流体圧アクチュエータ
【課題】流体圧アクチュエータにおいて、直進駆動と回転駆動を精度よく行うことである。
【解決手段】流体圧アクチュエータ１０は、スプール部１６と出力軸１８を含むロッド部１４と、スプール部１６を軸方向に摺動可能に保持するスリーブ部２０と、出力軸１８に同軸に設けられ、図示されていない回転駆動機構に接続される回転部５０と、一方端３２が出力軸１８に固定され他方端３４が回転部５０に固定される捩じりバネ体３０と、スプール部１６の軸方向駆動のための直進駆動部４０と、出力軸１８の軸方向の変位を検出する変位センサ６０を含んで構成される。
【解決手段】流体圧アクチュエータ１０は、スプール部１６と出力軸１８を含むロッド部１４と、スプール部１６を軸方向に摺動可能に保持するスリーブ部２０と、出力軸１８に同軸に設けられ、図示されていない回転駆動機構に接続される回転部５０と、一方端３２が出力軸１８に固定され他方端３４が回転部５０に固定される捩じりバネ体３０と、スプール部１６の軸方向駆動のための直進駆動部４０と、出力軸１８の軸方向の変位を検出する変位センサ６０を含んで構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体圧アクチュエータに係り、スプールから延伸する出力軸が直進と回転とを行うことが可能な流体圧アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体圧アクチュエータは、流体圧を制御することで、スプールを直進駆動することが出来る。スプールを出力軸とすることで、出力軸について、直進方向の位置決め制御、荷重制御等を行うことが出来る。例えば、チップボンディング装置では、チップを保持する出力軸をボンディング対象に向かって所定の高さ位置まで直進移動させる高さ方向の位置決め制御と、位置決めされた所定の高さ位置で、所定の荷重で押し付ける荷重制御が行われる。
【０００３】
ここで、出力軸が軸周りに回転可能とできれば、位置決め制御の自由度が増す。チップボンディング装置では、出力軸の回転制御を行うことで、ボンディング対象に対するチップの位置決めが高さ方向のみならず、平面配置についても可能となる。
【０００４】
例えば、特許文献１，２には、直線運動および回転運動可能なアクチュエータとして、ピストン・シリンダ機構において、ガイドフランジによってピストンロッドを軸方向スライド可能な状態で支持していると共に、ピストンロッドをピストンヘッドと共に回転させる回転駆動機構を有する構成が開示されている。
【０００５】
ここで、ガイドフランジは、断面が多角形状の貫通穴を有し、その外周がシリンダ側に軸受を介して回転可能に支持されている。そして、ピストンロッドは、ガイドフランジの多角形状の貫通穴と同じ断面形状を有している。この構造で、ガイドフランジをシリンダ側に対し回転駆動させることでピストンヘッドは回転し、ピストンロッドを軸方向に移動駆動させることでピストンヘッドが軸方向に移動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１７１６６６号明細書
【特許文献２】特許第４２６８４３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１，２の構成では、ガイドフランジの貫通穴を多角形貫通穴とし、ピストンロッドのガイドフランジに対応する部分を多角形状とするので、複雑な加工を要する。また、多形状の穴の中を多角形状の軸が軸方向に移動することで、摩擦やバックラッシュ等により、直進精度も回転精度も制限を受ける。
【０００８】
本発明の目的は、精度よく直進駆動と回転駆動を行うことが出来る流体圧アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る直進と回転とが可能な流体圧アクチュエータは、少なくとも１つの受圧面を有するスプール部と、スプール部に接続され、スプール部の軸方向に延伸する出力軸と、スプール部を軸方向に移動可能に支持する内周壁を有し、スプール部の受圧面と協働して圧力室を形成するスリーブ部と、圧力室に所定の圧力の流体を供給することで、出力軸を軸方向に直進駆動する直進駆動部と、出力軸と同軸に配置され、出力軸の軸周りに回転可能な回転部と、出力軸と同軸に配置され、軸方向に伸縮可能な捩じりバネ体であって、出力軸に固定される一方端と、回転部に固定される他方端とを有し、他方端の回転部が回転駆動されることで一方端の出力軸が回転駆動される捩じりバネ体と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る流体圧アクチュエータにおいて、捩じりバネ体は、捩じり剛性に対し、軸方向の伸縮剛性が低いことが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る流体圧アクチュエータにおいて、捩じりバネ体は、一方端の内周側が出力軸の外周側と固定され、他方端の外周側が回転部に固定され、出力軸の外径よりも大きい内径を有し、出力軸が捩じりバネ体の内径側の空間を直進することが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る流体圧アクチュエータにおいて、出力軸の軸方向変位を検出する変位センサであって、検出した軸方向変位に応じた捩じりバネ体の軸方向力が、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる変位センサを備えることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る流体圧アクチュエータにおいて、圧力室に供給される流体圧力を検出する圧力センサであって、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる圧力センサを備えることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る流体圧アクチュエータにおいて、スプール部は、第１受圧面と第２受圧面とを有し、スリーブ部はスプール部と協働して第１受圧面に対応する第１圧力室と第２受圧面に対応する第２圧力室とを形成し、第１圧力室には第１圧力の流体が供給され、第２圧力室には第１圧力よりも高い第２圧力の流体が供給され、第１受圧面の受圧面積が、第２受圧面の受圧面積よりも広いことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成により、流体圧アクチュエータは、スプール部と出力軸がスリーブ部に移動可能に支持され、スプール部とスリーブ部の協働で形成される圧力室に所定の圧力の流体を供給することで、出力軸を軸方向に直進駆動する。また、出力軸と同軸に配置される回転部に他方端が固定され、出力軸に一方端が固定されて軸方向に伸縮可能な捩じりバネ体を用いることで、他方端の回転部を回転駆動すると一方端の出力軸を回転駆動することが出来る。捩じりバネ体の運動は、摩擦がないので、精度よく直進駆動と回転駆動を行うことが出来る。
【００１６】
また、流体圧アクチュエータにおいて、捩じりバネ体は、捩じり剛性に対し、軸方向の伸縮剛性が低いので、回転駆動によって直進駆動の精度が低くなることがない。
【００１７】
また、流体圧アクチュエータにおいて、捩じりバネ体は、出力軸の外径よりも大きい内径を有し、出力軸が捩じりバネ体の内径側の空間を直進する。これによって出力軸の直進駆動が乱されることがない。
【００１８】
