(57)【要約】【課題】本発明では、加工時の変形を抑制しつつ、摺動面に生じる摩擦力を安定して増加させることのできるフォイル軸受を提供することを課題としている。【解決手段】軸受面Ｘを有するフォイル１２と、フォイル１２を支持するフォイルホルダ１１とを有し、フォイル１２が弾性変形可能であり、フォイル１２と支持すべき軸１３を除く他の部材との摺動が許容されたフォイル軸受１０において、フォイル１２の表面と他の部材の表面のうち、摺動を生じるいずれか一方または双方の表面に、化成処理によって形成された凹凸面を設けた。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受面を有するフォイルと、フォイルを支持するフォイルホルダとを有し、フォイルが弾性変形可能であり、フォイルと支持すべき軸を除く他の部材との摺動が許容されたフォイル軸受において、
フォイルの表面と前記他の部材の表面のうち、前記摺動を生じるいずれか一方または双方の表面に、化成処理によって形成された凹凸面を設けたことを特徴とするフォイル軸受。
【請求項２】
前記凹凸面が、化成被膜の表面に形成されている請求項１記載のフォイル軸受。
【請求項３】
前記凹凸面が、化成被膜と母材間の界面に凹凸を形成した後、前記化成被膜を除去することで、前記一方または双方の表面に形成されている請求項１記載のフォイル軸受。
【請求項４】
前記フォイルを複数備え、前記他の部材が前記複数のフォイルのうちいずれかである請求項１から３いずれか１項に記載のフォイル軸受。
【請求項５】
前記他の部材がフォイルホルダである請求項１から４いずれか１項に記載のフォイル軸受。
【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】
ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械の軸を支持する軸受として、フォイル軸受が着目されている。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薄膜（フォイル）で軸受面を構成し、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る。軸の回転時には、軸の外周面とフォイルの軸受面との間に流体膜（例えば空気膜）が形成され、軸が非接触支持される。この場合、フォイルの可撓性により軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じた適切な軸受隙間が自動的に形成されるため、安定性に優れ、一般的な空気動圧軸受と比べて高速での使用が可能となる。
【０００３】
上記のフォイル軸受としては、バックフォイルに設けた切り起こしでトップフォイルを弾性的に支持するもの（特許文献１）、素線を網状に編成した弾性体で軸受フォイルを弾性的に支持するもの（特許文献２）、および、バックフォイルに、外輪内面に接触し周方向に移動しない支持部とトップフォイルからの面圧により弾性的に撓む弾性部とを設けたもの（特許文献３）等が公知である。また、特許文献４及び５には、複数のフォイルを周方向に並べて配置し、各フォイルの周方向両端を外方部材に取り付けた、いわゆる多円弧型のフォイル軸受が示されている。
【０００４】
このようなフォイル軸受では、軸の回転時に、フォイル同士、あるいは、フォイルとフォイルを保持するフォイルホルダとが摺動する。そして、この摺動によって発生する摩擦力により、軸回転時の振動を減衰させることができるため、安定して回転する軸を支持するために、上記の摩擦力を制御することが重要になる。
【０００５】
例えば、特許文献６のフォイル軸受では、フォイルの軸受面以外の表面や、フォイルを保持する静止保持部材の表面に、銅による金属のコーティングを施すことで、摺動面の摩擦係数を増加させて振動の減衰効果を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３６４６４３公報
【特許文献２】特開２００３−２６２２２２号公報
【特許文献３】特開２００９−２９９７４８号公報
【特許文献４】特開２００９−２１６２３９号公報
【特許文献５】特開２００６−５７８２８号公報
【特許文献６】特許第４２８７２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献６のように、フォイルの表面に金属の被膜層を形成する場合、成膜時にフォイルが高温になりやすく、フォイルが熱を受けて変形することで、フォイル軸受が所望の機能を果たせなくなる。
【０００８】
また、ショットブラストやエメリー紙を用いた研磨等のように、物理的にフォイルの表面粗さを大きくすることにより、上記の摩擦力を制御することもできる。しかし、物理的な加工によってフォイルの表面粗さを大きくする場合、場所によって表面粗さのばらつきが大きくなって振動の減衰力が安定せず、また、加工によりフォイルに残留応力が発生し、フォイルが変形する問題がある。
