スラスト軸受
【課題】回転軸の軸方向への動きを十分に制限することができ、しかもスラストカラーの振動による傾きをより良好に吸収できるようにした、スラスト軸受を提供する。
【解決手段】回転軸１に設けられたスラストカラー４に対向して配置されるスラスト軸受３である。円環状の軸受板８と、軸受板８を支持する円環状のベース板９とを備える。軸受板８のスラストカラー４に対向する面には、ポンプイン形スパイラル溝が形成され、ベース板９の軸受板８に対向する面側と、軸受板８のベース板９に対向する面側との少なくとも一方には、周方向に沿って連続する凹部１３が形成されている。凹部１３の深さは、ベース板９又は軸受板８の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなっている。凹部１３には、凹部１３を埋めた状態に第１弾性体１０が設けられている。
【解決手段】回転軸１に設けられたスラストカラー４に対向して配置されるスラスト軸受３である。円環状の軸受板８と、軸受板８を支持する円環状のベース板９とを備える。軸受板８のスラストカラー４に対向する面には、ポンプイン形スパイラル溝が形成され、ベース板９の軸受板８に対向する面側と、軸受板８のベース板９に対向する面側との少なくとも一方には、周方向に沿って連続する凹部１３が形成されている。凹部１３の深さは、ベース板９又は軸受板８の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなっている。凹部１３には、凹部１３を埋めた状態に第１弾性体１０が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラスト軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
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のうち、動圧効果を利用するスラスト動圧軸受では、例えば軸受面にスパイラル溝を形成し、スラストカラーと軸受面との間に流体潤滑膜を形成することで、該潤滑膜を介して回転軸を支持している。
【０００３】
ところで、このようなスラスト動圧軸受としては、軸振動や衝撃を吸収するために柔軟なフォイル、例えば厚さ１００μｍ前後の金属製薄板で軸受面（軸受板）を形成し、この軸受面の下に該軸受面を柔軟に支持するためのフォイル構造を有したものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
すなわち、特許文献１では、テーパ形状の軸受面を波板形状のフォイル（バンプフォイル）で支持した構造が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、スパイラル溝を形成したフォイルを軸受面（軸受板）とし、軸受面の下に複数枚のフォイルを挿入した構造が開示されている。この構造においては、軸受板の下に挿入された各フォイルにそれぞれエッチング溝が形成されており、溝が互い違いになるようにフォイル同士が重ね合わされ、バネのように機能するようになっている。
したがって、特許文献１や特許文献２に開示された軸受にあっては、いずれも軸受面（軸受板）が柔軟なため、振動や衝撃によって発生する回転軸の動き、すなわちスラストカラーの軸方向の動きと、スラストカラーの振動（面振れ）による傾きとをある程度吸収できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５１３７０１号公報
【特許文献２】特開平０６−０７３４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の構造では、軸受面（軸受板）全体がメインプレートに柔軟に支持されているため、スラスト荷重（静荷重）が増えると軸受面（軸受板）全体がメインプレート側に移動し、これによって回転軸もその軸方向へ移動することにより、この回転軸が外側の静止部に接触してしまう可能性がある。例えば、この軸受をターボ機械のインペラを有する回転軸に適用した場合に、回転軸がその軸方向へ移動することで、インペラがその外側のハウジング（静止部）と接触を起こす可能性がある。
このような接触を避けるには、回転軸とハウジング（静止部）との隙間（軸方向隙間）を広くする必要があるが、ターボ機械のようにインペラを有する回転機械ではチップクリアランス（インペラ先端と静止部との隙間）を拡げることになるため、効率が低下してしまう。
【０００７】
また、特許文献２の構造では、フォイルに形成するエッチング溝の深さを調整することにより、軸方向の移動量を少なくすることができる。しかしながら、軸受面全体が概ね均等な剛性で支持されているため、前記の流体潤滑膜の動圧に分布がある場合、この動圧が高くなる部位（例えば、ポンプイン形のスパイラル溝が形成されている場合には内周側）が大きく撓むことになる。すると、この動圧が高くなる部位において所望の動圧が発生され難くなり、結果として軸受の軸受負荷能力が低下してしまう。
【０００８】
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、回転軸の軸方向への動きを十分に制限することができ、しかもスラストカラーの振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収できるようにした、スラスト軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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円環状の軸受板と、
前記軸受板の、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、該軸受板を支持する円環状のベース板とを備え、
前記軸受板の前記スラストカラーに対向する面には、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝が形成され、
前記ベース板の前記軸受板に対向する面側と、前記軸受板の前記ベース板に対向する面側との少なくとも一方には、その周方向に沿って連続する凹部が設けられ、
前記凹部の深さが、前記ベース板又は前記軸受板の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成され、
前記凹部には、該凹部を埋めた状態に第１弾性体が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
このスラスト軸受によれば、軸受板のスラストカラーに対向する面に、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝が形成されているので、このスパイラル溝によって形成される流体潤滑膜の動圧に、スラスト軸受の内周側の圧力が外周側の圧力より高くなる圧力分布が生じる。
そこで、このスラスト軸受では、ベース板と軸受板との少なくとも一方に凹部を形成し、この凹部の深さを、前記ベース板又は前記軸受板の内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成し、前記凹部に、該凹部を埋めた状態に第１弾性体を設けているので、前記動圧が高くなる内周側では外周側に比べて第１弾性体の厚さが相対的に薄くなり、したがって内周側では動圧が低くなる外周側に比べて撓み量（弾性変形量）が小さくなる。よって、この動圧が高くなる部位では第１弾性体が必要以上に大きく撓むことがないため、この部位でも流体潤滑膜に所望の動圧が発生され易くなり、軸受の軸受負荷能力の低下が抑制される。
また、特に凹部を形成した面における内周端は、この凹部を形成した面より凹んでいないため、この凹部を形成した面と対向する面に押圧されても弾性変形が生じないことになる。したがって、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、前記の内周端によって軸受板がベース板側に移動するのが抑制され、これによって回転軸がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。
【００１１】
また、前記スラスト軸受において、前記凹部は、前記ベース板の前記軸受板に対向する面側に形成されているのが好ましい。
このようにすれば、軸受板には凹部を形成しないためこの軸受板を比較的薄く形成することができ、これによって軽量に形成することが可能になる。したがって、軸受板を軽量に形成することで、その軸受面のスラストカラーに対する動的な追従性を高めることができる。
【００１２】
また、前記スラスト軸受においては、前記凹部が設けられた面は、その外周側に配置されて前記凹部を形成する第１面部と、該第１面部より内周側に配置された第２面部とを有し、
前記第２面部上には、前記第１弾性体より剛性が高い第２弾性体が設けられ、
前記第１弾性体と前記第２弾性体とは、前記凹部側を向く面と反対の側の面が面一に形成されていてもよい。
【００１３】
前記第２面部は凹部を形成する第１面部に対して凹んでおらず、また、この第２面部に設けられた第２弾性体は第１弾性体より剛性が高いため、この第２弾性体が設けられた内周側は、対向する面に押圧されてもほとんど弾性変形が生じないことになる。したがって、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、前記の内周端側によって軸受板がベース板側に移動するのが抑制され、これによって回転軸がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。
