JP2010101341A

JP2010101341A - 低摺動パッキンを備えた流体圧機器

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Publication number: JP2010101341A
Application number: JP2008270857A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yoshimura; 親一芳村
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: US20100096033A1; TWI388751B; KR20100044109A; DE102009049634A1; KR101147049B1; CN101725738B; TW201020428A; CN101725738A; JP4993140B2; DE102009049634B4; US8176939B2

Abstract

【課題】流路穴内を摺動する摺動部材が低摺動パッキンを有する流体圧機器を得る。
【解決手段】スプール弁のスプール３に装着されたパッキン５が、内周シール面１１を備えたリング状の内周側シール部５Ａと、外周シール面１２を備えたリング状の外周側シール部５Ｂと、これら両部分の間に介在して流体圧の作用により湾曲する中間可撓部５Ｃとを有し、該中間可撓部５Ｃは、平坦で互いに平行な左右両側面１９を有すると共に、該中間可撓部５Ｃの厚さＴｃが上記内周側シール部５Ａ及び外周側シール部５Ｂより薄く形成され、かつ該中間可撓部５Ｃのパッキン半径方向のリング幅Ｗｃが上記厚さＴｃと同等以上に形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体切換弁や流体圧シリンダ等の流体圧機器に関するものであり、更に詳しくは、摺動抵抗の小さい低摺動パッキンを備えた流体圧機器に関するものである。

電磁弁や流体圧シリンダ等の流体圧機器においては、スプールやピストン等の摺動部材の外周にパッキンが取り付けられ、このパッキンを介して上記摺動部材が流路穴内を摺動するように構成されている。
上記パッキンには色々な種類のものがあり、例えば、Ｏリングのように断面形状が円形をしたものや、一部が括れた瓢箪形のもの、あるいはＹ字形やＵ字形をしたものなどがあり、それらが流体圧機器の種類や使用条件等に応じて使い分けられている。このうち、断面が瓢箪形のパッキンは、半径方向の伸縮性が大きいために上記Ｏリングに比べて摺動抵抗が小さく、シール性も勝れていることから、上記スプールやピストン等に広く用いられている。例えば特許文献１には、流体圧機器の一種であるスプール弁が示され、摺動部材であるスプールの外周に、一部が括れた瓢箪形のパッキンが取り付けられている。

ところが、上記従来の瓢箪形パッキンは、半径方向の伸縮性が大きいため、一方の側面に流体圧が作用して該パッキンがパッキン収容溝の溝側壁に押し付けられると、該パッキンは圧縮されて半径方向に伸長し、内外周のシール面が対象部位に強く圧接して潰し量が増大する。この潰し量の増大は、パッキンの摺動抵抗を増大させて上記スプール即ち摺動部材の応答性を低下させるだけでなく、該摺動部材の静止時におけるパッキンの固着や、該摺動部材が切り換わる際の起動遅れ等を招き、それらが流体圧機器の信頼性低下につながることになる。
実用新案登録第２５３７２３６号公報

本発明の目的は、上記従来の瓢箪形パッキンに改良を加えて摺動抵抗を更に小さくした改良形の低摺動パッキンを使用することにより、上述した従来の問題点を解消して応答性及び信頼性を向上させた流体圧機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の流体圧機器は、圧力流体が流れる流路穴を備えたハウジングと、上記流路穴内を該流路穴の軸線方向に摺動自在の摺動部材とを有し、該摺動部材の外周にはパッキン収容溝が形成され、このパッキン収容溝内にリング状をしたパッキンが収容されている。
上記パッキンは、上記パッキン収容溝の溝底に当接する円弧状の内周シール面を備えたリング状の内周側シール部と、上記流路穴の穴内面に摺接する円弧状の外周シール面を備えたリング状の外周側シール部と、該パッキンの左右両側面の上記内周側シール部と外周側シール部との間の領域に底が平らなリング状の凹溝を設けることにより形成され、流体圧の作用によって湾曲するリング状の中間可撓部とからなっている。
上記内周側シール部及び外周側シール部は、平坦で互いに平行な左右両側面を有し、該内周側シール部及び外周側シール部の厚さは、互いに等しくかつ上記パッキン収容溝の溝幅より小さく形成され、上記中間可撓部は、平坦で互いに平行な左右両側面を有し、該中間可撓部の厚さは、上記内周側シール部及び外周側シール部の厚さより薄く形成され、該中間可撓部のパッキン半径方向のリング幅は、該中間可撓部の厚さと同等か又はそれ以上に形成されている。

