シール部材の製造方法及び成形装置
【課題】シリンダとピストンとの間のシール性を維持しつつポンプの耐久性の向上を図ることができるシール部材の製造方法を提供する。
【解決手段】平面部５０ａとシール部５０ｂとを有するシール部材の製造方法であって、第１の円筒部１１１と第１の底面部１１２とを有する第１の治具１１０に、第１の円筒部１１１の内径よりも大きい外径を有する円形の樹脂シート５０Ｓを装着し、第１の円筒部１１１の内径よりも小さい外径を有する第２の円筒部１２１と、第２の底面部１２２とを有する第２の治具１２０を第１の治具１１０に装着し、第１の底面部１１２と第２の底面部１２２とによりシート部材５０Ｓを所定圧力で挟圧し所定温度に加熱することで、第１の底面部１１２と第２の底面部１２２との間に平面部５０ａを形成し、第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間にシール部５０ｂを形成する。
【解決手段】平面部５０ａとシール部５０ｂとを有するシール部材の製造方法であって、第１の円筒部１１１と第１の底面部１１２とを有する第１の治具１１０に、第１の円筒部１１１の内径よりも大きい外径を有する円形の樹脂シート５０Ｓを装着し、第１の円筒部１１１の内径よりも小さい外径を有する第２の円筒部１２１と、第２の底面部１２２とを有する第２の治具１２０を第１の治具１１０に装着し、第１の底面部１１２と第２の底面部１２２とによりシート部材５０Ｓを所定圧力で挟圧し所定温度に加熱することで、第１の底面部１１２と第２の底面部１２２との間に平面部５０ａを形成し、第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間にシール部５０ｂを形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ内でのピストンの往復運動により気体を輸送するピストン真空ポンプ（往復動ポンプ）に用いられるシール部材に関し、更に詳しくは、シリンダ内を摺動するピストンに装着されるシール部材の製造方法及びこれに適した成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストン真空ポンプは、シリンダと、シリンダの内部を移動可能なピストンとを有し、シリンダ内におけるピストンの往復動により吸気と排気とを交互に行う容積移送式のドライ真空ポンプである。
【０００３】
この種の真空ポンプは、シリンダの内面とピストンの周面との間のシール性が求められている。例えば下記特許文献１には、シリンダとピストンとによって形成される吸排気室に対して遠ざかる方向に延びる補助シール部を有するカップパッキンを備えた真空ポンプが記載されている。上記補助シール部は、カップパッキンの縁部にフランジ状に一体形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３２８９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、ピストン真空ポンプには、シリンダとピストンとの間のシール性の向上と、真空ポンプの耐久性の向上とが求められている。しかしながら、シリンダ内面を摺動するピストンのシール部は、ポンプの運転時間に応じて経時的に磨耗し、磨耗量が多くなるほどシール性が低下する傾向がある。その結果、排気性能が低下し、ポンプの寿命が短くなる。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、シリンダとピストンとの間のシール性を維持しつつポンプの耐久性の向上を図ることができるシール部材の製造方法及び成形装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るシール部材の製造方法は、シリンダ内を往復動するピストンに取り付けられ、円形の平面部と、上記平面部の周縁に形成された環状のシール部とを有するシール部材の製造方法であって、第１の内径を有する第１の円筒部と、上記第１の円筒部の一端に形成された第１の底面部とを有する第１の治具に、上記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートを装着することを含む。
上記第１の内径よりも小さい第２の外径を有する第２の円筒部と、上記第２の円筒部の一端に形成された第２の底面部とを有する第２の治具は、上記第１の治具に装着される。
上記第１の底面部と上記第２の底面部とにより上記シート部材を所定圧力で挟圧し、上記第１の治具と上記第２の治具とを所定温度に加熱することで、上記第１の底面部と上記第２の底面部との間に上記平面部が形成され、上記第１の円筒部と上記第２の円筒部との間に上記シール部が形成される。
【０００８】
本発明の一形態に係る成形装置は、金属製の第１の治具と、金属製の第２の治具と、締め付け機構とを具備する。
上記第１の治具は、第１の端部を有し第１の内径で形成された第１の円筒部と、上記第１の端部に形成された第１の底面部とを含み、前記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートが装着される。
上記第２の治具は、第２の端部を有し上記第１の内径よりも小さい第２の外径で形成された第２の円筒部と、上記第２の端部に形成された第２の底面部とを含む。上記第２の治具は、上記第１の底面部と上記第２の底面部とで上記樹脂シートを挟持し、上記第１の円筒部と上記第２の円筒部とで上記樹脂シートの周縁を挟持する。
上記締め付け機構は、上記第１の底面部と上記第２の底面部とが近接する方向に上記第１の治具と上記第２の治具とを締め付ける。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係るシール部材が装着されたピストンを備えた真空ポンプの構成を示す概略断面図である。
【図２】上記ピストン及びその周辺構造を示す拡大図である。
【図３】上記ピストンの動作を説明する模式図である。
【図４】上記シール部材を成形する成形装置の分解斜視図である。
【図５】上記成形装置の概略断面図である。
【図６】上記成形装置からシール部材を取り出す工程を説明する概略断面図である。
【図７】成形条件を異ならせて作製した複数のシール部材を用いて真空ポンプを構成したときの各シール部材の磨耗量を示す一実験結果である。
【図８】成形条件を異ならせて作製した複数のシール部材を用いて真空ポンプを構成したときの当該真空ポンプの消費電力を示す一実験結果である。
【図９】上記シール部材の成形温度と磨耗量との関係を示す一実験結果である。
【図１０】上記シール部材の成形温度と真空ポンプの消費電力との関係を示す一実験結果である。
【図１１】上記シール部材の成形温度と真空ポンプの温度上昇量との関係を示す一実験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態に係るシール部材の製造方法は、シリンダ内を往復動するピストンに取り付けられ、円形の平面部と、上記平面部の周縁に形成された環状のシール部とを有するシール部材の製造方法であって、第１の内径を有する第１の円筒部と、上記第１の円筒部の一端に形成された第１の底面部とを有する第１の治具に、上記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートを装着することを含む。
上記第１の内径よりも小さい第２の外径を有する第２の円筒部と、上記第２の円筒部の一端に形成された第２の底面部とを有する第２の治具は、上記第１の治具に装着される。
上記第１の底面部と上記第２の底面部とにより上記シート部材を所定圧力で挟圧し、上記第１の治具と上記第２の治具とを所定温度に加熱することで、上記第１の底面部と上記第２の底面部との間に上記平面部が形成され、上記第１の円筒部と上記第２の円筒部との間に上記シール部が形成される。
【００１１】
上記樹脂シートは、第１の治具と第２の治具とにより所定圧力で挟圧され、さらに所定温度に加熱されることで、平面部と、その周縁に形成された環状のシール部とを有するシール部材が形成される。上記製造方法によれば、シール部材を加熱しながら成形するようにしているため、シール部の径外方へ向かう弾性力を調整することができる。すなわちシール部材を加熱成形することで、非加熱で成形する場合と比較して、シール部の径外方へ向かう弾性力を低下させることができる。
【００１２】
したがって当該シール部材をドライ真空ポンプのピストンに装着して使用する際、シリンダの内面に対してシール部材のシール部を適度な弾性力で圧接させることができるようになり、シール部の不必要な磨耗が抑制される。これにより、シリンダとピストンとの間のシール性を維持しつつポンプの耐久性の向上を図ることができる。またシール部の良好なシール性を維持できるため、ポンプの消費電力の低減を図ることができる。
【００１３】
上記所定温度は特に限定されず、シール部材の大きさ、要求されるシール特性および耐久性に応じて適宜設定される。加熱温度が低温であるほどシール部の径外方に向かう弾性力は大きくなる傾向にあり、加熱温度が高温であるほど上記弾性力は低下する傾向にある。一実施形態において上記所定温度は、例えば１６０℃以上２５０℃以下である。
【００１４】
