JP6119055B2 - 流体圧シリンダ - Google Patents

Description

本発明は、圧力流体の供給作用下にピストンを軸線方向に沿って変位させる流体圧シリンダに関する。

従来から、ワーク等の搬送手段として、例えば、圧力流体の供給作用下に変位するピストンを有した流体圧シリンダが用いられている。

このような流体圧シリンダでは、近年、省エネルギー化の観点から使用する圧力流体の消費量を低減したいという要請がある。このような要請に対応するために、例えば、特開平８−４２５１１号公報に開示された流体圧シリンダでは、圧力流体を供給する供給部と２つのシリンダ室とが切換弁を介して接続され、ピストンを一方向に変位させる場合には、切換弁の切換作用下に一方のシリンダ室に圧力流体供給源から所望の圧力で圧力流体を供給することにより前記ピストンを変位させ、それに伴って、ピストンロッドをシリンダボディの内部に収納されるように変位させる。

一方、ピストンを他方向に変位させる場合には、切換弁を切り換えることで前記一方のシリンダ室の圧力流体を他方のシリンダ室へと供給し、一方のシリンダ室に臨むピストンの一端面に対して受圧面積の大きな前記ピストンの他端面を介してピストンが他方向へと押圧され変位する。このように、通常、外部に排気している圧力流体を利用してピストンを他方向へ変位させることで、前記圧力流体の消費量を低減している。

上述したような流体圧シリンダでは、ピストンロッドをシリンダボディの内部に収納させる引張時に圧力流体の供給作用下にピストン及びピストンロッドを作動させ、反対に、前記ピストンロッドを前記シリンダボディから突出させる押出時には一方のシリンダ室から排気された圧力流体を利用してピストン及びピストンロッドを作動させている。しかしながら、例えば、流体圧シリンダでワーク等を搬送する場合には、ピストンロッドの押し出し動作によってシリンダチューブから離間させる方向に搬送させることがある。このような場合、押圧側にピストンを変位させる際の圧力流体の圧力は、排気された圧力流体であるため、前記ワークをピストンロッドで押し出すための十分な推力が得られない。そのため、この流体圧シリンダでは、圧力流体の消費量を低減することは可能であるが、ワーク等を所望の推力によって変位させることが困難である。

本発明の一般的な目的は、ピストンを変位させるための圧力流体の消費量を低減して省エネルギー化を図りつつ、前記ピストンを所望の推力で確実且つ高精度に変位させることが可能な流体圧シリンダを提供することにある。

本発明は、圧力流体が供給される一組のポートと、該ポートから前記圧力流体の導入される一組のシリンダ室とを有するシリンダ本体と、
前記シリンダ室の内部に軸方向に沿って変位自在に設けられるピストンと、
前記ピストンの一端面側に連結される第１ロッドと、前記ピストンの他端面側に連結される第２ロッドとを有し、前記シリンダ本体に変位自在に支持されるピストンロッドと、
を備え、
前記ピストンの一端面側に形成され、一方のシリンダ室に臨む第１受圧面と、前記ピストンの他端面側に形成され、他方のシリンダ室に臨み前記第１受圧面に対して面積の大きな第２受圧面とを備え、前記一方のシリンダ室に圧力流体が供給されることで前記ピストン及び前記第２ロッドが一方側に変位し、前記一方のシリンダ室の圧力流体が前記他方のシリンダ室へ供給されることで前記ピストン及び前記第１ロッドが他方側に変位し、前記第１及び第２ロッドが前記ピストンに対してそれぞれ着脱自在に設けられることを特徴とする。

本発明によれば、流体圧シリンダを構成するピストンにおいて、シリンダ本体の一方のシリンダ室に臨み、前記圧力流体の圧力が付与される第１受圧面と、他方のシリンダ室に臨み、前記第１受圧面に対して面積の大きく形成される第２受圧面とを備え、一方のシリンダ室に圧力流体を供給することで、第１受圧面を前記ピストン及び第２ロッドを一方側に向かって変位させ、一方、一方のシリンダ室の圧力流体を他方のシリンダ室へと供給することで、前記ピストン及び第１ロッドを他方側へと変位させる。

