JP2005511971A

JP2005511971A - シールリングおよびレーザでリング微小起伏面を形成する方法

Info

Publication number: JP2005511971A
Application number: JP2002507199A
Authority: JP
Inventors: ライオネルエイ．ヤング; ジェフリィアール．スタローチ
Original assignee: フロウサーブマネージメントカンパニー
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2021-07-05
Also published as: AU2001273263A1; CA2415141A1; DK1311778T4; DK1311778T3; WO2002002971A2; JP5390056B2; EP1311778B2; CA2415141C; EP1311778A4; MXPA03000192A; EP1311778B1; EP1311778A2; WO2002002971A3

Abstract

例えば波形面や径方向溝（谷）といった微小起伏要素（２２）を有する軸封装置のシールリング（１０）。その波形面あるいは径方向溝は、シール対向面間における流体力学的なシール部位となるシール面に形成される。その微小起伏要素は、少なくとも光線の横端が非直線で収束部位となるような形状のエキシマレーザ装置（５９）で形成される。その光線収束部位は、互い接近する部位、好ましくは非直線である横端部位に形成される。レーザ光線によってまず同一の光線通路に沿って連続的に切除し、例えば波形面溝や径方向溝といった微小起伏要素を構成する隣接した複合光線切除部位を形成する。レーザ光線によって隣接して平行する複数の溝に切除する際には、光線経路が側方で隣接してそれぞれ重なり、その側方で隣接する溝の端が共に混合される。本発明の方法は、精密・正確に微小起伏要素を形成してシールリング性能を改良する方法を提供するものである。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は回転軸のシールリングに関するものであり、特にレーザで形成される微小起伏シール面を有するシールリングに関するものである。
【０００２】
（背景技術）
ポンプやコンプレッサ等の回転軸を密封するには、軸上に非接触の軸封装置を用いることが知られている。その軸封装置は、軸方向に隣接する一対のシールリングで構成される。一方のシールリングは軸と共に回転し、他方はシールハウジングに回転不可能に連結される。シールリングは軸方向で対向する端面をそれぞれ備えており、それらシール端面は対向して密接状態にし、シールリングの外径および内径間の径方向にわたるシーリング部位を形成する。密封される流体は液体あるいはガスでよく、このシーリング部位によって、シール端面にわたる流体の径方向移動または漏れを防止または最小限にする。
【０００３】
より具体的には、シール端面は、通常、軸が回転していない場合には相互接触して配置され、静的密封する。さらに、シール端面の少なくとも一方には、軸が回転する場合にシール端面間に流体被膜を生じさせる流体力学的な面パターンが施されており、シール端面間の接触を減少する。流体力学的な面パターンは、波形面や、ら旋溝や、Ｔ形状溝といったものが知られている。端面パターンは、種々の方法によってシール面に形成されるが、平坦なシール面から材料を除去して非常に浅い深さに形成するのが一般である。
【０００４】
例えば米国特許第５５２９３１７号（マラー）明細書においては、いくつかのシール面パターンが開示されている。すなわち、シール面パターンの一つとしては、シール面に段差を付けた窪みパターンがあり、軸回転の際にシール端面間で流体力学的な負荷支持を行う。その長方形の段窪みは、レーザ光線経路を重ねる方法で形成される。
【０００５】
長方形に形成したレーザ光線を、前記米国特許第５５２９３１７特許における長方形の段を形成するのに用いてよいが、隣接する２つのレーザ光線経路が重なる場合、その領域は過剰な深さに形成されることが分かっている。重なり領域は、まず第１経路上で切除され、それから第２経路上でさらに切除されるからである。特に、各経路においては、リング材を蒸発させるレーザ光線のアブレーションによって、所定量のシールリング材料が除去すれる。レーザ光線経路が重ならない領域においては、それぞれ同量の材料が除去される。しかし、レーザ光線経路が重なる各領域においては、重なりのない領域よりも深い重なり溝を形成するように材料が除去される。さらに、長方形のレーザ光線を用いる場合、レーザ通過経路で形成される各溝の両端は長方形となり、その結果、隣接する各端にはシール面にわたって段が形成される。
【０００６】
（発明の開示）
そこで本発明の目的は、レーザ光線の複数経路によって形成される微小起伏要素を有するシールリングを提供することにある。光線は、要求される深さより深い過剰な深さの重なり溝が形成されるのを防止する形状に構成される。また、本発明の目的は、シールリングの微小起伏要素を形成する方法を提供することにあり、各レーザ切除部位を混合して、微小起伏要素の周囲端すなわち境界を高精度で切除形成する。
【０００７】
これらの目的達成のために、本発明は、精密な微小起伏要素を有するシール面のシールリングと、これらの微小起伏要素を形成する方法とに関与するものである。
【０００８】
