JP5288320B2 - 高速回転体の回転バランス計測装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、高速回転体のバランス修正量とその角度を計測する回転バランス計測装置及び方法に関する。

車両用過給機のような高速回転体の回転バランス計測及びその修正手段として、例えば、特許文献１〜３が既に提案されている。

特許文献１の「高速回転機器のバランス調整方法及びその装置」は、高速回転機器のケーシングの振動等による影響を低減し、高速回転時のバランス調整を容易にすることを目的とする。
そのため、この発明は、図１０に示すように、支持ばね５２によって支持される剛性台５３に、バランス調整対象の高速回転機器５４を搭載し、高速回転機器の回転による剛性台５３の共振回転数近傍で剛性台の振動量を検出することによって、バランス調整を行ない、剛性台５３と高速回転機器５４とを総合した状態で共振させ、感度を高めるとともに、高速回転機器の個体差を吸収するものである。

特許文献２の「過給機の高速バランス修正装置とその方法」は、検査データの再現性と修正精度を向上し、高速バランスの修正回数を減少でき、生産台数の向上を図ることを目的とする。
そのため、この発明の装置は、図１１に示すように、過給機６１の加速度をピックアップしかつ磁石を有する加速度ピックアップ６５と、コンプレッサホイール６４の高速回転時のアンバランス量を検出する回転検出器６６と、これらの検出器から検出された入力信号に基づき演算する演算器６７と、タービン車室６２を取付けるタービン車室取付板６３を有した振動台６８とを備え、加速度ピックアップを振動台のタービン車室取付板に取付けたものである。

特許文献３の「高速回転体のバランス修正方法」は、これまでのバランスマシンを用いて高精度で再現性の高いバランス修正を行うことを目的とする。
そのため、この発明は、図１２に示すように、バランス修正用回転軸７１に高速回転体７２を嵌合固定し、バランスマシン上で高速回転体７２のアンバランス量を求めてバランス修正するに際し、バランス修正用回転軸７１に嵌合固定する高速回転体７２の取付位相を変えて少なくとも４回以上アンバランス量の計測を行い、このバランス修正用回転軸７１の見掛上の回転中心Ｏ_１を求め、このバランス修正用回転軸１の見掛上の回転中心Ｏ_１に対して高速回転体７２のアンバランス量を求めてバランス修正するものである。
これにより、単体ではバランス修正が難しいバランス修正用回転軸の見掛上の回転中心に対して高速回転体のアンバランス量を求めてバランス修正することで、高精度で再現性の高いバランス修正ができるようになる。

特開平６−８２３２８号公報、「高速回転機器のバランス調整方法及びその装置」 特開２００２−３９９０４号公報、「過給機の高速バランス修正装置とその方法」 特開２００４−１５０９８６号公報、「高速回転体のバランス修正方法」

高速回転体の回転バランス計測では、アンバランス量を求めるために、高速回転体（例えば過給機）の加速度を検出する加速度センサと、シャフト（回転軸）の回転数を計測する回転検出センサの２種類のセンサを一般的に備える。

図１は従来の回転バランス計測の模式図、図２は従来の回転バランス計測器の構成図、図３は従来の手段による回転角と加速度の関係図、図４は従来の手段による回転数（回転速度）と加速度の関係図である。

従来の回転バランス計測では、例えば、図１に示すように、シャフトの側面または端面に回転センサ用のマーカをペイントし、これを光ピックアップ（光センサ）で検出している。
加速度信号は、回転角とは無関係に内部のサンプリングパルスに対応して加速度センサによって計測される。
回転センサは、マーカを光ピックアップで検出し１回転毎に１個のパルスを発生させる。

図２の演算処理部では、パルス間の所要時間を計測し、回転数（回転速度）を算出する。
また、これと同時に、図３に示すように、パルス間の所要時間を所定数に分割し（例えば３６０に分割すれば、回転角１度に相当する）、加速度センサで計測した加速度信号と突き合わせてアンバランスの大きさと位置（角度）を求めている。なお、この図において、細線は基準信号、太線は加速度信号である。

