(57)【要約】  【課題】軸を取り付ける対象である固定部材と軸に設けた回転受圧部との間に設けられるフォイル部を具備してなり、前記フォイル部が、前記固定部材に略全体が添接可能な基部及びこの基部に対して弾性突没可能な複数の突起を有する弾性支持部を有し前記固定部材側に配してなるアンダーフォイルと、このアンダーフォイルに添接させてなり軸の回転の際に気体膜を形成すべく前記回転受圧部との間にクサビ状空間を構成するアッパーフォイルとを具備する動圧気体軸受において、気体膜の下流に向かうにつれクサビ状空間の幅が小さくなる形状を維持させる。  【解決手段】アンダーフォイル５の弾性支持部５１内で、気体膜の下流側に向かうにつれ該部位の突起５３の弾性係数を大きくする。  【選択図】図４
2009074660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸を取り付ける対象である固定部材と軸に設けた回転受圧部との間に設けられるフォイル部を具備してなり、前記フォイル部が、前記固定部材に略全体が添接可能な基部及びこの基部に対して弾性突没可能な複数の突起を有する弾性支持部を有し前記固定部材側に配してなる円環形の板状をなすアンダーフォイルと、このアンダーフォイルに添接させてなり軸の回転の際に気体膜を形成すべく前記回転受圧部との間にクサビ状空間を含む気体膜を形成するアッパーフォイルとを具備するものであって、前記アンダーフォイルの弾性支持部が径方向に延伸する縦要素及び周方向に延伸する横要素とを有するメッシュ状であり、前記縦要素及び横要素の交点の一部又は全部に前記突起を設けていることを特徴とする動圧気体軸受。
【請求項２】
前記弾性支持部内で前記アッパーフォイルと前記回転受圧部間に発生する圧力分布に応じて気体膜厚さの分布を設定できるよう前記弾性支持部内の弾性係数を分布させていることを特徴とする請求項１記載の動圧気体軸受。
【請求項３】
前記弾性支持部内で気体膜の下流側に向かうにつれ該部位の突起の弾性係数を大きくしていることを特徴とする請求項１記載の動圧気体軸受。
【請求項４】
前記アッパーフォイルと前記回転受圧部間に発生する圧力分布に応じて突起の突出幅を変化させていることを特徴とする請求項１記載の動圧気体軸受。
【請求項５】
前記弾性支持部内で気体膜の下流側に向かうにつれ該部位の突起の突出幅を大きくしていることを特徴とする請求項１記載の動圧気体軸受。
【請求項６】
前記アッパーフォイルと前記回転受圧部間に発生する圧力分布に応じて、該部位の突起の単位面積当たりの個数を変化させていることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の動圧気体軸受。
【請求項７】
前記気体膜の下流側に向かうにつれ該部位の突起の単位面積当たりの個数を多くしていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の動圧気体軸受。
【請求項８】
前記アンダーフォイルに前記固定部材側に向け突出する逆突起を設け、この逆突起が弾性変形により突没可能にしていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の動圧気体軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機のエアサイクルマシン、ヘリウム液化装置の膨張タービン、自動車のターボチャージャ等の高速回転機械に使用される軸受に関し、特に、軸を取り付ける対象である固定部材と軸に設けた回転受圧部との間に形成された気体膜により荷重を支持する動圧気体軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速回転機械用に使用される軸受として、たとえば米国特許第３６３５５３４号明細書に示されているように、軸を取り付ける対象である固定部材と軸に設けた回転受圧部との間に形成した楔状の空間により両部材間に薄い気体膜を生じさせ、この気体膜の潤滑作用により荷重を支持する動圧気体軸受が知られている。このような動圧気体軸受はスラスト軸受に適用されている。
