JP2019152233A - 流体圧シリンダにおけるシール構造及びその流体圧シリンダ - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンのよりスムーズな動作を実現することができ、しかもパッキンの長寿命化を図ることが可能な、流体圧シリンダにおけるピストンとシリンダ孔との間のシール構造及びその流体圧シリンダを提供する。【解決手段】外周面の軸Ｌ方向の両端部に一対のシール部２３（２３ａ），２４（２４ａ）を有するパッキン２０を、ピストン４の摺動面４ｃの凹溝１２内に装着した状態において、その外径がシリンダ孔３の被摺動面３ｃの径よりも小さくなるように形成し、ピストンによって仕切られたシリンダ孔の一対の室３ａ，３ｂの何れかに圧縮流体が供給されている状態においては、パッキンの高圧室側の側端部が、圧縮流体の圧力よる弾性変形によって径方向Ｙに伸長し、それにより、高圧室側のシール部が、シリンダ孔の被摺動面との間に形成された空隙δを狭窄するか又は被摺動面に当接するように構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダ孔にピストンが摺動自在に収容された流体圧シリンダにおける、該ピストンの外周面から成る摺動面と、該シリンダ孔の内周面から成る被摺動面との間のシール構造、及びその流体圧シリンダに関するものである。

圧縮空気等の圧縮流体の圧力を利用してシリンダ孔内でピストンを摺動させる流体圧シリンダは、例えば特許文献１等に開示されているように従来から広く知られており、このような流体圧シリンダにおいては、ピストンによってシリンダ孔が一対の室に仕切られている。このとき、上記ピストンの軸周りの外周面から成る摺動面には、ゴム弾性材から成るシール部材すなわち環状パッキンが装着されていて、それにより、該摺動面と、上記シリンダ孔の軸周りの内周面から成る被摺動面との間を通じて、これら一対の室間で圧縮流体の漏れが生じるのを防止している。
ところで、特許文献１等に開示された従来の流体圧シリンダにおいては、上記ピストンの摺動面と上記シリンダ孔の被摺動面との間のシール性を確保するために、ピストンの摺動面に装着されたパッキンの外径は、上記シリンダ孔の被摺動面の内径よりも大きく形成されている。すなわち、ピストンの動作時であるか否かにかかわらず、上記パッキンは弾性変形した状態で該被摺動面に常時圧接されている。

しかしながら、上記パッキンは、シリンダ孔の被摺動面に圧接されて停止した状態が長期間維持されると、永久変形したり被摺動面に固着したりしてしまうことが懸念される。その一方で、ピストンが動作している時には、該パッキンは上記被摺動面の状態（被摺動面の粗さや潤滑膜の状態等）の影響を直接的に受けるため、被摺動面との摺動摩擦や潤滑膜の不均一性等により、パッキンの摺動摩耗や捩れが生じてその損傷や劣化を招いたり、又はピストンの動作に悪影響（動作効率の低下やコギング動作等）が及ぼされる虞がある。

特開２０１１−０２７１２７号公報

そこで、本発明の技術的課題は、ピストンのよりスムーズな動作を実現することができ、しかもパッキンの長寿命化を図ることが可能な、流体圧シリンダにおけるピストンとシリンダ孔との間のシール構造、及びそのようなシール構造を備えた流体圧シリンダを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、流体圧シリンダにおけるピストンと該ピストンが軸方向に摺動自在に収容されたシリンダ孔との間のシール構造であって、上記シリンダ孔における上記ピストンを挟んだ軸方向の両側には第１室及び第２室が形成されており、上記ピストンの軸周りの外周面により摺動面が形成されていて、上記シリンダ孔の軸周りの内周面により該ピストンがその摺動面を対峙させて摺動する被摺動面が形成されており、上記ピストンの摺動面には、軸周りに周設されて径方向に開口する凹溝が形成されていて、該凹溝にはゴム弾性材から成るパッキンの内周側の基端部が収容されると共に、該パッキンの外周側の先端部が上記摺動面から突出しており、上記パッキンの先端部における軸方向の第１室側の側端部には第１シール部が、第２室側の側端部には第２シール部が、該軸周りに周設されており、上記凹溝に収容されたパッキンにおける上記第１シール部及び第２シール部の外径は、上記シリンダ孔の被摺動面の径よりも小さく形成されており、圧縮流体が第１室及び第２室のうちの何れか一方に供給されている状態において、上記パッキンにおける該流体が供給されている室側の側端部が、該流体の圧力よる弾性変形によって径方向に伸長し、それにより、上記第１シール部及び第２シール部のうち該流体が供給されている室側のシール部が、上記シリンダ孔の被摺動面との間に形成された空隙を狭窄するか又は該被摺動面に当接するように構成されていることを特徴とするものである。

ここで、上記シール構造において、好ましくは、上記パッキン及び凹溝が、軸に沿う横断面において、上記径方向に関して左右対称を成しており、上記径方向において、上記摺動面から上記凹溝における上記パッキンの基端が当接する底壁面までの深さが、該パッキンの基端から先端までの高さの１／２以上に形成されている。また、より好ましくは、上記凹溝は、上記底壁面における軸方向の両端から径方向に立ち上がって互いに対向する一対の側壁面を有しており、これら底壁面と一対の側壁面とが、９０度又はそれよりも小さい角度を成している。そして、さらに好ましくは、軸方向において、上記パッキンにおける上記凹溝に収容された基端部の最大幅が、該凹溝における一対の側壁面間の最小幅よりも小さく形成されている。このとき、上記パッキンの基端が、上記凹溝の底壁面に接着により固定されていても良い。

