JP6278317B2 - 流路切換ユニット - Google Patents

Description

本発明は、エアシリンダを備えた空気圧システムに使用される流路切換ユニットに関する。

空気圧アクチュエータとして各種自動機械に広く用いられているエアシリンダでは、ロッドが固定されたピストンを、圧力室内において圧縮エアの給排により往復動させるようになっている。そして、このようなエアシリンダに対する圧縮エアの給排は、切換弁を通じて行うのが一般的である。

ところで、上記エアシリンダにおいては、ピストンの往復動のうち仕事をさせる作業ストローク時には、ロッドに外部負荷が掛かるため、大きな駆動力が必要とされる。これに対し、初期位置へ向けて戻す復帰ストローク時には、ロッドに上記外部負荷が掛からないため、上記作業ストローク時よりも小さな駆動力で済むことになる。上記駆動力は圧力室内に供給する圧縮エアの圧力の高低に依存する。エア消費量の節減は、戻りストローク時の圧力を低減することで実現できる。

そこで、上記の問題を解決するものとして、下記特許文献１の省エネバルブが提案されている。この省エネバルブは、弁孔、給気ポート、第１出力ポート、第２出力ポート及び排気ポートが形成された主弁本体と、弁孔内に摺動可能に挿通され第１出力ポート及び第２出力ポートをそれぞれ給気ポート又は排気ポートに接続させる一本のスプールと、スプールを第１位置から第２位置へ切り換えるスプール駆動部と、第２出力ポートの圧力を作用させる受圧面を有するとともに弾性的な付勢力が付与された調圧ピストンとを備える。スプールは、第２出力ポートの圧力に応じて給気ポートから第２出力ポートに通じる流路の断面積を変化させるように移動し、第２出力ポートの圧力を給気ポートから供給される圧縮エアの圧力よりも小さい設定圧力にする。

特開２０１３−２４３４５号公報

本発明は上記の従来技術に関連してなされたものであり、エア消費量の節減によるランニングコストやイニシャルコストを抑制することができ、しかも簡易な構成で経済性に優れる流路切換ユニット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、本発明は、第１圧力室への圧縮エアの導入によってピストンの作業ストロークを行い、第２圧力室への前記圧縮エアの導入によって前記ピストンの復帰ストロークを行うエアシリンダを備えた空気圧システムに使用される流路切換ユニットであって、弁孔、圧力供給源からの圧縮エアが供給される給気ポート、前記第１圧力室に接続される第１出力ポート、前記第２圧力室に接続される第２出力ポート及び大気に開放された排気ポートが形成され、前記給気ポート、前記第１出力ポート、前記第２出力ポート及び前記排気ポートが前記弁孔と連通する弁ボディと、軸方向の第１端部及び第２端部を有し、前記弁孔に軸方向に往復摺動可能に配置されたスプールと、電磁弁を有し、前記電磁弁の通電状態に応じて前記スプールの前記第１端部に力を作用させることで前記第１端部側から前記第２端部側に向かう第１方向に前記スプールを駆動するスプール駆動部と、前記弁ボディ内に配置され、前記スプールを弾性的に付勢可能な付勢機構と、前記弁ボディ内に配置され、前記第１出力ポートの圧力に基づき前記第１方向とは反対の第２方向の力を前記スプールに作用させるピストン部と、を備え、前記スプール駆動部がオフ状態で且つ前記第１出力ポートの圧力に基づく前記ピストン部に作用する力が前記付勢機構の付勢力よりも大きいときは、前記スプールは、前記付勢機構の付勢力に抗して、前記第１出力ポートと前記排気ポートとを連通させ且つ前記給気ポートと前記第２出力ポートとを連通させる第１位置に位置付けられ、前記第１出力ポートの圧力に基づく前記ピストン部に作用する力が前記付勢機構の付勢力よりも小さくなると、前記スプールは、前記付勢機構の付勢力によって、前記給気ポートを前記第１出力ポートと前記第２出力ポートのいずれにも連通させない第２位置に移動させられる、ことを特徴とする。

