JP5861550B2 - ラジアルフォイル軸受 - Google Patents

Description

本発明は、ラジアルフォイル軸受に関する。

従来、高速回転体用の軸受として、回転軸に外挿されて用いられるラジアル軸受が知られている。このようなラジアル軸受としては、軸受面を形成する薄板状のトップフォイルと、このトップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルと、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備えたラジアルフォイル軸受がよく知られている。ラジアル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。

このようなラジアルフォイル軸受にあっては、通常、トップフォイルやバンプフォイルが軸受ハウジングから脱落するのを防止するため、その一端部(止端部)がスポット溶接によって軸受ハウジングに直接、あるいはスペーサを介して間接的に固定されている。
また、特許文献１では、トップフォイルの両端をそれぞれハウジング内壁の止め壁に突き当てるようにして係止させ、固定している。

特開２００６−５７８２８号公報

しかし、トップフォイルを溶接すると、入熱があるためトップフォイルに歪みが生じる可能性が高い。また、溶接に代えて機械的に固定を行うべく、トップフォイルの一端部（止端部）を曲げ加工したものも知られているが、その場合には、曲げ加工によってトップフォイルに歪みが生じてしまう。さらに、前記特許文献１では、トップフォイルの両端を止め壁に突き当てているため、トップフォイルにその両端部から中心部に向かう反力が加えられ、歪みが生じてしまう。

ところが、回転軸の回転によって該回転軸とトップフォイルとの間に形成されるフォイル軸受の流体潤滑膜は、１０μｍ前後と非常に薄いため、トップフォイルに少しでも歪みが生じると、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)に影響が及び、設計通りの性能が得られなくなる。

また、一端部(止端部)をスポット溶接によって軸受ハウジングに固定する一般的なトップフォイルでは、その両端付近(止端側と自由端側)が軸受ハウジングの内周面を構成する曲面になじみ難く、平面に近い状態になる。すると、平面に近い当該部位では回転軸を締め付ける力（局所的なプリロード）が発生し、その結果、始動トルクが高くなったり、運転中の発熱が設定以上に高くなるなどの不都合が起こる。

また、前記特許文献１では、前記反力によってトップフォイルに歪みが生じるため、トップフォイルが軸受ハウジングの内周面に沿って真円に近い形状になることなく、歪みによって部分的に平面部を有する角形に近い形状になってしまう。すると、平面部に近い部位が回転軸に対して強く当接することにより、回転軸を締め付ける力（局所的なプリロード）が発生し、始動トルクが高くなったり、運転中の発熱が設定以上に高くなってしまう。

このような回転軸を締め付ける力（局所的なプリロード）を小さくするには、例えばトップフォイルの両端付近を支えているバンプフォイル（バックフォイル）の山を無くす方法が考えられる。しかし、バンプフォイルの山を無くすと、山を無くした部位における回転軸の支持剛性が大幅に下がるため、衝撃荷重などによって回転軸が当該部位に向かって動こうとしたときに抑制が効かず、回転軸に設けられたインペラなどの回転部分が静止部（ハウジング）と接触を起こす可能性が高まってしまう。
また、当該部位における回転軸の支持剛性を下げ過ぎないようにするには、当該部位のバンプフォイルを１山のみ低くする方法が考えられる。しかし、低くする量が数十μmのオーダーと小さいため、その製作は極めて困難である。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、トップフォイルに生じる歪みを充分に少なくして軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について設計通りの良好な性能が得られるようにし、しかも加工コストを抑えることができるようにしたラジアルフォイル軸受を、提供することを第１の目的とする。また、回転軸を締め付ける力（局所的なプリロード）が生じるのを防止した、ラジアルフォイル軸受を提供することを第２の目的とする。

本発明のラジアルフォイル軸受は、回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であって、
前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルと、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを内挿した状態に収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備え、
前記軸受ハウジングの内周面には、その軸方向に沿って一端から他端に連続する通し溝が形成され、
前記通し溝には、該通し溝をその長さ方向に分割して複数の係合溝を形成する固定具が嵌め込まれ、
前記通し溝と前記固定具とには、前記固定具が前記通し溝の長さ方向に移動するのを規制する規制部が設けられ、
前記トップフォイルは、矩形状で、一方の辺側に凸部と凹部とを有してなる第１の凹凸部を有し、前記一方の辺と反対の他方の辺側に、前記第１の凹凸部の凸部に対応する位置に凹部を形成し、かつ前記第１の凹凸部の凹部に対応する位置の少なくとも一部に凸部を形成する第２の凹凸部を有する金属箔が、前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とが重なるように円筒状に巻かれるとともに、前記第１の凹凸部および前記第２の凹凸部における各凸部が、それぞれ対応する前記第２の凹凸部および前記第１の凹凸部における各凹部を通って前記軸受ハウジング側に引き出されて形成され、
前記軸受ハウジング側に引き出された凸部が、それぞれ対応する前記係合溝に係合していることを特徴とする。

このラジアルフォイル軸受にあっては、第１の凹凸部と第２の凹凸部とを有する金属箔を、前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とが重なるようにして円筒状に巻き、各凹凸部の凸部をそれぞれ軸受ハウジング側に引き出し、これら引き出した凸部を、軸受ハウジングの内周面の通し溝に固定具で形成した係合溝に係合させているので、トップフォイルに対してスポット溶接や曲げ加工を行うことなく、また、両端部から中心部に向かう強い反力を生じさせることなく、トップフォイルを軸受ハウジング内に収容・固定することができる。したがって、トップフォイルに歪みが生じるのを防止し、トップフォイルの歪みを充分に少なくすることができる。
また、通し溝を軸受ハウジングの軸方向に沿って一端から他端に連続して形成しているので、例えば放電ワイヤカット加工によって該通し溝を容易に形成することができる。
また、トップフォイルと軸受ハウジングとの間で軸方向のずれが生じた際にも、通し溝が長さ方向に分割されて形成された係合溝に係合する凸部が、該係合溝の端部に規制されてその移動が停止させられることにより、それ以上のずれが防止される。さらに、通し溝と固定具とに、固定具が通し溝の長さ方向に移動するのを規制する規制部が設けられているので、固定具の移動も停止させられている。したがって、トップフォイルが軸受ハウジングから脱落することが確実に防止される。

