JP5379775B2

JP5379775B2 - 油圧シリンダ装置

Info

Publication number: JP5379775B2
Application number: JP2010241170A
Authority: JP
Inventors: 剛北村; 博河原; 文康佐久間
Original assignee: Yuken Kogyo Co Ltd
Current assignee: Yuken Kogyo Co Ltd
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: JP2012092911A

Description

本発明は、電動油圧ポンプと作動油タンク及びピストンシリンダ装置並びに油圧バルブ等を一体ユニット構造に組み立てた油圧シリンダ装置に関するものである。

従来より、この種の一体ユニット構造の油圧シリンダ装置は、自身の電動油圧ポンプから吐出される圧油によって伸長駆動されるピストンによりバネ力に対向して負荷に荷重を作用させる用途に用いられており、外部油圧源及びそれとの油圧配管が不要で小型化できる利点から、各種の産業機械向けの油圧アクチュエータとして広く利用されている。

例えば特開２００７−０６４２３７号公報（特許文献１）には、片ロッド形油圧シリンダのヘッド側カバーに油圧ポンプとその駆動電動機とを油圧シリンダの軸心と同軸に一列に装備した一体形油圧シリンダが記載されている。

しかしながら、このような一体形油圧シリンダでは、油圧シリンダとポンプ及び電動機が軸心上に一列に配列されているので全長が長く、用途によっては装着機械の制限寸法、例えば全長又は全高の範囲内に収まらない場合が生じる。

また、この一体形油圧シリンダは高速低推力と低速高推力の二速動作が可能であるが、その切換のためには、ピストンの進退切換のための方向切換弁の他に、高速低推力動作のためのロッド内部油圧室と低速高推力動作のためのヘッド側油圧室への圧油の供給を切り換える電磁切換弁が必要であり、小型化の利点を損なうだけでなく、電磁切換弁の作動に伴う油圧ショックがピストンに現れる結果となっていた。

特開２００７−０６４２３７号公報

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、電動油圧ポンプと作動油タンク及びピストンシリンダ装置並びに油圧バルブ等を一体ユニット構造に組み立てた油圧シリンダ装置における利点を損なうことなく活用でき、特にピストン推力の作用する装置軸心方向の全長又は全高寸法を極力抑制して装着対象機械の制限寸法に容易に適応できるコンパクトな構成とすると共に、二速動作も余分な電磁弁を要することなく油圧ショックの少ない円滑な二速切り換えができ、ポンプ動力を有効に利用して効率的な推力発生を可能とする一体ユニット構造の油圧シリンダ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る油圧シリンダ装置は、装着対象機械側の支持基台に固定される中空円筒状のケーシングと、該ケーシングの円筒内面との間にヘッド側端面で閉鎖された油圧室を形成するように前記ケーシングの円筒内に同軸状に固定配置された段付き外周面を有する中空円筒状のシリンダ本体と、該シリンダ本体を囲む外周領域において前記ケーシングにそれぞれ配置された油圧ポンプ、該油圧ポンプを駆動する電動機、作動油タンク、及び前記油圧ポンプから吐出される作動油と前記作動油タンクへ還流する作動油との前記油圧室に対する流れの向きを切り換える電磁切換弁とを備え、
前記ケーシングの円筒内面と前記シリンダ本体の段付き外周面との間には、前記ヘッド側端面寄りに円環状横断面形状の第１油圧室と、該第1油圧室よりも前記ヘッド側端面から遠い位置に前記第１油圧室よりも大面積の円環状横断面形状の第２油圧室が形成され、
前記第１油圧室には、該第１油圧室に作用する作動油の圧力を受けて前記ヘッド側端面から離れる方向へスライド移動する円筒状の第１ピストンが配置され、
前記第２油圧室には、前記第１ピストンよりも受圧面積が大きく、該第２油圧室に作用する作動油の圧力を受けて前記ヘッド側端面から離れる方向へスライド移動する円筒状の第２ピストンが配置され、
前記第１ピストンは、前記第１油圧室内に導入される作動油の圧力によりスライド移動したときに第２ピストンと衝合して該第２ピストンを押圧移動可能であり、
前記ケーシング内には、前記油圧ポンプから供給される作動油を前記第１油圧室内へ導く第１の通路と、該第１の通路から分岐して、前記第１ピストンが第２ピストンを予め定められた位置まで押圧移動させたときに前記第２油圧室と連通する第２の通路とが設けられていることを特徴とする。

