JP2017125784A - 部材連結機構 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ簡易な構成で、限られたスペースにおいて必要な締め付け力をもって２つの部材を連結する部材連結機構を提供する。【解決手段】先端面が開口した部材連結部を有する第１部材１４と、第１部材の部材連結部に連結される第２部材２２と、部材連結部の先端面の開口を封止するように第１部材と第２部材との間に挟み込まれた弾性封止部材と、第１部材と第２部材の連結部材３４と、連結部材に対して力を作用させる作用部３８と、を備える。連結部材は、第１部材の部材連結部の先端面側端部と係合する第１係合部、第１部材の部材連結部側に配置された第２部材の第１部材側の端部と係合する第２係合部、及び、変形量が所定量となったときに、第１係合部と第２係合部とで弾性封止部材を押圧して気密に必要な量だけ変形させる弾性力を発生させる弾性変形部３４ｂを有する。作用部は、連結部材に対し、弾性変形部を弾性変形させる力を作用させる。【選択図】図１

Description

本発明は、２つの部材を気密を保って連結する際に用いられる部材連結機構に関するものである。このような部材連結機構は、例えばガスクロマトグラフの試料気化ユニットの開口を封止するようにＯリングを挟み込んでシールキャップを装着する場合等に使用される。

一般的に、ガスクロマトグラフには試料を気化して分析カラムへ送り込むための試料気化ユニットが設けられている。試料気化ユニットの一例について説明すると、試料気化ユニットは筐体を有し、その筐体の内部に試料気化室となる空間があり、筐体の上部に試料気化室へ試料を注入するための試料注入口が設けられている。試料気化室の下部は分析カラムへ接続されており、試料気化室の上部からキャリアガスが導入されるようになっている。試料気化室は高温に加熱され、試料気化室に注入された液体試料は熱によって気化し、キャリアガスによって分析カラムへ送り込まれる。

筐体内部の試料気化室には石英ガラスなどからなる円筒状のインサートが収容されており、試料注入口から注入された試料はインサートの内側で気化するようになっている。試料がインサートの内側で気化するようになっているため、試料ガスを試料気化室の金属内壁に接触させることなく分析カラムへ導入することができる。

インサートは試料に直接接触するものであるから、試料気化後の残渣等の付着により汚れやすい部品である。そのため、インサートの定期的な交換や洗浄を行なうことができるように、インサートは着脱可能な状態で試料気化室内に収容されている（特許文献１参照。）。

一般的に、筐体の上面には試料気化室に通じる開口部が設けられており、その開口部はＯリングを挟み込んだ状態でシールキャップが装着されることにより封止されるようになっている。試料注入用のニードルを突き刺して試料を注入するための試料注入口はシールキャップに設けられている。シールキャップ内部には試料注入用のニードルが引き抜かれた後の試料注入口を再び閉じるためのセプタムが設けられている。

特開２００９−９２６７２号公報 ＵＳ２００７／００９００７９Ａ１

筐体にシールキャップを取り付けるための構造としては、筐体側に設けられたネジとシールキャップ側に設けられたネジを螺合させてシールキャップを回して締め込む構造が一般的である。しかし、かかる構造では、シールキャップを着脱する際に、シールキャップをスパナなどの工具を使って回す必要があるが、試料注入口の周辺にはキャリアガス導入用の配管等があるため工具を回しにくく、容易な作業ではない。

試料気化ユニットの本体にシールキャップを装着する場合など、ある部材に別の部材を気密性を保って装着するような用途では、それらの部材間に挟み込まれたＯリングをある程度変形させるように、一定以上の強さでそれらの部材を締め付ける必要がある。しかし、上記のようにシールキャップを回してネジを締め込む方式では、Ｏリングを必要量だけ変形させるためにどれだけシールキャップを回す必要があるかが分かりにくく、シールキャップの締め込みが弱くなって試料気化室の気密が十分に保持されなかったり、シールキャップの締め込みが強すぎてＯリングを必要以上に変形させてしまい、Ｏリングが弾性変形しなくなって破損してしまったりすることがあった。