従って、ピストンを他方側へと復帰させる際、圧力流体は面積の大きく形成された第２受圧面を介して前記ピストンを押圧することで、該ピストン及び第１ロッドを確実に前記他方側に向かって変位させることができる。

その結果、ピストンを一方側へと変位させる場合には、圧力流体供給源から供給される圧力流体によって所望の推力で変位させることが可能であり、前記ピストンを他方側へと復帰させる場合には、他方のシリンダ室に新たに圧力流体を供給する場合と比較して前記圧力流体の消費量を低減でき、省エネルギー化を図ることが可能となる。

上記の目的、特徴及び利点は、添付した図面を参照して説明される以下の実施の形態の説明から容易に諒解されるであろう。

図１は、本発明の実施の形態に係る流体圧シリンダの全体断面図である。 図２は、図１の流体圧シリンダにおいてピストンが第１エンドカバー側に変位して当接した初期位置にある状態を示す全体断面図である。 図３は、図１の流体圧シリンダにおいてピストンが第２エンドカバー側に変位して当接した変位終端位置にある状態を示す全体断面図である。 図４は、図１の流体圧シリンダ、該流体圧シリンダに対する圧力流体の供給状態を切り換える切換機構を含む回路図である。

この流体圧シリンダ１０は、図１〜図３に示されるように、筒状に形成されたシリンダチューブ１２と、前記シリンダチューブ１２の両端部に装着される第１及び第２エンドカバー１４、１６と、前記シリンダチューブ１２の内部に変位自在に設けられるピストン１８と、前記ピストン１８の中心に連結される第１及び第２ピストンロッド２０、２２とを含む。なお、この流体圧シリンダ１０は、ピストン１８の両端面にそれぞれ一組の第１及び第２ピストンロッド２０、２２の連結された両ロッド式である。

このシリンダチューブ１２は、例えば、断面略矩形状に形成され、その内部には断面円形状のシリンダ孔２４が軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って貫通している。なお、シリンダ孔２４は、シリンダチューブ１２の軸方向に沿って同一断面形状で形成される。

また、シリンダチューブ１２の外周側には、その一端部及び他端部近傍となる位置にそれぞれ供給ポート２６及び排気ポート２８が開口している。そして、供給ポート２６及び排気ポート２８には、図４に示されるように配管３０ａ、３０ｂがそれぞれ接続されると共に、前記配管３０ａ、３０ｂを介して圧力流体の供給状態を切り換える切換機構３２（後述する）が接続される。

第１及び第２エンドカバー１４、１６は、それぞれシリンダチューブ１２の一端部及び他端部においてシリンダ孔２４の内部に装着され、半径外方向に拡径した部位がシリンダ孔２４の段付部にそれぞれ係合された後、係止リング３４を前記シリンダ孔２４の内周面に係合させることにより、前記第１及び第２エンドカバー１４、１６がそれぞれシリンダ孔２４に対して固定される。そして、シリンダチューブ１２において、第１エンドカバー１４とピストン１８との間に第１シリンダ室３６が形成されて供給ポート２６と連通し、第２エンドカバー１６と前記ピストン１８との間に第２シリンダ室３８が形成されて排気ポート２８と連通している。

また、第１及び第２エンドカバー１４、１６の中央部には、それぞれ軸方向に沿って貫通した第１及び第２ロッド孔４０、４２が形成され、前記第１及び第２ロッド孔４０、４２の内周面には、ブッシュ４４及びロッドパッキン４６がそれぞれ装着される。そして、第１及び第２ロッド孔４０、４２には、第１及び第２ピストンロッド２０、２２がそれぞれ挿通され、ブッシュ４４によってそれぞれ軸方向に沿って変位自在に支持されると共に、ロッドパッキン４６が摺接することにより該第１及び第２ピストンロッド２０、２２と第１及び第２エンドカバー１４、１６との間を通じた圧力流体の漏出がそれぞれ防止される。

