JP4046733B2 - フォイル式動圧ジャーナル軸受及びその製造方法。 - Google Patents

Description

本発明は、ジャーナル軸の外周を空隙を介して囲む軸受保持部材と、前記空隙に配置されて前記ジャーナル軸と対向する軸受摺動面を構成するフォイルと、から構成され、前記ジャーナル軸と前記軸受摺動面との相対的回転により形成される流体潤滑膜によってジャーナル軸に作用する荷重を支持するフォイル式動圧ジャーナル軸受及びその製造方法に関するものである。

高速回転するガスタービンや圧縮機等のジャーナル軸の軸受としては、従来の油潤滑軸受の代わりに気体軸受が用いられている例がある。ガスタービンのように使用温度が高い場合、熱膨張や熱変形が大きくなり、ジャーナル軸と対向する軸受面が高剛性の部材から構成されるティルティングパッドやヘリングボーン溝付き動圧ジャーナル軸受は、信頼性の面から実用化し難いという問題があった。このため、軸受面を弾性変形可能なフォイルで構成することによって、各部の熱変形、熱膨張、加工誤差、組立誤差等を吸収できるフォイル式動圧ジャーナル軸受が開発され、採用されるようになった。

フォイル式動圧ジャーナル軸受は、上記の特徴に加えジャーナル軸を弾性的に支持し減衰を付加しているので、高速回転で安定である。フォイル式動圧気体軸受に関しては、例えば、文献（ＴＲＩＢＯＬＯＧＹ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ Ｖｏｌ．４３−４（２０００）ｐｐ７９５〜８０１)には、その進展過程が記述されている。

これによると、フォイル式動圧ジャーナル軸受は、一般的に軸受摺動面とそれを弾性的に支持するスプリング材から構成されており、軸受の可撓性と減衰性を上げることで、軸受性能を高めている。このフォイル式動圧ジャーナル軸受は、軸受摺動面を支持するスプリング材の構造によって、主にリーフ型と バンプ型に大別される。

リーフ型フォイル式動圧ジャーナル軸受は、ジャーナル軸のまわりに軸受隙間を隔てて複数のリーフフォイルを軸受円周上に互いに一部重ね合わせるように配置したものであり、フォイルを重ね合わせることで得られる非真円軸受形状を利用して、軸回転による動圧を発生させる。また、軸荷重の作用に伴ってリーフフォイルがジャーナル軸に追従するように変形し、その変形によってリーフフォイル同士に作用する摩擦により軸受の減衰能力が向上し、回転振動低減の効果が期待できるものである。

一方、バンプ型フォイル式動圧ジャーナル軸受は、ジャーナル軸のまわりに軸受隙間を隔てて配置したほぼ円形状のトップフォイルが、軸受保持部材（ハウジング）に対して凹凸状に形成されたバンプフォイルを介して弾性的に支持されるようになっている。ジャーナル軸に荷重が作用した場合、トップフォイルがジャーナル軸に追従するように変形し、これがバンプフォイルにひずみを与えるとともにバンプフォイルと軸受保持部材との接触面にすべりを生じ、摩擦によって軸受減衰を与えるようになっている。その他にも、多重巻き方式のフォイル式動圧ジャーナル軸受も提案されている。

更に回転振動などの軸受性能を改善するために、フォイルと弾性支持部材（例えば、バンプフォイル）との間にさらにフォイルを挿入するなどの方法によって中間層（ミッドフォイル）を設け複数層にすることや、弾性支持部材の形状や材質に工夫をすることで剛性や減衰特性の改良が行われている。しかしながら、上記のような特徴をもつフォイル式動圧ジャーナル軸受は、部品点数も多く、製作に精密加工が要求され、また、組立て段階においても部品を装着する際、ハンドリングし難いため細かな作業が必要となり量産に適さないなどの問題点があった。

また、潤滑剤が気体の場合、軸受摺動面とジャーナル軸との間に回転によって形成される潤滑膜が数ミクロン以下と微小であるため、バンプフォイルによる不連続的な支持により軸受摺動面に微小凹凸が生じ、潤滑膜形成の基本となる理想的な楔膜形状を形成し難くなり、その結果として軸受負荷能力が低減する結果となる。

そこで、特開平９−１４２６２号公報に記載される動圧気体ジャーナル軸受のように、円筒形状のフォイルと軸受保持部材（ハウジング）との間に、振動減衰材（防振ゴム・高分子ゲルまたは粉体など）を設けたものが提案されている。
特開平９−１４２６２号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受においては、フォイルとジャーナル軸との間の微小な軸受隙間の設定が難しいという欠点がある。また、軸受摺動面である円筒形状のフォイルを連続的に支持できるので摺動面に微小の凹凸状の変形が生じ難い点は好ましいが、リブの存在する部分の潤滑膜が薄くなる傾向にあるため潤滑膜の楔形状が形成し難く、更に、軸受摺動面が円筒面であるため摺動面で発生した摩耗粉が摺動面から排出され難いという欠点がある。本発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、潤滑膜形成の基本となる楔状潤滑膜が形成し易いと共に軸受負荷能力が大きく、且つ起動時又は停止時にジャーナル軸と軸受摺動面が直接接することによって発生する摩耗粉が軸受摺動面から排出し易い構造を有し、また、製作時において微小な軸受隙間の設定を容易に行うことができると共に製作及び組立てが簡単なフォイル式動圧ジャーナル軸受及びその製造方法を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明が採用した手段を、図面を参照して説明すると、図１〜図９に示すように、ジャーナル軸２の外周を空隙を介して囲む軸受保持部材３と、前記空隙に配置されて前記ジャーナル軸２と対向する軸受摺動面を構成するフォイル４と、から構成され、前記ジャーナル軸２と前記軸受摺動面との相対的回転により形成される流体潤滑膜によってジャーナル軸２に作用する荷重を支持するフォイル式動圧ジャーナル軸受１において、前記軸受摺動面を構成するフォイル４は、前記ジャーナル軸との間に間隙部を形成する一個又は複数個の頂点部４ａと、該頂点部４ａの個数に対応する個数の膨出状円弧面４ｂと、を有する閉ループによって構成され、前記軸受摺動面を構成するフォイル４と前記軸受保持部材３との空隙に、粘弾性体６（又は弾性体）を充填し、前記流体潤滑膜を形成する流体を前記ジャーナル軸２と前記軸受摺動面との隙間に引き込むための流体入口（頂点部４ａ付近の隙間５ａ）側に位置する前記粘弾性体６（又は弾性体）で形成される弾性部（低弾性部２０）の弾性率を、引き込んだ前記流体を吐出する流体出口（隙間形状が末狭まりになっている隙間５ｂ）側に位置する前記粘弾性体６（又は弾性体）で形成される弾性部（高弾性部２１）の弾性率よりも小さくしたことを特徴とするフォイル式動圧ジャーナル軸受１とした。

