JP2011257232A - 回転体のバランス計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸長が短い小型の回転体であっても、高精度にバランス計測が可能なバランス計測装置を提供する。
【解決手段】バランスを計測する回転体１の回転軸１１を回転可能に両側で支える軸受部２が、気体を噴出する流体軸受となっており、かつ該流体軸受自体を静電容量センサ２０のヘッド構造としている。即ち、流体軸受２は、センサ２０の負極となる導電性プローブＡ２１ａ及びセンサの正極となる導電性プローブＢ２１ｂと、プローブＡ，Ｂ間を絶縁する第１の絶縁体２２と、該軸受部を軸受保持部３に取り付ける取付部材２４と、プローブＡ，Ｂと該取付部材間を絶縁する第２の絶縁体２３とより構成されていて、これらは接着等により一体化されている。これにより、回転軸と軸受部（プローブ）間のギャップｇを静電容量として電気的に検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型の回転体のバランスを高精度で計測することが可能なバランス計測装置に関する。

従来技術として、特許文献１によるアンバランス計測装置が知られている。この従来のアンバランス計測装置では、図５に概念図で示されるように、エア軸受上でワーク（回転体）を慣性回転させ、ワークと共に振動する軸受フレームの振れ量を加速度センサで計測している。この場合、外部ノイズが大きいため、外部ノイズの影響を受けないように設備内全ステーションを停止させてから計測をしているため、サイクルタイムが長くなるという問題がある。また、計測時間が短いという制約もあり、短時間で高精度な計測ができないという問題もある。

また、従来技術として、特許文献２による軸受け構造および振動検出装置が知られており、空気流によって回転軸を浮上させて支持する軸受け構造と、回転軸と軸受けとのギャップの変化を静電容量の変化で検出することが示されている。しかしながら、この従来技術では、軸受けと静電容量センサとが別の部品であるため、製品であるワーク（回転体）によっては、軸長が短いとセンタヘッドに当てる長さが不足したり、また軸受け部への長さに制約がおきるという問題がある。

特開２００５−３２１２６１号公報 特開平４−３１２２１１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、軸長が短い小型の回転体であっても、高精度にバランス計測をすることが可能な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回転体のバランス計測装置を提供する。
請求項１に記載の回転体のバランス計測装置は、回転体１を両側で支える軸受部２が、気体を噴出する流体軸受２であり、かつ流体軸受自体を回転軸と軸受部とのギャップ変化を検出するセンサ２０の検出部としているものである。これにより、軸受フレームの振れでなく、回転体１の振れを直接計測できるので、従来よりも約４倍以上の精度でもって、回転体の振れを計測できる。また、回転体１の回転軸１１の長さに制約されることなく、短い軸長の回転軸をもつ回転体でも、その振れを計測することができる。

請求項２の該バランス計測装置は、流体軸受２が、回転体の回転軸１１を受け入れるＵ字形状の溝２ａを有するようにしたものであり、これにより、回転する回転体１の回転軸１１は、軸受部２と接触することなく安定して軸受部上に浮くことができる。したがって、回転軸が軸受部に接触しないため、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。また、軸受部をＵ字形状にすることにより、軸受部への回転体の投入取出しが容易になり、計測工程の自動化や高速化を容易に行える。また、回転軸の上下振動を、回転軸と軸受部とのギャップ変化として検出することができる。

請求項３の該バランス計測装置は、回転軸と軸受部とのギャップ変化を検出するセンサを静電容量センサとしているものである。これにより、軸受部に複雑なセンシング機能を付加することなく、絶縁された２つの導電体として構成するだけでギャップ変化を検出することができ、軸長が短い回転体でも高精度な計測ができる小型の軸受を実現することができる。

請求項４の該バランス計測装置は、流体軸受２が、回転軸１１に対して左右対称に配置され、一方が正極となり、他方が負極となる同一形状の一対の導電性プローブＡ，Ｂ，２１ａ，２１ｂと、これらプローブＡ，Ｂ間に挟持される第１の絶縁体２２と、プローブＡ，Ｂの裏面に両プローブ間に渡って設けられる第２の絶縁体２３と、この第２の絶縁体の後面に設けられる取付部材２４とによって構成されることを規定したものである。これにより、流体軸受自体をセンサのヘッド構造にすることができる。また、回転軸１１と軸受部２（プローブ）間のギャップｇを静電容量として電気的に検出することが可能となる。

