エアシリンダ及びそれを用いた圧着装置
【課題】エアシリンダを作動する高圧エアを用いながら強い調芯作用が得られるエア軸受にてピストンを支持したエアシリンダを提供する。
【解決手段】シリンダ本体３１と、シリンダ本体３１内に摺動自在に収容されたピストン３２と、シリンダ本体３１内のピストン３２の摺動方向の少なくとも一側に配設され、高圧エアが供給される圧力室３３ａ、３３ｂとを備えたエアシリンダ１２であって、圧力室３３ａ、３３ｂ内の高圧エアの一部が導かれる高圧エア吹出口３４をピストン３２の外周でのピストン摺動方向の中央位置に配設し、ピストン３２の外周でのピストン摺動方向の両側部に大気圧開放部である環状溝３６ａ、３６ｂを配設した。
【解決手段】シリンダ本体３１と、シリンダ本体３１内に摺動自在に収容されたピストン３２と、シリンダ本体３１内のピストン３２の摺動方向の少なくとも一側に配設され、高圧エアが供給される圧力室３３ａ、３３ｂとを備えたエアシリンダ１２であって、圧力室３３ａ、３３ｂ内の高圧エアの一部が導かれる高圧エア吹出口３４をピストン３２の外周でのピストン摺動方向の中央位置に配設し、ピストン３２の外周でのピストン摺動方向の両側部に大気圧開放部である環状溝３６ａ、３６ｂを配設した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン摺動部にエア軸受を適用したエアシリンダ及びそれを用いた圧着装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基板に電子部品などの部品を圧着する圧着装置において、圧着ヘッドを昇降自在に支持するとともに、この圧着ヘッドに、固定設置されたエアシリンダの下方に延出されたピストンロッドの下端を連結し、エアシリンダにて圧着ヘッドを押し下げることで所要の加圧力を作用させるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。そのエアシリンダは、シリンダ本体の内周面とピストンの外周面の間に微小な隙間を設けるとともに、ピストンの外周面に弾性リングなどのシール部材を配置した構成とされている。
【０００３】
この特許文献１に記載された圧着装置では、さらにエアシリンダのピストンロッドを上方にも延出してその上端に係合部材を設けるとともに、エアシリンダの軸芯方向にストッパを移動駆動する送りねじ機構を設け、ストッパに対して係合部材をエアシリンダの加圧方向とは反対側から係合させた構成とし、圧着ヘッドを圧着部位に当接する位置まで移動させるのに、エアシリンダにて移動駆動しながら送りねじ機構にて移動制御を行うことで、当接した後のエアシリンダによる加圧動作を、エアシリンダの連続動作状態で行うようにし、それによって送りねじ機構等で圧着ヘッドとエアシリンダを移動させ、圧着ヘッドを圧着部位に当接させた後エアシリンダを起動させて加圧する場合のように、エアシリンダ起動時に生じ易いピストンの摩擦抵抗のばらつきの影響を受けないようにし、加圧力を高精度に制御できるように構成されている。
【０００４】
ところが、シリンダ本体の内周面とピストン外周面の間に微小な隙間を設けるとともに、それらの間に弾性リングなどのシール部材を配置した構成では、シール部材が摩耗すると、シリンダ本体とピストンの間で軸芯ずれが発生したり、エアシリンダの動作中にピストンの摺動抵抗が大きく変化し、エアシリンダによる加圧力にばらつきが発生する恐れが生じる場合があり、そのため加圧力の高精度制御を常に確保するためには、シール部材の摩耗を防止する必要があり、頻繁にシール部材の点検・交換などのメンテナンスを行う必要があり、圧着装置の生産性を低下させるという問題があった。
【０００５】
このような問題を解消できるエアシリンダの構成として、シリンダ本体の内周面とピストン外周面の間に、非接触摺動軸受であるエア軸受を配置したものが知られている。例えば、図７に示すように、シリンダ本体５１の内周面におけるピストン５２の外周面に対向する部分に、多孔質セラミックなどからなる軸受材５３を配置するとともに、シリンダ本体５１に設けた高圧エア供給口５４からこの軸受材５３に向けて高圧エアを送給することで、ピストン５２を軸受材５３の内周に発生するエアの静圧にて摺動自在に支持するエア軸受５５を構成したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、図８に示すように、シリンダ本体６１内に、ピストン６２を摺動自在に収容するとともにピストン６２の摺動方向の両側に圧力室６３ａ、６３ｂを設け、各圧力室６３ａ、６３ｂに高圧エアを供給するように構成し、かつピストン６２のピストンロッドの外周面、又はシリンダ本体６１の内周面に対向するピストン６２の外周面の位置に環状空間６４を形成するとともに、この環状空間６４内に何れかの圧力室６３ａ、６３ｂ内に供給された高圧エアが導入されるようにしてエア軸受６５を構成したエアシリンダが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特許第３６０１４８８号明細書
【特許文献２】特許第３４８３４４３号明細書
【特許文献３】特許第３８１８７１２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、図７に示したような構成のエアシリンダにおいては、エア軸受５５に高圧エアを供給する高圧エア供給手段を別途に配設する必要があり、設備構成が複雑になるという問題があり、またピストン５２を単にエアの静圧によって非接触で摺動自在に支持するものであるため、高いエア圧を供給する必要があるとともに、ピストン５２が偏芯したときに同芯位置に復元させる調芯作用は、軸受部がエアシリンダの作動用エアの影響を受けるため、不十分にしか得られないという問題がある。
【０００８】
また、図８に示したような構成のエアシリンダにおいては、ピストン６２の摺動方向の両側の圧力室６３ａ、６３ｂに供給される高圧エアをエア軸受６５に導入するように構成されているので、別途に高圧エア供給手段を設ける必要がなく、設備構成は簡単になるが、単にエアの静圧にてピストン６２を浮遊状態で支持するものであるため、エアシリンダの作動用の高圧エアではピストン６２の偏芯に対応した十分な支持荷重を確保し難く、ここでピストン６２が偏芯したときに同芯位置に復元させる調芯作用は、軸受部がエアシリンダの作動用エアの影響を受けるため、不十分にしか得られなく、このピストン６２の芯ずれにより加圧力に変動を生じて、高精度の加圧力制御を実現することが困難であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題に鑑み、エアシリンダを作動する高圧エアを用いながら強い調芯作用が得られるエア軸受にてピストンを支持したエアシリンダ及びそれを用いた圧着装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のエアシリンダは、シリンダ本体と、シリンダ本体内に摺動自在に収容されたピストンと、シリンダ本体内のピストンの摺動方向の少なくとも一側に配設され、高圧エアが供給される圧力室とを備えたエアシリンダであって、圧力室内の高圧エアの一部が導かれる高圧エア吹出部をピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央位置に配設し、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に大気圧開放部を配設したものである。
【００１１】