また、前記の内周側は流体潤滑膜の動圧が高くなるものの、この内周側では第２弾性体が必要以上に大きく撓むことがないため、前述したように軸受の軸受負荷能力の低下が抑制される。
【００１４】
また、前記スラスト軸受においては、前記凹部が設けられた面は、その外周側に配置されて前記凹部を形成する第１面部と、該第１面部より内周側に配置された第２面部とを有し、
前記第２面部には、該第２面部上に弾性変形可能に突出し、かつ、前記凹部が設けられた面と面一になるまでしか変形しない弾性構造部が設けられていてもよい。
【００１５】
前記第２面部に設けられた弾性構造部は、対向する面に押圧されても、凹部が設けられた面と面一になるまでしか変形しない。したがって、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、弾性構造部が形成された部位によって軸受板がベース板側に移動するのが抑制され、これによって回転軸がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。
また、弾性構造部が形成された内周側は流体潤滑膜の動圧が高くなるものの、この内周側では弾性構造部が大きく撓むことがないため、前述したように軸受の軸受負荷能力の低下が抑制される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のスラスト軸受によれば、スラスト荷重（静荷重）が増えても、前述したように軸受板がベース板側に移動するのが抑制されているので、回転軸がその軸方向に移動するのが十分に制限される。したがって、例えばこのスラスト軸受をターボ機械のインペラを有する回転軸に適用した場合に、回転軸がその軸方向へ移動することで、インペラがその外側のハウジング（静止部）に接触してしまうおそれが無くなる。
また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、例えば第１弾性体が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの部位でも所望の動圧が発生され易くなるため、軸受の軸受負荷能力の低下を抑制してスラストカラーの振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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。
【図２】（ａ）は本発明に係るスラスト軸受の第１実施形態の概略構成を示す側断面図、（ｂ）は（ａ）に示したスラスト軸受の作用説明図、（ｃ）は（ａ）に示したスラスト軸受の変形例を示す図である。
【図３】（ａ）はスパイラル溝を形成した軸受面の平面図、（ｂ）は流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフであり、（ｃ）、（ｄ）はスラスト軸受の要部側断面図である。
【図４】（ａ）は本発明に係るスラスト軸受の第２実施形態の概略構成を示す側断面図、（ｂ）は（ａ）に示したスラスト軸受の作用説明図、（ｃ）は（ａ）に示したスラスト軸受の変形例を示す図である。
【図５】第１実施形態のスラスト軸受に対応する変形例を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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に、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。
【００１９】
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。
【００２０】
図２（ａ）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の第１実施形態を示す図である。この第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）は、図１においてインペラ２側に配置されたものである。なお、本実施形態では、図１においてインペラ２側に配置されたスラスト軸受３Ａ（３）も、図１においてスラストカラー４を挟んでその反対側、すなわちラジアル軸受７側に配置されたスラスト軸受３も、同一の構成からなっている。
【００２１】
スラスト軸受３Ａ（３）は、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たものである。このスラスト軸受３Ａは、スラストカラー４に対向して配置されるトップフォイル（軸受板）８と、このトップフォイル８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ベース板９と、これらトップフォイル８とベース板９との間に配置された二種類の弾性体、すなわち第１弾性体１０と第２弾性体１１と、を備えて構成されたものである。
【００２２】
トップフォイル８は、回転軸１を挿通するための貫通孔８ａを有した円環板状のもので、スラストカラー４に対向する面を軸受面８ｂとしたものである。この軸受面８ｂには、図３（ａ）に示すように動圧発生用のスパイラル溝１２が形成されている。スパイラル溝１２は、公知のポンプイン形のもので、多数の螺旋形溝（スパイラル状の溝）１２ａを周方向に沿って等間隔に配置したものであり、本実施形態では螺旋形溝１２ａが全て同一の流入角を有して形成されたものである。ただし、本発明においては、必ずしも螺旋形溝１２ａが全て同一の流入角を有しておらず、例えば一部の螺旋形溝１２ａで異なっていたり、さらには一つの螺旋形溝１２ａ内において異なる流入角を有しているような動圧発生用のスパイラル溝であっても、本発明における動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝であるものとする。
図３（ａ）に示すように螺旋形溝１２ａは、軸受面８ｂの外周端から、前記貫通孔８ａの周囲に設けられた円環状のランド１２ｂにまで延びて形成されている。ランド１２ｂは、螺旋形溝１２ａの底面に対して相対的に高い位置（外側の位置）に外面を有したものである。なお、螺旋形溝１２ａ、１２ａ間もランド（図示せず）となっている。
【００２３】
このような構成によってスパイラル溝１２（螺旋形溝１２ａ）は、スラストカラー４に対して軸受面８ｂが相対的に回転した際（実際にはスラストカラー４が回転する）、軸受面８ｂの外周側から螺旋形溝１２ａに沿って内周側に軸受周囲の流体を引き込み、これによってスラストカラー４と軸受面８ｂとの間に流体潤滑膜を形成するようになっている。また、スパイラル溝１２（螺旋形溝１２ａ）によって引き込まれた流体は、ランド１２ｂに衝突することでその流れが遮られ、動圧が保持されるため、特に軸受板８の内周側で圧力が高くなるようになっている。すなわち、スパイラル溝１２（螺旋形溝１２ａ）によって形成される流体潤滑膜は、軸受面８ｂの外周側に比べ、内周側で高くなるような圧力分布を有するものとなっている。
【００２４】
図３（ｂ）は、このような流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである。図３（ｂ）中横軸は、図３（ａ）に示した軸受面８ｂにおける、中心からの半径方向の距離（位置）を示し（右側に行くほど長くなる）、縦軸は流体潤滑膜の圧力（動圧）を示している（上側に行くほど高くなる）。また、図３（ｂ）のグラフにおける（１）は、図３（ａ）中のランド１２ｂの内周縁での圧力を示し、（２）は同じくランド１２ｂの外周縁での圧力を示し、（３）は軸受面８ｂの外周縁での圧力を示している。
【００２５】
図３（ｂ）に示すように、軸受面８ｂの外周縁（３）からランド１２ｂの外周縁（２）までの範囲内においては、外周側から内周側に行くに連れて流体潤滑膜の圧力（動圧）は連続的に高くなるように変化している。また、軸受面８ｂ全体で見ても、ランド１２ｂの外周縁（２）、すなわちスパイラル溝１２が形成された領域の内周端で、流体潤滑膜の圧力（動圧）が最も高くなっている。
【００２６】
図２（ａ）に示すようにベース板９は、回転軸１を挿通するための貫通孔９ａを有した円環板状（略円筒状）のもので、トップフォイル８における軸受面８ｂと反対側の面に対向して配置されたものである。このベース板９は、図示しないケーシング等に螺子等で固定されており、これによって固定された状態で保持されている。
【００２７】
また、このベース板９の、トップフォイル８に対向する面は、その外周側に配置されて凹部１３を形成する第１面部９ｂと、該第１面部９ｂより内周側に配置された第２面部９ｃとを有している。凹部１３は、ベース板９の周方向に沿って周全体で連続して形成されている。すなわち、この凹部１３は、平面視円環状に形成されている。また、この凹部１３は、その深さが、ベース板９の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されている。したがって、このベース板９は、凹部１３によってテーパ面を形成したものとなっている。また、凹部１３の内周側の端縁１３ａは、凹部１３を形成した面の内周端１４ａより外周側に位置している。したがって、前記第２面部９ｃ（凹部１３を形成した面の内周端１４ａから凹部１３の内周側の端縁１３ａまでの間）は、平坦面１４となっている。
【００２８】
そして、この平坦面１４上には第２弾性体１１が設けられており、前記凹部１３には、該凹部１３を埋めた状態に第１弾性体１０が設けられている。ただし、第１弾性体１０は、凹部１３を埋め、さらにその表面（凹部１３側を向く面と反対の側の面）が第２弾性体１１の表面と面一になるように、凹部１３の深さより第２弾性体１１の厚さ分、厚く形成されている。ここで、第２弾性体１１の厚さは、スラスト軸受３の寸法によっても異なるものの、例えばスラスト軸受３の直径が４０ｍｍ〜５０ｍｍ程度である場合、数十μｍ程度とされる。また、第１弾性体１０の最大厚、すなわちベース板９の最外周部での厚さは、数百μｍ程度とされる。
