(57)【要約】【課題】軸受面（軸受板）の反りを抑制し、これによって流体潤滑膜が形成されるまでの初期時においても、設計どおりの良好な軸受負荷能力を発揮できる、スラスト軸受を提供する。【解決手段】回転軸１に設けられたスラストカラー４に対向して配置されるスラスト軸受３である。スラストカラー４に対向して配置される円環状の軸受板１９と、軸受板１９の、スラストカラー４に対向する面と反対側の面に対向して配置されて、軸受板１９を支持するベース部とを備える。軸受板１９には、スラストカラー４に対向する第１面に動圧発生用のスパイラル溝が形成されるとともに、第１面と反対の側の第２面にスパイラル溝が形成されている。【選択図】図２
2014085006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラスト軸受であって、
前記スラストカラーに対向して配置される円環状の軸受板と、
前記軸受板の、前記スラストカラーに対向する面と反対側の面に対向して配置されて、該軸受板を支持するベース部とを備え、
前記軸受板には、前記スラストカラーに対向する第１面に動圧発生用のスパイラル溝が形成されるとともに、前記第１面と反対の側の第２面にスパイラル溝が形成されていることを特徴とするスラスト軸受。
【請求項２】
前記第２面のスパイラル溝は、前記第１面のスパイラル溝と同一形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のスラスト軸受。
【請求項３】
前記第２面のスパイラル溝は、前記第１面のスパイラル溝に対して面対称に形成されていることを特徴とする請求項１記載のスラスト軸受。
【請求項４】
前記第１面のスパイラル溝は、ポンプイン形スパイラル溝であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスラスト軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラスト軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速回転体用の軸受として、回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラスト軸受が知られている。このようなスラスト軸受のうち、動圧効果を利用するスラスト動圧軸受では、例えば軸受面にスパイラル溝を形成し、スラストカラーと軸受面との間に流体潤滑膜を形成することで、該潤滑膜を介して回転軸を支持している。
このようなスラスト動圧軸受としては、特許文献１に、軸振動や衝撃を吸収するために柔軟なフォイル、例えば厚さ１００μｍ前後の金属製薄板で軸受面を形成し、この軸受面の下に該軸受面を柔軟に支持するためのフォイル構造を有したものが開示されている。
【０００３】
この特許文献１では、一方の面（スラストカラーに対向する面）にスパイラル溝を形成したフォイル（トップフォイル）を軸受面（軸受板）としている。そして、軸受面の下に挿入した各フォイルにもそれぞれエッチング溝を形成し、溝が互い違いになるようにフォイル同士を重ね合わせることにより、バネのように機能させている。
したがって、特許文献１に開示された軸受にあっては、軸受面が柔軟なため、振動や衝撃によって発生する回転軸の動き、すなわちスラストカラーの軸方向の動きと、スラストカラーの振動（面振れ）による傾きとをある程度吸収できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−０７３４３７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、薄い金属板の片面に溝加工を施すと、板両面の残留応力の釣り合いが崩れ、金属板に反りが発生する。すなわち、薄い金属板にはその圧延加工時に圧縮応力が残留するため、片面に溝加工を施すとこの加工面側が圧縮応力から解放され、残留応力が依然として残る裏面との間で応力差が生じ、反りが発生する。したがって、軸受面（軸受板）となるトップフォイルの片面にスパイラル溝を加工したときにも、同じ理由によってトップフォイルに反りが生じる。
【０００６】
この反りが大きいと、スラストカラーとトップフォイルとの隙間が不均一になり、特に回転軸の回転開始後、流体潤滑膜が形成されて反りが平たく伸ばされるまでの初期時において、設計どおりの軸受負荷能力が発揮されなくなる。また、反りがより大きいと、流体潤滑膜が形成されても反りが平たく伸ばされず、したがって最悪の場合、トップフォイルがスラストカラーに接触し続けることで焼き付きに陥る可能性がある。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、軸受面（軸受板）の反りを抑制し、これによって流体潤滑膜が形成されるまでの初期時においても、設計どおりの良好な軸受負荷能力を発揮できる、スラスト軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のスラスト軸受は、回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラスト軸受であって、
前記スラストカラーに対向して配置される円環状の軸受板と、
前記軸受板の、前記スラストカラーに対向する面と反対側の面に対向して配置されて、該軸受板を支持するベース部とを備え、
前記軸受板には、前記スラストカラーに対向する第１面に動圧発生用のスパイラル溝が形成されるとともに、前記第１面と反対の側の第２面にスパイラル溝が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
このスラスト軸受によれば、軸受板のスラストカラーに対向する第１面に動圧発生用のスパイラル溝を形成するとともに、第１面と反対の側の第２面にスパイラル溝を形成しているので、第１面だけでなく第２面にもスパイラル溝を形成していることにより、軸受板の両面に残留する圧縮応力の差が小さくなり、したがって、応力差に起因する反りが軸受板に発生するのが抑制される。
【００１０】
また、前記スラスト軸受において、前記第２面のスパイラル溝は、前記第１面のスパイラル溝と同一形状に形成されていることが好ましい。
このようにすれば、軸受板の両面に残留する圧縮応力の差がほぼ無くなり、したがって反りの発生が防止される。
