JP2018059554A - フォイル軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸とフォイルとの局所的な接触によるフォイルの損傷を防止する。【解決手段】フォイル軸受１は、支持すべき軸２と対向する軸受面Ｘを有するフォイルユニット２０を備え、軸受面Ｘと軸２との間の軸受隙間Ｃに生じる流体圧力により軸２を相対回転自在に支持する。フォイルユニット２０は、金属製のフォイル２１と、フォイル２１よりも弾性率の低い材料からなる軟質層（軟質シート２２）とを有する。【選択図】図１０

Description

本発明は、フォイル軸受に関する。

フォイル軸受は、可撓性を有する薄板（フォイル）で軸受面を構成するものであり、フォイルが撓むことにより、軸の回転速度や荷重、周囲温度等の運転条件に応じて軸受隙間が適切な幅に自動調整されるという特徴を有する。

フォイル軸受としては、例えば、（１）軸受面を有するトップフォイルと、これを背後から弾性支持するバックフォイル（バンプフォイル）とを有するバンプ型のフォイル軸受（例えば、特許文献１参照）、（２）バックフォイルを設けず、複数のトップフォイル（リーフフォイル）を一部が互いに重なり合うように設置し、その重なり部分でトップフォイルにバネ性を与えるリーフ型のフォイル軸受（例えば、特許文献２参照）、（３）複数枚のフォイルを周方向に並べて配し、各フォイルの周方向両端をフォイルホルダに保持させた多円弧型のフォイル軸受（例えば、特許文献３参照）などが知られている。

実開昭６１−３６７２５号公報 特開平４−５４３０９号公報 特開２０１４−１１９０９４号公報

上記のようなフォイル軸受において、軸の起動・停止時などの低速回転時には、軸受隙間の流体圧力が低いため、フォイルと軸とが接触、摺動を繰り返す。通常、フォイル及び軸は何れも金属で形成されるため、フォイルと軸との摺動面に凝着が生じ、摩擦トルクの増大、ひいては軸受面の焼き付きや破損に至るおそれがある。このような不具合を防止するために、フォイルあるいは軸の表面に、ＤＬＣ膜、チタンアルミナイトライド膜、あるいは二硫化モリブデン膜等の低摩擦化被膜を形成することがある（上記特許文献３参照）。

しかし、上記のような低摩擦化被膜を施した場合でも、軸との局所的な接触により低摩擦化被膜が早々に損耗し、この部分から摩耗や焼き付き、破損が生じるおそれがある。

具体的には、例えば、リーフ型のフォイル軸受では、図２６に示すように、各フォイル２１’の下流側領域が、これと隣接するフォイル２１’の上流側領域の上に重ねて配され、これにより、周方向の複数箇所にフォイル２１’の重合部Ｗ’が形成される。このフォイル軸受において、軸受隙間の流体圧力が高まると、各フォイル２１’がフォイルホルダ１０’に押し付けられる。このとき、各フォイル２１’のうち、他のフォイル２１’で支持された重合部Ｗ’では、他の周方向領域と比べて、フォイルホルダ１０’側に変位しにくい（すなわち、剛性が高い）。このため、軸の起動・停止時には、図２７に示すように、重合部Ｗにおいて軸受面Ｘ’が優先的に軸と接触するため、この部分に摩耗等が生じやすい。特に、図示のように、金属製のフォイル２１’の重合部Ｗ’が、金属製の軸２’と金属製のフォイルホルダ２１’で挟まれると、軸受面Ｘ’と軸２’との接触部の面圧が高くなり、摩耗等が生じやすい。

また、フォイル軸受の内周に挿入された軸に振動やコニカル運動が生じ、軸がフォイル軸受の中心軸に対して傾くと、フォイル軸受の軸受面の軸方向端部（エッジ部）に軸が局所的に高面圧で接触する。このため、フォイルの軸受面のうち、軸方向端部付近の領域は摩耗等が生じやすい。

以上の事情から、本発明は、フォイル軸受において、軸とフォイルとの局所的な接触によるフォイルの損傷を防止することを目的とする。

前記課題を解決するためになされた本発明は、支持すべき軸と対向する軸受面を有するフォイルユニットを備え、前記軸受面と前記軸との間の軸受隙間に生じる流体圧力により前記軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受において、前記フォイルユニットが、金属製のフォイルと、前記フォイルよりも弾性率の低い材料からなる軟質層とを有することを特徴とする。

このように、本発明のフォイル軸受は、軸受面を有するフォイルユニットが、金属製のフォイルよりも柔らかい（弾性率の低い）軟質層を含む。このフォイルユニットの軸受面に軸が接触したとき、軟質層が変形することにより、軸受面が軸に倣って変形する（図１０参照）。これにより、軸受面と軸との接触面積が大きくなり、接触部の面圧が低減され、軸受面の損傷を防止できる。