【０００３】
このような従来の動圧気体軸受の一例として、固定部材に係止された可撓性を有する環状のフォイルを設け、このフォイルの一部にうねり部を形成してこのうねり部と前記回転受圧部との間における初期楔状空間から回転受圧部とフォイルの間隙に導入された気体の圧力により、フォイルが撓んで隣接する支持突起間に複数の楔状空間を繰り返し形成するようにする構成が考えられている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−９２９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記特許文献１記載の構成では、固定部材に係止された環状のアンダーフォイルと、一部にうねり部を形成してなる環状のアッパーフォイルとを設け、このアッパーフォイルのうねり部と前記回転受圧部との間における初期楔状空間を形成しているとともに、前記アンダーフォイルとアッパーフォイルとの間の空間にアッパーフォイルを支持させるべく支持台を設ける構成が採用されている。
【０００５】
しかして、前記アッパーフォイルは薄い板状の部材であり、アンダーフォイル及び支持台の弾性係数及び高さが一定である場合は、気体膜圧力が高い箇所においてはアッパーフォイルが大きく撓み、これに伴い回転受圧部との間の空間が大きくなる。その際、この空間における気体膜圧力が該空間の拡開に伴い低下してしまう不具合が発生する。ところが、前記特許文献１の構成に代表される従来の構成では、アンダーフォイル及び支持台の弾性係数を箇所ごとに設定することが困難であった。
【０００６】
本発明は、以上に述べた課題を解決すべく構成するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明に係る動圧気体軸受は、軸を取り付ける対象である固定部材と軸に設けた回転受圧部との間に設けられるフォイル部を具備してなり、前記フォイル部が、前記固定部材に略全体が添接可能な基部及びこの基部に対して弾性突没可能な複数の突起を有する弾性支持部を有し前記固定部材側に配してなる円環形の板状をなすアンダーフォイルと、このアンダーフォイルに添接させてなり軸の回転の際に気体膜を形成すべく前記回転受圧部との間にクサビ状空間を含む気体膜を形成するアッパーフォイルとを具備するものであって、前記アンダーフォイルの弾性支持部が径方向に延伸する縦要素及び周方向に延伸する横要素とを有するメッシュ状であり、前記縦要素及び横要素の交点の一部又は全部に前記突起を設けていることを特徴とする。
【０００８】
このようなものであれば、各交点に設けた突起の弾性係数を独立して設定することができ、例えば、気体膜の下流側に向かうにつれ突起の弾性係数を大きく設定することにより、気体膜の下流側に向かうにつれてアッパーフォイルが受ける弾性力が大きくなる。すなわち、気体膜の下流側においてアッパーフォイルは固定部材と大きく離間し、クサビ状空間の幅を小さく保つことができる。さらに、アンダーフォイルの各突起が受ける圧力は、各突起が独立して受けるので、各突起の形状は隣接する突起の形状に影響を受けない。従って、部品点数の増大を招くことなく、アッパーフォイルが変形しクサビ状空間の幅が拡開することに伴う気体膜圧力の低下を防ぐことができる。
【０００９】
また、負荷容量が高い気体膜を構成できるようにするための構成として、前記弾性支持部内で前記アッパーフォイルと前記回転受圧部間に発生する圧力分布に応じて気体膜厚さの分布を設定できるよう前記弾性支持部内の弾性係数を分布させているものや、前記弾性支持部内で気体膜の下流側に向かうにつれ該部位の突起の弾性係数を大きくしているものが挙げられる。このような構成であれば、前記圧力が高くなる部位の前記弾性係数を大きくし、前記アッパーフォイルと前記回転受圧部間に形成したクサビ状空間の形状を維持できるからである。特に、後者のようなものであれば、前記アッパーフォイルと前記回転受圧部間に形成したクサビ状空間の下流において前記弾性係数を大きくしていることにより、このクサビ状空間の下流において気体膜厚さが小さくなる形状を維持できる。
