JP4261494B2 - 空気圧アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、微細かつ精密な推力を発生させる空気圧アクチュエータに関するものである。

従来、微細かつ精密な推力でワークを制御する空気圧アクチュエータは、メタルシリンダ、ベローズシリンダ、ラム型シリンダ等の種々の構造が提案されている。
メタルシリンダは、シリンダ内を移動するピストンに出力ロッドの基端部が固定され、シリンダ内に供給される空気圧に基づいてピストンが移動し、そのピストンの移動にともなって出力ロッドがシリンダから突出し、あるいはシリンダ内に引き込まれる。ピストンの両側に空気圧を交互に供給することにより、出力ロッドが往復動作する復動型アクチュエータが構成される。

このようなメタルシリンダでは、シリンダ内面に摺接するパッキンをピストンに取着し、かつ出力ロッドを支持する軸受にパッキンを備える必要がある。
ベローズシリンダは、２つのべローズを使用して、シリンダ内で複数の圧力室を区画し、その圧力室に空気圧を交互に供給することによりピストンを往復動させて出力ロッドを往復動作させる。

ラム型シリンダは、出力ロッドの中間部をシール材で移動可能に保持し、その出力ロッドの一端部を圧力室内へ突出させ、他端部をシリンダ外へ突出した構成である。そして、圧力室内に供給される空気圧とシリンダ外の大気圧との圧力差に基づいて、出力ロッドを移動させるようになっている。

このようにラム型シリンダでは、通常シリンダ外へ突出した出力ロッドをシリンダ内に復帰させる機能を持たない単動型アクチュエータとして構成される。また、出力ロッドをシリンダ内に復帰させるためにコイルスプリングを内蔵し、そのコイルスプリングの復元力を出力ロッドに作用させて、復動型アクチュエータとする構成も提案されている。

特許文献１には、磁気ばね装置が開示されている。
特開２００２−５４６７１号公報

メタルシリンダあるいはベローズシリンダでは、ピストンをシリンダ内面にシール部材を介して摺接させ、かつ出力ロッドを軸受けに対しシール部材を介して移動可能に支持して２箇所でシールする構成であるため、摺動抵抗が大きくなる。また、摺動部分の寸法精度が低い場合には、出力ロッドと軸受けとの間あるいはピストンとシリンダ内面との間でかじりが発生し易い。

従って、圧力室内に供給される空気圧に基づいて、出力ロッドに発生する推力を精密に制御することが困難となっている。
また、ベローズシリンダでは２つのベローズを内蔵する必要があるので、小型化が困難である。

ラム型シリンダでは、出力ロッドの中間部をシール材でシールする構成であるため、上記のようなかじりの発生を防止して、安定した推力を発生させることができる。しかし、単動型であることから、出力ロッドをシリンダ内に復帰させるためにシリンダ外において出力ロッドを原位置まで押圧する構成が必要となる。

また、コイルスプリングの付勢力に基づいて出力ロッドをシリンダ内に復帰させる構成では、出力ロッドの移動ストロークに対し、コイルスプリングの付勢力が変化するため、出力ロッドの推力が変化してしまうという問題点がある。

この発明の目的は、単動ラム型シリンダを使用しながら、出力ロッドの安定した復帰機能を備えた空気圧アクチュエータを簡便な構成で提供することにある。

上記目的は、ケースにロッドを移動可能に支持し、前記ケース内に設けた圧力室に空気圧を供給することにより前記ロッドを駆動するラム型シリンダで構成した空気圧アクチュエータにおいて、前記ロッドを原位置に向かって付勢する磁気ばねを備えた空気圧アクチュエータにより達成される。

本発明によれば、単動ラム型シリンダを使用しながら、出力ロッドの安定した復帰機能を備えた空気圧アクチュエータを簡便な構成で提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。図１に示す空気圧アクチュエータはラム型シリンダで構成され、アルミ等の非磁性材で形成された円筒状のケース１内中央部にメタルシールにてなるシール材２が配設され、そのシール材２にロッド３が軸方向に移動可能に支持されている。このシール材２は、カーボン、合成樹脂等の非磁性材を使用してもよい。また、ロッド３は非磁性材で形成され、例えばアルミの表面に所要の硬化処理を施して形成する。

前記ロッド３の基端部には膨径部４が一体に設けられ、シール材２からの抜け止めを構成している。そして、前記膨径部４とケース１の基端部との間に圧力室５が形成され、その圧力室５に空気圧制御装置から供給ポート（図示しない）を介して所定圧力の空気圧が供給される。そして、圧力室５内の気圧が上昇すると、ロッド３が軸方向に移動してその先端部がケース１外に突出するようになっている。