また、流体圧アクチュエータにおいて、捩じりバネ体は、一方端の内周側が出力軸の外周側と固定され、他方端の外周側が回転部に固定される。これによって、回転部と出力部との同軸度が維持しやすく、精度よく直進駆動と回転駆動を行うことが出来る。
【００１９】
また、流体圧アクチュエータにおいて、出力軸の軸方向変位を検出する変位センサを備える。この変位センサは、直進駆動のフィードバックを行う機能のみならず、検出した軸方向変位に応じた捩じりバネ体の軸方向力が、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる。また、圧力センサによって検出された流体圧力に基づいて、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる。
【００２０】
また、流体圧アクチュエータにおいて、スプール部の第１受圧面と第２受圧面について、高い圧力を受ける第２受圧面の受圧面積よりも、低い圧力を受ける第１受圧面の受圧面積が広い。これによって、例えば、第２受圧面に一定の高圧力の流体を供給し、第１受圧面に制御圧力を有する流体を供給するときでも、制御圧力を変更することで、出力軸の先端における荷重の大きさを精度よく変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る実施の形態の流体圧アクチュエータの構成を示す図である。
【図２】図１において、捩じりバネ体の周辺の部分拡大図である。
【図３】図２において、出力軸が軸方向に変位したときの捩じりバネ体の様子を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、別のスプール部の例を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、スプール部の支持の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、流体圧アクチュエータとして、気体を用いる気体圧アクチュエータを述べるが、気体以外の液体を用いる油圧アクチュエータ、水圧アクチュエータであってもよい。また、流体として用いる気体としては、一般的な空気、乾燥空気の他、窒素、アルゴン等の不活性ガス、その他のガスであってもよい。
【００２３】
また、以下では、捩じりバネ体として、コイルバネを述べるが、捩じり剛性と軸方向の伸縮剛性を有している弾性体であればよい。ベローズ体のように周方向に連続体であってもよい。材質も金属に限らず、プラスチックでもよく、ゴム、プラスチックゴム等であってもよい。
【００２４】
以下で用いる形状、寸法等は、説明のための例示であって、流体圧アクチュエータの仕様に合わせ、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２５】
図１は、流体圧アクチュエータ１０の構成を示す図である。この流体圧アクチュエータ１０は、サーボ弁４２を備え、サーボ弁４２からの制御圧力Ｐｃを有する気体と、サーボ弁４２に元圧として供給される供給圧力Ｐｓを有する気体を用いて、コレット１２が先端に取り付けられる出力軸１８を軸方向に移動駆動させ、また、図示されていない回転駆動機構によって出力軸１８を軸周りに回転駆動させることができる。図１では、出力軸１８の軸方向をＸ方向とし、軸周りの回転方向をθとして図示した。なお、出力軸１８が流体圧アクチュエータ１０から突き出る方向を＋Ｘ方向とした。
【００２６】
流体圧アクチュエータ１０は、スプール部１６と出力軸１８を含むロッド部１４と、スプール部１６を軸方向に摺動可能に保持するスリーブ部２０と、出力軸１８に同軸に設けられ、図示されていない回転駆動機構に接続される回転部５０と、一方端が出力軸１８に固定され他方端が回転部５０に固定される捩じりバネ体３０と、スプール部１６の軸方向駆動のための直進駆動部４０と、出力軸１８の軸方向の変位を検出する変位センサ６０を含んで構成される。
【００２７】
コレット１２は、半導体チップ等の電子部品チップを保持する保持具である。コレット１２を出力軸１８の先端に取り付けることで、例えば、半導体チップを軸方向に移動させて対象物に接触させ、押付荷重を与えることができる。また、対象物に接触する手前で半導体チップを適当に軸周りに回転させて、対象物に対し平面的な位置合わせを行うことができる。このように、コレット１２を備えることで、流体圧アクチュエータ１０をボンディング装置に用いることができる。
【００２８】
ロッド部１４は、外径の大きなスプール部１６と、スプール部１６よりは細い外径を有し、スプール部１６に接続され、軸方向に延伸する出力軸１８を含んで構成される。スプール部１６は、断面形状が円形の円柱形状を有し、外径は精度よく仕上げられる。出力軸１８も断面形状が円形の円柱形状を有し、その外径も精度よく仕上げられる。スプール部１６の出力軸１８と接続される＋Ｘ側と反対側の−Ｘ側の面は、制御圧力Ｐｃを受ける第１受圧面２４である。スプール部１６が出力軸１８と接続される箇所の段差部に対応する面は、供給圧力Ｐｓを受ける第２受圧面２８である。
【００２９】
スリーブ部２０は、スプール部１６の外周部を軸方向に摺動可能に支持する内周壁を有する。スリーブ部２０の内周壁は、断面が円形の円筒状形状を有し、その内径は、スプール部１６の外径よりやや大きくなるように、精度よく仕上げられる。スリーブ部２０の−Ｘ側には、円筒状形状を閉じて塞ぐように、蓋部２３が設けられる。これによって、蓋部２３とスプール部１６の第１受圧面とスリーブ部２０の協働によって第１圧力室２２が形成される。
【００３０】
スリーブ部２０の一部である張出スリーブ部２１は、出力軸１８を覆うように配置される内径が円筒状の部材である。張出スリーブ部２１は、軸受５２を介して回転部５０を支持する。したがって、張出スリーブ部２１は、出力軸１８と接触せず、出力軸１８と摺動もしない。張出スリーブ部２１の−Ｘ側の端部に設けられる遮蔽部材２５は、内径が出力軸１８の外径よりやや大きい環状部材である。遮蔽部材２５の−Ｘ側の出力軸１８の外周側にカラー２７が設けられる。このカラー２７とスプール部１６の第２受圧面２８とスリーブ部２０の協働によって第２圧力室２６が形成される。
【００３１】
直進駆動部４０は、第１圧力室２２に制御圧力Ｐｃを有する気体を供給し、第２圧力室２６に供給圧力Ｐｓを有する気体を供給する気体圧供給回路である。直進駆動部４０は、図示されていない気体供給源から元圧として供給される供給圧力Ｐｓを有する気体から制御圧力Ｐｃを有する気体を生成するサーボ弁４２と、サーボ弁４２から第１圧力室２２に制御圧力Ｐｃを有する気体を供給する第１気体流路４４と、サーボ弁４２への供給とは別に供給圧力Ｐｓを有する気体を供給する供給ポート４６と、供給ポート４６から第２圧力室２６に供給圧力Ｐｓを有する気体を供給する第２気体流路４８とを含んで構成される。供給ポート４６から分流してサーボ弁４２と第２気体流路４８に供給圧力Ｐｓを有する気体を供給するものとしてもよい。
【００３２】
制御圧力Ｐｃは供給圧力Ｐｓよりも小さいが、図１で示されるように、第１受圧面２４の受圧面積Ａｃは、第２受圧面２８の受圧面積Ａｓよりも小さい。ここで、Ｆ（Ｐ）＝（Ｐｃ×Ａｃ−Ｐｓ×Ａｓ）は、圧力による出力軸１８の軸方向駆動力となる。供給圧力Ｐｓを一定の圧力とすれば、サーボ弁４２からの制御圧力ＰｃによってＦ（Ｐ）の大きさを制御できる。これによって、出力軸１８を軸方向に移動させる直進駆動を制御でき、また、出力軸１８に与える軸方向の荷重の中で、圧力による成分の大きさを制御することができる。
【００３３】