【００１０】
また、アッパーフォイルがアンダーフォイルと添接する点の高さを適切に設定できるようにするための構成として、前記アッパーフォイルと前記回転受圧部間に発生する圧力分布に応じて突起の突出幅を変化させているものや、前記弾性支持部内で気体膜の下流側に向かうにつれ該部位の突起の突出幅を大きくしているものが挙げられる。このような構成であれば、前記圧力が高くなる部位の前記突起の突出幅を大きくし、前記圧力が高くなる部位において突起が大きく沈み込むようにすることにより、該部位において大きな弾性付勢力を発生させ、前記アッパーフォイルと前記回転受圧部間に形成したクサビ状空間の形状を維持できるからである。特に、後者の構成であれば、気体膜の下流側に向かうにつれ突起の突出幅を大きく設定することにより、気体膜の下流側に向かうにつれて突起が大きく沈み込むようにし、このことにより気体膜の下流側においてアッパーフォイルはアンダーフォイルからより大きな弾性付勢力を受けるようにできる。従って、全体としては気体膜の下流側に向かうにつれてクサビ状空間の幅が小さくなる形状を保つことができる。
【００１１】
加えて、高い気体膜圧力を受ける部位においてアッパーフォイルが受ける弾性付勢力をより大きくし、アッパーフォイルをさらに効果的に保形するための態様として、前記アッパーフォイルと前記回転受圧部間に発生する圧力分布に応じて、該部位の突起の単位面積当たりの個数を変化させているものが挙げられる。
【００１２】
また、高い気体膜圧力を受ける部位においてアッパーフォイルが受ける弾性付勢力をより大きくし、アッパーフォイルをさらに効果的に保形するための他の態様として、例えば、気体膜の下流側に向かうにつれ該部位の突起の単位面積当たりの個数を多くしているものが挙げられる。
【００１３】
そして、寸法のわずかな製造誤差や温度変化に伴う形状変化、また回転受圧部の触れ回りに対応させるための態様として、前記アンダーフォイルに前記固定部材側に向け突出する逆突起を設け、この逆突起が弾性変形により突没可能なものであって、前記逆突起の弾性係数を前記弾性支持部内の突起の弾性係数よりも小さくしているものが挙げられる。このような構成のものであれば、さらに、前記格子を設けていない部位を利用して、任意の位置に逆突起を設けることができるため、アンダーフォイルの全面にわたり突起と異なる弾性係数を設定できるからである。そして、前記突起とこの逆突起を同時期形成できるため、製造コストの削減を図ることもできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る動圧気体軸受の構成によれば、アンダーフォイルの各突起が受ける圧力は、各突起が独立して受けるので、各突起の形状は隣接する突起の形状に影響を受けない。従って、部品点数の増大を招くことなく、アッパーフォイルが変形しクサビ状空間の幅が拡開することに伴う気体膜圧力の低下を防ぐことができる。
【００１５】
さらに、各交点に設けた突起の弾性係数を独立して設定しつつ、気体膜の圧力分布に応じて突起の弾性係数を変化させているものであれば、例えば、気体膜の下流側に向かうにつれて突起の弾性係数を大きくすることにより、気体膜の下流側に向かうにつれてアッパーフォイルが受ける弾性力が大きくなる。すなわち、気体膜の下流側においてアッパーフォイルは固定部材と大きく離間し、クサビ状空間の幅を小さく保つことができる。
【００１６】
一方、アッパーフォイルと前記回転受圧部間に発生する圧力分布に応じて突起の突出幅を変化させているものであれば、例えば、気体膜の下流側に向かうにつれ突起の突出幅を大きく設定することにより、気体膜の下流側に向かうにつれて突起が大きく沈み込むようにし、このことにより気体膜の下流側においてアッパーフォイルはアンダーフォイルからより大きな弾性付勢力を受けるようにできる。従って、全体としては気体膜の下流側に向かうにつれてクサビ状空間の幅が小さくなる形状を保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を、図１〜図５を参照して説明する。
