JP3659132B2 - 荷重制御型アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部品の実装や組立を行うハンドリング装置や、電子部品の電気的特性を測定する測定選別装置などに用いられる荷重制御型アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小型の電子部品を回路基板に実装する際などに、ボイスコイルモータを用いた部品組立装置が広く用いられている。ボイスコイルモータは、空圧を用いた実装機やソレノイドを用いた実装機に比べて、位置決め精度に優れ、部品に与える力を軽減できる点で優れている。
【０００３】
図１はこのようなボイスコイルモータを用いた従来のハンドリング装置の一例を示す。２０はボイルコイルモータによって上下方向に駆動されるＺ軸駆動機構の可動部、２１は可動部２０の下端部に設けられるノズル、２２は可動部２０とノズル２１との間に介装された内蔵ばねである。ノズル２１には吸引穴２１ａが設けられ、可動部２０の吸引通路２０ａを介して図示しない真空吸引装置と接続されている。そのため、ノズル２１の先端部にはワークＷが吸着される。ノズル２１の外周部には鍔部２１ｂが一体に設けられ、ばね２２のばね力によりノズル２１は下方へ付勢され、鍔部２１ｂが可動部２０の下端部に設けられた受け部２０ｂに押し付けられて保持されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、可動部２０が上下に移動した時にノズル２１が動かないようにするため、ばね２２に初期荷重を発生させている。そのため、ノズル２１がワークＷに接触する際、またはワークＷを吸着したノズル２１が対象物（回路基板など）に接触する際に発生する衝撃荷重は、初期荷重より必ず大きくなってしまい、小型・薄型素子をハンドリングする際やマウントする際に、ワレカケなどの不具合が発生してしまう。
上記のような問題は、ハンドリング装置に限るものではなく、例えば測定選別装置において、電子部品の電気的特性を測定するために、測定端子を電子部品に押し当てた場合にも発生する。
【０００５】
また、吸引ノズル２１を備えた部品組立装置の場合、素子の吸着の有無、吸着ズレ状態によりエアーの漏れが発生すると、エアーの吸引力とばね２２の初期荷重のバランスが崩れ、初期荷重が大きくなり、ハンドリング時にワークにダメージを与える原因となっている。
【０００６】
さらに、ワークＷを吸着するピックアップ時にはノズル２１の吸引穴２１ａが解放されているので、エアー吸引力によって初期荷重がさほど大きくならないが、ワークＷを吸着した後、回路基板などにプレースする時には、ノズル２１の吸引穴２１ａが閉じられているので、エアー吸引力によってノズル２１が可動部２０側へ引っ張られ、ばね２２の初期荷重が大きくなる。そのため、プレース時の方がピックアップ時に比べてワークＷにかかる負担が大きくなるという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、ワークに対する衝撃荷重を小さくし、ワークダメージを小さくできる荷重制御型アクチュエータ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、請求項１に係る発明は、ワークと接触する接触部と、この接触部を弾性体を介して支持する可動部と、上記可動部に対する推力を制御可能な作動手段とを備えた荷重制御型アクチュエータにおいて、上記接触部をワークに対する初期荷重が０となるように可動部に対して弾性体を介して吊り下げ支持し、上記弾性体のばね定数ｋ _b を、上記ワークと接触部との接触時の最大衝撃荷重をＦ_1maxとしたとき、下記の条件式を満たすように設定したことを特徴とする荷重制御型アクチュエータである。
【数１】

