JP2018159435A - アクチュエータのシール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】単体のパッキンによって、シャフトとの間およびケーシングとの間の２か所において良好なシール性を確保できるアクチュエータのシール構造を提供すること。【解決手段】アクチュエータの軸方向に移動するシャフト１２と、シャフトを軸方向に沿って覆うケーシング１０と、シャフト１２とケーシング１０との間の空間部に配置され、ケーシングの前端部に形成されたシャフト挿通用の開口１０ｅ周辺に配置されたパッキン１６と、パッキンを前面側において支持し、背面側においてシャフトを後退方向に付勢する戻しばね１１の当接を受けるパッキンホルダ１７とが備えられる。パッキン１６は、シャフトに摺接する摺接面１６ａと、摺接面の外側にケーシングの前端部内面の一部に当接する当接部１６ｃとが一体に形成され、戻しばねによるパッキンホルダ１７の前進作用を受けて、パッキンの当接部１６ｃが、ケーシング１０の前端部内面に当接される。【選択図】図１

Description

この発明は、例えばエンジンに取り付けられ、エンジン側の温度変化に伴うワックスの膨張、収縮により駆動用のシャフトを進退させるアクチュエータのシール構造に関する。

エレメントケースに収容されたワックスが温度変化によって膨張、収縮することにより、駆動用シャフトが進退するサーモアクチュエータが知られている。また従来からこのサーモアクチュエータを、エンジンのラジエータ用シャッタ（遮蔽板）の駆動源として利用することが提案されている。

例えば、特許文献１には、本出願人が提案したサーモアクチュエータが開示されている。このサーモアクチュエータを図６に示すと共に、この図６に基づいて従来のサーモアクチュエータとその利用例について説明する。
図６に示すように、サーモアクチュエータ１は、ワックス２が収納されたエレメントケース３と、このエレメントケース３を後端側に支持すると共に、前端側においてリテーナ４を進退可能に保持する支持部５とを備える。前記エレメントケース３と支持部５とはカシメ加工により連結されてサーモエレメント６を構成し、このサーモエレメント６において温度変化がリフト量（リテーナ４の移動量）に変換される。
なお、前記サーモエレメント６を構成するエレメントケース３、支持部５は、例えば真鍮により形成されている。

前記リテーナ４は、前記支持部５に一体的に形成された略円筒状のガイド部７の周りを囲っており、前記ガイド部７内には、円柱状のピストン８が前後方向（軸方向）に移動可能に保持されている。
そして、前記ワックス２が温度変化によって膨張、収縮することにより、ダイヤフラム９が変形する。更に、前記ダイヤフラム９の変形に応じて前記ピストン８が前記ガイド部７に対して前後移動することにより、リテーナ４を進退させるように構成されている。

そして、リテーナ４と同軸上にリテーナ４の先端側から突出するシャフト１２が備えられ、前記シャフト１２は、その先端が複数の遮蔽板２１を備えた開閉機構２０に接続されている。これにより、シャフト１２はリテーナ４の進退移動に同期して軸方向に進退移動し、前記複数の遮蔽板２１を連動して回動（開閉）させるように動作する。

リテーナ４および支持部５の周囲には、それらを囲うようにして筒状のケーシング１０が設けられ、リテーナ４とケーシング１０との間の隙間空間には、軸方向に伸縮可能な戻しばね１１が配置されている。
前記戻しばね１１の前端部はケーシング１０の内側前端部に着座し、後端部はリテーナ４の基端部において周方向に突出した鍔部４ａに当接されており、これによって戻しばね１１は、リテーナ４およびシャフト１２を後退方向に付勢している。

すなわち、戻しばね１１によりリテーナ４は、常に後退方向に付勢されるが、サーモエレメント６に対し、前記リテーナ４が前進する際には、戻しばね１１を縮めるように作用する。なおケーシング１０の前端側の開口１０ｅには、リング状のパッキン１３が設けられており、リテーナ４の進退動作に拘わらず前記パッキン１３によって、ケーシング１０内をシールしている。

