JPH10299725A - ステッピングシリンダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 手動操作時の衝撃を防止すると共に位置情報
を保持するステッピングシリンダを提供する。 【解決手段】 油圧シリンダのピストン１０６内に形成
したスリーブ１０４に、ステッピングモータ１０１の回
転によって軸方向移動されるスプール１０３を収容し、
このスプール１０３がロッド側に位置するときには、ピ
ストン１０６をロッド側に移動させるべくヘッド圧を高
め、スプール１０３がヘッド側に位置するときには、ピ
ストン１０６をヘッド側に移動させるべくヘッド圧を低
めるようにしたステッピングシリンダにおいて、上記ヘ
ッド圧を検出するセンサ１０８を設け、上記ピストン１
０６に軸方向の外力が印加されたとき、検出されるヘッ
ド圧が一定となるように上記ステッピングモータ１０１
を回転させる倣い制御系を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステッピングモー
タによる回転角変位を油圧シリンダの軸方向変位に変換
するステッピングシリンダに係り、特に、手動操作時の
衝撃を防止すると共に位置情報を保持するステッピング
シリンダに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ステッピングシリンダは、ステッピング
モータによる回転角変位を油圧シリンダの軸方向変位に
変換すると共に油圧による強力な力を得ることができ
る。その構成は、油圧シリンダのピストン内に形成した
スリーブに、ステッピングモータの回転によって軸方向
移動されるスプールを収容し、スリーブとスプールとか
らなる弁を形成したものである。このスプールとスリー
ブとの相対位置によって弁を開閉させることにより、油
圧を切り替えてピストンを移動させる。スプールがロッ
ド側に位置するときには、ピストンをロッド側に移動さ
せるべくヘッド圧を高め、スプールがヘッド側に位置す
るときには、ピストンをヘッド側に移動させるべくヘッ
ド圧を低めるように油圧を切り替える。ステッピングモ
ータの回転角変位によりスプールを軸方向に変位させる
と、それと同じ方向へピストンを移動させるように弁が
開閉される。このようにして、ステッピングモータの回
転角変位がピストンの軸方向変位に変換される。

【０００３】ステッピングモータの回転角変位は微小角
刻みで正確に与えることができるので、ピストンの位置
制御はオープンループにて、即ち位置センサがなくとも
精密に行うことができる。

【０００４】この種のステッピングシリンダは、その位
置制御の正確さ、容易さから、種々の分野で使用され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の油圧
シリンダを使用していた設備では、油圧シリンダの運転
前に手動による位置合わせを行っていた。この設備に従
来の油圧シリンダに代えてステッピングシリンダを導入
しようとすると、手動による位置合わせが問題となる。
なぜなら、油圧が印加され、ステッピングモータが励磁
されていると手動でピストンを移動できないから、油圧
の印加を停止し、ステッピングモータの励磁を停止して
位置合わせを行うことになる。ところが、この手動によ
る位置合わせの後、油圧を印加し、ステッピングモータ
を励磁すると、このステッピングシリンダは急激にピス
トンを移動させようとする。このためピストンのロッド
を介して対象物に衝撃が及んでしまう。

【０００６】また、ステッピングモータの励磁を停止し
てしまうと、位置情報が失われてしまうので、位置合わ
せ後に原点設定を行う必要が生じる。

【０００７】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、手動操作時の衝撃を防止すると共に位置情報を保持
するステッピングシリンダを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、油圧シリンダのピストン内に形成したスリ
ーブに、ステッピングモータの回転によって軸方向移動
されるスプールを収容し、このスプールがロッド側に位
置するときには、ピストンをロッド側に移動させるべく
ヘッド圧を高め、スプールがヘッド側に位置するときに
は、ピストンをヘッド側に移動させるべくヘッド圧を低
めるようにしたステッピングシリンダにおいて、上記ヘ
ッド圧を検出するセンサを設け、上記ピストンに軸方向
の外力が印加されたとき、検出されるヘッド圧が一定と
なるように上記ステッピングモータを回転させる倣い制
御系を設けたものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００１０】本発明のステッピングシリンダは、自動モ
ードと手動モードとを有する。図１に示される倣い制御
系は、手動モードに使用されるものである。この倣い制
御系は、ヘッド圧検出圧力が設定値に近付くように回転
角を変位させるステッピングモータ１０１と、このステ
ッピングモータ１０１に連結されて回転されるボールネ
ジ１０２と、このボールネジ１０２に螺合し軸方向に変
位されるスプール１０３と、スプール１０３を収容した
スリーブ１０４と、このスリーブ１０４とスプール１０
３との相対位置によって開閉される弁１０５と、スリー
ブ１０４と一体であり油圧により軸方向に変位されるピ
ストン１０６と、ピストン１０６のロッドに装着した手
動部材１０７と、ヘッド圧を検出する圧力センサ１０８
とからなる。

