特許 7460838 流体送給機構における回転シール機構およびロータリジョイント

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-25

(45)【発行日】2024-04-02

(54)【発明の名称】流体送給機構における回転シール機構およびロータリジョイント

(51)【国際特許分類】

   F16L 27/08 20060101AFI20240326BHJP

【ＦＩ】

F16L27/08 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2023145559

(22)【出願日】2023-09-07

【審査請求日】2023-09-08

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000179328

【氏名又は名称】リックス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100197642

【弁理士】

【氏名又は名称】南瀬 透

(74)【代理人】

【識別番号】100219483

【弁理士】

【氏名又は名称】宇野 智也

(72)【発明者】

【氏名】石橋 諭

(72)【発明者】

【氏名】板橋 友喜

【審査官】渡邉 聡

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２６１４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－００９７２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０１６０１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０２５４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２３０６４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｌ ２７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸方向の回転流路が設けられた回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置してなり、２つの流体供給源から供給され供給圧と適正なシール面圧値との比が異なる２種類の流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して選択的に送給する流体送給機構における回転シール機構であって、
前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、
前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成された固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部と、
前記固定部の本体を構成するハウジング部材に設けられ前記固定軸部が前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する嵌合孔と、
前記固定軸部を、前記嵌合孔に嵌合する軸径で設けられた大径部およびこの大径部よりも小さい軸径で前記第２のシール面側に近接して設けられた小径部に区分する段差部と、
前記嵌合孔に前記固定軸部が嵌合した状態において前記嵌合孔の内周面と前記小径部および大径部との間の隙間をそれぞれシールする第１の軸シール部および第２の軸シール部と、
前記第１の軸シール部および第２の軸シール部の間において前記小径部と前記嵌合孔の内周面との間の隙間に開孔し、前記隙間内に面圧調整流体を送給する加圧開孔と、
前記複数の流体供給源から前記複数種類の流体のうちのいずれかを前記嵌合孔内へ選択的に供給して前記固定流路を介して前記回転流路へ送給するとともに、前記加圧開孔に面圧調整用流体を送給する流体供給手段とを備え、
前記第２の軸シール部は、Ｏリングが当該Ｏリングの装着用溝に自由状態で装着され、かつ前記装着用溝の低圧側の側面および前記固定軸部との摺動面の全周にわたって接触可能に配置されるとともに、前記装着用溝内に設けられ軸心方向に波打ち状体とした樹脂製またはエラストマ製のウェーブワッシャによって前記装着用溝の低圧側の側面に全体の押圧力が５Ｎ以上かつ１山あたりの押圧力が２５Ｎ以下で押圧され、かつ前記面圧調整流体の供給停止時の残圧により前記ウェーブワッシャによる押圧力と反対方向の力を作用させて脱圧させるものであり、
前記固定軸部の他方側の側端面に前記供給された流体の流体圧を作用させて前記固定シール部を前記回転シール部に対して押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、
前記加圧開孔を介して前記面圧調整流体を前記隙間内に送給して前記段差部に面圧調整流体圧を作用させることにより、前記固定シール部に前記流体圧による押圧力と反対方向の力を作用させ、前記面シール部のシール面圧を低減させることを特徴とする流体送給機構における回転シール機構。

【請求項2】

軸方向の回転流路が設けられた回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して送給する流体送給機構に用いられるロータリジョイントであって、
前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、
前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成された固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部と、
前記固定部の本体を構成するハウジング部材に設けられ前記固定軸部が前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する嵌合孔と、
前記固定軸部を、前記嵌合孔に嵌合する軸径で設けられた大径部およびこの大径部よりも小さい軸径で前記第２のシール面側に近接して設けられた小径部に区分する段差部と、
前記嵌合孔に前記固定軸部が嵌合した状態において前記嵌合孔の内周面と前記小径部および大径部との間の隙間をそれぞれ密封する第１の軸シール部および第２の軸シール部と、
前記第１の軸シール部および第２の軸シール部の間において前記小径部と前記嵌合孔の内周面との間の隙間に開孔し、前記隙間内に面圧調整流体を送給する加圧開孔とを備え、
前記第２の軸シール部は、Ｏリングが当該Ｏリングの装着用溝に自由状態で装着され、かつ前記装着用溝の低圧側の側面および前記固定軸部との摺動面の全周にわたって接触可能に配置されるとともに、前記装着用溝内に設けられ軸心方向に波打ち状体とした樹脂製またはエラストマ製のウェーブワッシャによって前記装着用溝の低圧側の側面に全体の押圧力が５Ｎ以上かつ１山あたりの押圧力が２５Ｎ以下で押圧され、かつ前記面圧調整流体の供給停止時の残圧により前記ウェーブワッシャによる押圧力と反対方向の力を作用させて脱圧させるものであり、
前記流体供給源から前記嵌合孔内へ前記流体を供給して前記固定軸部の他方側の側端面に流体圧を作用させて、前記固定シール部を前記回転シール部に対して押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、
前記加圧開孔を介して前記面圧調整流体を前記隙間内に送給して前記段差部に面圧調整流体圧を作用させることにより、前記固定シール部に前記流体圧による押圧力と反対方向の力を作用させ、前記面シール部のシール面圧を低減させることを特徴とするロータリジョイント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転部に流体を送給するための流体送給機構における回転シール機構およびこの回転シール機構に用いられるロータリジョイントに関する。