本発明において好ましくは、上記パッキンの内周シール面及び外周シール面の円弧の曲率半径が該パッキンの半径方向幅の１／２より小さく、かつ、上記外周シール面の曲率半径が内周シール面の曲率半径より小さいことである。
また、本発明においては、上記パッキンの中間可撓部のリング幅が、上記内周側シール部及び外周側シール部のリング幅より大きいことが望ましく、上記パッキンの中間可撓部は、流体圧の作用による湾曲時に、上記パッキン収容溝の一方の溝側壁に当接することが望ましい。

本発明において、上記パッキンの左右両側面に流体圧が作用していないか、又は均等に作用しているとき、該パッキンの中間可撓部は左右どちら側にも湾曲しないため、該パッキンは、半径方向に真っ直ぐに延びた左右対象の姿勢を維持している。
摺動部材が切り換わり、上記パッキンの一側面に流体圧が作用すると、上記中間可撓部が流体圧によって他側面方向に湾曲し、該パッキンはＣ字形に変形する。この変形は、上記中間可撓部が、平坦で互いに平行な左右両側面を有すると共に、該中間可撓部の厚さが上記内周側シール部及び外周側シール部より薄く、かつ該中間可撓部のパッキン半径方向のリング幅が該中間可撓部の厚さと同等以上とされることにより、円滑にしかも確実に行われる。そして、この変形により、該パッキンの内周シール面と外周シール面との距離が縮まるため、該パッキンの潰し量が減少し、摺動抵抗が軽減されることになる。

以下、本発明に係る流体圧機器の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１には、流体圧機器の一例として５ポート式のスプール弁が記載されている。このスプール弁は、断面形状が矩形で一方向に細長いハウジング１を有し、このハウジング１の内部に、該ハウジング１の長手方向に延びる円形の流路穴２が形成されると共に、該ハウジング１の底面に、上記流路穴２に連通する５つのポートＰ，Ａ，Ｂ，ＥＡ，ＥＢが形成され、上記流路穴２の内部には、これら５つのポート間の流路を切り換える摺動部材としてのスプール３が、該流路穴２の軸線Ｌ方向に摺動自在に挿入されている。
上記スプール３は、電磁力や流体圧力等を用いる適宜の駆動手段によって上記流路穴２内を往復に切り換えられるが、この駆動手段の図示は省略されている。

上記５つのポートの内訳は、中央の供給ポートＰと、該供給ポートＰの両側に位置する第１及び第２の２つの出力ポートＡ，Ｂと、これらの出力ポートＡ，Ｂの両側に位置する第１及び第２の２つの排出ポートＥＡ，ＥＢであり、これらのポートが、上述した配置で上記流路穴２に連通している。

上記スプール３は、上記流路穴２における隣接するポート間の穴部分を開閉する４つのパッキン５を有している。これらのパッキン５の取り付けのため、該スプール３には、フランジ状に張り出した複数のパッキン取付部６が形成されると共に、このパッキン取付部６の外周に、一定の溝幅及び深さを有する環状のパッキン収容溝７がスプール３を取り巻くように形成され、このパッキン収容溝７内に、リング状をした上記パッキン５が、該パッキン５の外周の一部が該パッキン収容溝７の外部に突出するように収容されている。
また、上記スプール３の両端には、それぞれ、該スプール３の移動を案内するガイドリング８と、上記排出ポートＥＡ，ＥＢと流路穴２の外部との間をシールするシール部材９とが取り付けられている。

上記パッキン５は、公知の通常のパッキンと同様に合成ゴムで形成されたもので、図２−図５から分かるように、上記パッキン収容溝７の平らな溝底７ａに当接する内周シール面１１を備えたリング状の内周側シール部５Ａと、上記流路穴２の穴内面に摺接する外周シール面１２を備えたリング状の外周側シール部５Ｂと、これらの内周側シール部５Ａと外周側シール部５Ｂとの間に位置して流体圧の作用により湾曲するリング状の中間可撓部５Ｃとからなっていて、該パッキン５の中心軸線でもある上記軸線Ｌと直交する仮想面Ｓに対して左右対象に形成されている。

