(57)【要約】      （修正有）【課題】高度な加工精度および組立精度を必要とせずに高い負荷容量を得ることが出来るフォイル軸受を提供する。【解決手段】回転軸を有する回転部材を支持するトップフォイル７と、該トップフォイルを支持するバックフォイル９から構成され、軸前記回転部材の回転初期段階では前記トップフォイルが前記回転部材の一部と摺動し、回転初期以降は前記トップフォイルと前記回転部材の間に流体膜が形成される事により、該流体膜の圧力によって前記回転部材が少なくとも一部において前記トップフォイルと非接触になるフォイル軸受であって、前記トップフォイルは回転部材との摺動面が樹脂で形成されており、前記回転初期段階においては、前記トップフォイルの摺動部側端部付近が摺動摩耗することにより、該トップフォイルの摺動部側端部付近が、回転部材の摺動面に対して平行に摩耗する摩耗面を形成する事を特徴とするフォイル軸受。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を有する回転部材を支持するトップフォイルと、該トップフォイルを支持するバックフォイルから構成され、前記回転部材の回転初期段階では前記トップフォイルが前記回転部材の一部と摺動し、回転初期以降は前記トップフォイルと前記回転部材の間に流体膜が形成される事により、該流体膜の圧力によって前記回転部材が少なくとも一部において前記トップフォイルと非接触になるフォイル軸受であって、前記トップフォイルは回転部材との摺動面が樹脂で形成されており、前記回転初期段階においては、前記トップフォイルの摺動部側端部付近が摺動摩耗することにより、該トップフォイルの摺動部側端部付近が、回転部材の摺動面に対して平行に摩耗する摩耗面を形成する事を特徴とするフォイル軸受。
【請求項２】
前記トップフォイルの摺動部側端部と前記バックフォイル間に、該トップフォイルに傾斜面を成すためのスペーサーを形成した事を特徴とする請求項１のフォイル軸受。
【請求項３】
前記トップフォイルの摺動面形成する樹脂がポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）及びフェノール樹脂の少なくとも１種からなる熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂である請求項１〜２のフォイル軸受。
【請求項４】
前記熱硬化性樹脂又は前記熱硬化性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）又はフェノール樹脂である請求項３のフォイル軸受。
【請求項５】
前記バックフォイルが弾性変形可能な板部材で構成される請求項１〜５のフォイル軸受。
【請求項６】
前記板部材がウレタンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴムなどやオレフィン系、ポリエステル系、ポリウレタン系のエラストマーでの少なくとも１種で形成してなる請求項５のフォイル軸受。
【請求項７】
前記回転部材をスラスト方向に支持する請求項１〜６のフォイル軸受。
【請求項８】
前記回転部材をラジアル方向に支持する請求項１〜６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】
動圧軸受の一種に分類されるフォイル軸受はガスタービンやターボチャージャなど回転軸が高速回転する条件下や高温条件下で軸を支持するための軸受として使用されている。フォイル軸受は可撓性を有する薄膜（フォイル）で軸受摺動面を構成され、フォイルの弾性変形による軸受隙間の自己調整機能により、熱変形などに強く、広い温度範囲で使用可能な軸受である。フォイル軸受の軸受性能を安定的に確保するためには、数十μmの軸受隙間を常時確保する必要がある。一般的なフォイル軸受は動圧軸受の中でも特に構造が複雑である。そのため、各部品の公差や組立後の精度には厳重な管理が必要となり、高価なものにならざるを得ない。また動圧軸受は軸の停止時などでは軸と軸受面が接触および摺動を繰り返すために焼付きや破損を起こしやすい。
【０００３】
これらの課題に対して、フォイル軸受の構造を簡素化した例（特許文献１）や摺動するトップフォイルに架橋フッ素樹脂をコーティングした例（特許文献２）などが知られている。
【０００４】
特許文献１には、可撓性を有するトップフォイルと多孔質体で形成した弾性支持部材から構成されるフォイル軸受が開示されている