また、スラスト軸受は、一般にスラストカラーの両側にそれぞれ配置されて用いられるが、その場合にスラストカラーの一方の側と他方の側では、スパイラル溝の向きが互いに異なる向きのものが用いられる。すなわち、従来ではスラストカラーの一方の側と他方の側では、それぞれ異なる軸受板が用いられる。これに対してこのスラスト軸受における軸受板は、第１面のスパイラル溝と第２面のスパイラル溝とを使い分けることにより、同じ軸受板でスラストカラーの一方の側と他方の側の両方に用いることが可能になる。したがって、部品の共通化を可能にしてコスト削減を図ることができる。
【００１１】
また、前記スラスト軸受において、前記第２面のスパイラル溝は、前記第１面のスパイラル溝に対して面対称に形成されていることが好ましい。
このようにすれば、軸受板の両面に残留する圧縮応力の差が無くなり、したがって反りの発生が確実に防止される。
また、同じ軸受板でスラストカラーの一方の側と他方の側の両方に用いることができ、したがって部品の共通化を可能にしてコスト削減を図ることができる。
さらに、軸受板の第１面に形成された溝間のランド部の裏側（第２面）も必ずランド部となり、したがって第１面に形成されたランド部は第２面の対応する箇所のランド部で支持されることにより、軸受板が撓みにくくなる。これにより、スラスト軸受は設計通りの良好な負荷能力を発揮するようになる。
【００１２】
また、前記スラスト軸受において、前記第１面のスパイラル溝は、ポンプイン形スパイラル溝であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のスラスト軸受によれば、軸受板に、その第１面だけでなく第２面にもスパイラル溝を形成することにより、軸受板の両面に残留する圧縮応力の差を小さくして応力差に起因する反りが軸受板に発生するのを抑制しているので、流体潤滑膜が形成されるまでの初期時においても、設計どおりの良好な軸受負荷能力を発揮することができる。したがって、軸受板がスラストカラーに接触し続けることで焼き付きに陥る不都合を、確実に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るスラスト軸受が適用されるターボ機械の一例を示す模式図である。
【図２】（ａ）は本発明に係るスラスト軸受の第１実施形態の概略構成を示す側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。
【図３】軸受フォイル（軸受板）の概略構成を示す図であり、（ａ）は第１面（表面）を示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は第２面（裏面）を示す平面図である。
【図４】流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである。
【図５】スパイラル溝の変形例を示す軸受面の平面図である。
【図６】（ａ）は本発明に係るスラスト軸受の第２実施形態の概略構成を示す側断面図、（ｂ）は（ａ）に示したスラスト軸受の作用説明図、（ｃ）は（ａ）に示したスラスト軸受の変形例を示す図である。
【図７】スパイラル溝の変形例を示す軸受面の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明のスラスト軸受を詳しく説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明のスラスト軸受が適用されるターボ機械の一例を模式的に示す側面図であり、図１中符号１は回転軸、２は回転軸の先端部に設けられたインペラ、３は本発明に係るスラスト軸受である。
【００１６】
回転軸１には、インペラ２が形成された側にスラストカラー４が固定されており、このスラストカラー４には、このスラストカラー４を挟持するようにしてスラスト軸受３が配置されている。
また、インペラ２は静止側となるハウジング５内に配置されており、ハウジング５との間にチップクリアランス６を有している。
また、回転軸１には、スラストカラー４より中央側に、ラジアル軸受７が設けられている。
【００１７】
図２（ａ）、（ｂ）は、このような構成のターボ機械に適用されたスラスト軸受の第１実施形態を示す図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視図である。なお、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線で断面視した図である。この第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）は、スラストカラー４の両側にそれぞれ配置される軸受部３０、３０を有し、これら軸受部３０、３０間が軸受スペーサ３１を介して一体化されたものである。
【００１８】
軸受部３０、３０は、互いに同じ構成に形成されたもので、スラストカラー４を挟んで対称に配設されている。これら軸受部３０は、回転軸１に固定された円板状のスラストカラー４に対向して配置された円環状（円筒状）のもので、回転軸１に外挿した状態に設けられている。軸受部３０は、スラストカラー４に対向して配置される軸受層８と、この軸受層８の、前記スラストカラー４に対向する面と反対側の面に対向して配置されたベース板９と、これら軸受層８とベース板９との間に配置された円環バネ（弾性支持部）１０と、を備えている。
【００１９】
軸受層８は、本実施形態では３枚の軸受フォイル１９、２０、２１が重ねられて形成されている。３枚の軸受フォイル１９、２０、２１は、いずれも、回転軸１を挿通するための貫通孔８ａを有した金属製で円環板状のものである。これら軸受フォイル１９、２０、２１のうち、スラストカラー４側の軸受フォイル１９は、本発明における軸受板として機能するもので、厚さが例えば０．２ｍｍ程度に形成されており、図３（ａ）〜（ｃ）に示すようにその表裏両面にスパイラル溝１１（１６）を形成している。ここで、図３（ａ）は軸受フォイル１９の第１面（表面）１９ａを示す平面図、図３（ｂ）は軸受フォイル１９の側面図、図３（ｃ）は軸受フォイル１９の第２面（裏面）１９ｂを示す平面図である。
【００２０】
