(57)【要約】【課題】回転軸を安定して支持することのできる軸受装置を提供する。【解決手段】軸受装置１０は、回転軸２０と、回転軸２０を非接触状態でラジアル方向に支持するフォイル軸受３０とを備えている。フォイル軸受３０は、回転軸２０の外周に配置される筒状の第１トップフォイル４０と、第１トップフォイル４０の外周に配置される筒状の第２トップフォイル５０とを備えている。また、フォイル軸受３０は、第２トップフォイル５０の外周に配置され、第２トップフォイル５０を弾性的に支持するバンプフォイル６０と、バンプフォイル６０の外周に配置され、バンプフォイル６０の外周面を支持するハウジング７０とを備えている。回転軸２０の非回転時には、第１トップフォイル４０と第２トップフォイル５０との間に隙間が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、前記回転軸を非接触状態でラジアル方向に支持するフォイル軸受と、を備える軸受装置であって、
前記フォイル軸受は、
前記回転軸の外周に配置される筒状の第１トップフォイルと、
前記第１トップフォイルの外周に配置される筒状の第２トップフォイルと、
前記第２トップフォイルの外周に配置され、前記第２トップフォイルを弾性的に支持するバンプフォイルと、
前記バンプフォイルの外周に配置され、前記バンプフォイルの外周面を支持するハウジングと、を備え、
前記回転軸の非回転時には、前記第１トップフォイルと前記第２トップフォイルとの間に隙間が設けられている、
軸受装置。
【請求項２】
前記第１トップフォイルの内周面には、前記回転軸の回転方向の後側ほど互いに離間するように前記回転方向に対して傾斜して延在する一対の動圧発生溝が前記回転方向に複数形成されている、
請求項１に記載の軸受装置。
【請求項３】
前記回転軸の外周面には、前記回転軸の回転方向の前側ほど互いに離間するように前記回転方向に対して傾斜して延在する一対の動圧発生溝が前記回転方向に複数形成されている、
請求項１または請求項２に記載の軸受装置。
【請求項４】
前記第１トップフォイルは、板材を筒状に丸めることにより形成されている、
請求項２に記載の軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸を非接触状態でラジアル方向に支持する軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気体軸受として、回転軸の外周に配置された薄板状のトップフォイルと、トップフォイルの外周に配置され、トップフォイルを弾性的に支持するバンプフォイルとを備えるフォイル軸受が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
フォイル軸受は、回転軸とトップフォイルとの間に気体膜を形成することで回転軸をトップフォイルの内周面から浮上させ、非接触状態で支持する。
こうしたフォイル軸受においては、回転軸の非回転時には、回転軸とトップフォイルとが密着している。一方、回転軸の回転時には、回転軸の回転数の増加に伴って、回転軸とトップフォイルとの間に空気が流入することで、これらの間に気体膜が形成される。したがって、トップフォイルは、上記気体膜の圧力によって外周側に拡大される。このとき、トップフォイルは、バンプフォイルによって外周側から弾性的に支持されている。このため、回転軸とトップフォイルとの間の隙間が回転軸の回転数に応じて自動的に調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１９４２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１を含む従来のフォイル軸受においては、回転軸の回転数の増加に伴って、トップフォイルが外周側に拡大するように変形する。回転軸とトップフォイルとの間に適切な隙間を形成するためには、トップフォイルが必要以上に変形することは好ましくない。このため、回転軸の所望の回転数に応じてトップフォイルの材料や厚みを適切に選択する必要がある。
【０００６】
しかしながら、例えば、回転軸の高回転時におけるトップフォイルの変形を抑制すべくトップフォイルの厚みを大きくした場合には、回転軸の低回転時においてトップフォイルが変形しにくくなる。このため、回転軸がトップフォイルの内周面から浮上するまでの時間が長くなる。これにより、回転軸の外周面とトップフォイルの内周面とが摺動する時間、すなわち回転軸が安定して支持されない時間が長くなる。
【０００７】
本発明の目的は、回転軸を安定して支持することのできる軸受装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための軸受装置は、回転軸と、前記回転軸を非接触状態でラジアル方向に支持するフォイル軸受と、を備えるものであり、前記フォイル軸受は、前記回転軸の外周に配置される筒状の第１トップフォイルと、前記第１トップフォイルの外周に配置される筒状の第２トップフォイルと、前記第２トップフォイルの外周に配置され、前記第２トップフォイルを弾性的に支持するバンプフォイルと、前記バンプフォイルの外周に配置され、前記バンプフォイルの外周面を支持するハウジングと、を備え、前記回転軸の非回転時には、前記第１トップフォイルと前記第２トップフォイルとの間に隙間が設けられている。
