JP2013068285A

JP2013068285A - 回転軸支持構造

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Publication number: JP2013068285A
Application number: JP2011207793A
Authority: JP
Inventors: Naomichi Omori; 直陸大森
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-04-18

Abstract

【課題】始動時の抵抗トルク（初期トルク）を低減して始動性を向上した、回転軸支持構造を提供する。
【解決手段】スラストカラー５を有する回転軸１の支持構造である。回転軸１をラジアルフォイル軸受８一つで回転可能に支持するとともに、回転軸１のスラストカラー５を一つあるいは一対のスラストフォイル軸受９で回転可能に支持する。スラストフォイル軸受９は、スラストカラー５に対向して配置される円環状の軸受部と、軸受部の、スラストカラー５に対向する面と反対側の面に対向して配置されて、回転軸１の回転時に軸受部を支持する円環状のベース部と、を備えているのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸支持構造に関する。

従来、高速に回転する回転軸を支持する支持構造では、ラジアル軸受二つとスラスト軸受一対（二つ)とを用い、ラジアル方向とスラスト方向の両方の動きを制限しつつ、軸周りの回転を許容している。ラジアル軸受やスラスト軸受としては、一般には軸受面が剛な軸受が用いられるが、油潤滑以外も視野に入れると、フォイル軸受の適用が考えられる。

すなわち、スラスト軸受としては、軸振動や衝撃を吸収するために柔軟なフォイル、例えば厚さ１００μｍ前後の金属製薄板で軸受面（トップフォイル）を形成し、この軸受面の下に該軸受面を柔軟に支持するためのフォイル構造を有したスラストフォイル軸受が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、テーパ形状の軸受面を波板形状のフォイル（バンプフォイル）で支持した構造が開示されている。

また、ラジアル軸受としては、軸受面を形成する薄板状のトップフォイルと、このトップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルと、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備えたラジアルフォイル軸受がよく知られている。ラジアルフォイル軸受のバックフォイルとしては、側面視円弧状の山部と平坦面からなる谷部とが交互に配置されるように薄板を波板状に成形した、バンプフォイルが主に用いられている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。

特表２００８−５１３７０１号公報特開２００８−２６１４９６号公報特開２０１１−０１７３８５号公報

ところで、前記支持構造において前記のフォイル軸受（スラストフォイル軸受、ラジアルフォイル軸受）は、回転軸の停止時にはスラストカラーや回転軸を締付けた状態、すなわち予荷重（予圧）をかけた状態で支持している。したがって、回転停止状態から回転軸が浮上する（軸受面から離間する）までの間では、回転軸と軸受面との間に十分な流体潤滑膜が形成されず、回転軸と軸受面との間が固体潤滑状態になっているため、抵抗トルクが大きくなっている。よって、始動時に強い駆動力が得られない回転機械(例えば車両用過給機など)では、即座に始動(回転)できないといった問題や、低速回転が維持できず停まってしまうなどの問題が生じている。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、始動時の抵抗トルク（初期トルク）を低減して始動性を向上した、回転軸支持構造を提供することにある。

本発明の回転軸支持構造は、スラストカラーを有する回転軸の支持構造であって、前記回転軸をラジアルフォイル軸受一つで回転可能に支持するとともに、該回転軸のスラストカラーを一つあるいは一対のスラストフォイル軸受で回転可能に支持することを特徴とする。

この回転軸支持構造によれば、回転軸を支持するラジアルフォイル軸受については、従来二つで支持していたのに対して一つで支持するようにしたので、ラジアルフォイル軸受一つ分の初期トルクが低減し、始動性が向上する。また、一つのラジアルフォイル軸受で回転軸を支持しているので、従来のように二つで支持していた場合の、ラジアルフォイル軸受間での芯ズレ（ミスアライメント）が無くなるため、この芯ズレに起因する抵抗トルクも無くすことができる。

また、前記回転軸支持構造において、前記スラストフォイル軸受は、前記スラストカラーに対向して配置される円環状の軸受部と、前記軸受部の、前記スラストカラーに対向する面と反対側の面に対向して配置されて、前記回転軸の回転時に前記軸受部を支持する円環状のベース部と、を備えることが好ましい。
このように、ベース部によって軸受部を支持しているため、回転軸にこれが傾く軸振動（コニカル振動）が起きた際、この軸振動による荷重を受けたスラストフォイル軸受は、例えば軸受部とこれを支持するベース部との間で摩擦を生じ、これによってエネルギーを散逸して減衰効果を発揮し、振動抑制効果を奏する。したがって、ラジアルフォイル軸受についてはこれ一つで回転軸を支持しているものの、スラストフォイル軸受で回転軸の軸振動（コニカル振動）を抑制できるので、回転軸支持構造全体としては、回転軸の軸振動（コニカル振動）を充分に抑制することが可能になる。

また、前記回転軸支持構造において、前記スラストフォイル軸受は、前記回転軸の停止時において、該回転軸の前記スラストカラーに対して非接触であることが好ましい。
このようにすれば、回転軸が停止状態から回転状態に移る始動時において、スラストフォイル軸受は実質的に抵抗トルク（初期トルク）がないため、始動性をより向上する。

また、前記回転軸支持構造においては、前記軸受部の前記スラストカラーに対向する面には、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝が形成され、前記ベース部は、前記軸受部側に配置された弾性体と、該弾性体を保持するベース板とを有して構成され、前記ベース板の前記軸受部に対向する面側と、前記軸受部の前記ベース板に対向する面側との少なくとも一方には、その周方向に沿って連続する凹部が設けられ、前記凹部の深さが、前記ベース板又は前記軸受部の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成され、前記凹部には、該凹部を埋めた状態に前記弾性体が設けられていることが好ましい。

このようにすれば、スラストフォイル軸受の軸受部のスラストカラーに対向する面に、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝が形成されているので、このスパイラル溝によって形成される流体潤滑膜の動圧に、スラストフォイル軸受の内周側の圧力が外周側の圧力より高くなる圧力分布が生じる。
そこで、このスラストフィル軸受では、ベース板と軸受部との少なくとも一方に凹部を形成し、この凹部の深さを、前記ベース板又は前記軸受部の内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成し、前記凹部に、該凹部を埋めた状態に弾性体を設けているので、前記動圧が高くなる内周側では外周側に比べて弾性体の厚さが相対的に薄くなり、したがって内周側では動圧が低くなる外周側に比べて撓み量（弾性変形量）が小さくなる。よって、この動圧が高くなる部位では弾性体が必要以上に大きく撓むことがないため、この部位でも流体潤滑膜に所望の動圧が発生され易くなり、軸受の軸受負荷能力の低下が抑制される。これにより、このスラストフォイル軸受にあっては、回転軸が傾くような振れ回り振動が起こり、スラストカラーに傾き(面振れ)が生じても、この傾きをより良好に吸収し、したがって回転軸の軸振動（コニカル振動）を充分に抑制することができる。

また、前記回転軸支持構造において、前記軸受部は、複数のフォイルが積層されてなるとともに、該複数のフォイルのうちの前記スラストカラー側に位置するフォイルの、前記スラストカラーに対向する面に、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝を形成してなり、前記ベース部の前記軸受部に対向する面側には、その周方向に沿って連続する凹部が設けられ、前記凹部の深さが、前記ベース部の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されていることが好ましい。

このようにすれば、スラストフォイル軸受の軸受部の、スラストカラー側に位置するフォイルのスラストカラーに対向する面に、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝が形成されているので、このスパイラル溝によって形成される流体潤滑膜の動圧に、スラストフォイル軸受の内周側の圧力が外周側の圧力より高くなる圧力分布が生じる。
そこで、このスラストフォイル軸受では、ベース板の軸受部に対向する面側に、その周方向に沿って連続する凹部を形成し、この凹部の深さを、前記ベース板の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成しているので、軸受部は、前記凹部を形成したベース板に支持されることにより、前記動圧が高くなる内周側では動圧が低くなる外周側に比べて曲げ剛性が高く、相対的に強いバネとして機能するようになる。よって、内周側でスラストカラー側に位置するフォイルが必要以上に大きく撓むことがないため、この部位でも流体潤滑膜に所望の動圧が発生され易くなり、軸受の軸受負荷能力の低下が抑制される。