本発明の好適な実施形態に係る油圧シリンダ装置は、前記第２油圧室の容積が増加したときのみ前記作動油タンクから前記第２油圧室への作動油の流入を許容する第１チェック弁を更に備えている。また、本発明の更に好適な実施形態に係る油圧シリンダ装置は、前記第２ピストンが前記ヘッド側端面へ近づく方向へ移動して前記第２油圧室の容積が減少したときのみ前記第２油圧室から前記作動油タンクへの作動油の流出を許容する第２チェック弁を更に備えている。

本発明の更に別の好適な実施形態に係る油圧シリンダ装置では、前記シリンダ本体の中空円筒内に、上端部が常に前記シリンダ本体の上端面から突出するロッドが挿入配置されて前記第２ピストンに固定され、該ロッドには液体を流通可能な貫通流路が軸心方向に形成され、該貫通流路の上面開口を塞ぐ蓋部材が前記ロッドの上端部に着脱可能とされている。

本発明による油圧シリンダ装置では、シリンダ本体及びピストンを除く駆動系、即ち、油圧ポンプとその駆動電動機及び作動油タンク並びに電磁切換弁を円筒状ケーシングのシリンダ本体を囲む外周領域に適宜分散配置できるため、シリンダ本体の端部にこれら駆動系が積み重なるように搭載された従来の一体形油圧シリンダに比べて、シリンダ本体の径平方向に若干の占有空間の増加が生じるだけで装置全体の軸方向の占有空間が大幅に減少し、油圧ポンプとシリンダ間の距離も短くなるだけでなく、外部油圧源との接続配管も不要であるので、一体ユニット構造の油圧シリンダ装置における本来の利点を損なうことなく活用でき、更なる油圧シリンダ装置の小型化と動力効率の向上が可能となる。これによって、例えば縦型工作機械に装着する場合でも、その高さ方向の制限寸法範囲内に収めた装着が可能である。

さらに、シリンダ本体は中空円筒形状であるため、その円筒内にピストンで移動させる負荷ロッドを貫通配置させることができ、これもまた装着対象機械の全高寸法を増加させない手段として有効である。この場合、ピストンは、互いに別体でシリンダ軸方向に沿って上下に配置された上側の円筒状第１ピストンと、第１ピストンよりも受圧面積が大きく前記ロッドに連結されている下側の円筒状第２ピストンで構成でき、第１ピストンは、該ピストン上方の第１油圧室内に導入される油圧ポンプからの油圧により下方へスライド移動すると同時に第２ピストンを押し下げて第２ピストン上面の受圧部を第２油圧室内に露呈させる。ケーシング内には、油圧ポンプから供給される作動油を第１油圧室内へ導く第１の通路と、該第１の通路から分岐して第１ピストンが第２ピストンを予め定められた下方位置まで押し下げたときに前記第２油圧室と連通する第２の通路とが設けられる。

即ち、本発明による油圧シリンダ本体は、第１ピストンと第２ピストンの互いに分離した２つのピストンからなる二段ピストン構造を有するものであり、油圧ポンプを始動して作動油を第１の通路から第１油圧室内へ供給すると、まず第１段階の高速低推力動作として相対的に受圧面積の小さい第１ピストンが油圧によりシリンダ本体に対して下方へスライド移動すると共に下側に配置された第２ピストンを押し下げ、以て第２ピストンの受圧面を第２油圧室に徐々に露呈させながら第２ピストンに連結されたロッドを下方へ押圧移動させることができ、さらに、第１及び第２ピストンが予め定められた下方位置に達すると、第１の通路から分岐された第２の通路が第２の油圧室に徐々に連通しはじめて第２油圧室への作動油の供給が開始されることにより、それ以降は、第２段階の低速高推力動作として相対的に受圧面積の大きい第２ピストンが油圧により直接的に下方へ押し下げられる。よって、この第２ピストンの移動時には、油圧ポンプからの供給圧力が同じでも、ロッドに作用する対象物への押圧力としては第１ピストンのみに油圧が作用する場合よりも高い推力を得ることができる。

従って、例えば縦型工作機械の回転主軸の下端に配置されたコレットチャックのアンクランプ用引き棒にロッドが連結されていれば、比較的低荷重で済む引き棒の初期押し下げストローク範囲のロッド移動には第１段階の第１ピストンのみによる高速低推力駆動で対応でき、次いで比較的高荷重を必要とする引き棒の最終押し込みストローク範囲のロッド移動には第２段階の主に第２ピストンによる低速高推力駆動で対応でき、しかもこれら高速低推力と低速高推力との切り換えは電磁弁による供給圧力の切り換えによらずに第１ピストン及び第２ピストンの変位による油圧室への通路開口の円滑な開度変化で可能であるため、高速低推力から低速高推力への切換動作を油圧ショック無しに円滑に行えると共にポンプ動力の無駄も生じることが無く、比較的小形の電動油圧ポンプで高推力に対応可能な二速動作を実現可能である。

