(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、
前記シリンダ内に挿入され、シリンダ軸方向に往復運動するピストンと、
リング形状の平板状の底部の両端部に立ち上がり部を有するシールリングと、
を備えた空圧シリンダ用のピストンシール構造であって、
前記シリンダと前記ピストンのいずれか一方に周方向に沿ってシール溝を有し、
前記シールリングは該シール溝の幅よりも大きい幅を有し、前記立ち上がり部が互いの開口幅を先端に向けて増大して前記シール溝の幅より大きい立ち上がり部端部間幅を有するように立ち上がっており、前記シールリングは幅方向両端部を撓めて前記シールリング底部を湾曲させて前記シール溝に装填されて前記シールリングの底部が幅方向の一部で前記シリンダまたはピストンに接触するとともに前記立ち上がり部の両外面が前記シール溝の幅方向端面に撓み反力によって密着して前記シリンダと前記ピストンをシールすることを特徴とするピストンシール構造。
【請求項２】
前記立ち上がり部端部間の幅ｂが、シールリングの底部の幅ａよりも大きく、かつ、ａ＜前記溝幅＜ｂとすることで、装填時に前記シールリング底部を湾曲させ、該シールリングと前記シリンダまたはピストンとが円周に亘って均一に密着していることを特徴とする請求項１記載のピストンシール構造。
【請求項３】
前記シール溝が前記シリンダに設けられており、
前記シールリングの外周に弾性体からなるリング状シールを配置し、前記シールリングとともに前記シール溝に装填することを特徴とする請求項１または２に記載のピストンシール構造。
【請求項４】
前記リング状シールは、前記シール溝の幅方向両端面に接触するように配置されることを特徴とする請求項３記載のピストンシール構造。
【請求項５】
前記シール溝は、内外周方向において、溝幅の異なる二つの溝に分けられ、
前記リング状シールと接触する溝幅と、前記シールリングと接触する溝幅とを持たせた段付き溝構造とすることを特徴とする請求項３または４に記載のピストンシール構造。
【請求項６】
前記リング状シールは、前記シール溝の溝底に接触しない状態でシール溝に装填されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のピストンシール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空圧シリンダなどに用いられるピストンシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械系のアクチュエータの１つとして、空圧シリンダが挙げられる。空圧シリンダが機械的仕事を行なう際、空気の漏れを減らすためにゴムシール、ピストリング、ピストンシールなどが用いられる。ゴムシールは、耐熱温度が上げられないという問題があり、ピストンリングは、切れ目から漏れるという問題がある。ピストンシールでは一般に漏れを減らそうとすると、シール部の摩擦力が大きくなり、ピストンの円滑な摺動を妨げるという相反する問題が発生する。このため、両者を同時に低減することは困難である。図７（ａ）はシールの押付荷重が大きく、シール性は良好であるもののシリンダ３０に対するピストン３２の摺動抵抗が大きくなる場合の概念図であり、図７（ｂ）はシールの押付荷重が小さく、摺動抵抗は小さくなるものの漏れが大きくなる場合の概念図である。
その他に、シリンダ側にシールを収納できる溝を掘り、溝内にリップシールや元々湾曲したシールを収納する方法もあるが、リップシールでは、材質を金属とすることができないので、組み付け時に大きな圧力が必要になり、リップが切れるという問題がある。また、元々湾曲したシールでは、面圧が低いという問題がある。
【０００３】
さらに、従来、シリンダ側にシールを収納できる溝を掘り、その溝を用いてシールとシート（樹脂素材）を同時に外周から圧迫する方式が知られている。例えば、特許文献１では、ピストンの外周に設けたシール溝にシリンダに接するシールリングと、該シールリングを押圧するＯリングを収容したシール構造が提案されている。
【０００４】
