JP6572203B2 - 摺動部品 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、メカニカルシール、軸受、その他、摺動部に適した摺動部品に関する。特に、摺動面に流体を介在させて摩擦を低減させるとともに、摺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摺動部品に関する。
摺動部品の一例である、メカニカルシールにおいて、その性能は、漏れ量、摩耗量、及びトルクによって評価される。従来技術ではメカニカルシールの摺動材質や摺動面粗さを最適化することにより性能を高め、低漏れ、高寿命、低トルクを実現している。しかし、近年の環境問題に対する意識の高まりから、メカニカルシールの更なる性能向上が求められており、従来技術の枠を超える技術開発が必要となっている。
摺動面に離散的に形成された複数の周期構造のそれぞれを鏡面部分で区分けし、各周期構造のグレーティング状凹凸の凹部両端を鏡面部分で堰き止めることで、各周期構造における油膜保持能力を増大し、往復摺動特性や回転摺動特性を向上させるようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照。以下、「従来技術」という。）。
特開２００７−６９３００号公報（図１）
上記従来技術においては、図１１（ａ）に示すように、鏡面５０の離散した複数の矩形領域５１に加工閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバーラップさせながら走査して自己組織的に周期構造を形成するものであるが、図１１（ｂ）に示すように、周期構造５２は、グレーティング状凹凸を形成する凸部５３と凹部５４を有するものである。そして、グレーティング状凹凸の平均的な振幅ｈは１μｍを超えない程度の大きさであり、また、周期構造５２のグレーティング状凹凸の周期ピッチｐは１０μｍを超えない程度の大きさである。
上記の従来技術においては、摺動面の油膜保持能力を増大し、往復摺動特性や回転摺動特性を向上させることを目的としているため、複数の矩形領域５１の周期構造５２にグレーティング状凹凸を形成するものである。
しかしながら、相対摺動する摺動部品の摺動面に動圧発生溝を形成して正圧を発生させ、摺動面の間隔を広げて摺動面の潤滑性を向上させたり、あるいは、摺動面の低圧側に負圧発生溝を形成して負圧を発生させ、漏れを低減させるたりする場合においては、動圧発生溝あるいは負圧発生溝の底面はできるだけ平坦であることが望ましい。また、動圧発生溝あるいは負圧発生溝をレーザ加工により形成する場合、摺動面にレーザ加工に伴うデブリ（アブレーションにより材料表面から飛散した物質）が付着しないことが望まれる。
本発明は、摺動面に形成される動圧発生溝及び負圧発生溝の加工に伴う飛散物質などの付着のない高精度の摺動面を形成すると共に、摺動面に形成される動圧発生溝及び負圧発生溝の底面を平坦に形成することにより、飛散物質の除去作業を行う必要がなく、また、摺動面の相対摺動により所定の動圧及び負圧を発生させることができる摺動部品を提供することを目的とするものであり、併せて、摺動面に高精度で効率よく動圧発生溝及び負圧発生溝を形成できる加工方法を提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するため本発明の摺動部品の加工方法は、第１に、一対の摺動部品の少なくとも一方側の摺動部品を準備する工程と、前記摺動部品の摺動面の正圧発生溝、負圧発生溝または流体連通路兼正圧発生溝が形成される部分に超短パルスレーザを照射して前記摺動面の表面の一部を除去することにより、前記摺動面に深さ０．０５μｍ〜５μｍの範囲の浅い溝を形成する加工工程とを備え、前記加工工程において用いられる前記超短パルスレーザのエネルギーフルエンスは、０．５Ｊ／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）〜７Ｊ／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）であることを特徴としている。
この特徴によれば、正圧発生溝、負圧発生溝または流体連通路兼正圧発生溝の加工面である底面をきわめて平坦に形成できると共に、これら溝の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る。また、加工に伴う熱の影響が少ないため、摺動面にうねりが発生するなどの弊害を防止できる。さらに、加工時間も短く、加工後において摺動面のデブリ除去などの作業を行う必要がないため、作業効率もよい。
また、本発明の摺動部品の加工方法は、第２に、第１の特徴において、前記超短パルスレーザのエネルギーフルエンスを変更する工程をさらに備えることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動部品の材質、及び、加工部である溝の大きさや深さに応じたエネルギーフルエンスに設定することができる。
また、本発明の摺動部品の加工方法は、第３に、第１または第２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可能である。
また、本発明の摺動部品の加工方法は、第４に、第１ないし第３のいずれか１つの特徴において、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。
また、本発明の摺動部品の加工方法は、第５に、第１ないし第４のいずれか１つの特徴において、前記加工工程では、前記摺動部品の摺動面の表面上において前記超短パルスレーザをガルバノスキャナーで走査することにより、前記摺動面に浅い溝を形成することを特徴としている。
この特徴によれば、ガルバノスキャナーの高速走査性を利用して加工を効率よく行うことができる。
また、本発明の摺動部品は、第１に、一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分に前記流体循環溝より浅い正圧発生溝を有する正圧発生機構が設けられ、前記正圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記高圧流体側とはランド部により隔離されており、前記正圧発生溝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、前記正圧発生溝の底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であり、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、摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させるようにした摺動部品において、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、デブリによる盛り上がりもないことから、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