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JP4171666B2 - Actuator capable of linear and rotary motion - Google Patents
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JP4171666B2 - Actuator capable of linear and rotary motion - Google Patents

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JP4171666B2
JP4171666B2 JP2003094812A JP2003094812A JP4171666B2 JP 4171666 B2 JP4171666 B2 JP 4171666B2 JP 2003094812 A JP2003094812 A JP 2003094812A JP 2003094812 A JP2003094812 A JP 2003094812A JP 4171666 B2 JP4171666 B2 JP 4171666B2
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pressure chamber
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置決め装置用のアクチュータに関し、特に可動を直線運動及び回転運動可能にすると共に、その精密位置決めを可能とする位置決め装置用アクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】
一軸方向、例えばZ軸方向に関する位置決め機能を持つ位置決め装置の応用例としては、例えばチップマウンタがある。これを図5を参照して説明する。
【0003】
図5において、チップマウンタは、Z軸送り装置100と、このZ軸送り装置100で昇降駆動されるホルダ支持装置200とを組み合わせて成る。Z軸送り装置100は、装置フレーム101にサーボモータ102を設置し、このサーボモータ102で鉛直方向に延びるボールネジ機構103を駆動するようにしている。ボールネジ機構103はスライダ104を有しており、スライダ104を装置フレーム101に設けたガイドレール105で案内するようにしている。
【0004】
ホルダ支持装置200は、ボールネジ機構103におけるスライダ104と反対側に、ホルダブラケット201を介して取り付けられている。ホルダ支持装置200はエアシリンダ202を有し、エアシリンダ202内には静圧空気軸受204を介してツールホルダ203が上下動可能に配置されている。つまり、静圧空気軸受204はエアシリンダ202に設けられている穴205から供給される圧縮空気を多孔質体で均一に分散させてツールホルダ203の下部を非接触状態にて支持する。
【0005】
また、エアシリンダ202に開口されている加圧ポート206及びバランス圧ポート207から供給される圧縮空気同士の差圧でツールホルダ203の上下動を位置決め制御するように構成されている。ツールホルダ203の下端部にはチップ300を保持するためのツール209が取り付けられている。
【0006】
基板保持ステージ400には、チップ300が実装されるべき基板401が搭載されている。なお、エアシリンダ202には移動高さを検出するための位置検出器210が設けられ、高さ位置のフィードバック制御に利用される(例えば特許文献1参照)。
【0007】
上記の装置は、精密位置決めを可能とするために、ボールネジ機構103によるZ軸送り装置100と、エアシリンダ203によるホルダ支持装置200との2つの駆動機構が必要である。
【0008】
Z軸方向への位置決め装置としては、上記のように直線運動機構としてサーボモータに送り機構(ボールネジ等)を組み合わせたものの他、空気圧シリンダ又はリニアモータを組み合わせたものが知られている。
【0009】
【特許文献1】
特開2000−353725号公報(第3頁、図1)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような直線運動機構に加えて、可動部に回転運動機能を持たせることが要求される場合がある。このような要求を満足するために、直線運動機構に回転運動機構を足し合せるようにすると装置が複雑で大型となる問題点がある。
【0011】
そこで、本発明の課題は、可動部に直線運動と回転運動とを与えることのできるアクチュエータを単純な構造である流体圧シリンダで実現することができるようにすることにある。
【0012】
本発明の他の課題は、直線運動と回転運動の位置決めを高い精度で行うことのできるアクチュエータを提供することにある。
【0013】
本発明の更に他の課題は、上記直線運動の位置決めのための制御に加えて荷重制御(力制御)の可能なアクチュエータを提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、流体圧シリンダと、該流体圧シリンダ内に静圧軸受けを介して非接触状態にてスライド可能に収容されたピストンヘッドと該ピストンヘッドから軸方向に延びるロッドとを持つピストン体と、前記流体圧シリンダ内で前記ピストンヘッドを間にした一方の圧力室に定圧の流体を供給すると共に、他方の圧力室にはサーボ弁を介して流体の圧力又は流量を制御して供給するための流体回路と、前記ロッドを軸方向にスライド可能な状態で支持していると共に、前記ロッドを前記ピストンヘッドと共にその中心軸回りに回転させるための回転駆動機構とを備え、前記流体圧シリンダの前記他方の圧力室側に面している部分の中心部には該他方の圧力室から離れる前記中心軸方向に延びる孔が形成されており、一方、前記他方の圧力室側に面している前記ピストンヘッドにはその中心部に位置検出用のロッドが前記中心軸方向に延びかつ前記孔に挿入されるように設けられており、前記孔にはまた前記位置検出用のロッドが挿通するように組み合わされてその移動量を検出するためのセンサ部が固定されて前記ピストン体の位置を検出するための位置センサを構成していることを特徴とするアクチュエータが提供される。
