JP2637170B2 - モータのブラシ摩耗量測定方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、設定された温度や湿度、振動などの環境条
件下で、モータのブラシ摩耗量を光学的に、しかも連続
的に自動測定する方法とその装置に関するものである。

［従来の技術］ モータのブラシを管理するうえで、ブラシの摩耗量は
温度や湿度などの影響を強く受けるため、それの寿命予
測は一般に困難となっている。これまでにあっては、ブ
ラシの使用限界、即ち、規定使用長の位置まで摩耗した
場合にその位置を機械的に検出したうえ警報を発した
り、あるいはブラシに取り付けた連動子を目視するもの
など、ブラシの摩耗検出に関連するものとしては、例え
ば特開昭57−173355号公報や実開昭57−3374号公報、実
開昭57−18877号公報、特開昭61−116947号公報が挙げ
られるものとなっている。

ところで、最近の傾向としては、モータの起動回数や
稼動時間を計測しブラシの寿命を検出することが行なわ
れているが、この例としては特開昭62−155744号公報に
示されたものが知られている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、これまでに知られているものは何れも
ブラシの交換時期、あるいはブラシの寿命時を検出する
ものであって、品質管理上のデータとして不足の感は否
めなく、また、モータの使用環境条件、特に温度や湿度
の変化、振動、塵埃等の影響を含めた品質・特性試験や
検査が考慮されていないものとなっている。

一般にモータのカーボンブラシは温度や湿度の影響を
強く受け、特に低湿度における摩耗の進行は著しくその
寿命時間の予測は困難となっている。このことからすれ
ば家電品用小形モータも地域や季節によりその使用条件
には大きな幅があることから、苛酷な条件下での使用に
も対処し得る性能や品質が要求されることになる。この
ため諸条件下でのブラシ寿命試験の目的は、経時変化に
伴うブラシ摩耗量を人手によることなくリアルタイムに
計測し、計測結果より諸条件に対応した正確な評価を得
たうえこれを生産管理や品質管理にフィードバックする
ことによって、性能や品質を向上せしめることにあると
云える。しかしながら、その際での計測上の問題として
は、モータが小形化されつつある傾向の中で、ブラシホ
ルダの構造と温度や湿度、振動、カーボン粉塵等の悪環
境とに対処しつつブラシの摩耗が計測されなければなら
ないことである。特に考慮されなければならない事項は
以下のようである。

即ち、（１）モータの稼動中、カーボンブラシのコン
ミテータへの加圧を避けなければならない。つまり接触
式計測法は適さない。（２）非接触計測法による場合、
ブラシホルダ内でのブラシ変位約20〜30mmを計測可能と
して対処しなければならない。従って、1mm前後の近接
型センサ（渦電流検出型や静電容量型、エアマイクロ
等）は適さない。（３）カーボンブラシの被計測端面
（コンミテータとの接触端面と対向する端面）の計測軸
（カーボンブラシの長手方向）に対する傾き角のバラツ
キに対処して計測可能でなければならない。反射型光電
センサを例にとると、投受光角のバラツキが大きい場合
でも計測可能でなければならない。（４）カーボンブラ
シの被計測端面での光学的反射率は低い。（５）寿命試
験には連続稼動や断続稼動が含まれるものとして、試験
は500〜800時間におよぶ。

よって本発明の主目的は、ブラシホルダ内に収容され
たブラシの摩耗量を、光学的に非接触にして連続的に自
動測定し得るモータのブラシ摩耗量測定方法とその装置
を供するにある。

［課題を解決するための手段］ 上記主目的は、ブラシ被計測端面の位置を変位量計測
式光電センサによって測定することで、また、そのセン
サを具備することで達成される。そのセンサとして反射
角度、あるいは投受光角より変位を計測するものが用い
られる場合は、ブラシ被計測端面からの反射光の反射角
度変化よりブラシの摩耗量を求めることで達成される。
その際望ましくは、センサのスキャンニングにより前以
てブラシ被計測端面の傾き状態が計測されたり、ブラシ
被計測端面に所望に照射光が照射されるべく、投光側に
２段反射ミラーが配されたり、投受光角の変化が拡大さ
れた状態として検出されるべく、受光側に凸面ミラーが
配されるようになっている。更に、ブラシの寿命試験に
際しては、モータには各種環境条件や運転条件が任意に
変更可として設定されつつブラシの摩耗量が計測される
ようになっている。

［作用］ モータの稼動中での測定にも適用すべくブラシ被計測
端面の振動に対処するには、振動周波数を超えるセンシ
ング機能が必要になり、このためセンサとしては変位量
計測式光電センサが用いられるようになっている。とこ
ろで、半導体レーザを用い反射角度より変位量を計測す
るセンサによる場合その測定範囲は焦点距離±30mmに亘
るものとなっている。

