KR100432990B1 - 하중 제어형 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 워크피스에 인가되는 충격 하중을 작게 하여, 워크피스의 손상을 줄일 수 있는 하중 제어형 액츄에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 하중 제어형 액츄에이터는 워크피스(workpiece)와 접촉하는 노즐과, 이 노즐을 탄성체에 의하여 지지하는 노즐 홀더와, 이 노즐 홀더에 대한 추력 구동력(thrust driving force)을 제어할 수 있는 보이스 코일 모터(voice-coil motor)를 포함한다. 스프링의 스프링 상수는 보이스 코일 모터의 응답 시간이내의 스프링의 스프링 반력이, 노즐이 워크피스와 접촉할 때의 최대 충격 하중보다 작아지도록 설정된다. 노즐은 스프링에 의하여 매달려 지지되며 그 초기 하중은 0으로 설정된다.

Description

하중 제어형 액츄에이터{Load-control-type actuator}

본 발명은 부품의 실장과 조립을 행하는 핸들링 장치 및 전자 부품의 전기적 특성을 측정하는 측정 선별 장치에 사용되는 하중 제어형 액츄에이터에 관한 것이다.

지금까지, 소형의 전자 부품을 회로 기판에 실장할 때, 보이스 코일 모터(voice-coil motor)를 사용한 부품 조립 장치가 널리 사용되고 있다. 보이스 코일 모터는 공압(pneumatic power)을 이용한 실장기 및 솔레노이드를 이용한 실장기에 비하여, 위치결정 정밀도가 우수하고, 또한 부품에 가해지는 힘을 경감할 수 있는 점에서 우수하다.

도 1은 이와 같은 보이스 코일 모터를 사용한 종래의 핸들링 장치의 일례를 나타낸다. Z축 구동 기구의 가동부(20)는 보이스 코일 모터에 의하여 수직방향으로 구동된다. 노즐(21)은 가동부(20)의 하단부에 배치되고, 내장 스프링(22)은 가동부(20)와 노즐(21) 사이에 개재하여 배치된다. 노즐(21)에는 흡인구(21a)가 형성되며, 가동부(20)의 흡인구(20a)를 통하여 진공 흡인 장치(도시하지 않음)와 통해 있다. 이에 따라서, 노즐(21)의 선단부에는 워크피스 W가 잡혀 있다. 노즐(21)의 외주부에는 플랜지부(21b)가 일체로 형성되며, 스프링(22)에 의하여 노즐(21)은하측으로 가압되고, 플랜지부(21b)가 가동부(20)의 하단부에 형성된 받이부(20b)에 접촉하여 지탱되어 있다.

상기와 같이, 가동부(20)가 상하로 이동할 때에 노즐(21)을 지탱하기 위하여, 스프링(22)에 초기 하중을 인가한다. 따라서, 노즐(21)이 워크피스(W)에 접촉할 때, 또는 워크피스(W)를 잡은 노즐(21)이 대상물(회로기판 등)에 접촉할 때에 발생하는 충격 하중은, 초기 하중보다 반드시 커지게 되고, 소형 및 박형 소자를 핸들링할 때나 실장할 때에, 크랙이나 칩 등의 불량이 발생한다.

상기와 같은 문제는 핸들링 장치에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 측정 선별 장치에 있어서, 전자 부품의 전기적 특성을 측정하기 위하여 측정 단자를 전자 부품에 가압하는 경우에도 발생한다.

또한, 흡인 노즐(2)을 갖는 부품 조립 장치에 있어서, 흡착 소자의 부재 또는 흡착 부조화에 의하여 에어의 누출이 발생하면, 에어 흡인력과 스프링(22)의 초기 하중의 밸런스가 깨지고, 초기 하중이 커지게 되어, 핸들링시에 워크피스에 손상을 주게 된다.