【０００９】
同構成によれば、ハウジングの内側から第１トップフォイル、第２トップフォイル、及びバンプフォイルが順に配置されている。また、回転軸の非回転時には、第１トップフォイルと第２トップフォイルとの間に隙間が設けられている。このため、回転軸の回転数の増加に伴って、まず、回転軸の外周面と第１トップフォイルの内周面との間に流入した空気の圧力が高められる。これにより、回転軸の外周面と第１トップフォイルの内周面との間に気体膜が形成され、回転軸が第１トップフォイルの内周面から浮上した状態、すなわち、非接触状態で回転可能に支持される。
【００１０】
回転軸の回転数が更に増加すると、上記圧力によって第１トップフォイルが外周側に拡大することで、上記隙間が埋められ、第１トップフォイルの外周面と第２トップフォイルの内周面とが当接する。これにより、第１トップフォイルが外周側に拡大しにくくなる。ここで、バンプフォイルはハウジングにより外周面が支持されているため、外周側への拡大が規制されている。また、バンプフォイルは第２トップフォイルを弾性的に支持している。このため、第２トップフォイルの外周面には、バンプフォイルによる押圧力が作用している。また、第２トップフォイルの内周面には、上記圧力に基づく径方向の外側に向かう力が第１トップフォイルを介して作用している。これらの力の釣り合いにより、回転軸の外周面と第１トップフォイルの内周面との間の隙間が適切に調整される。
【００１１】
このようにして、回転軸の低回転時には、回転軸を第１トップフォイルの内周面から容易に浮上させることができる。また、回転軸の回転数の増加に伴って、第１トップフォイルが第２トップフォイルに当接することで、第１トップフォイルが拡大しにくくなる。このため、回転軸の高回転時には、第１トップフォイルが過度に拡大することを抑制できる。これらにより、回転軸の回転数に応じて気体膜を好適に形成することができる。
【００１２】
したがって、回転軸を安定して支持することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回転軸を安定して支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】軸受装置の一実施形態について、回転軸、第１トップフォイル、第２トップフォイル、バンプフォイル、及びハウジングを互いに離間して示す分解斜視図。
【図２】同実施形態の軸受装置の断面図であって、回転軸が回転していない状態の断面図。
【図３】同実施形態の軸受装置の断面図であって、第１トップフォイルが拡大している途中の状態の断面図。
【図４】同実施形態の軸受装置の断面図であって、第１トップフォイルが第２トップフォイルに当接している状態を示す断面図。
【図５】変更例の軸受装置の回転軸を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１〜図４を参照して、一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、本実施形態の軸受装置１０は、回転軸２０と、回転軸２０を非接触状態でラジアル方向に支持するフォイル軸受３０とを備えている。
【００１６】
フォイル軸受３０は、回転軸２０の外周に配置された第１トップフォイル４０と、第１トップフォイル４０の外周に配置された第２トップフォイル５０と、第２トップフォイル５０の外周に配置され、第２トップフォイル５０を弾性的に支持するバンプフォイル６０とを備えている。バンプフォイル６０の外周には、バンプフォイル６０の外周面を支持する円筒状のハウジング７０が設けられている。したがって、ハウジング７０内には、第１トップフォイル４０、第２トップフォイル５０、及びバンプフォイル６０が内側から順に収容されている。
【００１７】
回転軸２０の回転方向は、図２における時計回りの方向である。なお、以降において、回転軸２０の回転方向を回転方向Ｘと称する。また、回転軸２０の軸線方向を中心とする周方向を単に周方向と称し、同軸線方向を中心とする径方向を単に径方向と称する。
【００１８】
＜第１トップフォイル４０＞
図２に示すように、第１トップフォイル４０は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。第１トップフォイル４０の周方向の一端部４１は保持端であり、周方向における他端部４２は自由端である。一端部４１は、径方向の外側に向けて突出するとともに、ハウジング７０の内周面に形成された凹溝７１内に挿入されている。他端部４２は、周方向において一端部４１との間に隙間を有している。第１トップフォイル４０は、全体として略円筒状をなしている。
【００１９】
回転軸２０の非回転時において、回転軸２０の外周面と、第１トップフォイル４０の内周面とは当接している。
