JP2011002380A - アンバランス計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の回転数の変化を小さくでき、高精度に回転体のアンバランスを計測することが可能なアンバランス計測装置を提供する。
【解決手段】回転体１０を回転可能に支持する軸受４１、４１Ｘ、４１Ｙが、半円又はＵ字形状であり、支持部４は、回転体１０の回転軸１１に向けて気体を噴出する噴出口９０ａ、４１ｃを有し、軸受４１、４１Ｘ、４１Ｙが、回転軸１１を中心にして回転軸１１の両側に一対の磁石９０を備えることを特徴とするアンバランス計測装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転体のアンバランスを計測するアンバランス計測装置に関する。

従来の小型回転体用アンバランス計測装置は、特許文献１に示すように、アンバランス計測装置のベースとなる計測装置本体と、アンバランスを計測する回転体を駆動する駆動部と、回転体を回転可能に支持する支持部と、前記支持部の振動を計測する計測部と、前記計測本体に前記支持部を保持する保持部と、からなり、前記支持部の回転体を回転可能に支持する軸受が、Ｕ字形状であって、回転体の回転軸に向けて気体（例えば空気）を噴出する噴出口を有する。これにより、回転する回転体の回転軸は軸受と接触することなく安定して軸受上に浮くことができる。このように、回転体の回転軸が軸受に接触しないため、摩擦による抵抗が小さく、回転数の変化を小さくすることができる。すなわち、この構造により、計測中の回転体の回転数変化が小さく高精度にアンバランス計測が可能となる。

この気体軸受を用いた従来のアンバランス計測の方法を説明する。回転体１０を空気軸受上で慣性回転させ、非接触式センサ５１により回転体１０とセンサ５１との間の水平方向距離ｄを検出する（図５参照）。横軸を時間軸とし縦軸を検出距離として、この水平方向距離ｄの計測結果をプロットする。回転体はアンバランスにより水平方向に振動するので、計測された水平方向距離ｄはサインカーブを描く（図７参照）。このサインカーブの振幅はアンバランス量に比例するので、検出した計測結果を元にアンバランス量を演算し求める。

このようなアンバランス計測の方法において、アンバランス量が小さい時（図７（ａ）参照）には問題はないが、アンバランス量が大きい時（図７（ｂ）参照）、問題が発生する。図４に示すように、回転体１０と空気噴出し孔９０ａとの間の水平方向距離をＤとする。回転体１０が軸受４１に、すなわち空気噴出し孔９０ａに近づくと空気より受ける力Ｆa（以下、「空気圧力Ｆa」と言う）は、レイノルズ方程式に示すごとく水平方向距離Ｄの累乗に反比例して大きくなる。すなわち、Ｆa ∝ １/Ｄ^ｍ 。

この原理により、大きいアンバランス量に起因する大きい遠心力により、回転体が空気噴出し孔に接触する寸前まで近づこうとした場合、回転体は空気圧力Ｆa により軸受中心方向へ押し戻される。すなわち、回転体の水平方向振動が抑制されアンバランス量に比例した振動が発生せず、アンバランス量に比例した計測結果が得られない。その結果、計測結果は実際のアンバランス量と乖離を生じ、正確なアンバランス量を得ることができなくなる。そして、アンバランス量が大きい時、計測された水平方向距離ｄが描くサインカーブは、空気圧力Ｆa を受けないと仮定した場合の回転体のサインカーブと比較して、サインカーブの最大振幅部近傍が、つぶれたカーブとなる。

これを図８を参照しながら説明する。図８は、回転体に外力（空気圧力、磁力等）が掛からないとき（破線ｘで示す）、回転体に空気圧力Ｆaが掛かるとき（一点鎖線ｚで示す）、回転体に空気圧力Ｆa及び磁界吸引力Ｆmが掛かるとき（実線ｙで示す）、の各々の回転体の振動を表す図である。回転体に空気圧力Ｆa及び磁界吸引力Ｆmが掛かるときの回転体の振動に関しては後に説明する。一点鎖線ｚは、破線ｘと比較してサインカーブの最大振幅部近傍が、つぶれたカーブとなっている。すなわち、アンバランス量が大きい場合において、回転体に空気圧力Ｆaが掛かるときは、空気圧力Ｆaが掛かからないときに比べ、サインカーブの最大振幅部近傍が、つぶれたカーブとなる。その結果、計測結果は実際のアンバランス量と乖離を生じ、正確なアンバランス量を得ることができなくなる。