また、ケーシング１０は、前記したようにリテーナ４およびサーモエレメント６の周囲を覆うケーシング本体１０ａと、ケーシング本体１０ａの基端部から外側に拡がるフランジ１０ｂとを有している。前記フランジ１０ｂには、ねじ留めの際に利用する貫通孔１０ｃが設けられている。
また、前記ケーシング本体１０ａには、その基端部側の開口１０ｄから、支持部５が圧入されて連結されており、前記フランジ１０ｂに、支持部５の周面から外周方向に全周に亘って突出する鍔部５ａの一面側（前面側）が当接した状態になされている。

前記したサーモアクチュエータ１をエンジンに取り付けるには、まず、エレメントケース３およびこれを支持する支持部５の後部を、エンジンに形成された収納孔（図示せず）に挿入する。また、ケーシング１０のフランジ１０ｂによって、支持部５の鍔部５ａをエンジン側に押さえ付けた状態で、貫通孔１０ｃに挿通された図示せぬねじを利用してケーシング１０をエンジンに固定する。
このようにサーモアクチュエータ１をエンジンに取り付けることにより、エンジン側の温度変化に伴うワックス２の膨張、収縮によりシャフト１２を進退させることができ、これにより通風制御のための遮蔽板２１の開閉動作を実現することができる。

ところで、特許文献１に開示された図６に示すサーモアクチュエータ１においては、ケーシング１０の前端部側の開口１０ｅに沿って、パッキン１３が取り付けられており、このパッキン１３によって軸方向に移動するリテーナ４との間でシールを果たし、ケーシング外からの例えばダストもしくは雨水等がサーモアクチュエータ１内に侵入するのを阻止するように構成されている。

図７は前記したパッキン１３が施されたケーシング１０の前端部側の開口１０ｅ付近におけるサーモアクチュエータ１の具体的な構成を、その一部を破断して示した斜視図であり、図６に示した各部に相当する部分を同一符号で示している。
なお、図７に示す例においては、図６に示したリテーナ４がその先端部に取り付けられたシャフト１２と一体に成型されており、図６に示したリテーナ４に相当する部分がシャフト１２の大径部１２ａを構成している。そして、大径部１２ａには軸芯に沿って中空部１２ｂが形成されて、この中空部１２ｂ内にガイド部７が収容され、ガイド部７から突出するピストン８の先端部が、中空部１２ｂ内においてシャフト１２に嵌合されて取り付けられている。

図７に示したように、ケーシング１０の前端部の開口（シャフト挿通用の開口）１０ｅに沿って、リング状のパッキン１３を施すには、例えば図８に示したように第１金型Ａと第２金型（コア部材）Ｂとを用いた射出成型が利用される。
すなわち、第１金型Ａと第２金型Ｂの間にケーシング本体１０ａを装着し、その前端部側の開口１０ｅに沿って形成された第１金型Ａと第２金型Ｂとの空間部に、白抜きの矢印で示すように、パッキン１３として機能するゴム素材を注入し射出成型する。
続いて、第１金型Ａと第２金型Ｂとを含むゴム素材（パッキンと同一の符号１３で示す。）に熱を加えて化学反応（加硫）を起こすことで、ケーシング本体１０ａの開口１０ｅに沿って、パッキン１３を形成することができる。

前記したように第１と第２の金型Ａ，Ｂを用いてケーシング本体１０ａにパッキン１３を形成する場合には、ケーシング本体１０ａの板厚の不均一、或いはケーシング本体１０ａの部分的な変形などの影響を受けて、パッキン１３の成形にばらつきが生じ易いという問題がある。しかも金型を用いることによる射出成型は、生産性を上げることができず、生産コストも上昇するという問題も抱えることになる。

そこで、リング状のパッキンの単体を別工程において成形し、リング状のパッキンホルダによって前記パッキンを保持した構成を採用することが考えられる。これには断面がＵ字状に成形されたパッキンを好適に利用することができる。
図９はその参考例として、断面がＵ字状のパッキン３２を中央にした拡大断面図で示している。この図９に示す例においても、図７に示した例と同様にシャフトの大径部１２ａに沿ってパッキン３２を配置した構成を示している。

