JP5122607B2

JP5122607B2 - 平面摺動機構

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Publication number: JP5122607B2
Application number: JP2010138575A
Authority: JP
Inventors: 博司沢田
Original assignee: Canon Machinery Inc
Current assignee: Canon Machinery Inc
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: JP2012002295A

Description

本発明は、平面摺動機構に関する。

相対する平面間で摺動を行う平面摺動機構は、例えば高圧流体機器の軸封部に適用されるシール装置等として利用されている。

非接触形のメカニカルシールとして、被軸封機器の回転部材と、回転部材と同時回転する回転密封環と、回転不能に保持され、かつスプリングにより回転密封環側に常時付勢される静止密封環とを備えたものがある（特許文献１）。特許文献１には、回転密封環のシール面に、円周方向に等間隔で径方向にのびる幅狭深底の流体導入溝を複数形成し、これら流体導入溝のそれぞれに連通し、かつ円周方向の一方にのびる幅広浅底の動圧発生グルーブが形成されている。回転密封環が回転すると、高圧側の流体が流体導入溝から動圧発生グルーブに流入して静止密封環のシール面との間に動圧を発生させ、例えば５〜２０μｍ程度の狭いシール隙間を形成し、低圧側と高圧側とを非接触状態でシールするように構成されている。

特許文献１のものは、シール面の径外側から動圧発生グルーブの径方向の内側までの寸法と上記シール面の径方向の幅寸法との比と、静止密封環を構成するカーボン材の密度及びヤング率とを所定の値に設定することによりシール隙間の自己整合機能を持たせるようにしている。

特開平５−６０２４７号公報

特許文献１のものは、材料の機械特性を制限するものであるため、材質が限定的となる。また、摺動する相手部材の荷重が大きい場合やすべり速度が遅い場合など、十分な厚みの油膜が形成し難い状況では油膜切れが生じ、焼付きを起こしやすい。また、十分な厚みの油膜が形成されている場合でも、速度変動や荷重変動により油膜の厚みが変動し易く十分な油膜剛性が得られない。このように、摺動条件により油膜厚さの変動が大きいため、流体の漏洩や焼付きを生じる場合がある。

本発明は、上記事情に鑑み、薄い油膜を安定して得ることができてシール性の高い平面摺動機構を提供する。

本発明は、相対する平面間で潤滑流体の膜を介して相対回転摺動を行って、内径側と外径側とをシールする平面摺動機構であって、前記何れか一方の平面に、内径側又は外径側の一方に開口し、かつその開口部と径方向逆方向の端部が平面内に存在して、開口側からの潤滑流体を前記相対する平面間のリング状の摺動部位に導入する流体導入溝と、前記流体導入溝よりも浅く、前記流体導入溝に連通するとともに、相対する前記他方の平面の摺動方向に対して平行または９０°未満の傾斜角で傾斜する向きに周期性を有する複数の浅溝とを備え、前記１つの流体導入溝と、これに連通する複数の浅溝とで溝構成体を構成し、この溝構成体を、半径方向軸を対称軸とする線対称に配置し、前記複数の浅溝は、１０μｍ以下のピッチで形成され、かつ、１μｍ以下の深さに形成されているものである。

