JP2007092994A - 動圧気体軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 フォイルの一端を溶接にて固定部材に止着させる方式は、溶接時の熱的変化を招く恐れがあり、製造コストが高くなる欠点を有している。本発明はこのような問題を解決する動圧気体軸受を提供する
【解決手段】 本発明のフォイルは、気体の圧力を生起させるフォイルが環状体であることにあり、さらにこの環状のフォイルには少なくとも１個以上のうねり部が形成されている。さらに、このフォイルはアンダーフォイルとともに併設されるときはアッパーフォイルとして機能する。具体的には図１に示すとおり、フォイルＦ１は平板状であり、かつ回転軸を巻回する環状に形成されている。そして、１２０°間隔でうねり部ＦＵが形成されている。同時に外周辺部には１２０°間隔で半円弧状の凹部ＦＫが形成され固定部に植設されたピン５にて位置決めされる。さらに本発明はアンダーフォイルに円弧状のフォイルを形成し、このフォイルに凹凸部を設けたものである。
【選択図】 図１

Description

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、固定部材と回転部材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。

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、固定部材と回転部材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またはジャーナル軸受に適用されている。
このような従来の動圧気体軸受の第１の例としては、固定部材であるベース上に所定間隔で固着した複数の支持台を備えており、この支持台上に３層に積層した補強部材の上面に、金属薄板等の可撓性材料で形成した複数のフォイルが止着されている。そしてこのフォイルは上向きに傾斜した自由端を備えており、このフォイルの上面に対向して一方向に回転する可動部材としてのランナとの間に、初期楔状空間が形成されるようになっている。

第２の例としては、平板で環状の基材に一定長の円弧状のフォイルの一端を溶着させ、さらに一定長の距離を隔てて同様のフォイルを溶着して、環状全域に重複してフォイルを溶着させ環状全域にフォイルが設けられた気体軸受が提案されている。この場合各フォイルと回転部材間で気体の圧力を形成する。

第３の例としては、ベースに設けた複数の支持台上に載置された帯状のフォイルを備え、各支持台の後部近傍において、ランナに対向するフォイルの上面に小さな窪みを形成するものである。
この例によればランナが回転すると、窪みに作用する気体圧力により該窪みの部分でフォイルが下方に屈曲し、屈曲したフォイルの最下点から後続の支持台の頂部にかけてランナとの間に楔状空間が生じ、この楔状空間に形成される気体膜の圧力により浮動状態で支持されたランナはベースと非接触で回転することができるものである。

このフォイルの剛性が不足して負荷容量が低下するという問題や、窪みに異物が詰まりやすく、耐久性に欠けるという問題を解決するため、図１２に示す気体軸受が提案されている（特許文献１参照）。
この気体軸受は図１２から明らかなように、回転軸ＲＳの周囲に環状に巻回できるアッパーフォイルＰＦと固定部Ｒ側に設置されたアンダーフォイルＤＦの組み合わせからなるもので、アッパーフォイルＰＦの基端はアンダーフォイルＤＦの上面に溶着部Ｙにて固着されている。そして他端側巻回部分ないし他端側まではアンダーフォイルＤＦに固設された複数個の支持台ＳＢに架橋されている。したがって基端部において回転部材ＡＰとの間に初期の楔状空間Ｋが形成される。この初期楔状空間Ｋが形成されたことによって回転部材ＡＰが回転するとき各支持台ＳＢ間に楔状空間Ｋが形成されて気体膜の圧力が生起され、アッパーフォイルＰＦが撓んで隣接する各支持台ＳＢ間に楔状空間Ｋがそれぞれ発生し軸受機能が実現されるものである。
特許第２６８４７６５号公報

しかしながら、このフォイル一端を固定部材に止着させる方式は、このフォイルが両端を有するものであるが故にこの止着を溶接等にて強固に行わせる必要がある。そのために溶接時の熱的変化を招く恐れがあるのみならず、複数のセグメントから構成されているため製作に熟練を要し、また製造コストが高くなる欠点を有している。さらに負荷が大きい場合、アンダーフォイルが充分に機能しない場合もある。
本発明はこのような問題を解決する動圧気体軸受を提供することを目的とする。

