JP3569669B2 - 電動空気圧シリンダ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気圧シリンダ、方向制御弁、ポンプ、電動機からなる空気圧シリンダシステムを一体に結合した電動空気圧シリンダに関する。
【0002】
【従来の技術】
空気圧シリンダシステムにおいては、空気圧源と複数個の方向制御弁とを配管を介して連通させ、各方向制御弁と各空気圧シリンダとをさらに配管を介して連通させていた。そのため、配管とそのためのスペースを要し、また方向制御弁と空気圧シリンダとの間の配管中の圧縮空気が完全には利用されず、また空気圧シリンダの応答が抑制されていた。こうした欠点をなくすため、空気圧シリンダ・複動形アクチュエータ、ポンプ、電動機等を一体に結合して電動空気圧シリンダとなし、電動空気圧シリンダ中の配管・連通路を短くし、電動空気圧シリンダを電気配線で接続するだけで空気圧シリンダを作動させることが考えられた(特開昭50−65775号公報、特開昭63−135603号公報参照)。
【0003】
特開昭50−65775号公報記載の電動空気圧シリンダでは、大気から取り入れた空気をポンプ(圧縮機)で圧縮し、方向制御弁を通して空気圧シリンダのヘッド側シリンダ室又はロッド側シリンダ室に流入させ、ピストンを移動させている。また、特開昭63−135603号公報記載の操作駆動装置では、複動形アクチュエータのヘッド側シリンダ室及びロッド側シリンダ室がポンプの吸入側及び吐出側にそれぞれ連通され、ポンプの駆動によりヘッド側シリンダ室とロッド側シリンダ室との間に圧力差が生じて、ロッドが移動する。そして、これらの2従来例では、ポンプの停止時には、空気圧シリンダのヘッド側シリンダ室とロッド側シリンダ室とが同圧になるように構成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来例では、ポンプの停止時には空気圧シリンダのヘッド側シリンダ室とロッド側シリンダ室とが同圧になっており、ピストンを移動させるには、同圧(例えば大気圧)の状態から所定の圧力差のある状態にさせる必要があった。そのため、移送させる空気量が多く、急速移動のためには大型のポンプを必要としていた。
本発明は、電動空気圧シリンダにおいて、ピストン移動後の圧縮空気を保存しておき、その圧縮空気をピストンの移動に利用することを課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、空気圧シリンダ、方向制御弁、ポンプ、電動機が一体に結合された電動空気圧シリンダにおいて、空気圧シリンダのロッド側ポート及びヘッド側ポートが方向制御弁の2つのシリンダ側連通ポートにそれぞれ連通され、方向制御弁の2つのポンプ側連通ポートが双方向形ポンプの2つの流入流出孔にそれぞれ連通され、方向制御弁が停止位置にあるときに、空気圧シリンダのロッド側シリンダ室・ヘッド側シリンダ室の一方のシリンダ室に圧縮空気が充填、保持されているとともに他方のシリンダ室が大気に連通され、方向制御弁が作動位置に切り換えられると、双方向形ポンプが作動して空気圧シリンダのロッド側シリンダ室・ヘッド側シリンダ室の一方のシリンダ室の圧縮空気が他方のシリンダ室へ移送されて、空気圧シリンダのピストンが移動され、ピストンの停止後に他方のシリンダ室に圧縮空気が充填されることを第1構成とする。
本発明は、第1構成において、方向制御弁が作動位置にあるときに、大気中の空気が方向制御弁の空気流入ポートを通って双方向形ポンプに吸込み可能とされることを第2構成とする。