本発明は、平面上に設けられた溝の深さ寸法と潤滑流体膜の厚み寸法との関係に着目してなされたもので、相互に溝深さの異なる流体導入溝と浅溝とが交わるように配置すると共に、相対的に浅い側の溝を所定の態様に配列することにより、すべり速度や負荷の大きさに関らず安定した油膜の形成を実現可能としたものである。すなわち、相対摺動する平面のうち一方の平面に設けた複数の浅溝を周期性をもって配置し、かつこれら並列配置された複数の浅溝を何れも流体導入溝と交わるように配置することで、平面間に形成される潤滑流体膜の厚みの変動幅が小さくなり、数μｍ以下の薄い膜厚が安定して得られることで摩擦係数の変動幅も小さくなる。これは、以下の作用に起因するものと考えられる。つまり、１本の流体導入溝に対して複数本の浅溝を上記のように交差させて配置することにより、潤滑流体が、側方漏れをほとんど起こすことなく流体導入溝から複数の浅溝を介して平面（浅溝非形成部）に供給される。このとき、浅溝形成部と浅溝非形成部との境界で油圧が立ち上がることで荷重負荷能力が発現する。このとき、膜厚が比較的大きい場合には、浅溝に起因する油圧の立ち上がり（動圧効果）はほとんど生じず、浅溝の存在が流体導入溝に起因する動圧効果を低減させるため、膜厚を低減する向きに作用する。また、膜厚が比較的小さい場合、主に浅溝の長手方向に沿って潤滑流体の流れ込みが生じ、反流体導入溝側の端部で大きな動圧効果が生じる。動圧効果は、溝深さが油膜厚さに近いほど大きく、同程度の場合に最大となるため、油膜厚みの小さい場合、浅溝により剛性の高い流体膜を形成することができる。その結果、潤滑流体の膜厚の変動幅が小さくなるものと考えられる。
また、複数の浅溝は、１０μｍ以下のピッチで形成されていているので、潤滑流体の側方漏れを一層生じ難くして、動圧の発生効果をさらに高めることができる。その結果、側方での圧力降下を少なくして、ローリング誤差を小さくすることができる。
さらに、浅溝は、１μｍ以下の深さに形成されている。すなわち、一般的な動圧溝のオーダー（数μｍから数十μｍ）よりも小さいサイズに浅溝を形成することで、動圧発生時の浮上量の変動を減少でき、剛性を向上させることができ、特に膜厚が１μｍ以下となる摺動域において優れた動圧効果を発揮して高剛性の流体膜を形成することができる。

前記複数の浅溝は円周方向又は回転方向の接線方向に配置することができる。これにより、流体導入溝から浅溝に効率よく潤滑流体を取り込むことができ、負荷能力を高めることができる。

以上の構成に係る平面摺動機構に関し、例えば複数の浅溝は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを一方の平面に照射し、照射部分をオーバーラップさせながら走査することで自己組織的に形成されたものであってもよい。詳細は特許掲載公報第４０５４３３０号に譲るが、この種のいわゆるレーザを用いた自己組織的な並列溝の形成方法によれば、機械加工では困難な１μｍ以下のオーダーのピッチと溝深さを併せ持つ浅溝群を容易に形成できる。

以上のように、本発明によれば、すべり速度や荷重の大きさ、材質に関らず、薄い油膜を安定して得ることができ、しかも油膜厚みの変動が小さく油膜剛性に優れた平面摺動機構を提供することができる。これにより、内径側と外径側との間で高いシール性を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る平面摺動機構の一方の平面を示す平面図である。図１に示す平面摺動機構のＡ−Ａ断面図であって、油膜厚さが比較的大きい場合の摺動状態を概念的に示す断面図である。図１に示す平面摺動機構のＡ−Ａ断面図であって、油膜厚さが比較的小さい場合の摺動状態を概念的に示す断面図である。本発明の他の実施形態に係る平面摺動機構の一方の平面を示す要部平面図である。本発明の他の実施形態に係る平面摺動機構の一方の平面を示す要部平面図である。本発明の他の実施形態に係る平面摺動機構の一方の平面を示す要部平面図である。本発明の他の実施形態に係る平面摺動機構の一方の平面を示す要部平面図である。本発明の他の実施形態に係る平面摺動機構の一方の平面を示す平面図である。本発明の他の実施形態に係る平面摺動機構の一方の平面を示す平面図である。摺動実験の結果を示す図であって、比較例に係る平面摺動機構のすべり速度と動摩擦係数との関係を示す図である。摺動実験の結果を示す図であって、実施例に係る平面摺動機構のすべり速度と動摩擦係数との関係を示す図である。摺動実験の結果を示す図であって、実施例に係る平面摺動機構の荷重を異ならせた場合におけるすべり速度と動摩擦係数との関係を示す図である。摺動実験の結果を示す図であって、実施例に係る平面摺動機構の荷重を異ならせた場合におけるすべり速度と油膜厚さとの関係を示す図である。

