JP5773297B1 - ロータリージョイントおよびそれを備えたメカニカルシール監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シールリングの欠損を直ちに検知することができるロータリージョイントおよびそれを備えたメカニカルシール監視装置を提供すること。【解決手段】同軸に配置された固定体と回転体と、前記固定体と回転体とを少なくとも１つのシールリングを介して軸を中心とする回転方向に摺動可能とするメカニカルシールと、シールリングを介する固定体と回転体との相対的な摺動状態の異常を検知して検知信号を出力する摺動異常検知機構とを備えたことを特徴とするロータリージョイント。【選択図】図２

Description

本発明は、ロータリージョイントおよびそれを備えたメカニカルシール監視装置に関する。

特許文献１には、同一軸心上に配置されたエンドカバーと回転管とを一対のシールリングを介して回転方向に摺動可能とするメカニカルシールを備えたロータリージョイントが開示されている。

このロータリージョイントにおいて、固定側のシールリングはエンドカバーの流通路の一端にホルダーを介して支持され、回転側のシールリングは回転管の一端にホルダーを介して支持されており、エンドカバー内に設けられたコイルばねによって固定側のシールリングが回転側のシールリングへ弾発的に押し付けられている。

回転管の他端は、例えば、回転するローラ内へ冷却水を導入するための流通路の一端とホースを介して接続され、エンドカバーの流通路の他端は、例えば、冷却水供給源にホースを介して接続される。

このように構成されたロータリージョイントによれば、回転管と共に回転する回転側のシールリングの対向シール面が、固定側のシールリングの対向シール面に対して回転方向に液密に摺動する。なお、シールリングは一般にセラミックスやカーボン素材からなり、消耗品であるため交換が必要となる。

近年、飲食物製造業や医薬品製造業等でも、ロータリージョイントを備えた液体充填装置が大量生産可能な製造ライン上に設置されている。例えば、ペットボトル入りの清涼飲料を大量生産する場合、回転方向に複数のノズルを有するロータリー式の充填機にロータリージョイントの回転管（ロータリーシャフト）を接続し、充填機を回転させながら各ノズルに空のペットボトルの口を接続して清涼飲料を充填している。

特開２００２−３２３１４２号公報

従来のロータリージョイントでは、例えば、回転側と固定側のシールリングの少なくとも一方の対向シール面が傷付いたり欠損した場合、シール性能が低下し、必要とするシール性能が維持できなくなることによって発生する液漏れを発見してからシールリングを交換していた。なお、液漏れの発見は、シールリングの欠損発生からある程度の時間を経た後（例えば、数日〜数週間後）になる場合がある。

そのため、充填作業中において、従来のロータリージョイントでは、前記のようなシールリングの欠損が発生し、その欠損部分が異物として清涼飲料と共にペットボトルへ充填されても直ちに充填作業を中断できない場合があった。

その結果、異物が混入した不良品が大量に市場へ出荷される事態となり、事故発覚後に市場へ出回った大量の不良品を回収しなければならず、消費者側も製造者側も多大な不利益を被ることになっていた。このような問題は清涼飲料に限らず、充填機で充填可能なあらゆる液状の飲食物や医薬品等にも当てはまる。特に、医薬品製造の場合、人命に関わる事故に発展する可能性を含んでいるため、このような異物が混入した不良品を工場内に留め、市場に出回らないようにすることが喫緊の課題であり、世界的に共通した課題でもある。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、シールリングの欠損を直ちに検知することができるロータリージョイントおよびそれを備えたメカニカルシール監視装置を提供することを目的とする。

かくして、本発明によれば、同軸に配置された固定体と回転体と、前記固定体と回転体とを少なくとも１つのシールリングを介して軸を中心とする回転方向に摺動可能とするメカニカルシールと、シールリングを介する固定体と回転体との相対的な摺動状態の異常を検知して検知信号を出力する摺動異常検知機構とを備え、
前記摺動異常検知機構は、前記シールリングと前記ホルダーの間に装着されたリミッターピンと、前記リミッターピンに埋め込まれた一端を有するワイヤーと、前記ホルダーに取り付けられかつ前記ワイヤーの他端と連結された板バネと、板バネ検知部とを備え、前記リミッターピンと共に前記ワイヤーが剪断されることによって解放された前記板バネを前記板バネ検知部にて検知し、それによって前記固定体と前記回転体との相対的な摺動状態の異常を検知するように構成されたロータリージョイントが提供される。

また、本発明の別の観点によれば、前記ロータリージョイントと、前記ロータリージョイントの前記摺動異常検知機構からの検知信号を受信する制御部とを備え、前記検知信号を受信した前記制御部によって前記ロータリージョイントの前記回転体の回転を停止させるように制御するメカニカルシール監視装置が提供される。

本発明のロータリージョイントによれば、摺動異常検知機構によってシールリングを介する固定体と回転体との相対的な摺動状態の異常を検知し、かつ検知信号を出力することができる。そのため、例えば、シールリングのシール面が欠損した場合、シールリングを介する固定体と回転体との相対的な摺動状態が正常から異常に変化し、つまり適正な摩擦抵抗よりも大きくなり、この変化を摺動異常検知機構によって直ちに検知することができる。

