JP2007046671A

JP2007046671A - 水道圧シリンダ、及び水道圧シリンダ装置

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Publication number: JP2007046671A
Application number: JP2005230513A
Authority: JP
Inventors: Kimihisa Ohashi; 仁壽大橋
Original assignee: OGAKI TEKKOSHO KK
Current assignee: OGAKI TEKKOSHO KK
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-08-09
Also published as: JP4637678B2

Abstract

【課題】
作動流体として水道水を使用し、該水道水の圧力を増圧して作動する水道圧シリンダ、及び水道圧シリンダ装置の提供である。
【解決手段】
上側ロッドカバー７の両側に、軸心同一にして設けられた上下の各シリンダＣa,Ｃb を取付け、上側シリンダＣａを構成する上側ロッドＲａが下降されたとき、該上側ロッドＲａが、前記上側ロッドカバー７のパッキン挿入溝１６ａに取付けられた下側ロッドパッキン２６の摺動リング２６ｂに挿通されることによって、水封入空間Ｗ内の水道水が密封されるように構成し、前記上側ロッドＲａが前記水封入空間Ｗ内の水道水を加圧しながら下降させることにより、下側シリンダＣｂを構成する下側ロッドＲｂを増圧させて突出させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、水道圧を増圧させて作動する水道圧シリンダ、及び水道圧シリンダ装置に関するものである。

シリンダを使用した装置において、シリンダの圧力媒体として通常使用されているのは「油圧」又は「空圧」である。「油圧」は、モータ、エンジン等の駆動源により油圧ポンプを回転させることにより、相当に高圧のものまで得られるが、全体設備が大掛かりなものになって、必要な場所に簡易には設置できない。また、運転時におけるモータ、エンジン等の連続騒音の発生、圧油の漏れによる周囲の汚損、廃油の処理等の問題があると共に、モータを使用する場合には、その取り扱いミスによって火災の発生の恐れもある。「空圧」によりシリンダを作動する場合においても、「圧縮空気」を発生させる設備が不可欠となるため、「油圧」とほぼ同様に、必要な場所に設備を簡易には設置できないし、設備の作動のために駆動源の連続騒音の発生等の問題がある。

「密閉油室に先端部が挿入されたプランジャーを空気圧により作動させることにより、前期密閉油室の圧油を増圧させる構成の油圧・空圧併用のプランジャー式シリンダ」（特許文献１）がある。しかし、この構成のシリンダの場合、以下に示す問題点がある。（１）ロッドのストロークの規制を行えない。（２）上記理由のため、そのままではロッドの前進端位置を規制できないので、ロッドの前進端位置の規制には別途専用の「ストッパー」を必要とし、更に、仮に「ストッパー」により前進端位置の規制を行えても、この前進端位置の調整を行うためには、機構が複雑となってしまう。（３）従って、実質的に可能な作業は、被加工物に単純押圧力のみを作用させて行う「かしめ」、「曲げ精度を必要としない単純曲げ」等に限定されてしまう。

そこで、「油圧」、「空圧」の有する上記問題を悉く解決するために、工場等において随所に存在している水道水の圧力を利用してシリンダを作動させることが考えられるが、水道水の圧力は、０．２〜０．４ＭＰａであり、この程度では、シリンダとして必要な押圧力を得ることはできない。
特開平８−２８５０８号公報

本発明は、上記した不具合に鑑み、水道水を増圧させて使用する水道圧シリンダ、及び水道圧シリンダ装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するための請求項１の発明は、水道圧を増圧させて作動する水道圧シリンダであって、圧力水通路を有するピストンに、先端部を除く基端から所定長の部分を筒状に形成したロッドが連結された早送り用の第１シリンダと、前記第１シリンダに対して直列配置され、かつ互いに連通された状態で一体化されて、第１シリンダのロッドの筒状部に自身のロッドが所定の隙間を有して挿入される増圧用の第２シリンダと、第２シリンダの作動により、前記第２シリンダのロッドが第１シリンダのロッドの筒状部に挿入された増圧作動時において、送りポートから流入されて第１シリンダのピストンに作用する圧力水を密封して増圧室を形成する密封手段とを備え、第１シリンダの作動によりロッドを所定位置まで早送りさせた後に、第２シリンダの作動により、前記密封手段により密封された増圧室内の圧力水の圧力を増圧させて遅送りさせる構成であることを特徴としている。

請求項１の作用効果を説明するに当り、以下のように符号を定義する。
Ｑ：水道水の流量
Ｐ₀：水道水の圧力
Ｐ₁：増圧室で増圧された圧力
Ａ₁：第１シリンダのピストン及びロッドの総受圧面積
Ａ₂₁：第２シリンダのピストンの受圧面積
Ａ₂₂：第２シリンダのロッドの断面積
Ｖ₁：第１シリンダのロッドの突出速度
Ｖ₂：第２シリンダのロッドの突出速度
Ｌ₀：シリンダの全ストローク
Ｌ₁：第１シリンダの部分ストローク
Ｌ₂：第２シリンダの部分ストローク
Ｄ₁：第１シリンダのピストンの直径
Ｄ₂₁：第２シリンダのピストンの直径
Ｄ₂₂：第２シリンダのロッドの直径
Ｆ：ロッドの押圧力

早送り時の作用について：
第１シリンダの送りポートから水道水を流入させると、ピストンのリング状の受圧面、及びロッドの筒部の先端の底面である受圧面（この二つの受圧面の和は、ピストンを通常の中実構造にした場合の受圧面積に等しい）に、水道水の圧力がそれぞれ作用して、第１シリンダのロッドは、速度Ｖ₁〔＝Ｑ／Ａ₁＝４Ｑ／（π×Ｄ₁ ²）〕で早送りされる。また、第１シリンダのロッドは、戻しポートからの水道水の排出をＯＮ・ＯＦＦする方向切換弁がＯＦＦとなった時点で停止されるため、第１シリンダのロッドの早送りの部分ストロークＬ₁を自在に制御できる。