【００１１】この倣い制御系は、メカニカルフィードバ
ック系１１０と圧力フィードバック系１１１とに分けら
れる。メカニカルフィードバック系１１０は、ピストン
１０６の変位がスリーブ１０４の変位になり、スリーブ
１０４とスプール１０３との相対位置が中立位置に戻る
ように働くものである。自動モードでは、メカニカルフ
ィードバック系１１０を用いた位置制御が行われる。圧
力フィードバック系１１１は、ヘッド圧が設定値に近付
くようにスプール１０３を軸方向に変位させるものであ
る。

【００１２】図２は、倣い制御系の動作の一例を各部の
圧力及び位置の時間的変化で表したものである。横軸が
時間、縦軸が圧力及び位置を示している。縦軸の上側が
ピストン後進方向（ロッドを押し込む方向）、下側がピ
ストン前進方向（ロッドを引っ張る方向）に相当する。
また、縦軸の原点はバランス圧（圧力設定値）としてあ
る。実線が外力（手動部材１０７の操作量）２０１、一
点鎖線がピストン１０６（スリーブ１０４）の位置２０
２、点線がステッピングモータ１０１（スプール１０
３）の位置２０３、破線がヘッド圧２０４を示すもので
ある。

【００１３】手動モード時に使用される手動操作機構
は、図３、図４に示すものを用いる。図３のものは、ス
テッピングシリンダ２１のロッド２２に、手動部材２３
が装着されており、この手動部材２３をステッピングシ
リンダ２１の軸方向に移動させるてこ式手動具２４が設
けられている。図４のものは、ステッピングシリンダ２
１のロッド２２に、歯付きの手動部材３３が装着されて
おり、この歯に噛み合わされた歯車（図示せず）と、こ
の歯車を回転させて手動部材３３を移動させるハンドル
３４とが設けられている。また、図３，図４はあくまで
も例であり、手動操作機構の詳細はこれらの限りではな
い。

【００１４】ステッピングシリンダの構造は、図５に示
される。油圧シリンダ１にはピストン２が収容されてい
る。油圧シリンダ１内は、ピストン２によってロッド側
油室３とヘッド側油室４とに区画されている。ピストン
２内にはその軸心部にボールネジ収容部５とスリーブ６
とが形成されている。スリーブ６は、ピストン２のヘッ
ド部７の内面よりロッド側に所定の奥行きまで形成され
ており、そこから奥は径の細いボールネジ収容部５とな
っている。スリーブ６には、ロッド側油室３に連通する
油路８と、ヘッド側油室４に連通する油路９と、油圧シ
リンダ１外に連通する油路１０とが開口されている。ス
リーブ６には軸方向移動自在にスプール１１が収容され
ている。スプール１１は、ロッド側の端部とヘッド側の
端部とがそれぞれスリーブ６の内径にほぼ等しい外径に
なっている。スプール１１の移動位置（スリーブ６との
相対位置）に応じて、ロッド側油室３に連通する油路８
及び油圧シリンダ外に連通する油路１０が開閉されるよ
うに構成されており、ヘッド側油室４に連通する油路９
はスプール１１の移動位置によらず開くように構成され
ている。スプール１１がロッド側油室３に連通する油路
８を開く位置にあると、ロッド側油室３がヘッド側油室
４に連通し、逆に、スプール１１が油圧シリンダ１外に
連通する油路１０を開く位置にあると、ヘッド側油室４
が油圧シリンダ１外に連通することになる。ロッド側油
室３がヘッド側油室４に連通したときには、ピストンの
受圧面積の相違によりピストンがロッド側に移動し、相
対的にスプール１１がヘッド側に移動する。ヘッド側油
室４が油圧シリンダ１外に連通したときには、動作油が
排出されてピストン２がヘッド側に移動し、相対的にス
プール１１がロッド側に移動する。図１には、スプール
１１が中立のバランス位置にある状態が示されている。
油圧シリンダ１外には、ロッド側油室３に給油圧力Ｐ_S
で油圧を印加するポンプ１２が設けられていると共に、
排出圧力Ｐ_T で動作油を排出するためのタンク１３が設
けられている。

【００１５】油圧シリンダには、駆動パルスに応じて微
小角刻みで回転するステッピングモータ１４が取り付け
られている。このステッピングモータ１４の回転軸には
ボールネジ１５が連結されている。このボールネジ１５
は、ピストン２に軸方向に挿通されている。このボール
ネジ１５にはスプール１１が螺合されているが、このス
プール１１は回転が規制されている。従って、ボールネ
ジ１５が回転するとスプール１１が軸方向に移動するよ
うになっている。

