JP6456565B1 - 流体シリンダ - Google Patents

Abstract

特に、電力消費の低減及びコンパクト化を図りつつ、高精度に回転させながらストロークが可能な流体シリンダを提供することを目的とする。本発明の流体シリンダ（１）は、シリンダ本体（２）と、前記シリンダ本体内に支持された軸部材（３）と、を有する流体シリンダであって、流体の作用により、前記軸部材を回転させながら、軸方向へのストロークを可能としたことを特徴する。前記流体による回転圧に基づいて前記軸部材を回転させる回転駆動部（１０）と、前記流体によるシリンダ制御圧に基づいて前記軸部材をストロークさせるストローク駆動部（１１）とが、前記シリンダ本体内に区画して設けられている。

Description

本発明は、エアベアリング式シリンダ等の流体シリンダに関する。

下記特許文献には、エアベアリング式シリンダに関する発明が記載されている。エアベアリング式シリンダは、シリンダ本体と、シリンダ本体内に収容された軸部材と、軸部材の外周面に設けられたエアベアリングと、を有して構成される。

エアベアリングからエアが噴出されることで、軸部材は、シリンダ本体内で浮いた状態を保つ。また、シリンダ本体と軸部材との間にはシリンダ室が設けられており、シリンダ室へのエアの給排に基づいて、軸部材を軸方向にストロークさせることを可能としている。

従来のエアシリンダでは、例えば、特許文献１のように、回転駆動モータを用いて軸部材を回転させていた。なお、特許文献２には、軸部材の回転機構について開示されていない。

特開２０１１−６９３８４号公報 特開２０１２−５７７１８号公報

しかしながら、従来のように、軸部材をモータで回転させる構成では、消費電力の増大や、コンパクト化を適切に図ることができない問題があった。すなわち、モータを使用することで、熱の発生により、消費電力が増大しやすい。また、機械的に軸部材を回転させるため、回転機構が煩雑化し、コンパクト化を適切に図ることができない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、特に、電力消費の低減及びコンパクト化を図りつつ、高精度に回転させながらストロークが可能な流体シリンダを提供することを目的とする。

本発明は、シリンダ本体と、前記シリンダ本体内に支持された軸部材と、を有する流体シリンダであって、流体の作用により、前記軸部材を回転させながら、軸方向へのストロークを可能とし、前記軸部材には、回転羽根が取り付けられており、前記回転羽根に対する前記流体の作用により、前記回転羽根を備える前記軸部材を回転させることを特徴とする。

本発明では、前記軸部材は、前記シリンダ本体内で浮いた状態で支持されていることが好ましい。
本発明では、前記軸部材には、回転羽根が取り付けられており、前記回転羽根に対する前記流体の作用により、前記回転羽根を備える前記軸部材の全体を回転させながら、軸方向へのストロークを可能としたことが好ましい。

本発明では、前記シリンダ本体には、前記回転羽根を配置する回転駆動室が設けられており、前記回転駆動室は、前記回転羽根の軸方向へのストロークを許容する空間を備えることが好ましい。
本発明では、前記回転駆動室は、前記回転駆動室内に前記流体を供給するポートと、前記流体を外部へ排出する排出口と、を有することが好ましい。

本発明では、前記軸部材は、前記シリンダ本体から前方へ突出するストロークが許容されており、前記軸部材の後端に、前記回転羽根が取り付けられていることが好ましい。

本発明は、シリンダ本体と、前記シリンダ本体内に支持された軸部材と、を有する流体シリンダであって、流体の作用により、前記軸部材を回転させながら、軸方向へのストロークを可能とし、前記軸部材は、回転駆動体を備え、前記軸部材の軸方向への位置を測定可能な位置センサが、前記軸部材に非接触で配置されており、前記軸部材は、前記シリンダ本体から前方へ突出するストロークが許容されており、前記軸部材には、軸中心に沿って後端面に開口する孔が形成されており、前記孔内に、前記回転駆動体と非接触の前記位置センサが配置されることを特徴とする。

