JPS6162604A

JPS6162604A - 空気圧シリンダ装置

Info

Publication number: JPS6162604A
Application number: JP59180446A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Ito; 誠一伊藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-08-31
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1986-03-31
Also published as: JPH0232481B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ューブと
ピストンとの間に作用するｒＩｆｆｉ＝　Ｖを非、１１
゛に小さくすることができる空気圧シリンダ３Ａ置に関
する。

〔従来の技術〕

油圧シリンダや゛心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（ｌｉ１１圧の場合は油圧ポンプ
、アギュムレータ等の付属装置が大川りとなるし、電気
モータの場合は単位重量当りのトルりが小さい）。

（ハ）速度が速い（電気モータの場合（ま、トルりの関
係上減速しなければならず、速度力（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、シリンダチュ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って９またために、次に述べるよ
うな問題点があった。

〔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
えばロボットのアクチュエータとして用いても高性能な
ものは得られなかった。

この主たる原因は、シリンダチュ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、シリンダチュ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、これをざ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、シリンダチュ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原
振特性を示す。この図において、ｆＳはいわゆる静ＩＩ
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！、、、。１．：ｈ＠＊＠。工。、う。、え、
１７．ツ、一旦動き出すと、ピストンとシリンダチュー
ブとの間の摩擦力は直ぐに静動摩擦ｆＣに落らてしまう
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、位置の微調整がぎかなかっ
た。

また、別の大きな問題として、スティックという現象が
ある。これは、ｆＳ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
ダチュ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。

このスティック現象は、現場では大きな問題となってお
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６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、ピストンが全く仙かなかったり、低速でしか
動かず、タイミングが狂う等して、不良品を作ってしま
うことになる。このため、不良品ができるのを覚悟で、
スティックがなくなるまで（すなわち、ｆｓ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沼いていた。

また、静動摩擦ｆｃ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
リンダチューブとピストンとの間に作用する摩擦として
は、速度に比例して大ぎくなる粘性摩擦（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Ｊ３いては、各種
の摩擦が複雑に絡み合っ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０リングに代わるものとして、ふ
っ素樹脂シールが市販されている。このふっ素樹脂シー
ルは、ふっ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、ふっ素樹脂
シールがばねによってシリンダチューブの内面に押し例
けられる構造となってＪ３す、しかも空気圧が作用され
ると、ざらにこの空気圧が前記ばねの押し付は力にｍ畳
されてふっ素樹脂シールをシリンダチューブの内面に押
し付ける構造となっているので、シール性もよい。

しかし、このようなふっ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
ことができなかったし、動作速度の制御２１Ｉを行うこ
とも困難であった。

（発明の目的）本発明は、前記従来の問題点を解決する１＝めになされ
たもので、シリンダチュ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できるととも
に、動作速度の制御も可能となり、またスティック現象
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［ｉは、シリンダチューブ
と、このシリンダチューブに嵌合された、外径を可変な
ピストンと、このピストンの外径を制御する手段と、前
記シリンダチューブの内面Ｊ５よび前記ピストンの一方
の面によって囲まれる空間と外部との間に介在され、前
記空間から外部に排出される空気の量を制御する流量制
御弁とを有してなる。

〔作用〕

本発明においては、シリンダチューブの内面とピストン
との間を漏れる空気ｍ、および前記流は制御弁を通じて
外部に排出される空気但を制御１り′ることにより、ピ
ストンに作用する力を制御でき、また、シリンダチュー
ブとピストンとの間を空気が漏れることにより、ピスト
ンとシリンダチュ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ューブ内面との間に作用す
るｙｆ、振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。

シリンダチューブ２の両端部には、ヘッドカバー３およ
びロッドカバー４がそれぞれ取り付けられており、前記
ヘッドカバー３にはヘッド側ポート５、ロッドカバー４
にはロンド側ボート６がそれぞれ設けられている。前記
ロッドカバー４には、ピストンロッド７が軸線方向に移
動可能に嵌合されている。そして、このピストンロッド
７とロッドカバー４との間には、この両者間をシールす
る０リング８が介装されている。

前記ピストンロッド７の後端部（シリンダチューブ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、前記ピストンロッド７の後端部
には、金属製の受は材１０、この受は材１０の大部分を
その内部に収容するふっ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
トン溝成部材１０〜１２はナツト１３によりピストンロ
ッド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、受は材１０と押え材１２と
の間に挟まれた状態となっている。また、径方向に関し
てみると、前記受は材１ｏの外周面と樹脂円筒１１と内
周面との間には隙間１４が設けられている。