【0015】
本アクチュエータにおいては、前記回転駆動機構は、前記流体圧シリンダ側に軸受けを介して回転可能に支持された筒状のガイドフランジを含み、該ガイドフランジは断面多角形状の貫通穴を有して、該貫通穴にこれと同じ断面形状を持つ前記ロッドが挿通されており、該ガイドフランジはまた回転駆動源から回転駆動力を受けるように構成されている。
【0016】
本アクチュエータにおいてはまた、前記静圧軸受けは、前記ピストンヘッドにおける軸方向端部の外周にそれぞれ、周方向に間隔をおいて複数の溝を形成し、これらの溝に前記一方の圧力室、他方の圧力室から流体を導入して前記流体圧シリンダの内壁に作用させることにより構成されている。
【0018】
本アクチュエータにおいては更に、前記一方の圧力室及び前記他方の圧力室の圧力を検出するための第1、第2の圧力センサが設けられ、前記第1、第2の圧力センサ、前記位置センサからの検出信号を用い、前記サーボ弁を介して前記ピストン体のロッドに組み合わされる被駆動部の位置制御、荷重制御を切替えて行うためのコントローラを備える。
【0019】
本アクチュエータにおいては更に、前記ガイドフランジを含む回転部分の回転角度を検出するための回転角度センサを更に備え、前記コントローラは更に前記回転角度センサからの検出信号を用いて回転角度制御を行うようにされる。
【0020】
本アクチュエータにおいては更に、前記ガイドフランジの前記軸受けとして、ボールベアリング、静圧軸受け、すべり軸受けのいずれかが用いられる。
【0021】
【発明の実施の形態】
図1、図2を参照して、本発明によるアクチュエータの実施の形態について説明する。図1は、流体として圧縮空気を用いる、本発明によるアクチュエータの断面構造を示す。
【0022】
図1において、本アクチュエータは、シリンダ10、ピストン体50、シリンダ10に対して圧縮空気の給気、排気を行うサーボ弁60を含む。シリンダ10は、ピストン体50のピストンヘッド51を収容する空間、つまりピストンヘッド51の両側に圧力室を形成するためのシリンダ本体11と、圧力室に圧縮空気を導入するための空気通路を形成している通路部(流体回路)12と、ピストン体50のロッド52側においてシリンダ本体11との間で上記圧力室を形成するための筒状のガイドフランジ13とを含む。なお、ここでは通路部12がシリンダ10の一部を形成するようにしている。
【0023】
通路部12は、圧縮空気を導入するための通路を持つ空気導入部12−1と、この空気導入部12−1の空気通路、サーボ弁60への空気入り口及び空気出口、シリンダ本体11の2つの圧力室にそれぞれ連通する通路を持つ通路本体部12−2とから成る。通路部12にはサーボ弁60が設置固定されている。詳しく説明すると、通路本体部12−2は、空気導入部12−1の通路と連通して導入した一定圧の空気を、シリンダ本体11における図中右側の圧力室に直接導入すると共に、サーボ弁60の空気入り口に導入するための通路12−2aと、サーボ弁60の空気出口から調整された圧力又は流量の空気を受けてシリンダ本体11における図中左側の圧力室に導入するための通路12−2bとを有する。以下では、図中右側の圧力室を定圧力室(一方の圧力室)と呼び、左側の圧力室を調整圧力室(他方の圧力室)と呼ぶ。
【0024】
シリンダ本体11は、断面円形の空間を有し、この空間に断面円形のピストンヘッド51が挿通されている。一方、ガイドフランジ13は断面多角形状(ここでは四角形状)の穴を有し、この穴に同じ四角形状の断面形状を持つロッド52が軸方向にスライド自在に挿通されている。
【0025】
特に、ガイドフランジ13は、中心軸方向には移動を抑止されているが、ボールベアリング30により中心軸に関して回転可能に空気導入部12−1内に保持されている。つまり、空気導入部12−1は、空気導入用の通路を持つだけでなく、ガイドフランジ13を収容可能な環状部を持つ。これにより、ロッド52はガイドフランジ13に対して軸方向にスライド可能であると共に、ガイドフランジ13が回転すると、一緒に回転するように構成されている。ガイドフランジ13は、空気導入部12−1の環状部から突き出したボスを有し、このボスにはギヤ17が固定されている。ギヤ17は、図示しないサーボモータ等の回転駆動源により回転駆動される。
【0026】
図1は、ピストン体50が図中最も右側、つまり下死点まで移動した状態を示している。
【0027】
シリンダ本体11のガイドフランジ13とは反対側の部分には、中心軸方向に孔11aが形成され、この孔11aにはピストンヘッド51の中心に固定されて中心軸方向に延びる位置センサ用ロッド41−1が挿入されていると共に、位置センサ用ロッド41−1と共にピストン体50の位置検出を行うためのセンサ部41−2が固定されている。このような位置センサ用ロッド41−1とセンサ部41−2とによる位置センサ41は周知であるので、簡単に説明すると、本形態では位置センサ用ロッド41−1には定ピッチで磁性体と非磁性体とが交互に配列されている。位置センサ用ロッド41−1がピストン体50と共に中心軸方向に移動すると、移動した磁性体の数及び磁性体間の位置が磁場を介してセンサ部41−2で検出される。この検出信号を用いてピストン体50の移動量あるいは位置が検出される。なお、位置センサ用ロッド41−1は、センサ部41−2に対して中心軸方向にスライド可能であると共に、ピストン体50と共に回転可能である。
【0028】
センサ部41−2からの検出信号を導線(図示省略)にてシリンダ本体11外に導出するためにシリンダ本体11にはコネクタ43が設置されている。孔11a内は、調整圧力室と同じ圧力となるので、コネクタ43の設置部には空気漏れが生じないようなシール構造が施される。
【0029】
