(57)【要約】【課題】  フォイル式動圧気体軸受においてフォイルの取付が容易なトップフォイル固定構造を提供する。【解決手段】  トップフォイル６３の両端が当るハウジング内壁の２カ所の位置に内壁面から立ち上がった止め壁６８をそれぞれ形成して、弾性平板から形成されるトップフォイルをふたつの止め壁の間に突っ張らせるようにして挿入して固定することを特徴とする。なお、止め壁表面の角度は内壁面に対して６０°から９０°の範囲であることが好ましい。  また、止め壁の前面には断面が三角形状をした掘り込み６９を形成して、トップフォイル６３が自然に曲線を描いて係止されるようにすることが好ましい。【選択図】  図１７
2006057828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トップフォイルの両端が当るハウジング内壁の位置に内壁面から立ち上がった止め壁をそれぞれ形成し、該止め壁の前面に断面が三角形状をした掘り込みを形成して構成した係止機構であって、前記トップフォイルを前記止め壁の面間に展張して挿入し固定するようにしたことを特徴とするフォイル式動圧流体軸受用のトップフォイル係止機構。
【請求項２】
前記堀り込みは該軸受の回転方向入口側が出口側より深くなっていることを特徴とする請求項１記載のトップフォイル係止機構。
【請求項３】
前記止め壁表面の角度は内壁面に対して６０°から９０°の範囲であることを特徴とする請求項１または２記載のトップフォイル係止機構。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の係止機構を複数対備えて、前記トップフォイルを周方向に該係止機構の対数と同じ数に分割して係止することを特徴とするトップフォイル係止機構。
【請求項５】
前記止め壁の側面に前記トップフォイルを幅方向に移動しないように押えるストッパーを設けることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のトップフォイル係止機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速回転軸用の動圧流体軸受に使用するトップフォイル係止機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体軸受には静圧型と動圧型があるが、周囲の空気を使用し軸の回転により圧力を生じさせる動圧型軸受は、コンプレッサなどにより外部から与圧する静圧型と比較して、コスト、軽量化、メンテナンスなどの面で有利であり、さらにオイルフリーであるという利点もあるので、特にフォイル式の動圧型流体軸受が航空機用空調装置あるいはエアサイクルマシンなど高速回転で使用される小型機械類に多用されている。フォイル式動圧型流体軸受は、軸との間に気体膜を形成するトップフォイルと、それを弾性的に支えるスプリングフォイルと、これらを保持するハウジングで構成されている。フォイル軸受のスプリングフォイルにはバンプ型やリーフ型など様々なものがある。
【０００３】
図３０は、バンプフォイル空気軸受の例を示す側面断面図である。バンプ型スプリングフォイルを使用するバンプフォイル空気軸受は、特許文献１などに開示されているように、回転軸が挿入されたハウジングと回転軸との間に金属薄板を波板状に形成したバンプフォイルを設け、その内側に平らな金属薄板に固体潤滑剤を施したトップフォイルを設けて、回転軸とトップフォイルの間に形成される薄い流体膜によって回転軸を流体力学的に支持すると共に、トップフォイルがバンプフォイルを介してハウジングに対して弾性的に支持されるようになっている。
【０００４】
バンプフォイル空気軸受は、バンプフォイルのバネ機能により回転軸の自己調整機構を備えるため軸受の工作精度に対する要求は厳しくないが、バンプフォイルは複雑な形状に成型する必要があるためプレスを使った精度の高い成型加工が要求され加工工程が複雑で製作や組立てが難しいので、量産に向かない。
バンプフォイルは、剛性が高く寸法余裕が小さい。また、剛性を下げると使用により塑性変形して性能を発揮しにくくなる。
【０００５】
図３１は、リーフフォイル空気軸受の例を示す側面断面図である。リーフ型スプリングフォイルを使用するリーフフォイル軸受は、軸受ハウジングの内周に複数のリーフフォイルが互いに摺動できるように一部を重ね合わせて配置し、その内側に空気を引き込む隙間を隔てて回転軸を支持するようにしたもので、回転軸の軸荷重の作用に伴ってリーフフォイルが回転軸にフィットするように変形して、適切な空気層を形成するようになっている。
リーフフォイルも一定の形状に成型する必要があるため成型加工の手間が必要となり、また軸受を組み立てる手間が掛かる。
【０００６】
また、特許文献２には、スプリングフォイルを１枚板から形成して組み立て工程を省略した空気軸受が開示されている。開示された空気軸受のスプリングフォイルは、長方形の弾性板を長軸に沿って適宜間隔で一方に切り起こして多連の支持板としたもので、その一端をハウジングの内側の切り込みに設けた固定機構に固定してハウジングの内側に沿って配置し、支持板が回転軸を囲むトップフォイルに接してばね作用で支持するようにしたものである。
開示された流体力学的箔軸受に使用するスプリングフォイルも、切り起こし支持板の姿勢を維持するため成型加工を行う必要がある。
【０００７】
さらに、特許文献３には、軸受ハウジングの内部にスプリングフォイルを最内層でほぼ４角形、中間層で７角形、最外層でほぼ６角形になるように三層巻きにして収納したフォイルジャーナル軸受が開示されている。三重巻きスプリングフォイルは、平板のスプリングフォイルの幅を横切るように溝を形成して、この溝のところでフォイルを折り曲げて溝に挟まれた部分を弾性梁とする。
特許文献３に開示された軸受は、梁部の持つ弾性と屈曲部の接触による摩擦減衰が得られて、ジャーナルの高速回転で発生する自励振動を抑制することができる。
しかし、厚さ数１００μｍ以下という極めて薄いスプリングフォイルの薄板平板に一定の厚みを残して溝を形成することは難しい上、溝部の板厚が極めて薄くなるため一部に亀裂が発生したときにも幅方向に進展しやすく、強度上問題である。
【０００８】
