンの組立用マニピュレータ本体の先端部に搭載するには適していない。また、従来技術３の静電駆動マイクログリッパでは、把持力が１５ｎＮ（１．５μｇｆ）と、いずれもミニチュアマシンの組立に適用するには力不足である。そして、いずれの把持デバイスにおいても、把持した部品の姿勢を精密に維持制御することについては考慮されておらず、吸着の際に部品の姿勢が著しく変化する可能性がある。
【０００６】
さらに、従来技術４、５では、組立時の反力検出器がなく、直線的に変位する微動機構のみ具備しているので、組立動作における微調整の自由度に限界があり、組立の成否が粗動用マニピュレータの位置決め精度に大きく依存する可能性がある。
【０００７】
本発明の目的は、組立の際のマニピュレータ本体への負荷を軽減して自由な姿勢での組立作業を容易に行うことができると共に位置決め精度を向上することができ、しかも、微小な部品同士の組立を容易に行うことができる真空チャックを搭載したマニピュレータ及び部品組立方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、組立部品を把持する真空チャックを先端部に搭載して移動する真空チャックを搭載するマニピュレータにおいて、上記真空チャックは、超小型の真空ポンプと、上記真空ポンプを駆動する駆動用モータと、上記真空ポンプの正転・逆転で生ずる減圧・陽圧雰囲気により組立部品を吸着・脱離する部品吸着機構と、把持する組立部品からの反力を検出する反力検出器と、上記部品吸着機構を微動させる相対位置微動機構とを有しており、上記マニピュレータ本体の先端部位置と上記真空チャックで把持される組立部品との相対位置が組立方向に対して直角な平面内での上記マニピュレータ本体の位置決め精度よりも小さい直径で円軌道運動するように上記相対位置微動機構を構成すると共に、組立部品を組立対象部品に組立てる際に受ける反力を上記反力検出器で検出し、この検出結果に基づいて組立完了を判定して組立部品を上記部品吸着機構より脱離するように構成したことにある。
【０００９】
そして、減圧及び陽圧雰囲気の発生機構としてスクロールポンプや歯車ポンプ等のモータ回転駆動型真空ポンプを用いて、精密組立用マニピュレータ本体の先端に搭載できるような超小型機構としている。
【００１０】
また、部品組立での嵌合を容易にするため、吸着部品の相対位置微動機構として、駆動源であるモータを真空ポンプと兼用して、真空チャック連結側に対し反対側の回転出力軸１２ａに連結された偏心旋回機構、あるいは、真空ポンプと部品吸着機構との間に電歪アクチュエータを設置することにより、マニピュレータ本体の位置決め精度よりも小さい直径で、嵌合組立方向に対し垂直な平面内で円軌道運動させるようにしている。そして、真空ポンプの駆動回転方向を交互に正・反転させ、部品の吸着と脱離を繰り返す方法により、マニピュレータ本体の先端位置に対する部品の相対位置をマニピュレータ本体の位置決め精度よりも十分小さい変位量だけ変化させるようにしている。
【００１１】
さらに、真空ポンプと部品吸着機構との間に圧力変動を抑制するバッファタンクを設置することにより、部品吸着の後に真空ポンプを停止しても減圧雰囲気から大気圧に戻る時間が長くなるようにしている。
【００１２】
また、部品を脱離させる時は、ポンプの駆動回転方向を逆転させることにより、大気圧より少し圧力の高い陽圧雰囲気を発生させ、部品を強制的に放すように制御するようにしている。
【００１３】
部品吸着機構の形状を、最先端構造をノズル構造、あるいはそれと軟らかい吸盤との組合せにすることにより、多種類の形状を有する部品が吸着できるようにすると共に、把持した部品の姿勢・位置を精密に維持制御できるようにしている。
【００１４】
