JP2017036755A - シール - Google Patents

Abstract

【課題】低い摺動摩擦抵抗で圧力変動の激しい気体を密封するシールを提供する。
【解決手段】シール基部１と、第１リップ部11と、第２リップ部12とを、備えたＵ字形のシールであって、ゴム製シール本体Ｒと低摩擦被覆層20とから成り、ゴム製シール本体Ｒに対する低摩擦被覆層20の先端境界線22が、ピーク18に配設されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、シールに係り、特に、往復動用シールに関する。

従来から、往復動用として多種多様なシールが使用され、例えば、油圧シリンダ用として、ＯリングやＵパッキンが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−３１３２６号公報

従来から、この種のシールとしては、密封性能及び耐摩耗性が重視され、上記特許文献１に記載の油圧シリンダのピストンロッド用のシールも密封性能及び耐摩耗性が重視されている。

ところが、遊戯器具やスポーツ用具、あるいは、精密作動用ロボット等にあっては、空気あるいはガスを使用して、内部圧力が急に変動する空圧機械（器具）が、最近になって出現している。そのような空圧機械（器具）では、シールとしての密封性能や耐摩耗性以外に、摺動抵抗を低減することが必要である。

例えば、ホッピング用具として、エアースプリング（エアーシリンダ）を用いて、２メートル以上もジャンプするものも出現しているが、このホッピング用具では、衝撃的な空気圧の変動が内部に生じ、しかも、空気圧力は、約３．０Ｍｐａにも達するため、シールとしては、そのような高圧と圧力変動にも耐える密封性能・耐久性能が要求されるのは当然として、さらに、少しでも高くジャンプしたいという強い要求に応えるようなシール特性を付与することが重要である。

そのためには、ホッピング用具に使用するエアーシリンダ（エアースプリング）の摺動抵抗を低減する必要があることに、本発明者等は、多大な実験と試行錯誤の結果気付いた。
即ち、従来は、ホッピング用具のエアーシリンダ内部のピストンに、Ｏリングを用いる構造であり、このＯリングは摺動抵抗が高いことも判明した（後述の表１参照）。

そこで、本発明は急激な気体の圧力変動にも耐えて使用可能であって、摺動抵抗が十分に低い（往復動用）シールを提供することを目的とする。

本発明に係るシールは、シール基部と、該シール基部から突出状に連設された溝底側の第１リップ部と摺動側の第２リップ部とを、備えた横断面Ｕ字形のシールに於て、ゴム製シール本体と低摩擦被覆層とから成り、しかも、上記第２リップ部のリップ頂上領域内に、ゴム製シール本体に対する被覆層の先端境界線が配設されている。

また、ゴム製シール本体に対する被覆層の基端境界線が、上記シール基部の基端寄りに配設されている。
また、被密封流体が気体であり、圧力が０．４〜３．０Ｍｐａの範囲内で急激に変動する往復動用のシールである。
また、往復動ピストンのシール用凹周溝に装着されて、ホッピング用エアースプリングに使用される。

本発明のシールによれば、密封に最も重要な第２リップ部のリップ頂上領域に於て、弾性ゴムによる密封が十分に行なわれ、同時に、低摩擦被覆層によって（摺接対応面に対する）摺動抵抗が十分に低減できる。

本発明の用途の説明図であって、（Ａ）はホッピング用具に本発明のシールを用いた説明図、（Ｂ）は横軸に時間を、縦軸に圧力を、各々とって示す圧力の変動の説明図である。 本発明の実施の一形態を示し、かつ、圧力分布曲線を併記した使用（受圧）状態の説明図である。 本発明の実施の一形態の自由状態の要部拡大断面図である。 自由状態の要部拡大断面図である。 本発明の異なる実施形態を示した要部拡大断面図である。 シールの側面図であって、図５の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の各々に対応する側面図である。 参考例を示す要部断面図である。 摺動摩擦抵抗の試験装置の説明図である。

