JP2005043363A - 流体動圧軸受の潤滑剤充填度の判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ再現可能な方法により充填度を求めることが可能になるように、流体軸受の潤滑剤充填度の判定方法を改良する。
【解決手段】 流体軸受の軸受間隙が照射されて光反射が評価される、流体軸受の潤滑剤充填度の判定方法を、簡単かつ再現可能な方法により充填度を算定可能となるように改良するために、反射光の空間的な強度特性グラフを記録することが意図される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体軸受の軸受間隙が照射されて光反射が評価される、流体軸受の潤滑剤充填度の判定方法に関する。

流体軸受とも称される流体動圧軸受は、例えば、ハードディスクドライブにおいて用いられるような高精度スピンドルモータを回転軸支するために利用されている。流体動圧軸受は、玉軸受に比較して非常に高い耐衝撃性（ロバスト性）の下に、高い動作精度と動作安定性とを有しており、定格回転数での動作中に、互いに相対的に回転する軸受部分の間において固体摩擦を伴う直接的な物体接触が起こらないので、ほぼ騒音も磨耗も出さないで動作する。ここで、シャフトとシャフト収容部（軸受スリーブ）との間には、例えば、潤滑オイルの薄い潤滑剤層がある。

流体軸受における潤滑剤の充填度の判定方法は、例えば、特開平１３−０９０７３３号公報から公知である。このような方法を用いて、軸受の製造中、即ち、充填中に、又は、充填後に、所望の充填レベルになっているかどうかを検査することができる。
特開平１３−０９０７３３号公報

本発明の課題は、簡単かつ再現可能な方法により充填度を求めることが可能になるように、冒頭に述べた種類の方法を改良することである。

この課題は本発明によれば、冒頭に述べた方法において、反射光の空間的な強度特性グラフを記録することによって解決される。

光学系が適当に配置及び構成されていれば、軸受間隙の特定の充填液面に相対的な二つの反射最大値が生じ、その間隔が充填度を表す目安となることが知られている。本発明に係る方法によって空間的な強度特性グラフが求められ、それに基づいて、簡単かつ特に自動化可能な方法により、さらに反射最大値を求めることができる。そして、これらの反射最大値の間隔を自動的に求め、そのようにして、充填度を求めることができる。

強度特性グラフの形状は、軸受間隙における潤滑剤分布の種類に対して特徴的である。例えば、排気工程の間に軸受間隙から潤滑剤の流出が起こったかどうか、又は、現在起こっているかどうかを判定することができる。

本発明に係る方法により、時間的に分解しながら充填度を算出することができ、そのようにして、例えば排気中の「ブローアウト」プロセスを直接発見することができる。

強度特性グラフが空間的に記録されるので、相応の強度データを通じて自動的な評価を行うことができ、さらには充填度を（特に反射最大値の間隔を通じて）高い再現性により算出することができる。

本発明に係る方法は、自動式、特にコンピュータ支援式の評価において使用可能であるので、一層高いサイクル率で流体軸受を測定することができる。

空間的な強度特性グラフが所定の測定平面において記録されると好ましい。それにより、簡単かつ迅速な評価可能性のための配慮がなされる。測定平面は、最適化されたコントラストが生じるように選択するのが好ましい。

特に、測定平面は、流体軸受の基準点に対して定義される。それにより、測定平面を簡単かつ迅速な方法により設定可能なので、簡単かつ迅速な方法により測定を実施することができる。

さらに、強度特性グラフが定置のカメラによって記録されると好都合である。カメラは、最善の設定を得られるようにするために、測定対象物に対して固定しながらスライドすることが可能である。その場合、この最善の設定が得られた後は、測定対象物に対するカメラの間隔位置をもはや変更しないのが好都合である。軸受間隙の円周の周囲を測定するときは、非測定時間のときに、流体軸受をカメラに対して適当な角度ステップで回転させるのが好ましい。

