JP2004122282A - 立体ワーク非接触吸着手段 - Google Patents

Abstract

【課題】より大きな吸着力を得ることにある。
【解決手段】立体的形状のワークＷｋの表面Ｗｋａに沿うように形成された吸着面１１ａを有し、この吸着面１１ａとワークＷｋの表面Ｗｋａとの間の細隙１１ｂに高速空気による負圧を生じさせてワークＷｋを吸着すべく吸着面１１ａの中央部に空気を細隙１１ｂに供給する供給口１３を設けた構成になっている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体が高速で流れる際にその静圧が負圧になることを利用して、ワークを保持するように構成したものであって、特に立体的形状のワークを保持するための立体ワーク非接触吸着手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
立体的形状のワークを非接触で吸着する手段としては、例えば特許文献１に示す立体ワーク非接触吸着手段が知られている。
この立体ワーク非接触吸着手段は、流体の供給口の下側に段階的に拡径される２つのクッション室を設け、各クッション室の角部（凸部）に凸レンズが近接することによって生じるノズルによってエジェクタ効果を生じさせ、これによって上側のクッション室に負圧（大気圧未満の圧力）を生じさせることにより、上記凸レンズを吸着して保持するように構成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２２６１１８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記立体ワーク非接触吸着手段においては、エジェクタ効果を発揮させるための専用の部品を備えたものではないので、大きな吸着力を得ることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情に基づいてなされたものであり、より大きな吸着力を得ることのできる立体ワーク非接触吸着手段を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、立体的形状のワークの表面に沿うように形成された吸着面を有し、この吸着面と上記ワークの表面との間の細隙に高速流体による負圧を生じさせて上記ワークを吸着すべく上記吸着面の中央部に上記流体を上記細隙に供給する供給口を設けたことを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記細隙から流出する流体の流出方向は、上記供給口から細隙に供給される流体の供給方向と一致する方向から当該供給方向に対して直交する方向までの間となるように設定されていることを特徴としている。
【０００８】
上記のように構成された請求項１および２に記載の発明においては、流体が供給口から細隙に供給され高速で流れることによって、当該流体の圧力（静圧）が低下して大気圧より十分低い負圧の状態になる。このため、ワークは、吸着面側に吸引されることになる。ただし、ワークが吸引されて、上記細隙がさらに狭まると、今度は流路抵抗の増大に伴って流体の圧力が増加し、ワークを押し返す力が生じることになる。したがって、ワークは、吸着面に対して所定の細隙を介して非接触の状態で安定的に保持されることになる。
【０００９】
また、上記負圧は大気圧に対して十分低いものとなるとともに、吸着面に沿うワークの表面の全体に作用することになるので、当該ワークに対して大きな吸着力が作用することになる。
さらに、ワークの表面と吸着面との間隔が一定であれば、常に一定の吸着力が得られ、上記間隔が部分的にでも異なれば、吸着力が変化することになることから、上記吸着力を測定することによって、ワークの表面形状の変化を検出することができる。したがって、ワークの表面形状の検査に利用することもできる。
【００１０】
請求項２に記載の発明においては、細隙から流出する流体の流出方向が供給口から細隙へ供給される流体の供給方向と一致する方向であれば、その供給方向において、細隙に供給される流体の運動量と、細隙から流出する流体の運動量とがほぼ等しくなる。この場合、上記各運動量の差によって生じる力がほぼ零になるので、当該力がワークの吸着力に影響を及ぼすことがほとんどない。
【００１１】
また、流出方向が上記供給方向に対して直交する方向になると、その供給方向において、細隙に供給される流体の運動量が所定の値であるのに対して、細隙から流出するその供給方向の流体の運動量成分が零になる。この場合、上記各運動量の差によって力が生じるとともに、その力がワークを吸着面から引き離す方向に作用することになる。すなわち、細隙に供給される流体の運動量が所定の値から零まで変化することによって生じる力分だけ吸着力が低下することになる。
【００１２】
さらに、流出方向が上記供給方向に対して１８０度逆転した方向になると、供給方向において、細隙に供給される流体の運動量が所定の値であるのに対して、細隙から流出する流体の運動量が１８０度逆転した方向に所定の値のものとなる。この場合、細隙に供給される流体の運動量が所定の値から零まで変化することによって生じる力に加えて、細隙から流出する流体が零から所定の値まで変化することによって生じる力が上述した吸着力を低下させる方向に作用することになる。すなわち、細隙に供給される流体の運動量が所定の値から零まで変化することによって生じる力と、細隙から流出する流体が零から所定の値まで変化することによって生じる力との合計分だけ吸着力が低下することになる。
