JP4522611B2

JP4522611B2 - 磁気バネ装置

Info

Publication number: JP4522611B2
Application number: JP2001158875A
Authority: JP
Inventors: 久信丹羽; 修道山田
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2021-05-28
Also published as: JP2002054671A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸方向に一定の力を作用させる磁気バネ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＩＣチップ等の小型精密部品を移送する方法として、吸着パッドが取り付けられたホルダをアクチュエータ等の装置に取り付けて、その吸着パッドに移送対象物を吸着させて移送する方法が知られている。このときに用いられる真空吸着パッド取付金具は、図９に示されるものである。すなわち、中空円筒状の固定軸１０１の内部に可動軸１０２が挿入され、固定軸１０１には外周に雄ねじ部が形成され、ナット１２０によって図示しないロボットハンド等の装置に固定できるようになっている。可動軸１０２には、その端部にパッドはめこみ部１０２Ａが設けられ、更にその先端にはパッド１０３が嵌合して一体に設けられている。パッドはめこみ部１０２Ａ及びパッド１０３には、軸心に吸引流路１０５が形成され、それに直交するようにパッドはめこみ部１０２Ａを貫いて形成されたエア流路１０６と吸引流路１０５とが連通している。そのエア流路１０６には真空回路（図示せず）が連絡される。そして、こうした固定軸１０１と可動軸１０２との間には、可動軸１０２にかかる荷重をクッション機能を働かせて受けるようにしたコイルスプリング１０７が取り付けられている。
【０００３】
上記構成の吸着パッドホルダ１００では、まず、移送対象物にパッド１０３を押し付けて密着させる。このとき可動軸１０２と固定軸１０１との間に設けられたコイルスプリング１０７によって、パッド１０３が移送対象物を押圧する。これにより、移送対象物とパッド１０３の吸着面１０３Ａとが隙間なく密着する。そして、エア流路１０６からエアを吸引すると吸引流路１０５内のエアが吸引され、パッド１０３に移送対象物が吸着する。そこで、吸着パッドホルダ１００を移動させれば、パッド１０３に吸着された移送対象物を目的の場所へ移すことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした従来の吸着パッドホルダ１００には次のような問題があった。
（１）移送対象物にパッドを押し付ける際、移送対象物の寸法公差や移送対象物の位置決め精度等がずれると、吸着パッドホルダ１００における可動軸１０２のストロークにばらつきが生じる。そして、コイルスプリング１０７のバネ力はその伸縮量に比例するため、可動軸１０２のストロークにばらつきが生じると、コイルスプリング１０７の圧縮量にもばらつきが生じ、その結果、移送対象物に押し付けられるパット１０３の押圧力にばらつきが生じてしまう。
【０００５】
そのため、可動軸１０２のストロークが小さく、パッド１０３を押圧する力が弱い場合には、移送対象物とパッド１０３の吸着面１０３Ａとの気密性が悪くなり、エア漏れを生じるなどして真空回路による移送対象物の吸着が不完全になってしまう。一方、こうした問題を回避するため、可動軸１０２のストロークを大きくとるようにしたり、コイルスプリング１０７をバネ力の大きいものにすると、パッド１０３の吸着面１０３Ａが移送対象物と強く擦れ合い、移送対象物の表面を傷付けたり、逆にパッド１０３の吸着面１０３Ａにエア漏れを生じさせるような傷が付いたりしてしまう。
【０００６】
