フォイル軸受
【課題】バックフォイルの谷部の滑りを起こり易くし、バックフォイルをその自由端側に変形し易くすることにより、軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮するようにした、高い減衰能力を有するフォイル軸受を提供する。
【解決手段】回転軸１を支持するフォイル軸受である。円筒状のトップフォイル１０と、トップフォイル１０の外周側に配置されてトップフォイル１０を弾性的に支持するバックフォイル１１と、バックフォイル１１の外周側に配置されてバックフォイル１１を保持するベース１２と、を備える。バックフォイル１１には、トップフォイル１０側に配置される山部１３と、ベース１２側に配置される谷部１４とが、トップフォイル１０の周方向に沿って交互に形成されている。山部１３は、その頂部１３ａが角部となるように二つの平面によって形成されている。
【解決手段】回転軸１を支持するフォイル軸受である。円筒状のトップフォイル１０と、トップフォイル１０の外周側に配置されてトップフォイル１０を弾性的に支持するバックフォイル１１と、バックフォイル１１の外周側に配置されてバックフォイル１１を保持するベース１２と、を備える。バックフォイル１１には、トップフォイル１０側に配置される山部１３と、ベース１２側に配置される谷部１４とが、トップフォイル１０の周方向に沿って交互に形成されている。山部１３は、その頂部１３ａが角部となるように二つの平面によって形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速回転体用の軸受として、回転軸に外挿されて用いられるラジアル軸受と、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とが知られている。
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、側面視円弧状の山部と平坦面からなる谷部とが交互に配置されるように薄板を波板状に成形した、バンプフォイルが主に用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
また、スラスト軸受としては、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（トップフォイル）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スラストフォイル軸受が知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３では、トップフォイル（軸受面）を山部と谷部とからなる波板形状のバンプフォイルで支持し、さらにバンプフォイルをメインプレートで支持した構造が開示されている。
【０００４】
このようなラジアルフォイル軸受やスラスト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一端側(止端側)が溶接等によって軸受ハウジングやメインプレートに直接、あるいはスペーサを介して間接的に固定されている。このように一端側が溶接等によって固定されることにより、該一端側が固定端となり、他端側が自由端となっている。
【０００５】
このようなフォイル軸受では、これ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又はスラストカラーとの間に流体潤滑膜が形成される。すると、回転軸（スラストカラー）に作用する荷重が流体潤滑膜を介してトップフォイルを押し込み、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）は個々の山部のピッチを広げる。これにより、バンプフォイルは山部の高さを減じ、トップフォイルの撓みを許容する。したがって、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。
【０００６】
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、個々の山部のピッチを広げるが、その際、トップフォイルや軸受ハウジング、メインプレートとの間で滑りを生じる。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、振動抑制効果を発揮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２６１４９６号公報
【特許文献２】特開２０１１−０１７３８５号公報
【特許文献３】特表２００８−５１３７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、トップフォイルに当接するバンプフォイルの山部の頂部、すなわち側面視した状態での頂点でトップフォイルから荷重を受けると、バンプフォイルの側面視円弧状に湾曲した湾曲部（山部）とその両端部間に形成される平面との交線（側面視した状態での交点）では、軸受ハウジング若しくはメインプレートに対して、前記荷重の垂直分力と水平分力とが作用する。
【０００９】
その際、バックフォイルがその固定端を始点として自由端方向へ伸びるように変形するには、前記交線での水平分力が、バンプフォイルと軸受ハウジング（若しくはメインプレート）との接触面に発生する最大静止摩擦力より大きくなる必要がある。すなわち、前記の滑りによる摩擦でエネルギーを散逸する振動抑制効果を得るためには、バンプフォイルの滑り量を大きくすることが望ましい。
しかしながら、従来のバンプフォイルでは、その山部が側面視円弧状に湾曲しているため、山部である湾曲部（円弧部）とその両端部間に形成される平面とのなす角が大きくなっている。そのため、トップフォイルから荷重を受けた際、前記湾曲部と前記平面とのなす交線での水平分力が小さくなり、これによってバンプフォイルに滑りが起こりにくくなっている。
【００１０】
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、バックフォイルの谷部の滑りを起こり易くし、バックフォイルをその自由端側に変形し易くすることにより、軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮するようにした、高い減衰能力を有するフォイル軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のフォイル軸受は、回転軸に外挿されて該回転軸を支持するフォイル軸受であって、円筒状若しくは円環状のトップフォイルと、前記トップフォイルの外周側若しくは裏面側に配置されて該トップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルと、前記バックフォイルの外周側若しくは裏面側に配置されて該バックフォイルを保持するベースと、を備え、前記バックフォイルには、前記トップフォイル側に配置される山部と、前記ベース側に配置される谷部とが、前記トップフォイルの周方向に沿って交互に形成され、前記山部は、その頂部が角部となるように二つの平面によって形成されていることを特徴とする。
【００１２】
このフォイル軸受にあっては、バックフォイルの山部を、その頂部が角部となるように二つの平面によって形成しているので、側面視した状態で、これら二つの平面とベースとのなす形状が三角形となる。したがって、二つの平面によって形成される三角形の二辺のなす角部の頂点、すなわちトップフォイルに当接する頂点を、従来の側面視円弧状に湾曲した湾曲部（山部）の頂点と同じ高さ位置にし、かつ、二つの平面によって形成される三角形の二辺間に形成される底辺の長さと、従来の湾曲部（山部）の端部間の長さとを同じにした場合に、本発明のバックフォイルの自由端側の辺（平面）とベースとのなす角度は、従来の湾曲部の自由端側とベース（軸受ハウジング若しくはメインプレート）とのなす角度に比べて小さくなる。
したがって、本発明のフォイル軸受では、前記頂点でバックフォイルがトップフォイルから荷重を受けた際、自由端側の辺（平面）とベースとのなす交線での水平分力が従来のバンプフォイルの水平分力に比べて大きくなるため、バックフォイルの谷部に滑りが起こり易くなる。
【００１３】
また、前記フォイル軸受において、前記山部を形成する二つの平面は、前記谷部の底部から前記頂部までの長さが互いに異なっていてもよい。
山部を形成する二つの平面を、自由端側の平面が長くなり、固定端側の平面が短くなるように形成することにより、自由端側の辺（平面）とベースとのなす角度が、従来の湾曲部の自由端側とベース（軸受ハウジング若しくはメインプレート）とのなす角度に比べてより小さくなる。したがって、前記頂点でバックフォイルがトップフォイルから荷重を受けた際、自由端側の辺（平面）とベースとのなす交線での水平分力が、従来のバンプフォイルの水平分力に比べてより大きくなり、バックフォイルの谷部の滑りがより起こり易くなる。
