JP2007100949A - 空圧シリンダー式ショックアブソーバ - Google Patents

Abstract

【課題】 気体シリンダーを利用した、理想的特性のショックアブソーバを実現する。
【解決手段】 移動体の衝突で、高圧に圧縮されたピストン内圧を、移動体が停止する直前に解放することによってリバウンドさせずに停止に至らしめる。
【選択図】 図１

Description

本発明は移動体を、衝撃を伴わずに停止に至らしめる空圧機器に関する。

不明

移動体の衝突を受け止めようとするとき、フヮ…フヮ…としたもので受け止めるのが最良の方法であると誰もが考える。然るに空圧機器の分野でさえ、多くは、油の粘性抵抗による流動損失を利用した形式のショックアブソーバを衝撃吸収機器として用いている。油はフヮ…フヮ…していないのに！である。気体を利用したものには空圧シリンダーに付属のクッション付と称する排気口を絞って気体の流動抵抗を利用した形式のものがある。気体を完全に閉じ込めてクッションとして利用したものは、ダンパーとしては当たり前に利用されているが、ショックアブソーバとしては見当たらない。何故なのか？多分リバウンドしてしまう現象を抑えることが難しかったからではないか。リバウンドは必ず物体が一旦停止した後に起きる。それなら停止直前に圧縮された気体を抜いてしまえば、リバウンドなしに停止に至らしめることができる。本発明は、この原理を応用して優れたショックアブソーバを作ろうとするものである。
油であれ気体であれ、その流動抵抗損失を利用してエネルギーを吸収する方式のアブソーバにおいては、その特性は速度が速いとき減速度が大きく遅いとき減速度が小さい。移動体がこれらアブソーバに衝突したとき、どのような動きになるかを考えてみる。衝突始めが最大速度であって最大減速度が発生するから、媒質が油の場合必ず瞬間的ショックが発生し、気体の場合少しゆっくりしたリバウンドが発生する。次に減速期間があってのち減速度が小さいためなかなか止まらないから適当な速度でストッパーに衝突停止させる。速度が落ちるほど減速度が小さくなるのであるから、ストッパーでの停止ショックを少なくしようとすれば減速期間が長くなるし、減速期間を短くしようとして最大減速度を上げると最初の瞬間的ショック或いはリバウンドが大きくなる。即ち大きな矛盾を抱えたデバイスなのである。更に油を使ったデバイスでは、運動エネルギーを熱エネルギー変換して吸収する方式であるから、速度が速い場合、油の局所的温度上昇で油の熱分解による劣化が進み耐久性が乏しい。
本発明は、これらの欠点をすべて解決する事を意図している。