この構成によれば、圧力室に供給された高圧エアの一部が、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央位置の高圧エア吹出部から吹出すことにより、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央部に高圧エア層が形成されてピストンが浮遊状態で支持され、かつ高圧エア吹出部から成るエアの給気孔の周縁とピストンの軸受隙間にて形成される環状の流路部分が最小流路断面となって自成絞りを構成しているため、ピストンが何れか一方に偏芯すると、隙間の大きくなった部分では、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に配設されている大気圧開放部に対する連通路が広くなって、これに反比例してエアの流量抵抗が小さくなり、給気孔付近の圧力が低い圧力分布になる一方、隙間の小さくなった部分では、大気圧開放部に対する連通路が狭くなって、これに反比例してエアの流量抵抗が大きくなり、給気孔付近の圧力が高い圧力分布になる。更に、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に大気圧開放部を配設していることで、エアシリンダの作動エアが軸受部に干渉しないため、上記作用が確保され、ピストンを適正な軸芯に復元させる大きな力が発生して強い調芯作用が得られ、そのためピストンの芯ずれが生じ難くかつその結果エアシリンダを作動する程度の高圧エアでも十分な支持荷重を確保することができる。
【００１２】
また、高圧エア吹出部を、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央位置でかつ周方向に均等に配置された３箇所以上の位置に開口し、かつ圧力室内の高圧エアの一部が導かれる高圧エア吹出口にて構成し、大気圧開放部を、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に配設され、かつ大気開放通路にて大気に連通された環状溝にて構成すると、ピストンの摺動方向の両側に圧力室がある場合に何れの圧力室に高圧エアが供給されていても、それぞれの圧力室の高圧エアが周方向に均等に配置された高圧エア吹出口から周方向に均等に吹き出すので、周方向に均等に支持荷重が得られ、かつ大気圧開放部が全周に形成されているので、上記作用を安定して確実に得ることができる。
【００１３】
また、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に、ピストンの摺動方向の側端から間隔をあけて大気圧開放部を構成する環状溝を設けるとともに、ピストンの摺動方向の両側端部に段差を設けてステップ絞りを構成すると、ステップ絞りにてエアシリンダの作動エアに対する大気圧開放部のシール性が向上するとともに、エアシリンダの作動エアを有効利用してステップ絞り部分でも調芯作用を持たることができ、エアシリンダの作動エアと軸受部とのエアの干渉を防止し、ピストンの軸受剛性を一層向上できる。
【００１４】
また、本発明の圧着装置は、圧着ヘッドを上下に摺動自在に支持するとともに、エアシリンダにて圧着ヘッドを押し下げることで基板上に配置された部品に所要の加圧力を作用させ、基板に部品を圧着する圧着装置において、上記エアシリンダのピストンから延設されたピストンロッドを、摺動自在に支持された圧着ヘッドに連結したものであり、エアシリンダのピストンをエア軸受にてシリンダ本体内のピストンの摺動部分に対して非接触で支持しているので、摩耗を生じず、そのためメンテナンスを行わずに長期間稼動することができて生産性が向上し、かつピストンの芯ずれを発生しないので、高精度の加圧力制御を行うことができ、高品質でばらつきのない圧着状態を確保することができる。
【００１５】
また、シリンダ本体の両端を貫通してピストンロッドを延出し、シリンダ本体の一端側から延出されたピストンロッドの先端を圧着ヘッドに連結し、シリンダ本体の他端側から延出されたピストンロッドの先端に係合部材を設け、ストッパをエアシリンダの軸芯方向に移動駆動する移動手段を設け、ストッパに対して係合部材を基板に部品を圧着するエアシリンダの加圧方向とは反対側から係合させた構成とすると、エアシリンダを連続動作させた状態で加圧動作を行うことができるのでエアシリンダ起動時に生じ易いピストンの摩擦抵抗のばらつきの影響を受けず、そのため上記強い調芯作用と相俟って高精度に加圧力を制御することができ、特に高精度の加圧力制御が必要な圧着装置に効果的である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のエアシリンダ及びそれを用いた圧着装置によれば、圧力室に供給された高圧エアの一部がピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央部の高圧エア吹出部から吹出して高圧エア層が形成されることでピストンが浮遊状態で支持され、かつピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に大気圧開放部が配設されているのでピストンが何れか一方に偏芯すると、圧力分布の差によってピストンを適正な軸芯に復元させる大きな力が発生するためピストンの芯ずれが生じ難く、その結果エアシリンダを作動する程度の高圧エアでも十分な支持荷重を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を、液晶表示パネルのガラス基板に電子部品や電子部品を接合するための異方性導電材などの部品を圧着する圧着装置に適用した一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１８】
図１において、本実施形態の圧着装置は、ガラス基板などの基板１を保持テーブル２上に支持して移動及び位置決めする位置決め手段３と、圧着すべき部品５が配置された基板１の側端部を下方から支持する下受け部４と、部品５を上方から加圧して圧着させる圧着機構部６にて構成されている。
【００１９】
圧着機構部６は、下部基台７ａと、下部基台７ａに対し立設された縦フレーム７ｂと、縦フレーム７ｂの上部に下部基台７ａに対向して配設された上側基部７ｃとを有するフレーム７を備えている。下部基台７ａ上に上記下受け部４が配置され、縦フレーム７ｂの側面に垂直に設けられたガイドレール８に沿って摺動自在なスライダ９に逆Ｌ字状の昇降ブラケット１０が固定され、この昇降ブラケット１０に下受け部４の直上に対向するように圧着ヘッド１１が装着されている。
【００２０】
上側基部７ｃ上には、圧着ヘッド１１の直上に同芯状にエアシリンダ１２が配設されている。エアシリンダ１２からは下方と上方の両方向に、ピストンロッド１３ａ、１３ｂが延出され、下方に延出されたピストンロッド１３ａは上側基部７ｃを貫通してその先端が昇降ブラケット１０に結合され、上方に延出されピストンロッド１３ｂの先端には係合部材１４が設けられている。
【００２１】
また、上側基部７ｃ上には、エアシリンダ１２の軸芯方向と平行にナット部材１６を昇降駆動する移動手段としての送りねじ機構１５が配設され、ナット部材１６に固定されたストッパ１７に係合部材１４が上方から係合されている。送りねじ機構１５は、ナット部材１６が螺合するボールねじ軸から成る送りねじ１８と、送りねじ１８の上下両端を回転自在に支持する軸受１９ａ、１９ｂと、送りねじ１８を正逆回転駆動する駆動モータ２０にて構成されている。なお、移動手段は、この送りねじ機構１５に限らず、リニアモータ機構であっても、また昇降自在に支持された昇降体に設けたカムフォロアを回転カムに係合させ、回転カムの回転に伴って昇降体を昇降させる構成でも良い。
【００２２】
エアシリンダ１２の上部と下部のエア供給口２１ａ、２１ｂには、高圧エア源２２から圧力制御部２３を介して所要の圧力に制御された高圧エアを供給するように構成されるとともに、制御部２４にて圧力制御部２３を制御し、また制御部２４にてモータ制御部２５を介して駆動モータ２０を制御するように構成されている。
【００２３】
