JP2017009067A - 流体圧アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダ内のピストンを挟んだ上下に位置する圧力室において圧力の安定化を図ることを可能とした流体圧アクチュエータを提供する。
【解決手段】ピストン３は、第１の圧力室Ｐ１から第１のポート８と第３のポート１０との間の隙間に流入する流体Ｋにより形成される第１の流体ベアリングＢ１と、第２の圧力室Ｐ２から第２のポート９と第３のポート１０との間の隙間に流入する流体Ｋにより形成される第２の流体ベアリングＢ２とを介して、シリンダ２とは非接触な状態で移動自在に支持される。ピストン３は、第１の流体ベアリングＢ１が形成される位置に第１の外周部３ａと、第２の流体ベアリングＢ２が形成される位置に第２の外周部３ｂと、第１の外周部３ａと第２の外周部３ｂとの間で第１の外周部及３ａび第２の外周部３ｂよりも縮径された縮径部３ｃとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体圧アクチュエータに関する。

例えば、半導体チップのダイボンディング工程やマウンティング工程では、半導体チップを保持するツールが先端に取り付けられたロッドを上下方向にスライドさせる流体圧アクチュエータが用いられる（例えば、特許文献１を参照。）。

具体的に、流体圧アクチュエータとして、空気（エア）で差動するエア圧アクチュエータを用いた場合、シリンダの内部に導入される空気の圧力を調整しながら、ロッドに接続されたピストンがシリンダ内でスライドする位置を制御する。

また、エア圧アクチュエータでは、シリンダ内の圧力室からシリンダとピストンとの間の隙間に流入する空気によって、エアベアリング（静圧空気軸受）が形成されている。これにより、ピストンがシリンダとは非接触な状態でスライド自在に支持されている。

特開２００４−３０１１３８号公報

ところで、上述したエア圧アクチュエータ（流体圧アクチュエータ）を用いて、半導体チップの高精度な荷重制御や位置制御を行うためには、シリンダ内のピストンを挟んだ上下に位置する圧力室において圧力が安定していることが重要である。

例えば、上記特許文献１に記載の流体圧アクチュエータでは、シリンダとピストンとの間の隙間に流れ込む空気をピストン及びロッドの内部に設けられた排気通路を通じて外部に排出することが行われている。これにより、上下の圧力室の間で圧力が干渉することを防いでいる。

しかしながら、このような排気構造とした場合には、ロッドに設けられた排気通路から外部に排出される空気によって、半導体製造装置内に微小な汚染物質等が放出される可能性がある。この場合、ロッドにエアチューブ等を接続することで、排気流路から外部に空気が排気されることを防止することができる。

一方、ロッドにチューブを接続した場合、チューブの曲がり等による外力がロッドに加わることになる。この場合、ロッドに加わる外力によって、シリンダとピストンとの間で、非接触な状態を完全に維持することが困難となってしまう。

本発明の一つの態様は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、シリンダとピストンとの間で非接触な状態を維持しながら、シリンダ内のピストンを挟んだ上下に位置する圧力室において圧力の安定化を図ることを可能とした流体圧アクチュエータを提供することを目的の一つとする。

〔１〕 本発明の第１の態様に係る流体圧アクチュエータは、シリンダと、前記シリンダの内部で移動するピストンと、前記ピストンの一端側に接続されると共に、前記シリンダに設けられた軸孔から前記シリンダの外部へと突出した状態で、前記ピストンと一体に移動するロッドと、前記シリンダ内の前記ピストンを挟んで前記ロッドとは反対側に位置する第１の圧力室に流体を流入させる第１のポートと、前記シリンダ内の前記ピストンを挟んで前記ロッド側に位置する第２の圧力室に流体を流入させる第２のポートと、前記シリンダ内の前記第１の圧力室と前記第２の圧力室との間から流体を流出させる第３のポートとを備え、前記ピストンは、前記第１の圧力室から前記第１のポートと前記第３のポートとの間の隙間に流入する流体により形成される第１の流体ベアリングと、前記第２の圧力室から前記第２のポートと前記第３のポートとの間の隙間に流入する流体により形成される第２の流体ベアリングとを介して、前記シリンダとは非接触な状態で移動自在に支持され、前記ピストンは、前記第１の流体ベアリングが形成される位置に第１の外周部と、前記第２の流体ベアリングが形成される位置に第２の外周部と、前記第１の外周部と前記第２の外周部との間で前記第１の外周部及び前記第２の外周部よりも縮径された縮径部とを有することを特徴とする。

