JP7509604B2 - Actuator - Google Patents
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Description
本発明はアクチュエータに係り、特に圧力を入力し、この入力圧に応じた変位を出力するアクチュエータに関する。 The present invention relates to an actuator, and in particular to an actuator that inputs pressure and outputs a displacement according to this input pressure.
微小でかつ高精度の変位を取出す超微細位置決めが可能な、いわゆるナノアクチュエータとして、ピエゾアクチュエータやベローズアクチュエータがある。
ピエゾアクチュエータは、所定の方向に分極された圧電素子によって構成され、この圧電素子に対して電圧を印加することによって、歪変形を利用して変位を取出すものである。ピエゾアクチュエータは、ヒステリシスが大きいために閉ループ制御を行なうことが必要になる。また、ピエゾアクチュエータは、開発コストが高いために、量産を前提とした用途あるいは高コストを許容できる用途に限定され、量産を前提としない用途や低コストの用途には用いることができない。さらに、ピエゾアクチュエータは、印加電圧を高くしないと大きな変位量を取出せない欠点がある。
Piezo actuators and bellows actuators are so-called nanoactuators that are capable of ultrafine positioning to extract minute and highly accurate displacements.
A piezoelectric actuator is composed of a piezoelectric element polarized in a specific direction, and by applying a voltage to this piezoelectric element, it utilizes the distortion to extract a displacement. Piezo actuators require closed-loop control due to their large hysteresis. In addition, due to the high development costs, piezoelectric actuators are limited to applications that assume mass production or applications that can tolerate high costs, and cannot be used for applications that do not assume mass production or low-cost applications. Furthermore, piezoelectric actuators have the disadvantage that they cannot extract a large amount of displacement unless a high voltage is applied.
ベローズアクチュエータは、このベローズに対して加わる力とこの力によるベローズの歪量とをフィードバックして位置制御を行なうようにしたアクチュエータである。ベローズアクチュエータは、歪量が移動量を決定するために、温度ドリフトが大きくなる。また、外乱ノイズの影響を受け易く、さらには精度を上げるには閉ループ制御が不可欠である。このため、低コスト化が難しいという欠点がある。 A bellows actuator is an actuator that performs position control by feeding back the force applied to the bellows and the amount of distortion of the bellows caused by this force. Bellows actuators are subject to large temperature drift because the amount of distortion determines the amount of movement. They are also easily affected by external noise, and closed-loop control is essential to improve accuracy. For these reasons, they have the disadvantage that it is difficult to reduce costs.
特許文献1のアクチュエータは、空気圧等の圧力のバランスによって位置が決定され、温度ドリフトが小さく、外乱ノイズの影響を受け難い。また、ヒステリシスが小さくてオープンループでも十分に使用可能である。さらに、空気圧等の圧力による位置センサを用いることにより、オープンループでも高い精度が確保できる。
しかし、圧力バランスがボディに形成された弾性ヒンジ機構のバネ定数に拠るため、例えば横倒しにして使用したときに、後退時の再現性(ヒステリシスが大きい)が悪化するという欠点がある。
The actuator of Patent Document 1 determines its position by the balance of pressures such as air pressure, has small temperature drift, and is not easily affected by disturbance noise. In addition, it has small hysteresis and can be used sufficiently in an open loop. Furthermore, by using a position sensor based on pressure such as air pressure, high accuracy can be ensured even in an open loop.
However, because the pressure balance depends on the spring constant of the elastic hinge mechanism formed in the body, there is a drawback in that, for example, when used lying on its side, the repeatability during backward movement (large hysteresis) deteriorates.
本発明は、前進時と後退時のいずれにおいても高い再現性を維持することができるアクチュエータを提案することを目的としている。 The present invention aims to propose an actuator that can maintain high repeatability both when moving forward and backward.
本発明の実施態様に係るアクチュエータは、圧力フランジを有するシリンダ本体と、前記シリンダ本体を収容する収容室を有するボディと、前記シリンダ本体の後端に取り付けられて前記収容室に第一圧力室を形成する第一ダイヤフラムと、前記シリンダ本体の前端に取り付けられて前記収容室に第二圧力室を形成する第二ダイヤフラムと、前記ボディに形成されて前記第二圧力室に連通し、前記圧力フランジに臨んでフラッパとして機能する開口部を有するノズルと、を備え、前記第一圧力室と前記第二圧力室に圧縮空気を供給して、それぞれの内圧が均衡する位置に前記シリンダ本体を移動させる、ことを特徴とする。 The actuator according to an embodiment of the present invention comprises a cylinder body having a pressure flange, a body having a storage chamber for storing the cylinder body, a first diaphragm attached to the rear end of the cylinder body to form a first pressure chamber in the storage chamber, a second diaphragm attached to the front end of the cylinder body to form a second pressure chamber in the storage chamber, and a nozzle formed in the body, communicating with the second pressure chamber, and having an opening facing the pressure flange and functioning as a flapper, and is characterized in that it supplies compressed air to the first pressure chamber and the second pressure chamber to move the cylinder body to a position where the internal pressures of the respective chambers are balanced.