また、上記シール構造において、好ましくは、上記パッキンは、その軸方向両端に、互いに平行を成して背向する一対の側端面を有していて、該軸に沿う横断面において、該軸方向に左右対称を成しており、上記パッキンの先端部には、上記被摺動面と対向する先端面が形成されており、上記先端面における軸方向の第１室側の側端部に上記第１シール部が形成されていて、該先端面における軸方向の第２室側の側端部に上記第２シール部が形成されている。ここで、より好ましくは、上記第１シール部が、上記先端面から上記被摺動面に向けて突設された第１突条によって形成され、上記第２シール部が、該先端面から上記被摺動面に向けて突設された第２突条によって形成されている。さらに好ましくは、上記被摺動面から第１突条及び第２突条の先端までの距離が、互いに等しく形成されており、そして、上記パッキンの先端面が上記被摺動面と平行を成していて、上記先端面から上記第１突条及び第２突条の先端までの高さが、互いに等しく形成されており、上記第１突条と第２突条が、軸方向において、互いに離間して配置されている。

このとき、上記第１突条及び第２突条が、上記先端面から上記先端に向けて徐々に軸方向の幅が狭くなる楔形状に形成されていても良いし、上記パッキンの先端面における上記第１突条と第２突条との間には、ラビリンスシールを形成するラビリンス突起が設けられていても良い。
また、上記パッキンの一対の側端面には、上記凹溝の開口に連通された環状のくびれ溝がそれぞれ周設されていても良いが、このとき、より好ましくは、上記くびれ溝が凹曲面によって形成されている。

なお、上記シール構造において、好ましくは、上記流体圧シリンダは、シリンダ孔に接続された給気ポートを有していて、上記給気ポートの音速コンダクタンスをＣ１、上記パッキンと被摺動面との間の空隙によって上記摺動面と被摺動面との間に形成される漏れ流路の音速コンダクタンスをＣ２としたとき、これら音速コンダクタンスの比Ｃ１／Ｃ２が常に２．０以上である。
また、好ましくは、上記ピストンの摺動面には、ウェアリングが軸方向における上記パッキンと隣接する位置に周設されていて、該ウェアリングの外径が、圧縮流体が上記第１室及び第２室の何れにも供給されていない状態におけるパッキンの外径よりも大きく形成されている。
さらに、本発明によれば、上記シール構造を備えた流体圧シリンダを提供することができる。

以上のように、本発明においては、上記第１シール部及び第２シール部を有するパッキンの外径は、上記凹溝に収容された状態において、上記シリンダ孔の内径よりも小さく形成されている。しかしながら、圧縮流体が第１室及び第２室のうちの何れか一方に供給されている状態においては、上記パッキンにおける該圧縮流体が供給されている室側すなわち高圧室側の側端部が、該圧縮流体の圧力よる弾性変形によって径方向に伸長し、それにより、上記第１シール部及び第２シール部のうち上記高圧室側のシール部が、上記シリンダ孔の被摺動面との間に形成された空隙を狭窄するか又は上記被摺動面に当接するように構成されている。

そのため、上記第１及び第２室の何れにも圧縮流体が供給されていない状態等、ピストンがシリンダ孔内で停止した状態が長期間維持されていたとしても、そのとき、パッキンの各シール部はシリンダ孔の被摺動面とは非接触状態にあるため、ゴム弾性材から成るパッキンが、永久変形したりシリンダ孔の被摺動面に固着したりして劣化するのを防止することができる。その一方で、上記第１及び第２室うちの何れか一方に圧縮流体が供給されている状態においては、パッキンと被摺動面との間に生じる摺動摩擦を可及的に抑制することができる。その結果、上記被摺動面の状態（被摺動面の粗さや潤滑膜の状態等）がピストンの動作に及ぼす悪影響（動作効率の低下やコギング動作等）や、パッキンに及ぼす悪影響（摺動摩耗や捩れによる損傷や劣化等）を可及的に抑制することができる。したがって、ピストンのよりスムーズな動作を実現することができ、しかもパッキンの長寿命化を図ることが可能となる。

本発明に係る流体圧シリンダの一実施形態を示す、軸に沿った概略的な断面図である。 図１におけるＡ部の拡大図であって、本発明に係るシール構造の第１実施形態を示す概略的な断面図である。（ａ）は圧縮流体の圧力がピストンに作用していないピストンの非動作状態を示しており、（ｂ）は圧縮流体の圧力がピストンに作用しているピストンの動作状態を示している。 同じく本発明に係るシール構造の第２実施形態を示す概略的な断面図である。（ａ）は圧縮流体の圧力がピストンに作用していないピストンの非動作状態を示しており、（ｂ）は圧縮流体の圧力がピストンに作用しているピストンの動作状態を示している。 同じく本発明に係るシール構造の第３実施形態を示す概略的な断面図である。（ａ）は圧縮流体の圧力がピストンに作用していないピストンの非動作状態を示しており、（ｂ）は圧縮流体の圧力がピストンに作用しているピストンの動作状態を示している。 図３の第２実施形態に係るシール構造の変形例を示す概略的な断面図である。 図７の解析をするにあたって用いた流体圧シリンダのモデル図である。 圧縮流体の供給圧力Ｐｓ及び降下圧力ΔＰ２とコンダクタンス比Ｃ１／Ｃ２との関係を示すグラフである。

図１に示すように、本発明に係るシール構造を備えた流体圧シリンダ１は、軸Ｌ方向に延びるシリンダ孔３が内部に形成されたボディ２と、そのシリンダ孔３内に軸Ｌ方向に摺動自在に収容されたピストン４とを有している。上記シリンダ孔３は、内周面３ｃによって規定されていて、上記ピストン４によりロッド側の第１室３ａとヘッド側の第２室３ｂとに仕切られている。

また、上記ピストン４には、軸Ｌに沿って上記第１室３ａ側に延びるロッド５が固定され、上記シリンダ孔３の上記第１室３ａ側端部に位置する開口部には、ロッドカバー６が気密に嵌合され固定されている。このロッドカバー６には、上記ロッド５を貫通させて支持するための軸受孔６ａが軸Ｌに沿って貫設されていて、該軸受孔６ａに対して上記ロッド５が軸Ｌ方向に気密かつ摺動自在に挿通されている。一方、上記シリンダ孔３の上記第２室３ｂ側端部は、ボディ２と一体に成型されたエンドプレート２ａによって気密に閉塞されている。