図１に示すように、第１トップフォイル４０の内周面には、ヘリングボーン状の動圧発生溝４５が回転方向Ｘに複数形成されている。動圧発生溝４５は、回転方向Ｘの後側ほど互いに離間するように回転方向Ｘに対して傾斜して延在する一対の溝（第１溝４６，第２溝４７）により構成されている。動圧発生溝４５の回転方向Ｘの前側には、第１溝４６と第２溝４７とが合流する合流部４５ａが形成されている。なお、各溝４６，４７の形状は同一である。
【００２０】
＜第２トップフォイル５０＞
図２に示すように、第２トップフォイル５０は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。第２トップフォイル５０の周方向における一端部５１は保持端であり、周方向における他端部５２は自由端である。一端部５１は、径方向の外側に向けて突出するとともに、第１トップフォイル４０の一端部４１に重ね合わされた状態でハウジング７０の凹溝７１内に挿入されている。他端部５２は、周方向において一端部５１との間に隙間を有している。第２トップフォイル５０は、全体として略円筒状をなしている。
【００２１】
第２トップフォイル５０の直径は第１トップフォイル４０の直径よりも大きい。また、回転軸２０の非回転時において、第１トップフォイル４０と第２トップフォイル５０との間には、径方向において隙間が設けられている。ただし、第１トップフォイル４０の外周面の一部は、自重により第２トップフォイル５０の内周面に当接している。本実施形態では、第１トップフォイル４０の外周面のうち径方向において一端部４１とは反対側の部分が第２トップフォイルの内周面に当接している。
【００２２】
＜バンプフォイル６０＞
図２に示すように、バンプフォイル６０は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。バンプフォイル６０は、周方向に等間隔にて設けられ、径方向の内側に向けて突出した複数の突部６３と、互いに隣り合う突部６３の間に１つずつ設けられた円弧部６４とを有している。各突部６３のバンプフォイル６０の軸線方向に直交する断面形状は半円形状をなしている。各円弧部６４のバンプフォイル６０の軸線方向に直交する断面形状は、ハウジング７０の内周面に沿った円弧状をなしている。
【００２３】
バンプフォイル６０の各突部６３が第２トップフォイル５０の外周面に当接することにより、第２トップフォイル５０が弾性的に支持されている。
バンプフォイル６０の周方向における一端部６１は保持端であり、周方向における他端部６２は自由端である。一端部６１は、径方向の外側に向けて突出するとともに、第２トップフォイル５０の一端部５１に重ね合わされた状態でハウジング７０の凹溝７１内に挿入されている。したがって、凹溝７１内には、第１トップフォイル４０の一端部４１、第２トップフォイル５０の一端部５１、及びバンプフォイル６０の一端部６１が重ね合わされた状態で挿入されている。これにより、第１トップフォイル４０、第２トップフォイル５０、及びバンプフォイル６０がハウジング７０内において回り止めされた状態で保持されている。他端部６２は、周方向において一端部６１との間に隙間を有している。なお、他端部６２は、１つの円弧部６４により構成されている。
【００２４】
本実施形態の作用について説明する。
図２に示すように、回転軸２０の非回転時には、回転軸２０の外周面と第１トップフォイル４０の内周面とが当接している。また、第１トップフォイル４０と第２トップフォイル５０との間には、径方向において隙間が設けられている。ただし、第１トップフォイル４０の外周面の一部は、自重により第２トップフォイル５０の内周面に当接している。
【００２５】
図３に示すように、回転軸２０の回転数の増加に伴って、まず、回転軸２０の外周面と第１トップフォイル４０の内周面との間に流入した空気の圧力が高められる。これにより、回転軸２０の外周面と第１トップフォイル４０の内周面との間に気体膜が形成され、回転軸２０が第１トップフォイル４０の内周面から浮上した状態、すなわち、非接触状態で回転可能に支持される。
【００２６】
このとき、第１トップフォイル４０は、上記圧力により外周側に拡大するため、第１トップフォイル４０の一端部４１が、ハウジング７０の凹溝７１内において径方向の外側に変位する。
【００２７】
図４に示すように、回転軸の回転数が更に増加すると、上記圧力によって第１トップフォイル４０が外周側に拡大することで、上記隙間が埋められ、第１トップフォイル４０の外周面と第２トップフォイル５０の内周面とが当接する。これにより、第１トップフォイル４０が外周側に拡大しにくくなる。ここで、バンプフォイル６０はハウジング７０により外周面が支持されているため、外周側への拡大が規制されている。また、バンプフォイル６０は第２トップフォイル５０の外周面を弾性的に支持している。このため、第２トップフォイル５０の外周面には、バンプフォイル６０による押圧力が作用している。また、第２トップフォイル５０の内周面には、上記圧力に基づく外周側に向かう力が第１トップフォイル４０を介して作用している。これらの力の釣り合いにより、回転軸２０の外周面と第１トップフォイル４０の内周面との間の隙間が適切に調整される。
【００２８】
