(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部材の外周面、および該軸部材の外周を取り囲む通路部材の内周面のうち、何れか一方の周面上に周回形成された環状溝に取り付けられ、前記軸部材の外周面と前記通路部材の内周面との間隙を密封する密封装置であって、
前記軸部材の外周を取り囲む第１の環状部材と、該第１の環状部材の外周に周回形成される第２の環状部材とを備えて、且つ、
両環状部材のうち、何れか一方はＰＴＦＥよりも硬質な成分を含む充填剤を含んだＰＴＦＥ樹脂製環状部材であり、他方はゴム製環状部材であるとともに、
前記ＰＴＦＥ樹脂製環状部材は、圧縮成形により得られており、少なくとも前記ゴム製環状部材との当接面が、切削加工がなさることなく圧縮成形時に形成された面のままで構成されることを特徴とする密封装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸部材、及びその外周を取り囲む通路部材が往復動や回転等の相対動作を行うことによって機能する機構において、両部材間の間隙を密封する密封装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばブルドーザのような建設機械やフォークリフトのような運搬車輌等の油圧シリンダ等に適用され、ピストンとシリンダ型外郭（以下、単にシリンダという）との間隙を密封して作動油の漏れを防止するための密封装置が知られている。
【０００３】
通常、このような用途に使用される密封装置には、密封を行う部材間に十分なシール性（密封性）が確保されること、シリンダ（ピストン）に対してピストン（シリンダ）が往復動する際、両部材間に生じる摺動抵抗が十分低く抑えられること、さらに摩擦等に対する十分な耐久性を有することが要求される。
【０００４】
図８は、この種の密封装置の使用態様の一例として、油圧シリンダを構成するシリンダ及びピストン間の密封構造を示す断面図である。
【０００５】
同図８に示すように、密封装置１０１は全体として環形状の外観をなし、軸方向に沿って往復動するピストン１５０の外周面と、同ピストン１５０の外周を取り囲むシリンダ１５１の内周面との間に形成された間隙を密封すべく、ピストン１５０の外周面に形成された環状溝１５２に取り付けられる。同図に示すような密封構造に適用される場合、密封装置１０１の外周面は環状溝１５２の溝底に密着し、内周面はシリンダ１５１の内周面（対向面）に対して摺動自在に当接されることとなる。
【０００６】
また、密封装置１０１は、ピストンの外周面に当接する環状部材（内周部材）１０２と、シリンダの内周面に当接する環状部材（外周部材）１０３とによって構成される二層の環状構造を備える。すなわち、対向面に摺接する側の部材（外周部材）１０３を四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）で形成することによって、密封装置１０１の耐摩耗性を高め、且つ対向面に対する摺動抵抗の低減を図る。その一方、溝底に当接する側の部材（内周部材）１０２を例えばゴム等のように十分な弾性力を有する材料で形成することによって、外周部材１０３と対向面との間にある程度の接触圧力を確保する。このような二層構造を備えた密封装置１０１では、高圧条件下や高速動作時における装置自身の耐摩耗性が向上し、対向面に対する摺動抵抗の低減が図られるようになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような二層構造を備える密封装置では、例えば図９（ａ）に拡大して示すように、当該密封装置によって密封される両空間の圧力差が変動しない場合、外周部材と内周部材とは相互に密着し、両部材間で相対的には静止した状態を保持する。
【０００８】