本発明によるショックアブソーバは、シリンダー内に完全に気体を閉じ込めておき、そこに移動体を衝突させてその運動エネルギーを気体圧力に変換し、移動体の停止直前にその圧力を一挙に逃がしてストッパーに低速衝突で停止させる方法を、制御回路等を用いずに、極めて簡単な機構だけで達成したものである。図１はその機能部分の配置結合を簡略的に図示した原理説明図である。
図１を参照して、図示されていないが逆止弁４およびリリース弁５には弁が閉じる方向の僅かなバネ力が加えられているものとする。従ってシリンダー１は常に密閉状態にある。ピストン２の初期位置はシリンダー１の左端にあり、給気ポートＡには常に給気圧Ｐが加えられている。シリンダー１のピストン軸３側端には貫通孔９が有り、常に外気の出入り自由としてある。この状態でシリンダー１内は給気圧Ｐで満たされ、逆止弁４とリリース弁５は共に閉じている。ピストン軸３の停止面７からの飛び出し長さはピストンストロークＬと同じか僅かに短く設定されている。
ピストン軸３に移動体が衝突してくると、シリンダー１内の気体は圧縮されるが、移動体の運動エネルギーの大きさに関わらず、ピストン２はストロークエンドに到達することはない（たとえピストン軸３の長さがストロークＬより長いとしても）。何故ならシリンダー内圧はストロークエンドに至れば理論上∞までなり得るからである。常識的にはメカニズムが壊れなければの話であるが。移動体エネルギーの大きさに関わらずというのはデバイスにとって非常に有利な原理である。何故なら、ひとつのデバイスで広い範囲の吸収エネルギーに対応できるからである。
移動体を停止させる方法論からすると、ピストン内の気体を圧縮するメカニズムは変位に対してそのピストン内圧は指数関数的に増加し、ブレーキ力が急増するため、短時間でスムースに移動体を停止できる特性が得られる。このように理想的な衝撃吸収方法であるが、このままではピストンストロークのどこかでリバウンドして振動状態に入ってしまう。リバウンドさせないためには、そのリバウンド位置を知らなければ手の打ちようがない。ショックアブソーバは工業的に用いられる場合、繰り返し同じ運動エネルギーを受けるとして差し支えない。すなわちリバウンド位置は一定である。従って吸収エネルギーを加減することによってそのリバウンド位置を、ピストンのストロークエンド近くに定める事は簡単である。給気圧Ｐを外部に設定した圧力調整弁（図示してない）を調整することで吸収エネルギーの大小は加減できるから、数回試してみればリバウンド位置即ちピストン停止位置がストロークエンド近傍にあるかどうかをかなり正確に設定することが出来る。こうなればしめたもので、リバウンドポイントをｅとすると、これより少し手前のリリースポイントｒでリリース弁５を強制的に開放してやれば、リバウンドは発生しない。
図１にはリリース弁５の詳細は細かいので省略してあるから、これから以降の説明は図２〜図４を参照して説明する。
図２・３を見て、リリース弁５３は折れ曲がってストローク終端面にあるエンドプレート５５にあいた操作口６０から少し飛び出ており、この部分が操作子５９である。その先端がリリースポイントｒである。
移動体の衝突を受けて、ピストン２はシリンダー内気体を圧縮しながら移動し、ストロークエンドから僅かに飛び出ている操作子５９に達するとそれを強制的に押すこととなる。すると弁溝５４に収納されているリリース弁５３は弁座端５８を支点に回動して開く。このときシリンダー内圧は高圧であるから一瞬にして排気される。しかしその排気は図１の排圧制御弁６を通過しなければならないが、排圧制御弁６の設定圧力は給気圧Ｐでは辛うじて開かない値にしてあり、高圧の爆発的排気では簡単に全開するから瞬間的に高圧排気は完了する。そうなればリバウンド直前の低速となった移動体は残りの慣性力で僅かな距離を移動し、シリンダー左端の停止面７につき当り停止する。
図１の排圧制御弁６の特性に言及すると、その詳細図４において、弁の可動部分はボール弁７１とバネ座７２から成り比較的重く作られ、バネ座７２はピストン状で排気溝７５があり排気を邪魔しない。弁バネ７３はバネ常数を出来るだけ小さくしてあり、排気口７７を穿った調整ネジ７４で給気圧Ｐに見合う値にセットされる。排気溝７６は弁全開時の排気を確保する。そして弁のシフト量は排気に必要な量以上に大きくしてある。この様にすると排気制御弁６の全開後の弁の戻りは、重い弁体と大きいストローク故に比較的ゆっくりした戻り動作となり、高圧排気後のシリンダー内圧力が給気圧Ｐ以下（＝リリース弁５と排圧制御弁６の両方が開いたときの給気圧Ｐによる背圧）に保たれる時間が長くなるから、停止寸前の速度で停止面７にぶつかるまでの残り僅かなストロークを進む間のブレーキ力を最小に保って停止時間を短縮する。かくして移動体はリバウンド無しに停止面７に低速衝突し停止に至る。
排気制御弁６が閉じると、シリンダー１の内容積は隙間だけとなるがその内圧は給気圧Ｐと等しくなり、逆止弁４は閉じる。もちろんリリース弁５は開いている。移動体が止まっている間この状態のままである。排気圧制御弁５が閉じるのと移動体が停止するのとどちらが先かは、メカニズムとしてはどちらでも支障はない。ただ移動体の停止が先の方が停止動作の切れ味がよい。
移動体が離れて行くと、シリンダー１の内圧はＰであるからピストン２は移動体の動きに追従して動き始める（追従する必要は全くないが）。直ぐにピストン２は操作子５９から離れるから、リリース弁５も閉じると同時に、逆止弁４は小刻みに開閉を繰り返しながらシリンダー内圧をＰに保ちつつ初期位置まで戻り、ピストン２のサイクルは終了する。

従来から使われているオイル式ショックアブソーバは、油の粘性抵抗による流動損失を利用して運動エネルギーを熱エネルギーに変換する方式である。その特性は、速度が低下してくると流動損失が減少するからブレーキ力が落ちてしまう。即ち減速して停止させようとしているのにブレーキ力が小さくなってしまうのでは、スムースに完全な停止に至るまでを考えると理論的には∞時間を必要とすると云うことになる。それでは実用にならないから現実には、大きなブレーキ力のあるアブソーバにガクンと衝突させてからかなりの距離で減速し、次にガクンとストッパーに衝突させて強制停止させる方法を採っている。短時間で止めようとすればガクンガクンの衝撃が大きくなるし、スムースに止めようとすれば停止時間が長くなると云う矛盾を抱えた不完全な代物なのである。又高速度の衝突ではオイルの局所的温度上昇が激しくなり、オイルの分解劣化が進むため寿命が短い。
これに較べ、本発明の空圧シリンダー式ショックアブソーバは、運動エネルギーを閉じ込めた気体の圧力エネルギーに変換する方式である。その特性は、速度が落ちるに従い指数関数的にブレーキ力が増加するから、スムースにかつ急速に停止に至る。すなわち短時間に停止出来るし、段階的ショックも殆ど無い理想的なアブソーバなのである。そして原理的にエネルギー吸収に際し発熱を伴わないから、高速・高頻度の使用にも耐えられる。