ＣＣＤカメラが反射光を記録すると、空間的な強度特性グラフを簡単な方法により記録することができる。このようなカメラによって、空間的な強度分布を簡単な方法により判定することができる。

その場合、特に（相対的な）反射最大値の特定に関して強度特性グラフが評価される。（主要な）反射最大値の間隔に基づいて充填度を算出することができる。このような（主要な）反射最大値が存在していないときは、逆に、軸受間隙の充填画像を少なくとも定性的に推定することができる。

特に、相対的な反射最大値の間隔が算出され、そのようにして、充填度を表す目安が得られる。

この場合、事前に定義された空間的な測定窓において評価が行われると格別に好ましい。このような測定窓を通じて、特にコントラスト形成に関する最適化を実現することができ、そのようにして、高い精度で簡単な評価可能性を保証する。

評価が自動的、特にコンピュータ支援式に行われると、非常に好ましい。そのようにして高い再現性で測定結果を得ることができる。さらに、潤滑剤充填度の判定に関して高いサイクル率を実現することができる。

カメラを用いて強度特性グラフが判定されるときは、画像処理技術によって強度特性グラフが評価されるのが好ましい。

特にディジタルフィルタを評価のために利用することができ、そのようにして、例えば測定された強度特性グラフから、評価可能性に一層容易に到達することができる非線形の特性グラフを生成する。

光源とカメラとを含む光学系の調整は、空間的な測定窓の中心部が二つの反射線の間の中央に位置するように行われるのが好ましい。それにより、ある一つの流体軸受及び特定の型式の流体軸受について、焦点合せとコントラスト形成とが最適化された位置決めを実現することができる。特に、コントラスト形成に関するセルフキャリブレーションを実現することができる。

位置決めされた測定窓に関して自動的なコントラスト調節が行われるのが好ましく、そのようにして、操作者の介入を必要としない測定評価を実現する。

軸受間隙の範囲全体にわたって充填度を算定するために、それぞれの測定作業の間に軸受を回転させ、その際にはカメラを軸受に対して一定の間隔に保持するのが好ましい。

流体軸受が、標準圧力の下で潤滑剤により充填されることが意図され得る。この場合、原則として、軸受間隙の潤滑剤の中に閉じ込められた気泡が存在するという危険がある。このような閉じ込められた気泡は、流体軸受の摺動特性にマイナスの影響を及ぼすので望ましくない。

標準圧力の下で測定が行われると好都合であり、そのようにして、充填度を表す目安を得る。

さらに、その場合、軸受が排気室に配置され、（引き続いて）負圧の作用時及び／又は作用中に測定が実施されると好都合である。潤滑剤に閉じ込められた気泡がある場合、そのことは、排気中に軸受間隙から潤滑剤が外へ飛び散ったり、潤滑剤が軸受間隙の壁部から溢れ出すことに繋がる（いわゆる「ブローアウト」）。本発明に係る方法により、強度特性グラフに影響が生じて、特に反射最大値が消滅したり位置が変動したりすることにより、このような「ブローアウト」を発見することができる。本発明に係る方法により、時間的に分解をしながら測定を行うことが可能であり、即ち、強度特性グラフが特定の測定平面において時間的に変化しているか否かを排気中に調べることができる。

また、特に負圧の作用から標準圧力の作用への移行時及び／又は移行後にさらに別の測定が実施されると好都合である。そのようにして強度特性グラフを求め、それに応じて負圧作用状況との比較や、標準圧力作用時の初期状況との比較を行うことができる。負圧作用状態から移行した後の標準圧力作用時に、特に反射最大値の間隔に関して当初の標準圧力作用状態に比較して変化が生じていれば、そのことは、負圧作用に基づく潤滑剤損失を示唆している。

軸受間隙が平行光により照射されると好都合である。それにより軸受間隙を均等に照射することができ、所定の反射線を得ることができ、その強度特性グラフから本発明に基づいて充填レベルを判定することが可能である。