以上のような全体構成の圧着装置において、エアシリンダ１２は、図２に詳細に示すように、シリンダ本体３１内に、ピストン３２を摺動自在に収容するとともに、ピストン３２の摺動方向の両側に圧力室３３ａ、３３ｂを配設し、エア供給口２１ａ、２１ｂからそれぞれの圧力室３３ａ、３３ｂの内部に高圧エアを供給し、あるいは内部のエアを排出するように構成されている。
【００２４】
ピストン３２の外周でのピストンの摺動方向の中央位置には、図２（ｂ）に示すように、周方向に６０°間隔の６箇所の位置に、高圧エア吹出部としての高圧エア吹出口３４が開口されている。各高圧エア吹出口３４は、周方向に１つ置きに１２０°間隔で配置された３つの高圧エア吹出口３４にて構成される２つのグループに分けられ、一方のグループは高圧エア導入通路３５ａにより圧力室３３ａと、他方のグループは高圧エア導入通路３５ｂにより圧力室３３ｂとそれぞれ連通されている。そのため、ピストン３２には、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、一端が圧力室３３ａに臨んで開口し、他端が同じ周方向位置の高圧エア吹出口３４に接続される１２０°間隔の３つの高圧エア導入通路３５ａと、一端が圧力室３３ｂに臨んで開口し、他端が同じ周方向位置の高圧エア吹出口３４に接続される１２０°間隔の３つの高圧エア導入通路３５ｂとが、互いに６０°間隔で形成されている。
【００２５】
ピストン３２の外周でのピストン摺動方向の両側部には、大気圧開放部を構成する環状溝３６ａ、３６ｂが配設されている。環状溝３６ａ、３６ｂは、図２（ａ）、（ｃ）に示すように、ピストン３２及びピストンロッド１３ａ、１３ｂの軸部を長手方向に貫通する軸穴３７にそれぞれ放射状の連通路３８ａ、３８ｂを介して連通され、軸穴３７はシリンダ本体２より外側に形成した大気開放穴（図示せず）を通して大気に開放されている。連通路３８ａ、３８ｂは、高圧エア導入通路３５ａ、３５ｂと干渉しない位置に形成されている。大気開放穴（図示せず）は、ピストンロッド１３ａの、加熱機構を有する圧着ヘッド１１の上部より上の近傍で開口させ、圧着ヘッド１１の加熱の影響を受ける周囲の雰囲気を流動排出させる機能を果たすようにするのが好適である。これら連通路３８ａ、３８ｂ、軸穴３７、及び大気開放穴（図示せず）にて大気開放通路３９が構成されている。
【００２６】
４０ａ、４０ｂは圧力室３３ａ、３３ｂの軸芯方向の内側端に配設した、ピストン３２のストッパである。シリンダ本体３１のピストンロッド１３ａ、１３ｂの貫通穴４１には、ピストンロッド１３ａ、１３ｂに非接触でシール性を確保するステップ絞り４２が設けられている。ステップ絞り４２は、大気側の隙間を小さく、圧力室３３ａ、３３ｂ側の隙間を大きくしてその間に段部を設けることでシール性の向上を図ったものである。同様に、ピストン３２の摺動方向の両端部にも、ステップ絞り４３が設けられている。すなわち、大気開放部としての環状溝３６ａ、３６ｂ側の隙間を小さく、圧力室３３ａ、３３ｂ側の隙間を大きくしてその間に段部を設けることでシール性の向上を図っている。
【００２７】
次に、以上の構成の圧着装置にて基板１の側縁部に部品５を圧着する工程を説明する。図１に示すように、基板１の部品５が配置された側縁部を下受け部４上に位置決めした状態で、高圧エア源２２から供給される高圧エアを圧力制御部２３にて所定圧力に制御してエアシリンダ１２のエア供給口２１ａに供給すると、図３（ａ）に示すように、圧力室３３ａ内の高圧エアの圧力が矢印４４ａの如くピストン３２の上面に作用し、ピストン３２が白抜矢印４５ａのように下方に所定の加圧力で押圧される。それとともに、制御部２４にてモータ制御部２５を介して駆動モータ２０を制御して送りねじ機構１５を作動させ、ストッパ１７を予め設定された速度プログラムに基づいて下降させることで、ピストン３２が同速度で下方移動し、ピストンロッド１３ａを介して圧着ヘッド１１が下降する。圧着ヘッド１１が部品に当接し、さらにストッパ１７が下降すると、圧着ヘッド１１により上記所定の加圧力で部品５が押圧されることで、確実かつ適正に圧着が行われる。送りねじ機構１５の動作は、圧着ヘッド１１が部品に当接した後、わずかにさらに下降した後に停止される。このことによりエアシリンダ１２の加圧力が圧着ヘッド１１を介して基板１に圧着する部品５に伝えることができる。なお、圧力室３３ａ内の高圧エアの圧力でピストン３２に所定の加圧力を作用させる際に、エアシリンダ１２のエア供給口２１ｂから排出されるエア圧を圧力制御部２３で制御して圧力室３３ｂ内の圧力を制御することで、加圧力をより高精度に制御することができる。
【００２８】
圧着が完了すると、圧力制御部２３にて高圧エアをエアシリンダ１２のエア供給口２１ｂを介して圧力室３３ｂ内に高圧エアを供給することで、図３（ｂ）に示すように、高圧エアの圧力が矢印４４ｂの如くピストン３２の下面に作用し、ピストン３２が白抜矢印４５ｂのように上方に所定の加圧力で押圧され、ピストン３２が上方移動し、ピストンロッド１３ａを介して圧着ヘッド１１が上昇する。また、その後又はそれと同時に制御部２４にてモータ制御部２５を介して駆動モータ２０を制御し、送りねじ機構１５を作動させて、ストッパ１７を予め設定された位置まで上昇させる。
【００２９】
以上のエアシリンダ１２におけるピストン３２の摺動に際して、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、圧力室３３ａ又は３３ｂ内の高圧エアの一部が、高圧エア導入通路３５ａ、３５ｂを通ってピストン３２の外周でのピストンの摺動方向の中央部の高圧エア吹出口３４から吹出し、ピストン３２の外周とシリンダ本体３１の内周との隙間に押圧エアの層が形成され、ピストン３２はシリンダ本体３１の内周に非接触で摺動自在に支持される。かくして、ピストン３２の摺動抵抗が小さく、かつ摺動による摩耗部が存在しないので、摩耗による摺動抵抗の変化によって加圧力にばらつきが発生する恐れもなく、メンテナンスレスで加圧力を高精度に制御することができる。
【００３０】
また、高圧エア吹出口３４から吹出した高圧エアは、ピストン３２の外周とシリンダ本体３１の内周との間の微小隙間を通ってピストン外周でのピストン摺動方向の両側の環状溝３６ａ、３６ｂに流入し、連通路３８ａ、３８ｂ、軸穴３７、及びピストンロッド１３ａ、および／あるいは１３ｂの大気開放穴（図示せず）からなる大気開放通路３９を通して大気中に放出される。これにより、高圧エア吹出口３４から環状溝３６ａ、３６ｂに向けて、高圧エアの吹出し圧から大気圧に低下する略台形の圧力分布を呈するとともに、微小隙間の大きさによってその大きさが変化する。
【００３１】
図４を参照して説明すると、高圧エア吹出口３４の周縁と微小隙間で構成される環状流路部分が最小流路断面となることで自成絞りが形成されている。この自成絞りにおける絞り面積は、高圧エア吹出口３４の直径を２ｒ、微小隙間の大きさをｈとすると、２πｒｈで与えられる。ここで、供給される高圧エアの圧力をＰａ、自成絞り直後の圧力をＰｓとすると、（Ｐａ−Ｐｓ）は自成絞りによる抵抗（ｋａ）と流量（Ｑ）の積で与えられ、また自成絞り直後と環状溝３６ａ、３６ｂ間で、圧力がＰｓから大気圧（Ｐ０ ）に低下し、その圧力差（Ｐｓ−Ｐ０ ）はこの間の流路の抵抗（ｋｂ）と流量（Ｑ）の積で与えられ、かつ自成絞りの抵抗ｋａは隙間ｈの大きさに略反比例し、流路の抵抗ｋｂは隙間ｈの３乗に略反比例する。その結果、自成絞り直後の圧力Ｐｓは、隙間ｈが大きくなれば小さくなり、隙間ｈが小さくなれば大きくなる。
【００３２】
この結果、ピストン３２とシリンダ本体３１の軸芯が実質的に一致し、ピストン３２の外周とシリンダ本体３１の内周との間の隙間が均等に形成されている場合は、図５（ａ）に示すように、自成絞り直後の圧力Ｐｓが周方向に均等で、ピストン３２の外周からピストン３２の軸芯に向かう求心力４６が周方向に均等に作用し、ピストン３２の軸芯位置が維持される。
【００３３】
