(57)【要約】【課題】エアシール材の摩耗進行を低減した往復摺動エアシール機構およびそれに用いるための摺動材を提供する。【解決手段】エアシール材と摺動材との往復摺動接触によりエアシールを行い、摺動材に対してエアシール材の方が優先的に摺動摩耗するエアシール機構において、上記摺動材の摺動面が、評価長さ：２．５ｍｍ、カットオフ：０．２５ガウシアンという評価条件において、下記の関係：断面曲線より求めたＷｃａ：０．３０μｍ以下、粗さ曲線より求めたＲａ  ：０．２５μｍ以下、負荷長さ率ｔｐ          ：カット率２０％で２０％以下かつカット率３０％で５０％以上、を満たすことを特徴とする往復摺動エアシール機構。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアシール材と摺動材との往復摺動接触によりエアシールを行い、摺動材に対してエアシール材の方が優先的に摺動摩耗するエアシール機構において、
上記摺動材の摺動面が、評価長さ：２．５ｍｍ、カットオフ：０．２５ガウシアンという評価条件において、下記の関係：
断面曲線より求めたＷｃａ：０．３０μｍ以下、
粗さ曲線より求めたＲａ  ：０．２５μｍ以下、
負荷長さ率ｔｐ          ：カット率２０％で２０％以下かつカット率３０％で５０％以上、
を満たすことを特徴とする往復摺動エアシール機構。
【請求項２】
エアシール材と摺動材との往復摺動接触によりエアシールを行い、摺動材に対してエアシール材の方が優先的に摺動摩耗するエアシール機構に用いる摺動材であって、
摺動面が、評価長さ：２．５ｍｍ、カットオフ：０．２５ガウシアンという評価条件において、下記の関係：
断面曲線より求めたＷｃａ：０．３０μｍ以下、
粗さ曲線より求めたＲａ  ：０．２５μｍ以下、
負荷長さ率ｔｐ          ：カット率２０％で２０％以下かつカット率３０％で５０％以上、
を満たすことを特徴とする往復摺動エアシール機構用摺動材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エアシール材と摺動材との往復摺動接触によりエアシールする機構およびそれに用いる摺動材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、往復摺動エアシール機構はエアバネ等のように無潤滑下で往復摺動可能な気密シール機構であり、例えば特許文献１（特開平９−３０３５６６号公報）に、シリンダチューブとピストンとの往復摺動接触によりエアシールする機構が記載されている。この場合、ピストンの周溝に嵌め込まれたフッ素樹脂等から成るシールリングと金属製シリンダチューブとの往復摺動接触によりエアシールが行なわれる。すなわち、往復運動するピストンの周溝に嵌め込んだ樹脂製シールリングの外周面が、固定された金属製シリンダチューブの内周面に摺動接触する形式である。往復摺動エアシール機構としては、これとは逆に、固定されたシリンダチューブの周溝に嵌め込んだ樹脂製シールリングの内周面が、往復運動する金属製ピストンの外周面に摺動接触する形式のものも多い。
【０００３】
いずれの形式でも、樹脂、ゴム等の比較的軟らかい材料で作られたエアシール材と、金属等の比較的硬い材料で作られた摺動材との往復摺動接触によりエアシールが行なわれる。
【０００４】
このようにエアシール材は、気密性を確保するために、金属よりも軟質な樹脂等の材料を用いているが、耐摩耗性を高めるには高価な材料を用いる必要がある。また、相手材となる摺動材は摺動面が金属となる場合が多く、表面粗さを小さくしてシール性を確保するのが通例であった。
【０００５】
しかし、エアシールは摺動面に潤滑オイルを用いるとエア圧に影響を及ぼすため、無潤滑下もしくは低潤滑下で摺動を行なう必要があり、エアシール材の早期摩耗進行による気密性能の低下、更にそれに起因する装置の不具合を引き起こすという問題があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３０３５６６号公報（段落００１３〜００１８、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の問題を解消し、エアシール材の摩耗進行を低減した往復摺動エアシール機構およびそれに用いるための摺動材を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、エアシール材と摺動材との往復摺動接触によりエアシールを行い、摺動材に対してエアシール材の方が優先的に摺動摩耗するエアシール機構において、
上記摺動材の摺動面が、評価長さ：２．５ｍｍ、カットオフ：０．２５ガウシアンという評価条件において、下記の関係：