特開２００５−３２１２６１号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、回転体の回転数の変化を小さくでき、高精度に回転体のアンバランスを計測することが可能なアンバランス計測装置を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のアンバランス計測装置を提供する。
請求項１に記載の発明によれば、アンバランス計測装置は、前記軸受（４１、４１Ｘ、４１Ｙ）が、前記回転軸（１１）を中心にして前記回転軸（１１）の両側に一対の磁石（９０）を備えることを特徴とする。

軸受４１が磁石９０を備える。すなわち軸受４１近傍に磁石９０を取付ける。これにより、回転体１０が気体を噴出する噴出口９０ａに近づいたとき、磁石９０と回転体との間に磁界による吸引力Ｆm が発生する（図４参照）。この磁界吸引力Ｆm は回転体１０への空気圧力Ｆa と逆方向に働く。この磁石９０を配置した装置における回転体１０の回転振動時に描くサインカーブは、磁界吸引力Ｆm の作用により、空気圧力Ｆa を受けないと仮定した場合の回転体１０のサインカーブにより近づいたものとなる（図８における実線ｙ）。その結果、計測結果は実際のアンバランス量に近接して、より正確なアンバランス量を得ることができる。

なお、クーロンの法則により、磁界による吸引力をＦm とするとＦm ∝ １/ｄ^ｎ となる。ここで注目すべきことは、空気圧力Ｆa とは正反対に、磁界吸引力Ｆm は水平方向距離ｄの累乗に比例して大きくなることである。回転体１０が軸受４１に近づいたとき、空気圧力Ｆa と逆向きに磁界による吸引力Ｆm を回転体１０に与え、サインカーブの最大振幅部近傍のつぶれを軽減するため計測精度が向上する。

請求項２に記載の発明によれば、アンバランス計測装置は、前記磁石（９０）は、前記噴出口（９０ａ）を備えることを特徴とする。
通常、気体を噴出する噴出口は、回転体１０の軸心Ｃに向かって水平方向に延びる一対の開口部から成る。噴出口の近傍に磁石９０を配置することにより、空気圧力Ｆaに対して、効果的に磁界吸引力Ｆmを対抗させることが可能となる。すなわち、磁石９０が噴出口９０ａを備えることが合理的な構造となる。

請求項３に記載の発明によれば、アンバランス計測装置は、前記磁石が永久磁石又は電磁石であることを特徴とする。磁石の形態を明示したものである。

請求項４に記載の発明によれば、アンバランス計測装置は、前記軸受（４１Ｙ）が前記噴出口（４１ｃ）を備え、軸方向に前記軸受（４１Ｙ）を挟んで二つの前記磁石（９０Ｃ、９０Ｄ）が配置されていることを特徴とする。
磁石９０Ｃ、９０Ｄに噴出口４１ｃを形成する必要が無いので製造が容易になる。磁石材料は加工性が悪いためである。また、軸方向に離れて磁石を二つ配列するため、回転軸１１に対して磁界吸引力が安定して掛かる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明の実施の形態のアンバランス計測装置の全体構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態のアンバランス計測装置の支持部の部分断面斜視図である。 第１実施形態の軸受と磁石の断面図である。 第１実施形態の軸受と磁石の拡大断面図である。 計測センサの位置を示す断面図である。 第２実施形態の軸受と磁石の断面図である。 （ａ）はアンバランス量の小さい回転体の振動を表す図であり、（ｂ）はアンバランス量の大きい回転体の振動を表す図である。 回転体に外力が掛からないとき、回転体に空気圧力Ｆaが掛かるとき、回転体に空気圧力Ｆa及び磁界吸引力Ｆmが掛かるとき、の各々の回転体の振動を表す図である。 第３実施形態の軸受と磁石の水平断面図である。

