JP2018155389A - 密封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸にシール面が密接するシールリップを有する密封装置であって、当該回転部材の稼動効率を低下させることなく、当該シール面の摩耗に起因したシールリップの変形度合いを検査することができる密封装置を提供する。
【解決手段】密封装置１０は、シールリップ２４の周方向に沿って当該シールリップ２４に一体化され、電圧が印加される導電部材３１を含む。導電部材と軸との間隔の変化に伴う導電部材のインダクタンスの変化を検知ユニット５０によって検知することにより、シールリップの変形度合いを検査する。
【選択図】図１

Description

この発明は密封装置に関する。

工業製品や産業用機械における回転部材に対しては、回転軸とハウジングとの間の空間への異物の侵入や、グリース等の潤滑剤の流出を防ぐために密封装置が用いられる。密封装置の一例として、回転軸に摺動自在に密接するシールリップを有する密封装置がある。このような密封装置としてオイルシールが広く用いられている。

特開２０１４−７４４６９号公報

シールリップの内周のシール面を回転軸のあたり面に密接させると、シール面が回転軸に対して摺動する。シール面は、その摩擦によって徐々に摩耗する。シールリップは、この摩耗に伴って回転軸に接近する方向に徐々に変形する。シール面が摩耗することによってシールリップが所定量変形すると、シール面と回転軸との接触圧が不足してシール性能が損なわれ、環状空間への異物の侵入や環状空間外への潤滑剤の流出が生じる。

この問題は、一般に、定期的に密封装置を交換することによって対処される。つまり、シール性能が損なわれる時期よりも短い間隔で密封装置の交換を実施し、回転部材への異物の侵入や潤滑剤の流出を未然に防いでいる。しかしながら、この方法では、密封装置の交換サイクルが短くなるので、密封装置のメンテナンスに手間がかかる。また、予定された交換期間より前にシールリップに異常変形が生じてしまうと、環状空間への異物の侵入や環状空間外への潤滑剤の流出が抑えられない。

そこで、特開２０１４−７４４６９号公報（特許文献１）に開示された検査装置を利用して、変形が所定量に達しているか否かのシールリップの変形度合いを検出することが考えられる。文献１の検査装置は、当該検査装置にオイルシールをはめ込むことによって、オイルシールのシールリップ部の規定された位置にガータスプリングが装着されているか否かを検知するものである。シールリップが変形するとガータスプリングが装着される位置も変化するため、文献１の検査装置を用いてガータスプリングが装着された位置が規定された位置から所定以上変化しているか否かを検知することで、シールリップが所定量変形したか否かを検査することが可能と考えられる。

しかしながら、文献１の検査装置を用いて検査する際には、回転部材の稼動を停止してオイルシールを取り外し、当該検査装置にオイルシールをはめ込む必要がある。そのため、回転部材の稼動効率を低下させてしまう。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、回転部材の回転軸にシール面が密接するシールリップを有する密封装置であって、当該回転部材の稼動効率を低下させることなく、当該シール面の摩耗に起因したシールリップの変形度合いを検査することができる密封装置を提供することを目的とする。

この発明にかかる密封装置は円筒内周面を有する外側部材と当該円筒内周面の径方向内側の軸との間の環状空間に設けられる密封装置であって、外側部材に取り付けられる環状の取付部と、取付部に固定され、内周に軸に接触させるシール面を有する、環状のシールリップと、シールリップの周方向に沿って当該シールリップに一体化され、電圧が印加される導電部材と、導電部材と軸との間隔の変化に伴う導電部材のインダクタンスの変化を検知する検知ユニットと、を備える。
この構造の密封装置によれば、シール面の摩耗に伴ってシールリップが変形すると、導電部材と軸との間隔が変化する。また、導電部材に電圧が印加されることで導電部材は磁気センサとして機能する。このため、導電部材とセンシング対象とする軸との間隔の変化が、導電部材のインダクタンスの変化として検知される。これにより、容易な構成でシールリップの変形度合いを検査できる。また、当該密封装置が取り付けられた回転部材の回転中であっても、シールリップの変形度合いを検査できる。このため、稼動効率を低下させることなくシールリップの変形度合いを検査できる。

好ましくは、導電部材は、シールリップの周方向に沿って当該シールリップと同芯にて環状に設けられている。
これにより、シールリップの変形が全周にわたってセンシングされることになる。その結果、シールリップの変形度合いの検査精度を向上させることができる。

