(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定側に固定される円環状の固定環と、回転軸とともに回転する円環状の回転環とが対向して各摺動面を相対回転させることにより、当該相対回転摺動する前記摺動面の径方向の一方側に存在する被密封流体を密封する摺動部品において、
前記固定環または前記回転環のいずれか一方の摺動面には、前記固定環と前記回転環との相対回転摺動により動圧を発生する動圧発生溝が被密封流体収容空間と連通するように円周方向に複数形成され、
さらに、各動圧発生溝の底部に、前記固定環と前記回転環との相対回転摺動によりポンピング作用を生起する線状の凹凸により構成されるポンピング部が形成されることを特徴とする摺動部品。
【請求項２】
前記ポンピング部は、前記被密封流体を吸い込む方向に作用する吸入ポンピング部と前記被密封流体を吐き出す方向に作用する吐出ポンピング部を備えることを特徴とする請求項１記載の摺動部品。
【請求項３】
前記ポンピング部を構成する線状の凹凸は、周期構造の構成をしており、当該凹凸の方向が当該摺動面の摺動方向に対して所定の角度傾斜するように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部品。
【請求項４】
前記ポンピング部を構成する周期構造をした線状の凹凸は、隣接するポンピング部の線状の凹凸の方向が当該摺動面の摺動方向に対して対称となるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の摺動部品。
【請求項５】
前記動圧発生溝の深さをｈとした場合、前記ポンピング部の前記周期構造をした線状の凹凸の深さｄがｄ＝０．１ｈ〜１０ｈ、前記周期構造をした線状の凹凸のピッチｐがｐ＝０．１ｈ〜１０ｈの範囲に設定されることを特徴とする請求項３または４に記載の摺動部品。
【請求項６】
前記動圧発生溝は、互いに隣り合う一対の半径方向溝を一組として複数組の動圧発生用溝組を構成する半径方向溝を境界部に向けて高くなるように円周方向に沿って互いに逆向きのテーパ形状とし、境界部に両半径方向溝を隔てるダム部を設けてなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の摺動部品。
【請求項７】
前記動圧発生溝は、摺動面の外周側端部から内周側に向かって略径方向に延びるとともに、内周側において折れ曲がって略周方向に延びる略Ｌ字状の溝の形状をなしていることを特徴とする請求項６に記載の摺動部品。
【請求項８】
前記動圧発生溝は、半径方向溝の円周方向に沿った底面のテーパ形状がステップ状、直線状、または、曲線状からなり、前記ポンピング部の線状の凹凸の深さが半径方向溝の深さに応じて変化するように設定されることを特徴とする請求項６または７に記載の摺動部品。
【請求項９】
請求項３に記載の各動圧発生溝の底部に形成される前記ポンピング部の前記周期構造をした線状の凹凸が、ピコ秒レーザまたはフェムト秒レーザの照射により形成されることを特徴とする摺動部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対回転する摺動部品に関し、例えば自動車、一般産業機械、あるいはその他のシール分野のメカニカルシールに用いられる摺動部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
被密封流体の漏れを防止する密封装置として、相対的回転し、かつ平面上の端面同士が摺動するように構成された２部品からなるもの、例えば、メカニカルシールにおいて、密封性を長期的に維持させるためには、「密封」と「潤滑」という相反する条件を両立させなければならない。特に、近年においては、環境対策などのために、被密封流体の漏れ防止を図りつつ、機械的損失を低減させるべく、より一層、低摩擦化の要求が高まっている。低摩擦化の手法としては、回転により摺動面間に動圧を発生させ、液膜を介在させた状態で摺動する、いわゆる流体潤滑状態とすることにより達成できる。しかしながら、この場合、摺動面間に正圧が発生するため、流体が正圧部分から摺動面外へ流出する。この流体流出はシールの場合の漏れに該当する。【０００３】