（第１実施形態）
図１に示すように、アンバランス計測装置１は、一般に、そのベースとなる計測装置本体２と、被測定対象物である回転体１０を回転する駆動部３と、この回転体１０を回転可能に支持する支持部４と、支持部４の振動を計測する計測部５と、計測装置本体２に支持部４を保持する保持部６等より構成されている。

駆動部３は、駆動力を発生させる回転駆動具である駆動モータ３１と、駆動モータ３１の回転を伝達する伝達具であるベルト３２、プーリ３３及び連結シャフト３４と、駆動モータ３１の回転運動を回転体１０に伝達する、接続、分離可能な接続具である回転体クランプ用シャフト３５等から構成されている。シャフト３５は、シャフト保持具３６にベアリング等により回転可能にかつ前後に摺動可能に保持されており、このシャフト保持具３６はシャフト支持台３７によって、計測装置本体２に固定されている。

回転駆動具である駆動モータ３１は、計測装置本体２に固定されており、その回転が一方のベルト３２Ａを介して、一方の駆動部のシャフト３５Ａに固定されたプーリ３３Ａ₁と、連結シャフト３４の一方の端部に固定されたプーリ３３Ａ₂とに伝達される。更にこの回転は、連結シャフト３４の他方の端部に固定されたプーリ３３Ｂ₂から他方のベルト３２Ｂを介して他方の駆動部のシャフト３５Ｂに固定されたプーリ３３Ｂ₁へと伝達される。このようにして、駆動モータ３１の回転によって、シャフト３５Ａと３５Ｂとは同方向に回転する。したがって、シャフト３５Ａ、３５Ｂとが前進して回転体１０の回転軸１１を両側から挟持してクランプした状態で、駆動モータ３１によって回転体１０を回転させることができる。

本発明の実施の形態の特徴である回転体１０を回転可能に支持する支持部４は、図２に拡大して示すように回転体１０の回転軸１１を支持する軸受４１と、この軸受４１の上部に配置された磁石９０と、軸受４１を保持する軸受プレート４２とから構成されている。図２は、軸受４１の断面を図示している。この支持部４は、回転体１０の回転軸１１を両側で支持する必要上、一対で設けられている。アンバランス計測装置には、２つの支持部４が設けられている。２つの支持部４は、回転軸１１の軸方向に関して互いに離れて位置しており、それぞれが回転軸１１の一端部と他端部とを回転可能に支持する。なお、回転軸１１は磁性材料から作られている。

軸受４１は中空であり、軸受４１に結合された磁石９０と共に、Ｕ字形状をしている。そして、軸受４１は、外側の壁面には気体を導入するための導入口４１ａが穿設される。磁石９０の内側の壁面には、気体を回転体１０の回転軸１１に向けて噴出する複数の噴出口９０ａが穿設されている。これによって、計測時に、回転軸１１に対して噴出口９０ａから気体を噴出し、回転軸１１を軸受４１上に浮かして流体支持するようにする。なお図３に示すように、気体を導入するための導入口４１ａは、気体通路４１ｂを介して噴出口９０ａと接続している。

支持部４に設けられた軸受４１は、回転軸１１を受け容れる半円形のチャンネルを形成し、磁石９０と共に、Ｕ字形状のチャンネルを形成する。軸受４１の半円形のチャンネルは、磁石９０の内側側面とはなめらかにＵ字形を呈するように形成されている。磁石９０の内側側面の高さは、内側側面の間に収容される回転軸１１を保持できる程度に、例えば両側面の上方に回転軸１１が突出しない程度の高さである。Ｕ字状のチャンネルは、回転軸１１より大きい。Ｕ字状のチャンネルの側面には、複数の噴出口９０ａが開設されている。複数の噴出口９０ａは、回転軸１１に向けて開口している。