増圧時の作用について：
第１シリンダが早送り端に達した状態において、水道圧（Ｐ₀)により第２シリンダを作動させると、密封手段により第１シリンダ内に形成された増圧室内の圧力（Ｐ₁)は、〔Ｐ₀×（Ａ₂₁／Ａ₂₂）＝Ｐ₀×（Ｄ₂₁／Ｄ₂₂)²〕となって増圧されると共に、第１シリンダのロッドは、〔Ｖ₁×（Ａ₂₂／Ａ₁)＝Ｖ₁×（Ｄ₂₂／Ｄ₁)²〕の速度で遅送りされる。そして、シリンダのロッド（第１シリンダのロッドと同じ）の前進端においては、〔Ｐ₁×Ａ₁＝Ｐ₀×（Ａ₁×Ａ₂₁／Ａ₂₂）〕の押圧力Ｆで被加工物が押圧される。また、第２シリンダのロッドは、戻しポートからの水道水の排出をＯＮ・ＯＦＦする方向切換弁がＯＦＦとなった時点で停止されるので、増圧状態であるシリンダ全体の加圧時（作業時）における第１シリンダの遅送りの部分ストロークＬ₂を自在に制御できる。

早戻り時の作用について：
加工終了後においては、第１及び第２の各シリンダの各戻しポートに水道水を同時に流入させて、第２シリンダのロッドが戻った後には、第１シリンダのロッドは、早戻りされる。

シリンダのストロークについて：
シリンダ全体の全ストロークＬ₀は、（Ｌ₁＋Ｌ₂)となって、第１及び第２の各シリンダの送りポート、及び戻しポートに連結されている方向切換弁の制御によって、シリンダ全体の全ストロークＬ₀(＝Ｌ₁＋Ｌ₂)を自在に変更できる。また、シリンダ全体の全ストロークＬ₀が一定の場合でも、シリンダの加圧力を利用する作業の種類によって、第１及び第２の各シリンダによる部分ストロークＬ₁,Ｌ₂を自在に分配して、作業目的を達成できる。例えば、全ストロークＬ₀のうち早送りの部分ストロークＬ₁の割合を大きくすると、シリンダの１往復に要する時間を短くできる。

ここで、圧力媒体として、空気圧と油圧とを併用したプランジャー方式の増圧シリンダでは、ロッドに別途「ストッパー」を設けない限り、シリンダのロッド（第１シリンダのロッド）の突出端位置の制御を行えないが、請求項１の発明に係る水道圧シリンダによれば、前記制御を行える点が、両シリンダの決定的な差異である。この結果、請求項１の発明に係る水道圧シリンダによれば、成形空間が開放された形状の下型を用いて、折り曲げ、深絞り等の各種プレス作業を行える。更に、上記プランジャー方式の増圧シリンダは、シリンダ内に圧力媒体を流出入させる通常のシリンダと異なって、圧力媒体の流出入はないため、増圧室内におけるプランジャーの移動量に、増圧比（増圧室の最大受圧面積／プランジャーの断面積）の逆比を乗じたものとなって、ストロークは極めて小さくなる。この点において、当然のことながら、請求項１の発明に係る水道圧シリンダでは、第１シリンダのみの作動によるピストンの移動により、大きな部分ストロークを確保できるため、加圧源を必要とする作業の範囲が著しく広くなる。例えば、曲げ、深絞り等のプレス成形においては、下型に対して上方への抜き空間を確保する必要があり、請求項１の発明に係る水道圧シリンダによれば、上記抜き空間が十分に確保されるストロークを確保できる。この点、上記プランジャー方式の増圧シリンダでは、ロッドの移動量を大きくできないため、上記プレス作業を行うのは難しい。

圧力媒体が水道水であることに起因する特有の効果：
次に、圧力媒体が水道水であることに起因する特有の効果を、油圧シリンダとの対比で説明する。（１）水圧機のように、パスカルの原理を主体にした液体増圧原理のみによって、小さな水道圧を増圧しているために、油圧シリンダにおける油圧ポンプの運転時の連続騒音等が一切なく、静かな環境において静粛に運転を行える。（２）圧力媒体として容易に得られる水道水を利用しているため、請求項１の発明の水道圧シリンダを使用したプレス装置等の各種装置の設置場所の制約は殆どないと共に、使用後の水道水は、そのまま排水しても環境保全上問題とならないため、使用済の圧力媒体の処理が簡単である。（３）圧力媒体が水道水であって、電気等の火災の発生の原因となるものを一切使用していないので、火災の発生の恐れが全くない。（４）駆動源として、電気を必要とするモータ、石油資源を必要とするエンジン等と異なって、蓄積された雨水等の水位差により自然に発生する「水道圧」を利用しているために、モータ、エンジン等と異なって駆動源を得るために環境を破壊する恐れがない（環境保全に寄与する）と共に、コストの面からも低廉なエネルギーである。

請求項２の発明は、請求項１の発明を前提として、前記密封手段は、第１及び第２の各シリンダの接続部に形成された第２シリンダのロッドの挿通孔の内周面に設けられたパッキンであって、前記パッキンは、前記挿通孔の内周面に形成された環状のパッキン挿入溝の奥側に挿入配置される弾性を有するＯリングと、該Ｏリングの外側に挿入配置される耐磨耗性の高い材質から成る摺動リングとから成ることを特徴としている。