特に、流体軸受のシャフトの長軸に関して鋭角（α）で軸受間隙に光が作用する。この場合、鋭角αは、４°のオーダーであってよい。この作用は、光がシャフトに当って反射可能であるように行われる。このような作用形式の場合、二つの反射ピークを得ることができ、一方の反射ピークは、メニスカス状に形成された潤滑剤水準の頂点領域における光反射に原因を帰することができる。第２の最大値は、シャフトの切欠きに当った反射、特にその切欠きのエッジに当った反射により引き起こされる。第１の最大値の位置は、メニスカスの位置に強く依存しており、即ち、潤滑剤水準に依存して決まる。第２の最大値は、シャフトの構成に依存して決まる。この構成は、潤滑剤水準には依存していないので、測定平面におけるこの最大値の位置は、潤滑剤水準に左右されない。従って、両方の最大値の間隔により潤滑剤水準を求めることができる。

流体軸受のシャフトの長軸に対して垂直な平面に関して測定平面が鋭角に傾いており、特に、シャフトの長軸に関して光が軸受間隙に入射するのと同じ鋭角に傾いていることが意図され得る。それにより、測定平面は、入射する光に対して実質的に垂直に位置することになる。そうすれば、測定された強度特性グラフに、充填度を簡単な方法により割り当てることができる。

上記鋭角が、軸受間隙のテーパ状の領域の開口角の半分よりも小さいと好都合である。それにより、潤滑剤で反射が起こったときに、良好に構成された（相対的な）反射最大値を得ることができる。

有利な実施の形態についての以下の説明は、図面との関連において本発明を詳細に説明するためのものである。

図１に部分断面図として一部が模式的に示され、同図において全体として符号１０が付されている流体軸受は、軸受スリーブ（スリーブ）１３に構成されたシャフト収容部１４に回転可能に軸支されたシャフト１２を備えている。シャフト１２は長軸１６に沿って延在しており、場合により設けられる渦流装置の外部でこの長軸１６を中心として回転対称に構成されている。シャフト収容部１４もこの長軸１６に沿って延在しており、場合により設けられる渦流装置の外部で同じくこの長軸１６を中心として回転対称に構成されている。

シャフト１２とシャフト収容部１４との間には、間隙１８、即ち、軸受間隙が形成されている。流体軸受の場合、この軸受間隙１８は、潤滑剤２０、特に潤滑オイルにより充填される。

このとき潤滑剤２０は、流体軸受の機能性を保証するために流体軸受１０の製造時に厳密な公差で調整しなければならない充填レベル２２を有している。

軸受間隙１８は、シャフト収容部１４の一方の端部の方に向かってテーパ状に長軸１６から離隔するように拡張する領域２６を有している。シャフト収容部１４の内径は、シャフト収容部１４の端部２４に位置している領域２６の端部において、テーパ状の領域２６の対向する端部２８の部位よりも大きくなっている。領域２６は、シャフト収容部１４に関して、開口角２βを有する中空円錐の空間的形態を有している。βの典型的なオーダーは１０°である。端部２８から下方に向かっては、シャフト収容部１４は、中空円筒の形態を有している。

充填度を測定するために軸受間隙が照射され、一つ又は複数の光源３０が流体軸受１０に対して間隔をおいて配置されている。ここで、光源３０は、軸受間隙１８が均等に、特にほぼ平行な光によって照射されるように配置及び構成されている。

光源３０からの光は、潤滑剤水準２２に当って反射される。その様子が図１では、メニスカス状に構成された潤滑剤水準２２に当って反射される光線３２ａ、３２ｂにより模式的に図示されている。反射された光は潤滑剤液面について特徴的であり、軸受間隙１８が適切に照射されて観察が適切に行われれば、間隔をおいた二つの反射最大値３４、３６を生じさせる。これらの反射最大値３４、３６の間隔は、充填レベルについて特徴的である。充填レベルが低くなれば、より短い間隔を有する相対的な反射最大値３４、３６が生じる。

