JP4217190B2 - 吸着装置 - Google Patents

Description

本発明は、物品を吸着する吸着装置に関する。

例えば、自動車のボディーに使用する鋼板を１枚ずつ搬送するために、吸盤を備えた吸着装置が用いられている。例えば、特許文献１に開示された吸盤装置は、吸盤をワークに押付けると吸盤が弾性変形して先端開口が拡開して内部の空気を排出し、吸盤が元の形に戻ろうとする復元力で内部に負圧が生じ、生じた負圧によってワークを吸着する。
実開平５−１６１７４号公報

特許文献１に開示された吸着装置では、搬送するワークの荷重に耐え得るだけの十分な吸着力を得るために、吸盤の開口端が十分に拡開するまで吸盤をワークに押付ける必要がある。吸盤の押付けが足りないと内部の空気が十分に排出されず、発生する負圧が小さくなって搬送するワークの荷重に耐え得るだけの吸着力を得られない。吸盤の開口端が十分に拡開するまでワークに押付けるためには、大きな押付け力が必要となる。大きな押付け力を得るためには、付帯設備等の複雑な機構が必要となることが多い。すると、操作が複雑化するだけではなく、吸着装置を組込む加工機やロボット等の全体の機構が大掛かりとなって大きなスペースが必要となるし、コストも増大してしまう。

本発明は、小さな押付け力でもって十分な負圧を発生させることができる吸着装置を実現するものである。

本発明によって具現化された吸着装置は、中心近傍に貫通穴が形成されている吸盤と、その貫通穴を介して吸盤内空間と吸盤外空間を連通する通路に配置されている逆止弁を備えている。その逆止弁は、吸盤内圧力が吸盤外圧力以上であると吸盤内の流体を吸盤外に放出し、吸盤内圧力が吸盤外圧力以下であっても吸盤内に流体が浸入するのを防止する向きに配置されている。
吸盤の中心近傍とは、吸盤がワークに押付けられたときにワークと接触する周縁部によって取囲まれた範囲をいい、吸盤がワークに吸着しても吸盤がワークと接触しない範囲をいう。

吸盤をワークに押付けるときに必要とされる押付け力は、吸盤を弾性変形させるのに要する力と、吸盤内の圧力を高めることによって圧力が高められた流体が吸盤の開口端をワークから離反させて吸盤内の流体を吸盤外に開放する現象を得るのに必要な力が複合した力である。このうちの後者の力が案外に大きく、これが必要な負圧を発生させるために必要とされる押付け力を増大させている。
本発明の吸着装置では、吸盤内圧力が吸盤外圧力以上となると吸盤内の流体を吸盤外に放出する弁を利用することから、後者の力がほとんど必要とされない。軽い力で吸盤をワークに押付けるだけで、吸盤内の流体を吸盤外に追い出すことができる。ワークに押付けた吸盤から押付け力を除去すると、吸盤は自然形状に復帰しようとする。このときに吸盤内に負圧が発生する。吸着装置に利用されている弁は、吸盤内圧力が吸盤外圧力以下となっても吸盤内に流体が浸入するのを防止する向きに配置されているので、吸盤が自然形状に復帰しようとして発生する負圧の大きさを小さくすることはない。
逆止弁を利用するという簡単な構成で、小さな押付け力で大きな吸着力を実現する吸着装置を実現することができる。

本発明によって具現化された吸着装置には、逆止弁を強制的に開弁させる強制開弁機構が付加されている。
強制開弁機構が付加されていると、負圧状態を強制的に解除することができ、吸盤からワークを簡単に離脱させることが可能となる。