、本発明の摺動部品は、第２に、第１の特徴において、前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記流体循環溝より浅い負圧発生溝からなる負圧発生機構が設けられ、前記負圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記負圧発生溝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、前記負圧発生溝の底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であり、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、低圧流体側に漏れようとする流体を負圧発生溝を介して高圧流体側に戻すようにした摺動部品において、精度のよい負圧発生溝により所定の負圧を発生させることができ、更に一層、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。
また、本発明の摺動部品は、第３に、一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、高圧流体側に面して動圧発生用のランド部及び低圧流体側に面して密封面が設けられ、前記ランド部と前記密封面とは径方向に離間されて配設され、前記摺動面の前記ランド部及び前記密封面を除く部分はこれらの面より低く形成されて流体連通路兼正圧発生溝として構成されており、前記流体連通路兼正圧発生溝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、前記流体連通路兼正圧発生溝の底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であり、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、摺動面の潤滑性が向上されると共に、流体に含まれる不純物が高圧流体側に排出され、摺動面を損傷することはなく、かつ、不純物が摺動面に堆積して摺動面の間隔を広げることもないようにした摺動部品において、精度のよい流体連通路兼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、デブリによる盛り上がりもないことから、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、本発明の摺動部品は、第４に、第３の特徴において、前記密封面の高圧流体側には負圧発生溝からなる負圧発生機構が設けられ、前記負圧発生溝の下流側は前記流体連通路兼正圧発生溝に連通されており、前記負圧発生溝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、前記負圧発生溝の底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であり、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、低圧流体側に漏れようとする流体を負圧発生溝を介して高圧流体側に戻すようにした摺動部品において、精度のよい負圧発生溝により所定の負圧を発生させることができ、更に一層、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。
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）加工工程において用いられる前記超短パルスレーザのエネルギーフルエンスは、０．５Ｊ／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）〜７Ｊ／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）であることにより、正圧発生溝、負圧発生溝または流体連通路兼正圧発生溝の加工面である底面をきわめて平坦に形成できると共に、これら溝の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る。また、加工に伴う熱の影響が少ないため、摺動面にうねりが発生するなどの弊害を防止できる。さらに、加工時間も短く、加工後において摺動面のデブリ除去などの作業を行う必要がないため、作業効率もよい。
（２）超短パルスレーザのエネルギーフルエンスを変更する工程をさらに備えることより、摺動部品の材質、及び、加工部である溝の大きさや深さに応じたエネルギーフルエンスに設定することができる。
（３）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可能である。
（４）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。
（５）加工工程では、摺動部品の摺動面の表面上において前記超短パルスレーザをガルバノスキャナーで走査することにより、摺動面に浅い溝を形成することにより、ガルバノスキャナーの高速走査性を利用して加工を効率よく行うことができる。
（６）正圧発生溝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、正圧発生溝の底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であり、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、摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させるようにした摺動部品において、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、デブリによる盛り上がりもないことから、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。
（７）負圧発生溝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、前記負圧発生溝の底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であり、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、低圧流体側に漏れようとする流体を負圧発生溝を介して高圧流体側に戻すようにした摺動部品において、精度のよい負圧発生溝により所定の負圧を発生させることができ、更に一層、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。
