JP6065917B2 - スラスト軸受 - Google Patents

Description

本発明は、スラスト軸受に関する。
本願は、２０１２年１０月１６日に日本に出願された特願２０１２−２２８８９２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としては、フォイル式スラスト軸受がよく知られている。このフォイル式スラスト軸受は、ベースとなる円環板形状の板材（ベースプレート）の上に、バンプフォイルと呼ばれる薄い板材からなる波板が複数枚円環状に配置され、さらにその上に、トップフォイルと呼ばれる薄板がバンプフォイルと同枚数配置されて、構成される（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

このような構成によってフォイル式スラスト軸受は、スラスト軸受面（トップフォイル）に対してスラストカラーが近接した状態で回転すると、スラストカラーとトップフォイルとの間にくさび効果による空気膜（流体潤滑膜）を形成し、この空気膜によってスラストカラーを支持する。くさび効果とは、広い隙間から狭い隙間に向けて流体が流れると、狭い隙間において圧力が発生する現象である。このような効果、すなわち狭い隙間で発生した圧力により、スラスト軸受は荷重（スラストカラー）を支持する。

したがって、フォイル式スラスト軸受において効率的にくさび効果を得るためには、スラストカラーとトップフォイルとの間に広い隙間と狭い隙間を連続して形成するべく、スラストカラーの回転方向に対してトップフォイルの高さを変化させる必要がある。このようにトップフォイルの高さを変化させるため、従来では、スラストカラーの回転方向に沿ってバンプフォイルの高さ（バンプ（山）の高さ）を変化させている。
また、下記特許文献３〜６にも、スラストカラーを支持するスラスト軸受が開示されている。

特表２００８−５１３７０１号公報 特表２００８−５０１９２２号公報 特開昭６１−９２３１６ 特開２００２−３４９５５１ 特開昭６３−１９５４１２ 特開昭５９−１８７１１１

しかしながら、バンプフォイルは０．１ｍｍ程度の薄板からなるため、一山毎に山の高さを例えば数十μｍ変化させるような加工は難しく、たとえ加工できたとしてもコストが非常に高くなる場合がある。さらに、加工精度も低くなるため、トップフォイルの高さを設計通りに精度よく変化させるのが困難である。

また、バンプフォイルの山の高さを変えることなく、これの上に配置するトップフォイルの押圧力によってバンプフォイルの山の潰し量を少しずつ変えることにより、トップフォイルの高さを変化させることも考えられる。しかし、その場合にも、トップフォイルの高さを設計通りに精度よく変化させるのが極めて困難である。
このようにトップフォイルの高さを精度よく変化させることができないと、量産性が低くなるためコストが高くなる。また、軸受負荷能力を予め設計するのが困難になるため、性能の評価が難しく、実用性が低くなる可能性がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、トップフォイルの高さを精度よく変化させることができ、これによって軸受負荷能力の事前の設計を可能にした、優れたスラスト軸受を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様では、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は、前記スラストカラーに対向して配置されるトップフォイルと、前記トップフォイルの、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、このトップフォイルを支持するバックフォイルと、前記バックフォイルの、前記トップフォイルと反対の側に配置されて、このバックフォイルを支持する円環板状のベースプレートと、を備える。前記バックフォイルは、前記ベースプレートの周方向に配列された複数のバックフォイル片によって形成されている。前記トップフォイルは、前記複数のバックフォイル片の上にそれぞれ配設された複数のトップフォイル片によって形成されている。前記ベースプレートは、前記複数のバックフォイル片をそれぞれ支持すると共に前記周方向に配列された複数の支持領域を有している。前記支持領域は、第１境界線と、該第１境界線の前記スラストカラーの回転方向側に配置される第２境界線とによって区画される傾斜面を有している。この傾斜面の高さが前記第１境界線から前記第２境界線に向かうに従って増加している。この傾斜面は、前記第１境界線から前記第２境界線まで連続的に形成されている。また、前記バックフォイル片は、前記傾斜面内にのみ配置されている。

本発明の第１の態様によれば、バックフォイル片を支持するベースプレートの各支持領域に、第１境界線から第２境界線に向かうに従って高さが増加する傾斜面を形成しているので、この傾斜面上にバックフォイル片を介してトップフォイル片を配設していることにより、トップフォイル片の高さを傾斜面に沿って精度よく変化させることができる。また、その際にバックフォイル片については、高さを変化させることなく一定の高さに作製すればよく、したがって加工コストを抑えることができる。

本発明の第２の態様では、上記第１の態様において、前記第２境界線は、前記ベースプレートの半径方向に沿って形成されている。また、前記傾斜面は、前記第２境界線と直交する方向に傾斜している。
本発明の第２の態様によれば、傾斜面の加工を容易に行うことができるとともに、この傾斜面に対応してバックフォイル片の加工も容易に行うことができる。

本発明の第３の態様では、上記第１又は第２の態様において、前記トップフォイル片の、前記スラストカラーの回転方向側の端縁部は、その高さが一定に形成されている。
本発明の第３の態様によれば、くさび効果によって発生する圧力をより高めることができ、したがってスラスト軸受の軸受負荷能力をより高めることができる。

