(57)【要約】【課題】より一層広い速度範囲に渡って回転を安定化することのできるフォイル式流体軸受を提供する。【解決手段】フォイル式流体軸受（１）のフォイルアセンブリを、静止保持部材の上半部のある位置に一端が固定されてジャーナル部の外周面の略全周に対向するように設けられたトップフォイル（５）と、トップフォイルの外周側に設けられた複数のスプリングフォイル（６）とからなるものとし、スプリングフォイルを、静止保持部材に対する結合部（８）とトップフォイルとの摺接部（９）とを曲げ加工で形成された弾発部材からなり、それぞれの摺接部の一部同士を互いに重ね合わせて円周方向に連設されるものとした。これにより、スプリングフォイルの一つ一つを短寸化し得るので、高剛性なものを比較的安価に製作することができる。しかも多数のスプリングフォイルで回転体の荷重を分散して受け止めるので、個々のスプリングフォイルのコンプライアンスを適度に高めることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体のジャーナル部の外周を環状の空隙を介して囲む静止保持部材と、前記空隙に配置されて前記ジャーナル部を支持するフォイルアセンブリとを有するフォイル式流体軸受であって、
前記フォイルアセンブリは、前記静止保持部材の重力方向についての上半部のある位置に一端が固定され且つ円周方向の一方へ向けて円筒状に巻かれて前記ジャーナル部の外周面の略全周に対向するように設けられたトップフォイルと、該トップフォイルと前記静止保持部材との間の環状空隙に設けられた複数のスプリングフォイルとからなり、
前記スプリングフォイルは、前記静止保持部材に対する結合部と前記トップフォイルとの摺接部とを曲げ加工で形成された弾発部材からなり、それぞれの前記摺接部の一部同士を互いに重ね合わせて円周方向に連設されることを特徴とするフォイル式流体軸受。
【請求項２】
前記スプリングフォイルは、前記結合部と前記摺接部との間に少なくとも２つの屈曲部を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のフォイル式流体軸受。
【請求項３】
前記摺接部は、前記トップフォイルの曲率と略同等の曲率の円弧面を有するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォイル式流体軸受。
【請求項４】
前記摺接部は、摩擦係数を調整するコーティングが施されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のフォイル式流体軸受。
【請求項５】
前記複数のスプリングフォイルのうち、重力方向について下側に位置するものの少なくとも一部に施されたコーティングの摩擦係数が、上側のそれよりも高い値に設定されていることを特徴とする請求項４に記載のフォイル式流体軸受。
【請求項６】
前記複数のスプリングフォイルのうち、重力方向について下側に位置するものの少なくとも一部の厚さ寸法が、上側のそれよりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のフォイル式流体軸受。
【請求項７】
前記複数のスプリングフォイルのうち、重力方向について下側に位置するものの少なくとも一部の摺接部の周方向寸法が、上側のそれよりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のフォイル式流体軸受。
【請求項８】
前記トップフォイルの前記ジャーナル部との対向面にＤＬＣ加工が施されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のフォイル式流体軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体のジャーナル部の外周を環状の空隙を介して囲む静止保持部材と、空隙に配置されてジャーナル部を支持するフォイルアセンブリとを有するフォイル式流体軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
数万ｒｐｍで高速回転する軸の軸受として、軸受面をフォイル（可撓膜）で構成し、軸の回転に伴って軸とフォイルとの間に引き込まれる流体の流体圧力によって軸を支持するように構成されたフォイル式流体軸受が知られている。このようなフォイル式流体軸受として、半径方向内側に配置された円筒状のベアリングシートと、その半径方向外側に配置された波板状のバンプフォイルとでフォイルアセンブリを構成したものが知られている（例えば、米国特許第４２７７１１３号明細書を参照されたい）。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第４２７７１１３号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種のフォイル式流体軸受においては、回転部分の質量とバンプフォイルの支持剛性とで定まるある特定の回転速度で突発的に振動振幅が増大する共振現象を発生することが知られている。この共振現象の振幅を小さく抑えるには、回転部分の動的不釣合を限りなくゼロに近づけることは勿論、フォイル式流体軸受の支持剛性（軸の変位に対抗してフォイルアセンブリが発生する摩擦減衰力）をできるだけ高めることが有効である。