また、前記ラジアルフォイル軸受において、前記通し溝の内側面には、前記凸部の先端部を係止させる係止凹部が前記通し溝の長さ方向に沿って形成されていることが好ましい。
このようにすれば、トップフォイルの凸部を係止凹部に係止させることで、該凸部の位置決めとその係止を容易に行うことができ、さらにトップフォイルの組立再現性を高めることができる。

また、前記ラジアルフォイル軸受において、前記規制部は、前記軸受ハウジングの両側面において前記通し溝の両端部にそれぞれ連通して該軸受ハウジングの厚さ方向に形成された係止溝と、前記固定具の両端部にそれぞれ形成されて前記係止溝に係止する折曲片と、によって構成されていることが好ましい。
このようにすれば、通し溝に対してその長さ方向に固定具が移動するのを確実に規制することができ、これによってトップフォイルが軸受ハウジングから脱落することが確実に防止される。また、係止溝の加工についても、例えば放電ワイヤカット加工によって容易に行うことができる。

また、前記ラジアルフォイル軸受において、前記トップフォイルには、前記一方の辺側と前記他方の辺側とに、これらの間の中央部に比べて薄厚な薄肉部が形成されていることが好ましい。
このようにすれば、トップフォイルの両端部が弾性変形し易くなり、該両端部において回転軸を締め付ける力（局所的なプリロード）が生じるのが抑制される。

また、前記ラジアルフォイル軸受において、前記薄肉部は、その外周面が前記中央部の外周面より凹んだ状態に形成されていることが好ましい。
このようにすれば、この薄肉部では、その外周面側を支持するバックフォイルとの間に隙間が形成され、したがって該薄肉部において回転軸を締め付ける力（局所的なプリロード）が生じるのが確実に防止される。

本発明のラジアルフォイル軸受によれば、トップフォイルに歪みが生じるのを防止し、トップフォイルの歪みが充分に少なくなるようにしたので、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について、設計通りの良好な性能を得ることができる。
また、通し溝を軸受ハウジングの一端から他端に連続して形成することで該通し溝の形成を容易にするとともに、該通し溝に単に固定具を嵌め込むことで複数の係合溝を形成できるようにしたので、加工を容易にして加工コストを充分低く抑えることができる。

本発明に係るラジアルフォイル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。 本発明に係るラジアルフォイル軸受の第１実施形態の概略構成を示す図であり、（ａ）はラジアルフォイル軸受の側面図、（ｂ）は軸受ハウジングの内周面の要部を示す図である。 （ａ）は図２に示したラジアルフォイル軸受の要部分解斜視図、（ｂ）は通し溝に固定具が嵌合している状態を示す平面図、（ｃ）は通し溝に固定具が嵌合している状態を示す側断面図である。 （ａ）はラジアルフォイル軸受の要部分解斜視図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。 （ａ）は図２（ａ）の要部を平坦化して模式的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。 （ａ）はトップフォイルの展開図、（ｂ）はトップフォイルの展開側面図である。 図２（ａ）の要部拡大図である。 本発明に係るラジアルフォイル軸受の第２実施形態を示す図であり、（ａ）はトップフォイルの展開図、（ｂ）はトップフォイルの展開側面図である。 （ａ）は通し溝に固定具が嵌合している状態を示す平面図、（ｂ）は通し溝に固定具が嵌合している状態を示す側断面図である。

以下、図面を参照して本発明のラジアルフォイル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に、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本発明のラジアル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は本発明に係るラジアルフォイル軸受である。なお、図１では省略してラジアルフォイル軸受を一つしか記載していないが、通常は回転軸１の軸方向にラジアルフォイル軸受が二つ設けられて、回転軸１の支持構造が構成される。したがって、本実施形態においてもラジアルフォイル軸受３が二つ設けられているものとする。

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の両側には、このスラストカラー４に対向してそれぞれの側にスラスト軸受５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６内に配置されており、ハウジング６との間にチップクリアランス７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、ラジアルフォイル軸受３が外挿されている。

図２（ａ）、（ｂ）は、このような構成のターボ機械に適用されたラジアルフォイル軸受の第１実施形態を示す図である。この第１実施形態のラジアルフォイル軸受３は、図２（ａ）に示すように回転軸１に外挿されて該回転軸１を支持する円筒状のもので、回転軸１に対向して配置される円筒状のトップフォイル１０と、該トップフォイル１０の径方向外側に配置されるバックフォイル１１と、該バックフォイル１１の径方向外側に配置される軸受ハウジング１２とを備えて構成されている。

軸受ハウジング１２は、ラジアルフォイル軸受３の最外部を構成する金属製で円筒状のもので、内部にバックフォイル１１およびトップフォイル１０を収容したものである。この軸受ハウジング１２には、その内周面に、該軸受ハウジング１２の軸方向に沿って通し溝１３が形成されている。すなわち、軸受ハウジング１２の内周面要部を示す図２（ｂ）に示すように、軸受ハウジング１２の内周面には、該軸受ハウジング１２の軸方向の一端から他端に連続してその全長に通し溝１３が形成されている。通し溝１３は、長さが軸受ハウジング１２の長さと同じで３５ｍｍ程度、開口幅が０．４ｍｍ〜０．６ｍｍ程度、深さが１．５ｍｍ〜２．５ｍｍ程度に形成されている。

また、通し溝１３の両端部には、該通し溝１３にそれぞれ連通して係止溝１４が形成されている。係止溝１４は、ラジアルフォイル軸受３の要部分解斜視図である図３（ａ）に示すように、軸受ハウジング１２の両側面がそれぞれ切り欠かれて形成されたもので、該軸受ハウジング１２の厚さ方向に沿って外周縁から内周縁にまで連続して形成されている。なお、本実施形態では、係止溝１４を通し溝１３に確実に連通させるべく、係止溝１４の幅を、通し溝１３の幅に比べて十分に広く形成している。