上記樹脂シートの構成材料も特に限定されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレンシートで構成される。
【００１５】
本発明の一実施形態に係る成形装置は、円形の樹脂シートを成形する成形装置であって、金属製の第１の治具と、金属製の第２の治具と、締め付け機構とを具備する。
上記第１の治具は、第１の端部を有し第１の内径で形成された第１の円筒部と、上記第１の端部に形成された第１の底面部とを含み、前記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートが装着される。
上記第２の治具は、第２の端部を有し上記第１の内径よりも小さい第２の外径で形成された第２の円筒部と、上記第２の端部に形成された第２の底面部とを含む。上記第２の治具は、上記第１の底面部と上記第２の底面部とで上記樹脂シートを挟持し、上記第１の円筒部と上記第２の円筒部とで上記樹脂シートの周縁を挟持する。
上記締め付け機構は、上記第１の底面部と上記第２の底面部とが近接する方向に上記第１の治具と上記第２の治具とを締め付ける。
【００１６】
上記樹脂シートは、上記第１の内径よりも大きい外径を有する。第１の治具及び第２の治具は、上記樹脂シートを所定圧力で挟圧する。また第１の治具及び第２の治具はいずれも金属製であるため、外部から供給される熱を樹脂シートへ効率よく伝達する。したがって上記成形装置によれば、樹脂シートを所定の形状にプレスした状態で樹脂シートの加熱処理が可能となるため、径外方へ向かう弾性力が適度に調整されたシール部を有するシール部材を成形することができる。
【００１７】
上記成形装置は、上記第１の治具と上記第２の治具とを加熱する加熱機構をさらに具備してもよい。上記加熱機構は、第１の治具及び第２の治具の少なくとも一方に備えられてもよいし、これら治具とは別に構成されてもよい。
【００１８】
上記第１の治具は、上記第１の円筒部の中心に設けられ上記樹脂シートの中心孔に嵌合可能な第１の嵌合部をさらに有してもよい。一方、上記第２の治具は、上記第２の円筒部の中心に設けられ上記第１の嵌合部に嵌合可能な第２の嵌合部をさらに有してもよい。
これにより、樹脂シートの周縁部にシール部を均一に形成することができる。また第１の治具に対して、樹脂シート及び第２の治具を精度よく位置決めすることができる。
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係るシール部材が適用される真空ポンプの一例を示す断面図である。本実施形態では、真空ポンプとして揺動ピストン型ドライ真空ポンプを例に挙げて説明する。
【００２１】
［真空ポンプの概略構成］
同図に示すように真空ポンプ１は、モータ２、シャフト３、コネクティングロッド４、ピストン５、シリンダ６、吸気室７及び排気室８を有する。コネクティングロッド４、ピストン５、シリンダ６、吸気室７及び排気室８は「気筒」を構成しており、当該真空ポンプ１は２基の気筒を有する。図２は、気筒を拡大して示す図である。なお、気筒の数はそれぞれ２基に限られず、１基あるいは３基以上であってもよい。
【００２２】
真空ポンプ１では、モータ２に接続されたシャフト３に、コネクティングロッド４が接続され、コネクティングロッド４にピストン５が接続されている。ピストン５は、シリンダ６に収容されている。シリンダ６には、吸気室７及び排気室８が隣接して設けられている。上記構成のうちシャフト３、コネクティングロッド４、ピストン５、シリンダ６は筐体９に収容されている。
【００２３】
モータ２は、回転動力を発生させ、シャフト３を軸回りに回転させる。モータ２は、一般的なモータ、例えばＤＣブラシレスモータで構成される。
【００２４】
シャフト３は、モータ２から筐体９の内部に直線状に延伸され、筐体９にベアリング１０を介して回転可能に支持されている。
【００２５】
コネクティングロッド４は、一端が偏芯軸１２とベアリング１１とによってシャフト３に接続され、他端はピストン５に接続されている。コネクティングロッド４と偏心軸１２はシャフト３の回転運動を往復（揺動）運動に変換する。
【００２６】
ピストン５はコネクティングロッド４によってシリンダ６内を往復運動し、吸気及び排気を行う。真空ポンプ１は、ピストン５とシリンダ６との間をシールするシール部材５０を備える。シール部材５０は、ピストン５に装着される。ピストン５は、ピストン本体５１と、固定具５２とを有する。
【００２７】
ピストン本体５１は、コネクティングロッド４の先端部に一体的に形成される。固定具５２は、ピストン本体５１に取り付けられ、シール部材５０を固定する。シール部材５０は、ピストン本体５１と固定具５２との間に挟持される。シール部材５０は円形の樹脂シートであり、本実施形態ではポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂で構成される。
【００２８】
シール部材５０は、ピストン本体５１と固定具５２との間で挟持される平面部５０ａと、平面部５０ａの周縁に形成されたシール部５０ｂとを有するカップパッキンを構成する。シール部５０ｂは、平面部５０ａの周面部からコネクティングロッド４側へ延びており、シリンダ６の内面とピストン５の周面との間に介在する。そしてシール部５０ｂは、シリンダ６内におけるピストン５の往復動に際して、ピストン５とシリンダ６との間をシールする機能を果たす。
【００２９】
シリンダ６はピストン５の外径に近い内径を有する筒状の室であり、ピストン５の嵌挿が可能に構成されている。シリンダ６には、吸気バルブ１３及び排気バルブ１４が設けられ、これらのバルブはピストン５の往復運動に応じて開閉する。
【００３０】
吸気室７は、吸気バルブ１３を介してシリンダ６と連通し、吸気室７には吸気管１５が接続されている。吸気管１５はチャンバ等の排気対象物に接続されている。
【００３１】
排気室８は、排気バルブ１４を介してシリンダ６と連通し、排気室８には排気管１６が接続されている。排気管１６は大気又は排気設備等に接続されている。
【００３２】
なお、図２は、シャフト３に平行な方向から気筒をみた図であるが、吸気室７及び排気室８の向きは説明の便宜上、図１とは異なって示されている。
【００３３】
［真空ポンプの動作］
次に、真空ポンプ１の動作について説明する。なお、ここでは、真空ポンプ１の一基の気筒について説明するが、他の気筒についても動作は同様である。図３はピストン５の揺動運動を示す模式図である。図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）の順にピストン５が駆動され、再び図３（ａ）に示す状態に戻る。
【００３４】
図３（ａ）においてピストン５は上死点にある。この状態では、ピストン５がシリンダ６の底部に近接している。シャフト３が回転すると、図３（ｂ）に示すように偏芯軸１２とベアリング１１とを介してコネクティングロッド４が傾きながら下降し、ピストン５がシリンダ６から離れる。この際、シリンダ６とピストン５の間の容積が拡大するため、吸気室７及び連通する吸気管１５から吸気バルブ１３を介して排気対象気体がシリンダ６内に流入する。
【００３５】
シャフト３がさらに回転すると、図３（ｃ）に示すようにピストン５が下死点に到達する。このとき、シリンダ６内には排気対象気体が存在している。さらにシャフト３が回転すると、図３（ｄ）に示すように、偏芯軸１２とベアリング１１とを介してコネクティングロッド４が傾きながら上昇する。この際、シリンダ６とピストン５の間の容積が減少するため、シリンダ内の排気対象気体が排気バルブ１４を解して排気室８及び連通する排気管１６から排出される。このように、シャフト３の回転によってピストン５の傾きを伴う上昇と下降（揺動運動）が繰り返され、図示しないチャンバ内の気体が排気される。
【００３６】
ここで、図３に示すように、ピストン５の揺動運動において、シール部材５０のシール部５０ｂは常にシリンダ６の内壁に当接し、シリンダ６とピストン５の間をシールしている。このため、長期的使用においてはシール部５０ｂの磨耗が問題となる。
【００３７】
一般にシール部の弾性力が大きいほど高いシール性が得られるが、シール部の弾性力が過度に大きいと、シリンダに対して相対移動するシール部の磨耗量が不必要に増加するため、シール部の耐久性が低下する。またシール性が低下することで到達真空度が低下し、さらにポンプの消費電力が上昇する。したがってシール性の低下は、シール部材の交換を余儀なくし、結果的にポンプの耐久性を低下させる。
【００３８】
本実施形態は、シール部の弾性力を目的とするシール性が得られる適度な大きさに調整することで、シール性を維持しつつ、ポンプの耐久性を向上させる。以下、シール部材５０の製造方法について説明する。
【００３９】
［シール部材の成形装置］
図４は、シール部材５０の製造に用いられる成形装置の構成を示す分解斜視図である。図５は、当該成形装置の組立て状態における断面図である。まず、成形装置１００について説明する。
【００４０】
成形装置１００は、第１の治具１１０と、第２の治具１２０と、締め付け具１３０とを有する。成形装置１００は、第１の治具１１０と第２の治具１２０との間に樹脂シート５０Ｓを収容し、締め付け具１３０によって両治具１１０，１２０を相互に締め付け、樹脂シート５０Ｓを加熱することで、樹脂シート５０Ｓを成形する。
