(57)【要約】【課題】フォイル軸受のフォイルと軸との接触摺動によるフォイルの摩耗を低減する。【解決手段】フォイル軸受ユニットは、軸６と、軸受面Ｘを有するフォイル１２とを備え、フォイル１２の軸受面Ｘと軸６との間の軸受隙間Ｃに生じる流体圧力で軸６を相対回転自在に非接触支持する。フォイル１２の軸受面Ｘ（又はこれに対向する軸６の表面）には、植毛部２０が設けられる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸と、軸受面を有するフォイルとを備え、前記フォイルの軸受面と軸との間の軸受隙間に生じる流体圧力で前記軸を相対回転自在に非接触支持するフォイル軸受ユニットにおいて、
前記フォイルの軸受面又はこれに対向する前記軸の表面に、植毛部が設けられたことを特徴とするフォイル軸受ユニット。
【請求項２】
支持すべき軸と対向する軸受面を有するフォイルであって、
前記軸受面に植毛部が設けられたことを特徴とするフォイル。
【請求項３】
フォイルに設けられた軸受面で非接触支持される軸であって、
前記軸受面と対向する領域に植毛部が設けられたことを特徴とする軸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホワールが生じ難く、かつ温度変化の大きい環境下でも軸受隙間の隙間幅管理を容易にできる軸受としてフォイル軸受が知られている。フォイル軸受は、曲げに対して剛性の低い可撓性を有する金属薄板（フォイル）で軸受面を構成し、この軸受面のたわみを許容することで荷重を支持するものであり、軸受隙間が運転条件等に応じた適切な幅に自動調整されるという特徴を有する（例えば、下記の特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−５２３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようなフォイル軸受において、軸の起動直後や停止直前の低速回転時は、軸受隙間の流体圧力（空気圧力）が低いため、軸がフォイルに対して浮上しにくく、両者が接触摺動する。このような接触摺動を繰り返すことで、フォイルに摩耗が生じる。
【０００５】
このような軸との接触摺動によるフォイルの摩耗を防止するために、上記の特許文献１では、フォイルおよび軸の一方又は双方に、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の低摩擦化被膜を形成している。しかし、図１３に示すように、軸の低速回転時には、フォイル１２’の軸受面Ｘ’と軸６’の外周面とが線接触するため、両者の接触部Ｐ’の面積は非常に小さい。このため、低摩擦化被膜を施した場合でも、接触部Ｐ’において低摩擦化被膜が除去されやすく、フォイルに摩耗が生じるおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、軸との接触摺動によるフォイル軸受のフォイルの摩耗を防止する新たな手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、軸と、軸受面を有するフォイルとを備え、前記フォイルの軸受面と軸との間の軸受隙間に生じる流体圧力で前記軸を相対回転自在に非接触支持するフォイル軸受ユニットにおいて、前記フォイルの軸受面又はこれに対向する前記軸の表面に、植毛部が設けられたことを特徴とする。
【０００８】
このように、フォイルの軸受面とこれに対向する軸の表面のうち、何れか一方に植毛部を設けることにより、軸の低速回転時のように軸受隙間の流体圧力が不十分なときに、フォイルと軸とを植毛部を介して接触させることができる。この場合、植毛部を構成する多数の短繊維が撓みながら相手部材に接触することで、植毛部と相手部材とを柔らかく接触させることができる。また、植毛部が相手部材に倣って変形しながら接触することで、両者の接触面積が広がるため、両者の接触面圧が低くなる。以上により、植毛部と相手部材との接触摺動による摩擦が低減され、植毛部の摩耗や除去を防止できるため、フォイルと軸との接触摺動を長期にわたって回避して、フォイルの摩耗を低減することできる。
【０００９】
上記のフォイル軸受ユニットは、支持すべき軸と対向する軸受面を有するフォイルであって、前記軸受面に植毛部が設けられたことを特徴とするフォイルを用いて形成することができる。あるいは、上記のフォイル軸受ユニットは、フォイルに設けられた軸受面で非接触支持される軸であって、前記軸受面と対向する領域に植毛部が設けられたことを特徴とする軸を用いて形成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明によれば、軸の低速回転時に、植毛部により軸とフォイルとの直接接触が回避されるため、フォイルの摩耗を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明にかかるフォイル軸受の断面図である。
