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特開2022-165091ベルヌーイ式グリッパ

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022165091

(43)【公開日】2022-10-31

(54)【発明の名称】ベルヌーイ式グリッパ

(51)【国際特許分類】

B25J 15/06 20060101AFI20221024BHJP

【ＦＩ】

B25J15/06 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021070287

(22)【出願日】2021-04-19

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り令和２年５月２７日にロボティクス・メカトロニクス講演会２０２０にて発表

(71)【出願人】

【識別番号】593006630

【氏名又は名称】学校法人立命館

(74)【代理人】

【識別番号】100080182

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺三彦

(74)【代理人】

【識別番号】100142572

【弁理士】

【氏名又は名称】水内龍介

(72)【発明者】

【氏名】馬書根

(72)【発明者】

【氏名】田陽

(72)【発明者】

【氏名】加藤貫太

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707DS01

3C707FS04

3C707FT08

3C707NS13

(57)【要約】

【課題】全体として簡潔な構造であり、グリッパと対象物とが完全非接触であるベルヌーイ式グリッパを提供すること。
【解決手段】平滑な被把持面ＳＦを有する円形の対象物Ｓを把持するためのグリッパであって、前記被把持面ＳＦよりも面積が大きく平滑な把持面７を有する略円形状のパッド２と、把持面７の中央Ｃから被把持面ＳＦに対して垂直に流体を噴出する把持噴出口３と、把持面７の外周８に均等な間隔で３箇所以上具備し、対象物Ｓの外側から対象物Ｓに対して流体を噴出する位置調整噴出口４と、を有することを特徴としたこと。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

平滑な被把持面を有する円形の対象物を把持するためのグリッパであって、
前記被把持面よりも面積が大きく平滑な把持面を有する略円形状のパッドと、
前記把持面の中心から前記被把持面に対して垂直に流体を噴出する把持噴出口と、
前記把持面の外周に均等な間隔で３箇所以上具備し、前記対象物の外側から前記対象物に対して流体を噴出する位置調整噴出口と、
を有することを特徴とするベルヌーイ式グリッパ。

【請求項2】

前記位置調整噴出口は、前記把持面に対して下方向を向くように所定の噴射口傾斜角度をなしていることを特徴とする請求項１に記載のベルヌーイ式グリッパ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロボットアームのエンドエフェクタ等に用いられる完全非接触のベルヌーイ式グリッパに関する。

【背景技術】

【0002】

多くの電子機器に用いられる半導体部品である極薄製品をプラントで生産等するとき、極薄製品は壊れやすく、傷や汚れが製品にとって致命的な欠陥を生む原因となり得るため、極薄製品の把持時、搬送時には接触面積が少なく物体を吸着するベルヌーイ式グリッパが用いられている。

【0003】

しかし、従来のベルヌーイ式グリッパは、対象物に対して把持方向である垂直方向には非接触により持ち上げて把持することができるが、対象物の水平方向へは拘束がなく、空気噴流の流れの大きさの差異によって、グリッパと対象物との間で横ずれが生ずるため、対象物を把持して移動することが困難であった。

【0004】

そこで、横ずれを防ぐために、特許文献１のベルヌーイ・グリッパからなるグリッパは、ゴム引きされた支持面を接触させて、グリップされるウエハとグリッパのグリッパ・フェイスの間に摩擦を生じさせることで横ずれを防止している。

【0005】

また、特許文献２のウエハ状の物品用のグリッパは、グリッパフックを対象物の外周面の脇にある位置に移動させ接触させることで、横ずれを防止している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特表２０１０－５２７８０５

【特許文献2】特開平１１－９１９４９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、特許文献１に記載のベルヌーイ・グリッパは、ゴム引きされた支持面を対象物に接触させているため、グリッパと対象物との間で完全非接触ではなかった。

【0008】

また、特許文献２に記載のウエハ状の物品用のグリッパも、グリッパフックを対象物の外周面の脇にある位置に移動させ、グリッパと対象物とを接触させているため、グリッパと対象物との間で完全非接触ではなかった。

【0009】

そこで、本発明は上記課題を鑑みて、全体として簡潔な構造であり、グリッパと対象物とが完全非接触であるベルヌーイ式グリッパを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、本発明に係るベルヌーイ式グリッパは、平滑な被把持面を有する対象物を把持するためのグリッパであって、被把持面よりも面積が大きく平滑な把持面を有する略円形状のパッドと、把持面の中心から被把持面に対して垂直に流体を噴出する把持噴出口と、把持面の外周に均等な間隔で３箇所以上具備し、対象物の外側から対象物に対して流体を噴出する位置調整噴出口と、を有することを特徴としたことにある。

