JP5980217B2 - 軸封装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジングと回転軸との間をシールするリップタイプシールの軸封装置に関する。

従来、固定ハウジングに装着され、回転軸の表面を摺動密封するリップタイプシールにおいて、環境問題に対応するため、リップ形状・寸法及びリップ材質の適正化、リップ摺動面または相手軸表面のコーティング、並びに、相手軸表面粗さの適正化を通じて低フリクション化が図られている。
リップ摺動面または相手軸表面へコーティングするもの、及び、相手軸表面粗さを適正化するものにおいては、初期に効果があるのみで時間経過とともに摩耗により低フリクションを継続することができないという問題があった。
一方、潤滑特性を良好にする軸封装置として、図１２に示す封止手段が知られている（以下、「従来技術１」という。例えば、特許文献１参照。）。
この従来技術１は、ハウジング５０に取り付けられたリップタイプシール５１を組み込んでおり、該リップタイプシール５１は、回転軸５２に接触するよう配設された封止縁部５３を有し、該封止縁部５３の接触する回転軸表面の接触部域５４に、溝５６及び畝部５７が交互に設けられた矢形溝部５５を備え、回転軸５２がハウジング５０内で回転する場合、矢形溝部５５がポンピング効果を作り出し、大気側から浸入する異物を撥ね退けるとともに、被密封流体側からの流体を押し戻すことにより封止効果を維持するようにしたものである。
また、従来技術１の矢形溝部に代えて、らせん溝を設けた軸封装置も知られている（例えば、特許文献２参照。）

さらに、低トルク化とシール性とを両立させる軸封装置として、図１３に示す封止手段が知られている（以下、「従来技術２」という。例えば、特許文献３参照。）。
この従来技術２は、被密封流体をシールするシールリップ６０と、該シールリップ６０の大気側に配置され、回転軸６１表面に形成されたネジ６２と筒状部６３とからなるネジポンプ機構６４とを有し、該ネジポンプ機構６４は、シールリップ６０に向けて流体ポンピング作用をなしてシールリップ６０の緊迫力を実質低下させるようにすることにより、シールリップ６０によってシール性を確保するとともに、ネジポンプ機構６４によってシールリップ６０の低トルク化を実現したものである。

しかしながら、図１２に示す従来技術１の軸封装置では、回転軸表面の接触部域５４に設けられた高硬度材料で形成された矢形溝部５５にリップタイプシール５１の封止縁部５３が接触する構造であるため、封止縁部５３の摩耗が早く、また、矢形溝部５５の各溝５６が大気側と被密封流体側とを軸方向に直接連通する「く字状」の形状をし、封止縁部５３の先端部がく字状の溝５６に接触していないため、被密封流体側と大気側とが常時連通した状態にあることから、装置の静止状態では被密封流体が大気側に漏出する可能性がある。通常のオイルシールにおいて軸の表面粗さが２．５μｍ以上になると静止時の漏れの原因になることが知られており、従来技術１の場合、溝５６の深さが２．５μｍ以上であれば、静止時において深刻な漏れを発生する。
また、従来技術１の矢形溝部に代えて、らせん溝を設けた軸封装置においてもらせん溝を介して大気側と被密封流体側とが直接連通する形状であるため、従来技術１と同様の問題がある。
さらに、図１３に示す従来技術２の軸封装置では、シールリップ６０の低トルク化のためシールリップ６０の緊迫力が低下されていることから、シールリップ６０のシール性が低下すること、及び、被密封流体側に大気が混入されるという問題があった。

特開２００１−２１４９７９号公報 特開平１０−３３１９８５号公報 特開２００５−２７３６９３号公報

本発明は、上記した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、リップシールタイプの軸封装置において、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軸封装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために本発明の軸封装置は、第１に、径方向内外で同心状に配置されている回転部材と固定部材との間をシールするリップシールを備えたリップタイプシールの軸封装置において、
前記回転部材の外周面に、前記リップシールと前記回転部材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円周方向に分離されて複数形成され、
前記複数のポンピング部は、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、
前記リップシールのリップが、軸方向において、前記ポンピング部の被密封流体側の一部を残して大気側に延設されていることを特徴としている。

また、本発明の軸封装置は、第２に、第１の特徴において、前記リップシールのリップが、軸方向において、前記ポンピング部の被密封流体側の一部を残して前記ポンピング部を覆うとともに大気側に延設され、前記ポンピング部より大気側の回転部材の外周面と摺接するように設定されていることを特徴としている。