また、図４のように、算出した回転数を基に、回転数毎の加速度のピーク値をトラッキングすることで、回転体のバランス状態を把握しバランス修正の要否を判断する。
バランス修正が必要と判断された時、図２の演算処理部で所定の修正回転数における回転角（方位）と加速度の関係データから修正量（切削量）と修正箇所（方位）を算出し、その結果に基づきバランス修正（加工）を行っている。

しかし、上述した従来の回転バランス計測には、以下の問題点があった。
（１） 光ピックアップを使った回転検出器では、１回転で１パルスの信号から角度を概算（ｎ分割）で算出しているために、修正箇所（方位）の精度が悪い。
（２） 角度（方位）と加速度センサ信号は同期していないので、計算で出した方位と加速度データを突き合せる際に、更に誤差が重畳することになる。
（３） 光ピックアップ用に回転軸にマーカペイントを施す必要があり煩雑である。
また、作業途中でペイント部に打ちキズをつけると、ペンキの剥離部で目的外のパルスを発生させ、誤った計算結果となってしまう。
（４） 回転体の高速化が進むと、光ピックアップを使った回転検出器では応答速度の限界により、位相遅れが大きくなり更に誤差が大きくなってしまう。

上述した問題点のため、従来の回転バランス計測では、回転速度が３０万ｒｐｍを超え、応答速度が数十ｋＨｚ（例えば約３０ｋＨｚ以上）に達する高速回転体（例えば車両過給機）の回転を計測する場合に、回転検出器の遅れ（検出遅れ）が大きく（例えば１０〜１５度以上）、アンバランス修正の精度に大きく影響をおよぼす問題点があった。
また、工程の途中でペイントが剥れたりすると誤検出したり、ペイント作業が煩雑であったりしている。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、回転速度が３０万ｒｐｍを超える場合でも、角度計測の検出遅れが少なく、角度と加速度の位相のずれが少なく、修正箇所の角度を正確に検出でき、ペンキ剥離等による誤動作が本質的に生じない高速回転体の回転バランス計測装置及び方法を提供することにある。

本発明によれば、軸端面がＮ極とＳ極に２分して磁化された回転軸を有する高速回転体を高速回転可能に支持する回転支持体と、
高速回転体の高速回転時に前記回転支持体の加速度を検出する加速度センサと、
前記軸端面に近接して設けられ前記回転軸の回転により正弦波信号と余弦波信号を出力する磁気センサと、
前記正弦波信号と余弦波信号から回転軸の回転角度を検出する回転角検出器と、
前記正弦波信号と余弦波信号の差から基準点パルス信号を生成するゼロ角検出器と、
前記検出された加速度と回転角度から高速回転体のバランス修正量とその角度を演算する演算処理装置とを備え、
前記回転角検出器は、正弦波信号と余弦波信号から回転角度をアブソリュート信号とインクリメンタル信号で出力するレゾルバ／デジタル変換器であり、
前記演算処理装置は、前記検出された加速度と回転角度のインクリメンタル信号から、回転速度と高速回転体のバランス修正量とその角度を演算して、バランス修正量とその角度をバランス修正加工部に出力し、かつ、前記検出された回転角度のアブソリュート信号から、回転軸の検出位置をバランス修正加工部に出力し、バランス修正に用いる、ことを特徴とする高速回転体の回転バランス計測装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記磁気センサは、前記軸端面に対向する面内で直交して配置された２つの磁気抵抗器を有する。