また、請求項２に係る発明が採用した手段を、図面を参照して説明すると、図１、図４、図５、図６、及び図８に示すように、請求項１記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受１において、前記フォイル４の頂点部４ａと前記軸受保持部材３の内周面とが直接接触することがないように（「間隙Ｃ１」が形成されるように）、前記フォイル４を前記空隙に配置し且つ前記粘弾性体６（又は弾性体）を充填した。

また、請求項３に係る発明が採用した手段を、図面を参照して説明すると、図３、図７、及び図９に示すように、請求項１記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受１において、前記軸受保持部材３に切欠スリット７を形成し、前記フォイル４の頂点部４ａを前記切欠スリット７に挿入すると共に、前記頂点部４ａと前記切欠スリット７の底面とが直接接触することがないように（「間隙Ｃ２」が形成されるように）、前記フォイル４を前記空隙に配置し且つ前記粘弾性体６（又は弾性体）を充填した。

また、請求項４に係る発明が採用した手段を、図面を参照して説明すると、図１、図３、及び図８に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受１において、前記フォイル４の外周面に、前記粘弾性体６（又は弾性体）との接着性を向上させる前処理が施されている。

また、請求項５に係る発明が採用した手段を、図面を参照して説明すると、図１、図３、及び図８に示すように、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受１において、前記軸受保持部材３の内周面に、前記粘弾性体６（又は弾性体）との接着性を向上させる前処理が施されている。

また、請求項６に係る発明が採用した手段を、図面を参照して説明すると、図１、図３、及び図８に示すように、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受１において、前記フォイル４の内周面又は前記ジャーナル軸２のいずれか一方又は両方に、潤滑剤をコーティング又は硬質皮膜化又は軟質皮膜化した。

また、請求項７に係る発明が採用した手段を、図面を参照して説明すると、図１１に示すように、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受１において、前記ジャーナル軸２の前記軸受摺動面と対向する表面には、一本又は複数本の軸溝３１が円周方向で形成され、該一本又は複数本の軸溝３１は、前記頂点部４ａの近傍に形成される隙間を介して外気と連通する。

更に、請求項８に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１を製造する方法について、図面を参照して説明すると、
図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、一個又は複数個の平坦な薄板４の重ね合せた端辺を接合して一個又は複数個の頂点部４ａと該頂点部４ａの個数に対応する個数の面４ｂとを有する閉ループの軸受摺動面を構成するフォイル４を製作する第１工程と、
図１０（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）に示すように、前記軸受保持部材３の外形寸法に合致する位置決め（凹部）１３が形成されるベース盤１１の中央に前記ジャーナル軸を模した軸柱１２が立設される組立用治具１０を用いて、前記第１工程によって製作された閉ループ状のフォイル４の内部ループ空間を前記軸柱１２に貫通して膨出状円弧面４ｂを形成する第２工程と、
図１０（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）に示すように、前記組立用治具１０のベース盤１１の凹部１３に前記軸受保持部材３を嵌挿する第３工程と、
図１０（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）に示すように、前記フォイル４と前記軸受保持部材３との空隙に、粘弾性体６（又は弾性体）を充填し乾燥する第４工程と、
前記組立用治具１０からフォイル式動圧ジャーナル軸受１を取り外す第５工程と、
からなる。

請求項１に係る発明においては、軸受摺動面を構成するフォイル４がジャーナル軸２との間に間隙部を形成する一個又は複数個の頂点部４ａを有する閉ループにより構成されているため、図１及び図２に示すように、フォイル４とジャーナル軸２との間の軸受隙間５の形状が頂点部４ａに近い隙間５ａから膨出状円弧面４ｂのほぼ中央位置に近い隙間５ｂに向かって連続的に隙間が狭まる楔形状の隙間となるため、ジャーナル軸２が図２において反時計回り方向に回転すると、頂点部４ａ付近の隙間５ａの近傍より流体（気体を含む）が引き込まれ、隙間形状が末狭まりになっている隙間５ｂに向かって流体圧力が発生し、ある回転数以上に達すると完全な流体潤滑膜を形成しジャーナル軸２を浮上させることができ、ジャーナル軸２に作用する回転機器の荷重を支持する負荷能力を向上することができる。また、軸受摺動面を形成するフォイル４は、フォイル４の頂点部４ａにたるみがあるため、ジャーナル軸２と軽微な接触を緩和でき、軸受隙間誤差の許容度が大きく、軸受隙間の設定を容易に行うことができる。また、回転に伴う不釣合いなどの振動荷重は、軸受隙間５で発生した流体潤滑膜と粘弾性体６（又は弾性体）の復元力と減衰力とにより支持、減衰され、振動の小さな安定した回転の実現に効果がある。さらに、回転の起動時又は停止時にジャーナル軸２と軸受摺動面が直接接触することによって軸受摺動面で発生する摩耗粉が、頂点部４ａ近傍の広い間隙部に排出されやすい構造であるため、長時間安定した軸受性能を維持できる。更に、ジャーナル軸２と軸受摺動面との隙間に流体を引き込む流体入口（隙間５ａ）側に位置する粘弾性体６（又は弾性体）で形成される弾性部（低弾性部２０）の弾性率を、引き込んだ流体を吐出する流体出口（隙間５ｂ）側に位置する粘弾性体６（又は弾性体）で形成される弾性部（高弾性部２１）の弾性率よりも小さくしたため、低弾性部２０が変形し易く、高弾性部２１が変形し難くなる。これにより、低弾性部２０の可撓性が向上するため流体入口側から流体出口側に亘って隙間形状が末狭まりとなり、楔状潤滑膜の生成を促すことができる。