一方、ピストン３２がシリンダ本体３１の軸芯に対して偏芯し、ピストン３２の外周とシリンダ本体３１の内周との間の隙間が周方向に不均等になると、図５（ｂ）に示すように、隙間ｈの大きくなった部分では、自成絞りによる抵抗ｋａ及び環状溝３６ａ、３６ｂに至る流路の抵抗ｋｂが小さくなり、自成絞り直後の圧力ＰＳ２が小さくなって、低い圧力分布となる一方、隙間ｈの小さくなった部分では自成絞りによる抵抗ｋａ及び環状溝３６ａ、３６ｂに至る流路の抵抗ｋｂが大きくなり、自成絞り直後の圧力ＰＳ１が大きくなって、高い圧力分布となるので、ピストン３２を適正な軸芯位置に復元させる大きな求心力４６が発生して強い調芯作用が得られ、ピストン３２の芯ずれを効果的に防止することができる。また、その結果エアシリンダ１２を作動させる高圧エアの一部を用いてエア軸受を構成していながら、十分な支持荷重を確保することができる。
【００３４】
さらに、ピストン３２の外周でのピストンの摺動方向の両側部に、ピストンの摺動方向の側端から間隔をあけて環状溝３６ａ、３６ｂを配設するとともに、ピストンの摺動方向の両側端部に段差を設けてステップ絞り４３を設けているので、このステップ絞り４３にてエアシリンダ１２の作動エアに対する大気圧開放部である環状溝３６ａ、３６ｂのシール性が向上するとともに、エアシリンダ１２の作動エアを有効利用してステップ絞り４３部分でも調芯作用を持たることができ、エアシリンダの作動エアと軸受部とのエアの干渉を防止し、ピストン３２の軸受剛性を一層向上し、ピストン２３の芯ずれを効果的に防止することができる。
【００３５】
また、本実施形態の圧着装置によれば、上記エアシリンダ１２にて圧着ヘッド１１を加圧するようにしているので、エアシリンダ１２のピストン３２をエア軸受にてシリンダ本体３１の内周に非接触で支持しているので、摩耗を生じず、そのためメンテナンスを行わずに長期間稼動することができて生産性が向上し、かつ上記のようにピストン３２の芯ずれを発生しないので、高精度の加圧力制御を行うことがてき、高品質でばらつきのない圧着状態を確保することができる。
【００３６】
また、シリンダ本体３１の両端側を貫通してピストンロッド１３ａ、１３ｂを延出し、シリンダ本体３１の一端側から延出されたピストンロッド１３ａの先端を圧着ヘッド１１に連結し、シリンダ本体３１の他端側から延出されたピストンロッド１３ｂの先端に係合部材１４を設け、送りねじ機構１５にてピストン３２の摺動方向であるエアシリンダ１２の軸芯方向にストッパ１７を移動駆動するとともに、そのストッパ１７に対して係合部材１４をエアシリンダ１２の加圧方向とは反対側から係合させ、エアシリンダ１２を連続動作させた状態で加圧動作に移行するようにしているので、加圧時にエアシリンダ１２の起動時に生じ易いピストン３２の摩擦抵抗のばらつきの影響を受けず、これにより上記強い調芯作用と相俟って高精度に加圧力を制御することができ、特に高精度の加圧力制御が必要な圧着装置に効果的である。
【００３７】
以上の説明では、エアシリンダ１２として軸芯方向両側にピストンロッド１３ａ、１３ｂが延出されている構成例を示したが、図６に示すように、ピストン３２の摺動方向一側にのみピストンロッド１３ａを設け、シリンダ本体３１の一端の貫通穴４１を通して外部に延出し、シリンダ本体３１の他端を閉鎖した構成のエアシリンダ１２においても、ピストン３２に同様に高圧エア吹出し口３４と、圧力室３３ａ、３３ｂから高圧エア吹出し口３４に高圧エアを導入する高圧エア導入通路３５ａ、３５ｂと、大気圧開放部としての環状溝３６ａ、３６ｂを設けることで同様の作用効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明のエアシリンダ及びそれを用いた圧着装置によれば、圧力室に供給された高圧エアの一部がピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央部の高圧エア吹出部から吹出して高圧エア層が形成されることでピストンが浮遊状態で支持され、かつピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に大気圧開放部が配設されているので、ピストンが何れか一方に偏芯すると、圧力分布の差によってピストンを適正な軸芯に復元させる大きな力が発生するためピストンの芯ずれが生じ難く、その結果エアシリンダを作動する程度の高圧エアでも十分な支持荷重を確保することができるので、各種基板に各種部品を圧着する圧着装置に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態の圧着装置の全体概略構成を示す部分断面側面図。
【図２】同実施形態のエアシリンダの構成を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図。
【図３】同エアシリンダの動作説明図で、（ａ）の下降動作を説明する断面図、（ｂ）の上昇動作を説明する断面図。
【図４】同エアシリンダにおける高圧エア吹出し口による自成絞りの作用説明図。
【図５】同エアシリンダのエア軸受の作用を示し、（ａ）の正常時の作用説明図、（ｂ）の偏芯時の作用説明図。
【図６】同実施形態におけるエアシリンダの他の構成例の縦断面図。
【図７】第１の従来例のエアシリンダの縦断面図。
【図８】第２の従来例のエアシリンダの縦断面図。
【符号の説明】
【００４０】
１ 基板
５ 部品
１１ 圧着ヘッド
１２ エアシリンダ
１３ａ、１３ｂ ピストンロッド
１４ 係合部材
１５ 送りねじ機構
１７ ストッパ
３１ シリンダ本体
３２ ピストン
３３ａ、３３ｂ 圧力室
３４ 高圧エア吹出口（高圧エア吹出部）
３６ａ、３６ｂ 環状溝（大気圧開放部）
３９ 大気開放通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン摺動部にエア軸受を適用したエアシリンダ及びそれを用いた圧着装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基板に電子部品などの部品を圧着する圧着装置において、圧着ヘッドを昇降自在に支持するとともに、この圧着ヘッドに、固定設置されたエアシリンダの下方に延出されたピストンロッドの下端を連結し、エアシリンダにて圧着ヘッドを押し下げることで所要の加圧力を作用させるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。そのエアシリンダは、シリンダ本体の内周面とピストンの外周面の間に微小な隙間を設けるとともに、ピストンの外周面に弾性リングなどのシール部材を配置した構成とされている。
【０００３】
この特許文献１に記載された圧着装置では、さらにエアシリンダのピストンロッドを上方にも延出してその上端に係合部材を設けるとともに、エアシリンダの軸芯方向にストッパを移動駆動する送りねじ機構を設け、ストッパに対して係合部材をエアシリンダの加圧方向とは反対側から係合させた構成とし、圧着ヘッドを圧着部位に当接する位置まで移動させるのに、エアシリンダにて移動駆動しながら送りねじ機構にて移動制御を行うことで、当接した後のエアシリンダによる加圧動作を、エアシリンダの連続動作状態で行うようにし、それによって送りねじ機構等で圧着ヘッドとエアシリンダを移動させ、圧着ヘッドを圧着部位に当接させた後エアシリンダを起動させて加圧する場合のように、エアシリンダ起動時に生じ易いピストンの摩擦抵抗のばらつきの影響を受けないようにし、加圧力を高精度に制御できるように構成されている。
【０００４】
ところが、シリンダ本体の内周面とピストン外周面の間に微小な隙間を設けるとともに、それらの間に弾性リングなどのシール部材を配置した構成では、シール部材が摩耗すると、シリンダ本体とピストンの間で軸芯ずれが発生したり、エアシリンダの動作中にピストンの摺動抵抗が大きく変化し、エアシリンダによる加圧力にばらつきが発生する恐れが生じる場合があり、そのため加圧力の高精度制御を常に確保するためには、シール部材の摩耗を防止する必要があり、頻繁にシール部材の点検・交換などのメンテナンスを行う必要があり、圧着装置の生産性を低下させるという問題があった。
