JP2013224848A - 調心機構、スラスト回転試験機、およびトルク測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】調心による摩擦抵抗を低減可能な調心機構およびこれを用いた高精度なスラスト回転試験機、このスラスト回転試験機を用いたトルク測定装置を提供する。
【解決手段】調心台２６の静圧気体軸受面２７から均一に放出される圧縮気体により基台２３が非接触支持される。荷重機構２４により荷重Ｌが調心台２６から基台２３に加えられ、回転体２１は、基台２３上の試験対象５を押圧した状態でモータ２２により回転する。ロードセル３は、試験対象５を介して基台２３に伝わるトルクを検出する。静圧気体軸受面２７は球面状の凹面形状を有し、基台２３は、静圧気体軸受面２７との対向面として静圧気体軸受面２７と略同径の球面状の凸面２３１を有する。このため、荷重Ｌがスラスト方向Ｓに対して傾くと、調心台２６は、圧縮気体層２８の厚さを保ちながら基台２３に対して相対的にスライドし、これにより、基台２３はスラスト方向Ｓに対して垂直な状態を維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、調心機構に関し、特に、トルク測定装置に用いられるスラスト回転試験機の自動調心に好適な調心機構に関する。

従来より、ボールベアリング等の試験対象の摩擦係数を測定するために、スラスト回転試験機を用いたトルク測定装置が用いられている。このスラスト回転試験機を用いたトルク測定装置では、試験対象を試験台の載置面に固定し、試験台の載置面上の試験対象に回転体を押し当てて、スラスト方向に荷重を加えながら、回転体を回転させて、そのときの試験台のトルクを測定する。そして、この測定したトルクから試験対象の摩擦係数を求める。

ところで、このスラスト回転試験機を用いたトルク測定装置では、通常、試験対象が固定される載置面を回転体のスラスト方向に対して常に垂直とするための調心機構が設けられている。例えば、図５に示すように、従来のトルク測定装置では、試験台９０Ｃが直交二軸ＸＹ回りに揺動可能となるように、円板状の試験台９０Ｃが、円板状の調心台９０Ｂ上のＸ軸方向に並んだ少なくとも２つの位置で、Ｘ軸回りに回転可能に支持され、さらに、この調心台９０Ｂが円板状の調心台９０Ａ上のＹ軸方向に並んだ少なくとも２つの位置で、Ｙ軸方向回りに回転可能に支持されている。このような自動調心機能を実現するには、例えば、下側の調心台９０Ａの上面９１Ａには、Ｘ軸方向に配列された少なくとも２つの玉コロ９２Ａが設けられ、上側の調心台９０Ｂの下面９６Ｂには、これらの玉コロ９２Ａをそれぞれ受ける受け座９８ＢがＸ方向に配列されて形成されている。また、上側の調心台９０Ｂの上面９１Ｂには、Ｙ軸方向に配列された少なくとも２つの玉コロ９２Ｂが設けられ、試験台９０Ｃの下面９６Ｃには、これらの玉コロ９２Ｂをそれぞれ受ける受け座９８ＣがＹ方向に配列されて形成されている。このような２枚の調心台９０Ａ、９０Ｂおよび試験台９０Ｃを、２枚の調心台９０Ａ、９０Ｂの玉コロ９２Ａ、９２Ｂの配列方向Ｙ、Ｘが互いに直交するように重ね合わせることにより、トルク測定中、試験対象９５が固定された試験台９０Ｃの載置面９１Ｃが、回転体９４のスラスト方向Ｂに対して常に垂直となる。

また、特許文献１に記載のトルク測定装置では、試験対象が回転体に押し当てられるように、試験対象が固定される試験台（与圧治具）に荷重を加える加圧機構に、調心機構が組み込まれている。調心機構は、円錐状の窪みが形成された面が対向するように配置された２枚の加圧部材と、２枚の加圧部材の窪み内に収容された球状の調心部材と、を有しており、一方の加圧部材に加えられた荷重を、調心部材および他方の加圧部材を介して試験台に伝達する。これにより、トルク測定中、試験対象が固定された試験台の固定面が回転体のスラスト方向に対して常に垂直となる。

