JPH07110009A - サーボシリンダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】軸方向の長さを抑制するとともに、位置決め精
度の高いサーボシリンダを提供することを目的とする。 【構成】シリンダ本体１６は、第１室６４ａに圧縮空気
を導入してピストン２０を停止位置近傍まで変位させる
とともに、前記停止位置近傍でモータ２６の駆動力によ
りボールねじ軸２２を回動させてピストン２０を変位さ
せて停止位置でブレーキ機構によってボールねじ軸２２
の回動を制動してピストン２０を精度良く停止させる。
しかも、前記ボールねじ軸２２とモータ２６の駆動軸を
並列に配設し、プーリ７４、８６、タイミングベルト２
４を介して伝達するように構成したため、前記シリンダ
本体１６の軸方向の長さが短縮される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ピストンを空気圧およ
びモータによって駆動制御するサーボシリンダにおい
て、ピストンに係合するボールねじ軸とモータとを並列
に配置することによって小型化に適し、且つ位置決め精
度も向上したサーボアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ロッドの先端に固着されたテ
ーブル等によってワークを変位させるアクチュエータに
おいて、前記ロッドをシリンダ内のピストンに係合さ
せ、このピストンを空気圧で変位させる方法と、該ロッ
ドをボールねじに固着し、このボールねじを介してモー
タ等によって変位させる方法がある。

【０００３】空気圧によってピストンを変位させる方法
は、出力が大きく、負荷の大きいワークを変位させるこ
とができるが、空気自体が圧縮性流体であるため当該ワ
ークを精度よく位置決めすることは、実質的に困難であ
った。

【０００４】一方、モータによってワークを変位させる
方法は、電気的制御であるために停止位置を厳密に求め
ることは可能であるが、重量のあるワークを移送して位
置決めしようとするとき、出力が大きいモータを選択せ
ざるを得ず、この結果、モータ自体が大型化するという
欠点があった。

【０００５】そこで、ワークを停止位置近傍まで空気圧
を利用してシリンダによって移送し、その停止位置近傍
からモータでワークを所望の位置に精度良く停止させる
アクチュエータが提案されている。このような構成をと
ることにより、モータが小型のもので済み、アクチュエ
ータ全体を小型化させることができるとともに、所望の
位置に精度良くワークを停止させることが可能になっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように構成された
サーボシリンダでは、ボールねじ軸にモータを直接連設
する機能を採用している。したがって、ピストンに接続
されたロッドとボールねじ軸とモータの駆動軸が直列に
連結される構成となり、設置条件によっては軸方向の長
さが問題になるおそれがあった。

【０００７】本発明は、この種の問題を解決するために
なされたものであって、軸方向の長さを抑制するととも
に、位置決め精度の高いサーボシリンダを提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、シリンダ本体と、前記シリンダ本体に
画成されたシリンダ室内に変位自在に設けられたピスト
ンと、前記ピストンに一端部が固着され、他端部がシリ
ンダ本体から外部へ露呈するピストンロッドと、前記ピ
ストンロッドを介して前記ピストンと一体的に変位する
ワーク係合手段と、前記ピストンと係合し、一端に第１
の回転手段が設けられているボールねじ軸と、前記ボー
ルねじ軸と平行であり、且つ一端に第２の回転手段が設
けられているモータの駆動軸と、前記第１回転手段と第
２回転手段とに懸架された回転力伝達手段と、を備える
ことを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明に係るサーボシリンダでは、ピストンに
係合するボールねじ軸とモータの駆動軸を平行に設け、
双方の軸の端部に回転手段を配設し、前記回転手段間に
回転力伝達手段を懸架することにより、モータの駆動力
をボールねじを介してピストンに伝達する。したがっ
て、ボールねじ軸の軸方向端部にモータを配設すること
なく、サーボシリンダの前記軸方向の長さを短縮するこ
とができる。