本発明によれば、第１段階の高速低推力動作と第２段階の低速高推力動作の切り換えは第１ピストン及び第２ピストンの移動による第２油圧室への通路（第２の通路）の開口の開閉によっている。この場合、第１油圧室への作動油の供給により第１ピストンと第２ピストンが前進移動するときは第２油圧室の容積が増加し、両ピストンが逆方向へ復帰移動するときは第２油圧室の容積が減少する。この第２油圧室の容積の増減に対処するには、第２油圧室を作動油タンクへ通じる通路に接続し、第１段階から第２段階への切り換え位置で第２油圧室へポンプ吐出圧を導くと同時にタンク通路との接続を遮断する通路開口構造にすることで対処可能であるが、加工精度を充分易厳密に管理しないと切り換えがゼロラップで行えないことがあり、その結果、切換位置近傍で第２油圧室が負圧となり、ピストンの移動が瞬間的に停止する不感帯がストローク中に生じ、この不感帯の発生により全ストローク時間も長くなる。これを回避するため、本発明の好適な実施形態に係る油圧シリンダ装置は、前記第２油圧室の容積が増加したときのみ前記作動油タンクから前記第２油圧室への作動油の流入を許容する第１チェック弁を更に備えているので、第１段階から第２段階への移行中に第２油圧室の容積が増加しても第１チェック弁を介して作動油タンクから作動油を吸引して第２油圧室が負圧になることを防止でき、その結果、第２油圧室内の負圧によるストロークの不感帯の発生が回避され、この不感帯による全ストローク時間の遅れも回避される。従って、ストロークの不感帯の存在による全ストローク時間の遅れをポンプ吐出容量の増加で補う必要はなく、従来と同等のストローク時間を従来よりも少ないポンプ吐出容量で達成することができ、その分だけ電動油圧ポンプを低動力小形仕様のものとすることが可能である。このように第１チェック弁を設けることによってストロークの不感帯の発生が防止されるので、第２油圧室に対する通路の開口位置精度を従来よりもラフにしてもよく、各関連部品の加工精度を厳密に管理する必要がなくなる利点も得られる。この第１チェック弁は、例えば第２ピストンを前進ストローク端側で圧力保持する場合にピストン摺動間隙からの漏れによる第２油圧室の圧力低下を防止する機能も果すことができる。

本発明の好適な実施形態に係る油圧シリンダ装置は、前記第２ピストンが前記ヘッド側端面へ近づく方向へ復帰移動して前記第２油圧室の容積が減少したときのみ前記第２油圧室から前記作動油タンクへの作動油の流出を許容する第２チェック弁を更に備えることができ、この場合は、第２ピストンが前進ストローク端側からばね力や油圧でヘッド側端面へ近づく方向へ復帰移動したときに第２油圧室から第２チェック弁を介して作動油がタンクへ排出されるので第２油圧室の容積減少に支障は生じることがなく、第２油圧室内の過剰な圧力上昇によって第２油圧室内に不必要な負荷がかかることはない。

なお、第１ピストンと第２ピストンとの受圧面は、それぞれ円筒状ピストンであることから円環状であり、その受圧面積は、各ピストンを構成する円筒状部材の厚み寸法で設定される。これは油圧室内の封止方向（半径方向）の距離に相当し、シリンダ本体の段付き外周面の形状もこれに対応して設定される。

本発明の油圧シリンダ装置におけるシリンダ本体は中空円筒形状のものであり、その円筒内には第２ピストンと連結された負荷ロッドを貫通配置することができる。このロッドは、軸心方向に貫通流路を形成する中空ロッドとしてもよく、この中空ロッドを例えば縦型工作機械の回転主軸内に同軸状に挿入配置すれば、中空ロッド内の貫通流路を切削油の供給通路として利用することも可能である。

この場合、不使用時の貫通流路への異物の混入を避けるため、任意にロッドの貫通流路の上面開口を塞ぐことができる構成とするのが望ましい。この場合は、ピストンの移動範囲に亘ってロッドの上端部が常にシリンダ本体の上端面から突出するようにロッド長さ寸法をとり、この突出部分に貫通流路の上面開口を塞ぐ蓋部材を着脱可能に装着するための嵌合部を設けておくことが好ましい。

本発明による油圧シリンダ装置では、支持基台上に固定される中空円筒状のケーシングのシリンダ本体を囲む外周領域に電動機と油圧ポンプと油タンクと電磁切換弁とを配置したので、例えばシリンダ軸心を縦向きにして装着対象機械に取り付ける場合、水平方向には若干の占有空間の増加が生じるのに対して、これらがシリンダ本体の軸心方向に重ねて配列された従来技術のものよりも高さ方向の占有空間は大幅に減少し、また外部油圧源との配管部材も不要であるため油圧シリンダ装置の小型化が可能となり、結果として油圧シリンダ装置が搭載される例えば縦型工作機械においても装置設計の小型化が実現できるという効果がある。

