JP2021165564A - スラストフォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性を有する新たなトップフォイルの支持構造を提供する。【解決手段】スラストフォイル軸受３は、回転軸１が挿通される挿通孔３０ａを有するベースプレート３０と、挿通孔３０ａの周囲に配置されたトップフォイル１０と、トップフォイル１０を片持ち支持するフォイル構造体２０と、を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、スラストフォイル軸受に関するものである。

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フォイル軸受が知られている。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。

スラストフォイル軸受には、周方向にトップフォイルとバックフォイルが配列された形態がある。トップフォイルは、バックフォイルに支持されており、スラストカラーの回転により、トップフォイルとスラストカラーとの間に潤滑流体が導入される。この潤滑流体がトップフォイルとスラストカラーとの間に楔状の流体潤滑膜を形成し、スラストフォイル軸受の負荷能力が発揮される。スラストフォイル軸受のバックフォイルとしては、薄板を波板状に成形したバンプフォイルが主として用いられている（特許文献１参照）。

特許第６０６５９１７号公報

しかしながら、バンプフォイルの高さに製作誤差があると、設計通りの性能が得られない可能性がある。

本開示は、弾性を有する新たなトップフォイルの支持構造を提供する。

上記の課題を解決するために、本開示のスラストフォイル軸受は、シャフトが挿通される挿通孔を有するベースプレートと、前記挿通孔の周囲に配置されたトップフォイルと、前記トップフォイルを片持ち支持するフォイル構造体と、を有する。

また、本開示においては、前記ベースプレートは、前記トップフォイルと前記挿通孔の軸方向で対向する平坦面に凹部を有し、前記フォイル構造体は、前記凹部の上で、前記トップフォイルを片持ち支持してもよい。

また、本開示においては、前記フォイル構造体は、前記挿通孔の周方向及び径方向の少なくともいずれか一方において厚みが変動するトップフォイル支持部を有してもよい。

また、本開示においては、前記トップフォイル支持部は、前記周方向において、前記シャフトの回転方向下流側に向かうに従って厚みが大きくなってもよい。

また、本開示においては、前記トップフォイル支持部は、前記径方向外側に向かうに従って厚みが大きくなってもよい。

また、本開示においては、前記トップフォイル支持部は、スリットを介して厚みが段階的に変動してもよい。

また、本開示においては、前記トップフォイルと前記フォイル構造体との間に介在するスペーサを有してもよい。

また、本開示においては、前記フォイル構造体は、前記挿通孔の軸方向において重なった複数の板状部材によって形成されていてもよい。

また、本開示においては、前記トップフォイル及び前記フォイル構造体の少なくともいずれか一方は、前記挿通孔の周囲に環状に配置可能な全周一体化構造を有してもよい。

本開示によれば、弾性を有する新たなトップフォイルの支持構造を提供できる。

本開示のスラストフォイル軸受が適用されるターボ機械の一例を示す側面図である。 本開示の第１実施形態に係るスラストフォイル軸受を示す側面図である。 本開示の第２実施形態に係るスラストフォイル軸受を軸方向から視た平面図である。 図３に示す矢視Ａ−Ａ図である。 本開示の第２実施形態の一変形例に係るスラストフォイル軸受の要部の軸方向断面図である。 図５に示す矢視Ｂ−Ｂ図である。 本開示の第２実施形態の一変形例に係るスラストフォイル軸受の要部の周方向断面図である。 本開示の第２実施形態の一変形例に係るスラストフォイル軸受の要部の周方向断面図である。 本開示の第３実施形態に係るスラストフォイル軸受の要部を軸方向から視た平面図である。 図９に示すスラストフォイル軸受からトップフォイルを取り除いた図である。 図９に示すスラストフォイル軸受からトップフォイル及びスペーサを取り除いた図である。 本開示の第３実施形態に係るトップフォイルの要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第３実施形態に係るスペーサの要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第３実施形態に係るフォイル構造体の一層目の板状部材の要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第３実施形態に係るフォイル構造体の二層目の板状部材の要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第３実施形態に係るフォイル構造体の三層目の板状部材の要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第３実施形態に係るベースプレートの要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第３実施形態の一変形例に係るフォイル構造体の一層目の板状部材の要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第３実施形態の一変形例に係るフォイル構造体の二層目の板状部材の要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第３実施形態の一変形例に係るフォイル構造体の三層目の板状部材の要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第４実施形態に係るスラストフォイル軸受の要部を軸方向から視た平面図である。 図２１に示すスラストフォイル軸受からトップフォイルを取り除いた図である。 図２１に示すスラストフォイル軸受からトップフォイル及びスペーサを取り除いた図である。 本開示の第４実施形態に係るフォイル構造体の一層目の板状部材の要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第４実施形態に係るフォイル構造体の二層目の板状部材の要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第４実施形態に係るフォイル構造体の三層目の板状部材の要部を軸方向から視た平面図である。 本開示の第４実施形態の一変形例に係るスラストフォイル軸受の要部を軸方向から視た平面図である。 図２７に示すスラストフォイル軸受からトップフォイルを取り除いた図である。 図２７に示すスラストフォイル軸受からトップフォイル及びスペーサを取り除いた図である。