【００１３】
ただし、請求項２に記載の発明においては、流出方向が供給方向と一致する方向から当該供給方向に対して直交する方向までの間となるように設定されているので、細隙から流出する流体の方向によって吸着力が低下するのを極力抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
【００１５】
この第１の実施の形態で示す立体ワーク非接触吸着手段１は、図１に示すように、立体的形状のワークＷｋの表面であって上方に凸となる半球面状の表面Ｗｋａに沿うように形成された半球面状の吸着面１１ａを有する所定の厚さの吸着板１１と、この吸着板１１の外周面から当該吸着板１１と同軸状に突出する円柱部１２とにより一体的に形成されている。そして、吸着板１１および円柱部１２の軸心部には、吸着板１１の吸着面１１ａとワークＷｋの表面Ｗｋａとの間の細隙１１ｂに高速の空気（流体）を供給して負圧を生じさせるための供給口１３が形成されている。この供給口１３は、吸着面１１ａの中央部に開口しているとともに、当該吸着面１１ａに直交する方向に延在している。
【００１６】
また、細隙１１ｂから流出する空気の流出方向は、供給口１３から細隙１１ｂに供給される空気の供給方向と一致する設定となっている。そして、当該立体ワーク非接触吸着手段１は、吸着面１１ａを下方に向けた状態でワークＷｋを吸着するようになっている。
【００１７】
上記のように構成された立体ワーク非接触吸着手段１においては、空気が供給口１３から細隙１１ｂに供給され高速で流れるため、当該空気の圧力（静圧）が大気圧より十分低い負圧の状態となる。このため、ワークＷｋは、吸着面１１ａ側に吸引されることになる。ただし、ワークＷｋが吸着面１１ａに近づき過ぎると、細隙１１ｂがさらに狭まって今度は流路抵抗の増大により空気の圧力が増大することになる。したがって、ワークＷｋは、吸着面１１ａに対して所定の間隔をおいて非接触で安定的に吸着されることになる。
【００１８】
また、上記負圧は吸着面１１ａに沿うワークＷｋの表面Ｗｋａの全体に作用することになるので、当該ワークＷｋに対して大きな吸着力が作用することになる。
さらに、ワークＷｋの表面Ｗｋａと吸着面１１ａとの間隔、すなわち細隙１１ｂの間隔が一定であれば、常に一定の吸着力が得られ、上記間隔が部分的にでも異なってくれば、吸着力が変化することになることから、上記吸着力を測定することによって、ワークＷｋの表面Ｗｋａの形状が変化していることを検出することができる。したがって、ワークＷｋの表面Ｗｋａの形状、例えばレンズの表面形状等の検査に利用することもできる。
【００１９】
また、細隙１１ｂから流出する空気の流出方向が供給口１３から細隙１１ｂへ供給される空気の供給方向と一致する方向となっているので、その供給方向において、細隙１１ｂに供給される空気の運動量と、細隙１１ｂから流出する空気の運動量とがほぼ等しくなる。このため、これらの各運動量の差によって生じる力がほぼ零になるので、当該力がワークＷｋの吸着力に影響を及ぼすことがほとんどない。したがって、上記負圧による強力な吸着力を発揮することができる。
【００２０】
（第１の他の例）
また、図２は、上記第１の実施の形態の第１の他の例として示した立体ワーク非接触吸着手段２である。
この立体ワーク非接触吸着手段２は、立体的形状のワークＷｋの表面であって下方に凹となる半球面状の表面Ｗｋａに沿うように形成された半球面状の吸着面２１ａを有する半球状の吸着部２１と、この吸着部２１の上側の平端面から当該吸着部２１と同軸状に突出する円柱部２２とにより一体的に形成されている。そして、吸着部２１および円柱部２２の軸心部には、吸着部２１の吸着面２１ａとワークＷｋの表面Ｗｋａとの間の細隙２１ｂに高速の空気を供給して負圧を生じさせるための供給口２３が形成されている。この供給口２３は、吸着面２１ａの中央部に開口しているとともに、当該吸着面２１ａに直交する方向に延在している。
【００２１】
また、細隙２１ｂから流出する空気の流出方向は、供給口２３から細隙２１ｂに供給される空気の供給方向に対して１８０度逆転した方向となる設定となっている。そして、当該立体ワーク非接触吸着手段２は、吸着面２１ａを下方に向けた状態でワークＷｋを吸着するようになっている。
【００２２】
上記のように構成された第１の他の例の立体ワーク非接触吸着手段２においても、上記立体ワーク非接触吸着手段１と同様の作用効果を奏する。
【００２３】
ただし、細隙２１ｂから流出する空気の流出方向が供給口２３から細隙２１ｂへ供給される空気の供給方向に対して１８０度逆転した方向になっているので、細隙２１ｂに供給される空気の運動量は零まで変化した後に、さらに逆転して細隙２１ｂから流出する空気の運動量まで零から変化することになる。したがって、上記各運動量をそれぞれ零まで変化させるのに相当する力が発生するとともに、当該力が上述した吸着力を低下させる方向に作用することになる。
