JP4494163B2 - 液体充填レベルの光学的測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には長さ（距離）を無接触で光学的に遠隔測定する技術の分野に関し、特に、サブミリメートル幅の開口部を有する凹所内に充填された液体の充填レベルを測定する方法に関する。

例えば、スピンドルモータに適用される動圧流体軸受においては、最初に運転させる前に、例えば、軸受に油のような液体の潤滑剤を充填する必要がある。その場合、軸受の間隙内に潤滑剤（液体）を充填するレベルは、特に軸受の寿命を左右するものであるため、慎重な判断を要するものである。軸受の間隙の開口部は、潤滑剤を充填し、充填レベルを測定するには非常に小さい寸法であり、サブミリメートルの範囲の寸法である。

そのような動圧流体軸受の１つの好ましい構造として、軸受スリーブにおける回転軸方向の一方側（上側）の端面に、例えば、略円錐形状または略円筒形状で「さら穴」構造となった先細の領域を形成すると共に、他方側（下側）の端面を密閉する構造が知られている。軸受スリーブの内周面と軸となるシャフトの外周面との間には、上記した軸受スリーブにおける「さら穴」構造となった領域により、上側の端面方向に向かって拡大される同心の凹所（空間）が形成される。

そこ（凹所）には、応分の液体の軸受油（潤滑剤）が充填される。この軸受油は、軸受スリーブおよびシャフトの表面を湿潤するが、凹所に充填された軸受油には、空気との境界面の表面にくぼみが形成され、いわゆるメニスカス（細管内の液体の表面が形成する曲面のくぼみ）が形成される。凹所に充填された軸受油は、潤滑剤貯留部（リザーバ）として機能し、軸受油が気化されて減った分がそこから補充される。

軸受スリーブの円錐型内周面とシャフトの外周面との間の凹所は、温度変動によるメニスカスの表面の上下変動を調整する容量部としても機能する。軸受油の体積は、温度変化に対応して変動するため温度上昇に伴い増加する。その体積増加によって液体表面は上昇するので、調整用容量部（凹所）に充填された軸受油の表面も上昇することになる。液体の軸受油には、軸受間隙内の毛細管現象の作用により軸受から漏れ出して軸受スリーブ上部の空間領域に浸入する事態が懸念されるが、凹所の調整容量分に液体の軸受油に作用する凝集力（付着力）も手伝って阻止される。

動圧流体軸受の潤滑剤貯留部内に充填された潤滑剤の充填レベルの測定には、確立された方法が無く一般的に困難であることが知られており、それに加えて、上記したメニスカス（曲面くぼみ）が形成されることから、さらに困難であることが知られている。従って、そのような充填レベルを測定するためには、特別な測定方法が必要である。

一方、一般的な潤滑剤の充填レベルを測定する方法については、従来から光ビームを用いて幾何学的方法で測定する方法が知られている。その公知の方法では、潤滑剤の充填レベルは、平行光のビームを基準面と潤滑剤表面に向けて照射することによって測定する。一般的なリザーバ内の潤滑剤の充填レベルは、平行光のビームの反射光の強度が最大値となった時に幾何学的方法で測定された距離により決定される。

しかしながら、上記した従来の測定方法は、凹所が十分に大きな開口部を有している場合には適した方法であるが、形成される軸受間隙（開口部）が非常に小さい動圧流体軸受では、この従来の方法は良好に機能せず、さらに、数値で最終的な距離値を得ることができないという問題がある。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたもので、寸法が極めて小さいサブミリメートル幅の開口部を有する凹所であっても、その凹所内に充填された液体のレベルを測定でき、正確な充填レベルの値を出力できる方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するため、本発明の液体充填レベルの光学的測定方法は、被測定箇所で反射した光の色収差による色彩(波長の異なる光)を各々の焦点距離に対応づけることにより距離対応値および光強度値を出力する測定センサを用いて、該測定センサから距離対応値および光強度値を出力信号として出力することで、サブミリメートル幅の開口部を有する凹所内の液体充填レベルを光学的に検出する光学的測定方法であって、
測定センサを、液体が収容される凹所の開口部面に沿うように設定された測定経路ｘに沿って液体表面に略平行に移動させることにより、液体の表面からの距離対応値の推移を示す距離対応値推移特性線および光強度の推移を示す光強度推移特性線を得るステップと、
得られた距離対応値推移特性線および光強度推移特性線を組合せて充填された液体の表面までの距離対応値を判定することにより、液体の充填レベルを決定するステップを有することを特徴とする。