（８）流体連通路兼正圧発生溝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、前記流体連通路兼正圧発生溝の底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であり、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、摺動面の潤滑性が向上されると共に、流体に含まれる不純物が高圧流体側に排出され、摺動面を損傷することはなく、かつ、不純物が摺動面に堆積して摺動面の間隔を広げることもないようにした摺動部品において、精度のよい流体連通路兼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、デブリによる盛り上がりもないことから、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。
（９）流体連通路兼正圧発生溝を備えた摺動部品において、負圧発生溝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、前記負圧発生溝の底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であり、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、低圧流体側に漏れようとする流体を負圧発生溝を介して高圧流体側に戻すようにした摺動部品において、精度のよい負圧発生溝により所定の負圧を発生させることができ、更に一層、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。
本発明の実施例１に係る摺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。 本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面を示したものである。 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の概略構成を示す模式図である。 本発明の摺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。 本発明の摺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。 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。 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。 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。 本発明の実施例２に係る摺動部品の摺動面を示したものである。 レイリーステップ機構などからなる正圧発生機構及び逆レイリーステップ機構などからなる負圧発生機構を説明するためのものであって、図（ａ）はレイリーステップ機構を、図（ｂ）は逆レイリーステップ機構を示したものである。 従来技術を説明する図であって、（ａ）平面図、（ｂ）は断面図である。
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。
図１及び図２を参照して、本発明の実施例１に係る摺動部品について説明する。
なお、本実施例においては、摺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。また、メカニカルシールを構成する摺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。
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、摺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摺動部品である円環状の回転環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他方の摺動部品である円環状の固定環５とが設けられ、固定環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５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。
図２は、本発明の実施例１に係る摺動部品の摺動面を示したものであって、ここでは、図２の固定環５の摺動面に流体循環溝が形成される場合を例にして説明する。
なお、回転環３の摺動面に流体循環溝が形成される場合も基本的には同様であるが、その場合、流体循環溝は被密封流体側に連通すればよいため、摺動面の外周側まで設けられる必要はない。
図２において、固定環５の摺動面の外周側が高圧流体側であり、また、内周側が低圧流体側、例えば大気側であり、相手摺動面は反時計方向に回転するものとする。
固定環５の摺動面には、高圧流体側に連通されると共に低圧流体側とは摺動面の平滑部Ｒ（本発明においては、「ランド部」ということがある。）により隔離された流体循環溝１０が周方向に複数設けられている。
流体循環溝１０は、高圧流体側から入る入口部１０ａ、高圧流体側に抜ける出口部１０ｂ、及び、入口部１０ａ及び出口部１０ｂとを周方向に連通する連通部１０ｃから構成され、低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。流体循環溝１０は、摺動面において腐食生成物などを含む流体が濃縮されることを防止するため、積極的に高圧流体側から被密封流体を摺動面上に導入し排出するという役割を担うものであり、相手摺動面の回転方向に合わせて摺動面上に被密封流体を取り入れ、かつ、排出しやすいように入口部１０ａ及び出口部１０ｂが形成される一方、漏れを低減するため、低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。
なお、流体循環溝の形状は、図２に示すような略Ｖ字形、あるいは、略Ｕ字形のものなど種々の形態を取り得るが、本明細書においては原則として、「高圧流体側から入る入口部」とは流体循環溝の内径方向に向かう部分を、「高圧流体側に抜ける出口部」とは流体循環溝の外径方向に向かう部分を指すものとして説明する。したがって、「入口部と出口部とを連通する連通部」は、きわめて短い場合から相当程度の長さを有する場合がある。
本例では、流体循環溝１０は、摺動面の平面視において、摺動面の半径線ｒを基準にして左右略対称の形状に形成され、流体循環溝１０の左右の部分、すなわち、入口部１０ａと出口部１０ｂとのなす高圧流体側における交角αが１２０°〜１８０°の範囲に設定されている。
なお、流体循環溝１０の平面視における形状において、半径線ｒを基準にして必ずしも左右対称の形状である必要はなく、入口部１０ａの交角α１を出口部１０ｂの交角α２より大きくしてもよく、また、その逆であってもよい。
本明細書において、左右略対称という場合、α１＝α２±５゜の範囲を意味する。
また、交角αとしては、１２０°〜１８０°の範囲が好ましい範囲ではあるが、必ずしも、１２０°〜１８０°の範囲に限定されるものではない。
さらに、流体循環溝１０の平面視における形状において、直線部分のない、全体として曲線状（円弧状など）にしてもよい。