以下、本開示のスラストフォイル軸受について図面を参照して説明する。

図１は、本開示のスラストフォイル軸受が適用されるターボ機械の一例を示す側面図である。
図１中、符号１は回転軸（シャフト）、符号２は回転軸の先端部に設けられたインペラ、符号３は本開示に係るスラストフォイル軸受である。

回転軸１には、円板状のスラストカラー４が取り付けられている。スラストカラー４は、一対のスラストフォイル軸受３に挟まれている。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。回転軸１は、ラジアルフォイル軸受７に支持されている。

（第１実施形態）
図２は、本開示の第１実施形態に係るスラストフォイル軸受３を示す側面図である。
スラストフォイル軸受３は、図２に示すように、スラストカラー４を挟んで両側に一対で設けられている。これら一対のスラストフォイル軸受３は、共に同じ構成となっている。スラストフォイル軸受３は、トップフォイル１０と、フォイル構造体２０と、ベースプレート３０と、を備える。

一対のスラストフォイル軸受３のそれぞれのベースプレート３０の間には、二点鎖線で示す円筒状の軸受スペーサ４０（環状部材）が挟持されている。そして、これらベースプレート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。ベースプレート３０の外周部には、締結ボルト４１を挿通するための貫通孔４２が形成されている。なお、このように連結されたベースプレート３０のうちの一方は、締結ボルト４１による締め付けによってハウジング５に当接している。

ベースプレート３０は、回転軸１が挿通される挿通孔３０ａを有する。なお、以下の説明においては、挿通孔３０ａを基準に各部材の位置関係を説明することがある。具体的に、「軸方向」とは、挿通孔３０ａが延びる方向（回転軸１が挿通される方向）を言う。また、「径方向」とは、挿通孔３０ａの径方向を言う。また、「周方向」とは、挿通孔３０ａの内周面に沿った周方向を言う。あるいは、挿通孔３０ａに挿通された回転軸１の軸心を基準に、当該軸心から視た「径方向」及び「周方向」とも言える。

ベースプレート３０は、軸方向におけるスラストフォイル軸受３の最外部（反スラストカラー側）を構成している。ベースプレート３０には、挿通孔３０ａが形成されている。すなわち、本開示のベースプレート３０は、挿通孔３０ａが形成された円板状の部材である。しかし、挿通孔３０ａを有すれば、ベースプレート３０は、円板状以外の部材（例えば矩形板状）であってもよい。また、挿通孔３０ａについても、必ずしも厳密な円筒形状である必要はない。

ベースプレート３０は、例えば、金属板から形成されている。ベースプレート３０は、挿通孔３０ａの軸方向に直交する方向に広がる平坦面３０ｂを有する。スラストカラー４と対向する平坦面３０ｂ側における挿通孔３０ａ（開口）の周囲には、軸方向外側（反スラストカラー側）に窪む凹部３０ｃが形成されている。トップフォイル１０は、凹部３０ｃ上に配置され、フォイル構造体２０に片持ち支持されている。フォイル構造体２０は、ベースプレート３０の平坦面３０ｂに支持されている。

トップフォイル１０は、例えば、周方向に配列された複数枚の金属製の薄板（トップフォイル片）によって形成されている。ベースプレート３０は、トップフォイル１０の軸方向外側に凹部３０ｃを有している。すなわち、ベースプレート３０は、平坦面３０ｂに周方向に配列された複数の凹部３０ｃを有している。なお、複数の凹部３０ｃは、周方向に接続されて、単一の環状溝になっていても構わない。凹部３０ｃは、トップフォイル１０の軸方向外側に空間を形成する。

フォイル構造体２０は、軸方向において重なった複数枚の金属製の板状部材２１（板バネ）によって形成されている。フォイル構造体２０は、締結ボルト４１によって、軸受スペーサ４０とベースプレート３０の間に挟持されている。フォイル構造体２０は、軸受スペーサ４０とベースプレート３０との挟持位置から、平坦面３０ｂと平行に径方向内側に延伸し、凹部３０ｃの上でトップフォイル１０を片持ち支持している。

トップフォイル１０とフォイル構造体２０との間には、スペーサ５０が介在している。つまり、フォイル構造体２０は、スペーサ５０を介してトップフォイル１０を片持ち支持している。スペーサ５０は、フォイル構造体２０に支持されるトップフォイル１０の軸方向の高さを調整する。このようなスペーサ５０は、例えば、金属製の薄板（フォイル）であってもよいし、耐熱性を有するシート、あるいは、トップフォイル１０及びフォイル構造体２０の少なくともいずれか一方の表面に形成されたコーティング層などであっても構わない。