【背景技術】

【0002】

工作機械の主軸など作動時に回転状態にある回転部に冷却用のクーラントなどの流体を送給する流体送給機構において、固定された流体送給配管を回転部の流路と接続する流体継手としてロータリジョイントが用いられる。ロータリジョイントは、回転部に結合されて回転する回転軸と流体送給機構に接続される固定軸とを同軸に配置して軸方向に対向させ、それぞれの対向端面に装着された回転シールのシール面を相互に密着させることにより流体の漏洩を防止する構造となっている。

【0003】

ところで近年、従来一般に用いられていた水系の液体クーラントのほかに、エアを冷却媒体として用いる場合がある。エアを用いることにより、冷却対象に応じた適切な冷却特性が得られること、また使用後の排液処理などの環境対策が不要で環境負荷を低減することができることなどの利点がある。そして同一装置によって液体クーラントとエアとを使い分ける必要がある場合には、流体継手として用いられるロータリジョイントは、流体としての特性の異なる液体と気体の双方に対して使用可能となるよう考慮がなされたものであることが必要とされ、従来このような用途を想定したタイプのロータリジョイントが提案されている（例えば特許文献１参照。）。

【0004】

特許文献１に示す例は、流体供給源から供給される複数種類の流体を軸心廻りに回転する回転部へ固定部を介して送給する流体送給機構に用いられるロータリジョイントにおいて、ハウジング部材の嵌合孔に嵌合して軸方向に移動する固定軸部の外周面に段差部を設け、低いシール面圧値とすることが求められる種類の流体を供給する場合には、加圧開孔を介して導入された面圧調整流体を段差部に作用させて、固定シール部に流体圧による押圧力と反対方向の力を作用させ、面シール部のシール面圧を低減させるように構成したものである。

【0005】

また、上記特許文献１に示すロータリジョイントにおいて、第１の軸シール部および第２の軸シール部は、一般的にＯリング等にて軸方向と径方向を潰すことでシールする。そして、面圧調整流体としてエアを供給する場合、第１の軸シール部と第２の軸シール部との間に面圧調整エアを供給し、面圧をコントロールする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００８－６４２７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところが、上記面圧調整エアの供給を止めた場合に、第１の軸シール部および第２の軸シール部のシール性が保持される。そのため、第１の軸シール部および第２の軸シール部の間の空間に内圧が掛かったままとなり、この内圧により第１の軸シール部および第２の軸シール部が固定軸部を締め付けることにより、固定軸部が拘束され、面シール部の動作不良となる可能性がある。

【0008】

そこで、本発明においては、面圧調整流体の供給停止後の脱圧が可能な流体送給機構における回転シール機構およびこの回転シール機構に用いられるロータリジョイント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】

【0009】

本発明の回転シール機構は、軸方向の回転流路が設けられた回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置してなり、２つの流体供給源から供給され供給圧と適正なシール面圧値との比が異なる２種類の流体を軸心廻りに回転する回転部の回転流路へ固定流路を介して選択的に送給する流体送給機構における回転シール機構であって、回転部に設けられ側端面に回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、固定流路が軸方向に貫通して形成された固定軸部を有し、一方側の側端面に固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部と、固定部の本体を構成するハウジング部材に設けられ固定軸部が軸方向の移動が許容された状態で嵌合する嵌合孔と、固定軸部を、嵌合孔に嵌合する軸径で設けられた大径部およびこの大径部よりも小さい軸径で第２のシール面側に近接して設けられた小径部に区分する段差部と、嵌合孔に固定軸部が嵌合した状態において嵌合孔の内周面と小径部および大径部との間の隙間をそれぞれシールする第１の軸シール部および第２の軸シール部と、第１の軸シール部および第２の軸シール部の間において小径部と嵌合孔の内周面との間の隙間に開孔し、隙間内に面圧調整流体を送給する加圧開孔と、複数の流体供給源から複数種類の流体のうちのいずれかを嵌合孔内へ選択的に供給して固定流路を介して回転流路へ送給するとともに、加圧開孔に面圧調整用流体を送給する流体供給手段とを備え、第２の軸シール部は、Ｏリングが当該Ｏリングの装着用溝に自由状態で装着され、かつ装着用溝の低圧側の側面および固定軸部との摺動面の全周にわたって接触可能に配置されるとともに装着用溝内に設けられた樹脂製またはエラストマ製のウェーブワッシャによって装着用溝の低圧側の側面に全体の押圧力が５Ｎ以上かつ１山あたりの押圧力が２５Ｎ以下で押圧され、かつ面圧調整流体の供給停止時の残圧によりウェーブワッシャによる押圧力と反対方向の力を作用させて脱圧させるものであり、固定軸部の他方側の側端面に供給された流体の流体圧を作用させて固定シール部を回転シール部に対して押圧することにより、第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、加圧開孔を介して面圧調整流体を隙間内に送給して段差部に面圧調整流体圧を作用させることにより、固定シール部に流体圧による押圧力と反対方向の力を作用させ、面シール部のシール面圧を低減させることを特徴とするものである。