〔２〕 前記〔１〕に記載の流体圧アクチュエータにおいて、前記第３のポートは、前記シリンダの前記縮径部と対向する側面に接続されている構成であってもよい。

〔３〕 本発明の第１の態様に係る流体圧アクチュエータは、シリンダと、前記シリンダの内部で移動するピストンと、前記ピストンの一端側に接続されると共に、前記シリンダに設けられた軸孔から前記シリンダの外部へと突出した状態で、前記ピストンと一体にス移動するロッドと、前記シリンダ内の前記ピストンを挟んで前記ロッドとは反対側に位置する第１の圧力室に流体を流入させる第１のポートと、前記シリンダ内の前記ピストンを挟んで前記ロッド側に位置する第２の圧力室に流体を流入させる第２のポートと、前記シリンダ内の前記第１の圧力室と前記第２の圧力室との間から流体を流出させる第３のポートとを備え、前記ピストンは、前記第１の圧力室から前記第１のポートと前記第３のポートとの間の隙間に流入する流体により形成される第１の流体ベアリングと、前記第２の圧力室から前記第２のポートと前記第３のポートとの間の隙間に流入する流体により形成される第２の流体ベアリングとを介して、前記シリンダとは非接触な状態で移動自在に支持され、前記シリンダは、前記第１の流体ベアリングが形成される位置に第１の内周部と、前記第２の流体ベアリングが形成される位置に第２の内周部と、前記第１の内周部と前記第２の内周部との間で前記第１の内周部及び前記第２の内周部よりも拡径された拡径部とを有することを特徴とする。

〔４〕 前記〔２〕に記載の流体圧アクチュエータにおいて、前記第３のポートは、前記シリンダの前記拡径部が形成された側面に接続されている構成であってもよい。

〔５〕 前記〔１〕〜〔４〕の何れか一項に記載の流体圧アクチュエータにおいて、前記第１の圧力室内の圧力を検出する第１の圧力センサと、前記第２の圧力室内の圧力を検出する第２の圧力センサと、前記第１の圧力センサの検出結果に基づいて、前記第１の圧力室に前記第１のポートを介して流入される流体の流量を調整する第１の流量調整部と、前記第２の圧力センサの検出結果に基づいて、前記第２の圧力室に前記第２のポートを介して流入される流体の流量を調整する第２の流量調整部とを備える構成であってもよい。

〔６〕 前記〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載の流体圧アクチュエータにおいて、前記軸孔と前記ロッドとの間の隙間に流入する流体により第３の流体ベアリングが形成される構成であってもよい。

〔７〕 前記〔１〕〜〔６〕の何れか一項に記載の流体圧アクチュエータにおいて、前記流体が空気である構成であってもよい。

以上のように、本発明の一つの態様に係る流体圧アクチュエータでは、シリンダとピストンとの間で非接触な状態を維持しながら、シリンダ内のピストンを挟んだ上下に位置する圧力室において圧力の安定化を図ることが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る流体圧アクチュエータの構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る流体圧アクチュエータの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面では、各構成要素を見やすくするため、構成要素を模式的に示している場合があり、構成要素によっては寸法の縮尺を異ならせて示すこともある。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態として、例えば図１（ａ），（ｂ）に示す流体圧アクチュエータ１Ａについて説明する。なお、図１は、流体圧アクチュエータ１Ａの構成を示す断面図であり、（ａ）はロッド４が上端に位置する状態を示し、（ｂ）はロッド４が下端に位置する状態を示す。