本発明の実施の形態の回転体のバランス計測装置の要部斜視図である。 本発明の実施の形態の回転体のバランス計測装置における軸受部の正面図、平面図、側面図の三面図である。 本発明の実施の形態の回転体のバランス計測装置における計測システムを説明する図である。 本発明の回転体のバランス計測装置で使用される駆動部の１つの例を説明する図である。 従来のバランス計測装置の概念図である。

以下、図面に従って本発明の実施の形態の回転体のバランス計測装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態の回転体のバランス計測装置における要部斜視図である。この図１には、被計測対象物（ワーク）である回転体１を回転可能に支持する軸受部２と、この軸受部２をボルト等の固定具５によって取り付け、保持する軸受保持部３と、回転体１を回転する、後述する駆動部の一部であるセンタ受けシャフト４５（４５Ａ，４５Ｂ）とが示されている。

センタ受けシャフト４５は、回転可能で、かつ前後に摺動可能に保持されている。回転体１をバランス計測時の回転数まで立ち上げるとき、センタ受けシャフト４５（４５Ａ，４５Ｂ）を両側から前進させて、回転体１の回転軸１１を挟持し、駆動部からの回転運動を回転体１に伝達し、回転体１を回転する。回転体１が所定の回転数に達したら、センタ受けシャフト４５（４５Ａ，４５Ｂ）を後退させ、回転体１を軸受部２で受け、慣性力で回転体１を回転させる。

次に本発明の実施の形態であるバランス計測装置の特徴である軸受部２の構成について説明する。軸受部２は、回転体１の回転軸１１を受け入れるＵ字形状の溝２ａと、エアが導入される導入口２ｂと、導入口２ｂから導入されたエアが内部通路（図示されていない）を通って、回転軸１１に向かって噴出される噴出孔２ｃとを有している。噴出孔２ｃの数は、一般には複数設けられ、その開孔位置も、溝２ａの内面に適宜形成される。こうして、軸受部２の噴出孔２ｃから回転体１の回転軸１１の周面に向けて、高圧エアを噴出させることで、回転軸１１と軸受部２との間に均等なギャップｇとなるように回転体１を浮かせるようになっている。即ち、軸受部２が流体軸受となっている。

軸受部（流体軸受）２の構成は、図１及び図２の正面、平面及び側面の三面図で示されるように、センサ２０の負（−）極となる導電性のプローブＡ２１ａ及びセンサ２０の正（＋）極となる導電性のプローブＢ２１ｂと、プローブＡ２１ａとプローブＢ２１ｂ間を絶縁する第１の絶縁体２２と、軸受部２を軸受保持部３に取り付ける取付部材２４と、プローブＡ，Ｂ，２１ａ，２１ｂと取付部材２４間を絶縁する第２の絶縁体２３とより構成されていて、これらは接着等によって一体化されている。この絶縁体２２，２３は、例えばセラミックから作られ、その板厚は、約２〜３mm程度である。

プローブＡ２１ａとプローブＢ２１ｂとは、軸受部２を左右均等に２分割された同一形状をしていて、回転体１の回転軸１１に対して左右対称に配置されており、第１の絶縁体２２は、このプローブＡ２１ａとプローブＢ２１ｂとの間に挟持されている。また、プローブＡ，Ｂの後面（なお、後面とは、図３の正面図において、正面に向いている側を前面、その裏側（正面を向いていない側）を後面と称す）と取付部材２４との間に、プローブＡ２１ａ及びプローブＢ２１ｂ間に渡って第２の絶縁体２３が挟持されている。したがって、第１の絶縁体２２と第２の絶縁体２３とは、図２の平面図に見られるように、Ｔ字形に配置されている。プローブＡ２１ａとプローブＢ２１ｂとは、電気的に導電性であれば良いが、実際には、回転体１の軸受として繰り返し回転体１を保持しなければならないため、焼入れした鉄にダイヤモンドコーティングするなどして硬度を確保する必要がある。また、負極のプローブＡ２１ａと正極のプローブＢ２１ｂとしてプローブを２つ設けたのは、プローブと回転体１の回転軸１１との間のギャップｇを静電容量として電気的に検出するためである。このようにして、本発明のバランス計測装置の軸受部２は、流体軸受２であり、かつそれ自体が静電容量センサ２０のヘッド構造となっている。また、本例ではプローブＡ２１ａとプローブＢ２１ｂとは、軸受部２を左右均等に２分割された同一形状をしているが、回転軸と軸受部とのギャップを正確に測ることができれば、同一形状である必要はない。また、プローブＡ２１ａとプローブＢ２１ｂの周囲に、さらに絶縁体と導電体を構成し、電気的なガードを設けることによりさらに高精度なギャップ計測を可能にすることができる。

