JP6170635B2 - 多段ピストンアクチュエータ - Google Patents

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Description

本発明は、段数を増減して異なる駆動力を得ることができる多段ピストンアクチュエータに関する。
例えば、流路を開閉する開閉弁には、弁体に開弁方向のばね力を作用させる常開弁と閉弁方向のばね力を作用させる常閉弁がある。弁体に接続されているピストンに、ばね力に抗する方向のエア圧力を作用させることにより閉弁させまたは開弁させるという動作原理は同じである。
このような開閉弁のピストンアクチュエータとして、ピストン体を摺動自在に収納したシリンダを複数段重ねた多段ピストンアクチュエータが提案されている(特許文献1ないし3)。
特開2000-283328号公報 特許第3300686号公報 特開2009-2524号公報
しかし、これら特許文献の多段ピストンアクチュエータは、構造が複雑であってピストン段数の変更が容易ではなく、小型化あるいは軸方向長の短縮が困難であった。
本発明は、従って、構造が簡単でピストン段数の変更が容易であり、しかも小型化及び軸方向長の短縮ができ、かつ定められた外径の中に、より大きな有効受圧面積を確保できる多段ピストンアクチュエータを得ることを目的とする。
本発明は、シリンダ体に嵌めた複数のピストン体の圧力室にばね圧力に抗する駆動圧力を及ぼしてプッシュロッドを動作させる多段ピストンアクチュエータにおいて、上記複数のピストン体はそれぞれ、上記シリンダ体に嵌まるパーティションと組み合わされていて、該ピストン体とパーティションとの間に上記圧力室が形成されていること、上記ピストン体は、受圧板部と、この受圧板部の表裏から反対方向に軸線と同心に延びる、上記圧力室に連通する軸エア通路を有する軸棒と摺動案内筒状部とを有していること、上記パーティションは、隣接するピストン体の上記軸棒を受け入れる貫通孔を有する底板部と、この底板部の表裏の一方から軸線と同心に延びる、上記シリンダ体に嵌まる大径最外筒状部と上記ピストン体の上記摺動案内筒状部と摺動自在に嵌合する摺動案内筒状部を有していること、上記パーティションの上記大径最外筒状部の内周面と上記底板部、及び上記ピストン体の上記受圧板部と上記摺動案内筒状部の外周面の間に大径シール部材が挿入されていること、上記パーティションの上記摺動案内筒状部の内周面と上記底板部、及びピストン体の上記軸棒の外周面との間に小径シール部材が挿入されていること、上記ピストン体の上記摺動案内筒状部は単純円筒形状であって、上記大径シール部材を嵌めるU字状溝が形成されていないこと、及び複数の上記ピストン体の上記軸棒は互いに機械的に当接して上記プッシュロッドを動作させること、を特徴とする
上記大径シール部材(Oリング)と小径シール部材(Oリング)は、少なくとも上記ピストン体とパーティションとの接近位置において、軸方向位置をオーバラップさせることが好ましい。
同様に、上記パーティションの摺動案内筒状部は、上記小径シール部材(Oリング)を嵌めるU字状溝が形成されていない単純円筒形状とすることが好ましい。
同様に、上記ピストン体の軸棒は、上記小径シール部材(Oリング)を嵌めるU字状溝が形成されていない単純棒状とすることが好ましい
本発明によれば、構造が簡単でピストン段数の変更が容易であり、しかも小型化及び軸方向長の短縮ができ、かつ定められた外径の中に、より大きな有効受圧面積を確保できる多段ピストンアクチュエータを得ることができる。
本発明による多段ピストンアクチュエータの一実施形態を示す正面図である。 図1の多段ピストンアクチュエータを流路ブロックに接続して開弁駆動用に用いた状態を示す図1のII−II線に沿う断面図である。 本発明による多段ピストンアクチュエータを流路ブロックに接続して常開型開閉弁の閉弁駆動用に用いた一実施形態を示す、図2に対応する断面図である。 図2中の多段ピストンアクチュエータから3つの積層ピストンアッシを取り出して描いた縦断面図である。図3の多段ピストンアクチュエータでは、図4の積層ピストンアッシの上下が逆となっている。 (A)と(B)は、積層ピストンアッシのピストン本体単体の縦断面図と底面図である。 (A)と(B)は、積層ピストンアッシのパーティション単体の上面図と縦断面図である。