第１気体流路４４には、制御圧力Ｐｃを検出するための圧力センサ４５が設けられ、第２気体流路４８には、供給圧力Ｐｓを検出するための圧力センサ４９が設けられる。これらによって検出された気体圧は、図示されていない制御装置に伝送され、出力軸１８の先端のコレット１２の荷重制御に用いられる。
【００３４】
変位センサ６０は、出力軸１８の軸方向変位を検出する検出器である。変位センサ６０
には、軟磁性体のプローブ６２とトランス巻線６４とを含む差動変圧器方式のものを用いることができる。すなわち、出力軸１８と一体であるスプール部１６の−Ｘ側の先端から軟磁性体のプローブ６２を軸方向に沿って−Ｘ側に延ばし、これと協働するトランス巻線６４を蓋部２３に設ける。軟磁性体のプローブ６２は、ロッド部１４の中心軸と軸芯を合わせることがよい。または、ロッド部１４の重心軸と軸芯を合わせることがよい。
【００３５】
プローブ６２は、出力軸１８に固定される非磁性体とその先端に設けられる軟磁性体で構成される軸状の部材である。プローブ６２は、出力軸１８と一体として軸方向に移動し、トランス巻線６４の空洞部への挿入長さに応じた信号が出力軸１８の変位信号として、トランス巻線６４から出力される。出力された変位信号は、図示されていない制御装置に転送され、流体圧アクチュエータ１０の出力軸１８の先端のコレット１２のＸ方向の位置制御に利用される。
【００３６】
変位センサ６０としては、差動変圧器方式の他に、光学検出式または容量検出式または磁気を利用したディジタル式の位置検出センサを用いてもよい。また、検出された変位を微分等の演算を施すことで、位置制御の他、速度制御、加速度制御に用いるものとしてもよい。
【００３７】
ここで、出力軸１８には、捩じりバネ体３０が接続されるので、出力軸１８が軸方向に変位すると、出力軸１８は、捩じりバネ体３０からバネ定数に応じた軸方向力Ｆ（Ｓ）を受ける。この捩じりバネ体３０による軸方向力Ｆ（Ｓ）は、上記の気体圧による軸方向力Ｆ（Ｐ）とともに、出力軸１８の先端のコレット１２における軸方向力Ｆとしての荷重となる。荷重としての軸方向力Ｆは、Ｆ＝Ｆ（Ｐ）＋Ｆ（Ｓ）で示される。Ｆ（Ｓ）は、捩じりバネ体３０の軸方向のバネ定数をｋとし、捩じりバネ体３０が自由長のときを基準とした出力軸１８の軸方向変位をΔＸ１とすると、Ｆ（Ｓ）＝ｋ×（ΔＸ１）である。このように、変位センサ６０の出力は、出力軸１８の先端のコレット１２の位置制御に用いられると共に、出力軸１８の先端のコレット１２に与えられる荷重の大きさを圧力センサ４５，４９と協働して制御することにも用いられる。
【００３８】
回転部５０は、出力軸１８と同軸に配置され、出力軸１８の軸周りに回転可能な円筒部材で、図示されていない回転駆動機構に接続され、捩じりバネ体３０を介して出力軸１８を軸周りに回転する機能を有する。
【００３９】
捩じりバネ体３０は、出力軸１８と同軸に配置され、捩じり剛性に対し、軸方向の伸縮剛性が低く、軸方向に伸縮可能なコイルバネである。捩じりバネ体３０は、−Ｘ軸方向の一方端３２の内周側で出力軸１８に固定され、＋Ｘ軸方向の他方端３４の外周側で回転部５０に固定される。
【００４０】
図２、図３に、捩じりバネ体３０と回転部５０の周辺の拡大詳細図を示す。図２は、出力軸１８が＋Ｘ方向の右端位置にある状態であり、図３は、出力軸１８が右端位置から−Ｘ方向に（−ΔＸ）だけ変位した状態を示す図である。いずれの場合でも、捩じりバネ体３０がその自由長からΔＸ１だけ変位していたとすると、捩じりバネ体３０による軸方向力Ｆ（Ｓ）は、Ｆ（Ｓ）＝ｋ×ΔＸ１で与えられる。
【００４１】
図２、図３で示されるように、回転部５０は、円環状の外周部で軸受５２によって張出スリーブ部２１に取り付けられる。軸受５２は、転がり軸受を用い、軸方向に沿って並列に２列設けられる。２列以上の複数列設けるものとしてもよい。転がり軸受に代えて、すべり軸受、静圧軸受としてもよい。回転部５０の円環状の内周側は、捩じりバネ体３０の外周と隙間を開けて軸方向に延びる。−Ｘ側の端部は、捩じりバネ体３０の一方端３２の外周側の＋Ｘ側の端部に向かい合い、捩じりバネ体３０が自由長のときには、回転部５０の−Ｘ側の端部は、捩じりバネ体３０の一方端３２の＋Ｘ側の端部に突き当てられる。回転部５０の内周側は、捩じりバネ体３０の外周と隙間を開けて軸方向に延びる。回転部５０の＋Ｘ側の端部は、捩じりバネ体３０の他方端３４の外周側の＋Ｘ側の端部に向かい合い、固定ネジ５４を介して接続される。
【００４２】
捩じりバネ体３０は、出力軸１８の外周側にカシメ部１９で固定される一方端３２と、回転部５０の内周側に固定ネジ５４を介して固定される他方端３４と、一方端３２と他方端３４の間のコイルバネ部３６とを含んで構成される。一方端３２と出力軸１８との間の固定手段としては、カシメ部１９の他に、接着、あるいはネジ等を用いることができる。
【００４３】
コイルバネ部３６は、断面が直方体形状の扁平バネ材を螺旋状に予め定められた巻数で巻回し、螺旋の進む方向をバネの軸方向として、これを出力軸１８の軸方向に合わせて、出力軸１８の外周側に配置したものである。コイルバネ部３６の−Ｘ方向の端部は捩じりバネ体３０の一方端３２に接続され、＋Ｘ方向の端部は捩じりバネ体３０の他方端３４に接続される。コイルバネ部３６の内径は、出力軸１８の外径よりも大きい寸法に設定される。これによって、出力軸１８は、コイルバネ部３６の内周側に接触することなく、コイルバネ部３６の内径側の空間を軸方向に沿って直進移動することができる。
【００４４】
コイルバネ部３６の断面の直方体形状の短辺がバネの軸方向に沿った辺で、長辺がバネの径方向に沿った辺である。このように、扁平バネ材の薄い板厚方向をコイルバネ部３６の軸方向とすることで、コイルバネ部３６は、捩じり剛性に対し、軸方向の伸縮剛性が低い特性を有することができる。これによって、出力軸１８が軸方向に変位したときに、余計な捩じりが発生することがない。また、回転部５０の回転によって捩じりバネ体３０を介して出力軸１８を回転させるときに、余計な軸方向の伸縮を発生させることがない。
【００４５】
上記のように、出力軸１８の外周側に接触しないようにコイルバネ部３６が配置され、コイルバネ部３６の外周側に接触しないように回転部５０が配置される。つまり、内径側から、出力軸１８、コイルバネ部３６、回転部５０が同軸に同心状に、三重構造で重畳して配置される。このように配置されることで、回転部５０を図示されていない回転駆動部によって軸周りに回転されるとき、出力軸１８が軸周りに摩擦なしで回転する。すなわち、回転部５０が軸周りに回転すると、捩じりバネ体３０の他方端３４が回転部５０と一体となって回転し、コイルバネ部３６は軸方向に伸縮することなく、その回転を捩じりバネ体３０の一方端３２に伝達し、捩じりバネ体３０の一方端３２と一体となって出力軸１８が軸周りに回転する。
【００４６】
図３は、直進駆動部４０によって出力軸１８が軸方向に−ΔＸだけ変位したときの様子を示す図である。この−ΔＸの変位に応じて、捩じりバネ体３０は図２の右端位置から＋ΔＸだけ伸長する。このときに、捻じりバネ体３０が、自由長を基準としてΔＸ１＝（ΔＸ−Δｘ）変形していたとすると、出力軸１８にＦ（Ｓ）＝ｋ×（ΔＸ１）＝ｋ×（ΔＸ−Δｘ）の軸方向力の変化Ｆ（Ｓ）を与える。Δｘは、−ΔＸの変位の前に、捻じりバネ体３０が自由長から既に変位していた大きさである。したがって、出力軸１８の先端のコレット１２には、Ｆ＝Ｆ（Ｐ）−Ｆ（Ｓ）の範囲内で荷重が与えられることになる。なお、この状態でも、回転部５０を軸周りに回転すれば、出力軸１８は軸周りに回転する。すなわち、出力軸１８は、直進と回転とを独立的に駆動されることができる。