この結果、例えば、本発明のロータリージョイントを備えた充填装置が導入された飲食物製造業や医薬品製造業等の製造ラインにおいては、シールリングが欠損すると直ちにラインが停止するため、異物が混入した不良品を工場内に留めることが可能となる。よって、消費者は異物が混入した不良品を購入し食し、場合によっては健康を害するといった様々な不利益を被ることが無くなり、製造者は大量に市場に出回った不良品を回収する際に発生する手間、コストおよび信頼性の低下を未然に回避することができる。
また、本発明によれば、摺動異常検知機構において、前記適正な摩擦抵抗力を超えたか否かを電磁気的、機械的、光学的等の各種方法で判断する検知機構を簡素な構造で低コストにて作製することができる。この場合、固定体および回転体にかかる適正な摩擦抵抗力を超えるとリミッターピンが剪断するように、リミッターピンの材質、太さ等を考慮する。
また、本発明によれば、摺動異常検知機構において、メカニカルシールにおける前記摺動状態の異常を外部に伝達する機構を機械的な簡素な構造で低コストにて作製することができる。さらに、飲食物製造や医薬品製造等に用いられるロータリージョイントは定期的な洗浄が必要であり、洗浄によってロータリージョイントにおけるメカニカルシールとそれを覆うハウジングとの間の空間に洗浄水が残留したり結露が発生するため光学センサでは誤検知し易いが、この構成では水分による誤検知が無く、高精度な検知を実現できる。この場合、固定体および回転体にかかる適正な摩擦抵抗力を超えるとリミッターピンと共にワイヤーが剪断するように、ワイヤーの材質、太さ等を考慮する。

また、本発明のロータリージョイントを備えたメカニカルシール監視装置によれば、制御部によって、充填装置のロータリーシャフトを回転させるモータ、充填装置に供給する被充填液のポンプ、充填装置に供給する容器の搬送装置のモータ等の動力源の駆動と停止を制御するように液体充填システムを構築することができる。すなわち、摺動異常検知機構からの検知信号を受信した制御部によって直ちに液体充填システムの各動力源を停止させることができる。

本発明の実施形態１のメカニカルシール監視装置を備えた液体充填システムを示す構成図である。 実施形態１のメカニカルシール監視装置を示す一部断面正面図である。 実施形態１のメカニカルシール監視装置におけるロータリージョイントの一部断面正面図である。 図３のロータリージョイントにおけるメカニカルシールの要部拡大正断面図である。 図４のメカニカルシールと近接センサとの位置を示す説明図である。 （Ａ）は図５のＩ−Ｉ線矢視断面図、（Ｂ）はメカニカルシールの対向シール面の反対側を示す説明図である。 メカニカルシールの摺動異常時の状態を示す図５対応図である。 （Ａ）はメカニカルシールの摺動異常時の状態を示す図６（Ａ）対応図、（Ｂ）は図６（Ｂ）対応図である。 実施形態２のロータリージョイントにおけるメカニカルシールの要部拡大正断面図である。

本発明のロータリージョイントは、同軸に配置された固定体と回転体と、前記固定体と回転体とを少なくとも１つのシールリングを介して軸を中心とする回転方向に摺動可能とするメカニカルシールと、シールリングを介する固定体と回転体との相対的な摺動状態の異常を検知して検知信号を出力する摺動異常検知機構とを備える。
本発明のロータリージョイントは、次のように構成されてもよい。

（１）前記メカニカルシールは、前記回転体であるパイプ状のロータリーシャフトの端面と摺接可能なように１つの前記シールリングが前記固定体であるパイプにホルダーを介して支持されてもよい。
このようにすれば、１個のシールリングのみで簡素な構造のメカニカルシールを構成することができる。この場合、ロータリーシャフトの端面をシールリングに応じたものにする必要がある。なお、この構成について詳しくは実施形態２で説明する。

（２）前記メカニカルシールは、固定体であるパイプにホルダーを介して支持された固定側のシールリングと、回転体であるパイプ状のロータリーシャフトにホルダーを介して支持された回転側のシールリングと有し、一対のシールリングが相対的に回転方向に摺動するように構成されてもよい。
このようにすれば、一対のシールリングでメカニカルシールを構成することができる。この場合、固定体および回転体は直接的に接触しないため長寿命化を図ることができる。なお、この構成について詳しくは実施形態１で説明する。

（３）前記リミッターピンが樹脂からなってもよい。
このようにすれば、リミッターピンを所定の剪断力で剪断するよう樹脂の種類、ピンの太さ等によって容易に調整できると共に、食品衛生法で認可された一定品質のリミッターピンを低コストにて作製することができる。なお、リミッターピンの材質は樹脂に限定されるものではなく、金属、セラミックス、木材等を用いることも可能であるが、飲食料製造や医薬品製造の製造ラインにロータリージョイントを使用する場合は前記理由から脆性材料ではない樹脂が好ましい。

（４）前記板バネ検知部が近接センサからなってもよい。
このようにすれば、水分によって誤検知することなく、解放された板バネの位置を電磁気的な近接センサにて確実に検知することができる。