ピストン１８は、例えば、所定厚さを有した円盤状に形成され、その外周面には環状溝を介してピストンパッキン４８が装着される。そして、ピストンパッキン４８がシリンダ孔２４の内周面に摺接することにより、該ピストン１８とシリンダチューブ１２との間を通じた圧力流体の漏出が防止される。

また、ピストン１８の中央部には、軸方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に沿って貫通した貫通孔５０が形成され、第２ピストンロッド２２の後述する小径部５８が挿通されると共に、第１エンドカバー１４側（矢印Ａ方向）となる一端面には第１ピストンロッド２０の係合される第１段部５２が窪んで形成される。なお、第１段部５２は、貫通孔５０に対して拡径して形成される。

一方、第２エンドカバー１６側（矢印Ｂ方向）となるピストン１８の他端面には、貫通孔５０に対して拡径し、所定深さで窪んだ第２段部５４が形成され、第２ピストンロッド２２が係合される。

第１及び第２ピストンロッド２０、２２は、それぞれ一直線状に形成された軸体からなり、ピストン１８を挟んで同軸上に連結され、前記第１ピストンロッド（第１ロッド）２０が第１エンドカバー１４側（矢印Ａ方向）、前記第２ピストンロッド（第２ロッド）２２が第２エンドカバー１６側（矢印Ｂ方向）となるように設けられる。

第１ピストンロッド２０は、軸方向に沿って略同一直径で形成され、その一端部が第１エンドカバー１４の第１ロッド孔４０に挿通されることで変位自在に支持され、他端部には、第２ピストンロッド２２のねじ部６２が螺合されるねじ孔５６が開口し、ピストン１８の第１段部５２に挿入され係合される。

第２ピストンロッド２２は、その一端部に形成されピストン１８の貫通孔５０に挿通される小径部５８と、他端部側に形成され前記小径部５８に対して大径で形成された大径部６０とからなり、前記小径部５８における先端近傍の外周面にねじの刻接されたねじ部６２を有する。そして、ピストン１８の貫通孔５０に挿通された状態で、第１ピストンロッド２０のねじ孔５６にねじ部６２が螺合されることにより、ピストン１８を挟んで第１ピストンロッド２０と第２ピストンロッド２２とが互いに連結される。この際、第１及び第２ピストンロッド２０、２２は、第１及び第２段部５２、５４を介してピストン１８に係合されているため、互いに同軸上に維持された状態で一体的に連結される。

また、第２ピストンロッド２２の大径部６０は、その一端部がピストン１８の第２段部５４に係合されると共に他端部が第２エンドカバー１６の第２ロッド孔４２に挿通されることで軸方向に沿って変位自在に支持される。

さらに、第１ピストンロッド２０の直径ｄ１は、第２ピストンロッド２２における大径部６０の直径ｄ２に対して大きく形成される（ｄ１＞ｄ２）。そして、第１シリンダ室３６に臨むピストン１８の一端面には第１受圧面１８ａが形成され、第２シリンダ室３８に臨む前記ピストン１８の他端面には第２受圧面１８ｂが形成される。この第２受圧面１８ｂの第２受圧面積Ｓ２が、第１受圧面１８ａの第１受圧面積Ｓ１に対して大きく形成される（Ｓ２＞Ｓ１）。

すなわち、第１ピストンロッド２０の直径ｄ１が、第２ピストンロッド２２における大径部６０の直径ｄ２に対して大きく設定されているため、ピストン１８の直径Ｄとの差分に基づいた第１及び第２受圧面積Ｓ１、Ｓ２は、前記第２受圧面積Ｓ２が前記第１受圧面積Ｓ１に対して大きくなる（Ｄ−ｄ１＜Ｄ−ｄ２）。