【００２９】
これら第１弾性体１０、第２弾性体１１は、いずれもゴムや軟質樹脂などによって形成されたもので、例えばシリコーンゴムやシリコーン樹脂などによって形成されている。また、第２弾性体１１としては、第１弾性体１０より剛性が高いものが用いられている。すなわち、第２弾性体１１を形成するゴムや軟質樹脂などは、例えばその硬度が、第１弾性体１０を形成するゴムや軟質樹脂などに比べて高くなっている。よって、第２弾性体１１は、第１弾性体１０に比べて同じ荷重がかかった際の弾性変形量が小さくなり、したがって撓み量が少なくなるようになっている。
【００３０】
ここで、ベース板９の、トップフォイル８に対向する面における、第１面部９ｂの幅（ベース板９の半径方向の長さ）と、第２面部９ｃの幅（ベース板９の半径方向の長さ）とについては、以下のようにして設計するのが好ましい。
後述するようにスラスト軸受３Ａ（３）による軸受負荷能力を優先させる場合には、平坦面１４の幅（半径方向の長さ）を広くして動圧分布図である図３（ｂ）内の（２）の周辺を広く支持し、この（２）周辺での支持剛性を高くする。
【００３１】
また、後述するようにスラストカラー４に対する軸受面８ｂの追従性を優先し、減衰効果をより高めたい場合には、平坦面１４の幅（半径方向の長さ）を狭くしてフォイル８が傾き易くなるようにする。
特に、スラストカラー４に対する軸受面８ｂの追従性を最優先としたい場合には、平坦面１４を形成することなく、トップフォイル８に対向する面全体を、凹部１３としてもよい。その場合にも、凹部１３の内周端（ベース板９の内周端）が凹部１３中の他の部位より凹んでいないため、該内周端によって軸受負荷能力が発揮されるようになる。
【００３２】
なお、図２（ａ）に示した構成のスラスト軸受３Ａ（３）の要部を、図３（ｃ）として、先に示した流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである図３（ｂ）とともに示す。図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、凹部１３と平坦面１４との境界が、図３（ｂ）に示す（２）の位置、すなわち図３（ａ）に示すランド１２ｂの外周縁の位置となる。
さらに、図３（ｄ）には、平坦面１４を形成することなく、トップフォイル８に対向する面全体を、凹部１３とした場合の、スラスト軸受３Ａ（３）の要部を示す。この図３（ｄ）では、図３（ｂ）に示す（２）の位置より外側に第１弾性体１０を配置し、（２）の位置より内側に第２弾性体１１を配置している。
【００３３】
図２（ａ）に示した構成からなるスラスト軸受３Ａ（３）を形成するには、例えば凹部１３を形成したベース板９に対して、その平坦面１４上に第２弾性体１１の形成材料を、また、凹部１３上（内）に第１弾性体１０の形成材料をそれぞれ所定量配し、さらにその上にスパイラル溝１２を形成したトップフォイル８を載せる。そして、適宜な圧力で加圧しつつ加熱することにより、第１弾性体１０の形成材料、第２弾性体１１の形成材料を共に硬化させる。これにより、第１弾性体１０、第２弾性体１１を形成するとともに、これら第１弾性体１０、第２弾性体１１をベース板９、トップフォイル８の双方に接着させる。これにより、トップフォイル８、第１弾性体１０及び第２弾性体１１、ベース板９が一体化されてなる、図２（ａ）に示した構造のスラスト軸受３Ａ（３）が得られる。
【００３４】
次に、このような構成からなるスラスト軸受３の作用について説明する。
回転軸１が高速で回転すると、スラストカラー４とトップフォイル８の軸受面８ｂとの間に、スパイラル溝１２で形成された動圧によって流体潤滑膜が形成され、これによってスラスト軸受３Ａ（３）は、形成された流体潤滑膜を介してスラストカラー４を支持するようになる。なお、形成された流体潤滑膜の動圧は、前述したようにスラスト軸受３Ａ（３）の内周側で高く、外周側で低くなっている。
【００３５】
また、回転軸１は、回転軸が有する不釣合い、外部環境の影響および運転状態などによってその回転が回転中心から僅かながらぶれて振動することがあり、その場合にはこれに固定されているスラストカラー４も僅かながら振動して面振れし、図２（ｂ）に示すように瞬間的には傾いた状態となる。
その際、本実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）にあっては、ベース板９に凹部１３を形成し、この凹部１３の深さを内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成し、さらに凹部１３には第１弾性体１０を設け、内周側の平坦面１４上には第１弾性体１０より剛性が高い第２弾性体１１を設けている。
【００３６】
したがって、前記動圧が高くなる内周側では外周側に比べて第２弾性体１１の厚さが第１弾性体１０に比べて相対的に薄くなり、しかも第２弾性体１１は第１弾性体１０より剛性が高いため、内周側の第２弾性体１１は動圧が低くなる外周側の第１弾性体１０に比べて撓み量（弾性変形量）が小さくなる。また、第１弾性体１０についても、内周側では外周側に比べて厚さが薄くなるため、内周側ではその撓み量（弾性変形量）が小さくなる。
【００３７】
よって、この動圧が高くなる内周側では第２弾性体１１や第１弾性体１０が必要以上に大きく撓むことがないため、動圧が高くなる内周側においても、流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるようになり、スラスト軸受３Ａ（３）はその軸受負荷能力の低下が抑制されたものとなる。また、外周側の第１弾性体１０は内周側よりも撓み易くなっているので、軸受面８ｂはスラストカラー４に良好に追従し、図２（ｂ）の左側に示すように、スラストカラー４とトップフォイル８の軸受面８ｂとの間の流体潤滑膜の厚さ（スラストカラー４とトップフォイル８の軸受面８ｂとの隙間）が一定に保たれ、流体潤滑膜が破断し難くなる。すなわち、外周側が撓み易くなっているのでスラストカラーの傾きに追従できる。
【００３８】
また、凹部１３の内周側には平坦面１４が形成されており、この平坦面１４に設けられた第２弾性体１１は第１弾性体１０より剛性が高いため、この第２弾性体１１が設けられた内周端側は、トップフォイル８に押圧されてもほとんど弾性変形が生じない（撓まない）ことになる。したがって、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、内周端側（平坦面１４側）によってトップフォイル８がベース板９側に移動するのが抑制され、これによって回転軸１がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。
【００３９】
したがって、本実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）によれば、スラスト荷重（静荷重）が増えても、前述したようにトップフォイル８がベース板９側に移動するのが抑制されているので、回転軸１がその軸方向に移動するのが十分に制限される。よって、図１に示したようにこのスラスト軸受３をターボ機械のインペラ２を有する回転軸１に適用した場合に、回転軸１がその軸方向に沿って図１中矢印方向に移動することで、インペラ３がその外側のハウジング（静止部）５に接触してしまうおそれが無くなる。
また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、第２弾性体１１が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの内周側でも前記流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるため、軸受３Ａ（３）の軸受負荷能力の低下を抑制することができ、また、内周側に比べると外周側は撓み易くなっているので、スラストカラー４の振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。
【００４０】
さらに、ベース板９のトップフォイル（軸受板）８に対向する面側に凹部１３を形成し、トップフォイル８には凹部を形成していないので、このトップフォイル８を比較的薄く形成することができ、これによって軽量に形成することが可能になる。したがって、トップフォイル８を軽量に形成することで、その軸受面８ｂのスラストカラーに対する動的な追従性を高めることができる。
【００４１】
なお、前記実施形態では、図２（ａ）、（ｂ）に示したように、凹部１３の底面を平坦な傾斜面としたが、本発明はこれに限定されることなく、凹部１３はその深さがベース板９の内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されていれば、図２（ｃ）に示すように湾曲してなる湾曲面であってもよい。この湾曲面の形状については、特に限定されないものの、例えばスラスト軸受３の形状や寸法、回転軸１の運転条件などに基づいたシミュレーションにより、図３（ｂ）に示したようなグラフを求めておき、このグラフから得られる半径方向の距離と動圧との関係に対応して、設計するのが好ましい。
【００４２】