尤も、そのようなセンサを用いるとしても、レーザ光
によるものが直進性良好にして反射角を検出し得ること
から、低反射率のカーボンブラシにも対処し得るものと
なっている。よって、ブラシホルダの構造上カーボンブ
ラシに塗料などを塗布し得ない場合には、レーザ変位計
（λ＝780nmで確認）が有効となる。しかし、ブラシホ
ルダの観測穴とレーザ変位計の投受光角の制約から、投
受光角を小さくして測定長を延ばす方法では測定分解能
を低下させることになる。これに対しては光学ミラーの
組合せによって、光路長と測定分解能を変えることなく
ブラシ被計測端面での投受光角を小さくすることで対処
し得るものである。また、ブラシ被計測端面の傾きのバ
ラツキやブラシ寿命試験に対しては、先のセンサの場合
と同様にして対処すればよいものである。

［実施例］ 以下、本発明を第１図から第６図により説明する。

先ず参考までに、ブラシ寿命試験が考慮された、反射
型光電センサによるモータのブラシ摩耗量測定装置につ
いて説明すれば、第２図はその概要構成を被測定対象と
してのモータとともに示したものである。図示のように
モータ（本例では家電品用ファンモータ）２は試験台１
に載置、取付されたうえ各種条件下でそのカーボンブラ
シ４の摩耗量が測定されるようになっている。試験台１
にはモータ２に対する負荷テスト用の吸気量調節機能を
初めとする負荷条件や、恒温槽内での温度、湿度などの
試験条件が任意に外部より設定されるようになっている
ものである。ブラシホルダ５内に収容されているカーボ
ンブラシ４は第３図に示すように、コイルバネ６からの
規定加圧によって回転状態にあるコンミテータ３に押し
付けられていることから、コンミテータ３との摩擦でそ
の温度が150℃前後の高温になるばかりか、同時にカー
ボン粉塵を発生し、測定環境は良好でないものとなって
いる。

さて、本例ではカーボンブラシ４への加圧を避け、し
かも20〜30mmのカーボンブラシ摩耗量と振動に対処する
ため、耐熱・反射型光電センサ10はブラシホルダ５の後
方に配されるも、カーボンブラシ４の被計測端面との距
離が一定に保たれるべくその被計測端面を追尾するよう
になっている。即ち、クランパ22に取付された光電セン
サ10の出力はセンサアンプ31を介しデータ処理装置32
で、予め設定されたカーボンブラシ４の被計測端面との
距離と比較され、この比較偏差をしてモータコントロー
ラ33が位置決め用モータ24を駆動制御するようになって
いるものである。位置決め用モータ24が回転駆動されれ
ば、ギヤーボックス23を介しボールネジが回転され、し
かしてボールネジに係合されているクランパ22が被計測
端面側に移動されることで、光電センサ10はカーボンブ
ラシ４の摩耗量に応じて被計測端面側に移動されるわけ
である。高精度位置決め制御のためにフィードバック系
として設けられたロータリエンコーダ25はギヤーボック
ス23や位置決め用モータ24などとともに追尾機構21を構
成しているが、以上の追尾制御によって光電センサ10の
被計測端面側への移動量よりカーボンブラシ４の摩耗量
が知れるものである。その摩耗量の測定は計時カウンタ
により任意時間間隔で行なわれるが、その結果はディス
プレイ装置35に表示されると同時に、記録装置34に長時
間に亘る測定データとして記録されるようになっている
ものである。

ところで、第３図にはカーボンブラシ４の被計測端面
８とその周辺が詳細に示されているが、これより判るよ
うにカーボンブラシ４を加圧するコイルバネ６の内部に
光電センサ10が挿通されるようになっている。その際光
電センサ10はカーボンブラシ４の被計測端面８より引き
出されたリード線７を避けた状態で挿通される必要があ
るものとなっている。これにより被計測端面８からの反
射光はリード線７によって影響されることなく光電セン
サ10によって受光されるが、カーボンブラシ４は光学的
に反射率が低いことから、反射光の光量を増やすべく被
計測端面８には、例えば反射率が大とされた塗料が塗布
されるようになっている。また、カーボンブラシ４の被
計測端面８は光電センサ10の光軸に対し垂直であること
が望ましいが、カーボンブラシ４およびブラシホルダ５
は、プレス部品であって、その加工精度は低く傾き角の
バラツキが大きいため、カーボンブラシ４個々の傾き角
に対応したデータ処理が必要となる。これへの対処につ
いては後述するところである。