また、請求項２に係る発明においては、フォイル４の頂点部４ａと軸受保持部材３の内周面とが直接接触することがないように間隙Ｃ１が形成されているので、フォイル４の頂点部４ａ及び膨出状円弧面４ｂを含む全外周面が弾性効果のある粘弾性体６（又は弾性体）によって支持されていることになり、回転振動に対する復元力や減衰力特性を向上させて軸受性能をより高めることができる。

また、請求項３に係る発明においては、軸受保持部材３に切欠スリット７を形成し、フォイル４の頂点部４ａを切欠スリット７に挿入すると共に、頂点部４ａと切欠スリット７の底面とが直接接触することがないように間隙Ｃ２が形成されているので、フォイル４の頂点部４ａを除く全外周面が弾性効果のある粘弾性体６（又は弾性体）によって支持されていると共に頂点部４ａも間隙Ｃ２によって弾性変移し得ることになり、回転振動に対する復元力や減衰力特性を向上させて軸受性能をより高めることができる。

また、請求項４に係る発明においては、フォイル４の外周面に、粘弾性体６（又は弾性体）との接着性を向上させる前処理が施されていることにより、高速回転時に発生するフォイル４自身の膜振動を原因とするジャーナル軸２の不安定な振動の発生や、ジャーナル軸２とフォイル４との高速回転状態での焼付を防止することができる。

また、請求項５に係る発明においては、軸受保持部材３の内周面に、粘弾性体６（又は弾性体）との接着性を向上させる前処理が施されていることにより、ジャーナル軸とフォイル４及び粘弾性体６（又は弾性体）が共回りするというトラブルを防止することができる。

また、請求項６に係る発明においては、フォイル４の内周面又は前記ジャーナル軸２のいずれか一方又は両方に、潤滑剤をコーティング又は硬質皮膜化又は軟質皮膜化したので、ジャーナル軸２の起動時又は停止時や低回転時におけるフォイル４との間の摩擦力や摩耗を低減することができる。

また、請求項７に係る発明においては、ジャーナル軸２の軸受摺動面と対向する表面には、軸溝３１が円周方向で形成され、この軸溝３１は、頂点部４ａの近傍に形成される隙間５ａを介して外気と連通する。これにより、図１１（Ｃ）に示すように、この軸溝３１が形成されているジャーナル軸２を１個のフォイル式動圧ジャーナル軸受１で支持する場合にジャーナル軸２が傾いたときであっても、隙間５ａを介して軸溝３１が外気と連通しているため、発生圧力が軸溝３１で分断されてフォイル式動圧ジャーナル軸受１の端部と同じ圧力となり、あたかも複数のフォイル式動圧ジャーナル軸受１を用いたような圧力分布Ｐ₁となる。これにより、軸受中心からの距離と圧力分布との積から求められる軸受モーメント荷重が大きくなり、ジャーナル軸２の傾きを抑制することができる。

更に、請求項８に係る発明においては、平坦な薄板４の重ね合せた端辺を接合して一個又は複数個の頂点部４ａと該頂点部４ａの個数に対応する個数の面４ｂとを有する閉ループの軸受摺動面を構成するフォイル４、及び軸受保持部材３を組立用治具１０に装着して、フォイル４と軸受保持部材３との空隙に粘弾性体６（又は弾性体）を充填した後乾燥し、組立用治具１０からフォイル式動圧ジャーナル軸受１を取り外すだけで、本発明に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１を製造することができ、フォイル４の製造と組立が簡単であることに加えて極めて高精度のフォイル式動圧軸受を製造でき、量産性に適した製造方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。まず、図１乃至図３を参照して第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１の断面図であり、図２は、図１の四角で囲った部分Ａの拡大図であり、図３は、第１実施形態の変形例に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１の断面図である。

第１実施形態は、頂点部４ａ及び膨出状円弧面４ｂがそれぞれ２個のフォイル４を備えたフォイル式動圧ジャーナル軸受１を示している。しかして、図１において、フォイル式動圧ジャーナル軸受１は、ジャーナル軸２の外周を空隙を介して囲む軸受保持部材３と、空隙に配置されてジャーナル軸２と対向する軸受摺動面を構成するフォイル４と、軸受保持部材３とフォイル４の空隙に充填された粘弾性体６より構成されている。

フォイル４は、２個の頂点部４ａと２個の膨出状円弧面４ｂとを有した閉ループとして構成されている。即ち、フォイル４は、２枚の平坦な方形状薄板を重ね合わせてその両端辺をスポット、シーム、レーザ等の溶接や接着剤、ロウ付け、拡散接合等の方法で接合され、後述する組立用治具１０によって２個の頂点部４ａ（接合部が頂点部を構成する）と２個の膨出状円弧面４ｂとを有する閉ループとして構成される。そして、この場合、ジャーナル軸２の中心から見て最も遠い位置のフォイル４の頂点部４ａと軸受保持部材３との間には、間隙Ｃ１（数１００μｍ）が存し、その間隙Ｃ１にも粘弾性体６が充填されている。つまり、フォイル４が軸受保持部材３に拘束された状態となっていない。なお、フォイル４は、ステンレス、リン青銅、真鍮、銅、アルミニウム等の金属薄板又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の樹脂薄板が使用され、その厚さは１０〜１００μｍのものが使用される。なお、第１実施形態のフォイル４を製造する場合に、２枚の薄板を使用するのではなく、１枚の薄板を折り曲げて、その折り曲げ部分と端辺とをそれぞれ接合することにより、２個の頂点部４ａと２個の膨出状円弧面４ｂとを有した閉ループとして構成しても良い。ここで、粘弾性体又は弾性体において、粘弾性体としては、シリコーン系やアクリル系等のゴム材料や高分子ゲルが、弾性体としては、ばねや波状フォイルが使用される。この場合、これらの粘弾性体と弾性体を組み合わせた複合体を用いてもよい。