さらに従来、上記問題を低減するための技術も提案されている。特許文献２でも、同様にピストンの外周に設けたシール溝にシールリングとＯリングとを収容し、さらに、シールリングを湾曲させてシリンダとの接触を線接触に近い状態としたシール構造が提案されている。
【特許文献１】実開平５−７３２７７号公報
【特許文献２】特開平９−１５２０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図８（ａ）のように、シール溝３１にシールリング３５とＯリング３６を収容したシール構造では、Ｏリング３６の収縮力によって押付荷重が発生しシールリング３５の押し付け力が増加し、空気の漏れを抑制することができる。すなわち、図８（ｂ）のように、シールリング３５の一端からエアがシール溝３１内に侵入してもＯリング３６の収縮によって他端側で確実に封止をしてエア漏れを防止する。この際に、Ｏリング３６とシール溝側面壁との間に隙間を有しているとシリンダ３０から荷重を受けることをなく、シールリング３５への押し付け力のみを発生させる。しかし、上記のようにＯリング３６とシール溝側面壁との間に隙間があってＯリング３６が左右に動くことができると、シールリング３６の一端でエアの侵入があって他端側でＯリング３６の伸縮力によって押し付け力を増大させる際に、Ｏリング３６が移動してエア漏れを防止するため、シールに時間の遅れが生じ、この時間遅れのために空気が漏れ、エネルギの損失が生じてしまうという問題がある。
【０００６】
これに対し、特許文献２に示されるように、Ｏリング３６とシールリング３５とをシール溝３１の内周面で圧迫する状態にすると、図９に示すように、シールリング３５に対する押付荷重が大きくなり、シールリング３５とシリンダ３０との接触面積が増加する。その結果、ピストン３２の摺動抵抗が増大し、さらにはシールリング３５の極端な摩耗が生じてしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、シールリングに過大な押付荷重を付加することなく効果的に漏れを防止することができるピストンシール構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明のピストンシール構造のうち、第１の本発明は、シリンダと、
前記シリンダ内に挿入され、シリンダ軸方向に往復運動するピストンと、
リング形状の平板状の底部の両端部に立ち上がり部を有するシールリングと、
を備えた空圧シリンダ用のピストンシール構造であって、
前記シリンダと前記ピストンのいずれか一方に周方向に沿ってシール溝を有し、
前記シールリングは該シール溝の幅よりも大きい幅を有し、前記立ち上がり部が互いの開口幅を先端に向けて増大して前記シール溝の幅より大きい立ち上がり部端部間幅を有するように立ち上がっており、前記シールリングは幅方向両端部を撓めて前記シールリング底部を湾曲させて前記シール溝に装填されて前記シールリングの底部が幅方向の一部で前記シリンダまたはピストンに接触するとともに前記立ち上がり部の両外面が前記シール溝の幅方向端面に撓み反力によって密着して前記シリンダと前記ピストンをシールすることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明によれば、シールリングには、常に上記撓みによる反力が作用し、シールリングの幅方向両端部がシール溝に密に接触する。また、撓んだシールリングの面を摺動面側に適度な押付荷重によって押し付けることができる。これらの結果、シールリングの一端側にエアなどが侵入する場合にも、シールリングの他端は、より強い力でシール溝に押し付けられ、エア漏れを確実に防止する弁作用が得られる。この際には、シールリングとシリンダまたはピストンとの接触圧力が増大することはなく、撓み形状を有するシールリングが相手側のピストンまたはシリンダと小さい接触面積で接触するに過ぎず、摺動抵抗を大幅に低減する。また、該接触面では、適度な押付荷重によって摺動抵抗を増大させることなく空気漏れなどが防止される。
【００１０】