ところが、ピストンの往復動方向の一方の側から駆動油圧が付与された場合、駆動油（油圧）は、ピストン及びシリンダ間の摺接部位（間隙）から環状溝１５２の溝底に向かって流れ込む（伝搬する）ことになる（図９（ｂ））。一方、密封装置の変形や部品公差を考慮し、当該密封装置１０１が油圧シリンダ内に装着された状態においても、環状溝１５２及び密封装置１０１の間にはある程度の余剰空間（余裕）１１０の存在が設定される。このため、駆動油圧が環状溝１５２内に伝搬することで、ピストンの往復動方向に沿って密封装置が環状溝１５２内を移動するようになる（図９（ｃ）、図９（ｄ）及び図９（ｅ）を併せ参照）。また、油圧シリンダの作動に伴い、駆動油圧はピストンの往復動方向の両側から交互に作用するため、結果として、密封装置は環状溝１５２内を往復する動作を繰り返すことになる。このとき、駆動油圧が外周部材に作用する場合の条件（例えば、油圧伝搬の効率やタイミング等）と、内周部材１０２に作用する場合の条件とが相違することや、外周部材１０３がシリンダの内周面から受ける摩擦力と内周部材１０２が溝底（ピストン）から受ける摩擦力とが相違すること等に起因し、外周部材１０３及び内周部材１０２の境界面（図９（ｂ）及び図９（ｄ）において破線で囲まれた部分）Ａに摩擦が生じ、特に耐摩耗性の面でＰＴＦＥよりも不利なゴム製部材（本例では内周部材）１０２が摩耗し易くなり、つぶし代の減少や、それに伴う密封機能の低下を引き起こす他、摩耗紛（コンタミ）の発生原因にもなる。
【０００９】
このような摩耗は、ピストンの往復動方向の両側から交互に付与される駆動油圧の切替頻度が多い場合や、駆動油圧の変動が激しい場合、特に顕著となる。
【００１０】
なお、シリンダのような通路部材と、その通路部材内を往復動するピストンのような軸部材との間を密封する機能に限らず、通路部材と、その通路部材内で回転する軸部材との間を密封する機能を担う装置にあっても、上記のような問題はかねがね共通したものとなっていた。
【００１１】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、軸部材とその外周を取り囲む通路部材が往復動や回転等の相対動作を行うように機能する両部材間の間隙を密封する密封装置であって、とくに内周側と外周側とが異なる環状部材で構成された密封装置の耐久性能を向上させることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、軸部材の外周面、および該軸部材の外周を取り囲む通路部材の内周面のうち、何れか一方の周面上に周回形成された環状溝に取り付けられ、前記軸部材の外周面と前記通路部材の内周面との間隙を密封する密封装置であって、前記軸部材の外周を取り囲む第１の環状部材と、該第１の環状部材の外周に周回形成される第２の環状部材とを備えて、且つ、両環状部材のうち、何れか一方はＰＴＦＥよりも硬質な成分を含む充填剤を含んだＰＴＦＥ樹脂製環状部材であり、他方はゴム製環状部材であるとともに、
前記ＰＴＦＥ樹脂製環状部材は、圧縮成形により得られており、少なくとも前記ゴム製環状部材との当接面が、切削加工がなさることなく圧縮成形時に形成された面のままで構成されることを要旨とする。
【００１３】
同構成によれば、前記樹脂製環状部材に対するゴム製環状部材の当接面の摩耗が抑制され、当該ゴム製環状部材の耐久性が向上することで、当該密封装置が長期に亘って安定した密封性能を保持することができるようになる。
【００１４】
また、前記樹脂製環状部材に含まれる充填剤としては、例えば、ＰＴＦＥより硬質な繊維状成分を適用する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態について説明する。
【００１６】
図１には、本実施の形態にかかる密封装置を径方向に沿って切断し、その切断面を含む外観を斜視的に示す略図である。
【００１７】
本実施の形態に係る密封装置１は、ニトリルゴム製の環状部材（内周部材）２と、内周部材２の外周を取り巻く四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）樹脂製の環状部材（外周部材）３とが二層構造をなして構成される。密封装置１は、例えば建築機械、自動車、射出成形機等の油圧駆動用シリンダに取り付けられるピストンパッキンとして広く活用することができる。
