JP5498145B2 - 潤滑油劣化モニター装置 - Google Patents

Description

本発明は、潤滑油劣化モニター装置に関する。詳しくは、あらゆる潤滑油の劣化度合いを最もよく判定するべく潤滑油を透過する光を最適化し、その光を検知することによって潤滑油の劣化度を判定する装置に関する。

自動車用潤滑油や工業用潤滑油等、各種装置、各種機関、機械の駆動部等に用いられる潤滑油の劣化度合いを正確にかつ連続的にモニターすることは、必要な時期の潤滑油の交換が可能になるばかりでなく、計画的に潤滑油の交換を行うことを可能にする。このことは、潤滑油資源の省資源になるばかりか、機械寿命を延長することに繋がる。

潤滑油の劣化度を判定する場合、一般的には、使用中の潤滑油を採取し、別な実験室で色、粘度、酸価、きょう雑物量などの各種物性を測定することによって行われる。これらの方法では、潤滑油の劣化度を総合的に判断することが可能であるが、多くの時間と人手を要するため、産業上重要な装置または高価な装置においてのみ行われているのが現状である。一方、一般に存在する自動車を含む数多くの機械には、このような対応が行われていないのが実情であり、これらの多くの機械では、これまでの経験から駆動時間や走行距離に応じて劣化状況を想定し、または簡単な目視により潤滑油の交換が行われているのが現状である。

これらの問題を解決するには、潤滑油を採取せずに、劣化度を使用中にモニターすることが必要になる。これを実現するために、これまでに各種の方法が提案されている。透過光または特定波長の光吸収による方法、赤外線または紫外線の吸収による方法、電気的特性たとえば静電容量、電気抵抗、誘電率、または電極の起電力測定による方法、粘度または密度等物理特性による方法、粒子カウンターまたは光透過量から不溶分を計測する方法など、多くの方法が提案されている。しかしながら、いずれもが劣化判定の指標としての精度や再現性に問題があるため、あるいはこれらに問題がなくても装置が高価格であることなどの理由により、広く使用されるに至っていない。多くの機械に適用するためには、劣化判定の指標としての精度と価格の両立が必須である。

多くの劣化モニターの中で精度と価格の両立に最も可能性がある装置としては、透過光の測定による方法および電気的特性の測定による方法が挙げられる。その他の方法では、高価格であるか、もしくは精度に問題がある。電気的特性による方法は、装置の構造が簡単であるため、価格を低く抑えられ、大きな魅力がある。ただし、この方法では、測定値が測定環境によってばらつくという問題があるほか、工業用潤滑油においては使用初期から中期までの測定値の変化が小さいという欠点を有する。

一方、光による色の判定法は、潤滑油の色変化が使用時間と共に必ず少しずつ変化していき、かつ測定値そのものの測定精度が極めて高いという特徴がある。この方法を利用して、可視光の透過率を測定して、劣化判定を行う単純な装置が市販されている。しかしながら、この単純な方法では、潤滑油の使用中に透過率が変化しても、潤滑油の種類によって劣化度と透過率が直線関係にはないため、劣化度の判定を一義的に決められないという欠点を有する。

潤滑油の種類によって着色傾向が異なっていることに対しての対策としては、透過光をＲＧＢに分けて測定するという方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この方法では、潤滑油の種類によって劣化パターンが異なることから油種毎の対応が必要となり、汎用的な劣化度の判定が困難となる。また、透過光をＲＧＢに分けて測定するため、光源またはセンサーが３種類必要となる。

また、透過光の三刺激値の一つのＹおよび三刺激値から求めた色度座標ｘ、ｙと、あらかじめ潤滑油の種類によって設定した定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとから潤滑油の劣化を判定する評点を計算で求めるという方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、この方法では、あらかじめ油種毎に４つの定数を求めておくことが必要となるため汎用性に問題が残る。また、センサーが３つ必要なことから、価格的にも限界がある。

波長の異なる少なくとも２種の単色光光源を用い、２波長間の光吸収損失差でオイルの劣化度を判定する装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、この方法では、油種毎に最適の単色光が異なるため、多くの油種に対応するには信頼性に問題が残る。