好ましくは、導電部材は、シールリップに配置された環状の金属細線である。
導電部材が太い金属線である場合、その剛性によってシールリップの変形が妨げられる。その結果、シールリップの変形度合いが精度よく検査できない。これに対して、導電部材として環状の金属細線を用いると、その剛性が弱いので、シール面の摩耗に伴ってシールリップが変形するのを妨げるおそれがない。そのため、精度よく変形度合いを検査できる。

好ましくは、取付部には、一辺がシールリップに対向するＬ字形断面の芯金が設けられ、検知ユニットは、芯金の内面に配置される。
このように、検知ユニットが密封装置内のスペースを有効に利用して設けられることによって、密封装置の大型化を抑えることができる。

好ましくは、検知ユニットは、検知結果を出力する制御を行うための出力制御機能をさらに有する。
これにより、検査結果を容易に知ることができる。

より好ましくは、検知ユニットは、導電部材のインダクタンスの変化が閾値より大きい場合に、当該検知結果を出力する。
この場合、前記閾値を、密封装置のシール性能が損なわれる付近まで低下するときのインダクタンスの変化値に設定しておくことにより、密封装置の使用限界が近いことを容易に知ることができる。

この発明によると、回転部材の稼動効率を低下させることなく、回転軸にシール面が密接するシールリップを有する密封装置の、当該シール面の摩耗に起因したシールリップの変形度合いを検査することができる。

実施の形態にかかる密封装置の断面図である。 密封装置のシールリップに配置された導電部材を含むインダクタンス回路の概略図である。 密封装置に配置された検知ユニットの機能構成を表わしたブロック図である。 シールリップの変形を検知する原理を説明するための図である。 シールリップの変形を検査するための密封装置の動作の流れを表したフローチャートである。

以下に、図面を参照しつつ、好ましい実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらの説明は繰り返さない。

＜装置構成＞
本実施の形態にかかる密封装置１０は、一例として、オイルシールである。図１は、密封装置１０の断面図である。密封装置１０は、軸（回転軸）５をハウジング（外側部材）６に対して支持する転がり軸受（図示せず）と共に設けられる。ハウジング６は円筒内周面６ａを有する。円筒内周面６ａの径方向内側であってハウジング６と軸５との間に、環状空間４が形成される。環状空間４の所定位置に転がり軸受が設けられ、転がり軸受の軸方向両側に密封装置１０が設けられる。

軸５は、軟磁性体素材で形成される。軟磁性体素材は、たとえば鉄である。軸５は、ハウジング６の円筒内周面６ａと同芯に組み付けられる。密封装置１０は環状であり、軸５と同芯に環状空間４に取り付けられる。

密封装置１０は、ハウジング６に取り付けられる環状の取付部１２と、取付部１２と一体の環状のシール本体２０と、を備える。取付部１２の断面形状は、円筒内周面６ａに接して軸５の軸方向に延びる円筒部１２ａと、円筒内周面６ａから軸５に向かう径方向に延びる円環部１２ｂと、からなるＬ字形状である。

シール本体２０は、固定部２１およびシールリップ２４を有する。固定部２１は取付部１２の円環部１２ｂの内周縁部に固定される部分である。シールリップ２４は、リップ先部２３とリップ基部２２とを有する。リップ先部２３は、その内周に、軸５に接触する面である環状のシール面２３ａを有する。リップ基部２２は、固定部２１とリップ先部２３とを繋ぐ部分である。

シールリップ２４は、固定部２１を基端として軸方向一方側（図１において左側）に延設されている。取付部１２の円筒部１２ａは、径方向においてシールリップ２４に対向する。リップ基部２２の外周面２６および内周面２７は、いずれも、リップ先部２３側に向かうにしたがって縮径するテーパ形状である。

シール本体２０は、さらに、補助リップ２９を有してもよい。補助リップ２９は、固定部２１から軸方向他方側に延設される。

取付部１２は、外面のゴム部分１２ｃと、当該ゴム部分１２ｃが加硫接着によって一体化された環状の芯部材１１（芯金）と、を有する。ゴム部分１２ｃはシール本体２０と一体であり、例えばＮＢＲ、ＦＫＭ、ＡＣＭ等のゴム製（エラストマー）である。芯部材１１は、取付部１２と同芯に設けられている。芯部材１１は、ステンレス鋼等の金属製である。芯部材１１の断面形状も一辺がシールリップ２４に対向するＬ字形であって、軸５の軸方向に延びる円筒部１１ａと円筒内周面６ａから軸５に向かう径方向に延びる円環部１１ｂとからなる。

密封装置１０は、さらに、環状のスプリング（ガータスプリング）１９を有する。スプリング１９は、リップ先部２３を軸５に対して締め付ける。スプリング１９は、リップ先部２３の外周側に取り付けられている。

