JP5752119B2 - 真空グリッパー - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、真空グリッパー、特に、例えば太陽電池、ウェハ、またはフラットスクリーン用のパネルのような表面が敏感なワークピースを慎重に把持するための真空グリッパーに関し、また、積み重ねられて上から順に取り上げていかねばならないような、重量のあるガラスプレートや、その他の材料からなる非常に平滑な表面を有するプレートを把持するための真空グリッパーに関する。

真空グリッパーはよく知られており、使用状況において、把持するワークピースに構造的に適合するように調整される。表面が敏感なワークピースを把持する場合には、把持する際にワークピースの表面を損傷しないように特別な措置を講じなければならない。

真空グリッパーは、基本的に２つのタイプに類別することができる。ひとつは、ワークピースの上に載せて、把持過程の開始時にワークピースの表面と機械的に接触させるタイプの真空グリッパーである。このグリッパーにはシールリップが設けられ、このシールリップがワークピースの表面とグリッパーとの間にシール効果を生じさせ、グリッパーの内部に真空を生成すると、外部の空気圧がワークピースをシールリップに押し付ける。この場合、高い面圧によって、ワークピースの表面に好ましくない変化が生じる可能性がある。

もうひとつは、ワークピースをある離れた位置からグリッパーヘッドに吸引して、グリッパー面の近傍に無接触で保持するように形成されるタイプの真空グリッパーである。これは、例えば、グリッパーの表面を空気ベアリングとして形成することによって実現される。空気ベアリングは、圧力空気が流出するノズルアレイによって、あるいは、欧州特許第1387808B1号明細書に記載されるような振動プレートによって生成できる。この欧州特許明細書の全内容は、この参照によって本願明細書に組み込まれる。

ワークピースが真空グリッパーの表面に懸架される時には、ワークピースは、外部の空気圧力によってグリッパーの表面に押し付けられる。しかし、グリッパーの表面が接触することは空気ベアリングによって回避される。従って、ワークピースは、グリッパー表面の下部の所定距離に浮遊しており、ワークピースの表面は接触しない。しかし、この機能説明は静的状態に対してのみ当てはまり、把持過程の間には以下のような問題点が存在する。

ワークピースを持ち上げるために吸引するには、高い吸引出力が必要になる。しかし、ワークピースがその最終位置に達する前に吸引出力を低減することが望ましいと言える。そうしなければ、加速されたワークピースが、慣性力のために空気ベアリングの対抗力に打ち勝って、グリッパーの表面に衝突するというリスクが生じるからである。

実際には、最大吸引力は、本来必要な保持力よりも１０倍大きく設定することが必要になる場合が多い。この本来必要な保持力は、ワークピースの質量によって定まる重力よりも、ごく僅かに大きくなければならない。

また、最大吸引力をさらに高く設定しなければならない把持操作方法がある。例えば、ガラスプレートが、積み重ねられていたり、あるいはきわめて平滑な表面を有するテーブルの上に載せられている場合がそれに相当する。この場合、ガラスプレートとテーブルの面との間には空気はほとんど存在しない。ガラスプレートを持ち上げる場合、まず小さい間隙を生じさせて、この間隙の中に空気が流入し得るように、周囲の空気圧力に打ち勝たねばならない。この間隙に空気が充満し、間隙空間内の圧力が外部の空気圧力に等しくなって初めて、当初作用していた押圧力もゼロになり、重力のみに打ち勝てばよいことになる。平滑なプレートの分離に必要な付加的な力を、以下においては離反力と呼称する。

ワークピースを機械的接触なしに吸引する真空吸引グリッパーは、グリッパーの吸引力が最初は離反力に打ち勝ち、続いて、ワークピースをグリッパー面の方向に引力に抗して加速するように設計しなければならない。ワークピースがグリッパー面から所定の間隔だけ離れている場合には、ワークピースが慣性力のためにグリッパー面に対して衝突しないように、ワークピースを制動することが望ましい。

自動プロセスの場合には、持ち上げるべきワークピースは同一であり、従って同じ重量を有するので、反応速度の速い弁制御を行うように吸引ノズルを構成することが理論的に可能である。この弁制御は、離反力に打ち勝った後に吸引力の１度目の絞り込みを行い、吸引力を、技術的に最適なプレート加速になるように調整する。プレートが所定の量だけ持ち上げられると、プレートがグリッパー面上における最終的な位置に到達しうるように、その速度を制御すべく、２度目の絞り込みを行うことができる。