本発明が第１に提供する動圧気体軸受は、上記課題を解決するために、固定部材と回転部材間に形成される気体膜の圧力により両部材間に作用する荷重を支持する動圧気体軸受において、前記固定部材側に所定間隔で配設された複数の支持突起と、前記複数の支持突起の上面に支持されて該支持突起間を架橋するとともに、前記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部材との間における初期楔状空間から回転部材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したものである。フォイルは環状体であり構成が極めて簡略となる。

本発明が第２に提供する動圧気体軸受は、上記課題を解決するために、フォイルの固定部材に対する係止を外周に形成した半円状の凹部とピンで行わせるようにしたもので、係止が簡略になり構造も簡略となる。

本発明が第３に提供する動圧気体軸受は、上記課題を解決するために、フォイルには半径方向とこの半径方向外方端から円周状に伸びた切欠溝が形成され、この切欠溝によって１個または複数個の円周方向に一定の長さを有する環状のフォイルが設けられているから、軸受の容量、形式等に応じた軸受として機能する。
本発明が第４に提供する動圧気体軸受は、上記課題を解決するために、フォイルは固定部材側のアンダーフォイルと、回転部材側のアッパーフォイルで構成され、このアンダーフォイルに支持突起が設けられているから、アッパーフォイルを支持する支持突起の設定が容易となる。
本発明が第５に提供する動圧気体軸受は、上記課題を解決するために、回転部材側にアンダーフォイル上面の支持突起を成型し、アンダーフォイルと固定部材を同一部材としたものであり、支持突起の構成が容易である。さらに本発明が提供する動圧気体軸受アンダーフォイルは、アッパーフォイルに対する支持をより確実ならしめる構成としたものである。

本発明の構成は上述のとおりであり、つぎの利点を有する。
（１）溶接等の接合による固定が不要な構造であり、溶接によるフォイルの熱的変形や歪曲もなく、しかも溶接を不要とすることでコストダウンが図られる。
（２）溶接等による接合によって位置決めしていたのに対して、位置決めや品質のばらつきの影響がなくなり、特にアンダーフォイルの機能を向上させ軸受としての機能と品質が向上する。

本発明の第１の特徴は、気体の圧力を生起させるフォイルが環状体であることにある。そして第２の特徴は、この環状のフォイルには少なくとも１個以上のうねり部が形成されている点である。さらに、このフォイルはアンダーフォイルとともに併設されるときはアッパーフォイルとして機能するが、本発明のフォイル（アッパーフォイル）をアンダーフォイルの材質と同一にする特徴も有し、最も好ましい実施形態としてはこれら全ての特徴を備え有するものである。

本発明が提供する第１の実施例は図１から図３に示すとおりである。
図１（Ａ）は本発明によるフォイルＦ１を上面より見た図である。図１（Ｂ）は側面より示す図である。図１ではフォイルＦ１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０．１〜０．２ｍｍで、平板状であり、かつ回転軸（図示せず）を巻回する環状に形成されている。この点に特徴がある。そして、１２０°間隔でうねり部ＦＵが形成されている。同時に外周辺部には１２０°間隔で半円弧状の凹部ＦＫが形成されている。この凹部ＦＫは後述するとおり軸受機構における固定部（図示せず）に位置決めするためのもので、図１（Ａ）に示す５はこの凹部ＦＫに係止するピン（固定部に植設されている）を示している。

このようなフォイルＦ１は具体的には軸受機構において図２に示すように使用される。図２はこの使用状態を示す縦断面図である。この図示例でフォイルＦ１は１枚のみでアッパーフォイルとして機能し、アンダーフォイルがない例を示している。このアッパーフォイルとして機能するフォイルＦ１には少なくとも１個以上のうねり部ＦＵが形成されており、このうねり部ＦＵが楔状空間Ｋを形成する。なお、図中１は回転軸であり、２はこの回転軸１と一体である回転部材で負荷圧を受ける受圧盤である。すなわち受圧盤２は、その下面がアッパーフォイルとして機能するフォイルＦ１の上面を押圧し回転することになる。