また本発明によれば、高速回転体の回転軸の軸端面をＮ極とＳ極に２分して磁化し、
前記高速回転体を回転支持体により高速回転可能に支持し、
前記高速回転体を高速回転して加速度センサにより回転支持体の加速度を検出し、
同時に、前記軸端面に近接して設けられた磁気センサにより正弦波信号と余弦波信号を出力させ、
前記正弦波信号と余弦波信号から回転角検出器により回転軸の回転角度を検出し、
ゼロ角検出器により、前記正弦波信号と余弦波信号の差から基準点パルス信号を生成し、
レゾルバ／デジタル変換器により、前記正弦波信号と余弦波信号から回転角度をアブソリュート信号とインクリメンタル信号で出力し、
演算処理装置により、前記検出された加速度と回転角度のインクリメンタル信号から、回転速度と高速回転体のバランス修正量とその角度を演算して、バランス修正量とその角度をバランス修正加工部に出力し、かつ、前記検出された回転角度のアブソリュート信号から、回転軸の検出位置をバランス修正加工部に出力し、バランス修正に用いる、ことを特徴とする高速回転体の回転バランス計測方法が提供される。

上記本発明の装置及び方法によれば、高速回転体の回転軸の軸端面をＮ極とＳ極に２分して磁化し、軸端面に近接して設けられた磁気センサにより回転軸の回転を検出するので、光ピックアップのように検出遅れがなく、回転速度が３０万ｒｐｍを超える場合でも、角度計測の検出遅れを少なくできる。

また、磁気センサにより正弦波信号と余弦波信号を出力し、この正弦波信号と余弦波信号から回転角検出器により回転軸の回転角度を検出するので、回転角度を案分でなく正確に演算で求めることができる。また、ペンキ剥離等による誤動作が本質的に生じない。

さらに、回転支持体の加速度を加速度センサで検出し、同時に、磁気センサにより検出遅れなしに角度計測するので、角度と加速度の位相のずれが少なく、修正箇所の角度を正確に検出できる。
従って、角度に同期した加速度を正確の計測することができ、アンバランス計測の精度を向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図５は、本発明による回転バランス計測の模式図、図６は本発明による回転バランス計測装置の構成図である。
図５、図６に示すように、本発明の回転バランス計測装置は、回転支持体１２、加速度センサ１４、磁気センサ１６、回転角検出器１８、および演算処理装置２０を備える。

本発明では、高速回転体１の回転軸２の軸端面２ａを予めＮ極とＳ極に２分して磁化しておく。高速回転体１は、例えば車両用過給機のロータであるが、本発明はこれに限定されず、回転バランスの修正が必要なモータ類、クランクシャフト、タービン等であってもよい。

回転支持体１２は、例えば車両用過給機のハウジングであり、高速回転体を高速回転可能に支持する。
加速度センサ１４は、回転支持体１２に取り付けられ、高速回転体の高速回転時に回転支持体１２の加速度を検出する。検出した加速度信号は、増幅器１５を介して演算処理装置２０に入力される。

図７は磁気センサ１６の出力信号図である。この図において、原点を通る曲線が正弦波信号、これと位相が９０°ずれた曲線が余弦波信号である。
磁気センサ１６は、高速回転体１の軸端面２に近接して設けられ、回転軸の回転により正弦波信号と余弦波信号を出力する。この磁気センサ１６は、軸端面２ａに対向する面内で直交して配置された２つの磁気抵抗器（図示せず）を有する。
軸端面２ａのＮ極とＳ極で形成される磁界が回転すると磁気抵抗器の抵抗値は変化する。その結果、磁気センサ１６は、この図に示すように、正弦波信号と余弦波信号を出力する。

図８は回転角検出器１８の出力信号図である。
回転角検出器１８は、磁気センサ１６の出力（２つの正弦波信号）から回転軸２の回転角度を検出する。
回転角検出器１８は、好ましくはレゾルバ／デジタル変換器（Ｒ／Ｄ変換器）であり、正弦波信号と余弦波信号から回転角度をインクリメンタル信号（Ａ）とアブソリュート信号（Ｂ）で出力するようになっている。