従来、回転により摺動面間に動圧を発生させるようにしたメカニカルシールとして図５に示すものが知られている（以下、「従来技術」という。例えば、特許文献１参照。）。図５に示す従来技術では、摺動部品の一方であるメイティングリング３０の摺動面３１に、回転時に動圧を発生させる半径方向溝３２Ｒ、３２Ｌからなる動圧発生溝３２が円周方向に複数設けられており、１対の半径方向溝３２Ｒ、３２Ｌの境界部が谷となるように円周方向に沿って互いに逆向きのテーパ面３３Ｒ、３３Ｌを有し、境界部には両半径方向溝３２Ｒ、３２Ｌを隔てるダム部３４が設けられている。
摺動部品が相対回転すると、図５（ｂ）に示すように、被密封流体の流れＧの上流側の半径方向溝３２Ｒにおいて圧力が低下して負の浮力が作用し、ダム部３４を越えた下流側の半径方向溝３２Ｌの部分でテーパ面３３Ｌのくさび作用によって圧力が増大し正の浮力が発生する。その際、ダム部３４の作用によって負の圧力は小さく、正の圧力が大きくなり、全体として正の圧力が作用し、大きな浮力が得られるというものである。【０００４】
しかしながら、従来技術の動圧発生溝３２は動圧効果をもたらすための形状であり、密封性を制御する要素をもたない。したがって、摺動部品であるメイティングリング及びシールリングが相対回転すると動圧発生溝３２により動圧が発生するが、動圧を発生すると流体膜が厚くなり、メイティングリングとシールリングとの摺動面が非接触となり、摺動抵抗は下がるものの、漏れが多くなるという問題があった。
また、従来技術の動圧発生溝３２による動圧は、回転軸の回転速度がある程度高速にならないと発生しない。そのため、回転し始めから動圧が発生する回転速度に到達するまでの間は、十分な量の非密封流体を摺動面間に介在させることができず、潤滑性が低下してしまい、トルクが高くなり、焼き付き、振動、騒音等が発生し、摺動特性が不安定になるという問題もあった。
なお、摺動部品の摺動時の摩耗を防止するため、動圧発生溝を設けたものも知られているが（例えば、特許文献２参照。）、上記の従来技術と同様に、密封性を制御する要素をもたないため、漏れが多くなるという問題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−７３号公報
【特許文献２】特開２００６−２２８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来技術の問題を解決するためになされたものであって、静止時に漏れず、回転初期を含み回転時には流体潤滑で作動するとともに漏れを防止し、密封と潤滑を両立させることのできる摺動部品を提供することを目的とするものである。
【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摺動部品は、第１に、固定側に固定される円環状の固定環と、回転軸とともに回転する円環状の回転環とが対向して各摺動面を相対回転させることにより、当該相対回転摺動する前記摺動面の径方向の一方側に存在する被密封流体を密封する摺動部品において、
前記固定環または回転環のいずれか一方の摺動面には、固定環と回転環との相対回転摺動により動圧を発生する動圧発生溝が被密封流体収容空間と連通するように円周方向に複数形成され、
前記動圧発生溝の内部に、固定環と回転環との相対回転摺動によりポンピング作用を生起するポンピング部が形成されることを特徴としている。
この特徴により、静止時には漏れを防止するとともに、回転し始めの低速時においてはポンピング部のポンピング作用により十分潤滑することができ、摺動抵抗を低く、安定した摺動特性を得ることができる。また、回転時においては、動圧発生溝の動圧発生作用により摺動面間に被密封流体による十分な潤滑膜が形成され、摺動特性を向上することができる。動圧発生の際、摺動面から漏出する被密封流体の量を、ポンピング部のポンピング作用により制御することができ、密封性の制御を行うことができる。【０００８】
また、本発明の摺動部品は、第２に、第１の特徴において、前記ポンピング部は、被密封流体を吸い込む方向に作用する吸入ポンピング部と被密封流体を吐き出す方向に作用する吐出ポンピング部を備えることを特徴としている。
この特徴により、被密封流体側から摺動面を経由し、被密封流体側へ戻る被密封流体の流れが形成されるため、回転時における過大な漏れが防止され、シール性を向上させることができる。【０００９】
また、本発明の摺動部品は、第３に、第１または第２の特徴において、前記ポンピング部は、線状の凹凸の周期構造の構成をしており、前記線状の凹凸は、当該凹凸の方向が当該摺動面の摺動方向に対して所定の角度傾斜するように形成されていることを特徴としている。