さらに、組立部品を把持し別の部品に組立てる際に、把持した部品と相手の部品との相対位置を、マニピュレータの位置決め精度よりも十分小さい直径で、嵌合組立方向に対し直角な平面内で円軌道運動させる工程と、把持した部品が相手の部品と接触する際に受ける反力を測定する工程とを、同時あるいは交互に繰り返して実施することにより、部品組立での嵌合を容易にできるようにしている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図を参照して説明する。なお、各図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【００１６】
まず、本発明の第１の実施例を図１から図１５を参照して説明する。
【００１７】
最初に、本発明の真空チャックを搭載するマニピュレータ（以下マニピュレータと呼ぶ）１００の全体構成を図１を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例を示す真空チャックを搭載するマニピュレータの構成図である。
【００１８】
マニピュレータ１００は、組立部品４を把持して組立対象部品５に組立てるための超小型の真空チャック１と、この真空チャック１を所定位置に移動するためのマニピュレータ本体２と、真空チャック１及びマニピュレータ本体２の駆動を制御するための制御電源３とから構成されている。真空チャック１は、マニピュレータ本体２の先端部分に搭載されると共に、分離して静止位置に置かれた制御電源３と電気配線１７を介して接続されている。組立部品４及び組立対象部品５は、マイクロポンプ等のマイクロマシンや時計等のミニチュアマシンを構成する部品である。
【００１９】
上述した真空チャック１は、真空ポンプ１１、その駆動用モータ１２、配管１３、電気配線１７、部品吸着機構１４、相対位置微動機構１５、及び反力検出器１６からなり、これらが一体的に構成されている。そして、真空ポンプ１１は、駆動用モータ１２により駆動され、配管１３を介して部品吸着機１４から吸気するものである。また、相対位置微動機構１５は、真空チャック１の微動を行うものであり、駆動用モータ１２のマニピュレータ本体２側に設置されている。さらには、反力検出器１６は、真空チャック１が組立部品４を把持したか、あるいは組立部品４が組立対象部品５に嵌合されたかを検出するためのものであり、真空ポンプ１１の部品吸着機構１４側に設置されている。
【００２０】
マニピュレータ１００は、真空チャック１及びマニピュレータ本体２を制御電源３により制御することにより、組立部品４を把持して移動し、別の位置に置かれた組立対象部品５に組立部品４を組み付ける作業を行う。ここで、真空チャック１は、真空ポンプ１１から部品吸着機構１４を一体的に構成してマニピュレータ本体２の先端部に搭載したことにより、静止位置にある制御電源３には電気配線１７だけが接続されるようになり、マニピュレータ１００の動作に対する障害が軽減される。その結果、組立部品４の把持姿勢及びマニピュレータ１００の動きを自由に選べるようになり、多自由度の組立作業が可能になる。
【００２１】
次に、真空チャック１の詳細を図２及び図３を参照して説明する。図２は図１の真空チャックを搭載するマニピュレータに用いる真空チャックの断面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。
【００２２】
真空チャック１は、スクロール型真空ポンプ１１と、その駆動用モータ１２とを中央に備えている。そして、真空ポンプ１１は一側に真空ポンプ１１の吸入口１１６にバッファタンク（圧力容器）１１７を介して配管１３及び部品吸着機構１４を接続している。このようにバッファタンク１１７を介することにより、組立部品４を吸着した状態で真空ポンプ１１の駆動を停止しても、減圧雰囲気から大気圧に戻る時間が長くなり、組立部品４の把持を維持して組立対象部品５への組立を完了することができると共に、部品搬送中の機械的振動及び発熱が低減されてマニピュレータ１００の位置決め精度が向上し、さらに、組立部品４への熱影響が少なくなり、消費電力を低く抑えることができる。
【００２３】