特開平７−１０３８１５号公報

しかしながら、図５に記載の従来のトルク測定装置の調心機構では、試験台９０Ｃの下面９６Ｃおよび調心台９０Ｂの下面９６Ｂに玉コロ９２Ａ、９２Ｂが接触しているため、試験台９０Ｃの下面９６Ｃと調心台９０Ｂの下面９６Ｂとには、これらの玉コロ９２Ａ、９２Ｂとの接触による摩擦抵抗が生じる。ボールベアリング等の微小トルクを測定する場合に、この摩擦抵抗が測定値の誤差要因となる。また、試験台９０Ｃを二軸ＸＹ回りに回転可能とするために、２枚の調心台９０Ａ、９０Ｂを積み重ねる必要があるため、調心機構が厚くなる。

また、特許文献１に記載のトルク測定装置においても同様に、２枚の加圧部材の間に球形の調心部材が介在しているため、２つの加圧部材と調心部材との接触によって、トルク測定の誤差要因となる摩擦抵抗が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、調心による摩擦抵抗を低減可能な調心機構およびこの調心機構を用いた高精度なスラスト回転試験機ならびにこのスラスト回転試験機を用いたトルク測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、調心台および調心台に支持される基台の対向面の一方を、球面状の凹面とし、他方を、この凹面に整合する球面状の凸面とした。そして、凹面および凸面の一方の面に静圧気体軸受面を形成し、この静圧気体軸受面から放出される圧縮気体により、静圧気体軸受面で他方の面を非接触で支持するようにした。

例えば、本発明の調心機構は、基台を自動調心するための調心機構であって、
前記基台を支持する調心台を備え、
前記調心台および前記基台の対向面の一方が、球面状の凸面を含むとともに、他方が、当該凸面に沿った球面状の凹面を含んでおり、
前記凹面および前記凸面の一方の面には、他方の面に向けて圧縮気体を噴出する静圧気体軸受面が形成され、当該静圧気体軸受面から放出される圧縮気体により、当該静圧気体軸受面で他方の面を非接触で支持する。

また、本発明のスラスト回転試験機は、スラスト方向に荷重を加えて回転体を試験対象に押し当てながら当該回転体を回転させるスラスト回転試験機であって、
前記回転体と、
前記試験対象が固定される載置面を有し、前記回転体の回転方向に回転自在な基台と、
前記基台の載置面が前記スラスト方向に対して垂直となるように前記基台を自動調心する上述の調心機構と、を備える。

また、本発明のトルク測定装置は、試験対象の回転トルクを測定するトルク測定装置であって、
スラスト方向に荷重を加えて回転体を前記試験対象に押し当てながら、当該回転体を回転させる上述のスラスト回転試験機と、
前記試験対象が固定された載置面を有する前記スラスト回転試験機の基台の回転トルクを検出するロードセルと、を有する。

本発明では、基台と調心台とが非接触であるので、基台と調心台との間に摩擦抵抗が生じるのを防止することができる。また、基台と調心台との対向面が、互いに整合する球面形状を含んでいるので、調心台が傾いた場合でも、基台と調心台とが、対向面間の隙間圧縮気体層の厚さを均一に保ちながら、対向面同士をそれらの表面形状に沿ってスライドさせる。このため、基台の載置面の姿勢を、回転体の軸心に対して垂直に保つことができる。したがって、本発明によれば、自動調心による摩擦抵抗の発生を防止し、より高精度なトルク測定が可能となる。

図１は、本発明の一実施の形態に係るトルク測定装置１の概略構成図である。 図２（Ａ）は、調心台２６の正面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す調心台２６のＡ−Ａ断面図である。 図３（Ａ）は、基台２３の正面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す基台２３のＢ−Ｂ断面図である。 図４（Ａ）〜（Ｃ）は、調心機構２５による基台２３の自動調心を説明するための図である。 従来のトルク測定装置の概略図である。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態に係るトルク測定装置１の概略構成図である。