以下、本発明に係る平面摺動機構の実施形態を図１〜図９に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る平面摺動機構の要部平面図を示している。第１部材１の平面（第１摺動面）１ａと第２部材２の平面（第２摺動面）２ａとが潤滑流体を介して相対的に回転摺動するものであって、例えば、オイルシールに使用することができる。この場合、図１に示すように、第１部材１はリング体としており、第２部材２は円盤体としている。そして、リング体の外径側は潤滑流体が存在する高圧側となり、内径側に気体が存在する低圧側となっており、内径側と外径側とをシールするものである。なお、潤滑流体とは、水、油、液体金属等の種々の液体を選択でき、この摺動面構造が用いられる用途に応じて種々変更することができる。

図１に示すように、平面摺動機構を構成する第１摺動面１ａには、その周方向に沿って所定の間隔おき（本実施形態では、９０°）に、後述する流体導入溝３および複数の浅溝４とで構成される溝構成体５が４つ形成されている。この溝構成体５は、第１摺動面１ａの半径方向軸を対称軸Ｓとする線対称となっている。

流体導入溝３は、相対する平面１ａ、２ａ間に潤滑流体（ここでは例えば潤滑油）を供給するための溝である。流体導入溝３は、本実施形態では半径方向に延びる直線状のものとなっており、相対する他方の平面２ａ（を有する相手部材２）の摺動方向に直交する向きに配置されている。流体導入溝３の一端は平面１ａの外径縁６に開口し、他端は平面内に存在している。故に、流体導入溝３内部は外気とは連通しない状態におかれている。

浅溝４，４…は、図１に示すように、平面視においてその幅が流体導入溝３よりも狭いものであり、１つの流体導入溝３に対して複数形成されている。これら複数の浅溝４，４…は周期性をもって並列に形成されたグレーティング構造となっており、何れの浅溝４も流体導入溝３と連通する。この浅溝４が形成される領域では、浅溝４の凹部と凸部で摺動面間のすきまに差が生じ、すきまの小さくなる凸部では大きな流体圧力が生じる。この流体圧力により荷重が支持されるため、摩擦係数の低い流体潤滑状態を実現できる。この実施形態では、複数の浅溝４が何れも流体導入溝３と所定の角度で交わる向きに配置されると共に、各浅溝４がその端部で流体導入溝３の一方の縁とつながっている（図２を参照）。

複数の浅溝４，４…は、この実施形態では直線形状をなし、接線方向に配置されている。浅溝４の溝深さＷｂは、油膜厚さが小さい場合に浅溝４による高剛性の油膜形成を図る観点から、１μｍ以下としている。さらに好ましくは浅溝４の溝深さＷｂを５００ｎｍ以下に設定するのがよい。また、何れの浅溝４，４…も流体導入溝３と直交する向き、ここでは結果的に他方の平面２ａ（相手部材２）の摺動方向（回転方向）の接線方向に配置されている。また、上記のように配置された流体導入溝３の双方の側に配置された全ての浅溝４，４…は同じ長手寸法に形成されている。

流体導入溝３と浅溝４の寸法関係について見ると、流体導入溝３の溝深さＷａは、相対する双方の平面１ａ、２ａ間に潤滑油を供給できる限りにおいて特に制限されないが、５μｍ以上とするのが好ましい。また、図２に示すように流体導入溝３の溝深さＷａと浅溝４の溝深さＷｂとの関係についてはＷａ＞Ｗｂが常に成立つように設定される。具体的には、浅溝４溝深さＷｂに対する流体導入溝３の溝深さＷａの比が５以上２００以下となるように、より好ましくは１０以上１００以下となるように、さらに好ましくは２０以上５０以下となるように設定される。また、一方の平面１ａのうち少なくとも流体導入溝３の形成されていない領域と、この領域と対向する他方の平面２ａとの間に油膜形成に足る潤滑油の動圧効果を生じ得るように流体導入溝３の寸法を定めることも可能であり、例えば相手部材２の重量（支持荷重）やすべり速度を考慮して定めるのがよい。なお、浅溝４の寸法、特に溝深さＷｂに関しては、浅溝４，４…が形成される一方の平面１ａの面粗さないし平面度との関係で規定することもでき、例えば平面１ａの表面粗さＲａないし平面度が溝深さＷｂの値を上回ることのないように平面１ａの面精度および浅溝４の溝深さＷｂを設定することもできる。油膜の確保のためである。

