JP2006170347A - 衝突緩衝材およびシリンダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 衝突の強さなど使用条件の違いに関わらず常に適切な緩衝機能が発揮できる衝突緩衝材を提供する。
【解決手段】 衝突動作する一対の部材の衝突面に配置される衝突緩衝材１０であって、弾性材料からなり、衝突面の一方に配置される基板部１２と、基板部１２の表面から前記衝突面の他方に向かって突き出た突出部１４と、突出部に対応する位置で基板部１２の裏面から内側に凹んだ空間部１６と、空間部１６の内部で空間部１６の底から開口側に向かって突き出た内部突起１８とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、衝突緩衝材およびシリンダ装置に関し、詳しくは、空気圧などを利用してシリンダ内でピストンを往復動させるシリンダ装置のピストンとシリンダとの衝突面などに設置される衝突緩衝材と、このような衝突緩衝材を取り付けたシリンダ装置とを対象にしている。

シリンダ装置は、各種機械装置おける動作機構に広く利用されている。
シリンダ装置の基本的な構造は、円筒状をなすシリンダの内部に収容されたピストンが、シリンダの軸方向に沿って摺動する。シリンダ内でピストンの両側の空間に油圧や空圧を選択的に加えることで、ピストンが往復動作を行う。ピストンには、シリンダの端面を貫通するピストン軸を有していて、ピストン軸の往復動作を外部の機構や部材に伝達させて利用する。
このようなシリンダ装置では、ピストンの往復動作の終点位置で、ピストンの端面がシリンダの内壁面に衝突する。ピストンおよびシリンダを構成する金属同士の衝突に伴って不快な衝突音が発生する。衝突時の衝撃で、ピストンやシリンダが傷付くこともある。衝突を繰り返すことで、金属疲労や耐久性の低下を招くこともある。

このような問題を解消するために、ピストンの先端面とシリンダの内面との間に、衝突の伴う衝撃を緩衝する衝突緩衝材を配置しておく技術が提案されている。
例えば、特許文献１には、ピストンとシリンダ内壁との対向面に配置される緩衝リングとして、様々な形態のものが示されている。緩衝リングの表面に、放射方向に溝を形成したり、環状突起を設けたり、柱状の突起を周方向に等間隔で配置したり、柱状突起の裏面側に環状の凹部を設けたりする技術が示されている。
特開２００１−６５５１１号公報

しかし、前記した従来における衝突緩衝材の技術でも、十分な衝撃の緩衝や衝突音の解消は果たせなかった。
前記特許文献１に示された、柱状突起と柱状突起の裏面の環状凹部との組み合わせ構造は、単なる突起を設ける構造に比べて、衝突時に柱状突起が変形し易くなり、緩衝機能がより有効に作用すると考えられる。環状凹部内に存在する空気が圧縮されることによる緩衝作用も期待できると思われる。しかし、大きな衝撃力が加わったりすると、柱状突起が環状凹部側に落ち込むように容易に変形し過ぎ、緩衝機能が発揮され難くなり、大きな衝突音が発生してしまうことがある。衝撃によって発生した振動がなかなか減衰しないことがある。繰り返し大きな変形を生じる個所が疲労により損傷し易い。

一般的に、衝突エネルギーを迅速に吸収して衝突音の発生を効率的に防ぐには、比較的に容易に変形できるような構造が望ましいが、それでは、大きな衝撃力が加わったときに、十分な緩衝機能が果たせない。大きな衝撃力まで緩衝できるようにするには、比較的に変形し難い構造のほうが望ましいのであるが、衝突エネルギーが吸収され難く、振動や衝突音がなかなか減衰しない。従来の様々な構造の衝突緩衝材では、衝撃力の大きさに関わらず、確実かつ迅速に適切な緩衝機能を発揮させることが難しかった。同じ構造の緩衝構造が、衝突速度が速い場合と遅い場合とで、緩衝機能に違いが生じることもある。
本発明の課題は、前記した従来の各種構造の衝突緩衝材に比べて、使用条件の違いに関わらず常に適切な緩衝機能が発揮できる衝突緩衝材を提供することである。

本発明にかかる衝突緩衝材は、衝突動作する一対の部材の衝突面に配置される衝突緩衝材であって、弾性材料からなり、前記衝突面の一方に配置される基板部と、前記基板部の表面から前記衝突面の他方に向かって突き出た突出部と、前記突出部に対応する位置で前記基板部の裏面から内側に凹んだ空間部と、前記空間部の内部で空間部の底から開口側に向かって突き出た内部突起とを備える。
〔一対の部材〕
衝突緩衝材を設ける一対の部材は、衝突時の衝撃や衝突音を緩衝することが必要な構造部分であれば、各種機械装置における機構構造が適用される。

