(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォイルホルダと、前記フォイルホルダの端面に周方向に並べて取り付けられた複数のフォイルとを備え、周方向一方に相対回転する軸をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受であって、
各フォイルが、軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部の周方向一方側に設けられた延在部と、前記トップフォイル部の周方向他方側に設けられたアンダーフォイル部とを備え、
各フォイルの前記延在部が、周方向一方側に隣接する他のフォイルの背後に配され、
各フォイルの前記アンダーフォイル部が、周方向他方側に隣接する他のフォイルの前記トップフォイル部と前記フォイルホルダの端面との間に配され、
各フォイルに、前記フォイルホルダに固定された固定部を設け、
前記固定部が、前記トップフォイル部のうち、他のフォイルの前記アンダーフォイル部で支持されていない周方向領域に設けられたスラストフォイル軸受。
【請求項２】
各フォイルの前記延在部が、前記フォイルホルダの内周面に形成された凹部に差し込まれた請求項１記載のスラストフォイル軸受。
【請求項３】
各フォイルの前記トップフォイル部と前記アンダーフォイル部との周方向間に差込口を設け、
各フォイルの前記延在部が、周方向一方側に隣接する他のフォイルの前記差込口に差し込まれた請求項１又は２に記載のスラストフォイル軸受。
【請求項４】
前記固定部が、前記トップフォイル部から外径側又は内径側に延びている請求項１〜３の何れか１項に記載のスラストフォイル軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォイル軸受に関し、特に、軸をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
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しながら荷重を支持するものである。軸の回転時には、軸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。
【０００３】
例えば下記の特許文献１〜３には、軸をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受が示されている。このスラストフォイル軸受は、円盤状のフォイルホルダの端面の周方向複数箇所に複数のフォイル（トップフォイル）を取り付けたものである。各フォイルは、軸回転方向後方側の端部がフォイルホルダの端面に固定され、軸回転方向先行側の端部が自由端とされる。軸が回転すると、各フォイルの軸受面と軸に設けられたスラストカラー（スラストランナー）の端面との間にスラスト軸受隙間が形成され、このスラスト軸受隙間の流体膜により軸がスラスト方向に非接触支持される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６１−３６７２５号公報
【特許文献２】実開昭６１−３８３２１号公報
【特許文献３】特開昭６３−１９５４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１〜３に示されているスラストフォイル軸受では、トップフォイルの背後にバンプフォイルを配することで、トップフォイルに半径方向のバネ性を付与している。これにより、各トップフォイルの軸受面とスラストカラーとの間の隙間（スラスト軸受隙間）が、流体膜の圧力に応じた適切な幅に自動調整される。しかし、このようにバンプフォイルを設けることで、部品数が多くなってコストが高くなる。
【０００６】
また、上記のスラストフォイル軸受では、トップフォイルの軸回転方向先行側の端部が自由端となっているため、何らかの原因により軸が逆方向に回転した場合、各フォイルの自由端がめくり上がって軸と接触し、フォイルが損傷する恐れがある。
【０００７】
以上のような事情から、本発明が解決すべき課題は、スラストフォイル軸受のコストを低減すると共に、軸が逆回転したときのフォイルの損傷を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、フォイルホルダと、前記フォイルホルダの端面に周方向に並べて取り付けられた複数のフォイルとを備え、周方向一方に相対回転する軸をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受であって、各フォイルが、軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部の周方向一方側に設けられた延在部と、前記トップフォイル部の周方向他方側に設けられたアンダーフォイル部とを備え、各フォイルの前記延在部が、周方向一方側に隣接する他のフォイルの背後に配され、各フォイルの前記アンダーフォイル部が、周方向他方側に隣接する他のフォイルの前記トップフォイル部と前記フォイルホルダの端面との間に配されたスラストフォイル軸受を提供する。