（２）コイルスプリング１０３には金属スレが生じるため、その金属スレによって発生する摩耗粉が半導体製造工程等のようにわずかなパーティクルをも嫌う場所では大きな問題となる。
（３）方向性のある対象物を移送する場合には、吸着パッドホルダ１００にパッド１０３の回転方向のズレを防止すべく、回り止めのためのピン等を別途取り付ける必要があった。そのため、このピンが接触することにより、さらなるパーティクルが発生する問題があった。また、可動軸１０２にフラット面を設けて回り止めなどした場合には、パッド１０３の動きがスムーズでなくなり、ＩＣチップ等の小型精密部品を扱う場合などには精密さに欠ける問題があった。
【０００７】
ところで、コイルスプリングなどの機械バネを使用し、軸軸方向にかかる荷重をクッション機能を働かせて受けるようにした従来のバネ装置は、吸着パッドホルダに限らず後述する緩衝機能を持った搬送置台などの構成として各種方面で利用されている。そして、そこには吸着パッドホルダ１００と同様、荷重を受ける可動側のストロークとバネ伸縮によるバネ力とが比例関係にあるため、ストロークの変化によって適正なバネ力が得られない問題があった。また、パーティクルなどの問題も生じることがあった。
【０００８】
そこで本発明は、こうした問題点を解決すべく、可動側のストローク変化にかかわらず一定のバネ力を得ることが可能な磁気バネ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明の磁気バネ装置は、軸部材をそれより径の大きい筒体内に同軸上に挿入し、一方を固定して他方を軸方向に移動自在に配置したものであって、前記軸部材にはその外周に第１永久磁石が設けられ、前記筒体にはその内周に第１永久磁石に対向して第２永久磁石が設けられ、前記第１永久磁石の外周面と前記第２永久磁石の内周面との互いに対向する面が異なる磁極で着磁されたものであることを特徴とする。
【００１０】
上記構成を有する磁気ネジ装置は、第１永久磁石と第２永久磁石との対向する磁極が異なって吸引し合っており、移動自在な軸部材又は筒体に対して軸方向に加重がかかると、その荷重方向に反して引き戻そうとする軸方向の吸引力、すなわちいわゆるバネ力が作用する。このバネ力は、移動初期の僅かなストローク範囲では急上昇するものの、その後は広いストローク範囲でほぼ一定となる。そのため、本発明によれば、このバネ力一定の範囲で被対象物に作用させるようにすることで、可動側のストローク変化にかかわらず一定のバネ力を得ることが可能となる。
【００１１】
また、本発明の磁気バネ装置は、前記第１永久磁石及び第２永久磁石が、それぞれ非磁性体を挟んで軸方向に複数に分割されたものであることを特徴とする。
ある長さをもった永久磁石は、その端部に磁気の強い部分ができ、その端部間に磁力線が密に発生して、永久磁石同士を引きつけようするするバネ力を作用させると考えられる。そのため、本発明でも、軸方向にこうした磁力線が密に発生する部分を複数設けることで、その数によりバネ力を調整することができる。
【００１２】
また、本発明の磁気バネ装置は、前記第１永久磁石及び第２永久磁石が、それぞれ円周方向に複数に分割され、Ｎ極とＳ極とが交互に着磁されたものであることを特徴とする。
よって本発明によれば、円周方向すなわち回転方向に前述したような第１及び第２永久磁石同士を引きつけようするする吸引力を複数箇所で作用させるので、軸部材及び筒体が非接触であるにもかかわらず回転を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る磁気バネ装置の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。磁気バネ装置は様々なものへの応用が可能であり、先ず第１実施形態として、前記従来例で挙げた吸着パッドホルダを構成する場合について説明する。図１及び図２は、第１実施形態の吸着パッドホルダを示した一部断面の側面図であり、それぞれ異なる動作状態を示している。
