JP6268847B2 - スラスト軸受 - Google Patents

Description

本発明は、スラスト軸受に関する。

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軸受が知られている。このようなスラスト軸受としては、フォイル式のスラスト軸受、すなわちスラストフォイル軸受がよく知られている。この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。

このようなスラストフォイル軸受の一形態として、円環板を周方向に分割して切り出した複数の円輪（円環）片形状のフォイル片（トップフォイル片）によって軸受面を形成し、これらトップフォイル片をそれぞれ波板形状のフォイル片（バンプフォイル片）で支持した構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。各々のトップフォイル片（厚さ１００μｍ前後）はスラストカラーに対して傾斜角を有しており、これによってスラストカラーとトップフォイル片との間の軸受隙間は側面視くさび形に形成される。すなわち、スラストカラー（回転軸）の回転方向上流側から下流側に向かうに連れて軸受隙間が狭くなるように形成されている。したがって、軸受隙間が広い側(上流側)から軸受隙間が狭い側（下流側）に向かってスラストカラーが回転すると、潤滑流体がくさびに流れ込み、負荷能力が発揮される。

トップフォイル片は、スラストカラー（回転軸）の回転方向上流側の端辺のみがベースプレートに固定されており、軸受荷重が増加すると、この固定辺(上流側の端辺)を支点としてトップフォイルは水平になるように傾斜を緩め、傾斜角が０．１°程度になったとき最大負荷能力を発生する。一方、バンプフォイル片は山の稜線がトップフォイル片の下流側端辺に平行になるように配置され、バンプフォイル片におけるスラストカラー（回転軸）の回転方向下流側の端辺のみがベース板に固定されている。すなわち、上流側の端辺は自由端となっている。

バンプフォイル片がこのように配置／固定されているのは、トップフォイル片に発生する流体潤滑膜の圧力が軸受隙間の狭い側(下流側)で高くなるためであり、該部位を高い剛性で支持することにより、負荷能力を高めるためである。

特開平１０−３３１８４７号公報

ところで、前記のスラストフォイル軸受構造では、トップフォイルの下流側端辺側で軸受隙間が最も狭くなっており、高負荷時にはサブミクロンに達することがある。したがって、この下流側端辺側ではスラストカラーとの接触が起こり易くなっており、接触が起こると軸受寿命が低下し、最悪の場合焼き付きが生じてしまう。これを避けるには、トップフォイルの下流側端辺とスラストカラーとを常に平行にしておくのが望ましい。

しかしながら、前記スラストフォイル軸受では、その外周端側でのスラストカラーの周速が内周端側での周速に比べて速いため、外周端側では流体潤滑膜の圧力(膜圧)が高くなり、内周端側では周速が遅いため圧力（膜圧）が低くなる。このため、トップフォイルの外周端側はバンプフォイル側へ押し込まれてスラストカラーから離れる方向へ動くものの、内周端側はスラストカラーの側へ起き上がることにより、スラストカラーに近づいてしまう。

その結果、トップフォイルの下流側端辺側では、内周端側における流体潤滑膜の膜厚が極端に薄くなり、高負荷に耐えられなくなる。このため、従来では例えばバンプフォイルを径方向にて複数に分割し、（ａ）内周端側に剛性の低いバンプフォイルを配置したり、（ｂ）内周端側のバンプフォイルの山の高さを低くしたりすることにより、トップフォイル内周端側への支持力を弱め、トップフォイル内周端側の起き上がりを抑制している。
しかし、前記（ａ）ではバンプフォイルの設計、すなわち内外でバンプフォイルの剛性を適切にコントロールすることが難しいといった課題がある。また、前記（ｂ）ではバンプフォイルの山の高さを１０μｍレベルでコントロールする必要があるため、その製作が難しく、特に量産時の品質制御が非常に困難である。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、トップフォイル片の下流側端辺側がスラストカラーに接触するのを防止し、これによって軸受寿命の低下や焼き付きを防止した、スラスト軸受を提供することにある。

本発明のスラスト軸受は、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軸受であって、
前記スラストカラーに対向して配置されるトップフォイルと、
前記トップフォイルの、前記スラストカラーに対向する面と反対側の面に対向して配置されて、該トップフォイルを支持するバックフォイルと、
前記バックフォイルの、前記トップフォイル側と反対の側に配置されて、該バックフォイルを支持する円環板状のベースプレートと、を備え、
前記バックフォイルは、前記ベースプレートの周方向に配列された複数のバックフォイル片によって形成され、
前記トップフォイルは、前記バックフォイル片の上にそれぞれ配設された複数のトップフォイル片によって形成され、
前記トップフォイル片には、前記回転軸の回転方向上流側に、前記ベースプレートに固定される固定部が形成されるとともに、前記バックフォイル片に対向する面が削られたことにより、その内周端側に外周端側より薄肉に形成された内周端側薄肉部が形成されていることを特徴とする。

このスラスト軸受によれば、前記バックフォイル片に対向する面が削られたことにより、トップフォイル片の内周端側に外周端側より薄肉に形成された内周端側薄肉部が形成されているので、この内周端側は外周端側に比べて撓み易くなる。また、この内周端側では内周端側薄肉部によってバックフォイル片との間に隙間が形成されるので、内周端側はバックフォイル片側に押し込まれ易くなっている。その際、この内周端側では前記隙間によってバックフォイル片によりトップフォイル片をスラストカラー側へ押し返す力が生じにくくなる。よって、該スラスト軸受の内周端側でのスラストカラーの周速が外周端側での周速に比べて遅いことにより、内周端側がスラストカラーの側へ起き上がり易くなることが抑制され、トップフォイル片がスラストカラーに近づいてこれに接触することが防止される。