また、真空チャック１は、駆動用モータ１２の回転軸１２ａをマニピュレータ本体２側にも突出しており、これに相対位置微動機構１５を接続している。この相対位置微動機構１５は、マニピュレータ本体２の先端部にも固定されており、これにより真空チャック１がマニピュレータ本体２の先端部に搭載されることになる。相対位置微動機構１５は、偏心旋回機構１５１と、駆動用モータ１２への取付け部材１５２と、マニピュレータ本体２への取付け部材１５３とから構成されている。偏心旋回機構１５１は、駆動用モータ１２の回転軸１２ａの駆動により偏心回転する回転軸１５１ａと、この回転軸１５１ａにより偏心回転するディスク部材１５１ｂと、このディスク部材１５１ｂと取付け部材１５２、１５３との間に設けられたボール１５１ｃとからなっている。この相対位置微動機構１５により、マニピュレータ本体２の先端位置に対する組立部品４の相対位置をマニピュレータ本体の２の位置決め精度よりも十分小さい変位量だけ微動できるようになり、組立対象部品５への組立・嵌合の際の調整が非常に容易になる。
【００２４】
真空ポンプ１１は上述したようにスクロール型ポンプを用いている。スクロール型ポンプは、部品点数が少なく、組立構造も非常に単純であるため、マイクロ化するのに適している。すなわち、マイクロ化が最も必要とする真空ポンプ１１をマイクロ化することにより、真空チャック１の全体のマイクロ化を図ることが可能になる。
【００２５】
スクロール型真空ポンプ１１は、固定側と旋回側の１組のインボリュート曲線からなる固定スクロール１１１、旋回スクロール１１２、シャフト１１３、ケーシング１１４、軸受１１５である。シャフト１１３は、ケーシング１１４に軸受１１５を介して支持されると共に、駆動用モータ１２の回転軸１２ａに対して偏心した軸部で軸受１１５を介して旋回スクロール１１２と連結している。この旋回スクロール１１２は、固定スクロール１１１と組み合わさって旋回運動を行うように構成されている。
【００２６】
この構造において、駆動用モータ１２でシャフト１１３を回転させることにより、旋回スクロール１１２が公転運動し、固定スクロール１１１との間に形成されるわずかなギャップを有する密閉空間が、吸入口１１６から吐出口１１８に向かって漸次絞られるように作用し、その結果として、密閉空間内の流体が送給され、ポンプ作用が起こる。
【００２７】
固定スクロール１１１及び旋回スクロール１１２のスクロール形状の基礎になるインボリュート曲線は極座標表示により次式で決定した。
【００２８】

ここで、Ａは基礎円半径で本実施例では０．１７５ｍｍ、ｔはスクロールの厚さで０．２５ｍｍとした。さらに、スクロールの高さは１．５ｍｍとした。したがって、スクロール断面のアスペクト比は６である。また、スクロール１回転当たりの理論排気量を約４μｌに設定した。
【００２９】
既に普及している通常寸法のスクロール型ポンプでは、旋回スクロールの自転を防止するために、オルダムリングが用いられるが、この実施例では、超小型の構造を実現するために、図３で明らかなように、旋回スクロール１１２及びケーシング１１４の両方にそれぞれ３個所の円形案内溝１１９を設け、その中にそれぞれ鋼球１１９１を入れ、旋回スクロール１１２が自転するのを防止するようにしている。なお、鋼球１１９１の代わりに中実円筒部材であってもよい。
【００３０】
次に、自転防止機構の変形例を図４及び図５を参照して説明する。図４は図３の変形例１を示す図、図５は図３の変形例２を示す図である。
【００３１】
図４に示す自転防止機構は案内溝１１９及び鋼球１１９１が４個のものであり、図５に示す自転防止機構は案内溝１１９及び鋼球１１９１が８個のものである。自転防止機構の案内溝１１９の数は平面を規定するために最低限３個必要であり、その場合は旋回スクロール１１２とケーシング１１４の間の摩擦力を低く抑えることができる。それに対し、案内溝１１９の数が多い場合は、駆動用モータ軸１２ａへのモーメント負荷が少なくなり、案内溝１１９と旋回スクロール側軸受１１５の摩耗が軽減される。ただし、案内溝１１９の数が多い場合は、摩擦力が増加するとともに、案内溝１１９の深さのばらつきにより鋼球１１９１との隙間が大きな振動が大きくなり易い。
【００３２】