当業者には明らかなことであるが、このような高度に動力学的なプロセスの制御は、気体媒体の制御がその圧縮性のために困難であるので、極度に複雑であり、従ってコストが掛かる。

本発明の目的は、特に高い離反力を必要とする平滑なプレートをも無接触で持ち上げることが可能な、確実かつコスト的に有利な装置を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載の真空グリッパーによって実現される。

この真空グリッパーは、以下に述べるような特徴の真直のまたは湾曲したグリッパープレートを有する。このグリッパープレートは、平坦なプレートを取り上げるために平面のプレートとすることができるが、例えばロールを取り上げるためには１次元的に湾曲させることもでき、例えば球状のワークピースを取り上げるためには２次元的に湾曲させることも可能である。このグリッパープレートは、以下に述べる技術的教示を流体力学的に実施し得る限り、ワークピースの表面形状に適合した形状を有することができる。

グリッパープレートには、所定の負圧が印加される少なくとも１つの吸引開口が設けられ、この吸引開口の回りに、ワークピース−絞り面が形成される。ワークピースを吸引する際にワークピースの表面との間に所定の間隙を形成する面部分が、このワークピース−絞り面と呼称される。ワークピースは、その最終位置に達すると、主としてこの間隙において、把持プレートに懸架される。そのため、ワークピース−絞り面の寸法は、このワークピース−絞り面に生じる吸引力が、ワークピースの質量によって規定される反対向きのワークピースの重力よりも大きくなるように定められる。

さらに、ワークピース側に向いたグリッパープレートの面には、少なくとも１つの凹部が設けられる。この凹部は、本発明の技術的教示によれば、それが常にワークピース−絞り面の外側に位置するように配置される。換言すれば、吸引される空気が、グリッパープレートの周縁からグリッパープレートに沿って吸引開口に向かって流れ、その場合、この吸引開口に属する凹部、すなわち吸引開口の前方にある凹部を通過する。この凹部には、少なくとも１つの通気孔が設けられる。

以下に、この真空グリッパーの機能について述べる。
グリッパーの下面が約２ｍｍ〜０．５ｍｍまでワークピースの表面に近接すると、この真空グリッパーは従来型の真空グリッパーと同様に作用する。すなわち、空気がグリッパーの周縁から吸引されて吸引開口に向かって流れる。グリッパーの全面に負圧が形成され、その高さは、グリッパーの周縁に向かって低下する。凹部の領域においては、負圧は一定である。所定の空気の容積流れは通気孔からも吸引されるが、この容積流れは、グリッパー面において２ｍｍ〜０．５ｍｍ幅の間隙内部に吸引される容積流れに比べると相対的に小さい。

このグリッパーは、この状態において、所定の一定の吸引圧力およびグリッパープレートの所定の面におけるその最大担持力を有する。

ワークピースがグリッパー表面に近接すると、それだけ間隙が狭くなり、外部から、すなわちグリッパープレートの周縁から流入する空気の流れの断面積がそれだけ小さくなる。しかし、通気孔の断面積は一定のままである。この結果、通気孔を通して外部空気が常に流入するので、凹部内には負圧が全く発生し得ないことになる。この効果は、周縁から流入する空気の流れの断面積が小さくなるほど増大する。このため、凹部の面は、もはや吸引力に寄与しない。換言すれば次のようになる。すなわち、吸引力は有効な吸引面および吸引圧力から生成されるものであり、―そして、有効な吸引面は本質的にワークピース−絞り面の領域のみに制限されるので、有効な吸引面は、ワークピースの表面からグリッパー表面までの距離が大きい場合よりも何倍も小さいのである。従って、吸引力も、ワークピースの表面からグリッパー表面までの距離が大きい場合よりも何倍も小さい。

これによって、真空グリッパーがワークピースを把持するとき、表面までの間隔が大きい場合に非常に高い吸引力を有するという望ましい効果が生じる。この吸引力は、ワークピースの表面が真空グリッパーにさらに近接すると急速に低下するので、寸法が適切であれば、ワークピースがグリッパーに衝突することが避けられる。

