JP2017180685A - フォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】フォイル軸受の軸受隙間の小隙間部における流体圧の低下を抑えて、支持力を高める。【解決手段】フォイル軸受１０は、軸受面Ｘを有するトップフォイル部Ｔｆと、トップフォイル部Ｔｆを背後から弾性的に支持するバックフォイル部Ｂｆとを備える。バックフォイル部Ｂｆは、軸２の相対回転方向と直交する方向に離隔した複数箇所でトップフォイル部Ｔｆを接触支持する支持部（上凸部１３ｃ）を有する。トップフォイル部Ｔｆは、軸受面Ｘの下流側に隣接した領域に、軸受面Ｘの下流側の端部に沿って、軸２から離反する側に曲げられた曲げ部１２ｂを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、フォイル軸受に関する。

フォイル軸受は、可撓性を有する金属薄板（フォイル）で軸受面を構成するものであり、フォイルが撓むことにより、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じて軸受隙間が適切な幅に自動調整されるという特徴を有する。

例えば下記の特許文献１に、フォイル軸受の一例として、バンプ型と呼ばれるフォイル軸受が開示されている。このフォイル軸受は、軸受面を有するトップフォイルと、トップフォイルを背後から弾性的に支持する波形のバックフォイル（バンプフォイル）とを備える。バックフォイルには、トップフォイルに接する山部と、平坦な谷部とが、軸の回転方向で交互に形成されている。

特開２０１３−８７７８９号公報

特許文献１に示されたフォイル軸受において、軸の回転に伴って軸受隙間の圧力が高まると、トップフォイルを介してバックフォイルが軸受隙間の幅方向に圧縮される。このとき、波形のバックフォイルは、各山部を押し潰すように変形することになるが、その際の変形抵抗が大きく、バックフォイルが全体的に高剛性となるため、トップフォイルの柔軟性が不足する傾向にある。トップフォイルの柔軟性が不足すると、軸受隙間の自動調整機能が損なわれ、軸とトップフォイルが接触し易くなる等の不具合を招く。

そこで、本発明者らは、先の出願（特願２０１５−２３４６２６）において、図２４に示すようなバックフォイル１２０を有するフォイル軸受を提案した。このバックフォイル１２０は、平坦部１２１（中間部）と、平坦部１２１からトップフォイル側に突出した複数の上凸部１２２（第一突出部）と、平坦部１２１からトップフォイル１１０と反対側に突出した複数の下凸部１２３（第二突出部）とを有する。

図２７に示すように、バックフォイル１２０は、トップフォイル１１０とフォイルホルダ１０２との間に配される（図２７では、バックフォイル１２０を模式的にバネで示している）。軸が回転すると、トップフォイル１１０の軸受面と、軸に設けられたスラストカラー１０３の端面１０３ａとの間に楔状の軸受隙間Ｃが形成され、軸受隙間Ｃの大隙間部Ｃ１の流体が小隙間部Ｃ２に押し込まれることにより流体圧が高められる。この流体圧により、バックフォイル１２０が軸受隙間Ｃの幅方向（図２７の上下方向）に弾性的に圧縮され、これにより軸受隙間Ｃの幅が自動的に調整される。このとき、バックフォイル１２０のうち、平坦部１２１（図２４参照）は圧縮力に対する剛性が相対的に低い部分となるため、バックフォイル１２０に圧縮力が負荷された際には、先ず平坦部１２１が変形して圧縮力を吸収する。従って、特許文献１に示されたような波形のバックフォイルに比べ、バックフォイル全体の剛性を小さくして、軸受面の柔軟性を高めることができる。

図２８に示すように、トップフォイル１１０は、バックフォイル１２０に設けられた複数の上凸部１２２により、軸の回転方向と直交する方向（図２８の左右方向）に離隔した複数箇所で背後から接触支持される。この場合、トップフォイル１１０のうち、バックフォイル１２０の上凸部１２２との接触部Ａは剛性が高く、接触部Ａの周囲は剛性が低くなる。従って、軸受隙間Ｃで生じる流体圧によりトップフォイル１１０がバックフォイル１２０に押し付けられると、図２９に示すように、接触部Ａの周囲の領域が、接触部Ａよりもスラストカラー１０３から離反する側（図中下側）に変形し、これにより接触部Ａの間の領域に凹部Ｂが形成される。この場合、図３０に矢印で示すように、軸受隙間Ｃの小隙間部Ｃ２に押し込まれた流体が凹部Ｂを介して下流側に抜けやすくなるため、図２７の下段に実線で示すように、大隙間部Ｃ１から小隙間部Ｃ２へ行くにつれて徐々に高まった流体圧Ｐが、小隙間部Ｃ２で早期に降下してしまい、支持力が低下する。