本実施形態の吸着パッドホルダ１は、アクチュエータ（図示せず）等の装置に取り付けられる中空円筒状の固定軸２を備え、その内部に円柱状の可動軸３が同軸上に挿入されている。可動軸３の外周面と固定軸２の内周面とは、ガイド８，８のガイドブッシュのみが接触している。
【００１４】
そして、可動軸３の外周面には円筒状のマグネット５が設けられ、固定軸２の内周面には円筒状のマグネット６がマグネット５と対面するように設けられている。このマグネット（永久磁石）５，６は、軸方方向の長さ寸法が同じにして形成されている。マグネット５，６は、図３の（ａ）及びその断面図である（ｂ）に示すように、円周方向に４分割され軸方向に沿ってＮ極とＳ極とが各９０度の幅で帯状に形成されたＮ極帯５Ｎ，６ＮとＳ極帯５Ｓ，６Ｓとから構成されている。そのためマグネット５，６は、ともに異なる磁極同士が交互に対面するようになっている。こうして磁極を円周方向に分割している為に、このマグネット５，６は回り止めとして機能する。
【００１５】
固定軸２と可動軸３とに設けられたマグネット５，６は、固定軸２と可動軸３との相対変位に反発するように作用する磁力を発生するものであり、前記従来例で挙げたコイルスプリングのようにバネ機能を発揮させるようにしたものである。従って、本実施形態の吸着パッドホルダ１においては、固定軸２に対して可動軸３を軸方向に移動可能にし、それぞれにマグネット５，６を設けた構成部分が磁気バネ装置に相当する。
【００１６】
吸着パッドホルダ１は、こうした磁気バネ装置１０に対し、更に可動軸６の一端（図面右側）にあけられたネジ穴に止めネジ７が取り付けられ、固定軸２の両端にはマグネット６を挟んでガイド８，８が設けられている。止めネジ７がガイド８，８の内径より大きいため、可動軸３は止めネジ７の反対側に抜けてしまうことはないようにしている。
そして、こうした可動軸３には、止めネジ７の反対側端部に吸着パッドホルダ１を構成するための吸引部２０が設けられている。吸引部２０は、固定軸２の端面に突き当たる大きさの径で形成された短円柱形の吸引ブロック１１が可動軸３に形成され、その吸引ブロック１１にパッド１２が取り付けられている。そして、パッド１２の吸着面１２Ａに開口する吸引流路１３が軸心に形成され、それに直交するように吸引ブロック１１を貫いて形成されたエア流路１４が連通している。このエア流路１４に図示しない真空回路が接続される。
【００１７】
続いて、磁気バネ装置１０によって構成された吸着パッドホルダ１の作用について説明する。吸着パッドホルダ１は、通常の状態では図１に示すように同じ長さのマグネット５，６が軸方向に同じ位置で対面している。すなわち、マグネット５，６は、図３に示すようにＮ極帯５Ｎ，６Ｎ及びＳ極帯５Ｓ，６Ｓ同士が対面して共に吸引し合い、固定軸２に対して可動軸３が位置決めされている。このとき吸着パッドホルダ１は、図１に示すように止めネジ７がガイド８に当接し、可動軸３は、吸引部２０側が固定軸２から突出している。
【００１８】
そこで、この吸着パッドホルダ１を不図示のアクチュエータなどによって移動させ、パッド１２の吸着面１２Ａを移動対象物に軸方向から押し付けると、可動軸３は反対の軸方向Ｈに押し返され、固定軸２内を同方向に移動する。そして、可動軸３に伴いマグネット５も同様に移動する。このとき可動軸３及びマグネット５は、図２に示すようにストロークＴ分だけ軸方向Ｈに移動することができる。
こうしてマグネット５，６の位置がずれると、両者の間には、固定のマグネット６に対して移動したマグネット５を引き戻そうとする吸引力が働く。この吸引力は、可動軸３の変位に反発するように作用するため、パッド１１を移送対称物に押し付けた際のクッションとなり、更にパッド１１を移送対称物に押し付ける押圧力となる。すなわち、磁気バネ装置１０のマグネット５，６は、コイルスプリング等と同様にいわゆるバネ力を発揮する。
【００１９】
