JP2004301231A

JP2004301231A - 直線運動及び回転運動可能なアクチュエータ

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Publication number: JP2004301231A
Application number: JP2003094812A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Yoshizawa; 和芳吉澤
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP4171666B2

Abstract

【課題】可動部に直線運動と回転運動とを与えることのできるアクチュエータを単純な構造である流体圧シリンダで実現する。
【解決手段】シリンダ１０と、このシリンダ内に静圧軸受けを介して非接触状態にてスライド可能に収容されたピストンヘッド５１とこのピストンヘッドから軸方向に延びるロッド５２とを持つピストン体５０と、シリンダ内でピストンヘッドを間にした定圧力室に定圧の空気を供給すると共に、調整圧力室にはサーボ弁６０を介して空気圧力又は流量を制御して供給するための通路部１２と、ロッドを軸方向にスライド可能な状態で支持していると共に、ロッドをピストンヘッドと共にその中心軸回りに回転させるための回転駆動機構とを備えた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置決め装置用のアクチュータに関し、特に可動を直線運動及び回転運動可能にすると共に、その精密位置決めを可能とする位置決め装置用アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一軸方向、例えばＺ軸方向に関する位置決め機能を持つ位置決め装置の応用例としては、例えばチップマウンタがある。これを図５を参照して説明する。
【０００３】
図５において、チップマウンタは、Ｚ軸送り装置１００と、このＺ軸送り装置１００で昇降駆動されるホルダ支持装置２００とを組み合わせて成る。Ｚ軸送り装置１００は、装置フレーム１０１にサーボモータ１０２を設置し、このサーボモータ１０２で鉛直方向に延びるボールネジ機構１０３を駆動するようにしている。ボールネジ機構１０３はスライダ１０４を有しており、スライダ１０４を装置フレーム１０１に設けたガイドレール１０５で案内するようにしている。
【０００４】
ホルダ支持装置２００は、ボールネジ機構１０３におけるスライダ１０４と反対側に、ホルダブラケット２０１を介して取り付けられている。ホルダ支持装置２００はエアシリンダ２０２を有し、エアシリンダ２０２内には静圧空気軸受２０４を介してツールホルダ２０３が上下動可能に配置されている。つまり、静圧空気軸受２０４はエアシリンダ２０２に設けられている穴２０５から供給される圧縮空気を多孔質体で均一に分散させてツールホルダ２０３の下部を非接触状態にて支持する。
【０００５】
また、エアシリンダ２０２に開口されている加圧ポート２０６及びバランス圧ポート２０７から供給される圧縮空気同士の差圧でツールホルダ２０３の上下動を位置決め制御するように構成されている。ツールホルダ２０３の下端部にはチップ３００を保持するためのツール２０９が取り付けられている。
【０００６】
基板保持ステージ４００には、チップ３００が実装されるべき基板４０１が搭載されている。なお、エアシリンダ２０２には移動高さを検出するための位置検出器２１０が設けられ、高さ位置のフィードバック制御に利用される（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
上記の装置は、精密位置決めを可能とするために、ボールネジ機構１０３によるＺ軸送り装置１００と、エアシリンダ２０３によるホルダ支持装置２００との２つの駆動機構が必要である。
【０００８】
Ｚ軸方向への位置決め装置としては、上記のように直線運動機構としてサーボモータに送り機構（ボールネジ等）を組み合わせたものの他、空気圧シリンダ又はリニアモータを組み合わせたものが知られている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−３５３７２５号公報（第３頁、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような直線運動機構に加えて、可動部に回転運動機能を持たせることが要求される場合がある。このような要求を満足するために、直線運動機構に回転運動機構を足し合せるようにすると装置が複雑で大型となる問題点がある。