軸に振動やコニカル運動が生じると、フォイルユニットのうち、軸の回転方向と直交する方向の端部（ラジアルフォイル軸受では軸方向両端、スラストフォイル軸受では外径端）が軸と接触しやすい。従って、フォイルユニットのうち、上記端部を含む領域に軟質層を設けることが好ましい。

前記フォイルユニットが、前記軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部の背後に配されたバックフォイル部とを備え、前記トップフォイル部と前記バックフォイル部とが厚さ方向で重ねられた重合部が周方向で離隔した複数箇所に設けられる場合、重合部において軸受面の剛性が特に高くなる。従って、この重合部に軟質層を設けて、軸受面と軸との接触面圧を低減することが特に有効となる。

軟質層は、例えば、前記フォイルよりも弾性率の低い材料からなる軟質シートで構成することができる。

あるいは、前記軟質層を前記フォイルと一体化して複合フォイルを構成してもよい。この場合、フォイルと軟質層との位置ズレが回避されると共に、意図した部分に選択的に軟質層を配置することが可能となる。

例えば、厚さが均一なフォイルの一部領域に軟質層を固着して複合フォイルを形成すると、軟質層を設けた領域だけ複合フォイルが厚くなるため、フォイル軸受の設計、特に、フォイルを積層した際の厚さの管理が困難となるおそれがある。そこで、フォイルに薄肉部を設け、この薄肉部に軟質層を設けることで、複合フォイルの肉厚を均一にすれば、上記の不具合を回避できる。

軟質層は、例えば、樹脂、ゴム、または黒鉛を主成分とする材料で形成することができる。

以上のように、フォイルユニットに軟質層を設けることで、軸と軸受面との接触面圧が緩和されるため、フォイルの損傷を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るフォイル軸受の断面図である。 フォイルの平面図である。 連結した二枚のフォイルを裏面側から見た平面図である。 三枚のフォイルを筒状に連結した状態を示す斜視図である。 フォイルの背後に軟質シートを配置した状態を示す斜視図である。 フォイルと軟質シートの仮組体を円筒状に丸めた状態を示す斜視図である。 フォイルと軟質シートの仮組体をフォイルホルダに取り付ける様子を示す斜視図である。 図１のフォイル軸受を拡大して示す断面図である。 図１のフォイル軸受を断面図であり、周方向を直線に変換して示している。 軸と軸受面との接触部を拡大して示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、軸受面がフォイルに形成されたフォイルユニットの積層構造の例を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、軸受面が軟質シートに形成されたフォイルユニットの積層構造の例を示す断面図である。 複合フォイルの側面図である。 図１３の複合フォイルの高温時における湾曲状態を示す側面図である。 複合フォイルの他の例を示す斜視図である。 図１５の複合フォイルを有するフォイル軸受の断面図であり、周方向を直線に変換して示している。 複合フォイルの他の例を示す斜視図である。 図１７の複合フォイルを有するフォイル軸受の断面図であり、周方向を直線に変換して示している。 複合フォイルの他の例を示す斜視図である。 図１９の複合フォイルのＹ−Ｙ線における断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、複合フォイルを含むフォイルユニットの積層構造の例を示す断面図である。 リーフ型のフォイル軸受を示す断面図である。 バンプ型のフォイル軸受を示す断面図である。 リーフ型のスラストフォイル軸受を示す斜視図である。 図２４中のＤ−Ｄ線における断面図である。 従来のリーフ型のフォイル軸受の断面図である。 フォイルの重合部と軸との接触部を拡大して示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係るフォイル軸受１を示す。フォイル軸受１は、内周に挿入された軸２をラジアル方向に支持するものである。フォイル軸受１は、筒状のフォイルホルダ１０と、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに取り付けられたフォイルユニット２０とを備える。フォイルユニット２０には、軸２の外周面２ａと半径方向で対向する軸受面Ｘが設けられる。尚、以下では、軸２の回転方向先行側（図１の矢印Ｒ参照）、すなわち、軸２の回転時における、フォイルユニット２０に対する流体の流れ方向下流側を「下流側」と言い、その反対側を「上流側」と言う。

フォイルホルダ１０は、焼結金属や溶製材（例えば鋼材）等の金属で円筒状に形成される。フォイルホルダ１０の内周面１０ａのうち、周方向に離隔した複数箇所には、フォイルユニット２０の取り付け部となる軸方向溝１０ｂが形成されている。尚、耐熱性や強度等に問題が無ければ、フォイルホルダ１０を樹脂で形成してもよい。