本発明の実施態様に係るアクチュエータは、前記シリンダ本体の前端面に前記第二ダイヤフラムを挟んで固定されたプランジャと、前記シリンダ本体の後端面に前記第一ダイヤフラムを挟んで固定されたベースと、を備える、ことを特徴とする。 The actuator according to the embodiment of the present invention is characterized by comprising a plunger fixed to the front end surface of the cylinder body with the second diaphragm sandwiched therebetween, and a base fixed to the rear end surface of the cylinder body with the first diaphragm sandwiched therebetween.
本発明の実施態様に係るアクチュエータは、前記第二圧力室に連通する圧力センサと、前記第一圧力室と前記第二圧力室に連通する電空レギュレータと、を備え、前記圧力センサは、前記第二圧力室の出力圧を測定し、前記電空レギュレータは、前記第一圧力室に入力圧を供給し、前記圧力センサの測定信号に応じて前記入力圧を調整して、前記シリンダ本体を位置決めさせる、ことを特徴とする。 The actuator according to the embodiment of the present invention is characterized in that it comprises a pressure sensor communicating with the second pressure chamber and an electro-pneumatic regulator communicating with the first pressure chamber and the second pressure chamber, the pressure sensor measures the output pressure of the second pressure chamber, and the electro-pneumatic regulator supplies an input pressure to the first pressure chamber and adjusts the input pressure according to a measurement signal from the pressure sensor to position the cylinder body.
本発明の実施態様に係るアクチュエータは、前記ボディは、前記第一圧力室を有する第一ボディと、前記第二圧力室を有して、前記第一ボディとの間に前記第一ダイヤフラムの外周縁を挟持する第二ボディと、前記第一ボディとの間に前記第二ダイヤフラムの外周縁を挟持する第三ボディと、を備える、ことを特徴とする。 The actuator according to an embodiment of the present invention is characterized in that the body includes a first body having the first pressure chamber, a second body having the second pressure chamber and sandwiching the outer periphery of the first diaphragm between the first body, and a third body having the outer periphery of the second diaphragm between the first body.
本発明のアクチュエータは、空気圧等の圧力のバランスによってシリンダ本体の位置が決定され、温度ドリフトが小さく、外乱ノイズの影響を受け難い。また、例えば横倒しした場合であっても、前進時と後退時のいずれにおいても高い再現性を維持することができる(ヒステリシスが小さい)。さらに、クローズドループ制御によりナノメートルオーダーの高い精度で位置決め制御を行うことができる。 The actuator of the present invention determines the position of the cylinder body by the balance of air pressure and other pressures, has small temperature drift, and is not easily affected by disturbance noise. Furthermore, even if the actuator is turned over on its side, it can maintain high repeatability both when moving forward and backward (small hysteresis). Furthermore, closed-loop control allows for positioning control with high precision on the order of nanometers.
以下、本発明を図示の実施の形態によって説明する。
図1、図2は、本実施形態に係るアクチュエータ1を示す図である。
アクチュエータ1は、ほぼ円柱形をなすシリンダ10と、ほぼ立方体をなすボディ20と、を備える。ボディ20にシリンダ10を収容する収容室30が形成され、この収容室30に配置されたシリンダ10が前後方向(図1の上下方向)に微小移動する。
シリンダ10およびボディ20は、例えばステンレス鋼、炭素鋼、アルミ合金等から形成される。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the illustrated embodiments.
1 and 2 are diagrams showing an actuator 1 according to this embodiment.
The actuator 1 comprises a substantially cylindrical cylinder 10 and a substantially cubic body 20. A housing chamber 30 for housing the cylinder 10 is formed in the body 20, and the cylinder 10 disposed in the housing chamber 30 moves slightly in the front-rear direction (the up-down direction in FIG. 1 ).
The cylinder 10 and the body 20 are formed from, for example, stainless steel, carbon steel, aluminum alloy, or the like.
シリンダ10は、シリンダ本体11、ベース14およびプランジャ15を備える。前方から、プランジャ15、シリンダ本体11、ベース14の順に配置されて、ボルト(不図示)により連結される。
シリンダ本体11は、ボディ20(収容室30)のほぼ中央(中心)に収容される部材であり、前端側に配置された円柱形のロッド12と、後端側に配置された円盤形の圧力フランジ13とからなる。ロッド12は直径が例えば15mm、圧力フランジ13は直径が例えば26mmである。
圧力フランジ13の後端面には、第一ダイヤフラム17が取り付けられる。ロッド12の前端面には、第二ダイヤフラム18が取り付けられる。第一ダイヤフラム17、第二ダイヤフラム18は、金属製の薄板(薄膜)である。
シリンダ本体11は、収容室30のうち、後述する第二圧力室32に収容される。
The cylinder 10 includes a cylinder body 11, a base 14, and a plunger 15. The plunger 15, the cylinder body 11, and the base 14 are arranged in this order from the front, and are connected by bolts (not shown).