本発明は、空気圧シリンダ、方向制御弁、ポンプ、電動機が一体に結合された電動空気圧シリンダにおいて、空気圧シリンダのロッド側ポート及びヘッド側ポートが方向制御弁の2つのシリンダ側連通ポートにそれぞれ連通され、方向制御弁のポンプ吐出側連通ポート及びポンプ吸込側連通ポートが一方向形ポンプの吐出側孔及び吸込側孔にそれぞれ連通され、方向制御弁が停止位置にあるときに、空気圧シリンダのロッド側シリンダ室・ヘッド側シリンダ室の一方のシリンダ室に圧縮空気が充填、保持されているとともに他方のシリンダ室が大気に連通され、方向制御弁が作動位置に切り換えられると、一方向形ポンプが作動して空気圧シリンダのロッド側シリンダ室・ヘッド側シリンダ室の一方のシリンダ室の圧縮空気が他方のシリンダ室へ移送されて、空気圧シリンダのピストンが移動され、ピストンの停止後に他方のシリンダ室に圧縮空気が充填されることを第3構成とする。
本発明は、第3構成において、方向制御弁が作動位置にあるとき、大気中の空気が方向制御弁の空気流入ポートを通って一方向形ポンプに吸込み可能とされることを第4構成とする。
本発明は、第4構成において、方向制御弁の空気流入ポートとポンプ吸込側連通ポートとの間に逆止弁が連通され、逆止弁が空気流入ポートからポンプ吸込側連通ポートへの空気の流れのみを許し、反対方向への空気の流れを阻止することを第5構成とする。
本発明は、第1〜第5構成において、他方のシリンダ室に圧縮空気が充填され、他方のシリンダ室の圧力が設定値に達すると、方向制御弁が停止位置に切り換えられることを第6構成とする。
なお、本発明において、空気圧シリンダとは、容積式複動アクチュエータを意味し、複動形空気圧シリンダ、ロータリアクチュエータ等を包含することと解釈する。
【0006】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の電動空気圧シリンダの実施の形態第1の構成を示す。実施の形態第1の電動空気圧シリンダは、空気圧シリンダ10、方向制御弁11、双方向形ポンプ12、可逆回転形電動機13からなる空気圧シリンダシステムを一体に結合したものである。図1では、空気圧シリンダ10と一点鎖線内の各機器を配管で連通させた状態が示されているが、ブロックに形成した通路によって各機器を連通させてもよい。
【0007】
方向制御弁11は、4位置5ポート方向制御弁であり、シリンダ側連通ポート2,4、ポンプ側連通ポート1,3、空気流入ポート5を有する。方向制御弁11の機能は、図1の記号に示す通りであり、位置▲1▼(右端位置)及び位置▲3▼(左端位置)が作動位置であり、位置▲2▼(右から2番目の位置)及び位置▲4▼(左から2番目の位置)が停止位置である。作動位置では圧縮空気を空気圧シリンダ10へ流してピストン18を移動させ、停止位置ではピストン18を停止させる。
【0008】
位置▲1▼では、ポート1と2とが連通され、かつポート3と4とが連通され、ポート5は逆止弁を介してポート3と4との連通路に連通され、この逆止弁は空気流入ポート5からポート3への空気の流れのみを許し、反対方向への空気の流れを阻止する。位置▲2▼では、ポート2が閉鎖され、ポート1,3,4,5は相互に連通されている。
【0009】
位置▲3▼では、ポート3と4とが連通され、かつポート1と2とが連通され、ポート5は逆止弁を介してポート1と2との連通路に連通され、この逆止弁は空気流入ポート5からポート1への空気の流れのみを許し、反対方向への空気の流れを阻止する。位置▲4▼では、ポート4が閉鎖され、ポート1,2,3,5は相互に連通されている。方向制御弁11は位置決め装置16により位置決めされ、位置決め装置16はコントローラ(+ドライバ)17からの出力信号により制御される。なお、図1ではコントローラ17と各機器とを接続する配線は、原則として省略されている。
【0010】
空気圧シリンダ10のシリンダ孔内にはピストン18が摺動自在に嵌合され、ピストン18にはピストンロッド19が連結されている。空気圧シリンダ10には、ロッド側シリンダ室22に連通されるロッド側ポート20、及びヘッド側シリンダ室23に連通されるヘッド側ポート21がそれぞれ形成されている。空気圧シリンダ10のロッド側ポート20及びヘッド側ポート21は、方向制御弁11のシリンダ側連通ポート2,4に通路38,39によってそれぞれ連通されている。通路38,39には圧力センサ44,45が配設され、圧力センサ44,45の出力信号はコントローラ17に入力されるように接続されている。