게다가, 워크피스(W)를 흡착에 의해 픽업할 때에는, 흡인구(21a)가 해방되어 있으므로, 초기하중이 그다지 커지지 않게 되지만, 워크피스(W)를 픽업한 후, 회로기판 등에 배치할 때에는, 노즐(21)의 흡인구(21a)가 닫혀있기 때문에, 노즐(21)이 가동부(20)측으로 끌어당겨져서, 초기 하중이 커진다. 따라서, 상기 픽업시에 비하여 상기 배치시에 워크피스(W)에 인가되는 하중이 커진다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 워크피스에 인가되는 충격 하중을 작게 하여, 워크피스의 손상을 방지할 수 있는 하중 제어형 액츄에이터를 제공하는데 있다.

도 1은 보이스 코일 모터를 이용한 종래의 핸들링 장치의 일례의 단면도이다.

도 2는 워크피스와 노즐간의 충격 하중의 개념도이다.

도 3은 본 발명에 따른 하중 제어형 액츄에이터를 핸들링 장치에 적용한 예의 단면도이다.

도 4는 도 3에 나타낸 핸들링 장치의 노즐 부분의 확대 단면도이다.

도 5는 위치-속도-하중의 절환 제어의 방법을 나타낸 도이다.

도 6은 노즐의 개념도이다.

도 7은 스프링 강성과 충격 하중간의 관계를 시뮬레이트한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 8은 종래예와 본 발명에 따른 예의 충격 하중을 비교한 그래프이다.

도 9는 본 발명에 따른 하중 제어형 액츄에이터를 측정 선별 장치에 적용한 예의 단면도이다.

(도면의 주요 부분에 있어서의 부호의 설명)

2: 작동 수단(보이스 코일 모터)

8: 노즐 홀더(가동부)

9: 노즐(접촉부)

10: 내장 스프링

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 하중 제어형 액츄에이터는 워크피스와 접촉하는 접촉부와, 이 접촉부를 탄성체에 의하여 지지하는 가동부와, 가동부에 대한 추력 구동력을 제어할 수 있는 작동 수단을 포함하며, 워크피스와 접촉부간의 접촉시의 최대 충격 하중을 F_1max로 하고, 액츄에이터의 응답 시간 t_k이내의 탄성체의 스프링 반력을 F₂로 하였을 때, 조건 F_1max≥F₂을 만족하도록 탄성체의 스프링 상수 k_b를 설정하고 있다.

부품을 픽업하고 배치하기 위한 동작을 행하기 위한 흡인 노즐을 갖는 부품 조립 장치를 예로 들어 설명하겠다. 스프링을 내장한 흡인 노즐에 있어서, 워크피스에의 충격력은 도 2에 나타낸 3개의 힘으로 분해된다.

제 1 힘은 초기 하중(A)이며, 제 2 힘은 충돌물의 강성 파라미터에 의한 충격 하중(B)이며, 제 3 힘은 내장 스프링의 스프링 반력에 의한 하중(C)이다.

도 2로부터, 종래의 장치에 포함되는 초기 하중(A)을 없앨 수 있으면, 전체적인 충격 하중을 낮출 수 있다는 것을 알 수 있다.

그러나, 초기 하중(A)은 노즐을 안정되게 지탱하기 위한 것이므로, 초기 하중을 0으로 하기 위해서는, 강성이 높은(딱딱한) 스프링을 내장해야만 한다. 그러나, 강성이 너무 높으면, 도 2에 나타낸 내장 스프링의 스프링 반력에 의한하중(C)이 크게 영향을 미치기 때문에, 스프링 상수를 적정하게 설계할 필요가 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 워크피스와 접촉부간의 최대 충격 하중 F_1max보다도, 액츄에이터의 응답 시간 t_k이내의 탄성체의 스프링 반력 F₂이 작아지도록, 탄성체의 스프링 상수 k_b를 설정하고 있다.

이에 따라서, 워크피스에 인가되는 충격 하중을 저감할 수 있으며, 워크피스의 손상을 줄일 수 있다. 게다가, 충격 하중을 작게 하면서 접촉부를 안정되게 지탱할 수 있으므로, 가동부를 고속으로 작동시킬 수 있다.