上記ボディ２には、外部の圧力源又は大気に切換弁を介して選択的に接続することにより、上記シリンダ孔３内に例えば圧縮空気等の圧縮流体を供給したり、該シリンダ孔３内から圧縮流体を排気したりして、上記ピストン４を動作させるための給排気ポートが開設されている。本実施形態では、この給排気ポートとして第１ポート７と第２ポート８とが設けられている。そして、上記第１ポート７は流路断面積が絞られた第１流路７ａ有して第１室３ａに接続され、上記第２ポート８は流路断面積が絞られた第２流路８ａを有して第２室３ｂに接続されている。

このとき、軸Ｌ方向における上記ロッドカバー６の第１室３ａ側には、該ロッドカバー６の外周面と上記シリンダ孔３の内周面との間の空隙によって形成された環状流路９が設けられている。そして、この環状流路９は上記第１室３ａに連通されていて、該環状流路９に上記第１ポート７の第１流路７ａが接続されている。その一方で、上記第２ポート８の第２流路８ａは、上記シリンダ孔３における上記エンドプレート２ａの近傍に接続されている。

上記シリンダ孔３及びピストン４は、軸Ｌと直交する横断面において互いに同形で、円形、楕円形又はトラック形状を成している。図２−図５に示すように、上記シリンダ孔３は、軸Ｌを中心とした半径Ｒｃの内周面から成る被摺動面３ｃによって規定されており、その一方で、上記ピストン４は、上記第１室３ａを規定して上記ロッド５が設けられた第１面４ａと、上記第２室３ｂを規定する第２面４ｂと、軸Ｌを中心とした半径Ｒｓの外周面から成る摺動面４ｃとを有している。このとき、上記摺動面４ｃの半径Ｒｓは上記シリンダ孔３の被摺動面３ｃの半径（すなわちシリンダ孔３の内半径）Ｒｃよりも少し小さく形成されおり、そのため、これら被摺動面３ｃと摺動面４ｃとは空隙を間に介在させた状態で対峙している（本願においては、便宜上、軸Ｌ周りに環状に周設されたものについて、軸Ｌからの距離を一律に「半径」ということとする）。

上記ピストン４の摺動面４ｃには、上記シリンダ孔３の被摺動面３ｃとの間をシールする環状シール部材としてのパッキン２０が装着されている。そして、該摺動面４ｃの軸Ｌ方向における上記パッキン２０と隣接する位置には、該摺動面４ｃと被摺動面３ｃとの接触によるピストン４の焼付きやカジリを防止すると共に、該パッキン２０を保護するためのウェアリング１０が装着されている。
ここで、上記パッキン２０の材料としては、シール機能を発揮するゴム弾性材であれば特に限定されるものではないが、例えばニトリルゴムやフッ素ゴム等を用いることができる。上記ウェアリング１０の材料としては、軸受けとしての機能を発揮するものであれば特に限定されるものではないが、例えばフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）や布入りのフェノール樹脂等を用いることができる。

また、上記ピストン４の第２面４ｂ、及びロッドカバー６における上記第１室３ａを規定する内面には、上記ピストン４が軸Ｌ方向の第１室３ａ側及び第２室３ｂ側の終端に至った時に、衝突による衝撃を緩和するためのクッション部材１１ａ，１１ｂが設けられている。そして、上記ロッドカバー６の軸受孔６ａの内周面に周設された溝内には、第１室３ａ側に向けて開いたリップ形シール部材６ｂが装着されていて、上記ロッド５の外周面に摺接されている。

以下、シリンダ孔３の被摺動面３ｃとピストン４の摺動面４ｃとの間のシール構造について、図２−図５を用いてより具体的に説明する。
本発明の各実施形態に係るシール構造においては、上記ピストン４の摺動面４ｃに、径方向Ｙに開口する環状の第１凹溝１２が軸Ｌ周りに周設されていて、該第１凹溝１２に上記パッキン２０が装着されている。また、該摺動面４ｃの軸Ｌ方向における該第１凹溝１２よりも上記第２室３ｂ側の位置には、同様に径方向Ｙに開口する環状の第２凹溝１３が軸Ｌ周りに周設されていて、該第２凹溝１３に上記ウェアリング１０が装着されている。

上記第１凹溝１２は、軸Ｌ周りの環状に周設されると共に該軸Ｌに沿って平坦に延びた底壁面１２ａと、該底壁面１２ａの軸Ｌ方向の両端から直角を成して径方向Ｙ（軸Ｌと直交方向）に延びて互いに対向する、上記第１室３ａ側の第１側壁面１２ｂ及び上記第２室３ｂ側の第２側壁面１２ｃとから構成されている。すなわち、上記摺動面４ｃと、互いに平行な平面に形成された一対の側壁面１２ｂ，１２ｃとは、直角に交わっていて、それにより、上記第１凹溝１２の開口を形成している。そして、上記第１凹溝１２は、軸Ｌに沿った横断面において、径方向Ｙの中心軸に関して左右対称な矩形状に形成されている。

ここで、この第１凹溝１２の底壁面１２ａは、軸Ｌを中心とする半径Ｒｇに形成されており、そのため、上記摺動面４ｃから該底壁面１２ａまで距離Ｒｓ−Ｒｇが、該第１凹溝１２の深さＤｇに相当している。そして、該第１凹溝１２は、ピストン４の周方向全体に亘って均一な深さＤｇを有している。また、該第１凹溝１２の軸Ｌに沿った溝幅Ｗｇも、その開口から底壁面１２ａまでの深さ全体に亘って均一に形成されている。ただし、この第１凹溝１２は、上述の形態のものに限定されず、例えば上記一対の側壁面１２ｂ，１２ｃを、上記底壁面１２ａ及び摺動面４ｃと鋭角に交わらせて、溝幅Ｗｇが上記底壁面１２ａから開口に向けて徐々に狭くなるように形成されていても良い。

