JP4635084B2 - シリンダー装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダー装置に関する。詳しくは、ピストンロッドが突出したシリンダーチューブの端に、前記ピストンロッドが内部を摺動自在に動くように連結されたチューブを備えたシリンダー装置において、「シリンダーチューブの軸に直進する方向だけでなく‘全方位に’自在に力を伝達することが可能な」シリンダー装置に関する。

円筒の内部をピストンが往復して所要の仕事をするシリンダー装置は、主に人の力による仕事の代替え機器として大いに進展してきた。
シリンダー装置は、単動型と複動型に大別されて、様々な大きさや用途のものがあるが、ピストンロッドに発生する力は押す力と引く力の直進性のものであった。
このように、今迄、蒸気機関などのピストンエンジンより発したピストンロッドは、直進が常識であり、ピストンロッドの仕事口を任意の場所に移動出来るという発想は革命的であり、直進ロッドを肯定した上でシリンダロッドエンド、シリンダジョイントを考案対処して来た。
具体的には、シリンダー装置を設置した後、周辺機器類に接続して力を伝達するために、周辺機器類との接続を可能とするアダプター的な装置を考案し対処してきた。
大方の製造業の機器組立ラインは、主力をシリンダーに求め諸機器と複合され且つ作業者スペースを取り設計され、（１）なるべく短いラインの長さであること、（２）シリンダーは押す力と引く力の直進力であり、軸芯合わせ、平行度合わせ且つしなやかなリンクモーション等が求められる。よってシリンダジョイントやシリンダロッドエンド等により対処してきた。
これらの装置は、連結による機械的な無理を１００％吸収出来る物ではなく、クッション的なもので結果ラインの短寿命化をきたすもので、設計段階でシリンダーの設置位置とラインの長さは一番苦心するところであった。

そこで、シリンダーにより発生する力を、直進方向以外の方向に直接、力を伝達して利用することが可能なシリンダー装置の開発が望まれていたが、このようなシリンダー装置の開発は、直進方向以外の方向に力を伝達して利用することを可能とするピストンロッドの開発が困難であるとの理由から、難しい状況にあった。
また、シリンダーから突出する‘ピストンロッドの角度’を調節することができるシリンダー装置は存在したが（例えば、特許文献１参照）、全方位に自在に力を伝達するには、程遠いものであった。

特開２００２−２２７８０５号公報

本発明は、上記の課題を解決し、「シリンダーチューブの軸に直進する方向だけでなく‘全方位に’自在に力を伝達することが可能な」シリンダー装置を提供すること目的とする。

まず、本発明者は、ピストンロッド全体に柔軟性を持たせ、全方位に自在に方向付け出来る様にしておき、その定めた位置を確保して、そこに留まることの出来る様にシリンダーチューブから突き出ているピストンロッドを柔軟なチューブで覆う構成を想到した。

そして本発明者は、ピストンロッド全体を、‘しなやか且つ強度を有するもの’にしておき、‘自在に当該チューブの方向を変形可能であり且つ一定の形状を維持できるフレキシブルチューブ’を、前記ピストンロッドが内部を摺動自在に動くように連結することにより、「シリンダーチューブの軸に直進する方向だけでなく‘全方位に’自在に力を伝達すること」が可能になることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。

即ち、請求項１に係る発明は、シリンダーチューブと、前記シリンダーチューブ内に摺動自在に動くように組み込んだピストンと、一端を前記ピストンに固定し且つ他端を前記シリンダーチューブの端の開口部から突出させたピストンロッドと、前記ピストンロッドが突出したシリンダーチューブの端に、前記ピストンロッドが内部を摺動自在に動くように連結されたチューブと、を備えたシリンダー装置において、；前記ピストンロッドが、金属製もしくは樹脂製棒状体に金属針金をコイル状に隙間なく巻き付けることで一体化した、しなやか且つ強度を有するものであり、；前記ピストンロッドを覆うように連結されたチューブが、以下（ａ）〜（ｃ）の特徴を有する、；ことを特徴とするシリンダー装置、に関するものである。
（ａ）自在に当該チューブの方向を変形可能であり且つ一定の形状を維持できるフレキシブルチューブである。
（ｂ）アルミ製の金属チューブ、もしくは、アルミ製の針金をコイル状に隙間なく巻いたチューブ状のものである。
（ｃ）前記ピストンロッドと接する内壁部分に針金をきめ細かく巻いた形状のものである。
また、請求項２に係る発明は、前記ピストンロッドを構成する棒状体が、以下の（ｄ）及び（ｅ）の特徴を有する樹脂製棒状体であり、且つ、前記ピストンロッドを構成する金属針金が、外径が０．３〜０．５ｍｍの硬鋼ニッケルメッキ細針金である、請求項１に記載のシリンダー装置、に関するものである。
（ｄ）外径が３〜８ｍｍである。
（ｅ）形状が丸棒である。
また、請求項３に係る発明は、前記ピストンロッドを構成する棒状体が、以下の（ｆ）及び（ｇ）の特徴を有する金属製棒状体であり、且つ、前記ピストンロッドを構成する金属針金が、外径が０．３〜０．５ｍｍの硬鋼ニッケルメッキ細針金である、請求項１に記載のシリンダー装置、に関するものである。
（ｆ）外径が５〜１０ｍｍである。
（ｇ）硬鋼ニッケルメッキ細材の丸棒を束ねたものである。