本発明の第４の態様では、上記第１から第３のいずれか一つの態様において、前記トップフォイル片は、前記スラストカラーの回転方向と反対の側の端縁部で前記ベースプレートに固定されている。
本発明の第４の態様によれば、スラストカラーの回転方向側におけるトップフォイル片の端縁部は、バックフォイルを介してベースプレートから離れた状態となるので、スラストカラーとの間が狭くなり、したがって良好なくさび効果が得られる。

本発明の第５の態様では、上記第１から第４のいずれか一つの態様において、前記バックフォイル片は、複数の山部と複数の谷部とを交互に配置した波板状に形成されている。
本発明の第５の態様によれば、バックフォイル片によってトップフォイル片を弾性的に支持することができる。

本発明の第６の態様では、上記第５の態様において、前記バックフォイル片は、前記複数の山部の配列方向が前記傾斜面の傾斜方向に一致するように配置されている。
本発明の第６の態様によれば、バックフォイル片の複数の山部の高さを同一に形成することで、トップフォイル片の高さをベースプレートの傾斜面に合わせて変化させることができる。したがって、バックフォイル片の加工を容易にすることができる。

本発明の第７の態様では、上記第６の態様において、前記バックフォイル片は、前記スラストカラーの回転方向側の端縁部で前記ベースプレートに固定されている。
本発明の第７の態様によれば、バックフォイル片の谷部の形成方向に沿って例えば溶接でバックフォイル片をベースプレートに固定することができ、固定を容易に行うことができる。

本発明のスラスト軸受によれば、ベースプレートの各支持領域に傾斜面を形成し、この傾斜面上にバックフォイル片を介してトップフォイル片を配設することにより、トップフォイル片の高さを傾斜面に沿って精度よく変化させている。このため、加工を容易にしてスラスト軸受の量産性を向上させ、そのコストの低減化を図ることができる。また、スラスト軸受の軸受負荷能力を予め精度良く設計することができる。

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。 本発明の第１実施形態に係るスラスト軸受を示す、一部を断面視した平面図である。 図２Ａの２Ｂ−２Ｂ線矢視断面図である。 本発明の第１実施形態に係るスラスト軸受のベースプレートの斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るスラスト軸受の要部分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るスラスト軸受の要部側断面図である。 本発明の第２実施形態に係るスラスト軸受のベースプレートの斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るスラスト軸受の変形例の要部側断面図である。 本発明の第３実施形態に係るスラスト軸受の要部側断面図である。 本発明の第３実施形態に係るスラスト軸受のベースプレートの斜視図である。

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、各部材の縮尺を適宜変更している。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１実施形態）
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模式的に示す側面図である。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は本発明に係るスラスト軸受を示している。

回転軸１には、インペラ２が形成された位置の近くにスラストカラー４が固定されている。このスラストカラー４を挟持するようにして一対のスラスト軸受３が配置されている。
また、インペラ２は静止部材であるハウジング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の中央寄りに、ラジアル軸受７が設けられている。

図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂは、このような構成のターボ機械に適用された第１実施形態におけるスラスト軸受３Ａ（３）を示す図である。図２Ａはスラスト軸受３Ａ（３）の一部を断面視した平面図であり、図２Ｂは図２Ａの２Ｂ−２Ｂ線矢視断面図である。また、図３Ａはベースプレートの斜視図であり、図３Ｂはスラスト軸受３Ａ（３）の要部分解斜視図である。
この第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）は、図１においてスラストカラー４よりもインペラ２寄りの位置に配置された軸受である。なお、本実施形態では、図１においてインペラ２寄りの位置に配置されたスラスト軸受３Ａ（３）、及び図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寄りの位置に配置されたスラスト軸受３は、同一の構成要素をそれぞれ備えている。ただし、ラジアル軸受７寄りのスラスト軸受３は、スラスト軸受３Ａ（３）の構成が図１における左右方向で逆となった構成を備えている。

図２Ａ、２Ｂに示すように本実施形態のスラスト軸受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）の軸受であり、回転軸１を取り囲むように設けられている。このスラスト軸受３Ａは、図２Ｂ、図３Ｂに示すようにスラストカラー４に対向して配置されるトップフォイル１０と、このトップフォイル１０の、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バックフォイル２０と、このバックフォイル２０の、前記トップフォイル１０と反対の側に配置された円環板状のベースプレート３０と、を備えて構成されている。

ベースプレート３０は、図３Ａに示すように金属製の円環板状の部材である。ベースプレート３０のスラストカラー４に対向する面には、バックフォイル２０やトップフォイル１０を支持するための支持領域が形成されている。本実施形態では、後述するようにバックフォイル２０が複数枚（６枚）のバックフォイル片２１によって形成され、トップフォイル１０が複数枚（６枚）のトップフォイル片１１によって形成されている。したがってベースプレート３０は、その表面領域を周方向に６分割（６つに等分割）して形成されると共にベースプレート３０の周方向に配列されている６つの支持領域３１を有している。すなわち、図３Ｂに示すように各支持領域３１はそれぞれ、バックフォイル片２１、トップフォイル片１１を支持するように構成されている。各支持領域３１は、平面視で略台形状に形成されている。

また、図３Ａ、３Ｂに示すように各支持領域３１の全体には、図３Ａ中に矢印Ｑで示すスラストカラー４（回転軸１）の回転方向に沿って高さが増加する傾斜面３２が、それぞれ形成されている。すなわち、傾斜面３２の高さ（回転軸１の軸方向での高さ）が、スラストカラー４の回転方向に向かうに従い増加している。なお、本発明において「回転方向に沿って傾斜面の高さが増加する」とは、円環板状のベースプレート３０の周方向に沿って漸次高さが増加することのみを意味するのではなく、回転方向にほぼ向かうような方向、例えばベースプレート３０の接線方向などに向かうに従い漸次高さが増加することも意味している。

