(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非円形の内面形状を有する孔を規定するカートリッジハウジングと、前記カートリッジハウジングの前記孔内に配置され前記非円形の内面形状に従うスプリングフォイル部材と、前記スプリングフォイル部材内に配置され前記非円形の内面形状の形に従う流体フォイル部材と、前記流体フォイル部材、前記スプリングフォイル部材、前記カートリッジハウジングの前記孔内に回転可能に配置されたロータとを含み、前記ロータの回転が、前記孔の前記非円形の内面形状内で前記ロータの位置を支持し制御する流体膜力を発生することを特徴とする柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受。
【請求項２】
請求の範囲第１項に軸受に於いて、前記カートリッジハウジングの前記孔は、スプリングフォイル及び流体フォイル部材が前記カートリッジの前記孔に対してプレロードされるような、前記スプリングフォイル部材及び前記流体フォイル部材に力を与えるカム形のローブを形成するように作られ、前記流体フォイル部材と前記ロータとの間に交互に先細楔状流体通路及び末広楔状流体通路を形成することを特徴とする軸受。
【請求項３】
請求の範囲第１項の軸受に於いて、前記カートリッジハウジングの前記孔は、前記スプリングフォイル部材及び前記流体フォイル部材に力を与えて前記流体フォイル部材と前記ロータとの間に交互に先細楔状流体通路及び末広楔状流体通路を形成する、複数個の先細傾斜面及び末広ジョグルを形成するように作られていることを特徴とする軸受。
【請求項４】
請求の範囲第２項又は第３項の軸受に於いて、前記カートリッジハウジングの前記孔は前記先細楔状流体通路の始端に位置づけられた複数個の軸線方向通気溝を持ち、前記流体フォイル部材内の通気溝に流体を供給する軸受。
【請求項５】
請求の範囲第２項又は第３項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル部材は一体的な単一のスプリングフォイル要素であり、前記フォイル要素は前記カートリッジハウジングの前記孔内で345゜乃至359゜の円弧を占め、前記スプリングフォイル要素は平坦に形成され、前記スプリングフォイル要素を前記カートリッジハウジング内で嵌合するように曲げることによって、複数個の片持ち梁を前記スプリングフォイル要素の円弧面に相対的に直立して立てさせ、前記片持ち梁をスプリングとして動作させて直立させることを特徴とする軸受。
【請求項６】
請求の範囲第５項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル要素は、前記片持ち梁の長さが前記先細楔状流体通路の長さに沿って増大するとき、前記先細楔状流体通路の長さに沿って増大する非撓みの厚さを持つことを特徴とする軸受。
【請求項７】
請求の範囲第５項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル要素は、前記片持ち梁の幅が前記先細楔状流体通路の長さに沿って増大するとき、前記先細楔状流体通路の長さに沿って増大するばね定数を持つことを特徴とする軸受。
【請求項８】
請求の範囲第５項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル要素は、前記片持ち梁がロータの円弧の周りを曲がりその円弧での接触点が移動することによって前記片持ち梁の自由長さが減少するとき、偏差を持って増大する非線形のばね定数を持つことを特徴とする軸受。
【請求項９】
請求の範囲第５項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル要素は、前記片持ち梁の先端が前記カートリッジハウジングの前記孔に対してこする運動をすることによりクーロン制動を達成することを特徴とする軸受。
【請求項１０】
請求の範囲第５項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル要素は、その各端より実質的に1/3の距離に離れた構造要素を持ち、前記スプリングフォイル要素の残りの領域に対して異なるばね定数の領域を形成していることを特徴とする軸受。
【請求項１１】
請求の範囲第５項の軸受に於いて、前記フォイル部材は、平坦に形成されたフォイル要素がほぼ円形形状を形成するように曲げられて前記カートリッジハウジングに取り付けられたときに引き起こされる曲げ応力によって、前記カートリッジハウジングの前記孔の前記非円形の内面形状に従うように、内部で維持され力が与えられ、前記曲げ応力は、フォイルの揺れを安定化させるのを助けるためにきついフォイル入れ子を保証するような、フォイルからカートリッジハウジングへのプレロード力として働くことを特徴とする軸受。
【請求項１２】
請求の範囲第５項の軸受に於いて、前記フォイル部材は、該フォイル部材の一端又は両端で前記カートリッジ要素の周方向プレロードバーによって及ぼされる周方向の圧縮力により前記カートリッジハウジングの前記孔に対してプレロードされていることを特徴とする軸受。
【請求項１３】
請求の範囲第５項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル部材は単一のスプリングフォイル要素であり、前記流体フォイル部材は単一の流体フォイル要素であり、これらのフォイル要素は前記カートリッジハウジング内の345゜乃至359゜の円弧を占め、互いに共働して前記ロータ上に零の最小のスプリングプレロード力を与えるように機能し、これにより軸受のリフトオフ／タッチダウン速度を最小限にし、始動及び停止部の間軸受の摩耗を最小限にすることを特徴とする軸受。
【請求項１４】
請求の範囲第２項又は第３項の軸受に於いて、前記フォイル部材は単一のフォイル要素であり、前記流体フォイル部材は前記カートリッジハウジングの前記孔内の345゜乃至359゜の円弧を占めていることを特徴とする軸受。
【請求項１５】
請求の範囲第14項の軸受に於いて、ジョグルが前記流体フォイル部材及び／又は前記フォイル部材を構成する流体スリーブ要素に形成されており、前記ジョグルは前記流体通路の末広領域に対して非回転壁を構成し、ジョグル間の傾斜面は前記流体楔通路の先細領域に対して非回転壁を構成することを特徴とする軸受。
【請求項１６】
請求の範囲第14項の軸受に於いて、前記流体フォイル部材は、末広流体楔の領域に通気があけられており、これにより前記流体フォイル部材の曲げ剛性は局部的に低減されており、前記通気は、前記スプリングフォイルの領域よりの補充流体が吸引力により前記流体フォイル部材と前記ロータとの間の領域へ吸入されることを可能とすることを特徴とする軸受。
【請求項１７】
請求の範囲第14項の軸受に於いて、前記流体フォイル部材は、該フォイルの曲げ剛性を先細にするように、前記フォイル要素の両端で前記ロータから離れて面する前記流体フォイルの表面に実質的に50％〜70％の深さまで延在するＶ形の溝を持ち、これにより前記カートリッジハウジングの前記孔の前記非円形の内面形状に従うように、前記スプリングフォイル部材に対して前記流体フォイル部材のきつい入れ子を保証することを特徴とする軸受。
【請求項１８】
請求の範囲第14項の軸受に於いて、前記フォイル部材は、前記フォイル部材の一端又は両端で、前記カートリッジ要素の周方向のプレロードバーによって及ぼされる周方向の圧縮力によって前記カートリッジハウジングの前記孔に対してプレロードされていることを特徴とする軸受。
【請求項１９】
請求の範囲第14項の軸受に於いて、前記フォイル部材は、平坦に形成されたフォイル要素が実質的に円の形状を形成するように曲げられて前記カートリッジハウジングに取り付けられたときに引き起こされる曲げ応力により前記カートリッジハウジングの前記孔の前記非円形の内部形状に従うように内部で保持されかつ力が与えられ、前記曲げ応力は、フォイルの揺れを安定化させるのを助けるためにきついフォイル入れ子を保証する、フォイルからカートリッジハウジングへのプレロード力として働くことを特徴とする軸受。
【請求項２０】
請求の範囲第14項の軸受に於いて、前記流体フォイル部材は、前記ロータがフォイル部材故障を引き起こすことなく何れの方向にも回転することを可能にするよう構成されており、前記ロータの何れの方向への回転は、フォイルに対するロータの剪断力が発生する位置と前記カートリッジの周方向プレロードバーに対する前記流体フォイル要素の「押し込みのみ」の取付け位置との間で前記流体フォイル部材に周方向の圧縮応力を引き起こし、前記流体フォイル部材における周方向の引っ張り応力のみが、それを前記ロータの周りに締付け、フォイル故障を潜在的にもたらすことを特徴とする軸受。
