KR100865637B1 - 마그넷식 로드리스 실린더 - Google Patents

Abstract

편평한 외주 형상의 실린더 튜브(2)내에, 한 쌍의 독립한 실린더 구멍(3, 3)을 형성한다. 이로써, 엔드캡(5)에 설치한 보트(7)로부터 실린더 튜브(2)내에 교대로 가압 유체를 공급하면, 실린더 작동용의 내압이 실린더 튜브(2)에 균일하게 작용하게 되고, 실린더 튜브(2)의 응력이나 휘어짐을 대폭 저감시킬 수 있다.

비자성 재료, 실린더 튜브, 실린더 구멍, 피스톤, 슬라이드체

Description

마그넷식 로드리스 실린더{Magnet type rodless cylinder}

본 발명은 비자성 재료로 이루어지는 실린더 튜브 내측의 실린더 구멍에 실린더 튜브 축선 방향으로 이동 가능하게 배치된 피스톤과, 실린더 튜브 외주면에 실린더 튜브 축선 방향으로 이동 가능하게 배치된 슬라이드체를, 자기적으로 결합한 마그넷식 로드리스 실린더에 관한 것이다.

종래 일반의 마그넷식 로드리스 실린더에서는, 둘레면(周面)에 내측 자석을 가진 피스톤이 내압에 의해 이동하면, 그 내측 자석의 이동에 의해, 자기 결합한 외측 자석을 가진 슬라이드체가 끌어 당겨져서 이동한다는 메카니즘을 이용하고 있다.

이 때의 끌어 당겨지는 힘의 크기는 「자석 유지력」이라고 불리며, 마그넷식 로드리스 실린더의 반송 능력을 나타내는 지표가 되고 있다.

도 19는 종래 일반의 마그넷식 로드리스 실린더를 간략화하여 도시하고 있다.

도 19에서는, 튜브(100) 외측의 슬라이드체(101)의 외측 자석(102)과, 튜브(100) 내측의 피스톤(103)의 내측 자석(104)이 각각 축선 방향으로 4개씩, 각각 요크(105)를 끼워 동극끼리가 대향하도록 배치되어 있다. 또한, 내외측 자석(104, 102)의 사이에서는, 자극은 서로 이극끼리가 대향하도록 배치되어 있다.

여기에서 상기 자석 유지력은 슬라이드체(101)를 축선 방향으로 이동할 수 없도록 하고, 피스톤(103)에 유체압을 가하여 내측 자석(104)을 슬라이드체(101; 외측 자석(102))에 대하여 축선 방향으로 어긋나게 하였을(변위시켰을) 때에, 슬라이드체(101)에 생기는 축선 방향력으로서 정의된다.

도 4b는 내측 자석(104)의 어긋남량(변위량)과 자석 유지력의 관계를 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 4b에 도시하는 바와 같이, 유체압이 걸려 있지 않은 정지상태, 즉 4개의 내외측 자석(104, 102)이 반경 방향으로 정렬하고 있어 축선 방향으로 어긋나 있지 않은 상태에서는, 점 A로 나타내는 바와 같이 자석 유지력은 제로가 된다. 또한, 자석 유지력은 내측 자석(104)과 외측 자석(102)의 축선 방향의 어긋남이 커질수록 증대하고, 어긋남이 자석(102, 104)의 축선 방향 배치 피치 L의 약 반으로 될 때 최대치 Max가 된다(점 B).

또한 실린더의 두께를 얇게 하여 장치를 소형화하거나, 실린더 추진력을 크게 할 목적으로, 실린더 튜브와 피스톤의 직경 방향 단면을 각각 편평 형상으로 하는 기술이 일본 공개실용신안공보 평4-113305호에 개시되어 있다.

또한 일본 공개특허공보 평4-357310호에는, 실린더 튜브 및 피스톤의 직경 방향의 단면 형상을, 타원 타원(楕圓)형이나 장원(長圓)형, 좌우 대칭적인 표주박형 등의 편평 형상으로 한 마그넷식 로드리스 실린더가 기재되어 있다.

또한, 실용신안등록 제2514499호 공보에는 마그넷식 로드리스 실린더를 2개 평행하게 배치하고, 그 한 쌍의 실린더에 걸치도록 1개의 슬라이더를 안내하고 있는 것이 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 평3-81009호에는, 슬릿 튜브식의 로드리스 실린더에 있어서, 실린더 튜브에 2개의 실린더 구멍을 구비한 것이 개시되어 있다. 동 공보에서는, 이들의 실린더 구멍에 각각 피스톤이 배치되어 있고, 각각의 피스톤은 밴드로 밀봉(seal)되는 슬릿을 통하여 튜브 외측의 슬라이드체에 기계적으로 연결되어 있다.

또한, 미국 특허 제3893378호에는, 슬릿 튜브식의 로드리스 실린더에 있어서, 튜브 단면 외형이 직사각형이고 실린더 구멍이 사각형인 것이 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 평9-217708호에는, 로드 타입의 실린더에 있어서, 1개의 실린더 튜브에 2개의 실린더 구멍이 형성되어 있는 것이 개시되어 있다.

영국 특허 제470088호에는, 슬릿 튜브식 로드리스 실린더이지만, 외형이 비원형인 단일의 실린더 튜브에 3개의 실린더 구멍을 구비한 것이 개시되어 있다.

일본 실용신안공보 평4-010407호에는, 슬라이드체에 설치부재를 통과시키기 위한 노치(notch)를 형성한 마그넷식 로드리스 실린더가 개시되어 있다.

또 특허문헌 일본 공개특허공보 평3-81009호, 미국 특허 제3893378호, 영국 특허 제470088호 명세서는 슬릿 튜브식 로드리스 실린더의 기술이고, 또한 일본 공개특허공보 평9-217708호는 로드 실린더의 기술이지만, 넓게 유체압 실린더 분야의 배경 기술로서 예시하였다.