【０００９】
このように、各フォイルのトップフォイル部とフォイルホルダとの間に、他のフォイルのアンダーフォイル部を配することで、トップフォイル部がアンダーフォイル部の上に乗り上げて湾曲する。軸が周方向一方に相対回転すると、上記のように湾曲したトップフォイル部の軸受面と、軸に設けられたスラストカラーの端面との間に楔状のスラスト軸受隙間が形成される。このとき、トップフォイル部の湾曲部が弾性変形することにより、スラスト軸受隙間の大きさが調整される。このように、トップフォイル部の湾曲部でフォイルにバネ性を付与することで、バンプフォイルを配する必要が無くなるため、フォイル軸受の部品数が削減されてコストが低減される。
【００１０】
また、上記のフォイル軸受では、各フォイルの周方向一方側に設けられた延在部が、周方向一方側に隣接する他のフォイルの背後に配されている。これにより、軸が逆方向（周方向他方側）に相対回転した場合でも、各フォイルの周方向一方の端部（延在部）がめくり上がることがないため、フォイルの損傷を防止できる。
【００１１】
上記のフォイル軸受では、例えば、各フォイルの延在部を、フォイルホルダの内周面に形成された凹部に差し込むことにより、複数のフォイルをフォイルホルダに取り付けることができる。
【００１２】
また、上記のフォイル軸受では、各フォイルのトップフォイル部とアンダーフォイル部との周方向間に差込口を設け、各フォイルの延在部を、周方向一方側に隣接する他のフォイルの差込口に差し込むことができる。この場合、各フォイルのトップフォイル部及びアンダーフォイル部と、各フォイルの差込口に差し込まれた他のフォイルの延在部とが周方向で係合することにより、複数のフォイルを周方向で互いに位置決めすることができる。
【００１３】
また、上記のフォイル軸受では、各フォイルに、フォイルホルダに固定された固定部を設けてもよい。固定部は、例えば、トップフォイル部から外径側又は内径側に延ばして形成される。
【００１４】
例えば、固定部をトップフォイル部の周方向全域に設けると、トップフォイル部（軸受面）の変形が阻害され、楔状のスラスト軸受隙間が形成されにくくなる恐れがある。そこで、固定部は、フォイルの周方向一部のみに設けることが好ましく、具体的には、例えばトップフォイル部のうち、他のフォイルのアンダーフォイル部で支持されていない周方向領域に設けることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明によれば、スラストフォイル軸受のコストを低減すると共に、軸が逆回転したときのフォイルの損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るスラストフォイル軸受の断面図である。
【図２】（ａ）は、上記スラストフォイル軸受の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）図のスラストフォイル軸受の一部のフォイルを除去して示す斜視図である。
【図３】上記スラストフォイル軸受に設けられたフォイルの平面図である。
【図４】上記スラストフォイル軸受の周方向断面図である。
【図５】他の実施形態に係るフォイルの平面図である。
【図６】図５のフォイルを有するスラストフォイル軸受の平面図である。
【図７】他の実施形態に係るフォイルの平面図である。
【図８】図７のフォイルを有するスラストフォイル軸受の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係るスラストフォイル軸受を、図面に基づいて説明する。
【００１８】
スラストフォイル軸受２０は、図１に示すように、軸２に設けられたスラストカラー３との間に形成される流体膜で、軸２をスラスト方向に支持するものである。本実施形態のスラストフォイル軸受２０は、圧力発生流体として空気を用いる空気動圧軸受である。スラストフォイル軸受２０は、図２に示すように、円盤状のフォイルホルダ２１と、フォイルホルダ２１の端面２１ａに取り付けられた複数のフォイル２２とを有する。尚、以下では、軸２の回転方向先行側（図２の矢印方向先行側）を「周方向一方側」、軸２の回転方向後方側（図２の矢印方向後方側）を「周方向他方側」と言う。
【００１９】
