JPH0232481B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空気圧シリンダにおいてシリンダチ
ユーブとピストンとの間に作用する摩擦を非常に
小さくすることができる空気圧シリンダ装置に関
する。

〔従来の技術〕

油圧シリンダや電気モータに比較すると、空気
圧シリンダは次のような長所を有している。

(イ) 油圧に比べてクリーンであり、メンテナンス
が容易である（油圧の場合は作動油の漏れに対
する対策、および作動油の管理が大変である）。

(ロ) 小形軽量である（油圧の場合は油圧ポンプ、
アキユムレータ等の付属装置が大掛りとなる
し、電気モータの場合は単位重量当りのトルク
が小さい）。

(ハ) 速度が速い（電気モータの場合は、トルクの
関係上減速しなければならず、速度が遅くな
る）。

しかしながらその反面、従来の空気圧シリンダ
においては、シリンダチユーブとピストンとの間
の空気の漏れを最小限とする構造となつていたた
めに、次に述べるような問題点があつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の空気圧シリンダにおいては、 (a) 位置決め精度が悪い。

(b) 動作速度を制御することは非常に困難であ
る。

等の欠点があり、一般的には、単純に空気を供
給・排出するいわゆるオン・オフ的な使い方をせ
ざるを得ず、例えばロボツトのアクチユエータと
して用いても高性能なものは得られなかつた。

この主たる原因は、シリンダチユーブとピスト
ンとの間の静摩擦および動摩擦が大きいためであ
り、従来、このことは、シリンダチユーブとピス
トンとの間の空気漏れを防止するために、本質的
にやむを得ないこととされていた。

次に、これをさらに詳しく説明する。

従来の空気圧シリンダにおいては、ピストンに
装着したＯリングにより、シリンダチユーブとピ
ストンとの間をシールする構造が一般的であり、
第６図はこのようにＯリングを用いた場合の従来
の空気圧シリンダにおける摩擦特性を示す。この
図において、f_sはいわゆる静摩擦であり、ある程
度以上の力を作用させないとピストンが動き出さ
ないことを意味している。また、ピストンが一旦
動き出すと、ピストンとシリンダチユーブとの間
の摩擦力は直ぐに静動摩擦f_cに落ちてしまうの
で、僅かに動かしたい場合でも、ある一定の距離
動いて停止することになるため、位置の微調整が
きかなかつた。

また、別の大きな問題として、ステイツクとい
う現象がある。これは、f_sが時間とともに大きく
なり、ある程度以上時間が経過すると、Ｏリング
等のシールがシリンダチユーブの内面に固着した
状態になり、相当な圧力を掛けないとピストンが
動かなくなるという現象である。このステイツク
現象は、現場では大きな問題となつており、例え
ば自動化ラインに用いられている空気圧シリンダ
においては、自動化ラインを休日等に停止させた
後の起動時は、ピストンが全く動かなかつたり、
低速でしか動かず、タイミングが狂う等して、不
良品を作つてしまうことになる。このため、不良
品ができるのを覚悟で、ステイツクがなくなるま
で（すなわち、f_sが一定値まで下がるまで）、一
定時間空運転を行う等の大きな損失を招いてい
た。

また、静動摩擦f_cも空気圧シリンダの動特性を
劣化させる大きな要因であり、小さくする程よ
い。さらに、シリンダチユーブとピストンとの間
に作用する摩擦としては、速度に比例して大きく
なる粘性摩擦（一般には、動摩擦と呼ばれている
ことが多い）もあり、これはある程度小さけれ
ば、空気圧シリンダの特性上問題はないが、従来
のシール方式をとる限りは、この粘性摩擦をさら
に小さくする必要がある。

以上のように従来の空気圧シリンダにおいて
は、各種の摩擦が複雑に絡み合つて十分なサーボ
特性を得られなくさせていた。

なお、従来より、前記Ｏリングに代わるものと
して、ふつ素樹脂シールが市販されている。この
ふつ素樹脂シールは、ふつ素樹脂から構成されて
いるため、Ｏリングを用いる場合よりも摩擦が小
さくなる。また、ふつ素樹脂シールがばねによつ
てシリンダチユーブの内面に押し付けられる構造
となつており、しかも空気圧が作用されると、さ
らにこの空気圧が前記ばねの押し付け力に重畳さ
れてふつ素樹脂シールをシリンダチユーブの内面
に押し付ける構造となつているので、シール性も
よい。