前記受は材１０と樹脂円筒１１との間には０リング１５
、樹脂円筒１１とピストンロッド７との間には０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１１ａが設
けられており、このフランジ部１１ａの外周面はシリン
ダチューブ２の内面に嵌合されている。また、シリンダ
チューブ２の内面、ヘッドカバー３の内面、およびピス
トン９のヘッドカバー３側の面の間には、ヘッド側空間
２７が形成されている。他方、シリンダチューブ２の内
面、ロッドカバー４の内面、およびピストン９のロッド
カバー４側の面の間には、ロンド側空間２８が形成され
ている。

前記ピストンロッド７の前端部（シリンダチューブ２か
ら外部に突出している側の端部）付近には、油圧入口１
７が間口されており、この油圧入口１７はピストンロッ
ド７に貫通された油道１８および受は材１０１ＣＦＡ通
された油道１９を介して隙間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の前記ピストンロッド７の外周面に
は、第３図に示されるように、着磁体２Ｃ１設けられて
おり、この＠繊体２ｏは、その表面が細かいピッチで軸
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、前記ロッドカバー４の外面には、磁気検出ヘッド
２１が、ピストンロッド７に貫通された状態で取り付け
られている。

前記ヘッド側ボート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。前記ロンド側ポート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ｐｏを供給されるようになっている。

２３はピストンロッド７の移動位置の目標（直を示す入
力信号Ａと、磁気検出ヘッド２１がらフィ−ドパツクさ
れるピストンロッド７の実際の位置を示すフィードバッ
ク信号Ｂとを比較して、その偏差を示す比較幅差信＠Ｃ
を出力づ゛る比較回路、２４は前記比較偏差信号Ｃに基
づいて操作信号りを絞り弁２２および電−空変換装置２
５に出力する制御２１１回路である。なお、前記電−空
変換装置２５は操作信号りを空気圧に変換するようにな
っている。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−曲変換装百２６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Ｐｕは、曲選１８および
１つを介して隙間１４に作用される。したがって、油圧
ｐｕを上昇させると、ピストン９の（飼脂円筒１１のフ
ランジ部１１ａの外径は拡大するし、油圧ｐｕを低下さ
せると、フランジ部１（１ａのタト径。よ縮小する。し
たが７１、油圧Ｐ１をζ 変化させることにより、シリンダチューブ２とピストン
９との間の間隙、ひいてはピストン側空間２８からシリ
ンダチューブ２とピストン９との間を経てロッド側空間
２７へ混れる空気の漏れ吊を制御できる。

また、絞り弁２２により、ヘッド側空間２７から外部に
流出づ−る空気量を制御できる。

そして、ピストン９を図上左方（ヘッドカバー３側）に
移動ざぜたいときＩＪ、１１１１圧Ｐｕおよび絞り弁２
２をｄＪ　ｆ２Ｉ！することにより、シリンダチューブ
２とピストン９との間を漏れる空気量よりヘッド側空間
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、ロッド側空間２８の圧力ｐｏとヘッ
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を図上左方（ロッドカバー４側）に移
動させたいときは、油圧Ｐｕおよび絞り弁２２を制御３
ＩＩすることにより、シリンダチューブ２とピストン９
との間を漏れる空気量よりヘッド側空間２７から校り弁
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、ロッド側空間２８の圧力ｐｏとヘッド側空間２７
の圧力Ｐとの圧力差が小さくなって行き、該圧力差がほ
ぼなくなったところで、ピストン９は右方に移動する。

これは、ピストン９のヘッド側の有効断面積Ａ１とロン
ド側の有効断面積Ａ２　＝Ａ−Ａｒ　（八ｒはピストン
ロッド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
、シリンダチューブ２とピストン９との間を漏れる空気
によってシリンダチューブ２とピストン９との間に空気
の膜ができるので、シリンダチューブ２とピストン９と
の間に作用する摩涼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、ピストンロッド
７に外力が作用せず、かつシリンダデユープ２とピスト
ン９との間に作用する摩１票力が零で必るとすれば、Ｐ、（ＡＩ−Ａｒ）＞ＰＡＩのとき、ピストン９は図上左方に移動し、Ｐｏ　　（Ａ
Ｉ−Ａｒ＞＜Ｐ△１のとき、ピストン９は図上左方に移動し、Ｐｏ　（ＡＩ
−Ａｒ）＝ＰＡ１のとき、ピストン９は停止する。

他方、磁気検出ヘッド２１は着磁体２０のｆｌパターン
を検出することにより、ピストンロッド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
トンロッド７の移動位置の目標値と、磁気検出ヘッド２
１からフィードバックされるピストンロッド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って、本実施例では、次のようにしてピストンロ
ッド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ぼるべきときは、制御回路２４（
よ、操作信号Ｄ＠通じて絞り弁２２を開方向に動作さぼ
るとともに、空−曲変換装置２６から出力される油圧Ｐ
ｕを上昇させ、シリンダチューブ２とピストン９との間
を漏れる空気量よりヘッド側空間２７から絞り弁２２を
経て外部に流出する空気■が多くなるようにし、ロッド
側空間２８の圧力ＰＯとヘッド側空間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左方に
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ＰＵ３低下させ、シリンダチューブ２とピストン９
との間を漏れる空気量よりヘッド側空間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
、ロッド側空間２８の圧力ｐｏとヘッド側空間２７の圧
力Ｐとの圧力差を減少させて、ピストン９を図上左方に
移動させる。