本実施の形態に係るトルク測定装置１は、ボールベアリング等の試験対象５の回転トルクを測定するための装置であり、図示するように、回転体２１の軸方向（スラスト方向）Ｓの荷重Ｌを加えて基台２３上の試験対象５を回転体２１に押し当てながら回転体２１を軸回りの所定方向Ｒに回転させるスラスト回転試験機２と、試験対象５が固定された基台２３のトルクを検出するロードセル３と、スラスト回転試験機２に圧縮気体を供給する給気ポンプ４と、を備えている。

スラスト回転試験機２は、回転体２１と、回転体２１を所定方向Ｒに回転させるモータ２２と、載置面２３３上に試験対象５が固定される、回転体２１の回転方向に回転自在な基台２３と、スラスト方向Ｓの荷重Ｌを基台２３の下面（載置面２３３の反対側の凸面２３１）側から加えて基台２３の載置面２３３上の試験対象５を回転体２１に押し当てる荷重機構２４と、基台２３を非接触で支持しながら、基台２３の載置面２３３がスラスト方向Ｓに対して垂直となるように基台２３を自動調心する調心機構２５と、を備えている。

荷重機構２４は、支点２４１により揺動可能に支持されたレバー２４２と、レバー２４２の一方の端部２４２１に取り付けられたバランサ２４３と、レバー２４２の他方の端部２４２２に取り付けられ、バランサ２４３の重さＭおよびレバー２４２における支点２４１の位置によって定まる荷重Ｌを、調心機構２５を介して、基台２３の下面２３１側に加える荷重印加部２４４と、を備えている。このような荷重機構２４により、荷重Ｌが、調心機構２５および基台２３を介して、基台２３の載置台２３３に固定された試験対象５に加えられ、これにより、試験対象５が回転体２１に押し当てられる。

調心機構２５は、圧縮気体を噴出する球面状凹面の静圧気体軸受面２７を有する金属製の調心台２６を備えており、トルク測定中、基台２３の後述する球面状凸面（調心台２６との対向面に形成された、静圧気体軸受面２７の表面形状に整合する球面状凸面、つまり、静圧気体軸受面２７の反転形状の凸面）２３１と球面状凹面の静圧気体軸受面２７との間に圧縮気体層２８を形成することにより、基台２３を、静圧気体軸受面２７上で、静圧気体軸受面２７の表面形状の中心回りに回転可能に非接触で支持する。これにより、基台２３の自動調心機能が実現する。

図２（Ａ）は、調心台２６の正面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す調心台２６のＡ−Ａ断面図である。

図示するように、調心台２６は、基台２３の凸面２３１側に向けられる球面状の凹面２６１が形成された円板形状のバックメタル２６０と、バックメタル２６０の凹面２６１上に形成された多孔質焼結層２７１と、を有している。バックメタル２６０の凹面２６１上に、黒鉛等の固体潤滑剤が分散された多孔質焼結層２７１を一様な厚さで形成することにより、バックメタル２６０の凹面２６１の球面形状に沿った、多孔質焼結層２７１の表面２７が静圧気体軸受面２７として形成される。なお、多孔質焼結層２７１は、例えば、黒鉛等の固体潤滑剤が分散された銅粉、ステンレス鋼粉、アルミニウム粉等の金属粉あるいは合金粉を、高温焼結して多孔質の焼結板材を成形し、その後、バックメタル２６０の凹面２６１にこの焼結板材を積層して加熱圧縮し、両者を拡散接合させることにより形成される。

また、バックメタル２６０の凹面２６１には、溝２６２が、例えばバックメタル２６０の外形に沿った環状パターン等を含む所定パターンで形成されている。凹面２６１上に多孔質焼結層２７１が形成されることより、この溝２６２は、側面２６３の開口部２６４において外部と繋がる通気路を形成する。側面２６３の開口部２６４には、給気ポンプ４の給気チューブ４１が繋がれており、給気ポンプ４から供給された圧縮気体は、給気チューブ４１および通気路を介して、多孔質焼結層２７１の裏側（静圧気体軸受面２７の反対側）に供給され、静圧気体軸受面２７から基台２３の凸面２３１に向けて、均一に放出される。