例えば、シリンダ装置において、シリンダ内を往復動するピストンの端面とシリンダの内壁面が挙げられる。
衝突動作する部材すなわち衝突部材で、互いに対向していて衝突する面すなわち衝突面は、通常、鋼やアルミその他の金属あるいは金属合金で構成されており、衝突時に不快な金属音を発生し易い材料である。衝撃によって損傷し易いセラミックやガラス材料、合成樹脂材料からなる場合もある。一対の衝突面は、同じ材料であってもよいし、異なる材料で構成されていてもよい。
衝突面は、通常は平坦面であるが、凹凸を有する面であっても構わない。衝突面には、衝突緩衝材を取り付けるため、あるいは、その他の目的のために、突起や溝、凹部、ねじ孔などの形状構造が設けられることがある。

〔衝突緩衝材の材料〕
通常の衝突緩衝材に使用されている緩衝機能のある材料が使用できる。
弾性変形が容易な弾性材料が好ましい。所定の形状構造が形成し易い成形性や加工性の良い材料が好ましい。温度や雰囲気ガスなどの使用環境に対する耐久性のある材料が好ましい。弾性材料として、天然ゴム、合成ゴム、合成樹脂、樹脂エラストマーなどが挙げられる。具体的には、ＮＢＲ、ウレタンゴムなどが挙げられる。
衝突緩衝材の全体を同じ弾性材料で構成することもできるし、衝突緩衝材の部位毎に必要な機能に合わせて異なる材料を組み合わせて構成することもできる。衝突緩衝材の一部に、非弾性材料が含まれていてもよい。例えば、衝突緩衝材を、配置される部材に対して位置決めしたり固定したりするための構造は、弾性材料でなくてもよい。

衝突緩衝材は、基板部と突出部と空間部と内部突起とを備えている。
〔基板部〕
前記した一対の衝突部材のうち、一方の衝突部材の衝突面に配置される。衝突緩衝材の基本的な形状構造を構成し、衝突緩衝材を衝突部材に取り付けるための構造となる。
基板部は、突出部および空間部を配置できる広さおよび厚みを有する。衝突緩衝材の緩衝機能は、突出部、空間部および内部突起の構造だけでなく、基板部によっても果たされる。したがって、基板部の厚みや形状は、緩衝機能を考慮して設定される。基板部と取付面との接触面積を十分に確保することが望ましい。空間部の周囲に十分な幅で、基板部と取付面との接触部分が存在すれば、空間部に閉じ込められた空気などの圧縮による緩衝機能が良好に発揮できる。突出部などを、間隔をあけて複数個所に配置する場合、基板部は全体を配置できる形状を備えておく。

基板部の厚みｔは、衝突緩衝材の材質や全体寸法、要求性能などによっても変わるが、通常、ｔ＝０．５〜１０ｍｍの範囲に設定できる。
基板部の平面形状は、衝突緩衝材を取り付ける衝突面の寸法形状に対応して決められる。衝突面と同じ形状であってもよいし、衝突面よりも一回り小さな形状であってもよい。衝突面の外周形状に沿う帯環状に構成することもできる。一つの衝突面に、複数の基板部すなわち衝突緩衝材を配置することもできる。
〔突出部〕
基板部の表面から、相手側の衝突面に向かって突き出ている。衝突時に、相手側の部材は、最初に突出部に当接する。

突出部の形状は、衝突時の衝撃を確実に受け止めスムーズに弾性変形し、緩衝機能を良好に発揮できる形状が好ましい。角のない滑らかな形状であれば、応力集中による亀裂や破損が起こり難い。
例えば、球面の一部を切り取った凸球面状をなしていれば、凸球面の頂点に相手側の部材が衝突したときに、頂点から放射方向へと負荷が均等に分散されて均等かつスムーズに弾性変形することができる。凸球面状の場合、突出部の平面形状は、平坦な基板部表面と突出部との境界線で構成される円形になる。凸球面を水平方向に引き延ばしたソーセージ形も採用できる。ソーセージ形の平面形状は長円形になる。ソーセージ形を平面上で湾曲させた湾曲ソーセージ形もある。ラグビーボールの一部を切り取ったような楕円に近い形状も考えられる。円弧断面を環状に連続させたドーナツ形もある。錐形の頭を切り落とした截頭円錐形や截頭角錘形もある。これらの形状を組み合わせたり、一部を変形したりしたものでもよい。

一つの基板部に対して、突出部を一つだけ設けることもできるが、通常は、複数の突出部を互いに間隔をあけて基板部の複数個所に設ける。相手側の部材と衝突したときに、複数の突出部に衝撃を分散して受けることができる。衝突緩衝材に相手側の衝突面が衝突したときに、隣接する突出部の間に基板部の面方向に連通する空間が生じる。この空間は、シリンダ装置などにおいて動作流体の通路となる。
複数の突出部は、全て同じ形状寸法であってもよいし、高さや形の違う突出部を組み合わせて配置することもできる。形状寸法の異なる突出部の組み合わせは、相手側部材との衝突が時間的にずれて生じることで衝撃の急激な増大を抑えたり、衝突音を低減できたりする場合がある。