また、ベース板には外周側へ向かって深くなるように凹部が形成されているので、回転軸が傾くような振れ回り振動が起こり、スラストカラーに傾き(面振れ)が生じても、軸受部はその傾きに追従するように傾斜可能であり、その際、複数の積層されたフォイルからなる軸受部においてフォイルどうしが互いに擦れ合うことにより、その摩擦によって前記振れ回り振動を減衰させるように作用する。したがって、このスラストフォイル軸受にあっては、回転軸の軸振動（コニカル振動）を充分に抑制することができる。

また、前記回転軸支持構造において、前記ラジアルフォイル軸受は、前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルとを備え、前記トップフォイルの前記回転軸と対向する面には、前記回転軸の回転方向後方から前方に向かうとともに、該トップフォイルの軸方向の中心部から両方の端縁側にそれぞれ向かう斜方溝が複数形成され、該斜方溝間、および該斜方溝の前記端縁側の端部と該端縁との間には、それぞれランド部が形成されていることが好ましい。

このようにすれば、トップフォイルの回転軸と対向する面に斜方溝を複数形成しているので、回転軸の回転によってトップフォイルの始端と終端との間から引き入れられた周囲流体が、斜方溝の長さ方向に沿って軸受の軸方向中央部から両側端縁に向けて流れるようになる。したがって、軸方向中央部から両側端縁に向けて排出された潤滑流体が、ランド部を乗り越える際に強い流体潤滑膜圧を発生するため、該両側端部において負荷能力が良好に発揮されるようになる。そして、このように両側端部で強い流体潤滑膜圧が発生することで、軸方向中央部でトップフォイルが大きく凹むことがなく、流体潤滑膜の圧力が両側端部に分散されることにより、トップフォイルは両側端部で少しずつ凹むようになる。よって、両側端部において負荷能力が良好に発揮されるようになり、軸受に対する回転軸の相対的な傾きに対して、剛性が強くなる。すなわち、回転軸の軸振動（コニカル振動）を充分に抑制することが可能になる。
さらに、トップフォイルの、回転軸と対向する面に斜方溝を複数形成しているので、回転軸の始動時にはすでに斜方溝内に周囲流体が存在しているため、昇速途上で回転軸の回転速度が低い段階でも流体潤滑膜が容易に形成されるようになる。したがって、回転軸が停止状態から回転状態に移る始動時において、抵抗トルク（初期トルク）が即座に低下するため、始動性がより向上する。

本発明の回転軸支持構造によれば、従来に比べてラジアルフォイル軸受一つ分の初期トルクを低減し、始動性を向上しているので、例えば車両用過給機などの始動時に強い駆動力が得られない回転機械に適用した場合に、始動(回転)をより迅速に行うことができ、また、低速回転を良好に維持できる等の優れた効果を奏する。
さらに、ラジアルフォイル軸受については一つで回転軸を支持しているため、二つで支持していた従来に比べて回転軸の長さを短くすることが可能となり、支持構造の小型化が可能になるなど、回転軸を含めた支持構造の設計自由度を高めることができる。

本発明の回転軸支持構造の一実施形態の概略構成を示す模式図である。（ａ）は本発明に係るスラストフォイル軸受の第１の例の概略構成を示す側断面図、（ｂ）は（ａ）に示したスラストフォイル軸受の作用説明図、（ｃ）は（ａ）に示したスラストフォイル軸受の変形例を示す図である。図２（ａ）に示したスラストフォイル軸受に係る図であって、（ａ）はスパイラル溝を形成した軸受面の平面図、（ｂ）は流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフ、（ｃ）、（ｄ）はスラストフォイル軸受の要部側断面図である。（ａ）は本発明に係るスラスト軸受の第２の例の概略構成を示す側断面図、（ｂ）は（ａ）に示したスラストフォイル軸受の作用説明図、（ｃ）は（ａ）に示したスラストフォイル軸受の変形例を示す図である。図４（ａ）に示したスラストフォイル軸受に係る図であって、（ａ）はスパイラル溝を形成した軸受面の平面図、（ｂ）は流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフ、（ｃ）、（ｄ）はスラスト軸受の要部側断面図である。図４（ａ）に示したスラストフォイル軸受の要部拡大図である。（ａ）は本発明に係るスラストフォイル軸受の第３の例の概略構成を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の要部側断面図である。本発明に係るラジアルフォイル軸受の一例の概略構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。図８に示したラジアルフォイル軸受に係る図であって、（ａ）は回転軸に設けられたトップフォイルを示す斜視図、（ｂ）はトップフォイルの内面の展開図である。図８（ａ）に示したラジアルフォイル軸受の縦断面図と、これに対応する流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフとを示す図である。

以下、図面を参照して本発明のスラスト軸受を詳しく説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明の回転軸支持構造の一実施形態の概略構成を示す図であり、図１中符号１は回転軸、２はこの回転軸１を支持する回転軸支持構造である。

回転軸支持構造２は、例えばターボ機械の回転軸を支持する構造に適用されたものである。すなわち、本実施形態では回転軸１の先端部にインペラ３が設けられ、後端部にタービン翼車４が設けられている。また、回転軸１には、インペラ３が形成された側にスラストカラー５が固定されている。なお、インペラ３は静止側となるハウジング６内に配置されており、ハウジング６との間にチップクリアランス７を有している。

回転軸支持構造２は、前記回転軸１をラジアルフォイル軸受８一つで回転可能に支持するとともに、該回転軸１のスラストカラー５を一対のスラストフォイル軸受９、９で回転可能に支持している。
従来では、二つ（一対）のラジアルフォイル軸受で回転軸を支持しているのに対し、本実施形態では、一つのラジアルフォイル軸受８で回転軸１を支持している。したがって、本実施形態の回転軸支持構造２では、回転軸１にこれが傾く軸振動（コニカル振動）が起き易く、また、起きた際にはこの軸振動が長く続いてしまう懸念がある。そこで、本実施形態の回転軸支持構造２では、特に回転軸１にこれが傾く軸振動（コニカル振動）が起きた際、この軸振動によるエネルギーを減衰させて振動抑制効果を発揮する、ラジアルフォイル軸受８、スラストフォイル軸受９、９を用いるのが望ましい。

具体的には、スラストフォイル軸受９として、例えば図２（ａ）〜（ｃ）に示すような構造のものが好適に用いられる。図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係るスラストフォイル軸受９の第１の例を示す図である。なお、図２（ａ）〜（ｃ）では、このスラストフォイル軸受を符号９Ａで示す。このスラストフォイル軸受９Ａは、図１においてインペラ３側に配置されたものである。ただし、図１においてインペラ３側に配置されたスラスト軸受９（９Ａ）も、図１においてスラストカラー５を挟んでその反対側、すなわちタービン翼車４側に配置されたスラスト軸受９（９Ａ）も、同一の構成からなっている。

図２（ａ）に示すようにスラストフォイル軸受９Ａは、回転軸１に固定された円板状のスラストカラー５に対向して配置された円環状（円筒状）のもので、回転軸１に外挿されて設けられたものである。このスラストフォイル軸受９Ａは、スラストカラー５に対向して配置されるトップフォイル（軸受部）１０と、このトップフォイル１０の、前記スラストカラー５に対向する面と反対側の面に対向して配置されたベース部１１とを備えて構成されている。ベース部１１は、トップフォイル１０の、スラストカラー５に対向する面と反対側の面に対向して配置されたベース板１２と、これらトップフォイル１０とベース板１２との間に配置された二種類の弾性体、すなわち第１弾性体１３と第２弾性体１４とを備えて構成されている。なお、本発明の請求項４に係る弾性体は第１弾性体１３からなっている。

トップフォイル１０は、回転軸１を挿通するための貫通孔１０ａを有した円環板状のもので、スラストカラー５に対向する面を軸受面１０ｂとしたものである。この軸受面１０ｂには、図３（ａ）に示すように動圧発生用のスパイラル溝１５が形成されている。スパイラル溝１５は、公知のポンプイン形のもので、多数の螺旋形溝（スパイラル状の溝）１５ａを周方向に沿って等間隔に配置したものであり、本例では螺旋形溝１５ａが全て同一の流入角を有して形成されている。ただし、必ずしも螺旋形溝１５ａが全て同一の流入角を有しておらず、例えば一部の螺旋形溝１５ａで異なっていたり、さらには一つの螺旋形溝１５ａ内において異なる流入角を有しているような動圧発生用のスパイラル溝であっても、本発明に係る動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝であるものとする。

図３（ａ）に示すように螺旋形溝１５ａは、軸受面１０ｂの外周端から、前記貫通孔１０ａの周囲に設けられた円環状のランド１５ｂにまで延びて形成されている。ランド１５ｂは、螺旋形溝１５ａの底面に対して相対的に高い位置（外側の位置）に外面を有したものである。なお、螺旋形溝１５ａ、１５ａ間もランド（図示せず）となっている。

このような構成によってスパイラル溝１５（螺旋形溝１５ａ）は、スラストカラー５に対して軸受面１０ｂが相対的に回転した際（実際にはスラストカラー５が回転する）、軸受面１０ｂの外周側から螺旋形溝１５ａに沿って内周側に軸受周囲の流体を引き込み、これによってスラストカラー５と軸受面１０ｂとの間に流体潤滑膜を形成するようになっている。また、スパイラル溝１５（螺旋形溝１５ａ）によって引き込まれた流体は、ランド１５ｂに衝突することでその流れが遮られ、動圧が保持されるため、特にトップフォイル１０の内周側で圧力が高くなるようになっている。すなわち、スパイラル溝１５（螺旋形溝１５ａ）によって形成される流体潤滑膜は、軸受面１０ｂの外周側に比べ、内周側で高くなるような圧力分布を有するものとなっている。

図３（ｂ）は、このような流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである。図３（ｂ）中横軸は、図３（ａ）に示した軸受面１０ｂにおける、中心からの半径方向の距離（位置）を示し（右側に行くほど中心から遠くなる）、縦軸は流体潤滑膜の圧力（動圧）を示している（上側に行くほど高くなる）。また、図３（ｂ）のグラフにおける（１）は、図３（ａ）中のランド１５ｂの内周縁での圧力を示し、（２）は同じくランド１５ｂの外周縁での圧力を示し、（３）は軸受面１０ｂの外周縁での圧力を示している。

図２（ａ）に示すようにベース板１２は、回転軸１を挿通するための貫通孔１２ａを有した円環板状（略円筒状）のもので、トップフォイル１０における軸受面１０ｂと反対側の面に対向して配置されたものである。このベース板１２は、図示しないケーシング等に螺子等で固定されており、これによって固定された状態で保持されている。

また、このベース板１２の、トップフォイル１０に対向する面は、その外周側に配置されて凹部１６を形成する第１面部１２ｂと、該第１面部１２ｂより内周側に配置された第２面部１２ｃとを有している。凹部１６は、ベース板１２の周方向に沿って周全体で連続して形成されている。すなわち、この凹部１６は、平面視円環状に形成されている。また、この凹部１６は、その深さが、ベース板１２の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されている。したがって、このベース板１２は、凹部１６によってテーパ面を形成したものとなっている。また、凹部１６の内周側の端縁１６ａは、凹部１６を形成した面の内周端１７ａより外周側に位置している。したがって、前記第２面部１２ｃ（凹部１６を形成した面の内周端１７ａから凹部１６の内周側の端縁１６ａまでの間）は、平坦面１７となっている。

そして、この平坦面１７上には第２弾性体１４が設けられており、前記凹部１６には、該凹部１６を埋めた状態に第１弾性体１３が設けられている。ただし、第１弾性体１３は、凹部１６を埋め、さらにその表面（凹部１６側を向く面と反対の側の面）が第２弾性体１４の表面と面一になるように、凹部１６の深さより第２弾性体１４の厚さ分、厚く形成されている。ここで、第２弾性体１４の厚さは、スラストフォイル軸受９Ａの寸法によっても異なるものの、例えばスラストフォイル軸受９Ａの直径が４０ｍｍ〜５０ｍｍ程度である場合、数十μｍ程度とされる。また、第１弾性体１３の最大厚、すなわちベース板１２の最外周部での厚さは、数百μｍ程度とされる。

これら第１弾性体１３、第２弾性体１４は、いずれもゴムや軟質樹脂などによって形成されたもので、例えばシリコーンゴムやシリコーン樹脂などによって形成されている。また、第２弾性体１４としては、第１弾性体１３より剛性が高いものが用いられている。すなわち、第２弾性体１４を形成するゴムや軟質樹脂などは、例えばその硬度が、第１弾性体１３を形成するゴムや軟質樹脂などに比べて高くなっている。よって、第２弾性体１４は、第１弾性体１３に比べて同じ荷重がかかった際の弾性変形量が小さくなり、したがって撓み量が少なくなるようになっている。

ここで、ベース板１２の、トップフォイル１０に対向する面における、第１面部１２ｂの幅（ベース板１２の半径方向の長さ）と、第２面部１２ｃの幅（ベース板１２の半径方向の長さ）とについては、以下のようにして設計するのが好ましい。
後述するようにスラストフォイル軸受９Ａによる軸受負荷能力を優先させる場合には、平坦面１７の幅（半径方向の長さ）を広くして動圧分布図である図３（ｂ）内の（２）の周辺を広く支持し、この（２）周辺での支持剛性を高くする。

また、後述するようにスラストカラー５に対する軸受面１０ｂの追従性を優先し、減衰効果をより高めたい場合には、平坦面１７の幅（半径方向の長さ）を狭くしてトップフォイル１０が傾き易くなるようにする。
特に、スラストカラー５に対する軸受面１０ｂの追従性を最優先としたい場合には、平坦面１７を形成することなく、トップフォイル１０に対向する面全体を、凹部１６としてもよい。その場合にも、凹部１６の内周端（ベース板１２の内周端）が凹部１６中の他の部位より凹んでいないため、該内周端によって軸受負荷能力が発揮されるようになる。

なお、図２（ａ）に示した構成のスラストフォイル軸受９Ａの要部を、図３（ｃ）として、先に示した流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである図３（ｂ）とともに示す。図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、凹部１６と平坦面１７との境界が、図３（ｂ）に示す（２）の位置、すなわち図３（ａ）に示すランド１５ｂの外周縁の位置となる。
さらに、図３（ｄ）には、平坦面１７を形成することなく、トップフォイル１０に対向する面全体を、凹部１６とした場合の、スラストフォイル軸受９Ａの要部を示す。この図３（ｄ）では、図３（ｂ）に示す（２）の位置より外側に第１弾性体１３を配置し、（２）の位置より内側に第２弾性体１４を配置している。

図２（ａ）に示した構成からなるスラストフォイル軸受９Ａを形成するには、例えば凹部１６を形成したベース板１２に対して、その平坦面１７上に第２弾性体１４の形成材料を、また、凹部１６上（内）に第１弾性体１３の形成材料をそれぞれ所定量配し、さらに適宜な圧力で加圧しつつ加熱することにより、第１弾性体１３の形成材料、第２弾性体１４の形成材料を共に硬化させる。これにより、第１弾性体１３、第２弾性体１４を形成するとともに、これら第１弾性体１３、第２弾性体１４をベース板１２に接着する。すなわち、第１弾性体１３及び第２弾性体１４とベース板１２とが一体化されてなる、ベース部１１を形成する。その後、これら第１弾性体１３、第２弾性体１４上にスパイラル溝１５を形成したトップフォイル１０を載せる。

これにより、トップフォイル１０とベース部１１とを備えてなる、図２（ａ）に示した構造のスラストフォイル軸受９Ａが得られる。ベース部１１は、回転軸１の回転時に、トップフォイル（軸受部）１０をその径方向に傾斜可能に支持し、かつ、弾性的に支持できるようになっている。また、このスラストフォイル軸受９Ａは、トップフォイル（軸受部）１０に動圧発生用のスパイラル溝１５を形成しているため、回転軸１の停止時においては、スラストカラー５に対して非接触タイプのものとなっている。