【００４１】
第１の治具１１０は、ステンレス鋼、アルミニウム合金等の金属製の円筒部材で構成されている。第１の治具１１０は、第１の円筒部１１１と、第１の円筒部１１１の下端に形成された第１の底面部１１２とを有する。
【００４２】
第１の円筒部１１１は、樹脂シート５０Ｓの外径（第１の外径）よりも小さい内径（第１の内径）で形成され、その内径の大きさは、シール部材５０の平面部５０ａの大きさ（直径）に設定される。したがって樹脂シート５０Ｓが第１の治具１１０に装着されるとき、樹脂シート５０Ｓの周縁部は図５に示すようにほぼ９０度折り曲げられた状態で第１の円筒部１１１の内部に収容されることになる。
【００４３】
第１の治具１１０は、第１の嵌合部１１３をさらに有する。第１の嵌合部１１３は第１の底面部１１２の中心に形成され、第１の円筒部１１１と同心的な円柱形状を有する。第１の嵌合部１１３は、樹脂シート５０Ｓの中心に形成された中心孔５０ｃと嵌合することが可能であり、その外径は中心孔５０ｃの内径とほぼ同じ大きさに設定されている。これにより第１の治具１１０に対して樹脂シート５０Ｓを精度よく組み付けることができる。
【００４４】
第２の治具１２０は、ステンレス鋼、アルミニウム合金等の金属製の円筒部材で構成されている。第２の治具１２０は、第２の円筒部１２１と、第２の円筒部１２１の下端に形成された第２の底面部１２２と、第２の底面部１２２の中心に形成された第２の嵌合部１２３とを有する。図５に示すように第２の治具１２０は、第２の底面部１２２が第１の底面部１１２に対向するようにして第１の治具１１０に組み付けられる。
【００４５】
第２の円筒部１２１は、第１の円筒部１１１の内径よりも小さい外径（第２の外径）で形成され、その外径の大きさは、シール部材５０のシール部５０ｂの内径以下の大きさに設定されている。したがって樹脂シート５０Ｓが装着された第１の治具１１０に第２の治具１２０が装着されるとき、樹脂シート５０Ｓの周縁部は図５に示すように第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間に収容されることになる。
【００４６】
第２の嵌合部１２３は、第２の底面部１２２の中心部に設けられ、第１の嵌合部１１３と嵌合可能な凹所で構成されている。すなわち第２の嵌合部１２３は、第１の治具１１０と第２の治具１２０との組み付け時、第１の嵌合部１１３と相互に嵌合する。これにより、第１の治具１１０に対して第２の治具１２０を精度よく組み付けることができる。また、第１の治具１１０に対して第２の治具１２０を精度よく位置決めされるため、第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間に一定の大きさの環状空間を形成することができる。
【００４７】
締め付け具１３０は、ボルトやネジ等の部品で構成されており、第１の治具１１０及び第２の治具１２０の中心部にそれぞれ取り付けられる。ここで、第１の治具１１０には第１の嵌合部１１３の中心部に締め付け具１３０の軸部１３１と螺合する取付孔１１４が形成され、第２の治具１２０には第２の嵌合部１２３の中心部に軸部１３１が挿通される挿通孔１２４が形成されている。これにより第１及び第２の治具１１０，１２０は、締め付け具１３０により相互に固定されるとともに、第１の底面部１１２と第２の底面部１２２とが相互に近接する方向に締め付けられる。締め付け具１３０、取付孔１１４及び挿通孔１２４は、第１及び第２の治具１１０，１２０を相互に締め付ける締め付け機構を構成する。
【００４８】
第１及び第２の底面部１１２，１２２は、相互に平行に形成されており、締め付け具１３０による第１及び第２の治具１１０，１２０の締め付け時に樹脂シート５０Ｓを挟持する。第１及び第２の底面部１１２，１２２による樹脂シート５０Ｓの挟圧力は、締め付け具１３０による締め付けトルクで調整される。
【００４９】
［シール部材の成形方法］
続いて、上述のようにして構成される成形装置１００を用いたシール部材５０の製造方法を説明する。
【００５０】
まず、シール部材５０の原型となる樹脂シート５０Ｓを準備する。樹脂シート５０Ｓは、典型的には、図４に示すように円環状に打ち抜き形成される。樹脂シート５０Ｓの大きさ（外径）は、適用されるピストンの大きさに応じて適宜設定され、例えば直径９３ｍｍである。樹脂シート５０Ｓの厚みも特に限定されず、例えば１．０ｍｍである。中心孔５０ｃの孔径も特に限定されず、ピストン５の構成によって定められる。
【００５１】
続いて図４及び図５に示すように、第１の治具１１０及び第２の治具１２０によって樹脂シート５０Ｓを挟み込み、樹脂シート５０Ｓを所定温度に挟圧しつつ加熱することで、シール部材５０を作製する。
【００５２】
手順としては先ず、樹脂シート５０Ｓが第１の治具１１０に装着される。このとき樹脂シート５０Ｓの中心孔５０ｃと第１の嵌合部１１３との嵌合作用により、第１の治具１１０に対する樹脂シート５０Ｓの位置決め精度が確保される。したがって、第１の嵌合部１１３の外径と樹脂シート５０Ｓの中心孔５０ｃの孔径との差が小さいほど、高い位置決め精度が得られる。
【００５３】
また、第１の円筒部１１１の内径は樹脂シート５０Ｓの外径よりも小さいため、樹脂シート５０Ｓの周縁部は、第１の円筒部１１１の内面に当接する。
【００５４】
樹脂シート５０Ｓが第１の治具１１０に装着された後、第２の治具１２０が第１の治具１１０に組み付けられる。このとき第１の嵌合部１１３と第２の嵌合部１２３との嵌合作用により、第１の治具１１０に対する第２の治具１２０の位置決め精度が確保される。この場合も、第１の嵌合部１１３の外径と第２の嵌合部１２３の内径との差が小さいほど、高い位置決め精度が得られる。
【００５５】
第１の治具１１０に第２の治具１２０が組み付けられた後、両治具１１０，１２０は締め付け具１３０によって締め付けられる。このとき図５に示すように、樹脂シート５０Ｓの周縁部以外の領域は第１の底面部１１２と第２の底面部１２２との間に挟持されることで、所定の平面度が確保される。
【００５６】
一方、樹脂シート５０Ｓの周縁部は、図５に示すように、第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間の環状の隙間に入り込むとともに、第２の底面部１２２の押圧作用により第１の底面部１１２に対して垂直な方向に折り返される。
【００５７】
ここで、第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間の隙間の幅は、樹脂シート５０Ｓの周縁部の厚みよりも大きな値に設定される。これにより、樹脂シート５０Ｓの周縁部をその全域にわたって円滑かつ均等に折り返すことができる。また、上記隙間の幅が大きくなるほど、作製されたシール部材５０のシール部５０ｂの径外方に向かう弾性力が高くなる傾向にある。
【００５８】
第１の治具１１０に対する第２の治具１２０の締め付け力は、少なくとも樹脂シート５０Ｓが第１の底面部１１２に密着する程度の圧力が必要とされる。これにより樹脂シート５０Ｓの周縁部を適正に垂直方向へ折り返すことができる。この場合、樹脂シート５０Ｓは第１の底面部１１２と第２の底面部１２２との間に所定の圧縮力を発生させてもよい。これにより樹脂シート５０Ｓの周縁部を円滑に垂直方向へ折り返すことができる。上記所定の圧縮力は特に限定されず、例えば１ＭＰａであり、締め付け具１３０の締め付けトルクに換算すると、本実施形態では１３Ｎ・ｍである。
【００５９】
締め付け具１３０によって相互に締め付けられた成形装置１００は、所定温度に加熱される。これにより樹脂シート５０Ｓは、平面部５０ａとシール部５０ｂとを有するシール部材５０に成形される（図５）。
【００６０】
成形装置１００は、例えば所定温度に設定されたオーブンの内部で加熱される。これ以外にも、第１の治具１１０及び第２の治具１２０の少なくとも一方に、ヒータ等の加熱源が内蔵されてもよい。第１及び第２の治具１１０，１２０はそれぞれ金属製であるため、樹脂シート５０Ｓへ効率よく熱を伝達することができる。
【００６１】
上記所定温度は特に限定されず、樹脂シート５０Ｓの材料、大きさ、厚み、例えば１６０℃以上２５０℃以下である。上記所定温度の保持時間も特に限定されず、例えば４０分である。
【００６２】
シール部材５０の平面部５０ａは、締め付け具１３０による圧縮作用と上記加熱作用とを受けることで、第１の底面部１１２と第２の底面部１２２との間に形成される。一方、シール部５０ｂは、上記圧縮作用及び加熱作用を受けることで、第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間に形成される。特に加熱処理によりシール部材５０の内部応力が緩和され、平面部５０ａに対して屈曲したシール部５０ｂを安定に形成することができる。
【００６３】
樹脂シート５０Ｓの加熱処理を所定時間保持した後、成形装置１００は冷却される。冷却方法は特に限定されず、自然冷却でもよいし、強制冷却でもよい。冷却後、成形装置１００は第１の治具１１０と第２の治具１２０とに分離され、第１の治具１１０からシール部材５０（樹脂シート５０Ｓ）が取り出される。