前記ケース１の先端部内周面には円筒状の外側磁石６が固定され、その外側磁石６の内側において前記ロッド３の外周面には円筒状の内側磁石７が固定されている。前記外側磁石６及び内側磁石７は、図２に示すように、それぞれ周方向に４極で構成され、外側磁石６と内側磁石７とが互いに引き合うように着磁されている。また、外側磁石６と内側磁石７との間には所定の間隙が確保され、互いに非接触で移動可能である。

上記のような外側磁石６及び内側磁石７により磁気ばねｍｓが構成され、ロッド３がケース１外へ移動するとき、同ロッド３を原位置すなわちケース内に復帰させようとする吸引力が作用するようになっている。この吸引力は、ロッド３の移動量に関わらず一定である。また、ロッド３の回転に対しても、原位置に復帰させようとする吸引力が作用するようになっている。

前記シール材２と外側磁石６との間において、前記ケース１には排気ポート１０が設けられ、前記圧力室５からシール材２とロッド３との隙間を経てもれる圧縮空気を排出可能となっている。

前記ロッド３の膨径部４の外周部には、環状の位置検出用磁石８が嵌着されている。また、ケース１の基端部外周面には、位置検出用磁石８の磁気を検出し、その検出信号を制御部（図示しない）に出力する磁気検出部９が取着されている。制御部では、磁気検出部９の検出信号に基づいて前記空気圧制御装置を制御し、圧力室５に供給する空気圧を制御する。

次に、上記のような空気圧アクチュエータの動作を説明する。ロッド３の先端部にはワークを押圧するための所定の冶具が取着される。また、ロッド３の先端部で直接ワークを押圧する場合もある。

圧力室５内に空気圧を供給しない状態では、磁気ばねｍｓの作用によりロッド３はほぼケース１内に没入する原位置に保持される。この状態から、圧力室５内に空気圧が供給されると、ロッド３が磁気ばねｍｓの吸引力に抗してケース１から突出され、ワークに当接するとその移動が一旦停止される。

ロッド３の移動が停止されると、制御部では磁気検出部９の検出信号に基づいてロッド３がワークに当接したことを検知し、圧力室５に所定の空気圧を供給する。すると、ロッド３を介してワークが圧力室５内の空気圧に基づく所定圧力で押圧される。

このとき、圧力室５からロッド３とシール材２との隙間を経てロッド３の先端側に向かって抜ける空気は、排気ポート１０から排出されるので、ケース１の先端側からワークに向かって噴出されることはない。

ワークの押圧動作が終了した後、圧力室５内の圧力が引き下げられると、磁気ばねｍｓの吸引力によりロッド３がケース１内に引き込まれ、原位置に復帰する。
上記のように構成された空気圧アクチュエータでは、次に示す作用効果を得ることができる。
（１）ラム型シリンダで構成されるため、ロッド３はその中間部がシール材２で移動可能に支持され、ロッド３の移動に際しかじりが発生することがなく、ロッド３を低摩擦抵抗で移動させることができる。従って、圧力室５に供給する空気圧の制御に基づいて、ワークを押圧する圧力を高精度に制御することができる。
（２）磁気ばねｍｓの作用により、圧力室５内の空気圧を低下させれば、ロッド３をケース１内に向かって移動させて、原位置まで自動的に復帰させることができる。
（３）磁気ばねｍｓの作用により、ロッド３の回転を阻止する吸引力が作用する。シール材２はロッド３の回転に対しても低抵抗であるが、磁気ばねｍｓによりワークの押圧動作時のロッド３の回転が阻止されるので、ロッド３の回転によるワークの損傷を防止することができる。
（４）磁気ばねｍｓは、ロッド３の移動量に関わらず一定の復元力を発生するので、ロッド３の押圧力の制御を容易かつ正確に行うことができる。
（５）磁気ばねｍｓは、ロッド３の移動にともなう摺動部分が存在しないので、ロッド３の移動による塵の発生を防止することができる。
（６）圧力室５からロッド３とシール材２との隙間からロッド３の先端側に向かって抜ける空気を、ケース１の先端側からワークに向かって噴出することなく、排気ポート１０から排出することができる。このとき、ケース１の先端側に磁気ばねｍｓを構成する外側磁石６及び内側磁石７が配設されているので、ケース１の先端側に抜けようとする空気が両磁石６，７により阻害されて、排気ポート１０に案内される。
（７）磁気検出部９により、ロッド３の移動状態を検知して、ワークの押圧動作を精密に制御することができる。
（８）ロッド３及びその膨径部４をアルミ等の非磁性材で形成することにより、膨径部４に取着した位置検出用磁石８の位置を磁気検出部９で容易に検出することができる。
（９）ロッド３をアルミ等の軽量材で形成することにより、ロッド３の慣性力を低減することができる。従って、ロッド３の慣性力によるワークの損傷を防止することができる。
（１０）シール材２をカーボン等の軽量材で形成すれば、メタルシールで形成する場合に比して軽量化を図ることができる。
（第二の実施の形態）
図３は、上記のような磁気ばねｍｓを備えたラム型シリンダによる空気圧アクチュエータの第二の実施の形態を示す。ケース１の先端部に設けられた軸受１１に対しロッド３が移動可能に支持され、軸受１１に隣接してケース１内にはメタルシール１２が配設されている。

