JP5733994B2 - ピストン - Google Patents

Description

本発明は、揺動ピストン型真空ポンプ等に用いられるピストンに関する。

真空ポンプの一種である揺動ピストン型オイルレス真空ポンプは、シリンダ内に嵌挿されたピストンがシリンダ内で往復運動をすることにより吸気及び排気を行う。同真空ポンプに用いられるピストンは、カップパッキンによってシリンダとの間がシールされる構造のものが一般的である。カップパッキンとはカップ形のピストンパッキンであり、外径側のリップで密封を行う成型パッキンである（JIS B 0116参照）。

カップパッキンは、コネクティングロッドに接続されたピストン本体と、カップパッキン固定板とによって挟持され、ピストン本体に固定される。ここで、カップパッキン固定板は、カップパッキンの固定を確保するために複数本のネジによりピストン本体に締結されるものが多い。しかし、部品点数削減のため、カップパッキン固定板を一本のネジでピストン本体に締結する構造が検討されている。例えば、特許文献１には、カップパッキンを固定するための「押さえ板」が一本のネジで「ピストン部」に固定された真空ポンプが開示されている。

特開２００３−３２８９３８号公報（段落[００３８]、図２）

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、カップパッキンを固定するための押さえ板が、中央の一本のネジで固定されているため、押さえ板によるカップパッキンへの押圧力は、カップパッキンの中央部では大きく、周縁部では小さいものであると考えられる。この場合、ピストンのストロークによってカップパッキンの周縁部に振動が発生し、シリンダとの摩擦によって周縁部に偏磨耗が生じる。このため、押さえ板が複数のネジによって固定されている場合に比べ、カップパッキンの耐久寿命が短くなるおそれがある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、シール部材の耐久寿命を向上させることが可能なピストン及び同ピストンを備える真空ポンプを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るピストンは、ピストン本体と、シール部材と、シール部材固定板と、締結部とを具備する。
上記ピストン本体は、シリンダにストローク可能に嵌挿され、ストローク方向に対して垂直な第１の面を有する。
上記シール部材は、上記第１の面に装着され、上記シリンダと上記ピストン本体の間をシールする。
上記シール部材固定板は、上記ピストン本体に固定され、上記シール部材を上記第１の面との間で挟持するシール部材固定板であって、上記第１の面に対向し上記シール部材に当接する第２の面とその反対側の第３の面を有し、上記第２の面は中央側の第１の領域と周縁側の第２の領域とを有し、上記第１の領域は上記シール部材を第１の押圧力で押圧し、上記第２の領域は上記シール部材を上記第１の押圧力より大きい第２の押圧力で押圧する。
上記締結部は、上記シール部材固定板を上記ピストン本体に締結する。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る真空ポンプは、ピストンと、排気経路とを具備する。
上記ピストンは、シリンダにストローク可能に嵌挿されストローク方向に対して垂直な第１の面を有するピストン本体と、上記第１の面に装着され上記シリンダと上記ピストン本体の間をシールするシール部材と、上記ピストン本体に固定され上記シール部材を上記第１の面との間で挟持するシール部材固定板であって上記第１の面に対向し上記シール部材に当接する第２の面とその反対側の第３の面を有し記第２の面は中央側の第１の領域と周縁側の第２の領域とを有し上記第１の領域は上記シール部材を第１の押圧力で押圧し上記第２の領域は上記シール部材を上記第１の押圧力より大きい第２の押圧力で押圧するシール部材固定板と、上記シール部材固定板を上記ピストン本体に締結する締結部とを有する。
上記排気経路は、上記シリンダに接続され、上記ピストンのストロークにより排気される。

