(57)【要約】【課題】高精度に加工されたシリンダ及びピストンを用いなくても、摺動抵抗の発生を抑制することができるバランスシリンダを提供すること。【解決手段】本発明は、筒状のシリンダと、シリンダに嵌入されたピストンと、シリンダの内部で軸受けされると共に、ピストンに固定されたロッドと、を備え、ロッドの内部に長手方向に沿って延設されたロッド流路と、ピストンの外周面の周方向に沿って設けられ、各々のロッド流路に連通する複数の空気静圧ポケットと、を更に備え、ロッド流路を介して空気静圧ポケット内へ圧縮空気が供給される際に、シリンダが圧縮空気に押圧されて、シリンダの内周面とピストンの外周面とが非接触状態となるようになっているバランスシリンダである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のシリンダと、
前記シリンダに嵌入されたピストンと、
前記シリンダの内部で軸受けされると共に、前記ピストンに固定されたロッドと、
を備え、
前記ロッドの内部に長手方向に沿って延設されたロッド流路と、
前記ピストンの外周面の周方向に沿って設けられ、各々が前記ロッド流路に連通する複数の空気静圧ポケットと、
を更に備え、
前記ロッド流路を介して前記空気静圧ポケット内へ圧縮空気が供給される際に、前記シリンダが前記圧縮空気に押圧されて、前記シリンダの内周面と前記ピストンの外周面とが非接触状態となるようになっている、
ことを特徴とするバランスシリンダ。
【請求項２】
前記空気静圧ポケットは、前記ピストンの外周面の周方向に沿って等間隔に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載のバランスシリンダ。
【請求項３】
前記ピストンの外周面のうち、互いに隣り合う二つの前記空気静圧ポケットの間に、空気逃げ溝が設けられている
ことを特徴とする請求項２記載のバランスシリンダ。
【請求項４】
前記ピストンには、前記複数の空気静圧ポケットに連通する複数の放射状流路が設けられている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のバランスシリンダ。
【請求項５】
前記放射状流路は、絞り孔として構成されている
ことを特徴とする請求項４記載のバランスシリンダ。
【請求項６】
前記シリンダは、ホーニングパイプからなる
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のバランスシリンダ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のバランスシリンダを備える
ことを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上下移動するユニットの重量をキャンセルすると共に、当該ユニットの移動制御に影響を与えない無摺動抵抗のバランスシリンダ、及び、当該バランスシリンダを備える工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光学部品や高精度部品を製造する際に、表面に高精度の鏡面を有する金型を製作し、この金型を用いて前記部品を成型で製作することが多くなっている。
【０００３】
高精度の鏡面を有する金型を加工するためには、加工工具の切込を安定させ、切込量の変化が加工精度等に影響しないように制御する必要がある。なぜなら、特に加工工具の切込方向（Ｚ軸方向）は製品の仕上げ面に大きく影響するからである。
【０００４】
この問題を解決するために、加工工具が取り付けられた上下移動するユニットには、バランスシリンダやカウンターウェイトによる重力キャンセル機構が設けられている。
【０００５】
しかし、カウンターウェイトは、移動により揺れが発生するため、精密加工機には不向きである。
【０００６】
そこで、精密加工機では、バランスシリンダが使用されている。ところが、通常のバランスシリンダでは、シリンダとピストンとの接触部分において摺動抵抗が発生し、上下移動するユニットの位置制御に悪影響を与えてしまうことがある。
【０００７】
図４に示すバランスシリンダ１００では、シリンダ１１１とピストン１１２との間に空気静圧軸受構造が採用され、すなわち、シリンダ１１１とピストン１１２との間に隙間が確保されながらも、当該隙間が小さく保持されて気密性が高められた構成が採用されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１１０８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、シリンダとピストンとの間の隙間を一定に保つためには、シリンダの内周面の形状とピストンの外周面の形状とを高精度に仕上げる必要がある。ここで、シリンダは加工ストロークが大きいため、その加工コストが非常に高価になるという問題があった。