本発明は、「シリンダーチューブの軸に直進する方向だけでなく‘全方位に’自在に力を伝達することが可能になる」シリンダー装置を提供することを可能とする。
これにより本発明は、シリンダー装置を設置した後でも、力を伝達する動作部を、周辺機器に自在に接続することが可能となる。
また、本発明は、ピストンロッドの先端部にマウントを取り付けることで、求める作業形態に合致する工具を付けることが可能となる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
本発明において、「シリンダーチューブの軸に直進する方向だけでなく‘全方位に’自在に力を伝達する」ことが可能にするためには、‘自在に当該チューブの方向を変形可能であり且つ一定の形状を維持できるフレキシブルチューブ’を、前記ピストンロッドが内部を摺動自在に動くように連結する、ことを要するものである。

図１は、本発明におけるシリンダー装置の一実施形態の縦断面説明図であって、（Ａ）は非加圧時、（Ｂ）は加圧時の状態をそれぞれ示している。
本発明のシリンダー装置は、ピストン１と、ピストンロッド２と、フレキシブルチューブ３と、シリンダーチューブ４と、ロッドカバー６、ヘッドカバー７、マウント８と、から主になる。
次に、図２は、図１の一部拡大図であって、ピストンロッド２として、樹脂製筒状体２１（中空樹脂）の中空内部に金属製棒状体２２（鋼丸棒の束）を配置したものを示している。
また、図３は、図２のＡ-Ａ断面図であり、図４は、図２のＢ-Ｂ断面図である。

シリンダーチューブ４の一端はヘッドカバー７で、他端はロッドカバー６で、それぞれ被われた構造となっている。そして、当該チューブ内には、ピストン１がシリンダーの軸方向に摺動自在に動くように組み込んである。
ヘッドカバー７の中央部に開口部があり、当該開口部を介して加圧した気体を流入させることで、シリンダーチューブ内を加圧することができる。加圧時には、図１Ｂで示すように、ピストンをロッドカバー６側に移動させることができる。

ピストン１は、両側をバンパー１０で挟まれた構造になっている。また、気密性を得るために、シリンダーチューブ４の内壁と接するようなピストンパッキン９が組み込まれている。そして、ロッドカバー６側には、ピストンロッド２を固定するために、ロッド固定部５が、備えられている。
なお、ピストン１とシリンダーチューブ４の内壁は、気密性が確保されつつ、且つ、摩擦が少なく内壁に接するものであり、摺動自在に動くような構成のものである。

ピストン１とロッドカバー６とに挟まれる位置には、スプリング１１が組み込まれている。図１Ｂで示すように、シリンダーチューブ内の加圧により、ピストン１をロッドカバー６側に移動すると当該スプリング１１が収縮するが、収縮したスプリング１１の張力によって、ピストン１を再びヘッドカバー７の方向に移動させることができる。
従って、当該シリンダーチューブ４内におけるピストン１の往復運動は、上記ヘッドカバー７の中央部からの加圧による移動と、当該スプリング１１の張力による移動が、連続的に行われることで、なされるものである。
なお、ピストン１に備えられたバンパー１０は、この往復運動における、スプリング１１とヘッドカバー７との衝撃を吸収する構造になっている。

ピストンロッド２は、一端を前記ピストン１（ロッド固定部５によって）に固定されている。また、他端は、シリンダーチューブの端の開口部（前記ロッドカバー６の中央部の開口部）から突出したものである。
なお、ロッドカバー６の開口部のうち、ピストンロッド２と接する内壁部分は、往復運動を阻害しないよう、樹脂製筒状体の外周面にはロッドカバー６に至る長さの縦溝を複数形成することにより、摩擦を少なくして発熱を最小限とすることが望ましい。