次に、このような構成からなるスラストフォイル軸受９Ａの作用について説明する。
回転軸１の停止時においては、スラストフォイル軸受９Ａはそのトップフォイル１０がスラストカラー５に対して非接触の状態に配置されている。この停止状態から、タービン翼車４に駆動力が与えられて回転軸１が回転し始め、高速回転に進むと、スラストカラー５とトップフォイル１０の軸受面１０ｂとの間に、スパイラル溝１５で形成された動圧によって流体潤滑膜が形成され、これによってスラストフォイル軸受９Ａは、形成された流体潤滑膜を介してスラストカラー５を支持するようになる。その際、スラストフォイル軸受９Ａは回転軸１の停止時においてスラストカラー５に対して非接触の状態となっていたため、このスラストフォイル軸受９Ａは実質的に始動時の抵抗トルク（初期トルク）を生じていない。
なお、形成された流体潤滑膜の動圧は、前述したようにスラストフォイル軸受９Ａの内周側で高く、外周側で低くなっている。

また、回転軸１は、回転軸が有する不釣合い、外部環境の影響および運転状態などによってその回転が回転中心から僅かながらぶれて振動することがあり、その場合にはこれに固定されているスラストカラー５も僅かながら振動して面振れし、図２（ｂ）に示すように瞬間的には傾いた状態となる。
その際、本例のスラストフォイル軸受９Ａにあっては、ベース板１２に凹部１６を形成し、この凹部１６の深さを内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成し、さらに凹部１６には第１弾性体１３を設け、内周側の平坦面１７上には第１弾性体１３より剛性が高い第２弾性体１４を設けている。

したがって、前記動圧が高くなる内周側では外周側に比べて第２弾性体１４の厚さが第１弾性体１３に比べて相対的に薄くなり、しかも第２弾性体１４は第１弾性体１３より剛性が高いため、内周側の第２弾性体１４は動圧が低くなる外周側の第１弾性体１３に比べて撓み量（弾性変形量）が小さくなる。また、第１弾性体１３についても、内周側では外周側に比べて厚さが薄くなるため、内周側ではその撓み量（弾性変形量）が小さくなる。

よって、この動圧が高くなる内周側では第２弾性体１４や第１弾性体１３が必要以上に大きく撓むことがないため、動圧が高くなる内周側においても、流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるようになり、スラストフォイル軸受９Ａはその軸受負荷能力の低下が抑制されたものとなる。また、外周側の第１弾性体１３は内周側よりも撓み易くなっているので、軸受面１０ｂはスラストカラー５に良好に追従し、図２（ｂ）の左側に示すように、スラストカラー５とトップフォイル１０の軸受面１０ｂとの間の流体潤滑膜の厚さ（スラストカラー５とトップフォイル１０の軸受面１０ｂとの隙間）が一定に保たれ、流体潤滑膜が破断し難くなる。すなわち、外周側が撓み易くなっているのでスラストカラー５の傾きに追従できる。

また、凹部１６の内周側には平坦面１７が形成されており、この平坦面１７に設けられた第２弾性体１４は第１弾性体１３より剛性が高いため、この第２弾性体１４が設けられた内周端側は、トップフォイル１０に押圧されてもほとんど弾性変形が生じない（撓まない）ことになる。したがって、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、内周端側（平坦面１７側）によってトップフォイル１０がベース板１２側に移動するのが抑制され、これによって回転軸１がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。

したがって、本実施形態に係るスラストフォイル軸受９Ａによれば、スラスト荷重（静荷重）が増えても、前述したようにトップフォイル１０がベース板１２側に移動するのが抑制されているので、回転軸１がその軸方向に移動するのが十分に制限される。よって、図１に示したようにこのスラストフォイル軸受９Ａ（９）をターボ機械のインペラ３を有する回転軸１に適用した場合に、回転軸１がその軸方向に沿って図１中矢印方向に移動することで、インペラ３がその外側のハウジング（静止部）６に接触してしまうおそれが無くなる。

また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、第２弾性体１４が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの内周側でも前記流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるため、軸受９Ａの軸受負荷能力の低下を抑制することができ、また、内周側に比べると外周側は撓み易くなっているので、スラストカラー５の振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。すなわち、このスラストフォイル軸受９Ａにあっては、回転軸１が傾くような振れ回り振動が起こり、スラストカラー５に傾き(面振れ)が生じても、この傾きをより良好に吸収し、したがって回転軸１の軸振動（コニカル振動）を充分に抑制することができる。

さらに、ベース板１２のトップフォイル（軸受部）１０に対向する面側に凹部１６を形成し、トップフォイル１０には凹部を形成していないので、このトップフォイル１０を比較的薄く形成することができ、これによって軽量に形成することが可能になる。したがって、トップフォイル１０を軽量に形成することで、その軸受面１０ｂのスラストカラー５に対する動的な追従性を高めることができる。

なお、前記例では、図２（ａ）、（ｂ）に示したように、凹部１６の底面を平坦な傾斜面としたが、凹部１６はその深さがベース板１２の内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されていれば、図２（ｃ）に示すように湾曲してなる湾曲面であってもよい。この湾曲面の形状については、例えばスラストフォイル軸受９（９Ａ）の形状や寸法、回転軸１の運転条件などに基づいたシミュレーションにより、図３（ｂ）に示したようなグラフを求めておき、このグラフから得られる半径方向の距離と動圧との関係に対応して、設計するのが好ましい。

また、前記例では、ベース板１２のトップフォイル（軸受部）１０に対向する面側に凹部１６を形成したが、トップフォイル側に凹部を形成し、該凹部内に弾性体（第１弾性体）を埋設し、さらに、凹部の内周側の平坦面に第２弾性体を設けた構成としてもよい。このような構成としても、図２（ａ）に示した例と同様、回転軸１の軸方向への動きを十分に制限することができ、また、スラストカラー５の振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。

次に、図１に示したスラストフォイル軸受９の第２の例を、図４（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、図４（ａ）〜（ｃ）では、このスラストフォイル軸受を符号９Ｂで示す。このスラストフォイル軸受９Ｂも、図１においてインペラ３側に配置されたものとする。ただし、本例でも第１の例と同様に、図１においてスラストカラー５を挟んだ両方のスラストフォイル軸受９（９Ｂ）は、同一の構成からなるものとする。

図４（ａ）に示すようにスラストフォイル軸受９Ｂは、回転軸１に固定されたスラストカラー５に対向して配置された円環状（円筒状）のもので、回転軸１に外挿されて設けられたものである。このスラストフォイル軸受９Ｂは、スラストカラー５に対向して配置される軸受部２０と、この軸受部２０の、前記スラストカラー５に対向する面と反対側の面に対向して配置されたベース板（ベース部）２１と、を備えて構成されたものである。

軸受部２０は、本例では円環薄板状の３枚のフォイル２２、２３、２４が、積層配置されて全体が円環板状に形成されたもので、回転軸１を挿通するための貫通孔２０ａを有したものである。３枚のフォイルは、その平面形状が全て同じ大きさ・寸法に形成されたもので、前記スラストカラー５側から順に、トップフォイル２２、第１バックフォイル２３、第２バックフォイル２４となっており、トップフォイル２２のスラストカラー５に対向する面が、軸受面２２ａとなっている。

軸受面２２ａには、図５（ａ）に示すように動圧発生用のスパイラル溝２５が形成されている。スパイラル溝２５は、図３（ａ）に示したスパイラル溝１５と同様のもので、多数の螺旋形溝（スパイラル状の溝）２５ａを周方向に沿って等間隔に配置したものである。すなわち、図５（ａ）に示すように螺旋形溝２５ａは、軸受面２２ａの外周端から、前記貫通孔２０ａの周囲に設けられた円環状のランド２５ｂにまで延びて形成されている。ランド２５ｂは、螺旋形溝２５ａの底面に対して相対的に高い位置（外側の位置）に外面を有したものである。なお、螺旋形溝２５ａ、２５ａ間もランド（図示せず）となっている。