また、フォイル式動圧ジャーナル軸受１にジャーナル軸２を支持したときに、ジャーナル軸２とフォイル４の間には所定の軸受隙間５（一般的に、数μｍ）が設けられており、その隙間５の分布は、図２に示すように、頂点部４ａの近傍部分の隙間５ａが最も大きく、２つの頂点のほぼ中間部分での隙間５ｂで最小となっている。なお、静止時においては、中間部分での隙間５ｂの位置でジャーナル軸２とフォイル４とが接触している。また、軸受隙間５は、最も小さい部分での隙間５ｂでジャーナル軸２の径の約３/１０００以下に設計するのが一般である。また、ジャーナル軸２の回転振動を小さくするには、軸受隙間５を小さく設定するとよい。本発明によるフォイル式動圧ジャーナル軸受１においては、静止時に軸受隙間５がほとんどない状態でもフォイル４とそれを支持する弾性体６の弾性効果により、ある回転数以上で流体潤滑膜を形成しジャーナル軸２を浮上させることができる。なお、図１〜図９においてフォイル４の厚さ及び軸受隙間５は、判りやすいように誇張して図示してある。実際の軸受隙間５は、大きくても１０μｍ以下である。

しかして、上記のように構成されるフォイル式動圧ジャーナル軸受１の作用について説明すると、ジャーナル軸２が回転すると、頂点部４ａ付近の隙間５ａの近傍より流体が引き込まれ、隙間形状が末狭まりになっている隙間５ｂに向かって流体圧力が発生し、ジャーナル軸２に作用する回転機器の荷重を支持する。回転に伴う不釣合いなどの振動荷重は、隙間５で発生した流体潤滑膜と粘弾性体６の復元力と減衰力とにより支持、減衰され、振動の小さな安定した回転を実現することができる。また、フォイル４の頂点部４ａと軸受保持部材３の内周面とが直接接触することがないように間隙Ｃ１が形成されているので、フォイル４の頂点部４ａ及び膨出状円弧面４ｂを含む全外周面が弾性効果のある粘弾性体６によって支持されていることになり、回転振動に対する復元力や減衰力特性を向上させて軸受性能をより高めることができる。

また、本実施形態における特徴は、フォイル４が複数個の頂点をなす頂点部４ａを有する閉ループより構成されていることである。頂点部４ａは板厚が厚いため強度的には強く、動荷重が軸受摺動面である膨出円弧面４ｂに作用した時、その方向の軸受摺動面が変位しても、フォイル４は膨出円弧面４ｂのほぼ中央と頂点部４ａの中間位置である円弧面４ｃの近傍で曲がり張りの効果により変形する。この時、他の膨出円弧面４ｂにほとんど影響を及ぼすことはないため、フォイル式動圧ジャーナル軸受１の剛性を確保できる。そして、上記した特徴のため、本実施形態においては、ジャーナル軸２とフォイル４との軸受隙間５の形状が流体圧力が発生しやすいような回転方向に末狭まりの楔形状になっている。

更に良好な楔形状を形成させる方法について、図４及び図５を参照して説明する。図４（Ａ）は、粘弾性体６の流体入口（隙間５ａ）側に空孔２２を形成したフォイル式動圧ジャーナル軸受１の断面図であり、図４（Ｂ）は、粘弾性体６の流体出口（隙間５ｂ）側に固体物２３を挿入したフォイル式動圧ジャーナル軸受１の断面図であり、図４（Ｃ）は、流体入口（隙間５ａ）側の粘弾性体６の充填量を流体出口（隙間５ｂ）側の粘弾性体６の充填量よりも多くしたフォイル式動圧ジャーナル軸受１の断面図であり、図５は、フォイル４とジャーナル軸２との間にトップフォイル３０を設置したフォイル式動圧ジャーナル軸受１の断面図である。

図４（Ａ）に示すフォイル式動圧ジャーナル軸受１においては、ジャーナル軸２が図に示す方向に回転する際に流体を引き込む隙間５ａ（流体入口）側に位置する粘弾性体６で形成される低弾性部２０の内部には、複数個（図では、片側１０個）の空孔２２が形成されている。このため、低弾性部２０の弾性率は、流体が吐出される隙間５ｂ（流体出口）側に位置する粘弾性体６で形成される高弾性部２１の弾性率より小さくなっている。なお、図４（Ａ）に示すようなフォイル式動圧ジャーナル軸受１を製造する際には、後述する組立用治具１０のベース盤１１の空孔２２に対応する位置にピンを立設しておくことにより、フォイル式動圧ジャーナル軸受１を組立用治具１０から取り出したときに、低弾性部２０の粘弾性体６に空孔２２が形成されることとなる。

また、図４（Ｂ）に示すフォイル式動圧ジャーナル軸受１においては、高弾性部２１の粘弾性体６の内部には、複数個（図では、片側６個）の固体物２３が挿入されている。この固体物２３は、粘弾性体６よりも硬度が高い材料によって形成されている。このため、上記と同様に、高弾性部２１の弾性率は、低弾性部２０の弾性率より大きくなっている。なお、図４（Ｂ）に示すようなフォイル式動圧ジャーナル軸受１を製造する際には、軸受保持部材３とフォイル４の空隙に充填した高弾性部２１の粘弾性体６に固体物２３を挿入することにより、高弾性部２１が形成される。

また、図４（Ｃ）に示すフォイル式動圧ジャーナル軸受１においては、低弾性部２０の粘弾性体６は、高弾性部２１の粘弾性体６よりも充填量が多いと共に、フォイル式動圧ジャーナル軸受１の半径方向での厚さ寸法が大きく形成されている。このため、上記と同様に、低弾性部２０の粘弾性体６の弾性率は、高弾性部２１の粘弾性体６の弾性率より小さくなっている。なお、この場合、低弾性部２０及び高弾性部２１は、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）で示したものと異なり、粘弾性体６の充填量の違いによるものであるため、厳密には、低弾性部２０と高弾性部２１との弾性率が異なるのではなく、低弾性部２０と高弾性部２１との弾性変形量が異なることになる。