【０００５】
このような問題を解消できるエアシリンダの構成として、シリンダ本体の内周面とピストン外周面の間に、非接触摺動軸受であるエア軸受を配置したものが知られている。例えば、図７に示すように、シリンダ本体５１の内周面におけるピストン５２の外周面に対向する部分に、多孔質セラミックなどからなる軸受材５３を配置するとともに、シリンダ本体５１に設けた高圧エア供給口５４からこの軸受材５３に向けて高圧エアを送給することで、ピストン５２を軸受材５３の内周に発生するエアの静圧にて摺動自在に支持するエア軸受５５を構成したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、図８に示すように、シリンダ本体６１内に、ピストン６２を摺動自在に収容するとともにピストン６２の摺動方向の両側に圧力室６３ａ、６３ｂを設け、各圧力室６３ａ、６３ｂに高圧エアを供給するように構成し、かつピストン６２のピストンロッドの外周面、又はシリンダ本体６１の内周面に対向するピストン６２の外周面の位置に環状空間６４を形成するとともに、この環状空間６４内に何れかの圧力室６３ａ、６３ｂ内に供給された高圧エアが導入されるようにしてエア軸受６５を構成したエアシリンダが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特許第３６０１４８８号明細書
【特許文献２】特許第３４８３４４３号明細書
【特許文献３】特許第３８１８７１２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、図７に示したような構成のエアシリンダにおいては、エア軸受５５に高圧エアを供給する高圧エア供給手段を別途に配設する必要があり、設備構成が複雑になるという問題があり、またピストン５２を単にエアの静圧によって非接触で摺動自在に支持するものであるため、高いエア圧を供給する必要があるとともに、ピストン５２が偏芯したときに同芯位置に復元させる調芯作用は、軸受部がエアシリンダの作動用エアの影響を受けるため、不十分にしか得られないという問題がある。
【０００８】
また、図８に示したような構成のエアシリンダにおいては、ピストン６２の摺動方向の両側の圧力室６３ａ、６３ｂに供給される高圧エアをエア軸受６５に導入するように構成されているので、別途に高圧エア供給手段を設ける必要がなく、設備構成は簡単になるが、単にエアの静圧にてピストン６２を浮遊状態で支持するものであるため、エアシリンダの作動用の高圧エアではピストン６２の偏芯に対応した十分な支持荷重を確保し難く、ここでピストン６２が偏芯したときに同芯位置に復元させる調芯作用は、軸受部がエアシリンダの作動用エアの影響を受けるため、不十分にしか得られなく、このピストン６２の芯ずれにより加圧力に変動を生じて、高精度の加圧力制御を実現することが困難であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題に鑑み、エアシリンダを作動する高圧エアを用いながら強い調芯作用が得られるエア軸受にてピストンを支持したエアシリンダ及びそれを用いた圧着装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のエアシリンダは、シリンダ本体と、シリンダ本体内に摺動自在に収容されたピストンと、シリンダ本体内のピストンの摺動方向の少なくとも一側に配設され、高圧エアが供給される圧力室とを備えたエアシリンダであって、圧力室内の高圧エアの一部が導かれる高圧エア吹出部をピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央位置に配設し、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に大気圧開放部を配設したものである。
【００１１】
この構成によれば、圧力室に供給された高圧エアの一部が、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央位置の高圧エア吹出部から吹出すことにより、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央部に高圧エア層が形成されてピストンが浮遊状態で支持され、かつ高圧エア吹出部から成るエアの給気孔の周縁とピストンの軸受隙間にて形成される環状の流路部分が最小流路断面となって自成絞りを構成しているため、ピストンが何れか一方に偏芯すると、隙間の大きくなった部分では、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に配設されている大気圧開放部に対する連通路が広くなって、これに反比例してエアの流量抵抗が小さくなり、給気孔付近の圧力が低い圧力分布になる一方、隙間の小さくなった部分では、大気圧開放部に対する連通路が狭くなって、これに反比例してエアの流量抵抗が大きくなり、給気孔付近の圧力が高い圧力分布になる。更に、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に大気圧開放部を配設していることで、エアシリンダの作動エアが軸受部に干渉しないため、上記作用が確保され、ピストンを適正な軸芯に復元させる大きな力が発生して強い調芯作用が得られ、そのためピストンの芯ずれが生じ難くかつその結果エアシリンダを作動する程度の高圧エアでも十分な支持荷重を確保することができる。
【００１２】
また、高圧エア吹出部を、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央位置でかつ周方向に均等に配置された３箇所以上の位置に開口し、かつ圧力室内の高圧エアの一部が導かれる高圧エア吹出口にて構成し、大気圧開放部を、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に配設され、かつ大気開放通路にて大気に連通された環状溝にて構成すると、ピストンの摺動方向の両側に圧力室がある場合に何れの圧力室に高圧エアが供給されていても、それぞれの圧力室の高圧エアが周方向に均等に配置された高圧エア吹出口から周方向に均等に吹き出すので、周方向に均等に支持荷重が得られ、かつ大気圧開放部が全周に形成されているので、上記作用を安定して確実に得ることができる。
【００１３】
また、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に、ピストンの摺動方向の側端から間隔をあけて大気圧開放部を構成する環状溝を設けるとともに、ピストンの摺動方向の両側端部に段差を設けてステップ絞りを構成すると、ステップ絞りにてエアシリンダの作動エアに対する大気圧開放部のシール性が向上するとともに、エアシリンダの作動エアを有効利用してステップ絞り部分でも調芯作用を持たることができ、エアシリンダの作動エアと軸受部とのエアの干渉を防止し、ピストンの軸受剛性を一層向上できる。
【００１４】
また、本発明の圧着装置は、圧着ヘッドを上下に摺動自在に支持するとともに、エアシリンダにて圧着ヘッドを押し下げることで基板上に配置された部品に所要の加圧力を作用させ、基板に部品を圧着する圧着装置において、上記エアシリンダのピストンから延設されたピストンロッドを、摺動自在に支持された圧着ヘッドに連結したものであり、エアシリンダのピストンをエア軸受にてシリンダ本体内のピストンの摺動部分に対して非接触で支持しているので、摩耗を生じず、そのためメンテナンスを行わずに長期間稼動することができて生産性が向上し、かつピストンの芯ずれを発生しないので、高精度の加圧力制御を行うことができ、高品質でばらつきのない圧着状態を確保することができる。