本発明のシリンダー装置におけるピストンロッド２は、「しなやか且つ強度を有するもの」であることを要する。
ここでの「しなやかさ」とは、ロッド全長の約半分程の所から折り曲げて、ロッドの進行方向の反対側にマウントを持ってきても（例えば、Ｕ字型に折り曲げても）、スムースにロッドが動作するしなやかさば有る。例えば、このＵ字型に折り曲げられるしなやかさを使い、ロボットの両腕において動作する指先の動きである、握る、押す、引く、握りを離す、握った物を落とす、方向を転換する、物を突き上げる、下げる等々の精密な作業を行うことが可能となる。
また、「強度を有する」とは、各種用途のシリンダーにおける各ピストンロッドに求められる強度（安定した作業を可能にする強度）を有するものであればよい。

具体的には、ピストンロッド２としては、図５に示すように「樹脂製筒状体２１の中空内部に金属製棒状体２２を配置して一体化したもの」を用いることができる。
図５は、ピストンロッドの一態様を示す説明図である。
ここで、「樹脂製筒状体２１」とは、滑りやすく、耐熱性が高く、柔軟で折れにくく、耐シリコン性があるものであれば良い。材質としては、エンジニアリングプラスチックなどのものを挙げることが出来るが、好ましくはポリアミド（ナイロン）のガラス入りを用いることが望ましい。形状としては中空の丸棒を用いることができる。また、外径としては、５〜１０ｍｍのものが、しなやかさの点で（特に前記ロボットの指先のような作業に使用する場合に）好ましい。
「金属製棒状体２２」は、樹脂製筒状体２１と合体させ、共にしなやかに動作する必要があり、折れにくいが柔軟性は高いものであれば良い。材質としては、スプリング材の硬鋼ニッケルメッキの細材を用いることが望ましい。形状としては、前記樹脂製筒状体２１の中空部に入る太さの丸棒を用いることが好ましい。また、外径としては、０．３〜０．８ｍｍのものがしなやかさ、折れにくさの点で、好ましい。なお、ここでの金属製棒状体２２としては、‘細い棒状体を束ねた束’を一本の棒状体に相当するものとして用いてもよい。

上記のように図５におけるピストンロッド２は、上記樹脂製筒状体の中空内部に、金属製棒状体を配置して一体化したものであり、‘一体化したピストンロッド２全体’として、しなやか且つ強度を有するものであればよい。（例えば、樹脂製筒状体２１や金属製棒状体２２が、‘単体では、しなやかさや強度を欠くもの’であっても構わない。）
なお、ここで一体化とは、まったく性質、性能が異なる材質を複合して（例えば接着等の固定化して）一体化し、柔軟でありながら強靱且つ復元力が強く、耐久性能をより高めたものを指す。

また、ピストンロッド２としては、図６（Ａ）に示すように「樹脂製棒状体２４に金属針金２３をコイル状に隙間なく巻き付けることで一体化したもの」であっても用いることができる。また、図６（Ｂ）に示すように「金属製棒状体２５に金属針金２３をコイル状に隙間なく巻き付けることで一体化したもの」であっても用いることができる。
図６は、ピストンロッドの他の態様を示す説明図である。
図６（Ａ），（Ｂ）で示すピストンロッド２の態様は、各作業現場での雰囲気での使用態様に好適な芯を用いることができる。
例えば、狭いスペースの内（具体的には、医療現場等の各種機器類の密集する中など）で使用のように、よりしなやかさを求められる環境で使用する場合、樹脂製棒状体２４を芯として用いることが好ましい。
また、シリコン系溶剤が使用されている可能性のある現場や対象物に重量がある場合、金属製棒状体２５を芯として用いることが好ましい。

ここで、「樹脂製棒状体２４」としては、よりしなやかさを求められる場合に使用するもので、材質としては、ポリアミド（ナイロン）ガラス入りでないものなど、特に柔軟性の高いものが望ましい。形状としては丸棒を用いることが好ましい。外径としては、３〜８ｍｍのものが柔軟性の点で、好ましい。尚シリコン系溶剤の使用がまったくない現場で使用出来る工法である。
また、「金属製棒状体２５」としては、シリコン系溶剤使用の可能性が高く、対象物が重く、ピストンロッドの負荷が高い場合に使用するもので、強靱なものが良い。材質としては、スプリング材の硬鋼ニッケルメッキの細材をもっと細いもので巻き付けて束ねスプリング性能を引き出す物である。形状としては丸棒を用いることが好ましい。外径としては、５〜１０ｍｍのものが強靱さにおいて好ましい。なお、ここでの金属製棒状体としては、‘細い棒状体を束ねた束’を一本の棒状体に相当するものとして用いてもよい。
そして、「金属針金２３」としては、バネ性能が高く、錆びにくく、強靱であればよく、材質としては、スプリング材各種のものを挙げることができるが、好ましくは、シリンダーのスプリングとして高い評価を得ている、硬鋼ニッケルメッキ細針金を用いることが望ましい。また、外径としては、０．３〜０．５ｍｍのもの、好ましくは０．５ｍｍのもの、が摩擦によるすり減り、切断に対処出来る点で、好ましい。