【００１０】

【実施例】本発明に係るサーボシリンダについて、好適
な実施例を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に
説明する。

【００１１】図１を参照して、サーボシリンダ装置１０
を概略説明する。先ず、圧縮空気供給源１２から前記圧
縮空気を所定圧力に制御する電−空レギュレータ１３、
ノーマルクローズ型の電磁切換弁１４を介してシリンダ
本体１６に圧縮空気を供給する。あるいは、電磁切換弁
１４を介してシリンダ本体１６から圧縮空気を大気開放
することにより、ワークＷを係合しているピストンロッ
ド１８とともにピストン２０を上下方向に変位させる。
前記ピストン２０の上下動によってピストン２０と係合
しているボールねじ軸２２が回転し、タイミングベルト
２４、モータ２６の駆動軸２８を介してエンコーダ３０
の出力を得、該エンコーダ３０の信号でピストン２０の
変位量を検出する。ピストン２０が所定位置に到達した
ところでコントローラ３２から電−空レギュレータ１３
の設定値をワークＷの静荷重のみを支持する圧力値に変
更するように変更信号が伝送されるとともに、モータ２
６に駆動信号が伝送される。この結果、空気圧に換えて
モータ２６の駆動力によってボールねじ軸２２を介して
ピストン２０が変位するに至る。コントローラ３２は、
エンコーダ３０の出力に基づいてピストン２０が所定位
置まで到達したことを確認した時点で、コントローラ３
２からの信号によりノーマルクローズ型の電磁切換弁３
４が滅勢されてディスクブレーキ機構３６を付勢し、ピ
ストン２０が停止される。

【００１２】このように動作するサーボシリンダ装置１
０のシリンダ本体１６の構成並びにその動作について詳
細に説明する。

【００１３】シリンダ本体１６は、図２に示すように、
ヘッドカバー４０とシリンダチューブ４２とロッドカバ
ー４４とワークＷに係合するテーブル４６から基本的に
構成される。前記シリンダ本体１６の内部には、図３に
示すように、シリンダチューブ４２内に空気を供給する
空気圧供給機構４８と、ボールねじ軸回転機構５０と、
ボールねじ軸２２を制動してピストン２０の変位を停止
させるディスクブレーキ機構３６と、テーブル４６の回
転を防止する回り止め機構５２が設けられている。

【００１４】前記空気圧供給機構４８は、圧縮空気供給
源１２に連通された電−空レギュレータ１３、前記電−
空レギュレータ１３に連通する電磁切換弁１４がヘッド
カバー４０内に内蔵され、前記電磁切換弁１４から接続
プレート６０、シリンダチューブ４２の通路６２を介し
てシリンダ室６４のロッドカバー４４側端部に連通され
ている。前記シリンダ室６４のヘッドカバー４０の側端
部には、シリンダチューブ４２の外部に連通する通路６
６が画成されている。

【００１５】前記ボールねじ軸回転機構５０では、図３
に示すように、ヘッドカバー４０においてボールねじ軸
２２がアンギュラ玉軸受７０を介して軸方向に変位自在
かつ回動自在に軸支されている。前記ボールねじ軸２２
は、前記シリンダ室６４内に相当する部分にのみ、ねじ
溝７２が刻設されているとともに、前記シリンダ室６４
のヘッドカバー４０側端部で一旦拡径した後、段々に縮
径し、その端部にプーリ７４が設けられている。前記ボ
ールねじ軸２２は、ピストン２０に嵌合されたボデイ７
８とボールを介して係合する。前記ピストン２０には、
図４に示すように、ロッドカバー４４側端部およびヘッ
ドカバー４０側端部に緩衝部材８０ａ、８０ｂが設けら
れるとともに、シリンダ室６４の内周面と摺動する部分
には、磁石８２とピストンパッキン８４が嵌合されてい
る。前記磁石８２は、シリンダチューブ４２の外側面の
所定位置に設けられたセンサによってピストン２０の位
置の異常を検出するために用いられる。

