JP2001227509A - フリクションレスエアシリンダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い加工精度を必要とせず、周囲温度の変化
に影響されることなく、駆動エネルギのロスや動作信号
に対する応答性の低下が存在しないフリクションレスエ
アシリンダを提供する。 【解決手段】 ピストン１６の外周面とフランジ１８と
シリンダチューブ１２の内壁とで形成される非密閉空間
に遊嵌状態で調心リング２６を配置する。調心リング２
６の外周面には、所定間隔で複数のエア噴き出し口２８
が形成され、シリンダチューブ１２の内壁に向かって調
心用エアを噴き出す。エア噴き出し口２８からの調心用
エアによって、調心リング２６がシリンダチューブ１２
に対して非接触状態になるように維持され、調心が行わ
れる。この時、シリンダチューブ１２、ピストン１６、
調心リング２６は、互いに非接触となるので高い加工精
度を要求されない。また、常に、調心動作が行われるの
で、ピストン１６の安定した動作を確保できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエアシリンダ、特
に、ピストン移動時の摺動抵抗の無いフリクションレス
エアシリンダの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から産業用設備やロボットの駆動ア
クチュエータとして、エアシリンダが多用されている。
一般的なエアシリンダは、内壁が円筒状のシリンダチュ
ーブの中を移動可能なピストンの両側に形成された圧力
室に供給する駆動エアの圧力を調整（一般的には、片方
の圧力室にエアを供給し、他方の圧力室のエアを排気す
る）することによりピストンを所望のタイミングで所望
の方向に移動させる構成になっている。そして、前記ピ
ストンには、ロッドが接続され、ピストンの移動に応じ
てシリンダチューブの軸方向に進退動作することによ
り、ロッドの先に接続された駆動対象であるテーブルや
アーム等の機械要素が所望の動作を行うことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エアシ
リンダの場合、駆動エアの漏れを回避しつつ、安定的な
動作を補償するために、シリンダチューブの内壁とピス
トンの外周とは、非常に高い同心度で、かつ僅かな隙間
を介して摺動するように加工される必要がある。その結
果、高い加工精度が要求されるため、製造コストが増加
してしまうという問題がある。また、シリンダチューブ
やピストンは、一般的にアルミニウム等の金属で構成さ
れるため、シリンダチューブやピストンが周囲温度の変
化により熱膨張や熱収縮を起こし、シリンダチューブと
ピストンの対向状態（接触状態）が変化し、摺動抵抗の
増減を招き、ピストンの動作にばらつきが出てしまうと
いう問題がある。さらに、シリンダチューブとピストン
の摺動抵抗が存在するため、駆動エネルギのロスや動作
信号に対する応答性が低下するという問題もある。

【０００４】本発明は上記従来の課題に鑑みなされたも
のであり、その目的は、高い加工精度を必要とせず、ま
た、周囲温度の変化に影響されることなく、さらに、駆
動エネルギのロスや動作信号に対する応答性の低下が存
在しないフリクションレスエアシリンダを提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、シリンダチューブと、前記シリンダチュ
ーブ内をエア圧力制御によって軸方向に移動可能で、両
端面にリング状のフランジを有するピストンと、前記ピ
ストンの外周面とフランジと前記シリンダチューブの内
壁とで形成される非密閉空間に遊嵌状態で配置されピス
トンと共に移動するリングであって、外周面に所定間隔
で複数形成されシリンダチューブの内壁に向かってエア
を噴き出すエア噴き出し口を有しシリンダチューブに対
して調心を行う調心リングと、前記調心リングに調心用
エアを供給するエア供給部と、を含むことを特徴とす
る。

【０００６】前記調心リングは、ピストンの移動方向に
対して直交する方向に移動可能な状態でピストンに遊嵌
され、調心リングの外周面に複数形成された噴き出し口
から調心用エアをシリンダチューブの内壁に向かって噴
き出すことによって、ピストンの移動方向に対して直交
する方向に移動して、ピストン全体の調心を行う。この
時、調心リングの外周面から噴き出すエア圧力は、ピス
トンを移動させる動作圧力より高く設定されている。

