JP6482767B2

JP6482767B2 - 塗布装置

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Publication number: JP6482767B2
Application number: JP2014065951A
Authority: JP
Inventors: 浩磯部; 清悟坂田; 直哉小長井; 山田　裕之; 裕之山田
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: JP2015188945A

Description

この発明は、産業機器等において、ワークの３次元形状をした塗布面に対してグリースや接着剤等を高速・高精度で塗布することが可能な塗布装置に関する。

従来の塗布装置として、例えば特許文献１〜３に提案のものがある。特許文献１の塗布装置は、塗布材料を吐出する吐出装置をＸＹＺステージに搭載してある。特許文献２の塗布装置は、ＸＹステージに搭載されたワークに対して、固定位置に設けられた吐出装置により塗布材料を塗布する。特許文献３の塗布装置は、アームロボット（多関節ロボット）に吐出装置を搭載してある。

特開２００５−３３４７８５号公報特開２０１３−０１００９１号公報特開２０１３−０３１８０５号公報

特許文献１，２の構成では吐出装置の角度を変えることができず、ワークに対して真上から液体、粉末等の塗布材料を塗布するため、円柱状のワークの側面や凹凸面を有するワークの凹み部分等のような３次元形状をした塗布面に対して塗布材料を塗布できないといった課題がある。さらに、特許文献１の塗布装置については、エアー供給用のホース等の複数の配管・配線類が接続された吐出装置を移動させるため、配管・配線類の取り回しが困難である。

特許文献３の塗布装置については、多関節ロボットに吐出装置を搭載しているため、吐出装置の角度を任意に変えることができるが、少し角度を変えるだけでも各関節のモータを駆動する必要があり、吐出装置の角度を高速で変えることができない。また、広い設置スペースを確保する必要があり、特許文献１の塗布装置と同様に、配管・配線類の取り回しが困難である。

この発明の目的は、ワークの３次元形状をした塗布面に対して塗布材料を高速・高精度で塗布することができ、配管・配線類の取り回しが容易で、メンテナンス性や作業性が良い塗布装置を提供することである。

この発明の塗布装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であるパラレルリンク機構を備え、前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢変更用アクチュエータを備え、かつ前記先端側のリンクハブに、塗布材料を前記先端側のリンクハブよりも先端側に吐出する吐出装置を設置してなる。
この塗布装置において、前記吐出装置は、前記先端側のリンクハブに設けられた貫通孔に通され、少なくとも一部が前記パラレルリンク機構の内部空間に配置されており、前記吐出装置の基端側の部分が前記先端側のリンクハブの球面リンク中心より前記パラレルリンク機構の回転中心側まで延び、かつ一端が前記吐出装置に接続される配管・配線類の他端を、前記パラレルリンク機構の内部空間および前記基端側のリンクハブに設けられた貫通孔を通して前記パラレルリンク機構の外部空間に延ばし、前記先端側のリンクハブにおける貫通孔よりも、前記基端側のリンクハブにおける貫通孔の直径が大きく設けられたことを特徴とする。前記パラレルリンク機構の内部空間とは、基端側のリンクハブ、先端側のリンクハブ、および３組のリンク機構に囲まれた空間を指す。

なお、この明細書において、「基端側」および「先端側」とは、以下の意味で用いられる。すなわち、リンクハブと端部リンク部材の各回転対偶の中心軸、および、端部リンク部材と中央リンク部材の各回転対偶の中心軸がそれぞれ交差する点をリンクハブの「球面リンク中心」と称し、この球面リンク中心を通り前記リンクハブと端部リンク部材の回転対偶の中心軸と直角に交わる直線を「リンクハブの中心軸」と称する場合、それぞれのリンクハブから基端側および先端側の各リンクハブの中心軸が交差する交点から見て基端側の球面リンク中心方向を基端側、先端側の球面リンク中心方向を先端側としている。

パラレルリンク機構は、基端側のリンクハブと、先端側のリンクハブと、３組以上のリンク機構とで、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブが直交２軸周りに回転自在な２自由度機構を構成する。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの可動範囲を広くとれる。また、コンパクトである分、迅速な動作を行える。例えば、基端側のリンクハブの中心軸と先端側のリンクハブの中心軸の最大折れ角は約±９０°であり、基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの旋回角を０°〜３６０°の範囲に設定できる。各姿勢制御用アクチュエータの動作を制御することで、基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させることができる。

この塗布装置の構成によると、姿勢変更用アクチュエータの駆動で基端側のリンクハブに対して先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させることにより、先端側のリンクハブに設置した吐出装置により、ワークに対して塗布材料を任意の斜め方向から塗布できる。そのため、真上からでは塗布できない３次元形状の塗布面、例えば円柱状のワークの側面や凹凸面を有するワークの凹み部分に対しても、塗布が可能である。

前述のように、パラレルリンク機構は迅速な動作を行える。また、吐出装置が、先端側のリンクハブに設けた貫通孔に通され、少なくとも一部がパラレルリンク機構の内部空間に配置されているため、パラレルリンク機構の回転中心と吐出装置の重心との距離を短くして、吐出装置を含む可動部の慣性モーメントを小さくできる。これらのことから、高速・高精度の塗布を実現できる。