また、本発明の軸封装置は、第３に、第１の特徴において、前記リップシールのリップが、軸方向において、前記ポンピング部の被密封流体側の一部及び大気側の一部を残して、前記ポンピング部の形成された回転部材の外周面と摺接するように設定されていることを特徴としている。

また、本発明の軸封装置は、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、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。

また、本発明の軸封装置は、第５に、第４の特徴において、前記複数のポンピング部は、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。

また、本発明の軸封装置は、第６に、第４または第５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。

また、本発明の軸封装置は、第７に、第１ないし第６のいずれかの特徴において、前記ポンピング部は、回転部材の外周面に形成された複数の凹部の底面に設けられることを特徴としている。

また、本発明の軸封装置は、第８に、第４ないし第７のいずれかの特徴において、前記吸入ポンピング部は、側面視において線状の凹凸が回転軸の回転方向に向かって次第に深くなるように形成され、吐出ポンピング部は、側面視において直線状の凹凸が回転軸の回転方向に向かって次第に浅くなるように形成されていることを特徴としている。

また、本発明の軸封装置は、第９に、第７の特徴において、前記複数の凹部の上縁部がテーパ形状またはアール形状に加工されていることを特徴としている。

また、本発明の軸封装置は、第１０に、第１ないし第９のいずれかの特徴において、前記複数の凹部の底面に形成されるポンピング部において、前記吸入ポンピング部のポンピング容量と吐出ポンピング部のポンピング容量とが同等、または、いずれか一方のポンピング容量が大きく設定されていることを特徴としている。

また、本発明の軸封装置は、第１１に、第４ないし第１０のいずれかの特徴において、前記複数の凹部の底面に形成されるポンピング部において、前記吐出ポンピング部の線状の凹凸のピッチが吸入ポンピング部の線状の凹凸のピッチより小さく形成されていることを特徴としている。

また、本発明の軸封装置は、第１２に、第４ないし第１１のいずれかの特徴において、前記複数の凹部の底面に形成されるポンピング部において、前記吐出ポンピング部の線状の凹凸の幅または深さが吸入ポンピング部の線状の凹凸の幅または深さより大きく形成されていることを特徴としている。

また、本発明の軸封装置は、第１３に、第４ないし第１２のいずれかの特徴において、前記複数の凹部の底面に形成されるポンピング部において、前記吐出ポンピング部の径方向の長さまたは円周方向の長さが吸入ポンピング部の径方向の長さまたは円周方向の長さより大きく形成されていることを特徴としている。

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、リップシールのリップが回転部材の外周面に圧接されていることにより漏れを防止するとともに、起動時には、ポンピング部内に被密封流体を取り込むことによってすばやく潤滑流体膜を形成することができ、摺動面の摺動トルクを低くし摩耗を低減することができる。
さらに、運転時には、吸入ポンピング部内に被密封流体を取り込み、この被密封流体を摺動面を介して分離された位置にある吐出ポンピング部に送り込み、吐出ポンピング部の作用によりこの被密封流体を被密封流体側に戻すものであり、被密封流体の流れを通じて、摺動面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。
（２）上記第２の特徴により、リップシールのリップがポンピング部より大気側の回転部材の外周面に圧接されるため、静止時における漏れを確実に防止することができる。
（３）上記第３の特徴により、リップシールのリップがポンピング部の形成された回転部材の外周面に圧接されるように設定されているため、リップシールの軸方向の長さに比べてポンピング部の軸方向の長さを大きく設定することができ、ポンピング作用を向上させることができる。

（４）上記第４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。
（５）上記第５の特徴により、摺動面が両方向に回転する場合に好適である。
（６）上記第６の特徴により、ポンピング部の線状の凹凸の周期構造がフェムト秒レーザの照射により形成されるため、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。

（７）上記第７の特徴により、ポンピング部が回転部材の外周面に形成された凹部の底面に設けられるため、起動時に、凹部内に取り込まれた被密封流体を利用して素早く潤滑流体膜を形成することができる。
（８）上記第８の特徴により、吸入ポンピング部においては、より一層、被密封流体を取り込んで吐出ポンピング部に送り込むことができ、また、吐出ポンピング部においては、送り込まれた被密封流体を、より一層、被密封流体側に戻すことができるため、摺動面の潤滑性及び漏れを防止をさらに向上させることができる。
（９）上記第９の特徴により、凹部の上縁部がテーパ形状またはアール形状に加工されているため、リップシールのリップと回転部材の外周面との摺動が滑らかなものとなり、リップシールのリップの摩耗を低下させることができる。