その一方で、上記パッキン２０は、第１凹溝１２に装着されていない未使用状態において、その内半径が上記第１凹溝１２の底壁面１２ａの半径Ｒｇよりも小さく形成されている。換言すると、パッキン２０の内周面（すなわち基端面）２０ａの周方向長さが、上記第１凹溝１２の底壁面１２ａの周方向長さよりも短く形成されている。そのため、図２−図５のように、パッキン２０を第１凹溝１２に装着した状態においては、ゴム弾性材から成るパッキン２０が周方向に伸長されて、その内周面２０ａが上記底壁面１２ａに弾性的に圧接されている。それにより、パッキン２０の内周面２０ａと第１凹溝１２の底壁面１２ａとの間のシール性を確保している。

以下においては、上記パッキン２０が上記第１凹溝１２内に装着された状態について説明することとする。
図２に示す第１実施形態のシール構造において、上記パッキン２０は、軸Ｌに沿った横断面において、実質上、径方向Ｙの中心軸に関して左右対称な中実の矩形状に形成されている。すなわち、このパッキン２０の外形は、該パッキン２０の内周面によって形成され、軸Ｌ周りに環状を成すと共に軸Ｌに沿って平坦に延びた上記基端面２０ａと、該パッキン２０の外周面によって形成され、軸Ｌ周りに環状を成すと共に軸に沿って平坦に延びた先端面２０ｄと、上記基端面２０ａ及び先端面２０ｄの軸Ｌ方向の一端同士を連結し、上記第１室３ａ側を向いて径方向Ｙに平面を成して延びる第１側端面２０ｂと、上記基端面２０ａ及び先端面２０ｄの軸Ｌ方向の他端同士を連結し、上記第２室３ｂ側を向いて径方向Ｙに平面を成して延びる第２側端面２０ｃとの四面によって形作られている。

このように、上記基端面２０ａは、その全面が上記底壁面１２ａに圧接されていると共に、上記先端面２０ｄと平行を成している。また、上記一対の側端面２０ｂ，２０ｃは、互いに平行を成して背向すると共に、上記基端面２０ａ及び先端面２０ｄと直角を成しており、そのうち第１側端面２０ｂは上記第１凹溝１２の第１側壁面１２ｂと対向し、第２側端面２０ｃは第２側壁面１２ｃと対向している。

そして、上記第１凹溝１２に装着されたパッキン２０の外半径（本第１実施形態では上記先端面２０ｄの外半径）をＲｐとしたとき、パッキン２０における上記底壁面１２ａに圧接された基端面２０ａから先端面２０ｄまで距離、すなわちパッキン２０の径方向Ｙの高さＨｐ（＝Ｒｐ−Ｒｇ）は、上記第１凹溝１２の深さＤｇ（＝Ｒｓ−Ｒｇ）よりも大きく形成されている。よって、上記パッキン２０における先端面２０ｄを含む高さＨｐ−Ｄｇの先端部２１が、上記摺動面４ｃから径方向Ｙに突出しており、基端面２０ａを含む高さＤｇの基端部２２が、上記第１凹溝１２内に収容されている。このとき、上記第１凹溝１２の深さＤｇがパッキン２０全体の高さのＨｐの１／２以上であると、パッキン２０が該凹溝１２から外れるのを防止することができて望ましい。

ところで、本第１実施形態のシール構造においては、上記パッキン２０が、径方向Ｙにおいて基端面２０ａから先端面２０ｄに至るまで、軸Ｌ方向に均一な幅Ｗｐを有していて、この幅Ｗｐは上記第１凹溝１２の幅Ｗｇよりも小さく形成されている。すなわち、本発明において、パッキン２０の径方向Ｙにおける最大幅Ｗｐｍａｘは、上記第１凹溝１２の径方向Ｙにおける最小幅Ｗｇｍｉｎよりも小さく形成されている。そのため、該パッキン２０は、シリンダ孔３の第１室３ａ及び第２室３ｂの流体圧によって、上記第１凹溝１２の第１側壁面１２ｂと第２側壁面１２ｃとの間を軸Ｌ方向に往復移動可能となっている。

また、上記パッキン２０の先端面２０ｄの半径Ｒｐは、上記シリンダ孔３の被摺動面３ｃの半径Ｒｃよりも僅かに小さく形成されており、上記先端面２０ｄは、環状の空隙δ（＝Ｒｃ−Ｒｐ）を介在させて、上記シリンダ孔３の被摺動面３ｃと実質的に平行を成して対峙している。このとき、上記パッキン２０の先端部２１における上記第１側端面２０ｂ側（第１室３ａ側）の端部が、軸Ｌ周りに環状の第１シール部２３を形成し、同じく上記第２側端面２０ｃ側（第２室３ｂ側）の端部が、軸Ｌ周りに環状の第２シール部２４を形成している。ここで、上記第１シール部２３は、上記先端面２０ｄと第１側端面２０ｂとが交わる直角の角部を含んでおり、上記第２シール部２４は、上記先端面２０ｄと第２側端面２０ｃとが交わる直角の角部を含んでいる。

このようにして形成された上記第１及び第２シール部２３，２４は、後述するように、それらが隣接するシリンダ孔３の各室３ａ，３ｂ内に選択的に圧縮流体が供給された際に、その流体圧によるパッキン２０の弾性変形により、上記被摺動面３ｃとの間の空隙δ（＝Ｒｃ−Ｒｐ）を狭窄するか、又は該被摺動面３ｃに当接するようになっている。そして、その結果、上記シリンダ孔３の被摺動面３ｃと上記ピストン４の摺動面４ｃとの間の必要なシール性を確保することができるようになっている。