吐出装置に接続される配管・配線類、例えば塗布材料供給用のホース、塗布指令用ケーブル（Ｉ／Ｏケーブル）、温調機の電源ケーブル等をパラレルリンク機構の内部空間に通したため、前記配管・配線類の取り回しも容易である。この構成のパラレルリンク機構はどのような姿勢になっても基端側と先端側の球面リンク中心間の距離が一定であるため、配管・配線類にテンションがかかり難く、メンテナンス性や作業性が良い。
この発明において、前記基端側の端部リンク部材に設けられた、前記基端側のリンクハブとの連結位置および前記中央リンク部材との連結位置は、基端側の球面リンク中心に対して、同一距離に位置するものであってもよい。

この発明において、前記吐出装置は、前記塗布材料を前記吐出装置から離れた位置まで飛ばすようにノズルから吐出するものであると良い。塗布材料の吐出方法としては、高圧エアー等を採用することができる。
基端側のリンクハブに対する先端側のリンクハブの姿勢を変更して吐出装置の角度を変えると、塗布対象ワークと吐出装置のノズル間の距離が変化するが、高圧エアー等により塗布材料を遠方に飛ばすことができれば、塗布材料ワークとノズル間の距離を調整する機構が不要である。例えば、先端側のリンクハブに対する吐出装置の取付位置、または吐出装置本体に対するノズルの位置を調整する機構が不要である。それにより、先端側のリンクハブに搭載される搭載物の重量を軽減でき、高速・高精度の塗布が可能となる。

この発明において、前記姿勢変更用アクチュエータの加速時間および減速時間の両方またはいずれか一方を、前記パラレルリンク機構の持つ共振周波数の１周期付近に設定して、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更する姿勢制御を行う制御装置を備えると良い。ここで言う共振周波数は、先端側のリンクハブに搭載物を搭載した状態での共振周波数のことであり、共振周波数の１周期付近とは、０．８ないし１．２周期の範囲内を指す。
加速時間および減速時間の両方またはいずれか一方を１周期付近に設定した場合、パラレルリンク機構の整定時における可動部の振動を抑制する効果が得られる。これは、加速時または減速時に２つのインパルスが作用すると仮定すると、１つ目のインパルスにより発生する固有振動と、共振周波数の半周期後に与えられる２つ目のインパルスにより発生する固有振動とが打消し合うように作用するためである。この振動抑制作用により、高精度の塗布を実現できるだけでなく、先端側のリンクハブの位置決めを完了した後、すぐに塗布指令を与えることが可能となるため、高速塗布を実現できる。

この発明において、前記パラレルリンク機構を、前記基端側のリンクハブの中心軸が鉛直方向を向き、かつ前記基端側のリンクハブに対して前記先端側のリンクハブが下方に位置するように設置すると良い。
この構成であると、基端側のリンクハブに対して先端端側のリンクハブが水平に位置している場合や、上方に位置している場合と比較して、塗布材料の塗布方向と重力が作用する方向が近く、塗布材料の直進性が得られ易いため、高精度の塗布が可能となる。

この発明において、前記パラレルリンク機構および前記姿勢変更用アクチュエータを前記基端側のリンクハブの中心軸が直交する平面上で移動させる１軸以上の直動アクチュエータを備えても良い。
この場合、塗布対象ワークに対して様々な方向から角度を付けて塗布材料を塗布できる。例えば、円柱状ワークの側面を全周にわたって塗布できる。

この発明において、塗布対象ワークを前記基端側のリンクハブの中心軸が直交する平面上で移動させる１軸以上の直動アクチュエータを備えても良い。
この場合も、塗布対象ワークに対して様々な方向から角度を付けて塗布材料を塗布できる。例えば、前記同様に、円柱状ワークの側面を全周にわたって塗布できる。

この発明の塗布装置は、基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であるパラレルリンク機構を備え、前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢変更用アクチュエータを備え、かつ前記先端側のリンクハブに、塗布材料を前記先端側のリンクハブよりも先端側に吐出する吐出装置を設置し、前記吐出装置は、前記先端側のリンクハブに設けられた貫通孔に通され、少なくとも一部が前記パラレルリンク機構の内部空間に配置されており、前記吐出装置の基端側の部分が前記先端側のリンクハブの球面リンク中心より前記パラレルリンク機構の回転中心側まで延び、かつ一端が前記吐出装置に接続される配管・配線類の他端を、前記パラレルリンク機構の内部空間および前記基端側のリンクハブに設けられた貫通孔を通して前記パラレルリンク機構の外部空間に延ばし、前記先端側のリンクハブにおける貫通孔よりも、前記基端側のリンクハブにおける貫通孔の直径が大きく設けられたため、ワークの３次元形状をした塗布面に対して塗布材料を高速・高精度で塗布することができ、配管・配線類の取り回しが容易で、メンテナンス性や作業性が良い。