（１０）上記第１０の特徴により、吸入ポンピング部のポンピング容量と吐出ポンピング部のポンピング容量とを同等、または、いずれか一方のポンピング容量を大きく設定することができるため、軸封装置の使用態様に応じて吸入または吐出のポンピング容量を自由に設定することができる。
（１１）また、上記第１１ないし第１３の特徴により、吐出ポンピング部の吐出容量が吸入ポンピング部の吸入容量より大きく設定されているため、吸入ポンピング部等からの流入する被密封流体は吐出ポンピング部から被密封流体側に戻され、大気側に漏洩することが防止される。

本発明の実施形態１に係る軸封装置を示す縦断面図である。 本発明の実施形態２に係る軸封装置を示す縦断面図である。 本発明の実施形態３に係る軸封装置を示す縦断面図である。 本発明の実施形態４に係る軸封装置を示す縦断面図である。 本発明の実施形態５に係る軸封装置を示す縦断面図である。 本発明の実施形態６に係る軸封装置を示す縦断面図である。 本発明の実施形態１ないし６に係る軸封装置において回転軸またはスリーブ外周面に設けられるポンピング部を説明する平面図であって、回転軸又はスリーブの外周面の一部を平面状に展開した状態を示している。 図７に示すポンピング部を説明するもので、被密封流体側から見た斜視図である。 ポンピング部の第１変形例を説明する図であって、回転軸と直交する面から見た断面図である。 ポンピング部の第２変形例を説明する平面図であって、回転軸又はスリーブの外周面の一部を平面状に展開した状態を示している。 ポンピング部の第３変形例を説明する平面図であって、回転軸又はスリーブの外周面の一部を平面状に展開した状態を示している。 従来技術１を説明する縦断面図である。 従来技術２を説明する縦断面図である。

本発明に係る軸封装置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。

〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１に係る軸封装置を示す縦断面図である。
図１において、ハウジング１には回転軸２を挿通するための回転軸貫通穴３が設けられ、該回転軸貫通穴３に回転軸２が挿通され、図示しないベアリングなどにより回転軸２が回転軸貫通穴３周壁と所要の間隙をもって支持される。
ここで、径方向内外で同心状に配設されている回転部材と固定部材とにおいて、ハウジング１は固定部材に相当し、回転軸２は回転部材に相当する。
回転軸２と回転軸貫通穴３周壁との間には、軸封装置１０が配設され、被密封流体側Ｌと大気側Ａとを密封する。
図１において、右側が被密封流体側Ｌであり、左側が大気側Ａである。

軸封装置１０は、リップシール１１を備え、ハウジング１と回転軸２とが対向する環状空間を被密封流体側Ｌと、大気圧側Ａとの２つの空間に仕切ってその内外を遮断するようになっており、径方向断面形状がほぼ横Ｌ字形の補強環１２にエラストマー製のシールリップ部材１３が環状に被着されている。シールリップ部材１３の回転軸２側、つまり内周部分は、被密封流体側Ｌへ延びかつ内周側へ向けて延び、断面形状がほぼ逆三角形で、その三角形の頂点に対応するエッジ形状の部分がリップ１４を形成している。このリップ１４は、回転軸２の外周面上に圧接されたときエッジが変形して所定の軸方向接触幅で該回転軸２の外周面上を摺動することができる。

リップ１４の外周には、リップ１４を回転軸２の外周面に対して圧接させるガータスプリング１５が装着されている。

回転軸２の外周面には、周方向に分離された複数のポンピング部２０が形成されている。複数のポンピング部２０とシールリップ部材１３のリップ１４とは、軸方向において、ポンピング部２０の被密封流体側Ｌの一部を残してポンピング部２０が形成された回転軸２０の外周面と摺動するように配置されている。また、ポンピング部２０の大気側の一部はリップ１４に覆われていない。すなわち、ポンピング部２０は、軸方向において、被密封流体側Ｌの一部及び大気側の一部においてはリップ１４により覆われていない。
このように、複数のポンピング部２０は、それぞれ、周方向において隣接するポンピング部２０とはポンピング部２０の形成されていない外周面により分離され、また、被密封流体側Ｌとは連通している。被密封流体側Ｌと大気側Ａとはリップ１４の圧接により非連通となっている。

