JP6543686B1 - 荷重センサおよび荷重センサ一体型多軸アクチュエータ - Google Patents

荷重センサおよび荷重センサ一体型多軸アクチュエータ Download PDF

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Abstract

【課題】対象物に対する押付力の荷重を正確に検出し得る荷重センサを提供する。
【解決手段】ハウジング１１に収容された状態で軸線方向へ直線移動する駆動ロッド１２、および、駆動ロッド１２と平行に配置され、軸線方向へ駆動ロッド１２と同時に直線移動し、チップを吸着する際に先端部２２ａがチップに押し付けられる吸着ロッド２２を有する多軸アクチュエータ１０に用いられる荷重センサであって、駆動ロッド１２および吸着ロッド２２を連結する連結部材３０を備え、連結部材３０は、駆動ロッド１２を連結する第１連結部３１と、吸着ロッド２２を連結する第２連結部３２と、第１連結部３１と第２連結部３２との間に設けられて第１連結部３１および第２連結部３２よりも細く形成された首部３３を有し、首部３３は、その表面に取り付けられたひずみゲージ４１〜４４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷重センサおよび荷重センサ一体型多軸アクチュエータに関し、例えば、電子部品（チップ）を基板に実装するチップマウンタとして使用される多軸アクチュエータにおいて、中空に形成された軸状部材の先端にチップを押し付けた状態で吸着して基板に実装する場合のチップに対する押付力（荷重）を検出する荷重センサおよび荷重センサ一体型多軸アクチュエータに関するものである。
従来、チップマウンタに組み込まれる多軸アクチュエータとして、リニアモータアクチュエータがある。このリニアモータアクチュエータは、直線的な推力が得られるリニアモータを用いて軸状部材を軸線方向へ直線運動させるものである（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２０１４−１８０７２号公報
しかしながら、上述した特許文献１に記載のリニアモータアクチュエータでは、中空に形成された軸状部材の先端にチップを押し付けた際、真空発生装置によってエアーを吸引することにより当該チップを吸着するが、押付力が不十分であると吸着し損なうおそれがあり、押付力が強すぎるとチップを破損してしまうおそれがあった。すなわち、リニアモータアクチュエータにおいては、適正な押付力でチップを押し付けられるように押付力（荷重）を正確に検出する必要があった。
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、対象物に対する押付力の荷重を正確に検出し得る荷重センサおよび荷重センサ一体型多軸アクチュエータを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の荷重センサにおいては、ハウジングに収容された状態で軸線方向へ直線移動する第１の軸状部材、および、前記第１の軸状部材と平行に配置され、前記軸線方向へ前記第１の軸状部材と同時に直線移動し、所定の対象物を吸着する際に先端部が前記対象物に押し付けられる第２の軸状部材を有する多軸アクチュエータに用いられる荷重センサであって、前記第１の軸状部材および前記第２の軸状部材を連結する連結部材を備え、前記連結部材は、前記第１の軸状部材を連結する第１連結部と、前記第２の軸状部材を連結する第２連結部と、前記第１連結部と前記第２連結部との間に設けられて前記第１連結部および前記第２連結部よりも細く形成された首部を有し、前記首部は、その表面に取り付けられたひずみゲージを備える。
本発明において、前記ひずみゲージは、前記首部において前記第１の軸状部材および前記第２の軸状部材の前記軸線方向とは垂直な方向に面する前記表面に貼り付けられていることが好ましい。
本発明において、前記首部は、当該首部を貫通する貫通孔が形成されていることが好ましい。