この発明の一実施形態にかかる塗布装置の一部を省略した正面図である。図１のII−II断面図である。同塗布装置のパラレルリンク機構の一つのリンク機構を直線で表現した図である。制御パラメータの時間と速度の関係を示すグラフである。加減速時間が一定である場合の加減速度を整定時間の関係を示すグラフである。指令速度が一定である場合の加減速度を整定時間の関係を示すグラフである。指令速度が一定である場合の加減速時間と整定時間の関係を示す図である。共振周波数の１周期分のステップ加速を加えた場合の先端側のリンクハブの振動の振幅を示すグラフである。この発明の異なる実施形態にかかる塗布装置の一部を省略した正面図である。図９のＸ−Ｘ断面図である。この発明のさらに異なる実施形態にかかる塗布装置の一部を省略した正面図である。同塗布装置の基端側のＸＹステージと塗布装置本体の位置関係を示す平面図である。この発明のさらに異なる実施形態にかかる塗布装置の一部を省略した正面図である。

この発明の一実施形態を図１〜図３と共に説明する。
図１に示すように、この塗布装置１は、塗布材料Ｔを吐出する吐出装置２と、この吐出装置２を保持してその角度を変えるリンク作動装置３とを備える。リンク作動装置３は、２自由度機構のパラレルリンク機構４と、このパラレルリンク機構４を駆動する複数の駆動機構５とで構成される。駆動機構５は、姿勢変更用アクチュエータ６を有する。

吐出装置２は、液体、粉体等の塗布材料Ｔをノズル７から吐出する装置であり、高圧エアー等により塗布材料Ｔを前記ノズル７から離れた遠くの位置まで飛ばすことが可能である。吐出装置２には、塗布材料供給用のホース、塗布指令用ケーブル（Ｉ／Ｏケーブル）、温調機の電源ケーブル等の配管・配線類８の一端が接続されている。図の例では、各配管・配線類８が１本にまとめられているが、各配管・配線類８はそれぞれが分離していても良い。

パラレルリンク機構４は、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３を３組のリンク機構１４を介して姿勢変更可能に連結したものである。図１では、１組のリンク機構１４のみを図示し、他の２組のリンク機構１４は図示を省略してある。各リンク機構１４は、基端側の端部リンク部材１５、先端側の端部リンク部材１６、および中央リンク部材１７で構成され、４つの回転対偶からなる４節連鎖のリンク機構をなす。基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６は、一端がそれぞれ基端側のリンクハブ１２および先端側のリンクハブ１３にそれぞれ回転自在に連結されている。中央リンク部材１７は、両端に基端側および先端側の端部リンク部材１５，１６の他端がそれぞれ回転自在に連結されている。

パラレルリンク機構４は、２つの球面リンク機構を組み合わせた構成であって、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶、および、端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７の各回転対偶の中心軸が、基端側と先端側においてそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢで交差している。また、基端側と先端側において、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じであり、端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７の各回転対偶とそれぞれの球面リンク中心ＰＡ，ＰＢからの距離も同じである。端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７との各回転対偶の中心軸は、図のようにある交差角γを持っていても良いし、平行であっても良い。また、図２に図示されているように、この例では、リンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６との各回転対偶の中心軸Ｏ１と、端部リンク部材１５，１６と中央リンク部材１７との各回転対偶の中心軸Ｏ２とが成す角度αが９０°とされているが、前記角度αは９０°以外であっても良い。

３組のリンク機構１４は、幾何学的に同一形状をなす。幾何学的に同一形状とは、図３のように、各リンク部材１５，１６，１７を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが、中央リンク部材１７の中央部に対する基端側部分と先端側部分が対称を成す形状であることを言う。図３は、パラレルリンク機構４の一組のリンク機構１４を直線で表現した図である。この実施形態のリンク機構１４は回転対称タイプで、基端側のリンクハブ１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６との位置関係が、中央リンク部材１７の中心線Ｃに対して回転対称となる位置構成になっている。

基端側のリンクハブ１２と先端側のリンクハブ１３と３組のリンク機構１４とで、基端側のリンクハブ１２に対し先端側のリンクハブ１３が直交２軸周りに回転自在な２自由度機構が構成される。言い換えると、基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３を、回転が２自由度で姿勢変更自在な機構である。この２自由度機構は、コンパクトでありながら、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の可動範囲を広くとれる。また、コンパクトである分、迅速な動作を行える。

例えば、球面リンク中心ＰＡ，ＰＢを通り、リンクハブ１２，１３と端部リンク１５，１６の各回転対偶の中心軸と直角に交わる直線をリンクハブ１２，１３の中心軸（以下、「リンクハブ中心軸」とする。）ＱＡ，ＱＢとした場合、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ中心軸ＱＢの折れ角θを最大で約±９０°とすることができる。また、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の旋回角φを０°〜３６０°の範囲に設定できる。折れ角θは、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ中心軸ＱＢが傾斜した垂直角度のことであり、旋回角φは、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡに対して先端側のリンクハブ中心軸ＱＢが傾斜した水平角度のことである。基端側および先端側のリンクハブ中心軸ＱＡ，ＱＢおよび中央リンク部材１７の中心線Ｃの交点が、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の回転中心Ｏとなる。各リンク機構１４の姿勢が変化しても、基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｄは変化しない。