演算処理装置２０は、加速度センサ１４で検出された加速度信号と回転角検出器１８から出力された回転角度（インクリメンタル信号：出力１）から、回転速度と高速回転体のバランス修正量とその角度を演算する。演算した修正量、修正方位は図示しないバランス修正加工部に出力される。
また、回転角検出器１８から出力された回転角度（アブソリュート信号：出力２）から、回転軸の検出位置（ワークの方位）もバランス修正加工部に出力され、バランス修正に用いることができる。

図９は、ゼロ角検出器の作動説明図である。
本発明の回転バランス計測装置は、更にゼロ角検出器１９を備える。このゼロ角検出器１９は例えば差動コンパレータであり、正弦波信号と余弦波信号（Ａ相とＢ相）の差から基準点パルス信号（Ｚ相）を生成する。

上述した装置を用い、本発明の方法では、高速回転体１の回転軸２の軸端面２ａをＮ極とＳ極に２分して磁化し、高速回転体１を回転支持体１２により高速回転可能に支持し、高速回転体１を高速回転して加速度センサ１４により回転支持体１２の加速度を検出し、同時に、軸端面２ａに近接して設けられた磁気センサ１６により正弦波信号と余弦波信号を出力させる。
この正弦波信号と余弦波信号から回転角検出器１８により回転軸２の回転角度を検出し、検出された加速度と回転角度から演算処理装置２０により高速回転体のバランス修正量とその角度を演算する。

以下、本発明の実施例を説明する。
アンバランスによって発生する振動は、加速度センサ１４によって計測する。
予め回転軸端２ａをＳ／Ｎ極に磁化させておき、これを磁気抵抗を使った磁気センサ１６を用いて回転信号を計測する。
磁気センサ１６にはＸ軸／Ｙ軸方向に垂直に配置した磁気抵抗器によって構成された磁気センサを用いる。
磁化された軸２が回転することで、図７に示すような正弦波信号と余弦波信号を得ることができる。

［Ｒ／Ｄ変換器１８：レゾルバ（シンクロ）デジタル変換器］
Ｒ／Ｄ変換器１８により、磁気センサ１６の出力信号（正弦波と余弦波）を回転角度信号に変換する。
Ｒ／Ｄ変換器１８は、図８に示すインクリメンタルモード（Ａ）とアブソリュートモード（Ｂ）の２種類の出力形態を持つ。
演算処理装置２０によるバランス計測ではインクリメンタルモード（Ａ）を用い、このパルス信号をＡＤサンプリングパルスとして使い、必要な分解能を持って軸の回転角度毎の加速度データを入力する。
バランス修正をするときはアブソリュートモード（Ｂ）とし、角度信号を加工の位置（方位）決めに用いる。
例えば、Ｒ／Ｄ変換器１８の変換分解能を１０ビット（１０２４）とすると、０．３５°（＝３６０／１０２４）となり、１°以下の計測が可能となる。

ゼロ角検出器１９：Ｒ／Ｄ変換器１８をインクリメンタルモードで使用するとき、基準点（ゼロ角度）を知る必要があるため、磁気センサ１６の出力信号（正弦波＝Ａ相、余弦波＝Ｂ相）を使い、図９Ｂに示すように、正弦波信号と余弦波信号の差から基準点パルス信号（Ｚ相）を生成することで、基準点パルス信号（＝Ｚ相）を生成することができる。

上述した本発明の装置及び方法によれば、高速回転体１の回転軸２の軸端面２ａをＮ極とＳ極に２分して磁化し、軸端面２ａに近接して設けられた磁気センサ１６により回転軸２の回転を検出するので、光ピックアップのように検出遅れがなく、回転速度が３０万ｒｐｍを超える場合でも、角度計測の検出遅れを少なくできる。

また、磁気センサ１６により正弦波信号と余弦波信号を出力し、この正弦波信号と余弦波信号から回転角検出器１８により回転軸２の回転角度を検出するので、回転角度を案分でなく正確に演算で求めることができる。また、ペンキ剥離等による誤動作が本質的に生じない。

