JP2013185648A - 流体圧シリンダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】標準的な低コストのプレフィル弁を用いることができ、しかもプレフィル弁のパイロット圧のための圧力源を別途必要とすることがない。
【解決手段】復動側に復動側シリンダ室が設けられ往動側に高速用シリンダ室および高出力用シリンダ室が設けられた油圧シリンダ１１と、油圧シリンダを往復駆動するために流体を給排する２つの給排ポートを有する双方向ポンプ１２と、双方向ポンプから供給される流体を、選択的に高出力用シリンダ室に供給するように切り換えるための切換え弁１５と、高出力用シリンダ室に対しタンク２０との間で大流量の流体の給排を行うように接続されたプレフィル弁１４と、プレフィル弁を開くためのパイロット室へのパイロット圧のオンオフを切り換えるための切換え弁１８と、双方向ポンプの２つの給排ポートから選択的に流体の供給を受けてパイロット切換え弁に対してパイロット圧を供給するためのシャトル弁１９とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速駆動と高出力駆動（高圧駆動）とを行うことができる流体圧シリンダ装置に関する。本発明は、例えば、金型の型締め装置、圧入装置、カシメ機、刻印装置、半導体製造装置などに利用される。

従来より、プレス装置の金型の型締めなどのために油圧シリンダが用いられる。金型の型締めは、生産の効率化のために、金型がワークに当たるまでは金型を高速で移動させ、金型がワークに当たった後に、高出力で金型をワークに押し付けるのが一般的である。そのようなプレス装置に使用される油圧シリンダは、金型を移動させる時は比較的小さな出力でよく、押し付け時にのみ高出力が必要となる。したがって、金型の移動用と加圧用とにそれぞれ専用の油圧シリンダを設けるか、または、ロッドに移動用として受圧面積の小さなラムを内蔵させるなどして金型の移動時の高速化を実現している。

いずれの場合においても、高速での移動時には加圧用のシリンダ室の容積増加に対してタンクから直接に圧油を補給する必要があり、加圧時には、加圧用の圧油がタンクに逃げないようにする必要がある。さらに、金型を型締めから待機位置まで復帰させるときには、加圧用のシリンダ室の大量の圧油がタンクに排出されるようにしておく必要がある。

本出願人は、１つの流体圧シリンダによって高速駆動と高出力駆動を行うことができる流体圧シリンダ装置を先に提案して公開した（特許文献１）。

その流体圧シリンダ装置は、流体圧シリンダと、流体圧シリンダを往復駆動するために流体を給排する２つの給排ポートを有した双方向ポンプと、双方向ポンプを正方向および逆方向のいずれかに選択的に回転駆動するモータとを有する。流体圧シリンダの往動側のシリンダ室は、復動側のシリンダ室である復動側シリンダ室とほぼ同じ有効受圧面積を有する高速用シリンダ室と、残りの有効受圧面積を有する高出力用シリンダ室とに区分されており、双方向ポンプから供給される流体を、選択的に高出力用シリンダ室に供給するように切り換えるための切換え弁が設けられている。切換え弁は、高速用シリンダ室に供給する流体の圧力が所定以上になったときに、双方向ポンプから供給される流体を高出力用シリンダ室に供給するように切り換える。

また、このような流体圧シリンダ装置において使用するために、加圧用のシリンダ室に対しタンクとの間で大流量の圧油の給排を行うことのできる切換弁装置を先に提案して公開した（特許文献２）。

特許第３７７５９８２号公報 特許第３８８１００５号公報

しかし、特許文献１の流体圧シリンダ装置では、高出力用シリンダ室への流体の給排を例えばシーケンスバルブによって行うので、そこに流せる流量に限界がある。そのため、流体圧シリンダが大型化して高出力用シリンダ室の有効面積が大きくなった場合に、流体圧シリンダの往復駆動の速度を十分に高速化できない。

また、高出力用シリンダ室への流体の給排のためにプレフィル弁を設けた場合には、プレフィル弁を動作させるパイロット圧を発生させるための圧力源（ポンプ）を別途準備しなければならないという問題がある。

