JP6796291B2

JP6796291B2 - エアシリンダ

Info

Publication number: JP6796291B2
Application number: JP2017246347A
Authority: JP
Inventors: 浩之朝原; 謙吾門田; 和文脇; 直樹新庄; 誠一名倉; 和孝染谷; 晶博風間; 献太大貫
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2020-12-09
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: JP2019113101A

Description

本発明は、エアシリンダに関し、特に、ピストンロッドの押し出し時に大きな駆動力を必要としないエアシリンダに関する。

従来から、駆動工程で大きな出力を必要とし、復帰工程では大きな出力を必要としない、空気圧を利用した複動アクチュエータの駆動装置が知られている（特許文献１参照）。

実公平２−２９６５号公報

このアクチュエータ駆動装置は、複動シリンダ装置の駆動側圧力室から排出される排気の一部をアキュムレータに回収・蓄積し、それを複動シリンダ装置の復帰動力に使用するものである。具体的には、切換弁が切り換わると、駆動側圧力室内の高圧排気が回収弁の回収ポートを通ってアキュムレータに蓄積される。排気圧力が低下して、排気圧とアキュムレータ圧力との差が小さくなると、駆動側圧力室内の残存空気が回収弁の排出ポートから大気に放出され、同時にアキュムレータの蓄圧空気が復帰側圧力室に流入する。

上記アクチュエータ駆動装置は、切換弁を切り換えても、排気圧とアキュムレータ圧力との差が小さくなるまでは、駆動側圧力室内の高圧空気が大気に放出されないので、複動シリンダ装置の復帰に必要な推力が得られるまでに時間がかかる。また、複雑な構造の回収弁を必要とする。

そこで、本出願人は、排気圧力を再利用して流体圧シリンダを復帰させる駆動装置であって、復帰に必要な時間を短縮するとともに流体回路を簡素化することを目的とする駆動装置の発明について特許出願した（特願２０１６−１８４２１１号）。当該発明は、流体回路にチェック弁等の構成を設けることにより、復帰工程において、一方のシリンダ室に蓄積された流体の一部を他方のシリンダ室に向けて供給しつつ、一方のシリンダ室に蓄積された流体の他の一部を外部に排出するものである。

また、本出願人は、配管によって流体回路の基準抵抗が決まるように設計し、配管を小径にすることでエア消費量の低減を図るエアシリンダの発明について特許出願した（特願２０１７−１６５１１３号）。

本発明は、これらの特許出願と関連してなされたものであり、流体回路は従来と同様の構成としたままでありながら、エア消費量を低減することができるエアシリンダを提供することを目的とする。

本発明に係るエアシリンダは、ピストンに一端部が連結されたピストンロッドの他端部がロッドカバーを通って外部に延び、ピストンによってピストンロッドが縦断する第１エア室とピストンロッドが存在しない第２エア室とに画成されるシリンダ室を有し、第１エア室のエアを給排するための第１ポートと第２エア室のエアを給排するための第２ポートがシリンダ本体に設けられ、メータアウト制御が適用されるエアシリンダであって、ピストンロッドを押し出す方向にピストンが移動する工程では、第１エア室と第２エア室が相互に連通し、ピストンロッドを引き込む方向にピストンが移動する工程では、第１エア室と第２エア室との連通が遮断される通路構造がピストンに設けられており、前記通路構造は、前記ピストンの軸線方向に形成された貫通孔と、前記ピストンの軸線方向に移動可能となるように前記貫通孔に設けられた開閉用ピストンとを含み、前記開閉用ピストンが前記貫通孔に対して所定の位置にあるときに、前記開閉用ピストンの内部に形成された連通孔を介して前記第１エア室と前記第２エア室が相互に連通する
ことを特徴とする。

上記のエアシリンダによれば、ピストンロッドを押し出す方向にピストンが移動する工程において、第１エア室のエアの一部は外部に排出されず第２エア室に流入するので、エア消費量の低減を図ることができる。また、ピストンロッドが押し出される工程で第１エア室と第２エア室を相互に連通するとともにピストンロッドが引き込まれる工程で第１エア室と第２エア室との連通を遮断する通路構造をピストンに簡単に組み込むことができる。