【００１５】
また、シリンダ本体の両端を貫通してピストンロッドを延出し、シリンダ本体の一端側から延出されたピストンロッドの先端を圧着ヘッドに連結し、シリンダ本体の他端側から延出されたピストンロッドの先端に係合部材を設け、ストッパをエアシリンダの軸芯方向に移動駆動する移動手段を設け、ストッパに対して係合部材を基板に部品を圧着するエアシリンダの加圧方向とは反対側から係合させた構成とすると、エアシリンダを連続動作させた状態で加圧動作を行うことができるのでエアシリンダ起動時に生じ易いピストンの摩擦抵抗のばらつきの影響を受けず、そのため上記強い調芯作用と相俟って高精度に加圧力を制御することができ、特に高精度の加圧力制御が必要な圧着装置に効果的である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のエアシリンダ及びそれを用いた圧着装置によれば、圧力室に供給された高圧エアの一部がピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央部の高圧エア吹出部から吹出して高圧エア層が形成されることでピストンが浮遊状態で支持され、かつピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に大気圧開放部が配設されているのでピストンが何れか一方に偏芯すると、圧力分布の差によってピストンを適正な軸芯に復元させる大きな力が発生するためピストンの芯ずれが生じ難く、その結果エアシリンダを作動する程度の高圧エアでも十分な支持荷重を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を、液晶表示パネルのガラス基板に電子部品や電子部品を接合するための異方性導電材などの部品を圧着する圧着装置に適用した一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
【００１８】
図１において、本実施形態の圧着装置は、ガラス基板などの基板１を保持テーブル２上に支持して移動及び位置決めする位置決め手段３と、圧着すべき部品５が配置された基板１の側端部を下方から支持する下受け部４と、部品５を上方から加圧して圧着させる圧着機構部６にて構成されている。
【００１９】
圧着機構部６は、下部基台７ａと、下部基台７ａに対し立設された縦フレーム７ｂと、縦フレーム７ｂの上部に下部基台７ａに対向して配設された上側基部７ｃとを有するフレーム７を備えている。下部基台７ａ上に上記下受け部４が配置され、縦フレーム７ｂの側面に垂直に設けられたガイドレール８に沿って摺動自在なスライダ９に逆Ｌ字状の昇降ブラケット１０が固定され、この昇降ブラケット１０に下受け部４の直上に対向するように圧着ヘッド１１が装着されている。
【００２０】
上側基部７ｃ上には、圧着ヘッド１１の直上に同芯状にエアシリンダ１２が配設されている。エアシリンダ１２からは下方と上方の両方向に、ピストンロッド１３ａ、１３ｂが延出され、下方に延出されたピストンロッド１３ａは上側基部７ｃを貫通してその先端が昇降ブラケット１０に結合され、上方に延出されピストンロッド１３ｂの先端には係合部材１４が設けられている。
【００２１】
また、上側基部７ｃ上には、エアシリンダ１２の軸芯方向と平行にナット部材１６を昇降駆動する移動手段としての送りねじ機構１５が配設され、ナット部材１６に固定されたストッパ１７に係合部材１４が上方から係合されている。送りねじ機構１５は、ナット部材１６が螺合するボールねじ軸から成る送りねじ１８と、送りねじ１８の上下両端を回転自在に支持する軸受１９ａ、１９ｂと、送りねじ１８を正逆回転駆動する駆動モータ２０にて構成されている。なお、移動手段は、この送りねじ機構１５に限らず、リニアモータ機構であっても、また昇降自在に支持された昇降体に設けたカムフォロアを回転カムに係合させ、回転カムの回転に伴って昇降体を昇降させる構成でも良い。
【００２２】
エアシリンダ１２の上部と下部のエア供給口２１ａ、２１ｂには、高圧エア源２２から圧力制御部２３を介して所要の圧力に制御された高圧エアを供給するように構成されるとともに、制御部２４にて圧力制御部２３を制御し、また制御部２４にてモータ制御部２５を介して駆動モータ２０を制御するように構成されている。
【００２３】
以上のような全体構成の圧着装置において、エアシリンダ１２は、図２に詳細に示すように、シリンダ本体３１内に、ピストン３２を摺動自在に収容するとともに、ピストン３２の摺動方向の両側に圧力室３３ａ、３３ｂを配設し、エア供給口２１ａ、２１ｂからそれぞれの圧力室３３ａ、３３ｂの内部に高圧エアを供給し、あるいは内部のエアを排出するように構成されている。
【００２４】
ピストン３２の外周でのピストンの摺動方向の中央位置には、図２（ｂ）に示すように、周方向に６０°間隔の６箇所の位置に、高圧エア吹出部としての高圧エア吹出口３４が開口されている。各高圧エア吹出口３４は、周方向に１つ置きに１２０°間隔で配置された３つの高圧エア吹出口３４にて構成される２つのグループに分けられ、一方のグループは高圧エア導入通路３５ａにより圧力室３３ａと、他方のグループは高圧エア導入通路３５ｂにより圧力室３３ｂとそれぞれ連通されている。そのため、ピストン３２には、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、一端が圧力室３３ａに臨んで開口し、他端が同じ周方向位置の高圧エア吹出口３４に接続される１２０°間隔の３つの高圧エア導入通路３５ａと、一端が圧力室３３ｂに臨んで開口し、他端が同じ周方向位置の高圧エア吹出口３４に接続される１２０°間隔の３つの高圧エア導入通路３５ｂとが、互いに６０°間隔で形成されている。
【００２５】
ピストン３２の外周でのピストン摺動方向の両側部には、大気圧開放部を構成する環状溝３６ａ、３６ｂが配設されている。環状溝３６ａ、３６ｂは、図２（ａ）、（ｃ）に示すように、ピストン３２及びピストンロッド１３ａ、１３ｂの軸部を長手方向に貫通する軸穴３７にそれぞれ放射状の連通路３８ａ、３８ｂを介して連通され、軸穴３７はシリンダ本体２より外側に形成した大気開放穴（図示せず）を通して大気に開放されている。連通路３８ａ、３８ｂは、高圧エア導入通路３５ａ、３５ｂと干渉しない位置に形成されている。大気開放穴（図示せず）は、ピストンロッド１３ａの、加熱機構を有する圧着ヘッド１１の上部より上の近傍で開口させ、圧着ヘッド１１の加熱の影響を受ける周囲の雰囲気を流動排出させる機能を果たすようにするのが好適である。これら連通路３８ａ、３８ｂ、軸穴３７、及び大気開放穴（図示せず）にて大気開放通路３９が構成されている。
【００２６】
４０ａ、４０ｂは圧力室３３ａ、３３ｂの軸芯方向の内側端に配設した、ピストン３２のストッパである。シリンダ本体３１のピストンロッド１３ａ、１３ｂの貫通穴４１には、ピストンロッド１３ａ、１３ｂに非接触でシール性を確保するステップ絞り４２が設けられている。ステップ絞り４２は、大気側の隙間を小さく、圧力室３３ａ、３３ｂ側の隙間を大きくしてその間に段部を設けることでシール性の向上を図ったものである。同様に、ピストン３２の摺動方向の両端部にも、ステップ絞り４３が設けられている。すなわち、大気開放部としての環状溝３６ａ、３６ｂ側の隙間を小さく、圧力室３３ａ、３３ｂ側の隙間を大きくしてその間に段部を設けることでシール性の向上を図っている。
【００２７】
