JP6819010B2 - ワーク搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は、搬送面に進行波を発生させることによりワークを搬送するワーク搬送装置に関するものである。

従来のワーク搬送装置として、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載のワーク搬送装置は、トラック状であってワークを載置する搬送面と、この搬送面に周回する進行波を発生させる進行波発生手段とを備え、進行波発生手段が発生させた進行波により搬送面上のワークを搬送するよう構成されている。

このようなワーク搬送装置では、搬送面に撓みが発生することで、進行波は撓み進行波となる。撓み進行波が発生すると、搬送面の各位置に搬送方向基準の側面視における楕円運動が発生することになり、搬送面に載置されたワークはこの楕円運動における水平方向速度成分により、進行波の進行方向とは逆方向に搬送されていく。

特許文献１では、搬送面に、幅方向に延びるスリットが周方向に複数形成されている構成も提案されている（特許文献１の図１１、図１２）。このように搬送面にスリットを形成することで、撓み進行波により搬送面に発生する楕円運動の、水平方向速度成分を大きくできる。

このように、従来の撓み進行波を利用したワーク搬送装置では、搬送面における楕円運動の垂直方向の振動に起因してワークの跳躍が発生する。ワークの跳躍を抑制するためには、楕円運動における垂直方向の振幅に対して水平方向の振幅を大きくする（つまり横長楕円運動を発生させる）ことが望ましい。前述のように搬送面にスリットを形成した構成も、横長楕円運動を発生させるための一手段である。しかし、このようなスリットを形成した構成であっても跳躍抑制は十分ではなかった。しかも当該構成では、図１０に示すように、スリット１０２に対してワーク１０３がさほど大きくないと、スリット１０２、つまり、搬送面１０１に設けられた凹部にワーク１０３が引っ掛かることで、ワーク１０３が搬送面１０１に沿って円滑に移動せず、その状態において楕円運動の垂直方向の振動を受け、ワーク１０３が跳躍してしまうこともあった。

特開２０１７−４３４３１号公報

そこで本発明は、ワークの跳躍を効果的に低減させることで、ワークを安定して搬送できるワーク搬送装置を提供することを課題とする。

本発明は、ワークを載置した状態で搬送する搬送面を有する振動体と、前記振動体に、前記ワークの搬送方向に沿う方向の圧縮変位及び引張変位を含む疎密波を、少なくとも二つのモードで発生させることにより、前記搬送面を法線方向に撓ませることで、当該搬送面上の一点が側方視において楕円軌道を描く振動を発生させる振動発生部と、を備えることを特徴とするワーク搬送装置である。

この構成によれば、疎密波が発生した振動体において、搬送面上の一点が側方視において楕円軌道を描く振動を発生する。このため、楕円軸比（垂直振幅に対する水平振幅の比）が大きく、運動軌跡の形状（側方視の形状）が極めて横長な楕円運動を搬送面に発生させることができる。

そして、前記振動発生部は、前記振動体に前記圧縮変位及び前記引張変位を与える複数の変位発生部を有し、前記複数の変位発生部は、前記モードの数に対応した数の群に分かれて属しており、前記複数の変位発生部に対して、前記疎密波が発生する固有モードに対応した周波数の正弦波を、前記の群の各々にて異なる位相で印加する制御部を備えるものとできる。

この構成によれば、制御部による変位発生部への正弦波の印加により、搬送面に振動を発生させることができる。

本発明によると、楕円軸比が大きく、運動軌跡の形状が極めて横長な楕円運動を搬送面に発生させることができる。このため、ワークの跳躍を効果的に低減させることで、ワークを安定して搬送できる。

本発明の一実施形態に係るワーク搬送装置の構成を概略的に示す斜視図である。 前記ワーク搬送装置における振動体を概略的に示す斜視図である。 前記ワーク搬送装置における振動体を加振するための構成を示す概要図である。 前記振動体に発生した０°モードの定在波を誇張して示す斜視の説明図である。 前記振動体に発生した９０°モードの定在波を誇張して示す斜視の説明図である。 縦波の定在波に関する時間変化を示す説明図である（株式会社新興出版社啓林館のインターネットホームページ（URL:http://www.keirinkan.com/kori/kori_physics/kori_physics_1_kaitei/contents/ph-1/4-bu/t4-3.htm）に掲載の図表を一部分引用の上、説明の必要上加工を行ったものである）。 前記振動体に横長楕円運動が発生していることを１波長分の長さで誇張して示す、側面視の説明図である。 前記振動体の搬送面上でのワークの移動を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係るワーク搬送装置の構成を概略的に示す斜視図である。 従来のワーク搬送装置において搬送面に設けられたスリットにワークが引っ掛かった状態を示す概要図である。