また、通し溝１３には、その両内側面にそれぞれ係止凹部１５が形成されている。これら係止凹部１５は、通し溝１３の長さ方向に沿ってその全長に形成された溝状のもので、本実施形態では、最大深さが０．２〜０．３ｍｍ程度の断面Ｕ字状（半円弧状）に形成されている。また、これら係止凹部１５は、通し溝１３の開口側、例えば軸受ハウジング１２の内周面から１ｍｍ以内の深さ位置に形成されている。これにより、係止凹部１５は、後述するようにトップフォイル１０の凸部の先端部を係止できるようになっている。

ここで、これら通し溝１３および係止凹部１５を形成するには、ワイヤカット放電加工が好適に用いられる。すなわち、通し溝１３や溝状の係止凹部１５のように、軸受ハウジング１２の軸方向の一端から他端にかけて連続する溝を形成する場合には、ワイヤカット放電加工によってその断面形状の外形をなぞるようにワイヤを移動させることにより、各溝を容易にかつ精度良く形成することができる。特に本実施形態では、通し溝１３とその両側面の係止凹部１５とを、一連の加工で容易に形成することができるため、このようにワイヤカット放電加工を採用することにより、通し溝１３や係止凹部１５の加工コストを充分低く抑えることができる。

また、係止溝１４についても、軸受ハウジング１２の外面側から内面側にかけて連続する溝を形成するため、ワイヤカット放電加工を採用することによってその加工コストを充分低く抑えることができる。ただし、係止溝１４については、特にその加工精度を必要としないことなどから、エンドミルによる切削加工などを採用することもできる。

このような通し溝１３および係止溝１４には、固定具１６が嵌め込まれて係止している。固定具１６は、図３（ａ）、および通し溝１３と固定具１６の平面図である図３（ｂ）、通し溝１３と固定具１６の側断面図である図３（ｃ）に示すように、通し溝１３に嵌め込まれて収容される棒状（四角柱状）の基部１７と、基部１７の両端部に形成されて前記係止溝１４、１４に係止する一対の折曲片１８、１８と、基部１７の中央部に形成されて折曲片１８と反対の側に突出する二つの隔壁片１９と、を有して構成されている。

基部１７は、高さが０．５〜１．５ｍｍ程度に形成されたもので、その上面（隔壁片１９側の面）が通し溝１３の開口より１ｍｍ程度沈み込むように形成されている。折曲片１８は、通し溝１３の底面と軸受ハウジング１２の外周面との間の距離にほぼ等しい長さに形成されており、これによって係止溝１４に充分な面積で当接するともに、軸受ハウジング１２の外周面から突出しないようになっている。

ここで、これら折曲片１８、１８と、通し溝１３に連通して設けられた係止溝１４、１４とにより、本発明に係る規制部が形成されている。すなわち、一対の折曲片１８、１８がそれぞれ通し溝１３の両端部に設けられた係止溝１４、１４に係止し、したがって一対の折曲片１８、１８で軸受ハウジング１２を挟持することより、固定具１６は通し溝１３の長さ方向（軸受ハウジング１２の軸方向）に移動するのが規制され、クリアランス分を除いて実質的に移動しないようになっている。

隔壁片１９は、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように基部１７をほぼ三等分し、したがって通し溝１３をほぼ三等分する二つの位置に形成されたもので、高さが、通し溝１３の開口位置と同じレベルになるか、通し溝１３より少し突出する程度に形成されている。例えば、バックフォイル１１の高さの半分程度、突出するようにしてもよい。このような隔壁片１９によって通し溝１３がその長さ方向にほぼ三分割されることにより、通し溝１３内には固定具１６によって三つの係合溝２０が形成される。

すなわち、固定具１６を軸受ハウジング１２の内周面側から係止溝１４および通し溝１３に嵌め込み、係止させることにより、三つの係合溝２０を容易に形成することができる。これら係合溝２０は、その深さがほぼ１ｍｍ程度となっており、その両内側面に、前記係止凹部１５を開口させている。
なお、固定具１６は、例えば厚さが３〜４ｍｍ程度のステンレス等からなる金属板をワイヤカット放電加工することにより、形成することができる。

また、図２（ａ）に示すように軸受ハウジング１２には、後述するバックフォイル１１を係止させるための係合凸部３３ａが、係止部材３０によって形成されている。すなわち、ラジアルフォイル軸受３の要部分解斜視図である図４（ａ）に示すように、軸受ハウジング１２の両側面には、それぞれ、該軸受ハウジング１２の外周縁から内周縁にまで延びる溝状の係合凹部３１が互いに対向して形成されている。係合凹部３１は、図２（ａ）に示すように本実施形態では軸受ハウジング１２の側面をその周方向にほぼ３分割する位置に、それぞれ形成されている。そして、これら係合凹部３１には前記係止部材３０が係止している。なお、本実施形態では、軸受ハウジング１７の一方の側面から見て前記３箇所の係合凹部３１のうちの２箇所の係合凹部３１、３１間に、前記通し溝１３が配置されている。

また、軸受ハウジング１２の内周面には、図４（ａ）に示すように対向する係合凹部３１、３１間に、該係合凹部３１、３１に連通する溝３２が形成されている。溝３２は、その深さが、係合凹部３１の深さ、すなわち軸受ハウジング１２の外面側に向かう深さ（本実施形態では軸受ハウジング１２の厚さに等しくなっている）より浅くなっている。これにより、本実施形態では、係合凹部３１と溝３２との間に段差部（図示せず）が形成されている。