탄성체의 스프링 상수 k_b는 하기의 식으로부터 구할 수 있다.

수학식 1 및 수학식 2는 질량 m_v인 물체가 스프링강성(탄성계수) k_b인 스프링에 메달려진 경우의 감쇄조화진동자의 운동을 기술하는 식으로서, 상기 식에서 V₀는 가동부가 워크피스와 충돌한 후의 가동부와 위크피스(m_v: 가동부와 워크피스 질량의 합)가 일체로 된 상태에서의 속도이며, ω는 점성이 없는(c_b=0) 경우의 각속도이고, ε는 점성에 의한감쇄계수이며, q는 점성에 의한 감쇠계수가 존재하는 경우의 감쇄조화진동자의 각속도이다.

이에 따라서, 탄성체의 스프링 상수 k_b의 최대값을 계산할 수 있다.

상기 작동 수단을 보이스 코일 모터에 의해 형성하는 경우, 상기 응답 시간t_k는 0.001∼0.1초의 범위에 있는 것이 바람직하다.

보이스 코일 모터는 리니어 액츄에이터의 일종이며, 전류에 비례한 추력 구동력을 발생한다. 컨트롤러에서 전류 증폭기를 통하여 보이스 코일에 전류 I를 흘리면, 자기 회로로 구성되는 자속 밀도 B 및 코일 도체의 길이 L에 의해, 코일에는 F=BIL의 힘이 발생한다. 힘 F에 의하여, 연결 기구에 의해 코일과 연결된 노즐(접촉부)이 이동한다. 예를 들면, 워크피스를 핸들링하기 위하여 코일을 포함하는 노즐 기구를 하강시킨 경우, 위치 센서의 신호에 의거하여 노즐을 정확히 위치결정(0.1mm 이하)할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 충돌 속도를 제어함으로써 워크피스에 대한 충격 하중을 억제하고, 충돌후의 전류를 제어함으로써, 워크피스에 접근시, 정확한 정적 하중이 부여된다.

게다가, 보이스 코일 모터를 사용한 경우, 응답 시간 t_k의 실용 범위는 대략 0.001∼0.1초이다.

바람직하게는, 상기 작동 수단은 접촉부가 워크피스와 접촉하기 직전 위치까지 가동부를 전진시키는 위치 제어와, 접촉 직전 위치에서 접촉부가 워크피스와 접촉하는 접촉 위치까지 가동부를 일정 속도로 전진시키는 속도 제어와, 접촉부가 워크피스와 접촉한 후, 접촉부와 워크간의 접촉 압력을 제어하면서 가동부를 더욱 전진시키는 하중 제어와, 접촉부를 워크피스로부터 이격시키기 위하여 가동부를 후퇴시키는 위치 제어를, 차례로 실행한다,

이와 같이 작동 수단을 차례로 제어함으로써, 워크피스에 인가되는 하중을경감하고, 높은 정밀도로 고속의 작업을 행할 수 있다.

상기 탄성체의 스프링 상수 k_b는 하기의 최저 조건식을 만족이 바람직하다.

단, m_n은 접촉부의 질량, α는 위치 제어에서 속도 제어로의 절환점에서의 접촉부의 속도 변화, g는 중력 가속도, x_max는 위치 제어에서 속도 제어로의 절환점에서의 접촉부의 움직임의 최대 진폭이다.

즉 접촉부를 워크피스에 접촉시키기 직전에, 위치 제어에서 속도 제어로 절환하고, 절환후에 접촉부를 천천히 워크피스에 접촉시켜서, 워크피스에 인가되는 충격 하중을 경감할 수 있다. 그런데, 탄성체의 스프링 상수가 너무 적으면(스프링이 너무 유연하면), 절환점에서 접촉부가 상하로 흔들리고, 안정되지 못하다. 따라서, 상기 최저 조건식을 만족함으로써, 접촉부의 흔들림을 억제하여, 접촉부를 워크피스에 접촉시켰을 때에 안정된 접촉성을 유지할 수 있다.