こうして、接着等により一体化された軸受部（流体軸受）２は、ボルト等の固定具５によって取付部材２４を軸受保持部３に取り付けることによって、軸受部２は軸受保持部３に固定されている。軸受保持部３は、断面凹状に形成されていて、回転体１が部分的に軸受保持部３の凹部３ａ内に沈み込むようになっている。軸受保持部３は、図示されないベースとなる計測装置本体に固定されている。

図３は、本発明のバランス計測装置の計測システムを説明する図である。回転体１の回転軸１１は、両側で軸受部２に支えられるようになっており、回転軸１１と軸受部２との間のギャップｇが、左右両側で測定されるようになっている。前記したように本発明では、軸受部２自体が静電容量センサ２０のヘッド構造をしており、図３において左側（Ｌ側）に配置される軸受部２の負極プローブＡ２１ａと正極プローブＢ２１ｂとをそれぞれＬ側センサアンプ（増巾器）２５に電気的に接続している。同様に右側（Ｒ側）に配置される軸受部２の負極プローブＡ２１ａと正極プローブＢ２１ｂとをそれぞれＲ側センサアンプ（増巾器）２５に電気的に接続している。

Ｌ側及びＲ側のセンサアンプ２５で増巾された信号は、アナログ・デジタル変換部２６でデジタル量に変換され、次いでアンバランス量演算部２７でギャップ量（距離）から回転体１のアンバランス量を演算する。

このように本発明では、プローブＡ，Ｂ，２１ａ，２１ｂで一対のセンサとして働き、回転軸１１とプローブＡ，Ｂ間のギャップｇを静電容量として電気的に検出し、これにより、回転体のアンバランス量を求めている。

なお、プローブＡ２１ａと回転軸１１とのギャップをＧａとし、プローブＢ２１ｂと回転軸１１とのギャップをＧｂとしたとき、回転軸１１が水平方向に移動してもＧａ＋Ｇｂは一定となるため、本発明のプローブＡ，Ｂでは、水平方向のギャップを検出できない。そのため、本発明では、回転体１が軸受部２上で上下する鉛直振動の成分（波形）からアンバランス量を抽出するようにしている。これにより、従来比４倍以上の計測精度でアンバランス量を抽出することができる。

図４は、本発明のバランス計測装置における駆動方法の一例を示している。駆動部４は、駆動力を発生させる回転駆動具である駆動モータ４１と、駆動モータ４１の回転を伝達する伝達具であるベルト４２、プーリ４３及び連結シャフト４４と、駆動モータ４１の回転運動を回転体１に伝達する、接続、分離可能な接続具であるセンタ受けシャフト４５等から構成されている。センタ受けシャフト４５は、シャフト保持部４６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、このシャフト保持部４６は、ベースとなる計測装置本体に固定されている。

駆動モータ４１は、ベースとなる計測装置本体に固定されており、その回転が、一方のベルト４２Ａを介して一方の駆動部のセンタ受けシャフト４５Ａに固定されたプーリ４３Ａ₁と、連結シャフト４４の一方の端部に固定されたプーリ４３Ａ₂とに伝達される。更にこの回転は、連結シャフト４４の他方の端部に固定されたプーリ４４Ｂ₂から他方のベルト４２Ｂを介して他方の駆動部のセンタ受けシャフト４５Ｂに固定されたプーリ４３Ｂ₁へと伝達される。このようにして、駆動モータ４１の回転によって、センタ受けシャフト４５Ａと４５Ｂとは同方向に回転する。したがって、センタ受けシャフト４５Ａ，４５Ｂとが前進して回転体１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４１によって回転体１を回転させることができる。

なお、本発明では、図４の駆動部以外の構造、特に軸受部の構造については、図４の構造に代えて、図１，２の軸受部の構造を採用している。また、図４の駆動方法に代えて、他の公知の駆動方法、ベルト駆動、ローラ駆動等を適宜採用できるものであり、その選定は、被計測物の形状、材質、重量及び計測精度、サイクルタイム等により適宜決められる。

