JP2011196459A

JP2011196459A - ハイブリッドシリンダおよびその製造方法

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Publication number: JP2011196459A
Application number: JP2010063775A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Mizuno; 芳伸水野; Makoto Ito; 伊藤　　誠
Original assignee: ECO-A CO Ltd
Current assignee: ECO-A CO Ltd
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: JP4876264B2

Abstract

【課題】金属と樹脂からなり、軽量かつ安価で、簡単に製造できるシリンダを提供すること。
【解決手段】金属製のシリンダチューブ15を有し、シリンダ室10を形成するシリンダ室形成部1と、シリンダ室形成部１の外側に固着して形成された樹脂製のシリンダ補完部２と、を具備するハイブリッドシリンダである。シリンダ補完部２は、熱可塑性樹脂を用いた射出成形によって形成される。また、シリンダ室形成部１は、シリンダチューブの軸線方向を閉塞するカバーを有し、シリンダ補完部２は、シリンダチューブ15とカバー18との間が気密となるように形成される。また、シリンダ室10に流体を吸排するための吸排部23や、センサを取り付けるためのセンサ取付部を一体に成形することもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属と樹脂とから成るハイブリッドシリンダ及びその製造方法に関するものである。

従来、シリンダチューブはステンレス管、アルミ管又はアルミ合金の押出し材による構造のものが主流で、ロッドカバーやヘッドカバー、エア吸排用の配管口等の組み立てにはねじ方式やかしめ方式による方法が用いられていた。また、ピストンの両端検出用のセンサは、シリンダチューブがステンレス管又はアルミ管の場合にはバンド式、アルミ合金の押出し材の場合には、外部に形成されたセンサ取付溝を利用してねじで固定するものが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−６８５５７

しかし、コストダウン、小型化及び軽量化を目的として、シリンダチューブの薄肉化を図る場合、シリンダチューブの耐圧強度が低下する他、押出し材の場合には、肉抜きするための金型構造が複雑となり、押出成形技術においても難易度が高くなるという問題があった。

また、シリンダチューブがステンレス管又はアルミ管の場合、両端検出用のセンサの取付けが複雑かつ面倒である他、その位置合わせも難しい。また、アルミ合金の押出し材の場合は、取付方法の違いにより多種多様なシリンダが存在し、量産効果によるコストダウンが見込めないものは高価になるという問題があった。また、センサについてもシリンダの外観形状の違いの分だけ、多種多様な外観形状を必要としていた。

また、シリンダチューブを挟む形で組み付けるロッドカバー及びヘッドカバーは、組み付けのための構造であるねじ又はかしめ、シール用パッキン溝などスペースを取る構造が複数あり、小型化及び軽量化、材量削減によるコストダウンが困難であった。

更に、従来の構造では、部品点数が多いことや、生産手法に切削加工、アルミ合金の押出し成形を用いていることなどから、生産時に多くのエネルギー消費とCO₂の排出が懸念されるという問題もあった。

そこで本発明は、金属と樹脂からなり、軽量かつ安価で、簡単に製造できるシリンダを提供することを目的とする。

本発明のハイブリッドシリンダは、金属製のシリンダチューブおよび当該シリンダチューブの開口部を閉塞するカバーを有し、シリンダ室を形成するシリンダ室形成部と、前記シリンダ室形成部の外側に固着し、前記シリンダチューブと前記カバーとの間が気密となるように形成された樹脂製のシリンダ補完部と、を具備することを特徴とする。

この場合、前記シリンダ室形成部と前記シリンダ補完部の間に、金属と樹脂の固着強度を高める中間処理層を具備する方が好ましい。

また、前記シリンダ補完部は、前記シリンダチューブと前記カバーの外側を覆うことにより、前記カバーを前記シリンダチューブに固定する方が好ましい。

また、前記シリンダ補完部は、前記シリンダ室に流体を吸排するための吸排部が一体成形されていても良い。

また、前記シリンダ補完部は、前記ピストンの位置を検出するセンサを取り付けるためのセンサ取付部が一体成形されていても良い。

また、前記シリンダ補完部は、熱可塑性樹脂を用いた射出成形によって形成することができる。

また、本発明のハイブリッドシリンダは、更に、前記シリンダチューブの軸線方向に往復移動可能な金属製のピストンロッドと、前記シリンダ室内を流体圧の作用により動作すると共に、前記ピストンロッドに固着した樹脂製のピストンと、を具備する。