바람직하게는, 상기 접촉부는 탄성체에 의하여 가동부에 매달려 지지되며, 접촉부의 워크피스에 대한 초기 하중이 0이다.

즉 탄성체로서 비교적 딱딱한 스프링을 채용하고, 초기 하중을 0으로 조립함으로써, 충격 하중을 저감하면서 접촉부의 움직임을 안정화시킬 수 있다.

(발명의 실시형태)

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 핸들링 장치의 한 실시형태를 나타낸다.

이 핸들링 장치는 X-Y 로봇의 헤드부 등에 부착되며 비자성 재료로 이루어지는 섀시(1)를 포함하며, 섀시(1)의 상부에는 보이스 코일 모터의 자기회로(2)가 배치되어 있다. 자기회로(2)는 섀시(1)의 상부에 고정된 요크(3), 요크(3)의 원통부(3a)의 내면에 고정된 자석(4), 요크(3)의 중심자극(3b)에 대하여 상하이동 자유롭게 삽입된 보빈(5), 및 보빈(5)에 권회된 코일(6)을 포함한다. 코일(6)은 자석(4)과 축방향으로 포개져 있다. 이 실시형태에서는, 고정측에 자석(4)을 배치하고, 가동측에 코일(6)을 배치하였으나, 이것과는 반대로 고정측에 코일(6)을 배치하고, 가동측에 자석(4)을 배치해도 된다.

보빈(5)의 하단면에는, 연결 부재(7)의 한 단부가 고정되며, 연결 부재(7)의 다른 단부는 섀시(1) 및 요크(3)로부터 반경방향으로 돌출하고, 이 돌출부(7a)에 노즐 홀더(가동부)(8)가 고정되어 있다. 노즐 홀더(8)의 하단부에는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 워크피스(W)를 흡착하기 위한 흡인구(9a)가 형성된 노즐(접촉부)(9)이 상하이동 자유롭게 끼워지며, 노즐(9)은 노즐 홀더(8)에 대하여 내장 스프링(10)에 의해 매달려 지지되어 있다. 본 실시형태에서는, 스프링(10)으로서 판 스프링을 사용하고 있으나, 코일 스프링 또는 원뿔형 디스크 스프링을 사용해도 된다. 노즐(9)의 흡인구(9a)는 노즐 홀더(8)의 통기구(8a)와 통해 있으며, 통기구(8a)는 에어 호스에 의해 에어 흡인 장치(도시하지 않음)와 통해 있다.

연결 부재(7)의 돌출부(7a)에는 검출 소자(11)가 고정되며, 이 검출 소자(11)와 대향하는 부위에는, 리테이너(13)에 의해 섀시(1) 또는 요크(3)와 연결된 위치검출용 센서(12)가 배치되어 있다.

섀시(1)의 내부에는, 연결 부재(7)를 상측으로 가압하는 스프링(14)이 배치되어 있으며, 이에 따라서 노즐(10)을 원점 위치(상한 위치)에 복귀하도록 가압할 수 있다. 연결 부재(7)와 섀시(1)의 사이에는 리니어 가이드(15)가 배치되며, 연결 부재(7)는 상하방향(Z축방향)으로 원활하게 이동할 수 있다.

상기 위치검출용 센서(12)에 의해 검출된 신호는 컨트롤러(16)에 입력되며, 컨트롤러(16)는 검출된 위치 신호에 의거하여 전류 진폭기(17)에 지령 신호를 출력하고, 상기 코일(6)에 전류를 흘린다. 이에 따라서, 코일(6)에는 자속 밀도, 전류 및 코일의 도체 길이에 비례하여 추력이 인가되고, 연결 부재(7)에 의해 코일(6)에 연결된 노즐 홀더(8)도 상하로 이동한다. 이와 같이 하여, 노즐 홀더(8)의 높이뿐만 아니라 노즐(9)의 높이를 높은 정밀도(예를 들면 ±0.1mm이하)로 제어할 수 있다.