上記流体導入溝３は公知の溝形成手段を採用することができる。また、上記複数の浅溝４，４…についてもその形成手段は特に問わないが、上述のように１μｍ以下の溝深さを有するものを形成する場合には、例えば加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを一方の平面に照射し、照射部分をオーバーラップさせながら走査することで自己組織的に形成する手段が有効である。この手段によれば、照射するレーザに含まれる入射光の波長以下の周期（ピッチ）および深さで複数の浅溝４，４…を形成することができる。

次に、上記構成の平面摺動機構の動作について説明する。まず、図２に示すように、相対する他方の平面２ａ（相手部材２）のすべり速度が大きい場合、あるいは相手部材２からの荷重が小さい場合には、主に流体導入溝３からの潤滑油の供給により、相対する双方の平面１ａ、２ａ間に比較的膜厚の大きい油膜が形成される。溝深さＷａ，Ｗｂとの関係で言えば、浅溝４の溝深さＷｂよりも流体導入溝３の溝深さＷａに比較的近い大きさの油膜厚みＷｃを有する油膜が形成される。この場合、流体導入溝３の摺動方向前方側の縁の部分（図２中左側の縁の部分）で油圧の立ち上がりが生じる。また、この場合には、流体導入溝３とその摺動方向前方側でつながる浅溝４，４…の存在が流体導入溝３の摺動方向前方側の縁の部分と平面２ａの間隔を広げることになるため、流体導入溝３の動圧効果を低下させ、油膜厚みの急激な増加を抑制する向きに作用する。

また、図３に示すように、他方の平面２ａのすべり速度が小さい場合、あるいは相手部材２からの荷重が大きい場合には、流体導入溝３から浅溝４への潤滑油の流れ込みにより、浅溝４の、流体導入溝３とは離れた側の端部で流体導入溝３の動圧効果を上回る大きな動圧効果を生じる。この主に浅溝４の動圧効果によって、相対する双方の平面１ａ、２ａ間に比較的膜厚の小さい高剛性な油膜が形成される。溝深さＷａ，Ｗｂとの関係で言えば、流体導入溝３の溝深さＷａよりも浅溝４の溝深さＷｂに比較的近い大きさの油膜厚みＷｃを有する油膜が形成される。

また、流体導入溝３および複数の浅溝４，４…による動圧効果が効果的に生じるように、流体導入溝３および複数の浅溝４，４…の形状（寸法）やその配置態様を設定するようにすることで、油膜が比較的厚い場合には油膜厚みの変動を抑えて、言い換えると相手部材２の浮上量の変動を抑えて他方の平面２ａとの間で高い位置精度（平行度など）を発揮することができる。また、油膜が比較的薄い場合には他方の平面２ａとの間で所要の位置精度を保ちつつも高い油膜剛性を発揮することができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記例示の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において任意の形態を採り得ることはもちろんである。

例えば、上記実施形態では、流体導入溝３と所定の角度で交わる複数の浅溝４，４…を、その長手方向が他方の平面２ａの回転方向の接線方向となる向きに配置した場合を説明したが、もちろんこれ以外の向きに配置することも可能である。図４はその一例を示したものであって、流体導入溝３とこの流体導入溝３に連通する複数の浅溝４，４…を、平面１ａの円周方向に配置した場合を図示している。すなわち、浅溝４は円周方向に延びる緩やかな円弧状となっている。このように、浅溝４は摺動方向に対して平行または９０°未満の傾斜角で傾斜する限りにおいて、言い換えると、摺動方向に直交しない限りにおいて任意の角度を採ることができる。また、流体導入溝３とつながる全ての浅溝４，４…が同一の向きに揃っている必要はなく、流体導入溝３の一方の側と他方の側とで浅溝４の傾斜角が異なっていてもよく、隣接する浅溝４，４間で傾斜角が異なっていても構わない。