本発明につき、一実施形態を取り上げて、図面とともに以下説明を行う。なお、以下説明での上下方向は、図１に示した状態における上下方向とする。

概略図である図１に示すように、本実施形態に係るワーク搬送装置（パーツフィーダ）１は、ベース部２上に、円盤状のボウルフィーダ３と、ボウルフィーダ３の接線方向に延びるように接続されたリニアフィーダ４とを備える。ボウルフィーダ３及びリニアフィーダ４は、複数のワーク（図示しない）の各々を所定の方向に搬送する。

ボウルフィーダ３は円盤状の部材であるボウルフィーダ側搬送部３１を備える。このボウルフィーダ側搬送部３１は、中央に位置する固定部３２にてベース部２に固定されている。ボウルフィーダ側搬送部３１の上面は、図示のように、中央側から一旦下降した上で周縁側に向けて上昇している。搬送すべき複数のワークは、ボウルフィーダ側搬送部３１において凹んだ部分に投入されて、一時的に貯留される。そして、この貯留されていた部分から１個ずつ順次搬送される。ワークは、一例としては微小なＩＣチップであるが、種々の物体であってよい。ボウルフィーダ３には、ワークを搬送するための搬送トラックとして、ボウルフィーダ側搬送部３１の上面にらせん状の溝（搬送溝）であるらせんトラック３３が、ボウルフィーダ側搬送部３１の内周位置から外周位置にかけて形成されている。らせんトラック３３は、ワークが載置されることで接触する底面であって、らせんトラック３３の延びる方向に沿う面である搬送面３３１を有する。この搬送面３３１が、進行波発生手段５（図３参照）により波打つように変形することで、ワークが搬送される。複数のワークは搬送面３３１上で隣り合って整列された状態で搬送されることもできるし、間隔を空けて搬送されることもできる。らせんトラック３３の外周端部３３２は、ワークをリニアフィーダ４のメイントラック４３に供給できる位置に形成されている。ボウルフィーダ３の運転中、ワークはらせんトラック３３をせり上がるように移動してメイントラック４３に供給される。

リニアフィーダ４は平面視で長円形状であるリニアフィーダ側搬送部４１を備える。このリニアフィーダ側搬送部４１は、幅方向中央に位置する固定部４２にてベース部２に固定されている。リニアフィーダ４における搬送トラックは、メイントラック４３とリターントラック４４とにより構成されている。メイントラック４３は、リニアフィーダ側搬送部４１の上面に長手方向に延びる直線状の溝を有する。リターントラック４４は、リニアフィーダ側搬送部４１の上面においてメイントラック４３の幅方向内側に位置する長円形の溝を有する。メイントラック４３及びリターントラック４４は、ワークが接触する底面である搬送面４３１，４４１を有する。これら搬送面４３１，４４１が、進行波発生手段５により波打つように変形することで、ワークが搬送される。

本実施形態では、メイントラック４３とリターントラック４４の一部とが平行して形成されており、メイントラック４３から除外されるワークは、図示しない移動手段（エアノズル等）によって、メイントラック４３からリターントラック４４に移動させられる。

ボウルフィーダ３とリニアフィーダ４において、ワークを搬送させるための機構は共通するため、以下においてはボウルフィーダ３について説明する。

ボウルフィーダ３は主に、振動体３Ａと振動発生部３４を備える。振動体３Ａは前記ボウルフィーダ側搬送部３１の一部であって、図２に示すような円環状の振動体３Ａを備える。なお図２では、説明を簡単にする目的で、らせんトラック３３を無端の真円状で示している。本実施形態の振動体３Ａは金属製であって中実である。つまり、振動体３Ａは弾性体であって、波動を伝達する媒質となる材質で形成されている。振動体３Ａは、ワークを載置した状態で搬送する搬送面３３１を有する。搬送面３３１は平面であり、従来のようなスリット等の、搬送中のワークが引っ掛かるような凹部を有していない。