以下、図面を参照しながら本発明のロータリージョイントおよびそれを備えたメカニカルシール監視装置の実施形態について詳説する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１のメカニカルシール監視装置を備えた液体充填システムを示す構成図である。
この液体充填システムＳは、液体充填装置Ｓ₁と、容器搬送装置Ｓ₂と、実施形態１のロータリージョイント１０を備えたメカニカルシール監視装置Ｓ₃と、液体供給装置Ｓ₄とを備え、例えば、搬送中の容器に清涼飲料、醤油等の液状の飲食料品、液状の医薬品等を充填する液体充填システムである。なお、実施形態１では、ペットボトルＰに清涼飲料を充填する液体充填システムを例示している。

液体充填装置Ｓ₁は、例えば、図示しない支持部によって回転可能に支持されると共にモータ５１にて回転する垂直回転軸５２と、垂直回転軸５２の軸心上の上端に連結された中空の円盤形本体部５３と、前記軸心を中心として本体部５３の下面に設けられた複数（例えば、１００本程度）の充填ノズル５４とを備えた構成とされる。なお、本体部５３の上面には、後述するロータリージョイント１０のパイプ状ロータリーシャフト１２ａと接続される接続口５３ａが形成されている。

容器搬送装置Ｓ₂は、例えば、モータ６１にて回転する駆動ローラ６２と、図外の従動ローラと、駆動ローラ６２と従動ローラとに張架されたエンドレスベルト６３とを備えるベルトコンベアーとされる。

液体供給装置Ｓ₄は、例えば、被供給液としての清涼飲料を貯蔵するタンク７１と、タンク７１とロータリージョイント１０とを接続する供給パイプ７２と、供給パイプ７２の途中部に設けられたポンプ７３とを備えた構成とされる。

また、図示しないが、液体充填システムＳは、容器搬送装置Ｓ₂にて搬送された容器としての空のペットボトルＰを持ち上げてその口に充填ノズル５５を差し込む容器保持装置を具備している。なお、ペットボトルＰ内に所定量の清涼飲料が充填されると、容器保持装置によってペットボトルＰが下降して充填ノズル５５から外れて充填が終了し、その後、ペットボトルＰは図示しない別の容器搬送装置にてキャップ取付装置へ搬送され、ペットボトルＰの口にキャップが取り付けられる。

＜メカニカルシール監視装置＞
図２は実施形態１のメカニカルシール監視装置を示す一部断面正面図である。
メカニカルシール監視装置Ｓ₃は、前記ロータリージョイント１０と、ロータリージョイント１０の後述する摺動異常検知機構からの検知信号を受信する制御部２０とを備え、前記検知信号を受信した制御部２０によってロータリージョイント１０の後述するロータリーシャフトの回転を停止させるように制御するよう構成されている。なお、実施形態１の場合、制御部２０は警報ランプ２０ａおよびブザーを有している。

［ロータリージョイント］
図３は実施形態１のメカニカルシール監視装置におけるロータリージョイントの一部断面正面図であり、図４は図３のロータリージョイントにおけるメカニカルシールの要部拡大正断面図であり、図５は図４のメカニカルシールと近接センサとの位置を示す説明図である。また、図６（Ａ）は図５のＩ−Ｉ線矢視断面図、（Ｂ）はメカニカルシールの対向シール面の反対側を示す説明図である。

ロータリージョイント１０は、同一軸心上に配置された固定体１１と回転体１２とを一対のシールリング１３、１４を介して回転方向に摺動可能とするメカニカルシールＭｓと、一対のシールリング１３、１４を介する固定体１１と回転体１２との相対的な摺動状態の異常を検知して検知信号を出力する摺動異常検知機構１５とを備える。

メカニカルシールＭｓを構成する一対のシールリング１３、１４のうち、一方は固定体１１に固定され、他方は回転体１２に固定される。
図５および図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、回転体１２に固定される回転側のシールリング１４は、軸心方向の上端に対向シール面１４ａを有すると共に、その外周面に周方向の段部１４ｂを有しており、この段部１４ｂを境に外径の対向シール面１４ａ側は細く、対向シール面１４ａとは反対の裏面側は太くなっている。

回転側のシールリング１４において、太くなった段部１４ｂに半円筒形の切欠き１４ｃが軸心方向に複数形成されている。実施形態１の場合、段部１４ｂに周方向等間隔で３個の切欠き１４ｃが形成されている。なお、切欠き１４ｃの数は、３個に限定されるものでは無く、１個、２個または４個以上でもよいが、切欠き１４ｃに嵌め込まれる後述のリミッターピン１５ａが所定の剪断力で剪断されるようにリミッターピン１５ａの材質、太さ、数等が考慮されるため、切欠き１４ｃの数もリミッターピン１５ａの数と同じとされる。

固定体１２に固定される固定側のシールリング１３は、回転側のシールリング１４と同じ構成である。
これらのシールリング１３、１４は、ロータリージョイントのメカニカルシールＭｓで一般的に使用されているセラミックスからなり、それらの対向シール面１３ａ、１４ａは所定の表面粗さ以下となるまで平滑化されている。

回転体１２は、腐食し難い金属（例えば、ステンレス鋼）からなり、パイプ状のロータリーシャフト１２ａと、ロータリーシャフト１２ａの上端にボルトにて連結されて回転側のシールリング１４を保持するホルダー１２ｂと、ロータリーシャフト１２ａの下端外周面に一体回転可能に設けられたフランジ１２ｃとを備える。このフランジ１２ｃは、液体充填装置Ｓ₁の本体部５３の上面ボルトにて連結され、これによりロータリーシャフト１２ａの下端開口部が本体部５３の接続口５３ａに液密に接続されている。

