JP2004177645A - 回転軸のシール構造およびそれに用いるシール材 - Google Patents
回転軸のシール構造およびそれに用いるシール材 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】容器の軸孔部分や回転軸の軸寸法などに高度な寸法精度を要求されず、簡単な構造で安価に製造可能で、しかも容器内の粉体や流体の漏れを確実に防止しうる回転軸のシール構造およびそれに用いるシール材を提供する。
【解決手段】回転軸２外面と軸孔３１内面との間に、内周部１ａが回転軸２に密に外接し外周部１ｂが軸孔３１に密に内接した状態でラッパ状のシール材１が装着されてなり、シール材１が、中央部に円孔が形成された円板状のシール材をラッパ状に変形させたものであって、変形前においては回転軸２の軸径より小さな内径を有し、円孔部分に回転軸２を挿通したときに内周部１ａが回転軸２に密に外接するとともに内周部１ａから外周部１ｂに向かって拡径したラッパ状に変形し、変形後の外径が軸孔３１の孔径よりも大きくなるような大きさに設定された円板状のシール材を、回転軸２に挿着してラッパ状に変形させた後、回転軸２とともに軸孔３１内に圧入する。
【選択図】 図３
【解決手段】回転軸２外面と軸孔３１内面との間に、内周部１ａが回転軸２に密に外接し外周部１ｂが軸孔３１に密に内接した状態でラッパ状のシール材１が装着されてなり、シール材１が、中央部に円孔が形成された円板状のシール材をラッパ状に変形させたものであって、変形前においては回転軸２の軸径より小さな内径を有し、円孔部分に回転軸２を挿通したときに内周部１ａが回転軸２に密に外接するとともに内周部１ａから外周部１ｂに向かって拡径したラッパ状に変形し、変形後の外径が軸孔３１の孔径よりも大きくなるような大きさに設定された円板状のシール材を、回転軸２に挿着してラッパ状に変形させた後、回転軸２とともに軸孔３１内に圧入する。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転軸のシール構造およびそれに用いるシール材に関し、更に詳しくは、複写機（たとえばＰＰＣ）やプリンター（例えばＬＢＰ）などの現像装置において粉体状のトナーを収容したトナー容器などや、グリスまたはオイルなどの流体を収容した変速機などにおいて、前記粉体や流体が、前記容器などを貫通して設けられた回転軸の装着部（軸孔）から漏れることを防止するためのシール構造およびそれに用いるシール材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記のような粉体や流体を封入するためのシール構造に使用されるシール材としては、アクリルゴムまたはニトリルゴムなどのゴム製で、外環部に金属製の補強環を有し、内環部に回転軸の外面に摺接するシールリップを形成してなり、日本工業規格にも規定されているオイルシールが一般的に知られており、前記シールリップを回転軸に接触させた状態で前記外環部を前記トナー容器や変速機などの容器を貫通する軸孔内に保持して取り付けられている（非特許文献１参照。）。また、本出願人は、複写機やプリンターのトナー回りの周辺機器、例えばトナー容器などの粉体取扱器の軸封装置として、ＰＴＦＥまたは充填材入りＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂製のリップシールを組み込んだ合成樹脂製のブラケットを、本体ケースの側面部に形成した開口内に、前記リップシールのリップ部が回転軸に面接触状態で摺接した状態で取り付けてなる軸封装置を提案している（特許文献１参照。）。更に本出願人は、円筒状またはリング状の合成樹脂製支持リングの軸孔の内周側に、先端部に回転軸に摺接するリップ部を有するＰＴＦＥ系樹脂で円板状に形成したシール体の外周部の基部をインサート成形にて一体化してなる軸受兼用シール装置を提案している（特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−５０２８７号公報
【特許文献２】
特開２００２−３２３１３９号公報
【非特許文献１】
財団法人日本規格協会、ＪＩＳ Ｂ２４０２−１９９６
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記ゴム製のオイルシールの場合には、金属製の補強環を有する外環部を容器を貫通して形成された軸孔内に保持して取り付けられるものであるため、オイルシールの外環部と容器の軸孔内面との間に隙間があると該隙間から容器内の粉体や流体の漏れが発生するおそれがあるため、容器の軸孔部分に高度な寸法精度が要求される。また、無潤滑の状態、即ち摺動部分のシールリップ部にグリスなどの潤滑剤を塗布しないで使用する場合には、ゴムの摩擦係数が高いことから、軸回転時のトルクが上がることを抑制するために、シールリップにおける軸との抱き代（シールリップの内径と軸径との差）が小さく設計されている。このため、軸に振れがあったり軸の真円度が悪いとシールリップと軸との間に隙間ができ、粉体や流体が漏れやすくなることから、回転軸の軸寸法にも高度な寸法精度が要求される。しかも、このゴム製オイルシールの場合、前記のような摩擦係数が大きいことから、グリスを使用しないで無潤滑で使用する場合には、シールリップが摺接する部分には摩擦摩耗対策のために摺動グレード材質の軸が使用されるためコストアップになる。シールリップにグリスなどの潤滑剤を塗布すれば、軸回転時のトルクの上昇が抑制されるため、シールリップにおける軸との抱き代は前記無潤滑の場合のように小さくする必要はなく、粉体や流体の漏れは起こり難くなるものの、グリスなどの潤滑剤使用によりコストアップになることに加えて、例えば複写機やプリンターのトナー容器の場合には、グリスが画像に悪影響を及ぼすという欠点がある。また、本出願人が提案した前記軸封装置や軸受兼用シール装置にあっては、シール材として摩擦係数の小さなＰＴＦＥ系樹脂などのフッ素系樹脂を使用しており、軸回転時のトルクの上昇は抑制されることから、シール材のリップ部を回転軸に面接触させることができ、前記オイルシールのようなシールリップと回転軸との間からの粉体や流体の漏れの問題は大幅に改善され、従って回転軸の軸寸法にもそれほど高度な寸法精度は要求されない。しかし、この場合にもシール材は合成樹脂製のブラケットや支持リングにて容器の軸孔内に保持されているため、該ブラケットや支持リングと容器の軸孔との間に隙間があると、やはり流体の漏れが発生するおそれがあり、前記ブラケットや支持リングおよび容器の軸孔部分には高度な寸法精度が要求される。しかも、上記したオイルシールや軸封装置および軸受兼用シール装置は、容器に保持される外環部やブラケット、支持リングの内周側に回転軸に摺接するリップ部が形成された比較的複雑な構造を有するため、製造コストも高くつくという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記のような従来技術における回転軸のシール構造が有する問題点に鑑み、容器の軸孔部分や回転軸の軸寸法などに高度な寸法精度を要求されることなく、また簡単な構造で安価に製造可能であり、しかも容器内に収容された粉体や流体の漏れを確実に防止しうる回転軸のシール構造およびそれに用いるシール材を提供せんとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明に係る回転軸のシール構造は、粉体または流体を収容する容器に形成された軸孔と該軸孔に挿着された回転軸との間をシールするためのシール構造であって、前記回転軸外面と軸孔内面との間に、内周部が前記回転軸に密に外接し外周部が前記軸孔に密に内接した状態でラッパ状のシール材が装着されてなり、前記シール材が、無潤滑状態で炭素鋼と摺動させた時の摩擦係数が０．５以下のプラスチックまたはゴムからなり、中央部に円孔が形成された円板状のシール材をラッパ状に変形させたものであって、変形前においては前記回転軸の軸径より小さな内径を有し、前記円孔部分に前記回転軸を挿通したときに内周部が該回転軸に密に外接するとともに該内周部から外周部に向かって拡径したラッパ状に変形し、変形後の外径が前記容器の軸孔の孔径よりも大きくなるような大きさに設定された円板状のシール材を、前記回転軸に挿着してラッパ状に変形させた後、前記回転軸とともに前記容器の軸孔内に圧入するか、または、前記円板状のシール材を予めラッパ状に変形させた状態で前記容器の軸孔内に圧入、装着した後、前記軸孔内に装着されたラッパ状のシール材に前記回転軸を挿入してなることを特徴とするものである。また、本発明に係るシール材は、粉体または流体を収容する容器に形成された軸孔と該軸孔に挿着された回転軸との間をシールするためのシール材であって、無潤滑状態で炭素鋼と摺動させた時の摩擦係数が０．５以下のプラスチックまたはゴムからなり、中央部に円孔が形成された円板状で、前記回転軸の軸径より小さな内径を有し、前記円孔部分に前記回転軸を挿通したときに内周部が該回転軸に密に外接し且つ該内周部から外周部に向かって拡径したラッパ状に変形し、前記変形後の外径が前記容器の軸孔の孔径よりも大きくなるような大きさに設定してなる。なお、本発明において、前記シール材の摩擦係数とは、ピンオンディスク摩擦摩耗試験機により測定した値である。また、前記炭素鋼とは、ＪＩＳ Ｇ０２０３に規定されるものであり、本発明で使用した炭素鋼はＳ４５Ｃである。