振動発生部３４は、振動体３Ａに疎密波を発生させる。この疎密波は、振動体３Ａにおいて、ワークの搬送方向に沿う方向（周方向）の圧縮変位及び引張変位を含む波動であって、波動の振幅方向と媒質の移動方向の関係で言うと、横波ではなく縦波に該当する。振動発生部３４は、前記疎密波を、少なくとも二つのモードで発生させる。本実施形態では、０°モードと９０°モードの二つのモードである。これにより、搬送面３３１を法線方向（本実施形態では鉛直方向または上下方向）に撓ませることで振動を発生させる。疎密波は縦波であるから、この搬送面３３１の撓みは横波のように直接的に発生するのではなく、後述するポアソン効果により発生する。発生する振動は、搬送面３３１上の一点が搬送方向に対する側方視において楕円軌道（図７及び図８参照）を描く振動である。

振動体３Ａは、図４及び図５に示すように、周方向において引張変位と圧縮変位が交互に発生するような、疎密波である縦波の定在波モード（固有モード）を複数有する。本実施形態において、０°モードの定在波と９０°モードの定在波とが合成されることで、一定方向（具体的には、図４及び図５に示した状態の時計回り）に進行する進行波となる。なお、「定在波」とは、振動体３Ａの周方向における一定の位置で発生する波（縦波）のことである。複数の定在波モードのうち、固有周波数がほぼ等しく、空間的な位相が９０°ずれた二つの定在波モードが存在する。図４に示す０°モードと、図５に示す９０°モードである。

ここで、縦波の定在波について、媒質の動きを概略的に示した図６（ａ）〜（ｄ）を示して説明する。図６（ａ）は、定在波が未発生の状態であり、振動体３Ａを構成する材料（波動の媒質）の周方向（図示横方向）の位置は一定である。図６（ｂ）は、振動１周期基準で１／４の時間（ｔ／４）が経過した状態を示す。この時点で、振動体３Ａにおける位置Ａでは周方向の引張変位が発生しており、位置Ｂでは周方向の圧縮変位が発生している。

位置Ａ及び位置Ｂは縦波の「節」の位置であって、この位置において媒質は周方向に移動しない。図示した横並びの円の間隔から理解できるように、位置Ａの周囲の媒質には引張変位が発生したことで、媒質は「疎」となっており、位置Ｂの周囲の媒質には圧縮変位が発生したことで、媒質は「密」となっている。「節」の位置では半波長（λ／２）間隔で、伸び位置（位置Ａ）と縮み位置（位置Ｂ）とが周方向に交互に現れる。つまり、位置Ａと位置Ｂで振幅の位相は逆となる。一方、位置Ｃ及び位置Ｄは縦波の「腹」の位置であって、この位置で媒質が最も大きく移動する。

振動体３Ａは、周方向に伸縮することに伴い、ポアソン比に応じた変化量で上下方向にも伸縮する。ポアソン比の定義から、上下方向の変位は周方向の変位と逆関係になる。つまり振動体３Ａは、伸び位置である位置Ａでは上下方向に圧縮し、縮み位置である位置Ｂでは上下方向に膨張する。これに応じて搬送面３３１は、位置Ａにおいて下方に凹み、位置Ｂにおいて上方に突出する（図７及び図８参照）。

図６（ｃ）は、振動１周期基準で１／２の時間（ｔ／２）が経過した状態を示す。この時点で、振動体３Ａにおける位置Ａ及び位置Ｂは、図６（ａ）と同じ状態となる。図６（ｄ）は、振動１周期基準で３／４の時間（３ｔ／４）が経過した状態を示す。この時点では、図６（ｂ）の状態とは逆で、振動体３Ａにおける位置Ａで周方向の圧縮変位が発生し、位置Ｂでは周方向の引張変位が発生している。