以下、実施の形態を示す図面に基づき本発明を詳説する。
図１〜図４に示すように、本発明に係る往復動用シールＳは、略矩形状のシール基部１と、このシール基部１から突出状に連設された、シール用凹周溝10の溝底10Ａ側の第１リップ部11と摺動側の第２リップ部12とを、備え、全体が横断面Ｕ字形のシールである。一般的には、Ｕパッキンと呼ばれている。Ｕ字状凹溝２がシール基部１と第１リップ部11と第２リップ部12にて形成される。

図１と図２に於て、ホッピング用エアースプリング（エアーシリンダ）Ｃの内部に、本発明のシールＳが使用されている場合を例示する。具体的には、足乗せ部３と握り部４が倒立状のエアーシリンダＣのシリンダバレル５の下部と上部に突設され、シリンダバレル５内に、ピストン６が上下往復動自在に収納され、さらに、上端がピストン６に連結されたピストンロッド７が、シリンダバレル５の下端の孔部８に挿通され、ピストンロッド７の下端が、床面９に当接する当り部14である。

シールＳは、上記往復動ピストン６の外周面６Ａに凹設されたシール用凹周溝10に装着される。本発明のシールＳは、往復動シールとして、ピストンロッドの密封にも使用可能であるが、図１〜図４に示すようにピストン６の外周面６Ａとシリンダバレル５の内周面５Ａの相対的摺動面部の密封に好適なシールである。

そして、シールＳは、弾性ゴムのシール本体Ｒと、ＰＴＦＥ（フッ素樹脂）等の低摩擦被覆層20とから成る。この低摩擦被覆層20は、シリンダバレル５の円形状内周面５Ａ等───摺接相手面26───に対向する、シール外周面21に配設される。また、低摩擦被覆層20はシール本体Ｒを金型内で加熱加圧する加硫工程で一体状に成型される。

さらに具体的に説明すると、第２リップ部12は、シール基部１から、先端側がしだいに拡径するように傾斜状に突出状として、設けられているが、第２リップ部12の外周面は、
シール基部１の外周面先端位置から、しだいに先端に向って拡径するように傾斜状の勾配部15と、小さな山型のリップ頂上領域16と、先端に向って縮径状の先端勾配部17とから、構成される。外径寸法が最大のピーク18は、前記リップ頂上領域16に存在する。そして、図６（Ａ）は、図４，図５（Ａ）に示したシールＳをラジアル方向から見た外観図（側面図）であるが、弾性ゴムに対する被覆層20の先端境界線22は直線状に現われている。しかも、図６（Ａ）と図５（Ａ）及び図２〜図４の実施の形態にあっては、この先端境界線22は、上記ピーク18に一致させた場合を例示する。

ところで、前述のリップ頂上領域16については、以下のように定義する。即ち、図４と図５に示すように、自由状態の本発明のシールＳにおけるシール基部１の平均外径寸法をＤ_１とし、 ピーク18の外径寸法をＤ₁₈とし、シール基部１とピーク18の段差寸法をΔＨとすると、次式が成立する。
ΔＨ＝（Ｄ₁₈−Ｄ_１）／２
本発明では、２×ΔＨ＝（Ｄ₁₈−Ｄ_１）の３０％だけ小さな直径の円筒面25で第２リップ部12を切断したと仮定した領域を、リップ頂上領域16と定義する。

図２〜図４、及び、図５（Ａ）、図６（Ａ）では、被覆層20の先端境界線22はピーク18をラジアル方向から見た直線に一致させた場合を例示したが、これに限定されずに、リップ頂上領域16内であれば、自由に先端境界線22の位置を、設定可能である。

例えば、図５（Ｂ）と図６（Ｂ）に示すように、先端境界線22を基端方向に少し移動させ、ピーク18が弾性ゴムのみから成る構成としても良い。あるいは、図５（Ｃ）と図６（Ｃ）に示すように、先端境界線22を先端方向に少し移動させ、ピーク18を低摩擦被覆層20にて形成しても良い（自由状態下）。