【０００５】
この特許文献１のフォイル軸受は構成部品の簡素化は可能であるが、各部品の公差や組立後の公差には厳重な管理が必要であることは変わらない。
【０００６】
一方、特許文献２には、可撓性を有する金属の薄板からなるトップフォイルとその外周に波型形状の金属薄板であるバックフォイルで構成されるフォイル軸受。さらに、トップフォイル部には架橋フッ素樹脂層を有し、始動時のトルクを低減するというフォイル軸受が開示されている。
【０００７】
この特許文献２のフォイル軸受はトップフォイル部に架橋フッ素樹脂のコーティングを行う必要があり、製造コストを増大させるという問題がある。また加工精度についても低減できていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１７７４５７
【特許文献２】特開２０１７−０３２０９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のフォイル軸受は波状のバックフォイルとシャフトと摺動するトップフォイルを有し、その構造は非常に複雑である。そのため、軸受としての性能を確保するためには高度な加工精度および組立精度が必要であった。これらの精度が不足していると摺動面に対する摺動部の高さが不均一になり、安定した負荷容量が得ることが出来ない。そのために軸受性能の調整作業が難しいという問題がある。
【００１０】
本発明では高度な加工精度および組立精度を必要とせずに高い負荷容量のフォイル軸受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】
【００１１】
本発明は、前述の課題解決のために、以下に構成するフォイル軸受を提供する。
【００１２】
（１）
回転軸を有する回転部材を支持するトップフォイルと、該トップフォイルを支持するバックフォイルから構成され、前記回転部材の回転初期段階では前記トップフォイルが前記回転部材の一部と摺動し、回転初期以降は前記トップフォイルと前記回転部材の間に流体膜が形成される事により、該流体膜の圧力によって前記回転部材が少なくとも一部において前記トップフォイルと非接触になるフォイル軸受であって、前記トップフォイルは回転部材との摺動面が樹脂で形成されており、前記回転初期段階においては、前記トップフォイルの摺動部側端部付近が摺動摩耗することにより、該トップフォイルの摺動部側端部付近が、回転部材の摺動面に対して平行に摩耗する摩耗面を形成する事を特徴とするフォイル軸受。
【００１３】
（２）
前記トップフォイルの摺動部側端部と前記バックフォイル間に、該トップフォイルに傾斜面を成すためのスペーサーを形成した事を特徴とする（１）記載のフォイル軸受。
【００１４】
（３）
前記トップフォイルの摺動面形成する樹脂がポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）及びフェノール樹脂の少なくとも１種からなる熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂である（１）〜（２）の何れかに記載のフォイル軸受。
【００１５】
（４）
前記熱硬化性樹脂又は前記熱硬化性樹脂が、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）又はフェノール樹脂である（３）記載のフォイル軸受。
【００１６】
（５）
前記バックフォイルが弾性変形可能な板部材で構成される（１）〜（５）の何れかに記載のフォイル軸受。
【００１７】
（６）
前記板部材がウレタンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴムなどやオレフィン系、ポリエステル系、ポリウレタン系のエラストマーでの少なくとも１種で形成してなる（５）記載のフォイル軸受。
【００１８】
（７）
前記回転部材をスラスト方向に支持する（１）〜（６）の何れかに記載のフォイル軸受。
【００１９】
（８）
前記回転部材をラジアル方向に支持する（１）〜（６）の何れかに記載のフォイル軸受。
【発明の効果】
【００２０】
以上にしてなる本発明のフォイル軸受は摺動面に樹脂を用いる事で、回転初期段階においてトップフォイルの摺動部側端部付近が摺動摩耗することにより、トップフォイルの摺動部側端部付近が、回転軸の摺動面に対して平行に摩耗する摩耗面を形成する。摺動面と摩耗面は同一曲面を持つ為に、回転初期以降はトップフォイルと回転部材の間に均等な流体膜が形成される。これにより、浮上しようとする流体の力（動圧）が摺動面に均等にかかる為に、安定した負荷容量を得ることが可能となる。