振動発生部３４は、図３に示すように、振動体３Ａに前記圧縮変位及び前記引張変位を与える複数の変位発生部３４１…３４１を有している。本実施形態では、振動体３Ａの下面（または裏面）に振動発生部３４を構成する複数の変位発生部（圧電素子）３４１が貼付されている。各圧電素子３４１は、図３に概略的に示すように配置されている。各圧電素子３４１は、縦波の定在波で、図６（ａ）〜（ｄ）に示す前記「節」の位置に設けられる。複数の圧電素子３４１は、図３に示すように、定在波モードの波長の１／２（λ／２）のピッチで分極方向（図示「＋」「−」）が入れ替わるように配置された第１群（第１圧電素子群）３４１Ａと、この第１群３４１Ａとは１／４波長（λ／４）分周方向にずれた位置に配置されていて、第１群３４１Ａと同じく定在波モードの波長の１／２のピッチで分極方向が入れ替わるように配置された第２群（第２圧電素子群）３４１Ｂから構成されている。つまり、複数の変位発生部３４１…３４１は、前記モードの数（本実施形態では二つ）に対応した数の群３４１Ａ，３４１Ｂに分かれて属している。

本実施形態のパーツフィーダ１は、変位発生部３４１に対して、疎密波が発生する固有モードに対応した周波数の正弦波を印加する制御部６を備える。制御部６は振動発生部３４に接続されている。制御部６は、変位発生部３４１に対して、複数の群の各々３４１Ａ，３４１Ｂにて異なる位相の正弦波を入力する。具体的には、図３に示すように、交流電圧に係る正弦波を二系統に分け、一方の系統については、移相器により時間的な位相をずらせる。図示していないが、制御部６では正弦波の周波数を増減させる調整が可能である。元の正弦波と移相された正弦波をそれぞれアンプで増幅した上、各群３４１Ａ，３４１Ｂに属する圧電素子３４１に印加する。本実施形態では、各群３４１Ａ，３４１Ｂに属する圧電素子３４１に対し、０°モード、９０°モードにおける固有周波数にほぼ一致する周波数で、かつ、０°モードと９０°モードの定在波が時間的な位相で９０°ずれて発生するように、時間的な位相差を持った正弦波が印加される。

制御部６から振動発生部３４の印加された正弦波により、第１群３４１Ａに属する圧電素子３４１は、０°モードの節位置（振動体３Ａを構成する材料（波動の媒質）が周方向に不動である位置）を加振する。そして、第２群３４１Ｂに属する圧電素子３４１は、９０°モードの節位置を加振する。

ここで、圧電素子３４１の配置そのものは、従来のワーク搬送装置において、撓み進行波を発生させるための圧電素子の配置と同じである。しかし本実施形態では、圧電素子３４１を、縦波の定在波モードに対応して駆動させることで、振動体３Ａに横波（撓み進行波の場合）ではなく縦波の定在波を発生させることができる。そして、図４及び図５に示すように、空間的な位相がずれた複数（本実施形態では二つ）の定在波モードにて定在波を発生させることで、振動体３Ａに周方向（図４及び図５で時計回り）の進行波を発生させることができる。

周方向に発生した縦波によって、振動体３Ａを構成する材料固有のポアソン比に応じた変位量で、振動体３Ａを上下方向において膨張及び圧縮させることができる。これに伴い、搬送面３３１に前記膨張及び圧縮に応じた波打ちを発生させ、図８に示すように、搬送面３３１上に載置されたワークＷと搬送面３３１との間に働く摩擦力Ｆにより、ワークＷに対して周方向へ向かう力を発生させてワークＷを搬送させられる（詳細は後述する）。このように、本実施形態のワーク搬送装置（パーツフィーダ）１は、振動体３Ａに入力された縦波に対して、ポアソン比に対応して出力される搬送面３３１の波打ちを、ワークの搬送に利用している。

つまり、本実施形態のワーク搬送装置（パーツフィーダ）１は、本願出願人がこれまでに種々提案してきた、横波（撓み進行波の場合）を利用したワーク搬送装置に対して、本実施形態のワーク搬送装置１は、前述のような本質的に異なるメカニズムを有している。このメカニズムの違いにより、本実施形態のワーク搬送装置１では、従来のワーク搬送装置では改善に限界のあった問題点（具体的にはワークの跳躍）を、劇的かつ容易に改善できる。

