JP6960157B2 - 流体シリンダ - Google Patents

Description

本発明は、油圧シリンダなどの流体シリンダに関するものであって、特にピストンの位置を検出するためのセンサを有する流体シリンダに関するものである。

特許文献１には、ピストンの位置を検出するためのセンサを有する流体シリンダが開示されている。この特許文献１においては、同文献１の図１に記載されているように、ピストンロッドとして、軸心位置に挿通孔を形成したものが用いられている。そして、前記挿通孔にはピストンロッドとは別体のセンサロッドが挿入配置されている。そのセンサロッドを包囲するように、ピストンヘッドに磁石が設けられている。ピストンヘッドは、その内周のネジ部がピストンロッドの外周のネジ部に螺合されている。

特開２０１７−１１５９０５号公報

前記のように、軸心位置に挿通孔を有するピストンロッドとピストンヘッドとをネジによって固定する構成においては、ピストンロッドの外周にクリアランス分を含むネジの谷が刻設される。このため、ピストンロッドのネジの部分の肉厚が足りなくなって、強度が低下するおそれがある。すなわち、ピストンロッドの外周にネジが形成されていると、ネジの谷の部分の肉厚が薄くなりやすい。これを回避するために、ピストンロッドの肉厚を確保すると、必然的にピストンロッドの径が大きくなって、シリンダの大径化や大重量化を招くことになる。

このような構成においては、ネジの谷は鋭角状に形成されるため、強度低下に直結する応力集中が生じやすく、そのネジの谷を起点としたクラックが生じるおそれがあり、あるいは、ネジ山が欠けるおそれもある。このような事態を回避するためには、ピストンロッドの肉厚を大きくするとともに、ネジ山の高さを高くすることが考えられるが、このようにすれば、前記のようにシリンダの大径化や重量増加に繋がる。

それ以外の構成として、図４に示すように、ピストンロッド１０１とピストンヘッド１０２とを一体に削り出し形成したピストン一体ロッド１００の場合は、ピストンロッド１０１とピストンヘッド１０２との外径が異なるため、センタレス研削によって加工することが不可能である。従って、ピストン一体ロッド１００は大径のワークから旋盤などによって削り出す必要があって、その加工に時間がかかるだけではなく、材料に無駄が生じる。なお、図４において、１０５はセンサを、１０６は磁歪線を内装したパイプを示す。

また、ピストンヘッド１０２とピストンロッド１０１とが一体であるため、ピストンヘッド１０２に永久磁石装着用の凹部１０７を形成する必要に加えて、その凹部１０７の底部からピストンロッド１０１の先端に向かって前記パイプ１０６を挿通するための挿通孔１０４を穿設する必要がある。従って、挿通孔１０４の加工においても、手間のかかるものであった。

さらに、図５に示すように、ピストンロッド１０１とピストンヘッド１０２とを溶接によって固定した場合は、ピストンロッド１０１の外周とピストンヘッド１０２の内周との間の開先１０８に溶接金属１０９が充填されて盛り上がるため、その盛り上がった溶接金属１０９の余肉を除去する加工が必要になる。そして、前記溶接前には、ピストンロッド１０１やピストンヘッド１０２を研磨加工したり、メッキ加工したりすることが不可能な場合もあり、このような場合は、これらの加工を溶接後に行う必要がある。このため、それぞれ別体で、単純な形状であるピストンロッド１０１やピストンヘッド１０２に対してメッキや研磨を施す場合とは異なる。従って、一体化した複雑な形状のピストン一体ロッド１００に対して加工を施すことになり、さらなる手間がかかることになる。また、溶接を必要とする構成においては、溶接熱によってシリンダの構成部材が熱変質して強度が低下するおそれもある。