流体圧アクチュエータ１Ａは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、差動流体として空気（エア）Ｋを用いたエア圧アクチュエータである。流体圧アクチュエータ１Ａは、シリンダ２と、シリンダ２の内部でスライド（移動）するピストン３と、ピストン３の一端側に接続されることによってピストン３と一体にスライド（移動）するロッド４とを備えている。なお、本実施形態では、ロッド４が上下方向にスライド（移動）する場合を例示しているが、ロッド４の移動方向については、特に限定されるものではない。

シリンダ２は、略円筒状のシリンダハウジング５を有している。シリンダハウジング５の内側には、ボア孔６が軸線方向に沿って形成されている。シリンダハウジング５は、ボア孔６にピストン３が挿入された状態で、ボア孔６の一端（上端）側と他端（下端）側とが閉塞された構造を有している。また、シリンダハウジング５の下端には、ロッド４を貫通させる軸孔７が設けられている。

これにより、シリンダ２の内部は、ピストン３を挟んでロッド４とは反対側（上側）に位置する第１の圧力室Ｐ１と、ピストン３を挟んでロッド４側（下側）に位置する第２の圧力室Ｐ２とに分割されている。

シリンダハウジング５の側面には、第１の圧力室Ｐ１に空気Ｋを流入させる第１のポート８と、第２の圧力室Ｐ２に空気Ｋを流入させる第２のポート９と、第１の圧力室Ｐ１（第１のポート８）と第２の圧力室Ｐ２（第２のポート９）との間から空気Ｋを流出させる第３のポート１０とが接続されている。

ピストン３は、エアベアリング（静圧空気軸受）を介してシリンダ２とは非接触な状態で、上下方向にスライド（移動）自在に支持されている。具体的に、シリンダ２とピストン３との間には、第１の圧力室Ｐ１から第１のポート８と第３のポート１０との間の隙間に流入する空気Ｋによって第１のエアベアリング（第１の流体ベアリング）Ｂ１と、第２の圧力室Ｐ２から第２のポート９と第３のポート１０との間の隙間に流入する空気Ｋによって第２のエアベアリング（第２の流体ベアリング）Ｂ２とが形成されている。

ピストン３は、第１のエアベアリングＢ１が形成される位置に第１の外周部３ａと、第２のエアベアリングＢ２が形成される位置に第２の外周部３ｂと、第１の外周部３ａと第２の外周部３ｂとの間で第１の外周部３ａ及び第２の外周部３ｂよりも縮径された縮径部３ｃとを有している。

また、第１のエアベアリングＢ１及び第２のエアベアリングＢ２を形成するためには、第１の外周部３ａとボア孔６との間の隙間及び第２の外周部３ｂとボア孔６との間の隙間を、それぞれ５〜１２μｍ程度に設定することが好ましい。

一方、縮径部３ｃとボア孔６との間には、第１のエアベアリングＢ１及び第２のエアベアリングＢ２を形成する隙間よりも大きい空間Ｓが形成されている。第３のポート１０は、第１のポート８と第２のポート９との中間に位置して、シリンダハウジング５の縮径部３ｃと対向する側面に接続されている。すなわち、第３のポート１０は、ロッド４が移動可能な範囲Ｌで第１のエアベアリングＢ１と第２のエアベアリングＢ２との間に常に位置するように配置されている。

ロッド４は、軸孔７からシリンダ２（シリンダハウジング５）の外部（下方）へと突出した状態で、第３の流体ベアリングＢ３を介して上下方向にスライド（移動）自在に支持されている。第３の流体ベアリングＢ３は、軸孔７とロッド４の間の隙間に流入する空気Ｋにより形成されている。また、軸孔７の第３の流体ベアリングＢ３が形成される位置には、多孔質絞り１１を用いている。これにより、軸受面全体に給気口が均一に分布した構造となり、空気Ｋの消費を少なくすると共に、高剛性を得ることが可能である。