그런데, 실용화되어 있는 일반적인 마그넷식 로드리스 실린더는 유체에 의한 내압이 작용하면, 둥근 원통 튜브는 똑같은 변형을 한다. 그것에 대하여 일본 공개실용신안공보 평4-113305호, 일본 공개특허공보 평4-357310호와 같은 편평한 비원형 외형의 튜브에 있어서는, 실린더 구멍이 1개이고 또한 비원형이기 때문에 유체에 의한 내압이 작용하면, 튜브는 똑같이 변형되지는 않고, 그것에 의해서 최대 응력·최대 휘어짐 모두 대단히 큰 값이 된다.

이것을 회피하고자 하면 튜브 두께가 대단히 두꺼워지기 때문에 자기 결합력을 수배로 높이지 않으면, 마그넷식 로드리스 실린더로서 기능하지 않는 문제가 있다. 그 때문에, 종래에는 실용신안등록 제2514499호 공보와 같이, 둥근 원통 튜브를 2개 병렬 배치하는 구성이 채용되고 있었던 것이다. 그러나, 실용신안등록 제2514499호 공보와 같이, 튜브를 복수개 병렬 배치하는 구조에서는 조립에 수고가 많이 들고, 설치 스페이스도 커지는 경우가 있어, 바람직하지 못하다.

또한 일반적인 마그넷식 로드리스 실린더의 정지상태에서는, 도 19의 내측 자석(104)과 외측 자석(102)이 반경 방향으로 서로 끌어당겨 정렬하고 있고, 축선 방향으로 어긋나 있지 않기 때문에 상기한 바와 같이 자석 유지력이 제로로 되어있다.

따라서, 이 상태로부터 피스톤(103)을 이동시키기 시작할 때에는, 상기 「어긋남」이 생길 때까지는 외측 자석(102)이 끌어 당겨지지 않기 때문에, 슬라이드체(101)의 이동 초기에 있어서 스틱 슬립 현상이 보이는 등 이동이 원활하지 않는 문제가 있다.

이러한 문제는 일본 공개실용신안공보 평4-113305호, 일본 공개특허공보 평4-357310호와 같은 비원형 외형의 튜브를 구비한 것에서도 발생한다. 또한, 실용신안등록 제2514499호 공보와 같이, 둥근 원통 튜브를 2개, 비교적 거리를 두고 병렬 배치하는 구성에 있어서도, 각각의 원통 튜브와 슬라이드체 사이에서 동일한 문제가 발생한다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제에 비추어 보아, 단면 외형이 비원형이면서, 내압에 의한 휘어짐, 응력을 작게 억제할 수 있는 실린더 튜브를 갖는 마그넷식 로드리스 실린더를 제공하는 것을 목적의 하나로 하고 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 초기 이동이 원활한 마그넷식 로드리스 실린더를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 청구항 1에 기재된 발명에 의하면, 비자성 재료로 이루어지는 실린더 튜브 내측에 형성된 실린더 구멍 내에 실린더 튜브 축선 방향으로 이동 가능하게 수용되는 피스톤과, 상기 실린더 튜브 외주에 실린더 튜브 축선 방향으로 이동 가능하게 배치됨과 동시에, 상기 피스톤과 자기적으로 결합된 슬라이드체를 구비한 마그넷식 로드리스 실린더에 있어서, 상기 실린더 튜브에는 복수의 각각 독립한 상기 실린더 구멍이 형성되고, 각 실린더 구멍에는 각각 상기 슬라이드체와 자기적으로 결합된 상기 피스톤이 배치되고, 또한 상기 실린더 튜브의 단면 외형은 비원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 마그넷식 로드리스 실린더가 제공된다.

또한, 청구항 2에 기재된 발명에 의하면, 상기 실린더 튜브 단면 외형이 장축과 단축을 갖는 편평한 비원형 형상을 이루고, 실린더 구멍을 포함하는 단면 형상은 장축 방향 길이의 중심선에 대하여 선대칭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 마그넷식 로드리스 실린더가 제공된다.

또한, 청구항 3에 기재된 발명에 의하면, 실린더 튜브 단면 외형은 장원이고, 실린더 구멍 단면은 둥근 원으로서 상기 실린더 구멍은 실린더 튜브 단면에 있어서 장축 방향으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 2에 기재된 마그넷식 로드리스 실린더가 제공된다.

청구항 4에 기재된 발명에 의하면, 실린더 튜브 단면 외형은 직사각형이고, 실린더 구멍 단면은 사각형으로서 상기 실린더 구멍은 실린더 튜브 단면에 있어서 장축 방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 2에 기재된 마그넷식 로드리스 실린더가 제공된다.

청구항 5에 기재된 발명에 의하면, 상기 슬라이드체는 슬라이드체 내측에 배치된 외측 자석을 구비하고, 상기 외측 자석을 개재하여 상기 피스톤과 자기 결합되고, 상기 외측 자석은 실린더 튜브의 단면 외형 전체 둘레에 대하여 적어도 1개소의 노치부를 갖고, 상기 노치부에는 실린더 튜브의 축선 방향을 따라서 축선 방향 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 마그넷식 로드리스 실린더가 제공된다.

청구항 6에 기재된 발명에 의하면, 상기 각각의 피스톤은 실린더 튜브 축선 방향으로 배치된, 복수의 내측 자석을 구비하고, 상기 내측 자석을 개재하여 상기 슬라이드체와 자기 결합되고, 상기 내측 자석의 자극 배치는 실린더 튜브 축선 방향에 인접한 내측 자석 상호에 있어서 동극끼리가 대향하고, 서로 인접한 피스톤의 내측 자석 상호간도 동극끼리가 대향하고, 상기 슬라이드체는 슬라이드체 내측에 축선 방향으로 배치된 복수의 외측 자석을 구비하고, 상기 외측 자석을 개재하여 상기 피스톤과 자기 결합되고, 상기 외측 자석의 자극 배치는 축선 방향에서는 동극끼리가 대향하고, 상기 내측 자석의 자극과는 이극끼리가 대향하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 마그넷식 로드리스 실린더가 제공된다.