軸受フォイル１９には、図２（ｂ）、図３（ａ）に示すように、スラストカラー４に対向する面、すなわち軸受面となる第１面（表面）１９ａに、動圧発生用のスパイラル溝１１が３０〜４０μｍ程度の深さで形成されている。スパイラル溝１１は、公知のポンプイン形のもので、多数の螺旋形溝（スパイラル状の溝）１１ａを周方向に沿って等間隔に配置したものであり、本実施形態では螺旋形溝１１ａが全て同一の流入角を有して形成されている。ただし、本発明におけるスパイラル溝は、必ずしも螺旋形溝が全て同一の流入角を有しておらず、例えば一部の螺旋形溝で異なっていたり、さらには一つの螺旋形溝内において異なる流入角を有しているような動圧発生用のスパイラル溝であっても、本発明における動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝であるものとする。
【００２１】
螺旋形溝１１ａは、第１面１９ａの外周端から、前記貫通孔８ａの周囲に設けられた円環状のランド１１ｂにまで延びて形成されている。ランド１１ｂは、螺旋形溝１１ａの底面に対して相対的に高い位置（外側の位置）に外面を有したものである。なお、螺旋形溝１１ａ、１１ａ間もランド（図示せず）となっている。
【００２２】
このような構成によってスパイラル溝１１（螺旋形溝１１ａ）は、スラストカラー４が回転した際、軸受周囲の流体が第１面１９ａの外周側から螺旋形溝１１ａに沿って内周側に引き込まれ、これによってスラストカラー４と第１面１９ａとの間に流体潤滑膜が形成される。また、スパイラル溝１１（螺旋形溝１１ａ）によって引き込まれた流体は、ランド１１ｂに衝突することでその流れが遮られ、動圧が保持されるため、特に軸受フォイル１９の内周側で圧力が高くなる。すなわち、スパイラル溝１１（螺旋形溝１１ａ）によって形成される流体潤滑膜は、第１面１９ａの外周側に比べ、内周側で高くなるような圧力分布を有するものとなっている。
【００２３】
図４は、このような流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである。図４中横軸は、図２（ｂ）に示した第１面１９ａにおける、中心からの半径方向の距離（位置）［ｒ］を示し（右側に行くほど長くなる）、縦軸は流体潤滑膜の圧力（動圧）［Ｐ］を示している（上側に行くほど高くなる）。また、図４のグラフにおける（１）は、図２（ｂ）中のランド１１ｂの内周縁での圧力を示し、（２）は同じくランド１１ｂの外周縁での圧力を示し、（３）は第１面１９ａの外周縁での圧力を示している。
【００２４】
図４に示すように、第１面１９ａの外周縁（３）からランド１１ｂの外周縁（２）までの範囲内においては、外周側から内周側に行くに連れて流体潤滑膜の圧力（動圧）は連続的に高くなるように変化している。また、第１面１９ａ全体で見ても、ランド１１ｂの外周縁（２）、すなわちスパイラル溝１１が形成された領域の内周端で、流体潤滑膜の圧力（動圧）が最も高くなっている。
本発明では、このようなグラフ（図４）で示される半径方向の距離［ｒ］と流体潤滑膜の圧力［Ｐ］との関係を示す式を、Ｐ（ｒ）として定義する。
【００２５】
また、軸受フォイル１９には、図３（ｃ）に示すようにその第２面（裏面）１９ｂにも、スパイラル溝１６が形成されている。このスパイラル溝１６は、スラストカラー４と反対の側、すなわち図２中の軸受フォイル２０に対向することで、動圧発生用としては機能せず、ダミーの溝となっている。また、本実施形態では、図３（ａ）、（ｃ）に示すようにこのスパイラル溝１６は第１面１９ａのスパイラル溝１１と同一形状であり、該スパイラル溝１１と面対称に形成されている。すなわち、第１面１９ａのスパイラル溝１１と第２面１９ｂのスパイラル溝１６とは、各螺旋形溝１１ａの形状や数が同一であるだけでなく、その位相も同じであり、単にその向きだけが互いに逆に形成されている。
【００２６】
これらスパイラル溝１１、１６は、基材（金属箔）に対してエッチング加工することで形成される。したがって、第１面１９ａへのエッチング加工、及び第２面１９ｂへのエッチング加工については、例えば同一のマスクを逆に用いることで同一の条件で行うことができ、工程管理を容易にすることができる。そして、このように第１面１９ａと第２面１９ｂとで同一形状のスパイラル溝１１、１６を形成していることにより、この軸受フォイル１９は、その両面に残留する圧縮応力の差が無くなっている。したがって、この軸受フォイル１９は、一方の面にのみスパイラル溝を形成した従来の軸受板とは異なり、反りの無い平坦な薄板となっている。すなわち、反りの発生が確実に防止されている。
【００２７】
また、この軸受フォイル１９は、図２（ａ）においてスラストカラー４より上側（一方の側）に配置される軸受フォイル１９としても、下側（他方の側）に配置される軸受フォイル１９としても使用することが可能になっている。
【００２８】
すなわち、スラストカラー４の一方の側と他方の側では、スパイラル溝の向きが面対称となるように互いに異なる向きのものが用いられる。したがって、従来ではスラストカラー４の一方の側と他方の側では、それぞれ異なる軸受板が用いられる。これに対して本実施形態の軸受フォイル１９は、例えば一方の側では第１面１９ａがスラストカラー４に対向し、他方の側では第２面１９ｂがスラストカラー４に対向するように使い分けることにより、同じ軸受フォイル１９でスラストカラー４の一方の側と他方の側の両方に用いることができる。すなわち、他方の側では第２面１９ｂを第１面として機能させることにより、使用することができる。
【００２９】
さらに、この軸受フォイル１９では、第１面１９ａのスパイラル溝１１と第２面１９ｂのスパイラル溝１６とが面対称に形成されていることにより、第１面１９ａに形成された螺旋形溝１１ａ、１１ａ間のランド部の裏側（第２面１９ｂ）も、必ず同じランド部となっている。したがって、第１面１９ａに形成されたランド部は、スラスト軸受３Ａ（３）の動作時において第２面１９ｂの対応する箇所のランド部で支持されることにより、軸受フォイル１９は撓みにくくなる。
【００３０】
また、この軸受フォイル１９には、図２（ｂ）に示すようにその外周部に、外周縁から延出する複数の保持片１２が形成されている。保持片１２は、本実施形態では軸受フォイル１９の円周を４等分する位置にそれぞれ形成されており、したがって計４つ形成されている。これら保持片１２は、前記軸受スペーサ３１に形成された切欠部３２内に配置され、これによって軸受フォイル１９は軸受スペーサ３１に保持されている。切欠部３２は、その深さが保持片１２の厚さより充分に深く、また、幅も保持片１２の幅より広く形成されている。
【００３１】