다음으로, 노즐(9)을 매달아 지지하고 있는 스프링(10)의 설계 방법에 대하여 설명하겠다.

먼저, 노즐과 워크피스와 같이 두 물체가 서로 충돌할 때에 발생하는 충격력은 하기의 1자유도 진동(single-degree-of-freedom oscillation)의 식으로 근사할 수 있다.

게다가, 강성 k₀및 점성 c_o각각에 대해서는 노즐, 워크피스 및 워크피스 실장면에 있어서의 가장 작은 값을 대표값으로 사용한다. 상기 식을 x에 대하여 풀면,

게다가, V₀는 충돌 직후의 물체의 변형 속도의 초기값이다.

충격력은 F₁=k_ox에 의해 주어지며, 충격 하중의 최대값은 qt=π/2일 때이므로, 충격하중의 최대값 F_1max는 아래의 식에 의해 얻어진다.

.

식 (3)에 나타낸 바와 같이, 충격력 F₁의 제어에는 충돌 직후의 속도 V₀가 중요하다.

V₀는 아래의 식에 의해 얻어진다.

단, V₁는 질량이 m₂인 물체의 충돌 속도이고, 질량이 m₁인 물체의 충돌전 속도는 0이다.

상기 식은 운동량 보존의 법칙에 따른 것으로, 충돌 직후의 속도 V₀가 충돌 속도와 두 물체의 질량에 의해 영향받는다는 것을 나타낸다.

워크피스 접촉시의 Z축 기구로서 도 3에 나타낸 보이스 코일 모터를 사용하여, 도 5에 나타낸 바와 같은 위치-속도-하중 절환 제어에 의해 충돌 속도를 제어한다. 도 5에서는, 먼저 노즐 홀더(8)를 노즐(9)이 워크피스(W)와 접촉하기 직전 위치(절환점)까지 하강시키는 위치 제어; 절환점에서부터 노즐(9)이 워크피스(W)와 접촉하는 접촉 위치까지 노즐 홀더(8)를 일정 속도로 하강시키는 속도 제어; 노즐(9)이 워크피스(W)와 접촉한 후, 노즐(9)과 워크피스(W)간의 접촉 압력을 제어하면서 노즐 홀더(8)를 더욱 하강시키는 하중 제어; 및 노즐(9)을 워크피스(W)로부터 이격시키기 위하여 노즐 홀더(8)를 상승시키는 위치 제어;가 순서대로 실행된다.

도 5에 나타낸 절환 제어에 있어서, 스프링 상수의 적절한 설계방법을 다음에 나타낸다.

(Ⅰ)절환점(도 5:위치-속도 절환점 P1)에서의 설계 조건

도 6은 노즐 구조의 개념도로, 노즐 홀더의 하부에 노즐이 내장 스프링에 의해 매달려 있다. 여기서, 노즐 홀더의 질량을 m_v(단, m_v＞m_n), 내장 스프링의 스프링 상수를 k_b, 노즐의 질량을 m_n으로 나타낸다.

절환점에서는, 상기 제어가 위치 제어에서 속도 제어로 일정한 속도로 이행한다. 따라서, 절환시에 발생하는 속도 변화를 α(부의 값)로 나타내면,

따라서, 노즐 선단부의 움직임을 작게 설계하기 위해서는, 상기 식을 사용하여 스프링 상수 k_b를 적절히 결정한다.

예를 들면, 위치-속도 절환점(P1점)에서의 움직임을 임의의 진폭 x_max이하로감소하는 경우, 스프링 상수는 하기 조건에 따라서 커지도록 설계한다.

상기 식 (1)은 스프링 상수의 최저 조건식이다. 진폭 x_max는 위치 센서의 분해능, 기구 클리어런스, 절환점의 높이 클리어런스 등의 합에 의해 주어진다.