さらに、本発明の油圧シリンダ装置においては、シリンダ本体に対して負荷に荷重を作用させるためのピストン部が互いに別体の円筒状の第１ピストン及び第２ピストンからなり、負荷に連結固定される第２ピストンは、第１段階で第１ピストンにのみ油圧が作用した後に、第２段階で第１ピストンより大きな受圧面積で油圧の作用を受け、従ってこのような二段ピストン構造を備えていることにより、負荷に必要な荷重が比較的低荷重の場合は第１ピストンにより第１段階の高速低推力の動作に対応させ、必要な荷重が比較的高荷重の場合は主に第２ピストンにより第２段階の低速高推力の動作に対応させ、しかもその切り換えは電磁弁によらずに第１ピストン及び第２ピストンの変位による油圧室への通路開口の円滑な開度変化で可能であるため、高速低推力から低速高推力への切換動作を油圧ショック無しに円滑に行えると共に、ポンプ動力の無駄も生じることが無く、比較的小形の電動油圧ポンプで高推力に対応可能な二速動作を実現可能である。

本発明の特徴と利点を図示の好適な実施形態と共に詳述すれば以下の通りである。

本発明の一実施形態に係る油圧シリンダ装置の概略構成を示す正面視の縦断面図である。図１の油圧シリンダ装置を上方から見た概略平面図である。図１の油圧シリンダ装置の作動状態を示す部分縦断面図であり、（ａ）（ｂ）はそれぞれの過程を示す状態図である。本発明の油圧シリンダ装置を縦型工作機械の回転主軸におけるコレットチャックのアンクランプに用いた場合のピストンのストローク距離（横軸：ｍｍ）に対する荷重（縦軸：Ｎ）の変化の一例を示す線図である。第１チェック弁と第２チェック弁を設けていない場合のシリンダストローク及びピストン圧力の経時変化の一例を示す線図である。第１チェック弁と第２チェック弁を設けた場合のシリンダストローク及びピストン圧力の経時変化の一例を示す線図である。

本発明の一実施形態として、油圧ポンプにピストンポンプを採用した油圧シリンダ装置を図１〜図３に示す。図１は本実施形態による油圧シリンダ装置の概略構成を示す正面視の縦断面図、図２は図１の油圧シリンダ装置を上方から見た概略平面図、図３は図１のシリンダ本体内におけるピストンの作動状態を主な段階について模式的に示す部分縦断面図であり、（ａ）（ｂ）は、それぞれシリンダ本体の中心軸を境界として紙面左右で異なる過程を示し、（ａ）の紙面に向かって左側が図４におけるＢ点、右側がＣ点、（ｂ）の紙面に向かって左側が図４におけるＤ点、右側がＥ点の状態を示している。

油圧シリンダ装置１は、その中心軸が鉛直方向に沿うように複数の固定軸３０を介して支持基台３１に固定された略円筒状のケーシング１０を備え、このケーシング１０に、該ケーシングの円筒内面との間にヘッド側端面で閉鎖された油圧室６を形成するように前記ケーシングの円筒内に同軸状に固定配置された段付き外周面を有する中空円筒状のシリンダ本体２と、モータ１４と、モータ１４の回転軸にシャフト１３で連結されたピストンポンプ１２と、作動油タンク１５と、ポンプ１２から吐出される作動油とタンク１５へ還流する作動油との前記油圧室に対する流れの向きを切り換える電磁切換弁１１とが一体ユニット構造で配置されている。

このシリンダ本体２の周りを同心円状に囲むケーシング１０は鋳造部品であり、その内部には、ピストンポンプ１２とシリンダ本体２内の前記油圧室６との間で作動油の給排を行うための通路（２１、２２、２３、２７）が図３に添画した油圧回路２０に応じて設けられている。モータ１４、ピストンポンプ１２および作動油タンク１５は、図２に示すように、ケーシング１０から、シリンダ本体２に対して半径方向（水平方向）外側に延在する領域に装備されている。尚、図３に添画した油圧回路２０は、図１及び図２に示したモータ１４で駆動されるピストンポンプ１２、作動油タンク１５、電磁切換弁１１、電磁切換弁１１とケーシング１０内の通路２１及び２３との間に接続されたパイロット操作チェック弁１６Ａ及び１６Ｂを含む各油圧要素の回路構成を油圧シンボルで示しており、電磁切換弁１１は、そのソレノイドを励磁してＯＮ状態にするとＰ−Ｂ流れでＢポートにポンプ吐出圧油を導くと共にＡ−Ｔ流れでＡポートからの戻り油をタンク１５へ還流させ、ソレノイドの励磁を絶ってＯＦＦ状態にするとバネ復帰してＰ−Ａ流れでＡポートにポンプ吐出圧油を導くと共にＢ−Ｔ流れでＢポートからの戻り油をタンク１５へ還流させる。第１の通路２１に接続されたＢポートには圧力センサが設けられ、このセンサの出力信号がピストン８、９に作用する作動油圧力の監視或いは電動機の出力制御に利用可能となっている。