ただし、
【数２】

０≦ｔ≦ｔ _k 、ｔ _k ：アクチュエータの応答時間、Ｖ ₀ ：衝突直後のワークと接触部との歪み速度の初期値、ｍ _v ：可動部質量、ｃ _b ：ばね粘性。
【０００９】
部品のピックおよびプレース動作を行なうための吸引ノズルを備えた部品組立装置を例にして説明する。ばねを内蔵した吸引ノズルの場合、ワークへの衝撃力は、図２の３つの力に分解される。
第１の力は初期荷重（Ａ）であり、第２の力は衝突物の剛性パラメータによる衝撃荷重（Ｂ）であり、第３の力は内蔵ばね反力による荷重（Ｃ）である。
図２から、従来の装置に含まれる初期荷重（Ａ）をなくすことができれば、全体の衝撃荷重が下げられることがわかる。
しかし、初期荷重（Ａ）はノズルを安定に保持するためのものであるから、初期荷重＝０として構成するためには、剛性の高い（硬い) ばねを内蔵しなくてはならない。しかし、この剛性が高すぎると、図２における内蔵ばね反力による荷重（Ｃ）の影響が大きくなるため、このばね定数を適正に設計する必要がある。
そこで、本発明では、ワークと接触部との最大衝撃荷重Ｆ_1maxよりも、アクチュエータの応答時間ｔ_k 以内の弾性体のばね反力が小さくなるように、弾性体のばね定数ｋ_b の最大値を規定している。しかも、接触部をワークに対する初期荷重が０となるように可動部に対して弾性体を介して吊り下げ支持している。つまり、弾性体として比較的硬いばねを採用し、初期荷重＝０で組み込むことで、衝撃荷重を低減しながら、接触部の挙動を安定化させることができる。
これにより、ワークに対する衝撃荷重を低くでき、ワークダメージを低減することができる。しかも、初期荷重を小さくしながら接触部を安定に保持できるので、可動部を高速で作動させることができる。
【００１１】
請求項２のように、作動手段をボイスコイルモータで構成した場合、応答時間ｔ_k は 0.001sec 〜0.1secであるのが望ましい。
ボイスコイルモータとはリニアアクチュエータの一種であり、電流に比例した推力を発生するものである。コントローラより電流アンプを介してボイスコイルに電流Ｉを流すと、磁気回路で構成される磁束密度Ｂと、コイル導体長Ｌとから、コイル部にはＦ＝ＢＩＬの力が発生する。力Ｆにより、コイルと連結機構を介して連結されたノズル（接触部) が移動する。たとえば、ワークハンドリングのためにコイルを含むノズル機構を下降させた場合、位置センサ信号に基づき、ノズルを正確に位置決め（0.1mm より小さい）できる。また、前述のとおり、衝突速度を制御することでワークに対する衝撃荷重を抑え、衝突後の電流を制御することで、正確な静的荷重を与えるワークへのアプローチが実現される。
なお、ボイスコイルモータを用いた場合、応答時間ｔ_k は 0.001〜0.1sec程度が実用範囲である。
【００１２】
請求項３のように、作動手段を、可動部を接触部がワークと接触する直前位置まで前進させる位置制御と、直前位置から接触部がワークと接触する接触位置までの間、可動部を一定速度で前進させる速度制御と、接触部がワークと接触した後、接触部とワークとの接触圧を制御しながらさらに可動部を前進させる荷重制御と、接触部をワークから離間させるべく可動部を後退させる位置制御とが順に実行されるように制御するのがよい。
このように作動手段をシーケンシャルに制御することで、ワークにかかる負担を軽減し、高精度で高速な作業を行うことができる。
【００１３】
弾性体のばね定数ｋ_b は、請求項４に示す最低条件式を満たすことが望ましい。
すなわち、接触部をワークに接触させる直前に、位置制御から速度制御へ切り替え、この切替点の後にゆっくりと接触部をワークに接触させれば、ワークに対する衝撃荷重を軽減できる。ところが、弾性体のばね定数が小さ過ぎる（ばねが柔らか過ぎる）と、切替点で接触部が上下に振れ、安定しなくなる。そこで、請求項４の最低条件式を満足することで、接触部の振れを抑制し、接触部をワークに接触させた時に安定した接触性を確保できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図３，図４は本発明を適用したハンドリング装置の一例を示す。
このハンドリング装置は、ＸＹロボットのヘッド部などに取り付けられた非磁性体よりなるシャーシ１を備え、シャーシ１の上部にはボイスコイルモータの磁気回路部２が設けられている。磁気回路部２は、シャーシ１の上部に固定されたヨーク３、ヨーク３の円筒部３ａの内面に固定された磁石４、ヨーク３の中心磁極３ｂに対して上下動自在に挿通されたボビン５、ボビン５に巻回されたコイル６などで構成されている。コイル６は磁石４と軸方向にオーバーラップしている。この実施例では、固定側に磁石４、可動側にコイル６を設けたが、これとは逆に固定側にコイル６、可動側に磁石４を設けてもよい。
【００１６】
ボビン５の下端面には、連結部材７の一端部が固定され、連結部材７の他端部はシャーシ１およびヨーク３より半径方向へ突出し、この突出部７ａにノズルホルダ（可動部）８が固定されている。ノズルホルダ８の下端部には、図４に示すように、ワークＷを吸着する吸引口９ａを備えたノズル（接触部）９が上下移動自在に嵌合され、ノズル９はノズルホルダ８に対して内蔵ばね１０を介して吊り下げ支持されている。この実施例では、ばね１０として板ばねを用いているが、コイルばねや皿ばねなどを用いてもよい。ノズル９の吸引口９ａは、ノズルホルダ８の通気穴８ａに連通しており、通気穴８ａはエアー吸引装置（図示せず）とエアーホースなどを介して接続されている。
【００１７】
連結部材７の突出部７ａには検出素子１１が固定され、この検出素子１１と対向する部位には、シャーシ１またはヨーク３とリテーナ１３を介して連結された位置検出用センサ１２が配置されている。
シャーシ１の内部には、連結部材７を上方へ付勢するスプリング１４が設けられ、これにより、ノズル９を原点位置（上限位置）へ復帰付勢することができる。連結部材７とシャーシ１との間には直動ガイド１５が設けられ、連結部材７は上下方向（Ｚ軸方向）に円滑に移動することができる。
【００１８】
上記位置検出用センサ１２の検出信号はコントローラ１６に入力され、コントローラ１６は位置検出信号に基づいて電流アンプ１７に指令信号を出力し、上記コイル６に電流を流す。これにより、コイル６には磁束密度と電流とコイルの導体長に比例した推力が作用し、コイル６と連結部材７を介して連結されたノズルホルダ８も上下方向へ移動する。このようにして、ノズルホルダ８ひいてはノズル９の高さ位置を高精度（例えば±０．１ｍｍ以下）に制御できる。
【００１９】
次に、ノズル９を吊り下げ支持しているばね１０の設計方法について説明する。まず、ノズルとワークのように２物体が衝突する際に発生する衝撃力は、以下の１自由度振動の式で近似できる。
【数４】