上記したように、図６におけるピストンロッド２は、金属製もしくは樹脂製棒状体に金属針金をコイル状に隙間なく巻き付けることで一体化したものであり、‘一体化したピストンロッド２全体’として、しなやか且つ強度を有するものであればよい。（例えば、樹脂製棒状体２４や金属製棒状体２５が、‘単体では、しなやかさや強度を欠くもの’であっても構わない。）
なお、ここで一体化とは、まったく性質、性能が異なる材質を複合して一体化し、柔軟でありながら強靱且つ復元力が強く、耐久性能をより高めたものを指す。

本発明のシリンダー装置において、フレキシブルチューブ３は、前記ピストンロッド２が突出したシリンダーチューブの端に連結されており、前記ピストンロッド２が内部を摺動自在に動くような構造を有するチューブである。
また、本発明のシリンダー装置におけるフレキシブルチューブ３は、「自在に当該チューブの方向を変形可能であり且つ一定の形状を維持できる」性質を有するものである。

フレキシブルチューブ３としては、アルミ製の金属チューブ、アルミ製の針金をコイル状に隙間なく巻いたチューブ状のもの、プラスチックで形成したもの等、を使用すれば、‘自在に当該チューブの方向を変形可能であり且つ一定の形状を維持できるもの’を用いることができる。
好ましくは、アルミ製の金属チューブ、アルミ製の針金をコイル状に隙間なく巻いたチューブ状のもの、を用いることができる。

例えば、「アルミ製の金属チューブ」の場合、‘アルミの板材を細かくしたものを、一定間隔で蛇腹状に巻き付けた物’を用いることで、その間隔が負荷される力で変化することがないので、加えられた力による変形は崩れることなく維持され、安心して用いることができる。
また、「アルミ製の針金をコイル状に隙間なく巻いたチューブ状のもの」の場合、安定した形状保持力を考えて、例えば、アルミ製の針金としては、外径２〜３ｍｍ、好ましくは約２．５ｍｍ、のものを、コイル状に隙間なく巻いてチューブ状にしたものを、用いることが、できる。
なお、フレキシブルチューブ３のピストンロッド２と接する内壁部分（もしくはコイル状に巻いた内側）は、往復運動を阻害しないよう、針金をきめ細かく、重ね巻きにならない様にして摩擦が少ない形状にして、発熱を最小限にとどめる配慮をしてあることが望ましい。

フレキシブルチューブ３の、シリンダーチューブの端に連結された側とは反対側の端には、チューブ止め１２が具備されている。チューブ止め１２の中央部には、開口部があり、当該開口部を突出したピストンロッド２の端は、マウント８と接続することができる。
なお、ピストンロッド２とフレキシブルチューブ３の長さは、図１Ａに示すようなスプリング開放時（加圧しない状態）において、マウント８がチューブ止め１２と接する位置にあること（ピストンロッド２が剥き出しにならないこと）が、工場内雰囲気等の腐食や錆び防止の観点におけるピストンロッドの強度維持の点で好ましい。

上記構成により、本発明のシリンダー装置は、「シリンダーチューブの軸に直進する方向だけでなく‘全方位に’自在に力を伝達する」ことを可能となり、例えば、図１の点線部分で示すように、フレキシブルチューブ３を自在に曲げて、用いることが可能となる。
そして、これにより本発明は、シリンダー装置を設置した後でも、力を伝達する動作部を、周辺機器に自在に接続することが可能となる。
具体的には、当該マウント８に、求める作業形態に合致する工具を付けることで、様々な用途への応用、例えば、人の両腕とその指先に代替えするロボットの装置として搭載すれば、最適の場所に指先をセット出来、物品をつかみ、引き出し、離す工具をマウントしておけば、全自動化のロボット役を担うことが可能となる。

