JP2015140909A - スラスト軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】より高い摩擦減衰効果を発揮し、これによって回転軸のスラスト方向へ振動や衝撃を良好に吸収し得る、スラスト軸受を提供する。
【解決手段】回転軸１に設けられたスラストカラーに対向して配置されるトップフォイル１０と、トップフォイル１０の、スラストカラーに対向する面と反対の面側に配置されたバックフォイル２０と、バックフォイル２０の、トップフォイル１０側と反対の側に配置されて、バックフォイル２０を支持する円環板状のベースプレート３０とを備える。バックフォイル２０は、ベースプレート３０の周方向に配列された複数のバックフォイル片２１によって形成され、トップフォイル１０は、バックフォイル片２１の上にそれぞれ配設された複数のトップフォイル片１１によって形成され、バックフォイル片２１とトップフォイル片１１との間には、それぞれ制振フォイル片５１が配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、スラスト軸受に関する。

従来、高速回転体用の軸受として、回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラスト軸受が知られている。このようなスラスト軸受としては、フォイル式のスラスト軸受、すなわちスラストフォイル軸受がよく知られている。スラストフォイル軸受は、振動や衝撃によって発生する回転軸の動き(スラストカラーの軸方向変位と傾き)を吸収できるように、軸受面が柔軟なフォイル(金属製薄板)によって形成されており、軸受面の下に軸受面を柔軟に支持するためのフォイル構造を有している。

このようなスラストフォイル軸受の一形態として、円環板を周方向に分割して切り出した複数の円輪（円環）片形状のフォイル片（トップフォイル片）によって軸受面を形成し、これらトップフォイル片をそれぞれ波板形状のフォイル片（バンプフォイル片）で支持した構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、このようなスラストフォイル軸受では、各々のトップフォイル片（厚さ１００μｍ前後）がスラストカラーに対して傾斜角を有し、これによってスラストカラーとトップフォイル片との間の軸受隙間が側面視くさび形に形成されたものが知られている。すなわち、スラストカラー（回転軸）の回転方向上流側から下流側に向かうに連れて軸受隙間が狭くなるように形成されている。したがって、軸受隙間が広い側(上流側)から軸受隙間が狭い側（下流側）に向かってスラストカラーが回転すると、潤滑流体がくさびに流れ込み、負荷能力が発揮される。

トップフォイル片は、スラストカラー（回転軸）の回転方向上流側の端辺のみがベースプレートに固定されており、軸受荷重が増加すると、この固定辺(上流側の端辺)を支点としてトップフォイルは水平になるように傾斜を緩め、傾斜角が０．１°程度になったとき最大負荷能力を発生する。一方、バンプフォイル片は山の稜線がトップフォイル片の下流側端辺に平行になるように配置され、バンプフォイル片におけるスラストカラー（回転軸）の回転方向下流側の端辺のみがベース板に固定されている。すなわち、上流側の端辺は自由端となっている。

バンプフォイル片がこのように配置／固定されているのは、トップフォイル片に発生する流体潤滑膜の圧力が軸受隙間の狭い側(下流側)で高くなるためであり、該部位を高い剛性で支持することにより、負荷能力を高めるためである。

特表２００８−５１３７０１号公報

ところで、このようなスラスト軸受を搭載した回転機械では、回転軸の軸方向(スラスト方向)への振動や衝撃を受けると、回転軸がハウジング（ケーシング）に対して相対的にスラスト方向へ振動する。このような振動や衝撃に対して回転軸の振動を減衰させるものとして、各フォイルの接触面間に作用する摩擦減衰がある。すなわち、回転軸のスラストカラーが流体潤滑膜を介してトップフォイルを押すと、トップフォイル下のバンプフォイルが押し込まれ、その際、トップフォイルとバンプフォイルとの間やバンプフォイルとベースプレートとの間で滑り(摩擦)が生じることにより、その動きを減衰させている。

しかしながら、前述した従来のスラスト軸受の構造では減衰が十分とは言えず、回転軸と静止部（ハウジング）とが接触を起こすおそれがある。すなわち、回転機械がターボ機械である場合、インペラがハウジングを擦ってしまうおそれがある。

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、より高い摩擦減衰効果を発揮し、これによって回転軸のスラスト方向へ振動や衝撃を良好に吸収し得る、スラスト軸受を提供することにある。

本発明のスラスト軸受は、回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラスト軸受であって、前記スラストカラーに対向して配置されるトップフォイルと、前記トップフォイルの、前記スラストカラーに対向する面と反対の面側に配置されたバックフォイルと、前記バックフォイルの、前記トップフォイル側と反対の側に配置されて、該バックフォイルを支持する円環板状のベースプレートと、を備え、前記バックフォイルは、前記ベースプレートの周方向に配列された複数のバックフォイル片によって形成され、前記トップフォイルは、前記バックフォイル片の上にそれぞれ配設された複数のトップフォイル片によって形成され、前記バックフォイル片と前記トップフォイル片との間には、それぞれ制振フォイル片が配置されていることを特徴とする。

このスラスト軸受によれば、バックフォイル片とトップフォイル片との間にそれぞれ制振フォイル片を配置したので、回転軸がその軸方向(スラスト方向)への振動や衝撃を受け、トップフォイル片が流体潤滑膜を介してスラストカラーに押し込まれた際、従来ではトップフォイルとバックフォイル（バンプフォイル）との間で滑り(摩擦)が生じていたのに対し、このスラスト軸受ではトップフォイル片と制振フォイル片との間、および制振フォイル片とバックフォイル片との間でそれぞれ滑り(摩擦)が生じる。したがって、摩擦減衰を生じる部位が増えることで従来に比べてより高い摩擦減衰効果を発揮するようになり、回転軸のスラスト方向へ振動や衝撃を良好に吸収することができる。

