JP2017057947A - フォイル軸受及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フォイル軸受の製造コストを低減する。【解決手段】フォイルホルダ１０とトップフォイル２０との間に、多数の繊維３０を弾性変形可能な状態で介在させる。多数の繊維３０を弾性変形させることで、トップフォイル２０の外径側への変形（撓み）を許容して、トップフォイル２０にバネ性を付与することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、フォイル軸受及びその製造方法に関する。

フォイル軸受は、可撓性を有する薄膜（フォイル）で軸受面を構成し、軸受面の撓みを許容しながら荷重を支持するものである。回転部材（軸）の回転時には、フォイルの軸受面と回転部材との間に流体膜（例えば空気膜）が形成され、この流体膜を介して回転部材が非接触支持される。

例えば、下記の特許文献１及び２には、軸受面を有するトップフォイルと、トップフォイルを外径側から支持するバックフォイルとを備えたフォイル軸受が示されている。また、特許文献３には、バックフォイルに替えて、金属線を網状に編成した円筒状の弾性体を設けた構成が示されている。このように、トップフォイルを、バックフォイルや弾性体により外径側から弾性的に支持することで、トップフォイルの外径側への撓みが許容される。このようなトップフォイルの可撓性により軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じた適切な幅の軸受隙間が自動的に形成されるため、安定性に優れ、一般的な空気動圧軸受と比べて高速での使用が可能となる。

特開２００２−３６４６４３号公報 特開２００９−２９９７４８号公報 特開２００３−２６２２２２号公報

しかし、上記のようなフォイル軸受のように、トップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルや弾性体を設けると、バックフォイルや弾性体を加工する工程や、これを組み付ける工程が必要となるため、コスト高を招く。

上記のような問題は、回転部材（軸）をラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受だけでなく、回転部材（スラストカラー）をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受においても同様に生じる。

以上のような事情から、本発明が解決すべき課題は、フォイル軸受の製造コストを低減することにある。

前記課題を解決するためになされた本発明は、軸受面を有するトップフォイルと、前記トップフォイルが取り付けられたフォイルホルダとを備えたフォイル軸受であって、前記トップフォイルと前記フォイルホルダとの間に、多数の繊維を弾性変形可能な状態で介在させたことを特徴とするものである。

このフォイル軸受によれば、フォイルホルダとトップフォイルとの間に介在させた多数の繊維を弾性変形させることで、トップフォイルの変形（撓み）を許容してバネ性を付与することができるため、流体膜の圧力に応じて軸受隙間の幅を自動的に調整することが可能となる。このように、本発明によれば、バックフォイル等を設けることなく、軸受面を有するトップフォイルにバネ性を付与することができるため、バックフォイル等の加工や組付が不要となり、製造コストが低減される。

上記のフォイル軸受では、各繊維の一端が、フォイルホルダ及びトップフォイルの一方に固定され、各繊維の他端が、フォイルホルダ及びトップフォイルの他方に向けて延びていることが好ましい。この場合、各繊維の一端が固定された取付面から各繊維が立ち上がった状態（取付面に対して略垂直な状態）となるため、多数の繊維を弾性的に撓ませることにより、トップフォイルを弾性的に変形させることができる。

この場合、各繊維の他端を、フォイルホルダ及びトップフォイルの他方と摺動させれば、摺動時の摩擦エネルギーにより回転部材の振動を減衰させる効果を得ることができる。

また、上記のフォイル軸受は、多数の繊維が、一端がフォイルホルダに固定され、他端が自由端である第一の繊維と、一端がトップフォイルに固定され、他端が自由端である第二の繊維とを有し、第一の繊維及び第二の繊維が、互いに相手方の繊維の間に入り込んだ構成とすることができる。このフォイル軸受において、トップフォイルがフォイルホルダに対して微小振動すると、第一の繊維と第二の繊維とが互いに摺動するため、回転部材の振動減衰効果を得ることができる。

この場合、第一の繊維と第二の繊維との間の摩擦力により、トップフォイルとフォイルホルダとの相対移動が規制される。従って、上記の摩擦力が十分に大きい場合、この摩擦力でトップフォイルをフォイルホルダに保持させることができるため、トップフォイルをフォイルホルダに保持させる別途の構造が不要となる。この場合、トップフォイルが、フォイルホルダと接触しておらず、多数の繊維のみを介してフォイルホルダに取り付けられた構成とすることが可能となる。

また、上記のフォイル軸受は、フォイルホルダとトップフォイルとの間にアンダーフォイルを設けた構成とすることができる。この場合、フォイルホルダとアンダーフォイルとの間、及び、アンダーフォイルとトップフォイルとの間の少なくとも一方に多数の繊維を介在させることで、トップフォイルにバネ性を付与することができる。特に、フォイルホルダとアンダーフォイルとの間、及び、アンダーフォイルとトップフォイルとの間の双方に多数の繊維を介在させれば、複層の繊維が設けられるため、トップフォイルのフォイルホルダ側への変形の許容量を大きくすることができる。

上記のフォイル軸受では、多数の繊維の長さを周方向で異ならせてもよい。この場合、トップフォイルが、周方向で異なる長さの繊維で支持されるため、各繊維の長さを適宜設定することで、トップフォイルを所望の形状（例えば、楔状の軸受隙間を形成する形状）に変形させることができる。

また、上記のフォイル軸受では、多数の繊維の弾性変形によるトップフォイルの弾性率を周方向で異ならせてもよい。この場合、流体膜の圧力が高くなったときのトップフォイルの変形量が周方向で異なるため、トップフォイルの各周方向位置の弾性率を適宜設定することで、トップフォイルを所望の形状に変形させることができる。例えば、フォイルホルダとトップフォイルとの間に、繊維が介在していない周方向領域を設けることで、トップフォイルの弾性率を周方向で異ならせることができる。あるいは、トップフォイルを支持する繊維の本数（密度）、太さ、材質等を周方向で異ならせることで、トップフォイルの弾性率を周方向で異ならせることができる。