【００２１】
すなわち、組立の精度にバラツキがあっても、トップフォイルの摺動部側端部付近が、回転軸の摺動面に対して平行に摩耗させることによって、回転軸の摺動面に対して平行に形成された摩耗面が摺動面と同一曲面になるために、そのバラツキを解消させることが出来る。これにより必要となる各構成部品の加工精度および組立精度を低減できる。
【００２２】
トップフォイルに樹脂を用いることで、耐熱性や耐薬品性など必要特性に応じたベース樹脂を選択し、又は樹脂組成を配合することが可能であり、なおかつ樹脂に添加する繊維補強材や固体潤滑材、耐熱剤及び難燃剤等を添加する事が可能となり、これにより、などを選択することによって、摩擦係数や摩耗特性などを適宜選択する事や、必要に応じた物性を付与する事が可能となる。
【００２３】
またトップフォイルに樹脂を用いることで、摺動面に潤滑油や水などの液体が存在する流体潤滑だけでなく、無潤滑でも使用が可能となる。
【００２４】
バックフォイルに弾性変形可能な板部材を用いることで、構造を単純化する事ができ、性能試算が容易になる。
【００２５】
バックフォイルに弾性変形可能な板部材を用いることで、構成部材の硬さなどの物性値を変えるだけで、負荷容量などの軸受性能を変えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】フォイル軸受の支持構造図である。
【図２】スラストフォイル軸受の斜視図、側面図及び側面図の摺動部拡大図である。
【図３】スラストフォイル軸受の摺動後の摺動部拡大図である。
【図４】スラストフォイル軸受に関する摺動前後の高さ関係を示すグラフである。
【図５】ラジアルフォイル軸受の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１はスラスト方向およびラジアル方向の軸を支持する本発明のフォイル軸受の支持構造図である。
【００２８】
回転軸１は、スラストフォイル軸受４によってスラスト方向に支持される円盤状の円盤部材３と円盤部材３の中心部からスラスト方向に延び、ラジアルフォイル軸受５によってラジアル方向に支持される円柱状のシャフト２から構成される。尚、回転軸１の円盤部材３の中心部からシャフト２の軸中心線へかけて延長する直線が回転軸となる。
【００２９】
スラストフォイル軸受４は円盤部材３の表面３ａ又は裏面３ｂに対面するように設けられ、軸方向にかかる荷重を支持する。スラストフォイル軸受４ａは、シャフト２から円盤部材３へ向かって係る荷重を、円盤部材３の表面３ａで支持する軸受けである。また、スラストフォイル軸受４ｂは、円盤部材３からシャフト２へ向かって係る荷重を、円盤部材の裏面３ｂで支持する軸受である。
【００３０】
ラジアルフォイル軸受５はシャフト２の円周面に対面するように設けられ、回転軸が延びる方向に対して垂直方向にかかる荷重を支持する。
【００３１】
回転軸１に対して、スラストフォイル軸受４およびラジアルフォイル軸受５がそれぞれ当接する面には摺動面６が存在する。
【００３２】
図２(ａ)は本発明のスラストフォイル軸受４の斜視図であり、図２(ｂ)は図２(ａ)に示すスラスト軸受４の側面図である。また、図２(ｃ)は図２(ｂ)に示す側面図の摺動部拡大図である。
【００３３】
スラストフォイル軸受４は全体が円盤状のドーナツ円盤形であり、トップフォイル７、スペーサー８、バックフォイル９、ハウジング１０の積層構造で構成される。バックフォイル９は全体が扇形の板状に形成されており、ドーナツ円盤状のハウジング１０に６個周設して積層され、６個の扇形のバックフォイル９が、ハウジング１０表面全体を覆うようドーナツ状に周設して固定されている。さらに、バックフォイル９の上面にはトップフォイル７が積層固定される。
【００３４】
トップフォイル７とバックフォイル９の間に金属製で扇形板状のスペーサー８を配置することによって傾斜面１１とトップフォイル７が一段高くなった摺動部側端部１２が形成される。この結果、回転軸１とトップフォイル７の間に楔状の隙間が形成され、回転部材が回転すると、流体膜による動圧が発生する。発生した動圧に応じて、トップフォイル７およびバックフォイル９が弾性変形し、回転軸１とトップフォイル７との隙間を安定浮上するための最適な隙間に変形する。