さらに、上記ピストン４の摺動面４ｃにおける上記第１凹溝１２よりも第２側端面２０ｃ側には、上記ウェアリング１０を収容して該摺動面４ｃに取り付けるための環状の第２凹溝１３が周設されている。この第２凹溝１３に装着されたウェアリング１０は、上述のようなパッキン２０を保護する観点からすると、その外半径Ｒｗが、上記各室３ａ，３ｂの流体圧によって弾性変形していない状態における上記パッキン２０の外半径Ｒｐよりも大きく形成されていることが望ましい。なお、本願において、このウェアリング１０はシール性を有するものではない。

このような図２（ａ）に示すシール構造を有する図１の流体圧シリンダにおいて、まず、上記シリンダ孔３の第１室３ａに対し第１ポート７を通じて圧縮流体を供給して、該第１室３ａの圧力Ｐ１を昇圧させると、その第１室３ａの流体圧Ｐ１が上記パッキン２０の第１側端面２０ｂに作用して該パッキン２０を軸Ｌ方向に押圧する。そうすると、上記パッキン２０は第１凹溝１２内を第２側壁面１２ｃ側に向けて移動し、その第２側端面２０ｃが該第２側壁面１２ｃに当接することにより、該パッキン２０は第２側壁面１２ｃに押し付けられる。

また、それと同時に、上記パッキン２０には、上記流体圧Ｐ１により、上記第２側壁面１２ｃの開口縁を中心とした図中時計回りのモーメント力が作用し、上記パッキン２０における第１側端面２０ｂと第１シール部２３とを含んだ第１室３ａ側の側端部が、径方向Ｙに向けて（すなわち、シリンダ孔３の被摺動面３ｃに向けて）弾性的に伸長する。その結果、上記第１シール部２３（特に上記角部）が、上記被摺動面３ｃとの間に形成された空隙δ（＝Ｒｃ−Ｒｐ）を狭窄するか、又は該被摺動面３ｃに当接するようになっている。
以上のようにして、ピストン４の摺動面４ｃとシリンダ孔３の被摺動面３ｃとの間がシールされることで、該ピストン４が第１室３ａの流体圧Ｐ１によって第２室３ｂ側に向けて駆動される。なお、そのとき、上記シリンダ孔３の第２室３ｂは、第２ポート８を通じて大気に連通されている。

逆に、上記シリンダ孔３の第２室３ｂに対し第２ポート８を通じて圧縮流体を供給した場合には、その第２室３ｂの流体圧Ｐ２が上記パッキン２０の第２側端面２０ｃに作用するため、該パッキン２０は第１凹溝１２内を第１側壁面１２ｂ側に向けて移動し、該第１側壁面１２ｂに押し付けられる。また、それと同時に、上記パッキン２０には、上記流体圧Ｐ２により、上記第１側壁面１２ｂの開口縁を中心とした図中反時計回りのモーメント力が作用し、上記パッキン２０における第２側端面２０ｃと第２シール部２４とを含んだ第２室３ｂ側の側端部が、径方向Ｙに向けて（すなわち、シリンダ孔３の被摺動面３ｃに向けて）弾性的に伸長する。その結果、上記第２シール部２４（特に上記角部）が、上記被摺動面３ｃとの間に形成された空隙δ（＝Ｒｃ−Ｒｐ）を狭窄するか、又は該被摺動面３ｃに当接するようになっている。そうすることで、ピストン４が第２室３ｂの流体圧Ｐ２によって第１室３ａ側に向けて駆動される。なお、そのとき、上記シリンダ孔３の第１室３ａは、第１ポート７を通じて大気に連通されている。

このような流体圧シリンダ１のシール構造によれば、上記第１室３ａ及び第２室３ｂの何れにも圧縮流体が供給されていない状態等、ピストン４がシリンダ孔３内で停止した状態が長期間維持されていたとしても、そのとき、パッキン２０の各シール部２３，２４はシリンダ孔３の被摺動面３ｃとは非接触状態にある。そのため、ゴム弾性材から成るパッキン２０が、永久変形したりシリンダ孔３の被摺動面３ｃに固着したりして劣化するのを防止することができる。

その一方で、上記第１室３ａ及び第２室３ｂうちの何れか一方に圧縮流体が供給されている状態においては、パッキン２０と被摺動面３ｃとの間に生じる摺動摩擦を可及的に抑制することができる。その結果、上記被摺動面３ｃの状態（被摺動面３ｃの粗さや潤滑膜の状態等）がピストン４の動作に及ぼす悪影響（動作効率の低下やコギング動作等）や、パッキン２０に及ぼす悪影響（摺動摩耗や捩れによる損傷や劣化等）を可及的に抑制することができる。したがって、流体圧シリンダ１において、ピストン４のよりスムーズな動作を実現することができ、しかもパッキン２０の長寿命化を図ることが可能となる。

次に、図３に基づいて、本発明に係るシール構造の第２実施形態について説明する。ただし、ここでは重複記載を避けるため、上記第１実施形態と同じ構成部分及びその作用効果については、図に同じ符号を付して説明は省略することとする。

この第２実施形態のシール構造が上記第１実施形態のシール構造と異なっている部分は、主として、パッキンの先端部２１に周設された第１及び第２シール部の形態にある。図３（ａ）に示すように、この第２実施形態において、上記第１シール部は、パッキン２０Ａの先端面２０ｄにおける第１側端面２０ｂ側の端部から、径方向Ｙに向けて（すなわち、シリンダ孔３の被摺動面３ｃに向けて）一体に突設された環状の第１突条２３ａによって形成されている。また、第２シール部は、上記先端面２０ｄにおける第２側端面２０ｃ側の端部から、径方向Ｙに向けて一体に突設された環状の第２突条２４ａによって形成されている。すなわち、これら突条２３ａ，２４ａは、軸Ｌ方向において、軸方向に平坦な先端面２０ｄを間に介在させて、該先端面２０ｄの両側端部に離間して配置されている。