【００１０】
本発明は、当該問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、高精度に加工されたシリンダ及びピストンを用いなくても、摺動抵抗の発生を抑制することができるバランスシリンダを提供することである。また、本発明の目的は、当該バランスシリンダを備える工作機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、筒状のシリンダと、前記シリンダに嵌入されたピストンと、前記シリンダの内部で軸受けされると共に、前記ピストンに固定されたロッドと、を備え、前記ロッドの内部に長手方向に沿って延設されたロッド流路と、前記ピストンの外周面の周方向に沿って設けられ、各々の前記ロッド流路に連通する複数の空気静圧ポケットと、を更に備え、前記ロッド流路を介して前記空気静圧ポケット内へ圧縮空気が供給される際に、前記シリンダが前記圧縮空気に押圧されて、前記シリンダの内周面と前記ピストンの外周面とが非接触状態となるようになっている、ことを特徴とするバランスシリンダである。
【００１２】
本明細書において、空気静圧ポケットとは、シリンダの内周面との間で圧縮空気が充満するポケット空間を提供する構造であり、当該ポケット空間は、シリンダの内周面と広い面積で対面する一方、薄平い（浅い）形状であって、当該ポケット空間に充満する圧縮空気によりシリンダが前記広い面積で外側に押圧されるようになっている。
【００１３】
本発明によれば、シリンダは、内周面の仕上がり真円度の精度が高くなくても、圧縮空気に押圧されることで膨らむように変形することにより、ピストンに対して非接触状態となる。これにより、高精度に加工されたシリンダ及びピストンを用いる必要性がなくなるため、加工コストが低減する。このことは、空気静圧ポケットから供給される圧縮空気によりシリンダが押圧されて変形する、という新しい発想によって可能となったものである。
【００１４】
好ましくは、前記空気静圧ポケットは、前記ピストンの外周面の周方向に沿って等間隔に設けられる。このような態様によれば、シリンダの内周面は周方向に沿って等間隔に設けられた空気静圧ポケットに充満する圧縮空気によってそれぞれ押圧されることになるため、周方向における押圧力の偏りが低減し、シリンダの内周面とピストンの外周面との非接触状態がより確実になることが期待できる。
【００１５】
また、好ましくは、前記ピストンの外周面のうち、互いに隣り合う二つの前記空気静圧ポケットの間に、空気逃げ溝が設けられる。このような態様によれば、各空気静圧ポケット内に供給された圧縮空気が、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間の隙間を通って、空気逃げ溝からそれぞれ計画的に排出され得る。この際、各空気静圧ポケットとそれに隣接する左右の空気逃げ溝との間の距離が均一である場合には、各空気静圧ポケットが提供するポケット空間からの圧縮空気の排出も均一となるため、各ポケット空間の内部圧力に偏りが生じることが防止される。
【００１６】
また、好ましくは、前記ピストンには、前記複数の空気静圧ポケットに連通する複数の放射状流路が設けられる。このような態様によれば、各放射状流路を介して、周方向の全体にバランスよく圧縮空気が供給される。
【００１７】
この場合、更に好ましくは、前記放射状流路は、絞り孔として構成され得る。このような態様によれば、各放射状流路のコンダクタンスが小さくなり、各放射状流路に均等な流量で圧縮空気が流入し、結果的に、周方向における押圧力の偏りが低減される。
【００１８】
また、好ましくは、シリンダはホーニングパイプからなる。ホーニングパイプとは、内部をホーニング加工で研磨されたパイプであり、一般販売されているものである。この場合、シリンダを安価に入手することが可能となり、加工コストがより低減する。
【００１９】
また、本発明は、前記特徴のいずれかを有するバランスシリンダを備える工作機械である。
【００２０】