増圧室の密封手段が、Ｏリングと摺動リングとが半径方向に沿って内外二重配置されたパッキンにより構成されているため、多数回の使用によっても、第２シリンダのロッドと摺動する摺動リングの磨耗が少ない。また、シール機能は弾性変形を行うＯリングが司っていて、このＯリングは、シール溝の底面と摺動リングの間に介装されているために、シールのために弾性変形と原形状への復元を繰り返しても、ロッドの摺動によりシール溝から抜け出る恐れはない。この結果、請求項２の発明によれば、増圧室の密封手段が、Ｏリングと摺動リングとが半径方向に沿って内外二重配置されたパッキンという簡単な構成でありながら、長期間に亘って安定してシール作用を果たす。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明を前提として、第１及び第２の各シリンダの各ポートに接続された各方向切換弁は、逆止弁を用いた構成であることを特徴としている。逆止弁を用いた方向切換弁とは、逆止弁を強制的に開いて、逆止弁の通常の流通方向と逆方向に圧力媒体を流すと共に、逆止弁を閉じて圧力媒体の流通を停止させる構成のものをいう。このため、スプールの移動により複数のポートの切換えを行う「スプール方式」の方向切換弁に比較して、圧力媒体の漏れが殆どなくなる。この結果、ロッドの突出停止位置の停止精度を高めることができて、例えば、プレス作業を行う場合には、プレス成形品の成形精度が高められる。

請求項４の発明に係る水道圧シリンダ装置は、水道圧源と、請求項１に記載の水道圧シリンダと、前記水道圧源と前記水道圧シリンダの各ポートとを接続する各管路に組み込まれた必要個数の方向切換弁と、前記水道圧シリンダのロッドの中間停止位置及び突出端停止位置を定めるために、シリンダ本体に装着された各停止位置決めセンサとを備えていることを特徴としている。請求項４の発明は、請求項１に記載の水道圧シリンダを使用した水道圧シリンダ装置である。このため、請求項１の発明と同一の作用効果が奏される。

請求項５の発明は、請求項４の発明を前提として、水道圧シリンダを構成する第１及び第２の各シリンダの戻しポートには、１本の前記管路が途中で分岐されてそれぞれ接続され、第１及び第２の各シリンダの各ロッドは、同時に戻る構成であることを特徴としている。第１シリンダのロッドが戻る際には、第２シリンダのロッドは抵抗となるために、第２シリンダのロッドが後退した長さに追従して、第１シリンダのロッドが戻るように、水道水の流量は、１本の管路から２つの戻しポートに自動的に分配されるため、最短時間で、シリンダのロッドを戻すことができる。

本発明は、水道圧を増圧させて作動する水道圧シリンダであって、圧力水通路を有するピストンに、先端部を除く基端から所定長の部分を筒状に形成したロッドが連結された早送り用の第１シリンダと、前記第１シリンダに対して直列配置され、かつ互いに連通された状態で一体化されて、第１シリンダのロッドの筒状部に自身のロッドが所定の隙間を有して挿入される増圧用の第２シリンダと、第２シリンダの作動により、前記第２シリンダのロッドが第１シリンダのロッドの筒状部に挿入された増圧作動時において、送りポートから流入されて第１シリンダのピストンに作用する圧力水を密封して増圧室を形成する密封手段とを備え、第１シリンダの作動によりロッドを所定位置まで早送りさせた後に、第２シリンダの作動により、前記密封手段により密封された増圧室内の圧力水の圧力を増圧させて遅送りさせる構成であることを特徴としている。このため、第１シリンダのロッドが増圧された状態でのストロークを自在に調整できる。換言すれば、前記ロッドの突出端位置を制御することができるため、該水道圧シリンダを使用したプレス装置等の水道圧シリンダ装置において、成形空間が開放された形状の型を用いて、折り曲げ、深絞り等の加工を行うことができる。更に、圧力媒体が水道水であるため、入手が容易であると共に、排出後の処理も容易である。

以下、実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施例の水道圧シリンダＣ₁を用いたプレス装置Ｅの斜視図、図２は同じく正面図、図３は水道圧シリンダＣ₁の正面断面図、図４は同じく水圧回路図である。本明細書では、本発明に係る水道圧シリンダＣ₁をプレス装置Ｅに使用した場合について説明する。

図１及び図２に示されるように、ベース１の各コーナー部に立設された４本の支柱２により、前記ベース１から一定の高さをおいた上方部分に、支持板３が水平に取付けられている。前記支持板３には、第１実施例の水道圧シリンダＣ₁が、垂直状態で（即ち、上下の各ロッドＲa,Ｒb の軸心を高さ方向に沿わせた状態で）、しかも、下側ロッドＲｂの先端部（下端部）を支持板３よりも下方に突出させた形態で取付けられている。下側ロッドＲｂの先端部には、絞り加工の上型４ａが取付けられていて、前記上型４ａに対応する下型４ｂは、ベース１に載置された支持台５に設置されている。水道圧シリンダＣ₁が作動していない状態で、上下の各型４a,４b の間には、成形品を抜き取るための抜き空間Ｕ（図２参照）が形成される。下側ロッドＲｂが増圧状態で下降して、上型４ａが下型４ｂに入り込むことにより、下型４ｂに載置された板材６（ブランク）がカップ状に成形される（図７参照）。

第１実施例の水道圧シリンダＣ₁について説明する。図３に示されるように、第１実施例の水道圧シリンダＣ₁は、軸方向のほぼ中央部に配置された上側ロッドカバー７の上部に配設された増圧用の上側シリンダＣａと、同じく下部に配設された早送り用の下側シリンダＣｂとから成る。最初に、上側シリンダＣａについて説明する。上側シリンダＣａは、下側シリンダＣｂを増圧させるためのものである。上側ロッドカバー７の上部に固着された上側シリンダチューブ８に上側ピストン９が摺動可能にして内装されていて、該上側ピストン９と軸心同一にして上側ロッドＲａの基端部が固着されている。上側シリンダチューブ８の開口端は、ヘッドカバー１１によって閉塞されている。そして、上側ロッドカバー７とヘッドカバー１１とが、タイロッド１２により連結されている。前記ヘッドカバー１１には、上側ピストン９を下降させる際に、水道水を供給するための上側ピストン送りポート１３が設けられている。前記上側ピストン９は、上側ロッドカバー７に設けられた上側ピストン戻しポート１４から供給される水道水によって上昇される。なお、上側シリンダチューブ８と上側ロッドカバー７及びヘッドカバー１１との間、上側ピストン９の摺動部分にはパッキン又はウエアリングが取付けられていて、上側シリンダ室１５内の水密が図られている。以降、本実施例の水道圧シリンダＣ₁の特徴を説明するために必要なパッキン及びウエアリングについてのみ、番号を付して説明する。