次に、流体圧シリンダ１０の供給ポート２６及び排気ポート２８に接続される切換機構３２について図４を参照しながら説明する。

この切換機構３２は、例えば、図示しないコントローラからの制御信号に基づいて流体圧シリンダ１０の供給ポート２６及び排気ポート２８への圧力流体の供給状態を切換可能な５ポート電磁弁６４からなり、圧力流体供給源６６に対して供給配管６８を介して接続される第１ポート７０と、シリンダチューブ１２の排気ポート２８に接続される第２ポート７２と、外部へと連通が遮断された第３ポート７４と、前記シリンダチューブ１２の供給ポート２６に配管３０ａを介して接続される第４ポート７６と、外部と連通した大気開放状態の第５ポート７８とを有する。そして、切換機構３２に対して制御信号の出力されていないオフ状態では、第１ポート７０と第４ポート７６とが接続されることで、圧力流体供給源６６からの圧力流体が供給ポート２６へと供給されると共に、第２ポート７２と第５ポート７８とが接続されることで、排気ポート２８が外部と連通した大気開放状態となる。

一方、図示しないコントローラからの制御信号によって切換機構３２がオン状態に切り換えられた場合には、第１ポート７０と第３ポート７４とが接続されることで、圧力流体供給源６６から流体圧シリンダ１０への圧力流体の供給が遮断され、第２ポート７２と第４ポート７６とが接続されることで、供給ポート２６と排気ポート２８とが連通した状態となる。なお、この切換機構３２は、例えば、供給ポート２６及び排気ポート２８の開口したシリンダチューブ１２の上面に装着される。

本発明の実施の形態に係る流体圧シリンダ１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。なお、ここでは、切換機構３２の切換作用下に第１シリンダ室３６の圧力流体が第２シリンダ室３８へと圧力流体が供給され、図２に示されるように、ピストン１８が第１エンドカバー１４側（矢印Ａ方向）へと変位して当接し、第２ピストンロッド２２がシリンダチューブ１２の内部に収納された状態を初期状態として説明する。

この初期状態において、図示しないコントローラから切換機構３２へ制御信号を入力することで、前記切換機構３２が切り換わり、第１ポート７０と第４ポート７６とが接続されることで圧力流体供給源６６と供給ポート２６とが連通すると共に、第２ポート７２が第５ポート７８と接続され外部と連通した大気開放状態となる。これにより、供給ポート２６から第１シリンダ室３６へと圧力流体が供給され、ピストン１８が第２エンドカバー１６側（矢印Ｂ方向）に向かって押圧されることで変位し、それに伴って、第１及び第２ピストンロッド２０、２２が一体的に変位する。一方、第２シリンダ室３８に残存している圧力流体は、排気ポート２８、配管３０ｂ、第２ポート７２を通じて第５ポート７８から外部へと排気される。

その結果、第２ピストンロッド２２が、第２エンドカバー１６に対して徐々に外側へと突出するように変位し、一方、第１ピストンロッド２０が第１エンドカバー１４を通じて徐々にシリンダチューブ１２の内部に収納されるように変位する。そして、図３に示されるように、ピストン１８の他端面が第２エンドカバー１６に当接することで変位終端位置となり、例えば、前記第２ピストンロッド２２の端部に連結された搬送装置によってワークが所定位置へと搬送される。換言すれば、流体圧シリンダ１０の初期位置から変位終端位置まで変位することにより、第２ピストンロッド２２による押圧力によって図示しないワークを前記流体圧シリンダ１０から離間させる方向（矢印Ｂ方向）へと押し出すように搬送することが可能である。

また、第１ピストンロッド２０を利用した場合には、流体圧シリンダ１０の初期位置から変位終端位置まで変位することにより、第１ピストンロッド２０による引張力によって図示しないワークを前記流体圧シリンダ１０側（矢印Ｂ方向）へと引っ張るように搬送することが可能である。

次に、ピストン１８を第１エンドカバー１４側（矢印Ａ方向）に向かって変位させ、初期位置へと復帰させる場合には、図示しないコントローラから切換機構３２への制御信号の出力を停止させることにより、前記切換機構３２が切り換えられ、第１ポート７０と第３ポート７４とが接続され、圧力流体供給源６６からの圧力流体の供給が前記切換機構３２によって遮断されると共に、第２ポート７２と第４ポート７６とが接続されて連通する。これにより、第１シリンダ室３６内の圧力流体が供給ポート２６、配管３０ａ及び切換機構３２を通じて排気ポート２８から第２シリンダ室３８へと供給される。なお、この場合、第１シリンダ室３６に残存している圧力流体の圧力と、第２シリンダ室３８に供給される圧力流体の圧力とは同圧となる。