ポンピング部２０の軸方向の長さａ１は、リップ１４の回転軸２の外周面と接触する長さａ２よりやや大きく設定され、また、ポンピング部２０の周方向の長さ（円弧面の長さ）ｂ１は、隣接するポンピング部２０、２０間に存在する外周面Ｓの周方向の長さ（円弧面の長さ）ｂ２と同じかやや大きく設定される。
なお、ポンピング部２０については、後記において詳細に説明する。

〔実施形態２〕
図２は、本発明の実施形態２に係る軸封装置を示す縦断面図である。
図２において、図１に付された符号と同じ符号は図１における部材と同じ部材を意味しており、詳細な説明は省略する。
軸封装置３０は、リップシール３１を備え、ハウジング１と回転軸２とが対向する環状空間を被密封流体側Ｌと、大気圧側Ａとの２つの空間に仕切ってその内外を遮断するようになっている。リップシール３１は、断面がＬ形状の樹脂製のシールリップ部材３２を備え、該シールリップ部材３２は、断面が略Ｌ形状の外側の結合金属環３３と断面が略Ｌ形状の内側の押え金属環３４とにより挟持される。

断面がＬ形状のシールリップ部材３２の内周側に筒状リップ３５が形成され、この筒状リップ３５は回転軸２の外周面と強く密接して被密封流体をシールする。
筒状リップ３５と回転軸２の外周面との密接部の付近において、回転軸２の外周面には、周方向に分離された複数のポンピング部２０が形成されている。該ポンピング部２０は、基本的には実施の形態１のポンピング部２０と同じである。

複数のポンピング部２０とシールリップ部材３２の筒状リップ３５とは、実施形態１と同様に、軸方向において、ポンピング部２０の被密封流体側Ｌの一部を残してポンピング部２０が形成された回転軸２０の外周面と摺動するように配置されている。ポンピング部２０の大気側の一部は筒状リップ３５に覆われていない。すなわち、ポンピング部２０は、軸方向において、被密封流体側Ｌの一部及び大気側の一部においては筒状リップ３５により覆われていない。
このように、複数のポンピング部２０は、それぞれ、周方向において隣接するポンピング部２０とはポンピング部２０の形成されていない外周面によりにより分離され、また、被密封流体側Ｌとは連通している。被密封流体側Ｌと大気側Ａとは筒状リップ３５の圧接により非連通となっている。

ポンピング部２０の軸方向の長さａ１は、筒状リップ３５の回転軸２０の外周面と接触する軸方向の長さａ２よりやや大きく設定され、また、ポンピング部２０の周方向の長さ（円弧面の長さ）ｂ１は、隣接するポンピング部２０、２０間に存在する外周面Ｓの周方向の長さ（円弧面の長さ）ｂ２と同じかやや大きく設定される。
なお、ポンピング部２０については、後記において詳細に説明する。

〔実施形態３〕
図３は、本発明の実施形態３に係る軸封装置を示す縦断面図である。
図３において、図２に付された符号と同じ符号は図１における部材と同じ部材を意味しており、詳細な説明は省略する。
本実施形態３では、回転軸２にシール用スリーブ４が嵌合されている点が実施形態２と相違するが、その他の構成は実施形態２と同じであり、該スリーブ４の外周面Ｓに周方向に分離された複数のポンピング部２０が形成されている。ここで、スリーブ４は回転部材に相当する。
なお、ポンピング部２０については、後記において詳細に説明する。

〔実施形態４〕
図４は、本発明の実施形態４に係る軸封装置を示す縦断面図である。
図４において、図２に付された符号と同じ符号は図２における部材と同じ部材を意味しており、詳細な説明は省略する。
本実施形態４においては、ポンピング部２０の軸方向の長さａ１が、筒状リップ３５の回転軸２の外周面と接触する軸方向の長さａ２とほぼ同じか、あるいは、やや小さく設定され、複数のポンピング部２０とシールリップ部材３２の筒状リップ３５とは、軸方向において、ポンピング部２０の被密封流体側Ｌの一部を残して筒状リップ３５がポンピング部２０を覆うように配置され、筒状リップ３５はさらに大気側Ａに延設された形状をしており、ポンピング部２０より大気側Ａの回転軸２の外周面と摺動するように配置されている点で実施形態２と相違する。すなわち、ポンピング部２０は、軸方向において、被密封流体側Ｌの一部においては筒状リップ３５により覆われておらず、大気側は覆われている。
このように、複数のポンピング部２０は、それぞれ、周方向において隣接するポンピング部２０とはポンピング部２０の形成されていない外周面によりにより分離され、また、被密封流体側Ｌとは連通している。被密封流体側Ｌと大気側Ａとは筒状リップ３５と回転軸２の摺動面Ｓとの圧接により非連通となっている。
なお、ポンピング部２０については、後記において詳細に説明する。