次に、このような構成からなるスラストフォイル軸受３の作用について説明する。
スラストフォイル軸受３は、図２に示すように、スラストカラー４を挟んだ両側に設けている。そのため、回転軸１の軸方向両側の移動を抑制できる。

このような状態で回転軸１が回転し、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１０は擦れ合いつつ、両者の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１０はフォイル構造体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１０との接触状態を脱し、非接触で回転するようになる。

本開示のフォイル構造体２０は、トップフォイル１０を片持ち支持している。この構成によれば、ベースプレート３０の平坦面３０ｂを基準としたトップフォイル１０の軸方向の高さが、フォイル構造体２０の複数の板状部材２１やスペーサ５０の板厚で決まる。板厚の製造誤差は極めて少ないため（プレス加工の１／１００程度）、トップフォイル１０の軸方向の高さにバラツキが生じ難くなり、スラストフォイル軸受３が本来有する負荷能力が発揮される。また、従来のバンプフォイルのような高精度なプレス加工や品質管理が不要となり、コスト低減化が可能になるため、量産にも適する。さらに、フォイル構造体２０を片持ち支持構造としたことにより、トップフォイル１０の支持剛性が平易な構造計算で算出できるようになり、設計が容易になる。

このように、上述した第１実施形態によれば、回転軸１が挿通される挿通孔３０ａを有するベースプレート３０と、挿通孔３０ａの周囲に配置されたトップフォイル１０と、トップフォイル１０を片持ち支持するフォイル構造体２０と、を有する、という構成を採用することによって、弾性を有する新たなトップフォイル１０の支持構造を提供できる。

また、本開示のベースプレート３０は、トップフォイル１０と挿通孔３０ａの軸方向で対向する平坦面３０ｂに凹部３０ｃを有し、フォイル構造体２０は、凹部３０ｃの上で、トップフォイル１０を片持ち支持している。この構成によれば、フォイル構造体２０を曲げ加工することなく平板状のままでトップフォイル１０を片持ち支持できる。また、平板状のフォイル構造体２０は、軸受スペーサ４０とベースプレート３０との間における挟持も容易になる。つまり、スラストフォイル軸受３の溶接無し構造も可能である。これにより、溶接歪による影響が無くなって設計に近い軸受負荷能力が得られる。また、軸受製造時の溶接ミスによる不良品を無くすことができる。

また、本開示では、トップフォイル１０とフォイル構造体２０との間にスペーサ５０が介在している。この構成によれば、トップフォイル１０を支持する平板状のフォイル構造体２０が、スラストカラー４に接触しないようにすることができる。

（第２実施形態）
次に、本開示の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図３は、本開示の第２実施形態に係るスラストフォイル軸受３を軸方向から視た平面図である。図４は、図３に示す矢視Ａ−Ａ図である。
図３に示すように、第２実施形態のトップフォイル１０は、６枚のトップフォイル片１１を備えている。なお、トップフォイル片１１は、図３に示す６枚の構成に限定されるものではない。

トップフォイル片１１は、スラストカラー４との間に流体潤滑膜を形成するパッド部１１ａと、パッド部１１ａの周方向一方側（回転軸１の回転方向上流側）に連設された曲げ部１１ｂと、曲げ部１１ｂの周方向一方側に連設され、環状接続部１２に向かって径方向外側に延伸する延伸部１１ｃと、を有している。

パッド部１１ａは、図３に示すように、扇形の頂点側を切り欠いて内周側、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、パッド部１１ａは、周方向に離隔し、内周側から外周側に延びる２つの端縁と、２つの端縁を内周側で接続する内周側の端縁と、２つの端縁を外周側で接続する外周側の端縁を備えている。パッド部１１ａの周方向他方側（回転軸１の回転方向下流側）の内周側から外周側に延びる端縁は、自由端となっている。

一方で、パッド部１１ａの周方向一方側の内周側から外周側に延びる端縁は、曲げ部１１ｂを介して延伸部１１ｃに接続されている。曲げ部１１ｂは、図４に示すように、第１の屈曲と、第１の屈曲の周方向他方側に位置する第２の屈曲とで構成されている。第１の屈曲は、トップフォイル１０のベースプレート３０に対向する面の背面側に屈曲している。第２の屈曲は、トップフォイル１０のベースプレート３０に対向する面側に屈曲している。つまり、曲げ部１１ｂは、階段状となっている。なお、第１の屈曲、第２の屈曲は、いずれも鈍角となっている。

延伸部１１ｃは、図３に示すように、曲げ部１１ｂの周方向一方側（第１の屈曲側）に接続されている。本開示では、この延伸部１１ｃは、径方向外側に延伸する帯状に形成され、環状接続部１２に接続されている。

環状接続部１２は、ベースプレート３０の外縁に沿って円環状に形成されている。環状接続部１２には、ベースプレート３０の貫通孔４２（図２参照）と軸方向において重なり、締結ボルト４１を介した共締めを可能とする貫通孔１２ａが形成されている。環状接続部１２は、トップフォイル片１１の延伸部１１ｃ以外と離隔している。すなわち、環状接続部１２の径方向内側の端縁と、パッド部１１ａ及び曲げ部１１ｂの径方向外側の端縁との間には、スリット１３が形成されている。