청구항 7에 기재된 발명에 의하면, 상기 각각의 피스톤은 실린더 튜브 축선 방향으로 배치된 복수의 내측 자석을 구비하고, 상기 내측 자석을 개재하여 상기 슬라이드체와 자기 결합되고, 상기 내측 자석 각각은 피스톤 반경 방향에서 다른 자극이 되고 축선 방향에서 같은 자극이 되도록 착자되고, 인접하는 피스톤의 내측 자석 상호간에서는, 동극끼리가 대향하고, 상기 슬라이드체는 슬라이드체 내측에 축선 방향으로 배치된 복수의 외측 자석을 구비하고, 상기 외측 자석을 개재하여 상기 피스톤과 자기 결합되고, 상기 외측 자석의 각각은 실린더 튜브 반경 방향에서 다른 자극이 되어 축선 방향에서 같은 자극이 되는 동시에, 상기 내측 자석의 자극과는 이극끼리가 대향하도록 착자되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 마그넷식 로드리스 실린더가 제공된다.

청구항 8에 기재된 발명에 의하면, 상기 피스톤과 슬라이드체의 어느 한쪽에 영구자석을 구비하고, 다른쪽에는 자성체를 구비하고, 상기 영구자석과 상기 자성체를 개재하여 상기 피스톤과 슬라이드체가 자기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 마그넷식 로드리스 실린더가 제공된다.

본 발명에 의하면, 상기 각각의 피스톤은 실린더 튜브 축선 방향으로 배치된 복수의 내측 자석을 구비하고, 상기 내측 자석을 개재하여 상기 슬라이드체와 자기 결합되고, 상기 실린더 구멍은 각 실린더 구멍에 수용된 피스톤 서로가 각 피스톤의 내측 자석 상호에 작용하는 실린더 튜브 축선 방향의 자기반발력에 의해, 서로 실린더 튜브 축선 방향으로 어긋난 위치에 유지될 정도로 서로 접근한 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 6 및 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 마그넷식 로드리스 실린더가 제공된다.

또, 본 발명에 있어서, 「사각형」이란 각 정점의 각도가 직각인 사각형을 말하며, 직사각형은 물론, 정사각형도 포함한다. 또한, 정점은 각이 R부에 형성되어 있는 것도 포함한다.

청구항 1에 기재된 발명에서는, 마그넷식 로드리스 실린더의 실린더 튜브를, 복수의 실린더 구멍을 갖는 외주 단면이 비원형으로 형성된 실린더 튜브로 하고 있다. 이 때문에, 실린더 구멍이 1개인 경우와 비교하여, 내압 작용시의 휘어짐·응력을, 실린더 튜브 두께를 실용 레벨로 얇게 한 경우에도 충분히 실용 레벨을 낮은 값으로 억제할 수 있다.

이 때문에, 종래와 같이 피스톤과 슬라이드체의 자기 결합력을 대폭 높이지 않고, 실린더 튜브 외형이 비원형인 마그넷식 로드리스 실린더를 실용으로 공급할 수 있다. 또한, 복수의 피스톤으로 1개의 슬라이드체를 이동하도록 하였기 때문에, 실린더 추진력을 용이하게 크게 할 수 있고, 큰 추진력이 불필요한 경우는, 피스톤 수압(受壓) 면적, 즉 실린더 구멍 직경을 작게 설정할 수 있기 때문에, 보다 소형화·경량인 장치로 할 수 있다.

또한, 청구항 2에 기재된 발명에서는, 실린더 구멍을 포함하는 단면 형상이 장축 방향 길이의 중심선에 대하여 선대칭이기 때문에, 실린더 튜브 단면 형상의 좌우 균형이 좋고, 인발(引拔), 압출 성형하기 쉽다.

또한, 청구항 3에 기재된 발명에서는, 실린더 구멍이 둥근 원이기 때문에, 수용하는 피스톤을 종래 형상인 것으로 이용할 수 있고, 부품의 유용이 가능하다.

한편, 청구항 4에 기재된 발명에서는, 실린더 구멍이 사각형이기 때문에, 둥근 실린더 구멍과 비교하여 피스톤 수압 면적이 넓어지고, 실린더 전체의 외관 치수를 같게 한 경우에 실린더 추진력을 크게 할 수 있다.

또한, 청구항 5에 기재된 발명에서는, 축선 방향 부재로서, 실린더 튜브에 안내 레일을 장착하고, 안내 레일에 안내되는 안내자를 슬라이드체에 장착함으로써, 슬라이드체의 실린더 튜브에 따른 방향의 운동을 원활하게 가이드할 수 있다. 또한, 슬라이드체에도 노치를 형성하면, 축선 방향 부재로서, 실린더 튜브의 길이를 따라서 튜브 설치 부재로 실린더 튜브의 길이의 중간부를 지지할 수 있는 등의 효과가 있다.

또한, 청구항 6에 기재된 발명의 자극 배열에 의하면 피스톤과 슬라이드체의 자기 유지력을 크게 유지할 수 있다.

또한, 청구항 7에 기재된 발명의 자극 배열에 의하면 자석 사이즈를 크게 할 수 있기 때문에, 피스톤과 슬라이드체의 자기 유지력을 증대시키는 것이 가능해진다.