特許文献２の切換弁装置を用いた場合にはこれらの問題は解決されるのであるが、切換弁装置は構造が複雑で精密であるので、コスト的な問題が残る。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、標準的な低コストのプレフィル弁を用いることができ、しかもプレフィル弁のパイロット圧のための圧力源を別途必要とすることのない流体圧シリンダ装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態の流体圧シリンダ装置は、復動側に復動側シリンダ室が設けられ往動側に高速用シリンダ室および高出力用シリンダ室が設けられた流体圧シリンダと、前記流体圧シリンダを往復駆動するために流体を給排する２つの給排ポートを有し、モータによって正方向および逆方向に回転駆動される双方向ポンプと、前記双方向ポンプから供給される流体を、選択的に前記高出力用シリンダ室に供給するように切り換えるための高出力切換え弁装置と、前記高出力用シリンダ室に対しタンクとの間で大流量の流体の給排を行うように接続されたプレフィル弁と、前記プレフィル弁を開くためのパイロット室へのパイロット圧のオンオフを切り換えるためのパイロット圧切換え弁と、前記双方向ポンプの２つの前記給排ポートから選択的に流体の供給を受けて前記パイロット切換え弁に対して前記パイロット圧を供給するためのチェック弁装置と、を有する。

好ましくは、前記チェック弁装置は、シャトル弁からなる。また、前記チェック弁装置は、２つのチェック弁からなってもよい。

好ましくは、前記パイロット圧切換え弁は、前記パイロット室を、前記チェック弁装置から供給されるパイロット圧または前記タンクのいずれかに接続するように切り換える。

好ましくは、前記高出力切換え弁装置は、前記高出力用シリンダ室を、前記双方向ポンプの前記高速用シリンダ室に接続される側の前記給排ポートまたは前記タンクのいずれかに接続するように切り換える切換え弁と、前記高出力用シリンダ室から前記切換え弁を介して前記タンクに排出される流体の流量を調節する流量調節弁と、を有する。

本発明によると、標準的な低コストのプレフィル弁を用いることができ、しかもプレフィル弁のパイロット圧のための圧力源を別途必要とすることのない流体圧シリンダ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の油圧シリンダ装置の油圧回路図である。 チェック弁装置の他の例を示す図である。 切換え弁の動作例を示す図である。 油圧シリンダ装置の制御の例を示すタイミングチャートである。 本発明の他の実施形態の油圧シリンダ装置の油圧回路図である。

図１において、油圧シリンダ装置１は、油圧シリンダ１１、ポンプ１２、チェック弁１３、プレフィル弁１４、切換え弁１５、チェック弁１６、絞り弁１７、切換え弁１８、シャトル弁１９、タンク２０、およびコントローラ３０などからなる。

油圧シリンダ１１は、１台で金型の型締めにおける高速駆動と高出力駆動とを行うことができる。つまり、往動時にロッド１１１を高速駆動するための高速用シリンダ室ＡＡ、ロッド１１１を高出力駆動するための高出力用シリンダ室ＢＡ、およびロッド１１１を戻すための復動側シリンダ室ＣＡを有する。

また、各シリンダ室ＡＡ，ＢＡ，ＣＡへの圧油の給排は、ポートＰＴＡ，ＰＴＢ，ＰＴＣを経由して行われる。ポートＰＴＢに供給される圧油（圧流体）の圧力は、圧力センサＰＳＢによって検出され、その検出信号ＳＢはコントローラ３０に送られる。

ポンプ１２は、モータＭで正転駆動または逆転駆動されることにより両方向に吐出可能な双方向ポンプである。つまり、回転方向に応じて、給排ポートＰＡ，ＰＢのいずれか一方から圧油が吐出され、いずれか他方から吸入される。ポンプ１２から吐出される圧油の圧力は、例えば５〜２０ＭＰａ程度である。