よって、モータ２に対し各種環境条件を、例えばデー
タ処理装置32より任意に設定しつつカーボンブラシ４の
摩耗量を連続的に、しかも自動的に測定する場合は、長
時間に亘るブラシの寿命試験も容易に行ない得るもので
ある。

次に本発明による摩耗量測定、即ち、レーザ変位計に
よってカーボンブラシの摩耗量を測定する場合について
説明する。波長λ＝780nmの半導体レーザの投受光角、
即ち、反射角よりカーボンブラシの摩耗量を検出しよう
というものであり、本例でのレーザ変位計はそれ自体が
固定された状態で基準距離（＝焦点位置＝100mm）を基
点として±30mmの範囲内でカーボンブラシの位置が検出
可となっている。

第４図に示すように、レーザ変位計12自体はレンズ系
14,15、半導体レーザ発振器13および検出器16より構成
されるが、これに２段反射鏡17が付加されることで防塵
型のレーザ変位測定装置11が構成されたものとなってい
る。２段反射鏡17が設けられているのは、ブラシホルダ
５の観測穴が小さくカーボンブラシ４の被計測端面の位
置測定が困難であるからであり、投受光角を小さく抑え
た状態でその測定を可能ならしめるためである。半導体
レーザ発振器13からのレーザ光はレンズ系14でビーム径
小の平行光束に変換され、更に２段反射鏡17でその光路
が変更され後は観測窓20を介しカーボンブラシ４の被計
測端面８に照射される一方、被計測端面８からの散乱反
射光は観察窓20、レンズ系15を介し検出器16で検出され
るようになっているものである。その際散乱反射光の照
射レーザ光とのなす角度θは２段反射鏡17でのミラー角
度調整で任意に設定可とされるが、検出器16では被計測
端面８の位置に応じた出力が得られることから、その出
力より被計測端面８の位置、したがって、カーボンブラ
シ４の摩耗量が知れるものである。

一般にレーザ光の投受光角が大なる程に分解能は向上
されるが、ブラシホルダ５の観測穴が小さい場合でも分
解能は多少劣化するも、上記のようにすれば、カーボン
ブラシ４の摩耗量が簡単容易に測定され得るものであ
る。レーザ変位計による場合はまたカーボンブラシ４を
直接測定し得るばかりか、先の場合に必要とされた追尾
制御は不要とされるものである。

第５図は分解能を低下させることなくレーザ変位計に
よってカーボンブラシの摩耗量を測定する場合での例を
示したものである。本例ではレーザ変位測定装置の構成
が第４図に示すものとやや異なっており、レーザ変位計
12の投光側、受光側にそれぞれ平面ミラー18、凸面ミラ
ー19が配されたものとなっている。第４図の場合と同様
投受光角は小さいが、カーボンブラシ４の摩耗に伴う投
受光角の変化は凸面ミラー19で大きな変化として現われ
たうえ検出器16で検出されることから、分解能は低下さ
れることなくカーボンブラシ５の摩耗量が測定されるよ
うになっている。なお、第４図，第５図中破線表示のも
のはカーボンブラシ４が相当摩耗した場合を示す。

さて、ここで測定光軸に対するカーボンブラシ被計測
端面傾き角のバラツキへの対処について説明すれば、一
般的には第２図，第３図で示した光電センサ10では測定
対象物の傾き角のバラツキに対し第６図（ａ）に示す傾
斜部のごとくの変位量（ｌ）−出力（ｖ）特性を示す。
また、第４図，第５図で示したレーザ変位計12の場合に
は直進性の高いレーザ光の反射角を測定することになる
から、その特性は第６図（ｂ）に示す傾斜部のごとくに
なる。測定対象物の傾き角が大きくなれば当然測定不可
能になるが、予め測定許容範囲を設定し管理すれば、そ
のような場合にも容易に対処し得ることになる。