また、従来、トップフォイルは、特許文献１や特許文献２にも記載されているように、バンプフォイルあるいはスプリングフォイルと一緒に一端をハウジング内筒面にねじや溶接で固着され、他端が周方向に移動可能な自由端とされていた。このような構造では、回転軸は自由端方向から固定端方向に向かって回転することにより空気を回転軸とバンプフォイルの間に巻き込んで空気層を形成するようになっていて、回転軸をトップフォイル固定端側から回転させると、トップフォイルが回転軸に巻き付いて空気層を形成することができないため、回転方向は１方向に限られていた。
このように、従来のトップフォイル固定方法はハウジング内面に固定するための特別な工作が必要になる上、回転軸の回転方向を一方に限定する問題があった。
【特許文献１】特開２００２−０６１６４５号公報
【特許文献２】特開２００２−３６４６４３号公報
【特許文献３】実開昭６０−１３６６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、取付が容易なトップフォイル固定構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の動圧流体軸受は、軸受ハウジングの内壁に複数のスリットを設けた薄板平板で形成したスプリングフォイルを装着し、スプリングフォイルの内側にトップフォイルを配置し、トップフォイルの内側に回転軸を配置したフォイル式軸受であって、スプリングフォイルが剛性の小さな位置で折り曲がって内壁内側に接する多数の弾性梁を有する多角形断面を形成し、この弾性梁によって回転軸を弾性的に支持するようにしたことを特徴とする。
薄板平板で形成したスプリングフォイルにスリットを設けることにより場所によって曲げ剛性に強弱差を与えて、このスプリングフォイルを軸受ハウジングの内壁に装着すると、剛性の小さなスリット位置で折り曲がって内壁内側に接し、隣接するスリットの間に多数の弾性梁が生成して多角形断面を形成する。この弾性梁によってトップフォイルを弾性的に支持することができる。
【００１１】
回転軸はトップフォイルに包まれ、回転につれて回転軸とトップフォイルの間に空気などの気体が引き込まれて気体層を形成し、回転軸を流体力学的に支持することにより高速回転を円滑に行うようになる。なお、回転軸の回転が高速になるにつれて気体層の厚みが増加しトップフォイルを軸受ハウジングの内壁に押し付けてスプリングフォイルの弾性力を増加させるので、回転軸は高速回転状態でより安定に回転するようになる。
スリットは、スプリングフォイルを軸受ハウジングに挿入したときに回転軸にほぼ平行になる方向に設けて、スリット位置でフォイルを折り曲げて節となるようにすることができる。弾性梁における曲げ剛性の強弱差はスリットに挟まれたフォイル部の長さの差によりもたらされる。
【００１２】
スリットの間隔を不等ピッチとすることで、弾性梁の長さに変化を与えることができる。長い弾性梁の部分では曲げ剛性が弱くなるが、また、ハウジング内壁とトップフォイルとの距離が大きくなるので軸受の内径が小さくなる。短い梁の部分では曲げ剛性が大きくなり、また、トップフォイルがハウジング内壁に近づくので軸受の内径が大きくなる。したがって、荷重が小さいときあるいは振動が小さいときは内径の小さな部分のスプリングが軸を支持し、荷重が大きいときあるいは振動が大きいときは内径が大きな部分でも軸を支持するようになるので、段階的なバネ特性を持った支持構造を有することになる。
【００１３】
長さの異なるスリットを交互に配置するようにしても良い。長いスリットがある部分はフォイルが折れやすく、短いスリットがある部分はそれより折れにくい。したがって、始めは長いスリットの部分が屈折してハウジングの壁に接触し短いスリットの部分は折れないので、トップフォイルが作る筒体の内径が小さく、回転軸のぶれが小さい。回転軸が回転し始めると短いスリットの位置でもスプリングフォイルが屈折してトップフォイルがハウジング内壁に近づき、内径が拡大すると共に、弾性梁の長さが短くなりスプリングフォイルの剛性が増大する。このようにして、荷重が小さいときにはスプリングフォイルの剛性が低くトップフォイルが開き易く、荷重が大きくなると剛性が高くなるという、好ましい特性を発現する軸受を得ることができる。
【００１４】
スプリングフォイルのスリットの間に形成される梁の長さを等しくして、スリットの幅を変化させるようにしてもよい。スリットの部分は回転軸を弾性的に支持する支持剛性を発生しないので、ハウジングの周方向の場所毎に適当な支持剛性差を与えるために剛性分布を比較的簡単に設計することができる。フォイル軸受の剛性に周方向の差を持たせることにより回転軸に楕円運動を生起して、振動を抑制することができる。
回転軸に平行なスリットは、等長のものを等間隔に配置することにより、弾性梁の剛性が互いにほぼ等しくなるようにしても良い。
スリットは、フォイルの側端から中央線に向かって形成されるようにしてもよい。側端でスリットが開放されていると、フォイルの側部で剛性が減少して回転軸の片当たりを防止することができる。
【００１５】
スリットは、三角形の２辺、長方形の３辺、など、底辺を除いた残りの辺を平板から切り離した形状にすることができる。このスプリングフォイルは、トップフォイルに沿わせて装着することにより、各スリットの位置で接線方向に延びたトング部分が軸受ハウジングの内壁に達してバネとなり、トップフォイルを支持する。
スリットを太い切り落とし形状にして、隣接するスリットの稜線までの距離が平板の端からの距離により異なるようにすることにより、剛性を変化させるようにしても良い。たとえば、切り落とし形状をスリット内に三角形や半円形が突出した形状にすると、突出した部分が支点になる間は梁の実効幅が小さく剛性が弱いが、回転が高速になりトップフォイルがハウジングに近づくにつれて剛性が強くなる。また、スリット形状が半円形になっている場合では、初めは弾性梁の長さが大きくトップフォイルが広がるにつれて短い梁が作用を及ぼすようになるので、高速回転になるにつれて急激に剛性が強化するような特性を呈することになる。
このように、スリット形状を選択することによって希望の剛性特性を得ることができる。
【００１６】
また、一部のスリットをスプリングフォイルの平板の側端線に平行に設けても良い。回転軸方向に幾つかのゾーンに分けることにより、回転軸方向に剛性の異なるスプリングを配置すると同じ効果を得ることができる。
１枚の薄板の一端からスプリングフォイルを形成し、回転軸を囲う程度に余らせた他端側に固体潤滑剤を施してトップフォイルとして利用することができる。トップフォイルは常時スプリングフォイルの内側に配置されるからである。