突出部の高さは、突出部および他の部分の形状や要求性能によっても異なるが、通常、０．１〜１０ｍｍの範囲に設定できる。
〔空間部〕
突出部に対応する位置で基板部の裏面から内側に凹んでいる。
空間部の存在によって、突出部での衝突緩衝材の実質的な厚みが少なくなり、弾性変形し易くなる。衝突の衝撃を弾性変形によって吸収あるいは緩衝し易くなる。また、空間部と衝突緩衝材の取付面との間に密閉空間が形成できる。この密閉空間に閉じ込められた空気などの流体が、突出部および空間部の弾性変形によって圧縮され、その反発力によって、衝撃を緩衝する作用も生じる。衝突緩衝材を構成する弾性材料とは変形特性の異なる空気などの圧縮特性が組み合わせられることで、衝突エネルギーや衝撃振動の減衰が良好に行われる。

空間部の形状は、通常、突出部の形状に合わせて設定される。突出部と空間部とに挟まれた弾性材料の部分が、衝突時の衝撃吸収や緩衝作用を良好に発揮できるようにする。例えば、突出部と同一形状が採用できる。突出部よりも一回り小さな相似形状もある。突出部と同じ基本形状で、高さなどの寸法や曲面の曲率などを変えた形状も採用できる。例えば、凸球面状をなす突出部に対して、凹球面状をなす空間部が採用できる。突出部と空間部とが全く異なる形状であっても構わない。
基板部の裏面における空間部の開口形状は、通常、突出部の平面形状と同じような形状および寸法に設定できる。

空間部の高さＨは、空間部および他の部分の形状や要求性能によっても異なるが、通常、０．２〜１０ｍｍの範囲に設定できる。
〔内部突起〕
空間部の内部で空間部の天井から開口側に向かって突き出している。内部突起が存在することで、突出部に相手側の衝突面が衝突して突出部および空間部が変形したときに、内部突起が衝突緩衝材の取付面に当接し、変形に対する抵抗を増大する作用が生じる。突出部および空間部の過剰な変形が阻止される。
内部突起の形状は、前記した突出部について説明した各種形状の中から適宜の形状を選択することができる。突出部を表裏で逆にして小さくしたような形状が採用できる。突出部とは異なる形状であってもよい。

内部突起は、通常、空間部の中央に設けられる。例えば、空間部が凹球面状の場合、凹球面の天井になる中心位置に内部突起を設けることができる。一つの空間部には、通常、一つの内部突起を設ければよいが、複数の内部突起を互いに間隔をあけて設けておくこともできる。例えば、細長い空間部に対して、長さ方向に等間隔で内部突起を設けることが可能である。
内部突起は空間部の容積のうち一部のみを占める。内部突起の割合が多過ぎると空間部の機能が十分に発揮できない。内部突起が小さ過ぎると、当然、内部突起の機能が十分に発揮できない。

内部突起と空間部とは、角のない曲線で滑らかにつながっていることが望ましい。変形時に応力集中が起き難く、衝撃の分散による緩衝作用も良好に行われる。
内部突起の先端位置は、空間部の開口すなわち基板部の裏面位置と同じ位置か、裏面位置よりも空間部の内側に配置される。内部突起の先端から基板部の裏面までの間隔Ｇを適切に設定することで、緩衝作用を良好に発揮させることができる。間隔Ｇの具体的寸法は、内部突起および他の部分の形状や要求性能によっても異なるが、通常、Ｇ＝０〜１０ｍｍの範囲に設定できる。
〔各部の寸法関係〕
衝突緩衝材を構成する各部の寸法関係を適切に設定することで、良好な緩衝作用を発揮させることができる。

具体的には、基板部の裏面から突出部の先端までの厚み、すなわち衝突緩衝材の全体の厚みＴを、基板部の厚みｔに対して、Ｔ＝１．２ｔ〜２．０ｔに設定できる。寸法〔Ｔ−ｔ〕は、基板部の表面から突出部の先端までの距離、言い換えると、突出部の突き出し高さを意味する。寸法〔Ｔ−ｔ〕が小さくなり過ぎると、突出部の弾性変形による緩衝作用が十分に発揮し難くなる。寸法〔Ｔ−ｔ〕が大きくなり過ぎると、突出部に加わる負荷が過大になり、耐久性が低下する。
空間部の深さＨを、基板部の厚みｔに対して、Ｈ≦ｔに設定できる。Ｈ＞ｔになると、空間部が基板部の表面よりも突出部側まではみ出すことになり、突出部と空間部との間に存在する衝突緩衝材の厚みが薄くなり過ぎて、十分な緩衝作用が発揮し難くなる。耐久性も低下する。