第１図はブラシ寿命試験が考慮された、本発明による
モータのブラシ摩耗量測定方法に係る測定処理の概要フ
ローを示したものである。これによる場合、測定に先立
っては先ず処理〜によってカーボンブラシ被計測端
面の傾き角がチェックされるべく反射型光電センサ自
体、あるいはレーザ変位測定装置が測定光軸方向に移動
され、これより得られる変位量（ｌ）−出力（ｖ）特性
が許容範囲内にあるか否かが判定されるようになってい
る。もしも許容範囲内にないと判定された場合には処理
，が行なわれるが、許容範囲内にあると判定された
場合は処理によってその変位量（ｌ）−出力（ｖ）特
性が記憶されたうえ補正係数、あるいは特性値が算出さ
れるようになっている。処理では他に各種環境条件が
測定条件として設定されるが、この後は処理〜によ
ってモータが実際に稼動せしめられた状態で、カーボン
ブラシの摩耗量が測定されるところとなるものである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明による場合は、これまでに
あっては専ら人手作業によっていたカーボンブラシの摩
耗量測定が連続的、自動っ的に、しかも状態良好にして
測定し得るばかりか、500〜800時間といった長時間に亘
るブラシ寿命試験も容易に行ない得、摩耗量測定結果や
寿命試験結果を生産管理や品質管理に反映させることに
よっては、歩留りが向上されるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ブラシ寿命試験が考慮された、本発明による
モータのブラシ摩耗量測定方法に係る測定処理の概要フ
ロー示す図、第２図，第３図は、同じくブラシ寿命試験
が考慮された、反射型光電センサによるモータのブラシ
摩耗量測定装置の概要構成とその一部拡大図、第４図，
第５図は、それぞれレーザ変位計によってカーボンブラ
シの摩耗量を測定する場合での原理を説明するための
図、第６図（ａ），（ｂ）は、それぞれ反射型光電セン
サ、レーザ変位計の変位量−出力特性を示す図である。 １……試験台、２……モータ、４……カーボンブラシ、
５……ブラシホルダ、10……反射型光電センサ、12……
レーザ変位計、13……半導体レーザ発振器、16……検出
器、17……２段反射鏡、18……平面ミラー、19……凸面
ミラー、21……追尾機構、22……クランパ、24……位置
決め用モータ、25……エンコーダ、31……センサアン
プ、32……データ処理装置、33……モータコントロー
ラ、34……記録装置、35……ディスプレイ装置。

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ブラシホルダ内にコンミンテータ方向に加
   圧された状態で収容されてなるカーボンブラシの摩耗量
   を、位置変位センサとしてのレーザ変位計により連続的
   に自動測定するための方法であって、投受光角が小さく
   抑えられた状態で、カーボンブラシの非コンミテータ側
   端面にレーザ変位計から平行レーザビームを連続的に照
   射する一方、該非コンミテータ側端面からの散乱反射レ
   ーザ光は該レーザ変位計で検出された上、カーボンブラ
   シの摩耗に伴う投受光角の変化から、カーボンブラシの
   摩耗量が測定されるようにしたモータのブラシ摩耗量測
   定方法。
2. 【請求項２】請求項１において、カーボンブラシの摩耗
   量測定に先立っては、カーボンブラシの非コンミテータ
   側端面での傾き角が、レーザ変位計のカーボンブラシ長
   手方向への移動によるスキャンニングにより測定された
   上、カーボンブラシの摩耗量測定に際しては、測定され
   た傾き角に対応して算出された補正係数、あるいは特性
   値にもとづき、カーボンブラシの摩耗量が測定されるモ
   ータのブラシ摩耗量測定方法。
3. 【請求項３】請求項1,2の何れかにおいて、モータに対
   する環境条件、負荷条件および運転稼働条件が任意に変
   更可として設定された状態で、長時間に亘ってカーボン
   ブラシの摩耗量が測定された上、記録表示されるモータ
   のブラシ摩耗量測定方法。
4. 【請求項４】ブラシホルダ内にコンミンテータ方向に加
   圧された状態で収容されてなるカーボンブラシの摩耗量
   を、投受光角の変化から連続的に自動測定するための装
   置であって、投受光角が小さく抑えられた状態で、カー
   ボンブラシの非コンミテータ側端面に平行レーザビーム
   を連続的に照射するとともに、該非コンミテータ側端面
   からの散乱反射レーザ光を検出するためのレーザ変位計
   が、非コンミテータ側端面での傾き角測定時に全体がカ
   ーボンブラシ長手方向に移動可とされた位置変位センサ
   として少なくとも具備されてなるモータのブラシ摩耗量
   測定装置。
5. 【請求項５】請求項４において、レーザ変位計の投光側
   には、光路を変更するための２段反射ミラーが配置され
   ているモータのブラシ摩耗量測定装置。
6. 【請求項６】請求項４において、レーザ変位計の受光側
   には、投受光角の変化を拡大するための凸面ミラーが配
   置されているモータのブラシ摩耗量測定装置。
7. 【請求項７】請求項４〜６の何れかにおいて、モータに
   対する環境条件、負荷条件および運転稼働条件を任意に
   変更可として設定する条件設定手段と、レーザ変位計か
   らの散乱反射レーザ光検出出力にもとづく、カーボンブ
   ラシの摩耗に伴う投受光角の変化から摩耗量測定処理を
   行う摩耗量測定処理手段と、該摩耗量測定処理手段から
   の摩耗量測定結果を長時間に亘って記録表示する記録表
   示手段とが具備されているモータのブラシ摩耗量測定装
   置。