JP6543687B1 - 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

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、および、吸着ロッド２２を連結する第２連結部３２を一体化した状態で有し、第１連結部３１は、第２連結部３２よりも薄く形成されて駆動ロッド１２を支持する起歪体部分３１１と、起歪体部分３１１に取り付けられたひずみゲージ４１〜４４とを有する。【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、および、前記第２の軸状部材を連結する第２連結部を一体化した状態で有し、前記第１連結部は、前記第２連結部よりも薄く形成されて前記第１の軸状部材を支持する起歪体部分と、前記起歪体部分に取り付けられたひずみゲージとを有する。

本発明において、前記ひずみゲージは、前記起歪体部分のうち、前記第２の軸状部材の前記先端部が前記対象物を押し付けた際に応力が生じる応力発生部位に貼り付けられていることが好ましい。

本発明において、前記第１連結部は、前記ひずみゲージを所定のコーティング材で被覆する被覆部を有することが好ましい。

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、および、前記第２の軸状部材を連結する第２連結部とを有し、前記第１連結部は、前記第２連結部よりも薄く形成されて前記第１の軸状部材を支持する起歪体部分と、前記起歪体部分に取り付けられたひずみゲージとを有する。

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部分拡大斜視図である。 本発明の実施の形態に係る連結部材の断面構成を示す略線的部分拡大斜視図である。 本発明の実施の形態にかかる連結部材の構成を示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態に係る連結部材の第１連結部が撓んだ状態を示す略線的斜視図および断面図である。 本発明の実施の形態に係る連結部材の第１連結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部分拡大斜視図である。図３は、本発明の実施の形態に係る連結部材の断面構成を示す略線的部分拡大斜視図である。図４は、本発明の実施の形態にかかる連結部材の構成を示す平面図および断面図である。図５は、本発明の実施の形態に係る連結部材の第１連結部が撓んだ状態を示す略線的斜視図および断面図である。図６は、本発明の実施の形態に係る連結部材の第１連結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。また、駆動ロッド１２は、先端部１２ａの端面から軸線方向へ向かって所定径および所定深さの凹部が形成され、その内周面には雌ネジ部１２ｍ（図３）が形成されている。

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。

図３に示すように、連結部材３０は、駆動ロッド１２の先端部１２ａの端面と表面３１ａとが当接した状態で一体に連結して支持する第１連結部としての駆動ロッド連結部３１、および、吸着ロッド２２が表面３２ａから裏面３２ｂまで貫通した状態で一体に連結して支持する第２連結部としての吸着ロッド連結部３２を有している。

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の一方側部分であり、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の他方側部分である。すなわち連結部材３０は、駆動ロッド連結部３１および吸着ロッド連結部３２が一体化された一つの剛体として形成されている。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。

図３および図４に示すように、連結部材３０の駆動ロッド連結部３１および吸着ロッド連結部３２は、両者の間に境界があって分離されている訳ではなく、連結部材３０のほぼ中心で仮想的に２つに分けられた機能部である。

したがって、駆動ロッド連結部３１に負荷された荷重が吸着ロッド連結部３２へ全て伝達され、または、吸着ロッド連結部３２に負荷された荷重が駆動ロッド連結部３１へ全て伝達される一体構造の剛体であれば、その形状は略直方体形状に限らない。例えば、連結部材３０は、略立方体形状であってもよく、または、所定の厚さを有する平面視略円形状、平面視略楕円形状であってもよい。

駆動ロッド連結部３１は、駆動ロッド１２と対向する部位において、当該駆動ロッド１２とは反対側の裏面３１ｂに凹部空間３１０が形成されている。駆動ロッド連結部３１の凹部空間３１０は、平面視略矩形状または平面視略円形状であって、かつ、裏面３１ｂから軸線方向に沿って凹状に形成された空間である。

駆動ロッド連結部３１は、凹部空間３１０が形成された結果、吸着ロッド連結部３２よりも薄い薄板状の天壁部３１１を有することになり、その天壁部３１１が他の部分よりも容易に撓む可撓性を持つ。すなわち駆動ロッド連結部３１の天壁部３１１は、連結部材３０において起歪体として機能する部分となる。

なお、駆動ロッド１２と対向する天壁部３１１の底面３１１ｂは、後述するひずみゲージ４１〜４４が貼付される領域であり、当該ひずみゲージ４１〜４４に対してはシリコンのコーティング材３１７（図３）によって被覆されている。これにより、ひずみゲージ４１〜４４に対する防塵性および防錆性を向上することが可能となる。

また、駆動ロッド連結部３１は、天壁部３１１の底面３１１ｂの中央において、当該凹部空間３１０の開口へ向かって突出したボス部３１２を有している。ボス部３１２は、円筒状からなり、駆動ロッド連結部３１の底面３１ｂから突出することのない長さであり、かつ、所定内径の貫通孔３１２ｈが形成されている。

ボス部３１２の貫通孔３１２ｈには、駆動ロッド１２と駆動ロッド連結部３１とを連結するためのボルト３１５が挿通され、当該ボルト３１５の雄ネジ部と当該駆動ロッド１２の先端部１２ａに形成された所定深さの孔の雌ネジ部１２ｍとが螺合される。

かくして、駆動ロッド１２は、その先端部１２ａが駆動ロッド連結部３１の表面３１ａに当接された状態で、当該駆動ロッド連結部３１と一体に連結して支持される。これにより駆動ロッド１２は、当該連結部材３０に対して軸線方向へ相対移動することが抑制されている。