【図２】フォイルの平面図である。
【図３】連結した二枚のフォイルを裏面側から見た平面図である。
【図４】三枚のフォイルを仮組みした状態を示す斜視図である。
【図５】フォイルの仮組体をフォイルホルダに取り付ける様子を示す斜視図である。
【図６】フォイル軸受のフォイル重複部を拡大して示す断面図である。
【図７】フォイルと軸との接触部を拡大して示す断面図である。
【図８】本発明の他の例に係るフォイルと軸との接触部を拡大して示す断面図である。
【図９】リーフ型のラジアルフォイル軸受を示す断面図である。
【図１０】バンプ型のラジアルフォイル軸受を示す断面図である。
【図１１】リーフ型のスラストフォイル軸受を示す斜視図である。
【図１２】図１１中のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１３】比較例のフォイルと軸との接触部を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１に示すように、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受ユニットは、フォイル軸受１０と、その内周に挿入された軸６とを備える。フォイル軸受１０は、円筒面状の内周面１１ａを有するフォイルホルダ１１と、フォイルホルダ１１の内周面１１ａ上で、周方向の複数箇所に配置されたフォイル１２とを有する。図示例のフォイル軸受１０は、内周面１１ａの三カ所にフォイル１２を配置した場合を例示している。各フォイル１２の内径側に軸６が挿入されている。尚、以下では、軸６の回転方向先行側（図１の矢印Ｒ参照）、すなわち、軸６の回転時における、フォイル１２に対する流体の流れ方向下流側を「下流側」と言い、その反対側を「上流側」と言う。
【００１４】
フォイルホルダ１１は、例えば焼結金属や溶製材等の金属（例えば鋼材）で形成することができる。フォイルホルダ１１の内周面１１ａのうち、周方向に離隔した複数箇所（フォイル数と同数）には、各フォイル１２の取り付け部となる軸方向溝１１ｂが形成されている。
【００１５】
各フォイル１２を構成するフォイル材は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属、例えば鋼材料や銅合金からなる厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の帯状フォイルを、プレス加工等により所定形状に加工することで形成される。鋼材料や銅合金の代表例として、炭素鋼や黄銅を挙げることができるが、一般的な炭素鋼では、雰囲気に潤滑油が存在せず油による防錆効果が期待できないため、錆による腐食が発生し易くなる。また、黄銅では加工ひずみによる置き割れを生じることがある（黄銅中のＺｎの含有量が多いほどこの傾向が強まる）。そのため、帯状フォイルとしては、ステンレス鋼もしくは青銅製のものを使用するのが好ましい。
【００１６】
図２に示すように、フォイル１２は、下流側（図２の左側）の第一領域１２ａと、上流側（図２の右側）の第二領域１２ｂとを有する。
【００１７】
第一領域１２ａは、軸受面Ｘを形成するトップフォイル部Ｔｆと、トップフォイル部Ｔｆの表面に沿い、かつ軸６の回転方向Ｒと直交する方向Ｎ（以下、「回転直交方向Ｎ」と呼ぶ）の複数箇所に設けられ、かつ、それぞれ下流側に突出する方向に延びた凸部１２ａ２とを有する。本実施形態では、回転直交方向Ｎの三カ所に凸部１２ａ２を形成した場合を例示している。各凸部１２ａ２の基端部には、フォイル縁部から上流側に延びる微小な切り込み１２ａ３が設けられている。
【００１８】
軸受面Ｘには植毛部２０が設けられる。本実施形態では、軸受面Ｘの全域に植毛部２０が設けられる。図２では、植毛部２０が設けられた領域に散点を付している。尚、植毛部２０を設ける領域は上記に限らず、例えば、軸受面Ｘに加えて、凸部１２ａ２やバックフォイル部Ｂｆに植毛部２０を設けてもよい。あるいは、軸受面Ｘの一部に植毛部２０を設けてもよい。例えば、軸受面Ｘのうち、軸方向に離隔した複数の領域に植毛部２０を設けたり、周方向一部領域に植毛部２０を設けたりしてもよい。
【００１９】
植毛部２０は、フォイル１２の軸受面Ｘに植毛された多数の短繊維で構成される。植毛部２０を形成する短繊維の植毛方法としては、静電植毛や静電吹き付け植毛を採用できる。静電植毛は、例えば、静電植毛する範囲に接着剤を塗布し、短繊維を帯電させて静電気力により上記接着剤塗布面に略垂直に植毛した後、乾燥工程・仕上げ工程などを経て行われる。静電植毛は、多数の短繊維を短時間で密に植毛できる。一方、静電吹き付け植毛は、静電植毛とほぼ同じ原理であるが、短繊維をエアーで吹き付けることで短繊維が接着剤塗布面に対して傾斜した状態で固定されるという特徴がある。静電吹き付け植毛は、静電植毛と比べて短繊維の密度が低いため、少量の短繊維で植毛をすることができる。