このように、吸引力の低下は自動的に生じる。ワークピースの重量および吸引圧力の高さに応じて、当業者が真空グリッパーの寸法を適宜定めることによって、ワークピースの浮遊、すなわちワークピースの表面が真空グリッパーに接触しない浮遊を実現できる。この場合、ワークピースを持ち上げる吸引力とワークピースを下向きに引っ張る重力との間に力の均衡が生じている。吸引力が変化すると、例えば若干弱くなると、ワークピースは僅かに降下するであろう。しかし、これによって有効な吸引面が増大し、その結果、吸引力が上昇して、ワークピースは再度上向きに引き付けられる。

この浮遊状態は、常に発生ししかもワークピースの表面状態には無関係である。従って、このグリッパーは、きわめて平滑な表面を有するガラスプレートだけでなく、粗い表面を有する木材プレートをも把持することが可能である。

請求項２による真空グリッパーの有利な発展形態においては、通気孔の開口断面積が可変に形成される。これによって、吸引力を、ワークピースの表面とグリッパーとの間の所定距離に簡単に適合させることが可能になる。

請求項３による真空グリッパーの有利な発展形態においては、凹部ごとに選択的に閉止可能な複数個の通気孔が設けられる。これによって、吸引力を、ワークピースの表面とグリッパーとの間の所定距離に簡単に適合させることが可能になる。

請求項４による真空グリッパーの有利な発展形態においては、通気孔に、絞りとして作用する多孔質材料が充填される。これによって、通気孔の断面積を大きく選択することが可能になり、小型のグリッパーの製造において有利である。

請求項５による真空グリッパーの有利な発展形態においては、前記の多孔質材料が開放多孔質のプラスチック発泡体製のプラグである。このプラグは容易に製造可能でありかつ交換可能である。

請求項６による真空グリッパーの有利な発展形態においては、通気孔に、多孔質材料の代わりに、絞りとして作用しかつ同様に容易に交換可能な空気フィルタが装備される。

請求項７による真空グリッパーの有利な発展形態においては、通気孔がネジ穴として設けられ、そのネジ穴の中に、種々の形状を有するノズル、すなわち所定の流れのパターンを有するノズルをネジ込むことができる。

請求項８による真空グリッパーの有利な発展形態においては、通気孔が流量調整弁を有する。これによって、ワークピースを吸引する際の空気の流入流量の能動的制御が可能になり、定められた条件の下において真空グリッパーの吸引および保持特性が改善される。

請求項９による真空グリッパーの有利な発展形態においては、凹部の容積を変えることができ、これによって、グリッパーを他のワークピースに速やかに適合させることが実現できる。この容積の変更は、材料の装着によって行うことができる。例えば、グリッパーが鋼製である場合は、凹部の中に、さらに固定することなく保持される磁石を嵌め込むことができる。また、凹部内部の容積低減に寄与するヘッドを備えたボルトをネジ込むことも可能である。

請求項１０による真空グリッパーの有利な発展形態においては、グリッパープレートの内部に、複数のワークピース−絞り面が設けられる。この構成は、取り上げるプレートを複数個の点で担持しなければならない場合に選択される。

当業者には明らかなことであるが、ワークピース−絞り面は、無条件にリング状に形成される必要はなく、直線状に延びることも可能である。これについては、実施形態例においてさらに詳しく説明する。

請求項１１による真空グリッパーの有利な発展形態においては、グリッパープレートが、空気流出ノズルを備えた空気ベアリングとして形成される。これによって、ワークピースのグリッパーへの接触がさらに確実に防止される。

請求項１１による発展形態の代わりに、請求項１２によれば、グリッパープレートが、少なくとも１つの超音波発振子と機械的に連結される。この場合、グリッパープレートの寸法は、それが、例えば欧州特許第1387808B1号明細書に記載されるような超音波空気ベアリングを形成するように定められる。

請求項１３による真空グリッパーの有利な発展形態においては、複数個の吸引開口が設けられる。この場合、それぞれの吸引開口の回りにワークピース−絞り面が形成される。この構成は、例えば、ワークピースが真直なグリッパー当接表面を有するものの、そのワークピースの厚さが種々に異なる場合に、有利に用いることができる。この複数個の吸引開口は、異なる吸引圧力で運転することが可能であり、それによって、ワークピースの均等かつ水平方向の移動が可能になる。