なお、本発明のシリンダー装置の実施形態としては、既存のシリンダーに取り付けた形態であってもよい。
具体的には、図７のシリンダー装置が示すように、「ヘッドカバー７’の中央部の開口部から、既存のシリンダーａのピストンロッドａ２の一端が挿入されて、本発明のシリンダー装置のピストン１と連結されたもの」、であってもよい。
図７は、既存のシリンダーに取り付けた形態を示す、本発明におけるシリンダー装置の他の実施形態の縦断面説明図である。
なお、図７における当該シリンダー装置は、‘連結された既存のシリンダーａのピストンロッドａ２が、ピストン１を押すことによる移動’と‘本発明のシリンダーのスプリング１１の張力により戻る移動’との往復運動が、連続的に行われるものである。

本発明は、シリンダー装置を設置した後でも、力を伝達する動作部を、周辺機器に自在に接続することが可能となるシリンダー装置を提供する。
そして、本発明のシリンダーをコンパクト化して複数搭載しておくことで、シーケンス制御で人の手による繰り返し作業に替わるロボットの分野において、まったく新規な方面において活用できるシリンダー装置を提供することも可能となる。
また、本発明は、大型シリンダーを大馬力で運転してカシメ等が発生した場合に、少し動かす、方向をずらす、送る、引く、傾ける、回転させる等の調節を行うこと（ソフト面の上での利用）も可能とする。

本発明におけるシリンダー装置の一実施形態の縦断面説明図であって、（Ａ）は非加圧時、（Ｂ）は加圧時の状態をそれぞれ示している。 図１の一部拡大図であって、ピストンロッド２として、中空樹脂（樹脂製筒状体）の中空内部に金属製棒状体（鋼丸棒の束）を配置したものを示している。 図２のＡ-Ａ断面図である。 図２のＢ-Ｂ断面図である。 ピストンロッドの一態様を示す説明図である。 ピストンロッドの他の態様を示す説明図である。 本発明におけるシリンダー装置の他の実施形態の縦断面説明図である。

符号の説明

１：ピストン
２：ピストンロッド
３：フレキシブルチューブ
４：シリンダーチューブ
５：ロッド固定部
６：ロッドカバー
７：ヘッドカバー
７’：ヘッドカバー
８：マウント
９：ピストンパッキン
１０：バンパー
１１：スプリング
１２：チューブ止め
１３：マウントナット工具止め
２１：樹脂製筒状体
２２：金属製棒状体
２３：金属針金
２４：樹脂製棒状体
２５：金属製棒状体

Claims (3)

1. シリンダーチューブと、前記シリンダーチューブ内に摺動自在に動くように組み込んだピストンと、一端を前記ピストンに固定し且つ他端を前記シリンダーチューブの端の開口部から突出させたピストンロッドと、前記ピストンロッドが突出したシリンダーチューブの端に、前記ピストンロッドが内部を摺動自在に動くように連結されたチューブと、を備えたシリンダー装置において、；前記ピストンロッドが、金属製もしくは樹脂製棒状体に金属針金をコイル状に隙間なく巻き付けることで一体化した、しなやか且つ強度を有するものであり、；前記ピストンロッドを覆うように連結されたチューブが、以下（ａ）〜（ｃ）の特徴を有する、；ことを特徴とするシリンダー装置。
   （ａ）自在に当該チューブの方向を変形可能であり且つ一定の形状を維持できるフレキシブルチューブである。
   （ｂ）アルミ製の金属チューブ、もしくは、アルミ製の針金をコイル状に隙間なく巻いたチューブ状のものである。
   （ｃ）前記ピストンロッドと接する内壁部分に針金をきめ細かく巻いた形状のものである。
2. 前記ピストンロッドを構成する棒状体が、以下の（ｄ）及び（ｅ）の特徴を有する樹脂製棒状体であり、且つ、前記ピストンロッドを構成する金属針金が、外径が０．３〜０．５ｍｍの硬鋼ニッケルメッキ細針金である、請求項１に記載のシリンダー装置。
   （ｄ）外径が３〜８ｍｍである。
   （ｅ）形状が丸棒である。
3. 前記ピストンロッドを構成する棒状体が、以下の（ｆ）及び（ｇ）の特徴を有する金属製棒状体であり、且つ、前記ピストンロッドを構成する金属針金が、外径が０．３〜０．５ｍｍの硬鋼ニッケルメッキ細針金である、請求項１に記載のシリンダー装置。
   （ｆ）外径が５〜１０ｍｍである。
   （ｇ）硬鋼ニッケルメッキ細材の丸棒を束ねたものである。

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