上記のように構成された流路切換ユニットによれば、エアシリンダの復帰ストロークにおいてピストンがストロークエンドに到達すると、スプールは、付勢機構の弾性付勢力によって、給気ポートを第１出力ポートと第２出力ポートのいずれにも連通させない第２位置（クローズドセンタ）に移動させられる。このため、エアシリンダの復帰ストロークの終了と同時に第２圧力室への不要な圧縮エアの導入が遮断され、第２圧力室の昇圧が停止する。従って、復帰ストローク時におけるエア消費量の節減により、ランニングコストを抑制することができる。また、この流路切換ユニットは、構成が簡便であり経済性に優れる。

上記の流路切換ユニットにおいて、前記スプール駆動部は、前記給気ポートと前記第１出力ポートとが連通しているときに前記圧縮エアの圧力を受ける駆動ピストンを有し、前記駆動ピストンの受圧面積は、前記ピストン部の受圧面積よりも大きくてもよい。

この構成により、受圧面積の差を利用して、圧縮エアの圧力を受ける駆動ピストンにより、給気ポートと第１出力ポートとを連通させる位置にスプールを確実に移動させることができる。よって、エアシリンダの作業ストロークを支障なく行うことができる。

上記の流路切換ユニットにおいて、前記弁ボディ内には、前記付勢機構を係止可能な係止部が設けられ、前記係止部は、前記スプールが前記付勢機構の付勢作用下に前記第１位置から前記第２位置に移動する際、前記付勢機構を係止することによって前記スプールを前記第２位置に停止させてもよい。

この構成により、エアシリンダの復帰ストロークの終了に伴ってスプールを第２位置に確実に移動させることができる。

本発明の流路切換ユニットによれば、エア消費量の節減によるランニングコストやイニシャルコストを抑制することができ、しかも簡易な構成で経済性に優れる。

本発明の実施形態に係る流路切換ユニットを備えた空気圧システムの概略構成図（第１の作用説明図）である。 図１に示す空気圧システムの第２の作用説明図である。 図１に示す空気圧システムの第３の作用説明図である。 図１に示す空気圧システムの第４の作用説明図である。

以下、本発明に係る流路ユニット及び流路切換ユニット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。

図１に示す本発明の実施形態に係る流路切換ユニット１０は、エアシリンダ１４を備えた空気圧システム１２に使用されるものである。エアシリンダ１４は、ピストン室１６が形成されたシリンダチューブ１８と、シリンダチューブ１８内に往復摺動可能に配置されたピストン２０と、ピストン２０に連結されたピストンロッド２２とを備える。

ピストン室１６は、ピストン２０によって、第１圧力室１６Ａと第２圧力室１６Ｂとに仕切られている。エアシリンダ１４は、第１圧力室１６Ａに圧縮エアが供給されることにより、仕事をさせる作業ストロークを行い、第２圧力室１６Ｂに圧縮エアが供給されることにより、ピストン２０を初期位置へ向けて戻す復帰ストロークを行う。

空気圧システム１２は、上記エアシリンダ１４と、図示しない圧力供給源（エアコンプレッサ等）からの圧縮エアのエアシリンダ１４に対する給排を切り換える流路切換ユニット１０とを備える。

流路切換ユニット１０は、弁孔２５及び複数のポートが形成された弁ボディ２４と、弁ボディ２４の軸方向の第１端部２４ａに連結固定されたアダプタ２６と、弁ボディ２４の第１端部２４ａとは反対側の第２端部２４ｂに連結固定されたエンドプレート２８と、弁ボディ２４内に軸方向に往復摺動可能に配置されたスプール３０と、第１端部２４ａから第２端部２４ｂに向かう第１方向（Ａ方向）に駆動するスプール駆動部３２と、スプール３０を弾性的に付勢可能な付勢機構３４と、第１方向とは反対の第２方向（Ｂ方向）の力をスプール３０に作用させるピストン部３６とを有する。

弁ボディ２４において、弁孔２５は軸方向に貫通形成されており、この弁孔２５内にスプール３０が往復摺動可能に配置されている。スプール３０の外周部には軸方向に間隔をおいて複数の環状のシール部材３８が装着されている。