微小起伏要素は、シール面に沿った複合経路で材料を除去するレーザ光線によってシール面に形成される。微小起伏要素を形成する際には、レーザ光線が同一の光線通路に沿った一つ以上の経路で第１の切除を行い、切除部すなわち溝を切除形成する。波形シール面に要求される中心部側でより深くなった切除部を形成するため、切除部の端よりも中央により多くのアブレーション経路が施されるように、次の切除経路は前の経路よりも短くなっている。その結果、切除部の深さは変化しており、少なくとも一方のまたは出来れば両方の端から離れるにつれて、深さが増加あるいはテーパしているようになる。レーザ光線は、同一の光線通路に沿った複合アブレーション経路部位を切除するのみならず、側方に移動して隣接した光線通路を切除する。その結果、一つ以上の隣接または接触する切除部すなわち溝が最終的に例えば波形面、径方向溝等の微小起伏要素を形成する。
【０００９】
また、本発明は、シールリングの性能を改善するより精密・正確な微小起伏要素の方法を提供するものである。レーザ光線が次々に溝を切除形成するので、その溝に沿って連続する各アブレーション経路が側方で隣接する先行する光線経路と重なり、微小起伏要素が形成されるシール面領域を完全にカバーし、側方で隣接する溝の端が共に混合される。
【００１０】
この点につき、レーザ光線の形状は、マスクによって光線の横端が非直線となる所定の幾何学的形状にされる。この横端は、一連の光線経路と重なる光線重なり領域を構成するものである。例えば、実施例のマスクにおいて、レーザ光線が通過する円形の開口は、レーザ光線がシールリングに接触する場合に円形となるように形成される。
【００１１】
レーザ光線およびシールリングが連続的な切除工程で相対的に移動するので、円形のレーザ光線が縦方向に進行し、側方から見て連続する半円のアブレーション溝を切除形成する。非直線の光線横端が縦方向に進行し、アブレーション溝の両横端を形成する。その光線の形状によって、半円形の溝の深さは、幅方向では均等ではなくなる。リング材の中心部位でより多量のリング材が除去されるとともに、レーザ光線の横端領域からはより少量しかリング材が除去されないからである。より浅い側端領域では、隣接したレーザ光線経路が重なる重なり領域が形成される。
【００１２】
長方形の光線とは異なり、光線の重なり領域となる非直線横端は、かなりの度合いで、例えば円形光線幅の最高２５％まで重なってよいが、重なり領域の深さは、重なりのない領域の深さを越えないようにする。それにより、形成される微小起伏要素の最大深さを超える重なり領域の重なり溝の形成を避けることができる。
【００１３】
レーザ光線は、円形のみならず他の非円形でもよい。例えば、レーザ光線は、楕円形でもよく、あるいは中心部位が直線で両端が非直線の略アーチ形となってもよい。アーチ形の側部位は、連続する曲線であるいは弧を描く短い直線の部位で構成してもよい。これらの代替光線形においては、光線の両横端は非直線であり、シール面が非均等な深さとなるアブレーション切除をもたらす。
【００１４】
このシールリング、およびシールリングを形成する方法は、微小起伏要素を形成するにつき有利である。本発明方法は、例えば形状変更したレーザ光線を設け光線切除の重なりを最適化することで、それぞれ隣接する光線経路の両横端に沿った重なり領域に形成される望ましくない過剰な深さ溝を排除あるいは制御する。さらに隣接する光線切除の端を混合することで、長方形のレーザ光線による長方形の段のある端の場合とは異なり、アーチ形あるいは曲がった微小起伏要素の境界を形成する。
【００１５】
このシールリングの方法は、繰返し性があり正確な製造工程を実現するのみならず、多様な微小起伏要素を構成する能力を大幅に改善する。
【００１６】
本発明のその他の目的とその変形は、以下の明細書と添付図面により直ちに明らかになる。
【００１７】
（発明を実施するための最良の形態）
図１、２Ａ、２Ｂに示すように、本発明は軸封装置のシールリング１０（図１）に関するものであるとともに、シールリング１０のシール面１５に微小起伏要素を形成するレーザユニット１４を備えたシールリング加工装置１２に関するものである。より詳細に説明するが、レーザユニット１４は、少なくとも光線対向側端（横端）が非直線であるレーザ光線を発し、シール面１５を連続して切除する。切除により幅方向で非均等な深さに形成して光線経路の重なりを実現し、より正確かつ精密に微小起伏要素を形成する。
【００１８】
図１に示すシールリング１０については、外径１７および内径１８によってシールリング１０の形状が環状となるように従来の方法を用いて形成される。シール面１５は、外径１７・内径１８間にわたって径方向に延長し、シーリング部位１９を構成する。軸封装置の一部としてシールリング１０をポンプやコンプレッサ等の装置の回転軸に組み付ける場合には、シール面１５は、対向する他方のシールリングのシール面と軸方向で向き合うように配置される。
【００１９】
軸封装置（一般にメカニカルシールと称する）を構成するそれぞれ対向する一対のシールリングの構造および機能は周知のものであるので、軸封装置の構造に関する詳細な説明は省略する。そのような構造は、権利譲受人取得の米国特許第５８３３５１８号に示されている。対して本明細書は、シールリング１０の特定の形状および要素と、シールリング加工装置１２の構造とについてのものである。
【００２０】
図１には、波形面の形状である微小起伏要素が形成されたシールリング１０が示されている。具体的には、シール面１５の内径１８には、対向シール面に接触するに適した環状のシールダム２０が形成されている。シールダム２０は環状部位を形成し、回転していない場合および回転始動状態において、シーリング部位１９全体にわたる流体が径方向に漏れるのを防止する。シールダム２０は内径１８上に位置しているが、その他の径方向の位置、例えば外径１７に配置してもよい。
【００２１】