【００１６】前記ヘッドカバー４０の内部には、前記ボ
ールねじ軸２２に平行に、モータ２６が設けられ、その
駆動軸２８の端部にプーリ８６が設けられるとともに、
前記駆動軸２８の回転角度を検出するエンコーダ３０が
設けられている。さらに、前記プーリ７４、８６間に
は、タイミングベルト２４が懸架されている。

【００１７】ディスクブレーキ機構３６は、図５に示す
ように、前記アンギュラ玉軸受７０が設けられているヘ
ッドカバー４０の孔部１００に配設された部材により構
成されている。前記孔部１００は、ボールねじ軸２２の
プーリ７４側から前記アンギュラ玉軸受７０を指向して
二段に縮径しており、その一段目の底面に半径方向断面
Ｌ字状のブレーキ用シリンダ１０２がその膨出部１０２
ａをボールねじ軸２２側に指向して固着されている。前
記ブレーキ用シリンダ１０２の内周面に当接するように
して半径方向断面が略Ｌ字状の円筒形状のピストン１０
４が配設される。前記ピストン１０４は、プーリ７４側
に固着された制動部材１０６と当該ピストン１０４の膨
出部１０４ａによって前記ブレーキ用シリンダ１０２の
膨出部１０２ａを挟み込むようにして配置され、前記ピ
ストン１０４の膨出部１０４ａあるいは制動部材１０６
が前記ブレーキ用シリンダ１０２の膨出部１０２ａに当
接することによって前記ピストン１０４の軸方向の可動
範囲を規制している。さらに、前記ピストン１０４とブ
レーキ用シリンダ１０２の間には空間１０８が画成さ
れ、ブレーキ用シリンダ１０２の内周面と摺動する前記
ピストン１０４の外周面に嵌着されたピストンパッキン
１１４ａ、１１４ｂによって前記空間１０８が気密に保
持されている。圧縮空気供給源１２と連通している電磁
切換弁３４と前記空間１０８とは、ヘッドカバー４０お
よびブレーキ用シリンダ１０２の内部に画成された通路
１１０、１１２を介して連通されている。前記孔部１０
０の２段目の底面には、軸受押さえ部材１１６が固着さ
れており、前記軸受押さえ部材１１６とピストン１０４
の間にコイルスプリング１１８が挿入されている。した
がって、前記ピストン１０４は、コイルスプリング１１
８によってＺ１方向に常時付勢されている。さらに、前
記ブレーキ用シリンダ１０２は、支持部材１２０を介し
てドーナツ状の円板体である制動部材１２２を支持して
いる。

【００１８】一方、前記ボールねじ軸２２は、前記プー
リ７４近傍においてコマ用キー１２４、コマ１２６を介
してブレーキディスク１２８を装着している。前記ブレ
ーキディスク１２８は、制動部材１２２近傍で回転する
ように構成されている。

【００１９】回り止め機構５２は、ピストンロッド１８
を介して変位されるテーブル４６が前記ピストンロッド
１８とともに回動することを阻止する機構である。

【００２０】前記ピストンロッド１８は、図３に示すよ
うに円筒形状であり、ピストン２０のロッドカバー４４
側に螺着されている。前記ピストンロッド１８の内部の
孔部１３０には、ボールねじ軸２２が前記孔部１３０の
壁面に当接することなく、前記ピストンロッド１８と軸
芯を一致させて挿入されている。前記ピストンロッド１
８のロッドカバー４４側端部には軸体１３２が螺着さ
れ、前記軸体１３２が図示しないボルト等によってテー
ブル４６と固着されている。前記テーブル４６の両端部
には、ガイドロッド１３４ａ、１３４ｂが図示しないボ
ルトによって固着されている。前記ガイドロッド１３４
ａ、１３４ｂは、ロッドカバー４４の両側面に設けられ
たボールブッシュ１３６ａ、１３６ｂによって軸方向に
摺動自在に支持され、前記ロッドカバー４４の端面に装
着されたフランジ１３８の孔部１４０ａ、１４０ｂに挿
入されている。