また、開閉用ピストンは、ピストンがピストンロッドを押し出す方向に移動するストロークエンド近傍でロッドカバーに当接し、開閉用ピストンに固定されたストッパは、ピストンがピストンロッドを引き込む方向に移動するストロークエンド近傍でシリンダ本体のエンドカバー部に当接するのが好ましい。これによれば、ピストンのストロークエンドで第１エア室と第２エア室を相互に連通する状態と第１エア室と第２エア室との連通を遮断する状態との切り換えを確実に行うことができる。

本発明に係るエアシリンダによれば、ピストンロッドを押し出す方向にピストンが移動する工程において、第１エア室のエアの一部は外部に排出されず第２エア室に流入するので、流体回路は従来と同様の構成としたままでありながら、エア消費量の低減を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係るエアシリンダの断面図である。図１のエアシリンダのＡ部拡大断面図である。図１のエアシリンダが別の動作状態にあるときの断面図である。図３のエアシリンダのＢ部拡大断面図である。ピストンが一方のストロークエンドに達しているときの図１のエアシリンダの断面図である。ピストンが他方のストロークエンドに達しているときの図１のエアシリンダの断面図である。

以下、本発明に係るエアシリンダ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詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施形態に係るエアシリンダを示す。

図１に示すように、エアシリンダ１０は、シリンダ本体１２、ピストン１４、ピストンロッド１６およびロッドカバー１８を有する。エアシリンダ１０は、例えばワークをクランプする装置に用いられ、ピストンロッド１６の引き込み時に所要の駆動力を発揮して仕事をし、ピストンロッド１６の押し出し時には仕事をしない。すなわち、ピストンロッド１６を引き込む方向にピストン１４が移動する工程が駆動工程となり、ピストンロッド１６を押し出す方向にピストン１４が移動する工程が復帰工程となっている。

シリンダ本体１２は、一端がエンドカバー部２０によって閉塞される有底円筒形状に形成されている。ロッドカバー１８が係止リング２２によりシリンダ本体１２の他端側内周に固定され、これによりシリンダ本体１２の内部にシリンダ室２４が形成される。ピストンロッド１６の一端部はピストン１４に連結されており、ピストンロッド１６の他端部はロッドカバー１８を通って外部に延びる。

ロッドカバー１８の外周面には凹溝を介して第１シール材２６が装着され、第１シール材２６はシリンダ本体１２の内周面に当接する。ロッドカバー１８の内周面には凹溝を介して第２シール材２８が装着され、第２シール材２８はピストンロッド１６の外周面に摺接する。第１シール材２６および第２シール材２８によって、シリンダ室２４は外部から封止される。

シリンダ室２４は、ピストン１４によって、ピストンロッド１６が内部を縦断する第１エア室３０とピストンロッド１６が存在しない第２エア室３２とに区画される。図２に示すように、ピストン１４の外周面には凹溝を介してピストンパッキン３４が装着され、ピストンパッキン３４はシリンダ本体１２の内周面に摺接する。なお、図２において、参照符号３６で示される部材はウエアリングである。

シリンダ本体１２には、第１エア室３０に連通して第１エア室３０にエアを給排する第１ポート３８が設けられるとともに、第２エア室３２に連通して第２エア室３２にエアを給排する第２ポート４０が設けられている。

第１ポート３８側には、第１エア室３０から排出されるエアの流量を調整可能な図示しない可変絞り弁（スピードコントローラ）が付設されている。同様に、第２ポート４０側には、第２エア室３２から排出されるエアの流量を調整可能な図示しない可変絞り弁が付設されている。これら可変絞り弁は固定絞り弁であってもよい。要するに、エアシリンダ１０には、いわゆるメータアウト制御が適用される。

次に、開閉用ピストン５０を含む通路構造４２について、図２および図４を参照しながら説明する。通路構造４２は、ピストンロッド１６を押し出す方向にピストン１４が移動する工程では、第１エア室３０と第２エア室３２を相互に連通せしめ、ピストンロッド１６を引き込む方向にピストン１４が移動する工程では、第１エア室３０と第２エア室３２との連通を遮断するために設けられる。

ピストン１４には、ピストン１４の軸線方向に貫通する貫通孔４４が形成されている。この貫通孔４４は、ピストン１４の軸線方向の一方の面に開口する第１大径孔部４４ａと、ピストン１４の軸線方向の他方の面に開口する第２大径孔部４４ｂと、第１大径孔部４４ａと第２大径孔部４４ｂとを接続する小径孔部４４ｃとを有する。第１大径孔部４４ａと小径孔部４４ｃとの境界部には第１段差面４６が形成され、第２大径孔部４４ｂと小径孔部４４ｃとの境界部には第２段差面４８が形成されている。