さらに、シール面１５には、円周方向で隣接する複数の波２２が形成されている。それぞれの波２２は、一対の波頂点２４間の円周上に谷（溝）２３が形成されている。図１のシールリング１０においては、その断面形状は、各々の波頂点２４では長方形となっており、この位置でシールリング１０は均等な厚さである。しかしシールリング１０の厚さは、ほぼ正弦波のように波頂点２４から外径１７に沿って円周方向に離れるにつれて薄くなり、シールダム２０から径方向に離れるにつれて薄くなる。その結果、各々の谷２３は、シールダム２０から径方向外側に延長する傾斜面２５を有していることになる。波頂点２４と谷２３との厚み差は、波２２の振幅２６として表される。図から分かるように、各々の波２２の深さは、二つの方向、すなわち径方向および円周方向において異なっている。
【００２２】
この波形面によって、軸が回転する際に対向するシール面１５間に流体被膜を発生させるという流体力学的なシールを実現する。それにより、摩擦を減少するとともに、シーリング部位１９全体の接触を最小あるいは排除する。さらに、シール面の実際の起伏は、シール面１５の起伏グラフで例示される。
【００２３】
波形面のシールリングを用いる重要性は知られている。波形面といった周知のシール面は、以下のように形成される。すなわち、まずシールリングの外径を圧縮する収縮バンドによってシールリングを歪ませ、それからシール面を包み、そして収縮バンドを除去して歪みを取り除くと、シール面は波形となる。しかし、この収縮バンド方法は、シールリングに単に限られた一定振幅の一定数の波を形成するにすぎないのであって、製造ロットにて全てのシールリングを検査して必要なパラメータに合致する波形面が形成されたか確かめる必要がある。これらの不利な点は、以下詳細に説明するように、シールリング加工装置１２のレーザユニット１４によって波形面を自由度・精度・効率を高く維持しつつ形成することで克服される。
【００２４】
以下の説明の大部分はシールリングの波形面の形成に対処したものであるが、本発明のレーザユニット１４を、径方向のあるいは螺旋形の溝やＴ字形の溝といったその他の微小起伏要素、特にレーザの複合経路に必要なサイズを有する微小起伏要素の形成に用いてもよい。さらに波形のシール面と同様に、その他の微小起伏要素の深さは、一方向または多方向において異なってもよい。
【００２５】
また、これら微小起伏要素を形成する別の方法が知られているが、この方法は限界があり、全く異なった型の微小起伏要素をシール面に形成するのは困難である。シールリング加工装置１２およびシールリング加工方法によれば、そのような限界はない。
【００２６】
ところで図２Ａに示すように、シールリング加工装置１２は、台３０およびその台３０で支持される水平の作業テーブル３１で構成される作業台２９を備えている。作業テーブル３１には、その上でシールリング１０を支持するに適するシールリング支持装置３２が設けられる。
【００２７】
シールリング支持装置３２は、使用時にはレーザが静止したままなので、切除作業の際にシールリング１０の位置を４軸調整できるようになっている。この点については図２Ａで概略的に示されるように、シールリング１０が支持される支持テーブル３４は、Ｘ軸スライドユニット３５を有しており、そのＸ軸スライドユニットは、支持テーブル３４をＸ軸方向に動かす制御装置モータ３６を備えている。
【００２８】
さらに、そのＸ軸スライドユニット３５に支持されそれとともにＸ軸方向に移動可能なＹ軸スライドユニット３９が設けられる。Ｙ軸スライドユニット３９は、支持テーブル３４上面で支持し、支持テーブル３４を選択的にＹ軸に移動させる制御モータ４０に移動可能に連結している。
【００２９】
具体的に支持テーブル３４については、Ｙ軸スライドユニット３９上面で回転可能に支持され、モータ駆動のロータリテーブル４２に回転可能に連結する。モータ駆動のロータリテーブル４２は、選択的に回転し、支持されるシールリング１０の角度位置を調整する。さらに、後述するように４軸調整できるＺ軸スライドユニット４３が設けられる。
【００３０】
シールリング１０を支持するため、支持テーブル３４は円形の板４５の上面４４を有している。シールリング１０は、板４５から突出する３つの停止部４７によって固定するに適した位置で板４５上に配置される。各停止部４７は、直立のロッド状の突起部４８と、それに接する弾力的なＯリング４９とで構成される。停止部４７は径方向外側に同時に共に移動可能であり、径方向に内側にシールリング１０の外径１７を把持しつつ停止部間でシールリング１５を配置するための十分な隙間が設けられている。それにより、シールリング１０は、支持テーブル３４へ固定され、それからＸ軸・Ｙ軸方向でシールリング１０の位置調整でき、また角度θも調整できる。さらに支持テーブル３４は、シールリング１０を複数回数回転する。レーザユニット１４は、切除半径においてシール面１５に沿った円周方向に溝を切除形成し、それからシールリング１０のＸ軸、Ｙ軸位置を調整し、異なる切除半径で引き続き切除するように調整する。
【００３１】
さらにシールリング支持装置３２は、垂直のＺ軸調整のためにＺ軸スライドユニット４３を備えている。そのＺ軸スライドユニットは、側方に間隔をあけて配置した一対の垂直な支持柱５０を備えている。その支持柱は、レーザユニット１４上の構成要素を支持するに適している。また、シールリング支持装置３２は、駆動モータ５１と、駆動モータ５１・直線スライド７１間にわたって水平に延長する駆動ベルト５２とを備えている。直線スライド７１は、レーザユニット構成要素の垂直高を調整する支持柱５０に取り付けられる。
【００３２】
シールリング支持装置３２の全てのモータは、適切な制御ケーブル５３でコンピュータ制御装置に連結されている。制御装置は、支持テーブル３４を回転させるロータリテーブルモータのみならず各モータ３６、４０、５１が選択的に作動してシール面１５のレーザ加工のためシールリング１０の位置を制御するようプログラム可能である。市販のコンピュータプログラムであるラブビュ（Ｌａｂｖｉｅｗ）を用いて制御装置を実行できる。