このような構成のもとに保持片１２は、切欠部３２内にてその深さ方向に変位可能になっており、かつ、幅方向（軸受スペーサ３１の周方向）にも変位可能になっている。なお、保持片１２が形成された部位は軸受フォイル１９の円周全体に比べて僅かであり、保持片１２が形成されていない多くの部位では、軸受フォイル１９は軸受スペーサ３１に支持されない状態、すなわち支持点が無い状態となっている。
【００３２】
また、軸受フォイル１９以外の軸受層８を形成する軸受フォイル２０、２１は、軸受フォイル１９と同一形状、同一寸法に形成されている。ただし、これら軸受フォイル２０、２１には、軸受フォイル１９と異なり、その第１面にも第２面にも、スパイラル溝が形成されておらず、単なる薄厚の円環板となっている。また、これら軸受フォイル２０、２１は、いずれも厚さが０．２ｍｍ〜０．６ｍｍ程度に形成されている。
【００３３】
図２（ａ）に示すようにベース板９は、回転軸１を挿通するための貫通孔９ａを有した金属製で円環板状（略円筒状）のもので、軸受層８におけるスラストカラー４側と反対側の面に対向して配置されたものである。このベース板９は、前記軸受スペーサ３１に円環バネ１０を介してボルト３３で固定され、さらにこのボルト３３によってターボ機械のケーシング３５に固定されている。なお、本実施形態では図２（ｂ）に示すように軸受スペーサ３１にボルト孔３４が８個形成されており、したがって本実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）は、８本のボルト３３によってケーシング３５に固定されている。
【００３４】
ベース板９には、軸受層８に対向する面の内周部に、軸受層８に対して所定の隙間をあけて近接する突出部１３が形成されている。突出部１３は、円筒状に形成されたもので、図２（ｂ）に示す軸受フォイル１９のランド１１ｂの内周縁に対応する位置、すなわち軸受フォイル１９の内周縁から、ランド１１ｂの径の半分程度となる位置までの幅（厚さ）に形成されている。また、その先端面は、前記所定の隙間が２０〜３０μｍとなるように軸受層８に対して配置され、軸受スペーサ３１に固定されている。
【００３５】
また、ベース板９は、その外周部も円筒状に突出しており、この突出した円筒状の部位は、軸受スペーサ３１に円環バネ１０を介して接続し固定される固定部１４となっている。すなわち、この固定部１４には、前記ボルト３３が挿通されるボルト孔（図示せず）が形成されており、該ボルト３３によって固定部１４（ベース板９）は軸受スペーサ３１に固定されるとともに、ケーシング３５に固定されている。また、固定部１４は、前記突出部１３に比べて低い高さに形成されており、これによって該固定部１４と軸受スペーサ３１との間に、円環バネ１０が挟着されるようになっている。そして、このように外周部に固定部１４が形成され、内周部に突出部１３が形成されたことにより、ベース板９にはその中央部に、相対的な凹部が形成されている。
【００３６】
円環バネ１０は、金属製で円環板状のもので、その外周部に前記ボルト３３が挿通されるボルト孔（図示せず）が形成されている。これにより、前記したように円環バネ１０は、ベース板９の固定部１４と軸受スペーサ３１との間に挟着され、前記ボルト３３によって軸受スペーサ３１に固定されるとともに、ケーシング３５に固定されている。この円環バネ１０は、例えば１ｍｍ程度の厚さに形成されたもので、その内周側に円環状の厚肉部１５が形成されている。
【００３７】
厚肉部１５は、円環バネ１０の表裏両面に対称形状となるようそれぞれ突出して形成されたもので、特に軸受層８の軸受フォイル２１に対向する面に形成された凸部が、軸受フォイル２１（軸受層８）に当接してこれを支持するようになっている。厚肉部１５を円環バネ１０の表裏両面にそれぞれ突出させて形成しているので、円環バネ１０は反りが発生しにくくなっている。なお、厚肉部１５の突出高さは、設計によって変更可能であるものの、例えば５０μｍ程度に形成される。
【００３８】
このような厚肉部１５を形成した円環バネ１０は、その内周側、すなわち厚肉部１５側がベース板９の前記凹部内に配置されることにより、この内周側が前記凹部内にて軸受層８とベース板９との間を弾性変形可能、すなわち変位可能になっている。これによって円環バネ１０は、厚肉部１５によって軸受層８の径方向中央部を弾性的に支持する弾性支持部となっている。また、このような円環バネ１０と前記ベース板９とにより、本発明のベース部が形成されている。
【００３９】
ここで、軸受層８の径方向中央部とは、軸受層８の径方向における中央位置、すなわち中央の点（線）位置のみを意味するものではなく、該中央の点（線）位置とその近傍を含む範囲を意味している。このような径方向中央部として具体的には、軸受層８の加重平均的な位置が採用され、本実施形態ではこの位置に前記厚肉部１５が当接するように円環バネ１０が配置されている。
【００４０】
軸受層８の加重平均的な位置、すなわち軸受層８（軸受フォイル２１）に厚肉部１５を当接させ、支持させる位置Ｒｃは、以下の式によって求められる。ただし、Ｒｃは、軸受層８（軸受フォイル２１）の中心からの距離（半径）とする。
【００４１】
Ｒｃ＝［２π∫ｒＰ（ｒ）ｒｄｒ］／［２π∫Ｐ（ｒ）ｒｄｒ］  ……［式］
前記式中においてＰ（ｒ）は、前記したように図４で示される半径方向の距離［ｒ］と流体潤滑膜の圧力［Ｐ］との関係を示す式である。また、ｒは図４で示される半径方向の距離（位置）、Ｐは同じく流体潤滑膜の圧力（動圧）である。
また、前記式中において分母［２π∫Ｐ（ｒ）ｒｄｒ］は、軸受面に作用する荷重の和を示し、分子［２π∫ｒＰ（ｒ）ｒｄｒ］は、モーメントの和を示す。
なお、厚肉部１５の半径方向の幅については、応力集中しない程度となるように構造解析で決定され、例えば前記Ｒｃの１／１０程度とされる。
【００４２】
軸受スペーサ３１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように金属製で円筒状のもので、その内径が軸受層８の外径（保持片１２を除く外径）より僅かに大きく形成されている。これにより、軸受スペーサ３１は軸受層８の面方向のガタツキをある程度許容しつつ、該軸受層８を内部に収容している。また、軸受スペーサ３１は、前述したように切欠部３２に軸受層８の保持片１２を保持しており、これによって保持片１２は、切欠部３２の深さ方向に変位可能になっており、かつ、幅方向（軸受スペーサ３１の周方向）にも変位可能になっている。
【００４３】