図1及び図2は、本発明による多段ピストンアクチュエータを用いて常閉型開閉弁を構成した実施形態を示し、図3は常開型開閉弁を構成した実施形態を示している。
図1、図2の常閉型開閉弁の駆動源である多段ピストンアクチュエータ100は、金属(例えばアルミ合金)製のシリンダ本体10と、このシリンダ本体10内に順に挿入する、金属製のプッシュロッド20と、複数段(図示例では5段)の積層ピストンアッシ30と、異形ピストンアッシ30’と、閉弁ばね50と、キャップ体(カバー)60とを備えている。シリンダ本体10の端部は、以上の要素を挿入した後、かしめられ、キャップ体60に結合されている。
シリンダ本体10内には、プッシュロッド20を摺動自在に嵌合させる小径定径部12と、積層ピストンアッシ30及び異形ピストンアッシ30’を嵌合させる大径定径部13が形成されており、小径定径部12の外周側に雄ねじ筒14と六角部15が形成されている。小径定径部12には、径方向の排気孔16が形成されている。プッシュロッド20は、外周面に小径定径部12内面と摺接して気密を保持するOリング21を有している。
シリンダ本体10が結合される流路ブロック70は、入口流路71、出口流路72、両流路間の連通路73に設けた弁座74に接離するダイヤフラム75及びダイヤフラム75上に位置するプッシャ76を有し、弁座74及びダイヤフラム75の軸線上に延びるアクチュエータ螺合筒77が形成されている。シリンダ本体10の雄ねじ筒14は、このアクチュエータ螺合筒77に螺合固定される。プッシュロッド20は、その一端部がプッシャ76と対向(接離)する着力端部22を構成し、他端部に、径方向のエア導入溝23が形成されている。
シリンダ本体10の大径定径部13内に挿入された積層ピストンアッシ30と異形ピストンアッシ30’は、閉弁ばね50により、最下方の積層ピストンアッシ30が下降端規制段部18に当接する位置で移動端が規制され、このとき、プッシュロッド20及びプッシャ76を介してダイヤフラム75が弁座74に押圧される。つまり、常閉型開閉弁を構成する。
これに対し常開型開閉弁の駆動源である多段ピストンアクチュエータ100Xは、図3に示すように、金属(例えばアルミ合金)製のシリンダ本体10Xと、このシリンダ本体10X内に順に挿入する、金属製のプッシュロッド20Xと、開弁ばね50Xと、異形ピストンアッシ30”と、複数段(図示例では5段)の積層ピストンアッシ30と、キャップ体(カバー)60Xとを備えている。シリンダ本体10Xの端部は、以上の要素を挿入した後、かしめられ、キャップ体60Xに結合されている。
シリンダ本体10X内には、プッシュロッド20Xを摺動自在に嵌合させる小径定径部12と、開弁ばね50Xの受け座を形成する中径段部17と、異形ピストンアッシ30”及び積層ピストンアッシ30を摺動自在に嵌合させる大径定径部13とが形成されている。小径定径部12の外周には、雄ねじ筒14と六角部15が形成され、六角部15には排気孔16が形成されている。
シリンダ本体10Xの大径定径部13内に挿入された積層ピストンアッシ30と異形ピストンアッシ30”は、開弁ばね50Xにより、最上方の積層ピストンアッシ30がキャップ体60Xに当接する位置で移動端が規制され、このとき、ダイヤフラム75には弁座74側への押圧力が加わらない。つまり、常開型開閉弁を構成する。
以上の多段ピストンアクチュエータ100と100Xに共通に用いられている積層ピストンアッシ30の詳細を図4ないし図6で説明する。積層ピストンアッシ30は、基本形状が軸線CLを中心に回転対称形状のピストン体31とパーティション32及び大小2つの大径Oリング33、小径Oリング34からなっている。ピストン体31は例えば金属(例えばアルミ合金)から構成するもので、図5に単体形状を示すように、軸線CLと直交する受圧板部31aと、受圧板部31aの表裏から反対方向に軸線CLと同心に延びる軸棒31bと摺動案内筒状部31cを有し、軸棒31b(及び受圧板部31a)には軸エア通路31dが貫通している。軸棒31bの受圧板部31aとは反対側の端部には、軸エア通路31dを径方向外方に連通させるエア導入溝31eが形成されている。