スプリングフォイルのスリット部は複数のスリットが高い密度で併設されていても良い。スリット部が屈折してハウジング内壁に接触するが、複数のスリットを高密度で併設すれば、内壁に沿う多数の稜線部分が押圧力を分担するので、接触面圧を低減することができる。
【００１７】
また、スリットとスリットの間の梁となる部分の中央にスプリングフォイルの平板の側端線に平行なスリットを設けても良い。梁の中央部はトップフォイルに接触してトップフォイルに剛性を与えるが、梁の中央部に設けたスリットはスプリングフォイルとトップフォイルの接触面積を増大させて接触面圧を減少させる効果を有する。
スプリングフォイルはトップフォイルの周囲に多重に巻き付かせるようにしてもよい。特に、外側のスプリングフォイルの梁の中央位置に内側のスプリングフォイルのスリットが対応するようにして重ねるとよい。
【００１８】
多重構造にすると、トップフォイルが広がるにつれて剛性が高まるので、低速回転から高速回転まで適度な剛性で支持することができる。
スプリングフォイルを複数、相互に重なる部分を有するように配置すると、フォイル同士の摩擦を利用して軸受の振動を減衰させる効果を得ることができる。
【００１９】
スプリングフォイルのスリットは、端部に丸みを持たせて、端部に生ずる応力を緩和させるようにすることが好ましい。
スリットはエッチングで製作することができる。エッチング法を用いれば、プリント基板と同様に極めて細かい寸法のスリットも正確にかつ容易に形成することができる。
【００２０】
軸受ハウジングの内孔断面を多角形に形成して、多角形の頂点にスプリングフォイルのスリットが位置するように組み立てるようにしても良い。このような頂点が存在すると、スプリングフォイルの固定が楽になる。また、スプリングフォイルのスリットの間に形成される梁の中間に軸受ハウジングの内孔断面多角形の頂角が位置するようにすると、ハウジングの壁とスプリングフォイルで作る空間の断面積が大きくなって多量の冷却流体が流通するようになり、軸受の使用可能な高速回転範囲が広がる。
【００２１】
なお、上記課題を解決するため、本発明のトップフォイル係止機構は、トップフォイルの両端が当るハウジング内壁の２カ所の位置に内壁面から立ち上がった止め壁をそれぞれ形成して、弾性平板から形成されるトップフォイルをふたつの止め壁の間に突っ張らせるようにして挿入して固定することを特徴とする。なお、止め壁表面の角度は内壁面に対して６０°から９０°の範囲であることが好ましい。
また、止め壁の前面には断面が三角形状をした掘り込みを形成して、トップフォイルが自然に曲線を描いて係止されるようにすることが好ましい。
【００２２】
この係止機構を用いると、トップフォイルがハウジングから外れるためには、トップフォイルがハウジングの幅方向に移動するか、トップフォイルの筒体の軸芯位置がずれて端縁が止め壁を越えるか、トップフォイルの周長が止め壁の先端位置を結ぶ円周長より短くなるまで縮まなければならない。しかし、トップフォイルの幅方向移動を抑止すれば、このような条件を満たす変化は殆ど起こらないので、従来のように、トップフォイルの一端をハウジング内壁にねじや溶接などで固定する方法と比較すると、この係止機構は構造や使用方法が極めて簡単でありながら確実な固定をすることができる優れた方法である。
また、トップフォイルの取り外し、装置の分解も容易である。
【００２３】
トップフォイルの幅方向移動は、通常の装着状態でもハウジングとトップフォイルの摩擦により簡単に抑制することができるが、さらに確実に阻止するために止め壁の側面に留め金をセットしたり、トップフォイルの端部に耳を設けてハウジング側面に固定したりすることもできる。
この方法では、トップフォイルの両端共にハウジングに固定され、いずれの固定部分からもトップフォイルと回転軸の間に空気を導入することができるので、回転軸をいずれの方向に回転させても流体軸受としての性能を発揮させることができる。
また、固定部分における空間からの空気導入を促進して冷却能力を高めるため、垂直な止め壁の前面に形成する三角形状の掘り込みを大きくすることが好ましい。また、堀り込みは軸受の回転方向入口（リーディング）側を出口（トレーディング）側より深くして、空気を導入しやすくすることもできる。
【００２４】
トップフォイルをスプリングフォイルと共に周方向に複数に分割して設けることにより、浮上性能、負荷容量を調節することができる。特に、トップフォイルを不等ピッチで設けることにより、振動安定性の高い軸受動特性を得ることができる。
この係止機構では、トップフォイルと一緒にスプリングフォイルあるいはバンプフォイルなどを固定することも可能である。
【００２５】
また、本発明は、フォイル式動圧流体軸受に使する複数のスリットを設けた薄板平板からなるスプリングフォイルを提供するものである。
さらに、トップフォイルの両端が当るハウジング内壁の位置に内壁面に対してほぼ６０°から９０°の角度を有する止め壁とその止め壁の前面に断面が三角形状をした掘り込みを形成して構成した係止機構であって、トップフォイルを止め壁の面間に展張して挿入することにより固定するようにした各種フォイルを使用する動圧流体軸受に用いることができるトップフォイル係止機構を提供する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の流体力学的フォイル軸受によれば、従来より簡単にかつ精度良くスプリングフォイルを製作して簡単に軸受に組み込むことができて量産性に優れるばかりでなく、軸受の性能も要求に応じた調整代が拡大し、また高速回転時における安定性も向上する。また、本発明のフォイル軸受では回転軸はいずれの方向にも回転できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明のトップフォイル係止機構および本発明に掛かる動圧気体軸受の最良の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は本発明の１実施例に係る動圧気体軸受の断面図、図２はこれに用いるスプリングフォイルのスリット配置図である。
本実施例の動圧気体軸受１は、筒形のハウジング１１の内壁に接触するようにスプリングフォイル１２が配置され、その内側にトップフォイル１３が一端をハウジング内壁に固定しハウジング内壁に沿ってほぼ１周するように取付けられ、トップフォイル１３が形成する筒形の中に空気層１５を介して回転軸１４が収納されている。
【００２９】