【００１８】
密封装置１は、内周部材２と外周部材３とを別途に製造し、各部材２，３を相互に組み合わせて完成させる。そして、油圧シリンダ等に装着することにより、同油圧シリンダ内におけるピストンの軸方向に沿って往復動するピストンの外周面と、同ピストンの外周を取り囲むシリンダの内周面との間に形成された間隙を密封する密封構造を構築するといった点においては、先の従来技術と同様の使用態様が適用されることになる（図８及び図９を参照）。
【００１９】
ここでは、とくに密封装置１を形成するＰＴＦＥ樹脂製の環状部材（外周部材）３を製造する方法について説明する。
【００２０】
外周部材３の製造は、以下の工程に従って行う。
【００２１】
（工程１）先ず、ＰＴＦＥ樹脂に、ガラス繊維、炭素繊維、ブロンズ、若しくはグラファイト等、ＰＴＦＥよりも硬質な成分を含んだ充填剤を配合して生地を形成する。
【００２２】
（工程２）上記工程１で得られた生地を成形して外周部材３を得る。外周部材３の成形は、例えば圧縮成形法を採用して行うことができる。
【００２３】
（工程３）バリを除去する等、製品としての仕上げを行う。
【００２４】
上記のような工程を経てＰＴＦＥ樹脂製の環状部材（密封装置の構成要素である外周部材）３を得る本実施の形態にかかる製造方法では、充填剤を配合し、配向させずに成形した外周部材３に対し、切削加工（例えばＮＣ切削加工）を施さない。このため、完成品としての外周部材３の表面、とくに密封装置１を構成するにあたりゴム製の内周部材２との間の境界面（当接面）をなす部位３ａに切削加工面が形成されない（図１参照）。
【００２５】
ここで図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）には、充填剤（例えばガラス繊維）を配合したＰＴＦＥ樹脂製材料に切削加工を施す場合、その切削加工面が微視的にどのような状態となるかを説明する模式図である。
【００２６】
同図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に併せ示すように、切削刃１０が、仮想線Ｌに沿って直線的に移動し、ＰＴＦＥ樹脂製材料１３の表面近傍を削り取ることで、当該樹脂材料１３の表面に見かけ上平坦な切削面１３ａが形成される。ところが、微視的に見ると、切削刃１０の通過後、その後方に形成される切削面１３ａ上には、充填剤（ガラス繊維）１４の突出した部位が点在するようになる（図２（ｂ）及び図２（ｃ））。
【００２７】
このように充填剤の突出した表面が、密封装置１を構成する外周部材３の表面としてゴム製の内周部材２との間の境界面３ａをなすことにより、従来の密封装置では内周部材２の摩耗が顕著であった（図９参照）。
【００２８】
この点、本実施の形態にかかる密封装置では、充填剤を配合したＰＴＦＥ樹脂製の外周部材３に対し切削加工を施さないため、当該外周部材３の表面（密封装置を構成する上で内周部材２との間の境界面）に充填剤の突出する部位が形成されず（少なくとも点在することなく）、外周部材３との境界面における内周部材２の摩耗が抑制されるようになる。
【００２９】
図３には、同一の充填剤を同量配合したＰＴＦＥ樹脂材料の表面について、切削加工により形成された表面（切削加工面）と、圧縮成形により形成された表面（成形面）とを比較したデータを示す。先ず、表面粗さの欄に示すように、両者の凹凸量を数値的に比較した場合、切削加工面は、成形面に比して凹凸量の変動が大きいことが明らかである。また、表面形態（三次元表面粗さ計による撮像）の欄に示すように、切削加工面の方が成形面に比して粗い表面を有していることが視覚的にわかる。また、切削加工面に、充填剤の一部が突出されているのが確認できる（切削加工面の表面形態の欄中、右図に当該充填剤の形状及び突出部位を示す）。このような充填剤の突出部位は切削加工面の全域に亘って点在していることが、発明者によって確認された。