また、前記スラスト軸受においては、前記固定部および該固定部の近傍部で該固定部より前記回転軸の回転方向下流側に、前記外周端側より薄肉に形成された固定部側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、トップフォイル片における回転軸の回転方向下流側が容易にかつ円滑に傾斜できるようになり、したがって、例えばスラストカラーが一対のトップフォイルによって挟み込まれているような場合に、始動トルクが低減する。また、回転軸が回転を開始した後も、トップフォイル片が容易にかつ円滑に傾斜するため、最適傾斜角が得られ易くなり、負荷能力が向上する。

また、前記スラスト軸受において、前記トップフォイル片は、円環板をその周方向にて分割した円弧板状に形成されており、前記内周端側薄肉部とこれの外周端側との境界線は、前記トップフォイル片の内周端の周方向に沿う円弧状になっていることが好ましい。
このようにすれば、トップフォイル片の内周端側がスラストカラーの側へ起き上がり易くなることが、回転軸の回転方向上流側から下流側にかけてほぼ均一に抑制され、したがってトップフォイル片がスラストカラーに近づいてこれに接触することがより確実に防止される。

また、前記スラスト軸受において、前記固定部は、前記回転軸の回転方向下流側に位置する直線状の固定辺を含んで形成され、前記バックフォイル片は、山部と谷部とを交互に形成した波板状のバンプフォイル片によって形成されるとともに、前記山部の配列方向が前記固定辺と交差して配置され、前記トップフォイル片には、前記バンプフォイル片に対向する面の一部が削られたことにより、前記谷部に対向する箇所に、前記山部に対向する箇所に比べて薄肉に形成された谷部側薄肉部が形成されていることが好ましい。
流体潤滑膜の圧力がトップフォイル片に作用すると、トップフォイル片の内周端と外周端に挟まれた径方向の中央部では、バックフォイル側への撓みが大きくなり、同部位において流体潤滑膜の圧力が低下して負荷能力が下がる。
そこで、谷部側薄肉部を形成することにより、トップフォイル片は回転軸の回転方向上流側から下流側にかけて、すなわち周方向において曲がり易くなるものの、径方向では曲がり難さ（曲げ剛性）が維持される。したがって、トップフォイル片を形成する板材を従来に比べて厚いものを用いることにより、周方向においては従来と同様の曲がり易さを維持しつつ、径方向では従来より曲がり難くして中央部でのバックフォイル側への撓みを抑制することができる。

また、前記スラスト軸受において、前記山部は、その高さが前記固定辺側から前記回転軸の回転方向下流側に向かうに連れて高くなるように形成されていることが好ましい。
このようにすれば、バンプフォイル片によってトップフォイル片を弾性的に支持することができる。

また、前記スラスト軸受において、前記ベースプレートには、前記バックフォイル片を支持する各支持領域に、前記トップフォイル片の前記固定辺側から前記回転軸の回転方向下流側の端辺側に向かうに連れて高さが増加する傾斜面が形成されていることが好ましい。
このようにすれば、この傾斜面上にバックフォイル片を介してトップフォイル片を配設することにより、トップフォイル片の高さを傾斜面に沿って精度よく変化させることができる。また、その際にバックフォイル片については、高さを変化させることなく一定の高さに作製すればよく、したがって加工コストを抑えることができる。

また、前記スラスト軸受において、前記バックフォイル片は、山部と谷部とを交互に形成した波板状のバンプフォイル片によって形成されるとともに、前記山部の配列方向が前記傾斜面の傾斜方向に一致するように配置されていることが好ましい。
このようにすれば、バンプフォイル片によってトップフォイル片を弾性的に支持することができる。

また、前記スラスト軸受において、前記バンプフォイル片は、前記回転軸の回転方向下流側の端辺で前記ベースプレートに固定されていることが好ましい。
このようにすれば、トップフォイル片に発生する流体潤滑膜の圧力が軸受隙間の狭い側、すなわち回転軸の回転方向下流側で高くなるようにするべく、この回転方向下流側を高い剛性で支持することができ、これによって負荷能力を高めることができる。

本発明のスラスト軸受によれば、トップフォイル片の内周端側に外周端側より薄肉の内周端側薄肉部を形成し、内周端側を撓み易くするとともに、この内周端側でバックフォイル片との間に隙間を形成しているので、内周端側でバックフォイル片によりトップフォイル片がスラストカラー側へ押し返される力を生じにくくすることができる。よって、該スラスト軸受の内周端側でのスラストカラーの周速が外周端側での周速に比べて遅いことにより、内周端側がスラストカラーの側へ起き上がり易くなることを抑制し、トップフォイル片がスラストカラーに近づいてこれに接触することを防止することができ、これによって軸受寿命の低下や焼き付きを防止することができる。

本発明に係るスラスト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。 本発明に係るスラスト軸受の第１実施形態を示す図であり、スラストカラーを挟んだ状態のスラスト軸受の側面図である。 本発明に係るスラスト軸受の第１実施形態を示す図であり、（ａ）は一部を断面視したスラスト軸受３の平面図、（ｂ）はトップフォイル片の構成を説明するためにその裏面を示す平面図と側面図とを対応させた説明図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｄ）はバンプフォイル片の形状を説明するためにその平面図と側面図とを対応させた説明図である。 本発明に係るスラスト軸受の第２実施形態を説明するための図であり、（ａ）はトップフォイル片の裏面を示す平面図と側面図とを対応させた説明図、（ｂ）は図３（ｃ）に対応する位置での断面図である。 本発明に係るスラスト軸受の第３実施形態を説明するための図であり、（ａ）はトップフォイル片の裏面を示す平面図と側面図とを対応させた説明図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線矢視断面図、（ｃ）は谷部側薄肉部の説明図である。 本発明に係るスラスト軸受の第４実施形態を示す図であり、（ａ）は一部を断面視したスラスト軸受の平面図、（ｂ）はトップフォイル片の構成を説明するためにその裏面を示す平面図と側面図とを対応させた説明図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図、（ｄ）はバンプフォイル片の形状を説明するためにその平面図と側面図とを対応させた説明図である。