スプリングフォイル１２は厚さ数１００μｍの薄い弾性金属平板で、図２に示すように、フォイルの巻き方向に平行に同じ形状のスリット１６が並設されている。スリット１６がある位置では金属部分が小さいため剛性が弱くなるので、動圧気体軸受１に仕込まれたときには、図１に示すようにスリット位置で折れ曲がって、スプリングフォイル１２は一部が空いた多角形断面を持つ筒形になる。
【００３０】
断面多角形筒形のスプリングフォイル１２は、普通はスリット１６の位置で折れ曲がって形成される稜線がハウジング内壁に接触し、スリット１６に挟まれた部分が弾性梁となって内部のトップフォイル１３を弾性的に支持する。
スプリングフォイル１２のスリットの間隔が長いとその間に形成される長い弾性梁Ａの剛性は小さくなり、間隔が短いところに存在する短い弾性梁Ｂの剛性が大きくなる。このように、スプリングフォイル１２の剛性はスリットの位置により調整ができるので、軸受の周に沿った望みの位置に望みの弾性を持たせるようにすることができる。
【００３１】
トップフォイル１３は、厚さ数１００μｍの薄い弾性金属平板に固体潤滑剤を処理して回転軸１４との摩擦係数を小さくしたもので、一端がハウジング１１の内壁に固定され、他端が自由端となっている。
回転軸１４は、図１に矢印で示したように、トップフォイル１３の自由端の方向に回転させる。回転が開始されると空気が回転軸１４とトップフォイル１３の間に引き込まれて空気層１５が形成される。空気層１５は回転軸１４の回転摩擦を著しく低減させて円滑な回転を可能とする。
ただし、本実施例の動圧気体軸受では、回転軸１４が反対に固定端の方から回転すると、トップフォイル１３が回転軸１４の表面に巻き付いて空気を取り込むことができず、空気層の形成に失敗することになる。
【００３２】
回転軸１４の回転が高速になると、空気層１５が発達してトップフォイル１３をハウジング１１の内壁の方に押し付けると梁Ａが変形して弾性値が徐々に上昇するが、さらにトップフォイル１３が短い弾性梁Ｂに接するようになると強い剛性を持つ梁Ｂが作用して、回転軸１４はさらに強い剛性で支持されるようなる。
したがって、本実施例の構成によって、回転開始時には比較的弱い剛性で支持し、高速回転になると強い応力に逆らえる強い剛性で支持するようになり、回転速度に相応しい段階的な剛性を持った軸受装置を得ることができる。
また、弾性金属平板の厚みや材質を選択したり、スリットの数や間隔を適当に選択することにより、支持剛性やハウジングの周方向の剛性分布を容易に調整することができる。
【００３３】
なお、図３に模式的に示すように、スリット１６の端部は丸みＲを付けて応力を緩和させることが好ましい。
本実施例の動圧気体軸受は、従来のフォイル形気体軸受やリーフ形気体軸受と比較すると、スプリングフォイルにスリットを開けるだけでプレス機などを用いた成型加工をする必要がなく、製造および組立が容易である。また、スプリングフォイルの加工は、プリント基板製造などに利用されているエッチング技術を用いることができ、エッチング技術を用いれば精度が高く大量生産も容易である。
【実施例２】
【００３４】
図４と図５は、本発明の別の実施例を説明する図面で、図４は本実施例の特徴を構成するスプリングフォイルのスリットの状態を模式的に表す平面図である。また、図５は本実施例の動圧気体軸受の断面図で、（ａ）は回転始期の状態、（ｂ）は高速化途中の段階における状態、（ｃ）は高速回転中の状態を示す。
【００３５】
本実施例に使用するスプリングフォイル２１には、長さの異なるスリットが交互に配置されている。長いスリット２２がある部分は残りの平板幅が小さいため剛性が弱くフォイルが折れやすい。一方、短いスリット２３がある部分はそれより折れにくい。
したがって、停止時は、図５（ａ）に示すように、長いスリット２２の部分が屈折してハウジングの壁２４に接触し、短いスリット２３の部分は折れにくいので、トップフォイル２５が作る筒体の内径は小さく、トップフォイル２５に支持される回転軸２６のぶれが小さい。
【００３６】
回転軸２６が回転し始めて大きな荷重が掛かると、図５（ｂ）に示すように、回転軸２６とトップフォイル２５の間に空気層２７が発生してトップフォイル２５がハウジング内壁２４に近づき、短いスリット２３の位置でもスプリングフォイル２１が屈折して弾性梁の長さが短くなりスプリングフォイル２１の剛性が増大する。
さらに、回転軸が通常の回転をするときには、図５（ｃ）に示すように、空気層２７が発達してトップフォイル２５がハウジング内壁２４とほぼ同心状に十分に開き、高い剛性を持った短い弾性梁で支持される。
【００３７】
このようにして、長さの異なるスリットを交互に配置したスプリングフォイルを組み込んだ動圧気体軸受は、荷重が小さいときにはスプリングフォイルの剛性が低くトップフォイルが開き易く、荷重が大きくなると剛性が高くなるという、好ましい特性を発現する軸受を得ることができる。
【実施例３】
【００３８】
図６は、側端からスリットを切り中央部を残したスプリングフォイルの平面図である。
本実施例の動圧気体軸受は、図６に示すように、フォイル側端から切り込んでフォイル中央に一定幅の中央帯を残すようにしたスリット３２を複数形成したスプリングフォイル３１を組み込んだものである。このように軸受の側部でスプリングフォイルが分離しているため弾性梁が互いに移動するので側部における剛性が内部の剛性と比較して弱くなり、回転軸が傾き運動するときに回転軸の片当たりを避けることができる。
【実施例４】
【００３９】
図７は、第４実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図、図８は図７のスプリングフォイルの組み込み状態を説明する図面である。
本実施例に使用するスプリングフォイルは、図７に示したように、１枚の弾性材料からなる平板３３にスプリングフォイル３４の部分とトップフォイル３５の部分を一緒に形成したものである。スプリングフォイル３４の部分には適所にスリットを形成してあり、トップフォイル３５の部分には表面に固体潤滑剤を施してある。図ではスプリングフォイル３４に４個のスリットを形成して軸受に組み込んだときにスプリングフォイル部分が４角形を形成するようになっているが、もっと多数のスリットを形成しても良いことはいうまでもない。
【００４０】
図８に示す本実施例の動圧気体軸受３は、弾性平板３３の固体潤滑剤を施した部分３５を丸めてトップフォイルとし、さらにスリットを形成した部分３４をスリット位置毎に屈折させて多角形のスプリングフォイルとして、これをハウジングの内壁３６内に挿入したものである。
