JP4687865B2 - 出力軸のシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、回転可能に支承される出力軸の軸封に関し、一方に配設される作業機構側からの異物が、他方に配設される駆動機構側へ侵入することを防止するための出力軸のシール構造に関する。

一般に、この種出力軸のシール構造は、出力軸の一方に配設される作業機構側から他方に配設される駆動機構側への異物侵入を防止するため、ケーシングや軸受などにより構成されるステータと出力軸との隙間に、個々の機種性能、用途に応じてオイル、パッキン、Ｏリング、シールガス等の所定のシーリング手段を採用することにより行われている。

ところでＯリングによるシール構造は、精密機械等を含む多岐の分野において採用されている。例えば、特表２００２−５２８６７６号公報に開示されたインスリンの投与または投薬等に用いられる携帯用医療装置は、注射器または供給筒（シリンダ）内の投薬を、駆動モータを連続的にまたは定期的に間隔をおいて供給筒ピストン（プランジャー）を送りネジにより僅かづつ押動させ、患者に対して長期間にわたり薬物を厳密に制御して正確に投与するものであるが、作業機構を構成するシリンダ内の投薬が、駆動機構を構成する歯車伝達手段側へ侵入してしまうのを防止するシール構造が必要となる。

図２は、携帯用医療装置におけるＯリングによるシール構造の従来例を示したものであって、ステータ１がケーシング１１と軸受１２により構成され、該軸受１２に支承された出力軸２の一方に、駆動機構を構成するモータＭおよび歯車伝達手段３が配設され、他方に、作業機構としてのプランジャー４およびシリンダ５が配設されている。ステータ１と出力軸２の隙間には、ＯリングＲを設けることで、シリンダ５内の投薬が、歯車伝達手段３側へ侵入してしまうのを防止するようになっており、ＯリングＲによるシール構造は、この装置の如く比較的低回転駆動により回動するものに多く採用されている。
しかしながら、ＯリングＲは常に出力軸２と圧接しており、非回転部分のシール構造としては有効であっても、この様に低速回転駆動部位に用いられた場合であっても、長期使用により摩耗したり、その摩耗部分に負荷圧が生じるなどでむしれたりして、最終的には破損しその機能を失ってしまうばかりか、摩耗粉や破損片が出力軸２をロックしてしまう現象を招来する。

そこで、出力軸との摩擦を軽減すべく、特開平１１−２７０６９０号公報に開示された如く、グランドパッキン間に断面コ字状のスリーブを設け、該スリーブ内に粉体吸収材としてのグーリス等を充填するようにしたものが提案されるが、このものは、シール構造が複雑化するばかりか、粉体が流入することを前提としたものであり、グリースが駆動軸の同一周面間隙を伝ってスリーブ内から漏れてしまい、充填状態の永続維持を図ることができない等の問題を有している。

特表２００２−５２８６７６号公報 特開平１１−２７０６９０号公報

本発明は、上記の如き問題点を一掃すべく創案されたものであって、環状溝内に充填されたグリースなどの粘性潤滑剤を、殊更漏れ防止用のシーリングを別途設けることなく充填状態の永続的保持を可能ならしめ、特に、低速回転出力軸の軸受部に採用される従来のＯリングシール構造に替えて使用することができ、出力軸ロックの危惧を一掃し得るばかりか、シール構造自体が簡素化されて製作性の向上が図れると共に、確実な軸封をおこなうことのできる出力軸のシール構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明が採用した技術手段は、回転可能に支承される出力軸と、該出力軸の周面に軸受部としての所定の環状間隙を形成するステータとからなり、前記環状間隙に軸封形成するためのシール構造であって、前記ステータには、出力軸の軸端側に開口して所定量の粘性潤滑剤を充填保持する環状溝を設ける一方、前記出力軸には、前記環状溝の開口を閉塞するリング状の蓋体を出力軸と一体回動可能に設けると共に、該蓋体は、充填された粘性潤滑剤を、その円盤面と対向するステータ面とを所定間隔を存して離間させた環状溝を介して、出力軸とステータおよび蓋体とステータとにより形成されるそれぞれの環状間隙に侵入させて気密状態に保持すべく環状溝開口に押入封止せしめ、該閉塞された環状溝内における粘性潤滑剤の接触面域を、ステータにより形成される断面視略Ｌ字状の２面で接触する非回転面域と、出力軸の外周面と蓋体の円盤面とにより形成される断面視略Ｌ字状の２面で接触する回転面域とで、それぞれ分担接触するよう構成せしめたことを特徴とするものである。