シリンダ本体２の段付き外周面とケーシング１０の円筒内面との間に形成される油圧室６は、動作上は図３に示すように前記ヘッド側端面寄りに位置する円環状横断面形状の第１油圧室２４と、該第1油圧室よりも前記ヘッド側端面から遠い位置でシリンダ本体２の段付き外周面の小径部により前記第１油圧室よりも大なる横断面積に形成された円環状横断面形状の第２油圧室２５からなり、第１油圧室２４には該第１油圧室に作用する作動油の圧力を受けて前記ヘッド側端面から離れる方向へスライド移動する円筒状の第１ピストン８が配置され、第２油圧室２５には前記第１ピストン２４よりも受圧面積が大きく、第２油圧室２５に作用する作動油の圧力を受けて前記ヘッド側端面から離れる方向へスライド移動する円筒状の第２ピストン９が配置されている。

シリンダ本体２には、その円筒内部に中空形状のロッド３が鉛直軸方向に摺動可能に同軸配置され、このロッド３の外周面は、スリーブ７を介して第２ピストン９が固定的に連結され、第２ピストン９のスライド移動に伴ってロッド３が一体的に移動するようになっている。

これら第１ピストン８と第２ピストン９は、それぞれ異なる肉厚の円筒状部材からなる別体のピストンであり、各円筒状部材の上端面が受圧面（８Ｘ、９Ｘ）となり、それぞれの上から見た投影面積がそれぞれの受圧面積に相当する。本実施形態において、第２ピストン９は第１ピストン８よりも大きい受圧面積を有する。即ち、第２ピストン９の円筒の肉厚が第１ピストン８の肉厚り大きく、これは、これら第１ピストン８と第２ピストン９が配置されている油圧室２４、２５がシリンダ本体軸方向に沿って段付き外周面の外形変化に対応していることを意味する。

即ち、図１に示す油圧室６の内部空間には、図３に示すように第１ピストン８が配置されて第１ピストン８の受圧面８Ｘが露呈する第１油圧室２４が第１ピストン８の上方に形成され、また、第１ピストン８の下方で第２ピストン９が配置されて第２ピストン９の受圧面９Ｘが露呈する第２油圧室２５が第２ピストン９の上方の第１ピストン８との隣接領域に形成されている。従って、ピストンポンプ１２からの圧油が第１油圧室２４内に導入されると、その油圧により第１ピストン８が下方へスライド移動すると同時に第２ピストン９と衝合してこれを押し下げ、これに伴って第２油圧室２５の容積が増加する。また、第２ピストン９の下端部には、第２油圧室２５に対向する第３油圧室２６が形成されており、この第３油圧室２６に圧油が導入されると、第２ピストン９、従ってそれと衝合する第１ピストンも押し上げられる。

一方、本実施形態において、図３に添画した油圧回路２０に対応して、ケーシング１０内には、電磁切換弁１１の切り換えに応じて、ピストンポンプ１２又は油タンク１５を、それぞれ第１油圧室２４に接続するようにＢポートに接続された第１の通路２１と、それぞれ第３油圧室２６に接続するようにＡポートに接続された第４の通路２３とが設けられており、更に第１の通路２１から分岐して、第１ピストン８が第２ピストン９を予め定められた下方位置まで押し下げたときに第２油圧室２５と連通する第２の通路２２が設けられている。この第２の通路２２は、第１段階から第２段階への切り換え時に第１の通路２１から第２油圧室２５へポンプ吐出圧を導くために第２ピストン９の移動により開かれるように第２油圧室２５に開口している。

従って、第２の通路２２から第２油圧室２５内へ作動油が供給されて受圧面９Ｘに油圧が作用すると、第２ピストン９が下方へスライド移動して直接的にロッド３を前進移動させる。このとき、第１油圧室２４への作動油の導入は続くため、第１ピストン８も第２ピストン９に追従するように下方へスライド移動する。この第２ピストン９は受圧面積が第１ピストンより大きいため、同じ供給圧力でも第１ピストン８のみに油圧をかけて得られる推力よりも高い推力を得ることができる。このようにして、本実施形態による油圧シリンダ装置１では、第１ピストン８のみに油圧がかかる第１段階（高速低推力動作）と、主に第２ピストン９に油圧がかかる第２段階（低速高推力動作）との二速動作を行う二段ピストン構造となっている。