部材を容易に連結するための機構の一つとしてバヨネット式連結具がある（例えば、特許文献２参照。）。特許文献２に示されているようなバヨネット式の連結具では、２つの部材を連結させた状態で固定することはできる。しかし、ガスクロマトグラフにおける試料気化室内の気密性を維持するために用いられるＯリングを必要量だけ変形させるためには、少なくとも３０Ｎ程度の締め付け力が必要となるが、従来のバヨネット式の連結具はそのような用途を想定しておらず、従来のバヨネット式の連結具を用いても、Ｏリングを必要量だけ変形させるために必要な締め付け力は得られない。

そこで、本発明は、小型かつ簡易な構成で、限られたスペースにおいても必要な締め付け力をもって２つの部材を連結することができる部材連結機構を提供することを目的とするものである。

本発明に係る部材連結機構は、先端面が開口した部材連結部を有する第１部材と、前記第１部材の前記部材連結部に連結される第２部材と、前記部材連結部の前記先端面の開口を封止するように前記第１部材と前記第２部材との間に挟み込まれた弾性封止部材と、前記第１部材と前記第２部材とを連結させる連結部材と、前記連結部材に対して力を作用させる作用部と、を備えている。前記連結部材は、前記第１部材の前記部材連結部における前記先端面側の端部と係合する第１係合部、前記第１部材の前記部材連結部側に配置された前記第２部材の前記第１部材側の端部と係合する第２係合部、及び弾性変形し、その変形量が所定量となったときに、前記第１係合部と前記第２係合部とで前記弾性封止部材を押圧して気密に必要な量だけ変形させる弾性力を、前記第１係合部と前記第２係合部とを接近させる方向に発生させる弾性変形部を有する。作用部は、連結部材に対し、弾性変形部を弾性変形させる力を作用させるものである。

本発明に係る部材連結機構の好ましい実施態様としては、前記第１部材の前記部材連結部及び前記第２部材の前記第１部材側の端部はともに円筒形状を有し、前記連結部材は、前記第２部材の前記第１部材側の端部の周囲を囲って前記第２部材と係合することにより前記第２係合部をなすリング状の連結部材本体を有し、前記弾性変形部は、基端が前記連結部材本体と連結され、先端が前記連結部材本体の周方向に沿って前記連結部材本体と平行に伸びるように、前記連結部材本体とは間隔をもって前記連結部材本体よりも前記第１部材側に設けられ、前記第１部材の前記先端面に対して垂直な方向へ弾性変形する円弧状の片持ちバネであり、前記第１係合部は、前記弾性変形部の先端部から前記部材連結部の外周面に向かって突起した突起部からなり、前記第１部材の前記部材連結部の外周面には、前記突起部と係合するとともに前記突起部を摺動させて前記弾性変形部を弾性変形させるように前記部材連結部の先端側から基端側へ当該部材連結部の周方向に沿って傾斜した段差部が設けられており、前記作用部は、前記連結部材本体を前記第１部材の前記部材連結部の先端面に平行な平面内おいて回動させるレバーによって構成されている。かかる構成にすることで、構成がより簡単なものとなる。また、作業者はレバーを部材連結部の先端面に平行な平面内において回転させるだけで、弾性変形部の先端に設けられた突起が第１部材の部材連結部の外周面に設けられた段差に沿って摺動し、それによって弾性変形部に弾性力が発生するため、部材連結作業が容易である。

弾性変形部は角バネにより構成されていることが好ましい。角バネとは、断面形状が四角形である板バネをいう。かかる角バネは他のバネよりもバネ定数が大きくなり、小さい変形量で大きな弾性力を得ることができる。これにより、連結部材をさらに小型にすることができる。

連結部材の大きさとしては、前記弾性変形部が弾性変形していない状態において、前記連結部材の前記第２部材側端部から前記第１部材側の端部までの、前記部材連結部の先端面に垂直な方向における長さが２０ｍｍ以下であることが好ましい。そうすれば、ガスクロマトグラフの試料気化室等、スペースの限られた部分に設けることができる。