図２に於て、圧力ＰがシールＳに作用した状態を示し、その際、シリンダバレル内周面５Ａ（摺接相手面26）に対して、前記先端境界線22を中心として弾性的にシールＳが圧縮変形し、同図に併記した接触面圧力分布曲線が得られる。特に、密封性は先端境界線22よりも先端側の弾性ゴム部30にて十分に発揮され、かつ、摺動抵抗の低減作用は、先端境界線22より基端側の低摩擦被覆層20の先端部位20Ａにて行なわれる。

図５（Ｂ）と図６（Ｂ）の実施形態のシールＳでは、図２と同様の受圧使用状態で、被覆層20よりもゴム部30が内周面５Ａに対して圧接しやすいので、第２リップ部12の先端部の形状と寸法を一層弾性変形容易なように、設定する。つまり、図５（Ｂ）中に２点鎖線31にて例示するようにゴム部30の弾性変形が容易な形状と寸法とする。このようにすれば、密封性能を発揮するゴム部30と、摺動抵抗低減する低摩擦被覆層20の先端部位20Ａとが、協力して、総合的に優れた特性を示し、所期の目的を達成できる。

次に、図５（Ｃ）と図６（Ｃ）の実施形態のシールＳでは、図２と同様の受圧使用状態で、ゴム部30よりも被覆層20の先端部位20Ａが内周面５Ａに対して圧接しやすいので、ゴム部30の肉厚を例えば２点鎖線31のように増加して弾性的反発力を増加させるのが良い。このようにすれば、ゴム部30が密封性能を発揮し、同時に、低摩擦被覆層20の先端部位20Ａは摺動抵抗の低減作用を十分発揮して、総合的に優れた特性を示し、所期の目的を達成できる。

次に、弾性ゴムから成る上述のシール本体Ｒに対する被覆層20の基端境界線23は、シール基部１の基端寄りに、配設される。
ここで、「基端寄り」とは、図２〜図４及び図５（Ａ）と図６（Ａ）に示すように、シール基部１のアキシャル方向基端角部24を含み、さらに、図５（Ｂ）と図６（Ｂ）のように、アキシャル方向基端角部24と同じアキシャル方向位置、及び、図５（Ｃ）と図６（Ｃ）のように、シール基部１のアキシャル方向寸法の１０％以下の寸法Ｗ₂₃だけ先端方向へ移動した位置を含むものとする。

このように、シール基部１の（軸心直交面状の）基端面１Ａ側の角部24、又は、その近傍に、基端境界線23が配設され、略矩形のシール基部１の外周面が低摩擦被覆層20にて被覆形成された構成であるので、ホッピング用具等のエアースプリングＣ（図１参照）として、激しいピストン６の作動によって、図２に示したシリンダバレル内周面５Ａとピストン外周面６Ａとの間隙Ｇp が同図よりもさらに接近して零に近づいた場合に、シリンダバレル内周面５Ａに対して上記低摩擦被覆層20が摺接し、摺動摩擦抵抗の増加を防止でき、軽快なピストン６とピストンロッド７の往復作動が得られる。

本発明に係るシールＳは、図１（Ａ）（Ｂ）に示すような圧力Ｐが０．４〜３．０Ｍｐａの（比較的高圧の）空気又は各種ガス等の気体の密封用であり、しかも、図１（Ｂ）のグラフ図のように、ホッピング作動毎に圧力Ｐが急激に変動する往復動に適用できる。

次に、下記のような各種のシールについて、その摺動摩擦抵抗試験を実施した。
（ａ）本発明の実施例（１）：
図２，図３，図４に示した横断面形状でシール本体Ｒのゴムの硬度が７０のシール
（ｂ）本発明の実施例（２）：
図２，図３，図４に示した横断面形状でシール本体Ｒのゴムの硬度が８０のシール
（ｃ）従来例（１）：
硬度７０のゴム製Ｏリング
（ｄ）従来例（２）：
硬度８０のゴム製Ｏリング
（ｅ）従来例（３）：
硬度９０のゴム製Ｏリング
（ｆ）従来例（４）：
硬度６０のゴム製Ｏリング
（ｇ）従来例（５）：
横断面の外形輪郭形状が図３，図４と同じであって、全体が、硬度８０のゴムから
成るＵパッキン
（ｈ）参考例（１）：
図７に示した横断面形状であって、図３，図４と外形輪郭形状が同じであるが、低 摩擦被覆層20は第２リップ部12から省略され、シール基部１にのみ配設されている
。シール本体Ｒのゴムの硬度は７０のＵパッキン
（ｉ）参考例（２）：
図７に示した横断面形状であって、図３，図４と外形輪郭形状が同じであるが、低 摩擦被覆層20は第２リップ部12から省略され、シール基部１にのみ配設されている
。シール本体Ｒのゴムの硬度は８０のＵパッキン