フォイルホルダ２１は、金属あるいは樹脂で形成される。フォイルホルダ２１を形成する金属としては、例えば焼結金属や溶製材（例えば鋼材）が挙げられる。フォイルホルダ２１は、軸２が挿入される内孔２１ｂを有する中空円盤状を成している。フォイルホルダ２１の一方の端面２１ａには複数のフォイル２２が取り付けられ、フォイルホルダ２１の他方の端面２１ｃは、図示しないハウジングに固定される。フォイルホルダ２１の一方の端面２１ａのうち、周方向に離隔した複数箇所には、フォイル２２の端部を取り付けられるための凹部として、半径方向溝２１ｄが形成される（図２（ｂ）参照）。各半径方向溝２１ｄの両端は、それぞれフォイルホルダ２１の内周面及び外周面に開口している。尚、半径方向溝２１ｄの一端あるいは両端に、フォイル２２と係合してフォイル２２の半径方向移動を規制する係止部を設けてもよい。係止部は、フォイルホルダ２１と一体あるいは別体に設けることができる。
【００２０】
フォイル２２は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属で形成され、例えば鋼や銅合金で形成される。フォイル２２は、厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の金属フォイルにプレス加工や放電加工を施すことで形成される。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、金属フォイルとして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。
【００２１】
各フォイル２２は、図３に示すように、トップフォイル部２２ａと、トップフォイル部２２ａの周方向一方側に設けられた延在部２２ｂと、トップフォイル部２２ａの周方向他方側に設けられたアンダーフォイル部２２ｃとを有する。
【００２２】
トップフォイル部２２ａは、扇形を成している。トップフォイル部２２ａの一方の面は、スラストカラー３の端面３ａと軸方向で対向する軸受面として機能する（図４参照）。本実施形態では、各フォイル２２のうち、スラストカラー３の端面３ａと直接対向する面が、全てトップフォイル部２２ａで構成される。すなわち、各フォイル２２の延在部２２ｂ及びアンダーフォイル部２２ｃは、他のフォイル２２のトップフォイル２２ａの背後に配され、スラストカラー３側に露出していない（図２参照）。
【００２３】
延在部２２ｂは、トップフォイル部２２ａから周方向一方側に延びている。図示例では、延在部２２ｂが、各フォイル２２の半径方向両端（内径端及び外径端）に設けられている。
【００２４】
アンダーフォイル部２２ｃは、トップフォイル部２２ａから周方向他方側に延びている。図示例のアンダーフォイル部２２ｃの半径方向幅は、トップフォイル部２２ａの半径方向幅と等しい。この他、アンダーフォイル部２２ｃとトップフォイル部２２ａの半径方向幅を若干異ならせてもよく、例えば、アンダーフォイル部２２ｃの半径方向幅をトップフォイル部２２ａの半径方向幅よりも若干小さくしてもよい。
【００２５】
トップフォイル部２２ａとアンダーフォイル部２２ｃとの境界には、隣接するフォイル２２の延在部２２ｂが差し込まれる差込口２２ｄが設けられる。差込口２２ｄは、延在部２２ｂと同じ半径方向位置に設けられ、図示例ではフォイル２２の半径方向両端に設けられる。各差込口２２ｄの半径方向幅は、ここに差し込まれる延在部２２ｂの半径方向幅よりも若干大きい。各差込口２２ｄは、それぞれフォイル２２の半径方向端部に開口している。
【００２６】
各フォイル２２の延在部２２ｂは、周方向一方側に隣接するフォイル２２の差込口２２ｄに差し込まれ、隣接するフォイル２２のトップフォイル部２２ａの背後に配される（図４参照）。また、各フォイル２２の延在部２２ｂは、フォイルホルダ２１の一方の端面２１ａの半径方向溝２１ｄに差し込まれる。一方、各フォイル２２のアンダーフォイル部２２ｃは、周方向他方側に隣接するフォイル２２のトップフォイル部２２ａとフォイルホルダ２１の一方の端面２１ａとの間に配される。これにより、トップフォイル部２２ａのうち、周方向一方側の領域は、他のフォイル２２のアンダーフォイル部２２ｃで背後から支持され、周方向他方側の領域は、他のフォイル２２のアンダーフォイル部２２ｃで支持されず、フォイルホルダ２１の一方の端面２１ａと接触している。
【００２７】
軸２及びスラストカラー３が周方向一方（図４の矢印方向）に回転すると、スラストフォイル軸受２０の各フォイル２２のトップフォイル部２２ａの軸受面とスラストカラー３の端面３ａとの間に、スラスト軸受隙間Ｔが形成される。このとき、トップフォイル部２２ａのうち、周方向一方側の領域が、隣接するフォイルのアンダーフォイル部２２ｃの上に乗り上げて湾曲することで、スラスト軸受隙間Ｔは、周方向一方側（軸回転方向先行側）へ行くにつれて狭くなった楔状を成す。このような楔状のスラスト軸受隙間Ｔの幅狭側に空気が押し込まれることにより、スラスト軸受隙間Ｔの空気膜の圧力が高められ、この圧力により軸２及びスラストカラー３がスラスト方向に非接触支持される。