前記上側ピストン９が上昇端位置に配置された状態（上側ピストン９の上面がヘッドカバー１１の底面に当接した状態）で、上側ロッドＲａの先端部は、上側ロッドカバー７のロッド挿通孔１６の上部（上側ロッドカバー７の上面と後述する下側ピストン送りポート１７との間の部分）に入り込んでいる。上側ロッドＲａの先端部は、ロッド挿通孔１６の上部に取付けられた上側ロッドパッキン１８とウエアリング１９に密着されていて、上側シリンダ室１５との水密が図られている。

次に、下側シリンダＣｂについて説明する。下側シリンダＣｂは、本実施例の水道圧シリンダＣ₁のシリンダ本体となって所定位置まで早送りされるものである。図３に示されるように、上側ロッドカバー７の下部に固着された下側シリンダチューブ２１に下側ピストン２２が摺動可能にして内装されていて、該下側ピストン２２と軸心同一にして下側ロッドＲｂが固着されている。下側シリンダチューブ２１の開口端は、下側ロッドカバー２３によって閉塞されている。そして、上側ロッドカバー７と下側ロッドカバー２３とが、タイロッド２４により連結されている。上側ロッドカバー７において、上側ピストン戻しポート１４と反対の側には、連通孔２５を介してロッド挿通孔１６の途中部分に連通する下側ピストン送りポート１７が設けられている。そして、上側ロッドカバー７のロッド挿通孔１６の下部（下側ピストン送りポート１７と上側ロッドカバー７の底面との間の部分）には、下側ロッドパッキン２６が取付けられている。図６に示されるように、下側ロッドパッキン２６は、断面円形状を呈するＯリング２６ａの内周面に、断面長方形状の摺動リング２６ｂが固着された形態である。本実施例の場合、Ｏリング２６ａはニトリルゴムより成り、摺動リング２６ｂは、フッ素樹脂より成る。前記ロッド挿通孔１６の下端部には、下側ロッドパッキン２６を装着させるための環状のパッキン挿入溝１６ａが形成されている。該パッキン挿入溝１６ａに下側ロッドパッキン２６が装着されたとき、摺動リング２６ｂの内周面は、ロッド挿通孔１６の内周面よりも僅かに突出される。上側ピストン９が下降され、上側ロッドＲａの先端部が下側ロッドパッキン２６を通過するとき、前記先端部が、下側ロッドパッキン２６を構成する摺動リング２６ｂに挿通される。そして、上側ロッドＲａの外周面と摺動リング２６ｂの内周面とが密着される。これにより、ロッド挿通孔１６における下側ロッドパッキン２６の上部（連通孔２５）と下部（水封入空間Ｗ）との水密が図られる。上側ロッドＲａの先端部には、該上側ロッドＲａが下側ロッドパッキン２６の摺動リング２６ｂにスムーズに挿通されるように、傾斜面２７が設けられている。

本実施例の水道圧シリンダＣ₁の場合、下側ピストン２２と下側ロッドＲｂとは一体に構成されていて、それらの軸心部分には、上側ロッドＲａを入り込ませるためのロッド進入孔２８が設けられている。また、下側ロッドＲｂの先端部には、上型４を取付けるための雄ねじ部２９が設けられている。前記下側ピストン２２は、下側ロッドカバー２３に設けられた下側ピストン戻しポート３１から下側シリンダ室３２に供給される水道水によって上昇される。

前記下側ピストン２２が上昇端位置に配置された状態（下側ピストン２２の上面が上側ロッドカバー７の底面に当接した状態）で、下側ロッドＲｂの先端部（下端部）は、支持板３よりも下方に突出されている。下側ロッドＲｂの先端部で、前記支持板３よりも突出した部分に、連結板３３が取付けられている。図１及び図２に示されるように、前記連結板３３の先端部には、下側ロッドＲｂの軸心と平行にしてドッグ取付棒３４が立設されていて、前記ドッグ取付棒３４の上端部にドッグ３４ａが取付けられている。また、支持板３の正面部で、前述したドッグ取付棒３４と対応する位置には、スイッチ取付板３５が取付けられている。該スイッチ取付板３５には、高さ方向に所定の間隔をおいて２個のリミットスイッチＬＳ₁,ＬＳ₂が取付けられている。下側ロッドＲｂが下降するのに伴い、ドッグ取付棒３４も下降する。ドッグ取付棒３４に取付けられたドッグ３４ａが所定ストロークＬ₁だけ下降すると、上側のリミットスイッチＬＳ₁が作動する。前記下側ロッドＲｂが、更に所定ストロークＬ₂だけ下降すると、下側のリミットスイッチＬＳ₂が作動する。これにより、下側ロッドＲｂの下降端停止位置が定められる。ドッグ取付棒３４におけるドッグ３４ａの取付位置、及び各リミットスイッチＬＳ₁,ＬＳ₂の作動位置を調整することにより、下側ロッドＲｂのストロークＬ₁,Ｌ₂を調整することができる。