加えて戻しばね１１の拡開圧力を受けるリング状のパッキンホルダ３１が備えられ、パッキンホルダ３１とシャフトの大径部１２ａとの間に形成された環状の空間部に、断面がＵ字状になされたリング状のパッキン３２が配置される。
このように断面がＵ字状になされたパッキン３２を用いて、ケーシング１０とシャフトの大径部１２ａとの間をシールする構成は、例えば特許文献２に開示されている。

特開２０１５−１０５６４５号公報 特開２０１０−２４９１４４号公報

ところで図９に示した参考例の構成によると、断面がＵ字状に形成されたパッキン３２の一方の脚部が、軸方向に相対移動するシャフトの大径部１２ａに接して摺動するので、これによりシャフトに対するシールを確保することができる。
しかし、図９に示した構成においては、パッキンホルダ３１の外側面とケーシング本体１０ａの内側面との間のシールが不完全になるために、両者間に符号３３で示す例えばＯリングを装着する等の別の対処が必要となる。したがって、図９に示した構成においても、断面がＵ字状のパッキン３２とＯリング３３を備えることから、部品点数と組み立て工数の増加は免れず、図７に示した例と同様に、コストアップの問題を解消することができない。

したがって、この発明が解決しようとする課題は、単体のパッキンによって、シャフトとの間およびケーシングとの間の２か所において良好なシール性を確保することができると共に、組み立て工数等を含む生産性に優れ、十分な製品コストの低減を果たすことができるアクチュエータのシール構造を提供することにある。

前記した課題を解決するためになされた、この発明に係るアクチュエータのシール構造は、アクチュエータの軸方向に移動するシャフトと、前記シャフトを前記軸方向に沿って覆うケーシングと、前記シャフトと前記ケーシングとの間の空間部に配置され、ケーシングの前端部に形成されたシャフト挿通用の開口周辺に配置されたパッキンと、前記パッキンを前面側において支持し、背面側において前記シャフトを後退方向に付勢する戻しばねの当接を受けるパッキンホルダとが備えられ、前記パッキンには、内周側に前記シャフトに摺接する摺接面と、前記摺接面の外周側に前記ケーシングの前端部内面の一部に当接する当接部とが一体に形成され、前記戻しばねによる前記パッキンホルダの前進作用を受けて、前記パッキンの前記当接部が、前記ケーシングの前端部内面に当接されることを特徴とする。

すなわち、前記したアクチュエータのシール構造によると、ケーシングの前端部に形成されたシャフト挿通用の開口周辺に配置されたパッキンには、軸方向に移動するシャフトに摺接する摺接面と、この摺接面の外側にケーシングの前端部内面の一部に当接する当接部とが一体に形成される。そして、戻しばねによるパッキンホルダの前進作用を受けて、前記パッキンに形成された当接部が、前記ケーシングの前端部内面に当接するように構成される。

この場合、一つの好ましい形態においては、前記パッキンは、周方向に直交する断面形状が内周側においてＵ字状に形成され、Ｕ字状の内側の脚部が前記シャフトに摺接する摺接面であり、前記Ｕ字状の外側の脚部に連続して前記ケーシングとの当接部が円板状に形成され、前記当接部の前面または背面の少なくとも一方に、アクチュエータ軸方向に突出する突起部が前記パッキンと一体に成形された構成が採用される。

また、前記パッキンの背面において、前記Ｕ字状の外側の脚部と前記ケーシングとの当接部との連結部分に周に沿って凹部が形成され、前記パッキンホルダは、前記パッキンに形成された凹部に嵌入する突出部が前面側に形成されていることが望ましい。

さらに、前記シャフトの素材は、前記パッキンホルダの素材より硬度が高い素材を用いることが望ましい。

前記したこの発明に係るアクチュエータのシール構造によると、単体のパッキンによって、アクチュエータの軸方向に移動するシャフトとの間およびケーシングとの間の２か所において良好なシール性を確保することができる。
したがって、組み立て工数等を含む生産性に優れ、十分な製品コストの低減を果たすことができるアクチュエータのシール構造を提供することができる。