各リンク機構１４におけるリンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の回転対偶の中心軸の角度および長さが互いに等しく、かつ各リンク機構１４にリンクハブ１２，１３と端部リンク部材１５，１６の回転対偶、および、中央リンク部材１７と端部リンク部材１５，１６の回転対偶の中心軸が基端側および先端側において球面リンク中心ＰＡ，ＰＢと交差し、かつ基端側の端部リンク部材１５と先端側の端部リンク部材１６の幾何学的形状が等しく、かつ中央リンク部材１７についても基端側の先端側とで形状が等しいとき、中央リンク部材１７の対称面に対して、中央リンク部材１７と端部リンク部材１５，１６との角度位置関係を基端側と先端側とで同じにすれば、幾何学的対称性から基端側のリンクハブ１２および基端側の端部リンク部材１５と、先端側のリンクハブ１３および先端側の端部リンク部材１６とは同じに動く。

図１および図２に示すように、基端側のリンクハブ１２は、中央部に円形の貫通孔２０ａを有する平板状の土台２０と、この土台２０の貫通孔２０ａの周囲に円周方向等配で設けられた３個の回転軸部材２１とで構成される。貫通孔２０ａの中心は、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡ上に位置する。各回転軸部材２１は、外向きに突出し軸心がリンクハブ中心軸ＱＡと交差する連結軸２１ａを有する。

図２において、前記各連結軸２１ａに、基端側の端部リンク部材１５の一端が、２個の軸受２４を介して回転自在に連結される。また、基端側の端部リンク部材１５の他端に、２個の軸受２５を介して中央リンク部材１７の一端に設けられた回転軸１７ａが回転自在に連結される。軸受２４，２５は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受であって、ナットによる締付けでもって所定の予圧量が付与された状態で固定されている。

土台２０には、３組のリンク機構１４をそれぞれ個別に駆動する３組の駆動機構５が設けられている。駆動機構５は、基端側の端部リンク部材１５を回動させて基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を任意に変更させるためのものであり、前記姿勢変更用アクチュエータ６と、この姿勢変更用アクチュエータ６の動作速度を減速して基端側の端部リンク部材１５に伝達する減速機構３１とで構成される。姿勢変更用アクチュエータ６はロータリアクチュエータ、より詳しくは減速機６ａ付きのサーボモータであって、モータ固定部材３２により土台２０に固定されている。減速機構３１は、姿勢変更用アクチュエータ６の減速機６ａと、歯車式の減速部３３とでなる。
この例では、３組のリンク機構１４のすべてに駆動機構５を設けているが、２組にだけ駆動機構５を設けても良い。２組に設ければ、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を確定することができる。

前記歯車式の減速部３３は、姿勢変更用アクチュエータ６の出力軸６ｂにカップリング３５を介して回転伝達可能に連結された小歯車３６と、基端側の端部リンク部材１５に固定され前記小歯車３６と噛み合う大歯車３７とで構成されている。小歯車３６は両側に軸部を有し、これら軸部がそれぞれ、土台２０に固定された回転支持部材３８に２個の軸受３９を介して回転自在に支持されている。図示例では、小歯車３６および大歯車３７は平歯車であり、大歯車３７は、扇形の周面にのみ歯が形成された扇形歯車である。大歯車３７は小歯車３６よりもピッチ円半径が大きく、姿勢変更用アクチュエータ６の出力軸６ｂの回転が基端側の端部リンク部材１５へ、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５との回転対偶の回転軸Ｏ１回りの回転に減速して伝達される。その減速比は、例えば１０以上とされている。
この例では、減速機構３１に平歯車を使用しているが、その他の機構（例えば、かさ歯車やウォーム機構）でも良い。また、この例では、大歯車３７は基端側の端部リンク部材１５と別部材とされているが、基端側の端部リンク部材１５と一体であってもよい。

姿勢変更用アクチュエータ６の回転軸心および小歯車３６の回転軸心は同軸上に位置する。これら回転軸心は、基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の回転対偶軸Ｏ１と平行で、かつ土台２０からの高さが同じとされている。

図１において、先端側のリンクハブ１３は、中央部に円形の貫通孔４０ａを有する円環板状の先端部材４０と、この先端部材４０の貫通孔４０ａの周囲に円周方向等配で設けられた３個の回転軸部材４１とで構成される。貫通孔４０ａの中心は、先端側のリンクハブ中心軸ＱＢ上に位置する。各回転軸部材４１は、外向きに突出していて軸心がリンクハブ中心軸ＱＢと交差する連結軸４１ａを有する。

前記先端側のリンクハブ１３の各連結軸４１ａに先端側の端部リンク部材１６の一端が回転自在に連結され、かつ先端側の端部リンク部材１６の他端に中央リンク部材１７の他端が回転自在に連結される。先端側のリンクハブ１３と先端側の端部リンク部材１６、および先端側の端部リンク部材１６と中央リンク部材１７の各連結構造は、前記基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５、および基端側の端部リンク部材１５と中央リンク部材１７の各連結構造と同じであるので、図示および説明を省略する。