弁ボディ２４における複数のポートは、給気ポート４０と、第１出力ポート４２と、第２出力ポート４４と、第１排気ポート４６と、第２排気ポート４８とを含む。給気ポート４０、第１出力ポート４２、第２出力ポート４４、第１排気ポート４６及び第２排気ポート４８は、弁孔２５と連通している。

なお、別々に設けられる第１排気ポート４６及び第２排気ポート４８に代えて、共通の１つの排気ポートが弁ボディ２４に設けられてもよい。

給気ポート４０には圧力供給源からの圧縮エアが供給される。第１出力ポート４２は、スプール３０の位置に応じて、スプール３０に設けられた環状の第１凹部５２を介して、給気ポート４０と第１排気ポート４６とに選択的に連通可能である。第２出力ポート４４は、スプール３０の位置に応じて、スプール３０に設けられた環状の第２凹部５４を介して、給気ポート４０と第２排気ポート４８とに選択的に連通可能である。第１凹部５２と第２凹部５４は、スプール３０における軸方向の異なる箇所に設けられている。

流路切換ユニット１０は、スプール３０の軸方向位置に応じて、給気ポート４０と第１出力ポート４２とを連通させるとともに第２出力ポート４４と第２排気ポート４８とを連通させる切換状態（図２）と、給気ポート４０と第２出力ポート４４とを連通させるとともに第１出力ポート４２と第１排気ポート４６とを連通させる切換状態（図３）と、給気ポート４０を第１出力ポート４２と第２出力ポート４４のいずれにも連通させない切換状態（図１、図４）とに作動する。

図示例では、給気ポート４０、第１出力ポート４２、第２出力ポート４４、第１排気ポート４６及び第２排気ポート４８は、弁ボディ２４において同じ側に設けられている。なお、変形例においては、給気ポート４０、第１出力ポート４２、第２出力ポート４４、第１排気ポート４６及び第２排気ポート４８は、弁ボディ２４における一側と他側に分散して設けられてもよい。例えば、第１出力ポート４２及び第２出力ポート４４は弁ボディ２４における一側に設けられ、給気ポート４０、第１排気ポート４６及び第２排気ポート４８は弁ボディ２４における他側に設けられてもよい。

スプール駆動部３２は、スプール３０の軸方向に摺動自在に配置されスプール３０をＡ方向に押す駆動ピストン５６と、この駆動ピストン５６を駆動する電磁弁５８とを有する。アダプタ２６には弁ボディ２４側に開口した凹部６１が設けられており、当該凹部６１内に駆動ピストン５６が摺動可能に配置されている。駆動ピストン５６の外周部にはリング状のシール部材６４が装着されている。シール部材６４はアダプタ２６の内周面に全周に亘って密着している。なお、ガイド筒６２はアダプタ２６に一体成形された部分であってもよい。

電磁弁５８は、駆動ピストン５６のスプール３０とは反対側に設けられた受圧面に給気ポート４０に供給される圧縮エアの圧力を作用させて、駆動ピストン５６をＡ方向に駆動するように構成されている。電磁弁５８内の流路は、弁ボディ２４に形成されたエア流路６３及びアダプタ２６に形成されたエア流路を介して、給気ポート４０と連通している。電磁弁５８は、通電によりオンになると圧縮エアを圧力作用室６５に流入させ、通電解除によりオフになると圧力作用室６５内のエアを外部に排出するように切り換えられるものである。

付勢機構３４は、弁ボディ２４内に配置され、スプール３０を軸方向に弾性的に付勢可能に構成されている。具体的に本実施形態では、付勢機構３４は、スプール３０の軸方向に移動可能な第１可動部材５９及び第２可動部材６０と、第１可動部材５９と第２可動部材６０との間に保持された弾性部材６８（コイルスプリング）とを有する。弁ボディ２４の第１端部２４ａ側の内側には筒状部材２９が配置されており、付勢機構３４は筒状部材２９の内側に配置されている。

第１可動部材５９は、貫通孔５９ａを有するリング状に構成されている。第２可動部材６０は、貫通孔６０ａを有するリング状に構成されている。スプール３０のＢ方向側の軸部３０ａは、第１可動部材５９の貫通孔５９ａ及び第２可動部材６０の貫通孔６０ａに挿通されている。スプール３０には、第１可動部材５９及び第２可動部材６０を受容する環状凹部３１（細径部）が形成されている。図１において、第１可動部材５９は環状凹部３１のＡ方向側に設けられた段部３１ａに係合しており、第２可動部材６０は環状凹部３１のＢ方向側に設けられた段部３１ｂに係合している。