この発明に係るシール構造を採用したアクチュエータについて、その一部を破断して示した斜視図である。 パッキンとパッキンホルダの外観構成を示した斜視図である。 パッキンを周方向に直交する面で切断した状態の拡大断面図である。 パッキンホルダを周方向に直交する面で切断した状態の拡大断面図である。 図１に示したアクチュエータにおけるケーシングの前端部付近における拡大断面図である。 従来（特許文献１）のサーモアクチュエータの例を示した断面図である。 ケーシングの開口にパッキンを射出成型した従来例について一部を破断して示した斜視図である。 図７に示すケーシングの開口にパッキンを射出成型する状態を、金型を含めて説明する断面図である。 参考例であるシール構造のケーシングの前端部付近における拡大断面図である。

以下、この発明に係る実施形態のアクチュエータのシール構造について、エンジンの冷却液温度によって動作するサーモエレメントを用いた図１〜図５に示すサーモアクチュエータを例にして説明する。
なお、以下の説明に用いる図１〜図５においては、同一部分を同一符号で示しているが、紙面の都合により一部の図面については代表的な部分に符号を付け、その詳細な構成はその他の図面に付けた符号を引用して説明する場合もある。

図１に示すサーモアクチュエータ１の形態は、図６に示したリテーナ４に相当する部分がシャフト１２と一体に成形されて、シャフトの大径部１２ａを構成している。すなわち、図７に示した例と同様の構成が採用されている。そして、大径部１２ａの軸芯部分には中空部１２ｂが形成されて、この中空部１２ｂ内にガイド部７が収容され、ガイド部７から突出するピストン８の先端部が、中空部１２ｂ内においてシャフト１２に嵌合されて同軸状に取り付けられている。

また、前記大径部１２ａの基端部には鍔部１２ｃが形成されて、戻しばね１１の後端部が鍔部１２ｃに当接し、シャフト１２を後退方向に付勢している。また、戻しばね１１の前端部は、パッキンホルダ１７を介して、パッキン１６に対してケーシング１０の前端部側に向かって押し出す付勢力を与えている。

そして、図１に示すようにエレメントケース３を含むサーモエレメント６の周囲には、Ｏリング１５が取り付けられて、サーモアクチュエータ１が取り付けられるエンジン（図示せず）側からの冷却液の液漏れが防止できるように構成している。
図１に示したサーモアクチュエータ１のその他の基本構成は、図６に示した構成と同様であり、したがって、相当する各部に図６と同一の符号を付けて、各部の重複する説明は省略する。

前記したパッキン１６は、図２に示すようにゴム素材によりリング状に形成され、このパッキン１６の背面側に、このパッキン１６を支持する同じくリング状に形成されたパッキンホルダ１７が重なるようにして配置される。
前記パッキン１６およびパッキンホルダ１７は、図１に示すようにシャフト１２の大径部１２ａとケーシング１０の間の空間部に配置されている。そして、前記パッキン１６は、ケーシング１０の前端部に形成されたシャフト挿通用の開口１０ｅの直下に配置されている。

また、リング状のパッキン１６は、図３に拡大断面図で示したように、周方向に直交する断面形状が内周側においてＵ字状に形成され、Ｕ字状の内側の脚部１６ａが前記シャフトに摺接する摺接面を構成している。すなわち、パッキン１６は後で説明する図５に示すように、Ｕ字状の内側の脚部１６ａがシャフト１２の大径部１２ａに接して、その内径が拡開する方向に変形することで、シャフト１２の大径部１２ａとの間で効果的にシールがなされるように作用する。

また、図３に示すように前記パッキン１６のＵ字状に形成された外側の脚部１６ｂに連続して、前記したケーシング１０への当接部１６ｃが円板状に形成されている。
そして、円板状の当接部１６ｃの前面および背面には、断面が円弧状の突起部１６ｄ，１６ｅが前記パッキン１６と一体に成形されている。
なお、この実施の形態においては前記した突起部１６ｄ，１６ｅは、円板状の当接部１６ｃの周方向に沿ってそれぞれ連続してリング状に形成されている。
また、前記したパッキン１６の外側脚部１６ｂと、前記した当接部１６ｃとの連結部分におけるパッキンホルダ１７側に面した背面側には、周に沿って凹部１６ｆが形成されている。