以下、図面を参照して本発明のスラスト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、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本発明のスラスト軸受が適用されるターボ機械の一例を模式的に示す側面図であり、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は本発明に係るスラスト軸受である。

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には、このスラストカラー４を挟持するようにして一対のスラスト軸受３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。
また、回転軸１には、スラストカラー４より中央側に、ラジアル軸受７が設けられている。

図２、図３（ａ）〜（ｄ）は、このような構成のターボ機械に適用されたスラスト軸受３の第１実施形態を示す図であり、図２はスラストカラー４を挟んだ状態のスラスト軸受３の側面図である。また、図３（ａ）は一部を断面視したスラスト軸受３の平面図、（ｂ）はトップフォイル片の構成を説明するためにその裏面を示す平面図と側面図とを対応させた説明図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｄ）はバンプフォイル片の形状を説明するためにその平面図と側面図とを対応させた説明図である。

図２に示すようにこの第１実施形態では、スラスト軸受３Ａ（３）はスラストカラー４を挟んでその両側にそれぞれ配置されている。これら一対のスラスト軸受３Ａ（３）は、共に同じ構成となっており、回転軸１に固定された円板状のスラストカラー４に対向して配置された円環状（円筒状）のもので、回転軸１に外挿されて設けられている。

スラスト軸受３Ａは、スラストカラー４に対向して配置されたトップフォイル１０と、このトップフォイル１０の、前記スラストカラー４に対向する面と反対側の面に対向して配置されたバックフォイル２０と、このバックフォイル２０の、前記トップフォイル１０側と反対の側に配置された円環板状のベースプレート３０と、を備えて構成されている。本実施形態では、一対のスラスト軸受３Ａ、３Ａの、それぞれのベースプレート３０、３０間に、二点鎖線で示す円筒状の軸受スペーサ４０が挟持されており、ベースプレート３０、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。また、一方のベースプレート３０は、その外面が締結ボルト４１によってハウジング５に固定されており、したがって一対のスラスト軸受３Ａ、３Ａは、スラストカラー４を挟んだ状態で締結ボルト４１によってハウジング５に固定されている。

ベースプレート３０は、図３（ａ）に示すように厚さ数ｍｍ程度の円環板状で金属製のもので、その外周部に前記締結ボルト４１を挿通するための貫通孔４２を複数（本実施形態では８個）形成している。このベースプレート３０には、前記スラストカラー４側の面に、前記バックフォイル２０やトップフォイル１０を支持するための支持領域が設けられている。本実施形態では、後述するようにバックフォイル２０、トップフォイル１０がいずれも複数枚（６枚）のバックフォイル片２１、トップフォイル片１１によって形成されており、したがってベースプレート３０は、その周方向を６分割（６つに等分割）して６つの支持領域３１を形成している。ただし、本実施形態では、これら６つの支持領域３１は設計上の領域であり、これら支持領域３１を形成するベースプレート３０の表面は単なる平面となっている。

これら各支持領域３１には、図２に示したようにそれぞれバックフォイル片２１、トップフォイル片１１がこの順に配置され、支持されている。
図３（ａ）、（ｃ）、（ｄ）に示すようにバックフォイル２０は、ベースプレート３０の周方向に配列された６枚のバックフォイル片２１によって形成されている。これらバックフォイル片２１は、ベースプレート３０の各支持領域３１上にそれぞれ配置され、これによってベースプレート３０の周方向に配列されている。また、これらバックフォイル片２１は、後述するトップフォイル片１１より僅かに小さく形成され、したがって図３（ａ）に示すようにベースプレート３０上にてスラストカラー４側に露出することなく、トップフォイル片１１に覆われている。

これらバックフォイル片２１からなるバックフォイル２０は、フォイル（薄板）で形成されてトップフォイル１０（トップフォイル片１１）を弾性的に支持する。このようなバックフォイル２０としては、例えば、バンプフォイル、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。なお、特開２００６−５７６５２号公報や特開２００４−２７０９０４号公報に記載されているスプリングフォイル、特開２００９−２９９７４８号公報に記載されているバックフォイルは、ラジアル軸受に用いられるフォイルであるが、これらを平面状に展開して円環板状に形成すれば、スラスト軸受に用いられるフォイルとなる。

本実施形態では、図３（ｄ）に示すようにバックフォイル２０がバンプフォイルからなり、したがってバックフォイル片２１はバンプフォイル片からなっている。バンプフォイル片（バックフォイル片）２１は、厚さ数百μｍ程度のフォイル（金属製薄板）がプレス成形によって波板状に成形され、図３（ｄ）に示すように全体が略五角形状に形成されている。

このように波板状に成形されたバンプフォイル片２１は、ベースプレート３０に接する谷部２２と、トップフォイル片１１に接する山部２３とが交互に配置されて形成されている。そして、これら谷部２２及び山部２３は、図３（ａ）に示すように後述するトップフォイル片１１の固定辺１２と交差する方向に配列されている。

これら谷部２２および山部２３は、それぞれほぼ等ピッチで形成されている。また、山部２３の高さは、前記固定辺１２側からその反対側、すなわち図３（ａ）中に矢印で示す回転軸１（スラストカラー４）の回転方向の下流側に向かうに連れて、所定の高さずつ高くなるように形成されている。
また、バンプフォイル片２１は、回転軸１の回転方向下流側の端辺２１ａが、後述するトップフォイル片１１における回転軸１の回転方向下流側の端辺１１ａと平面視した状態でほぼ一致する位置に配置されている。そして、この端辺２１ａとなる谷部２２の形成方向に沿って、ベースプレート３０にスポット溶接（点付溶接）され、固定されている。