フォイルユニット２０は、金属製のフォイル２１と、軟質層としての軟質シート２２とを備える。本実施形態では、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに、複数のフォイル２１と、フォイル２１と同数の軟質シート２２とが周方向に並べて配置される。軟質シート２２は、各フォイル２１の背後（外径側）に配される。図示例では、フォイルホルダ１０の内周面１０ａの三カ所にフォイル２１および軟質シート２２が配置される。

フォイル２１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で形成される。フォイル２１は、厚さ２０μｍ〜２００μｍ程度の金属製の帯状フォイルを、プレス加工等により所定形状に加工することで形成される。鋼材料や銅合金の代表例としては、炭素鋼や黄銅を挙げることができる。しかし、一般的な炭素鋼では、雰囲気に潤滑油が存在せず油による防錆効果が期待できないため、錆による腐食が発生し易くなる。また、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に示すように、フォイル２１は、軸受面Ｘを有するトップフォイル部Ｔｆと、トップフォイル部Ｔｆから下流側（図２では左側）に延びた凸部２１ａと、トップフォイル部Ｔｆから上流側（図２では右側）に延びたバックフォイル部Ｂｆとを有する。

凸部２１ａは、トップフォイル部Ｔｆの表面に沿い、かつ軸２の回転方向Ｒと直交する方向（本実施形態では軸方向、図２では上下方向。以下、回転直交方向Ｎと言う。）に離隔した複数箇所に設けられる。本実施形態では、回転直交方向Ｎに離隔した三カ所に凸部２１ａを形成した場合を例示している。トップフォイル部Ｔｆの下流側端部のうち、各凸部２１ａの近傍には、フォイル縁部から上流側に延びる微小な切り込み２１ｂが設けられている。

バックフォイル部Ｂｆの上流側端部には、回転直交方向Ｎに離隔し、下流側に向けて凹んだ二つの切り欠き部２１ｃが形成される。各切り欠き部２１ｃの回転直交方向Ｎにおける幅寸法は、下流側に向けて徐々に縮小している。本実施形態では、切り欠き部２１ｃ全体を円弧状に形成した場合を例示しているが、各切り欠き部２１ｃは、頂部を尖端状とした略Ｖ字状に形成することもできる。各切り欠き部２１ｃの回転直交方向Ｎの両側には、それぞれ上流側に突出する突出部２１ｄが形成されている。

トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆの境界部で、かつ回転直交方向Ｎに離隔した複数箇所（凸部２１ａと同数）には、隣接するフォイル２１の凸部２１ａが差し込まれる、スリット状の差込口２１ｅが設けられる。このうち、両端の差込口２１ｅは、回転直交方向Ｎに沿って直線状に延びて、フォイル２１の両端部にそれぞれ開口している。中央の差込口２１ｅは、回転直交方向Ｎに沿って延びる直線状の切り欠き部分と、該切り欠き部分から上流側に延び、その先端を円弧状とした幅広の切り欠き部分とからなる。

軟質シート２２は、フォイル２１とは別体に設けられた可撓性を有する薄板であり、金属製のフォイル２１よりも弾性率（特に、厚さ方向の圧縮力に対する弾性率）の低い材料で形成される。軟質シート２２の材料としては、例えば、フッ素樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの樹脂材料、シリコンゴムなどのゴム材料、黒鉛や炭素繊維等の炭素を主成分とした材料などが挙げられる。炭素を主成分とした材料としては、例えば、黒鉛のみからなるもの、炭素繊維のみからなるもの、炭素繊維と黒鉛とを組み合わせたもの、炭素繊維及び／又は黒鉛とバインダー（例えば、有機又は無機材料）とからなる複合材料などが使用できる。これらの材料は、柔軟性及び可撓性を有しているため、トップフォイル部Ｔｆが持つ弾性を阻害しない。

軟質シート２２は、矩形状をなし、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに沿って略円筒状に湾曲している。軟質シート２２の軸方向寸法は、フォイル２１のトップフォイル部Ｔｆの軸方向寸法（すなわち、軸受面Ｘの軸方向寸法）と略同一とされる。例えば、軟質シート２２の軸方向寸法を、トップフォイル部Ｔｆの軸方向寸法と同一とする他、トップフォイル部Ｔｆの軸方向寸法よりも僅かに小さくしたり、僅かに大きくしたりしてもよい。軟質シート２２の周方向寸法は、トップフォイル部Ｔｆの周方向寸法（すなわち、軸受面Ｘの周方向寸法）よりも小さい。

図３に示すように、一方のフォイル２１の各凸部２１ａを、隣接するフォイル２１の差込口２１ｅにそれぞれ差し込むことにより、２枚のフォイル２１を連結する事ができる。同図中では、組み合わせ後の二つのフォイル２１のうち、一方のフォイル２１にグレーの色を付している。