【００３３】
また、変位レーザ５４（図２Ａ・図３）は、シールリング１０側に導き出されるものであり、レーザの最終対物レンズ８４を基準としたシールリング１０の位置を正確に制御する制御装置に連結している。レーザ切除方法を開始する場合には、シールリング１０をレーザ５４の下に移動し、レーザの焦点距離が適切になるようＺ軸位置を調整する。
【００３４】
制御装置のプログラミングに応じて、レーザユニット１４はシールリング１０に波形面を形成できるのみならず、ら旋みぞ等のようなその他の微小起伏要素も形成できる。
【００３５】
図２Ａにて示すレーザユニット１４に話を向けると、エキシマレーザ５９が台３０内に設けられる。エキシマレーザは、側方に開放したレーザ光線出口ポート６０を備えている。エキシマレーザ５９は、弗化クリプトン（ＫｒＦ）レーザであり、約２４８ナノメータ紫外線領域で稼働する。このレーザは、微小起伏要素を形成する場合にシールリング１０にほとんど熱を生じさせないことから選択される。
【００３６】
一般に、レーザ５９がレーザ光線６２を発し（図２Ｂ）、シール面１５と接触してアブレーションによって材料を切除する。台３０側の出口ポート６０からテーブル３１上のシールリング１０にレーザ光線６２を導くために、一連のレンズ・鏡が設けられる。
【００３７】
より詳しくは、レーザ光線６２が放出されて、台３０側面で支持される反射鏡６４にぶつかり上方へ向きを変え、台３０側面に取り付けられる減衰器６５に向かう。それから光線６２は、減衰器ポート６６から上方へ向かい、支持レール装置６８に支持された垂直に離間して配置した一対のホモジナイザレンズ６７に至る。
【００３８】
支持レール装置６８は一対の垂直レール７０を備えており、レール７０の下端は、直線スライドあるいは垂直アクチュエータ７１で摺動可能に支持柱５０に連結している。アクチュエータ７１は、レール７０と支持柱５０とを連結する。上記の駆動モータ５１は、支持レール装置６８全体を垂直Ｚ軸方向に移動するよう選択的に動作する。
【００３９】
レール７０の上端には水平な光学レール７２を支持して設けている。光学レール７２には、光学部品を摺動可能に支持する複数の水平スロット７３が形成されている。光学レール７２の後端には、ホモジナイザレンズ６７が摺動可能に支持される下方支持レール７６を備えている。ホモジナイザレンズ６７を垂直に調整して、レーザ光線６２の特性を調整できる。さらに光学レール７２の両端には、別の下方支持レール７７を備えている。
【００４０】
光学レール７２に関しては、ホモジナイザレンズ６７の真上に第１反射鏡７９が設けられ、光線を受け入れるとともに向きを変え、光学レール７２の長さに導く。他方の光学レール７２端側では、視野レンズ８０がレールスロット７３で摺動可能に支持されている。視野レンズ８０の下流側には、隣接する略長方形のマスク８１を備えている。後でより詳細に説明するが、マスク８１は、レーザ光線６２をシールリング１０に施す前に、レーザ光線を形状を変えるものである。
【００４１】
マスク８１によって形状が変更したレーザ光線６２は、視野レンズ８０から水平に下流側に進行して、それから別の反射鏡８３で下方に向きを変える。最後に、図２Ｂに概略が示されるように、レーザ光線６２は最終対物レンズ８４を通って、下方へシール面１５へと至る。
【００４２】
特に回転する支持テーブル３４に近接する点において最終対物レンズ８４によって最終対物レンズ８４が汚染されるのを防止するため、最終対物レンズ８４には、下方開口部出口ポート８７を備えた漏斗状の囲い板８６が設けられている（図２Ｂ・図３）。空気供給部８８が囲い板８６に連結しており、囲い板８６に空気流を供給する。レーザ加工による破片が対物レンズ８４から吹き飛ばされるように、空気流が出口ポート８７を通って下方へ吹き出る。
【００４３】
作業においては、レーザ光線６２をシールリング１０の露出領域に施す際に、選択的にレーザをオン（放出）にして、シールリング材を切除・蒸発させる。レーザを選択的にオン・オフすることで、円周方向に離間して切除部分をシールリングに形成してもよい。
【００４４】
実施例において、シールリング支持装置３２では、レーザ光線６２を基準としてシールリング１０を配置するのみならず、レーザ光線６２を基準としてロータリテーブル３４によってシールリング１０が回転する。これにより、レーザ光線６２を放出しつつ円周方向にシール面１５の除部分を形成する。ただし、必要ならば回転させるのではなく、シールリング１０のＸ軸・Ｙ軸方向の位置を変えてシールリング１０の線形変位をもたらすことも当然できる。さらに、レーザ光線６２とシールリング１０との相対的な移動については、可動レーザ光線６２を設けてもよい。すなわち、シールリング１０を固定し、あるいはレーザ光線６２・シールリング１０の双方を同時に移動してもよい。
【００４５】
ところでマスク８１は、レーザ光線６２をシールリング１０の断面を最適にするに必要な形状に調整するものである。例えば、図４で概略的に示されるように、マスク８１は長方形の薄板であり、他の適切な薄板でもよいが、好ましくはステンレス鋼材料を用いる。光線に沿ってマスク８１を配置するが、他の位置でもよく、さらにレーザ光線６２の形状を変更できるその他の装置を用いてもよい。
【００４６】
マスク８１には、形状変更する開口すなわち穴９０が設けられている。開口９０は水平に開放しており、所定の幾何学的形状となっている。開口９０を拡大したものが図示されているが、開口９０の直径は、板８１の寸法よりもかなりより小さいのは当然である。開口９０の直径は、０．４〜０．５インチ（１．０１〜１．２７センチメートル）であるのが好ましく、光線は対物レンズ８４で縮小され、０．０４〜０．０５インチ（０．１０〜０．１２センチメートル）の直径となる。しかし対物レンズ８４は、レーザ光線６２の種々の縮小率を調整できる。