給排ポートＰＡ，ＰＢの間には、パイロット式のチェック弁１３およびタンク２０が接続されている。これらチェック弁１３およびタンク２０は、油圧シリンダ１１の往動または複動の際の圧油の不足分を補い過剰分を排出するための補給装置として動作する。

つまり、タンク２０は、高速用シリンダ室ＡＡまたは高出力用シリンダ室ＢＡと復動側シリンダ室ＣＡとの有効受圧面積の相違による圧油の過不足、回路の温度などによる容積変化分、および漏れによるロス分などを調整する圧油を収容する。

なお、図１には複数のタンク２０が示されているが、これらはタンクとしての機能を示したものであり、実際の装置としては１つのタンクでもよい。

プレフィル弁１４は、油圧シリンダ１１の高出力用シリンダ室ＢＡに対し、タンク２０との間で大流量の圧油の給排を行うように接続される。

プレフィル弁１４は、一般的には、ポートＰＣＡとポートＰＣＢとの間で大流量を流すことのできるチェック弁を有する。当該チェック弁はバネによって閉じる方向に付勢されている。また、バネに打ち勝ってチェック弁を強制的に開くために、パイロットポートＰＣＰが設けられる。

このようなプレフィル弁１４の構造および作用は公知であり、市販されたものを用いることが可能である。

切換え弁１５は、電磁式の２位置切換え弁であり、ポンプ１２から供給される圧油を、選択的に高出力用シリンダ室ＢＡに供給するように切り換える。つまり、切換え弁１５は、高出力用シリンダ室ＢＡを、ポンプ１２の高速用シリンダ室ＡＡに接続される側の給排ポートＰＡまたはタンク２０のいずれかに接続するように切り換える。

切換え弁１５は、本発明における「高出力切換え弁装置」に相当する。

絞り弁１７は、高出力用シリンダ室ＢＡから切換え弁１５を介してタンク２０に排出される圧油の流量を調節する。なお、その逆方向には、チェック弁１６によって自由流となっている。

切換え弁１８は、電磁式の２位置切換え弁であり、プレフィル弁１４を開くためのパイロットポートＰＣＰへのパイロット圧のオンオフを切り換える。切換え弁１８は、本発明における「パイロット圧切換え弁」に相当する。

シャトル弁１９は、ポンプ１２の２つの給排ポートＰＡ，ＰＢから選択的に圧油の供給を受けて、切換え弁１８に対してパイロット圧を供給するためのものである。

シャトル弁１９は、２つの入力ポートＰＤＡ、ＰＤＢ、および１つの出力ポートＰＤＣを有し、入力ポートＰＤＡ、ＰＤＢのうちの圧力の高い方の圧油が出力ポートＰＤＣに流れる。

入力ポートＰＤＡ、ＰＤＢは、ポンプ１２の給排ポートＰＡ，ＰＢにそれぞれ接続されているので、ポンプ１２が給排ポートＰＡから圧油を供給する（出力する）ときは、入力ポートＰＤＡから出力ポートＰＤＣへ、ポンプ１２が給排ポートＰＢから圧油を供給するときは入力ポートＰＤＢから出力ポートＰＤＣへ、それぞれ圧油が流れまたは圧力がかかることとなる。

したがって、ポンプ１２が正逆いずれの方向に回転する場合でも、出力ポートＰＤＣからは圧油が出力され、切換え弁１８に供給される。

なお、シャトル弁１９は、本発明における「チェック弁装置」に相当する。チェック弁装置として、シャトル弁１９に代えて、図２に示す２つのチェック弁１９ａ，１９ｂを用いてもよい。

次に、油圧シリンダ装置１の制御動作について、図３および図４をも参照して説明する。なお、図１および図４において示すＰ１〜Ｐ５は、それぞれの箇所の圧力である。また、図４におけるシャトル弁１９のシーケンスは、入力ポートＰＤＡまたはＰＤＢのいずれが出力ポートＰＤＣに接続されるかを示している。

図４に示す時刻ｔ１において、モータＭによってポンプ１２が駆動され、給排ポートＰＡから圧油が出力されると、その圧油は油圧シリンダ１１のポートＰＴＡから高速用シリンダ室ＡＡに入る。これによって、ロッド１１１が高速で上方（往動側）へ移動し、金型を高速で移動させる。