〔実施形態５〕
図５は、本発明の実施形態５に係る軸封装置を示す縦断面図である。
図５において、図４に付された符号と同じ符号は図４における部材と同じ部材を意味しており、詳細な説明は省略する。
本実施形態５では、回転軸２にシール用スリーブ４が嵌合されている点が実施形態４と相違するが、その他の構成は実施形態４と同じであり、該スリーブ４の外周面Ｓに周方向に分離された複数のポンピング部２０が形成されている。
ここで、スリーブ４は回転部材に相当する。
なお、ポンピング部２０については、後記において詳細に説明する。

〔実施形態６〕
図６は、本発明の実施形態６に係る軸封装置を示す縦断面図である。
図６において、図１に付された符号と同じ符号は図１における部材と同じ部材を意味しており、詳細な説明は省略する。
本実施形態６においては、ポンピング部２０の軸方向の長さａ１が、リップ１４の回転軸２の外周面と接触する軸方向の長さａ２とほぼ同じか、あるいは、やや小さく設定され、複数のポンピング部２０とシールリップ部材１３のリップ１４とは、軸方向において、ポンピング部２０の被密封流体側Ｌの一部を残してリップ１４がポンピング部２０を覆うように配置され、リップ１４はさらに大気側Ａに延設された形状をしており、ポンピング部２０より大気側Ａの回転軸２の外周面と摺動するように配置されている点で実施形態１と相違する。すなわち、ポンピング部２０は、軸方向において、被密封流体側Ｌの一部においてはリップ１４により覆われておらず、大気側は覆われている。
このように、複数のポンピング部２０は、それぞれ、周方向において隣接するポンピング部２０とはポンピング部２０の形成されていない外周面により分離され、また、被密封流体側Ｌとは連通している。被密封流体側Ｌと大気側Ａとはリップ１４と回転軸２の摺動面Ｓとの圧接により非連通となっている。
なお、ポンピング部２０については、後記において詳細に説明する。

上記した 図１の実施の形態１及び図６の実施形態６の場合において、図３の実施形態３及び図５の実施形態５と同様に、回転軸２にシール用スリーブ４を嵌合したものにも適用できることはいうまでもない。

〔ポンピング部の構成〕
図７は、本発明の実施形態１ないし６に係る軸封装置において回転軸またはスリーブのような回転部材の外周面に設けられるポンピング部を説明する平面図であって、回転部材の外周面の一部を平面状に展開した状態を示している。図７では、実施形態１〜６のうち、実施形態１のポンピング部２０を例にして説明するが、実施形態２〜６のポンピング部２０も同様の構造である。

シールリップ部材と回転部材の外周面との摺動面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、本発明では、上記したように、回転部材の外周面に、シールリップ部材１３と回転部材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２０が円周方向に独立して複数配置されている。該ポンピング部２０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２０ａ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２０ｂとを備えている。

ポンピング部２０の各々には、図８に詳細に示すように、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。）が形成される。この線状の凹凸の周期構造は、後述するように、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。
また、線状の凹凸の周期構造は、回転軸２又はスリーブ４の外周面と面一に形成される場合の他、外周面に凹部２１を形成し、該凹部の底面に形成されてもよい。

図７において、回転軸２がＲ方向に回転する場合を示しており、ポンピング部２０に形成される線状の凹凸は、摺動面Ｓの摺動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の摺動方向に対して１０°〜８０°の範囲であることが好ましい。

複数ポンピング部２０の各々におけるポンピング部２０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２０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２０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。

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２１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。

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。

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２０ａと吐出ポンピング部２０ｂとの各線状の凹凸の傾斜角度は、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２０ａと吐出ポンピング部２０ｂ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７に示す吸入ポンピング部２０ａと吐出ポンピング部２０ｂ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構成である。
なお、吸入ポンピング部２０ａと吐出ポンピング部２０ｂ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２０ａが２個、吐出ポンピング部２０ｂ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。

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所定のピッチで配置した構造であるポンピング部２０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凹凸状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、その周期構造パターンを表面に形成することができる。

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、円筒状の回転軸又はスリーブの外周面を回転させながらこの方法を用いれば、外周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、リップタイプ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凹凸の形成が可能である。

