JP7276035B2 - 動圧軸受 - Google Patents

Description

本発明は、動圧軸受に関する。

従来、気体軸受として、回転軸の外周側に配置される薄板状のトップフォイルと、トップフォイルの外周側に配置され、トップフォイルを弾性支持するバンプフォイルとを備えるフォイル軸受が知られている（例えば、特許文献１参照）。こうしたフォイル軸受では、回転軸の回転数の上昇に伴って、回転軸とトップフォイルとの間に空気が流入することで、これらの間に空気膜が形成される。フォイル軸受は、上記空気膜によって回転軸をトップフォイルの内周面から浮上させることで回転軸を非接触状態で支持する。トップフォイルは、上記空気膜の動圧によって外周側に押圧される一方、バンプフォイルによって外周側から弾性支持される。このため、回転軸とトップフォイルとの隙間が回転軸の回転数に応じて自動的に調整される。

特開２０１５－１９４２５２号公報

ところで、こうしたフォイル軸受において、回転軸を非接触状態で安定して支持するためには、回転軸とトップフォイルとの隙間が適切に維持される必要がある。ところが、回転軸の回転数を高くし過ぎると、上記空気膜の動圧の増大によって、回転軸とトップフォイルとの隙間が大きくなり過ぎることで、回転軸の振れ回りが生じやすくなる。このため、回転軸を安定して支持することのできる回転数の上限値には自ずと限界がある。

本発明の目的は、回転軸を安定して支持することのできる回転数の上限値を高めることのできる動圧軸受を提供することにある。

上記目的を達成するための動圧軸受は、回転軸の外周側に配置されるトップフォイルと、前記トップフォイルの外周側に配置され、前記トップフォイルを弾性支持するバンプフォイルと、前記バンプフォイルの外周側に配置され、前記バンプフォイルを支持するハウジングと、を備え、前記回転軸の回転に伴って前記回転軸と前記トップフォイルとの隙間に発生する空気膜の動圧によって前記回転軸を支持するものであり、前記トップフォイルには、前記トップフォイルの内外を連通する連通孔、及び前記動圧の増大に応じて開弁することで前記連通孔を開放する弁体を有する弁が設けられている。

同構成によれば、回転軸の回転数の上昇に応じて上記空気膜の動圧が増大すると、当該動圧の増大に応じて弁体が開弁することで連通孔が開放される。これにより、上記動圧がトップフォイルの外周側に逃げるため、上記動圧が増大し過ぎることを抑制できる。これにより、上記隙間が大きくなり過ぎることを抑制できることから、回転軸の振れ回りを抑制できる。したがって、回転軸を安定して支持することのできる回転数の上限値を高めることができる。

動圧軸受の一実施形態について、回転軸、トップフォイル、バンプフォイル及びハウジングを互いに離間して示す分解斜視図。 回転軸が回転していない状態における動圧軸受の断面図。 トップフォイルが拡大している状態における動圧軸受の断面図。 トップフォイルがバンプフォイルに当接している状態における動圧軸受の断面図。 弁を中心とした動圧軸受の拡大断面図。 第１変更例の動圧軸受の拡大断面図。 第２変更例の動圧軸受の斜視図。

以下、図１～図５を参照して、動圧軸受の一実施形態について説明する。
図１に示すように、動圧軸受１０は、回転軸５０の外周側に配置された筒状のトップフォイル２０と、トップフォイル２０の外周側であって、トップフォイル２０の軸線方向に互いに間隔をおいて配置され、トップフォイル２０を弾性支持する複数のバンプフォイル３０とを備えている。本実施形態では、２つのバンプフォイル３０が設けられている。

各バンプフォイル３０の外周側には、各バンプフォイル３０の外周面を支持する円筒状のハウジング４０が設けられている。本実施形態の動圧軸受１０は、回転軸５０の回転に伴って回転軸５０とトップフォイル２０との隙間に発生する空気膜の動圧によって、回転軸５０を非接触状態でラジアル方向に支持するものである。