上記内周側シール部５Ａは、円弧状をした上記内周シール面１１と、平坦且つ相互に平行な左右両側面１３とによって三方を囲まれ、また、上記外周側シール部５Ｂは、円弧状をした上記外周シール面１２と、平坦かつ相互に平行な左右両側面１４とによって三方を囲まれており、これらの内周側シール部５Ａ及び外周側シール部５Ｂの側面１３及び１４は、上記軸線Ｌと直交する同一面上に位置している。従って、これらの内周側シール部５Ａ及び外周側シール部５Ｂの軸線Ｌ方向の厚さＴは、互いに等しくかつ一定であり、しかも上記パッキン収容溝７の溝幅より小さい。このため、このパッキン収容溝７の溝側壁７ｂと上記パッキン５の側面との間には、該パッキン５が湾曲できるギャップ１５が形成されている。上記内周側シール部５Ａ及び外周側シール部５Ｂの厚さＴは、パッキン５の厚さに等しい。
また、上記外周側シール部５Ｂのパッキン半径方向のリング幅Ｗｂは、上記内周側シール部５Ａの同リング幅Ｗａと同等か又はそれより小さく形成されている。

上記内周シール面１１及び外周シール面１２は、それぞれ外に向けて凸の円弧形をなしていて、円弧の曲率半径はパッキン５の半径方向幅Ｗの１／２より小さい。この場合、上記内周シール面１１と外周シール面１２の曲率半径は互いに等しくても良いが、図示の実施例では、流路穴２の穴内面を摺動する外周シール面１２の曲率半径が、パッキン収容溝７の溝底７ａに当接して非摺動である内周シール面１１の曲率半径より小さく形成されている。しかし、内周シール面１１の曲率半径を外周シール面１２の曲率半径より小さく形成することもできる。

また、上記内周シール面１１は、パッキン５の厚さ全体に跨るように形成され、外周シール面１２は、パッキン５の厚さ方向両端の一部を除いた内側領域に、部分的に形成されている。しかし、それとは逆に、上記内周シール面１１を上述した内側領域に部分的に形成し、外周シール面１２をパッキン５の厚さ全体に跨るように形成することもできる。あるいは、上記内周シール面１１と外周シール面１２の両方を、パッキン５の厚さ全体に跨るように形成することも、パッキン５の厚さ方向両端の一部を除いた内側領域に部分的に形成することも可能である。

上記内周側シール部５Ａ及び外周側シール部５Ｂの一部には、これら両部分５Ａ，５Ｂを放射方向に横切る複数の小溝１７が形成されている。この小溝１７は、パッキン５の側面即ち内周側シール部５Ａ及び外周側シール部５Ｂの側面１３及び１４が上記パッキン収容溝７の溝側壁７ｂに当接したとき、該パッキン５と溝側壁７ｂ及び溝底７ａとの間に密閉空間が形成されないようにするためのもので、密閉空間による該パッキン５の吸着を防止するためのものである。

上記中間可撓部５Ｃは、パッキン５に流体圧が作用したとき、この中間可撓部５Ｃで該パッキン５を湾曲させて摺動抵抗を軽減させるもので、湾曲のために必要な柔軟性を保持させて流体圧の作用で滑らかな曲面に湾曲できるよう、以下のように構成されている。

即ち、この中間可撓部５Ｃは、パッキン５の左右両側面の上記内周側シール部５Ａと外周側シール部５Ｂとの間の領域に、底が平らなリング状の凹溝１８を左右対象に設けることによって形成されたものである。従って、この中間可撓部５Ｃの左右両側面１９は、平坦で互いに平行しかつ上記軸線Ｌと直交する面であり、該中間可撓部５Ｃの厚さＴｃは、上記内周側シール部５Ａ及び外周側シール部５Ｂの厚さＴより薄く、かつ該中間可撓部５Ｃ全体にわたって一定である。上記厚さＴとＴｃとの比Ｔｃ／Ｔの好ましい範囲は、０．６〜０．６５である。
また、上記中間可撓部５Ｃのパッキン半径方向のリング幅Ｗｃは、該中間可撓部５Ｃの厚さＴｃと同じか又は該厚さＴｃより大きく形成されている。好ましくは、該中間可撓部５Ｃのリング幅Ｗｃが、さらに、上記内周側シール部５Ａ及び外周側シール部５Ｂのリング幅Ｗａ及びＷｂより大きく形成されていることである。