【００４７】
次に図５に示すように、形状変更したレーザ光線６２は、マスク８１の開口９０を出て、下方へ向きを変え、反射鏡８３を通って最終対物レンズ８４に至る。その後で、レーザ光線６２は、その光線端９２の形状が略円形となって、シールリング１０のシール面１５を照射する。円形の光線端９２は、シール面１５が光線６２にさらされる領域であり、シールリング材のアブレーションあるいは蒸発が生じる領域となる。
【００４８】
図４に関してより具体的には、第１半径Ｒ_１および第２半径Ｒ_２で規定される開口９０が形成されている。図示される開口９０が円形であるので、第１および第２半径は等しい。しかしこれらの半径は、それぞれ別個のものと見做される。第１半径Ｒ_１が水平にマスク８１内で延長しており光線６２が向きを変えるため、それでシール面１５上の光線端９２の横方向幅が決定されるからである。
【００４９】
特に、光線６２の横方向幅は、第１半径の２倍、すなわち円形の開口９０の直径で決定される。シールリング１０の光線６２に対する向きに応じて、光線６２の横方向幅が、シール面１５上で径方向に延長する。第２の半径の向きは第１半径の垂直方向であり、光線端９２の長さを決定し、シールリング１０の向きに応じて、レーザ光線６２が移動する方向であるシール面１５に沿った円周方向に延長する。
【００５０】
さて図６に示すように、シールリング１０とレーザ光線６２とが相対的に回転するため、光線端９２がシール面１５に沿って漸次移動する。シールリング１０とレーザ光線６２とが相対的に連続して移動するので、シール面１５の円周上に長形のアブレーション切除あるいは溝９４が形成される。光線６２が円形であるため、マスク開口９０の中央部位９５でより多量のレーザエネルギが通過するとともに、横端部位９６でより少量のレーザエネルギが通過する。その結果、円形の光線によって、内部面９７が半円形である溝９４が形成される。内部面９７は溝中央ではより深く、アブレーション切除部位９４の横端部位９８側ではより浅く形成される。
【００５１】
したがって、アブレーション切除部位９４の形状は、正方形のレーザ光線１０１によるアブレーション切除部位１００の形状とは明らかに異なっている。円形の光線は、以下詳細に説明するように独特の利点を有している。
【００５２】
まず長方形の光線１０１について話を向けると、本発明のレーザユニット１４において、レーザ光線６２の形状を正方形または長方形に変更する開口部を有するマスク８１で実験が行われた。正方形の場合は、図６に概略的に示されている。レーザ光線端１０２（図６）を基準としてシール面１５が円周方向に移動するようにシールリング１０（図７）が回転し、そして長方形のマスク形状による切除部位１００は、径方向の幅全体にわたって均等な深さとなる。
【００５３】
このような長方形のレーザ光線１０１をシールリングに波形面を形成するのに用いた。シールリングの一周辺部位が、図７に概略的に示されている。本発明のレーザユニット１４によるシールリング１０−１の構造において、円周方向で離間する一対の頂点２４と径方向外側のシーリングダム２０との間に、溝２３が形成される。より浅い端側であるシーリングダム２０近くの溝２３から始まり、そこから径方向外側にアブレーション切除して波形面が形成される。頂点２４およびシーリングダム２０は、溝２３境界外側の当初のシール面で構成される。したがって、これらの領域においては、レーザ切除は行われない。
【００５４】
より具体的には、長方形のアパーチャマスクで本発明の方法を試験した。第１切除半径ＣＲ１に沿った複数の第１経路を通ってレーザ光線１０１を移動して、要求される形状の第１アブレーション切除部位１０３を切除することで、溝２３が形成される。この第１切除半径ＣＲ１における第１経路は、第１円周位置１０４から開始する。円周方向で離間する第２位置１０５までレーザ光線１０１を放出継続して放出停止し、位置１０４・１０５間の周囲に沿ってシールリング材のアブレーションを生じさせる。この第１切除の深さは、図６のように径方向幅全体において均等であり、また円周方向において均等である。その次にシールリング１０を支持テーブル３４で連続回転する際には、位置１０６でレーザ光線１０１を放出し、位置１０７で放出停止するシールリング１０を連続的に回転させる間に、第１切除半径にさらに切除経路が設けられる。第１切除部位１０３の縦方向の深さは、位置１０４・１０５の両端から離れるにつれて次第に増大し、第６切除経路の位置１０８で最も深くなる。
【００５５】
ひとたび第１アブレーション切除１０３を終了すると、第１切除半径ＣＲ１の径方向外側の第２切除半径ＣＲ２に沿って第２切除部位１１０をもたらすように、シールリング１０を光線端１０２から径方向に移動する。この第２切除部位１１０は、第１切除部位１０３より円周方向長さが長くなっているので、第１切除部位１０３より多い経路数で形成され、より深くなる。その以外の点では、上記と同じ方法で切除される。
【００５６】
一つ以上のレーザ光線６２の経路で各々の切除が完了すると、アブレーション切除が、徐々に外側になされてより大きな切除半径になり、最終切除部位１１１が外径１７に沿って施されるようになるまで、光線１０１を基準としてシールリング１０を径方向に移動する。この切除方法の結果、各々の切除部位、例えば切除部位１０３は、次の径方向外側の切除部位、例えば切除部位１１０に隣接することになる。すなわち、これらアブレーション切除部位１０３・１１０は、それぞれ側方に隣接して形成される。
【００５７】
もしシーリングダム２０を外径１７に設ける場合でも、外径１７近傍でレーザ光線６２の放出を開始し、徐々に切除半径が短くなるよう次第に径方向内側へ移動すること以外は同じである。