そして、図４に示すように、３枚のフォイル２１を図３と同様の結合手法により筒状に連結した後、図５に示すように、各フォイル２１の背後（外径側）に、軟質シート２２を配置する。その後、図６に示すように、３枚のフォイル２１及び軟質シート２２の仮組体を略円筒状に丸め、各フォイル２１のトップフォイル部Ｔｆと他のフォイル２１のバックフォイル部Ｂｆとの間に軟質シート２２を挟み込む。この状態で、図７に示すように、上記仮組体をフォイルホルダ１０の内周に軸方向一方側から挿入する（矢印参照）。具体的には、上記仮組体をフォイルホルダ１０の内周に挿入しながら、各フォイル２１の凸部２１ａを、フォイルホルダ１０の一方の端面に開口した軸方向溝１０ｂに軸方向一方側から差込む。以上により、３枚のフォイル２１及び軟質シート２２からなるフォイルユニット２０が、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに周方向に並べた状態で取り付けられる。

図８に示すように、フォイルユニット２０をフォイルホルダ１０に取り付けた状態では、隣接する二つのフォイル２１同士が交差した状態となる。この交差部分よりも上流側では、一方のフォイル２１のトップフォイル部Ｔｆが軸受面Ｘを構成し、その背後に他方のフォイル２１のバックフォイル部Ｂｆが配される。一方、交差部分よりも下流側では、他方のフォイル２１のトップフォイル部Ｔｆが軸受面Ｘを構成し、この他方のフォイル２１の差込口２１ｅを介して、一方のフォイル２１の凸部２１ａが、他方のフォイル２１の背後に回り込み、フォイルホルダ１０の軸方向溝１０ｂに挿入されている。バックフォイル部Ｂｆの上流側の端部は自由端であり、当該端部の位置は、バックフォイル部Ｂｆの弾性変形に応じて周方向に変動する。バックフォイル部Ｂｆの下流側の端部は、前記交差部分で他のフォイル２１（前記一方のフォイル２１）と周方向で係合した状態にある。

フォイル軸受１には、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとが厚さ方向で重ねられた重合部Ｗ（図９参照）が周方向に離隔した複数箇所（本実施形態では三箇所）に設けられ、この重合部Ｗに軟質シート２２が配される。軟質シート２２は、軸受面Ｘと、軸受隙間Ｃの幅方向（本実施形態では半径方向）で重ねて配される。図示例では、軟質シート２２が、重合部Ｗのトップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの間に配される。軟質シート２２の下流側端部は、バックフォイル部Ｂｆの上（内径側）に配される。軟質シート２２の上流側端部は、バックフォイル部Ｂｆよりも上流側に配され、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに接している。

フォイル軸受１では、隣接するフォイル２１同士が、周方向で係合して互いに突っ張り合った状態となっている。これにより、各フォイル２１のトップフォイル部Ｔｆが外径側に張り出し、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに沿った形状に湾曲する。各フォイル２１の下流側への移動は、各フォイル２１の凸部２１ａが軸方向溝１０ｂに突き当たるために規制されるが、各フォイル２１の上流側への移動は規制されない。このため、各フォイル２１は、フォイルホルダ１０の内周面１０ａに対して周方向で微小摺動（往復動）可能とされる。

図９に誇張して示すように、フォイルホルダ１０の軸方向溝１０ｂに差し込まれたフォイル２１の凸部２１ａが、フォイルホルダ１０の内周面１０ａの接線方向に対して角度θだけ僅かに傾斜しているため、凸部２１ａの近傍では、トップフォイル部Ｔｆが内径側に凸となるように湾曲しようとする。また、トップフォイル部Ｔｆは、軟質シート２２と共にバックフォイル部Ｂｆに乗り上げることで、下流側に向けてフォイルホルダ１０の内周面１０ａから離反する側（軸２の外周面２ａに接近する側）に傾斜した状態となる。以上により、トップフォイル部Ｔｆの軸受面Ｘと軸２の外周面２ａの間に、下流側に行くにつれて狭まった楔空間が形成される。