図４は前記したリング状のパッキンホルダ１７を、周方向に直交する面で切断した拡大断面図で示しており、このパッキンホルダ１７には、その前面（上面）側の内周面に沿って、前記パッキン１６のＵ字状に形成された内周部を収容する収容部１７ａが形成されている。
そして、収容部１７ａの外側には段状に突出した圧接部１７ｂがリング状に形成されると共に、前記収容部１７ａと圧接部１７ｂとの間には、圧接部１７ｂの内側に沿って圧接部１７ｂよりもさらに前方に若干突出する突出部１７ｃがリング状に形成されている。
また、パッキンホルダ１７の背面側には、その外周に沿って平坦状のばね受け部１７ｄがリング状に形成されており、前記したとおり、このばね受け部１７ｄに戻しばね１１の前端部が当接される。

図５は、前記したパッキン１６およびパッキンホルダ１７をケーシング１０内の前端部に組み付けた状態を拡大して示している。すなわち、パッキンホルダ１７は、前記パッキン１６を前面側において支持すると共に、背面側において前記シャフト１２を後退方向に付勢する戻しばね１１の当接を受ける。
そして、パッキンホルダ１７の前記した圧接部１７ｂは、戻しばね１１の付勢力を受けて、パッキン１６の当接部１６ｃに圧接し、当接部１６ｃの前面をケーシング１０の前端部内壁面に密着させるように作用する。

この時、パッキンの当接部１６ｃに形成された前面側および背面側の各突起部１６ｄ，１６ｅは、図５に破線で示すように当接部１６ｃから突出した状態から、パッキンホルダ１７の圧接力を受けて、平坦状になされる。これにより、当接部１６ｃとケーシング１０との間のシール作用をより効果的に向上させることに寄与するものとなる。
したがって、この実施の形態によると、リング状に形成された単体のパッキン１６によって、シャフト１２（シャフトの大径部１２ａ）との間およびケーシング１０との間の２か所において良好なシール性を確保することができる。

一方、例えばエンジンからの熱を受け受けることによるサーモエレメント６の作用により、シャフト１２（大径部１２ａ）が前進すると、図５に示すようにパッキンホルダ１７の背面１７ｄが戻しばね１１から受ける拡開圧力も増加することになり、この拡開圧力は、パッキン１６の円板状の当接部１６ｃに加わる。その結果、当接部１６ｃの軸方向に圧縮されるゴム肉部が、軸直角方向に膨張する。

このとき、パッキンホルダ１７に形成されているリング状の突出部１７ｃがパッキン１６の背面側の凹部１６ｆに入り込んでいるため、パッキン１６の内周側に形成されているＵ字状部分に対する、上記パッキン１６の当接部１６ｃの弾性変形挙動の影響を効果的に阻止することができる。これにより、パッキン１６のＵ字状内側脚部１６ａによるシャフトの大径部１２ａへの摺動圧の変動を、一定の範囲内に収めることができ、軸方向に移動するシャフト１２に対するシール圧の安定性を確保することができる。

また、図５に示されているように、リング状に形成されたパッキンホルダ１７は、シャフトの大径部１２ａを軸として相対移動し、一部が大径部１２ａに沿って摺動するように作用する。
実施例では、シャフト１２（大径部１２ａ）を構成する素材としてポリフェニレン・サルファイドにカーボンファイバーおよびフィラーを充填した複合材料が用いられ、好ましくはＰＰＳ−（ＣＦ＋ＭＨ）５０であり、そのロックウェル硬さは、おおよそＨＲＭ１０５である。
また、パッキンホルダ１７を構成する素材として、ポリフェニレン・サルファイドにテフロン（登録商標）およびフィラーを充填した複合材料が用いられ、好ましくはＰＰＳ−ＰＴＦＥ−ＭＨ３０であり、そのロックウェル硬さは、おおよそＨＲＭ７５である。