【００６４】
図６は、第１の治具１１０からのシール部材５０の取り出し方法を説明する断面図である。本実施形態では、図６に示すような取り出し治具２００が用いられる。取り出し治具２００は、本体２０１と、本体２０１の一方の面に設けられた複数本のピン２０２とを有する。第１の底面部１１２には、各ピン２０２が挿通される複数の孔があらかじめ形成されており、これらの各孔に各ピン２０２がそれぞれ挿通されることで第１の治具１１０に本体２０１が取り付けられる。第１の底面部１１２上のシール部材５０は、ピン２０２により図６において上方に押し出され、第１の治具１１０から取り出される。
【００６５】
以上のようにして、平面部５０ａの周縁部にシール部５０ｂが環状に形成されたシール部材５０が作製される。本実施形態によれば、シール部材５０を加熱しながら成形するようにしているため、シール部５０ｂに径外方へ向かう弾性力を調整することが可能となる。
【００６６】
すなわちシール部材５０を加熱成形することで、非加熱で成形する場合と比較して、シール部の径外方へ向かう弾性力を低下させることができる。したがってシール部材５０を真空ポンプ１のピストン５に装着して使用する際、シリンダ６の内面に対してシール部材５０のシール部５０ｂを適度な弾性力で圧接させることができるようになり、シール部５０ｂの不必要な磨耗が抑制される。これにより、シリンダ６とピストン５との間のシール性を維持しつつポンプの耐久性の向上を図ることができる。
【００６７】
成形温度は特に限定されず、シール部材５０の材質、大きさ、厚さ等の材料的・形状的要素のほか、要求されるシール特性、耐久性等の製品のスペック的要素に応じて適宜設定される。成形温度が低温であるほどシール部５０ｂの径外方に向かう弾性力は大きくなる傾向にあり、成形温度が高温であるほど上記弾性力は低下する傾向にある。
【００６８】
本発明者は、第１の円筒部１１１の内径、第２の円筒部１２１の外径、成形温度を異ならせて複数のシール部材５０のサンプルを作製し、それらを実際にピストン５に装着してポンプを駆動させ、サンプルごとにポンプの消費電力を測定した。またポンプを１時間駆動させた後、サンプルごとにシール部５０ｂの磨耗量を測定した。
【００６９】
シール部材５０の原型となる樹脂シート５０Ｓには、直径９３ｍｍ、厚み１．０ｍｍのポリテトラフルオロエチレンシートを用いた。成形温度での保持時間は４０分とし、その後２０分以上かけて冷却した。真空ポンプには、アルバック機工社製揺動ピストン型ドライ真空ポンプを使用した。
【００７０】
各サンプルの作製に用いた第１の円筒部１１１の内径、第２の円筒部１２１の外径、成形温度の条件を表１に示す。また、各サンプルの磨耗量及びポンプの消費電力の測定値を図７及び図８にそれぞれ示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
サンプル５に関しては、シール部５０ｂの磨耗量が各サンプルの中で最大であり、到達圧力も高かった。その理由は、成形温度が１３０℃と比較的低かったため、シール部５０ｂの弾性復帰力が高く維持され、シリンダ６に対する弾性力が各サンプル中最も高かったためであると考えられる。
【００７３】
サンプル１〜４，６，７に関しては、磨耗量にバラツキがあるものの、到達真空度、消費電力等の主だったポンプ性能は、ほぼ同等であった。これらサンプルの評価結果から、成形温度が高いサンプルほどシール部５０ｂの磨耗量は少ないことが確認された。またシール部の良好なシール性を維持することができるため、ポンプの消費電力の低減を図ることができる。
【００７４】
ここで、例えばサンプル１，３，６及び７のように、第１の円筒部１１１の内径と第２の円筒部１２１の外径とがサンプル間で異なる場合でも、同様のポンプ特性が得られることが確認された。このことからシール部材のシール性は成形温度に強い依存性をもち、成形用治具の径には強く依存しないと考えられる。
【００７５】
次に、サンプル７の作製に用いた各治具を用いて、１６０℃〜２５０℃の成形温度範囲で複数のシール部材５０を作製した。そしてサンプルごとに到達圧力、大気開放時（無負荷時）の吐出流量、消費電力、ポンプ筐体の温度上昇量、シール部の磨耗量を含むポンプ特性を評価した。その結果を表２に示す。また、成形温度とシール部の磨耗量、ポンプの消費電力及び温度上昇量との関係を図９、図１０及び図１１にそれぞれ示す。
【００７６】
【表２】
【００７７】
表２、図９〜図１１に示すように、成形温度が高くなるほどシール部の磨耗量、ポンプの消費電力及び温度上昇量はいずれも低下する傾向が認められる。これは、成形温度が高いほどシール部材５０の内部応力を緩和し、平面部５０ａに対して屈曲したシール部５０ｂを安定に形成することができるためと考えられる。すなわち成形温度が高いほど、シール部５０ｂの形状維持性が高まり、ピストン装着後のシール部の外径が減少する。これによりシール部の弾性力が低下し、シール部に作用する摺動摩擦力が低下することで、磨耗を抑制することが可能となる。シール性に関しても、成形温度の高温化に伴い消費電力が低下していることから、シリンダ６とピストン５との間の安定したシール性が確保されているものと認められる。
【００７８】
以上のように、シール部材の成形温度を１６０℃以上２５０℃以下とすることで、安定したシール性を維持しつつシール部の磨耗を抑制できるとともに、ポンプの消費電力の低減を図ることが可能となる。
また成形温度の上限を２５０℃としたが、シール部材を構成する材料の熱的安定性や、目的とするシール性等に応じて適宜設定することが可能である。
【００７９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変更が可能である。
【００８０】
例えば以上の実施形態では、揺動ピストン型ドライ真空ポンプ用のピストンに適用されるシール部材の製造方法及びその成形装置を例に挙げて説明したが、これに限らず、他の容積移送型の真空ポンプに適用されるシール部材の製造にも本発明は適用可能である。
【００８１】
また以上の実施形態では、第１及び第２の治具１１０，１２０の嵌合部１１３，１２３をいずれも円筒あるいは円柱形状に形成されたが、これに代えて、相互に嵌合関係を有する他の幾何学的形状、例えば多角柱形状に形成されてもよい。また、これら嵌合部は必要に応じて省略されてもよい。
【００８２】
さらに第１及び第２の治具１１０，１２０を締め付ける締め付け機構として締め付け具１３０が用いられたが、これに代えて、クランプ等の他の部材が用いられてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１…真空ポンプ
５…ピストン
５０…シール部材
５０ａ…平面部
５０ｂ…シール部
５０Ｓ…樹脂シート
１００…成形装置
１１０…第１の治具
１１１…第１の円筒部
１１２…第１の底面部
１１３…第１の嵌合部
１２０…第２の治具
１２１…第２の円筒部
１２２…第２の底面部
１２３…第２の嵌合部
１３０…締め付け具
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ内でのピストンの往復運動により気体を輸送するピストン真空ポンプ（往復動ポンプ）に用いられるシール部材に関し、更に詳しくは、シリンダ内を摺動するピストンに装着されるシール部材の製造方法及びこれに適した成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストン真空ポンプは、シリンダと、シリンダの内部を移動可能なピストンとを有し、シリンダ内におけるピストンの往復動により吸気と排気とを交互に行う容積移送式のドライ真空ポンプである。
【０００３】
この種の真空ポンプは、シリンダの内面とピストンの周面との間のシール性が求められている。例えば下記特許文献１には、シリンダとピストンとによって形成される吸排気室に対して遠ざかる方向に延びる補助シール部を有するカップパッキンを備えた真空ポンプが記載されている。上記補助シール部は、カップパッキンの縁部にフランジ状に一体形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３２８９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、ピストン真空ポンプには、シリンダとピストンとの間のシール性の向上と、真空ポンプの耐久性の向上とが求められている。しかしながら、シリンダ内面を摺動するピストンのシール部は、ポンプの運転時間に応じて経時的に磨耗し、磨耗量が多くなるほどシール性が低下する傾向がある。その結果、排気性能が低下し、ポンプの寿命が短くなる。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、シリンダとピストンとの間のシール性を維持しつつポンプの耐久性の向上を図ることができるシール部材の製造方法及び成形装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るシール部材の製造方法は、シリンダ内を往復動するピストンに取り付けられ、円形の平面部と、上記平面部の周縁に形成された環状のシール部とを有するシール部材の製造方法であって、第１の内径を有する第１の円筒部と、上記第１の円筒部の一端に形成された第１の底面部とを有する第１の治具に、上記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートを装着することを含む。
