JP5082297B2 - 非接触式シリンダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、精密な精度を必要とする切削機、研削機、研磨機等の精密加工機械の重力方向に移動する移動ステージの位置決めに使用する非接触式シリンダ装置に関し、さらに詳細には上下方向の移動における方向変換時に姿勢変化を起こすことなく摺動抵抗が生じない非接触式シリンダ装置に関する。

従来，ステージ装置は上下方向に配置された軸受パッド１０２（ａ）(特許文献１に記載された符号を示す。以下、同じ)、１０２（ｂ）によりガイド１０１を摺動自在に支持する非接触シリンダ装置１１１が用いられていることが記載されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３２２０４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている非接触シリンダ１１１はシリンダ本体２０２に３個所のシリンダ供給口２０６、２０９、２１０が設けられているので構造が複雑になり、シリンダロッド２０１がピストン部分２１１と一体になっているので調整に手間を要し、シリンダロッド２０１及びピストン部分２１１に設けた流体軸受パッド２０４から流体軸受パッド２０８に対して高い剛性を付加する必要があるが、移動ステージ１０１に伴うシリンダロッド２０１の偏心によって非接触シリンダ１１１の圧力変動が発生しやすいとういう問題があった。

本発明は上記した問題点を解決するためになされたもので、長いストローク、高荷重に耐えられ精度保証期間が半永久的に確保できる非接触式シリンダ装置及びそのシリンダ装置を使用した移動装置を提供することを目的とする。

上記の課題を達成するために、請求項１に係る発明は、シリンダロッド部材とシリンダチューブ部材に軸受部材が設けられ、前記軸受部材に供給される圧縮流体によって前記シリンダロッド部材と前記シリンダチューブ部材との間に微小隙間を有する非接触シリンダであって、
前記シリンダロッド部材の貫通孔に挿通され一端部を該シリンダロッド部材に係合し、他端部を重量物に固着する継手部材に係合したワイヤ部材と、を備え、
前記シリンダロッド部材に作用する前記重量物を前記ワイヤ部材で懸垂させる非接触式シリンダ装置において、
前記軸受部材はラジアルエア軸受が前記シリンダロッド部材の大径部及び前記シリンダチューブ部材の一端部に装着され、
前記ワイヤ部材は前記貫通孔に接触することなく挿通され、前記ワイヤ部材の一端部は前記大径部内に達し、前記大径部に嵌着されたワイヤ固定具に係合し、他端部は前記継手部材のワイヤフックに係合されたことを特徴とする。
本発明によれば、重量物をワイヤ部材で吊り下げているので、アンバランスな重量物の搭載及び経年変化で発生する移動テーブルの傾きによるシリンダロッド部材の傾きを根本的に解決することができ、重量物によるシリンダロッド部材及びシリンダチューブ部材間に設けられる軸受部材への負荷を軽減できる。

請求項２に係る発明は、前記ワイヤ部材の長さは、前記シリンダロッド部材及び前記継手部材間に若干の隙間を形成するように規定すると、前記シリンダチューブ部材に作用する圧縮流体の閉止時に前記シリンダロッド部材の落下を防止するのでよい。
請求項３に係る発明は、前記ワイヤ固定具及び前記ワイヤフックには中央部の半径方向に指向する溝に軸心方向に形成される円錐状の凹部を設けているので、シリンダチューブ部材に対するワイヤ部材の取り付け及び芯出しを容易に行うことができるのでよい。

本発明は、重量物をワイヤ部材で吊り下げているので、重量物を搭載及び経年変化によりテーブルの傾きによるシリンダロッド部材の傾きを解消することができ、重量物によるシリンダロッド部材及びシリンダチューブ部材間に設けられる軸受部材への負荷を軽減できる。
本発明は、テーブル移動装置によれば、移動テーブルは駆動源により移動する際、非接触式シリンダ装置に連結され、その重量を非接触式シリンダ装置で吊り上げているので、アンバランスな重量物の搭載及び経年変化で発生する移動テーブルの変位防止を迅速にすることができる。

本発明の実施の形態に係る非接触式シリンダ装置を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る非接触式シリンダ装置１０の概略構造を示す縦断面図で、非接触式シリンダ装置１０は、テーブル移動装置４０（図４参照）に固着されている。
非接触式シリンダ装置１０において、矩形状のベース（シリンダチューブ部材）１１はその底面が傾き調整スペーサ１２と共にテーブル移動装置４０のコラム４２の上面に形成された取付板４２ａにボルト部材１３（図３参照）により固着されている。ベース１１及び突出部１１ａには図示しない圧力源，例えば空圧供給源に連通する管路（図示しない）に接続され空気圧力流体が流れる連通路１４ａ乃至１４ｅ（図１及び図３参照）が設けられている。なお、傾き調整スペーサ１２は、後述するシリンダチューブ（シリンダチューブ部材）２０をコラム４２に設置した際、該コラム４２に対して該シリンダチューブ２０の傾きを調整する機能を有する。

