JPH10331975A - シリンダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリンダ装置の組み立て誤差や駆動上でのピ
ストンの振動によってピストンとシリンダとの干渉によ
る摩擦が増大する。 【解決手段】 シリンダ外装主部５８ａ内の空洞内に、
当該空洞側壁面との間に隙間（シリンダ側室７６）を有
してシリンダ本体６０ａが配置される。ピストン３２ａ
はシリンダ本体６０ａ内の空洞を摺動する。シリンダ本
体６０ａは、シリンダ外装主部５８ａの上下を塞ぐ部材
にそれぞれ設けられたシリンダ本体支持部６８、７２に
弾性体パッキン７０、７４を介して支持される。これら
弾性体パッキンの弾性変形とシリンダ側室７６の存在と
により、シリンダ本体６０ａはピストン３２ａの側壁か
ら受ける力に追動して、ピストンがシリンダ本体内側面
に及ぼす力が常に各方向に均等に保たれ、ピストン３２
ａとシリンダ本体６０ａとの間での摩擦が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリンダ本体内をピ
ストンが摺動するシリンダ装置に関し、特にピストンの
動作の円滑化に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリンダ装置は、流体エネルギーと機械
的エネルギーとの変換を行う装置の一種である。流体圧
をピストンの変位という機械的駆動力に変換するシリン
ダ装置として、アクチュエータがあり、逆に機械的な駆
動力によるピストンの変位をシリンダ内外間での流体の
吸引・吐出動作に変換するシリンダ装置としてシリンダ
ポンプといったものがある。

【０００３】周知のようにシリンダ装置は、直線的な筒
であるシリンダ本体内を、その空洞断面に応じた形状の
ピストンが摺動可能に構成されたものである。ピストン
にはピストンロッドと呼ばれる軸が取り付けられる。ピ
ストンロッドは、例えば、アクチュエータにおいては流
体圧によるピストンの変位を外部に伝達する役割を果た
し、シリンダポンプにおいては外部から力をピストンに
伝達する役割を有する。

【０００４】基本的には、ピストンを介した機械的エネ
ルギーと流体エネルギーとの変換効率を確保するため、
ピストンの側面とシリンダ本体の内壁面との間には隙間
を介して、流体が流通しないことが望ましい。そのた
め、上記隙間はできるだけ小さくなるように設計される
のが一般的である。

【０００５】一方、隙間を小さくするほどシリンダ本体
内壁面とピストン側面との間の摩擦が増大し、円滑なピ
ストンの動きが妨げられる。これは、装置に供給された
機械的または流体のエネルギーが摩擦エネルギーとなり
エネルギー変換効率の低下を生じる要因となる。この摩
擦を抑制するため、シリンダ本体の内壁面やピストンの
側面に、例えばピストンの移動方向に垂直な向きの溝を
設けて、これら２つの面の接触面積を低減することが行
われる場合もある。

【０００６】図３は、従来のシリンダ装置の一例を示す
ものである。具体的には従来の複動型シリンダアクチュ
エータの断面構造の一例を示す概略の断面図である。こ
のアクチュエータは、円筒状のシリンダ本体２の両端を
それぞれシリンダ底面部４、６によって封じられ、その
内部空間をピストン８により仕切られ２つのシリンダ室
１０、１２を形成されている。

【０００７】シリンダ室１０、１２にはそれぞれ配管１
４、１６が接続される。配管１４、１６を経由して空気
や作動油による圧力がシリンダ室１０、１２に印加され
る。例えば、配管１４を介してシリンダ室１０側を高圧
にし、配管１６を介してシリンダ室１２側を低圧にする
と、その圧力差によってピストンがシリンダ室１０側か
らシリンダ室１２側へ移動する。つまり、シリンダ室１
０が拡大し、シリンダ室１２が縮小する。