この場合、前記ピストンロッドと前記ピストンの間に、金属と樹脂の固着強度を高める中間処理層を具備する方が好ましい。

また、前記ピストンと前記シリンダチューブとの間を気密にするピストンパッキン部と、前記ピストンと前記カバーとの衝撃を緩和するためのダンパー部とが熱可塑性エラストマーによって一体に成形され、かつ前記ピストンと熱融着してなる弾性部材を具備していても良い。

また、本発明のハイブリッドシリンダの製造方法は、上述したハイブリッドシリンダにおいて、前記シリンダチューブと前記カバーとの間が気密となるように前記金属と前記樹脂との固着をインサート成形によって行うことを特徴とする。

この場合、前記インサート成形は、金属表面に金属と樹脂の固着強度を高める中間処理層を形成した後に行う方が好ましい。

本発明のハイブリッドシリンダは、シリンダ室を形成するシリンダ室形成部と、それ以外の部分を担うシリンダ補完部とに分けることにより、シリンダ室形成部を構成するシリンダチューブやカバーの構造を簡単かつ小型化することができ、また安価に製造することができる。また、流体を吸排するための吸排部やセンサ取付溝等の複雑な構造を担うシリンダ補完部も樹脂によって形成されるので、インサート成形技術や射出成形技術を用いて簡単かつ安価に製造することができる。また、シリンダ室形成部を樹脂製のシリンダ補完部で覆うことにより、従来必要であったねじ又はかしめ及びそのための孔、シール用パッキンやシール用パッキン溝等が不要になり、組み立てが簡単で安価な流体圧シリンダを提供することができる。

本発明のハイブリッドシリンダの断面図である。

本発明のハイブリッドシリンダは、金属製のシリンダチューブ15を有し、シリンダ室10を形成するシリンダ室形成部１と、シリンダ室形成部１の外側に固着して形成された樹脂製のシリンダ補完部２と、で主に構成される。また、シリンダチューブ15内を往復移動可能なピストンロッド３と、シリンダ室10内を流体圧の作用により動作するピストン４を具備することにより、流体圧の作用によってピストンロッド３を往復移動させることができる。

シリンダ室形成部１は、金属製のシリンダチューブ15と、シリンダチューブ15の開口部を閉塞するカバー16とを有し、これによりシリンダ室10が形成される。

シリンダチューブ15は、例えば鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、チタン、黄銅又はこれらの合金等の金属からなり、両端が開口した筒状又は一端が開口した有底筒状の薄肉構造をしたものである。また、シリンダチューブ15には、シリンダ室10に気体や液体等の流体を吸排するための吸排口15ａが形成される。なお、開口部側の内壁に後述するカバー16を係止できる段差状の溝を設けると、組み立て等が容易となる。このように、シリンダチューブ15は、主にシリンダ室10を形成するための簡単な構造とすることができるため、例えば、押出し加工や深絞り加工によって安価に製造することが可能である。

カバー16は、シリンダチューブ15の内壁の断面形状に応じて形成され、シリンダチューブ15の軸線方向の開口部を閉塞し、シリンダ室10を形成するものである。シリンダチューブ15が、両端の開口した筒状の場合には、シリンダチューブ15の一端側の開口部を閉塞するヘッドカバー17と、シリンダチューブ15の他端側の開口部を閉塞するロッドカバー18とからなる。また、シリンダチューブ15が有底筒状の場合には、一端側の開口部を閉塞するロッドカバー18のみで良い。ここで、カバー16の形状は、シリンダチューブ15の開口部を閉塞した際に、シリンダチューブ15に当接する大きさに形成され、後述するシリンダ補完部２を固着することにより、シリンダチューブ15と一体となって分離しない構造とするのが好ましい。これにより、従来必要であったねじ又はかしめ及びそのための孔等が不要になり、組み立てが簡単で安価な流体圧シリンダを提供することができる。

