Oリングの溝設計｜圧縮率と充填率の決め方

Oリングの溝は、規格表の数字をそのまま使うのが正解です。自分で計算して決めるものではありません。それでも漏れや破損が起きるのは、表の数字が「何を満たすために決められているのか」を知らないまま、少しだけ都合よく変えてしまうからです。

皆さんも、Oリングの溝寸法を図面に入れるとき、「溝幅をあと0.5 mm狭くできないか」と考えたことはないでしょうか。私は若い頃、スペースの都合で溝幅を詰めた図面を出し、組立で「Oリングが溝から盛り上がっている」と連絡を受け、組立を止めてしまった経験があります。

この記事では、Oリングの溝設計を圧縮率と充填率という2つの数字から解説します。規格表がなぜその寸法なのか、変えてよい部分とだめな部分はどこか、固定用と運動用で何が違うのか。具体的な数値で追っていきましょう。

Oリングの溝寸法で手が止まる皆さんへ

Oリングを使う設計で、最初に戸惑うのは順序です。カタログを開くと膨大なサイズ表が並んでいて、どこから決めればいいのか分かりません。

軸径から決めるのか。使う圧力から決めるのか。それともOリングを先に選ぶのか。私も最初は、Oリングのサイズ表とにらめっこしたまま、図面に線を1本も引けない時間を過ごしました。

さらに混乱するのが、Oリングの内径が軸径と一致しないという事実です。φ10の軸に使うOリングの内径は9.8 mm。数字が合っていないので、選び間違えたのかと不安になります。

ここでつまずくのは当然だと思います。ボルトや軸受は「呼び径＝実寸」で考えられるのに、Oリングだけ考え方が違うからです。

私が最初に担当したOリングの設計は、ダンパーヒンジでした。内部にかかる圧力に対してOリングのサイズを選び、Oリング溝の寸法を決める仕事です。

ところが図面を出したあと、加工の担当者から指摘を受けました。「この溝、底の角のRが書いてないけど、どうする？」。私は溝の幅と深さしか考えておらず、角をどう仕上げるかという発想がありませんでした。Oリングは角の鋭いところで切れるという事実を、そのとき初めて知ったのです。

Oリングは単体で機能する部品ではなく、溝と相手面と3点セットで初めてシールになります。 この前提を持てるかどうかで、カタログの読み方が変わります。

Oリング設計の本質｜設計者が決めるのは溝であってOリングではない

まず順序を整理しましょう。Oリングの設計で設計者が決めるのは溝の寸法であり、Oリング自体は規格品から選ぶだけです。

決める順序は「軸径 → Oリング → 溝」

実際の手順はこうなります。

1. 軸径やハウジング径など、装置の仕様として決まっている寸法を確定する
2. その寸法に合うOリングを、JIS B 2401などの規格表から選ぶ
3. 選んだOリングに対応する溝寸法を、規格表から読み取って図面に入れる

3番目まで、自分で計算する場面がどこにもありません。 Oリングの溝寸法は規格表に載っており、そこから読むのが正しい進め方です。

なぜOリングの内径は軸径より小さいのか

φ10の軸にP10（内径9.8 mm、線径2.4 mm）を使う場合、Oリングは軸に対して少し伸ばして装着されます。内径9.8 mmを直径10 mmの軸に入れるため、約2%伸びた状態になるわけです。

この初期の伸びには理由があります。溝の中でOリングが遊んでしまうと、軸が動いたときに一緒にねじれて、ねじれ疲労で切れます。わずかに伸ばして軸側に密着させることで、Oリングの位置を安定させているのです。

ただし伸ばしすぎも問題になります。一般に伸び率は数%までが目安とされており、大きく伸ばすと線径が細くなり、必要な圧縮量が得られません。規格表の組み合わせを守っていれば、この範囲に収まるように作られています。

シールが成立する仕組み

Oリングは、溝の中でつぶされることで反発力を生み、その力で相手面に密着する部品です。さらに圧力がかかると、Oリングは低圧側のすきまへ押しやられ、圧力そのものがシール力を高めるという性質を持っています。

つまり圧力が高いほど密着は強くなる一方で、すきまへ押し出される力も同時に強まります。この両面性こそが、後で扱う「はみ出し」の問題の正体でした。

Oリングの溝設計で失敗する3つの原因

現場で見てきた失敗は、次の3つにほぼ集約できます。

原因1：溝寸法を自分で計算しようとしている

規格表があることを知らず、圧縮率から逆算して溝深さを決めてしまうパターンです。計算自体は合っていても、溝幅・角のR・面取り・面粗さといった他の要素が抜け落ちます。

