JP6222571B2

JP6222571B2 - 流体圧シリンダ

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Publication number: JP6222571B2
Application number: JP2014185855A
Authority: JP
Inventors: 宏行奥平; 健司今井; 辰徳簗瀬
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2034-09-12
Also published as: RU2017107872A3; WO2016039123A1; RU2017107872A; BR112017004751A2; CN106715927B; JP2016056923A; KR101953641B1; EP3193025B1; US10480546B2; RU2668300C2; CN106715927A; EP3193025A4; KR20170052680A; MX2017002857A; EP3193025A1; TW201621175A; BR112017004751B1; US20170284428A1; TWI653400B

Description

本発明は、作動流体の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、ワーク等の搬送手段として流体圧シリンダが広く用いられている。この種の流体圧シリンダは、シリンダ孔が形成されたシリンダ本体と、シリンダ孔に配設されて作動流体の作用下に軸線方向に沿って変位するピストンと、ピストンに連結されたピストンロッドと、シリンダ孔を構成する内壁面に設けられてピストンロッドが挿通するロッド挿通孔が形成されたロッドカバーとを備えている（例えば、特許文献１参照）。ロッド挿通孔には、ピストンロッドを軸線方向に摺動可能に支持する円筒状のブッシュが設けられている。

特開２００９−６８５５７号公報

上述した従来の流体圧シリンダでは、一般的に、鉄製のピストンロッド、アルミニウム製のロッドカバー、及び銅製のブッシュが用いられる。しかしながら、この場合、流体圧シリンダの部品点数及び重量が増大する上、例えば、二次電池の製造ライン等のような銅系材料の使用が禁止又は制限されている環境（銅系材料不使用環境）において使用することができないという不都合がある。

このような不都合を解消するために、例えば、ブッシュを削除すると共にアルミニウム製のピストンロッドを採用し、ロッド挿通孔を構成する内壁面にピストンロッドを摺接するアルマイト皮膜を形成することが考えられるが、この場合、ピストンロッドとアルマイト皮膜との凝着摩耗が生じるため、流体圧シリンダの寿命が短くなるおそれがある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、部品点数を削減すると共に軽量化及び長寿命化を図ることができ、且つ銅系材料不使用環境において用いることができる流体圧シリンダを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る流体圧シリンダは、シリンダ孔が形成されたシリンダ本体と、前記シリンダ孔に配設されて作動流体の作用下に軸線方向に沿って変位するピストンと、前記ピストンに連結されたピストンロッドと、前記ピストンロッドが挿通するロッド挿通孔が形成されたロッドカバーと、を備えた流体圧シリンダにおいて、前記ピストンロッド及び前記ロッドカバーは、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、前記ロッド挿通孔を構成する前記ロッドカバーの内壁面の少なくとも一部には、アルマイト皮膜又はダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成され、前記ピストンロッドの外壁面には、前記ロッドカバーの前記内壁面に前記アルマイト皮膜が形成されている場合に当該アルマイト皮膜に摺接するダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成され、前記ロッドカバーの前記内壁面に前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成されている場合に当該ダイヤモンドライクカーボン皮膜に摺接するアルマイト皮膜が形成され、前記ロッドカバーの前記内壁面には、潤滑剤が収容される収容溝と、前記収容溝内に連通するとともにロッドパッキンが装着される環状溝と、が形成されていることを特徴とする。

このような構成によれば、ロッドカバーの内壁面に形成されたアルマイト皮膜（ダイヤモンドライクカーボン皮膜）に対してピストンロッドの外壁面に形成されたダイヤモンドライクカーボン皮膜（アルマイト皮膜）が摺動するので、凝着摩耗を抑えることができる。これにより、流体圧シリンダの長寿命化を図ることができる。また、ロッドカバー及びピストンロッドをアルミニウム又はアルミニウム合金で構成する上、ロッド挿通孔に銅製のブッシュを設ける必要がないため、部品点数を削減することができ、且つ軽量化を図ることができると共に銅系材料不使用環境においても用いることができる。
さらに、アルマイト皮膜とダイヤモンドライクカーボン皮膜との間に潤滑剤を供給することができるので、流体圧シリンダのさらなる長寿命化を図ることができる。また、従来ブッシュが配設されていた位置に収容溝を形成することができるので、収容溝を形成した場合であっても流体圧シリンダが大型化することを抑えることができる。