第２の本発明のピストンシール構造は、前記第１の本発明において、前記立ち上がり部端部間の幅ｂが、シールリングの底部の幅ａよりも大きく、かつ、ａ＜前記溝幅＜ｂとすることで、装填時に前記シールリング底部を湾曲させ、該シールリングと前記シリンダまたはピストンとが円周に亘って均一に密着していることを特徴とする。
【００１１】
第３の本発明のピストンシール構造は、前記第１または第２の本発明において、前記シール溝がシリンダに設けられており、前記シールリングの外周に弾性体からなるリング状シールを配置し、前記シールリングとともに前記シール溝に装填することを特徴とする。
【００１２】
Ｏリングやばねなどの弾性体からなるリング状シールによって、シートリングの押付荷重を増加でき、経時劣化や熱でシールリング内径が大きくなった時にできる、内周との隙間からの空気の漏れを低減できる。
【００１３】
第４の本発明のピストンシール構造は、前記第３の本発明において、前記リング状シールは、前記シール溝の幅方向両端面に接触するように配置されることを特徴とする。
【００１４】
第４の本発明によれば、リング状シールがシール溝に接触しているので、空気などがシール溝に流入した際に、リング状シールが移動することがなく、安定した漏れ防止効果が得られる。
【００１５】
第５の本発明のピストンシール構造は、前記第３または第４の本発明において、前記シール溝は、内外周方向において、溝幅の異なる二つの溝に分けられ、前記リング状シールと接触する溝幅と、前記シールリングと接触する溝幅とを持たせた段付き溝構造とすることを特徴とする。
【００１６】
第６の本発明のピストンシール構造は、前記第３〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記リング状シールは、前記シール溝の溝底に接触しない状態でシール溝に装填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
すなわち、本発明のピストンシール構造によれば、シリンダと、前記シリンダ内に挿入され、シリンダ軸方向に往復運動するピストンと、リング形状の平板状の底部の両端部に立ち上がり部を有するシールリングと、を備えた空圧シリンダ用のピストンシール構造であって、前記シリンダと前記ピストンのいずれか一方に周方向に沿ってシール溝を有し、前記シールリングは該シール溝の幅よりも大きい幅を有し、前記立ち上がり部が互いの開口幅を先端に向けて増大して前記シール溝の幅より大きい立ち上がり部端部間幅を有するように立ち上がっており、前記シールリングは幅方向両端部を撓めて前記シールリング底部を湾曲させて前記シール溝に装填されて前記シールリングの底部が幅方向の一部で前記シリンダまたはピストンに接触するとともに前記立ち上がり部の両外面が前記シール溝の幅方向端面に撓み反力によって密着して前記シリンダと前記ピストンをシールすることを特徴とするので、撓みを持たせて装填したシールリングにおいて生じる撓み反力によって空気漏れを効果的に防止できる。さらに撓み形状を有するシールリングが摺動するピストンまたはシリンダと小さい接触面積で接触し、摺動抵抗を大幅に低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施形態１）
以下に、本発明の一実施形態のピストンシール構造を図１に基づいて説明する。
この実施形態では、シリンダ１の内周壁にシール溝２を有するものとして説明する。
所望の溝幅および溝深さを有するシール溝２は、シリンダ１の内周壁に全周に亘って形成されている。該シール溝２に装填されるシールリング１０は、シリンダ径と略同一の内周径を有し、図１（ａ）に示すように、シールリング底部に相当するリング形状の平板状のシート部１０ａと両端の外周側に突き出すリング状の立ち上がり部１０ｂ、１０ｂとを有しており、可撓性を有する材料で構成されている。また、該シールリング１０では、図１（ａ）に示すように、上記立ち上がり部１０ｂ、１０ｂが開口幅が増大するように立ち上がっており、その両端部間の幅ｂは、シート部１０ａの幅ａよりも大きく、かつ、幅ｂは溝幅よりも大きく、幅ａは溝幅よりも小さくなっている。また、該シールリング１０は、立ち上がり部１０ｂ、１０ｂの高さは、溝深さよりも小さくなっている。なお、本発明としては、シート部１０ａの幅ａが溝幅よりも大きいものを排除するものではなく、湾曲によって溝内に装填できるものであればよい。