しかし、このようなふつ素樹脂シールを用いて
も、低摩擦化には限度があり、しかも圧力を高く
すると、摩擦が増加するので、依然として十分な
精度で位置決めを行うことができなかつたし、動
作速度の制御を行うことも困難であつた。

〔発明の目的〕

本発明は、前記従来の問題点を解決するために
なされたもので、シリンダチユーブとピストンと
の間に作用する摩擦を極めて小さくすることがで
き、これにより位置制御および力の制御を高精度
に行うことがきるとともに、動作速度の制御も可
能となり、またステイツク現象を絶無とすること
ができる空気圧シリンダ装置を提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による空気圧シリンダ装置は、シリンダ
チユーブと、このシリンダチユーブに嵌合され
た、外径を可変なピストンと、このピストンによ
つて互いに仕切られる前記シリンダチユーブ内の
２つの空間のうちの一方の空間であつて、元圧を
作用される第一の空間と、前記２つの空間のうち
の他方の空間である第二の空間と、前記ピストン
の外径の大きさを制御することにより、前記シリ
ンダチユーブと前記ピストンとの間を通じて前記
第一の空間から前記第二の空間へ洩れる空気の洩
れ量を制御する手段と、前記第二の空間と前記元
圧より低圧な外部の空間との間に介在され、前記
第二の空間から前記外部の空間へ排出される空気
の量を制御する流量制御弁とを有してなり、前記
ピストンの前記第一の空間側の有効断面積は該ピ
ストンの前記第二の空間側の有効断面積より小さ
くされているものである。

〔作用〕

本発明においては、シリンダチユーブの内面と
ピストンとの間に漏れる空気量、および前記流量
制御弁を通じて外部に排出される空気量を制御す
ることにより、ピストンに作用する力を制御で
き、また、シリンダチユーブとピストンとの間を
空気が漏れることにより、ピストンとシリンダチ
ユーブの内面との間に空気の膜ができるので、ピ
ストンとシリンダチユーブ内面との間に作用する
摩擦力を著しく小さくすることができる。

〔実施例〕

以下本発明を図面に示す実施例に基づいて説明
する。

第１図から３図までは、本発明の一実施例を示
す。この実施例において、１は空気圧シリンダで
あり、次のように構成されている。

シリンダチユーブ２の両端部には、ヘツドカバ
ー３およびロツドカバー４がそれぞれ取り付けら
れており、前記ヘツドカバー３にはヘツド側ポー
ト５、ロツドカバー４にはロツド側ポート６がそ
れぞれ設けられている。前記ロツドカバー４に
は、ピストンロツド７が軸線方向に移動可能に嵌
合されている。そして、このピストンロツド７と
ロツドカバー４との間には、この両者間をシール
するＯリング８が介装されている。

前記ピストンロツド７の後端部（シリンダチユ
ーブ２内側の端部）には、ピストン９が取り付け
られている。次に、これを説明すると、前記ピス
トンロツド７の後端部には、金属製の受け材１
０、この受け材１０の大部分をその内部に収容す
るふつ素樹脂製の樹脂円筒１１、および金属製の
押え材１２が嵌合されており、これらのピストン
構成部材１０〜１２はナツト１３によりピストン
ロツド７に固定されている。そして、軸線方向に
関してみると、前記樹脂円筒１１は、受け材１０
と押え材１２との間に挟まれた状態となつてい
る。また、径方向に関してみると、前記受け材１
０の外周面と樹脂円筒１１と内周面との間には〓
間１４が設けられている。

前記受け材１０と樹脂円筒１１との間にはＯリ
ング１５、樹脂円筒１１とピストンロツド７との
間にはＯリング１６がそれぞれ介装されている。
前記樹脂円筒１１の一端部には、フランジ部１１
ａが設けられており、このフランジ部１１ａの外
周面はシリンダチユーブ２の内面に嵌合されてい
る。また、シリンダチユーブ２の内面、ヘツドカ
バー３の内面、およびピストン９のヘツドカバー
３側の面の間には、ヘツド側空間２７が形成され
ている。他方、シリンダチユーブ２の内面、ロツ
ドカバー４の内面、およびピストン９のロツドカ
バー４側の面の間には、ロツド側空間２８が形成
されている。

前記ピストンロツド７の前端部（シリンダチユ
ーブ２から外部に突出している側の端部）付近に
は、油圧入口１７が開口されており、この油圧入
口１７はピストンロツド７に貫通された油道１８
および受け材１０に貫通された油道１９を介して
〓間１４に連通されている。