本発明における出力軸のシール構造は、グリースなどの粘性潤滑剤を環状溝内に充填させたものでありながら、粘性潤滑剤の回転面域に対する接触を、出力軸の外周面のみによらず、蓋体の円盤面との断面視略Ｌ字状の２面による共同接触面域として拡大し得て、ステータ側の断面視略Ｌ字状の２面による非回転面域とで、その接触面を分担することができ、軸受部となる出力軸とステータとの環状間隙を、環状溝を介してそれぞれ作業機構側と駆動機構側とで位置変位させることができる結果、殊更漏れ防止用のシーリングを別途設けることなく充填状態の永続的維持を可能ならしめ、特に、低速回転出力軸の軸受部に採用される従来のＯリングシール構造に替えて使用することができ、出力軸ロックの危惧を一掃し得るばかりか、シール構造自体が簡素化されて製作性の向上が図れると共に、環状溝内の粘性潤滑剤が、対向するコーナー部を中心にしっかりと分担付着された状態で環状溝内に留まり、漏れを生じることなくシール性能が保持されて確実な軸封をおこなうことができる。

以下、本発明の実施の形態を、好適な実施の形態として例示する出力軸のシール構造を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は出力軸のシール構造の断面構成図である。図示例の出力軸２のシール構造は、図２に示す従来の携帯用医療装置に採用したものであり、そこで説明した部分については説明を省略する。図に示すように、ステータ１は、ケーシング１１と軸受１２とにより構成し、該軸受１２に回転可能に支承される出力軸２の周面に、ケーシング１１と軸受１２とにより所定の環状間隙を形成している。本実施例においては、この環状間隙において軸封するためのシール構造を形成するようにしている。

６は前記環状間隙に形成された環状溝であって、該環状溝６は、前記ケーシング１１に穿設された取付け孔１１１を内周面とし、取付け孔１１１に嵌着された軸受１２の上面（駆動機構側面）を底面として、出力軸２の軸端側（作業機構側）を開口させて構成されている。

一方、前記出力軸２には、前記環状溝６の開口を閉塞するリング状の蓋体２１を出力軸２と一体回動可能に設けられている。この蓋体２１は、樹脂製であり、前記環状溝６内に予め粘性潤滑剤としてのテフロン系グリース７を充填しておき、出力軸２の先端部側から挿入して環状溝６の開口に圧入し、グリース７をこの環状溝６を介して出力軸２とステータ（軸受１２）および蓋体２１とステータ（ケーシング１１）とにより形成されるそれぞれの環状間隙に侵入させて気密状態に封止保持する。この封止状態で環状溝６は高さ１．５ｍｍ、幅２．３ｍｍの大きさを有する。

さて、上記のように構成したシール構造を用いたグリース７の漏れに対するシール性耐久試験例について説明する。グリース７としては、独国フックス ルブリッティク社製のテフロン（登録商標）系グリース（ｇｌｅｉｔｍｏ ＰＦＧ４０３０）を用いた。その物性は以下の通りである。
・ベースオイル：ＰＦＰＥ（パーフルオロポリエーテル）
・濃厚剤：ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）
・ベースオイル粘度：３１０ｍｍ^２／Ｓ（DIN51562-1）
・密度：１．９５ｇ／ｃｍ^２（DIN51757）
・油分離点［１００゜Ｃ，２４ｈ］：２．９％（DIN51817）
・温度領域：−４０／＋２５０゜Ｃ（LL5）
・色：ホワイト

この耐久試験例は、図１に示す携帯用医療装置に採用される出力軸のシール構造（モータ付減速機５台）において実施した。その試験方法は、シンクロナス駆動（電圧ＡＣ２Ｖ，周波数５０Ｈz，位相コンデンサ３．５μＦ）を用い、出力軸２の周囲に設けたタンクに注水し、出力軸２及び蓋体２１とケーシング１１の環状間隙部分を水に浸した状態で、出力軸２を毎秒１／３回転の低速で連続８５日間（２０４０時間）運転した。
而して、その試験結果は、出力軸２の回転総数１，１７５，０４０回転（プランジャー４の１２，２４０往復に相当、標準１２２往復／年）した状態であっても、５台共にギヤボックス内（歯車伝達手段３）への水の侵入が全く認められず、グリース７は環状溝６内に留まったままで漏れは確認されず、シール性能を保持し、従来のＯリングによるシール性能に比し、格段に優れていることが確認された。
なお、グリース７自体の物性が、耐磨耗性、防錆性、潤滑性、防水性、粘性、弾性等の優れた性能を有するものとして、グリス本来の高速回転、高温用向きの多目的潤滑剤として使用されるものであることから、図１に示すＯリングＲ部分に塗布して同条件下の運転を試みたが、ＯリングＲの摩耗粉や破損片の発生が確認された。
さらに、出力軸２を毎秒３回転の高速で連続２４時間運転してみたところ、グリース７は、環状溝６内に留まることなく、殆どがギヤボックス内（歯車伝達手段３）に漏れ出した状態が確認された。

