再表 2016-143721 しゅう動部品

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

【公報種別】再公表特許(A1)

(11)【国際公開番号】WO/0

(43)【国際公開日】2016年9月15日

【発行日】2017年12月21日

(54)【発明の名称】しゅう動部品

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/34 20060101AFI20171124BHJP

   F16C 17/04 20060101ALI20171124BHJP

【ＦＩ】

   F16J15/34 G

   F16C17/04 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】18

【出願番号】特願2017-505317(P2017-505317)

(21)【国際出願番号】PCT/0/0

(22)【国際出願日】2016年3月6日

(31)【優先権主張番号】特願2015-47888(P2015-47888)

(32)【優先日】2015年3月11日

(33)【優先権主張国】JP

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US

(71)【出願人】

【識別番号】000101879

【氏名又は名称】イーグル工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100201259

【弁理士】

【氏名又は名称】天坂 康種

(74)【代理人】

【識別番号】100116506

【弁理士】

【氏名又は名称】櫻井 義宏

(72)【発明者】

【氏名】細江 猛

(72)【発明者】

【氏名】井上 秀行

(72)【発明者】

【氏名】根岸 雄大

【テーマコード（参考）】

3J011

3J041

【Ｆターム（参考）】

3J011AA07

3J011BA09

3J011CA10

3J011JA02

3J011KA03

3J011MA02

3J011PA02

3J011SB01

3J011SD02

3J011SD04

3J041AA02

3J041BA04

3J041BC03

3J041DA01

(57)【要約】

しゅう動面における軸受特性数の広い範囲においてしゅう動特性を向上させると共に、加工精度のよいディンプルにより所定の動圧を発生させる。
一対のしゅう動部品（３、５）の互いに相対しゅう動する少なくとも一方側のしゅう動面（Ｓ）にディンプル（１０）が複数配置されたしゅう動部品において、複数のディンプル（１０）は相互に他のディンプルと独立して設けられると共にランダムに分布するように配置され、それぞれのディンプル（１０）は超短パルスレーザの照射により形成され、深さは０．０５μｍ〜５μｍの範囲の浅い溝であって、前記ディンプルの底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であることを特徴としている。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対のしゅう動部品の互いに相対しゅう動する少なくとも一方側のしゅう動面にディンプルが複数配置されたしゅう動部品において、前記複数のディンプルは相互に他のディンプルと独立して設けられると共にランダムに分布するように配置され、それぞれのディンプルは超短パルスレーザの照射により形成され、深さは０．０５μｍ〜５μｍの範囲の浅い溝であって、前記ディンプルの底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であることを特徴とするしゅう動部品。

【請求項2】

加工部の際のデブリによる盛り上がりが０．０１μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載のしゅう動部品。

【請求項3】

前記複数のディンプルは、開口径が１０〜５００μｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項１又は２記載のしゅう動部品。

【請求項4】

前記複数のディンプルは、深さが５０〜１００００ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のしゅう動部品。

【請求項5】

前記複数のディンプルは、深さが５０〜１０００ｎｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のしゅう動部品。

【請求項6】

前記複数のディンプルは、しゅう動面に対する面積率が３０〜５０％の範囲に設定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のしゅう動部品。

【請求項7】

前記超短パルスレーザの繰返し周波数は、５ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１乃至６に記載のしゅう動部品。

【請求項8】

前記超短パルスレーザのパルス幅は、１０ピコ秒未満であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のしゅう動部品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、たとえば、メカニカルシール、軸受、その他、しゅう動部に適したしゅう動部品に関する。特に、しゅう動面に流体を介在させて摩擦を低減させるとともに、しゅう動面から流体が漏洩するのを防止する必要のある密封環または軸受などのしゅう動部品に関する。

【背景技術】

【0002】

しゅう動部品の一例である、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、しゅう動面に多様なテクスチャリングを施すことで、これらの実現を図ろうとしており、例えば、テクスチャリングのひとつとしてしゅう動面にディンプルを配列したものが知られている。