本実施形態における回転軸５０の回転方向は、図２における時計回りの方向である。なお、以降において、回転軸５０の回転方向を回転方向Ｘと称する。また、トップフォイル２０の中心軸線Ｃが延びる方向を軸線方向と称し、中心軸線Ｃを中心とする周方向を単に周方向と称する。

＜トップフォイル２０＞
図１及び図２に示すように、トップフォイル２０は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。トップフォイル２０の周方向における一端及び他端には、保持端２１及び自由端２２がそれぞれ設けられている。保持端２１は、外周側に向かって突出するとともに、ハウジング４０の内周面に形成された凹溝４１内に挿入されて保持されている。自由端２２は、周方向において保持端２１との間に隙間を有している。トップフォイル２０は、全体として略円筒状をなしている。回転軸５０の非回転時において、回転軸５０の外周面と、トップフォイル２０の内周面とは当接している。

トップフォイル２０には、トップフォイル２０の内外を連通する連通孔２４と、連通孔２４を閉鎖及び開放する弁体２５とを有する複数の弁２３が設けられている。弁体２５は、連通孔２４を閉鎖する一方、上記空気膜の動圧の増大に応じて開弁することで連通孔２４を開放する。本実施形態では、３つの弁２３が周方向に互いに間隔をおいて設けられている。

各弁２３は、トップフォイル２０のうち軸線方向における各バンプフォイル３０の間の部分に設けられている。各弁２３のうち、１つの弁２３は、トップフォイル２０の中心軸線Ｃを挟んで保持端２１とは反対側の部分に設けられている。

弁体２５は、トップフォイル２０に形成された切片である。したがって、弁体２５は、トップフォイル２０と一体に形成されている。弁体２５は、周方向においてトップフォイル２０に沿って自由端２２側から保持端２１側に向かって延びている。すなわち、弁体２５は、回転方向Ｘの後側から前側に向かって延びている。なお、弁体２５の幅、すなわち、軸線方向における長さは周方向において一定である。

弁体２５は、上記空気膜の動圧が所定の動圧になるまでは、連通孔２４を閉鎖している。このとき、弁体２５の軸線方向における両端縁と、連通孔２４の縁との間には、周方向に沿って延びる微少な切り込みが形成されている。また、弁体２５の周方向における保持端２１側の縁、すなわち先端縁と、連通孔２４の縁との間には、軸線方向に沿って延びる微少な切り込みが形成されている。

以上のことから、弁体２５は、弁体２５のうち周方向における自由端２２側の部分を起点としてトップフォイル２０の外周側に変形して開弁する。
＜バンプフォイル３０＞
バンプフォイル３０は、例えばステンレス鋼などの可撓性を有する金属板材を筒状に丸めることにより形成されている。バンプフォイル３０は、周方向に等間隔にて設けられ、内周側に向かって突出した複数の山部３３と、互いに隣り合う山部３３の間に１つずつ設けられた谷部３４とを有している。各山部３３の軸線方向に直交する断面形状は半円形状をなしている。各谷部３４の軸線方向に直交する断面形状は、ハウジング４０の内周面に沿った円弧状をなしている。

バンプフォイル３０の各山部３３がトップフォイル２０の外周面に当接することにより、トップフォイル２０が弾性支持されている。
バンプフォイル３０の周方向における一端及び他端には、保持端３１及び自由端３２がそれぞれ設けられている。保持端３１は、外周側に向かって突出するとともに、トップフォイル２０の保持端２１に重ね合わされた状態でハウジング４０の凹溝４１内に挿入されて保持されている。したがって、凹溝４１内には、トップフォイル２０の保持端２１、及びバンプフォイル３０の保持端３１が重ね合わされた状態で挿入されている。これにより、トップフォイル２０、及びバンプフォイル３０がハウジング４０内において回り止めされた状態で保持されている。自由端３２は、周方向において保持端３１との間に隙間を有している。なお、自由端３２は、１つの谷部３４により構成されている。

