JP4234874B2 - Frictionless air cylinder - Google Patents
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Description
【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10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26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12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、5Kg/cm2)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/cm2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26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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of an air cylinder, in particular, a frictionless air cylinder having no sliding resistance when moving a piston.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, air cylinders have been widely used as drive actuators for industrial equipment and robots. The general air cylinder adjusts the pressure of the drive air supplied to the pressure chambers formed on both sides of the piston that can move inside the cylinder tube whose inner wall is movable (generally, the air pressure is applied to one of the pressure chambers). And the air in the other pressure chamber is exhausted) to move the piston in a desired direction at a desired timing. A rod is connected to the piston, and a mechanical element such as a table or an arm to be driven connected to the tip of the rod is desired by moving forward and backward in the axial direction of the cylinder tube according to the movement of the piston. Can be performed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of air cylinders, the inner wall of the cylinder tube and the outer periphery of the piston are very concentric and have a slight gap between them in order to compensate for stable operation while avoiding leakage of drive air. Need to be processed to slide. As a result, there is a problem that manufacturing cost increases because high processing accuracy is required. Since the cylinder tube and piston are generally made of metal such as aluminum, the cylinder tube and piston undergo thermal expansion and contraction due to changes in ambient temperature, and the cylinder tube and piston face each other (contact state). Changes, leading to an increase or decrease in sliding resistance, resulting in variations in piston operation. Further, since there is sliding resistance between the cylinder tube and the piston, there is a problem that the drive energy is lost and the response to the operation signal is lowered.
[0004]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and its purpose is not to require high machining accuracy, and is not affected by changes in the ambient temperature, and further to drive energy loss and operation signals. It is an object of the present invention to provide a frictionless air cylinder in which there is no decrease in responsiveness.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a cylinder tube, a piston capable of moving in the axial direction within the cylinder tube by air pressure control, and having ring-shaped flanges on both end surfaces, an outer peripheral surface of the piston, A ring that is loosely fitted in a non-sealed space formed by a flange and an inner wall of the cylinder tube and moves together with the piston, and a plurality of rings are formed on the outer peripheral surface at a predetermined interval to eject air toward the inner wall of the cylinder tube A centering ring that has an air outlet and aligns the cylinder tube, and an air supply unit that supplies alignment air to the centering ring are included.
[0006]
The aligning ring is loosely fitted to the piston so as to be movable in a direction perpendicular to the moving direction of the piston, and aligning air is supplied to the cylinder tube from a plurality of outlets formed on the outer peripheral surface of the aligning ring. By ejecting toward the inner wall, the piston moves in a direction perpendicular to the moving direction of the piston, and the whole piston is aligned. At this time, the air pressure ejected from the outer peripheral surface of the aligning ring is set higher than the operating pressure for moving the piston.
[0007]
According to this configuration, the cylinder tube and the aligning ring are always in a non-contact state (floating state) by the aligning air, and the piston including the aligning ring is always in contact with the cylinder tube by the aligning air. To be aligned. Therefore, there is no contact resistance with respect to the cylinder tube during the operation of the piston, so that there is no loss of driving energy or responsiveness. Further, since the cylinder tube, the piston, and the aligning ring are not in contact with each other, high concentricity is not required, that is, high machining accuracy is not required. In addition, the cylinder tube, piston, and alignment ring are always non-contact, so even if thermal expansion or contraction occurs due to changes in ambient temperature, the operation of the piston is not affected. Since the centering operation is performed in a floating state, stable operation of the piston can be secured.
[0008]
In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that, in the above configuration, the air outlet is formed in a recess formed at a predetermined interval on an outer peripheral surface of the aligning ring.
[0009]
According to this structure, since the action area of the blowing air with respect to a cylinder tube inner wall can be expanded, stable and favorable alignment operation | movement can be performed.
[0010]
In order to achieve the above object, according to the present invention, in the above configuration, the aligning ring has a through hole along a moving direction of the piston, and the flange has a ring groove at a height facing the through hole. It is characterized by having.