The cylinder main body 11 is a member accommodated in the approximate center (central portion) of the body 20 (accommodation chamber 30), and is composed of a cylindrical rod 12 disposed at the front end side and a disk-shaped pressure flange 13 disposed at the rear end side. The rod 12 has a diameter of, for example, 15 mm, and the pressure flange 13 has a diameter of, for example, 26 mm.
A first diaphragm 17 is attached to the rear end surface of the pressure flange 13. A second diaphragm 18 is attached to the front end surface of the rod 12. The first diaphragm 17 and the second diaphragm 18 are thin plates (membrane) made of metal.
The cylinder body 11 is accommodated in a second pressure chamber 32 (described later) of the accommodation chamber 30 .
ベース14は、ボディ20(収容室30)の後端側に配置される円盤形の部材であり、第一ダイヤフラム17を挟んで圧力フランジ13の後端面に固定される。ベース14は、シリンダ本体11と協働して第一ダイヤフラム17の中央部を挟持する。つまり、シリンダ本体11とベース14の間に第一ダイヤフラム17が配置される。
ベース14は、圧力フランジ13よりも小さい直径を有する。ベース14は、直径が例えば20mmである。
ベース14は、収容室30のうち、後述する第一圧力室31に収容される。
The base 14 is a disk-shaped member disposed on the rear end side of the body 20 (accommodation chamber 30), and is fixed to the rear end surface of the pressure flange 13 with the first diaphragm 17 sandwiched between the base 14 and the cylinder main body 11 to hold the center portion of the first diaphragm 17. In other words, the first diaphragm 17 is disposed between the cylinder main body 11 and the base 14.
The base 14 has a smaller diameter than the pressure flange 13. The base 14 has a diameter of, for example, 20 mm.
The base 14 is accommodated in a first pressure chamber 31 (described later) of the accommodation chamber 30 .
プランジャ15は、ボディ20(収容室30)の前端側に配置される円柱形の部材であり、第二ダイヤフラム18を挟んでロッド12の前端面に固定される。プランジャ15は、シリンダ本体11と協働して第二ダイヤフラム18の中央部を挟持する。つまり、シリンダ本体11とプランジャ15の間に第二ダイヤフラム18が配置される。
プランジャ15は、ロッド12と同一の直径を有する。プランジャ15は、直径が例えば15mmである。
プランジャ15は、収容室30のうち、後述する第三室35に収容され、その前端部がボディ20から突出する。この前端部には、外部機器等を固定するためのネジ穴等が設けられる。
The plunger 15 is a cylindrical member arranged on the front end side of the body 20 (accommodation chamber 30), and is fixed to the front end surface of the rod 12 with the second diaphragm 18 sandwiched between them. The plunger 15 cooperates with the cylinder main body 11 to hold the center of the second diaphragm 18. In other words, the second diaphragm 18 is arranged between the cylinder main body 11 and the plunger 15.
The plunger 15 has the same diameter as the rod 12. The plunger 15 has a diameter of, for example, 15 mm.
The plunger 15 is accommodated in a third chamber 35 (described later) of the accommodation chamber 30, and its front end portion protrudes from the body 20. This front end portion is provided with a screw hole or the like for fixing an external device or the like.
ボディ20は、第一ボディ21、第二ボディ22および第三ボディ23から構成される。前方から、第三ボディ23、第一ボディ21、第二ボディ22の順に配置されて、ボルトにより連結される。また、第二ボディ22は、第一ボディ21の外周を覆うように配置される。
第一ボディ21は、ボディ20のほぼ中央(中心)に配置される円柱形の部材であり、シリンダ本体11を収容する第二圧力室32を有する。
第二圧力室32は、第一ボディ21を前後方向に貫通する空間であり、ロッド12を収容する円筒形の第一空間33と、圧力フランジ13を収容する円筒形の第二空間34からなる。第一空間33の内径は、圧力フランジ13の直径(外径)よりも小さい。第二圧力室32の第二空間34は、後端側を向いて圧力フランジ13に臨む円環形平面を有する。
第二圧力室32には、供給圧力ポート41と出力圧力ポート43が連通する。
The body 20 is composed of a first body 21, a second body 22, and a third body 23. The third body 23, the first body 21, and the second body 22 are arranged in this order from the front and are connected by bolts. In addition, the second body 22 is arranged so as to cover the outer periphery of the first body 21.