【００２４】
（第２の他の例）
また、立体ワーク非接触吸着手段としては、図１の半球状の吸着板１１に代えて、半円筒状の吸着板によって形成してもよい。この半円筒状の吸着板を有する立体ワーク非接触吸着手段を上記第１の実施の形態の第２の他の例とする。なお、この第２の他の例は図１を用いて説明できるので、この図１に記された符号をそのまま用いて当該第２の他の例を説明する。
【００２５】
すなわち、吸着板１１は、立体的形状のワークＷｋの表面であって上方に凸となる半円筒面状の表面Ｗｋａに沿うように形成された半円筒面状の吸着面１１ａを有している。また、吸着板１１には、その外周面に円柱部１２が一体的に形成されている。この円柱部１２は、吸着板１１の周方向および軸方向の中央部に形成されている。そして、円柱部１２の軸心部には、吸着板１１の吸着面１１ａとワークＷｋの表面Ｗｋａとの間の細隙１１ｂに高速の空気を供給して負圧を生じさせるための供給口１３が形成されている。この供給口１３は、吸着面１１ａの中央部、すなわち吸着面１１ａの周方向および軸方向の中央部に開口しているとともに、当該吸着面１１ａに直交する方向に延在している。
【００２６】
また、細隙１１ｂから流出する空気の流出方向は、供給口１３から細隙１１ｂに供給される空気の供給方向と一致する方向から当該供給方向に対して直交する方向までの間の種々の方向になる。そして、当該第２の他の例の立体ワーク非接触吸着手段１は、吸着面１１ａを下方に向けた状態でワークＷｋを吸着するようになっている。
【００２７】
上記のように構成された第２の他の例の立体ワーク非接触吸着手段１も上記第１の実施の形態の立体ワーク非接触吸着手段１と同様の作用効果を奏する。
【００２８】
ただし、細隙１１ｂから流出する空気の流出方向が供給口１３から細隙１１ｂへ供給される空気の供給方向と一致する方向から当該供給方向に対して直交する方向までの間の種々の方向となるので、上記供給方向において、細隙１１ｂから流出する空気の運動量の変化量に相当する量の力が発生するとともに、当該力が上述した吸着力を低下させる方向に作用することになる。したがって、第２の他の例においては、上記第１の実施の形態の立体ワーク非接触吸着手段１の吸着力より若干低下したものとなる。
【００２９】
（第３の他の例）
また、立体ワーク非接触吸着手段としては、図２の半球状の吸着部２１に代えて、半円柱状の吸着部によって形成してもよい。この半円柱状の吸着部を有する立体ワーク非接触吸着手段を上記第１の実施の形態の第３の他の例とする。なお、この第３の他の例は図２を用いて説明できるので、この図２に記された符号をそのまま用いて当該第３の他の例を説明する。
【００３０】
すなわち、吸着部２１は、立体的形状のワークＷｋの表面であって下方に凹となる半円筒面状の表面Ｗｋａに沿うように形成された半円筒面状の吸着面２１ａを有している。また、半円柱状の吸着部２１には、この吸着部２１の上側の平端面に円柱部２２が一体的に形成されている。この円柱部２２は、吸着部２１の幅方向の中央部でかつ軸方向の中央部に形成されている。円柱部２２の軸心部には、吸着部２１の吸着面２１ａとワークＷｋの表面Ｗｋａとの間の細隙２１ｂに高速の空気を供給して負圧を生じさせるための供給口２３が形成されている。この供給口２３は、吸着面２１ａの中央部、すなわち吸着面２１ａの周方向および軸方向の中央部に開口しているとともに、当該吸着面２１ａに直交する方向に延在している。
【００３１】
また、細隙２１ｂから流出する空気の流出方向は、供給口２３から細隙２１ｂに供給される空気の供給方向に対して直交する方向から１８０度逆転する方向までの間の種々の方向になる。そして、当該第３の他の例の立体ワーク非接触吸着手段１は、吸着面２１ａを下方に向けた状態でワークＷｋを吸着するようになっている。
【００３２】
上記のように構成された第３の他の例の立体ワーク非接触吸着手段も上記第１の他の例の立体ワーク非接触吸着手段２と同様の作用効果を奏する。
【００３３】
ただし、細隙２１ｂから流出する空気の流出方向は、供給口２３から細隙２１ｂに供給される空気の供給方向に対して直交する方向から１８０度逆転する方向までの間の種々の方向となるので、まず細隙２１ｂに供給される空気の運動量が零まで変化する量に相当する量の力が発生するとともに、細隙２１ｂから流出する空気が逆方向に流れることによる運動量の変化分に相当する量の力が発生することになる。そして、これらの力は、上述した吸着力を低下させる方向に作用することになる。ただし、これらの力の合計は、第１の他の例で発生する力より小さい。したがって、第３の他の例においては、上記第１の他の例の立体ワーク非接触吸着手段２の吸着力より若干向上したものとなる。
【００３４】
（理論的解析）
上記第１の実施の形態およびその他の例に関して、さらに理論的に考察する。まず、上記第１の実施の形態の立体ワーク非接触吸着手段１に関し、吸着面１１ａとワークＷｋの表面Ｗｋａとが同心状に位置し、細隙１１ｂの半径方向の寸法であるクリアランスｔが一定の場合について、図３を参照して説明する。
ワークＷｋの表面Ｗｋａの中心を座標軸の原点とし、ｘ軸を供給口１３の延在する方向に対して直交する方向に設け、ｙ軸を供給口１３に延在する方向であって、当該供給口１３に向かう方向に正となるように設けた。