本発明によれば、バランスシリンダにおける摺動抵抗の発生が抑制されるため、加工工具の位置制御が安定し、加工精度が向上する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、シリンダは、内周面の仕上がり真円度の精度が高くなくても、圧縮空気に押圧されることで膨らむように変形することにより、ピストンに対して非接触状態となる。これにより、高精度に加工されたシリンダ及びピストンを用いる必要性がなくなるため、加工コストが低減する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施の形態のバランスシリンダの概略図である。
【図２】当該バランスシリンダのＡ−Ａ線切断断面図である。
【図３】当該バランスシリンダを備える工作機械の概略図である。
【図４】従来のバランスシリンダを説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の一実施の形態のバランスシリンダの概略図であり、図２は、当該バランスシリンダのＡ−Ａ線切断断面図である。図３は、当該バランスシリンダを備える工作機械の概略図である。
【００２５】
図３に示すように、本実施の形態の工作機械４０は、台座４１を備えている。
【００２６】
台座４１上には、２本の直線状のレール４６が水平かつ互いに平行に延設され、当該レール４６上には、ワークがセットされるステージ４５が摺動移動可能に載置されている。これにより、ステージ４５はレール４６に沿って水平方向に直線移動されるようになっている。
【００２７】
また、図３に示すように、台座４１上には、門型のコラム４２が、レール４６及びステージ４５の上方を跨ぐように設置されている。そして、コラム４２上に、左右に移動するサドル４９が設置され、サドル４９に、駆動部４４を介して、上下移動ユニット４３が取り付けられている。上下移動ユニット４３の下端に、加工工具を取り付け可能な工具取付部４７が設けられている。
【００２８】
本実施の形態の駆動部４４はリニアモータであり、上下移動ユニット４３に上下方向（鉛直方向）に沿った駆動力を与えるようになっている。上下移動ユニット４３は、工具取付部４７に取り付けられた加工工具と一緒に、当該駆動力に従って上下移動するようになっている。
【００２９】
そして、このような上下移動ユニット４３に、本発明の特徴であるバランスシリンダ１０が設けられている。
【００３０】
図１及び図２に戻って、本実施の形態によるバランスシリンダ１０は、円筒状のシリンダ１１と、シリンダ１１の下方側に嵌入された略円筒状のピストン１２と、シリンダ１１の内部で軸受けされる（詳細は後述する）と共に、その下方端部がピストン１２の中心軸部に貫通固定された円筒状のロッド１３と、を備えている。
【００３１】
ロッド１３の上方側は、工作機械４０のサドル４９に固定されており、シリンダ１１の上方端は、ユニット固定部材２１を介して上下移動ユニット４３に固定されており、すなわち、上下移動ユニット４３と共に上下移動するようになっている。
【００３２】
本実施の形態のシリンダ１１は、内径が６３ｍｍ、肉厚が３．２ｍｍのＳＵＳ製のホーニングパイプからなっている。本件発明者による実際の検証によれば、このホーニングパイプは、内周面の一部に１０ｋｇｆの加重を局所的に与える際に、当該部分が径方向外側に５μｍ程度も拡がる（膨らむ）ことができる。
【００３３】
シリンダ１１の上端部には、略円筒状の蓋部材２２が設けられている。蓋部材２２には、シリンダ１１の内部空間（すなわち蓋部材２２とピストン１２との間に挟まれた空間）に連通するシリンダ用流路２４が設けられていると共に、蓋部材２２の外周面とシリンダ１１の内周面との間には環状のシール部材２３が配置されている。シール部材２３は、蓋部材２２の外周面とシリンダ１１の内周面とにそれぞれ環状に密着されており、蓋部材２２の外周面とシリンダ１１の内周面との間を気密に塞いでいる。
【００３４】
一方、蓋部材２２の中心軸部には、環状の空気静圧軸受２６が嵌入されており、ロッド１３が空気静圧軸受２６内に無摺動抵抗で上下移動可能に挿通されている。具体的には、空気静圧軸受２６の内周面に複数の空気吹出孔２７が設けられており、空気吹出孔２７から圧縮空気が吹き出される際に、ロッド１３は、吹き出された圧縮空気により押圧され、空気静圧軸受２６の内周面に対して非接触状態で軸受けされるようになっている。各空気吹出孔２７は、蓋部材２２に設けられた空気静圧軸受用流路２５に連通されている。
【００３５】
本実施の形態のロッド１３の内部には、当該ロッド１３の軸方向（長手方向）に沿ってロッド流路１４が延設されている。また、ピストン１２の中心軸部に貫通固定されたロッド１３の下方端部には、ロッド流路１４に連通する接続流路３３が、当該ロッド流路１４に直交する水平方向に延ばされて設けられている。