【０００７】この構成によれば、シリンダチューブと調
心リングとは、調心用エアによって、常に非接触状態
（フローティング状態）になると共に、調心用エアによ
って調心リングを含むピストンは常にシリンダチューブ
に対して調心される。従って、ピストンの動作時のシリ
ンダチューブに対する接触抵抗は存在しなくなり、駆動
エネルギロスや応答性の低下等を招くことが無い。ま
た、シリンダチューブやピストン、調心リングは、互い
に非接触となるので、高い同心度を要求されることがな
い、つまり高い加工精度を要求されない。また、常にシ
リンダチューブやピストン、調心リングは非接触となる
ので、周囲の温度変化等により熱膨張や熱収縮が発生し
てもピストンの動作に影響を及ぼすことなく、さらに、
常に調心リングはフローティング状態で調心動作を行う
ので、ピストンの安定した動作を確保できる。

【０００８】上記目的を達成するために、本発明は、上
記構成において、前記エア噴き出し口は、調心リングの
外周面に所定間隔で形成された凹部に形成されているこ
とを特徴とする。

【０００９】この構成によれば、シリンダチューブ内壁
に対する噴き出しエアの作用エリアを拡大することがで
きるので、安定かつ良好な調心動作を行わせることがで
きる。

【００１０】上記目的を達成するために、本発明は、上
記構成において、前記調心リングは、ピストンの移動方
向に沿った貫通口を有し、前記フランジは、前記貫通口
に対面する高さにリング溝を有することを特徴とする。

【００１１】この構成によれば、調心リングの両端で圧
力が同じになり、調心リングにピストン移動（駆動）用
のエア圧力がかかっても調心リングがフランジに付勢さ
れることを緩和することが可能になり、調心リングの調
心動作を良好に行うことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。図
１には、本実施形態のフリクションレスエアシリンダ１
０の要部断面図が示されている。内壁が円筒形状のシリ
ンダチューブ１２の内部には、図示しない周知のエアベ
アリング等によって指示されたロッド１４に固着された
ピストン１６が、当該シリンダチューブ１２の軸方向
（矢印Ａ方向）に移動自在に配置されている。また、前
記ピストン１６の両端面には、フランジ１８が配置さ
れ、ピストン１６を挟んで、左右に圧力室２０，２２を
形成している。そして、図示しないエア供給装置からレ
ギュレータやバルブを介してピストン１６の駆動用エア
が圧力室２０または圧力室２２に供給されることによ
り、圧力室２０と圧力室２２との間に差圧が生じピスト
ン１６がロッド１４と共に所望の方向に移動する。例え
ば、圧力室２０に駆動用エアが供給される場合、圧力室
２２が排気状態になり、ピストン１６が図中左方向に移
動する。逆に圧力室２２に駆動用エアが供給される場
合、圧力室２０が排気状態になり、ピストン１６が図中
右方向に移動する。その結果、ロッド１４が進退動作を
行い、ロッド１４に接続されたテーブルやアーム等の機
械要素（不図示）が駆動し、フリクションレスエアシリ
ンダ１０を搭載する設備やロボットが駆動する。

【００１３】本実施形態の特徴的事項は、前記ピストン
１６がシリンダチューブ１２の内壁に対して、非接触状
態を維持し、かつピストン１６を含む移動体がシリンダ
チューブ１２に対して、調心動作を行うところである。

【００１４】図２（ａ），（ｂ）には、ピストン１６及
びその周囲の構造を説明する断面図が示されている。な
お、図２（ａ）と図２（ｂ）は断面を取る位置をずらし
て示したものである。

【００１５】図１及び図２（ａ）に示したように、ピス
トン１６の両端には、フランジ１８が固定され、ピスト
ン１６の外周面とフランジ１８と前記シリンダチューブ
１２の内壁とで非密閉空間２４を形成している。そし
て、前記非密閉空間２４には、リング状の調心リング２
６が遊嵌状態（ガタガタの状態）で配置されている。つ
まり、調心リング２６は、非密閉空間２４の中で、後述
する調心用エアによって、少なくともピストン１６の移
動方向（矢印Ａ方向）と直交する方向（矢印Ｂ方向）に
自由に移動し、シリンダチューブ１２の内壁面に対して
調心動作を行うように配置されている。なお、調心リン
グ２６の矢印Ｂ方向への調心動作（移動）を容易に行わ
せるために、調心リング２６の両端面とフランジ１８と
は所定の隙間が形成されている。