その際、バンプフォイル片２１の端辺２１ａは、全体が連続する一つの谷部２２によって形成されているため、この谷部２２全体を容易に溶接することができる。したがって、バンプフォイル片２１は、溶接による固定が容易に行えるようになっている。
なお、ベースプレート３０への端辺２１ａの固定については、スポット溶接以外にも、例えばネジ止めなどによって行うことができる。

トップフォイル１０も、図３（ａ）に示すようにベースプレート３０の周方向に配列された６枚のトップフォイル片１１によって形成されている。これらトップフォイル片１１は、円環板をその周方向にて分割した円弧板状、すなわち、厚さ数百μｍ程度の金属製の薄板（フォイル）により、扇形の頂点側を切り除いて内周端側、外周端側をそれぞれ円弧状とした円弧板状のものである。
そして、このような形状のトップフォイル片１１は、ベースプレート３０の各支持領域３１上にて前記バンプフォイル片２１を覆ってそれぞれ配置され、ベースプレート３０の周方向に等間隔で配列されて全体として略円環板状に配置されたことにより、トップフォイル１０を形成している。

なお、トップフォイル片１１は支持領域３１より一回り小さく形成されるとともに、バンプフォイル片２１より僅かに大きく形成されている。これによってトップフォイル片１１は、互いに干渉することなく、また、バンプフォイル片２１をスラストカラー４側に露出させることなく、その上面を覆った状態で各支持領域３１に配置されている。ただし、本発明はこれに限定されることなく、トップフォイル片１１をバンプフォイル片２１と同じ大きさに形成してもよく、あるいは、バンプフォイル片２１より小さく形成してもよい。

また、このトップフォイル片１１は、回転軸１（スラストカラー４）の回転方向上流側に固定部１３を有しており、この固定部１３によってベースプレート３０に固定されている。この固定部１３でのベースプレート３０への固定は、前記バンプフォイル片２１の端辺２１ａと同様に、スポット溶接（点付溶接）によってなされている。なお、この固定部１３のベースプレート３０への固定についても、スポット溶接以外に、例えばネジ止めなどで行うこともできる。

固定部１３は、回転軸１（スラストカラー４）の回転方向上流側に設けられていれば、面状であっても直線状であってもよいが、本実施形態ではある程度の幅を有する直線状に形成された、固定辺１２となっている。

また、このトップフォイル片１１は、図３（ｃ）に示すようにその固定辺１２側が曲げ加工されており、これによってバンプフォイル片２１の山部２３の高さ分の段差を吸収できるように立ち上げられ、固定辺１２より端辺１１ａ側が山部２３上に載せられている。一方、端辺１１ａ（トレーディングエッジ）側は、固定されることなく単にバンプフォイル片２１の山部２３上に支持された自由端となっている。

また、このトップフォイル片１１には、前記バックフォイル片２１に対向する面がエッチング加工等によって削られたことにより、図３（ｂ）中にドット地で示すように、その内周端側に外周端側より薄肉に形成された内周端側薄肉部１５が形成されている。これによってトップフォイル片１１は、その内周端側が外周端側に比べて撓み易くなっている。
本実施形態では、この内周端側薄肉部１５とこれの外周端側との境界線１５ａ、すなわち段差部は、トップフォイル片１１の内周端や外周端の周方向に沿う円弧状になっている。なお、本実施形態では、前記の固定辺１２（固定部１３）やこれに隣接して配置された曲げ加工部分を含む近傍部１２ａには、内周端側薄肉部１５が形成されていない。

内周端側薄肉部１５の、トップフォイル片１１における径方向の幅Ｗ１については、トップフォイル片１１全体の径方向の幅Ｗ２に対して１／２以下とするのが、後述するようにトップフォイル片１１の内周端側の、スラストカラー４側への起き上がりを抑制しつつ、トップフォイル片１１の外周端側を従来と同様に機能させることができ、好ましい。また、幅Ｗ１を、幅Ｗ２に対して１／８以上とするのが、トップフォイル片１１の内周端側の、スラストカラー４側への起き上がりを確実に抑制するうえで、好ましい。

内周端側薄肉部１５の削り量、すなわち外周端側の肉厚に対する差は、１０〜２０μｍ程度であればよい。このような肉厚分を削って外周端側に対し内周端側薄肉部１５を１０〜２０μｍ程度薄く形成することにより、この差分に相当する隙間を、前記バンプフォイル片２１の山部２３の頂点との間に形成することができる。この隙間は、スラストカラー４とトップフォイル片１１との間に形成される流体潤滑膜に影響するものであり、この流体潤滑膜も充分薄厚であるため、前記隙間は１０〜２０μｍ程度でも充分に機能する。また、この程度の削り量であれば、トップフォイル片１１の内周端側を極端に曲がり易くすることなく、スラストカラー４側への起き上がりを良好に抑制することが可能になる。

ここで、本実施形態では前記したようにバンプフォイル片２１の谷部２２及び山部２３がトップフォイル片１１の固定辺１２と交差する方向に配列するように、バンプフォイル片２１を配置している。したがって、これら谷部２２や山部２３は、トップフォイル片１１の固定辺１２や端辺１１ａの長さ方向に延在し、特に端辺１１ａに対しては平行に延在している。よって、このバンプフォイル片２１上に載置されることによってトップフォイル片１１は、前記山部２３の配列方向に沿って固定辺１２側から端辺１１ａ側に向かうに連れて、漸次ベースプレート３０の内面から遠ざかるようにバンプフォイル片２１の山部２３によって設定された初期傾斜角で傾斜して配置されている。