또한, 청구항 8에 기재된 발명에서는, 특히 슬라이드체의 외측 자석을 생략하여 자성체로 구성함으로써 실린더 전체의 치수를 콤팩트하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 기재된 발명에서는, 복수의 실린더 구멍에 배치되는 피스톤의 내측 자석간에서는, 서로 자력의 영향을 미치게 하여 실린더 튜브 축선 방향으로 반발하고, 정지상태의 슬라이드체에 대하여 내측 자석이 축선 방향으로 약간 어긋난 상태에서 정지한다. 이 때문에, 이 「어긋남」에 의해, 정지상태에 있어서 내측 자석과 슬라이드체 사이에 자석 유지력이 발생하여, 동작 개시 시에 스틱 슬립 발생을 억제할 수 있고, 마그넷식 로드리스 실린더를 원활하게 동작시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 마그넷식 로드리스 실린더의 종단면도.

도 2는 도 1의 II-II선 단면도.

도 3은 도 1의 III-III선 단면도.

도 4a, 도 4b는 내외측 자석의 어긋남과 자석 유지력을 설명하는 도면으로서, 도 4a는 본 발명의 마그넷식 로드리스 실린더의 구성예를 도시하고, 도 4b는 내외측 자석의 어긋남과 자석 유지력의 관계를 도시하는 도면.

도 5는 본 발명의 제 2 실시형태를 도시하는, 도 3에 상당하는 단면도.

도 6은 제 3 실시형태를 도시하는 실린더 튜브 단면도.

도 7은 제 4 실시형태를 도시하는 실린더 튜브 단면도.

도 8은 제 5 실시형태를 도시하는 실린더 튜브 단면도.

도 9는 제 6 실시형태를 도시하는 실린더 튜브 단면도.

도 10은 제 7 실시형태를 도시하는 실린더 튜브 단면도.

도 11은 내외측 자석의 별개의 자극 배열을 도시하는 종단면도.

도 12는 도 11의 XII-XII선 단면도.

도 13은 실린더 구멍이 3개의 경우의 종단면도.

도 14는 도 13의 XIV-XIV선 단면도.

도 15는 실린더 구멍이 4개의 경우의 실린더 튜브의 일례를 도시하는 도면.

도 16은 직선 안내 레일을 갖는 경우의 단면도.

도 17은 직선 안내 레일과 설치부재를 갖는 경우의 단면도.

도 18은 종래 형상의 실린더 구멍을 갖는 실린더 튜브 단면 형상을 도시하는 도면.

도 19는 내외측 자석의 어긋남과 자석 유지력의 관계를 설명하기 위해서 사용하는 종래의 마그넷식 로드리스 실린더의 단면도.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일실시형태를 설명한다.

본 실시형태의 마그넷식 로드리스 실린더(1)의 실린더 튜브(2)는 비자성 재료인 알루미늄 합금의 인발 혹은 압출형재에 의해 통 형상으로 형성되어 있다. 단, 실린더 튜브(2)의 소재는 알루미늄 합금 대신에 스테인리스, 수지재, 도기 등으로 형성하여도 좋다.

실린더 튜브(2)의 길이 단부에는 2개의 실린더 구멍(3, 3)을 막는 엔드캡(5) 이 장착되어 있다. 엔드캡(5)은 실린더 튜브 병설 방향(2개의 실린더 튜브의 단면 원형의 중심을 연결하는 직선에 따른 방향)으로는 길고, 두께 방향(실린더축선 방향)이 짧은 편평 형상을 이루고 있다. 엔드캡(5)에는 작동유체용의 1개의 급배 포트(7)와 상기 각 실린더 구멍(3, 3)을 연통하는 유로(6, 6)가 형성되어 있다.

실린더 튜브(2)는 도 2, 도 3에 도시하는 바와 같이 단면 외주 형상을 장축(도 2의 수평 방향 축선), 단축(동도의 상하 방향 축선)을 갖는 편평한 장원 형상으로 형성되고, 실린더 튜브(2)내에는, 동일 형상으로 한 쌍의 둥근 실린더 구멍(3, 3)이 격벽부(4)를 끼워 장축 방향으로 근접하여 병렬 배치되어 있다.

실린더 구멍(3, 3)을 포함하는 실린더 튜브(2)의 단면 형상은 장축 방향 길이의 중심에 위치하는 단축 CL을 대칭축으로서 선대칭 단면으로 되어 있다.

실린더 구멍(3, 3)의 근접 정도로서는, 실린더 튜브(2)의 각 실린더 구멍(3, 3)에 각각 피스톤(10)을 배치한 상태에서, 각각의 피스톤(10)에 설치한 내측 자석(12)의 사이에 축선 방향의 반발력이 생기는 정도로 설정하고 있다. 후술하는 바와 같이, 이것에 의해 피스톤(10)의 내측 자석(12)이 슬라이드체(20)의 외측 자석(22)에 대하여 축선 방향으로 약간 어긋나게 된다.

각 실린더 구멍(3, 3)에는 각각 피스톤(10)이 축선 방향 이동이 가능하게 배치되고, 각 실린더 구멍(3, 3)은 각각 피스톤(10)에 의해 좌우의 실린더실(3a, 3b)로 구획되고 패킹에 의해 밀봉되어 있다.

각 피스톤(10)에 있어서, 도면 부호 11은 내측 자석열을 나타낸다. 내측 자석열(11)은 각각 외주가 원형이고 도넛 형상으로 삽입구멍을 갖는 4개의 영구자석으로 이루어지는 내측 자석(12)과, 요크(13)를 교대로 피스톤 샤프트(14)에 끼우고, 축선 방향 양단을 피스톤 엔드(15)에 의해서 체결 고정한 구성으로 되어 있다.

본 실시형태에서는, 각각의 내측 자석(12)의 자극은 도 1에 도시하는 바와 같이, 축선 방향으로서, SN, NS, SN, NS와 인접한 내측 자석 상호간에서는 동극끼리가 대향하고, 또한, 인접한 피스톤(10, 10)의 내측 자석(12)의 사이에서도 동극끼리가 대향하도록 배치되어 있다.