なお、第１トップフォイル４０の外周面と第２トップフォイル５０の内周面とが当接した状態においては、上記圧力により第１トップフォイル４０と第２トップフォイル５０とが共に外周側に拡大する。これにより、バンプフォイル６０の突部６３が径方向の外側に弾性変形する。このとき、第１トップフォイル４０の一端部４１と、第２トップフォイル５０の一端部５１とが、ハウジング７０の凹溝７１内において径方向の外側に変位する。
【００２９】
このようにして、回転軸２０の低回転時には、回転軸２０を第１トップフォイル４０の内周面から容易に浮上させることができる。また、回転軸２０の回転数の増加に伴って、第１トップフォイル４０が第２トップフォイル５０に当接することで、第１トップフォイル４０が拡大しにくくなる。このため、回転軸２０の高回転時には、第１トップフォイル４０が過度に拡大することを抑制できる（以上、作用１）。
【００３０】
また、第１トップフォイル４０の内周面には、動圧発生溝４５が回転方向Ｘに複数形成されている。このため、回転軸２０の回転により、回転軸２０の外周面と第１トップフォイル４０の内周面との間に空気が流入すると、当該空気が一対の動圧発生溝４５内を移動しつつ、合流部４５ａにおいて圧縮されることでその動圧が増大されるようになる。このため、回転軸２０は、第１トップフォイル４０の内周面から浮上しやすくなる（以上、作用２）。
【００３１】
本実施形態の効果について説明する。
（１）軸受装置１０は、回転軸２０と、回転軸２０を非接触状態でラジアル方向に支持するフォイル軸受３０とを備えている。フォイル軸受３０は、回転軸２０の外周に配置される筒状の第１トップフォイル４０と、第１トップフォイル４０の外周に配置される筒状の第２トップフォイル５０とを備えている。また、フォイル軸受３０は、第２トップフォイル５０の外周に配置され、第２トップフォイル５０を弾性的に支持するバンプフォイル６０と、バンプフォイル６０の外周に配置され、バンプフォイル６０の外周面を支持するハウジング７０とを備えている。回転軸２０の非回転時には、第１トップフォイル４０と第２トップフォイル５０との間に隙間が設けられている。
【００３２】
こうした構成によれば、上記作用１を奏することから、回転軸２０の回転数に応じて気体膜を好適に形成することができる。
したがって、回転軸２０を安定して支持することができる。
【００３３】
（２）第１トップフォイル４０の内周面には、回転方向Ｘの後側ほど互いに離間するように回転方向Ｘに対して傾斜して延在する一対の動圧発生溝４５が回転方向Ｘに複数形成されている。
【００３４】
こうした構成によれば、上記作用２を奏することから、回転軸２０を早期に浮上させることができる。
（３）第１トップフォイル４０は、金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。
【００３５】
こうした構成によれば、動圧発生溝４５が予め形成された板材を丸めることで第１トップフォイル４０を形成することができる。これにより、回転軸２０の外周面に動圧発生溝４５を直接形成する場合と比較して、回転軸２０と第１トップフォイル４０との間に動圧発生溝４５を容易に設けることができる。
【００３６】
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・第１トップフォイル４０及び第２トップフォイル５０は、金属板材を筒状に丸めることにより形成されたものでなくてもよい。他に例えば、薄肉の金属パイプを加工することにより形成されたものであってもよい。
【００３７】
・図５に示すように、第１トップフォイル４０の内周面に形成された動圧発生溝４５に代えて、あるいは、これに加えて、回転軸２０の外周面に回転方向Ｘの前側ほど互いに離間するように回転方向Ｘに対して傾斜して延在する一対の溝（第１溝１４６，第２溝１４７）により構成された動圧発生溝１４５を回転方向Ｘに複数形成することもできる。この場合であっても、上記効果（２）に準じた効果を奏することができる。
【００３８】
・動圧発生溝４５は省略することもできる。
・第１トップフォイル４０及び第２トップフォイル５０の板厚を適宜変更することで、回転軸２０の回転数に応じた第１トップフォイル４０の拡大度合を調整することができる。
【００３９】
・第１トップフォイル４０、第２トップフォイル５０、及びバンプフォイル６０の材質は樹脂材料であってもよい。
・第１トップフォイル４０と第２トップフォイル５０との材質は互いに異なるものであってもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１０…軸受装置、２０…回転軸、３０…フォイル軸受、４０…第１トップフォイル、４１…一端部、４２…他端部、４５，１４５…動圧発生溝、４５ａ…合流部、４６，１４６…第１溝、４７，１４７…第２溝、５０…第２トップフォイル、５１…一端部、５２…他端部、６０…バンプフォイル、６１…一端部、６２…他端部、６３…突部、６４…円弧部、７０…ハウジング、７１…凹溝。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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