本実施形態の作用について説明する。
図２に示すように、回転軸５０の非回転時には、回転軸５０の外周面とトップフォイル２０の内周面とが当接している。このとき、トップフォイル２０のうち、中心軸線Ｃを挟んで保持端２１とは反対側の部分は、自重によりバンプフォイル３０に当接している。

図３に示すように、回転軸５０の回転数が上昇すると、回転軸５０の外周面とトップフォイル２０の内周面との隙間に発生する空気膜の動圧が高められる。これにより、トップフォイル２０が上記動圧により外周側に拡大するため、トップフォイル２０の保持端２１が、ハウジング４０の凹溝４１内において外周側に変位する。

図４に示すように、回転軸５０の回転数が更に上昇すると、上記動圧によってトップフォイル２０が外周側に拡大することで、トップフォイル２０の外周面とバンプフォイル３０の各山部３３とが当接する。このとき、各山部３３は外周側に弾性変形する。これにより、トップフォイル２０の外周面には、バンプフォイル３０による内周側に向かう押圧力が作用する。また、トップフォイル２０の内周面には、上記動圧に基づく外周側に向かう力が作用する。これらの力の釣り合いにより、回転軸５０の外周面とトップフォイル２０の内周面との隙間が適切に調整される。これにより、回転軸５０がトップフォイル２０の内周面から浮上した状態、すなわち、非接触状態で回転可能に支持される。

図５に二点鎖線にて示すように、回転軸５０の回転数が更に上昇すると、弁体２５が開弁することで連通孔２４が開放される。これにより、上記動圧がトップフォイル２０の外周側に逃げるため、上記動圧が増大し過ぎることを抑制できる。これにより、上記隙間が大きくなり過ぎることを抑制できることから、回転軸５０の振れ回りを抑制できる。

本実施形態の効果について説明する。
（１）動圧軸受１０は、回転軸５０の外周側に配置されるトップフォイル２０と、トップフォイル２０の外周側に配置され、トップフォイル２０を弾性支持するバンプフォイル３０と、バンプフォイル３０の外周側に配置され、バンプフォイル３０を支持するハウジング４０とを備える。トップフォイル２０には、トップフォイル２０の内外を連通する連通孔２４、及び回転軸５０とトップフォイル２０との隙間に発生する空気膜の動圧の増大に応じて開弁することで連通孔２４を開放する弁体２５を有する弁２３が設けられている。

こうした構成によれば、上記作用を奏することから、回転軸５０を安定して支持することのできる回転数の上限値を高めることができる。
（２）弁２３は、トップフォイル２０のうち中心軸線Ｃを挟んで保持端２１とは反対側の部分に設けられている。

空気膜の動圧は、トップフォイル２０のうち中心軸線Ｃを挟んで保持端２１とは反対側の部分において最大となる。
上記構成によれば、トップフォイル２０のうち上記動圧が最大となる部分に弁２３が設けられているため、当該部分において動圧が過度に増大することを抑制できる。これにより、上記隙間が過度に増大すること、ひいては回転軸５０の振れ周りを効果的に抑制できる。

（３）複数の弁２３が、トップフォイル２０の周方向に互いに間隔をおいて設けられている。
こうした構成によれば、トップフォイル２０の周方向における広い範囲で空気膜の動圧が過度に増大することを抑制できる。これにより、上記隙間が過度に増大すること、ひいては回転軸５０の振れ回りを効果的に抑制できる。

（４）弁体２５は、トップフォイル２０に形成された切片である。
こうした構成によれば、トップフォイル２０に切り込みを形成することで連通孔２４及び弁体２５が同時に形成される。このため、弁体２５がトップフォイル２０とは別体として形成される場合に比べて、トップフォイル２０、ひいては動圧軸受１０の構成を簡単にすることができる。