この特徴により、ポンピング部を線状の凹凸の周期構造から形成できるため、ポンピングの形成が容易であり、また、傾斜角度を調節することでポンピング性能を自在に調節することができる。【００１０】
また、本発明の摺動部品は、第４に、第３の特徴において、前記複数のポンピング部の線状の凹凸の周期構造は、隣接するポンピング部の前記線状の凹凸の方向が当該摺動面の摺動方向に対して対称となるように形成されていることを特徴としている。
この特徴により、摺動面が両方向に回転する場合でも対応することができる。【００１１】
また、本発明の摺動部品は、第５に、第３または第４の特徴において、前記ポンピング部の線状の凹凸の周期構造は、フェムト秒レーザの照射により形成されることを特徴としている。
この特徴により、ポンピング部の線状の凹凸の周期構造の方向性の制御が可能であり、加工位置の制御も可能であるため、離散的な小区画に分けて各区画ごとに所望の線状の凹凸の周期構造の形成ができる。【００１２】
また、本発明の摺動部品は、第６に、第３ないし第５の特徴において、前記動圧発生溝の深さをｈとした場合、前記ポンピング部の線状の凹凸の深さｄがｄ＝０．１ｈ〜１０ｈ、凹凸のピッチｐがｐ＝０．１ｈ〜１０ｈの範囲に設定されることを特徴としている。
この特徴により、密封性の制御を最適なものとすることができ、シール性を最大限向上することができる。【００１３】
また、本発明の摺動部品は、第７に、第１ないし第６のいずれかの特徴において、前記動圧発生溝は、互いに隣り合う一対の半径方向溝を一組として複数組の動圧発生用溝組を構成する半径方向溝を境界部に向けて高くなるように円周方向に沿って互いに逆向きのテーパ形状とし、境界部に両半径方向溝を隔てるダム部を設けてなることを特徴としている。
この特徴により、摺動面に作用する浮力を増大させることができ、高圧、高速用の両回転式のメカニカルシールに最適な動圧発生手段を達成することができる。【００１４】
また、本発明の摺動部品は、第８に、第７の特徴において、前記動圧発生溝は、摺動面の外周側端部から内周側に向かって略径方向に延びるとともに、内周側において折れ曲がって略周方向に延びる略Ｌ字状の溝の形状をなしていることを特徴としている。
この特徴により、被密封流体が溝内に引き込まれやすく、かつ、引き込まれた被密封流体が排出されにくいため、大きな浮力を発生することができる。【００１５】
また、本発明の摺動部品は、第９に、第７または第８の特徴において、前記動圧発生溝は、半径方向溝の円周方向に沿った底面のテーパ形状がステップ状、直線状、または、曲線状からなり、前記ポンピング部の線状の凹凸の深さが半径方向溝の深さに応じて変化するように設定されることを特徴としている。
この特徴により、動圧発生溝内に引き込まれた被密封流体の量に応じてポンピング作用を発生させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）上記第１の特徴により、静止時には漏れを防止するとともに、回転し始めの低速時においては十分潤滑することができ、摺動抵抗を低く、安定した摺動特性を得ることができる。また、回転時においては、摺動面間に被密封流体による十分な潤滑膜が形成され、摺動特性を向上することができる。さらに、動圧発生の際、摺動面から漏出する被密封流体の量を、ポンピング部のポンピング作用により制御することができ、密封性の制御を行うことができる。
（２）上記第２の特徴により、被密封流体側から摺動面を経由し、被密封流体側へ戻る被密封流体の流れが形成されるため、回転時における過大な漏れが防止され、シール性を向上させることができる。
（３）上記第３の特徴により、ポンピングの形成が容易であり、また、傾斜角度を調節することでポンピング性能を自在に調節することができる。
（４）上記第４の特徴により、摺動面が両方向に回転する場合でも対応できる。
（５）上記第５の特徴により、ポンピング部の線状の凹凸の周期構造の方向性の制御が可能であり、加工位置の制御も可能であるため、離散的な小区画に分けて各区画ごとに所望の周期構造の形成ができる。
（６）上記第６の特徴により、密封性の制御を最適なものとすることができ、シール性を最大限向上することができる。
（７）上記第７の特徴により、摺動面に作用する浮力を増大させることができ、高圧、高速用の両回転式のメカニカルシールに最適な動圧発生手段を達成することができる。