【請求項２１】
請求の範囲第14項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル部材は単一のスプリングフォイル要素であり、前記流体フォイル部材は単一の流体フォイル要素であり、これらのフォイル要素は前記カートリッジ内の345゜乃至350゜の円弧を占め、互いに共働して前記ロータ上に零の最小のスプリングプレロード力を与えるように機能し、これにより軸受のリフトオフ／タッチダウン速度を最小限にし、始動及び停止の間軸受の摩耗を最小限にすることを特徴とする軸受。
【請求項２２】
請求の範囲第２項又は第３項の軸受に於いて、前記流体フォイル部材は単一の流体スリーブ要素であり、該流体スリーブ要素は前記流体スリーブ要素の端の周りに配列された端部タブによって前記カートリッジハウジングに取り付けられていることを特徴とする軸受。
【請求項２３】
請求の範囲第22項の軸受に於いて、ジョグルが前記流体フォイル部材及び／又は前記フォイル部材を構成する流体スリーブ要素に形成されており、前記ジョグルは前記流体通路の末広領域に対して非回転壁を構成し、ジョグル間の傾斜面は前記流体楔通路の先細領域に対して非回転壁を構成していることを特徴とする軸受。
【請求項２４】
請求の範囲第22項の軸受に於いて、前記流体フォイル部材は、末広流体楔の領域に通気があけられており、これにより前記流体フォイル部材の曲げ剛性は局部的に低減されており、前記通気は、前記スプリングフォイルの領域よりの補充流体が吸引力により前記流体フォイル部材と前記ロータとの間の領域へ吸入されることを可能とすることを特徴とする軸受。
【請求項２５】
請求の範囲第３項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル部材は複数個のスプリングフォイルセグメントを有し、該スプリングフォイルセグメントは前記フォイルセグメントの各々におけるＬ形の曲がりによって前記カートリッジハウジングの前記孔の周りに配列されて固定されており、前記Ｌ形の曲がりは前記カートリッジハウジングの前記フォイル取付け溝に挿入されており、前記スプリングフォイル要素は平坦に形成され、前記スプリングフォイル要素を前記カートリッジハウジング内で嵌合するよう曲げることによって、複数個の片持ち梁をスプリングフォイル要素の円弧面に相対的に直立して立てさせ、前記片持ち梁をスプリングとして動作させて直立させることを特徴とする軸受。
【請求項２６】
請求の範囲第25項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル要素は、前記片持ち梁の長さが前記先細楔状流体通路の長さに沿って増大するとき、前記先細楔状流体通路の長さに沿って増大する非撓みの厚さを持つことを特徴とする軸受。
【請求項２７】
請求の範囲第25項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル要素は、前記片持ち梁の幅が前記先細楔状流体通路の長さに沿って増大するとき、前記先細楔状流体通路の長さに沿って増大するばね定数を持つことを特徴とする軸受。
【請求項２８】
請求の範囲第25項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル要素は、前記片持ち梁がロータの円弧の周りを曲がりその円弧での接触点が移動することによって前記片持ち梁の自由長さが減少するとき、偏差を持って増大する非線形のばね定数を持つことを特徴とする軸受。
【請求項２９】
請求の範囲第25項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル要素は、前記片持ち梁の先端が前記カートリッジハウジングの前記孔に対してこする運動をすることによりクーロン制動を達成することを特徴とする軸受。
【請求項３０】
請求の範囲第25項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル要素は、その各端より実質的に1/3の距離に離れた構造要素を持ち、前記スプリングフォイル要素の残りの領域に対して異なるばね定数の領域を形成していることを特徴とする軸受。
【請求項３１】
請求の範囲第３項の軸受に於いて、前記カートリッジハウジングの前記孔は狭いフォイル取付け溝を持ち、前記スプリングフォイル部材と前記流体フォイル部材内で形づくられた曲げは、前記フォイル部材を前記フォイル取付け溝に嵌合させて回転及び引き抜きに対して固定されていることを特徴とする軸受。
【請求項３２】
請求の範囲第３項の軸受に於いて、前記流体フォイル部材は複数個の流体フォイルセグメントを有し、該流体フォイルセグメントは前記フォイルセグメントの各々におけるＺ形又はＬ形の曲げによって前記カートリッジハウジングの前記孔の周りに配列されて取り付けられており、その曲げは前記カートリッジハウジングの前記フォイル取付け溝に挿入されていることを特徴とする軸受。
【請求項３３】
請求の範囲第３項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル部材は単一のスプリングフォイル要素であり、前記流体フォイル部材は単一の流体フォイル要素であり、これらのフォイル要素は前記カートリッジハウジング内の345゜乃至359゜の円弧を占め、互いに共働して前記ロータ上に零の最小のスプリングプレロード力を与えるように機能し、これにより軸受のリフトオフ／タッチダウン速度を最小限にし、始動及び停止の間軸受の摩耗を最小限にすることを特徴とする軸受。
【請求項３４】
請求の範囲第１項の軸受に於いて、前記カートリッジハウジングの前記孔はその長さに延在する周方向プレロードバーを持ち、該周方向プレロードバーは、前記カートリッジハウジングの前記孔に対して前記スプリングフォイル部材及び前記流体フォイル部材をプレロードするために、前記スプリングフォイル部材及び前記流体フォイル部材の端に周方向の圧縮応力を与えることを特徴とする軸受。
【請求項３５】
請求の範囲第34項の軸受に於いて、前記スプリングフォイル部材及び前記流体フォイル部材は端部タブを持ち、カートリッジハウジング及び前記周方向プレロードバーはその各端で移動抑止溝を持ち、該移動抑止溝は、前記フォイル部材が前記カートリッジハウジングの前記孔の端から移動するのを防止するように、前記スプリングフォイル部材及び前記流体フォイル部材の前記端部タブを捕捉して保持していることを特徴とする軸受。
【請求項３６】
請求の範囲第34項の軸受に於いて、前記フォイル部材は、該フォイル部材の一端又は両端で前記カートリッジ要素の周方向プレロードバーによって及ぼされる周方向の圧縮力により前記カートリッジハウジングの前記孔に対してプレロードされていることを特徴とする軸受。
【請求項３７】
請求の範囲第34項の軸受に於いて、前記流体フォイル部材は、前記ロータがフォイル部材故障を引き起こすことなく何れの方向にも回転すること可能にするよう構成されており、前記ロータの何れの方向への回転は、フォイルに対するロータの剪断力が発生する位置と前記カートリッジの周方向プレロードバーに対する前記流体フォイル要素の「押し込みのみ」の取付け位置との間で前記流体フォイル部材に周方向の圧縮応力を引き起こし、前記流体フォイルにおける周方向の引っ張り応力のみが、それを前記ロータの周りに締付け、フォイル故障を潜在的にもたらすことを特徴とする軸受。
【請求項３８】
請求の範囲第１項の軸受に於いて、前記流体及び前記スプリングフォイル部材は少なくともそれらの一端に形成された圧縮スプリングを持ち、該スプリングは前記流体及び前記スプリングフォイル部材を互いに他に対して付勢し、前記カートリッジハウジングの前記孔の前記非円形の内面形状に従うように前記スプリングフォイルに力を加えており、それによって前記圧縮スプリングは前記カートリッジハウジング内に前記フォイルのきつく且つ予測可能な入れ子を構成し、前記フォイルの振れを安定化させ、前記ロータのゆがみにきつい制限を保証することを特徴とする軸受。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受に係り、更に詳細には軸受の回転部分を支持し、位置決めし、振動減衰し、回転部分の運動又は変位を受け入れるよう一つ又はそれ以上の流体フォイル及び一つ又はそれ以上のスプリングフォイルを使用する改良された軸受に係る。
発明の背景
柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受は種々の高速ロータの用途に於いて使用されている。これらの軸受は、インナ回転要素と、回転要素を囲繞する回転しない柔軟な流体フォイル要素と、流体フォイル要素を囲繞する回転しない柔軟なスプリングフォイル要素と、二つのフォイル要素を囲繞しそれらのフォイル要素を固定する回転しないカートリッジ要素とよりなっている。回転要素とカートリッジ要素との間の環状空間はフォイルを包む流体（通常は空気）にて充填される。平滑な回転要素と流体フォイルとの間の空間は複数個の流体力学的楔状通路に分割されている。これらの楔状通路は流体フォイル及びスプリングフォイルをオーバラップさせ流体フォイルの内面に傾斜面を形成することによって形成されている。楔状流体通路の厚さは回転要素の回転方向に漸次減少している。回転要素の運動により先細楔状通路内の流体に粘性抗力が与えられる。その結果特に楔状通路のトレーリング端部近傍に於いて流体の圧力が増大される。回転要素が非回転要素へ向けて移動すると、楔状通路の先細角度が増大し、これにより楔状通路に沿って流体の圧力が上昇される。逆に回転要素が非回転要素より離れる方向へ移動すると、楔状通路に沿う圧力の上昇が低下する。従って楔状通路内の流体は回転要素に対し復元力を与え、その復元力は運転間隙に応じて変化すると共に運転間隙を安定化し、また軸受の回転要素と非回転要素とが接触することを防止する。フォイルの撓み及び摺動により軸受の回転要素の軌道運動を減衰させるクーロン減衰効果が発生される。
ロータの回転速度が低いときには、軸受の回転要素は軸受の流体フォイル要素と物理的に接触した状態にあり、従って摩耗が生じる。ロータの回転速度がリフトオフ／タッチダウン速度と呼ばれる速度より高いときにのみ、楔状通路内に発生される流体力学的力が回転要素と非回転要素との間に運転間隙を確保する。
従来の柔軟フォイル型流体力学的流体膜式軸受は、流体フォイルを相対的に移動可能な回転要素（ロータ）に対し押し付けるプレロードを与え、これによりフォイルの嵌合状態及び位置を制御すると共にフォイルの力学的安定性を確保することに関し、裏当てスプリング及び弾性的に湾曲された流体フォイルのばね特性に依存している。プレロード力は楔状通路の効果が軸受の回転要素を軸受の非回転要素より持ち上げてこれとの物理的接触状態を解除するに十分なほど強力になるロータの回転速度を大きく低下させる。このプレロード力及び高いリフトオフ／タッチダウン速度により、ロータが始動されたり停止されたりする度毎に軸受に比較的高い摩耗が発生する。また一般にこれらの軸受の始動トルクは高い値である。
また従来の柔軟フォイル型流体力学的流体膜式軸受に於いては、例えば永久的に変形された一連の渦巻状スプリング部を形成することにより軸受カートリッジに組み込む前にスプリングフォイルのばね特性が設定される。従ってフォイルパックの厚さは比較的大きく、フォイル積層体の高さの公差は比較的大きい。またこれらの軸受が許容するロータの最大撓みもかなり大きい（コンプライアンスの高い制御）。
また従来の大抵の柔軟フォイル型流体力学的流体膜式軸受に於いては、複数個の流体フォイル及び複数個のスプリングフォイルが使用されている。そのため一つの流体フォイル及び一つのスプリングフォイルしか有しない軸受に比して荷重担持能力が低く軸受コストが高い。
複数個の流体フォイルではなく一つの流体フォイルが使用され、また流体フォイルが後にカートリッジ内に嵌合するよう変形される厚さ一定の平坦なシートとして形成される場合には、フォイルはその両端近傍に於いてはカートリッジの内面形状に従って変形しない。このことは曲げモーメントがフォイルの両端には作用せず、フォイルの曲げ剛性がその全長に亘り一定であることによる。
また一つの流体フォイルが使用され、流体フォイルが一端にてカートリッジに取り付けられる場合には、ロータのロックアップやロータとフォイルとの間の摩擦及びフォイルの引張り応力が継続的に増大することに起因するフォイルの損傷を生じることなくロータが回転できる方向は一方向のみである。
高速回転組立体を支持し位置決めしその共振運動を制御するために従来より種々の形式の柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受が使用されている。これらの軸受に於いては円形の孔を有するカートリッジが使用されている。また多くの軸受に於いてはカートリッジの孔内にて円筒状に配列された５〜９個の流体フォイル及び５〜９個のスプリングフォイルが使用されている。従来の軸受の多くはスプリングフォイルに溶接された流体フォイルを有し、或いは複数個のフォイルが使用される場合には、フォイルはそれらをバーの周りに湾曲変形させ或いはフォイルをバーに溶接した後バーをカートリッジの孔に設けられたフォイル保持用の幅の広い溝内に挿入することによってカートリッジに取り付けられている。
従来技術を調査したが、本発明に直接関連するものはない。特に（１）カートリッジの所定形状の孔、（２）フォイルがカートリッジ内に挿入されるよう湾曲変形されると起立する複数個の片持ち梁を有する平坦に形成されたスプリングフォイル、（３）フォイルをカートリッジの孔に対し押付けるためにフォイルに周方向のプレロードを与えることを使用する従来技術は存在しない。尚下記の米国特許は柔軟フォイル型流体力学的流体膜式軸受に関するものである。
特許番号     発明者    特許公報発行日
3,366,427   シルヴァー    1968年 1月30日
3,795,427   リチト        1974年 3月 5日
3,809,443   チェルビム    1974年 5月 7日
3,957,317   シルヴァー    1976年 5月18日
4,170,389   エシェル      1979年10月 9日
4,178,046   シルヴァー    1979年12月11日
4,213,657   グレイ        1980年 7月22日
4,223,958   グレイ        1980年 9月23日
4,229,054   ミラー        1980年10月21日
4,262,975   ヘシュマット  1981年 4月21日
4,277,113   ヘシュマット  1981年 7月 7日
4,415,281   アグローアル  1983年11月15日
4,552,466   ウォレン      1985年11月12日
4,743,126   ソウム        1988年 5月10日
4,961,122   サカイ        1990年10月 2日
5,129,739   アサイ        1992年 7月14日
5,228,785   セイヴィル    1993年 7月20日
米国特許第3,366,427号はフォイルをカートリッジに取り付けるための要素としてビード22、幅広の溝18及び19、ロッド23を開示しているが、本発明に於いてはフォイルは周方向プレロードバーに対し押し付けることにより保持され、或いは放電加工（EDM）により形成された溝に嵌め込まれる。また米国特許第3,366,427号は複数個のフォイルを互いにオーバラップさせることにより形成される傾斜面を開示しているが、本発明に於いてはフォイルのオーバラップ部は存在せず、ローブや傾斜面はカートリッジの孔を所定形状に形成することにより郭定される。
米国特許第3,795,427号はカートリッジの両端に設けられた保持タブ78によりカートリッジに固定されたオーバラップ式の一つのフォイル61又は複数個のオーバラップ式のフォイル63、64、65を開示している。本発明に於いては非オーバラップ式のフォイルがカートリッジの軸線に平行な線に沿って周方向プレロードバーにより固定される。
米国特許第3,809,443号は一つのスプリングフォイル要素23及び一つの流体フォイル要素25を開示している。しかしこれらのフォイルは一端にて互いに接合されているのに対し、本発明に於いてはスプリングフォイル及び流体フォイルは互いに接合されていない。また米国特許第3,809,443号は弾性的表面隆起部27を有するよう成形されたスプリングフォイルを開示しているが、本発明に於いてはスプリングフォイルは平坦に形成される。更に米国特許第3,809,443号はスプリングフォイル及び流体フォイルに周方向のプレロードを与えることなくこれらのフォイルをカートリッジに固定する適当な保持手段（ピン）95を開示しているが、本発明に於いてはフォイルにプレロードを与えるために周方向プレロードバーが使用される。