【0003】

例えば、特開平１１−２８７３２９号公報（以下、「特許文献１」という。）に記載の発明は、しゅう動面に、深さの異なる多数のディンプルを形成することにより、しゅう動時に相手しゅう動面との間に介在する流体に発生する流体軸受圧力による負荷容量が、流体温度の変化に伴って一部のディンプルでは減少しても他のディンプルでは増大するので負荷容量が安定し、温度変化に拘らず常に良好なしゅう動性を維持するといった効果が得られるようにしたものである。
また、特開２０００−１６９２６６号公報（以下、「特許文献２」という。）に記載の発明は、焼結したセラミックス材料からなる下地材の表面に硬質皮膜を蒸着したしゅう動面を形成し、このしゅう動面に、多数のディンプルを有する構成とすることにより、耐摩耗性の向上を図ると共に、ディンプルによる液体潤滑性の向上を図るようにしたものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１１−２８７３２９号公報

【特許文献2】特開２０００−１６９２６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、温度変化に拘らず常に良好なしゅう動性を維持するためにしゅう動面に設けられるディンプルの深さに着目したものであって、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲においてしゅう動特性を向上させると共に、加工精度のよいディンプルにより所定の動圧を発生させることについては考察されていない。
また、特許文献２に記載の発明は、しゅう動面にディンプルを設けることで液体潤滑性の向上を図るようにしたものであるが、特許文献１と同様、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲においてしゅう動特性を向上させると共に、加工精度のよいディンプルにより所定の動圧を発生させることについては考察されていない。

【0006】

本発明は、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲においてしゅう動特性を向上させると共に、加工精度のよいディンプルにより所定の動圧を発生させることとの両立を図ることができるしゅう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しゅう動部品は、第１に、一対のしゅう動部品の互いに相対しゅう動する少なくとも一方側のしゅう動面にディンプルが複数配置されたしゅう動部品において、前記複数のディンプルは相互に他のディンプルと独立して設けられると共にランダムに分布するように配置され、それぞれのディンプルは超短パルスレーザの照射により形成され、深さは０．０５μｍ〜５μｍの範囲の浅い溝であって、前記ディンプルの底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であることを特徴としている。
この特徴によれば、軸受特性数の広い範囲において摩擦係数を低減させることができると共に摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させると共に、精度のよい正圧発生溝により所定の動圧を発生させることができ、また、加工時における熱の影響が少ないため摺動面にうねりがなく、密封性のよい摺動面を備えた摺動部品を提供することができる。
また、本発明のしゅう動部品は、第２に、第１の特徴において、加工部の際のデブリによる盛り上がりが０．０１μｍ未満であることを特徴としている。
この特徴によれば、より一層、密封性のよい摺動面を備えた摺動部品を提供することができる。

【0008】

また、本発明のしゅう動部品は、第３に、第１又は第２の特徴において、前記複数のディンプルは、開口径が１０〜５００μｍの範囲に設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲において、より一層、しゅう動特性を向上することができる。

【0009】

また、本発明のしゅう動部品は、第４に、第１乃至第３のいずれかの特徴において、前記複数のディンプルは、深さが５０〜１００００ｎｍの範囲に設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、しゅう動面における摩擦係数を低減することができる。

【0010】

また、本発明のしゅう動部品は、第５に、第１乃至第３のいずれかの特徴において、前記複数のディンプルの深さが、５０〜１０００ｎｍの範囲に設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、しゅう動面における極低速でのしゅう動特性を良好にすることができる。

【0011】

また、本発明のしゅう動部品は、第６に、第１乃至第５のいずれかの特徴において、前記複数のディンプルのしゅう動面に対する面積率が３０〜５０％であることを特徴としている。
この特徴によれば、しゅう動面における密封と潤滑の両立を図ることができる。

【0012】

また、本発明のしゅう動部品は、第７に、第１乃至第６のいずれかの特徴において、前記超短パルスレーザの繰返し周波数は、５ｋＨｚ以上であることを特徴としている。
この特徴によれば、パルスの重ね数が多い場合でも加工時間を適度な値に設定することができる。

