JP6693945B2 - フォイル軸受、およびフォイル軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、フォイル軸受あるいは、フォイル軸受を備えたフォイル軸受装置に関する。

ガスタービンやターボチャージャの主軸は高速で回転駆動される。また、主軸に取り付けられたタービン翼は高温に晒される。そのため、これらの主軸を支持する軸受には、高温・高速回転といった過酷な環境に耐え得ることが要求される。この種の用途の軸受として、油潤滑の転がり軸受や油動圧軸受を使用する場合もあるが、潤滑油などの液体による潤滑が困難な場合、エネルギー効率の観点から潤滑油循環系の補機を別途設けることが困難な場合、あるいは液体のせん断による抵抗が問題になる場合、等の条件下では、これらの軸受の使用は制約を受ける。そこで、そのような条件下での使用に適合する軸受として、空気動圧軸受が着目されている。

空気動圧軸受としては、回転側と固定側の双方の軸受面を剛体で構成したものが一般的である。しかしながら、この種の空気動圧軸受では、回転側と固定側の軸受面間に形成されるラジアル軸受隙間の管理が不十分であると、安定限界を超えた際にホワールと呼ばれる自励的な主軸の振れ回りを生じ易い。そのため、使用される回転速度に応じた隙間管理が重要となる。特に、ガスタービンやターボチャージャのように、温度変化の激しい環境では熱膨張の影響でラジアル軸受隙間の幅が変動するため、精度の良い隙間管理は極めて困難となる。

ホワールが生じにくく、かつ温度変化の大きい環境下でも隙間管理を容易にできる軸受としてフォイル軸受が知られている。フォイル軸受は、曲げに対して剛性の低い可撓性を有する薄膜（フォイル）で軸受面を構成し、軸受面のたわみを許容することで荷重を支持するものである。通常は、軸受の内周面をトップフォイルと呼ばれる薄板で構成し、その外径側にバックフォイルと呼ばれるばね状の部材を配置してトップフォイルが受ける荷重をバックフォイルで弾性的に支持している。この場合、軸の回転時には、軸の外周面とトップフォイルの内周面との間に空気膜が形成され、軸が非接触支持される。

フォイル軸受では、フォイルの可撓性により、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じた適切なラジアル軸受隙間が形成されるため、安定性に優れるという特徴があり、一般的な空気動圧軸受と比較して高速での使用が可能である。また、一般的な動圧軸受のラジアル軸受隙間は軸直径の１／１０００のオーダーで管理する必要があり、例えば直径数ｍｍ程度の軸では数μｍ程度のラジアル軸受隙間を常時確保する必要がある。従って、製造時の公差、さらには温度変化が激しい場合の熱膨張まで考慮すると、厳密な隙間管理は困難である。これに対して、フォイル軸受の場合には、数十μｍ程度のラジアル軸受隙間に管理すれば足り、その製造や隙間管理が容易となる利点を有する。

フォイル軸受としては、複数のフォイルを周方向に並べて配置し、各フォイルの周方向端部をフォイルホルダに取り付けた、いわゆる多円弧型のフォイル軸受に、複数のフォイルの一部を重ね合わせて設けられる種類のものが存在する（特許文献１）。
また、トップフォイルを周方向で分割してリーフフォイルを形成し、リーフフォイルをその一部を重ね合わせながら周方向の複数個所に設け、リーフフォイルの重なり合った部分でばね性を得るリーフ型のフォイル軸受が存在する（特許文献２および３）。

特開２０１４−１１９０９４号公報 特開平２−２０８５１号公報 特開２００２−２９５４６７号公報

フォイル軸受においては、例えば、図２０ａあるいは図２０ｂに示す様に、トップフォイル部１００にばね性を与えるため、トップフォイル部１００とアンダーフォイル部１０１を軸の半径方向に重複させたフォイル重複部Ａが、フォイル軸受の周方向（図の左右方向）において間欠的に設けられる。

ところで、回転する軸１０２が振れ回り（コニカル運動）を生じた際には、矢印Ｂ３の方向へ移動した軸１０２が、トップフォイル部１００と接触する場合がある。軸１０２が上記のフォイル重複部Ａ以外の領域でトップフォイル部１００と接触すれば、トップフォイル部１００が弾性変形してフォイルホルダ１０３との間の隙間αに退避するため、軸１０２とトップフォイル部１００の間の接触面圧が過大になることはない。しかしながら、軸１０２とトップフォイル部１００との接触は、フォイル重複部Ａにおいて優先的に生じるのが実情である。このように軸１０２がフォイル重複部Ａのトップフォイル部１００に接触すると、トップフォイル部１００の背後に隙間が存在しておらず、トップフォイル部の支持剛性が大きいため、軸１０２とトップフォイル部１００の間の接触面圧が大きくなる。従って、この高面圧接触が繰り返されると、軸１０２とトップフォイル部１００とが凝着し、両者間に大きな摩擦力が発生して、薄い金属箔であるトップフォイル部１００の摩耗、あるいはせん断を招くおそれがある。

