JPH0681948A - シリンダー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリンダー装置に用いるピストンロッドの軽
量化。 【構成】 連続長繊維の引抜き成形により成形された円
筒または中空円筒状のＦＲＰ製ピストンロッド本体10
と、その両端に装着された金属製継手部材12、14とから
ピストンロッドを構成する。継手部材はピストンロッド
本体との接触部においてネジ山を持たない。 【効果】 軽量で高強度。簡易かつ安価に製造できる。
ロッド本体の外周には金属メッキを施すと耐摩耗性、耐
傷付き性、耐食性が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工業用ロボットや搬送
機等に油圧または空圧シリンダーとして用いられるシリ
ンダー装置に関し、特に耐摩耗性に優れ、軽量化された
シリンダー装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、様々な産業分野において省エネル
ギーの観点から軽量化が試みられており、工業用ロボッ
トや搬送機に付随する動力系として用いられるシリンダ
ーについても同様に軽量化が求められている。

【０００３】その軽量化手段の一つとして、金属に代え
て繊維強化プラスチック (以下、ＦＲＰと略記する) を
用いることが知られている。シリンダーチューブ内でピ
ストンが摺動するシリンダー装置についても、ピストン
を駆動させるピストンロッドをフィラメントワインディ
ング法（以下、ＦＷ法と略記する）によりＦＲＰ化する
ことが、特開昭62−215104号および特開平２−235728号
各公報に提案されている。

【０００４】これらの公報に記載されている従来のＦＲ
Ｐ化ピストンロッドは、ガラス繊維の１方向引抜き材を
芯材としてその周囲にＦＷ法によりＦＲＰ層を形成した
円筒体か、或いはマンドレルを使用してＦＷ法により成
形したＦＲＰ層からなる中空円筒体からなる。

【０００５】図１にシリンダー装置の１例を示す。１が
シリンダーチューブであり、その両端はカバーにより施
蓋されている。２はチューブ内に摺動可能に嵌挿された
ピストン、３はこのピストンを駆動させるためにピスト
ンに固定されたピストンロッドである。ピストンロッド
は、シリンダチューブの片方の端面カバーに設けた貫通
孔を通してチューブ内に挿入されている。シリンダーチ
ューブに比べて、ピストンロッドの径はかなり細いが、
長尺であり、強度確保のために中実または厚肉中空管か
ら構成される。そのため、ピストンロッドは通常はシリ
ンダー装置全体の重量の約半分を占めることから、シリ
ンダー装置の軽量化にとってはピストンロッドの軽量化
が重要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ピストンロ
ッドは、径が細いにもかかわらず、ピストン駆動のため
に強い力が加わり、強度が必要な部位である。また、動
力源やピストンとの接続のために、ピストンロッドの両
端にねじ切りによる継手部の形成が必要である。以上の
理由により、従来のＦＲＰ化ピストンロッドの製造で
は、上述したようにＦＷ法により繊維を様々な角度で巻
回して強化する方法が採られていた。しかし、この従来
の成形法で製造する場合、材料の強度分布を均一にする
ためには、繊維の巻回数が必然的に多くなり、厚肉にな
ることを余儀なくされていた。そのため、ＦＲＰ化によ
る軽量化効果が十分とはいえなかった。

【０００７】また、ピストンロッドの両端には前述のよ
うに継手部が通常設けられるが、従来技術に倣い、ＦＷ
法により形成したロッドの両端をねじ切り加工した場
合、ＦＲＰのみでは強度が不十分であり、またＦＷ法に
より両端にねじ山を形成した場合でもロッド自体が非常
に細い径であるために、ねじ部の強度を安定に得ること
が困難であった。さらに、ピストンロッドの外周面は、
シリンダチューブの端面カバーの貫通孔と接触した状態
で摺動し、またその一部は外界に露出していることか
ら、シリンダ装置の長期使用を確保するためには、ピス
トンロッドの外周面の耐摩耗性や耐傷性を向上させるこ
とが求められる。