上記したように、図４（Ａ）〜（Ｃ）のいずれも低弾性部２０の弾性率（図４（Ｃ）の場合、弾性変形量）は、高弾性部２１の弾性率（図４（Ｃ）の場合、弾性変形量）より小さいため、流体が引き込まれる際に、流体入口側の低弾性部２０が変形し易く、流体出口側の高弾性部２１が変形し難くなる。これにより、高弾性部２０の可撓性が向上するため流体入口側から流体出口側に亘って隙間形状が末狭まりとなり、楔状潤滑膜の生成を促すことができる。

なお、低弾性部２０の弾性率と高弾性部２１の弾性率とを変える方法として、上記以外にも、例えば、粘弾性体６に金属粉等を混合し、この混合率を低弾性部２０で低くし、高弾性部２１で高くするようなものであってもよい。

次に、図５に示すフォイル式動圧ジャーナル軸受１について説明すると、図５に示すフォイル式動圧ジャーナル軸受１においては、フォイル４とジャーナル軸２との間に２個のトップフォイル３０が配置されている。このトップフォイル３０は、ジャーナル軸２の回転方向と同じ方向で該ジャーナル軸２を取り巻くように、その一端部がフォイル４の頂点部４ａに固定される固定端３０ｂとして形成されると共に、他端部が固定されていない自由端３０ａとして形成されている。このように、トップフォイル３０は一方の端部が自由端であるため可撓性が向上し、ジャーナル軸２が回転する際に、このジャーナル軸２の回転に追従してトップフォイル３０が変形するため、隙間５ａから隙間５ｂに亘って隙間形状が末狭まりとなり、楔状潤滑膜の生成を促すことができる。また、ジャーナル軸２の回転によって発生する振動のエネルギーが、トップフォイル３０とフォイル４との間に起こるクーロン摩擦のエネルギーに変換されるため、ジャーナル軸２の回転によって発生する振動を減衰させることができる。なお、この図５に示すジャーナル軸受１は、フォイル４がジャーナル軸２の軸受摺動面を構成している他の実施形態のものと相違しており、本発明に係る実施形態ではなく、同様の機能を奏する類似した実施形態である。

また、図５に示すようなフォイル式動圧ジャーナル軸受１を製造する際には、重ねた２枚のトップフォイル３０を２枚のフォイル４で挟んで重ね合わせ、その両端を前述した方法で接合した後、後述する組立用治具１０を用いて形成する。このとき、トップフォイル３０は、フォイル４よりも長さがやや短いものを用いると共に、その一端だけを２枚のフォイル４と挟んで接合する。そして、２枚のトップフォイル３０は、互いに反対の一端を２枚のフォイル４と挟んで接合する。従って、重なっているのは、２枚のトップフォイル３０と２枚のフォイル４で合計４枚であるが、両端の接合部では、１枚のトップフォイル３０と２枚のフォイル４の合計３枚が接合されていることとなる。

上記した図１、図２、図４、及び図５に示す実施形態においては、フォイル４の頂点部４ａが軸受保持部材３の内周面と間隙Ｃ１を有するものを示したが、図３に示すように、予め軸受保持部材３に切欠スリット７を設け、フォイル４の頂点部４ａを該切欠スリット７に装着することで位置決めを確実にしても良い。この場合もフォイル４の頂点部４ａと切欠スリット７の底面との間に間隙Ｃ２を形成することにより、フォイル４が軸受保持部材３に拘束されていないようにすることが望ましい。なお、図３に示す実施形態は、第１実施形態の変形例ともいうべきもので、２個の頂点部４ａと２個の膨出円弧面４ｂとを有するものであり、上記したように、頂点部４ａが軸受保持部材３に形成される切欠スリット７に嵌挿される点で相違するだけで、その作用は第１実施形態と同じである。また、この変形例においては、頂点部４ａを溶接や接着剤によって接合した状態で切欠スリット７に嵌挿しても良いし、あるいは、フォイル４の端辺を接合することなく切欠スリット７に嵌挿しても良い。また、フォイル４の頂点部４ａと切欠スリット７の底面との間の間隙Ｃ２に粘弾性体６を充填してもしなくても良い。

また、上記した図１〜図５に示す実施形態においては、頂点部４ａ及び膨出状円弧面４ｂがそれぞれ２個のフォイル４を備えたフォイル式動圧ジャーナル軸受１について説明したが、図６及び図７に示すように、頂点部４ａ及び膨出状円弧面４ｂがそれぞれ３個のフォイル４を備えたフォイル式動圧ジャーナル軸受１（以下、「第２実施形態」という。）としてもよい。図６は、第２実施形態に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１の断面図であり、図７は、第２実施形態の変形例の断面図である。以下、第２実施形態について簡単に説明する。なお、第１実施形態と同じ部材には、同じ符号を付して説明する。

第２実施形態に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１も、ジャーナル軸２の外周を空隙を介して囲む軸受保持部材３と、空隙に配置されてジャーナル軸２と対向する軸受摺動面を構成するフォイル４と、軸受保持部材３とフォイル４の空隙に充填された粘弾性体６より構成されている。

フォイル４は、３個の頂点部４ａと３個の膨出状円弧面４ｂとを有した閉ループとして構成されている。即ち、フォイル４は、３枚の平坦な方形状薄板の各端辺を重ね合せて各端辺をスポット、シーム、レーザ等の溶接や接着剤、ロウ付け、拡散接合等の方法で接合して凹状曲面を有する三角柱状とし、後述する組立用治具１０によって３個の頂点部４ａ（接合部が頂点部を構成する）と３個の膨出状円弧面４ｂとを有する閉ループとして構成する。そして、この場合、ジャーナル軸２の中心から見て最も遠い位置のフォイル４の頂点部４ａと軸受保持部材３との間には、間隙Ｃ１（数１００μｍ）が存し、その間隙Ｃ１にも粘弾性体６が充填されている。つまり、フォイル４が軸受保持部材３に拘束された状態となっていない。なお、フォイル４及び粘弾性体６の材料は第１実施形態と同じものである。そして、上記のように構成される第２実施形態に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１の作用は、第１実施形態と同じである。