（８）上記第８の特徴により、被密封流体が溝内に引き込まれやすく、かつ、引き込まれた被密封流体が排出されにくいため、大きな浮力を発生することができる。
（９）上記第９の特徴により、動圧発生溝内に引き込まれた被密封流体の量に応じてポンピング作用を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一般産業機械用のメカニカルシールの一例を示す正面断面図である。
【図２】ウォータポンプ用のメカニカルシールの一例を示す正面断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係り、回転環の摺動面に形成された動圧発生溝及びポンピング部を説明する図であって、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【図４】本発明の実施形態２に係り、回転環の摺動面に形成された動圧発生溝及びポンピング部を説明する図であって、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
【図５】従来技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る摺動部品を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、本実施形態においてはメカニカルシールを構成する部品が摺動部品である場合を例にして説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。  
【００１９】
図１は、一般産業機械用のメカニカルシールの一例を示す正面断面図である。
図１のメカニカルシールは摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする被密封流体を密封する形式のインサイド形式のものであって、被密封流体側のポンプインペラ（図示省略）を駆動させる回転軸１側にスリーブ２を介してこの回転軸１と一体的に回転可能な状態に設けられた円環状の回転環３と、ポンプのハウジング４に固定されたシールカバー５に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた円環状の固定環６とが、この固定環６を軸方向に付勢するベローズ７によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされた摺動面Ｓ同士で密接摺動するようになっている。すなわち、このメカニカルシールは、回転環３と固定環６との互いの摺動面Ｓにおいて、被密封流体が回転軸１の外周から大気側へ流出するのを防止するものである。
回転環３及び固定環６は、代表的にはＳｉＣ（硬質材料）同士またはＳｉＣ（硬質材料）とカーボン（軟質材料）の組み合わせで形成されるが、摺動材料にはメカニカルシール用摺動材料として使用されているものは適用可能である。ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボンなどを焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ、ＳｉＣ−ＴｉＣ、ＳｉＣ−ＴｉＮなどがあり、カーボンとしては、炭素質と黒鉛質の混合したカーボンをはじめ、樹脂成形カーボン、焼結カーボン、などが利用できる。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、表面改質材料（コーティング材料）、複合材料なども適用できる。
【００２０】
図２は、ウォータポンプ用のメカニカルシールの一例を示す正面断面図である。
図２のメカニカルシールは摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする冷却水を密封する形式のインサイド形式のものであって、冷却水側のポンプインペラ（図示省略）を駆動させる回転軸１側にスリーブ２を介してこの回転軸１と一体的に回転可能な状態に設けられた円環状の回転環３と、ポンプのハウジング４に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態で設けられた円環状の固定環６とが、この固定環６を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング８及びベローズ９によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされた摺動面Ｓ同士で密接摺動するようになっている。すなわち、このメカニカルシールは、回転環３と固定環６との互いの摺動面Ｓにおいて、冷却水が回転軸１の外周から大気側へ流出するのを防止するものである。