【０００７】
前記のような本発明に係る回転軸のシール構造およびシール材によれば、容器の軸孔内面と回転軸外面との間に装着された摩擦係数が０．５以下の低摩擦係数のプラスチックまたはゴムからなるラッパ状のシール材の内周部が前記回転軸に密に外接するとともに該ラッパ状シール材の外周部が前記軸孔に密に内接した状態で、前記ラッパ状シール材の内周部と回転軸外面との間もしくは該ラッパ状シール材の外周部と容器の軸孔内面との間またはその両方で摺動する。このとき、回転軸と容器の軸孔内面との間に装着されたシール材は、回転軸への挿着前は円板状で、その内径が回転軸の軸径よりも小さいため、回転軸を挿着した状態では、該シール材は内周部が押し広げられるとともにラッパ状に変形されている。そのため、回転軸には押し広げられたシール材の内周部が変形前の状態に縮もうとする力が常に加わり、シール材の内周部が回転軸との間に隙間ができないように回転軸を包持してシールする。これにより、シール材と回転軸との間からの粉体または流体の漏れが防止される。また、前記シール材は摩擦係数の小さな材料からなることから、従来のゴム製オイルシールに比べて軸回転時のトルクの大幅な上昇は抑制され、回転軸との抱き代をことさら小さくする必要がなく、従って回転軸の軸寸法に高度な寸法精度は要求されず、また軸の摩擦係数も特に限定されず、コストの高い摺動グレードの材料を使用する必要がない。また、前記シール材の内周部が押し広げられてラッパ状に変形すると、これによりシール材の外周部も変形し、且つ該外周部には常に外側に押し広げようとする力が働く。しかも、このようにラッパ状に変形した後のシール材の外径は容器に形成された軸孔の外径よりも大きくなるように設定されていることから、このラッパ状に変形したシール材を前記軸孔に圧入、装着すると、シール材の外周部が該軸孔の内面に沿って変形して該内面に密接してシールし、粉体または流体の漏れが防止される。
【０００８】
前記シール材の内径は、前記回転軸の軸径の０．５倍以上であり、前記回転軸に挿着してラッパ状に変形した後のシール材の外径は、前記容器の軸孔の孔径の１．３倍以下であり、また前記シール材の厚さは、前記回転軸の軸径の０．５倍以下であることが、該シール材の内周部および外周部が回転軸および軸孔内面により確実に密接してシール材の粉体または流体の漏れを確実に防止できることから好ましい。
【０００９】
また、前記シール材がフッ素系樹脂からなるものは、フッ素系樹脂は適度な柔軟性と形状の記憶性との機能を合わせ持つことから、回転軸及び容器の軸孔の形状に沿ってシール材が変形しやすく、且つその形状を保持することができ、シール材の内周部および外周部が回転軸および軸孔内面に密接して粉体または流体の漏れをより確実に防止することができることから好ましい。更に、前記フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系樹脂を用いることがより好ましい。
【００１０】
上記のような本発明に係る回転軸のシール構造およびシール材は、複写機またはプリンターのトナー容器に好適に使用され、該トナー容器の攪拌軸などの回転軸部分を確実にシールしてトナー容器からのトナーの漏れを防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１〜図３は、本発明に係る回転軸のシール構造およびシール材の一実施形態を示すものであり、図１はシール材１の円孔１１に回転軸２を挿入する直前の状態を示し、図２は回転軸２を挿着してラッパ状に変形したシール材１を回転軸２とともに容器３に形成された軸孔３１内に圧入する直前の状態を示し、更に図３は、回転軸２がシール材１とともに容器３の軸孔３１内に装着された状態を示すものである。
【００１２】
シール材１は、中央部に円孔１１が形成された円板状で、いわゆる平ワッシャー状に形成されている。シール材１に形成された円孔１１の孔径、即ち変形前のシール材１の内径ｄ１は回転軸２の軸径Ｄ１より小さく設定されている。これにより、シール材１に回転軸２を挿着したときにシール材１の内周部１ａが押し広げられるとともに、シール材１は図２に示すようにラッパ状に変形する。また、シール材１の幅ｗは、ラッパ状に変形したシール材１の外径ｄ２が、容器３の軸孔３１の軸径Ｄ２よりも大きくなるように設定されている。
【００１３】
図例の回転軸２は、プリンターなどのトナー容器の攪拌羽根の回転軸であり、容器３の軸孔３１内に挿入される軸部２１の挿入方向後部に、軸孔３１の軸径Ｄ２より僅かに小径で軸孔３１内に挿入されて軸孔３１内面に摺接する大径部２２が形成され、該大径部２２の後端部には軸孔３１の開口縁外に位置するフランジ部２３が形成されている。なお、回転軸２の軸部２１の先端側には図示しない攪拌羽根が装着される。また容器３をプリンターなどに装着した状態では、フランジ部２３側にモータなどの駆動源に連結された図示しない駆動軸が挿着される。
【００１４】
また、容器３は、その側面部３２から外方に円筒状に突出形成した軸受筒３３内面に、軸方向に所定の長さを有する軸孔３１が形成されている。
【００１５】
そして、本シール構造においては、図２に示すように、シール材１の円孔１１に回転軸２の軸部２１を挿通し、内周部１ａが回転軸２の軸部２１に密に外接し且つ内周部１ａから外周部１ｂに向かって拡径したラッパ状に変形させた状態でシール材１を回転軸２に挿着した後、図３に示すように、容器３に形成された軸孔３１内に回転軸２とともにシール材１を圧入することで、内周部ａが回転軸２の軸部２１に密に外接し外周部１ｂが軸孔３１の内面に密に内接した状態でラッパ状のシール材１が装着される。
【００１６】
前記変形前のシール材１の内径ｄ１は、回転軸２の軸径Ｄ１よりも小さいが、これは、シール材１の内径ｄ１が回転軸２の軸径Ｄ１よりも大きい場合には、シール材１と回転軸２との間に隙間が出来てシールすることができず、且つ回転軸２をシール材１の円孔１１内に挿着した場合にシール材１をラッパ状に変形させることができないからである。更に、変形前のシール材１の内径ｄ１は、回転軸２の軸径Ｄ１の０．５倍以上であることが好ましい。シール材１の内径ｄ１が前記の範囲より更に小さい場合には、シール材１に回転軸２を挿着した時にシール材１の内周部１ａが大きく変形し、回転軸２を締め付ける力は増大するものの、内周部１ａの大変形に伴いシール材１の外周部１ｂも大きく変形してしまい、シール材１を軸孔３内に圧入して挿着した時に軸孔３１内面とシール材１の外周部１ｂとの間の隙間から容器３内に収容した粉体または流体が漏れるおそれがあるうえに、シール材１が回転軸２を締め付ける力が大きくなりすぎると回転軸２の軸回転トルクも大幅に上昇するので好ましくない。シール材１の内径ｄ１の大きさを前記の範囲とすることで、回転軸２によりシール材１の内周部１ａが押し拡げられて回転軸２に沿って変形して密接するとともに、シール材１全体がラッパ状に変形する。これにより、回転軸２にシール材１の内周部１ａが縮もうとする力が常に加わってシール材１の内周部１ａと回転軸２との間に隙間ができないようにシール材１が回転軸２を包持してシールすることができ、シール材１と回転軸２との間からの粉体または流体の漏れが確実に防止される。
【００１７】