また、このような第１突条２３ａ及び第２突条２４ａを有するパッキン２０Ａも、軸Ｌに沿った横断面において、径方向Ｙの中心軸に関して左右対称を成している。そのため、上記先端面２０ｄから上記各突条２３ａ，２４ａの先端までの距離は互いに等しくなっており、上記シリンダ孔３の被摺動面３ｃから上記各突条２３ａ，２４ａの先端までの距離も互いに等しくなっている。そして、軸Ｌからこれら突条２３ａ，２４ａの先端までの距離が、本第２実施形態におけるパッキン２０の外半径Ｒｐとなっている。

さらに、このパッキン２０Ａにおいては、上記一対の突条２３ａ，２４ａが、その先端面２０ｄ上の基端から被摺動面３ｃ側の先端に向けて、軸Ｌ方向の幅が徐々に狭くなる楔形状に形成されている。具体的には、上記第１突条２３ａは、上記第１側端面２０ｂから成り上記先端面２０ｄと直角を成す外壁と、該先端面２０ｄから上記第１側端面２０ｂ側に傾斜させて立設された内壁とによって形成されている。また、上記第２突条２４ａは、上記第２側端面２０ｃから成り上記先端面２０ｄと直角を成す外壁と、該先端面２０ｄから上記第２側端面２０ｃ側に傾斜させて立設された内壁とによって形成されている。換言すると、本第２実施形態のパッキン２０Ａは、第１実施形態のパッキン２０において、その外周面の軸Ｌ方向中央に、先端面２０ｄを底面とする断面逆等脚台形の溝を形成したものである。

このように形成された第１及び第２シール部としての第１及び第２突条２３ａ，２４ａは、図３（ｂ）に示すように、隣接するシリンダ孔３の各室３ａ，３ｂ内に選択的に圧縮流体が供給された際に、上記第１実施形態と同様の機序によって、上記被摺動面３ｃとの間の空隙δ（＝Ｒｃ−Ｒｐ）を狭窄するか、又は該被摺動面３ｃに当接するようになっている。そして、その結果、上記シリンダ孔３の被摺動面３ｃと上記ピストン４の摺動面４ｃとの間の必要なシール性を確保することができるようになっている。

次に、図４に基づいて、本発明に係るシール構造の第３実施形態について説明する。ただし、ここでも重複記載を避けるため、上記第１及び第２実施形態と同じ構成部分及びその作用効果については、図に同じ符号を付して説明は省略することとする。

図４（ａ）に示すように、この第３実施形態に係るシール構造においては、パッキン２０Ｂの第１側端面２０ｂ及び第２側端面２０ｃに、軸Ｌから互いに同じ半径を有する環状の第１くびれ溝１４ａ及び第２くびれ溝１４ｂが周設されている。これら第１及び第２くびれ溝１４ａ，１４ｂは、室３ａ，３ｂの流体圧が側端面２０ｂ，２０ｃに作用した時に、上述のようなパッキン２０Ｂの径方向Ｙへの伸長を促進するためのもので、パッキン２０Ｂの横断面において、上記基端面２０ａからの高さが同じ位置に対向配置されることにより、該パッキンの幅Ｗｐが狭くなるくびれ部１５を形成している。このとき、他の実施形態と同様に、上記一対のくびれ溝１４ａ，１４ｂを含むこのパッキン２０Ｂも、横断面の中心軸について左右対称に形成されている。

より具体的には、上記一対のくびれ溝１４ａ，１４ｂは、その溝壁が滑らかな凹曲面、好ましくは円弧面によって形成され、上記くびれ部１５の幅はパッキン２０Ｂの全幅Ｗｐの１／２よりも大きくなっており、上記側端面２０ｂ，２０ｃにおけるくびれ溝１４ａ，１４ｂの開口幅は、パッキンの全高Ｈｐの１／２よりも小さくなっている。そして、本第３実施形態においては、上記一対のくびれ溝１４ａ，１４ｂ及びくびれ部１５の全体が、パッキン２０Ｂの基端部２２に設けられており、具体的には、パッキン２０Ｂの高さ方向の中央よりも外周側であって、第１凹溝１２内におけるその開口の近傍に形成されている。

また、本第３実施形態においては、パッキン２０Ｂの横断面の中心軸と第１凹溝１２の横断面の中心軸とを一致させた状態で、該パッキン２０Ｂの基端面２０ａが、第１凹溝１２の底壁面１２ａに対して接着により固定されている。すなわち、パッキン２０Ｂは第１凹溝１２の幅方向の中央に固定されていて、第１側端面２０ｂと第１側壁面１２ｂとの間及び第２側端面２０ｃと第２側壁面１２ｃとの間には、同幅の空隙（＝（Ｗｇ−Ｗｐ）／２）が形成されている。よって、上記一対のくびれ溝１４ａ，１４ｂは、第１凹溝１２の開口に連通している。

このようなパッキンを備えた第３実施形態に係るシール構造によれば、図４（ｂ）に示すように、シリンダ孔３の各室３ａ，３ｂ内に選択的に圧縮流体が供給されると、その流体圧Ｐ１，Ｐ２によって、パッキン２０Ｂに対し図中時計回り又は反時計回りのモーメント力が作用する。すると、第１実施形態の場合と同様にして、パッキン２０Ｂにおける流体圧Ｐ１，Ｐ２が作用している側の側端部が伸長する。その際、該流体圧Ｐ１，Ｐ２が作用している側のくびれ溝１４ａ，１４ｂは該流体圧によって拡大するが、それと逆側のくびれ溝は縮小するため、上記側端部の伸長がより促進されることとなる。また、この流体圧が作用していない逆側の側端部においてもパッキン２０Ｂと第１凹溝１２との間に空隙が形成されているため、上記流体圧が作用している側端部の伸長が妨げられることもない。さらに、パッキン２０Ｂは第１凹溝１２の幅方向の中央に接着により固定されているため、上記モーメント力及び流体圧でパッキン２０Ｂの基端面（内周面）２０ａが第１凹溝１２の底壁面１２ａから浮き上がるのを防止することができる。