なお、図中点線で示すように、スプリングフォイルの端部３７をハウジング内壁３６まで延して固定することにより、回転軸の回転によりフォイルがずれないようにしても良い。
本実施例の動圧気体軸受は、スプリングフォイルとトップフォイルを一体化するため、軸受を構成する部品の点数が減少して、製造の合理化を図ることができる。
【実施例５】
【００４１】
図９は、第５実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図、図１０は図９のスプリングフォイルの組み込み状態を説明する図面である。
本実施例に使用するスプリングフォイル４１は、図９に示したように、弾性梁を挟んで形成されるスリット部４２に複数のスリット４３を平行に隣接して設けたものである。
スプリングフォイル４１をハウジング内壁４４内に仕込むときは、図１０に示すように、スリット部４２の位置で屈折して多数のスリット４３がハウジング内壁４４に接触して荷重を支持するため、接触面圧を低減してハウジング内壁４４の摩耗を減少させる効果をもたらす。
スプリングフォイル４１と接触する位置のハウジング内壁４４が極度に摩耗すると、弾性梁４５の弾性値が低下したりして所期の性能を発揮しなくなる虞があり、これを防止することは再調整の手間を減少させる効果がある。
【実施例６】
【００４２】
図１１は、第６実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図、図１２は図１１のスプリングフォイルの組み込み状態を説明する図面である。
本実施例に使用するスプリングフォイル４７は、図１１に示したように、スプリングフォイル４７の幅方向に形成された縦スリット４８に挟まれて弾性梁になる部分に、スプリングフォイル４７の側端に平行に複数の横スリット４９を形成したものである。
スプリングフォイル４７をハウジング内壁４６内に仕込むときは、縦スリット４８の位置でハウジング内壁４６に接触しながら屈折して、断面多角形の筒形のスプリングフォイルとなるが、複数の横スリット４９の位置で剛性が弱くなるので、図１２に示すように、スプリングフォイル４７は複数の横スリット４９の位置でトップフォイル５０の表面に沿って面接触し接触圧を軽減させる。
【実施例７】
【００４３】
図１３は、第７実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの図面である。
本実施例に使用するスプリングフォイル５１は、同じ長さのスリット５２，５３，５４を適当な間隔で形成するもので、隣りのスリットとの間に形成する弾性梁の長さを選択することにより梁の剛性を調整すると共に、スリットの幅を選択して弾性梁の分布を調整するものである。
弾性梁はスリットの端線の間に形成されるので、幅の広いスリット５３，５４の部分には回転軸を弾性支持するバネが存在しないため、スリットの幅を適当に選択することにより、スプリングフォイル５１の弾性分布を調整することができる。軸受の周方向に剛性差を持たせることにより、高速回転に伴う振動を抑制する振動安定化性能が向上する。
【実施例８】
【００４４】
図１４は、第８実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図である。
本実施例に使用するスプリングフォイル５６は、スプリングフォイル５６の幅方向に形成される縦スリット５７に挟まれて弾性梁になる部分に、スプリングフォイル５６の側端に平行に複数の横スリット５８を形成して弾性梁を適当な幅で分割し、ハウジング内に組み込んだときに回転軸の軸方向に支持剛性を変化させるものである。たとえば、側端に平行な横スリット５８を側端の近くに形成して、軸受の中央部で剛性を高くし両側端部で剛性を低くすると、回転軸の片当たりを防止することができる。
【実施例９】
【００４５】
図１５は第９実施例の動圧気体軸受を模式的に示す断面図、図１６は本実施例に使用するスプリングフォイルの平面図、図１７はスプリングフォイルの係止機構を説明する斜視図である。
本実施例の動圧気体軸受６は、同じ形状のスリットを等間隔に配置したスプリングフォイル６２を組み込んだ気体軸受である。
軸受ハウジング６１の内側にそれぞれハウジング内周とほぼ等しい長さのスプリングフォイル６２とトップフォイル６３を嵌入して、トップフォイル６３が形成する筒の中に回転軸６４を挿入する。
【００４６】
スプリングフォイル６２はハウジング６１より径の小さい筒形に丸めて、ハウジングの筒内に入れた上で緩めると、フォイルのバネ力で広がって内壁に密着する。このとき、スプリングフォイル６２に形成されたスリット６７の位置が稜線として内壁に接する断面多角形の筒形となって、隣り合う稜線の間に弾性梁が形成される。
トップフォイル６３も、ハウジング６１より径の小さい筒形に丸めて、スプリングフォイル６２の内側に挿入して緩めると、自身のバネ力によりスプリングフォイル６２を内側から押圧して広がる。トップフォイル６３の長さは、ハウジング６１の内側をほぼ１周して係止機構６６の端面に届く程度にしてある。トップフォイル６３の両端部は、図１７に示すような係止機構６６によりハウジング６１の内壁に固定される。
【００４７】
係止機構６６は、ハウジング６１の内壁に背中合せに１対の三角溝６９を形成したものである。１対の三角溝６９に挟まれて掘り残された峰７０が形成され、峰７０の両側はほぼ垂直の止め壁６８となっている。
トップフォイル６３の端部は三角溝６９に落ち込んで、フォイル自身の緩もうとするバネ力によってハウジング６１の内壁に押し付けられるので、容易に外れない。さらに確実に外れないためには、トップフォイル６３の両端縁が止め壁６８に突き当たり突っ張って止まるようにすることが好ましい。
峰７０の頂面は、ハウジング６１の内壁を掘り込んで形成する製造工程の都合からハウジング６１の内面と同じ高さにしてあるが、機能面から見ればトップフォイル６３の内周面と同じ位置まで突出していても良い。峰７０の高さが高いほどトップフォイル６３は外れにくい。
【００４８】
この係止機構６６を用いると、トップフォイル６３がハウジング６１の幅方向に移動するか、トップフォイル６３の筒体の軸芯位置がずれたり径が減少して端縁が峰７０を越えるか、トップフォイル６３の周長が止め壁６８から反対側の止め壁６８までを結ぶ円周長より極端に短くなるまで縮むなどしなければ、トップフォイルがハウジングから外れることはない。通常、トップフォイル６３はバネ力でスプリングフォイル６２を介してハウジング６１の内壁に押し付けられているので、摩擦力が強くて幅方向には移動しにくい。また、トップフォイル６３が縮んで筒体の径が小さくなる場合には、端縁が止め壁６８に食い込んで外れにくくなる方向に力が掛かることになる。