また、回転軸２を挿着してラッパ状に変形した後のシール材１の外径ｄ２は、容器３の軸孔３１の孔径Ｄ２よりも大きく設定されるのである。ラッパ状に変形後のシール材１の外径ｄ２が前記の範囲よりも小さな場合にはシール材１の外周部と該軸孔３１との間に隙間が出来てシールすることができない。更に、ラッパ状に変形した後のシール材１の外径ｄ２は、軸孔３１の内径Ｄ２の１．３倍以下であることが好ましい。ラッパ状に変形後のシール材１の外径ｄ２が前記の範囲より更に大きい場合には、軸孔３１に圧入した時にシール材１の外周部１ｂが波打つように変形してしまい、隙間から粉体または流体が漏れてしまうことから好ましくない。変形後のシール材１の外周部の外径ｄ２を前記の範囲とすることで、ラッパ状に変形したシール材１を回転軸２とともに容器３に形成された軸孔３１に圧入した時にシール材１の外周部が軸孔３１の内面に沿って変形して該内面に密接してシールすることができ、シール材１と軸孔３１内面との間からの粉体または流体の漏れが確実に防止される。
【００１８】
更に、シール材１の厚さｔは、回転軸２の軸径Ｄ１の０．５倍以下であることが好ましい。シール材１の厚さｔが前記の範囲より大きい場合には、軸孔３１内に圧入して装着した時にシール材１の外周部１ｂが軸孔３１内面の形状に沿わなくなり、微妙に波うった隙間から漏れが発生するおそれがある。
【００１９】
また、前記回転軸２の軸径Ｄ１と容器３の軸孔３１の孔径Ｄ２との大きさ関係は、（Ｄ２／Ｄ１）の値が１．０３〜２．５の範囲であることが好ましい。（Ｄ２／Ｄ１）の値が前記の範囲より小さな場合には、回転軸２と軸孔３１との隙間が狭すぎてシール材１をラッパ状に変形させることが困難となる。また、（Ｄ２／Ｄ１）の値が前記の範囲より大きな場合には、回転軸２と軸孔３１との隙間が広すぎて軸孔３１内面へのシール材１の密接力が弱くなり、軸孔３１内面で漏れが発生するおそれがある。
【００２０】
シール材１は、無潤滑状態で炭素鋼と摺動させた時の摩擦係数が０．５以下のプラスチックまたはゴムから作製される。シール材１の摩擦係数が前記の範囲より大きい場合には、回転軸２の軸回転トルクが上昇するため、シール材１と回転軸２との抱き代を小さくし、且つシール材１と回転軸２との間に隙間ができたり軸が振れたりしないように回転軸２の軸寸法に高度な寸法精度が要求されたり、あるいはグリスなどの潤滑剤を使用したり、更には回転軸２の回転時のトルクの上昇を防止するためにコストの高い摺動グレードの軸材料を使用する必要があるので好ましくない。
【００２１】
前記のような低摩擦係数のプラスチックまたはゴムとしては、フッ素系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、熱可塑性エラストマー、クロロプレンゴムなどが挙げられる。また、これらのプラスチックやゴムは充填材入りであってもよい。
【００２２】
前記フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロイチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などが挙げられる。前記ＰＴＦＥの具体例としては、スターライト工業株式会社の「♯３１６１２ＡＸ」、三井・デュポンフロロケミカル株式会社の「テフロン」、旭硝子株式会社の「フルオン」、ダイキン工業株式会社の「ポリフロン」などが挙げられる。前記ＰＦＡの具体例としては、三井・デュポンフロロケミカル株式会社の「テフロン」、旭硝子株式会社の「アフロンＰＦＡ」、ダイキン工業株式会社の「ネオフロン」などが挙げられる。前記ＦＥＰの具体例としては、三井・デュポンフロロケミカル株式会社の「テフロン」、ダイキン工業株式会社の「ネオフロン」などが挙げられる。前記ＥＴＦＥの具体例としては、三井・デュポンフロロケミカル株式会社の「テフゼル」、旭硝子株式会社の「アフロンＣＯＰ」などが挙げられる。また、前記ポリオレフィン系樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などが挙げられる。前記ＰＰの具体例としては、株式会社グランドポリマーの「グランドポリプロ」、サンアロマー株式会社の「サンアロマー」、住友化学工業株式会社の「住友ノープレン」、チッソ株式会社の「チッソポリプロ」、日本ポリケム株式会社の「ノバテックＰＰ」などが挙げられる。前記ＰＥの具体例としては、旭化成工業株式会社の「サンテック−ＨＤ」、同「サンテック−ＬＤ」、宇部興産株式会社の「ＵＢＥポリエチレン」、出光石油化学株式会社の「ＩＤＥＭＩＴＳＵ ＨＤ」、京葉ポリエチレン株式会社の「ＫＥＩＹＯポリエチ」、東ソー株式会社の「ニポロンハード」、同「ペトロセン」、日本ポリオレフィン株式会社の「ジェイレックス ＨＤ」、同「ジェイレックス ＬＤ」、日本ポリケム株式会社の「ノバテック」、三井化学株式会社の「ハイゼックス」、同「ハイゼックスミリオン」、同「ミラソン」、住友化学工業株式会社の「スミカセン」、日本ユニカー株式会社の「ＵＮＣポリエチレン」などが挙げられる。また、前記熱可塑性エラストマーとしては、例えば熱可塑性ポリエーテル−エステルエラストマー、熱可塑性ポリエステルエラストマーが挙げられる。前記熱可塑性ポリエーテル−エステルエラストマーの具体例としては、東レ・デュポン株式会社の「ハイトレル」などが挙げられ、また熱可塑性ポリエステルエラストマーの具体例としては、東洋紡績株式会社の「ペルプレン」などが挙げられる。更に、クロロプレンゴムの具体例としては、デュポン株式会社の「ネオプレン」が挙げられる。
【００２３】
前記のような低摩擦係数のプラスチックおよびゴムのなかでも、本発明のシール材には、フッ素系樹脂を用いることが好ましい。このフッ素系樹脂により本発明のシール材を作製した場合には、柔軟性と形状の記憶性との機能を併せ持つため、シール材が回転軸および容器の軸孔内面の形状に沿うように変形しやすく、しかもその形状が良好に保持され、このような形状変化に伴い発生する応力および変形した際の形状記憶性能が両立した状態でシール材として機能し、漏れを確実に防止する。このような観点から、前記フッ素系樹脂のなかでも、ＰＴＦＥ系樹脂が特に好ましい。
【００２４】
また、前記のようなプラスチックまたはゴムに含まれる充填材としては、シール材が摺接する回転軸や容器の軸孔内面の材質に応じて、ガラスファイバー、カーボンファイバー、グラファイト粉末、ＭｏＳ２、耐熱性高分子などを単独でまたは２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００２５】
前記ＰＴＦＥ系樹脂のようなフッ素系樹脂製シール材は、粉末状または顆粒状のフッ素系樹脂材料を円筒状に圧縮・加熱成形し、それを所定の厚さにスライスすることで作製することができる。更に、本発明者の検討の結果によれば、前記のようなスライスしたシール材を研磨して回転軸２および軸孔３１内面に接するシール材の内周部１ａおよび外周部１ｂのコーナー部を少し丸めることでシール性能が向上することも分かっている。
【００２６】
また、本発明においては、シール材１として前記のような低摩擦係数の材料を用いることから回転軸２や容器３の軸孔３１内面の材質には特に限定はなく、各種の合成樹脂や金属などが使用できる。例えば、回転軸２の材質としては、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの合成樹脂、Ｓ４５Ｃなどの炭素鋼、ＳＣＭ、ＳＵＳなどの合金鋼またはそれらの鋼にニッケル、亜鉛などをメッキしたもの、更にはアルミ合金などの金属を使用することができる。また、容器３の材質としては、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリルスチレンブタジエン共重合体（ＡＢＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの合成樹脂、Ｓ４５Ｃなどの炭素鋼、ＳＣＭ、ＳＵＳなどの合金鋼またはそれらの鋼にニッケル、亜鉛などをメッキしたもの、更にはアルミ合金などの金属を使用することができる。
【００２７】
また、本発明に係る回転軸のシール構造における回転軸２や容器３及びその軸孔３１の形状、構造は、図例のものに限定されるものではなく、ラッパ状に変形したシール材１を装着可能な所定の長さを有する軸孔内に回転軸が回転自在に挿着される構造のものであれば、本発明のシール構造およびシール材を適用可能である。更に、例えば図４（ａ）に示すように、シール材１に挿着する回転軸２における軸部２１に、シール材１への挿入時のスペーサーとなるリング２４を外嵌したり、また図４（ｂ）に示すように軸部２１にスペーサーとなる段部２５を形成しておくことで、シール材１を回転軸２の所定の位置に正確に装着することが可能となる。
【００２８】