ピストン１４の貫通孔４４には、ピストン１４の軸線方向に移動可能となるように開閉用ピストン５０が設けられている。開閉用ピストン５０は、大径のピストン部５２と小径のロッド部５４を有する。ピストン部５２は、ピストン１４の第１大径孔部４４ａに挿入可能であり、また、ピストン１４の第１段差面４６に当接可能である。ピストン部５２がピストン１４の第１段差面４６に当接するとき、ピストン部５２は、ピストン１４の第１大径孔部４４ａから突出することなく、第１大径孔部４４ａに収容される（図４参照）。すなわち、ピストン部５２がピストン１４の第１段差面４６に当接した状態で、ピストン部５２の端面はピストン１４の端面と整合する。ピストン部５２の外周には凹溝を介してシール部材５６が装着され、シール部材５６はピストン１４の第１大径孔部４４ａに摺接可能である。

開閉用ピストン５０のロッド部５４は、ピストン１４の小径孔部４４ｃに挿通されている。ロッド部５４は、第１エア室３０と第２エア室３２とを相互に連通させるための連通孔５８を有する。この連通孔５８は、ロッド部５４の軸線に垂直な方向に横断して両端がロッド部５４の側面に開口する横孔５８ａと、ロッド部５４の軸線方向に延びて一端がロッド部５４の端部に開口するとともに他端が横孔５８ａに連通する縦孔５８ｂとを含む。

開閉用ピストン５０のロッド部５４の端部には、圧入または溶接等の手段により円筒状のストッパ６０が固定される。ストッパ６０は、円板部６２と、円板部６２の外周縁からロッド部５４に向かって所定長さだけ立ち上がりロッド部５４の端部を覆う筒部６４とを有する。筒部６４の外径はピストン１４の第２大径孔部４４ｂの内径よりも小さく、筒部６４は第２大径孔部４４ｂに挿入可能である。筒部６４の端面はピストン１４の第２段差面４８に当接可能であり、開閉用ピストン５０がピストン１４の貫通孔４４から抜け出ることがないようになっている。筒部６４の端面が第２段差面４８に当接した状態で、円板部６２はピストン１４の端面から所定長さだけ突出する（図２参照）。開閉用ピストン５０は、ピストン部５２がピストン１４の第１段差面４６に当接する位置と、ストッパ６０の筒部６４がピストン１４の第２段差面４８に当接する位置との間で、ピストン１４に対して移動可能である。

ストッパ６０の円板部６２の中央には、開閉用ピストン５０のロッド部５４の縦孔５８ｂに連通する開放孔６６が形成されている。図４に示すように、開閉用ピストン５０のピストン部５２がピストン１４の第１大径孔部４４ａに収容されてシール部材５６が第１大径孔部４４ａに当接しているとき、第１エア室３０と第２エア室３２は相互に気密に区画され、両者間でエアの連通は遮断される。

一方、図２に示すように、開閉用ピストン５０のピストン部５２がピストン１４の第１大径孔部４４ａから突出してシール部材５６が第１大径孔部４４ａから離脱しているとき、第１エア室３０は、ピストン１４の第１大径孔部４４ａと開閉用ピストン５０との間に形成される隙間、ロッド部５４の連通孔５８およびストッパ６０の開放孔６６を介して第２エア室３２に連通する。なお、ピストン１４の第１大径孔部４４ａと開閉用ピストン５０との間に形成される隙間、ロッド部５４の連通孔５８およびストッパ６０の開放孔６６は、ピストン１４が移動する際に、第１エア室３０と第２エア室３２との間でエアが流通する際の流路抵抗となり得るものである。

本実施形態に係るエアシリンダ１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、図１〜図６を参照しながら、その作用について説明する。なお、図５に示すように、ピストンロッド１６が最も押し出された位置にある状態を初期状態とする。

上記初期状態では、ピストン１４がロッドカバー１８に当接し、開閉用ピストン５０のピストン部５２がピストン１４の第１大径孔部４４ａに収容され、シール部材５６が第１大径孔部４４ａに当接している。したがって、第１エア室３０と第２エア室３２との間でエアの連通は遮断されている。