【0013】

また、本発明のしゅう動部品は、第７に、第１乃至第７のいずれかの特徴において、前記超短パルスレーザのパルス幅は、１０ピコ秒未満であることを特徴としている。
この特徴によれば、１つのパルスによる熱の発生を少なくすることができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）軸受特性数の広い範囲において摩擦係数を低減させることができると共に摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させると共に、精度のよい正圧発生溝により所定の動圧を発生させることができ、また、加工時における熱の影響が少ないため摺動面にうねりがなく、密封性のよい摺動面を備えた摺動部品を提供することができる。
（２）また、加工部の際のデブリによる盛り上がりが０．０１μｍ未満であることにより、より一層、密封性のよい摺動面を備えた摺動部品を提供することができる。

【0015】

（３）複数のディンプルは、開口径が１０〜５００μｍの範囲に設定されることにより、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲において、より一層、しゅう動特性を向上することができる。

【0016】

（４）複数のディンプルは、深さが５０〜１００００ｎｍの範囲に設定されることにより、しゅう動面における摩擦係数を低減することができる。

【0017】

（５）複数のディンプルの深さが、５０〜１０００ｎｍの範囲に設定されることにより、しゅう動面における極低速でのしゅう動特性を良好にすることができる。

【0018】

（６）複数のディンプルのしゅう動面に対する面積率が３０〜５０％であることにより、しゅう動面における密封と潤滑の両立を図ることができる。

【0019】

（７）超短パルスレーザの繰返し周波数は、５ｋＨｚ以上であることにより、パルスの重ね数が多い場合でも加工時間を適度な値に設定することができる。

【0020】

（８）超短パルスレーザのパルス幅は、１０ピコ秒未満であることにより、１つのパルスによる熱の発生を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施例１に係るしゅう動部品としてのメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。

【図2】本発明の実施例に係るしゅう動部品のしゅう動面の一例を説明するためのものであって、（ａ）はしゅう動面の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。

【図3】ディンプルの有する機能を説明する説明図である。

【図4】本発明の実施例に係るしゅう動部品のしゅう動面にランダムに配置されたディンプルを示すしゅう動面の平面図である。

【図5】本発明のしゅう動部品の摺動面の加工工程において用いられる加工装置の概略構成を示す模式図である。

【図6】本発明のしゅう動部品の加工試験結果を示したもので、超短パルスレーザの波長が１０３０ｎｍの場合である。

【図7】本発明のしゅう動部品の加工試験結果を示したもので、超短パルスレーザの波長が５１５ｎｍの場合である。

【図8】超短パルスレーザの各照射フルエンスで加工した際の加工面の状態及び加工部際の盛り上がりの評価結果を示す図である。

【図9】超短パルスレーザとしてピコ秒レーザを使用して加工した場合の加工面の状態を示すものであって、（ａ）は加工面の顕微鏡写真、（ｂ）は加工面の断面を示したもので粗さを表している。

【図10】パルスレーザとしてナノ秒レーザを使用して加工した場合の加工面の状態を示すものであって、（ａ）は加工面の顕微鏡写真、（ｂ）は加工面の断面を示したもので粗さを表している。

【図11】本発明の実施例に係るしゅう動部品のしゅう動面にランダムに配置されたディンプルを示すしゅう動面の平面図であって、他の変形例を示したものである。

【図12】本発明の実施例に係るしゅう動部品のしゅう動面にランダムに配置されたディンプルを示すしゅう動面の平面図であって、さらに他の変形例を示したものである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置などは、特に明示的な記載がない限り、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

【実施例】

【0023】

図１ないし図９を参照して、本発明の実施例に係るしゅう動部品について説明する。
なお、以下の実施例においては、しゅう動部品の一例であるメカニカルシールを例にして説明するが、これに限定されることなく、例えば、円筒状しゅう動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸としゅう動する軸受のしゅう動部品として利用することも可能である。
なお、メカニカルシールを構成するしゅう動部品の外周側を高圧流体側（被密封流体側）、内周側を低圧流体側（大気側）として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、高圧流体側と低圧流体側とが逆の場合も適用可能である。

【0024】

図１は、メカニカルシールの一例を示す縦断面図であって、しゅう動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする高圧流体側の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り、高圧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一方のしゅう動部品である円環状の回転側密封環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他方のしゅう動部品である円環状の固定側密封環５とが設けられ、固定側密封環５を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング６及びベローズ７によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされたしゅう動面Ｓ同士で密接しゅう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、回転側密封環３と固定側密封環５との互いのしゅう動面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。
なお、図１では、回転側密封環３のしゅう動面の幅が固定側密封環５のしゅう動面の幅より広い場合を示しているが、これに限定されることなく、逆の場合においても本発明を適用出来ることはもちろんである。

