WO2013024674A1

WO2013024674A1 - ラジアルフォイル軸受

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Publication number: WO2013024674A1
Application number: PCT/JP2012/068841
Authority: WO
Inventors: 直陸大森
Original assignee: 株式会社Ihi
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2013-02-21
Also published as: JP5664789B2; EP2743523B1; JP2014178038A; JPWO2013024674A1; JP5915701B2; CN103717928A; KR20140028138A; CN103717928B; US20140169708A1; KR101531892B1; EP2743523A1; US8944687B2; EP2743523A4

Abstract

　回転軸（１）を支持するラジアルフォイル軸受（３）は、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、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、トップフォイル（１０）及びバックフォイル（１１）を収容する円筒状の軸受ハウジング（１２）と、を備える。バックフォイル（１１）は、少なくとも１つのバックフォイル片（１１ａ）を用いて円筒状に形成されている。バックフォイル片（１１ａ）は、トップフォイル（１０）の周方向に沿って交互に形成された山部（１１ｃ）と谷部（１１ｂ）とを有し、かつ、その周方向における両端部の中間部にて軸受ハウジング（１２）に固定されている。

Description

ラジアルフォイル軸受

　本発明は、ラジアルフォイル軸受に関する。
　本願は、２０１１年８月１２日に日本に出願された特願２０１１－１７６７５７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　従来、高速回転体用の軸受として、回転軸を取り囲むように装着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、山部と谷部とを交互に形成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ックフォイルの軸受ハウジングからの脱落を防止するため、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、溶接に代えて機械的に固定を行うべく、トップフォイルやバックフォイル（バンプフォイル）の一端部を曲げ加工によって折り曲げ、この折り曲げ部を軸受ハウジングに形成した係合溝に係合させた構造も知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このように一端部がスポット溶接や係合によって固定されることにより、この一端部が固定端（固定点）となり、他端部が自由端となる。

　このようなラジアルフォイル軸受では、この軸受が支持する回転軸が回転すると、トップフォイルと回転軸との間に流体潤滑膜が形成される。このとき、回転軸に作用する荷重が流体潤滑膜を介して加えられることでトップフォイルが押し込まれ、トップフォイルからの荷重を受けたバンプフォイル（バックフォイル）における個々の山部の幅が広げられる。これにより、バンプフォイルの山部の高さが減少し、トップフォイルの撓みを許容する。すなわち、バンプフォイルの山部の高さが減少することで、トップフォイルの撓んだ部分を収容可能な領域が形成される。したがって、ラジアルフォイル軸受は、その軸受面の形状を可変とし、荷重に応じて適切な流体潤滑膜を形成する。

　また、バンプフォイルは、前記したように荷重を受けて変形するとき、個々の山部の幅が広がる。その際、バンプフォイルと、トップフォイルや軸受ハウジングとの間で滑りが生じる。したがって、回転軸に振動（軸振動）が発生した際には、この滑りによる摩擦で振動エネルギーを散逸し、振動抑制効果が発揮される。

日本国特開２０１１－０３３１７６号公報日本国特開２０１１－０１７３８５号公報

　バンプフォイルが荷重を受けて軸受ハウジング側に押し込まれると、それぞれの山部は、前記固定端を始点として前記自由端側へ山部の幅を広げながらスライドする（変形する）。その際、固定端に近い山部は、この山部より自由端側に位置する他の山部によってその変形が制限されるため、滑り（変形）が起こり難くなっている。一方、自由端に近い山部では、自由端に近い程変形が制限されなくなり、したがって滑り量（変形量）が大きくなる。

　バンプフォイルの山部が軸受ハウジングの周方向に変形し難い場合、軸受ハウジングの径方向での荷重（回転軸に作用する荷重）に対する山部の弾性が高くなる。一方、バンプフォイルの山部が軸受ハウジングの周方向に変形し易い場合、軸受ハウジングの径方向での荷重に対する山部の弾性が低くなる。その結果、バンプフォイルの固定端側ではバネ定数が高く、自由端側ではバネ定数が低くなる。したがって、バンプフォイルを軸受全周に廻らせて配置すると、バンプフォイルの固定端側ではトップフォイルの支持剛性が高くなり、バンプフォイルの自由端側ではトップフォイルの支持剛性が低くなる。