弁ボディ２４には、第１可動部材５９を係止することによって第１可動部材５９のＡ方向側の移動限界位置を規定する第１係止部６９が設けられている。一方、筒状部材２９には、第２可動部材６０を係止することによって第２可動部材６０のＢ方向側の移動限界位置を規定する第２係止部７５が設けられている。

弾性部材６８の一端部は第１可動部材５９に当接している。弾性部材６８の他端部は、第２可動部材６０に当接している。

ピストン部３６は、弁ボディ２４内に配置され、第１出力ポート４２の圧力に基づき第２方向（Ｂ方向）の力をスプール３０に作用させるように構成されている。ピストン部３６の外周部にはパッキン７７が装着されている。本実施形態では、スプール３０のＡ方向の端部にピストン部３６が一体的に形成されている。なお、ピストン部３６は、スプール３０とは別部品として構成されてもよい。

エンドプレート２８には、ピストン部３６に対向する圧力作用室７２と、弁ボディ２４に設けられたエア流路７４と圧力作用室７２とを連通する連通路７６とが形成されている。第１出力ポート４２の圧力は、エア流路７４及び連通路７６を介して、ピストン部３６の受圧面に作用する。従って、ピストン部３６は、第１出力ポート４２の圧力に基づいてスプール３０をＢ方向に付勢する。上記駆動ピストン５６の受圧面積は、ピストン部３６の受圧面積よりも大きい。

上述した弾性部材６８のスプール３０に対するＡ方向の付勢力（弾発力）は、エアシリンダ１４が復帰ストロークを行う際の第１出力ポート４２の圧力によってピストン部３６がスプール３０をＢ方向に付勢する力よりも小さい。従って、給気ポート４０に圧縮エアが供給されている状態でスプール駆動部３２がオン状態からオフ状態に切り換ると、第１出力ポート４２の圧力に基づくピストン部３６のＢ方向の付勢力により、スプール３０は、付勢機構３４（弾性部材６８）のＡ方向の付勢力に抗してＢ方向へと移動させられる。

また、エアシリンダ１４の復帰ストロークが終了すると、スプール３０に対するピストン部３６のＢ方向の付勢力は、付勢機構３４のＡ方向の付勢力よりも小さくなる。このため、スプール３０は、付勢機構３４のＡ方向の付勢力によりＡ方向に移動させられる。

次に、上記のように構成される流路切換ユニット１０の作用及び効果について説明する。

図１において、圧力供給源からの圧縮エアが給気ポート４０に供給されているがスプール駆動部３２の電磁弁５８はオフの状態であり、スプール３０は、給気ポート４０を第１出力ポート４２と第２出力ポート４４のいずれにも連通させない位置（クローズドセンタ）に位置している。また、エアシリンダ１４のピストン２０は初期位置（戻り側のストロークエンド）に位置しており、第２圧力室１６Ｂにはわずかな空気圧が残った状態で保持されている。

図１の状態から、スプール駆動部３２がオン状態になると、給気ポート４０に供給される圧縮エアの圧力（供給圧Ｐ）が駆動ピストン５６の受圧面に作用し、スプール３０は駆動ピストン５６によってＡ方向に押される。これにより、図２のように、スプール３０は、給気ポート４０と第１出力ポート４２とを連通させ且つ第２出力ポート４４と第２排気ポート４８とを連通させる位置に移動させられる。スプール３０のＡ方向への移動に伴って、段部３１ｂと係合する第２可動部材６０もＡ方向に移動させられ、弾性部材６８は軸方向に圧縮される。

なお、この場合、エア流路７４及び連通路７６を介して第１出力ポート４２と連通するピストン部３６にも供給圧Ｐが作用するが、駆動ピストン５６の受圧面積はピストン部３６の受圧面積よりも大きいため、駆動ピストン５６がスプール３０をＡ方向に押す力は、ピストン部３６がスプール３０をＢ方向に付勢する力よりも大きい。従って、駆動ピストン５６は、ピストン部３６のＢ方向の付勢力に抗して、上記のようにスプール３０をＡ方向に移動させることができる。