【0025】

回転側密封環３及び固定側密封環５の材質は、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び自己潤滑性に優れたカーボンなどから選定されるが、例えば、両者がＳｉＣ、あるいは、回転側密封環３がＳｉＣであって固定側密封環５がカーボンの組合せが可能である。
相対しゅう動する回転側密封環３あるいは固定側密封環５の少なくともいずれか一方のしゅう動面には、図２に示すように、ディンプル１０が配設されている。
本例では、固定側密封環５のしゅう動面Ｓに複数のディンプル１０が配設されている。この場合、回転側密封環３にはディンプルは設けられなくてもよく、また、設けられてもよい。

【0026】

図２において、しゅう動部品１の断面形状は、図１（ｃ）に示すように凸形状をしており、その頂面が平坦なしゅう動面Ｓを構成している。このしゅう動面Ｓには、図２（ｂ）に示すような多数のディンプル１０が独立して設けられている。これらのディンプル１０は、しゅう動面Ｓの径方向の幅全体ではなく、低圧流体側においては平坦なランド部Ｒが一定幅で全周に残るように形成された低圧流体側密封面ＩＳを除いた部分に設けられる。しゅう動面Ｓの高圧流体側においては、ディンプル１０は縁部まで設けられてもよい。

【0027】

本発明において、「ディンプル」とは、平坦なしゅう動面Ｓに形成されるくぼみのことであり、その形状は特に限定されるものではない。例えば、くぼみの平面形状は円形、楕円形、長円形、もしくは多角形など種々の形が包含され、くぼみの断面形状もお椀状、または、方形など種々の形が包含される。
そして、しゅう動面Ｓに形成された多数のディンプル１０は、このしゅう動面Ｓと相対しゅう動する相手側しゅう動面との間に流体力学的な潤滑液膜として介入する液体の一部を保持して、潤滑液膜を安定化させる機能を有するものである。

【0028】

個々のディンプル１０は、図３に示すようなレイリーステップを構成するものとみなすことができる。
図３において、固定側密封環５のしゅう動面Ｓ（Ｒ）には図の断面と直交する方向に延びるレイリーステップ１０ａが形成されており、回転側密封環３のしゅう動面Ｓは平坦に形成されている。回転側密封環３が矢印で示す方向に相対移動すると、両しゅう動面間に介在する流体が、その粘性によって矢印方向に追随移動しようとし、その際、レイリーステップ１０ａの存在によって動圧（正圧）を発生する。動圧の発生によりしゅう動面間の潤滑液膜が増大され、潤滑性能が向上されるものである。動圧効果により潤滑性能が向上させられる一方、漏れ量が増える恐れがあり、漏れ量を減らすため潤滑液膜を薄くするようにディンプルの量を少なくすると、しゅう動面Ｓが接触し摩耗を起こしやすくなる。

【0029】

図４は、本発明の実施例に係るしゅう動部品のしゅう動面にランダムに配置されたディンプルを示すしゅう動面の平面図である。図４において、図２の符号と同じ符号は図１と同じ部材を示しており、詳しい説明は省略する。
図４において、しゅう動面に形成された複数のディンプル２は、相互に他のディンプ
と独立して設けられ、ランダムに分布するように配置されている。

【0030】

本例では、複数のディンプル２の開口径は、全て同一である場合の他、一定の範囲に分布されてもよい。
例えば、図４の場合、好ましくは１０〜５００μｍ、より好ましくは３０〜１００μｍの範囲に分布されている。このため、より一層、しゅう動特性を向上することができる。
また、複数のディンプル２の深さは、摩擦係数低減の面から５０〜１００００ｎｍの範囲内に設定されることが好ましいが、極低速でのしゅう動特性を重視する場合には、好ましくは５０〜１０００ｎｍ、より好ましくは５０〜５００ｎｍの範囲内に設定される。
また、密封と潤滑の両立を図るため、複数のディンプルのしゅう動面に対する面積率は４０％を採用したが、これに限らず３０〜５０％でもよい。