本発明の液体充填レベルの光学的測定方法では、光の色彩から距離対応値および光強度値を出力する光センサを用いて距離対応値推移特性線および光強度推移特性線を得て、それらを組合せて充填された液体の表面までの距離対応値を判定するので、寸法が極めて小さいサブミリメートル幅の開口部を有する凹所であっても、その凹所内に充填された液体のレベルを測定でき、正確な充填レベルの値を出力できる。

以下に、図を用いて本発明の実施の形態を説明する。本実施形態は、例えば、スピンドルモータに適用される流体動圧軸受装置について記載するものである。

図１は、本発明の測定方法で測定されるスピンドルモータに適用される流体動圧軸受装置の縦断面図である。
図１において、この軸受装置には、軸受スリーブ２の中で自由に回転しうるように配置された軸となるシャフト１を含んでいる。シャフト１外周および軸受スリーブ２内周の互いに対向する表面の少なくとも一方（図１の場合にはシャフト１の外周表面）には、刻み込まれた任意模様の動圧溝列３を有する円筒領域が設けられる。

軸受スリーブ２には、その下方端面に、リング状のスラストプレート４を受け入れるためのリング状の切欠き部が形成されている。シャフト１に固定されたスラストプレート４は、軸受スリーブ２内のシャフト１と共に上記した切欠き部内で回転する。軸受スリーブ２の下方開口部は、軸受装置内への空気の侵入を防止する蓋５によって密閉されている。

シャフト／スラストプレートと軸受スリーブ／蓋との間に形成される軸受間隙には、例えば、油のような液体の潤滑剤が充填される。シャフト１が回転する際には、前述の動圧溝列３によって一種のポンプ作用が生じ、それが潤滑剤に圧力を発生させるためと、潤滑剤を軸受間隙に分配させるために機能する。

軸受スリーブ２は、その一方（上側）の端面部に、例えば、円錐形状の「さら穴」構造を有する先細領域を備えており、その「さら穴」は、シャフト１の外周面と共に、潤滑剤を収容する潤滑剤貯留部６を形成している。従って潤滑剤貯留部６の最大直径部は、軸受スリーブ２の上側端面の領域となる。

図２は、図１の軸受装置における潤滑剤貯留部を中心とした領域近辺を測定装置（光センサ）と共に示した図である。
軸受装置が最終的に組み立てられると、潤滑剤貯留部６には、図２に示すように潤滑剤７が充填される。ここで、潤滑剤貯留部６内における潤滑剤７の充填レベルは、潤滑剤貯留部６内に毛細管現象による作用の力によって形成される潤滑剤のメニスカス（曲面くぼみ）８に基づいて、光学的な方法によってのみ検査が可能である。

図２および図３を参照して本実施形態の測定方法を説明する。白色光の光出射／センサ９は、潤滑剤貯留部６の開口部で反射された光を垂直に受けるように配置される。図３は、図２の光出射／センサから出力される出力信号を光強度推移特性線および距離対応値推移特性線のグラフ形式で示した図である。

光出射／センサ９から放射された光ビーム１０は、メニスカス８によって画定される潤滑剤７の表面に入射する。メニスカス８の表面で反射された光は、測定装置（光出射／センサ９）の分光計（図示せず）に導入される。そこで得られた光の色から補正テーブルが参照されて焦点の位置、つまり光出射／センサ９と潤滑剤表面８との間の距離対応値ｄが決定される。測定過程の間、光出射／センサ９は、潤滑剤貯留部６の開口部に平行に横方向に設けられた測定経路ｘに沿って移動される。そのとき、光出射／センサ９と潤滑剤表面８との間の距離対応値、および潤滑剤表面８から反射される光の強度が連続的に検知される。

その場合の光出射／センサ９の測定経路ｘの移動に従って連続的に検知された光の強度と距離対応値から、図３に例示されるように、光強度推移特性線１１および距離対応値推移特性線１２が得られる。