この様な事情から、本発明では、軸とトップフォイル部との接触面圧を小さくできるフォイル軸受を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明は、フォイルホルダと、前記フォイルホルダに取り付けられた複数のフォイルとを有し、前記フォイルが、軸受面を形成するトップフォイル部と、トップフォイル部とフォイルホルダの間に配置されるアンダーフォイル部とを備え、重なり合ったトップフォイル部とアンダーフォイル部とでフォイル重複部が形成され、前記軸受面と軸の間に形成した流体膜で軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受において、前記フォイルホルダの、前記フォイル重複部の軸方向端部と対向する周方向全領域に、フォイル重複部の軸から離反する方向への変形を許容する逃げ部を設けたことを特徴とするものである。

本発明のフォイル軸受では、フォイル重複部の軸方向端部と対向する領域に設けられた逃げ部により、フォイル重複部が、弾性変形によって軸から離反する方向へ退避する事ができる。従って、軸がフォイル重複部のトップフォイル部に接触した際の接触面圧を小さくすることができる。

逃げ部は例えば空間で形成することができる。この場合、弾性変形したフォイル重複部が空間に退避するため、軸とトップフォイル部の接触面圧が小さくなる。

また、逃げ部は、フォイルホルダに、その他の部分よりも剛性を低くした低剛性部を設けることで形成することができる。これにより、軸がフォイル重複部と接触した際には、低剛性部が弾性変形するため、軸とトップフォイル部の接触面圧を小さくすることができる。

上記のフォイル軸受では、フォイルホルダに、フォイルを保持するための保持部を設け、逃げ部を、保持部の側方（ラジアル軸受では軸方向の側方、スラスト軸受では半径方向の側方）を含む周方向領域に連続して形成することができる。フォイルのうち、保持部で保持される部分の周辺は凸状に変形するためにフォイル剛性が大きくなる。従って、フォイル重複部と同様に、トップフォイル部の支持剛性が大きくなり、軸との接触時における接触面圧の増大が問題となる。これに対し、逃げ部を保持部の側方を含む連続領域に形成することで、軸と保持部付近のトップフォイル部との接触面圧を小さくすることができる。

上記のフォイル軸受では、逃げ部の幅（ラジアル軸受では半径方向の幅、スラスト軸受では軸方向の幅）を保持部への接近方向に向けて徐々に大きくすることでも、軸とトップフォイル部の接触面圧の低減を図ることができる。

また本発明は、軸と、フォイル軸受を有するフォイル軸受装置において、軸のうち、フォイル重複部の軸方向端部と対向する領域に、トップフォイル部から離反する方向に逃げる逃げ部を設けたことを特徴とするフォイル軸受装置とすることができる。

軸の側に逃げ部を設ける事によっても、フォイル重複部において、フォイルが高面圧下で接触される事を防止できる。

また、前述の課題を解決するため、本発明は、フォイルホルダと、前記フォイルホルダに取り付けられた複数のフォイルとを有し、前記フォイルが、軸受面を形成するトップフォイル部と、トップフォイル部とフォイルホルダの間に配置されるアンダーフォイル部とを備え、重なり合ったトップフォイル部とアンダーフォイル部とでフォイル重複部が形成され、前記軸受面と軸の間に形成した流体膜で軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受において、前記フォイル重複部の周方向に延びる端縁の周方向全領域で、フォイル厚さ方向の一部領域に、前記軸受面の周方向に延びる端縁よりも軸受面中央側に後退した後退部を設けたことを特徴とするものである。

本発明のフォイル軸受では、フォイル重複部の周方向に延びる端縁のうち、フォイル厚さ方向の一部領域に後退部を設けているので、軸がトップフォイル部と接触した際には、トップフォイル部を軸から離反する方向へ弾性的に退避させる事ができる。従って、軸がフォイル重複部のトップフォイル部に接触した際の接触面圧を小さくすることができる。

後退部はアンダーフォイル部の端縁、あるいは、トップフォイル部とアンダーフォイル部の双方の端縁に設けることができる。

また、後退部は、トップフォイル部およびアンダーフォイル部の何れか一方または双方の端縁を部分的に薄肉にすることで形成することができる。

以上の構成においては、後退部で形成される空間のフォイル厚さ方向の幅を均一にし、あるいは、当該空間のフォイル厚さ方向の幅を変化させることができる。

フォイルホルダが、フォイルを保持する保持部を有し、この保持部に隣接してフォイル重複部が配置され、後退部のうち、少なくとも保持部に隣接する部分の後退幅を、保持部への周方向接近側ほど大きくすることができる。これにより、保持部周辺でのトップフォイル部の支持剛性を低下させて、軸とトップフォイル部との接触面圧を小さくすることができる。

以上の様に、本発明では、軸とトップフォイル部との間の接触面圧を小さくすることができる。そのため、両者の接触が繰り返された際の凝着を防止することができ、フォイルの摩耗やせん断等による破損を防止して、フォイル軸受の長寿命化を図ることができる。