本発明によって具現化された吸着装置では、逆止弁が、リング状の座面を持つ弁座と、リング状の当接面を持つ可動弁を備えている。座面は、直径に沿って傾斜しており、その高さが周方向に沿って変化している。そして、強制開弁機構は、座面の高さが最も低い箇所から外側に張り出す可動弁を、弁座側から当接して持ち上げることによって、リング状の座面とリング状の当接面を、周方向の一箇所から離反させ始めるものである。
圧力差が作用している逆止弁のリング状の座面とリング状の当接面を一挙に離反させるためには大きな力が必要とされる。それに対して、リング状の座面とリング状の当接面を周方向の一箇所から離反させ始めるようにすると、離反させるに要する力は非常に小さくてすむようになる。一箇所でも離反すれば、逆止弁に作用している圧力差は急激に小さくなり、その後は簡単に離反させることができる。リング状の座面とリング状の当接面を周方向の一箇所から離反させ始めるようにすると、軽い力で負圧状態を強制的に解除することができ、吸盤からワークを簡単に離脱させることが可能となる。

前記した逆止弁では、座面と当接面の一方または双方に周方向に伸びる溝が形成されていることが好ましい。
座面と当接面の一方または双方に溝が形成されていると、両者間に侵入した微小な塵や埃等が溝に落下するために、座面と当接面の密閉性が長期に亘って維持できる。その溝が周方向に伸びていれば、溝が密閉性を損ねることもない。

以下に発明を実施するための最良の形態を列記する。
（形態１）逆止弁は、吸盤側に配置された弁座と、大気側に配置された可動弁を備えている。
（形態２）弁座はリング状の座面を持ち、座面中央の穴は吸盤の貫通穴に連通している。
（形態３）可動弁は、円形の薄いシートである。
（形態４）可動弁は、吸盤側に配置された座面に向かって弱い力で付勢されており、自然状態では閉弁している。
（形態５）リング状の座面の高さは、直径方向に傾斜している。
（形態６）可動弁は、リング状の座面の輪郭よりも外方に伸びており、その延長面の座面側に強制開弁機構が配置されている。
（形態７）強制開弁機構は、延長面の周方向の一部で延長面に当接し、リング状の座面とリング状の当接面を周方向の一箇所から離反させ始める。

図１の概略断面図を参照して、吸着装置の構成を説明する。吸着装置１は、円筒形状の外ハウジング３と、外ハウジング３の内部に収容された円筒形状の内ハウジング９と、吸盤７を備えている。外ハウジング３の下方には、スカート状に広がる吸盤支持部５が設けられ、吸盤７は吸盤支持部５の下方からさらに外部に向けてスカート状に広がっている。

吸盤７は、可撓性の樹脂材料で一体形成されている。吸盤支持部５に下向きの押付け力が付与されると、吸盤７がワークに当接して弾性変形し、開口端２９が拡開する。
吸盤７の中心近傍には、貫通穴７ａが形成されている。

外ハウジング３の底壁には貫通穴２３が設けられている。外ハウジング３の貫通穴２３は、吸盤７の貫通穴７ａに連通している。外ハウジング３の貫通穴２３の上側の周囲にはリング状の弁座２１が突設されている。以下では図面の下側を吸盤側といい、上側を大気側という。
リング状の弁座２１の頂面には、リング状の座面２１ａが形成されている。座面２１ａの高さは全周に渡って均一ではなく、直径に沿って傾斜しており、図１では右側が左側よりも低くなっている。弁座２１のリング状の座面２１ａには周方向に伸びる溝が多重に形成されている。

弁座２１の上方（大気側）に可動弁３３が配置されている。可動弁３３は、シリコン系またはＮＢＲ系等の材料で形成され、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの極薄い円形のシートである。可動弁３３は、圧縮スプリング３１によって弱い力で座面２１ａに付勢されている。可動弁３３は、リング状の座面２１ａの輪郭よりも大径であり、外方に伸びている。

