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

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、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。
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