これにより、ピストン９の実際の位置を目標（直に自動
釣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、ｉ’＋ｆｆ述のようにシリ
ンダチューブ２とピストン９との間のｆ！ｆ−１ｍ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、かつスティッ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Ｐｕを上昇させて、ピストン９の７ラン
ジ部１１ａの外径を十分拡大させ、ピストン９をシリン
ダチューブ２にロックするとと同時に、シリンダチュー
ブ２とピストン９との間＠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。

なあ、前記実施例では、磁気的にピストンロッド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
ロッド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、位置の制りＯ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
制御や速度の制すｐをも行うことができる。

さらに、前記実施例では、元圧ｐｏを一定としているが
、元圧ｐｏを可変としてもよく、その場合、元圧ＰＯを
高くしたときには、空気圧シリンダ１は硬い動き、元圧
ｐｏ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。ピストンロッド７の後端部には、押え材３
２、受は材３３および押え材３４が嵌合されており、こ
れらの部材３２〜３４はピストンロッド７に螺合された
ナツト３５ににリピストンロツド７に対し固定されてい
る。前記押え千Ａ３２および３４の中心部には、ボス部
３２　ａ　ｄ３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はそれぞれ受は材３
３の両面に接している。３６は硬質ゴムｈ日うなる径可
変材であり、受は材３３の外周側を７ａ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３４°ａ以外
の部分と受は材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、全周に渡って凸部３６ａが設け
られてＪ５す、この凸部３６ａはシリンダチューブ２の
内面に１ａ合されている。

前記径可変材３６の内面と受は材３１の外周面との間に
は、隙間３７が形成されており、この隙間３７は受は材
３３に設けられた面心３８およびピストンロッド７に設
けられた面心１８を介してピストンロッド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
。ｌよｄ５、ナツト３５と受は材３３との間に介装され
た座金３９と、受は材３３と、ピストンロッド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
ロッド７と押え材３４との間には、Ｏリング４１が介装
されている。

本実施例においても、油圧入口１７から面心１８および
３８を介して隙間３７に供給される油圧が上昇されれば
、径可変材３６の外・（￥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
がって前記実施例の場合と同様の効果を１ｑることがで
きる。

なお、前記各実施例においては、油圧ににリピストンの
外径を制御しているが、本発明←こＪ３いては、カムや
バネ等による殿械的方法によってビ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−曲変換装置２６の一例
を示す。プランジャ支持材５１には、軸受５２を介して
プランジャ５３が軸線方向に移動可能に支持されてあり
、このプランジャ５３の一端部には、加圧円板５４が取
り付番ブられている。

前記加圧円板５４はプランジャ支持材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
ャ５３と反対側の面と、ベロフラム５６と、カバー５５
とによって囲まれる空間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。

（４，ヵ、ゎ３．ア５．ッ、えヵ第５１ｒＱｌｌｔ、８
ｏゆ５９が設けられており、この油室５９はプランジャ
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ｖ５３の他端側が侵入されている。なお
、ｎ１１記油室５９はＯリング６１によりｉ受５２およ
びカバ−５５内部から仕切られている。

この空−油交換装置２６においては、加圧円板５４の断
面積をＡ３、プランジ１７５３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、Ａ、３／
Ａ４倍だけ増幅されて油圧ｐｕに変換され、油圧出口６
０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０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、べＯ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
はストロークは小ざくても全（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
ンダチューブとピストンとの間に作用するＳ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
制りｐも可能となり、またスティッ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Ｊ−拡大断面図、第３
図は前記実施例におけるピストンロンドに設けられた着
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＠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・・・シリンダチューブ、
７・・・ピストンロンド、９・・・ピストン、１Ｑ・・
・受は材、１１・・・樹脂円筒、１２・・・押え材、１
４・・・隙間、１７・・・油圧入口、１８．１９・・・
？ｌｉＩ道、２４・・・制御回路、２５・・・電−空変
換装置、２６・・・空−油交換装置、３１・・・ピスト
ン、３２・・・押え材、３３・・・受は材、３４・・・
押え材、３ｅ！・・・径可変材、３７・・・隙間、３８
・・・曲選。

Claims

【特許請求の範囲】

シリンダチューブと、このシリンダチューブに嵌合され
た、外径を可変なピストンと、このピストンの外径を制
御する手段と、前記シリンダチューブの内面および前記
ピストンの一方の面によって囲まれる空間と外部との間
に介在され、前記空間から外部に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る空気圧シリンダ装置
。