＜変形検知機能＞
密封装置１０が環状空間４に取り付けられると、リップ先部２３のシール面２３ａは軸５に接触する。密封装置１０が環状空間４に取り付けられた状態で軸５が回転することによって、シール面２３ａは軸５と摺動する。これによりシール面２３ａに摺動摩擦が生じる。

シール面２３ａに摺動摩擦が生じると、シール面２３ａは摩耗する。シール面２３ａが摩耗するとシールリップ２４全体が軸５方向に変形する。リップ先部２３はスプリング１９によって軸５に締め付けられているため、シール面２３ａが摩耗することによってシールリップ２４全体が変形しやすい。シールリップ２４が所定量以上変形するとシール面２３ａの軸５への接触圧が低下し、密封装置１０のシール性能が損なわれる。

そこで、シール性能が損なわれることを防ぐために、密封装置１０はシールリップ２４の変形が所定量に達しているか否かの変形度合いを検査する機能を有する。密封装置１０は、シールリップ２４の変形度合いを検査する機能を実現するための構成として、磁気センサとして機能する導電部材３１と、検知ユニット５０と、を有する。

導電部材３１は導電性を有する金属部材であり、好ましくは、銅などの金属素材による線状または単繊維状の細線（金属細線）である。本実施の形態では、導電部材３１として直径が１５μｍ〜１００μｍ程度の金属細線を用いる。導電部材３１として太い金属線が用いられると、その剛性によってシールリップ２４の変形が妨げられる。その結果、シールリップ２４の変形度合いが精度よく検査できない。これに対して、導電部材３１として金属細線を用いると、その剛性が弱いので、シールリップ２４の変形が妨げられるのを防止することができる。このため、シールリップ２４の変形度合いの検査精度を向上させることができる。

導電部材３１は、シールリップ２４に一体化される。一体化とは、シールリップ２４の挙動（変形）と一体となって挙動（変形）するように設けられている状態を指し、たとえば、シールリップ２４に埋設された状態、表面に貼付された状態、などを指す。導電部材３１は、たとえば、シールリップ２４内、またはシールリップ２４表面であって軸５と接触しない位置に配置される。好ましくは、導電部材３１は、シール面２３ａの摩耗によるシールリップ２４の変形の大きい位置に配置される。一例として、導電部材３１は、リップ先部２３のスプリング１９近傍に配置される。これにより、シールリップ２４の変形度合いを高精度で検査することができる。

導電部材３１は環状の部材であって、シールリップ２４と同芯にてシールリップ２４の周方向に沿って環状に設けられている。本実施の形態では、環状の金属細線がスプリング１９近傍に、シールリップ２４と同心にて埋設されている。これにより、シールリップ２４の変形が全周にわたってセンシングされることになる。そのため、シールリップ２４の変形度合いの検査精度を向上させることができる。

磁気センサとして機能させるために、導電部材３１には図１には示されていない電源６０が接続されて、電圧が印加される。導電部材３１が線状の部材である場合には、電源６０は交流電源であって、導電部材３１に交流電圧を印加する。導電部材３１がコイル状の場合には、電源６０は直流電源であって、導電部材３１に直流電圧を印加する。これにより、導電部材３１を含むインダクタンス回路が形成される。

図２は、導電部材３１を含むインダクタンス回路の概略図である。図２を参照して、導電部材３１には、インダクタンスを測定するための測定器４０が接続されている。測定器４０は、たとえばＬＣＲメータである。

好ましくは、測定器４０および電源６０は密封装置１０に配置される。一例として、測定器４０および電源６０はＬ字形断面の芯部材１１の内面に取り付けられる。このように、測定器４０および電源６０が密封装置１０内のスペースを有効に利用して設けられることによって、密封装置１０の大型化を抑えることができる。

検知ユニット５０は、図示しない１つまたは複数のＣＰＵ（Central Processing Unit）とメモリとを含む。該ＣＰＵがメモリに記憶されているプログラムを実行することで、検知ユニット５０は、シールリップ２４の変形を検知する処理を実行する。

図３は、検知ユニット５０の機能構成を表わしたブロック図である。図３を参照して、検知ユニット５０は図示しない信号線によって測定器４０と接続されて、測定器４０からインダクタンスの測定値の入力を受ける。検知ユニット５０は、インダクタンスの測定値を用いてシールリップ２４の変形を検知する処理を実行する検出制御部５１と、検知結果に基づいた出力を制御する出力制御部５２と、を含む。これら機能は、検知ユニット５０の図示しないＣＰＵがメモリに記憶されているプログラムを実行することで、主にＣＰＵによって実現される。