また、上記のフォイル軸受では、多数の繊維の弾性変形によるトップフォイルの弾性率を、周方向と直交する方向（ラジアルフォイル軸受では軸方向、スラストフォイル軸受では半径方向）で異ならせてもよい。例えば、トップフォイルのうち、周方向と直交する方向の端部における弾性率を、同方向の中間部における弾性率よりも小さくすれば、フォイル軸受に対して回転部材の軸心が傾斜した際、トップフォイルの端部と回転部材との接触（片当たり）による圧力を緩和して、トップフォイルの損傷を防止することができる。

また、上記のフォイル軸受では、トップフォイルの変形量が大きくなるほど、多数の繊維の弾性変形によるトップフォイルの弾性率が大きくなるようにしてもよい。例えば、フォイルホルダとトップフォイルとの間に介在させる多数の繊維として、長めの繊維と短めの繊維とを混在させたものを用いることができる。この場合、流体膜の圧力が低いとき（すなわちトップフォイルの変形量が小さいとき）は、長めの繊維のみでトップフォイルが支持される。このため、トップフォイルの弾性率は比較的小さく（すなわち変形しやすく）、軸受隙間が自動調整されやすい。一方、流体膜の圧力が高くなり、トップフォイルの変形量が大きくなると、長めの繊維が撓むことで、長めの繊維だけでなく短めの繊維もトップフォイルを支持する。このため、トップフォイルの弾性率が大きくなり（すなわち変形しにくくなり）、流体膜による軸受剛性を高めることができる。

上記のフォイル軸受に設けられる多数の繊維は、例えば樹脂繊維とすることができる。

上記のフォイル軸受には、一端が前記フォイルホルダに固定され、トップフォイルの軸受面と回転部材との間に形成される軸受隙間の開口部の少なくとも一部を覆うシール用繊維を設けることができる。このように、シール用繊維で軸受隙間の開口部の少なくとも一部を覆うことで、軸受隙間への異物の侵入や、軸受隙間からの圧力漏れを防止できる。

上記のフォイル軸受は、前記フォイルホルダ又は前記トップフォイルに多数の繊維を固定する工程と、前記フォイルホルダに前記トップフォイルを組み付けることにより、前記フォイルホルダと前記トップフォイルとの間に前記多数の繊維を弾性変形可能な状態で介在させる工程とを経て製造することができる。

上記の製造方法では、例えば、フォイルホルダ又はトップフォイルに多数の繊維を直接植毛することができる。あるいは、シートの一方の面に多数の繊維を植毛した後、該シートの他方の面をフォイルホルダ又はトップフォイルに貼り付けることができる。

以上のように、本発明によれば、多数の繊維の弾性変形によりトップフォイルにバネ性を付与することができるため、トップフォイルを弾性支持するバックフォイル等を設ける必要が無くなり、フォイル軸受の製造コストを低減することができる。

本発明の実施形態に係るフォイル軸受（ラジアルフォイル軸受）の軸直交方向断面図である。 図１のラジアルフォイル軸受の軸方向断面図である。 フォイルに固定された繊維の拡大図である。 他の実施形態に係るラジアルフォイル軸受の軸直交方向断面図である。 さらに他の実施形態に係るラジアルフォイル軸受の軸直交方向断面図である。 さらに他の実施形態に係るラジアルフォイル軸受の軸直交方向断面図である。 さらに他の実施形態に係る繊維の拡大図であり、（ａ）は流体膜の圧力が低い状態、（ｂ）は流体膜の圧力が高い状態である。 さらに他の実施形態に係るラジアルフォイル軸受の軸方向断面図である。 さらに他の実施形態に係るラジアルフォイル軸受の拡大断面図である。 本発明の実施形態に係るフォイル軸受（スラストフォイル軸受）の斜視図である。 スラストフォイル軸受に設けられる動圧発生機構の一例を示す断面図である。 スラストフォイル軸受のトップフォイルとフォイルホルダとの固定方法の一例を示す断面図である。 他の実施形態に係るスラストフォイル軸受の斜視図である。

以下、本発明に係るフォイル軸受の一例としてラジアルフォイル軸受を例に挙げ、図１〜９に基づいて説明する。

図１及び図２に、本発明の一実施形態に係るラジアルフォイル軸受１を示す。ラジアルフォイル軸受１は、内周に挿入された回転部材としての軸２をラジアル方向に支持するものである。ラジアルフォイル軸受１は、流体膜として空気を用いる空気動圧軸受である。ラジアルフォイル軸受１は、筒状（図示例では円筒状）のフォイルホルダ１０と、フォイルホルダ１０の内周面（取付面）に取り付けられたトップフォイル２０と、フォイルホルダ１０とトップフォイル２０との間に介在した多数の繊維３０とを有する。本実施形態のラジアルフォイル軸受１は、フォイルホルダ１０と、多数の繊維３０が固定されたトップフォイル２０（フォイル部材）とで構成される。尚、以下では、軸２の回転方向先行側（図１の矢印方向先行側）を「周方向一方側」、軸２の回転方向後方側（図１の矢印方向後方側）を「周方向他方側」と言う。

フォイルホルダ１０は、金属あるいは樹脂で形成される。フォイルホルダ１０を形成する金属としては、例えば焼結金属や溶製材（例えば鋼材）が挙げられる。フォイルホルダ１０の円筒面状の内周面１１には、トップフォイル２０の端部を固定する固定部が設けられる。図示例では、固定部として、凹部、具体的には軸方向溝１１ａが形成される。