ケース１の基端部には圧力室５が設けられ、その圧力室５には所要の空気圧を供給するための供給孔１３が形成されている。そして、圧力室５とメタルシール１２との間において、ケース１に取着される外側磁石と、ロッド３に取着される内側磁石とで構成される磁気ばねｍｓが配設されている。

このような空気圧アクチュエータでは、磁気ばねｍｓの作用により、前記第一の実施の形態と同様なロッド３の復帰機能と回転防止機能とを備えた構成とすることができる。
（第三の実施の形態）
図４は、第三の実施の形態を示す。この実施の形態は、前記第二の実施の形態のメタルシール１２に代えて、圧力室５をベローズシール１４でシールする構成を示し、軸受１１と磁気ばねｍｓが隣接して設けられる。

このような構成では、第二の実施の形態と同様な作用効果を得ることができるとともに、ベローズシール１４はメタルシール１２に比してシール機能に優れるため、圧力室５に供給する空気量を削減可能となる。従って、空気圧制御装置の空気供給量を削減することができるので、省エネルギー化を図ることができる。
（第四の実施の形態）
図５は、第四の実施の形態を示す。この実施の形態は、前記第二の実施の形態のメタルシール１２に代えて、弾性体シール１５を配設したものである。このような構成でも、磁気ばねｍｓの作用により、前記第一の実施の形態と同様なロッド３の復帰機能と回転防止機能とを備えた構成とすることができる。
（第五の実施の形態）
図６は、第五の実施の形態を示す。この実施の形態は、前記第二の実施の形態のメタルシール１２に代えて、シール機能を備えた静圧軸受１６を備えたものである。静圧軸受１６は、多孔質材で軸受を構成し、静圧供給装置（図示しない）から供給孔１７に所定の圧力を供給することにより、軸受機能とシール機能とを併せ持つ公知の構成である。そして、静圧軸受１６に隣接して磁気ばねｍｓが配設される。

このような構成により、静圧軸受１６を備えたラム型シリンダの空気圧アクチュエータにおいて、磁気ばねｍｓの作用により、前記第一の実施の形態と同様なロッド３の復帰機能と回転防止機能とを備えた構成とすることができる。

上記実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・外側磁石６及び内側磁石７の極数は４曲以外の極数としてもよい。極数の変更により、ロッド３の許容回転角度を変更可能である。

第一の実施の形態の空気圧アクチュエータを示す断面図である。 磁気ばねを示す断面図である。 第二の実施の形態を示す断面図である。 第三の実施の形態を示す断面図である。 第四の実施の形態を示す断面図である。 第五の実施の形態を示す断面図である。

符号の説明

１ ケース
２ シール材
３ ロッド
５ 圧力室
６ 外側磁石
７ 内側磁石
８ 位置検出用磁石
９ 磁気検出部
１０ 排気ポート
ｍｓ 磁気ばね

Claims (5)

1. ケースにロッドを移動可能に支持し、前記ケース内に設けた圧力室に空気圧を供給することにより前記ロッドを駆動するラム型シリンダで構成した空気圧アクチュエータにおいて、
   前記ロッドを原位置に向かって付勢する磁気ばねを備え、
   前記ケース内には前記ロッドを移動可能に支持するシール材を設け、前記シール材の一端側に前記圧力室を設け、前記シール材の他端側に前記磁気ばねを設け、前記シール材と磁気ばねとの間において前記ケースに排気ポートを備えたことを特徴とする空気圧アクチュエータ。
2. 前記磁気ばねは、前記ケースの内周面に取着した円筒状の外側磁石と、前記外側磁石の内側において前記ロッドに取着された内側磁石とを備え、前記外側磁石と内側磁石との磁力に基づいて、前記ロッドを軸方向及び回転方向の原位置に向かって付勢することを特徴とする請求項１記載の空気圧アクチュエータ。
3. 前記ロッドを非磁性材で形成し、前記ロッドの基端部に位置検出用磁石を取着し、前記ケース外には前記位置検出用磁石の位置を検出する磁気検出部を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の空気圧アクチュエータ。
4. 前記シール材をメタルシールで形成したことを特徴とする請求項１または２記載の空気圧アクチュエータ。
5. 前記シール材を非磁性材で形成したことを特徴とする請求項１または２記載の空気圧アクチュエータ。

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