流体圧アクチュエータ１Ａは、第１の圧力室Ｐ１内の圧力を検出する第１の圧力センサ１２と、第２の圧力室Ｐ２内の圧力を検出する第２の圧力センサ１３と、第１の圧力センサ１２の検出結果に基づいて、第１の圧力室Ｐ１に第１のポート８を介して流入される空気Ｋの流量を調整する第１の流量調整部１４と、第２の圧力センサ１３の検出結果に基づいて、第２の圧力室Ｐ２に第２のポート９を介して流入される空気Ｋの流量を調整する第２の流量調整部１５とを備えている。

第１の圧力センサ１２は、第１の圧力室Ｐ１内の圧力を検出したときの第１の圧力信号ｐｓ１を第１の流量調整部１４に供給する。同様に、第２の圧力センサ１３は、第２の圧力室Ｐ２内の圧力を検出したときの第２の圧力信号ｐｓ２を第２の流量調整部１５に供給する。

また、本実施形態の流体圧アクチュエータ１ａでは、図示を省略するものの、ロッド４又はピストン３の位置を検出する位置センサを設けて、この位置センサがロッド４又はピストン３の位置を検出したときの位置信号を第１の流量調整部１４及び第２の流量調整部１５に供給してもよい。

第１の流量調整部１４及び第２の流量調整部１５は、共通のサーボ弁又はそれぞれ別々のサーボ弁を第１のポート８及び第２のポート９に設けて、上述した第１の圧力信号ｓｐ１及び第２の圧力信号ｓｐ２に基づいて、第１のポート８及び第２のポート９から第１の圧力室Ｐ１及び第２の圧力室Ｐ２に流入される空気Ｋの流量（供給量）を調整する。

これにより、第１の圧力室Ｐ１内の圧力と第２の圧力室Ｐ２内の圧力とを制御することができる。その結果、シリンダ２の内部（ボア孔６）でスライドするピストン３の位置、すなわち、このピストン３と接続されたロッド４の上下方向の位置を制御することが可能である。

以上のような構造を有する流体圧アクチュエータ１Ａは、例えば、半導体チップのダイボンディング工程やマウンティング工程等で用いられる。具体的には、半導体製造装置内において半導体チップを保持するツールが先端に取り付けられたロッド４を上下方向にスライドさせる。これにより、半導体チップをリードフレームや基板等の実装面上に実装することができる。

ところで、本実施形態の流体圧アクチュエータ１Ａでは、第１の圧力室Ｐ１から第１のエアベアリングＢ１を形成する隙間に流入する空気Ｋと、第２の圧力室Ｐ２から第２のエアベアリングＢ２を形成する隙間に流入する空気Ｋとが、第１のエアベアリングＢ１及び第２のエアベアリングＢ２を形成する隙間よりも大きい空間Ｓから第３のポート１０を介して外部に流出される。

これにより、第１の圧力室Ｐ１と第２の圧力室Ｐ２との間で圧力が干渉することを防ぐことができ、第１の圧力室Ｐ１及び第２の圧力室Ｐ２において圧力を安定化させることが可能である。したがって、この流体圧アクチュエータ１Ａを用いて、半導体チップの高精度な荷重制御や位置制御を行うことが可能である。

また、本実施形態の流体圧アクチュエータ１Ａでは、第３のポート１０にエアチューブ等を接続し、半導体製造装置の外部へと空気Ｋを排気する。これにより、空気Ｋに含まれる微小な汚染物質等が半導体製造装置内に放出されることを防止できる。

さらに、本実施形態の流体圧アクチュエータ１Ａでは、上記特許文献１に記載の流体圧アクチュエータのように、チューブの曲がり等による外力がロッド４に加わることがない。これにより、第１のエアベアリングＢ１及び第２のエアベアリングＢ２によるシリンダ２とピストン３との非接触状態と、第３のエアベアリングＢ３による軸孔７とロッド４との非接触状態とを安定して維持することが可能である。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として図２（ａ），（ｂ）に示す流体圧アクチュエータ１Ｂについて説明する。
なお、図２は、流体圧アクチュエータ１Ｂの構成を示す断面図であり、（ａ）はロッド４が上端に位置する状態を示し、（ｂ）はロッド４が下端に位置する状態を示す。また、以下の説明では、上記図１（ａ），（ｂ）に示す流体圧アクチュエータ１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。