以上のような事情から、本発明は、トップフォイルが、軸の相対回転方向と直交する方向（以下、この方向を「回転直交方向」と言う。）に離隔した複数箇所でバックフォイルにより接触支持されたフォイル軸受において、軸受隙間における流体圧の低下を抑えて支持力を高めることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部を背後から弾性的に支持するバックフォイル部とを備え、軸の相対回転に伴って、前記軸と前記軸受面との間の軸受隙間に生じる流体圧で、前記軸を非接触支持するフォイル軸受において、前記バックフォイル部が、前記トップフォイル部のうち、前記軸受面が設けられた領域を、前記軸の相対回転方向と直交する方向に離隔した複数箇所で接触支持する支持部を有し、前記トップフォイル部が、前記軸受面の下流側に隣接した領域に、前記軸受面の下流側の端部に沿って、前記軸から離反する側に曲げられた曲げ部を有することを特徴とする。

軸の相対回転に伴って軸受隙間における流体圧が高まると、トップフォイル部が、バックフォイル部の支持部により、回転直交方向に離隔した複数箇所で接触支持されるため、この接触支持部の周囲が軸から離反する側（軸受隙間を広げる側）に変形し、軸受面に凹部が形成される（図２９参照）。本発明では、トップフォイル部の軸受面の下流側に隣接した領域に曲げ部を設けたことにより、軸受面の下流側の端部付近の領域の剛性が高められる。その結果、軸受隙間における流体圧が高められたときでも、軸受面の下流側の端部付近の領域が、軸から離反する側に変形しにくくなるため、この領域に、凹部よりも一段高くなった（軸側に配された）堰が形成される。これにより、軸受面の前記凹部を介して下流側に抜けた流体が、その下流側に形成された堰で堰き止められるため、軸受隙間の小隙間部からの流体の流出が抑えられる。従って、図２３の下段に点線で示すように、小隙間部における流体圧の低下が抑えられ、支持力が向上する。

上記の曲げ部は、例えば、トップフォイル部の下流側の端部付近を折り曲げることにより形成することができる。この場合、曲げ部は、トップフォイル部の軸受面に対して折り曲げられた状態となる。あるいは、上記の曲げ部は、トップフォイル部の下流側の端部付近を曲面状に湾曲させることにより形成することができる。この場合、曲げ部は、軸受面と滑らかに連続するように湾曲した状態となる。

上記の曲げ部は、トップフォイル部の下流側の端部を、塑性的あるいは弾性的に曲げることにより形成することができる。

例えば、トップフォイル部の下流側の端部に差込部を設けると共に、トップフォイル部の上流側の端部付近に差込口を設け、各トップフォイル部の差込部を、下流側に隣接するトップフォイル部の差込口に差し込めば、トップフォイル部の下流側端部付近を、軸から離反する側に弾性的に曲げることができる。

上記のフォイル軸受において、軸に振れ回りが生じると、トップフォイル部の回転直交方向の端部に軸が接触し、トップフォイル部が損傷する恐れがある。そこで、トップフォイル部のうち、回転直交方向の端部を除く領域に曲げ部を設ければ、トップフォイル部の回転直交方向の端部における剛性が抑えられるため、この部分におけるトップフォイル部と軸との接触面圧が低減され、トップフォイル部の損傷を防止できる。

上記のフォイル軸受は、例えば、トップフォイル部とバックフォイル部とを一体に有する複数のフォイル部材を備え、各フォイル部材のトップフォイル部を、他のフォイル部材のバックフォイル部の上に重ねて配した構成とすることができる。