【０００９】
このような事情から、本発明では、加工時の変形を抑制しつつ、摺動面に生じる摩擦力を安定して増加させることのできるフォイル軸受を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明は、軸受面を有するフォイルと、フォイルを支持するフォイルホルダとを有し、フォイルが弾性変形可能であり、フォイルと支持すべき軸を除く他の部材との摺動が許容されたフォイル軸受において、フォイルの表面と前記他の部材の表面のうち、前記摺動を生じるいずれか一方または双方の表面に、化成処理によって形成された凹凸面を設けたことを特徴とする。
【００１１】
本発明のフォイル軸受は、摺動面に化成処理により凹凸面を形成し、摺動により生じる摩擦力を増加させる。この場合、物理的な方法により凹凸面を形成する場合と比較して、摺動面の粗さのばらつきが少なく、軸の振動減衰効果を安定して高めることができる。また、凹凸面の形成時に外力を加える必要がないため、フォイルや他部材の変形を生じる虞がない。また、低温での処理により凹凸面を形成することができるため、加熱による変形を生じることもない。
【００１２】
上記のフォイル軸受として、凹凸面を化成被膜の表面に形成することができる。化成被膜に設けられた凹凸面により、摺動面に生じる摩擦力を増加させることができる。
【００１３】
上記のフォイル軸受として、凹凸面が、化成被膜と母材間の界面に凹凸を形成した後、化成被膜を除去することで、一方または双方の表面に形成することができる。これにより、母材自体に凹凸面を形成することができるので、母材の表面に形成した被膜により摩擦係数を増加させる場合と比較すると、被膜の剥離による振動減衰力の低下や経年使用による被膜の劣化の心配がなく、これらを防止するために被膜の品質管理を行う手間も生じない。また、フォイル表面を被膜で覆うことにより、フォイルの可撓性に悪影響が生じるといったこともない。
【００１４】
上記のフォイル軸受として、フォイルを複数備え、他の部材を複数のフォイルのうちいずれかにすることができる。フォイルの表面に凹凸面を形成することで、フォイルの摺動面に生じる摩擦力を増加させることができる。
【００１５】
上記のフォイル軸受として、他の部材をフォイルホルダにすることができる。これにより、フォイルホルダの摺動面に生じる摩擦力を増加させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明では、凹凸面の形成時に外力を加えることなく、また、低温での処理を行うことができるため、加工時にフォイルや他部材の変形を生じることがなく、表面粗さの均一な凹凸面を形成することができる。従って、フォイル軸受が、安定して軸の振動減衰効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るフォイル軸受の概略構成図である。
【図２】フォイルを示す平面図である。
【図３】二つのフォイルの連結について説明する平面図である。
【図４】三つのフォイルの連結について説明する斜視図である。
【図５】フォイルをフォイルホルダに取り付ける様子を説明する斜視図である。
【図６】フォイルがフォイルホルダに保持される様子を説明する断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係るフォイルの凹凸面を説明する図である。
【図８】本発明の異なる実施形態において、フォイルに凹凸面を形成する過程を説明する図である。
【図９】異なる実施形態における、凹凸面の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
【００１９】
図１に示す様に、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、内周面１１ａに取り付けられた３枚のフォイル１２とを有する。フォイル軸受１０は、内周面１１ａに３枚のフォイル１２が周方向に並べて配置された、いわゆる多円弧型のフォイル軸受である。フォイル軸受１０には、その内周面１１ａ側でフォイル１２の内側に、軸１３が挿入される。フォイル軸受１０と軸１３とでフォイル軸受装置１４が構成される。フォイル軸受１０は、フォイル１２の後述する軸受面Ｘと軸１３の間に形成した流体膜で軸１３を相対回転自在に支持する。
【００２０】
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）で形成される。内周面１１ａのうち、周方向に離隔した複数箇所（図示例では３箇所）には、保持部としての軸方向溝１１ｂが形成される。
【００２１】
フォイル１２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で形成される。本実施形態のように流体膜として空気を用いる空気動圧軸受では、雰囲気に潤滑油が存在しないため、油による防錆効果は期待できない。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錆による腐食が発生し易く、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。