軸２の回転中は、楔空間に生じた空気膜が高圧となるため、軸２が浮上力を受ける。そのため、図１に示すように、各フォイル２１の軸受面Ｘと軸２の間に環状の軸受隙間Ｃ（ラジアル軸受隙間）が形成され、軸２がフォイル２１に対して非接触の状態で回転自在に支持される。このとき、トップフォイル部Ｔｆのうち、下流側端部付近に設けられた内径側に凸の湾曲部の弾性力や、バックフォイル部Ｂｆに乗り上げた部分の弾性力、さらにはフォイルホルダ１０の内周面１０ａに沿った湾曲形状から元の形状に戻ろうとするフォイル２１の弾性復元力により、軸受面Ｘに半径方向のバネ性が付与される。本実施形態では、トップフォイル部Ｔｆだけでなく、軟質シート２２がバックフォイル部Ｂｆに乗り上げて湾曲しているため、軸受隙間Ｃの空気膜の圧力により、トップフォイル部Ｔｆと共に軟質シート２２が弾性変形する。これらのトップフォイル部Ｔｆ及び軟質シート２２の弾性力により、軸受面Ｘの半径方向のバネ性が付与される。この軸受面Ｘのバネ性により、軸受隙間Ｃの幅が運転条件等に応じた適正幅に自動調整されるため、軸２の回転が安定的に支持される。なお、図面では、理解の容易化のため軸受隙間Ｃの幅を誇張して描いている。

軸２の回転中、軸受隙間Ｃの空気膜の圧力によりトップフォイル部Ｔｆがバックフォイル部Ｂｆに押し付けられることで、トップフォイル部Ｔｆのうち、バックフォイル部Ｂｆに乗り上げた部分には、軸受隙間Ｃの幅方向（本実施形態では半径方向）の段差が形成される。図３に示すように、各フォイル２１のバックフォイル部Ｂｆの上流側端部に切り欠き部２１ｃを設けた場合には、この段差は、切り欠き部２１ｃの形状に対応したヘリングボーン形状となる。トップフォイル部Ｔｆに沿って流れる流体は、上記のヘリングボーン形状の段差に沿って流れるため（図３の矢印を参照）、軸受隙間Ｃのうち、回転直交方向Ｎの二カ所に流体の高圧力部が形成される。これにより、軸２の浮上効果を高めつつモーメント荷重を支持することが可能となる。本実施形態では、図２に示すように、トップフォイル部Ｔｆに微小な切り込み２１ｂを形成してトップフォイル部Ｔｆの剛性を局部的に低下させているため、トップフォイル部Ｔｆが切り欠き部２１ｃに沿って変形する際にも、その変形がスムーズに行われる。

軸２の起動直後や停止直前などの低速回転中は、軸受隙間Ｃの空気膜の圧力が不十分であるため、フォイル２１の軸受面Ｘと軸２の外周面２ａとが接触摺動する。このため、フォイル２１の軸受面Ｘ及び軸２の外周面２ａの何れか一方または双方に、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、上記のフォイル軸受１は、フォイルユニット２０が軟質シート２２を含む。本実施形態では、軸受面Ｘのうち、軸受隙間Ｃの幅方向の剛性が高い領域、具体的には、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの重合部Ｗに、軟質シート２２を配している。図１０に示すように、フォイル２１の軸受面Ｘと軸２の外周面２ａとが接触した際、軟質シート２２が変形することにより、軸受面Ｘが軸２の外周面２ａに倣った形状に変形する。これにより、軸受面Ｘと軸２の外周面２ａとの接触面積が増えるため、両者の接触面圧が低減され、フォイル２１の損傷や、上記の低摩擦化被膜の早期の剥離等を防止できる。

また、軸２に振動やコニカル運動が生じた場合、軸受面Ｘの軸方向端部に軸２が接触する。本実施形態では、軟質シート２２が、軸受面Ｘの少なくとも軸方向端部を含む領域（図示例では軸方向全域）に設けられているため、軸受面Ｘの軸方向端部に軸２が接触した場合でも、上記のように軟質シート２２が変形することで、フォイル２１の損傷を防止できる。

また、軟質シート２２を、黒鉛を主成分とする材料で形成した場合、黒鉛は、フォイル２１として一般的に使用されるステンレス鋼と比べて熱伝導率が高いため、軸２と軸受面Ｘとの接触部で発生した熱が、トップフォイル部Ｔｆに密着した軟質シート２２を介して拡散されやすくなるため、焼き付きを防止できる。

また、軸２の回転中は、フォイル２１とフォイルホルダ１０の内周面１０ａや軸方向溝１０ｂとの間で微小摺動が生じる。この微小摺動による摩擦エネルギーにより、軸２の振動を減衰させることができる。このような微小摺動による摩擦力を調整するために、互いに摺動する面の何れか一方又は双方に、上記のような低摩擦化被膜を形成してもよい。

尚、軟質シート２２を、黒鉛を主成分とする材料で形成した場合、黒鉛は自己潤滑性能に優れるため、フォイル２１同士、あるいはフォイル２１とフォイルホルダ１０との間の摩擦力が小さくなり、軸の振動減衰効果の低下が懸念される。この場合、軟質シート２２あるいはこれと摺動する面の一方又は双方に、塑性加工（例えばプレス加工）等により微小な凹凸を形成したり、機械加工等により表面粗さを増大させたりすることで、摺動部の摩擦力を調整してもよい。