また、流体循環溝１０の幅及び深さは、被密封流体の圧力、種類（粘性）などに応じて最適なものに設定されればよい。
図２に示す流体循環溝１０は、左右対称であって、交角αが１６０°と大きいため、入口部１０ａへの被密封流体の流入及び出口部１０ｂからの被密封流体の排出が容易である。
流体循環溝１０が設けられた摺動面には、流体循環溝１０と高圧流体側とで囲まれる部分に流体循環溝１０より浅い正圧発生溝１１ａを備える正圧発生機構１１が設けられている。正圧発生機構１１は、正圧（動圧）を発生することにより摺動面間の流体膜を増加させ、潤滑性能を向上させるものである。
正圧発生溝１１ａは流体循環溝１０の入口部に連通し、出口部１０ｂ及び高圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。
本例では、正圧発生機構１１は、流体循環溝１０の入口部１０ａに連通する正圧発生溝１１ａ及びレイリーステップ１１ｂを備えたレイリーステップ機構から構成されるが、これに限定されることなく、例えば、ダム付きフェムト溝で構成してもよく、要は、正圧を発生する機構であればよい。
図２において、固定環５の摺動面には、流体循環溝１０と高圧流体側とで囲まれた部分の外側、すなわち、隣接する流体循環溝１０、１０の間には、流体循環溝１０より浅い負圧発生溝を構成するグルーブ１５ａ及び逆レイリーステップ１５ｂからなる負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構１５が設けられている。グルーブ１５ａは入口部１０ａに連通し、出口部１０ｂ及び低圧流体側とはランド部Ｒにより隔離されている。
本実施例１において、負圧発生機構を構成する逆レイリーステップ機構１５は、負圧の発生により高圧流体側から低圧流体側に漏洩しようとする被密封流体をグルーブ１５ａに取り込み、流体循環溝１０を介して高圧流体側に戻し、密封性を向上させる役割を果たすものである。
なお、レイリーステップ機構及び逆レイリーステップ機構については、後に、詳しく説明する。
正圧発生溝１１ａ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、正圧発生溝１１ａの底面の粗さは加工深さの１／１０以下であり、加工部の際（正圧発生溝１１ａの際）のデブリによる盛り上がりが０．０１μｍ未満である。
また、負圧発生溝１５ａは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、負圧発生溝１５ａの底面の粗さは加工深さの１／１０以下であり、加工部の際（負圧発生溝１５ａの際）のデブリによる盛り上がりが０．０１μｍ未満である。
本発明において、超短パルスレーザとは、１つのパルスの幅（時間幅）が１０ピコ秒未満から数フェムト秒以上の非常に短いパルスのレーザをいう。この超短パルスレーザは熱の効果が表れる前に物質に非常に大きなエネルギを瞬間的に与える特性を持っているものである。
次に、図３を参照しながら、本発明の摺動部品の摺動面に正圧発生溝１１ａ及び負圧発生溝１５ａを加工する加工方法について説明する。
なお、図３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。
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。
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環５としてＳｉＣを用いる。
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。
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。
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。
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。
図４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。
図５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。
図６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（正圧発生溝及び負圧発生溝の底面をいう。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（正圧発生溝及び負圧発生溝の際）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。
図６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／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）〜７Ｊ／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）の範囲において好適であることが判明した。
図７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／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）であり、１ショットの加工深さは０．０２μｍである。
図７（ｂ）から、加工面（正圧発生溝及び負圧発生溝の底面をいう。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（正圧発生溝及び負圧発生溝の際）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。
図８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８（ｂ）から、加工面（正圧発生溝及び負圧発生溝の底面）の粗さＲａは約０．７５μｍである。また、加工部の際（正圧発生溝及び負圧発生溝の際）のデブリによる盛り上がりは約０．７８４μｍである。
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（正圧発生溝及び負圧発生溝の際）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。
図９を参照して、本発明の実施例２に係る摺動部品について説明する。
図９において、固定環５の摺動面の外周側が高圧流体側（被密封流体側）であり、また、内周側が低圧流体側、例えば大気側であり、相手摺動面は反時計方向に回転するものとする。
固定環５の摺動面には、高圧流体側に面して動圧発生用のランド部３０及び低圧流体側に面して密封面３１が設けられている。密封面３１は、摺動面の平滑部により構成され密封作用を行う部分である。ランド部３０と密封面３１とは径方向に離間されて配設される。また、摺動面のランド部３０及び密封面３１を除く部分はこれらの面より低く形成されており、この低い部分でもって流体連通路兼正圧発生溝３２が構成される。