上記第１の内径よりも小さい第２の外径を有する第２の円筒部と、上記第２の円筒部の一端に形成された第２の底面部とを有する第２の治具は、上記第１の治具に装着される。
上記第１の底面部と上記第２の底面部とにより上記シート部材を所定圧力で挟圧し、上記第１の治具と上記第２の治具とを所定温度に加熱することで、上記第１の底面部と上記第２の底面部との間に上記平面部が形成され、上記第１の円筒部と上記第２の円筒部との間に上記シール部が形成される。
【０００８】
本発明の一形態に係る成形装置は、金属製の第１の治具と、金属製の第２の治具と、締め付け機構とを具備する。
上記第１の治具は、第１の端部を有し第１の内径で形成された第１の円筒部と、上記第１の端部に形成された第１の底面部とを含み、前記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートが装着される。
上記第２の治具は、第２の端部を有し上記第１の内径よりも小さい第２の外径で形成された第２の円筒部と、上記第２の端部に形成された第２の底面部とを含む。上記第２の治具は、上記第１の底面部と上記第２の底面部とで上記樹脂シートを挟持し、上記第１の円筒部と上記第２の円筒部とで上記樹脂シートの周縁を挟持する。
上記締め付け機構は、上記第１の底面部と上記第２の底面部とが近接する方向に上記第１の治具と上記第２の治具とを締め付ける。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係るシール部材が装着されたピストンを備えた真空ポンプの構成を示す概略断面図である。
【図２】上記ピストン及びその周辺構造を示す拡大図である。
【図３】上記ピストンの動作を説明する模式図である。
【図４】上記シール部材を成形する成形装置の分解斜視図である。
【図５】上記成形装置の概略断面図である。
【図６】上記成形装置からシール部材を取り出す工程を説明する概略断面図である。
【図７】成形条件を異ならせて作製した複数のシール部材を用いて真空ポンプを構成したときの各シール部材の磨耗量を示す一実験結果である。
【図８】成形条件を異ならせて作製した複数のシール部材を用いて真空ポンプを構成したときの当該真空ポンプの消費電力を示す一実験結果である。
【図９】上記シール部材の成形温度と磨耗量との関係を示す一実験結果である。
【図１０】上記シール部材の成形温度と真空ポンプの消費電力との関係を示す一実験結果である。
【図１１】上記シール部材の成形温度と真空ポンプの温度上昇量との関係を示す一実験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態に係るシール部材の製造方法は、シリンダ内を往復動するピストンに取り付けられ、円形の平面部と、上記平面部の周縁に形成された環状のシール部とを有するシール部材の製造方法であって、第１の内径を有する第１の円筒部と、上記第１の円筒部の一端に形成された第１の底面部とを有する第１の治具に、上記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートを装着することを含む。
上記第１の内径よりも小さい第２の外径を有する第２の円筒部と、上記第２の円筒部の一端に形成された第２の底面部とを有する第２の治具は、上記第１の治具に装着される。
上記第１の底面部と上記第２の底面部とにより上記シート部材を所定圧力で挟圧し、上記第１の治具と上記第２の治具とを所定温度に加熱することで、上記第１の底面部と上記第２の底面部との間に上記平面部が形成され、上記第１の円筒部と上記第２の円筒部との間に上記シール部が形成される。
【００１１】
上記樹脂シートは、第１の治具と第２の治具とにより所定圧力で挟圧され、さらに所定温度に加熱されることで、平面部と、その周縁に形成された環状のシール部とを有するシール部材が形成される。上記製造方法によれば、シール部材を加熱しながら成形するようにしているため、シール部の径外方へ向かう弾性力を調整することができる。すなわちシール部材を加熱成形することで、非加熱で成形する場合と比較して、シール部の径外方へ向かう弾性力を低下させることができる。
【００１２】
したがって当該シール部材をドライ真空ポンプのピストンに装着して使用する際、シリンダの内面に対してシール部材のシール部を適度な弾性力で圧接させることができるようになり、シール部の不必要な磨耗が抑制される。これにより、シリンダとピストンとの間のシール性を維持しつつポンプの耐久性の向上を図ることができる。またシール部の良好なシール性を維持できるため、ポンプの消費電力の低減を図ることができる。
【００１３】
上記所定温度は特に限定されず、シール部材の大きさ、要求されるシール特性および耐久性に応じて適宜設定される。加熱温度が低温であるほどシール部の径外方に向かう弾性力は大きくなる傾向にあり、加熱温度が高温であるほど上記弾性力は低下する傾向にある。一実施形態において上記所定温度は、例えば１６０℃以上２５０℃以下である。
【００１４】
上記樹脂シートの構成材料も特に限定されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレンシートで構成される。
【００１５】
本発明の一実施形態に係る成形装置は、円形の樹脂シートを成形する成形装置であって、金属製の第１の治具と、金属製の第２の治具と、締め付け機構とを具備する。
上記第１の治具は、第１の端部を有し第１の内径で形成された第１の円筒部と、上記第１の端部に形成された第１の底面部とを含み、前記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートが装着される。
上記第２の治具は、第２の端部を有し上記第１の内径よりも小さい第２の外径で形成された第２の円筒部と、上記第２の端部に形成された第２の底面部とを含む。上記第２の治具は、上記第１の底面部と上記第２の底面部とで上記樹脂シートを挟持し、上記第１の円筒部と上記第２の円筒部とで上記樹脂シートの周縁を挟持する。
上記締め付け機構は、上記第１の底面部と上記第２の底面部とが近接する方向に上記第１の治具と上記第２の治具とを締め付ける。
【００１６】
上記樹脂シートは、上記第１の内径よりも大きい外径を有する。第１の治具及び第２の治具は、上記樹脂シートを所定圧力で挟圧する。また第１の治具及び第２の治具はいずれも金属製であるため、外部から供給される熱を樹脂シートへ効率よく伝達する。したがって上記成形装置によれば、樹脂シートを所定の形状にプレスした状態で樹脂シートの加熱処理が可能となるため、径外方へ向かう弾性力が適度に調整されたシール部を有するシール部材を成形することができる。
【００１７】
上記成形装置は、上記第１の治具と上記第２の治具とを加熱する加熱機構をさらに具備してもよい。上記加熱機構は、第１の治具及び第２の治具の少なくとも一方に備えられてもよいし、これら治具とは別に構成されてもよい。
【００１８】
上記第１の治具は、上記第１の円筒部の中心に設けられ上記樹脂シートの中心孔に嵌合可能な第１の嵌合部をさらに有してもよい。一方、上記第２の治具は、上記第２の円筒部の中心に設けられ上記第１の嵌合部に嵌合可能な第２の嵌合部をさらに有してもよい。
これにより、樹脂シートの周縁部にシール部を均一に形成することができる。また第１の治具に対して、樹脂シート及び第２の治具を精度よく位置決めすることができる。
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係るシール部材が適用される真空ポンプの一例を示す断面図である。本実施形態では、真空ポンプとして揺動ピストン型ドライ真空ポンプを例に挙げて説明する。
【００２１】
［真空ポンプの概略構成］
同図に示すように真空ポンプ１は、モータ２、シャフト３、コネクティングロッド４、ピストン５、シリンダ６、吸気室７及び排気室８を有する。コネクティングロッド４、ピストン５、シリンダ６、吸気室７及び排気室８は「気筒」を構成しており、当該真空ポンプ１は２基の気筒を有する。図２は、気筒を拡大して示す図である。なお、気筒の数はそれぞれ２基に限られず、１基あるいは３基以上であってもよい。
【００２２】
真空ポンプ１では、モータ２に接続されたシャフト３に、コネクティングロッド４が接続され、コネクティングロッド４にピストン５が接続されている。ピストン５は、シリンダ６に収容されている。シリンダ６には、吸気室７及び排気室８が隣接して設けられている。上記構成のうちシャフト３、コネクティングロッド４、ピストン５、シリンダ６は筐体９に収容されている。
【００２３】
モータ２は、回転動力を発生させ、シャフト３を軸回りに回転させる。モータ２は、一般的なモータ、例えばＤＣブラシレスモータで構成される。
【００２４】
シャフト３は、モータ２から筐体９の内部に直線状に延伸され、筐体９にベアリング１０を介して回転可能に支持されている。
【００２５】