ロッドカバー18は、図１に示すように、その略中央部にピストンロッド３を挿通可能なロッド孔18Ａが形成される。また、ピストンロッド３とロッド孔18Ａとの間は、ブッシュ18Ｂやピストンパッキン18Ｃを配置できるように形成されており、これにより、シリンダ室10を気密にすることができる。

カバー16の材質は、例えば鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、チタン、黄銅又はこれらの合金等の金属を用いることができる。また、シリンダ補完部をインサート成形することができる耐熱性を有すれば樹脂製のものであっても良い。

シリンダ補完部２は、シリンダの機能を補完するための構造であって、シリンダ室形成部１の外側に樹脂を用いて形成されるものである。例えば、シリンダチューブ15やカバー16の外側を覆い、これらの耐圧強度を補強する耐圧補強部21が形成される。樹脂としては、射出成形を行うことができる熱可塑性のものであればどのようなものでも良く、例えば、ポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ナイロン、ポリフタルアミド（PPA）、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン（PS）等を用いることができる。これにより、シリンダチューブ15やカバー16を薄肉化することができ、小型化、軽量化、コストダウンを図ることができる。

また、シリンダ補完部２は、シリンダ室10を気密にするために、シリンダチューブ15とカバー16の間を閉塞するようにシール部22を形成することもできる（図１参照）。これにより、従来シリンダチューブ15とカバー16の間に配置していたシール用パッキンやシール用パッキン溝等が不要になり、組み立てが簡単で安価な流体圧シリンダを提供することができる。また、シリンダチューブ15とカバー16の外側を覆うことにより、カバー16をシリンダチューブ15に固定することができるので、ねじやかしめで組み立てる必要がなく、更に、小型化、軽量化、コストダウンを図ることができる。

また、シリンダ補完部２には、上述した吸排口を介してシリンダ室10に気体や液体等の流体を吸排する配管９を接続するための吸排部23や、ピストン４の位置を検出するセンサを取り付けるためのセンサ取付部（図示せず）を一体的に成形してもよい。センサ取付部は、位置を検出するセンサを取り付けることができるものであればどのような形状でも構わないが、例えば、シリンダチューブ15の外側に、当該シリンダチューブ15の軸線方向（後述するピストンの移動方向）に沿って延在する凹状のセンサ取付溝又は凸状のセンサ取付レールとして形成される。また、当該センサ取付溝は、複数設けても良く、シリンダ室10を中心として対向する面に形成することもできる。

なお、シリンダ補完部２を上述したように構成することで、シリンダチューブ15やカバー16の構造も組み立て用の構造を省略し、シリンダ室10を形成するためだけの簡単な構造にすることができる。したがって、シリンダチューブ15やカバー16についても、小型化、軽量化、コストダウンを図ることができる。

このようなシリンダ補完部２は、例えばシリンダチューブ15やカバー16をインサート成形し、金属製のシリンダチューブ15やカバー16に樹脂を固着させて形成すれば良い。この際、金属表面に金属と樹脂の固着強度を高める中間処理層を形成すれば、より強固に金属と樹脂を固着させることができる。

中間処理層は、例えば、金属をアンモニア、ヒドラジン、ヒドラジン複合体、水溶性アミン系化合物から選択される１種以上の水溶液に浸漬して処理したものや（特開２００３−２５１６５４号公報参照）、トリアジンチオール誘導体を用いて金属表面を電気化学的に処理したもの（特開２０００−１６０３９２）等を用いることができる。もちろん、金属と樹脂の固着強度を高めるものであれば、その他のどのような方法を用いても良い。