そして、これら係合凹部３１、３１および溝３２には、係止部材３０が係止している。係止部材３０は、係合凹部３１、３１に係合する一対の係合アーム３３と、これら係合アーム３３、３３間を連結する連結部３４と、を有してＨ字状に形成されたものである。連結部３４は、図２（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である図４（ｂ）に示すように、前記溝３２に係合して該溝３２内に収容され、該溝３２の外側に突出しないように形成されている。具体的には、溝３２の深さが１ｍｍ〜２ｍｍ程度となっており、したがって連結部３４の高さも１ｍｍ〜２ｍｍ程度となっている。

一対の係合アーム３３は、連結部３４に対して上下方向に延出して形成されたもので、これによって前記したように係止部材３０をＨ字状に形成している。これら係合アーム３３の上側に延出した部分、すなわち係合凹部３１に係合する側と反対の側は、軸受ハウジング１２の内周面より突出することにより、後述するバックフォイル片１１ａの係合切欠１１ｄに係合する係合凸部３３ａとなっている。

また、係合アーム３３の下側に延出した部分は、前述した係合凹部３１と溝３２との間の段差部に係止している。これにより、係止部材３０は軸受ハウジング１２に対し、その軸方向への移動が規制されている。

なお、係止部材３０の係合アーム３３や連結部３４は、図４（ａ）に示したように四角柱状であっても、また、円柱状（丸棒状）であってもよく、その太さは０．３〜０．５ｍｍ程度となっている。このような係止部材３０は、例えば厚さが０．５ｍｍ未満のステンレス等からなる金属箔をＨ字状にエッチング加工したり、ワイヤカット放電加工することにより、形成することができる。

また、溝３２については、前記通し溝１３と同様にして、ワイヤカット放電加工で形成することができる。さらに、係合凹部３１については、前記係止溝１４と同様にして、ワイヤカット放電加工やエンドミルによる切削加工などで加工することができる。すなわち、通し溝１３と溝３２とを、ワイヤカット放電加工によって連続的に加工処理することができ、同様に、係止溝１４と係合凹部３１とについても、ワイヤカット放電加工等によって連続的に加工処理することができる。したがって、軸受ハウジング１２について、その加工コストの低減化を図ることが可能になる。
このようにして溝３２、係止凹部３１を形成した後、係止部材３０を軸受ハウジング１２の内周面側から係合凹部３１および溝３２に嵌め込み、係止させることにより、係合凸部３３ａを容易に形成することができる。

図２（ａ）に示すようにバックフォイル１１は、フォイル（薄板）で形成されてトップフォイル１０を弾性的に支持するものである。このようなバックフォイル１１としては、例えばバンプフォイルや、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。本実施形態では、バックフォイル１１としてバンプフォイルを用いている。ただし、前記のスプリングフォイルやバックフォイルを、本発明のバックフォイルとして用いてもよいのはもちろんである。

バックフォイル（バンプフォイル）１１は、本実施形態ではトップフォイル１０の周方向に沿って配置された３つ（複数）のバックフォイル片１１ａによって構成されている。これらバックフォイル片１１ａは、フォイル（薄板）が波板状に成形され、かつ、側面が全体として略円弧状になるよう成形されたもので、３つが全て同じ形状・寸法に形成されている。したがって、これらバックフォイル片１１ａは、軸受ハウジング１２の内周面をほぼ３分割して配置されている。

また、これらバックフォイル片１１ａは、前記通し溝１３を挟む位置ではある程度の隙間をあけて配置されているものの、それ以外の位置では、互いの端部が近接して配置されている。このような構成によって３つのバックフォイル片１１ａは、全体として略円筒形状に形成されて、軸受ハウジング１２の内周面に沿って配置されている。

また、このように波板状に成形されたバックフォイル片１１ａは、図２（ａ）の要部を平坦化して模式的に示す図５（ａ）に示すように、軸受ハウジング１２の周方向に沿って、該軸受ハウジング１２と接する平坦な谷部１１ｂと、トップフォイル１０に接する湾曲した山部１１ｃとを交互に形成している。これによってバックフォイル片１１ａは、特にトップフォイル１０に接する山部１１ｃにより、トップフォイル１０を弾性的に支持している。また、ラジアルフォイル軸受３の軸方向に、山部１１ｃや谷部１１ｂによる流体の通路を形成している。

また、これらバックフォイル片１１ａには、図５（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である図５（ｂ）に示すように、それぞれの周方向中央部（軸受ハウジング１２の周方向に沿う方向の中央部）の両側周縁部に、係合切欠１１ｄが形成されている。該係合切欠１１ｄは、図５（ａ）に示すようにバックフォイル片１１ａの谷部１１ｂに形成されたもので、山部１１ｃ、１１ｃ間に形成された平坦部からなる谷部１１ｂが、その側周縁から内側に向かって矩形状に切り欠かれて形成されたものである。

該係合切欠１１ｄは、軸受ハウジング１２に設けられた前記係合部材３０の係合凸部３３ａに対応する位置、すなわち係合凸部３３ａと重なる位置に形成されており、その縦横の幅が、係合凸部３３ａに係合するように該係合凸部３３ａの縦横の幅とほぼ同じに形成されている。具体的には、軸受ハウジング１２の周方向に沿う横幅が０．２ｍｍ〜０．４ｍｍ程度、軸方向に沿う縦幅が１ｍｍ〜２ｍｍ程度となっている。

なお、係合切欠１１ｄの形成については、バリが発生せず、加工による歪みも生じないように、フォイルをエッチング加工や放電加工で行うのが好ましい。すなわち、エッチング加工や放電加工でフォイルに係合切欠１１ｄを形成した後、山部１１ｃや谷部１１ｂを形成するためのプレス成型を行い、バックフォイル片１１ａを形成するのが好ましい。
このような構成のもとに、軸受ハウジング１２の係合凸部３３ａには、図４（ａ）および図５（ａ）に示すようにバックフォイル片１１ａの係合切欠１１ｄが係合している。