特開平６−３４５４１号公報 特開平０５−２２３７２９号公報 特開平１１−２３５０９７号公報

上述のように、従来の潤滑油劣化モニター装置では、広い油種及び使用環境に対応することが求められており、安価に提供することができ、且つ簡易に測定することが求められていた。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであり、広い油種および広い使用環境に対応可能であり、かつ安価な提供が可能であり、しかも簡易な測定が可能である画期的な潤滑油劣化モニター装置を提供することを目的とする。

ここで、本発明者らは、白色ＬＥＤを発光素子に使用することで、より簡易に潤滑油の劣化を把握できることを見出すに至った。白色ＬＥＤを光源に使用すると、装置そのものがきわめてシンプルなものとなり、より小型、かつより低価格な潤滑油劣化モニター装置の実現が可能となるためである。

現在、白色ＬＥＤには３つのタイプが存在する。すなわち、青色ＬＥＤと黄色発光蛍光体を組み合わせたもの、近紫外ＬＥＤと赤・緑・青の３色を発光する蛍光体を組み合わせたもの、および赤・緑・青の３色のＬＥＤを組み合わせたものである。これら三つのいずれのタイプでも使用可能であるが、白色ＬＥＤの中でも、本発明者らは、本発明に係る潤滑油劣化モニター装置として、青色ＬＥＤに黄色発光蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤが好適であることを見出した。

青色ＬＥＤに黄色発光蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤを発光素子に利用することで潤滑油の劣化をより簡易に計測できるのは、以下の理由による。すなわち、潤滑油の可視光の透過度は短波長側で小さく、長波長側で大きいという特徴を持っている。一方、潤滑油の劣化に伴う透過度の低下の度合いは短波長側が大きく、長波長側が小さい傾向を示す。このため、可視光の短波長側の４７０ｎｍ付近と中央の５７０ｎｍ付近に強度のピークを持ち、６００ｎｍ以上の高波長域にはピークを持たない白色ＬＥＤは、潤滑油の劣化に伴う光の透過度の変化の大きい波長領域を選択的に測定できることになる。

上述のように、可視域全域で測定する場合は、透過度が大きくかつ変化の小さい長波長側の情報が主になるため、潤滑油の劣化に伴う光の透過度の変化の度合いが小さくなってしまう。そこで、特開平６−３４５４１や特許第３２６６６３７に開示されている、ＲＧＢの三つの単色光を測定する方法が開発された。しかしながら、このように可視域を単色光に分けて測定した場合、それを選択もしくは適当な式で演算するということが必要となる。また、単色光で測定したこれらの方法では、本質的に選択した光の波長のみの情報となり、潤滑油の多くの種類あるいは使用状況への対応が難しくなると推察される。

以上より、本発明に係る潤滑油劣化モニター装置は、単一の光源から発生した可視光を潤滑油とフィルターを透過させ、単一の受光素子により電気信号に変えて潤滑油の劣化を検知する潤滑油劣化モニター装置において、光源は、白色ＬＥＤであることを特徴とする。

この潤滑油劣化モニター装置によれば、単一の光源として白色ＬＥＤを用い、単一の受光素子で受光するため、装置そのものがきわめてシンプルなものとなり、より小型、かつより低価格な装置とすることが可能となる。光源が白色ＬＥＤであるため、潤滑油の劣化に伴う光の透過度の変化の大きい波長領域を選択的に測定できることが可能となる。また、白色ＬＥＤを用いることによって、ＲＧＢの三つの単色光を測定する場合に比して、潤滑油の多くの種類あるいは使用状況への対応が可能となる。以上によって、広い油種および広い使用環境に対応可能であり、かつ安価な提供が可能であり、しかも簡易な測定が可能となる。

また、本発明に係る潤滑油劣化モニター装置において、青色ＬＥＤと黄色発光蛍光体を組み合わせたもの、近紫外ＬＥＤと赤・緑・青の３色を発光する蛍光体を組み合わせたもの、および赤・緑・青の３色のＬＥＤを組み合わせたもの、などいずれのタイプでもよいが白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤに黄色発光蛍光体を組み合わせたものであることが好ましい。