【００３６】
一方、ピストン１２の内周面には、ロッド１３の接続流路３３に連通するように、環状の接続溝３４が周方向に沿って設けられており、当該接続溝３４には、ピストン１２の径方向に延ばされた一本の補助流路３１を介して、接続溝３４と同心状の環状流路３２が接続されている。接続溝３４と補助流路３１と環状流路３２の天井及び底面の高さは、各々互いに等しく揃えられており、それらの天井の高さは接続流路３３の天井の高さより低く、それらの底面の高さは接続流路３３の底面の高さより高くされている。
【００３７】
そのため、ロッド流路１４を介して導入される圧縮空気は、接続流路３３と接続溝３４と補助流路３１とを順に通って、環状流路３２に供給されるようになっている。
【００３８】
環状流路３２には、ピストン１２の周方向に均等（４５°おき）に設けられた８本の放射状流路１７がそれぞれ接続されている。本実施形態の放射状流路１７は、絞り孔として構成されており、放射状流路１７のコンダクタンスが環状流路３２のコンダクタンスより十分小さくなっている。これにより、環状流路３２内に供給された圧縮空気は、環状流路３２内に充満した後、各放射状流路１７に均等に流入するようになっている。
【００３９】
そして、ピストン１２の外周面には、各放射状流路１７に対応するように、周方向に均等（４５°おき）に８個の空気静圧ポケット１５が設けられている。具体的には、各空気静圧ポケット１５は、エンドミルを用いた切削加工により高さが４１ｍｍの略円筒形状のピストン素材の外周面の一部（例えば、ピストン素材の上端より２１ｍｍ下方の位置から、下端より５ｍｍ上方の位置までの範囲）が平坦に切削されることで形成されており、空気静圧ポケット１５とシリンダ１１の内周面との間に、薄平い（浅い）形状のポケット空間が提供されるようになっている。本実施の形態のポケット空間の深さ（放射方向の長さ）は、０．５ｍｍ程度である。また、シリンダ１１の内周面と、各空気静圧ポケット１５とが対面する部分の各面積は、均等に揃えられている。例えば、各面積は、縦１５ｍｍ×横１３ｍｍ（１９５ｍｍ２）程度であることが好ましい。このため、各空気静圧ポケット１５に充満する圧縮空気の圧力が均一であれば、シリンダ１１の内周面の各空気静圧ポケット１５と対面する各部分が、均一の押圧力で径方向外側に押圧されるようになっている。
【００４０】
また、図１及び図２に示すように、ピストン１２の外周面のうち、互いに隣り合う二つの空気静圧ポケット１５の間に、空気逃げ溝１６が設けられている。例えば、空気逃げ溝１６は、長さが２０ｍｍ、幅が２ｍｍ、深さが２ｍｍの直溝である。空気逃げ溝１６は、図１に示すように、空気静圧ポケット１５に対応する高さから下方向に延ばされており、ピストン１２の下方端部においてシリンダ１１の外部空間に連通されている。これにより、空気静圧ポケット１５に充満する圧縮空気は、ピストン１２の外周面とシリンダ１１の内周面との間の隙間を通って空気逃げ溝１６に流入し、当該空気逃げ溝１６からシリンダ１１の外部空間に計画的に排出されるようになっている。
【００４１】
その他、図１に示すように、ピストン１２をロッド１３の下方端部に固定するために、中央部分が下方に突出した円板形状のナット部材３６が取り付けられている。具体的には、ロッド１３に形成された肩部１３ｓとナット部材３６とでピストン１２を挟むようにして、ロッド１３の下方端部がナット部材３６の中央部分に螺合されている。ナット部材３６は、ロッド流路１４の下端を閉塞する一方、空気逃げ溝１６の下端は開放するようになっている。
【００４２】
次に、以上のような本発明の実施の形態の作用について説明する。
【００４３】
まず、シリンダ用流路２４と空気静圧軸受用流路２５とロッド流路１４とにそれぞれ不図示の圧縮空気導入部が接続され、当該圧縮空気導入部から、シリンダ用流路２４に圧縮空気が導入されると共に、空気静圧軸受用流路２５とロッド流路１４とにもそれぞれ圧縮空気が導入される。
【００４４】
シリンダ用流路２４に導入された圧縮空気は、シリンダ１１の内部空間に供給されて、シリンダ１１の内部空間に充満する。これにより、シリンダ１１の内部空間の圧力が上昇し、当該圧力と大気圧との差圧により、蓋部材２２には上向きの力が発生する。例えば、本実施の形態のシリンダ１１の内部空間の圧力が０．４ＭＰａ〜０．５ＭＰａに上昇される場合、蓋部材２２には約１００ｋｇｆの上向きの力が発生する。蓋部材２２に発生する当該上向きの力は、当該蓋部材２２及びシリンダ１１に固定された上下移動ユニット４３にかかる下向きの重力とバランスされ、すなわち、上下移動ユニット４３の重量がキャンセルされる。