以上のように、本発明によれば、軸受隙間における流体圧の低下を抑えることができるため、フォイル軸受の支持力を高めることができる。

本発明の第一実施形態に係るフォイル軸受の断面図である。 フォイル軸受の平面図である。 フォイル軸受に設けられたトップフォイル及びバックフォイルの斜視図である。 バックフォイルの平面図である。 バックフォイルの斜視図である。 他の例に係るトップフォイルの下流側端部の断面図である。 他の例に係るトップフォイルの下流側端部の断面図である。 図２のＶ−Ｖ線断面図である。 トップフォイルの平面図である。 図９のＵ−Ｕ線断面図である。 図９のＴ−Ｔ線断面図である。 フォイル軸受の断面図である。 第二実施形態に係るトップフォイル及びバックフォイルの斜視図である。 第三実施形態に係るトップフォイル及びバックフォイルの斜視図である。 第四実施形態に係るバックフォイルの平面図である。 第五実施形態に係るフォイル軸受の断面図である。 上段は、第六実施形態に係るバックフォイルの平面図であり、下段は、前記平面図のＹ−Ｙ線断面図である。 第七実施形態に係るバックフォイルの断面図である。 第八実施形態にかかるフォイルの斜視図である。 図２０のフォイルを有するフォイル軸受の斜視図である。 第九実施形態に係るフォイル軸受の斜視図である。 図２１のフォイル軸受に組み込まれるフォイルの他の例を示す平面図である。 第十実施形態に係るフォイル軸受の断面図である。 図２３のフォイル軸受のフォイルの平面図である。 第十一実施形態に係るフォイル軸受の断面図である。 先願において提案されたバックフォイルの斜視図である。 図２６のバックフォイルを有するフォイル軸受の断面図である。 図２７のＷ−Ｗ線における断面図であり、軸受隙間における流体圧が低い状態を示す。 図２７のＷ−Ｗ線における断面図であり、軸受隙間における流体圧が高い状態を示す。 図２７のフォイル軸受のトップフォイルの平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明の第一実施形態に係るフォイル軸受１０は、図１に示すように、軸２に設けられた円盤状のスラストカラー３との間に形成される空気膜で、軸２をスラスト方向に支持するスラストフォイル軸受である。フォイル軸受１０は、円盤状のフォイルホルダ１１と、フォイルホルダ１１の端面１１ａに取り付けられたトップフォイル１２及びバックフォイル１３とを有する。本実施形態では、図２に示すように、複数（図示例では各６枚）の扇形のトップフォイル１２及びバックフォイル１３が、軸２の回転方向（フォイルホルダ１１の周方向）で並べて配される。尚、以下では、軸２の回転方向先行側（図２の矢印Ｒ方向）、すなわち、軸２の回転時における、トップフォイル１２に対する空気の流れ方向下流側を「下流側」と言い、その反対側を「上流側」と言う。

フォイルホルダ１１は、金属や樹脂等で形成される。フォイルホルダ１１は、軸２が挿入される内孔１１ｂを有する中空円盤状を成している。フォイルホルダ１１の一方の端面１１ａには複数のトップフォイル１２及びバックフォイル１３が取り付けられる。フォイルホルダ１１の他方の端面１１ｃは、フォイル軸受１０が組み込まれる設備（例えばガスタービン等のターボ機械）のハウジングに固定される。

トップフォイル１２及びバックフォイル１３は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属で形成され、例えば鋼や銅合金で形成される。トップフォイル１２及びバックフォイル１３は、厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の金属薄板（フォイル）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、ステンレス鋼もしくは青銅でトップフォイル１２及びバックフォイル１３を形成するのが好ましい。

トップフォイル１２は、軸受面Ｘを有するトップフォイル部Ｔｆとして機能する。トップフォイル１２は、図２及び図３に示すように、凹凸の無い滑らかな軸受面Ｘを有する。トップフォイル１２の上流側の端部１２ａは、フォイルホルダ１１の端面１１ａに溶接等により固定される。