磁気バネ装置１０では、こうしてマグネット５，６がバネとして作用した場合、マグネット５を元の位置に戻そうとする軸方向に作用する吸引力（推力）が、図４に示すように所定のストローク間でほぼ同じ値を示すようになる。図４は、磁気バネ装置１０のストローク−推力静特性について行った測定結果をグラフにしたものである。すなわち図１に示すように、マグネット５，６が揃ったストロークがゼロの状態から徐々に軸方向Ｈに荷重を加え、マグネット５，６間の軸方向変位を大きくしていくと、その可動軸３には逆に引き戻そうとする推力が作用する。ここで図４は、その推力の測定結果を示したものであり、横軸にストロークをとり、縦軸に各ストロークで発生する推力（軸方向Ｈに加える荷重）をとっている。
【００２０】
そこで、マグネット５，６による推力は、図示するように移動初期の僅かなストローク範囲（約０〜１ｍｍ）では急上昇するものの、その後は広いストローク範囲（約１〜５ｍｍ）でほぼ一定となった。本実施形態の磁気バネ装置１０は、こうしたマグネット（永久磁石）の磁力による吸引力をバネ力として利用し、ストロークにかかわらず一定の推力を得ることを可能としている。ところで、こうしたストローク−推力静特性を示すのは、推力（軸方向の力）を発生させるマグネット５，６が軸方向にずれた際、図５（ａ）の矢印で示すように端部５Ａ，６Ａにおいて斜めに発生する磁力線の軸方向分力によって一定の推力を生じさせていると考えられるからである。
【００２１】
つまりこれは、マグネット５，６がずれて重なっている場合には、その端部５Ａ，６Ａに図のような斜めの磁力線がほぼ一定方向（ほぼ一定の傾き）に生じ、その間の重なり部分には、軸方向の力に影響しない垂直方向のみの磁力線が生じていると考えられる。そのため、マグネット５，６には、重なり幅に関係なく端部に発生する斜めの磁力線の軸方向分力のみによって軸方向の力が作用すると考えられる。
【００２２】
これにより、磁気バネ装置１０を利用した吸着パッドホルダ１では、移送対象物を吸着保持するとき常にパッド１２を移送対称物に対して一定の力で押さえ付けるようにすることができる。すなわち、推力一定のストローク範囲が広いため、パッド１２を移送対象物に押さえ付ける際のストロークにばらつきが生じても、吸着面１２Ａの押し付け不足や、逆に押し付け過ぎをなくし、常に適切な押圧力でパッド１２を移送対象物を押さえ付けることができる。
【００２３】
次に、こうしたほぼ一定値を示す当該推力の大きさは、パッド１２を移送対称物に押さえ付ける押圧力、すなわちマグネット５，６によって生じるバネ力であり、こうしたバネ力は、マグネット５，６自体の材質を代えたり、着磁条件（例えば電圧など）を変えたり、以下のような構造にすることによって調整することができる。図６は、一対のマグネットを示した一部断面図であり、図（ａ）及び図（ｂ）ともに軸方向に同じ長さ分のマグネットを使用したものである。すなわち図示したマグネット２５Ｎ，２５Ｎ／２６Ｓ，２６Ｓは、対向する面がそれぞれＮ極又はＳ極に着磁され、いずれも軸方向（図面横方向）の長さを等しくしたものであり、図面上では省略しているが円筒形をしたものである。
【００２４】
そしてこうしたマグネット２５Ｎ，２５Ｎ／２６Ｓ，２６Ｓを、一方では図６（ａ）に示すように軸方向に直接連結した構造Ａとし、他方では図６（ｂ）に示すように非磁性体９を間に挟み込んで連結した構造Ｂとした。すると、マグネット２５Ｎ，２５Ｎ／２６Ｓ，２６Ｓを非磁性体９で軸方向に分割した構造Ｂの方が、直接連結して一体にした構造Ａに比べて２倍の推力を得ることができた。これは、マグネットを２分割したことによって、構造Ｂの方が構造Ａよりも端部に生じる斜めの磁力線の数が２倍になっているからである。
【００２５】
つまり、磁気バネ装置１０によって発生する推力の調整は、推力を発生させる磁力線の数の調整であり、図６（ｂ）のようにマグネットを分割して構成すれば、そのマグネットの軸方向長さに影響されずにマグネット端部の数によって推力を調整することができる。また、このことはマグネット端部の総面積の調整でもあるため、磁気バネ装置１０において所定の推力を得るには、マグネットの構造を図６（ｂ）に示すように非磁性体を介して軸方向に分割する他、単にマグネットの径を大きくするなどしてもよい。