本発明の目的は、前記のような問題点を解消して、小径化を可能にした流体シリンダを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明においては、ピストンヘッドに磁石が設けられ、シリンダチューブの一端にセンサが設けられ、ピストンロッド内には前記センサから励起パルスが送出される磁歪線が設けられ、その磁歪線を介して前記センサにより前記磁石を検知することにより、ピストンの位置を検出するようにした流体シリンダにおいて、前記ピストンヘッドは、前記磁石を有する筒状の内側ヘッド部材と、その内側ヘッド部材に外嵌された筒状の外側ヘッド部材とを備え、前記ピストンロッドが前記外側ヘッド部材内に挿入されるとともに、前記外側ヘッド部材の内周面と前記ピストンロッドの外周面との間に保持リングを介在させたことを特徴とする。

以上の構成においては、ピストンヘッドとピストンロッドとが保持リングを介在させて連結されている。従って、ピストンロッドの外周面にネジを刻設する必要はない。このため、軸線位置に挿通孔を有するピストンロッドの肉厚を大きく確保できる。また、ピストンロッドにネジが不要であるため、ネジの谷における応力集中を避けることができて、ピストンロッドの強度低下を回避できる。このため、ピストンロッドの肉厚を薄くできて、ピストンロッドを小径化でき、流体シリンダの小径化及び軽量化を達成できる。

本発明によれば、小径化を可能にした流体シリンダを実現できるという効果を発揮する。

実施形態の流体シリンダを示す一部省略断面図。 実施形態の要部を示す拡大断面図。 リングの斜視図。 第１の従来構成を示す模式図。 第２の従来構成を示す模式図。 内側ヘッド部材の組み込みに関する変更例を示す断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれリングの変更例を示す斜視図または一部断面図。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示すように、流体シリンダとしての油圧シリンダ１０のシリンダチューブ１１の内部にはピストンアッシー１２が挿入されており、そのピストンアッシー１２は、ピストンヘッド１３と、そのピストンヘッド１３に固着された長尺円筒状のピストンロッド１６とを備えている。そして、ピストンアッシー１２は、ピストンロッド１６がシリンダチューブ１１の先端，すなわち前端のキャップ１４から出没するように移動される。シリンダチューブ１１の先端部にはロッド側ポート１７が配置され、このロッド側ポート１７を介してロッド側油室１８と外部配管（図示しない）との間において作動油が出入りされる。シリンダチューブ１１の基端部にはヘッド側ポート１９が配置され、このヘッド側ポート１９を介してヘッド側油室２０と外部配管（図示しない）との間において作動油が出入りされる。

シリンダチューブ１１のヘッド側には、ヘッドユニット２２が固定され、このヘッドユニット２２には、ロッド側から順に、環状の固定部材２３及び有底環状のボトム部材２５が備えられている。そして、ボルト２８により固定部材２３及びボトム部材２５が締結されている。固定部材２３及びボトム部材２５には、連通孔２４を介して前記ヘッド側油室２０に連通する収容室２６が形成されている。

前記ピストンヘッド１３は、環状の外側ヘッド部材３１と、同じく環状の内側ヘッド部材３２とを備え、外側ヘッド部材３１は前記ピストンロッド１６の外周に嵌合されている。

図２及び図３に示すように、ピストンロッド１６の基端部には断面半円状の環状溝３５が形成されている。この環状溝３５には保持リングとして切り離し部を有するほぼＣ形の金属製または合成樹脂製のリング３６が内径側の半部において半埋め込み状態で嵌合されている。そして、このリング３６の外径側は外側ヘッド部材３１の内奥面の端面の円弧部３１１に係合して、ピストンロッド１６に対する外側ヘッド部材３１の後方移動を阻止している。

外側ヘッド部材３１の内周のネジ部３０には前記内側ヘッド部材３２の外周のネジ部３７が螺合されている。従って、ネジ部３０，３７を介して、外側ヘッド部材３１と内側ヘッド部材３２とが連結固定されている。内側ヘッド部材３２の前端面（ロッド側の端面）には凹部３９が形成され、この凹部３９の内底面３９１がピストンロッド１６の基端面（後端面）に当接して、つまりインロー嵌合を介してピストンロッド１６に対する内側ヘッド部材３２の前方移動が阻止されている。従って、外側ヘッド部材３１及び内側ヘッド部材３２の前方及び後方への移動が阻止されている。