本発明の実施形態に係る真空ポンプの構成を示す模式図である。 同真空ポンプの気筒を拡大して示す図である。 同真空ポンプのピストンを示す分解図である。 同真空ポンプのピストンを示す断面図である。 同真空ポンプの各部材をシリンダ側からみた平面図である。 同真空ポンプのカップパッキン固定板をカップパッキン側からみた平面図である。 同真空ポンプのカップパッキン固定板の断面の拡大図である。 同真空ポンプのカップパッキン固定板とピストン本体によって挟持されたカップパッキンを示す断面図である。 同真空ポンプのカップパッキンに印加される押圧力の測定結果を示す写真である。 比較例に係る真空ポンプのカップパッキンに印加される押圧力の測定結果を示す写真である。 本発明の実施形態に係る真空ポンプのピストンの揺動運動を示す模式図である。 比較例に係るカップパッキン固定板を用いた場合のカップパッキンの所定回数使用後のリップ部を示す写真である。 本発明の実施形態に係るカップパッキン固定板を用いた場合のカップパッキンの所定回数使用後のリップ部を示す写真である。

ピストンは、ピストン本体と、シール部材と、シール部材固定板と、締結部とを具備する。
上記ピストン本体は、シリンダにストローク可能に嵌挿され、ストローク方向に対して垂直な第１の面を有する。
上記シール部材は、上記第１の面に装着され、上記シリンダと上記ピストン本体の間をシールする。
上記シール部材固定板は、上記ピストン本体に固定され、上記シール部材を上記第１の面との間で挟持するシール部材固定板であって、上記第１の面に対向し上記シール部材に当接する第２の面とその反対側の第３の面を有し、上記第２の面は中央側の第１の領域と周縁側の第２の領域とを有し、上記第１の領域は上記シール部材を第１の押圧力で押圧し、上記第２の領域は上記シール部材を上記第１の押圧力より大きい第２の押圧力で押圧する。
上記締結部は、上記シール部材固定板を上記ピストン本体に締結する。

この構成によれば、シール部材の外周部が、中央部より大きい第２の押圧力で押圧されるため、ピストンのストロークによる外周部の振動が防止され、それによって外周部の偏磨耗が抑制される。即ち、シール部材の耐久寿命を向上させることが可能となる。

上記第２の面は、上記第１の領域と上記第２の領域の間に形成され、上記シール部材を上記第１の押圧力より小さい第３の押圧力で押圧する第３の領域をさらに有してもよい。

この構成によれば、シール部材の第３の領域に対向する部分への押圧力（第３の押圧力）が緩和されるため、シール部材の第２の領域に対向する部分への押圧力（第２の押圧力）がシール部材の周方向において均一化され、シール部材の周縁部の確実な固定が可能となる。

上記第２の領域は、上記第１の領域より上記第１の面側に突出し、上記第３の領域は、上記第１の領域より上記第３の面側に窪んでいてもよい。

この構成によれば、第１の面と第１の領域の間の距離よりも第１の面と第２の領域の間の距離が短くなるため、シール部材の第２の領域に対向する部分に印加される押圧力を第１の領域に対向する部分に印加される押圧力より大きくすることが可能となる。また、第１の面と第１の領域の間の距離よりも第１の面と第３の領域の間の距離が長くなるため、シール部材の第３の領域に対向する部分に印加される押圧力を第１の領域に対向する部分に印加される押圧力より小さくすることが可能となる。

上記締結部は、上記シール部材固定板の中心から上記ピストン本体に挿通されたネジであってもよい。

上記のように、本発明の実施形態に係るピストンでは、シール部材の外周部が確実に固定されるため、シール部材固定板をピストン本体に固定するためのネジをシール部材固定板の中心に配置することが可能となる。

上記シール部材は、上記第１の面と上記第２の面とによって挟持されるサポート部と、上記サポート部の周縁に設けられ、上記シリンダに当接するリップ部とを有するカップパッキンであってもよい。

カップパッキンではサポート部の周縁に設けられているリップ部によりピストンとシリンダの間がシールされるため、周縁部の確実な固定によりリップ部の偏磨耗を防止することが可能となる。