【００２６】
ところで、推力を大きくした図６（ｂ）に示す構造Ｂでは、マグネット２５Ｎ，２５Ｎ／２６Ｓ，２６Ｓをそれぞれ各極とも軸方向に分割するため、その間に非磁性体９を介在させることが必須の構成になる。この非磁性体９を設けるのは、Ｎ極及びＳ極のマグネット２５Ｎ，２６Ｓを一対一に対応させて磁力線を生じさせるためである。そのため非磁性体９の軸方向寸法は、磁気バネ装置１０の使用に際して要求されるストローク分の長さがあることが望ましい。
【００２７】
続いて、本実施形態の磁気バネ装置１０では、マグネット５，６をＮ極帯５Ｎ，６Ｎ及びＳ極帯５Ｓ，６Ｓでそれぞれ円周方向に４分割し（図３（ｂ）参照）、これによってそのマグネット５，６を回り止めとして機能させている。軸バネ装置１０は、図１に示すように吸着パッドホルダ１などに使用すると、その対称物から可動軸３が回転方向に力を受けることがある。このときマグネット５，６は、例えば対面関係にあるＮ極帯５ＮとＳ極帯６Ｓとの間には、図５（ｂ）の矢印で示すように磁力線が生じている。Ｎ極帯５Ｎ及びＳ極帯６Ｓの間には放射状に磁力線が生じ、回転方向にずれた場合には円周方向の端部において傾いた磁力線が生じる。従って、その傾いた磁力線が回転方向とは逆にマグネット５を引き戻す吸引力を作用させ、可動軸３の回転を防止させる回り止めとして機能することになる。そして、この回転を防止させる保持トルクを大きくする場合には、磁石の材質や着磁条件を変える他、磁力線を増やすために端部の総面積を増やすことが考えられる。
【００２８】
よって、磁気バネ装置１０によれば、従来パーティクルの発生原因であったコイルスプリングや回り止めピンを、ともにマグネット５，６がバネ及び回り止めとして代替する構成とすることができる。そのため、磁気バネ装置１０を利用した吸着パッドホルダ１では、前述した常にパッド１２を移送対称物に対して適切な力で押さえ付けることができる効果に加え、更に非接触構造によるパーティクルの発生防止及び可動軸３のスムーズな動きを可能とした効果が得られた。
【００２９】
次に、第２実施形態として磁気バネ装置を利用した搬送置台について説明する。図７は、磁気バネ装置を備えた搬送置台を示す外観斜視図である。搬送置台３０は、基台３１の四隅に磁気バネ装置３２，３２，３２，３２を立設させたものであり、その搬送置台３０を構成する磁気バネ装置を示した一部断面図である。本実施形態では、基台３１に固定する中空円筒状の固定軸３３の内部に、円柱状の可動軸３４が同軸上に挿入されている。基台３１には、この可動軸３４が上下動できるように、固定軸３３がはめ込まれる部分に穴があけられている。
【００３０】
その可動軸３４の外周面に円筒状のマグネット３５が設けられ、固定軸２の内周面には円筒状のマグネット３６がマグネット３５と対面するように設けられている。このマグネット（永久磁石）３５，３６は、軸方方向の長さ寸法が同じで形成されている。マグネット３５，３６は、前記第１実施形態と同様に円周方向に４分割され、軸方向に沿ってＮ極とＳ極とが各９０度の幅で帯状に形成されたものである。そうしたマグネット３５，３６は、ともに異なる磁極同士が交互に対面し、本実施形態でも回り止めとして機能する構成となっている。固定軸３３の両端には、マグネット３６を挟んでガイド３７，３７が設けられ、可動軸３４には、横荷重を受けて傾かないように摺動パイプ３８がはめ合わされている。更に、ここでは搬送置台３０を構成するため、移送搬送物を直接受ける可動軸３４の先端にクッション材３９が取り付けられている。
【００３１】
