JP7490366B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関する。

特許文献１は、流体を作動媒体として、軸方向にロッドをスライドさせる流体圧アクチュエータを開示する。この流体圧アクチュエータは、回転駆動からベルトを介して伝達される駆動力によって、ロッドを周方向にも回転させられるよう構成されている。

特開２０１７－１３３５９３号公報

特許文献１に開示されるようなアクチュエータは、一般に組み立てが困難であり、組み立てられたとしてもピストンがシリンダにかじって（接触して）しまうことがある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ロッドを軸方向に移動、かつ、周方向に回転できるように構成されたアクチュエータであって、組み立てが容易なアクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のアクチュエータは、シリンダと、シリンダ内にスライド可能に収容されるピストンと、ピストンから延び、シリンダの外部に突出するロッドと、ロッドを回転駆動する、ロッドと同軸の回転軸を有する回転駆動源と、ロッドを回転自在に支持する支持部と、を備える。支持部は、当該支持部の中心軸に対してロッドの中心軸がずれることを許容するよう構成される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ロッドを軸方向に移動、かつ、周方向に回転できるように構成されたアクチュエータであって、組み立てが容易なアクチュエータを提供できる。

第１の実施の形態に係るアクチュエータを概略的に示す図である。 第２の実施の形態に係るアクチュエータを概略的に示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係るアクチュエータ１００を概略的に示す図である。アクチュエータ１００は、流体を作動媒体とする流体圧アクチュエータである。以下では、空気を作動媒体とする場合を例示する。

アクチュエータ１００は、シリンダ１０２と、ピストン１０４と、ロッド１０６と、支持部１０８と、圧力調整部１１０と、回転駆動源１１２と、コントローラ１１４と、を備える。

以下では、シリンダ１０２の中心軸に平行な方向を軸方向といい、シリンダ１０２の中心軸を中心とする当該中心軸に垂直な円の円周に沿った方向を周方向として説明する。

シリンダ１０２は、筒部１１６と、底部１１８と、カバー部１２０と、を含む。筒部１１６の中空部１１６ａは円形状の断面を有する。上述したシリンダ１０２の中心軸は、具体的には筒部１１６の中空部１１６ａの中心軸をいう。筒部１１６の外形は、特に限定しないが、例えば四角形状の断面を有する。底部１１８は、筒部１１６の一端（図１では左端）を閉塞し、カバー部１２０は、筒部１１６の他端（図１では右端）を閉塞する。底部１１８およびカバー部１２０はそれぞれ、筒部１１６と一体に形成されても、筒部１１６と別体に形成された上で筒部１１６に結合されてもよい。カバー部１２０には、カバー部１２０を軸方向に貫通するロッド挿通孔１２０ａが形成されている。

ピストン１０４は、シリンダ１０２の内部に収容される。ピストン１０４は、円柱状の第１ピストンヘッド１２２と、円柱状の第２ピストンヘッド１２４と、第１ピストンヘッド１２２と第２ピストンヘッド１２４とを連結する連結部１２６と、を含む。連結部１２６は、第１ピストンヘッド１２２および第２ピストンヘッド１２４と一体に形成されても、第１ピストンヘッド１２２および第２ピストンヘッド１２４の少なくとも一方と別体に形成された上で結合されてもよい。ピストン１０４は、第１ピストンヘッド１２２が底部１１８側、第２ピストンヘッド１２４がカバー部１２０側に位置するようにシリンダ１０２に収容される。

ピストン１０４によって、シリンダ１０２の内の空間は、ピストン１０４（具体的には第１ピストンヘッド１２２）に対してロッド１０６とは反対側（すなわち底部１１８側）に位置する第１シリンダ室１２８と、ピストン１０４（具体的には第２ピストンヘッド１２４）に対してロッド１０６側（すなわちカバー部１２０側）に位置する第２シリンダ室１３０と、に区画される。筒部１１６には、第１シリンダ室１２８に対して圧縮気体を給排するための第１ポート１３２と、第２シリンダ室１３０に対して圧縮気体を給排するための第２ポート１３４と、が形成されている。

第１ピストンヘッド１２２の外周面１２２ａには、静圧空気軸受としてのエアパッド１６２が設けられている。エアパッド１６２には図示しない給気孔が設けられている。この給気孔を通って、図示しない給気系から供給される圧縮空気が、筒部１１６の内周面１１６ｂと第１ピストンヘッド１２２の外周面１２２ａとの隙間である第１隙間１３６に供給される。これにより、第１隙間１３６に高圧の気体層が形成され、エアパッド１６２ひいては第１ピストンヘッド１２２がシリンダ１０２から浮上する。