다음에 슬라이드체(20)는 실린더 튜브(2)의 외주에 축선 방향으로 이동 가능하게 배치되어 있다. 슬라이드체(20)는 실린더 구멍(3)의 병설 방향으로 길고, 병설 방향과 직교하는 두께 방향이 짧은 편평 형상으로 알루미늄 합금으로 형성되어 있다.

슬라이드체(20)의 내주면에는, 실린더 튜브(2)의 외주 형상과 합치하는 내주 형상을 갖는 외측 자석열(21)이 배치되어 있다. 외측 자석열(21)은 실린더 튜브 단면 외형 양측의 반원호부분에 대응한 반원호부분(22a)을 직선부분(22b)에서 접속한 장원링 형상을 이루는 4개의 영구자석으로 이루어지는 외측 자석(22)과, 마찬가지로 장원링 형상의 요크(23)를 교대로 축선 방향으로 배치하고, 양단에 외부 웨어링(24)을 배치하여 엔드 플레이트(25)를 죔으로써 축방향으로 고정한 구성으로 되어 있다.

외측 자석열(21)의 자극도, 축선 방향에서는 인접한 외측 자석(22) 상호간에서는 동극끼리가 대향하는 구성으로 되지만, 대향하는 상기 내측 자석열(11)의 자극과는 이극끼리가 되도록 NS, SN, NS, SN으로 배치되어 있다.

즉, 내측 자석열(11)과 외측 자석열(21)이 서로 끌어당김으로써 2개의 피스톤(10)과 슬라이드체(20)는 자기적으로 결합되고, 피스톤(10, 10)과 함께 슬라이드체(20)가 이동할 수 있다.

한편, 인접하는 한 쌍의 피스톤(10, 10)의 내측 자석열(11, 11)의 사이에서는, 상기 자극 배치에 의해 실린더 튜브 단면에 있어서의 장축 방향으로도, 실린더 튜브 축선 방향으로도 자기에 의한 반발력이 작용하고 있다.

상기 튜브 축선 방향의 자기반발력에 의해, 정지상태에서는 피스톤(10)의 내측 자석(12)은 외측 자석(22)에 대하여 튜브 축선 방향으로 약간 어긋난 위치에 유지되게 된다.

도 4a는 상기 어긋남의 상태를 과장하여 도시한 도면이다. 정지상태에 있어서, 인접하는 2개의 피스톤(10, 10)에는, 각각의 내측 자석(12)의 자극 배열에 의해 서로 축선 방향의 반발력 F1이 작용한다. 이 자기반발력 F1 때문에, 피스톤(10, 10)의 내측 자석(12, 12)은 슬라이드체(20)의 외측 자석(22)과 정합하는 위치(예를 들면 도 19에 도시하는 위치)에 정지할 수 없으며, 피스톤(10, 10)은 각각 슬라이드체(20)에 대하여 축선 방향으로 각각 「어긋남 X」가 발생한 위치에서 정지한다.

이 「어긋남 X」에 의해, 도 4b의 점 C로 나타내는 자석 유지력 Fc가 내외측 자석열(12, 22)의 사이에서 발생하게 된다. 여기에서, 도 4에 도시하는 바와 같이, 어긋남이 생기는 방향은 한 쌍의 피스톤(10)에서는 각각 다른 방향이 되지만, 어긋남 량은 각각 동일하게 된다.

다음에, 정지 상태로부터 피스톤(10)의 초기 이동의 상태를 설명한다. 도 4a에 도시하는 상태에서 엔드캡(5)에 설치한 보트(7)로부터 실린더 튜브(2)내에 교대로 가압 유체를 공급하면, 2개의 피스톤(10)이 실린더 튜브(2)내를 실린더 튜브 축선 방향으로 이동하고, 이에 따라 실린더 튜브(2) 외측에서 1개의 슬라이드체(20)가 실린더 튜브 축선 방향으로 이동한다.

이 경우, 상술한 바와 같이 본 실시형태에서는, 정지 상태에 있어서 외측 자석(22)과 내측 자석(12)의 사이에 자석 유지력 Fc가 발생하고 있다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 자석 유지력이 전혀 생기고 있지 않은 정지 상태로부터 이동을 개시하는 종래 기술(도 19에 도시한 경우)과 비교하여, 스틱 슬립 현상의 발생을 억제할 수 있고, 슬라이드체(20)의 원활한 이동 개시가 가능해진다.

또한, 본 실시형태에서는, 실린더 튜브(2)의 외주 형상은 편평 형상으로 하고 있지만, 한 쌍의 실린더 구멍(3, 3)이 1개의 실린더 튜브(2)내에 형성되어 있다. 이 때문에, 실린더 작동 유체의 내압이 실린더 튜브(2)에 작용하였을 때에도, 편평한 외주 형상의 실린더 튜브로서 1개의 실린더 구멍을 가지는 종래와 비교하여, 실린더 튜브(2)에 내압이 균일하게 작용하게 되고, 응력이나 휘어짐을 현저하게 작은 것으로 하는 것이 가능해진다.

이 효과를 실증하기 위해서 유한 요소법에 사용한 역학적인 해석을 하였다. 해석 모델로서는, 도 18에 도시하는 표주박형의 1개의 실린더 구멍(3)을 갖는 외형장원 단면의 실린더 튜브(2M; 두께 t=1mm)와, 도 1 내지 도 3에 도시하는 바와 같은 한 쌍의 둥근 실린더 구멍(3, 3)을 병렬 배치한 본 발명에 따른 실린더 튜브(2; 두께 t=0.7mm)를 사용하였다. 이들을, 유한 요소법에 의해 각각 역학적으로 해석한 바, 두께를 얇게 하고 있음에도 불구하고, 본 발명에 따른 실린더 튜브(2)의 최대 휘어짐은 (3/1000)mm 정도가 되고, 도 18의 형상의 실린더 튜브(2M)와 비교하면 최대 휘어짐은 약 (1/100)로 저감할 수 있는 것이 판명되었다.