【００１４】
また、前記フォイル軸受において、前記谷部は、その底部が角部となるように二つの平面によって形成されていてもよい。
従来のバンプフォイルでは、その寸法精度を管理する際、山部についてはその頂部の高さのみを管理すればよいものの、平坦面からなる谷部については、その両端部をそれぞれ管理する必要がある。これに対し、谷部を、その底部が角部となるように二つの平面によって形成すれば、谷部についても角部からなる底部のみを管理すればよくなり、したがって従来では谷部について２箇所管理する必要があったのに対し、１箇所のみ管理すればよくなる。これにより、バックフォイルの加工が容易になり、寸法や形状の均質化、安定化が可能になる。
また、ベースが円筒状の軸受ハウジングからなるラジアルフォイル軸受の場合、従来のバンプフォイルでは円筒状の軸受ハウジングに接触する谷部が平坦面からなっているため、部分的に浮き上がりを生じ、軸受ハウジングに充分に密着しない。これに対し、谷部の底部を角部とすることにより、このバックフォイルを軸受ハウジングに充分に密着させることが可能となる。
【００１５】
また、前記フォイル軸受は、回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であり、前記トップフォイルは円筒状に形成され、前記バックフォイルは前記トップフォイルの外周側に配置され、前記ベースは円筒状に形成されて前記バックフォイルの外周側に配置されていてもよい。
このようなラジアルフォイル軸受に適用しても、後述するように軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮し、したがって高い減衰能力を有するものとなる。
【００１６】
また、前記フォイル軸受は、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て、該スラストカラーを支持することで前記回転軸を支持するスラストフォイル軸受であり、前記トップフォイルは円環状に形成され、前記バックフォイルは前記トップフォイルの裏面側に配置され、前記ベースは円環状に形成されて前記バックフォイルの裏面側に配置されていてもよい。
このようなスラストフォイル軸受に適用しても、後述するように軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮し、したがって高い減衰能力を有するものとなる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のフォイル軸受によれば、従来のバンプフォイルの場合に比べてバックフォイルの谷部に滑りが起こり易くなっているため、バックフォイルがその自由端側に変形し易くなる。したがって、軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮することができ、これによって高い減衰能力を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明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。
【図２】本発明に係るラジアルフォイル軸受の第１実施形態の概略構成を示す側面図である。
【図３】（ａ）はバックフォイルの山部の形状を説明するための側面図、（ｂ）はバックフォイルの要部を模式的に示す側面図である。
【図４】第２実施形態のラジアルフォイル軸受の山部の形状を説明するための側面図である。
【図５】第３実施形態のラジアルフォイル軸受の要部を示す側断面図である。
【図６】本発明に係るスラストフォイル軸受の一実施形態の概略構成を示す図であり、（ａ）はスラストフォイル軸受全体を示す斜視図、（ｂ）は要部側断面図、（ｃ）はスラストフォイル軸受の要部における、バックフォイルの表面を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の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。
【００２０】
図１は、本発明の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は本発明に係るラジアルフォイル軸受、５は本発明に係るスラスト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しか記載していないが、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、本実施形態においてもラジアルフォイル軸受３が二つ設けられているものとする。
【００２１】
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フォイル軸受５が配置されている。これらスラストフォイル軸受５については後述する。
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、ハウジング６との間にチップクリアランス７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、ラジアルフォイル軸受３が外挿されている。
【００２２】
図２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、回転軸１に外挿されて該回転軸１を支持する円筒状のもので、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、該トップフォイル１０の径方向外側に配置されるバックフォイル１１と、該バックフォイル１１の外周側、すなわちその径方向外側に配置される軸受ハウジング（ベース）１２と、を備えて構成されている。
本発明のベースとして機能する軸受ハウジング１２は、ラジアルフォイル軸受３の最外部を構成する金属製で円筒状のもので、内部にバックフォイル１１およびトップフォイル１０を収容したものである。
【００２３】
バックフォイル１１は、フォイル（薄板）で形成されてトップフォイル１０を弾性的に支持するものである。このバックフォイル１１は、円筒状に丸められて軸受ハウジング１２内に挿入され、周方向の一端側１１ａがスポット溶接等によって軸受ハウジング１２に固定されている。このような構成によってバックフォイル１１は、周方向の一端側１１ａが固定端となり、他端側が自由端となっている。また、このバックフォイル１１は、トップフォイル１０側に配置された山部１３と、軸受ハウジング１２側に配置された谷部１４とが、トップフォイル１０の周方向に沿って交互に形成されて、全体が円筒状に形成されている。
【００２４】
山部１３は、図３（ａ）に示すようにその頂部１３ａが側面視して角を形成する角部となるように、二つの平面１５ａ、１５ｂ（図３（ａ）では二つの辺として示している。）によって形成されている。すなわち、二つの平面１５ａ、１５ｂの、それぞれの一方側の辺が重ねられて一致させられることにより、頂部１３ａが形成されている。なお、実際の加工にあたっては、前記頂部１３ａとなる部位において折り曲げられることにより、頂部１３ａとなる部位、すなわち折り曲げ線を境界にして、二つの平面１５ａ、１５ｂが形成される。また、本実施形態では、平面１５ａと平面１５ｂとは、図２に示す谷部１４の底部、すなわち平面１５ａ、平面１５ｂの下端から前記頂部１３ａまでの長さが、同じに形成されている。
【００２５】
このような構成によって山部１３は、図３（ａ）に示すように二つの平面（辺）１５ａ、１５ｂと、それぞれの下端を結ぶ線分１６により、側面視した状態で二等辺三角形状となっている。なお、線分１６となる位置には、実際には円筒状の軸受ハウジング１２の湾曲した内周面が配置される。
また、谷部１４は、本実施形態では図３（ｂ）に示すように、隣り合う山部１３の対向する平面１５ｂ、１５ａの下端縁間を連続させる平坦面によって形成されている。この平坦面（谷部１４）の幅については、特に限定されることなく任意に設定されるが、この平坦面（谷部１４）の幅が広すぎると、山部１３の頂部１３ａの数が少なくなり、したがってトップフォイル１０の支持箇所が少なくなるため、好ましくない。
【００２６】
図２に示すようにトップフォイル１０は、バックフォイル１１の内面に沿って円筒状に巻かれたものである。このトップフォイル１０も、その周方向の一端側１０ａがスポット溶接等によって軸受ハウジング１２に固定されて固定端となり、他端側が自由端となっている。
【００２７】
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。