空気圧シリンダ１は以上のように構成されてい
るが、この空気圧シリンダ１の前記ピストンロツ
ド７の外周面には、第３図に示されるように、着
磁体２０が設けられており、この着磁体２０は、
その表面が細かいピツチで軸方向に交互にＮ極、
Ｓ極となるように着磁されている。また、前記ロ
ツドカバー４の外面には、磁気検出ヘツド２１
が、ピストンロツド７に貫通された状態で取り付
けられている。

前記ヘツド側ポート５は電磁弁からなる絞り弁
２２の入口側に接続されており、この絞り弁２２
の出口側は大気に解放されている。前記ロツド側
ポート６は図示しない元圧供給源に接続されてお
り、該元圧供給源から一定の元圧P₀を供給され
るようになつている。

２３はピストンロツド７の移動位置の目標値を
示す入力信号Ａと、磁気検出ヘツド２１からフイ
ードバツクされるピストンロツド７の実際の位置
を示すフイードバツク信号Ｂとを比較して、その
偏差を示す比較偏差信号Ｃを出力する比較回路、
２４は前記比較偏差信号Ｃに基づいて操作信号Ｄ
を絞り弁２２および電−空変換装置２５に出力す
る制御回路である。なお、前記電−空変換装置２
５は操作信号Ｄを空気圧に変換するようになつて
いる。２６は電−空変換装置２５から出力される
空気圧を油圧に変換すると同時に増幅して油圧
Puとし、油圧入口１７に供給する空−油変換装
置２６である。

次に、本実施例の作動を説明する。

油圧入口１７に供給される油圧P_uは、油道１
８および１９を介して〓間１４に作用される。し
たがつて、油圧P_uを上昇させると、ピストン９
の樹脂円筒１１のフランジ部１１ａの外径は拡大
するし、油圧P_uを低下させると、フランジ部１
１ａの外径は縮小する。したがつて、油圧P_uを
変化させることにより、シリンダチユーブ２とピ
ストン９との間の間〓、ひいてはピストン側空間
２８からシリンダチユーブ２とピストン９との間
を経てロツド側空間２７へ漏れる空気の漏れ量を
制御できる。

また、絞り弁２２により、ヘツド側空間２７か
ら外部に流出する空気量を制御できる。

そして、ピストン９を図上左方（ヘツドカバー
３側）に移動させたいときは、油圧P_uおよび絞
り弁２２を制御することにより、シリンダチユー
ブ２とピストン９との間を漏れる空気量よりヘツ
ド側空間２７から絞り弁２２を経て外部に流出す
る空気量が多くなるようにすれば、ロツド側空間
２８の圧力P₀とヘツド側空間２７の圧力Ｐとの
圧力差が増加し、ピストン９を図上左方に移動さ
せることができる。

逆に、ピストン９を図上右方（ロツドカバー４
側）に移動させたいときは、油圧P_uおよび絞り
弁２２を制御することにより、シリンダチユーブ
２とピストン９との間を漏れる空気量よりヘツド
側空間２７から絞り弁２２を経て外部に流出する
空気量が小さくなるようにすれば、ロツド側空間
２８の圧力P₀とヘツド側空間２７の圧力Ｐとの
圧力差が小さくなつて行き、該圧力差がほぼなく
なつたところで、ピストン９は右方に移動する。
これは、ピストン９のヘツド側の有効断面積A₁
とロツド側の有効断面積A₂＝Ａ−A_r（A_rはピスト
ンロツド７の断面積）との差によるものである。

そして、上述のような方法でピストン９を移動
させれば、シリンダチユーブ２とピストン９との
間を漏れる空気によつてシリンダチユーブ２とピ
ストン９との間に空気の膜ができるので、シリン
ダチユーブ２とピストン９との間に作用する摩擦
力は極めて小さくなる。

以上のことを数式を用いて説明すると、ピスト
ンロツド７に外力が作用せず、かつシリンダチユ
ーブ２とピストン９との間に作用する摩擦力が零
であるとすれば、 P₀（A₁−A_r）＞PA₁ のとき、ピストン９は図上左方に移動し、 P₀（A₁−A_r）＜PA₁ のとき、ピストン９は図上右方に移動し、 P₀（A₁−A_r）＝PA₁ のとき、ピストン９は停止する。

他方、磁気検出ヘツド２１は着磁体２０の着磁
パターンを検出することにより、ピストンロツド
７の実際の位置を検出する。また、前述のよう
に、比較回路２３はピストンロツド７の移動位置
の目標値と、磁気検出ヘツド２１からフイードバ
ツクされるピストンロツド７の実際の位置とを比
較して、その偏差を出力する。