次に、以上の構成の圧着装置にて基板１の側縁部に部品５を圧着する工程を説明する。図１に示すように、基板１の部品５が配置された側縁部を下受け部４上に位置決めした状態で、高圧エア源２２から供給される高圧エアを圧力制御部２３にて所定圧力に制御してエアシリンダ１２のエア供給口２１ａに供給すると、図３（ａ）に示すように、圧力室３３ａ内の高圧エアの圧力が矢印４４ａの如くピストン３２の上面に作用し、ピストン３２が白抜矢印４５ａのように下方に所定の加圧力で押圧される。それとともに、制御部２４にてモータ制御部２５を介して駆動モータ２０を制御して送りねじ機構１５を作動させ、ストッパ１７を予め設定された速度プログラムに基づいて下降させることで、ピストン３２が同速度で下方移動し、ピストンロッド１３ａを介して圧着ヘッド１１が下降する。圧着ヘッド１１が部品に当接し、さらにストッパ１７が下降すると、圧着ヘッド１１により上記所定の加圧力で部品５が押圧されることで、確実かつ適正に圧着が行われる。送りねじ機構１５の動作は、圧着ヘッド１１が部品に当接した後、わずかにさらに下降した後に停止される。このことによりエアシリンダ１２の加圧力が圧着ヘッド１１を介して基板１に圧着する部品５に伝えることができる。なお、圧力室３３ａ内の高圧エアの圧力でピストン３２に所定の加圧力を作用させる際に、エアシリンダ１２のエア供給口２１ｂから排出されるエア圧を圧力制御部２３で制御して圧力室３３ｂ内の圧力を制御することで、加圧力をより高精度に制御することができる。
【００２８】
圧着が完了すると、圧力制御部２３にて高圧エアをエアシリンダ１２のエア供給口２１ｂを介して圧力室３３ｂ内に高圧エアを供給することで、図３（ｂ）に示すように、高圧エアの圧力が矢印４４ｂの如くピストン３２の下面に作用し、ピストン３２が白抜矢印４５ｂのように上方に所定の加圧力で押圧され、ピストン３２が上方移動し、ピストンロッド１３ａを介して圧着ヘッド１１が上昇する。また、その後又はそれと同時に制御部２４にてモータ制御部２５を介して駆動モータ２０を制御し、送りねじ機構１５を作動させて、ストッパ１７を予め設定された位置まで上昇させる。
【００２９】
以上のエアシリンダ１２におけるピストン３２の摺動に際して、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、圧力室３３ａ又は３３ｂ内の高圧エアの一部が、高圧エア導入通路３５ａ、３５ｂを通ってピストン３２の外周でのピストンの摺動方向の中央部の高圧エア吹出口３４から吹出し、ピストン３２の外周とシリンダ本体３１の内周との隙間に押圧エアの層が形成され、ピストン３２はシリンダ本体３１の内周に非接触で摺動自在に支持される。かくして、ピストン３２の摺動抵抗が小さく、かつ摺動による摩耗部が存在しないので、摩耗による摺動抵抗の変化によって加圧力にばらつきが発生する恐れもなく、メンテナンスレスで加圧力を高精度に制御することができる。
【００３０】
また、高圧エア吹出口３４から吹出した高圧エアは、ピストン３２の外周とシリンダ本体３１の内周との間の微小隙間を通ってピストン外周でのピストン摺動方向の両側の環状溝３６ａ、３６ｂに流入し、連通路３８ａ、３８ｂ、軸穴３７、及びピストンロッド１３ａ、および／あるいは１３ｂの大気開放穴（図示せず）からなる大気開放通路３９を通して大気中に放出される。これにより、高圧エア吹出口３４から環状溝３６ａ、３６ｂに向けて、高圧エアの吹出し圧から大気圧に低下する略台形の圧力分布を呈するとともに、微小隙間の大きさによってその大きさが変化する。
【００３１】
図４を参照して説明すると、高圧エア吹出口３４の周縁と微小隙間で構成される環状流路部分が最小流路断面となることで自成絞りが形成されている。この自成絞りにおける絞り面積は、高圧エア吹出口３４の直径を２ｒ、微小隙間の大きさをｈとすると、２πｒｈで与えられる。ここで、供給される高圧エアの圧力をＰａ、自成絞り直後の圧力をＰｓとすると、（Ｐａ−Ｐｓ）は自成絞りによる抵抗（ｋａ）と流量（Ｑ）の積で与えられ、また自成絞り直後と環状溝３６ａ、３６ｂ間で、圧力がＰｓから大気圧（Ｐ０ ）に低下し、その圧力差（Ｐｓ−Ｐ０ ）はこの間の流路の抵抗（ｋｂ）と流量（Ｑ）の積で与えられ、かつ自成絞りの抵抗ｋａは隙間ｈの大きさに略反比例し、流路の抵抗ｋｂは隙間ｈの３乗に略反比例する。その結果、自成絞り直後の圧力Ｐｓは、隙間ｈが大きくなれば小さくなり、隙間ｈが小さくなれば大きくなる。
【００３２】
この結果、ピストン３２とシリンダ本体３１の軸芯が実質的に一致し、ピストン３２の外周とシリンダ本体３１の内周との間の隙間が均等に形成されている場合は、図５（ａ）に示すように、自成絞り直後の圧力Ｐｓが周方向に均等で、ピストン３２の外周からピストン３２の軸芯に向かう求心力４６が周方向に均等に作用し、ピストン３２の軸芯位置が維持される。
【００３３】
一方、ピストン３２がシリンダ本体３１の軸芯に対して偏芯し、ピストン３２の外周とシリンダ本体３１の内周との間の隙間が周方向に不均等になると、図５（ｂ）に示すように、隙間ｈの大きくなった部分では、自成絞りによる抵抗ｋａ及び環状溝３６ａ、３６ｂに至る流路の抵抗ｋｂが小さくなり、自成絞り直後の圧力ＰＳ２が小さくなって、低い圧力分布となる一方、隙間ｈの小さくなった部分では自成絞りによる抵抗ｋａ及び環状溝３６ａ、３６ｂに至る流路の抵抗ｋｂが大きくなり、自成絞り直後の圧力ＰＳ１が大きくなって、高い圧力分布となるので、ピストン３２を適正な軸芯位置に復元させる大きな求心力４６が発生して強い調芯作用が得られ、ピストン３２の芯ずれを効果的に防止することができる。また、その結果エアシリンダ１２を作動させる高圧エアの一部を用いてエア軸受を構成していながら、十分な支持荷重を確保することができる。
【００３４】
さらに、ピストン３２の外周でのピストンの摺動方向の両側部に、ピストンの摺動方向の側端から間隔をあけて環状溝３６ａ、３６ｂを配設するとともに、ピストンの摺動方向の両側端部に段差を設けてステップ絞り４３を設けているので、このステップ絞り４３にてエアシリンダ１２の作動エアに対する大気圧開放部である環状溝３６ａ、３６ｂのシール性が向上するとともに、エアシリンダ１２の作動エアを有効利用してステップ絞り４３部分でも調芯作用を持たることができ、エアシリンダの作動エアと軸受部とのエアの干渉を防止し、ピストン３２の軸受剛性を一層向上し、ピストン２３の芯ずれを効果的に防止することができる。
【００３５】
また、本実施形態の圧着装置によれば、上記エアシリンダ１２にて圧着ヘッド１１を加圧するようにしているので、エアシリンダ１２のピストン３２をエア軸受にてシリンダ本体３１の内周に非接触で支持しているので、摩耗を生じず、そのためメンテナンスを行わずに長期間稼動することができて生産性が向上し、かつ上記のようにピストン３２の芯ずれを発生しないので、高精度の加圧力制御を行うことがてき、高品質でばらつきのない圧着状態を確保することができる。
【００３６】
また、シリンダ本体３１の両端側を貫通してピストンロッド１３ａ、１３ｂを延出し、シリンダ本体３１の一端側から延出されたピストンロッド１３ａの先端を圧着ヘッド１１に連結し、シリンダ本体３１の他端側から延出されたピストンロッド１３ｂの先端に係合部材１４を設け、送りねじ機構１５にてピストン３２の摺動方向であるエアシリンダ１２の軸芯方向にストッパ１７を移動駆動するとともに、そのストッパ１７に対して係合部材１４をエアシリンダ１２の加圧方向とは反対側から係合させ、エアシリンダ１２を連続動作させた状態で加圧動作に移行するようにしているので、加圧時にエアシリンダ１２の起動時に生じ易いピストン３２の摩擦抵抗のばらつきの影響を受けず、これにより上記強い調芯作用と相俟って高精度に加圧力を制御することができ、特に高精度の加圧力制御が必要な圧着装置に効果的である。
【００３７】