上記の流体圧シリンダにおいて、前記ロッドカバーの前記内壁面には前記アルマイト皮膜が形成され、前記ピストンロッドの外壁面には、前記アルマイト皮膜に摺接する前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成されていてもよい。この場合、ロッドカバーの内壁面よりもコーティングし易いピストンロッドの外壁面にダイヤモンドライクカーボン皮膜を形成するため、流体圧シリンダの製造コストを低廉化することができる。

本発明に係る流体圧シリンダによれば、部品点数を削減すると共に軽量化及び長寿命化を図ることができ、且つ銅系材料不使用環境において用いることができる。

本発明の一実施形態に係る流体圧シリンダの縦断面図である。実施例１に係る流体圧シリンダの構成を示す一部拡大縦断面図である。実施例２に係る流体圧シリンダ（比較例１に係る流体圧シリンダ）の構成を示す一部拡大縦断面図である。実施例３に係る流体圧シリンダの構成を示す一部拡大縦断面図である。比較例２に係る流体圧シリンダの構成を示す一部拡大縦断面図である。ピストン駆動回数に対する最低作動圧力を示したグラフである。ピストンの１０００万回駆動後におけるアルマイト皮膜の最大摩耗深さを示したグラフである。

以下、本発明に係る流体圧シリンダについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

本発明の一実施形態に係る流体圧シリンダ（摺動装置）１０は、図１に示すように、シリンダ孔１２が形成されたシリンダ本体１４と、シリンダ孔１２に軸線方向に沿って変位自在に配設されたピストン１６と、ピストン１６に連結されたピストンロッド１８と、シリンダ本体１４に設けられてピストンロッド１８が挿通するロッド挿通孔２０が形成されたロッドカバー２２とを備えている。

シリンダ本体１４は、任意の材料で構成可能であるが、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金により有底筒状に一体的に構成されている。ただし、シリンダ本体１４は、両端が開口したチューブ部材の片側の開口部をエンドカバーにより閉塞するように装着して構成されていてもよい。

シリンダ本体１４の外側面には、図示しない流路及び流路切替装置を介して流体供給源に接続される第１ポート２４及び第２ポート２６が開口している。第１ポート２４は、ピストン１６とシリンダ本体１４の底面との間に形成された第１シリンダ室２８に第１連通路３０を介して連通している。第２ポート２６は、ピストン１６とロッドカバー２２との間に形成された第２シリンダ室３２に第２連通路３４を介して連通している。

ピストン１６は、任意の材料で構成可能であるが、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金等で円柱状に構成されている。ピストン１６の外周面には、環状溝３６を介してピストンパッキン３８が装着されている。なお、ピストン１６の外周面には、シリンダ本体１４に対するピストン１６の軸線方向の位置を検出するためのマグネットを装着しても構わない。この場合、シリンダ本体１４の外側面には、マグネットの磁気を検出する磁気検出センサを取り付けるためのセンサ取付溝が形成される。

ピストンロッド１８は、アルミニウム又はアルミニウム合金で円柱状に構成されており、その一端部がピストン１６に連結している。これにより、ピストンロッド１８は、ピストン１６に連動する。ロッド挿通孔２０を挿通してシリンダ本体１４の外部に露出したピストンロッド１８の他端面には、ワーク等を取り付けるための装着穴４０が形成されている。

ピストンロッド１８の外周面（外壁面）には、ダイヤモンドライクカーボン皮膜（以下、ＤＬＣ皮膜４２と称する。）が形成されている。ＤＬＣ皮膜４２は、炭化水素又は炭素の同素体からなる非晶質の硬質膜であって潤滑性、耐摩耗性、耐焼付き性等が優れている。