【００４７】
上記では、スプール部１６が第１受圧面２４と第２受圧面２８とを有し、第１受圧面２４にサーボ弁４２からの制御圧力Ｐｃを与え、第２受圧面２８に供給圧力Ｐｓを与えるものとして説明した。図４は、第２受圧面２８を省略し、第１受圧面２４にサーボ弁４２からの制御圧力Ｐｃを与えるのみとする流体圧アクチュエータ１１を示す図である。ここでは、直進駆動部４１がサーボ弁４２とサーボ弁４２から第１圧力室２２に供給圧力Ｐｓを有する気体を供給する第１気体流路４４とで構成される。また、ロッド部１５は、軸径のほとんど変わらないスプール部１７と出力軸１８とで構成される。このようにすることで、直進駆動部４１およびロッド部１５の構成を簡単なものとできる。
【００４８】
この流体圧アクチュエータ１１では、出力軸１８の先端のコレット１２に与えられる荷重は、Ｆ＝Ｆ（Ｐ）−Ｆ（Ｓ）＝（Ｐｃ×Ａｃ）−Ｆ（Ｓ）となる。Ａｃは第１受圧面２４の受圧面積であり、Ｆ（Ｓ）は捩じりバネ体３０によって出力軸１８に与えられる軸方向力である。
【００４９】
上記では、スプール部１６がスリーブ部２０の内壁面によって軸方向に摺動可能に保持されるものとしたが、静圧軸受機構を用いて非接触式とし、摩擦を低減することができる。図５は、図４の流体圧アクチュエータ１１を例として、静圧軸受機構を介して、スプール部１７をスリーブ部２０によって軸方向移動可能に支持する構成を示す図である。
【００５０】
ここでは、供給圧力Ｐｓを有する気体を供給する供給ポート７０が蓋部２３に設けられ、図示されていない真空ポンプ等の減圧装置に接続される減圧ポート７２と、図示されていない排気装置に接続される排気ポート７４がスリーブ部２０に設けられる。そして、スプール部１７の外周部に、軸方向に沿って−Ｘ方向から＋Ｘ方向に向かって、順に、静圧軸受くぼみ９０、排気くぼみ９４、減圧くぼみ９２、排気くぼみ９５、静圧軸受くぼみ９１が配置される。これらのくぼみのそれぞれは、スプール部１７の周方向に沿って一周する環状溝として設けられる。
【００５１】
スリーブ部２０には、供給ポート７０からスプール部１７の静圧軸受くぼみ９０に向けて静圧軸受用流路８０が設けられる。同様に、スリーブ部２０には、減圧ポート７２からスプール部１７の減圧くぼみ９２に向かって減圧用流路が設けられ、排気ポート７４からスプール部１７の排気くぼみ９４に向かって排気用流路が設けられる。
【００５２】
スプール部１７には、２つの静圧軸受くぼみ９０，９１を連通する静圧連通路８１が設けられ、２つの排気くぼみ９４，９５を連通する排気連通路８４が設けられる。また、スプール部１７および出力軸及びコレット１２の内部に、軸方向に沿って、減圧くぼみ９２からコレット１２に向けて真空連通路８２が設けられる。この真空連通路８２は、コレット１２の端面で開口し、チップ吸引孔７６となる。
【００５３】
ここで、供給ポート７０から供給される供給圧力Ｐｓの圧力を有する気体を静圧軸受用の気体として用い、スリーブ部２０の内壁面とスプール部１７の静圧軸受くぼみ９４，９５の間の隙間に供給する。これによって、スリーブ部２０に対し、スプール部１７は、静圧軸受の作用によって浮上する。この浮上によって、スプール部１７をスリーブ部２０によって、非接触式で、軸方向移動可能に支持することができる。勿論、スプール部１７は、非接触式で、軸周りに回転することができる。静圧軸受として用いられた気体は、排気ポート７４、減圧ポート７２によって外部に排出される。
【００５４】
図５は、図４の流体圧アクチュエータ１１に静圧軸受機構を設ける例であるが、同様にして、図１の流体圧アクチュエータ１０に対しても、スプール部１６とスリーブ部２０の間、および減圧連通路８１、真空連通路８２に静圧軸受機構を設けることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る流体圧アクチュエータは、ボンディング装置等に利用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１０，１１ 流体圧アクチュエータ、１２ コレット、１４，１５ ロッド部、１６，１７ スプール部、１８ 出力軸、１９ カシメ部、２０ スリーブ部、２１ 張出スリーブ部、２２ 第１圧力室、２３ 蓋部、２４ 第１受圧面、２５ 遮蔽部材、２６ 第２圧力室、２７ カラー、２８ 第２受圧面、３０ 捩じりバネ体、３２ 一方端、３４ 他方端、３６ コイルバネ部、４０，４１ 直進駆動部、４２ サーボ弁、４４ 第１気体流路、４５，４９ 圧力センサ、４６ 供給ポート、４８ 第２気体流路、５０ 回転部、５２ 軸受、５４ 固定ネジ、６０ 変位センサ、６２ プローブ、６４ トランス巻線、７０ 供給ポート、７２ 減圧ポート、７４ 排気ポート、７６ チップ吸引孔、８０ 静圧軸受用流路、８１ 静圧連通路、８２ 真空連通路、８４ 排気連通路、９０，９１ 静圧軸受くぼみ、９２ 減圧くぼみ、９４，９５ 排気くぼみ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体圧アクチュエータに係り、スプールから延伸する出力軸が直進と回転とを行うことが可能な流体圧アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体圧アクチュエータは、流体圧を制御することで、スプールを直進駆動することが出来る。スプールを出力軸とすることで、出力軸について、直進方向の位置決め制御、荷重制御等を行うことが出来る。例えば、チップボンディング装置では、チップを保持する出力軸をボンディング対象に向かって所定の高さ位置まで直進移動させる高さ方向の位置決め制御と、位置決めされた所定の高さ位置で、所定の荷重で押し付ける荷重制御が行われる。
【０００３】
ここで、出力軸が軸周りに回転可能とできれば、位置決め制御の自由度が増す。チップボンディング装置では、出力軸の回転制御を行うことで、ボンディング対象に対するチップの位置決めが高さ方向のみならず、平面配置についても可能となる。
【０００４】
例えば、特許文献１，２には、直線運動および回転運動可能なアクチュエータとして、ピストン・シリンダ機構において、ガイドフランジによってピストンロッドを軸方向スライド可能な状態で支持していると共に、ピストンロッドをピストンヘッドと共に回転させる回転駆動機構を有する構成が開示されている。
【０００５】
ここで、ガイドフランジは、断面が多角形状の貫通穴を有し、その外周がシリンダ側に軸受を介して回転可能に支持されている。そして、ピストンロッドは、ガイドフランジの多角形状の貫通穴と同じ断面形状を有している。この構造で、ガイドフランジをシリンダ側に対し回転駆動させることでピストンヘッドは回転し、ピストンロッドを軸方向に移動駆動させることでピストンヘッドが軸方向に移動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１７１６６６号明細書
【特許文献２】特許第４２６８４３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１，２の構成では、ガイドフランジの貫通穴を多角形貫通穴とし、ピストンロッドのガイドフランジに対応する部分を多角形状とするので、複雑な加工を要する。また、多形状の穴の中を多角形状の軸が軸方向に移動することで、摩擦やバックラッシュ等により、直進精度も回転精度も制限を受ける。
【０００８】