本実施形態では、隣り合う支持領域３１間の境界線３１ａはベースプレート３０の半径方向に沿って形成されている。より詳細には、図３Ａに示すように、隣り合う支持領域３１の間には回転軸１の軸方向に平行な境界面３３が設けられており、境界面３３を介して隣り合う支持領域３１が接続されている。本実施形態での境界面３３は軸方向に平行するように形成されているが、これに限定されず、軸方向と所定の角度を形成するように配置されていてもよい。境界面３３のスラストカラー４寄りの縁部には一方の支持領域３１との境界線３１ａ（第２境界線）が設けられ、境界面３３の、境界線３１ａと逆側の縁部には他方の支持領域３１との境界線３１ｂ（第１境界線）が設けられている。傾斜面３２は、境界線３１ａ、３１ｂによって区画されている。各支持領域３１においては、境界線３１ａは、境界線３１ｂのスラストカラー４の回転方向側（回転方向進行側）に配置されている。
境界線３１ａは、回転軸１の中心軸に垂直な平面内に位置している。すなわち、境界線３１ａの高さ（上記中心軸方向での高さ）は、その長手方向において同一となっている。

傾斜面３２は、それぞれの傾斜面３２が形成される支持領域３１における、スラストカラー４の回転方向側（回転方向進行側）の境界線３１ａ（第２境界線）と直交する方向に傾斜している。すなわち、図３Ａ中矢印Ｐで示すように、このスラストカラー４の回転方向Ｑ側の境界線３１ａより、この境界線３１ａと直交する方向に高さが漸次低くなるように傾斜している。したがって、各境界線３１ａが形成された箇所では、隣り合う支持領域３１のうち一方の支持領域３１と他方の支持領域３１との間に、段差が形成されている。なお、前記の矢印Ｐ方向は、図２Ａに示した矢印２Ｂ−２Ｂを結ぶ線の方向に一致しており、したがって図２Ｂは、矢印Ｐ方向に沿う断面を矢印Ｐ方向と直交する方向で見た断面図である。
傾斜面３２は、境界線３１ａと直交する方向に傾斜している。このため、傾斜面３２内のいずれかの位置において、境界線３１ａと平行な直線を想定した場合、この直線の高さは、その長手方向において同一となっている。
また、傾斜面３２は、境界線３１ｂから境界線３１ａに向かうに従いその高さが増加するように形成されている。また、傾斜面３２は、境界線３１ｂから境界線３１ａまで連続的に形成されており、傾斜角度が急激に変化する凹部や凸部等がその傾斜面内に設けられていない。本実施形態の傾斜面３２は、境界線３１ｂから境界線３１ａまで一定の傾斜角度を有するように形成されている。なお、傾斜面３２は、ベースプレート３０の径方向から見たときに、境界線３１ｂから境界線３１ａまでの範囲で全体的に凹状又は凸状に僅かに湾曲するように傾斜されていてもよい。

境界線３１ａ、３１ｂはベースプレート３０の径方向に沿って形成されている。さらに、本実施形態の境界線３１ａ、３１ｂは、ベースプレート３０の中心（回転軸１の中心）を通る径線上（又はこの径線の近傍）に位置している。そのため、本実施形態の各支持領域３１は、内周側円弧と内周側円弧よりも長い外周側円弧とが一対の径線によって接続された略台形状に形成されている。支持領域３１における内周側円弧と境界線３１ａとの接続部では、この内周側円弧の接線と境界線３１ａとが互いに略直交している。同様に、支持領域３１における外周側円弧と境界線３１ａとの接続部では、この外周側円弧の接線と境界線３１ａとが互いに略直交している。
なお、本実施形態での境界線３１ａ、３１ｂは、ベースプレート３０の中心を通る径線上に位置しているが、この径線に平行しつつ、この径線から離間した位置に設けられていてもよい。また、境界線３１ｂは、ベースプレート３０の中心を通る径線と所定の角度を形成するように配置されていてもよい。

図２Ａ、図３Ｂに示すようにバックフォイル２０は、ベースプレート３０の周方向に配列された６枚のバックフォイル片２１によって形成されている。これらバックフォイル片２１は、ベースプレート３０の各支持領域３１上にそれぞれ配置され、したがって傾斜面３２上に配置され、これによってベースプレート３０の周方向に配列されている。バックフォイル片２１は、傾斜面３２内に配置されている。また、これらバックフォイル片２１は、後述するトップフォイル片１１より平面視において僅かに小さく形成されている。したがって図２Ａに示すように、バックフォイル片２１はベースプレート３０上にてスラストカラー４に対して露出することなく、トップフォイル片１１に覆われている。

これらバックフォイル片２１からなるバックフォイル２０は、フォイル（薄板）で形成されており、トップフォイル１０（トップフォイル片１１）を弾性的に支持する。このようなバックフォイル２０としては、例えば、バンプフォイル、特開２００６−５７６５２号公報や特開２００４−２７０９０４号公報などに記載されているスプリングフォイル、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。なお、特開２００６−５７６５２号公報や特開２００４−２７０９０４号公報に記載されているスプリングフォイル、特開２００９−２９９７４８号公報に記載されているバックフォイルは、ラジアル軸受に用いられるフォイルであるが、これらを平面状に展開して円環板状に形成すれば、スラスト軸受に用いられるフォイルとなる。