内側ヘッド部材３２の内周面には環状の永久磁石４０が一対のカラー４１によって前後から挟持された状態で保持され、カラー４１及び永久磁石４０は止めリング４２によって抜け止め固定されている。

前記収容室２６には磁歪センサ５１が収容されている。磁歪センサ５１は、その磁歪センサ５１から伸びる耐圧パイプ５３を備え、この耐圧パイプ５３は永久磁石４０内を通ってピストンロッド１６の挿通孔１６２の内部に挿入されている。耐圧パイプ５３内にはピストンロッド１６の軸線上に位置する磁歪線５４が挿通されている。

そして、磁歪センサ５１から磁歪線５４に励起パルスが送出され、この励起パルスに対して前記永久磁石４０の外部磁場が作用すると、機械的な歪みパルスが磁歪線５４内に発生される。磁歪センサ５１は、この歪みパルスを受信し、励起パルスの発生から歪みパルスが受信されるまでの時間をカウントして、永久磁石４０の位置を演算する。これによって、ピストンアッシー１２の位置が検出される。

次に、実施形態の油圧シリンダ１０の作用を説明する。
以上のように構成された流体シリンダにおいて、ヘッド側ポート１９を介してヘッド側油室２０に作動油が供給されると、ピストンアッシー１２が突出移動され、ロッド側ポート１７を介してロッド側油室１８に作動油が供給されると、ピストンアッシー１２が没入移動される。この際、ピストンアッシー１２の位置は磁歪センサ５１を介して図示しない制御装置によって認識される。

すなわち、ヘッド側油室２０に作動油が供給された場合、そのヘッド側油室２０からの圧力はピストンアッシー１２に対して突出方向の推力として作用する。この場合、ヘッド側ポート１９からの作動油は、図示しない流路を介して、ピストンロッド１６，外側ヘッド部材３１及び内側ヘッド部材３２で構成するピストンアッシー１２の受圧面積に作用する。そして、その推力は、内側ヘッド部材３２の凹部３９の内底面３９１とピストンロッド１６の基端面との当接を介してピストンロッド１６に伝達される。

また、ロッド側油室１８からの圧力に基づく推力は外側ヘッド部材３１に作用する。そして、その推力はリング３６を介してピストンロッド１６に伝達される。
そして、本実施形態においては、以下の効果がある。

（１）ピストンヘッド１３とピストンロッド１６とをそれらの間のネジで連結したものではないため、ピストンロッド１６の外周面にネジを刻設する必要はない。このため、軸線位置に挿通孔１６２を有するピストンロッド１６の肉厚を大きく確保できる。また、ネジが不要であるため、ネジの谷における応力集中を避けることができて、ピストンロッド１６の強度低下を回避できる。すなわち、実施形態においては、環状溝３５にリング３６を半埋め込み状に嵌合しているため、ピストンロッド１６の基端面の面積を広く確保できて、圧縮応力を小さくできる。しかも、環状溝３５の断面形状を円形状にできるため、環状溝３５の底部の応力集中を防止できる。

（２）前記のように、環状溝３５の底部の応力集中を回避できるため、ピストンロッド１６の基端面の面積を広く確保しても、ピストンロッド１６の肉厚を薄くできて、ピストンロッド１６を小径化でき、油圧シリンダ１０の小径化及び軽量化を達成できる。これに対し、特許文献１のような構成においては、ピストンロッドの肉厚を大きくしないと、ネジ部の応力集中によって同ピストンロッドの強度低下のおそれがあり、ピストンロッド１６の基端面の面積を広く確保できない。その結果、特許文献１のような構成においては、ピストンロッドの径が大きくなり、シリンダの大径化及び大重量化を避けることができない。

（３）ネジ部３０，３７をピストンアッシー１２の軸方向の広い範囲にわたって形成できるため、ネジ部３０，３７において高い螺合強度を得ることができる。
（４）ピストンロッド１６とピストンヘッド１３とが別体であるため、ピストンロッド１６やピストンヘッド１３をそれぞれ単純な円筒形状に形成できる。従って、ピストンロッド１６をセンタレス研磨によって容易に研削あるいは研磨加工でき、加工性を向上できる。