【００１８】
本実施形態に係る軸受は、図１に概略正面図を示すように、軸２を取り付ける対象である固定部材１と軸２に設けた回転受圧部３との間に設けられたフォイル部４と、このフォイル部４と前記回転受圧部３との間にクサビ状空間を含む気体膜Ｓとを具備してなる。
【００１９】
前記フォイル部４は、前記図１に示すように、前記固定部材１に略全体が添接可能な基部５２、及びこの基部５２に対して弾性突没可能な複数の突起５３を有する弾性支持部５１を有し前記固定部材１側に配してなるアンダーフォイル５と、このアンダーフォイル５に添接させてなり前記回転受圧部３との間に前記クサビ状空間を含む気体膜Ｓを形成するアッパーフォイル６とを具備する。ここで、図２にアンダーフォイル５の平面図、図３にアンダーフォイル５の要部の斜視図をそれぞれ示している。また、前記図１ではアンダーフォイル５及びアッパーフォイル６は形状の理解を容易にするため、一定の厚さで示されているが、実際には、例えば０．１〜０．２ｍｍの平板状であり、かつ軸１を巻回する環状に形成されている。なお、本発明が提供するアンダーフォイル５及びアッパーフォイル６は、その周囲に３個形成された凹部に対して、固定部１に植設されたピン（図示略）がそれぞれ係合し、位置決めが保障されている。
【００２０】
前記アッパーフォイル６には少なくとも１個以上、具体的には１２０度間隔に３箇所のうねり部（図示略）を形成しているとともに、このうねり部と前記固定部材１との間に前記アンダーフォイル５の弾性支持部５１が位置するようにしている。より具体的には、前記アンダーフォイル５の突起５３の先端がそれぞれ前記アッパーフォイル６に当接するようにしている。
【００２１】
一方、アンダーフォイル５には、前記図２及び図３に示すように、また、図２における要部の拡大図を図４に示すように、径方向に延伸する縦要素５１１及び周方向に延伸する横要素５１２を有するメッシュ形状に前記弾性支持部５１を形成している。その上で、これら縦要素５１１と横要素５１２との交点を上方に突出させて突起５３を設けている。また、このアンダーフォイル５の最外周部は基部５２と同一高さをなす外周輪部５６としているとともに、中央部には軸２を挿通可能な軸挿通孔を設け、その開口縁近傍を基部５２と同一高さをなす内周輪部５７としている。ここで、この突起５３の突出高さは、例えば、前記クサビ状空間を含む気体膜Ｓの幅が大きな部分すなわち入口に対応する部分では小さくしている。一方、前記クサビ状空間を含む気体膜Ｓの幅が小さな部分では突起５３の突出高さを大きくしている。また、この突起５３は弾性により突没可能であるが、弾性係数を、例えば、前記クサビ状空間を含む気体膜Ｓの幅が大きな部分すなわち気体膜の上流側では小さく、前記クサビ状空間の幅が小さな部分すなわち気体膜の下流側（図４の矢印Ｒが向かう側）では前記弾性係数を大きくしている。なお、突起の弾性係数は気体膜の下流側に向かうにつれ大きくしつつ突出高さを全ての突起５３で等しくする構成を採用してももちろんよい。
【００２２】
具体的には、本実施形態では突起５３、５３の中間の部分を前記平坦部５２と同一平面上にある凹部５４とし、この凹部５４と前記突起５３との間の部分を傾斜部５５としているが、弾性係数を変える場合は、気体膜の上流側などで弾性係数を小さくする場合には、傾斜部５５の幅を小さくしたり、あるいは長さを長くして突起５３の弾性係数を小さくし、気体膜の下流側などで弾性係数を大きくする場合には、この傾斜部５５の幅を大きくしたり、あるいは長さを短くすることにより、突起５３の弾性係数を大きくするようにして、気体膜の圧力分布に応じて弾性係数を変化させている。また、突出高さを変える場合は、例えば、上流側では傾斜を小さくして突出高さを小さくし、また下流側では、傾斜を大きくして突出高さを大きくするなど、気体膜の圧力分布に応じて突出高さを変化することができる。