トップフォイル１２の下流側の端部は自由端である。トップフォイル１２の下流側の端部には、曲げ部１２ｂが設けられる（図３参照）。曲げ部１２ｂは、トップフォイル１２の下流側の端部付近を、スラストカラー３から離反する側（フォイルホルダ１１側）に曲げることで形成される。具体的には、打ち抜き加工や放電加工により所定形状の平板状のフォイル素材を形成した後、このフォイル素材のうち、軸受面Ｘの下流側に隣接した領域（図示例では、軸受面Ｘよりも下流側の帯状の領域）を、プレス加工等で塑性変形させることで、曲げ部１２ｂが形成される。尚、フォイル素材の打ち抜きと、曲げ部１２ｂの形成とを、プレス加工で同時に行うこともできる。曲げ部１２ｂは、軸受面Ｘの下流側の端部に沿って延び、図示例では回転直交方向（半径方向）に延びる。曲げ部１２ｂは、軸受面Ｘに対して折り曲げられている。曲げ部１２ｂの角度や寸法は、曲げ部１２ｂの端部がフォイルホルダ１１と接触しないように設定される。図示例では、曲げ部１２ｂが、軸受面Ｘと直交する方向に折り曲げられている。曲げ部１２ｂの軸方向寸法は、バックフォイル１３の軸方向寸法よりも小さく、例えばバックフォイル１３の軸方向寸法の３０〜７０％とされる。

トップフォイル１２の軸受面Ｘと曲げ部１２ｂとの間の角度は直角に限らず、この角度を鋭角としてもよい。例えば図６に示す例では、トップフォイル１２の下流側の端部付近を上流側に約１８０°折り返して、曲げ部１２ｂを形成している。あるいは、図７に示すように、軸受面Ｘと曲げ部１２ｂとの間の角度を鈍角としてもよい。また、同図に示すように、曲げ部１２ｂの端部をフォイルホルダ１１の端面１１ａに当接させてもよい。この場合、軸受面Ｘの下流側の端部付近の領域の剛性を高めることができる。この他、常時は曲げ部１２ｂをフォイルホルダ１１の端面１１ａから離反させ、軸受隙間の流体圧が高められたときに、曲げ部１２ｂがフォイルホルダ１１の端面１１ａに当接するようにしてもよい。

バックフォイル１３は、トップフォイル１２を背後から支持するバックフォイル部Ｂｆとして機能する。バックフォイル１３は、平面視でトップフォイル１２と略同形状の扇形をなし、トップフォイル１２の真下に重ねて配されている（図３及び図４参照）。バックフォイル１３の上流側の端部１３ａは、フォイルホルダ１１の端面１１ａに溶接等により固定される。

バックフォイル１３は、半径方向に離隔した複数箇所でトップフォイル１２と接触する支持部を有する。本実施形態では、図５に示すように、バックフォイル１３に、平坦部１３ｂと、平坦部１３ｂからトップフォイル１２側に突出した複数の上凸部１３ｃと、平坦部１３ｂからトップフォイル１２と反対側に突出した複数の下凸部１３ｄとが設けられ、上凸部１３ｃが支持部を構成する。尚、上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄは、これらの相対的な位置関係を理解しやすいように「上」「下」を付した名称としているが、これはフォイル軸受１０の使用態様を限定する趣旨ではない。

バックフォイル１３の平坦部１３ｂ、上凸部１３ｃ、および下凸部１３ｄは、均一な肉厚を有する。上凸部１３ｃおよび下凸部１３ｄは、何れも概略半球状に形成される。上凸部１３ｃおよび下凸部１３ｄの内側は中空状になっているため、バックフォイル１３を表裏の一方側、例えば図４のように表側（トップフォイル１２側）から見た場合、下凸部１３ｄが存在する領域は凹部となる。尚、図４では、理解しやすいように、凹部となる下凸部１３ｄにハッチングを付している。上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄの全周に、平坦部１３ｂが設けられる。上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄは、それぞれバックフォイル１３の上流側端部１３ａ付近を除く全域に分散して配置される。上凸部１３ｃはトップフォイル１２の裏面（軸受面Ｘと反対側の面）に接触し、下凸部１３ｄはフォイルホルダ１１の端面１１ａに接触する。

バックフォイル１３は、フォイルをプレス加工することで形成される。本実施形態では、打ち抜き加工や放電加工により所定形状の平板状のフォイル素材を形成した後、このフォイル素材にプレス加工を施して上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄを同時に成形することで、バックフォイル１３が形成される。尚、フォイル素材の打ち抜きと、上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄの成形とを、プレス加工で同時に行うこともできる。上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄを含めたバックフォイル１３全体の厚さ方向寸法（軸方向寸法）は０．５〜２ｍｍ程度である。尚、図４に示す上凸部１３ｃおよび下凸部１３ｄの配置パターンは例示にすぎず、必要に応じて図４とは異なる任意の配置パターンを採用することができる。