シリンダ本体11にはまた、孔11aと連通した孔11bを通して調整圧力室の圧力を検出するための圧力センサ(第2の圧力センサ)15が設けられている。シリンダ本体11には更に、図中下部側に補助壁部材18が設けられ、この補助壁部材18には定圧力室に連通する通路18a(一部のみ図示)が形成されていると共に、出口側には定圧力室の圧力を検出するための圧力センサ(第1の圧力センサ)16が設けられている。19はシール用のO−リングである。
【0030】
本形態によるアクチュエータにおいては更に、図3に示されるように、ピストンヘッド51の両端部の外周に、調整圧力室、定圧力室側からそれぞれ圧縮空気を導入するための浅い溝51a、51bが周方向に間隔をおいて形成され、ピストンヘッド51をシリンダ本体11の内壁面から浮上させる静圧空気軸受け部が構成されている。つまり、静圧空気軸受け部は、調整圧力室、定圧力室からそれぞれ導入された圧縮空気をシリンダ本体11の内壁に作用させることでピストンヘッド51をシリンダ本体11の内壁から浮上させ、非接触状態にてスライド移動可能となる。この静圧空気軸受け部の近傍におけるピストンヘッド51の外周にはそれぞれ、シリンダ本体11の内壁に作用した空気を外部に排気するための排気溝51c、51dが全周にわたって形成され、これらの排気溝51c、51dで集められた圧縮空気はピストン体50の内部に形成された排気通路51eを通してロッド52の端部からアクチュエータ外に排出される。つまり、ロッド52の端部には被駆動部(図示せず)が設けられると共に、ロッド52が回転している状態でも圧縮空気の排出が可能な空気配管用のコネクタが接続される。
【0031】
以上説明した本形態によるアクチュエータは、以下の点に特徴を有する。
【0032】
1)シリンダ本体11の定圧力室には図示しない圧縮空気供給源からの定圧の空気を直接導入し、調整圧力室にサーボ弁60を介して調整された圧力又は流量の空気を導入することで位置制御あるいは後述する荷重制御のためのサーボ弁が1つで済むようにしている。
【0033】
2)ピストンヘッド51を静圧空気軸受け部によりシリンダ本体11の内壁から浮上させるようにしている。
【0034】
3)ピストン体50を、サーボモータ等を回転駆動源とするガイドフランジ13の回転により回転可能にしている。
【0035】
つまり、ピストン体50における円形断面のピストンヘッド51の周囲には複数の静圧空気軸受け部を設けてあり、摩擦抵抗の無い状態で直線運動できるようになっている。ピストン体50の制御系として、図4に示すように、位置センサロッド41−1とセンサ部41−2から成る位置センサ41による位置フィードバック系、圧力センサ15、16による圧力フィードバック系が形成される。コントローラ1は、位置指令値、荷重指令値を受けると共に、上記各センサからの検出信号を受けてサーボ弁60により調整圧力室への流体制御を行うことにより、ピストン体50の高精度の位置決め、荷重制御を行う。なお、サーボ弁60は、周知のように、スプールの位置を検出するためのスプール位置センサを内蔵しており、位置決め制御に際しては、コントローラ1はこのスプール位置センサからの信号をも用いてサーボ弁60を制御する。
【0036】
また、ピストン体50のロッド52は、ガイドフランジ13に対して回転しないよう四角形の断面になっている一方、ガイドフランジ13がボールベアリング30を介して回転可能にされていることによりロッド52が一体に回転できるようになっている。なお、ガイドフランジ13をサーボモータで回転させる場合には、その回転角度をサーボモータに付属のロータリーエンコーダにより検出してコントローラ1に出力するフィードバック系を構成することにより高精度の回転角制御が行われる。勿論、回転角度を検出するためのセンサは、別の周知の回転角度センサを用いても良い。
【0037】
なお、荷重制御というのは、調整圧力室に面したピストンヘッド51の受圧面積をS1、そこに作用する圧力をP1とし、定圧力室に面したピストンヘッド51の受圧面積をS2(但し、S1>S2)、そこに作用する圧力をP2(但し、P1≦P2)とすると、荷重F=P1・S1−P2・S2に基づいて、ロッド52の端部に設けられる被駆動部に対して荷重指令値に基づく荷重(力)を与える制御である。
【0038】
コントローラ1は、上記のようなピストン体50の位置制御と荷重制御とを切り換えて行うことができるようにされている。勿論、この切り換えは、位置制御のみを行う場合と、荷重制御のみを行う場合の他に、制御の途中、例えば位置制御によりピストン体50、つまり被駆動部を所定の位置に位置決めした後、荷重制御に切り換えて被駆動部に所定の荷重(力)を与えるようにする切り換えを含む。
【0039】
本アクチュエータは、図1に示されるように横にして使用される場合と、縦にして使用される場合とがある。縦にして使用する場合には、本アクチュエータはZ軸(上下方向)及び回転駆動機構として用いられる。そして、被駆動部にチャック機構のようなものを組み付けることで、例えばIC部品等の移動対象物を上下に高速移動することができるうえに、移動対象物を高精度に位置決めすることができる。また、移動対象物に高精度で荷重(力)を加えることができると共に移動対象物を高精度でZ軸回りの回転角位置決めを行うことができる。
【0040】
なお、ガイドフランジ13の軸受けとしては、ボールベアリング30に代えて、ロッド51側と同じ静圧空気軸受けや、すべり軸受けを用いても良い。
【0041】
また、本発明によるアクチュエータの応用分野としては、ボールネジや流体圧シリンダを使用する駆動機構を用いたバイオ関連機器や搬送機器等全般において使用可能であり、この駆動機構に代えて本発明によるアクチュエータが使用される。更に、本発明によるアクチュエータは圧縮空気によるものに限らず、他の気体を用いるものにも適用可能であることは言うまでも無い。図1に示したシリンダ10の構造は一例にすぎず、シリンダ本体11を複数の部材ではなく単一の部材で形成するようにしても良い。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、可動部に直線運動と回転運動とを与えることのできるアクチュエータを単純な構造である流体圧シリンダで実現することができる。しかも、本発明によるアクチュエータは、直線運動と回転運動の位置決めを高い精度で行うことができる。本発明によるアクチュエータは更に、上記位置決めのための制御に加えて荷重制御(力制御)を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるアクチュエータの一例として、空気圧アクチュエータの実施の形態を示す断面図である。