次に、上記構成よりなる本発明の回転体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、被計測物である回転体１を移動手段により軸受部２にセットする。ついで、回転体１の両端の回転軸１１を、左右のセンタ受けシャフト４５（４５Ａ，４５Ｂ）を前進させることで挟持し、クランプする。この状態で、駆動モータ４１を駆動し、ベルト４２（４２Ａ，４２Ｂ）、プーリ４３（４３Ａ₁，４３Ａ₂；４３Ｂ₁，４３Ｂ₂）及び連結シャフト４４等を介して駆動モータ４１の回転を伝達し、センタ受けシャフト４５（４５Ａ，４５Ｂ）を回転させ、回転体１を従動回転させる。

次に、回転体１が計測回転数である所定の回転数に達したら、左右のセンタ受けシャフト４５（４５Ａ，４５Ｂ）を後退させ、高圧エアを軸受部２の導入口２ｂへ供給して噴出孔２ｃから噴出し、回転体１の回転軸１１を軸受部２の溝２ａ内で浮上させて、軸受部２を流体軸受として回転体１を受ける。

この状態で、回転体１は慣性回転をしており、鉛直振動による回転体１の回転軸１１と軸受部２とのギャップ変化をセンサ２０（プローブＡ，Ｂ）により静電容量として電気的に検出し、これをギャップｇ（距離）変化として換算して検出する。
検出後はエアの供給を止め、移動手段により回転体１を軸受部２から取り外す。

以上説明したように、本発明の実施の形態のバランス計測装置では、従来の軸受の振動を計測するのではなく、回転体の振れを直接計測する構成とし、軸受部を流体軸受とし、回転体の回転軸と流体軸受との縦方向のギャップ変化を静電容量センサで計測することにより、従来のものに比べて４倍以上の計測精度を得ることができる。また、軸受部自体をセンサヘッド構造にしているので、回転軸の軸長が短い回転体であっても、アンバランス量を容易に計測することが可能となる。

また、軸受部を流体軸受としていて、回転体の回転軸が軸受部に接触しないため、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ので、小型で軽い回転体のアンバランス量の計測に好適である。更に、軸受部のＵ字形状溝に回転軸を受け入れるようにしているので、軸受部への回転体の投入、取出しが容易となり、計測工程の自動化や高速化を容易に行うことが可能となる。

１ 回転体
１１ 回転軸
２ 軸受部（流体軸受）
２ａ 溝
２ｂ 導入口
２ｃ 噴出口
２０ センサ（静電容量センサ）
２１ａ プローブＡ
２１ｂ プローブＢ
２２，２３ 絶縁体
２４ 取付部材
２５ センサアンプ
２６ アナログ・デジタル変換部
２７ アンバランス量演算部
３ 軸受保持部
４ 駆動部
４１ 駆動モータ
４５（４５Ａ，４５Ｂ） センタ受けシャフト

Claims (4)

1. 回転体（１）を両側で支える軸受部（２）と、
   前記軸受部を取り付ける軸受保持部（３）と、
   前記回転体のアンバランス量に応じた前記回転体の回転軸（１１）と前記軸受部とのギャップ変化を検出するセンサ（２０）と、
   を備えていて、前記回転体のアンバランスを計測する回転体のバランス計測装置において、
   前記軸受部（２）が、気体を噴出する流体軸受であり、かつ前記流体軸受自体を前記回転軸と前記軸受部とのギャップ変化を検出するセンサ（２０）の検出部としていることを特徴とする回転体のバランス計測装置。
2. 前記流体軸受が、前記回転体の前記回転軸（１１）を受け入れるＵ字形状の溝（２ａ）を有していることを特徴とする請求項１に記載の回転体のバランス計測装置。
3. 前記回転軸と前記軸受部とのギャップ変化を検出するセンサ（２０）が静電容量センサであることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転体のバランス計測装置。
4. 前記流体軸受が、前記回転軸（１１）に対して左右に対称に配置され、一方が正極となり、他方が負極となる同一形状の一対の導電性プローブＡ，Ｂ（２１ａ，２１ｂ）と、前記プローブＡ，Ｂ間に挟持される第１の絶縁体（２２）と、前記プローブＡ，Ｂの後面に前記プローブＡ，Ｂ間に渡って設けられる第２の絶縁体（２３）と、前記第２の絶縁体の後面に設けられる取付部材（２４）とより構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の回転体のバランス計測装置。

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