したがって受圧盤２の回転により、受圧盤２の下面とアッパーフォイルとして機能するフォイルＦ１との隙間の空気が空気の粘性により引張られ、受圧盤２とフォイルＦ１との隙間が次第に挟まっている楔状空間Ｋの領域で圧力が上昇する。この圧力上昇によってフォイルＦ１は、変形してうねりを生じ、結果的にはフォイルＦ１が支持台３にて支えられている箇所ごとに楔領域に生起し空気の圧力上昇が生じる。この圧力上昇により軸受は受圧盤２を非接触で支えることになる。このようにしてフォイルＦ１が気体軸受として機能することで固定部４に対しスラスト軸受機能を出現する。なお、支持台３は固定部４側に直接的に固定設置され、しかもフォイルＦ１の円周方向に沿って複数個設置されている。

図３はフォイルＦ１をアッパーフォイルとして使用し、固定部４側にアンダーフォイルＦＢを設置した例を示す。このアッパーフォイルとアンダーフォイルＦＢを一組として組み合わせた例が示されている。この両者間におけるアンダーフォイルＦＢの上面に支持台３を配置する組み合わせは従来から広く採用されている軸受であるが、図３はこの公用されているアッパーフォイルとアンダーフォイルＦＢの組み合わせ方式に、本発明を適用した例を示している。図３において１は回転軸であり、２は受圧盤を示している。この場合も軸受としての作動原理は上述と同一である。図３において図２と同一の符号で示される部品は、図２と同一の部品であり、その機能、作動の詳細な説明は省略する。
なお、本発明が提供するフォイルＦ１は、その周囲に３個形成された凹部ＦＫに対して、固定部４に植設されたピン５がそれぞれ係合し、位置決めが保障されている。

本発明が提供する第２の実施例は図４に示すとおりである。
この第２の実施例は、図４（Ａ）の平面図に示すように、平板状でかつ環状のフォイルＦ２に１個の切欠溝ＦＭが設けられた例である。この切欠溝ＦＭは、内周辺のある地点から半径（外方）方向に一定の長さの半径方向溝Ｍ１と、この半径方向溝Ｍ１の外方先端から円周方向にほぼ一周近くの長さを有する円弧状溝Ｍ２から形成され、フォイルＦ２全体の内方にほぼ円形の短冊がつくられた形をなしている。この円形の短冊ＳＴが本発明のフォイルそれ自体なのである。すなわち、内方に軸受として機能する円形の短冊ＳＴが形成されたフォイルＦ２であり、このフォイルＦ２自体は環状をなしている。
本発明が第２に提供するこのフォイルＦ２は、短冊ＳＴの部位にうねり部ＦＵが形成される。図示例では短冊ＳＴの始端部位に設置された例で、しかもこのうねり部ＦＵは起伏（傾斜）のみで形成されている。この状態は図４（Ｂ）に示されているが、Ｋが楔状空間である。このフォイルＦ２の場合も外周の３箇所に位置決め用の凹部ＦＫが形成されている。

このような短冊ＳＴを主体とするフォイルＦ２は図５に示される形で軸受機構として構成される。図５は図３と同様アンダーフォイルＦＢとの組み合わせによるもので、うねり部ＦＵに楔状空間Ｋができ、この部位に気体による圧力が生起する。図６は図５の構成をフォイルＦ２の上面から見た図である。５は位置決め用のピンであり、３は支持台を示している。この第２の実施例においても軸受としての作動原理は上述と同一である。なお、図５において図２と同一の符号で示される部品は、図２と同一の部品でありその機能、作動の詳細な説明は省略する。