ここで、初期傾斜角とは、荷重がゼロのときのベースプレート３０に対するトップフォイル片１１の傾斜角である。また、傾斜角とは、図３（ｄ）に示すようにバンプフォイル片２１の山部２３の高さ増加量によって決まる角度（勾配）θである。したがって、荷重が増すとバンプフォイル片２１の山部２３がベースプレート３０側に押し込まれ、全体が平坦化することにより、傾斜角θは初期傾斜角より小さくなる。

このような構造において、トップフォイル片１１はその端辺１１ａがバンプフォイル片２１の谷部２２や山部２３の延在方向と平行に形成配置されており、バンプフォイル片２１はその山部２３の配列方向が端辺１１ａと直交している。そのため、トップフォイル片１１の自由端となる端辺１１ａは、初期傾斜角の状態でも、また、スラストカラー４の回転によってトップフォイル片１１を介してバンプフォイル片２１に荷重が加わり、傾斜角θが小さくなった際にも、そのベースプレート３０からの高さがほぼ一定になる。

次に、このような構成からなるスラスト軸受３Ａ（３）の作用について説明する。
本実施形態では、図２に示したようにスラスト軸受３Ａをスラストカラー４の両側に設けている。このようにスラストカラー４の両側に設けることにより、スラスト方向の移動量を極力抑えることができる。すなわち、スラスト移動量を小さくすることにより、図１に示したチップクリアランス６を狭くすることができ、これによってターボ機械としての流体性能を向上することができる。

スラスト方向の移動量を極力抑えるため、両スラスト軸受３Ａはスラストカラー４に対して大きな隙間が生じないように近接して設置される。これにより、両スラスト軸受３Ａのトップフォイル片１１（トップフォイル１０）はスラストカラー４に対して若干押し付けられた状態になる。

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とトップフォイル片１１は擦れ合いつつ、両者の間に形成されたくさび形の空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片１１（トップフォイル１０）はバンプフォイル片２１（バックフォイル２０）側へ押し付けられ、スラストカラー４はトップフォイル片１１との接触状態を脱し、非接触で回転するようになる。

スラスト荷重が加わると、トップフォイル片１１はさらにバンプフォイル片２１側へ押され、トップフォイル片１１の傾斜角θは浅く（小さく）なる。その際、スラスト軸受３Ａ（３）ではその外周端側でのスラストカラー４の周速が内周端側での周速に比べて速いため、周速が遅い内周端側ではトップフォイル片１１がスラストカラー４の側へ起き上がり易くなっている。

しかし、本実施形態では、トップフォイル片１１の内周端側に内周端側薄肉部１５が形成されているので、この内周端側が外周端側に比べて撓み易くなっている。また、この内周端側では内周端側薄肉部１５によってバンプフォイル片（バックフォイル片）２１との間に隙間が形成されるので、内周端側はバンプフォイル片２１側に押し込まれ易くなっている。その際、この内周端側では前記隙間によってバンプフォイル片２１によりトップフォイル片１１をスラストカラー４側へ押し返す力が生じにくくなっている。よって、該スラスト軸受３Ａ（３）の内周端側でのスラストカラー４の周速が外周端側での周速に比べて遅いことにより、内周端側がスラストカラー４の側へ起き上がり易くなることが抑制される。すなわち、内周端側はスラストカラー４の側へ起き上がり難くなっている。

また、内周端側がバンプフォイル片２１側へ押し込まれて前記隙間が無くなっても、外周端側に比べると隙間の分だけバンプフォイル片２１のバネ力が弱くなっているので、内周端側は前述のとおりスラストカラー４の側へ起き上がり難くなる。
よって、スラスト荷重がさらに増して流体潤滑膜の膜厚がさらに薄くなったとしても、トップフォイル片１１はスラストカラー４に接触し難くなり、結果としてより高いスラスト荷重を受けることが可能になる。

本実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）にあっては、トップフォイル片１１の内周端側に外周端側より薄肉の内周端側薄肉部１５を形成し、内周端側を撓み易くするとともに、この内周端側でバンプフォイル片２１との間に隙間を形成しているので、内周端側でバンプフォイル片２１によりトップフォイル片１１がスラストカラー４側へ押し返される力を生じにくくすることができる。よって、内周端側でのスラストカラー４の周速が外周端側での周速に比べて遅いことにより、内周端側がスラストカラー４の側へ起き上がり易くなることを抑制し、トップフォイル片１１がスラストカラー４に近づいてこれに接触することを防止することができ、これによって軸受寿命の低下や焼き付きを防止することができる。

また、このように内周端側薄肉部１５を形成することで軸受寿命の低下や焼き付きを防止したので、バンプフォイル片（バックフォイル片）２１として、内周端側と外周端側とで同じ剛性、同じ山の高さのものを用いることができる。これにより、その設計や制作を容易にすることができる。例えば、内外周が一体化したバンプフォイル片を、プレス成型によって容易に制作することができる。また、内外周間で山の高さを同一にしたバンプフォイル片２１を用いることができるので、寸法管理が容易になる。よって、このようにバンプフォイル片２１の設計・制作を容易にし、寸法管理も容易にしたので、バンプフォイル片２１の制作コストを低減することができる。

次に、本発明のスラスト軸受の第２実施形態について説明する。
第２実施形態のスラスト軸受が第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）と主に異なるところは、トップフォイル片として、図４（ａ）、（ｂ）に示す構成のものを用いた点にある。ここで、図４（ａ）はトップフォイル片５０の裏面を示す平面図と側面図とを対応させた説明図、図４（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である図３（ｃ）と同じ位置での断面図である。

図４（ａ）、（ｂ）に示したトップフォイル片５０が図３（ｂ）に示したトップフォイル片１１と異なるところは、トップフォイル片５０の固定辺１２とその近傍部、すなわち固定辺１２と該固定辺１２に対して回転軸１の回転方向下流側に位置する近傍部が、その他の部位に比べて薄肉に形成された固定部側薄肉部１４となっている点にある。