【0011】
双方向形ポンプ12は可逆回転形電動機13により駆動され、可逆回転形電動機13の駆動はコントローラ17からの出力信号により制御される。双方向形ポンプ12には流入流出孔25,26が形成され、流入流出孔25,26は通路40,41によって方向制御弁11のポンプ側連通ポート1,3にそれぞれ連通されている。なお、可逆回転形電動機13を右回転させると双方向形ポンプが右回転し、流入流出孔26から吸い込んだ流体が流入流出孔25から吐出され、その逆回転のときは逆方向に流体が流れるようにされている。
【0012】
図1,図3を参照して、本発明の実施の形態第1の作動について説明する。長時間休止後の初期状態(方向制御弁11は位置▲2▼にある)において、空気圧シリンダ10のロッド側シリンダ室22及びヘッド側シリンダ室23の圧力はともに大気圧である。初期充填をするため、時点T1 において、コントローラ17からの制御信号により、方向制御弁11が位置▲1▼に切り換えられ、同時に可逆回転形電動機13が右回転駆動させられる。
【0013】
双方向形ポンプが右回転し、流入流出孔26から吸い込んだ空気を流入流出孔25から吐出しようとするので、空気圧シリンダ10のヘッド側シリンダ室23の空気はヘッド側ポート21、通路39、方向制御弁11のポート4・連通路・ポート3、通路41を通ってポンプ12の流入流出孔26から吸い込まれる。ヘッド側シリンダ室23の空気が大気圧未満になると、空気が方向制御弁11の空気流入ポート5・逆止弁・連通路・ポート3、通路41を通って流入流出孔26から吸い込まれる。
【0014】
ポンプ12の流入流出孔25から吐出される圧縮空気は、通路40、方向制御弁11のポート1・連通路・ポート2、通路38、ロッド側ポート20を通って空気圧シリンダ10のロッド側シリンダ室22に流入、充填される。空気圧シリンダ10のピストン18は左ストローク端(後退位置)に位置し、ロッド側シリンダ室22の圧力は、図3に示されているように、大気圧から徐々に上昇し、時点T2 においてP1 (設定値)になる。このとき、ロッド側シリンダ室22の圧力P1 が圧力センサ44により検出され、圧力センサ44からの圧力P1 値の出力信号がコントローラ17に入力される。
【0015】
圧力P1 の入力信号に応答して、コントローラ17から、電動機13の制御部に停止信号が出力されると同時に、方向制御弁11の位置決め装置16に位置▲2▼への切換信号が出力される。電動機13・ポンプ12が直ちに停止し、方向制御弁11が位置▲1▼から位置▲2▼に切り換えられる。位置▲2▼において、方向制御弁11のシリンダ側連通ポート2はブロックされているので、ロッド側シリンダ室22及び通路38の圧力がP1 に保持されている。また、方向制御弁11のポート1,3,4,5が相互に連通されているので、空気圧シリンダ10のヘッド側シリンダ室23等の圧力が大気圧となる。初期充填(時間T2 −T1 )は、ピストン18の停止時に行われるので、相当長くすることが可能であり、小形ポンプを用いてゆっくり初期充填を行うことができる。なお、後述の補給充填も、ピストン18の停止時に行われるので、長い時間をかけることが可能である。
【0016】
ピストン18を前進(押出駆動)させたいときは、時点T3 で、コントローラ17からの出力信号により、電動機13を左回転駆動させ、同時に方向制御弁11を位置▲2▼から位置▲3▼へ切り換える。双方向形ポンプ12が左回転し、流入流出孔25から吸い込んだ空気を流入流出孔26から吐出しようとし、また空気圧シリンダ10のロッド側シリンダ室22とヘッド側シリンダ室23との間に圧力差ΔPが存在し、圧力差ΔPによって空気が移動しようとする。
【0017】