図５は、本発明に係るシール構造の他の実施形態を示すものであり、円板状のシール材１を予めラッパ状に変形させて容器３の軸孔３１へ装着した後、回転軸２を軸孔に挿入するものである。この場合は、先ず、図５（ａ）に示すように、シール材１の円孔１１内に、回転軸２とほぼ同径の軸径を有する軸状の治具４を挿入して、円板状のシール材１を予めラッパ状に変形させる。このとき、治具４として先端部４ａが図例の如く先細形状のものを用いることで、シール材１への挿入および変形操作が容易となる。次ぎに、前記のように治具４を挿入してラッパ状の変形させたシール材１を、図５（ｂ）に示すように治具４を挿入したままの状態で容器３の軸孔３１内に圧入、装着する。そして、図５（ｃ）に示すように、ラッパ状に変形したシール材１のみを軸孔３１内に残して治具４を引き抜く。しかる後、図５（ｄ）に示すように、軸孔３１内のシール材１に回転軸２を挿入する。こうして、回転軸２の外面と軸孔３１の内面との間に、内周部が回転軸２外面に密に外接し、外周部が軸孔３１内面に密に密接した状態でラッパ状のシール材１が装着されたシール構造となる。本実施形態の場合にも、シール材１、回転軸２、容器３（軸孔３１）の各部の寸法や材料は先に図１〜３のシール構造について説明したものと同様である。また、この場合の装着後のシール材１による作用も同様である。そして、本実施形態の場合には、治具４を用いて円板状のシール材１を予めラッパ状に変形させたうえで軸孔３１や回転軸に装着するものであることから、全体の作業工程は増える。しかし、シール材１へ回転軸２を挿入することでシール材１をラッパ状に変形させる場合には、回転軸２の形状、構造によってはシール材１への回転軸２の挿入や軸孔３１への圧入、装着が困難な場合があるが、そのような場合にも、治具４を用いて作業を行うことで、シール材１の変形や軸孔３１内への装着作業が容易となるというメリットがある。
【００２９】
【実施例】
充填材入りＰＴＦＥ（スターライト株式会社製「♯３１６１２ＡＸ」、ピンオンディスク摩擦摩耗試験機により測定した無潤滑状態で炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）と摺動させた時の摩擦係数０．２５）により、下記表１に示す大きさのシール材を作製し、これらを図５に概略を示す市販のレーザービームプリンター（Ａ４、１６枚／分機）のトナー容器１０３の攪拌羽根１０４を回動自在に支持する回転軸１０２に挿着してラッパ状に変形させ、変形後のシール材１０１を回転軸１０２とともにトナー容器１０３側面の軸孔１３１に圧入、装着して、トナー容器１０３からのトナー漏れの有無を調べた。なお、図中、符号１０５で示すものは攪拌羽根１０４他端側の軸孔１３２を閉止するキャップ、符号Ｔで示すものはトナー容器１０３に収容されたトナーである。また、トナー容器１０３はＨＩＰＳ製で、このトナー容器１０３に形成された軸孔１３１の孔径（φ）は１４．４ｍｍ、また回転軸１０２はＰＯＭ製で、その軸径（φ）は１０．２ｍｍである。また、トナーの漏れは、シール材１０１を装着した回転軸１０２をトナー容器１０３に取り付け、前記攪拌軸１０２を実機での運転状態で回転させた後（１サイクル：５秒間回転−５秒間停止、１万５千サイクル）、回転軸１０２をシール材１０１とともにトナー容器１０３から取り外し、シール材１０１より外部へのトナーの漏れを目視で観察した。回転軸１０２に挿着してラッパ状に変形後のシール材１０１の寸法およびトナー漏れの評価結果を表１に併せて示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
表１の結果から明らかなように、本発明のシール材およびそれを用いたシール構造により、トナー容器の回転軸部分からのトナー漏れを確実に防止することができた。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る回転軸のシール構造およびシール材によれば、回転軸と容器の軸孔内面との間に装着されるシール材は、回転軸への挿着前の内径が回転軸の軸径よりも小さいため、回転軸を挿着した状態では、該シール材は内周部が押し広げられるとともにラッパ状に変形されており、シール材の内周部が回転軸との間に隙間ができないように回転軸を包持してシールし、シール材と回転軸との間からの粉体または流体の漏れが防止される。また、前記シール材は摩擦係数の小さな材料からなることから、従来のゴム製オイルシールに比べて軸回転時のトルクの大幅な上昇は抑制され、回転軸との抱き代をことさら小さくする必要がなく、従って回転軸の軸寸法に高度な寸法精度は要求されず、また軸の摩擦係数も特に限定されず、コストの高い摺動グレードの材料を使用する必要がない。また、前記シール材の内周部が押し広げられてラッパ状に変形すると、これによりシール材の外周部も変形し、且つ該外周部には常に外側に押し広げようとする力が働き、しかもこのようにラッパ状に変形した後のシール材の外径は容器に形成された軸孔の外径よりも大きくなるように設定されていることから、このラッパ状に変形したシール材を前記軸孔に圧入すると、シール材の外周部が該軸孔の内面に沿って変形して該内面に密接してシールする。従って、本発明においては、軸孔の寸法精度が多少悪い場合にも、従来のオイルシールにおける外環部あるいは本出願人が先に提案している軸封装置におけるブラケットやシール装置における支持リングように容器に形成された軸孔の内面との間に隙間ができるおそれもないことから、前記軸孔に高度な寸法精度は要求されない。
【００３３】
前記シール材の内径を前記回転軸の軸径の０．５倍以上とし、前記回転軸に挿着してラッパ状に変形した後のシール材の外径を前記容器の軸孔の孔径の１．３倍以下とし、更に前記シール材の厚さを前記回転軸の軸径の０．５倍以下とすると、シール材の内周部および外周部が回転軸および軸孔内面に対してより確実に密接してシール材の粉体または流体の漏れを確実に防止できる。
【００３４】
また、前記シール材がフッ素系樹脂、特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系樹脂からなるものは、適度な柔軟性と形状の記憶性との機能を合わせ持つことから、回転軸及び容器の軸孔の形状に沿ってシール材が変形しやすく、且つその形状を保持することができ、シール材の内周部および外周部が回転軸および軸孔内面に密接して粉体または流体の漏れをより確実に防止することができる。
【００３５】
本発明に係る回転軸のシール構造およびシール材は、複写機またはプリンターのトナー容器に好適に使用され、該トナー容器の攪拌軸などの回転軸部分を確実にシールしてトナー容器からのトナーの漏れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シール材の円孔に回転軸を挿入する直前の状態を示す側断面図。
【図２】回転軸を挿着してラッパ状に変形したシール材を回転軸とともに容器に形成された軸孔内に圧入する直前の状態を示す側断面図。
【図３】回転軸がシール材とともに容器の軸孔内に装着された状態を示す側断面図。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、いずれも本発明のシール構造の他の実施形態を示す側断面図。
【図５】本発明のシール構造の他実施例を示すものであり、（ａ）は円板状のシール材を治具を用いてラッパ状に変形させる様子を示す側断面図、（ｂ）はラッパ状に変形させたシール材を容器の軸孔内に圧入、装着した状態を示す側断面図、（ｃ）は治具を引き抜いた状態を示す側断面図、（ｄ）はシール材に回転軸を挿入して回転軸がシール材とともに容器の軸孔内に装着された状態を示す側断面図である。
【図６】実施例に用いたトナー容器の概略断面図。
【符号の説明】
１：シール材、１ａ：シール材の内周部、１ｂ：シール材の外周部、２：回転軸、３：容器、４：治具、４ａ：治具の先端部、１１：シール材の円孔、２１：回転軸の軸部、２２：回転軸の大径部、２３：回転軸のフランジ部、３１：容器の軸孔、：３２：容器の側面部、３３：容器の軸受筒、１０１：シール材、１０２：回転軸、１０３：トナー容器、１０４：攪拌羽根、１０５：キャップ、１３１：軸孔、１３２：軸孔、Ｔ：トナー。
【発明の属する技術分野】