図４（ａ）は、図１に示したターボ機械に適用されたスラスト軸受の第２実施形態を示す図である。この第２実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）は、図１においてインペラ２側に配置されたものである。なお、本実施形態でも、図１においてインペラ２側に配置されたスラスト軸受３Ｂ（３）と、図１においてラジアル軸受７側に配置されたスラスト軸受３Ｂ（３）とは、同一の構成からなっている。
【００４３】
図４（ａ）に示したスラスト軸受３Ｂ（３）が、図２（ａ）に示したスラスト軸受３Ａ（３）と異なるところは、ベース板９の凹部１３を形成した面における、前記第２面部９ｃ（凹部１３を形成した面の内周端１４ａから凹部１３の内周側の端縁１３ａまでの間）の構成にある。
すなわち、図４（ａ）に示したスラスト軸受３Ｂ（３）では、第２面部９ｃに、弾性構造部１５が設けられている。
【００４４】
弾性構造部１５は、凹部１３を形成した面の内周端１４ａと凹部１３の内周側の端縁１３ａとの間に形成された溝１６と、該溝１６内に埋設された第３弾性体１７と、この第３弾性体１７上に配設された第４弾性体１８とからなっている。溝１６は、ベース板９の貫通孔９ａの外周に沿って形成されたもので、平面視円環状のものである。第３弾性体１７は、溝１６内をちょうど埋設する大きさ・形状に形成されたもので、前記第２弾性体１１と同様に、第１弾性体１０より高い剛性を有したものである。したがって、第３弾性体１７は、第２弾性体１１と同じ材質からなっていてもよい。
【００４５】
第４弾性体１８も、第１弾性体１０より高い剛性を有したものであり、したがって第２弾性体１１や第３弾性体１７と同じ材質からなっていてもよい。また、この第４弾性体１８は、ベース板９の凹部１３を形成した面より突出して設けられたもので、環状に形成されたものである。
【００４６】
この第４弾性体１８は、トップフォイル８を直接支持し、したがって前記の流体潤滑膜の動圧によって押圧されるようになっている。その際、この第４弾性体１８とこれを支持する第３弾性体１７とは、最大につぶれても（変形しても）、溝１６の周囲がベース板９の面になっているため、この面と面一になるまでしかつぶれない（変形しない）、すなわち弾性変形しないようになっている。
【００４７】
したがって、本実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）にあっては、スラスト荷重（静荷重）が増えても、弾性構造部１５が形成された部位によってトップフォイル８がベース板９側に移動するのが抑制され、これによって回転軸１がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。
【００４８】
また、回転軸１が振動し、スラストカラー４も振動し面振れして図４（ｂ）に示すように瞬間的に傾いた状態になっても、凹部１３の深さを内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成し、さらに凹部１３には第１弾性体１０を設け、凹部１３より内周側には弾性構造部１５を設けているので、内周側の第１弾性体１０や内周側の弾性構造部１５は、動圧が低くなる外周側の第１弾性体１０に比べて撓み量（弾性変形量）が小さくなる。
【００４９】
よって、この動圧が高くなる内周側では弾性構造部１５や第１弾性体１０が必要以上に大きく撓むことがないため、動圧が高くなる内周側においても、流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるようになり、スラスト軸受３Ｂ（３）はその軸受負荷能力の低下が抑制されたものとなる。また、外周側の第１弾性体１０は内周側よりも撓み易くなっているので、軸受面８ｂはスラストカラー４に良好に追従し、図４（ｂ）に示したようにスラストカラー４とトップフォイル８の軸受面８ｂとの間の流体潤滑膜の厚さ（スラストカラー４とトップフォイル８の軸受面８ｂとの隙間）が一定に保たれ、流体潤滑膜が破断し難くなる。
【００５０】
したがって、本実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）によれば、スラスト荷重（静荷重）が増えても、前述したようにトップフォイル８がベース板９側に移動するのが抑制されているので、回転軸１がその軸方向に移動するのが十分に制限される。よって、図１に示したようにこのスラスト軸受３をターボ機械のインペラ２を有する回転軸１に適用した場合に、回転軸１がその軸方向に沿ってインペラ２側に移動することで、インペラ３がその外側のハウジング（静止部）５に接触してしまうおそれが無くなる。
また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、弾性構造部１５や第１弾性体１０が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの内周側でも前記流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるため、軸受３Ｂ（３）の軸受負荷能力の低下を抑制することができ、また、内周側に比べると外周側は撓み易くなっているので、スラストカラー４の振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。
【００５１】
さらに、ベース板９のトップフォイル（軸受板）８に対向する面側に凹部１３を形成し、トップフォイル８には凹部を形成していないので、前述したようにこのトップフォイル８を比較的薄く、軽量に形成することが可能になる。したがって、トップフォイル８を軽量に形成することで、その軸受面８ｂのスラストカラーに対する追従性を高めることができる。
【００５２】
なお、この実施形態においても、図４（ａ）、（ｂ）に示したように凹部１３の底面を平坦な傾斜面としたが、第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）と同様に、凹部１３はその深さがベース板９の内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されていれば、図４（ｃ）に示すように湾曲してなる湾曲面であってもよい。その際の湾曲面の形状についても、シミュレーション等によって図３（ｂ）に示したようなグラフを求め、このグラフから得られる半径方向の距離と動圧との関係に対応して、設計するのが好ましい。
また、この実施形態では、第３弾性体１７と第４弾性体１８とを別に形成したが、これらを同一材料によって一体に形成してもよい。
【００５３】
また、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において種々の変更が可能である。例えば、前記実施形態では、凹部１３をベース板９のトップフォイル（軸受板）８に対向する面側に形成したが、軸受板のベース板に対向する面側に形成してもよく、さらには、これらの両方に凹部を形成してもよい。
【００５４】
例えば、第１実施形態に対応する例として、図５に示すように軸受板１９の外周側（第１面部）に凹部２０を形成し、該凹部２０内に第１弾性体２１を埋設し、さらに、凹部２０の内周側の平坦面（第２面部）２２に第２弾性体２３を設けた構成としてもよい。このような構成としても、第１実施形態と同様、回転軸１の軸方向への動きを十分に制限することができ、また、スラストカラー４の振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。
【００５５】
また、前記の平坦面１４（２２）や弾性構造部１５を形成することなく、図３（ｄ）に示したように凹部１３（２０）を、ベース板９や軸受板１９の内周端から外周端にかけて全体に形成してもよい。その場合には、第２弾性体１１（２３）や第３弾性体１７、第４弾性体１８を設けることなく、凹部１３（２０）内に第１弾性体１０（２１）のみを埋設させ、または第１弾性体１０（２１）と第２弾性体１１（２３）とを共に埋設させることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１…回転軸、３（３Ａ、３Ｂ）…スラスト軸受、４…スラストカラー、８…トップフォイルイ（軸受板）、８ｂ…軸受面、９…ベース板、９ｂ…第１面部、９ｃ…第２面部、１０、２１…第１弾性体、１１、２３…第２弾性体、１２…スパイラル溝、１３、２０…凹部、１４、２２…平坦面、１５…弾性構造部、１６…溝、１７…第３弾性体、１８…第４弾性体、１９…軸受板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラスト軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
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のうち、動圧効果を利用するスラスト動圧軸受では、例えば軸受面にスパイラル溝を形成し、スラストカラーと軸受面との間に流体潤滑膜を形成することで、該潤滑膜を介して回転軸を支持している。
【０００３】
ところで、このようなスラスト動圧軸受としては、軸振動や衝撃を吸収するために柔軟なフォイル、例えば厚さ１００μｍ前後の金属製薄板で軸受面（軸受板）を形成し、この軸受面の下に該軸受面を柔軟に支持するためのフォイル構造を有したものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
すなわち、特許文献１では、テーパ形状の軸受面を波板形状のフォイル（バンプフォイル）で支持した構造が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２では、スパイラル溝を形成したフォイルを軸受面（軸受板）とし、軸受面の下に複数枚のフォイルを挿入した構造が開示されている。この構造においては、軸受板の下に挿入された各フォイルにそれぞれエッチング溝が形成されており、溝が互い違いになるようにフォイル同士が重ね合わされ、バネのように機能するようになっている。