【０００５】
しかるに、従来知られている波形のバンプフォイルＦは、図５に示したように、湾曲面で接触するため、トップフォイル５ａとの摺接面及び静止保持部材３ａとの摺接面の周方向寸法Ａ、Ｂを大きくする上での限界点が低かった。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、フォイルアセンブリが発生する摩擦減衰力より一層高め、より広い速度範囲に渡って回転を安定化することのできるフォイル式流体軸受を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明の請求項１においては、回転体のジャーナル部（２）の外周を環状の空隙を介して囲む静止保持部材（３）と、前記空隙に配置されてジャーナル部を支持するフォイルアセンブリ（４）とを有するフォイル式流体軸受（１）において、前記フォイルアセンブリを、静止保持部材の重力方向についての上半部のある位置に一端が固定され且つ円周方向の一方へ向けて円筒状に巻かれてジャーナル部の外周面の略全周に対向するように設けられたトップフォイル（５）と、該トップフォイルと静止保持部材との間の環状空隙に設けられた複数のスプリングフォイル（６）とからなるものとし、前記スプリングフォイルを、前記静止保持部材に対する結合部（８）と前記トップフォイルとの摺接部（９）とを曲げ加工で形成された弾発部材からなり、それぞれの前記摺接部の一部同士を互いに重ね合わせて円周方向に連設されるものとした。
【０００８】
このようにすれば、スプリングフォイルの一つ一つを短寸化し得るので、回転体の荷重を受けても塑性域に入り難い高剛性なものを比較的安価に製作することができる。しかも多数のスプリングフォイルで回転体の荷重を分散して受けるようにし得るので、個々のスプリングフォイルのコンプライアンスを適度に高めることができる。
【０００９】
請求項２においては、前記スプリングフォイルを、前記結合部と前記摺接部との間に少なくとも２つの屈曲部を有するものとした。これにより、半径方向に弾発力を発生するフォイルの形状を単純化し得るので、フォイルの製作が容易となり、しかも複数個を連続的に列設する際の位置決めが容易となり、形状安定性の高いフォイルアセンブリを製造することができる。
【００１０】
請求項３においては、前記摺接部を、前記トップフォイルの曲率と略同等の曲率の円弧面を有するものとした。これにより、トップフォイルとスプリングフォイルとの間の接触面積を容易に増大し得るので、摩擦力によって発生するクーロン減衰力をより一層大きくすることができる。
【００１１】
請求項４においては、前記摺接部に、摩擦係数を調整するコーティングを施すものとした。このように、例えば銅コーティング等を施して摺接面の摩擦係数を高めれば、摩擦力によって発生するクーロン減衰力をより一層大きくすることができる。
【００１２】
請求項５においては、前記複数のスプリングフォイルのうち、重力方向について下側に位置するものの少なくとも一部に施されたコーティングの摩擦係数を、上側のそれよりも高い値に設定することとした。これにより、下側に位置するスプリングフォイルの摺接部が摩擦抵抗の増大によって摺動変位し難くなり、下側に位置するスプリングフォイルの見掛け上の剛性をより高いものにすることができる。
【００１３】
請求項６においては、前記複数のスプリングフォイルのうち、重力方向について下側に位置するものの少なくとも一部の厚さ寸法を、上側のそれよりも大きく設定することとした。これにより、下側に位置するスプリングフォイルの剛性をより高く設定し得るので、下側に位置するスプリングフォイルをより変形し難くすることができる。
【００１４】
請求項７においては、前記複数のスプリングフォイルのうち、重力方向について下方に位置するものの少なくとも一部の摺接部の周方向寸法を、上側のそれよりも大きく設定することとした。これにより、下側に位置するスプリングフォイルの摺接部が摩擦抵抗の増大によって摺動変位し難くなり、下側に位置するスプリングフォイルの見掛け上の剛性をより高めることができる。
【００１５】