【０００８】ピストン８にはその移動方向と平行にピス
トンロッド１８が取り付けられている。流体圧によるピ
ストン８の移動を外部へ取り出すため、ピストンロッド
１８はシリンダ底面部４、６を貫通して外部へ突出され
ている。シリンダ底面部４、６にそれぞれ設けられた貫
通孔２０、２２は、シリンダ室１０、１２の気密を維持
する必要があるとともに、ピストンロッド１８を支持す
る軸受けとしての機能も果たしている。

【０００９】シリンダ底面部４、６は多くの場合、シリ
ンダ本体２に組み付けられる構造とされる。この組み立
ての際、貫通孔２０、２２が、ピストン８やピストンロ
ッド１８の円滑な動きを阻害しない位置となるように、
シリンダ底面部４、６は位置決めされシリンダ本体２に
固定される。これは、従来のシリンダポンプにおいても
同様であった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように従来のシリ
ンダ装置は、組み立てられた状態では、シリンダ本体と
シリンダ底面部との位置関係、つまり軸受けとピストン
ロッドの位置関係及びピストン側面とシリンダ本体内の
側壁面との位置関係は固定される。このため、装置の組
み立てに際して誤差が生じると、各部間、特にピストン
とシリンダ本体との間に不要な力が作用したり摩擦が生
じたりし、円滑な動作が損なわれエネルギーの損失が生
じるという問題があった。

【００１１】また、ピストンロッドや使用状況に関する
条件によっては、ピストンロッドの瞬間的な曲がり、振
動、偏心などの現象が発生する可能性がある。通常は、
これらの現象によるピストンの横方向への変位は微少な
ものである。しかし、装置の正確な制御等を目的として
各部の加工精度が向上すると、上記振動等の現象によっ
て、ピストンがシリンダ本体を擦り、やはり円滑な動作
が損なわれるという問題が生じる。

【００１２】本発明は上記問題点を解消するためになさ
れたもので、シリンダ装置の組み立て誤差や、動作中の
振動等の影響を受けず円滑な動作を可能とするシリンダ
装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係るシリンダ装
置は、シリンダ本体と、前記シリンダ本体に内挿された
ピストンと、前記シリンダ本体と前記ピストンとを収納
するシリンダ外装部とを含み、前記シリンダ本体は、前
記ピストンの横方向の動きに追動可能に前記シリンダ外
装部に支持される。

【００１４】本発明によれば、ピストンが設計された駆
動軸からずれて移動しても、シリンダ本体がその横方向
のずれに追従するので、ピストンがシリンダ本体と干渉
することがなくピストンからシリンダ本体の内側面に及
ぼされる力が等方的となる。本発明に係るシリンダ装置
は、前記シリンダ外装部が前記シリンダ本体を嵌挿され
支持するシリンダ本体支持部を有し、前記シリンダ本体
支持部は、嵌挿された前記シリンダ本体との間に弾性体
パッキンを有し、前記弾性体パッキンの弾性により前記
ピストンへの追動を行う。

【００１５】本発明によれば、弾性体パッキンがシリン
ダ内の気密シールを行うとともに、その弾性変形により
シリンダ本体の横方向の変位を実現する。

【００１６】本発明に係るシリンダ装置は、前記ピスト
ンの摺動により容積が変化する主シリンダ室と、前記シ
リンダ本体の外側面と当該シリンダ本体が収納される前
記シリンダ外装部の内側面との間に設けられた間隙であ
って前記主シリンダ室に連通したシリンダ側室とを有す
るものである。

【００１７】本発明によれば、主シリンダ室とシリンダ
側室との圧力媒体の圧力差が基本的に生じない。そのた
め弾性体パッキンの表面上の位置による圧力媒体の変動
が抑制され、弾性体パッキンがいびつに変形することが
ない。よって、気密シールを保ちつつシリンダ本体が横
方向へ追動する能力が確保される。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態であるア
クチュエータを用いた土質試験機について図面を参照し
て説明する。