【００２０】
植毛に用いる短繊維としては、植毛用短繊維として使用可能であれば特に限定されず、例えば、（１）ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、ナイロンなどのポリアミド樹脂、芳香族ポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンサクシネート、ポリブチレンテフタレートなどのポリエステル樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル、ビニロンなどの合成樹脂繊維、（２）カーボン繊維、グラスファイバーなどの無機繊維、（３）レーヨン、アセテートなどの再生繊維や、綿、絹、麻、羊毛などの天然繊維が挙げられる。これらは単独で用いられてもよく、２種以上が併用されてもよい。短繊維の種類は、フォイル軸受１０の使用環境（使用温度、回転数等）に応じて選定することができる。
【００２１】
短繊維の形状としては、例えば、長さ０．５〜２．０ｍｍ、太さ０．５〜５０デシテックスのものが好ましい。植毛部の短繊維の密度としては、例えば、植毛した面積あたりに繊維の占める割合を１０〜３０％とすることが好ましい。短繊維の形状としてストレートやベンド（先端部が曲がった形状）があり、断面形状は円形や多角形状がある。植毛部２０に要求される特性に合わせて、短繊維の形状を選定することが好ましい。
【００２２】
接着剤としては、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂などを主成分とする接着剤が使用できる。具体的には、例えば、ウレタン樹脂溶剤系接着剤、エポキシ樹脂溶剤系接着剤、酢酸ビニル樹脂溶剤系接着剤、アクリル樹脂系エマルジョン接着剤、アクリル酸エステル−酢酸ビニル共重合体系エマルジョン接着剤、酢酸ビニル系エマルジョン接着剤、ウレタン樹脂系エマルジョン接着剤、エポキシ樹脂系エマルジョン接着剤、ポリエステル系エマルジョン接着剤、エチレン−酢酸ビニル共重合体系接着剤などが使用できる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００２３】
第二領域１２ｂの上流側端部１２ｄには、回転直交方向Ｎに離隔し、下流側に向けて凹んだ二つの切り欠き部１２ｂ２が形成される。各切り欠き部１２ｂ２の回転直交方向Ｎにおける幅寸法は、下流側に向けて徐々に縮小している。本実施形態では、切り欠き部１２ｂ２全体を円弧状に形成した場合を例示しているが、各切り欠き部１２ｂ２は、頂部を尖端状とした略Ｖ字状に形成することもできる。各切り欠き部１２ｂ２の回転直交方向Ｎの両側には、それぞれ上流側に突出する突出部１２ｂ１が形成されている。
【００２４】
第一領域１２ａと第二領域１２ｂの境界部で、かつ回転直交方向Ｎの複数箇所（凸部１２ａ２と同数）には、隣接するフォイル１２の凸部１２ａ２が差し込まれる、スリット状の差込口１２ｃ１が設けられる。このうち、両端の差込口１２ｃ１は、回転直交方向Ｎに沿って直線状に延びて、フォイル１２の両端部にそれぞれ開口している。中央の差込口１２ｃ１は、回転直交方向Ｎに沿って延びる直線状の切り欠き部分と、該切り欠き部分から反回転方向側に延び、その先端を円弧状とした幅広の切り欠き部分とからなる。
【００２５】
図３に示すように、一方のフォイル１２の各凸部１２ａ２を、隣接するフォイル１２の差込口１２ｃ１にそれぞれ差し込むことにより、２枚のフォイル１２を連結する事ができる。同図中では、組み合わせ後の二つのフォイル１２のうち、一方のフォイル１２にグレーの色を付している。
【００２６】
そして、図４に示すように、３枚のフォイル１２を図３と同様の結合手法により周状に連結する事で、各フォイル１２を仮組みの状態にする事ができる。この仮組体を、図５に示すように、筒状にしてフォイルホルダ１１の内周に矢印Ｂ２の方向へ挿入する事で、フォイル軸受１０が組み立てられる。具体的には、３枚のフォイル１２の仮組体をフォイルホルダ１１の内周に挿入しながら、各フォイル１２の凸部１２ａ２を、フォイルホルダ１１の一方の端面に開口した軸方向溝１１ｂに軸方向一方側から差込む。以上により、３枚のフォイル１２が、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに周方向に並べた状態で取り付けられる。
【００２７】