【0010】

本発明の回転シール機構によれば、樹脂製またはエラストマ製のウェーブワッシャによって装着用溝の低圧側の側面に全体の押圧力が５Ｎ以上かつ１山あたりの押圧力が２５Ｎ以下で適度に押圧されているＯリングが、面圧調整流体の供給停止時に、この面圧調整流体の残圧によりウェーブワッシャの押圧力に抗して押し返されることにより脱圧されるので、適度な押圧と残圧抜きを両立することができる。

【0011】

なお、Ｏリングに対するウェーブワッシャの全体の押圧力が５Ｎ未満の場合、ウェーブワッシャの押圧力が弱すぎて固定軸部とＯリングとの摩擦抵抗に打ち勝てず、Ｏリングをシールする隙間を擁する側の装着用溝の壁に押し付けることができなくなる可能性がある。また、ウェーブワッシャの１山あたりの押圧力が２５Ｎを超えると、面圧調整流体の残圧によるシール性の解除が難しくなるうえ、一般的に用いられるＯリングの硬さにおいては、ウェーブワッシャの山の部分だけが押し付けられることによるＯリングの変形が過大となり、押し付けていない部分のシール性が損なわれ、本来果たすべきシール性を損ねることがある。

【0012】

また、ウェーブワッシャが金属製の場合、素材自体の弾性率が高いため、望ましい押圧力、すなわち全体の押圧力が５Ｎ以上かつ１山あたりの押圧力が２５Ｎ以下となる押圧力を得ようとすると薄くする必要があるが、薄くした場合には装着の際や、固定軸部の移動時に引き摺られてＯリングが変形して固定軸部とウェーブワッシャとの隙間にはみ出した際にＯリングを傷付け、シール性を損なう可能性がある。そこで、本発明では、ウェーブワッシャを樹脂製またはエラストマ製とすることで、望ましい押圧力を得るために装着の際に変形しづらい厚さを確保し、これにより固定軸部の移動時に引き摺られた場合でも、Ｏリングを傷付けることなく、シール性が損なわれない。

【0013】

本発明のロータリジョイントは、軸方向の回転流路が設けられた回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する回転部の回転流路へ固定流路を介して送給する流体送給機構に用いられるロータリジョイントであって、回転部に設けられ側端面に回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、固定流路が軸方向に貫通して形成された固定軸部を有し、一方側の側端面に固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部と、固定部の本体を構成するハウジング部材に設けられ固定軸部が軸方向の移動が許容された状態で嵌合する嵌合孔と、固定軸部を、嵌合孔に嵌合する軸径で設けられた大径部およびこの大径部よりも小さい軸径で第２のシール面側に近接して設けられた小径部に区分する段差部と、嵌合孔に固定軸部が嵌合した状態において嵌合孔の内周面と小径部および大径部との間の隙間をそれぞれ密封する第１の軸シール部および第２の軸シール部と、第１の軸シール部および第２の軸シール部の間において小径部と嵌合孔の内周面との間の隙間に開孔し、隙間内に面圧調整流体を送給する加圧開孔とを備え、第２の軸シール部は、Ｏリングが当該Ｏリングの装着用溝に自由状態で装着され、かつ装着用溝の低圧側の側面および固定軸部との摺動面の全周にわたって接触可能に配置されるとともに装着用溝内に設けられた樹脂製またはエラストマ製のウェーブワッシャによって装着用溝の低圧側の側面に全体の押圧力が５Ｎ以上かつ１山あたりの押圧力が２５Ｎ以下で押圧され、かつ面圧調整流体の供給停止時の残圧によりウェーブワッシャによる押圧力と反対方向の力を作用させて脱圧させるものであり、流体供給源から嵌合孔内へ流体を供給して固定軸部の他方側の側端面に流体圧を作用させて、固定シール部を回転シール部に対して押圧することにより、第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、加圧開孔を介して面圧調整流体を隙間内に送給して段差部に面圧調整流体圧を作用させることにより、固定シール部に流体圧による押圧力と反対方向の力を作用させ、面シール部のシール面圧を低減させることを特徴とするものである。

【0014】

本発明のロータリジョイントによれば、樹脂製またはエラストマ製のウェーブワッシャによって装着用溝の低圧側の側面に全体の押圧力が５Ｎ以上かつ１山あたりの押圧力が２５Ｎ以下で適度に押圧されているＯリングが、面圧調整流体の供給停止時に、この面圧調整流体の残圧によりウェーブワッシャの押圧力に抗して押し返されることにより脱圧されるので、適度な押圧と残圧抜きを両立することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、面圧調整流体の供給停止時に脱圧されるので、面圧が掛かったままとなるのを防止することができ、動作不良がない流体送給機構における回転シール機構およびこの回転シール機構に用いられるロータリジョイントを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施の形態における流体送給機構の構成説明図である。

