(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、低い摺動抵抗および高いシール性を兼ね備えると共に、耐久性の高いシール材、および外部圧縮力を緩和できるシール圧力緩和構造を提供する。【解決手段】  構造体２０の孔部２１と、この孔部２１内に挿入されるシャフト３０との間をシールするためのシール材１０であって、前記構造体２０に対するシャフト３０の相対移動時に内周面が前記シャフト３０と摺動するリング状ないし円筒状の形態を有し、繊維とエラストマーとが一体化された摺動層１１と、この摺動層１１の外周面側に積層され、多孔質構造を有する弾性外皮層１２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体の孔部と、この孔部内に挿入されるシャフトとの間をシールするためのシール材であって、
前記構造体に対するシャフトの相対移動時に内周面が前記シャフトと摺動するリング状ないし筒状の形態を有し、繊維とエラストマーとが一体化された摺動層と、
この摺動層の外周面側に積層された、多孔質構造を有する弾性外皮層と
を備えた積層体から構成されていることを特徴とするシール材。
【請求項２】
前記弾性外皮層が、摺動層と同じエラストマー材料を発泡させたものである請求項１に記載のシール材。
【請求項３】
前記弾性外皮層が、摺動層と一体成形されたものである請求項１または２のいずれかに記載のシール材。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のシール材が、構造体の孔部におけるシャフト挿入口内またはシャフト挿入口の外周縁に密着して取り付けられていることを特徴とするシール機構。
【請求項５】
前記シール材が、構造体の外側に取り付けられたシール保持材によって孔部側に押圧されて固定される請求項４に記載のシール機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トナー等の粉体の漏出や飛散を阻止するためのシール材およびシール機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トナー等の粉体を取り扱う画像処理装置において、回転シャフトをシールして粉体の漏出を阻止するために、特許文献１には、パイルもしくはファイバーシートを円筒状にし、その外周側を金属支持部材で拘束した円筒状シール部材が開示されている。この円筒状シール部材は、パイルやファイバーでシャフトの周りを適度な圧縮力で押さえ込み、摺動抵抗とシール性のバランスをとっている。
【０００３】
しかしながら、上記円筒状シール部材は、パイルやファイバーの耐久性が低く、さらにパイルやファイバー間に粉体が入るとシール性が低下する。また、シール性を高めるために外周から高い圧力をかけるとシール材の変形が起こりやすい。そのため、高負荷で長期間使用する装置には使用できないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２６７２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、低い摺動抵抗および高いシール性を兼ね備えると共に、耐久性の高いシール材、および外部圧縮力を緩和できるシール機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は以下の構成からなる。
（１）構造体の孔部と、この孔部内に挿入されるシャフトとの間をシールするためのシール材であって、前記構造体に対するシャフトの相対移動時に内周面が前記シャフトと摺動するリング状ないし筒状の形態を有し、繊維とエラストマーとが一体化された摺動層と、この摺動層の外周面上に積層された、多孔質構造を有する弾性外皮層とを備えた積層体から構成されていることを特徴とするシール材。
（２）前記弾性外皮層が、摺動層と同じエラストマー材料を発泡させたものである（１）に記載のシール材。
（３）前記弾性外皮層が、摺動層と一体成形されたものである（１）または（２）のいずれかに記載のシール材。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載のシール材が、構造体の孔部におけるシャフト挿入口内またはシャフト挿入口の外周縁に密着して取り付けられていることを特徴とするシール機構。
（５）前記シール材が、構造体の外側に取り付けられたシール保持材によって孔部側に押圧されて固定される（４）に記載のシール機構。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のシール材は、繊維とエラストマーとが一体化された摺動層を内周面側に備えた弾性材から構成されるので、高いシール性を備えると共に、耐久性に優れる。