以下、本発明を、実施形態例に基づいて、添付の図面を参照して詳しく説明する。

図１ａ：真空グリッパーの第１実施形態を示す。
図１ｂ：真空グリッパーの第１実施形態を示す。
図２ａ：真空グリッパーの第２実施形態を示す。
図２ｂ：真空グリッパーの第２実施形態を示す。
図３ａ：真空グリッパーの第３実施形態を示す。
図３ｂ：真空グリッパーの第３実施形態を示す。
図４ａ：真空グリッパーの第４実施形態を示す。
図４ｂ：真空グリッパーの第４実施形態を示す。

図１ａ、ｂは、ワークピース１を取り上げるための円形の真空グリッパーの断面を示す。この場合、この真空グリッパーは次のような特徴を有する。すなわち、円形ディスク形状のグリッパープレート２は、その中心点に吸引開口３を有する。この吸引開口３の回りに、円形のワークピース−絞り面６が形成されるが、その作用態様については以下の段落で説明する。グリッパープレートの周縁の方向にリング状の凹部４が設けられ、この凹部４は、この場合、１８０°ずれた２つの通気孔を有する。すなわち、凹部４の全体は外部大気と連絡している。

図１ａはまだ当初位置にあるワークピース１を示す。吸引開口３によって空気が吸引されるが、空気は、通常約２ｍｍ〜０．５ｍｍの間の間隙７を経由して側方から流入する。真空グリッパーは、この位置において、ワークピース１の重量よりも大きいその最大吸引力を有する。

これによってワークピース１は持ち上げられる。換言すれば、グリッパーの下面がワークピースの表面に近付くと、真空グリッパーは従来型の真空グリッパーと同様に作用する。すなわち、空気がグリッパーの周縁から吸引されて吸引開口に向かって流れる。グリッパーの全面に負圧が形成され、その高さは、グリッパーの周縁に向かって低下する。しかし、凹部４の領域においては、負圧Ｐは一定であり、これは、その下の図Ａにおいて水平域８として示されている。所定の空気の容積流れは通気孔を通しても吸引されるが、この容積流れは、グリッパー面において２ｍｍ〜０．５ｍｍ幅の間隙内部に吸引される容積流れに比べると相対的に小さい。

図Ｂにおいては、図Ａの圧力変化以外に、凹部４がない場合に発生すると見られる圧力変化９が付加的に記載されている。

図１ｂに示すように、ワークピースがグリッパー表面に近接すると、外部から、すなわちグリッパープレートの周縁から空気が流入し得る間隙７がそれだけ狭くなる。周縁から流入する空気の流れの断面積は大幅に縮小するが、通気孔の断面積は一定のままである。この結果、通気孔を通して外部空気が十分な量で常に流入し得るので、凹部４内には負圧が全く発生しなくなる。この効果は、空気が周縁から流入し得る間隙７の流れ断面積が小さくなるほど増大する。このため、凹部４の面は、この状態ではもはや吸引力に寄与しない。換言すれば次のようになる。すなわち、吸引力は有効な吸引面および吸引圧力から生成されるものであり、そして、有効な吸引面は本質的にワークピース−絞り面６の領域のみに制限されるので、有効な吸引面は、ワークピースの表面からグリッパー表面までの距離が大きい場合よりも何倍も小さくなるのである。従って、吸引力も、ワークピースの表面からグリッパー表面までの距離が大きい場合よりも何倍も小さい。

これによって、真空グリッパーが、把持するワークピースの表面までの間隔が大きい場合に非常に高い吸引力を有するという望ましい効果が生じる。この吸引力は、ワークピースの表面が真空グリッパーにさらに近接すると急速に低下するので、寸法が適切であれば、ワークピースがグリッパーに衝突することが避けられる。

下の図ＡおよびＢは、凹部４を有する場合および有しない場合の圧力変化を示す。

従って、吸引力の低下は自動的に生じる。ワークピースの重量および吸引圧力の大きさに応じて、当業者が真空グリッパーの寸法を適宜定めることによって、ワークピースの浮遊、すなわちワークピースの表面が真空グリッパーに接触しない浮遊を実現できる。この場合、ワークピースを持ち上げる吸引力とワークピースを下向きに引っ張る重力との間に力の均衡が生じている。吸引力が変化すると、例えば若干弱くなると、ワークピース１は僅かに降下するであろう。しかし、これによって有効な吸引面が増大し、その結果、吸引力が上昇して、ワークピース１は再度上方向に引きつけられる。