【００１６】ヘッド側油室４には、ヘッド圧を検出する
ための圧力センサ１７が設けられている。

【００１７】手動操作時における倣い制御系の動作を説
明する。図２に示されるように、まず最初（時間軸原
点）に、手動操作機構によりピストン前進方向（ロッド
を引っ張る方向）に外力２０１を加えると、ピストン位
置２０２が少し遅れて追従するように前進する。このと
きヘッド圧２０４は低下するが、やがて、ヘッド圧を一
定に保とうとする本発明の制御によりスプール位置２０
３が前進を始める。外力２０１をピストン前進方向の所
定の位置で反転させると、ピストン位置２０２がスプー
ル位置２０３より後進の位置にくるのでヘッド圧２０４
は上昇し、本発明の制御によりスプール位置２０３が後
進する。その後、引き続いてピストン後進方向（ロッド
を押し込む方向）に外力２０１を加えると、ヘッド圧２
０４が高く維持され、引き続きスプール位置２０３が後
進する。外力２０１をピストン後進方向の所定の位置で
反転させると、ピストン位置２０２がスプール位置２０
３より前進の位置にくるのでヘッド圧２０４は下降し、
本発明の制御によりスプール位置２０３が前進する。最
終的に、手動操作機構を最初の位置に戻すと、少し遅れ
てスプール位置２０３が最初の位置に戻る。この例で
は、手動操作機構を動かし続けて最終的に最初の位置に
戻したが、実際には、手動操作機構をどの位置で止めて
も、スプール位置２０３がこれに追随し、ヘッド圧２０
４はバランス圧に収束する。従って、手動操作が終了し
たとき、弁は閉じた状態となる。

【００１８】このように倣い制御系の働きにより、手動
操作でロッドを引っ張るか押し込むかすると、スプール
もそれに倣って移動することになる。当然のことながら
手動時にも油圧は印加されたままなので、その後、自動
モードに切り替えても油圧の急激な印加による衝撃はな
いし、油圧回路の切り替えも不要である。また、当然の
ことながら手動時にもステッピングモータが励磁されて
おり、倣い制御によって回転角を変位させているので、
位置情報は保持される。自動モードに切り替えたときに
原点設定を行う必要がない。

【００１９】本発明のステッピングシリンダを応用した
連続鋳造設備を図６に示す。溶融材料６１を一時貯蔵す
る容器６２の底部に払い出し口６３が設けられ、その払
い出し口６３に絞り６４が設けられている。この絞り６
４は上下方向に移動することにより払い出し量を調節す
るものである。絞り６４の基端部６５にステッピングシ
リンダ６６が連結されており、絞り６４の上下位置を制
御することができる。払い出し口６３の下には鋳型６７
が設置されている。連続鋳造にあっては、鋳型６７内の
湯面を安定に保つことが重要であり、この湯面制御のた
めに溶融材料６１の払い出し量を調節する必要がある。

【００２０】ところで、絞り６４の基端部６５とステッ
ピングシリンダ６６との連結部に、これまでに説明した
手動操作機構が設けられており、絞り６４の位置合わせ
或いは自動運転中の手動介入に用いられる。本発明のス
テッピングシリンダ６６は、このような手動操作の後に
自動運転に切り替えても、急激な動作による衝撃がな
く、しかも位置情報を保持するので、継続的に自動運転
できる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００２２】（１）手動操作時の衝撃が防止されるの
で、ステッピングシリンダ自体が衝撃にさらされないこ
とはもとより、対象物にも衝撃が及ばなくなる。

【００２３】（２）手動操作時に位置情報を保持するの
で、原点設定をやり直す必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す倣い制御系の制御ブ
ロック図である。

【図２】図１の倣い制御系の動作特性図である。

【図３】手動操作機構の側面図である。

【図４】手動操作機構の側面図である。

【図５】本発明のステッピングシリンダの側断面図であ
る。

【図６】本発明のステッピングシリンダを応用した連続
鋳造設備の構成図である。

【符号の説明】

１０１ ステッピングモータ １０２ ボールネジ １０３ スプール １０４ スリーブ １０５ 弁 １０６ ピストン １０７ 手動部材 １０８ 圧力センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 油圧シリンダのピストン内に形成したス
   リーブに、ステッピングモータの回転によって軸方向移
   動されるスプールを収容し、このスプールがロッド側に
   位置するときには、ピストンをロッド側に移動させるべ
   くヘッド圧を高め、スプールがヘッド側に位置するとき
   には、ピストンをヘッド側に移動させるべくヘッド圧を
   低めるようにしたステッピングシリンダにおいて、上記
   ヘッド圧を検出するセンサを設け、上記ピストンに軸方
   向の外力が印加されたとき、検出されるヘッド圧が一定
   となるように上記ステッピングモータを回転させる倣い
   制御系を設けたことを特徴とするステッピングシリン
   ダ。