トップフォイル２０は、バネ性に富み、かつ加工性のよい金属（例えば鋼や銅合金）からなる厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の金属フォイルに、プレス加工や放電加工を施すことで形成される。本実施形態のように流体膜として空気を用いる空気動圧軸受では、雰囲気に潤滑油が存在しないため、金属フォイルとしてステンレス鋼もしくは青銅製のものを使用するのが好ましい。

トップフォイル２０は、本体部２１と、本体部２１の周方向一端に設けられた取付部２２とを一体に有する。本体部２１は、矩形状の金属フォイルを略円筒状に丸めたものである。図示例では、本体部２１が、周方向端部間の僅かな隙間を除いて、フォイルホルダ１０の内周面１１の略全周に設けられる（図１参照）。また、本体部２１の軸方向幅は、フォイルホルダ１０の内周面１１の軸方向幅と略一致している（図２参照）。本体部２１の内周面は、軸受面として機能する。

取付部２２は、本体部２１の周方向一端から外径側に延びている。取付部２２は、フォイルホルダ１０の内周面１１に取り付けられ、これによりトップフォイル２０がフォイルホルダ１０に保持される。図示例では、取付部２２の外径端が、フォイルホルダ１０の内周面１１の軸方向溝１１ａに差し込まれている。取付部２２と軸方向溝１１ａとは、接着や溶接により固定してもよい。あるいは、フォイルホルダ１０に軸方向溝１１ａを設けずに、トップフォイル２０の取付部２２を接着や溶接によりフォイルホルダ１０の内周面１１に直接固定してもよい。

繊維３０は、フォイルホルダ１０とトップフォイル２０との間に、弾性変形可能な状態で介在している。図示例では、各繊維３０の一端（内径端）がトップフォイル２０の本体部２１の外周面に固定され、各繊維３０の他端（外径端）が、自由端とされ、フォイルホルダ１０の内周面１１へ向けて延びている。すなわち、繊維３０は、トップフォイル２０の本体部２１の外周面から立ち上がった状態（フォイルホルダ１０の内周面１１と略直交した状態）とされる。詳しくは、図３に示すように、繊維３０が、トップフォイル２０の本体部２１の外周面に緻密に配された多数の短繊維で構成される。

繊維３０の外径端は、フォイルホルダ１０の内周面１１と接触している。繊維３０の外径端とフォイルホルダ１０の内周面１１とは固定されておらず、トップフォイル２０がフォイルホルダ１０に対して微小移動することで、繊維３０の外径端がフォイルホルダ１０の内周面１１と摺動する。尚、図１及び図２では、繊維３０の長さや、トップフォイル２０とフォイルホルダ１０との半径方向間隔を誇張して示している。また、図１では、繊維３０の外径端が自由端であることを表すために、繊維３０の外径端とフォイルホルダ１０の内周面１１とを僅かに離隔させているが、実際にはこれらは接触している。

繊維３０としては、例えば、ポリアミドやポリエステル等の合成樹脂からなる樹脂繊維や、綿や羊毛等の天然繊維を使用することができる。中でも、ポリアミド繊維は、高温耐久性に優れ、品質が安定しているため好ましい。さらに強度が必要な場合は、芳香族系ポリアミド繊維を使用することが好ましい。

繊維３０は、例えば静電植毛により施工面（本実施形態ではトップフォイル２０の本体部２１の外周面）に固定される。静電植毛とは、概略次のような加工法である。まず、トップフォイル２０の外周面に接着剤を塗布した後、トップフォイル２０を接地すると共に、多数の繊維３０を載せた電極に数万ボルトの負の電位を印加する。これにより、分極した繊維３０が、トップフォイル２０の外周面に対して概ね垂直に飛来し、各繊維３０の先端が、硬化していない接着剤に埋設される。その後、接着剤が硬化することで、繊維３０が緻密に植毛された面が形成される。尚、繊維３０を施工面に固定する方法として、分極した繊維３０にエアを吹き付けて施工面に付着させる、静電吹き付け植毛を採用してもよい。

本実施形態では、多数の繊維３０が、諸元が同じ短繊維で構成され、具体的には、長さ、太さ、及び材質が同一の短繊維で構成される。また、繊維３０は、トップフォイル２０の本体部２１の外周面の全域に均一に設けられる。尚、繊維３０が短すぎたり長すぎたりすると、トップフォイル２０の外周面への固定が困難となるため、繊維３０の長さ（平均長さ）は、例えば０．３〜５ｍｍが望ましい。具体的に、例えば静電植毛で繊維３０をトップフォイル２０に固定する場合、繊維３０が０．３ｍｍ未満であると、繊維３０全体が接着剤に埋没してしまう恐れがある。また、繊維３０が５ｍｍより長いと、植毛時に繊維３０同士が絡み合い、各繊維３０をトップフォイル２０の外周面に略垂直に植毛することが困難となる。繊維３０の太さ（平均太さ）は、例えば５〜５０μｍ、好ましくは１０〜３０μｍの範囲で設定される。

軸２が図１の矢印方向に回転すると、ラジアルフォイル軸受１のトップフォイル２０の内周面（軸受面）と軸２の外周面２ａとの間に、ラジアル軸受隙間Ｒが形成される。このとき、軸２が重力等の影響によりラジアルフォイル軸受１に対して偏心することで、トップフォイル２０の内周面と軸２の外周面２ａとの間に断面楔状のラジアル軸受隙間Ｒが形成される。そして、ラジアル軸受隙間Ｒの幅狭側に空気が押し込まれることにより、ラジアル軸受隙間Ｒの空気膜の圧力が高められ、この圧力により軸２がラジアル方向に非接触支持される。