【0011】

好ましくは、位置調整噴出口は、把持面に対して下方向を向くように所定の噴射口傾斜角度をなしていることを特徴としたことにある。

【発明の効果】

【0012】

本発明の特徴によれば、位置調整噴出口を把持面の外周に均等な間隔で３箇所以上具備し、位置調整噴出口が対象物の外側から対象物に対して流体を噴出することで、完全非接触で対象物の水平方向の拘束を制御して、横ずれを防止することができる。

【0013】

本発明の特徴によれば、位置調整噴出口は、把持面に対して下方向を向くように所定の噴射口傾斜角度をなしていることによって、対象物に働く水平方向の力の大きさをコントロールすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係るベルヌーイ式グリッパを示す概略斜視図である。

【図2】図１の概略底面図である。

【図3】本発明に係るベルヌーイ式グリッパの空気圧回路を示す概略図である。

【図4】把持噴出口から噴出される圧縮空気によって対象物に働く力を示す概略断面図である。

【図5】（ａ）位置調整噴出口が４箇所あるベルヌーイ式グリッパを示す概略斜視図である。（ｂ）図５（ａ）の概略底面図である。

【図6】本発明に係るベルヌーイ式グリッパが対象物上に下降する様子を示す概略斜視図である。

【図7】本発明に係るベルヌーイ式グリッパが把持噴出口から圧縮空気を噴出する様子を示す概略斜視図である。

【図8】本発明に係るベルヌーイ式グリッパが把持噴出口及び位置調整噴出口から圧縮空気を噴出する様子を示す概略斜視図である。

【図9】（ａ）把持時における把持面の中央で対象物に働く力を示す概略断面図である。（ｂ）把持時における把持面の外側で対象物に働く力を示す概略断面図である。

【図10】管に流体が流れる場合における流体の運動量と力を示す概略模式図である。

【図11】位置調整噴出口から噴出される圧縮空気によって対象物に働く力を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（実施形態について）
以下、図面を参照して本発明に係るベルヌーイ式グリッパ１の説明を行う。図面において太矢印線は圧縮空気といった流体の流れを示しており、太線は物体に働く力の向きを示している。

【0016】

図１、２に示すように、ベルヌーイ式グリッパ１は、パッド２、把持噴出口３、位置調整噴出口４と、を主な構成要件としており、全体として簡潔な構造となっている。また、図３に示すように、把持噴出口３及び位置調整噴出口４には、チューブ５を介して流量調節弁６が接続されており、また、流量調節弁６はチューブ５を介してコンプレッサＰが接続されている。把持される対象は、主に、ウエハ等といった平滑な把持される面である被把持面ＳＦを有した二次元形状の対象物Ｓ、または少なくとも一部に一定の大きさの被把持面ＳＦを有し、質量が重すぎない三次元形状の対象物Ｓである。

【0017】

ベルヌーイ式グリッパ１は、把持噴出口３から垂直方向に対象物Ｓの被把持面ＳＦに対して流体である圧縮空気を噴出させることでベルヌーイの定理に基づきパッド２の把持面７と被把持面ＳＦとの間の隙間の圧力が低下して対象物Ｓを把持することができる。コンプレッサＰは、チューブ５を介して圧縮空気を送出して、流量調節弁６において把持噴出口３及び各位置調整噴出口４の圧縮空気の流量を調節し、チューブ５に接続された把持噴出口３または位置調整噴出口４にそれぞれ所望の圧力の圧縮空気を流すことができる。

【0018】

パッド２は、略円形状であって、パッド２に対象物Ｓ側の面である把持面７の中央Ｃには把持噴出口３が設けられており、また、把持面７の外周８には均等な間隔で位置調整噴出口４が一例として３箇所設けられている。把持噴出口３及び位置調整噴出口４以外の把持面７は凹凸のない平滑な面である。把持面７を平滑な面とし、対象物Ｓの被把持面ＳＦも平滑な面であるため、把持面７と被把持面ＳＦとの間を流れる圧縮空気は、乱れることなく一定の方向へ均一に流れる。したがって、流体のエネルギーの損失を最低限に抑えることができ、効率よく対象物Ｓを把持することができる。また、パッド２の把持面７の素材は銅やアルミなどの金属や合成樹脂であることが好ましく、平滑するために把持面７は研磨加工されていてもよい。

【0019】

また、パッド２の把持面７の面積の大きさは、少なくとも対象物Ｓの被把持面ＳＦの面積よりも大きい構成としている。把持面７の面積の大きさを被把持面ＳＦよりも大きくすることで、把持面７の外周８に設けられた位置調整噴出口４が、対象物Ｓの外側から対象物Ｓに対して圧縮空気を噴出させることができる。