本発明の第一実施形態に係るフォイル軸受の概略構成図である。 フォイルを示す平面図である。 二つのフォイルの連結について説明する平面図である。 三つのフォイルの連結について説明する斜視図である。 フォイルをフォイルホルダに取り付ける様子を説明する斜視図である。 フォイルがフォイルホルダに保持される様子を説明する断面図である。 実施形態に係るフォイルホルダに設けられる逃げ部の実施例を示す図で、図６のＤ−Ｄ断面図である。 フォイルホルダに設けられる逃げ部の実施例を示す断面図である。 フォイルホルダに設けられる逃げ部の実施例を示す断面図である。 フォイルホルダに設けられる逃げ部の実施例を示す断面図である。 逃げ部の周方向の配置を示す断面図である。 軸に設けられる逃げ部の実施例を示す断面図である。 第二実施形態に係るフォイルを示す平面図である。 二つのフォイルの連結について説明する平面図である。 第二実施形態に係る逃げ部の実施例を示す図で、図１４のＤ−Ｄ断面図である。 第三実施形態に係る逃げ部の実施例を示す断面図である。 第三実施形態に係るフォイルの平面図である。 第四実施形態に係る逃げ部の実施例を示す断面図である。 リーフ型のフォイル軸受を示す平面図である。 フォイル重複部における接触状態を示す概略図である。 フォイル重複部における接触状態を示す概略図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

図１に示す様に、フォイル軸受１０は、円筒面状の内周面１１ａを有するフォイルホルダ１１と、内周面１１ａに取り付けられた３枚のフォイル１２とを有する。フォイル軸受１０は、内周面１１ａに３枚のフォイル１２が周方向に並べて配置された、いわゆる多円弧型のフォイル軸受である。フォイル軸受１０には、各フォイル１２の内側に、軸１３が挿入される。フォイル軸受１０と軸１３とでフォイル軸受装置１４が構成される。フォイル軸受１０は、フォイル１２の後述する軸受面Ｘと軸１３の間に形成した流体膜で軸１３を相対回転自在に支持する。

フォイルホルダ１１は、例えば焼結金属や溶製材等の金属（例えば鋼材）で形成される。フォイルホルダ１１は、フォイルホルダ１１の内周面１１ａのうち、周方向に離隔した複数箇所（図示例では３箇所）には、保持部としての軸方向溝１１ｂが形成される。

フォイル１２は、ばね性に富み、かつ加工性のよい金属、例えば鋼材料や銅合金からなる厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の帯状フォイルで形成される。本実施形態のように流体膜として空気を用いる空気動圧軸受では、雰囲気に潤滑油が存在しないため、油による防錆効果は期待できない。鋼材料や銅合金の代表例として、炭素鋼や黄銅を挙げることができるが、一般的な炭素鋼では錆による腐食が発生し易く、黄銅では加工ひずみによる置き割れを生じることがある（黄銅中のＺｎの含有量が多いほどこの傾向が強まる）。そのため、帯状フォイルとしては、ステンレス鋼もしくは青銅製のものを使用するのが好ましい。

図２に示す様に、本発明の第一実施形態に係るフォイル１２は、フォイルホルダ１１の周方向に並べて配置される第一領域１２ａと、第二領域１２ｂを有する。

第一領域１２ａは、軸受面Ｘを有するトップフォイル部１２ａ１とトップフォイル部１２ａ１の周方向一端に設けられた差込部１２ａ２とを有する。ここで、周方向一端側とは、軸１３の回転方向（図２中に矢印で示す）の下流側を意味する。差込部１２ａ２は周方向一端側に向けて突出しており、軸方向の複数個所、例えば軸方向の上端、中央、下端にそれぞれ設けられる。差込部１２ａ２は、フォイルホルダ１１の軸方向溝１１ｂに保持される被保持部として機能する。差込部１２ａ２に近接した位置には、周方向の微小な切り込み１２ａ３が設けられる。

第二領域１２ｂには、周方向他端側（軸１３の回転方向の上流側）に向けて軸方向幅を徐々に狭めた三つの突出部分である、突出部１２ｂ１が設けられる。突出部１２ｂ１は、軸方向の上端、中央、下端にそれぞれ設けられ、それぞれの突出部１２ｂ１の間には、略円弧状に形成される切り欠き部１２ｂ２が設けられる。このほか、切り欠き部１２ｂ２を、直線を隣接する二つの突出部１２ｂ１間の中央で折り曲げた形態の略Ｖ字形状としてもよい。

フォイル軸受１０において、トップフォイル部１２ａ１は軸１３の側に配置され、その内周面は軸受面Ｘを形成する。また、突出部１２ｂ１を含む第二領域１２ｂは、フォイルホルダ１１の側に配置される。この第二領域１２ｂは、隣接する他のフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１と重なることで、トップフォイル部１２ａ１に弾性を与えるアンダーフォイル部として機能する。