このように、係合アーム３３の上側に延出した係合凸部３３ａに、バックフォイル片１１ａの係合切欠１１ｄが係合し、その状態で軸受ハウジング１２の内周面上に３つのバックフォイル片１１ａが配置されているので、係止部材３０は特にその連結部３４がバックフォイル片１１ａに押さえられることにより、軸受ハウジング１２から脱落することが防止されている。

図２（ａ）に示すようにトップフォイル１０は、３つのバックフォイル片１１ａからなるバックフォイル１１の内面に沿って円筒状に巻かれたもので、一方の端部側に形成された凸部２１ａと、他方の端部側に形成された凸部２１ｂとが、それぞれ軸受ハウジング１２に形成された前記通し溝１３中の係合溝２０に係合するよう配設されたものである。このトップフォイル１０は、その展開図である図６（ａ）に示すように、軸受周方向を長辺とし、軸受長方向を短辺とする矩形状の金属箔が、その側面図である図６（ｂ）中の矢印方向（長辺の長さ方向：軸受周方向）に円筒状に巻かれて、形成されたものである。

このトップフォイル１０には、図６（ａ）に示したように、一方の辺側（短辺側）に一つの凸部２１ａと二つの凹部２２ａとを有してなる第１の凹凸部２３ａが形成され、前記一方の辺（短辺）と反対の他方の辺側（短辺側）に、二つの凸部２１ｂと一つの凹部２２ｂとを有してなる第２の凹凸部２３ｂが形成されている。第２の凹凸部２３ｂの凹部２２ｂは第１の凹凸部２３ａの凸部２１ａに対応して形成され、第１の凹凸部２３ａの凹部２２ａは第２の凹凸部２３ｂの凸部２１ｂに対応して形成されている。

すなわち、第２の凹凸部２３ｂの凹部２２ｂは、第１の凹凸部２３ａと第２の凹凸部２３ｂとが重なるようにトップフォイル１０を円筒状に巻いた際、該凹部２２ｂ内を凸部２１ａが通り抜けるように形成されている。同様に、第１の凹凸部２３ａの凹部２２ａは、トップフォイル１０を円筒状に巻いた際、該凹部２２ａ内を凸部２１ｂがそれぞれ通り抜けるように形成されている。なお、凸部２１ａ、２１ｂは、その幅が、前記通し溝１３と固定具１６とによって形成された係合溝２０の長さに対応してこれとほぼ一致するように形成されている。

凹部２２ｂ、２２ａを通り抜けた凸部２１ａ、２１ｂは、図２（ａ）に示すようにそれぞれ軸受ハウジング１２側に引き出され、その先端部が軸受ハウジング１２の前記係合溝２０に係合させられる。本実施形態では、図２（ａ）の要部拡大図である図７に示すように、凸部２１ａ、２１ｂはその先端部がそれぞれ通し溝１３中の係合溝２０内に入れられて係合させられた後、さらに係止凹部１５内に入れられ、ここに係止させられている。これにより、トップフォイル１０はその周方向への移動が規制され、その移動量が僅かとなるように配設されている。

すなわち、凸部２１ａ、２１ｂは、その先端が係止凹部１５の内面に強く突き当てられることなく、先端部側面が係止凹部１５の内面に接する程度となるように配設される。したがって、回転軸１の定常運転時には、凸部２１ａ、２１ｂは係止凹部１５又は係合溝２０から大きな反力を受けないため、トップフォイル１０は歪みを生じないようになっている。また、ラジアルフォイル軸受３に回転軸１の軸ぶれなどによる不測の外力が加わった際にも、トップフォイル１０は軸受ハウジング１２内を回転することなく、さらに、軸受ハウジング１２と回転軸１との間から脱落しないようになっている。

つまり、不測の外力が加わった際には、凸部２１ａ、２１ｂが係止凹部１５の内面に強く係止することにより、これら凸部２１ａ、２１ｂが係止凹部１５から外れ、さらに係合溝２０からも外れてしまうことがなく、したがってトップフォイル１０が回転したり、過剰に変形して前記凸部２１ａ、２１ｂが凹部２２ｂ、２２ａから抜け出てしまい、トップフォイル１０が軸受ハウジング１２から脱落してしまうようなことが防止されている。

また、凸部２１ａ、２１ｂは、係合溝２０を区画する固定具１６の隔壁片１９により、軸方向への移動が規制されている。すなわち、凸部２１ａはその両側が隔壁片１９によって規制されることにより、該凸部２１ａを形成した第１の凹凸部２３ａ側は軸方向への移動が規制されている。また、二つの凸部２１ｂは、それぞれその片側が隔壁片１９によって規制され、かつ互いに逆方向に規制されることにより、これら二つの凸部２１ｂを形成した第２の凹凸部２３ｂ側も、軸方向への移動が規制されている。このようにトップフォイル１０は、軸受ハウジング１２の軸方向への移動が規制されているため、軸受ハウジング１２から外に飛び出すことが防止されている。

また、トップフォイル１０は、図６（ｂ）に示すように、第１の凹凸部２３ａを形成した側（一方の辺側）と第２の凹凸部２３ｂを形成した側（他方の辺側）とに、これらの間の中央部に比べて薄厚（薄肉）な薄肉部２４が形成されている。これら薄肉部２４は、図２（ａ）に示すように、その外周面（バンプフォイル１１側の面）が前記中央部の外周面より凹んだ状態となるよう、薄厚化（薄肉化）されて形成されている。

薄肉部２４を形成するには、例えばエッチング加工によってトップフォイル１０の両端部を、十μmオーダーでコントロールして所望の厚さ（薄さ）に形成する。具体的には、軸受径φ３５ｍｍとした場合、トップフォイル１０の厚さを１００μｍとすると、薄肉部２４の厚さは８０μｍ程度となるようにする。なお、このようなエッチング加工では、曲げ加工などに比べてトップフォイル１０に生じる応力が極めて小さく、したがってトップフォイル１０に歪みが生じることもほとんどない。
また、図６（ｂ）に示す、薄肉部２４の周方向の長さＬは、図２（ａ）に示すように通し溝１３と、バンプフォイル１１の端部の山一つ分までに対応する長さとされる。