更に、本発明者らは、本発明の装置を使用し、潤滑油の透過度の変化を測定した結果、潤滑油の寿命とよく一致する結果を得ることができた。しかしながら、多くのモニター機を試作した結果、個体差が生じることが明らかになった。これは、白色ＬＥＤの性能差によるものであって、したがって、白色ＬＥＤを選別する必要があることが明らかとなった。通常の発光体としての白色ＬＥＤを使用する場合には、１個１個の微妙な発色性の違いは問題にならない。しかしながら、本装置では、白色ＬＥＤを１個１個、個別に使用する装置であり、また、その結果によって、潤滑油の寿命を判定するものである。かかる装置においては白色ＬＥＤの個体差は使用上最小限に限られるべきことを見出した。

本発明者らは、鋭意研究の結果、波長４００〜５００ｎｍのピーク発光量に対し、波長５００〜６００ｎｍのピーク発光量が２０〜８０％、好ましくは２５〜７０％、より好ましくは３０〜６０％となることを特徴とする白色ＬＥＤを用いることにより、潤滑油劣化モニター装置の個体差を最小限にとどめられることを見出した。なお、上記個体差を持つ白色ＬＥＤをそのまま製品化した場合に、それでも製品にばらつきが生じる可能性がある。このため、上記個体差の範囲内であっても最終製品では感度の補正を行うことで、一層性能を高めることが可能となる。

本発明によれば、広い油種および広い使用環境に対応可能であり、かつ安価な提供が可能であり、しかも簡易な測定が可能となる。

本発明の実施形態に係る潤滑油劣化モニター装置の構成を示す図である。 実験例１の結果を示す線図である。 実験例２の結果を示す線図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る潤滑油劣化モニター装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

まず、本発明の実施形態の潤滑油劣化モニター装置１００の構成を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る潤滑油劣化モニター装置１００の構成を示す図である。図１に示されるように、潤滑油劣化モニター装置１００は、検査対象となる潤滑油１に可視光を照射する単一の光源である白色ＬＥＤ３と、潤滑油１を透過した可視光を通過させる赤外線カット用フィルター４と、潤滑油１及び赤外線カット用フィルター４を透過した可視光を受光して検出する単一の受光素子５と、受光素子５から出力される電気信号を処理するＡＤＣ／ＭＰＵ６と、ＡＤＣ／ＭＰＵ６で処理されたデータを表示する表示器７及び当該データを処理するパソコン８とを備えて構成されている。潤滑油１は試料セル２に貯留されており、光源３と赤外線カット用フィルター４の間に試料セル２を配置することによって測定することができる。ここで試料セル２は、測定用の専用セルであってもよいが、各種装置や各種機関の潤滑油タンクや配管であってもよい。白色ＬＥＤ３の光はグラスファイバーＧＦ１を介して潤滑油１を透過し、その光は再びグラスファイバーＧＦ２を介して赤外線カット用フィルター４に導かれ受光素子５で受光される。このように、グラスファイバーＧＦ１とグラスファイバーＧＦ２のみを潤滑油１中に挿入してもよく、また、白色ＬＥＤ３、赤外線カット用フィルター４、受光素子５を測定ユニット１０として潤滑油１内に浸漬してもよい。また、潤滑油１を光が通過する距離は特に制限されないが、潤滑油１の残存寿命が０となっても受光素子５において十分に検出が可能な光度が得られればよく、具体的には１ｍｍ〜２０ｍｍ程度が装置の構成上都合が良い。一方、光源である白色ＬＥＤ３の発光光度についても特に制限はないが、受光素子５において十分に検出が可能な光度が得られればよく、ＬＥＤへの供給電流を調節することにより光度を最適な値に設定し維持すればよい。

潤滑油１は、自動車用潤滑油や工業用潤滑油などの各種装置、各種機関、各機械の駆動部等に用いられる多種多様な潤滑油を適用することができ、たとえば、空気圧縮機油、工業用多目的油、油圧動作油、工業用汎用油などを測定することができる。