図９において、ランド部３０は、周方向に等配に複数設けられ、各ランド部３０は離間されて独立している。そして、隣接するランド部３０と３０との間には径方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ａが高圧流体側に面して複数形成される。また、ランド部３０と密封面３１との間には周方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ｂが形成され、複数の径方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ａは周方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ｂを介して連通される。各ランド部３０の周方向の幅、径方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ａ及び周方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ｂの幅、並びに、これら流体連通路兼正圧発生溝３２ａ及び３２ｂの深さは、摺動面の相対速度や、被密封流体の粘度等に基づいて最適な値に設定される。一例を挙げると、各ランド部３０の周方向の幅はミリメートルのオーダーであり、流体連通路兼正圧発生溝３２ａの周方向の幅はランド部３０の幅と同等か小さい。各ランド部３０の面は密封面３１と略同じ高さである。また、これら流体連通路兼正圧発生溝３２ａ及び３２ｂは、密封面３１より、例えば、０．０５μｍ〜５μｍ低く設定される。流体連通路兼正圧発生溝３２ａ及び３２ｂの深さが１μｍ以上では、高速回転時に高い動圧が発生し、摺動面の間隔が広げられ過ぎるため、漏れの原因となるので、１μｍ以下が好ましい。
また、低圧流体側に設けられる密封面３１の高圧流体側に負圧発生機構４０が設けられている。図９の場合、負圧発生機構４０は逆レイリーステップ機構から構成される。この逆レイリーステップ機構は、密封面３１に形成されたグルーブ（溝）４０ａとグルーブ（溝）４０ａの上流側の逆レイリーステップ４０ｂと備え、グルーブ（溝）４０ａの下流側は周方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ｂに連通されている。グルーブ（溝）４０ａの深さは、周方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ｂの深さと同じか、やや浅く形成されるのが望ましい。逆レイリーステップ機構４０は周方向に等配に複数設けられる。
今、回転環３が回転し、回転環３と固定環５との摺動面Ｓが相対摺動すると、高圧流体側から径方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ａに進入した流体は、ランド部３０の動圧発生作用により昇圧され、正圧を発生するので、回転環３と固定環５との摺動面Ｓの間隔が広げられ、摺動面Ｓの潤滑性が向上される。その際、流体に含まれる不純物は、周方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ｂを周回し、最終的には遠心力で高圧流体側に排出されるため、摺動面を損傷することはない。また、不純物が摺動面に堆積して摺動面の間隔を広げることもないので、摺動部品の寿命を著しく向上させることができる。
さらに、低圧流体側に設けられる密封面３１の高圧流体側に負圧発生機構４０が設けられているので、摺動面及び流体連通路兼正圧発生溝３２から低圧流体側に漏洩しようとする流体は負圧発生機構４０に流入し、流体連通路兼正圧発生溝３２を介して高圧流体側に排出されるので、流体の漏洩を低減できる。
図９の場合、ランド部３０の輪郭はＵ字形をしており、かつ、Ｕ字形の上方が高圧流体側に面するように配設されている。
このように、ランド部３０の輪郭がＵ字形の場合、動圧発生部が径方向に長く存在するため、潤滑性が向上され、低摩擦となる。また、径方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ａと周方向の流体連通路兼正圧発生溝３２ｂとが円弧状に滑らかに連通されるため、流体に含まれる不純物は途中で停滞することなく排出され、不純物の堆積を防止できる。この結果、摺動面が損傷されることもないので、摺動面の腐食を防止できる。
本実施例２において、流体連通路兼正圧発生溝３２及び逆レイリーステップ機構のグルーブ（溝）４０ａは、実施例１の正圧発生溝１１ａ及び負圧発生溝１５ａと同じ加工方法、すなわち、図３の加工装置２０を用いて、超短パルスレーザのエネルギーフルエンスは、０．５Ｊ／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）〜７Ｊ／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）の範囲において加工されるものであり、説明は省略する。
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。
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。
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／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）〜７Ｊ／（ｃｍ２．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／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）以上では、１回のショットのパルスエネルギーが大きすぎるため、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／（ｃｍ２．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／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）以上では、デブリが発生し、加工部の際が盛り上がる。
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／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）〜７Ｊ／（ｃｍ２．ｐｕｌｓｅ）の範囲であることが好ましい。
上記摺動部品の加工方法は、超短パルスレーザのエネルギーフルエンスを変更する工程をさらに備えていてもよい。上記エネルギーフルエンスを変更する工程は、超短パルスレーザのパルスエネルギーおよび焦点距離の少なくともいずれか一方を変更する工程を含んでいてもよい。なお、焦点距離とは、超短パルスレーザを摺動面に照射するための光学系において、摺動面にもっとも近い位置に配置されたレンズの中心から、当該レンズを通過した超短パルスレーザが焦点を結ぶ位置までの距離をいう。