前記吐出装置２は、吐出装置取付部材４２により、ノズル７が先端側を向くように先端部材４０に固定して取り付けられる。吐出装置２は先端側のリンクハブ１３の先端部材４０の貫通孔４０ａに通して設けられており、ノズル７を含む先端部分はパラレルリンク機構４の外部空間に配置されているが、残りの部分はパラレルリンク機構４の内部空間Ｓに配置されている。ここで、パラレルリンク機構４の内部空間Ｓとは、基端側のリンクハブ１２、先端側のリンクハブ１３、および３組のリンク機構１４に囲まれた空間を指す。吐出装置２に接続される配管・配線類８の他端は、パラレルリンク機構４の内部空間Ｓおよび基端側のリンクハブ１２の土台２０の貫通孔２０ａを通してパラレルリンク機構４の外部空間に延ばされる。

この塗布装置１は、基端側のリンクハブ１２の土台２０を支持体（図示せず）に固定することで設置される。図１の例では、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡが鉛直方向を向き、かつ基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３が下方に位置するように設置されている。このように塗布装置１を設置すると、基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３が水平に位置している場合や、上方に位置している場合と比較して、塗布材料Ｔの塗布方向と重力が作用する方向が近く、塗布材料Ｔの直進性が得られ易いため、高精度の塗布が可能となる。

塗布作業に際しては、塗布対象ワークＷの塗布面の形状に応じて、塗布装置１または塗布対象ワークＷを例えば水平面上で移動させると共に、吐出装置２の角度を変えながら塗布を行う。吐出装置２の角度変更は、各姿勢変更用アクチュエータ６を駆動して、基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を変更することで行う。各姿勢変更用アクチュエータ６の駆動は、指令操作具（図示せず）の指令に基づき、制御装置５０によって制御する。

制御装置５０は、コンピュータによる数値制御式のものであり、同期・姿勢制御手段５０ａを有する。同期・姿勢制御手段５０ａは、３つの姿勢変更用アクチュエータ６のすべてが同時に動作を開始して同時に動作を完了するように制御する同期制御と、姿勢変更用アクチュエータ６ごとの動作を制御して、先端側のリンクハブ１３を任意の姿勢に変更する姿勢制御とを行う。

姿勢制御は以下のように行う。まず、指令された先端側のリンクハブ１３の姿勢に応じて、各基端側の端部リンク部材１５の回転角βｎ（図３）を求める。ここで言う回転角βｎは、指令された先端位置姿勢に対応する各基端側の端部リンク部材１５の回転角（水平面からの角度）のことである。

回転角βｎは、例えば、下記の式１を逆変換することで求められる（図３参照）。逆変換とは、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと先端側のリンクハブ中心軸ＱＢの折れ角θ、および基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の旋回角φから基端側の端部リンク部材１５の回転角βｎを算出する変換のことである。折れ角θおよび旋回角φと、回転角βｎとは相互関係があり、一方の値から他方の値を導くことができる。
cos（θ／２）sinβｎ−sin（θ／２）sin（φ＋δｎ）cosβｎ＋sin（γ／２）＝０
；（ｎ＝１，２，３） …（式１）
ここで、δｎは、基準となる基端側の端部リンク部材１５に対する各基端側の端部リンク部材１５の円周方向の離間角である。この例のように３組のリンク機構１４が円周方向に等配で設けられている場合、δ１，δ２，δ３はそれぞれ０°、１２０°、２４０°となる。

回転角βｎ（β１，β２，β３）を求めたなら、姿勢変更用アクチュエータ６（６_１，６_２，６_３）ごとに制御パラメータを決める。各姿勢変更用アクチュエータ６の制御パラメータは、例えば図４のような波形になる。すなわち、回転開始からｔ_１時までは加速し、ｔ_１時からｔ_２時までは指令速度Ｖｎ（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）を維持し、その後、減速してｔ_３時に回転を停止する。姿勢変更用アクチュエータ６_１の場合、ハッチングで示された範囲の面積が、姿勢変更用アクチュエータ６_１の動作量、すなわち現在の回転角βｎ（β１，β２，β３）と指令姿勢の回転角βｎ´（β１´，β２´，β３´）との差分を示す。他の姿勢変更用アクチュエータ６_２，６_３についても同様である。図から明らかなように、同期制御により、各姿勢変更用アクチュエータ６が同時に動作を開始して同時に動作を完了し、かつ加速時間および減速時間も各姿勢変更用アクチュエータ６で同じになるように制御される。

例えば、前記指令速度Ｖｎ（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）は、現在の回転角βｎ（β１，β２，β３）と指令姿勢の回転角βｎ´（β１´，β２´，β３´）との差分の比率で定義されており、指令速度Ｖｎの基準となるベース速度をＶとすると、指令速度Ｖｎは式２で表される。

この場合、ベース速度Ｖは各姿勢変更用アクチュエータ６の指令速度Ｖｎの合成速度となり、どのような状況においても基端側のリンクハブ１５の移動速度がほぼ一定となるように制御できる。

また、指令速度Ｖｎは、最高速度をＶmax、現在の回転角βｎと指令姿勢の回転角βｎ´の差分（βｎ´−βｎ）の最大をΔβmaxとした場合に、式３で表される関係式を用いて計算しても良い。
Ｖｎ＝Ｖmax（βｎ´−βｎ）／Δβmax ；（ｎ＝１，２，３） …（式３）
この場合、常に少なくとも１つの姿勢変更用アクチュエータ６を最高速度で駆動でき、基端側のリンク部材１５の回転速度が最大となるように制御できる。