真空ポンプ１１の構造材料としては、固定スクロール１１１には重量を軽くしてマニピュレータ本体２へ搭載を容易にするためにアルミニウム材料を用い、旋回スクロール１１２には鋼球１１９１による摩耗量を低減するために鋳鉄材料を用いている。また、固定スクロール１１１及び旋回スクロール１１２の全体構造の加工には精密旋盤及びフライス盤を用い、スクロール部の加工にはＮＣエンドミルを用いて加工している。そして、使用するエンドミル工具の直径は０．６ｍｍで、０．８ｍｍ間隔のスクロール部を一筆書きの軌跡でミリング加工している。これらの部品の組立は、Ｍ１ボルトと接着剤を用いて行ったものである。なお、用途によっては、この組合せの材質に限定されるものではなく、例えばアルミニウム同士、鋳鉄同士、樹脂との組合せ等を選定してもよい。
次に、スクロール型真空ポンプ１１における排気速度の駆動回転数依存性を図６を参照して説明する。図６は図１に用いるスクロール型真空ポンプにおける排気速度の特性図である。なお、真空ポンプ１１の駆動用モータ１２としては、直径１０ｍｍ、長さ約２０ｍｍの最大出力１．２Ｗのモータを用いている。
【００３３】
真空ポンプ１１は、図６にて明らかなように、駆動用モータ１１の動作電圧すなわち回転数の範囲内で、単調増加する排気速度が得られる。その最大値は約７０ｍｌ／ｍｉｎであり、その時の駆動回転数は約２００００ｒｐｍであることから、スクロール１回転当たりの排気量は約３．５μｌとなり、理論排気量に対する容積効率は０．９である。
【００３４】
次に、回転式ポンプである真空ポンプ１１の変形例を図７及び図８を参照して説明する。図７は図２の真空ポンプの変形例１の断面図、図８は図２の真空ポンプの変形例２の断面図である。
【００３５】
図７に示す真空ポンプ１１は歯車型ポンプであり、図８に示す真空ポンプ１１はベーン型ポンプである。これらのポンプ１１は、複数の閉じた空間を形成して細い矢印に示すように回転させることにより、各空間の容積を各々増減させ、太い矢印に示すように連続的に吸排気を行うポンプである。これらのうちの歯車型ポンプ１１は、歯車間の気体の漏れが大きく、効率が低くなるが、超小型ポンプとして使用が可能である。また、ベーン型ポンプ１１は、気体の漏れを少なくするためにロータの一部に移動可能なベーンが多数挿入された複雑な構造を有しているが、超小型ポンプとして使用可能である。
【００３６】
次に、部品吸着機構１４の詳細を図９及び図１０を参照して説明する。図９は図１の部品吸着機構の断面図、図１０は図９のＢ−Ｂ断面図である。
【００３７】
部品吸着機構１４は、組立部品４を吸着・把持して組立対象部品５に嵌合した後に組立部品４を離脱するものであり、ノズル１４１と吸盤１４４との組合せで構成されている。なお、ノズル１４１または吸盤１４４単独で部品吸着機構１４を構成することも可能である。
【００３８】
ノズル１４１は、第１円筒部材１４１ａ及び第２円筒部材１４１ｂを上下に固定して構成されており、上下に貫通する吸い込み穴１４２を形成している。吸い込み穴１４２は、第１円筒部材１４１ａにおいて、組立部品４側から真空ポンプ１１側に向かって内径が漸次減少するテーパ穴部１４２ａと、それに続く一定内径穴部１４２ｂと、それに続く拡大穴部１４２ｃとを有し、第２円筒部材１４１ｂにおいて、それに続く分岐穴部１４２ｄを有している。第１円筒部材１４１ｂは、配管１３に取付けられており、これにより部品吸着機構１４２は配管１３を介して真空ポンプ１１７に連通されるようになっている。
【００３９】
具体的には、テーパ穴部１４２ａの開口径は概ね組立部品４の軸部４ａ外径の２倍にマニピュレータ本体２の位置決め精度を加えた値に設定する。例えば、組立部品４の外径が１００μｍで、マニピュレータ本体２の位置決め精度が５０μｍであれば、開口径を２５０μｍ程度にする。テーパ穴部１４２ａを設けたことにより、マニピュレータ本体２の位置決め誤差によって組立部品４と部品吸着機構１４との間に位置ずれが発生しても、組立部品４の軸部４ａ上端がテーパ穴部１４２ａの開口の範囲内に位置すれば、軸部４ａが吸い込み穴１４２内に挿入され、組立部品４の吸着・把持が可能になる。一定内径の穴部１４２ｂの内径は、組立部品４の外径に数μｍから１０数μｍ程度加えた値が望ましい。これにより、組立部品４軸部４ａがこの穴部１４ｂに挿入された状態で、把持した組立部品４の姿勢位置を精密に維持できる。また、一定内径の穴部１４２ｂの深さは極力長い方が、組立部品４の姿勢維持に効果的である。