前記弾性変形部のバネ定数は３０Ｎ/ｍｍ以上、１００Ｎ/ｍｍ以下であることが好ましい。バネ定数は３０Ｎ/ｍｍ以上にすれば、弾性変形部を小型にしてその最大変形量を２ｍｍ以下にしても、第１部材と第２部材との間に挟み込まれた弾性封止部材を必要量だけ変形させるために必要な締め付け力を得ることができ、かつ弾性封止部材を必要以上に変形させて破損することを防止することができる。

本発明に係る部材連結機構では、連結部材の第１係合部が第１部材の部材連結部における先端面側の端部と係合し、連結部材の第２係合部が第１部材の部材連結部側に配置された第２部材の第１部材側の端部と係合するので、連結部材における第１係合部と第２係合部との間の間隔が非常に短く、連結部材を小型にすることができる。これにより、ガスクロマトグラフの試料気化室等、スペースの限られた部分に連結部材を設けることができる。さらに、連結部材が、弾性変形し、その変形量が所定量となったときに、第１係合部と第２係合部とで弾性封止部材を押圧して気密に必要な量だけ変形させる弾性力を、第１係合部と第２係合部とを接近させる方向に発生させる弾性変形部を備えているとともに、弾性変形部を弾性変形させる力を連結部材に対して作用させる作用部が設けられているので、作業者は作用部を通じて弾性変形部に必要な力を作用させるだけで、弾性変形部の弾性力によって第１部材と第２部材との間に挟み込まれた弾性封止部材が気密に必要な量だけ変形させることができる。したがって、作業者は、第１部材と第２部材とを、弾性封止部材を必要量だけ変形させるのに必要な締め付け力で締め付けながら連結することを、容易に行なうことができる。

本発明に係る部材連結機構が適用された試料気化ユニットの一実施例を示すシールキャップ装着前の斜視図である。 同実施例のシールキャップ装着後の斜視図である。 同実施例のシールキャップ固定後の斜視図である。 同実施例においてシールキャップを締め込む前の状態を示す断面図である。 同実施例においてシールキャップを締め込んだ時の状態を示す断面図である。 同実施例における部材連結機構の連結部材を示す平面図である。 同実施例の連結部材の底面図である。 同実施例の連結部材の斜視図である。 同実施例のキャップ装着部の斜視図である。

本発明に係る部材連結機構が適用されたガスクロマトグラフにおける試料気化ユニットの一実施例について図面を用いて説明する。

図１から図３に示されているように、試料気化ユニット２の筐体１４（第１部材）はこの実施例では角柱形状を有する。なお、筐体１４の形状は角柱形状に限らず、円柱形状その他の形状であってもよい。筐体１４は内部にインサート１６を収容するための空間１４ａ（図４参照。以下、内部空間１４ａと称する。）を備えている。内部空間１４ａは筐体１４の上面から下部の出口部２ａまで通じる円柱形状の穴からなる。筐体１４は熱伝導性の良好な金属材料で構成されている。筐体１４にはヒータ（図示は省略）が内部空間１４ａの周囲を取り囲むようにして埋設されており、ヒータによって内部空間１４ａに収容されたインサート１６が加熱されるようになっている。インサート１６は石英ガラスなどからなる円筒状の部材である。

筐体１４の開口部２８はシールキャップ２２（第２部材）により封止される。シールキャップ２２は、円筒形状のシールキャップ本体部３２とそのシールキャップ本体部３２の最上部に取り付けられた円板形状のセプタムカバー３３からなる。ニードル挿入部２４はセプタムカバー３３に設けられている。

図４Ａに示されているように、シールキャップ本体部３２の最上部にセプタム４０が配置され、そのセプタム４０の上方にニードル挿入部２４がくるように、シールキャップ本体部３２の最上部にセプタムカバー３３が装着されている。セプタム４０は、ニードル挿入部２４から挿入された試料注入用のニードルで貫通可能で、かつニードルを引き抜いた後はその弾力性によってニードルによる貫通孔を閉じるものである。セプタム４０は、例えば天然ゴムやシリコーンゴムなどの弾性材料からなるものである。セプタム４０を貫通したニードルの先端からシールキャップ本体部３２の中央の貫通孔４２を介してインサート１６側へ試料が吐出される。