白色ＬＥＤ３は、波長４００〜５００ｎｍと波長５００〜６００ｎｍの二つの波長領域にピーク持つものであって、波長４００〜５００ｎｍのピーク発光量に対し、波長５００〜６００ｎｍのピーク発光量が２０〜８０％、好ましくは２５〜７０％、より好ましくは３０〜６０％である。また、白色ＬＥＤ３は、青色ＬＥＤと黄色発光蛍光体を組み合わせたもの、近紫外ＬＥＤと赤・緑・青の３色を発光する蛍光体を組み合わせたもの、および赤・緑・青の３色のＬＥＤを組み合わせたもの、などいずれのタイプでもよいが、青色ＬＥＤに黄色発光蛍光体を組み合わせたものであることが好ましい。青色ＬＥＤに黄色発光蛍光体を組み合わせたタイプの白色ＬＥＤ３は、可視光の短波長側の４７０ｎｍ付近と中央の５７０ｎｍ付近に強度のピークを持ち、６００ｎｍ以上の高波長域にはピークを持たないため、潤滑油の劣化に伴う光の透過度の変化の大きい波長領域を選択的に測定できることになる。

受光素子５は、光源３から照射されて潤滑油１及び赤外線カット用フィルター４を透過した光を受光して電圧に変換してＡＤＣ／ＭＰＵ６へ出力する機能を有している。この受光素子５は、単一の素子から構成されており、一般に市販されているフォトダイオードであれば光センサーとしてすべて使用可能である。また、受光素子５の前には、赤外線をカットする赤外線カット用フィルター４を挿入するのが好ましい。これは、赤外線の情報により得られる情報が誤差を持つことが明らかとなったためである。

ＡＤＣ／ＭＰＵ６は、受光素子５から入力された信号をＡ／Ｄ変換するためのＡ／Ｄ変換器と演算処理を行うためのマイクロプロセッサー（ＭＰＵ）から構成されている。マイクロプロセッサーによる演算処理としては、平方根処理、立方根処理、または対数処理等があり、これら演算処理をすることにより、潤滑油の劣化程度が大きく濃く着色した潤滑油の測定感度を向上させることが可能となる。マイクロプロセッサーによる演算結果は表示器７及びパソコン８へ出力される。なお、Ａ／Ｄ変換した信号を直接表示器７及びパソコン８へ出力してもよい。

潤滑油劣化モニター装置１００による測定は、光源３、受光素子５、Ａ／Ｄ変換器および表示器７及びパソコン８の電源スイッチを入れるだけの動作で開始される。データをパソコン８に読み込ませ、経時変化をプロットさせることが望まれる。測定値が新油時の２０〜３０％程度となった時が潤滑油の交換の基準と判断できるが、正確な判断を行うには最初の使用段階で一度従来の潤滑油採取法による各種の物理性状や化学性状と比較検討しておくことが望ましい。

試料セル２を用いずに、潤滑油が充填されている測定場所に測定ユニット１０を設置して測定するに当たって、測定場所は、機械の潤滑油タンク、オイルパン、または配管等の潤滑油１に触れるいかなる場所でもよい。また、通常時は潤滑油１に触れない場所においておき、測定のたびにタンク等に挿入してもよい。また、設備上は工夫が必要であるが、通常時は潤滑油１に触れないようにしておき、測定時に潤滑油１を導き入れることにより測定を行うことも可能である。このような構成にすることによって、装置が潤滑油１によって汚れることを防ぐことができる。

潤滑油劣化モニター装置１００の測定ユニット１０を数年間潤滑油１に浸したままであると、測定ユニット１０の受光素子５のセンサー部に潤滑油１の汚れが付着する可能性があるため、時々は潤滑油１の汚れをふき取る必要がある。汚れをふき取る方法は各種の方法が考えられる。簡単なワイパーを設置すれば、自動的なふき取りが可能であり、定期的に汚れた部品のみを交換する等も考えられる。あるいは、一度空気中に取り出すことにより、汚れを電気的にキャンセルすることも可能である。