また、摺動層の外周面側に配置された弾性外皮層が多孔質構造を有するので、シャフトへの外部圧縮力を緩和させることができ、適切な摺動トルクにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係るシール材およびシール機構を示す概略断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係るシール機構を示す概略断面図である。
【図３】シール材のシール性試験方法を示す説明図である。
【図４】シール材のトルク試験方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態に係るシール材１０を示している。このシール材１０は、同図に示すようにリング状であり、中央部にシャフト３０が挿通するシャフト挿通孔３を有し、シャフト３０の周囲に摺動層１１および弾性外皮層１２が外周に向かってこの順に積層・一体化されている。
【００１０】
シール材１０は、図１に示すように、構造体２０の孔部２１の入口、すなわちシャフト挿入口５１に形成されたシール材収容凹部２２の内周面と、このシール材収容凹部２２内を挿通したシャフト３０の外周面との間に介在し、軸まわりの回転運動または軸方向の往復運動を行うシャフト３０の外周面をシールするものである。シャフト３０はシール材収容凹部２２を経て構造体２０の孔部２１内に挿入される。すなわち、シール材収容凹部２２は、孔部２１と連通し、かつ前記孔部２１の径よりも大きい内径を有する。
シール材１０は、シャフト３０の動作時にシャフト挿通孔３の内周面とシャフト３０の外周面との間に空隙が発生するのを抑制できるように、後述するシャフト３０の形状や大きさに合わせて適宜調整される。
【００１１】
シール材１０の摺動層１１は、図１に示すように、シャフト３０の外周面をシールするものであり、繊維とエラストマーとが一体化されている。これにより、接触するシャフト３０の摺動抵抗が低く、摺動摩擦に対する耐久性に優れるシール材とすることができる。
【００１２】
摺動層１１を構成するエラストマーは、主に、繊維の耐久性を向上させるものであり、その材質としては、例えば、天然ゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、ハイパロン、ポリブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、シリコンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、スチレンブタジエンゴム、塩素化ポリエチレンゴム、ミラブルウレタン、熱硬化性ポリウレタン、熱可塑性ポリウレタンまたは熱可塑性ポリエステルなどのエラストマーが挙げられ、これら一種以上が使用される。また、摺動層１１を構成するエラストマーには、加硫剤、加硫促進助剤および補強剤が配合されてもよい。加硫剤としては、例えば、ジクミルパーオキサイドなどの有機過酸化物、有機硫黄化合物、金属酸化物などが挙げられる。加硫促進助剤としては、例えば、ステアリン酸などの脂肪酸、金属酸化物などが挙げられる。補強剤としては、例えば、カーボンブラック、ホワイトカーボンなどが挙げられる。さらに、例えば、老化防止剤、充填剤、可塑剤、粘着剤などもまた配合され得る。これら以外に、摺動抵抗を小さくするために、グラファイト、シリコンオイル、フッ素パウダー、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤がエラストマーに含まれても良い。
【００１３】
摺動層１１を構成する繊維は、主に、シャフト３０の外周面と接触摺動するものであり、シャフト３０の周りの摺動抵抗を小さくする主要因となる。
摺動層１１を構成する繊維の材質としては、例えば、ナイロン繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、炭素繊維、テフロン（登録商標）繊維、液晶ポリマー繊維、ガラス繊維、綿糸などが挙げられる。また、摺動層１１を構成する繊維は、布材の形態であってもよく、短繊維の形態でエラストマーに混合してもよい。この布材としては、織物布、編物布または不織布が挙げられる。布材の目付け量は、通常２０〜２００ｇ／ｍ2であるが、特に限定されない。
【００１４】
繊維の形態が布材である場合、布材がシャフト３０の外周面と接触摺動するように布材とエラストマーとを一体化させ、一方、短繊維の形態である場合、エラストマーの中に短繊維を混ぜ込んで一体成形することにより、摺動層１１が得られる。
【００１５】