なお、ｋ₀ ，ｃ₀ は、ノズル、ワーク、またはワーク搭載面のうち、最も値の小さいもので代表値として用いる。また、上式をｘについて解くと、
【数５】

なお、Ｖ₀ は衝突直後の物体の歪み速度の初期値である。
衝撃力は、Ｆ₁ ＝ｋ₀ ｘであり、衝撃荷重の最大値は、ｑｔ＝π／２の時であるから、衝撃力の最大値Ｆ_1maxは、
【数６】

で求められる。
式3)に示すとおり、衝撃力Ｆ₁ の制御には、衝突直後の速度Ｖ₀ が重要である。ここで、
【数７】

である。ただし、Ｖ₁ ：質量ｍ₂ の物体の衝突速度、質量ｍ₁ の衝突前速度は０とする。
上式は、運動量保存則によるもので、衝突直後の速度Ｖ₀ に衝突速度と２物体の質量が影響していることを示している。
【００２０】
そこで、ワーク接触時のＺ軸機構として図３に示すボイスコイルモータを用い、図５に示すような位置−速度−荷重切替え制御を行い、衝突速度の制御を行う。図５では、まずノズルホルダ８をノズル９がワークＷと接触する直前位置（切替点）まで降下させる位置制御と、切替点からノズル９がワークＷと接触する接触位置までの間、ノズルホルダ８を一定速度で降下させる速度制御と、ノズル９がワークＷと接触した後、ノズル９とワークＷとの接触圧を制御しながらさらにノズルホルダ８を降下させる荷重制御と、ノズル９をワークＷから離間させるべくノズルホルダ８を上昇させる位置制御とが順に実行される。
【００２１】
前述の図５に示す切替え制御において、ばね定数の適正な設計方法を次に示す。
（Ｉ）切替位置（図５：位置−速度切替え点Ｐ１）での設計条件
図６はノズル構造の概念図であり、ノズルホルダの下部にノズルが内蔵ばねを介して吊り下げられている。ここで、ノズルホルダの質量：ｍ_V （但し、ｍ_V ≫ｍ_n ）、内蔵ばねの定数：ｋ_b 、ノズルの質量：ｍ_n とする。
切替位置では、位置制御から一定速度の速度制御へ移行する。よって、切替時に発生する速度変化をα（負の値）とすると、
【数８】

であり、
【数９】

となる。
よって、ノズル先端部の挙動をどの程度に小さく設計するかは、上式を用いてばね定数ｋ_b を決定すればよい。
【００２２】
例えば、位置−速度切替え点（Ｐ１点）での挙動を任意の振幅ｘ_max 以下にする場合は、
【数１０】

