JP5702094B2 - エアベアリング式エアシリンダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、エアベアリング式エアシリンダ装置に関する。

エアベアリング式エアシリンダ装置は、原理的には、シリンダ本体（パイプ）内に嵌めたピストン（エアピストン）の外周面（エアベアリング）からエアを噴出させてシリンダ内周面とエアピストン外周面との間に数μｍ程度の膜厚のエア膜を形成することにより、摺動抵抗ゼロを実現している。

特開２００４−１１７８９号公報 特開２００７−２２９８８４号公報 特許第３８１１２８４号公報

しかしながら、従来のエアベアリング式エアシリンダ装置では、短いシリンダ本体によって長いロッド（ピストン）ストロークを得ることが困難であった。これは、短いエアピストンを用いて数μｍ程度のエア膜を維持するためには、パイプ体（シリンダ本体）の真円度（直線性）を高精度に維持することが必要であるのに対し、現在の機械加工技術では、パイプ体が長くなるほど真円度の確保が困難になることに起因する。このため、従来品では、エア膜切れを防止するために、シリンダ本体長に対して比較的長いエアピストン長を必要とし、このため、シリンダ全長に比してロッドストロークが短いのが実情であった。

本発明は、以上の問題意識に基づき、シリンダ全長に比してロッドストロークを長く、別言すると、必要なロッドストロークに対してシリンダ全長を短くすることができるエアベアリング式エアシリンダ装置を得ることを目的とする。

本発明は、従来リジッドであったエアピストンとピストンロッドとの結合構造をフレキシブルな構造に改めれば、シリンダ本体（パイプ体）の真円度の長さ方向のバラツキ（変化）に対して、エアピストンとピストンロッドの結合部分が追従し、エア膜切れが生じないようにすることができるとの着眼に基づいてなされたものである。

本発明は、パイプ体からなるシリンダ本体と、このシリンダ本体に嵌めた外周面からエアを噴出するエアベアリングを備えたエアピストンと、このエアピストンに結合したピストンロッドとを備え、上記エアピストンは上記シリンダ本体との対向面の全体が多孔質体からなるエアベアリング式エアシリンダ装置において、エアピストンの軸部に形成した貫通穴；上記エアピストンと、上記貫通穴に挿通したピストンロッドとを軸方向に相対移動可能に支持する軸方向弾性結合手段；及び上記エアピストンと、上記貫通穴に挿通したピストンロッドとを径方向に相対移動可能に支持する径方向弾性結合手段と、を備えたことを特徴としている。

軸方向弾性結合手段は、具体的には例えば、エアピストンの両端部に位置させてピストンロッドに嵌めた一対の弾性リングと、この一対の弾性リングをエアピストンの両端面に隙間なく接触させた状態でピストンロッドに固定する固定手段とから構成することができる。

径方向弾性結合手段は、具体的には例えば、エアピストンの貫通穴とピストンロッドとの間に軸方向位置を異ならせて介在させた少なくとも一対の弾性リング（Ｏリング）から構成することができる。

弾性リングあるいはＯリングは、ゴム材料から形成するのが実際的である。

エアピストンのエアベアリングに対する圧縮エアの供給は、ピストンロッドに形成した軸通路を介して、エアピストンを動作させるピストン動作エアの経路とは別経路で行うことができる。あるいはエアピストンの端面に穿けたエア導入口を介して、エアピストンを動作させるピストン動作エアを用いて行うこともできる。

シリンダ本体は、アルミ合金製のパイプとすることが実際的である。エアピストンのエアベアリングは、多孔質体、オリフィス絞り（エア噴出表面が表面絞りの状態となっているエアベアリング）等の周知材料（構造）を用いることができる。