上記ピストンは、上記シリンダ内を揺動運動してもよい。

ピストンがシリンダ内を揺動運動する揺動ピストンは、シール部材とシリンダの間の摩擦がストローク方向のみならず斜め方向にも発生するため、本発明の実施形態に係るピストンが特に有効である。

真空ポンプは、ピストンと、排気経路とを具備する。
上記ピストンは、シリンダにストローク可能に嵌挿されストローク方向に対して垂直な第１の面を有するピストン本体と、上記第１の面に装着され上記シリンダと上記ピストン本体の間をシールするシール部材と、上記ピストン本体に固定され上記シール部材を上記第１の面との間で挟持するシール部材固定板であって上記第１の面に対向し上記シール部材に当接する第２の面とその反対側の第３の面を有し記第２の面は中央側の第１の領域と周縁側の第２の領域とを有し上記第１の領域は上記シール部材を第１の押圧力で押圧し上記第２の領域は上記シール部材を上記第１の押圧力より大きい第２の押圧力で押圧するシール部材固定板と、上記シール部材固定板を上記ピストン本体に締結する締結部とを有する。
上記排気経路は、上記シリンダに接続され、上記ピストンのストロークにより排気される。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

［揺動ピストン型真空ポンプの構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る揺動ピストン型真空ポンプ（以下、真空ポンプ）１を示す模式図である。真空ポンプ１は、例えば真空チャンバ等に接続され、これを真空排気するためのものである。

同図に示すように真空ポンプ１は、モータ２、シャフト３、コネクティングロッド４、ピストン５、シリンダ６、吸気室７及び排気室８を有する。コネクティングロッド４、ピストン５、シリンダ６、吸気室７及び排気室８は「気筒」を構成しており、当該真空ポンプ１は２基の気筒を有する。図２は、気筒を拡大して示す図である。なお、気筒の数は２基に限られず、１基あるいは３基以上であってもよい。

真空ポンプ１では、モータ２に接続されたシャフト３に、コネクティングロッド４が接続され、コネクティングロッド４にピストン５が接続されている。ピストン５は、シリンダ６に収容されている。シリンダ６には、吸気室７及び排気室８が隣接して設けられている。上記構成のうちシャフト３、コネクティングロッド４、ピストン５、シリンダ６は筐体９に収容されている。

モータ２は、回転動力を発生させ、シャフト３を軸回りに回転させる。モータ２は、一般的なモータを用いることが可能である。

シャフト３は、モータ２から筐体９の内部に直線状に延伸され、筐体９にベアリング１０を介して回転可能に支持されている。

コネクティングロッド４は、一端が偏芯軸１２とベアリング１１によってシャフト３に接続され、他端はピストン５に接続されている。詳細は後述するが、コネクティングロッド４と偏芯軸１２はシャフト３の回転運動を往復（揺動）運動に変換する。

ピストン５はコネクティングロッド４によってシリンダ６内を往復運動し、吸気及び排気を行う。ピストン５の詳細な構成については後述する。

シリンダ６はピストン５の外径に近い内径を有する筒状の室であり、ピストン５の嵌挿が可能に構成されている。シリンダ６には、吸気バルブ１３及び排気バルブ１４が設けられ、これらのバルブはピストン５の往復運動に応じて開閉する。