ところが、距離対応値推移特性線１２は、潤滑剤のメニスカス８のくぼみの状態から予想されるようには従って変化しておらず、測定経路ｘの移動に従って一方的に低下している。その理由は、光出射／センサ９から放射された光ビーム１０が、図２における軸受スリーブ２の潤滑剤貯留部６の左側壁を形成するテーパ面１３でも、充分に影響を与える重要なレベルで反射されているためである。そのため、メニスカス８の最深部に相当する事実上の液体面は、距離対応値推移特性線１２のみで決定することはできないという問題がある。メニスカス８の表面がその最深点（充填レベルが最少値）を有している場合の測定経路ｘの測定点と同一の測定点における、距離対応値推移特性線１２中の距離対応値ｄを見出さなければならない。

本実施形態によれば、この問題を解決するために、距離対応値推移特性線１２のほかに付加的に光強度推移特性線１１を利用している。光強度推移特性線１１によれば、反射光の強度は、メニスカス８の曲面レベルに相反的に変化しており、光ビーム１０がメニスカス８の表面から光出射／センサ９に正確に垂直に反射されて戻ってくる場合（つまりメニスカスの最深部に相当する測定点）が最大になる、ということが分かる。図３では、光強度最大値Ｉｍａｘと示された測定点が、メニスカスの最深点を特定していることになる。図３では、光強度最大値Ｉｍａｘに対応する横方向位置Ｘｍａｘが、距離対応値推移特性線１２に重ねられている。距離対応値推移特性線１２において、この横方向位置Ｘｍａｘの所に相当する距離対応値ｄＯｅｌが潤滑剤の所望の充填レベルに対応する値となる。

充填レベルの最終的な数値は、測定された距離対応値ｄと、基準値（例えば、軸受スリーブ２の上側の端面１４を基準面として光出射／センサ９と基準面との間の距離を測定しておきその距離対応値）との比較によって得ることができる。

ここで、本実施形態の光出射／センサ９について、さらに説明する。本実施形態は、上記したように非接触で、遠隔場所の長さの測定技術の方法、とくに光の波長に依存し、つまり被測定凹所を色彩の符号化に基づいて光学的に測定する方法を基本とするものである。ここで利用する色彩による測定方法自体は公知である。

この測定方法を実施する場合には、例えば、ＦＲＴ社の光学式マイクロメータ（光学式長さ測定器）ＦＲＴ−ＣＷＬを用いて実施される。ＦＲＴ−ＣＷＬには、いわゆる白色光の光センサが用いられている。この光センサは、輪郭や、粗さ、局部形状などの測定に適している。被測定物（本実施形態では液体）の表面までの距離（長さ）を決定するために、光源からの光がその被測定物の表面に照射される。その照射光は、光ファイバケーブルを介して導かれ、焦点合わせされる。

照射光は、大きな色収差を有する受光光学系により、扇状に拡散されて被測定物表面上に投射（入射）される。照射光を色収差により扇状に拡散させて投射する場合、色収差により拡散された種々の色彩の各色光(波長の異なる光)が、その各色彩毎に異なる焦点の位置、つまり種々の各色光毎に異なる焦点距離（高さ、長さ）の点で垂直になるように光が投射される。

この場合、この投射された各色光毎の焦点距離は、色収差があるため各色光毎の波長に強く依存する。そのため、ある波長の色彩の光の焦点領域内に光学的に反射する表面を存在させると、その光学的な表面上に焦点がある波長の色彩光のみが明瞭に結像される。
逆に反射光においても、この波長の色彩光のみが明瞭に光ファイバの終端に結像されて、光ファイバケーブルに入射される（共焦点の原理）。その場合に、その波長の色彩光が、被測定物の表面において拡散的に散乱されるように反射されるか、鏡のように方向が揃えられて反射されるかは重要ではない。

被測定物の表面から反射された各彩色光は、同一の光学系および光ファイバケーブルを介して分光計に導入される。分光計では、検知された各色彩光の色から、補正テーブルが参照されて焦点の位置、つまり、被測定物の表面の位置（距離）が決定される。この場合、光出射／センサは、能動的な調整を行うことなく動作できるので、構造物の表面を、非常に迅速に測定することができる。

本実施形態の白色光の光出射／センサ９は、出力信号として距離対応値および光強度値を出力する。本実施形態によれば、光出射／センサ９は、液体を収容する凹所６の開口部面に沿い、液体表面に対してほぼ平行に移動される。距離対応値および光強度値が、光出射／センサ９が移動している間に連続的に検出され、それにより液体表面についての距離対応値推移特性線１２および光強度推移特性線１１が得られる。本実施形態では、距離対応値推移特性線１２および光強度推移特性線１１を組み合わせて判定することにより液体の実際の充填レベルを決定することができる。