【００２０】
上記シールリング１０を上記シール溝２に装填する際には、図１（ｂ）に示すように、立ち上がり部１０ｂ、１０ｂ側の内面が互いに接近するように撓ませて、その幅を上記シール溝２の溝幅に合わせる。撓ませたシールリング１０は、図１（ｃ）に示すように、撓んだ状態でシール溝２に挿入し、シート部１０ａの中央部の一部がピストン５の外周面に周方向に亘って均一に接触する位置に配置する。該配置により、シールリング１０は、撓み反力によって立ち上がり部１０ｂ、１０ｂの両外面がシール溝２の幅方向端面に押圧された状態で密着する。
【００２１】
次に、上記ピストンシール構造における空気の漏れと摺動抵抗の両方を低減するメカニズムを図２を参照しつつ説明する。シリンダ１を固定し、ピストン５を図２（ａ）のように配置した状態で、図２（ｂ）に示すように左から右にピストン５を移動させることを考える。ピストン５の移動に伴ってシール溝２内に流入しようとする空気がシールリング１０の左端の立ち上がり部１０ｂを押し、シール溝２内部に流入する。但し、シールリング１０は撓ませてシール溝２内に装填しているので立ち上がり部１０ｂがシール溝に密着する圧力が強く、シール溝２内への空気の流入を抑制する。
【００２２】
シール溝２に流入した空気は、シール溝２内部から右端の立ち上がり部１０ｂをシリンダ１の壁方向に押す。さらに、右端の立ち上がり部１０ｂは、撓み反力でシール溝２に押圧されて密着しているため、シールリング１０右端の立ち上がり部１０ｂが弁の役目をし、シールリング１０の左端より流入した空気がシール溝２内部に停滞する。これにより、空気の漏れが低減される。
【００２３】
また、シールリング１０のシート部１０ａは、ピストン５の外周面に小さい接触面積で接しており、摺動抵抗が少ない。しかし、撓み反力でシート部１０ａがピストン５側に適度に強く押し付けられており（押付荷重が増大する）、接触面積が小さくてもシート部１０ａと、ピストン５外周面との間における空気漏れは効果的に防止される。
上記により、本願発明のピストンシール構造は、摺動抵抗が小さい上に、空気漏れを効果的に防止することができる効果がある。
【００２４】
（実施形態２）
上記実施形態１では、シールリング１０の装填についてのみ説明したが、該装填に際しては、図３に示すように、シールリング１０の外周側に弾性体からなるリング状シール１１を配置してシールリング１０とともにシール溝２内にリング状シール１１を装填することができる。
なお、リング状シール１１は、この実施形態ではＯリングからなり、その径はシール溝２の溝幅よりも僅かに小さくて、上記立ち上がり部１０ｂ、１０ｂ間に位置して、シール溝２に密着する立ち上がり部１０ｂ、１０ｂの内面側に近接して位置している。この結果、リング状シール１１とシール溝２の両端面とは小隙間を有している。また、リング状シール１１は、シール溝底（シリンダ内周側底）には達しておらず、シール溝２底部との間で隙間を有している。これにより、リング状シール１１を介してシールリング１０に過大な押付荷重が加わることがない。
【００２５】
次に、上記ピストンシール構造における空気の漏れと摺動抵抗の両方を低減するメカニズムを述べる。シリンダ１を固定し、ピストン５を図３（ｂ）のように左から右に移動させることを考える。ピストン５の移動に伴って左側からシール溝２内に流入しようとする空気がシールリング１０の左端の立ち上がり部１０ｂを押し、シール溝２内部に流入する。但し、シールリング１０は撓ませてシール溝２内に装填しているので立ち上がり部１０ｂがシール溝に密着する圧力が強く、シール溝２内への空気の流入を抑制する。また、シールリング１０のシート部１０ａは、ピストン５の外周面に小さい接触面積で接しており、摺動抵抗が少ないが、撓み反力でシート部１０ａがピストン側に適度に強く押し付けられており（押付荷重が増大する）、シート部１０ａと、ピストン５外周面との間における空気漏れを効果的に防止する。