The first body 21 is a cylindrical member disposed substantially in the center (centre) of the body 20 and has a second pressure chamber 32 that accommodates the cylinder main body 11 .
The second pressure chamber 32 is a space that penetrates the first body 21 in the front-rear direction, and is composed of a cylindrical first space 33 that accommodates the rod 12, and a cylindrical second space 34 that accommodates the pressure flange 13. The inner diameter of the first space 33 is smaller than the diameter (outer diameter) of the pressure flange 13. The second space 34 of the second pressure chamber 32 has an annular flat surface facing the pressure flange 13 toward the rear end side.
The second pressure chamber 32 is connected to a supply pressure port 41 and an output pressure port 43 .
供給圧力ポート41と出力圧力ポート43は、ボディ20の側面に開口する。
供給圧力ポート41から第二圧力室32に繋がる空圧路には、オリフィス42が設けられる。供給圧力ポート41に供給された圧縮空気は、オリフィス42により減圧されて第二圧力室32に流入する。
出力圧力ポート43は、供給圧力ポート41の空圧路の下流側(オリフィス42と第二圧力室32の間)に連通する。つまり、供給圧力ポート41から第二圧力室32に繋がる空圧路が第二圧力室32の近傍で分岐して、第二圧力室32と出力圧力ポート43にそれぞれ繋がる。これにより、出力圧力ポート43には、第二圧力室32に封入された圧縮空気と同一圧の圧縮空気が流入する。
The supply pressure port 41 and the output pressure port 43 open to the side of the body 20 .
An orifice 42 is provided in the air pressure path connecting the supply pressure port 41 to the second pressure chamber 32. The compressed air supplied to the supply pressure port 41 is reduced in pressure by the orifice 42 and flows into the second pressure chamber 32.
The output pressure port 43 communicates with the downstream side (between the orifice 42 and the second pressure chamber 32) of the air pressure path of the supply pressure port 41. In other words, the air pressure path connecting the supply pressure port 41 to the second pressure chamber 32 branches near the second pressure chamber 32 and connects to the second pressure chamber 32 and the output pressure port 43. As a result, compressed air of the same pressure as the compressed air sealed in the second pressure chamber 32 flows into the output pressure port 43.
また、第二圧力室32には、ノズル45が連通する。ノズル45は、第二圧力室32の第二空間34に開口する。詳細には、ノズル45は、第二圧力室32(第二空間34)における、後端側を向いて圧力フランジ13に臨む円環形の平面に開口する。つまり、ノズル45の開口部46は、圧力フランジ13に僅かな隙間を隔てて臨む。これにより、ノズル45の開口部46と圧力フランジ13は、ノズルフラッパ(エアマイクロメータ)として機能する。
また、ノズル45は、ボディ20の側面に開口する。これにより、第二圧力室32に封入された圧縮空気は、開口部46からノズル45に流入して、大気開放される。
Further, a nozzle 45 communicates with the second pressure chamber 32. The nozzle 45 opens into the second space 34 of the second pressure chamber 32. More specifically, the nozzle 45 opens into an annular plane in the second pressure chamber 32 (second space 34) facing the rear end side and facing the pressure flange 13. That is, an opening 46 of the nozzle 45 faces the pressure flange 13 across a small gap. As a result, the opening 46 of the nozzle 45 and the pressure flange 13 function as a nozzle flapper (air micrometer).
Furthermore, the nozzle 45 opens to the side surface of the body 20. As a result, the compressed air sealed in the second pressure chamber 32 flows into the nozzle 45 from the opening 46 and is released to the atmosphere.
第二ボディ22は、第一ボディ21の後端面に固定される四角柱形の部材であり、ベース14を収容する第一圧力室31を有する。
第二ボディ22は、第一ボディ21と協働して第一ダイヤフラム17の外周縁を挟持する。つまり、第一ダイヤフラム17は、第一ボディ21と第二ボディ22の間に配置されて、第一圧力室31を密封する。
第一圧力室31は、第二ボディ22の前端面を後端側に向けて円形に掘り込んだ空間である。第一圧力室31には、制御圧力ポート44が連通する。制御圧力ポート44は、ボディ20の側面に開口する。制御圧力ポート44に供給された圧縮空気は、第一圧力室31に流入する。
The second body 22 is a quadrangular prism-shaped member fixed to the rear end surface of the first body 21 , and has a first pressure chamber 31 that houses the base 14 .
The second body 22 cooperates with the first body 21 to sandwich the outer periphery of the first diaphragm 17. In other words, the first diaphragm 17 is disposed between the first body 21 and the second body 22 to seal the first pressure chamber 31.