パーティション32は例えば合成樹脂材料の成形品からなるもので、図6に単体形状を示すように、ピストン体31と同様に基本形状が軸線CLを中心に回転対称形状をなしている。パーティション32は、軸線CLと直交する底板部32aと、底板部32aの表裏の一方から軸線CLと同心に延びる大径最外筒状部32bと、小径の摺動案内筒状部32cとを有している。底板部32aの中心には、ピストン体31の軸棒31bを受け入れる貫通孔32dが形成され、貫通孔32dの周囲にはOリング保持縁32eが形成されている(Oリング保持縁32eは底板部32aの一部である)。パーティション32の大径最外筒状部32bは、シリンダ本体10(10X)の大径定径部13に最小のクリアランスで嵌まるものであり、その周面一部に、Dカット面32fが形成され、このDカット面32fの端部にエア排気溝32gが形成されている。
ピストン体31の摺動案内筒状部31cとパーティション32の摺動案内筒状部32cは互いに嵌合して摺動することで、相互の倒れを防ぎ、同軸性を保証する作用をする。ピストン体31には、該ピストン体31の摺動案内筒状部31cとパーティション32の摺動案内筒状部32cの摺動部分にエア通路を形成するエア導入溝31gが形成されている。
以上の構成要素において、ピストン体31のエア導入溝31eとエア導入溝31g、及びパーティション32のDカット面32fとエア排気溝32gは、ピストン体31とパーティション32の軸線を中心とする回転対称形状な要素ではない。
以上のピストン体31とパーティション32は、パーティション32の大径最外筒状部32bの内周面と底板部32a及びピストン体31の受圧板部31aと摺動案内筒状部31cの外周面の間に大径Oリング33を挿入し、パーティション32の摺動案内筒状部32cの内周面とOリング保持縁32e及びピストン体31の軸棒31bの外周面との間に小径Oリング34を挿入した状態で組み立てられ、積層ピストンアッシ30とされる。ピストン体31とパーティション32の最大接近位置は、ピストン体31の受圧板部31aにパーティション32の摺動案内筒状部32cの端部が当接する状態で規制される(図4、図2左断面、図3右断面)。大径Oリング33は、その軸線を中心とする外径、断面における断面径(線径)の両方とも、小径Oリング34より大きい。
そしてこの最大接近状態で、大径Oリング33と小径Oリング34は、その軸方向位置がオーバラップしていて、積層ピストンアッシ30の軸方向長の短縮が図られている。また、大径Oリング33は、パーティション32の大径最外筒状部32bの内周面とピストン体31の摺動案内筒状部31cの外周面及び底板部32aとの間に挿入されていて、ピストン体31には、大径Oリング33を保持するための断面U字溝が形成されていない。すなわち、ピストン体31の摺動案内筒状部31cは単純円筒形状であって断面U字状溝は形成されていない。同様に、小径Oリング34は、パーティション32の摺動案内筒状部32cの内周面とOリング保持縁32e及びピストン体31の軸棒31bの外周面との間に挿入されていて、パーティション32には、小径Oリング34を保持するための断面U字溝が形成されていない。すなわち、パーティション32の摺動案内筒状部32cは単純円筒形状であって断面U字状溝は形成されておらず、ピストン体31の軸棒31bも単純棒状であって断面U字状溝は形成されていない。このため、積層ピストンアッシ30の軸方向長の短縮が図られている。また、断面U字溝に嵌めないので、装着時に大径Oリング33と小径Oリング34を拡径する(伸ばす)必要がなく、組立性に優れる。さらに、以上の積層ピストンアッシ30によれば、小型化及び軸方向長の短縮ができるばかりでなく、定められた外径の中に、より大きな有効受圧面積を確保できる。