米国特許第3,957,317号はフライス加工により形成された幅の広い溝に設置されたバーによりカートリッジに取り付けられた矢はず形又は山形のトレーリングエッジを有するオーバラップ式のフォイルを開示している。これらのフォイルはカートリッジの円形の孔の曲率半径よりも大きい曲率半径を有するよう予め成形されている。かくしてフォイル及びカートリッジの曲率半径が互いに異なることにより、複数個のフォイルにはロータに対し押し付けるプレロードが与えられる。本発明に於いては一つの流体フォイル及び一つのスプリングフォイルがロータより離れる方向であってカートリッジの所定形状の孔へ向かう方向に押し付けられるようプレロードが与えられる。
米国特許第4,170,389号は支持体として機能する加圧された材料の本体上に伸張されたリボン形の薄いスチール製の流体フォイル部材41を開示している。しかしこの米国特許は流体フォイルのための支持体としてのスプリングフォイルを開示していない。
米国特許第4,178,046号は取り付けバー14及び44によりカートリッジに取り付けられたフォイルであって、フライス加工又は化学的食刻により形成された畝54及び溝56を有するスプリングにより支持されたフォイルを開示している。本発明に於いてはバーがフォイルに接合されずカートリッジの溝にも挿入されず、またスプリングフォイルは畝や溝を有するようには形成されない。
米国特許第4,213,657号は管状要素22及びケージ要素24よりなるスプリングを開示しているが、本発明に於いては平坦に形成されたスプリングフォイルが使用される。
米国特許第4,223,958号は変形力が与えられることにより平坦な金属に形成された隆起した突起42を有するスプリングフォイルを開示している。これらの突起は片持ち梁として機能する。しかし本発明に於いては、片持ち梁は化学的食刻法により平坦な金属に形成され、フォイルがカートリッジ内に挿入されるよう湾曲変形されたときにのみ起立してスプリングとして機能する。
米国特許第4,229,054号はスリーブ15に対し相対的に軸受モジュール13が回転することを防止すべく溶接又は他の適当な手段により両端23に於いてスリーブ15のボアの壁に取り付けられたスペーサブロック25を開示している。スペーサブロックを取り付ける溶接又は他の適当な手段は軸受フォイルモジュールが軸線方向に並進運動してスリーブより抜け出すことを防止する機能も果たす。また軸受フォイルモジュールはスリーブに形成された周方向の溝内に配置されその溝の壁により捕捉されており、周方向の溝は軸受フォイルモジュールが軸線方向に並進運動してスリーブより抜け出すことを抑制する機能も果たす。しかしこの米国特許は周方向プレロードバーとして機能する要素を開示しておらず、並進防止タブ又は並進防止溝として機能する要素も開示していない。また米国特許第4,229,054号はそれぞれ120゜の円弧長さに亘り延在する三つの軸受フォイルモジュールを使用する二方向型のジャーナル軸受を開示している。しかしこの米国特許はスリーブに対するフォイルの取付け点とロータに対するフォイルの接触点との間にてフォイル内に周方向の圧縮応力を発生する手段（流体フォイルを損傷する程度にまで流体フォイルをロータの周りに締め付けることなく単一流体フォイル型軸受を二方向に作動させるために必要である）を開示していない。また米国特許第4,229,054号の構造に於いてはカートリッジの所定形状の孔、平坦に形成されたスプリングフォイル、スプリングフォイルの円弧長さに沿って変化するばね定数は使用されていない。
米国特許第4,262,975号は柔軟な支持要素54であって、該支持要素に設けられた畝又は突部56の間隔が変化していることにより支持要素の長さに沿って変化するばね定数を有する柔軟な支持要素54を開示している。本発明に於いてはばね定数は畝又は突部の間隔が変化していることによるのではなく片持ち梁の幅や長さが変化していることにより変化している。また米国特許第4,262,975号は流体フォイルに傾斜した厚さの変化を与える軸受パッド組立体40を開示している。本発明に於いてはフォイルの厚さが変化しているが、フォイルの厚さの変化は流体フォイルではなくスプリングフォイルに与えられており、また厚さの変化は片持ち梁の長さを変化させることにより達成される。
米国特許第4,277,113号は撓みに応じて増大する非線形のばね定数を有する隆起部52を有するスプリングフォイルを開示している。しかし本発明に於いては非線形のばね定数は片持ち梁の自由長さが変化するよう片持ち梁をロータの外周面の周りに巻き付けることにより達成される。この非線形のばね定数を達成する手段は上記米国特許により採用されている手段とは全く異なるものである。
米国特許第4,415,281号は撓みに応じて変化する非線形のばね定数を有する渦巻状のスプリングフォイルを開示している。この非線形のばね定数は高さ及び間隔が変化する複数の波形をなすようフォイルを形成することにより達成される。またこの方法も本発明の方法とは異なっている。
米国特許第4,552,466号はカートリッジに取り付けるために使用されるタブ24を有するフォイルを開示している。しかし開示されているタブの構造や取り付け方法に於いては放電加工法（EDM）は使用されない。
米国特許第4,743,126号はフォイルをカートリッジの端部に取り付けるサイドマージン３を有するフォイルを開示している。これに対し本発明に於いては、フォイルは米国特許第4,743,126号に開示された方向に対し90゜の角度に配向されたタブによりカートリッジ内に回転しないよう保持される。
米国特許第4,961,122号は矢はず形の溝を有する軸受（この米国特許の発明）及びＶ形の溝を有する軸受（従来技術）を開示している。軸受はシャフト４が回転され軸受ハウジング６の中心線より半径方向に離れる方向へ変位されると作動流体の圧力を局部的に増大させるべく、シャフト４に設けられた溝160又は隆起部260及び軸受ハウジング６のインナボアに設けられた同様の溝又は隆起部を有している。この米国特許に記載されたロータ及びハウジングに設けられたＶ形の溝は、本発明の流体フォイルの外面に形成される幅が変化するＶ形の溝とは関係がない。
米国特許第5,129,739号は流体力学的面として機能する剛固な金属シリンダ21の熱可塑性樹脂の内面に形成された力学的加圧溝を備えた軸受を開示している。金属シリンダは軸受ハウジングに弾性的には取り付けられていない。本発明の第四の実施形態に於いては、流体スリーブはその内面に加圧溝を有しておらず、薄く且つ可撓性を有し、軸受カートリッジの孔に弾性的に取り付けられている。
米国特許第5,228,785号は非線形のばね定数及び傾斜面を郭定するよう可変渦巻き高さ及び可変渦巻き間隔を有する渦巻き状スプリングフォイルにより支持されたオーバラップ式のフォイルを開示している。本発明に於いては非線形のばね定数は片持ち梁の幅及び長さが徐々に変化していることにより達成され、傾斜面はカートリッジの孔を所定形状に形成し片持ち梁の長さを徐々に変化させることにより達成される。
本発明の概要及び目的
一つの流体フォイル、一つのスプリングフォイル、カム形内面のカートリッジ、平坦に形成されたスプリングフォイルの正確に調整されたばね定数、フォイルの挿入及び保持法の組合せにより、高い荷重担持能力、良好な信号減衰性、低作動トルク、低始動トルク、低リフトオフ速度及び低タッチダウン速度、小振動空間、少部品点数、低製造コスト（これらは何れも高速ターボ機械の製造に於いて重要である）を達成する軸受が得られる。
従って本発明の主要な目的は、改良された柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、高い荷重担持能力を有する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、始動トルクが非常に低い柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、リフトオフ速度及びタッチダウン速度が非常に低い柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、作動トルク及び動力消費量が低い柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、振動空間が小さく、即ちコンプライアンスが低くロータの撓みを厳しく制限する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、何れの回転方向にも作動することができ、一方の回転方向には高い荷重担持能力を有する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、先細楔状流体力学的通路及び末広楔状流体力学的通路を正確に郭定するようカム