弾性外皮層１２は多孔質構造を有する。このような弾性外皮層１２は、エラストマー材料に発泡剤等を含有させ、加熱加圧による加硫と同時に発泡させる、いわゆる発泡・架橋させて得られる。使用するエラストマー材料としては、摺動層１１と同様なエラストマー材料が使用可能であり、特に摺動層１１と同じエラストマー材料を使用するのが、摺動層１１と一体化するうえで好ましい。
【００１６】
使用する発泡剤としては、従来からエラストマーの発泡にしようされているものがいずれも使用可能であり、例えば炭酸水素ナトリウム、炭酸アンモニウム、ジアゾアミノベンゼン、N,N'-ジニトロソペンタメチレンテトラミン、アゾジカルボンアミド等が挙げられる。また、加硫剤等のその他の添加剤は摺動層１１と同様な材料が使用可能である。
【００１７】
発泡剤の添加量は、得られる弾性外皮層１２が、シール材に加わる圧力を緩和し、摺動トルクを低下させるのに十分な硬度および密度を有するように調整すればよい。具体的には、弾性外皮層１２の硬度（ゴム硬度）はＪＩＳ  Ｋ６２５３タイプＡデュロメータによる測定で５０〜９０Ｈｓ、好ましくは６０〜７０Ｈｓ程度であるのがよい。また、弾性外皮層１２の密度は１．０〜１．４ｋｇ/ｍ3、好ましくは１．１〜１．２ｋｇ/ｍ3程度であるのがよい。
発泡剤の添加量は、通常、エラストマー総量に対して、０．１〜１０質量％、好ましくは０．３〜３．０質量％であるのがよい。
【００１８】
摺動層１１および弾性外皮層１２の径方向の厚みは特に限定されず、シール材１０の使用用途などに応じて適宜調整すればよいが、外周のシール材１０からシャフト３０にかかる外部圧縮力を緩和するうえで、摺動層１１と多孔質構造を有する弾性外皮層１２との径方向の厚さの比が、１：１０〜３０であるのがよい。
また、シール材１０は、リング状ないし円筒状である。すなわち、シール材１０のシャフト３０の軸方向に沿った長さは、特に限定されないが、通常０．５〜１０ｍｍ程度であるのがよい。
【００１９】
シール材１０のシャフト挿通孔３は、シャフト３０の形状に基づいて形状が決定される。シャフト３０の断面形状は、例えば、円形、正方形、多角形などであってもよい。また、シャフト３０として、外表面にねじ溝(図示せず)が形成されたものであってもよい。この場合は、摺動層１１のシャフト挿通孔３の内周面には、シャフト３０のねじ溝と螺合しうるねじ溝が形成されているのが、シール性を確保するうえで好ましい。
【００２０】
本発明に係るシール材１０の製造方法としては、特に限定されず、例えば、シャフト３０の外周面と同様の形状の棒状物に、摺動層形成用のエラストマーを含浸させた繊維（布材）を巻きつけ、さらにその外面に発泡剤を含有する弾性外皮層形成用エラストマーを巻き付け、これを所望のシール材１０の形状に成形可能な上下金型の間に収容し、加圧下で加熱して接着させ、同時に弾性外皮層形成用エラストマーを発泡させ、その後、金型から成形物を取り出し必要厚みにカットすることでシール材１０を得ることができる。
また、シャフト３０の外周面と同様の形状の棒状物に、摺動層形成用のエラストマーを含浸させた布材を巻きつけて、金型の間に収容し、ついで発泡剤を含有した流動性のある弾性外皮層形成用エラストマーを金型内に流し込み、加熱加圧して金型内から取り出す金型成形法等でも、シール材１０を製造することができる。
【００２１】
エラストマーによる布材への含浸処理は、エラストマーを溶剤等で溶解し液状とした後、布材を含浸処理する方法が好適に使用される。エラストマーにより布材を含浸処理することで、布材を構成する繊維材の間にエラストマーが入り込み、布材を構成する繊維材同士を接着させてまとめあげ、布材を補強することができる。また、エラストマーを含浸させた布材を摺動層として採用することにより、布材を構成する繊維材同士の擦れによる摩耗が低減されるだけでなく、摺動層とシャフトの間の耐摩耗性を向上させることが可能となる。
なお、上記のような一体成形せずに、摺動層１１と多孔質構造を有する弾性外皮層１２とを接着剤で接着したものであってもよい。
【００２２】
〔シール機構〕
シール材１０は、例えば、図１に示すようにして設置され、使用される。すなわち、シール材１０中央部のシャフト挿通孔３内にシャフト３０を挿通した後、シャフト３０を構造体２０の孔部２１内に挿入すると共に、シール材１０を孔部２１前方のシール材収容凹部２２内に圧入する。次いで、構造体２０の外面にシール保持材２４を取り付けて、シール材１０をシール材収容凹部２２内に密封する。
また、予めシール材１０をシール材収容凹部２２内に圧入し、シール保持材２４を取り付けた後、シャフト３０をシール材１０のシャフト挿通孔３を経て構造体２０の孔部２１内に挿入してもよい。
【００２３】