第一領域１２ａと第二領域１２ｂの境界には、隣接するフォイル１２の差込部１２ａ２が差し込まれる差込口１２ｃ１、１２ｃ２、１２ｃ１がそれぞれ軸方向の上端、中央、下端に設けられる。軸方向上端および下端の差込口１２ｃ１は、フォイル１２の軸方向端部に至る切り込みで形成される。軸方向中央の差込口１２ｃ２は、差込口１２ｃ１と周方向の同一位置に設けられた切り込み部分と、周方向他端側へ突出した、その先端が円弧状で、前記切り込み部分よりもその幅が狭い切り欠き部分からなる。また、第一領域１２ａと第二領域１２ｂの境界には、両者を連結する連結部１２ｃ３が形成される。

図３に示す様に、一方のフォイル１２の差込部１２ａ２、１２ａ２、１２ａ２を、隣接するフォイル１２の差込口１２ｃ１、１２ｃ２、１２ｃ１に差し込むことにより、２枚のフォイル１２を連結する事ができる。

そして、図４に示す様に、３枚のフォイル１２を当該方法により周状に連結する事で、３枚のフォイル１２を仮組みする事ができる。この仮組体を、図５に示す様に、筒状にしてフォイルホルダ１１の内周に矢印Ｂ２の方向へ挿入する事で、フォイル軸受１０が組み立てられる。具体的には、３枚のフォイル１２の仮組体をフォイルホルダ１１の内周に挿入しながら、各フォイル１２の差込部１２ａ２を、フォイルホルダ１１の端面に開口した軸方向溝１１ｂ（図５参照）に軸方向一端側から差し込む。以上により、３枚のフォイル１２が、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに周方向に並べた状態で取り付けられる。

図６に示す様に、３枚のフォイル１２をフォイルホルダ１１に組み付けた状態で、各フォイル１２の周方向一端である差込部１２ａ２は、フォイルホルダ１１に接触した状態で保持される。図示例では、各フォイル１２の差込部１２ａ２が、それぞれ隣接するフォイル１２の背後（外径側）に配されている。具体的には、各フォイル１２の周方向一端に設けられた差込部１２ａ２は、隣接するフォイル１２の差込口１２ｃ１（１２ｃ２）を介して、フォイルホルダ１１の内周面１１ａの軸方向溝１１ｂに差し込まれる。一方、各フォイル１２の突出部１２ｂ１を含む第二領域１２ｂは、隣接するフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１とフォイルホルダ１１の内周面１１ａとの間に配され、隣接するフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１を背後から支持するアンダーフォイル部を構成する。各フォイル１２のアンダーフォイル部１２ｂ（第二領域）と、隣接する他のフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１とは半径方向で重なり合っており、この重なり合ったフォイル部１２ａ１，１２ｂによってフォイル重複部Ｃが構成される。フォイル重複部Ｃは、差込部１２ａ２が保持される軸方向溝１１ｂに隣接して設けられる。尚、隣接するフォイル１２同士は、周方向で係合して互いに突っ張り合っている。これにより、各フォイル１２のトップフォイル部１２ａ１が外径側に張り出し、フォイルホルダ１１の内周面１１ａに沿った形状に湾曲する。

また、本実施形態では、図３に示すように、突出部１２ｂ１に切り欠き部１２ｂ２を設けることで、これに乗り上げるトップフォイル部１２ａ１に、切り欠き部１２ｂ２に沿った段差が形成される。これにより、トップフォイル部１２ａ１に沿って流れる流体が、上記の段差に沿って流れて軸方向中央側に集められるため、圧力向上効果が高められる（図３の矢印参照）。

このとき、トップフォイル部１２ａ１の周方向一端部のうち、差込部１２ａ２の近傍に、微小な切り込み１２ａ３を設けることで、この部分の剛性が低下する。これにより、トップフォイル部１２ａ１を、その背後に配された第二領域１２ｂの切り欠き部１２ｂ２に沿って変形させやすくなる。

軸１３が図１の矢印方向に回転すると、フォイル軸受１０の各フォイル１２のトップフォイル部１２ａ１の内周面（軸受面Ｘ）と軸１３の外周面との間のラジアル軸受隙間の流体膜の圧力が高められる。トップフォイル部１２ａ１の周方向一端（回転方向先行側の端部）を含む領域は、隣接するフォイル１２の第二領域１２ｂ（アンダーフォイル部）に乗り上げているため、軸受面Ｘが、回転方向下流側へ向けて軸１３の外周面に徐々に接近する。これにより、各フォイル１２の軸受面Ｘと軸１３の外周面との間に、回転方向下流側へ向けて徐々に狭くなったラジアル軸受隙間が形成され、ラジアル軸受隙間の幅狭側に流体が押し込まれる。これにより、ラジアル軸受隙間の流体膜の圧力が高められ、この圧力により軸１３がラジアル方向に非接触支持される。