또한, 도 6에 있어서, 노즐(9) 그자체에 스프링 강성을 제공하여, 노즐(9)의 질량 m_n을 최소화한다고 가정하자. 이 경우, 스프링 상수 k_b를 작게 실현할 수 있으며, 충격력을 감소시키는 효과가 있다.

(Ⅱ)접촉점(도 5: 속도-하중 절환점 P2)에서의 설계 조건

내장 스프링(10)의 스프링 강성(k_b=k₀)을 변경한 경우, 충돌시의 충격력 파형(시뮬레이션)의 예를 도 7에 나타낸다.

구체적으로, 도 7은 종래의 스프링(k₀=0.16N/mm)과, 종래 스프링보다 10배(k₁=k₀×10) 큰 스프링 상수를 갖는 스프링 및 종래 스프링보다 100배(k₂=k₀×100) 큰 스프링 상수를 갖는 스프링을 사용한 경우의 2자유도 모델로 충격 하중 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.

도 7로부터, 충격 하중으로서 얻어진 충돌 직후의 충격 피크(B)가 노즐에 내장된 스프링에 의해 거의 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다. 이것은 스프링상수에 의하여 결정되는 감쇠 진동의 주파수가 노즐 및 워크피스의 강성에 의하여 결정되는 충격파의 주파수와 1오더(one order) 이상 다르기 때문이다. 즉 비교적 딱딱한 스프링을 채용하더라도, 충격 하중을 바꾸지 않고 노즐의 움직임을 안정화시킬 수 있으므로, 초기 하중이 0인 조건을 포함할 수 있다.

스프링 상수 k가 커지면, 충돌물의 강성 파라미터에 의한 충격 하중(B)보다도, 내장 스프링의 반력에 의한 하중(C)이 커진다.

상술한 식 (3)에 있어서의 충격력 F1은 강성 파라미터에 의한 충격 하중(B)과 등가이다.

마찬가지로, 내장 스프링의 반력에 의한 하중(C)인 F₂는 다음의 식으로 표현된다.

이 식을 x에 대하여 풀면, 다음의 수학식으로 표현된다.

F₂=k_bx로부터 스프링 반력에 의한 하중은 다음의 수학식으로 표현된다.

또한, 충격력 F₂의 최대값은 다음의 수학식으로 표현된다.

상술한 바와 같이, 속도-하중 절환 제어를 행하는 전제 조건에 의거하여, 제어계의 응답으로서 절환이 완료될 때까지의 시간 t_k에 있어서, 식 (4)로 나타내는 스프링 반력에 의한 하중 F₂가 식 (3)으로 나타내는 충돌물의 강성 파라미터에 의한 충격 하중의 최대값 F_1max를 넘지 않도록 작게 할 필요가 있다.

따라서, 스프링 강성의 최대 조건으로서 이하의 조건식을 부여한다.

t_k는 응답 시간이며, 보이스 코일 모터(VCM)를 사용한 경우, t_k의 실용범위는 대략 0.001∼0.1초이다.

상술한 바와 같이, 설계 조건(1) 및 (2)를 사용하여 스프링 상수 k_b를 결정함으로써, 노즐(9)이 워크피스(W)에 충돌할 때에 발생하는 충격력을 최소한으로 제어할 수 있으며, 게다가 절환시에 노즐(9)의 변동을 최소한으로 억제할 수 있다.