【図2】図1に示されたアクチュエータを図1の右方向から見た図である。
【図3】本発明におけるピストン体の構造を説明するための図である。
【図4】本発明によるアクチュエータの制御系の構成を説明するためのブロック図である。
【図5】従来のZ軸方向の位置決め装置の一例を示した図である。
【符号の説明】
10 シリンダ
11 シリンダ本体
12 通路部
13 ガイドフランジ
15、16 第1、第2の圧力センサ
17 ギヤ
18 補助壁部材
19 O−リング
30 ボールベアリング
41 位置センサ
43 コネクタ
50 ピストン体
51 ピストンヘッド
52 ロッド
60 サーボ弁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an actuator for a positioning device, and more particularly to an actuator for a positioning device that enables a movable part to perform linear motion and rotational motion, and enables precise positioning thereof.
[0002]
[Prior art]
As an application example of a positioning device having a positioning function in one axis direction, for example, the Z axis direction, there is a chip mounter, for example. This will be described with reference to FIG.
[0003]
In FIG. 5, the chip mounter is formed by combining a Z-axis feeding device 100 and a holder support device 200 that is driven up and down by the Z-axis feeding device 100. In the Z-axis feeding device 100, a servo motor 102 is installed on an apparatus frame 101, and a ball screw mechanism 103 extending in the vertical direction is driven by the servo motor 102. The ball screw mechanism 103 has a slider 104, and the slider 104 is guided by a guide rail 105 provided on the apparatus frame 101.
[0004]
The holder support device 200 is attached to the opposite side of the ball screw mechanism 103 from the slider 104 via a holder bracket 201. The holder support device 200 has an air cylinder 202, and a tool holder 203 is arranged in the air cylinder 202 via a hydrostatic air bearing 204 so as to be movable up and down. That is, the static pressure air bearing 204 uniformly supports the lower portion of the tool holder 203 in a non-contact state by uniformly dispersing the compressed air supplied from the hole 205 provided in the air cylinder 202 with the porous body.
[0005]
Further, the vertical movement of the tool holder 203 is controlled by the differential pressure between the compressed air supplied from the pressurization port 206 and the balance pressure port 207 opened in the air cylinder 202. A tool 209 for holding the chip 300 is attached to the lower end portion of the tool holder 203.
[0006]
A substrate 401 on which the chip 300 is to be mounted is mounted on the substrate holding stage 400. The air cylinder 202 is provided with a position detector 210 for detecting the moving height, and is used for height position feedback control (see, for example, Patent Document 1).