本発明は回転軸のシール構造およびそれに用いるシール材に関し、更に詳しくは、複写機（たとえばＰＰＣ）やプリンター（例えばＬＢＰ）などの現像装置において粉体状のトナーを収容したトナー容器などや、グリスまたはオイルなどの流体を収容した変速機などにおいて、前記粉体や流体が、前記容器などを貫通して設けられた回転軸の装着部（軸孔）から漏れることを防止するためのシール構造およびそれに用いるシール材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記のような粉体や流体を封入するためのシール構造に使用されるシール材としては、アクリルゴムまたはニトリルゴムなどのゴム製で、外環部に金属製の補強環を有し、内環部に回転軸の外面に摺接するシールリップを形成してなり、日本工業規格にも規定されているオイルシールが一般的に知られており、前記シールリップを回転軸に接触させた状態で前記外環部を前記トナー容器や変速機などの容器を貫通する軸孔内に保持して取り付けられている（非特許文献１参照。）。また、本出願人は、複写機やプリンターのトナー回りの周辺機器、例えばトナー容器などの粉体取扱器の軸封装置として、ＰＴＦＥまたは充填材入りＰＴＦＥなどのフッ素系樹脂製のリップシールを組み込んだ合成樹脂製のブラケットを、本体ケースの側面部に形成した開口内に、前記リップシールのリップ部が回転軸に面接触状態で摺接した状態で取り付けてなる軸封装置を提案している（特許文献１参照。）。更に本出願人は、円筒状またはリング状の合成樹脂製支持リングの軸孔の内周側に、先端部に回転軸に摺接するリップ部を有するＰＴＦＥ系樹脂で円板状に形成したシール体の外周部の基部をインサート成形にて一体化してなる軸受兼用シール装置を提案している（特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−５０２８７号公報
【特許文献２】
特開２００２−３２３１３９号公報
【非特許文献１】
財団法人日本規格協会、ＪＩＳ Ｂ２４０２−１９９６
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記ゴム製のオイルシールの場合には、金属製の補強環を有する外環部を容器を貫通して形成された軸孔内に保持して取り付けられるものであるため、オイルシールの外環部と容器の軸孔内面との間に隙間があると該隙間から容器内の粉体や流体の漏れが発生するおそれがあるため、容器の軸孔部分に高度な寸法精度が要求される。また、無潤滑の状態、即ち摺動部分のシールリップ部にグリスなどの潤滑剤を塗布しないで使用する場合には、ゴムの摩擦係数が高いことから、軸回転時のトルクが上がることを抑制するために、シールリップにおける軸との抱き代（シールリップの内径と軸径との差）が小さく設計されている。このため、軸に振れがあったり軸の真円度が悪いとシールリップと軸との間に隙間ができ、粉体や流体が漏れやすくなることから、回転軸の軸寸法にも高度な寸法精度が要求される。しかも、このゴム製オイルシールの場合、前記のような摩擦係数が大きいことから、グリスを使用しないで無潤滑で使用する場合には、シールリップが摺接する部分には摩擦摩耗対策のために摺動グレード材質の軸が使用されるためコストアップになる。シールリップにグリスなどの潤滑剤を塗布すれば、軸回転時のトルクの上昇が抑制されるため、シールリップにおける軸との抱き代は前記無潤滑の場合のように小さくする必要はなく、粉体や流体の漏れは起こり難くなるものの、グリスなどの潤滑剤使用によりコストアップになることに加えて、例えば複写機やプリンターのトナー容器の場合には、グリスが画像に悪影響を及ぼすという欠点がある。また、本出願人が提案した前記軸封装置や軸受兼用シール装置にあっては、シール材として摩擦係数の小さなＰＴＦＥ系樹脂などのフッ素系樹脂を使用しており、軸回転時のトルクの上昇は抑制されることから、シール材のリップ部を回転軸に面接触させることができ、前記オイルシールのようなシールリップと回転軸との間からの粉体や流体の漏れの問題は大幅に改善され、従って回転軸の軸寸法にもそれほど高度な寸法精度は要求されない。しかし、この場合にもシール材は合成樹脂製のブラケットや支持リングにて容器の軸孔内に保持されているため、該ブラケットや支持リングと容器の軸孔との間に隙間があると、やはり流体の漏れが発生するおそれがあり、前記ブラケットや支持リングおよび容器の軸孔部分には高度な寸法精度が要求される。しかも、上記したオイルシールや軸封装置および軸受兼用シール装置は、容器に保持される外環部やブラケット、支持リングの内周側に回転軸に摺接するリップ部が形成された比較的複雑な構造を有するため、製造コストも高くつくという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記のような従来技術における回転軸のシール構造が有する問題点に鑑み、容器の軸孔部分や回転軸の軸寸法などに高度な寸法精度を要求されることなく、また簡単な構造で安価に製造可能であり、しかも容器内に収容された粉体や流体の漏れを確実に防止しうる回転軸のシール構造およびそれに用いるシール材を提供せんとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するために、本発明に係る回転軸のシール構造は、粉体または流体を収容する容器に形成された軸孔と該軸孔に挿着された回転軸との間をシールするためのシール構造であって、前記回転軸外面と軸孔内面との間に、内周部が前記回転軸に密に外接し外周部が前記軸孔に密に内接した状態でラッパ状のシール材が装着されてなり、前記シール材が、無潤滑状態で炭素鋼と摺動させた時の摩擦係数が０．５以下のプラスチックまたはゴムからなり、中央部に円孔が形成された円板状のシール材をラッパ状に変形させたものであって、変形前においては前記回転軸の軸径より小さな内径を有し、前記円孔部分に前記回転軸を挿通したときに内周部が該回転軸に密に外接するとともに該内周部から外周部に向かって拡径したラッパ状に変形し、変形後の外径が前記容器の軸孔の孔径よりも大きくなるような大きさに設定された円板状のシール材を、前記回転軸に挿着してラッパ状に変形させた後、前記回転軸とともに前記容器の軸孔内に圧入するか、または、前記円板状のシール材を予めラッパ状に変形させた状態で前記容器の軸孔内に圧入、装着した後、前記軸孔内に装着されたラッパ状のシール材に前記回転軸を挿入してなることを特徴とするものである。また、本発明に係るシール材は、粉体または流体を収容する容器に形成された軸孔と該軸孔に挿着された回転軸との間をシールするためのシール材であって、無潤滑状態で炭素鋼と摺動させた時の摩擦係数が０．５以下のプラスチックまたはゴムからなり、中央部に円孔が形成された円板状で、前記回転軸の軸径より小さな内径を有し、前記円孔部分に前記回転軸を挿通したときに内周部が該回転軸に密に外接し且つ該内周部から外周部に向かって拡径したラッパ状に変形し、前記変形後の外径が前記容器の軸孔の孔径よりも大きくなるような大きさに設定してなる。なお、本発明において、前記シール材の摩擦係数とは、ピンオンディスク摩擦摩耗試験機により測定した値である。また、前記炭素鋼とは、ＪＩＳ Ｇ０２０３に規定されるものであり、本発明で使用した炭素鋼はＳ４５Ｃである。
【０００７】
前記のような本発明に係る回転軸のシール構造およびシール材によれば、容器の軸孔内面と回転軸外面との間に装着された摩擦係数が０．５以下の低摩擦係数のプラスチックまたはゴムからなるラッパ状のシール材の内周部が前記回転軸に密に外接するとともに該ラッパ状シール材の外周部が前記軸孔に密に内接した状態で、前記ラッパ状シール材の内周部と回転軸外面との間もしくは該ラッパ状シール材の外周部と容器の軸孔内面との間またはその両方で摺動する。このとき、回転軸と容器の軸孔内面との間に装着されたシール材は、回転軸への挿着前は円板状で、その内径が回転軸の軸径よりも小さいため、回転軸を挿着した状態では、該シール材は内周部が押し広げられるとともにラッパ状に変形されている。そのため、回転軸には押し広げられたシール材の内周部が変形前の状態に縮もうとする力が常に加わり、シール材の内周部が回転軸との間に隙間ができないように回転軸を包持してシールする。これにより、シール材と回転軸との間からの粉体または流体の漏れが防止される。また、前記シール材は摩擦係数の小さな材料からなることから、従来のゴム製オイルシールに比べて軸回転時のトルクの大幅な上昇は抑制され、回転軸との抱き代をことさら小さくする必要がなく、従って回転軸の軸寸法に高度な寸法精度は要求されず、また軸の摩擦係数も特に限定されず、コストの高い摺動グレードの材料を使用する必要がない。また、前記シール材の内周部が押し広げられてラッパ状に変形すると、これによりシール材の外周部も変形し、且つ該外周部には常に外側に押し広げようとする力が働く。しかも、このようにラッパ状に変形した後のシール材の外径は容器に形成された軸孔の外径よりも大きくなるように設定されていることから、このラッパ状に変形したシール材を前記軸孔に圧入、装着すると、シール材の外周部が該軸孔の内面に沿って変形して該内面に密接してシールし、粉体または流体の漏れが防止される。