以上の積層ピストンアッシ30は、図2の常閉型開閉弁ではピストン体31が上方でパーティション32が下方に位置する方向(図4の状態)を向き、図3の常開型開閉弁ではパーティション32が上方でピストン体31が下方に位置する方向(図4と上下が逆の状態)に向けられる。
図2の常閉型開閉弁を構成する多段ピストンアクチュエータ100の異形ピストンアッシ30’の異形ピストン体31’は、ピストン体31の軸棒31bに比して長い軸棒31b’を有し、この軸棒31b’がキャップ体60に形成したガイド筒62に摺動自在に嵌まる。軸棒31b’にはガイド筒62との間の気密を保持するOリング65が嵌まっている。なお、キャップ体60には、エア抜き孔64が形成されている。また、異形ピストン体31’にも、ピストン体31と同様のエア導入溝31gが形成されている。異形ピストン体31’に組み合わされるパーティション32は、積層ピストンアッシ30のパーティション32と同一である。
また、図3の多段ピストンアクチュエータ100Xの異形ピストンアッシ30”の異形ピストン体31”は、軸棒31bを備えず、軸エア通路31dも備えていない。受圧板部31a”が直接プッシュロッド20Xに当接している。また、キャップ体60Xは、積層ピストンアッシ30のパーティション32の貫通孔32d及び小径Oリング34に挿入されるガイド軸63を有している。プッシュロッド20Xには、常閉型開閉弁用の多段ピストンアクチュエータ100のプッシュロッド20に形成されていたエア導入溝23が形成されていない(形成する必要がない)。
図2の多段ピストンアクチュエータ100では、上述のように、異形ピストンアッシ30’とキャップ体60の間に位置する閉弁ばね50が異形ピストンアッシ30’、5段の積層ピストンアッシ30、プッシュロッド20及びプッシャ76を介してダイヤフラム75を弁座74方向に付勢し、常時は入口流路71と出口流路72の間の連通路73を閉じる。
図3の多段ピストンアクチュエータ100Xでは、上述のように、異形ピストンアッシ30”とシリンダ本体10Xの中径段部17の間に位置する開弁ばね50Xが異形ピストンアッシ30”及び5段の積層ピストンアッシ30をダイヤフラム75から離間する方向に付勢し、ダイヤフラム75に閉弁力を及ぼさない(常時は入口流路71と出口流路72が連通する)。
いずれのアクチュエータでも、シリンダ本体10(10X)の大径定径部13内に挿入された隣接する積層ピストンアッシ30同士では、ピストン体31の軸棒31bがパーティション32の貫通孔32dと小径Oリング34を通り、隣接する軸棒31b同士が機械的に当接する。また隣接する積層ピストンアッシ30のパーティション32同士(及び異形ピストンアッシ30’のパーティション32または異形ピストンアッシ30”のパーティション32とこれに隣接する積層ピストンアッシ30のパーティション32同士)は、シリンダ本体10(10X)の大径定径部13に嵌められた状態では相互に当接して軸方向の位置が定まる。ピストン体31の受圧板部31aと軸棒31b、パーティション32の摺動案内筒状部32c及び小径Oリング34で囲まれる内側空間、及びエア導入溝31gを介してこの内側空間に連通する、摺動案内筒状部31c、底板部32a、大径最外筒状部32b及び大径Oリング33で囲まれた内側空間が圧力室Pを構成する。大径定径部13内に挿入された複数の積層ピストンアッシ30は、その隣接する積層ピストンアッシ30のピストン体31の軸棒31b同士(軸棒31bと受圧板部31a)が互いに当接し、全てのピストン体31及び異形ピストン体31’(31”)が同時に軸方向に移動する。
図2の常閉型多段ピストンアクチュエータ100は、閉弁ばね50の力によりダイヤフラム75が流路を閉じている状態において、圧縮空気源81、レギュレータ82及び開閉弁83を介して、キャップ体60の軸エア通路61から圧縮空気を供給すると、積層された各ピストン体31及び異形ピストン体31’の軸エア通路31d、エア導入溝31e(及びプッシュロッド20のエア導入溝23)及びエア導入溝31gを介して圧力室Pに動作圧力が及ぼされ、ピストン体31及び異形ピストン体31’が閉弁ばね50の力に抗して移動し、その結果ダイヤフラム75が弁座74から離れて入口流路71と出口流路72が連通する(常閉型開閉弁が開く、図2右断面)。