また、ロータリーシャフト１２ａの上端開口縁には、扁平リング状のパッキン１２ｄを介して回転側のシールリング１４の裏面側を嵌め込む切欠き１２ａ₁が形成されると共に、切欠き１２ａ₁にはパッキン１２ｄの凸条部１２ｄ₁を嵌め入れるための浅い凹周溝１２ａ₂が形成されている。さらに、ロータリーシャフト１２ａの上端面には複数（この場合、１２個）のネジ孔が周方向等間隔で形成されている。

回転側のホルダー１２ｂは、図５、図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、回転側のシールリング１４の太い外周面をほぼ隙間無く嵌め入れる大きさの円形穴を有するリング部１２ｂ₁と、リング部１２ｂ₁の上端に設けられた内フランジ部１２ｂ₂とを有している。

また、リング部１２ｂ₁の上面には２個のボルト挿通孔を有する凹部１２ｂ₁₁が複数箇所（この場合、６箇所）に周方向等間隔で形成されると共に、リング部１２ｂ₁の内周面には回転側のシールリング１４の切欠き１４ｃに対応する複数（この場合、３個）の半円筒形の切欠き１２ｂ₁₂が形成されている。さらに、リング部１２ｂ₁における１つの切欠き１２ｂ₁₂に対応する位置には半径方向に貫通するワイヤー挿通孔１２ｂ₁₂₁が形成されている（図５参照）。なお、ワイヤー挿通孔１２ｂ₁₂₁は、隣接する２個のボルト挿通孔の中間位置に形成される。

固定体１１は、腐食し難い金属（例えば、ステンレス鋼）からなり、前記液体供給装置Ｓ₄の供給パイプ７２と接続する接続口１１ａ₁を有する円筒形のハウジング１１ａと、ハウジング１１ａに固定側のシールリング１３を固定するリング形のホルダー１１ｂと、このホルダー１１ｂを介して固定側のシールリング１３の対向シール面１３ａを回転側のシールリング１４の対向シール面１４ａへ押し付ける複数のコイルスプリング１１ｃとを備える。なお、実施形態１の場合、コイルスプリング１１ｃは、周方向等間隔で６〜１２箇所設けられている。

ハウジング１１ａは、接続口１１ａ₁₁およびフランジ部１１ａ₁₂を形成する上部接続部１１ａ₁と、フランジ部１１ａ₁₂とボルトにて連結される上端を有する上部筒部１１ａ₂と、上部筒部１１ａ₂とボルトにて連結される上端を有する下部筒部１１ａ₃とを有してなる。

また、固定体１１は、ハウジング１１ａの上部接続部１１ａ₁のフランジ部１１ａ₁₂と固定側のシールリング１３との間に設けられた軸心方向に弾性変形可能な円筒状の蛇腹部材１１ｄと、蛇腹部材（ベローズ）１１ｄと固定側のシールリング１３との間に設けられた前記パッキン１２ｄと同様のパッキン１１ｅとを備える。そのため、蛇腹部材１１ｄの下端面には、パッキン１１ｅの凸条部１１ｅ１を嵌め入れるための浅い凹周溝１１ｄ₁が形成されている。

図３と図４に示すように、固定側のホルダー１１ｂは、リング状の第１部材１１ｂ₁および円弧状の複数の第２部材１１ｂ₂とを有してなる。実施形態１の場合、第２部材はリングを等しく２分割した円弧状に形成されている。

第１部材１１ｂ₁は、固定側のシールリング１３の太い外周面をほぼ隙間無く嵌め入れる大きさの円形穴を有するリング部１１ｂ₁₁と、リング部１１ｂ₁₁の下端に設けられた内フランジ部１１ｂ₁₂とを有している。また、リング部１１ｂ₁₁の上面には、回転側のホルダー１２ｂと同様に、２個のボルト挿通孔を有する凹部が複数箇所（この場合、６箇所）に周方向等間隔で形成されると共に、リング部１１ｂ₁₁の内周面には固定側のシールリング１３の切欠きに対応する複数（この場合、３個）の半円筒形の切欠きが形成されている。

また、リング部１１ｂ₁₁において、その上端の開口縁に第２部材１１ｂ₂を嵌め入れる切欠きが形成され、その切欠きには第１部材１１ｂ₁と第２部材１１ｂ₂とをボルトにて連結するためのネジ孔が形成され、そのネジ孔よりも外周側には前記コイルスプリング１１ｃを支持するシャフト１１ｃ₁を挿通させる挿通孔が形成されている。さらに、リング部１１ｂ₁₁における１つの切欠きに対応する位置には、回転側のホルダー１１ｂと同様に、半径方向に貫通するワイヤー挿通孔が形成されている（図５参照）。

《摺動異常検知機構》
図４、図５、図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、摺動異常検知機構１５は、回転側のホルダー１２ｂの前記ワイヤー挿通孔１２ｂ₁₂₁に対応する位置に設けられる機械的構成と、固定側のホルダー１１ｂの前記ワイヤー挿通孔に対応する位置に設けられる機械的構成と、固定体１１のハウジング１１ａに設けられた電磁気的構成としての板バネ検知部１５ｄとを備える。