図８に示すように、軸２及びスラストカラー３が周方向一方（矢印Ｒ方向）に回転すると、フォイル軸受１０の各トップフォイル１２の軸受面Ｘとスラストカラー３の端面３ａとの間に軸受隙間Ｃが形成される。このとき、トップフォイル１２が湾曲することで、軸受隙間Ｃは、下流側へ行くにつれて狭くなった楔状を成す。この楔状の軸受隙間Ｃの大隙間部Ｃ１の空気が小隙間部Ｃ２に押し込まれることにより、軸受隙間Ｃの空気膜の圧力が高められ、この圧力により軸２及びスラストカラー３がスラスト方向に非接触支持される。このとき、トップフォイル１２の軸受面Ｘ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弾性変形することで、軸受隙間Ｃが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、軸受隙間Ｃ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。

上記のように、軸受隙間Ｃ（特に、小隙間部Ｃ２）の空気圧が高められると、トップフォイル１２がバックフォイル１３に押し付けられる。具体的には、トップフォイル１２の上流側端部１２ａ及び下流側端部（曲げ部１２ｂ）を除く大部分が、バックフォイル１３の上凸部１３ｃで接触支持される。このとき、トップフォイル１２のうち、バックフォイル１３の上凸部１３ｃ（支持部）が接触した接触部Ａは剛性が高く、接触部Ａの周囲は剛性が低い。従って、図９〜１１に示すように、トップフォイル１２のうち、接触部Ａの半径方向間の領域が、接触部Ａよりもフォイルホルダ１１側（図中下方）に変形し、この領域に凹部Ｂが形成される。一方、トップフォイル１２の下流側の端部には、曲げ部１２ｂが形成されているため、曲げ部１２ｂに沿った領域（軸受面Ｘの下流側端部付近の領域）の剛性が高くなっている。従って、軸受面Ｘの下流側端部付近の領域は、流体圧によりフォイルホルダ１１側に変形しにくいため、この領域に、凹部Ｂよりも一段高くなった堰Ｄが形成される（図１１参照）。この堰Ｄは、半径方向で連続的に延び、本実施形態ではトップフォイル１２の半径方向全長にわたって延びる（図９参照）。

軸２の回転に伴って小隙間部Ｃ２に押し込まれた空気は、トップフォイル１２の凹部Ｂを通って下流側に抜ける（図９及び１１の矢印Ｓ参照）。しかし、凹部Ｂの下流側に、曲げ部１２ｂに沿って連続的に延びる堰Ｄが設けられているため、空気の下流側への流動が規制される。これにより、小隙間部Ｃ２から下流側に空気が抜けにくくなり、小隙間部Ｃ２における空気圧の低下が抑えられるため（図２７の下段の点線参照）、フォイル軸受１０による支持力を高めることができる。

また、軸２の回転中は、図１２に示すように、軸受隙間Ｃで生じる空気圧によりトップフォイル１２が圧力Ｐを受けるため、バックフォイル１３には、トップフォイル１２を介して圧力Ｐ方向の圧縮力が作用する。平坦部１３ｂは圧力Ｐ方向と直交する方向に延びる薄板状であるため、バックフォイル１３の中でも前記圧縮力に対する剛性の低い部分となる。そのため、バックフォイル１３に圧縮力が負荷されると、図１２の二点鎖線で示すように先ず平坦部１３ｂが変形して圧縮力を吸収する。従って、そのような平坦部分を有しない、既存のバンプ型フォイル軸受のバックフォイル部に比べ、バックフォイル１３の剛性を局所的に小さくすることができる。これにより、軸受面Ｘの柔軟性が高まるため、軸２の変位等に対して軸受面Ｘが追従変形し易くなり、軸受隙間Ｃを最適幅に自動調整してスラストカラー３とトップフォイル１２との接触を確実に防止することが可能となる。

尚、軸２の停止直前や起動直後の低速回転時には、各トップフォイル１２の軸受面Ｘとスラストカラー３の端面３ａ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低摩擦化被膜を形成してもよい。

また、軸２の回転中は、トップフォイル１２とバックフォイル１３、あるいは、バックフォイル１３とフォイルホルダ１１の端面１１ａ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。このような微小摺動による摩擦力を調整するために、互いに摺動する面の何れか一方または双方に、上記のような低摩擦化被膜を形成してもよい。