図４に、第１実施例の水道圧シリンダＣ₁の水圧回路図を示す。水道圧源３６（水道の蛇口）に連結された送り管３７から分岐された３本の分岐管３８，３９，４１に、逆止弁を用いた各方向切換弁Ｋ₁〜Ｋ₆が、２個ずつ直列に接続されている。ここで、逆止弁を用いた方向切換弁とは、該方向切換弁に内装されたピン（図示せず）等により、逆止弁を強制的に開いて、逆止弁の通常の流通方向と逆方向に作動流体（水道水）を流すと共に、逆止弁を閉じて作動流体の流通を停止させる構成のものをいう。方向切換弁Ｋ₁,Ｋ₂との間から更に分岐された分岐管４２は、上側ロッドカバー７に設けられた下側ピストン送りポート１７に接続されている。方向切換弁Ｋ₃,Ｋ₄との間から更に分岐された分岐管４３は、更に二方向に分岐され、一方側の管は上側ロッドカバー７に設けられた上側ピストン戻しポート１４に接続され、他方側の管は下側ロッドカバー２３に設けられた下側ピストン戻しポート３１に接続されている。方向切換弁Ｋ₅,Ｋ₆との間から更に分岐された分岐管４４は、ヘッドカバー１１に設けられた上側ピストン送りポート１３に接続されている。各方向切換弁Ｋ_2,Ｋ_4,Ｋ₆から排出される水道水は、戻し管４５を流れて排水路５０に排出される。

ここで、作動流体が油の場合、摺動部分に僅かな隙間があっても、当該隙間に油膜が形成されるため、油が漏れる恐れは少ない。しかし、水（水道水）は、油と比較して粘度が低いため、僅かな隙間であっても漏れてしまう。このため、スプールを摺動させて流路を閉塞する構成の方向切換弁の場合、前記スプールの摺動面から水が漏れてしまう恐れがある。しかし、本実施例の場合、各方向切換弁Ｋ₁〜Ｋ₆は、逆止弁を用いた方向切換弁であり、スプールが存しない。これにより、各方向切換弁Ｋ₁〜Ｋ₆における水漏れを殆どなくすことができる。この結果、ロッド（下側ロッドＲｂ）の突出停止位置の停止精度を高めることができて、例えば、プレス作業を行う場合には、プレス成形品の成形精度が高められる。

第１実施例の水道圧シリンダＣ₁を使用したプレス装置Ｅの作用を、下側ロッドＲｂの動作を中心に説明する。図１及び図２に示されるように、ベース１に設けられた支持台５に下型４ｂが設置されていて、該下型４ｂに板材６が載置されている。下側ロッドＲｂの雄ねじ部２９には、上型４ａが取付けられている。図４及び図５に示されるように、方向切換弁Ｋ₁,Ｋ₄が作動状態（ＯＮの状態）に切り換えられて、下側ピストン送りポート１７に水道水が供給される。これにより、下側ピストン２２のリング状の受圧面及びロッド進入孔２８の底面に水道水の圧力が作用し、下側ロッドＲｂが下降される。下側シリンダ室３２に存していた水道水は、分岐管４３を流れ、方向切換弁Ｋ₄を介して戻し管４５に戻される。そして、上側ロッドカバー７の底面と下側ピストン２２の上面との間に、水道水が充満された空間部（水封入空間Ｗ）が形成される。図２に示されるように、前記下側ロッドＲｂと同時に、ドッグ３４ａも下降される。該ドッグ３４ａが所定ストロークＬ₁(本実施例の場合、５０mm）だけ下降されると、上側のリミットスイッチＬＳ₁を作動させる。これにより、方向切換弁Ｋ₁が逆止状態（ＯＦＦの状態）に切り換えられ、下側ロッドＲｂの下降が停止される。前記下側ロッドＲｂに取付けられた上型４ａは板材６の直上で停止される。

続いて、方向切換弁Ｋ₄が作動状態のまま、方向切換弁Ｋ₅が作動状態に切り換えられる。水道水が分岐管４４を流れて、ヘッドカバー１１に設けられた上側ピストン送りポート１３に供給される。これにより、上側ピストン９の受圧面に水道水の圧力が作用し、上側ロッドＲａが下降される。上側シリンダ室１５に存していた水道水は、上側ピストン戻しポート１４から分岐管４３を流れ、方向切換弁Ｋ₄を介して戻し管４５に戻される。

前記上側ロッドＲａの先端部が、下側ロッドパッキン２６の摺動リング２６ｂに挿通されると、水封入空間Ｗが密封される。本実施例の水道圧シリンダＣ₁では、水封入空間Ｗの密封手段が下側ロッドパッキン２６であり、その構成が極めて簡単である。そして、外側に配置されたＯリング２６ａにより、シールが図られる。しかも、前記Ｏリング２６ａが、パッキン挿入溝１６ａに挿入されているため、該Ｏリング２６ａがシールのために弾性変形と原形状への復元を繰り返しても、前記パッキン挿入溝１６ａから抜け出る恐れはない。また、内側に配置された摺動リング２６ｂは、耐磨耗性の高い材質から成るため、下側ロッドＲｂとの挿脱が多数回に亘って行われても、磨耗する恐れはない。

上側ロッドＲａが下降されると、水封入空間Ｗに封入されている水道水が加圧され、下側ロッドＲｂが下降される。図７に示されるように、水封入空間Ｗ内の水道水を介して下側ロッドＲｂが増圧状態で下降される。ここで、下側ピストン２２及び下側ロッドＲｂの総受圧面積（下側ピストン２２のリング状の受圧面と下側ロッドＲｂの筒部の先端の底面である受圧面との和）をＡ₁、上側ピストン９の上面に作用する水道水の圧力をＰ₀、増圧されて上側ロッドＲａの先端面に作用する圧力をＰ₁、上側ピストン９の受圧面積をＡ₂₁、上側ロッドＲａの断面積をＡ₂₂とする。上側ロッドＲａが下降されているとき、力のバランス状態が保持されるため、Ａ₂₁×Ｐ₀＝Ａ₂₂×Ｐ₁である。この式より、Ｐ₁＝Ｐ₀×（Ａ₂₁／Ａ₂₂）である。即ち、上側ロッドＲａの先端部には、上側ピストン９に作用する水道水の圧力Ｐ₀が、増圧比（Ａ₂₁／Ａ₂₂) だけ増圧された状態で作用する。本実施例の場合、上側ピストン９の直径（Ｄ₂₁）が１００mm、上側ロッドＲａの直径（Ｄ₂₂）が３２mmであるため、（１００²×π／４）÷（３２²×π／４）≒９．７７より、増圧比は（９．７７）である。