また、前記スラスト軸受において、前記トップフォイル片は、前記回転軸の回転方向上流側の端辺が、前記ベースプレートに固定されるトップフォイル固定辺とされており、前記制振フォイル片は、前記回転軸の回転方向上流側の端辺、あるいは回転方向下流側の端辺が、前記トップフォイル片の前記トップフォイル固定辺とともに、前記ベースプレートに固定されていることを特徴とする。
この構成によれば、トップフォイル片の形状を従来のものから変更することなく、従来と同じに形成することができる。また、制振フォイル片の端辺をトップフォイル固定辺とともにベースプレートに固定しているので、点付溶接などによるフォイル片の固定点の数を従来と同じにすることができ、したがって製造コストの上昇を抑えることができる。

また、前記スラスト軸受において、前記制振フォイル片は、前記回転軸の回転方向下流側の端辺が、前記トップフォイル片の前記トップフォイル固定辺とともに、前記ベースプレートに固定されていることを特徴とする。
この構成によれば、制振フォイル片をその下流側の端辺でトップフォイル固定辺とともにベースプレートに固定しているので、トップフォイル片が流体潤滑膜を介してスラストカラーに押し込まれた際、トップフォイル片と制振フォイル片とが互いに対向する方向、すなわち相反する方向に滑るようになり、したがってこれらトップフォイル片と制振フォイル片との間の相対的な滑り量が増加し、より高い摩擦減衰効果が発揮される。

また、前記スラスト軸受において、前記制振フォイル片が、制振合金によって形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、フォイル間の滑りによる摩擦減衰に加えて、制振合金からなる制振フォイル片が曲げ変形することによる減衰効果も加わり、したがってより高い摩擦減衰効果が発揮される。

また、前記スラスト軸受において、前記トップフォイル片は、前記トップフォイル固定辺に対する前記回転軸の回転方向下流側の近傍部に、他部に比べて薄肉に形成された薄肉部を有していることを特徴とする。
この構成によれば、トップフォイル片における回転軸の回転方向下流側がより容易にかつ円滑に傾斜できるようになり、したがって、例えばスラストカラーが一対のトップフォイルによって挟み込まれているような場合に、始動トルクが低減する。また、回転軸が回転を開始した後も、トップフォイル片が容易にかつ円滑に傾斜するため、最適傾斜角が得られ易くなり、負荷能力が向上する。

また、前記スラスト軸受において、前記バックフォイル片は、山部と谷部とを交互に形成した波板状のバンプフォイル片によって形成されるとともに、前記回転軸の回転方向下流側の端辺が前記ベースプレートに固定されるバンプフォイル固定辺とされ、かつ、前記山部の配列方向が前記バンプフォイル固定辺と交差して配置され、前記山部は、その高さが前記回転軸の回転方向上流側から前記回転軸の回転方向下流側に向かうに連れて高くなるように形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、バンプフォイル片によってトップフォイル片を弾性的に支持することができる。また、回転軸の回転方向下流側の端辺がベースプレートに固定されるバンプフォイル固定辺とされているので、トップフォイル片に発生する流体潤滑膜の圧力が軸受隙間の狭い側、すなわち回転軸の回転方向下流側で高くなるようにするべく、この回転方向下流側を高い剛性で支持することができ、これによって負荷能力を高めることができる。

また、前記スラスト軸受において、前記ベースプレートには、前記バックフォイル片を支持する各支持領域に、前記トップフォイル片の前記トップフォイル固定辺側から前記回転軸の回転方向下流側の端辺側に向かうに連れて高さが増加する傾斜面が形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、この傾斜面上にバックフォイル片を介してトップフォイル片を配設することにより、トップフォイル片の高さを傾斜面に沿って精度よく変化させることができる。また、その際にバックフォイル片については、高さを変化させることなく一定の高さに作製すればよく、したがって加工コストを抑えることができる。

また、前記スラスト軸受において、前記バックフォイル片は、山部と谷部とを交互に形成した波板状のバンプフォイル片によって形成されるとともに、前記山部の配列方向が前記傾斜面の傾斜方向に一致するように配置されていることを特徴とする。
このようにすれば、バンプフォイル片によってトップフォイル片を弾性的に支持することができる。

本発明のスラスト軸受によれば、バックフォイル片とトップフォイル片との間にそれぞれ制振フォイル片を配置したので、トップフォイル片と制振フォイル片との間、および制振フォイル片とバックフォイル片との間でそれぞれ滑り(摩擦)を生じさせることができる。したがって、摩擦減衰を生じる部位が増えることで従来に比べてより高い摩擦減衰効果を発揮することができ、これによって回転軸のスラスト方向へ振動や衝撃を良好に吸収することができる。

本発明に係るスラスト軸受が適用されるターボ機械の一例を示す模式図である。 本発明に係るスラスト軸受の第１実施形態を示す図であり、スラストカラーを挟んだ状態のスラスト軸受の側面図である。 本発明に係るスラスト軸受の第１実施形態を示す図であり、（ａ）はスラスト軸受の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）は制振フォイル片およびバンプフォイル片の形状を説明するためにその平面図と側面図を対応させた説明図である。 本発明に係るスラスト軸受の第２実施形態を示す図であり、（ａ）はスラスト軸受の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図、（ｃ）は制振フォイル片およびバンプフォイル片の形状を説明するためにその平面図と側面図を対応させた説明図である。 本発明に係るスラスト軸受の第３実施形態を示す図であり、（ａ）はスラスト軸受の平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線矢視断面図、（ｃ）は制振フォイル片およびバンプフォイル片の形状を説明するためにその平面図と側面図を対応させた説明図である。

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、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明のスラスト軸受が適用されるターボ機械の一例を模式的に示す側面図であり、図１中符号１は回転軸、２は回転軸の先端部に設けられたインペラ、３は本発明に係るスラスト軸受である。