【００４０】
吸盤１４４は、柔らかく滑らかな表面のゴム状のもので構成され、上部１４４ａがノズル１４１に装着され、中央部１４４ｂが蛇腹状になっていて軸方向の長さが大きく変化でき、下部１４４ｃが拡大した形状をしている。このようにしたことにより、組立部品４の寸法の変動に対して効果的に把持できると共に、十分な吸着面積を確保することができる。
【００４１】
係る部品吸着機構１４においては、組立部品４の軸部４ａがテーパ穴部１４２ａに入り、そのテーパ斜面に誘導され一定内径の穴部１４２ｂに入ると、ノズル穴１４２と組立部品４との間の空気流による圧力損失で、組立部品４前後に圧力差が発生し、組立部品４の軸部４ａがノズル１４１の奥部（図９の上方）に吸引される。組立部品４が軸状の形状の場合は、このノズル１４１だけで吸着・把持が起こる。組立部品４が図７に示すような軸付き平板の場合は、平板部４ｂの表面が吸盤１４４に接触・吸引され吸着・把持が起こる。そして、いずれの場合もノズル１４１により、部品の位置及び姿勢が高精度に保たれる。組立部品４が軸のない板やブロックのような場合は、吸盤１４４のみによる吸着が起こる。この場合は、部品の形状に拘束されない各種形状の部品の把持が可能である。
【００４２】
以上のように、部品吸着機構１４をノズル１４１と軟らかい吸盤１４４との組合せにすることにより、多種類の形状を有する部品が吸着できるようになり、また、それと同時に把持した部品の姿勢・位置を精密に維持することができる。
【００４３】
ここで、部品吸着機構１４としてノズル１４１のみを用いた場合の吸着力について図１１を参照して説明する。図１１は図９の部品吸着機構のノズルのみにおける吸着力の特性図である。なお、この吸着力特性は、微小歯車の組立部品４を吸着させ、その時に要する駆動用モータへの印加電圧に対する吸着力を測定したものである。
【００４４】
ノズルのみの部品吸着機構１４は、図１１で明らかなように、モータ印加電圧に対して比例した吸着力を得ることができる。そして、この実施例では、モータへの入力電圧を調節して３．４Ｖ以上にすることにより、吸着力０．０６ｍＮ（６ｍｇｆ）以上を得られることが確認できた。
【００４５】
また、部品吸着機構１４として軟質吸盤１４４のみを用いた場合の吸着力の測定結果について述べる。直径７ｍｍのゴム製吸盤１４４のみを用いた部品吸着機構１４による吸着力は、駆動回転数約１００００ｒｐｍ以上において、最大約０．７Ｎ（７０ｇｆ）以上を得られることが確認できた。
【００４６】
次に、部品吸着機構１４の変形例を図１２及び図１３を参照して説明する。図１２は図９の部品吸着機構の変形例を示す断面図、図１３は図１２のＣ−Ｃ断面図である。
【００４７】
この部品吸着機構１４では、ノズル１４１内部に複数の中子１４５が設置されている。この変形例では４個の中子を示したが、少なくとも２個以上の中子であればよい。本構造において、組立部品４が部品吸着機構１４に入ると、中子１４５と一緒に吸引される。ここで、中子１４５を追加したことにより、軸状部品の外径が異なる場合でも、中子１４５とノズル１４１との隙間値範囲内で同様な把持力が得られるという効果が発揮される。
【００４８】
次に、上述したマニピュレータ１００の動作について図１４及び図１５を参照して説明する。
【００４９】
マニピュレータ１００による位置決めから組立部品４の把持までの動作を図１４を参照して説明する。図１４は図１の真空チャックを搭載するマニピュレータによる位置決めから組立部品の把持までの動作フローチャート図である。
【００５０】