そして、第１及び第２シリンダ室３６、３８において、圧力流体によって押圧されるピストン１８の受圧面積は、前記第２シリンダ室３８側となる第２受圧面１８ｂの第２受圧面積Ｓ２が、前記第１シリンダ室３６側となる第１受圧面１８ａの第１受圧面積Ｓ１に対して大きく設定されているため、前記ピストン１８を第１エンドカバー１４側（矢印Ａ方向）に向かって押圧する押圧力が打ち勝ち、それに伴って、前記ピストン１８、第２ピストンロッド２２が前記第１エンドカバー１４側（矢印Ａ方向）に向かって変位することとなる。そして、ピストン１８の一端面が、第１エンドカバー１４に当接することで初期位置へと復帰した状態となる（図２参照）。

この場合、ピストン１８に付与される押圧力は、第１シリンダ室３６から第２シリンダ室３８へと排気された圧力流体であるため、前記ピストン１８を変位終端位置へと移動させる際の押圧力と比較して小さいものとなる。そのため、流体圧シリンダ１０では、初期位置から変位終端位置へとピストン１８を変位させる際の押圧力（引張力）によってワークを搬送し、前記変位終端位置から初期位置へと復帰させる場合には、前記ワークを搬送せずに排気される圧力流体を利用した前記ピストン１８の変位のみを行っている。

以上のように、本実施の形態では、圧力流体の供給作用下にピストン１８を変位させる流体圧シリンダ１０において、該ピストン１８を変位終端位置に向かって変位させる際に圧力流体の供給される第１シリンダ室３６側の第１受圧面１８ａの第１受圧面積Ｓ１を、前記ピストン１８を初期位置へと復帰させる際に圧力流体の供給される第２シリンダ室３８側の第２受圧面１８ｂの第２受圧面積Ｓ２に対して小さく設定している（Ｓ１＜Ｓ２）。これにより、第１シリンダ室３６に供給される圧力流体によってピストン１８を初期位置から変位終端位置へと変位させる際には、前記ピストン１８が所望の押圧力で第２エンドカバー１６側（矢印Ｂ方向）に向かって押圧され、図示しないワークを第２ピストンロッド２２によって所定の押圧力で前記第２エンドカバー１６から離間させる方向（矢印Ｂ方向）に搬送することができ、一方、変位終端位置から初期位置へと復帰させる際、前記第１シリンダ室３６に供給された圧力流体を切換機構３２の切換作用下に第２シリンダ室３８へと供給（排気）することで、第１受圧面積Ｓ１と第２受圧面積Ｓ２の面積差（Ｓ２−Ｓ１）によって前記ピストン１８を初期位置へと復帰させるように押圧して変位させることが可能となる。

このように、ピストン１８を初期位置へと復帰させる際に、第１シリンダ室３６に供給された圧力流体を外部へと排気するのではなく、第２シリンダ室３８に供給してピストン１８の変位に利用することができる。その結果、ピストン１８を変位終端位置から初期位置へと変位させる際に、第２シリンダ室３８に対して新たに圧力流体を供給する場合と比較し、前記圧力流体の消費量を低減でき、省エネルギー化を図ることが可能となる。

換言すれば、ピストン１８において、第１受圧面１８ａの第１受圧面積Ｓ１と、第２受圧面１８ｂの第２受圧面積Ｓ２とに面積差（Ｓ１＜Ｓ２）を設けることで、前記第１及び第２シリンダ室３６、３８に対して同時に圧力流体が供給された場合に、ピストン１８を押圧する押圧力に差を設けることが可能となり、この差によって前記ピストン１８を初期位置側（矢印Ａ方向）へと変位させることができる。

また、流体圧シリンダ１０は、ピストン１８の一端面及び他端面に連結された第１ピストンロッド２０と第２ピストンロッド２２を有した両ロッド式であるため、例えば、図示しないワークを搬送する際に流体圧シリンダ１０から離間させる方向（矢印Ｂ方向）に押圧することで搬送させたい場合には、圧力流体供給源６６からの圧力流体によって押圧側に変位する第２ピストンロッド２２によって前記ワークを押圧することで、所望の押圧力（推力）で確実且つ高精度に搬送させることができる。