筐体１４の上面の開口部２８の縁は上方へ円環状に突起してキャップ装着部２０（部材連結部）をなしている。シールキャップ２２は連結部材３４によりキャップ装着部２０に固定される。キャップ装着部２０の外周面の対称な２ヶ所に段差部３０が設けられている。段差部３０はキャップ装着部２０の先端側から基端側へキャップ装着部２０の周方向に沿って傾斜している。この段差部３０はキャップ装着部２０の基端側を向いた側面を有する。シールキャップ２２を筐体１４に装着する際は、シールキャップ２２に装着された連結部材３４のピン３６を段差部３０の側面に係合させる。連結部材３４をキャップ装着部２０の軸方向に対して垂直な平面（回転平面）内において回転させると、ピン３６が段差部３０の側面に沿って摺動し、キャップ装着部２０の軸方向に変位する。

図５Ａから図５Ｃに示されているように、連結部材３４は、中央に穴が設けられたリング状の連結部材本体３４ａと、連結部材本体３４ａの一方の面側に２つの弾性変形部３４ｂを備えている。連結部材３４の弾性変形部３４ｂが設けられていない側を表面側、弾性変形部３４ｂが設けられている側を裏面側とすると、連結部材３４はその裏面側が筐体１４側を向くように、シールキャップ本体部３２に装着される。

連結部材３４の弾性変形部３４ｂは連結部材本体３４ａの周縁に沿って弧を描くように連結部材本体３４ａと一定の間隔をもって設けられている。弾性変形部３４ｂの基端は連結部材本体３４ａと一体をなしているが先端は自由端となっている。すなわち、弾性変形部３４ｂは片持ちバネをなしている。弾性変形部３４の先端に内側に向かって突起した突起部をなすピン３６（第１係合部）が設けられている。２つの弾性変形部３４ｂは同一形状を有し、それぞれの先端のピン３６が互いに対向する位置に配置されている。連結部材本体３４ａにはこの連結部材３４を保持して回転させるためのレバー３８（作用部）が設けられている。

この実施例では、連結部材３４の連結部材本体３４ａと弾性変形部３４ｂが金属ブロックからの削り出しやＭＩＭ（金属粉末射出成形法）などの製法によって一体的に形成されている。なお、連結部材本体３４ａと弾性変形部３４ｂは別部品として形成された後に連結されていてもよい。その場合、連結部材本体３４ａと弾性変形部３４ｂの素材は同一である必要はない。

連結部材本体３４ａは、シールキャップ本体部３２に対してその外周面の周方向に移動可能に係合する。すなわち、連結部材本体３４ａは第２部材であるシールキャップ本体部３２の筐体１４側の端部と係合する第２係合部を構成している。

具体的には、図４Ａに示されているように、シールキャップ本体部３２の外周面には、周方向に設けられた円環状の凹部である水平溝３２ａが設けられている。水平溝３２ａにはＣ型止め輪４４が嵌め込まれている。Ｃ型止め輪４４は一部に切欠きを有するＣ字型の金属部材であり、シールキャップ本体部３２の水平溝３２ａが設けられている部分の外径と同程度の大きさの内径と、シールキャップ本体部３２の水平溝３２ａが設けられていない部分の外径よりも大きい外径を有するものである。連結部材３６の連結部材本体３４ａの中央の穴の内径はシールキャップ本体部３２の水平溝３２ａが設けられていない部分の外径よりも大きく、Ｃ型止め輪４４の外径よりも小さくなっている。連結部材本体３４ａの下方にＣ型止め輪４４がくるようにシールキャップ本体部３２が連結部材本体３４ａの中央の穴に嵌め込まれている。なお、水平溝３２ａ及びＣ型止め輪４４に代えて、シールキャップ本体部３２の外周面から周方向へ突起する鍔部がシールキャップ３２と一体として設けられていてもよい。