したがって、特許文献１や特許文献２に開示された軸受にあっては、いずれも軸受面（軸受板）が柔軟なため、振動や衝撃によって発生する回転軸の動き、すなわちスラストカラーの軸方向の動きと、スラストカラーの振動（面振れ）による傾きとをある程度吸収できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５１３７０１号公報
【特許文献２】特開平０６−０７３４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の構造では、軸受面（軸受板）全体がメインプレートに柔軟に支持されているため、スラスト荷重（静荷重）が増えると軸受面（軸受板）全体がメインプレート側に移動し、これによって回転軸もその軸方向へ移動することにより、この回転軸が外側の静止部に接触してしまう可能性がある。例えば、この軸受をターボ機械のインペラを有する回転軸に適用した場合に、回転軸がその軸方向へ移動することで、インペラがその外側のハウジング（静止部）と接触を起こす可能性がある。
このような接触を避けるには、回転軸とハウジング（静止部）との隙間（軸方向隙間）を広くする必要があるが、ターボ機械のようにインペラを有する回転機械ではチップクリアランス（インペラ先端と静止部との隙間）を拡げることになるため、効率が低下してしまう。
【０００７】
また、特許文献２の構造では、フォイルに形成するエッチング溝の深さを調整することにより、軸方向の移動量を少なくすることができる。しかしながら、軸受面全体が概ね均等な剛性で支持されているため、前記の流体潤滑膜の動圧に分布がある場合、この動圧が高くなる部位（例えば、ポンプイン形のスパイラル溝が形成されている場合には内周側）が大きく撓むことになる。すると、この動圧が高くなる部位において所望の動圧が発生され難くなり、結果として軸受の軸受負荷能力が低下してしまう。
【０００８】
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、回転軸の軸方向への動きを十分に制限することができ、しかもスラストカラーの振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収できるようにした、スラスト軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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円環状の軸受板と、
前記軸受板の、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、該軸受板を支持する円環状のベース板とを備え、
前記軸受板の前記スラストカラーに対向する面には、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝が形成され、
前記ベース板の前記軸受板に対向する面側と、前記軸受板の前記ベース板に対向する面側との少なくとも一方には、その周方向に沿って連続する凹部が設けられ、
前記凹部の深さが、前記ベース板又は前記軸受板の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成され、
前記凹部には、該凹部を埋めた状態に第１弾性体が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
このスラスト軸受によれば、軸受板のスラストカラーに対向する面に、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝が形成されているので、このスパイラル溝によって形成される流体潤滑膜の動圧に、スラスト軸受の内周側の圧力が外周側の圧力より高くなる圧力分布が生じる。
そこで、このスラスト軸受では、ベース板と軸受板との少なくとも一方に凹部を形成し、この凹部の深さを、前記ベース板又は前記軸受板の内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成し、前記凹部に、該凹部を埋めた状態に第１弾性体を設けているので、前記動圧が高くなる内周側では外周側に比べて第１弾性体の厚さが相対的に薄くなり、したがって内周側では動圧が低くなる外周側に比べて撓み量（弾性変形量）が小さくなる。よって、この動圧が高くなる部位では第１弾性体が必要以上に大きく撓むことがないため、この部位でも流体潤滑膜に所望の動圧が発生され易くなり、軸受の軸受負荷能力の低下が抑制される。
また、特に凹部を形成した面における内周端は、この凹部を形成した面より凹んでいないため、この凹部を形成した面と対向する面に押圧されても弾性変形が生じないことになる。したがって、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、前記の内周端によって軸受板がベース板側に移動するのが抑制され、これによって回転軸がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。
【００１１】
また、前記スラスト軸受において、前記凹部は、前記ベース板の前記軸受板に対向する面側に形成されているのが好ましい。
このようにすれば、軸受板には凹部を形成しないためこの軸受板を比較的薄く形成することができ、これによって軽量に形成することが可能になる。したがって、軸受板を軽量に形成することで、その軸受面のスラストカラーに対する動的な追従性を高めることができる。
【００１２】
また、前記スラスト軸受においては、前記凹部が設けられた面は、その外周側に配置されて前記凹部を形成する第１面部と、該第１面部より内周側に配置された第２面部とを有し、
前記第２面部上には、前記第１弾性体より剛性が高い第２弾性体が設けられ、
前記第１弾性体と前記第２弾性体とは、前記凹部側を向く面と反対の側の面が面一に形成されていてもよい。
【００１３】
前記第２面部は凹部を形成する第１面部に対して凹んでおらず、また、この第２面部に設けられた第２弾性体は第１弾性体より剛性が高いため、この第２弾性体が設けられた内周側は、対向する面に押圧されてもほとんど弾性変形が生じないことになる。したがって、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、前記の内周端側によって軸受板がベース板側に移動するのが抑制され、これによって回転軸がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。
また、前記の内周側は流体潤滑膜の動圧が高くなるものの、この内周側では第２弾性体が必要以上に大きく撓むことがないため、前述したように軸受の軸受負荷能力の低下が抑制される。
【００１４】
また、前記スラスト軸受においては、前記凹部が設けられた面は、その外周側に配置されて前記凹部を形成する第１面部と、該第１面部より内周側に配置された第２面部とを有し、
前記第２面部には、該第２面部上に弾性変形可能に突出し、かつ、前記凹部が設けられた面と面一になるまでしか変形しない弾性構造部が設けられていてもよい。
【００１５】
前記第２面部に設けられた弾性構造部は、対向する面に押圧されても、凹部が設けられた面と面一になるまでしか変形しない。したがって、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、弾性構造部が形成された部位によって軸受板がベース板側に移動するのが抑制され、これによって回転軸がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。
また、弾性構造部が形成された内周側は流体潤滑膜の動圧が高くなるものの、この内周側では弾性構造部が大きく撓むことがないため、前述したように軸受の軸受負荷能力の低下が抑制される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のスラスト軸受によれば、スラスト荷重（静荷重）が増えても、前述したように軸受板がベース板側に移動するのが抑制されているので、回転軸がその軸方向に移動するのが十分に制限される。したがって、例えばこのスラスト軸受をターボ機械のインペラを有する回転軸に適用した場合に、回転軸がその軸方向へ移動することで、インペラがその外側のハウジング（静止部）に接触してしまうおそれが無くなる。
また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、例えば第１弾性体が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの部位でも所望の動圧が発生され易くなるため、軸受の軸受負荷能力の低下を抑制してスラストカラーの振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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。
【図２】（ａ）は本発明に係るスラスト軸受の第１実施形態の概略構成を示す側断面図、（ｂ）は（ａ）に示したスラスト軸受の作用説明図、（ｃ）は（ａ）に示したスラスト軸受の変形例を示す図である。
【図３】（ａ）はスパイラル溝を形成した軸受面の平面図、（ｂ）は流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフであり、（ｃ）、（ｄ）はスラスト軸受の要部側断面図である。