内部突起の先端から基板部の裏面までの間隔Ｇを、前記Ｔ−ｔに対して、０≦Ｇ＜Ｔ−ｔに設定できる。間隔Ｇ＝０は、内部突起の先端が基板部の裏面位置に配置されることを意味する。内部突起の先端が基板部の裏面よりも外側に張り出すＧ＜０になることはない。Ｇが寸法〔Ｔ−ｔ〕になると、内部突起が基板部の表面よりも突出部側に配置される。衝突による変形が起きても、内部突起が取付面に当接し難くなり、内部突起の機能が発揮できない。また、内部突起が設けられた空間部も突出部側に配置されることになるので、突出部と空間部との間の弾性材料の厚みも不十分になる。
空間部が基板部の裏面に開口するところの開口径ｄ２を、突出部の根元部分の外径ｄ１に対して、ｄ２≒ｄ１に設定できる。ｄ２がｄ１よりも大きくなり過ぎると、衝突時に、突出部よりも外側の基板部までが変形し易くなり、緩衝機能が十分に発揮できない。ｄ２がｄ１よりも小さくなり過ぎると、突出部と空間部との変形による緩衝機能が十分に発揮できない。

〔衝突緩衝材の取り付け〕
衝突緩衝材は、一対の衝突部材の何れか一方の衝突面に対して、通常の取付手段で取り付けておくことができる。
具体的には、衝突緩衝材の基板部裏面を取付面に接着することができる。ねじ釘やボルトで締め付け固定することもできる。取付面に嵌合溝や嵌入穴を設けておいて、衝突緩衝材を嵌合取付することもできる。固定金具や締付具を用いて、衝突緩衝材を取付面に固定することもできる。
〔シリンダ装置〕
衝突緩衝材が有効に利用できる用途として、シリンダ装置がある。

シリンダ装置の基本構造は、相対的に往復動するシリンダとピストンとを有する。
往復動は相対的運動である。通常は、シリンダが固定されていてピストンが運動するが、ピストンが固定されていてシリンダを運動させる場合もある。
シリンダ内に、空圧や油圧、水圧などの流体圧を導入し、流体圧でピストンを動かす。電磁力でピストンを動かすシリンダ装置もある。ピストンには、通常、シリンダ内を往復動し流体圧を受けるピストン盤と、ピストン盤の動きをシリンダ外に伝達して利用するためのピストン軸とを有する。ピストン軸は、通常、シリンダの軸方向の端面を貫通して出入り自在に摺動する。

ピストンのうちシリンダ内で往復動するピストン盤は、往復動の両端位置で、シリンダの内壁面に衝突する。ピストン盤の両端面と、それに対向するシリンダの両側の内壁面とが互いに衝突する衝突面になる。
衝突緩衝材は、ピストン盤の端面およびシリンダの内壁面のうち何れか一方に配置しておけばよい。

本発明にかかる衝突緩衝材は、衝突時に、初期の段階では、衝突緩衝材の取付面に内部突起が当接しない状態で、主に突出部と空間部とによる緩衝作用が発揮され、その後の段階では、内部突起が取付面に当接して負荷を受ける状態での緩衝作用が発揮される。緩衝作用が、作用機構の異なる２種類の段階を経て発現する。
比較的に変形しやすい突出部と空間部との柔らかな緩衝機能で、衝突エネルギーを迅速に吸収し衝撃を緩和した後、内部突起が取付面に当接し変形し難い状態になって、突出部、空間部および内部突起を含む構造の全体で、残りの衝突エネルギーを完全に吸収することができる。

このような２段階の緩衝作用を組み合わせることで、衝突エネルギーの大小や衝突速度の違いに関わらず、確実かつ迅速な緩衝機能が発揮される。衝突によって生じる振動は、２段階の緩衝作用の切り替わりが起こることで、共振したり持続したりすることなく、効率的に減衰する。振動が急激に減衰すれば、大きな騒音が発生することもなくなる。
しかも、内部突起の存在が、突出部および空間部の過剰な変形を抑えるので、衝突が繰り返されても繰り返し負荷による損傷や耐久性の低下が起こり難い。前記した良好な緩衝機能を長期間にわたって持続的に発揮することが可能になる。

〔シリンダ装置の概略構造〕
図１に示す実施形態は、衝突緩衝材を取り付けたシリンダ装置２０を示す。
シリンダ装置２０は、両端が密閉された円筒状をなすシリンダ３０と、シリンダ３０の軸方向に沿って摺動するピストン４０とを備える。シリンダ３０およびピストン４０は何れも、鋼材やアルミ材などの金属材料で形成されている。
ピストン４０は、シリンダ３０の断面円形をなす内部空間に対応する円盤状のピストン盤４４と、ピストン盤４４の中心から軸方向に延びるピストン軸４２を有する。
ピストン軸４２は、シリンダ３０の端面を貫通して外部に延びている。図示を省略しているが、ピストン軸４２の端部は、ピストン４０によって往復駆動させる各種の部材や装置と連結されている。シリンダ３０の端面をピストン軸４２が貫通する個所には、Ｏリング５２が装着されていて、シリンダ３０内部の気密性を維持している。