図６に示されているように、段差部３０は、キャップ装着部２０の上端面外側に設けられたピン３６を嵌め込む凹部３０ａと、キャップ装着部２０の基端側を向く互いに連続した側面３０ｂ及び３０ｃを備えている。キャップ装着部２０へのシールキャップ２２の固定は、連結部材３４の弾性変形部３４ｂの先端のピン３６が凹部３０ａに嵌め込まれるようにシールキャップ２２をキャップ装着部２０に被せ（図２の状態）、ピン３６を段差部３０の側面３０ｂ及び３０ｃに沿って摺動させるように連結部材３４を一方向（図６Ａにおいて時計回りの方向）へ回転させることにより行なう（図３の状態）。

段差部３０の側面３０ｂ及び３０ｃは、凹部３０ａに嵌め込まれたピン３６がキャップ装着部２０の外周面に沿って時計回りへ移動するにしたがってキャップ装着部２０の基端側へ変位するように、連結部材３４の回転平面に対して傾斜している。側面３０ｂと３０ｃの傾斜角度は異なっており、側面３０ｃの傾斜角度は側面３０ｂの傾斜角度よりも緩やかである。

図４Ａに示されているように、筐体１４の内部空間１４ａの開口部側に、インサート１６の外周面と内部空間１４ａの内側壁面との間の隙間を封止するＯリング４６（弾性封止部材）が配置される。Ｏリング４６は、例えばフッ素ゴムなどからなるものである。筐体１４の内側側壁の開口部２８の近傍に、下方へいくにしたがってその内径が小さくなるように傾斜した円環状の台座２８ａが設けられており、Ｏリング４６がその台座２８ａによって支持される。シールキャップ本体部３２は、下面側にインサート１６の上端を収容する凹部を有するとともに、その下端部が開口部２８内に収容され、Ｏリング４６を台座２８ａとの間で挟み込むようになっている。シールキャップ本体部３２の円環状の下端面は、台座２８ａとは逆に下方へいくにしたがってその内径が大きくなるように傾斜している。

連結部材３４のピン３６を段差部３０の凹部３０ａに合わせるようにしてシールキャップ２２をキャップ装着部２０に被せると、シールキャップ本体部３２の下端がＯリング４６と当接する。この状態で、ピン３６が段差部３０の側面３０ｂ及び３０ｃに沿って摺動するように連結部材３４を回転させると、図４Ｂに示されているように、ピン３６がキャップ装着部２０の基端側へ変位し、連結部材本体３４ａがＣ型止め輪４４を下方へ押圧する。これにより、シールキャップ本体部３２が下方へ押圧される。連結部材３４は、連結部材本体３４ａがＣ型止め輪４４と係合することによって、シールキャップ本体部３２とは独立して回転しながらシールキャップ本体部３２を下方へ押圧するものであるため、シールキャップ２２を回転させることなく連結部材３４のみを回転させることができる。

連結部材３４の弾性変形部３４ｂは、ピン３６の位置を、連結部材本体３４ａとは相対的にキャップ装着部２０の軸方向へ変位させるように弾性変形するものであり、その変位量に応じた復元力を生じるバネ性を有する。連結部材３４が回転してピン３６が段差部３０の側面３０ｃの終点まできたときに、弾性変形部３４ｂの弾性力によってシールキャップ本体部３２を開口部２８内へ押し込む方向に押圧し、それによって内部空間１４ａの内側壁面とインサート１６の外周面との間の隙間へのガスの進入を完全に防止できる程度にＯリング４６を変形させる。

連結部材３４は、例えば連結部材本体３４ａの厚みが１ｍｍ程度で外径が３０ｍｍ程度、弾性変形部３４ｂの厚みが１．５ｍｍ程度で外径が３０ｍｍ程度、連結部材本体３４ａと弾性変形部３４ｂとの間の隙間が２ｍｍ程度である。

連結部材３４の材質としては、析出硬化処理や固溶化処理の施されたステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ６３０など）やバネ材としてのステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０１ＣＳＰやＳＵＳ３０４ＣＳＰなど）、合金鋼（例えば、ＳＣＭ４２０、ＳＣＭ４４５、ＳＮＣＭ６３０など）、チタン合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（６４チタン）など）、銅合金（例えば、ベリリウム銅やリン青銅など）などの１０００ＭＰａ程度の引張強さをもつ材料が適当である。