以上のように構成されたパッキン５は、流路穴２を開放している状態で該パッキン５の両側面に流体圧が作用していないか又は等圧の流体圧が作用している場合、図２に示すように、中間可撓部５Ｃが左右どちら側にも湾曲しないため、該パッキン５は、半径方向に真っ直ぐに延びた左右対象の姿勢を維持する。

これに対し、上記パッキン５が流路穴２を塞ぐことによって該パッキン５の一方の側面に流体圧が作用すると、図３に示すように、該パッキン５の中間可撓部５Ｃが、一方の側面１９に作用する流体圧作用力によって他方の側面１９側に向けて滑らかに湾曲し、その結果該パッキン５はＣ字形に変形する。そして、この変形によって該パッキン５の内周シール面１１と外周シール面１２との間の距離が縮まるため、これらのシール面１１，１２がパッキン収容溝７の溝底７ａと流路穴２の穴内面とに圧接する力が軽減されて該パッキン５の潰し量が減少し、該パッキン５の摺動抵抗即ち外周シール面１２の摺動抵抗が減少する。

特に、上記パッキン５が湾曲する際に、円弧状をした上記内周シール面１１及び外周シール面１２の、パッキン収容溝７の溝底７ａ及び流路穴２に対する当接位置が、各々のシール面の中央部から端部寄りの位置へと変化するが、該内周シール面１１及び外周シール面１２の曲率半径がパッキン５の半径方向幅の１／２より小さく形成されていると、上記当接位置の変化と共に両シール面１１，１２における当接位置間の距離が縮まる度合いが増し、摺動抵抗が確実かつ効率的に軽減されることになる。
このようにして上記パッキン５は、摺動抵抗が減少した状態で流路穴２内を摺動し、切換位置に到達することになる。

なお、上記パッキン５の中間可撓部５Ｃは、流体圧の作用による湾曲時に、図３に示すように、その側面１９の一部特に中央部が上記パッキン収容溝７の一方の溝側壁７ｂに当接するように構成することもできる。このようにすれば、該パッキン５が内周側シール部５Ａと外周側シール部５Ｂ及び中間可撓部５Ｃの３点で上記溝側壁７ｂに当接するため、該パッキン５の湾曲時の姿勢が安定し、内周シール面１１と外周シール面１２との間の距離の調整即ち摺動抵抗の調整が容易になる。

ここで、上記パッキン５が滑らかなＣ字形に湾曲できるのは、上記中間可撓部５Ｃが、平坦で互いに平行な左右両側面１９を有することによって一定の厚さＴｃに形成されているためであり、この中間可撓部５Ｃの両側面１９を、例えば従来の瓢箪形パッキンのように円弧状の曲面に形成した場合には、該中間可撓部が最も厚さの小さい部分で急激に折れ曲がることになるため、該パッキンが腰折れの状態となって所期の目的を達成することができない。

図１のスプール３弁において、スプール３が図示されているように左側の切換位置にあるときは、該スプール３の左から第２番目と第４番目のパッキン５が流路穴２を塞ぎ、第１番目と第３番目のパッキン５が流路穴２を開放している、このため、供給ポートＰと第２の出力ポートＢとが連通すると共に、第１の出力ポートＡと第１の排出ポートＥＡとが連通している。
このとき、上記第１番目と第３番目のパッキン５は、流体圧の作用を受けないか又は両側面に流体圧が均等に作用しているため、図２に示すように、中間可撓部５Ｃが左右どちら側にも湾曲していない状態にある。このため該パッキン５は、半径方向に真っ直ぐに延びた左右対象の姿勢を維持している。

これに対し、流路穴２を閉鎖している上記第２番目と第４番目のパッキン５は、図３に示すように、該パッキン５の一方の側面に流体圧が作用するため、中間可撓部５Ｃが流体圧作用力によって他方の側面方向に湾曲し、該パッキン５はＣ字形に変形している。この変形によって該パッキン５は、摺動抵抗が軽減された状態になっている。
なお、図３は第２番目のパッキン５の湾曲状態を示しており、第４番目のパッキン５の湾曲方向はこれとは逆である。