図８に試験装置の概略を示す。図１と略同一寸法（内径寸法７０ｍｍ）のシリンダバレル５Ｔは両端に孔部８Ｔ，８Ｔを有し、内部に２個のピストン６Ｔ，６Ｔを収容し、各ピストン６Ｔのピストンロッド７Ｔは孔部８Ｔを挿通させ、平行に対面する２つの固定壁９Ｔ，９Ｔに当接させ、シリンダバレル５Ｔの中央に設けた空気注入部13Ｔから所定圧力Ｐの空気を注入して、シリンダバレル５Ｔの２個のピストン６Ｔ，６Ｔ間の空気圧力Ｐを所定値に保ち、引張ハカリ19Ｔを矢印方向に所定一定速度Ｖにて引張りつつ、シリンダバレル５Ｔを（図８の右方向へ）移動させながら引張ハカリ19Ｔの目盛りを読み取って、２個
のピストン６Ｔ，６Ｔについての摺動摩擦抵抗を計測する。

次の表１は、図８に示す試験装置にて計測した摺動摩擦抵抗（単位：ニュートン）を示す。各ピストン６Ｔには前記（ａ）〜（ｉ）の各種のシールが１個ずつ装着されているため、この表１の計測値は、各シール２個分の数値を表わしていることになる。

以下、上記表１に関して考察を行なう。
（ｉ）本発明の実施例（１）（２）のシールは、従来例（１）〜（４）のＯリング、及び従来例（５）のＵパッキンに比較して、いずれの圧力Ｐに於ても、著しい摺動抵抗の低減が図られていることを実証している。特に、圧力が１．５Ｍｐａ，２．０Ｍｐａにあっても、本発明の実施例（１）（２）のシールは摺動抵抗の値が極めて低い。
（ii）本発明の実施例（１）（２）と、同一外形の輪郭を有する従来例（５）のＵパッキンと比較すると、特に、圧力が２．０Ｍｐａでは、約７％という低い値を示している。この事実は、低摩擦被覆層20の摩擦係数が小さいこと、及び、ゴム製シール本体Ｒの高圧時の変形をシール外周面側から低摩擦被覆層20が抑制していること、を示す。
（iii)本発明の実施例（１）（２）と、図７に示した参考例（１）（２）とを、比較すると、いずれの圧力においても実施例（１）（２）のシールは十分に低い値を示し、特に、圧力が２．０Ｍｐａでは約２５％という低い値である。この事実は、本発明のシールは自封性シールでありながらも、第２リップ部12を低摩擦被覆層20が被覆して、シリンダバレル内周面５Ａに摺接するためである。
（iv）参考例（１）（２）と、従来例（５）とを、比較すると、同一外形輪郭線のＵパッキンでありながら、参考例（１）（２）は明らかに低い値を示している。この事実は、シール基部１のみを低摩擦被覆層20にて被覆した構成であっても、シリンダバレル内周面５Ａに対して、シール基部１も接触状態で摺動していること、及び、このシール基部１の摺動摩擦抵抗が、基部１の低摩擦被覆層20によって、低減していること、が明らかとなる。

従って、本発明の実施例（１）（２）に於ても、（図２〜図６に示した）シール基部１までもを被覆した低摩擦被覆層20の摺動摩擦抵抗低減作用が明らかとなる。言い換えれば、本発明のシールに於て、被覆層20の基端境界線23が、（シール基部１の基端寄りではなく）第２リップ部12の付根部、又は、シール基部１の先端寄りに、存在していたと仮定すれば、表１中の本発明の実施例（１）（２）について示した低い値は、得られなかったであろう。このように基端境界線23がシール基部１の基端寄りに配設する構成の重要性が明らかとなる。