固定部側薄肉部１４は、固定辺１２の長さ方向に沿って直線状に形成されたもので、前記内周端側薄肉部１５と同様に、エッチング加工等によって形成されている。この固定部側薄肉部１４については、同じエッチング加工工程によって内周端側薄肉部１５と同時に形成し、これと同じ薄さに形成することができる。また、例えば内周端側薄肉部１５より薄くしたい場合などでは、内周端側薄肉部１５のエッチング加工とは別工程で、固定部側薄肉部１４を形成することもできる。

本実施形態では、固定部側薄肉部１４によって該固定部側薄肉部１４より回転軸１の下流側をより曲がり易くするべく、固定部側薄肉部１４を内周端側薄肉部１５より薄く形成するのが好ましい。そのため、トップフォイル片５０の板材（薄板）に対してエッチング加工を２回行い、内周端側薄肉部１５の加工と固定部側薄肉部１４の加工とをそれぞれ別に行う。固定部側薄肉部１４の厚さについては、エッチングによる削り加工を行わない外周端側の厚さ（数百μｍ程度）の、５０％〜７０％程度の厚さとするのが好ましい。このような厚さに形成することで、これより回転軸１の下流側をより曲がり易くすることができる。

また、この固定部側薄肉部１４は、図４（ｂ）に示すバックフォイル片２１に対して、その山部２３のうち固定辺１２に最も近い山部２３の頂点（稜線）にかからないように、形成されている。すなわち、固定部側薄肉部１４は、固定辺１２を含んでこれと該固定辺１２側の山部２３の頂点（稜線）との間に位置するように、その幅が設定され、形成されている。これにより、トップフォイル片５０は、固定部側薄肉部１４及び内周端側薄肉部１５以外の箇所が、全ての山部２３上に載ってこれらに均等に支持されるようになり、図３（ｄ）に示した傾斜角θが維持される。また、固定部側薄肉部１４を形成したことにより、該固定部側薄肉部１４より端辺１１ａ側がより容易にかつ円滑に傾斜できる（傾くことができる）ようになっている。さらに、このような固定部側薄肉部１４を形成することにより、該固定部側薄肉部１４以外の箇所の肉厚を、従来に比べて厚くすることも可能になる。

本実施形態にあっては、トップフォイル片５０の、固定辺１２とこれに対する回転方向下流側の近傍部に固定部側薄肉部１４を形成しているので、荷重がかかった際に端辺１１ａ側がより容易にかつ円滑に傾斜できるようになる。したがって、回転軸１が回転を開始した後も、トップフォイル片５０が容易にかつ円滑に傾斜するため、最適傾斜角が得られ易くなり、負荷能力が向上する。

ここで、高いスラスト荷重を受けているときには流体潤滑膜の圧力が高くなるので、トップフォイル片５０はバンプフォイル片２１に直接支えられていない部分、すなわちバンプフォイル片２１の谷部２２上に位置する箇所が撓み、ここから圧力が逃げて負荷能力が低下する可能性がある。

しかし、本実施形態ではトップフォイル片５０の固定辺１２側に固定部側薄肉部１４を形成しているので、トップフォイル片５０が傾斜する（曲がる）動きを妨げることなく、従来に比べてトップフォイル片５０の板材の板厚を厚くすることが可能である。したがって、このようにトップフォイル片５０の板厚を厚くことにより、バンプフォイル片２１に支えられていない部分での撓みを少なくすることができ、負荷能力の低下を抑制することができる。

次に、本発明のスラスト軸受の第３実施形態について説明する。
第３実施形態のスラスト軸受が第２実施形態のスラスト軸受と主に異なるところは、トップフォイル片として、図５（ａ）〜（ｃ）に示す構成のものを用いた点にある。ここで、図５（ａ）はトップフォイル片６０の裏面を示す平面図と側面図（前記平面図のＣ−Ｃ線矢視断面図）とを対応させた説明図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ線矢視断面図、図５（ｃ）は谷部側薄肉部の説明図である。

図５（ａ）〜（ｃ）に示したトップフォイル片６０が図４（ａ）、（ｂ）に示したトップフォイル片５０と異なるところは、図３（ｄ）に示したバンプフォイル片２１の谷部２２に対向する箇所に、山部２３に対向する箇所に比べて薄肉に形成された谷部側薄肉部１６を形成した点である。

谷部側薄肉部１６は、トップフォイル片６０の外周端から内周端あるいは側端にまで延びて溝状に形成されたもので、前記内周端側薄肉部１５や固定部側薄肉部１４と同様に、エッチング加工等によって形成されている。また、谷部側薄肉部１６については、固定部側薄肉部１４と同様の薄さにするのが好ましい。したがって、本実施形態ではトップフォイル片６０の板材に対してエッチング加工を２回行う。例えば、谷部側薄肉部１６と固定部側薄肉部１４とを同じエッチング加工工程で形成し、その後内周端側薄肉部１５については別のエッチング加工工程で形成する。なお、内周端側薄肉部１５の形成に際しては、谷部側薄肉部１６を形成した箇所はエッチング加工を行わず、谷部側薄肉部１６を避けた位置にのみ選択的にエッチング加工を行うようにする。

ここで、前記した「バンプフォイル片２１の谷部２２に対向する箇所」とは、例えば以下のようにして定義される。
すなわち、図５（ｃ）に示すようにバンプフォイル片２１の山部２３の頂点をＨとし、山部２３の谷部２２側の位置、つまり山部２３と谷部２２との境界線をＬとし、さらに頂点Ｈと境界線Ｌとのベースプレート３０上での中間点をＭとすると、谷部２２を挟んだ二つの中間点Ｍ、Ｍ間を、谷部２２に対向する箇所とする。したがって、図５（ｃ）に示すようにトップフォイル片６０の中間点Ｍ、Ｍ間に対応する箇所に、谷部側薄肉部１６を形成する。なお、図５（ｃ）では谷部２２が幅を有している場合について示したが、谷部２２が単に折り曲げ部であり、幅を有していない場合には、前記境界線Ｌが隣り合う山部２３、２３間で共通になるだけで、前記した定義はそのまま用いることができる。