そして、回転軸１を図２中の矢印Ｐ方向に始動させると、最初は低速で回転を始め、その後徐々に加速して高速で回転する。すると、図２中矢印Ｑで示すように、トップフォイル１０の一端側（固定端側）１０ａ及びバックフォイル１１の一端側１０ａと、これらの他端側（自由端側）との間から周囲流体が引き入れられ、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。
【００２８】
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１１の個々の山部１３を押圧する。すると、バックフォイル１１はトップフォイル１０に押圧されることにより、その山部１３が押し広げられ、これによってバックフォイル１１は軸受ハウジング１２上をその周方向に動こうとする。
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１１は、その自由端側（他端側）に向けて個々の山部１３のピッチを広げる。これにより、バックフォイル１１は山部１３の高さを減じ、トップフォイル１０の撓みを許容する。
【００２９】
その際、本実施形態のバックフォイル１１は、前記したように山部１３が側面視二等辺三角形状となっていることにより、従来の側面視円弧状に湾曲した湾曲部を山部とするバンプフォイルに比べ、バックフォイル１１の谷部１４の滑りが起こり易くなっている。
すなわち、図３（ａ）に示すように、本実施形態におけるバックフォイルの山部１３の頂部１３ａ（トップフォイル１０に当接する頂点）を、図３中二点鎖線で示す従来のバンプフォイルの山部（湾曲部）２０の頂点と同じ高さ位置にし、かつ、二つの平面１５ａ、１５ｂによって形成される三角形の二辺間に形成される線分１６（底辺）の長さと、従来の山部２０の端部間の長さとを同じにする。
【００３０】
そして、線分１６の一端をバックフォイル１１及び従来のバンプフォイルの固定端Ａとし、他端をそれぞれの自由端Ｂとして考える。
すると、自由端Ｂでの、線分１６（すなわち軸受ハウジング１２）に対する各フォイルの角度は、バックフォイルの山部１３の角度βの方が、従来のバンプフォイルの山部２０の角度αに比べて小さくなる。なお、バンプフォイルの山部２０の角度αは、湾曲した山部２０の、自由端Ｂにおける接線と、前記線分１６とのなす角度としている。
【００３１】
このように、本実施形態におけるバックフォイルの山部１３の自由端Ｂ側での角度βが、従来の山部２０の自由端Ｂ側での角度αに比べて小さくなることから、本実施形態のラジアルフォイル軸受３では、前記頂部（頂点）１３ａでバックフォイル１１がトップフォイル１０から荷重を受けた際、自由端Ｂに作用する水平分力が、従来のバンプフォイルに比べて大きくなる。
【００３２】
すなわち、トップフォイル１０から受けた荷重が、それぞれのバックフォイル（バンプフォイル）の自由端Ｂで軸受ハウジング（図示せず）側に作用する力をベクトルで表すと、本実施形態のバックフォイル１１では、図３（ａ）中に実線で示すベクトルＣとなり、従来のバックフォイルでは、図３（ａ）中に二点鎖線で示すベクトルＤとなる。そして、これらベクトルＣ、Ｄを水平分力、垂直分力に分解し、その水平分力Ｅ、Ｆを比較すると、本実施形態のバックフォイル１１に生じる水平分力Ｅの方が、従来のバンプフォイルに生じる水平分力Ｆより大きくなる。したがって、本実施形態のバックフォイル１１は、トップフォイル１０から荷重を受けた際、従来のバンプフォイルに比べてその自由端Ｂ側で大きな水平分力が作用し、これによって自由端Ｂ側、すなわち谷部１４に滑りが起こり易くなっている。
【００３３】
なお、従来のバンプフォイルの山部２０の、自由端Ｂでの線分１６に対する角度αを、本実施形態のバックフォイルの角度βと同じにすることで、従来のバンプフォイルでも谷部での滑りを起こり易くすることが考えられる。しかし、その場合には、図３（ｂ）に示すように従来のバンプフォイルの山部２０のピッチ２０Ｐが、本実施形態のバックフォイル１１の山部１３のピッチ１３Ｐに比べて大きくなる。
【００３４】
その結果、従来のバンプフォイルでは、トップフォイル１０の支持箇所（山部の頂部）が少なくなるため、トップフォイル１０にたるみを生じさせる可能性が高くなる。換言すれば、本実施形態のバックフォイル１１は、トップフォイル１０にたるみを生じさせる可能性が相対的に低いものとなっている。したがって、回転軸１が回転し、トップフォイル１０と回転軸１との間に流体潤滑膜が周方向に流れるように形成された際、本実施形態ではトップフォイル１０のたるみが抑制されているため、軸方向に対する流体の漏れが抑制され、これによって負荷能力が向上したものとなる。
【００３５】
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の山部１３を、その頂部１３ａが角部となるように二つの平面１５ａ、１５ｂによって形成しているので、側面視した状態で、これら二つの平面１５ａ、１５ｂと軸受ハウジング（ベース）１２とのなす形状が二等辺三角形となる。したがって、このバックフォイル１１の自由端側の辺（平面）と軸受ハウジング１２とのなす角度が、従来のバンプフォイルの湾曲部（山部）がなす角度に比べて小さくなるため、本実施形態のラジアルフォイル軸受３では、前記頂点１３ａでバックフォイル１１がトップフォイル１０から荷重を受けた際、自由端Ｂでの水平分力が従来のバンプフォイルの水平分力に比べて大きくなる。よって、本実施形態のラジアルフォイル軸受３によれば、従来のバンプフォイルに比べてバックフォイル１１の谷部１４に滑りが起こり易くなっているため、バックフォイル１１がその自由端側に変形し易くなる。したがって、回転軸１の軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮することができ、これによって高い減衰能力を有するものとなる。
【００３６】
また、バックフォイル１１の形状が直線的に形成されており、したがって湾曲部を有して形成された従来のバンプフォイルに比べて簡易であるため、プレス加工などによって容易にかつ高精度に成形することができる。よって、寸法や形状の均質化、安定化が可能になり、量産に適したものとなる。
【００３７】
次に、本発明のフォイル軸受が、図１に示したターボ機械のラジアルフォイル軸受３に適用された場合の第２実施形態を説明する。図４は、この第２実施形態のラジアルフォイル軸受の要部を示す図である。すなわち、図４は、バックフォイルの山部を拡大して示している。なお、図４では、図３（ａ）に示したバックフォイル１１の山部１３を破線で示し、従来のバンプフォイルの山部２０を二点鎖線で示している。
【００３８】
図４に示すように本実施形態のラジアルフォイル軸受におけるバックフォイルの山部２１は、これを形成する二つの平面１５ａ、１５ｂの長さ、すなわちその下端（谷部の底部）から頂部２１ａまでの長さが、互いに異なっている。つまり、本実施形態では、自由端Ｂ側の平面１５ｂが長くなり、固定端Ａ側の平面１５ａが短くなるように形成されている。ただし、山部２１の高さ（頂部２１ａの高さ）は、第１実施形態のバックフォイル１１の山部１３の高さ（頂部１３ａの高さ）と同じとする。
【００３９】
これにより、自由端Ｂ側の平面１５ｂと前記線分１６（軸受ハウジング１２）とのなす角度γが、従来のバンプフォイルの山部２０がなす角度αより小さくなるのはもちろん、第１実施形態のバックフォイル１１の山部１３がなす角度βよりもさらに小さくなる。したがって、本実施形態では、自由端Ｂ側でのバックフォイルの谷部の滑りが、第１実施形態のバックフォイル１１に比べてもさらに起こり易くなる。
よって、本実施形態にあっては、バックフォイルがその自由端Ｂ側にさらに変形し易くなり、これによって回転軸１の軸振動に対してより迅速に減衰効果を発揮することができるため、より高い減衰能力を有するものとなる。
【００４０】
次に、本発明のフォイル軸受が、図１に示したターボ機械のラジアルフォイル軸受３に適用された場合の第３実施形態を説明する。図５は、この第３実施形態のラジアルフォイル軸受の要部を示す図である。すなわち、図５は、バックフォイル１７を円筒状に巻く前の、展開した状態を示している。なお、図５では、軸受ハウジング（ベース）１２も、バックフォイル１７に合わせて展開した状態に示している。
【００４１】
図３（ｂ）に示した第１実施形態のバックフォイル１１の谷部１４が、隣り合う山部１３の対向する平面１５ｂ、１５ａの下端縁間を連続させる平坦面によって形成されているのに対し、図５に示したように本実施形態のラジアルフォイル軸受におけるバックフォイル１７は、その谷部１８が二つの平面１９ａ、１９ｂによって形成されている。すなわち、本実施形態のバックフォイル１７は、山部１３と同様に二つの平面によって形成されていることにより、底部１８ａが角部となっている。
【００４２】