【００４９】
三角溝６９の底面はハウジング６１の内壁の断面円に接する面として形成され、トップフォイル６３が形成する筒形から接線方向に延伸する端部がこの底面に沿って延びて、端縁が止め壁６８に突き当たって止まるようにすることが好ましい。トップフォイル６３が三角溝６９に納まるところで筒形から平面に円滑に遷移するようにすれば、遷移領域で膨出しないようにすることができる。膨出部分があるとトップフォイル６３が回転軸６４に接触して、回転障害や、摩擦熱の発生、摩耗などを生起するので好ましくない。
【００５０】
回転軸６４が回転すると、係止機構６６の部分にできている隙間からトップフォイル６３と回転軸６４の間に空気が吸い込まれて、空気層６５ができる。トップフォイル６３は両端がハウジング６１の内壁との摩擦により拘束され自由端になっていない上に、トップフォイル６３と回転軸６４の間に空気導入の開口を有しているので、第１実施例の軸受と異なり、回転軸６４が左右いずれの方向に回転しても空気層６５を生成することができる。
回転軸６４の回転につれて、空気層６５が発達しトップフォイル６３がハウジング６１の内壁に押し付けられるので、高速回転時にはスプリングフォイル６２の弾性梁が変形して強い剛性により回転軸６４が支持されるようになる。
【００５１】
なお、三角溝６９を適度な深さにして、空気の供給を促進して空気層６５の生成と発達を円滑にするようにすることが好ましい。
軸受の回転方向が決まっているときは、回転方向入口（リーディング）側の三角溝６９を出口（トレーディング）側よりも深くして、トップフォイルと字句との間に空気を導入しやすくしてもよい。
【００５２】
係止機構６６は、トップフォイルの一端をねじや溶接でハウジング内壁に固定する従来方法と比較すると、極めて簡単な構造を持ち、トップフォイル６３に係止するための特別な加工を施す必要がなく、しかも組立の手数が省略できる。また、軸受装置の分解も簡単で、保守や条件変更に伴う改造も容易である。
スプリングフォイル６２はトップフォイル６３で覆って押し付けることにより十分に支持できるが、係止機構６６を使ってトップフォイル６３と同様に支持して、その上からトップフォイル６３を支持するようにすると、軸受装置を組み立てるときにスプリングフォイル６２を固定した後でトップフォイル６３を組み込むことができるので、便利である。
【００５３】
図１８と図１９は、トップフォイル６３の脱落を確実に防止するための機構を付加した状態を示す斜視図である。いずれも、トップフォイル６３が軸受ハウジング６１の内壁を軸方向に移動して外れることを防止する。
図１８に示したものは、係止機構の峰７０の側端にストッパー７１をねじ止めしてトップフォイル６３の幅方向の移動を制約するものである。ストッパー７１の上縁は峰７０の上面より下げて、回転軸の運動を妨げないようにしている。
【００５４】
図１９に示したものは、トップフォイル６３の端部にハウジング６１の端縁を抱えるような鍔７２を設けたものである。トップフォイル６３が何らかの力作用により軸方向に動こうとしても鍔７２が端縁に妨げられて動くことができない。
いずれも、簡単な機構を付帯させることにより、確実にトップフォイル６３の脱落を防ぐことができる。
【００５５】
図２０は、バンプフォイル７３を使った動圧気体軸受７に対して本実施例の係止機構６６を適用した状態を示す断面図である。
本実施例の係止機構６６は、本発明のスプリングフォイルを使用する場合に限らず、図１７にも図示したように、端部が薄い板材になるものであれば、バンプフォイルやリーフフォイルを使った軸受装置においても同様に利用することができることは言うまでもない。
【００５６】
さらに、係止機構６６は、軸受ハウジング６１内に１個だけ配置しなければならないわけではなく、等間隔に複数の係止機構を設置して支持剛性を調整したり、図２１に示すように、適当な間隔で係止機構を配置して支持剛性の不等化を生起して、たとえば振動抑制をしたり、起動時負荷と回転時負荷の変化に対応させてもよい。
【実施例１０】
【００５７】
図２２は第１０実施例の動圧気体軸受を模式的に示す断面図、図２３は本実施例に使用するスプリングフォイルの平面図である。
本実施例の動圧気体軸受８は、図２３に示したようなスプリングフォイル８２を使用したものである。スプリングフォイル８２は、スリットを長方形の３辺に配して形成したトング８６を全面に配置したもので、図では同じ形状のトング８６を３個ずつ幅方向に並べた列が長さ方向に１５列並んでいるが、これらの配置に限られるものではないことは言うまでもない。
このスプリングフォイル８２は軸受ハウジング８１の内側に挿入され、さらに筒形になったトップフォイル８３が係止機構８４により内壁に固定され、その中に回転軸８５が挿入されて、軸受８が構成される。
【００５８】
スプリングフォイル８２はトップフォイル８３に沿って配置されるので、トング８６がスプリングフォイル８２の表面曲面から接線方向に延出してハウジング８１の内壁に当って撓んでバネとして作用し、トップフォイル８３を介して回転軸８５に支持剛性を与える。トング８６は単にバネ作用を呈するばかりでなく、押されるとハウジング８１の内壁表面を摺動するので、高速回転時に摩擦減衰により振動を抑制する能力を有する。
トング８６は、単にスプリングフォイル８２に切り込みを入れて形成するもので、リーフフォイルと異なり、塑性変形する必要がない。切り込みは実施例１などに使用されるスプリングフォイルのスリットと同じくエッチングにより簡単かつ高精度に作成することができる。
【００５９】
図２４と図２５は、スプリングフォイル８２に形成するトングの形状を変化させた例を示す図面である。
図２４のスプリングフォイル８２は、軸方向に長方形のトングの幅を変化させた例である。中央のトング８７を幅広に形成し、両端のトング８８の幅を中央のものより小さくしてある。このようなスプリングフォイル８２を組み込むことにより、軸受の軸方向中心部分で強く端部で弱い支持剛性を与えて、回転軸の片当たりを防止することができる。
【００６０】
図２５のスプリングフォイル８２は、三角形の２辺にスリットを入れて三角形のトングを形成したもので、中央のトング８９は両端のトング９０より大きな三角形になっている。