断面曲線より求めたＷｃａ：０．３０μｍ以下、
粗さ曲線より求めたＲａ  ：０．２５μｍ以下、
負荷長さ率ｔｐ          ：カット率２０％で２０％以下かつカット率３０％で５０％以上、
を満たすことを特徴とする往復摺動エアシール機構が提供される。
【０００９】
更に、本発明によれば、エアシール材と摺動材との往復摺動接触によりエアシールを行い、摺動材に対してエアシール材の方が優先的に摺動摩耗するエアシール機構に用いる摺動材であって、
摺動面が、評価長さ：２．５ｍｍ、カットオフ：０．２５ガウシアンという評価条件において、下記の関係：
断面曲線より求めたＷｃａ：０．３０μｍ以下、
粗さ曲線より求めたＲａ  ：０．２５μｍ以下、
負荷長さ率ｔｐ          ：カット率２０％で２０％以下かつカット率３０％で５０％以上、
を満たすことを特徴とする往復摺動エアシール機構用摺動材が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は表面形態の指標としてＷｃａ、Ｒａ、ｔｐを上記のとおりに規定する。ここで、Ｗｃａは断面曲線に含まれるうねり成分等の波長の長い成分を代表しており、一方、Ｒａは算術平均粗さであり、断面曲線から上記の長波長成分を除去（カットオフ）した粗さ曲線から求められる。
【００１１】
すなわち、本発明では、表面形態のうち、うねり等の波長の長い凹凸をＷｃａを指標として制限し、同時に、一般に表面粗さを代表する波長の短い凹凸をＲａを指標として制限する。
【００１２】
本発明はこれに加えて、更に負荷長さ率ｔｐも制限する。負荷長さ率ｔｐは、摺動面を構成する凹凸の断面プロファイルに依存する。負荷長さ率ｔｐが本発明の規定範囲を満たす場合のベアリングカーブ（カット率による負荷長さ率の変化を表す曲線）は、例えば図１に示すようになる。横軸がカット率、縦軸が負荷長さ率ｔｐであり、ベアリングカーブは摺動面凹凸の断面プロファイル（詳しくは摺動面を構成する個々の凹凸の断面プロファイルの総平均）に対応している。本発明はカット率と負荷長さ率との関係を表面形態の一指標として用い、カット率２０％で負荷長さ率ｔｐが２０％以下となる点（図示の例では点Ａ）と、カット率３０％で負荷長さ率ｔｐが５０以上となる点（図示の例では点Ｂ）とを通るようにベアリングカーブを規定し、それにより摺動面を構成する凹凸の断面プロファイルを規定する。
【００１３】
エアシール材との摺動相手となる摺動材の摺動面形態を上記規定範囲内とすることにより、エアシール材の摩耗進行を大幅に低減することができる。
【００１４】
エアシール材は、一般にフッ素樹脂等の樹脂、シリコーンゴム等の合成ゴムなどが用いられ、その摺動相手となる摺動材は一般にアルミニウム合金等の金属などが用いられる。
【００１５】
摺動材の摺動面形態を本発明の規定範囲内とする方法は特に限定しない。例えば、下記の方法を用いることができる。
【００１６】
〔方法１〕
円筒状摺動材の摺動面となる外周面を予め鏡面に加工しておき、これにレーザビームをパルス照射して微小な窪みを形成する。その際、形成する窪みの寸法およびピッチは、摺動材周方向については円筒軸回りの回転速度とレーザビームのパルス制御により望みの値に制御しながら、同時に、摺動材長さ方向については円筒軸方向の移動速度およびピッチ対応のスリットにより望みの値に制御する加工が可能である。レーザビームのスポット径は一般に５０μｍ以下とすることが望ましい。
【００１７】
〔方法２〕
摺動材の摺動面を機械加工により仕上げた後、多段ショットブラストにより所望の表面形態とする。すなわち、初期ショットは平滑性を高めるためにショット粒として大粒径のものを用い、最終ショットは微小窪み生成のため小粒径のものを用いる。最終ショット用のショット粒は、粒径５０μｍ以下であることが望ましい。
【００１８】
以上の方法はほんの一例であり、必要な表面形態を形成できる表面加工方法であればよい。上記の例も含めて一般に表面形態の調整には、機械研削、ショットブラスト、各種研磨、化学エッチング、電解エッチング、電子ビーム加工等による局部的加工あるいはこれらを組み合わせた加工方法等を用いることができる。
【００１９】
【実施例】
本発明による往復摺動エアシール機構として、図２に示すエアバネを用いて、エアシール材の摺動相手である摺動材の摺動面形態を種々に変化させて、シール材摩耗量およびエアー漏れを測定した。
【００２０】