【図2】本発明の一実施の形態における流体送給機構の回転シール機構に用いられるロータリジョイントの断面図である。

【図3】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントのハウジング部材の構造説明図である。

【図4】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントのフローティングシートの構造説明図である。

【図5】第２の軸シール部のシール構造を示す断面図である。

【図6】押圧用スプリングを示す図であって、（イ）は正面図、（ロ）は一部拡大側面図である。

【図7】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの動作説明図である。

【図8】本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの動作説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１は本発明の一実施の形態における流体送給機構の構成説明図、図２は本発明の一実施の形態における流体送給機構の回転シール機構に用いられるロータリジョイントの断面図、図３は本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントのハウジング部材の構造説明図、図４は本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントのフローティングシートの構造説明図、図５は第２の軸シール部のシール構造を示す断面図、図６は押圧用スプリングを示す図であって、（イ）は正面図、（ロ）は一部拡大側面図、図７，図８は本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの動作説明図である。

【0018】

まず図１を参照して、流体送給機構１の全体構成を説明する。図１において、流体送給機構１は、工作機械のスピンドルなどの回転軸へ流体供給部７から供給される冷却用の流体を送給する機能を有するものである。流体送給機構１は、軸方向の回転流路が設けられた回転部２ａおよび軸方向の固定流路が設けられた固定部２ｂを同軸配置してなるロータリジョイント２を主体としている。

【0019】

回転部２ａはスピンドル軸４の締結孔４ａに締結されている。スピンドル軸４は、スピンドルに内蔵されたモータによって回転駆動されてフレーム５に設けられた挿通孔５ａ内で軸心Ａ廻りに回転するとともに、クランプ／アンクランプシリンダによって軸方向の進退動作を行う。また、固定部２ｂは、円筒ブロック形状のケーシング３に設けられた装着孔３ａに嵌合して装着されている。固定部２ｂはケーシング３をボルトなどの締結手段（図示省略）によってフレーム５に着脱自在に締結することにより、回転部２ａと同軸に配置される。

【0020】

流体供給部７は第１の流体供給源７ａおよび第２の流体供給源７ｂを備えている。第１の流体供給源７ａは液体クーラント（第１流体）を、第２の流体供給源７ｂはエア（第２流体）をそれぞれ供給する。ここで、第２の流体供給源７ｂから供給されるエアは、一般の工場用エア、工場用エアをドライヤによって処理したドライエア、または所定量のオイルミストが混入されたオイルミスト含有エアなど、供給対象に応じて各種の形態のものを選択できるようになっている。

【0021】

流体供給部７から供給される流体は、第１の開閉バルブ６ａ、第２の開閉バルブ６ｂおよび逆止弁６ｃを備えた流体供給回路６によって選択的に送給される。すなわち、第１の流体供給源７ａは耐圧配管よりなるクーラント配管８ａによって第１の開閉バルブ６ａを介してケーシング３の流路孔３ｂに接続されている。第１の開閉バルブ６ａを開閉することにより、固定部２ｂへの第１の流体供給源７ａから供給される液体クーラントの送給をオンオフすることができる。

【0022】

また、第２の流体供給源７ｂは樹脂チューブなどよりなるエア配管８ｂによって第２の開閉バルブ６ｂ、逆止弁６ｃを介してクーラント配管８ａにつなぎ込まれている。第２の開閉バルブ６ｂを開閉することにより、固定部２ｂへの第２の流体供給源７ｂから供給されるエアの送給をオンオフすることができる。逆止弁６ｃはクーラント配管８ａ側からエア配管８ｂへの流体の逆流を防止するために設けられている。さらに、第２の開閉バルブ６ｂの下流側において分岐したエア配管８ｃは、固定部２ｂに設けられた加圧開孔２０（図２参照。）に接続されている。このエア配管８ｃは、供給対象の流体がエアである場合には、後述するように固定部２ｂに面圧調整用流体としてのエアを送給するようになっている。

【0023】

すなわち、上記構成において、工作機械における加工対象物に応じて第１の開閉バルブ６ａ、第２の開閉バルブ６ｂを切り換えることにより、送給される冷却用の流体の種類を選択して切り換えることができるとともに、特定の流体については、固定部２ｂに面圧調整用流体を送給することができる。したがって、図１に示す流体供給回路６は、複数の流体供給源から複数種類の流体のうちのいずれかを後述する嵌合孔１３ａ内へ選択的に供給し、固定部２ｂの固定流路１５ｄを介して回転部２ａの回転流路１０ａへ送給するとともに、加圧開孔２０に面圧調整用流体を送給する流体供給手段となっている（図２参照。）。そして、ロータリジョイント２および流体供給回路６は、複数の流体供給源から供給される複数種類の流体を、軸心廻りに回転する回転部２ａの回転流路１０ａへ固定部２ｂの固定流路１５ｄを介して選択的に送給する機能を有する回転シール機構を構成する。

【0024】

次に、図２，図３，図４を参照して、ロータリジョイント２の詳細構造を説明する。図２において回転部２ａは、軸心部に軸方向に貫通して回転流路１０ａが設けられ、外面に締結ねじ部１０ｂが設けられたロータ１０を主体としている。ロータ１０は、締結ねじ部１０ｂを締結孔４ａに螺合させることによりスピンドル軸４にねじ締結され、Ｏリング１２によってねじ締結部が密封される。これにより、回転流路１０ａはスピンドル軸４の流路孔４ｂと連通する。