このようにトップフォイル１０の両端部に薄肉部２４を形成したことにより、これら両端部（薄肉部２４）は弾性変形し易くなり、したがってこれら両端部は軸受ハウジング１２の内周面を構成する曲面に倣って曲面となる。これにより、トップフォイル１０は、その両端部においても回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）がほとんど発生しないようになる。

また、トップフォイル１０の両端部の外周面を、前記中央部の外周面より凹んだ状態となるように薄厚化して薄肉部２４を形成しているので、その外周面側を支持するバックフォイル１１との間において、その端部の山一つ分との間に隙間が形成される。これにより、該薄肉部２４においては、回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）が生じるのが確実に防止される。なお、薄肉部２４の周方向の長さＬについては、図２（ａ）に示した例に代えて、通し溝１３と、バンプフォイル１１の端部の山三つ分ぐらいまでに対応する長さとしてもよい。

次に、このような構成からなるラジアルフォイル軸受３の作用について説明する。
回転軸１が停止した状態では、トップフォイル１０はバックフォイル１１（３つのバックフォイル片１１ａ）によって回転軸１側に付勢されることで回転軸１に密着している。なお、本実施形態では、トップフォイル１０の両端部が薄肉部２４となっているので、これら薄肉部２４では回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）がほとんど生じないようになっている。

そして、回転軸１を図２（ａ）中の矢印Ｐ方向に始動させると、最初は低速で回転を始め、その後徐々に加速して高速で回転する。すると、図２（ａ）中矢印Ｑで示すように、トップフォイル１０の一方の側とバンプフォイル片１１ａの一端との間から周囲流体が引き入れられ、トップフォイル１０と回転軸１との間に流入する。これにより、トップフォイル１０と回転軸１との間に流体潤滑膜が形成される。

この流体潤滑膜の膜圧は、トップフォイル１０に作用し、トップフォイル１０に接するバックフォイル片１１ａの個々の山部１１ｃを押圧する。すると、バックフォイル片１１ａはトップフォイル１０に押圧されることにより、その山部１１ｃが押し広げられ、これによってバックフォイル片１１ａは軸受ハウジング１２上をその周方向に動こうとする。すなわち、バックフォイル片１１ａ（バックフォイル１１）は、トップフォイル１０を弾性的に支持するため、トップフォイル１０から荷重を受けた際にはその周方向に変形することで、トップフォイル１０の撓みを許容し、これを支持する。

しかし、図４（ａ）、（ｂ）に示すようにバックフォイル片１１ａには、その側周縁部に設けられた係合切欠１１ｄに係止部材３０の係合凸部３３ａが係合しており、これによってバックフォイル片１１ａは、軸受ハウジング１２の内周面上で周方向に回ることが防止されている。したがって、バックフォイル片１１ａの個々の山部１１ｃは、係合凸部３３ａが係合している係合切欠１１ｄを固定点（固定端）として周方向に変形する（動く）ものの、バックフォイル片１１ａ自体はその中心が定位置からずれることはない。

また、バックフォイル片１１ａは周方向に変形する（動く）際、軸受ハウジング１２やトップフォイル１０との間の摩擦の影響を受けるため、その両端部、すなわち自由端側では変形し易い（動き易い）ものの、前記固定点（固定端）側では変形し難くなっている。そのため、自由端側と固定端側とでは、バックフォイル片１１ａによる支持剛性に差が生じる。

しかし、本実施形態では、係合切欠１１ｄをバックフォイル片１１ａの周方向中央部に形成し、したがって係合凸部３３ａによる固定点をバックフォイル片１１ａの周方向中央部としているので、固定端と自由端との間の距離が短くなっていることにより、前記の支持剛性の差が小さくなっている。さらに、本実施形態では、バックフォイル１１を３つのバックフォイル片１１ａに分割しているため、バックフォイル１１を単一のフォイルで形成した場合に比べ、固定端と自由端との間の距離が短くなっており、したがって自由端側と固定端側との間の支持剛性の差がより小さくなっている。

また、回転軸１が高速で回転している際、係合凸部３３ａがバックフォイル片１１ａの軸方向への動きも拘束しているため、不測に衝撃等が作用した場合でも、バックフォイル片１１ａが軸受ハウジング１２から脱落することはない。
また、流体潤滑膜が形成されるまでの過渡状態においては、回転軸１とトップフォイル１０との間に固体摩擦が生じ、これが始動時の抵抗になる。しかし、前記したようにトップフォイル１０の両端部でプリロードが生じなくなっていることや、周囲流体が流入する側のトップフォイル１０が薄肉部２４となっていて柔らかくなっており、トップフォイル１０と回転軸１との間が開口し易くなっていることにより、回転軸１が始動すると早期に流体潤滑膜が形成され、回転軸１はトップフォイル１０に対して非接触状態で回転するようになる。

このようなラジアルフォイル軸受３にあっては、トップフォイル１０の凹部２２ｂ、２２ａから引き出した凸部２１ａ、２１ｂを、軸受ハウジング１２の内周面の通し溝１３に固定具１６で形成した係合溝２０に係合させているので、トップフォイル１０に対してスポット溶接や曲げ加工を行うことなく、また、両端部から中心部に向かう強い反力を生じさせることなく、トップフォイル１０を軸受ハウジング１２内に収容・固定することができる。したがって、トップフォイル１０に歪みが生じるのを防止し、トップフォイル１０の歪みを充分に少なくすることができるため、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について、設計通りの良好な性能を発揮させることができる。