【００３５】
まず、吸着面１１ａおよびワークＷｋの表面Ｗｋａの半径をともにＲとし、ｙ軸からの距離（供給口１３の中心からの距離）をｒとし、ｙ軸とのなす角度をθとして示すと、ｙ軸からｒ位置の細隙１１ｂ内の圧力（静圧）ｐは、次のようにモデル化できる。
ｐ＝ｐｏ−ＣＱ^２／ｒ^２　…（１）
ここに、
Ｃ＝１／（８π^２ρｔ^２）　…（２）
ただし、ｐｏは供給口１３から供給される空気の全圧、Ｑは供給口１３から供給される空気の流量、ρは密度である。
【００３６】
そして、
ｒ＝Ｒｓｉｎθ　…（３）
より、
ｐ＝ｐｏ−ＣＱ^２／Ｒ^２ｓｉｎ^２θ　…（４）
となる。
【００３７】
吸着面１１ａに沿って発生する最大吸着力Ｗｍａｘ，ｐは、圧力を供給口１３の半径の角度θｏから負圧が大気圧ｐａに等しくなる位置の角度θｃまで積分して得られる。すなわち、
Ｗｍａｘ，ｐ＝∫（ｐａ−ｐ）２πｒＲｄθ−２πＲ^２（１−ｃｏｓθｏ）（ｐｏ−ｐａ）
＝２πＣＱ^２ｌｎ（ｔａｎ（θｃ／２）／ｔａｎ（θｏ／２））
−２πＲ^２（１−ｃｏｓθｃ）（ｐｏ−ｐａ）　　　　　　　　　　…（５）
となる。
【００３８】
実用的には、吸着面１１ａに沿った吸着力よりも吸着力のｙ成分、つまり、吊り下げ荷重の方に意義がある。この吸着力のｙ成分は、微分面積にｃｏｓθを乗じて上記と同様の積分を行うことによって求まる。すなわち、
Ｗｍａｘ，ｐ＝∫（ｐａ−ｐ）２πｒＲｃｏｓθｄθ−２πＲ^２（１−ｃｏｓθｏ）（ｐｏ−ｐａ）
＝２πＣＱ^２ｌｎ（ｓｉｎθｃ／ｓｉｎθｏ）
−２πＲ^２（ｐｏ−ｐａ）（（ｓｉｎ^２θｃ−ｓｉｎ^２θｏ）／２＋（１−ｃｏｓθｏ））　…（６）
【００３９】
上記（４）式はＲが小さいとθｃが大きくなることを示しており、このことより上記（６）式第１項の吸引力はＲが小さいほど大きくなる。また、第２項の反発力はＲが減少するとその２乗に比例して小さくなる。結果として、球面吸着の場合、一定の流量Ｑに対して半径Ｒが小さくなる程吸着力は大きくなる。
【００４０】
次に、実用的な使用環境ではサイズの異なる種々のワークＷｋに適用するケースが考えられることから、径が異なる２つの球面に対する吸着力について理論的な考察を行う。
【００４１】
すなわち、吸着面１１ａおよびワークＷｋの表面Ｗｋａの中心が図４に示すように、距離ｄで偏心しているものとして理論展開する。
この場合、吸着面１１ａの半径をＲｏ、ワークＷｋの表面Ｗｋａの半径をＲｉとすると、クリアランスｔは角度θによって、
ｔ（θ）＝（Ｒｏ^２＋ｄ^２ｓｉｎ^２θ）^１／２−ｄｃｏｓ^２θ−Ｒｉ　…（７）
と表される。したがって、圧力分布は、
ｐ＝ｐｏ−ＣｏＱ^２／ｔ^２（θ）ｓｉｎ^２θ　…（８）
となる。ただし、
Ｃｏ＝１／（８π^２ρＲｉ^２）　…（９）
である。
【００４２】
よって、吸着面１１ａに沿って発生する最大吸着力Ｗｍａｘ，ｐは、圧力をθｏ〜θｃの範囲で積分して求められる。すなわち、
Ｗｍａｘ，ｐ＝∫（ｐａ−ｐ）２πｒＲｉｄθ−２πＲｉ^２（１−ｃｏｓθｏ）（ｐｏ−ｐａ）
＝２πＲｉ^２ＣｏＱ^２∫ｄθ／ｓｉｎθｔ^２（θ）
−２πＲｉ^２（１−ｃｏｓθｏ）（ｐｏ−ｐａ）　　　　　　　　　…（１０）
となる。
【００４３】
上記（１０）式の右辺の積分は複雑であり数値計算によって求める必要がある。また、吸着力のｙ成分は前述した場合と同様にｃｏｓθを加味して、
Ｗｍａｘ，ｐ＝∫（ｐａ−ｐ）２πｒＲｉ　ｃｏｓθｄθ−２πＲｉ^２（１−ｃｏｓθｏ）（ｐｏ−ｐａ）
＝２πＲｉ^２ＣｏＱ^２∫ｄθ／ｔａｎθｔ^２（θ）
−２πＲｉ^２（ｐｏ−ｐａ）（（ｓｉｎ^２θｃ−ｓｉｎ^２θｏ）／２＋（１−ｃｏｓθｏ））…（１１）
となる。
【００４４】
上記（１１）式において、Ｒｏが大きくなると積分関数の値は小さくなる。このことから、ワークＷｋの表面Ｗｋａと吸着面１１ａとが偏心した状態になると吸着力が減少することになり、ＲｉとＲｏとが同心状に位置するとき、つまりクリアランスｔが吸着面１１ａに沿って一定のときに吸着力が最大になることが分かる。
【００４５】
次に、上記第１の実施の形態の第２の他の例で示した半円筒面状の吸着面１１ａで同じく半円筒面状のワークＷｋの表面Ｗｋａを吸着するメカニズムについて考察する。
この場合には、流管断面積を形状パラメータで表すのが容易ではない。このため、円筒面の半径Ｄが十分大きく、細隙１１ｂに供給された空気が負圧から大気圧に転換する点である負圧正圧転換点ｒｃが比較的小さく曲率の影響が少ない場合に対して近似解を得ることを試みた。そこで、供給口１３から下流域の圧力は、平板吸着面の場合と同様の分布をもって近似する。図５のように、平板の圧力分布を円筒面に等角写像し、その円筒面の微分面積に働く吸着力にｃｏｓψを乗じて最大吸着力のｙ軸成分を計算する。
【００４６】
平板の圧力分布は（１）式および（２）式で与えられるから、ｙ軸方向の最大吸着力Ｗｍａｘ，ｐは、次の（１２）、（１３）式を考慮して、（１４）式によって表せる。
Ｌ＝（ｒ^２ｓｉｎ^２θ＋Ｄ^２）^１／２　…（１２）
ｃｏｓψ＝Ｄ／Ｌ　　　　　　…（１３）
Ｗｍａｘ，ｐ＝∫（ｐａ−ｐ）ｄＡ　ｃｏｓψ−πｒｏ^２（ｐｏ−ｐａ）