【0025】

ロータ１０の右側（固定部２ｂと対向する側）の側端面には、回転流路１０ａの開孔面を囲む配置で、円環状の環状凸部１０ｃが形成されている。環状凸部１０ｃの内側に形成された凹部には、第１のシールリング１１が固定されている。第１のシールリング１１はセラミックなどの耐摩耗性に富む硬質材料を、中央部に開口部１１ａを有する円環形状に成形したものである。第１のシールリング１１は、平滑面に仕上げられた第１のシール面１１ｂを外面側にした状態で環状凸部１０ｃに固定される。そしてこの状態では、回転流路１０ａは開口部１１ａと連通して第１のシール面１１ｂに開口する。すなわち、第１のシールリング１１が固定されたロータ１０は、回転部２ａに設けられ側端面に回転流路１０ａが開口した第１のシール面１１ｂを有する回転シール部となっている。

【0026】

次に、ケーシング３に装着される固定部２ｂの構造を説明する。ケーシング３の装着面３ｃには流路孔３ｂと連通して設けられた装着孔３ａが開口している。装着孔３ａには固定部２ｂの本体を構成する円筒形状のハウジング部材１３に設けられた装着凸部１３ｂが嵌合する。そして図３に示すように、等配された複数のボルト１４を装着面３ｃに設けられたねじ孔３ｄに螺合させることにより、ハウジング部材１３はケーシング３にボルト締結され、Ｏリング１６によって装着凸部１３ｂの嵌合部が密封される。ハウジング部材１３の中心部には軸方向に貫通する嵌合孔１３ａが設けられており、さらに嵌合孔１３ａの内周面には、Ｏリング溝１３ｃ，１３ｄが設けられている。

【0027】

図２においてフローティングシート１５は、一方側（図において回転部２ａと対向する側）に円板形状のフランジ部１５ａが設けられ、他方側に固定流路１５ｄが軸方向に貫通して形成された固定軸部１５ｂを有する形状となっている。そして固定軸部１５ｂは、ハウジング部材１３の嵌合孔１３ａに軸方向の移動が許容された状態で嵌合する。

【0028】

フランジ部１５ａの左側（回転部２ａと対向する側）の側端面には、固定流路１５ｄの開孔面を囲む配置で、円環状の環状凸部１５ｃが形成されている。環状凸部１５ｃの内側に形成された凹部には、第２のシールリング１７が固定されている。第２のシールリング１７は第１のシールリング１１と同様の硬質材料を中央部に開口部１７ａを有する円環形状に成形したものである。第２のシールリング１７は、平滑面に仕上げられた第２のシール面１７ｂを外面側にした状態で環状凸部１５ｃに固定される。そしてこの状態では、固定流路１５ｄは開口部１７ａと連通して第２のシール面１７ｂに開口する。すなわち第２のシールリング１７が固定されたフローティングシート１５は、固定流路１５ｄが軸方向に貫通して形成された固定軸部１５ｂを有し、側端面に回転流路１０ａが開口した第２のシール面１７ｂを有する固定シール部となっている。

【0029】

図４を参照して、フローティングシート１５の詳細形状を説明する。フランジ部１５ａは図３に示すボルト１４の位置に対応して等配位置で切欠き部１５ｊが設けられており、フローティングシート１５をハウジング部材１３に装着した状態で、ハウジング部材１３のケーシング３へのボルト締結が可能となっている。また第２のシールリング１７の第２のシール面１７ｂには、複数のシール面潤滑用の凹部１７ｃが形成されている。凹部１７ｃは、第２のシール面１７ｂが第１のシール面１１ｂと密着して面シール部を形成した状態において、開口部１７ａ内の流体を第１のシール面１１ｂと第２のシール面１７ｂ相互の摺動面に導いて潤滑性を向上させる機能を有している。なお凹部１７ｃは必須ではなく、対象とする流体の特性やシール面圧値、使用回転数などの摺動条件によっては設ける必要がない場合がある。

【0030】

固定軸部１５ｂは、長手方向の中間部に設けられた段差部１５ｇによって、第２のシールリング１７に近接した位置に設けられた外径Ｄ１の小径部１５ｅと、外径Ｄ１よりも大きく嵌合孔１３ａに嵌合するサイズの外径Ｄ２で設けられた大径部１５ｆとに区分されている。ここで大径部１５ｆの側端面１５ｈにおける側面積、すなわち外径Ｄ２の円から内径ｄの固定流路１５ｄの部分を除いた側面積はＡ１となっており、また段差部１５ｇにおいて外径Ｄ２の円から小径部１５ｅの断面積を除いた側面積はＡ２となっている。

【0031】

図２に示すように、固定軸部１５ｂを嵌合孔１３ａに嵌合させた状態において、Ｏリング溝１３ｃ，１３ｄ（図３参照。）はそれぞれ固定軸部１５ｂにおける小径部１５ｅ、大径部１５ｆの位置に有る。Ｏリング溝１３ｃはＯリング２１ａの装着用溝である。Ｏリング２１ａがＯリング溝１３ｃ内に装着された状態では、第１の軸シール部２１を構成する。