図４に示すように、曲げ部１１ｂよりも周方向他方側に位置するパッド部１１ａは、上述したスペーサ５０を介してフォイル構造体２０に支持されている。第２実施形態のフォイル構造体２０は、凹部３０ｃ上に配置され、周方向において厚みが変動するトップフォイル支持部２２を有している。図４に示すトップフォイル支持部２２は、回転軸１（スラストカラー４）の回転方向下流側（すなわち周方向他方側）に向かうに従って厚みが大きくなっている。

具体的に、トップフォイル支持部２２（フォイル構造体２０）は、凹部３０ｃの周方向他方側に位置する平坦面３０ｂから、周方向一方側に向かって延伸する複数の板状部材２１Ａ〜２１Ｃによって形成されている。板状部材２１Ａは、トップフォイル支持部２２の一層目を形成し、その周方向一方側の端縁は、曲げ部１１ｂの第２の屈曲付近まで周方向に延伸している。つまり、板状部材２１Ａは、パッド部１１ａの略全域と軸方向で重なっている。

板状部材２１Ｂは、トップフォイル支持部２２の二層目を形成し、その周方向一方側の端縁は、一層目の板状部材２１Ａの周方向一方側の端縁よりも周方向他方側に位置する。つまり、二層目の板状部材２１Ｂの周方向一方側への周方向延伸部は、一層目の板状部材２１Ａの周方向延伸部よりも短い。板状部材２１Ｂは、パッド部１１ａの略２／３の領域と軸方向で重なっている。

板状部材２１Ｃは、トップフォイル支持部２２の三層目を形成し、その周方向一方側の端縁は、二層目の板状部材２１Ｂの周方向一方側の端縁よりも周方向他方側に位置する。つまり、三層目の板状部材２１Ｃの周方向一方側への周方向延伸部は、二層目の板状部材２１Ｂの周方向延伸部よりも短い。板状部材２１Ｃは、パッド部１１ａの略１／３の領域と軸方向で重なっている。

上記構成によれば、トップフォイル支持部２２の周方向他方側（スラストカラー４（回転軸１）の回転方向下流側）を高いバネ剛性で支えることができる。すなわち、上述した流体潤滑膜の圧力は、スラストカラー４とトップフォイル片１１の軸受隙間の狭い側、つまりパッド部１１ａの周方向他方側で高くなるため、これをトップフォイル支持部２２の厚い根本側（高いバネ剛性）で支えることができる。

逆に、トップフォイル支持部２２の周方向一方側（スラストカラー４（回転軸１）の回転方向上流側）は、低いバネ剛性にすることにより、周方向一方側のトップフォイル片１１を容易に軸方向外側に押し込めるようにして、くさび形の軸受隙間が形成され易いようにすることができる。くさび形の軸受隙間は、周囲流体をスラストカラー４とパッド部１１ａとの間に押し込み易くし、スラストカラー４とパッド部１１ａとの間に流体潤滑膜を形成し易くする。

このように、上述した第２実施形態によれば、フォイル構造体２０は、挿通孔３０ａの周方向において厚みが変動するトップフォイル支持部２２を有し、トップフォイル支持部２２は、周方向において、スラストカラー４（回転軸１）の回転方向下流側に向かうに従って厚みが大きくなっているため、回転方向下流側をより高い剛性にし、流体潤滑膜の高い圧力を支えると共に、回転方向上流側を低い剛性にすることで、くさび形の軸受隙間を形成し易くすることができる。

また、第２実施形態によれば、図３に示すように、トップフォイル１０が挿通孔３０ａの周囲に環状に配置可能な全周一体化構造を有している。このため、スラストフォイル軸受３の組み立てが容易になる。

また、上記第２実施形態のスラストフォイル軸受３は、以下の図５〜図８に示すような構成を採用してもよい。

図５は、本開示の第２実施形態の一変形例に係るスラストフォイル軸受３の要部の軸方向断面図である。図６は、図５に示す矢視Ｂ−Ｂ図である。
これらの図に示すように、トップフォイル支持部２２は、スリット２１ａを介して厚みが段階的に変動している。

図５に示すように、トップフォイル支持部２２は、軸受スペーサ４０とベースプレート３０との挟持位置から、径方向内側に向かって延伸する複数の板状部材２１Ａ〜２１Ｃによって形成されている。一層目の板状部材２１Ａの径方向内側への径方向延伸部には、径方向内側の端縁から径方向外側に向かって延びるスリット２１ａが、周方向に離隔して複数形成されている（図６参照）。

図６に示す一層目の板状部材２１Ａの径方向延伸部は、周方向に離隔する２つのスリット２１ａによって３つの帯体に分岐している。３つの帯体の周方向両側には、平坦面３０ｂに支持されている部分と離隔するスリット２１ｃが形成され、それぞれの帯体が独立に変形できるようになっている。