形ローブ状の所定形状に形成された孔を有するカートリッジを使用する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、先細楔状流体力学的通路及び末広楔状流体力学的通路を正確に郭定するよう傾斜面及びジョグルを有する所定形状に形成された孔を有するカートリッジを使用する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、フォイルに周方向の圧縮応力のみを与えることができる周方向プレロードバーをカートリッジの孔に有する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、フォイルがカートリッジの孔より抜け出ることを防止する並進防止溝をカートリッジの孔に有する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、ワイヤ式放電加工法（EDM）により形成されたフォイル取り付け部を有するカートリッジを使用する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、ばね定数が撓みに応じて非線形に変化し形成される流体力学的楔状通路に沿う長さを有するスプリングを有する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。特に片持ち梁がロータの外周面の周りに湾曲されロータの外周面に対する接触点が変位するにつれて片持ち梁の自由長さが徐々に減少することにより、半径方向のばね定数がロータの撓みに応じて増大する。
本発明の他の一つの目的は、ユニークな一つのスプリングフォイルを有する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、一つの流体フォイルを有する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、非回転時及び低速度時にロータに与えられる力を最小限にすべくロータより離れる方向にプレロードが与えられたフォイルを有する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、フォイルの安定な力学的状態及びカートリッジ内に於けるフォイルの密にして予測可能な嵌合状態を確保すべくカートリッジへ向かう方向にプレロードが与えられたフォイルを有する柔軟フォイル型流体力学的流体膜式ラジアル軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、流体フォイル及びスプリングフォイルをカートリッジに対し押し付けるプレロードを与えることを補助し、またフォイルがカートリッジ内に嵌合することを補助する周方向のスプリングを流体フォイルの両端及びスプリングフォイルの両端に有する軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、流体フォイル及びスプリングフォイルがカートリッジより軸線方向に抜け出すことを防止する並進防止タブを流体フォイルの両端及びスプリングフォイルの両端に有する軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、フォイルを湾曲変形させてカートリッジ内に嵌合させることにより片持ち梁が起立しスプリングとして作用するよう平坦に形成されたスプリングフォイルを有する軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、スプリングフォイルが湾曲変形されカートリッジ内に挿入されると起立し作動時にスプリングとして機能する片持ち梁が形成されるよう化学的食刻法により形成されたスプリングフォイルを有する軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、片持ち梁の先端がカートリッジの孔に対しスカッフィング作用を及ぼすことによりクーロン減衰効果を発揮するスプリングフォイルを有する軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、フォイルの曲げ剛性が徐々に変化しフォイルがカートリッジの孔の形状に従って変形するよう、フォイルの両端近傍にてロータとは反対側の表面に50〜70％の深さまで化学的食刻により形成され幅がテーパ状をなすＶ形の溝を備えた流体フォイルを有する軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、通気溝を備えた流体フォイルを有する軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、流体フォイルがカートリッジの所定形状の孔に従って変形するよう先細通路の始端に於ける曲げ剛性が低減された流体フォイルを有する軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、カートリッジの孔に形成された傾斜面及びジョグルに整合する先細状傾斜面及び末広状ジョグルを郭定するよう工具にて押圧することにより形成されたジョグルを有するフォイルを有する軸受を提供することである。
本発明の他の一つの目的は、平坦な状態より湾曲変形されカートリッジ内に迅速に且つ容易に組み込まれる二つのフォイルしか有しない軸受を製造することである。
本発明の他の一つの目的は、平坦な状態より湾曲変形されカートリッジ内に迅速に且つ容易に組み込まれる一つの平坦なスプリングフォイルと、カートリッジ内に迅速に且つ容易に嵌め込まれる一つの円筒形の流体フォイルとしか有しない軸受を製造することである。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明による一つの軸受の解図的分解斜視図である。
図1Aは図１に示されたスプリングフォイルの拡大部分図であり、片持ち梁のパターンを示している。
図1Bは図１に示されたカートリッジの周方向プレロードバー及び並進防止溝の領域を示す拡大部分図である。
図1Cは図１に示されたロータ、流体フォイル、スプリングフォイル及びカートリッジの組立体の円弧部の拡大端面図である。
図２は図１に示された軸受のカートリッジ孔、周方向プレロードバー、並進防止溝、軸線方向通気溝及びロータ（フォイルは図示されていない）の端面図である。
図2Aは明瞭化の目的でロータ及びフォイルが除去された状態にて図２の線2A−2Aに沿う断面を示す断面図である。
図2Bはロータが除去されフォイルが配置された状態にて図２の線2B−2Bに沿ってカートリッジ孔の内側より見た図として周方向プレロードバー及び並進防止溝を示す断面図である。
図３はフォイルの長さに沿って変化する片持ち梁の突出高さ及び片持ち梁のばね定数を有する図１に示されたスプリングフォイルの平面図である。
図４は図３に示されたスプリングフォイルの拡大部分図であり、三つの傾斜部のうちの一つについての片持ち梁構造を詳細に示している。
図4Aは後端にて互いに接続された一つの一対の片持ち梁を示す平面図である。
図4Bは後端にて互いに接続された一対の片持ち梁の断面図である。
図4C、図4D、図4Eは各対の片持ち梁の自由長さ及びばね定数が撓みに応じて如何に変化するかを示している。
図５はフォイルの長さに沿って変化しない片持ち梁の突出高さ及び片持ち梁のばね定数を有し、フォイルの両端に周方向プレロードスプリングを有する図１の軸受に使用される他の一つのスプリングフォイルを示す平面図である。
図６は図１に示された軸受のための流体フォイルを示す平面図である。
図７は図６に示された流体フォイルの底面図である。
図８は図７に示された流体フォイルの拡大部分図であり、フォイルのロータとは反対の側に設けられた幅がテーパ状をなすＶ形の切欠きパターンであって、フォイルの長さに沿ってフォイルの曲げ剛性を変化させる切欠きパターンを詳細に示している。
図8A、図8B、図8Cはそれぞれ図８の対応する三つの断面位置に於ける流体フォイルの切欠き溝を示す断面図である。
図９は図１に示された軸受に使用される流体フォイルであって、両端に他の周方向プレロードスプリングを有する流体フォイルの平面図である。
図10は図９に示された流体フォイルの底面図である。
図11は本発明による軸受の他の一つの実施形態のためのカートリッジ孔、周方向プレロードバー、並進防止溝、スプリングフォイル、流体力学的フォイル、及びロータを示す端面図である。
図12は本発明による軸受の更に他の一つの実施形態の分解斜視図である。
図13、図13A、図13Bはそれぞれ図12に示された実施形態のためのカートリッジを示す端面図、断面図、拡大部分端面図である。