以下、本発明の他の実施形態を説明するが、上記の実施形態と同様の点については説明を省略する。

例えば、上記の実施形態では、フォイルユニット２０が、フォイル２１と軟質シート２２とを交互に積層した３層構造を有しているが｛図１１（ｂ）参照｝、フォイルユニット２０の積層構造はこれに限らず、２層、あるいは４層以上としてもよい。例えば、図１１（ａ）に示すフォイルユニット２０は、フォイル２１と軟質シート２２とを交互に積層した２層構造を成し、図１１（ｃ）に示すフォイルユニット２０は、フォイル２１と軟質シート２２とを交互に積層した４層構造を成している。図１１に示す何れのフォイルユニット２０も、最も軸側の層がフォイル２１であり、このフォイル２１に軸受面Ｘが形成される。

また、上記の実施形態では、フォイル２１に軸受面Ｘを形成した場合を示したが、これに限らず、軟質シート２２に軸受面Ｘを形成してもよい。特に、軟質シート２２を黒鉛を主成分とする材料で形成すれば、黒鉛シートは自己潤滑性に優れるため、別途の低摩擦化被膜処理を施すことなく、軸２と軸受面Ｘとの摺動抵抗が低減され、軸の低速回転時のトルクが低減される。例えば、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すフォイルユニット２０は、フォイル２１と軟質シート２２とを交互に２層〜４層積層し、最も軸側の層を軟質シート２２し、この軟質シート２２に軸受面Ｘが形成されている。

また、上記の実施形態では、軟質層（軟質シート２２）とフォイル２１とを別体に設けているが、図１３に示すように、軟質層とフォイル２１とを、フォイル２１の厚さ方向で重ねた状態で一体化して複合フォイル２３を形成してもよい。例えば、図１に示すフォイル軸受１において、フォイル２１の裏面（軸受面Ｘと反対側の面）に軟質シート２２を接着等により貼り付けて、複合フォイル２３を構成してもよい。

このとき、フォイル２１と軟質シート２２とでは材料が異なるため、線膨張係数が異なる。この線膨張係数の違いに起因して、フォイル２１と軟質シート２２とを貼り合わせた複合フォイル２３は、高温時に湾曲する。具体的に、例えば金属製のフォイル２１は、黒鉛を主成分とする軟質シート２２よりも線膨張係数が大きいため、高温時には、図１４に示すように、フォイル２１側が凸となるように湾曲する。この性質を利用して、例えば複合フォイル２３のフォイル２１に軸受面Ｘを形成すれば、高温時に軸受面Ｘが凸状となるため、楔空間が形成されやすくなり、軸受剛性が高められる。一方、複合フォイル２３の軟質シート２２に軸受面Ｘを形成すれば、高温時に軸受面Ｘが凹状となるため、楔空間が形成されにくくなり、軸受剛性が低下する。このように、複合フォイル２３を用いることで、高温時の軸受剛性を制御することが可能となる。

また、複合フォイル２３を形成する場合、軟質層の形状や位置を工夫することで、軸受面Ｘの変形を制御することができる。例えば、図１５に示す実施形態では、フォイル２１のトップフォイル部Ｔｆの裏面（軸受面Ｘと反対側の面）に、切り欠き部２２ａを有する軟質シート２２を貼り付けている。この切り欠き部２２ａは、図２のバックフォイル部Ｂｆに設けられた切り欠き部２１ｃと同形状を成している。一方、フォイル２１のバックフォイル部Ｂｆは、切り欠き部を有さない矩形状を成す。