【0032】

Ｏリング溝１３ｃは、Ｏリング２1ａを装着した時、Ｏリング外周側が溝底に接触しない深さを有すると共に、Ｏリング断面太さより適宜幅広い溝幅を有するように形成されている。Ｏリング２１ａの内径は、Ｏリング溝１３ｃに装着されたとき、固定軸部１５ｂの小径部１５ｅの外周に全周線接触する程度の大きさである。

【0033】

Ｏリング溝１３ｄはＯリング２２ａの装着用溝である。Ｏリング溝１３ｄにはＯリング２２ａの他、押圧用スプリング２６が装着される。Ｏリング２２ａおよび押圧用スプリング２６がＯリング溝１３ｄ内に装着された状態では、第２の軸シール部２２を構成する。

【0034】

Ｏリング溝１３ｄは、Ｏリング２２ａを装着した時、Ｏリング外周側が溝底１３ｅに接触しない深さを有すると共に、Ｏリング断面太さより適宜幅広い溝幅を有するように形成されている。Ｏリング２２ａの内径は、Ｏリング溝１３ｄに装着されたとき、固定軸部１５ｂの大径部１５ｆの外周に全周線接触する程度の大きさである。すなわち、Ｏリング２２ａは圧縮状態でセットするのではなく、自由状態でセットして、単にＯリング溝１３ｄの低圧側側壁１３ｇ（図５参照。）と固定軸部１５ｂの摺動面とに接触させる構造としている。

【0035】

Ｏリング２２ａの押圧用スプリング２６は、Ｏリング２２ａをＯリング溝１３ｄの低圧側、つまりロータ１０側に押圧させることにより、低圧側に生じる隙間を密閉しシール作用を行なわせるものである。押圧用スプリング２６は、図６（イ）に示すように、スプリング材によりＯリング２２ａと略同一の内外径を有し周面を軸心方向に波打ち状体とした波打ち状体部２６ａに形成してリング状に設けられたウェーブワッシャである。波の周期の数は３つ以上としている。

【0036】

押圧用スプリング２６の押圧力は軸摺動時に摺動抵抗による外力より高くなるように、全体の押圧力が５Ｎ以上に設定されている。また、Ｏリング溝１３ｄはＯリング２２ａおよび押圧用スプリング２６の装着時に押圧用スプリング２６の波型が失われない空間を有しており、Ｏリング２２ａには押圧用スプリング２６の波の山の頂上部分が当たるが、その押圧力が１山あたり２５Ｎを超えないように、すなわち、１山あたり２５Ｎ以下となるように押圧用スプリング２６のバネ定数と装着時のバネの圧縮距離が設定されている。

【0037】

なお、本実施の形態の押圧用スプリング２６はスプリング材として樹脂のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標）））を使用して製作されているが、他の樹脂製またはエラストマ製とすることができる。

【0038】

図５はそのセット状態を示している。押圧用スプリング２６はＯリング２２ａの側面を高圧側から低圧側に押圧するように、つまりＯリング溝１３ｄ内でＯリング２２ａより高圧側にセットされる。この場合、波打ち状体部２６ａは、背面側を溝側壁に接地してＯリング２２ａを押圧し、Ｏリング２２ａをＯリング溝１３ｄの低圧側側壁１３ｇに全周均等に密着させる。

【0039】

上記構成により、第１の軸シール部２１、第２の軸シール部２２は、嵌合孔１３ａに固定軸部１５ｂが嵌合した状態において、嵌合孔１３ａの内周面と小径部１５ｅおよび大径部１５ｆとの間の隙間２７（図５参照。）をそれぞれ密封する。この状態において、嵌合孔１３ａ内の流体の圧力は、受圧面積がＡ１の側端面１５ｈに作用する。

【0040】

ハウジング部材１３には、図１に示すエア配管８ｃと接続される加圧開孔２０が設けられている。加圧開孔２０は、第１の軸シール部２１および第２の軸シール部２２の間において、小径部１５ｅと嵌合孔１３ａの内周面との間の円環状隙間２３に開孔する。そしてこの状態で、第２の流体供給源７ｂからエア配管８ｃを介してエアを送給することにより、円環状隙間２３内に面圧調整流体としてのエアが送給される。円環状隙間２３内の流体の圧力は、受圧面積がＡ２の段差部１５ｇに作用する。

【0041】

流路孔３ｂ内に供給対象の流体が送給されることにより、この流体圧は固定軸部１５ｂの他方側（第２のシールリング１７の反対側）の側端面１５ｈに作用する。これにより、固定軸部１５ｂは嵌合孔１３ａ内で回転部２ａ側へスライドし、第２のシールリング１７は第１のシールリング１１に対して押圧される。この押圧力は第２のシール面１７ｂと第１のシール面１１ｂとを相互に密着させ、これにより固定流路１５ｄから軸廻りに回転状態の回転流路１０ａへ送給される流体の漏洩を防止する面シール部１８が形成される。このフローティングシート１５のスライドにおいて、フランジ部１５ａのねじ孔１５ｉ（図４）に螺設されたボルト２４およびボルト２４を外包する円筒カラー２５が、ハウジング部材１３に軸方向に設けられたガイド孔１３ｆ内を摺動することにより、フローティングシート１５の軸方向の移動がガイドされるとともに、軸廻りの廻り止めが行われる。