このようなバックフォイル１７にあっては、従来のバンプフォイルや図３（ｂ）に示した第１実施形態のバックフォイル１１に比べ、その加工が容易になる。すなわち、従来のバンプフォイルや前記バックフォイル１１では、その寸法精度を管理する際、山部についてはその頂部の高さのみを管理すればよいものの、平坦面からなる谷部については、その両端部をそれぞれ管理する必要がある。これに対し、図５に示したバックフォイル１７にあっては、谷部１８についても角部からなる底部１８ａのみを管理すればよくなる。したがって、従来のものや図３（ｂ）に示したものでは谷部について２箇所管理する必要があったのに対し、本実施形態では１箇所のみ管理すればよくなる。これにより、バックフォイル１７の加工が容易になり、寸法や形状の均質化、安定化が可能になる。
【００４３】
また、従来のバンプフォイルや図３（ｂ）に示したバックフォイル１１では、円筒状の軸受ハウジング１２に接触する谷部が平坦面からなっているため、部分的に浮き上がりを生じ、軸受ハウジング１２に充分に密着しない。これに対し、本実施形態では、谷部１８の底部１８ａを角部とすることにより、このバックフォイル１７を軸受ハウジング１２に充分に密着させることが可能となる。
【００４４】
さらに、図３（ｂ）に示したバックフォイル１１に比べて山部１３のピッチが小さくなるため、トップフォイル１０の支持箇所（山部１３の頂部１３ａ）が多くなる。したがって、トップフォイル１０にたるみを生じさせる可能性が低くなり、これによって軸方向に対する流体の漏れを抑制することができるため、本実施形態のラジアルフォイル軸受は負荷能力が向上したものとなる。
【００４５】
次に、図１に示した前記スラストフォイル軸受５について説明する。
このスラストフォイル軸受５も、本発明のフォイル軸受の実施形態となるもので、図６（ａ）に示すように円環板状のものである。すなわち、このスラストフォイル軸受５は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように円環板状のベース３０の表面側、すなわちスラストカラー４側に、バックフォイル３１を保持し、このバックフォイル３１の表面側に円環板状のトップフォイル３２を有したもので、図１に示したように回転軸１に外挿され、かつスラストカラー４に対向して配置されたものである。
【００４６】
トップフォイル３２は、図６（ａ）に示すように円環をその周方向に８分割してなるトップフォイル片３２ａを、８個有して円環板状に形成されたもので、その周方向の一方の側縁部が溶接等によってベース３０に固定されている。このような構成によってトップフォイル片３２ａは、周方向の一側縁側が固定端となり、他側縁側が自由端となっている。
【００４７】
バックフォイル３１は、トップフォイル３２の裏面側に配置されてこれを弾性的に支持するものである。したがって、このバックフォイル３１も、トップフォイル３２に対応して８個のバックフォイル片３１ａからなっている。すなわち、円環をその周方向に８分割してなるバックフォイル片３１ａが、ベース３０の周方向に８個並べて配置されたことにより、円環板状のバックフォイル３１が形成されている。
また、バックフォイル片３１ａは、図６（ｃ）に示すようにその径方向においてさらに複数に分割されている。したがって、このように分割された円弧状の分割片３２ｂが、ベース３０の径方向に複数並列配置されたことにより、バックフォイル片３１ａが形成されている。
【００４８】
これらバックフォイル片３１ａ（分割片３２ｂ）も、その周方向の一方の側縁部が溶接等によってベース３０に固定されており、したがって一側縁側が固定端となり、他側縁側が自由端となっている。ここで、トップフォイル片３２ａ、バックフォイル３１ａの固定端となる側縁部は、図６（ｂ）中に矢印で示すスラストカラー４の回転方向の、前方側となる側縁部とされる。
【００４９】
バックフォイル片３１ａを形成する各分割片３１ｂは、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように山部３３と谷部３４とが、周方向、すなわちトップフォイル３２の周方向に沿って交互に形成されている。山部３３は、図３（ａ）に示した山部１３や図４に示した山部２１と同様に、その頂部が角部となるように二つの平面によって形成されている。また、谷部３４は、図３（ｂ）に示した谷部１４のように平坦面によって形成されていてもよく、また、図５に示すようにその底部が角部となるように二つの平面によって形成されていてもよい。
【００５０】
次に、このような構成からなるスラストフォイル軸受５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３２との間に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５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。
【００５１】
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、瞬間的には傾いた状態となる。その際、本実施形態のバックフォイル３１は、トップフォイル３２から荷重を受けると、図３（ａ）中に二点鎖線で示すような円弧状に湾曲した山部を有する従来の円環状のバンプフォイル（図示せず）に比べ、その自由端側で大きな水平分力が作用し、これによって自由端側、すなわち谷部３４に滑りが起こり易くなる。
【００５２】
よって、本実施形態のスラストフォイル軸受５にあっても、バックフォイル３１の山部３３を、その頂部が角部となるように二つの平面によって形成し、側面視した状態で三角形状となるようにしているので、従来のバンプフォイルに比べてバックフォイル３１の谷部３４に滑りが起こり易くなり、バックフォイル３１がその自由端側に変形し易くなる。したがって、回転軸１の軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮することができ、これによって高い減衰能力を有するものとなる。
【００５３】
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、前記のラジアルフォイル軸受に係る実施形態では、いずれもバックフォイルを単一のフォイルで形成したが、複数のバックフォイル片を周方向に沿って配置することで、これら複数のバックフォイル片によって１つのバックフォイルとしてもよい。
【００５４】
また、前記のスラストフォイル軸受に係る実施形態では、逆にバックフォイルを複数のバックフォイル片で形成したが、例えばトップフォイルも１枚のフォイルで形成した場合に、バックフォイルも１枚のフォイルで形成してもよい。
さらに、バックフォイル片を複数の分割片で形成することなく、径方向に連続した１枚のバックフォイル片としてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１…回転軸、３…ラジアルフォイル軸受（フォイル軸受）、４…スラストカラー、５…スラストフォイル軸受（フォイル軸受）、１０…トップフォイル、１１…バックフォイル、１２…軸受ハウジング（ベース）、１３…山部、１３ａ…頂部、１４…谷部、１５ａ、１５ｂ…平面、１６…線分、１７…バックフォイル、１８…谷部、１８ａ…底部、１９ａ、１９ｂ…平面、３０…ベース、３１…バックフォイル、３１ａ…バックフォイル片、３１ｂ…分割片、３３…山部、３４…谷部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォイル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速回転体用の軸受として、回転軸に外挿されて用いられるラジアル軸受と、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とが知られている。
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、側面視円弧状の山部と平坦面からなる谷部とが交互に配置されるように薄板を波板状に成形した、バンプフォイルが主に用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
また、スラスト軸受としては、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（トップフォイル）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スラストフォイル軸受が知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３では、トップフォイル（軸受面）を山部と谷部とからなる波板形状のバンプフォイルで支持し、さらにバンプフォイルをメインプレートで支持した構造が開示されている。
【０００４】