このようなスプール３０の移動に伴って、給気ポート４０に供給された圧縮エアは、第１出力ポート４２を介してエアシリンダ１４の第１圧力室１６Ａへと導入される。これによって、エアシリンダ１４はピストンロッド２２を進出させる作業ストロークを行う。この際、第２出力ポート４４と第２排気ポート４８とが連通しているため、エアシリンダ１４の第２圧力室１６Ｂに溜まっていたエアは第２出力ポート４４へと流入し、さらに第２排気ポート４８を介して外気へと排気される。従って、電磁弁５８がオン状態を維持することで、図２のように、エアシリンダ１４のピストン２０は作業側のストロークエンドまで移動して停止する。

次に、給気ポート４０への圧縮エアの供給が維持されつつスプール駆動部３２の電磁弁５８がオフになると、図３のように、スプール３０は、第１出力ポート４２と第１排気ポート４６とを連通させ且つ給気ポート４０と第２出力ポート４４とを連通させる位置（第１位置）に位置付けられる。

具体的には、電磁弁５８がオフになると、給気ポート４０に供給される圧縮エアの圧力は駆動ピストン５６の受圧面に作用しなくなる。その結果、第１出力ポート４２の圧力に基づいてピストン部３６がスプール３０をＢ方向に付勢する力は、付勢機構３４がスプール３０をＡ方向に付勢する力よりも大きくなり、スプール３０は、付勢機構３４の付勢力に抗してＢ方向へと移動させられる。このとき、第１可動部材５９はスプール３０の段部３１ａに押されてＢ方向に移動させられ、第２可動部材６０は筒状部材２９の第２係止部７５によって係止される。

このようなスプール３０の移動に伴って、給気ポート４０に供給された圧縮エアは、第２出力ポート４４を介してエアシリンダ１４の第２圧力室１６Ｂへと導入される。これによって、エアシリンダ１４はピストンロッド２２を後退させる復帰ストロークを行う。この際、エアシリンダ１４の第１圧力室１６Ａに溜まっていたエアは、第１出力ポート４２へと流入し、さらに第１排気ポート４６を介して外気へと排気される。

そして、エアシリンダ１４のピストン２０が戻り側のストロークエンドに到達することに伴って第１出力ポート４２の圧力が低下すると、第１出力ポート４２の圧力に基づいてピストン部３６がスプール３０をＢ方向に付勢する力は、付勢機構３４がスプール３０をＡ方向に付勢する力よりも小さくなる。

このため、図４のように、スプール３０は、付勢機構３４の付勢作用下にＡ方向に移動させられる。この際、付勢機構３４の第１可動部材５９は、第１係止部６９によって係止される位置で停止する。第１可動部材５９の停止に伴ってスプール３０も停止する。この結果、スプール３０は、給気ポート４０を第１出力ポート４２と第２出力ポート４４のいずれにも連通させない位置（第２位置／クローズドセンタ）に位置付けられる。

これにより、エアシリンダ１４の第２圧力室１６Ｂへの圧縮エアの供給が遮断される。このように、エアシリンダ１４のピストン２０が戻り側のストロークエンドに到達した以降は、不要な圧縮エアがエアシリンダ１４の第２圧力室１６Ｂに供給されないため、エア消費量を節減できる。

以上説明したように本実施形態に係る流路切換ユニット１０によれば、エアシリンダ１４の復帰ストロークにおいてピストン２０がストロークエンドに到達すると、スプール３０は、付勢機構３４の弾性付勢力によって、給気ポート４０を第１出力ポート４２と第２出力ポート４４のいずれにも連通させない位置（クローズドセンタ）に移動させられる。このため、エアシリンダ１４の復帰ストロークの終了と同時に第２圧力室１６Ｂへの不要な圧縮エアの導入が遮断され、第２圧力室１６Ｂの昇圧が停止する。従って、復帰ストローク時におけるエア消費量の節減により、ランニングコストを抑制することができる。