そして、その結果、流体圧が作用している室３ａ，３ｂ側のシール部２３，２４が、上記被摺動面３ｃとの間の空隙δ（＝Ｒｃ−Ｒｐ）を狭窄するか、又は該被摺動面３ｃに当接することにより、上記シリンダ孔３の被摺動面３ｃと上記ピストン４の摺動面４ｃとの間の必要なシール性を確保することができるようになっている。

なお、上記第２実施形態に係るシール構造においては、圧縮流体の漏れを抑制するラビリンスシールを形成するために、図５に示すように、上記パッキン２０Ａの先端面２０ｄにおける上記第１突条２３ａと第２突条２４ａとの間の位置に、ラビリンス突起２５が径方向Ｙに向けて立設されていても良い。このラビリンス突起２５は、好ましくは、上記先端面２０ｄの軸Ｌ方向の中央（パッキン２０Ａの横断面の中心軸上）に、上記突条２３ａ，２４ａと平行を成して軸Ｌ周りに環状に形成されている。そして、その横断面は、例えば頂角が鋭角の二等辺三角形等、左右対称で先端に向けて徐々に幅が狭くなる楔形状に形成されている。また、上記先端面２０ｄから先端までのラビリンス突起２５の高さは、上記突条２３ａ，２４ａの高さ以上であることが望ましい。

図７は、図６の流体圧シリンダの解析モデルに基づいて、臨界圧力比ｂ＝０．５の下で、圧縮流体の供給圧力Ｐｓ及び降下圧力ΔＰ２（＝Ｐｓ−Ｐ２）とコンダクタンス比Ｃ１／Ｃ２との関係を求めたものである。ここで、Ｃ１は、ヘッド側圧力室に接続されたポートの音速コンダクタンス、Ｃ２は、上記パッキンとシリンダ孔の被摺動面との間の空隙δによって、上記ピストンの摺動面と上記被摺動面との間に形成された漏れ流路の音速コンダクタンス、Ｃ３は、ロッド側圧力室に接続されたポートの音速コンダクタンス、Ｐｓは供給圧力、Ｐ１はロッド側圧力室の圧力、Ｐ２はヘッド側圧力室の圧力、そしてＰｅは排気圧力を表している。そして、図７は、ヘッド側のポートからヘッド側圧力室に給気し、ロッド側圧力室に接続されたポートから排気する場合の解析結果を示している。

なお、この解析結果は、シリンダ径を３２ｍｍとして解析をしたものであるが、降下圧力ΔＰ２が一定であれば、コンダクタンス比Ｃ１／Ｃ２は、実質的にシリンダ径に依存しないことが確認されている。すなわち、同じ降下圧力ΔＰ２であれば、シリンダ径を変化させてもそのグラフは図７のグラフに実質的に重なることとなる。そこで、ここでは他のシリンダ径のグラフは省略することとする。また、図６の解析モデルとは逆に、ロッド側のポートからロッド側圧力室に給気し、ヘッド側圧力室に接続されたポートから排気する場合にも、図７と同様の結果となる。

図７から分かるように、供給圧力Ｐｓが一定のとき、降下圧力ΔＰ２が小さくなる程、コンダクタンス比Ｃ１／Ｃ２は大きくなる。また、降下圧力ΔＰ２が一定のとき、コンダクタンス比Ｃ１／Ｃ２は、供給圧力Ｐｓの増加に伴って徐々に増加した後に、ほぼ一定の値に収束する。
その一方で、シリンダの圧力室の圧力については、降下圧力ΔＰ２が約２０ｋＰａ程度までであれば、シリンダの使用に実用上の影響を及ぼさないことが分かっており、図７から、供給圧力Ｐｓに関わらず降下圧力ΔＰ２を凡そ２０ｋＰａ以下に抑制できるコンダクタンス比Ｃ１／Ｃ２の範囲は２．０以上であることがわかる。
そこで、上記各実施形態においても、コンダクタンス比Ｃ１／Ｃ２が常に２．０以上となる範囲において、上記パッキンのシール部とシリンダ孔の被摺動面との間に形成される空隙δの大きさを設定することが望ましい。

以上、本発明に係る流体圧シリンダにおけるシール構造について説明してきたが、本発明は上記の各実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない範囲で様々な設計変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、図２や図３に示す第１及び第２実施形態においても、図４の第３実施形態のようにして、パッキンの基端面と第１凹溝の底壁面とを、接着等により固定しても良い。また、ここでは、流体圧シリンダの実施形態において、ピストンの片側のみにロッドを設けたが、ピストンの両側にロッドを設けても良い。

１ 流体圧シリンダ
３ シリンダ孔
３ａ 第１室
３ｂ 第２室
３ｃ 被摺動面（内周面）
４ ピストン
４ｃ 摺動面
７ 第１給排気ポート
８ 第２給排気ポート
１０ ウェアリング
１２ 第１凹溝
１２ａ 底壁面
１２ｂ 第１側壁面
１２ｃ 第２側壁面
１３ 第２凹溝
１４ａ 第１くびれ溝
１４ｂ 第２くびれ溝
２０，２０Ａ，２０Ｂ ピストンのシール部材（パッキン）
２０ａ 基端面（内周面）
２０ｂ 第１側端面
２０ｃ 第２側端面
２０ｄ 先端面
２１ 先端部
２２ 基端部
２３ 第１シール部
２３ａ 第１突条（第１シール部）
２４ 第２シール部
２４ａ 第２突条（第２シール部）
２５ ラビリンス突起
δ パッキンと被摺動面との間の空隙（＝Ｒｃ−Ｒｐ）
Ｒｃ シリンダ孔の内半径（被摺動面の半径）
Ｒｐ パッキンの外半径
Ｗｐ パッキンの横断面の幅
Ｗｇ 第１凹溝の横断面の幅
Ｒｇ 第１凹溝の底壁面の半径
Ｄｇ 第１凹溝の深さ（＝Ｒｓ−Ｒｇ）
Ｒｓ ピストンの外半径（摺動面の半径）
Ｈｐ パッキンの横断面の高さ（＝Ｒｐ−Ｒｇ）
Ｒｗ ウェアリングの外半径