【0020】

把持噴出口３は、把持面７の中央Ｃに設けられており、チューブ５を介してコンプレッサＰ及び流量調節弁６に接続されている。把持面７の中央Ｃから対象物Ｓの被把持面ＳＦに圧縮空気を噴出することで、把持面７と被把持面ＳＦとの間の隙間Ｇに圧縮空気を流し、隙間Ｇの圧力降下により吸着力を発生させ、対象物Ｓの垂直方向に働く力をコントロールすることができる。

【0021】

位置調整噴出口４は、前述したように、対象物Ｓの外側から圧縮空気を噴出するために把持面７の外周８に設けられており、チューブ５を介してコンプレッサＰ及び流量調節弁６に接続されている。対象物Ｓの外側から圧縮空気を噴出することで牽引力を発生させ、対象物Ｓの水平方向に働く力をコントロールすることができる。グリッパフックやガイド等を用いないため、対象物Ｓに対して完全非接触で対象物Ｓに働く水平方向に働く力をコントロールすることができる。したがって、対象物Ｓに傷や汚れがつく可能性を完全に排除して対象物Ｓを安定して把持することができる。。

【0022】

また位置調整噴出口４は、図８、図９に示すように、把持面７の外周８から対象物Ｓに対して圧縮空気を噴出するために、把持面７の中央Ｃを向くように設けられており、また、把持面７に対して下方向を向くように所定の噴射口傾斜角度θをなしている。噴射口傾斜角度θが大きければ大きいほど、圧縮空気が垂直下方向に向くため、圧縮空気の垂直下方向の力成分が大きくなり、水平方向の力成分は小さくなり、対象物Ｓの水平方向に働く力は小さくなる。一方で、噴射口傾斜角度θが小さければ小さいほど、圧縮空気が水平方向に向くため、圧縮空気の垂直下方向の力成分が小さくなり、水平方向の力成分は大きくなり、対象物Ｓの水平方向に働く力は大きくなる。このように噴射口傾斜角度θを変化させることによって、対象物Ｓの水平方向に働く力をコントロールすることができる。また、位置調整噴出口４は、３箇所以上設けれていることが好ましく、数が多ければ多いほど安定的に対象物Ｓの水平方向に働く力をコントロールすることができる。例えば、図５に示すように、位置調整噴出口４が均等な間隔で４箇所設けられていてもよい。各位置調整噴出口４が外周８において均等な間隔で設けられることで、均等に力を対象物Ｓが受けるため、横ずれが起きにくく把持面７の中央Ｃで把持しやすくなる。

【0023】

（実施例について）
ベルヌーイ式グリッパ１を用いた対象物Ｓの移動手順について説明する。

【0024】

図６に示すように、ロボットアームの先端に取り付けられたベルヌーイ式グリッパ１が、対象物Ｓの真上にくるよう降下してきており、対象物Ｓから隙間Ｇをあけて停止する。その後、図７に示すように把持噴出口３から圧縮空気を対象物Ｓに噴出させて吸着力を発生させる。その後、図８に示すように、位置調整噴出口４からも圧縮空気を噴出させて対象物Ｓを把持する。この際、ベルヌーイ式グリッパ１が斜めに傾いていた場合、対象物Ｓは横ずれが生ずる。また、ベルヌーイ式グリッパ１と対象物Ｓとは接触していないため両者の間には摩擦力が生じないが、対象物Ｓの水平方向には、隙間Ｇに存在する圧縮空気の粘性による粘性せん断力Ｆ_Ｓτ１、Ｆ_Ｓτ２が働く。粘性せん断力Ｆ_Ｓτ１、Ｆ_Ｓτ２は、把持面７の中央Ｃにある把持噴出口３から噴出された圧縮空気が隙間Ｇを通って把持面７の外周８方向に向かうことによって生ずる力である。したがって、対象物Ｓにおいて図９（ａ）に示すように、対象物Ｓに横ずれが生じたときに何らかの外力によって左右方向への粘性せん断応力Ｆ_Ｓτ１、Ｆ_Ｓτ２の違いで対象物Ｓが外方向に移動するが、位置調整噴出口４から圧縮空気を噴出させることで牽引力を発生させて対象物Ｓを横ずれによって対象物Ｓが飛び出さないように把持する。把持後、ベルヌーイ式グリッパ１自体を上方向に持ち上げて所定の場所に移動させる。把持時は把持噴出口３及び各位置調整噴出口４の両方から常に圧縮空気が噴出される。

【0025】

図４に示すように、対象物Ｓを把持した状態でベルヌーイ式グリッパ１を水平方向に移動させる際、前述したようにベルヌーイ式グリッパ１と対象物Ｓとは接触していないため両者の間には摩擦力が働かないため、ベルヌーイ式グリッパ１が移動しても対象物Ｓはついていかないことになる。したがって、対象物Ｓがついていかないので横ずれが生ずるが、位置調整噴出口４から圧縮空気を噴出させることで対象物Ｓが飛び出さないように把持する。