上記技術手段によれば、特に、低速回転においてグリース７を永続性をもって環状溝６内に留め、かつシール性能を保持することができたのは、次のように作用することが考えられる。つまり、環状溝６内におけるグリース７の接触面域が、ステータ１（ケーシング１１と軸受１２）により形成される断面視略Ｌ字状の２面で接触する非回転面域と、出力軸２と蓋体２１により形成される断面視略Ｌ字状の２面で接触する回転面域とで、それぞれ分担接触するよう構成されているため、グリース７を、その回転面域に対する接触を出力軸２の周面だけでなく、蓋体２１の円盤面との断面視Ｌ字状の２面による共同接触面域として拡大され、ケーシング１１と軸受１２との断面視Ｌ字状の２面による非回転面域とにより、その接触面域を分担させて付着することができ、軸受部となる出力軸２と軸受１２との環状間隙を、環状溝６を介してそれぞれ作業機構側と駆動機構側とで位置変位させることができ、グリース７を環状溝６内に留まったままで漏れを生じることなくシール性能を保持することができる。

上記保持効果のメカニズムについては、予測の難しい現象であるが、その作用において、グリース７が回転面域と非回転面域の対向するコーナー部を中心にしっかりと分担付着し、回転に際し、少なくとも接触面またはその近傍での分離ではなく、環状溝６内のグリース７が、環状溝６を介して位置変位する作業機構側と駆動機構側の環状間隙を結ぶグリース層内部の対角状態で分離される作用に基づくものと推認される。したがって、殊更漏れ防止用のシーリングを別途設けることなく充填状態の永続的維持を可能ならしめ、特に、低速回転による出力軸２の軸受１２部に採用される従来のＯリングシール構造に替えて使用することができ、出力軸ロックの危惧を一掃し得るばかりか、シール構造自体が簡素化されて製作性の向上が図れると共に、確実な軸封をおこなうことができる。

また、上記高速回転による実験例においては、グリース７の回転面域である出力軸２と蓋体２１との接触面またはその近傍において、分離され流動化が進行したためグリース漏れが生じたものと思われ、環状溝６内のグリース７が留まっている状態の回転速度がどの程度まで許容できるかは未解明であるが、少なくとも従来のＯリングシール構造を採用している種々の医療装置や精密装置等において有効に使用することができるものである。
なお、ステータ１としてケーシング１１と軸受１２により構成したが、ケーシングのみでステータを構成しても良く、また、本発明のシール構造をドーナツ状のベアリング部材の如く別体で構成して取り付けるようにしても良い。また、粘性潤滑剤としてテフロン系グリースを例示したが、同種のシール性能を有するものを選択して良いことは勿論である。

出力軸のシール構造の要部構成図。 携帯用医療装置における従来の出力軸のシール構造の要部全体図。

符号の説明

１ ステータ
１１ ケーシング
１１１ 取付け孔
１２ 軸受
２ 出力軸
２１ 蓋体
３ 歯車伝達手段
４ プランジャー
５ シリンダ
６ 環状溝
７ グリース
Ｍ モータ
Ｒ Ｏリング

Claims (3)

1. 回転可能に支承される出力軸と、該出力軸の周面に軸受部としての所定の環状間隙を形成するステータとからなり、前記環状間隙に軸封形成するためのシール構造であって、
   前記ステータには、出力軸の軸端側に開口して所定量の粘性潤滑剤を充填保持する環状溝を設ける一方、前記出力軸には、前記環状溝の開口を閉塞するリング状の蓋体を出力軸と一体回動可能に設けると共に、
   該蓋体は、充填された粘性潤滑剤を、その円盤面と対向するステータ面とを所定間隔を存して離間させた環状溝を介して、出力軸とステータおよび蓋体とステータとにより形成されるそれぞれの環状間隙に侵入させて気密状態に保持すべく環状溝開口に押入封止せしめ、
   該閉塞された環状溝内における粘性潤滑剤の接触面域を、ステータにより形成される断面視略Ｌ字状の２面で接触する非回転面域と、出力軸の外周面と蓋体の円盤面とにより形成される断面視略Ｌ字状の２面で接触する回転面域とで、それぞれ分担接触するよう構成せしめたことを特徴とする出力軸のシール構造。
2. 請求項１において、前記蓋体は樹脂製部材であることを特徴とする出力軸のシール構造。
3. 請求項１または２において、前記粘性潤滑剤は、テフロン（登録商標）系グリースであることを特徴とする出力軸のシール構造。