【０００８】
前記シール材の内径は、前記回転軸の軸径の０．５倍以上であり、前記回転軸に挿着してラッパ状に変形した後のシール材の外径は、前記容器の軸孔の孔径の１．３倍以下であり、また前記シール材の厚さは、前記回転軸の軸径の０．５倍以下であることが、該シール材の内周部および外周部が回転軸および軸孔内面により確実に密接してシール材の粉体または流体の漏れを確実に防止できることから好ましい。
【０００９】
また、前記シール材がフッ素系樹脂からなるものは、フッ素系樹脂は適度な柔軟性と形状の記憶性との機能を合わせ持つことから、回転軸及び容器の軸孔の形状に沿ってシール材が変形しやすく、且つその形状を保持することができ、シール材の内周部および外周部が回転軸および軸孔内面に密接して粉体または流体の漏れをより確実に防止することができることから好ましい。更に、前記フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系樹脂を用いることがより好ましい。
【００１０】
上記のような本発明に係る回転軸のシール構造およびシール材は、複写機またはプリンターのトナー容器に好適に使用され、該トナー容器の攪拌軸などの回転軸部分を確実にシールしてトナー容器からのトナーの漏れを防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１〜図３は、本発明に係る回転軸のシール構造およびシール材の一実施形態を示すものであり、図１はシール材１の円孔１１に回転軸２を挿入する直前の状態を示し、図２は回転軸２を挿着してラッパ状に変形したシール材１を回転軸２とともに容器３に形成された軸孔３１内に圧入する直前の状態を示し、更に図３は、回転軸２がシール材１とともに容器３の軸孔３１内に装着された状態を示すものである。
【００１２】
シール材１は、中央部に円孔１１が形成された円板状で、いわゆる平ワッシャー状に形成されている。シール材１に形成された円孔１１の孔径、即ち変形前のシール材１の内径ｄ１は回転軸２の軸径Ｄ１より小さく設定されている。これにより、シール材１に回転軸２を挿着したときにシール材１の内周部１ａが押し広げられるとともに、シール材１は図２に示すようにラッパ状に変形する。また、シール材１の幅ｗは、ラッパ状に変形したシール材１の外径ｄ２が、容器３の軸孔３１の軸径Ｄ２よりも大きくなるように設定されている。
【００１３】
図例の回転軸２は、プリンターなどのトナー容器の攪拌羽根の回転軸であり、容器３の軸孔３１内に挿入される軸部２１の挿入方向後部に、軸孔３１の軸径Ｄ２より僅かに小径で軸孔３１内に挿入されて軸孔３１内面に摺接する大径部２２が形成され、該大径部２２の後端部には軸孔３１の開口縁外に位置するフランジ部２３が形成されている。なお、回転軸２の軸部２１の先端側には図示しない攪拌羽根が装着される。また容器３をプリンターなどに装着した状態では、フランジ部２３側にモータなどの駆動源に連結された図示しない駆動軸が挿着される。
【００１４】
また、容器３は、その側面部３２から外方に円筒状に突出形成した軸受筒３３内面に、軸方向に所定の長さを有する軸孔３１が形成されている。
【００１５】
そして、本シール構造においては、図２に示すように、シール材１の円孔１１に回転軸２の軸部２１を挿通し、内周部１ａが回転軸２の軸部２１に密に外接し且つ内周部１ａから外周部１ｂに向かって拡径したラッパ状に変形させた状態でシール材１を回転軸２に挿着した後、図３に示すように、容器３に形成された軸孔３１内に回転軸２とともにシール材１を圧入することで、内周部ａが回転軸２の軸部２１に密に外接し外周部１ｂが軸孔３１の内面に密に内接した状態でラッパ状のシール材１が装着される。
【００１６】
前記変形前のシール材１の内径ｄ１は、回転軸２の軸径Ｄ１よりも小さいが、これは、シール材１の内径ｄ１が回転軸２の軸径Ｄ１よりも大きい場合には、シール材１と回転軸２との間に隙間が出来てシールすることができず、且つ回転軸２をシール材１の円孔１１内に挿着した場合にシール材１をラッパ状に変形させることができないからである。更に、変形前のシール材１の内径ｄ１は、回転軸２の軸径Ｄ１の０．５倍以上であることが好ましい。シール材１の内径ｄ１が前記の範囲より更に小さい場合には、シール材１に回転軸２を挿着した時にシール材１の内周部１ａが大きく変形し、回転軸２を締め付ける力は増大するものの、内周部１ａの大変形に伴いシール材１の外周部１ｂも大きく変形してしまい、シール材１を軸孔３内に圧入して挿着した時に軸孔３１内面とシール材１の外周部１ｂとの間の隙間から容器３内に収容した粉体または流体が漏れるおそれがあるうえに、シール材１が回転軸２を締め付ける力が大きくなりすぎると回転軸２の軸回転トルクも大幅に上昇するので好ましくない。シール材１の内径ｄ１の大きさを前記の範囲とすることで、回転軸２によりシール材１の内周部１ａが押し拡げられて回転軸２に沿って変形して密接するとともに、シール材１全体がラッパ状に変形する。これにより、回転軸２にシール材１の内周部１ａが縮もうとする力が常に加わってシール材１の内周部１ａと回転軸２との間に隙間ができないようにシール材１が回転軸２を包持してシールすることができ、シール材１と回転軸２との間からの粉体または流体の漏れが確実に防止される。
【００１７】
また、回転軸２を挿着してラッパ状に変形した後のシール材１の外径ｄ２は、容器３の軸孔３１の孔径Ｄ２よりも大きく設定されるのである。ラッパ状に変形後のシール材１の外径ｄ２が前記の範囲よりも小さな場合にはシール材１の外周部と該軸孔３１との間に隙間が出来てシールすることができない。更に、ラッパ状に変形した後のシール材１の外径ｄ２は、軸孔３１の内径Ｄ２の１．３倍以下であることが好ましい。ラッパ状に変形後のシール材１の外径ｄ２が前記の範囲より更に大きい場合には、軸孔３１に圧入した時にシール材１の外周部１ｂが波打つように変形してしまい、隙間から粉体または流体が漏れてしまうことから好ましくない。変形後のシール材１の外周部の外径ｄ２を前記の範囲とすることで、ラッパ状に変形したシール材１を回転軸２とともに容器３に形成された軸孔３１に圧入した時にシール材１の外周部が軸孔３１の内面に沿って変形して該内面に密接してシールすることができ、シール材１と軸孔３１内面との間からの粉体または流体の漏れが確実に防止される。
【００１８】
更に、シール材１の厚さｔは、回転軸２の軸径Ｄ１の０．５倍以下であることが好ましい。シール材１の厚さｔが前記の範囲より大きい場合には、軸孔３１内に圧入して装着した時にシール材１の外周部１ｂが軸孔３１内面の形状に沿わなくなり、微妙に波うった隙間から漏れが発生するおそれがある。
【００１９】
また、前記回転軸２の軸径Ｄ１と容器３の軸孔３１の孔径Ｄ２との大きさ関係は、（Ｄ２／Ｄ１）の値が１．０３〜２．５の範囲であることが好ましい。（Ｄ２／Ｄ１）の値が前記の範囲より小さな場合には、回転軸２と軸孔３１との隙間が狭すぎてシール材１をラッパ状に変形させることが困難となる。また、（Ｄ２／Ｄ１）の値が前記の範囲より大きな場合には、回転軸２と軸孔３１との隙間が広すぎて軸孔３１内面へのシール材１の密接力が弱くなり、軸孔３１内面で漏れが発生するおそれがある。
【００２０】
シール材１は、無潤滑状態で炭素鋼と摺動させた時の摩擦係数が０．５以下のプラスチックまたはゴムから作製される。シール材１の摩擦係数が前記の範囲より大きい場合には、回転軸２の軸回転トルクが上昇するため、シール材１と回転軸２との抱き代を小さくし、且つシール材１と回転軸２との間に隙間ができたり軸が振れたりしないように回転軸２の軸寸法に高度な寸法精度が要求されたり、あるいはグリスなどの潤滑剤を使用したり、更には回転軸２の回転時のトルクの上昇を防止するためにコストの高い摺動グレードの軸材料を使用する必要があるので好ましくない。
【００２１】
前記のような低摩擦係数のプラスチックまたはゴムとしては、フッ素系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、熱可塑性エラストマー、クロロプレンゴムなどが挙げられる。また、これらのプラスチックやゴムは充填材入りであってもよい。
【００２２】