【0026】

図９（ｂ）に示すように、対象物Ｓが横ずれして把持面７の外周８付近に到達した場合、近辺の位置調整噴出口４から噴出される圧縮空気が対象物Ｓに当たり、その噴出力により対象物Ｓが移動される。位置調整噴出口４は把持面７の中央Ｃに向くように設けられているので、圧縮空気に当たった対象物Ｓは把持面７の中央Ｃに向かうように移動される。対象物Ｓが中央Ｃを通り越して、また外周８付近に到達した場合であっても、別の位置調整噴出口４によって圧縮空気が噴出されて中央Ｃに移動されることで、常に対象物Ｓは把持面７の中央Ｃ付近に配置されるように維持される。位置調整噴出口４は把持面７の外周８に３箇所以上設けられているので、対象物Ｓはそれぞれ位置調整噴出口４の間から横ずれで飛びだすことなく安定して把持される。

【0027】

目的地の上方まで対象物Ｓを移動させた後は、ベルヌーイ式グリッパ１自体を下方に下げて、対象物Ｓを目的地に置く。その後、コンプレッサＰによる圧縮空気の送出を停止させるか、または流量調節弁６を用いて圧縮空気の送出を止める。流量調節弁６を用いて送出を止める際は、横ずれによる飛び出しを防ぐために、把持噴出口３の圧縮空気の送出を止めて対象物Ｓを目的地に置いてから、位置調整噴出口４の圧縮空気の送出を止めるのが好ましい。これにより対象物Ｓの移動の一連の流れが終了する。

【0028】

（圧縮空気の制御について）
把持時における把持噴出口３及び位置調整噴出口４から噴出される圧縮空気の力と、圧縮空気によって対象物Ｓが受ける反発力との関係について説明する。

【0029】

初めに、図１０に示すような、拡がり管（流入）から狭まり管（流出）に定常流れで流体が流れる場合を想定する。一般的に、物体（流体）に作用する力Ｆ［Ｎ］は、物体の運動量Ｐ［ｋｇ・ｍ／ｓ］の時間ｔの変化率であることが知られており、下記に示す式（１）が成り立つ。

【0030】

【数1】

【0031】

流体の質量流量ｍ［ｋｇ／ｓ］は、菅の断面を微小時間ｄｔの通過した体積流量Ｑ［ｍ^３／ｓ］に密度を乗じたものであるから、断面積をＡ［ｍ^２］とし、流速をｕ［ｍ／ｓ］とし、密度をρ［ｋｇ／ｍ^３］とすると、質量流量ｍ［ｋｇ／ｓ］及び体積流量Ｑ［ｍ^３／ｓ］は以下の式（２）、（３）で示される。

【0032】

【数2】

【0033】

【数3】

【0034】

よって、図１０における式（１）は、以下の式（４）のように示される。

【0035】

【数4】

【0036】

式（４）に式（２）を代入すると、式（４）は、以下の式（５）で表される。

【0037】

【数5】

【0038】

このとき流れる流体が管にｆ与えるとすると、流体はその反作用を受けるのでＦ＝―ｆとなる。したがって、流体が管に与える力ｆは、以下の式（６）で表される。

【0039】

【数6】

【0040】

また、流体は定常流れであるため、体積流量Ｑ［ｍ^３／ｓ］は時間ｔに依らず一定であるため、以下の条件式（７）が成り立つ。

【0041】

【数7】

【0042】

したがって、式（６）に式（７）を代入すると、以下の式（８）に示される。

【0043】

【数8】

【0044】

以上の前提を踏まえて、本実施例に当てはめる。図１１に示すように、位置調整噴出口４から噴出される圧縮空気の体積流量をＱ［ｍ^３／ｓ］とし、密度をρ［ｋｇ／ｍ^３］とし、流速をｕ［ｍ／ｓ］とする。位置調整噴出口４から図面右方向（Ｙ軸方向）の断面積をＡ_１［ｍ^２］とし、位置調整噴出口４から図面左方向（―Ｙ軸方向）の断面積をＡ_２［ｍ^２］とする。また、隙間Ｇで図面右方向（Ｙ軸方向）に流れる圧縮空気の体積流量をＱ_１［ｍ^３／ｓ］とし、流速をｕ_１［ｍ／ｓ］とし、隙間Ｇで図面左方向（―Ｙ軸方向）に流れる圧縮空気の体積流量をＱ_２［ｍ^３／ｓ］とし、流速をｕ_２［ｍ／ｓ］とすると、Ｚ´軸及びＹ´軸における圧縮空気に作用する力Ｆｙ´［Ｎ］及びＦｚ´［Ｎ］は、以下の式（９）、（１０）で表される。

【0045】

【数9】