Oリングの溝は深さだけで成立しません。規格表はこれらを一式で満たす組み合わせとして作られています。

規格表が存在しないケースもあります。特殊なサイズや、角溝ではなくアリ溝を使う場合です。この場合はメーカーの技術資料にある推奨値を使うのが基本で、それでも見つからなければメーカーに問い合わせるのが最短です。Oリングメーカーは技術相談の窓口を持っており、条件を伝えれば推奨寸法を出してくれます。自力で計算するより確実で、しかも早く済みます。

原因2：スペースの都合で溝幅を詰めている

もっとも多く、そしてもっとも壊れやすいパターンです。溝深さは圧縮率に直結すると理解しているので触らないのに、溝幅は「余裕を見ているだけ」と思われがちで、簡単に詰められてしまいます。

実際には、溝幅にはつぶれたOリングが逃げるための体積が必要です。詰めると逃げ場がなくなります。

原因3：圧縮率だけを見て充填率を見ていない

圧縮率という言葉は広く知られていますが、充填率はあまり意識されません。この2つは別の指標で、両方が範囲に入っていないとOリングは正常に働きません。

3つの原因を整理します。

原因	何が起きるか	対策
溝寸法を自分で計算	溝幅・R・面粗さが抜ける	規格表から一式で読む
溝幅を詰める	Oリングの逃げ場がなくなる	充填率を計算して確認する
充填率を見ていない	熱膨張時に溝からはみ出す	70〜85%程度に収める

次の章で、この2つの数字を具体的に計算します。

圧縮率と充填率｜2つの数字で溝を検証する

規格表から読んだ溝寸法が妥当かどうかは、2つの数字で検証できます。P10（内径9.8 mm、線径2.4 mm）を例に計算してみましょう。

以下の溝寸法は説明のための一例です。実際の設計では必ず規格表またはメーカーカタログの値をご確認ください。

• 線径 d = 2.4 mm
• 溝幅 w = 3.2 mm
• 溝深さ h = 1.9 mm（運動用の想定）

圧縮率（つぶし率）の計算

圧縮率は、Oリングが元の線径に対してどれだけつぶされたかを表します。

圧縮率 = (線径 − 溝深さ) ÷ 線径 × 100

= (2.4 − 1.9) ÷ 2.4 × 100 ≒ 20.8%

この20.8%という値が、Oリングを相手面に押し付ける反発力の源です。つぶし量が足りなければ漏れ、多すぎればゴムが早く劣化してしまいます。

溝深さが0.1mm違うだけで、圧縮率は約4%変わります。軸の溝の底の径は普通のマイクロメータでは測りにくいため、溝底の径を測る道具もあわせて知っておくと安心です。

充填率の計算

充填率は、溝という箱に対して、Oリングという中身がどれだけ詰まっているかを表す体積比です。

まずOリングの断面積を求めます。断面は直径2.4 mmの円です。

Oリング断面積 = π × (2.4 ÷ 2)² = π × 1.44 ≒ 4.52 mm²

次に溝の断面積です。

溝断面積 = 3.2 × 1.9 = 6.08 mm²

充填率 = 4.52 ÷ 6.08 × 100 ≒ 74.4%

一般に充填率は70〜85%程度が目安とされています。74.4%はその範囲に収まっており、規格表の寸法が適切であることが数字で確認できました。

残りの25%は何のためにあるのか

充填率が100%でない理由、つまり溝に25%の空きがある理由は3つあります。

• つぶれたOリングが横方向に広がるため：断面が円から楕円に変形し、幅方向へ伸びます
• 熱膨張の逃げ場のため：ゴムの線膨張係数は鋼のおよそ10倍あり、温度が上がると体積が増えます
• 油による膨潤の逃げ場のため：ゴムは接する液体を吸って膨らむ性質があります

この空きがなければ、Oリングは溝の中で行き場を失い、溝の外へはみ出します。25%の空きは無駄ではなく、必須の設計要素です。

【比較】溝幅を詰めると充填率はどこまで上がるか

「溝幅を少しだけ狭くしたい」という要求が、どれほど危険かを数字で確認します。溝深さ1.9 mmは変えず、溝幅だけを変えた場合の充填率を計算しました。

溝幅	溝断面積	充填率	判定
3.2 mm（規格）	6.08 mm²	74.4%	適正
3.0 mm	5.70 mm²	79.4%	ほぼ上限
2.8 mm	5.32 mm²	85.0%	上限
2.6 mm	4.94 mm²	91.6%	危険
2.4 mm	4.56 mm²	99.2%	使用不可