本発明の目的は、精度よく直進駆動と回転駆動を行うことが出来る流体圧アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る直進と回転とが可能な流体圧アクチュエータは、少なくとも１つの受圧面を有するスプール部と、スプール部に接続され、スプール部の軸方向に延伸する出力軸と、スプール部を軸方向に移動可能に支持する内周壁を有し、スプール部の受圧面と協働して圧力室を形成するスリーブ部と、圧力室に所定の圧力の流体を供給することで、出力軸を軸方向に直進駆動する直進駆動部と、出力軸と同軸に配置され、出力軸の軸周りに回転可能な回転部と、出力軸と同軸に配置され、軸方向に伸縮可能な捩じりバネ体であって、出力軸に固定される一方端と、回転部に固定される他方端とを有し、他方端の回転部が回転駆動されることで一方端の出力軸が回転駆動される捩じりバネ体と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る流体圧アクチュエータにおいて、捩じりバネ体は、捩じり剛性に対し、軸方向の伸縮剛性が低いことが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る流体圧アクチュエータにおいて、捩じりバネ体は、一方端の内周側が出力軸の外周側と固定され、他方端の外周側が回転部に固定され、出力軸の外径よりも大きい内径を有し、出力軸が捩じりバネ体の内径側の空間を直進することが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る流体圧アクチュエータにおいて、出力軸の軸方向変位を検出する変位センサであって、検出した軸方向変位に応じた捩じりバネ体の軸方向力が、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる変位センサを備えることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る流体圧アクチュエータにおいて、圧力室に供給される流体圧力を検出する圧力センサであって、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる圧力センサを備えることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る流体圧アクチュエータにおいて、スプール部は、第１受圧面と第２受圧面とを有し、スリーブ部はスプール部と協働して第１受圧面に対応する第１圧力室と第２受圧面に対応する第２圧力室とを形成し、第１圧力室には第１圧力の流体が供給され、第２圧力室には第１圧力よりも高い第２圧力の流体が供給され、第１受圧面の受圧面積が、第２受圧面の受圧面積よりも広いことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成により、流体圧アクチュエータは、スプール部と出力軸がスリーブ部に移動可能に支持され、スプール部とスリーブ部の協働で形成される圧力室に所定の圧力の流体を供給することで、出力軸を軸方向に直進駆動する。また、出力軸と同軸に配置される回転部に他方端が固定され、出力軸に一方端が固定されて軸方向に伸縮可能な捩じりバネ体を用いることで、他方端の回転部を回転駆動すると一方端の出力軸を回転駆動することが出来る。捩じりバネ体の運動は、摩擦がないので、精度よく直進駆動と回転駆動を行うことが出来る。
【００１６】
また、流体圧アクチュエータにおいて、捩じりバネ体は、捩じり剛性に対し、軸方向の伸縮剛性が低いので、回転駆動によって直進駆動の精度が低くなることがない。
【００１７】
また、流体圧アクチュエータにおいて、捩じりバネ体は、出力軸の外径よりも大きい内径を有し、出力軸が捩じりバネ体の内径側の空間を直進する。これによって出力軸の直進駆動が乱されることがない。
【００１８】
また、流体圧アクチュエータにおいて、捩じりバネ体は、一方端の内周側が出力軸の外周側と固定され、他方端の外周側が回転部に固定される。これによって、回転部と出力部との同軸度が維持しやすく、精度よく直進駆動と回転駆動を行うことが出来る。
【００１９】
また、流体圧アクチュエータにおいて、出力軸の軸方向変位を検出する変位センサを備える。この変位センサは、直進駆動のフィードバックを行う機能のみならず、検出した軸方向変位に応じた捩じりバネ体の軸方向力が、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる。また、圧力センサによって検出された流体圧力に基づいて、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる。
【００２０】
また、流体圧アクチュエータにおいて、スプール部の第１受圧面と第２受圧面について、高い圧力を受ける第２受圧面の受圧面積よりも、低い圧力を受ける第１受圧面の受圧面積が広い。これによって、例えば、第２受圧面に一定の高圧力の流体を供給し、第１受圧面に制御圧力を有する流体を供給するときでも、制御圧力を変更することで、出力軸の先端における荷重の大きさを精度よく変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る実施の形態の流体圧アクチュエータの構成を示す図である。
【図２】図１において、捩じりバネ体の周辺の部分拡大図である。
【図３】図２において、出力軸が軸方向に変位したときの捩じりバネ体の様子を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、別のスプール部の例を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、スプール部の支持の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、流体圧アクチュエータとして、気体を用いる気体圧アクチュエータを述べるが、気体以外の液体を用いる油圧アクチュエータ、水圧アクチュエータであってもよい。また、流体として用いる気体としては、一般的な空気、乾燥空気の他、窒素、アルゴン等の不活性ガス、その他のガスであってもよい。
【００２３】
また、以下では、捩じりバネ体として、コイルバネを述べるが、捩じり剛性と軸方向の伸縮剛性を有している弾性体であればよい。ベローズ体のように周方向に連続体であってもよい。材質も金属に限らず、プラスチックでもよく、ゴム、プラスチックゴム等であってもよい。
【００２４】
以下で用いる形状、寸法等は、説明のための例示であって、流体圧アクチュエータの仕様に合わせ、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２５】
図１は、流体圧アクチュエータ１０の構成を示す図である。この流体圧アクチュエータ１０は、サーボ弁４２を備え、サーボ弁４２からの制御圧力Ｐｃを有する気体と、サーボ弁４２に元圧として供給される供給圧力Ｐｓを有する気体を用いて、コレット１２が先端に取り付けられる出力軸１８を軸方向に移動駆動させ、また、図示されていない回転駆動機構によって出力軸１８を軸周りに回転駆動させることができる。図１では、出力軸１８の軸方向をＸ方向とし、軸周りの回転方向をθとして図示した。なお、出力軸１８が流体圧アクチュエータ１０から突き出る方向を＋Ｘ方向とした。
【００２６】
流体圧アクチュエータ１０は、スプール部１６と出力軸１８を含むロッド部１４と、スプール部１６を軸方向に摺動可能に保持するスリーブ部２０と、出力軸１８に同軸に設けられ、図示されていない回転駆動機構に接続される回転部５０と、一方端が出力軸１８に固定され他方端が回転部５０に固定される捩じりバネ体３０と、スプール部１６の軸方向駆動のための直進駆動部４０と、出力軸１８の軸方向の変位を検出する変位センサ６０を含んで構成される。