【００４５】
また、空気静圧軸受用流路２５に導入された圧縮空気は、空気静圧軸受２６の内周面の各空気吹出孔２７からそれぞれ吹き出され、その吹出圧力により、ロッド１３は空気静圧軸受２６の内周面に対して非接触状態で軸受けされる。
【００４６】
一方、ロッド流路１４に導入された圧縮空気は、各空気静圧ポケット１５内へ供給されて、各空気静圧ポケット１５内に充満する。各空気静圧ポケット１５内に充満する圧縮空気の圧力により、シリンダ１１の内周面の各空気静圧ポケット１５と対面する各部分は径方向外側に押圧される。例えば、本実施の形態の各空気静圧ポケット１５内で０．６ＭＰａの圧力が生じるように圧縮空気が供給される場合、シリンダ１１の内周面の各空気静圧ポケット１５と対面する各部分は約１１．５ｋｇｆの加重で押圧される。シリンダ１１の内周面が圧縮空気に押圧されて径方向外側に膨らむように変形することにより、ピストン１２はシリンダ１１の内周面に対して非接触状態になる。
【００４７】
このようにして、シリンダ１１は、ロッド１３とピストン１２の両方に対して非接触状態になる。一方、上下移動ユニット４３にかかる重力はシリンダ１１内の圧縮空気の圧力によりキャンセルされているから、上下移動ユニット４３が重力に従って落下することはない。
【００４８】
次に、図３を参照して、工作機械４０の作用について説明する。当該工作機械４０では、ステージ４５上にワークがセットされると共に、工具取付部４７に取り付けられた加工工具が回転される。
【００４９】
一方、シリンダ用流路２４と空気静圧軸受用流路２５とロッド流路１４とへの圧縮空気の供給が継続されながら、駆動部４４の駆動力により上下移動ユニット４３が適宜に上下移動されて、加工工具が所定の高さに位置決めされる。
【００５０】
ここで、上下移動ユニット４３の重量がシリンダ１１内の圧縮空気の圧力によりキャンセルされており、かつ、各空気静圧ポケット１５内の圧縮空気の圧力によってシリンダ１１とピストン１２との間が非接触状態に維持されて、摺動抵抗が発生することはないから、上下移動ユニット４３の移動は非常に精密に制御される。これにより、回転する加工工具は正確な切込み量でワークに切込みを行うことができる。
【００５１】
例えば、加工工具によりワークへの切込みを行う際に、ステージ４５をレール４６に沿って直線移動させることにより、ワークの表面に所定の深さの溝が形成され得る。
【００５２】
以上のような本実施の形態によれば、シリンダ１１は、内周面の仕上がり真円度の精度が高くなくても、圧縮空気に押圧されることで膨らむように変形することにより、ピストン１２に対して非接触状態となる。これにより、高精度に加工されたシリンダ１１及びピストン１２を用いる必要性がなくなるため、加工コストが低減する。
【００５３】
なお、以上に説明した実施の形態では、ロッド１３の軸受構造に空気静圧軸受２６が用いられていたが、シリンダ１１の内部でロッド１３を軸受け可能であれば、空気静圧軸受２６の代わりに、ボールブシュ等の他の形態の軸受が用いられてもよい。もっとも、空気静圧軸受２６であれば、ロッド１３が非接触状態で軸受けされ、軸受部分での摺動抵抗の発生が抑制されるため好ましい。
【００５４】
また、以上に説明した実施の形態では、空気静圧ポケット１５の数は８個であったが、各空気静圧ポケット１５内に充満する圧縮空気によりシリンダ１１の内周面をバランス良く押圧することが可能であれば、空気静圧ポケット１５の数は８個に限定されず、８個より少なくてもよいし（例えば、４個や６個）、多くてもよい（例えば１２個）。
【符号の説明】
【００５５】
１０  バランスシリンダ
１１  シリンダ
１２  ピストン
１３  ロッド
１４  ロッド流路
１５  空気静圧ポケット
１６  空気逃げ溝
１７  放射状流路
２１  ユニット固定部
２２  蓋部材
２３  シール
２４  シリンダ用流路  
２５  空気静圧軸受用流路
２６  空気静圧軸受
２７  空気吹出孔
３１  補助流路
３２  環状流路
３３  接続流路
３４  接続溝
３６  ナット部材
４０  工作機械
４１  台座
４２  コラム
４３  上下移動ユニット
４４  上下駆動部
４５  ステージ
４６  レール
４７  工具取付部
４９  サドル
１００  バランスシリンダ
１１１  シリンダ
１１２  ピストン
【図１】
2013244554.tif 000003
【図２】
2013244554.tif 000004
【図３】
2013244554.tif 000005
【図４】
2013244554.tif 000006