本実施形態では、図２Ｂ、図３Ｂに示すようにバックフォイル２０がバンプフォイルからなり、したがってバックフォイル片２１はバンプフォイル片からなっている。バックフォイル片２１（バンプフォイル片）は、フォイル（金属製薄板）が波板状に成形され、図２Ａに示すように全体がトップフォイル片１１より僅かに小さい略台形状に形成されている。

このように波板状に成形されたバックフォイル片２１は、図２Ｂ、図３Ｂに示すようにベースプレート３０に接する複数の谷部２２と、トップフォイル片１１に接する複数の山部２３（バンプ）とが交互に配置されて形成されている。これら谷部２２及び山部２３は、支持領域３１の傾斜面３２の傾斜方向に沿って、すなわち図３Ａ中の矢印Ｐ方向で示す傾斜方向に沿って配列されている。つまり、谷部２２、山部２３の配列方向は、傾斜面３２の傾斜方向（矢印Ｐで示す傾斜方向）に一致している。

これら谷部２２と山部２３とは、傾斜方向に亘ってほぼ同じピッチで形成され、また、山部２３の高さは均一に形成されている。したがって、山部の高さを変化させる必要があった従来構造に比べて、その加工が容易になっている。
また、バックフォイル片２１は、スラストカラー４の回転方向側の端縁部２１ａ、すなわち端縁部２１ａとなる谷部２２の形成方向に沿って、ベースプレート３０にスポット溶接されて固定されている。その際、図３Ｂに示すようにバックフォイル片２１の端縁部２１ａは、全体が連続する一つの谷部２２によって形成されているため、この谷部２２全体を容易にベースプレート３０に溶接することができる。したがって、バックフォイル片２１は、溶接による固定が容易に行える。
なお、ベースプレート３０への端縁部２１ａの固定については、スポット溶接以外にも、例えばネジ止めなどの一般的な機械的固定方法によって行うことができる。
また、本実施形態では、バックフォイル片２１の、境界線３１ａ寄りに位置する端縁部２１ａがベースプレート３０に固定されているが、これに限定されず、バックフォイル片２１の、境界線３１ｂ寄りに位置する端縁部がベースプレート３０に固定されていてもよい。

バックフォイル片２１は、略台形状に形成された支持領域３１や傾斜面３２と相似形に形成されている。そのため、本実施形態のバックフォイル片２１は、内周側円弧と外周側円弧が一対の径線によって接続された略台形状に形成されている。バックフォイル片２１における内周側円弧と端縁部２１ａとの接続部では、この内周側円弧の接線と端縁部２１ａとが互いに略直交している。同様に、バックフォイル片２１における外周側円弧と端縁部２１ａとの接続部では、この外周側円弧の接線と端縁部２１ａとが互いに略直交している。

トップフォイル１０も、図２Ａ、図３Ｂに示すようにベースプレート３０の周方向に配列された６枚のトップフォイル片１１によって形成されている。これらトップフォイル片１１は、金属製の薄板（フォイル）によって支持領域３１とほぼ同じ形状、すなわち扇形からその頂点を含む部分を除いた、上底（径方向内側の辺）、下底（径方向外側の辺）をそれぞれ円弧状とする略台形状に形成されている。このような形状のトップフォイル片１１は、ベースプレート３０の各支持領域３１上にバックフォイル片２１を覆ってそれぞれ配置され、ベースプレート３０の周方向に等間隔で配列されて全体として円環板状に配置されたことにより、トップフォイル１０を形成している。

なお、トップフォイル片１１は図２Ａに示すように支持領域３１より僅かに小さく形成されるとともに、バックフォイル片２１より僅かに大きく形成されている。これによって複数のトップフォイル片１１は、互いに干渉することなく配置されている。また、トップフォイル片１１は、バックフォイル片２１をスラストカラー４に対して露出させることなく、その上面を覆った状態で各支持領域３１に配置されている。ただし、本発明はこれに限定されることなく、バックフォイル片２１をトップフォイル片１１と同じ大きさに形成してもよく、あるいは、トップフォイル片１１より大きく形成してもよい。

また、このトップフォイル片１１は、スラストカラー４の回転方向と反対の側の端縁部１１ａ（リーディングエッジ）にて、ベースプレート３０にスポット溶接で直接固定されている。これにより、端縁部１１ａは固定端となっている。一方、スラストカラー４の回転方向側の端縁部１１ｂ（トレーディングエッジ）は、図２Ｂに示すように固定されることなく単にバックフォイル片２１の山部２３上に支持された自由端となっている。なお、ベースプレート３０へのトップフォイル片１１の端縁部１１ａの固定については、スポット溶接以外にも、例えばネジ止めなどの一般的な機械的固定方法によって行うことができる。
本実施形態の端縁部１１ａは、傾斜面３２のうち、その高さが最も低くなる境界線３１ｂの近傍に固定されている（図２Ｂ、３Ａ参照）。なお、これに限定されず、一の傾斜面３２に配置されているトップフォイル片１１の端縁部１１ａが、隣り合う他の傾斜面３２のうちその高さが最も高くなる境界線３１ａの近傍に固定されていてもよい。