弾性変形部３４ｂの断面形状は四角形であり、そのバネ定数は３０Ｎ/ｍｍ以上であり、最大変位量が２ｍｍ以下でも１００Ｎ弱程度の弾性力を発生させる。これにより、連結部材３４の全体の厚みが２０ｍｍ以下であるにもかかわらず、Ｏリング４６を必要量だけ変形させるのに必要な締め付け力を得ることができる。

以上において説明した実施例では、連結部材３４が２枚の円板部材（連結部材本体３４ａと２つの弾性変形部３４ｂ）からなる構成のため、外気と接触する表面積が大きく、放熱フィンの役割を果たす。これにより、シールキャップ２２の冷却が速やかに行われる。

２ 試料気化ユニット
２ａ 試料気化ユニット出口部
１４ 筐体（第１部材）
１４ａ 筐体の内部空間
１６ インサート
２０ キャップ装着部（部材連結部）
２２ シールキャップ（第２部材）
２４ ニードル挿入部
２６ キャリアガス供給用の配管
２８ 開口部
３０ 段差部
３０ａ 凹部
３０ｂ，３０ｃ 段差部の側面
３２ シールキャップ本体部
３２ａ 水平溝
３３ セプタムカバー
３４ 連結部材
３４ａ 連結部材本体
３４ｂ 弾性変形部
３６ ピン（突起部）
３８ レバー（作用部）
４０ セプタム
４２ 貫通孔
４４ Ｃ型止め輪
４６ Ｏリング

Claims (5)

1. 先端面が開口した部材連結部を有する第１部材と、
   前記第１部材の前記部材連結部に連結される第２部材と、
   前記部材連結部の前記先端面の開口を封止するように前記第１部材と前記第２部材との間に挟み込まれた弾性封止部材と、
   前記第１部材の前記部材連結部における前記先端面側の端部と係合する第１係合部、前記第１部材の前記部材連結部側に配置された前記第２部材の前記第１部材側の端部と係合する第２係合部、及び弾性変形し、その変形量が所定量となったときに、前記第１係合部と前記第２係合部とで前記弾性封止部材を押圧して気密に必要な量だけ変形させる弾性力を、前記第１係合部と前記第２係合部とを接近させる方向に発生させる弾性変形部を有する連結部材と、
   前記連結部材に対して前記弾性変形部を弾性変形させる力を作用させる作用部と、を備えた部材連結機構。
2. 前記第１部材の前記部材連結部及び前記第２部材の前記第１部材側の端部はともに円筒形状を有し、
   前記連結部材は、前記第２部材の前記第１部材側の端部の周囲を囲って前記第２部材と係合することにより前記第２係合部をなすリング状の連結部材本体を有し、
   前記弾性変形部は、基端が前記連結部材本体と連結され、先端が前記連結部材本体の周方向に沿って前記連結部材本体と平行に伸びるように、前記連結部材本体とは間隔をもって前記連結部材本体よりも前記第１部材側に設けられ、前記第１部材の前記端面に対して垂直な方向へ弾性変形する円弧状の片持ちバネであり、
   前記第１係合部は、前記弾性変形部の先端部から前記部材連結部の外周面に向かって突起した突起部からなり、
   前記第１部材の前記部材連結部の外周面には、前記突起部と係合するとともに前記突起部を摺動させて前記弾性変形部を弾性変形させるように前記部材連結部の先端側から基端側へ当該部材連結部の周方向に沿って傾斜した段差部が設けられており、
   前記作用部は、前記連結部材本体を前記第１部材の前記部材連結部の先端面に平行な平面内おいて回動させるレバーによって構成されている請求項１に記載の部材連結機構。
3. 前記弾性変形部は角バネにより構成されている請求項２に記載の部材連結機構。
4. 前記弾性変形部が弾性変形していない状態において、前記連結部材の前記第２部材側端部から前記第１部材側の端部までの、前記部材連結部の先端面に垂直な方向における長さは２０ｍｍ以下である請求項１から３のいずれか一項に記載の部材連結機構。
5. 前記弾性変形部のバネ定数は３０Ｎ/ｍｍ以上、１００Ｎ/ｍｍ以下である請求項１から４のいずれか一項に記載の部材連結機構。

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