こうしてラジアル軸受隙間Ｒの空気膜の圧力が高まることで、トップフォイル２０が撓んで外径側に変位しようとする。このとき、トップフォイル２０を外周側から支持する多数の繊維３０が弾性的に撓むことで、トップフォイル２０の外径側への変位が許容される。一方、ラジアル軸受隙間Ｒの空気膜の圧力が低下すると、繊維３０の撓みが弾性復元することでトップフォイル２０が内径側に押し込まれ、ラジアル軸受隙間Ｒが狭くなって空気膜の圧力が高められる。このように、トップフォイル２０の可撓性（バネ性）により、トップフォイル２０の軸受面が、荷重や軸２の回転速度、周囲温度等の運転条件に応じて任意に変形するため、ラジアル軸受隙間Ｒは運転条件に応じた適切幅に自動調整される。そのため、高温・高速回転といった過酷な条件下でも、ラジアル軸受隙間Ｒを最適幅に管理することができ、軸２を安定して支持することが可能となる。尚、図１に示すラジアルフォイル軸受１において、軸２が矢印と逆向きに回転すると、トップフォイル２０が軸２に巻きついてしまう恐れがあるため、軸２の回転方向は周方向一方（矢印方向）に限定される。

また、トップフォイル２０は、周方向一箇所（取付部２２）のみがフォイルホルダ１０に固定されているため、その他の部分（本体部２１）はフォイルホルダ１０に対して周方向に微小移動可能とされる。軸２が回転すると、ラジアル軸受隙間Ｒに形成された空気膜の影響で繊維３０がフォイルホルダ１０の内周面１１に押し付けられ、この状態でトップフォイル２０がフォイルホルダ１０に対して周方向に微小振動することで、繊維３０とフォイルホルダ１０の内周面１１との間に微小摺動が生じる。この微小摺動による摩擦エネルギーにより、軸２の振動を減衰させることができる。

尚、軸２の停止直前や起動直後の低速回転時には、トップフォイル２０の軸受面と軸２の外周面２ａとが接触摺動するため、これらの何れか一方または双方に、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化タングステン膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の被膜を形成してもよい。また、繊維３０とフォイルホルダ１０との間の微小摺動による摩擦力を調整するために、繊維３０の表面及びフォイルホルダ１０の内周面１１の一方または双方に、上記のような被膜を形成してもよい。また、繊維３０の摩耗防止や冷却のために、繊維３０の間に、油や水などの流体、あるいはグリースやゲルなどの半固体を含浸させてもよい。

上記構成のラジアルフォイル軸受１は、例えば以下の手順で製造される。まず、上述した静電植毛あるいは静電吹き付け植毛により、トップフォイル２０の本体部２１に多数の繊維３０を固定する。そして、トップフォイル２０の本体部２１を、多数の繊維３０が固定された面が外径側となるように丸めながらフォイルホルダ１０の内周に挿入すると共に、トップフォイル２０の取付部２２をフォイルホルダ１０の軸方向溝１１ａに挿入する。これにより、フォイルホルダ１０とトップフォイル２０との間に多数の繊維３０が弾性変形可能な状態で介在した状態で、トップフォイル２０がフォイルホルダ１０の内周面１１に取り付けられる。

本発明は、上記の実施形態に限られない。以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と重複する点の説明は省略する。

図４に示す実施形態は、繊維３０の一端（外径端）がフォイルホルダ１０の内周面１１に固定されている点で、上記の実施形態と異なる。この実施形態では、繊維３０の他端（内径端）が自由端であり、トップフォイル２０の本体部２１の外周面と摺動可能とされる。

ところで、図４の実施形態のように、フォイルホルダ１０の内周面１１に繊維３０の一端を固定する作業は、非常に困難であるため、作業性が悪い。そこで、例えば、平坦状にした可撓性のシートに静電植毛等により多数の繊維３０を固定し、このシートを丸めながらフォイルホルダ１０の内周面１１に貼り付けるようにすれば、フォイルホルダ１０への繊維３０固定が容易になる。尚、多数の繊維３０が固定されたシートを、トップフォイル２０や後述するアンダーフォイル５０に貼り付けてもよい。

図５に示す実施形態は、繊維３０が、一端がフォイルホルダ１０の内周面１１に固定され、他端が自由端である第一の繊維３１と、一端がトップフォイル２０の外周面に固定され、他端が自由端である第二の繊維３２とからなる。第一の繊維３１と第二の繊維３２とは、互いに相手方の繊維の間に入り込んでいる。詳しくは、第一の繊維３１の他端（自由端）は第二の繊維３２の間に入り込み、第二の繊維３２の他端（自由端）は第一の繊維３１の間に入り込んでいる。このフォイル軸受１において、トップフォイル２０がフォイルホルダ１０に対して微小振動すると、第一の繊維３１と第二の繊維３２とが互いに摺動する。このように、多数の繊維同士を摺動させることで、上記の実施形態のように繊維３０と面（フォイルホルダ１０の内周面１１あるいはフォイル２０の外周面）とを摺動させる場合と比べて、摺動面積が格段に大きくなるため、軸２の振動減衰性が高くなる。

また、第一の繊維３１と第二の繊維３２とが互いに相手方の繊維の間に入り込んでいることで、トップフォイル２０とフォイルホルダ１０との間のせん断方向（回転方向及び軸方向）の摩擦力が極端に高くなる。この摩擦力により、トップフォイル２０をフォイルホルダ１０に保持させることができるため、トップフォイル２０をフォイルホルダ１０に保持させるための別途の構造を設ける必要がなくなる。図示例では、トップフォイル２０が、長方形のフォイルを丸めた円筒状の本体部２１のみからなり、トップフォイル２０をフォイルホルダ１０に取り付けるための取付部２２や軸方向溝１１ａ（図１及び図４参照）が省略されている。このトップフォイル２０は、フォイルホルダ１０と接触しておらず、多数の繊維３０のみを介してフォイルホルダ１０に取り付けられている。これにより、トップフォイル２０及びフォイルホルダ１０の構造が極めて単純化されるため、各部品の製造コストや組立コストの大幅な低減が図られる。