本発明が提供する第３の実施例は図７に示すとおりである。
この第３の実施例は、図７（Ａ）の平面図に示すように、平板状でかつ環状のフォイルＦ３に３個の切欠溝ＦＮが設けられた例である。この切欠溝ＦＮは、内周辺のある地点から半径（外方）方向に一定の長さの半径方向溝Ｎ１と、この半径方向溝Ｎ１の外方先端から円周方向にほぼ一周近くの長さを有する円弧状溝Ｎ２から形成され、フォイルＦ３全体の内方にほぼ円形の短冊ＳＺが３個つくられた形をなしている。この円形の短冊ＳＺが本発明のフォイルそれ自体なのである。すなわち、内方に軸受として機能する円形の短冊ＳＺが形成されたフォイルＦ３であり、このフォイルＦ３自体は環状をなしている。

本発明が第３に提供するこのフォイルＦ３は、短冊ＳＺの部位にうねり部ＦＵが形成される。図示例では短冊ＳＺの始端部位に設置された例で、しかもこのうねり部ＦＵは起伏（傾斜）のみで形成されている。この状態は図７（Ｂ）に示されているが、Ｋが楔状空間である。このフォイルＦ３の場合も外周の３箇所に位置決め用の凹部ＦＫが形成されている。この第３の実施例においても軸受としての作動原理は上述と同一である。

このような短冊ＳＺを主体とするフォイルＦ３は図８に示される形で軸受機構として構成される。図８は図２と同様固定部４に支持台３を直接設置し、この各支持台３上に本発明のフォイルＦ３をアッパーフォイルとして架設した組み合わせによるもので、図７（Ｂ）に示すように３個の各うねり部ＦＵに楔状空間Ｋができ、この部位に気体による圧力が生起する。図９は図８の構成をフォイルＦ３の上面から見た図である。５は位置決め用のピンであり、３は支持台を示している。なお、図８において図２と同一の符号で示される部品は図２と同一の部品であり、その機能、作動の詳細な説明は省略する。

さらに本発明が第４に提供するフォイルはアッパーフォイルをより適正に支持できるアンダーフォイルを提供する。
このアンダーフォイルＦＣの構成は、図１０に示すとおりであるが、その特徴とする点はアッパーフォイルと同様、中央孔を有する環状のフォイルで、環状の周囲部分に円弧状のフォイルを形成し、この円弧状フォイル部分において円周方向に凹凸を形成した点にある。

すなわち図１０において、ＦＣは中央孔を有する環状のアンダーフォイルで、半径方向に一定の長さを有する切欠溝Ｌ１とこの切欠溝Ｌ１の半径方向外方端に接続された円弧状に一定の長さを有して伸びた切欠溝Ｌ２が形成されている。この切欠溝Ｌ１、Ｌ２は全周で計６個形成され、６個の短冊すなわち円弧状のフォイルＳＦが形成されている。

そして特徴とする点は、この各円弧状のフォイルＳＦに凹凸部Ｔが形成されている点である。この凹凸部Ｔは円弧状のフォイルＳＦにおいて、その初端側は放射方向になっているが、終端に至るも平行に形成されていて、この終端部側の凹凸は半径方向に対してはかなり傾斜した状態になっている。さらにこのフォイルには上記した他のフォイルＦ１〜Ｆ３等と同様、外周に等間隔を有して半径弧上の凹部ＦＫが形成されている。

以上詳述したアンダーフォイルＦＣは固定部位に設置される。この場合図１〜図３、図５、図６、図８に示すようにピン５が凹部ＦＫに係合して、アンダーフォイルＦＣが固定支持される。その状態でその上方にアッパーフォイルＦ５が乗設される。このアッパーフォイルとしては、たとえば図７に示すと同様の形をしたもので図１１に示すアッパーフォイルＦ５が適用される。

このようにしてアンダーフォイルＦＣ上にアッパーフォイルＦ５が乗設され、回転体（図示せず）の負荷がアッパーフォイルＦ５を介してアンダーフォイルＦＣに作用する。アンダーフォイルＦＣの凹凸部ＴにアッパーフォイルＦ５が対応し、図８などに示すような楔状空間Ｋが形成されて動圧が生起し軸受機能が発揮される。すなわち回転体の回転により、回転体とアッパーフォイルＦ５の隙間の空気が空気の粘性により引張られ、回転体とアッパーフォイルＦ５の隙間が次第に狭まっている楔領域で圧力が上昇する。