また、浅溝４の長手寸法についても、必ずしも全ての浅溝４，４…の長手寸法が同一である必要はなく、配置態様に応じて適宜長手寸法を異ならせたものであってもよい。

流体導入溝３の形状についても例示の態様に限定される必要はなく、例えば図５に示すように、流体導入溝３を、外径縁６から内径側に向かって幅が大きくなる台形状とすることができる。すなわち、流体導入溝３は、半径方向軸が対称軸Ｓとなるような等脚台形となる。なお、外径縁６から内径側に向かって幅が小さくなるような等脚台形であってもよい。また、図６に示すように、外径縁６から内径側に向かって幅が小さくなるＶ字状としてもよい。

また、流体導入溝３や浅溝４を１以上の直線ないし曲線の任意の組合せにより形成するようにしても構わない。

図７に示すように、一対の流体導入溝３ａ、３ｂが、半径方向軸を対称軸Ｓとして線対称となるように配置されている。また、一方の流体導入溝３ａに連通される浅溝４ａと、他方の流体導入溝３ｂに連通される浅溝４ｂとが、対称軸Ｓに対して線対象となるように配置されている。このようにして、一対の流体導入溝３ａ、３ｂ、及び一対の浅溝４ａ、４ｂとで溝構成体５が形成されている。

リング体の内径側が高圧側、外径側が低圧側である場合は、図８に示すように、流体導入溝３の一端は平面２の内径縁７に開口し、他端は平面内に存在している。また、図９に示すように、一端が外径縁６に開口し、他端は平面内に存在する第１流体導入溝３ａと、これに連通される第１浅溝４ａとで外径側溝構成体５ａが形成されている。また、一端が内径縁７に開口し、他端は平面内に存在する第２流体導入溝３ｂと、これに連通される第２浅溝４とで内径側溝構成体５ｂが形成されている。このように、外径側溝構成体５ａと内径側溝構成体５ｂとを備えたものであってもよい。

また、上記以外の事項についても、本発明の技術的意義を没却しない限りにおいて他の具体的形態を採り得ることはもちろんである。

以下、本発明に係る平面摺動機構の有効性を検証するための実験について述べる。

本実験は、試験片の傾斜による潤滑特性の変化を防止するため、平行すべりを容易に実現できるリングオンディスク試験装置を用いて行った。回転側のリング状試験片にはＳＵＳ４４０Ｃの焼入れ材を使用した。固定側のディスク状試験片にはＳｉＣを使用した。何れの試験片の摺動平面についても表面粗さＲａ０．０２μｍ以下、平面度０．１μｍ以下とした。ディスク状試験片の摺動平面は全て鏡面とした。リング状試験片（外径：１６ｍｍ、内径：１０ｍｍ）については、摺動平面が（１）流体導入溝のみ、（２）流体導入溝と浅溝との組合せ、の２種類を用意した。（１）が比較例、（２）が実施例である。流体導入溝はリング状平面の半径方向に伸びる向きに、言い換えると相手部材（ディスク）の摺動方向に直交する向きに配置した。これら流体導入溝は円周方向等間隔に８本配置した。流体導入溝の幅寸法２００μｍ、溝深さ６μｍとした。浅溝は流体導入溝の両側縁に約７００ｎｍのピッチで格子状に並列配置した。流体導入溝を中央として１ｍｍ幅の領域内に浅溝が配置されるよう長手寸法を設定した（約４００μｍ）。浅溝の溝深さは２００ｎｍ、配置方向は流体導入溝と直交する向きとした。これら複数の浅溝は、直線偏光で波長８００ｎｍのフェムト秒レーザを加工閾値近傍の照射強度で試験片の摺動平面に照射し、その照射部をオーバーラップさせながら走査することで、自己組織的に形成した。潤滑油（粘度グレード：ＶＧ３２）を予め摺動平面上に４００ｍｇ供給しておき、実験中は無給油とした。