また、図５のラジアルフォイル軸受１では、全周において、第一の繊維３１と第二の繊維３２とが互いに相手方の繊維の間に入り込むことで、両繊維３１，３２を介してトップフォイル２０が全周でフォイルホルダ１０に保持される。これにより、軸２を何れの方向に回転させても、トップフォイル２０が軸２に巻きつくことがないため、軸２の両方向の回転に対応することができる。

尚、図５のラジアルフォイル軸受１では、トップフォイル２０の形状は図示例に限らず、例えば、トップフォイル２０を全周で連続した継ぎ目のない円筒形状としてもよい。あるいは、円筒状のフォイルの円周方向複数箇所を分断し、複数の断面円弧状のトップフォイルを設けてもよい。この場合、各トップフォイルの外周面に固定された第二の繊維３２と、フォイルホルダ１０の内周面１１に固定された第一の繊維３１とが互いに相手方の繊維の間に入り込むことで、各トップフォイルがフォイルホルダ１０に保持される。あるいは、長方形のフォイルを丸めてなるトップフォイル２０の周方向両端部を、径方向で重ねてもよい。この場合、トップフォイル２０の重合部のうち、内径側に配される部分の外周面には、繊維３０を固定しないことが望ましい。

また、図５のラジアルフォイル軸受１において、各繊維３１，３２の先端（自由端）を屈曲させて面ファスナーのような構成としてもよい。この場合、両繊維３１，３２同士が半径方向で係合することで絡み合う力が強くなるため、トップフォイル２０とフォイルホルダ１０との固定力が高められる。

以上のラジアルフォイル軸受１では、軸２の偏心により楔状のラジアル軸受隙間Ｒが形成され、これにより流体膜に動圧が発生するが、ラジアルフォイル軸受１自体に動圧を積極的に発生させる機構を設けることが好ましい。例えば、図６に示す実施形態では、繊維３０の長さを周方向で連続的に変化させ、これらの繊維３０でトップフォイル２０を支持している。具体的には、周方向に離隔した複数の領域Ａにそれぞれ繊維３０が配され、各領域Ａの周方向両端から周方向中央へ向けて、繊維３０の長さが徐々に長くなっている。このような繊維３０でトップフォイル２０を支持することで、トップフォイル２０を略多円弧形状に変形させやすくなる。一般に、フォイル軸受では、軸とフォイル（軸受面）との曲率差が大きいほど、軸の安定性が向上する。従って、図６に示すようにトップフォイル２０を略多円弧形状とし、軸との接触部における軸受面の曲率を小さくすることで、軸の安定性が高められる。

上記のように、繊維３０の長さを周方向で連続的に変化させる場合、所定の長さの繊維をトップフォイル２０あるいはフォイルホルダ１０の所定位置に固定することは困難である。従って、長さが均一な繊維を静電植毛等によりトップフォイル２０あるいはフォイルホルダ１０に固定した後、繊維の一部をカットして各繊維の長さを調整することが好ましい。尚、図６の繊維３０は、一端がトップフォイル２０に固定されたもの（図１参照）、一端がフォイルホルダ１０に固定されたもの（図４参照）、あるいはこれらの双方を有するもの（図５参照）の何れかを適用できる。

また、繊維３０の弾性変形によるトップフォイル２０の弾性率を周方向で異ならせることで、トップフォイル２０を所望の形状に変形させることもできる。具体的に、図６に示す実施形態では、トップフォイル２０の周方向一部領域（例えば周方向等間隔の複数箇所）に、半径方向の弾性率が相対的に小さい低剛性領域Ｐを設けている。図示例では、周方向一部の繊維３０を省略することで、低剛性領域Ｐを設けている。この低剛性領域Ｐでは、繊維３０によりトップフォイル２０を外周側から支持されないため、この部分のトップフォイル２０が外径側に変形しやすくなる。これにより、トップフォイル２０の外径側への変形量が周方向で異なり、その結果、トップフォイル２０を図示のように略多円弧形状に変形させやすくなる。

また、図６の低剛性領域Ｐにも繊維３０を設け、低剛性領域Ｐの繊維３０の諸元（長さ、太さ、材質、密度等）を、他の領域の繊維３０の諸元と異ならせてもよい。例えば、低剛性領域Ｐの繊維３０を、他の領域の繊維３０よりも短くすることにより、あるいは他の領域の繊維３０よりも細くすることにより、あるいは他の領域の繊維３０よりも柔らかい材質で形成することにより、あるいは、他の領域の繊維３０よりも密度を小さくすることにより、低剛性領域Ｐのトップフォイル２０の弾性率を他の領域よりも小さくすることができる。また、以上のような繊維３０の諸元を組み合わせることで、低剛性領域Ｐを構成してもよい。

また、繊維３０の弾性変形によるトップフォイル２０の弾性率を、周方向で連続的に異ならせてもよい。例えば、図６に示す実施形態において、トップフォイル２０のうち、各領域Ａの周方向両端における弾性率を、各領域Ａの周方向中央における弾性率よりも小さくすれば、各領域Ａの周方向両端が周方向中央よりも外径側に大きく変位するため、各領域Ａの周方向中央の曲率が小さくなるように変形させることができる。具体的には、例えば、各領域Ａの周方向両端の繊維３０を、各領域Ａの周方向中央の繊維３０よりも、太さを細くしたり、柔らかい材質で形成したり、あるいは、密度を小さくしたりすればよい。また、以上のような繊維３０の諸元を組み合わせてもよい。

この他、ラジアル軸受隙間の流体膜に動圧を積極的に発生させる機構して、例えば、トップフォイル２０の軸受面に動圧溝（例えばへリングボーン形状）を形成してもよい。あるいは、トップフォイル２０の厚さを周方向で変化させることにより、ラジアル軸受隙間Ｒの幅を周方向で変化させてもよい。あるいは、トップフォイル２０に、予め、周方向で半径方向位置が変化するようなうねりを与えてもよい。