本発明の荷重センサ一体型多軸アクチュエータにおいては、ハウジングに収容された状態で軸線方向へ直線移動する第１の軸状部材と、前記第１の軸状部材と平行に配置され、前記軸線方向へ前記第１の軸状部材と同時に直線移動し、所定の対象物を吸着する際に先端部が前記対象物に押し付けられる第２の軸状部材と、前記第１の軸状部材および前記第２の軸状部材が前記軸線方向へ同時に直線移動するため、前記第１の軸状部材および前記第２の軸状部材を連結する連結部材とを備え、前記連結部材は、前記第１の軸状部材を連結する第１連結部と、前記第２の軸状部材を連結する第２連結部と、前記第１連結部と前記第２連結部との間に設けられて前記第１連結部および前記第２連結部よりも細く形成された首部を有し、前記首部は、その表面に取り付けられたひずみゲージを備える。
本発明によれば、対象物に対する押付力の荷重を正確に検出し得る荷重センサおよび荷重センサ一体型多軸アクチュエータを実現することができる。
本発明の実施の形態に係る荷重センサ一体型多軸アクチュエータの全体構成を示す外観斜視図である。 本発明の実施の形態に係る連結部材の外観構成を示す略線的拡大斜視図である。 本発明の実施の形態に係る連結部材の外観構成を示す平面図および側面図である。 本発明の実施の形態にかかる連結部材の首部が撓んだ状態を示す拡大斜視図である。 本発明の実施の形態に係る連結部材の首部に貼り付けられたひずみゲージの配置を示す平面図である。
＜実施の形態＞
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る荷重センサ一体型多軸アクチュエータの全体構成を示す外観斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る連結部材の外観構成を示す略線的拡大斜視図である。図３は、本発明の実施の形態に係る連結部材の外観構成を示す平面図および側面図である。図４は、本発明の実施の形態にかかる連結部材の首部が撓んだ状態を示す拡大斜視図である。図５は、本発明の実施の形態に係る連結部材の首部に貼り付けられたひずみゲージの配置を示す平面図である。
＜荷重センサ一体型多軸アクチュエータの全体構成＞
図１に示すように、荷重センサ一体型多軸アクチュエータ１０は、例えば電子部品（チップ）等の対象物を基板上にマウントするチップマウンタに組み込まれて用いられる。
荷重センサ一体型多軸アクチュエータ１０は、例えば３相モータ（図示せず）を内蔵したハウジング１１、当該３相モータによって軸線方向へ相対的に直線移動する第１の軸状部材としての駆動ロッド１２、当該駆動ロッド１２と平行に配置されてチップを先端で吸着する第２の軸状部材としての吸着ロッド２２、駆動ロッド１２および吸着ロッド２２を先端側で一体に連結するとともに、吸着ロッド２２の先端でチップを押し付けたときの荷重を検出することが可能な荷重センサとしての連結部材３０を主に有している。
ハウジング１１は、上述した３相モータを内蔵する金属または樹脂等からなる筐体であり、駆動ロッド１２を軸線方向に沿って相対的に直線移動させることが可能な状態で保持している。なお、ハウジング１１は、保持板２４（後述する）を介して駆動ロッド１２を保持している。
実際上、ハウジング１１の内部において、駆動ロッド１２の周囲には、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる３相コイル（図示せず）が配置されており、当該３相コイルに電流が流されると、ハウジング１１に対して駆動ロッド１２が軸線方向へ直線移動する。
駆動ロッド１２は、軸線方向に沿って延在する金属または樹脂等からなる円柱状の棒状部材であり、保持板２４を介してハウジング１１に保持された状態において、所定のストローク範囲で直線移動する。
吸着ロッド２２は、軸線方向に沿って延在する金属または樹脂等からなる中空の円筒状部材であり、駆動ロッド１２と平行に配置され、チップを吸着する際に先端部２２ａがチップに押し付けられる。吸着ロッド２２は、保持板２４を介してケーシング２６に取り付けられている。