ここで、軸受層８は、図２（ａ）に示すようにスラストカラー４と反対側の面、すなわち軸受フォイル２１の裏面（第２面）が円環バネ１０で支持されることにより、その保持片１２が切欠部３２の内面（底面）側に付勢されており、これによって軸受層８を構成する各軸受フォイル１９、２０、２１は、軸受スペーサ３１に保持されている。その際、軸受層８はベース板９の突出部１３に対し、前記したように２０〜３０μｍ程度の所定の隙間をあけて、配置されるようになっている。なお、軸受層８は、保持片１２が形成されていない箇所では軸受スペーサ３１に支持されておらず、したがって外周側は支持点が無い状態となっている。したがって、軸受層８の外周側は、実質的には軸受スペーサ３１に支持されない自由端となっている。
【００４４】
次に、このような構成からなるスラスト軸受３Ａ（３）の作用について説明する。
回転軸１が高速で回転すると、スラストカラー４と軸受層８の軸受フォイル１９における軸受面（第１面１９ａ）との間に、スパイラル溝１１で形成された動圧によって流体潤滑膜が形成され、これによってスラスト軸受３Ａ（３）は、形成された流体潤滑膜を介してスラストカラー４を支持するようになる。
【００４５】
その際、軸受フォイル１９は前記したように反りの無い平坦な薄板となっているため、回転軸１が回転し始めてから流体潤滑膜が形成されるまでの初期時においても、軸受フォイル１９はスラストカラー４と接触することがなく、したがって初期時においても設計どおりの軸受負荷能力を発揮する。
なお、形成された流体潤滑膜の動圧は、前述したようにスラスト軸受３Ａ（３）の内周側で高く、外周側で低くなっている。
【００４６】
また、回転軸１にスラスト荷重が作用すると、スラスト荷重はスラストカラー４と前記第１面１９ａとの間に形成された流体潤滑膜を介して軸受層８（軸受フォイル１９）に伝達される。さらにスラスト荷重が増すと、軸受層８はこれを支持する円環バネ１０を押しながら軸方向に変形（移動）し始める。
【００４７】
その際、軸受層８は初期状態ではその内周側が支持されておらず、一方、内周側の流体膜圧（流体潤滑膜の動圧）が高くなっているので、内周側から先に撓んでいく。
そして、その撓み量がベース板９の突出部１３との隙間に相当する量に達し、軸受層８の内周側が突出部１３に当接すると、軸受層８の内周側の撓み（変形）、すなわち回転軸１（スラストカラー４）の軸方向への移動が停止する。
【００４８】
この状態からさらにスラスト荷重が増すと、円環バネ１０が軸受層８によってさらに押し込まれ、軸受層８の外周側が撓み始める。外周側の撓みが進行すると、軸受層８は側面視して「ハ」の字状となるように外周側が外側に撓むことになるが、内周側はベース板９の突出部１３に当接した状態になっているので、回転軸１の軸方向移動へは変位しない。
【００４９】
したがって、高圧の流体潤滑膜が生じる内周側がベース板９との接触により剛に支持されるので、この内周側での軸受層８の撓みが規制されて必要以上に大きく撓むことがなく、これによって内周側でも流体潤滑膜に所望の動圧が発生され易くなるため、軸受３Ａ（３）の軸受負荷能力の低下が抑制される。
また、軸受層８の中央部が円環バネ１０によって支持されているので、予め軸受層８の厚さを適切に設計しておけば、軸受面となる軸受フォイル１９の第１面１９ａは外周方向へ僅かに傾斜するだけになる。したがって、軸受フォイル１９の局所的な撓みが生じ難くなるので、負荷能力の低下がさらに抑制される。
【００５０】
また、回転軸１は、回転軸が有する不釣合い、外部環境の影響および運転状態などによってその回転が回転中心から僅かながらぶれて振動することがあり、その場合にはこれに固定されているスラストカラー４も僅かながら振動して面振れし、瞬間的に傾いた状態となることがある。また、衝撃によっても同様に傾いた状態となることがある。その際、軸受層８はその中央部から外周部にかけて、実質的に円環バネ１０で支持されているだけであるので、スラストカラー４に沿うように変形（傾斜）する。したがって、流体潤滑膜はその厚さが極端に狭められることがなく、一定に保たれるため、破断し難くなる。これにより、スラストカラー４の振動等による傾きが、軸受３Ａ（３）によって良好に吸収されるようになる。
【００５１】
また、スラストカラー４に傾き(面振れ)が生じた際、軸受層８を形成する複数枚の軸受フォイル１９、２０、２１が互いに擦れ合うことにより、その摩擦によって前記振れ回り振動をより良好に減衰させることができる。
また、軸受層８が変形する際に円環バネ１０との摺動が起こり、摩擦によってエネルギーを散逸するので、振動や衝撃等による回転軸の動き（主として傾き運動）を減衰させることができる。
【００５２】
本実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）によれば、本発明の軸受板として機能する軸受フォイル１９に、第１面１９ａだけでなく第２面１９ｂにもスパイラル溝を形成しているので、その両面に残留する圧縮応力の差を小さくして応力差に起因する反りを無くすことができる。したがって、このような反りの無い軸受フォイル１９を備えることにより、スラスト軸受３Ａ（３）は、流体潤滑膜が形成されるまでの初期時においても、設計どおりの良好な軸受負荷能力を発揮することができる。よって、軸受フォイル１９がスラストカラー４に接触し続けることで焼き付きに陥る不都合を、確実に回避することができる。
【００５３】
また、軸受フォイル１９を、その第１面１９ａのスパイラル溝１１と第２面１９ｂのスパイラル溝１６とを使い分けることで、スラストカラー４の一方の側にも他方の側にも用いることができ、したがって部品の共通化を可能にしてコスト削減を図ることができる。
さらに、軸受フォイル１９の第１面（軸受面）１９ａに形成された螺旋形溝１１ａ、１１ａ間のランド部の裏側（第２面１９ｂ）も必ずランド部となり、したがって第１面１９ａに形成されたランド部は第２面１９ｂの対応する箇所のランド部で支持されることにより、軸受フォイル１９は撓みにくくなっている。これにより、スラスト軸受は設計通りの良好な負荷能力を発揮するようになる。
【００５４】
また、このスラスト軸受３Ａ（３）にあっては、スラスト荷重（静荷重）が増えて前記動圧が高くなっても、前述したように軸受層８がベース板９側に移動するのが規制されているので、回転軸１がその軸方向に移動するのが十分に制限される。したがって、例えばこのスラスト軸受３Ａ（３）をターボ機械のインペラ２を有する回転軸１に適用した場合に、回転軸１がその軸方向へ移動することで、インペラ２がその外側のハウジング（静止部）５に接触してしまうおそれが無くなる。