以上の説明では、エアシリンダ１２として軸芯方向両側にピストンロッド１３ａ、１３ｂが延出されている構成例を示したが、図６に示すように、ピストン３２の摺動方向一側にのみピストンロッド１３ａを設け、シリンダ本体３１の一端の貫通穴４１を通して外部に延出し、シリンダ本体３１の他端を閉鎖した構成のエアシリンダ１２においても、ピストン３２に同様に高圧エア吹出し口３４と、圧力室３３ａ、３３ｂから高圧エア吹出し口３４に高圧エアを導入する高圧エア導入通路３５ａ、３５ｂと、大気圧開放部としての環状溝３６ａ、３６ｂを設けることで同様の作用効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明のエアシリンダ及びそれを用いた圧着装置によれば、圧力室に供給された高圧エアの一部がピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央部の高圧エア吹出部から吹出して高圧エア層が形成されることでピストンが浮遊状態で支持され、かつピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に大気圧開放部が配設されているので、ピストンが何れか一方に偏芯すると、圧力分布の差によってピストンを適正な軸芯に復元させる大きな力が発生するためピストンの芯ずれが生じ難く、その結果エアシリンダを作動する程度の高圧エアでも十分な支持荷重を確保することができるので、各種基板に各種部品を圧着する圧着装置に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態の圧着装置の全体概略構成を示す部分断面側面図。
【図２】同実施形態のエアシリンダの構成を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図。
【図３】同エアシリンダの動作説明図で、（ａ）の下降動作を説明する断面図、（ｂ）の上昇動作を説明する断面図。
【図４】同エアシリンダにおける高圧エア吹出し口による自成絞りの作用説明図。
【図５】同エアシリンダのエア軸受の作用を示し、（ａ）の正常時の作用説明図、（ｂ）の偏芯時の作用説明図。
【図６】同実施形態におけるエアシリンダの他の構成例の縦断面図。
【図７】第１の従来例のエアシリンダの縦断面図。
【図８】第２の従来例のエアシリンダの縦断面図。
【符号の説明】
【００４０】
１ 基板
５ 部品
１１ 圧着ヘッド
１２ エアシリンダ
１３ａ、１３ｂ ピストンロッド
１４ 係合部材
１５ 送りねじ機構
１７ ストッパ
３１ シリンダ本体
３２ ピストン
３３ａ、３３ｂ 圧力室
３４ 高圧エア吹出口（高圧エア吹出部）
３６ａ、３６ｂ 環状溝（大気圧開放部）
３９ 大気開放通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ本体と、シリンダ本体内に摺動自在に収容されたピストンと、シリンダ本体内のピストンの摺動方向の少なくとも一側に配設され、高圧エアが供給される圧力室とを備えたエアシリンダであって、圧力室内の高圧エアの一部が導かれる高圧エア吹出部をピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央位置に配設し、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に大気圧開放部を配設したことを特徴とするエアシリンダ。
【請求項２】
高圧エア吹出部を、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央位置でかつ周方向に均等に配置された３箇所以上の位置に開口し、かつ圧力室内の高圧エアの一部が導かれる高圧エア吹出口にて構成し、大気圧開放部を、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に配設され、かつ大気開放通路にて大気に連通された環状溝にて構成したことを特徴とする請求項１記載のエアシリンダ。
【請求項３】
ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に、ピストンの摺動方向の側端から間隔をあけて大気圧開放部を構成する環状溝を設けるとともに、ピストンの摺動方向の両側端部に段差を設けてステップ絞りを構成したことを特徴とする請求項１又は２記載のエアシリンダ。
【請求項４】
圧着ヘッドを上下に摺動自在に支持するとともに、エアシリンダにて圧着ヘッドを押し下げることで基板上に配置された部品に所要の加圧力を作用させ、基板に部品を圧着する圧着装置において、請求項１〜３の何れか１つに記載のエアシリンダのピストンから延設されたピストンロッドを、摺動自在に支持された圧着ヘッドに連結したことを特徴とする圧着装置。
【請求項５】
シリンダ本体の両端を貫通してピストンロッドを延出し、シリンダ本体の一端側から延出されたピストンロッドの先端を圧着ヘッドに連結し、シリンダ本体の他端側から延出されたピストンロッドの先端に係合部材を設け、ストッパをエアシリンダの軸芯方向に移動駆動する移動手段を設け、ストッパに対して係合部材を基板に部品を圧着するエアシリンダの加圧方向とは反対側から係合させたことを特徴とする請求項４記載の圧着装置。
【請求項１】
シリンダ本体と、シリンダ本体内に摺動自在に収容されたピストンと、シリンダ本体内のピストンの摺動方向の少なくとも一側に配設され、高圧エアが供給される圧力室とを備えたエアシリンダであって、圧力室内の高圧エアの一部が導かれる高圧エア吹出部をピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央位置に配設し、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に大気圧開放部を配設したことを特徴とするエアシリンダ。
【請求項２】
高圧エア吹出部を、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の中央位置でかつ周方向に均等に配置された３箇所以上の位置に開口し、かつ圧力室内の高圧エアの一部が導かれる高圧エア吹出口にて構成し、大気圧開放部を、ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に配設され、かつ大気開放通路にて大気に連通された環状溝にて構成したことを特徴とする請求項１記載のエアシリンダ。
【請求項３】
ピストンの外周でのピストンの摺動方向の両側部に、ピストンの摺動方向の側端から間隔をあけて大気圧開放部を構成する環状溝を設けるとともに、ピストンの摺動方向の両側端部に段差を設けてステップ絞りを構成したことを特徴とする請求項１又は２記載のエアシリンダ。
【請求項４】
圧着ヘッドを上下に摺動自在に支持するとともに、エアシリンダにて圧着ヘッドを押し下げることで基板上に配置された部品に所要の加圧力を作用させ、基板に部品を圧着する圧着装置において、請求項１〜３の何れか１つに記載のエアシリンダのピストンから延設されたピストンロッドを、摺動自在に支持された圧着ヘッドに連結したことを特徴とする圧着装置。
【請求項５】
シリンダ本体の両端を貫通してピストンロッドを延出し、シリンダ本体の一端側から延出されたピストンロッドの先端を圧着ヘッドに連結し、シリンダ本体の他端側から延出されたピストンロッドの先端に係合部材を設け、ストッパをエアシリンダの軸芯方向に移動駆動する移動手段を設け、ストッパに対して係合部材を基板に部品を圧着するエアシリンダの加圧方向とは反対側から係合させたことを特徴とする請求項４記載の圧着装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−９７６１３（Ｐ２００９−９７６１３Ａ）
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６９１１５（Ｐ２００７−２６９１１５）
【出願日】平成１９年１０月１６日（２００７．１０．１６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１６日（２００７．１０．１６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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