吸着ロッド２２の外径は、チップのサイズに応じた大きさであり、駆動ロッド１２よりも小さい。ただし、これに限るものではなく、吸着ロッド２２の外径は、駆動ロッド１２の外径よりも大きくてもよく、また、ほぼ同じであってもよい。
この吸着ロッド２２は、ホース等を介して図示しない真空ポンプ等に接続されている。因みに、吸着ロッド２２の先端部２２ａには、チップを吸着するための吸着パッド（図示せず）が取り付けられていてもよい。
ケーシング２６は、金属または樹脂等からなり、吸着ロッド２２を軸線方向へ相対移動自在に支持する貫通孔２６ａが形成されており、駆動ロッド１２の軸線方向への移動に伴って吸着ロッド２２を軸線方向へ移動可能に支持する。
保持板２４は、金属または樹脂等からなる直方体形状を有し、ハウジング１１およびケーシング２６の双方に対して一体に取り付けられている。保持板２４は、駆動ロッド１２および吸着ロッド２２を軸線方向へ移動可能に支持すると共に、互いの位置関係を保持した状態で、かつ、駆動ロッド１２を中心として吸着ロッド２２が旋回してしまうことを抑制する。
図２に示すように、連結部材３０は、駆動ロッド１２の先端部および吸着ロッド２２の先端部を連結して固定する金属または樹脂等からなる略直方体形状の板状部材である。連結部材３０は、駆動ロッド１２を連結部材３０に対して軸線方向へ相対移動させることを防止し、かつ、吸着ロッド２２を連結部材３０に対して軸線方向へ相対移動させることを防止する。
連結部材３０は、その表面３１ａにおいて駆動ロッド１２の先端部と一体に連結して固定する第１連結部としての駆動ロッド連結部３１、その表面３２ａから吸着ロッド２２を貫通した状態で一体に連結して固定する第２連結部としての吸着ロッド連結部３２、および、駆動ロッド連結部３１と吸着ロッド連結部３２とを一体に繋ぐ首部３３とを備えており、これらが一体に形成されている。
駆動ロッド連結部３１は、駆動ロッド１２の軸線方向の延長線上に位置する連結部材３０の一部であり、吸着ロッド連結部３２は、吸着ロッド２２の軸線方向の延長線上に位置する連結部材３０の一部であり、首部３３は駆動ロッド連結部３１と吸着ロッド連結部３２とを一体に繋ぎ、駆動ロッド１２および吸着ロッド２２の軸線方向の延長線上には位置せず、軸線方向とは垂直な方向へ延在する連結部材３０の一部である。この連結部材３０は、射出成形または切削によって形成することが可能である。
駆動ロッド連結部３１は、略立方体形状を有し、駆動ロッド１２の先端部を固定する固定部である。その固定方法は、ネジ止めや締まり嵌めによる嵌合等の種々の方法によることが可能である。
吸着ロッド連結部３２は、略長方体形状を有し、吸着ロッド２２の先端部２２ａを貫通させた状態で固定する固定部である。その固定方法は、駆動ロッド連結部３１と同様であり、ネジ止めや締まり嵌めによる嵌合等の種々の方法によることが可能である。
図２および図３に示すように、首部３３は、駆動ロッド連結部３１および吸着ロッド連結部３２よりも太さが細く、駆動ロッド連結部３１と吸着ロッド連結部３２とを繋ぐ首状部材である。ここで、連結部材３０の長手方向を長さＬとし、連結部材３０の短手方向を幅Ｗとし、連結部材３０の駆動ロッド１２および吸着ロッド２２の軸線方向を高さＴとして以下説明する。
首部３３の長さＬ３は、駆動ロッド連結部３１の長さＬ１および吸着ロッド連結部３２の長さＬ２よりも短い。首部３３の幅Ｗ３は、駆動ロッド連結部３１の幅Ｗ１および吸着ロッド連結部３２の幅Ｗ２よりも短い。
首部３３の高さＴ３は、駆動ロッド連結部３１の高さＴ１および吸着ロッド連結部３２の高さＴ２よりも低い。さらに首部３３は、その表面において、駆動ロッド１２および吸着ロッド２２の軸線方向とは垂直な幅方向に沿って所定内径の貫通孔３３ｈを有している。
すなわち、図４に示すように、首部３３は、駆動ロッド連結部３１および吸着ロッド連結部３２よりも細く、かつ、貫通孔３３ｈの存在によって当該首部３３が駆動ロッド連結部３１および吸着ロッド連結部３２よりも容易に撓み易くなっている。