【0031】

次に、図５を参照しながら、本発明の摺動部品の摺動面に複数のディンプル１０を加工する加工方法について説明する。
なお、図５は、本発明の摺動部品の摺動面の加工工程において用いられる加工装置２０の概略構成を示す模式図である。

【0032】

加工装置２０は、超短パルスレーザを発振する超短パルスレーザ発振器２１と、当該超短パルスレーザを被加工物である固定側密封環５の所定位置に照射する走査光学系２２と、制御部２４と、ＸＹＺステージ２５と、架台２６と、昇降部材２７とを備える。本例では、走査光学系２２は、ガルバノスキャナー２３を備えており、一方向、例えばＸ軸方向の走査をガルバノスキャナー２３で行い、Ｙ軸方向の走査をＸＹＺステージ２５の移動で行い、ガルバノスキャナー２３の高速走査性を利用するものとしている。このため、ＸＹＺステージ２５は、少なくともＹ及びＺ方向に移動可能であればよい。架台２６の上面にはＸＹＺステージ２５が設置され、ＸＹＺステージ２５には被加工物である固定側密封環５が搭載されている。昇降部材２７はシャフト２８を介して架台２６と接続される。

【0033】

超短パルスレーザ発振器２１から発生した超短パルスレーザ光は、走査光学系２２に入る。走査光学系２２は超短パルスレーザ光を所望のビーム形状に成形しＸＹＺステージ２５上の被加工物である固定側密封環５の表面の所定の位置に集光させる。被加工物である固定側密封環５の材質は、例えばＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、セラミックス、超硬合金、ステンレスなどである。本実施例では、被加工物である固定側密封環５としてＳｉＣを用いる。

【0034】

制御部２４は、超短パルスレーザ発振器２１、走査光学系２２及びＸＹＺステージ２５の駆動を制御する制御装置として機能する。すなわち、制御部２４は、駆動信号を超短パルスレーザ発振器２１、走査光学系２２及びＸＹＺステージ２５に出力する。超短パルスレーザ発振器２１は、制御部２４からの駆動信号で指示されたフルエンスとパルス幅に基づき超短パルスレーザを生成して装置外にレーザを照射する。具体的には、制御部２４からの駆動信号により超短パルスレーザ発振器２１内の例えば回折格子、プリズム、遮光フィルタ等の構成要素の駆動を制御する。

【0035】

本実施例では、超短パルスレーザ発振器２１はパルスの繰り返し周波数は５ｋＨｚ以上、レーザ波長１０３０ｎｍ又は５１５ｎｍ、パルス幅２０ピコ秒未満まで変更可能な光源を用いる。

【0036】

次に、上記加工装置２０の動作を説明する。
まず、制御部２４を用いて照射すべき超短パルスレーザ光の基本パラメータを設定する。 基本パラメータの設定は、例えば制御部２４に設けられた入力装置を用いて入力すればよい。入力する基本パラメータとしては、例えばフルエンス、パルス幅、ショット数などであるが、これら基本パラメータは、制御部２４内に設けられたアプリケーションプログラムが自動で算出してもよい。得られた基本パラメータに基づき制御部２４は超短パルスレーザ発振器２１に駆動信号を出力する。

【0037】

制御部２４からの駆動信号を超短パルスレーザ発振器２１が受けると、超短パルスレーザ発振器２１は駆動信号で指定されるフルエンス及びパルス幅のレーザ光を生成して出力する。超短パルスレーザ発振器２１から発生した超短パルスレーザ光は、走査光学系２２に入り、走査光学系２２は超短パルスレーザ光を所望のビーム形状に成形しＸＹＺステージ２５上の被加工物である固定側密封環５の表面の所定の位置に集光させる。ある一点におけるレーザ照射が指定されたショット数に達すると、ガルバノスキャナー２３及びＸＹＺステージ２５を駆動して超短パルスレーザと被加工物である固定側密封環５を相対的に移動させる。これにより、１つの被加工物である固定側密封環５に対して複数の位置にレーザ照射することができる。