このとき、図３に示すように、切換え弁１５のソレノイドはオフ、切換え弁１８のソレノイドはオンとなる。切換え弁１８がオンであるので、給排ポートＰＡからの圧油は、シャトル弁１９の入力ポートＰＤＡから出力ポートＰＤＣへと流れ、プレフィル弁１４のパイロットポートＰＣＰにパイロット圧Ｐ４が加わる。これによってプレフィル弁１４が開く。

油圧シリンダ１１のロッド１１１が往動すると、これによって高出力用シリンダ室ＢＡの容積が増加して圧力Ｐ２が低下する。その容積の増加分の圧油は、タンク２０からプレフィル弁１４を経由して補給される。

ロッド１１１の往動によって金型が型締め位置までくると、または金型が当たる位置までくると、ロッド１１１の移動が停止する。コントローラ３０は、その状態になっことを検知し、時刻ｔ２において切換え弁１５をオンし、切換え弁１８をオフする。

なお、ロッド１１１の移動が停止したことを検知する方法として、例えば、測長センサ、タイマーによる経時信号、または給排ポートＰＡの圧力Ｐ１の上昇を検知した信号などを用いることが可能である。

なお、切換え弁１５，１８を切り換えるタイミングとして、ロッド１１１の移動が停止するタイミングでなくてもよい。例えば、停止する手前においてスイッチや位置検知装置などが検出したタイミングで切り換えてもよい。

切換え弁１５をオンすることにより、給排ポートＰＡからの圧油が切換え弁１５およびチェック弁１６を経由して高出力用シリンダ室ＢＡに流入する。また、切換え弁１８をオフすることによって、プレフィル弁１４のパイロットポートＰＣＰはタンク２０に接続され、パイロット圧はなくなるので、プレフィル弁１４は閉じ、高出力用シリンダ室ＢＡに繋がる管路の圧油は逃げることなく高圧に維持される。これによって、油圧シリンダ１１が高出力駆動を行って金型による型締めが行われる。

型締めが終わると、具体的には例えば型締めに要する時間ＴＭ１が経過すると、時刻ｔ３において、コントローラ３０は切換え弁１５をオフし、切換え弁１８をオンするとともに、モータＭを逆転駆動する。

これにより、ポンプ１２の給排ポートＰＢから圧油が出力され、その圧油は油圧シリンダ１１のポートＰＴＣから復動側シリンダ室ＣＡに入る。これによってロッド１１１が高速で下方（復動側）へ移動する。

切換え弁１８がオンとなるので、給排ポートＰＢからの圧油は、シャトル弁１９の入力ポートＰＤＢから出力ポートＰＤＣへと流れ、プレフィル弁１４のパイロットポートＰＣＰにパイロット圧が加わる。これにより、プレフィル弁１４は開く。

したがって、油圧シリンダ１１の高出力用シリンダ室ＢＡの圧油は、大部分がプレフィル弁１４を経由してタンク２０に戻り、一部が絞り弁１７および切換え弁１５を経由してタンク２０に戻る。

また、高速用シリンダ室ＡＡの圧油は、ポンプ１２の給排ポートＰＡから吸い込まれるか、またはチェック弁１３を経由してタンク２０に戻る。

なお、時刻ｔ３において油圧シリンダ１１を往動から復動に切り換える際に、ポンプ１２の逆転の速度を小さくして低速で復動を開始するようにするのが好ましい。これは、時刻ｔ３の直前においては高出力用シリンダ室ＢＡおよび高速用シリンダ室ＡＡの圧力が高くなっており、高速に復動を開始すると衝撃が発生する可能性があるからである。