回転軸１には、インペラ２が形成された側にスラストカラー４が固定されており、このスラストカラー４には、このスラストカラー４を挟持するようにして一対のスラスト軸受３が配置されている。
また、インペラ２は静止側となるハウジング５内に配置されており、ハウジング５との間にチップクリアランス６を有している。
また、回転軸１には、スラストカラー４より中央側に、ラジアル軸受７が設けられている。

図２、図３（ａ）〜（ｃ）は、このような構成のターボ機械に適用されたスラスト軸受３の第１実施形態を示す図であり、図２はスラストカラー４を挟んだ状態のスラスト軸受３の側面図である。また、図３（ａ）はスラスト軸受３の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｃ）は制振フォイル片およびバンプフォイル片の形状を説明するためにその平面図と側面図を対応させた説明図である。

図２に示すようにこの第１実施形態では、スラスト軸受３Ａ（３）はスラストカラー４を挟んでその両側にそれぞれ配置されている。これら一対のスラスト軸受３Ａ（３）は、共に同じ構成となっており、回転軸１に固定された円環板状のスラストカラー４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ている。

スラスト軸受３Ａは、スラストカラー４に対向して配置されたトップフォイル１０と、このトップフォイル１０の、前記スラストカラー４に対向する面と反対側の面に対向して配置されたバックフォイル２０と、このバックフォイル２０の、前記トップフォイル１０側と反対の側に配置された円環板状のベースプレート３０と、を備え、さらに、トップフォイル１０とバックフォイル２０との間に制振フォイル５０を有して構成されている。

本実施形態では、一対のスラスト軸受３Ａ、３Ａの、それぞれのベースプレート３０、３０間に、二点鎖線で示す円筒状の軸受スペーサ４０が挟持されており、ベースプレート３０、３０は締結ボルト４１によって軸受スペーサ４０を介して連結されている。また、一方のベースプレート３０は、その外面が締結ボルト４１によってハウジング５に固定されており、したがって一対のスラスト軸受３Ａ、３Ａは、スラストカラー４を挟んだ状態で締結ボルト４１によってハウジング５に固定されている。

ベースプレート３０は、図３（ａ）に示すように円環板状で金属製のもので、その外周部に前記締結ボルト４１を挿通するための貫通孔４２を複数（本実施形態では８個）形成している。このベースプレート３０には、前記スラストカラー４側の面に、前記バックフォイル２０や制振フォイル５０、トップフォイル１０を支持するための支持領域が設けられている。本実施形態では、後述するようにバックフォイル２０、制振フォイル５０、トップフォイル１０がいずれも複数枚（６枚）のバックフォイル片２１、制振フォイル片５１、トップフォイル片１１によって形成されており、したがってベースプレート３０は、その周方向を６分割（６つに等分割）して６つの支持領域３１を形成している。ただし、本実施形態では、これら６つの支持領域３１は設計上の領域であり、これら支持領域３１を形成するベースプレート３０の表面は単なる平面となっている。

これら各支持領域３１には、図２に示したようにそれぞれバックフォイル片２１、制振フォイル片５１、トップフォイル片１１がこの順に配置され、支持されている。
図３（ａ）〜（ｃ）に示すようにバックフォイル２０は、ベースプレート３０の周方向に配列された６枚のバックフォイル片２１によって形成されている。これらバックフォイル片２１は、ベースプレート３０の各支持領域３１上にそれぞれ配置され、これによってベースプレート３０の周方向に配列されている。また、これらバックフォイル片２１は、後述する制振フォイル片５１やトップフォイル片１１より僅かに小さく形成され、したがって図３（ａ）に示すようにベースプレート３０上にてスラストカラー４側に露出することなく、トップフォイル片１１および制振フォイル片５１に覆われている。

これらバックフォイル片２１からなるバックフォイル２０は、フォイル（薄板）で形成されてトップフォイル１０（トップフォイル片１１）を弾性的に支持する。このようなバックフォイル２０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。なお、特開２００６−５７６５２号公報や特開２００４−２７０９０４号公報に記載されているスプリングフォイル、特開２００９−２９９７４８号公報に記載されているバックフォイルは、ラジアル軸受に用いられるフォイルであるが、これらを平面状に展開して円環板状に形成すれば、スラスト軸受に用いられるフォイルとなる。

本実施形態では、図３（ｃ）に示すようにバックフォイル２０がバンプフォイルからなり、したがってバックフォイル片２１はバンプフォイル片からなっている。バンプフォイル片（バックフォイル片）２１は、厚さ数百μｍ程度のフォイル（金属製薄板）がプレス成形によって波板状に成形され、図３（ｃ）中に破線で示すように全体が台形状に近い略五角形状に形成されている。

このように波板状に成形されたバンプフォイル片２１は、ベースプレート３０に接する谷部２２と、トップフォイル片１１に接する山部２３とが交互に配置されて形成されている。ここで、バンプフォイル片２１は、回転軸１の回転方向下流側の端辺２１ａが、バンプフォイル片２１の固定辺（バンプフォイル固定辺）となっている。前記谷部２２及び山部２３は、図３（ａ）に示すようにバンプフォイル片２１の固定辺（端辺）２１ａと直交する方向に配列されている。すなわち、谷部２２、山部２３の配列方向は、前記固定辺２１ａと直交する方向に形成されており、したがって谷部２２、山部２３は、前記固定辺２１ａと平行に延在するように形成されている。

これら谷部２２および山部２３は、それぞれほぼ等ピッチで形成されている。また、山部２３の高さは、前記固定辺２１ａと反対の側から固定辺２１ａ側に向かって、すなわち図３（ａ）中に矢印で示す回転軸１（スラストカラー４）の回転方向の下流側に向かうに連れて、所定の高さずつ高くなるように形成されている。なお、バンプフォイル片２１の、固定辺２１ａと反対の側の端部は、図３（ｃ）に示すように谷部２２の長さ方向に沿って切り欠かれている。