Claims (16)

1. 流体圧シリンダにおけるピストンと該ピストンが軸方向に摺動自在に収容されたシリンダ孔との間のシール構造であって、
   上記シリンダ孔における上記ピストンを挟んだ軸方向の両側には第１室及び第２室が形成されており、
   上記ピストンの軸周りの外周面により摺動面が形成されていて、上記シリンダ孔の軸周りの内周面により該ピストンがその摺動面を対峙させて摺動する被摺動面が形成されており、
   上記ピストンの摺動面には、軸周りに周設されて径方向に開口する凹溝が形成されていて、該凹溝にはゴム弾性材から成るパッキンの内周側の基端部が収容されると共に、該パッキンの外周側の先端部が上記摺動面から突出しており、
   上記パッキンの先端部における軸方向の第１室側の側端部には第１シール部が、第２室側の側端部には第２シール部が、該軸周りに周設されており、
   上記凹溝に収容されたパッキンにおける上記第１シール部及び第２シール部の外径は、上記シリンダ孔の被摺動面の径よりも小さく形成されており、
   圧縮流体が第１室及び第２室のうちの何れか一方に供給されている状態において、上記パッキンにおける該流体が供給されている室側の側端部が、該流体の圧力よる弾性変形によって径方向に伸長し、それにより、上記第１シール部及び第２シール部のうち該流体が供給されている室側のシール部が、上記シリンダ孔の被摺動面との間に形成された空隙を狭窄するか又は該被摺動面に当接するように構成されている、
   ことを特徴とするもの。
2. 請求項１に記載のシール構造であって、
   上記パッキン及び凹溝が、軸に沿う横断面において、上記径方向に関して左右対称を成しており、
   上記径方向において、上記摺動面から上記凹溝における上記パッキンの基端が当接する底壁面までの深さが、該パッキンの基端から先端までの高さの１／２以上に形成されている、
   ことを特徴とするもの。
3. 請求項２に記載のシール構造であって、
   上記凹溝は、上記底壁面における軸方向の両端から径方向に立ち上がって互いに対向する一対の側壁面を有しており、これら底壁面と一対の側壁面とが、９０度又はそれよりも小さい角度を成している、
   ことを特徴とするもの。
4. 請求項３に記載のシール構造であって、
   軸方向において、上記パッキンにおける上記凹溝に収容された基端部の最大幅が、該凹溝における一対の側壁面間の最小幅よりも小さく形成されている、
   ことを特徴とするもの。
5. 請求項４に記載のシール構造であって、
   上記パッキンの基端が、上記凹溝の底壁面に接着により固定されている、
   ことを特徴とするもの。
6. 請求項１に記載のシール構造であって、
   上記パッキンは、その軸方向両端に、互いに平行を成して背向する一対の側端面を有していて、該軸に沿う横断面において、該軸方向に左右対称を成しており、
   上記パッキンの先端部には、上記被摺動面と対向する先端面が形成されており、
   上記先端面における軸方向の第１室側の側端部に上記第１シール部が形成されていて、該先端面における軸方向の第２室側の側端部に上記第２シール部が形成されている、
   ことを特徴とするもの。
7. 請求項６に記載のシール構造であって、
   上記第１シール部が、上記先端面から上記被摺動面に向けて突設された第１突条によって形成され、上記第２シール部が、該先端面から上記被摺動面に向けて突設された第２突条によって形成されている、
   ことを特徴とするもの。
8. 請求項７に記載のシール構造であって、
   上記被摺動面から第１突条及び第２突条の先端までの距離が、互いに等しく形成されている、
   ことを特徴とするもの。
9. 請求項８に記載のシール構造であって、
   上記パッキンの先端面が上記被摺動面と平行を成していて、
   上記先端面から上記第１突条及び第２突条の先端までの高さが、互いに等しく形成されており、
   上記第１突条と第２突条が、軸方向において、互いに離間して配置されている、
   ことを特徴とするもの。
10. 請求項９に記載のシール構造であって、
    上記第１突条及び第２突条が、上記先端面から上記先端に向けて徐々に軸方向の幅が狭くなる楔形状に形成されている、
    ことを特徴とするもの。
11. 請求項９に記載のシール構造であって、
    上記パッキンの先端面における上記第１突条と第２突条との間には、ラビリンスシールを形成するラビリンス突起が設けられている、
    ことを特徴とするもの。
12. 請求項６に記載のシール構造であって、
    上記パッキンの一対の側端面には、上記凹溝の開口に連通された環状のくびれ溝がそれぞれ周設されている、
    ことを特徴とするもの。
13. 請求項１２に記載のシール構造であって、
    上記くびれ溝が凹曲面によって形成されている、
    ことを特徴とするもの。
14. 請求項１に記載のシール構造であって、
    上記流体圧シリンダは、シリンダ孔に接続された給気ポートを有していて、
    上記給気ポートの音速コンダクタンスをＣ１、上記パッキンと被摺動面との間の空隙によって上記摺動面と被摺動面との間に形成される漏れ流路の音速コンダクタンスをＣ２としたとき、これら音速コンダクタンスの比Ｃ１／Ｃ２が常に２．０以上である、
    ことを特徴とするもの。
15. 請求項１に記載のシール構造であって、
    上記ピストンの摺動面には、ウェアリングが軸方向における上記パッキンと隣接する位置に周設されていて、該ウェアリングの外径が、圧縮流体が上記第１室及び第２室の何れにも供給されていない状態におけるパッキンの外径よりも大きく形成されている、
    ことを特徴とするもの。
16. 請求項１−１５の何れかに記載のシール構造を備えた流体圧シリンダ。

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