規格の3.2 mmからわずか0.6 mm詰めただけで、充填率は74%から92%近くまで跳ね上がります。図面上で0.6 mmは小さな数字に見えますが、溝の断面積では19%も減っているためです。

充填率が90%を超えると、次のような不具合が起きやすくなります。

• 組立時にOリングが溝から盛り上がり、蓋が正しく閉まらない
• 締め付けるとOリングが合わせ面に挟まれ、その場で切れる
• 温度が上がったときに逃げ場がなく、溝の角から押し出される

私が新人の頃にやってしまったのは、まさに1番目でした。0.6 mmの節約のために、組立が止まりました。

スペースが足りないときの正しい対処

溝幅が入らない場合、詰めるのではなく次の順で検討してください。

1. 1つ細い線径のOリングに変える：線径が細くなれば、必要な溝幅も溝深さも小さくなります
2. 溝の位置を変える：フランジの外側に逃がせないか、別の面に移せないかを検討します
3. 別のシール方式を検討する：ガスケットやOリング以外のパッキンが適する場合があります

規格表の数字を変えるのは、最後の手段ですらありません。 変えるくらいなら、別の組み合わせを探すのが設計者の仕事です。

固定用と運動用の違い｜圧縮率・面粗さ・材質

Oリングは使い方によって設計値が変わります。まず、用途ごとの圧縮率の目安を整理します。

用途	圧縮率の目安	考え方
平面固定用	25〜30%程度	動かないので強くつぶして確実に密着させる
円筒面固定用	15〜25%程度	組付け時の挿入抵抗も考慮する
運動用（往復動）	10〜20%程度	つぶしすぎると摩擦と摩耗が増える

固定用は強くつぶし、運動用は控えめにする。これが基本的な考え方です。運動用で圧縮率を上げすぎると、摺動抵抗が増えてOリングが早く摩耗します。

平面固定用と円筒面用では溝が違う

同じ固定用でも、溝の向きによって設計が変わる点に注意してください。

円筒面固定用は、軸とハウジングの間にOリングを挟む使い方です。Oリングは全周にわたって均一につぶされ、組付け時は軸方向に滑り込ませます。

平面固定用は、フランジの合わせ面など平らな面に溝を掘る使い方です。蓋を締め付ける力で上下からつぶすため、円筒面用より圧縮率を大きく取れます。ただし溝が円形とは限らない点が難しいところです。

平面固定用で長方形や複雑な形の溝を作る場合、Oリング（円形）ではなくガスケットやOリングコード（紐状のものを切って接着する）を使うことになります。角部ではOリングに無理な曲げが加わるため、角のRは線径の3倍以上を目安に大きく取ってください。ここを小さくすると、角だけ圧縮が不均一になって漏れます。

面粗さの要求も変わる

溝と相手面の面粗さは、シール性能に直結する要素です。粗すぎれば傷から漏れ、細かすぎれば油膜が保持されず運動用では焼き付いてしまいます。

部位	固定用	運動用
溝の底・側面	Ra 3.2程度以下	Ra 1.6程度以下
Oリングが接する摺動面	Ra 1.6程度以下	Ra 0.4〜0.8程度

具体的な数値はメーカーの技術資料によって幅があるため、採用するメーカーのカタログで必ず確認してください。面粗さの指示そのものに不安がある場合は、面粗さRaの読み方を先に押さえておくと図面指示が安定します。

材質は流体で決まる

Oリングの材質選定を左右するのは、接する流体です。サイズが合っていても材質が合わなければ、短期間で膨潤したり硬化したりしてしまいます。

材質	得意な流体	苦手な流体
NBR（ニトリルゴム）	鉱物油、作動油、空気	オゾン、ブレーキ液、ケトン類
FKM（フッ素ゴム）	高温、燃料、多くの薬品	低温域、アミン類、熱水
EPDM	水、蒸気、ブレーキ液	鉱物油、グリース
シリコーンゴム	広い温度範囲、食品用途	動的用途、引き裂きに弱い

注意したいのは、NBRとEPDMが油と水で正反対である点です。汎用だからとNBRを選び、そこにブレーキ液が接触すると短期間で膨潤します。逆にEPDMを油圧系に使えば、やはり膨潤してしまうでしょう。