二層目の板状部材２１Ｂの径方向延伸部は、１つのスリット２１ａによって２つの帯体に分岐しており、一層目の板状部材２１Ａと同様に、２つの帯体が独立に変形できるようになっている。なお、二層目の板状部材２１Ｂの径方向延伸部は、一層目の板状部材２１Ａの径方向延伸部の３つの帯体うち、周方向一方側に配置された帯体を無くした形状とも言える。

三層目の板状部材２１Ｃの径方向延伸部には、スリット２１ａが形成されておらず、１つの帯体として変形できるようになっている。なお、三層目の板状部材２１Ｃの径方向延伸部は、二層目の板状部材２１Ｂの径方向延伸部の２つの帯体うち、周方向一方側に配置された帯体を無くした形状とも言える。また、三層目の板状部材２１Ｃの径方向延伸部は、一層目の板状部材２１Ａの径方向延伸部の３つの帯体うち、周方向一方側と周方向中央に配置された２つの帯体を無くした形状とも言える。

上記構成によっても、トップフォイル支持部２２において、スラストカラー４（回転軸１）の回転方向下流側をより高い剛性にし、流体潤滑膜の高い圧力を支えると共に、回転方向上流側を低い剛性にし、くさび形の軸受隙間を形成し易くすることができる。また、流体潤滑膜の圧力は、パッド部１１ａの周方向他方側且つパッド部１１ａの径方向外側において高くなる傾向にあるため、図５に示すように、トップフォイル支持部２２を径方向外側の平坦面３０ｂで支持することで、径方向外側のパッド部１１ａを高いバネ剛性で支持できる。

図７は、本開示の第２実施形態の一変形例に係るスラストフォイル軸受３の要部の周方向断面図である。
図７に示すように、ベースプレート３０の凹部３０ｃには、冷却流体の放出孔３０ｄが形成されている。この構成によれば、トップフォイル１０及びフォイル構造体２０を軸方向外側から冷却できる。

図８は、本開示の第２実施形態の一変形例に係るスラストフォイル軸受３の要部の周方向断面図である。
図８に示すように、ベースプレート３０の凹部３０ｃには、スペーサ３１が配置されている。スペーサ３１は、凹部３０ｃの底の全面に配置され、凹部３０ｃの軸方向深さを調整する。なお、スペーサ３１は、凹部３０ｃの底の一部のみ浅くする構成であっても構わない。この構成によれば、大きな外乱などによって軸受荷重が大きくなった際、トップフォイル１０及びフォイル構造体２０の過大な変位を抑制できる。

（第３実施形態）
次に、本開示の第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図９は、本開示の第３実施形態に係るスラストフォイル軸受３の要部を軸方向から視た平面図である。図１０は、図９に示すスラストフォイル軸受３からトップフォイル１０を取り除いた図である。図１１は、図９に示すスラストフォイル軸受３からトップフォイル１０及びスペーサ５０を取り除いた図である。
これらの図に示すように、第３実施形態のスラストフォイル軸受３は、トップフォイル１０だけでなく、スペーサ５０及びフォイル構造体２０も挿通孔３０ａの周囲に環状に配置可能な全周一体化構造を有している。

図１２は、本開示の第３実施形態に係るトップフォイル１０の要部を軸方向から視た平面図である。
図１２に示すように、トップフォイル１０は、周方向に配列された複数のトップフォイル片１１と、複数のトップフォイル片１１を径方向外側で環状に接続する環状接続部１２と、を有している。上述したようにトップフォイル片１１は、パッド部１１ａと、曲げ部１１ｂと、延伸部１１ｃと、を有している。また、延伸部１１ｃ以外の箇所においては、トップフォイル片１１と環状接続部１２との間にスリット１３が形成されている。

図１３は、本開示の第３実施形態に係るスペーサ５０の要部を軸方向から視た平面図である。
図１３に示すように、スペーサ５０は、周方向に配列された複数のスペーサフォイル片５１と、複数のスペーサフォイル片５１を径方向外側で環状に接続する環状接続部５２と、周方向で隣り合うスペーサフォイル片５１の間の周方向位置において環状接続部５２から径方向内側に延伸するフォイル押え片５３と、を有している。

スペーサフォイル片５１は、上述したトップフォイル片１１のパッド部１１ａ（図１２参照）と同様に、扇形の頂点側を切り欠いて内周側、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、スペーサフォイル片５１は、周方向に離隔し、内周側から外周側に延びる２つの端縁と、２つの端縁を内周側で接続する内周側の端縁と、２つの端縁を外周側で接続する外周側の端縁を備えている。スペーサフォイル片５１の外周側の端縁の周方向他方側の端部には、径方向外側に延伸する接続部５１ａが設けられ、環状接続部５２と接続されている。