吸気室７は、吸気バルブ１３を介してシリンダ６と連通する室であり、吸気管１５が接続されている。吸気管１５はチャンバ等の排気対象物に接続されている。

排気室８は、排気バルブ１４を介してシリンダ６と連通する室であり、排気管１６が接続されている。排気管１６は大気開放か又は排気設備等に接続されている。

なお、図２は、シャフト３に平行な方向から気筒をみた図であるが、吸気室７及び排気室８の向きは便宜上、図１とは異なっている。

［ピストンの構成］
図３はピストン５を示す分解図であり、図４はピストン５を示す断面図である。図５はピストン５の各部材をシリンダ６側からみた平面図である。図２乃至図５に示すように、ピストン５は、ピストン本体５１、カップパッキン５２及びカップパッキン固定板５３によって構成されている。ピストン本体５１にカップパッキン５２が載置され、カップパッキン固定板５３がカップパッキン５２を介してピストン本体５１に固定されることにより、カップパッキン５２がピストン本体５１とカップパッキン固定板５３によって挟持されている。カップパッキン固定板５３は、カップパッキン固定板５３の中央部からピストン本体５１の中央に向かって挿通された１本のネジ５４がピストン本体５１に締結されることによってピストン本体５１に固定されている。なお、ネジ５４は複数本とすることも可能であるが、本実施形態に係るピストン５は、カップパッキン５２の固定を確実とすることができるため、１本とすることが可能である。

ピストン本体５１は、コネクティングロッド４に接続され、シリンダ６に嵌挿されている。ピストン本体５１は、そのストローク方向（シャフト３に垂直な方向）に垂直な第１の面５１ａを有する。第１の面５１ａの中央部には、第１の面５１ａに対して凹状に形成された凹部５１ｂが形成されている。凹部５１ｂは、カップパッキン固定板５３の一部と係合するための構造である。さらに凹部５１ｂの中央部には、カップパッキン固定板５３をピストン本体５１に締結するためのネジ５４が挿通されるネジ孔５１ｃが上記ストローク方向に沿って形成されている。なお、ピストン本体５１は、コネクティングロッド４と同一部材からなるものであってもよく、コネクティングロッド４に固定された別部材であってもよい。

カップパッキン５２は弾性体からなり、サポート部５２ａとリップ部５２ｂを有する。サポート部５２ａは環状の円板状であり、その中央部にはカップパッキン固定板５３が挿通される孔５２ｃが形成されている。サポート部５２ａはカップパッキン固定板５３によってピストン本体５１の第１の面５１ａに押圧される。リップ部５２ｂは、サポート部５２ａの周縁から折り曲げられたように形成された部分であり、シリンダ６の内壁に当接することによってピストン５とシリンダ６の間をシールする。カップパッキン５２は、リップ部５２ｂがピストン本体５１側となるように、ピストン本体５１に配置される。

カップパッキン固定板５３は、カップパッキン５２上に配置され、ネジ５４によってピストン本体５１に締結されている。図６はカップパッキン固定板５３をカップパッキン５２側からみた平面図である。カップパッキン固定板５３は、ピストン本体５１の第１の面５１ａに対向する第２の面５３ａと、第２の面５３ａの反対側の第３の面５３ｂを有する。また、カップパッキン固定板５３の第２の面５３ａ側には、ピストン本体５１の凹部５１ｂに係合する凸部５３ｃが設けられており、第１の面５１ａは凸部５３ｃの周囲に環状に形成されている。

カップパッキン固定板５３の第３の面５３ｂ側には、ネジ５４が挿通されるためのネジ孔５３ｄが形成され、ネジ孔５３ｄはピストン本体５１に形成されたネジ孔５１ｃに連通している。ネジ孔５３ｄは、ネジ５４のネジ頭部が第３の面から露出しないようにネジ頭部を収容可能な大きさに形成されている。

図７は、カップパッキン固定板５３の断面の拡大図である。図６及び図７に示すように、カップパッキン固定板５３の第２の面５３ａには、第１の領域Ａ１、第２の領域Ａ２及び第３の領域Ａ３が形成されている。第１の領域Ａ１、第２の領域Ａ２及び第３の領域Ａ３はそれぞれ第２の面５３ａの中心から径方向に所定の範囲を占める環状の領域であり、第２の面５３ａ側から、第１の領域Ａ１、第３の領域Ａ３、第２の領域Ａ２の順に形成されている。