前記線状の凹凸の周期構造の形成は、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、前記線状の凹凸の周期構造の形成は、周期構造の溝を備えた型を用いて円筒状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。
さらに、外周面（摺動面）の凹部の底部に前記線状の凹凸の周期構造を形成する場合には、エッチングで外周面に凹部を形成し、その後、フェムト秒レーザなどにより凹部の底部に線状の凹凸の周期構造を形成させてもよい。さらに、フェムト秒レーザなどにより、外周面に線状の凹凸の周期構造のみ形成させ、その後、線状の凹凸の周期構造の周囲にメッキあるいは成膜を行うことで囲いを形成させてもよい。

図８は、図７に示すポンピング部を説明するもので、被密封流体側から見た斜視図である。
シールリップ部材と回転部材の外周面との摺動面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の液膜ｈが形成されるが、その場合、ポンピング部２０において、凹凸の頂点を結ぶような仮想平面をとると、該仮想平面は液膜ｈに応じて摺動面Ｓに対して面一あるいは下方に設定される。図８（ａ）には、摺動面Ｓと仮想平面との距離ｄ１＝０、すなわち、仮想平面が摺動面Ｓと面一の場合が示され、また、図８（ｂ）には、摺動面Ｓに形成された凹部２１の底部にポンピング部２０が形成される場合が示されており、仮想平面は摺動面Ｓに対してｄ１＞０だけ低い位置に設定されている。
図１〜３に示されるように、リップシールのリップ１４または筒状リップ３５がポンピング部２０の形成された回転軸２の外周面と摺接する場合、摺動面Ｓと仮想平面との距離ｄ１は、静止時の漏れ防止の観点から、０≦ｄ１≦２μｍに設定するのが望ましい。また、凹凸の頂点を結ぶ仮想平面と底部との深さｄ２は、０＜ｄ２≦２μｍの範囲が望ましく、ｄ１とｄ２との合計は、０＜ｄ１＋ｄ２≦２．５μｍが望ましい。
一方、図４〜６に示されるように、リップシールのリップ１４または筒状リップ３５がポンピング部２０より大気側の回転軸２の外周面とも摺接する場合、摺動面Ｓと仮想平面との距離ｄ１は、ｄ１＝０〜１０ｈ、凹凸の頂点を結ぶ仮想平面と底部との深さｄ２は、ｄ２＝０．１〜１０ｈの範囲が望ましい。
さらに、ポンピング部１１の直線状の凹凸のピッチｐは、被密封流体の粘度に応じて設定されるが、図１〜６のいずれの場合も、０．１μｍ〜１００μｍが望ましい。被密封流体の粘度が高い場合、溝内に流体が十分に入り込めるようにピッチｐを大きくした方がよい。

外周面（摺動面Ｓ）に形成された凹部２１の底部にポンピング部２０が形成される場合、フェムト秒レーザにより、まず、凹部２１が形成され、その後続いて、ポンピング部２０が形成される。外周面（摺動面Ｓ）に形成された凹部２１の底部にポンピング部２０が形成される場合、凹部２１内の空間に被密封流体が取り込むことができ、ポンピング部２０により大気側に漏れないような液体の流れを多く生起することができる。また、この場合、凹部２１の上縁部２２は、シールリップ部材１３のリップ１４が擦過する部分であることから、テーパ形状またはアール形状に形成されることが望ましい。

上記のように、静止時には、円周方向に連続した摺動面Ｓが形成されていることにより漏れを防止するとともに、起動時には、ポンピング部２０内に被密封流体を取り込むことによってすばやく潤滑流体膜を形成することができ、摺動面Ｓの摺動トルクを低くし摩耗を低減することができる。さらに、運転時には、吸入ポンピング部２０ａ内に被密封流体を取り込み、この被密封流体を摺動面Ｓを介して分離された位置にある吐出ポンピング部２０ｂに送り込み、吐出ポンピング部２０ｂの作用によりこの被密封流体を被密封流体側に戻すものである。このような被密封流体の流れを通じて、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。特に、ポンピング部２０の凹凸の頂点を結ぶ仮想平面が摺動面Ｓより低く設定される場合、仮想平面が摺動面Ｓと段差ｄ１を有する形状となっていることにより、起動時に、凹部２１内に取り込まれた被密封流体を利用して素早く潤滑流体膜を形成することができる。