となるように、ばね定数ｋ_b を大きく設計する。
上記条件式1)がばね定数の最低条件式である。振幅ｘ_max は、位置センサの分解能、機構上のガタ、切替点の高さのクリアランスなどの和で与えられる。
なお、図６において、ノズル９そのものにばね剛性を持たせて、ノズル９の質量ｍ_n を最小化することが想定できる。この場合、ばね定数ｋ_b を小さく実現でき、衝撃力を小さくする効果がある。
【００２３】
（II）接触位置（図５：速度−荷重切替え点Ｐ２）での設計条件
内蔵ばね１０のばね剛性（ｋ_b ＝ｋ₀ ）を変更した場合の衝突時の衝撃力波形（シミュレーション）の例を図７に示す。
図７は、従来使用されているばね（ｋ₀ ＝0.16Ｎ／ｍｍ）と、その１０倍（ｋ₁ ＝ｋ₀ ×10）および１００倍（ｋ₂ ＝ｋ₀ ×100)のばね定数を有するばねとを用いた場合の２自由度モデルで衝撃荷重シミュレーションした結果を示す。
図７から、衝撃荷重としてとらえている衝突直後の衝撃ピーク（Ｂ）には、ノズルに組み込まれたばねが殆ど影響していない事がわかる。これは、ばね定数によって決まる減衰振動の周波数と、ノズルとワークとの剛性によって決まる衝撃波の周波数とが１オーダー以上違うためである。つまり、比較的硬いばねを採用しても、衝撃荷重を変えずにノズルの挙動は安定化することができるので、初期荷重＝０で組み込めることがわかる。
ばね定数ｋが大きくなると、衝突物の剛性パラメータによる衝撃荷重（Ｂ）よりも、内蔵ばね反力による荷重（Ｃ）が大きくなる。
前述の式3)における衝撃力Ｆ₁ は、衝突物の剛性パラメータによる衝撃荷重（Ｂ）に相当する。
同様に、内蔵ばね反力による荷重（Ｃ）であるＦ₂ は、以下の式で表現できる。
【数１１】

これを、ｘについて解くと、
【数１２】

ばね反力による荷重は、Ｆ₂ ＝ｋ_b ｘより
【数１３】

なお、衝撃力Ｆ₂ の最大値は、
【数１４】

である。
ここで、前述のように速度−荷重切替え制御を行う前提条件から、制御系の応答として切替えが完了するまでの時間ｔ_k において、式4)で示すばね反力による荷重Ｆ₂ が、式3)で示す衝突物の剛性パラメータによる衝撃荷重の最大値Ｆ_1maxを超えない範囲に小さくする必要がある。
よって、ばね剛性の最大条件として以下の条件式を与える。
【数１５】

ｔ_k とはアクチュエータの応答時間であり、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）を用いた場合、ｔ_k は 0.001〜0.1 （sec ）程度が実用範囲である。
【００２４】
以上のように、設計条件1)と2)とを用いてばね定数ｋ_b を決定することで、ノズル９がワークＷに衝突する際に発生する衝撃力を最低限に抑制でき、しかも切替時にノズル９の振れを最小限に抑制することができる。
【００２５】
図８は、初期荷重：０．４３Ｎ、静荷重指令：０．３６Ｎとした従来例によるアクチュエータ（ばね定数ｋ₀ ＝0.16Ｎ／ｍｍ）のワークに対する衝撃荷重と、初期荷重：０Ｎ、静荷重指令：０．２Ｎとした本発明にかかるアクチュエータ（ばね定数ｋ₁ ＝ｋ₀ ×10）のワークに対する衝撃荷重と、を比較したものである。図８から明らかなように、本発明の場合には、ばね定数ｋ₁ を従来（ｋ₀ ）に比べて高くし、かつ初期荷重を０Ｎとしているので、衝撃荷重を従来例に比べて約半分に低減できたことがわかる。
本発明では、ばね１０として、ノズル９が位置制御時に発生するノズルホルダ８の推力によってセンサ分解能以下でしか動作しない程度の硬めのばね（ばね定数ｋ₁ ）を用いた。その結果として、ノズル９のストローク量も短くできるため、ノズル９を小型化でき、その質量を小さくできることも、衝撃荷重低減化において有利となった。
【００２６】
本発明の荷重制御用アクチュエータは、上記実施例のような吸引ノズル９を備えたハンドリング装置に限らず、図９に示すような測定選別装置にも適用可能である。
図９において、２０は測定器の可動部である端子ホルダを示し、図３と同様なボイスコイルモータなどによって上下に駆動される。端子ホルダ２０の内部にはガイド穴２１が設けられ、ガイド穴２１には測定端子２２が上下移動自在に挿入されている。測定端子２２は、ガイド穴２１の内部に周縁部が固定された内蔵ばね２３を介して吊り下げ支持されている。そのため、自由状態においては、測定端子２２にかかる初期荷重は０に設定されている。この実施例では、内蔵ばね２３として板ばねを使用したが、コイルばねであってもよい。
上記測定端子２２は図示しない測定器と電気的に接続されているが、内蔵ばね２３は測定端子２２と測定器とを接続する導線の一部を構成している。なお、内蔵ばね２３とは別に、測定端子２２と測定器とを接続する導線を設けてもよい。
【００２７】
上記構成の測定選別装置の場合も、内蔵ばね２３のばね定数ｋ_b を最大条件式2)と最低条件式1)とで決定することにより、測定端子２２がワークに接触する際に発生する衝撃力を最低限に抑制でき、しかも切替時に測定端子２２の振れを最小限に抑制することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、ワークと接触部との最大衝撃荷重Ｆ_1maxよりも、アクチュエータの応答時間ｔ_k 以内の弾性体のばね反力Ｆ₂ が小さくなるように、弾性体のばね定数ｋ_b を設定したので、ワークに対する衝撃荷重を低くでき、ワークダメージを低減することができる。また、ばね定数をある程度高く設定できるので、初期荷重を小さくしながら接触部を安定に保持でき、可動部を高速で作動させることができる。
また、本発明を吸引ノズルを備えた部品組立装置に適用した場合、ワークの吸着の有無、吸着ズレ状態によりエアーの漏れが発生すると、エアーの吸引力と弾性体の初期荷重のバランスが崩れ、初期荷重が大きくなる可能性があるが、本発明では初期荷重をほぼ０に設定できるので、ハンドリング時にワークにダメージを与えることが少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボイスコイルモータを用いた従来のハンドリング装置の一例の断面図である。
【図２】ワークとノズルとの衝撃荷重の概念図である。
【図３】本発明にかかる荷重制御型アクチュエータをハンドリング装置に適用した一例の断面図である。
【図４】図３に示すハンドリング装置のノズル部分の拡大断面図である。
【図５】位置−速度−荷重の切替制御の方法を示す図である。
【図６】ノズルの概念図である。
【図７】ばね剛性と衝撃荷重との関係をシミュレートした結果を示す図である。
【図８】従来例と本発明との衝撃荷重を比較した図である。
【図９】本発明にかかる荷重制御型アクチュエータを測定選別装置に適用した例の断面図である。
【符号の説明】
２ 作動手段（ボイスコイルモータ）
８ ノズルホルダ（可動部）
９ ノズル（接触部）
１０ 内蔵ばね