本発明では、前記軸部材は、エアベアリングを備えており、前記シリンダ本体には、前記エアベアリングにエアを噴出するエア供給口が設けられていることが好ましい。

本発明の流体シリンダによれば、電力消費の低減及びコンパクト化を図りつつ、高精度に回転させながらストロークを可能とする。

本実施形態の流体シリンダの外観図である。 本実施形態の流体シリンダの断面図である。 本実施形態の流体シリンダの前方へのストローク状態を示す断面図である。

以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施形態」と略記する。）について、詳細に説明する。

図１〜図３に示す流体シリンダ１は、シリンダ本体２と、シリンダ本体内に支持された軸部材３と、を有して構成される。

本実施形態の流体シリンダ１は、流体の作用により、軸部材３を回転させながら、軸方向へのストロークを可能とする。「回転」とは、軸部材３の軸中心Ｏ（図２参照）を回転中心として回転することを指す。「ストローク」とは、軸部材３が、図２に示すＸ１−Ｘ２方向へ移動することを指す。なお、Ｘ１方向は、流体シリンダ１の前方側であり、Ｘ２方向は、流体シリンダ１の後方側である。図３のストローク状態は、軸部材３が、図２の状態から前方に移動した状態を示している。

このように、本実施形態では、流体の作用で、軸部材３の回転と、軸部材３のストロークとの双方を可能とする点に特徴がある。すなわち、従来では、軸部材３の回転と、軸部材３のストロークとの双方を流体の作用で制御している流体シリンダは存在しなかった。本実施形態では、流体の作用で、軸部材３を回転させながらストロークさせることができるため、例えば、従来のように、軸部材の回転をモータ駆動で制御する構成に比べて、消費電力の低減とコンパクト化を図りながら、高精度な回転ストロークを行なうことが可能である。

以下、本実施形態の流体シリンダ１の具体的構成について説明する。なお、本実施形態では、「流体」は、空気（エア）に限らず、液体であってもよく、また、軸部材３の回転と、軸部材３のストロークとを異なる種類の流体の作用で制御することも可能であるが、以下の実施形態では、エアの作用で、軸部材３を回転させながらストロークを可能とするエアベアリング式シリンダについて説明する。

本実施形態の軸部材３は、所定の径で形成され且つ、Ｘ１―Ｘ２方向に所定の長さ寸法Ｌ１（図２参照）で形成されたピストン４と、ピストン４の前端面に設けられ、ピストン４よりも径の小さい第１ピストンロッド５と、ピストン４の後端面に設けられ、ピストン４よりも径の小さい第２ピストンロッド６と、を有して構成される。図２に示すように、ピストン４、第１ピストンロッド５及び第２ピストンロッド６は、一体化されている。図２に示すように、ピストン４、第１ピストンロッド５及び第２ピストンロッド６の軸中心は一直線上に揃っている。この実施形態では、第１ピストンロッド５の径と、第２ピストンロッド６の径とが同じ大きさであるが、異なっていてもよい。

図２に示すように、軸部材３の第２ピストンロッド６の後端側には、回転駆動体７が取り付けられている。回転駆動体７の構造を限定するものではないが、図２では、回転駆動体７は、例えば、複数の羽根７ａが等角度で配置された回転羽根（タービン）で形成されている。なお、回転駆動体７は、流体の作用で回転可能な構成であれば、回転羽根以外であってもよい。

図２に示すように、回転駆動体７の軸中心から、第２ピストンロッド６の後端内部にかけて、孔８が形成されている。

図２に示すシリンダ本体２内には、エアの回転圧に基づいて軸部材３を回転させる回転駆動部１０と、エアのシリンダ制御圧に基づいて軸部材３をストロークさせるストローク駆動部１１とが区画して設けられている。ストローク駆動部１１は、シリンダ本体２の前方側（Ｘ１）に、回転駆動部１０は、シリンダ本体２の後方側（Ｘ２）に夫々設けられている。このように、回転駆動部１０とストローク駆動部１１とを区画して設けることで、回転駆動部１０とストローク駆動部１１に同時にエアを作用させても互いに混ざりあうことなく、高精度に軸部材３を回転させながらストロークさせることができる。

ストローク駆動部１１は、シリンダ本体２内に位置し、軸部材３のピストン４を挿通可能なシリンダ室１１ａと、シリンダ本体２の外周面からシリンダ室１１ａにまで通じるエアポート１６、１７と、を有して構成される。

回転駆動部１０は、シリンダ本体２内に位置する回転駆動室１０ａと、シリンダ本体２の後端面２ｂから回転駆動室１０ａ内に通じるエアポート３０、３１と、を有して構成される。

図２に示すように、シリンダ本体２内には、前記したシリンダ室１１ａからシリンダ本体２の前端面２ａにまで貫通し、第１ピストンロッド５を挿通可能な第１連通部２８、及び、シリンダ室１１ａから後端側（Ｘ２）に向けて延出し、第２ピストンロッド６を挿通可能な第２連通部２９が、シリンダ室１１ａと連続した空間として形成されている。