【００１６】そして、前記調心リング２６の外周面には
等間隔で複数（例えば、３個または５個等、好ましくは
奇数個）の凹部２６ａが形成され、その凹部２６ａの略
中央部には、調心用エアを噴き出すエア噴き出し口２８
が形成されている。このエア噴き出し口２８は、調心リ
ング２６の内部方向に延び、ピストン１６の表面に形成
された調心用エア供給口３０（エア供給部）から供給さ
れる圧縮エアを受け取り、シリンダチューブ１２の内壁
に向かい噴き出す。前記調心用エア供給口３０は、ロッ
ド１４の内部に形成されたエア流路３２を介して、図示
しないエア供給源に接続され、少なくともピストン１６
が矢印Ａ方向に移動している間は、常に所定圧力の調心
用エアが供給されるようになっている。なお、ピストン
１６の外周面には溝３４が形成され、当該溝３４に少な
くとも１つの調心用エア供給口３０が接続され、溝３４
全体に調心用エアが供給されるようになっている。

【００１７】図２（ａ）において、シリンダチューブ１
２と調心リング２６との隙間は、調心用エアが噴き出し
た調心状態において、例えば、５μｍ、調心リング２６
とフランジ１８との隙間は、例えば２μｍであり、調心
用エアは、シリンダチューブ１２とフランジ１８との間
を通って、圧力室２０または圧力室２２側に排出され
る。

【００１８】次に、調心リング２６の動作について説明
する。フリクションレスエアシリンダの動作可能状態に
おいて、エア流路３２には、常時所定圧力（例えば、５
Ｋｇ／ｃｍ^２）が供給され、調心用エア供給口３０から
エアを噴き出し、溝３４に供給している。その結果、常
時、エア噴き出し口２８から調心用エアがシリンダチュ
ーブ１２の内壁面に向かって噴き出されている。本実施
形態では、エア噴き出し口２８の先端部は、細径化さ
れ、エア圧力が例えば、３Ｋｇ／ｃｍ^２に絞られてい
る。

【００１９】この時、例えば、シリンダチューブ１２と
調心リング２６との隙間が所定量（例えば、５μｍ）よ
り少なくなっている場合、噴き出した調心用エアの漏れ
量が減少し、凹部２６ａの圧力が上昇し、調心リング２
６を図２（ａ）の下方向に押し下げる。前述したよう
に、エア噴き出し口２８を含む凹部２６ａは調心リング
２６の外周面に等間隔で複数個配置されているため、調
心リング２６を図２（ａ）の下方向に押し下げられる
と、対向側でシリンダチューブ１２と調心リング２６と
の隙間が減少し、上述と同じような押し下げ動作が起こ
る。この押し下げ動作が調心リング２６の全周で行われ
ることにより、調心リング２６がシリンダチューブ１２
に対して調心され、結果的にピストン１６がシリンダチ
ューブ１２に対して調心される。この時、シリンダチュ
ーブ１２と調心リング２６とは調心用エアの噴き出し力
によって、非接触状態（フローティング状態）の維持が
可能になり、シリンダチューブ１２と調心リング２６が
直接接触しないフリクションレスエアシリンダを構成可
能とする。なお、エア噴き出し口２８から噴き出す調心
用エアの圧力は、実際にピストンを矢印Ａ方向に駆動す
る駆動エア圧力より高く設定することが好ましい。調心
用エアの圧力を高く設定することにより、シリンダチュ
ーブ１２と調心リング２６との間にエアシールを形成可
能になり、駆動エアの圧力ロスを低減することができ
る。

【００２０】このように、シリンダチューブ１２との非
接触状態を維持できる調心リング２６を配置すること
で、ピストン１６の動作時のシリンダチューブ１２に対
する接触抵抗を排除することができる。その結果、駆動
エネルギロスや応答性の低下等を招かない。また、シリ
ンダチューブ１２やピストン１６、調心リング２６は、
互いに非接触となるので高い同心度を必要とされず、す
なわち高い加工精度を要求されないので、製造コストを
低減することができる。また、シリンダチューブ１２や
調心リング２６は常時非接触となるので、周囲の温度変
化等により構成部材が熱膨張や熱収縮を行っても、ピス
トン１６の動作には影響することはない。そして、常
に、調心動作が行われるので、ピストン１６の安定した
動作を確保することができる。