[0007]
In order to enable precise positioning, the above device requires two drive mechanisms, that is, the Z-axis feeding device 100 using the ball screw mechanism 103 and the holder support device 200 using the air cylinder 203.
[0008]
As a positioning device in the Z-axis direction, a combination of a pneumatic cylinder or a linear motor in addition to a combination of a servomotor and a feed mechanism (ball screw or the like) as a linear motion mechanism as described above is known.
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-353725 (page 3, FIG. 1)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, in addition to the linear motion mechanism as described above, it may be required that the movable portion has a rotational motion function. In order to satisfy these requirements, there is a problem that if the rotational motion mechanism is added to the linear motion mechanism, the apparatus becomes complicated and large.
[0011]
Therefore, an object of the present invention is to realize an actuator capable of giving a linear motion and a rotational motion to a movable portion with a fluid pressure cylinder having a simple structure.
[0012]
Another object of the present invention is to provide an actuator that can perform linear motion and rotational motion positioning with high accuracy.
[0013]
Still another object of the present invention is to provide an actuator capable of load control (force control) in addition to the control for positioning the linear motion.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a piston having a fluid pressure cylinder, a piston head slidably accommodated in the fluid pressure cylinder via a hydrostatic bearing and a rod extending in the axial direction from the piston head. A constant pressure fluid is supplied to one pressure chamber between the body and the piston head in the fluid pressure cylinder, and the other pressure chamber is supplied by controlling the fluid pressure or flow rate via a servo valve. comprising a fluid circuit for the said rod with supports axially slidable state, and a rotation drive mechanism for rotating said rod around its central axis together with the piston head, the fluid pressure A hole extending in the central axis direction away from the other pressure chamber is formed in the center of the portion facing the other pressure chamber side of the cylinder. The piston head facing the chamber is provided with a position detection rod extending in the center axis direction and inserted into the hole at the center thereof, and the position detection rod is also provided in the hole. Provided is an actuator characterized in that a position sensor for detecting the position of the piston body is configured by fixing a sensor unit for detecting the amount of movement by combining the rods for insertion therethrough. Is done.
[0015]
In this actuator, the rotational drive mechanism includes a cylindrical guide flange rotatably supported on the fluid pressure cylinder side via a bearing, and the guide flange has a through hole having a polygonal cross section. The rod having the same cross-sectional shape is inserted into the through hole, and the guide flange is also configured to receive a rotational driving force from a rotational driving source.
[0016]
In this actuator, the hydrostatic bearing is formed with a plurality of circumferentially spaced grooves on the outer periphery of the axial end of the piston head, and the one pressure chamber and the other are formed in these grooves. The fluid is introduced from the pressure chamber and is applied to the inner wall of the fluid pressure cylinder.
[0018]
The actuator further includes first and second pressure sensors for detecting the pressures of the one pressure chamber and the other pressure chamber, and the first and second pressure sensors and the position sensor are provided. using the detection signals, the position control of the drive unit to be combined to the rod of the piston body through the servo valve, obtain Bei a controller for performing switching load control.
[0019]
The actuator further includes a rotation angle sensor for detecting a rotation angle of the rotation portion including the guide flange, and the controller further performs rotation angle control using a detection signal from the rotation angle sensor. Is done.
[0020]
In the present actuator, any one of a ball bearing, a static pressure bearing, and a sliding bearing is used as the bearing of the guide flange.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of an actuator according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of an actuator according to the invention using compressed air as a fluid.
[0022]
In FIG. 1, the actuator includes a cylinder 10, a piston body 50, and a servo valve 60 that supplies and exhausts compressed air to and from the cylinder 10. The cylinder 10 forms a space for accommodating the piston head 51 of the piston body 50, that is, a cylinder body 11 for forming pressure chambers on both sides of the piston head 51, and an air passage for introducing compressed air into the pressure chambers. A passage portion (fluid circuit) 12 and a cylindrical guide flange 13 for forming the pressure chamber between the piston body 50 and the cylinder body 11 on the rod 52 side. Here, the passage portion 12 forms a part of the cylinder 10.
[0023]
The passage portion 12 includes an air introduction portion 12-1 having a passage for introducing compressed air, an air passage of the air introduction portion 12-1, an air inlet and an air outlet to the servo valve 60, and two cylinder bodies 11. It comprises a passage body 12-2 having passages communicating with the two pressure chambers. A servo valve 60 is installed and fixed in the passage portion 12. More specifically, the passage main body 12-2 directly introduces air of a constant pressure introduced in communication with the passage of the air introduction portion 12-1 into the pressure chamber on the right side of the cylinder main body 11 in the drawing, and the servo valve. A passage 12-2a for introducing the air into the air inlet 60 and a passage 12 for receiving the adjusted pressure or flow of air from the air outlet of the servo valve 60 and introducing it into the pressure chamber on the left side of the cylinder body 11 in the figure. -2b. Hereinafter, the pressure chamber on the right side in the figure is referred to as a constant pressure chamber (one pressure chamber), and the pressure chamber on the left side is referred to as an adjustment pressure chamber (the other pressure chamber).