流体圧アクチュエータ１Ｂは、図２（ａ），（ｂ）に示すように、上記流体圧アクチュエータ１Ａとは第１のエアベアリングＢ１及び第２のエアベアリングＢ２を形成するシリンダ２及びピストン３の構成が異なっている。それ以外は、上記流体圧アクチュエータ１Ａと基本的に同じ構成を有している。

具体的に、シリンダ２は、シリンダハウジング５（ボア孔６）の第１の流体ベアリングＢ１が形成される位置に第１の内周部６ａと、第２の流体ベアリングＢ２が形成される位置に第２の内周部２ｂと、第１の内周部２ａと第２の内周部２ｂとの間で第１の内周部及び前記第２の内周部よりも拡径された拡径部６ｃとを有している。一方、ピストン３は、一定の外径のまま円柱状に形成されている。

また、第１のエアベアリングＢ１及び第２のエアベアリングＢ２を形成するためには、第１の内周部６ａとピストン３との間の隙間及び第２の内周部６ｂとピストン３との間の隙間を、それぞれ５〜１２μｍ程度に設定することが好ましい。

一方、拡径部６ｃとピストン３との間には、第１のエアベアリングＢ１及び第２のエアベアリングＢ２を形成する隙間よりも大きい空間Ｓが形成されている。第３のポート１０は、第１のポート８と第２のポート９との中間に位置して、シリンダハウジング５の拡径部６ｃが形成された側面に接続されている。すなわち、第３のポート１０は、ロッド４が移動可能な範囲Ｌで第１のエアベアリングＢ１と第２のエアベアリングＢ２との間に常に位置するように配置されている。

以上のような構造を有する流体圧アクチュエータ１Ｂは、第１の圧力室Ｐ１から第１のエアベアリングＢ１を形成する隙間に流入する空気Ｋと、第２の圧力室Ｐ２から第２のエアベアリングＢ２を形成する隙間に流入する空気Ｋとが、第１のエアベアリングＢ１及び第２のエアベアリングＢ２を形成する隙間よりも大きい空間Ｓから第３のポート１０を介して外部に流出される。

これにより、第１の圧力室Ｐ１と第２の圧力室Ｐ２との間で圧力が干渉することを防ぐことができ、第１の圧力室Ｐ１及び第２の圧力室Ｐ２において圧力を安定化させることが可能である。したがって、この流体圧アクチュエータ１Ｂを用いて、半導体チップの高精度な荷重制御や位置制御を行うことが可能である。

また、本実施形態の流体圧アクチュエータ１Ｂでは、第３のポート１０にエアチューブ等を接続し、半導体製造装置の外部へと空気Ｋを排気する。これにより、空気Ｋに含まれる微小な汚染物質等が半導体製造装置内に放出されることを防止できる。

さらに、本実施形態の流体圧アクチュエータ１Ｂでは、上記特許文献１に記載の流体圧アクチュエータのように、チューブの曲がり等による外力がロッド４に加わることがない。これにより、第１のエアベアリングＢ１及び第２のエアベアリングＢ２によるシリンダ２とピストン３との非接触状態と、第３のエアベアリングＢ３による軸孔７とロッド４との非接触状態とを安定して維持することが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも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種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、差動流体として空気Ｋを用いたエア圧シリンダを例示しているが、空気Ｋ以外の流体を用いた流体圧アクチュエータに対して本発明を幅広く適用することが可能である。また、流体圧アクチュエータの用途についても、特に限定されるものではなく、上述した半導体製造装置以外にも適用することが可能である。

１Ａ…流体圧アクチュエータ １Ｂ…流体圧アクチュエータ ２…シリンダ ２ａ…第１の内周部 ２ｂ…第２の内周部 ２ｃ…拡径部 ３…ピストン ３ａ…第１の外周部 ３ｂ…第２の外周部 ３ｃ…縮径部 ４…ロッド ５…シリンダハウジング ６…ボア孔 ７…軸孔 ８…第１のポート ９…第２のポート １０…第３のポート １１…多孔質絞り １２…第１の圧力センサ １３…第２の圧力センサ １４…第１の流量調整部 １５…第２の流量調整部 Ｋ…空気（流体） Ｐ１…第１の圧力室 Ｐ２…第２の圧力室 Ｓ…空間 Ｂ１…第１のエアベアリング Ｂ２…第２のエアベアリング Ｂ３…第３のエアベアリング