次に、図１０を参照しながら、レイリーステップ機構などからなる正圧発生機構及び逆レイリーステップ機構などからなる負圧発生機構を説明する。
図１０（ａ）において、相対する摺動部品である回転環３、及び、固定環５が矢印で示すように相対摺動する。例えば、固定環５の摺動面には、相対的移動方向と垂直かつ上流側に面してレイリーステップ１１ｂが形成され、該レイリーステップ１１ｂの上流側には正圧発生溝であるグルーブ部１１ａが形成されている。相対する回転環３及び固定環５の摺動面は平坦である。
回転環３及び固定環５が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環３及び固定環５の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環３または固定環５の移動方向に追随移動しようとするため、その際、レイリーステップ１１ｂの存在によって破線で示すような正圧（動圧）を発生する。
なお、１０ａ、１０ｂは、それぞれ、流体循環溝の入口部、出口部を、また、Ｒはランド部を示す。
図１０（ｂ）においても、相対する摺動部品である回転環３、及び、固定環５が矢印で示すように相対摺動するが、回転環３及び固定環５の摺動面には、相対的移動方向と垂直かつ下流側に面して逆レイリーステップ１５ｂが形成され、該逆レイリーステップ１５ｂの下流側には負圧発生溝であるグルーブ部１５ａが形成されている。相対する回転環３及び固定環５の摺動面は平坦である。
回転環３及び固定環５が矢印で示す方向に相対移動すると、回転環３及び固定環５の摺動面間に介在する流体が、その粘性によって、回転環３または固定環５の移動方向に追随移動しようとするため、その際、逆レイリーステップ１５ｂの存在によって破線で示すような負圧（動圧）を発生する。
なお、１０ａ、１０ｂは、それぞれ、流体循環溝の入口部、出口部を、さらに、Ｒはランド部を示す。
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例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。
例えば、前記実施例では、主に、摺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いずれかに用いる例について説明したが、円筒状摺動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸と摺動する軸受の摺動部品として利用することも可能である。
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、いわゆる、インサイド形について説明したが、内周側が高圧流体が存在する、いわゆる、アウトサイド形の場合にも適用できることはもちろんである。この場合、動圧発生用のランド部及び密封面の径方向の配置は逆になる。
また、例えば、前記実施例では、固定環の摺動面に流体循環溝、正圧発生溝及び負圧発生溝あるいは動圧発生用のランド部及び流体連通路兼正圧発生溝並びに密封面を設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、これらは回転環の摺動面に設けてもよい。
１ 回転軸
２ スリーブ
３ 回転環
４ ハウジング
５ 固定環
６ コイルドウェーブスプリング
７ ベローズ
１０ 流体連通路
１１ 正圧発生機構
１１ａ 正圧発生溝
１１ｂ レイリーステップ
１５ 負圧発生機構
１５ａ 負圧発生溝
１５ｂ 逆レイリーステップ
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
３０ ランド部
３１ 密封面
３２ 流体連通路兼正圧発生溝
４０ 負圧発生機構
４０ａ グルーブ（負圧発生溝）
４０ｂ 逆レイリーステップ
Ｒ ランド部

Claims (4)

  1. 一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分に前記流体循環溝より浅い正圧発生溝を有する正圧発生機構が設けられ、前記正圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記高圧流体側とはランド部により隔離されており、前記正圧発生溝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、加工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摺動部品。
  2. 前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記流体循環溝より浅い負圧発生溝からなる負圧発生機構が設けられ、前記負圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記負圧発生溝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、加工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記載の摺動部品。
  3. 一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、高圧流体側から入る入口部、高圧流体側に抜ける出口部、及び、前記入口部及び前記出口部とを連通する連通部から構成される流体循環溝が設けられ、前記流体循環溝は低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分に前記流体循環溝より浅い正圧発生溝を有する正圧発生機構が設けられ、前記正圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記高圧流体側とはランド部により隔離されており、前記正圧発生溝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、前記正圧発生溝の底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であり、加工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摺動部品。
  4. 前記一方側の摺動面の前記流体循環溝と高圧流体側とで囲まれる部分の外側には、前記流体循環溝より浅い負圧発生溝からなる負圧発生機構が設けられ、前記負圧発生溝は前記入口部に連通され、前記出口部及び前記低圧流体側とはランド部により隔離されており、前記負圧発生溝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、前記負圧発生溝の底面の粗さＲａは加工深さの１／１０以下であり、加工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３記載の摺動部品。
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