（５）弁体２５は、弁体２５のうち周方向における自由端２２側の部分を起点としてトップフォイル２０の外周側に変形して開弁する。
動圧軸受１０において、回転軸５０は、周方向においてトップフォイル２０に沿って自由端２２側から保持端２１側に向かって回転する。このため、回転軸５０とトップフォイル２０との隙間に流入する空気は、上記周方向においてトップフォイル２０に沿って自由端２２側から保持端２１側に向かって流れる。これにより、弁体２５の周方向における自由端２２側の部分よりも保持端２１側の部分に対して空気膜の動圧が作用しやすくなる。

上記構成によれば、空気膜の動圧が弁体２５の先端側に対して作用しやすくなる。これにより、弁体２５がトップフォイル２０の外周側に向かって変形しやすくなり、弁体２５を円滑に開弁させることができる。

（６）トップフォイル２０の外周側には、複数のバンプフォイル３０がトップフォイル２０の軸線方向に互いに間隔をおいて配置されている。弁２３は、トップフォイル２０のうち軸線方向における各バンプフォイル３０の間の部分に設けられている。

こうした構成によれば、トップフォイル２０の外周側に、複数のバンプフォイル３０がトップフォイル２０の軸線方向に互いに間隔をおいて配置されている。そして、トップフォイル２０のうち軸線方向における各バンプフォイル３０の間の部分に弁２３が設けられている。このため、弁体２５が開弁する際にバンプフォイル３０に干渉しないことから、バンプフォイル３０とは無関係に弁２３の形成範囲を周方向において拡大することができる。これにより、上記空気膜の動圧による弁２３の開度を調整することができる。

＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

なお、以下の図６及び図７に示す第１変更例及び第２変更例において、上記実施形態と同一の構成については、同一の符号を付すとともに、対応する構成については「１００」及び「２００」を加算した符号を付すことにより、重複した説明を省略する。

・トップフォイル２０の外周側に３つ以上のバンプフォイル３０を軸線方向に互いに間隔をおいて配置することもできる。
・図６に示すように、トップフォイル１２０の外周側に、トップフォイル１２０の軸線方向の長さと同一の長さを有する１つのバンプフォイル１３０を配置するとともに、周方向におけるバンプフォイル１３０の山部１３３同士の間に弁１２３を設けることもできる。

・弁体２５は、周方向においてトップフォイル２０に沿って保持端２１側から自由端２２側に向かって延びるものであってもよい。この場合、弁体２５は、トップフォイル２０のうち連通孔２４よりも保持端２１側の部分を起点としてトップフォイル２０の外周側に変形して開弁する。

・弁は、１つの連通孔２４における保持端２１側の縁部及び自由端２２側の縁部をそれぞれ起点とするとともに、先端部同士が突き合わされる一対の弁体を有するものであってもよい。

・弁体２５は、軸線方向における一方側から他方側に向かって延びるものであってもよいし、軸線方向における他方側から一方側に向かって延びるものであってもよい。
・本実施形態では、弁体２５はトップフォイル２０と一体に形成されるものであったが、トップフォイル２０とは別体であって、連通孔２４を閉鎖及び開放する弁体を採用することもできる。この場合、上記弁体は、連通孔２４よりも周方向における自由端２２側の部分を起点としてトップフォイル２０の外周側に変形するものであってもよい。

・弁２３の数や、形成位置は適宜変更することができる。
・弁体２５の幅、すなわち、軸線方向における長さは先端側ほど大きくなっていてもよいし、先端側ほど小さくなっていてもよい。