請求項８においては、前記トップフォイルの前記ジャーナル部との対向面にＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）加工を施すものとした。これにより、ジャーナル部とトップフォイル間の摩擦抵抗を低下させることができるので、始動時の回転をより一層滑らかにすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に基づき構成されたフォイル式流体軸受を概念的に示している。このフォイル式流体軸受１は、回転体と一体をなすジャーナル部２の外周を囲んだ上で回転不能に固定された円筒状の静止保持部材３と、ジャーナル部２の外周面と静止保持部材３の内周面との間に形成された環状の空隙Ｇに配置されたフォイルアセンブリ４とからなっている。
【００１８】
フォイルアセンブリ４は、環状空隙Ｇの内周側に配置されたトップフォイル５と、その外側に円周方向に連続配置された多数のスプリングフォイル６とからなっている。尚、図１は、フォイルアセンブリ４を誇張して描くために実用上の大きさのバランスは無視している。
【００１９】
トップフォイル５は、厚さが０．１ｍｍ程度のインコネル等のシート材を、ジャーナル部２の外周面に対して略全周に渡って対向するように概略円筒状に湾曲させたものであり、その一端は、静止保持部材３の内周面における重力方向について上側に位置する部分に溶接部７をもって固定されている。つまりトップフォイル５は、溶接固定された一端から図１における反時計方向に他端を延出することでジャーナル部２の外周面に巻き付いた態様とされている。またトップフォイル５の内周面、つまりジャーナル部２の外周面との対向面には、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）加工が施されており、ジャーナル部２との接触面の摩擦係数を極力減少させることにより、始動円滑性のより一層の向上を図っている。
【００２０】
スプリングフォイル６の一つ一つは、図２に示したように、厚さが０．１ｍｍ程度のインコネル等のシート材から切り出した概ね長方形の小片を２箇所ｃ１・ｃ２で曲げ加工してなり、静止保持部材３の内周面に固定される結合部８と、適宜な曲率の（好ましくはトップフォイル５の外周面と略同一曲率の）円弧をもって円周方向に延在する摺接部９と、これら結合部８と摺接部９とを連結する傾斜したカンチレバー部１０とからなっている。このスプリングフォイル６は、カンチレバー部１０の撓みにより、一つ一つが径方向についての弾発力を発生するように形成されている。
【００２１】
各スプリングフォイル６は、図３に示すように、先に静止保持部材３の内周面に固定したスプリングフォイル６の摺接部９の径方向内周面に、次に固定するスプリングフォイル６′の摺接部９′の周方向長の略半分の部分を重ね合わせた状態で、次のスプリングフォイル６′の結合部８′を静止保持部材３の内周面に溶接付けする、といった作業を順次繰り返すことにより、静止保持部材３の内周面にそれぞれの結合部８が溶接にて固定されている。これにより、トップフォイル５の外周面に対して弾発力を伴ってそれぞれの摺接部９が摺接するようにされている。この形式によると、例えば、図３における１枚目のスプリングフォイル６の摺接部９とカンチレバー部１０との屈曲部の稜線（ｃ１）に３枚目のスプリングフォイル６″の摺接部９″の遊端縁を合わせるといったことをすれば、高精度な位置決めを比較的容易に行うことができる。
【００２２】
静止保持部材３の中心を通る水平面よりも下側の領域ＬＨに配設されたスプリングフォイル６の摺接部９の内周面、つまりトップフォイル５の外周面に対向する面には、摩擦係数を高めるために、例えば銅コーティング１１が施されている。これにより、トップフォイル５に対するスプリングフォイル６の摩擦係数が、重力方向について下側に位置するものが上側に位置するものよりも高い値に設定されている。
【００２３】
このフォイル式流体軸受１によると、略円筒状をなすトップフォイル５の内周側空間にジャーナル部２が僅かな隙間を介して回転自在に支持されている。ここでフォイルアセンブリ４には、ジャーナル部２の下向き荷重が加わっているので、重力方向について下側に位置するスプリングフォイル６が半径方向外向きに変形する。このため、ジャーナル部２は、その中心を静止保持部材３の中心に対して下方へ偏心させた状態で時計回りに回転を開始する。すると、トップフォイル５との間の空気が回転するジャーナル部２に引きずられてジャーナル部２の下方の隙間に押し込まれてここに正圧が発生し、逆にジャーナル部２の上方の隙間に負圧が発生する。これらの空気力とジャーナル部２に作用する回転体の重量とが釣り合う平衡位置において、フォイルアセンブリ４の内周側にフローティング状態でジャーナル部２が支持される。
【００２４】
外力の作用や空気力の変動でジャーナル部２の中心が平衡位置から変位すると、空気膜層を介してジャーナル部２に押圧されたフォイルアセンブリ４が変形し、その際に発生するスプリングフォイル６の摺接部９の摩擦抵抗により、ジャーナル部２の移動を阻止する復元力が発生する。この復元力により、ジャーナル部２の平衡状態が安定的に保持される。
【００２５】