図６に示すように、軸１３が回転中のフォイル重複部Ｃでは、トップフォイル部１２ａ１とアンダーフォイル部１２ｂの間に微小隙間が存在する。この隙間により、軸１３の半径方向の変位に応じてトップフォイル部１２ａ１が弾性変形するため、適切なラジアル軸受隙間を得ることができる。その一方、軸１３が振れ回ってコニカル運動すると、傾いた軸１３がフォイル１２の軸受面Ｘの軸方向端部に部分的に接触（線接触）することになる。この場合には、トップフォイル部１２ａ１の変形が大きくなるため、接触部において上記微小隙間が消失し、トップフォイル部１２ａ１とアンダーフォイル部１２ｂが密着した状態となる。従来のフォイル軸受では、トップフォイル部１２ａ１とアンダーフォイル部１２ｂの密着後は、トップフォイル部１２ａ１にそれ以上の外径方向移動が許容されていないため、トップフォイル部１２ａ１の軸受面Ｘが軸１３の外周面と高面圧下で接触する。この高面圧接触が繰り返されることで、軸１３とトップフォイル部１２ａ１とが凝着し、トップフォイル部１２ａ１の摩耗やせん断を招くおそれがある。

この様な課題に対して、本実施形態では、以下の図７（図６のＤ−Ｄ断面図）に示す構成により、フォイル重複部Ｃにおいてフォイル１２が高面圧下で接触される事を防止している。

本実施形態のフォイルホルダ１１には、フォイル重複部Ｃの軸方向端部と対向する領域に空間Ｐが設けられる。図７および図８は、フォイルホルダ１１の軸方向端部の内径端に平面状の面取り１１ｃ（図７）、あるいは曲面状の面取り１１ｄ（図８）を形成することで、空間Ｐを形成した場合を例示している。また、図９は、フォイルホルダ１１の軸方向端部の内径端に断面矩形状の切り欠き部１１ｅを形成することで、空間Ｐを形成した場合を例示している。

このようにフォイルホルダ１１のうち、フォイル重複部Ｃの軸方向端部と対向する領域に面取り１１ｃ、１１ｄや切り欠き部１１ｅを形成して、フォイル重複部Ｃの外径側に空間Ｐを設ける事により、軸１３のコニカル運動により、その外周面がフォイル重複部Ｃの軸方向端部と接触しても、フォイル重複部Ｃは、その弾性変形により当該空間Ｐへ退避する事ができる。この場合、空間Ｐは、フォイル重複部Ｃの軸１３から離反する方向（外径方向）への変形を許容する逃げ部として機能する。

このようにフォイル重複部Ｃが軸１３の外周面から離反する方向に弾性変形可能となることで、トップフォイル部１２ａ１と軸１３の外周面との間の接触面圧を小さくし、繰り返しの接触による両者の凝着を防止することができる。従って、フォイル１２の摩耗やせん断等の破損を防止し、軸受寿命を高めることができる。なお、逃げ部Ｐはフォイルホルダ１１の軸方向両側に形成するのが好ましいが、特に必要がなければ軸方向の何れか一方側にのみ形成することもできる。

フォイル重複部Ｃの軸１３から離反する方向への変形を許容する逃げ部Ｐは、空間で形成する他、フォイルホルダ１１よりも軟質（高弾性）の異材料で形成することもできる。図１０は、その一例を示すもので、フォイルホルダ１１の軸方向端部を、樹脂やゴム等のフォイルホルダ１１本体（金属製）よりも軟質の材料（低剛性の材料）からなる低剛性部１１ｆで形成したものである。この低剛性部１１ｆは、例えばインサート成形や加硫接着等の手法によりフォイルホルダ１１の本体と一体化されている。軸１３のコニカル運動により、軸１３の外周面が低剛性部１１ｆの外径側のトップフォイル部１２ａ１に接触した場合でも、低剛性部１１ｆの弾性変形により、フォイル重複部Ｃの軸１３から離反する方向への変形が許容されるため、トップフォイル部１２ａ１と軸１３の外周面との間の接触面圧を小さくして、上記と同様の効果を得ることができる。

次に、図１１は、以上に述べた逃げ部Ｐ（図示例では平面上の面取り部１１ｃ）を有するフォイル軸受を軸方向一方側から見た図である。図１１に示すように、逃げ部Ｐは、少なくともフォイル重複部Ｃを包含する周方向の連続領域に形成される。また、逃げ部Ｐを、フォイルホルダ１１に形成した保持部としての軸方向溝１１ｂの側方（軸方向の側方）を含む領域にまで形成するのが好ましい。フォイル１２の固定端側（差込部１２ａ２側）ではフォイル１２が内径側を凸とする円弧上に変形しているため、差込部１２ａ２の近傍でフォイル１２の剛性が高くなっており、フォイル重複部Ｃと同様に軸とフォイル１２が高面圧で接触する可能性がある。これに対し、逃げ部Ｐを保持部１１ｂの側方領域にも形成することで、かかる接触部を低面圧化することができる。フォイル重複部Ｃの剛性は、差込部１２ａ２に近づくほど増大するので、逃げ部Ｐの幅Ｅ（逃げ部Ｐの半径方向の長さ）は、軸方向溝１１ｂへの接近方向に向けて徐々に大きくするのが好ましい。

以上の説明では、フォイルホルダ１１に逃げ部Ｐを設ける事により、フォイル重複部Ｃにおけるトップフォイル部１２ａ１が高面圧下で軸１３と接触する事を防止する構成を示した。しかし、これに限らず、軸１３の側に逃げ部Ｐを設ける事により、同様の効果を得ることもできる。