＝∫（ｐａ−ｐ）ｒｄθｄｒＤ／（ｒ^２ｓｉｎ^２θ＋Ｄ^２）^１／２−πｒｏ^２（ｐｏ−ｐａ）
＝ＣＤＱ^２∫ｄｒｄθ／ｒ（ｒ^２ｓｉｎ^２θ＋Ｄ^２）^１／２
−（ｐｏ−ｐａ）∫ｒｄｒｄθＤ／（ｒ^２ｓｉｎ^２θ＋Ｄ^２）^１／２−πｒｏ^２（ｐｏ−ｐａ）…（１４）
ただし、ｒｏは供給口１３の半径である。
【００４７】
（１４）式は、吸着面１１ａおよび表面Ｗｋａの径である円筒径Ｄ＝∞のとき、吸着面１１ａが平板状に形成された場合の吸着力を表す式（後述の（２３）式）に帰結する。また、（１４）式において、第１項は吸引力成分を表し、第２項および第３項は反発力成分を表す。第１項は、円筒径が１／Ｄのファクタで残るのでＤが小さいほど、つまり円筒の曲率が大きいほど吸引力が大きくなることを示している。これに反し、第２項の反発力の場合は、Ｄのファクタで残るためＤが小さくなるほど反発力は弱まる。したがって、トータルとしての吸着力は、円筒半径Ｄが小さいほど大きくなり、逆に、Ｄが大きくなるにしたがい吸着力が弱まり、その最小値が平面状の吸着面による吸着力に等しくなる。
【００４８】
（運動量ベクトル）
また、ワークＷｋには上記空気の圧力に起因する吸引力の他に空気の運動量ベクトルの変化によって発生する力Ｆが作用することになるので、この力についても併せて理論解析を行う。
すなわち、実際には、上述した負圧による最大吸着力Ｗｍａｘ，ｐに対して上記力Ｆを考慮した値が最大吸着力になる。
なお、これまでの理論解析の中で表記した最大吸着力は空気の圧力に基づく吸着力成分を表すものであり、その意味で添字のｐを付してＷｍａｘ，ｐの記号を用いた。したがって、力Ｆを考慮した場合の最大吸着力としてはＷｍａｘの記号を用いて表示する。
【００４９】
すなわち、最大吸着力Ｗｍａｘは、
Ｗｍａｘ＝Ｗｍａｘ，ｐ−Ｆ　…（１５）
となる。ただし、力Ｆは、一般に最大吸着力Ｗｍａｘ，ｐを低減する方向に作用するので、上記（１５）式のようにマイナスの符号を付して表した。
【００５０】
上記力Ｆは、図６に示すように、入口と出口の空気（流体）の運動量に差が生じるシステムにおいて発生する力であり、
Ｆ＝Ｑ（ｖ−ｖ´ｃｏｓθ）　…（１６）
で表される。ここに、ｖはシステムに流入する空気の流速であり、ｖ´はシステムから流出する空気の流速であり、θは空気のシステムへの流入方向に対する当該空気の流出方向の角度である。また、力Ｆは、Ｆ＞０のとき抗力を意味し、Ｆ＜０のとき推力を意味する。
【００５１】
上記（１６）式を、図７（ａ）に示す吸着面およびワークの表面が平面状のもの、同図（ｂ）に示す吸着面およびワークの表面が半球面状のもの（上記第１実施の形態に相当）、同図（ｃ）に示す吸着面およびワークの表面が半円筒面状のもの（上記第１の実施の形態の第２の他の例に相当）のそれぞれに当てはめて、それぞれの力Ｆｆ、Ｆｓ、Ｆｃを解析すると次のようになる。
【００５２】
すなわち、図７（ａ）の場合の力Ｆｆは、
Ｆｆ＝Ｑ（ｖ−ｖ´ｃｏｓ（π／２））
＝Ｑｖ　　　　　　　　　　　　…（１７）
となる。ただし、ｃｏｓ（π／２）＝０である。
【００５３】
図７（ｂ）の場合の力Ｆｓは、
Ｆｓ＝Ｑ（ｖ−ｖ´ｃｏｓ（０））
＝Ｑ（ｖ−ｖ´）　　　　　　　…（１８）
となる。ただし、ｃｏｓ（０）＝１である。
【００５４】
図７（ｃ）の場合の力Ｆｃは、
Ｆｃ＝Ｑｖ−∫∫ｄＱｄ（ｖ´ｃｏｓθ）　…（１９）
となる。
【００５５】
図７のｖおよびｖ´の方向から、
Ｆｆ＞Ｆｃ＞Ｆｓ　　　　　　　　　　…（２０）
となることが分かる。
したがって、抗力としての上記各力Ｆｆ、Ｆｓ、Ｆｃを考慮した場合の最大吸着力をそれぞれＷｍａｘ，ｆ（図７（ａ））、Ｗｍａｘ，ｓ（図７（ｂ））、Ｗｍａｘ，ｃ（図７（ｃ））として比較すると、
Ｗｍａｘ，ｓ＞Ｗｍａｘ，ｃ＞Ｗｍａｘ，ｆ　　　　　　…（２１）
となる傾向になることが分かる。
【００５６】
同様にして、図１を参照して示した第１の実施の形態（下向き半球）や第２の他の例（下向き半円筒）の場合の上記力Ｆｓ、Ｆｃを考慮した最大吸着力Ｗｍａｘ，Ｎと、図２を参照して示した第１の他の例（上向き半球）や第３の他の例（上向き半円筒）の場合の上記力Ｆｓ、Ｆｃを考慮した最大吸着力Ｗｍａｘ，Ｒとを比較すると、
Ｗｍａｘ，Ｎ＞Ｗｍａｘ，Ｒ
となる。これは、第１の実施の形態の場合および第２の他の例の場合には、それぞれθ＝０度、θ＝０〜９０度となるのに対して、第１の他の例および第３の他の例場合には、それぞれθ＝１８０度、θ＝９０〜１８０度となるからである。
【００５７】
以上の結果から、θを９０度以下に設定することによって、より大きな吸着力を得ることができるということが分かる。
【００５８】
（第２の実施の形態）
次ぎに、この発明の第２の実施の形態を図８および図９を参照して説明する。この第２の実施の形態で示す立体ワーク非接触吸着手段３は、ワークＷｋとしてのボトルＢの上部を非接触で吸着するように構成したものであり、ボトルＢにおける胴部Ｂ０の上側に形成された肩部Ｂ１、この肩部Ｂ１の上側に形成された首部Ｂ２に設けられたキャップの側面部Ｂ３および同キャップの頂面部Ｂ４に沿うように形成された吸着面３１ａを有する吸着部３１と、この吸着部３１の外周面に設けられた整流板３２とを備えている。
【００５９】