ロッド１０６は、細長い部材であり、ロッド挿通孔１２０ａに挿通され、一端はピストン１０４に接続され他端はシリンダ１０２の外部に突出している。ロッド１０６は、ピストン１０４と一体に形成されても、ピストン１０４と別体に形成された上でピストン１０４に結合されてもよい。ロッド１０６は、多角形状（例えば矩形状）の断面を有する。

圧力調整部１１０は、第１シリンダ室１２８内の圧力と、第２シリンダ室１３０内の圧力と、を調整する。圧力調整部１１０は、第１ポート１３２を介して第１シリンダ室１２８にサーボ弁によって減圧調整された空気を供給し、第２ポート１３４を介して第２シリンダ室１３０に定圧の空気を供給する。なお、圧力調整部１１０は、このような構成に限定されず、例えば、第１シリンダ室１２８に供給する空気の圧力と、第２シリンダ室１３０に供給する空気の圧力と、をサーボ弁でそれぞれ調整するよう構成されてもよい。

回転駆動源１１２は、ロッド１０６を所定の角度範囲で周方向に回動させる駆動源である。回転駆動源１１２は特に、回転駆動対象のロッド１０６の中心軸と同軸の回転軸を有し、したがって伝達機構を介さずにロッド１０６を直接回動させる。これにより、特許文献１に記載されるような従来のアクチュエータのようにロッドの中心軸とは非同軸の回転軸を有する回転駆動源の回転をベルトで伝達してロッドを回転させる場合と比べ、回転方向におけるロッド１０６の位置決め精度が向上し、また、応答性も向上する。

回転駆動源１１２は、図示の例では、ダイレクトドライブモータであり、ロータ１４４と、ロータ１４４を環囲するステータ１４６と、を含む。ロータ１４４は、マグネットであり、第１環囲部材１６６の外周に固定されている。第１環囲部材１６６は、ロッド１０６に対応する多角形状の断面を有する内周面１６６ａと、円形状の断面を有する外周面１６６ｂと、を有する。第１環囲部材１６６は、ロッド１０６を環囲し、ロッド１０６に固定されている。ステータ１４６には、ロータ１４４と径方向に対向するようにコイル１６０が設けられている。コイル１６０に駆動電流が供給されることによってコイル１６０の周りに磁界が発生し、コイル１６０と対向するロータ（マグネット）１４４との電磁気的な作用によってロータ１４４ひいてはロッド１０６およびピストン１０４が回転駆動される。なお、第１環囲部材１６６はロッド１０６と別体としたが、第１環囲部材１６６はロッド１０６と一体に形成されてもよい。すなわち、第１環囲部材１６６はロッド１０６の一部であってもよい。

支持部１０８は、シリンダ１０２と回転駆動源１１２との間に設けられる。支持部１０８は、ロッド１０６を、軸方向にスライド自在、かつ、周方向に回転自在に支持する。支持部１０８は、ハウジング１４８と、ハウジング１４８に収容される一条の軸受１５０と、軸受１５０に内嵌されるとともにロッド１０６を環囲する第２環囲部材１６８と、を含む。

ハウジング１４８は、筒状の部材であり、その中空部１４８ａは円形状の断面を有する。ハウジング１４８の外形は、特に限定しないが、四角形状の断面を有する。ハウジング１４８は、その中空部１４８ａが、シリンダ１０２の中心軸と同軸となるよう筒部１１６に接続されている。

軸受１５０は、図示の例では玉軸受であり、その中心軸がシリンダ１０２の中心軸と同軸となるようハウジング１４８の内側に配置される。

第２環囲部材１６８は、ロッド１０６に対応する多角形状の断面を有する内周面１６８ａと、軸受１５０の内輪１５０ａに対応する円形状の断面を有する外周面１６８ｂと、を有する。ロッド１０６の外周面１０６ａには、第２環囲部材１６８の内周面１６８ａと対向するように、静圧空気軸受としてのエアパッド１６４が設けられている。エアパッド１６４には図示しない給気孔が設けられている。この給気孔を通って、図示しない給気系から供給される圧縮空気が、第２環囲部材１６８の内周面１６８ａとロッド１０６の外周面１０６ａとの隙間である第２隙間１３８に供給される。これにより、第２隙間１３８に高圧の気体層が形成され、エアパッド１６４ひいてはロッド１０６が第２環囲部材１６８から浮上する。なお、第２環囲部材１６８は、第２隙間１３８に形成された高圧の気体層を介してロッド１０６から回転力を受け、ロッド１０６とは非接触の状態でロッド１０６ともに回転する。

ピストン１０４およびロッド１０６は、静圧空気軸受としてのエアパッド１６２、１６４を介して、シリンダ１０２および支持部１０８とは非接触な状態で、軸方向（図１では左右方向）にスライド自在に支持される。これにより、ピストン１０４およびロッド１０６の移動が滑らかになり、高精度な位置決めや力の制御が可能となる。なお、図１では、第１隙間１３６および第２隙間１３８を誇張して描いているが、実際は、第１隙間１３６および第２隙間１３８は例えば数ミクロン程度である。