【００２２】
図２に示す様に、フォイル１２は、フォイルホルダ１１の周方向に並べて配置される第一領域１２ａと、第二領域１２ｂを有する。
【００２３】
第一領域１２ａは、軸受面を有するトップフォイル部１２ａ１と、軸方向の上端、中央、下端に、それぞれ周方向一端側に突出した差込部１２ａ２とを有する。差込部１２ａ２に近接した位置には、周方向の微小な切り込み１２ａ３が設けられる。
【００２４】
第二領域１２ｂには、周方向他端側に向けて軸方向幅を徐々に狭めた三つの突出部分である、アンダ−フォイル部としての突出部１２ｂ１が設けられる。突出部１２ｂ１は、軸方向の上端、中央、下端にそれぞれ設けられ、それぞれの突出部１２ｂ１の間には、略円弧状に形成される切り欠き部１２ｂ２が設けられる。このほか、切り欠き部１２ｂ２を、直線をそれぞれの突出部１２ｂ１の中央で折り曲げた略Ｖ字形状としてもよい。
【００２５】
図１に示すように、フォイル軸受１０において、トップフォイル部１２ａ１は軸１３の側に配置され、その内周面は軸受面Ｘを形成する。そして、アンダーフォイル部１２ｂ１は、フォイルホルダ１１の側に配置され、隣接する他のフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１と重なることで、トップフォイル部１２ａ１に弾性を与える。
【００２６】
図２に示すように、第一領域１２ａと第二領域１２ｂの境界には、隣接するフォイル１２の差込部１２ａ２が差し込まれる差込口１２ｃ１、１２ｃ２、１２ｃ１がそれぞれ軸方向の上端、中央、下端に設けられる。差込口１２ｃ１は、長方形状の切り欠き部分で、フォイル１２の軸方向端部にまで亘って設けられる。差込口１２ｃ２は、差込口１２ｃ１と周方向の同一位置に設けられた長方形状の切り欠き部分と、周方向他端側へ突出した、その先端が円弧状で、長方形状の切り欠き部分よりもその幅が狭い切り欠き部分からなる。また、第一領域１２ａと第二領域１２ｂの境界には、両者を連結する連結部１２ｃ３が形成される。
【００２７】
図３に示す様に、一方のフォイル１２の差込部１２ａ２、１２ａ２、１２ａ２を、隣接するフォイル１２の差込口１２ｃ１、１２ｃ２、１２ｃ１に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。フォイル１２は、後述するフォイル軸受１０に組み付けされた状態で、軸１３の半径方向に重複するフォイル重複部Ｃを構成する。
【００２８】
そして、図４に示す様に、３枚のフォイル１２を当該方法により周状に連結する事で、３枚のフォイル１２を仮組みする事ができる。この仮組体を、図５に示す様に、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の差込部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に軸方向一端側から差し込む。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。
【００２９】
図６に示す様に、３枚のフォイル１２をフォイルホルダ１１に組み付けた状態で、各フォイル１２の周方向一端である差込部１２ａ２は、フォイルホルダ１１に接触した状態で保持される。図示例では、各フォイル１２の差込部１２ａ２が、それぞれ隣接するフォイル１２の背後（外径側）に配されている。具体的には、各フォイル１２の周方向一端に設けられた差込部１２ａ２は、隣接するフォイル１２の差込口１２ｃ１（１２ｃ２）を介して、フォイルホルダ１１の内周面１１ａの軸方向溝１１ｂに差し込まれる。一方、各フォイル１２の周方向他端に設けられた突出部１２ｂ１は、隣接するフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１とフォイルホルダ１１の内周面１１ａとの間に配され、隣接するフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１を背後から支持し、アンダーフォイル部１２ｂ１を構成する。尚、隣接するフォイル１２同士は、周方向で係合して互いに突っ張り合っている。これにより、各フォイル１２のトップフォイル部１２ａ１が外径側に張り出し、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに沿った形状に湾曲する。
【００３０】
また、本実施形態では、図３に示すように、突出部１２ｂ１に切り欠き部１２ｂ２を設けることで、これに乗り上げるトップフォイル部１２ａ１に、切り欠き部１２ｂ２に沿った段差が形成される。これにより、トップフォイル部１２ａ１に沿って流れる流体が、上記の段差に沿って流れて軸方向中央側に集められるため、圧力向上効果が高められる（図３の矢印参照）。