このように３つの姿勢変更用アクチュエータ６の指令速度Ｖｎを設定することで、３つの姿勢変更用アクチュエータ６の同期制御が可能となる。ベース速度Ｖや最高速度Ｖmaxは、先端側のリンクハブ１３の整定時間により調整すればよい。整定時間とは、姿勢変更用アクチュエータ６の動作完了から先端側のリンクハブ１３が完全に静止するまでの時間のことである。姿勢変更用アクチュエータ６が回転を開始してから指令速度Ｖｎに達するまでの加速度、および指令速度Ｖｎから回転を停止するまでの減速度は、図４における直線の傾きで表され、加速時間と指令速度Ｖｎ、並びに減速時間と指令速度Ｖｎによってそれぞれ決まる。

各姿勢変更用アクチュエータ６の加速時間および減速時間（「加減速時間」とする）は、パラレルリンク機構４の持つ共振周波数の１周期付近に設定してある。具体的には、パラレルリンク機構４の持つ共振周波数の０．８ないし１．２周期の範囲内に設定するのが望ましい。その理由を、以下に説明する。なお、ここで言う共振周波数は、先端側のリンクハブ１３に吐出装置２を設置した状態での共振周波数のことである。加速時間および減速時間のいずれか一方だけを１周期付近に設定しても良い。

加速時間および減速時間の両方またはいずれか一方を１周期付近に設定した場合、パラレルリンク機構４の整定時における可動部の振動を抑制する効果が得られる。これは、加速時または減速時に２つのインパルスが作用すると仮定すると、１つ目のインパルスにより発生する固有振動と、共振周波数の半周期後に与えられる２つ目のインパルスにより発生する固有振動とが打消し合うように作用するためである。この振動抑制作用により、高精度の塗布を実現できるだけでなく、先端側のリンクハブの位置決めを完了した後、すぐに塗布指令を与えることが可能となるため、高速塗布を実現できる。

上記振動抑制作用についてさらに詳しく説明する。
図５は、加減速時間を一定にしてベース速度Ｖ（または指令速度Ｖｎ）により加減速度を変更した場合における加減速度と整定時間との関係を示すグラフである。また、図６は、ベース速度Ｖ（または指令速度Ｖｎ）を一定にして加減速時間により加減速度を変更した場合における加減速度と整定時間との関係を示すグラフである。図５のように、加減速度が小さいほど整定時間が短くなるのが一般的であるが、図６ではある加減速度までは整定時間は短くなり、その後、整定時間は一定または長くなる傾向が見られる。整定時間の傾向が変わる変曲点は、図７で示すように、パラレルリンク機構４の持つ共振周波数の１周期付近で見られる。

図８は、共振周波数の１周期分のステップ加速を行う場合の先端側のリンクハブ１３の振動の振幅を示す。ここでは、ステップ加速を半分に分割して、連続する２つのステップ加速が与えられると仮定している。つまり、加減速時間を共振周波数の１周期に設定した場合、１つ目のインパルスにより発生する実線で示す固有振動と、その半周期後に２つ目のインパルスにより発生する点線で示す固有振動が発生する。その結果、１つ目のインパルスにより発生する固有振動と、２つ目のインパルスにより発生する固有振動が打消し合い、整定時の振動を抑制する効果が得られる。そのため、加減速時間を共振周波数の１周期に設定すれば、整定時間の短縮が可能となる。また、正弦波が最大振幅となるのは、０．７５周期と１．２５周期である。そこで、加速終了後や減速終了後に最大振幅で振動している状態となるのを避けるために、加減速時間をパラレルリンク機構４の持つ共振周波数の０．８ないし１．２周期としている。この範囲内であれば、上記２つのインパルスにより発生する固有振動数は減衰させる方向に作用する。

この塗布装置１の構成によると、姿勢変更用アクチュエータ６の駆動で基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３の姿勢を任意に変更させることにより、先端側のリンクハブ１２に設置した吐出装置２により、塗布材料Ｔを塗布対象ワークＷに対して任意の斜め方向から塗布できる。そのため、真上からでは塗布できない３次元形状の塗布面、例えば円柱状のワークの側面や凹凸面を有するワークの凹み部分に対しても、塗布が可能となる。

前述のように、パラレルリンク機構４は迅速な動作を行える。また、吐出装置２が、先端側のリンクハブ１３の先端部材４０の貫通孔４０ａに通され、一部がパラレルリンク機構４の内部空間Ｓに配置されているため、パラレルリンク機構４の回転中心Ｏと吐出装置２の重心Ｇとの距離を短くして、吐出装置２を含む可動部およびの慣性モーメントを小さくできる。これらのことから、高速・高精度の塗布を実現できる。

吐出装置２に接続される配管・配線類８をパラレルリンク機構４の内部空間Ｓに通したため、前記配管・配線類８の取り回しが容易である。この構成のパラレルリンク機構４はどのような姿勢になっても基端側と先端側の球面リンク中心ＰＡ，ＰＢ間の距離Ｄが一定であるため、配管・配線類８にテンションがかかり難く、メンテナンス性や作業性が良い。