【００２８】
このとき、各フォイル２２のトップフォイル部２２ａの湾曲部分が有するバネ性（可撓性）により、各フォイル２２の軸受面が、荷重や軸２の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて任意に変形するため、スラスト軸受隙間Ｔは運転条件に応じた適切幅に自動調整される。そのため、高温・高速回転といった過酷な条件下でも、スラスト軸受隙間Ｔを最適幅に管理することができ、軸２を安定して支持することが可能となる。このように、上記のスラストフォイル軸受２０では、各フォイル２２のトップフォイル部２２ａを他のフォイル２２のアンダーフォイル部２２ｃに乗り上げて湾曲させることで、トップフォイル部２２ａにバネ性を付与することができるため、フォイル２２にバネ性を付与するための別途の部品（バンプフォイル等）が不要となり、部品数を削減することができる。
【００２９】
特に、図示例では、各フォイル２２の延在部２２ｂをフォイルホルダ２１の半径方向溝２１ｄに差し込むことにより、トップフォイル部２２ａの周方向一端近傍がフォイルホルダ２１の端面２１ａに対して傾斜している。これにより、トップフォイル部２２ａのうち、周方向一方側の領域を、スラストカラー３側（図中上方）に盛り上がるように湾曲させやすくなるため、楔状のスラスト軸受隙間が形成されやすくなると共に、トップフォイル部２２ａのバネ性を高めることができる。
【００３０】
尚、軸２が周方向一方に回転している時は、軸２の回転に伴って流動する流体（空気）との摩擦により、各フォイル２２が回転方向先行側に押し込まれ、フォイルホルダ２１の半径方向溝２１ｄの奥部に突き当たる。これにより、フォイル２２の回り止めが行われ、フォイル２２がフォイルホルダ２１に対して周方向で位置決めされる。
【００３１】
また、上記のスラストフォイル軸受２０では、各フォイル２２の周方向一端（延在部２２ｂ）は、他のフォイル２２のトップフォイル部２２ａの背後に配されており、スラストカラー３の端面３ａと直接対向していない。これにより、軸２が何らかの原因により図４の矢印と逆向きに回転した場合でも、各フォイル２２の周方向一端がめくり上がることはなく、フォイル２２の損傷が防止される。
【００３２】
また、上記のスラストフォイル軸受２０では、各フォイル２２のトップフォイル部２２ａが、周方向中間部が盛り上がるように湾曲している。このため、軸２が逆回転したときには、トップフォイル部２２ａの頂部よりも周方向一方側に、逆回転方向側（図４の矢印と反対側）へ向けて隙間幅が徐々に狭くなる楔状のスラスト軸受隙間Ｔ’が形成される。このスラスト軸受隙間Ｔ’の周方向幅はそれほど大きくないが、軸２の逆回転に伴って流動する空気がスラスト軸受隙間Ｔ’の幅狭側に押し込まれることで、逆回転するスラストカラー３を浮上支持する力を多少なりとも得ることができる。このため、上記のスラストフォイル軸受２０は、軸２の逆回転をある程度許容することができる。
【００３３】
また、各フォイル２２は、フォイルホルダ２１に完全に固定されておらず、フォイルホルダ２１に対して移動可能とされる。従って、軸２の回転中は、スラスト軸受隙間Ｔに形成された空気膜の影響でフォイル２２がフォイルホルダ２１に押し付けられ、これに伴って各フォイル２２とフォイルホルダ２１、特に、各フォイル２２のトップフォイル部２２ａ及びアンダーフォイル部２２ｃの外径面とフォイルホルダ２１の一方の端面２１ａとの間に微小摺動が生じる。この微小摺動による摩擦エネルギーにより、軸２の振動を減衰させることができる。
【００３４】
尚、軸２の停止直前や起動直後の低速回転時には、各フォイル２２の軸受面とスラストカラー３の端面３ａとが接触摺動するため、これらの何れか一方または双方に、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。また、フォイル２２とフォイルホルダ２１との間の微小摺動による摩擦力を調整するために、これらの何れか一方または双方に、上記のような低摩擦化被膜を形成してもよい。
【００３５】
本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と重複する点の説明は省略する。
【００３６】