具体的に説明すると、回転体１２に設けられる摺動異常検知機構１５の機械的構成は、樹脂製の前記リミッターピン１５ａと、リミッターピン１５ａに埋め込まれた一端を有するステンレス鋼製のワイヤー１５ｂと、ホルダー１２ｂの外周面にネジにて取り付けられかつワイヤー１５ｂの他端と連結されたステンレス鋼製の板バネ１５ｃとを備える。

リミッターピン１５ａは、例えば、フッ素系樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）系樹脂等の樹脂からなり、回転側のシールリング１４をホルダー１２ｂに嵌め入れて形成される円筒状の切欠き１４ｃ、１２ｂ₁₂による小孔にほぼ隙間無く挿入できるサイズで形成されている。

実施形態１では、リミッターピン１５ａは、シールリング１４とホルダー１２ｂの切欠き１４ｃ、１２ｂ₁₂によって形成される３個の小孔にそれぞれ挿入されるが、３個のリミッターピン１５ａのうち、ワイヤー挿通孔１２ｂ₁₂₁に対応する位置のリミッターピン１５ａにのみワイヤー１５ｂおよび板バネ１５ｃが取り付けられた場合を例示している。この場合、ワイヤー挿通孔１２ｂ₁₂₁に対応する位置のリミッターピン１５ａには、前記ワイヤー１５ｂを通す貫通孔が半径方向に形成されている。なお、ホルダー１２ｂにおける２個または３個の切欠き１２ｂ₁₂にワイヤー挿通孔１２ｂ₁₂₁を形成して２箇所または３箇所に機械的構成を設けてもよい。

ワイヤー１５ｂの一端は、リミッターピン１５ａを貫通して団子状の抜け止めが形成されている。なお、実施形態１では、ワイヤー１５ｂがさらに抜け難くなるように、リミッターピン１５ａとワイヤー１５ｂの抜け止めとの間には金属箔１５ａ₁がリミッターピン１５ａに貼り付けた状態で設けられている。

また、ワイヤー１５ｂの他端にも団子状の抜け止めが形成されており、板バネ１５ｃの先端１５ｃ₁に形成した切り込みにワイヤー１５ｂを通し、ワイヤー１５ｂの抜け止めを板バネ１５ｃの外面に引っ掛けている。これにより、板バネ１５ｃは回転軸心側に引っ張られた状態で保持される。なお、実施形態１の場合、板バネ１５ｃがこの状態で長期間保持されてもバネ性能が低下しないよう、板バネ１５ｃの長手方向中間部に半円弧状の曲げ部１５ｃ₂を形成している。

回転体１２に設けられる摺動異常検知機構１５の機械的構成を組み付ける際は、板バネ１５ｃをホルダー１２ｂに取り付け、一端に抜け止めを有するワイヤー１５ｂの他端を金属箔１５ａ１およびリミッターピン１５ａに貫通させる。そして、この状態のワイヤー１５ｂの他端をホルダー１２ｂのワイヤー挿通孔１２ｂ₁₂₁に通して外方へ突出させて板バネ１５ｃに引っ掛けると共に、リミッターピン１５ａを切欠き１２ｂ₁₂に嵌め入れる。このとき、他の２個のリミッターピン１５ａも他の２個の切欠き１２ｂ₁₂に嵌め入れる。

その後、切欠き１４ｃを切欠き１２ｂ₁₂に位置に合わせるようにしてシールリング１４をホルダー１２ｂに、例えば、ゴム製のリング状クッション材を介して嵌め入れ、クッション材を介してシールリング１４の段部１４ｂをホルダー１２ｂの内フランジ部１２ｂ２に押し当てる。そして、この状態のシールリング１４をロータリーシャフト１２ａの上端の凹部１２ａ₁にパッキン１２ｄを介して載置し、ホルダー１２ｂをロータリーシャフト１２ａの上端面にボルトにて固定する。

一方、固定体１１に設けられる摺動異常検知機構１５の機械的構成も、回転体１２に設けられる摺動異常検知機構１５の機械的構成と同様である。
また、固定体１１に設けられる摺動異常検知機構１５の機械的構成を組み付ける手順も、固定体１１に設けられる摺動異常検知機構１５の機械的構成を組み付ける手順と同様である。この際、ホルダー１１ｂの第２部材１１ｂ₂は第１部材１１ｂ₁から取り外されている。

固定側のシールリング１３およびホルダー１１ｂの第１部剤１１ｂ₁に摺動異常検知機構１５の機械的構成を組み付けた後、ホルダー１１ｂの複数個（例えば、２個）の第２部材１１ｂ₂を蛇腹部材１１ｄの下端のくびれ部１１ｄ₂に嵌め込む。また、複数本（例えば、４本）のシャフト１１ｃ₁の上端に設けられた雄ネジ部を、ハウジング１１ａの上部接続部１１ａ₁に設けられたネジ孔に螺着させると共に、各シャフト１１ｃ₁にコイルスプリング１１ｃを嵌め込む（図３参照）。