【0038】

図６は、基本パラメータの各々についての加工試験結果を示したもので、超短パルスレーザの波長は１０３０ｎｍ、パルス幅は１０ｐｓ以下のピコ秒レーザを使用した。

【0039】

図７は、基本パラメータの各々についての加工試験結果を示したもので、超短パルスレーザの波長は５１５ｎｍ、パルス幅は１０ｐｓ以下のピコ秒レーザを使用した。

【0040】

図８は、超短パルスレーザの波長が１０３０ｎｍ、及び、５１５ｎｍである場合において、各照射フルエンスで加工した際の加工面の状態及び加工部際の盛上がりの評価結果を示す図であって、評価項目としては、（１）加工面の状態及び加工部の際のデブリによる盛り上がりの状態である。図６では、加工面の状態に関しては、加工面（ディンプルの底面をいう。以下、同じ。）の粗さＲａが加工深さの１／１０以下である場合はＯＫ、それ以外はＮＧとし、また、加工部際の盛上がりに関しては、加工部の際（ディンプルの際）のデブリによる盛上がりが０．０１μｍ未満である場合はＯＫ、それ以外はＮＧとした。

【0041】

図８によれば、超短パルスレーザの波長が１０３０ｎｍの場合、加工面の状態は、フルエンスが０．５、１、２、３、５、７において粗さＲａが加工深さの１／１０以下であった。また、加工部の際の盛り上がりの状態は、フルエンスが０．１、０．２、０．４、０．５、１、２、３、５、７、８、９、１０、３０において盛り上がりが０．０１μｍ未満であった。
また、超短パルスレーザの波長が５１５ｎｍの場合、加工面の状態は、フルエンスが０．５、１、２、３、５、７において粗さＲａが加工深さの１／１０以下であった。また、加工部の際の盛り上がりの状態は、フルエンスが０．１、０．２、０．４、０．５、１、２、３、５、７、８、９において盛り上がりが０．０１μｍ未満であった。
以上の結果から、加工工程において用いられる超短パルスレーザのエネルギーフルエンスは、０．５Ｊ／（ｃｍ^２．ｐｕｌｓｅ）〜７Ｊ／（ｃｍ^２．ｐｕｌｓｅ）の範囲において好適であることが判明した。

【0042】

図９は、超短パルスレーザとしてピコ秒レーザを使用して加工した場合の加工面の状態を示すものであって、（ａ）は加工面の顕微鏡写真、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を表したもので加工面の粗さを示している。なお、使用した超短パルスレーザの波長は１０３０ｎｍであって、エネルギーフルエンスは２．５Ｊ／（ｃｍ^２．ｐｕｌｓｅ）であり、１ショットの加工深さは０．０２μｍである。
図９（ｂ）から、加工面（ディンプルの底面をいう。以下、同じ）の深さは１．０２５μｍであって加工面の粗さＲａは約０．０３μｍであり、加工面の面粗さＲａは、加工深さの約３／１００であり、加工深さの１／１０より十分小さいものであった。また、加工部の際（ディンプルの際）のデブリによる盛り上がりは０．０１μｍときわめて小さいものであった。

【0043】

図１０は、パルスレーザとしてナノ秒レーザを使用して加工した場合の加工面の状態を示すものであって、（ａ）は加工面の顕微鏡写真、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面を表したもので加工面の粗さを示している。
図１０（ｂ）から、加工面（ディンプルの底面）の粗さＲａは約０．７５μｍである。また、加工部の際（ディンプルの際）のデブリによる盛り上がりは約０．７８４μｍである。

【0044】

以上によれば、ナノ秒レーザを使用して加工した場合の加工面の状態は、ピコ秒レーザを使用して加工した場合の加工面の状態に比べて、加工面（正圧発生溝及び負圧発生溝の底面）の粗さＲａにおいて約２５倍、加工部の際（ディンプルの際）のデブリによる盛り上がりは約７８倍であることが分かる。