【００３１】
このとき、トップフォイル部１２ａ１の周方向一端部のうち、差込部１２ａ２の近傍に、微小な切り込み１２ａ３を設けることで、この部分の剛性が低下する。これにより、トップフォイル部１２ａ１を、その背後に配された第二領域１２ｂの切り欠き部１２ｂ２に沿って変形させやすくなる。
【００３２】
軸１３が図１の矢印Ｂ１の方向に回転すると、フォイル軸受１０の各フォイル１２のトップフォイル部１２ａ１の内径面（軸受面）と軸１３の外周面との間のラジアル軸受隙間の流体膜の圧力が高められる。トップフォイル部１２ａ１の周方向一端（回転方向先行側の端部）を含む領域は、隣接するフォイル１２の突出部１２ｂ１に乗り上げているため、軸受面が、回転方向先行側へ向けて軸１３の外周面に徐々に接近する。これにより、各フォイル１２の軸受面と軸１３の外周面との間に、回転方向先行側へ向けて徐々に狭くなったラジアル軸受隙間が形成され、ラジアル軸受隙間の幅狭側に流体が押し込まれる。これにより、ラジアル軸受隙間の流体膜の圧力が高められ、この圧力により軸１３がラジアル方向に非接触支持される。
【００３３】
ところで、フォイル１２は、差込部１２ａ２がフォイルホルダ１１の軸方向溝１１ｂに差し込まれることでフォイルホルダ１１に保持されており、フォイルホルダ１１に固定されていない。このため、フォイル１２は、フォイルホルダ１１に対する姿勢や位置の変化を許容されており、軸受隙間に生じる流体圧力の変動分に応じて弾性変形することができる。このような理由から、軸１３の回転中には、フォイル１２と他の部材とが摺動し、両者の間で摩擦力を生じる。具体的には、軸１３の回転中に、フォイル１２同士、あるいは、フォイル１２とフォイルホルダ１１とが摺動して摩擦力を生じる。
【００３４】
図６に示すように、軸１３が矢印Ｂ１方向へ回転すると、トップフォイル部１２ａ１と突出部１２ｂ１、トップフォイル部１２ａ１や突出部１２ｂ１とフォイルホルダ１１の内周面１１ａ、差込部１２ａ２と軸方向溝１１ｂの内壁とが摺動し、これらの間で摩擦力が生じる。そして、この摺動によって発生する摩擦力により、軸１３の回転時の振動を減衰させる効果を得ることができる。このため、フォイル軸受１０が回転する軸１３を安定して支持するために、上記の摩擦力を制御することが重要になる。
【００３５】
そこで、本実施形態では、フォイル１２の軸受面以外の面に、化成処理によって凹凸面を形成することにより、上記の摩擦力を大きくして振動減衰効果を高めている。具体的には、トップフォイル部１２ａ１の外径面、差込部１２ａ２の両面、第二領域１２ｂの両面（図２参照）に化成処理を施すことができる。ただし、これらの摺動面のうちの一部の面にだけ、化成処理により凹凸面を形成することもできるし、軸受面に何らかの理由によって化成処理が施してあってもよい。
【００３６】
具体的な方法としては、図７に示すように、フォイル１２の表面に処理剤を反応させて化学反応を起こさせることで、フォイル１２の表面に凹凸面１５ａを備えた化成被膜１５を形成する。これにより、フォイル１２の摺動面の摩擦係数を増加させ、振動減衰効果を高めている。本実施形態では、リン酸鉄、リン酸亜鉛、リン酸マンガンなどのリン酸塩やしゅう酸塩をフォイル１２の表面に作用させて化成被膜１５を形成することができる。また、クロム酸塩をフォイル１２の表面に作用させて化成被膜１５を形成するクロメート処理や、高温高濃度のアルカリ溶液をフォイル１２の表面に作用させて化成被膜１５を形成する黒染め処理を使用することもできる。これらの方法は、フォイル１２に用いられる材質や目的とするフォイル表面の粗さ等に応じて、適宜、最適な方法を選択することができる。一例として、リン酸亜鉛を処理剤として用いた化成処理により、凹凸面の最大高さ粗さ（Ｒｚ）が０．５〜４．０μｍの化成被膜１５をフォイル１２の表面に形成することができる。なお、ここでいう凹凸面の最大高さ粗さは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１−２００１で定義される最大高さ粗さのことである。
【００３７】
フォイル１２の表面に凹凸面を形成する方法として、上記のように、化成処理によってフォイル１２の表面に化成被膜を形成する方法を採用することで、低温で処理を施すことができ、処理時の加熱によるフォイル１２の変形を抑制することができる。また、物理的にフォイル１２の表面に凹凸面を形成する場合のように、フォイル１２に外力を加えることもないので、フォイル１２に変形や歪みも生じない。また、物理的な加工方法と比較して、凹凸面のバラつきを生じることなく、均等な粗さで形成することができる。従って、形状や特性のバラつきが生じにくく、安定して高速回転する軸を支持することのできるフォイル軸受を製造することができる。
【００３８】