この作用を、より詳しく言うと、平衡位置にあったジャーナル部２が半径方向に変位すると、トップフォイル５に作用する遠心荷重が増大する。すると、その荷重を受けるスプリングフォイル６のカンチレバー部１０が、静止保持部材３に溶接付けされた結合部８との屈曲部ｃ２を支点として半径方向外向きに撓み、それに伴って摺接部９も半径方向外側に変位する。これにより、スプリングフォイル６の摺接部９は、トップフォイル５の外周面に対して図４中の矢印ａ方向に移動し、この際にトップフォイル５とスプリングフォイル６の摺接部９との間、及び各スプリングフォイル６の摺接部９同士の互いに重なり合った部分に摩擦抵抗力が作用する。これにより、ジャーナル部２の変位に対抗する摩擦減衰力が発生する。
【００２６】
さて、回転体の共振域（図４参照）での振幅増大を抑制するには、共振域においてより大きな摩擦減衰力を発生させることが必要である。そのために本実施例では、スプリングフォイル６のトップフォイル５との摺接面に銅コーティング１１を施すものとした。特に、重力方向について下側（ＬＨの領域）に位置するスプリングフォイル６に銅コーティング１１を施すことにより、下側スプリングフォイル６とトップフォイル５との間に、ジャーナル部２の共振域での振動不安定を抑制するに足りる大きな摩擦減衰力を発生させることができる。尚、上記実施例においては、下側スプリングフォイルの内周面に銅コーティング１１を施すものとしたが、トップフォイル５の外周面の水平面よりも下側部分（ＬＨの領域）に銅コーティングを施しても同様の効果を得ることができる。また各スプリングフォイル６の摺接部９の両面に施せば、互いに重なり合う摺接部９同士の摩擦係数を、摩擦減衰力をより一層高める上に適切に設定することができる。
【００２７】
他方、フォイルアセンブリ４の剛性を円周方向について均一にした場合、フォイルアセンブリ４の剛性中心は静止保持部材３の中心と一致することとなる。この状態でのジャーナル部２の低速回転域での平衡中心位置は、ジャーナル部２に作用する回転体の重量によるフォイルアセンブリ４の変形量で決まり、回転方向が時計回りの場合は、静止保持部材３の中心に対して左下に偏心した位置となる。この状態からジャーナル部２の回転速度が高くなると、ジャーナル部２には左上方へ向けての空気力が作用するので、ジャーナル部２の中心は、左下に偏心した位置からフォイルアセンブリ４の剛性中心（つまり静止保持部材３の中心）に向かって右回りに移動する。そしてジャーナル部２の中心が静止保持部材３の中心に接近すると、ジャーナル部２を浮揚させる空気力が低下するため、ジャーナル部２の中心は再び左下に移動する。この作用が回転速度に応じた周期で繰り返されることにより、ジャーナル部２の振れ回り不安定現象が発生する（図４の振れ回り域）。
【００２８】
このような不都合に対処するために、本発明においては、スプリングフォイル６の剛性を、静止保持部材３の中心を通る水平面より下側の領域ＬＨにあるものを上側の領域ＵＨにあるものよりも実質的に高くするものとした。これによると、フォイルアセンブリ４の剛性中心を静止保持部材３の中心よりも上方に位置させることができることとなり、回転速度が高くなるに従ってジャーナル部２が浮揚してジャーナル部２の中心がフォイルアセンブリ４の剛性中心に向かって移動する過程で、ジャーナル部２の中心が静止保持部材３の中心に接近することがないようにすることができる。つまり、ジャーナル部２の中心の周期的な変動の原因となる浮揚力の消滅が防止され、速度に応じた新たな平衡位置で安定して回転するようになるので、振れ回り不安定現象の発生が抑制される。これにより、ジャーナル部２の振れ回りが発生する回転速度を高める、つまりフォイル式流体軸受１の許容回転速度を高めることができる。
【００２９】
静止保持部材３の中心を通る水平面よりも下側の領域ＬＨに位置するスプリングフォイル６を、上側の領域ＵＨのそれよりも変形し難くなるようにするには、上記した下半部のスプリングフォイル６の摺接部９に銅コーティング１１を施して下半部のスプリングフォイル６をより滑り難くする手法でも、結果的に下半部のスプリングフォイル６をより撓み難くなるようにすることができる。この他の手法としては、（１）スプリングフォイル６の板厚寸法を、静止保持部材３の中心を通る水平面よりも下側の領域ＬＨに配設されたものを上側の領域ＵＨに位置するものよりも大きくし、下半部の剛性を上半部の剛性よりも高くする。（２）スプリングフォイル６の摺接部９の周方向寸法（図４中のＬ寸法）を、静止保持部材３の中心を通る水平面よりも下側の領域ＬＨに配設されたものを上側の領域ＵＨに位置するものよりも大きくし、トップフォイル５の外周面に対するスプリングフォイル６の摺接面の面積を、上側スプリングフォイルのそれよりも下側スプリングフォイルのものを大きな値とする。これにより、下側のスプリングフォイルがより滑り難くなるので、撓み難くなる。（３）下部スプリングフォイルの数を上部スプリングフォイルの数よりも多くする。（４）下部スプリングフォイルの円周方向間隔を上部スプリングフォイルの円周方向間隔よりも狭くする。（５）下部スプリングフォイルを上部スプリングフォイルよりも硬質の材料で構成する。等が考えられる。