シール保持材２４は、図１に示すように、シャフト３０に外挿したシール材１０をシール材収容凹部２２内に圧入して圧縮状態で取り付けた後、構造体２０の外壁面にねじ止め（図示せず）などにより固定するものである。このシール保持材２４は、シール材収容凹部２２内にシール材１０を閉じ込め、構造体２０に固着することができるものであれば特に限定されない。このシール保持材２４により、シール材１０は、シール材収容凹部２２内に固定され、シャフト３０が移動しても構造体２０から外れることがない。
【００２４】
弾性外皮層１２が多孔質構造を持たない非発泡体である場合、シール保持材２４からの押圧力が弾性外皮層１２内で多方向に拡散され、弾性外皮層１２の外見の変形が起こりやすくなる。これに対して、本実施形態のように、弾性外皮層１２が多孔質構造を有している場合は、シール保持材２４が、取り付け時に弾性外皮層１２を圧縮する時、弾性外皮層１２に含有される多孔質構造内の空隙部(図示せず)がシール保持材２４からの圧力を受けて変形し、外部圧縮力を緩和することができるため、弾性外皮層１２の外見の変形が抑制される。
【００２５】
また、弾性外皮層１２では、内部の多孔質構造によって弾力が上がるスプリング効果が期待できる。このスプリング効果により、一定以上の外部圧力が弾性外皮層１２に加えられた際に摺動層１１をシャフト３０に押し付けることができ、シール性が向上する。
【００２６】
前記シール材１０を貫通するシャフト３０が回転または軸方向に動作する時、図１に示すように、シャフト３０の表面に塵や埃等の異物４が付着する場合がある。この時、異物４が構造体２０の孔部２１内へ入らないようにシール材１０で遮られている。そのため、異物４はシール材１０側に集められ、シャフト３０から除去されるので、異物４の構造体２０内への侵入を阻止することができる。
【００２７】
なお、上記実施形態では、図１に示すように、シール材１０は、異物４が侵入する前面がシャフト３０に対して垂直に形成されているが、例えば、シール材１０の内周面側が外周面側よりも構造体２０の外側に位置するように前面が傾斜した斜面状で構成されていてもよい。これにより、異物４を効果的に排除することができる。
【００２８】
〔他のシール機構〕
図２は、本発明のさらに他の実施形態に係るシール機構を示している。この実施形態では、構造体２０の外側に位置するシール保持材４２に設けられたシール材収容凹部４３内に、シール材１０が圧縮状態で取り付けられている。
【００２９】
すなわち、この実施形態では、図２に示すように、構造体２０に設けたシャフト挿入口５２の外側にシール保持材４２が取り付けられる。シール保持材４２は、シャフト挿入口５２との対向面にシール材収容凹部４３が形成されている。そして、シール材収容凹部４３の内周面と、構造体２０の孔部２１内に挿入されるシャフト３０の外周面との間にシール材１０を介在させて、シャフト挿入口５２をシールしている。すなわち、シール保持材４２は、シャフト３０に外挿したシール材１０をシール材収容凹部４３内に圧入し圧縮変形させた後、構造体２０の外壁面にねじ止めなどにより固定される。その他は、図１に示した実施形態と同じである。
【００３０】
本発明のシール材およびシール機構は、例えば、自動車、モータバイク、自転車、アミューズメント用乗り物、モータボート、鉄道車両、船舶、航空機、宇宙船などの乗り物や、各種の機械、工作機、ロボット、振動を嫌う生産設備、画像処理装置、半導体製造装置、チップマウンターなどの産業機械、その他に使用される回転軸などのシャフトの軸封として適用するシール材として好適に使用することができる。
【実施例】
【００３１】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
（実施例）
まず、ベースゴム（ＮＢＲゴム）を一次練り（素練り）し、これに発泡剤としてＤＰＴ（ジニトロソペンタメチレンテトラミン）をベースゴム総量に対して０．５５重量％添加したものを準備し、二次練り（混練り）してシール材の原料ゴムを得た。
次に、シャフト３０の外周面と同じの形状の棒状物に、エラストマーを含浸させた帆布を巻き付け、ついで発泡剤を添加した上記原料ゴムを巻きつけ、加圧下で加熱して帆布と融着させることで円筒状のシール材を得た。その後、これを金型から取り出し、所定の厚さにカットして、シール材を得た。このシール材の硬度および密度を表１に示す。硬度は、シール材１０の外周面をゴム硬度計で測定したものである。
【００３２】
（比較例）
原料ゴムに発泡剤を添加しなかった他は、実施例と同様にしてシール材を得た。このシール材の硬度および密度を表１に示す。
【００３３】
（シール性試験）