従って、反射最大値の間隔により、特に適当なキャリブレーションがなされれば、軸受間隙１８の充填度を定性的及び／又は定量的に求めることができる。

本発明によれば、反射された光の空間的な強度特性グラフを所定の測定平面４４において記録することが意図される。ここで、測定平面４４は、流体軸受１０の基準点に対して定義されるのが好ましい。例えば、このような基準点４６は、前端４９を備えているシャフト１２の環状の切欠き４８によって設定され、その切欠き４８は、軸受間隙１８よりも上方に配置されている。

線状特性グラフが測定平面４４において空間的に分解されて記録され、そのために、定置のカメラ５０、特にＣＣＤカメラが設けられるのが好ましい。

評価は、自動的に、特にコンピュータ支援式に評価装置５２において行われる。

反射された光の記録は、軸受間隙１８の周囲の測定平面領域の一部分をなす、測定平面としての測定領域Ａにおいて行われる（図２）。軸受間隙１８の全円周を検出できるようにするために、カメラ５０は定置のままに保持され、それぞれの測定作業の間に、長軸１６と一致する軸を中心として流体軸受１０を部分ステップにより回転させるのが好ましい。

図３には、典型的な測定結果（定置の流体軸受１０の場合）が示されている。カメラは、明確に認められる第１の反射線５４と、それから間隔をおいた第２の反射線５６とを記録している。強度特性グラフは、所定の測定窓５８の中で空間的に測定される。このとき、測定窓５８は、主要な反射線、例えば反射線５４に焦点が合わせられ、その際に、光源３０とカメラ５０を含む光学系とが対応して調整されるように設定される。特に、カメラ５０と流体軸受１０の間隔とが調整され、光源３０は、（図３に示すような）良好な画像が得られるように位置決めされる。そして、カメラ位置をさらにＸ方向及びＹ方向に調整して、測定窓の中心部６０が反射線５４及び５６の間の中心に位置するようにする。そして、特定の型式の流体軸受１０についてこの設定を維持する（図３では、測定窓５８の中心部６０が未だ正確には反射線５４及び５６の間に位置していない中間位置が示されている。）。

このような手順により、最善の評価可能性を得るために、光源３０、カメラ５０及び測定対象物１０の間で正確な設定が実現される。このようにして、測定窓５８においてコントラスト調節を行うことができ、特に自動的に行うことができ、即ち、一種のセルフキャリブレーションが実現される。

ここで、空間的な強度特性グラフの評価のためにディジタルフィルタが設けられている場合、反射線５４への焦点合せは、フィルタをオフにした状態で行われる。測定窓５８の中心部６０が両方の反射線５４及び５６の間にくるようにするカメラ５０の位置の適合化は、フィルタが動作している状態で行われる。

カメラ５０は、測定平面４４の空間的な強度特性グラフを検出する。この強度特性グラフは測定窓５８の中で、特に（測定窓５８の内部にある）測定線６２に沿って評価される。このとき、このような測定線６２は、長軸１６に関して半径方向に位置しているのが好ましい。

図４には、図１に示す潤滑剤分布の場合に生じる、記録された空間的な強度特性グラフ６４の一例が、間隔ａに依存して示されている。横軸方向は、測定平面４４における間隔方向である。この間隔ａのゼロ点は任意に設定されている。このような強度特性グラフが画像処理技術で評価され、その際には、特に特性グラフの非線形化のためにディジタルフィルタも利用することができる。図４には、第１の相対的な最大値６６と第２の相対的な最大値６８とが認められる。第１の相対的な最大値６６は反射線５４に対応しており、第２の相対的な最大値６８は反射線５６に対応している。

第１の相対的な最大値６６は、メニスカス状に形成された充填レベルの頂点領域７０での反射に原因が帰せられるものであり、図１に示す反射最大値３４に対応している。第１の最大値の位置は潤滑剤水準に依存しており、即ち、充填レベル２２のメニスカスの位置に依存している。