この複合フォイル２３をフォイルホルダ１０に取り付けると、図１６に示すように、各複合フォイル２３の軟質シート２２が、他の複合フォイル２３の矩形状のバックフォイル部Ｂｆの上に重ねて配される。軸の回転に伴って軸受隙間Ｃの空気膜の圧力が高められると、トップフォイル部Ｔｆが、切り欠き部２２ａを有する軟質シート２２を介してバックフォイル部Ｂｆに押し付けられる。これにより、トップフォイル部Ｔｆのうち、軸方向に離隔した二箇所にヘリングボーン形状の段差が形成されるため、上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１７に示す複合フォイル２３は、フォイル２１のバックフォイル部Ｂｆの表側の面（軸受面Ｘ側の面）に、切り欠き部２２ａを有する軟質シート２２を貼り付けている。軸の回転に伴って軸受隙間Ｃの空気膜の圧力が高められると、図１８に示すように、トップフォイル部Ｔｆが軟質シート２２に押し付けられる。これにより、トップフォイル部Ｔｆのうち、軸方向に離隔した二箇所にヘリングボーン形状の段差が形成され、上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１９に示す実施形態では、フォイル２１の軸方向端部（図示例では軸方向両端）のみに軟質層Ｓを設けている。これにより、必要最小限の軟質層Ｓで、軸に振動やコニカル運動が生じた際のフォイル２１の軸方向端部の損傷を防止することができる。特に、フォイル２１のトップフォイル部Ｔｆのうち、フォイルホルダ１０の軸方向溝１０ｂに差し込まれる凸部２１ａの上流側に隣接する領域Ｐは、内径向きに凸となるように湾曲して軸側に迫り出すため、軸と接触しやすい（図９参照）。従って、フォイル２１の軸方向端部のうち、凸部２１ａの上流側に隣接し、内径側に凸の湾曲部の頂点を含む領域Ｐ、あるいは、この領域Ｐと厚さ方向で重ねられる領域Ｑに、軟質層Ｓを設けることが好ましい。図示例では、フォイル２１の上記領域Ｐ及びＱの双方に軟質層Ｓが設けられ、特に、フォイル２１の軸方向両端の周方向全長に軟質層Ｓが設けられる。この他、トップフォイル部Ｔｆ又はバックフォイル部Ｂｆの一方のみに軟質層Ｓを設けてもよい。

上記のように、フォイル２１の一部領域に軟質層Ｓを設ける場合、図２０に示すように、フォイル２１の一部に薄肉部２１ｆを設け、この薄肉部２１ｆに軟質層Ｓを設けることで、複合フォイル２３全体の肉厚を均一にすることが好ましい。これにより、軟質層Ｓを設けた場合でも、フォイル２１のみからなるフォイルユニット２０と全体の厚さが変わらないため、厚さの管理が容易となる。

上記のようにフォイル２１の軸方向端部に軟質層Ｓを設けた場合、フォイルユニット２０の重合部は例えば図２１（ａ）〜（ｄ）に示すような構成とすることができる。図２１（ａ）では、バックフォイル部Ｂｆの表側の面（軸受面Ｘ側の面）の軸方向端部のみに軟質層Ｓを設けている。図２１（ｂ）では、トップフォイル部Ｔｆの裏面（軸受面Ｘと反対側の面）の軸方向端部のみに軟質層Ｓを設けている。

図２１（ｃ）では、バックフォイル部Ｂｆの表側の面の軸方向端部、及び、トップフォイル部Ｔｆの裏面の軸方向端部に軟質層Ｓを設けている。この場合、図２１（ａ）、（ｂ）と比べて軟質層Ｓの厚さが２倍となるため、軟質層Ｓの変形量が増えて接触面圧の低減効果が高められる。

図２１（ｄ）では、トップフォイル部Ｔｆの表側の面（軸受面Ｘ）の軸方向端部のみに軟質層Ｓを設けている。この場合、軟質層Ｓを摺動性の高い材料（例えば黒鉛を主成分とする材料）で形成することで、軸２が接触した際の摺動抵抗を低減することができる。

上記の実施形態では、フォイル軸受１として、いわゆる多円弧型のラジアルフォイル軸受を例示したが、本発明を適用可能なフォイル軸受の形態はこれに限られない。例えば、図２２に示すいわゆるリーフ型のフォイル軸受１にも本発明を適用することができる。このフォイル軸受１は、フォイルユニット２０が、下流側の端部を自由端とし、上流側の端部を固定端とした複数のフォイル２１（リーフ）を含む。各フォイル２１のうち、下流側の領域がトップフォイル部Ｔｆとして機能し、上流側の領域がバックフォイル部Ｂｆとして機能する。このリーフ型のフォイル軸受１において、フォイルユニット２０が軟質層を有することにより、上記と同様の効果を得ることができる。図示例では、フォイル２１のトップフォイル部Ｔｆの背後（外径側）に軟質シート２２を貼り付けて、複合フォイル２３を構成している。尚、フォイル２１と軟質シート２２とを別体に設けてもよい。

また、図２３に示すいわゆるバンプ型のフォイル軸受１にも本発明を適用することもできる。このフォイル軸受１では、フォイルユニット２０が、波形のフォイル２１（バックフォイル部Ｂｆ）と、円筒状のフォイル２１（トップフォイル部Ｔｆ）とを別体に有し、トップフォイル部Ｔｆとフォイルホルダ１０との間にバックフォイル部Ｂｆが配される。このバンプ型のフォイル軸受１において、フォイルユニット２０が軟質層を有することにより、上記と同様の効果を得ることができる。図示例では、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの間に、トップフォイル部Ｔｆと略同形状の軟質シート２２が配される。トップフォイル部Ｔｆと軟質シート２２とは、別体に設けてもよいし、互いに張り合わせて複合フォイル２３（図１３参照）を構成してもよい。また、上記の軟質シート２２に代えて、あるいはこれに加えて、バックフォイル部Ｂｆに、これと略同形状の軟質シート２２を重ねて配してもよい。