【００３０】
（検証試験）
本実施の形態にかかる密封装置１について、同装置を構成する内周部材２の耐摩耗性能を、従来の密封装置と比較するための検証実験を行った。
【００３１】
図４には、当該検証実験に用いた試験装置の概略構成を示す。
【００３２】
同図４に併せ示すように、当該検証実験で用いた試験装置４０は、ピストン５０の周縁で、環状溝５２に収容された試料（密封装置）を用いて、所定油圧の油が充填された両側の空間（油圧側空間）を相互間で密封するといった構成を有する。
【００３３】
当該検証試験では、両空間内の相対的な油圧を連続的に変化させ、ピストン５０を動作速度（摺動速度）０．１５ｍ／秒で連続的に往復動させた場合に、当該往復動作の継続時間に応じた試料（ゴム製材料）の摩耗量を測定した。
【００３４】
なお、試験条件の詳細は、以下に示す通りである。
ピストンのストローク：±１ｍｍ
摺動周波数          ：３Ｈｚ
試験時間            ：５０時間
油圧                ：０〜２０ＭＰａ
加圧頻度            ：３Ｈｚ
【００３５】
（試験結果）
図５（ａ）は、上記検証試験の結果として、外周部材（樹脂製環状部材）との境界面をなす内周部材（ゴム製環状部材）表面について、本実施の形態に係る密封装置１を適用した場合にみられた摩耗量の推移（○）と、従来の密封装置を適用した場合にみられた摩耗量の推移（●）とを、同一時間軸上に併せ示すグラフである。
【００３６】
同図５に示すように、両者とも、試験時間（摺動時間）が増すごとに摩耗量は増していくものの、本実施の形態にかかる密封装置を構成する内周部材２の摩耗量は、従来の密封装置を構成する内周部材の摩耗量に比べ、有意に小さい（ちなみに、５時間に亘る検証試験の終了後、本実施の形態にかかる密封装置を構成する内周部材２の摩耗量は０．１３ｍｍ、従来の密封装置を構成する内周部材の摩耗量は０．２４ｍｍであった）。
【００３７】
このように、本実施の形態にかかる密封装置１、或いはその製造方法によれば、ゴム製環状部材と樹脂製環状部材とからなる二層構造を備えた密封装置において、樹脂製環状部材との間の境界面（当接面）にあたるゴム製環状部材の表面の摩耗量が好適に減少する。
【００３８】
このため、密封装置全体としてつぶし代の低減が抑制され、当該密封装置によるシール機能が長期に亘り、好適に保持されるようになる。
【００３９】
また、切削加工の処理を行わないことで、製造コストの削減も図られる他、樹脂製環状部材の製造にかかる歩留まりも向上するようになる。
【００４０】
また、ＰＴＦＥ製環状部材表面が、使用初期から比較的滑らかに形成されるため、当該密封装置の使用によるシール機能の経時変化も小さくなる。
【００４１】
（他の実施の形態）
上記実施の形態では、その構成要素であるゴム製環状部材２とＰＴＦＥ製環状部材３とが共に矩形の断面形状を有する密封装置に本発明を適用することとした。これに対し、例えば図６に拡大して示すように、Ｕ字型のパッキン（ゴム製環状部材）２’と、バックアップリング（硬質材料を充填剤として配合したＰＴＦＥ製環状部材）３’とを組み合わせた密封装置１’に本発明を適用しても、上記実施の形態と同等若しくはこれに準ずる効果を奏することができる。
【００４２】
また、図７に拡大して示すように、Ｏリング（ゴム製環状部材）２’’と、バックアップリング（硬質材料を充填剤として配合したＰＴＦＥ製環状部材）３’’とを組み合わせた密封装置１’’に本発明を適用しても、上記実施の形態と同等若しくはこれに準ずる効果を奏することができる。
【００４３】
なお、上記実施の形態では、ゴム製環状部材を内周部材２、ＰＴＦＥ製環状部材を外周部材３とする装置構成（例えば、油圧シリンダのピストンシール）に本発明を適用することとした。これに対し、例えば油圧シリンダのロッドシールのように、シリンダ部材の内周面に設けられた環状溝に収容された密封装置としてピストン部材との間で密封構造を構築する密封装置として好適な装置構成、すなわち、ゴム製環状部材を外周部材、ＰＴＦＥ製環状部材を内周部材とする装置構成を適用してもよい。