リリース弁５を開くタイミングでのピストンの圧縮比がどのくらい高くできるか？が実用化の決め手である。圧縮比が高ければ大きな吸収エネルギーが得られるからである。ピストン２がストロークエンドにあるときシリンダー内空間をゼロにしたいが現実にはそうはいかない。閉鎖端に２つの弁４・５を収納しなければならない。すなわち弁構造における空間容積を如何に小さくできるかが重要である。
図２・図３・図４にその構造例を示す。
先ず各弁の機能条件を考えよう。逆止弁４は、▲１▼ピストンを無負荷で初期位置に戻す（ゆっくりでよい）▲２▼ピストン内を給気圧Ｐで満たす ▲３▼逆流を防ぐ の３項目で機能的にはいわゆるパイロット弁である。リリース弁５は、瞬間的に逆止弁４に較べ桁違いの流速を流すが、移動体の停止直前の低速な動きを制御するのであるから、ゆっくりした瞬間でよい。すなわち両弁とも小さなポート径でよい。さらに常時閉じていて、シリンダー内圧上昇時は閉鎖力が増強されるから、自重を支える程度の閉鎖力しか必要としない。
これらの条件を考えると３図・４図に示すように、逆支弁４２は小形の薄板状にし、弁バネ５７は極薄板で十分賄えるから、２図に示す様にシリンダー閉鎖端に埋め込まれた極薄円盤状のエンドプレート５５と一体化させて無駄な空間が生じない構造にしてある。リリース弁５３は同じく薄板状で、開閉のための操作子５９部分は同じ板を折り曲げて一体化し、弁そのものを梃子となし弁座端５８を支点としてピストンの動きを反転させて弁を大きく開く、簡素にして効果的なカタチとしてある。各要素が単純なカタチであるから、小形化が容易でピストンで圧縮できない無効空間の割合が小さく圧縮比を大きく設定できる。

図５に示す実施例は本発明のクリーンルーム対応の場合である。クリーンルームで使用しようとした場合、もちろんＢポートの排気は室外へ出せばよいが、ピストン軸側のシリンダー端にある貫通孔９（図１）から若干の排気が出る。これに油分が含まれる可能性があるから貫通孔９は塞ぐ必要がある。ところがこの様にすると、ピストン軸側のシリンダー内が常に真空でなければピストンが左端の初期位置へ戻ることが出来なくなる。初期組立時並びに使用途中に洩れがあって真空度が低下した場合、その内部気体を排出できなければメカニズムは成り立たない。そこで図１の貫通孔９を廃した上で、図５に示すようにピストン２１に貫通孔２２および弁溝２３を穿って逆支弁２４を設け、弁バネ２５を一体化したエンドプレート２６を嵌めこむ構造を構築する。この様にすれば、ピストン２１の戻りサイクルのとき、シリンダー内真空サイドに気体が存在すれば毎回その気体は排出することが出来、クリーンルームに適用可能になる。
この実施例では、シリンダーの最低動作圧は０．１ＭＰａと仮定して、Ｐの設定を０．０１ＭＰａとしても真空圧０．１ＭＰａが加わるからピストンは戻ることが出来る。すなわちＰの設定範囲の下限値が少し拡がるおまけ付きということになる。

スムースで短時間での減速停止特性を有し、高速・高頻度の使用に耐えるショックアブソーバなのであるから、あらゆる産業機械に適用でき、サイクルタイムの短縮とメンテナンスの軽減に役立つこと必定である。

本発明による気体シリンダー式ショックアブソーバの、機能部分の配置結合を簡略的に図示した基本原理図である。

図１記載のシリンダー閉鎖端８を正面から見た（ホ−ヘ矢視）詳細図である。

図２記載の給気ポートＡ部分のイ−ロ断面矢視図で、図１記載の逆止弁４の詳細図である。

図２記載の排気ポートＢ部分のハ−ニ断面矢視図で、図１記載のリリース弁５および排圧制御弁６の詳細図である。

拡張した実施例で、図１基本原理図と異なる部分のみを示した詳細図である。

符号の説明

（図１） （図２） （図３） （図４）
１：シリンダー ２１：ピストン ５１：排気口 ７１：ボール弁
２：ピストン ２２：貫通孔 ５２：弁座 ７２：バネ座
３：ピストン軸 ２３：弁溝 ５３：リリース弁 ７３：弁バネ
４：逆止弁 ２４：逆支弁 ５４：弁溝 ７４：調整ネジ
５：リリース弁 ２５：弁バネ ５５：エンドプレート ７５：排気溝
６：排圧制御弁 ２６：エンドプレート ７６：排気溝
７：停止面 ５７：弁バネ ７７：排気口
８：閉鎖端 ５８：弁座端
９：貫通孔 ５９：操作子 （図５）
Ａ：給気ポート ６０：操作口 ４１：給気口
Ｂ：排気ポート ４２：逆止弁
Ｐ：給気圧

Claims (1)

1. シリンダー１と片軸ピストン２を備え、当該シリンダーの閉鎖端に、逆止弁４を備えた給気ポートＡと、該ピストン２がそのストロークエンドに達する直前に該ピストン２で押されて開くリリース弁５を備えた排気ポートＢとを配し、該排気ポートＢの外気側に給気圧Ｐでは辛うじて開かない排圧制御弁６を備え、給気ポートＡには常時給気圧Ｐを与えた事を特徴とする空圧シリンダー式ショックアブソーバ。

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