このようなラジアルフォイル軸受やスラスト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一端側(止端側)が溶接等によって軸受ハウジングやメインプレートに直接、あるいはスペーサを介して間接的に固定されている。このように一端側が溶接等によって固定されることにより、該一端側が固定端となり、他端側が自由端となっている。
【０００５】
このようなフォイル軸受では、これ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又はスラストカラーとの間に流体潤滑膜が形成される。すると、回転軸（スラストカラー）に作用する荷重が流体潤滑膜を介してトップフォイルを押し込み、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）は個々の山部のピッチを広げる。これにより、バンプフォイルは山部の高さを減じ、トップフォイルの撓みを許容する。したがって、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。
【０００６】
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、個々の山部のピッチを広げるが、その際、トップフォイルや軸受ハウジング、メインプレートとの間で滑りを生じる。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、振動抑制効果を発揮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２６１４９６号公報
【特許文献２】特開２０１１−０１７３８５号公報
【特許文献３】特表２００８−５１３７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、トップフォイルに当接するバンプフォイルの山部の頂部、すなわち側面視した状態での頂点でトップフォイルから荷重を受けると、バンプフォイルの側面視円弧状に湾曲した湾曲部（山部）とその両端部間に形成される平面との交線（側面視した状態での交点）では、軸受ハウジング若しくはメインプレートに対して、前記荷重の垂直分力と水平分力とが作用する。
【０００９】
その際、バックフォイルがその固定端を始点として自由端方向へ伸びるように変形するには、前記交線での水平分力が、バンプフォイルと軸受ハウジング（若しくはメインプレート）との接触面に発生する最大静止摩擦力より大きくなる必要がある。すなわち、前記の滑りによる摩擦でエネルギーを散逸する振動抑制効果を得るためには、バンプフォイルの滑り量を大きくすることが望ましい。
しかしながら、従来のバンプフォイルでは、その山部が側面視円弧状に湾曲しているため、山部である湾曲部（円弧部）とその両端部間に形成される平面とのなす角が大きくなっている。そのため、トップフォイルから荷重を受けた際、前記湾曲部と前記平面とのなす交線での水平分力が小さくなり、これによってバンプフォイルに滑りが起こりにくくなっている。
【００１０】
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、バックフォイルの谷部の滑りを起こり易くし、バックフォイルをその自由端側に変形し易くすることにより、軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮するようにした、高い減衰能力を有するフォイル軸受を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のフォイル軸受は、回転軸に外挿されて該回転軸を支持するフォイル軸受であって、円筒状若しくは円環状のトップフォイルと、前記トップフォイルの外周側若しくは裏面側に配置されて該トップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルと、前記バックフォイルの外周側若しくは裏面側に配置されて該バックフォイルを保持するベースと、を備え、前記バックフォイルには、前記トップフォイル側に配置される山部と、前記ベース側に配置される谷部とが、前記トップフォイルの周方向に沿って交互に形成され、前記山部は、その頂部が角部となるように二つの平面によって形成されていることを特徴とする。
【００１２】
このフォイル軸受にあっては、バックフォイルの山部を、その頂部が角部となるように二つの平面によって形成しているので、側面視した状態で、これら二つの平面とベースとのなす形状が三角形となる。したがって、二つの平面によって形成される三角形の二辺のなす角部の頂点、すなわちトップフォイルに当接する頂点を、従来の側面視円弧状に湾曲した湾曲部（山部）の頂点と同じ高さ位置にし、かつ、二つの平面によって形成される三角形の二辺間に形成される底辺の長さと、従来の湾曲部（山部）の端部間の長さとを同じにした場合に、本発明のバックフォイルの自由端側の辺（平面）とベースとのなす角度は、従来の湾曲部の自由端側とベース（軸受ハウジング若しくはメインプレート）とのなす角度に比べて小さくなる。
したがって、本発明のフォイル軸受では、前記頂点でバックフォイルがトップフォイルから荷重を受けた際、自由端側の辺（平面）とベースとのなす交線での水平分力が従来のバンプフォイルの水平分力に比べて大きくなるため、バックフォイルの谷部に滑りが起こり易くなる。
【００１３】
また、前記フォイル軸受において、前記山部を形成する二つの平面は、前記谷部の底部から前記頂部までの長さが互いに異なっていてもよい。
山部を形成する二つの平面を、自由端側の平面が長くなり、固定端側の平面が短くなるように形成することにより、自由端側の辺（平面）とベースとのなす角度が、従来の湾曲部の自由端側とベース（軸受ハウジング若しくはメインプレート）とのなす角度に比べてより小さくなる。したがって、前記頂点でバックフォイルがトップフォイルから荷重を受けた際、自由端側の辺（平面）とベースとのなす交線での水平分力が、従来のバンプフォイルの水平分力に比べてより大きくなり、バックフォイルの谷部の滑りがより起こり易くなる。
【００１４】
また、前記フォイル軸受において、前記谷部は、その底部が角部となるように二つの平面によって形成されていてもよい。
従来のバンプフォイルでは、その寸法精度を管理する際、山部についてはその頂部の高さのみを管理すればよいものの、平坦面からなる谷部については、その両端部をそれぞれ管理する必要がある。これに対し、谷部を、その底部が角部となるように二つの平面によって形成すれば、谷部についても角部からなる底部のみを管理すればよくなり、したがって従来では谷部について２箇所管理する必要があったのに対し、１箇所のみ管理すればよくなる。これにより、バックフォイルの加工が容易になり、寸法や形状の均質化、安定化が可能になる。
また、ベースが円筒状の軸受ハウジングからなるラジアルフォイル軸受の場合、従来のバンプフォイルでは円筒状の軸受ハウジングに接触する谷部が平坦面からなっているため、部分的に浮き上がりを生じ、軸受ハウジングに充分に密着しない。これに対し、谷部の底部を角部とすることにより、このバックフォイルを軸受ハウジングに充分に密着させることが可能となる。
【００１５】
また、前記フォイル軸受は、回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であり、前記トップフォイルは円筒状に形成され、前記バックフォイルは前記トップフォイルの外周側に配置され、前記ベースは円筒状に形成されて前記バックフォイルの外周側に配置されていてもよい。
このようなラジアルフォイル軸受に適用しても、後述するように軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮し、したがって高い減衰能力を有するものとなる。
【００１６】
また、前記フォイル軸受は、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て、該スラストカラーを支持することで前記回転軸を支持するスラストフォイル軸受であり、前記トップフォイルは円環状に形成され、前記バックフォイルは前記トップフォイルの裏面側に配置され、前記ベースは円環状に形成されて前記バックフォイルの裏面側に配置されていてもよい。
このようなスラストフォイル軸受に適用しても、後述するように軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮し、したがって高い減衰能力を有するものとなる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のフォイル軸受によれば、従来のバンプフォイルの場合に比べてバックフォイルの谷部に滑りが起こり易くなっているため、バックフォイルがその自由端側に変形し易くなる。したがって、軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮することができ、これによって高い減衰能力を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明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。