[0011]
According to this configuration, the pressure is the same at both ends of the aligning ring, and even if air pressure for piston movement (drive) is applied to the aligning ring, the aligning ring is urged against the flange. Therefore, the alignment operation of the alignment ring can be performed satisfactorily.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a main part of a
[0013]
The characteristic matter of this embodiment is that the
[0014]
2A and 2B are sectional views illustrating the
[0015]
As shown in FIGS. 1 and 2A,
[0016]
A plurality (for example, three or five, preferably an odd number) of
[0017]
In FIG. 2A, the gap between the
[0018]
Next, the operation of the aligning
[0019]
At this time, for example, if the gap between the
[0020]
Thus, by arranging the aligning
[0021]
By the way, in FIG. 2A, the
[0022]
Thus, by providing the through
[0023]
In this way, the constructed frictionless air cylinder has no sliding resistance, so it can achieve high response to drive signals and high drive accuracy. For example, semiconductor manufacturing that requires high drive accuracy It is suitable for driving an XY table and a driving arm.
[0024]
In this embodiment, the
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the cylinder tube and the aligning ring are always in a non-contact state by the aligning air, and the piston including the aligning ring is always in the cylinder tube by the aligning air. Aligned against. Accordingly, there is no contact resistance to the cylinder tube during the operation of the piston, and drive energy loss and responsiveness are not reduced. In addition, since the cylinder tube, the piston, and the aligning ring are not in contact with each other, high concentricity is not required, that is, high processing accuracy is not required, so that the manufacturing cost can be reduced. In addition, since the cylinder tube and the aligning ring are not in contact with each other at all times, the piston operation is not hindered even if the constituent members undergo thermal expansion or thermal contraction due to a change in ambient temperature or the like. In addition, by forming a through-hole in the aligning ring and making the pressure at both ends of the aligning ring the same, the effect of piston drive air is reduced, achieving good aligning operation, and stable piston operation Can be secured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a frictionless air cylinder according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a piston and a surrounding structure of a frictionless air cylinder according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Frictionless Air Cylinder, 12 Cylinder Tube, 14 Rod, 16 Piston, 18 Flange, 20, 22 Pressure Chamber, 26 Alignment Ring, 26a Recess, 28 Air Blowout Port, 36 Through Port, 38 Ring Groove.
Claims (3)
前記ピストンの両端面にリング状のフランジ(18)を設けて前記ピストンの外周面と前記シリンダチューブの内壁とで非密閉空間(24)を形成し、前記非密閉空間内に遊嵌状態で調心リング(26)を配置し、前記調心リングの外周面に所定間隔で複数形成のエア噴き出し口(28)を形成すると共に、エア噴き出し口からシリンダチューブの内壁に向かってエアを噴き出してシリンダチューブに対して調心を行う前記調心リングに調心用エアを供給することを特徴とするフリクションレスエアシリンダ。 A cylinder tube (12), a piston (16) that is movable in the axial direction by air pressure control in the cylinder tube, and an air supply part (30) that sprays toward the inner wall of the cylinder tube,
Ring-shaped flanges (18) are provided on both end faces of the piston to form a non-sealed space (24) by the outer peripheral surface of the piston and the inner wall of the cylinder tube, and are adjusted in a loosely fitted state in the non-sealed space. A center ring (26) is arranged, and a plurality of air ejection ports (28) are formed at predetermined intervals on the outer peripheral surface of the alignment ring, and air is ejected from the air ejection port toward the inner wall of the cylinder tube. A frictionless air cylinder, characterized in that aligning air is supplied to the aligning ring for aligning the tube .
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(28)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。The air cylinder according to claim 1,
The friction-less air cylinder according to claim 1, wherein the air outlet is formed in a recess (28) formed at a predetermined interval on an outer peripheral surface of the aligning ring.
前記調心リングは、ピストンの移動方向に沿った貫通口(36)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(38)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。In the air cylinder according to claim 1 or 2,
The alignment ring has a through hole (36) along the moving direction of the piston, and the flange has a ring groove (38) at a height facing the through hole. Cylinder.
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