【００５８】
しかし、この円周切除の方法による場合でさえも、長方形のレーザ光線１０１では、隣接するアブレーション切除部位間において形成される溝が過剰な深さとなってしまうことが分かっている。すなわち、レーザでシール面を形成する従来の方法と類似の問題が生じる。
【００５９】
より具体的には、図８にて示したように、例えば切除部位１０３・１１０のように各隣接する円周方向の長形の切除部分は、それぞれ一定程度重なり、その重なり領域ではより強度のアブレーションが生じるため、各切除部位間に、過剰な深さの溝１１５が形成されてしまう。同様に、第３アブレーション切除部位１１８・第４アブレーション切除部位１１９間に過剰溝１１６、１１７も形成される。過剰溝１１７は、過剰溝１１５よりも深くなっている。これらの過剰溝１１５・１１６・１１７のみならず、その他の重なったアブレーション切除部位で形成される溝も、アブレーション切除部位の円周方向長さに沿って延長する。これらの過剰な深さ溝は、シール性能に影響を与える。
【００６０】
さらに、図７に示すように、第１切除部位１０３の位置１０４・１０５のような各切除部位の長方形の端は、形成される谷２３の周囲端あるいは境界１２０に沿った急激な段差となる。
【００６１】
これに対して、図６の円形の光線形状と、それにより生じる半円形の切除部位９４においては、レーザユニット１４の切除方法は最適化されており、また長方形の光線形状による不利な点は、ほぼ排除される。図９に示すように、本発明によると、参照番号９４−１の第１切除部位を形成しそれから径方向で第１切除部位９４−１と隣接する第２切除部位９４−２を形成できる。第１および第２切除部位９４−１、９４−２は、よりはっきりとそれらの重なり部位１２５の領域を示すため、例示としてずらしている。重なり領域は、第１切除部位９４−１側の部位９８と第２切除部位９４−２側の部位９８との半径距離で示される。重なり領域９５は、径方向の部位９８間である。
【００６２】
図１０〜１２のグラフには、シールリング面１５に形成されるそれぞれ隣接するアブレーション切除部位１２７・１２８のみならず、そのアブレーション切除部位１２７・１２８によって形成される起伏要素の最終的な輪郭も示されている。ここに示されるように、アブレーション切除部位１２７・１２８の深さを超える過剰な深さ溝を排除しつつ、重なり領域を変化できる。これらのグラフに関しては、アブレーション切除部位のアブレーション深度が図示されており、グラフ垂直軸はシール面１５からマイナス方向に１０μインチ（２５４μミリメートル）づつ減少する。グラフ水平軸は、シール面１５に沿った径方向の位置を示すものであり、第１アブレーション切除部位１２７のほぼ中央である０位置からプラス・マイナス両方向に０．１インチ（２．５４ミリメートル）づつ増加する。
【００６３】
図１０のレーザ設定については、二つの隣接する切除部位１２７・１２８を移動する光線端９２は、光線端９２の直径の１０％が重なっている。その結果、隣接する切除部位１２７・１２８間に比較的浅い中間溝１２６が形成される。特に、アブレーション切除部位１２７は単一の通過経路（一回転）で形成され、切除部位１２８はシールリング１０を二回転して二つの経路、すなわちレーザ光線６２の二重経路で形成される。当然のことながら、第２アブレーション切除部位１２８の輪郭は、光線経路が追加されればより深くなる点が異なるだけであり、ほぼ同じものである。
【００６４】
より具体的には、単一のアブレーション切除部位１２７の深さは２０μインチ（５０８μミリメートル）であるが、径方向で隣接する二重経路すなわち二重のアブレーション切除部位１２８は、シールリング１０のシール面１５を４０μインチ（１０１６μミリメートル）の深さに切除する。重なり領域では、弓形内部面９７が破壊され、浅い中間溝１２６が形成される。しかし、浅い中間溝１２６の深さは、３０μインチ（７６２μミリメートル）未満、かつ第２アブレーション切除部位１２８の深さである最大許容深さ４０μインチ（１０１６μミリメートル）を越えないよう制御される。
【００６５】
図１１は、２５％重なりによる同一の切断方法による輪郭を示したものである。特に、第１切除部位１２７および第２切除部位１２８の最大深度は、それぞれ図１０の切除部位と同じである。ただし、中間溝１２６の深度は、約４０μインチ（約１０１６μミリメートル）になっている。これは、第２切除部位１２８の最大深度４０μインチ（１０１６μミリメートル）に近く、過剰な深さ溝を避ける円形光線９２の最大重なり量である。
【００６６】
図１２のグラフは、切除部位１２７・１２８の５０％重なりの輪郭を示すものである。特に、中間溝１２６の深さは、より深い切除部位１２８の最大許容深さ超える約５２μインチ（約１３２０μミリメートル）である。このグラフは、２５％の重なり限界を超えると過剰深さの溝が形成されること証明するものであり、２５％を超える重なりは好ましくないことが分かる。
【００６７】
重なり下限については、それは０パーセントであると思われる。中間溝１２６の深さは、重なり率の減少とともに減少するのであり、したがって、０％重なり率では中間溝１２６は形成されないからである。
【００６８】
上述の見地からすると、円形の光線の重なり率が０〜２５％の場合に、過剰な深さ溝が排除されることになる。ただし、シールリングが過剰溝を許容して動作すると思われるならば、最大重なり率は２５％を超えてもよい。長方形の光線による過剰深さ溝は、６０μインチ（１５２４μミリメートル）なので、本発明によると、重なり率５０％の場合でさえ、円形の光線による中間溝１２６の深さは長方形の光線による深さより浅くなる。
【００６９】