吸着ロッド連結部３２は、吸着ロッド２２における先端側の一部の外周面に設けられた雄ネジ部と螺合する雌ネジ部を内周面に有する貫通孔３２ｈが形成されている。貫通孔３２ｈは、表面３２ａから裏面３２ｂへ貫通している。

吸着ロッド連結部３２では、貫通孔３２ｈの雌ネジ部と吸着ロッド２２の雄ネジ部とが螺合され、かつ、吸着ロッド２２の雄ネジ部とナット３２０とが螺合される。かくして、吸着ロッド２２は、吸着ロッド連結部３２と一体に連結して支持され、当該連結部材３０に対して軸線方向へ相対移動することが抑制されている。

図５（Ａ）および（Ｂ）、図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、駆動ロッド連結部３１の天壁部３１１の底面３１１ｂには、吸着ロッド連結部３２に負荷された荷重が駆動ロッド連結部３１へ伝達された際、最も強く撓む部分ｄ１、ｄ２に対してひずみゲージ４１〜４４が貼付されている。

ここで、駆動ロッド連結部３１の天壁部３１１のうち撓む部分による全体の形状は断面略Ｓ字状となり、最も強く撓む部分ｄ１、ｄ２は、駆動ロッド連結部３１の表面３１ａが最も曲がった部分であり、曲がりの少ない平坦部分ｄ３よりも大きく撓んだ応力発生部位である。

ひずみゲージ４１〜４４は、内部に設置された抵抗素子が駆動ロッド連結部３１の天壁部３１１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。

荷重センサ一体型多軸アクチュエータ１０では、駆動ロッド１２を押し下げたことに連動して連結部材３０とともに吸着ロッド２２を押し下げ、吸着ロッド２２の先端部２２ａをチップに押し付けたとき、吸着ロッド連結部３２に対するチップからの反力（荷重）が駆動ロッド連結部３１に対する負荷となって伝達する。

このとき、チップからの反力（荷重）によって駆動ロッド連結部３１の天壁部３１１だけが撓むため、このうち最も強く撓む部分（歪む部分）ｄ１、ｄ２にひずみゲージ４１〜４４が予め貼り付けられている。この撓む部分ｄ１、ｄ２は、吸着ロッド連結部３２よりも肉厚の薄くなった駆動ロッド連結部３１の天壁部３１１の部分であり、起歪体部として機能する。

なお、駆動ロッド連結部３１の天壁部３１１の底面３１１ｂにおける撓む部分（歪む部分）ｄ１、ｄ２にひずみゲージ４１〜４４が貼付されているが、これに限らず、天壁部３１１の底面３１１ｂとは反対側の表面３１ａのうち撓む部分（歪む部分）ｄ１、ｄ２にひずみゲージ４１〜４４が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、ひずみゲージ４１〜４４の貼付位置は特に限定されない。

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のうち凹部空間３１０を形成する天壁部３１１の底面３１１ｂに対してひずみゲージ４１〜４４を貼付した。

駆動ロッド連結部３１の天壁部３１１は、吸着ロッド連結部３２よりも厚さが大幅に薄く形成された結果、剛性が低くなっているため、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）がダイレクトに駆動ロッド連結部３１の天壁部３１１に伝わって容易に撓む。

特に、駆動ロッド連結部３１の天壁部３１１において最も強く撓む部分ｄ１、ｄ２（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の駆動ロッド連結部３１と駆動ロッド１２とをボルト３１５によって連結す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、駆動ロッド連結部３１に貫通孔を設け、その貫通孔に対して駆動ロッド１２を嵌合して連結したり、駆動ロッド連結部３１と駆動ロッド１２とをネジ止めによって連結するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、ひずみゲージ４１〜４４をコーティング材３１７によって被覆す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、ひずみゲージ４１〜４４に対する防塵性および防錆性を向上することが不要な環境下であれば、コーティング材３１７によって被覆しなくてもよい。

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）、１２ａ……先端部、１２ｍ……雌ネジ部、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（荷重センサ）、３１……駆動ロッド連結部（第１連結部）、３１ａ……表面、３１ｂ……裏面、３２……吸着ロッド連結部（第２連結部）、３２ａ……表面、３２ｂ……裏面、３２ｈ……貫通孔、４１〜４４……ひずみゲージ、３１０……凹部空間、３１１……天壁部（起歪体部）、３１１ｂ……底面、３１２……ボス部、３１２ｈ……貫通孔、３１５……ボルト、３１７……コーティング材、３２０……ナット、ｄ１、ｄ２……撓む部分、ｄ３……平坦部分。

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、および、前記第２の軸状部材を連結する第２連結部を一体化した状態で有し、
   前記第１連結部は、前記第２連結部よりも薄く形成されて前記第１の軸状部材を支持する起歪体部分と、前記起歪体部分に取り付けられたひずみゲージとを有する、荷重センサ。
2. 前記ひずみゲージは、前記起歪体部分のうち、前記第２の軸状部材の前記先端部が前記対象物を押し付けた際に応力が生じる応力発生部位に貼り付けられている、請求項１に記載の荷重センサ。
3. 前記第１連結部は、前記ひずみゲージを所定のコーティング材で被覆する被覆部を有する、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、および、前記第２の軸状部材を連結する第２連結部とを有し、
   前記第１連結部は、
   前記第２連結部よりも薄く形成されて前記第１の軸状部材を支持する起歪体部分と、
   前記起歪体部分に取り付けられたひずみゲージと
   を有する、荷重センサ一体型多軸アクチュエータ。