また、図７に示すフォイル式動圧ジャーナル軸受１は、第２実施形態の変形例ともいうべきもので、３個の頂点部４ａと３個の膨出円弧面４ｂとを有するものであり、頂点部４ａが軸受保持部材３に形成される切欠スリット７に嵌挿される点で相違するだけで、その作用は第２実施形態と同じである。また、この変形例においても、頂点部４ａを溶接や接着剤によって接合した状態で切欠スリット７に嵌挿しても良いし、あるいは、フォイル４の端辺を接合することなく切欠スリット７に嵌挿しても良い。

更に、図１〜図５の第１実施形態、図６及び図７の第２実施形態と異なり、図８及び図９に示すように、頂点部４ａ及び膨出状円弧面４ｂがそれぞれ１個のフォイル４を備えたフォイル式動圧ジャーナル軸受１（以下、「第３実施形態」という。）としてもよい。図８は、第３実施形態に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１の断面図であり、図９は、第３実施形態の変形例の断面図である。以下、第３実施形態について簡単に説明する。なお、第１実施形態と同じ部材には、同じ符号を付して説明する。

図８の第３実施形態に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１も、ジャーナル軸２の外周を空隙を介して囲む軸受保持部材３と、空隙に配置されてジャーナル軸２と対向した軸受摺動面を構成するフォイル４と、軸受保持部材３とフォイル４の空隙に充填された粘弾性体６より構成されている。

フォイル４は、１個の頂点部４ａと１個の膨出状円弧面４ｂとを有した閉ループとして構成されている。即ち、フォイル４は、１枚の平坦な方形状薄板の両端辺を重ね合せてスポット、シーム、レーザ等の溶接や接着剤、ロウ付け、拡散接合等の方法で接合して涙滴状とし、後述する組立用治具１０によって１個の頂点部４ａ（接合部が頂点部を構成する）と１個の膨出状円弧面４ｂとを有する閉ループとして構成する。そして、この場合、ジャーナル軸２の中心から見て最も遠い位置のフォイル４の頂点部４ａと軸受保持部材３との間には、間隙Ｃ１（数１００μｍ）が存し、その間隙Ｃ１にも粘弾性体６が充填されている。つまり、フォイル４が軸受保持部材３に拘束された状態となっていない。なお、フォイル４及び粘弾性体６の材料は第１実施形態と同じものである。そして、上記のように構成される第３実施形態に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１の作用は、第１実施形態と同じである。

また、図９に示すフォイル式動圧ジャーナル軸受１は、第３実施形態の変形例ともいうべきもので、１個の頂点部４ａと１個の膨出円弧面４ｂとを有するものであり、頂点部４ａが軸受保持部材３に形成される切欠スリット７に嵌挿される点で相違するだけで、その作用は第３実施形態と同じである。また、この変形例においても、頂点部４ａを溶接や接着剤によって接合した状態で切欠スリット７に嵌挿しても良いし、あるいは、フォイル４の端辺を接合することなく切欠スリット７に嵌挿しても良い。

なお、図４で示した、隙間５ａ側に位置する低弾性部２０の弾性率を隙間５ｂ側に位置する高弾性部２１の弾性率より小さくしたもの、及び図５で示した、フォイル４とジャーナル軸２との間に２個のトップフォイル３０を配置したものは、図６〜図９でそれぞれ図示した第２実施形態及び第３実施形態についても適用することができる。

次に、本実施形態に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１の製造方法について図１０を参照して説明する。図１０では、第１実施形態及び第２実施形態に係るジャーナル軸受１を製造している場合について説明している。図１０(Ａ)、(Ｂ)は、第１実施形態及び第２実施形態に係るフォイル４を示し、各々膨出状円弧面が２個、３個の場合を示す。図１０(Ａ)の２つの円弧面の場合は、２個のフォイル４をその端面で接合して閉ループのフォイル４を形成する。接合はスポット、レーザ等の溶接や接着剤により接合される。フォイルの長さＬは、適用する回転機器の軸径、所定の隙間、接合部長さ等から決定される。２つの円弧面の場合、接合後の状態は２平面を両端面で密着させた状態になる。図１０(Ｂ)は、３つの円弧面の場合を示し、３個のフォイル４の各端辺を接合後の状態は３個の頂点部４ａと、軸側から見て凹状の円弧面４ｂとが形成された閉ループになる。

上記のように構成された閉ループのフォイル４を、図１０（Ｃ）に示す組立用治具１０によって軸受保持部材３に組み付けてフォイル式動圧ジャーナル軸受１を作成する。組付用治具１０は、軸受保持部材３の外形寸法に合致する位置決め用の凹部１３が形成されるベース盤１１の中央にジャーナル軸２を模した軸柱１２が立設されて構成されるものである。

まず、軸柱１２に閉ループのフォイル４の内部ループ空間を貫通させて膨出状円弧面４ｂを形成する。このジャーナル軸２を模した軸柱１２の直径は、適用するジャーナル軸２の直径とほぼ同じであるが、所定の軸受隙間５が形成されるような径とすることが望ましい。次に、図１０（Ｃ）〜（Ｅ）に示すように、軸受保持部材３をベース盤1１の凹部１３に装着した後、フォイル４と軸受保持部材３との空隙に粘弾性体６（又は弾性体）を適量充填して乾燥する。乾燥後、組付用治具１０から取り外すことにより、フォイル式動圧ジャーナル軸受１を完成することができる。

上記したように、本発明の製造方法においては、平坦な薄板４の重ね合せた端辺を溶接又は接着剤によって接合して一個又は複数個の頂点部４ａと該頂点部４ａの個数に対応する個数の面４ｂとを有する閉ループのフォイル４、及び軸受保持部材３を組立用治具１０に装着して、フォイル４と軸受保持部材３との空隙に粘弾性体６（又は弾性体）を充填した後乾燥し、組立用治具１０からフォイル式動圧ジャーナル軸受１を取り外すだけで、フォイル式動圧ジャーナル軸受１を製造することができ、フォイル４の製造と組立が簡単であることに加えて極めて高精度のフォイル式動圧軸受を製造でき、量産性に適した製造方法を提供することができるものである。