・弁２３は、トップフォイル２０の中心軸線Ｃを挟んで保持端２１とは反対側の部分に設けられていなくてもよい。
・図７に示すように、トップフォイル２２０は、軸線方向に互いに間隔をおいて設けられた複数の弁２２３を有するものであってもよい。特に、軸線方向に互いに間隔をおいて形成された複数のヘリンボーン溝２５１を有する回転軸２５０を支持する場合には、上記ヘリンボーン溝２５１の頂部２５２に対応する部分に各弁２２３を設けることが好ましい。本変更例では、各ヘリンボーン溝２５１の頂部２５２に対応する部分において、３つの弁２２３が周方向に互いに間隔をおいて設けられている。したがって、本変更例では、都合６つの弁２２３が設けられている。こうした構成によれば、回転軸２５０とトップフォイル２２０との隙間において動圧が最も高くなる頂部２５２にて、上記動圧が過度に増大することを抑制できる。したがって、回転軸２５０を安定して支持することができる。

１０…動圧軸受、２０…トップフォイル、２１…保持端、２２…自由端、２３…弁、２４…連通孔、２５…弁体、３０…バンプフォイル、３１…保持端、３２…自由端、３３…山部、３４…谷部、４０…ハウジング、４１…凹溝、５０…回転軸、１２０…トップフォイル、１２３…弁、１３０…バンプフォイル、１３３…山部、１３４…谷部、２２０…トップフォイル、２２３…弁、２５０…回転軸、２５１…ヘリンボーン溝、２５２…頂部。

Claims (6)

1. 回転軸の外周側に配置されるトップフォイルと、
   前記トップフォイルの外周側に配置され、前記トップフォイルを弾性支持するバンプフォイルと、
   前記バンプフォイルの外周側に配置され、前記バンプフォイルを支持するハウジングと、を備え、
   前記回転軸の回転に伴って前記回転軸と前記トップフォイルとの隙間に発生する空気膜の動圧によって前記回転軸を支持する動圧軸受において、
   前記トップフォイルには、前記トップフォイルの内外を連通する連通孔と、前記連通孔を覆う弁体と、を有する弁が設けられており、
   前記弁体は、前記トップフォイルに形成された切片であり、前記切片が揺動することにより変形して開弁及び閉弁するものであり、
   前記弁体の開度は、前記動圧の増大に応じて大きくなる一方、前記動圧の減少に応じて小さくなる、
   動圧軸受。
2. 回転軸の外周側に配置されるトップフォイルと、
   前記トップフォイルの外周側に配置され、前記トップフォイルを弾性支持するバンプフォイルと、
   前記バンプフォイルの外周側に配置され、前記バンプフォイルを支持するハウジングと、を備え、
   前記回転軸の回転に伴って前記回転軸と前記トップフォイルとの隙間に発生する空気膜の動圧によって前記回転軸を支持する動圧軸受において、
   前記トップフォイルには、前記トップフォイルの内外を連通する連通孔と、前記連通孔を覆う弁体と、を有する弁が設けられており、
   前記トップフォイルは、その周方向における一端及び他端に、前記ハウジングの内周面に保持される保持端及び自由端がそれぞれ設けられており、
   前記弁体は、前記弁体のうち前記周方向における前記トップフォイルの自由端側の部分を起点として前記トップフォイルの外周側に変形して開弁し、前記開弁した状態から前記トップフォイルの内周側に変形して閉弁するものであり、
   前記弁体の開度は、前記動圧の増大に応じて大きくなる一方、前記動圧の減少に応じて小さくなる、
   動圧軸受。
3. 前記弁体は、前記トップフォイルに形成された切片である、
   請求項２に記載の動圧軸受。
4. 前記トップフォイルの周方向における一端には、前記ハウジングの内周面に保持される保持端が設けられており、
   前記弁は、前記トップフォイルのうち前記トップフォイルの中心軸線を挟んで前記保持端とは反対側の部分に設けられている、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の動圧軸受。
5. 複数の前記弁が、前記トップフォイルの周方向に互いに間隔をおいて設けられている、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の動圧軸受。
6. 前記トップフォイルの外周側には、複数の前記バンプフォイルが前記トップフォイルの軸線方向に互いに間隔をおいて配置されており、
   前記弁は、前記トップフォイルのうち前記軸線方向における前記バンプフォイルの各々の間の部分に設けられている、
   請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の動圧軸受。

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