外ハウジング３の内部に円筒形状の内ハウジング９が収容されている。外ハウジング３の内周壁と内ハウジング９の外周壁はスライド可能な大きさとされている。外ハウジング３の内周壁と内ハウジング９の上壁で囲まれた空間には圧縮スプリング２７が収容されており、内ハウジング９の上壁は圧縮スプリング２７によって下方に付勢されている。
外ハウジング３の上壁の中心部には貫通穴１３が設けられ、貫通穴１３の垂直下方に内ハウジング９の上壁に設けられた貫通穴１７が位置している。貫通穴１３には軸１１が貫通しており、軸１１は貫通穴１３内を上下にスライドする。軸１１は貫通穴１７に固定されている。軸１１のスライド動作に伴って内ハウジング９が上下にスライドする。
外ハウジング３の側壁には通気穴１５が設けられ、内ハウジング９の上壁には通気穴１９が設けられている。これらの通気穴１５，１９によって、内ハウジング９の内部と大気が連通している。

圧縮スプリング２７は内ハウジング９を下向きに付勢する。圧縮スプリング３１は内ハウジング９を上向きに付勢する。前者の力は後者の力よりも大きく、軸１１に外力が加えられない限り、圧縮スプリング２７が内ハウジング９を下向きに移動させ、圧縮スプリング３１が可動弁３３を下向きに移動させる。圧縮スプリング３１によって可動弁３３が弁座２１座面２１ａに当接している。この状態では、外ハウジング３の貫通穴２３や吸盤７の貫通穴７ａ、ひいては吸盤７の内部空間７ｂは大気から遮断されている。

内ハウジング９には、開弁用リング２５が固定されている。開弁用リング２５は、内ハウジング９が下方に移動した状態では、弁座２１の座面２１ａの最も低い高さよりも低い位置に付設されている。開弁用リング２５は、内ハウジング９が上方にスライドするのに伴って上方に移動する。開弁用リング２５は、内ハウジング９が下方に移動した状態では弁座２１の座面２１ａの最も低い高さよりも高い位置に移動する。
開弁用リング２５の内径は弁座２１の外径よりも大きく、可動弁３３の内径よりも小さい。即ち、開弁用リング２５は、可動弁３３が弁座２１よりも外側に張出す延長部に対向している。内ハウジング９が上方にスライドするのに伴って開弁用リング２５が上方に移動すると、開弁用リング２５の上面が可動弁３３の最も低い位置の下面に当接し、その当接部分で可動弁３３が持ち上げられて可動弁３３と座面２１ａ間に隙間が形成される。その隙間から大気が吸盤７の内部に流入し、吸盤内圧力が大気圧となる。吸盤内圧力が大気圧に近づくと、可動弁３３を座面２１ａから離反させるに要する力も弱くなる。開弁用リング２５が上方に移動するにつれて、始めの当接部分から順次遠い部分へと弁３３の全体が持上げられていき、ついには、可動弁３３が全周に亘って座面２１ａから離反する。

次に、吸着装置１がワークを吸着する動作について説明する。図２に示すように、ワークＷを吸着しようとするときは、下向きの押付け力Ｆｘを吸盤支持部５に付与する。すると吸盤７がＳ１の形からＳ２の形へ弾性変形して開口端２９が拡開する。このとき吸盤７の内部の容積が縮小して圧力が上昇し、正圧Ｐｘが発生する。圧縮スプリング３１は可動弁３３を弱い力で押さえているため、発生した正圧Ｐｘは圧縮スプリング３１の押圧力に抗して可動弁３３を持ち上げ、貫通穴２３，７ａを開放する。この状態では、矢印４１に示すように、吸盤内の気体が、貫通穴２３，７ａ、通気穴１９，１５を経て大気中に排出される。
吸盤内の圧力が高くなるのに抗して吸盤７を押付ける必要がないので、押付け力Ｆｘは小さくてすむ。