また、バンプフォイル片２１は、その固定辺２１ａが、後述する制振フォイル片５１やトップフォイル片１１における回転軸１の回転方向下流側の端辺と、平面視した状態でほぼ一致する位置に配置されている。そして、この端辺２１ａとなる谷部２２の形成方向に沿って、ベースプレート３０にスポット溶接（点付溶接）され、固定されている。

その際、バンプフォイル片２１の端辺２１ａは、全体が連続する一つの谷部２２によって形成されているため、この谷部２２全体を容易に溶接することができる。したがって、バンプフォイル片２１は、溶接による固定が容易に行えるようになっている。
なお、ベースプレート３０への端辺２１ａの固定については、スポット溶接以外にも、例えばネジ止めなどによって行うことができる。

制振フォイル５０も、図３（ａ）に示すようにベースプレート３０の周方向に配列された６枚の制振フォイル片５１によって形成されている。これら制振フォイル片５１は、金属製または合金製の薄板（フォイル）によって形成されるが、特に制振合金によって形成されているのが好ましい。制振合金としては、複合型、強磁性型、転位型、双晶型が知られているが、いずれのものも使用可能である。具体的には、複合型として片状黒鉛鋳鉄（Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ系）、Ｃｏｓｍａｌ−Ｚ（Ａｌ−Ｚｎ系）などが、強磁性型としてＴＤニッケル（Ｎｉ系）、１３％クロム鋼（Ｆｅ−Ｃｒ系）、サイレンタロイ（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系）、トランカロイ（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｍｎ系）、ジェンタロイ（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系）、ＮＩＶＣＯ１０（Ｃｏ−Ｎｉ系）などが、転位型としてＫＩＸＩ合金（Ｍｎ−Ｚｒ系）などが、双晶型としてソノストン（Ｍｎ−Ｃｕ系）、インクラミュート（Ｃｕ−Ｍｎ−Ａｌ系）、ニチノール（Ｎｉ−Ｔｉ系）などが用いられる。このような制振合金によって制振フォイル片５１を作製することにより、制振フォイル片５１は滑り（摩擦）だけでなくその変形（曲げ変形）によっても制振機能を発揮し、高い減衰効果を奏するようになる。なお、これら制振合金に代えて、例えばアルミニウムや銅などの金属によって形成してもよい。

このような制振フォイル片５１は、後述するトップフォイル片１１の厚さに対して１／５〜１／２程度の厚さ、具体的には３０μｍ〜７５μｍ程度の厚さに形成されている。このような範囲の厚さに形成することにより、制振フォイル片５１はトップフォイル片１１に対して良好な追従性を有し、これによって高い摩擦減衰効果を発揮するようになる。制振フォイル片５１の厚さがトップフォイル片１１の厚さに対して１／５未満になると、トップフォイル片１１やバンプフォイル片２１との間の擦れによる摩擦発生が低くなり、摩擦減衰効果が低下する。また、１／２を超えると、剛性が高くなる分、トップフォイル片１１に対する追従性が低下する。

また、制振フォイル片５１は、図３（ｃ）に示すように、扇形の頂点側を切り除いて内周側、外周側をそれぞれ円弧状とした、略台形状に形成されている。そして、このような形状の制振フォイル片５１は、ベースプレート３０の各支持領域３１上にて前記バンプフォイル片２１を覆ってそれぞれ配置され、ベースプレート３０の周方向に等間隔で配列されて全体として略円環板状に配置されたことにより、制振フォイル５０を形成している。

なお、制振フォイル片５１は支持領域３１より一回り小さく形成されるとともに、バンプフォイル片２１より僅かに大きく形成されている。これによって制振フォイル片５１は、互いに干渉することなく、また、バンプフォイル片２１をスラストカラー４側に露出させることなく、その上面を覆った状態で各支持領域３１に配置されている。ただし、本発明はこれに限定されることなく、制振フォイル片５１をバンプフォイル片２１と同じ大きさに形成してもよく、あるいは、バンプフォイル片２１より小さく形成してもよい。

また、この制振フォイル片５１は、回転軸１（スラストカラー４）の回転方向上流側の端辺を固定辺５２としており、この固定辺５２によってベースプレート３０に固定されている。この固定辺５２でのベースプレート３０への固定は、前記バンプフォイル片２１の端辺２１ａと同様に、スポット溶接（点付溶接）によってなされている。ただし、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように固定辺５２は後述するトップフォイル片１１の固定辺１２とともに、ベースプレート３０にスポット溶接されている。なお、これら固定辺５２、固定辺１２のベースプレート３０への固定についても、スポット溶接以外に、例えばネジ止めなどで行うこともできる。また、制振フォイル片５１は、固定辺５２より回転方向下流側が曲げ加工されており、これによってバンプフォイル片２１の山部２３の高さ分の段差を吸収できるように立ち上げられ、回転方向下流側がバンプフォイル片２１の山部２３上に載せられている。一方、回転方向下流側は、本実施形態では固定されることなく単にバンプフォイル片２１の山部２３上に支持された自由端となっている。

トップフォイル１０も、図３（ａ）に示すようにベースプレート３０の周方向に配列された６枚のトップフォイル片１１によって形成されている。これらトップフォイル片１１は、厚さ数百μｍ程度、例えば１５０μｍ程度の金属製の薄板（フォイル）により、扇形の頂点側を切り除いて内周側、外周側をそれぞれ円弧状とした、略台形状に形成されている。すなわち、制振フォイル片５１とほぼ同じ大きさ、形状に形成されている。このような形状のトップフォイル片１１は、ベースプレート３０の各支持領域３１上にて前記制振フォイル片５１を覆ってそれぞれ配置され、ベースプレート３０の周方向に等間隔で配列されて全体として略円環板状に配置されたことにより、トップフォイル１０を形成している。