この初期状態から、図示しない切換弁が作動して、第１ポート３８がエア供給源（図示せず）に接続されるとともに、第２ポート４０が排気口（図示せず）に接続される。すると、エア供給源から高圧のエアが第１エア室３０に供給され、第２エア室３２のエアは、第２ポート４０側に設けられた絞り弁により所定の流量に制限されて外部に排出される。これにより、ピストンロッド１６を引き込む方向にピストン１４が駆動され、ピストン１４に作用する所定の推力によりワークのクランプ等の仕事がなされる（図３参照）。

ピストンロッド１６が引き込まれる上記駆動工程において、ピストン１４がストロークエンド近傍に至ると、開閉用ピストン５０のストッパ６０がシリンダ本体１２のエンドカバー部２０に当接する。これにより、ストッパ６０はエンドカバー部２０に押され、ストッパ６０の筒部６４の端面がピストン１４の第２段差面４８に当接してピストン１４がストロークエンドに達するまで、ストッパ６０と一体の開閉用ピストン５０がピストン１４の貫通孔４４内を軸線方向に移動する。

図６に示す駆動工程におけるピストン１４のストロークエンドでは、シール部材５６がピストン１４の第１大径孔部４４ａから離脱している。すなわち、第１エア室３０は、ピストン１４の第１大径孔部４４ａと開閉用ピストン５０との間の隙間、ロッド部５４の連通孔５８およびストッパ６０の開放孔６６を介して第２エア室３２に連通している。この状態から、切換弁が作動して、第２ポート４０がエア供給源に接続されるとともに、第１ポート３８が排気口に接続される。

すると、エア供給源から高圧のエアが第２エア室３２に供給されるので、ピストンロッド１６を押し出す方向にピストン１４が移動を始める。第１エア室３０は、排気流量を制限する絞り弁を介して排気口に接続されているので、ピストンロッド１６を押し出す方向にピストン１４が移動すると、第１エア室３０の容積が小さくなって、第１エア室３０には背圧がかかる。しかも、第１エア室３０の断面積は、ピストンロッド１６が存在する分だけ、第２エア室３２の断面積よりも小さいので、第２エア室３２の圧力が第１エア室３０の圧力より小さくても、ピストン１４はピストンロッド１６を押し出す方向に移動できる。このため、ピストン１４の移動に伴い、第１エア室３０の圧力は第２エア室３２の圧力よりも高くなる。そして、第１エア室３０と第２エア室３２は相互に連通しているので、ピストン１４が移動するたびに、第１エア室３０のエアの一部が第２エア室３２に流入する。第１エア室３０のエアの別の一部は、第１ポート３８および図示しない絞り弁を介して外部に排出される。

ピストンロッド１６が押し出される上記復帰工程において、ピストン１４がストロークエンド近傍に至ると、開閉用ピストン５０のピストン部５２がロッドカバー１８に当接する。これにより、ピストン部５２がロッドカバー１８に押されて第１大径孔部４４ａに収容されるとともに、ピストン１４がロッドカバー１８に当接してストロークエンドに達するまで、開閉用ピストン５０がピストン１４の貫通孔４４内を軸線方向に移動する。

復帰工程におけるピストン１４のストロークエンドでは、シール部材５６が第１大径孔部４４ａに当接しており、第１エア室３０と第２エア室３２との間でエアの連通が遮断されている。これは初期状態と同じ状態であり、以後、同じ動作が繰り返される。

本実施形態によれば、ピストンロッド１６が押し出される復帰工程において、第１エア室３０のエアの一部は外部に排出されず第２エア室３２に流入するので、エア消費量の低減を図ることができる。

本実施形態では、ピストン１４に一箇所だけ形成された貫通孔４４に開閉用ピストン５０を組み込む構成としたが、ピストン１４に複数の貫通孔４４を形成し、各貫通孔４４に開閉用ピストン５０を組み込む構成としてもよい。貫通孔４４と開閉用ピストン５０を複数組設ける場合は、それらをピストン１４の軸線から等距離離れた位置であって、かつ、周方向に等間隔で配置するのがよい。そのように配置することで、駆動工程におけるピストン１４のストロークエンドで、複数のストッパ６０により、ピストン１４をバランスよくエンドカバー部２０に支持することができる。

また、開閉用ピストン５０のロッド部５４はピストン１４の小径孔部４４ｃに単に挿通されるとして説明したが、ピストンロッド１６の押し出し時に開閉用ピストン５０が第１エア室３０と第２エア室３２を相互に連通する位置に安定して保持されるよう、ロッド部５４と小径孔部４４ｃとの間に摩擦力が働く構成としてもよい。