図２の往復摺動エアシール機構１０は、シリンダチューブ１１の内周に沿って設けた周溝１１Ａ内にリング状のエアシール材１２が嵌め込まれており、ピストンとしての摺動材１３がシリンダチューブ１１内を軸方向に往復摺動する（図中の矢印）。摺動材１３の外周面が、エアシール材１２の内周面との摺動面となる。図中、摺動材１３の下方にあるエア室１４内に所定圧のエアが維持されており、摺動材１３の上面に負荷される荷重に対してバネ作用を発揮する。
【００２１】
エアシール材１２はテフロン（商標名）製の市販品を用いた。摺動材１３はアルミニウム合金製であり、アルミニウム合金丸棒を機械切削して所定形状に加工した後、ショットブラスト、機械研削、研磨により種々の表面形態に調整した。
【００２２】
エアシール材１２の内径および摺動材１３の外径はいずれも約３０ｍｍであった。エア室１４内のエア圧力は約１ＭＰａとし、外部の加圧ボンベよりレギュレータを介してエアを供給した。往復摺動ストロークは３０ｍｍとし、摺動速度を１０００ストローク／分から最高９０００ストローク／分まで徐々に上昇させて６０分間持続させ、試験前後でのボンベの圧力変化によりエア漏れの有無を判定した。
【００２３】
試験結果を表１にまとめて示す。表１中のＲｚ値（十点平均粗さ）は本発明の規定対象ではないが、参考として併記した。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表１中、サンプルＡ〜Ｋは比較例であり、指標値Ｒａ、Ｗｃａ、ｔｐ（カット率２０％、３０％）の少なくともいずれか１つが本発明の規定範囲外であり、サンプルＬ〜Ｒは本発明例であり指標値がいずれも本発明の規定範囲内である。
【００２６】
表１に示したデータを図３および図４にプロットして示す。図３には、表１中の各サンプルについて、Ｒａ値とＷｃａ値の組み合わせに対するエアー漏れの有無を示し、図４には、表１中の各サンプルについて、カット率２０％でのｔｐ値（ｔｐ２０）とカット率３０％でのｔｐ値（ｔｐ３０）の組み合わせに対するエアー漏れの有無を示している。
【００２７】
図３において、エアー漏れ無し（〇）は、Ｒａが本発明の規定範囲である０．２５μｍ以下で且つＷｃａが本発明の規定範囲である０．３０μｍ以下の場合にのみ生じている。ただし、この場合であっても、エアー漏れ有り（×）も生じている。ここでエアー漏れ有り（×）のサンプルは、Ｒａ値およびＷｃａ値は本発明の規定範囲であったが、ｔｐ値が本発明の規定範囲外であった。
【００２８】
すなわち図４に示すように、カット率２０％でのｔｐ値（ｔｐ２０）が２０％以下であって且つカット率３０％でのｔｐ値（ｔｐ３０）が５０％以上である、という本発明の規定範囲内にある組み合わせのサンプルのみがエアー漏れ無し（〇）であった。
【００２９】
すなわち、Ｒａ、Ｗｃａ、ｔｐ２０、ｔｐ３０の全ての指標値が本発明の規定範囲内にある場合にのみエアー漏れを防止することができ、指標値のいずれか１つでも本発明の規定範囲から外れた場合にはエアー漏れを防止できなかった。
【００３０】
このように摺動材の摺動面形態を本発明の規定範囲内に制御することにより、エアー漏れを防止できることが分かる。
【００３１】
更に、エアシール材の摩耗量についても、表１に示したように比較例サンプルＡ〜Ｋが１８０〜２５０μｍであるのに対して、本発明例サンプルＬ〜Ｒは１００〜１２０μｍとほぼ半減していることが分かる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、エアシール材の摩耗進行を低減した往復摺動エアシール機構およびそれに用いるための摺動材が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、カット率と負荷長さ率との関係が本発明の規定範囲内である場合について、カット率に対する負荷長さ率ｔｐの変化を表すベアリングカーブの一例を示すグラフである。
【図２】図２は、評価試験に用いた往復摺動エアシール機構の一部を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、Ｒａ値とＷｃａ値との組み合わせに対するエアー漏れの有無を示すグラフである。
【図４】図４は、カット率２０％での負荷長さ率（ｔｐ２０）とカット率３０％での負荷長さ率（ｔｐ３０）との組み合わせに対するエアー漏れの有無を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…往復摺動エアシール機構
１１…シリンダチューブ
１１Ａ…周溝
１２…エアシール材
１３…摺動材
１４…エア室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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