スペーサ５０の環状接続部５２は、トップフォイル１０の環状接続部１２と同様に、円環状に形成されている。フォイル押え片５３は、スペーサフォイル片５１の径方向外側の端縁の径方向位置近傍まで延伸する短尺の略台形状に形成されている。フォイル押え片５３は、上述したトップフォイル片１１の延伸部１１ｃと軸方向において重なる周方向位置に形成されている。

上記構成のスペーサ５０は、スペーサフォイル片５１のみが、上述したトップフォイル１０のスリット１３を通って、パッド部１１ａの軸方向外側（反スラストカラー側）に配置され、環状接続部５２及びフォイル押え片５３が、トップフォイル１０の軸方向内側（スラストカラー側）に配置される（図９参照）。

図１４は、本開示の第３実施形態に係るフォイル構造体２０の一層目の板状部材２１Ａの要部を軸方向から視た平面図である。
図１４に示すように、一層目の板状部材２１Ａは、周方向に配列された複数のトップフォイル支持部２２と、複数のトップフォイル支持部２２を径方向外側で環状に接続する環状接続部２３と、を有している。

トップフォイル支持部２２は、上述したトップフォイル片１１のパッド部１１ａ（図１２参照）と同様に、扇形の頂点側を切り欠いて内周側、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、トップフォイル支持部２２は、周方向に離隔し、内周側から外周側に延びる２つの端縁と、２つの端縁を内周側で接続する内周側の端縁と、２つの端縁を外周側で接続する外周側の端縁を備えている。トップフォイル支持部２２の外周側の端縁の周方向他方側の端部には、径方向外側に延伸する接続部２２ａが設けられ、環状接続部２３と接続されている。

トップフォイル支持部２２には、周方向一方側の端縁から周方向他方側の端縁に向かい周方向に延伸する複数のスリット２１ｂが形成されている。つまり、トップフォイル支持部２２は、複数のスリット２１ｂによって、周方向一方側に向かって延伸する複数の帯体に分岐しているとも言える。図１４に示す一層目の板状部材２１Ａのトップフォイル支持部２２は、径方向に離隔する３つのスリット２１ｂによって、４つの帯体に分岐している。一層目の板状部材２１Ａのトップフォイル支持部２２は、上述したトップフォイル１０のパッド部１１ａの略全域と軸方向で重なっている。

図１５は、本開示の第３実施形態に係るフォイル構造体２０の二層目の板状部材２１Ｂの要部を軸方向から視た平面図である。
図１５に示すように、二層目の板状部材２１Ｂは、上述した一層目の板状部材２１Ａと同様に、周方向に配列された複数のトップフォイル支持部２２と、複数のトップフォイル支持部２２を径方向外側で環状に接続する環状接続部２３と、を有している。

二層目の板状部材２１Ｂのトップフォイル支持部２２（上述した４つの帯体）は、その周方向一方側の端縁が、一層目の板状部材２１Ａのトップフォイル支持部２２の周方向一方側の端縁よりも周方向他方側に位置する。つまり、二層目の板状部材２１Ｂのトップフォイル支持部２２は、一層目の板状部材２１Ａのトップフォイル支持部２２よりも短い。二層目の板状部材２１Ｂのトップフォイル支持部２２は、上述したトップフォイル１０のパッド部１１ａの略２／３の領域と軸方向で重なっている。

図１６は、本開示の第３実施形態に係るフォイル構造体２０の三層目の板状部材２１Ｃの要部を軸方向から視た平面図である。
図１６に示すように、三層目の板状部材２１Ｃは、上述した一層目の板状部材２１Ａ及び二層目の板状部材２１Ｂと同様に、周方向に配列された複数のトップフォイル支持部２２と、複数のトップフォイル支持部２２を径方向外側で環状に接続する環状接続部２３と、を有している。

三層目の板状部材２１Ｃのトップフォイル支持部２２（上述した４つの帯体）は、その周方向一方側の端縁が、二層目の板状部材２１Ｂのトップフォイル支持部２２の周方向一方側の端縁よりも周方向他方側に位置する。つまり、三層目の板状部材２１Ｃのトップフォイル支持部２２は、二層目の板状部材２１Ｂのトップフォイル支持部２２よりも短い。三層目の板状部材２１Ｃのトップフォイル支持部２２は、上述したトップフォイル１０のパッド部１１ａの略１／３の領域と軸方向で重なっている。

図１７は、本開示の第３実施形態に係るベースプレート３０の要部を軸方向から視た平面図である。
図１７に示すように、ベースプレート３０は、回転軸１が挿通される挿通孔３０ａと、挿通孔３０ａの軸方向に直交する方向に広がる平坦面３０ｂと、平坦面３０ｂに周方向に配列された複数の凹部３０ｃと、を有している。

凹部３０ｃは、上述したトップフォイル片１１のパッド部１１ａ（図１２参照）と同様に、扇形の頂点側を切り欠いて内周側、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、凹部３０ｃは、周方向に離隔し、内周側から外周側に延びる２つの端縁と、２つの端縁を内周側で接続する内周側の端縁と、２つの端縁を外周側で接続する外周側の端縁を備えている。