なお、第１の通路２１と第４の通路２３の電磁切換弁１１側には、それぞれ互いの通路からパイロット圧が導かれるパイロット操作チェック弁（１６Ｂ，１６Ａ）が配置されている。さらに、本実施形態においては、第２油圧室２５をタンク１５に接続する第３の通路２７ａがケーシング１０内に設けられている。この第３の通路２７ａは、第１段階と第２段階との切換位置で第１ピストン８の移動により第２油圧室２５に対して開閉され、この第３の通路２７ａには、第２ピストン９の下方への移動によって第２油圧室２５の容積が増加したときのみタンク１５から第２油圧室２５への作動油の流入を許容する第１チェック弁２８が配置されている。更にケーシング１０内には第３の通路２７ａとほぼ同じ軸方向位置で第２油圧室２５に開口する別の第３の通路２７ｂも設けられており、この別の第３の通路２７ｂには、第２ピストン９の上方への移動によって第２油圧室２５の容積が減少したときのみ第２油圧室２５から第２の通路２２と第１の通路２１及びＢポートを経由してＯＦＦ状態の電磁切換弁１１によりタンク１５への作動油の流出を許容する第２チェック弁２９が配置されている。

図５は、これらの第１チェック弁２８と第２チェック弁２９が設けられておらず、第２の通路２２と第３の通路２７ａ、２７ｂの第２油圧室への開口位置を第１段階と第２段階への動作切換位置にほぼ整合させた場合のシリンダストローク及びピストン圧力の経時変化の一例を示す線図であり、図６は、同様の通路構成に本実施形態に従って第１チェック弁２８と第２チェック弁２９を設けた場合の対応するシリンダストローク及びピストン圧力の経時変化の一例を示す線図である。但し、図５の場合は、電動油圧ポンプの吐出容量を相対的に大きくし、図６の場合と同じ全ストローク時間０．２秒を確保している。図５の場合は第２ピストン９が第１段階の高速低推力動作から第２段階の低速高推力動作へ切り換わるときにストロークが停止する不感帯が現れているが、図６に示す本実施形態の場合は、そのような不感帯は現れておらず、また圧力変化も比較的円滑である。尚、これらの図におけるストローク及び圧力の特性カーブは、実際には微小な振動ギャザが付与されているが、図面ではそれを省略している。図５と図６の比較から明らかなように、本実施形態によれば第１チェック弁と第２チェック弁によって差動回路が構成されることで油圧シリンダ装置１における第１段階から第２段階への速度切換時に第２油圧室２５内の負圧の発生が回避され、またストローク端における圧力保持状態も安定に維持され、全ストローク時間０．２秒を確保するためにポンプ吐出容量を増加する必要もなく、常に安定した圧力制御が可能である。

以上の構成を備えた油圧シリンダ装置１は、縦型工作機械の回転主軸先端に装備されたツール交換用コレットチャックのアンクランプ用油圧アクチュエータとして好適に使用することができる。即ち、縦型工作機械の回転主軸先端には、ツールホルダを交換可能にクランプするためのコレットチャックが装備されているが、このコレットチャックをアンクランプ状態にするには、主軸内を貫通するアンクランプ用の引き棒をばね力に抗して主軸先端方向へ押し下げることによりコレットを開放状態にする必要がある。この場合のコレットチャックの開閉機構では、鉛直方向に向いた回転主軸内に摺動可能に配置された引き棒４０の下端にコレット部が配置され、工作機械が稼働している定常状態ではバネ力で引き棒４０が主軸内で上方に引き上げられていることよってコレット部が外側から締め込まれてツールホルダをクランプしている。

ツール交換のためにツールホルダをコレットチャックから外す際には、引き棒４０をバネ力に抗して主軸内で下方へ押し下げることによりコレット部によるツールホルダのクランプを解除（アンクランプ）する。

このアンクランプ状態を得るため、本実施形態による油圧シリンダ装置１を用いてロッド３の前進移動によって引き棒４を押し下げるものとする。そこで、工作機械側の支持基台３１に対し、その定常状態においてロッド３の下端が引き棒４０の上端に当接するように位置付けてケーシング１０を固定軸３０で固定する。