さらに、回転支持体１の加速度を加速度センサ１４で検出し、同時に、磁気センサ１６により検出遅れなしに角度計測するので、角度と加速度の位相のずれが少なく、修正箇所の角度を正確に検出できる。
従って、角度に同期した加速度を正確の計測することができ、アンバランス計測の精度を向上させることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

従来の回転バランス計測の模式図である。 従来の回転バランス計測器の構成図である。 従来の手段による回転角と加速度の関係図である。 従来の手段による回転数（回転速度）と加速度の関係図である。 本発明による回転バランス計測の模式図である。 本発明による回転バランス計測装置の構成図である。 磁気センサ１６の出力信号図である。 回転角検出器１８の出力信号図である。 ゼロ角検出器の作動説明図である。 特許文献１の装置の模式図である。 特許文献２の装置の模式図である。 特許文献３の方法の模式図である。

符号の説明

１ 高速回転体、２ 回転軸、２ａ 軸端面、
１２ 回転支持体、１４ 加速度センサ、
１５ 増幅器、１６ 磁気センサ、１８ 回転角検出器、
１９ ゼロ角検出器、２０ 演算処理装置

Claims (3)

1. 軸端面がＮ極とＳ極に２分して磁化された回転軸を有する高速回転体を高速回転可能に支持する回転支持体と、
   高速回転体の高速回転時に前記回転支持体の加速度を検出する加速度センサと、
   前記軸端面に近接して設けられ前記回転軸の回転により正弦波信号と余弦波信号を出力する磁気センサと、
   前記正弦波信号と余弦波信号から回転軸の回転角度を検出する回転角検出器と、
   前記正弦波信号と余弦波信号の差から基準点パルス信号を生成するゼロ角検出器と、
   前記検出された加速度と回転角度から高速回転体のバランス修正量とその角度を演算する演算処理装置とを備え、
   前記回転角検出器は、正弦波信号と余弦波信号から回転角度をアブソリュート信号とインクリメンタル信号で出力するレゾルバ／デジタル変換器であり、
   前記演算処理装置は、前記検出された加速度と回転角度のインクリメンタル信号から、回転速度と高速回転体のバランス修正量とその角度を演算して、バランス修正量とその角度をバランス修正加工部に出力し、かつ、前記検出された回転角度のアブソリュート信号から、回転軸の検出位置をバランス修正加工部に出力し、バランス修正に用いる、ことを特徴とする高速回転体の回転バランス計測装置。
2. 前記磁気センサは、前記軸端面に対向する面内で直交して配置された２つの磁気抵抗器を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の高速回転体の回転バランス計測装置。
3. 高速回転体の回転軸の軸端面をＮ極とＳ極に２分して磁化し、
   前記高速回転体を回転支持体により高速回転可能に支持し、
   前記高速回転体を高速回転して加速度センサにより回転支持体の加速度を検出し、
   同時に、前記軸端面に近接して設けられた磁気センサにより正弦波信号と余弦波信号を出力させ、
   前記正弦波信号と余弦波信号から回転角検出器により回転軸の回転角度を検出し、
   ゼロ角検出器により、前記正弦波信号と余弦波信号の差から基準点パルス信号を生成し、
   レゾルバ／デジタル変換器により、前記正弦波信号と余弦波信号から回転角度をアブソリュート信号とインクリメンタル信号で出力し、
   演算処理装置により、前記検出された加速度と回転角度のインクリメンタル信号から、回転速度と高速回転体のバランス修正量とその角度を演算して、バランス修正量とその角度をバランス修正加工部に出力し、かつ、前記検出された回転角度のアブソリュート信号から、回転軸の検出位置をバランス修正加工部に出力し、バランス修正に用いる、ことを特徴とする高速回転体の回転バランス計測方法。
   

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