具体的には、図１２に示すようには、フォイル軸受装置１４を構成する軸１３のうち、フォイル重複部Ｃの軸方向端部と対向する領域に、例えばＲ面取り１３ａ等で逃げ部Ｐを形成する。この時、逃げ部Ｐは，フォイル重複部Ｃの軸方向端部から離反する方向（内径方向）に逃げた形状をなし、逃げ部Ｐにおける軸１３の外径寸法は、フォイル重複部Ｃと対向する側ほど大きく、フォイル重複部Ｃから軸方向に離反するほど小さくなっている。かかる構成であれば、軸１３のコニカル運動が生じた際にも、軸１３がフォイル重複部Ｃの軸方向端部と接触することはなく、従って、その際の軸とトップフォイル部１２ａ１の高面圧下での接触を回避することができる。なお、逃げ部を除いたフォイル軸受１０の構成については、これまでの実施形態と同様であるため、その記載は省略する。

かかる構成であれば、軸１３のコニカル運動が生じた際にも、軸１３がフォイル重複部Ｃの軸方向端部と接触することはなく、従って、その際の軸１３とトップフォイル部１２ａ１の高面圧下での接触を回避することができる。

以上の実施形態では、前述のトップフォイル部１２ａ１の軸受面Ｘが軸１３の外周面と高面圧下で接触する課題に対して、フォイルホルダに逃げ部を設ける構成を示したが、以下の実施形態では、フォイル重複部の一部に後退部を設けた構成について説明する。

図１３に示すように、本発明の第二実施形態に係るフォイル１２の第二領域１２ｂの軸方向両側の端縁には、差込口１２ｃ１よりも周方向他端側の全領域を第一領域１２ａの端縁１２１よりも軸方向中央側に後退させた後退部Ｑが設けられる。図示例の後退部Ｑは、周方向に直線状のストレート部１２２と、ストレート部１２２と差込口１２ｃ１の間に形成された後退幅増加部１２３とを有する。後退幅増加部１２３は、第一領域１２ａの端縁１２１に対する後退部Ｑの後退幅Ｆが差込口１２ｃ１への周方向接近側ほど増加する領域であり、本実施形態ではこの後退幅増加部１２３を円弧状に形成してストレート部１２２と滑らかにつなげた形態を例示している。

このように後退部Ｑを設けることで、各フォイル１２をフォイルホルダ１１に取り付けたフォイル軸受１０の状態では、図１４（図１３のＤ−Ｄ断面図）に示す様に、フォイル重複部Ｃの端縁Ｃ１のうち、外径側に位置するアンダーフォイル部１２ｂの端縁１２２，１２３が、軸受面Ｘの周方向に延びる端縁１２１よりも軸受面Ｘの軸方向中央側に後退した位置にある。

かかる構成から、フォイル重複部Ｃの軸方向両端のうち、トップフォイル部１２ａ１に対向する外径側の領域に空間Ｐを設ける事ができる。これにより、トップフォイル部１２ａ１に許容される、軸１３から離反する方向（外径方向）の弾性変形量が従来品よりも大きくなる。従って、軸１３がコニカルに振れ回りしてフォイル１２のトップフォイル部１２ａ１の軸方向端部に接触し、トップフォイル部１２ａ１とアンダーフォイル部１２ｂが密着した状態でも（図１５参照）、トップフォイル部１２ａ１の当該端部は空間Ｒに向けてさらに弾性変形することができる。この際にトップフォイル部１２ａ１がフォイルホルダ１１と接触することはない。従って、トップフォイル部１２ａ１が軸１３と高面圧下で接触する事を防止できる。これにより、軸１３がトップフォイル部１２ａ１に頻繁に接触した場合でも、軸１３とトップフォイル部１２ａ１の凝着を防止することが可能となり、フォイル１２の摩耗等による軸受寿命の低下を防止することができる。

図１に示すように、本発明のフォイル軸受１０では、各フォイル１２に設けた差込部１２ａ２の回転方向上流側に隣接する形でフォイル重複部Ｃが配置されている。本実施形態では、図１３に示すように、後退部Ｑのうち、差込口１２ｃ１に隣接する部分に後退幅増加部１２３を設けているので、フォイル軸受１０の状態では、差込口１２ｃ１に差し込まれる差込部１２ａ２への周方向接近側ほど空間Ｒの軸方向幅が大きくなる。従って、フォイル重複部Ｃの軸方向両端では、トップフォイル部１２ａ１の剛性を、差込部１２ａ２への周方向接近側ほど小さくすることができる。

本実施形態のフォイル軸受１０では、差込部１２ａ２がフォイルホルダ１１の内周面１１ａの接線方向に対して傾斜した軸方向溝１１ｂに嵌合されるため、フォイル重複部Ｃのトップフォイル部１２ａ１は、差込部１２ａ２の近傍で内径側にせり出し、内径側を凸とした逆湾曲状態に変形する。トップフォイル部１２ａ１の逆湾曲部分ではフォイル剛性が高くなるため、この逆湾曲部分にコニカル運動した軸１３が接触すると、両者間の接触面圧が増大し、上記と同様の問題を生じるおそれがある。これに対し、後退部Ｑに後退幅増加部１２３を設けることで、逆湾曲状態となるトップフォイル部１２ａ１が差込部１２ａ２への周方向接近側ほど外径側に弾性変形しやすくなる。従って、トップフォイル部１２ａ１と軸１３の高面圧接触を効果的に防止できる。