コネクティングロッド４は、一端が偏芯軸１２とベアリング１１とによってシャフト３に接続され、他端はピストン５に接続されている。コネクティングロッド４と偏心軸１２はシャフト３の回転運動を往復（揺動）運動に変換する。
【００２６】
ピストン５はコネクティングロッド４によってシリンダ６内を往復運動し、吸気及び排気を行う。真空ポンプ１は、ピストン５とシリンダ６との間をシールするシール部材５０を備える。シール部材５０は、ピストン５に装着される。ピストン５は、ピストン本体５１と、固定具５２とを有する。
【００２７】
ピストン本体５１は、コネクティングロッド４の先端部に一体的に形成される。固定具５２は、ピストン本体５１に取り付けられ、シール部材５０を固定する。シール部材５０は、ピストン本体５１と固定具５２との間に挟持される。シール部材５０は円形の樹脂シートであり、本実施形態ではポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂で構成される。
【００２８】
シール部材５０は、ピストン本体５１と固定具５２との間で挟持される平面部５０ａと、平面部５０ａの周縁に形成されたシール部５０ｂとを有するカップパッキンを構成する。シール部５０ｂは、平面部５０ａの周面部からコネクティングロッド４側へ延びており、シリンダ６の内面とピストン５の周面との間に介在する。そしてシール部５０ｂは、シリンダ６内におけるピストン５の往復動に際して、ピストン５とシリンダ６との間をシールする機能を果たす。
【００２９】
シリンダ６はピストン５の外径に近い内径を有する筒状の室であり、ピストン５の嵌挿が可能に構成されている。シリンダ６には、吸気バルブ１３及び排気バルブ１４が設けられ、これらのバルブはピストン５の往復運動に応じて開閉する。
【００３０】
吸気室７は、吸気バルブ１３を介してシリンダ６と連通し、吸気室７には吸気管１５が接続されている。吸気管１５はチャンバ等の排気対象物に接続されている。
【００３１】
排気室８は、排気バルブ１４を介してシリンダ６と連通し、排気室８には排気管１６が接続されている。排気管１６は大気又は排気設備等に接続されている。
【００３２】
なお、図２は、シャフト３に平行な方向から気筒をみた図であるが、吸気室７及び排気室８の向きは説明の便宜上、図１とは異なって示されている。
【００３３】
［真空ポンプの動作］
次に、真空ポンプ１の動作について説明する。なお、ここでは、真空ポンプ１の一基の気筒について説明するが、他の気筒についても動作は同様である。図３はピストン５の揺動運動を示す模式図である。図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）の順にピストン５が駆動され、再び図３（ａ）に示す状態に戻る。
【００３４】
図３（ａ）においてピストン５は上死点にある。この状態では、ピストン５がシリンダ６の底部に近接している。シャフト３が回転すると、図３（ｂ）に示すように偏芯軸１２とベアリング１１とを介してコネクティングロッド４が傾きながら下降し、ピストン５がシリンダ６から離れる。この際、シリンダ６とピストン５の間の容積が拡大するため、吸気室７及び連通する吸気管１５から吸気バルブ１３を介して排気対象気体がシリンダ６内に流入する。
【００３５】
シャフト３がさらに回転すると、図３（ｃ）に示すようにピストン５が下死点に到達する。このとき、シリンダ６内には排気対象気体が存在している。さらにシャフト３が回転すると、図３（ｄ）に示すように、偏芯軸１２とベアリング１１とを介してコネクティングロッド４が傾きながら上昇する。この際、シリンダ６とピストン５の間の容積が減少するため、シリンダ内の排気対象気体が排気バルブ１４を解して排気室８及び連通する排気管１６から排出される。このように、シャフト３の回転によってピストン５の傾きを伴う上昇と下降（揺動運動）が繰り返され、図示しないチャンバ内の気体が排気される。
【００３６】
ここで、図３に示すように、ピストン５の揺動運動において、シール部材５０のシール部５０ｂは常にシリンダ６の内壁に当接し、シリンダ６とピストン５の間をシールしている。このため、長期的使用においてはシール部５０ｂの磨耗が問題となる。
【００３７】
一般にシール部の弾性力が大きいほど高いシール性が得られるが、シール部の弾性力が過度に大きいと、シリンダに対して相対移動するシール部の磨耗量が不必要に増加するため、シール部の耐久性が低下する。またシール性が低下することで到達真空度が低下し、さらにポンプの消費電力が上昇する。したがってシール性の低下は、シール部材の交換を余儀なくし、結果的にポンプの耐久性を低下させる。
【００３８】
本実施形態は、シール部の弾性力を目的とするシール性が得られる適度な大きさに調整することで、シール性を維持しつつ、ポンプの耐久性を向上させる。以下、シール部材５０の製造方法について説明する。
【００３９】
［シール部材の成形装置］
図４は、シール部材５０の製造に用いられる成形装置の構成を示す分解斜視図である。図５は、当該成形装置の組立て状態における断面図である。まず、成形装置１００について説明する。
【００４０】
成形装置１００は、第１の治具１１０と、第２の治具１２０と、締め付け具１３０とを有する。成形装置１００は、第１の治具１１０と第２の治具１２０との間に樹脂シート５０Ｓを収容し、締め付け具１３０によって両治具１１０，１２０を相互に締め付け、樹脂シート５０Ｓを加熱することで、樹脂シート５０Ｓを成形する。
【００４１】
第１の治具１１０は、ステンレス鋼、アルミニウム合金等の金属製の円筒部材で構成されている。第１の治具１１０は、第１の円筒部１１１と、第１の円筒部１１１の下端に形成された第１の底面部１１２とを有する。
【００４２】
第１の円筒部１１１は、樹脂シート５０Ｓの外径（第１の外径）よりも小さい内径（第１の内径）で形成され、その内径の大きさは、シール部材５０の平面部５０ａの大きさ（直径）に設定される。したがって樹脂シート５０Ｓが第１の治具１１０に装着されるとき、樹脂シート５０Ｓの周縁部は図５に示すようにほぼ９０度折り曲げられた状態で第１の円筒部１１１の内部に収容されることになる。
【００４３】
第１の治具１１０は、第１の嵌合部１１３をさらに有する。第１の嵌合部１１３は第１の底面部１１２の中心に形成され、第１の円筒部１１１と同心的な円柱形状を有する。第１の嵌合部１１３は、樹脂シート５０Ｓの中心に形成された中心孔５０ｃと嵌合することが可能であり、その外径は中心孔５０ｃの内径とほぼ同じ大きさに設定されている。これにより第１の治具１１０に対して樹脂シート５０Ｓを精度よく組み付けることができる。
【００４４】
第２の治具１２０は、ステンレス鋼、アルミニウム合金等の金属製の円筒部材で構成されている。第２の治具１２０は、第２の円筒部１２１と、第２の円筒部１２１の下端に形成された第２の底面部１２２と、第２の底面部１２２の中心に形成された第２の嵌合部１２３とを有する。図５に示すように第２の治具１２０は、第２の底面部１２２が第１の底面部１１２に対向するようにして第１の治具１１０に組み付けられる。
【００４５】
第２の円筒部１２１は、第１の円筒部１１１の内径よりも小さい外径（第２の外径）で形成され、その外径の大きさは、シール部材５０のシール部５０ｂの内径以下の大きさに設定されている。したがって樹脂シート５０Ｓが装着された第１の治具１１０に第２の治具１２０が装着されるとき、樹脂シート５０Ｓの周縁部は図５に示すように第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間に収容されることになる。
【００４６】
第２の嵌合部１２３は、第２の底面部１２２の中心部に設けられ、第１の嵌合部１１３と嵌合可能な凹所で構成されている。すなわち第２の嵌合部１２３は、第１の治具１１０と第２の治具１２０との組み付け時、第１の嵌合部１１３と相互に嵌合する。これにより、第１の治具１１０に対して第２の治具１２０を精度よく組み付けることができる。また、第１の治具１１０に対して第２の治具１２０を精度よく位置決めされるため、第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間に一定の大きさの環状空間を形成することができる。
【００４７】
締め付け具１３０は、ボルトやネジ等の部品で構成されており、第１の治具１１０及び第２の治具１２０の中心部にそれぞれ取り付けられる。ここで、第１の治具１１０には第１の嵌合部１１３の中心部に締め付け具１３０の軸部１３１と螺合する取付孔１１４が形成され、第２の治具１２０には第２の嵌合部１２３の中心部に軸部１３１が挿通される挿通孔１２４が形成されている。これにより第１及び第２の治具１１０，１２０は、締め付け具１３０により相互に固定されるとともに、第１の底面部１１２と第２の底面部１２２とが相互に近接する方向に締め付けられる。締め付け具１３０、取付孔１１４及び挿通孔１２４は、第１及び第２の治具１１０，１２０を相互に締め付ける締め付け機構を構成する。
【００４８】
第１及び第２の底面部１１２，１２２は、相互に平行に形成されており、締め付け具１３０による第１及び第２の治具１１０，１２０の締め付け時に樹脂シート５０Ｓを挟持する。第１及び第２の底面部１１２，１２２による樹脂シート５０Ｓの挟圧力は、締め付け具１３０による締め付けトルクで調整される。