[0024]
The cylinder body 11 has a space with a circular cross section, and a piston head 51 with a circular cross section is inserted into this space. On the other hand, the guide flange 13 has a hole having a polygonal cross section (here, a square shape), and a rod 52 having the same square cross sectional shape is inserted into the hole so as to be slidable in the axial direction.
[0025]
In particular, the guide flange 13 is prevented from moving in the direction of the central axis, but is held in the air introduction portion 12-1 by the ball bearing 30 so as to be rotatable about the central axis. That is, the air introduction part 12-1 not only has an air introduction path, but also has an annular part that can accommodate the guide flange 13. As a result, the rod 52 is slidable in the axial direction with respect to the guide flange 13 and is configured to rotate together when the guide flange 13 rotates. The guide flange 13 has a boss protruding from the annular portion of the air introduction portion 12-1, and a gear 17 is fixed to the boss. The gear 17 is rotationally driven by a rotational drive source such as a servo motor (not shown).
[0026]
FIG. 1 shows a state in which the piston body 50 has moved to the rightmost side in the drawing, that is, to the bottom dead center.
[0027]
A hole 11a is formed in the central axis direction in a portion of the cylinder body 11 opposite to the guide flange 13, and the position sensor rod 41 is fixed to the center of the piston head 51 and extends in the central axis direction in the hole 11a. -1 is inserted, and a sensor part 41-2 for detecting the position of the piston body 50 together with the position sensor rod 41-1 is fixed. Since the position sensor 41 including the position sensor rod 41-1 and the sensor unit 41-2 is well known, in brief, in this embodiment, the position sensor rod 41-1 is made of a magnetic material at a constant pitch. Non-magnetic materials are alternately arranged. When the position sensor rod 41-1 moves in the direction of the central axis together with the piston body 50, the number of moved magnetic bodies and the position between the magnetic bodies are detected by the sensor unit 41-2 via a magnetic field. The movement amount or position of the piston body 50 is detected using this detection signal. The position sensor rod 41-1 is slidable in the direction of the central axis with respect to the sensor unit 41-2 and can be rotated together with the piston body 50.
[0028]
A connector 43 is installed in the cylinder body 11 in order to lead out a detection signal from the sensor unit 41-2 to the outside of the cylinder body 11 with a conducting wire (not shown). Since the inside of the hole 11a has the same pressure as that of the adjustment pressure chamber, a sealing structure that prevents air leakage from the installation portion of the connector 43 is applied.
[0029]
The cylinder body 11 is also provided with a pressure sensor (second pressure sensor) 15 for detecting the pressure in the adjustment pressure chamber through a hole 11b communicating with the hole 11a. The cylinder body 11 is further provided with an auxiliary wall member 18 on the lower side in the figure. The auxiliary wall member 18 is formed with a passage 18a (only part of which is shown) communicating with the constant pressure chamber, and on the outlet side. Is provided with a pressure sensor (first pressure sensor) 16 for detecting the pressure in the constant pressure chamber. Reference numeral 19 denotes a sealing O-ring.
[0030]
In the actuator according to this embodiment, as shown in FIG. 3, shallow grooves 51 a and 51 b for introducing compressed air from the adjustment pressure chamber and the constant pressure chamber side are provided on the outer periphery of both ends of the piston head 51. A static pressure air bearing portion is formed which is formed at intervals in the direction and lifts the piston head 51 from the inner wall surface of the cylinder body 11. That is, the static pressure air bearing portion causes the piston head 51 to float from the inner wall of the cylinder body 11 by causing the compressed air introduced from the adjustment pressure chamber and the constant pressure chamber to act on the inner wall of the cylinder body 11, and is in a non-contact state. The slide can be moved with. Exhaust grooves 51c and 51d for exhausting air that has acted on the inner wall of the cylinder body 11 to the outside are formed on the outer periphery of the piston head 51 in the vicinity of the static pressure air bearing portion. The compressed air collected by 51c and 51d is discharged out of the actuator from the end of the rod 52 through an exhaust passage 51e formed in the piston body 50. In other words, a driven portion (not shown) is provided at the end of the rod 52, and an air piping connector capable of discharging compressed air even when the rod 52 is rotating is connected.
[0031]
The actuator according to the present embodiment described above has the following features.
[0032]
1) By introducing a constant pressure air from a compressed air supply source (not shown) directly into the constant pressure chamber of the cylinder body 11 and introducing a regulated pressure or flow rate of air through the servo valve 60 into the adjustment pressure chamber. Only one servo valve is required for position control or load control described later.