前述のように構成された振動体３Ａでは、圧電素子３４１が駆動することによる加振により、縦波の定在波である０°モードの定在波（図４参照）と９０°モードの定在波（図５参照）が、時間的な位相で９０°ずれて、振動体３Ａの内部に発生する。これにより、振動体３Ａの周方向に進行する、縦波の進行波（縦波進行波）が発生する。つまり、この進行波とは、疎密波である縦波が、搬送面３３１の長手方向における一方向に進行している状態である。振動体３Ａを構成する材料に固有のポアソン比に応じて、各モードで疎密波が含む振動体３Ａの圧縮変位及び引張変位により、搬送面３３１には撓みとして波打ちが発生し、二つのモードの波打ちが搬送面３３１の長手方向における一方向に進行する進行波となる。

縦波進行波の発生により、振動体３Ａの周方向に、伸び縮みする水平方向の振動が発生する。縦ひずみが発生すると、これに付随して横ひずみも発生するというポアソン効果により、振動体３Ａには厚み方向（上下方向）においても拡張と縮小が繰り返されるような振動が発生する。この振動は、進行波によるものであるから定常波と違って節はなく、振動体３Ａの全周にわたって発生する。

進行波が発生している搬送面３３１のうち一点は、図７に示す回転軌跡Ｒのように、振動体３Ａの径外方向から見た場合に反時計回りで楕円運動する。図示した範囲の中央側は、周方向の引張変位が発生していて振動体３Ａが上下方向に小さくなっており、同範囲の左右両側は周方向の圧縮変位が発生していて振動体３Ａが上下方向に大きくなっている。

図８に、振動体３Ａが周方向の圧縮変位に応じて上下方向に膨張した瞬間における搬送面３３１の状態を誇張して示す。搬送面３３１におけるワークＷに対する接触点３３１ｐは、前述のように、反時計回りの回転軌跡Ｒを描くように移動する。この接触点３３１ｐの移動により、搬送面３３１上に載置されたワークＷには図示左向きの摩擦力Ｆが発生する。この結果、ワークＷは進行波の進行方向Ｍ（及び回転軌跡Ｒにおける上半分の移動方向）と同じ、図示左向きの方向Ｗｍに搬送される。進行波が発生すると、進行波と同方向に空気の流れが生じる場合がある。従来のワーク搬送装置では、空気の流れはワークの搬送方向と逆になるために搬送を妨げる力となり得る。一方、本実施形態では、空気の流れとワークＷの搬送方向が同一方向であるため、生じた空気の流れによってワークＷの搬送が妨げられることはない。

ここで、縦波進行波における振動状態は、以下の計算式により表される。

進行波の変位の状態を示す式を式１に示す。式中でxは振動体３Ａの周方向の位置、tは時間、u(x,t)は振動体３Ａにおける位置xにある質点の時間tにおける周方向の変位を示す。また、Aは周方向振幅（水平振幅）、fは周波数、λは波長を示す。
以下の式１では、x方向における一方向に進行する進行波が表される。

またこの時における、振動体３Ａの周方向のひずみε(x,t)は以下の式２で表される。

振動体３Ａのポアソン比をν、厚み（上下方向寸法）をt_hとすると、ポアソン効果により、位置xにおける搬送面３３１の垂直方向変位w(x,t)は以下の式３で表される。

以上の式から、搬送面３３１の周方向振幅はAであって、搬送面３３１の垂直振幅はπνt_hA/λとなることがわかる。従って、縦波進行波において、垂直振幅に対する周方向振幅（水平振幅）の比である楕円軸比は、以下の式４で表される。

一般的に波長λは板厚t_hに比べて非常に大きい値であるため、式４で表される楕円軸比も大きな値となる。このように本実施形態のワーク搬送装置１は、従来の撓み進行波を発生させるワーク搬送装置に比べて楕円軸比が大きく、運動軌跡の形状（径方向視の形状）が極めて横長の楕円運動を搬送面３３１に発生させることができる。式４の分母にλがあることからわかるように、波長が長い方が楕円軸比は大きくなる。