　バンプフォイルに支持剛性の低い部分があると、軸受全周に渡って発生する膜圧が低くなり、局所的に膜厚が薄い部分が生じる可能性がある。そのため、軸受負荷能力が低下したり、軸受剛性（流体潤滑膜を含めた軸受としての軸支持剛性）に偏りが生じたりする場合がある。また、バンプフォイルに支持剛性の高い部分があると、滑り量が少なくなって減衰効果（滑りによる摩擦で振動エネルギーを散逸することによる振動抑制効果）が低減し、軸受全体としての減衰能力（振動抑制能力）が低下する可能性がある。

　そのため、バンプフォイルの支持剛性と滑り特性とを軸受全周に渡って均等化するべく、バンプフォイルを周方向に分割し、上記特性における固定端側と自由端側との間の差を少なくすることが考えられる。しかし、分割数を増やすとバンプフォイル（バックフォイル）の枚数が増え、固定点も多くなるため、製作面やコスト面で好ましくない。特に、バンプフォイルの固定を溶接で行う場合には、溶接を行う全箇所が良好に溶接できなければ製品として出荷できないため、品質維持が難しくなり、良品率が低下してコストアップとなる可能性がある。

　本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、バックフォイルの固定端側と自由端側との間で生じる支持剛性の差を少なくし、より大きな軸受負荷能力と、高い軸受剛性及び減衰能力を備えるラジアルフォイル軸受を提供することを目的とする。

　本発明の第１の態様によれば、回転軸を取り囲んでこの回転軸を支持するラジアルフォイル軸受は、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収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備える。前記バックフォイルは、少なくとも１つのバックフォイル片を用いて円筒状に形成されている。また、前記バックフォイル片は、前記トップフォイルの周方向に沿って交互に形成された山部と谷部とを有し、かつ、その周方向における両端部の中間部にて前記軸受ハウジングに固定されている。

　このラジアルフォイル軸受にあっては、バックフォイルが、少なくとも１つのバックフォイル片を用いて円筒状に形成されている。また、このバックフォイル片は、トップフォイルの周方向に沿って交互に形成された山部と谷部とを有し、かつ、その周方向における中央部にて軸受ハウジングに固定されている。そのため、従来のようにフォイルの一端部を軸受ハウジングに固定した場合に比べ、固定端（固定部）と自由端（バックフォイルの端部）との間の距離がほぼ半分になる。したがって、自由端側に位置する山部による制限が少なくなって固定端側に位置する山部が滑り易く（変形し易く）なるため、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差が充分に小さくなる。

　また、本発明の第２の態様によれば、上記第１の態様において、前記バックフォイルが、前記トップフォイルの周方向に並んで配置された複数のバックフォイル片を用いて円筒状に形成されている。

　この場合、バックフォイルが、トップフォイルの周方向に並んで配置された複数のバックフォイル片からなるので、バックフォイルがトップフォイルの全周に渡って単一のバックフォイル片で形成されている場合と異なり、各バックフォイル片がトップフォイルの全周を分割するように配置されている。そのため、バックフォイル片における固定端と自由端との間の距離が短くなる。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小さくなる。
　また、各バックフォイル片は、トップフォイルの周方向における中央部にて軸受ハウジングに固定されている。そのため、バックフォイル片の一端部を軸受ハウジングに固定した場合に比べ、固定端（固定部）と自由端（バックフォイルの端部）との間の距離がほぼ半分になる。したがって、自由端側に位置する山部による制限が少なくなって固定端側に位置する山部が滑り易く（変形し易く）なるため、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差が充分に小さくなる。