上記のラジアルフォイル軸受１では、繊維３０の弾性変形によるトップフォイル２０の弾性率を軸方向で異ならせてもよい。例えば、図２に示す実施形態において、トップフォイル２０の軸方向端部における弾性率を他の領域（例えば軸方向中央部）における弾性率よりも小さくすれば、ラジアルフォイル軸受１に対して軸２が傾斜した際、トップフォイル２０の軸方向端部と軸２との接触による圧力を緩和して、トップフォイル２０の損傷を防止することができる。具体的には、例えば、トップフォイル２０の軸方向端部を支持する繊維３０を、トップフォイル２０の軸方向中央を支持する繊維３０よりも、太さを細くしたり、柔らかい材質で形成したり、あるいは、密度を小さくしたりすればよい。また、以上のような繊維３０の諸元を組み合わせてもよい。

また、上記のラジアルフォイル軸受１では、トップフォイル２０の外径側への変形量が大きくなるほど、トップフォイル２０の弾性率が大きくなるように（すなわち、トップフォイル２０が非線形の弾性を示すように）してもよい。例えば、トップフォイル２０の外径側への変形量が大きくなるほど、トップフォイル２０を支持する繊維３０の数が増えるように、繊維３０の諸元を設定すればよい。

具体的に、図７に示す例では、長めの繊維３３と短めの繊維３４とを混在させて、繊維３０を構成している。流体膜の圧力が低いときは、図７（ａ）に示すように、トップフォイル２０が長めの繊維３３のみで支持されるため、トップフォイル２０の弾性率（バネ剛性）が比較的小さく、軸受隙間が自動調整されやすい。一方、流体膜の圧力が高まると、図７（ｂ）に示すように、トップフォイル２０が外径側に変位してフォイルホルダ１０に近接する（矢印参照）。これにより、長めの繊維３３が撓み、短めの繊維３４もフォイルホルダ１０に接触することで、長めの繊維３３及び短めの繊維３４の双方でトップフォイル２０が外周側から支持される。このため、トップフォイル２０の弾性率が大きくなり、流体膜による軸受剛性が高くなる。

図７のような構成は、例えば、長めの繊維３３と短めの繊維３４を混合したものを、静電植毛等によりトップフォイル２０あるいはフォイルホルダ１０に固定することにより得ることができる。また、繊維３０を、長さの異なる三種以上の繊維を混在させて構成してもよい。

図８に示す実施形態では、トップフォイル２０の軸方向両側に、シール用繊維４０が設けられている。シール用繊維４０の外径端はフォイルホルダ１０の内周面１１に固定され、シール用繊維４０の内径端は自由端とされる。シール用繊維４０の長さは、トップフォイル２０を外径側から支持する繊維３０よりも長い。従って、シール用繊維４０の内径端は、トップフォイル２０よりも内径側に配される。これにより、トップフォイル２０と軸２との間に形成されるラジアル軸受隙間Ｒの開口部（軸方向両端部）の少なくとも一部が、シール用繊維４０で覆われるため、ラジアル軸受隙間Ｒへの異物の侵入や、ラジアル軸受隙間Ｒからの圧力漏れを防止できる。図示例では、シール用繊維４０の内径端が、軸２の外周面２ａと接触し、軸２の回転時にはシール用繊維４０の内径端と軸２の外周面２ａとが摺動する。この場合、ラジアル軸受隙間Ｒの開口部の全域がシール用繊維４０で覆われるため、高いシール効果が得られる。尚、シール用繊維４０は、トップフォイル２０の軸方向一方側のみに設けてもよい。

図９に示す実施形態では、フォイルホルダ１０とトップフォイル２０との間に、アンダーフォイル５０が配されている。フォイルホルダ１０とアンダーフォイル５０との間、及び、アンダーフォイル５０とトップフォイル２０との間には、それぞれ繊維３０が配される。このように、アンダーフォイル５０を設けることで、繊維３０を複層に設けることができ、これによりトップフォイル２０の外径側への変位の許容量を大きくすることができる。また、この場合、上記の実施形態よりも多くの繊維３０を配することができるため、繊維３０の他部材（フォイルホルダ１０、トップフォイル２０、アンダーフォイル５０、あるいは他の繊維３０）との摺動による軸の振動減衰効果が高められる。

尚、図９では、トップフォイル２０の外周面及びアンダーフォイル５０の内周面の双方に繊維３０が固定されているが、これらの一方の面のみに繊維３０を固定してもよい。同様に、図９では、アンダーフォイル５０の外周面及びフォイルホルダ１０の内周面１１の双方に繊維３０が固定されているが、これらの一方の面のみに繊維３０を固定してもよい。また、トップフォイル２０とアンダーフォイル５０との間の繊維３０、又はアンダーフォイル５０とフォイルホルダ１０との間の繊維３０の何れか一方を省略し、トップフォイル２０とアンダーフォイル５０、あるいはアンダーフォイル５０とフォイルホルダ１０とを直接摺動させてもよい。この場合、アンダーフォイル５０とトップフォイル２０又はフォイルホルダ１０との摺動により、軸の振動減衰効果が得られる。また、トップフォイル２０とフォイルホルダ１０との間に、２枚以上のアンダーフォイル５０を重ねて配してもよい。

以上の実施形態では、本発明の実施形態に係るフォイル軸受として、回転部材としての軸２をラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受を示したが、本発明はこれに限らず、軸２に設けられたスラストカラー３をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受に適用することができる。以下、本発明に係るスラストフォイル軸受の実施形態を、図１０〜図１３に基づいて説明する。