【0042】

ロータリジョイント２の作動状態においては、送給される流体の圧力によるフローティングシート１５の進出と、スピンドル軸４の進退動作によって、面シール部１８のシール面の接離が行われる。すなわちフローティングシート１５が後退して第１のシール面１１ｂと第２のシール面１７ｂとが相互に離隔した状態において、嵌合孔１３ａ内に流路孔３ｂを介して流体が送給されることによりフローティングシート１５が前進（矢印ａ方向）し、第１のシール面１１ｂが第２のシール面１７ｂに当接して面シール部１８が形成される。

【0043】

そしてスピンドル軸４が固定部２ｂに対して相対的に前進（矢印ｄ方向）することにより、フローティングシート１５は後退（矢印ｂ方向）し、フランジ部１５ａがハウジング部材１３に近接した位置に復帰する。そしてこの状態からスピンドル軸４を相対的に後退（矢印ｃ方向）させることにより、第１のシール面１１ｂと第２のシール面１７ｂとが相互に離隔した状態に戻る。このとき、Ｏリング２２ａは押圧用スプリング２６に押され、固定軸部１５ｂとＯリング溝１３ｄの低圧側側壁１３ｇとの接触状態に戻るため、次回の流体供給時に漏れを発生させずに良好なシール性を確保できる。なお、この押圧用スプリング２６の押圧力が１山あたり２５Ｎを超える場合、Ｏリング２２ａが過度の圧縮による変形で、固定軸部１５ｂやＯリング溝１３ｄの低圧側側壁１３ｇとの間に隙間が生じ、良好なシール性を確保できなくなる。

【0044】

次に、図７，図８を参照して、複数種類の流体を送給する場合におけるロータリジョイント２の動作を説明する。図７、図８は送給される流体がそれぞれ液体クーラント、エアである場合を示している。まず、供給される流体が液体クーラントである場合について説明する。

【0045】

図７において、第１の開閉バルブ６ａを開にすることにより、嵌合孔１３ａ内には第１の流体供給源７ａから液体クーラント（圧力Ｐ１）が送給される。この液体クーラントは固定流路１５ｄを介して回転流路１０ａへ流通する。このとき嵌合孔１３ａ内において圧力Ｐ１が側端面１５ｈに作用し、側端面１５ｈの受圧面積Ａ１（図４参照。）に見合った流体力Ｆ（Ｌ）が固定軸部１５ｂに作用する。そして面シール部１８には、流体力Ｆ（Ｌ）から第１の軸シール部２１、第２の軸シール部２２による摺動抵抗ｆ１，ｆ２を減じた押圧力Ｆ１が作用する。この押圧力Ｆ１を第１のシール面１１ｂと第２のシール面１７ｂが接触するシール面積で除した値が、面シール部１８のシール面圧値となる。

【0046】

次に供給される流体がエアである場合について説明する。図８において、第２の開閉バルブ６ｂを開にすることにより、嵌合孔１３ａ内には、第２の流体供給源７ｂから逆止弁６ｃを通過してエア（圧力Ｐ２）が送給されるとともに、加圧開孔２０にも同様にエア（圧力Ｐ２）が送給される。嵌合孔１３ａ内に送給されたエアは固定流路１５ｄを介して回転流路１０ａへ流通する。このとき嵌合孔１３ａ内において圧力Ｐ２が側端面１５ｈに作用し、受圧面積Ａ１（図４参照。）に見合った流体力Ｆ（Ｇ１）が固定軸部１５ｂに作用する。

【0047】

また加圧開孔２０に送給されたエアは円環状隙間２３内において段差部１５ｇに作用し、受圧面積Ａ２（図４参照）に見合った流体力Ｆ（Ｇ２）が、流体力Ｆ（Ｇ１）と反対方向に作用する。そして面シール部１８には、流体力Ｆ（Ｇ１）から前述の摺動抵抗ｆ１，ｆ２および流体力Ｆ（Ｇ２）を減じた押圧力Ｆ２が作用する。この場合には押圧力Ｆ２を前述のシール面積で除した値がシール面圧値となる。

【0048】

ここでロータリジョイントにおけるシール面圧について説明する。回転摺動面を密着させて流体のシールを行う回転シール機構においては、対象となる流体の特性や供給圧に応じた適正なシール面圧値を設定する必要がある。例えば本実施の形態に示すように比較的高い供給圧（例えば１Ｍｐａ～２０Ｍｐａ）で供給される場合が多い液体クーラントが対象である場合には、シール面からのリークを極力防止するため、供給圧とほぼ同レベルの圧力のシール面圧値が設定される。