図１４において、マニピュレータ本体２の位置決めは公知のティーチングプレイバック方式を採用している。すなわち、まず手動で所望の位置までマニピュレータ本体２を移動させ（ステップ２０１）、その場所の三次元位置座標を記憶させ、シーケンス実行時にはその座標をめがけて位置決めする方式である。座標系は部品嵌合方向をＺ軸、それに直角な平面をＸ−Ｙ平面と定義する。部品吸着位置のＸ−Ｙ座標があらかじめ記憶した値に一致したところで（ステップ２０２）、チャック指示信号を発信する（ステップ２０３）。
【００５１】
この信号を受信すると（ステップ２０４）、真空ポンプを正方向に回転駆動して減圧雰囲気を発生させながら（ステップ２０５）、マニピュレータ本体２を徐々に下降していき（ステップ２０６）、真空チャック１により組立部品４を吸着する。組立部品４が部品吸着機構１４の終点に突き当たったかどうかは、真空チャック１に設置された反力検出器１６で検出し（ステップ２０７）、マニピュレータ本体２の降下を停止させる（ステップ２０８）。そして、設定時間が経過したら（ステップ２０９）、チャック完了信号を発信する（ステップ２１０）。
【００５２】
この信号を受信すると（ステップ２１１）、真空ポンプ１１を停止させる（ステップ２１２）。ここで、バッファタンク１１７の設置により減圧雰囲気が維持され、真空ポンプ１１を駆動しないでも組立部品４の吸着が続行される。そして、マニピュレータ本体２を低速度で上昇させ（ステップ２１３）、設定したＸＹ座標かを確認し（ステップ２１４）、マニピュレータ本体２の上昇を停止する（ステップ２１５）。
【００５３】
係る実施例のシーケンスにおいては、真空ポンプ１１のＯＮ、ＯＦＦのタイミング及び反力検出に特徴がある。本実施例では、ティーチングプレイバックによる位置決め方式を採用したが、マニピュレータの動きを観察しながら、人為的に制御するいわゆるマスタスレーブ方式や両者の組合せも効果的である。
【００５４】
マニピュレータ１００による組立部品の把持から離脱までの動作を図１５を参照して説明する。図１５は図１の真空チャックを搭載するマニピュレータによる組立部品の把持から離脱までの動作フローチャート図である。
【００５５】
図１５において、真空チャック１により組立部品４を吸着した状態（真空ポンプはＯＦＦのままでよい）で、組立対象部品５の嵌合位置までマニピュレータ本体２により移動させる（ステップ２２１）。組立部品４を組立対象部品５に嵌合するに際しては、組立部品４の先端のＸ−Ｙ座標があらかじめ記憶した嵌合位置まで移動したところで（ステップ２２２）、真空チャック１の駆動用モータ１２を正転駆動する。これにより真空ポンプ１１が正転運転すると共に（ステップ２２３）、駆動用モータ１２の回転軸１２ａに接続された偏心旋回機構１５１が作動して真空チャック１がマニピュレータ本体２に対して円軌道を描くよう運動する（ステップ２２４）。これに伴って組立部品４も円軌道を描くように運動する。
【００５６】
そして、マニピュレータ本体２の動作により、組立部品４が円軌道を描くように運動させながら徐々に下降していく（ステップ２２５）。組立部品４が組立対象部品５に嵌合したかどうかは、嵌合位置で組立部品４が組立対象部品５から受ける反力を検出しながら下降させ、その反力が小さくなったところを嵌合したとして認識させる（ステップ２２６）。嵌合したと認識した場合には、駆動用モータ１２の駆動を停止して組立部品４の円軌道運動を停止すると共に（ステップ２２７）、マニピュレータ本体２の下降を停止し（ステップ２２８）、リリース停止信号を発信する（ステップ２２９）。
【００５７】
このリリース指示信号を検出すると（ステップ２３０）、真空チャック１の駆動用モータ１２を逆転起動する。これにより真空チャック１の真空ポンプ１１が逆転運転し（ステップ２３１）、陽圧雰囲気を形成させながらマニピュレータ本体２で真空チャック１を退避させ（ステップ２３２）、組立部品４を真空チャック１から脱離する。退避させたマニピュレータ本体２が設定したＸＹ座標かを確認し（ステップ２３３）、マニピュレータ本体２の上昇を停止する（ステップ２３４）。そして、真空ポンプ１１の運転を停止し（ステップ２３５）、リリース完了信号を発信する（ステップ２３６）。