この圧力上昇によりアッパーフォイルＦ５は図１１における破線で囲まれた部位が変形してうねりが形成されるため、アッパーフォイルＦ５がベースにより支えられている箇所ごとに楔領域ができ、空気の圧力上昇が生じる。この圧力上昇によりアッパーフォイルＦ５は回転体を非接触で支える。アッパーフォイルＦ５の圧力上昇によりアッパーフォイルＦ５がアンダーフォイルＦＣに押し付けられたとき、アンダーフォイルＦＣが弾性変形することにより、スラスト軸受に剛性を与え、熱変形や異物の混入、加工公差等を吸収する。

この場合、アンダーフォイルＦＣの凹凸部Ｔは複数個の円弧状のフォイルＳＦにそれぞれ複数個形成され、しかもその方向は半径方向に対して傾斜しており、ばね常数が均一な状態に維持されて剛性を有し、アンダーフォイルＦＣとして適正に機能する。アッパーフォイルＦ５の円弧状のフォイルＳＦはアンダーフォイルＦＣの円弧状のフォイルＳＦの大きさの倍近い長さを有し、アッパーフォイルＦ５を均等に支持し耐久性も向上する。溶接なども不要でコストも低減できる。なお、ＦＫは固定部への固定用の凹部を示している。

本発明が提供する動圧気体軸受の特徴は以上詳述したとおりであるが、その構成は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施例を包含する。
上記第１の実施例は１枚の平板形で環状のものであるが、これを直径（内径）の異なる大小２枚の環状フォイルとすることもできる。２枚の環状フォイルそれぞれに位置決め用の凹部も設けそれぞれを固定する。
また３個の短冊状のフォイルも挙げたが、これを４個の短冊あるいは２個の短冊にすることもできる。環状のフォイルに形成するうねりは凸形でも凹形のいずれでもよく個数も１個以上であれば限定されない。固定部にアンダーフォイル上面の凹凸形状を成型し、アンダーフォイルと固定部を同一の部材とすることもできる。
本発明が第４に提供するアンダーフォイルについても種々の変形例を挙げることができる。図１０に示す例では円弧状のフォイルを６個に設定した例を示したが、半分の３個に設定することもできる。この場合アッパーフォイルＦ５の短冊数と同一になる。また３の倍数個にすることに限定されるものではなく、５個あるいは７個に設定することもできる。ただ、アッパーフォイルＦ５の短冊の枚数に整合させることがアンダーフォイルとしての機能が充分に発揮されることになる。また円弧状のフォイルＳＦに形成される凹凸部の個数も図示例に限定されないし、図示例のように互いに平行に形成することも限定されない。たとえば半径方向すなわち放射状に形成することもできる。

本発明が第１に提供する動圧気体軸受のフォイルの構成を示す図で、（Ａ）は平面図（Ｂ）は側面図である。 本発明が第１に提供する動圧気体軸受のフォイルを単独で軸受として構成した実施例を示す縦断面図である。 本発明が第１に提供する動圧気体軸受のフォイルをアンダーフォイルとともに組み合わせて軸受として構成した実施例を示す縦断面図である。 本発明が第２に提供する動圧気体軸受のフォイルの構成を示す図で、（Ａ）は平面図（Ｂ）は側面図である。 本発明が第２に提供する動圧気体軸受のフォイルを単独で軸受として構成した実施例を示す縦断面図である。 図５のＡＡ面を示す平面図である。 本発明が第３に提供する動圧気体軸受のフォイルの構成を示す図で、（Ａ）は平面図（Ｂ）は側面図である。 本発明が第３に提供する動圧気体軸受のフォイルを単独で軸受として構成した実施例を示す縦断面図である。 図８のＢＢ面を示す平面図である。 本発明によるアンダーフォイルの構成を示す図である。 本発明に利用できるアッパーフォイルの構成を示す図である。 従来における動圧気体軸受の構成を示す図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ 受圧盤
３ 支持台
４ 固定部
５ ピン
ＡＰ 回転部材
ＤＦ アンダーフォイル
Ｆ１ フォイル
Ｆ２ フォイル
Ｆ３ フォイル
Ｆ５ アッパーフォイル
ＦＢ アンダーフォイル
ＦＣ アンダーフォイル
ＦＫ 凹部
ＦＭ 切欠溝
ＦＮ 切欠溝
ＦＵ うねり部
Ｋ 楔状空間
Ｌ１ 切欠溝
Ｌ２ 切欠溝
Ｍ１ 半径方向溝
Ｍ２ 円弧状溝
Ｎ１ 半径方向溝
Ｎ２ 円弧状溝
ＰＦ アッパーフォイル
Ｒ 固定部
ＲＳ 回転軸
ＳＢ 支持台
ＳＦ 円弧状のフォイル
ＳＴ 短冊
ＳＺ 短冊
Ｔ 凹凸部
Ｙ 溶着部