図５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、首部３３は、その表面のうち、ハウジング１１およびケーシング２６の存在する上側方向に面する上側面３３ａに対してひずみゲージ４１、４２が貼付され、かつ、吸着対象となるチップの存在する下側方向に面する下側面３３ｂに対してひずみゲージ４３、４４が貼付されている。
ひずみゲージ４１〜４４は、内部に設置された抵抗素子が首部３３に生じる撓み（歪み）と共に伸縮されることによって抵抗値が変化することを利用するものであり、所謂ブリッジ回路が構成されている。ブリッジ回路では、ひずみゲージ４１〜４４の抵抗素子による電圧の変化に基づいて撓み（歪み）に応じた荷重を測定することが可能である。
この場合、駆動ロッド１２が押し下げられたことに連動して連結部材３０とともに吸着ロッド２２が押し下げられ、吸着ロッド２２の先端部２２ａがチップに押し付けられたとき、吸着ロッド連結部３２に対するチップからの反力（荷重）が首部３３に対する負荷となる。
このとき、図４に示したように、チップからの反力によって首部３３だけが撓むため、この撓む部分にひずみゲージ４１〜４４が貼り付けられている。この撓む部分は、首部３３の貫通孔３３ｈにより肉厚の薄くなった部位であり、起歪体部として機能する。
なお、首部３３においては、上側面３３ａにひずみゲージ４１、４２が貼付され、かつ、下側面３３ｂにひずみゲージ４３、４４が貼付されている場合に限らず、上側面３３ａ又は下側面３３ｂの何れか一方にのみひずみゲージ４１〜４４が全て貼付されていてもよく、吸着ロッド連結部３２に対する荷重を正確に測定できれば、首部３３に対するひずみゲージ４１〜４４の貼付位置は特に限定されない。また、首部３３に貼付されるひずみゲージの個数は必ずしも４つである必要はなく、上側面３３ａ又は下側面３３ｂの何れか一方に少なくとも１つ貼付されていればよい。
以上の構成において、荷重センサ一体型多軸アクチュエータ１０は、荷重センサとしての連結部材３０を備え、その連結部材３０の駆動ロッド連結部３１と吸着ロッド連結部３２とを繋ぎ、当該駆動ロッド連結部３１および当該吸着ロッド連結部３２よりも細い首部３３の表面にひずみゲージ４１〜４４を貼付した。
連結部材３０の首部３３は、駆動ロッド連結部３１および吸着ロッド連結部３２よりも剛性が低くなっているため、図４に示したように、吸着ロッド２２の先端部２２ａがチップに押し付けられたとき、吸着ロッド連結部３２に対するチップからの反力（荷重）により首部３３だけが撓む。
特に、首部３３の貫通孔３３ｈにより肉厚の薄くなった部位が最も撓み易く、この撓む部分（起歪体部）にひずみゲージ４１〜４４が貼り付けられているので、荷重センサ一体型多軸アクチュエータ１０は、連結部材３０のひずみゲージ４１〜４４によってチップに対する吸着ロッド２２の押付力（荷重）を正確に測定することができる。
＜他の実施の形態＞
なお、上述した実施の形態においては、連結部材３０の首部３３に貫通孔３３ｈが形成されているようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、首部３３は、必ずしも貫通孔３３ｈが形成されている必要はなく、吸着ロッド連結部３２に対してチップからの反力が付与されたときに、駆動ロッド連結部３１および吸着ロッド連結部３２よりも先に撓む程度に細く形成されていれば貫通孔３３ｈが形成されていなくてもよい。
さらに、上述した実施の形態においては、略立方体形状の駆動ロッド連結部３１および略直方体形状の吸着ロッド連結部３２とするようにした場合について述べたが、これに限らず、首部３３が先に撓むのであれば、円柱形状等のその他種々の形状であってもよい。