電源６０は、さらに、検知ユニット５０に接続されて、検知ユニット５０に対しても電力を供給してもよい。さらには、電源６０は、検知ユニット５０を介して導電部材３１に電力を供給してもよい。このとき、検知ユニット５０は、電源６０から導電部材３１への電力供給を制御する電力制御部をさらに含んでもよい。検知ユニット５０には、電源６０とは異なる電源から電力が供給されてもよい。

好ましくは、検知ユニット５０は密封装置１０に配置される。具体的には、検知ユニット５０は、密封装置１０表面、より好ましくは、Ｌ字形断面の芯部材１１の内面に取り付けられる。芯部材１１の内面は、シールリップ２４に対向する側面である。詳しくは、芯部材１１の内面は、円筒部１１ａのシールリップ２４に対向する表面、または、円環部１１ｂのシールリップ２４が延設された方向側の面である。このように、密封装置１０の空間を有効に活用して検知ユニット５０を設けることによって、密封装置１０の大型化を抑えることができる。本実施の形態では、検知ユニット５０は、円筒部１１ａのシールリップ２４に対向する表面に取り付けられている。

検知ユニット５０は密封装置１０外に配置されてもよい。この場合、好ましくは検知ユニット５０は、測定器４０と無線通信する。なお、検知ユニット５０が密封装置１０外に配置されて測定器４０と無線通信する構成も、検知ユニット５０が密封装置１０に備えられている状態とする。

好ましくは、測定器４０および電源６０は、検知ユニット５０近傍に配置される。測定器４０および電源６０は、検知ユニット５０に含まれてもよい。これにより、測定器４０および電源６０は、図２のインダクタンス回路を形成するための導電部材３１との接続と、検知ユニット５０との接続が容易になる。

さらに、電源６０は、発電機能を有してもよい。これにより、検知ユニット５０および導電部材３１に外部からの電力供給を不要にできる。なお、電源６０は、密封装置１０の外部に配置されて、図示しない送電線または無線通信によって検知ユニット５０および導電部材３１に電力を供給してもよい。

＜検知原理＞
図４は、シールリップ２４の変形を検知する原理を説明するための図である。図４では、シールリップ２４が実線と二点鎖線との両方で示されている。実線のシールリップ２４は、シール面２３ａが摩耗する前の状態を示している。二点鎖線のシールリップ２４は、シール面２３ａの摩耗が進行した状態を示している。

図４を参照して、シール面２３ａが摩耗すると、シールリップ２４は、固定部２１を基点として軸５側に変形する。このシールリップ２４の変形によって、導電部材３１と軸５との間隔は、距離ｄ分、小さくなる。

導電部材３１に電圧が印加されることによって導電部材３１の周囲には磁界が発生している。導電部材３１と軸５との間隔（距離）が変化すると、導電部材３１周囲の磁気抵抗が変化する。これによって、導電部材３１のインダクタンスが変化する。つまり、導電部材３１と軸５との間隔の変化を、導電部材３１のインダクタンスの変化として検知することができる。

検出制御部５１は、シール面２３ａが摩耗する前の導電部材３１のインダクタンスの初期値を記憶しておく。初期値は、密封装置１０の装着直後の導電部材３１のインダクタンスの測定値であってもよい。または、設定された初期値が予め検出制御部５１に記憶されていてもよい。検出制御部５１は、初期値と測定器４０による測定結果との差分を算出することで、測定値の変化量を得る。

導電部材３１のインダクタンスの変化の大きさは、導電部材３１と軸５との間隔の変化量ｄに依存する。すなわち、変化量ｄが大きいと、導電部材３１のインダクタンスの変化量が大きい。そこで、検出制御部５１は、密封装置１０のシール性能が損なわれる付近まで低下するときのインダクタンスの変化値を閾値として予め記憶しておき、測定値の変化量、すなわち導電部材３１のインダクタンスの変化が閾値を超えるか否かを判定する。インダクタンスの変化が閾値を超えている場合は、密封装置１０のシール性能が損なわれる直前の状態、つまり密封装置１０が使用限界に近いことを意味する。この閾値は実験により予め求めておく。

検出制御部５１は、判定結果を出力制御部５２に入力する。出力制御部５２は、図示しない出力装置に接続される。出力制御部５２は、判定結果に基づく検査結果を当該出力装置から出力する。これにより、シールリップ２４の変形度合いの検査知結果を容易に知ることができる。

好ましくは、出力制御部５２は、インダクタンスの変化が閾値より大きい場合に当該判定結果に基づく検査結果を出力装置から出力する。出力装置は、たとえば無線送信機や音声出力装置（スピーカ）である。これにより、検査結果が当該密封装置１０のシール性能が損なわれる程度までシールリップ２４が変形したこと、つまり密封装置１０が使用限界にあることを容易に知ることができる。