このような構成によってスパイラル溝２５（螺旋形溝２５ａ）は、図３（ａ）に示したスパイラル溝１５と同様に、スラストカラー５に対して軸受面２２ａが相対的に回転した際（実際にはスラストカラー５が回転する）、軸受面２２ａの外周側から螺旋形溝２５ａに沿って内周側に軸受周囲の流体（例えば空気）を引き込み、これによってスラストカラー５と軸受面２２ａとの間に流体潤滑膜を形成する。また、スパイラル溝２５（螺旋形溝２５ａ）によって引き込まれた流体は、ランド２５ｂに衝突することでその流れが遮られ、動圧が保持されるため、特に軸受部２０（軸受面２２ａ）の内周側で圧力が高くなるようになっている。すなわち、スパイラル溝２５（螺旋形溝２５ａ）によって形成される流体潤滑膜は、軸受面２２ａの外周側に比べ、内周側で高くなるような圧力分布を有するものとなっている。

図５（ｂ）は、このような流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである。図５（ｂ）中横軸は、図５（ａ）に示した軸受面２２ａにおける、中心からの半径方向の距離（位置）を示し（右側に行くほど中心から遠くなる）、縦軸は流体潤滑膜の圧力（動圧）を示している（上側に行くほど高くなる）。また、図５（ｂ）のグラフにおける（１）は、図５（ａ）中のランド２５ｂの内周縁での圧力を示し、（２）は同じくランド２５ｂの外周縁での圧力を示し、（３）は軸受面２２ａの外周縁での圧力を示している。

図５（ｂ）に示すように、軸受面２２ａの外周縁（３）からランド２５ｂの外周縁（２）までの範囲内においては、外周側から内周側に行くに連れて流体潤滑膜の圧力（動圧）は連続的に高くなるように変化している。また、軸受面２２ａ全体で見ても、ランド２５ｂの外周縁（２）、すなわちスパイラル溝２５が形成された領域の内周端で、流体潤滑膜の圧力（動圧）が最も高くなっている。

図５（ａ）に示すように軸受部２０を構成するトップフォイル２２は、例えばステンレスやインコネル（Inconel［登録商標］）などの合金や金属からなるもので、厚さが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度の薄板状のものである。また、第１バックフォイル２３、第２バックフォイル２４は、銅等の金属や制振合金からなるもので、厚さが０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ程度の薄板状のものである。なお、第１バックフォイル２３、第２バックフォイル２４には、その表面をコーティングして摩擦による減衰効果を高めるようにしてもよい。

ベース板２１は、回転軸１を挿通するための貫通孔２１ａを有した円環板状（略円筒状）のもので、ステンレス等の合金や金属からなる耐熱性のものであり、軸受部２０の第２バックフォイル２４に対向して配置されたものである。このベース板２１は、図示しないケーシング等に螺子等で固定されており、これによって固定された状態で保持されている。

また、このベース板２１の、前記第２バックフォイル２４に対向する面は、その外周側に配置されて凹部２６を形成する第１面部２１ｂと、該第１面部２１ｂより内周側に配置された第２面部２１ｃとを有している。凹部２６は、ベース板２１の周方向に沿って周全体で連続して形成されている。すなわち、この凹部２６は、平面視円環状に形成されている。また、この凹部２６は、その深さが、ベース板２１の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されている。したがって、このベース板２１は、凹部２６によってテーパ面を形成したものとなっており、その厚さが、内周側から外周端に向かって連続的に薄くなるように形成されている。

また、凹部２６の内周側の端縁２６ａは、凹部２６を形成した面の内周端２７ａより外周側に位置している。したがって、前記第２面部２１ｃ（凹部２６を形成した面の内周端２７ａから凹部２６の内周側の端縁２６ａまでの間）は、平坦面２７となっている。
このような構成のもとに軸受部２０は、その第２バックフォイル２４が、通常は平坦面２７にのみ接した状態でベース板２１に支持されている。すなわち、ベース板（ベース部）２１は、回転軸１の回転時に、第２バックフォイル２４を含む軸受部２０をその径方向に傾斜可能に支持し、かつ、弾性的に支持できるようになっている。

ここで、ベース板２１の、第２バックフォイル２４に対向する面における、第１面部２１ｂの幅（ベース板２１の半径方向の長さ）と、第２面部２１ｃの幅（ベース板２１の半径方向の長さ）とについては、以下のようにして設計するのが好ましい。
後述するようにスラストフォイル軸受９Ｂによる軸受負荷能力を優先させる場合には、平坦面２７の幅（半径方向の長さ）を広くして動圧分布図である図５（ｂ）内の（２）の周辺を広く支持し、この（２）周辺での支持剛性を高くする。

また、後述するようにスラストカラー５に対する軸受面２２ａの追従性を優先し、減衰効果をより高めたい場合には、平坦面２７の幅（半径方向の長さ）を狭くして軸受部２０が傾き易くなるようにする。
特に、スラストカラー５に対する軸受面２２ａの追従性を最優先としたい場合には、平坦面２７を形成することなく、第２バックフォイル２４に対向する面全体を、凹部２６としてもよい。その場合にも、凹部２６の内周端（ベース板２１の内周端）が凹部２６中の他の部位より凹んでいないため、該内周端によって軸受負荷能力が発揮されるようになる。

なお、図４（ａ）に示した構成のスラストフォイル軸受９Ｂの要部を、図５（ｃ）として、先に示した流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである図５（ｂ）とともに示す。図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、凹部２６と平坦面２７との境界が、図５（ｂ）に示す（２）の位置、すなわち図５（ａ）に示すランド２５ｂの外周縁の位置となる。
さらに、図５（ｄ）には、平坦面２７を形成することなく、第２バックフォイル２４に対向する面全体を、凹部２６とした場合の、スラストフォイル軸受９Ｂの要部を示す。

また、本例では、図６に示すようにベース板２１の内周側端部に、円筒状の保持筒２８を形成し、この保持筒２８を軸受部２０の貫通孔２０ａ（図４参照）内に挿入することにより、フォイル２２、２３、２４の側端面を保持することで各フォイル２２、２３、２４の内周側端部をベース板２１の内周側端部に保持している。すなわち、本例では、トップフォイル２２についてはその内周端側に庇状の係合部２９を形成し、この係合部２９を保持筒２８の上端部に係合させるとともに、該係合部２９で保持筒２８の上端面を覆っている。このような構成のもとにベース板（ベース部）２１は、前記したように回転軸１の回転時に、軸受部２０をその径方向に傾斜可能に支持し、かつ、弾性的に支持できるようになっている。

次に、このような構成からなるスラストフォイル軸受９Ｂの作用について説明する。
回転軸１の停止時においては、第１の例のスラストフォイル軸受９Ａと同様にスラストフォイル軸受９Ｂは、軸受部２０のトップフォイル２２がスラストカラー５に対して非接触の状態に配置されている。この停止状態から、タービン翼車４に駆動力が与えられて回転軸１が回転し始め、高速回転に進むと、スラストカラー５と軸受部２０の軸受面２２ａとの間に、スパイラル溝２５で形成された動圧によって流体潤滑膜が形成され、これによってスラストフォイル軸受９Ｂは、形成された流体潤滑膜を介してスラストカラー５を支持するようになる。その際、スラストフォイル軸受９Ｂは回転軸１の停止時においてスラストカラー５に対して非接触の状態となっていたため、このスラストフォイル軸受９Ｂは実質的に始動時の抵抗トルク（初期トルク）を生じていない。

なお、形成された流体潤滑膜の動圧は、前述したようにスラストフォイル軸受９Ｂの内周側で高く、外周側で低くなっている。
また、回転軸１は、回転軸が有する不釣合い、外部環境の影響および運転状態などによってその回転が回転中心から僅かながらぶれて振動することがあり、その場合にはこれに固定されているスラストカラー５も僅かながら振動して面振れし、図４（ｂ）に示すように瞬間的には傾いた状態となる。

その際、本例のスラストフォイル軸受９Ｂにあっては、ベース板２１に凹部２６を形成し、この凹部２６の深さを内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成しているので、軸受部２０は、凹部２６を形成したベース板２１に支持されることにより、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では動圧が低くなる外周側に比べて曲げ剛性が高く、相対的に強いバネとして機能するようになる。すなわち、軸受部２０はその内周側のみがベース板２１に保持された片持ち状になっているため、外周側では力が弱いバネとして機能しているのに対し、内周側では力が強いバネとして機能するようになっている。
よって、トップフォイル２２はその内周側がほとんど撓まないため、この内周側でも流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるようになり、スラストフォイル軸受９Ｂはその軸受負荷能力の低下が抑制されたものとなる。