【００３０】
上述の剛性分布は、要するに、下側の領域ＬＨの平均剛性を上側の領域ＵＨの平均剛性よりも高くすれば良いのであり、各領域に配されたスプリングフォイルの剛性を均一にする必要はない。例えば、剛性の高いものと低いものとを交互に配置したり、徐々に変化するように配置したりすることも考えられる。また上記の剛性を違えるための各手法は、それぞれを単独で実施しても良いし、適宜に組み合わせて実施しても良い。
【００３１】
従来知られている波形のバンプフォイルＦは湾曲面で接触するため（図５参照）、トップフォイル５ａとの摺接面及び静止保持部材３ａとの摺接面の周方向寸法Ａ、Ｂを大きくすることができず摩擦抵抗によるクーロン減衰力が小さいが、本発明によると、図３中のＬ寸法の設定次第で摺接面積を容易に大きくすることができるので、クーロン減衰力を大きくすることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述した通り本発明によれば、以下の如き格別な効果を奏することができる。
１．静止保持部材の上半部のある位置に一端が固定され且つ円周方向の一方へ向けて円筒状に巻かれてジャーナル部の外周面の略全周に対向するように設けられたトップフォイルと、トップフォイルの外周側に設けられた複数のスプリングフォイルとからなるフォイルアセンブリにおいて、スプリングフォイルを、静止保持部材に対する結合部とトップフォイルとの摺接部とを曲げ加工で形成された弾発部材からなり、それぞれの摺接部の一部同士が互いに重ね合わされて円周方向に連設されるものとしたので、スプリングフォイルの一つ一つの短寸化が可能となり、回転体の荷重を受けても塑性域に入り難い高剛性なものを比較的安価に製作することができる。しかも多数のスプリングフォイルで回転体の荷重を分散して受け止めるようにし得るので、個々のスプリングフォイルのコンプライアンスを適度に高めることができる。
２．スプリングフォイルを、結合部と摺接部との間に少なくとも２つの屈曲部を有するものとしたので、半径方向に弾発力を発生するフォイルの形状が単純になるためにフォイルの製作が容易となり、しかも複数個を連続的に列設する際の位置決めが容易となり、形状安定性の高いフォイルアセンブリを製造することができる。
３．スプリングフォイルの摺接部を、トップフォイルの曲率と略同等の曲率の円弧面を有するものとしたので、トップフォイルとスプリングフォイルとの間の接触面積を容易に増大でき、摩擦力によって発生するクーロン減衰力をより一層大きくすることができる。
４．摩擦係数を調整するコーティングを摺接部に施して摩擦係数を高めるものとしたので、摩擦力によって発生するクーロン減衰力をより一層大きくすることができる。
５．スプリングフォイルに施すコーティングの摩擦係数を、重力方向について下側に位置するものを上側のものよりも高い値に設定することとしたので、下側に位置するスプリングフォイルの摺接部が摩擦抵抗の増大によって摺動変位し難くなり、下側に位置するスプリングフォイルの見掛け上の剛性をより高めることができる。
６．スプリングフォイルの厚さ寸法を、重力方向について上側に位置するものよりも下側のものを大きく設定することとしたので、下側に位置するスプリングフォイルの剛性がより高くなり、下側に位置するスプリングフォイルをより変形し難くすることができる。
７．スプリングフォイルの摺接部の周方向寸法を、重力方向について上方に位置するものよりも下方のものを大きく設定することとしたので、下側に位置するスプリングフォイルの摺接部が摩擦抵抗の増大によって摺動変位し難くなり、下側に位置するスプリングフォイルの見掛け上の剛性をより高めることができる。
８．トップフォイルのジャーナル部との対向面にＤＬＣ加工を施すものとしたので、ジャーナル部とトップフォイル間の摩擦抵抗が低下し、始動時の回転をより一層滑らかにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフォイル式流体軸受の一例を概念的に示す断面図
【図２】スプリングフォイルの１片を示す斜視図
【図３】スプリングフォイルの１部を示す拡大断面図
【図４】ジャーナル部の回転速度と振幅との関係を示すグラフ
【図５】従来のバンプフォイルの概念図
【符号の説明】
１  フォイル式流体軸受
２  ジャーナル部
３  静止保持部材
４  フォイルアセンブリ
５  トップフォイル
６  スプリングフォイル
７  溶接部
８  結合部
９  摺接部
１０  カンチレバー部
１１  銅コーティング
【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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