なお、ジャーナル軸２の回転数が例えば毎分５万回転以上と高速になると、フォイル４の質量は小さいがそれ自身が振動し始めることがある。この結果ジャーナル軸２に、不安定な振動が発生したり、ジャーナル軸２とフォイル４が高速回転状態で接触し、焼付がおきる事態になることもある。このようなフォイル４の膜振動を防止するためにフォイル４は充填された粘弾性体６（又は弾性体）と粘着または接着状態で密着するようにしておく処理が施されている。具体的には、粘弾性体６（又は弾性体）とフォイル４とが剥がれないように、粘弾性体６（又は弾性体）を充填する前に予めフォイル４の外周面に粘弾性体６（又は弾性体）とフォイル４の接着能を上げる前処理を施し、粘弾性体６（又は弾性体）からフォイル４が剥がれないようにしてある。

また、ジャーナル軸とフォイル４及び軸受保持部材３との空隙に充填された粘弾性体６（ＧＥ東芝シリコーン製ＴＳＥシリーズ）が、共回りするというトラブルを防止するため、軸受保持部材３と粘弾性体６間の接着能を高める必要がある。そのため、前述と同様に、粘弾性体６を充填する前に予め軸受保持部材３の内周面に粘弾性体６と軸受保持部材３の接着能を上げる前処理を施してある。前処理としては、例えば、粘弾性体６（ＧＥ東芝シリコーン製ＴＳＥシリーズ）をフォイル４と軸受保持部材３の空隙に充填する前に、プライマーと呼ばれる前処理剤（ＧＥ東芝シリコーン製、ＭＥ１２１）を軸受保持部材３塗布して乾燥させると、軸受保持部材３に対する粘弾性体６（ＧＥ東芝シリコーン製ＴＳＥシリーズ）の接着性が向上する処理等がある。

更に、ジャーナル軸２は、起動時又は停止時又は低回転時にフォイル４の表面と固体接触するために、フォイル４とジャーナル軸２との間の摩擦と摩耗を低減させる必要がある。そのため、ジャーナル軸２の外周面とフォイル４の内周面の少なくともどちらか一方に摩耗特性の優れたクロムメッキやＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の硬質皮膜やＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)、ＭｏＳ₂（二硫化モリブデン）などの固体潤滑剤のコーティングを施すことが望ましい。その他にも硬質皮膜としてＷＳ₂膜、固体潤滑剤として、上記ＰＴＦＥとＭｏＳ₂の混合物や潤滑特性を持つコーティング剤にて代用できる。また、潤滑剤としてＰＦＰＥ（パーフルオロポリエーテル）油などを数ナノメーターの厚さで塗布しても効果がある。

なお、通常、ジャーナル軸２は、アンバランス荷重によって軸中心が偏心すると共に、モーメント荷重が作用して軸中心が傾くことにより揺動運動を起こすことがあるが、図１１（Ａ）に示すように、ジャーナル軸２を１個のフォイル式動圧ジャーナル軸受１で支持する場合にジャーナル軸２が傾いたとき、フォイル式動圧ジャーナル軸受１の軸方向中心部近傍に大きな圧力が発生するため、フォイル式動圧ジャーナル軸受１の圧力分布Ｐ₂が図１１（Ａ）のようになり、これにより、軸受中心からの距離と圧力分布との積から求められる軸受モーメント荷重が小さくなってしまい、ジャーナル軸２の傾きを抑制することができない。

これに対し、図１１（Ｂ）に示すように、フォイル式動圧ジャーナル軸受１を２個に分割し、複列で用いたフォイル式動圧ジャーナル軸受１でジャーナル軸２を支持する場合にジャーナル軸２が傾いたとき、各々のフォイル式動圧ジャーナル軸受１に発生する圧力は、フォイル式動圧ジャーナル軸受１の軸方向中心部から離れるため、フォイル式動圧ジャーナル軸受１の圧力分布Ｐ₁が図１１（Ｂ）のようになり、これにより、軸受中心からの距離と圧力分布との積から求められる軸受モーメント荷重が大きくなり、ジャーナル軸２の傾きを抑制することができる。

そこで、本実施形態においては、ジャーナル軸２の軸受摺動面と対向する表面に、頂点部４ａの近傍に形成される隙間５ａを介して外気と連通する軸溝３１を円周方向で形成することにより、図１１（Ｃ）に示すように、この軸溝３１が形成されているジャーナル軸２を１個のフォイル式動圧ジャーナル軸受１で支持する場合にジャーナル軸２が傾いたときであっても、隙間５ａを介して軸溝３１が外気と連通しているため、発生圧力が軸溝３１で分断されてフォイル式動圧ジャーナル軸受１の端部と同じ圧力となり、あたかも複数のフォイル式動圧ジャーナル軸受１を用いたような圧力分布Ｐ₁となる。これにより、軸受中心からの距離と圧力分布との積から求められる軸受モーメント荷重が大きくなり、ジャーナル軸２の傾きを抑制することができる。

なお、図１１（Ｃ）においては、一本の軸溝３１が形成されるものを示したが、これに限らず、複数本の軸溝３１が形成されるものであってもよい。

また、本発明に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１においては、軸受隙間５を小さく精度良く設定できること及び軸径が１０ｍｍ程度以下の軸受に対しても量産性に優れている特徴がある。このような特徴から潤滑流体に空気などの気体を用いると、油潤滑軸受の高速回転域で問題となる、潤滑油の漏れやミストの発生、キャビテーションの発生による不規則振動、軸受損失（消費動力）の増大等の欠点を解決することができる。これより、高精度回転とクリーンな環境を実現できることから、本発明に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１は、ハードディスクドライブ用モータやポリゴンミラースキャナーモータ、あるいはリアプロジェクションテレビのカラーホイールモータの軸受として応用するのに好適である。なお、本発明に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受１において、その潤滑流体が主として気体の場合について記述してきたが、本発明は、潤滑流体が水系や油系の液体の場合にも適用できる。また、軸径が１０ｍｍ程度以下の軸受として好適ではあるが、それ以上の軸径（例えば、５０ｍｍ）の軸受にも当然のことながら適用することができる。