ピストンロッドのシリンダ本体からの突出部には、内径摺動型のエアベアリングを設けることが好ましい。

本発明は、パイプ体からなるシリンダ本体と、このシリンダ本体に嵌めた外周面からエアを噴出するエアベアリングを備えたエアピストンと、このエアピストンに結合したピストンロッドとを備えたエアベアリング式エアシリンダ装置において、エアピストンの軸部に形成した貫通穴；上記エアピストンと、上記貫通穴に挿通したピストンロッドとを軸方向に相対移動可能に支持する軸方向弾性結合手段；及び上記エアピストンと、上記貫通穴に挿通したピストンロッドとを径方向に相対移動可能に支持する径方向弾性結合手段と、を備えたので、シリンダ本体（パイプ体）の真円度の長さ方向のバラツキ（変化）に対して、エアピストンとピストンロッドの結合部分が追従し、エアピストン外周面とシリンダ本体内周面との間のエア膜切れが生じにくい。このため、シリンダ全長に比してロッドストロークが長く、あるいは必要なロッドストロークに対してシリンダ全長を短くすることができるエアベアリング式エアシリンダ装置を得ることができる。

本発明によるエアベアリング式エアシリンダ装置の一実施形態を示す断面図である。 図１のエアベアリング式エアシリンダ装置のエアピストン回りの拡大断面図である。 図１のエアベアリング式エアシリンダ装置の動作状況を示す拡大断面図である。 本発明によるエアベアリング式エアシリンダ装置の別の実施形態を示す断面図である。 図４のエアベアリング式エアシリンダ装置のエアピストン回りの拡大断面図である。

図１ないし図３は、本発明を単動式のエアベアリング式エアシリンダ装置に適用した一実施形態を示している。アルミ合金の高精度パイプからなるシリンダ本体１０の両端部には、穴あき端板１１と端部ブロック１２が設けられており、穴あき端板１１の内面には緩衝部材１１ａが固定されている。

端部ブロック１２には、その軸部に外端部内方フランジ１２ａを有する貫通穴１２ｂが形成されており、この貫通穴１２ｂに内径摺動エアベアリング１３が挿通されている。内径摺動エアベアリング１３の外周面と貫通穴１２ｂの内周面との間には、軸方向に位置を異ならせて一対のＯリング１４が位置しており、内径摺動エアベアリング１３の両端面には、一対の弾性リング１５が位置している。この一対の弾性リング１５が内径摺動エアベアリング１３の一端面とリテーナリング１６の間及び内径摺動エアベアリング１３の他端面と端部ブロック１２の外端部内方フランジ１２ａの間を隙間なく埋めた状態で（例えば一対の弾性リング１５を軸方向に圧縮した状態で）、リテーナリング１６を介して内径摺動エアベアリング１３が端部ブロック１２に支持されている。

端部ブロック１２には、圧縮空気源Ｐの圧縮エアをエアベアリングエア供給装置ＰＡを介して、一対のＯリング１４の間において内径摺動エアベアリング１３の外周面に供給するエアベアリングエア供給路１７と、圧縮空気源Ｐの圧縮エアをピストン動作エア供給装置ＰＳを介してシリンダ本体１０の内部に供給するピストン動作エア供給路１８とが形成されている。

シリンダ本体１０内には、エアピストン２０が嵌まっており、このエアピストン２０に結合した中空ピストンロッド３０がリテーナリング１６及び内径摺動エアベアリング１３の軸穴１３ａを通って外部に突出している。軸穴１３ａの内径とピストンロッド３０の外径は、最小のクリアランスとなるように高精度に加工され、エアベアリングエア供給路１７から供給された圧縮エアが内径摺動エアベアリング１３の軸穴１３ａの内周面から噴出することで、ピストンロッド３０が非接触で軸穴１３ａ内面に支持される。

エアピストン２０は、その軸部に貫通穴２１を有しており、この貫通穴２１内にピストンロッド３０が挿通されている。貫通穴２１の内周面とピストンロッド３０の外周面との間には、軸方向位置を異ならせて一対のＯリング（弾性リング）２２が介在しており、このＯリング２２の弾性力で、ピストンロッド３０と貫通穴２１とが非接触状態でかつ径方向に相対移動可能に結合されている。すなわち、Ｏリング２２は、エアピストン２０と、貫通穴２１に挿通したピストンロッド３０とを径方向に相対移動可能に結合する径方向弾性結合手段を構成している。