高圧ではみ出しに注意する

圧力が高くなると、Oリングはすきまへ押し出されてしまいます。この現象を「はみ出し」や「すきま噛み」と呼びます。

はみ出しが起きるかどうかを決めるのは、圧力・すきま・ゴムの硬さの3つです。

• 圧力：高いほど押し出す力が強くなります
• すきま：大きいほど逃げ道が広くなります
• 硬さ：柔らかいゴムほど押し出されやすくなります

対策は2つあります。1つはすきまそのものを小さくすること、もう1つはバックアップリングを入れることです。目安として、10 MPaを超える圧力ではバックアップリングの検討をおすすめします。

硬さで対処する方法もあります。Oリングの硬度はJIS A硬度で表され、一般的な汎用品は70度前後、高圧用には90度前後の硬いものが用意されているのが普通です。ただし硬くすると初期の密着性が落ちるため、低圧では漏れて高圧では耐えるという逆転も起こりえます。硬度を上げるのは、圧力条件がはっきりしている場合に限ってください。

すきまを小さくするには、はめあい公差の管理が必要になります。考え方ははめあい公差の選び方に整理しました。シール設計は、公差設計と切り離せません。

図面に落とすときのチェックリスト

最後に、図面を出す前に確認する項目をまとめます。

チェック1：規格表の組み合わせをそのまま使っているか

Oリングの呼び番号と、対応する溝幅・溝深さが規格表の同じ行から来ているかを確認してください。別々の資料から拾うと、組み合わせが崩れてしまいます。

チェック2：充填率を計算したか

規格どおりなら計算は不要ですが、1か所でも数字を変えたなら必ず計算してください。70〜85%程度に収まっているかを確認してください。計算は電卓で1分もかかりません。

チェック3：溝の角にRまたは面取りを指示したか

溝の角が鋭いと、そこでOリングが切れてしまいます。溝底の角には小さなRを、溝の入口には面取りを指示してください。

面取りの使い分けに迷う場合は、C面取りとR面取りを参考にしてください。Oリングの挿入部には、引っかからないC面取りが使われるのが一般的です。

チェック4：組付け時に通過する部分を確認したか

見落としやすいのがここです。Oリングを取り付けるまでに、ねじ山・段差・キー溝などの上を通過しないかを確認してください。通過するなら、その部分に面取りやガイドが必要です。

配管部品のねじ部を通す設計になっていないかも含め、管用ねじの違いとあわせて経路を追ってみてください。

チェック5：面粗さを図面に書いたか

溝の面粗さは、指示しなければ加工者に伝わりません。一般公差の面粗さでは足りない場合がほとんどです。

チェック6：材質と温度範囲を仕様書に残したか

図面には寸法しか書けませんが、材質と使用温度範囲は別途伝える必要があります。後任者が部品を手配するとき、この情報がないと同じ材質を選べません。

実務で特につまずきやすい2点

チェックリストとは別に、経験上ひっかかりやすい点を挙げておきます。

• Oリングの保管期限を見落とす：ゴムには使用可能期間があり、材質によって数年から十数年と幅があります。長期在庫の部品を組み付けると、新品でも硬化していることがあります。補修部品として長く保管する設計なら、材質選定の段階で確認しておいてください。
• 潤滑の指示を忘れる：組付け時にOリングへグリースを薄く塗るかどうかで、挿入時の切れやすさが大きく変わります。ただし材質と合わないグリースを使うと膨潤するため、組立指示書に「使用するグリースの型番」まで書くのが確実です。

これらを順に確認すれば、Oリングまわりのトラブルは大きく減らせます。

まとめ｜Oリングの溝は「変えない」のが正解

Oリングの溝設計は、自分で数字を作る仕事ではありません。規格表という答えがすでにあり、設計者の仕事はそれを正しく読み、変えずに図面へ落とすことです。

この記事の要点を整理します。

• 決める順序は「軸径 → Oリングを規格表から選ぶ → 対応する溝寸法を読む」で、計算する場面はありません。
• 圧縮率は(線径−溝深さ)÷線径で、例では20.8%。運動用10〜20%、固定用25〜30%程度が目安です。
• 充填率はOリング断面積÷溝断面積で、例では74.3%。70〜85%程度に収める必要があります。
• 溝幅を3.2 mmから2.6 mmに詰めるだけで、充填率は74%から91%まで上がり危険域に入ります。
• 材質は流体で決まり、NBRとEPDMは油と水で正反対の特性を持ちます。

私が溝幅を0.6 mm詰めて組立を止めたとき、間違えたのは計算ではありませんでした。規格の数字に「なぜその値なのか」という理由があることを、考えもしなかったのが原因です。

規格表は、誰かが過去に失敗して積み上げた結果です。 変えたくなったときこそ、その数字が何を守っているのかを一度調べてみてください。調べれば、たいてい変えない理由が見つかります。

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