또한 최대 응력에 관해서도 도 1 내지 도 3에 도시하는 본 발명에 따른 실린더 튜브(2)에서는 17N/mm²이고, 도 18의 실린더 튜브(2M)의 최대 응력의 약 1/20이 되고, 모두 실용상 문제가 없는 휘어짐 ·응력의 값이 되었다.

만약을 위해, 실제로 상기 단면 형상의 실린더 튜브(2)를 시작(試作)하여 내압을 가하여, 휘어짐과 응력을 확인한 바, 대략 해석 결과에 부합하였다.

또, 해석에 사용한 모델의 실린더 구멍(3, 3) 직경은, 16mm로 하고, 내압은 1.05 MPa로 하였다.

이와 같이 본 실시형태의 마그넷식 로드리스 실린더(1)에 의하면, 실린더 튜브(2)에 한 쌍의 실린더 구멍(3, 3)을 각각 독립하여 형성하고, 각 실린더 구멍(3)에 각각 배치한 피스톤(10)과 슬라이드체(20)를 자기적으로 결합하고, 또한 실린더 튜브(2)의 단면 외형을 편평한 비원형으로 형성하고 있다. 이로써, 본 실시형태에서의 마그넷식 로드리스 실린더(1)에서는, 종래의 실린더 구멍이 1개인 경우와 비교하여, 내압 작용시의 휘어짐·응력을 작게 하는 것이 가능해진다.

이 때문에, 본 실시형태에서는 실린더 튜브 두께를 실용 레벨로 얇게 한 경우에도 실린더 튜브의 휘어짐·응력을 충분히 실용 레벨의 값으로 억제할 수 있고, 종래와 같이 실린더 튜브의 두께를 증대시킬 필요가 없다.

따라서, 본 실시형태에서는, 피스톤과 슬라이드체의 자기 결합력을 대폭 높이지 않고, 높이가 낮거나 또는 두께가 얇은 편평 타입의 마그넷 실린더를 실용으로 공급하는 것이 가능해지고 있다.

또한, 본 실시형태에서는 복수의 피스톤(10)으로 1개의 슬라이드체(20)를 이동하도록 하였기 때문에, 실린더 추진력을 용이하게 증대시킬 수 있지만, 커다란 추진력이 불필요한 경우는, 피스톤 수압 면적, 즉 실린더 구멍 직경을 작게 설정할 수 있기 때문에, 보다 소형화·경량인 장치로 할 수 있다.

특히, 본 실시형태에서는, 도 1 내지 도 3에 도시하는 바와 같이, 실린더 튜브(2)의 단면 외형에, 장축 방향으로서의 중심선을 중심으로 하여 선대칭이 되는 장원형을 채용하고 있기 때문에, 슬라이드체(20)가 균형 좋게 원활하게 슬라이딩할 수 있는 형상으로 되고, 강도도 확보할 수 있다. 또한, 실린더 구멍(3)을 실린더 튜브 단면의 장축 방향으로 병렬 배치하고 있기 때문에, 실린더 튜브(2)내에서 피스톤(10)의 합리적인 배치가 가능해진다.

이하에, 실린더 튜브의 단면 형상의 다른 예를 열거한다. 또, 앞서의 형태와 동일 부호는 동일 구성 요소를 나타내기 때문에, 중복되는 설명은 생략한다.

도 5의 로드리스 실린더는 실린더 튜브(2A) 외형이 직사각형으로, 한쌍의 실린더 구멍(3, 3)이 각각 사각형의 일종인 정사각형으로 형성되어 있다. 사각형의 실린더 구멍(3, 3)에 배치되는 피스톤(10)의 단면은 사각형이고, 그 피스톤(10)에는 사각형 단면의 내측 자석(12)이 설치되어 있다.

또한, 슬라이드체(20) 안쪽에 배치되고, 내측 자석(12)과 자기 결합되는 외측 자석(22)은 실린더 튜브(2) 외형에 맞추어서 직사각형이고 또 링형으로 형성되어 있다. 내측 자석(12) 및 외측 자석(22)의 자극 배열에 관해서도, 상기한 실시형태와 같다.

도 6의 실린더 튜브(2B)는 실린더 튜브 외형이 직사각형으로 한쌍의 실린더 구멍(3, 3)도 직사각형(사각형의 일종)이다.

도 7의 실린더 튜브(2C)는 편평한 육각형의 외형 형상이고, 장축 방향의 길이의 중심선(CL)을 끼워 양측에 오각형 단면의 실린더 구멍(3, 3)을 갖고 있다.

도 8의 실린더 튜브(2D)는 외주를 장원형으로 하고, 반원 단면과 사각형 단면을 합성한 실린더 구멍(3)을 한 쌍 구비한 것이다.

도 9의 실린더 튜브(2E)는 외주가 장원이고, 한 쌍의 둥근 실린더 구멍(3, 3)을 구비하는 동시에, 실린더 구멍(3, 3)의 사이에, 한쪽 배관용의 유로(3a, 3a)를 형성한 것이다.

도 10의 실린더 튜브(2F)는 한 쌍의 둥근 실린더 구멍(3, 3)에 따른 형상의 외주 형상(8자 형상)으로 되어 있는 실린더 튜브 단면이다.

이들 도 5 내지 도 10의 것은 모두, 장축과 단축을 갖는 편평한 외주 형상이고, 실린더 튜브 단면의 장축 방향으로 병렬 배치된 한 쌍의 실린더 구멍(3, 3)을 갖고 있고, 장축 방향의 길이의 중심선(CL)에 대하여 선대칭의 단면 형상으로 되어 있다.