　また、本発明の第３の態様によれば、上記第１又は第２の態様において、前記バックフォイル片が、前記軸受ハウジングにスポット溶接で固定されている。
　バンプフォイルの固定をスポット溶接で行う場合、溶接箇所を全て良好に溶接できなければ製品として出荷できないため、品質維持が難しくなり、良品率が低下する可能性がある。
　例えば、従来型におけるバックフォイルの周方向分割数をＭ個としたとき、Ｍ個のバックフォイル片に対する固定点数がＭ個となる。これに対し、本発明では、バックフォイル片を周方向の中央部にてスポット溶接で固定する。そのため、バックフォイルの周方向分割数をＭ／２個とし、バックフォイル片の長さを２倍に伸ばすことで、実質的な周方向分割数をＭ個にすることができる。すなわち、バックフォイル片の数が半分（Ｍ／２個）になり、固定点数が半減する。したがって、従来と同じ構成でバックフォイルをその周方向で分割する場合に比べ、固定点数（溶接点数）を半分にすることができるので、製作工数を減らしてコストダウンを図ることができるとともに、品質の安定化を図ることができる。

　本発明のラジアルフォイル軸受によれば、少なくとも１つのバックフォイル片をその中央部にて固定したことにより、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差を充分に小さくできる。そのため、ラジアルフォイル軸受の、より大きな軸受負荷能力と、高い軸受剛性及び減衰能力を得ることができる。

本発明の第１実施形態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。本発明の第１実施形態に係るラジアルフォイル軸受の概略構成を示す側面図である。図２Ａの要部を平坦化して模式的に示す側面図である。図２Ａの要部を平坦化して模式的に示す平面図である。従来のラジアルフォイル軸受の側面図である。図３Ａの要部を平坦化して模式的に示す側面図である。従来の別のラジアルフォイル軸受の側面図である。本発明の第２実施形態に係るラジアルフォイル軸受の概略構成を示す側面図である。ラジアルフォイル軸受の要部を示す斜視図である。図４Ａの要部を平坦化して模式的に示す側面図である。図４ＣのＡ－Ａ線矢視断面図である。図４ＣのＢ－Ｂ線矢視断面図である。

　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。

（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態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る。図１中符号１は回転軸、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のみ記載しているが、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、図示しないが、本実施形態においてもラジアルフォイル軸受３は二つ設けられている。ただし、本発明のラジアルフォイル軸受３は、回転軸に対して一つのラジアルフォイル軸受のみが設けられる形態にも適用可能である。

　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が固定されている。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に対向してスラスト軸受５がそれぞれ配置されている。
　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、インペラ２とハウジング６との間にチップクリアランス７が形成されている。
　また、回転軸１には、スラストカラー４より回転軸１の中央側に、ラジアルフォイル軸受３が取り囲むように装着されている。

　図２Ａ～２Ｃ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。本実施形態のラジアルフォイル軸受３は、図２Ａに示すように回転軸１を取り囲んで回転軸１を支持する円筒状に形成されている。ラジアルフォイル軸受３は、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、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、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の最外部を構成し、金属を用いて円筒状に形成されている。軸受ハウジング１２は、その内部にバックフォイル１１およびトップフォイル１０を収容している。

　バックフォイル１１は、フォイル（薄板）で形成され、トップフォイル１０を弾性的に支持する。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。

　本実施形態のバックフォイル１１（バンプフォイル）は、図２Ａに示すように、トップフォイル１０の周方向に並んで配置された３つのバックフォイル片１１ａを用いて円筒状に形成されている。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、その側面が全体として円弧状になるように構成されている。３つのバックフォイル片１１ａは、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分割するように配置されている。

　また、後述するトップフォイル１０の固定端１０ａを挟むように位置する一対のバックフォイル片１１ａは、ある程度の隙間をあけて配置されている。一方、それ以外の位置では、隣り合う一対のバックフォイル片１１ａにおける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２Ａの要部を平坦化して模式的に示す側面図である図２Ｂ、及びその平面図である図２Ｃに示すように、軸受ハウジング１２の周方向に沿って交互に形成された、軸受ハウジング１２と接する平坦な（軸受ハウジング１２の内周面に沿った）谷部１１ｂと、トップフォイル１０に接する湾曲した（径方向内側に向けて突出するように湾曲した）山部１１ｃとを有する。これによってバックフォイル片１１ａは、図２Ｂに示すようにトップフォイル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、山部１１ｃや谷部１１ｂによって、ラジアルフォイル軸受３の中心軸方向に延びる流体の通路が形成されている。