図１０に示すスラストフォイル軸受１０１は、円盤状のフォイルホルダ１１０と、フォイルホルダ１１０の端面（取付面）に取り付けられたトップフォイル１２０と、フォイルホルダ１１０とトップフォイル１２０との間に設けられた多数の繊維１３０とを備える。図示例では、トップフォイル１２０が全周で連続した環状を成し、トップフォイル１２０とフォイルホルダ１１０の端面１１２との間に多数の繊維１３０が設けられる。図示例では、トップフォイル１２０の全域が、繊維１３０で支持されている。

繊維１３０は、一端がトップフォイル１２０の裏面（軸受面と反対側の面）に固定され、他端がフォイルホルダ１１０の端面１１２と摺動するもの（図１と同様の構成）、一端がフォイルホルダ１１０の端面１１２に固定され、他端がトップフォイル１２０の裏面と摺動するもの（図４と同様の構成）、あるいは、一端がトップフォイル１２０の裏面に固定された短繊維と一端がフォイルホルダ１１０の端面１１２に固定された短繊維とを互いに摺動可能としたもの（図５と同様の構成）の何れかで構成される。尚、フォイルホルダ１１０、トップフォイル１２０、及び繊維１３０の材質や機能等は、上記のラジアルフォイル軸受１のフォイルホルダ１０、トップフォイル２０、及び繊維３０と同様であるため、説明を省略する。

上記のスラストフォイル軸受１０１には、スラスト軸受隙間の流体膜に動圧を積極的に発生させるための機構を設けることが好ましい。例えば図１１に示す実施形態では、トップフォイル１２０を支持する繊維１３０の長さを周方向で連続的に異ならせている。具体的には、繊維１３０に、周方向一方（軸回転方向先行側、図中右側）へ向けて長さが徐々に長くなる領域を設けている。この繊維１３０に沿ってトップフォイル１２０が変形することで、トップフォイル１２０とスラストカラー３との間に、周方向一方へ行くほど幅が狭くなる楔状のスラスト軸受隙間Ｔが形成される。

また、上記のスラストフォイル軸受１０１は、上記のラジアルフォイル軸受１と同様に、繊維１３０の弾性変形によるトップフォイル１２０の弾性率を周方向で異ならせてもよい。具体的には、例えば、トップフォイル１２０の周方向一部領域を支持する繊維１３０を省略したり、この領域の繊維１３０の諸元（長さ、太さ、材質、密度等）を他の領域と異ならせたりすることで、弾性率が相対的に小さい領域（低剛性領域）を設けることができる。トップフォイル１２０のうち、低剛性領域を大きくフォイルホルダ１１０側に変形させることで、トップフォイル１２０が図１１に示す実施形態と同様の形状となり、楔状のスラスト軸受隙間Ｔが形成されやすくなる。この他、トップフォイル１２０の弾性率を、周方向で連続的に変化させてもよい。

この他、スラスト軸受隙間の流体膜に動圧を発生させる機構して、例えば、トップフォイル１２０の軸受面に動圧溝（例えばへリングボーン形状）を形成してもよい。あるいは、トップフォイル１２０の厚さを周方向で変化させることにより、スラスト軸受隙間Ｔの幅を周方向で変化させてもよい。あるいは、トップフォイル１２０に、予め、周方向で軸方向位置が変化するようなうねりを与えてもよい。

また、上記のスラストフォイル軸受１０１では、トップフォイル１２０の半径方向端部（特に外径端）における弾性率を、他の領域（例えば半径方向中央部）における弾性率よりも小さくしてもよい。この場合、スラストフォイル軸受１０１に対して軸２が傾斜した際、トップフォイル１２０の外径端と、軸２に設けられたスラストカラー３との接触による圧力を緩和して、トップフォイル１２０の損傷を防止することができる。トップフォイル１２０の弾性率は、繊維１３０の諸元（長さ、太さ、材質、密度等）により調整することができる。

また、上記のスラストフォイル軸受１０１は、上記のラジアルフォイル軸受１と同様に、トップフォイル１２０のフォイルホルダ１１０側への変形量が大きくなるほど、トップフォイル１２０の弾性率が大きくなるように、繊維１３０を構成してもよい。例えば、トップフォイル１２０のフォイルホルダ１１０側への変形量が大きくなるほど、トップフォイル１２０を支持する繊維１３０の数が増えるように、繊維１３０の諸元を設定すればよい。具体的には、例えば図７（ａ）（ｂ）に示す例と同様に、長めの繊維と短めの繊維とを混在させればよい。

また、上記のスラストフォイル軸受１０１に、トップフォイル１２０をフォイルホルダ１１０に固定する構造を設けてもよい。例えば図１２に示す実施形態では、トップフォイル１２０が、軸受面を有する本体部１２１と、取付部１２２とを有し、フォイルホルダ１１０の端面１１２に、固定部としての凹部１１２ａが設けられる。トップフォイル１２０の取付部１２２は、本体部１２１の内径側又は外径側あるいはこれらの双方に設けられる。図示例では、トップフォイル１２０の内径側に、段差部１２３を介して取付部１２２が設けられる。フォイルホルダ１１０の凹部１１２ａは、外径側に開口している。トップフォイル１２０の取付部１２２を、フォイルホルダ１１０の端面１１２の凹部１１２ａに差し込むことにより、トップフォイル１２０がフォイルホルダ１１０に保持される。トップフォイル１２０の取付部１２２とフォイルホルダ１１０の凹部１１２ａとは、接着や溶接により固定してもよい。あるいは、フォイルホルダ１１０に凹部１１２ａを設けずに、トップフォイル１２０の取付部１２２を接着や溶接によりフォイルホルダ１１０の端面１１２に直接固定してもよい。