【図２】本発明に係るラジアルフォイル軸受の第１実施形態の概略構成を示す側面図である。
【図３】（ａ）はバックフォイルの山部の形状を説明するための側面図、（ｂ）はバックフォイルの要部を模式的に示す側面図である。
【図４】第２実施形態のラジアルフォイル軸受の山部の形状を説明するための側面図である。
【図５】第３実施形態のラジアルフォイル軸受の要部を示す側断面図である。
【図６】本発明に係るスラストフォイル軸受の一実施形態の概略構成を示す図であり、（ａ）はスラストフォイル軸受全体を示す斜視図、（ｂ）は要部側断面図、（ｃ）はスラストフォイル軸受の要部における、バックフォイルの表面を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の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。
【００２０】
図１は、本発明の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は本発明に係るラジアルフォイル軸受、５は本発明に係るスラスト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しか記載していないが、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、本実施形態においてもラジアルフォイル軸受３が二つ設けられているものとする。
【００２１】
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フォイル軸受５が配置されている。これらスラストフォイル軸受５については後述する。
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、ハウジング６との間にチップクリアランス７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、ラジアルフォイル軸受３が外挿されている。
【００２２】
図２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、回転軸１に外挿されて該回転軸１を支持する円筒状のもので、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、該トップフォイル１０の径方向外側に配置されるバックフォイル１１と、該バックフォイル１１の外周側、すなわちその径方向外側に配置される軸受ハウジング（ベース）１２と、を備えて構成されている。
本発明のベースとして機能する軸受ハウジング１２は、ラジアルフォイル軸受３の最外部を構成する金属製で円筒状のもので、内部にバックフォイル１１およびトップフォイル１０を収容したものである。
【００２３】
バックフォイル１１は、フォイル（薄板）で形成されてトップフォイル１０を弾性的に支持するものである。このバックフォイル１１は、円筒状に丸められて軸受ハウジング１２内に挿入され、周方向の一端側１１ａがスポット溶接等によって軸受ハウジング１２に固定されている。このような構成によってバックフォイル１１は、周方向の一端側１１ａが固定端となり、他端側が自由端となっている。また、このバックフォイル１１は、トップフォイル１０側に配置された山部１３と、軸受ハウジング１２側に配置された谷部１４とが、トップフォイル１０の周方向に沿って交互に形成されて、全体が円筒状に形成されている。
【００２４】
山部１３は、図３（ａ）に示すようにその頂部１３ａが側面視して角を形成する角部となるように、二つの平面１５ａ、１５ｂ（図３（ａ）では二つの辺として示している。）によって形成されている。すなわち、二つの平面１５ａ、１５ｂの、それぞれの一方側の辺が重ねられて一致させられることにより、頂部１３ａが形成されている。なお、実際の加工にあたっては、前記頂部１３ａとなる部位において折り曲げられることにより、頂部１３ａとなる部位、すなわち折り曲げ線を境界にして、二つの平面１５ａ、１５ｂが形成される。また、本実施形態では、平面１５ａと平面１５ｂとは、図２に示す谷部１４の底部、すなわち平面１５ａ、平面１５ｂの下端から前記頂部１３ａまでの長さが、同じに形成されている。
【００２５】
このような構成によって山部１３は、図３（ａ）に示すように二つの平面（辺）１５ａ、１５ｂと、それぞれの下端を結ぶ線分１６により、側面視した状態で二等辺三角形状となっている。なお、線分１６となる位置には、実際には円筒状の軸受ハウジング１２の湾曲した内周面が配置される。
また、谷部１４は、本実施形態では図３（ｂ）に示すように、隣り合う山部１３の対向する平面１５ｂ、１５ａの下端縁間を連続させる平坦面によって形成されている。この平坦面（谷部１４）の幅については、特に限定されることなく任意に設定されるが、この平坦面（谷部１４）の幅が広すぎると、山部１３の頂部１３ａの数が少なくなり、したがってトップフォイル１０の支持箇所が少なくなるため、好ましくない。
【００２６】
図２に示すようにトップフォイル１０は、バックフォイル１１の内面に沿って円筒状に巻かれたものである。このトップフォイル１０も、その周方向の一端側１０ａがスポット溶接等によって軸受ハウジング１２に固定されて固定端となり、他端側が自由端となっている。
【００２７】
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。
そして、回転軸１を図２中の矢印Ｐ方向に始動させると、最初は低速で回転を始め、その後徐々に加速して高速で回転する。すると、図２中矢印Ｑで示すように、トップフォイル１０の一端側（固定端側）１０ａ及びバックフォイル１１の一端側１０ａと、これらの他端側（自由端側）との間から周囲流体が引き入れられ、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。
【００２８】
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１１の個々の山部１３を押圧する。すると、バックフォイル１１はトップフォイル１０に押圧されることにより、その山部１３が押し広げられ、これによってバックフォイル１１は軸受ハウジング１２上をその周方向に動こうとする。
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１１は、その自由端側（他端側）に向けて個々の山部１３のピッチを広げる。これにより、バックフォイル１１は山部１３の高さを減じ、トップフォイル１０の撓みを許容する。
【００２９】
その際、本実施形態のバックフォイル１１は、前記したように山部１３が側面視二等辺三角形状となっていることにより、従来の側面視円弧状に湾曲した湾曲部を山部とするバンプフォイルに比べ、バックフォイル１１の谷部１４の滑りが起こり易くなっている。
すなわち、図３（ａ）に示すように、本実施形態におけるバックフォイルの山部１３の頂部１３ａ（トップフォイル１０に当接する頂点）を、図３中二点鎖線で示す従来のバンプフォイルの山部（湾曲部）２０の頂点と同じ高さ位置にし、かつ、二つの平面１５ａ、１５ｂによって形成される三角形の二辺間に形成される線分１６（底辺）の長さと、従来の山部２０の端部間の長さとを同じにする。
【００３０】
そして、線分１６の一端をバックフォイル１１及び従来のバンプフォイルの固定端Ａとし、他端をそれぞれの自由端Ｂとして考える。
すると、自由端Ｂでの、線分１６（すなわち軸受ハウジング１２）に対する各フォイルの角度は、バックフォイルの山部１３の角度βの方が、従来のバンプフォイルの山部２０の角度αに比べて小さくなる。なお、バンプフォイルの山部２０の角度αは、湾曲した山部２０の、自由端Ｂにおける接線と、前記線分１６とのなす角度としている。
【００３１】
このように、本実施形態におけるバックフォイルの山部１３の自由端Ｂ側での角度βが、従来の山部２０の自由端Ｂ側での角度αに比べて小さくなることから、本実施形態のラジアルフォイル軸受３では、前記頂部（頂点）１３ａでバックフォイル１１がトップフォイル１０から荷重を受けた際、自由端Ｂに作用する水平分力が、従来のバンプフォイルに比べて大きくなる。
【００３２】
すなわち、トップフォイル１０から受けた荷重が、それぞれのバックフォイル（バンプフォイル）の自由端Ｂで軸受ハウジング（図示せず）側に作用する力をベクトルで表すと、本実施形態のバックフォイル１１では、図３（ａ）中に実線で示すベクトルＣとなり、従来のバックフォイルでは、図３（ａ）中に二点鎖線で示すベクトルＤとなる。そして、これらベクトルＣ、Ｄを水平分力、垂直分力に分解し、その水平分力Ｅ、Ｆを比較すると、本実施形態のバックフォイル１１に生じる水平分力Ｅの方が、従来のバンプフォイルに生じる水平分力Ｆより大きくなる。したがって、本実施形態のバックフォイル１１は、トップフォイル１０から荷重を受けた際、従来のバンプフォイルに比べてその自由端Ｂ側で大きな水平分力が作用し、これによって自由端Ｂ側、すなわち谷部１４に滑りが起こり易くなっている。