上記スプール３が上述した切換位置から右側の切換位置に向けて移動すると、上記第２番目及び第４番目のパッキン５が流路穴２から外れて、供給ポートＰと第１の出力ポートＡとの間の流路及び第２の出力ポートＢと第２の排出ポートＥＢとの間の流路が開放すると共に、上記第１番目及び第３番目のパッキン５が流路穴２内に嵌合して、第１の出力ポートＡと第１の排出ポートＥＡとの間の流路及び供給ポートＰと第２の出力ポートＢとの間の流路が塞がれるため、上記供給ポートＰと第１の出力ポートＡとが連通すると共に、第２の出力ポートＢと第２の排出ポートＥＢとが連通する。

このとき、上記第２番目及び第４番目のパッキン５は、上記流路穴２から外れるまでは流体圧の作用を受け続けるため、図３のように湾曲した姿勢を維持したまま該流路穴２内を摺動し、その摺動抵抗は小さい。
また、スプール３の起動時に上記第２番目及び第４番目のパッキン５には、外周シール面１２の摺動抵抗によって該パッキンが起き上がる方向の力が作用するため、これらのパッキン５は、上記外周シール面１２が流路穴２の穴内面から剥がされるような動きを伴って摺動を開始することになり、この結果、パッキン５の固着の問題も解消される。
上記第２番目及び第４番目のパッキン５が流路穴２から外れると、流体圧が作用しなくなるため、これらのパッキン５は図３のように真っ直ぐな姿勢に復帰する。

一方、上記第１番目及び第３番目のパッキン５は、流路穴２内に嵌合して該流路穴２を塞ぐまでは真っ直ぐな姿勢を保持し続け、一旦流路穴２を塞ぐと、流体圧の作用によって図３のようにＣ字形に変形し、その姿勢を維持したまま小さい摺動抵抗で該流路穴２内を切換位置まで摺動する。

上記実施形態はスプール弁であるが、これ以外にも、本発明は、流体圧シリンダやその他の流体圧機器で、ピストン等の摺動部材が運動用シール（パッキン）を備えているものに適用することができる。

本発明をスプール弁に適用した場合の実施形態を示す断面図である。図１の部分拡大図である。図１の他の部分拡大図である。パッキンの斜視図である。パッキンの部分拡大断面図である。

符号の説明

Ｌ軸線Ｌ
Ｔ，Ｔｃ厚さ
Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃリング幅
１ハウジング
２流路穴
３スプール
５パッキン
５Ａ内周側シール部
５Ｂ外周側シール部
５Ｃ中間可撓部
７パッキン収容溝
７ａ溝底
７ｂ溝側壁
１１内周シール面
１２外周シール面
１３，１４，１９側面
１８凹溝

Claims

圧力流体が流れる流路穴を備えたハウジングと、上記流路穴内を該流路穴の軸線方向に摺動自在の摺動部材とを有し、該摺動部材の外周にはパッキン収容溝が形成され、このパッキン収容溝内にリング状をしたパッキンが収容され、
上記パッキンは、上記パッキン収容溝の溝底に当接する円弧状の内周シール面を備えたリング状の内周側シール部と、上記流路穴の穴内面に摺接する円弧状の外周シール面を備えたリング状の外周側シール部と、該パッキンの左右両側面の上記内周側シール部と外周側シール部との間の領域に底が平らなリング状の凹溝を設けることにより形成され、流体圧の作用によって湾曲するリング状の中間可撓部とからなり、
上記内周側シール部及び外周側シール部は、平坦で互いに平行な左右両側面を有し、該内周側シール部及び外周側シール部の厚さは、互いに等しくかつ上記パッキン収容溝の溝幅より小さく形成され、
上記中間可撓部は、平坦で互いに平行な左右両側面を有し、該中間可撓部の厚さは、上記内周側シール部及び外周側シール部の厚さより薄く形成され、該中間可撓部のパッキン半径方向のリング幅は、該中間可撓部の厚さと同等か又はそれ以上に形成されている、
ことを特徴とする低摺動パッキンを備えた流体圧機器。
上記パッキンの内周シール面及び外周シール面の円弧の曲率半径が該パッキンの半径方向幅の１／２より小さく、かつ、上記外周シール面の曲率半径が内周シール面の曲率半径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の流体圧機器。
上記パッキンの中間可撓部のリング幅が、上記内周側シール部及び外周側シール部のリング幅より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体圧機器。
上記パッキンの中間可撓部は、流体圧の作用による湾曲時に、上記パッキン収容溝の一方の溝側壁に当接することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の流体圧機器。