다음에 도 11, 도 12를 사용하여, 내측 자석(12) 및 외측 자석(22)의 자극 배열에 관해서 도 1과 다른 예를 설명한다. 본 실시형태의 내측 자석(12)은 실린더 구멍(3)의 반경 방향 내측에서 S 외측에서 N이 되도록 착자되고, 인접하는 피스톤(10, 10)이 대향하는 내측 자석(12) 상호간에서는 동극끼리가 대향하도록 배열된다. 또한, 동일 피스톤내에서는 내측 자석(12) 상호는 실린더 튜브 축선 방향 또는 피스톤(10)의 길이 방향으로는 동극끼리가 대향한다. 또한, 외측 자석(22)도 실린더 튜브 반경 방향의 내측과 외측에서 S, N 극이 되도록 착자되고, 각각 대향하는 내측 자석(12)과는 이극이 되어 서로 끌어당기도록 배치되어 있다. 그리고 외측 자석(22) 상호간에서는 축선 방향으로는 동극이 대향하는 배열로 되어 있다.

또, 상술한 각 실시형태에 있어서는, 피스톤과 슬라이드체에 설치한 내측 자석 및 외측 자석으로서 영구자석을 이용하고 있지만, 그 한쪽을 다른쪽의 영구자석과 충분히 서로 끌어당기는 자성체로 하는 것도 가능하다. 이것에 의해 저가인 자성체에 의해 두께를 얇게 하여 제품의 소형화·경량화를 달성할 수 있다.

또한, 실린더 튜브에 설치하는 실린더 구멍은 한 쌍에 한정되지 않고, 3개 이상 설치하는 것도 가능하다. 도 13, 도 14는 실린더 튜브에 3개의 실린더 구멍을 설치한 마그넷식 로드리스 실린더의 예를 도시한다. 도 13, 도 14에 있어서, 제 1 실시형태와 동일 부분에는 동일 부호를 붙이고, 설명을 생략하고 있다.

본 실시형태의 실린더 튜브(2G)는 도 14에 도시하는 바와 같이 단면 외주 형상이 장축, 단축을 갖는 편평한 장원형을 이루고, 동일 형상의 3개의 둥근 실린더 구멍(3, 3, 3)이 각각 격벽부(4)를 끼워 장축 방향으로 등간격으로 근접하여 병렬 배치되어 있다.

또, 도 15는 실린더 구멍(3)을 4개 갖는 단일의 실린더 튜브(2H)의 단면 형상의 일례를 도시하는 도면이다.

다음에, 도 16, 도 17을 사용하여, 본 발명의 로드리스 실린더의 다른 실시형태를 설명한다.

도 16의 실시형태에서는, 외측 자석(22)의 형상이 실린더 튜브(2)의 장원 외형의 전체 둘레에 대하여 완전하게 대응한 장원링 형상이 아니고, 도 16에 도시하는 바와 같이 외측 자석(22)의 직선부분(22b)의 한쪽에 노치부(22c)가 설치된 구성으로 되어 있다. 또한, 요크(23), 외부 웨어링(24)도 상기 노치부(22c)에 대응한 노치부를 갖는 형상으로 되어 있다.

또한, 상기 노치부(22c)와 대응하는 실린더 튜브(2)의 상면에는, 실린더 튜브(2)의 축선 방향을 따라 신장하는 축선 방향 부재로서의 직선안내 레일(30)이 실린더 튜브와 일체로 설치되어 있다. 직선안내 레일(30)은 슬라이드체(20)를 실린더 튜브(2) 축선 방향으로 관통하고 있고, 그 일부가 노치부(22c)에 위치하도록 배치되어 있다.

이 직선 안내 레일(30)에 직선 안내되는 안내자(31)가 슬라이드체(20)에 장착되어 있다. 이 구성에서는, 슬라이드체(20)가 실린더 튜브(2)를 따라서 왕복 이동할 때, 직선안내 레일(30)에 안내자(31)를 통하여 슬라이드체(20)가 안내되기 때문에, 실린더 튜브(2) 외주면에서 슬라이드체(20)를 안내하는 경우와 비교하여 안내 정밀도가 향상하게 된다.

다음에, 도 17을 사용하여 다른 실시형태를 설명한다. 도 17에 도시하는 실시형태에서는, 외측 자석(22)은 직선부분(22b)을 2개소 모두 흩트러진 형상이고, 그 결과, 노치부(22c)가 2개소로 되어 있다. 요크(23), 외부 웨어링(24)도 이 외부자석(22)의 형상에 맞춘 형상으로 되어 있다.

본 실시형태에 있어서도, 상측의 노치부(22c)에는 상기한 바와 같이 직선안내 레일(30)과 안내자(31)가 배치되어 있다. 또한, 하측의 노치부(22c)와 대응하고, 슬라이드체(20)와 엔드 플레이트(25)에는 엔드 플레이트(25)로부터 슬라이드체(20)를 관통하여 실린더 튜브(2) 길이 방향으로 연속하는 노치부(축선 방향홈; 20a)가 설치되어 있다.

도 17에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에서는 노치부(20a)와 노치부(22c)를 통하여 실린더 튜브(2)의 길이를 따르는 설치부재(축선 방향 부재; 35)가 실린더 튜브(2)의 하면에 장착되어 있다.

설치부재(35)는 기계 본체 등의 로드리스 실린더를 장착시키는 부분에 고착되고, 실린더 튜브(2)의 길이 방향 중간부를 지시하는 다리부(36)를 구비하고 있다.