【００１９】図１は、本実施形態の土質試験機のアクチ
ュエータ部分の概略の断面図である。このアクチュエー
タはピストンロッドにピストンとロータとが設けられ、
ピストンロッドの軸駆動と回転駆動とを同時かつ独立に
制御可能なものである。

【００２０】図において、装置を上下に貫いている軸が
ピストンロッド３０である。このピストンロッド３０に
は、上下２箇所にピストン３２ａ、３２ｂが取り付けら
れている。また、これらピストン３２ａ、３２ｂの設け
られた位置の中間の高さには、ロータ３６がその回転中
心をピストンロッド３０が貫通するように設けられてい
る。

【００２１】土質試験の対象となる試料は、ピストンロ
ッド３０の下部先端側に配置され、ピストンロッド３０
先端に取り付けられたアダプタ３８を介して、ピストン
ロッド３０から圧縮力やトルクを作用される。

【００２２】次に、装置本体５０に内蔵された本発明に
かかるシリンダ装置の構造及び動作を説明する。ピスト
ン３２ａを含んだ上部のシリンダ装置とピストン３２ｂ
を含んだ下部のシリンダ装置の構成、動作は同様である
ので、上部シリンダ装置に関して主に説明する。図２
は、ピストン３２ａを内蔵した装置本体５０上部のシリ
ンダ部を示す概略の断面図である。

【００２３】装置本体５０の一部であるシリンダ外装部
は、加工及び組み立ての都合上、シリンダ外装主部５８
ａ、シリンダ外装上部６２ａ及びシリンダ外装下部６４
ｂの３つのパーツから構成される。シリンダ外装主部５
８ａは円筒状の空洞を有し、この空洞にはそれに応じた
大きさの円筒状のシリンダ本体６０ａが配置される。ピ
ストン３２ａは、このシリンダ本体６０ａ内部を摺動す
る。シリンダ外装上部６２ａ及びシリンダ外装下部６４
ｂはそれぞれシリンダ外装主部５８ａの上下に接続され
る。

【００２４】シリンダ外装上部６２ａはドーナツ形状で
あり、中心孔にピストンロッド３０を支持するボールベ
アリング軸受け６６ａが差し込まれる。シリンダ外装上
部６２ａとボールベアリング軸受け６６ａとの間はＯリ
ングでシールされる。シリンダ外装上部６２ａはシリン
ダ外装主部５８ａの円筒空洞内部に差し込まれる円筒状
の突起部であるシリンダ本体支持部６８を有し、シリン
ダ本体６０ａの一端の開口はこのシリンダ本体支持部６
８に嵌挿される。同様に、やはりドーナツ形状のシリン
ダ外装下部６４ｂはシリンダ外装主部５８ａの円筒空洞
内部に差し込まれる円筒状の突起部であるシリンダ本体
支持部７２を有し、シリンダ本体６０ａの他端の開口が
このシリンダ本体支持部７２に嵌挿される。これらシリ
ンダ本体支持部６８、７２とシリンダ本体６０ａとの接
合部をシールするため、その円周状の接合部にはそれぞ
れＯリング等の弾性体パッキン７０、７４が配置され
る。これによって、シリンダ本体６０ａの上部は、シリ
ンダ外装上部６２ａとボールベアリング軸受け６６ａ及
びピストンロッド３０とによって閉止される。この閉止
された上部とピストン３２ａとによって挟まれた空間
は、ピストン３２ａの摺動によって容積が変化する空間
である。以下、この空間を主シリンダ室８０ａと呼ぶ。

【００２５】また、シリンダ本体６０ａはシリンダ本体
支持部６８、７２により、シリンダ外装主部５８ａ内側
面から浮かせた状態で支持される。これにより生じるシ
リンダ外装主部５８ａ内側面とシリンダ本体６０ａ外側
面との間の円筒状の空間を以下、シリンダ側室７６と呼
ぶ。