【００２７】
コレット１２は、半導体チップ等の電子部品チップを保持する保持具である。コレット１２を出力軸１８の先端に取り付けることで、例えば、半導体チップを軸方向に移動させて対象物に接触させ、押付荷重を与えることができる。また、対象物に接触する手前で半導体チップを適当に軸周りに回転させて、対象物に対し平面的な位置合わせを行うことができる。このように、コレット１２を備えることで、流体圧アクチュエータ１０をボンディング装置に用いることができる。
【００２８】
ロッド部１４は、外径の大きなスプール部１６と、スプール部１６よりは細い外径を有し、スプール部１６に接続され、軸方向に延伸する出力軸１８を含んで構成される。スプール部１６は、断面形状が円形の円柱形状を有し、外径は精度よく仕上げられる。出力軸１８も断面形状が円形の円柱形状を有し、その外径も精度よく仕上げられる。スプール部１６の出力軸１８と接続される＋Ｘ側と反対側の−Ｘ側の面は、制御圧力Ｐｃを受ける第１受圧面２４である。スプール部１６が出力軸１８と接続される箇所の段差部に対応する面は、供給圧力Ｐｓを受ける第２受圧面２８である。
【００２９】
スリーブ部２０は、スプール部１６の外周部を軸方向に摺動可能に支持する内周壁を有する。スリーブ部２０の内周壁は、断面が円形の円筒状形状を有し、その内径は、スプール部１６の外径よりやや大きくなるように、精度よく仕上げられる。スリーブ部２０の−Ｘ側には、円筒状形状を閉じて塞ぐように、蓋部２３が設けられる。これによって、蓋部２３とスプール部１６の第１受圧面とスリーブ部２０の協働によって第１圧力室２２が形成される。
【００３０】
スリーブ部２０の一部である張出スリーブ部２１は、出力軸１８を覆うように配置される内径が円筒状の部材である。張出スリーブ部２１は、軸受５２を介して回転部５０を支持する。したがって、張出スリーブ部２１は、出力軸１８と接触せず、出力軸１８と摺動もしない。張出スリーブ部２１の−Ｘ側の端部に設けられる遮蔽部材２５は、内径が出力軸１８の外径よりやや大きい環状部材である。遮蔽部材２５の−Ｘ側の出力軸１８の外周側にカラー２７が設けられる。このカラー２７とスプール部１６の第２受圧面２８とスリーブ部２０の協働によって第２圧力室２６が形成される。
【００３１】
直進駆動部４０は、第１圧力室２２に制御圧力Ｐｃを有する気体を供給し、第２圧力室２６に供給圧力Ｐｓを有する気体を供給する気体圧供給回路である。直進駆動部４０は、図示されていない気体供給源から元圧として供給される供給圧力Ｐｓを有する気体から制御圧力Ｐｃを有する気体を生成するサーボ弁４２と、サーボ弁４２から第１圧力室２２に制御圧力Ｐｃを有する気体を供給する第１気体流路４４と、サーボ弁４２への供給とは別に供給圧力Ｐｓを有する気体を供給する供給ポート４６と、供給ポート４６から第２圧力室２６に供給圧力Ｐｓを有する気体を供給する第２気体流路４８とを含んで構成される。供給ポート４６から分流してサーボ弁４２と第２気体流路４８に供給圧力Ｐｓを有する気体を供給するものとしてもよい。
【００３２】
制御圧力Ｐｃは供給圧力Ｐｓよりも小さいが、図１で示されるように、第１受圧面２４の受圧面積Ａｃは、第２受圧面２８の受圧面積Ａｓよりも小さい。ここで、Ｆ（Ｐ）＝（Ｐｃ×Ａｃ−Ｐｓ×Ａｓ）は、圧力による出力軸１８の軸方向駆動力となる。供給圧力Ｐｓを一定の圧力とすれば、サーボ弁４２からの制御圧力ＰｃによってＦ（Ｐ）の大きさを制御できる。これによって、出力軸１８を軸方向に移動させる直進駆動を制御でき、また、出力軸１８に与える軸方向の荷重の中で、圧力による成分の大きさを制御することができる。
【００３３】
第１気体流路４４には、制御圧力Ｐｃを検出するための圧力センサ４５が設けられ、第２気体流路４８には、供給圧力Ｐｓを検出するための圧力センサ４９が設けられる。これらによって検出された気体圧は、図示されていない制御装置に伝送され、出力軸１８の先端のコレット１２の荷重制御に用いられる。
【００３４】
変位センサ６０は、出力軸１８の軸方向変位を検出する検出器である。変位センサ６０
には、軟磁性体のプローブ６２とトランス巻線６４とを含む差動変圧器方式のものを用いることができる。すなわち、出力軸１８と一体であるスプール部１６の−Ｘ側の先端から軟磁性体のプローブ６２を軸方向に沿って−Ｘ側に延ばし、これと協働するトランス巻線６４を蓋部２３に設ける。軟磁性体のプローブ６２は、ロッド部１４の中心軸と軸芯を合わせることがよい。または、ロッド部１４の重心軸と軸芯を合わせることがよい。
【００３５】
プローブ６２は、出力軸１８に固定される非磁性体とその先端に設けられる軟磁性体で構成される軸状の部材である。プローブ６２は、出力軸１８と一体として軸方向に移動し、トランス巻線６４の空洞部への挿入長さに応じた信号が出力軸１８の変位信号として、トランス巻線６４から出力される。出力された変位信号は、図示されていない制御装置に転送され、流体圧アクチュエータ１０の出力軸１８の先端のコレット１２のＸ方向の位置制御に利用される。
【００３６】
変位センサ６０としては、差動変圧器方式の他に、光学検出式または容量検出式または磁気を利用したディジタル式の位置検出センサを用いてもよい。また、検出された変位を微分等の演算を施すことで、位置制御の他、速度制御、加速度制御に用いるものとしてもよい。
【００３７】
ここで、出力軸１８には、捩じりバネ体３０が接続されるので、出力軸１８が軸方向に変位すると、出力軸１８は、捩じりバネ体３０からバネ定数に応じた軸方向力Ｆ（Ｓ）を受ける。この捩じりバネ体３０による軸方向力Ｆ（Ｓ）は、上記の気体圧による軸方向力Ｆ（Ｐ）とともに、出力軸１８の先端のコレット１２における軸方向力Ｆとしての荷重となる。荷重としての軸方向力Ｆは、Ｆ＝Ｆ（Ｐ）＋Ｆ（Ｓ）で示される。Ｆ（Ｓ）は、捩じりバネ体３０の軸方向のバネ定数をｋとし、捩じりバネ体３０が自由長のときを基準とした出力軸１８の軸方向変位をΔＸ１とすると、Ｆ（Ｓ）＝ｋ×（ΔＸ１）である。このように、変位センサ６０の出力は、出力軸１８の先端のコレット１２の位置制御に用いられると共に、出力軸１８の先端のコレット１２に与えられる荷重の大きさを圧力センサ４５，４９と協働して制御することにも用いられる。
【００３８】
回転部５０は、出力軸１８と同軸に配置され、出力軸１８の軸周りに回転可能な円筒部材で、図示されていない回転駆動機構に接続され、捩じりバネ体３０を介して出力軸１８を軸周りに回転する機能を有する。
【００３９】
捩じりバネ体３０は、出力軸１８と同軸に配置され、捩じり剛性に対し、軸方向の伸縮剛性が低く、軸方向に伸縮可能なコイルバネである。捩じりバネ体３０は、−Ｘ軸方向の一方端３２の内周側で出力軸１８に固定され、＋Ｘ軸方向の他方端３４の外周側で回転部５０に固定される。
【００４０】
図２、図３に、捩じりバネ体３０と回転部５０の周辺の拡大詳細図を示す。図２は、出力軸１８が＋Ｘ方向の右端位置にある状態であり、図３は、出力軸１８が右端位置から−Ｘ方向に（−ΔＸ）だけ変位した状態を示す図である。いずれの場合でも、捩じりバネ体３０がその自由長からΔＸ１だけ変位していたとすると、捩じりバネ体３０による軸方向力Ｆ（Ｓ）は、Ｆ（Ｓ）＝ｋ×ΔＸ１で与えられる。
【００４１】