また、通し溝１３を軸受ハウジング１２の軸方向に沿って一端から他端に連続して形成しているので、放電ワイヤカット加工によって該通し溝１３を容易に形成することができ、したがってその加工コストを低く抑えることができる。
また、トップフォイル１０と軸受ハウジング１２との間で軸方向のずれが生じた際にも、通し溝１３が長さ方向に分割されて形成された係合溝２０に係合する凸部２１ａ、２１ｂが、該係合溝２０の端部（隔壁片１９）に規制されてその移動が停止させられることにより、それ以上のずれを防止することができる。さらに、通し溝１３の係止溝１４と固定具１６の折曲片１８とにより、固定具１６が通し溝１３の長さ方向に移動するのを規制する規制部を形成しているので、固定具１６の移動も停止させることができる。したがって、トップフォイル１０が軸受ハウジング１２から脱落することを確実に防止することができる。

また、通し溝１３の内側面に係止凹部１５を形成し、該係止凹部１５にトップフォイル１０の凸部２１ａ、２１ｂの先端部を係止させるようにしているので、該凸部２１ａ、２１ｂの位置決めとその係止を容易に行うことができ、さらにトップフォイル１０の組立再現性を高めることができる。
また、トップフォイル１０については、単にエッチング加工による凹凸部２３ａ、２３ｂの形成が増えただけであり、従来のスポット溶接や、歪みを発生させる曲げ加工を無くすことができる。したがって、製作の難易度を低下させ、製造コストを低減化することができる。
また、軸受ハウジング１２に対するトップフォイル１０の溶接が無いため、溶接不良などによる組立て不良や組立てのバラツキが無くなる。したがって、再現性が高くなり、量産性に優れたものとなる。

また、従来のようにトップフォイルの一端側を軸受ハウジングにスポット溶接して止端とし、他端側を自由端としたタイプのものでは、回転軸を逆回転させた際、トップフォイルが回転軸に巻き付くおそれがある。これに対して本実施形態のラジアルフォイル軸受３は、図２（ａ）に示すようにほとんど左右対称となっているため、回転軸１の正回転にも逆回転にも共に対応して同等に機能するようになる。したがって、回転軸が逆回転する回転機械にも適用可能となる。

また、トップフォイル１０の両端部に薄肉部２４を形成しているので、トップフォイル１０は、前記したようにこれら両端部においても回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）が発生しないようになる。したがって、プリロードによって始動トルクが高くなったり、運転中の発熱が設定以上に高くなることを防止することができる。
また、トップフォイル１０の両端部に薄肉部２４を形成しているので、例えば従来のようにトップフォイルの両端部を軸受ハウジングの内曲面（内周面）になじませるための、熱処理工程が不要になる。
さらに、トップフォイル１０の両端部に薄肉部２４を形成したことで、周囲流体が流入する側のトップフォイル１０の端部側(従来型の自由端側に相当)が柔らかくなっているため、前記したように周囲流体がトップフォイル１０と回転軸１との間に流入し易くなる。したがって、より低い回転数で流体潤滑膜が形成されるようになり、始動性が向上する。

また、軸受ハウジング１２の内周面の両側端部にそれぞれ形成した係合凸部３３ａに、バックフォイル片１１ａの両側周縁部にそれぞれ形成した係合切欠１１ｄを係合させることにより、バックフォイル片１１ａを軸受ハウジング１２に固定しているので、バックフォイル片１１ａに対してスポット溶接や曲げ加工を行うことなく、バックフォイル片１１ａを軸受ハウジング１２内に収容・固定することができる。したがって、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）のスポット溶接や、バックフォイル１１の歪みの影響によってトップフォイル１０に歪みが生じるのを防止し、トップフォイル１０の歪みを充分に少なくすることができる。よって、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について、設計通りの良好な性能を発揮させることができる。

次に、本発明のラジアルフォイル軸受の第２実施形態を説明する。
本実施形態のラジアルフォイル軸受も、図１に示したターボ機械に適用されるラジアルフォイル軸受である。本実施形態のラジアルフォイル軸受が第１実施形態のラジアルフォイル軸受３と異なるところは、トップフォイルの形状、及びこれに対応する軸受ハウジングの係合溝の形状である。

すなわち、図８（ａ）に示すように本実施形態のラジアルフォイル軸受のトップフォイル４０は、一方の辺側（短辺側）に一つの凸部４１ａと一つの凹部４２ａとを有してなる第１の凹凸部４３ａが形成され、前記一方の辺（短辺）と反対の他方の辺側（短辺側）に、一つの凸部４１ｂと一つの凹部４２ｂとを有してなる第２の凹凸部４３ｂが形成されている。第２の凹凸部４３ｂの凹部４２ｂは、第１の凹凸部４３ａの凸部４１ａに対応して形成され、第１の凹凸部４３ａの凹部４２ａは、第２の凹凸部４３ｂの凸部４１ｂに対応して形成されている。

すなわち、第２の凹凸部４３ｂの凹部４２ｂは、第１の凹凸部４３ａと第２の凹凸部４３ｂとが重なるようにトップフォイル４０を円筒状に巻いた際、該凹部４２ｂ内を凸部４１ａが通り抜けるように形成されている。同様に、第１の凹凸部４３ａの凹部４２ａは、トップフォイル４０を円筒状に巻いた際、該凹部４２ａ内を凸部４１ｂが通り抜けるように形成されている。なお、本実施形態では、凹部４２ｂ、４２ａの幅が、対応する凸部４１ａ、４１ｂの幅より充分広くなるように形成されている。また、凸部４１ａ、４１ｂの幅は、第１実施形態と同様に、後述する係合溝の長さに対応してこれとほぼ一致するように形成されている。

軸受ハウジング２５の内周面に形成された通し溝１３には、図９（ａ）、（ｂ）に示すように固定具５０が嵌め込まれて係止している。固定具５０は、通し溝１３に嵌め込まれて収容される棒状（四角柱状）の基部１７と、基部１７の両端部に形成されて前記係止溝１４、１４に係止する一対の折曲片１８、１８と、基部１７の中央部に形成されて折曲片１８と反対の側に突出する一つの隔壁部５１と、を有して構成されている。