なお、かかる課題解決のために、アンダーフォイル部１２ｂの後退部Ｑ全体の後退幅Ｆ（図２参照）を後退幅増加部１２３の最大後退幅と同じにすることも考えられるが、これではアンダーフォイル部１２ｂの軸方向幅が狭くなり、フォイル軸受１０のモーメント剛性が大幅に低下する点が問題となる。これに対し、本実施形態のように後退幅増加部１２３を、これよりも後退幅Ｆの小さいストレート部１２２と分離して形成することで、かかる不具合を防止することができる。

上記の第二実施形態では、アンダーフォイル部１２ｂの端縁１２２，１２３に後退部Ｑを設けた場合を説明したが、同様の作用効果は、フォイル重複部Ｃの周方向に延びる端縁Ｃ１のうち、フォイル厚さ方向（図１５の上下方向）の任意の一部領域（但し、軸受面Ｘの端縁は除く）に後退部Ｑを設けることで得ることができる。

例えば、図１６に示す第三実施形態のフォイル１２では、後退部Ｑを、トップフォイル部１２ａ１の端縁１２１とアンダーフォイル部１２ｂの端縁１２２，１２３の双方に設けた場合を例示している（トップフォイル部１２ａ１の後退部を符号Ｑ１で示し、アンダーフォイル部１２ｂの後退部を符号Ｑ２で示す）。この実施形態の後退部Ｑ１，Ｑ２は、トップフォイル部１２ａ１およびアンダーフォイル部１２ｂの双方の軸方向端部をエッチング等で薄肉にすることで形成したものであり、後退部Ｑ１，Ｑ２は何れもフォイル厚さ方向に延びる面で形成されている。

なお、図１６ではトップフォイル部１２ａ１とアンダーフォイル部１２ｂの双方を薄肉にすることで後退部Ｑ１，Ｑ２を形成した場合を例示しているが、トップフォイル部１２ａ１の端部とアンダーフォイル部１２ｂの端部のどちらか一方だけを薄肉として、当該一方の端縁にのみ後退部Ｑを形成することもできる。

本実施形態の後退部Ｑ１、Ｑ２を設けたフォイル１２を平面図で示すと、図１７に示すとおりである。同図に示すように、この実施形態のフォイル１２では、アンダーフォイル部１２ｂの軸方向両端に後退部Ｑ２が形成される一方で、トップフォイル部１２ａ１の軸方向両端にも後退部Ｑ１が形成されている。また、一方の後退部Ｑ１がフォイル表面に形成され、他方の後退部Ｑ２はフォイル裏面に形成されている。

フォイル重複部Ｃの後退部Ｑは、以上の実施形態で説明した構成の様に、空間Ｒのフォイル厚さ方向の幅が均一となるように形成する他、以下の第四実施形態で示す様に、空間Ｒのフォイル厚さ方向の幅が軸方向で変化するように構成することもできる。

図１８に示す第四実施形態のフォイル１２では、第三実施形態と同様に、トップフォイル部１２ａ１およびアンダーフォイル部１２ｂの双方を部分的に薄肉にして後退部Ｑ１、Ｑ２が形成されている。後退部Ｑ１、Ｑ２を何れもテーパ面で形成し、かつ両テーパ面の向きを、テーパ面間の距離が軸方向の軸受面中央側で小さくなるようにした点が第二実施形態と異なる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

以上の説明では、フォイル１２の軸方向両側に後退部Ｑを形成する場合を例示したが、特に必要がなければフォイル重複部Ｃの軸方向の何れか一方側にのみ後退部Ｑを形成することもできる。

軸１３の外周面あるいはフォイル１２の軸受面に、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、二硫化タングステン膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の低摩擦化被膜を形成してもよい。また、フォイル１２とフォイルホルダ１１との間の微小摺動による摩擦力を調整するために、これらの何れか一方または双方に、上記のような低摩擦化被膜を形成してもよい。

以上の説明では、いわゆる多円弧型のフォイル軸受の例を用いて、本実施形態の構成を説明した。しかし、本発明は多円弧型のフォイル軸受だけでなく、例えば、図１９に示す様に、トップフォイルを周方向で分割してリーフフォイル２０（フォイル２０）を形成し、リーフフォイルをその一部を重ね合わせながら周方向の複数個所に設け、リーフフォイルの重なり合った部分である重複部Ｃにばね性を得るリーフ型のフォイル軸受１０にも同様に適用することができる。
また、その他、複数のフォイルがラジアル方向において重複部を有する構成であればよく、多円弧型のフォイル軸受、リーフ型のフォイル軸受についても前述の説明の構成に限らず、適宜変更が可能である。また、例示のラジアル軸受に限らず、スラスト軸受にも本発明を適用することができる。スラスト軸受に本発明を適用した場合、フォイルホルダのうち、フォイル重複部の外径側端部と対向する領域に逃げ部を設ける、あるいは、フォイル重複部の外径端部に後退部を設ける。