図３（Ａ）は、基台２３の正面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す基台２３のＢ−Ｂ断面図である。

図示するように、基台２３は、調心台２６の直径Ｒ１より小さな直径Ｒ２の円板形状を有しており、調心台２６と対向する下面２３１には球面状の凸面２３１が形成され、上面２３３には、試験対象５を固定するための載置面２３３が形成されている。

凸面２３１は、調心台２６の静圧気体軸受面２７とほぼ同径の球面、すなわち、調心台２６の静圧気体軸受面２７の反転形状を有しており、調心台２６の静圧気体軸受面２７と対向させた際に、調心台２６の静圧気体軸受面２７と整合する。このため、図１に示すように、調心台２６の静圧気体軸受面２７から均一に放出される圧縮気体により、基台２３の凸面２３１と調心台２６の静圧気体軸受面２７との間には、均一な圧縮気体層２８が形成される。

また、載置面２３３は平坦に仕上げられ、図示していないが、この載置面２３３には、試験対象５を固定するための固定手段が設けられている。本実施の形態では、図１に示すように、試験対象５であるボールベアリングの外周側軌道輪５１のみが不図示の固定手段により基台２３の載置面２３３に固定され、内周側軌道輪５２は、基台２３の載置面２３３に固定されておらず、かつ載置面２３３と非接触である。内周側軌道輪５２は、荷重機構２４により調心機構２５を介して基台２３に加えられた荷重Ｌにより、回転体２１に押し当てられる。

また、基台２３の側面２３４には、基台２３の軸回りのトルクをロードセル３に伝達するためのバー２３２が連結されている。

以上のような構成のトルク測定装置１において、調心台２６の静圧気体軸受面２７から均一に放出される給気ポンプ４の圧縮気体により、基台２３が、互いに反転形状の関係にある球面状凸面２３１および球面状凹面の静圧気体軸受面２７との間に形成される圧縮気体層２８を介して静圧気体軸受面２７上に非接触で支持される。つまり、基台２３は、静圧気体軸受面２７の表面形状（球面状）の中心回りに相対的に回転自在な状態で静圧気体軸受面２７上に支持されている。そして、荷重機構２４により調心台２６に加えられた荷重Ｌが、圧縮気体層２８を介して、基台２３に加えられ、その結果、基台２３の載置面２３３に固定された試験対象５が回転体２１に押圧される。このとき、スラスト方向Ｓに対して基台２３の載置面２３３が垂直な状態を維持するように、調心台２６は、静圧気体軸受面２７の球面状の表面形状の中心回りに、基台２３に対して相対的に回転する。このように基台２３の自動調心が行われるため、荷重機構２４からの荷重Ｌの方向がスラスト方向Ｓに対して傾いている場合でも、基台２３の載置面２３３は、スラスト方向Ｓに対して垂直となる。

そして、モータ２２が回転体２１を軸回りの所定方向Ｒに回転させ、そのときに試験対象５を介して基台２３に加わるトルクをロードセル３で検出する。また、図示していないコンピュータにより、このトルク検出値から試験対象５の摩擦係数を算出する。ここで、基台２３は、調心台２６の静圧気体軸受面２７上に非接触で支持されており、試験対象５以外のものとは接触していないため、ロードセル３で検出されるトルクに、試験対象５の摩擦以外の力による誤差が含まれる可能性は極力小さなものとなる。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、調心機構２５による基台２３の自動調心を説明するための図である。

図４（Ａ）に示すように、荷重Ｌの方向がスラスト方向Ｓと一致している場合、基台２３の載置面２３３は、スラスト方向Ｓおよび荷重Ｌの方向に対して垂直であり、したがって回転体２１は、基台２３の載置面２３３に固定された試験対象５をスラスト方向Ｓに対して垂直に保ちながら軸回りの回転方向Ｒに回転させることができる。