したがって、切換え弁１５をオフした直後は、高出力用シリンダ室ＢＡの圧抜きが行われる。このときに油圧シリンダ１１のロッド１１１が微少寸法（例えば数ミリメートル）だけ下方へ移動することがある。この間において、圧力センサＰＳＢによって検出される圧力Ｐ２は、ある傾斜を持って低下する。しかし、圧力Ｐ２の低下がパイロットポートＰＣＰに必要なパイロット圧以下とならないうちに、ポンプ１２の給排ポートＰＢからの圧油の圧力Ｐ３が上昇することにより、シャトル弁１９の出力する圧力Ｐ５はパイロットポートＰＣＰに必要なパイロット圧以上に保持される。

このように、シャトル弁１９を設けることにより、ポンプ１２の２つの給排ポートＰＡ，ＰＢから選択的に圧油の供給を受けて切換え弁１８にパイロット圧を供給することができ、油圧シリンダ１１の往動時および復動時のいずれにおいてもプレフィル弁１４を正常に作動させることができる。

つまり、ポンプ１２の他に圧油原を設けることなく、１つの油圧シリンダ１１で高速駆動と高出力駆動とを行うことができる。また、小さなサイズのポンプ１２であっても、高圧加圧のための大型の油圧シリンダ１１を高速で駆動することができる。これにより、油圧シリンダ装置１の全体をコンパクトにすることができる。また、油圧シリンダ装置１の全体を一体化することも容易であり、一体化されたコンパクトな油圧シリンダ装置１とすることができる。油圧シリンダ１１の高速用シリンダ室と復動側シリンダ室との有効受圧面積を等しくする必要がなく、油圧シリンダ１１の設計の自由度が高い。それだけ製造コストを低くできる。また、油圧シリンダ装置１の回路構成が簡単であり、動作も安定である。

このように、本実施形態の油圧シリンダ装置１によると、標準的な低コストのプレフィル弁１４を用いることができ、しかもプレフィル弁１４のパイロット圧のための圧力源を別途必要とすることがない。

次に、本発明の他の実施形態の油圧シリンダ装置１Ｂについて、図５を参照して説明する。なお、図５において、図１に示す要素と同様な機能を有する要素については、同一の符号を附し、または同一の符号に「Ｂ」を付加し、説明を省略する。

図５において、ポンプ１２およびチェック弁１３Ｂａ，ｂは、マニホールド２１ａ，ｂに一体的に形成され、またはマニホールド２１ａ，ｂに取り付けられる。マニホールド２１ｂとタンク２０との間には、フィルター２２が設けられる。

ポンプ１２の給排ポートＰＡと油圧シリンダ１１のポートＰＴＡとの間に、管路をオンオフするための切換え弁２３とカウンターバランス弁３１とが、直列に設けられる。ポンプ１２の給排ポートＰＡから高速用シリンダ室ＡＡに圧油を供給するときにのみ、切換え弁２３をオンして管路を開く。

なお、カウンターバランス弁３１は、シャトル弁１９の動作を安定化するためのものである。

つまり、例えば、油圧シリンダ１１のロッド１１１が上向きとなるように設置されており、ロッド１１１の重量が大きいものとする。ロッド１１１が高圧で加圧され、金型が型締め位置まできた後、下方への移動を開始するときには、高出力用シリンダ室ＢＡの圧力が抜けて、ロッド１１１の重量を高速用シリンダ室ＡＡの圧力で受けるようになる。これによって高速用シリンダ室ＡＡの圧力が高くなり、これとともにシャトル弁１９の入力ポートＰＤＡの圧力が高くなる。しかし、ロッド１１１の下方への移動のために、ポンプ１２はポートＰＴＣに圧油を供給するので、その圧力がシャトル弁１９の入力ポートＰＤＢに加わることとなる。つまり、このときには、シャトル弁１９の両方の入力ポートＰＤＡおよびＰＤＢに圧力が加わるので、シャトル弁１９の動作が不安定になる。

そのため、例えば、切換え弁１５をオフした直後に油圧シリンダ１１のロッド１１１が微少寸法だけ下方へ移動する可能性がある。

また、場合によっては、入力ポートＰＤＡの圧力と入力ポートＰＤＢの圧力とが交互に高低を繰り返す。この場合には、切換え弁１８を経由したプレフィル弁１４のパイロット圧が不安定となり、プレフィル弁１４がチャタリングを起こす恐れがある。プレフィル弁１４がチャタリングを起こすと、ロッド１１１の下方への移動が連続しなくなり、移動と停止とを交互に繰り返すことが発生する。