なお、以上説明した実施形態では、ジャーナル軸２が回転し、軸受摺動面であるフォイル４及び粘弾性体６（又は弾性体）、軸受保持部材３が静止している場合について説明してきたが、本発明のフォイル式動圧ジャーナル軸受１では、ジャーナル軸２が静止し、フォイル４、粘弾性体６（又は弾性体）及び軸受保持部材３が回転する場合にも適応することができる。

第１実施形態に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受の断面図である。 図１の四角で囲った部分Ａの拡大図である。 第１実施形態の変形例に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受の断面図である。 粘弾性体の流体入口側に空孔を形成したフォイル式動圧ジャーナル軸受の断面図と、粘弾性体の流体出口側に固体物を挿入したフォイル式動圧ジャーナル軸受の断面図と、流体入口側の粘弾性体の充填量を流体出口側の粘弾性体の充填量よりも多くしたフォイル式動圧ジャーナル軸受の断面図である。 フォイルとジャーナル軸との間にトップフォイルを設置したフォイル式動圧ジャーナル軸受の断面図である。 第２実施形態に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受の断面図である。 第２実施形態の変形例に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受の断面図である。 第３実施形態に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受の断面図である。 第３実施形態の変形例に係るフォイル式動圧ジャーナル軸受の断面図である。 フォイル式動圧ジャーナル軸受を製造する方法を説明する説明図である。 ジャーナル軸から受ける応力によってフォイル式動圧ジャーナル軸受に発生する圧力分布を示す概略図である。

符号の説明

１ フォイル式動圧ジャーナル軸受
２ ジャーナル軸
３ 軸受保持部材
４ フォイル
４ａ 頂点部
４ｂ 膨出状円弧面
５ 軸受隙間
６ 粘弾性体（又は弾性体）
７ 切欠スリット
１０ 組立用治具
１１ ベース盤
１２ 軸柱
１３ 凹部（位置決め）

Claims (8)

1. ジャーナル軸の外周を空隙を介して囲む軸受保持部材と、前記空隙に配置されて前記ジャーナル軸と対向する軸受摺動面を構成するフォイルと、から構成され、前記ジャーナル軸と前記軸受摺動面との相対的回転により形成される流体潤滑膜によってジャーナル軸に作用する荷重を支持するフォイル式動圧ジャーナル軸受において、
   前記軸受摺動面を構成するフォイルは、前記ジャーナル軸との間に間隙部を形成する一個又は複数個の頂点部と、該頂点部の個数に対応する個数の膨出状円弧面と、を有する閉ループによって構成され、
   前記軸受摺動面を構成するフォイルと前記軸受保持部材との空隙に、粘弾性体又は弾性体を充填し、
   前記流体潤滑膜を形成する流体を前記ジャーナル軸と前記軸受摺動面との隙間に引き込むための流体入口側に位置する前記粘弾性体又は弾性体で形成される弾性部の弾性率を、引き込んだ前記流体を吐出する流体出口側に位置する前記粘弾性体又は弾性体で形成される弾性部の弾性率よりも小さくしたことを特徴とするフォイル式動圧ジャーナル軸受。
2. 前記フォイルの頂点部と前記軸受保持部材の内周面とが直接接触することがないように、前記フォイルを前記空隙に配置し且つ前記粘弾性体又は弾性体を充填したことを特徴とする請求項１記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受。
3. 前記軸受保持部材に切欠スリットを形成し、前記フォイルの頂点部を前記切欠スリットに挿入すると共に、前記頂点部と前記切欠スリットの底面とが直接接触することがないように、前記フォイルを前記空隙に配置し且つ前記粘弾性体又は弾性体を充填したことを特徴とする請求項１記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受。
4. 前記フォイルの外周面に、前記粘弾性体又は弾性体との接着性を向上させる前処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受。
5. 前記軸受保持部材の内周面に、前記粘弾性体又は弾性体との接着性を向上させる前処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載のいずれかに記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受。
6. 前記フォイルの内周面又は前記ジャーナル軸のいずれか一方又は両方に、潤滑剤をコーティング又は硬質皮膜化又は軟質皮膜化したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受。
7. 前記ジャーナル軸の前記軸受摺動面と対向する表面には、一本又は複数本の軸溝が円周方向で形成され、
   該一本又は複数本の軸溝は、前記頂点部の近傍に形成される隙間を介して外気と連通することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のフォイル式動圧ジャーナル軸受。
8. ジャーナル軸の外周を空隙を介して囲む軸受保持部材と、前記空隙に配置されて前記ジャーナル軸と対向する軸受摺動面を構成するフォイルと、から構成され、前記ジャーナル軸と前記軸受摺動面との相対的回転により形成される流体潤滑膜によってジャーナル軸に作用する荷重を支持するフォイル式動圧ジャーナル軸受の製造方法において、
   一個又は複数個の平坦な薄板の重ね合せた端辺を接合して一個又は複数個の頂点部と該頂点部の個数に対応する個数の面とを有する閉ループの前記軸受摺動面を構成するフォイルを製作する第１工程と、
   前記軸受保持部材の外形寸法に合致する位置決めが形成されるベース盤の中央に前記ジャーナル軸を模した軸柱が立設される組立用治具を用いて、前記第１工程によって製作された閉ループ状のフォイルの内部ループ空間を前記軸柱に貫通して膨出状円弧面を形成する第２工程と、
   前記組立用治具のベース盤の位置決めに前記軸受保持部材を嵌挿する第３工程と、
   前記フォイルと前記軸受保持部材との空隙に、粘弾性体又は弾性体を充填し乾燥する第４工程と、
   前記組立用治具からフォイル式動圧ジャーナル軸受を取り外す第５工程と、
   からなることを特徴とするフォイル式動圧ジャーナル軸受の製造方法。

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