【００２６】シリンダ外装主部５８ａには、外部からシ
リンダ外装主部５８ａ内部へ空気圧を印加する空気供給
路５２が設けられている。またシリンダ外装上部６２ａ
のシリンダ外装主部５８ａへの挿入部分には、シリンダ
本体支持部６８の外側と内側を連通する連絡孔８２が設
けられている。さらにシリンダ本体支持部６８内側の連
絡孔８２の開口と主シリンダ室８０ａとの間を連通する
隙間８４が、シリンダ本体支持部６８内側面とボールベ
アリング軸受け６６外側面との間に設けられる。

【００２７】この構成によって、空気供給路５２からシ
リンダ外装主部５８ａ内部に流入した空気の圧力は、連
絡孔８２及び隙間８４を経由して、主シリンダ室８０ａ
に到達する。また、空気供給路５２からの空気圧はシリ
ンダ外装主部５８ａ内部の空間であるシリンダ側室７６
にも直接及ぶ。すなわち、図１に示す軸制御弁９０を介
して外部から印加した空気圧は、空気供給路５２から主
シリンダ室８０ａとシリンダ側室７６の双方に及び、主
シリンダ室８０ａとシリンダ側室７６との双方は基本的
に同じ空気圧に保たれる。

【００２８】次に、上述した構成を有した本発明にかか
るシリンダ装置の特徴的動作について説明する。本装置
のピストン３２ａ側面とシリンダ本体６０ａとの間隙は
極めて小さく、例えばおよそ１０μｍである。一般には
そのような装置の加工及び組み立てには十分な精度が要
求される。もしその精度が満たされず、例えばシリンダ
の軸とピストンロッドの軸との方向がずれていたり偏心
していたりすると、ピストンとシリンダ内壁との干渉に
より摩擦が大きくなって円滑なピストンの摺動が不可能
となる。また、上記課題において述べたように、ピスト
ンロッドの瞬間的な曲がり、振動、偏心などの現象が発
生する可能性もあり、この場合は、製造時に精度よく加
工、組み立てを行っても、従来の構成では上述した摩擦
の増大を回避することができない。

【００２９】本装置はこの問題を解決するものである。
本装置において、上記加工、組み立ての誤差や振動等に
より、ピストン３２ａがシリンダ本体６０ａに対して偏
った横方向の力を作用すると、その力に応じてシリンダ
本体６０ａはシリンダ本体支持部６８、７２との間に挟
まれた弾性体パッキン７０、７４の弾性変形により変位
することができる。つまり、シリンダ本体６０ａは、弾
性体パッキン７０により主シリンダ室８０ａの気密シー
ルを保ちつつ、ピストン３２ａの横方向の動きに追動す
る。これにより、ピストン３２ａからシリンダ本体６０
ａ内壁面に及ぼされる力が各方向に均等となるように、
ピストン３２ａとシリンダ本体６０ａとの位置関係が保
たれる。よって、ピストン３２ａとシリンダ本体６０ａ
との摩擦力が、誤差等を生じずに組み立てられた場合と
同様に抑制され、円滑なピストン３２ａの摺動を実現す
ることができる。

【００３０】さて、弾性体パッキン７０、７４は、異方
的な圧力を受けるとそれに応じていびつに変形し、シー
ルの能力が低下する。つまり、シリンダ本体６０ａがシ
ールを保ちつつ追動できる範囲が小さくなる。本シリン
ダ装置は、これを防止するため、主シリンダ室８０ａと
同圧力のシリンダ側室７６を設け、弾性体パッキン７０
に主シリンダ室８０ａ側から作用する圧力と、シリンダ
側室７６側から作用する圧力とを等しくしている。ピス
トンに対して主シリンダ室８０ａと反対側に位置するシ
リンダ本体６０ａ内部空洞は、後述するように空気ダン
パ室９２ａである。この空気ダンパ室９２ａは、空気供
給路５２と連通していないので、その内部圧力はシリン
ダ側室７６内の圧力とは等しいとは限らない。しかし、
その圧力差は、シリンダ側室７６を大気圧に開放した場
合の圧力差に比べれば抑制され、これにより、弾性体パ
ッキン７４に関しても、弾性体パッキン７０に対すると
同様の原理による上記効果が得られる。