【００２１】
〔実施形態１〕
図３は、本発明の実施形態１に係り、回転環の摺動面に形成された動圧発生溝及びポンピング部を説明する図であって、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
図３において、回転環３は、メイティングリングと呼ばれ、多くは、ＳｉＣ（硬質材料）から形成される。この回転環３の摺動面Ｓに、円周方向に分離された複数の動圧発生溝２０が形成されている。前記動圧発生溝２０は、互いに隣り合う一対の半径方向溝２０ａ、２０ｂを一組として複数組の動圧発生用溝組を構成する半径方向溝を境界部に向けて高くなるように円周方向に沿って互いに逆向きのテーパ形状とし、境界部に両半径方向溝を隔てるダム部２１を設けてなるものである。摺動面Ｓに設けられる動圧発生溝２０の数は、任意であり、設計的に計算され、最適な数とされるものである。
【００２２】
図３（ａ）に示される動圧発生溝２０は、回転環３の摺動面Ｓの外周側端部から内周側に向かって略径方向に延びるとともに、内周側において折れ曲がって略周方向に延びる略Ｌ字状の形状をしている。動圧発生溝２０は、回転環３の外周面で被密封流体側に連通しており、被密封流体を溝内に引き込みやすく構成されている。
【００２３】
図３（ｂ）に示すように、動圧発生溝２０の深さは、周方向に延びる部分において、摺動方向に沿って徐々に変化する。具体的には、動圧発生溝２０の深さは、半径方向溝２０ａにおいては矢印ｒ１方向に沿ってステップ状に深くなるように構成され、半径方向溝２０ｂにおいては矢印ｒ２方向に沿ってステップ状に深くなるように構成されている。すなわち、動圧発生溝２０の半径方向溝２０ａ及び２０ｂは境界部に向けて高くなるように構成されている。
【００２４】
動圧発生溝２０とこれに対向する固定環６の摺動面との間のスペースは、被密封流体側から溝内に引き込まれた被密封流体の進路にしたがい、まず、径方向の内側に進むにしたがい狭くなり、次に、周方向に曲がる部分で広くなるが、周方向に進むにしたがい次第に浅くなるため、結局、被密封流体の流は絞られることになる。被密封流体が徐々に絞られることで、回転環３と固定環６とを互いに引き離すように作用する動圧が発生される。これにより、回転環３と固定環６の摺動面Ｓの間に被密封流体による潤滑膜が形成されやすくなり、摺動特性が向上される。特に、本実施形態における動圧発生溝２０は、動圧発生溝が略Ｌ字状の形状をしているため、半径方向溝２０ｂに引き込まれた被密封流体が排出され易く、漏れを防ぐことができる。
【００２５】
動圧発生溝２０は、鏡面加工された摺動面Ｓに、ＹＶＯ４レーザやサンドブラストによる微細加工を施すことにより形成することができる。また、製品サイズによっては切削によって形成してもよい。
本実施形態による回転環において、最深部における深さが０．１〜５μｍとなるように動圧発生溝２０を形成している。
【００２６】
動圧発生溝２０の内部には、ポンピング部１０が形成されている。図３においては、動圧発生溝２０の底部の全面にポンピング部１０が形成されているが、必ずしも、全面に設ける必要はなく、一部に設けられてもよい。
【００２７】
メカニカルシールを低摩擦化させるためには、被密封流体の種類、温度などによるが、通常、摺動面間に０．１μｍ〜１０μｍほどの液膜が必要である。この液膜を得るために、上記したように、動圧発生溝２０の内部に、固定環６と回転環３との相対回転摺動によりポンピング作用を生起するポンピング部１０が形成されている。該ポンピング部１０は、被密封流体を吸い込む方向に作用する吸入ポンピング部１０ａと被密封流体を吐き出す方向に作用する吐出ポンピング部１０ｂとを備えている。
【００２８】
図３において、回転環３がＲ方向に回転すると、二点差線の矢印で示すように、ポンピング部１０へ被密封流体の取り込み、被密封流体側への押し戻しが行われるようになっている。
【００２９】