また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、動圧が設定以上に高くなると軸受層８の支持状態が突出部１３によって剛に切り替えられるようになっているので、軸受層８が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの内周側でも所望の動圧を発生し易くなるため、軸受３Ａ（３）の軸受負荷能力の低下が抑制される。また、軸受層８がスラストカラー４の傾きに沿うように変形できるため、スラストカラー４の振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。
また、軸受層８、ベース板９、円環バネ１０、軸受スペーサ３１がいずれも金属によって形成されているため、高温環境下で使用される回転機械にも適用可能となり、したがって、このスラスト軸受３Ａ（３）を例えば過給機にも適用することができる。
【００５５】
なお、前記実施形態では、本発明における軸受板として機能する軸受フォイル１９について、その第２面１９ｂのスパイラル溝１６を、第１面１９ａのスパイラル溝１１と同一形状で面対称に形成したが、例えば同一形状とするだけで、面対称にすることなく位相をずらして形成してもよい。その場合にも、反りを無くすことができるとともに、部品の共通化を可能にしてコスト削減を図ることができる。
【００５６】
さらに、第２面１９ｂのスパイラル溝を、第１面１９ａのスパイラル溝１１と同一形状に形成することなく、例えば溝の形状や数を変えて形成してもよい。その場合に、第２面のスパイラル溝については、その深さを第１面１９ａのスパイラル溝１１と同じにし、溝形成の際の切削量、すなわち溝全体の容積を、第１面１９ａのスパイラル溝１１全体の容積と同程度にするのが好ましい。このようにすることで、第１面１９ａと第２面１９ｂとの間の圧縮応力の差を小さくして、応力差に起因する反りの発生を抑制することができる。
【００５７】
また、第１面１９ａのスパイラル溝については、図２（ｂ）、図３（ａ）に示した形態以外にも、種々の形態のものを採用することができる。例えば、図５に示すように、第１面（軸受面）の内周側に形成された複数の第１螺旋形溝４０からなる第１溝群４０Ａと、該第１溝群４０Ａより第１面の外周側に形成され、かつ第１螺旋形溝４０と同方向に周回する複数の第２螺旋形溝４１からなる第２溝群４１Ａと、を有するポンプイン形のスパイラル溝４２を採用することができる。
【００５８】
このスパイラル溝４２を形成した第１面では、第１溝群４０Ａより内周側、すなわち流体が引き込まれる側に、円環状のランド部４３が形成されている。また、第１溝群４０Ａにおける一部の第１螺旋形溝４０と第２溝群４１Ａにおける一部の第２螺旋形溝４１とは、少なくとも一方が一部分で他方に連通してなる部分連通部４４を介して連続している。
【００５９】
このようなスパイラル溝４２を形成した軸受フォイルにあっては、第１溝群４０Ａにおける一部の第１螺旋形溝４０と第２溝群４１Ａにおける一部の第２螺旋形溝４１とが、部分連通部４４を介して連続しているので、外周側の第２溝群４１Ａにおける第２螺旋形溝４１の一部を沿うように流れてきた潤滑流体は、その一部が部分連通部４４で一旦堰き止められ、この部分連通部４４で高い膜圧を発生する。また、その残部は内周側の第１溝群４０Ａにおける第１螺旋形溝４０を通り、潤滑流体が引き込まれる側となるランド部４３に達し、ここでも高い膜圧を発生する。また、このような螺旋形溝４１、４０に沿った主流から外れた傍流は、円周方向の流れとなって螺旋形溝間のランド４５、４６を乗り越えて膜圧を発生させる。
【００６０】
以上より、第１面上に形成される潤滑流体からなる潤滑膜の圧力（膜圧）は、その膜圧分布が例えば図３（ａ）に示した軸受フォイル１９のように１箇所で高い膜圧（ピーク圧）を有していたのと異なり、全体的に膜圧が分散した圧力分布となり、その最高膜圧も従来に比べ低くなる。したがって、流体潤滑膜が破断し難くなり、より高い軸受荷重まで焼き付くことなく使用することができ、また、外乱等による突発的な荷重に対する余裕代を増やすことができる。
【００６１】
また、前記実施形態では、３枚の軸受フォイル１９、２０、２１を重ねて軸受層８を形成し、スラストカラー４側の軸受フォイル１９を本発明の軸受板として機能させたが、複数の軸受フォイルを重ねることなく、単一のフォイルによって本発明の軸受板を形成するようにしてもよい。さらに、２枚、あるいは４枚以上の軸受フォイルを重ねて軸受層を形成してもよい。
【００６２】
図６（ａ）〜（ｃ）は、図１に示したターボ機械に適用されるスラスト軸受の第２実施形態を示す図である。この第２実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）は、図１においてインペラ２側に配置されたものである。なお、本実施形態では、図１においてインペラ２側に配置されたスラスト軸受３も、図１においてスラストカラー４を挟んでその反対側、すなわちラジアル軸受７側に配置されたスラスト軸受３も、同一の構成からなっている。
【００６３】
スラスト軸受３Ｂ（３）は、図６（ａ）に示すように回転軸１に固定された円板状のスラストカラー４に対向して配置された円環状（円筒状）のもので、回転軸１に外挿されて設けられたものである。このスラスト軸受３Ｂ（３）は、スラストカラー４に対向して配置される軸受層５０と、この軸受層５０の、前記スラストカラー４に対向する面と反対側の面に対向して配置されたベース板（ベース部）５１と、を備えて構成されたものである。
【００６４】
軸受層５０は、本実施形態では円環薄板状の３枚のフォイル１０、１１、１２が、積層配置されて全体が円環板状に形成されたもので、回転軸１を挿通するための貫通孔５０ａを有したものである。３枚のフォイルは、その平面形状が全て同じ大きさ・寸法に形成されたもので、前記スラストカラー４側から順に、トップフォイル５２、第１バックフォイル５３、第２バックフォイル５４となっている。
【００６５】
トップフォイル５２は、本発明における軸受板として機能するもので、図２（ｂ）、図３（ａ）、図３（ｃ）に示した軸受フォイル１９と同様に、スラストカラー４と対向する第１面（軸受面）５２ａに動圧発生用のスパイラル溝（図示せず）を形成するとともに、該第１面５２ａと反対の側の第２面５２ｂにもスパイラル溝（図示せず）を形成しているしたがって、このトップフォイル５２は、反りが無い平坦な薄板となっている。なお、第２面５２ｂのスパイラル溝は、動圧発生用として機能しないのは第１実施形態と同様である。ただし、トップフォイル（軸受板）５２をスラストカラー４の一方の側にも他方の側にも使用できるように部品を共通化した場合には、第１実施形態と同様に、他方の側では第２面が第１面として機能する。