また、凹部２６の深さが内周側から外周端に向かって連続的に深くなっているので、軸受部２０はその外周側がベース板２１側に変形し易くなっており、したがって軸受面２２ａはスラストカラー５に良好に追従し、図４（ｂ）の左側に示すように、スラストカラー５とトップフォイル２２の軸受面２２ａとの間の流体潤滑膜の厚さ（スラストカラー５とトップフォイル２２の軸受面２２ａとの隙間）が一定に保たれ、流体潤滑膜が破断し難くなる。すなわち、外周側が撓み易くなっているので、スラストカラー５の傾きに容易に追従できる。

また、ベース板２１の、凹部２６を形成した面には平坦面２７が形成されており、この平坦面２７に軸受部２０は支持されているため、軸受部２０が平坦面２７を押圧しても軸受部２０に曲げ変形が生じない（撓まない）ことになる。したがって、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、前記の平坦面２７によって軸受部２０がベース板２１側に移動するのが抑制されるため、回転軸１がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。

さらに、３枚のフォイル２２、２３、２４を積層することで軸受部２０を構成しているので、不釣り合いや外乱等によって例えば図４（ｂ）に示したように回転軸１が傾くような振れ回り振動をしても、スラストカラー５を介してこれに追従する軸受部２０は、積層されたフォイルどうしが互いに擦れ合い、さらに、第２バックフォイル２４（軸受部２０）とベース板（ベース部）２１も擦れ合うことにより、その摩擦によって前記振れ回り振動を減衰させるように作用する。

したがって、本例のスラストフォイル軸受９Ｂによれば、スラスト荷重（静荷重）が増えても、前述したように軸受部２０がベース板２１側に移動するのが抑制されているので、回転軸１がその軸方向に移動するのが十分に制限される。よって、図１に示したようにこのスラストフォイル軸受９Ｂをターボ機械のインペラ３を有する回転軸１に適用した場合に、回転軸１がその軸方向に沿って図１中矢印方向に移動することで、インペラ３がその外側のハウジング（静止部）６に接触してしまうおそれが無くなる。これにより、インペラ３の先端とハウジング６との間のチップクリアランス７を小さくすることができ、ターボ機械の効率を高めることができる。

また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、軸受部２０が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの部位でも所望の動圧が発生され易くなるため、軸受９Ｂの軸受負荷能力の低下を抑制することができる。
さらに、ベース板２１には凹部２６が形成されているので、回転軸１が傾くように振れ回り振動し、スラストカラー５に傾き（面振れ）が生じても、軸受部２０はその傾きに追従するように傾斜する。その際、軸受部２０を構成するフォイル２２、２３、２４間などに摩擦が生じ、これによって回転軸１の振動エネルギーが散逸するため、減衰効果が発揮され、これによって振動抑制効果が得られる。

なお、前記例では、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、凹部２６の底面を平坦な傾斜面としたが、凹部２６はその深さがベース板２１の内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されていれば、図４（ｃ）に示すように湾曲してなる湾曲面であってもよい。この湾曲面の形状については、例えばスラストフォイル軸受９（９Ｂ）の形状や寸法、回転軸１の運転条件などに基づいたシミュレーションにより、図５（ｂ）に示したようなグラフを求めておき、このグラフから得られる半径方向の距離と動圧との関係に対応して、設計するのが好ましい。
さらに、前記の平坦面２７を形成することなく、図５（ｄ）に示したように凹部２６を、ベース板２１の内周端から外周端にかけて全体に形成してもよい。

次に、図１に示したスラストフォイル軸受９の第３の例を、図７（ａ）、（ｂ）に示す。なお、図７（ａ）、（ｂ）では、このスラストフォイル軸受を符号９Ｃで示す。このスラストフォイル軸受９Ｃも、図１においてインペラ３側に配置されたものとする。ただし、本例でも第１、第２の例と同様に、図１においてスラストカラー５を挟んだ両方のスラストフォイル軸受９（９Ｃ）は、同一の構成からなるものとする。

図７（ａ）に示すようにスラストフォイル軸受９Ｃは、回転軸１に固定されたスラストカラー５に対向して配置される円環板状（円筒状）のもので、回転軸１に外挿されて設けられるものである。すなわち、このスラストフォイル軸受９Ｃは、図７（ｂ）に示すように円環板状のベース板３０の表面側（スラストカラー５側）に、バックフォイル３１を保持し、このバックフォイル３１の表面側に円環板状のトップフォイル３２を有したもので、図１に示したように回転軸１に外挿され、かつスラストカラー５に対向して配置されたものである。

トップフォイル３２は、図７（ａ）に示すように円環をその周方向に８分割してなるトップフォイル片３２ａを、８個有して円環板状に形成されたもので、その周方向の一方の側縁部が溶接等によってベース３０に固定されている。このような構成によってトップフォイル片３２ａは、周方向の一側縁側が固定端となり、他側縁側が自由端となっている。

バックフォイル３１は、トップフォイル３２の裏面側に配置されてこれを弾性的に支持するものである。したがって、このバックフォイル３１も、トップフォイル３２に対応して８個のバックフォイル片３１ａからなっている。すなわち、円環をその周方向に８分割してなるバックフォイル片３１ａが、ベース３０の周方向に８個並べて配置されたことにより、円環板状のバックフォイル３１が形成されている。これらバックフォイル片３１ａも、その周方向の一方の側縁部が溶接等によってベース３０に固定されており、したがって一側縁側が固定端となり、他側縁側が自由端となっている。

バックフォイル片３１ａは、従来公知のバンプフォイルと同様、図７（ｂ）に示すように山部３３と谷部３４とが周方向、すなわちトップフォイル３２の周方向に沿って交互に形成されている。なお、本例では、トップフォイル３２によって本発明に係る軸受部が形成され、バックフォイル３１とベース板３０とによって軸受部を支持するベース部が形成されている。

次に、このような構成からなるスラストフォイル軸受９Ｃの作用について説明する。
スラストフォイル軸受９Ｃは、トップフォイル３２がスラストカラー５に対して接触した状態に配置されている。

この停止状態から、タービン翼車４に駆動力が与えられて回転軸１が回転し始め、高速回転に進むと、スラストカラー５とトップフォイル３２との間に形成された動圧によって流体潤滑膜が形成され、これによってスラストフォイル軸受９Ｃは、形成された流体潤滑膜を介してスラストカラー５を支持するようになる。

また、回転軸１は、回転軸が有する不釣合い、外部環境の影響および運転状態などによってその回転が回転中心から僅かながらぶれて振動することがあり、その場合にはこれに固定されているスラストカラー５も僅かながら振動して面振れし、瞬間的には傾いた状態となる。その際、本例のバックフォイル３１は、トップフォイル３２から荷重を受けると、図７（ｂ）に示す山部３３が自由端側に延び、谷部３４がベース板３０上を滑ることで摩擦を生じる。

よって、本例のスラストフォイル軸受９Ｃにあっては、回転軸１が傾くように振れ回り振動し、スラストカラー５に傾き（面振れ）が生じ、これにトップフォイル３２が追従した際、このトップフォイル３２を支持するベース部のバックフォイル３１がベース板３０との間で摩擦を生じ、これによって回転軸１の振動エネルギーが散逸するため、減衰効果を発揮し、振動抑制効果を奏する。すなわち、回転軸１の軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮することができ、これによって高い減衰能力を有するものとなる。

次に、図１に示したラジアルフォイル軸受８の好適なものとして、回転軸１にこれが傾く軸振動（コニカル振動）が起きた際、この軸振動によるエネルギーを減衰させて振動抑制効果を発揮し得る、ラジアルフォイル軸受の一例を説明する。
図８（ａ）、（ｂ）は、振動抑制効果を発揮し得るラジアルフォイル軸受の一例を示す図である。このラジアルフォイル軸受８は、回転軸１に外挿されて該回転軸１を支持する円筒状のもので、回転軸１に対向して配置される円筒状のトップフォイル４０と、該トップフォイル４０の径方向外側に配置されるバックフォイル４１と、該バックフォイル４１の径方向外側に配置される軸受ハウジング４２とを備えて構成されている。