【０００８】本発明の目的は、従来のＦＲＰ化ピストン
ロッドより軽量化効果が高く、長期使用が可能で、安価
かつ容易に製造できるピストンロッドを備えたシリンダ
ー装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するために検討した結果、ピストンロッドにかかる
応力はロッド方向のみと考えてよいことに着目し、引抜
き成形法により連続長繊維を一方向に配向させてＦＲＰ
製ピストンロッドを成形したところ、従来より薄肉で強
度的にも十分なピストンロッドを得ることができた。ピ
ストンロッド両端のネジなどの継手部については、金属
製とすることで、薄肉化による継手部の強度不足を補う
ことができる。

【００１０】ここに、本発明の要旨は、シリンダーチュ
ーブと、このチューブ内で摺動するピストンと、ピスト
ンに連結され、ピストンを駆動させるピストンロッドと
を備えたシリンダー装置であって、該ピストンロッド
が、連続長繊維の引抜き成形により成形された円筒また
は中空円筒状のＦＲＰ製ピストンロッド本体と、その両
端に装着された金属製継手部材とから構成され、該継手
部材がピストンロッド本体との接触部においてネジ山を
持たないことを特徴とする、シリンダー装置にある。

【００１１】好適態様にあっては、ピストンロッドの外
周面に金属メッキを施して摩耗及び傷付を抑制すること
により、長期使用が可能となる。

【００１２】

【作用】以下、本発明の構成をその作用とともに詳述す
る。本発明においては、シリンダ装置の主要構成部材で
あるシリンダーチューブ、ピストン、およびピストンロ
ッドのうち、装置全重量の半分程度を占めるピストンロ
ッドをＦＲＰ化するのであるが、従来法のように連続長
繊維を巻回していくＦＷ法により成形を行うのではな
く、連続長繊維の引抜き成形により円筒または中空円筒
形状に成形する。ピストンロッド本体を引抜き成形によ
り形成することで、全ての連続長繊維がロッド方向（長
さ方向）に引き揃えられたピストンロッドを得ることが
できる。

【００１３】この繊維のロッド方向への一方向配向によ
り、ロッド方向の強度に関して、連続長繊維を巻回させ
るＦＷ法に比べて、より少ない繊維数でピストンロッド
に要求される強度を確保することができ、薄肉化が可能
となる。前述したように、ピストンロッドにかかる応力
はロッド方向のみと考えてよいので、繊維をロッド方向
に揃えることにより、少ない繊維数でその強化作用を最
も効果的に発揮させることができる。

【００１４】引抜き成形は、常法により、連続長繊維を
一方向に揃えた束（ロービング）に樹脂を含浸させ、円
形または環形のダイスから引き抜いて円筒状または中空
円筒状に成形した後、樹脂を硬化させることにより実施
できる。樹脂の硬化は、熱硬化または紫外線や電子線照
射による硬化のいずれでもよい。使用する連続長繊維の
種類は限定されず、炭素繊維やアルミナ繊維などのセラ
ミック繊維、或いは金属繊維も可能であるが、通常はガ
ラス繊維である。

【００１５】繊維に含浸させる樹脂は任意の熱硬化性樹
脂でよく、性能や価格を考慮して選択すればよい。適当
な熱硬化性樹脂には、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹
脂、熱硬化性ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などが
ある。樹脂には硬化剤や促進剤を添加することができ
る。必要であれば、樹脂に顔料、酸化防止剤等の各種添
加剤をさらに添加してもよい。

【００１６】引抜き成形により得られた円筒状または中
空円筒状のＦＲＰ製成形体は、必要であれば適当な長さ
に切断して、ピストンロッドの本体とする。ピストンロ
ッドは、通常、一端がピストンに、他端が動力源に接続
されるので、その接続のための継手をピストンロッドの
両端に設ける必要がある。

【００１７】引抜き成形体は、繊維が一方向に配向し、
半径方向および剪断方向の強度は高くない。そのため、
本発明においては、引抜き成形により形成された円筒体
または中空円筒体からなるピストンロッド本体の両端に
直接ネジ山などの継手部を形成するのではなく、この本
体の両端に金属製の継手部材を装着することにより、ピ
ストンロッドとピストンおよび動力源との接続を行う。
継手部の強度は金属製の継手部材により確保すること
で、特開昭62−215104号公報に記載のように１方向引抜
き材の周囲にＦＷ層の配置せずに、引抜き材のみでピス
トンロッドの本体を構成することが可能となる。