逆に、開閉弁83により、圧縮空気の供給を絶つと、閉弁ばね50の力により各ピストン体31(異形ピストン体31’)は原位置に復してダイヤフラム75が弁座74に着座して入口流路71と出口流路72の連通を絶つ(図2左断面)。シリンダ本体10内の空気は、パーティション32のエア排気溝32g、Dカット面32fとシリンダ本体10の隙間及び排気孔16から外気に排気される。
図3の多段ピストンアクチュエータ100Xは、開弁ばね50Xの力によりダイヤフラム75が流路を開いている状態において、圧縮空気源81、レギュレータ82及び開閉弁83を介して、キャップ体60Xの軸エア通路61から圧縮空気を及ぼすと、各積層ピストン体31及び異形ピストン体31”の軸エア通路31d、エア導入溝31e及びエア導入溝31gを介して圧力室Pに動作圧力が及ぼされ、ピストン体31及び異形ピストン体31”が開弁ばね50Xの力に抗して移動し、その結果プッシュロッド20Xがプッシャ76及びダイヤフラム75を弁座74に押し付けダイヤフラム75が入口流路71と出口流路72間の連通路73を遮断する(常開型開閉弁が閉じる、図3左断面)。
逆に、開閉弁83により、圧縮空気の供給を絶つと、開弁ばね50Xの力により各ピストン体31(異形ピストン体31”)は原位置に復してダイヤフラム75が弁座74から離れて入口流路71と出口流路72を連通させる(図3右断面)。圧力室P以外のシリンダ本体10内の空気は、パーティション32のエア排気溝32g、Dカット面32fとシリンダ本体10の隙間及び排気孔16から外気に排気される。
大径Oリング33と小径Oリング34は、ピストン体31とパーティション32とが最も離間した状態(図2の右断面、図3の左断面)においても、その軸方向位置が一部オーバラップしていて(あるいは接していて)、動作状態でも軸方向長の短縮が図られている。
プッシュロッド20(20X)の出力は、供給(圧縮)空気圧力を同一とすれば、シリンダ本体10(10X)に挿入する積層ピストンアッシ30の段数に応じて変化させることができる。勿論、シリンダ本体10(10X)は異なる長さのものが用意され、選択使用される。
本発明の多段ピストンアクチュエータは、例えば、空圧で作動する常開型開閉弁及び常閉型開閉弁に広く適用することができる。
100 100X 多段ピストンアクチュエータ
10 10X シリンダ本体
12 小径定径部
13 大径定径部br/> 14 雄ねじ筒
15 六角部
16 排気孔
17 中径段部
18 下降端規制段部
20 20X プッシュロッド
21 Oリング
22 着力端部
23 エア導入溝
30 積層ピストンアッシ
30’ 異形ピストンアッシ
30” 異形ピストンアッシ
31 ピストン体
31’ 31” 異形ピストン体
31a 31a’ 31a” 受圧板部
31b 31b’ 軸棒
31c 摺動案内筒状部
31d 軸エア通路
31e エア導入溝
31g エア導入溝
32 パーティション
32a 底板部
32b 大径最外筒状部
32c 摺動案内筒状部
32d 貫通孔
32e Oリング保持縁
32f Dカット面
32g エア排気溝
33 大径Oリング
34 小径Oリング
50 閉弁ばね
50X 開弁ばね
60 60X キャップ体
61 軸エア通路
62 ガイド筒
63 ガイド軸
64 エア抜き孔
65 Oリング
70 流路ブロック
71 入口流路
72 出口流路
73 連通路
74 弁座
75 ダイヤフラム
76 プッシャ
77 アクチュエータ螺合筒
81 圧縮空気源
82 レギュレータ
83 開閉弁
P 圧力室

Claims (6)

  1. シリンダ体に嵌めた複数のピストン体の圧力室にばね圧力に抗する駆動圧力を及ぼしてプッシュロッドを動作させる多段ピストンアクチュエータにおいて、
    上記複数のピストン体はそれぞれ、上記シリンダ体に嵌まるパーティションと組み合わされていて、該ピストン体とパーティションとの間に上記圧力室が形成されていること、