第２の相対的な最大値６８は、図１に示す反射最大値３６に対応しており、切欠き４８での反射、特にその前端４９の領域での反射に原因が帰せられる。この第２の相対的な最大値６８は一定であり、即ち、測定平面４４におけるその位置は、潤滑剤水準に左右されない。従って、これら両方の相対的な最大値６６及び６８の間隔は、潤滑剤水準を特徴づけるものである。

間隙１８に作用する光は、長軸１６に対して小さな鋭角αで方向づけられるのが好ましい。角度αは、例えば４°のオーダーである。光線は、長軸１６と平行なシャフト１２の壁部７４に鋭角αで当る。この角度αは、シャフト１２とシャフト収容部１４との間のテーパ状の領域２６の角度βよりも小さいのが好ましい。

図１には、切欠き４８、特にその前端４９に当って反射された反射光線７６が図示されている。

最大値６６及び６８は、シャフト収容部１４の端部２４に当った光の反射（強度領域７８）と、特に切欠き４８の上方でシャフト１２に当った反射（強度領域８０）とに原因が帰せられる強度領域７８及び８０（図１、図３及び図４）の間に位置している。

測定平面４４は、測定平面４４が光線と垂直になるように、上に述べた鋭角αに準じて、長軸１６と垂直な平面に対して傾いているのが好ましい。

評価装置５２は、両方の最大値６６及び６８の間隔を求めるために強度特性グラフ６４を評価し、それにより、軸受間隙１８の充填度を表す目安が得られる。そのために、例えば、画像処理技術を用いて強度特性グラフデータを数値データに変換し、次いで平均化方法を実施する。このようにして、評価装置５２により自動的、特にコンピュータ支援式に高い再現性で両方の相対的な最大値６６、６８の間隔を求めることができる。

図４に示す強度特性グラフ６４は、潤滑剤反射が存在している場合の典型的な推移を示している。図５には、壁部の反射について典型的な推移をもつ強度特性グラフ８２が示されている。潤滑剤反射に原因が帰せられる第１の最大値は、もはや形成され得ない。反射された光は、主に潤滑剤により反射されるのではなく、軸受間隙１８を区切っている壁部により反射されており、即ち、主としてシャフト１２とシャフト収容部１４とによって反射されている。

図５の強度特性グラフを生じさせる充填例が図６に示されている。軸受間隙１８にある潤滑剤２０は、テーパ状の領域２６を下回る充填レベル８４を有している。このとき潤滑剤は、領域２６の仕切壁の部位で、図１に示す場合に比較して高く上昇している。図６に示すような充填状態を生じさせる原因となるプロセスは「ブローアウト」とも称されるものであり、後でまた詳しく説明する。間隔をおいた二つの相対的な反射最大値は生じていない。

本発明に係る方法により、強度特性グラフ６４及び８２を相互に定性的（及び定量的）に区別することができる。それにより、特に「ブローアウト」現象を発見することもできる。

評価装置５２が、算出された間隔値に関して妥当性検査を行うことも意図される。

本発明に係る方法により、間隔を高い精度で再現可能に算出することができる。

このとき、流体軸受１０の軸受間隙１８の充填度を算出するために、上に説明したようにして先ず標準圧力の下で測定を実施し、次いで流体軸受１０に対する負圧作用を行うことが意図され得る。そのために、排気によって負圧を生成可能なように、流体軸受１０を排気室の中で位置決めする。軸受間隙１８にある潤滑剤２０に気泡が閉じ込められていると、負圧作用時にこの気泡が外へ追い出される（ブローアウト）。その結果として、潤滑剤が軸受間隙１８から外へ飛び散ったり、あるいは、図６に示すように、軸受間隙１８を区切っている壁部に沿って上昇したりする。本発明に係る方法を通じて、例えば図５に示すような変化した強度特性グラフが生じるので、このような「ブローアウト」を発見することができる。