なお、トップフォイル片１１は前記制振フォイル片５１と同様に支持領域３１より一回り小さく形成されるとともに、バンプフォイル片２１より僅かに大きく形成されている。これによってトップフォイル片１１は、互いに干渉することなく、また、バンプフォイル片２１や制振フォイル片５１をスラストカラー４側に露出させることなく、その上面を覆った状態で各支持領域３１に配置されている。ただし、本発明はこれに限定されることなく、例えばトップフォイル片１１をバンプフォイル片２１と同じ大きさに形成してもよく、あるいは、バンプフォイル片２１より小さく形成してもよい。

また、このトップフォイル片１１は、回転軸１（スラストカラー４）の回転方向上流側の端辺を固定辺１２としており、この固定辺１２によってベースプレート３０に固定されている。すなわち、この固定辺１２は、図３（ｂ）に示したように制振フォイル片５１の固定辺５２上に重ねられて、該固定辺５２とともにスポット溶接（点付溶接）によってベースプレート３０に固定されている。これにより、スポット溶接による溶接点（固定点）を、制振フォイル片５１を用いない従来の場合と同じにすることができ、したがって製造コストの上昇を抑えることができる。

なお、この固定辺１２のベースプレート３０への固定についても、制振フォイル片５１の固定辺５２とともにネジ止めなどで行うこともできる。
また、トップフォイル片１１は、図３（ｂ）に示すようにその固定辺１２より回転方向下流側が曲げ加工されており、これによってバンプフォイル片２１の山部２３の高さ分の段差を吸収できるように立ち上げられ、回転方向下流側がバンプフォイル片２１の山部２３上に載せられている。一方、回転方向下流側の端辺（トレーリングエッジ）側は、制振フォイル片５１と同様に、固定されることなく単にバンプフォイル片２１の山部２３上に支持された自由端となっている。

ここで、本実施形態ではバンプフォイル片２１を、前記したようにその谷部２２及び山部２３がバンプフォイル片２１の固定辺２１ａと直交する方向に配列するように配置している。したがって、このバンプフォイル片２１上に載置されることによって制振フォイル片５１やトップフォイル片１１は、前記山部２３の配列方向に沿って固定辺５２や固定辺１２側からバンプフォイル片２１の固定辺２１ａ側に向かうに連れて、漸次ベースプレート３０の内面から遠ざかるようにバンプフォイル片２１の山部２３によって設定された初期傾斜角で傾斜して配置されている。

ここで、初期傾斜角とは、荷重がゼロのときのベースプレート３０に対するトップフォイル片１１の傾斜角である。また、傾斜角とは、図３（ｃ）に示すようにバンプフォイル片２１の山部２３の高さ増加量によって決まる角度（勾配）θである。したがって、荷重が増すとバンプフォイル片２１の山部２３がベースプレート３０側に押し込まれ、全体が平坦化することにより、傾斜角θは初期傾斜角より小さくなる。

また、トップフォイル片１１には、図３（ｂ）に示すように固定辺１２の近傍部、すなわち固定辺１２に対して回転軸１の回転方向下流側に位置する近傍部が、その他の部位に比べて薄肉に形成された薄肉部１４となっている。薄肉部１４は、固定辺１２に沿って直線状に形成されたもので、トップフォイル片１１を構成するその他の部位の厚さ（数百μｍ程度）の、５０％〜７０％程度の厚さに形成されている。このような薄肉部１４の形成は、例えばエッチング加工によって行うことができる。

また、この薄肉部１４は、図３（ｂ）に示すバンプフォイル片２１に対して、その山部２３のうち固定辺１２に最も近い山部２３の頂点（稜線）にかからないように、形成されている。すなわち、薄肉部１４は、固定辺１２と該固定辺１２側の山部２３の頂点（稜線）との間に位置するように、その幅が設定され、形成されている。これにより、トップフォイル片１１は、薄肉部１４以外の箇所（その他の部位）が制振フォイル片５１を介して全ての山部２３上に載ってこれらに均等に支持されるようになる。また、薄肉部１４を形成したことにより、該薄肉部１４より回転方向下流側がより容易にかつ円滑に傾斜できる（傾くことができる）ようになっている。さらに、このような薄肉部１４を形成することにより、該薄肉部１４以外の箇所の肉厚を、従来に比べて厚くすることも可能になる。

次に、このような構成からなるスラスト軸受３Ａ（３）の作用について説明する。
本実施形態では、図２に示したようにスラスト軸受３Ａをスラストカラー４の両側に設けている。このようにスラストカラー４の両側に設けることにより、スラスト方向の移動量を極力抑えることができる。すなわち、スラスト移動量を小さくすることにより、図１に示したチップクリアランス６を狭くすることができ、これによって流体性能を向上することができる。

スラスト方向の移動量を極力抑えるため、両スラスト軸受３Ａはスラストカラー４に対して大きな隙間が生じないように近接して設置される。これにより、両スラスト軸受３Ａのトップフォイル片１１（トップフォイル１０）はスラストカラー４に対して若干押し付けられた状態になる。その際、本実施形態ではトップフォイル片１１に薄肉部１４を形成しているので、回転方向下流側（自由端側）が傾き易く（曲がり易く）なっている。そのため、押し付け量に比して押し付け力が小さくなっており、これにより、始動トルクが小さくなっている。