すなわち、この固定具５０は、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示した固定具１６に対し、二つの隔壁片１９に代えて一つの隔壁部５１が形成されている点のみ、異なっている。したがって、本実施形態では、図９（ａ）、（ｂ）に示すように隔壁部５１の両側に一つずつ、計２箇所に係合溝５２が形成されている。なお、隔壁部５１は、前記隔壁片１９に比べて充分に長く形成されており、この隔壁部５１に対応する箇所では、図９（ｂ）に示すように係合溝が形成されない。すなわち、本実施形態では、通し溝１３の全長に係合溝５２が形成されることなく、図８（ａ）に示した凸部４１ａ、４１ｂが配置される位置に係合溝５２が形成されている。

このような構成のラジアルフォイル軸受にあっても、第１実施形態のラジアルフォイル軸受３と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、凹部４２ｂ、４２ａから引き出した凸部４１ａ、４１ｂを、軸受ハウジング１２の内周面の通し溝１３に固定具５０で形成した係合溝５２に係合させているので、トップフォイル２１に対してスポット溶接や曲げ加工を行うことなく、また、両端部から中心部に向かう強い反力を生じさせることなく、トップフォイル４０を軸受ハウジング１２内に収容・固定することができる。したがって、トップフォイル４０に歪みが生じるのを防止し、トップフォイル４０の歪みを充分に少なくすることができるため、軸受の負荷能力や動特性(剛性と減衰)について、設計通りの良好な性能を発揮させることができる。

また、トップフォイル４０の両端部に薄肉部２４を形成しているので、トップフォイル４０は、前記したようにこれら両端部においても回転軸１を締め付ける力（局所的なプリロード）が発生しないようになる。したがって、プリロードによって始動トルクが高くなったり、運転中の発熱が設定以上に高くなることを防止することができる。

また、トップフォイル４０と軸受ハウジング１２との間で軸方向のずれが生じた際にも、通し溝１３が長さ方向に分割されて形成された係合溝５２に係合する凸部４１ａ、４１ｂが、該係合溝５２の端部（隔壁部５１）に規制されてその移動が停止させられることにより、それ以上のずれを防止することができる。したがって、トップフォイル１０が軸受ハウジング１２から脱落することを確実に防止することができる。

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、前記実施形態では第１の凹凸部、第２の凹凸部を、それぞれ一つ又は二つの凸部と凹部とによって形成したが、これら凸部と凹部の数については、三つ以上であってもよい。
また、薄肉部２４については、例えばその表裏両面をエッチング加工し、薄厚（薄肉）に形成してもよい。

さらに、バックフォイル片１１ａの係合切欠１１ｄに係合させる係合凸部については、係止部材３０によって形成することなく、軸受ハウジング１２の内周面に直接形成してもよい。
また、バックフォイル１１を３つのバックフォイル片１１ａによって構成したが、バックフォイル１１については、１枚の金属箔を略円筒状に成形した単一のもので構成してもよい。さらに、複数のバックフォイル片１１ａで構成する場合には、２つ、または４つ以上のバックフォイル片１１ａでバックフォイル１１を構成するようにしてもよい。

１…回転軸、３…ラジアルフォイル軸受、１０、４０…トップフォイル、１１…バックフォイル、１２…軸受ハウジング、１３…通し溝、１４…係止溝、１５…係止凹部、１６、５０…固定具、１７…基部、１８…折曲片、１９…隔壁片、２０、５２…係合溝、２１ａ、２１ｂ、４１ａ、４１ｂ…凸部、２２ａ、２２ｂ、４２ａ、４２ｂ…凹部、２３ａ、４３ａ…第１の凹凸部、２３ｂ、４３ｂ…第２の凹凸部、２４…薄肉部、５１…隔壁部

Claims (5)

1. 回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であって、
   前記回転軸に対向して配置される円筒状のトップフォイルと、前記トップフォイルの径方向外側に配置されるバックフォイルと、前記トップフォイル及び前記バックフォイルを内挿した状態に収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備え、
   前記軸受ハウジングの内周面には、その軸方向に沿って一端から他端に連続する通し溝が形成され、
   前記通し溝には、該通し溝をその長さ方向に分割して複数の係合溝を形成する固定具が嵌め込まれ、
   前記通し溝と前記固定具とには、前記固定具が前記通し溝の長さ方向に移動するのを規制する規制部が設けられ、
   前記トップフォイルは、矩形状で、一方の辺側に凸部と凹部とを有してなる第１の凹凸部を有し、前記一方の辺と反対の他方の辺側に、前記第１の凹凸部の凸部に対応する位置に凹部を形成し、かつ前記第１の凹凸部の凹部に対応する位置の少なくとも一部に凸部を形成する第２の凹凸部を有する金属箔が、前記第１の凹凸部と前記第２の凹凸部とが重なるように円筒状に巻かれるとともに、前記第１の凹凸部および前記第２の凹凸部における各凸部が、それぞれ対応する前記第２の凹凸部および前記第１の凹凸部における各凹部を通って前記軸受ハウジング側に引き出されて形成され、
   前記軸受ハウジング側に引き出された凸部が、それぞれ対応する前記係合溝に係合していることを特徴とするラジアルフォイル軸受。
2. 前記通し溝の内側面には、前記凸部の先端部を係止させる係止凹部が前記通し溝の長さ方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１記載のラジアルフォイル軸受。
3. 前記規制部は、前記軸受ハウジングの両側面において前記通し溝の両端部にそれぞれ連通して該軸受ハウジングの厚さ方向に形成された係止溝と、前記固定具の両端部にそれぞれ形成されて前記係止溝に係止する折曲片と、によって構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のラジアルフォイル軸受。
4. 前記トップフォイルには、前記一方の辺側と前記他方の辺側とに、これらの間の中央部に比べて薄厚な薄肉部が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ラジアルフォイル軸受。
5. 前記薄肉部は、その外周面が前記中央部の外周面より凹んだ状態に形成されていることを特徴とする請求項４記載のラジアルフォイル軸受。

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