ピストン盤４４の外周面に設けられた凹溝４６にもＯリング５０が装着され、Ｏリング５０の外周がシリンダ３０の内周面に当接している。ピストン盤４４が軸方向に運動しても、ピストン盤４４の前後の空間が気密遮断される。
シリンダ３０の軸方向の両端近くにはそれぞれ、圧力空気の導入口３２、３４が設けられている。何れかの導入口３２、３４に圧力空気を導入し、他方の導入口３４、３２から排気することで、ピストン盤４４の両面に圧力差による軸方向の力が作用し、ピストン盤４４が軸方向に運動する。ピストン盤４４の運動は、ピストン軸４２の介して外部に伝達される。

このような基本構造を備えたシリンダ装置２０では、ピストン盤４４が軸方向に移動すると、ピストン盤４４の両面のうち何れかの表面がシリンダ３０の内壁面に衝突する。このときに、大きな衝突音あるいは不快な金属音が発生する。
そこで、ピストン盤４４の両面に、衝突緩衝材１０が配置される。
〔衝突緩衝材の構造〕
図２（ａ）に示すように、衝突緩衝材１０は、全体が概略帯環状をなし、ＮＢＲなどの弾性材料で一体成形されている。
衝突緩衝材１０は、一定の厚みと幅を有する帯環状の基板部１２を基本構造にして、基板部１２の周方向に等間隔で複数個所に、突出部１４、空間部１６および内部突起１８が設けられている。図２では、合計８個所である。

図３に示すように、基板部１２は、厚みｔで内周径Ｄｉと外周径Ｄｏとを有する中空円盤状をなしている。（Ｄｏ−Ｄｉ）／２が、基板部１２の幅を表す。
図２（ｂ）および図３に示すように、突出部１４は、基板部１２の片側の表面から外側に突き出している。突出部１４の形状は、曲率半径Ｒ１の球面から切り取った扁平な凸球面状をなしている。図２（ａ）に示すように、突出部１４の平面形は、外径ｄ１の円形になる。突出部１４の中心位置における衝突緩衝材１０の最大厚みＴは、基板部１２の厚みｔよりも大きくなっている。Ｔ−ｔが、突出部１４だけの高さすなわち突出量を表す。
空間部１６は、突出部１４の裏面側に配置され、基板部１２の裏面から内側に凹んでいる。空間部１６の形状は、突出部１４と同様に、球面の一部を切り取った凹球面状をなしている。空間部１６が基板部１２の裏面に開口する下端の平面形状は、突出部１４と同じ円形になり、開口径ｄ２は突出部１４の外径ｄ１と同じに設定されている。

図３に示すように、空間部１６の内面と突出部１４の表面とに挟まれた部分の弾性材料が、厚みのある概略球殻状のドーム構造を構成している。衝突緩衝材１０の厚みは、基板部１２では一定厚みｔであるが、空間部１６の内面から突出部１４の表面までの厚みは、基板部１２に隣接する外周から中心に向かって徐々に薄くなっている。なお、基板部１２から突出部１４および空間部１６の中心まで、厚みを一定にしておくこともできる。
内部突起１８は、空間部１６の天井中心から空間部１６の開口すわなち基板部１２裏面に向かって突き出している。内部突起１８の先端は、曲率半径Ｒ２の凸球面状をなしている。内部突起１８と周囲の空間部１６とは滑らかな曲面状でつながっている。内部突起１８の先端位置は、基板部１２の裏面位置よりも空間部１６の内側にあり、内部突起１８と基板部１２の裏面との間に間隔Ｇがあいている。

内部突起１８が存在することによって、空間部１６の最大高さＨの位置は、空間部１６の中心ではなく、内部突起１８の外周と空間部１６との連結個所に存在する。また、空間部１６の最大高さＨは、基板部１２の厚みｔよりも少し小さく設定されている。
〔衝突緩衝材の使用状態〕
図１に示すように、衝突緩衝材１０は、ピストン盤４４の両面それぞれに、基板部１２の裏面を接着剤で貼り付けて取り付けられる。ピストン盤４４の両面にそれぞれ突出部１４が外側に向かって突き出している状態になる。
ピストン４０が往復動作を行い、ピストン盤４４がシリンダ３０の対向する内面に衝突する際には、衝突緩衝材１０がシリンダ３０の内壁面に当接し弾力的に変形することで、衝突の衝撃エネルギーを吸収して衝撃を緩和し、過大な振動の発生を防止し、発生した振動も迅速に減衰させる。その結果、大きな衝突音や不快な金属性の騒音が発生することも防止される。