ポンピング部１０の各々には、相互に平行で一定のピッチの複数の線状の凹凸（本発明においては、「線状の凹凸の周期構造」ともいう。）が形成され、該線状の凹凸の周期構造は、例えば、フェムト秒レーザにより形成される微細な構造である。
なお、本発明において「線状の凹凸」には、直線状の凹凸の他、直線状の凹凸形成の過程で出現される多少彎曲された凹凸、または曲線状の凹凸も包含される。
【００３０】
さらに、図３（ａ）に示すように、ポンピング部１０に形成される線状の凹凸は、摺動面Ｓの摺動方向、換言すれば摺動面Ｓの回転接線方向に対して所定の角度θで傾斜するように形成される。所定の角度θは、摺動面Ｓの回転接線に対して内径方向及び外径方向の両方向において各々１０°〜８０°の範囲であることが好ましい。
【００３１】
複数のポンピング部１０の各々におけるポンピング部１０の線状の凹凸の回転接線に対する傾斜角度θは、全て同じであってもよいし、ポンピング部１０ごとに異なっていてもよい。しかし、この傾斜角度θに応じて摺動面Ｓの摺動特性が影響を受けるので、要求される潤滑性や摺動条件等に応じて、適切な特定な傾斜角度θに各ポンピング部１０の線状の凹凸の傾斜角度を統一するのが安定した摺動特性を得るために有効である。
図３（ａ）の場合、ステップ状に変化する半径方向溝２０ａ、２０ｂの各ステップごとに回転接線に対する傾斜角度θが一定になるようにしている。
【００３２】
従って、摺動面Ｓの回転摺動方向が一方向であれば、複数のポンピング部１０の各々における線状の凹凸の回転接線に対する傾斜角度θは、最適な特定の角度に規定される。
【００３３】
また、摺動面Ｓの回転摺動方向が正逆両方向であれば、一方の方向の回転の際に適切な摺動特性となる第１の角度で回転接線に対して傾斜する線状の凹凸を有する第１のポンピング部と、それとは反対方向の回転の際に適切な摺動特性となる第２の角度で回転接線に対して傾斜する線状の凹凸を有する第２のポンピング部とを混在させることが望ましい。そのような構成であれば、摺動面Ｓが正逆両方向に回転する際に、各々適切な摺動特性を得ることができる。
【００３４】
さらに具体的には、摺動面Ｓが正逆両方向に回転する場合には、吸入ポンピング部１０ａと吐出ポンピング部１０ｂとの各線状の凹凸の傾斜角度θは、回転接線に対して対称となるような角度となるように形成しておくのが好適である。
また、吸入ポンピング部１０ａと吐出ポンピング部１０ｂとは、摺動面Ｓの周方向に沿って交互に配置されるように形成するのが好適である。
図３に示す摺動面Ｓは、そのような摺動面Ｓが両方向へ回転する場合に好適な摺動面Ｓの構成である。
なお、吸入ポンピング部１０ａと吐出ポンピング部１０ｂとは、摺動面Ｓの周方向に沿って交互に配置されなくてもよく、例えば、吸入ポンピング部１０ａが２個、吐出ポンピング部１０ｂが１個の割合で配置されても、あるいは、逆の割合で配置されてもよい。
【００３５】
相互に平行で一定のピッチの複数の線状の凹凸を精度よく配置した構造（線状の凹凸の周期構造）であるポンピング部１０は、例えば、フェムト秒レーザを用いて、摺動面Ｓの所定の領域に厳密に区画分けされ、さらに各区画において線状の凹凸の方向を精度よくコントロールして形成される。
加工しきい値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを基板に照射すると、入射光と基板の表面に沿った散乱光又はプラズマ波の干渉により、波長オーダーのピッチと溝深さを持つ線状の凹凸の周期構造が偏光方向に直交して自己組織的に形成される。この時、フェムト秒レーザをオーバーラップさせながら操作を行うことにより、その線状の凹凸の周期構造のパターンを表面に形成することができる。
【００３６】
このようなフェムト秒レーザを利用した線状の凹凸の周期構造では、その方向性の制御が可能であり、加工位置の制御も可能であるため、離散的な小区画に分けて各区画ごとに所望の線状の凹凸の周期構造の形成ができる。すなわち、円環状のメカニカルシール摺動材の摺動面を回転させながらこの方法を用いれば、摺動面に選択的に微細な周期パターンを形成することができる。そしてまたフェムト秒レーザを利用した加工方法では、メカニカルシールの潤滑性向上及び漏洩低減に有効なサブミクロンオーダーの深さの線状の凹凸の周期構造の形成が可能である。
【００３７】
前記ポンピング部１０の形成は、フェムト秒レーザに限らず、ピコ秒レーザや電子ビームを用いてもよい。また、前記ポンピング部１０の形成は、線状の凹凸の周期構造を備えた型を用いて円環状のメカニカルシール摺動材の摺動面を回転させながらスタンプ又は刻印することにより行われてもよい。