三角形のトング８９，９０は、フォイル８２とハウジング８１の距離が短くなるにつれてトングの実効的な支持位置がトングの根本側の幅が広い方に変化するので、高速回転するほど支持剛性が急激に増大するような特性を持つようになる。なお、軸受の端部に近い部分ではトング９０が短くハウジング８１に強く押し付けられないため支持剛性が弱く、片当たりを防ぐ機能を有する。
【実施例１１】
【００６１】
図２６は第１１実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図である。
本実施例に用いるスプリングフォイルは、スリット部を幅のある切り落とし形状にしたもので、隣接するスリットの稜線までの距離がフォイル平板の端からの距離により異なるようにすることにより、剛性を変化させるようにしたものである。
【００６２】
たとえば、図２６（ａ）のように、切り落とし形状をスリットの１辺から三角形あるいは円形などが突出した形状の幅広スリット９２を並置したスプリングフォイル９１を使用すると、トップフォイルが広がらないうちはスリット中央の突出部分がハウジングの内壁に接触して一方の支点となるため、中央部に比較的長い梁が形成され、側部には有効な梁が存在しない状態となり、回転軸は比較的弱い剛性で中央部で支持されることになる。このように、軸受の軸方向に剛性が大きく変化するように構成することができる。
さらに、回転軸が回転してトップフォイルが広がると、スリット内の突出形状は段々根本の方までハウジング内壁に接触するようになって支持剛性が増大し、高速回転するようになるとついには弾性梁が壁に押し付けられて極めて強い剛性を呈するようになり、回転に伴う剛性の変化も大きい。
【００６３】
また、図２６（ｂ）のように、スリット形状が半円形ないし弓形あるいは台形などの幅広スリット９３にすると、トップフォイルが広がらない間は幅広スリット９３の端部がハウジングの内壁に接触して支点となり長いスパンの梁が形成されて比較的弱い剛性が与えられるが、中央部では弾性梁が作用しないので、軸方向における剛性分布が存在する。さらに、トップフォイルが広がるにつれてスリット中央位置がハウジング内壁に接触して短いスパンの梁が有効になって剛性が大きくなり、回転に伴う剛性変化も大きい。この剛性分布と変化の状況はスリットの形状により異なる。
したがって、図２６（ｃ）など必要に応じて適当な形状の幅広スリット９４を選択して、支持剛性の設計をすることができる。
【実施例１２】
【００６４】
図２７は第１２実施例の動圧気体軸受を模式的に示す断面図である。
本実施例の動圧気体軸受９は、スプリングフォイルを２重に使用したものである。ハウジング９５に多角形のスプリングフォイル９６を挿入し、その内側にさらに同じ角数を持った多角形のスプリングフォイル９７を挿入して、さらにトップフォイル９８を挿入したものである。
内側のスプリングフォイル９７の角が、外側のスプリングフォイル９６の弾性梁の中央部分に当るように配置することが好ましい。
【００６５】
内側と外側のスプリングフォイルの両方を同じ周位置で開切して、先に説明した係止機構を用いて両者を一緒に固定するようにすれば、配置関係を確実に規定することができる。
また、スプリングフォイルの配置を確実にするために、内側と外側のスプリングフォイルを１枚の弾性金属平板に作り込んで、２重に丸めてハウジング内にセットするようにしても良い。また、スプリングフォイルの一端をハウジング内壁に固定しても良い。
また、スプリングフォイルは２重に限らず、適当数のスプリングフォイル層を持った多重構造にしても良いことは言うまでもない。
【００６６】
多重構造にすると、トップフォイルが広がって外側のスプリングフォイルの作用が顕在化するにつれて剛性が高まるので、低速回転から高速回転まで適度な剛性で支持するように軸受を製作することができる。
また、スプリングフォイル同士が接触するところで摩擦運動をするので、軸受の振動を減衰させることができる。
【実施例１３】
【００６７】
図２８は、スプリングフォイルを複数、相互に重なる部分を有するように配置して、フォイル同士を摩擦させて軸受の振動を減衰させるようにした動圧気体軸受を示す断面図である。
４枚のスプリングフォイル１００がそれぞれハウジング内壁９９に一端を等間隔に固定して、相互に半分ずつ重なり合うように配置され、なかにトップフォイル１０１が挿入されている。
回転軸が振動すると、トップフォイル１０１がスプリングフォイル１００に作用して相互に摺動させるので、摩擦抵抗を生じて振動を減衰させることができる。
【実施例１４】
【００６８】
図２９は、第１４実施例の動圧気体軸受を模式的に示す断面図である。
本実施例の動圧気体軸受は、軸受ハウジング１０２の内孔断面を多角形に形成して、多角形の頂点にできる稜線１０５のところにスプリングフォイル１０３のスリットが位置するように組み立てたものである。
ハウジング１０２の内孔が形成する多角柱シリンダにおける稜線の数は、スプリングフォイル１０３の作る多角形シリンダの稜線の数の２倍として、スプリングフォイル１０３が作る弾性梁がハウジングの稜線を１個ずつ挟んで配置されるようにすることが好ましい。
【００６９】
このような配置を採用すると、弾性梁の後ろにできる隙間が大きくなり冷却空気の流通が十分確保できて軸受の使用可能な高速回転範囲が広がる。また、スプリングフォイル１０３はスリット位置をハウジングの稜線１０５に合致させることで確実に固定されて、不要なずれが生じない。さらに、弾性梁の後背が大きいのでトップフォイル１０４の広がりに対して固有の弾性を有する範囲が拡大する。
【００７０】
上記各実施例では空気中で使用できる気体軸受を取り上げたが、上記各構造はそのまま油や水の中で使用することができる。なお、油や水などを使う流体軸受では、比較的低温で使用するため、薄板平板を金属の代りに四フッ化エチレンなどの高分子材料で形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１実施例に係る動圧気体軸受の断面図である。
【図２】第１実施例の動圧気体軸受に用いるスプリングフォイルのスリット配置図である。
【図３】スプリングフォイルのスリットの端部処理を説明する図面である。
【図４】本発明の第２実施例の特徴を構成するスプリングフォイルのスリットの状態を模式的に表す平面図である。
【図５】第２実施例に係る動圧気体軸受の断面図である。
【図６】本発明の第３実施例の特徴を構成するスプリングフォイルのスリットの状態を模式的に表す平面図である。