【００１１】
そこで、本発明の課題は、可動部に直線運動と回転運動とを与えることのできるアクチュエータを単純な構造である流体圧シリンダで実現することができるようにすることにある。
【００１２】
本発明の他の課題は、直線運動と回転運動の位置決めを高い精度で行うことのできるアクチュエータを提供することにある。
【００１３】
本発明の更に他の課題は、上記直線運動の位置決めのための制御に加えて荷重制御（力制御）の可能なアクチュエータを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、流体圧シリンダと、該流体圧シリンダ内に静圧軸受けを介して非接触状態にてスライド可能に収容されたピストンヘッドと該ピストンヘッドから軸方向に延びるロッドとを持つピストン体と、前記流体圧シリンダ内で前記ピストンヘッドを間にした一方の圧力室に定圧の流体を供給すると共に、他方の圧力室にはサーボ弁を介して流体の圧力又は流量を制御して供給するための流体回路と、前記ロッドを軸方向にスライド可能な状態で支持していると共に、前記ロッドを前記ピストンヘッドと共にその中心軸回りに回転させるための回転駆動機構とを備えたことを特徴とするアクチュエータが提供される。
【００１５】
本アクチュエータにおいては、前記回転駆動機構は、前記流体圧シリンダ側に軸受けを介して回転可能に支持された筒状のガイドフランジを含み、該ガイドフランジは断面多角形状の貫通穴を有して、該貫通穴にこれと同じ断面形状を持つ前記ロッドが挿通されており、該ガイドフランジはまた回転駆動源から回転駆動力を受けるように構成されている。
【００１６】
本アクチュエータにおいてはまた、前記静圧軸受けは、前記ピストンヘッドにおける軸方向端部の外周にそれぞれ、周方向に間隔をおいて複数の溝を形成し、これらの溝に前記一方の圧力室、他方の圧力室から流体を導入して前記流体圧シリンダの内壁に作用させることにより構成されている。
【００１７】
本アクチュエータにおいては更に、前記一方の圧力室及び前記他方の圧力室の圧力を検出するための第１、第２の圧力センサが設けられ、前記流体圧シリンダの前記他方の圧力室側に面している部分の中心部には該他方の圧力室から離れる前記中心軸方向に延びる孔が形成されており、一方、前記他方の圧力室側に面している前記ピストンヘッドにはその中心部に位置検出用のロッドが前記中心軸方向に延びかつ前記孔に挿入されるように設けられており、前記孔にはまた前記位置検出用のロッドが挿通するように組み合わされてその移動量を検出するためのセンサ部が固定されて前記ピストン体の位置を検出するための位置センサを構成している。
【００１８】
本アクチュエータにおいては更に、前記第１、第２の圧力センサ、前記位置センサからの検出信号を用い、前記サーボ弁を介して前記ピストン体のロッドに組み合わされる被駆動部の位置制御、荷重制御を行うためのコントローラを更に備える。
【００１９】
本アクチュエータにおいては更に、前記ガイドフランジを含む回転部分の回転角度を検出するための回転角度センサを更に備え、前記コントローラは更に前記回転角度センサからの検出信号を用いて回転角度制御を行うようにされる。
【００２０】
本アクチュエータにおいては更に、前記ガイドフランジの前記軸受けとして、ボールベアリング、静圧軸受け、すべり軸受けのいずれかが用いられる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１、図２を参照して、本発明によるアクチュエータの実施の形態について説明する。図１は、流体として圧縮空気を用いる、本発明によるアクチュエータの断面構造を示す。
【００２２】
図１において、本アクチュエータは、シリンダ１０、ピストン体５０、シリンダ１０に対して圧縮空気の給気、排気を行うサーボ弁６０を含む。シリンダ１０は、ピストン体５０のピストンヘッド５１を収容する空間、つまりピストンヘッド５１の両側に圧力室を形成するためのシリンダ本体１１と、圧力室に圧縮空気を導入するための空気通路を形成している通路部（流体回路）１２と、ピストン体５０のロッド５２側においてシリンダ本体１１との間で上記圧力室を形成するための筒状のガイドフランジ１３とを含む。なお、ここでは通路部１２がシリンダ１０の一部を形成するようにしている。
【００２３】