【００３８】
前記動圧発生溝２０及びポンピング部１０が形成された摺動面の被密封流体側と反対側である内周側は静止時において漏れを発生させないためのシールダムとして機能する必要がある。このシールダム機能を奏するシールダム部１１は被密封流体（潤滑性流体）が十分には行きわたらない部分であるため貧潤滑状態となり摩耗が発生し易い。シールダム部１１の摩耗を防止し、摺動摩擦を低減させるため、シールダム部１１は潤滑性に優れた摺動材料より形成されるのが望ましい。
【００３９】
動圧発生溝２０の深さｈは、１μｍ≦ｈ≦１００μｍ、ポンピング部１０の線状の凹凸の頂点と底部との深さｄは、０．１μｍ≦ｄ≦１０μｍの範囲に設定されるのが望ましい。また、ポンピング部１０の線状の凹凸のピッチｐも、０．１μｍ≦ｐ≦１０μｍの範囲に設定されるのが望ましい。
図３に示されるように、動圧発生溝２０の半径方向溝の底面の円周方向に沿ったテーパ形状がステップ状の場合、動圧発生溝２０の深さｈは段階的に変化するので、ポンピング部１０の凹凸の頂点と底部との深さｄもそれに応じて段階的に変化する。そのため、動圧発生溝２０内に引き込まれる被密封流体の量に応じてポンピング作用を発揮させることができる。
【００４０】
上記のように、静止時には、円周方向に連続したシールダム部１１が形成されていることにより漏れを防止するとともに、回転し始めの低速時においては被密封流体がポンピング部１０に取り込まれるとともに摺動面に潤滑膜が生成されるため、十分潤滑することができ、摺動抵抗を低く、安定した摺動特性を得ることができる。
また、回転時においては、動圧発生溝２０により摺動面Ｓに動圧が発生されて、回転環３と固定環６の摺動面Ｓに間に被密封流体による潤滑膜が形成され、摺動特性が向上されるものである。さらに、動圧発生の際、摺動面から漏出する被密封流体の量を、ポンピング部のポンピング作用により制御することができ、密封性の制御を行うことができる。その際、吸入ポンピング部１０ａ内に被密封流体を取り込み、この被密封流体を摺動面Ｓ介して円周方向に分離された位置にある吐出ポンピング部１０ｂに送り込み、吐出ポンピング部１０ｂの作用によりこの被密封流体を被密封流体側に戻す流が生じる。この被密封流体の流れを通じて、回転時における漏れを低減させ、シール性を向上することができる。
【００４１】
特に、動圧発生溝２０の内部にポンピング部１０が形成されるため、図３において、右側の半径方向溝２０ａでは被密封流体を引き込むとともに該半径方向溝２０ａ内に形成された吸入ポンピング部１０ａも被密封流体を引き込むように作用し、左側の半径方向溝２０ｂでは被密封流体を押し出すとともに該半径方向溝２０ｂ内に形成された吐出ポンピング部１０ｂは被密封流体を被密封流体側へ押し出すように作用する。これら半径方向溝及びポンピング部の被密封流体の引き込み及び押し出しの作用に伴い、摺動面Ｓにおいては被密封流体の量が増大され、同時に、被密封流体側から吸い込まれ、被密封流体側へ押し出すという被密封流体の流れが形成される。これにより、摺動面Ｓ間に被密封流体による潤滑膜が十分に形成され、摺動特性が向上されるとともに、被密封流体の漏れが低減され、シール性を向上することができる。
【００４２】
〔実施形態２〕
図４は、本発明の実施形態２に係り、回転環の摺動面に形成された動圧発生溝及びポンピング部を説明する図であって、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。
図４において、図３と同じ符号は図３の部材と同じ部材を指しており、重複した説明は省略する。
【００４３】
図４（ａ）に示される動圧発生溝２０は、回転環３の摺動面Ｓの外周側端部から内周側に向かって略径方向に延びるとともに、内周側において折れ曲がって略周方向に延びる略Ｌ字状の形状をしている。動圧発生溝２０は、回転環３の外周面で被密封流体側に連通しており、被密封流体を溝内に引き込みやすく構成されている。
【００４４】
図４（ｂ）に示すように、動圧発生溝２０の深さは、周方向に延びる部分において、摺動方向に沿って徐々に変化する。具体的には、動圧発生溝２０の深さは、半径方向溝２０ａにおいては矢印ｒ１方向に沿って直線的に深くなるように構成され、半径方向溝２０ｂにおいては矢印ｒ２方向に沿って直線的に深くなるように構成されている。