第３の領域Ａ３は第１の領域Ａ１より第３の面５３ｂ側に形成されており、第２の領域Ａ２は第１の領域Ａ１より第１の面５１ａ側に形成されている。即ち、第３の領域Ａ３は第１の領域Ａ１より窪んでおり、第２の領域Ａ２は第１の領域Ａ１より突出している。第３の領域Ａ３と第１の領域Ａ１の高さの差は例えば０．３ｍｍ程度とすることができ、第２の領域Ａ２と第１の領域Ａ１の高さの差も例えば０．３ｍｍ程度とすることができるこれにより、カップパッキン固定板５３がカップパッキン５２に印加する押圧力は、カップパッキン５２の部分によって異なる。図８は、カップパッキン固定板５３とピストン本体５１によって挟持されたカップパッキン５２を示す断面図である。

同図に示すように、カップパッキン５２のサポート部５２ａのうち、カップパッキン固定板５３の第１の領域Ａ１に対向する部分はネジ５４の締結力に応じて所定の押圧力で押圧される。サポート部５２ａのうち第３の領域Ａ３に対応する部分は、第３の領域Ａ３が窪んでいるため、第１の領域Ａ１に対向する部分に比べて押圧力が小さくなる。また、サポート部５２aのうち第２の領域Ａ２に対向する部分は、第２の領域Ａ２が突出しているため、第１の領域Ａ１に対向する部分に比べて押圧力が大きくなる。

図９は、カップパッキン５２に印加される押圧力の測定結果を示す写真である。また、図１０は、比較として、カップパッキンへの当接面がフラットなカップパッキン固定板を用いた場合の、カップパッキン固定板に印加される押圧力の測定結果を示す写真である。図９は、カップパッキン５２とカップパッキン固定板５３の間に、測定用の低圧用プレスケールを挟み、カップパッキン固定板５３をピストン本体５１に締結して測定されたものである。図１０も同様にして測定されたものである。プレスケールは大きな押圧力が印加されると黒色に変色するものである。

図１０に示すように、フラットなカップパッキン固定板では、カップパッキンに印加される押圧力は小さいものである。これに対し、本実施形態に係るカップパッキン固定板５３では、図９に示すように、ネジ５４の近傍であるプレスケールの中央部分のみならず、第３の領域Ａ３が形成されている周縁部分においても、プレスケールに高い押圧力が印加されている。

このように、カップパッキン固定板５３に、第３の領域Ａ３及び第２の領域Ａ２が形成されることにより、カップパッキン５２への外周部の押圧力を高いものとすることができる。カップパッキン固定板５３をネジ５４によりピストン本体に締結すると、カップパッキン固定板５３の中央部が強く押圧され、カップパッキン固定板５３に反りが発生する。ここで、本実施形態に係るカップパッキン固定板５３は、カップパッキン５２の外周部に当接する第２の領域Ａ２が形成されているため、カップパッキン固定板５３に反りが発生しても、カップパッキン５２の外周部を適性な押圧力で押圧することが可能となる。また、カップパッキン固定板５３では、第３の領域Ａ３により第２の領域Ａ２の内周側においてカップパッキン５２への押圧力が緩和され、第２の領域Ａ２によるカップパッキン５２への押圧力を周方向において均一にすることが可能である。

［揺動ピストン型真空ポンプの動作］
真空ポンプ１の動作について説明する。なお、ここでは、真空ポンプ１の一基の気筒について説明するが、他の気筒についても動作は同様である。図１１はピストン５の揺動運動を示す模式図である。図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）、図１１（ｄ）の順にピストン５が駆動され、再び図１１（ａ）に示す状態に戻る。

図１１（ａ）においてピストン５は上死点にある。この状態では、ピストン５がシリンダ６の底部に接触している。シャフト３が回転すると、図１１（ｂ）に示すように偏芯軸１２とベアリング１１を介してコネクティングロッド４が傾きながら下降し、ピストン５がシリンダ６から離れる。この際、シリンダ６とピストン５の間の容積が拡大するため、吸気室７及び連通する吸気管１５から吸気バルブ１３を介して排気対象気体がシリンダ６内に流入する。