図14は図12に示された実施形態に使用されるスプリングフォイルの平面図である。
図15は本発明による軸受の他の一つの実施形態のための流体スリーブの斜視図である。
好ましい実施形態の説明
本発明を実施するための幾つかの実施形態について説明する。図１の実施形態は好ましい実施形態である。各実施形態は円柱形のロータに加えて三つの主要な構成要素、即ち（１）カートリッジと（２）スプリングフォイルと（３）流体フォイルとを含んでいる。何れの実施形態に於いても円形ではない所定形状の孔を有するカートリッジが使用される。また何れの実施形態に於いても平坦なシートとして形成されたスプリングフォイルが使用され、スプリングフォイルはそれがカートリッジ内に挿入されるよう湾曲変形されると起立する化学的食刻により形成された複数個の片持ち梁を有している。
端的に言えば、好ましい実施形態は、（１）実質的に正弦波状の多数のカム形ローブを有する所定形状の孔を有し、周方向プレロードバーを有するカートリッジと、（２）スプリングフォイルがカートリッジ内に挿入されるよう湾曲変形されると起立する多数の片持ち梁を有する一つのスプリングフォイルと、（３）カートリッジ内に組み込まれると周方向のプレロードを与える手段を有する一つの流体フォイルとを含んでいる。
図１乃至図10に示されている如く、好ましい実施形態はカートリッジハウジング12とスプリングフォイル16と流体フォイル18とロータ20とを含んでいる。カートリッジハウジング12は互いに隔置されたカム形ローブ22の形態をなすよう所定形状に形成された孔14、即ちボアを有し、ローブ22はスプリングフォイル16及び流体フォイル18がカートリッジハウジングの所定形状の孔14に対し押し付けられるとこれらのフォイルと共働して互いに隔置された先細楔状流体通路24及び末広楔状流体通路26を郭定する。カートリッジハウジング12は図には示されていないカートリッジリテーナ内にてカートリッジハウジング12が回転することを防止する図には示されていないフィンを受ける回転防止フィン受入れ孔11を有し、また周方向プレードバー32を有している。周方向プレロードバー32はカートリッジハウジング12の全長に亘り軸線方向に延在し、流体フォイル18及びスプリングフォイル16に周方向の圧縮力を与えてこれらのフォイルをカートリッジハウジング12の孔14に対し押付ける。スプリングフォイル16及び流体フォイル18がカートリッジハウジング12の所定形状の孔14に柔軟に従うよう、スプリングフォイル16若しくは流体フォイル18の両端には周方向プレロードバー32を押圧する周方向プレロードスプリング50がフォイルの一部として形成されていてよい。流体フォイル18の外面（ロータとは反対側の面）には食刻により幅がテーパ状をなすＶ形の溝46が形成されており、これらの溝はフォイル18の両端近傍より実質的に全長の1/4の位置まで延在し、これによりフォイルの曲げばね定数をフォイルの両端へ向かうにつれて漸次低減している。フォイル18の曲げばね定数がかくして設定されているので、フォイル18がカートリッジハウジング12の孔14に対しプレロードを与えるようカートリッジハウジング12内に挿入される際にフォイルに曲げ応力が発生してもフォイルの両端に曲げモーメントが作用することが防止される。
スプリングフォイル16は周知の化学的食刻法により平坦に形成される。食刻パターンは、フォイル16が湾曲変形されカートリッジハウジング12内に組み込まれるこカートリッジハウジング12の孔14に対し起立して当接する多数の互いに隔置された片持ち梁40を形成するために使用される。カートリッジハウジング12は互いに隔置された軸線方向の通気溝36を有し、これらの通気溝は流体フォイル18に設けられた互いに隔置された通気溝44へ軸受の作動流体を導く。通気溝36は例えば空気の如き作動流体を補充すべく末広楔状流体通路26の端部の近傍に設けられる。また通気溝36は流体フォイル18がカートリッジハウジング12の所定形状の孔14に従うよう、フォイル18の湾曲半径が最も小さくなれなければならない領域に於いてフォイル18の曲げ剛性を局部的に低減する作用をなす。カートリッジハウジング12はそれぞれフォイル16及び18の両端に形成された並進防止タブ48及び49を受ける二つの並進防止溝34を有している。これらの並進防止溝34及びタブ48、49はカートリッジハウジング12内に於けるフォイル16及び18の軸線方向位置を設定する。カートリッジハウジング12、スプリングフォイル16及び流体フォイル18はそれらの両端に配置された図には示されていないカートリッジホールダ若しくはワッシャにより挟まれ、軸線方向に移動することが制限される。かくして軸受が形成されると、片持ち梁40はばねとして機能し、流体フォイル18及びロータ20を支持する。片持ち梁40は先細楔状流体通路24の長さに沿って変化する起立高さ若しくはばね定数を有する。
好ましい実施形態の解図的分解斜視図である図１は、流体フォイル18及びスプリングフォイル16がカートリッジハウジングの孔14内に挿入される前にこれらのフォイルが如何に湾曲変形されるかを示しており、また流体フォイル18が如何にスプリングフォイル16の内側に組み込まれるか及び両方のフォイルがカートリッジハウジングの孔14内に如何に組み込まれるかを示している。また並進防止タブ48及び49が如何に並進防止溝34と整合されるか及び列をなすよう配列された状態にて流体フォイル18に形成された通気溝44が如何にカートリッジハウジング12の通気溝36と整合されるかを含むカートリッジハウジング12内に於けるフォイル16及び18の角度関係が図示されている。スプリングフォイル16のスプリングパターン42全体が組み込み時にはハウジングの孔14の半径と実質的に同一の半径に湾曲変形されるが、ロータ20及び流体フォイル18が半径方向の軸受荷重によって片持ち梁40に対し押し付けられない限り、片持ち梁40は大きく湾曲変形されることはない。
図1Aは片持ち梁のスプリングパターン42及び複数個の片持ち梁40を示す拡大部分図である。
図1Bは周方向プレロードバー32及びこのバーの両端に位置する並進防止溝34を示す拡大部分図である。周方向プレロードバー32は実質的にカートリッジハウジング12の全長に亘り延在し、その両端に並進防止溝34を有している。
図1Cは図１の実施形態の端面図であり、ロータ20、流体フォイル18、スプリングフォイル16及びカートリッジハウジング12が如何に組み立てられるかを示している。片持ち梁の先端70はカートリッジハウジング12の孔14の内周面を押し付け、フォイル16が撓むと摺動してクーロン減衰効果を発揮する。
図２、図2A、図2Bは周方向プレロードバー32、並進防止溝34、通気溝36の詳細を示しており、またハウジングの孔14を形成するカム形のローブ22に対する先細楔状流体通路24及び末広楔状流体通路26の位置関係を示している。ロータ20の回転方向が矢印により示されている。
図３は図１の実施形態のためのスプリングフォイル16の詳細を示しており、特に片持ち梁のスプリングパターン42を示している。先細楔状流体通路24の長さに沿うスプリングの起立高さ（即ちスプリングの最大高さ）の変化及びばね定数の変化と共に撓みに応じた片持ち梁40のばね定数の変化を達成する詳細な構造が図示されている。起立高さは実質的に片持ち梁40の長さの２乗に応じて変化する。また撓んでいない状態に於ける片持ち梁40のばね定数は、実質的に片持ち梁の長さの３乗の逆数及び第一のパワーに対する片持ち梁の幅の比に応じて変化する。ばね定数は片持ち梁がロータ20の外周面の周りに湾曲されロータの外周面に対する片持ち梁の接触点が変位する場合に生じる片持ち梁の自由長さの減少に起因して片持ち梁の撓みに応じて増大する。また図３には並進防止タブ48の詳細も図示されている。
図４は図１の実施形態のためのスプリングフォイル16の拡大部分図であり、片持ち梁のスプリングパターン42を全体的に示し、特に片持ち梁40を詳細に示している。図示のフォイルのセグメントは一つの先細楔状流体通路24に対応している。片持ち梁のスプリングパターンのうち互いに逆向きに対向する一対の片持ち梁に対応する部分が図4A及び図4Bの拡大部分図に図示されている。スプリングフォイルの支持ウェブ接続部72は支持ウェブ構造体66の曲げ剛性よりも低い曲げ剛性を有しており、従ってカートリッジハウジング12の孔14内に挿入するためにスプリングフォイル16を湾曲変形させると、接続部72に於ける曲率半径が小さくなる。