続いて、本実施の形態のアクチュエータ１００では、図示を省略するものの、ロッド１０６またはピストン１０４の軸方向位置と回転方向位置とを検出する位置検出部を備えている。位置検出部は、所定の周期でロッド１０６またはピストン１０４の軸方向位置と回転方向位置とを検出し、検出した軸方向位置を示す軸方向位置信号と検出した回転方向位置を示す回転方向位置信号とをコントローラ１１４に出力する。

コントローラ１１４は、軸方向位置信号と、外部からの位置指令値との差分がなくなるように、圧力調整部１１０に対して移動指令を出力する。圧力調整部１１０は、当該移動指令に基づいてサーボ弁を駆動し、ロッド１０６の軸方向における位置決め制御を行う。

また、コントローラ１１４は、回転方向位置信号と、外部からの位置指令値との差分がなくなるように、回転駆動源１１２に対して回動指令を出力する。回転駆動源１１２は、当該回動指令に基づいて駆動し、ロッド１０６の回転方向における位置決め制御を行う。

さらに、コントローラ１１４は、荷重制御を行う場合、第１シリンダ室１２８と第２シリンダ室１３０との圧力差により生じる荷重と、外部からの荷重指令との差分がなくなるように、圧力調整部１１０に対して荷重指令を出力する。圧力調整部１１０は、当該荷重指令に基づいてサーボ弁を駆動し、ロッド１０６に対して荷重（力）を与える荷重制御を行う。

以上がアクチュエータ１００の基本構成である。続いて、支持部１０８の構成についてより詳細に説明する。

現実には、支持部１０８すなわち軸受１５０の中心軸がシリンダ１０２の中心軸と同軸となるように組み立てることは容易ではない。中空部１４８ａが完全な円形状の断面を有するようにハウジング１４８を形成し、ハウジング１４８（より具体的には中空部１４８ａ）の中心軸がシリンダ１０２の中心軸と同軸となるようハウジング１４８をシリンダ１０２に接続し、その上で、軸受１５０の中心軸がハウジング１４８やシリンダ１０２の中心軸と同軸となるよう軸受１５０を配置しなければならない。実際には、これらに誤差が生じ、その結果、ピストン１０４がシリンダ１０２にかじって（接触して）しまう事態が生じうる。

一方で、特許文献１に記載されるような従来のアクチュエータでは、ロッドとは非同軸の回転軸を有する回転駆動源の回転をベルトでロッドに伝達するため、ロッドはベルトによって軸方向に直交する方向に引っ張られる。軸方向に直交する方向に引っ張られる力に対抗するために、従来のアクチュエータには、ロッドを支持する支持部に高い剛性が求められている。これに対し、本実施の形態では、上述のように、ロッド１０６と同軸の回転軸を有する回転駆動源１１２によってロッド１０６を回転させるため、ロッド１０６は軸方向に直交する方向には引っ張られない。したがって、支持部１０８に求められる剛性は比較的低くなる。

そこで本実施の形態では、支持部１０８は、複数条の軸受１５０を備えずに、上述したように敢えて一条の軸受１５０のみを備える。そして、軸受１５０は、設計上、軸受としての機能を損なわない範囲において、当該軸受１５０の中心軸に対してロッド１０６の中心軸がずれることを許容するよう構成される。ここで、軸受１５０の中心軸に対してロッド１０６の中心軸がずれるとは、ロッド１０６が径方向に僅かに平行移動してロッド１０６の中心軸と軸受１５０の中心軸とが一致しない（重ならない）状態になったり、ロッド１０６が僅かに傾いてロッド１０６の中心軸が軸受１５０の中心軸に対して傾斜した状態になったりすることをいう。ずれを許容することは、例えば、軸受１５０の内部すきまを敢えて比較的大きくすることで実現されてもよい。これにより、軸受１５０の中心軸がハウジング１４８やシリンダ１０２の中心軸に対して僅かにずれていても、軸受１５０がずれを許容することで吸収され、ピストン１０４やロッド１０６がかじるのが抑止される。また、アクチュエータ１００の組み立てが比較的容易になり、組み立てコストを低減できる。

以上のように構成されたアクチュエータ１００は、例えば半導体チップのダイボンディング工程やマウンティング工程等で用いられる。具体的には、半導体製造装置内において半導体チップを保持するツールが先端に取り付けられたロッド１０６を軸方向にスライド（移動）させる。または、ロッド１０６を必要な角度範囲で回動させる。これにより、半導体チップをリードフレームや基板等の実装面上に実装することができる。

（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態に係るアクチュエータ２００を概略的に示す図である。図２は、図１に対応する。以下、アクチュエータ２００について第１の実施の形態に係るアクチュエータ１００との相違点を中心に説明する。