端縁部１１ｂは、図２Ａに示すように本実施形態では隣り合う支持領域３１間の境界線３１ａと平行に配置されており、したがってベースプレート３０の傾斜面３２上の同じ高さ位置にバックフォイル片２１を介して配置されている。また、バックフォイル片２１はその複数の山部２３の配列方向が傾斜面３２の傾斜方向に一致しており、したがって山部２３はその長さ方向において高さが一定になっている。よって、端縁部１１ｂは、ベースプレート３０の傾斜面３２上の同じ高さ位置に配置され、さらに高さが一定に形成されたバックフォイル片２１の山部２３上に支持されていることにより、その高さが一定になっている。言い替えれば、端縁部１１ｂの高さは、その長手方向において同一となっている。すなわち、端縁部１１ｂは、トップフォイル片１１において最も高さが高くなるように位置し、したがってスラストカラー４の非回転時において、端縁部１１ｂはスラストカラー４に対して最も近接するように配置されている。

次に、このような構成からなるスラスト軸受３Ａ（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とスラスト軸受３Ａ（３）の軸受面であるトップフォイル片１１（トップフォイル１０）との間に、くさび効果による空気膜（流体潤滑膜）が形成される。すなわち、トップフォイル片１１は、山部２３の高さが一定に形成されて配置されたバックフォイル片２１を介して、支持領域３１に形成された傾斜面３２上に配置されている。そのため、トップフォイル片１１の高さは、傾斜面３２の傾斜に沿って端縁部１１ａから端縁部１１ｂに向かって漸次高くなっている。

したがって、スラストカラー４とトップフォイル片１１との間の隙間は、端縁部１１ａからスラストカラー４（回転軸１）の回転方向側となる端縁部１１ｂに向かって漸次狭くなり、そのため特に端縁部１１ｂにおいてくさび効果による圧力が発生し、空気膜（流体潤滑膜）が形成される。このようなくさび効果によって空気膜が形成されることにより、スラスト軸受３Ａ（３）は荷重（スラストカラー４）を安定して支持する。

本実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）にあっては、バックフォイル片２１（バンプフォイル片）を支持するベースプレート３０の各支持領域３１に、スラストカラー４の回転方向に沿って高さが増加する傾斜面３２を形成している。このため、この傾斜面３２上にバックフォイル片２１を介してトップフォイル片１１を配設することにより、トップフォイル片１１の高さを傾斜面３２に沿って精度よく変化させることができる。また、その際にバックフォイル片２１については、山部２３の高さを変化させることなく一定の高さに作製すればよく、したがってその加工コストを抑えることができる。
よって、このスラスト軸受３Ａ（３）によれば、加工を容易にして量産性を向上し、コストの低減化を図ることができる。また、加工が容易になってバラツキが少なくなるため、軸受負荷能力を予め精度良く設計することができる。

また、傾斜面３２を、ベースプレート３０の半径方向に沿って形成された境界線３１ａと直交する方向に傾斜させているので、傾斜面３２の加工を容易に行うことができる。また、この傾斜面３２の形状に対応してバックフォイル片２１（バンプフォイル片）の加工も容易に行うことができる。すなわち、ベースプレート３０の周方向に沿って漸次高さが増加するように傾斜面を形成する場合、この傾斜面は平面でなく曲面（湾曲面）となり、その加工が難しくなる。また、このような曲面からなる傾斜面に対応してバンプフォイル片を形成しようとすると、山部と谷部を互いに平行に形成するのではなく、山部や谷部のピッチがベースプレート３０の内周側で狭く、外周側で広くなるように形成する必要があり、やはりその加工が難しくなる。これに対して本実施形態では、傾斜面３２が平面となり、バンプフォイル片の山部や谷部も同一ピッチで互いに平行に形成すればよいことから、その加工が容易になる。

ただし、本発明では、ベースプレート３０の周方向に沿って漸次高さが増加するように傾斜面を形成してもよく、その場合に、バンプフォイル片を、その山部や谷部のピッチがベースプレート３０の内周側で狭く、外周側で広くなるように形成してもよい。その場合にも、ベースプレート３０に傾斜面３２を形成したことで、バンプフォイル（バンプフォイル片）の山部の高さを一山毎に変化させるような加工を行う必要が無いため、従来技術に比べれば加工が容易になり、コストを抑えることができる。

また、トップフォイル片１１の、スラストカラー４の回転方向側の端縁部１１ｂの高さを一定に形成しているので、くさび効果によって発生する圧力をより高めることができ、したがって軸受負荷能力をより高めることができる。すなわち、くさび効果によって最も高い圧力を発生する、トップフォイル片１１において高さが高い部位（スラストカラー４との隙間を最も狭くする部位）を、端縁部１１ｂ全体（ベースプレート３０の径方向に亘る範囲）としているので、端縁部１１ｂの一部のみが高くなっている場合などに比べ、発生する圧力を高めることができる。

また、トップフォイル片１１を、スラストカラー４の回転方向と反対の側の端縁部１１ａでベースプレート３０に固定しているので、スラストカラー４の回転方向側の端縁部１１ｂがバックフォイル片２１（バックフォイル２０）を介してベースプレート３０から浮いた状態となり、スラストカラー４との間が狭くなる。したがって、端縁部１１ｂにおいて前記したように良好なくさび効果が得られる。