したがつて、本実施例では、次のようにしてピ
ストンロツド７の位置が自動制御される。

すなわち、入力信号Ａで示される目標値がピス
トン９の実際の位置より図上左方にあるとき、つ
まり、ピストン９を図上左方に移動させるべきと
きは、制御回路２４は、操作信号Ｄを通じて絞り
弁２２を開方向に動作させるとともに、空−油変
換装置２６から出力される油圧P_uを上昇させ、
シリンダチユーブ２とピストン９との間を漏れる
空気量よりヘツド側空間２７から絞り弁２２を経
て外部に流出する空気量が多くなるようにし、ロ
ツド側空間２８の圧力P₀とヘツド側空間２７の
圧力Ｐとの圧力差を増加させて、ピストン９を図
上左方に移動させる。

逆に、目標値がピストン９の実際の位置より図
上右方にあるとき、すなわちピストン９を右方に
移動させるべきときは、制御回路２４は、絞り弁
２２を絞るとともに、油圧P_uを低下させ、シリ
ンダチユーブ２とピストン９との間を漏れる空気
量よりヘツド側空間２７から絞り弁２２を経て外
部に流出する空気量が小さくなるようにし、ロツ
ド側空間２８の圧力P₀とヘツド側空間２７の圧
力Ｐとの圧力差を減少させて、ピストン９を図上
右方に移動させる。

これにより、ピストン９の実際の位置を目標値
に自動的に一致させることができる。ここにおい
て、この空気圧シリンダ装置においては、前述の
ようにシリンダチユーブ２とピストン９との間の
摩擦を極めて小さくすることができるので、位置
決め精度を高精度とすることができ、かつステイ
ツク現象を絶無とすることができる。

また、本装置では、上述のようにして位置決め
が終了したならば、油圧P_uを上昇させて、ピス
トン９のフランジ部１１ａの外径を十分拡大さ
せ、ピストン９をシリンダチユーブ２にロツクす
ると同時に、シリンダチユーブ２とピストン９と
の間を漏れる空気をなくすか、十分少なくし、損
失空気を減少させるようなこともできる。

なお、前記実施例では、磁気的にピストンロツ
ド７の位置を検出しているが、他の種の位置検出
器よりピストンロツド７の位置を検出してもよい
ことは言うまでもない。

また、前記実施例は、位置の制御を行う場合を
示しているが、本発明による空気圧シリンダ装置
を用いて力の制御や速度の制御をも行うことがで
きる。

さらに、前記実施例では、元圧P₀を一定とし
ているが、元圧P₀を可変としてもよく、その場
合、元圧P₀を高くしたときには、空気圧シリン
ダ１は硬い動き、元圧P₀を低くしたときには柔
かい動きをそれぞれ示すことになる。

第４図はピストンの他の実施例を示す。

この実施例においては、ピストン３１は次のよ
うに構成されている。ピストンロツド７の後端部
には、押え材３２、受け材３３および押え材３４
が嵌合されており、これらの部材３２〜３４はピ
ストンロツド７に螺合されたナツト３５によりピ
ストンロツド７に対し固定されている。前記押え
材３２および３４の中心部には、ボス部３２ａお
よび３４ａがそれぞれ設けられており、これらの
ボス部３２ａおよび３４ａはそれぞれ受け材３３
の両面に接している。３６は硬質ゴムからなる径
可変材であり、受け材３３の外周側を覆う環状の
形状とされている。そして、この径可変材３６の
両側部は、押え材３２および３４のボス部３２ａ
および３４ａ以外の部分と受け材３３との間に挟
持されている。前記径可変材３６の外周部には、
全周に渡つて凸部３６ａが設けられており、この
凸部３６ａはシリンダチユーブ２の内面に嵌合さ
れている。

前記径可変材３６の内面と受け材３１の外周面
との間には、〓間３７が形成されており、この〓
間３７は受け材３３に設けられた油道３８および
ピストンロツド７に設けられた油道１８を介して
ピストンロツド７に設けられた油入口１７（第４
図には図示せず）に連通されている。なお、ナツ
ト３５と受け材３３との間に介装された座金３９
と、受け材３３と、ピストンロツド７との間に
は、Ｏリング40が介装されている。また、ピスト
ンロツド７と押え材３４との間には、Ｏリング４
１が介装されている。

本実施例においても、油圧入口１７から油道１
８および３８を介して〓間３７に供給される油圧
が上昇されれば、径可変材３６の外径は拡大する
し、逆に前記油圧が下降されれば、径可変材３６
の外径は縮小する。したがつて前記実施例の場合
と同様の効果を得ることができる。