エアピストン２０の両端部には、ピストンロッド３０に嵌めた一対の弾性リング２３が位置しており、ピストンロッド３０には、この一対の弾性リング２３をエアピストン２０の両端面に隙間なく埋めた状態で（例えば一対の弾性リング２３を軸方向に圧縮した状態で）接触させる、固定手段としての端板２４とリテーナリング２５が固定されている。一対の弾性リング２３の弾性力で、エアピストン２０はピストンロッド３０に対する軸方向への相対移動を可能にして結合されている。すなわち、一対の弾性リング２３、及び固定手段としての端板２４とリテーナリング２５は、エアピストン２０と、貫通穴２１に挿通したピストンロッド３０とを軸方向に相対移動可能に結合する軸方向弾性結合手段を構成している。

エアピストン２０の外周面には、外径摺動エアベアリング２６が設けられている。外径摺動エアベアリング２６（及び内径摺動エアベアリング１３）としては、焼結金属やカーボンを用いた多孔質タイプ、あるいは、エア噴出表面が表面絞りの状態となるオリフィス絞りタイプが知られており、本発明では、どのタイプも使用できる。そして、この外径摺動エアベアリング２６には、圧縮空気源Ｐ、エアベアリングエア供給装置ＰＡ、ピストンロッド３０の軸通路（エアベアリングエア供給路）３１、径方向通路（エアベアリングエア供給路）３２及びエアピストン２０の内部通路２７を介して圧縮エアが供給される。

上記構成の本エアベアリング式エアシリンダ装置は、圧縮空気源Ｐ、エアベアリングエア供給装置ＰＡを介してエアベアリングエア供給路１７と軸通路３１にエアベアリング用圧縮エアを供給すると、内径摺動エアベアリング１３の内周面から噴出する圧縮エアによりピストンロッド３０が内径摺動エアベアリング１３に対して浮上状態となり、外径摺動エアベアリング２６の外周面から噴出する圧縮エアにより、エアピストン２０がシリンダ本体１０に対して浮上状態となる。エアピストン２０は図示しない付勢手段または自重により図の右方に移動付勢されており（図１、図２は左方への移動端を示している）、エアピストン２０が図１の右方に存在している状態において、圧縮空気源Ｐ、ピストン動作エア供給装置ＰＳ及びピストン動作エア供給路１８を介してシリンダ本体１０内にシリンダ動作用圧縮エアを供給すると、エアピストン２０は、付勢手段または自重に抗して左方に移動する。つまり、単動式エアベアリング式エアシリンダ装置として機能する。

そして、本実施形態によると、シリンダ本体１０内でのエアピストン２０の移動の際、エアピストン２０は、Ｏリング２２によりピストンロッド３０に対する径方向の相対移動が可能であり、弾性リング２３によりピストンロッド３０に対する軸方向の相対移動が可能である。このため、シリンダ本体１０の真円度又は内径（シリンダ本体１０の内径とエアピストン２０の外径との差）が長さ方向に僅かにばらついたとしても（シリンダ本体１０とエアピストン２０のクリアランスが変化したとしても）、エア膜切れを生じさせることなく、その真円度変化あるいはクリアランス変化に、エアピストン２０が追従移動することができる。

図３は、シリンダ本体１０の内壁１０Ｓのうねりを誇張して描いたものである。Ｏリング２２と弾性リング２３の弾性変形量は、このようなうねり１０Ｓに対応できるように定める。別言すると、Ｏリング２２と弾性リング２３は、例えばゴム材料から構成することができ、エアピストン２０とピストンロッド３０を径方向及び軸方向に相対移動できるように、その弾性及び大きさを定める。

以上は、単動式のエアベアリング式エアシリンダ装置に本発明を適用したものであるが、本発明は複動式にも適用可能である。図４と図５は、本発明を複動式のエアベアリング式エアシリンダ装置に適用した別の実施形態を示している。この実施形態は、エアピストン２０を移動させるピストン動作エアでエアピストン２０の外径摺動エアベアリング２６から圧縮エアを噴出させるもので、図５に示すように、エアピストン２０の端面（シリンダ本体１０内の圧力室に臨む部分）に外径摺動エアベアリング２６に圧縮エアを供給するエア導入口２８を開口させ、図４に示すように、エアベアリングエア供給装置ＰＡ、軸通路３１は廃止されている（中空パイプからなる（軸通路３１を有する）ピストンロッド３０は、中実ロッド３０Ｒに変更されている）。