また、上述のようにエアシリンダ１４の第２圧力室１６Ｂへの不要な圧縮エアの導入が遮断されるため、第２圧力室１６Ｂ内が必要以上に加圧されることがない。従って、次サイクルの作業ストロークにおいて、第２圧力室１６Ｂの圧力による移動抵抗が減少し、これにより作業ストロークの速度が高まることが期待できる。

本実施形態では、駆動ピストン５６の受圧面積は、ピストン部３６の受圧面積よりも大きいため、受圧面積の差を利用して、圧縮エアの圧力を受ける駆動ピストン５６により、給気ポート４０と第１出力ポート４２とを連通させる位置にスプール３０を確実に移動させることができる。よって、エアシリンダ１４の作業ストロークを支障なく行うことができる。

さらに、本実施形態では、弁ボディ２４内には、付勢機構３４を係止可能な第１係止部６９が設けられ、第１係止部６９は、スプール３０が付勢機構３４の付勢作用下に上記第１位置（図３）から上記第２位置（図４）に移動する際、付勢機構３４を係止することによってスプール３０を第２位置（図４）に停止させる。この構成により、エアシリンダ１４の復帰ストロークの終了に伴ってスプール３０を第２位置に確実に移動させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改変が可能である。

１０…流路切換ユニット １２…空気圧システム
１４…エアシリンダ ２４…弁ボディ
３０…スプール ３２…スプール駆動部
３４…付勢機構 ３６…ピストン部

Claims (3)

1. 第１圧力室への圧縮エアの導入によってピストンの作業ストロークを行い、第２圧力室への前記圧縮エアの導入によって前記ピストンの復帰ストロークを行うエアシリンダを備えた空気圧システムに使用される流路切換ユニットであって、
   弁孔、圧力供給源からの圧縮エアが供給される給気ポート、前記第１圧力室に接続される第１出力ポート、前記第２圧力室に接続される第２出力ポート及び大気に開放された排気ポートが形成され、前記給気ポート、前記第１出力ポート、前記第２出力ポート及び前記排気ポートが前記弁孔と連通する弁ボディと、
   軸方向の第１端部及び第２端部を有し、前記弁孔に軸方向に往復摺動可能に配置されたスプールと、
   電磁弁を有し、前記電磁弁の通電状態に応じて前記スプールの前記第１端部に力を作用させることで前記第１端部側から前記第２端部側に向かう第１方向に前記スプールを駆動するスプール駆動部と、
   前記弁ボディ内に配置され、前記スプールを弾性的に付勢可能な付勢機構と、
   前記弁ボディ内に配置され、前記第１出力ポートの圧力に基づき前記第１方向とは反対の第２方向の力を前記スプールに作用させるピストン部と、を備え、
   前記スプール駆動部がオフ状態で且つ前記第１出力ポートの圧力に基づく前記ピストン部に作用する力が前記付勢機構の付勢力よりも大きいときは、前記スプールは、前記付勢機構の付勢力に抗して、前記第１出力ポートと前記排気ポートとを連通させ且つ前記給気ポートと前記第２出力ポートとを連通させる第１位置に位置付けられ、
   前記第１出力ポートの圧力に基づく前記ピストン部に作用する力が前記付勢機構の付勢力よりも小さくなると、前記スプールは、前記付勢機構の付勢力によって、前記給気ポートを前記第１出力ポートと前記第２出力ポートのいずれにも連通させない第２位置に移動させられる、
   ことを特徴とする流路切換ユニット。
2. 請求項１記載の流路切換ユニットにおいて、
   前記スプール駆動部は、前記給気ポートと前記第１出力ポートとが連通しているときに前記圧縮エアの圧力を受ける駆動ピストンを有し、
   前記駆動ピストンの受圧面積は、前記ピストン部の受圧面積よりも大きい、
   ことを特徴とする流路切換ユニット。
3. 請求項１又は２記載の流路切換ユニットにおいて、
   前記弁ボディ内には、前記付勢機構を係止可能な係止部が設けられ、
   前記係止部は、前記スプールが前記付勢機構の付勢作用下に前記第１位置から前記第２位置に移動する際、前記付勢機構を係止することによって前記スプールを前記第２位置に停止させる、
   ことを特徴とする流路切換ユニット。

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