図4A及び図4Bは片持ち梁の支持ウェブ構造体66が如何に片持ち梁の強力な背部68を接続しているかを示しており、またカートリッジハウジングの孔14内に於けるミクロスカッフィングによりクーロン減衰効果を発生する片持ち梁の先端70を示している。支持ウェブ構造体66はスプリングフォイル16のうちカートリッジハウジングの孔14内に挿入されるよう湾曲変形される部分である。
図4C、図4D、図4Eは、ロータ20によりフォイルに与えられる半径方向の力が増大すると片持ち梁が担持する力のパターン64が如何に変化しその形状が如何に広がるかを示しており、力のレベルに応じて増大する片持ち梁40のビルトインの円弧長さ62に亘り片持ち梁が如何にロータ20の外周面の周りに円弧状に延在するかを示しており、片持ち梁の自由長さ60が力のレベルの増大につれて如何に減少するかを示しており、片持ち梁のばね定数が自由長さの減少、力の増大、片持ち梁の撓みの増大に応じて如何に増大するかを示している。片持ち梁40を形成するスプリングフォイル16のための溝パターンは公知の化学的食刻法により形成される。図4Cは一つの矢印により示されている如く低い半径方向の軸受力が作用した場合に於ける片持ち梁40の僅かな湾曲変形を示している。図4Dは中程度の半径方向の軸受力が作用した場合に於ける片持ち梁の中程度の湾曲変形を示している。図4Eは高い半径方向の軸受力が作用した場合に於ける片持ち梁の高度の湾曲変形を示している。
図５はフォイルの両端に周方向プレロードスプリング50を有する他の一つのスプリングフォイル16′の構造を示している。′付きの符号はこれまで説明した部分と同一の部分を示している。図示のフォイル16′はフォイルの長さに沿って片持ち梁40′の起立高さ、従ってばね定数が変化しないものである。
図６は図１の実施形態のための流体フォイル18のロータの方向に見た平面図である。並進防止タブ49は前述の理由から互いに対向する位置にてフォイル18の一部として形成されている。通気溝44は図示の如く互いに隔置されている。
図７は図１の実施形態のための流体フォイル18をロータとは反対の方向に見た底面図である。フォイル18の曲げばね定数を調節するための幅がテーパ状をなすＶ形の食刻パターンが図示されている。
図８は図１の実施形態のための流体フォイル18の一端を示す拡大部分図である。幅がテーパ状をなす互いに隔置されたＶ形の溝46が図示されている。図8A、図8B、図8CはＶ形の溝を通る三つの断面の断面図であり、溝の幅、従ってフォイルの曲げ剛性がフォイル18の長さに沿って如何に変化するかを示している。
図９は両端に周方向プレロードスプリング50′を使用する図１の実施形態のための他の一つの流体フォイル18′を示す平面図であり、′付きの符号はこれまで説明した部分と同一の部分を示している。
図10は両端に周方向プレロードスプリング50′を使用する実施形態のための他の一つの流体フォイル18′の底面図である。
次に本発明の第二の実施形態について説明する。この実施形態は下記の三つの要素を含んでいる。
1.複数個の先細状傾斜面及び末広状ジョグルを備えた所定形状の孔を有し、周方向プレロードバーを有するカートリッジ
2.カートリッジ内に挿入されるよう湾曲変形されると起立する片持ち梁を有し、カートリッジの孔に設けられた先細状傾斜面及び末広状ジョグルに対応する傾斜面及びジョグルを有する一つのスプリングフォイル
3.カートリッジ内に組み込まれた場合に周方向のプレロードを与える手段を有し、カートリッジの孔に設けられた先細状傾斜面及び末広状ジョグルに対応する傾斜面及びジョグルを有する一つの流体フォイル
図11はカートリッジハウジング112、孔114、スプリングフォイル116、流体フォイル118、ロータ120、傾斜面128、ジョグル130、先細楔状流体通路124、末広楔状流体通路126を含む第二の実施形態の端面図である。傾斜面及びジョグルはカートリッジハウジングの孔114、スプリングフォイル116、流体フォイル118内に於けるそれらの相対的位置関係にて図示されている。並進防止タブ148が並進防止溝134内に嵌め込まれ、フォイルの両端が周方向プレロードバー132と周方向に接触した状態が図示されている。またロータ120の回転方向が矢印により示されている。
本発明の第三の実施形態は下記の三つの要素を含んでいる。
1.複数個の先細状傾斜面及び末広状ジョグルを備えた所定形状の孔を有し、放電加工法（EDM）により孔に形成されたフォイル取り付け溝を有するカートリッジ
2.カートリッジ内に挿入されよう湾曲変形されると起立する片持ち梁を有し、フォイル取り付け溝内に湾曲変形によって差し込まれることによりカートリッジに取り付けられる複数個のスプリングフォイル
3.フォイル取り付け溝内に湾曲変形によって差し込まれることによりカートリッジに取り付けられる複数個の流体フォイル
この第三の実施例が図12乃至図14に示されている。
図12は第三の実施形態の分解斜視図であり、カートリッジハウジング212、孔214、傾斜面228、フォイル取り付け溝238、５個のスプリングフォイルセグメント216を示している。５個の流体フォイルセグメントは図示されていないが、これらのセグメントはスプリングフォイルセグメント216と同一の形状をなしている。各セグメント216には図には示されていないが片持ち梁が設けられている。５個の各セグメント216は互いにオーバラップしていない。
図13は第三の実施形態のカートリッジハウジング212を示す端面図である。放電加工により形成されたフォイル取り付け溝238も図示されている。
図14は第三の実施形態のためのスプリングフォイル216を示す平面図である。片持ち梁のスプリングパターン242内の片持ち梁240及び放電加工により形成されたフォイル取り付け溝に挿入されるフォイルの折り曲げ線252も図示されている。
更に他の一つの実施形態は下記の三つの要素を含んでいる。
1.カム形のローブ又は先細状傾斜面及び末広状ジョグルを備えた所定形状の孔を有し、スプリングフォイルを取り付けるための周方向プレロードバー又は放電加工により形成された溝を有し、流体スリーブを取り付けるための回転防止溝を有するカートリッジ
2.カートリッジ内に挿入されるよう湾曲変形されると起立する片持ち梁を有する一つ又は複数個のスプリングフォイル
3.カートリッジの孔のカム形のローブに従って変形し又はカートリッジの孔の傾斜面及びジョグルに従って変形し、カートリッジに取り付けるための回転防止タブを有する連続的な円筒形の流体スリーブ
この第四の実施形態が図15に図示されている。流体フォイルとして機能する流体スリーブ354が図示されている。また通気溝344及びカートリッジハウジング312の両端に設けられた回転防止溝内に嵌め込まれるよう湾曲変形される回転防止タブ356も図示されている。流体スリーブ354はそれが挿入されるカートリッジのカム形の孔314の形状に従って変形し、或いは流体スリーブが傾斜面及びジョグルを備えたカートリッジの孔との組合せにて使用される場合には流体スリーブの表面に周方向に延在する傾斜面及びジョグルが設けられてよい。
上述の各実施形態に於いては、フォイルは例えばINCONEL  750Xの如き厚さ約0.004inch（0.102mm）のニッケル鋼にて形成されてよい。流体フォイルは典型的には焼なましされるが、スプリングフォイルは真空炉内にて1300゜F（704℃）に約20時間維持されることにより最高の硬さになるよう熱処理される。
流体フォイルは低摩擦被覆材の如き多数の公知の任意の被覆材にて被覆されてよく、低摩擦被覆材は始動トルクを低減し、不要な接触や高速接触の際の摩耗よりフォイルの金属を保護し、また異物粒子の侵入を許容する。
上述の要素を使用して軸受が製造され作動された。そのパラメータが下記の例１に示されている。
例１
軸受は1.25inch（31.8mm）のロータ直径を有し、1.25inch（31.8mm）のカートリッジ長さを有し、ロータが19000rpmにて回転される場合に27ポンド（12kg）の回転しない半径方向荷重を支持することができた。またこの軸受は非同期的不安定性を生じることなく０〜96000rpmの範囲に於いて作動した。表面剪断力を半径方向の軸受荷重（何れも単位はポンド）にて除算した値として定義される軸受の抗力係数は約0.25％であった。ロータのリフトオフ速度は約2000rpmであり、この値は工業的標準値が約17000rpmであるので予想される値よりも遥かに低い値である。
好ましい実施形態のためのカートリッジハウジングの典型的な孔形状
下記の表は直径1.25inch（31.8mm）のロータのためのカートリッジハウジングの典型的な孔の形状を孔の表面とロータの外面との間の半径方向の間隙について示している。下記の表の値はロータが孔内にて完全に心出しされ流体フォイルやスプリングフォイルが存在しない場合の値である。半径方向の間隙は周方向プレロードバーの中心を基準にした角度（単位は゜）の関数として示されており、角度の増大方向はロータの回転方向である。