その後、ホルダー１１ｂの第１部剤１１ｂ₁の各挿通孔に各シャフト１１ｃ１を通し、各シャフト１１ｃ１の下端に設けられたネジ孔に抜け止め用のネジを螺合させる。そして、シールリング１３の裏面にパッキン１１ｅを乗せた状態で、ホルダー１１ｂの第１部材１１ｂ₁を第２部材１１ｂ₂にボルトにて連結する。これにより、各コイルスプリング１１ｃによってホルダー１１ｂ、蛇腹部材１１ｄおよびパッキン１１ｅを介して固定側のシールリング１３の対向シール面１３ａが、回転側のシールリング１４の対向シール面１４ａに所定の押圧力で均等に押し付けられる。

摺動異常検知機構１５の板バネ検知部１５ｄは、ステンレス鋼製の板バネ１５ｃが接近することによって磁気誘導による磁性体近傍の磁場の変化を検知する近接センサが使用される。この近接センサは、真鍮といった非磁性金属に対しては検出距離が短くなり、鉄といった磁性金属に対しては検出距離が長くなる誘導型近接センサである。よって、ステンレス鋼製の板バネがオーステナイト系といった非磁性体であってもフェライト系といった磁性体であっても誘導型近接センサによって高精度に検知することができる。実施形態１の場合、バネ検知部１５ｄとしての近接センサは、外周面に雄ネジ部を有する円柱状であり、その一端は樹脂製のカバーシートにて覆われた検知面１５ｄ₁であり、他端から複数のリード線１５ｄ₂が延出している。

バネ検知部１５ｄは、固定体１１のハウジング１１ａの外周部、具体的には、相互に重ね合わされた一対のシールリング１３、１４の対向シール面１３ａ、１４ａの高さ位置に形成されたネジ孔に螺着されている。このとき、バネ検知部１５ｄの検知面１５ｄ₁は、ハウジング１１ａの内周面から突出しないように配置される。

図１および図２に示すように、ハウジング１１ａに取り付けられたバネ検知部１５ｄは、各リード線１５ｄ₂が前記制御部２０の端子に電気的に接続される。また、バネ検知部１５ｄにおけるハウジング１１ａから外部へ突出した部分は、筒状のケース部材１５ｄａ、１５ｄｂによって液密に被覆されている。

図１での説明のように、液体充填装置Ｓ₁によるペットボトルＰへの清涼飲料の充填の際は、ロータリージョイント１０内に清涼飲料が供給され、かつロータリーシャフト１２ａが回転する。このとき、固定体１１と回転体１２との間は一対のシールリング１３、１４を有するメカニカルシールＭｓにて外部へ漏れ出ないよう密封されている。

固定側のシールリング１３に対して回転側のシールリング１４は、毎分１０〜１５回転しているため、充填作業中は各シールリング１３、１４の対向シール面１３ａ、１４ａは相対的に摺動し続けている。そのため、一対のシールリング１３、１４は徐々に消耗するため定期的に交換する必要がある。

また、ロータリージョイント１０を分解清掃する、あるいは一対のシールリング１３、１４を交換した後、ロータリージョイント１０を組み立てるが、固定体１１と回転体１２の軸心が僅かでもずれると各シールリング１３、１４の欠損に繋がる。

充填作業中に各シールリング１３、１４の少なくとも一方が欠損した場合、その欠損部分が対向シール面１３ａ、１４ａの間に入り込んで対向シール面１３ａ、１４ａを傷付けたり、さらに大きな欠損を誘引し、シール性能を著しく低下させる。それに加え、前記欠損部分が清涼飲料中に混入すれば、異物が混入した商品を大量に生産して市場に出荷してしまい、それらを後日回収しなければならない事態に繋がる。そこで、本発明のロータリージョイント１０では、次のような対策がなされる。

つまり、対向シール面１３ａ、１４ａの間に異物が進入した場合、対向シール面１３ａ、１４ａの間に生じる摩擦抵抗力が正常な場合よりも著しく増加する。それによって、回転側のシールリング１４に対して回転を妨げる力（固定させる力）、固定側のシールリング１３に対して固定を妨げる力（回転させる力）、あるいはこれら両方の力が発生する。

一方、固定側および回転側の摺動異常検知機構１５における各リミッターピン１５ａは、固体側のホルダー１１ｂに対してシールリング１３が回転しないように回り止めすると共に、回転側のホルダー１２ｂに対してシールリング１４が回転しないように回り止めしている。

しかしながら、例えば、回転側のシールリング１４に対して回転を妨げる力が、回転側のホルダー１２ｂに対してシールリング１４が回転しないように回り止めする力を上回ると、回転側のシールリング１４が各リミッターピン１５ａを半割状に剪断してホルダー１２ｂに対して回転する。この状態は、固定側のシールリング１３と回転側のシールリング１４との相対的な摺動状態が異常であることを示している。これについて、図７および図８を参照しながら詳しく説明する。

図７はメカニカルシールの摺動異常時の状態を示す図５対応図である。また、図８（Ａ）はメカニカルシールの摺動異常時の状態を示す図６（Ａ）対応図、図８（Ｂ）は図６（Ｂ）対応図である。
図７、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、回転側のシールリング１４が各リミッターピン１５ａを剪断してホルダー１２ｂに対して回転する、すなわち、摺動異常状態が発生すると、摺動異常検知機構１５のワイヤー１５ｂも剪断される。