また、図４（Ｂ）に示すように、荷重Ｌの方向が、スラスト方向Ｓに対してＤ１方向に傾いた場合、圧縮気体層２８を介して非接触で基台２３を支持している調心台２６の静圧気体軸受面２７は、この静圧気体軸受面２７の表面形状（球面状）とほぼ同径の球面状に形成された基台２３の凸面２３１との間の圧縮気体層２８の厚みを均一に保ちながら、この凸面２３１に沿って、Ｄ１方向とは反対のＥ１方向にスライドする。その結果、基台２３の載置面２３３の姿勢は、スラスト方向Ｓに対して垂直のまま維持され、したがって回転体２１は、基台２３に固定された試験対象５を、スラスト方向Ｓに対して垂直に保ちながら軸回りの回転方向Ｒに回転させることができる。

同様に、図４（Ｃ）に示すように、荷重Ｌの荷重方向が、スラスト方向Ｓに対してＤ１方向とは反対のＤ２方向に傾いた場合、圧縮気体層２８を介して非接触で基台２３を支持している調心台２６の静圧気体軸受面２７は、この静圧気体軸受面２７の表面形状（球面状）とほぼ同径の球面状に形成された基台２３の凸面２３１との間の圧縮気体層２８の厚みを均一に保ちながら、この凸面２３１に沿ってＤ２方向とは反対のＥ２方向にスライドする。その結果、基台２３の載置面２３３の姿勢は、スラスト方向Ｓの方向に対して垂直のまま維持され、したがって回転体２１は、基台２３に固定された試験対象５をスラスト方向Ｓに対して垂直に保ちながら軸回りの回転方向Ｒに回転させることができる。

以上、本発明の一実施の形態について説明した。

本実施の形態において、調心機構２５において、調心台２６が、静圧気体軸受面２７により非接触で基台２３を支持するので、基台２３と調心台２６との相対的な移動があった場合においても基台２３と調心台２６との間に摩擦抵抗が発生するのを防止することができる。

また、調心台２６の静圧気体軸受面２７が球面状の凹面を含んでおり、基台２３が、静圧気体軸受面２７との対向面として、静圧気体軸受面２７とほぼ同径の球面状の凸面２３１を有しているため、調心台２６が傾いた場合でも、調心台２６の静圧気体軸受面２７が、この静圧気体軸受面２７の表面形状（球面状）とほぼ同径の球面状に形成された基台２３の凸面２３１との間の圧縮気体層２８の厚みを均一に保ちながら、この凸面２３１に沿ってスムーズにスライドする。このため、基台２３の自動調心による調心台２６と基台２３との摩擦抵抗の発生を防止しつつ、基台２３の載置面２３３の姿勢を、スラスト方向Ｓに対して垂直に保つことができる。したがって、本実施の形態の調心機構２５によれば、試験対象５の高精度な回転トルク測定が可能となる。

また、このような調心機構２５を備えるスラスト回転試験機２をトルク測定装置１に用いることにより、試験対象５の摩擦力による僅かなトルクを高精度に測定することが可能となり、ボールベアリングのトルク測定に好適なトルク測定装置を実現できる。

また、本実施の形態では、１枚の調心台２６により、所定の中心周りの任意の方向に試験台２３を回転させることができる。このため、２枚の調心台で試験台を二軸回りに回転させる従来のトルク測定装置（図５参照）よりも、コンパクトな調心機構２５を実現することができる。

また、調心台２６の静圧気体軸受面２７を多孔質焼結層２７１により形成しているので、調心台２６の静圧気体軸受面２７から圧縮気体を均一に放出することが可能となり、これにより、調心台２６の静圧気体軸受面２７と基台２３の凸面２３１との間の圧力分布をより均一にすることができる。したがって、本実施の形態の調心機構２５によれば、基台２３を安定に支持することができ、より高精度なトルク測定が可能となる。また、調心の際、調心台２６は、静圧気体軸受面２７と基台２３の凸面２３１との間の圧縮気体層２８の厚みを均一に保ちながら、基台２３の凸面２３１の表面形状の中心回りに回転して、静圧気体軸受面２７を、基台２３の凸面２３１に沿ってスムーズにスライドさせる。このため、自動調心の際に、調心台２６と基台２３とが干渉することはない。