【００４４】
また、油圧シリンダのピストンシールやロッドシールのように、軸部材、及びその外周を取り囲む通路部材が相対的な往復動作を行うことによって機能する機構に取り付けられ両部材間の間隙を密封する密封装置ばかりでなく、軸部材、及びその外周を取り囲む通路部材が、当該軸部材周りにおいて相対的な回転動作を行うことによって機能する機構に取り付けられ両部材間の間隙を密封する密封装置に対しても、上記実施の形態と同様に本発明を適用することができる。
【００４５】
また、ＰＴＦＥ製環状部材に対して切削加工を全く施さない上記実施の形態の装置構成に替え、ゴム製環状部材との間の境界面をなす表面以外の部位については、切削加工を施すこととしてもよい。また、ゴム製環状部材との間の境界面をなす表面についても、その一部のみに切削加工を施すこととしても、本実施の形態に準ずる効果を奏することはできる。
【００４６】
また、ＰＴＦＥ樹脂に配合する充填材は、上記実施の形態において例示したガラス繊維、炭素繊維、グラファイトのような繊維系硬質材料に限らない。要は、ＰＴＦＥ樹脂に配合されることで当該ＰＴＦＥ樹脂の表面に露出することとなり、且つＰＴＦＥよりも硬質な材料（例えばブロンズのような不定形の充填剤等）であれば、これをＰＴＦＥ樹脂に配合する充填剤として適用することにより、本実施の形態と同等若しくはこれに準ずる効果を奏することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、発明によれば、樹脂製環状部材に対するゴム製環状部材の当接面の摩耗が抑制され、当該ゴム製環状部材の耐久性が向上することで、密封装置が長期に亘って安定した密封性能を保持することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の本実施の形態にかかる密封装置を径方向に沿って切断し、その切断面を含む外観を斜視的に示す略図。
【図２】同実施の形態において、充填剤を配合した樹脂製材料に切削加工を施す場合、その切削加工面が微視的にどのような状態となるかを説明する模式図。
【図３】同実施の形態において、同一の充填剤を同量配合した樹脂材料の表面について、切削加工により形成された表面と、圧縮成形により形成された表面とを比較したデータ。
【図４】同実施の形態にかかる密封装置を従来の密封装置と比較するために行った検証実験に用いた試験装置の概略構成を示す略図。
【図５】同実施の形態における検証試験の結果を示すグラフ。
【図６】本発明の他の実施の形態にかかる密封装置を径方向に沿って切断し、その切断面を拡大して示す略図。
【図７】本発明の他の実施の形態にかかる密封装置を径方向に沿って切断し、その切断面を拡大して示す略図。
【図８】油圧シリンダを構成するシリンダ及びピストン間の密封構造を示す断面図。
【図９】樹脂製環状部材とゴム製環状部材とからなる二層構造を備えた従来の密封装置の使用態様を示す略図。
【符号の説明】
１，１’，１’’，１０１  密封装置
２，２’，２’’，１０２  ゴム製環状部材（例えば内周部材として適用する）
３，３’，３’’，１０３  ＰＴＦＥ製環状部材（例えば外周部材として適用する）
３ａ  境界面
１０  切削刃
１３  樹脂製材料
１３ａ  切削面
４０  試験装置
１５０  ピストン
１５１  シリンダ
１５２  環状溝
【図１】
0004894107.tif 000002
【図２】
0004894107.tif 000003
【図３】
0004894107.tif 000004
【図４】
0004894107.tif 000005
【図５】
0004894107.tif 000006
【図６】
0004894107.tif 000007
【図７】
0004894107.tif 000008
【図８】
0004894107.tif 000009
【図９】
0004894107.tif 000010