また、バックフォイル片２１を、その山部２３及び谷部２２の配列方向が傾斜面３２の傾斜方向に一致するように配置しているので、山部２３の高さを同一に形成することにより、トップフォイル片１１の高さをベースプレート３０の傾斜面３２に合わせて変化させることができる。したがって、バックフォイル片２１はその山部２３の高さを同一に形成すればよいため、バックフォイル片２１の加工を容易にすることができる。

また、バックフォイル片２１を、スラストカラー４の回転方向側の端縁部２１ａでベースプレート３０に固定しているので、バックフォイル片２１の谷部２２の形成方向（ベースプレート３０の径方向）に沿って例えばスポット溶接でベースプレート３０に固定することができ、したがってその固定を容易に行うことができる。

スラスト軸受３では、トップフォイル片１１から作用する荷重により、バックフォイル片２１（バンプフォイル片）の山部２３が傾斜面３２に沿う方向に拡がり、各山部２３が上記方向にスライドすることで柔軟なバネ特性が発揮される。ここで、山部２３（谷部２２）のスライドが傾斜面３２との抵抗等により制限されると、山部２３が適切にスライドすることが難しくなり、軸受のバネ定数が過度に上昇する場合がある。この場合、厚さ数μｍで形成される流体潤滑膜の変化にトップフォイルが適切に追従できず、衝撃等により流体潤滑膜が破断し、スラストカラーとトップフォイルが接触する可能性がある。この接触により、軸受の正常な動作が妨げられる可能性がある。
本実施形態の傾斜面３２は、境界線３１ｂから境界線３１ａまで連続的に形成されており、傾斜角度が急激に変化する凹部や凸部等がその傾斜面内に設けられていない。また、バックフォイル片２１は、このような傾斜面３２内に配置されている。そのため、トップフォイル片１１から荷重を受けたときの、山部２３のスライドに対する傾斜面３２の抵抗を低減することができ、低い荷重に対しても山部２３は柔軟にスライドすることができる。よって、軸受のバネ定数が過度に上昇することを防止し、トップフォイル片１１は流体潤滑膜の変化に適切に追従でき、良好な流体潤滑膜を常に維持することが可能となる。すなわち、軸受の正常な動作が維持できる。

（第２実施形態）
次に、本発明のスラスト軸受３の第２実施形態について説明する。
第２実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）が第１実施形態のスラスト軸受３Ａ（３）と主に異なるところは、図４Ａ、４Ｂに示すように、ベースプレート４０に傾斜面と平坦面とを形成した点である。なお、図４Ａは図２Ｂに対応した位置での側断面図であり、図４Ｂはベースプレート４０の斜視図である。

図４Ｂに示すように本実施形態のベースプレート４０は、第１実施形態のベースプレート３０と同様に６つの支持領域３１を有し、各支持領域３１に、スラストカラー４（回転軸１）の回転方向に沿って高さが増加する傾斜面４１が形成されている。また、隣り合う支持領域３１間の境界線３１ａは、本実施形態においてもベースプレート４０の半径方向に沿って形成されている。ただし、第１実施形態では、支持領域３１全体に傾斜面３２を形成していたのに対し、本実施形態では、支持領域３１の一部、すなわちスラストカラー４の回転方向と反対の側（境界線３１ｂ寄りの位置）にのみ、傾斜面４１を形成している。また、スラストカラー４の回転方向側（回転方向進行側、境界線３１ａ寄りの位置）には、平坦面４２が形成されている。すなわち、本実施形態の支持領域３１には、傾斜面４１と平坦面４２とがそれぞれ形成されている。

平坦面４２は、図４Ａに示すように傾斜面４１の最も高い位置（スラストカラー４の回転方向進行側での端部）から、スラストカラー４（回転軸１）の回転方向側の境界線３１ａまで続く平面であり、傾斜面４１と異なりベースプレート４０の裏面と平行な面である。すなわち、平坦面４２は、偏った負荷のない正常な状態において、スラストカラー４の外面（回転軸１の回転軸に垂直な面）に対して平行に配置されるように形成された面である。よって、平坦面４２も、回転軸１の軸方向に垂直となるように配置されている。これら傾斜面４１と平坦面４２との間の境界線４３（第２境界線）は、図４Ｂに示すようにベースプレート４０の径方向に沿って形成されている。なお、本実施形態の境界線４３は、ベースプレート４０の中心を通る経線上（又はその近傍）に設けられているが、これに限られず、この経線から離間した位置に設けられていてもよい。
また、傾斜面４１は、境界線４３と直交する方向に高さが漸次低くなるように傾斜している（図４Ｂの矢印Ｐ参照）。したがって、本実施形態でも、各境界線３１ａが形成された箇所、すなわち境界線３１ａを挟んで隣り合う一方の支持領域３１と他方の支持領域３１との間に、段差が形成されている。
傾斜面４１は、境界線４３と直交する方向に傾斜している。このため、傾斜面４１内のいずれかの位置において、境界線４３と平行な直線を想定した場合、この直線の高さは、その長手方向において同一となっている。