通路部１２は、圧縮空気を導入するための通路を持つ空気導入部１２−１と、この空気導入部１２−１の空気通路、サーボ弁６０への空気入り口及び空気出口、シリンダ本体１１の２つの圧力室にそれぞれ連通する通路を持つ通路本体部１２−２とから成る。通路部１２にはサーボ弁６０が設置固定されている。詳しく説明すると、通路本体部１２−２は、空気導入部１２−１の通路と連通して導入した一定圧の空気を、シリンダ本体１１における図中右側の圧力室に直接導入すると共に、サーボ弁６０の空気入り口に導入するための通路１２−２ａと、サーボ弁６０の空気出口から調整された圧力又は流量の空気を受けてシリンダ本体１１における図中左側の圧力室に導入するための通路１２−２ｂとを有する。以下では、図中右側の圧力室を定圧力室（一方の圧力室）と呼び、左側の圧力室を調整圧力室（他方の圧力室）と呼ぶ。
【００２４】
シリンダ本体１１は、断面円形の空間を有し、この空間に断面円形のピストンヘッド５１が挿通されている。一方、ガイドフランジ１３は断面多角形状（ここでは四角形状）の穴を有し、この穴に同じ四角形状の断面形状を持つロッド５２が軸方向にスライド自在に挿通されている。
【００２５】
特に、ガイドフランジ１３は、中心軸方向には移動を抑止されているが、ボールベアリング３０により中心軸に関して回転可能に空気導入部１２−１内に保持されている。つまり、空気導入部１２−１は、空気導入用の通路を持つだけでなく、ガイドフランジ１３を収容可能な環状部を持つ。これにより、ロッド５２はガイドフランジ１３に対して軸方向にスライド可能であると共に、ガイドフランジ１３が回転すると、一緒に回転するように構成されている。ガイドフランジ１３は、空気導入部１２−１の環状部から突き出したボスを有し、このボスにはギヤ１７が固定されている。ギヤ１７は、図示しないサーボモータ等の回転駆動源により回転駆動される。
【００２６】
図１は、ピストン体５０が図中最も右側、つまり下死点まで移動した状態を示している。
【００２７】
シリンダ本体１１のガイドフランジ１３とは反対側の部分には、中心軸方向に孔１１ａが形成され、この孔１１ａにはピストンヘッド５１の中心に固定されて中心軸方向に延びる位置センサ用ロッド４１−１が挿入されていると共に、位置センサ用ロッド４１−１と共にピストン体５０の位置検出を行うためのセンサ部４１−２が固定されている。このような位置センサ用ロッド４１−１とセンサ部４１−２とによる位置センサ４１は周知であるので、簡単に説明すると、本形態では位置センサ用ロッド４１−１には定ピッチで磁性体と非磁性体とが交互に配列されている。位置センサ用ロッド４１−１がピストン体５０と共に中心軸方向に移動すると、移動した磁性体の数及び磁性体間の位置が磁場を介してセンサ部４１−２で検出される。この検出信号を用いてピストン体５０の移動量あるいは位置が検出される。なお、位置センサ用ロッド４１−１は、センサ部４１−２に対して中心軸方向にスライド可能であると共に、ピストン体５０と共に回転可能である。
【００２８】
センサ部４１−２からの検出信号を導線（図示省略）にてシリンダ本体１１外に導出するためにシリンダ本体１１にはコネクタ４３が設置されている。孔１１ａ内は、調整圧力室と同じ圧力となるので、コネクタ４３の設置部には空気漏れが生じないようなシール構造が施される。
【００２９】
シリンダ本体１１にはまた、孔１１ａと連通した孔１１ｂを通して調整圧力室の圧力を検出するための圧力センサ（第２の圧力センサ）１５が設けられている。シリンダ本体１１には更に、図中下部側に補助壁部材１８が設けられ、この補助壁部材１８には定圧力室に連通する通路１８ａ（一部のみ図示）が形成されていると共に、出口側には定圧力室の圧力を検出するための圧力センサ（第１の圧力センサ）１６が設けられている。１９はシール用のＯ−リングである。
【００３０】
本形態によるアクチュエータにおいては更に、図３に示されるように、ピストンヘッド５１の両端部の外周に、調整圧力室、定圧力室側からそれぞれ圧縮空気を導入するための浅い溝５１ａ、５１ｂが周方向に間隔をおいて形成され、ピストンヘッド５１をシリンダ本体１１の内壁面から浮上させる静圧空気軸受け部が構成されている。つまり、静圧空気軸受け部は、調整圧力室、定圧力室からそれぞれ導入された圧縮空気をシリンダ本体１１の内壁に作用させることでピストンヘッド５１をシリンダ本体１１の内壁から浮上させ、非接触状態にてスライド移動可能となる。この静圧空気軸受け部の近傍におけるピストンヘッド５１の外周にはそれぞれ、シリンダ本体１１の内壁に作用した空気を外部に排気するための排気溝５１ｃ、５１ｄが全周にわたって形成され、これらの排気溝５１ｃ、５１ｄで集められた圧縮空気はピストン体５０の内部に形成された排気通路５１ｅを通してロッド５２の端部からアクチュエータ外に排出される。つまり、ロッド５２の端部には被駆動部（図示せず）が設けられると共に、ロッド５２が回転している状態でも圧縮空気の排出が可能な空気配管用のコネクタが接続される。