図２、図３で示されるように、回転部５０は、円環状の外周部で軸受５２によって張出スリーブ部２１に取り付けられる。軸受５２は、転がり軸受を用い、軸方向に沿って並列に２列設けられる。２列以上の複数列設けるものとしてもよい。転がり軸受に代えて、すべり軸受、静圧軸受としてもよい。回転部５０の円環状の内周側は、捩じりバネ体３０の外周と隙間を開けて軸方向に延びる。−Ｘ側の端部は、捩じりバネ体３０の一方端３２の外周側の＋Ｘ側の端部に向かい合い、捩じりバネ体３０が自由長のときには、回転部５０の−Ｘ側の端部は、捩じりバネ体３０の一方端３２の＋Ｘ側の端部に突き当てられる。回転部５０の内周側は、捩じりバネ体３０の外周と隙間を開けて軸方向に延びる。回転部５０の＋Ｘ側の端部は、捩じりバネ体３０の他方端３４の外周側の＋Ｘ側の端部に向かい合い、固定ネジ５４を介して接続される。
【００４２】
捩じりバネ体３０は、出力軸１８の外周側にカシメ部１９で固定される一方端３２と、回転部５０の内周側に固定ネジ５４を介して固定される他方端３４と、一方端３２と他方端３４の間のコイルバネ部３６とを含んで構成される。一方端３２と出力軸１８との間の固定手段としては、カシメ部１９の他に、接着、あるいはネジ等を用いることができる。
【００４３】
コイルバネ部３６は、断面が直方体形状の扁平バネ材を螺旋状に予め定められた巻数で巻回し、螺旋の進む方向をバネの軸方向として、これを出力軸１８の軸方向に合わせて、出力軸１８の外周側に配置したものである。コイルバネ部３６の−Ｘ方向の端部は捩じりバネ体３０の一方端３２に接続され、＋Ｘ方向の端部は捩じりバネ体３０の他方端３４に接続される。コイルバネ部３６の内径は、出力軸１８の外径よりも大きい寸法に設定される。これによって、出力軸１８は、コイルバネ部３６の内周側に接触することなく、コイルバネ部３６の内径側の空間を軸方向に沿って直進移動することができる。
【００４４】
コイルバネ部３６の断面の直方体形状の短辺がバネの軸方向に沿った辺で、長辺がバネの径方向に沿った辺である。このように、扁平バネ材の薄い板厚方向をコイルバネ部３６の軸方向とすることで、コイルバネ部３６は、捩じり剛性に対し、軸方向の伸縮剛性が低い特性を有することができる。これによって、出力軸１８が軸方向に変位したときに、余計な捩じりが発生することがない。また、回転部５０の回転によって捩じりバネ体３０を介して出力軸１８を回転させるときに、余計な軸方向の伸縮を発生させることがない。
【００４５】
上記のように、出力軸１８の外周側に接触しないようにコイルバネ部３６が配置され、コイルバネ部３６の外周側に接触しないように回転部５０が配置される。つまり、内径側から、出力軸１８、コイルバネ部３６、回転部５０が同軸に同心状に、三重構造で重畳して配置される。このように配置されることで、回転部５０を図示されていない回転駆動部によって軸周りに回転されるとき、出力軸１８が軸周りに摩擦なしで回転する。すなわち、回転部５０が軸周りに回転すると、捩じりバネ体３０の他方端３４が回転部５０と一体となって回転し、コイルバネ部３６は軸方向に伸縮することなく、その回転を捩じりバネ体３０の一方端３２に伝達し、捩じりバネ体３０の一方端３２と一体となって出力軸１８が軸周りに回転する。
【００４６】
図３は、直進駆動部４０によって出力軸１８が軸方向に−ΔＸだけ変位したときの様子を示す図である。この−ΔＸの変位に応じて、捩じりバネ体３０は図２の右端位置から＋ΔＸだけ伸長する。このときに、捻じりバネ体３０が、自由長を基準としてΔＸ１＝（ΔＸ−Δｘ）変形していたとすると、出力軸１８にＦ（Ｓ）＝ｋ×（ΔＸ１）＝ｋ×（ΔＸ−Δｘ）の軸方向力の変化Ｆ（Ｓ）を与える。Δｘは、−ΔＸの変位の前に、捻じりバネ体３０が自由長から既に変位していた大きさである。したがって、出力軸１８の先端のコレット１２には、Ｆ＝Ｆ（Ｐ）−Ｆ（Ｓ）の範囲内で荷重が与えられることになる。なお、この状態でも、回転部５０を軸周りに回転すれば、出力軸１８は軸周りに回転する。すなわち、出力軸１８は、直進と回転とを独立的に駆動されることができる。
【００４７】
上記では、スプール部１６が第１受圧面２４と第２受圧面２８とを有し、第１受圧面２４にサーボ弁４２からの制御圧力Ｐｃを与え、第２受圧面２８に供給圧力Ｐｓを与えるものとして説明した。図４は、第２受圧面２８を省略し、第１受圧面２４にサーボ弁４２からの制御圧力Ｐｃを与えるのみとする流体圧アクチュエータ１１を示す図である。ここでは、直進駆動部４１がサーボ弁４２とサーボ弁４２から第１圧力室２２に供給圧力Ｐｓを有する気体を供給する第１気体流路４４とで構成される。また、ロッド部１５は、軸径のほとんど変わらないスプール部１７と出力軸１８とで構成される。このようにすることで、直進駆動部４１およびロッド部１５の構成を簡単なものとできる。
【００４８】
この流体圧アクチュエータ１１では、出力軸１８の先端のコレット１２に与えられる荷重は、Ｆ＝Ｆ（Ｐ）−Ｆ（Ｓ）＝（Ｐｃ×Ａｃ）−Ｆ（Ｓ）となる。Ａｃは第１受圧面２４の受圧面積であり、Ｆ（Ｓ）は捩じりバネ体３０によって出力軸１８に与えられる軸方向力である。
【００４９】
上記では、スプール部１６がスリーブ部２０の内壁面によって軸方向に摺動可能に保持されるものとしたが、静圧軸受機構を用いて非接触式とし、摩擦を低減することができる。図５は、図４の流体圧アクチュエータ１１を例として、静圧軸受機構を介して、スプール部１７をスリーブ部２０によって軸方向移動可能に支持する構成を示す図である。
【００５０】
ここでは、供給圧力Ｐｓを有する気体を供給する供給ポート７０が蓋部２３に設けられ、図示されていない真空ポンプ等の減圧装置に接続される減圧ポート７２と、図示されていない排気装置に接続される排気ポート７４がスリーブ部２０に設けられる。そして、スプール部１７の外周部に、軸方向に沿って−Ｘ方向から＋Ｘ方向に向かって、順に、静圧軸受くぼみ９０、排気くぼみ９４、減圧くぼみ９２、排気くぼみ９５、静圧軸受くぼみ９１が配置される。これらのくぼみのそれぞれは、スプール部１７の周方向に沿って一周する環状溝として設けられる。
【００５１】
スリーブ部２０には、供給ポート７０からスプール部１７の静圧軸受くぼみ９０に向けて静圧軸受用流路８０が設けられる。同様に、スリーブ部２０には、減圧ポート７２からスプール部１７の減圧くぼみ９２に向かって減圧用流路が設けられ、排気ポート７４からスプール部１７の排気くぼみ９４に向かって排気用流路が設けられる。
【００５２】
スプール部１７には、２つの静圧軸受くぼみ９０，９１を連通する静圧連通路８１が設けられ、２つの排気くぼみ９４，９５を連通する排気連通路８４が設けられる。また、スプール部１７および出力軸及びコレット１２の内部に、軸方向に沿って、減圧くぼみ９２からコレット１２に向けて真空連通路８２が設けられる。この真空連通路８２は、コレット１２の端面で開口し、チップ吸引孔７６となる。
【００５３】
ここで、供給ポート７０から供給される供給圧力Ｐｓの圧力を有する気体を静圧軸受用の気体として用い、スリーブ部２０の内壁面とスプール部１７の静圧軸受くぼみ９４，９５の間の隙間に供給する。これによって、スリーブ部２０に対し、スプール部１７は、静圧軸受の作用によって浮上する。この浮上によって、スプール部１７をスリーブ部２０によって、非接触式で、軸方向移動可能に支持することができる。勿論、スプール部１７は、非接触式で、軸周りに回転することができる。静圧軸受として用いられた気体は、排気ポート７４、減圧ポート７２によって外部に排出される。
【００５４】