　なお、このバックフォイル片１１ａは、例えばラジアルフォイル軸受３の軸受径φ（内径）が３５ｍｍである場合、その厚さが１００μｍ程度、山部１１ｃの幅（ラジアルフォイル軸受３の周方向での幅）が３ｍｍ程度、山部１１ｃの高さが０．６ｍｍ程度となるように形成されている。また、後述するトップフォイル１０の厚さも１００μｍ程度である。

　これらバックフォイル片１１ａは、その周方向、すなわちトップフォイル１０の周方向における中央部にて、スポット溶接で軸受ハウジング１２に固定されている。スポット溶接は、バックフォイル片１１ａの中央部に位置する谷部１１ｂ（山部１１ｃ、１１ｃ間に形成された平坦部）においてなされている。スポット溶接を行う箇所としては、図２Ｃに示すように、１つのバックフォイル片１１ａにおけるその中央部の谷部１１ｂの２箇所、すなわちバックフォイル片１１ａの軸方向（ラジアルフォイル軸受３の中心軸方向）での両側縁部が、それぞれスポット溶接される。これにより、谷部１１ｂには、２箇所のスポット溶接によって図２Ｂに示すように見掛け上１つの溶接点、すなわち固定点８が形成される。また、バックフォイル片１１ａの中央部に固定点８が形成されることで、バックフォイル片１１ａの両端は共に自由端９となっている。

　すなわち、１つのバックフォイル片１１ａに、固定端として機能する固定点８と一方の自由端９との間に位置するバックフォイル部１１ｄと、固定点８と他方の自由端９との間に位置するバックフォイル部１１ｄとが形成される。
　このように、１つのバックフォイル片１１ａに２つのバックフォイル部１１ｄが形成される。そのため、本実施形態における１つのバックフォイル片１１ａは、後述するように、従来のバックフォイル片を２つ備えた構造と同等に機能する。

　図２Ａ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ている。トップフォイル１０では、一端部がスポット溶接で軸受ハウジング１２に固定されて固定端１０ａとされ、他端部が自由端とされている。

　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。
　回転軸１を図２Ａ中の矢印Ｐの向きに回転させると、最初は低速で回転し、その後徐々に加速して高速で回転する。そのとき、図２Ａ中の矢印Ｑで示すように、トップフォイル１０の固定端１０ａとバックフォイル片１１ａの一端との間から周囲流体が引き入れられ、周囲流体はトップフォイル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は径方向外側に向けて押圧される。バックフォイル片１１ａがトップフォイル１０から押圧されることにより、その山部１１ｃが押し広げられる。したがって、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く。

　すなわち、流体潤滑膜を介してトップフォイル１０からの荷重を受けたバックフォイル片１１ａでは、図２Ｂ中に矢印で示すように、個々の山部１１ｃの幅が広がる。これにより、バックフォイル片１１ａにおける山部１１ｃの高さが減少し、トップフォイル１０の撓みを許容する。すなわち、山部１１ｃの高さが減少することで、トップフォイル１０の撓んだ部分を収容可能な領域が軸受ハウジング１２内に形成される。したがって、ラジアルフォイル軸受３はその軸受面の形状を可変とし、荷重に応じて適切な流体潤滑膜を形成する。

　また、バックフォイル片１１ａは、前記したように荷重を受けて変形するとき、個々の山部１１ｃの幅が広がる。その際、バックフォイル片１１ａと、トップフォイル１０や軸受ハウジング１２との間で滑りが生じる。したがって、回転軸１に振動（軸振動）が発生した際には、この滑りによる摩擦で振動エネルギーを散逸し、振動抑制効果が発揮される。