「ブローアウト」を時間的に分解しながら発見するために、排気室を排気している間に強度特性グラフ測定を継続して実施することが意図され得る。

負圧作用の後に排気室を再び換気して、標準圧力条件を成立させる。そして、再度測定を行うことが意図され得る。そのようにして、例えば、潤滑剤水準の測定値が排気前と同じであるかどうかを判定することができる。

本発明に係る方法によって潤滑剤充填度が判定される流体軸受を示す模式的な部分断面図である。 測定領域Ａとともに図１の軸受を示す平面図である。 図２の測定領域Ａについての反射光記録である。 空間的な強度特性グラフの第１例である。 空間的な強度特性グラフの第２例である。 図５の強度特性グラフを生じさせる流体軸受の軸受間隙における潤滑剤分布を示す模式図である。

符号の説明

１０ 流体軸受
１２ シャフト
１３ 軸受スリーブ
１４ シャフト収容部
１６ 長軸
１８ 間隙（軸受間隙）
２０ 潤滑剤
２２ 充填レベル（潤滑剤水準）
２４ 軸受スリーブの端部
２６ テーパ状の領域
２８ テーパ状の領域の端部
３０ 光源
３２ａ 光線
３２ｂ 光線
３４ 相対的な反射最大値
３６ 相対的な反射最大値
４４ 測定平面
４６ 基準点
４８ 切欠き
４９ 切欠きの前端
５０ カメラ
５２ 評価装置
５４ 第１の反射線
５６ 第２の反射線
５８ 測定窓
６０ 測定窓の中心部
６２ 測定線
６４ 強度特性グラフ
６６ 第１の相対的な最大値
６８ 第２の相対的な最大値
７０ 頂点領域
７２ 充填レベル（潤滑剤水準）の縁部領域
７４ シャフトの壁部
７６ 反射光線
７８ 強度領域
８０ 強度領域
８２ 強度特性グラフ
８４ 充填レベル（潤滑剤水準）
α シャフトの横平面に対する測定平面の傾斜角
β テーパ状の領域の開口角の半分
ａ 間隔
Ｉ 強度
Ａ 測定領域

Claims (21)

1. 流体軸受の軸受間隙が照射されて光反射が評価される、流体軸受の潤滑剤充填度の判定方法であって、
   前記反射光の空間的な強度特性グラフを記録することを特徴とする、流体軸受の潤滑剤充填度の判定方法。
2. 前記空間的な強度特性グラフは、所定の測定平面において記録されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記測定平面は、前記流体軸受の基準点に対して定義されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記強度特性グラフは、定置のカメラによって記録されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記強度特性グラフは、ＣＣＤカメラによって記録されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記強度特性グラフは、反射最大値の特定に関して評価されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記反射最大値の間隔が算出されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 事前に定義された空間的な測定窓の中において前記評価が行われることを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記評価は、自動的に行われることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記強度特性グラフは、画像処理技術によって評価されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記強度特性グラフを評価するために、ディジタルフィルタが用いられることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 空間的な測定窓の中央部が二つの相対的な反射最大値の間の実質的に中心に位置するように、光学系の設定が行われることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 位置決めされた前記測定窓に関して自動的なコントラスト調節が行われることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. それぞれの測定作業の間に軸受を回転させることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 標準圧力の下で測定が行われることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 軸受が排気室の中に配置され、負圧の作用時及び／又は作用中に測定が実施されることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 負圧作用から標準圧力作用への移行時及び／又は移行後に測定が実施されることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の方法。
18. 前記軸受間隙は、平行な光により照射されることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記流体軸受のシャフトの長軸に関して鋭角に光が前記軸受間隙に作用することを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記流体軸受のシャフトの長軸に対して垂直な平面に関して鋭角に測定平面が傾いていることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記角度が、前記軸受間隙のテーパ状の領域の開口角の半分よりも小さいことを特徴とする請求項１９又は２０に記載の方法。

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