【００１８】金属製の継手部材 (金具) の素材は、炭素
鋼、ステンレス鋼、チタンなど、高強度のものを用いる
ことが好ましい。軽量化効果を高くするためには、チタ
ンのように軽量金属製の金具が有利である。ピストンロ
ッド本体が円筒体の場合には、金具を挿入する穴をドリ
ルなどで本体の両端に設ける。挿入した金具は接着剤で
ピストンロッド本体に固着させる。金属製の継手部材を
使用することにより、従来のようにＦＲＰ層にネジ切り
を行う場合に比べて、継手強度も高くなり、シリンダ装
置の信頼性が向上する。

【００１９】ピストンロッドの両端に装着する金具の形
状は接続相手に応じて変動し、特に限定されないが、ピ
ストンロッド本体と接触する部分 (即ち、ピストンロッ
ドの内部に差し込まれる金具部分) にネジ山を持たない
ものとする。金具のピストンロッドに差し込まれる部分
にネジ山があると、金具ネジ山部に接触するピストンロ
ッド部分に応力が集中し、その部分のロッドに半径方向
の過大な応力が局部的に加わるため、ピストンロッドの
縦割れが起こり易くなる。

【００２０】本発明においてピストンロッド本体の内部
に装着するのに好適な金具の形状の例を図２および図３
に示す。図５に、円筒状のピストンロッド本体10の両端
に図３に示した形状の継手部材 (金具) 12、14を装着し
てなる本発明のピストンロッドの１例を示す。図４に示
す金具は、ピストンロッド本体に挿入される部分にネジ
山を持つ、本発明では使用しない種類の金具である。

【００２１】長期使用によるピストンロッド本体の外周
面の摩耗 (チューブカバーの貫通孔との接触による) を
防止するために、外周面に金属メッキを施してもよい。
この摩耗防止は、ピストンロッド本体の外周に樹脂層を
配置することで達成できるが、ピストンロッドの外周面
は外界に露出する部分であり、耐傷付き性も要求される
ため、耐傷付き性に優れた金属メッキを施すことが有利
である。それにより、ピストンロッドの使用寿命が大幅
に延長される。ピストンロッド本体のメッキは、例え
ば、メタライジング、ガルバナイジングなどの手法によ
り実施でき、メッキ金属としては耐摩耗性・耐食性に富
むクロム系が好適である。メッキ層は２層以上設けるこ
とができ、メッキ層の厚みは全体で２〜200 μｍ程度の
範囲内とすることがよい。

【００２２】本発明で用いるピストンロッドは、成形操
作が煩雑なＦＷ法ではなく、引抜き成形法により効率的
にピストンロッド本体の成形を行うことができるので、
従来のＦＷ法によるＦＲＰ製ピストンロッドに比べて、
軽量化と薄肉化が可能になるだけでなく、製造工程も簡
易かつ効率的になり、より安価にピストンロッドを製造
することができる。

【００２３】本発明のシリンダー装置において、ピスト
ンの材質としてはアルミダイキャストなどを使用でき
る。シリンダーチューブの材質も特に限定されないが、
軽量化という目的をさらに満足するためには、シリンダ
ーチューブもＦＲＰ製とすることが好ましい。

【００２４】

【実施例】実施例１ マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂 (ダウ・ケミカル
日本製、D.E.R. 331J)を用い、主剤に対し硬化剤 (日立
化成工業製、HN-2200)を80重量％、促進剤 (四国化成工
業製、キュアゾール 2E4MZ) を１重量％配合した。強化
繊維としてガラスのロービング (旭ファイバーグラス
製、Ｅガラスロービング R2220 TMF08) を用い、これに
上記配合樹脂を含浸させて一方向に引き抜き、引抜き材
を続いて加熱炉内で130 ℃に２時間加熱して樹脂を硬化
させ、直径14mm、長さ350 mmの円筒状成形体を得た。外
周にＦＷ法による巻回層は形成しなかった。