　また、バックフォイル片１１ａの周方向での変形（移動）は、バックフォイル片１１ａと、トップフォイル１０や軸受ハウジング１２との間の摩擦の影響を受ける。そのため、図２Ｂ中の矢印の大きさで示すように、その両端部、すなわち各自由端９側では変形し易い（動き易い）ものの、固定点８側では変形し難くなっている。そのため、自由端９側と固定点８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、スポット溶接による固定点８をバックフォイル片１１ａの周方向中央部に設けているので、図３Ａ，３Ｂに示すようなバックフォイル片１１ａの一端部をスポット溶接で固定した従来の形態に比べ、固定端（固定点８）と自由端（バックフォイルの端部、自由端９）との間の距離がほぼ半分になる。したがって、自由端９側に位置する山部１１ｃによる制限が少なくなって固定点８（固定端）側に位置する山部１１ｃが滑り易く（変形し易く）なり、自由端９側と固定点８（固定端）側との間の支持剛性の差が充分に小さくなる。

　また、このようにバックフォイル片１１ａの中央部に固定点８を形成することで、バックフォイル片１１ａの両端部が共に自由端９となっている。したがって、１つのバックフォイル片１１ａに２つのバックフォイル部１１ｄが形成され、本実施形態の１つのバックフォイル片１１ａは、従来のバックフォイル片を２つ備えた構造と同等に機能する。すなわち、本実施形態のラジアルフォイル軸受３は、バックフォイル片１１ａを３つ有することで、図３Ｃに示す、従来のバックフォイル片４０ａを６つ備えたラジアルフォイル軸受と、機能上は同等となる。

　図３Ｃに示す従来型において、バックフォイルの周方向分割数を６つとしたとき、６つのバックフォイル片４０ａに対する固定点８の数が６つとなる。これに対し、本実施形態のラジアルフォイル軸受３では、バックフォイル片１１ａを周方向の中央部にてスポット溶接で固定する。そのため、バックフォイル１１の周方向分割数を３つとし、バックフォイル片１１ａの長さを２倍に伸ばすことで、実質的な周方向分割数を６つにすることができる。

　以上説明したように、本実施形態のラジアルフォイル軸受３にあっては、バックフォイル１１を、トップフォイル１０の周方向に並んで配置される３つのバックフォイル片１１ａで構成している。バックフォイル１１がトップフォイル１０の全周に渡って単一のフォイルで形成されている場合に比べ、各バックフォイル片１１ａがトップフォイル１０の全周を分割するように配置されているため、バックフォイル片における固定端と自由端との間の距離が短くなる。したがって、ラジアルフォイル軸受３における、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差が小さくなる。また、バックフォイル片１１ａを、その中央部にて固定したことにより、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差がさらに小さくなる。よって、このように自由端側と固定端側との間の支持剛性の差を充分に小さくしたので、ラジアルフォイル軸受３の、より大きな軸受負荷能力と、高い軸受剛性及び減衰能力を得ることができる。

　なお、本発明は前記実施形態に限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。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、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他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１１を３つのバックフォイル片１１ａを用いて構成した。しかし、バックフォイル１１が、１枚の金属箔（単一のバックフォイル片）を用いて略円筒状に成形されてもよい。この場合にも、バックフォイル１１（単一のバックフォイル片）をその中央部にて固定することにより、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差を小さくすることができる。
　また、バックフォイル１１を複数のバックフォイル片１１ａで構成する場合、その数は３つに限定されない。すなわち、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を構成してもよい。

　さらに、前記実施形態では、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）は、スポット溶接を用いて軸受ハウジング１２へ固定されている。しかし、スポット溶接以外の固定手段を用いてバックフォイル１１を固定してもよい。

　なお、本実施形態のバックフォイル片１１ａは、その周方向中央部にて軸受ハウジング１２に固定されている。しかしながら、バックフォイル片の固定点から自由端までの長さを従来よりも短縮するという本発明の主旨からすれば、必ずしもバックフォイル片の周方向中央部に固定点が設けられている必要は無く、バックフォイル片が、その周方向における両端部の中間部にて軸受ハウジングに固定されていてもよい。例えば、固定点と一方の自由端との長さ、及び上記固定点と他方の自由端との長さの比が、１対２となるような固定点にて、バックフォイル片が軸受ハウジングに固定されていてもよい。