【００２１】なお、ヘッドカバー４０には、コントロー
ラ３２からの制御信号および電源信号を接続する端子１
４２、１４４が設けられた端子台１４６が設けられてい
る。

【００２２】次に、このように構成されるサーボシリン
ダ装置１０の動作説明を行う。ここでは、ワークＷを上
方向に変位させる（シリンダ室６４内において、位置Ｘ
１から位置Ｘ２にピストン２０を変位させる）場合につ
いて図６を参照して説明する。

【００２３】ピストンが位置Ｘ１で停止状態（時間０〜
ｔ１）にある場合、電−空レギュレータ１３は、ワーク
Ｗ、ピストンロッド１８、ピストン２０等の静荷重のみ
を支持する圧力Ｐ０に設定されるとともに、電磁切換弁
１４が付勢され、電磁切換弁３４が滅勢されている。こ
の結果、シリンダ本体１６のシリンダ室６４のロッドカ
バー４４側の第１室６４ａの圧力がＰ０となり、ワーク
Ｗ、ピストン２０等を確実に支持する一方、ディスクブ
レーキ機構３６の空間１０８が大気開放されているた
め、ピストン１０４がコイルスプリング１１８の弾発力
のもとにＺ１方向に変位されて制動部材１０６がブレー
キディスク１２８に圧接される。このように、当該ブレ
ーキディスク１２８が制動部材１０６、１２２で挟持さ
れることによりボールねじ軸２２の回動が阻止され、ピ
ストン２０を停止させている。

【００２４】ピストン２０を位置Ｘ２に変位させる場合
には、先ず、コントローラ３２から電−空レギュレータ
１３に、設定圧力をＰ１（＞Ｐ０）に変更させる変更信
号が伝送されるとともに、電磁切換弁３４に付勢信号が
伝送される。この結果、圧縮空気供給源１２とディスク
ブレーキ機構３６の空間１０８とが連通し、空間１０８
に圧縮空気が供給され、図５において二点鎖線で示すよ
うに、コイルスプリング１１８の弾発力に逆らってピス
トン１０４がＺ２方向に変位し、ボールねじ軸２２のブ
レーキディスク１２８から制動部材１０６を離間させて
ディスクブレーキ機構３６を非作動状態にする。すなわ
ち、ピストン２０は変位自在の状態になる。この状態で
電−空レギュレータ１３、電磁切換弁１４から圧力Ｐ１
の圧縮空気がシリンダ本体１６の前記第１室６４ａに導
入されることにより、ピストン２０がＺ１方向に変位す
る。

【００２５】この際、ボールねじ軸２２とボデイ７８が
係合しているため、ピストン２０に回転モーメントが作
用する。しかしながら、ピストンロッド１８を介してピ
ストン２０に接続しているテーブル４６に装着された回
り止め用のガイドロッド１３４ａ、１３４ｂがフランジ
１３８の孔部１４０ａ、１４０ｂに挿入されているた
め、ピストン２０が回転することはない。したがって、
ピストン２０の変位動作に伴いボールねじ軸２２が回転
するに至る。前記回転は、前記ボールねじ軸２２のヘッ
ドカバー４０側端部に設けられたプーリ７４、タイミン
グベルト２４、プーリ８６を介してモータ２６の駆動軸
２８に伝達される。結局、駆動軸２８の回転量がエンコ
ーダ３０を介してコントローラ３２に伝送され、ピスト
ン２０の変位量として検出される。