こうした搬送置台３０は、図７に示すようにガラス移送搬送物４０を４個の磁気バネ装置３２，３２，３２，３２で支えることになる。その際、第１実施形態でも述べたように、マグネット３５，３６がバネとして作用し、移送搬送物４０を柔らかく支持することができる。特に、従来のコイルスプリングを使用した吸着パッドホルダで吸着保持する場合、移送搬送物４０が上から強く押さえ付けられても、この磁気バネ装置３２…のバネ力がストロークにかかわらず一定であるため、移送搬送物４０を逃がしながら所定の荷重で吸着パッドホルダ側へ受け渡すことができる。従って、傷つき易い物や、擦れによるパーティクルの発生を嫌うような場面での使用に非常に効果的である。
【００３２】
以上、磁気バネ装置の一実施形態について説明したが、これらは単なる例示にすぎず本発明を何ら限定するものではない。従って、本発明は、これ以外にもその趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、改良が可能である。
例えば、本実施形態ではマグネット５，６は断面円形とした場合を説明したが、これ以外にも断面形状を多角形にしたものであってもよい。
また、前記実施形態では、同軸に設けた筒状体を固定側とし、中心の円柱体を可動側にしたが、これらは逆であっても当然に磁気バネ装置を構成することができる。
また、本実施形態では、吸着パッドホルダなどを構成する場合について説明したが、一定の押圧力及び回り止めを必要とするテンショナー、プローブホルダー等にも適用できることは当然である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、軸部材をそれより径の大きい筒体内に同軸上に挿入し、一方を固定して他方を軸方向に移動自在に配置したものであって、前記軸部材にはその外周に第１永久磁石が設けられ、前記筒体にはその内周に第１永久磁石に対向して第２永久磁石が設けられ、前記第１永久磁石の外周面と前記第２永久磁石の内周面との互いに対向する面が異なる磁極で着磁されたものとしたので、可動側のストローク変化にかかわらず一定のバネ力を得ることができる磁気バネ装置を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気バネ装置の実施形態を示した吸着パッドホルダの一部断面の側面図である。
【図２】磁気バネ装置の実施形態を示した吸着パッドホルダの一部断面の側面図である。
【図３】磁気バネ装置のマグネット部分を示す図である。
【図４】磁気バネ装置のストローク−推力静特性について行った測定結果をグラフにした図である。
【図５】磁気バネ装置によって発生する推力の原理を概念的に図示したものである。
【図６】磁気バネ装置によって発生する推力を調整するための原理を概念的に図示したものである。
【図７】磁気バネ装置を備えた搬送置台を示す外観斜視図である。
【図８】搬送置台を構成する磁気バネ装置を示した一部断面図である。
【図９】従来のバネ装置を利用した吸着パッドホルダの側面図である。
【符号の説明】
１吸着パッドホルダ
２固定軸
３可動軸
５，６マグネット
１０磁気バネ装置

Claims

軸部材をそれより径の大きい筒体内に同軸上に挿入し、一方を固定して他方を軸方向に移動自在に配置したものであって、
前記軸部材にはその外周に第１永久磁石が設けられ、前記筒体にはその内周に第１永久磁石に対向して第２永久磁石が設けられ、
前記第１永久磁石の外周面と前記第２永久磁石の内周面との互いに対向する面が異なる磁極で着磁されたものであり、
前記第１永久磁石は、円周方向に複数に分割され、Ｎ極とＳ極とが交互に着磁されたものであり、
前記第２永久磁石は、円周方向に複数に分割され、Ｎ極とＳ極とが交互に着磁されたものであり、
前記軸部材の前記筒体に対するストローク動作時の推力が、所定の前記ストローク範囲内では、一定である
ことを特徴とする磁気バネ装置。
請求項１に記載された磁気バネ装置において、
前記第１永久磁石及び第２永久磁石は、それぞれ非磁性体を挟んで軸方向に複数に分割されたものであることを特徴とする磁気バネ装置。