【００４９】
［シール部材の成形方法］
続いて、上述のようにして構成される成形装置１００を用いたシール部材５０の製造方法を説明する。
【００５０】
まず、シール部材５０の原型となる樹脂シート５０Ｓを準備する。樹脂シート５０Ｓは、典型的には、図４に示すように円環状に打ち抜き形成される。樹脂シート５０Ｓの大きさ（外径）は、適用されるピストンの大きさに応じて適宜設定され、例えば直径９３ｍｍである。樹脂シート５０Ｓの厚みも特に限定されず、例えば１．０ｍｍである。中心孔５０ｃの孔径も特に限定されず、ピストン５の構成によって定められる。
【００５１】
続いて図４及び図５に示すように、第１の治具１１０及び第２の治具１２０によって樹脂シート５０Ｓを挟み込み、樹脂シート５０Ｓを所定温度に挟圧しつつ加熱することで、シール部材５０を作製する。
【００５２】
手順としては先ず、樹脂シート５０Ｓが第１の治具１１０に装着される。このとき樹脂シート５０Ｓの中心孔５０ｃと第１の嵌合部１１３との嵌合作用により、第１の治具１１０に対する樹脂シート５０Ｓの位置決め精度が確保される。したがって、第１の嵌合部１１３の外径と樹脂シート５０Ｓの中心孔５０ｃの孔径との差が小さいほど、高い位置決め精度が得られる。
【００５３】
また、第１の円筒部１１１の内径は樹脂シート５０Ｓの外径よりも小さいため、樹脂シート５０Ｓの周縁部は、第１の円筒部１１１の内面に当接する。
【００５４】
樹脂シート５０Ｓが第１の治具１１０に装着された後、第２の治具１２０が第１の治具１１０に組み付けられる。このとき第１の嵌合部１１３と第２の嵌合部１２３との嵌合作用により、第１の治具１１０に対する第２の治具１２０の位置決め精度が確保される。この場合も、第１の嵌合部１１３の外径と第２の嵌合部１２３の内径との差が小さいほど、高い位置決め精度が得られる。
【００５５】
第１の治具１１０に第２の治具１２０が組み付けられた後、両治具１１０，１２０は締め付け具１３０によって締め付けられる。このとき図５に示すように、樹脂シート５０Ｓの周縁部以外の領域は第１の底面部１１２と第２の底面部１２２との間に挟持されることで、所定の平面度が確保される。
【００５６】
一方、樹脂シート５０Ｓの周縁部は、図５に示すように、第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間の環状の隙間に入り込むとともに、第２の底面部１２２の押圧作用により第１の底面部１１２に対して垂直な方向に折り返される。
【００５７】
ここで、第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間の隙間の幅は、樹脂シート５０Ｓの周縁部の厚みよりも大きな値に設定される。これにより、樹脂シート５０Ｓの周縁部をその全域にわたって円滑かつ均等に折り返すことができる。また、上記隙間の幅が大きくなるほど、作製されたシール部材５０のシール部５０ｂの径外方に向かう弾性力が高くなる傾向にある。
【００５８】
第１の治具１１０に対する第２の治具１２０の締め付け力は、少なくとも樹脂シート５０Ｓが第１の底面部１１２に密着する程度の圧力が必要とされる。これにより樹脂シート５０Ｓの周縁部を適正に垂直方向へ折り返すことができる。この場合、樹脂シート５０Ｓは第１の底面部１１２と第２の底面部１２２との間に所定の圧縮力を発生させてもよい。これにより樹脂シート５０Ｓの周縁部を円滑に垂直方向へ折り返すことができる。上記所定の圧縮力は特に限定されず、例えば１ＭＰａであり、締め付け具１３０の締め付けトルクに換算すると、本実施形態では１３Ｎ・ｍである。
【００５９】
締め付け具１３０によって相互に締め付けられた成形装置１００は、所定温度に加熱される。これにより樹脂シート５０Ｓは、平面部５０ａとシール部５０ｂとを有するシール部材５０に成形される（図５）。
【００６０】
成形装置１００は、例えば所定温度に設定されたオーブンの内部で加熱される。これ以外にも、第１の治具１１０及び第２の治具１２０の少なくとも一方に、ヒータ等の加熱源が内蔵されてもよい。第１及び第２の治具１１０，１２０はそれぞれ金属製であるため、樹脂シート５０Ｓへ効率よく熱を伝達することができる。
【００６１】
上記所定温度は特に限定されず、樹脂シート５０Ｓの材料、大きさ、厚み、例えば１６０℃以上２５０℃以下である。上記所定温度の保持時間も特に限定されず、例えば４０分である。
【００６２】
シール部材５０の平面部５０ａは、締め付け具１３０による圧縮作用と上記加熱作用とを受けることで、第１の底面部１１２と第２の底面部１２２との間に形成される。一方、シール部５０ｂは、上記圧縮作用及び加熱作用を受けることで、第１の円筒部１１１と第２の円筒部１２１との間に形成される。特に加熱処理によりシール部材５０の内部応力が緩和され、平面部５０ａに対して屈曲したシール部５０ｂを安定に形成することができる。
【００６３】
樹脂シート５０Ｓの加熱処理を所定時間保持した後、成形装置１００は冷却される。冷却方法は特に限定されず、自然冷却でもよいし、強制冷却でもよい。冷却後、成形装置１００は第１の治具１１０と第２の治具１２０とに分離され、第１の治具１１０からシール部材５０（樹脂シート５０Ｓ）が取り出される。
【００６４】
図６は、第１の治具１１０からのシール部材５０の取り出し方法を説明する断面図である。本実施形態では、図６に示すような取り出し治具２００が用いられる。取り出し治具２００は、本体２０１と、本体２０１の一方の面に設けられた複数本のピン２０２とを有する。第１の底面部１１２には、各ピン２０２が挿通される複数の孔があらかじめ形成されており、これらの各孔に各ピン２０２がそれぞれ挿通されることで第１の治具１１０に本体２０１が取り付けられる。第１の底面部１１２上のシール部材５０は、ピン２０２により図６において上方に押し出され、第１の治具１１０から取り出される。
【００６５】
以上のようにして、平面部５０ａの周縁部にシール部５０ｂが環状に形成されたシール部材５０が作製される。本実施形態によれば、シール部材５０を加熱しながら成形するようにしているため、シール部５０ｂに径外方へ向かう弾性力を調整することが可能となる。
【００６６】
すなわちシール部材５０を加熱成形することで、非加熱で成形する場合と比較して、シール部の径外方へ向かう弾性力を低下させることができる。したがってシール部材５０を真空ポンプ１のピストン５に装着して使用する際、シリンダ６の内面に対してシール部材５０のシール部５０ｂを適度な弾性力で圧接させることができるようになり、シール部５０ｂの不必要な磨耗が抑制される。これにより、シリンダ６とピストン５との間のシール性を維持しつつポンプの耐久性の向上を図ることができる。
【００６７】
成形温度は特に限定されず、シール部材５０の材質、大きさ、厚さ等の材料的・形状的要素のほか、要求されるシール特性、耐久性等の製品のスペック的要素に応じて適宜設定される。成形温度が低温であるほどシール部５０ｂの径外方に向かう弾性力は大きくなる傾向にあり、成形温度が高温であるほど上記弾性力は低下する傾向にある。
【００６８】
本発明者は、第１の円筒部１１１の内径、第２の円筒部１２１の外径、成形温度を異ならせて複数のシール部材５０のサンプルを作製し、それらを実際にピストン５に装着してポンプを駆動させ、サンプルごとにポンプの消費電力を測定した。またポンプを１時間駆動させた後、サンプルごとにシール部５０ｂの磨耗量を測定した。
【００６９】
シール部材５０の原型となる樹脂シート５０Ｓには、直径９３ｍｍ、厚み１．０ｍｍのポリテトラフルオロエチレンシートを用いた。成形温度での保持時間は４０分とし、その後２０分以上かけて冷却した。真空ポンプには、アルバック機工社製揺動ピストン型ドライ真空ポンプを使用した。
【００７０】
各サンプルの作製に用いた第１の円筒部１１１の内径、第２の円筒部１２１の外径、成形温度の条件を表１に示す。また、各サンプルの磨耗量及びポンプの消費電力の測定値を図７及び図８にそれぞれ示す。
【００７１】
【表１】
【００７２】
サンプル５に関しては、シール部５０ｂの磨耗量が各サンプルの中で最大であり、到達圧力も高かった。その理由は、成形温度が１３０℃と比較的低かったため、シール部５０ｂの弾性復帰力が高く維持され、シリンダ６に対する弾性力が各サンプル中最も高かったためであると考えられる。
【００７３】
サンプル１〜４，６，７に関しては、磨耗量にバラツキがあるものの、到達真空度、消費電力等の主だったポンプ性能は、ほぼ同等であった。これらサンプルの評価結果から、成形温度が高いサンプルほどシール部５０ｂの磨耗量は少ないことが確認された。またシール部の良好なシール性を維持することができるため、ポンプの消費電力の低減を図ることができる。
【００７４】
ここで、例えばサンプル１，３，６及び７のように、第１の円筒部１１１の内径と第２の円筒部１２１の外径とがサンプル間で異なる場合でも、同様のポンプ特性が得られることが確認された。このことからシール部材のシール性は成形温度に強い依存性をもち、成形用治具の径には強く依存しないと考えられる。
【００７５】