空気圧シリンダ10のロッド側シリンダ室22の空気は、ロッド側ポート20、通路38、方向制御弁11のポート2・連通路・ポート1、通路40、ポンプ12の流入流出孔25・26、通路41、方向制御弁11のポート3・連通路・ポート4、通路39、ヘッド側ポート21を通って空気圧シリンダ10のヘッド側シリンダ室23へ還流する。この還流により、ピストンロッド19は前進を開始する。還流は、主としてロッド側シリンダ室22とヘッド側シリンダ室23との間に圧力差ΔPに起因するものであり、ポンプ12の圧縮力は殆ど受けないので、空気は殆ど加熱されない。
【0018】
図3に示すように、還流により時点T3 からヘッド側シリンダ室23の圧力(破線)が急上昇し、ロッド側シリンダ室22の圧力(実線)は少々下降し、時点T3 +aで
〔ヘッド側シリンダ室23の圧力〕−〔ロッド側シリンダ室22の圧力〕=ΔP
となり、ピストン18・ピストンロッド19が前進し、押出駆動される。この状態が継続し、やがてピストン18が右ストローク端に到達して停止し、この時点をT3 +bとする。前進は時点T3 から時点T3 +bにかけて行われる。
【0019】
ピストン18の停止後もポンプ12は回転を継続して、ロッド側シリンダ室22の空気がポンプ12の圧縮作用によりヘッド側シリンダ室23に補給充填され、ヘッド側シリンダ室23の圧力が更に上昇し始める。そして、ロッド側シリンダ室22の断面積はヘッド側シリンダ室23の断面積よりもピストンロッド19の断面積だけ小さいので、ヘッド側シリンダ室23の圧力がP1 に達する前(時点T3 +c)に、ロッド側シリンダ室22の圧力は大気圧未満となる。
【0020】
ロッド側シリンダ室22の圧力が大気圧未満となると、大気中の空気が方向制御弁11の空気流入ポート5・逆止弁・連通路・ポート1、通路40を通って流入流出孔25からポンプ12に吸い込まれ、ポンプ12からの吐出空気はヘッド側シリンダ室23に補給充填される。ヘッド側シリンダ室23の圧力は上昇を続け、時点T4 においてP1 になる。補給充填は、時点T3 +bから時点T4 にかけて行われたこととなる。ヘッド側シリンダ室23の圧力P1 が圧力センサ45により検出され、圧力センサ45からの圧力P1 値の出力信号がコントローラ17に入力される。
【0021】
圧力P1 の入力信号に応答して、コントローラ17から、電動機13の制御部に停止信号が出力されると同時に、方向制御弁11の位置決め装置16に位置▲4▼への切換信号が出力される。電動機13・ポンプ12が直ちに停止し、方向制御弁11が位置▲3▼から位置▲4▼に切り換えられる。方向制御弁11のポート1,2,3,5が相互に連通されているので、空気圧シリンダ10のロッド側シリンダ室22等の圧力が大気圧となる。方向制御弁11のシリンダ側連通ポート4はブロックされているので、ヘッド側シリンダ室23及び通路39の圧力がP1 に保持され、ピストンロッド19にS(ピストン18のヘッド側受圧面積)×圧力P1 の加圧力が発生する。
【0022】
ピストンロッド19を後退させたいときは、時点T5 で、コントローラ17からの出力信号により、電動機13を右回転駆動させ、方向制御弁11を位置▲4▼から位置▲1▼へ切り換える。双方向形ポンプ12が右回転し、流入流出孔26から吸い込んだ空気を流入流出孔25から吐出しようとし、また空気圧シリンダ10のヘッド側シリンダ室23とロッド側シリンダ室22との間に圧力差ΔPが存在し、圧力差ΔPによって空気が移動しようとする。
【0023】
ヘッド側シリンダ室23の圧縮空気が方向制御弁11、ポンプ12、方向制御弁11を通ってロッド側シリンダ室22へ還流してピストンロッド19が後退し、時点T5 +dでロッド側シリンダ室22とヘッド側シリンダ室23との間に所定の圧力差が生じ、ピストンロッド19が後退を続ける。時点T5 +eでピストン18が左ストローク端に達し、補給充填が行われ、時点T6 でロッド側シリンダ室22の圧力がP1 となり、方向制御弁11が位置▲2▼に切り換えられ、電動機13・ポンプ12が停止する。ヘッド側シリンダ室23の圧力は、方向制御弁11が位置▲2▼に切り換えられた後に、大気圧になる。
【0024】