すなわち、この実施の形態においては、パッキンホルダ１７に対して、シャフト１２の硬度がより高い素材が用いられている。これにより、互いに摺接するシャフト１２とパッキンホルダ１７のうち、シャフト１２側の摩耗の度合いを少なくすることができる。
これにより、常にシャフト１２に摺接するパッキン１６によるシール性について、その経時変化を軽減させることができるサーモアクチュエータを提供できる。

また、以上説明した実施の形態においては、パッキン１６に備えられた円板状の当接部１６ｃには、その前面および背面にそれぞれ断面が円弧状の突起部１６ｄ，１６ｅが周方向に沿ってリング状に形成されている。他の実施例として、パッキンの当接部１６ｃに形成された前面側および背面側の各突起部１６ｄ，１６ｅについて、シャフト１２（シャフトの大径部１２ａ）との間およびケーシング１０との間の２か所において良好なシール性を確保することができれば、突起部１６ｄのみを設ける構成または突起部１６ｅのみを設ける構成であってもよく、さらに突起部１６ｄ，１６ｅはなくてもよい。

以上説明した実施の形態は、サーモエレメントにより駆動されるサーモアクチュエータを例にしているが、この発明に係るシール構造は、サーモアクチュエータに限らず、その他のアクチュエータに採用することで、同様の作用効果を得ることができる。

１ サーモアクチュエータ
２ ワックス
３ エレメントケース
４ リテーナ
５ 支持部
５ａ 鍔部
６ サーモエレメント
７ ガイド部
８ ピストン
９ ダイヤフラム
１０ ケーシング
１０ａ ケーシング本体
１０ｂ フランジ
１０ｃ 貫通孔
１０ｄ 基端部開口
１０ｅ 前端部開口
１１ 戻しばね
１２ シャフト
１２ａ 大径部
１２ｂ 中空部
１２ｃ、４ａ 鍔部
１５ Ｏリング
１３、１６ パッキン
１６ａ 内側脚部
１６ｂ 外側脚部
１６ｃ 当接部
１６ｄ 前面側突起部
１６ｅ 背面側突起部
１６ｆ 凹部
１７ パッキンホルダ
１７ａ 収容部
１７ｂ 圧接部
１７ｃ 突出部
１７ｄ ばね受け部

Claims (4)

1. アクチュエータの軸方向に移動するシャフトと、
   前記シャフトを前記軸方向に沿って覆うケーシングと、
   前記シャフトと前記ケーシングとの間の空間部に配置され、ケーシングの前端部に形成されたシャフト挿通用の開口周辺に配置されたパッキンと、
   前記パッキンを前面側において支持し、背面側において前記シャフトを後退方向に付勢する戻しばねの当接を受けるパッキンホルダとが備えられ、
   前記パッキンには、内周側に前記シャフトに摺接する摺接面と、前記摺接面の外周側に前記ケーシングの前端部内面の一部に当接する当接部とが一体に形成され、前記戻しばねによる前記パッキンホルダの前進作用を受けて、前記パッキンの前記当接部が、前記ケーシングの前端部内面に当接されることを特徴とするアクチュエータのシール構造。
2. 前記パッキンは、周方向に直交する断面形状が内周側においてＵ字状に形成され、Ｕ字状の内側の脚部が前記シャフトに摺接する摺接面であり、前記Ｕ字状の外側の脚部に連続して前記ケーシングとの当接部が円板状に形成され、
   前記当接部の前面または背面の少なくとも一方に、アクチュエータ軸方向に突出する突起部が前記パッキンと一体に成形されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータのシール構造。
3. 前記パッキンの背面において、前記Ｕ字状の外側の脚部と前記ケーシングとの当接部との連結部分に周に沿って凹部が形成され、前記パッキンホルダは、前記パッキンに形成された凹部に嵌入する突出部が前面側に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータのシール構造。
4. 前記シャフトの素材は、前記パッキンホルダの素材より硬度が高いことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータのシール構造。

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