軸受ハウジング４２は、ラジアルフォイル軸受８の最外部を構成する金属製で円筒状のもので、内部にバックフォイル４１およびトップフォイル４０を収容したものである。
バックフォイル４１は、フォイル（薄板）で形成されてトップフォイル４０を弾性的に支持するものである。このようなバックフォイル４１としては、例えば、バンプフォイル、特開２００６−５７６５２号公報や特開２００４−２７０９０４号公報などに記載されているスプリングフォイル、特開２００９−２９９７４８号公報などに記載されているバックフォイルなどが用いられる。図８ではバンプフォイルを例に説明する。バンプフォイルは、図８（ｂ）に示すようにフォイル（薄板）が波板状に成形され、さらに軸受ハウジング４２の内周面に沿って円筒状に形成配置されたものである。ここで、波板状に成形されたバンプフォイル（バックフォイル）４１は、ラジアルフォイル軸受８の周方向に沿って、トップフォイル４０に接する山部と、軸受ハウジング４２に接する谷部とを交互に形成している。これによってバックフォイル４１は、ラジアルフォイル軸受８の軸方向に山部や谷部による流体の通路を形成している。

トップフォイル４０は、その外面（裏面）にバックフォイル４１を貼設したもので、図８（ｂ）に示すようにフォイル始端４０ａ側が外方に折曲して軸受ハウジング４２に形成された係止溝（図示せず）に係止したことにより、軸受ハウジング４２内を回転することなく、該軸受ハウジング４２内に保持固定されている。また、フォイル終端４０ｂは、フォイル始端４０ａに対して所定の隙間をあけてその近傍に配置されている、なお、バックフォイル４１はトップフォイル４０の外面に貼設されていることにより、該バックフォイル４１もその始端と終端との間に、所定の隙間を有している。

また、トップフォイル４０には、図９（ａ）、（ｂ）に示すようにその内面、すなわち回転軸１と対向する面に、斜方溝４３が複数形成されている。
斜方溝４３は、トップフォイル４０の外観を示す図９（ａ）、およびトップフォイル４０の内面を展開した図９（ｂ）に示すように、回転軸１の回転方向（矢印方向）後方から前方に向かうとともに、トップフォイル４０の軸方向（回転軸１の回転方向と直交する方向）の中心部（本例では軸方向の中心線ＣＬ）から両方の端縁側にそれぞれ向かって形成されている。すなわち、軸方向の中心線ＣＬを対称線として、斜方溝４３は軸方向の一方の側と他方の側とに、線対称で形成配置されている。

これら斜方溝４３は、ラジアルフォイル軸受８の大きさによっても異なるものの、周方向（回転軸１の回転方向）に中心線ＣＬを挟んだ片側だけで例えば１０〜３０本程度、中心線ＣＬを挟んだ両側では２０〜６０本程度形成されている。そして、隣り合う斜方溝４３間は、非溝形成部、すなわち溝間ランド部４４となっている。なお、斜方溝４３は、金属製薄板状のトップフォイル４０の内面が、エッチング等によって深さ数十μｍ程度の溝に形成されたものである。一方、溝間ランド部４４は、トップフォイル４０の内面によって構成されたもので、斜方溝４３が形成されたことにより、相対的に形成されたものである。

これら斜方溝４３と溝間ランド部４４とは、特に限定されないものの、その幅の比が例えば２：１〜１：２程度となっている。
また、斜方溝４３は、図９（ｂ）に示すように軸方向に対する角度、すなわち中心線ＣＬと直交するラインに対する傾斜角θが、１０°〜３５°程度に形成されているのが好ましく、１５°〜２０°程度に形成されているのがより好ましく、１７°程度に形成されているのがさらに好ましい。１０°以上にすることで、回転軸１の回転力に付勢された潤滑流体を、斜方溝４３に沿って回転軸１の回転方向に向けて良好に流れさせることができ、ラジアルフォイル軸受８をより広範囲に冷却することが可能になる。一方、３５°以下にすることで、潤滑流体が斜方溝４３に沿って軸方向の端部側に向かって良好に流れるようになり、後述するように熱くなった潤滑流体をラジアルフォイル軸受８の外側に良好に排出することが可能になる。

また、斜方溝４３は、それぞれ、トップフォイル４０の一方の端縁側に向かって形成されているものの、該端縁にまで延びることなく、該端縁の手前で止まって形成されている。これにより、斜方溝４３の端縁側の端部（閉止端）と該端縁との間には、端縁側ランド部４５が形成されている。端縁側ランド部４５も、前記溝間ランド部４４と同様にトップフォイル４０の内面によって構成されたもので、斜方溝４３が形成されたことにより、相対的に形成されたものである。

中心線ＣＬを挟んだ片側の斜方溝４３の、軸方向における長さＬ１は、特に限定されないものの、トップフォイル４０の軸方向の長さＬに対して、例えば（２Ｌ／５）〜（Ｌ／４）程度とされる。したがって、端縁側ランド部４５の、軸方向における幅Ｌ２（＝Ｌ／２−Ｌ１）は、（Ｌ／１０）〜（Ｌ／４）程度とされる。このような範囲で斜方溝４３の長さＬ１や端縁側ランド部４５の幅Ｌ２を形成することにより、斜方溝４３を流れてきた流体は端縁側ランド部４５で一旦せきとめられ、その後これを乗り越えるようになるため、高い膜圧を発生するようになる。

次に、このような構成からなるラジアルフォイル軸受８の作用について説明する。
回転軸１が停止した状態では、トップフォイル４０はバックフォイル４１によって回転軸１側に付勢されることで回転軸１に密着している。ただし、本例では、トップフォイル４０の内面に斜方溝４３が形成されているため、回転軸１が停止している状態でもすでに斜方溝４３内に周囲流体（例えば空気）が存在している。

そして、タービン翼車４に駆動力を与えて回転軸１を始動させると、最初は低速で回転を始め、その後徐々に加速して高速で回転する。すると、トップフォイル４０のフォイル始端４０ａとフォイル終端４０ｂとの間から周囲流体が引き入れられ、トップフォイル４０と回転軸１との間に流入することでここに流体潤滑膜を形成する。なお、トップフォイル４０と回転軸１との間には、最初から斜方溝４３内に周囲流体が存在していたため、回転軸１の回転速度が低い段階でも、斜方溝４３内の周囲流体と流入してきた周囲流体とが合わさることにより、流体潤滑膜が容易に形成されるようになる。そして、この流体潤滑膜が十分な膜圧を発生すると、トップフォイル４０が外側へ押し広げられ、回転軸１はトップフォイル４０と非接触状態で回転するようになる。したがって、本例では、始動時における抵抗トルク（初期トルク）が充分に小さくなっている。

また、このようにして形成された流体潤滑膜は、回転軸１の回転が高速になるに連れ、回転軸１とトップフォイル４０との間でせん断されることによって熱を生じる。しかし、本例では、トップフォイル４０のフォイル始端４０ａとフォイル終端４０ｂとの間から引き入れられた周囲流体が、斜方溝４３の長さ方向に沿って中央線ＣＬから両側端縁に向けて流れるようになる。したがって、軸受周囲の冷えた流体が軸方向中央部に流入して該中央部を冷却し、また該中央部の熱くなった潤滑流体が両側端縁に向けて排出されるようになるため、高い冷却効果が得られるようになる。

また、軸方向中央部から両側端縁に向けて排出された潤滑流体は、端縁側ランド部４５を乗り越える際に強い流体潤滑膜圧を発生するため、該両側端部において負荷能力が良好に発揮されるようになる。図１０は、本例のラジアルフォイル軸受８の、トップフォイル４０と回転軸１との間に形成される流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである。図１０中横軸は、トップフォイル４０の軸方向の位置を示し、縦軸は流体潤滑膜の圧力（動圧）を示している（上側に行くほど高くなる）。