つまり本実施形態では、光強度推移特性線１１がその最大値を持つ測定点（横方向位置Ｘｍａｘ）と同じ測定点における、距離対応値推移特性線１２中の距離対応値ｄＯｅｌが充填レベルに対応する値として決定される。充填レベルの最終的な数値（距離値）を決定するためには、測定された距離対応値が基準面までの距離対応値と比較され、その比較結果から液体面の充填レベルが決定される。

本実施形態の液体充填レベルの光学的測定方法は、被測定箇所で反射した光の色収差による色彩を各々の焦点距離に対応づけることにより距離対応値および光強度値を出力する光出射／センサ９を用いて、その光出射／センサ９から距離対応値および光強度値を出力信号として出力することで、サブミリメートル幅の開口部を有する凹所６内の液体充填レベルを光学的に検出する光学的測定方法であって、光出射／センサ９を、液体が収容される凹所６の開口部面に沿うように設定された測定経路ｘに沿って液体表面に略平行に移動させることにより、液体の表面からの距離対応値の推移を示す距離対応値推移特性線１２および光強度の推移を示す光強度推移特性線１１を得るステップと、得られた距離対応値推移特性線１２および光強度推移特性線１１を組合せて充填された液体の表面までの距離対応値を判定することにより、液体の充填レベルを決定するステップを有している。

また、本実施形態の液体充填レベルの光学的測定方法では、液体充填レベルは、光強度推移特性線１１の最大値が得られた測定経路ｘの測定点と同じ測定点の距離対応値推移特性線１２の距離対応値により決定されており、さらに、測定された距離対応値が基準面までの距離対応値と比較され、その比較結果から液面のレベルが決定されている。

このように本実施形態の液体充填レベルの光学的測定方法では、光の色彩から距離対応値および光強度値を出力する光出射／センサ９を用いて距離対応値推移特性線１２および光強度推移特性線１１を得て、それらを組合せて充填された液体の表面までの距離の値を判定するので、寸法が極めて小さいサブミリメートル幅の開口部を有する凹所であっても、その凹所内に充填された液体のレベルを測定でき、正確な充填レベルの値を出力できる。

本発明の測定方法で測定されるスピンドルモータに適用される流体動圧軸受装置の縦断面図である。 図１の軸受装置における潤滑剤貯留部を中心とした領域近辺を測定装置（光出射／センサ）と共に示した図である。 図２の光出射／センサから出力される出力信号を光強度推移特性線および距離対応値推移特性線のグラフ形式で示した図である。

符号の説明

１ シャフト
２ 軸受スリーブ
３ 動圧溝列
４ スラストプレート
５ 蓋
６ 潤滑剤貯留部（リザーバ、凹所）
７ 潤滑剤
８ メニスカス
９ 光出射／センサ
１０ 光ビーム
１１ 光強度推移特性線
１２ 距離対応値推移特性線
１３ テーパ面
１４ 端面

Claims (3)

1. 被測定箇所で反射した光の色収差による色彩を各々の焦点距離に対応づけることにより距離対応値および光強度値を出力する測定センサを用いて、該測定センサから距離対応値および光強度値を出力信号として出力することで、サブミリメートル幅の開口部を有する凹所内の液体充填レベルを光学的に検出する光学的測定方法であって、
   前記測定センサを、液体が収容される凹所の開口部面に沿うように設定された測定経路ｘに沿って液体表面に略平行に移動させることにより、前記液体の表面からの距離対応値の推移を示す距離対応値推移特性線および光強度の推移を示す光強度推移特性線を得るステップと、
   得られた距離対応値推移特性線および光強度推移特性線を組合せて充填された液体の表面までの距離対応値を判定することにより、液体の充填レベルを決定するステップ
   を有することを特徴とする液体充填レベルの光学的測定方法。
2. 前記液体充填レベルは、前記光強度推移特性線の最大値が得られた測定経路ｘの測定点と同じ測定点の距離対応値推移特性線の距離対応値により決定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体充填レベルの光学的測定方法。
3. 前記液体充填レベルは、測定された距離対応値が基準面までの距離対応値と比較され、その比較結果から液面のレベルが決定される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の液体充填レベルの光学的測定方法。

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