アンクランプ操作は、図４に示すように開始点Ａから終端点Ｅに亘り引き棒４０に対する線図に沿った荷重変化で以下の通り進行する。まず、開始点Ａにて、電磁切換弁１１をポンプ１２から第１の通路２１へ圧油を供給するＰ−Ａ流れに切り換え、モータ１４によりピストンポンプ１２の駆動を始める。

それにより第１油圧室２４へ圧油が導入され、第１ピストン８のみに油圧が作用して該第１ピストン８が下方へスライドし始めるＢ点にて、その押圧力により第２ピストン９およびスリーブ７を介して、ロッド３が下方へ前進駆動を始め、引き棒４０上端に荷重をかけ始める図３（ａ）の紙面に向かって左側の状態となる。

Ｂ点から以降、第１ピストン８の下方スライドにより第２ピストン９も押し下げられ、これに伴ってロッド３がバネ力に抗してコレット部を主軸下端部から押し出し始めるＣ点まで引き棒４０を押し下げていく（図３（ａ）の紙面向かって右側）。Ｃ点から更に第１ピストン８の下方へスライド移動に伴って第２ピストン９が押し下げられ、第２油圧室２５の容積を増加しはじめると第１チェック弁２８を介してタンク１５から第２油圧室２５へ作動油が供給されるので第２油圧室２５に負圧は生じることはない。第２ピストン９の移動に伴ってロッド３による引き棒４０の押し下げが進み、コレット部は主軸先端部から更に押し出されながらコレットを開いていく。

第２油圧室２５の容積が更に増加し、第２の通路２２が徐々に第２油圧室２５に連通しはじめると、第１の通路２１から第２の通路２２を介して第２油圧室２５への作動油の導入が開始されるストローク位置Ｄ点に達する（図３（ｂ）の紙面向かって左側）。この場合、第２油圧室２５の圧力が上昇することにより第１チェック弁２８は閉鎖状態となる。この時点で、途中まで開かれたコレット部に付着切削屑等による大きな抵抗が働き、それ以上の引き棒４０の押し下げとコレットの全開放に更なる推力が必要となる。

即ち、巣での述べたＢ点からＤ点までは、必要とされる推力はほぼ引き棒に作用するバネ荷重に抗する比較的小さいものであるため、相対的に受圧面積が小さい第１ピストン８のみへの油圧の作用により、第１段階としての高速低推力での引き棒４０の押し下げが遂行される。

これに対して、Ｄ点以降は、上記抵抗に抗するための更に高い推力が必要とされるが、このときには、同時に第２油圧室２５へも作動油が導入されることにより、第２ピストン９にも同じ油圧が作用し、この相対的に受圧面積の大きい第２ピストン９自身のスライド移動により、供給圧を高める必要なく推力を増加することができる。

このようにして、Ｄ点以降では、第２ピストン９により得られる高推力でロッド３が引き棒４０を更に強力に押し下げ、第２ピストン９のスライド移動が終端に達するＥ点ではコレット部が主軸下端部から完全に押し出され、コレットが全開のアンクランプ状態となる。このような、主に第２ピストン９への油圧作用による第２段階の動作は、第１段階の高速低推力に対して低速高推力であるが、油圧ポンプ１２から吐出される圧油の圧力は同じままで実現される。第２ピストン９がストローク端に達すると圧力保持状態となり、コレットに対するツールの交換が行われる。その後、交換ツールがコレットに装着されると電磁切換弁１１が図３（ａ）に示すポジションから切り換えられ、ポンプ１２から吐出される作動油が第４の通路２３に供給されて第３油圧室２６に導入され、それによって第２ピストン９が第２油圧室２５の容積を減少しながら上昇する。このときの第２油圧室２５からの作動油の排出は第２チェック弁２９を介して果たされる。

以下に、本実施形態による油圧シリンダ装置１によってコレットチャックのアンクランプ操作を行った実機による必要動力（ｋＷ）を、従来タイプの油圧シリンダ装置を用いた場合を対照として表１に示す。なお、従来タイプは、本実施形態の第２ピストン９と同じ受圧面積を持つ単一のピストンを備えた同等機械出力の一段ピストン構造のものである。

表１の結果から、従来の一段ピストン構造の油圧シリンダ装置における必要最大動力が１．７０ｋＷであったのに対して、本実施形態の油圧シリンダ装置１における必要最大動力は１．０７ｋＷとなり、従来の６３％程度に抑えられていた。よって、本実施形態による二段ピストン構造の油圧シリンダ装置では、高速低推力から低速高推力までを従来よりも少ない動力で実現できることが確認された。

なお、本実施形態における中空形状のロッド３は、中空部の貫通流路４が下方の回転主軸側へ切削油を供給するために有効であるが、工作機械側に回転主軸を介して切削油を導入する別の供給流路が形成されているなど、ロッド３側からの切削油供給を必要としない場合もあるため、貫通流路４からの異物の混入を避けるための蓋部材５で貫通流路４の上面開口を塞ぐことができる構成としてある。