図５は、図４の流体圧アクチュエータ１１に静圧軸受機構を設ける例であるが、同様にして、図１の流体圧アクチュエータ１０に対しても、スプール部１６とスリーブ部２０の間、および減圧連通路８１、真空連通路８２に静圧軸受機構を設けることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る流体圧アクチュエータは、ボンディング装置等に利用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１０，１１ 流体圧アクチュエータ、１２ コレット、１４，１５ ロッド部、１６，１７ スプール部、１８ 出力軸、１９ カシメ部、２０ スリーブ部、２１ 張出スリーブ部、２２ 第１圧力室、２３ 蓋部、２４ 第１受圧面、２５ 遮蔽部材、２６ 第２圧力室、２７ カラー、２８ 第２受圧面、３０ 捩じりバネ体、３２ 一方端、３４ 他方端、３６ コイルバネ部、４０，４１ 直進駆動部、４２ サーボ弁、４４ 第１気体流路、４５，４９ 圧力センサ、４６ 供給ポート、４８ 第２気体流路、５０ 回転部、５２ 軸受、５４ 固定ネジ、６０ 変位センサ、６２ プローブ、６４ トランス巻線、７０ 供給ポート、７２ 減圧ポート、７４ 排気ポート、７６ チップ吸引孔、８０ 静圧軸受用流路、８１ 静圧連通路、８２ 真空連通路、８４ 排気連通路、９０，９１ 静圧軸受くぼみ、９２ 減圧くぼみ、９４，９５ 排気くぼみ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの受圧面を有するスプール部と、
スプール部に接続され、スプール部の軸方向に延伸する出力軸と、
スプール部を軸方向に移動可能に支持する内周壁を有し、スプール部の受圧面と協働して圧力室を形成するスリーブ部と、
圧力室に所定の圧力の流体を供給することで、出力軸を軸方向に直進駆動する直進駆動部と、
出力軸と同軸に配置され、出力軸の軸周りに回転可能な回転部と、
出力軸と同軸に配置され、軸方向に伸縮可能な捩じりバネ体であって、出力軸に固定される一方端と、回転部に固定される他方端とを有し、他方端の回転部が回転駆動されることで一方端の出力軸が回転駆動される捩じりバネ体と、
を備えることを特徴とする直進と回転とが可能な流体圧アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の流体圧アクチュエータにおいて、
捩じりバネ体は、捩じり剛性に対し、軸方向の伸縮剛性が低いことを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２に記載の流体圧アクチュエータにおいて、
捩じりバネ体は、
一方端の内周側が出力軸の外周側と固定され、他方端の外周側が回転部に固定され、
出力軸の外径よりも大きい内径を有し、出力軸が捩じりバネ体の内径側の空間を直進することを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１に記載の流体圧アクチュエータにおいて、
出力軸の軸方向変位を検出する変位センサであって、検出した軸方向変位に応じた捩じりバネ体の軸方向力が、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる変位センサを備えることを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１に記載の流体圧アクチュエータにおいて、
圧力室に供給される流体圧力を検出する圧力センサであって、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる圧力センサを備えることを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１に記載の流体圧アクチュエータにおいて、
スプール部は、第１受圧面と第２受圧面とを有し、スリーブ部はスプール部と協働して第１受圧面に対応する第１圧力室と第２受圧面に対応する第２圧力室とを形成し、第１圧力室には第１圧力の流体が供給され、第２圧力室には第１圧力よりも高い第２圧力の流体が供給され、第１受圧面の受圧面積が、第２受圧面の受圧面積よりも広いことを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項１】
少なくとも１つの受圧面を有するスプール部と、
スプール部に接続され、スプール部の軸方向に延伸する出力軸と、
スプール部を軸方向に移動可能に支持する内周壁を有し、スプール部の受圧面と協働して圧力室を形成するスリーブ部と、
圧力室に所定の圧力の流体を供給することで、出力軸を軸方向に直進駆動する直進駆動部と、
出力軸と同軸に配置され、出力軸の軸周りに回転可能な回転部と、
出力軸と同軸に配置され、軸方向に伸縮可能な捩じりバネ体であって、出力軸に固定される一方端と、回転部に固定される他方端とを有し、他方端の回転部が回転駆動されることで一方端の出力軸が回転駆動される捩じりバネ体と、
を備えることを特徴とする直進と回転とが可能な流体圧アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の流体圧アクチュエータにおいて、
捩じりバネ体は、捩じり剛性に対し、軸方向の伸縮剛性が低いことを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２に記載の流体圧アクチュエータにおいて、
捩じりバネ体は、
一方端の内周側が出力軸の外周側と固定され、他方端の外周側が回転部に固定され、
出力軸の外径よりも大きい内径を有し、出力軸が捩じりバネ体の内径側の空間を直進することを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１に記載の流体圧アクチュエータにおいて、
出力軸の軸方向変位を検出する変位センサであって、検出した軸方向変位に応じた捩じりバネ体の軸方向力が、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる変位センサを備えることを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１に記載の流体圧アクチュエータにおいて、
圧力室に供給される流体圧力を検出する圧力センサであって、出力軸の先端における荷重の大きさを制御することに用いられる圧力センサを備えることを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１に記載の流体圧アクチュエータにおいて、
スプール部は、第１受圧面と第２受圧面とを有し、スリーブ部はスプール部と協働して第１受圧面に対応する第１圧力室と第２受圧面に対応する第２圧力室とを形成し、第１圧力室には第１圧力の流体が供給され、第２圧力室には第１圧力よりも高い第２圧力の流体が供給され、第１受圧面の受圧面積が、第２受圧面の受圧面積よりも広いことを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１１３３９７（Ｐ２０１３−１１３３９７Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６１２６６（Ｐ２０１１−２６１２６６）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（５０３０９４０７０）ピー・エス・シー株式会社 (36)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（５０３０９４０７０）ピー・エス・シー株式会社 (36)
【Ｆターム（参考）】
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