ＤＬＣ皮膜４２は、廃液の出ない環境にやさしいＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法又はＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理気相成長）法等によって形成することができる。また、ＤＬＣ皮膜４２と基材（ピストンロッド１８）との密着性を良好にするために、基材とＤＬＣ皮膜４２との間には中間層を形成してもよい。中間層は、例えば、基材とＤＬＣとの複合層で構成することができる。この場合、中間層は、基材に近接するにつれて金属の組成比が大きくなる一方でＤＬＣの組成比が小さくなり、基材から離間するにつれて金属の組成比が小さくなる一方でＤＬＣの組成比が大きくなる。このような中間層を用いることにより、ＤＬＣ皮膜４２の基材からの剥離が好適に抑えられる。

ＤＬＣ皮膜４２は、基材から外表面側に離間するに従って硬度が大きくなっている。具体的には、ＤＬＣ皮膜４２の基材近傍のビッカース硬度は９００Ｈｖ以下に設定され、最外表面のビッカース硬度は１３００Ｈｖ以上に設定されている。これにより、ＤＬＣ皮膜４２の基材からの剥離を一層好適に抑えられる。また、ＤＬＣ皮膜４２の表面粗さは、１．６Ｒｚ以下に設定されている。これにより、後述するロッドパッキン５２の摩耗を好適に抑えることができる。

ＤＬＣ皮膜４２は、アルミニウム又はアルミニウム合金の色（金属色）とは異なる色（例えば、黒色）で着色されている。この場合、ＤＬＣ皮膜４２が剥離して下地のアルミニウム又はアルミニウム合金が露出したことを容易に視認することができる。よって、流体圧シリンダ１０の寿命による設備停止前に適切な対応を採ることができる。

ＤＬＣ皮膜４２の膜厚は、好ましくは０．１μｍ以上５．０μｍ以下、さらに好ましくは０．３μｍ以上２．０μｍ以下、より好ましくは１．０μｍ以上２．０μｍ以下に設定される。ＤＬＣ皮膜４２の膜厚が０．１μｍよりも小さいと摩耗によるＤＬＣ皮膜４２の早期剥離が懸念され、ＤＬＣ皮膜４２の膜厚が５．０μｍよりも大きいと成膜が容易ではなくコストの高騰化を招くからである。

ロッドカバー２２は、アルミニウム又はアルミニウム合金により円環状に構成されており、シリンダ孔１２を構成する壁面に設けられた状態でピストンロッド１８を支持している。また、ロッドカバー２２は、シリンダ孔１２を構成する壁面に環状溝４４を介して装着されたリング状の止め輪４６によってシリンダ孔１２からの抜け止めがなされている。

ロッドカバー２２の外周面には、環状溝４８を介してガスケット５０が装着されている。ロッドカバー２２の内周面（内壁面）には、ウレタンゴム等の樹脂材料で構成されたロッドパッキン５２が装着される環状溝５４と、グリース（潤滑剤）が収容されるグリース収容溝（グリース溜まり）５６とが形成されている。本実施形態では、グリース収容溝５６は、環状溝５４よりも止め輪４６側（ピストン１６とは反対側）に位置している。

ロッドカバー２２の内周面の少なくとも一部には、ＤＬＣ皮膜４２に摺接するアルマイト皮膜５８が形成されている。アルマイト皮膜５８は、ＪＩＳ８６０３に記載の硬質アルマイト皮膜であることが好ましい。この場合、アルマイト皮膜５８の耐摩耗性をより向上させることができるからである。ただし、アルマイト皮膜５８は、上記硬質アルマイト皮膜でなくても構わない。