図１、図２の実施形態では、単純に、エアピストン２０の左方の圧力室にも圧力を制御した圧縮エアを供給すればよく、図４、図５の実施形態では、エアピストン２０の左方の圧力室に、常時右方の圧力室より低圧の制御圧縮エアを供給すればよい。エアピストン２０の受圧面積は、右方の端面より左方の端面の方が大きいから、低圧でもエアピストン２０を右方に移動させることができ、エアピストン２０の外径摺動エアベアリング２６から噴出した圧縮エアは、低圧の圧力室側に逃がすことができる。

以上の実施形態では、ピストンロッド３０のシリンダ本体１０から突出部に内径摺動エアベアリング１３を用いており、全体の摺動抵抗を限りなくゼロにすることができるという利点があるが、ピストンロッド３０のシリンダ本体１０からの突出部には、Ｏリング等の接触型の気密手段を用いることも可能である。

１０ シリンダ本体
１１ 穴あき端板
１１ａ 緩衝部材
１２ 端部ブロック
１３ 内径摺動エアベアリング
１３ａ 軸穴
１４ Ｏリング
１５ 弾性リング
１６ リテーナリング
１７ エアベアリングエア供給路
１８ ピストン動作エア供給路
２０ エアピストン
２１ 貫通穴
２２ Ｏリング（径方向弾性結合手段）
２３ 弾性リング（軸方向弾性結合手段）
２４ 端板（固定手段、軸方向弾性結合手段）
２５ リテーナリング（固定手段、軸方向弾性結合手段）
２６ 外径摺動エアベアリング
２７ 内部通路
３０ ピストンロッド
３１ 軸通路
３２ 径方向通路
Ｐ 圧縮空気源
ＰＡ エアベアリングエア供給装置
ＰＳ ピストン動作エア供給装置

Claims (6)

1. パイプ体からなるシリンダ本体と、このシリンダ本体に嵌めた外周面からエアを噴出するエアベアリングを備えたエアピストンと、このエアピストンに結合したピストンロッドとを備え、上記エアピストンは上記シリンダ本体との対向面の全体が多孔質体からなるエアベアリング式エアシリンダ装置において、
   エアピストンの軸部に形成した貫通穴；
   上記エアピストンと、上記貫通穴に挿通したピストンロッドとを軸方向に相対移動可能に結合する軸方向弾性結合手段；及び
   上記エアピストンと、上記貫通穴に挿通したピストンロッドとを径方向に相対移動可能に結合する径方向弾性結合手段；
   を備えたことを特徴とするエアベアリング式エアシリンダ装置。
2. 請求項１記載のエアベアリング式エアシリンダ装置において、上記軸方向弾性結合手段は、エアピストンの両端部に位置させてピストンロッドに嵌めた一対の弾性リングと、この一対の弾性リングをエアピストンの両端面に隙間なく接触させた状態でピストンロッドに固定する固定手段とを有するエアベアリング式エアシリンダ装置。
3. 請求項１または２記載のエアベアリング式エアシリンダ装置において、上記径方向弾性結合手段は、エアピストンの貫通穴とピストンロッドとの間に軸方向位置を異ならせて介在させた少なくとも一対の弾性リングを有するエアベアリング式エアシリンダ装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載のエアベアリング式エアシリンダ装置において、エアピストンのエアベアリングに対する圧縮エアの供給は、ピストンロッドに形成した軸通路を介して、エアピストンを動作させるピストン動作エアの経路とは別経路で行うエアベアリング式エアシリンダ装置。
5. 請求項１ないし３のいずれか１項記載のエアベアリング式エアシリンダ装置において、エアピストンのエアベアリングに対する圧縮エアの供給は、エアピストンの端面に穿けたエア導入口を介して、エアピストンを動作させるピストン動作エアを用いて行うエアベアリング式エアシリンダ装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載のエアベアリング式エアシリンダ装置において、ピストンロッドのシリンダ本体からの突出部には、内径摺動型のエアベアリングが設けられているエアベアリング式エアシリンダ装置。

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