リングオンディスク試験は、荷重を所定の値に固定し、静止状態からすべり速度１．２ｍ／ｓで起動させた後、５分ごとにすべり速度を０．１４ｍ／ｓまで段階的に低下させていき、各段階における摺動トルクを測定した。すべり速度は、リング状試験片の平均直径（１３ｍｍ）での値とした。そして測定した摺動トルクから動摩擦係数を算出した。荷重は９．０Ｎ、３０．０Ｎ、５０．５Ｎの３段階に設定した。上記試験は、（１）流体導入溝のみ、（２）流体導入溝と浅溝との組合せ、の２種類の試験片に対して実施した。

以下、実験結果について述べる。図１０は、摺動平面を流体導入溝のみで構成した場合（比較例）の摺動実験の結果を示すもので、横軸はすべり時間［ｍｉｎ］、左側の縦軸は動摩擦係数、右側の縦軸はすべり速度［ｍ／ｓ］をそれぞれ示している。図中の破線で示す部分はすべり速度を示しており、実線で示す部分は動摩擦係数を示している。また、図１１は、摺動平面を流体導入溝と浅溝との組合せとした場合（実施例）の摺動実験の結果を示している。横軸と両縦軸の項目、および図中の各種線で示す項目は図１０と同じである。まず、図１０に示す実験結果から、（１）流体導入溝のみでは所定のすべり速度（０．３５ｍ／ｓ）を境に動摩擦係数の急激な上昇が見られ、焼付きが生じた。これに対して、図１１に示すように、（２）流体導入溝と浅溝との組み合わせの場合、測定した全てのすべり速度段階を通じて動摩擦係数が低い状態が見られた。これは、すべり速度の大きさに関わらず流体潤滑状態にあったものと考えられる。（２）流体導入溝と浅溝との組み合わせの場合、図１２に示すように、荷重を３０．０Ｎ、５０．５Ｎと増加させても流体潤滑を維持し、荷重の増加にともない動摩擦係数が低下した。

図１３は図１２に示す実験結果から得たもので、流体導入溝と浅溝との組合せ（実施例）の場合のすべり速度の変動に伴う油膜厚さの変化を示している。ここで、図１３の縦軸は油膜厚さ［μｍ］、横軸はすべり速度［ｍ／ｓ］をそれぞれ示している。油膜厚さは、先の摺動実験で得た動摩擦係数と、使用した潤滑油の粘度（今回は、常温における粘度の値を使用した）とから算出した。図１３に示す実験結果から、油膜厚さは荷重変動に対してそれほど大きな変動は認められない。特に低速時には油膜厚さがサブミクロンとなり非常に剛性が高くなるため、荷重変動に対してほとんど油膜厚さの変化が生じていないことがわかる。油膜厚さが数μｍ以下で良好なシール性が保たれることから、（２）流体導入溝と浅溝との組み合わせの場合、良好なシール性と低摩擦となる流体潤滑状態の両立が実現されていることがわかる。

１ａ、２ａ平面
３流体導入溝
４浅溝
５溝構成体
Ｗａ溝深さ（流体導入溝）
Ｗｂ溝深さ（浅溝）
Ｗｃ油膜厚み
Ｓ対称軸

Claims

相対する平面間で潤滑流体の膜を介して相対回転摺動を行って、内径側と外径側とをシールする平面摺動機構であって、
前記何れか一方の平面に、内径側又は外径側の一方に開口し、かつその開口部と径方向逆方向の端部が平面内に存在して、開口側からの潤滑流体を前記相対する平面間のリング状の摺動部位に導入する流体導入溝と、
前記流体導入溝よりも浅く、前記流体導入溝に連通するとともに、相対する前記他方の平面の摺動方向に対して平行または９０°未満の傾斜角で傾斜する向きに周期性を有する複数の浅溝とを備え、
前記１つの流体導入溝と、これに連通する複数の浅溝とで溝構成体を構成し、この溝構成体を、半径方向軸を対称軸とする線対称に配置し、
前記複数の浅溝は、１０μｍ以下のピッチで形成され、かつ、１μｍ以下の深さに形成されている平面摺動機構。
前記複数の浅溝は円周方向又は回転方向の接線方向に配置されている請求項１に記載の平面摺動機構。
前記複数の浅溝は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを前記一方の平面に照射し、該照射部分をオーバーラップさせながら走査することで自己組織的に形成されたものである請求項１又は２に記載の平面摺動機構。