複数の噴出口９０ａは、側面において、回転軸１１に向かって延びている。複数の噴出口９０ａは、回転軸１１の軸線に対して左右対称となるように配置される。軸受４１の内部には、複数の噴出口９０ａに気体を供給するための通路４１ｂが形成されている。気体の通路４１ｂは、複数の噴出口９０ａに均等に気体を分配するように対称に配置されることができる。気体の通路４１ａは、気体を供給するポンプなどの気体供給装置に接続されている。気体の通路４１ａは、支持部４の振動を制限しないようにホースなどの手段によって接続されている。

図３は第１実施形態の軸受４１と磁石９０の断面図である。磁石９０はＵ字形状の軸受４１の上側に配置されている一対の永久磁石９０Ｘ（左側）及び９０Ｙ（右側）から構成されている。そして、一対の永久磁石９０Ｘ及び９０Ｙは各々、回転軸１１を中心にして回転軸１１の両側に配置されている。なお、磁石９０は永久磁石では無く電磁石の構成をとっても良い。そして、磁石９０の下部には噴出口９０ａが形成されており、この噴出口９０ａから、Ｕ字状のチャンネル内に置かれた回転体１０の回転軸１１の中心Ｃに向かって、両側から水平に気体が噴出される。これらの噴出口９０ａは、それぞれ片側に２つ、横方向に並んで設けられている。

そして、左側噴出口９０ａと回転軸中心Ｃと右側噴出口９０ａとは水平線上に一直線に整列する位置に配列されている。このように、回転軸中心Ｃに向かって両側から水平に気体を噴出することで、回転した回転体１０はＵ字形状の中心に安定し、回転により巻き込まれた気体により安定して浮くようになる。

このような、磁石９０と噴出口９０ａと回転体１０の配置により、回転体１０が軸受４１に近づいたとき、空気圧力Ｆa と逆向きに磁界による吸引力Ｆm を回転体に与え（図４参照）、回転体１０とセンサ５１との間の水平方向距離ｄの変動を表するサインカーブの最大振幅部近傍のつぶれを軽減した図８の曲線ｙが得られる。これにより、回転体１０のアンバランスの計測精度が向上する。

軸受４１は長方形の板状に形成された軸受プレート４２の上辺から突出するように配置されている。

保持部６は、計測装置本体２上に立設された保持台６１を有する。保持部６は、回転軸１１の左右両側に対向するように対をなして配置されている。一対の保持部６がひとつの支持部４を保持する。この実施形態では、４つの保持部６が２つの支持部４をそれぞれ保持している。

なお、軸受４１と回転体１０の回転軸１１との間の隙間はわずかであるため、両側の軸受プレート４２の相対位置が少しでも変化すると軸受４１と回転体１０の回転軸１１が接触し、回転数が減少してしまうため、回転軸１１の軸方向に離れて位置する両側の軸受プレート４２は連結部４３により相対位置がずれないように固定されている。連結部４３は、回転軸１１に沿って延びており、その一端が一方の軸受プレート４２に接続され、その他端が他方の軸受プレート４２に接続されている。

計測部５は、保持台６１に取り付けられていている。そして、計測部５に接続されているセンサ５１（図５参照）がそれぞれの磁石９０の下部に設置されて、回転軸１１の振動を検出する。こうして、回転体１０のアンバランス量に応じた回転軸１１の振動は、センサ５１を介して計測部５によって測定され、電気信号に変換されて信号処理装置（図示せず）に送られる。

次に、上記構成よりなる本発明のバランス計測装置の作動について以下に説明する。まず、あらかじめ軸受４１の噴出口９０ａから気体（ここでは空気）を噴出させ、回転体１０の回転軸１１をＵ字状のチャンネル内で浮上できるようにしておく。この状態で、支持部４である軸受４１内に、被測定対象物である回転体１０の回転軸１１の両端部を入れ、回転軸１１をＵ字状のチャンネル内に浮上させる。