また、上側ロッドＲａの下降速度をＶ₂とすると、上側ロッドＲａが下降することによって、単位時間当りに排除される水の量Ｑ₂は、Ｑ₂＝Ａ₂₂×Ｖ₂である。下側ロッドＲｂの下降速度をＶ₁とすると、上側ロッドＲａが水封入空間Ｗに進入することにより、下側ロッドＲｂが下降されたときに単位時間当りに増大する水封入空間Ｗの大きさ、即ち、水封入空間Ｗに入り込む水の量Ｑ₁は、Ｑ₁＝Ａ₁×Ｖ₁である。ここで、Ｑ₁＝Ｑ₂であるため、Ａ₂₂×Ｖ₂＝Ａ₁×Ｖ₁が成立する。これより、Ｖ₁＝Ｖ₂×（Ａ₂₂／Ａ₁）である。本実施例の場合、上側ロッドＲａの直径（Ｄ₂₂）が３２mm、下側ピストン２２の直径（Ｄ₁)が１００mmであるため、Ａ₂₂／Ａ₁＝（３２²×π／４）÷（１００²×π／４）≒０．１。これより、下側ロッドＲｂの下降速度Ｖ₁は、上側ロッドＲａの下降速度Ｖ₂の約１０分の１である。このため、下側ロッドＲｂをストローク２０mmだけ下降させるためには、上側ロッドＲａを約１９６mm下降させる必要がある。

上型４ａが板材６に絞り加工を施しながら、下型４ｂに進入する。このときの下側ロッドＲｂの押圧力Ｆは、Ｆ＝Ｐ₁×Ａ₁＝Ｐ₀×（Ａ₁×Ａ₂₁／Ａ₂₂）である。ここで、水道水の圧力を（０．２ＭＰａ）とすると、下側ピストン２２の直径（Ｄ₁)が１００mm、上側ピストン９の直径（Ｄ₂₁）が１００mm、上側ロッドＲａの直径（Ｄ₂₂）が３２mmであるため、増圧室（水封入空間Ｗ）の圧力（Ｐ₁)は、（Ａ₂₁／Ａ₂₂）×Ｐ₀＝（１．９６ＭＰａ）であり、下側シリンダＣｂの下側ピストン２２及び下側ロッドＲｂの総受圧面積は、π（Ｄ₁)²／４＝（０．７９×１０^-2）ｍ²である。従って、下側ロッドＲｂの押圧力Ｆは、Ｆ＝Ｐ₁×Ａ₁＝〔１．９６×（０．７９×１０^-2）〕ＭＮ≒１５．５ｋＮとなる。板材６は、上下の各型４a,４b により絞り加工され、カップ状の成形品６ａが形成される。前記成形品６ａは、下側ロッドＲｂが戻されて形成される抜き空間Ｕを介して抜き取られる。

前記上側ロッドＲａは、下側ピストン２２及び下側ロッドＲｂの軸心部分に設けられたロッド進入孔２８に進入されるため、高速で下降される上側ロッドＲａの先端部が、低速で下降される下側ピストン２２に衝突する恐れはない。

下側ロッドＲｂが所定ストロークＬ₂だけ下降されると、下側のリミットスイッチＬＳ₂が作動される。これにより、各方向切換弁Ｋ_4,Ｋ₅が逆止状態に切り換えられ、各方向切換弁Ｋ₂,Ｋ_3,Ｋ₆が作動状態に切り換えられる。分岐管４１を介して上側ピストン戻しポート１４と下側ピストン戻しポート３１に水道水が供給され、上側ピストン送りポート１３と下側ピストン送りポート１７から、水道圧シリンダＣ₁内に存する水道水が排出される。このときの水道水の流量は、分岐管４１から更に分岐されて、各戻しポート１４，３１に自動的に分配されるため、上下の各ロッドＲa,Ｒb は最短時間で戻される。上下の各ロッドＲa,Ｒb が上昇端位置に配置されると、最初の工程（図３の状態）に戻って次の加工が行われる。

上記した下側ロッドＲｂの下降量をグラフに示す。図９に示されるように、最初に所定ストロークＬ₁(本実施例の場合、５０mm）だけ高速で下降されて、いったん停止される。上側ロッドＲａが、上側ロッドパッキン１８から下側ロッドパッキン２６の間を下降される間（図６参照）、水封入空間Ｗの水道水が僅かに加圧されるため、下側ロッドＲｂも僅かに下降される。上側ロッドＲｂが、下側ロッドパッキン２６に挿通されて水封入空間Ｗの水道水が密封状態になると、前記下側ロッドＲｂは増圧された状態で所定ストロークＬ₂(本実施例の場合、２０mm）だけ下降される。加工終了後、下側ロッドＲｂは、上側ロッドＲａが上昇した距離に追従して低速で上昇され、上側ロッドＲａが戻った後は、水封入空間Ｗが開放されるため高速で上昇される。

本実施例の水道圧シリンダＣ₁の場合、下側ロッドＲｂの全ストロークＬ₀は８０mmであり、そのうち、増圧状態でのストロークＬ₂は２０mmである。本明細書に記載した実施例のプレス装置Ｅでは、最初に下側ロッドＲｂが５０mm下降され、増圧状態で２０mm下降される。このため、下側ロッドＲｂが下降端位置に配置された状態で、下側ピストン２２と下側ロッドカバー２３との間に１０mmの隙間ｅ（図７参照）が形成されている。そして、前記各ストロークＬ₁,Ｌ₂は、上下の各リミットスイッチＬＳ₁,ＬＳ₂によって検出される。換言すれば、各リミットスイッチＬＳ₁,ＬＳ₂の取付位置を調整することにより、各ストロークＬ₁,Ｌ₂を調整可能である。例えば、下側ロッドＲｂの最初のストロークＬ₁は、６０mm以内の範囲で調整可能である。これにより、プレス装置Ｅにおいて、成形品に対応する大きさ（高さ）の抜き空間Ｕを確保できる。