すなわち、従来では荷重が増大したときにトップフォイル片の傾斜角が最適角になるように、予め最適角より大きい傾斜角が付けられている。したがって、回転停止状態ではトップフォイル片はスラストカラー４を両面から挟み込み、押し付けられた状態(プリロードが掛かった状態)となる。しかしながら、従来ではトップフォイル片の肉厚も一定であることから、スラストカラー４への押し付け力(プリロード)が強く、始動トルクが大きくなっている。
これに対して本実施形態では、前記したようにトップフォイル片１１に薄肉部１４を形成しているため、始動トルクが小さくなる。

また、回転軸１が回転してスラストカラー４が回転を始めると、スラストカラー４とトップフォイル片１１は擦れ合いつつ、両者の間に形成されたくさび形の空間に周囲流体が押し込まれる。そして、スラストカラー４が一定の回転速度に達すると、両者の間に流体潤滑膜が形成される。この流体潤滑膜の圧力によってトップフォイル片１１（トップフォイル１０）は制振フォイル片５１（制振フォイル５０）を介してバンプフォイル片２１（バックフォイル２０）側へ押し付けられ、スラストカラー４はトップフォイル片１１との接触状態を脱し、非接触で回転するようになる。

この状態で図２中矢印で示すように回転軸１の軸方向への振動や衝撃が作用すると、スラストカラー４がトップフォイル片１１に近接し、これによって流体潤滑膜の圧力が高まり、トップフォイル片１１はさらにバンプフォイル片２１側へ押し込まれる。
その際、トップフォイル片１１と制振フォイル片５１との接触面、および制振フォイル片５１とバンプフォイル片２１との接触面でそれぞれ滑りによる摩擦を生じることにより、トップフォイル片１１が押し込まれる動きが抑えられる。また、押し込まれたトップフォイル片１１が元の状態に戻る際にも、滑りによる摩擦を生じる。

よって、摩擦によって発熱することで振動等の運動エネルギーが熱エネルギーに変換され、消費されることにより、摩擦減衰効果が得られる。したがって、このようなスラスト軸受３Ａの摩擦減衰効果により、図１に示したインペラ２がハウジング５を擦ってしまうおそれが確実に回避される。

本実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）にあっては、バンプフォイル片（バックフォイル片）２１とトップフォイル片１１との間にそれぞれ制振フォイル片５１を配置したので、回転軸１がその軸方向(スラスト方向)への振動や衝撃を受け、トップフォイル片１１が流体潤滑膜を介してスラストカラー４に押し込まれた際、従来ではトップフォイル１０とバックフォイル（バンプフォイル）２０との間で滑り(摩擦)が生じていたのに対し、このスラスト軸受３Ａ（３）ではトップフォイル片１１と制振フォイル片５１との間、および制振フォイル片５１とバンプフォイル片２１との間でそれぞれ滑り(摩擦)が生じる。したがって、摩擦減衰を生じる部位が増えることで従来に比べてより高い摩擦減衰効果を発揮するようになり、回転軸１のスラスト方向へ振動や衝撃を良好に吸収することができる。

また、制振フォイル片５１の、回転軸１の回転方向上流側の端辺を固定辺５２とし、この固定辺５２をトップフォイル片１１の固定辺１２とともにベースプレート３０に固定しているので、トップフォイル片１１の形状を従来のものから変更することなく、従来と同じに形成することができ、したがってコストの増加を抑えることができる。すなわち、制振フォイル片５１の固定辺５２をトップフォイル片１１の固定辺１２の下に差し入れずに、トップフォイル片１１の固定辺１２を直接ベースプレート３０に取り付ける場合には、トップフォイル片１１の高さを、従来に比べて制振フォイル片５１の厚さ分増やさなければならない。しかし、トップフォイル片１１の固定辺１２を制振フォイル片５１の固定辺５２に重ねて固定することにより、そのような設計変更を不要にすることができ、金型などを新たに製作する必要がなくなる。

また、制振フォイル片５１の固定辺５２をトップフォイル片１１の固定辺１２とともにベースプレート３０に固定しているので、スポット溶接（点付溶接）などによるフォイル片の固定点の数を、制振フォイル片５１を用いない従来と同じにすることができ、したがって製造コストの上昇を抑えることができる。

また、制振フォイル片５１を制振合金によって形成した場合には、フォイル間の滑りによる摩擦減衰に加えて、制振フォイル片５１が変形（曲げ変形）することによる減衰効果も加わるため、より高い摩擦減衰効果を得ることができる。
また、トップフォイル片１１の、固定辺１２に対する回転方向下流側の近傍部に薄肉部１４を形成しているので、荷重がかかった際に回転方向下流側がより容易にかつ円滑に傾斜できるようになり、したがって始動トルクが低減する。また、回転軸１が回転を開始した後も、トップフォイル片１１が容易にかつ円滑に傾斜するため、最適傾斜角が得られ易くなり、負荷能力が向上する。

ここで、高いスラスト荷重を受けているときには流体潤滑膜の圧力が高くなるので、トップフォイル片１１は制振フォイル片５１を介してバンプフォイル片２１に直接支えられていない部分、すなわちバンプフォイル片２１の谷部２２上に位置する箇所が撓み、ここから圧力が逃げて負荷能力が低下する可能性がある。

しかし、本実施形態ではトップフォイル片１１の固定辺１２側に薄肉部１４を形成しているので、トップフォイル片１１が傾斜する（曲がる）動きを妨げることなく、従来に比べてトップフォイル片１１の板厚を厚くすることが可能である。したがって、このようにトップフォイル片１１の板厚を厚くしてその剛性を高めることにより、バンプフォイル片２１に支えられていない部分での撓みを少なくすることができ、負荷能力の低下を抑制することができる。

次に、本発明のスラスト軸受３の第２実施形態について、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。なお、図４（ａ）はスラスト軸受の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図、（ｃ）は制振フォイル片およびバンプフォイル片の形状を説明するためにその平面図と側面図を対応させた説明図である。
第２実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）が第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）と主に異なるところは、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、制振フォイル５０を構成する制振フォイル片５５の、回転軸１の回転方向下流側の端辺が、固定辺５６としてトップフォイル片１１の固定辺１２とともに、ベースプレート３０に固定されている点である。