すると、ワイヤー１５ｂによって押さえ付けられていた板バネ１５ｃが解放され、板バネ１５ｃの先端１５ｃ₁が外周方向へ突出する。板バネ１５ｃは回転するホルダー１２ｂに取り付けられているため、板バネ１５ｃの先端１５ｃ₁が板バネ検知部１５ｄの検知面１５ｄ₁の近傍を回転方向に通過する。これにより、板バネ検知部１５ｄによって板バネ１５ｃが検知され、板バネ検知部１５ｄから制御部２０へ検知信号が送信される。

このとき、ステンレス鋼製の板バネ１５ｃが非磁性体であっても、板バネ１５ｃが解放されて板バネ検知部１５ｄである近接センサとの距離が短くなることによって検知される。一方、解放される前の板バネ１５ｃは近接センサとの距離が長いため検出されることはなく、ステンレス鋼製のホルダー１２ｂも検知されないため、近接センサによる誤検知は生じない。また、少し内側へ湾曲した板バネ１５ｃの先端１５ｃ₁はハウジング１１ａの内周面を滑らかに摺動するため、板バネ１５ｃの先端１５ｃ₁がバネ検知部１５ｄの検知面１５ｄ₁に接触して損傷させることがなく、ハウジング１１ａの内周面と板バネ１５ｃとの摩擦によって金属粉が発生することもない。

図１および図２に示すように、前記検知信号を受信した制御部２０は、警報ランプ２０ａが点灯し、ブザーが鳴って作業者に摺動異常が発生したことを報知すると同時に、液体充填システムＳの駆動系である液体充填装置Ｓ₁のモータ５１、容器搬送装置Ｓ₂のモータ６１、液体供給装置Ｓ₄のポンプ７３等を停止させるよう制御する。これによって、ロータリーシャフト１２ａの１回転以内に充填作業を停止することができ、異物が混入した商品を確実に工場内に留めることができる。

また、本発明のロータリージョイント１０によれば、摺動異常検知機構１５によって移動摺動が検知された直後に、ロータリージョイント１０を分解し、シールリング１３、１４の状態や摺動異常の原因を早期に調べることができるため、摺動異常の防止対策を早期に実施することができる。

なお、分解したロータリージョイント１０は、必要に応じてシールリング１３、１４を交換し、かつ摺動異常検知機構１５の機械的構成を上述のように組み込んだ上で、再度組み立てられる。また、ロータリージョイント１０は、必要に応じて、清涼飲料が供給される内部流路以外にも、蛇腹部材１１ｄからロータリーシャフト１２ａに亘る構造壁とハウジング１１ａとの間の空間に洗浄液を通して洗浄される。摺動異常検知機構１５は水分による誤検知をしないため、このような洗浄を必要とするロータリージョイント１０に好適である。

実施形態１では、回転側のシールリング１４の欠損を摺動異常検知機構１５によって検知する場合を例示したが、板バネ検知部１５ｄは回転側と固定側の両方の板バネ１５ｃを検知できる位置に配置されているため、固定側と回転側のシールリング１３、１４のうちいずれか一方が欠損して摺動異常が発生した時点で検知信号を出力することができる。

（実施形態２）
図９は実施形態２のロータリージョイントにおけるメカニカルシールの要部拡大正断面図である。なお、図９において、図４中の要素と同様の要素には同一の符号を付している。
実施形態２のロータリージョイント１１０は、同一軸心上に配置された固定体１１と回転体１１２とを１つのシールリング１３を介して回転方向に摺動可能とするメカニカルシールを備え、さらに、シールリング１３を介する固定体１１と回転体１１２との相対的な摺動状態の異常を検知して検知信号を出力する摺動異常検知機構１５を備えている。

詳しく説明すると、実施形態２の場合、前記メカニカルシールＭｓは、回転体１１２であるパイプ状のロータリーシャフト１１２ａの端面（上端）と摺接可能なように１つのシールリング１３が固定体１１にホルダー１１ｂを介して支持されてなる。つまり、実施形態２のメカニカルシールは、実施形態１における摺動異常検知機構１５の回転側の機械的構成が省略されたものである。

この場合、ロータリーシャフト１１２ａの上端は平滑な対向シール面１１２ａ₁となっており、固定側のシールリング１３の対向シール面１３ａと液密に摺動する。そのため、ステンレス鋼製のロータリーシャフト１１２ａのシール対向面１１２ａ₁は、固定側のシールリング１３の対向シール面１３ａの表面粗さと同程度まで平滑化されている。

実施形態２のロータリージョイント１１０によれば、１個のシールリング１３のみで簡素な構造のメカニカルシールを構成することができる。

（実施形態３）
実施形態２では固定側にのみシールリング１３を設けたメカニカルシールを例示したが、ロータリーシャフトにのみシールリングを設けてもよい。つまり、実施形態３のメカニカルシールは、実施形態１における摺動異常検知機構１５の固定側の機械的構成が省略されたものとなる。この場合、図４を参照しながら説明すると、固定側のホルダー１１ｂの第１部材１１ｂ１における内フランジ部１１ｂ₁₂および複数の切欠きが省略される。