グリース収容溝５６の軸線方向に沿った寸法は、摺動面長さ寸法（ＤＬＣ皮膜４２に摺接するアルマイト皮膜５８の軸線方向に沿った長さ寸法）の１／５以上４／５以下の寸法に設定されている。これにより、ピストンロッド１８からアルマイト皮膜５８に作用する圧力を適度に抑えつつＤＬＣ皮膜４２とアルマイト皮膜５８との間にグリースを効率的に供給することができる。

本実施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、図１に示されるように、ピストン１６がシリンダ本体１４の底面側に位置する状態を初期位置として説明する。

この初期位置において、流路切替装置により第２ポート２６を大気開放した状態で流体供給源から第１ポート２４に作動流体（圧力流体）を供給すると、第１シリンダ室２８に流入した作動流体の作用によってピストン１６がロッドカバー２２側に変位すると共に第２シリンダ室３２に存在している流体が第２ポート２６を介して大気に排出される。そして、ピストン１６がロッドカバー２２に接触することによりピストン１６のロッドカバー２２側の変位が停止される。

また、前記流路切替装置により第１ポート２４を大気開放した状態で流体供給源から第２ポート２６に作動流体を供給すると、第２シリンダ室３２に流入した作動流体の作用によってピストン１６がシリンダ本体１４の底面側に変位すると共に第１シリンダ室２８に存在している流体が第１ポート２４を介して大気中に排出される。そして、ピストン１６がシリンダ本体１４の底面に接触することによりピストン１６のシリンダ本体１４の底面側への変位が停止される。

本実施形態では、このようにピストン１６（ピストンロッド１８）が軸線方向に沿って変位する際に、グリース収容溝５６に収容されているグリースがピストン１６の外周面に形成されたＤＬＣ皮膜４２とロッドカバー２２の内周面に形成されたアルマイト皮膜５８との間に供給された状態でＤＬＣ皮膜４２がアルマイト皮膜５８を摺動する。ＤＬＣ皮膜４２は、アルミニウムやアルマイトとの凝着を防ぐ化学的安定性と自己潤滑性を備えている。そのため、ピストンロッド１８は、摺動摩耗及び凝着摩耗が抑えられた状態で変位することとなる。これにより、流体圧シリンダ１０の長寿命化を図ることができる。

また、ピストンロッド１８及びロッドカバー２２をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成する上、ロッド挿通孔２０に銅製のブッシュを設ける必要がないため、部品点数を削減することができ、且つ軽量化を図ることができると共に銅系材料不使用環境においても用いることができる。

さらに、ロッド挿通孔２０を構成する内周面よりもコーティングし易いピストンロッド１８の外周面にＤＬＣ皮膜４２を形成しているので、流体圧シリンダ１０の製造コストを低廉化することができる。さらにまた、ロッドカバー２２の内周面にグリースが収容されるグリース収容溝５６を形成しているので、ＤＬＣ皮膜４２とアルマイト皮膜５８との間にグリースを供給してロッドカバー２２の摺動摩耗を抑えることができる。これにより、流体圧シリンダ１０のさらなる長寿命化を図ることができる。

本実施形態は、上述した構成に限定されない。例えば、グリース収容溝５６を削除してもよいし（図３参照）、ロッドパッキン５２よりもピストン１６側にグリース収容溝５６を形成してもよい（図４参照）。また、本実施形態において、ピストンロッド１８の外周面にアルマイト皮膜５８を形成し、ロッドカバー２２の内周面に当該アルマイト皮膜５８に摺接するＤＬＣ皮膜４２を形成しても構わない。これらの場合においても、上述した構成と同様の作用効果を奏する。

［実施例］
以下に本発明の実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例に示される材質、構成、膜厚等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の技術的範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。