シリンダ室１１ａは、ピストン４の径よりもやや大きい径を有する略円筒空間であり、Ｘ１―Ｘ２方向への長さ寸法Ｌ２を備える。この長さ寸法Ｌ２は、ピストン４の長さ寸法Ｌ１よりも長い。シリンダ室１１ａには、Ｘ１−Ｘ２方向への長さ寸法Ｌ２の中央に、更に大径の中央エアベアリング空間１３が設けられている。この中央エアベアリング空間１３は、ピストン４がシリンダ室１１ａ内をＸ１−Ｘ２方向への限界にまで移動しても、ピストン４から外れない位置に設けられている。すなわち、ピストン４の一部は、常に、中央エアベアリング空間１３内に配置されている。

図２に示すように、シリンダ本体２には、シリンダ室１１ａの前方側（Ｘ１）にて、シリンダ本体２の外周面からシリンダ室１１ａにまで通じるエアポート１６が設けられている。また、シリンダ本体２には、シリンダ室１１ａの後方側（Ｘ２）にて、シリンダ本体２の外周面からシリンダ室１１ａにまで通じるエアポート１７が設けられている。エアポート１６、１７の中心間隔は、ピストン４の長さ寸法Ｌ１よりも長く形成されている。

図２に示すように、シリンダ本体２には、エアポート１６とエアポート１７との間であって、シリンダ本体２の外周面から中央エアベアリング空間１３にまで通じるエアベアリング加圧ポート１８が設けられている。

図２に示すように、第１連通部２８には、シリンダ室１１ａよりも前方（Ｘ１）に離れた位置に前方エアベアリング空間１４が設けられている。また、図２に示すように、第２連通部２９には、シリンダ室１１ａよりも後方（Ｘ２）に離れた位置に後方エアベアリング空間１５が設けられている。

図２に示すように、シリンダ本体２の外周面から前方エアベアリング空間１４にまで通じるエアベアリング加圧ポート１９が設けられている。また、図２に示すように、シリンダ本体２の外周面から後方エアベアリング空間１５にまで通じるエアベアリング加圧ポート２０が設けられている。

図２に示すように、エアベアリング２１が、中央エアベアリング空間１３内であって、ピストン４の外周を囲むように配置されている。また、図２に示すように、エアベアリング２２が、前方エアベアリング空間１４内であって、第１ピストンロッド５の外周を囲むように配置されている。また、図２に示すように、エアベアリング２３が、後方エアベアリング空間１５内であって、第２ピストンロッド６の外周を囲むように配置されている。

各エアベアリング２１〜２３は、限定されるものではないが、例えば、焼結金属やカーボンを用いた多孔質材をリング状に形成したもの、或いは、オリフィス絞りタイプのもの等を使用できる。

圧縮エアを、各エアベアリング加圧ポート１８〜２０に供給することで、圧縮エアが、各エアベアリング２１〜２３を通じてピストン４、第１ピストンロッド５及び第２ピストンロッド６の表面に均一に吹き出す。これにより、ピストン４、第１ピストンロッド５及び第２ピストンロッド６が、夫々シリンダ室１１ａ内、第１挿通部１１ｂ内、及び第２挿通部１１ｃ内で浮いた状態にて支持される。かかる状態で、シリンダ室１１ａに通じるエアポート１６及びエアポート１７からのエアの給排を利用し、シリンダ室１１ａ内に差圧を生じさせて、シリンダ制御圧を調圧し、これにより、ピストン４を軸方向にストロークさせることができる。図示しないが、エアポート１６、１７に通じるサーボバルブにより、シリンダ制御圧を適切に調圧することができる。図２では、ピストン４が、シリンダ室１１ａ内にて最も後退した位置（最もＸ２側の位置）にある。このため、図２に示すように、ピストン４の前方に、シリンダ室１１ａの空間の一部が空いている。図２の状態から、シリンダ室１１ａ内部のエアを、サーボバルブによりエアポート１６を通じて吸引し、一方、サーボバルブによりエアポート１７を通じて圧縮エアをシリンダ室１１ａ内部に供給することで、シリンダ室１１ａ内で差圧が生じ、図３に示すように、ピストン４を前方（Ｘ１）に移動させることができる。これにより、第１ピストンロッド５をシリンダ本体２の前端面２ａから前方に突出させることができる。また、図３のストローク状態から、サーボバルブによりエアポート１７を通じてシリンダ室１１ａ内のエアを吸引し、一方、サーボバルブによりエアポート１６を通じてシリンダ室１１ａ内に圧縮エアを供給することで、ピストン４を後方（Ｘ２）に移動させることができる。