すなわち、本実施形態の制振フォイル片５５は、図３（ａ）〜（ｃ）に示した第１実施形態の制振フォイル片５１に比べ、回転方向下流側が長く形成されており、その端辺、すなわち固定辺５６が、図４（ａ）、（ｂ）に示すように回転方向下流側に隣り合うトップフォイル片１１の、固定辺１２とともにベースプレート３０に固定されている。一方、回転方向上流側は、本実施形態では固定されることなく単にバンプフォイル片２１の山部２３上に支持された自由端となっている。なお、回転方向上流側は、図４（ｃ）に示すようにバンプフォイル片２１と同様に、谷部２２の長さ方向に沿って切り欠かれている。

このような制振フォイル片５５を備えたスラスト軸受３Ｂ（３）にあっても、バンプフォイル片（バックフォイル片）２１とトップフォイル片１１との間にそれぞれ制振フォイル片５５を配置したので、回転軸１がその軸方向(スラスト方向)への振動や衝撃を受け、トップフォイル片１１が流体潤滑膜を介してスラストカラー４に押し込まれた際、従来に比べてより高い摩擦減衰効果を発揮するようになり、回転軸１のスラスト方向へ振動や衝撃を良好に吸収することができる。

また、制振フォイル片５５の、回転軸１の回転方向下流側の端辺を固定辺５６とし、この固定辺５６を回転方向下流側に隣り合うトップフォイル片１１の固定辺１２とともにベースプレート３０に固定しているので、第１実施形態と同様にトップフォイル片１１の形状を従来のものから変更することなく、従来と同じに形成することができ、したがってコストの増加を抑えることができる。

また、制振フォイル片５５の固定辺５６をトップフォイル片１１の固定辺１２とともにベースプレート３０に固定しているので、スポット溶接（点付溶接）などによるフォイル片の固定点の数を、制振フォイル片５１を用いない従来と同じにすることができ、したがって製造コストの上昇を抑えることができる。
さらに、制振フォイル片５５の固定辺５６を回転方向下流側に隣り合うトップフォイル片１１の固定辺１２とともにベースプレート３０に固定しているので、トップフォイル片１１が流体潤滑膜を介してスラストカラー４に押し込まれた際、上下に重ねられたトップフォイル片１１と制振フォイル片５５とはその自由端側が互いに対向する方向、すなわち相反する方向（互いの固定辺の方向）に滑るようになる。したがって、これらトップフォイル片１１と制振フォイル片５５との間の相対的な滑り量が増加するため、より高い摩擦減衰効果が得られるようになる。

次に、本発明のスラスト軸受３の第３実施形態について、図５（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。なお、図５（ａ）はスラスト軸受の平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線矢視断面図、（ｃ）は制振フォイル片およびバンプフォイル片の形状を説明するためにその平面図と側面図を対応させた説明図である。
第３実施形態のスラスト軸受３Ｃ（３）が第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）と主に異なるところは、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ベースプレート３０の前記支持領域３１に傾斜面３２を形成した点と、バンプフォイル片２１の山部２３の高さを、全て同一にした点である。

本実施形態では、図５（ａ）に示すように支持領域３１における、前記バンプフォイル片２１、制振フォイル片５１、トップフォイル片１１を支持する領域全体を、トップフォイル片１１の固定辺１２側から下流側の端辺側に向かうに連れて高さが増加する傾斜面３２としている。すなわち、傾斜面３２を、図５（ｂ）に示すようにバンプフォイル片２１の固定辺２１ａに対して直交する方向に傾斜させて形成している。

また、バンプフォイル片２１については、前記第１実施形態と同様に、ベースプレート３０に接する谷部２２と、トップフォイル片１１に接する山部２３とを交互に配置した波板状に形成している。ただし、本実施形態では、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、山部２３の高さを全て同一に形成している。

また、谷部２２及び山部２３については、前記実施形態と同様に、バンプフォイル片２１の固定辺２１ａに対して直交する方向に配列させている。これにより、バンプフォイル片２１の山部２３は、その高さがベースプレート３０の傾斜面３２の傾斜方向に沿って、すなわち回転軸１の回転方向の下流側に向かうに連れて、所定の高さずつ高くなっている。つまり、第１実施形態と見かけ上同一になっている。したがって、このバンプフォイル片２１上に配置されるトップフォイル片１１は、その傾斜角θが、第１実施形態と同様に形成される。本実施形態では、この傾斜角θは図５（ｃ）に示すように傾斜面３２の傾斜角θによって決まる。

本実施形態のスラスト軸受３Ｃ（３）にあっても、バンプフォイル片（バックフォイル片）２１とトップフォイル片１１との間にそれぞれ制振フォイル片５１を配置したので、回転軸１がその軸方向(スラスト方向)への振動や衝撃を受け、トップフォイル片１１が流体潤滑膜を介してスラストカラー４に押し込まれた際、従来に比べてより高い摩擦減衰効果を発揮するようになり、回転軸１のスラスト方向へ振動や衝撃を良好に吸収することができる。

また、ベースプレート３０の各支持領域３１に傾斜面３２を形成し、バンプフォイル片２１の山部２３の高さを全て同一にするとともに、該山部２３の配列方向を傾斜面３２の傾斜方向に一致させているので、この傾斜面３２上にバックフォイル片２１、制振フォイル片５１を介してトップフォイル片１１を配設することにより、トップフォイル片１１の高さを傾斜面３２に沿って精度よく変化させることができる。すなわち、トップフォイル片１１に所定の傾斜角θを付与することができる。また、その際にバンプフォイル片２１については、山部２３の高さを変化させることなく一定の高さに作製すればよく、したがってその加工コストを抑えることができる。よって、このスラスト軸受３Ｃ（３）によれば、加工を容易にして量産性を向上し、コストの低減化を図ることができる。また、加工が容易になってバラツキが少なくなるため、設計時に予測した軸受性能（例えば軸受負荷能力）が得やすくなる。