フォイル軸受１０にフォイル１２を３枚設けた場合を示したが、これに限らず、フォイル１２を２枚、あるいは４枚以上設けてもよい。

また、以上の説明では、軸１３を回転側部材とし、フォイルホルダ１１を固定側部材とした場合を例示したが、これとは逆に軸１３を固定側部材とし、フォイルホルダ１１を回転側部材とした場合にも各実施形態の構成をそのまま適用することもできる。但し、この場合はフォイル１２が回転側部材となるので、遠心力によるフォイル１２全体の変形を考慮してフォイル１２の設計を行う必要がある。

１０ フォイル軸受
１１ フォイルホルダ
１１ａ 内周面
１１ｂ 軸方向溝（保持部）
１１ｃ 面取り部
１１ｄ 面取り部
１１ｅ 切り欠き部
１１ｆ 低剛性部
１２ フォイル
１２ａ 第一領域
１２ｂ 第二領域（アンダーフォイル部）
１２ａ１ トップフォイル部
１２ａ２ 差込部（被保持部）
１２ｂ１ 突出部
１３ 軸
１３ａ Ｒ面取り（逃げ部）
１４ フォイル軸受装置
２０ リーフフォイル（フォイル）
Ｃ フォイル重複部
Ｅ 面取り幅（逃げ部の幅）
Ｆ 後退幅
Ｐ 逃げ部
Ｑ 後退部
Ｒ 空間
Ｘ 軸受面

Claims (13)

1. フォイルホルダと、前記フォイルホルダに取り付けられた複数のフォイルとを有し、前記フォイルが、軸受面を形成するトップフォイル部と、トップフォイル部とフォイルホルダの間に配置されるアンダーフォイル部とを備え、重なり合ったトップフォイル部とアンダーフォイル部とでフォイル重複部が形成され、前記軸受面と軸の間に形成した流体膜で軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受において、
   前記フォイルホルダの、前記フォイル重複部の軸方向端部と対向する周方向全領域に、フォイル重複部の軸から離反する方向への変形を許容する逃げ部を設けたことを特徴とするフォイル軸受。
2. 前記逃げ部を、空間で形成した請求項１記載のフォイル軸受。
3. 前記逃げ部を、前記フォイルホルダのその他の部分よりも剛性の低い低剛性部で形成した請求項１記載のフォイル軸受。
4. 前記フォイルホルダに、前記フォイルを保持するための保持部を設け、前記逃げ部を、保持部の側方を含む周方向領域に連続して形成した請求項1〜３何れか１項に記載のフォイル軸受。
5. 前記フォイルホルダに、前記フォイルを保持するための保持部を設け、 前記逃げ部の幅を保持部への接近方向に向けて徐々に大きくした請求項1〜４何れか１項に記載のフォイル軸受。
6. 軸と、
   請求項１〜５何れか１項に記載のフォイル軸受とを有し、
   軸と前記軸受面との間に形成した流体膜で軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受装置において、
   軸のうち、前記フォイル重複部の軸方向端部と対向する領域に、トップフォイル部から離反する方向に逃げる逃げ部を設けたことを特徴とするフォイル軸受装置。
7. フォイルホルダと、前記フォイルホルダに取り付けられた複数のフォイルとを有し、前記フォイルが、軸受面を形成するトップフォイル部と、トップフォイル部とフォイルホルダの間に配置されるアンダーフォイル部とを備え、重なり合ったトップフォイル部とアンダーフォイル部とでフォイル重複部が形成され、前記軸受面と軸の間に形成した流体膜で軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受において、
   前記フォイル重複部の周方向に延びる端縁の周方向全領域で、フォイル厚さ方向の一部領域に、前記軸受面の周方向に延びる端縁よりも軸受面中央側に後退した後退部を設けたことを特徴とするフォイル軸受。
8. 前記後退部をアンダーフォイル部の端縁に設けた請求項７記載のフォイル軸受。
9. 前記後退部を、トップフォイル部とアンダーフォイル部の双方の端縁に設けた請求項７記載のフォイル軸受。
10. トップフォイル部およびアンダーフォイル部の何れか一方または双方の端縁を部分的に薄肉にすることで、前記後退部を形成した請求項７記載のフォイル軸受。
11. 前記後退部で形成される空間のフォイル厚さ方向の幅を均一にした請求項７〜１０何れか記載のフォイル軸受。
12. 前記後退部で形成される空間のフォイル厚さ方向の幅を変化させた請求項７〜１０何れか記載のフォイル軸受。
13. 前記フォイルホルダは、前記フォイルを保持する保持部を有し、
    この保持部に隣接して前記フォイル重複部が配置され、
    前記後退部のうち、少なくとも前記保持部に隣接する部分の後退幅を、前記保持部への周方向接近側ほど大きくした請求項７〜１２何れか記載のフォイル軸受。

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