【００２６】コントローラ３２において、ピストン２０
が停止位置Ｘ２から距離ε１の切換位置に到達したこと
を検出する（時間ｔ２）と、設定圧力をＰ１からＰ０に
変更させる変更信号が電−空レギュレータ１３に伝送さ
れるとともに、モータ２６に付勢信号が伝送される。こ
の結果、シリンダ本体１６の第１室６４ａの圧力がＰ０
となってピストン２０、ワークＷ等の静荷重のみを支持
するだけとなるが、モータ２６が駆動されるため、プー
リ８６、タイミングベルト２４、プーリ７４、ボールね
じ軸２２を介してピストン２０が低速で距離ε１変位す
る。

【００２７】エンコーダ３０の出力に基づきコントロー
ラ３２においてピストン２０が停止位置Ｘ２に到達した
ことが検出される（時間ｔ３）と、モータ２６と電磁切
換弁３４に滅勢信号が伝送される。

【００２８】この結果、空間１０８に供給されていた圧
縮空気が通路１１２、１１０を介して電磁切換弁３４か
ら大気開放される。したがって、ピストン１０４がコイ
ルスプリング１１８の弾発力によりＺ１方向に変位され
（二点鎖線位置→実線位置）、制動部材１０６がブレー
キディスク１２８に圧接され、制動部材１０６、１２２
でブレーキディスク１２８を挟持することになる。した
がって、ボールねじ軸２２の回転動作が停止され、ピス
トン２０が停止位置Ｘ２で精度良く停止される。

【００２９】一方、ピストン２０を位置Ｘ２からＸ１に
変位させる場合には、先ず、時間ｔ４において、コント
ローラ３２から電磁切換弁１４に滅勢信号が伝送される
とともに、電磁切換弁３４に付勢信号が伝送される。こ
の結果、ディスクブレーキ機構３６は、空間１０８に圧
縮空気が導入され、制動部材１０６がボールねじ軸２２
のブレーキディスク１２８から離間させられる。したが
って、ブレーキが非作動状態になる。そこで、シリンダ
本体１６の第１室６４ａの圧力が大気開放によりＰ０か
らＰ２に低下し、ピストン２０がワークＷ等の負荷によ
りＺ２方向に変位する。

【００３０】エンコーダ３０からの出力に基づきコント
ローラ３２でピストン２０が停止位置Ｘ１から距離ε１
に到達したと検出した（時間ｔ５）場合には、電磁切換
弁１４に付勢信号を伝送するとともに、モータ２６に付
勢信号を伝送する。この結果、シリンダ本体１６の第１
室６４ａの圧力は、再びＰ０に回復し、ワークＷ等の静
荷重を支持する。そこで、モータ２６の駆動力によりピ
ストン２０がＺ２方向に変位される。

【００３１】エンコーダ３０の出力に基づいてコントロ
ーラ３２によってピストン２０が停止位置Ｘ１に到達し
たと検出される（時間ｔ６）と、モータ２６と電磁切換
弁３４に滅勢信号が伝送される。したがって、ディスク
ブレーキ機構３６の空間１０８の圧縮空気が大気開放さ
れ、コイルスプリング１１８の弾発力の作用下に制動部
材１０６、１２２によってブレーキディスク１２８が挟
持されてボールねじ軸２２の回動動作を制動するため、
停止位置Ｘ１でピストン２０が精度良く停止する。

【００３２】このように、本実施例に係るサーボシリン
ダ装置１０では、ボールねじ軸２２とモータ２６の駆動
軸２８を平行に設置し、プーリ７４、８６とタイミング
ベルト２４を介して駆動力を伝達可能に構成したため、
軸方向の長さを短縮することができた。しかも、ピスト
ンをＺ２方向に大気開放で変位させる場合（時間ｔ４〜
ｔ５）を除き、シリンダ本体１６の第１室６４ａが常
時、ワークＷ、ピストン２０等の静荷重を支持する圧力
Ｐ０以上になるように制御しているため、モータ２６が
可及的に小さい駆動力でピストン２０を変位させること
ができる。したがって、モータ２６が小型化され、プー
リ７４、８６間の距離、タイミングベルト２４の長さが
著しく短縮され、しかも、該タイミングベルト２４の伸
縮、プーリ７４、８６との摺動による誤差が可及的に減
少される。この結果、モータ２６の駆動力あるいはピス
トン２０の変位量等をエンコーダ３０で精度良く検出す
ることができる。