（第２実施形態）
　図４Ａ～４Ｅは、本発明の第２実施形態におけるラジアルフォイル軸受を示している。図４Ａ～４Ｅは、スポット溶接以外の固定手段として、係止部材３０を用いてバックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）の固定を行うラジアルフォイル軸受２０を示す図である。

　ラジアルフォイル軸受２０は、図４Ａに示すように回転軸１に対向して配置される円筒状のトップフォイル１０と、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、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。

　本実施形態の軸受ハウジング１２の内周面には、軸受ハウジング１２の軸方向に沿って溝１３が形成されている。
　すなわち、溝１３は、軸受ハウジング１２の軸方向の全長に渡って形成されている。この溝１３は、その深さ方向が、トップフォイル１０の一方の端部が延び出る方向に一致するように形成されている。また、その深さは、２ｍｍ～５ｍ程度である。

　軸受ハウジング１２の外周面には、溝１３に連通する２つの孔１４が形成されている。これら孔１４は、後述するように溝１３内に挿入されたトップフォイル１０の一方の端部１０ｂを、溝１３内に固定するために用いられる雄ネジが挿入される孔である。孔１４の内周面には雌ネジが形成されている。

　軸受ハウジング１２の両側面（中心軸方向での両側面）には、図４Ａ，４Ｂに示すように、軸受ハウジング１２の外周縁から内周縁にまで延びる係合溝１５がそれぞれ形成されている。本実施形態の係合溝１５は、図４Ａに示すように、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。これら係合溝１５には、係止部材３０が係止している。なお、本実施形態では、３つの係合溝１５のうちの２つの係合溝１５の間に、溝１３が配置されている。

　バックフォイル１１は、第１実施形態と同様に、トップフォイル１０の周方向に並んで配置された３つのバックフォイル片１１ａを用いて構成されている。溝１３を挟むように位置する一対のバックフォイル片１１ａは、ある程度の隙間をあけて配置されている。一方、それ以外の位置では、隣り合う一対のバックフォイル片１１ａにおける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。

　これらバックフォイル片１１ａは、図４Ａの要部を平坦化して模式的に示す図４Ｃに示すように、軸受ハウジング１２の周方向に沿って交互に形成された、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とを有する。

　これらバックフォイル片１１ａには、図４ＣのＡ－Ａ線矢視断面図である図４Ｄに示すように、その周方向中央部（軸受ハウジング１２の周方向での中央部）の両縁部（軸方向での両縁部）に、切欠１６がそれぞれ形成されている。切欠１６は、図４Ｂに示すように、バックフォイル片１１ａの谷部１１ｂに形成されている。切欠１６は、山部１１ｃ、１１ｃ間に形成された平坦部である谷部１１ｂを、軸受ハウジング１２の軸方向での両縁部から軸方向での中心部に向かって切り欠くことで形成されている。切欠１６は、軸受ハウジング１２の係合溝１５に対応する位置、すなわち係合溝１５と重なる位置に形成されており、切欠１６の幅（軸受ハウジング１２の周方向での幅）、深さ（軸受ハウジング１２の軸方向での深さ）が、係合溝１５の幅、深さとそれぞれ同一に形成されている。

　このような構成のもと、軸受ハウジング１２の係合溝１５とバックフォイル片１１ａの切欠１６とは、図４Ｂに示すように、一つの溝として機能する。なお、切欠１６は、バリの発生、及びストレスを与えることによる歪みの発生を防止するために、フォイルに対してエッチング加工や放電加工を行って形成することが好ましい。すなわち、エッチング加工や放電加工でフォイルに切欠１６を形成した後に、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を形成することが好ましい。