上記構成の第３実施形態のスラストフォイル軸受３によれば、全周一体構造のトップフォイル１０、スペーサ５０、フォイル構造体２０（板状部材２１Ａ〜２１Ｃ）を、ベースプレート３０上に積み重ねることで組み立てることができる。また、トップフォイル支持部２２（板バネ）にスリット２１ｂを設けたり、多層化したりするだけで、周方向や径方向の剛性配分を変えることができる。このため、スラストフォイル軸受３の高負荷能力化（膜圧配分の最適化）のための設計の自由度が増す。すなわち、従来のバンプフォイルではコスト的な制約により、全て同一の山形状にせざるを得ないため、剛性配分の自由度が少ない。

また、上記第３実施形態のスラストフォイル軸受３は、以下の図１８〜図２０に示すような構成を採用してもよい。

図１８は、本開示の第３実施形態の一変形例に係るフォイル構造体２０の一層目の板状部材２１Ａの要部を軸方向から視た平面図である。図１９は、本開示の第３実施形態の一変形例に係るフォイル構造体２０の二層目の板状部材２１Ｂの要部を軸方向から視た平面図である。図２０は、本開示の第３実施形態の一変形例に係るフォイル構造体２０の三層目の板状部材２１Ｃの要部を軸方向から視た平面図である。

図１９に示すように、二層目の板状部材２１Ｂのトップフォイル支持部２２は、上述した図１５に示す４つの帯体のうち、最内周側の帯体がなく、３つの帯体によって形成されている。また、図２０に示すように、三層目の板状部材２１Ｃのトップフォイル支持部２２は、上述した図１５に示す４つの帯体のうち、内周側の２つ帯体がなく、外周側の２つの帯体によって形成されている。

上記構成によれば、トップフォイル支持部２２の周方向他方側のバネ剛性を高めると共に周方向一方側のバネ剛性を低くしつつ、また、トップフォイル支持部２２の径方向外側のバネ剛性を高めると共に径方向内側のバネ剛性を低くすることができる。すなわち、流体潤滑膜の圧力は、パッド部１１ａの周方向他方側且つ径方向外側において高くなる傾向があるため、この部分を支えるトップフォイル支持部２２のバネ剛性を高めることができる。

（第４実施形態）
次に、本開示の第４実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図２１は、本開示の第４実施形態に係るスラストフォイル軸受３の要部を軸方向から視た平面図である。図２２は、図２１に示すスラストフォイル軸受３からトップフォイル１０を取り除いた図である。図２３は、図２１に示すスラストフォイル軸受３からトップフォイル１０及びスペーサ５０を取り除いた図である。
これらの図に示すように、第４実施形態のスラストフォイル軸受３は、トップフォイル１０、スペーサ５０及びフォイル構造体２０が全周一体化構造を有すると共に、フォイル構造体２０が径方向内側に延伸する片持ち支持構造を有している。

図２４は、本開示の第４実施形態に係るフォイル構造体２０の一層目の板状部材２１Ａの要部を軸方向から視た平面図である。
図２４に示すように、一層目の板状部材２１Ａのトップフォイル支持部２２には、周方向内側の端縁から周方向外側の端縁に向かい径方向に延伸する複数のスリット２１ａ（上述した図６に示すスリット２１ａと同様）が形成されている。周方向で隣り合うトップフォイル支持部２２の間には、スリット２１ｃ（上述した図６に示すスリット２１ｃと同様）を介してベースプレート３０の平坦面３０ｂ上に支持される被支持部２４が形成されている。

トップフォイル支持部２２は、複数のスリット２１ａによって、径方向内側に向かって延伸する複数の帯体に分岐している。図２４に示す一層目の板状部材２１Ａのトップフォイル支持部２２は、周方向に離隔する２つのスリット２１ａによって、３つの帯体に分岐している。一層目の板状部材２１Ａのトップフォイル支持部２２は、上述したトップフォイル１０のパッド部１１ａの略全域と軸方向で重なっている。

図２５は、本開示の第４実施形態に係るフォイル構造体２０の二層目の板状部材２１Ｂの要部を軸方向から視た平面図である。
図２５に示すように、二層目の板状部材２１Ｂのトップフォイル支持部２２は、１つのスリット２１ａによって２つの帯体に分岐している。なお、二層目の板状部材２１Ｂのトップフォイル支持部２２は、一層目の板状部材２１Ａのトップフォイル支持部２２の３つの帯体うち、周方向一方側に配置された帯体を無くした形状とも言える。