（５）ピストンロッドとピストンヘッドとが一体のピストンと比較して、ピストンロッド１６の端面からの穴あけ加工が可能になるため、ピストンロッド１６の軸線位置の挿通孔１６２の加工が容易になる。

（６）ピストンロッド１６として、パイプ材を用いることが可能になるため、挿通孔の加工が不要になる。
（７）ピストンロッド１６とピストンヘッド１３との溶接が不要であるため、それらの熱変質を防止できて高強度を維持できる。また、溶接が不要であるため、開先部分の溶接金属の余肉の除去や研磨が不要になり、加工が容易になる。

（８）前記のように、開先部分の溶接金属の余肉の除去や研磨が不要になるため、ピストンロッド１６とピストンヘッド１３とに対してそれらの組付け前にメッキ加工を施すことができて、そのメッキ加工を容易に行うことができる。

（９）ピストンヘッド１３が外側ヘッド部材３１と内側ヘッド部材３２とに分割形成されているため、外側ヘッド部材３１及び内側ヘッド部材３２として大きさの異なるものを複数種類用意しておけば、それらを適宜に組み合わせることにより、多種類のシリンダに対応できる。従って、各種のシリンダに対する柔軟な対応が可能になる。

（１０）リング３６が切れ目を有するほぼＣ形であるため、環状溝３５に対するリング３６の嵌合が容易である。
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のような態様で具体化することもできる。

・空圧シリンダや水圧シリンダにおいて本発明を具体化すること。
・前記実施形態においては、内側ヘッド部材３２とピストンロッド１６とがインロー嵌合を介して連結されている。これに対し、図６に示すように、内側ヘッド部材３２とピストンロッド１６とをインロー嵌合させることなく、それらの端面どうしを突き当てること。

・図７に示すように、リング３６の構成を種々変更すること。例えば、リング３６を複数の分割片によって構成したり（図７（ａ））、リング３６として伸縮性を有する合成樹脂などの環状弾性材を用いたりすること（図７（ｂ））。この構成の場合、切れ目の存在しない閉ループ構造が採用される。あるいは、リング３６の断面形状を正方形あるいは長方形にすること（図７（ｃ））。このようにリング３６の断面形状を正方形あるいは長方形にした場合は、ピストンロッド１６に対するリング３６の着座が安定する。

１０…油圧シリンダ、１１…シリンダチューブ、１２…ピストン、１３…ピストンヘッド、１６…ピストンロッド、３１…外側ヘッド部材、３２…内側ヘッド部材、３５…環状溝、３６…リング、３９…凹部、４０…永久磁石、５１…磁歪センサ、５４…磁歪線。

Claims (4)

1. ピストンヘッドに磁石が設けられ、シリンダチューブの一端にセンサが設けられ、ピストンロッド内には前記センサから励起パルスが送出される磁歪線が設けられ、その磁歪線を介して前記センサにより前記磁石を検知することにより、ピストンの位置を検出するようにした流体シリンダにおいて、
   前記ピストンヘッドは、前記磁石を有する筒状の内側ヘッド部材と、その内側ヘッド部材に外嵌された筒状の外側ヘッド部材とを備え、前記ピストンロッドが前記外側ヘッド部材内に挿入されるとともに、前記外側ヘッド部材の内周面と前記ピストンロッドの外周面との間に保持リングを介在させて、該保持リングにより前記ピストンロッドに対する前記外側ヘッド部材のヘッド側への移動を阻止し、
   前記内側ヘッド部材のロッド側の端面を前記ピストンロッドの端面に当接させ、
   前記内側ヘッド部材と前記外側ヘッド部材とを螺合した流体シリンダ。
2. 前記保持リングを前記ピストンロッドの外周の環状溝に嵌合するとともに、前記外側ヘッド部材のヘッド側の面に当接させた請求項１に記載の流体シリンダ。
3. 前記保持リングとして切り離し部を有するものを用いた請求項２に記載の流体シリンダ。
4. 前記内側ヘッド部材のロッド側の端面に形成した凹部内にピストンロッドを嵌合した請求項１に記載の流体シリンダ。

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