The first pressure chamber 31 is a space formed by hollowing out the front end surface of the second body 22 in a circular shape toward the rear end side. A control pressure port 44 is connected to the first pressure chamber 31. The control pressure port 44 opens to a side surface of the body 20. Compressed air supplied to the control pressure port 44 flows into the first pressure chamber 31.
第三ボディ23は、第一ボディ21の前端面に固定される四角板形の部材であり、プランジャ15を収容する第三室35を有する。
第三ボディ23は、第一ボディ21と協働して第二ダイヤフラム18の外周縁を挟持する。つまり、第二ダイヤフラム18は、第一ボディ21と第三ボディ23の間に配置されて、第二圧力室32を密封する。
第三室35は、第三ボディ23を前後方向に貫通する円筒形の空間である。第三室35は、ボディ20の前面に開口する。これにより、第三室35は、プランジャ15を露出させる。
The third body 23 is a rectangular plate-shaped member fixed to the front end surface of the first body 21 , and has a third chamber 35 that houses the plunger 15 .
The third body 23 cooperates with the first body 21 to sandwich the outer periphery of the second diaphragm 18. In other words, the second diaphragm 18 is disposed between the first body 21 and the third body 23 to seal the second pressure chamber 32.
The third chamber 35 is a cylindrical space that penetrates the third body 23 in the front-rear direction. The third chamber 35 opens to the front surface of the body 20. As a result, the third chamber 35 exposes the plunger 15.
上述した通り、ボディ20には、シリンダ10を収容する収容室30が形成される。収容室30は、第一圧力室31、第二圧力室32および第三室35からなる。前方から、第三室35、第二圧力室32、第一圧力室31の順に配置され、第一ダイヤフラム17、第二ダイヤフラム18により区画される。
第一圧力室31は、後方に配置された密閉空間であり、制御圧力ポート44から圧縮空気が供給される。
第二圧力室32は、中央に配置された密閉空間である。供給圧力ポート41から圧縮空気が供給される。また、第二圧力室32に封入された圧縮空気は、ノズル45から流出して大気開放される。
ボディ20の内部には、Oリングが複数箇所に取付けられて、第一圧力室31、第二圧力室32およびこれらの圧力室に連通する空気路を密封する。
As described above, the body 20 is formed with the accommodation chamber 30 that accommodates the cylinder 10. The accommodation chamber 30 is made up of the first pressure chamber 31, the second pressure chamber 32, and the third chamber 35. The third chamber 35, the second pressure chamber 32, and the first pressure chamber 31 are arranged in this order from the front, and are partitioned by the first diaphragm 17 and the second diaphragm 18.
The first pressure chamber 31 is a sealed space located at the rear, and compressed air is supplied from a control pressure port 44 .
The second pressure chamber 32 is a sealed space located in the center. Compressed air is supplied from a supply pressure port 41. The compressed air sealed in the second pressure chamber 32 flows out from a nozzle 45 and is released to the atmosphere.
O-rings are attached at a number of locations inside the body 20 to seal the first pressure chamber 31, the second pressure chamber 32 and the air passages communicating with these pressure chambers.
第一圧力室31と第二圧力室32の圧力変動(内圧バランス)により、第一ダイヤフラム17と第二ダイヤフラム18が膨張収縮して前後方向に変位する。この第一ダイヤフラム17と第二ダイヤフラム18の変位に伴い、ベース14、シリンダ本体11、プランジャ15が一体(すなわちシリンダ10)となって前後方向に移動する。これにより、ボディ20の前面から突出したプランジャ15が前後方向に変位する。 The first diaphragm 17 and the second diaphragm 18 expand and contract due to pressure fluctuations (internal pressure balance) in the first pressure chamber 31 and the second pressure chamber 32, displacing in the front-rear direction. As the first diaphragm 17 and the second diaphragm 18 displace, the base 14, the cylinder body 11, and the plunger 15 move in the front-rear direction as a unit (i.e., the cylinder 10). As a result, the plunger 15 protruding from the front surface of the body 20 displaces in the front-rear direction.
図3は、アクチュエータ1をクローズドループ制御する際の構成を示す模式図である。
出力圧力ポート43には、圧力センサ51が接続される。圧力センサ51は、出力圧力ポート43を介して、第二圧力室32の内圧を測定する。圧力センサ51の測定信号は、電空レギュレータ52に送信される。
供給圧力ポート41と制御圧力ポート44には、電空レギュレータ52が接続される。電空レギュレータ52は、比例制御弁であり、入力信号(コマンド信号)に比例した空気圧を連続的に制御する機器である。電空レギュレータ52の一次側ポートと供給圧力ポート41が繋げられ、二次側ポートと制御圧力ポート44が繋げられる。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration when the actuator 1 is subjected to closed-loop control.