周方向プレードバーは半径方向の間隙に局部的にしか影響を及ぼさないので、下記の表に於いては周方向プレロードバーの幅は無視されている。下記の表に示された形状はカートリッジの三つのローブを有するカム形の孔についての値である。半径方向の間隙は三つの先細楔状通路の最後の60゜の円弧長さについては互いに同一である。また半径方向の間隙は三つの先細楔状通路のうちの二つの通路の最初の30゜の円弧長さについては互いに同一であり、また三つの末広楔状通路のうちの二つの通路の30゜の円弧長さ全体についても互いに同一である。一つの先細楔状通路の最初の30゜の円弧長さ及び一つの末広楔状通路の30゜の円弧長さ全体の部分は孔の他の角度範囲に於いては存在しないユニークなパターンをなしている。何故ならば、これらの形状の部分は周方向クレロードバーより30゜の円弧長さの範囲内にあり、フォイルの端部近傍に於いてフォイルの曲率半径が小さくなることを許容しなければならないからである。
末広楔状通路の端部が先細楔状通路の始端に出会う角度位置に於いては、流体フォイル及びスプリングフォイルがカートリッジの端部に於いてロータより約５×10-3inch（130×10-3mm）以内の位置まで内方へ延在する端部封止用ワッシャ若しくはカートリッジリテーナ（図示せず）により軸線方向に拘束されるよう、流体フォイル及びスプリングフォイルはロータに対し十分な半径方向の間隙を有していなければならない。
またこの位置に於ける半径方向の間隙が大きいことは、先細楔状通路のトレーリング端部の近傍にて軸受の側部に於いて流体が失われることを補償する十分な補充流体の流入を確保するためにも必要である。またこの位置に於ける半径方向の間隙が大きいことは、フォイルやロータを冷却するために使用される流体のための軸線方向の流路を与えるためにも有用である。この位置に於いては、流体フォイル及びスプリングフォイルが小さい曲率半径にて湾曲変形し、半径方向の間隙を望ましく増大させるよう、流体フォイル及びスプリングフォイルの曲げ剛性は構造的に低減されている。
フォイルがカートリッジの孔に従って連続的に変形し全ての円弧状セグメントと接触するのではなくブリッジ状になることを防止すべく、孔の形状は曲面の角度変化率が制限されなければならない。
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軸受の製造及び組立方法
軸受カートリッジは典型的にはその孔を除き全ての点に於いて棒状の原料より機械加工により形成される。仕上げ寸法の孔は典型的にはブローチ加工又は放電加工法（EDM）により形成される。フォイルは典型的にはCAD設計によってコンピュータにより発生されるフォトマスクに基き化学的食刻法により形成される。またフォイルは最終厚さになるよう圧延されたINCONEL  750Xより食刻により形成される。スプリングフォイルは1300゜F（704℃）に20時間保持されることにより十分に熱処理されたINCONELより食刻により形成される。一方流体フォイルは焼なましされたICONELより食刻により形成される。食刻により形成された流体フォイルは始動トルクを低減すると共に不用意な接触や高速接触の場合に金属製のフォイルが損傷することを防止すべく、低摩擦被覆材にて被覆される。フォイルは３ローラ式の曲げ加工装置を使用して直径1.25inch（31.8mm）（ロータの寸法で見た値）の軸受のための直径0.75inch（19.1mm）の孔を有する実質的に円筒形をなすよう湾曲変形される。フォイルの湾曲半径は末広楔状通路と先細楔状通路との交差部に於いて僅かに低減され、フォイルの両端近傍に於ける０まで徐々に低減される。スプリングフォイルは軸受カートリッジ内に挿入されるよう湾曲変形される。スプリングフォイルの並進防止タブは約30゜の角度に湾曲されることにより並進防止溝内に嵌め込まれる。流体フォイルもカートリッジ内に挿入されるよう湾曲される。また流体フォイルの並進防止タブも約30゜の角度のにて湾曲され並進防止溝内に嵌め込まれる。図には示されていない回転防止ピンがカートリッジの回転防止ピン孔に挿入される。フォイル及び回転防止ピンを含むカートリッジ組立体は図には示されていないカートリッジリテーナ内に組み込まれる。かくしてカートリッジ組立体は回転運動したり半径方向に並進運動しないよう保持される。カートリッジ組立体及びフォイルをそれらが軸線方向に運動しないよう保持すべく、図には示されていないワッシャ及びスナップリングがカートリッジの端部に配置される。この段階に於いて軸受は作動可能な状態になる。本発明の軸受の一つの利点は容易に且つ迅速に組み立てることができるということである。
直径1.25inch（31.8mm）の軸受の典型的な作動
ロータは回転速度が０の状況に於いては被覆された流体フォイルと接触した状態にある。軸受の始動トルクは被覆の摩擦係数、ロータの半径、ロータの長さ、軸受により担持される回転組立体の重量、スプリングフォイルにより発生されるプレロード力により制御される。
この軸受はスプリングフォイルにより発生されるプレロード力が非常に低い値であるよう設計されている。ロータが加速されると、流体力学的力がロータを持ち上げて流体フォイルより離すに十分な速度に到達するまで被覆されたフォイルは摩耗を生じる。直径1.25inch（31.8mm）の軸受については、ロータのリフトオフ速度は約2000rpmである。このリフトオフ速度は工業的標準値に比してかなり低い値である。
回転速度が約4000rpmにまで上昇すると、軸受トルクは流体膜厚さの増大により低下する。回転速度が約4000rpm以上に増大されると、トルクは再度徐々に低下する。約10000rpmに於けるロータの臨界値は約２の無次元の減衰定数Ｑ（共鳴により保存されるエネルギを１サイクル毎に消散されるエネルギにて除算した値）を有する。また約30000rpmに於ける臨界値は約６の減衰定数Ｑを有する。クーロン減衰効果は片持ち梁の先端に於けるスカッフィングの非線形性により回転速度の増大に応じて増大する。
かくして比較的低廉であり容易に且つ迅速に組み立て可能な軸受組立体及びその作動モードが多数の用途について理解されよう。また以上に於いては特定の大きさの特定の軸受について説明したが、この軸受の理論及びこの軸受を構成する固有の要素は種々の他の用途に適用されてよいものである。
本発明の軸受は本発明の本質を損なうことなく種々の修正や変更が加えられてよいものであり、これらの修正や変更の全ては後述の請求の範囲によりカバーされるものである。
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図１】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図１５】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図６】
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【図２Ｂ】
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【図４Ｅ】
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【図１３】
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【図１３Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図１３Ａ】
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【図５】
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【図７】
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【図９】
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【図８】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１１】
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【図１４】
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