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、前記実施形態ではバックフォイル２０や制振フォイル５０、トップフォイル１０をそれぞれ６つのバックフォイル片２１（バンプフォイル片２１）、制振フォイル片５１（５５）、トップフォイル片１１で構成し、したがってベースプレート３０の支持領域３１もこれに合わせて６つ形成（設定）したが、バックフォイル片２１（バンプフォイル片２１）や制振フォイル片５１（５５）、トップフォイル片１１は、複数であれば５つ以下でも７つ以上であってもよい。その場合に、支持領域３１の数についても、バックフォイル片２１（バンプフォイル片２１）や制振フォイル片５１（５５）、トップフォイル片１１の数に合わせるのはもちろんである。

また、前記実施形態ではバックフォイル片２１（バンプフォイル片２１）とトップフォイル片１１との間に制振フォイル片５１を一層配置したが、制振フォイル片５１については複数層（例えば２層または３層）重ねて配置してもよい。このように制振フォイル片５１を複数層重ねて配置することにより、制振フォイル片５１、５１間での滑りによる摩擦減衰が加わり、したがってより高い摩擦減衰効果を得ることができる。

また、第３実施形態では、第１実施形態に対してベースプレート３０の支持領域３１に傾斜面３２を形成し、バンプフォイル片２１の山部２３の高さを全て同一にしたが、他の実施形態として、第２実施形態に対してベースプレート３０の支持領域３１に傾斜面３２を形成し、バンプフォイル片２１の山部２３の高さを全て同一にしてもよい。

また、前記実施形態では、制振フォイル片５１（５５）の固定辺５２（５６）とトップフォイル片１１の固定辺１２とを上下に重ねて共にスポット溶接等によりベースプレート３０に固定したが、これら固定辺を重ね合わせることなく互いにずらした状態で、それぞれ別にベースプレート３０に固定してもよい。
また、トップフォイル片や制振フォイル片、バンプフォイル片の形状、支持領域上へのトップフォイル片やバンプフォイル片の配置、傾斜面の傾斜方向など、前記実施形態以外にも種々の形態を採用することが可能である。

１…回転軸、３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ…スラスト軸受、４…スラストカラー、１０…トップフォイル、１１…トップフォイル片、１２…固定辺、１４…薄肉部、２０…バックフォイル（バンプフォイル）、２１…バックフォイル片（バンプフォイル片）、２１ａ…固定辺、２２…谷部、２３…山部、３０…ベースプレート、３１…支持領域、３２…傾斜面、５０…制振フォイル、５１…制振フォイル片、５２…固定辺、５５…制振フォイル片、５６…固定辺

Claims (8)

1. 回転軸に設けられたスラストカラーに対向して配置されるスラスト軸受であって、
   前記スラストカラーに対向して配置されるトップフォイルと、
   前記トップフォイルの、前記スラストカラーに対向する面と反対の面側に配置されたバックフォイルと、
   前記バックフォイルの、前記トップフォイル側と反対の側に配置されて、該バックフォイルを支持する円環板状のベースプレートと、を備え、
   前記バックフォイルは、前記ベースプレートの周方向に配列された複数のバックフォイル片によって形成され、
   前記トップフォイルは、前記バックフォイル片の上にそれぞれ配設された複数のトップフォイル片によって形成され、
   前記バックフォイル片と前記トップフォイル片との間には、それぞれ制振フォイル片が配置されていることを特徴とするスラスト軸受。
2. 前記トップフォイル片は、前記回転軸の回転方向上流側の端辺が、前記ベースプレートに固定されるトップフォイル固定辺とされており、
   前記制振フォイル片は、前記回転軸の回転方向上流側の端辺、あるいは回転方向下流側の端辺が、前記トップフォイル片の前記トップフォイル固定辺とともに、前記ベースプレートに固定されていることを特徴とする請求項１記載のスラスト軸受。
3. 前記制振フォイル片は、前記回転軸の回転方向下流側の端辺が、前記トップフォイル片の前記トップフォイル固定辺とともに、前記ベースプレートに固定されていることを特徴とする請求項２記載のスラスト軸受。
4. 前記制振フォイル片が、制振合金によって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スラスト軸受。
5. 前記トップフォイル片は、前記トップフォイル固定辺に対する前記回転軸の回転方向下流側の近傍部に、他部に比べて薄肉に形成された薄肉部を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスラスト軸受。
6. 前記バックフォイル片は、山部と谷部とを交互に形成した波板状のバンプフォイル片によって形成されるとともに、前記回転軸の回転方向下流側の端辺が前記ベースプレートに固定されるバンプフォイル固定辺とされ、かつ、前記山部の配列方向が前記バンプフォイル固定辺と交差して配置され、
   前記山部は、その高さが前記回転軸の回転方向上流側から前記回転軸の回転方向下流側に向かうに連れて高くなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスラスト軸受。
7. 前記ベースプレートには、前記バックフォイル片を支持する各支持領域に、前記トップフォイル片の前記トップフォイル固定辺側から前記回転軸の回転方向下流側の端辺側に向かうに連れて高さが増加する傾斜面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スラスト軸受。
8. 前記バックフォイル片は、山部と谷部とを交互に形成した波板状のバンプフォイル片によって形成されるとともに、前記山部の配列方向が前記傾斜面の傾斜方向に一致するように配置されていることを特徴とする請求項７記載のスラスト軸受。

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