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については説明を省略する。

図１３に示す第二実施形態では、トップフォイル１２の下流側の端部のうち、半径方向両端を除く中間部のみに曲げ部１２ｂを設けている。この場合、軸受面Ｘの下流側の端部付近の領域のうち、半径方向両端における剛性が低くなる。軸２が振れ回ると、スラストカラー３の端面３ａの外径端が、軸受面Ｘの外径端に接触することがあるが、上記のように半径方向端部の曲げ部１２ｂを省略し、この部分の剛性を低くすることで、スラストカラー３との接触による面圧が抑えられるため、トップフォイル１２が損傷する事態を防止できる。尚、曲げ部１２ｂは、上記のようにトップフォイル１２の半径方向両端において省略する他、半径方向一方の端部のみ（例えば外径端のみ）において省略してもよい。

また、上記の実施形態では、トップフォイル１２の曲げ部１２ｂを、軸受面Ｘに対して折り曲げているが、これに限られない。例えば、図１４に示す第三実施形態では、トップフォイル１２の下流側の端部付近を、スラストカラー３から離反する側に曲面状に湾曲させることで、曲げ部１２ｂが形成されている。この場合、曲げ部１２ｂは、軸受面Ｘと滑らかに連続した曲面部を有する。

また、上記のフォイル軸受１０において、バックフォイル１３に設けられる上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄの分布密度を場所によって変えることで、軸受面Ｘの剛性を部分的にコントロールすることができる。例えば、図１５に示す第四実施形態では、上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄの密度が、下流側に行くにつれて高くなっている。この場合、バックフォイル１３の圧縮方向（軸方向）の剛性が下流側に行くにつれて高くなる。これにより、トップフォイル１２の軸受面Ｘが、下流側に行くにつれて、スラストカラー３から離反する方向（軸受隙間Ｃを広げる方向）に変形しにくくなるため、楔状の軸受隙間Ｃが形成されやすくなる。尚、図１５では、バックフォイル１３を簡略化して矩形で示している。

また、上記のフォイル軸受１０において、バックフォイル１３に設けられる上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄの高さを場所によって変えることで、所定形状の軸受面を得ることができる。例えば、図１６に示す第五実施形態では、上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄを含むバックフォイル１３の高さ（軸方向寸法）が、下流側に行くにつれて大きくなっている。これにより、トップフォイル１２の軸受面Ｘが、下流側に行くにつれてスラストカラー３側に変位した形状となりやすくなり、楔状の軸受隙間Ｃが形成されやすくなる。

図１７に示す第六実施形態では、バックフォイル１３に波形部１３ｆを設けている。波形部１３ｆは、軸２の回転方向と交差する方向に沿って延びる複数の山部１３ｆ１及び谷部１３ｆ２を、軸２の回転方向で交互に有する。波形部１３ｆの山部１３ｆ１が、トップフォイル１２を背後から接触支持する第一支持部を構成する。山部１３ｆ１及び谷部１３ｆ２は、バックフォイル１３の下流側端部の縁と交差する方向に延び、図示例では、バックフォイル１３の上流側端部１３ａの縁と平行な方向に延びる。この場合、バックフォイル１３の下流側端部では、山部１３ｆ１が半径方向に離隔した複数箇所に設けられ、これらの山部１３ｆ１がトップフォイル１２に接触する。

図１７に示すような波形部１３ｆを有するバックフォイル１３は、例えばプレス加工により形成することができる。この場合、平板状のフォイル素材が波形に曲げられるため、その分だけ平面視における寸法（山部１３ｆ１の延在方向と直交する方向の寸法）が縮小する。従って、プレス加工を施す前の平板状のフォイル素材は、プレス加工による寸法の縮小を考慮して形状及び寸法を設定する必要があるため、設計が非常に複雑となる。

これに対し、図５に示すようなディンプル状の上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄを有するバックフォイル１３は、平板状のフォイル素材にプレス加工を施し、局部的に材料を引き延ばして上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄを成形することができる。この場合、プレス加工により、平面視における全体寸法はほとんど変化しないため、上凸部１３ｃ及び下凸部１３ｄを自由に設計することが可能となり、バックフォイル１３の設計が容易化される。