図９および図１０は、図１および図２の実施形態と比較して、主にパラレルリンク機構４の各回転対偶部の構成および駆動機構５の構成が異なる実施形態を示す。図１０は基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５との連結部等を示すが、先端側のリンクハブ１３と先端側の端部リンク部材１６との連結部等も同じ構成であるので、代表して基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５との連結部等について説明し、先端側の対応する箇所については括弧内に符号のみを付すことにする。

図１０に示すように、基端側の端部リンク部材１５（１６）の両端に切欠き部６０，６１がそれぞれ設けられており、その切欠き部６０，６１に、基端側のリンクハブ１２（１３）の回転連結部材６２（６３）および中央リンク部材１７の端部がそれぞれ配置される。基端側のリンクハブ１２（１３）と基端側の端部リンク部材１５（１６）の回転対偶部の回転軸６４、および基端側の端部リンク部材１５（１６）と中央リンク部材１７の回転対偶部の回転軸６５は、端部リンク部材１５（１６）や回転連結部材６２（６３）とは別部材であり、基端側の端部リンク部材１５（１６）の両端に設けた貫通孔にそれぞれ挿通されている。回転軸６４，６５には、回転連結部材６２（６３）および中央リンク部材１７に埋包されている軸受６６，６７の内輪やスペーサ６８，６９が挿通されており、ナット７０，７１の締め付けにより軸受６６，６７に予圧を付与しながら、基端側のリンクハブ１２（１３）と基端側の端部リンク部材１５（１６）、および基端側の端部リンク部材１５（１６）と中央リンク部材１７をそれぞれ回転可能に連結している。

基端側のリンクハブ１２と基端側の端部リンク部材１５の回転対偶部には、前記回転軸６４の中心軸と同軸の姿勢変更用アクチュエータ６および減速機構７３が設置され、これらで駆動機構５を構成している。姿勢変更用アクチュエータ６と減速機構７３は一体に設けられ、モータ取付部材７４により減速機構７３の部分で土台２０に取り付けられている。減速機構７３はフランジ出力であって、大径の出力軸７３ａを有する。この出力軸７３ａは、スペーサ７５を介して、基端側の端部リンク部材１５にボルト７６等で結合されている。前記回転軸６４は大径部６４ａと小径部６４ｂとからなり、小径部６４ｂが前記軸受６６の内輪に挿通され、大径部６４ａは減速機構７３の出力軸７３ａに設けられた内径溝７７に挿通されている。

図１１は異なる塗布装置を示す。この塗布装置１は、図１および図２に示す塗布装置を塗布装置本体１Ａとして、ＸＹステージ８３に搭載したものである。具体的には、ベース板８０に複数本の支柱８１を立てて天板８２をベース板８０に対して固定し、前記天板８２の下面にＸＹステージ８３を設置している。ＸＹステージ８３は、左右方向（Ｘ軸方向）に進退動作するＸ軸直動アクチュエータ８４と、このＸ軸直動アクチュエータ８４の底面に設けられたステージ８４ａに固定され前後方向（Ｙ軸方向）に進退動作するＹ軸直動アクチュエータ８５とを有し、Ｙ軸直動アクチュエータ８５の底面が塗布装置本体１Ａのパラレルリンク機構４を設置するステージ８５ａとなっている。この場合も、塗布装置本体１Ａのパラレルリンク機構４が、基端側のリンクハブ中心軸ＱＡが鉛直方向を向き、かつ基端側のリンクハブ１２に対して先端側のリンクハブ１３が下方に位置するように設置される。塗布対象ワークＷは、ベース板８０上に位置固定で載置される。

図１２に示すように、塗布装置本体１Ａは、Ｙ軸直動アクチュエータ８５のステージ８５ａに対してオフセットさせて設置される。これにより、土台２０の貫通孔２０ａから上方に取り出した配管・配線類８が、Ｘ軸直動アクチュエータ８４およびＹ軸直動アクチュエータ８５と干渉し難く、配管・配線類８の取り回しが容易となっている。

この塗布装置１は、Ｘ軸直動アクチュエータ８４およびＹ軸直動アクチュエータ８５を進退動作させて、塗布装置本体１を基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと直交する水平面上で移動させると共に、姿勢変更用アクチュエータ６の駆動で基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を変更しながら、先端側のリンクハブ１３に設置した吐出装置２によりワークＷに塗布材料の塗布を行う。これにより、ワークＷに対して角度を付けながら、ワークＷの複数方向の面に対して塗布材料を塗布することができる。

図１３はさらに異なる塗布装置を示す。この塗布装置１は、図１および図２に示す塗布装置からなる塗布装置本体１Ａは位置固定とし、塗布対象ワークＷをＸＹステージ８３に搭載したものである。具体的には、ベース板８０に複数本の支柱８１を立てて天板８２をベース板８０に対して固定し、この天板８２を、塗布装置本体１Ａを構成するパラレルリンク機構４の土台２０としている。天板８２と土台２０とを別部材とし、天板８２に対して土台２０を固定しても良い。ＸＹステージ８３は、ベース板８０上にＸ軸直動アクチュエータ８４を設け、このＸ軸直動アクチュエータ８４の上面に設けられたステージにＹ軸直動アクチュエータ８５を設けてなり、Ｙ軸直動アクチュエータ８５の上面が塗布対象ワークＷを設置するステージとなっている。