具体的には、ロッド３は、その全スライド範囲に亘って常に上端部がシリンダ本体２の上端面より突出する長さ寸法を有するものとし、蓋部材５が着脱可能に嵌合する嵌合部５Ｘを突出領域の外表面に備えている。嵌合部５Ｘは、例えばキャップ状の蓋部材５がロッド上端部に被さった際に係止できる断面階段状の形態が簡便である。また、より確実な嵌合のため、キャップ内面と前記外表面に互いに螺合する雌雄ネジ加工を施した構成としてもよい。勿論、蓋部材５の嵌合が可能な形態であれば様々な構成のものが広く採用可能であるが、できるだけ加工が容易で簡便なものが望ましい。

なお、以上の実施例においては、工作機械の主軸におけるコレットチャックのアンクランプ操作に用いた場合を例示したが、本発明による油圧シリンダ装置は、これに限定されるものではなく、高速低推力と低速高推力との二速動作を必要とするアクチュエータとして広く有効であることは述べるまでも。

１：油圧シリンダ装置
２：シリンダ本体
３：ロッド
４：貫通流路
５：蓋部材
５Ｘ：嵌合部
６：油圧室
７：スリーブ
８：第１ピストン
９：第２ピストン
８Ｘ，９Ｘ；受圧面
１０：ケーシング
１１：電磁切換弁
１２：ピストンポンプ
１３：シャフト
１４：モータ
１５：作動油タンク
１６Ａ，１６Ｂ：パイロット操作チェック弁
２０：油圧回路
２１：第１の通路
２２：第２の通路
２３：第４の通路
２４：第１の油圧室
２５：第２の油圧室
２６：第３の油圧室
２７ａ、２７ｂ：第３の通路
２８，２９：チェック弁
３０：固定軸
３１：支持基台
４０：引き棒

Claims

支持基台に固定される中空円筒状のケーシングと、該ケーシングの円筒内面との間にヘッド側端面で閉鎖された油圧室を形成するように前記ケーシングの円筒内に同軸状に固定配置された段付き外周面を有する中空円筒状のシリンダ本体と、該シリンダ本体を囲む外周領域において前記ケーシングにそれぞれ配置された油圧ポンプ、該油圧ポンプを駆動する電動機、作動油タンク、及び前記油圧ポンプから吐出される作動油と前記作動油タンクへ還流する作動油との前記油圧室に対する流れの向きを切り換える電磁切換弁とを備え、
前記ケーシングの円筒内面と前記シリンダ本体の段付き外周面との間には、前記ヘッド側端面寄りに円環状横断面形状の第１油圧室と、該第1油圧室よりも前記ヘッド側端面から遠い位置に前記第１油圧室よりも大面積の円環状横断面形状の第２油圧室が形成され、
前記第１油圧室には、該第１油圧室に作用する作動油の圧力を受けて前記ヘッド側端面から離れる方向へスライド移動する円筒状の第１ピストンが配置され、
前記第２油圧室には、前記第１ピストンよりも受圧面積が大きく、該第２油圧室に作用する作動油の圧力を受けて前記ヘッド側端面から離れる方向へスライド移動する円筒状の第２ピストンが配置され、
前記第１ピストンは、前記第１油圧室内に導入される作動油の圧力によりスライド移動したときに第２ピストンと衝合して該第２ピストンを押圧移動可能であり、
前記ケーシング内には、前記油圧ポンプから供給される作動油を前記第１油圧室内へ導く第１の通路と、該第１の通路から分岐して、前記第１ピストンが第２ピストンを予め定められた位置まで押圧移動させたときに前記第２油圧室と連通する第２の通路とが設けられていることを特徴とする油圧シリンダ装置。
前記第２油圧室の容積が増加したときのみ前記作動油タンクから前記第２油圧室への作動油の流入を許容する第１チェック弁を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の油圧シリンダ装置。
前記第２ピストンが前記ヘッド側端面へ近づく方向へ移動して前記第２油圧室の容積が減少したときのみ前記第２油圧室から前記作動油タンクへの作動油の流出を許容する第２チェック弁を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の油圧シリンダ装置。
前記シリンダ本体の中空円筒内に、上端部が常に前記シリンダ本体の上端面から突出するロッドが挿入配置されて前記第２ピストンに固定され、該ロッドには液体を流通可能な貫通流路が軸心方向に形成され、該貫通流路の上面開口を塞ぐ蓋部材が前記ロッドの上端部に着脱可能とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の油圧シリンダ装置。