さらに、スラストフォイル軸受に本発明を適用することもできる。図２４はスラストフォイル軸受３の一例として、リーフ型のスラストフォイル軸受を示している。図２５に示すように、フォイルユニット２０を構成する各フォイル２１のうち、下流側の領域がトップフォイル部Ｔｆとして機能し、上流側の領域がバックフォイル部Ｂｆとして機能する。軸がＲ方向に回転すると、軸に設けられたスラストカラー２ｂとトップフォイル部Ｔｆの軸受面Ｘとの間に軸受隙間Ｃ（スラスト軸受隙間）が形成され、この軸受隙間Ｃの空気膜の圧力で軸がスラスト方向に非接触支持される。このスラストフォイル軸受３において、フォイルユニット２０が軟質層を有することにより、上記と同様の効果を得ることができる。図示例では、トップフォイル部Ｔｆとバックフォイル部Ｂｆとの間に軟質シート２２が配される。トップフォイル部Ｔｆと軟質シート２２とは、別体に設けてもよいし、互いに張り合わせて複合フォイル２３（図１３参照）を構成してもよい。

以上の説明では、軸２を回転側部材とし、フォイルホルダ１０を固定側部材とした場合を例示したが、これとは逆に軸２を固定側部材とし、フォイルホルダ１０を回転側部材とする場合にも本発明を適用することができる。但し、この場合はフォイルユニット２０が回転側部材となるので、遠心力によるフォイルユニット２０全体の変形を考慮してフォイルユニット２０の設計を行う必要がある。

また、本発明にかかるフォイル軸受は、例えば、ガスタービンや過給機をはじめとするターボ機械のロータを支持するフォイル軸受として使用することができる。この他、本発明にかかるフォイル軸受は、自動車等の車両用軸受、さらには産業機器用の軸受として広く使用することが可能である。また、本実施形態の各フォイル軸受は、圧力発生流体として空気を使用した空気動圧軸受であるが、これに限らず、圧力発生流体としてその他のガスを使用することもでき、あるいは水や油などの液体を使用することも可能である。

１、３ フォイル軸受
２ 軸
１０ フォイルホルダ
２０ フォイルユニット
２１ フォイル
２２ 軟質シート（軟質層）
２３ 複合フォイル
Ｔｆ トップフォイル部
Ｂｆ バックフォイル部
Ｘ 軸受面
Ｗ 重合部
Ｃ 軸受隙間

Claims (8)

1. 支持すべき軸と対向する軸受面を有するフォイルユニットを備え、前記軸受面と前記軸との間の軸受隙間に生じる流体圧力により前記軸を相対回転自在に支持するフォイル軸受において、
   前記フォイルユニットが、金属製のフォイルと、前記フォイルよりも弾性率の低い材料からなる軟質層とを有するフォイル軸受。
2. 前記軟質層が、前記フォイルユニットのうち、軸の回転方向と直交する方向の端部を含む領域に設けられた請求項１に記載のフォイル軸受。
3. 前記フォイルユニットが、前記軸受面を有するトップフォイル部と、前記トップフォイル部の背後に配されたバックフォイル部とを備え、
   前記トップフォイル部と前記バックフォイル部とが厚さ方向で重ねられた重合部が、周方向で離隔した複数箇所に設けられ、
   前記重合部に前記軟質層を設けた請求項１又は２に記載のフォイル軸受。
4. 前記軟質層が、前記フォイルよりも弾性率の低い材料からなる軟質シートで構成された請求項１〜３の何れか１項に記載のフォイル軸受。
5. 前記フォイルユニットが、前記軟質層と前記フォイルとを一体に有する複合フォイルを備えた請求項１〜３の何れか１項に記載のフォイル軸受。
6. 前記フォイルに薄肉部を設け、この薄肉部に前記軟質層を設けることで、前記複合フォイルの肉厚を均一にした請求項５に記載のフォイル軸受。
7. 前記軟質層が、樹脂、ゴム、または黒鉛を主成分とする請求項１〜６の何れか１項に記載のフォイル軸受。
8. フォイル軸受に用いられる複合フォイルであって、
   金属製のフォイルと、前記フォイルよりも弾性率の低い材料からなる軟質層とを一体に有する複合フォイル。
   

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