次に、シャフト３５Ａ、３５Ｂを前進させて、回転体１０の回転軸１１を両側から挟持してクランプ支持する。次いで、駆動モータ３１を作動し、回転体１０を所定回転数（例えば、２５００rpm）に達するまで回転させる。

所定回転数に達したところで、駆動部３のシャフト３５Ａ、３５Ｂを後退させて、回転体１０の回転軸１１のクランプを解除する。即ち、駆動部３を回転体１０と分離する。回転体１０は慣性で回転を続ける。

次に回転体１０が慣性回転している状態で、支持部４の振動振幅を計測部５で計測し、図示されていない信号処理装置で回転体１０のアンバランスの大きさ及び角度を求める。即ち、回転体１０がアンバランスである場合、この回転体１０の回転によってアンバランス量に応じた振動振幅が、回転体１０の回転軸１１に生じ、この振動振幅がセンサ５１を介して計測部５によって測定される。

次に、またシャフト３５Ａ，３５Ｂを前進させ、回転体１０の回転軸１１をクランプし、駆動部３を回転体１０に接続し、アンバランスの位置が所定位置（ここでは上）になるようにして回転を停止する。次いで、アンバランス量に相当する重量を回転体１０から除去（もしくは付加）する。このようにして、回転体１０のアンバランスを計測し修正するものである。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の軸受４１Ｘと磁石９０Ｚの断面図である。磁石９０Ｚは、軸受４１Ｘの外側に配置される。気体噴出口４１ｃは、軸受４１Ｘに配置されている。この配列により磁性材料から成る軸受４１Ｘは、磁石９０Ｚにより磁化されることとなる。すなわち、軸受４１Ｘは、軸受機能と磁石機能を兼用することとなる。その作用効果は第１実施形態と同じであるので、その説明は省略する。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態の軸受４１Ｙと磁石９０Ｃ、９０Ｄの水平断面図である。軸受４１Ｙが噴出口４１ｃを備え、軸方向に軸受４１Ｙを挟んで二つの磁石９０Ｃ、９０Ｄが配置されている。磁石９０Ｃ、９０Ｄに噴出口４１ｃを形成する必要が無いので製造が容易になる。磁石材料は加工性が悪いためである。また、軸方向に離れて磁石を二つ配列するため、回転軸１１に対して磁界吸引力が安定して掛かる。

以上説明したように、回転体の回転数の変化を小さくでき、高精度に回転体のアンバランスを計測することが可能なアンバランス計測装置を提供することが可能となる。

１ アンバランス計測装置
１０ 回転体
１１ 回転軸
４１ 軸受
９０ 磁石

Claims (4)

1. アンバランス計測装置（１）のベースとなる計測装置本体（２）と、
   アンバランスを計測する回転体（１０）を駆動する駆動部（３）と、
   回転体（１０）を回転可能に支持する支持部（４）と、
   前記回転体（１０）の振動を計測する計測部（５）と、
   を備え、
   前記支持部（４）に配置されて前記回転体（１０）を回転可能に支持する軸受（４１、４１Ｘ、４１Ｙ）が、半円又はＵ字形状であり、
   前記支持部（４）は、前記回転体（１０）の回転軸（１１）に向けて気体を噴出する噴出口（９０ａ、４１ｃ）を有し、
   前記軸受（４１、４１Ｘ、４１Ｙ）が、前記回転軸（１１）を中心にして前記回転軸（１１）の両側に一対の磁石（９０）を備えることを特徴とするアンバランス計測装置（１）。
2. 前記磁石（９０）は、前記噴出口（９０ａ）を備えることを特徴とする請求項１に記載のアンバランス計測装置。
3. 前記磁石（９０）は、永久磁石又は電磁石であることを特徴とする請求項１または２に記載のアンバランス計測装置。
4. 前記軸受（４１Ｙ）が前記噴出口（４１ｃ）を備え、軸方向に前記軸受（４１Ｙ）を挟んで二つの前記磁石（９０Ｃ、９０Ｄ）が配置されていることを特徴とする請求項１または３に記載のアンバランス計測装置。

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