ちなみに、従来のワーク搬送装置では、運動軌跡の形状が縦長の楕円運動（特許文献１の図５参照）であり、搬送面にスリットを形成した場合であっても、真円より少し横長の楕円運動（特許文献１の図１２参照）となるだけであった。このため本実施形態のワーク搬送装置１は、水平方向の振幅に対して垂直方向の振幅が非常に小さいことからワークに与える跳躍力を従来に比べて大幅に低減できる。しかも、従来のようなスリットの形成が不要であることにより、搬送面３３１が、周方向で少なくともワークよりも大きな凹凸を有さない面とできるため、物理的にワークが引っ掛かる原因を除去できるので、搬送面３３１の形状が跳躍の原因になることもない。そして本実施形態のワーク搬送装置１は、垂直方向の振幅に対して水平方向の振幅を非常に大きくできることに応じて、ワークを高速に搬送することが可能となる。

以上、本発明につき一実施形態を取り上げて説明してきたが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、振動体３Ａの材料はポアソン効果を発生するものであれば、種々の材料とできる。また、振動体３Ａの形状は前記実施形態のような円環状に限定されず、中央に固定部３２を一体的に有する円盤状であってもよい。更に、振動体３Ａの外形は、前記実施形態のような真円形状（ボウルフィーダ３）、長円形状（リニアフィーダ４）に限定されない。例えば、振動体３Ａを直線状や端部を有する湾曲形状とすることもできる。この場合、進行波は周回するのではなく、長手方向の一方向に移動することになる。

また、図９に示すように、ボウルフィーダ３において圧電素子３４１をボウルフィーダ側搬送部３１（振動体３Ａ）の側面に取り付けてもよい。このように、振動体３Ａにおける圧電素子３４１の取り付け位置は限定されない。同じく、リニアフィーダ４において圧電素子４４２をボウルフィーダ側搬送部３１（振動体３Ａ）の側面に取り付けてもよい。また、図示はしないが、圧電素子３４１を振動体３Ａの内部に埋め込んでもよい。

また、前記実施形態では、第１群（第１圧電素子群）３４１Ａに属する圧電素子３４１と第２群（第２圧電素子群）３４１Ｂに属する圧電素子３４１とを周方向に１個ずつ交互に配置したが、配置態様はこれに限定されない。例えば径方向の一方側に第１群に属する圧電素子３４１をまとめて配置し、他方側（一方側とは周方向で１８０°逆の側）に第２群に属する圧電素子３４１をまとめて配置してもよい。

また、変位発生部３４１は、時間的な位相が異なる関係にある各群において１個以上が備えられていればよい。

また、前記実施形態では変位発生部３４１は圧電素子であった。しかし、これに限定されず、種々の手段（アクチュエータ）を用いることができる。例えば、磁歪素子を用いたり、電磁力により加振したり、静電気力により加振することもできる。

また、前記実施形態では縦波に着目して説明した。しかし、振動状態の振動体３Ａには、縦波単独ではなく横波が混在していてもよい。

１ ワーク搬送装置、パーツフィーダ
２ ベース部
３ ボウルフィーダ
３Ａ 振動体
３１ ボウルフィーダ側搬送部
３２ ボウルフィーダの固定部
３３ らせんトラック
３３１ 搬送面
３３２ らせんトラックの外周端部
３４ 振動発生部
３４１ 変位発生部、圧電素子
３４１Ａ 第１群（第１圧電素子群）
３４１Ｂ 第２群（第２圧電素子群）
４ リニアフィーダ
４１ リニアフィーダ側搬送部
４２ リニアフィーダの固定部
４３ メイントラック
４３１ メイントラックの搬送面
４４ リターントラック
４４１ リターントラックの搬送面
５ 進行波発生手段
６ 制御部

Claims (2)

1. ワークを載置した状態で搬送する搬送面を有する振動体と、
   前記振動体に、前記ワークの搬送方向に沿う方向の圧縮変位及び引張変位を含む疎密波を、少なくとも二つのモードで発生させることにより、前記搬送面を法線方向に撓ませることで、当該搬送面上の一点が側方視において楕円軌道を描く振動を発生させる振動発生部と、
   を備えることを特徴とするワーク搬送装置。
2. 前記振動発生部は、前記振動体に前記圧縮変位及び前記引張変位を与える複数の変位発生部を有し、
   前記複数の変位発生部は、前記モードの数に対応した数の群に分かれて属しており、
   前記複数の変位発生部に対して、前記疎密波が発生する固有モードに対応した周波数の正弦波を、前記の群の各々にて異なる位相で印加する制御部を備えることを特徴とする、請求項１に記載のワーク搬送装置。