또 설치부재(35)는 실린더 튜브(2)의 긴쪽 전체 길이에 연속하고 있을 필요는 없고, 길이 방향에서 몇 개인가로 분단되어 있어도 좋다. 본 실시형태에 따르면, 실린더 튜브(2)의 길이 중간부가 설치부재(35)에 의해 지지되기 때문에, 실린더 튜브(2)의 휘어짐을 방지할 수 있고, 또한, 직선안내 레일(30)에 의한 안내로 슬라이드체(20)가 원활하게 이동할 수 있다. 또, 본 실시형태에 있어서, 노치부(22c)를 하측만으로서 설치부재(35)만을 갖는 마그넷식 로드리스 실린더로 하는 할 수도 있다.

Claims (9)

1. 비자성 재료로 이루어지는 실린더 튜브(2) 내측에 형성된 실린더 구멍(3)내에 실린더 튜브 축선 방향으로 이동 가능하게 수용되는 피스톤(10)과,

   상기 실린더 튜브 외주에 실린더 튜브 축선 방향으로 이동 가능하게 배치됨 과 동시에, 상기 피스톤과 자기적으로 결합된 슬라이드체(20)를 구비한 마그넷식 로드리스 실린더(1)에 있어서,

   상기 실린더 튜브(2)에는 복수의 각각 독립한 상기 실린더 구멍(3, 3)이 가까운 위치에 형성되고, 각 실린더 구멍에는 각각 상기 슬라이드체(20)와 자기적으로 결합된 상기 피스톤(10)이 배치되며,

   또한, 상기 실린더 튜브(2)의 단면 외형은 비원형으로 형성되고,

   상기 각각의 피스톤(10, 10)은 실린더 튜브 축선 방향으로 배치된 복수의 내측 자석(12, 12)을 구비하고, 상기 내측 자석을 개재하여 상기 슬라이드체(20)와 자기 결합되고,

   상기 실린더 구멍(3, 3)은 각 실린더 구멍에 수용된 피스톤 상호가 각 피스톤의 내측 자석 서로에 작용하는 실린더 튜브(2) 축선 방향의 자기반발력에 의해, 서로 실린더 튜브 축선 방향으로 어긋난 위치에 유지될 정도로 서로 접근한 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 마그넷식 로드리스 실린더.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 실린더 튜브(2) 단면 외형이 장축과 단축을 갖는 편평한 비원형 형상을 이루고, 실린더 구멍(3, 3)을 포함하는 단면 형상은 장축 방향 길이의 중심선(CL)에 대하여 선대칭으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마그넷식 로드리스 실린더.
3. 제 2 항에 있어서, 실린더 튜브(2) 단면 외형은 장원(長圓)이고, 실린더 구멍(3, 3) 단면은 둥근 원이며, 상기 실린더 구멍은 실린더 튜브 단면에 있어서 장축 방향으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 마그넷식 로드리스 실린더.
4. 제 2 항에 있어서, 실린더 튜브(2A) 단면 외형은 직사각형이고, 실린더 구멍(3,3) 단면은 사각형이며, 상기 실린더 구멍은 실린더 튜브 단면에 있어서 장축 방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 마그넷식 로드리스 실린더.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬라이드체(20)는 슬라이드체 내측에 배치된 외측 자석(22)을 구비하고, 상기 외측 자석을 개재하여 상기 피스톤(10)과 자기 결합되고,

   상기 외측 자석(22)은 실린더 튜브의 단면 외형 전체 둘레에 대하여 적어도 1개소의 노치부(22c)를 갖고,

   상기 노치부에는 실린더 튜브의 축선 방향을 따라서 축선 방향 부재(30, 35)가 배치되는 것을 특징으로 마그넷식 로드리스 실린더.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 피스톤(10, 10)은 실린더 튜브 축선 방향으로 배치된 복수의 내측 자석(12)을 구비하고, 상기 내측 자석을 개재하여 상기 슬라이드체(20)와 자기 결합되고,

   상기 내측 자석의 자극 배치는 실린더 튜브 축선 방향으로 인접한 내측 자석 상호에 있어서 동극끼리가 대향하고,

   서로 인접한 피스톤의 내측 자석 상호간도 동극끼리가 대향하고,

   상기 슬라이드체는 슬라이드체 내측에 축선 방향으로 배치된 복수의 외측 자석(22)을 구비하고, 상기 외측 자석을 개재하여 상기 피스톤(10)과 자기 결합되고,

   상기 외측 자석의 자극 배치는 축선 방향으로서 동극끼리가 대향하고, 상기 내측 자석의 자극은 이극끼리가 대향하는 것을 특징으로 하는 마그넷식 로드리스 실린더.
7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 피스톤(10)은 실린더 튜브 축선 방향으로 배치된 복수의 내측 자석(12)을 구비하고, 상기 내측 자석을 개재하여 상기 슬라이드체(20)와 자기 결합되고,

   상기 내측 자석(12) 각각은 피스톤 반경 방향에서 다른 자극이 되고 축선 방향에서 같은 자극이 되도록 착자되고,

   인접하는 피스톤의 내측 자석 상호간에서는 동극끼리가 대향하고,

   상기 슬라이드체(20)는 슬라이드체 내측에 축선 방향으로 배치된 복수의 외측 자석(22)을 구비하고, 상기 외측 자석을 개재하여 상기 피스톤(10)과 자기 결합되고,

   상기 외측 자석(22)의 각각은 실린더 튜브 반경 방향에서 다른 자극이 되어 축선 방향에서 같은 자극으로 하는 동시에, 상기 내측 자석(12)의 자극과는 이극끼리가 대향하도록 착자되어 있는 것을 특징으로 하는 마그넷식 로드리스 실린더.
8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(10)과 슬라이드체(20) 중 어느 한쪽에 영구자석을 구비하고, 다른쪽에는 자성체를 구비하며, 상기 영구자석과 상기 자성체를 개재하여 상기 피스톤과 슬라이드체가 자기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 마그넷식 로드리스 실린더.
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