図６に示すように、各フォイル１２をフォイルホルダ１１に取り付けた状態では、隣接する二つのフォイル１２同士が交差した状態となる。この交差部分よりも下流側では、一方のフォイル１２の凸部１２ａ２が、他方のフォイル１２の差込口１２ｃ１を介して他方のフォイル１２の背後に回り込み、フォイルホルダ１１の軸方向溝１１ｂに挿入されている。また、他方のフォイル１２のトップフォイル部Ｔｆが軸受面Ｘを構成している。交差部分よりも上流側では、一方のフォイル１２のトップフォイル部Ｔｆが軸受面Ｘを構成し、他方のフォイルの第二領域１２ｂが一方のフォイル１２の背後に回り込んでバックフォイル部Ｂｆを構成する。このバックフォイル部Ｂｆの上流側の端部は自由端であり、当該端部の位置は、バックフォイル部Ｂｆの弾性変形に応じて周方向に変動する。バックフォイル部Ｂｆの下流側の端部は、前記交差部分で他のフォイル１２（前記一方のフォイル）と周方向で係合した状態にある。
【００２８】
トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆが重なり合った部分で、フォイル同士が重複したフォイル重複部Ｗが構成される。このフォイル重複部Ｗは、周方向の複数箇所（フォイル１２と同数であり、本実施形態では三カ所）に形成される。
【００２９】
このフォイル軸受１０では、各フォイル１２の下流側端部（凸部１２ａ２）がフォイルホルダ１１に取り付けられると共に、各フォイル１２のトップフォイル部Ｔｆが他のフォイル１２のトップフォイル部Ｔｆと周方向で係合した状態にある。これにより、隣接するフォイル１２同士が周方向で互いに突っ張り合った状態となるため、各フォイル１２のトップフォイル部Ｔｆがフォイルホルダ１１側に張り出し、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに沿った形状に湾曲する。各フォイル１２の下流側への移動は、各フォイル１２の凸部１２ａ２が軸方向溝１１ｂに突き当たるために規制されるが、各フォイル１２の上流側への移動は規制されない。これにより、各フォイル１２は、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに対して周方向で微小摺動（往復動）可能とされる。
【００３０】
図６に示すように、軸方向溝１１ｂがフォイルホルダ１１の内周面の接線方向に対して角度θ１だけ僅かに傾斜して設けられるため、軸方向溝１１ｂに挿入された凸部１２ａ２の近傍では、トップフォイル部Ｔｆが内径側に凸となるように湾曲しようとする。また、トップフォイル部Ｔｆは、バックフォイル部Ｂｆに乗り上げることで、下流側に向けてフォイルホルダ１１の内周面１１ａから離反する側に傾斜した状態となる。以上により、トップフォイル部Ｔｆの軸受面Ｘと軸６の外周面の間に楔空間が形成される。また、トップフォイル部Ｔｆは、内径側に凸の湾曲部の弾性力や、バックフォイル部Ｂｆに乗り上げた部分の弾性力により、半径方向に弾性的に変位可能とされる。
【００３１】
軸６の回転中は、楔空間に生じた空気膜が高圧となるため、軸６が浮上力を受ける。そのため、図１に示すように、各フォイル１２の軸受面Ｘと軸６の間に環状のラジアル軸受隙間Ｃが形成され、軸６がフォイル１２に対して非接触の状態で回転自在に支持される。トップフォイル部Ｔｆの弾性変形により、ラジアル軸受隙間Ｃの隙間幅は運転条件等に応じた適正幅に自動調整されるため、軸６の回転が安定的に支持される。なお、図１においては理解の容易化のためラジアル軸受隙間Ｃの隙間幅を誇張して描いている。
【００３２】
軸６の回転中は、流体圧力により、トップフォイル部Ｔｆがバックフォイル部Ｂｆに押さえ付けられて弾性変形するため、バックフォイル部Ｂｆに乗り上げたトップフォイル部Ｔｆには、軸受隙間Ｃの幅方向の段差が形成される。図３に示すように、各フォイル１２の第二領域１２ｂの上流側端部１２ｄに切り欠き部１２ｂ２を設けた場合には、この段差は、切り欠き部１２ｂ２の形状に対応したヘリングボーン形状となる。トップフォイル部Ｔｆに沿って流れる流体は、上記のヘリングボーン形状の段差に沿って流れるため（矢印を参照）、軸受隙間Ｃのうち、回転直交方向Ｎの二カ所に流体の圧力発生部が形成される。これにより、軸６の浮上効果を高めつつモーメント荷重を支持することが可能となる。本実施形態では、図２に示すように、トップフォイル部Ｔｆに微小な切り込み１２ａ３を形成してトップフォイル部Ｔｆの剛性を低下させているため、トップフォイル部Ｔｆが切り欠き部１２ｂ２に沿って変形する際にも、その変形がスムーズに行われる。
【００３３】
軸６の軌道直後や停止直前などの低速回転中は、流体圧力が不十分であるため、フォイル１２の軸受面Ｘと軸６の外周面とが接触摺動する。このとき、例えば図１３に示す比較例のように、フォイル１２’の軸受面Ｘ’と軸６’の外周面とが直接接触すると、両者は略線接触となるため、接触部Ｐ’の面積は小さくなる。
【００３４】