本実施形態にあっては、第２実施形態と同様に固定部側薄肉部１４を形成しているので、従来に比べてトップフォイル片６０の板材の板厚を厚くすることが可能である。
ここで、流体潤滑膜の圧力がトップフォイル片６０に作用すると、トップフォイル片６０の内周端と外周端に挟まれた径方向の中央部では、バックフォイル２１側に撓み（凹み）易くなる。このような撓みが大きくなると、同部位において流体潤滑膜の圧力が低下し、負荷能力が低くなる。

すなわち、トップフォイル片６０の内周端や外周端では、トップフォイル片６０とスラストカラー４との間に形成される流体潤滑膜の圧力がトップフォイル片６０の周囲の流体の圧力（周囲圧）に近くなっているのに対し、トップフォイル片６０の内周端と外周端に挟まれた径方向の中央部では、前記流体潤滑膜の圧力が前記周囲圧より高くなっている。流体潤滑膜がこのような圧力分布を有することにより、前記中央部では内周端側や外周端側に比べてバックフォイル２１側へ大きく撓む（凹む）ようになる。その際、大きく撓んだ前記中央部では軸受隙間（流体潤滑膜の厚さ）が増えることにより、同部位における流体潤滑膜の圧力が低下し、前記したように負荷能力が低下する。

そこで、本実施形態では谷部側薄肉部１６を形成することにより、トップフォイル片６０を、その回転軸１の回転方向上流側から下流側にかけて、すなわち周方向において曲がり易くすると同時に、径方向での曲がり難さ（曲げ剛性）を、谷部側薄肉部１６の形成前と同様の曲がり難さに維持している。したがって、トップフォイル片６０を形成する板材を従来に比べて厚いものを用いることにより、周方向においては従来と同様の曲がり易さを維持しつつ、径方向では従来より曲がり難くして中央部でのバックフォイル２１側への撓みを抑制することができる。
よって、本実施形態では、径方向中央部での撓みを抑制することにより、同部位において流体潤滑膜の圧力が低下して負荷能力が低くなることを抑制することができる。

次に、本発明のスラスト軸受の第４実施形態について説明する。
第４実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）が第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）と主に異なるところは、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、ベースプレート３０の前記支持領域３１に傾斜面３２を形成した点と、バンプフォイル片２１の山部２３の高さを、全て同一にした点である。なお、図６（ａ）は一部を断面視したスラスト軸受３の平面図、（ｂ）はトップフォイル片の構成を説明するためにその裏面を示す平面図と側面図とを対応させた説明図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図、（ｄ）はバンプフォイル片の形状を説明するためにその平面図と側面図とを対応させた説明図である。

本実施形態では、図６（ａ）に示すように支持領域３１における、前記バンプフォイル片２１、トップフォイル片１１を支持する領域全体を、トップフォイル片１１の固定辺１２側から下流側の端辺１１ａ側に向かうに連れて高さが増加する傾斜面３２としている。すなわち、傾斜面３２を、図６（ｃ）に示すように端辺１１ａに対して直交する方向に傾斜させて形成している。

また、バンプフォイル片２１については、前記第１実施形態と同様に、ベースプレート３０に接する谷部２２と、トップフォイル片１１に接する山部２３とを交互に配置した波板状に形成している。ただし、本実施形態では、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、山部２３の高さを全て同一に形成している。

また、谷部２２及び山部２３については、前記実施形態と同様に、トップフォイル片１１の固定辺１２と交差する方向に配列させている。すなわち、谷部２２、山部２３の配列方向を前記固定辺１２と交差する方向とし、傾斜面３２の傾斜方向に一致させている。これにより、バンプフォイル片２１の山部２３は、その高さがベースプレート３０の傾斜面３２の傾斜方向に沿って、すなわち回転軸１の回転方向の下流側に向かうに連れて、所定の高さずつ高くなっている。つまり、第１実施形態と見かけ上同一になっている。したがって、このバンプフォイル片２１上に配置されるトップフォイル片１１は、その傾斜角θが、第１実施形態と同様に形成される。本実施形態では、この傾斜角θは図６（ｄ）に示すように傾斜面３２の傾斜角θによって決まる。

本実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）にあっても、図６（ｂ）に示すようにトップフォイル片１１に内周端側薄肉部１５を形成し、内周端側を撓み易くするとともに、この内周端側でバンプフォイル片２１との間に隙間を形成しているので、内周端側でバンプフォイル片２１によりトップフォイル片１１がスラストカラー４側へ押し返される力を生じにくくすることができる。よって、内周端側でのスラストカラー４の周速が外周端側での周速に比べて遅いことにより、内周端側がスラストカラー４の側へ起き上がり易くなることを抑制し、トップフォイル片１１がスラストカラー４に近づいてこれに接触することを防止することができ、これによって軸受寿命の低下や焼き付きを防止することができる。

また、ベースプレート３０の各支持領域３１に傾斜面３２を形成し、バンプフォイル片２１の山部２３の高さを全て同一にするとともに、該山部２３の配列方向を傾斜面３２の傾斜方向に一致させているので、この傾斜面３２上にバックフォイル片２１を介してトップフォイル片１１を配設することにより、トップフォイル片１１の高さを傾斜面３２に沿って精度よく変化させることができる。すなわち、トップフォイル片１１に所定の傾斜角θを付与することができる。また、その際にバンプフォイル片２１については、山部２３の高さを変化させることなく一定の高さに作製すればよく、したがってその加工コストを抑えることができる。よって、このスラスト軸受３Ｂ（３）によれば、加工を容易にして量産性を向上し、コストの低減化を図ることができる。また、加工が容易になってバラツキが少なくなるため、設計時に予測した軸受性能（例えば軸受負荷能力）が得やすくなる。