【００３３】
なお、従来のバンプフォイルの山部２０の、自由端Ｂでの線分１６に対する角度αを、本実施形態のバックフォイルの角度βと同じにすることで、従来のバンプフォイルでも谷部での滑りを起こり易くすることが考えられる。しかし、その場合には、図３（ｂ）に示すように従来のバンプフォイルの山部２０のピッチ２０Ｐが、本実施形態のバックフォイル１１の山部１３のピッチ１３Ｐに比べて大きくなる。
【００３４】
その結果、従来のバンプフォイルでは、トップフォイル１０の支持箇所（山部の頂部）が少なくなるため、トップフォイル１０にたるみを生じさせる可能性が高くなる。換言すれば、本実施形態のバックフォイル１１は、トップフォイル１０にたるみを生じさせる可能性が相対的に低いものとなっている。したがって、回転軸１が回転し、トップフォイル１０と回転軸１との間に流体潤滑膜が周方向に流れるように形成された際、本実施形態ではトップフォイル１０のたるみが抑制されているため、軸方向に対する流体の漏れが抑制され、これによって負荷能力が向上したものとなる。
【００３５】
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の山部１３を、その頂部１３ａが角部となるように二つの平面１５ａ、１５ｂによって形成しているので、側面視した状態で、これら二つの平面１５ａ、１５ｂと軸受ハウジング（ベース）１２とのなす形状が二等辺三角形となる。したがって、このバックフォイル１１の自由端側の辺（平面）と軸受ハウジング１２とのなす角度が、従来のバンプフォイルの湾曲部（山部）がなす角度に比べて小さくなるため、本実施形態のラジアルフォイル軸受３では、前記頂点１３ａでバックフォイル１１がトップフォイル１０から荷重を受けた際、自由端Ｂでの水平分力が従来のバンプフォイルの水平分力に比べて大きくなる。よって、本実施形態のラジアルフォイル軸受３によれば、従来のバンプフォイルに比べてバックフォイル１１の谷部１４に滑りが起こり易くなっているため、バックフォイル１１がその自由端側に変形し易くなる。したがって、回転軸１の軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮することができ、これによって高い減衰能力を有するものとなる。
【００３６】
また、バックフォイル１１の形状が直線的に形成されており、したがって湾曲部を有して形成された従来のバンプフォイルに比べて簡易であるため、プレス加工などによって容易にかつ高精度に成形することができる。よって、寸法や形状の均質化、安定化が可能になり、量産に適したものとなる。
【００３７】
次に、本発明のフォイル軸受が、図１に示したターボ機械のラジアルフォイル軸受３に適用された場合の第２実施形態を説明する。図４は、この第２実施形態のラジアルフォイル軸受の要部を示す図である。すなわち、図４は、バックフォイルの山部を拡大して示している。なお、図４では、図３（ａ）に示したバックフォイル１１の山部１３を破線で示し、従来のバンプフォイルの山部２０を二点鎖線で示している。
【００３８】
図４に示すように本実施形態のラジアルフォイル軸受におけるバックフォイルの山部２１は、これを形成する二つの平面１５ａ、１５ｂの長さ、すなわちその下端（谷部の底部）から頂部２１ａまでの長さが、互いに異なっている。つまり、本実施形態では、自由端Ｂ側の平面１５ｂが長くなり、固定端Ａ側の平面１５ａが短くなるように形成されている。ただし、山部２１の高さ（頂部２１ａの高さ）は、第１実施形態のバックフォイル１１の山部１３の高さ（頂部１３ａの高さ）と同じとする。
【００３９】
これにより、自由端Ｂ側の平面１５ｂと前記線分１６（軸受ハウジング１２）とのなす角度γが、従来のバンプフォイルの山部２０がなす角度αより小さくなるのはもちろん、第１実施形態のバックフォイル１１の山部１３がなす角度βよりもさらに小さくなる。したがって、本実施形態では、自由端Ｂ側でのバックフォイルの谷部の滑りが、第１実施形態のバックフォイル１１に比べてもさらに起こり易くなる。
よって、本実施形態にあっては、バックフォイルがその自由端Ｂ側にさらに変形し易くなり、これによって回転軸１の軸振動に対してより迅速に減衰効果を発揮することができるため、より高い減衰能力を有するものとなる。
【００４０】
次に、本発明のフォイル軸受が、図１に示したターボ機械のラジアルフォイル軸受３に適用された場合の第３実施形態を説明する。図５は、この第３実施形態のラジアルフォイル軸受の要部を示す図である。すなわち、図５は、バックフォイル１７を円筒状に巻く前の、展開した状態を示している。なお、図５では、軸受ハウジング（ベース）１２も、バックフォイル１７に合わせて展開した状態に示している。
【００４１】
図３（ｂ）に示した第１実施形態のバックフォイル１１の谷部１４が、隣り合う山部１３の対向する平面１５ｂ、１５ａの下端縁間を連続させる平坦面によって形成されているのに対し、図５に示したように本実施形態のラジアルフォイル軸受におけるバックフォイル１７は、その谷部１８が二つの平面１９ａ、１９ｂによって形成されている。すなわち、本実施形態のバックフォイル１７は、山部１３と同様に二つの平面によって形成されていることにより、底部１８ａが角部となっている。
【００４２】
このようなバックフォイル１７にあっては、従来のバンプフォイルや図３（ｂ）に示した第１実施形態のバックフォイル１１に比べ、その加工が容易になる。すなわち、従来のバンプフォイルや前記バックフォイル１１では、その寸法精度を管理する際、山部についてはその頂部の高さのみを管理すればよいものの、平坦面からなる谷部については、その両端部をそれぞれ管理する必要がある。これに対し、図５に示したバックフォイル１７にあっては、谷部１８についても角部からなる底部１８ａのみを管理すればよくなる。したがって、従来のものや図３（ｂ）に示したものでは谷部について２箇所管理する必要があったのに対し、本実施形態では１箇所のみ管理すればよくなる。これにより、バックフォイル１７の加工が容易になり、寸法や形状の均質化、安定化が可能になる。
【００４３】
また、従来のバンプフォイルや図３（ｂ）に示したバックフォイル１１では、円筒状の軸受ハウジング１２に接触する谷部が平坦面からなっているため、部分的に浮き上がりを生じ、軸受ハウジング１２に充分に密着しない。これに対し、本実施形態では、谷部１８の底部１８ａを角部とすることにより、このバックフォイル１７を軸受ハウジング１２に充分に密着させることが可能となる。
【００４４】
さらに、図３（ｂ）に示したバックフォイル１１に比べて山部１３のピッチが小さくなるため、トップフォイル１０の支持箇所（山部１３の頂部１３ａ）が多くなる。したがって、トップフォイル１０にたるみを生じさせる可能性が低くなり、これによって軸方向に対する流体の漏れを抑制することができるため、本実施形態のラジアルフォイル軸受は負荷能力が向上したものとなる。
【００４５】
次に、図１に示した前記スラストフォイル軸受５について説明する。
このスラストフォイル軸受５も、本発明のフォイル軸受の実施形態となるもので、図６（ａ）に示すように円環板状のものである。すなわち、このスラストフォイル軸受５は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように円環板状のベース３０の表面側、すなわちスラストカラー４側に、バックフォイル３１を保持し、このバックフォイル３１の表面側に円環板状のトップフォイル３２を有したもので、図１に示したように回転軸１に外挿され、かつスラストカラー４に対向して配置されたものである。
【００４６】
トップフォイル３２は、図６（ａ）に示すように円環をその周方向に８分割してなるトップフォイル片３２ａを、８個有して円環板状に形成されたもので、その周方向の一方の側縁部が溶接等によってベース３０に固定されている。このような構成によってトップフォイル片３２ａは、周方向の一側縁側が固定端となり、他側縁側が自由端となっている。
【００４７】
バックフォイル３１は、トップフォイル３２の裏面側に配置されてこれを弾性的に支持するものである。したがって、このバックフォイル３１も、トップフォイル３２に対応して８個のバックフォイル片３１ａからなっている。すなわち、円環をその周方向に８分割してなるバックフォイル片３１ａが、ベース３０の周方向に８個並べて配置されたことにより、円環板状のバックフォイル３１が形成されている。