実施例１〜３、比較例１及び２の特徴を下記表１に示す。

（実施例１）
図２に示す実施例１に係る流体圧シリンダ１０ａを作製した。この流体圧シリンダ１０ａは、上述した流体圧シリンダ１０と同様に構成されている。具体的には、ピストンロッド１８をアルミニウム合金（Ａ２０１７：ＪＩＳ規格）で構成し、ピストンロッド１８の外周面にＤＬＣ皮膜４２を１μｍ〜２μｍの膜厚で成膜した。また、ロッドカバー２２をアルミニウム合金（Ａ６０６１−Ｔ６：ＪＩＳ規格）で構成し、ロッドカバー２２の内周面にアルマイト皮膜（硬質アルマイト皮膜）５８を１５μｍの膜厚で成膜した。この実施例１に係るロッドカバー２２の軸線方向に沿った長さ寸法をＬａとした。なお、ピストンロッド１８の直径を１６ｍｍとし、ピストン１６のストロークを５０ｍｍとした。

（実施例２）
図３に示す実施例２に係る流体圧シリンダ１０ｂを作製した。すなわち、この実施例２に係る流体圧シリンダ１０ｂは、グリース収容溝５６を削除したこと以外は、実施例１と同様に作製した。

（実施例３）
図４に示す実施例３に係る流体圧シリンダ１０ｃを作製した。この実施例３に係る流体圧シリンダ１０ｃでは、ピストンロッド１８及びロッドカバー２２の構成材料、ＤＬＣ皮膜４２及びアルマイト皮膜５８の膜厚、ピストンロッド１８の直径及びピストン１６のストロークを実施例１と同様に設定した。また、この実施例３に係るロッドカバー２２の軸線方向に沿った長さ寸法をＬａよりも長いＬｂとした。

（比較例１）
ピストンロッド１８を炭素鋼（Ｓ４５Ｃ：ＪＩＳ規格）で構成し、ピストンロッド１８の外周面に硬質クロム皮膜１０２を８μｍの膜厚で成膜した以外は、実施例２と同様にして、比較例１に係る流体圧シリンダ１００ａを作製した（図３参照）。

（比較例２）
図５に示す比較例２に係る流体圧シリンダ１００ｂを作製した。この比較例２に係る流体圧シリンダ１００ｂでは、実施例３に係るグリース収容溝５６に代えて鉛青銅製のブッシュ１０４が配設されるブッシュ配設溝１０６を形成した。また、ピストンロッド１８及び硬質クロム皮膜１０２を比較例１と同じものとし、それ以外は、実施例３と同様に作製した。

［評価］
（重量測定）
実施例１、実施例３、比較例１、及び比較例２に係る流体圧シリンダ１０ａ、１０ｃ、１００ａ、１００ｂの重量を測定した。

（寿命測定）
実施例１、実施例２、及び比較例１の流体圧シリンダ１０ａ、１０ｂ、１００ａにおいて、ピストン駆動回数に対する最低作動圧力を測定した。また、ピストン１６を１０００万回駆動した後における実施例１、実施例２、及び比較例１のアルマイト皮膜５８の最大摩耗深さを株式会社東京精密製の真円度測定機（ACCRETECH RONDCOM60A）を用いて測定した。なお、測定条件は、真円度評価：最大内接円中心法（ＭＩＣ）、フィルタ種別：２ＲＣ、測定方法：半自動測定、測定速度：５ｍｍ／ｓ、姿勢：垂直とした。

［結果］
重量測定結果を下記表２に示し、寿命測定結果を図６及び図７に示す。

表２に示すように、比較例１に係る流体圧シリンダ１００ａの重量が３２０ｇであったのに対して、実施例１に係る流体圧シリンダ１０ａの重量は２３０ｇとなった。つまり、ピストンロッド１８をアルミニウム合金で構成することによって、流体圧シリンダ１０ａを、流体圧シリンダ１００ａに対してその重量の約２８％分だけ軽量化することができた。

また、比較例２に係る流体圧シリンダ１００ｂの重量が３５０ｇであったのに対して、実施例３に係る流体圧シリンダ１０ｃの重量は２６０ｇとなった。つまり、ピストンロッド１８をアルミニウム合金で構成すると共に鉛青銅製のブッシュ１０４を削除することによって、流体圧シリンダ１０ｃを、流体圧シリンダ１００ｂに対してその重量の約２５％分だけ軽量化することができた。