図１８に示す第七実施形態では、トップフォイル部Ｔｆ及びバックフォイル部Ｂｆを一体に有するフォイル部材１４を備える（バックフォイル部Ｂｆは散点模様で示す）。各フォイル部材１４の上流側の端部が、フォイルホルダ１１に取り付けられる。複数のフォイル部材１４をフォイルホルダ１１に取り付けた状態では、各フォイル部材１４のトップフォイル部Ｔｆとフォイルホルダ１１との間に、隣接するフォイル部材１４のバックフォイル部Ｂｆが配される。各フォイル部材１４のバックフォイル部Ｂｆには、半径方向に離隔した複数箇所でトップフォイル部Ｔｆを接触支持する支持部が設けられ、例えば、図４及び図５に示されたような平坦部１３ｂ、上凸部１３ｃ（支持部）、及び下凸部１３ｄが設けられる。

また、上記の実施形態では、トップフォイル１２の下流側の端部を塑性変形させることで曲げ部１２ｂを形成する場合を示したが、これに限らず、トップフォイル１２の下流側の端部を弾性変形させることで曲げ部１２ｂを形成してもよい。例えば、図１９に示す第八実施形態では、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとを一体に有するフォイル部材１４を備え、トップフォイル部Ｔｆの下流側端部に差込部１２ｃを設けると共に、トップフォイル部Ｔｆの上流側端部付近に差込口１２ｄを設けている。図２０に示すように、各トップフォイル部Ｔｆの差込部１２ｃは、下流側に隣接するトップフォイル部Ｔｆの差込口１２ｄに差し込まれる。トップフォイル部Ｔｆの背後（図中下方）にはバックフォイル部Ｂｆが配されているため、通常、トップフォイル部Ｔｆの下流側端部（自由端）は、上流側端部よりもスラストカラー側（図中上方）に配される。従って、トップフォイル部Ｔｆの下流側端部に設けられた差込部１２ｃを、隣接するトップフォイル部Ｔｆの上流側端部付近に設けられた差込口１２ｄに差し込むことにより、トップフォイル部Ｔｆの下流側端部付近が軸から離反する側（図中下方）に弾性的に湾曲され、これにより曲げ部１２ｂが形成される。尚、図示例では、トップフォイル部Ｔｆの半径方向中央のみに差込部１２ｃ及び差込口１２ｄを設けているが、これに限らず、半径方向に離隔した複数箇所（例えば半径方向両端）に差込部１２ｃ及び差込口１２ｄを設けてもよい。

また、図２１に示す第九実施形態では、差込部１２ｃ及び差込口１２ｄを有するトップフォイル１２と、バックフォイル１３とを、別体に形成している。この場合、トップフォイル１２の差込口１２ｄは、図２１のようなスリット状に限らず、図２２のように、トップフォイル１２の上流側端部に開口した凹部で構成してもよい。

図２３に示す第十実施形態では、図１８に示す実施形態と同様に、各フォイル部材１４がトップフォイル部Ｔｆ及びバックフォイル部Ｂｆを有しているが、各フォイル部材１４の形状が図１９に示す実施形態と異なる。図２３のフォイル部材１４は、トップフォイル部Ｔｆ及びバックフォイル部Ｂｆを有する本体１４ａと、本体１４ａから外径側に延び、フォイルホルダ１１に固定される固定部１４ｂとを有する。本体１４ａの下流側端部の縁１４ａ１及び上流側端部の縁１４ａ２は、何れも半径方向中央部を下流側に膨らませた形状を成している。本体１４ａの下流側端部には、軸受面Ｘの下流側端部に沿って延びる曲げ部１２ｂが設けられる（図２３に点線で示す）。バックフォイル部Ｂｆには、平坦部１３ｂ、支持部としての上凸部１３ｃ（白抜き円）、及び下凸部１３ｄ（ハッチング円）が設けられる。図２３のフォイル部材１４をフォイルホルダ１１に取り付けると、図２４に示すように、各フォイル部材１４のバックフォイル部Ｂｆは隣接するフォイル部材１４のトップフォイル部Ｔｆの背後に隠れ、トップフォイル部Ｔｆのみが表側（スラストカラー側）に露出した状態となる。