ピストンロッド３は、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、チタン、黄銅又はこれらの合金等の金属からなる棒状又は中空の筒状に形成されるもので、ピストンロッド３の軸線方向の一端側には、ピストン４が取り付けられる。ここで、ピストンロッド３は、図１に示すように、その移動方向側面であって、ピストン４が接合される部分に、凹状のピストン接合部31を有する方が好ましい。これにより、ピストン４が往復移動し両端で衝突した際の衝撃荷重と接合面の剪断荷重を緩和することができる。また、ピストンロッド３は、ロッドカバー18のロッド孔18Ａに挿入され、シリンダチューブ15の軸線方向にシリンダ室10の内外にわたって往復移動可能に配置される。

ピストン４は、シリンダチューブ15の内壁とほぼ同じ大きさに形成される。これにより、シリンダ室10は、ロッドカバー18側の第一シリンダ室11とヘッドカバー17側（シリンダチューブ15が有底筒状に形成される場合には、シリンダチューブ15の底側）の第二シリンダ室12に分割される。そして、第一シリンダ室11へ流体を供給する第一吸排部23Ａから流体、例えばエアを第一シリンダ室11へ吸気して加圧すると、ピストン４はヘッドカバー17側に移動する。また、第二シリンダ室12へ流体を供給する第二吸排部23Ｂからエアを第二シリンダ室12へ吸気して加圧すると、ピストン４はロッドカバー18側に移動する。このようにして、ピストン４及びピストンロッド３は、シリンダ室10内を流体圧の作用により往復移動する。ピストン４はどのような材質のもので形成されても良いが、好ましくは、ピストン４の成形時にインサート成形によってピストンロッド３と固着し、一体に形成できる樹脂製のものが好ましい。樹脂としては、射出成形を行うことができる熱可塑性のものであればどのようなものでも良く、例えば、ポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ナイロン、ポリフタルアミド（PPA）、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン（PS）等を用いることができる。

また、ピストン４には、図１に示すように、ピストン４がシリンダチューブ15内を往復移動する際に、ピストン４とシリンダチューブ15の間を気密にするピストンパッキン部51と、ピストン４がシリンダチューブ15内を往復移動し、カバー16に衝突する際の衝撃を緩和するダンパー部52とが一体となった弾性部材5が設けられる。この場合、ピストンパッキン部51とダンパー部52は、熱可塑性のエラストマー樹脂を射出成形することにより、成形時の樹脂および金型の熱と射出圧力を利用して、ピストン４の移動方向両端に熱融着させ、一体に形成すれば良い。

ピストンパッキン部51は、シリンダチューブ15内壁とピストン４の間を気密にできるものであればどのようなものでも良いが、好ましくは、ピストン４側から移動方向へ延出するように形成され、常圧下又は減圧下においては、シリンダチューブ15内壁に当接せず、加圧下では、シリンダチューブ15内壁へ押圧される構造とする方が良い。これにより、ピストンパッキン部51とシリンダチューブ15内壁との摩擦によるエネルギーのロスや、ピストンパッキン部51の摩耗を極力防止することができる。

また、ピストン４のシリンダチューブ15側には、位置検出用のマグネット６を配置するためのマグネット取付溝41を形成することもできる。この場合、マグネット取付溝41は、ピストン４がシリンダチューブ15内に挿着された際に、センサ取付溝と対応する位置に形成されるのが好ましい。また、マグネット６は、ピストン４や弾性部材５を射出成形する際に、型内組み付けを行うことが好ましい。

次に、本発明のハイブリッドシリンダの製造方法について実施例を用いて説明する。実施例では、株式会社東亜電化のTRI技術によって中間層を形成したシリンダチューブに、カバー、ピストン及びピストンロッドを組み立てた後、下記の条件でインサート成形を行うことにより行った。