A pressure sensor 51 is connected to the output pressure port 43. The pressure sensor 51 measures the internal pressure of the second pressure chamber 32 via the output pressure port 43. A measurement signal of the pressure sensor 51 is transmitted to the electropneumatic regulator 52.
An electro-pneumatic regulator 52 is connected to the supply pressure port 41 and the control pressure port 44. The electro-pneumatic regulator 52 is a proportional control valve, and is a device that continuously controls air pressure proportional to an input signal (command signal). The primary side port of the electro-pneumatic regulator 52 is connected to the supply pressure port 41, and the secondary side port is connected to the control pressure port 44.
次に、アクチュエータ1の動作を説明する。
まず、電空レギュレータ52から供給圧力ポート41に供給圧Psを供給する。供給圧Psは、オリフィス42において減圧されて、第二圧力室32に供給される。
次に、電空レギュレータ52にコマンド信号CMDを入力して、電空レギュレータ52の一次側ポートからコマンド信号CMDに比例した入力圧Piを供給させる。入力圧Piは、制御圧力ポート44を経由して、第一圧力室31に供給される。
第一圧力室31に入力圧Piが供給されると、シリンダ10が前方向に移動して、ノズル45の開口部46と圧力フランジ13の距離(ギャップ)を減少させる。これにより、第二圧力室32の内圧(出力圧Po)が上昇する。
Next, the operation of the actuator 1 will be described.
First, the supply pressure Ps is supplied from the electropneumatic regulator 52 to the supply pressure port 41. The supply pressure Ps is reduced in the orifice 42 and is supplied to the second pressure chamber 32.
Next, a command signal CMD is input to the electro-pneumatic regulator 52, causing the electro-pneumatic regulator 52 to supply an input pressure Pi proportional to the command signal CMD from the primary side port of the electro-pneumatic regulator 52. The input pressure Pi is supplied to the first pressure chamber 31 via the control pressure port 44.
When the input pressure Pi is supplied to the first pressure chamber 31, the cylinder 10 moves forward, reducing the distance (gap) between the opening 46 of the nozzle 45 and the pressure flange 13. This causes the internal pressure (output pressure Po) of the second pressure chamber 32 to increase.
ノズル45(開口部46)と圧力フランジ13は、ノズルフラッパとして機能する。ノズル45(開口部46)と圧力フランジ13は、エアマイクロメータ(ギャップセンサ、位置センサ)としても構成する。開口部46と圧力フランジ13の距離(ギャップ)に応じて、出力圧Poがノズル45を介してボディ20の外部に排気される。
そして、入力圧Piによる上方への押圧力と出力圧Poによる下方への押圧力とバランス(均衡)するように、開口部46と圧力フランジ13のギャップが一義的に定まる。つまり、シリンダ10が前後方向に移動して、入力圧Piと出力圧Poがバランスして、シリンダ10が停止する(位置決めされる)。
出力圧Poは、出力圧力ポート43を介して圧力センサ51により測定されて、電空レギュレータ52にフィードバックされる。電空レギュレータ52は、コマンド信号CMDと圧力センサ51の測定信号のオフセットが無くなるように積分をかけて、シリンダ10を正確に位置決めする。
したがって、シリンダ10の前後方向の位置に応じて、プランジャ15の前端部がボディ20に対して変位する。アクチュエータ1は、この変位を出力として取り出される。
The nozzle 45 (opening 46) and the pressure flange 13 function as a nozzle flapper. The nozzle 45 (opening 46) and the pressure flange 13 are also configured as an air micrometer (gap sensor, position sensor). Depending on the distance (gap) between the opening 46 and the pressure flange 13, the output pressure Po is exhausted to the outside of the body 20 via the nozzle 45.
The gap between the opening 46 and the pressure flange 13 is uniquely determined so that the upward pressing force due to the input pressure Pi and the downward pressing force due to the output pressure Po are balanced (equilibrium). In other words, the cylinder 10 moves in the front-rear direction, the input pressure Pi and the output pressure Po are balanced, and the cylinder 10 stops (is positioned).
The output pressure Po is measured by a pressure sensor 51 via the output pressure port 43 and fed back to an electro-pneumatic regulator 52. The electro-pneumatic regulator 52 performs integration so as to eliminate an offset between the command signal CMD and the measurement signal of the pressure sensor 51, thereby accurately positioning the cylinder 10.
Therefore, the front end of the plunger 15 is displaced relative to the body 20 depending on the position of the cylinder 10 in the front-rear direction. The actuator 1 outputs this displacement.