도 8은 초기 하중이 0.43N, 정하중 지령(static load instruction)이 0.36N인 종래의 액츄에이터(스프링 상수 k₀=0.16N/mm)의 워크피스에 대한 충격 하중과, 초기 하중이 0N, 정하중 지령이 0.2N인 본 발명에 따른 액츄에이터(스프링 상수 k₁=k₀×10)의 워크피스에 대한 충격 하중을 비교한 것이다. 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면 스프링 상수 k₁가 종래의 상수(k₀)에 비하여 크고, 또한 초기 하중이 0N이므로, 충격 하중을 종래예에 비하여 절반정도 감소할 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 스프링(10)으로서, 노즐(9)의 위치 제어시에 발생하는 노즐 홀더(8)의 추력에 의하여 센서 분해능이하에서만 동작하는 정도의 비교적 딱딱한 스프링을 사용하였다. 그 결과, 노즐(9)의 스트로크도 감소할 수 있으므로, 노즐(9)을 소형화할 수 있어서, 충격 하중 저감화에 있어서 유리하다.

본 발명에 따른 하중 제어용 액츄에이터는 상기 실시형태와 같은 흡인 노즐(9)을 갖는 핸들링 장치뿐만 아니라, 도 9에 나타낸 바와 같은 측정 선별 장치에도 적용가능하다.

도 9에 있어서, 측정기의 가동부인 단자 홀더(20)는 도 3에 나타낸 것과 동일한 보이스 코일 모터에 의하여 상하로 구동된다. 단자 홀더(20)의 내부에는 가이드 구멍(21)이 형성되며, 가이드 구멍(21)에는 측정 단자(22)가 상하이동 자유롭게 삽입되어 있다. 측정 단자(22)는 가이드 구멍(21)의 내측에 외주부가 고정된 내장 스프링(23)에 의해 매달려 지지되어 있다. 따라서, 자유 상태에서는, 측정 단자(22)에 인가되는 초기 하중은 0으로 설정된다. 이 실시형태에서는, 내장 스프링(23)으로서 판 스프링을 사용하였으나, 코일 스프링을 사용해도 된다.

상기 측정 단자(22)는 측정기(도시하지 않음)와 전기적으로 접속되어 있으며, 내장 스프링(23)은 측정 단자(22)와 측정기를 전기적으로 접속하는 도체의 일부를 구성하고 있다. 게다가, 내장 스프링(23)과는 별도로, 측정 단자(22)와 측정기를 전기적으로 접속하는 도체를 배치해도 된다.

또한, 상술한 바와 같이 구성된 측정 선별 장치에 있어서, 내장 스프링(23)의 스프링 상수 k_b를 최대 조건식(2)과 최저 조건식(1)에 따라서 결정함으로써, 측정 단자(22)가 워크피스에 접촉할 때에 발생하는 충격력을 최소한으로 억제할 수 있으며, 게다가 절환시에 측정 단자(22)의 변동을 최소한으로 억제할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 워크피스와 접촉부간의 최대 충격 하중 F_1max보다도, 액츄에이터의 응답 시간 t_k이내의 탄성체의 스프링 반력 F₂이 작아지도록, 탄성체의 스프링 상수 k_b를 설정하였으므로, 워크피스에 인가되는 충격 하중을 저감할 수 있으며, 워크피스의 손상을 줄일 수 있다. 또한, 스프링 상수를 어느정도 높게 설정할 수 있으므로, 초기하중을 적게 하면서 접촉부를 안정되게 지탱할 수 있으며, 가동부를 고속으로 작동시킬 수 있다.

또한, 본 발명을 흡인 노즐을 갖는 부품 조립 장치에 적용한 경우, 흡착 소자의 부재 또는 흡착 부조화에 의하여 에어의 누출이 발생하면, 에어 흡인력과 탄성체의 초기 하중의 밸런스가 깨지고, 초기 하중이 커지게 될 가능성이 있지만, 본 발명에서는 초기 하중을 대략 0으로 설정할 수 있으므로, 핸들링시에 워크피스에 손상을 주는 일이 적다.