前記フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロイチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などが挙げられる。前記ＰＴＦＥの具体例としては、スターライト工業株式会社の「♯３１６１２ＡＸ」、三井・デュポンフロロケミカル株式会社の「テフロン」、旭硝子株式会社の「フルオン」、ダイキン工業株式会社の「ポリフロン」などが挙げられる。前記ＰＦＡの具体例としては、三井・デュポンフロロケミカル株式会社の「テフロン」、旭硝子株式会社の「アフロンＰＦＡ」、ダイキン工業株式会社の「ネオフロン」などが挙げられる。前記ＦＥＰの具体例としては、三井・デュポンフロロケミカル株式会社の「テフロン」、ダイキン工業株式会社の「ネオフロン」などが挙げられる。前記ＥＴＦＥの具体例としては、三井・デュポンフロロケミカル株式会社の「テフゼル」、旭硝子株式会社の「アフロンＣＯＰ」などが挙げられる。また、前記ポリオレフィン系樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）などが挙げられる。前記ＰＰの具体例としては、株式会社グランドポリマーの「グランドポリプロ」、サンアロマー株式会社の「サンアロマー」、住友化学工業株式会社の「住友ノープレン」、チッソ株式会社の「チッソポリプロ」、日本ポリケム株式会社の「ノバテックＰＰ」などが挙げられる。前記ＰＥの具体例としては、旭化成工業株式会社の「サンテック−ＨＤ」、同「サンテック−ＬＤ」、宇部興産株式会社の「ＵＢＥポリエチレン」、出光石油化学株式会社の「ＩＤＥＭＩＴＳＵ ＨＤ」、京葉ポリエチレン株式会社の「ＫＥＩＹＯポリエチ」、東ソー株式会社の「ニポロンハード」、同「ペトロセン」、日本ポリオレフィン株式会社の「ジェイレックス ＨＤ」、同「ジェイレックス ＬＤ」、日本ポリケム株式会社の「ノバテック」、三井化学株式会社の「ハイゼックス」、同「ハイゼックスミリオン」、同「ミラソン」、住友化学工業株式会社の「スミカセン」、日本ユニカー株式会社の「ＵＮＣポリエチレン」などが挙げられる。また、前記熱可塑性エラストマーとしては、例えば熱可塑性ポリエーテル−エステルエラストマー、熱可塑性ポリエステルエラストマーが挙げられる。前記熱可塑性ポリエーテル−エステルエラストマーの具体例としては、東レ・デュポン株式会社の「ハイトレル」などが挙げられ、また熱可塑性ポリエステルエラストマーの具体例としては、東洋紡績株式会社の「ペルプレン」などが挙げられる。更に、クロロプレンゴムの具体例としては、デュポン株式会社の「ネオプレン」が挙げられる。
【００２３】
前記のような低摩擦係数のプラスチックおよびゴムのなかでも、本発明のシール材には、フッ素系樹脂を用いることが好ましい。このフッ素系樹脂により本発明のシール材を作製した場合には、柔軟性と形状の記憶性との機能を併せ持つため、シール材が回転軸および容器の軸孔内面の形状に沿うように変形しやすく、しかもその形状が良好に保持され、このような形状変化に伴い発生する応力および変形した際の形状記憶性能が両立した状態でシール材として機能し、漏れを確実に防止する。このような観点から、前記フッ素系樹脂のなかでも、ＰＴＦＥ系樹脂が特に好ましい。
【００２４】
また、前記のようなプラスチックまたはゴムに含まれる充填材としては、シール材が摺接する回転軸や容器の軸孔内面の材質に応じて、ガラスファイバー、カーボンファイバー、グラファイト粉末、ＭｏＳ２、耐熱性高分子などを単独でまたは２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００２５】
前記ＰＴＦＥ系樹脂のようなフッ素系樹脂製シール材は、粉末状または顆粒状のフッ素系樹脂材料を円筒状に圧縮・加熱成形し、それを所定の厚さにスライスすることで作製することができる。更に、本発明者の検討の結果によれば、前記のようなスライスしたシール材を研磨して回転軸２および軸孔３１内面に接するシール材の内周部１ａおよび外周部１ｂのコーナー部を少し丸めることでシール性能が向上することも分かっている。
【００２６】
また、本発明においては、シール材１として前記のような低摩擦係数の材料を用いることから回転軸２や容器３の軸孔３１内面の材質には特に限定はなく、各種の合成樹脂や金属などが使用できる。例えば、回転軸２の材質としては、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの合成樹脂、Ｓ４５Ｃなどの炭素鋼、ＳＣＭ、ＳＵＳなどの合金鋼またはそれらの鋼にニッケル、亜鉛などをメッキしたもの、更にはアルミ合金などの金属を使用することができる。また、容器３の材質としては、耐衝撃性ポリスチレン（ＨＩＰＳ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリルスチレンブタジエン共重合体（ＡＢＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などの合成樹脂、Ｓ４５Ｃなどの炭素鋼、ＳＣＭ、ＳＵＳなどの合金鋼またはそれらの鋼にニッケル、亜鉛などをメッキしたもの、更にはアルミ合金などの金属を使用することができる。
【００２７】
また、本発明に係る回転軸のシール構造における回転軸２や容器３及びその軸孔３１の形状、構造は、図例のものに限定されるものではなく、ラッパ状に変形したシール材１を装着可能な所定の長さを有する軸孔内に回転軸が回転自在に挿着される構造のものであれば、本発明のシール構造およびシール材を適用可能である。更に、例えば図４（ａ）に示すように、シール材１に挿着する回転軸２における軸部２１に、シール材１への挿入時のスペーサーとなるリング２４を外嵌したり、また図４（ｂ）に示すように軸部２１にスペーサーとなる段部２５を形成しておくことで、シール材１を回転軸２の所定の位置に正確に装着することが可能となる。
【００２８】
図５は、本発明に係るシール構造の他の実施形態を示すものであり、円板状のシール材１を予めラッパ状に変形させて容器３の軸孔３１へ装着した後、回転軸２を軸孔に挿入するものである。この場合は、先ず、図５（ａ）に示すように、シール材１の円孔１１内に、回転軸２とほぼ同径の軸径を有する軸状の治具４を挿入して、円板状のシール材１を予めラッパ状に変形させる。このとき、治具４として先端部４ａが図例の如く先細形状のものを用いることで、シール材１への挿入および変形操作が容易となる。次ぎに、前記のように治具４を挿入してラッパ状の変形させたシール材１を、図５（ｂ）に示すように治具４を挿入したままの状態で容器３の軸孔３１内に圧入、装着する。そして、図５（ｃ）に示すように、ラッパ状に変形したシール材１のみを軸孔３１内に残して治具４を引き抜く。しかる後、図５（ｄ）に示すように、軸孔３１内のシール材１に回転軸２を挿入する。こうして、回転軸２の外面と軸孔３１の内面との間に、内周部が回転軸２外面に密に外接し、外周部が軸孔３１内面に密に密接した状態でラッパ状のシール材１が装着されたシール構造となる。本実施形態の場合にも、シール材１、回転軸２、容器３（軸孔３１）の各部の寸法や材料は先に図１〜３のシール構造について説明したものと同様である。また、この場合の装着後のシール材１による作用も同様である。そして、本実施形態の場合には、治具４を用いて円板状のシール材１を予めラッパ状に変形させたうえで軸孔３１や回転軸に装着するものであることから、全体の作業工程は増える。しかし、シール材１へ回転軸２を挿入することでシール材１をラッパ状に変形させる場合には、回転軸２の形状、構造によってはシール材１への回転軸２の挿入や軸孔３１への圧入、装着が困難な場合があるが、そのような場合にも、治具４を用いて作業を行うことで、シール材１の変形や軸孔３１内への装着作業が容易となるというメリットがある。
【００２９】
【実施例】
充填材入りＰＴＦＥ（スターライト株式会社製「♯３１６１２ＡＸ」、ピンオンディスク摩擦摩耗試験機により測定した無潤滑状態で炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）と摺動させた時の摩擦係数０．２５）により、下記表１に示す大きさのシール材を作製し、これらを図５に概略を示す市販のレーザービームプリンター（Ａ４、１６枚／分機）のトナー容器１０３の攪拌羽根１０４を回動自在に支持する回転軸１０２に挿着してラッパ状に変形させ、変形後のシール材１０１を回転軸１０２とともにトナー容器１０３側面の軸孔１３１に圧入、装着して、トナー容器１０３からのトナー漏れの有無を調べた。なお、図中、符号１０５で示すものは攪拌羽根１０４他端側の軸孔１３２を閉止するキャップ、符号Ｔで示すものはトナー容器１０３に収容されたトナーである。また、トナー容器１０３はＨＩＰＳ製で、このトナー容器１０３に形成された軸孔１３１の孔径（φ）は１４．４ｍｍ、また回転軸１０２はＰＯＭ製で、その軸径（φ）は１０．２ｍｍである。また、トナーの漏れは、シール材１０１を装着した回転軸１０２をトナー容器１０３に取り付け、前記攪拌軸１０２を実機での運転状態で回転させた後（１サイクル：５秒間回転−５秒間停止、１万５千サイクル）、回転軸１０２をシール材１０１とともにトナー容器１０３から取り外し、シール材１０１より外部へのトナーの漏れを目視で観察した。回転軸１０２に挿着してラッパ状に変形後のシール材１０１の寸法およびトナー漏れの評価結果を表１に併せて示す。