図2は本発明の電動空気圧シリンダの実施の形態第2の構成を示す。実施の形態第2の説明において、実施の形態第1と同じ部材には同一の符号を付す。実施の形態第2では、一方向回転形電動機13A、一方向形ポンプ12Aを用い、それに応じて方向制御弁11Aの機能を変更したものであり、空気圧シリンダ10等の構成及び空気圧シリンダ10の作動は実施の形態第1と同じである。
【0025】
実施の形態第2の方向制御弁11Aは、ポート1〜5、位置▲1▼,▲2▼,▲4▼の機能が実施の形態第1の方向制御弁11と同じであり(ただしポート1はポンプ吐出側連通ポートと称し、ポート3はポンプ吸込側連通ポートと称する)、位置▲3▼の機能のみが方向制御弁11と異なる。位置▲3▼では、ポート1と4とが連通され、かつポート2と3とが連通され、ポート5は逆止弁を介してポート2と3との連通路に連通され、この逆止弁は空気流入ポート5からポート3への空気の流れのみを許し、反対方向への空気の流れを阻止する。そして、一方向回転形電動機13Aは右回転駆動のみを行い、従って一方向形ポンプ12Aは右方向回転のみを行い、常に空気を吸込孔26Aから吸い込み、吐出孔28から吐出する。実施の形態第1のその他の構成は、実施の形態第1の構成と同様である。
【0026】
図2,図3を参照して、本発明の実施の形態第2の作動について説明する。実施の形態第2の空気圧シリンダ10の動きは、図3に示す通り、実施の形態第1と同様である。そして、実施の形態第2の空気の流れは、時点T1 から時点T3 まで及び時点T4 から時点T6 までは実施の形態第1と同様であり、時点T3 から時点T4 までの押出駆動及び補給充填のみが実施の形態第1と異なる。
【0027】
ピストン18を前進(押出駆動)させたいときは、時点T3 で、電動機13Aを右回転駆動させ、同時に方向制御弁11Aを位置▲2▼から位置▲3▼へ切り換える。一方向形ポンプ12Aが右回転し、吸込孔26Aから吸い込んだ空気を吐出孔25Aから吐出しようとし、また空気圧シリンダ10のロッド側シリンダ室22とヘッド側シリンダ室23との間に圧力差ΔPが存在し、圧力差ΔPによって空気が移動しようとする。
【0028】
空気圧シリンダ10のロッド側シリンダ室22の空気は、通路38、方向制御弁11のポート2・連通路・ポート3、通路41、ポンプ12Aの吸込孔26A・吐出孔25A、通路40、方向制御弁11のポート1・連通路・ポート4、通路39を通って空気圧シリンダ10のヘッド側シリンダ室23へ還流し始める。このとき、ピストンロッド19は前進を開始する。
【0029】
時点T3 +aでヘッド側シリンダ室23の圧力とロッド側シリンダ室22の圧力との差がΔPとなり、この圧力差ΔPによりピストン18・ピストンロッド19が前進し、押出駆動される。時点T3 +bでピストン18が右ストローク端に到達して停止し、ピストンロッド19の停止後もポンプ12Aは回転を継続する。ロッド側シリンダ室22の空気がポンプ12Aの圧縮作用によりヘッド側シリンダ室23に補給充填され、ヘッド側シリンダ室23の圧力が更に上昇し始める。
【0030】
ヘッド側シリンダ室23の圧力がP1 に達する前(時間T3 +c)に、ロッド側シリンダ室22の圧力は大気圧未満となる。そして、空気が方向制御弁11の空気流入ポート5・逆止弁・連通路・ポート3、通路41を通って吸込孔26Aからポンプ12Aに吸い込まれ、ポンプ12Aの吐出孔25Aからの吐出空気はヘッド側シリンダ室23に補給充填する。ヘッド側シリンダ室23の圧力は上昇を続け、時点T4 においてP1 になる。実施の形態第2のその他の作動は、実施の形態第1と同様である。
【0031】
【発明の効果】
請求項1,3の電動空気圧シリンダは、ピストンの停止後にロッド側シリンダ室・ヘッド側シリンダ室の他方のシリンダ室に圧縮空気が充填され、空気圧シリンダのピストン停止時に一方のシリンダ室に圧縮空気が充填されており、方向制御弁を作動位置に切り換えたとき、ピストンは充填された圧縮空気を循環させて駆動される。このように、ピストン移動後の圧縮空気を保存しておき、その圧縮空気をピストンの移動に利用される。圧縮空気を循環させて利用するので、圧縮空気の消費が節減され、また空気の加熱が少なくなる。また、圧縮空気の充填はピストンの停止時に行われるので、相当長い時間をかけて充填すればよく、ポンプ及び電動機の小形化、従って電動空気圧シリンダの小形化が実現し、コストが低減する。