このとき、軸部材３は、シリンダ本体２内で浮いた状態を保ってストロークするため、ストロークの際、摺動抵抗ゼロを実現することができ、高精度なストロークが可能になる。

図２、図３に示すように、シリンダ本体２のシリンダ室１１ａと第１挿通部１１ｂの間には前方壁２５が設けられている。前方壁２５は、ピストン４の前方（Ｘ１）への移動を規制する規制面であり、ピストン４は、前方壁２５よりも前方に移動することはできない。また、図２、図３に示すように、シリンダ本体２のシリンダ室１１ａと第２挿通部１１ｃとの間には後方壁２６が設けられている。後方壁２６は、ピストン４の後方（Ｘ２）への移動を規制する規制面であり、ピストン４は、後方壁２６よりも後方に移動することはできない。後方壁２６は、ストローク駆動部１１と回転駆動部１０とを区画する。

図２、図３に示すように、前方壁２５には弾性リング２７が設けられており、弾性リング２７は、ピストン４が前方壁２５に接触したときの緩衝材として作用する。なお、弾性リングは、後方壁２６にも同様に設けることができる。

図２、図３に示すように、シリンダ本体２の後方側（Ｘ２）に設けられた回転駆動部１０は、第２ピストンロッド６の後端部に取り付けられた回転駆動体７を配置可能な回転駆動室１０ａを備える。第２ピストンロッド６の後端部は、回転駆動室１０ａにまで延出しており、回転駆動室１０ａ内には、第２ピストンロッド６の後端部と回転駆動体７とが配置されている。また、回転駆動部１０には、シリンダ本体２の後端面２ｂから回転駆動室１０ａ内に圧縮エアを供給するエアポート３０、３１を備える。エアポート３０、３１から圧縮エアを回転駆動室１０ａ内に供給し、回転駆動体７に回転圧を与えることで、回転駆動体７を回転させることができる。この結果、回転駆動体７を備える軸部材３全体を軸回転させることができる。なお、図１に示すように、回転駆動室１０ａの外周面には、エア排出口３２が設けられている。

図２、図３に示すように、回転駆動体７の軸中心から、第２ピストンロッド６の後端内部にかけて形成された孔８内には、位置センサ（ストロークセンサ）４０が、回転駆動体７及び第２ピストンロッド６に非接触にて設けられている。図２、図３に示す実施形態では、ピストン４の位置測定を、孔８内に配置された位置センサ４０にて回転駆動体７の位置、或いは、孔８内における第２ピストンロッド６の後端位置を測定することで、間接的に測定することができる。位置センサ４０には、既存のセンサを適用することができ、例えば、磁気式センサや、過電流式センサ、光学式センサ等を用いることができる。

ピストン４のＸ１−Ｘ２方向への移動範囲内にて、位置測定が可能なように、孔８の深さや位置センサ４０の配置が決められている。図２、図３に示すように、位置センサ４０にて測定された位置情報は、ケーブル４１を通じて図示しない制御部に送信される。

位置センサ４０にて測定された位置情報に基づいて、シリンダ室１１ａ内のシリンダ制御圧を調圧し、第１ピストンロッド５の突出量を制御することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記の実施形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、本実施形態の軸部材３は、ピストン４と、ピストン４の前方に一体に形成された第１ピストンロッド５と、ピストン４の後方に一体に形成された第２ピストンロッド６と、を有して構成されるが、軸部材３の形状は、これに限定されるものではない。

ただし、ピストン４の両端にピストンロッド５、６を配置した構成とすることで、ピストン４に対する位置制御にてストローク量を適切に調節することができると共に、第１ピストンロッド５をシリンダ本体２の前端面２ａから進退自在に支持されたシャフト部分として用いることができ、また、第２ピストンロッド６側に、回転駆動体７を取り付けることができる。

もっとも本実施形態では、回転駆動体７を第２ピストンロッド６に取り付けることに限定されるものではないが、回転駆動体７を第２ピストンロッド６の後端側に取り付けることで、コンパクト化を促進できると共に、高精度な回転ストロークを実現することができる。