【００３０】
【表１】
表１の結果から明らかなように、本発明のシール材およびそれを用いたシール構造により、トナー容器の回転軸部分からのトナー漏れを確実に防止することができた。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る回転軸のシール構造およびシール材によれば、回転軸と容器の軸孔内面との間に装着されるシール材は、回転軸への挿着前の内径が回転軸の軸径よりも小さいため、回転軸を挿着した状態では、該シール材は内周部が押し広げられるとともにラッパ状に変形されており、シール材の内周部が回転軸との間に隙間ができないように回転軸を包持してシールし、シール材と回転軸との間からの粉体または流体の漏れが防止される。また、前記シール材は摩擦係数の小さな材料からなることから、従来のゴム製オイルシールに比べて軸回転時のトルクの大幅な上昇は抑制され、回転軸との抱き代をことさら小さくする必要がなく、従って回転軸の軸寸法に高度な寸法精度は要求されず、また軸の摩擦係数も特に限定されず、コストの高い摺動グレードの材料を使用する必要がない。また、前記シール材の内周部が押し広げられてラッパ状に変形すると、これによりシール材の外周部も変形し、且つ該外周部には常に外側に押し広げようとする力が働き、しかもこのようにラッパ状に変形した後のシール材の外径は容器に形成された軸孔の外径よりも大きくなるように設定されていることから、このラッパ状に変形したシール材を前記軸孔に圧入すると、シール材の外周部が該軸孔の内面に沿って変形して該内面に密接してシールする。従って、本発明においては、軸孔の寸法精度が多少悪い場合にも、従来のオイルシールにおける外環部あるいは本出願人が先に提案している軸封装置におけるブラケットやシール装置における支持リングように容器に形成された軸孔の内面との間に隙間ができるおそれもないことから、前記軸孔に高度な寸法精度は要求されない。
【００３３】
前記シール材の内径を前記回転軸の軸径の０．５倍以上とし、前記回転軸に挿着してラッパ状に変形した後のシール材の外径を前記容器の軸孔の孔径の１．３倍以下とし、更に前記シール材の厚さを前記回転軸の軸径の０．５倍以下とすると、シール材の内周部および外周部が回転軸および軸孔内面に対してより確実に密接してシール材の粉体または流体の漏れを確実に防止できる。
【００３４】
また、前記シール材がフッ素系樹脂、特にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系樹脂からなるものは、適度な柔軟性と形状の記憶性との機能を合わせ持つことから、回転軸及び容器の軸孔の形状に沿ってシール材が変形しやすく、且つその形状を保持することができ、シール材の内周部および外周部が回転軸および軸孔内面に密接して粉体または流体の漏れをより確実に防止することができる。
【００３５】
本発明に係る回転軸のシール構造およびシール材は、複写機またはプリンターのトナー容器に好適に使用され、該トナー容器の攪拌軸などの回転軸部分を確実にシールしてトナー容器からのトナーの漏れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シール材の円孔に回転軸を挿入する直前の状態を示す側断面図。
【図２】回転軸を挿着してラッパ状に変形したシール材を回転軸とともに容器に形成された軸孔内に圧入する直前の状態を示す側断面図。
【図３】回転軸がシール材とともに容器の軸孔内に装着された状態を示す側断面図。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、いずれも本発明のシール構造の他の実施形態を示す側断面図。
【図５】本発明のシール構造の他実施例を示すものであり、（ａ）は円板状のシール材を治具を用いてラッパ状に変形させる様子を示す側断面図、（ｂ）はラッパ状に変形させたシール材を容器の軸孔内に圧入、装着した状態を示す側断面図、（ｃ）は治具を引き抜いた状態を示す側断面図、（ｄ）はシール材に回転軸を挿入して回転軸がシール材とともに容器の軸孔内に装着された状態を示す側断面図である。
【図６】実施例に用いたトナー容器の概略断面図。
【符号の説明】
１：シール材、１ａ：シール材の内周部、１ｂ：シール材の外周部、２：回転軸、３：容器、４：治具、４ａ：治具の先端部、１１：シール材の円孔、２１：回転軸の軸部、２２：回転軸の大径部、２３：回転軸のフランジ部、３１：容器の軸孔、：３２：容器の側面部、３３：容器の軸受筒、１０１：シール材、１０２：回転軸、１０３：トナー容器、１０４：攪拌羽根、１０５：キャップ、１３１：軸孔、１３２：軸孔、Ｔ：トナー。
Claims (10)
- 粉体または流体を収容する容器に形成された軸孔と該軸孔に挿着された回転軸との間をシールするためのシール構造であって、前記回転軸外面と軸孔内面との間に、内周部が前記回転軸に密に外接し外周部が前記軸孔に密に内接した状態でラッパ状のシール材が装着されてなり、前記シール材が、無潤滑状態で炭素鋼と摺動させた時の摩擦係数が０．５以下のプラスチックまたはゴムからなり、中央部に円孔が形成された円板状のシール材をラッパ状に変形させたものであって、変形前においては前記回転軸の軸径より小さな内径を有し、前記円孔部分に前記回転軸を挿通したときに内周部が該回転軸に密に外接するとともに該内周部から外周部に向かって拡径したラッパ状に変形し、変形後の外径が前記容器の軸孔の孔径よりも大きくなるような大きさに設定された円板状のシール材を、前記回転軸に挿着してラッパ状に変形させた後、前記回転軸とともに前記容器の軸孔内に圧入するか、または、前記円板状のシール材を予めラッパ状に変形させた状態で前記容器の軸孔内に圧入、装着した後、前記軸孔内に装着されたラッパ状のシール材に前記回転軸を挿入してなることを特徴とする回転軸のシール構造。
- 前記回転軸を挿通する前のシール材の内径が前記回転軸の軸径の０．５倍以上であり、前記回転軸を挿通してラッパ状に変形させた後のシール材の外径が前記容器の軸孔の孔径の１．３倍以下であり、且つ前記シール材の厚さが前記回転軸の軸径の０．５倍以下である請求項１に記載の回転軸のシール構造。
- 前記シール材がフッ素系樹脂からなる請求項１または２に記載の回転軸のシール構造。
- 前記シール材がポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系樹脂からなる請求項４記載の回転軸のシール構造。
- 複写機またはプリンターのトナー容器に使用される請求項１〜４のいずれかに記載の回転軸のシール構造。
- 粉体または流体を収容する容器に形成された軸孔と該軸孔に挿着された回転軸との間をシールするためのシール材であって、無潤滑状態で炭素鋼と摺動させた時の摩擦係数が０．５以下のプラスチックまたはゴムからなり、中央部に円孔が形成された円板状で、前記回転軸の軸径より小さな内径を有し、前記円孔部分に前記回転軸を挿通したときに内周部が該回転軸に密に外接するとともに該内周部から外周部に向かって拡径したラッパ状に変形し、前記変形後の外径が前記容器の軸孔の孔径よりも大きくなるような大きさに設定してなるシール材。
- 前記回転軸を挿通する前の内径が該回転軸の軸径の０．５倍以上であり、ラッパ状に変形後の外径が前記容器に形成された軸孔の孔径の１．３倍以下であり、且つ厚さが前記回転軸の軸径の０．５倍以下である請求項６に記載のシール材。
- フッ素系樹脂からなる請求項６または７記載のシール材。
- ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系樹脂からなる請求項８記載のシール材。
- 複写機またはプリンターのトナー容器に使用される請求項６〜９のいずれかに記載のシール材。
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