この塗布装置１は、Ｘ軸直動アクチュエータ８４およびＹ軸直動アクチュエータ８５を進退動作させて、塗布対象ワークＷを基端側のリンクハブ中心軸ＱＡと直交する水平面上で移動させると共に、姿勢変更用アクチュエータ６の駆動で基端側のリンクハブ１２に対する先端側のリンクハブ１３の姿勢を変更しながら、先端側のリンクハブ１３に設置した吐出装置２によりワークＷに塗布材料の塗布を行う。この場合も、前記同様に、ワークＷに対して角度を付けながら、ワークＷの複数方向の面に対して塗布材料を塗布することができる。

図１２、図１３の例では、塗布装置本体１Ａまたは塗布対象ワークＷを２軸の直動アクチュエータからなるＸＹステージ８３に搭載したが、塗布装置本体１Ａまたは塗布対象ワークＷを搭載するステージを、１軸の直動アクチュエータで構成してもよく、またＺ軸等を追加した３軸以上の直動アクチュエータで構成しても良い。また、図１２の例において、塗布対象ワークＷを、コンベアや１軸以上の直動アクチュエータに搭載しても良い。

１…塗布装置
２…吐出装置
４…パラレルリンク機構
６…姿勢変更用アクチュエータ
８…配管・配線類
１２…基端側のリンクハブ
１３…先端側のリンクハブ
１４…リンク機構
１５…基端側の端部リンク部材
１６…先端側の端部リンク部材
１７…中央リンク部材
２０ａ…貫通孔
４０ａ…貫通孔
５０…制御装置
８４…Ｘ軸直動アクチュエータ
８５…Ｙ軸直動アクチュエータ
ＱＡ…基端側のリンクハブ中心軸
ＱＢ…先端側のリンクハブ中心軸
Ｓ…内部空間
Ｔ…塗布材料
Ｗ…塗布対象ワーク

Claims

基端側のリンクハブに対し先端側のリンクハブを、３組以上のリンク機構を介して姿勢を変更可能に連結し、前記各リンク機構は、それぞれ前記基端側のリンクハブおよび先端側のリンクハブに一端が回転可能に連結された基端側および先端側の端部リンク部材と、これら基端側および先端側の端部リンク部材の他端に両端がそれぞれ回転可能に連結された中央リンク部材とでなり、前記各リンク機構は、このリンク機構を直線で表現した幾何学モデルが、前記中央リンク部材の中央部に対する基端側部分と先端側部分とが対称を成す形状であるパラレルリンク機構を備え、前記３組以上のリンク機構のうち２組以上のリンク機構に、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更させる姿勢変更用アクチュエータを備え、かつ前記先端側のリンクハブに、塗布材料を前記先端側のリンクハブよりも先端側に吐出する吐出装置を設置した塗布装置であって、
前記吐出装置は、前記先端側のリンクハブに設けられた貫通孔に通され、少なくとも一部が前記パラレルリンク機構の内部空間に配置されており、前記吐出装置の基端側の部分が前記先端側のリンクハブの球面リンク中心より前記パラレルリンク機構の回転中心側まで延び、かつ一端が前記吐出装置に接続される配管・配線類の他端を、前記パラレルリンク機構の内部空間および前記基端側のリンクハブに設けられた貫通孔を通して前記パラレルリンク機構の外部空間に延ばし、
前記先端側のリンクハブにおける貫通孔よりも、前記基端側のリンクハブにおける貫通孔の直径が大きく設けられたことを特徴とする塗布装置。
請求項１に記載の塗布装置において、前記基端側の端部リンク部材に設けられた、前記基端側のリンクハブとの連結位置および前記中央リンク部材との連結位置は、基端側の球面リンク中心に対して、同一距離に位置する塗布装置。
請求項１または請求項２に記載の塗布装置において、前記吐出装置は、前記塗布材料を前記吐出装置から離れた位置まで飛ばすようにノズルから吐出するものである塗布装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の塗布装置において、前記姿勢変更用アクチュエータの加速時間および減速時間の両方またはいずれか一方を、前記パラレルリンク機構の持つ共振周波数の１周期付近に設定して、前記基端側のリンクハブに対する前記先端側のリンクハブの姿勢を任意に変更する姿勢制御を行う制御装置を備えた塗布装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の塗布装置において、前記パラレルリンク機構を、前記基端側のリンクハブの中心軸が鉛直方向を向き、かつ前記基端側のリンクハブに対して前記先端側のリンクハブが下方に位置するように設置した塗布装置。
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の塗布装置において、前記パラレルリンク機構および前記姿勢変更用アクチュエータを前記基端側のリンクハブの中心軸が直交する平面上で移動させる１軸以上の直動アクチュエータを備えた塗布装置。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の塗布装置において、塗布対象ワークを前記基端側のリンクハブの中心軸が直交する平面上で移動させる１軸以上の直動アクチュエータを備えた塗布装置。