【００３３】なお、本実施例に係るシリンダ本体１６で
は、回転手段としてプーリ７４、８６、回転力伝達手段
としてタイミングベルト２４を用いたが、スプロケット
とチェーンあるいはワイヤ等を用いることもできる。

【００３４】また、本実施例に係るシリンダ本体１６の
回り止め機構５２では、ガイドロッド１３４ａ、１３４
ｂによってピストン２０およびテーブル４６の回り止め
を行っているが、ピストンロッド１８にスプライン状の
凸条を設け、ロッドカバー４４側に前記凸条が嵌合する
孔部を画成することによっても回り止め機能が達成でき
る。

【００３５】さらに、ワークＷが重量の軽い場合には、
自重で落下（Ｚ２方向）しないおそれがあるため、シリ
ンダ室６４のヘッドカバー４０側の第２室６４ｂと圧縮
空気供給源１２とを通路６６、減圧弁１５０を介して連
通させる構成が考えられる。この場合、ピストン２０を
Ｚ２方向に変位させる際に、電磁切換弁１４が滅勢され
て第１室６４ａが大気開放された場合、前記第２室６４
ｂには常時、圧力が付与されいるため、前記第１室６４
ａと第２室６４ｂとの圧力差に基づいてピストン２０を
Ｚ２方向に変位させることができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明に係るサーボシリンダによれば、
以下の効果が得られる。

【００３７】すなわち、ピストンに係合するボールねじ
軸とモータの駆動軸を平行に設け、双方の軸の端部に回
転手段を配設し、前記回転手段間に回転力伝達手段を懸
架することにより、モータの駆動力をボールねじを介し
てピストンに伝達することができる。したがって、ボー
ルねじ軸の軸方向端部にモータを配設せずに済み、サー
ボシリンダの前記軸方向の長さを短縮することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るサーボシリンダの全体構成図であ
る。

【図２】本発明に係るサーボシリンダのシリンダ本体の
斜視説明図である。

【図３】本発明に係るサーボシリンダのシリンダ本体の
一部断面説明図である。

【図４】本発明に係るサーボシリンダのシリンダ本体に
おけるピストン部分の断面説明図である。

【図５】本発明に係るサーボシリンダのシリンダ本体に
おけるディスクブレーキ機構の一部断面説明図である。

【図６】本発明に係るサーボシリンダのタイミングチャ
ートである。

【符号の説明】

１０…サーボシリンダ装置 １３…電−空レ
ギュレータ １４、３４…電磁切換弁 １６…シリンダ
本体 ２０…ピストン ２２…ボールね
じ軸 ２４…タイミングベルト ２６…モータ ２８…駆動軸 ３０…エンコー
ダ ３２…コントローラ ７４、８６…プ
ーリ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダ本体と、 前記シリンダ本体に画成されたシリンダ室内に変位自在
   に設けられたピストンと、 前記ピストンに一端部が固着され、他端部がシリンダ本
   体から外部へ露呈するピストンロッドと、 前記ピストンロッドを介して前記ピストンと一体的に変
   位するワーク係合手段と、 前記ピストンと係合し、一端に第１の回転手段が設けら
   れているボールねじ軸と、 前記ボールねじ軸と平行であり、且つ一端に第２の回転
   手段が設けられているモータの駆動軸と、 前記第１回転手段と第２回転手段とに懸架された回転力
   伝達手段と、 を備えることを特徴とするサーボシリンダ。
2. 【請求項２】請求項１記載のサーボシリンダにおいて、 前記第１と第２の回転手段はプーリであり、回転力伝達
   手段はタイミングベルトであることを特徴とするサーボ
   シリンダ。