ノズルの幾何形状や必要な圧力および負圧は、把持されるワークピースの特性によって定められる。多くの技術プロセスにおいて同じワークピースが用いられる。従ってノズルのパラメータおよび圧力パラメータも一定のままにすることが可能である。ノズルのパラメータおよび圧力パラメータは、ワークピースの大きさ、重量、表面積およびその他一連の特徴によって変化するので、特定のノズル形状および他のパラメータを提示することは有意義ではない。

後続の図面は、この真空グリッパーの別の実施形態を示すが、これらはすべて、図１において記述されたことと同じ技術的教示に従って作動する。このため、以下においては、一般的な技術的教示の記述を繰り返すことは省略して、各実施形態の新規の特徴のみを記述する。

図２ａ、ｂは、２つの吸引開口３、３ａを有する円形のグリッパープレートを示す。２番目の吸引開口３ａは、真空が印加される４個の孔を有するリング状の溝である。図示の実施形態の場合、４個の孔の合計断面積は吸引開口３の断面積より大幅に小さいので、吸引溝３ａの吸引作用も、吸引開口３の吸引作用よりも低い。必要な場合には、吸引溝３ａの吸引断面積を、吸引作用が少なくとも吸引開口３と正確に同じ大きさになるように大きく選択することも可能である。

図３ａ、ｂは、主として長方形のワークピースを最適に把持するための長方形のグリッパープレートを示す。この実施形態の場合には、吸引開口３が長方形に形成され、溝状の凹部４は平行に向かい合っている。

図４ａ、ｂは、ロールを持ち上げるための図３によるグリッパープレートを示す。このため、グリッパープレートは、ロールの直径の曲率に適合している。

真空グリッパーの第１実施形態を示す。 真空グリッパーの第１実施形態を示す。 真空グリッパーの第２実施形態を示す。 真空グリッパーの第２実施形態を示す。 真空グリッパーの第３実施形態を示す。 真空グリッパーの第３実施形態を示す。 真空グリッパーの第４実施形態を示す。 真空グリッパーの第４実施形態を示す。

Claims (13)

1. ワークピース（１）を取り上げるための真空グリッパーであって、
   ・ 真直のまたは湾曲したグリッパープレート（２）と、
   ・ 前記グリッパープレート（２）の面の少なくとも中央位置に設けられる少なくとも１つの吸引開口（３；３ａ）であって、その吸引開口（３）の回りに吸引把持面（６）が形成される、少なくとも１つの吸引開口（３；３ａ）と、
   ・ 前記ワークピース側の前記グリッパープレート（２）の面に、前記吸引開口（３）に対して前記吸引把持面（６）の外側に設けられる少なくとも１つの凹部（４）と、
   ・ 前記凹部（４）が外部大気と連絡していて、外部空気が常に流入可能であるように、前記各凹部（４）の内部に設けられる少なくとも１つの通気孔（５）と、
   を有する真空グリッパー。
2. 前記通気孔（５）の開口面積が可変である、請求項１に記載の真空グリッパー。
3. 凹部ごとに選択的に閉止可能な複数個の通気孔（５）が設けられる、請求項１に記載の真空グリッパー。
4. 前記通気孔（５）に多孔質材料が充填される、請求項１に記載の真空グリッパー。
5. 前記多孔質材料が開放多孔質のプラスチック発泡体製のプラグである、請求項４に記載の真空グリッパー。
6. 前記通気孔（５）が交換可能な空気フィルタを有する、請求項１に記載の真空グリッパー。
7. 前記通気孔（５）が、種々の形状を備えたノズルをネジ込むためのネジ穴を有する、請求項１に記載の真空グリッパー。
8. 前記通気孔（５）が流量調整弁を有する、請求項１に記載の真空グリッパー。
9. 前記凹部（４）の容積を変えることができる、請求項１に記載の真空グリッパー。
10. グリッパープレート（２）の内部に複数の吸引把持面（６）が設けられる、請求項１に記載の真空グリッパー。
11. 前記グリッパープレート（２）が、空気流出ノズルを備えた空気ベアリングとして形成される、請求項１に記載の真空グリッパー。
12. 前記グリッパープレート（２）が少なくとも１つの超音波発振子と機械的に連結され、その場合、前記グリッパープレート（２）の寸法は、それが超音波空気ベアリングを形成するように定められる、請求項１に記載の真空グリッパー。
13. 複数個の吸引開口（３）が設けられ、その場合、このそれぞれの吸引開口（３）の回りにそれぞれ１つの吸引把持面（６）が形成される、請求項１に記載の真空グリッパー。

Images