すなわち、吸着面３１ａは、ボトルＢにおける円板状に形成された頂面部Ｂ４、円筒状に形成された側面部Ｂ３および円筒状の胴部Ｂ０から円筒状の首部Ｂ２に向けて漸次縮径するテーパ状に形成された肩部Ｂ１からなる被吸着表面Ｂ５に沿うべく凹状に形成されている。
【００６０】
そして、吸着部３１には、吸着面３１ａと被吸着表面Ｂ５との細隙３１ｂに高速の空気を供給して負圧を生じさせるための供給口３３が形成されている。この供給口３３は、吸着面３１ａの中央部であって頂面部Ｂ４の中央部に対応する位置に開口しているとともに、当該頂面部Ｂ４に対応する吸着面３１ａに直交する方向に延在している。
【００６１】
また、吸着部３１は、吸着面３１ａを被吸着表面Ｂ５に係合させた状態において、外周面が胴部Ｂ０の外周面よりわずかに大径に形成された円筒面になっている。
【００６２】
整流板３２は、円筒状に形成されたものであり、吸着部３１の下部外周面に嵌合されてボルト３４で固定されることにより、細隙３１ｂから流出する空気を胴部Ｂ０の外周面に沿って、ボトルＢの下方に案内するようになっている。
【００６３】
上記立体ワーク非接触吸着手段３によってボトルＢを吊り下げる場合のボトル肩部Ｂ１に働く最大吸着力Ｗｍａｘ，ｐは、
Ｗｍａｘ，ｐ＝２πＣＱ^２ｌｎ（（ｒｏ＋（ｒｃ−ｒｏ）ｃｏｓθ）／ｒｏ）
−π（ｒｏ＋（ｒｃ−ｒｏ）ｃｏｓθ）^２（ｐｏ−ｐａ）　…（２２）
となる。ただし、ｒｏは頂面部Ｂ４の半径、ｒｃは肩部Ｂ１を平板と仮定した場合のボトルＢの中心から負圧正圧変換点の位置までの半径、θは肩部Ｂ１の傾斜角度である。
【００６４】
上記（２２）は、θ＝０のとき平板の吸着ディスクによる最大吸着力Ｗｍａｘ，ｐ（下記（２３）式）となる。すなわち、吸着力は、θが零のとき平板吸着ディスクに一致して最大となり、θが大きくなるにしたがって減少することになる。このことを定量的に調べるため、吸着面が供給口から平面状に延在する場合と、吸着面が供給口から肩部Ｂ１のように円錐面状に延在する場合の吸着力について比較する。
【００６５】
まず、平面状の場合の最大吸着力Ｗｍａｘ，ｐ１は、
Ｗｍａｘ，ｐ１＝２πＣＱ^２ｌｎ（ｒｃ／ｒｏ）−πｒｃ^２（ｐｏ−ｐａ）　…（２３）
となる。ただし、この場合のｒｏは供給口の半径である。
【００６６】
したがって、平面状の場合の最大吸着力に対する円錐面状の場合の最大吸着力の割合比Ｗｍａｘ，ｐ／Ｗｍａｘ，ｐ１を比較することができる。
簡単のため、（２２）式と（２３）式のそれぞれの第１項の吸引力の比をとってみる。
Ｗｍａｘ，ｐの第１項／Ｗｍａｘ，ｐ１の第１項＝ｌｎ（１＋（ｒｃ−ｒｏ）ｃｏｓθ／ｒｏ）／ｌｎ（ｒｃ／ｒｏ）…（２４）
となる。
【００６７】
例えばｒｃ＝２０ｍｍとし、平板とボトルのｒｏの値をそれぞれ２．５ｍｍ、１２ｍｍとし、θ＝６０度とした場合には、円錐面の吸着力の吸引力成分は、平面の吸着力の吸引力成分の約１．４％になる。
したがって、ボトルＢのうち肩部Ｂ１の円錐面の部分に作用する吸着力はそれほど大きくないことが分かるとともに、頂面部Ｂ４のような面積の狭い平面部であっても平板の吸着面となるように空気を供給して、吸着力の増加を図ることが好ましいことが分かる。
【００６８】
上記のように構成された立体ワーク非接触吸着手段３においては、吸着面３１ａをボトルＢの上部に係合させて、供給口３３から空気を供給することにより、ボトルＢを空気を介して間接的に保持することができる。しかも、流速の最も速い段階で平面状の頂面部Ｂ４を流れるので、大きな吸着力を効率よく得ることができる。
【００６９】
また、整流板３２によって、細隙３１ｂから流出する空気の流れの方向を、供給口３３から供給される空気の流れの方向と一致させることができるので、空気の運動量の変化によって吸着力が低下するのを極力抑えることができる。
【００７０】
なお、上記第２の実施の形態においては、ボトルＢとして胴部Ｂ０が円筒形状に形成され、肩部Ｂ１がテーパ状（円錐面状）に形成されたものを示したが、このボトルとしては、胴部が例えば４角筒などの多角形状の筒状に形成し、肩部も多角錐面状に形成されたものであってもよい。この場合には、吸着面は、ボトルにおけるキャップの平板状の頂面部、同キャップの円筒状の側面部やこのキャップを設ける円筒状の首部の側面部およびこの首部に向けて多角筒状の胴部から漸次縮径する多角錐面状の肩部からなる被吸着表面に沿うべく凹状に形成されることになる。
【００７１】
【実施例】
以下、この発明の実施例を説明する。ここでは、図１０に示す装置を用い、上記第１実施の形態に対応する第１実施例、上記第１の他の例に対応する第２実施例、上記第２の他の例に対応する第３実施例および上記第３の他の例に対応する第４実施例について、圧力、吸着力等を測定する実験を行った。
【００７２】
１．実験条件
第１実施例〜第４実施例において、
吸着面の半径：５０ｍｍ
ワークの表面の半径：４９ｍｍ
供給口の半径：２．５ｍｍ
細隙に供給する流体：最大０．５ＭＰａの工業用圧縮空気
静圧測定位置：供給口の中心から周方向に所定の間隔をおいて静圧測定用の孔を設けた。供給口を含めた各孔のピッチは、供給口から第４孔目までは５ｍｍ、４孔から外方は１０ｍｍである。