なお、実施例３に係る流体圧シリンダ１０ｃは、比較例２に係る流体圧シリンダ１００ｂにおいてブッシュ１０４が配設されていた位置にグリース収容溝５６を形成しているので、このようなグリース収容溝５６を形成した場合であっても流体圧シリンダ１０ｃが大型化することはない。

さらに、図６から諒解されるように、比較例１に係る流体圧シリンダ１００ａでは、ピストン駆動回数が６００万回を超えると最低作動圧力が急激に上昇したのに対して、実施例１及び２に係る流体圧シリンダ１０ａ、１０ｂでは、ピストン駆動回数が１０００万回に達しても最低作動圧力を比較的低く抑えられた。また、ピストン１６の１０００万回駆動後において、流体圧シリンダ１０ａの最低作動圧力は、流体圧シリンダ１０ｂの最低作動圧力よりも低くなった。なお、実施例１、実施例２、及び比較例１に係る流体圧シリンダ１０ａ、１０ｂ、１００ａにおいて、エア漏れ量は１ｃｃ／ｍｉｎ以下であった。

このように、ピストンロッド１８の外周面にＤＬＣ皮膜４２を形成すると共にロッドカバー２２の内周面にアルマイト皮膜５８を形成することによって、ピストン駆動回数が１０００万回に達した場合でも最低作動圧力が比較的低く抑えられ、長寿命化を図ることができた。また、ロッドカバー２２の内周面にグリース収容溝５６を設けた場合には、グリース収容溝５６を設けない場合と比較してピストン１６の１０００万回駆動後における最低作動圧力が低下しており、さらなる長寿命化を図ることができた。

さらにまた、図７から諒解されるように、実施例１に係る流体圧シリンダ１０ａの最大摩耗深さは、比較例１に係る流体圧シリンダ１００ａのアルマイト皮膜５８の最大摩耗深さの約１／４に抑えられ、流体圧シリンダ１０ａの一層の長寿命化を図ることができた。

本発明に係る流体圧シリンダは、上述の実施形態に限らず、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。

１０…流体圧シリンダ１４…シリンダ本体
１８…ピストンロッド（ロッド）２０…ロッド挿通孔
２２…ロッドカバー４２…ＤＬＣ皮膜（ダイヤモンドライクカーボン皮膜）
５６…グリース収容溝（収容溝）５８…アルマイト皮膜

Claims

シリンダ孔が形成されたシリンダ本体と、
前記シリンダ孔に配設されて作動流体の作用下に軸線方向に沿って変位するピストンと、
前記ピストンに連結されたピストンロッドと、
前記ピストンロッドが挿通するロッド挿通孔が形成されたロッドカバーと、を備えた流体圧シリンダにおいて、
前記ピストンロッド及び前記ロッドカバーは、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成され、
前記ロッド挿通孔を構成する前記ロッドカバーの内壁面の少なくとも一部には、アルマイト皮膜又はダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成され、
前記ピストンロッドの外壁面には、前記ロッドカバーの前記内壁面に前記アルマイト皮膜が形成されている場合に当該アルマイト皮膜に摺接するダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成され、前記ロッドカバーの前記内壁面に前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成されている場合に当該ダイヤモンドライクカーボン皮膜に摺接するアルマイト皮膜が形成され、
前記ロッドカバーの前記内壁面には、潤滑剤が収容される収容溝と、前記収容溝内に連通するとともにロッドパッキンが装着される環状溝と、が形成されている、
ことを特徴とする流体圧シリンダ。
請求項１記載の流体圧シリンダにおいて、
前記ロッドカバーの前記内壁面には前記アルマイト皮膜が形成され、
前記ピストンロッドの外壁面には、前記アルマイト皮膜に摺接する前記ダイヤモンドライクカーボン皮膜が形成されている、ことを特徴とする流体圧シリンダ。