【００２６】
シール溝２に流入した空気は、シール溝２内部から右端の立ち上がり部１０ｂをシリンダ１の壁方向に押す。さらに、右端の立ち上がり部１０ｂは、撓み反力でシール溝２に押圧されて密着しているため、シールリング１０右端の立ち上がり部１０ｂが弁の役目をし、シールリング１０の左端より流入した空気がシール溝２内部に停滞する。これにより、空気の漏れが低減される。この動作においては、リング状シール１１が移動して右端の立ち上がり部１０ｂへの押付荷重を増加させる作用もあるが、リング状シール１１の移動が遅れても、上記撓み反力で、シールリング１０右端が弁の役目を十分に果たすため、空気漏れを招くことはない。遅れて移動するリング状シール１１によって弁作用はより強固になる。リング状シール１１は、シート部１０ａに確実に押付荷重を付加しており、シート部１０ａの経時劣化などによる空気漏れを防止する。
上記により、本願発明のピストンシール構造は、摺動抵抗が小さい上に、空気漏れを効果的に防止することができる効果がある。
【００２７】
（実施形態３）
次に、上記実施形態２では、リング状シール１１とシール溝２の両側壁との間に隙間を有するものとして説明を行ったが、リング状シールとシール溝２の両側壁との間に隙間を有さず、リング状シールの両側がシール溝２の幅方向両端面と接した状態で装填したものとすることができる。この形態においても、図４に示すように、シールリング１０は、撓めてシール溝２に装填するとともに、シール溝２とほぼ同じ径を有するリング状シール１２を上記シールリング１０の外周側に配置してシール溝２内に装填する。
【００２８】
ピストン５を移動させる際の空気の漏れと摺動抵抗の両方を低減するメカニズムは、上記実施形態２とほぼ同様であるが、リング状シール１２が、シール溝２の幅方向端面に接していることで、空気がシール溝２内に流入した際にもリング状シール１２は弾性変形はしても移動を伴わないため、安定した押付荷重をシート部１０ａに付加することができる。また、この形態でもリング状シール１２とシール溝の底とは隙間を有しており、リング状シール１２を介してシールリング１０に過大な押付荷重が付加されることもない。
【００２９】
（実施形態４）
次に、さらに他の実施形態を図５に基づいて説明する。
この実施形態のシール溝２は、シリンダ１の内周側に設けた幅狭の溝部２ａと、該溝部２ａの外周側に設けた幅広の溝部２ｂとからなる段付き溝構造を有している。シールリング１０は、上記溝部２ｂよりも大きな幅を有し、前記各実施形態と同様に、撓めて溝部２ｂ内に装填されている。また、シールリング１０の外周側には、立ち上がり部１０ｂ、１０ｂ間およびシート部１０ａの外周面に接して位置するようにリング状シール１３が配置されている。リング状シール１３は、溝部２ｂから溝部２ａに至り、その両側が溝部２ａの両端面に接する大きさを有している。ただし、溝部２ａの底部とは隙間を有している。
【００３０】
この実施形態４においても、溝部２ｂ内では、シールリング１０の撓み反力によって、シールリング１０の幅方向両端の立ち上がり部１０ｂ、１０ｂの外面が溝部２ｂの幅方向端面に押圧された状態で密着しており、図５（ｂ）に示すように、立ち上がり部１０ｂ、１０ｂの一方から空気がシール溝２内に流入する場合にも、他方の立ち上がり部１０ｂによる弁作用によって空気の漏れが効果的に防止される。また、リング状シール１３は、外周部両側が溝部２ａの両端面に接しているため、シール溝２内に空気が流入した際にも空気流入側の立ち上がり部１０ｂで押されて弾性変形はするものの移動は生じず、シールリング１０のシート部１０ａに安定して押付荷重を加えることができる。
【００３１】
なお、シールリングの幅方向側面はシール溝両端面と広い面で接触している方がシール性が向上するため、シールリングを撓ませてシール溝内に装填する際に、両立ち上がり部がシール溝に沿うように、立ち上がり部の傾斜角度とシール溝の両端面の傾斜角度を合わせるのが望ましい。段付き溝構造において、その変形例を図６に示す。
【００３２】