【００２１】ところで、図２（ａ）において、調心リン
グ２６は、フランジ１８より僅か（例えば、１ｍｍ）に
シリンダチューブ方向に突出している。そのため、ピス
トン１６（フランジ１８）を移動させるための駆動用エ
アが調心リング２６にも作用する。その結果、調心リン
グ２６をピストン１６の移動方向側に配置されたフラン
ジ１８に付勢して、調心リング２６の調心動作を阻害し
てしまう場合がある。そこで、本実施形態においては、
図２（ｂ）に示すように、調心リング２６は当該調心リ
ング２６の軸方向（ピストン１６の移動方向）に沿っ
て、貫通口３６（前記エア噴き出し口２８と交わらない
位置）を有していると共に、フランジ１８の前記貫通口
３６に対面する高さ（位置）にリング溝３８を形成して
いる。調心リング２６に貫通口３６を設けることにより
調心リング２６の両端面で圧力が同じになり、さらに、
リング溝３８を形成することにより調心リング２６の全
面にわたって、圧力を均一化することが可能になり、ピ
ストン１６の駆動エアの影響による付勢力を低減するこ
とができる。その結果、調心リング２６がフランジ１８
に強く付勢されることを回避することが可能になり、調
心リング２６の調心動作を阻害することが無くなる。な
お、貫通口３６は調心リング２６に対して、数本（２〜
４本程度）形成すれば十分であり、リング溝３８も必要
に応じて、２〜３本形成すれば十分である。

【００２２】このように、貫通口３６を設けることによ
り、調心リング２６のフローティング状態を更に向上
し、良好な調心動作を可能にすることができる。

【００２３】このように、構成されるフリクションレス
エアシリンダは、摺動抵抗が無いため駆動信号に対して
高いレスポンスと高い駆動精度を実現することが可能で
あり、例えば、高い駆動精度を必要とする半導体製造用
のＸ−Ｙテーブルや駆動アームの駆動用に適している。

【００２４】なお、本実施形態においては、ロッド１４
とピストン１６とは一体化され、ピストン１６に対し
て、フランジ１８は別部材として示されているが、ロッ
ド１４とピストン１６とを別部材としてもよいし、ピス
トン１６とフランジ１８とを一体化した部材として構成
してもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シリンダチューブと調心リングとは、調心用エアによっ
て、常に非接触状態になると共に、調心用エアによって
調心リングを含むピストンは常にシリンダチューブに対
して調心される。従って、ピストンの動作時のシリンダ
チューブに対する接触抵抗は存在しなくなり、駆動エネ
ルギロスや応答性の低下等を招かない。また、シリンダ
チューブやピストン、調心リングは、互いに非接触とな
るので高い同心度を必要とされず、すなわち高い加工精
度を要求されないので、製造コストを低減することがで
きる。また、シリンダチューブや調心リングは常時非接
触となるので、周囲の温度変化等により構成部材が熱膨
張や熱収縮を行っても、ピストンの動作を阻害すること
はない。さらに、調心リングに貫通口を形成し、調心リ
ングの両端の圧力を同じにすることにより、ピストンの
駆動エアによる影響を低減し、良好な調心動作を実現
し、ピストンの安定した動作を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態に係るフリクションレス
エアシリンダの要部断面図である。

【図２】 本発明の実施の形態に係るフリクションレス
エアシリンダのピストンとその周囲の構造を説明する断
面図である。

【符号の説明】

１０ フリクションレスエアシリンダ、１２ シリンダ
チューブ、１４ ロッド、１６ ピストン、１８ フラ
ンジ、２０，２２ 圧力室、２６ 調心リング、２６ａ
凹部、２８ エア噴き出し口、３６ 貫通口、３８
リング溝。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダチューブと、 前記シリンダチューブ内をエア圧力制御によって軸方向
   に移動可能で、両端面にリング状のフランジを有するピ
   ストンと、 前記ピストンの外周面とフランジと前記シリンダチュー
   ブの内壁とで形成される非密閉空間に遊嵌状態で配置さ
   れピストンと共に移動するリングであって、外周面に所
   定間隔で複数形成されシリンダチューブの内壁に向かっ
   てエアを噴き出すエア噴き出し口を有しシリンダチュー
   ブに対して調心を行う調心リングと、 前記調心リングに調心用エアを供給するエア供給部と、 を含むことを特徴とするフリクションレスエアシリン
   ダ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のエアシリンダにおいて、 前記エア噴き出し口は、調心リングの外周面に所定間隔
   で形成された凹部に形成されていることを特徴とするフ
   リクションレスエアシリンダ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のエアシリ
   ンダにおいて、 前記調心リングは、ピストンの移動方向に沿った貫通口
   を有し、前記フランジは、前記貫通口に対面する高さに
   リング溝を有することを特徴とするフリクションレスエ
   アシリンダ。