また、動圧発生溝２０の半径方向溝の円周方向に沿ったテーパ形状が直線状に変化するため、ポンピング部１０の凹凸の頂点と底部との深さｄもそれに比例して連続的に変化することが望ましいが、加工の容易さを考慮して、段階的に変化させてもよい。
なお、動圧発生溝２０の半径方向溝の底面は、直線的に変化させる構成に限らず、角度の異なる複数の傾斜面を組み合わせたり、溝底面を曲面で構成し曲線状に変化させてもよい。上記のいずれの場合でも、半径方向溝は境界部に向けて高くなるように形成される。
【００４５】
本実施形態２においても、実施形態１と同様に、静止時には、円周方向に連続したシールダム部１１が形成されていることにより漏れを防止するとともに、回転し始めの低速時においては被密封流体がポンピング部１０に取り込まれるとともに摺動面に潤滑膜が生成されるため、十分潤滑することができ、摺動抵抗を低く、安定した摺動特性を得ることができる。また、回転時においては、動圧発生溝２０により摺動面Ｓに動圧が発生されて、回転環３と固定環６の摺動面Ｓに間に被密封流体による潤滑膜が形成され、摺動特性が向上されるものである。さらに、動圧発生の際、摺動面から漏出する被密封流体の量を、ポンピング部のポンピング作用により制御することができ、密封性の制御を行うことができる。その際、吸入ポンピング部１０ａ内に被密封流体を取り込み、この被密封流体を摺動面Ｓ介して円周方向に分離された位置にある吐出ポンピング部１０ｂに送り込み、吐出ポンピング部１０ｂの作用によりこの被密封流体を被密封流体側に戻す流が生じる。この被密封流体の流れを通じて、回転時における摺動面Ｓの潤滑性を確保するとともに、漏れを防止し、シール性を保つことができる。
【００４６】
特に、動圧発生溝２０の内部にポンピング部１０が形成されるため、図４において、右側の半径方向溝２０ａでは被密封流体を引き込むとともに該半径方向溝２０ａ内に形成された吸入ポンピング部１０ａも被密封流体を引き込むように作用し、左側の半径方向溝２０ａでは被密封流体を押し出すとともに該半径方向溝２０ｂ内に形成された吐出ポンピング部１０ｂは被密封流体を被密封流体側へ押し出すように作用する。これら半径方向溝及びポンピング部の被密封流体の引き込み及び押し出しの作用に伴い、摺動面Ｓにおいては被密封流体の量が増大され、同時に、被密封流体側から吸い込まれ、被密封流体側へ押し出すという被密封流体の流れが形成される。これにより、摺動面Ｓ間に被密封流体による潤滑膜が十分に形成され、摺動特性が向上されるとともに、被密封流体の漏れが低減され、シール性を向上することができる。
【００４７】
上記実施形態１及び２においては、回転環３の摺動面に動圧発生溝２０及びポンピング部１０を形成したものであるが、これとは逆に、固定環６の摺動面に動圧発生溝２０及びポンピング部１０が形成されるようにしてもよい。
【００４８】
動圧発生溝２０及びポンピング１０は、径方向において、必要に応じて、任意に傾斜させることができる。例えば、図３及び図４において、動圧発生溝２０の半径方向溝２０ａ及び吸入ポンピング部１０ａは、径方向内側に向かって次第に低くなるように形成されて被密封流体を吸い込み易くし、動圧発生溝２０の半径方向溝２０ｂ及び吐出ポンピング部１０ｂは、径方向内側に向かって次第に高くなるように形成されて被密封流体を吐出し易くすることが考えられる。
【００４９】
なお、被密封流体側が回転環３及び固定環６の内周側に存在するアウトサイド形のメカニカルシールの場合は、動圧発生溝２０及びポンピング部１０は内周側に臨んで形成される。
【符号の説明】
【００５０】
１      回転軸
２      スリーブ
３      回転環
４      ハウジング
５      シールカバー
６      固定環
７      ベローズ
８      コイルドウェーブスプリング
９      ベローズ
１０     ポンピング部
１０ａ   吸入ポンピング部
１０ｂ   吐出ポンピング部
１１     シールダム部
２０     動圧発生溝
２０ａ、２０ｂ    一対の半径方向溝
２１     ダム部
Ｓ       摺動面
【図１】
0005881716.tif 000002
【図２】
0005881716.tif 000003
【図３】
0005881716.tif 000004
【図４】
0005881716.tif 000005
【図５】
0005881716.tif 000006