なお、前記各実施例においては、油圧によりピ
ストンの外径を制御しているが、本発明において
は、カムやバネ等による機械的方法によつてピス
トンの外径を制御したり、圧電素子等を用いて電
気的にピストンの外径を制御してもよい。

第５図は前記第１図における空−油変換装置２
６の一例を示す。プランジヤ支持材５１には、軸
受５２を介してプランジヤ５３が軸線方向に移動
可能に支持されており、このプランジヤ５３の一
端部には、加圧円板５４が取り付けられている。
前記加圧円板５４はプランジヤ支持材５１に取り
付けられたカバー５５内に収容されており、この
カバー５５の内面と加圧円板５４の外周との間に
は、ベロフラム５６が取り付けられている。ま
た、加圧円板５４のプランジヤ５３と反対側の面
と、ベロフラム５６と、カバー５５とによつて囲
まれる空間５７は、カバー５５に設けられた空気
圧入口５８に連通されている。そして、前記空気
圧入口５８は前記第１図の電−空変換装置２５の
出力側に接続される。

他方、前記プランジヤ支持材５１内には、油室
５９が設けられており、この油室５９はプランジ
ヤ支持材５１に設けられた油圧出口６０を介して
前記第１図の油圧入口１７に接続される。そし
て、前記油室５９には、プランジヤ５３の他端側
が侵入されている。なお、前記油室５９はＯリン
グ６１により軸受５２およびカバー５５内部から
仕切られている。

この空−油変換装置２６においては、加圧円板
５４の断面積をA₃、プランジヤ５３の断面積を
A₄とすると、空気圧入口５８に入力される空気
圧P′は、A₃／A₄倍だけ増幅されて油圧P_uに変換
され、油圧出口６０から出力される。

また、この装置によれば、加圧円板５４とカバ
ー５５との間がＯリングでなくベロフラム５６に
よりシールされていることにより、加圧円板５４
とカバー５５との間に機械的な抵抗力が生じるこ
とがほとんどなく、かつシールが完全となるの
で、極めて優秀な特性を得ることができる（な
お、ベロフラムは一般にストロークを大きくとれ
ないことが欠点であると言われているが、この装
置ではストロークは小さくても全く支障はない）。

〔発明の効果〕

以上のように本発明による空気圧シリンダ装置
は、シリンダチユーブとピストンとの間に作用す
る摩擦を極めて小さくすることができ、これによ
り位置制御および力の制御を高精度に行うことか
できるとともに、動作速度の制御も可能となり、
またステイツク現象を絶無とすることができると
いう優れた効果を得られるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による空気圧シリンダ装置を示
す断面図、第２図は前記実施例の要部を示す拡大
断面図、第３図は前記実施例におけるピストンロ
ツドに設けられた着磁体を示す断面図、第４図は
ピストンの他の実施例を示す断面図、第５図は第
１図における空−油変換装置２６の一例を示す断
面図、第６図は従来の空気圧シリンダにおける摩
擦特性を示す特性図である。 １……空気圧シリンダ、２……シリンダチユー
ブ、７……ピストンロツド、９……ピストン、１
０……受け材、１１……樹脂円筒、１２……押え
材、１４……〓間、１７……油圧入口、１８，１
９……油道、２２……絞り弁、２４……制御回
路、２５……電−空変換装置、２６……空−油変
換装置、２７……ヘツド側空間（第二の空間）、
２８……ロツド側空間（第一の空間）、３１……
ピストン、３２……押え材、３３……受け材、３
４……押え材、３６……径可変材、３７……〓
間、３８……油道。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シリンダチユーブと、このシリンダチユーブ
   に嵌合された、外径を可変なピストンと、このピ
   ストンによつて互いに仕切られる前記シリンダチ
   ユーブ内の２つの空間のうちの一方の空間であつ
   て、元圧を作用される第一の空間と、前記２つの
   空間のうちの他方の空間である第二の空間と、前
   記ピストンの外径の大きさを制御することによ
   り、前記シリンダチユーブと前記ピストンとの間
   を通じて前記第一の空間から前記第二の空間へ洩
   れる空気の洩れ量を制御する手段と、前記第二の
   空間と前記元圧より低圧な外部の空間との間に介
   在され、前記第二の空間から前記外部の空間へ排
   出される空気の量を制御する流量制御弁とを有し
   てなり、前記ピストンの前記第一の空間側の有効
   断面積は該ピストンの前記第二の空間側の有効断
   面積より小さくされていることを特徴とする空気
   圧シリンダ装置。