【図４】（ａ）は本発明に係るスラスト軸受の第２実施形態の概略構成を示す側断面図、（ｂ）は（ａ）に示したスラスト軸受の作用説明図、（ｃ）は（ａ）に示したスラスト軸受の変形例を示す図である。
【図５】第１実施形態のスラスト軸受に対応する変形例を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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に、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。
【００１９】
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。
【００２０】
図２（ａ）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の第１実施形態を示す図である。この第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）は、図１においてインペラ２側に配置されたものである。なお、本実施形態では、図１においてインペラ２側に配置されたスラスト軸受３Ａ（３）も、図１においてスラストカラー４を挟んでその反対側、すなわちラジアル軸受７側に配置されたスラスト軸受３も、同一の構成からなっている。
【００２１】
スラスト軸受３Ａ（３）は、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たものである。このスラスト軸受３Ａは、スラストカラー４に対向して配置されるトップフォイル（軸受板）８と、このトップフォイル８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ベース板９と、これらトップフォイル８とベース板９との間に配置された二種類の弾性体、すなわち第１弾性体１０と第２弾性体１１と、を備えて構成されたものである。
【００２２】
トップフォイル８は、回転軸１を挿通するための貫通孔８ａを有した円環板状のもので、スラストカラー４に対向する面を軸受面８ｂとしたものである。この軸受面８ｂには、図３（ａ）に示すように動圧発生用のスパイラル溝１２が形成されている。スパイラル溝１２は、公知のポンプイン形のもので、多数の螺旋形溝（スパイラル状の溝）１２ａを周方向に沿って等間隔に配置したものであり、本実施形態では螺旋形溝１２ａが全て同一の流入角を有して形成されたものである。ただし、本発明においては、必ずしも螺旋形溝１２ａが全て同一の流入角を有しておらず、例えば一部の螺旋形溝１２ａで異なっていたり、さらには一つの螺旋形溝１２ａ内において異なる流入角を有しているような動圧発生用のスパイラル溝であっても、本発明における動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝であるものとする。
図３（ａ）に示すように螺旋形溝１２ａは、軸受面８ｂの外周端から、前記貫通孔８ａの周囲に設けられた円環状のランド１２ｂにまで延びて形成されている。ランド１２ｂは、螺旋形溝１２ａの底面に対して相対的に高い位置（外側の位置）に外面を有したものである。なお、螺旋形溝１２ａ、１２ａ間もランド（図示せず）となっている。
【００２３】
このような構成によってスパイラル溝１２（螺旋形溝１２ａ）は、スラストカラー４に対して軸受面８ｂが相対的に回転した際（実際にはスラストカラー４が回転する）、軸受面８ｂの外周側から螺旋形溝１２ａに沿って内周側に軸受周囲の流体を引き込み、これによってスラストカラー４と軸受面８ｂとの間に流体潤滑膜を形成するようになっている。また、スパイラル溝１２（螺旋形溝１２ａ）によって引き込まれた流体は、ランド１２ｂに衝突することでその流れが遮られ、動圧が保持されるため、特に軸受板８の内周側で圧力が高くなるようになっている。すなわち、スパイラル溝１２（螺旋形溝１２ａ）によって形成される流体潤滑膜は、軸受面８ｂの外周側に比べ、内周側で高くなるような圧力分布を有するものとなっている。
【００２４】
図３（ｂ）は、このような流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである。図３（ｂ）中横軸は、図３（ａ）に示した軸受面８ｂにおける、中心からの半径方向の距離（位置）を示し（右側に行くほど長くなる）、縦軸は流体潤滑膜の圧力（動圧）を示している（上側に行くほど高くなる）。また、図３（ｂ）のグラフにおける（１）は、図３（ａ）中のランド１２ｂの内周縁での圧力を示し、（２）は同じくランド１２ｂの外周縁での圧力を示し、（３）は軸受面８ｂの外周縁での圧力を示している。
【００２５】
図３（ｂ）に示すように、軸受面８ｂの外周縁（３）からランド１２ｂの外周縁（２）までの範囲内においては、外周側から内周側に行くに連れて流体潤滑膜の圧力（動圧）は連続的に高くなるように変化している。また、軸受面８ｂ全体で見ても、ランド１２ｂの外周縁（２）、すなわちスパイラル溝１２が形成された領域の内周端で、流体潤滑膜の圧力（動圧）が最も高くなっている。
【００２６】
図２（ａ）に示すようにベース板９は、回転軸１を挿通するための貫通孔９ａを有した円環板状（略円筒状）のもので、トップフォイル８における軸受面８ｂと反対側の面に対向して配置されたものである。このベース板９は、図示しないケーシング等に螺子等で固定されており、これによって固定された状態で保持されている。
【００２７】
また、このベース板９の、トップフォイル８に対向する面は、その外周側に配置されて凹部１３を形成する第１面部９ｂと、該第１面部９ｂより内周側に配置された第２面部９ｃとを有している。凹部１３は、ベース板９の周方向に沿って周全体で連続して形成されている。すなわち、この凹部１３は、平面視円環状に形成されている。また、この凹部１３は、その深さが、ベース板９の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されている。したがって、このベース板９は、凹部１３によってテーパ面を形成したものとなっている。また、凹部１３の内周側の端縁１３ａは、凹部１３を形成した面の内周端１４ａより外周側に位置している。したがって、前記第２面部９ｃ（凹部１３を形成した面の内周端１４ａから凹部１３の内周側の端縁１３ａまでの間）は、平坦面１４となっている。
【００２８】
そして、この平坦面１４上には第２弾性体１１が設けられており、前記凹部１３には、該凹部１３を埋めた状態に第１弾性体１０が設けられている。ただし、第１弾性体１０は、凹部１３を埋め、さらにその表面（凹部１３側を向く面と反対の側の面）が第２弾性体１１の表面と面一になるように、凹部１３の深さより第２弾性体１１の厚さ分、厚く形成されている。ここで、第２弾性体１１の厚さは、スラスト軸受３の寸法によっても異なるものの、例えばスラスト軸受３の直径が４０ｍｍ〜５０ｍｍ程度である場合、数十μｍ程度とされる。また、第１弾性体１０の最大厚、すなわちベース板９の最外周部での厚さは、数百μｍ程度とされる。
【００２９】
これら第１弾性体１０、第２弾性体１１は、いずれもゴムや軟質樹脂などによって形成されたもので、例えばシリコーンゴムやシリコーン樹脂などによって形成されている。また、第２弾性体１１としては、第１弾性体１０より剛性が高いものが用いられている。すなわち、第２弾性体１１を形成するゴムや軟質樹脂などは、例えばその硬度が、第１弾性体１０を形成するゴムや軟質樹脂などに比べて高くなっている。よって、第２弾性体１１は、第１弾性体１０に比べて同じ荷重がかかった際の弾性変形量が小さくなり、したがって撓み量が少なくなるようになっている。
【００３０】
ここで、ベース板９の、トップフォイル８に対向する面における、第１面部９ｂの幅（ベース板９の半径方向の長さ）と、第２面部９ｃの幅（ベース板９の半径方向の長さ）とについては、以下のようにして設計するのが好ましい。
後述するようにスラスト軸受３Ａ（３）による軸受負荷能力を優先させる場合には、平坦面１４の幅（半径方向の長さ）を広くして動圧分布図である図３（ｂ）内の（２）の周辺を広く支持し、この（２）周辺での支持剛性を高くする。
【００３１】
また、後述するようにスラストカラー４に対する軸受面８ｂの追従性を優先し、減衰効果をより高めたい場合には、平坦面１４の幅（半径方向の長さ）を狭くしてフォイル８が傾き易くなるようにする。
特に、スラストカラー４に対する軸受面８ｂの追従性を最優先としたい場合には、平坦面１４を形成することなく、トップフォイル８に対向する面全体を、凹部１３としてもよい。その場合にも、凹部１３の内周端（ベース板９の内周端）が凹部１３中の他の部位より凹んでいないため、該内周端によって軸受負荷能力が発揮されるようになる。
【００３２】
なお、図２（ａ）に示した構成のスラスト軸受３Ａ（３）の要部を、図３（ｃ）として、先に示した流体潤滑膜の圧力（動圧）の分布を示すグラフである図３（ｂ）とともに示す。図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、凹部１３と平坦面１４との境界が、図３（ｂ）に示す（２）の位置、すなわち図３（ａ）に示すランド１２ｂの外周縁の位置となる。
さらに、図３（ｄ）には、平坦面１４を形成することなく、トップフォイル８に対向する面全体を、凹部１３とした場合の、スラスト軸受３Ａ（３）の要部を示す。この図３（ｄ）では、図３（ｂ）に示す（２）の位置より外側に第１弾性体１０を配置し、（２）の位置より内側に第２弾性体１１を配置している。
【００３３】