さらに、前記ベース１１の略中央部には貫通孔１５ａを設けたシリンダロッド１５の一端部（図１で下端部）が該ベース１１に装着された軸受、例えばラジアルエア軸受（軸受部材）１６により図１で上下方向に移動可能に支持されている。前記シリンダロッド１５
の他端部（図１で上端部）はシリンダチューブ２０に嵌挿される大径部１７が形成されており、該大径部１７の外周面に軸心方向に軸受、例えばラジアルエア軸受（軸受部材）１８が装着され、該ラジアルエア軸受１８はシリンダチューブ２０の内周面に係合する。前記大径部１７にはシリンダロッド１５側に軸心方向に指向する連通路１９ａが穿設され、ヘッド側（反シリンダロッド側）に軸心方向に指向する連通路１９ｂが形成され、該連通路１９ａ、１９ｂは、半径方向に穿設されている連通路１９ｄ、１９ｃが連通している。
前記シリンダチューブ２０は一端部がベース１１の突出部１１ａに嵌挿され、４本のボルト部材２０ａにより該ベース１１に固着されている。

前記ラジアルエア軸受１６には、空気圧力流体が連通路１４ａから外周面に供給され、内周面から連通路１４ｅ，１４ｄ、１４ｂを流通して大気に排出される。これにより、ラジアルエア軸受１６は空気圧力流体によりシリンダロッド１５に対して非接触の状態で係合する。
また、連通路１４ｃよりシリンダチューブ２０内に供給された空気圧力流体は連通路１９ａ、１９ｄよりラジアルエア軸受１８の内周面に供給され、該ラジアルエア軸受１８の外周面から連通路１９ｃ，１９ｂを流通して排気口２２ａ、２２ｂから大気に排出される。よって、大径部１７のシリンダロッド１５側には、連通路１４ａから供給される空気圧力流体が作用してシリンダロッド１５を常に図１で上方に押し上げる力が付与されるようになる。さらに、ラジアルエア軸受１８には空気圧力流体が連通路１９ａ、１９ｄから供給され、かつ連通路１９ｃ、１９ｂより排出される空気圧力流体によりシリンダチューブ２０に対して非接触の状態で係合するようになるので、シリンダチューブ２０に対するシリンダロッド１５及び大径部１７の摺動抵抗はラジアルエア軸受１５、１８により実質的に零に保持される。

前記シリンダロッド１５の貫通孔１５ａにはワイヤ（ワイヤ部材）２３が挿通されており、該ワイヤ２３の一端部（図２で上端部）はワイヤ２３の一端部の係着された円錐形状の継手部材２６により大径部１７に嵌着したワイヤ固定具２４に形成する凹部２５に係着され、その他端部（図２で下端部）はシリンダロッド１５の他端部（図２で下端部）に係合した継手部材２８に径着される。なお、凹部２５は、図１で下方が先細りの円錐状に形成されている。前記継手部材２８は、シリンダロッド１５の他端部に近接し、貫通孔１５ａと同径の内孔２７ａ（図２参照）を有するシリンダロッドレスト２７と、該シリンダロッドレスト２７の下部に係合するスペーサ２９と、前記スペーサ２９を介して前記シリンダロッドレスト２７に係合し凹部３１（図２参照）にワイヤ２３の他端部を係着するワイヤフック３０とを、備える。なお、凹部３１は図１で上方が先細りの円錐状に形成されている。前記凹部２５、３１には半径方向に開口する溝２６、３２が形成されている。前記溝２６、３２はシリンダチューブ２０とワイヤ２３との芯だしを容易にするために開口部がワイヤ２３の太さに同径若しくは若干大きく半径方向に指向している。従って、上下移動テーブル４３は非接触式シリンダ装置１０のシリンダロッド１５に内装されているワイヤ２３に連結され、該上下移動テーブル４３の重量を該非接触シリンダ装置１０に発生する推力にて支持する。言換えれば非接触式シリンダ装置１０は上下移動テーブル４３が図１で上下方向に移動時のバランスウェイトの機能を有する。

そして、シリンダロッド１５、ワイヤ固定具２４、シリンダロッドレスト２７、スペーサ２９及びワイヤフック３０はワイヤ２３により一体化されており、かつワイヤフック３０は上下移動テーブル４３に固着されている。すなわち、ワイヤ２３により移動テーブル４３に付加される重量を吊り上げ、大径部１７に設けたワイヤ固定具２４で支持している。
シリンダチューブ２０の上端開口部３３にはフタ３５が固着されて該上端開口部３３を閉塞し、該フタ３５には半径方向に指向する前述した排気口２２ａ，２２ｂが形成されている。前記フタ３５の内側には万が一ワイヤ２３の切断時にシリンダロッド１５が上方に移動して、大径部１７がフタ３５に当接した際のクッション機能を有する緩衝材３６が設けられている。