なお、各孔の圧力は、各継手Ｅ３を介して通常の歪み測定式の圧力計またはマノメータ（圧力が大気圧に対して微小の場合）を用いて検出した。
全圧測定位置：ワークにおける、供給口に対して同軸状に形成された孔を介して測定した。この場合、全圧はワークとなる側に設けられた継手Ｅ１または継手Ｅ２を介して測定することになる。
吸着力：最大吸着力Ｗｍａｘ（上述した力Ｆを含む値）を測定した。
【００７３】
また、第３実施例および第４実施例において、
吸着面の軸方向の長さ：１００ｍｍ
である。
【００７４】
２．実験結果
（１）第１実施例および第２実施例の全圧と最大吸着力Ｗｍａｘとの関係
第１実施例（半球面状の吸着面下向き）および第２実施例（半球面状の吸着面上向き）について、吹出口から噴出する空気の全圧と、最大吸着力Ｗｍａｘ（この場合、空気の運動量に起因する上述した力Ｆが考慮されたものとなる）との関係を実験で求めた結果を図１１に示す。
【００７５】
なお、図１１において、●印は第１実施例の実験結果であり、×印は第２実施例の実験結果である。
また、全圧および最大吸着力Ｗｍａｘの測定は、予め最大吸着力Ｗｍａｘとなる重さの荷重を荷重取付具Ｇ（図１０）に取り付けておき、全圧を漸次低減することにより、ワークが吸着面から落下する直前の全圧を検出することによって行った。他の実験も同様である。
【００７６】
図１１の実験結果から、全圧がほぼ０．４ＭＰａ以上と高く細隙を流れる空気の流量が多く安定した状態においては、第１実施例の最大吸着力Ｗｍａｘは第２実施例の最大吸着力Ｗｍａｘの２倍以上の大きさになることが確認できる。これは、第２実施例の場合、上述したように、空気流の運動量ベクトルが１８０度向きを変えることに起因しているものと考察できる。なお、第１実施例の最大吸着力Ｗｍａｘのうち最大値は９ｋｇｆ強となっており、平板の吸着面の場合（図示せず）の約２倍になっている。
【００７７】
また、最大吸着力Ｗｍａｘは、全圧の増加とともに指数関数的に上昇することも確認できた。そして、第１実施例および第２実施例ともに、全圧が０．４ＭＰａに達したあたりから、最大吸着力Ｗｍａｘが急激に上昇する傾向にあることが分かる。したがって、供給口に供給する空気の全圧としては０．４ＭＰａ以上に設定することが好ましい。
【００７８】
（２）第３実施例および第４実施例の全圧と最大吸着力Ｗｍａｘとの関係
第３実施例（半円筒面状の吸着面下向き）および第４実施例（半円筒面状の吸着面上向き）について、吹出口から噴出する空気の全圧と、最大吸着力Ｗｍａｘとの関係を実験で求めた結果を図１２に示す。なお、図１２において、●印は第３実施例の実験結果であり、×印は第４実施例の実験結果である。
【００７９】
図１２の実験結果から、全圧がほぼ０．４ＭＰａ以上と高く細隙を流れる空気の流量が多く安定した状態においては、第３実施例の最大吸着力Ｗｍａｘが第４実施例の最大吸着力Ｗｍａｘより大きくなることが確認できる。これは、第４実施例の場合、上述したように、空気流の運動量ベクトルが部分的に１８０度向きを変えることに起因しているものと考察できる。
【００８０】
また、第３実施例の最大吸着力Ｗｍａｘのうち最大値は６ｋｇｆとなっており、平板の吸着面の場合（図示せず）の約１．５倍になっている。これは、第３実施例の場合は、吸着面が半円筒面状となっており、空気の運動量の変化に関し、半球面の特性と平面の特性とを併せもっているためと考察できる。
【００８１】
さらに、最大吸着力Ｗｍａｘは、全圧の増加とともに指数関数的に上昇することも確認できた。そして、第３実施例および第４実施例ともに、全圧が０．４ＭＰａに達したあたりから、最大吸着力Ｗｍａｘが急激に上昇する傾向にあることが分かる。したがって、供給口に供給する空気の全圧としては０．４ＭＰａ以上に設定することが好ましい。
【００８２】
（３）第１実施例および第２実施例の圧力分布
第１実施例（半球面状の吸着面下向き）および第２実施例（半球面状の吸着面上向き）についての圧力分布の測定結果をそれぞれ図１３および図１４に示す。
【００８３】
図１３の実験結果から、第１実施例は、半球面の中心角度で供給口の中心から約２０度以内の範囲に大きな負圧が発生し、この範囲に強力な吸着力が発生していることが分かる。また、平面状の吸着面の場合の圧力分布（図示せず）に比べて負圧正圧転換点の位置が５ｍｍ程度供給口側に位置することが確認でき、負圧発生領域は半球面の方が平面の場合より狭くなることが分かる。
【００８４】
また、第１実施例は、負圧正圧転換点より外側において、平面状の吸着面の場合に比べて、正圧方向にかなり大きなオーバーシュートが観測される。そして、図１３には明瞭に表れていないが、測定データ上では、オーバーシュートの後、再び、約１０ｍｍＨ_２Ｏ程度の負圧が吸着面の外縁まで発生している。この負圧も、最大吸着力に少なからず寄与しているものと思われる。
【００８５】
一方、図１４に示す第２実施例は、第１実施例のような正圧の強いオーバーシュート現象がほとんど発生せず、この点は平板の吸着面の場合と同様である。負圧の範囲は、供給口の中心から約２４度以内となっており、第１実施例より広くなっている。ただし、吸着力は第１実施例の１／２以下となっており、上述したように、空気流の運動量ベクトルが１８０度向きを変えることに起因しているものと考察できる。