図４は、衝突緩衝材１０の変形挙動を模式的に示している。ピストン盤４４および衝突緩衝材１０は、図の左側から右側へと移動して、シリンダ３０の固定された内壁面に衝突する。衝突の初期の段階あるいは軽負荷状態と、衝突が進行した段階あるいは重負荷状態とで、変形挙動に違いがある。
＜初期段階（軽負荷状態）＞
図４（ａ）において、突出部１４がシリンダ３０の内壁面に当接する。突出部１４と裏面の空間部１６との間の弾性材料で構成された球殻構造が、扁平に押し縮められるように弾力的に変形する。突出部１４は、その突き出し量が減る。球殻構造は、柔軟かつ滑らかに変形することで、突出部１４の中心先端に加わった衝突エネルギーを、放射方向に均等かつ迅速に伝搬させて拡散あるいは吸収させる。シリンダ３０の内壁面に接触している周囲の基板部１２には、衝撃エネルギーが直接には加わり難い。シリンダ３０に衝撃や振動が伝わり難く、衝突音の発生が確実に抑制される。

空間部１６とピストン盤４４の内壁面とで構成される密閉空間に存在する空気が、空間部１６の変形に伴って圧縮される。この空気の圧縮によるエネルギー消費やバネ作用によっても、衝突エネルギーが効率的に吸収される。ピストン盤４４とシリンダ３０の内壁面との間で、材料自体の弾力性と前記球殻構造による弾力変形性、さらには、密閉空間での空気圧縮による弾性力などが複合的に作用し、シリンダ３０の内壁面に直接に衝撃力が加わることなく、効率的な衝撃緩和あるいは緩衝作用が発揮される。
空間部１６が変形すれば、内部突起１８は、ピストン盤４４側に近づくように移動する。しかし、この段階では、内部突起１８の先端はピストン盤４４の表面との間に間隔をあけた状態に留まる。

上記したような衝撃吸収作用あるいは緩衝作用によって、衝突エネルギーが効率的に緩衝され、ピストン盤４４の移動エネルギーあるいは移動速度は、急速に削減される。
ピストン４０の移動速度あるいは衝突エネルギーが小さければ、この段階でピストン４０の移動は止まり、衝撃による振動や衝突音の発生もほとんどない。ピストン４０の移動エネルギーがなくなれば、突出部１４および空間部１６は元の形状に復元して、ピストン盤４４を押し戻す。復元した突出部１４の先端がシリンダ３０の内壁面に隣接する位置で、ピストン４０は停止する。
ピストン４０の前進力と衝突緩衝材１０による復元力とで、ピストン盤４４に周期的な往復運動が生じて振動を生じることがある。しかし、前記球殻構造の弾力変形などで衝突緩衝材１０が振動を抑制し迅速に減衰させるので、ピストン４０は短時間で静止する。

＜進行段階（重負荷状態）＞
ピストン４０の移動速度が大きかったり、衝突エネルギーが大きかったりすると、図４（ａ）の段階から図４（ｂ）の段階に移行することがある。内部突起１８がピストン盤４４に当接する状態になる。
内部突起１８がピストン盤４４に当接した状態でも、衝突エネルギーが残っていれば、さらに突起部１４および空間部１６が変形しようとする。このときは、突出部１４から内部突起１８までの弾性材料が厚み方向に圧縮されるように変形しなければならない。前の段階における球殻構造の弾性変形に比べて、非常に大きなエネルギーが消費され、大きな衝突エネルギーでも確実に吸収して衝撃を緩和することができる。

内部突起１８が、ピストン盤４４に当接した状態でも、突出部１４が完全に平坦になるまでは、シリンダ３０の内壁面には突出部１４の先端の狭い領域だけが接触し、ピストン盤４４にも内部突起１８の先端の狭い領域だけが接触して、接触領域の周囲では比較的に容易に変形したり衝撃や振動を吸収したりする機能が十分に発揮できる。内部突起１８の周囲には狭くなってはいても空間部１６が残っているので、空気の圧縮による緩衝作用も働く。衝突前に比べれば、空間部１６の容積は格段に狭くなるので、密閉された空気の圧縮率は大きく、強い弾性反発力を生じさせることができる。例えば、衝突緩衝材１０の全面がピストン盤４４とシリンダ３０の内壁面とに接触したままの状態に比べて、はるかに、衝突エネルギーの吸収機能が良好に発揮される。

なお、衝突エネルギーがさらに大きい場合は、瞬間的に、突出部１４が完全に平坦になったり、内部突起１８の周囲の空間部１６がなくなったりするまで変形することがあるかも知れない。基板部１２の表面を含む衝突緩衝材１０のほぼ全面が、ピストン盤４４およびシリンダ３０の内壁面と接触する状態である。しかし、そのような状態に変形するまでに、衝突エネルギーの大半は吸収されてしまっているので、シリンダ３０の内壁面まで過大な衝撃力が伝達されることはない。しかも、大きく変形された衝突緩衝材１０は、強い復元力を発揮して、突出部１４や空間部１６は元の形状に直ぐに復元しようとする。衝撃によって発生する振動も迅速に減衰する。