以上の実施形態では、本発明をスラストフォイル軸受に適用した場合を示したが、本発明は、軸をラジアル方向に支持するラジアルフォイル軸受に適用することもできる。例えば、図２５に示す第十一実施形態は、いわゆるリーフ型のラジアルフォイル軸受２０に本発明を適用したものである。このラジアルフォイル軸受２０は、円筒状のフォイルホルダ２１と、フォイルホルダ２１の内周面２１ａに周方向に並べて取り付けられた複数のフォイル部材２２とを有する。各フォイル部材２２のうち、下流側の領域がトップフォイル部Ｔｆとして機能し、上流側の領域がバックフォイル部Ｂｆとして機能する。各フォイル部材２２のトップフォイル部Ｔｆの下流側端部には、上記の実施形態と同様に、曲げ部１２ｂが設けられる。バックフォイル部Ｂｆ（散点模様で示す）には、回転直交方向（軸方向）に離隔した複数箇所に支持部（例えば上凸部）が設けられる。軸２の回転時には、トップフォイル部Ｔｆの軸受面Ｘと軸２の外周面との間に軸受隙間Ｃが形成される。

以上の実施形態では、フォイル軸受を固定し、軸２を回転させた場合を示したが、これに限らず、軸２を固定し、フォイル軸受を回転させてもよい。ただし、フォイル軸受を回転させると、遠心力でフォイルが破損する恐れがあるため、上記の実施形態のようにフォイル軸受を固定することが好ましい。

また、以上に示したフォイル軸受は、例えばガスタービンやターボチャージャ（過給機）等のターボ機械の主軸用軸受、自動車等の車両用軸受、あるいは産業機器用の軸受等として使用することが可能である。

また、以上に述べたフォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受のみならず、圧力発生流体として潤滑油を使用した油動圧軸受としても使用することができる。

２ 軸
３ スラストカラー
１０ フォイル軸受
１１ フォイルホルダ
１２ トップフォイル
１２ｂ 曲げ部
１３ バックフォイル
１３ｂ 平坦部
１３ｃ 上凸部（支持部）
１３ｄ 下凸部
Ｔｆ トップフォイル部
Ｂｆ バックフォイル部
Ｃ 軸受隙間
Ｃ１ 大隙間部
Ｃ２ 小隙間部
Ｘ 軸受面

Claims (9)

1. 軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部を背後から弾性的に支持するバックフォイル部とを備え、軸の相対回転に伴って、前記軸と前記軸受面との間の軸受隙間に生じる流体圧で、前記軸を非接触支持するフォイル軸受において、
   前記バックフォイル部が、前記トップフォイル部のうち、前記軸受面が設けられた領域を、前記軸の相対回転方向と直交する方向に離隔した複数箇所で接触支持する支持部を有し、
   前記トップフォイル部が、前記軸受面の下流側に隣接した領域に、前記軸受面の下流側の端部に沿って、前記軸から離反する側に曲げられた曲げ部を有することを特徴とするフォイル軸受。
2. 前記曲げ部が、前記軸受面に対して折り曲げられた請求項１に記載のフォイル軸受。
3. 前記曲げ部が、前記軸受面と滑らかに連続するように湾曲した請求項１に記載のフォイル軸受。
4. 前記曲げ部が、塑性的に曲げられた請求項１〜３の何れか１項に記載のフォイル軸受。
5. 前記曲げ部が、弾性的に曲げられた請求項１〜３の何れか１項に記載のフォイル軸受。
6. 前記トップフォイル部の下流側の端部に差込部を設けると共に、前記トップフォイル部の上流側の端部付近に差込口を設け、各トップフォイル部の差込部が、下流側に隣接するトップフォイル部の差込口に差し込まれた請求項５に記載のフォイル軸受。
7. 前記トップフォイル部のうち、前記相対回転方向と直交する方向の端部を除く領域に、前記曲げ部が設けられた請求項１〜６の何れか１項に記載のフォイル軸受。
8. 前記トップフォイル部と前記バックフォイル部とを一体に有する複数のフォイル部材を備え、各フォイル部材の前記トップフォイル部を、他のフォイル部材の前記バックフォイル部の上に重ねて配した請求項１〜７の何れか１項に記載のフォイル軸受。
9. 前記バックフォイル部が、平坦部と、前記平坦部から前記トップフォイル部側に突出した複数の上凸部と、前記平坦部から前記トップフォイル部と反対側に突出した複数の下凸部とを有し、前記複数の上凸部が前記支持部を構成する請求項１〜８の何れか１項に記載のフォイル軸受。
   

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