Claims (12)

1. 워크피스(workpiece)와 접촉하는 접촉부와,

   상기 접촉부를 탄성체에 의하여 지지하는 가동부와,

   상기 가동부에 대한 추력 구동력을 제어할 수 있는 작동 수단을 포함하는 하중 제어형 액츄에이터로서,

   상기 워크피스와 상기 접촉부간의 접촉시의 최대 충격 하중을 F_1max로 하고, 상기 액츄에이터의 응답 시간 t_k이내의 탄성체의 스프링 반력을 F₂로 하였을 때, 조건 F_1max≥F₂을 만족하도록 상기 탄성체의 스프링 상수 k_b를 설정하며,

   상기 작동 수단은 상기 접촉부가 상기 워크피스와 접촉하기 직전 위치까지 상기 가동부를 전진시키는 위치 제어와, 접촉 직전 위치에서부터 상기 접촉부가 상기 워크피스와 접촉하는 접촉 위치까지 상기 가동부를 일정 속도로 전진시키는 속도 제어와, 상기 접촉부가 상기 워크피스와 접촉한 후, 상기 접촉부와 상기 워크피스간의 접촉 압력을 제어하면서 상기 가동부를 더욱 전진시키는 하중 제어와, 상기 접촉부를 상기 워크피스로부터 이격시키기 위하여 상기 가동부를 후퇴시키는 위치 제어를, 차례로 실행하는 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성체의 스프링 상수 k_b는 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.

   (수학식 1)

   (수학식 2)
3. 제 1항에 있어서, 상기 작동 수단은 보이스 코일 모터를 포함하며, 상기 응답 시간 t_k는 0.001∼0.1초의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.
4. 제 1항에 있어서, 상기 접촉부는 상기 탄성체에 의하여 상기 가동부에 매달려 지지되며, 상기 접촉부의 상기 워크피스에 대한 초기 하중이 0인 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.
5. 제 1항에 있어서, 상기 접촉부는 진공 흡인구를 통하여 에어 흡인 장치와 접속되어 워크피스를 진공 흡착하는 노즐인 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.
6. 제 1항에 있어서, 상기 접촉부는 측정기와 전기적으로 접속되며 또한 워크피스와 접촉하여 워크피스의 전기적 특성을 측정하는 측정 단자인 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.
7. 워크피스(workpiece)와 접촉하는 접촉부와,

   상기 접촉부를 탄성체에 의하여 지지하는 가동부와,

   상기 가동부에 대한 추력 구동력을 제어할 수 있는 작동 수단을 포함하는 하중 제어형 액츄에이터로서,

   상기 워크피스와 상기 접촉부간의 접촉시의 최대 충격 하중을 F_1max로 하고, 상기 액츄에이터의 응답 시간 t_k이내의 탄성체의 스프링 반력을 F₂로 하였을 때, 조건 F_1max≥F₂을 만족하도록 상기 탄성체의 스프링 상수 k_b를 설정하며,

   상기 탄성체의 스프링 상수 k_b는 하기의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.

   (수학식 3)

   여기서, m_n은 접촉부의 질량, α는 위치 제어에서 속도 제어로의 절환점에서의 상기 접촉부의 속도 변화, g는 중력 가속도, x_max는 위치 제어에서 속도 제어로의 절환점에서의 상기 접촉부의 움직임의 최대 진폭이다.
8. 제 7항에 있어서, 상기 탄성체의 스프링 상수 k_b는 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.

   (수학식 1)

   (수학식 2)
9. 제 7항에 있어서, 상기 작동 수단은 보이스 코일 모터를 포함하며, 상기 응답 시간 t_k는 0.001∼0.1초의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.
10. 제 7항에 있어서, 상기 접촉부는 상기 탄성체에 의하여 상기 가동부에 매달려 지지되며, 상기 접촉부의 상기 워크피스에 대한 초기 하중이 0인 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.
11. 제 7항에 있어서, 상기 접촉부는 진공 흡인구를 통하여 에어 흡인 장치와 접속되어 워크피스를 진공 흡착하는 노즐인 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.
12. 제 7항에 있어서, 상기 접촉부는 측정기와 전기적으로 접속되며 또한 워크피스와 접촉하여 워크피스의 전기적 특성을 측정하는 측정 단자인 것을 특징으로 하는 하중 제어형 액츄에이터.