【００３１】
以上説明した本形態によるアクチュエータは、以下の点に特徴を有する。
【００３２】
１）シリンダ本体１１の定圧力室には図示しない圧縮空気供給源からの定圧の空気を直接導入し、調整圧力室にサーボ弁６０を介して調整された圧力又は流量の空気を導入することで位置制御あるいは後述する荷重制御のためのサーボ弁が１つで済むようにしている。
【００３３】
２）ピストンヘッド５１を静圧空気軸受け部によりシリンダ本体１１の内壁から浮上させるようにしている。
【００３４】
３）ピストン体５０を、サーボモータ等を回転駆動源とするガイドフランジ１３の回転により回転可能にしている。
【００３５】
つまり、ピストン体５０における円形断面のピストンヘッド５１の周囲には複数の静圧空気軸受け部を設けてあり、摩擦抵抗の無い状態で直線運動できるようになっている。ピストン体５０の制御系として、図４に示すように、位置センサロッド４１−１とセンサ部４１−２から成る位置センサ４１による位置フィードバック系、圧力センサ１５、１６による圧力フィードバック系が形成される。コントローラ１は、位置指令値、荷重指令値を受けると共に、上記各センサからの検出信号を受けてサーボ弁６０により調整圧力室への流体制御を行うことにより、ピストン体５０の高精度の位置決め、荷重制御を行う。なお、サーボ弁６０は、周知のように、スプールの位置を検出するためのスプール位置センサを内蔵しており、位置決め制御に際しては、コントローラ１はこのスプール位置センサからの信号をも用いてサーボ弁６０を制御する。
【００３６】
また、ピストン体５０のロッド５２は、ガイドフランジ１３に対して回転しないよう四角形の断面になっている一方、ガイドフランジ１３がボールベアリング３０を介して回転可能にされていることによりロッド５２が一体に回転できるようになっている。なお、ガイドフランジ１３をサーボモータで回転させる場合には、その回転角度をサーボモータに付属のロータリーエンコーダにより検出してコントローラ１に出力するフィードバック系を構成することにより高精度の回転角制御が行われる。勿論、回転角度を検出するためのセンサは、別の周知の回転角度センサを用いても良い。
【００３７】
なお、荷重制御というのは、調整圧力室に面したピストンヘッド５１の受圧面積をＳ１、そこに作用する圧力をＰ１とし、定圧力室に面したピストンヘッド５１の受圧面積をＳ２（但し、Ｓ１＞Ｓ２）、そこに作用する圧力をＰ２（但し、Ｐ１≦Ｐ２）とすると、荷重Ｆ＝Ｐ１・Ｓ１−Ｐ２・Ｓ２に基づいて、ロッド５２の端部に設けられる被駆動部に対して荷重指令値に基づく荷重（力）を与える制御である。
【００３８】
コントローラ１は、上記のようなピストン体５０の位置制御と荷重制御とを切り換えて行うことができるようにされている。勿論、この切り換えは、位置制御のみを行う場合と、荷重制御のみを行う場合の他に、制御の途中、例えば位置制御によりピストン体５０、つまり被駆動部を所定の位置に位置決めした後、荷重制御に切り換えて被駆動部に所定の荷重（力）を与えるようにする切り換えを含む。
【００３９】
本アクチュエータは、図１に示されるように横にして使用される場合と、縦にして使用される場合とがある。縦にして使用する場合には、本アクチュエータはＺ軸（上下方向）及び回転駆動機構として用いられる。そして、被駆動部にチャック機構のようなものを組み付けることで、例えばＩＣ部品等の移動対象物を上下に高速移動することができるうえに、移動対象物を高精度に位置決めすることができる。また、移動対象物に高精度で荷重（力）を加えることができると共に移動対象物を高精度でＺ軸回りの回転角位置決めを行うことができる。
【００４０】
なお、ガイドフランジ１３の軸受けとしては、ボールベアリング３０に代えて、ロッド５１側と同じ静圧空気軸受けや、すべり軸受けを用いても良い。
【００４１】