　これら係合溝１５と切欠１６とには、係止部材３０が係止している。係止部材３０は、図４ＣのＢ－Ｂ線矢視断面図である図４Ｅ、及び図４Ｂに示すように、一対の係合脚３１、３１と、これら係合脚３１、３１の一端側に配置されて係合脚３１、３１間を接続する接続部３２と、を有するコ字状に形成されている。一方の係合脚３１がラジアルフォイル軸受３の一方の側面の係合溝１５と切欠１６とに係合し、他方の係合脚３１がラジアルフォイル軸受３の他方の側面の係合溝１５と切欠１６とに係合している。係合脚３１の長さは、図４Ｃ，４Ｅに示すように、軸受ハウジング１２の厚さ（径方向での厚さ）とバックフォイル片１１ａの厚さの和にほぼ等しい。また、接続部３２は、図４Ｃ～４Ｅに示すように、バックフォイル片１１ａの谷部１１ｂとトップフォイル１０との間に配置されている。

　このような構成によって係止部材３０は、係合脚３１が軸受ハウジング１２の係合溝１５とバックフォイル片１１ａの切欠１６とのいずれにも係合しているため、バックフォイル片１１ａを軸受ハウジング１２に固定する固定手段として機能している。また、接続部３２がトップフォイル１０で覆われていることにより、軸受ハウジング１２及びバックフォイル片１１ａからの係止部材３０の脱落が防止されている。したがって、バックフォイル片１１ａは軸受ハウジング１２に確実に固定されている。

　係止部材３０の係合脚３１や接続部３２は、図４Ｂに示すような四角柱状であっても、また、円柱状（丸棒状）であってもよい。なお、その太さは０．２～０．５ｍｍ程度である。例えば、ラジアルフォイル軸受３の軸受サイズがφ３５ｍｍ×（軸方向での長さ）３５ｍｍである場合、バックフォイル片１１ａ、トップフォイル１０の厚さは共に１００μｍ程度であり、バックフォイル片１１ａの山部１１ｃの高さ（谷部１１ｂに対する高さ）は０．５ｍｍ程度である。したがって、係止部材３０の太さを０．５ｍｍ未満（０．２～０．５ｍｍ程度）とすることにより、図４Ｃに示したように、係止部材３０の接続部３２がトップフォイル１０から離間して配設され、接続部３２のトップフォイル１０との接触・干渉が防止される。

　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コ字状にエッチング加工することで、形成することができる。また、太さが０．５ｍｍ未満の針金状の金属棒を、折り曲げ加工することでも形成することができる。

　図４Ａ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ている。トップフォイル１０は、その一方の端部１０ｂの先端が軸受ハウジング１２に形成された溝１３に係合するように配設されている。
　このトップフォイル１０は、軸受の周方向を長辺とし、軸受の中心軸方向を短辺とする矩形状の金属箔が上記中心軸周りで円筒状に巻かれて、形成されている。

　このトップフォイル１０は、前記金属箔の両端が互いに当接するように巻かれることなく、一方の端部１０ｂが他方の端部の外側に重なるように巻かれている。また、一方の端部１０ｂは、これ以外の部分で形成される円筒部の所定位置での接線方向に、延び出て形成されている。
　なお、軸受ハウジング１２における溝１３は、その深さ方向が、トップフォイル１０の一方の端部１０ｂの延び出る方向に一致するように形成されている。

　したがって、トップフォイル１０は、その一方の端部１０ｂの延び出た方向が溝１３の深さ方向に一致するように配置されて、その一方の端部１０ｂの先端が溝１３に係合している。一方の端部１０ｂが溝１３に係合した状態ではトップフォイル１０は変形しないため、トップフォイル１０における歪みの発生が防止される。

　本実施形態では、溝１３に係合しているトップフォイル１０の一方の端部１０ｂは、雄ネジ１７によって溝１３内に固定されている。すなわち、雄ネ
１７が孔１４に螺合し挿入され、一方の端部１０ｂが雄ネジ１７により付勢されて溝１３の内壁面に密着することで、一方の端部１０ｂが溝１３内に固定されている。なお、溝１３の内壁面に密着することによる一方の端部１０ｂの変形は僅かである。したがって、この変形によってトップフォイル１０に歪みが生じることはほとんどない。