押付け力Ｆｘを解除すると、図３に示すように、吸盤７がＳ２の形からＳ１の形に戻ろうとする。このとき吸盤７の内部の容積は膨張しようとして圧力が低下し、負圧Ｐｙが発生する。上記したように押付け力Ｆｘを加えたときに吸盤７の内部から空気が排出されて吸盤７の容積が十分に縮小しているため、発生する負圧Ｐｙは高いものとなる。負圧Ｐｙが発生した瞬間に可動弁３３が引き下げられて、貫通穴２３，７ａ大気から遮断する。可動弁３３によって貫通穴２３，７ａが大気から遮断されるために、吸盤７の内部に空気が流入することがなくなり、ワークＷを吸着する十分な力が発生する。

以上のように、本吸着装置では、複雑な機構を必要とせず、大きな押付け力Ｆｘを加えなくても、ワークの荷重に耐え得るだけの十分に強い吸着力を得ることができる。
弁座２１と可動弁３３と圧縮スプリング３１は、逆止弁を構成していることがわかる。この逆止弁は、吸盤７の貫通穴７ａと大気との間に配置されており、吸盤内圧力が大気圧以上であると吸盤内の気体を大気に放出し、吸盤内圧力が大気圧以下であっても吸盤内に大気が浸入するのを防止する向きに配置されていることがわかる。

図５に、本発明の吸着装置（逆止弁付）と従来の吸着装置（逆止弁無）について、押圧力と吸引力の関係を比較した実験結果を示す。このグラフでは、横軸に押圧力（ｋｇ）、縦軸に吸引力（ｋｇ）をとり、本発明の吸着装置（逆止弁付）は白抜の棒グラフ、従来の吸着装置（逆止弁無）はハッチ入りの棒グラフで示されている。
押圧力が０ｋｇ〜６ｋｇのいずれであっても、本発明の吸着装置（弁付）の吸引力は従来の吸着装置（弁無）の吸引力より大きい。例えば搬送するワークに対して１０ｋｇの吸引力が必要な場合、本発明の吸着装置（逆止弁付）では４ｋｇの押圧力で足りる一方、従来の吸着装置（逆止弁無）では６ｋｇを超える押圧力が必要となることがわかる。このグラフからも、本発明の吸着装置は、大きな押付け力を加えなくても、ワークの荷重に耐え得るだけの十分に強い吸着力を得られることがわかる。

なお、図１によく示されているように、弁座２１の座面２１ａの高さは全周に渡って均一ではなく、直径に沿って傾斜しており、図１では右側が左側よりも低くなっている。
また、弁座２１のリング状の座面２１ａには周方向に伸びる溝が多重に形成されている。このため、可動弁３３に付着した微小な塵や埃等が溝内に落下し、長期に亘って吸着装置１を使用していても弁面２１ａと可動弁３３の密閉性が減少することが防止される。これにより、長期に亘って十分な負圧発生を維持することができる。

次に、吸着装置１からワークを離脱する動作について説明する。図４に示すように、ワークＷを離脱するときは、矢印４３に示すように軸１１を上方にスライドさせる。軸１１のスライド動作に伴って、内ハウジング９も上方にスライドし、開弁用リング２５が上方に移動する。
開弁用リング２５の上面と弁３３の下面の一部が当接してその部分が持ち上げられ、貫通穴２３，７ａが開放される。貫通穴２３，７ａが開放されると、矢印４５に示すように吸盤７に空気が流入し、瞬時にワークＷが吸着装置１から離脱する。

開弁用リング２５は板状のリングであるため、可動弁３３の全周に当接して支持することができる。このため、可動弁３３の一部のみに当接するのに比して、可動弁３３の撓みが小さく抑えられ、可動弁３３が貫通穴２３，７ａに落ち込んでしまうことが防止される。また、弁座２１の座面２１ａ高さは均一でなく傾斜形状とされているため、開弁用リング２５は始めに弁３３の一部に当接して持上げるだけで、少し上方に移動すればすぐに大きな開放空間が得られる。このため軸１１の引上げ距離が短くても、ワークＷを確実に離脱することができる。