前記ベース１１に円形状に形成された前記突出部１１ａにはリンダチューブ２０の一端部（図１で下端部）がシリンダロッド１５を外装して該シリンダロッド１５の軸心方向に延伸している。なお、前記突出部１１ａの上面にはシリンダロッド１５の移動時に該シリンダロッド１５を停止させることができるストッパー２１が設けられている。
前記シリンダロッドレスト２７とワイヤフック３０との間に配設された前記スペーサ２９は、ワイヤ２３の取付後、シリンダチューブ２０に供給される空気圧力流体が供給されない状態におけるシリンダロッド１５の落下防止と、空気圧力流体が供給された際、該シリンダロッド１５の作動時に衝撃防止の機能を有する。そのために、ワイヤ固定具２４及びシリンダロッドレスト２７に係止されるワイヤ２３の長さと、シリンダロッド１５、シリンダロッドレスト２７、ワイヤフック３０及びスペーサ２９の軸心方向の長さ差、すなわちシリンダロッド１５の他端部（図１で下端部）とシリンダロッドレスト２７の端面との軸心方向の隙間が略１ｍｍ以下に保持できるようにスペーサ２９の厚みを調整している。よって、空気圧力流体がシリンダチューブ２０の作用されない状態においてもシリンダロッド１５はシリンダロッドレスト２７に当接して落下を防止することが可能である。
なお、前記隙間は１ｍｍ以下であればよく、０．１ｍｍ以上に確保されていれば好適である。

本発明の実施の形態に係る非接触式シリンダ装置１０は基本的には以上のように構成されるものであり、次に動作及び作用効果について説明する。
図示しない圧力制御弁の作動により空圧供給源から供給された空気圧力流体は連通路１４ａを流れ、連通路１４ｃよりシリンダチューブ２０に流入し、シリンダロッド１５の大径部１７の下方を加圧するようになる。
一方、連通路１４ａを流通する空気圧力流体はラジアルエア軸受１６の外周面に流入し、該ラジアルエア軸受１６の内周面に噴出し連通路１４ｅ，１４ｄを流れて連通路１４ｂより大気に排出される。
さらに、シリンダチューブ２０に流入した空気圧力流体は連通路１９ａ、１９ｄよりラジアルエア軸受１８の内周面に流入し、該ラジアルエア軸受１８の外周面に噴出し連通路１９ｃ，１９ｂを流れてフタ３５に設けられた排気口２２ａ、２２ｂより大気に排出される。
ここで、シリンダロッド１５の外周面及び該シリンダロッド１５の大径部１７の外周面がラジアルエア軸受１６、１８に作用する空気圧力流体によりベース１１、シリンダチューブ２０に対して非接触に保持されている。また、シリンダロッド１５の貫通孔１５ａに嵌挿されたワイヤ２３により、上下移動テーブル４３の重量を支持しているので、シリンダロッド１５は上下移動テーブル４３の変位に容易に追従して図１で上下方向に移動可能になる。さらに、上下移動テーブル４３に偏荷重が作用してもワイヤが係合点の水平方向のずれ分を吸収する。よって、ワイヤ２３に連結する上下移動テーブル４３の取付位置自体も高精度に確保する必要がないので組立作業が容易である。

本発明の実施の形態に係る非接触式シリンダ装置１０によれば、シリンダロッド１５の軸径が細いため剛性が弱い下側のラジアルエア軸受１６に負荷が作用しない。ワイヤ２３が長いため大径部１７のラジアルエア軸受１８の負担が小さく、シリンダロッド１５の長スロークが可能である。
さらに、ラジアルエア軸受１６、１８がシリンダロッド１５、シリンダチューブ２０に対し非接触か否かの判断をシリンダロッド１５に軽く触れるだけで判断でき、ラジアルエア軸受１６、１８を使用することにより空気圧力流体の消費量が小さいので、省エネルギーが可能である。

図４は図１乃至図３に示す非接触式シリンダ装置１０を使用した工作機械のテーブル移動装置４０の概略構造を示す斜視図である。
テーブル移動装置４０は、基本的には非接触式シリンダ装置１０と、ベース４１に設置された前記非接触式シリンダ装置１０を上方に配設するコラム４２と、前記コラム４２に摺動自在に装着され図４で上下方向に移動し、前記非接触式シリンダ装置１０を上方に配設する上下移動テーブル４３と、前記コラム４２の上方に固着した取付板４２ａに配設され上下移動テーブル４３を上下方向に移動させる駆動モータ、例えばサーボモータよりなる駆動源４４と、前記駆動源４４に連結されたネジ軸４５とよりなる駆動部４６とを、備える。なお、前記駆動源４４はリニアモータによる駆動も可能である。