【0045】

本発明においては、極めてパルス幅の短い超短パルスレーザを用いてＳｉＣなどからなる摺動部品を加工するので、超短パルスレーザを照射した領域の周囲の温度が従来のナノ秒レーザを照射した場合より上昇し難い。これは、超短パルスレーザにおいては１つのパルスによる熱の発生が通常のナノ秒レーザに比べて極めて少ないためである。したがって、超短パルスレーザを照射した部分を当該レーザの照射によるアブレーションで除去して平坦な溝を形成する一方、溝の際がレーザの照射に起因するデブリで盛り上がったりすることなく、極めてきれいな加工面を得ることができる。特に、超短パルスレーザのエネルギーフルエンスを制御することにより、きわめて平坦な加工面及び加工際にデブリによる盛り上がりのない高精度な溝を正確に形成できる。

【0046】

また、上述のように超短パルスレーザを加工に用いるので、当該レーザの照射領域の周囲への熱影響を極めて小さくできる。そのため、レーザの照射に起因してＳｉＣなどからなる摺動部品の摺動面のレーザ照射領域の周囲の温度が上昇して、その熱の影響により当該摺動面にうねりが生じるといった問題の発生を抑制できる。また、従来の機械加工では溝深さが０．０５μｍ〜５μｍの加工を行うことは無理である。さらに、公知のイオンミーリングは加工時間がかかり、また、エッチングでは時間もコストもかかるという問題がある。

【0047】

本発明の超短パルスレーザを用いた加工では、エネルギーフルエンスを、０．５Ｊ／（ｃｍ^２．ｐｕｌｓｅ）〜７Ｊ／（ｃｍ^２．ｐｕｌｓｅ）の範囲に設定することにより、きわめて平坦な加工面及び加工際にデブリによる盛り上がりのない高精度な摺動面を得ることができ、かつ、作業効率もよい。
エネルギーフルエンスが８Ｊ／（ｃｍ^２．ｐｕｌｓｅ）以上では、１回のショットのパルスエネルギが大きすぎるため、加工面が荒れて粗さＲａが大きくなる。
さらに、波長が１０３０ｎｍにおいては、エネルギーフルエンスが５０Ｊ／（ｃｍ^２．ｐｕｌｓｅ）以上では、また、波長が５１５ｎｍにおいては、エネルギーフルエンスが１０Ｊ／（ｃｍ^２．ｐｕｌｓｅ）以上では、デブリが発生し、加工部の際が盛り上がる。

【0048】

摺動部品がＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、セラミックス、超硬合金、ステンレスのいずれか１つの材料から形成される場合、超短パルスレーザのエネルギーフルエンスは、０．５Ｊ／（ｃｍ^２．ｐｕｌｓｅ）〜７Ｊ／（ｃｍ^２．ｐｕｌｓｅ）の範囲であることが好ましい。

【0049】

本発明の実施の形態に係るしゅう動部品の作用・効果は以下のとおりである。
（１）複数のディンプルは相互に他のディンプルと独立して設けられると共にランダムに分布するように配置され、それぞれのディンプルは超短パルスレーザの照射により形成され、深さは０．０５μｍ〜５μｍの範囲の浅い溝であって、前記ディンプルの底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であることにより、軸受特性数の広い範囲において摩擦係数を低減させることができると共に摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させると共に、精度のよい正圧発生溝により所定の動圧を発生させることができ、また、加工時における熱の影響が少ないため摺動面にうねりがなく、密封性のよい摺動面を備えた摺動部品を提供することができる。
（２）加工部の際のデブリによる盛り上がりが０．０１μｍ未満であることにより、より一層、密封性のよい摺動面を備えた摺動部品を提供することができる。
（３）複数のディンプルは開口径が好ましくは１０〜５００μｍ、より好ましくは３０〜１００μｍの範囲に設定されることにより、しゅう動面における軸受特性数の広い範囲において、より一層、しゅう動特性を向上することができる。
（４）複数のディンプルは深さが５０〜１００００ｎｍの範囲に設定されることにより、しゅう動面における摩擦係数を低減することができる。
（５）複数のディンプルは深さが好ましくは５０〜１０００ｎｍ、より好ましくは５０〜５００ｎｍの範囲に設定されることにより、極低速でのしゅう動特性を良好にすることができる。
（６）複数のディンプルはしゅう動面に対する面積率が３０〜５０％の範囲に設定されることにより、密封と潤滑の両立を図ることができる。
（７）超短パルスレーザの繰返し周波数は５ｋＨｚ以上であることにより、パルスの重ね数が多い場合でも加工時間を適度な値に設定することができる。
（８）超短パルスレーザのパルス幅は１０ピコ秒未満であることにより、１つのパルスによる熱の発生を少なくすることができる。