一方、ワークを流体圧シリンダ１０側（矢印Ｂ方向）へと引張することで搬送させたい場合には、圧力流体供給源６６からの圧力流体によって引張側に変位する第１ピストンロッド２０によって引張することにより、所望の引張力（推力）で確実且つ高精度に搬送することができる。

すなわち、ワークの搬送方向に応じて一組の第１及び第２ピストンロッド２０、２２のいずれか一方を適宜選択することで、複数の流体圧シリンダを準備することなく所望の推力でワークをで確実且つ高精度に搬送することが可能である。

さらに、ピストン１８を変位終端位置から初期位置へと復帰させる際に必要とされる押圧力は、単に前記ピストン１８を初期位置に向かって押圧して変位させるだけの大きさがあればよく、ワークを搬送するために前記変位終端位置へ変位させる場合に必要とされる押圧力と比較して小さくても構わない。そのため、第１シリンダ室３６から第２シリンダ室３８へと供給（排気）される圧力流体の圧力で、前記ピストン１８を初期位置に向かって十分に変位させることが可能である。

さらにまた、直径の異なる第１及び第２ピストンロッド２０、２２を利用し、第１受圧面積Ｓ１と第２受圧面積Ｓ２との面積差（Ｓ２―Ｓ１）を設定することができるため、第１及び第２ピストンロッド２０、２２の直径を変更することで、初期位置から変位終端位置に向かってピストン１８が変位する際の変位速度（推力）と、前記変位終端位置から前記初期位置へと復帰する際のピストン１８の変位速度（推力）を自在に設定することが可能となる。すなわち、直径の異なる別の第１ピストンロッド２０と第２ピストンロッド２２へと交換することで、ピストン１８の変位速度（推力）を自在に設定可能となる。

なお、本発明に係る流体圧シリンダは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

Claims (4)

1. 圧力流体が供給される一組のポート（２６、２８）と、該ポート（２６、２８）から前記圧力流体の導入される一組のシリンダ室（３６、３８）とを有するシリンダ本体（１２）と、
   前記シリンダ室（３６、３８）の内部に軸方向に沿って変位自在に設けられるピストン（１８）と、
   前記ピストン（１８）の一端面側に連結される第１ロッド（２０）と、前記ピストン（１８）の他端面側に連結される第２ロッド（２２）とを有し、前記シリンダ本体（１２）に変位自在に支持されるピストンロッドと、
   を備え、
   前記ピストン（１８）の一端面側に形成され、一方のシリンダ室（３６）に臨む第１受圧面と、前記ピストン（１８）の他端面側に形成され、他方のシリンダ室（３８）に臨み前記第１受圧面に対して面積の大きな第２受圧面とを備え、前記一方のシリンダ室（３６）に圧力流体が供給されることで前記ピストン（１８）及び前記第２ロッド（２２）が一方側に変位し、前記一方のシリンダ室（３６）の圧力流体が前記他方のシリンダ室（３８）へ供給されることで前記ピストン（１８）及び前記第１ロッド（２０）が他方側に変位し、前記第１及び第２ロッド（２０、２２）が前記ピストン（１８）に対してそれぞれ着脱自在に設けられることを特徴とする流体圧シリンダ。
2. 請求項１記載の流体圧シリンダにおいて、
   前記第１ロッド（２０）の直径が、前記第２ロッド（２２）の直径に対して大きく形成されることを特徴とする流体圧シリンダ。
3. 請求項１又は２記載の流体圧シリンダにおいて、
   前記ポート（２６、２８）には、前記一方のシリンダ室（３６）と前記他方のシリンダ室（３８）との連通状態を切り換える切換機構（３２）が接続されることを特徴とする流体圧シリンダ。
4. 請求項３記載の流体圧シリンダにおいて、
   前記切換機構（３２）は、５ポートを有した切換弁（６４）であることを特徴とする流体圧シリンダ。
   
   
   

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