請求項2,4,5の電動空気圧シリンダは、方向制御弁が作動位置にあるときに、大気中の空気を吸い込むことができるので、圧縮空気の充填を円滑に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電動空気圧シリンダの実施の形態第1の構成を示す図である。
【図2】本発明の電動空気圧シリンダの実施の形態第2の構成を示す図である。
【図3】本発明の電動空気圧シリンダの実施の形態第1,第2のシリンダ内圧と時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
10 空気圧シリンダ
11 方向制御弁
12 双方向形ポンプ
13 可逆回転形電動機
20 ロッド側ポート
21 ヘッド側ポート
22 ロッド側シリンダ
23 ヘッド側シリンダ
25 流入流出孔
26 流入流出孔
Claims (6)
- 空気圧シリンダ、方向制御弁、ポンプ、電動機が一体に結合された電動空気圧シリンダにおいて、空気圧シリンダのロッド側ポート及びヘッド側ポートが方向制御弁の2つのシリンダ側連通ポートにそれぞれ連通され、方向制御弁の2つのポンプ側連通ポートが双方向形ポンプの2つの流入流出孔にそれぞれ連通され、方向制御弁が停止位置にあるときに、空気圧シリンダのロッド側シリンダ室・ヘッド側シリンダ室の一方のシリンダ室に圧縮空気が充填、保持されているとともに他方のシリンダ室が大気に連通され、方向制御弁が作動位置に切り換えられると、双方向形ポンプが作動して空気圧シリンダのロッド側シリンダ室・ヘッド側シリンダ室の一方のシリンダ室の圧縮空気が他方のシリンダ室へ移送されて、空気圧シリンダのピストンが移動され、ピストンの停止後に他方のシリンダ室に圧縮空気が充填されることを特徴とする電動空気圧シリンダ。
- 方向制御弁が作動位置にあるときに、大気中の空気が方向制御弁の空気流入ポートを通って双方向形ポンプに吸込み可能とされる請求項1の電動空気圧シリンダ。
- 空気圧シリンダ、方向制御弁、ポンプ、電動機が一体に結合された電動空気圧シリンダにおいて、空気圧シリンダのロッド側ポート及びヘッド側ポートが方向制御弁の2つのシリンダ側連通ポートにそれぞれ連通され、方向制御弁のポンプ吐出側連通ポート及びポンプ吸込側連通ポートが一方向形ポンプの吐出側孔及び吸込側孔にそれぞれ連通され、方向制御弁が停止位置にあるときに、空気圧シリンダのロッド側シリンダ室・ヘッド側シリンダ室の一方のシリンダ室に圧縮空気が充填、保持されているとともに他方のシリンダ室が大気に連通され、方向制御弁が作動位置に切り換えられると、一方向形ポンプが作動して空気圧シリンダのロッド側シリンダ室・ヘッド側シリンダ室の一方のシリンダ室の圧縮空気が他方のシリンダ室へ移送されて、空気圧シリンダのピストンが移動され、ピストンの停止後に他方のシリンダ室に圧縮空気が充填されることを特徴とする電動空気圧シリンダ。
- 方向制御弁が作動位置にあるとき、大気中の空気が方向制御弁の空気流入ポートを通って一方向形ポンプに吸込み可能とされる請求項3の電動空気圧シリンダ。
- 方向制御弁の空気流入ポートとポンプ吸込側連通ポートとの間に逆止弁が連通され、逆止弁が空気流入ポートからポンプ吸込側連通ポートへの空気の流れのみを許し、反対方向への空気の流れを阻止する請求項4の電動空気圧シリンダ。
- 他方のシリンダ室に圧縮空気が充填され、他方のシリンダ室の圧力が設定値に達すると、方向制御弁が停止位置に切り換えられる請求項1〜5のいずれかひとつの電動空気圧シリンダ。
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