ステンレス（SUS304）からなるシリンダチューブ及びカバーに対し、シリンダ補完部の材料としてポリブチレンテレフタレート（PBT）[東レ株式会社製1101G-X54]を用いてインサート成形を行った。溶融樹脂の温度は260℃、金型温度は130℃、射出圧力は175MPa、保圧は62MPaに調節した。その後、樹脂が固化するまで冷却し、金型から成形体を離型して取り出した。その結果、シリンダチューブ及びカバーとシリンダ補完部はしっかりと接着しており、シリンダとして問題なく動作した。

ステンレス（SUS304）からなるシリンダチューブ及びカバーに対し、シリンダ補完部の材料としてナイロン（PA6）[宇部興産株式会社製1015GC6]を用いてインサート成形を行った。溶融樹脂の温度は265℃、金型温度は130℃、射出圧力は175MPa、保圧は62MPaに調節した。その後、樹脂が固化するまで冷却し、金型から成形体を離型して取り出した。その結果、シリンダチューブ及びカバーとシリンダ補完部はしっかりと接着しており、シリンダとして問題なく動作した。

ステンレス（SUS304）からなるシリンダチューブ及びカバーに対し、シリンダ補完部の材料としてナイロン（PAMXD6）[三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社製1012F]を用いてインサート成形を行った。溶融樹脂の温度は290℃、金型温度は150℃、射出圧力は175MPa、保圧は62MPaに調節した。その後、樹脂が固化するまで冷却し、金型から成形体を離型して取り出した。その結果、シリンダチューブ及びカバーとシリンダ補完部はしっかりと接着しており、シリンダとして問題なく動作した。

ステンレス（SUS304）からなるシリンダチューブ及びカバーに対し、シリンダ補完部の材料としてシンジオタクチックポリスチレン（SPS）[出光興産株式会社製SP152]を用いてインサート成形を行った。溶融樹脂の温度は290℃、金型温度は150℃、射出圧力は175MPa、保圧は62MPaに調節した。その後、樹脂が固化するまで冷却し、金型から成形体を離型して取り出した。その結果、シリンダチューブ及びカバーとシリンダ補完部はしっかりと接着しており、シリンダとして問題なく動作した。

ステンレス（SUS304）からなるシリンダチューブ及びカバーに対し、シリンダ補完部の材料としてポリフェニレンサルファイド（PPS）[東ソー株式会社製BGX-130]を用いてインサート成形を行った。溶融樹脂の温度は290℃、金型温度は150℃、射出圧力は175MPa、保圧は62MPaに調節した。その後、樹脂が固化するまで冷却し、金型から成形体を離型して取り出した。その結果、シリンダチューブ及びカバーとシリンダ補完部はしっかりと接着しており、シリンダとして問題なく動作した。

アルミニウム（A1050）からなるシリンダチューブ及びカバーに対し、シリンダ補完部の材料としてポリブチレンテレフタレート（PBT）[東レ株式会社製1101G-X54]を用いてインサート成形を行った。溶融樹脂の温度は260℃、金型温度は130℃、射出圧力は175MPa、保圧は62MPaに調節した。その後、樹脂が固化するまで冷却し、金型から成形体を離型して取り出した。その結果、シリンダチューブ及びカバーとシリンダ補完部はしっかりと接着しており、シリンダとして問題なく動作した。

アルミニウム（A1050）からなるシリンダチューブ及びカバーに対し、シリンダ補完部の材料としてナイロン（PA6）[宇部興産株式会社製1015GC6]を用いてインサート成形を行った。溶融樹脂の温度は265℃、金型温度は130℃、射出圧力は175MPa、保圧は62MPaに調節した。その後、樹脂が固化するまで冷却し、金型から成形体を離型して取り出した。その結果、シリンダチューブ及びカバーとシリンダ補完部はしっかりと接着しており、シリンダとして問題なく動作した。

アルミニウム（A1050）からなるシリンダチューブ及びカバーに対し、シリンダ補完部の材料としてナイロン（PAMXD6）[三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社製1012F]を用いてインサート成形を行った。溶融樹脂の温度は290℃、金型温度は150℃、射出圧力は175MPa、保圧は62MPaに調節した。その後、樹脂が固化するまで冷却し、金型から成形体を離型して取り出した。その結果、シリンダチューブ及びカバーとシリンダ補完部はしっかりと接着しており、シリンダとして問題なく動作した。