図６（ａ）は、図５に示した実施形態と同様に、シールリング１００の立ち上がり部１００ｂ、１００ｂの外面傾斜角度とシール溝２０の幅広な外周側溝部２０ｂの両端面傾斜角度をほぼ直角に合わせたものである。シール溝２０の幅狭な内周側溝部２０ａも両端面は直角になっている。シールリング１００を撓めて溝部２０ｂに装填した際に、立ち上がり部１００ｂ、１００ｂの両外面は、溝部２０ｂの幅方向両端面に広い面積で面接触することができる。
【００３３】
図６（ｂ）は、シールリング１０１の立ち上がり部１０１ｂ、１０１ｂの両外面が先端に向けて外側に拡がる形状を有しており、該シールリング１０１が装填されるシール溝２１では、幅広な外周側溝部２１ｂの幅方向両端面は、外周側ほど狭くなるように傾斜を持たせており、シール溝２１の幅狭な内周側溝部２１ａは両端面を直角にしている。この変更例でも、シールリング１０１を撓めて装填した際に、立ち上がり部１０１ｂ、１０１ｂの両外面が、溝部２１ｂの幅方向両端面に広い面積で面接触する。
【００３４】
図６（ｃ）は、シールリング１０２の立ち上がり部１０２ｂ、１０２ｂの両外面が先端に向けて内側に傾斜する形状を有しており、該シールリング１０２が装填されるシール溝２２では、幅広な外周側溝部２２ｂの幅方向両端面は、外周側ほど広くなるように傾斜を持たせており、シール溝２２の幅狭な内周側溝部２２ａは両端面を直角にしている。この変更例でも、シールリング１０２を撓めて装填した際に、立ち上がり部１０２ｂ、１０２ｂの両端面が、溝部２２ｂの幅方向両端面に広い面積で面接触する。
上記シールリングの形状およびシール溝の形状は例示されるものであり、本発明としてこれら形状に限定されるものではない。
【００３５】
なお、上記実施形態では、シリンダ側にシール溝を有するものとして説明を行ったが、ピストン側にシール溝を設けてシールリングおよびリング状シールを装填するするものであってもよい。
また、上記各実施形態では、空圧シリンダにおけるピストンシール構造として説明をしたが、本発明としてはこれに限定されるものではなく、摺動抵抗を小さくして流体漏れを防止するピストンとシリンダとを組み合わせた各種用途に適用することができる。
以上のように、本発明は、上記実施形態の説明に限定をされるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態におけるピストンシール構造におけるシールリングの装填を示す図である。
【図２】同じく、シールリングおよびリング状シールが装填された実施形態を示す図である。
【図３】本発明の他の実施形態におけるピストンシール構造およびその動作を示す図である。
【図４】本発明のさらに他の実施形態におけるピストンシール構造示す図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態におけるピストンシール構造およびその動作を示す図である。
【図６】同じく、シールリングおよびシール溝の形状の変更例を示す図である。
【図７】ピストンシール構造における漏れと摺動抵抗の関係を説明する図である。
【図８】従来のピストンシール構造における動作を説明する図である。
【図９】従来の他のピストンシール構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    シリンダ
２    シール溝
２ａ  溝部
２ｂ  溝部
５    ピストン
１０    シールリング
１０ａ  シート部
１０ｂ  立ち上がり部
１１    リング状シール
１２    リング状シール
１３    リング状シール
【図１】
0005177391.tif 000002
【図２】
0005177391.tif 000003
【図３】
0005177391.tif 000004
【図４】
0005177391.tif 000005
【図５】
0005177391.tif 000006
【図６】
0005177391.tif 000007
【図７】
0005177391.tif 000008
【図８】
0005177391.tif 000009
【図９】
0005177391.tif 000010