アクチュエータ２００は、シリンダ１０２と、ピストン１０４と、ロッド１０６と、支持部２０８と、圧力調整部１１０と、回転駆動源１１２と、コントローラ１１４と、を備える。つまり、本実施の形態では、支持部１０８の代わりに支持部２０８が設けられる。また、本実施の形態では、ロッド１０６は、円形状の断面を有する。

支持部２０８は、ロッド１０６を非接触状態で、軸方向にスライド自在、かつ、周方向に回転自在に、さらには当該支持部２０８の中心軸に対してロッド１０６の中心軸がずれることを許容するように支持する。図示の例では、支持部２０８は、ハウジング１４８と、ロッド１０６の外周面に固定されたマグネット２５２と、マグネット２５２を環囲するようにハウジング１４８に設けられた複数のコイル２５４と、を含み、磁力によってロッド１０６を支持する。なお、ロッド１０６の外周面に複数のコイルが設けられ、複数のコイルを環囲するようにハウジング１４８の内周面にマグネットが固定されてもよい。

また、支持部２０８は、ロッド１０６とハウジング１４８との距離を測定する複数のセンサ（図２では１つのセンサのみを図示）２５６を含む。複数のセンサ２５６は、例えば周方向に４５度離れて配置される。複数のセンサ２５６は、所定の周期でロッド１０６とハウジング１４８との距離を測定し、測定結果をコントローラ１１４に送信する。

コントローラ１１４は、測定結果に基づいて、ロッド１０６の中心軸が支持部２０８やシリンダ１０２の中心軸と重なる位置にロッド１０６を留めるように、コイルに流す電流の大きさと方向を制御する。このような制御方法は公知であるため、これ以上の説明は省略する。

なお、支持部２０８は、このような構成に限定されない。支持部２０８は、非接触でロッド１０６を支持できればよく、例えば、ロッド１０６との間に静圧空気軸受を形成して非接触でロッド１０６を支持するように構成されてもよい。

本実施の形態のアクチュエータ２００によれば、第１の実施の形態のアクチュエータ１００と同様の効果を奏することができる。

また、本実施の形態ではロッド１０６を非接触で支持しているが、非接触でロッド１０６を支持している場合、ロッド１０６が回動するとその中心軸は支持部２０８やシリンダ１０２の中心軸からずれる。この状態で、例えば高回転でロッド１０６を回動させると、ロッド１０６が振動する。これに対し本実施の形態によれば、支持部２０８は、支持部２０８ひいてはシリンダ１０２の中心軸と重なる位置にロッド１０６の中心軸を留めるように制御される。つまり、支持部２０８は、支持部２０８やシリンダ１０２の中心軸に対するロッド１０６の中心軸のずれを抑制するよう制御される。この場合、ロッド１０６の中心軸と、支持部２０８およびシリンダ１０２の中心軸とのずれが抑制される。これにより、例えば高回転でロッド１０６を回動させてもロッド１０６が振動するのが抑制される。言い換えると、ずれが抑制されるため、より高回転でロッド１０６を回動させることができる、つまり、より短時間で回転方向に位置決めできる。

また、本実施の形態では、ピストン１０４およびロッド１０６は、第１静圧空気軸受１４０および支持部２０８によって、軸方向にスライド自在に支持される。この場合、第２隙間１３８に静圧流体軸受が不要となるため、その分コストを低減できる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１００，２００ アクチュエータ、 １０２ シリンダ、 １０４ ピストン、 １０６ ロッド、 １１２ 回転駆動源、 １０８，２０８ 支持部。

Claims (4)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内にスライド可能に収容されるピストンと、
   前記ピストンから延び、前記シリンダの外部に突出するロッドと、
   前記ロッドを回転駆動する、前記ロッドと同軸の回転軸を有する回転駆動源と、
   前記ロッドを回転自在に支持する支持部と、
   を備え、
   前記支持部は、前記シリンダの外部であって前記シリンダと前記回転駆動源との間に設けられ、当該支持部の中心軸に対して前記ロッドの中心軸がずれることを許容するように前記ロッドを非接触で支持し、
   前記ピストンは、静圧空気軸受としてのエアパッドが設けられた第１ピストンヘッドと、前記第１ピストンヘッドよりも前記支持部側に前記第１ピストンヘッドとは離間して設けられ、静圧空気軸受としてのエアパッドが設けられていない第２ピストンヘッドと、を有することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記支持部は、磁力によって前記ロッドを非接触で支持するよう制御されることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記支持部は、当該支持部の中心軸に対して前記ロッドの中心軸がずれることを許容するように前記ロッドを支持するよう構成された一条の玉軸受を含むことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 前記回転駆動源は、ダイレクトドライブモータであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ。

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