傾斜面４１は、境界線３１ｂと境界線４３とによって区画され、境界線３１ｂから境界線４３に向かうに従いその高さが増加するように形成されている。また、傾斜面４１は、境界線３１ｂから境界線４３まで連続的に形成されており、傾斜角度が急激に変化する凹部や凸部等がその傾斜面内に設けられていない。本実施形態の傾斜面４１は、境界線３１ｂから境界線４３まで一定の傾斜角度を有するように形成されている。なお、傾斜面４１は、ベースプレート４０の径方向から見たときに、境界線３１ｂから境界線４３までの範囲で全体的に凹状又は凸状に僅かに湾曲するように傾斜されていてもよい。
境界線４３は、回転軸１の中心軸に垂直な平面内に位置している。すなわち、境界線４３の高さ（上記中心軸方向での高さ）は、その長手方向において同一となっている。
本実施形態の傾斜面４１は、平面視で、内周側円弧と内周側円弧よりも長い外周側円弧とが一対の径線によって接続された略台形状に形成されている。傾斜面４１における内周側円弧と境界線４３との接続部では、この内周側円弧の接線と境界線４３とが互いに略直交している。同様に、傾斜面４１における外周側円弧と境界線４３との接続部では、この外周側円弧の接線と境界線４３とが互いに略直交している。

本実施形態のスラスト軸受３にあっては、支持領域３１の傾斜面４１におけるスラストカラー４の回転方向側に隣り合うように、平坦面４２を形成している。すなわち、傾斜面４１のその高さが最も高い部位に平坦面４２を接続して形成していることにより、図４Ａに示すように特にスラストカラー４の回転時に、トップフォイル片１１の高さが最も高くなる箇所が平坦面４２に相当する比較的広い面積を有する。
したがって、スラストカラー４（回転軸１）の回転初期時において空気膜（流体潤滑膜）が形成されるまでの間に、トップフォイル片１１の一部分のみがスラストカラー４に接触して損耗するのを防止することができる。また、ピーク荷重（最大荷重）が発生する面積を広く取ることで、ピーク荷重を下げることができ、スラスト軸受３の総荷重負荷能力を高めることができる。
また、第１実施形態に比べて傾斜面４１の範囲を狭くすることにより、加工を容易にすることができる。

この第２実施形態においては、以下に説明する変形例が考えられる。図４Ｃは、本発明の第２実施形態に係るスラスト軸受の変形例の要部側断面図である。図４Ｃは、図２Ｂ（図４Ａ）に対応した位置での側断面図である。
この変形例でのバックフォイル片２１は、傾斜面４１内に配置されている。トップフォイル片１１は、平面視でバックフォイル片２１よりも僅かに大きく形成されており、バックフォイル片２１を覆うように配置されている。
上述したように、本実施形態での傾斜面４１は、境界線３１ｂから境界線４３まで連続的に形成されており、傾斜角度が急激に変化する凹部や凸部等がその傾斜面内に設けられていない。バックフォイル片２１はこのような傾斜面４１内に配置されているため、トップフォイル片１１から荷重を受けたときの、山部２３のスライドに対する傾斜面４１の抵抗を低減することができ、低い荷重に対しても山部２３は柔軟にスライドすることができる。よって、軸受のバネ定数が過度に上昇することを防止し、トップフォイル片１１は流体潤滑膜の変化に適切に追従でき、良好な流体潤滑膜を常に維持することが可能となる。すなわち、軸受の正常な動作が維持できる。
なお、本実施形態及び本変形例の端縁部１１ａは、傾斜面４１のうち、その高さが最も低くなる境界線３１ｂの近傍に固定されている（図４Ａ〜４Ｃ参照）。ベースプレート４０への端縁部１１ａの固定は、スポット溶接や、ネジ止めなどの一般的な機械的固定方法によって行うことができる。なお、一の支持領域３１に配置されているトップフォイル片１１の端縁部１１ａが、隣り合う他の支持領域３１の平坦面４２における境界線３１ａの近傍に固定されていてもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明のスラスト軸受３の第３実施形態について説明する。
第３実施形態のスラスト軸受３Ｃ（３）が第２実施形態のスラスト軸受３Ｂ（３）と異なるところは、図５Ａ、５Ｂに示すように、ベースプレート５０に形成される平坦面と傾斜面との間の位置関係を、ベースプレート５０の周方向において第２実施形態での位置関係とは逆にした点である。なお、図５Ａは図２Ｂに対応した位置での側断面図であり、図５Ｂはベースプレート５０の斜視図である。

図５Ｂに示すように本実施形態のベースプレート５０は、第１実施形態のベースプレート３０と同様に６つの支持領域３１を有し、各支持領域３１に、スラストカラー４（回転軸１）の回転方向に沿って高さが増加する傾斜面５１が形成されている。また、隣り合う支持領域３１間の境界線３１ａは、本実施形態においてもベースプレート５０の半径方向に沿って形成されている。第１実施形態では、支持領域３１全体に傾斜面３２を形成していたのに対し、本実施形態では、支持領域３１の一部、すなわちスラストカラー４の回転方向側（回転方向進行側）にのみ、傾斜面５１が形成されている。一方、支持領域３１の、スラストカラー４の回転方向と反対の側には、平坦面５２が形成されている。