【００６６】
このトップフォイル５２は、例えばステンレスやインコネル（Inconel［登録商標］）などの合金や金属からなるもので、厚さが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の薄板状のものである。また、第１バックフォイル５３、第２バックフォイル５４は、銅等の金属や制振合金からなるもので、厚さが０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の薄板状のものである。なお、第１バックフォイル５３、第２バックフォイル５４には、その表面をコーティングして摩擦による減衰効果を高めるようにしてもよい。
【００６７】
ベース板５１は、回転軸１を挿通するための貫通孔５１ａを有した円環板状（略円筒状）のもので、ステンレス等の合金や金属からなる耐熱性のものであり、軸受層５０の第２バックフォイル５４に対向して配置されたものである。このベース板５１は、図示しないケーシング等に螺子等で固定されており、これによって固定された状態で保持されている。
【００６８】
また、このベース板５１の、前記第２バックフォイル５４に対向する面は、その外周側に配置されて凹部５５を形成する第１面部５１ｂと、該第１面部５１ｂより内周側に配置された第２面部５１ｃとを有している。凹部５５は、ベース板５１の周方向に沿って周全体で連続して形成されている。すなわち、この凹部５５は、平面視円環状に形成されている。また、この凹部５５は、その深さが、ベース板５１の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されている。したがって、このベース板５１は、凹部５５によってテーパ面を形成したものとなっており、その厚さが、内周側から外周端に向かって連続的に薄くなるように形成されている。
【００６９】
また、凹部５５の内周側の端縁５５ａは、凹部５５を形成した面の内周端５６ａより外周側に位置している。したがって、前記第２面部５１ｃ（凹部５５を形成した面の内周端５６ａから凹部５５の内周側の端縁５５ａまでの間）は、平坦面５６となっている。
このような構成のもとに軸受層５０は、その第２バックフォイル５４が、通常は平坦面５６にのみ接した状態でベース板５１に支持されている。
【００７０】
ここで、ベース板５１の、第２バックフォイル５４に対向する面における、第１面部５１ｂの幅（ベース板５１の半径方向の長さ）と、第２面部５１ｃの幅（ベース板５１の半径方向の長さ）とについては、以下のようにして設計するのが好ましい。
スラスト軸受３Ｂ（３）による軸受負荷能力を優先させる場合には、平坦面１５の幅（半径方向の長さ）を広くする。
【００７１】
また、スラストカラー４に対する軸受面（第１面）５２ａの追従性を優先し、減衰効果をより高めたい場合には、平坦面１５の幅（半径方向の長さ）を狭くして軸受層５０が傾き易くなるようにする。特に、スラストカラー４に対する軸受面５２ａの追従性を最優先としたい場合には、平坦面５６を形成することなく、第２バックフォイル５４に対向する面全体を、凹部５５としてもよい。その場合にも、凹部５５の内周端（ベース板５１の内周端）が凹部５５中の他の部位より凹んでいないため、該内周端によって軸受負荷能力が発揮されるようになる。
【００７２】
このような構成のスラスト軸受３Ｂ（３）では、回転軸１が高速で回転すると、スラストカラー４と軸受層５０の軸受面５２ａとの間に、動圧発生用のスパイラル溝で形成された動圧によって流体潤滑膜が形成され、これによってスラスト軸受３Ｂ（３）は、形成された流体潤滑膜を介してスラストカラー４を支持するようになる。
【００７３】
その際、トップフォイル５２は前記したように反りの無い平坦な薄板となっているため、回転軸１が回転し始めてから流体潤滑膜が形成されるまでの初期時においても、トップフォイル５２はスラストカラー４と接触することがなく、したがって初期時においても設計どおりの軸受負荷能力を発揮する。なお、形成された流体潤滑膜の動圧は、スラスト軸受３Ｂ（３）の内周側で高く、外周側で低くなっている。
【００７４】
また、回転軸１は、回転軸が有する不釣合い、外部環境の影響および運転状態などによってその回転が回転中心から僅かながらぶれて振動することがあり、その場合にはこれに固定されているスラストカラー４も僅かながら振動して面振れし、図６（ｂ）に示すように瞬間的には傾いた状態となる。
【００７５】
その際、本実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）にあっては、ベース板５１に凹部５５を形成し、この凹部５５の深さを内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成しているので、軸受層５０は、凹部５５を形成したベース板５１に支持されることにより、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では動圧が低くなる外周側に比べて曲げ剛性が高く、相対的に強いバネとして機能するようになる。すなわち、軸受層５０はその内周側のみがベース板５１に保持された片持ち状になっているため、外周側では力が弱いバネとして機能しているのに対し、内周側では力が強いバネとして機能するようになっている。
よって、トップフォイル５２はその内周側がほとんど撓まないため、この内周側でも流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるようになり、スラスト軸受３Ｂ（３）はその軸受負荷能力の低下が抑制されたものとなる。
【００７６】
また、凹部５５の深さが内周側から外周端に向かって連続的に深くなっているので、軸受層５０はその外周側がベース板５１側に変形し易くなっており、したがって軸受面（第１面）５２ａはスラストカラー４に良好に追従し、図６（ｂ）の左側に示すように、スラストカラー４とトップフォイル５２の軸受面（第１面）５２ａとの間の流体潤滑膜の厚さ（スラストカラー４とトップフォイル５２の軸受面５２ａとの隙間）が一定に保たれ、流体潤滑膜が破断し難くなる。すなわち、外周側が撓み易くなっているので、スラストカラー４の傾きに容易に追従できる。