【００３１】ここで空気ダンパ室９２ａ、９２ｂを説明
する。空気ダンパ室９２ａ、９２ｂは、ピストンロッド
３０の急激な動きによって不要な振動が生じないように
その動きを緩衝するダンパとしての機能を有する。つま
り、例えば空気ダンパ室９２ａは、上方をピストン３２
ａにより閉止され、下方を装置本体５０の他の部品や、
ロータ３６とピストンロッド３０とを係合するボールス
プライン１００によって基本的に閉止される。ただし、
空気ダンパ室９２ａ、９２ｂはピストンロッド３０表面
とボールスプライン１００との間の微少な、例えば１０
μｍ程度の間隙によって相互に連通している。この構成
により、例えば主シリンダ室８０ａ内の圧力が高くなっ
ても、同時に空気ダンパ室９２ａの圧力も高くなるの
で、ピストンロッド３０の動きが緩和される。しかし、
時間の経過とともに、空気ダンパ室９２ａ内の空気が空
気ダンパ室９２ｂへ徐々に移動することによって、ピス
トンロッド３０は最終的には主シリンダ室８０ａに印加
された圧力に応じた位置まで変位される。

【００３２】ピストン３２ｂを含む装置本体５０下部の
シリンダ部は、上述した上部のシリンダ部と基本的には
上下が反転した構成を有するので説明を省略する。ちな
みに、上部シリンダ部への空気供給路５２と下部シリン
ダ部への空気供給路５４とは、それぞれ独立に空気圧を
印加することができる。つまり、例えば主シリンダ室８
０ａを高圧にし、これに対して主シリンダ室８０ｂを相
対的に低圧にするように空気圧を印加することによっ
て、ピストン３２ａが主シリンダ室８０ａの内圧によっ
て受ける下向きの力が、ピストン３２ｂが空気室８０ｂ
の内圧によって受ける上向きの力より大きくなる。これ
によって、ピストンロッド３０は、ピストン３２ａ、３
２ｂからの合力として下向きの力を受け、下方に駆動さ
れる。一方、空気圧の高低を逆にすることにより、ピス
トンロッド３０は上方へ駆動される。なお、ボールベア
リング軸受け６６ａ、６６ｂは、この上下の軸駆動にお
いてピストンロッド３０の不要な横方向のぶれを生じな
い円滑な駆動を実現するために設けられている。

【００３３】ここでは、本発明に係るシリンダ装置とし
て空気圧のシリンダアクチュエータを説明したが、圧力
媒体は空気である必要はなく、作動油を用いた油圧制御
のアクチュエータであってもよい。

【００３４】また、シリンダとピストンを含んだ装置で
あれば、アクチュエータに限られず、本発明を適用する
ことができる。例えば、本発明に係るシリンダ装置は、
上記図２のように横方向に可動に保持されたシリンダ本
体６０ａや、さらに上記図２のように主シリンダ室に連
通するシリンダ側室を有したシリンダポンプであっても
よい。シリンダポンプは周知のように、ピストンロッド
に外力を作用してピストンを移動させることにより、主
シリンダ室内の流体を外部に吐出させたり、逆に外部か
ら主シリンダ室に流体を吸引させたりすることができ
る。この場合において、ピストンの移動による主シリン
ダ室の圧力の変動は、これに連通したシリンダ側室に伝
達され、両室は基本的に同じ圧力になる。これにより、
上述したアクチュエータの場合と同様、弾性体パッキン
の変形の抑制が図られ、シールとシリンダ本体の横変位
範囲の確保とが実現される。