これに対し、図７に示す本実施形態では、フォイル１２の軸受面Ｘに植毛部２０が設けられているため、フォイル１２の軸受面Ｘが、軸６の外周面と直接接触するのではなく、植毛部２０を介して間接的に接触する。この場合、植毛部２０を構成する短繊維が撓みながら軸６に柔らかく接触する。また、植毛部２０が、軸６の外周面に倣って変形しながら接触するため、植毛部２０と軸６とが面接触となり、接触部Ｐに面積が大きくなる。以上により、植毛部２０と軸６との接触面圧が低下するため、両者の間の摩擦が低減され、植毛部２０の摩耗や除去等が防止できる。これにより、フォイル１２と軸６との直接接触が長期にわたって防止されるため、フォイル１２の摩耗を低減することができる。
【００３５】
以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については説明を省略する。
【００３６】
上記の実施形態では、フォイル１２の軸受面Ｘに植毛部２０を設けた場合を示したが、これとは逆に、図８に示すように、フォイル１２の軸受面Ｘと対向する軸６の外周面に植毛部２０を設けてもよい。
【００３７】
また、上記の実施形態では、フォイル軸受１０として、いわゆる多円弧型のラジアルフォイル軸受を例示したが、本発明を適用可能なフォイル軸受の形態はこれに限られない。例えば、図９に示すいわゆるリーフ型のフォイル軸受１０にも本発明を適用することができる。このフォイル軸受１０は、下流側の一端を自由端とし、上流側の他端を固定端とした複数のフォイル１２（リーフ）を軸６の回転方向Ｒに配置したもので、各フォイル１２のうち、下流側の領域がトップフォイル部Ｔｆとして機能し、上流側の領域がバックフォイル部Ｂｆとして機能する。このリーフ型のフォイル軸受１０において、各フォイル１２の軸受面Ｘに植毛部を設けることにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、図１０に示すいわゆるバンプ型のフォイル軸受１０にも本発明を適用することもできる。このフォイル軸受１０は、波形のバックフォイル部Ｂｆと、円筒状のトップフォイル部Ｔｆとが別体に設けられ、トップフォイル部Ｔｆとフォイルホルダ１１との間にバックフォイル部Ｂｆが配される。トップフォイル部Ｔｆの軸受面Ｘ（内周面）に植毛部を設けることで、上記と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
さらに、スラストフォイル軸受に本発明を適用することもできる。図１１はスラストフォイル軸受３０の一例として、リーフ型のスラストフォイル軸受を示している。図１２に示すように、各フォイル１２のうち、下流側の領域がトップフォイル部Ｔｆとして機能し、上流側の領域がバックフォイル部Ｂｆとして機能する。各フォイル１２のトップフォイル部Ｔｆに植毛部を設けることにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
なお、以上の説明では、軸６を回転側部材とし、フォイルホルダ１１を固定側部材とした場合を例示したが、これとは逆に軸６を固定側部材とし、フォイルホルダ１１を回転側部材とする場合にも本発明を適用することができる。但し、この場合はフォイル１２が回転側部材となるので、遠心力によるフォイル１２全体の変形を考慮してフォイル１２の設計を行う必要がある。
【００４１】
また、本発明にかかるフォイル軸受は、例えば、ガスタービンや過給機をはじめとするターボ機械のロータを支持するフォイル軸受として使用することができる。この他、本発明にかかるフォイル軸受は、自動車等の車両用軸受、さらには産業機器用の軸受として広く使用することが可能である。また、本実施形態の各フォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受であるが、これに限らず、圧力発生流体としてその他のガスを使用することもでき、あるいは水や油などの液体を使用することも可能である。
【符号の説明】
【００４２】
６     軸
１０   フォイル軸受
１１   フォイルホルダ
１２   フォイル
２０   植毛部
Ｔｆ   トップフォイル部
Ｂｆ   バックフォイル部
Ｘ     軸受面
Ｃ     軸受隙間
Ｐ     軸とフォイルとの接触部
Ｒ     軸の回転方向
【図１】
2018017339.tif 000003
【図２】
2018017339.tif 000004
【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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【図８】
2018017339.tif 000010
【図９】
2018017339.tif 000011
【図１０】
2018017339.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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