さらに、上記の実施形態と異なる方法として、化成処理によりフォイル１２の表面を凹凸面に形成した後、化成被膜を取り除く方法を採用することができる。具体的には、まず、フォイル１２（図８ａ参照）の表面に化成処理を施す。この化成処理により、フォイル１２の表面に化成被膜１５が形成され、処理剤の作用によって、化成被膜１５とフォイル１２（母材）の間の界面に凹凸が形成される（図８ｂ参照）。その後、化学的に化成被膜１５をフォイル１２から除去することで、その表面に凹凸面１２ｄを有するフォイル１２を形成することができる（図８ｃ参照）。
【００３９】
上記の処理方法の一例として、日本パーカライジング社のケミブラスト（登録商標）処理を用いることができる。ケミブラスト処理では、処理剤によるエッチング作用でフォイルの表面に凹凸面を形成した後、フォイル表面に形成された化成被膜を脱膜する。この方法により、フォイルの表面粗さは、一例として最大高さ粗さ（Ｒｚ）が０．２〜５．０μｍの粗さを付与することができる。
【００４０】
図９に、上記のケミブラスト処理により形成したフォイル１２の凹凸面の拡大図を示す。本実施形態では、通常の化成処理と比較して、より微細で鋭い凹凸面を形成することができ、その表面積をより大きくすることができる。
【００４１】
本実施形態では、フォイル１２の表面自体を凹凸面としており、フォイル１２の表面に被膜を形成することなく、その摩擦係数を大きくすることができる。従って、凹凸面の形成によりフォイル１２の厚みがほとんど変化しないため、フォイル１２の可撓性の悪化や可撓性のバラつきが大きくなる等の悪影響を与えることがない。
【００４２】
また、フォイル１２の表面に被膜を形成する場合と異なり、被膜の剥離やフォイル軸受１０の経年使用による被膜の劣化等が生じることがなく、これらを防止するために被膜の状態を管理する必要がない。
【００４３】
さらに、前述した実施形態と同様、処理の過程でフォイルが加熱や外力による変形を生じることもなく、また、均一な粗さで凹凸面を形成することができる。
【００４４】
以上のことから、品質管理の手間をほとんど生じることなく、フォイル軸受の振動減衰効果を一定に保つことができ、安定して高速回転する軸を支持することのできるフォイル軸受を製造することができる。
【００４５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【００４６】
以上の実施形態では、フォイルの摺動面に化成処理を施す場合を例示したが、フォイルホルダ（他の部材）１１の内周面１１ａに化成処理を施して凹凸面を形成してもよい。これにより、フォイルとフォイルホルダ間の摩擦力を大きくし、軸の振動減衰効果を高めることができる。
【００４７】
軸１３の外周面あるいはフォイル１２の軸受面Ｘに、ＰＴＦＥ、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化タングステン膜、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もよい。これにより、軸１３とフォイル１２の間に生じる摩擦力を低減し、フォイル１２の損耗を減らすことができる。
【００４８】
以上の実施形態では、ラジアルフォイル軸受１０を多円弧軸受で構成した場合を示したが、これに限らず、各フォイルの周方向一端をフォイルホルダ１１の内周面１１ａに取り付けると共に、各フォイルの周方向他端を自由端とした、いわゆるリーフ型のラジアル軸受フォイルや、円筒状のトップフォイルの外径に波型のバックフォイルを配した、いわゆるバンプフォイル型のラジアル軸受フォイルを使用してもよい。また、スラストフォイル軸受に本発明を適用できることはもちろんである。この場合、上記の実施形態と同様に、フォイルの軸受面以外の面に凹凸面を形成することができる。
【００４９】
また、以上の実施形態では、軸１３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１３を固定側部材とし、フォイルホルダ１１を回転側部材とした場合にも図１の構成をそのまま適用することもできる。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。
【符号の説明】
【００５０】
１０      フォイル軸受
１１      フォイルホルダ
１１ａ    内周面
１１ｂ    軸方向溝（保持部）
１２      フォイル
１２ａ１  トップフォイル部
１２ａ２  差込部
１２ｂ１  突出部（アンダーフォイル部）
１２ｄ    凹凸面
１３      軸
１５      化成被膜
１５ａ    凹凸面
Ｘ        軸受面
【図１】
2018150971.tif 000003
【図２】
2018150971.tif 000004
【図３】
2018150971.tif 000005
【図４】
2018150971.tif 000006
【図５】
2018150971.tif 000007
【図６】
2018150971.tif 000008
【図７】
2018150971.tif 000009
【図８】
2018150971.tif 000010
【図９】
2018150971.tif 000011