図２（ａ）に示した構成からなるスラスト軸受３Ａ（３）を形成するには、例えば凹部１３を形成したベース板９に対して、その平坦面１４上に第２弾性体１１の形成材料を、また、凹部１３上（内）に第１弾性体１０の形成材料をそれぞれ所定量配し、さらにその上にスパイラル溝１２を形成したトップフォイル８を載せる。そして、適宜な圧力で加圧しつつ加熱することにより、第１弾性体１０の形成材料、第２弾性体１１の形成材料を共に硬化させる。これにより、第１弾性体１０、第２弾性体１１を形成するとともに、これら第１弾性体１０、第２弾性体１１をベース板９、トップフォイル８の双方に接着させる。これにより、トップフォイル８、第１弾性体１０及び第２弾性体１１、ベース板９が一体化されてなる、図２（ａ）に示した構造のスラスト軸受３Ａ（３）が得られる。
【００３４】
次に、このような構成からなるスラスト軸受３の作用について説明する。
回転軸１が高速で回転すると、スラストカラー４とトップフォイル８の軸受面８ｂとの間に、スパイラル溝１２で形成された動圧によって流体潤滑膜が形成され、これによってスラスト軸受３Ａ（３）は、形成された流体潤滑膜を介してスラストカラー４を支持するようになる。なお、形成された流体潤滑膜の動圧は、前述したようにスラスト軸受３Ａ（３）の内周側で高く、外周側で低くなっている。
【００３５】
また、回転軸１は、回転軸が有する不釣合い、外部環境の影響および運転状態などによってその回転が回転中心から僅かながらぶれて振動することがあり、その場合にはこれに固定されているスラストカラー４も僅かながら振動して面振れし、図２（ｂ）に示すように瞬間的には傾いた状態となる。
その際、本実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）にあっては、ベース板９に凹部１３を形成し、この凹部１３の深さを内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成し、さらに凹部１３には第１弾性体１０を設け、内周側の平坦面１４上には第１弾性体１０より剛性が高い第２弾性体１１を設けている。
【００３６】
したがって、前記動圧が高くなる内周側では外周側に比べて第２弾性体１１の厚さが第１弾性体１０に比べて相対的に薄くなり、しかも第２弾性体１１は第１弾性体１０より剛性が高いため、内周側の第２弾性体１１は動圧が低くなる外周側の第１弾性体１０に比べて撓み量（弾性変形量）が小さくなる。また、第１弾性体１０についても、内周側では外周側に比べて厚さが薄くなるため、内周側ではその撓み量（弾性変形量）が小さくなる。
【００３７】
よって、この動圧が高くなる内周側では第２弾性体１１や第１弾性体１０が必要以上に大きく撓むことがないため、動圧が高くなる内周側においても、流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるようになり、スラスト軸受３Ａ（３）はその軸受負荷能力の低下が抑制されたものとなる。また、外周側の第１弾性体１０は内周側よりも撓み易くなっているので、軸受面８ｂはスラストカラー４に良好に追従し、図２（ｂ）の左側に示すように、スラストカラー４とトップフォイル８の軸受面８ｂとの間の流体潤滑膜の厚さ（スラストカラー４とトップフォイル８の軸受面８ｂとの隙間）が一定に保たれ、流体潤滑膜が破断し難くなる。すなわち、外周側が撓み易くなっているのでスラストカラーの傾きに追従できる。
【００３８】
また、凹部１３の内周側には平坦面１４が形成されており、この平坦面１４に設けられた第２弾性体１１は第１弾性体１０より剛性が高いため、この第２弾性体１１が設けられた内周端側は、トップフォイル８に押圧されてもほとんど弾性変形が生じない（撓まない）ことになる。したがって、例えばスラスト荷重（静荷重）が増えても、内周端側（平坦面１４側）によってトップフォイル８がベース板９側に移動するのが抑制され、これによって回転軸１がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。
【００３９】
したがって、本実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）によれば、スラスト荷重（静荷重）が増えても、前述したようにトップフォイル８がベース板９側に移動するのが抑制されているので、回転軸１がその軸方向に移動するのが十分に制限される。よって、図１に示したようにこのスラスト軸受３をターボ機械のインペラ２を有する回転軸１に適用した場合に、回転軸１がその軸方向に沿って図１中矢印方向に移動することで、インペラ３がその外側のハウジング（静止部）５に接触してしまうおそれが無くなる。
また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、第２弾性体１１が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの内周側でも前記流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるため、軸受３Ａ（３）の軸受負荷能力の低下を抑制することができ、また、内周側に比べると外周側は撓み易くなっているので、スラストカラー４の振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。
【００４０】
さらに、ベース板９のトップフォイル（軸受板）８に対向する面側に凹部１３を形成し、トップフォイル８には凹部を形成していないので、このトップフォイル８を比較的薄く形成することができ、これによって軽量に形成することが可能になる。したがって、トップフォイル８を軽量に形成することで、その軸受面８ｂのスラストカラーに対する動的な追従性を高めることができる。
【００４１】
なお、前記実施形態では、図２（ａ）、（ｂ）に示したように、凹部１３の底面を平坦な傾斜面としたが、本発明はこれに限定されることなく、凹部１３はその深さがベース板９の内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されていれば、図２（ｃ）に示すように湾曲してなる湾曲面であってもよい。この湾曲面の形状については、特に限定されないものの、例えばスラスト軸受３の形状や寸法、回転軸１の運転条件などに基づいたシミュレーションにより、図３（ｂ）に示したようなグラフを求めておき、このグラフから得られる半径方向の距離と動圧との関係に対応して、設計するのが好ましい。
【００４２】
図４（ａ）は、図１に示したターボ機械に適用されたスラスト軸受の第２実施形態を示す図である。この第２実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）は、図１においてインペラ２側に配置されたものである。なお、本実施形態でも、図１においてインペラ２側に配置されたスラスト軸受３Ｂ（３）と、図１においてラジアル軸受７側に配置されたスラスト軸受３Ｂ（３）とは、同一の構成からなっている。
【００４３】
図４（ａ）に示したスラスト軸受３Ｂ（３）が、図２（ａ）に示したスラスト軸受３Ａ（３）と異なるところは、ベース板９の凹部１３を形成した面における、前記第２面部９ｃ（凹部１３を形成した面の内周端１４ａから凹部１３の内周側の端縁１３ａまでの間）の構成にある。
すなわち、図４（ａ）に示したスラスト軸受３Ｂ（３）では、第２面部９ｃに、弾性構造部１５が設けられている。
【００４４】
弾性構造部１５は、凹部１３を形成した面の内周端１４ａと凹部１３の内周側の端縁１３ａとの間に形成された溝１６と、該溝１６内に埋設された第３弾性体１７と、この第３弾性体１７上に配設された第４弾性体１８とからなっている。溝１６は、ベース板９の貫通孔９ａの外周に沿って形成されたもので、平面視円環状のものである。第３弾性体１７は、溝１６内をちょうど埋設する大きさ・形状に形成されたもので、前記第２弾性体１１と同様に、第１弾性体１０より高い剛性を有したものである。したがって、第３弾性体１７は、第２弾性体１１と同じ材質からなっていてもよい。
【００４５】
第４弾性体１８も、第１弾性体１０より高い剛性を有したものであり、したがって第２弾性体１１や第３弾性体１７と同じ材質からなっていてもよい。また、この第４弾性体１８は、ベース板９の凹部１３を形成した面より突出して設けられたもので、環状に形成されたものである。
【００４６】
この第４弾性体１８は、トップフォイル８を直接支持し、したがって前記の流体潤滑膜の動圧によって押圧されるようになっている。その際、この第４弾性体１８とこれを支持する第３弾性体１７とは、最大につぶれても（変形しても）、溝１６の周囲がベース板９の面になっているため、この面と面一になるまでしかつぶれない（変形しない）、すなわち弾性変形しないようになっている。
【００４７】
したがって、本実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）にあっては、スラスト荷重（静荷重）が増えても、弾性構造部１５が形成された部位によってトップフォイル８がベース板９側に移動するのが抑制され、これによって回転軸１がその軸方向に移動するのが制限されるようになる。
【００４８】
また、回転軸１が振動し、スラストカラー４も振動し面振れして図４（ｂ）に示すように瞬間的に傾いた状態になっても、凹部１３の深さを内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成し、さらに凹部１３には第１弾性体１０を設け、凹部１３より内周側には弾性構造部１５を設けているので、内周側の第１弾性体１０や内周側の弾性構造部１５は、動圧が低くなる外周側の第１弾性体１０に比べて撓み量（弾性変形量）が小さくなる。