また、本実施の形態では、多孔質焼結層２７１に黒鉛等の固体潤滑剤を拡散しているので、トルク測定装置１の作動中に、給気ポンプ４の故障等により、万一、基台２３の凸面２３１が静圧気体軸受面２７に接触した場合でも、焼き付き等を起こして凸面２３１および静圧気体軸受面２７が損傷するのを防止することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

例えば、上記の実施の形態では、基台２３に球面状の凸面２３１を形成し、調心台２６の静圧気体軸受面２７を、基台２３の凸面２３１と整合する球面状の凹面としているが、これとは逆に、基台２３に球面状の凹面を形成し、調心台２６の静圧気体軸受面２７を、基台２３の凹面と整合する球面状の凸面としてもよい。また、上記の実施の形態では、調心台２６側に静圧気体軸受面２７を形成しているが、基台２３側に静圧気体軸受面を形成するようにしてもよい。また、本発明の調心機構２５は、スラスト回転試験機２のみならず、様々な機器に利用可能である。

１：トルク測定装置、２：スラスト回転試験機、３：ロードセル、４：給気ポンプ、５：試験対象（ボールベアリング）、２１：回転体、２２：モータ、２３：基台、２４：荷重機構、２５：調心機構、２６：調心台、２７：静圧気体軸受面、２８：圧縮気体層、４１：給気チューブ、５１：ボールベアリングの外周側軌道輪、５２：ボールベアリングの内周側軌道輪、２３１：基台の凸面、２３２：基台のバー、２３３：基台の載置面、２３４：基台の側面、２４１：支点、２４２：レバー、２４３：バランサ、２４４：荷重印加部、２６０：バックメタル、２６１：バックメタルの凹面、２６２：通気路、２６３：調心台の側面、２６４：通気路の開口部、２７１：多孔質焼結層、２４２１：レバーの一方の端部、２４２２：レバーの他方の端部

Claims (5)

1. 基台を自動調心するための調心機構であって、
   前記基台を支持する調心台を備え、
   前記調心台および前記基台の対向面の一方が、球面状の凸面を含むとともに、他方が、当該凸面に沿った球面状の凹面を含んでおり、
   前記凹面および前記凸面の一方の面には、他方の面に向けて圧縮気体を噴出する静圧気体軸受面が形成され、当該静圧気体軸受面から放出される圧縮気体により、当該静圧気体軸受面で他方の面を非接触で支持する
   ことを特徴とする調心機構。
2. 請求項１に記載の調心機構であって、
   前記静圧気体軸受面は、多孔質焼結体の表面で形成されている
   ことを特徴とする調心機構。
3. 請求項２に記載の調心機構であって、
   前記多孔質焼結体には、固体潤滑剤が分散されている
   ことを特徴とする調心機構。
4. スラスト方向に荷重を加えて回転体を試験対象に押し当てながら当該回転体を回転させるスラスト回転試験機であって、
   前記回転体と、
   前記試験対象が固定される載置面を有し、前記回転体の回転方向に回転自在な基台と、
   前記基台の載置面が前記スラスト方向に対して垂直となるように前記基台を自動調心する請求項１ないし３のいずれか一項に記載の調心機構と、を備える
   ことを特徴とするスラスト回転試験機。
5. 試験対象の回転トルクを測定するトルク測定装置であって、
   スラスト方向に荷重を加えて回転体を前記試験対象に押し当てながら、当該回転体を回転させる請求項４に記載のスラスト回転試験機と、
   前記試験対象が固定された載置面を有する前記スラスト回転試験機の基台の回転トルクを検出するロードセルと、を有する
   ことを特徴とするトルク測定装置。

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