上記したように、本発明に係る水道圧シリンダＣ₁では、下側ロッドＲｂの増圧状態でのストロークＬ₂を自在に調整可能である。ここで、従来のプランジャー方式の増圧シリンダでは、ロッドに、別途ストッパーを設けない限り、ストロークを規制することができない。このため、常にストロークを一定にしなければならない加工（例えば、底部が開放されている下型を使用しての絞り加工）に対して、従来のプランジャー方式の増圧シリンダを使用することは困難である。これに対して、本発明に係る水道圧シリンダＣ₁では、増圧状態における下側ロッドＲｂのストロークＬ₂を常に一定に保持させることができるため、成形空間が開放された形状の下型４ｂを使用して、板材６の折り曲げ、深絞り等の各種プレス作業を行うことができる。

更に、従来のプランジャー方式の増圧シリンダでは、シリンダ内に作動流体を流出入させる通常のシリンダと異なって、作動流体の流出入はないため、増圧室内におけるプランジャーの移動量に、増圧比（増圧室の最大受圧面積／プランジャーの断面積）の逆比を乗じたものとなって、ストロークは極めて小さくなる。しかしながら、本実施例の水道圧シリンダＣ₁では、下側ピストン２２のみを移動させることにより、大きなストロークＬ₁を確保できるため、加圧源を必要とする作業の範囲が著しく広くなる。例えば、曲げ、深絞り等のプレス成形においては、下型に対して上方への抜き空間を確保する必要があるが、本実施例の水道圧シリンダＣ₁によれば、上記抜き空間を十分に確保できる。この点、上記プランジャー方式の増圧シリンダでは、ロッドのストロークを大きくできないため、上記プレス作業を行うのは難しい。

本発明に係る水道圧シリンダＣ₁は、上下の各シリンダ室１５，３２及び水封入空間Ｗに、常に水が充満された状態で使用される。このため、水道圧シリンダＣ₁の下側ロッドＲｂを、下方に突出させる形態だけでなく、上方に突出させる形態で使用することができる。更に、垂直状態だけでなく、水平状態、或いは斜め状態でも使用することができる。これにより、本発明に係る水道圧シリンダＣ₁を、多数の用途に亘って使用することができる。

次に、第２実施例の水道圧シリンダＣ₂について説明する。なお、第１実施例の水道圧シリンダＣ₁と同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、異なる点のみを説明する。図１０は第２実施例の水道圧シリンダＣ₂の水圧回路図、図１１は水道圧シリンダＣ₂の正面断面図、図１２は図１１のＸ−Ｘ線断面図である。図１０及び図１１に示されるように、第２実施例の水道圧シリンダＣ₂では、下側ロッドパッキン２６の代りに、分岐管４２にパイロット機能付きの逆止弁４６が設けられている。前記逆止弁４６に設けられた下側ピストン送りポート４７から供給される水道水は、逆止弁４６内の流路４８（図１２参照）、及び上側ロッドカバー４９に設けられた下側連通路５１を流れて、下側ピストン２２を下降させる。また、上側ピストン戻しポート５２から供給され、上側連通路５３を流れる水道水により、上側ピストン９が戻される。上昇端位置における上側ロッドＲａの先端部は、上側ロッドカバー４９に取付けられたロッドパッキン５４に密着状態で挿通されているため、上側シリンダ室１５内の水とロッド進入孔２８内の水は非連通状態である。

逆止弁４６の構成について説明する。図１２に示されるように、逆止弁４６は、上側ロッドカバー４９に固着されていて、下側ピストン送りポート４７と連通する流路４８の一方側にボール５５が配設され、他方側にパイロットピストンピン５６が配設されている。そして、流路４８におけるボール５５の側は、下側連通路５１と連通され、パイロットピストンピン５６の側は、上側連通路５３と連通されている。上側シリンダ室１５内の水道水の圧力が所定値を超えると、上側連通路５３を介してパイロット圧Ｐ₂が作用した水道水が流れ、パイロットピストンピン５６が摺動される。前記ボール５５は、圧縮ばね５７によって常に流路４８の端部に押し付けられていて、該流路４８を閉塞している。前記パイロット圧Ｐ₂が作用した水道水によりパイロットピストンピン５６を摺動させようとする力（Ｆ₂)が、ボール５５を押圧している圧縮ばね５７の弾性復元力（Ｆ₁)と、水封入空間Ｗに存する水道水の圧力Ｐ₀により、ボール５５を流路４８の端部に押し付ける力（Ｆ₀)との和よりも大きくなると（Ｆ₂＞Ｆ₁＋Ｆ₀)、パイロットピストンピン５６が摺動される。そして、圧縮ばね５７の弾性復元力に抗してボール５５が押し下げられて流路４８が開放され、水封入空間Ｗに封入されていた水道水は、下側連通路５１から流路４８を流れて戻し管４５（図１０参照）に戻される。図１２において、パイロットピストンピン５６が摺動して、ボール５５が押し下げられた状態を二点鎖線で示す。これにより、作業終了後の下側ピストン２２を迅速に戻すことができ、１サイクルに要する時間を短くできる。なお、図１２において、５８は圧縮ばね５７を保持するための押えボルトであり、５９は、流路４８におけるパイロットピストンピン５６の側を閉塞するための押えボルトである。

第２実施例の水道圧シリンダＣ₂の場合、逆止弁４６によって水封入空間Ｗに封入された水道水が密封される。このため、上側ロッドＲａが下降されると同時に、前記水封入空間Ｗ内の水が加圧され、下側ロッドＲｂが増圧状態で下降される。このため、下側ロッドＲｂの増圧状態でのストロークＬ₂をそのままにして、上側ロッドＲｂのストロークを短くできる。即ち、前記ストロークＬ₂を確保したまま、水道圧シリンダＣ₂の全長を短くすることができる。