過剰な深さの中間溝の減少・排除能力に加えて、以下説明する、円形の光線やその他の形状の光線を使用すると、各々のレーザ切除端が望ましく混合されると思われる。この点については、図１３に概略的に示されており、長方形の光線（図７）では段のある周囲端１２０は、本発明で開示される光線形状によってほぼ排除される。特に、第２半径Ｒ_２（図４）に対応する部位が湾曲しているため、参照番号１３２・１３３（図４）に対応する円形レーザ光線の前端および後端は、アーチ（弓）形となっている。それゆえに、各々の連続した切除部位の前端および後端（例えば切除部位１３６の端１３４・１３５）は、段のある長方形ではなく、曲がっている。このように、例えばシールリング１０に形成される谷（溝）２３の周囲端すなわち境界１３７は、より混合したアーチ形状となっていると思われる。これは、また、各切除部位の後端１３４・前端１３５間の領域においても同様であり、また、各レーザ光線経路の両端１３８・１３９間においても同様である。これら両端１３８・１３９は、境界１３７とほぼ並行して延長する複数の中間転移ライン（図１３の基準線１４０で示される）を構成する。
【００７０】
上記の円形のレーザ光線とは別の光線形状が、図１４〜１６に図示されている。各光線形状は、マスク開口９０とそれぞれ対応する形状になっている。図１４については、マスク８１の開口部は、楕円形である。すなわち、横端１４２・１４３が第１半径Ｒ_１による湾曲となっており、前端１４４・後端１４５が第１半径より大きな第２半径Ｒ_２による湾曲となっている。
【００７１】
この楕円形の光線は横方向幅が長いので、より幅が広いアブレーション切除部位を実現する。さらに、減衰器ポート６６を出るレーザ光線が長方形の場合でも、楕円形の光線によって、シール面を切除するのに最終的に用いられるレーザ光線の初めの領域を最大にする。
【００７２】
図１０〜１２に示す上記の重なり限界の理論もこれに適用できるが、上限値は横端１４２・１４３の半径Ｒ_１の約５０％までに変更される。また、横端１４２・１４３および両横端１４４・１４５による湾曲半径間の転移点Ｔ１が、両端１４２・１４３の頂点Ａ１から少し離れた位置、すなわち曲線半径の半分（Ｒ_１／２）未満にある場合、その限界値は影響を受ける。
【００７３】
さらに、前端１４４・後端１４５は、円形の光線と比較して徐々に湾曲し、形成される谷２３の境界１３７に沿った混合部位を改良すると思われる。
【００７４】
図１５の別の光線形に関しては、光線形の前端１４７・後端１４８には直線の端が設けられる。この幾何学的光線形の対向する横端１４９・１５０は、同じ半径Ｒ_１を有する半円弧形断面である。横端１４９・１５０は、図１０〜１２による上記の重なり限界を適用できるように半円であるのが好ましい。ただし、重なり限界は、円形の光線形の直径０〜２５％ではなく、各横端１４９・１５０の半径０〜５０％である。
【００７５】
さらに別の光線形が、図１６に示されている。曲線端１５１・１５２が光線の前端・後端を構成し、直線端１５３・１５４が光線形の対向する両横端を構成する。この形状によると、上記の円形の光線形と同様の結果となると思われる。
【００７６】
これらの代替光線形の全てにおいて、対向する横端は、光線形の縦方向の長さが次第にその中心から短くなり、その頂点側に互いに接近し収束する。これらの横端は互いに頂点に近よる一対の直線の横端部位で形成されるが、横端部位は直線となっておらず、好ましくは例えば弓形、湾曲形、短直線形のように連続的にカーブする。例えば図４における円形の光線形に関しては、横端部位１５６・１５７は、点１５８から横方向に延長し点１５９に互いに近よる４分の１の円である。その結果、横端部位の縦方向の長さ１６０は、横端１５６・１５７が湾曲していることにより、非直線的に減少する。
【００７７】
これら非直線形の横端は、隣接するアブレーション切除部位の隣接端において、より少量の材料切除をもたらし、横端部位が直線の場合に生じる重なり率変更の影響を受けないことが分かった。したがって、開口９０が非直線であるという性質から、隣接するアブレーション切除部位をより効果的に混合し、重なり精度の影響をあまり受けず、要求の切除深さを達成できる。
【００７８】
上記の装置においては、隣接するアブレーション切除部位間の過剰な深さ溝が排除される。さらに、アブレーション切除部位は、径方向で隣接した切除部位間と円周方向の切除端との二つの範囲で、混合される。
【００７９】
本発明の方法によって形成した波形シール面と収縮バンドによって形成した波形シール面とを比較実験したが、本発明のシールリング１０によると、静止状態では最高２５％、動的状態では最高５０％にまでガス洩れが減少することが分かった。この改善は、シールリング製造精度を改良する本発明のレーザ加工法によるものと見られる。
【００８０】
図１７に示すように、側端１６５の少なくとも一方を反転させ、光線１６６の中心側内側へ曲げることもできる。この反転した側端１６５はほぼフォーク形状であり、光線形１６６の反対側の外側に曲がった側端１６７と重なることができる。この側端１６５・１６７の半径は、同じ半径Ｒ_１であるのが好ましい。
【００８１】
作業においては、シールリング１０は以下のように組み立てられる。好ましくは平坦なシール面のシールリングを準備する。前記シール面に向かうレーザ光線を放出するレーザ装置を準備する。レーザ光線の切除部位がその幅全体にわたって非均等な深さとなるように、レーザ光線の形状を、各横端が一点に収束する非直線の幾何学的形状に形状変更する。複数のアブレーション切除部位においては、少なくともシール面の一部に前記レーザ光線を施し、例えば波形面といった一つ以上の微小起伏要素を形成する。各切除部位は、レーザ光線の一つ以上のシール面通過経路によって形成される。アブレーション切除部位は、互いに隣接している。すなわち、レーザ光線の各経路の隣接する横端部位は、重なっている。その隣接した切除部位が重なることにより、過剰な深さの溝が形成されるのを防止する。