【図７】本発明の第４実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図である。
【図８】第４実施例の動圧気体軸受におけるスプリングフォイルの組み込み状態を説明する図面である。
【図９】本発明の第５実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図である。
【図１０】第５実施例の動圧気体軸受におけるスプリングフォイルの組み込み状態を説明する図面である。
【図１１】本発明の第６実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図である。
【図１２】第６実施例の動圧気体軸受におけるスプリングフォイルの組み込み状態を説明する図面である。
【図１３】本発明の第７実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図である。
【図１４】本発明の第８実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図である。
【図１５】本発明の第９実施例に係る動圧気体軸受の断面図である。
【図１６】第９実施例の動圧気体軸受に用いるスプリングフォイルの平面図である。
【図１７】スプリングフォイルの係止機構を説明する斜視図である。
【図１８】スプリングフォイルの係止機構に脱落防止機構を付加したものを説明する斜視図である。
【図１９】スプリングフォイルの係止機構に別の脱落防止機構を付加したものを説明する斜視図である。
【図２０】第９実施例の係止機構をバンプフォイル軸受装置に適用した状態を示す断面図である。
【図２１】第９実施例の動圧気体軸受において複数の係止機構を用いた場合を説明する断面図である。
【図２２】本発明の第１０実施例に係る動圧気体軸受の断面図である。
【図２３】第１０実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図である。
【図２４】スプリングフォイルに形成するトングの別の形状例を示す図面である。
【図２５】スプリングフォイルに形成するトングのさらに別の形状例を示す図面である。
【図２６】本発明の第１１実施例の動圧気体軸受に使用するスプリングフォイルの平面図である。
【図２７】本発明の第１２実施例に係る動圧気体軸受の断面図である。
【図２８】本発明の第１３実施例に係る動圧気体軸受の断面図である。
【図２９】本発明の第１４実施例に係る動圧気体軸受の断面図である。
【図３０】従来技術の動圧気体軸受の例を示す断面図である。
【図３１】従来技術の動圧気体軸受の別の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  動圧気体軸受
３  動圧気体軸受
６  動圧気体軸受
８  動圧気体軸受
９  動圧気体軸受
１１  ハウジング
１２  スプリングフォイル
１３  トップフォイル
１４  回転軸
１５  空気層
１６  スリット
２１  スプリングフォイル
２２  長いスリット
２３  短いスリット
２４  ハウジング内壁
２５  トップフォイル
２６  回転軸
２７  空気層
３１  スプリングフォイル
３２  スリット
３３  弾性金属平板
３４  スプリングフォイル部分
３５  トップフォイル部分
３６  ハウジング内壁
３７  スプリングフォイルの端部
４１  スプリングフォイル
４２  スリット部
４３  スリット
４４  ハウジング内壁
４５  弾性梁
４７  スプリングフォイル
４８  縦スリット
４９  横スリット
５０  トップフォイル
５１  スプリングフォイル
５２，５３，５４  スリット
５６  スプリングフォイル
５７  縦スリット
５８  横スリット
６１  軸受ハウジング
６２  スプリングフォイル
６３  トップフォイル
６４  回転軸
６５  空気層
６６  係止機構
６７  スリット
６８  止め壁
６９  三角溝
７０  峰
７１  ストッパー
７２  鍔
７３  バンプフォイル
８１  軸受ハウジング
８２  スプリングフォイル
８３  トップフォイル
８４  係止機構
８５  回転軸
８６，８７，８８，８９，９０  トング
９１  スプリングフォイル
９２，９３，９４  幅広スリット
９５  ハウジング
９６  スプリングフォイル
９７  スプリングフォイル
９８  トップフォイル
９９  ハウジング内壁
１００  スプリングフォイル
１０１  トップフォイル
１０２  軸受ハウジング
１０３  スプリングフォイル
１０４  トップフォイル
１０５  稜線
【図１】
2006057828.tif 000003
【図２】
2006057828.tif 000004
【図３】
2006057828.tif 000005
【図４】
2006057828.tif 000006
【図５】
2006057828.tif 000007
【図６】
2006057828.tif 000008
【図７】
2006057828.tif 000009
【図８】
2006057828.tif 000010
【図９】
2006057828.tif 000011
【図１０】
2006057828.tif 000012
【図１１】
2006057828.tif 000013
【図１２】
2006057828.tif 000014
【図１３】
2006057828.tif 000015
【図１４】
2006057828.tif 000016
【図１５】
2006057828.tif 000017
【図１６】
2006057828.tif 000018
【図１７】
2006057828.tif 000019
【図１８】
2006057828.tif 000020
【図１９】
2006057828.tif 000021
【図２０】
2006057828.tif 000022
【図２１】
2006057828.tif 000023
【図２２】
2006057828.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2006057828.tif 000028
【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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