【００３５】さらに、シリンダ本体の横変位を可能とす
るため、上記例では弾性体パッキンを採用したが、その
代わりにバネを用いる構成も可能である。例えば、シリ
ンダ本体をシリンダ本体支持部やシリンダ外装部に対し
て、バネで浮動支持する構成が考えられる。さらにこの
場合、シリンダ本体とシリンダ本体支持部との間をベロ
フラムといった膜で接続しシールすることにより、上記
弾性体パッキンを用いた装置と同様の機能を有するシリ
ンダ装置を得ることができる。主シリンダ室とシリンダ
側室とが同圧力とされるということは、ベロフラムの表
裏の圧力差は基本的にないということであり、主シリン
ダ内の圧力にかかわらずベロフラムにかかる張力はそれ
ほど大きくはならずその強度上の問題は生じない。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、シリンダ本体がピスト
ンの横方向の動きに追動可能であるので、シリンダ装置
の加工、組み立ての誤差や駆動上での振動等によるピス
トンの横方向の変位が生じても、シリンダ本体がそれに
応じて変位して、ピストンがシリンダ本体内側面に及ぼ
す力が常に各方向に均等に保たれる。これにより、ピス
トンとシリンダ本体との間での摩擦が不用意に増大する
ことが回避され、円滑な動作が実現されるという効果が
得られ、装置の加工、組み立て精度や駆動上での制限を
緩和することができるという効果が得られる。

【００３７】また、シリンダ本体の支持を弾性体パッキ
ンで行うことにより、圧力媒体のシールと、弾性体の変
形によるシリンダ本体の横方向変位との機能を両立させ
ることができ、上記効果を有する装置が簡単な構成で実
現される。

【００３８】さらに、シリンダ本体の周囲にシリンダ側
室を設け、シリンダ本体内部の主シリンダ室と前記シリ
ンダ側室とを連通させ、両者を同圧にすることにより、
上記弾性体による横方向変位の範囲を大きく確保するこ
とができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態である土質試験機のアクチ
ュエータ部分の概略の断面図である。

【図２】 ピストンを内蔵した装置本体上部のシリンダ
部を示す概略の断面図である。

【図３】 従来のシリンダ装置である複動型シリンダア
クチュエータの断面構造の一例を示す概略の断面図であ
る。

【符号の説明】

３０ ピストンロッド、３２ａ，３２ｂ ピストン、３
６ ロータ、５０ 装置本体、５２ 空気供給路、５８
ａ，５８ｂ シリンダ外装主部、６０ａ，６０ｂ シリ
ンダ本体、６２ａ，６４ａ シリンダ外装上部、６２
ｂ，６４ｂ シリンダ外装下部、６６ａ，６６ｂ ボー
ルベアリング軸受け、６８，７２ シリンダ本体支持
部、７０，７４ 弾性体パッキン、７６ シリンダ側
室、８０ａ，８０ｂ 主シリンダ室、８２ 連絡孔、８
４ 隙間、９２ａ，９２ｂ 空気ダンパ室。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ本体と、 前記シリンダ本体に内挿されたピストンと、 前記シリンダ本体と前記ピストンとを収納するシリンダ
   外装部と、 を含み、 前記シリンダ本体は、前記ピストンの横方向の動きに追
   動可能に前記シリンダ外装部に支持されることを特徴と
   するシリンダ装置。
2. 【請求項２】 前記シリンダ外装部は、前記シリンダ本
   体を嵌挿され支持するシリンダ本体支持部を有し、 前記シリンダ本体支持部は、嵌挿された前記シリンダ本
   体との間に弾性体パッキンを有し、 前記弾性体パッキンの弾性により前記ピストンへの追動
   を行うことを特徴とする請求項１記載のシリンダ装置。
3. 【請求項３】 前記ピストンの摺動により容積が変化す
   る主シリンダ室と、 前記シリンダ本体の外側面と当該シリンダ本体が収納さ
   れる前記シリンダ外装部の内側面との間に設けられた間
   隙であって前記主シリンダ室に連通したシリンダ側室
   と、 を有することを特徴とする請求項２記載のシリンダ装
   置。