【００５８】
このリリース完了信号を受信すると（ステップ２３７）、マニピュレータ本体２は原点に復帰するように動作する（ステップ２３８）。
【００５９】
本実施例では、円軌道運動と反力検出により部品を嵌合すること、真空ポンプ１１の逆回転による陽圧雰囲気を利用して組立部品４を脱離することに特徴がある。なお、上述した嵌合と脱離を完全に分けるようなことをしないで、真空ポンプ１１を正逆交互に駆動し、反力を検出しながら下降させて、脱離・吸着を交互に繰り返しながら嵌合してもよい。
【００６０】
以上の動作シーケンスにより、位置決め・嵌合の際、マニピュレータの位置決め精度の限界により、Ｘ−Ｙ平面内でランダムな方向に位置ずれが発生しても、組立反力をモニタしながら円軌道運動で微調整するので、位置ずれ方向と無関係に直線的に微動させる方法よりも容易に嵌合適性位置を見出すことができる。その結果として、真空チャックによる部品の高精度な吸着・把持、マニピュレータによる搬送・位置決め、嵌合・脱離が行われ、全体として、高精度な微小部品の組立作業が実現される。
【００６１】
次に、本発明の第２の実施例を図１６及び図１７を参照して説明する。図１６は本発明の第２の実施例を示す真空チャックを搭載するマニピュレータの真空チャックの断面図、図１７は図１６のＤ−Ｄ断面図である。
【００６２】
本実施例と第１の実施例との違いは相対位置微動機構１５の位置と構造である。すなわち、本実施例では、真空ポンプ１１のバッファタンク１１７と部品吸着機構１４の間に相対位置微動機構１５が位置し、部品吸着機構１４につながる柔軟性に富む配管１３を側方から挟み込むように電歪アクチュエータ１５２を設置している。本実施例の構造により、部品吸着機構１４の位置をマニピュレータ本体２の位置決め精度に比べて十分微小な変位量だけ変化させることができる。さらに、２個の電歪アクチュエータ１５２を互いに位相の９０度ずれた交流電圧で励振することにより、部品吸着機構１４の位置を円軌道あるいは楕円軌道軌道を描くように相対運動させることができる。本構造の相対位置微動機構１５を採用することにより、小型の構造で、組立部品４の組立対象部品５への組立・嵌合の際、組立が非常に容易になる。さらに、本実施例では、第１の実施例の構造に比べて、微動させる部材の寸法が小さく、重量が非常に軽くなるので、マニピュレータに対する振動負荷が軽くなり、その結果として位置決め精度を向上することができる。
【００６３】
本実施例においては、スクロールポンプ１１を用いて、精密組立用マニピュレータ本体２の先端に搭載できるようにし、組立の際のマニピュレータ本体２への負荷が軽減され、自由な姿勢での組立作業が容易になり、位置決め精度を向上することができる。また、吸着部品の相対位置微動機構１５の採用により嵌合を非常に容易に行うことができる。また、圧力変動を抑制するバッファタンク１１７の採用により部品把持の際に真空ポンプ１１を停止したのち減圧雰囲気から大気圧に戻る時間が長くなるようにして、振動と発熱を抑制し、部品の位置決め精度を向上することができる。さらに、部品吸着機構１４の最先端構造をノズル１４１構造、あるいはそれと軟らかい吸盤１４４との組合せにすることにより、多種類の形状を有する部品が吸着できる。また、嵌合の際の反力をモニタしながら、把持した部品の相対位置を円軌道運動させ微調整することにより、微小な部品同士の組立が容易にできる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、組立の際のマニピュレータ本体への負荷を軽減して自由な姿勢での組立作業を容易に行うことができると共に位置決め精度を向上することができ、しかも、微小な部品同士の組立を容易に行うことができる真空チャックを搭載したマニピュレータ及び部品組立方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す真空チャックを搭載するマニピュレータの構成図である。