また、本発明によるアクチュエータの応用分野としては、ボールネジや流体圧シリンダを使用する駆動機構を用いたバイオ関連機器や搬送機器等全般において使用可能であり、この駆動機構に代えて本発明によるアクチュエータが使用される。更に、本発明によるアクチュエータは圧縮空気によるものに限らず、他の気体を用いるものにも適用可能であることは言うまでも無い。図１に示したシリンダ１０の構造は一例にすぎず、シリンダ本体１１を複数の部材ではなく単一の部材で形成するようにしても良い。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、可動部に直線運動と回転運動とを与えることのできるアクチュエータを単純な構造である流体圧シリンダで実現することができる。しかも、本発明によるアクチュエータは、直線運動と回転運動の位置決めを高い精度で行うことができる。本発明によるアクチュエータは更に、上記位置決めのための制御に加えて荷重制御（力制御）を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアクチュエータの一例として、空気圧アクチュエータの実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１に示されたアクチュエータを図１の右方向から見た図である。
【図３】本発明におけるピストン体の構造を説明するための図である。
【図４】本発明によるアクチュエータの制御系の構成を説明するためのブロック図である。
【図５】従来のＺ軸方向の位置決め装置の一例を示した図である。
【符号の説明】
１０シリンダ
１１シリンダ本体
１２通路部
１３ガイドフランジ
１５、１６第１、第２の圧力センサ
１７ギヤ
１８補助壁部材
１９Ｏ−リング
３０ボールベアリング
４１位置センサ
４３コネクタ
５０ピストン体
５１ピストンヘッド
５２ロッド
６０サーボ弁

Claims

流体圧シリンダと、
該流体圧シリンダ内に静圧軸受けを介して非接触状態にてスライド可能に収容されたピストンヘッドと該ピストンヘッドから軸方向に延びるロッドとを持つピストン体と、
前記流体圧シリンダ内で前記ピストンヘッドを間にした一方の圧力室に定圧の流体を供給すると共に、他方の圧力室にはサーボ弁を介して流体の圧力又は流量を制御して供給するための流体回路と、
前記ロッドを軸方向にスライド可能な状態で支持していると共に、前記ロッドを前記ピストンヘッドと共にその中心軸回りに回転させるための回転駆動機構とを備えたことを特徴とするアクチュエータ。
請求項１に記載のアクチュエータにおいて、前記回転駆動機構は、前記流体圧シリンダ側に軸受けを介して回転可能に支持された筒状のガイドフランジを含み、該ガイドフランジは断面多角形状の貫通穴を有して、該貫通穴にこれと同じ断面形状を持つ前記ロッドが挿通されており、該ガイドフランジはまた回転駆動源から回転駆動力を受けるように構成されていることを特徴とするアクチュエータ。
請求項１又は２に記載のアクチュエータにおいて、前記静圧軸受けは、前記ピストンヘッドにおける軸方向端部の外周にそれぞれ、周方向に間隔をおいて複数の溝を形成し、これらの溝に前記一方の圧力室、他方の圧力室から流体を導入して前記流体圧シリンダの内壁に作用させることにより構成されていることを特徴とするアクチュエータ。
請求項１〜３のいずれかに記載のアクチュエータにおいて、前記一方の圧力室及び前記他方の圧力室の圧力を検出するための第１、第２の圧力センサが設けられ、前記流体圧シリンダの前記他方の圧力室側に面している部分の中心部には該他方の圧力室から離れる前記中心軸方向に延びる孔が形成されており、一方、前記他方の圧力室側に面している前記ピストンヘッドにはその中心部に位置検出用のロッドが前記中心軸方向に延びかつ前記孔に挿入されるように設けられており、前記孔にはまた前記位置検出用のロッドが挿通するように組み合わされてその移動量を検出するためのセンサ部が固定されて前記ピストン体の位置を検出するための位置センサを構成していることを特徴とするアクチュエータ。
請求項４に記載のアクチュエータにおいて、前記第１、第２の圧力センサ、前記位置センサからの検出信号を用い、前記サーボ弁を介して前記ピストン体のロッドに組み合わされる被駆動部の位置制御、荷重制御を行うためのコントローラを更に備えることを特徴とするアクチュエータ。
請求項５に記載のアクチュエータにおいて、前記ガイドフランジを含む回転部分の回転角度を検出するための回転角度センサを更に備え、前記コントローラは更に前記回転角度センサからの検出信号を用いて回転角度制御を行うことを特徴とするアクチュエータ。
請求項２〜５のいずれかに記載のアクチュエータにおいて、前記ガイドフランジの前記軸受けとして、ボールベアリング、静圧軸受け、すべり軸受けのいずれかを用いることを特徴とするアクチュエータ。