　トップフォイル１０の一方の端部１０ｂと、これと反対の他方の端部とには、これらの間の中央部より薄い厚さの薄厚部１８が形成されている。これら薄厚部１８は、その外周面（バックフォイル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に薄くされて形成されている。

　薄厚部１８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、数十μmの範囲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φが３５ｍｍで、トップフォイル１０の厚さが１００μｍである場合、薄厚部１８の厚さは８０μｍ程度にする。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い。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、薄厚部１８の周方向の長さは、例えば、溝１３から、溝１３の隣に位置するバックフォイル１１の端部の山部１１ｃ一つ分までに対応する長さである。

　このようにトップフォイル１０の両端部に薄厚部１８を形成したことにより、これら両端部（薄厚部１８）は弾性変形し易くなる。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）をほとんど発生しない。
　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くして薄厚部１８を形成している。そのため、トップフォイル１０の外周面を支持するバックフォイル１１と薄厚部１８との間において、バックフォイル１１の端部の山部１１ｃ一つ分の範囲で、隙間が形成される。これにより、薄厚部１８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）の発生が確実に防止される。

　このようなラジアルフォイル軸受２０にあっても、バックフォイル１１を複数のバックフォイル片１１ａで形成したことにより、バックフォイル片１１ａにおける固定端（係止部材３０による係止位置）と自由端（バックフォイル片１１ａの両端部）との間の距離を短くして支持剛性の差を小さくできる。さらに、バックフォイル片１１ａをその中央部にて軸受ハウジング１２に固定したことにより、自由端側と固定端側との間の支持剛性の差を充分に小さくできる。結果として、ラジアルフォイル軸受２０の、より大きな軸受負荷能力と、高い軸受剛性及び減衰能力を得ることができる。

　また、係止部材３０を用い、バックフォイル片１１ａの切欠１６と軸受ハウジング１２の係合溝１５とに係合脚３１を係合させることにより、バックフォイル片１１ａ（バックフォイル１１）を軸受ハウジング１２に固定している。そのため、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の歪みの影響による、トップフォイル１０における歪みの発生を防止し、又はトップフォイル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(剛性と減衰性能)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、バックフォイル１１については、従来のスポット溶接や、歪みを発生させる可能性のある曲げ加工を無くすことができるため、製作の難易度を低下させ、製造コストを低減できる。また、バックフォイル１１に特別な曲げ加工が不要となるため、バックフォイル１１を高精度にプレス成型することが可能になる。

　なお、バックフォイル１１（バックフォイル片１１ａ）は、前記のスポット溶接や係止部材３０以外の固定手段を用いて軸受ハウジング１２へ固定してもよい。

　本発明は、回転軸を取り囲んで支持するラジアルフォイル軸受に広く利用することができる。

１…回転軸
３…ラジアルフォイル軸受
８…固定点
９…自由端
１０…トップフォイル
１１…バックフォイル
１１ａ…バックフォイル片
１１ｂ…谷部
１１ｃ…山部
１２…軸受ハウジング
１５…係合溝
１６…切欠
２０…ラジアルフォイル軸受
３０…係止部材
３１…係合脚
３２…接続部

Claims

　回転軸を取り囲んで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収容する円筒状の軸受ハウジングと、を備え、
　前記バックフォイルは、少なくとも１つのバックフォイル片を用いて円筒状に形成され、
　前記バックフォイル片は、前記トップフォイルの周方向に沿って交互に形成された山部と谷部とを有し、かつ、その周方向における両端部の中間部にて前記軸受ハウジングに固定されているラジアルフォイル軸受。
　前記バックフォイルは、前記トップフォイルの周方向に並んで配置された複数のバックフォイル片を用いて円筒状に形成されている請求項１に記載のラジアルフォイル軸受。
　前記バックフォイル片は、前記軸受ハウジングにスポット溶接で固定されている請求項１に記載のラジアルフォイル軸受。