Claims (7)

1. シリンダと、
   前記シリンダの内部で移動するピストンと、
   前記ピストンの一端側に接続されると共に、前記シリンダに設けられた軸孔から前記シリンダの外部へと突出した状態で、前記ピストンと一体に移動するロッドと、
   前記シリンダ内の前記ピストンを挟んで前記ロッドとは反対側に位置する第１の圧力室に流体を流入させる第１のポートと、
   前記シリンダ内の前記ピストンを挟んで前記ロッド側に位置する第２の圧力室に流体を流入させる第２のポートと、
   前記シリンダ内の前記第１の圧力室と前記第２の圧力室との間から流体を流出させる第３のポートとを備え、
   前記ピストンは、前記第１の圧力室から前記第１のポートと前記第３のポートとの間の隙間に流入する流体により形成される第１の流体ベアリングと、前記第２の圧力室から前記第２のポートと前記第３のポートとの間の隙間に流入する流体により形成される第２の流体ベアリングとを介して、前記シリンダとは非接触な状態で移動自在に支持され、
   前記ピストンは、前記第１の流体ベアリングが形成される位置に第１の外周部と、前記第２の流体ベアリングが形成される位置に第２の外周部と、前記第１の外周部と前記第２の外周部との間で前記第１の外周部及び前記第２の外周部よりも縮径された縮径部とを有することを特徴とする流体圧アクチュエータ。
2. 前記第３のポートは、前記シリンダの前記縮径部と対向する側面に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の流体圧アクチュエータ。
3. シリンダと、
   前記シリンダの内部で移動するピストンと、
   前記ピストンの一端側に接続されると共に、前記シリンダに設けられた軸孔から前記シリンダの外部へと突出した状態で、前記ピストンと一体に移動するロッドと、
   前記シリンダ内の前記ピストンを挟んで前記ロッドとは反対側に位置する第１の圧力室に流体を流入させる第１のポートと、
   前記シリンダ内の前記ピストンを挟んで前記ロッド側に位置する第２の圧力室に流体を流入させる第２のポートと、
   前記シリンダ内の前記第１の圧力室と前記第２の圧力室との間から流体を流出させる第３のポートとを備え、
   前記ピストンは、前記第１の圧力室から前記第１のポートと前記第３のポートとの間の隙間に流入する流体により形成される第１の流体ベアリングと、前記第２の圧力室から前記第２のポートと前記第３のポートとの間の隙間に流入する流体により形成される第２の流体ベアリングとを介して、前記シリンダとは非接触な状態で移動自在に支持され、
   前記シリンダは、前記第１の流体ベアリングが形成される位置に第１の内周部と、前記第２の流体ベアリングが形成される位置に第２の内周部と、前記第１の内周部と前記第２の内周部との間で前記第１の内周部及び前記第２の内周部よりも拡径された拡径部とを有することを特徴とする流体圧アクチュエータ。
4. 前記第３のポートは、前記シリンダの前記拡径部が形成された側面に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の流体圧アクチュエータ。
5. 前記第１の圧力室内の圧力を検出する第１の圧力センサと、
   前記第２の圧力室内の圧力を検出する第２の圧力センサと、
   前記第１の圧力センサの検出結果に基づいて、前記第１の圧力室に前記第１のポートを介して流入される流体の流量を調整する第１の流量調整部と、
   前記第２の圧力センサの検出結果に基づいて、前記第２の圧力室に前記第２のポートを介して流入される流体の流量を調整する第２の流量調整部とを備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の流体圧アクチュエータ。
6. 前記軸孔と前記ロッドとの間の隙間に流入する流体により第３の流体ベアリングが形成されることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の流体圧アクチュエータ。
7. 前記流体が空気であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の流体圧アクチュエータ。

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