【００２５】こうして得た円筒状ロッド本体を２本用意
し、その外周面にエレクトロガルバナイジング法により
下から順にNiメッキ 0.2μｍ、銅メッキ10μｍ、Crメッ
キ30μｍを形成し、耐摩耗性を持たせた。各ロッド本体
の両端に直径６mm、深さ29mmの円柱状の穴をドリルで開
け、それぞれ図２および図３に示した形状のステンレス
鋼 (SS41) 製の金属継手部材を挿入し、エポキシ系接着
剤 (チバガイギー製、アラルダイド・ラピッドタイプ)
により接着して、本発明のピストンロッドを製作した。
得られたピストンロッドは、ＦＷ法により製作した同じ
長さの従来品に比べていずれも約10％の軽量化効果が得
られた。

【００２６】得られた各ピストンロッドの引張試験を引
張速度１mm/minで実施した結果を、次の表１に示す。最
大負荷は、ピストンロッドの使用中に想定される最大の
負荷荷重の値である。図２および図３のいずれの金具を
装着したピストンロッドについても、最大負荷荷重の約
10倍の荷重に耐え、プラスチック製品の信頼度から見て
も良好なものであった。

【００２７】

【表１】

【００２８】実施例２ 実施例１と同様の材料および成形方法により、中空円筒
形状（外径16mm、肉厚４mm）の引抜き成形体を得た。外
周にＦＷ法による巻回層は形成しなかった。この中空円
筒状ロッド本体２本の外周面に実施例１と同様のメッキ
方法で下から順にNiメッキ 0.2μｍ、銅メッキ10μｍ、
Crメッキ20μｍを形成し、耐摩耗性を持たせた。各ロッ
ド本体の両端にそれぞれ図２および図３に示した形状の
ステンレス鋼 (SS41) 製の金属継手部材を挿入し、エポ
キシ系接着剤 (チバガイギー製、アラルダイド・ラピッ
ドタイプ) により接着して、本発明のピストンロッドを
製作した。得られたピストンロッドは、ＦＷ法により製
作した同じ長さの従来品に比べていずれも約15％の軽量
化効果が得られた。

【００２９】得られた各ピストンロッドの引張試験を引
張速度１mm/minで実施した結果を、次の表２に示す。図
２および図３のいずれの金具を装着したピストンロッド
についても、中空形状とした場合でも、最大負荷荷重の
約10倍の荷重に耐えた。

【００３０】

【表２】

【００３１】比較例１ 実施例１と同様の材料および成形方法で同じ円筒状のピ
ストンロッド本体を製作し、その両端に開けた穴に図４
に示すネジ加工を施したステンレス鋼 (SS41)製の金属
継手部材を挿入し、同じ接着剤で接着した。同様に接着
強度を測定したところ、ネジ山部に応力が集中するた
め、想定最大負荷の３倍近傍の荷重で縦割れが生じ、信
頼性に欠けるものであった。

【００３２】

【発明の効果】本発明のシリンダー装置のピストンロッ
ドは、軽量であるにもかかわらず、ピストンロッドに力
が加わる方向であるロッド方向に対して高い強度を備
え、性能も十分である。また、本発明のピストンロッド
は、簡易かつ効率的に安価に製造できる。さらに、ピス
トンロッドの外周面に金属メッキを施すことで、耐摩耗
性や耐傷付き性、耐食性も改善され、その使用環境範囲
の拡大が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】シリンダー装置の１例を示す一部断面説明図。

【図２】本発明によりピストンロッドの両端に装着され
る金属製継手部材の形状の１例を示す説明図。

【図３】本発明での使用に好適な金属製継手部材の形状
の別の例を示す説明図。

【図４】比較用の金属製継手部材の形状の別の例を示す
説明図。

【図５】本発明のピストンロッドの両端部の断面を示す
説明図。

【符号の説明】

１：シリンダーチューブ ２：ピストン ３：ピストンロッド 10：ピストンロッド本
体 12、14 : 継手部材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダーチューブと、このチューブ内
   で摺動するピストンと、ピストンに連結され、ピストン
   を駆動させるピストンロッドとを備えたシリンダー装置
   であって、該ピストンロッドが、連続長繊維の引抜き成
   形により成形された円筒または中空円筒状のＦＲＰ製ピ
   ストンロッド本体と、その両端に装着された金属製継手
   部材とから構成され、該継手部材がピストンロッド本体
   との接触部においてネジ山を持たないことを特徴とす
   る、シリンダー装置。
2. 【請求項２】 ピストンロッドの外周面に金属メッキが
   施されていることを特徴とする、請求項１記載のシリン
   ダー装置。