図５に示すフォイル２２は、アンダーフォイル部２２ｃの周方向他方側の縁に、周方向一方側に向けて半径方向幅を徐々に狭めた切り欠き部２２ｃ１を有する。このようなフォイル２２を用いたスラストフォイル軸受２０では、図６に示すように、各フォイル２２のアンダーフォイル部２２ｃの上に、他のフォイル２２のトップフォイル部２２ａが乗り上げることにより、トップフォイル部２２ａに切り欠き部２２ｃ１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２２ａに沿って流れる流体が、上記の段差に沿って流れてトップフォイル部２２ａの半径方向中央側に集められ（点線矢印参照）、圧力向上効果が高められる。
【００３７】
尚、図５及び図６では、切り欠き部２２ｃ１が円弧状に形成されているが、これに限らず、切り欠き部２２ｃ１を、楕円弧状や、Ｕ字形状、Ｖ字形状等としてもよい。あるいは、アンダーフォイル部２２ｃの周方向他方側の縁全体を、周方向一方側へ向けて内径側に傾斜させたスパイラル状としてもよい。
【００３８】
以上の実施形態では、各フォイル２２全体がフォイルホルダ２１に対して相対移動可能である場合を示したが、これに限らず、各フォイル２２の一部をフォイルホルダ２１に固定してもよい。例えば、図７に示すように、フォイル２２のトップフォイル部２２ａから外径側に突出した固定部２２ｅを設け、この固定部２２ｅをフォイルホルダ２１の端面２１ａに固定してもよい。固定部２２ｅは、例えば図８に示すように、環状の固定部材２３とフォイルホルダ２１とで軸方向両側から挟持されることで、フォイルホルダ２１に固定される。固定部材２３は、ボルトや溶接等の適宜の手段でフォイルホルダ２１に固定される。尚、固定部２２ｅのフォイルホルダ２１への固定は、固定部材２３を用いた方法に限らず、例えば溶接や接着等により固定部２２ｅを直接フォイルホルダ２１に固定してもよい。
【００３９】
図７及び図８に示す実施形態では、固定部２２ｅが、トップフォイル部２２ａの周方向他方側の端部付近に設けられ、特に、トップフォイル部２２ａのうち、他のフォイル２２のアンダーフォイル部２２ｃで背後から支持されていない周方向領域内に設けられる。この場合、トップフォイル部２２ａのうち、周方向一方側の領域（アンダーフォイル部２２ｃで支持された領域）は、固定部２２ｅにより変形が阻害されにくいため、図４に示すようにトップフォイル部２２ａを湾曲させやすくなり、楔状のスラスト軸受隙間Ｔを確実に形成することができる。
【００４０】
尚、固定部２２ｅは、トップフォイル部２２ａの内径側に設けてもよい。ただし、トップフォイル部２２ａの外径側の方が、内径側よりも周方向長さが長いため、固定部２２ｅを設ける領域を十分に確保することができる。また、固定部２２ｅは、トップフォイル部２２ａの外径側及び内径側の双方に設けてもよい。ただし、この場合、フォイル２２がフォイルホルダ２１に対してほとんど移動することができないため、フォイル２２とフォイルホルダ２１との摺動による振動減衰効果が小さくなってしまう。従って、十分な振動減衰効果を得るためには、トップフォイル部２２ａの外径側あるいは内径側の一方のみに固定部２２ｅを設けることが好ましい。
【００４１】
本発明にかかるフォイル軸受の適用対象は、例えばガスタービンのタービン軸を支持する軸受や、ターボチャージャ（過給機）のロータを支持する軸受として好適に使用することができる。また、本発明にかかるフォイル軸受は、ガスタービンやターボチャージャ等のターボ機械に限らず、油の使用が制限される車両用軸受や産業機器用軸受として広く使用することが可能である。
【００４２】
また、以上に説明した各フォイル軸受は、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できる。
【００４３】
また、以上の説明では、スラストフォイル軸受２０が固定側、軸２が回転側である場合を示したが、これに限らず、スラストフォイル軸受２０が回転側、軸２が固定側である場合や、スラストフォイル軸受２０及び軸２の双方が回転する場合にも、本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
２     軸
３     スラストカラー
２０   スラストフォイル軸受
２１   フォイルホルダ
２１ｄ 半径方向溝（凹部）
２２   フォイル
２２ａ トップフォイル部
２２ｂ 延在部
２２ｃ アンダーフォイル部
２２ｄ 差込口
２２ｅ 固定部
２３   固定部材
Ｔ     スラスト軸受隙間
【図１】
0006615573.tif 000002
【図２】
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【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】
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