また、図１０中において実線は、本例のラジアルフォイル軸受８による流体潤滑膜の圧力（動圧）を示し、破線は、斜方溝４３を形成しない従来のラジアルフォイル軸受による流体潤滑膜の圧力（動圧）を示している。従来では、軸受中央部を頂点とした山形になっており、軸受中央部で高い負荷能力を発揮しているのに対し、本例では、前記したように斜方溝４３を流れる潤滑流体が端縁側ランド部４５を乗り越える際に強い流体潤滑膜圧を発生するため、ラジアルフォイル軸受８の両側端部においてそれぞれ負荷能力を良好に発揮するようになる。

なお、フォイル始端４０ａとフォイル終端４０ｂとの間から引き入れられた周囲流体の一部は、斜方溝４３の長さ方向に沿うことなく、回転軸１の回転方向に沿ってトップフォイル４０の周方向に流れる。したがって、斜方溝４３から溝間ランド部４４に流れ、さらにこれを乗り越える際、強い流体潤滑膜圧を発生するようになる。これにより、本例のラジアルフォイル軸受８は、図１０に示したようにその両側端部においてそれぞれ高い負荷能力を発揮するものの、中央部においても負荷能力を発揮するようになっている。

このようなラジアルフォイル軸受８にあっては、ラジアルフォイル軸受８の両側端部において負荷能力を良好に発揮させるようにしたので、従来と異なり、軸方向中央部でトップフォイルが大きく凹むことがなく、流体潤滑膜の圧力が両側端部に分散されることにより、トップフォイル４０は両側端部で少しずつ凹むようになる。例えば、図１０中破線で示した従来のラジアルフォイル軸受では、発揮する負荷能力が設計上の５０％程度になってしまうのに対し、図１０中実線で示した本例のラジアルフォイル軸受８では、発揮する負荷能力が設計上の８０％程度となり、負荷能力の低下が大幅に抑制される。

そして、従来のラジアルフォイル軸受が軸方向中央部で負荷能力を主に発揮しており、したがって１箇所で回転軸１を支持していたのに対し、本例のラジアルフォイル軸受８では両側端部においてそれぞれに負荷能力を良好に発揮し、したがって２箇所で回転軸１を支持しているので、回転軸１の傾きに対してラジアルフォイル軸受８の支持剛性が強くなり、回転軸１が振れ回り(歳差運動)を起こした場合でも回転軸１の傾きを最小限に抑えることができる。これにより、回転軸１に対する軸受の相対的な傾きに対して剛性が強くなり、回転軸の軸振動（コニカル振動）を充分に抑制することが可能になる。

また、始動時には斜方溝４３内に周囲流体が存在しており、昇速途上で回転軸１の回転速度が低い段階でも流体潤滑膜が容易に形成されるようになる。したがって、回転軸１が停止状態から回転状態に移る始動時において、抵抗トルク（初期トルク）が即座に低下するため、始動性がより向上する。
また、斜方溝４３によって高い冷却効果が得られるようになっているので、その焼き付きが良好に防止されたものとなる。

以上に説明したように、本実施形態の回転軸支持構造２にあっては、回転軸１を支持するラジアルフォイル軸受については、従来二つで支持していたのに対して一つで支持するようにしたので、ラジアルフォイル軸受一つ分の初期トルクが低減し、始動性が向上する。また、一つのラジアルフォイル軸受で回転軸を支持しているので、従来のように二つで支持していた場合の、ラジアルフォイル軸受間での芯ズレ（ミスアライメント）が無くなるため、この芯ズレに起因する抵抗トルクも無くすことができる。したがって、例えば車両用過給機などの始動時に強い駆動力が得られない回転機械に適用した場合に、始動(回転)をより迅速に行うことができ、また、低速回転を良好に維持できる等の優れた効果を奏する。

さらに、ラジアルフォイル軸受については一つで回転軸を支持しているため、二つで支持していた従来に比べて回転軸の長さを短くすることが可能となり、支持構造の小型化が可能になるなど、回転軸を含めた支持構造の設計自由度を高めることができる。
また、従来の構造に比べてラジアルフォイル軸受を一つ減らせることができるため、コストダウンを図ることができ、したがって特に量産品とした場合に有利になる。
また、従来に比べて回転軸の長さを短くすることで、回転軸を軽量化することができ、したがって慣性量（慣性マス）が低減することで応答性（レスポンス）が向上する。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、図１に示した実施形態では回転軸１を水平方向に配置する横置き型としたが、回転軸を鉛直方向に配置する縦置き型の支持構造にも本発明を適用することができる。その場合、縦置き型では通常スラストフォイル軸受をスラストカラーの下方側にのみ配置する。したがって、このような縦置き型に本発明の支持構造を適用した場合、図１に示した実施形態と異なり、スラストフォイル軸受を一対（二つ）設けることなく、一つのみでスラストカラーを支持するようにしてもよい。その場合にも、前記した第１〜第３の例のスラストフォイル軸受９Ａ〜９Ｃが好適に用いられる。

また、例えばスラストフォイル軸受として前記の第１〜第３の例のスラストフォイル軸受９Ａ〜９Ｃを用いた場合、ラジアルフォイル軸受については、トップフォイル４０に斜方溝４３を形成しない、一般的なラジアルフォイル軸受を用いることができる。同様に、ラジアルフォイル軸受として図８〜図１０に示したものを用いた場合、スラストフォイル軸受については、第１〜第３の例に示したもの以外の、一般的なラジアルフォイル軸受を用いることができる。

１…回転軸、２…回転軸支持構造、５…スラストカラー、８…ラジアルフォイル軸受、９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ…スラストフォイル軸受、１０…トップフォイル（軸受部）、１１…ベース部、１２…ベース板、１３…第１弾性体（弾性体）、１５…スパイラル溝、１６…凹部、２０…軸受部、２１…ベース板（ベース部）、２２…トップフォイル、２２ａ…軸受面、２３…第１バックフォイル、２４…第２バックフォイル、２５…スパイラル溝、２６…凹部、２７…平坦面、３０…ベース板、３１…バックフォイル、３２…トップフォイル、４０…トップフォイル、４１…バックフォイル、４２…軸受ハウジング、４３…斜方溝、４４…溝間ランド部、４５…端縁側ランド部

Claims

スラストカラーを有する回転軸の支持構造であって、
前記回転軸をラジアルフォイル軸受一つで回転可能に支持するとともに、該回転軸のスラストカラーを一つあるいは一対のスラストフォイル軸受で回転可能に支持することを特徴とする回転軸支持構造。
前記スラストフォイル軸受は、前記スラストカラーに対向して配置される円環状の軸受部と、前記軸受部の、前記スラストカラーに対向する面と反対側の面に対向して配置されて、前記回転軸の回転時に前記軸受部を支持する円環状のベース部と、を備えることを特徴とする請求項１記載の回転軸支持構造。
前記スラストフォイル軸受は、前記回転軸の停止時において、該回転軸の前記スラストカラーに対して非接触であることを特徴とする請求項２記載の回転軸支持構造。
前記軸受部の前記スラストカラーに対向する面には、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝が形成され、
前記ベース部は、前記軸受部側に配置された弾性体と、該弾性体を保持するベース板とを有して構成され、
前記ベース板の前記軸受部に対向する面側と、前記軸受部の前記ベース板に対向する面側との少なくとも一方には、その周方向に沿って連続する凹部が設けられ、
前記凹部の深さが、前記ベース板又は前記軸受部の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成され、
前記凹部には、該凹部を埋めた状態に前記弾性体が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転軸支持構造。
前記軸受部は、複数のフォイルが積層されてなるとともに、該複数のフォイルのうちの前記スラストカラー側に位置するフォイルの、前記スラストカラーに対向する面に、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝を形成してなり、
前記ベース部の前記軸受部に対向する面側には、その周方向に沿って連続する凹部が設けられ、
前記凹部の深さが、前記ベース部の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転軸支持構造。
前記ラジアルフォイル軸受は、前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルとを備え、
前記トップフォイルの前記回転軸と対向する面には、前記回転軸の回転方向後方から前方に向かうとともに、該トップフォイルの軸方向の中心部から両方の端縁側にそれぞれ向かう斜方溝が複数形成され、
該斜方溝間、および該斜方溝の前記端縁側の端部と該端縁との間には、それぞれランド部が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転軸支持構造。