また、図２におけるｘ−ｘ断面図を図５に示すように、基部５２には、前記固定部材１側に向け突出し弾性変形により突没可能な逆突起５９を設けている。この逆突起５９は、前記固定部材１に優先して当接するが、この逆突起５９の弾性係数は、前記弾性支持部５１内のどの突起５３の弾性係数よりも小さくしている。すなわち、軸２及び回転受圧部３が回転した際に発生する気体膜の圧力により、この逆突起５９が優先して弾性変形するようにしている。なお、前記図４においては、突起５３、凹部５４、傾斜部５５、及び逆突起５９の一部のみに符号を付しているが、前記突起５３である部位、前記凹部５４である部位、前記傾斜部５５である部位、及び前記逆突起５９である部位にそれぞれ同一のパターンを付すことにより、各パターンが付された部位がそれぞれ突起５３、凹部５４、傾斜部５５、及び逆突起５９であることを示すようにしている。また、前記図２及び図３においても、前記突起５３である部位、前記凹部５４である部位、前記傾斜部５５である部位、及び前記逆突起５９である部位にそれぞれ前記図４に付したものと同様のパターンを付している。
【００２３】
ここで、軸２及び回転受圧部３が回転すると、回転受圧部３とフォイル部４との隙間の空気が空気の粘性により引張られ、回転受圧部３とフォイル部４との隙間が次第に挟まっている前記クサビ状空間の領域で圧力が上昇する。この圧力上昇によって、まず、アッパーフォイル６が下方に向かう作用を受ける。この際、アッパーフォイル６はアンダーフォイル５の突起５３に圧接し、前記アンダーフォイル５が下方に向かう作用を受ける。この作用を受けて、前記逆突起５９が弾性変形してアンダーフォイル５の表面形状が変化し、突起５３のほぼ全てが前記アッパーフォイル６に当接して弾性変形する。一方、前記アッパーフォイル６は、この突起５３から上方に向かう弾性力を受ける。この弾性力は、例えば、前記クサビ状空間の入口部分すなわち気体膜Ｓの上流側では小さく、周方向中間部以降、すなわち気体膜の下流側では前記入口部分における弾性力よりも大きな所定の大きさである。そして、アッパーフォイル６が前記突起５３からこのような弾性力を受けることにより、クサビ状空間を含む気体膜Ｓの形状が、例えば、入口部分から下流側に進むにつれ幅が小さくなるなど、適切な形状に維持され、前記弾性支持部５１の上方部分において空気の圧力上昇が生じる。この圧力上昇により軸受は回転受圧部３を非接触で支えることになる。
【００２４】
従って、本実施形態に係る軸受の構成を採用すれば、例えば、前記クサビ状空間の幅が小さく空気の圧力が高くなる気体膜の下流側の部位において突起５３の弾性係数を大きくしてアッパーフォイル６の沈み込みを抑制するなど、気体膜Ｓの厚みを適切な値に保持することができる。
【００２５】
また、前記アンダーフォイル５が円環形の板状をなし、このアンダーフォイル５の弾性支持部５１を径方向に延伸する縦要素５１１及び周方向に延伸する横要素５１２とを有するメッシュ状に形成しているとともに、前記縦要素５１１及び横要素５１２の交点に前記突起５３を設けているので、プレス成形などのみにより簡単な構成で前記弾性支持部５１を形成することができる。
【００２６】
そして、前記アンダーフォイル５に前記固定部材１側に突出する逆突起５９を設け、この逆突起５９が弾性変形により突没可能であるとともに、前記逆突起５９の弾性係数を全ての前記突起５３の弾性係数よりも小さくしているので、アンダーフォイル５及びアッパーフォイル６の寸法のわずかな製造誤差や温度変化に伴う形状変化を前記逆突起５９の弾性変形により吸収させることができる。また、回転体の位置の変動に追随させることができる。
【００２７】
なお、各部の具体的な構成は、以上に述べたような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００２８】