図１３に示す実施形態では、トップフォイル１２０を周方向複数箇所で分割している。各トップフォイル１２０の周方向他方の端部（軸の回転方向後方側の端部）は、溶接等によりフォイルホルダ１１０の端面１１２に固定される。各トップフォイル１２０とフォイルホルダ１１０との間には、繊維１３０が介在している。このとき、図示のように、各トップフォイル１２０を支持する繊維１３０の長さを周方向一方側（自由端側）へ向けて徐々に長くすることが好ましい。あるいは、各トップフォイル１２０の弾性率を、周方向一方側へ向けて大きくなるように、繊維１３０の諸元を設定してもよい。

また、上記のスラストフォイル軸受１０１において、トップフォイル１２０の半径方向一方側あるいは両側に、図８に示すシール用繊維４０と同様の機能を有するシール用繊維を設けてもよい。また、上記のスラストフォイル軸受１０１において、フォイルホルダ１１０とトップフォイル１２０との間に、図９に示すアンダーフォイル５０と同様の機能を有するアンダーフォイルを配してもよい。

本発明にかかるフォイル軸受は、油の使用が制限される環境下で高速回転する軸を支持する軸受として好適に使用することができる。例えばターボ機械用の軸受、具体的にはガスタービンのタービン軸を支持する軸受や、ターボチャージャ（過給機）のロータを支持する軸受として使用することができる。この他、油の使用が制限される車両用軸受や産業機器用軸受、家電用軸受として広く使用することが可能である。尚、上記のフォイル軸受において、接着剤を用いて繊維をフォイル等に固定する場合は、接着剤の耐熱性より低温環境で使用する必要があるため、例えば常温で使用される用途に適用することが好ましい。

また、以上に説明した各フォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受であるが、これに限らず、圧力発生流体としてその他のガスを使用することもでき、あるいは水や油などの液体を使用することもできる。

１ ラジアルフォイル軸受（フォイル軸受）
２ 軸
３ スラストカラー
１０ フォイルホルダ
２０ トップフォイル
３０ 繊維
４０ シール用繊維
５０ アンダーフォイル
１０１ スラストフォイル軸受（フォイル軸受）
１１０ フォイルホルダ
１２０ トップフォイル
１３０ 繊維
Ｒ ラジアル軸受隙間
Ｔ スラスト軸受隙間

Claims (17)

1. 軸受面を有するトップフォイルと、前記トップフォイルが取り付けられたフォイルホルダとを備えたフォイル軸受であって、
   前記トップフォイルと前記フォイルホルダとの間に、多数の繊維を弾性変形可能な状態で介在させたことを特徴とするフォイル軸受。
2. 各繊維の一端が、前記フォイルホルダ及び前記トップフォイルの一方に固定され、各繊維の他端が、前記フォイルホルダ及び前記トップフォイルの他方に向けて延びている請求項１記載のフォイル軸受。
3. 各繊維の他端が前記フォイルホルダ及び前記トップフォイルの他方と摺動可能である請求項２記載のフォイル軸受。
4. 前記多数の繊維が、一端が前記フォイルホルダに固定され、他端が自由端である第一の繊維と、一端が前記トップフォイルに固定され、他端が自由端である第二の繊維とを有し、
   前記第一の繊維及び前記第二の繊維が、互いに相手方の繊維の間に入り込んだ請求項１又は２記載のフォイル軸受。
5. 前記トップフォイルが、前記フォイルホルダと接触しておらず、前記多数の繊維のみを介して前記フォイルホルダに取り付けられた請求項４記載のフォイル軸受。
6. 前記フォイルホルダと前記トップフォイルとの間にアンダーフォイルを設け、
   前記フォイルホルダと前記アンダーフォイルとの間、及び、前記アンダーフォイルと前記トップフォイルとの間の少なくとも一方に前記多数の繊維を介在させた請求項１又は２記載のフォイル軸受。
7. 前記多数の繊維の長さを周方向で異ならせた請求項１〜６の何れかに記載のフォイル軸受。
8. 前記多数の繊維の弾性変形による前記トップフォイルの弾性率を周方向で異ならせた請求項１〜７の何れかに記載のフォイル軸受。
9. 前記多数の繊維の弾性変形による前記トップフォイルの弾性率を、周方向と直交する方向で異ならせた請求項１〜８の何れかに記載のフォイル軸受。
10. 前記トップフォイルの変形量が大きくなるほど、前記多数の繊維の弾性変形による前記トップフォイルの弾性率が大きくなるようにした請求項請求項１〜９の何れかに記載のフォイル軸受。
11. 前記多数の繊維が、長めの繊維と短めの繊維とを混在させてなる請求項１０記載のフォイル軸受。
12. 前記多数の繊維が樹脂繊維である請求項１〜１１の何れかに記載のフォイル軸受。
13. 一端が前記フォイルホルダに固定され、前記トップフォイルの軸受面と回転部材との間に形成される軸受隙間の開口部の少なくとも一部を覆うシール用繊維を備えた請求項１〜１２の何れかに記載のフォイル軸受。
14. フォイル軸受に設けられるフォイル部材であって、
    一方の面に軸受面が設けられたトップフォイルと、前記トップフォイルの他方の面に固定された多数の繊維とを備えたフォイル部材。
15. 軸受面を有するトップフォイルと、前記トップフォイルが取り付けられたフォイルホルダとを備えたフォイル軸受の製造方法であって、
    前記フォイルホルダ又は前記トップフォイルに多数の繊維を固定する工程と、
    前記フォイルホルダに前記トップフォイルを組み付けることにより、前記フォイルホルダと前記トップフォイルとの間に前記多数の繊維を弾性変形可能な状態で介在させる工程とを有するフォイル軸受の製造方法。
16. 前記フォイルホルダ又は前記トップフォイルに、前記多数の繊維を直接植毛する請求項１５記載のフォイル軸受の製造方法。
17. シートの一方の面に前記多数の繊維を植毛した後、該シートの他方の面を前記フォイルホルダ又は前記トップフォイルに貼り付ける請求項１５記載のフォイル軸受の製造方法。
    

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