【００７７】
また、ベース板５１の、凹部５５を形成した面には平坦面５６が形成されており、この平坦面５６に軸受層５０は支持されているため、軸受層５０が平坦面５６を押圧しても軸受層５０に曲げ変形が生じない（撓まない）ことになる。したがって、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、前記の平坦面５６によって軸受層５０がベース板５１側に移動するのが抑制されるため、回転軸１がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。
【００７８】
さらに、３枚のフォイル５２、５３、５４を積層することで軸受層５０を構成しているので、不釣り合いや外乱等によって例えば図６（ｂ）に示したように回転軸１が傾くような振れ回り振動をしても、スラストカラー４を介してこれに追従する軸受層５０は、積層されたフォイルどうしが互いに擦れ合うことにより、その摩擦によって前記振れ回り振動を減衰させるように作用する。
【００７９】
本実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）によれば、第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）と同様に、軸受板として機能するトップフォイル５２に、第１面５２ａだけでなく第２面５２ｂにもスパイラル溝を形成しているので、トップフォイル５２に反りが無くなり、したがってスラスト軸受３Ｂ（３）は流体潤滑膜が形成されるまでの初期時においても、設計どおりの良好な軸受負荷能力を発揮するようになる。よって、トップフォイル５２がスラストカラー４に接触し続けることで焼き付きに陥る不都合を、確実に回避することができる。
【００８０】
また、トップフォイル５２を、その第１面５２ａのスパイラル溝と第２面５２ｂのスパイラル溝とを使い分けることで、スラストカラー４の一方の側にも他方の側にも用いることができ、したがって部品の共通化を可能にしてコスト削減を図ることができる。
さらに、トップフォイル５２の第１面（軸受面）５２ａに形成された螺旋形溝間のランド部の裏側（第２面５２ｂ）も必ずランド部になるため、トップフォイル５２は撓みにくくなり、したがってスラスト軸受は設計通りの良好な負荷能力を発揮するようになる。
【００８１】
また、スラスト荷重（静荷重）が増えても、前述したように軸受層５０がベース板５１側に移動するのが抑制されているので、回転軸１がその軸方向に移動するのが十分に制限される。よって、図１に示したようにこのスラスト軸受３（３Ｂ）をターボ機械のインペラ２を有する回転軸１に適用した場合に、回転軸１がその軸方向に沿って図１中矢印方向に移動することで、インペラ３がその外側のハウジング（静止部）５に接触してしまうおそれが無くなる。これにより、インペラ３の先端とハウジング５との間のチップクリアランス６を小さくすることができ、ターボ機械の効率を高めることができる。
【００８２】
また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、軸受層５０が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの部位でも所望の動圧が発生され易くなるため、軸受３Ｂ（３）の軸受負荷能力の低下を抑制することができる。
さらに、ベース板５１には凹部５５が形成されているので、回転軸１が傾くように振れ回り振動し、スラストカラーに傾き（面振れ）が生じても、軸受層５０はその傾きに追従するように傾斜し、その際、軸受層５０を構成するフォイル５２、５３、５４間に生じる摩擦が回転軸１の振れ回り振動を減衰させるように作用するので、軸受機能をより安定して発揮することができる。
【００８３】
なお、前記実施形態では、図６（ａ）、（ｂ）に示したように、凹部５５の底面を平坦な傾斜面としたが、例えば凹部５５はその深さがベース板５１の内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されていれば、図６（ｃ）に示すように湾曲してなる湾曲面であってもよい。
また、前記実施形態においても、軸受層５０を構成するフォイルの数を３枚としたが、１枚であっても、２枚、あるいは４枚以上であってもよい。
【００８４】
また、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では軸受板の第１面に形成する動圧発生用のスパイラル溝として、ポンプイン形スパイラル溝を採用したが、これに代えて、図７に示すようにポンプアウト形スパイラル溝６０を採用することもできる。図７中符号６１は軸受板、６２は螺旋形溝、６３は最外周ランド部である。
【００８５】
この軸受板６１にあっても、ポンプアウト形スパイラル溝６０を形成した第１面（軸受面）６０ａと反対の側の第２面には、第１面６０ａのスパイラル溝６０と好ましくは同一形状、さらに好ましくは面対称のスパイラル溝を形成しておく。
このような軸受板６１は、例えば特許文献１のベアリングフォイル（トップフォイル）として用いることができる。すなわち、特許文献１のスラスト軸受に、本発明に係る軸受板６１をベアリングフォイル（トップフォイル）として用いることにより、本発明のスラスト軸受とすることができる。
【符号の説明】
【００８６】
１…回転軸、３、３Ａ、３Ｂ…スラスト軸受、４…スラストカラー、８…軸受層、９…ベース板（ベース部）、１０…円環バネ（ベース部）、１１…スパイラル溝、１１ａ…螺旋形溝、１６…スパイラル溝、１９…軸受フォイル（軸受板）、１９ａ…第１面、１９ｂ…第２面、４２…スパイラル溝、５０…軸受層、５１…ベース板（ベース部）、５２…トップフォイル（軸受板）、６０…ポンプアウト形スパイラル溝、６０ａ…軸受面（第１面）、６１…軸受板
【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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【図６】
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【図７】
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