【図２】図１の真空チャックを搭載するマニピュレータに用いる真空チャックの断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図３の変形例１を示す図である。
【図５】図３の変形例２を示す図である。
【図６】図１に用いるスクロール型真空ポンプにおける排気速度の特性図である。
【図７】図２の真空ポンプの変形例１の断面図である。
【図８】図２の真空ポンプの変形例２の断面図である。
【図９】図１の部品吸着機構の断面図である。
【図１０】図９のＢ−Ｂ断面図である。
【図１１】図９の部品吸着機構のノズルのみにおける吸着力の特性図である。
【図１２】図９の部品吸着機構の変形例を示す断面図である。
【図１３】図１２のＣ−Ｃ断面図である。
【図１４】図１の真空チャックを搭載するマニピュレータによる位置決めから組立部品の把持までの動作フローチャート図である。
【図１５】図１の真空チャックを搭載するマニピュレータによる組立部品の把持から離脱までの動作フローチャート図である。
【図１６】本発明の第２の実施例を示す真空チャックを搭載するマニピュレータの真空チャックの断面図である。
【図１７】図１６のＤ−Ｄ断面図である。
【符号の説明】
１…真空チャック、２…マニピュレータ本体、３…制御電源、４…組立部品、５…組立対象部品、１１…真空ポンプ、１２…駆動用モータ、１３…配管、１４…部品吸着機構、１５…相対位置微動機構、１６…反力検出器、１７…電気配線、１００…マニピュレータ、１１１…固定スクロール、１１２…旋回スクロール、１１３…シャフト、１１４…ケーシング、１１５…軸受、１１６…吸入口、１１７…バッファタンク、１１８…吐出口、１１９…案内溝、１４１…ノズル、１４１ａ…第１円筒部材、１４１ｂ…第２円筒部材、１４２…吸い込み穴、１４４…吸盤、１４５…中子、１５１…偏心旋回機構、１５２…電歪アクチュエータ。

Claims

組立部品を把持する真空チャックを先端部に搭載して移動する真空チャックを搭載するマニピュレータにおいて、上記真空チャックは、超小型の真空ポンプと、上記真空ポンプを駆動する駆動用モータと、上記真空ポンプの正転・逆転で生ずる減圧・陽圧雰囲気により組立部品を吸着・脱離する部品吸着機構と、把持する組立部品からの反力を検出する反力検出器と、上記部品吸着機構を微動させる相対位置微動機構とを有しており、上記マニピュレータ本体の先端部位置と上記真空チャックで把持される組立部品との相対位置が組立方向に対して直角な平面内での上記マニピュレータ本体の位置決め精度よりも小さい直径で円軌道運動するように上記相対位置微動機構を構成すると共に、組立部品を組立対象部品に組立てる際に受ける反力を上記反力検出器で検出し、この検出結果に基づいて組立完了を判定して組立部品を上記部品吸着機構より脱離するように構成し、上記相対位置微動機構は、上記真空ポンプの上記駆動用モータを兼用して駆動され、真空ポンプ設置側に対し反対側のモータ回転出力軸に連結された偏心旋回機構を備えていることを特徴とする真空チャックを搭載するマニピュレータ。
真空ポンプで発生する減圧及び陽圧雰囲気を利用して組立部品を吸着・脱離することにより組立対象部品の所定位置に前記組立部品を嵌合して組立てる真空チャックと、上記真空チャックをその先端に搭載するマニピュレータ本体とを備えたマニピュレータを用いて部品を組立てる部品組立方法において、組立部品を組立対象部品に組立てる際に、上記マニピュレータ本体で位置決めする工程と、把持した組立部品が組立対象部品と接触する際に受ける反力を測定する工程と、相対位置微動機構により上記真空チャックで把持された組立部品の相対位置が嵌合組立方向に対し直角な平面内で上記マニピュレータ本体の位置決め精度よりも小さい直径で円軌道運動させる工程とを有し、上記真空ポンプの駆動回転方向を交互に正・反転させて組立部品の吸着と脱離を繰り返すことにより、組立部品と組立対象部品の相対位置をマニピュレータ本体の位置決め精度よりも小さい変位量で相対運動させて組立部品を組立対象部品に嵌合することを特徴とする部品組立方法。