【００８６】
（４）第３実施例および第４実施例の圧力分布
第３実施例（半円筒面状の吸着面下向き）および第４実施例（半円筒面状の吸着面上向き）についての圧力分布の測定結果をそれぞれ図１５および図１６に示す。
【００８７】
図１５の実験結果から、第３実施例は、圧力分布のプロファイルが第１実施例（図１３）と同様の傾向になっている。ただし、正圧のオーバーシュートとその外側に発生する負圧は、ともに第１実施例の場合より弱くなっている。これは、最大吸着力が第１実施例よりも小さくなる要因の一つとなっている。
【００８８】
一方、図１６に示す第４実施例は、圧力分布が非常に整然とした挙動を示す結果となった。すなわち、吸着力が０．４５ｋｇｆから３．０１ｋｇｆへと大きくなるにつれて供給口の全圧が大きくなり、無次元圧力である（ｐ−ｐａ）／（ｐｏ−ｐａ）が負圧側にＵ字状に変化し、再び圧力零のラインに滑らかに戻る傾向を示している。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１および２記載の発明によれば、流体が供給口から細隙に供給され高速で流れることによって、当該流体の圧力（静圧）が低下して大気圧より十分低い負圧の状態になるとともに、この負圧が吸着面に沿うワークの表面の全体に作用することになるので、当該ワークに対して大きな吸着力を作用させることができる。
【００９０】
さらに、ワークの表面と吸着面との間隔が一定であれば、常に一定の吸着力が得られ、上記間隔が部分的にでも異なれば、吸着力が変化することになることから、上記吸着力を測定することによって、ワークの表面形状の変化を検出することができる。したがって、ワークとしての例えばレンズの表面形状の検査に利用することもできる。
【００９１】
請求項２に記載の発明によれば、流体の流出方向が流体の供給方向と一致する方向から当該供給方向に対して直交する方向までの間となるように設定されているので、細隙から流出する流体の方向によって吸着力が低下するのを極力抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態として示した立体ワーク非接触吸着手段の断面図であるとともに、当該第１の実施の形態の第２の他の例として示した立体ワーク非接触吸着手段の断面図である。
【図２】上記第１の実施の形態の第１の他の例として示した立体ワーク非接触吸着手段の断面図であるとともに、当該第１の実施の形態の第３の他の例として示した立体ワーク非接触吸着手段の断面図である。
【図３】上記第１の実施の形態および上記第１の他の例の立体ワーク非接触吸着手段の理論解析のために用いた断面説明図である。
【図４】同立体ワーク非接触吸着手段の理論解析のために用いた断面説明図である。
【図５】上記第２の他の例および上記第３の他の例の立体ワーク非接触吸着手段の理論解析のために用いた説明図である。
【図６】流体の運動量ベクトル（運動量）の変化によって力が発生する概念を説明するための説明図である。
【図７】流体の運動量ベクトルの変化によって力が発生する概念を説明する図であって、（ａ）は吸着面が平面の場合の説明図であり、（ｂ）は吸着面が半球面の場合の説明図であり、（ｃ）は吸着面が半円筒面の場合の説明図である。
【図８】この発明の第２の実施の形態として示した立体ワーク非接触吸着手段の断面図である。
【図９】同立体ワーク非接触吸着手段の理論解析のために用いた断面説明図である。
【図１０】この発明の実施例を示す図であり、実験に用いる立体ワーク非接触吸着手段の一例を示す断面説明図である。
【図１１】同実施例のうち、第１実施例と第２実施例の実験結果を示す図であって、全圧と最大吸着力との関係を示す図である。
【図１２】同実施例のうち、第３実施例と第４実施例の実験結果を示す図であって、全圧と最大吸着力との関係を示す図である。
【図１３】同実施例のうち、第１実施例の圧力分布の実験結果を示す図である。
【図１４】同実施例のうち、第２実施例の圧力分布の実験結果を示す図である。
【図１５】同実施例のうち、第３実施例の圧力分布の実験結果を示す図である。
【図１６】同実施例のうち、第４実施例の圧力分布の実験結果を示す図である。
【符号の説明】
１１ａ、２１ａ、３１ａ　吸着面
１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ　細隙
１３、２３、３３　供給口
Ｗｋ　ワーク
Ｗｋａ　表面

Claims (2)

1. 立体的形状のワークの表面に沿うように形成された吸着面を有し、この吸着面と上記ワークの表面との間の細隙に高速流体による負圧を生じさせて上記ワークを吸着すべく上記吸着面の中央部に上記流体を上記細隙に供給する供給口を設けたことを特徴とする立体ワーク非接触吸着手段。
2. 上記細隙から流出する流体の流出方向は、上記供給口から細隙に供給される流体の供給方向と一致する方向から当該供給方向に対して直交する方向までの間となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の立体ワーク非接触吸着手段。

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