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、前記実施形態ではバックフォイル２０やトップフォイル１０をそれぞれ６つのバックフォイル片２１（バンプフォイル片２１）、トップフォイル片１１で構成し、したがってベースプレート３０の支持領域３１もこれに合わせて６つ形成（設定）したが、バックフォイル片２１（バンプフォイル片２１）やトップフォイル片１１は、複数であれば５つ以下でも７つ以上であってもよい。その場合に、支持領域３１の数についても、バックフォイル片２１（バンプフォイル片２１）やトップフォイル片１１の数に合わせるのはもちろんである。

また、前記第４実施形態では、トップフォイル片として第１実施形態のトップフォイル片１１を用いているが、これに代えて、第２実施形態のトップフォイル片５０、あるいは第３実施形態のトップフォイル片６０を用いることもできる。

さらに、第４実施形態においてベースプレート３０の支持領域３１に傾斜面３２を形成する場合、バンプフォイル片２１が載る面全体を傾斜面３２とするのに代えて、一部を平坦面とし、バンプフォイル片２１の一部を傾斜面３２上に、残部を平坦面上に配置してもよい。その場合に、平坦面は傾斜面の上側（端辺１１ａ側）に形成してもよく、下側（固定辺１２側）に形成してもよい。さらに、傾斜面の両側に平坦面を形成してもよい。

また、内周端側薄肉部１５については、これの外周端側との境界線１５ａを、図３（ｃ）に示したようにトップフォイル片１１の内周端の周方向に沿う円弧状に形成する以外にも、例えば回転軸１の回転方向上流側から下流側にかけて直線状に形成するなど、種々の形態を採用することができる。
さらに、内周端側薄肉部１５の厚さについても、均一な厚さに形成することなく、例えば境界線１５ａ側から内周端にかけて漸次肉厚が薄くなるように、内周端側薄肉部１５のバックフォイル２１に対向する面を傾斜面にしてもよい。
また、トップフォイル片やバンプフォイル片の形状、支持領域上へのトップフォイル片やバンプフォイル片の配置、傾斜面の傾斜方向など、前記実施形態以外にも種々の形態を採用することが可能である。

１…回転軸、３、３Ａ、３Ｂ…スラスト軸受、４…スラストカラー、
１０…トップフォイル、１１…トップフォイル片、１１ａ…端辺、１２…固定辺、
１２ａ…近傍部、１３…固定部、１４…固定部側薄肉部、１５…内周端側薄肉部、
１６…谷部側薄肉部、２０…バックフォイル、
２１…バックフォイル片（バンプフォイル片）、２１ａ…端辺、２２…谷部、
２３…山部、３０…ベースプレート、３１…支持領域、３２…傾斜面、
５０…トップフォイル片、６０…トップフォイル片

Claims (7)

1. 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軸受であって、
   前記スラストカラーに対向して配置されるトップフォイルと、
   前記トップフォイルの、前記スラストカラーに対向する面と反対側の面に対向して配置されて、該トップフォイルを支持するバックフォイルと、
   前記バックフォイルの、前記トップフォイル側と反対の側に配置されて、該バックフォイルを支持する円環板状のベースプレートと、を備え、
   前記バックフォイルは、前記ベースプレートの周方向に配列された複数のバックフォイル片によって形成され、
   前記トップフォイルは、前記バックフォイル片の上にそれぞれ配設された複数のトップフォイル片によって形成され、
   前記トップフォイル片には、前記回転軸の回転方向上流側に、前記ベースプレートに固定される固定部が形成されるとともに、前記バックフォイル片に対向する面が削られたことにより、その内周端側に外周端側より薄肉に形成された内周端側薄肉部が形成されていることを特徴とするスラスト軸受。
2. 前記固定部および該固定部の近傍部で該固定部より前記回転軸の回転方向下流側に、前記外周端側より薄肉に形成された固定部側薄肉部が形成されていることを特徴とする請求項１記載のスラスト軸受。
3. 前記トップフォイル片は、円環板をその周方向にて分割した円弧板状に形成されており、
   前記内周端側薄肉部とこれの外周端側との境界線は、前記トップフォイル片の内周端の周方向に沿う円弧状になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスラスト軸受。
4. 前記固定部は、前記回転軸の回転方向下流側に位置する直線状の固定辺を含んで形成され、
   前記バックフォイル片は、山部と谷部とを交互に形成した波板状のバンプフォイル片によって形成されるとともに、前記山部の配列方向が前記固定辺と交差して配置され、
   前記トップフォイル片には、前記バンプフォイル片に対向する面の一部が削られたことにより、前記谷部に対向する箇所に、前記山部に対向する箇所に比べて薄肉に形成された谷部側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スラスト軸受。
5. 前記山部は、その高さが前記固定辺側から前記回転軸の回転方向下流側に向かうに連れて高くなるように形成されていることを特徴とする請求項４記載のスラスト軸受。
6. 前記バンプフォイル片は、前記回転軸の回転方向下流側の端辺で前記ベースプレートに固定されていることを特徴とする請求項４又は５に記載のスラスト軸受。
7. 円環状のトップフォイルを備えるスラスト軸受であって、
   前記トップフォイルは、トップフォイル片を備え、
   前記トップフォイル片は、前記トップフォイル片の内周端から延伸する薄肉部を備え、 前記薄肉部よりも外周側は、前記薄肉部より厚肉となっていることを特徴とするスラスト軸受。

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