このように、アクチュエータ1のシリンダ10の位置決めは、供給圧Psと入力圧Piによって決まるために、極めて簡単な制御が可能になる。
しかも、シリンダ10は、一対のダイヤフラム17,18により保持されているので、前後方向の移動の際のヒステリシスが殆どなく、ヨーイングやピッチングも発生しない。つまり、前進時と後退時のいずれにおいても高い再現性を維持することができる。
したがって、アクチュエータ1は、シリンダ10の位置決めをナノメートルオーダーで行うことができる。アクチュエータ1の分解能は、例えば1/1000以下であり、シリンダ10の可動距離が100μmのとき、10nm以下の位置決め精度を有する。なお、シリンダ10の可動距離は、オリフィス42の内径とノズル45(開口部46)の内径の組み合わせで設定できる。
また、シリンダ10は、空気圧のバランスによって位置が決められるために、温度ドリフトが小さく、外乱ノイズの影響も受け難い。
また、ノズル45(開口部46)と圧力フランジ13によって構成されるエアマイクロメータを内蔵しており、オープンループ制御でも高い位置精度を確保できる。
さらに、アクチュエータ1は、クローズドループ制御を用いることにより、ヒステリシスが完全にない、リニアな制御を実現することができる。
In this way, the positioning of the cylinder 10 of the actuator 1 is determined by the supply pressure Ps and the input pressure Pi, making it possible to perform extremely simple control.
Moreover, since the cylinder 10 is held by a pair of diaphragms 17 and 18, there is almost no hysteresis during forward and backward movement, and no yawing or pitching occurs. In other words, high reproducibility can be maintained both when moving forward and backward.
Therefore, the actuator 1 can position the cylinder 10 on the order of nanometers. The resolution of the actuator 1 is, for example, 1/1000 or less, and when the movable distance of the cylinder 10 is 100 μm, the actuator 1 has a positioning accuracy of 10 nm or less. The movable distance of the cylinder 10 can be set by a combination of the inner diameter of the orifice 42 and the inner diameter of the nozzle 45 (opening 46).
In addition, since the position of the cylinder 10 is determined by the balance of air pressure, the temperature drift is small and the cylinder is not easily affected by disturbance noise.
In addition, an air micrometer formed by the nozzle 45 (opening 46) and the pressure flange 13 is built in, so that high positional accuracy can be ensured even with open loop control.
Furthermore, the actuator 1 can achieve linear control completely free of hysteresis by using closed loop control.
このようなアクチュエータ1は、例えば電子顕微鏡の焦点の位置決めや、半導体製造装置のステッパ上のレンズの焦点の調整、人工受精の卵子の位置決め等の各種の用途に広く適用可能である。 Such an actuator 1 can be widely used for a variety of purposes, such as positioning the focus of an electron microscope, adjusting the focus of a lens on a stepper in semiconductor manufacturing equipment, and positioning an egg for artificial insemination.
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications to the above-described embodiment without departing from the spirit of the present invention. The specific shapes and configurations given in the embodiments are merely examples, and can be modified as appropriate.
1 アクチュエータ
10 シリンダ
11 シリンダ本体
13 圧力フランジ
14 ベース
15 プランジャ
17 第一ダイヤフラム
18 第二ダイヤフラム
20 ボディ
21 第一ボディ
22 第二ボディ
23 第三ボディ
30 収容室
31 第一圧力室
32 第二圧力室
41 供給圧力ポート
42 オリフィス
43 出力圧力ポート
44 制御圧力ポート
45 ノズル
46 開口部
51 圧力センサ
52 電空レギュレータ
Pi 入力圧
Po 出力圧
Ps 供給圧
1 Actuator 10 Cylinder 11 Cylinder body
13 Pressure flange
14. Base
15 Plunger
17 First diaphragm
18 Second diaphragm
20 Body 21 First body
22 Second body
23 Third Body
30 Containment Room
31 first pressure chamber
32 Second pressure chamber
41 Supply pressure port
42 Orifice
43 Output pressure port
44 Control pressure port
45 Nozzle
46 Opening
51 Pressure sensor
52 Electro-pneumatic regulator
Pi Input pressure
Po Output pressure
Ps Supply pressure
Claims (3)
前記シリンダ本体を収容する収容室を有するボディと、
前記シリンダ本体の後端に取り付けられて前記収容室に第一圧力室を形成する第一ダイヤフラムと、
前記シリンダ本体の前端に取り付けられて前記収容室に第二圧力室を形成する第二ダイヤフラムと、
前記ボディに形成されて前記第二圧力室に連通し、前記圧力フランジに臨んでフラッパとして機能する開口部を有するノズルと、
前記シリンダ本体の前端面に前記第二ダイヤフラムを挟んで固定されたプランジャと、
前記シリンダ本体の後端面に前記第一ダイヤフラムを挟んで固定されたベースと、
を備え、
前記第一圧力室と前記第二圧力室に圧縮空気を供給して、それぞれの内圧が均衡する位置に前記シリンダ本体を移動させる、ことを特徴とするアクチュエータ。 a cylinder body having a pressure flange;
a body having a chamber for accommodating the cylinder body;
a first diaphragm attached to a rear end of the cylinder body to form a first pressure chamber in the accommodation chamber;
a second diaphragm attached to a front end of the cylinder body to form a second pressure chamber in the accommodation chamber;
a nozzle formed in the body, communicating with the second pressure chamber, and having an opening facing the pressure flange and functioning as a flapper;
a plunger fixed to a front end surface of the cylinder body with the second diaphragm sandwiched therebetween;
a base fixed to a rear end surface of the cylinder body with the first diaphragm sandwiched therebetween;
Equipped with
An actuator comprising: a cylinder body that is movable to a position where the internal pressures of the first pressure chamber and the second pressure chamber are balanced by supplying compressed air to the first pressure chamber and the second pressure chamber.