【0049】

これに対し、低い供給圧（例えば０．１Ｍｐａ～１Ｍｐａ）で用いられるエアを対象とする場合には、シール面の摺動による損耗を極力防ぐため、シール面圧を供給圧の半分以下とすることが求められる。これは液体を供給対象とする場合には、シール面に侵入した液体の薄膜が摺動面を潤滑する潤滑膜として作用するのに対し、エアの場合には、オイルミストを混入するなどの潤滑対策が施されている場合を除き、一般にはこのような潤滑作用がないことによる。

【0050】

このように、供給圧や所望のシール面圧値が異なる流体を供給対象とする場合には、供給圧に対するシール面圧値の比を流体に応じて変更する必要がある。ここで、面シール部のシール面積はいずれの流体についても共通であることから、供給圧に対するシール面圧値の比を変更するには、流体圧が作用する受圧面積を流体の種類に応じて異ならせる必要がある。本実施の形態においては、図８に示すように、低いシール面圧値が求められるエアを対象とする場合において面シール部１８に作用する押圧力を発生させる実質的な受圧面積は（Ａ１－Ａ２）であり、液体クーラントを対象とする場合における受圧面積Ａ１と異なるものとなっている。

【0051】

すなわち、図８に示す場合においては、加圧開孔２０を介して面圧調整流体としてのエアを円環状隙間２３内に送給して段差部１５ｇにエア圧（面圧調整流体圧）を作用させることにより、固定シール部であるフローティングシート１５に、側端面１５ｈに作用する流体圧による押圧力Ｆ（Ｇ１）と反対方向の流体力Ｆ（Ｇ２）を作用させ、面シール部１８のシール面圧を低減させるようにしている。

【0052】

そしてロータリジョイント２の設計に際しては、図７に示す押圧力Ｆ１による面シール部１８のシール面圧値が、圧力Ｐ１の液体クーラントについての適正値となるように、また図８に示す押圧力Ｆ２による面シール部１８のシール面圧値が、圧力Ｐ２のエアについての適正値となるように、各部寸法を設定する。すなわち、所与の設計数値データとしての前述の圧力Ｐ１，Ｐ２，各流体についての適正なシール面圧値、前述の摺動抵抗ｆ１，ｆ２などに基づき、小径部１５ｅ、大径部１５ｆの径寸法Ｄ１，Ｄ２、固定流路１５ｄの径寸法ｄなどが決定される。

【0053】

本実施の形態に示すロータリジョイント２において、面圧調整エアの供給を止めた場合、押圧用スプリング２６によってＯリング溝１３ｄの低圧側側壁１３ｇに押圧されているＯリング２２ａが、この押圧用スプリング２６の押圧力より高い面圧調整エアの残圧により押圧用スプリング２６による押圧力と反対方向の力によって押し返されることにより脱圧される。したがって、面圧調整エアの供給停止時に内圧が掛かったままとなるのを防止することができ、第１の軸シール部２１および第２の軸シール部２２の残圧による面シール部１８の動作不良を解消することができる。

【産業上の利用可能性】

【0054】

本発明の流体送給機構における回転シール機構およびロータリジョイントは、面圧調整を合理的に行うことができるという特徴を有し、工作機械の主軸などの回転部に液体クーラントとエアを送給する用途に有用である。

【符号の説明】

【0055】

１ 流体送給機構
２ ロータリジョイント
２ａ 回転部
２ｂ 固定部
４ スピンドル軸
６ 流体供給回路
７ 流体供給部
７ａ 第１の流体供給源
７ｂ 第２の流体供給源
１０ ロータ
１０ａ 回転流路
１１ 第１のシールリング
１１ｂ 第１のシール面
１３ ハウジング部材
１３ａ 嵌合孔
１３ｄ Ｏリング溝
１３ｅ 溝底
１３ｇ 低圧側側壁
１５ フローティングシート
１５ａ フランジ部
１５ｂ 固定軸部
１５ｄ 固定流路
１５ｅ 小径部
１５ｆ 大径部
１５ｇ 段差部
１６ Ｏリング
１７ 第２のシールリング
１７ｂ 第２のシール面
１８ 面シール部
２０ 加圧開孔
２１ 第１の軸シール部
２１ａ Ｏリング
２２ 第２の軸シール部
２２ａ Ｏリング
２３ 円環状隙間
２６ 押圧用スプリング

【要約】

【課題】面圧調整流体の供給停止後の脱圧が可能な流体送給機構における回転シール機構およびロータリジョイントの提供。
【解決手段】流体供給源から供給される複数種類の流体を軸心廻りに回転する回転部２ａへ固定部２ｂを介して送給する流体送給機構に用いられるロータリジョイント２において、第２の軸シール部２２は、Ｏリング２２ａが当該Ｏリング２２ａの装着用溝に自由状態で装着され、かつ装着用溝の低圧側の側面および固定軸部との摺動面の全周にわたって接触可能に配置されるとともに装着用溝内に設けられた樹脂製またはエラストマ製のウェーブワッシャである押圧用スプリング２６によって装着用溝の低圧側の側面に全体の押圧力が５Ｎ以上かつ１山あたりの押圧力が２５Ｎ以下で押圧され、かつ加圧開孔２０からの面圧調整エアの供給停止時の残圧により押圧用スプリング２６による押圧力と反対方向の力を作用させて脱圧させる。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】