【００４９】
よって、この動圧が高くなる内周側では弾性構造部１５や第１弾性体１０が必要以上に大きく撓むことがないため、動圧が高くなる内周側においても、流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるようになり、スラスト軸受３Ｂ（３）はその軸受負荷能力の低下が抑制されたものとなる。また、外周側の第１弾性体１０は内周側よりも撓み易くなっているので、軸受面８ｂはスラストカラー４に良好に追従し、図４（ｂ）に示したようにスラストカラー４とトップフォイル８の軸受面８ｂとの間の流体潤滑膜の厚さ（スラストカラー４とトップフォイル８の軸受面８ｂとの隙間）が一定に保たれ、流体潤滑膜が破断し難くなる。
【００５０】
したがって、本実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）によれば、スラスト荷重（静荷重）が増えても、前述したようにトップフォイル８がベース板９側に移動するのが抑制されているので、回転軸１がその軸方向に移動するのが十分に制限される。よって、図１に示したようにこのスラスト軸受３をターボ機械のインペラ２を有する回転軸１に適用した場合に、回転軸１がその軸方向に沿ってインペラ２側に移動することで、インペラ３がその外側のハウジング（静止部）５に接触してしまうおそれが無くなる。
また、流体潤滑膜の動圧が高くなる内周側では、弾性構造部１５や第１弾性体１０が必要以上に大きく撓むことがなく、したがってこの内周側でも前記流体潤滑膜に所望の動圧が発生されるため、軸受３Ｂ（３）の軸受負荷能力の低下を抑制することができ、また、内周側に比べると外周側は撓み易くなっているので、スラストカラー４の振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。
【００５１】
さらに、ベース板９のトップフォイル（軸受板）８に対向する面側に凹部１３を形成し、トップフォイル８には凹部を形成していないので、前述したようにこのトップフォイル８を比較的薄く、軽量に形成することが可能になる。したがって、トップフォイル８を軽量に形成することで、その軸受面８ｂのスラストカラーに対する追従性を高めることができる。
【００５２】
なお、この実施形態においても、図４（ａ）、（ｂ）に示したように凹部１３の底面を平坦な傾斜面としたが、第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）と同様に、凹部１３はその深さがベース板９の内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成されていれば、図４（ｃ）に示すように湾曲してなる湾曲面であってもよい。その際の湾曲面の形状についても、シミュレーション等によって図３（ｂ）に示したようなグラフを求め、このグラフから得られる半径方向の距離と動圧との関係に対応して、設計するのが好ましい。
また、この実施形態では、第３弾性体１７と第４弾性体１８とを別に形成したが、これらを同一材料によって一体に形成してもよい。
【００５３】
また、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において種々の変更が可能である。例えば、前記実施形態では、凹部１３をベース板９のトップフォイル（軸受板）８に対向する面側に形成したが、軸受板のベース板に対向する面側に形成してもよく、さらには、これらの両方に凹部を形成してもよい。
【００５４】
例えば、第１実施形態に対応する例として、図５に示すように軸受板１９の外周側（第１面部）に凹部２０を形成し、該凹部２０内に第１弾性体２１を埋設し、さらに、凹部２０の内周側の平坦面（第２面部）２２に第２弾性体２３を設けた構成としてもよい。このような構成としても、第１実施形態と同様、回転軸１の軸方向への動きを十分に制限することができ、また、スラストカラー４の振動（面振れ）による傾きをより良好に吸収することができる。
【００５５】
また、前記の平坦面１４（２２）や弾性構造部１５を形成することなく、図３（ｄ）に示したように凹部１３（２０）を、ベース板９や軸受板１９の内周端から外周端にかけて全体に形成してもよい。その場合には、第２弾性体１１（２３）や第３弾性体１７、第４弾性体１８を設けることなく、凹部１３（２０）内に第１弾性体１０（２１）のみを埋設させ、または第１弾性体１０（２１）と第２弾性体１１（２３）とを共に埋設させることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１…回転軸、３（３Ａ、３Ｂ）…スラスト軸受、４…スラストカラー、８…トップフォイルイ（軸受板）、８ｂ…軸受面、９…ベース板、９ｂ…第１面部、９ｃ…第２面部、１０、２１…第１弾性体、１１、２３…第２弾性体、１２…スパイラル溝、１３、２０…凹部、１４、２２…平坦面、１５…弾性構造部、１６…溝、１７…第３弾性体、１８…第４弾性体、１９…軸受板
【特許請求の範囲】
【請求項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円環状の軸受板と、
前記軸受板の、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、該軸受板を支持する円環状のベース板とを備え、
前記軸受板の前記スラストカラーに対向する面には、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝が形成され、
前記ベース板の前記軸受板に対向する面側と、前記軸受板の前記ベース板に対向する面側との少なくとも一方には、その周方向に沿って連続する凹部が設けられ、
前記凹部の深さが、前記ベース板又は前記軸受板の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成され、
前記凹部には、該凹部を埋めた状態に第１弾性体が設けられていることを特徴とするスラスト軸受。
【請求項２】
前記凹部は、前記ベース板の前記軸受板に対向する面側に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。
【請求項３】
前記凹部が設けられた面は、その外周側に配置されて前記凹部を形成する第１面部と、該第１面部より内周側に配置された第２面部とを有し、
前記第２面部上には、前記第１弾性体より剛性が高い第２弾性体が設けられ、
前記第１弾性体と前記第２弾性体とは、前記凹部側を向く面と反対の側の面が面一に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスラスト軸受。
【請求項４】
前記凹部が設けられた面は、その外周側に配置されて前記凹部を形成する第１面部と、該第１面部より内周側に配置された第２面部とを有し、
前記第２面部には、該第２面部上に弾性変形可能に突出し、かつ、前記凹部が設けられた面と面一になるまでしか変形しない弾性構造部が設けられ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。
【請求項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円環状の軸受板と、
前記軸受板の、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、該軸受板を支持する円環状のベース板とを備え、
前記軸受板の前記スラストカラーに対向する面には、動圧発生用のポンプイン形スパイラル溝が形成され、
前記ベース板の前記軸受板に対向する面側と、前記軸受板の前記ベース板に対向する面側との少なくとも一方には、その周方向に沿って連続する凹部が設けられ、
前記凹部の深さが、前記ベース板又は前記軸受板の半径方向において、その内周側から外周端に向かって連続的に深くなるように形成され、
前記凹部には、該凹部を埋めた状態に第１弾性体が設けられていることを特徴とするスラスト軸受。
【請求項２】
前記凹部は、前記ベース板の前記軸受板に対向する面側に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。
【請求項３】
前記凹部が設けられた面は、その外周側に配置されて前記凹部を形成する第１面部と、該第１面部より内周側に配置された第２面部とを有し、
前記第２面部上には、前記第１弾性体より剛性が高い第２弾性体が設けられ、
前記第１弾性体と前記第２弾性体とは、前記凹部側を向く面と反対の側の面が面一に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスラスト軸受。
【請求項４】
前記凹部が設けられた面は、その外周側に配置されて前記凹部を形成する第１面部と、該第１面部より内周側に配置された第２面部とを有し、
前記第２面部には、該第２面部上に弾性変形可能に突出し、かつ、前記凹部が設けられた面と面一になるまでしか変形しない弾性構造部が設けられ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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１２７４４３（Ｐ２０１２−１２７４４３Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８０５５５（Ｐ２０１０−２８０５５５）
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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