軸１１を持ち上げる機構は様々であり、例えば、軸１１の頭部を人が把持して持ち上げてもよい。あるいは図１に示すレバー操作で軸１１を持上げてもよい。図１の場合、吸着装置１を固定するパイプ８０にレバー８４がピン８２で揺動可能となっている。レバー８４を矢印８６方向に揺動させると、軸１１が上方にスライドする。
このほか、軸１１の頭部に下方から空気圧等を与えて持上げるようにしてもよい。この場合、例えば空気圧シリンダを利用する等、軸１１の頭部に下方から直接的に付圧可能な機構を設けることができる。
あるいは、軸１１をワイヤに換えてもよい。貫通穴１３，１７にワイヤを通して先端を内ハウジング９に固定し、他方の先端をレバー８４に接続して、ワイヤを支持する滑車をパイプ内等の適当な位置に取付ける。レバー８４を揺動させることによって、滑車を介して内ハウジング９を持上げることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
・本実施例では、吸着装置を大気中で使用していたが、これに限るものではない。例えば液体中で使用することも可能である。
・本実施例では、開弁用リングが板状のリングとされていたが、これに限られない。逆止弁の少なくとも一部と当接して開放するものであれば、リングでない板や、棒状のもの等を採用することができる。
・本実施例では、弁座の座面の高さが全周に渡って均一ではなく、傾斜形状とされていたが、これに限るものではない。弁座と開弁用リングが相対的に傾斜するような位置関係であってもよいし、あるいは、弁座と開弁用リングが相対的に平行となるような位置関係であっても構わない。例えば、弁座の座面の高さを全周に渡って均一とし、開弁用リングを傾斜させて付設することも可能である。あるいは、弁座の座面の高さを全周に渡って均一とし、開弁用リングも水平に付設することも可能である。
・逆止弁を構成する部材と吸盤を構成する部材を同材質で一体に成形することもできる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

吸着装置の概略断面図。 吸着装置がワークを吸着する動作について説明する図。 押付け力を解除したときの図。 吸着装置からワークを離脱する動作について説明する図。 本発明の吸着装置と従来の吸着装置について、押圧力と吸引力の関係を比較した実験結果を示す図。

符号の説明

１ ：吸着装置、
３ ：外ハウジング、
５ ：吸盤支持部、
７ ：吸盤、
９ ：内ハウジング、
１１ ：軸、
１３ ：貫通穴、
１５ ：通気穴、
１７ ：貫通穴、
１９ ：通気穴、
２１ ：弁座、
２１ａ：座面、
２３ ：貫通穴、
２５ ：開弁用リング、
２７ ：圧縮スプリング、
２９ ：開口端、
３１ ：圧縮スプリング、
３３ ：可動弁、
８０ ：パイプ、
８２ ：ピン、
８４ ：レバー

Claims (2)

1. 中心近傍に貫通穴が形成されている吸盤と、
   その貫通穴を介して吸盤内空間と吸盤外空間を連通する通路に配置されており、吸盤内圧力が吸盤外圧力以上であると吸盤内の流体を吸盤外に放出し、吸盤内圧力が吸盤外圧力以下であっても吸盤内に流体が浸入するのを防止する向きに配置されている逆止弁と、
   その逆止弁を強制的に開弁させる強制開弁機構を備えており、
   前記逆止弁は、リング状の座面を持つ弁座と、リング状の当接面を持つ可動弁を備えており、
   前記座面は、直径に沿って傾斜しており、その高さが周方向に沿って変化しており、
   前記強制開弁機構は、前記座面の高さが最も低い箇所から外側に張り出す可動弁を、前記弁座側から当接して持ち上げることによって、リング状の座面とリング状の当接面を、周方向の一箇所から離反させ始めるものであることを特徴とする吸着装置。
2. 前記座面と前記当接面の一方または双方に周方向に伸びる溝が形成されていることを特徴とする請求項１の吸着装置。

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