【００３５】
本実施形態では、トップフォイル７の摺動面を樹脂にて形成する事より本発明の目的を達成しているが、製造コストおよび精度低減という理由でも樹脂が良い。
【００３６】
トップフォイル７の厚みは適切な可撓性を有するという理由で０．１〜５．０mmが良い。さらに好ましくは０．３〜２．０mmが良い。
【００３７】
トップフォイル７の平面視形状は扇形、三角形、長方形、円形など何でも良いが、ドーナツ円盤形のフォイル軸受においては、複数のトップフォイル７を等間隔にドーナツ状に周設する事で安定した均一な動圧を得られるという理由で扇形が最も良い。
【００３８】
トップフォイル７を構成する材料はポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリエーテルイミド（PEI）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリイミド（PI）、ポリアセタール（POM）、ポリアミド（PA）などの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などが良い。中でも耐熱性および摺動性に優れるポリエーテルエーテルケトン（PEEK）が良い。
【００３９】
バックフォイル９の厚みは適切な撓み特性が得られ、適切な動圧が発生するという理由で０．５〜１０mmが良い。さらに好ましくは１．０〜５．０mmが良い。
【００４０】
バックフォイル９の形状は板状、バネ板状、断面波状など何でも良いが、設計及び性能試算を容易にするとともに、製造コストを抑えられるという理由で板状が良い。
【００４１】
バックフォイル９の平面視形状は扇形、三角形、長方形、円形など何でも良いが、安定した均一な動圧を得られるという理由で扇形が最も良い。
【００４２】
バックフォイル９を構成する材料はウレタンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、エチレンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴムなどやオレフィン系、ポリエステル系、ポリウレタン系のエラストマーなどが良い。中でも耐熱性に優れるシリコンゴム、フッ素ゴムが良い。
【００４３】
図３はスラストフォイル軸受４の摺動後の側面図の摺動部拡大図であり、回転初期段階でトップフォイル７の摺動部側端部１２付近が摺動摩耗することにより、トップフォイル７の摺動部側端部１２付近が、回転軸の摺動面に対して平行に摩耗する摩耗面１３を形成する。
【００４４】
図４はスラストフォイル軸受４の摺動前後の高さ関係を測定した結果を示すグラフである。スラストフォイル軸受４を前記構成にて作製し、摺動前後で高さ方向の寸法を行った。測定方法としては定盤上にスラスト軸受４およびダイアルゲージを設置し、同一円周上20°等配で測定を行った結果である。高さ測定にはダイヤルゲージ（ミツトヨ製「ID-F150」）を用いた。
【００４５】
図４の摺動条件は回転軸を15000rpmで回転させ、シャフトから円盤部材方向に向かうスラスト荷重をエアーで負荷した。摺動前は摺動部側端部の高さ寸法のバラツキは最大96μmであったのに対し、摺動後は最大54μmであった。すなわち、回転初期段階においてトップフォイルの摺動部側端部付近が摺動摩耗することにより、高さのバラツキを緩和できるという結果が得られたのである。これにより、浮上しようとする流体の力（動圧）が摺動面に均等にかかり、安定した負荷容量を得ることが可能となる。
【００４６】
図５はラジアルフォイル軸受５の軸方向に対して垂直方向に切った断面図である。スラストフォイル４と同様に、トップフォイル７、スペーサー８、バックフォイル９、ハウジング１０の積層構造で構成する事で、ラジアルフォイル軸受に関してもスラストフォイル軸受を同等の効果がある。
【符号の説明】
【００４７】
１：回転軸
２：シャフト
３：円盤部材
３ａ：円盤部材表面
３ｂ：円盤部材裏面
４：スラストフォイル軸受
５：ラジアルフォイル軸受
６：摺動面
７：トップフォイル
８：スペーサー
９：バックフォイル
１０：ハウジング
１１：傾斜部
１２：摺動部側端部
１３：摩耗面
【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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