    上記ピストン体は、受圧板部と、この受圧板部の表裏から反対方向に軸線と同心に延びる、上記圧力室に連通する軸エア通路を有する軸棒と摺動案内筒状部とを有していること、
    上記パーティションは、隣接するピストン体の上記軸棒を受け入れる貫通孔を有する底板部と、この底板部の表裏の一方から軸線と同心に延びる、上記シリンダ体に嵌まる大径最外筒状部と上記ピストン体の上記摺動案内筒状部と摺動自在に嵌合する摺動案内筒状部を有していること
    上記パーティションの上記大径最外筒状部の内周面と上記底板部、及び上記ピストン体の上記受圧板部と上記摺動案内筒状部の外周面の間に大径シール部材が挿入されていること、
    上記パーティションの上記摺動案内筒状部の内周面と上記底板部、及びピストン体の上記軸棒の外周面との間に小径シール部材が挿入されていること、
    上記ピストン体の上記摺動案内筒状部は単純円筒形状であって、上記大径シール部材を嵌めるU字状溝が形成されていないこと、及び
    数の上記ピストン体の上記軸棒は互いに機械的に当接して上記プッシュロッドを動作させること、を特徴とする多段ピストンアクチュエータ。
  2. 請求項1記載の多段ピストンアクチュエータにおいて、上記大径シール部材と小径シール部材は、少なくとも上記ピストン体とパーティションとの接近位置において、軸方向位置がオーバラップしている多段ピストンアクチュエータ。
  3. 請求項1または2記載の多段ピストンアクチュエータにおいて、上記パーティションの摺動案内筒状部は単純円筒形状であって、上記小径シール部材を嵌めるU字状溝が形成されていない多段ピストンアクチュエータ。
  4. 請求項3記載の多段ピストンアクチュエータにおいて、上記ピストン体の軸棒は単純棒状であって、上記小径シール部材を嵌めるU字状溝が形成されていない多段ピストンアクチュエータ。
  5. シリンダ体に嵌めた複数のピストン体の圧力室にばね圧力に抗する動作圧力を及ぼしてプッシュロッドを動作させる多段ピストンアクチュエータにおいて、
    上記複数のピストン体はそれぞれ、上記シリンダ体に嵌まるパーティションと組み合わされていて、該ピストン体とパーティションとの間に上記圧力室が形成されていること、
    上記ピストン体は、軸線に直交する平板状の受圧板部と、この受圧板部の表裏から反対方向に軸線と同心に延びる、上記圧力室に連通する軸エア通路を有する単純棒状形状をなす軸棒と、単純円筒形状をなす摺動案内筒状部とを有していること、
    上記パーティションは、隣接するピストン体の上記軸棒を受け入れる貫通孔を有する軸線に直交する平板状の底板部と、この底板部の表裏の一方から軸線と同心に延びる、上記シリンダ体に嵌まる大径最外筒状部と、上記ピストン体の摺動案内筒状部と摺動自在に嵌合する単純円筒形状をなす摺動案内筒状部を有していること、
    上記パーティションの大径最外筒状部の内周面と平板状底板部及び上記ピストン体の平板状受圧板部と単純円筒形状の摺動案内筒状部の外周面の間に形成された環状空間に大径Oリングが挿入されていること、
    上記パーティションの単純円筒形状の摺動案内筒状部の内周面と平板状底板部及びピストン体の受圧板部と隣接するピストン体の上記単純棒状軸棒の外周面の間に形成された環状空間に小径Oリングが挿入されていること、
    上記大径Oリングと小径Oリングは、少なくとも上記ピストン体とパーティションとの接近位置において、軸方向位置がオーバラップしていること、及び
    上記複数のピストン体の軸棒は互いに機械的に当接して上記プッシュロッドを動作させること、
    を特徴とする多段ピストンアクチュエータ。
  6. 請求項1ないし5のいずれか1項記載の多段ピストンアクチュエータと、該多段ピストンアクチュエータの上記プッシュロッドを介して開閉される弁体を有する開閉弁と、を有する開閉弁機構。
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