【0050】

以上、本発明の実施の形態を実施例により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

【0051】

例えば、前記実施例では、しゅう動部品をメカニカルシール装置における一対の回転用密封環及び固定用密封環の少なくともいずれか一方に用いる例について説明したが、円筒状しゅう動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸としゅう動する軸受のしゅう動部品として利用することも可能である。

【0052】

また、例えば、前記実施例では、外周側に高圧の被密封流体が存在する場合について説明したが、内周側が高圧流体の場合にも適用でき、その場合、ディンプルを内周側に連通させて配設すればよい。

【0053】

また、例えば、前記実施例では、複数のディンプルは、開口径が好ましくは１０〜５００μｍ、より好ましくは３０〜１００μｍの範囲に設定されている場合を説明したが、これらは好ましい１つの例を示したものであり、これらに限定されず、複数のディンプルがランダムに分布されていることが重要であり、分布の割合は、しゅうどう面の軸受特性数Ｇ（流体の粘度×速度／荷重）に応じて最適な値に設定されればよい。

【0054】

また、例えば、前記実施例では、複数のディンプルの深さとして、摩擦係数低減の面からは５０〜１００００ｎｍの範囲から選定されるのが好ましいとと説明したが、極低速でのしゅう動特性を良好にするには好ましくは５０〜１０００ｎｍ、より好ましくは５０〜５００ｎｍの範囲に設定される。

【0055】

また、例えば、前記実施例では、密封と潤滑の両立を図る観点から、複数のディンプルのしゅう動面に対する面積率として４０％を採用した場合について説明したが、これに限定されず、３０〜５０％の範囲でもよい。

【0056】

また、例えば、前記実施例では、ディンプル１０は、低圧流体側においては平坦なランド部Ｒが一定幅で全周に残るように形成された低圧流体側密封面ＩＳを除いたほぼ全域の部分に設けられる場合について説明したが、これに限らず、図１１に示すように、開口径が同一の複数のディンプル１０を、摺動面の径方向における高圧流体側にのみランダムに配置し、低圧流体側（低圧流体側密封面ＩＳを含む。）にはディンプルを設けずにフラットな状態にしてもよい。図１１の場合、摺動面の径方向における高圧流体側の略６０％の幅にディンプルが設けられ、低圧流体側の略４０％の幅はディンプルのないフラットな状態に形成されている。このため、密封領域の幅が増大し、ほぼ全域にディンプルを設ける場合に比較して漏れ量を低減させることができる。
なお、ディンプルを設ける範囲は略６０％の幅に限らず、例えば、２０〜８０％の幅でもよい。

【0057】

また、例えば、図１２に示すように、摺動面の径方向の略中央に全周にわたる深溝１１を設け、該深溝１１の径方向の両側のしゅう動面に開口径が同一の複数のディンプル１０をランダムに配置してもよい。その際、深溝１１より低圧流体側のしゅう動面において低圧流体側密封面ＩＳにはディンプル１０は設けられない。
この場合、高圧流体側から低圧流体側に漏れようとする流体は深溝１１に貯留されるため漏れ量を低減させることができると共に、しゅう動面の摩耗粉も深溝１１に捕獲されるためしゅう動面の摩耗を低減させることができる。
なお、深溝１１は半径方向の溝を介して高圧流体側に連通されるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0058】

１ 回転軸
２ スリーブ
３ 回転側密封環
４ ハウジング
５ 固定側密封環
６ コイルドウェーブスプリング
７ ベローズ
１０ ディンプル
１０ａ レイリーステップ
１１ 深溝
２０ 加工装置
２１ 超短パルスレーザ発振器
２２ 走査光学系
２３ ガルバノスキャナー
２４ 制御部
２５ ＸＹＺステージ
２６ 架台
２７ 昇降部材
２８ シャフト
Ｓ しゅう動面
ＩＳ 低圧流体側密封面
Ｒ ランド部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【国際調査報告】