Claims (6)

1. ワークと接触する接触部と、この接触部を弾性体を介して支持する可動部と、上記可動部に対する推力を制御可能な作動手段とを備えた荷重制御型アクチュエータにおいて、
   上記接触部をワークに対する初期荷重が０となるように可動部に対して弾性体を介して吊り下げ支持し、
   上記弾性体のばね定数ｋ _b を、上記ワークと接触部との接触時の最大衝撃荷重をＦ_1maxとしたとき、下記の条件式を満たすように設定したことを特徴とする荷重制御型アクチュエータ。
   

   

   ただし、
   

   

   ０≦ｔ≦ｔ _k 、ｔ _k ：アクチュエータの応答時間、Ｖ ₀ ：衝突直後のワークと接触部との歪み速度の初期値、ｍ _v ：可動部質量、ｃ _b ：ばね粘性。
2. 上記作動手段はボイスコイルモータにより構成され、
   上記ｔ_k は 0.001sec 〜0.1secであることを特徴とする請求項１に記載の荷重制御型アクチュエータ。
3. 上記作動手段は、可動部を接触部がワークと接触する直前位置まで前進させる位置制御と、直前位置から接触部がワークと接触する接触位置までの間、可動部を一定速度で前進させる速度制御と、接触部がワークと接触した後、接触部とワークとの接触圧を制御しながらさらに可動部を前進させる荷重制御と、接触部をワークから離間させるべく可動部を後退させる位置制御とが順に実行されることを特徴とする請求項１または２に記載の荷重制御型アクチュエータ。
4. 上記弾性体のばね定数ｋ_b は、下記の最低条件式を満たすことを特徴とする請求項３のいずれかに記載の荷重制御型アクチュエータ。
   

   

   ただし、ｍ_n ：接触部の質量、α：位置制御から速度制御への切替点での接触部の速度変化、ｇ：重力加速度、ｘ_max ：位置制御から速度制御への切替点での接触部の挙動の最大振幅。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の荷重制御型アクチュエータの接触部は、真空吸引通路を介してエアー吸引装置と接続され、ワークを真空吸着するノズルであることを特徴とする部品組立装置。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載の荷重制御型アクチュエータの接触部は、測定器と電気的に接続され、ワークと接触してワークの電気的特性を測定する測定端子であることを特徴とする測定選別装置。

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