図３に示すように、シール材１０を、シャフトとしてボールねじのねじ軸３１を挿通させ、円板状の構造体２０´（ボールねじのナットに相当）に形成されたシール材収容凹部２２内に収容した後、シール保持材２４を装着し、ねじ２６を締めてシール材１０を固定した。このとき、シール材収容凹部２２内の外周側にはスペーサー２５を配置し、シール材１０の圧縮率が２％となるように調整した。なお、前記シール材１０とスペーサー２５との間には隙間Ｔを形成して、外周方向には圧縮はないようにした。
次に、赤色インクを混ぜたグリース２７をねじ軸３１の表面に塗布し、ねじ軸３１を回転させて、構造体２０´を図３に示す矢印の方向へ進行させた。そして、構造体２０´がグリース２７の塗布部を１回通過したときのグリース２７のシャフト３０からの除去率を画像解析カメラで撮影し、シール材１０のシール性を測定した。
シール性は、画像解析カメラの画像から、グリース２７がねじ軸３１にどれ位残存しているか解析し、全く残存していない場合をシール性１００％として評価した。その結果を表１に示す。
【００３４】
（トルク試験）
図４に示すように、シール材１０を、ボールねじのねじ軸３１´に挿通させ、構造材５０(ナットに相当)の両面に当接させ、その外面からシール保持材４２、４２´を装着し、シール保持材４２をねじ２６等で締めてシール材１０を固定した。この時、シール材１０は、外径方向に圧縮せず、厚み方向に２％圧縮した状態であった。
次に、ねじ軸３１を１００回／分で回転させ、発生する荷重をねじ軸３１に取り付けたロードセル（図示せず）で検出した。その結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
2017053418.tif 000003
変化率は、（実施例/比較例）×１００から求めた。
【００３６】
表１に示すように、実施例のシール材は、弾性外皮層が多孔質構造の発泡弾性体で構成されているので、硬度と密度が比較例の通常弾性体より各々約５％低く、シャフトにかかるトルクも約１７％低減されている。また、シール性では、実施例と比較例との間に大きな差異はなく、シール性を維持したままトルクが軽減できることがわかる。
【符号の説明】
【００３７】
３    シャフト挿通孔
４    異物
１０  シール材
１１  摺動層
１２  弾性外皮層
２０、２０´  構造体
２１  孔部
２２  シール材収容凹部
２４  シール保持材
２５  スペーサー
２６  ねじ
２７  グリース
３０  シャフト
３１  ねじ軸（シャフト）
４２、４２´  シール保持材
４３  シール材収容凹部
５０  構造材
５１  シャフト挿入口
５２  シャフト挿入口
【図１】
2017053418.tif 000004
【図２】
2017053418.tif 000005
【図３】
2017053418.tif 000006
【図４】
2017053418.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月26日(2016.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
（シール性試験）
図３に示すように、シール材１０を、シャフトとしてボールねじのねじ軸３１を挿通させ、円板状の構造体２０´（ボールねじのナットに相当）に形成されたシール材収容凹部２２内に収容した後、シール保持材２４を装着し、ねじ２６を締めてシール材１０を固定した。このとき、シール材収容凹部２２内の外周側にはスペーサー２５を配置し、シール材１０の圧縮率が２％となるように調整した。なお、前記シール材１０とスペーサー２５との間には隙間Ｔを形成して、外周方向には圧縮はないようにした。
次に、赤色インクを混ぜたグリース２７をねじ軸３１の表面に塗布し、ねじ軸３１を回転させて、構造体２０´を図３に示す矢印の方向へ進行させた。そして、構造体２０´がグリース２７の塗布部を１回通過したときのグリース２７のねじ軸３１からの除去率を画像解析カメラで撮影し、シール材１０のシール性を測定した。
シール性は、画像解析カメラの画像から、グリース２７がねじ軸３１にどれ位残存しているか解析し、全く残存していない場合をシール性１００％として評価した。その結果を表１に示す。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
（トルク試験）
図４に示すように、シール材１０を、ボールねじのねじ軸３１´に挿通させ、構造材５０(ナットに相当)の両面に当接させ、その外面からシール保持材４２、４２´を装着し、シール保持材４２をねじ２６等で締めてシール材１０を固定した。この時、シール材１０は、外径方向に圧縮せず、厚み方向に２％圧縮した状態であった。
次に、ねじ軸３１´を１００回／分で回転させ、発生する荷重をねじ軸３１´に取り付けたロードセル（図示せず）で検出した。その結果を表１に示す。