平坦面５２は、図５Ａに示すように傾斜面５１の最も低い位置から、スラストカラー４（回転軸１）の回転方向と反対の側の境界線３１ｂまで続く平面であり、第２実施形態の平坦面４２と同様に、傾斜面５１と異なりベースプレート５０の裏面と平行な面である。すなわち、偏った負荷のない正常な状態において、スラストカラー４の外面（回転軸１の中心軸に垂直な面）に対して平行に配置されるように形成された面である。これら傾斜面５１と平坦面５２との間の境界線５３は、図５Ｂに示すように境界線３１ａと平行に形成されている。また、傾斜面５１は、第１実施形態と同様に、境界線３１ａと直交する方向に高さが漸次低くなるように傾斜している。したがって、本実施形態でも、各境界線３１ａが形成された箇所、すなわち境界線３１ａを挟んで隣り合う一方の支持領域３１と他方の支持領域３１との間に、段差が形成されている。

本実施形態のスラスト軸受３にあっては、支持領域３１の傾斜面５１におけるスラストカラー４の回転方向と反対の側に接続して、平坦面５２を形成しているので、第１実施形態に比べて傾斜面５１の範囲を狭くでき、加工を容易にすることができる。
また、本実施形態では、バックフォイル片２１の、スラストカラー４の回転方向と反対の側の端縁部となる谷部２２を例えば境界線５３と平行に形成することにより、スラストカラー４の回転方向側でなく、回転方向と反対の側の端縁部２１ｂの谷部２２を平坦面５２上に固定してもよい。この場合、バックフォイル片２１の谷部２２の形成方向に沿って例えばスポット溶接でベースプレート５０に固定することができ、その固定を容易に行うことができる。

また、このようにすれば、バックフォイル片２１を固定する部位とトップフォイル片１１を固定する部位とを、共にスラストカラー４の回転方向と反対の側の平坦面５２上に揃えて固定することができ、したがってバックフォイル片２１とトップフォイル片１１とを、これらの相対的位置関係が設計通りとなるように精度良く配置することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記複数の実施形態には限定されない。すなわち、前記複数の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において設計要求等に基づき、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
例えば、前記実施形態ではベースプレートの支持領域を６つ形成し、これら支持領域にそれぞれバックフォイル片（バンプフォイル片）、トップフォイル片を配置したが、支持領域については複数であれば、５つ以下でも、７つ以上であってもよい。その場合、バックフォイル片（バンプフォイル片）やトップフォイル片の数は支持領域の数に応じて変更される。

また、ベースプレートの支持領域に平坦面を形成する場合、第２実施形態や第３実施形態のように傾斜面の一方の側にのみ平坦面を形成するのに代えて、傾斜面の両側、すなわちスラストカラー４の周方向での両側に、平坦面をそれぞれ形成してもよい。
さらに、支持領域上へのトップフォイル片やバックフォイル片（バンプフォイル片）の配置、傾斜面の傾斜方向、支持領域間の境界線の長さ方向、平坦面と傾斜面との間の境界線の長さ方向など、前記実施形態以外にも種々の形態を採用することが可能である。

１ 回転軸
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ スラスト軸受
４ スラストカラー
１０ トップフォイル
１１ トップフォイル片
１１ａ 端縁部
２０ バックフォイル
２１ バックフォイル片（バンプフォイル片）
２２ 谷部
２３ 山部
３０ ベースプレート
３１ 支持領域
３１ａ 境界線（第２境界線）
３１ｂ 境界線（第１境界線）
３２ 傾斜面
４０ ベースプレート
４１ 傾斜面
４２ 平坦面
４３ 境界線（第２境界線）
５０ ベースプレート
５１ 傾斜面
５２ 平坦面

Claims (7)

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トップフォイルと、
   前記トップフォイルの、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、前記トップフォイルを支持するバックフォイルと、
   前記バックフォイルの、前記トップフォイルと反対の側に配置されて、前記バックフォイルを支持する円環板状のベースプレートと、を備え、
   前記バックフォイルは、前記ベースプレートの周方向に配列された複数のバックフォイル片によって形成され、
   前記トップフォイルは、前記複数のバックフォイル片の上にそれぞれ配設された複数のトップフォイル片によって形成され、
   前記ベースプレートは、前記複数のバックフォイル片をそれぞれ支持すると共に前記周方向に配列された複数の支持領域を有し、
   前記支持領域は、第１境界線と、該第１境界線の前記スラストカラーの回転方向側に配置される第２境界線とによって区画される傾斜面を有し、
   前記傾斜面は、前記第１境界線から前記第２境界線に向かうに従ってその高さが増加し、且つ前記第１境界線から前記第２境界線まで連続的に形成され、
   前記バックフォイル片は、前記傾斜面内にのみ配置されているスラスト軸受。
2. 前記第２境界線は、前記ベースプレートの半径方向に沿って形成され、
   前記傾斜面は、前記第２境界線と直交する方向に傾斜している請求項１に記載のスラスト軸受。
3. 前記トップフォイル片の、前記スラストカラーの回転方向側の端縁部は、その高さが一定に形成されている請求項１又は２に記載のスラスト軸受。
4. 前記トップフォイル片は、前記スラストカラーの回転方向と反対の側の端縁部で前記ベースプレートに固定されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のスラスト軸受。
5. 前記バックフォイル片は、複数の山部と複数の谷部とを交互に配置した波板状に形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のスラスト軸受。
6. 前記バックフォイル片は、前記複数の山部の配列方向が前記傾斜面の傾斜方向に一致するように配置されている請求項５に記載のスラスト軸受。
7. 前記バックフォイル片は、前記スラストカラーの回転方向側の端縁部で前記ベースプレートに固定されている請求項６に記載のスラスト軸受。

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