また、蛇腹部材１１ｄは、その下端の浅い凹周溝１１ｄ₁が省略されて平滑化されると共に、回転側のシールリング１４の対向シール面１４ａと接触できる位置まで下方に延びた形状に形成される。なお、ステンレス鋼製の蛇腹部材１１ｄのシール対向面となる下端面は、回転側のシールリング１４の対向シール面１４ａの表面粗さと同程度まで平滑化される。

（実施形態４）
実施形態１〜３では、固定体と回転体との相対的な摺動状態の異常をリミッターピンの剪断によって電磁気的に検知するように構成された摺動異常検知機構を例示したが、この摺動異常検知機構で用いられる近接センサの代わりに、板バネの距離の変化を超音波で測定する超音波センサを用いてもよい。この場合、洗浄が必要なロータリージョイントにも適用可能である。

（実施形態５）
ロータリージョイント内を洗浄する必要がない場合は、次のように摺動異常検知機構を構成してもよい。この場合、実施形態１〜３で使用する誘導型近接センサの代わりに、板バネの距離の変化を静電容量の変化として検知する静電容量型近接スイッチを用いることができる。

（実施形態６）
ロータリージョイント内を洗浄する必要がない場合は、機械的に検知する摺動異常検知機構を用いてもよい。この場合、実施形態１〜３で使用する近接センサの代わりに、解放された状態で回転する板バネと接触することによって板バネを検知するマイクロ・スイッチを用いることができる。

（実施形態７）
ロータリージョイント内を洗浄する必要がない場合は、光学的に検知する摺動異常検知機構を用いてもよい。この場合、実施形態１〜３で使用する近接センサの代わりに、光を物体に向けて照射し、その反射光を受光したときの受光量の変化を検知する光電センサを用いることができる。

この構成によれば、光電センサが、板バネが解放される前の状態の時に受ける反射光の受光量と、解放された状態で回転する板バネを反射した時に受ける反射光の受光量との変化を検知することができる。したがって、光電センサが受光する反射光の量は、光電センサに近接した解放後の板バネからの反射光の受光量の方が、板バネの解放前の反射光の受光量よりも多くなるため、板バネが解放された状態を摺動異常であると検知できる。

（実施形態８：参考例）
実施形態７のように光電センサを用いる場合、摺動異常検知機構の機械的構成（リミッターピン、ワイヤーおよび板バネ）の代わりに、固定体および回転体における対向シール面の外周の同じ位置にマーカー（例えば、ミラーまたは黒い線）を設け、光電センサからマーカーに向かって光を照射し、マーカーを反射した反射光を光電センサにて受光するように構成する。この場合、固定体側のマーカーと回転体側のマーカーとが相対的に位置ずれすることによって、光電センサが受ける反射光の受光量の変化を検知することができ、それによって摺動異常が発生したと検知できる。

なお、開示された実施の形態は、全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。本発明の範囲は上述の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及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１０、１１０ ロータリージョイント
１１ 固定体
１１ｂ、１２ｂ ホルダー
１２ 回転体
１２ａ ロータリーシャフト
１３、１４、シールリング
１３ａ、１４ａ １１２ａ 対向シール面
１５ 摺動異常検知機構
１５ａ リミッターピン
１５ｂ ワイヤー
１５ｃ 板バネ
１５ｄ 板バネ検知部
２０ 制御部
Ｍｓ メカニカルシール
Ｓ₃ メカニカルシール監視装置

Claims (6)

1. 同軸に配置された固定体と回転体と、前記固定体と回転体とを少なくとも１つのシールリングを介して軸を中心とする回転方向に摺動可能とするメカニカルシールと、シールリングを介する固定体と回転体との相対的な摺動状態の異常を検知して検知信号を出力する摺動異常検知機構とを備え、
   前記摺動異常検知機構は、前記シールリングと前記ホルダーの間に装着されたリミッターピンと、前記リミッターピンに埋め込まれた一端を有するワイヤーと、前記ホルダーに取り付けられかつ前記ワイヤーの他端と連結された板バネと、板バネ検知部とを備え、前記リミッターピンと共に前記ワイヤーが剪断されることによって解放された前記板バネを前記板バネ検知部にて検知し、それによって前記固定体と前記回転体との相対的な摺動状態の異常を検知するように構成されたことを特徴とするロータリージョイント。
2. 前記メカニカルシールは、前記回転体であるパイプ状のロータリーシャフトの端面と摺接可能なように１つの前記シールリングが前記固定体であるパイプにホルダーを介して支持されてなる請求項１に記載のロータリージョイント。
3. 前記メカニカルシールは、前記固定体であるパイプにホルダーを介して支持された固定側のシールリングと、前記回転体であるパイプ状のロータリーシャフトにホルダーを介して支持された回転側のシールリングと有し、一対のシールリングが相対的に回転方向に摺動するように構成されている請求項１に記載のロータリージョイント。
4. 前記リミッターピンが樹脂からなる請求項１〜３のいずれか１つに記載のロータリージョイント。
5. 前記板バネ検知部が近接センサからなる請求項１〜４のいずれか１つに記載のロータリージョイント。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のロータリージョイントと、前記ロータリージョイントの前記摺動異常検知機構からの検知信号を受信する制御部とを備え、前記検知信号を受信した前記制御部によって前記ロータリージョイントの前記回転体の回転を停止させるように制御するメカニカルシール監視装置。

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