変形した衝突緩衝材１０が弾性反発力で復元する過程でも、最初の段階は、内部突起１８がピストン盤４４に当接したまま、内部突起１８から突出部１４までの厚みの弾性材料の圧縮が復元し、その後の段階として、内部突起１８がピストン盤４４から離れ、突出部１４と空間部１６とで構成される球殻構造が復元する。この過程でも、効率的に衝突エネルギーが消費される。
ピストン４０の前進力と衝突緩衝材１０の弾性復元力との周期的繰り返し作用で、振動や騒音が発生するのであるが、内部突起１８がピストン盤４４に当接したり離れたりする過程で効率的に振動あるいは衝突音が吸収されることになり、振動および衝突音の減衰、吸収が極めて迅速かつ効率的に行われる。

その結果、ピストン４０は、速やかに停止することになる。ピストン４０の停止状態では、図４（ａ）に示すように、内部突起１８がピストン盤４４から離れ、突出部１４の先端がシリンダ３０の内壁面に当接した状態で、正確に停止することができる。突出部１４の過大な復元力で、ピストン盤４４が勢い良く弾き飛ばされて突出部１４とシリンダ３０の内壁面とが離れるようなことがない。
〔ピストンの復帰操作〕
例えば、図１で、ピストン盤４４がシリンダ３０の右側内壁面まで移動した状態（２点鎖線で示す状態）から、逆の方向に復帰動作させるには、右側の導入口３４に圧力空気を導入する。

圧力空気は、シリンダ３０の内壁とピストン盤４４との隙間に浸入する。ピストン盤４４の先端では、衝突緩衝材１０の突出部１４がシリンダ３０の内壁面に当接している。円周状に間隔をあけて配置された突出部１４は、互いの間に隙間を有している。この突出部１４の隙間を通じて、圧力空気は、衝突緩衝材１０すなわちピストン盤４４の中心側にも浸入することができる。突出部１４の先端がシリンダ３０の内壁面に隣接している点状の領域以外は、ピストン盤４４の全面に圧力空気の作用を及ぼすことができる。
その結果、ピストン盤４４の全面に圧力を作用させて効率的に押し動かすことができる。ピストン盤４４すなわちピストン４０は、迅速に復帰動作を開始する。ピストン４０の駆動制御に対する応答性が良好になる。

〔衝突緩衝材の変更例〕
図５に示す実施形態は、衝突緩衝材１０の基本的な構造は前記実施形態と共通するが、突出部１４などの配置形状が異なる。
基板部１２の形状は、前記実施形態と同じ円盤状である。図５（ｂ）に示すように、突出部１４、空間部１６および内部突起１８の断面形状も共通している。
但し、図５（ａ）に示すように、突出部１４、空間部１６および内部突起１８が、基板部１２の周方向に沿って引き延ばされた形状になっている。平面形状では、円弧状に湾曲した長円形を示している。立体的には、湾曲したソーセージの一部を切り取ったような形態である。円盤状の衝突緩衝材１０に対して、突出部１４などの構造が周方向に等間隔で４個所に配置され、その中間部分は基板部１２の表面が露出している。

この実施形態の衝突緩衝材１０も、前記実施形態と同様に、図４に示す変形挙動を示して、衝撃緩和あるいは緩衝作用を良好に発揮することができる。

本発明の実施例となる衝突緩衝材を製造し、その性能を評価した。
〔衝突緩衝材〕
＜実施例１＞
図２に示す形状構造の衝突緩衝材を、材料にＮＢＲ（硬度９０）を用いて成形製造した。図３に示す各部の寸法は、以下のとおりである。
基板部の内径Ｄｉ＝１５．７ｍｍφ、基板部の外径Ｄｏ＝２５．９ｍｍφ、基板部の厚みｔ＝１．５ｍｍ、基板部と突出部の合計厚みＴ＝２．２ｍｍ、突出部の曲率半径Ｒ１＝２．９ｍｍ、突出部の外径ｄ１＝３．８ｍｍφ、空間部の開口径ｄ２＝３．８ｍｍφ、空間部の曲率半径＝２．０ｍｍ、空間部の高さＨ＝１．１ｍｍ、内部突起の先端曲率半径Ｒ２＝０．４ｍｍ、内部突起と基板部裏面との間隔Ｇ＝０．５ｍｍ、内部突起と空間部との隅部丸み半径０．４ｍｍ。

＜比較例１＞
従来品として、平坦な帯環状をなし、片面に十字方向の溝が形成された衝突緩衝材を、実施例１と同じ材料で同様にして成形製造した。前記特許文献１の図１１に記載の構造と共通する形状である。
寸法は、内径および外径は実施例１と同じで、厚みは２ｍｍであった。十字方向の溝は半径１ｍｍの半円形断面であった。
〔性能評価試験〕
実施例および比較例の衝突緩衝材を、市販のエアシリンダに取り付けて、衝突加速度試験を行った。