カウンターバランス弁３１は、シャトル弁１９の動作を安定化し、このような不安定な動作が生じるのを防止する。このような不安定な動作が生じる可能性がない場合には、カウンターバランス弁３１を省略してもよい。

また、ポンプ１２の給排ポートＰＢと油圧シリンダ１１のポートＰＴＣとの間に、切換え弁２４が設けられる。ポンプ１２の給排ポートＰＢから復動側シリンダ室ＣＡに圧油を供給するときにのみ、切換え弁２４をオンする。

切換え弁１５とタンク２０との間に、チェック弁２５が設けられる。

上述の実施形態において、油圧シリンダ１１、ポンプ１２、プレフィル弁１４、切換え弁１５，１８、シャトル弁１９、カウンターバランス弁３１、および油圧シリンダ装置１，１Ｂの全体または各部の構成、構造、材質、形状、寸法、個数などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

１，１Ｂ 油圧シリンダ装置（流体圧シリンダ装置）
１１ 油圧シリンダ（流体圧シリンダ）
１２ ポンプ（双方向ポンプ）
１４ プレフィル弁
１５ 切換え弁（高出力切換え弁装置）
１７ 絞り弁（流量調節弁）
１８ 切換え弁（パイロット圧切換え弁）
１９ シャトル弁（チェック弁装置）
１９ａ，１９ｂ チェック弁（チェック弁装置）
３１ カウンターバランス弁
ＡＡ 高速用シリンダ室
ＢＡ 高出力用シリンダ室
ＣＡ 復動側シリンダ室
ＰＡ，ＰＢ 給排ポート

Claims (6)

1. 復動側に復動側シリンダ室が設けられ往動側に高速用シリンダ室および高出力用シリンダ室が設けられた流体圧シリンダと、
   前記流体圧シリンダを往復駆動するために流体を給排する２つの給排ポートを有し、モータによって正方向および逆方向に回転駆動される双方向ポンプと、
   前記双方向ポンプから供給される流体を、選択的に前記高出力用シリンダ室に供給するように切り換えるための高出力切換え弁装置と、
   前記高出力用シリンダ室に対しタンクとの間で大流量の流体の給排を行うように接続されたプレフィル弁と、
   前記プレフィル弁を開くためのパイロット室へのパイロット圧のオンオフを切り換えるためのパイロット圧切換え弁と、
   前記双方向ポンプの２つの前記給排ポートから選択的に流体の供給を受けて前記パイロット切換え弁に対して前記パイロット圧を供給するためのチェック弁装置と、
   を有することを特徴とする流体圧シリンダ装置。
2. 前記チェック弁装置は、シャトル弁からなる、
   請求項１記載の流体圧シリンダ装置。
3. 前記チェック弁装置は、２つのチェック弁からなる、
   請求項１記載の流体圧シリンダ装置。
4. 前記パイロット圧切換え弁は、
   前記パイロット室を、前記チェック弁装置から供給されるパイロット圧または前記タンクのいずれかに接続するように切り換える、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の流体圧シリンダ装置。
5. 前記高出力切換え弁装置は、
   前記高出力用シリンダ室を、前記双方向ポンプの前記高速用シリンダ室に接続される側の前記給排ポートまたは前記タンクのいずれかに接続するように切り換える切換え弁と、
   前記高出力用シリンダ室から前記切換え弁を介して前記タンクに排出される流体の流量を調節する流量調節弁と、
   を有する、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の流体圧シリンダ装置。
6. 前記高速用シリンダ室と前記双方向ポンプの前記高速用シリンダ室に接続される側の前記給排ポートとの間に、管路をオンオフするための切換え弁とカウンターバランス弁３１とが、直列に設けられる、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の流体圧シリンダ装置。

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