[0033]
2) The piston head 51 is levitated from the inner wall of the cylinder body 11 by the static pressure air bearing portion.
[0034]
3) The piston body 50 is rotatable by the rotation of the guide flange 13 using a servo motor or the like as a rotational drive source.
[0035]
That is, a plurality of static pressure air bearing portions are provided around the piston head 51 having a circular cross section in the piston body 50 so as to be capable of linear motion without frictional resistance. As a control system of the piston body 50, as shown in FIG. 4, a position feedback system by the position sensor 41 including the position sensor rod 41-1 and the sensor unit 41-2 and a pressure feedback system by the pressure sensors 15 and 16 are formed. . The controller 1 receives the position command value and the load command value, receives the detection signals from the respective sensors, and controls the fluid to the adjustment pressure chamber by the servo valve 60, thereby positioning the piston body 50 with high accuracy. Perform load control. As is well known, the servo valve 60 incorporates a spool position sensor for detecting the position of the spool, and the controller 1 uses the signal from the spool position sensor for positioning control. 60 is controlled.
[0036]
Further, the rod 52 of the piston body 50 has a square cross section so as not to rotate with respect to the guide flange 13, while the guide flange 13 is made rotatable via the ball bearing 30 so that the rod 52 is integrated. It can be rotated. When the guide flange 13 is rotated by a servo motor, a highly accurate rotation angle control is performed by configuring a feedback system in which the rotation angle is detected by a rotary encoder attached to the servo motor and output to the controller 1. Is called. Of course, another known rotation angle sensor may be used as the sensor for detecting the rotation angle.
[0037]
The load control means that the pressure receiving area of the piston head 51 facing the adjustment pressure chamber is S1, the pressure acting on the piston head 51 is P1, and the pressure receiving area of the piston head 51 facing the constant pressure chamber is S2 (however, S1 > S2), assuming that the pressure acting thereon is P2 (where P1 ≦ P2), the load is applied to the driven portion provided at the end of the rod 52 based on the load F = P1, S1-P2, and S2. This is control for applying a load (force) based on the command value.
[0038]
The controller 1 is configured to perform switching between the position control and the load control of the piston body 50 as described above. Of course, this switching is performed only when position control is performed and when only load control is performed. During the control, for example, after positioning the piston body 50, that is, the driven part by a position control at a predetermined position, the load is changed. It includes switching to switch to control so that a predetermined load (force) is applied to the driven part.
[0039]
As shown in FIG. 1, the present actuator may be used horizontally or vertically. When used vertically, this actuator is used as a Z-axis (vertical direction) and a rotation drive mechanism. By assembling a chuck mechanism to the driven part, it is possible to move a moving object such as an IC component up and down at high speed and to position the moving object with high accuracy. Further, a load (force) can be applied to the moving object with high accuracy, and the rotation angle of the moving object can be positioned around the Z axis with high accuracy.
[0040]
In addition, as a bearing of the guide flange 13, it may replace with the ball bearing 30 and may use the same static pressure air bearing as the rod 51 side, or a sliding bearing.
[0041]
As an application field of the actuator according to the present invention, the actuator according to the present invention can be used in bio-related equipment and conveying equipment using a drive mechanism that uses a ball screw or a fluid pressure cylinder. used. Furthermore, it goes without saying that the actuator according to the present invention is not limited to that using compressed air, but can also be applied to those using other gases. The structure of the cylinder 10 shown in FIG. 1 is merely an example, and the cylinder body 11 may be formed by a single member instead of a plurality of members.
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, an actuator capable of giving a linear motion and a rotational motion to a movable part can be realized with a fluid pressure cylinder having a simple structure. Moreover, the actuator according to the present invention can perform positioning of linear motion and rotational motion with high accuracy. The actuator according to the present invention can further perform load control (force control) in addition to the control for positioning.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a pneumatic actuator as an example of an actuator according to the present invention.
2 is a view of the actuator shown in FIG. 1 as viewed from the right in FIG.
FIG. 3 is a view for explaining the structure of a piston body in the present invention.