本出願人は、第１ポート側および第２ポート側にそれぞれメータアウト制御を行う絞り弁を付設したエアシリンダにおいて、ピストンの外周とシリンダチューブの内周との間にクリアランスを設けることでエア漏れを起こさせ、シリンダ室内でエアを循環させたときのエア消費量に関する試験を行った。

その結果、ピストンロッドを押し出す方向にピストンが移動する工程で供給されるエアの流量と排出されるエアの流量はいずれも、ピストンにエア漏れがない場合と比べて減少することが分かった。それらの減少割合は、ピストンとシリンダチューブとの間のクリアランスが大きいほど大きく、また、ピストンの移動速度が小さいほど大きい傾向にある。

また、ピストンロッドを引き込む方向にピストンが移動する工程で供給されるエアの流量と排出されるエアの流量はいずれも、ピストンにエア漏れがない場合と比べて増加することが分かった。それらの増加割合は、ピストンとシリンダチューブとの間のクリアランスが大きいほど大きく、また、ピストンの移動速度が小さいほど大きい傾向にある。

さらに、ピストンロッドを押し出す方向にピストンが移動する工程で供給されるエアの流量とピストンロッドを引き込む方向にピストンが移動する工程で供給されるエアの流量とを合わせた流量は、ピストンにエア漏れがない場合と同等であることが分かった。同様に、ピストンロッドを押し出す方向にピストンが移動する工程で排出されるエアの流量とピストンロッドを引き込む方向にピストンが移動する工程で排出されるエアの流量とを合わせた流量は、ピストンにエア漏れがない場合と同等であることが分かった。

上記のとおり、第１エア室と第２エア室を相互に連通する場合、ピストンロッドを押し出す方向にピストンが移動する工程ではエア消費量が減少するが、ピストンロッドを引き込む方向にピストンが移動する工程では、逆にエア消費量が増加する。本発明のように、ピストンロッドを押し出す方向にピストンが移動する工程で第１エア室と第２エア室を相互に連通せしめ、ピストンロッドを引き込む方向にピストンが移動する工程で第１エア室と第２エア室との連通を遮断すれば、エア消費量を効果的に低減できることが分かる。

本発明に係るエアシリンダは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することのない範囲で、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…エアシリンダ１２…シリンダ本体
１４…ピストン１６…ピストンロッド
１８…ロッドカバー２０…エンドカバー部
２４…シリンダ室３０…第１エア室
３２…第２エア室３８…第１ポート
４０…第２ポート４２…通路構造
４４…貫通孔５０…開閉用ピストン
５８…連通孔６０…ストッパ

Claims

ピストンに一端部が連結されたピストンロッドの他端部がロッドカバーを通って外部に延び、前記ピストンによって前記ピストンロッドが縦断する第１エア室と前記ピストンロッドが存在しない第２エア室とに画成されるシリンダ室を有し、前記第１エア室のエアを給排するための第１ポートと前記第２エア室のエアを給排するための第２ポートがシリンダ本体に設けられ、メータアウト制御が適用されるエアシリンダであって、
前記ピストンロッドを押し出す方向に前記ピストンが移動する工程では、前記第１エア室と前記第２エア室が相互に連通し、前記ピストンロッドを引き込む方向に前記ピストンが移動する工程では、前記第１エア室と前記第２エア室との連通が遮断される通路構造が前記ピストンに設けられており、
前記通路構造は、前記ピストンの軸線方向に形成された貫通孔と、前記ピストンの軸線方向に移動可能となるように前記貫通孔に設けられた開閉用ピストンとを含み、前記開閉用ピストンが前記貫通孔に対して所定の位置にあるときに、前記開閉用ピストンの内部に形成された連通孔を介して前記第１エア室と前記第２エア室が相互に連通する
ことを特徴とするエアシリンダ。
請求項１記載のエアシリンダにおいて、
前記開閉用ピストンは、前記ピストンが前記ピストンロッドを押し出す方向に移動するストロークエンド近傍で前記ロッドカバーに当接し、前記開閉用ピストンに固定されたストッパは、前記ピストンが前記ピストンロッドを引き込む方向に移動するストロークエンド近傍で前記シリンダ本体のエンドカバー部に当接する
ことを特徴とするエアシリンダ。