次に、本発明の実施形態に係る潤滑油劣化モニター装置１００の作用・効果について説明する。

本発明の実施形態に係る潤滑油劣化モニター装置１００によれば、単一の光源として白色ＬＥＤ３を用い、単一の受光素子５で受光するため、装置そのものがきわめてシンプルなものとなり、より小型、かつより低価格な装置とすることが可能となる。光源が白色ＬＥＤ３であるため、潤滑油１の劣化に伴う光の透過度の変化の大きい波長領域を選択的に測定できることが可能となる。また、白色ＬＥＤ３を用いることによって、ＲＧＢの三つの単色光を測定する場合に比して、潤滑油１の多くの種類あるいは使用状況への対応が可能となる。以上によって、広い油種および広い使用環境に対応可能であり、かつ安価な提供が可能であり、しかも簡易な測定が可能となる。

また、本発明の実施形態に係る潤滑油劣化モニター装置１００では、波長４００〜５００ｎｍのピーク発光量に対し、波長５００〜６００ｎｍのピーク発光量が２０〜８０％となる白色ＬＥＤ３を用いている。これによって、潤滑油劣化モニター装置の個体差を最小限にとどめることができる。

以下、本実施形態に従って行った実験例について説明する。

［実験例１］
本発明装置を用い、工業用多目的油を実験室で強制劣化し劣化度をモニターした結果である劣化度指数（ＭＰＵで演算処理した平方根の値）を図２（ａ）に示す。また、図２（ｂ）に劣化度指数と残存寿命のデータとをプロットした。図２（ｂ）において実線で示される残存寿命は劣化油の各種性状（粘度、酸価、色、きょう雑物量、添加剤残存量など）を実験室で別途求め、総合的に劣化油の残存寿命を判定したものである。可視光の透過度から求めた劣化度指数は、多くのデータから判定した残存寿命とよく一致しており、劣化の指数として十分用いることが出来ることがわかる。
［実験例１における実験条件］
実験例１における実験条件は以下の通りである。

・使用ＬＥＤ：豊田合成社製 砲弾型白色ＬＥＤランプＥ１Ｌ５３−ＡＷ０Ｃ３０−０１型
・印加電圧：３．４Ｖ
・光が潤滑油中を透過する距離：１０ｍｍ
・受光素子：浜松フォトニクス社製 Ｓ１３３６−４４ＢＫ型
・フィルター：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製 ＩＲおよびＵＶカットフィルター
［実験例２］
本発明装置を用い、油圧作動油を実験室で強制劣化し劣化度をモニターした結果である劣化度指数（ＭＰＵで演算処理した平方根の値）を図３（ａ）に示す。また、図３（ｂ）に劣化度指数と前述した残存寿命のデータとをプロットした。図２（ｂ）において実線で示されるすべてのデータを考慮に入れた判定結果と比較的よく一致しており、劣化の指数として十分用いることが出来ることがわかる。なお、実験例２の実験条件は実験例１と同様である。

１…潤滑油、２…試料セル、３…白色ＬＥＤ（光源）、４…赤外線カット用フィルター、５…受光素子、６…ＡＤＣ／ＭＰＵ、７…表示器、８…パソコン、１０…測定ユニット、１００…潤滑油劣化モニター装置、ＧＦ１，ＧＦ２…グラスファイバー。

Claims (2)

1. 単一の光源から発生した可視光を潤滑油とフィルターを透過させ、単一の受光素子により電気信号に変えて潤滑油の劣化を検知する潤滑油劣化モニター装置において、
   前記光源は、波長４００〜５００ｎｍと波長５００〜６００ｎｍの二つの波長領域にピークを持つものであって、波長４００〜５００ｎｍのピーク発光量に対し、波長５００〜６００ｎｍのピーク発光量が２０〜８０％である白色ＬＥＤであることを特徴とする潤滑油劣化モニター装置。
2. 前記白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤに黄色発光蛍光体を組み合わせたものであることを特徴とする請求項１記載の潤滑油劣化モニター装置。

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