Claims (10)

1. 固定部材と回転部材とを微小な間隔を介して対向させ、これら固定部材と回転部材間に形成される気体膜の圧力により両部材間に作用する荷重を支持する動圧気体軸受において、前記固定部材側に所定間隔で配設された複数の支持突起と、前記複数の支持突起の上面に支持されて該支持突起間を架橋するとともに、前記固定部材に係止された可撓性を有する平板状でかつ環状のフォイルを設け、このフォイルの円周方向に少なくとも１個のうねり部を形成してこのうねり部と前記回転部材との間における初期楔状空間から回転部材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ことを特徴とする動圧気体軸受。
2. フォイルの外周辺には複数個の半円状の凹部が形成されこの各凹部に固定部材が設けられたピンが係合されることによりフォイルが固定部材に係止されるようにしたことを特徴とする請求項１記載の動圧気体軸受。
3. フォイルは固定部材側のアンダーフォイルと、回転部材側のアッパーフォイルで構成されていることを特徴とする請求項１記載の動圧気体軸受。
4. 回転部材側にアンダーフォイル上面の支持突起を成型し、アンダーフォイルと固定部材を同一部材としたことを特徴とする請求項３記載の動圧気体軸受。
5. フォイルには半径方向に一定の長さを有し、この半径方向外方端に接続されかつ円弧状に一定の長さに伸びた切欠溝が形成され、この切欠溝によって１個または複数個の円弧状のフォイルが設けられていることを特徴とする請求項１記載の動圧気体軸受。
6. フォイルがアッパーフォイルであることを特徴とする請求項５記載の動圧気体軸受。
7. 中央孔を有する円弧状のフォイルであって半径方向に一定の長さを有し、この半径方向外方端に接続されかつ円弧状に一定の長さに伸びた切欠溝を形成し、この切欠溝によって１個または複数個の円弧状のフォイルを設けるとともに、前記円弧状のフォイルには円周方向に凹凸が形成されていることを特徴とするアンダーフォイル。
8. 中央孔を有する円弧状のフォイルであって半径方向に一定の長さを有しこの半径方向外方端に接続されかつ円弧状に一定の長さに伸びた切欠溝を形成しこの切欠溝によって１個または複数個の円弧状のフォイルを設けるとともに前記円弧状のフォイルには円周方向に凹凸が形成されているアンダーフォイルと、中央孔を有する円弧状のフォイルであって半径方向に一定の長さを有し、この半径方向外方端に接続されかつ円弧状に一定の長さに伸びた切欠溝を形成しこの切欠溝によって１個または複数個の円弧状のフォイルが設けられたアッパーフォイルとを組み合わせたことを特徴とする動圧気体軸受。
9. 円弧状のフォイルには複数個の凹凸が円周方向に形成されていることを特徴とする請求項７記載のアンダーフォイル。
10. 円弧状のフォイルには複数個の凹凸が半径方向に対して一定の傾きを有して形成されていることを特徴とする請求項８記載の動圧気体軸受。

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