〔ポンピング部の第１変形例〕
図９は、ポンピング部の第１変形例を説明する図であって、回転軸と直交する面から見た断面図である。
図９において、凹部２１の底部に形成されるポンピング部２０の吸入ポンピング部２０ａは、その線状の凹凸が回転軸２の回転方向Ｒに向かって次第に深くなるように形成され、吐出ポンピング部２０ｂは、その線状の凹凸が回転軸２の回転方向Ｒに向かって次第に浅くなるように形成されている。
このように、線状の凹凸が、平面から見た際の回転接線に対する傾斜に加えて、側面から見ても傾斜して形成されていることから、吸入ポンピング部２０ａにおいては、より一層、被密封流体を取り込んで吐出ポンピング部２０ｂに送り込むことができ、また、吐出ポンピング部２０ｂにおいては、送り込まれた被密封流体を、より一層、被密封流体側に戻すことができる。
なお、線状の凹凸は周方向に傾斜される場合の他、軸方向に傾斜されてもよく、また、周方向及び軸方向の両方向に傾斜されてもよい。
本例の場合、摺動面間に形成される液膜厚さをｈとした場合、摺動面からのポンピング部の凹凸の頂点を結ぶ仮想平面の最深部及び最浅部の深さは、リップシールのリップ１４または筒状リップ３５がポンピング部２０より大気側の回転軸２の外周面とも摺接する場合、０〜１０ｈの範囲内に入るように設定されればよい。また、リップシールのリップ１４または筒状リップ３５がポンピング部２０の形成された回転軸２の外周面と摺接する場合、摺動面からのポンピング部の凹凸の頂点を結ぶ仮想平面の最深部及び最浅部の深さは、０〜２μｍの範囲内に入るように設定されればよい。

〔ポンピング部の第２変形例〕
図１０は、ポンピング部の第２変形例を説明する平面図であって、回転軸又はスリーブの外周面の一部を平面状に展開した状態を示しており、回転軸２がＲ方向に回転する場合を示している。
回転軸２の外周面に同じ容量の吸入ポンピング部２０ａ及び吐出ポンピング部２０ｂが形成されている場合、両回転方向の軸封装置で利用できるメリットはあるが、被密封流体の圧力が高い場合、吐出ポンピング部２０ｂからの吐出量より吸入ポンピング部２０ａ等からの流入量が上回り漏れ量が増加する恐れがある。

図１０（ａ）では、吐出ポンピング部２０ｂの線状の凹凸のピッチＰｂが吸入ポンピング部２０ａの線状の凹凸のピッチＰａより小さく形成され、吐出ポンピング部１１ｂの吐出容量が吸入ポンピング部２０ａの吸入容量より大きく設定されている。このため、吸入ポンピング部２０ａ等から流入する被密封流体は吐出ポンピング部２０ｂから被密封流体側に吐出され、大気側に漏洩することが防止される。
また、図１０（ｂ）では、吐出ポンピング部２０ｂの線状の凹凸の幅または深さが吸入ポンピング部２０ａの線状の凹凸の幅または深さより大きく形成され、吐出ポンピング部２０ｂの吐出容量が吸入ポンピング部２０ａの吸入容量より大きく設定されている。このため、吸入ポンピング部２０ａ等からの流入する被密封流体は吐出ポンピング部２０ｂから被密封流体側に戻され、大気側に漏洩することが防止される。

〔ポンピング部の第３変形例〕
図１１は、ポンピング部の第３変形例を説明する平面図であって、回転軸又はスリーブの外周面の一部を平面状に展開した状態を示しており、回転軸２がＲ方向に回転する場合を示している。
回転軸２の外周面に同じ容量の吸入ポンピング部２０ａ及び吐出ポンピング部２０ｂが形成されている場合、両回転方向の軸封装置で利用できるメリットはあるが、被密封流体の圧力が高い場合、吐出ポンピング部２０ｂからの吐出量より吸入ポンピング部２０ａ等からの流入量が上回り漏れ量が増加する恐れがある。