上記した各実施例の水道圧シリンダＣ₁,Ｃ₂では、２方向２位置の各方向切換弁Ｋ₁〜Ｋ₆を使用して水圧回路を構成しているが、４方向３位置の方向切換弁及び３方向３位置の方向切換弁（いずれも図示せず）を使用して水圧回路を構成することもできる。これにより、必要な方向切換弁の数を少なくできるという利点がある。しかし、上記した４方向３位置の方向切換弁、及び３方向３位置の方向切換弁は、いずれもスプール構造のものであり、当該スプールの摺動部分から水道水が漏れてしまう恐れがある。これに対し、本実施例の各方向切換弁Ｋ₁〜Ｋ₆は、逆止弁を用いた方向切換弁であるため、当該逆止弁の部分から水道水が漏れる恐れは殆どなく、下側ロッドＲｂの突出停止位置の停止精度が高められる。

上記した第１及び第２の各実施例の水道圧シリンダＣ₁,Ｃ₂の場合、いずれも作動流体として水道水を使用している。このため、油圧シリンダと比較すると、該油圧シリンダを作動させる油圧ポンプが不要となり、油圧ポンプの作動時の連続騒音等が一切なくなり、静かな環境において静粛に運転を行える。また、水道水の入手が容易であると共に、環境を汚染する恐れがないため、排出後の処理も容易である。更に、火災の恐れは全くない。また、空気圧と油圧とを併用した増圧シリンダと比較すると、水（水道水）は非圧縮性を有するので、ロッドの停止精度を遥かに高くすることができる。

本発明の第１実施例の水道圧シリンダＣ₁を用いたプレス装置Ｅの斜視図である。同じく正面図である。水道圧シリンダＣ₁の正面断面図である。同じく水圧回路図である。下側ロッドＲｂが下降した状態の作用説明図である。上側ロッドＲａが下降して下側ロッドパッキン２６と密着される状態（逆流防止状態）の作用説明図である。上側ロッドＲａが更に下降して、水封入空間Ｗ内の水道水が加圧されることにより、下側ロッドＲｂが増圧して下降される状態の作用説明図である。上下の各ロッドＲa,Ｒb が上昇される状態の作用説明図である。１サイクルにおける下側ロッドＲｂの下降量を示すグラフである。第２実施例の水道圧シリンダＣ₂の水圧回路図である。水道圧シリンダＣ₂の正面断面図である。図１１のＸ−Ｘ線断面図である。

符号の説明

Ｃ₁,Ｃ₂：水道圧シリンダ
Ｃａ：上側シリンダ（第２シリンダ）
Ｃｂ：下側シリンダ（第１シリンダ）
Ｅ：プレス装置（水道圧シリンダ装置）
Ｋ₁〜Ｋ₆：方向切換弁
ＬＳ₁,ＬＳ₂：リミットスイッチ（停止位置決めセンサ）
Ｒａ：上側ロッド（第２シリンダのロッド）
Ｒｂ：下側ロッド（第１シリンダのロッド）
Ｗ：水封入空間（増圧室）
７：上側ロッドカバー（第１及び第２の各シリンダの接続部）
９：上側ピストン（第２シリンダのピストン）
１３：上側ピストン送りポート
１４：上側ピストン戻しポート
１６：ロッド挿通孔（第２シリンダのロッドの挿通孔）
１６ａ：パッキン挿入溝
１７：下側ピストン送りポート（送りポート）
２２：下側ピストン（第１シリンダのピストン）
２６：下側ロッドパッキン（密封手段）
２６ａ：Ｏリング
２６ｂ：摺動リング
２８：ピストン進入孔（筒状部）
３１：下側ピストン戻しポート
３６：水道圧源
３７：送り管（管路）
４３：分岐管（管路）
４５：戻し管（管路）
４６：逆止弁（密封手段）

Claims

水道圧を増圧させて作動する水道圧シリンダであって、
圧力水通路を有するピストンに、先端部を除く基端から所定長の部分を筒状に形成したロッドが連結された早送り用の第１シリンダと、
前記第１シリンダに対して直列配置され、かつ互いに連通された状態で一体化されて、第１シリンダのロッドの筒状部に自身のロッドが所定の隙間を有して挿入される増圧用の第２シリンダと、
第２シリンダの作動により、前記第２シリンダのロッドが第１シリンダのロッドの筒状部に挿入された増圧作動時において、送りポートから流入されて第１シリンダのピストンに作用する圧力水を密封して増圧室を形成する密封手段と、
を備え、
第１シリンダの作動によりロッドを所定位置まで早送りさせた後に、第２シリンダの作動により、前記密封手段により密封された増圧室内の圧力水の圧力を増圧させて遅送りさせる構成であることを特徴とする水道圧シリンダ。
前記密封手段は、第１及び第２の各シリンダの接続部に形成された第２シリンダのロッドの挿通孔の内周面に設けられたパッキンであって、
前記パッキンは、前記挿通孔の内周面に形成された環状のパッキン挿入溝の奥側に挿入配置される弾性を有するＯリングと、該Ｏリングの外側に挿入配置される耐磨耗性の高い材質から成る摺動リングとから成ることを特徴とする請求項１に記載の水道圧シリンダ。
第１及び第２の各シリンダの各ポートに接続された各方向切換弁は、逆止弁を用いた構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水道圧シリンダ。
水道圧源と、請求項１に記載の水道圧シリンダと、前記水道圧源と前記水道圧シリンダの各ポートとを接続する各管路に組み込まれた必要個数の方向切換弁と、前記水道圧シリンダのロッドの中間停止位置及び突出端停止位置を定めるために、シリンダ本体に装着された各停止位置決めセンサとを備えていることを特徴とする水道圧シリンダ装置。
水道圧シリンダを構成する第１及び第２の各シリンダの戻しポートには、１本の前記管路が途中で分岐されてそれぞれ接続され、第１及び第２の各シリンダの各ロッドは、同時に戻る構成であることを特徴とする請求項４に記載の水道圧シリンダ装置。