図２６は、本開示の第４実施形態に係るフォイル構造体２０の三層目の板状部材２１Ｃの要部を軸方向から視た平面図である。
図２６に示すように、三層目の板状部材２１Ｃのトップフォイル支持部２２は、スリット２１ａが形成されておらず、１つの帯体として変形できるようになっている。なお、三層目の板状部材２１Ｃのトップフォイル支持部２２は、二層目の板状部材２１Ｂのトップフォイル支持部２２の２つの帯体うち、周方向一方側に配置された帯体を無くした形状とも言える。また、三層目の板状部材２１Ｃのトップフォイル支持部２２は、一層目の板状部材２１Ａのトップフォイル支持部２２の３つの帯体うち、周方向一方側と周方向中央に配置された２つの帯体を無くした形状とも言える。

上記構成の第４実施形態のスラストフォイル軸受３によっても、全周一体構造のトップフォイル１０、スペーサ５０、フォイル構造体２０（板状部材２１Ａ〜２１Ｃ）を、ベースプレート３０上に積み重ねることで組み立てることができる。また、板状部材２１Ａ〜２１Ｃが径方向外側で支持され、径方向内側に延伸しているので、トップフォイル支持部２２の径方向外側のバネ剛性が高くなっており、径方向外側の流体潤滑膜の高い膜圧にも耐えられる。さらに、第４実施形態では、トップフォイル支持部２２に径方向のスリット２１ａが設けられ、スリット２１ａによって分割された帯体が各々独立に撓むことができ、また、回転方向下流側に向けて軸方向に重なる帯体の枚数を増してあるので、回転方向下流側の流体潤滑膜の高い膜圧にも耐えられる。

また、上記第４実施形態のスラストフォイル軸受３は、以下の図２７〜図２９に示すような構成を採用してもよい。

図２７は、本開示の第４実施形態の一変形例に係るスラストフォイル軸受３の要部を軸方向から視た平面図である。図２８は、図２７に示すスラストフォイル軸受３からトップフォイル１０を取り除いた図である。図２９は、図２７に示すスラストフォイル軸受３からトップフォイル１０及びスペーサ５０を取り除いた図である。
これらの図に示すように、第４実施形態の一変形例に係るスラストフォイル軸受３は、トップフォイル１０、スペーサ５０及びフォイル構造体２０が全周一体化構造を有すると共に、フォイル構造体２０が２枚の板状部材２１Ｄ，２１Ｅによって形成されている。

一層目の板状部材２１Ｄは、図２９に示すように、径方向内側に延伸する３つの帯体を有する。すなわち、一層目の板状部材２１Ｄは、上述した図２４に示す一層目の板状部材２１Ａと同じ構成を有している。二層目の板状部材２１Ｅは、図２９に示すように、周方向一方側に延伸する４つ帯体を有する。すなわち、二層目の板状部材２１Ｅは、上述した図１８に示す一層目の板状部材２１Ａと同じ構成を有している。

上記構成によれば、２枚の板状部材２１Ｄ，２１Ｅによって、パッド部１１ａの周方向他方側且つ径方向外側において圧力が高くなる流体潤滑膜に耐えるバネ剛性をトップフォイル支持部２２に付与できる。

以上、図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記各実施形態及び各変形例の構成の置換、組み合わせは適宜行うことができる。

１ 回転軸（シャフト）
３ スラストフォイル軸受
１０ トップフォイル
２０ フォイル構造体
２１ 板状部材
２１ａ スリット
２２ トップフォイル支持部
３０ ベースプレート
３０ａ 挿通孔
３０ｂ 平坦面
３０ｃ 凹部
５０ スペーサ

Claims (9)

1. シャフトが挿通される挿通孔を有するベースプレートと、
   前記挿通孔の周囲に配置されたトップフォイルと、
   前記トップフォイルを片持ち支持するフォイル構造体と、を有する、スラストフォイル軸受。
2. 前記ベースプレートは、前記トップフォイルと前記挿通孔の軸方向で対向する平坦面に凹部を有し、
   前記フォイル構造体は、前記凹部の上で、前記トップフォイルを片持ち支持する、請求項１に記載のスラストフォイル軸受。
3. 前記フォイル構造体は、前記挿通孔の周方向及び径方向の少なくともいずれか一方において厚みが変動するトップフォイル支持部を有する、請求項１または２に記載のスラストフォイル軸受。
4. 前記トップフォイル支持部は、前記周方向において、前記シャフトの回転方向下流側に向かうに従って厚みが大きくなる、請求項３に記載のスラストフォイル軸受。
5. 前記トップフォイル支持部は、前記径方向外側に向かうに従って厚みが大きくなる、請求項３または４に記載のスラストフォイル軸受。
6. 前記トップフォイル支持部は、スリットを介して厚みが段階的に変動している、請求項３〜５のいずれか一項に記載のスラストフォイル軸受。
7. 前記トップフォイルと前記フォイル構造体との間に介在するスペーサを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のスラストフォイル軸受。
8. 前記フォイル構造体は、前記挿通孔の軸方向において重なった複数の板状部材によって形成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のスラストフォイル軸受。
9. 前記トップフォイル及び前記フォイル構造体の少なくともいずれか一方は、前記挿通孔の周囲に環状に配置可能な全周一体化構造を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のスラストフォイル軸受。

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