また、位置センサ４０の位置も、図２、図３の配置に限定されるものではなく、位置センサ４０を第１ピストンロッド５やピストン４の位置を直接測定できるように配置してもよい。また、位置センサ４０を、回転駆動体７の軸中心から第２ピストンロッド６の後端内部にかけて形成された孔８内に配置せず、回転駆動室１０ａ内にて、第２ピストンロッド６や回転駆動体７の位置を測定できるように配置してもよい。

ただし、図２、図３のように、位置センサ４０を、回転駆動体７の軸中心から第２ピストンロッド６の後端内部にかけて形成された孔８内に配置することで、位置センサ４０を無理なく配置できると共にコンパクト化を促進でき、また位置測定の精度を向上させることができる。

シリンダ本体２は、図１に示すように、複数に分割したものを組み立てて形成されてもよいし、一体化したものであってもよい。

なお、シリンダ本体２や軸部材３は、例えば、アルミ合金等で形成されるが、材質を限定するものではなく、使用用途や設置場所等で種々変更可能である。

上記したように、本実施形態では、流体シリンダ１として、エアベアリング式シリンダのみならず、エア以外の流体の作用により駆動させることもでき、例えば、油圧シリンダを例示することができる。

本発明によれば、流体の作用により、回転させながらストロークが可能な流体シリンダを実現することができる。本発明によれば、従来のボールベアリングより、がたつきを小さくでき、高精度な回転ストロークを実現できると共に、全て流体の作用で駆動させるため、消費電力が小さく、且つコンパクト化を実現できる。したがって、回転ストロークの高い精度が求められる用途等に、本発明の流体シリンダを適用することで、高い精度と合わせて消費電力の低減且つコンパクト化を促進することができる。

１ ：流体シリンダ
２ ：シリンダ室
３ ：軸部材
４ ：ピストン
５ ：第１ピストンロッド
６ ：第２ピストンロッド
７ ：回転駆動体
８ ：孔
１０ ：回転駆動部
１０ａ ：回転駆動室
１１ ：ストローク駆動部
１１ａ ：シリンダ室
１１ｂ ：第１挿通部
１１ｃ ：第２挿通部
１３ ：中央エアベアリング空間
１４ ：前方エアベアリング空間
１５ ：後方エアベアリング空間
１６、１７、３０、３１ ：エアポート
１８〜２０ ：エアベアリング加圧ポート
２１〜２３ ：エアベアリング
２８ ：第１連通部
２９ ：第２連通部
４０ ：位置センサ
Ｏ ：軸中心

Claims (7)

1. シリンダ本体と、前記シリンダ本体内に支持された軸部材と、を有する流体シリンダであって、
   流体の作用により、前記軸部材を回転させながら、軸方向へのストロークを可能とし、
   前記軸部材には、回転羽根が取り付けられており、前記回転羽根に対する前記流体の作用により、前記回転羽根を備える前記軸部材を回転させることを特徴とする流体シリンダ。
2. 前記軸部材は、前記シリンダ本体内で浮いた状態で支持されていることを特徴とする請求項１に記載の流体シリンダ。
3. 前記シリンダ本体には、前記回転羽根を配置する回転駆動室が設けられており、前記回転駆動室は、前記回転羽根の軸方向へのストロークを許容する空間を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体シリンダ。
4. 前記回転駆動室は、前記回転駆動室内に前記流体を供給するポートと、前記流体を外部へ排出する排出口と、を有することを特徴とする請求項３に記載の流体シリンダ。
5. 前記軸部材は、前記シリンダ本体から前方へ突出するストロークが許容されており、前記軸部材の後端に、前記回転羽根が取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の流体シリンダ。
6. シリンダ本体と、前記シリンダ本体内に支持された軸部材と、を有する流体シリンダであって、
   流体の作用により、前記軸部材を回転させながら、軸方向へのストロークを可能とし、
   前記軸部材は、回転駆動体を備え、
   前記軸部材の軸方向への位置を測定可能な位置センサが、前記軸部材に非接触で配置されており、
   前記軸部材は、前記シリンダ本体から前方へ突出するストロークが許容されており、前記軸部材には、軸中心に沿って後端面に開口する孔が形成されており、前記孔内に、前記回転駆動体と非接触の前記位置センサが配置されることを特徴とする流体シリンダ。
7. 前記軸部材は、エアベアリングを備えており、前記シリンダ本体には、前記エアベアリングにエアを噴出するエア供給口が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の流体シリンダ。

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