本発明は、以上詳述したように、シール基部１と、該シール基部１から突出状に連設された溝底10Ａ側の第１リップ部11と摺動側の第２リップ部12とを、備えた横断面Ｕ字形のシールに於て、ゴム製シール本体Ｒと低摩擦被覆層20とから成り、しかも、上記第２リップ部12のリップ頂上領域16内に、ゴム製シール本体Ｒに対する被覆層20の先端境界線22が配設されている構成であるので、第２リップ部12が（シリンダバレル内周面５Ａ等の摺接相手面26に対して）受圧状態で摺接する際、弾性ゴムと低摩擦被覆層20の両者が同時に圧接し、弾性ゴムの圧接にて高いシール性（密封性）が確保され、かつ、低摩擦被覆層20の圧接にて、シール性及び摺動摩擦抵抗の低減と耐摩耗性が、得られる。そして、摺動摩擦抵抗の低減によって、エアーシリンダ等では軽快かつ高い応答性をもって伸縮作動を実現する。例えば、エアーシリンダ（エアースプリング）を用いたホッピングに適用すれば、従来よりも高いジャンプを実現可能となり、また、エアーシリンダを用いた精密ロボットに適用すれば、高い応答性をもって的確な迅速行動が実現可能である。さらに、急激な密封気体の圧力変動（図１（Ｂ）参照）にも十分使用可能である。

また、ゴム製シール本体Ｒに対する被覆層20の基端境界線23が、上記シール基部１の基端寄りに配設されているので、シール基部１が、摺接相手面26に対して摺接する材質が、（摺動摩擦抵抗の高いゴムではなくて）摺動摩擦抵抗の低い被覆層20であるので、シール基部１が摺接相手面26に摺接する摺動摩擦抵抗を低減して、シール全体としての摺動摩擦抵抗を低減するのに貢献できる。

また、被密封流体が気体であり、圧力Ｐが０．４〜３．０Ｍｐａの範囲内で急激に変動する往復動用のシールであるので、ホッピング用具のエアースプリング（エアーシリンダ）Ｃに好適であり、従来よりも高いジャンプを実現できることとなる。

また、往復動ピストン６のシール用凹周溝10に装着されて、ホッピング用エアースプリングＣに使用される構成とすれば、低い摺動摩擦抵抗と高い密封性、及び、急激な気体の圧力変動に耐えるという本発明の特性が最も発揮される。

１ シール基部
６ ピストン
10 シール用凹周溝
10Ａ 溝底
11 第１リップ部
12 第２リップ部
16 リップ頂上領域
20 低摩擦被覆層
22 先端境界線
23 基端境界線
Ｐ 圧力
Ｃ エアースプリング
Ｓ シール
Ｒ シール本体

Claims (4)

1. シール基部（１）と、該シール基部（１）から突出状に連設された溝底（10Ａ）側の第１リップ部（11）と摺動側の第２リップ部（12）とを、備えた横断面Ｕ字形のシールに於て、
   ゴム製シール本体（Ｒ）と低摩擦被覆層（20）とから成り、しかも、上記第２リップ部（12）のリップ頂上領域（16）内に、ゴム製シール本体（Ｒ）に対する被覆層（20）の先端境界線（22）が配設されていることを特徴とするシール。
2. ゴム製シール本体（Ｒ）に対する被覆層（20）の基端境界線（23）が、上記シール基部（１）の基端寄りに配設されている請求項１記載のシール。
3. 被密封流体が気体であり、圧力（Ｐ）が０．４〜３．０Ｍｐａの範囲内で急激に変動する往復動用のシールである請求項１又は２記載のシール。
4. 往復動ピストン（６）のシール用凹周溝（10）に装着されて、ホッピング用エアースプリング（Ｃ）に使用される請求項１，２又は３記載のシール。

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