【００８２】
本発明の実施例が詳細に開示されたが、開示された装置の変形形態あるいは変更形態（再構成形態も含む）は、本発明の範囲内にあると認められる。
【００８３】
なお、特定の術語が上述の記述に用いられるが、便宜的に用いられるだけであって、その術語によって限定されるものではない。たとえば、術語「上側へ」「下側へ」「右側へ」「左側へ」は、図面に基づいて定まる方向を指すものである。また「内側へ」「外側へ」は、それぞれ、本明細書記載の装置における中心側の方向、その中心から離れる方向を指すものである。そのような術語には、具体的に言及される単語のみならず類似の意味の単語も含まれる。
【００８４】
（産業上の利用可能性）
以上のように、本発明にかかるシールリングおよびレーザでリング微小起伏面を形成する方法は、ポンプやコンプレッサ等の回転軸を密封する軸封装置として用いられ、レーザ光線の複数経路によって形成される微小起伏要素を有してシール性の高いシールリングを提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
波形面となったシールリングの微小起伏要素を示す分解斜視図である。
【図２Ａ】
レーザでシール面に微小起伏要素を形成するエキシマレーザおよびシールリングを支持する支持テーブルで構成されるシールリング製造装置を示す斜視図である。
【図２Ｂ】
そのシール面に微小起伏要素が形成されるシールリングの拡大側面斜視図である。
【図３】
レーザ加工の際に支持テーブルに載せられたシールリングの前面斜視図である。
【図４】
レーザ光線を円形にするマスクを示す概略的前面立面図である。
【図５】
マスクと支持テーブル上方に設けた下流レンズとを示す概略図である。
【図６】
正方形のレーザ光線および円形のレーザ光線の平面図と、それぞれの光線形状で切除形成される溝断面の側面図とを示す概略図である。
【図７】
長方形のレーザ光線で波形面にしたシールリングの一部拡大平面図である。
【図８】
長方形のレーザ光線による複合アブレーションにより切除形成されたシール面の過剰な深さ溝の側断面図である。
【図９】
円形のレーザ光線による二つの重なり経路間の重なり領域を示す概略側面図である。
【図１０】
１０％重なりによる溝の断面を示すグラフである。
【図１１】
２５％重なりによる溝の断面を示すグラフである。
【図１２】
５０％重なりによる溝の断面を示すグラフである。
【図１３】
アーチ形のレーザ光線で波形面にしたシールリングの一部拡大平面図である。
【図１４】
第１代替レーザ光線形の概略平面図である。
【図１５】
第２代替レーザ光線形の概略平面図である。
【図１６】
第３代替レーザ光線形の概略平面図である。
【図１７】
第４代替レーザ光線形の概略平面図である。
【符号の説明】
１０シールリング
１２シールリング加工装置
１４レーザユニット
１５シール面
２０シールダム
３１作業テーブル
３２シールリング支持装置
３４支持テーブル
４２ロータリテーブル
５１駆動モータ
７１アクチュエータ

Claims

好ましくは平坦なシール面を有するシールリングを準備するステップと、前記シール面に向けられるレーザ光線を放出するレーザ装置を設けるステップと、レーザ光線の切除部位がその幅全体にわたって非均等な深さとなるように、レーザ光線の形状を、各横端が一点に収束する非直線の幾何学的形状に形状変更するステップと、複数のアブレーション切除部位において少なくともシール面の一部に前記レーザ光線を施し、例えば波形面といった一つ以上の微小起伏要素を形成するステップとからなるシールリングを形成する方法であって、各切除は前記レーザ光線の前記シールリングに対する相対的移動でなされ、前記レーザビームは一つ以上の光線通過経路に沿った経路を移動し、アブレーション切除部位は横端で互いに隣接しており、レーザ光線の各経路の隣接する横端部位は重なっており、その隣接した切除部位が重なることにより過剰な深さの溝が形成されるのを防止することを特徴とするシールリングを形成する方法。
前記アブレーション切除部位の少なくとも一つは、隣接する前記アブレーション切除部位の一つより深く形成されるように前記レーザ光線の複合経路によって形成され、それによって前記微小起伏要素が光線経路の幅方向で異なった深さとなることを特徴とする請求項１に記載のシールリングを形成する方法。
前記複合光線経路は、前記アブレーション切除部位が前記光線経路に沿って異なった深さとなるよう、漸次短くなっていることを特徴とする請求項２に記載のシールリングを形成する方法。
前記幾何学的形状の前記横端部位は、弓形であることを特徴とする請求項１に記載のシールリングを形成する方法。
好ましくは平坦なシール面を有するシールリングを準備するステップと、前記シール面に向けられるレーザ光線を放出するレーザ装置を設けるステップと、レーザ光線の切除部位がその幅全体にわたって非均等な深さとなるように、レーザ光線の形状を、各横端が一点に収束する非直線の幾何学的形状に形状変更するステップと、複数のアブレーション切除部位において少なくともシール面の一部に前記レーザ光線を施し、例えば波形面といった一つ以上の微小起伏要素を形成するステップとからなるシールリングを形成する方法であって、各切除は前記レーザ光線の前記シールリングに対する相対的移動でなされ、前記レーザビームは一つ以上の光線通過経路に沿った経路を移動し、アブレーション切除部位は横端で互いに隣接しており、レーザ光線の各経路の隣接する横端部位は重なっており、その隣接した切除部位が重なることにより過剰な深さの溝が形成されるのを防止するように構成されたことを特徴とするシールリング。