さらに、上述した実施の形態においては、首部３３の長さＬ３を駆動ロッド連結部３１の長さＬ１および吸着ロッド連結部３２の長さＬ２よりも短くし、首部３３の幅Ｗ３を駆動ロッド連結部３１の幅Ｗ１および吸着ロッド連結部３２の幅Ｗ２よりも短くし、首部３３の高さＴ３を駆動ロッド連結部３１の高さＴ１および吸着ロッド連結部３２の高さＴ２よりも低くするようにした。しかしながら、本発明はこれに限らず、首部３３の高さＴ３を駆動ロッド連結部３１の高さＴ１および吸着ロッド連結部３２の高さＴ２よりも低くすれば、首部３３の長さＬ３を駆動ロッド連結部３１の長さＬ１および吸着ロッド連結部３２の長さＬ２とほぼ同じ、又は、それよりも長くしたり、首部３３の幅Ｗ３を駆動ロッド連結部３１の幅Ｗ１および吸着ロッド連結部３２の幅Ｗ２とほぼ同じ、または、それよりも長くしてもよい。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に係る荷重センサ一体型多軸アクチュエータ１０および連結部材３０に限定されるものではなく、本発明の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。また、上述した課題および効果の少なくとも一部を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせてもよい。例えば、上記実施の形態における各構成要素の形状、材料、配置、サイズ等は、本発明の具体的使用態様によって適宜変更され得る。
１０……荷重センサ一体型多軸アクチュエータ、１１……ハウジング、１２……駆動ロッド（第１の軸状部材）、２２……吸着ロッド（第２の軸状部材）、２２ａ……先端部、２４……保持板、２６……ケーシング、２６ａ……貫通孔、３０……連結部材、３１……駆動ロッド連結部（第１連結部）、３２……吸着ロッド連結部（第２連結部）、３３……首部（起歪体部）、３３ａ……上側面、３３ｂ……下側面、３３ｈ……貫通孔、Ｌ１〜Ｌ３……長さ、Ｗ１〜Ｗ３……幅、Ｔ１〜Ｔ３……高さ、４１〜４４……ひずみゲージ。

Claims (4)

  1. ハウジングに収容された状態で軸線方向へ直線移動する第１の軸状部材、および、前記第１の軸状部材と平行に配置され、前記軸線方向へ前記第１の軸状部材と同時に直線移動し、所定の対象物を吸着する際に先端部が前記対象物に押し付けられる第２の軸状部材を有する多軸アクチュエータに用いられる荷重センサであって、
    前記第１の軸状部材および前記第２の軸状部材を連結する連結部材
    を備え、
    前記連結部材は、前記第１の軸状部材を連結する第１連結部と、前記第２の軸状部材を連結する第２連結部と、前記第１連結部と前記第２連結部との間に設けられて前記第１連結部および前記第２連結部よりも細く形成された首部を有し、
    前記首部は、その表面に取り付けられたひずみゲージを備える、荷重センサ。
  2. 前記ひずみゲージは、前記首部において前記第１の軸状部材および前記第２の軸状部材の前記軸線方向とは垂直な方向に面する前記表面に貼り付けられている、請求項１に記載の荷重センサ。
  3. 前記首部は、当該首部を貫通する貫通孔が形成されている、請求項１または２に記載の荷重センサ。
  4. ハウジングに収容された状態で軸線方向へ直線移動する第１の軸状部材と、
    前記第１の軸状部材と平行に配置され、前記軸線方向へ前記第１の軸状部材と同時に直線移動し、所定の対象物を吸着する際に先端部が前記対象物に押し付けられる第２の軸状部材と、
    前記第１の軸状部材および前記第２の軸状部材が前記軸線方向へ同時に直線移動するため、前記第１の軸状部材および前記第２の軸状部材を連結する連結部材と
    を備え、
    前記連結部材は、前記第１の軸状部材を連結する第１連結部と、前記第２の軸状部材を連結する第２連結部と、前記第１連結部と前記第２連結部との間に設けられて前記第１連結部および前記第２連結部よりも細く形成された首部を有し、
    前記首部は、その表面に取り付けられたひずみゲージを備える、荷重センサ一体型多軸アクチュエータ。
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