次に、サンプル７の作製に用いた各治具を用いて、１６０℃〜２５０℃の成形温度範囲で複数のシール部材５０を作製した。そしてサンプルごとに到達圧力、大気開放時（無負荷時）の吐出流量、消費電力、ポンプ筐体の温度上昇量、シール部の磨耗量を含むポンプ特性を評価した。その結果を表２に示す。また、成形温度とシール部の磨耗量、ポンプの消費電力及び温度上昇量との関係を図９、図１０及び図１１にそれぞれ示す。
【００７６】
【表２】
【００７７】
表２、図９〜図１１に示すように、成形温度が高くなるほどシール部の磨耗量、ポンプの消費電力及び温度上昇量はいずれも低下する傾向が認められる。これは、成形温度が高いほどシール部材５０の内部応力を緩和し、平面部５０ａに対して屈曲したシール部５０ｂを安定に形成することができるためと考えられる。すなわち成形温度が高いほど、シール部５０ｂの形状維持性が高まり、ピストン装着後のシール部の外径が減少する。これによりシール部の弾性力が低下し、シール部に作用する摺動摩擦力が低下することで、磨耗を抑制することが可能となる。シール性に関しても、成形温度の高温化に伴い消費電力が低下していることから、シリンダ６とピストン５との間の安定したシール性が確保されているものと認められる。
【００７８】
以上のように、シール部材の成形温度を１６０℃以上２５０℃以下とすることで、安定したシール性を維持しつつシール部の磨耗を抑制できるとともに、ポンプの消費電力の低減を図ることが可能となる。
また成形温度の上限を２５０℃としたが、シール部材を構成する材料の熱的安定性や、目的とするシール性等に応じて適宜設定することが可能である。
【００７９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変更が可能である。
【００８０】
例えば以上の実施形態では、揺動ピストン型ドライ真空ポンプ用のピストンに適用されるシール部材の製造方法及びその成形装置を例に挙げて説明したが、これに限らず、他の容積移送型の真空ポンプに適用されるシール部材の製造にも本発明は適用可能である。
【００８１】
また以上の実施形態では、第１及び第２の治具１１０，１２０の嵌合部１１３，１２３をいずれも円筒あるいは円柱形状に形成されたが、これに代えて、相互に嵌合関係を有する他の幾何学的形状、例えば多角柱形状に形成されてもよい。また、これら嵌合部は必要に応じて省略されてもよい。
【００８２】
さらに第１及び第２の治具１１０，１２０を締め付ける締め付け機構として締め付け具１３０が用いられたが、これに代えて、クランプ等の他の部材が用いられてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１…真空ポンプ
５…ピストン
５０…シール部材
５０ａ…平面部
５０ｂ…シール部
５０Ｓ…樹脂シート
１００…成形装置
１１０…第１の治具
１１１…第１の円筒部
１１２…第１の底面部
１１３…第１の嵌合部
１２０…第２の治具
１２１…第２の円筒部
１２２…第２の底面部
１２３…第２の嵌合部
１３０…締め付け具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復動するピストンに取り付けられ、円形の平面部と、前記平面部の周縁に形成された環状のシール部とを有するシール部材の製造方法であって、
第１の内径を有する第１の円筒部と、前記第１の円筒部の一端に形成された第１の底面部とを有する第１の治具に、前記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートを装着し、
前記第１の内径よりも小さい第２の外径を有する第２の円筒部と、前記第２の円筒部の一端に形成された第２の底面部とを有する第２の治具を前記第１の治具に装着し、
前記第１の底面部と前記第２の底面部とにより前記シート部材を所定圧力で挟圧し、前記第１の治具と前記第２の治具とを所定温度に加熱することで、前記第１の底面部と前記第２の底面部との間に前記平面部を形成し、前記第１の円筒部と前記第２の円筒部との間に前記シール部を形成する
シール部材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシール部材の製造方法であって、
前記所定温度は、１６０℃以上２５０℃以下である
シール部材の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載のシール部材の製造方法であって、
前記樹脂シートは、ポリテトラフルオロエチレンシートである
シール部材の製造方法。
【請求項４】
第１の端部を有し第１の内径で形成された第１の円筒部と、前記第１の端部に形成された第１の底面部とを含み、前記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートが装着される金属製の第１の治具と、
第２の端部を有し前記第１の内径よりも小さい第２の外径で形成された第２の円筒部と、前記第２の端部に形成された第２の底面部とを含み、前記第１の底面部と前記第２の底面部とで前記樹脂シートを挟持し、前記第１の円筒部と前記第２の円筒部とで前記樹脂シートの周縁を挟持する金属製の第２の治具と、
前記第１の底面部と前記第２の底面部とが近接する方向に前記第１の治具と前記第２の治具とを締め付ける締め付け機構と
を具備する成形装置。
【請求項５】
請求項４に記載の成形装置であって、
前記第１の治具と前記第２の治具とを加熱する加熱機構をさらに具備する
成形装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の成形装置であって、
前記第１の治具は、前記第１の円筒部の中心に設けられ前記樹脂シートの中心孔に嵌合可能な第１の嵌合部をさらに有し、
前記第２の治具は、前記第２の円筒部の中心に設けられ前記第１の嵌合部に嵌合可能な第２の嵌合部をさらに有する
成形装置。
【請求項１】
シリンダ内を往復動するピストンに取り付けられ、円形の平面部と、前記平面部の周縁に形成された環状のシール部とを有するシール部材の製造方法であって、
第１の内径を有する第１の円筒部と、前記第１の円筒部の一端に形成された第１の底面部とを有する第１の治具に、前記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートを装着し、
前記第１の内径よりも小さい第２の外径を有する第２の円筒部と、前記第２の円筒部の一端に形成された第２の底面部とを有する第２の治具を前記第１の治具に装着し、
前記第１の底面部と前記第２の底面部とにより前記シート部材を所定圧力で挟圧し、前記第１の治具と前記第２の治具とを所定温度に加熱することで、前記第１の底面部と前記第２の底面部との間に前記平面部を形成し、前記第１の円筒部と前記第２の円筒部との間に前記シール部を形成する
シール部材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシール部材の製造方法であって、
前記所定温度は、１６０℃以上２５０℃以下である
シール部材の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載のシール部材の製造方法であって、
前記樹脂シートは、ポリテトラフルオロエチレンシートである
シール部材の製造方法。
【請求項４】
第１の端部を有し第１の内径で形成された第１の円筒部と、前記第１の端部に形成された第１の底面部とを含み、前記第１の内径よりも大きい第１の外径を有する円形の樹脂シートが装着される金属製の第１の治具と、
第２の端部を有し前記第１の内径よりも小さい第２の外径で形成された第２の円筒部と、前記第２の端部に形成された第２の底面部とを含み、前記第１の底面部と前記第２の底面部とで前記樹脂シートを挟持し、前記第１の円筒部と前記第２の円筒部とで前記樹脂シートの周縁を挟持する金属製の第２の治具と、
前記第１の底面部と前記第２の底面部とが近接する方向に前記第１の治具と前記第２の治具とを締め付ける締め付け機構と
を具備する成形装置。
【請求項５】
請求項４に記載の成形装置であって、
前記第１の治具と前記第２の治具とを加熱する加熱機構をさらに具備する
成形装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の成形装置であって、
前記第１の治具は、前記第１の円筒部の中心に設けられ前記樹脂シートの中心孔に嵌合可能な第１の嵌合部をさらに有し、
前記第２の治具は、前記第２の円筒部の中心に設けられ前記第１の嵌合部に嵌合可能な第２の嵌合部をさらに有する
成形装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１５９０４１（Ｐ２０１２−１５９０４１Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５７０（Ｐ２０１１−１９５７０）
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（５９１２６８６２３）アルバック機工株式会社 (14)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（５９１２６８６２３）アルバック機工株式会社 (14)
【Ｆターム（参考）】
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