＜エアシリンダ＞
コガネイ社製エアシリンダ、ＳＧＤＡ３２×１００、作動圧力０．５ＭＰａ、作動速度２００ｍｍ／ｓを使用した。このエアシリンダを分解して、ピストン盤の表面に衝突緩衝材を装着した。
＜衝突加速度試験＞
エアシリンダを水平に置いて固定する。エアシリンダから延びたピストン軸に重量１．６ｋｇの錘を固定して負荷とした。エアシリンダの導入口にエア配管を連結して、エアシリンダを駆動した。

エアシリンダの外面で軸方向の端面に加速度計を取り付けて、エアシリンダの内部でピストンが内壁端面に衝突した時の加速度変化を経時的に測定した。
測定結果を、図６にグラフで示す。図６（ａ）が比較例１、図６（ｂ）が実施例１の場合である。
＜評価＞
(1) 比較例１では、衝突時に極めて大きな加速度変動が生じている。しかも、発生した加速度変動がなかなか減衰しない。試験時の動作音を聞いたところ、かなり大きく金属的な衝突音が発生していた。

(2) 実施例１では、衝突時でもわずかな加速度変動しか認められない。しかも、極めて短い時間で減衰して無くなっている。試験時の動作音は聞き取れないほど小さかった。金属的な衝突音はまったくなく、低く鈍い音であった。
(3) ピストンを前進または後退させたときの停止位置の精度については、実施例１および比較例１とも、必要とされる精度を示した。作動圧力を変えても、同様であった。
したがって、実施例１は、エアシリンダの作動精度を損なうことなく、衝突時の振動あるいは衝突音を効果的に抑制あるいは低減できることが実証された。

本発明の衝突緩衝材は、例えば、各種機器に装着されるエアシリンダなどのシリンダ装置に装着して使用することができる。動作時に発生する衝突音を効率的に抑制あるいは低減でき、各種機器の設置環境改善に大きく貢献できることになる。

本発明の実施形態を表すシリンダ装置の模式的断面構造図 衝突緩衝材の平面図（ａ）および一部断面側面図（ｂ） 衝突緩衝材の寸法関係を示す断面外形図 衝突緩衝材の動作を段階的に示す要部断面図 別の実施形態を示す衝突緩衝材の平面図（ａ）および一部断面側面図（ｂ） 衝突加速度試験の結果を示すグラフ

符号の説明

１０ 衝突緩衝材
１２ 基板部
１４ 突出部
１６ 空間部
１８ 内部突起
２０ ピストンシリンダ装置
３０ シリンダ
３２、３４ 導入口
４０ ピストン
４２ ピストン軸
４４ ピストン盤

Claims (5)

1. 衝突動作する一対の部材の衝突面に配置される衝突緩衝材であって、
   弾性材料からなり、
   前記衝突面の一方に配置される基板部と、
   前記基板部の表面から前記衝突面の他方に向かって突き出た突出部と、
   前記突出部に対応する位置で前記基板部の裏面から内側に凹んだ空間部と、
   前記空間部の内部で空間部の底から開口側に向かって突き出た内部突起と
   を備える衝突緩衝材。
2. 前記衝突面が、シリンダ内を往復動するピストンの端面とシリンダの内壁面であり、
   前記基板部が、前記衝突面の外周に沿う帯環状をなし、
   前記突出部と空間部と内部突起とが、前記帯環状をなす基板部の周方向に沿って間隔をあけて複数個所に配置されている
   請求項１に記載の衝突緩衝材。
3. 前記基板部の裏面から前記突出部の先端までの全厚みＴが、基板部の厚みｔに対して、Ｔ＝１．２ｔ〜２．０ｔであり、
   前記空間部の深さＨが、前記基板部の厚みｔに対して、Ｈ≦ｔであり、
   前記内部突起の先端から前記基板部の裏面までの間隔Ｇが、前記基板部の表面から前記突出部の先端までの突出量に相当する前記Ｔ−ｔに対して、０≦Ｇ＜Ｔ−ｔであり、
   前記空間部の開口径ｄ２が、前記突出部の外径ｄ１に対して、ｄ２≒ｄ１である
   請求項１または２に記載の衝突緩衝材。
4. 前記突出部が概略凸球面状をなし、前記空間部が概略凹球面状をなし、前記内部突起の先端が概略凸球面状をなし、内部突起と空間部とが曲面により滑らかにつながっている
   請求項１〜３の何れかに記載の衝突緩衝材。
5. 相対的に往復動するシリンダとピストンとを有するシリンダ装置であって、
   前記シリンダの内部で、ピストンの端面と、ピストンの端面が衝突するシリンダの内壁面とからなる衝突面の何れか一方に、前記請求項１〜４の何れかに記載の衝突緩衝材を備える
   シリンダ装置。

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