図１１（ａ）では、吸入ポンピング部２０ａ及び吐出ポンピング部２０ｂの周方向の長さａは同じであるが、吐出ポンピング部２０ｂの軸方向の長さｂ’が吸入ポンピング部２０ａの軸方向の長さｂより大きく形成され、吐出ポンピング部２０ｂの吐出容量が吸入ポンピング部２０ａの吸入容量より大きく設定されている。このため、吸入ポンピング部２０ａ等からの流入する被密封流体は吐出ポンピング部２０ｂから被密封流体側に戻され、大気側に漏洩することが防止される。
また、図１１（ｂ）では、吸入ポンピング部２０ａ及び吐出ポンピング部２０ｂの軸方向の長さｂは同じであるが、吐出ポンピング部２０ｂの周方向の長さａ’が吸入ポンピング部２０ａの周方向の長さａより大きく形成され、吐出ポンピング部２０ｂの吐出容量が吸入ポンピング部２０ａの吸入容量より大きく設定されている。このため、吸入ポンピング部２０ａ等からの流入する被密封流体は吐出ポンピング部２０ｂから被密封流体側に戻され、大気側に漏洩することが防止される。
さらに、図示されていないが、吐出ポンピング部２０ｂの周方向の長さまたは軸方向の長さを吸入ポンピング部２０ａの周方向の長さまたは軸方向の長さより大きく形成し、吐出ポンピング部２０ｂの吐出容量を吸入ポンピング部２０ａの吸入容量より大きく設定してもよい。

１ ハウジング
２ 回転軸
３ 回転軸貫通穴
４ スリーブ
１０ 軸封装置
１１ リップシール
１２ 補強環
１３ シールリップ部材
１４ リップ
１５ ガータスプリング
２０ ポンピング部
２０ａ 吸入ポンピング部
２０ｂ 吐出ポンピング部
２１ 凹部
２２ 凹部の上縁部
３０ 軸封装置
３１ リップシール
３２ シールリップ部材
３３ 結合金属環
３４ 押え金属環
３５ 筒状リップ
Ｓ 回転部材の摺動面
Ｌ 被密封流体側
Ａ 大気側

Claims (13)

1. 径方向内外で同心状に配置されている回転部材と固定部材との間をシールするリップシールを備えたリップタイプシールの軸封装置において、
   前記回転部材の外周面に、前記リップシールと前記回転部材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円周方向に分離されて複数形成され、
   前記複数のポンピング部は、被密封流体を吸い込む方向に作用して潤滑流体膜を形成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、
   前記リップシールのリップが、軸方向において、前記回転部材の外周面に形成された前記吸入ポンピング部の被密封流体側の一部及び前記吐出ポンピング部の被密封流体側の一部を残して大気側に延設されていることを特徴とする軸封装置。
2. 前記リップシールのリップが、軸方向において、前記ポンピング部の被密封流体側の一部を残して前記ポンピング部を覆うとともに大気側に延設され、前記ポンピング部より大気側の回転部材の外周面と摺接するように設定されていることを特徴とする請求項１記載の軸封装置。
3. 前記リップシールのリップが、軸方向において、前記ポンピング部の被密封流体側の一部及び大気側の一部を残して、前記ポンピング部の形成された回転部材の外周面と摺接するように設定されていることを特徴とする請求項１記載の軸封装置。
4. 前記ポンピング部は、線状の凹凸の周期構造をしており、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する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の軸封装置。
5. 前記複数のポンピング部は、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する請求項４記載の軸封装置。
6. 前記ポンピング部は、回転部材の外周面に形成された複数の凹部の底面に設けられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の軸封装置。
7. 前記吸入ポンピング部は、側面視において線状の凹凸が回転軸の回転方向に向かって次第に深くなるように形成され、吐出ポンピング部は、側面視において線状の凹凸が回転軸の回転方向に向かって次第に浅くなるように形成されていることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の軸封装置。
8. 前記複数の凹部の上縁部がテーパ形状またはアール形状に加工されていることを特徴とする請求項６記載の軸封装置。
9. 前記複数の凹部の底面に形成されるポンピング部において、前記吸入ポンピング部のポンピング容量と吐出ポンピング部のポンピング容量とが同等、または、いずれか一方のポンピング容量が大きく設定されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の軸封装置。
10. 前記複数の凹部の底面に形成されるポンピング部において、前記吐出ポンピング部の線状の凹凸のピッチが吸入ポンピング部の線状の凹凸のピッチより小さく形成されていることを特徴とする請求項４ないし９のいずれか１項に記載の軸封装置。
11. 前記複数の凹部の底面に形成されるポンピング部において、前記吐出ポンピング部の線状の凹凸の幅または深さが吸入ポンピング部の線状の凹凸の幅または深さより大きく形成されていることを特徴とする請求項４ないし１０のいずれか１項に記載の軸封装置。
12. 前記複数の凹部の底面に形成されるポンピング部において、前記吐出ポンピング部の径方向の長さまたは円周方向の長さが吸入ポンピング部の径方向の長さまたは円周方向の長さより大きく形成されていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の軸封装置。
13. 請求項４または５記載の前記ポンピング部の線状の凹凸の周期構造が、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軸封装置の製造方法。

Images