前記ベース４１はベット４７に図示しない駆動装置により図４で水平方向に移動可能に配設された水平テーブル５３に傾き調整スペーサ１２を介して固着されている。なお、ベース４１は横断面凹字状を形成するコラム４２の開口部に固着されたガイド板４８を介して軸受ブロック４９にガイドされている。前記軸受ブロック４９にはナット５０が図示しないボルト部材により固着され、該ナット５０はネジ軸４５に螺着されている。なお、ネジ軸４５はコラム４２に配設された軸受部材５１に回転自在に支持されている。

テーブル移動装置４０おいては、上下移動テーブル４３を含んだ可動部重量を非接触式シリンダ装置１０に供給する空気圧力流体の圧力調整により、落下、上昇しないように重量バランスを取るのでカウンタウェイトの効果を取ることができる。よって、駆動源４４によりネジ軸４５を回転させることで、可動部である上下移動テーブル４３及び軸受ブロック４９を上下に差のないスムーズな移動、位置決めが可能となる。
さらに、移動の際、シリンダチューブ２０内の圧縮空気体積が変化することになるが、内部圧縮空気は、非接触すきまから一部大気に開放されているため、該シリンダチューブ２０内への供給圧をレギュレータ（図示しない）で調整しておくだけで、シリンダチューブ２０内の圧力は一定に保たれ、推力の変動が発生しない。
このように、上下移動テーブル４３に工具５２をはじめ、さまざまな重量の部品を取り付ける際、該移動テーブル姿勢の変化が発生し、軸受すきまに相当するワイヤ係合部の位置ずれが起きた場合でも、ワイヤの傾きが位置ずれを吸収するため、レギュレータの圧力調整だけで、テーブル性能には一定であり、重量変化による位置決め、送り性能の影響がない。
本発明の実施の形態に係るテーブル移動装置４０によれば、上下移動テーブル４３は駆動源４４により上下方向に移動する際、非接触式シリンダ装置１０に連結されており、その重量を非接触式シリンダ装置１０で吊り上げているので、上下移動テーブル４３の変位防止を迅速にすることができる。よって、例えば上下移動テーブル４３に装着した工具５２の移動を素早く行うことができる。

本発明の実施の形態に係る非接触式シリンダ装置の縦断面正面図である。 図１の縦断面側面図である。 図１の平面図である。 非接触式シリンダ装置を使用したテーブル移動装置の概略構造を示す斜視図である。

１０ 非接触式シリンダ装置 １１ ベース
１５ シリンダロッド １６、１８ ラジアルエア軸受
２０ シリンダチューブ ２３ ワイヤ
２４ ワイヤ固定具 ２６、３２ 溝
２７ シリンダロッドレスト ２９ スペーサ
３０ ワイヤフック ４０ テーブル移動装置
４１ 上下テーブル ４２ コラム
４３ 上下移動テーブル ４４ 駆動源
４５ ネジ軸 ４６ 駆動部
４７ ベッド ４８ ガイド
４９ 軸受ブロック ５０ ナット
５１ 軸受 ５２ 工具

Claims (3)

1. シリンダロッド部材とシリンダチューブ部材に軸受部材が設けられ、前記軸受部材に供給される圧縮流体によって前記シリンダロッド部材と前記シリンダチューブ部材との間に微小隙間を有する非接触シリンダであって、
   前記シリンダロッド部材の貫通孔に挿通され一端部を該シリンダロッド部材に係合し、他端部を重量物に固着する継手部材に係合したワイヤ部材と、を備え、
   前記シリンダロッド部材に作用する前記重量物を前記ワイヤ部材で懸垂させる非接触式シリンダ装置において、
   前記軸受部材はラジアルエア軸受が前記シリンダロッド部材の大径部及び前記シリンダチューブ部材の一端部に装着され、
   前記ワイヤ部材は前記貫通孔に接触することなく挿通され、前記ワイヤ部材の一端部は前記大径部内に達し、前記大径部に嵌着されたワイヤ固定具に係合し、他端部は前記継手部材のワイヤフックに係合されたことを特徴とする非接触式シリンダ装置。
2. 請求項１記載の非接触式シリンダ装置において、前記ワイヤ部材の長さは、前記シリンダロッド部材及び前記継手部材間に若干の隙間を形成するように規定することを特徴とする非接触式シリンダ装置。
3. 請求項１又２記載の非接触式シリンダ装置において、前記ワイヤ固定具及び前記ワイヤフックには中央部の半径方向に指向する溝に軸心方向に形成される円錐状の凹部を設けていることを特徴とする非接触式シリンダ装置。

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