前記シリンダ本体を収容する収容室を有するボディと、
前記シリンダ本体の後端に取り付けられて前記収容室に第一圧力室を形成する第一ダイヤフラムと、
前記シリンダ本体の前端に取り付けられて前記収容室に第二圧力室を形成する第二ダイヤフラムと、
前記ボディに形成されて前記第二圧力室に連通し、前記圧力フランジに臨んでフラッパとして機能する開口部を有するノズルと、
前記第二圧力室に連通し、該第二圧力室の出力圧を測定する圧力センサと、
前記第一圧力室と前記第二圧力室に連通する電空レギュレータと、
を備え、
前記第一圧力室と前記第二圧力室に圧縮空気を供給して、それぞれの内圧が均衡する位置に前記シリンダ本体を移動させ、
前記電空レギュレータは、前記第一圧力室に入力圧を供給し、前記圧力センサの測定信号に応じて前記入力圧を調整して、前記シリンダ本体を位置決めさせる、ことを特徴とするアクチュエータ。 a cylinder body having a pressure flange;
a body having a chamber for accommodating the cylinder body;
a first diaphragm attached to a rear end of the cylinder body to form a first pressure chamber in the accommodation chamber;
a second diaphragm attached to a front end of the cylinder body to form a second pressure chamber in the accommodation chamber;
a nozzle formed in the body, communicating with the second pressure chamber, and having an opening facing the pressure flange and functioning as a flapper;
a pressure sensor communicating with the second pressure chamber and measuring an output pressure of the second pressure chamber;
an electropneumatic regulator communicating with the first pressure chamber and the second pressure chamber;
Equipped with
supplying compressed air to the first pressure chamber and the second pressure chamber to move the cylinder body to a position where the internal pressures of the first pressure chamber and the second pressure chamber are balanced ;
The actuator , characterized in that the electropneumatic regulator supplies an input pressure to the first pressure chamber and adjusts the input pressure in response to a measurement signal from the pressure sensor to position the cylinder body.
前記シリンダ本体を収容する収容室を有するボディと、
前記シリンダ本体の後端に取り付けられて前記収容室に第一圧力室を形成する第一ダイヤフラムと、
前記シリンダ本体の前端に取り付けられて前記収容室に第二圧力室を形成する第二ダイヤフラムと、
前記ボディに形成されて前記第二圧力室に連通し、前記圧力フランジに臨んでフラッパとして機能する開口部を有するノズルと、
を備え、
前記第一圧力室と前記第二圧力室に圧縮空気を供給して、それぞれの内圧が均衡する位置に前記シリンダ本体を移動させ、
前記ボディは、
前記第一圧力室を有する第一ボディと、
前記第二圧力室を有して、前記第一ボディとの間に前記第一ダイヤフラムの外周縁を挟持する第二ボディと、
前記第一ボディとの間に前記第二ダイヤフラムの外周縁を挟持する第三ボディと、
を備える、ことを特徴とするアクチュエータ。 a cylinder body having a pressure flange;
a body having a chamber for accommodating the cylinder body;
a first diaphragm attached to a rear end of the cylinder body to form a first pressure chamber in the accommodation chamber;
a second diaphragm attached to a front end of the cylinder body to form a second pressure chamber in the accommodation chamber;
a nozzle formed in the body, communicating with the second pressure chamber, and having an opening facing the pressure flange and functioning as a flapper;
Equipped with
supplying compressed air to the first pressure chamber and the second pressure chamber to move the cylinder body to a position where the internal pressures of the first pressure chamber and the second pressure chamber are balanced ;
The body includes:
a first body having the first pressure chamber;
a second body having the second pressure chamber and sandwiching an outer periphery of the first diaphragm between the second body and the second body;
a third body that sandwiches an outer periphery of the second diaphragm between the third body and the first body;
An actuator comprising:
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| JP2020140278A JP7509604B2 (en) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | Actuator |
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| JP2020140278A JP7509604B2 (en) | 2020-08-21 | 2020-08-21 | Actuator |
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Family Applications (1)
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2020
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