例えば、上述した実施形態において、図６に示すように、凹部５４と前記突起５３との間の傾斜部５５の幅寸法を気体膜の下流側（矢印Ｒが向かう側）に向かうにつれ大きくすることにより、気体膜の下流側に向かうにつれ突起５３の弾性係数を大きくするようにしてもよい。また、例えば、径方向に弾性係数や、突起の高さを変化させてもよい。また、同図に示すように、基部５２において外周板部５６から内周側に向かう形状に逆突起５９を設けてもよい。
【００２９】
さらに、上述した実施形態において、図５に対応する図を図７に示すように、横要素５１２の一部に切れ目を設け、切り端近傍の部位に逆突起５９を設けてもよい。
【００３０】
加えて、アンダーフォイルの凹凸部を縦要素及び横要素が一定ピッチをなすメッシュ状に構成し、それらの交点の一部のみに突起を設けるようにしてもよい。この場合、例えば、クサビ状空間の幅が小さくなる部分に凸部を多く設定するとよい。また、図８に示すように、気体膜の下流側（矢印Ｒが向かう側）に向かうにつれ縦要素５１１及び横要素５１２の密度を大きくし、これらの交点全てに突起を設けることにより気体膜の下流側に向かうにつれ突起の単位面積当たりの個数を多くするようにしてもよい。
【００３１】
加えて、前記突起は、上述した実施形態では径方向に延伸する傾斜部及び周方向に延伸する傾斜部により支持させているが、これらのうち一方のみにより支持させるようにしてももちろんよい。さらに、このような突起を片持ち支持させるように傾斜部を構成してもよい。そして、各突起を支持する傾斜部の板厚を変更することにより、各突起の弾性係数を変化させるようにしてももちろんよい。
【００３２】
さらに、アンダーフォイルの弾性支持部内において、突起の弾性係数を等しく設定しつつ、例えば、気体膜の下流側に向かうにつれ突起の突出高さを大きくするようにしてもよい。このように構成すれば、気体流の発生以前の段階において気体膜の下流側に対応する部位のクサビ状空間の幅が小さく、気体流が発生すると下流側で気体膜の圧力が大きくなるが、下流側の突起はより多く沈み込んで強い弾性付勢力をアッパーフォイルに与えることができ、しかも気体流の発生以前の段階では突起の突出高が大きいので、気体膜の圧力とアンダーフォイルによる弾性付勢力を均衡させつつ、気体膜の下流側に向かうにつれクサビ状空間の幅が小さくなる形状を維持できるようにすることができる。もちろん、気体膜の下流側に向かうにつれ突起の弾性係数を大きくしてもよい。また、径方向で高さや弾性係数を変えたり、また下流方向に高さや弾性係数を高くした後、もう一度高さを低くするなど、最適な気体膜厚を形成できるよう、任意の変化を与えてもよい。
【００３３】
また、前記逆突起は、上述した実施形態のように横要素を分断して設ける態様や外周部に別途設ける態様以外の方法で設けてもよく、また、温度が略一定な環境下に設ける場合等においては省略してもよい。
【００３４】
その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変形してよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係る軸受の正面図。
【図２】同実施形態に係る軸受のアンダーフォイルの平面図。
【図３】同実施形態に係る軸受のアンダーフォイルの要部の斜視図。
【図４】図２における要部を拡大して示す図。
【図５】図２におけるｘ−ｘ断面図。
【図６】本発明の他の実施態様に係る軸受のアンダーフォイルの平面図。
【図７】本発明の他の実施態様に係る図５に対応する図。
【図８】本発明の他の実施態様に係る軸受のアンダーフォイルの概略平面図。
【符号の説明】
【００３６】
１…固定部材
２…軸
３…回転受圧部
４…フォイル部
５…アンダーフォイル
５１…弾性支持部
５２…基部
５３…突起
５９…逆突起
６…アッパーフォイル
Ｓ…気体膜
【図１】
2009074660.tif 000003
【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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