アルミニウム（A1050）からなるシリンダチューブ及びカバーに対し、シリンダ補完部の材料としてシンジオタクチックポリスチレン（SPS）[出光興産株式会社製SP152]を用いてインサート成形を行った。溶融樹脂の温度は290℃、金型温度は150℃、射出圧力は175MPa、保圧は62MPaに調節した。その後、樹脂が固化するまで冷却し、金型から成形体を離型して取り出した。その結果、シリンダチューブ及びカバーとシリンダ補完部はしっかりと接着しており、シリンダとして問題なく動作した。

アルミニウム（A1050）からなるシリンダチューブ及びカバーに対し、シリンダ補完部の材料としてポリフェニレンサルファイド（PPS）[東ソー株式会社製BGX-130]を用いてインサート成形を行った。溶融樹脂の温度は290℃、金型温度は150℃、射出圧力は175MPa、保圧は62MPaに調節した。その後、樹脂が固化するまで冷却し、金型から成形体を離型して取り出した。その結果、シリンダチューブ及びカバーとシリンダ補完部はしっかりと接着しており、シリンダとして問題なく動作した。

１シリンダ室形成部
２シリンダ補完部
３ピストンロッド
４ピストン
５弾性部材
６マグネット
10 シリンダ室
11 第一シリンダ室
12 第二シリンダ室
15 シリンダチューブ
16 カバー
17 ヘッドカバー
18 ロッドカバー
22 シール部
23 吸排部
31 ピストン接合部
51 ピストンパッキン部
52 ダンパー部

Claims

金属製のシリンダチューブを有し、シリンダ室を形成するシリンダ室形成部と、
前記シリンダ室形成部の外側に固着して形成された樹脂製のシリンダ補完部と、
を具備することを特徴とするハイブリッドシリンダ。
前記シリンダ室形成部は、前記シリンダチューブの開口部を閉塞するカバーを有し、
前記シリンダ補完部は、前記シリンダチューブと前記カバーとの間が気密となるように形成されることを特徴とする請求項１記載のハイブリッドシリンダ。
前記シリンダ補完部は、前記シリンダ室に流体を吸排するための吸排部が一体成形されていることを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッドシリンダ。
前記シリンダ補完部は、前記ピストンの位置を検出するセンサを取り付けるためのセンサ取付部が一体成形されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のハイブリッドシリンダ。
前記シリンダ室形成部と前記シリンダ補完部の間に、金属と樹脂の固着強度を高める中間処理層を具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のハイブリッドシリンダ。
前記シリンダ補完部は、熱可塑性樹脂を用いた射出成形によって形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のハイブリッドシリンダ。
前記シリンダチューブ内を往復移動可能な金属製のピストンロッドと、
前記シリンダ室内を流体圧の作用により動作すると共に、前記ピストンロッドに固着した樹脂製のピストンと、
前記ピストンロッドと前記ピストンの間に、金属と樹脂の固着強度を高める中間処理層と、
を具備することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のハイブリッドシリンダ。
前記ピストンと前記シリンダチューブとの間を気密にするピストンパッキン部と、前記ピストンと前記カバーとの衝撃を緩和するためのダンパー部とが熱可塑性エラストマーによって一体に成形され、かつ前記ピストンと熱融着してなる弾性部材を具備することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のハイブリッドシリンダ。
前記請求項１ないし８のいずれかに記載のハイブリッドシリンダにおいて、金属と樹脂との固着をインサート成形によって行うことを特徴とするハイブリッドシリンダの製造方法。
前記インサート成形は、金属表面に金属と樹脂の固着強度を高める中間処理層を形成した後に行うことを特徴とする請求項９記載のハイブリッドシリンダの製造方法。