FIG. 4 is a block diagram for explaining the configuration of an actuator control system according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a conventional positioning device in the Z-axis direction.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Cylinder 11 Cylinder main body 12 Passage part 13 Guide flange 15, 16 1st, 2nd pressure sensor 17 Gear 18 Auxiliary wall member 19 O-ring 30 Ball bearing 41 Position sensor 43 Connector 50 Piston body 51 Piston head 52 Rod 60 Servo valve

Claims (5)

流体圧シリンダと、
該流体圧シリンダ内に静圧軸受けを介して非接触状態にてスライド可能に収容されたピストンヘッドと該ピストンヘッドから軸方向に延びるロッドとを持つピストン体と、
前記流体圧シリンダ内で前記ピストンヘッドを間にした一方の圧力室に定圧の流体を供給すると共に、他方の圧力室にはサーボ弁を介して流体の圧力又は流量を制御して供給するための流体回路と、
前記ロッドを軸方向にスライド可能な状態で支持していると共に、前記ロッドを前記ピストンヘッドと共にその中心軸回りに回転させるための回転駆動機構とを備え、
前記流体圧シリンダの前記他方の圧力室側に面している部分の中心部には該他方の圧力室から離れる前記中心軸方向に延びる孔が形成されており、一方、前記他方の圧力室側に面している前記ピストンヘッドにはその中心部に位置検出用のロッドが前記中心軸方向に延びかつ前記孔に挿入されるように設けられており、前記孔にはまた前記位置検出用のロッドが挿通するように組み合わされてその移動量を検出するためのセンサ部が固定されて前記ピストン体の位置を検出するための位置センサを構成しており、
前記一方の圧力室及び前記他方の圧力室の圧力を検出するための第1、第2の圧力センサが設けられ、これら第1、第2の圧力センサ、前記位置センサからの検出信号を用い、前記サーボ弁を介して前記ピストン体のロッドに組み合わされる被駆動部の位置制御、荷重制御を切替えて行うためのコントローラを備えることを特徴とするアクチュエータ。
A fluid pressure cylinder;
A piston body having a piston head slidably received in a non-contact state via a hydrostatic bearing in the fluid pressure cylinder, and a rod extending in the axial direction from the piston head;
A constant pressure fluid is supplied to one pressure chamber between the piston heads in the fluid pressure cylinder, and a pressure or flow rate of the fluid is controlled and supplied to the other pressure chamber via a servo valve. A fluid circuit;
The rod is supported so as to be slidable in the axial direction, and includes a rotation drive mechanism for rotating the rod together with the piston head about its central axis,
A hole extending in the central axis direction away from the other pressure chamber is formed at the center of the portion facing the other pressure chamber side of the fluid pressure cylinder, and on the other side of the other pressure chamber The piston head that faces the center is provided with a position detecting rod extending in the center axis direction and inserted into the hole at the center thereof, and the hole is also provided with the position detecting rod. A sensor unit for detecting the amount of movement by combining the rods to be inserted is fixed to constitute a position sensor for detecting the position of the piston body ,
First and second pressure sensors for detecting the pressure of the one pressure chamber and the other pressure chamber are provided, and detection signals from the first and second pressure sensors and the position sensor are used, An actuator comprising: a controller for switching position control and load control of a driven part combined with the rod of the piston body via the servo valve .
請求項1に記載のアクチュエータにおいて、前記回転駆動機構は、前記流体圧シリンダ側に軸受けを介して回転可能に支持された筒状のガイドフランジを含み、該ガイドフランジは断面多角形状の貫通穴を有して、該貫通穴にこれと同じ断面形状を持つ前記ロッドが挿通されており、該ガイドフランジはまた回転駆動源から回転駆動力を受けるように構成されていることを特徴とするアクチュエータ。2. The actuator according to claim 1 , wherein the rotation drive mechanism includes a cylindrical guide flange rotatably supported on the fluid pressure cylinder side via a bearing, and the guide flange has a through-hole having a polygonal cross section. And the rod having the same cross-sectional shape is inserted into the through hole, and the guide flange is configured to receive a rotational driving force from a rotational driving source. 請求項1又は2に記載のアクチュエータにおいて、前記静圧軸受けは、前記ピストンヘッドにおける軸方向端部の外周にそれぞれ、周方向に間隔をおいて複数の溝を形成し、これらの溝に前記一方の圧力室、他方の圧力室から流体を導入して前記流体圧シリンダの内壁に作用させることにより構成されていることを特徴とするアクチュエータ。 3. The actuator according to claim 1, wherein the hydrostatic bearing includes a plurality of circumferentially spaced grooves on an outer periphery of an axial end portion of the piston head, and the one of the grooves is the one of the grooves. An actuator characterized in that a fluid is introduced from the other pressure chamber and the other pressure chamber to act on the inner wall of the fluid pressure cylinder. 請求項に記載のアクチュエータにおいて、前記ガイドフランジを含む回転部分の回転角度を検出するための回転角度センサを更に備え、前記コントローラは更に前記回転角度センサからの検出信号を用いて回転角度制御を行うことを特徴とするアクチュエータ。 3. The actuator according to claim 2 , further comprising a rotation angle sensor for detecting a rotation angle of a rotating portion including the guide flange, and the controller further controls the rotation angle using a detection signal from the rotation angle sensor. Actuator characterized by performing. 請求項に記載のアクチュエータにおいて、前記ガイドフランジの前記軸受けとして、ボールベアリング、静圧軸受け、すべり軸受けのいずれかを用いることを特徴とするアクチュエータ。The actuator according to claim 2 , wherein any one of a ball bearing, a static pressure bearing, and a sliding bearing is used as the bearing of the guide flange.
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