また、バックフォイル片３１ａは、図６（ｃ）に示すようにその径方向においてさらに複数に分割されている。したがって、このように分割された円弧状の分割片３２ｂが、ベース３０の径方向に複数並列配置されたことにより、バックフォイル片３１ａが形成されている。
【００４８】
これらバックフォイル片３１ａ（分割片３２ｂ）も、その周方向の一方の側縁部が溶接等によってベース３０に固定されており、したがって一側縁側が固定端となり、他側縁側が自由端となっている。ここで、トップフォイル片３２ａ、バックフォイル３１ａの固定端となる側縁部は、図６（ｂ）中に矢印で示すスラストカラー４の回転方向の、前方側となる側縁部とされる。
【００４９】
バックフォイル片３１ａを形成する各分割片３１ｂは、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように山部３３と谷部３４とが、周方向、すなわちトップフォイル３２の周方向に沿って交互に形成されている。山部３３は、図３（ａ）に示した山部１３や図４に示した山部２１と同様に、その頂部が角部となるように二つの平面によって形成されている。また、谷部３４は、図３（ｂ）に示した谷部１４のように平坦面によって形成されていてもよく、また、図５に示すようにその底部が角部となるように二つの平面によって形成されていてもよい。
【００５０】
次に、このような構成からなるスラストフォイル軸受５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３２との間に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５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。
【００５１】
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、瞬間的には傾いた状態となる。その際、本実施形態のバックフォイル３１は、トップフォイル３２から荷重を受けると、図３（ａ）中に二点鎖線で示すような円弧状に湾曲した山部を有する従来の円環状のバンプフォイル（図示せず）に比べ、その自由端側で大きな水平分力が作用し、これによって自由端側、すなわち谷部３４に滑りが起こり易くなる。
【００５２】
よって、本実施形態のスラストフォイル軸受５にあっても、バックフォイル３１の山部３３を、その頂部が角部となるように二つの平面によって形成し、側面視した状態で三角形状となるようにしているので、従来のバンプフォイルに比べてバックフォイル３１の谷部３４に滑りが起こり易くなり、バックフォイル３１がその自由端側に変形し易くなる。したがって、回転軸１の軸振動に対して迅速に減衰効果を発揮することができ、これによって高い減衰能力を有するものとなる。
【００５３】
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、前記のラジアルフォイル軸受に係る実施形態では、いずれもバックフォイルを単一のフォイルで形成したが、複数のバックフォイル片を周方向に沿って配置することで、これら複数のバックフォイル片によって１つのバックフォイルとしてもよい。
【００５４】
また、前記のスラストフォイル軸受に係る実施形態では、逆にバックフォイルを複数のバックフォイル片で形成したが、例えばトップフォイルも１枚のフォイルで形成した場合に、バックフォイルも１枚のフォイルで形成してもよい。
さらに、バックフォイル片を複数の分割片で形成することなく、径方向に連続した１枚のバックフォイル片としてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１…回転軸、３…ラジアルフォイル軸受（フォイル軸受）、４…スラストカラー、５…スラストフォイル軸受（フォイル軸受）、１０…トップフォイル、１１…バックフォイル、１２…軸受ハウジング（ベース）、１３…山部、１３ａ…頂部、１４…谷部、１５ａ、１５ｂ…平面、１６…線分、１７…バックフォイル、１８…谷部、１８ａ…底部、１９ａ、１９ｂ…平面、３０…ベース、３１…バックフォイル、３１ａ…バックフォイル片、３１ｂ…分割片、３３…山部、３４…谷部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に外挿されて該回転軸を支持するフォイル軸受であって、
円筒状若しくは円環状のトップフォイルと、前記トップフォイルの外周側若しくは裏面側に配置されて該トップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルと、前記バックフォイルの外周側若しくは裏面側に配置されて該バックフォイルを保持するベースと、を備え、
前記バックフォイルには、前記トップフォイル側に配置される山部と、前記ベース側に配置される谷部とが、前記トップフォイルの周方向に沿って交互に形成され、
前記山部は、その頂部が角部となるように二つの平面によって形成されていることを特徴とするフォイル軸受。
【請求項２】
前記山部を形成する二つの平面は、前記谷部の底部から前記頂部までの長さが互いに異なっていることを特徴とする請求項１記載のフォイル軸受。
【請求項３】
前記谷部は、その底部が角部となるように二つの平面によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォイル軸受。
【請求項４】
回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であり、
前記トップフォイルは円筒状に形成され、前記バックフォイルは前記トップフォイルの外周側に配置され、前記ベースは円筒状に形成されて前記バックフォイルの外周側に配置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フォイル軸受。
【請求項５】
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て、該スラストカラーを支持することで前記回転軸を支持するスラストフォイル軸受であり、
前記トップフォイルは円環状に形成され、前記バックフォイルは前記トップフォイルの裏面側に配置され、前記ベースは円環状に形成されて前記バックフォイルの裏面側に配置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フォイル軸受。
【請求項１】
回転軸に外挿されて該回転軸を支持するフォイル軸受であって、
円筒状若しくは円環状のトップフォイルと、前記トップフォイルの外周側若しくは裏面側に配置されて該トップフォイルを弾性的に支持するバックフォイルと、前記バックフォイルの外周側若しくは裏面側に配置されて該バックフォイルを保持するベースと、を備え、
前記バックフォイルには、前記トップフォイル側に配置される山部と、前記ベース側に配置される谷部とが、前記トップフォイルの周方向に沿って交互に形成され、
前記山部は、その頂部が角部となるように二つの平面によって形成されていることを特徴とするフォイル軸受。
【請求項２】
前記山部を形成する二つの平面は、前記谷部の底部から前記頂部までの長さが互いに異なっていることを特徴とする請求項１記載のフォイル軸受。
【請求項３】
前記谷部は、その底部が角部となるように二つの平面によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォイル軸受。
【請求項４】
回転軸に外挿されて該回転軸を支持するラジアルフォイル軸受であり、
前記トップフォイルは円筒状に形成され、前記バックフォイルは前記トップフォイルの外周側に配置され、前記ベースは円筒状に形成されて前記バックフォイルの外周側に配置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フォイル軸受。
【請求項５】
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て、該スラストカラーを支持することで前記回転軸を支持するスラストフォイル軸受であり、
前記トップフォイルは円環状に形成され、前記バックフォイルは前記トップフォイルの裏面側に配置され、前記ベースは円環状に形成されて前記バックフォイルの裏面側に配置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フォイル軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−５３７１９（Ｐ２０１３−５３７１９Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９３８０９（Ｐ２０１１−１９３８０９）
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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