シャフト３がさらに回転すると、図１１（ｃ）に示すようにピストン５が下死点に到達する。このとき、シリンダ６内には排気対象気体が存在している。さらにシャフト３が回転すると、図１１（ｄ）に示すように、偏芯軸１２とベアリング１１を介してコネクティングロッド４が傾きながら上昇する。この際、シリンダ６とピストン５の間の容積が減少するため、シリンダ内の排気対象気体が排気バルブ１４を解して排気室８及び連通する排気管１６から排出される。

このように、シャフト３の回転によってピストン５の傾きを伴なう上昇と下降（揺動運動）が繰り返され、排気対象気体が排気される。ここで、図１１に示すように、ピストン５の揺動運動において、カップパッキン５２のリップ部５２ｂは常にシリンダ６の内壁に当接し、シリンダ６とピストン５の間をシールしている。このため、長期的使用においてはリップ部５２ｂの磨耗が問題となる。

図１２は、比較として、カップパッキンへの当接面がフラットなカップパッキン固定板を用いた場合のカップパッキンの同回数使用後のリップ部を示す写真である。図１３は、本実施形態に係るカップパッキン固定板５３を用いた場合のカップパッキン５２の所定回数使用後のリップ部５２ｂを示す写真である。

これらの図に示すように、比較例に係るカップパッキン固定板では、リップ部が偏磨耗しているのに対し、本実施形態に係るカップパッキン固定板５３では、リップ部５２ｂの偏磨耗が抑制されていることがわかる。これは、比較例に係るカップパッキン固定板では、カップパッキンの周縁部での押圧力が小さいためにリップ部の振動が発生しているためと考えられる。これに対し、本実施形態に係るカップパッキン固定板５３では、カップパッキン５２の周縁部での押圧力が大きいために、リップ部５２ｂの振動が防止されているためと考えられる。

本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において変更され得る。

上記実施形態においてピストンは揺動ピストン型真空ポンプに用いられるものとしたが、これに限られず、非揺動ピストン型真空ポンプあるいはコンプレッサー等の、シリンダ内にピストンが配置される装置に適用することも可能である。

１…真空ポンプ
５…ピストン
５１…ピストン本体
５２…カップパッキン
５３…カップパッキン固定板
５４…ネジ

Claims (4)

1. シリンダにストローク可能に嵌挿され、ストローク方向に対して垂直な第１の面を有するピストン本体と、
   前記第１の面に装着され、前記シリンダと前記ピストン本体の間をシールするシール部材と、
   前記ピストン本体に固定され、前記シール部材を前記第１の面との間で挟持するシール部材固定板であって、前記第１の面に対向し前記シール部材に当接する第２の面とその反対側の第３の面を有し、前記第２の面は中央側の第１の領域、周縁側の第２の領域及び前記第１の領域と前記第２の領域の間の第３の領域を有し、前記第１の領域は前記シール部材を第１の押圧力で押圧し、前記第２の領域は前記第１の領域より前記第１の面側に突出し、前記シール部材を前記第１の押圧力より大きい第２の押圧力で押圧し、前記第３の領域は前記第１の領域より前記第３の面側に窪み、前記シール部材を前記第１の押圧力より小さい第３の押圧力で押圧するシール部材固定板と、
   前記シール部材固定板を前記ピストン本体に締結する締結部と
   を具備するピストン。
2. 請求項１に記載のピストンであって、
   前記締結部は、前記シール部材固定板の中心から前記ピストン本体に挿通されたネジである
   ピストン。
3. 請求項１に記載のピストンであって、
   前記シール部材は、前記第１の面と前記第２の面とによって挟持されるサポート部と、前記サポート部の周縁に設けられ、前記シリンダに当接するリップ部とを有するカップパッキンである
   ピストン。
4. 請求項１に記載のピストンであって、
   前記ピストンは、前記シリンダ内を揺動運動する
   ピストン。