特に、軸５は軟磁性体であるため、回転することによって軸５周囲に磁界が発生している。そのため、シールリップ２４の変形によって導電部材３１と軸５との間隔が変化すると、導電部材３１周囲の磁気抵抗がより大きく変化する。その結果、導電部材３１と軸５との間隔の変化、つまり、シールリップ２４の変形度合いを、より高精度で検査することができる。

＜検査動作＞
図５は、シールリップ２４の変形度合いを検査するための密封装置１０の動作の流れを表したフローチャートである。図５のフローチャートは、密封装置１０におけるシールリップ２４の変形度合いの検査方法を表している。

図５を参照して、密封装置１０では、所定のタイミングで測定器４０によって導電部材３１のインダクタンスＬが測定される（ステップＳ１０１）。所定のタイミングは、たとえば、回転開始時や回転開始から所定時間経過後などの予め規定されたタイミングや、所定の間隔、などである。

検出制御部５１は、インダクタンスＬの初期値からの変化ΔＬを算出し、閾値ＴＨと比較判定する。インダクタンスの変化ΔＬが閾値ＴＨより大きい場合（ステップＳ１０３でＹＥＳ）、検出制御部５１は、出力制御部５２に検出信号を出力する（ステップＳ１０５）。出力制御部５２は、図示しない無線送信機などの出力装置から、検出制御部５１での判定結果を出力する。

＜実施の形態の効果＞
以上のように、密封装置１０は、シールリップ２４に設けられた導電部材３１を磁気センサとして用いて、シールリップ２４の変形度合いを軸５との間隔の変化として、インダクタンスの変化に基づいて検査する。このため、簡単な構成で高精度でシールリップ２４の変形度合いを検査することができる。また、転がり軸受が回転中であってもシールリップ２４の変形度合いを検査することができる。これにより、当該転がり軸受の稼動効率を低下させることなく、シールリップ２４の変形度合いを検査することができる。

閾値を適切な値に設定することで、密封装置１０のシール性能が損なわれるよりも前にシールリップ２４を交換するタイミングを知ることができる。その結果、密封装置１０のシール性能が損なわれて環状空間への異物の侵入や環状空間外への潤滑剤の流出が発生する前に密封装置１０を交換することができる。また、閾値を適切な値に設定することで、密封装置の交換サイクルをシール面２３ａの摩耗の程度に応じた適切なサイクルとすることができる。

＜変形例＞
本実施の形態においては、導電部材３１は環状部材であるが、導電部材３１は、複数の円弧状部材を円周に沿って所定間隔ごとに配列したものであってもよい。

なお、以上の説明では、密封装置１０を、一例としてオイルシールであるものとしている。しかしながら、回転部材の回転軸に密接するシールリップを有する密封装置であればどのような密封装置であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

５ 軸、６ ハウジング、６ａ 円筒内周面、１０ 密封装置、１１ 芯部材、１２ 取付部、１９ スプリング、２０ シール本体、２３ リップ先部、２３ａ シール面、２４ シールリップ、３１ 導電部材、５０ 検知ユニット、５１ 検出制御部、５２ 出力制御部

Claims (6)

1. 円筒内周面を有する外側部材と当該円筒内周面の径方向内側の軸との間の環状空間に設けられる密封装置であって、
   前記外側部材に取り付けられる環状の取付部と、
   前記取付部に固定され、内周に前記軸に接触させるシール面を有する、環状のシールリップと、
   前記シールリップの周方向に沿って当該シールリップに一体化され、電圧が印加される導電部材と、
   前記導電部材と前記軸との間隔の変化に伴う前記導電部材のインダクタンスの変化を検知する検知ユニットと、を備える、密封装置。
2. 前記導電部材は、前記シールリップの周方向に沿って当該シールリップと同芯にて環状に設けられている、請求項１に記載の密封装置。
3. 前記導電部材は、前記シールリップに配置された環状の金属細線である、請求項１または２に記載の密封装置。
4. 前記取付部には、一辺が前記シールリップに対向するＬ字形断面の芯金が設けられ、
   前記検知ユニットは、前記芯金の内面に配置される、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の密封装置。
5. 前記検知ユニットは、検知結果を出力する制御を行うための出力制御機能をさらに有する、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の密封装置。
6. 前記検知ユニットは、前記導電部材のインダクタンスの変化が閾値より大きい場合に、当該検知結果を出力する、請求項５に記載の密封装置。

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