JP6893189B2

JP6893189B2 - 磁性粉検査装置及び磁性粉検査方法

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Publication number: JP6893189B2
Application number: JP2018047343A
Authority: JP
Inventors: 崇子溝口; 神鳥　明彦; 明彦神鳥; 法美小平; 友治大西; 馬場　理香; 理香馬場
Original assignee: Hitachi Building Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Building Systems Co Ltd
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: JP2019158688A

Description

本発明は、磁性粉検査装置及び磁性粉検査方法に関し、特に、磨耗等によって軸受けのグリスに混入した磁性粉の量を検出することにより軸受けの劣化損傷の度合いを間接的に検査する技術に関する磁性粉検査装置に適用して好適なものである。

軸受けは動力機器のモータや車軸などに搭載されており、動作対象物の荷重を受けながら軸を滑らかに回転させ、摩擦によるエネルギー損失を減少させる効果がある。軸受けの回転性能を向上させる目的には潤滑剤が多く使われており、液体状の油性剤と半固体状の潤滑剤（以下「グリス」という）が汎用されている。軸受けが回転すると金属同士が擦れ合うことによって摩擦が生じるが、グリスの油膜で金属面を被覆し、軸受けの回転をスムーズにさせることが可能である。しかしながら、グリスによって潤滑性能を保っていても、長期間の回転動作や不適切な制御管理によって軸受けに損傷が生じることがある。代表的な損傷には、軸受けの軌道面や転勤体の表面がうろこ上に剥離するフレーキング現象が知られている。フレーキング現象が生じた軸受けでは潤滑剤の中に磁性を持った磨耗粉が混入するため、この磁性粉の量を測定することで、軸受けのフレーキングや損傷の度合いを間接的に評価することができる。

軸受けの状態を間接的に評価する技術として、例えば、特許文献１においては、直列に接続された一対の励磁コイルを、各励磁コイルによる磁界が対向するように配置するとともに、当該一対の励磁コイルによる合成磁界が零となる位置に検出コイルと鉄芯を配置して、一方の励磁コイルに磁性粉の混入した試料を挿脱自在に構成し、検出コイルに誘起される誘導電圧を検出する計測手段が開示されている（特許文献１参照）。

特許第３３７７３４８号公報

しかし、上述した計測手段では、直列に接続した一対の励磁コイル等の中心部にグリス試料を挿入する必要があるため、細径管状の容器にグリス試料を収容する必要がある。一般的にグリス試料は、半固体状で流動性が低いため、細径管状の容器に気泡を含まないように収容することは困難である。一方、この容器の径を太くすると、コイル径を太くする必要があり、検査装置の検出部が大型化するという問題がある。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、検査対象物の潤滑剤として用いられる高い粘性の試料に混入しうる磁性粉から発生する磁場を測定して間接的に検査対象物の状態を検査可能とする磁性粉検査装置及び磁性粉検査方法を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため、本発明においては、検査対象物の潤滑剤として用いられる半固体状の試料を引き延ばして前記試料の厚みを均一にする伸展機構と、前記試料に混入した磁性粉に磁場を印加する励磁機構と、前記磁性粉から発生する磁気信号を検出する磁気センサと、前記磁気信号を基に前記磁性粉の量を算出する信号解析器と、前記信号解析器で算出された前記磁性粉の量を表示するデータ表示部とを備えることを特徴とする。

また、本発明においては、伸展機構を用いて、検査対象物の潤滑剤として用いられる半固体状の試料を引き延ばして前記試料の厚みを均一にする伸展ステップと、励磁機構を用いて、前記試料に混入した磁性粉に磁場を印加する励磁ステップと、磁気センサを用いて、前記磁性粉から発生する磁気信号を検出する磁気検出ステップと、信号解析器を用いて、前記磁気信号を基に前記磁性粉の量を算出する信号解析ステップと、前記信号解析器で算出された前記磁性粉の量をデータ表示部に表示するデータ表示ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、検査対象物の潤滑剤として用いられる高い粘性の試料を収容するための容器の形状にかかわらず、当該試料に混入しうる磁性粉から発生する磁場を測定して間接的に検査対象物の状態を検査可能とすることができる。

本実施の形態に係る磁性粉検査装置の構成例を示す斜視図である。本実施の形態に係る磁性粉検査装置に関して伸展機構の一例としてのローラーの高さの調節方法の一例を示す図である。図１に示す磁性粉検査装置の構成例を示す回路図である。本実施の形態に係る磁性粉検査方法の一例を示すフローチャートである。本実施の形態に係る磁性粉検査方法おいて磁気センサの出力信号波形、及び、磁気センサの出力信号と磁性粉重量との関係の一例を示す図である。

以下、図面について、本発明の一実施の形態について詳述する。

（１）本実施の形態によるシステムの構成
図１は、本実施の形態に係る磁性粉検査装置１の構成例を示す。図示の例では、この磁性粉検査装置１に、検査対象物の一例としての軸受けとともに用いられる試料の一例としてのグリス試料２が設置された状態の一例を示している。磁性粉検査装置１は、高さ調整ネジ５、調整板２０、ローラー４及び試料台３を具備する伸展機構を備え、さらに磁気センサ６、磁石７、電源回路部８及びデータ表示部９を備えている。

試料台３は、例えば非磁性素材で構成され、半固体状の試料の一例としてのグリス試料２が配置されている。なお、ここでいう半固体状とは、完全な液体や固体でないものの一定の高い粘性を有する物体であり、所定の容器に収容しようとすると、その粘度に応じて容器に試料とともに気泡が混入してしまう態様の物質を表している。さらにグリス試料２は、試料台３に配置された状態で、図示しない送り出し機構によって送り出される。

グリス試料２は、柔軟性のある非磁性の素材、例えばプラスチックバッグ素材で構成された容器に収容されることで、この容器外部から与えられる圧力により可塑性を示す状態である。

高さ調整ネジ５は、グリス試料２の厚みを一定化するために試料台３からのローラー４の高さを調節するためのネジである。ローラー４は、その外周面がグリス試料２の上面に接触しながら、回転して移動することにより、試料台３の表面の垂直方向でのグリス試料２の厚みを均一化する。

グリス試料２に混入しうる磁性粉は、磁石７によって磁化される。発生した磁場は、磁気センサ６によって検知される。電源回路部８は、磁気センサ６及びデータ表示部９への電源供給と動作制御を行う。

図２は、グリス試料２の厚みを調整する伸展機構２１の構成例を示す図である。図２（Ａ）は、調整板２０の形状の一例を示し、図２（Ｂ）は、調整板２０とローラー４を設置した構成例を示す図を示している。なお、図２（Ａ）では、上側が調整板２０の上面図であり、下側が調整板２０の側面図である（図２（Ｂ）に示す調整板２０の向きに相当）。０．５ｍｍごとに厚さが異なる調整板２０（ｔ＝０．５から３０ｍｍ）には、その４つの側面のうち１つの側面に略矩形の切り欠き部が形成されている。この切り欠き部には、高さ調整ネジ５のネジ部分が挿入される。

ローラー４の高さを調節する方法としては、図２（Ｂ）に示す調整板２０をローラー４の上部に設置し、高さ調整ネジ５で調整板２０の位置を固定する。ローラー４は、調整板２０の厚さに応じて高さ調整ネジ５を用いて上下方向（試料台３の表面の垂直方向）に高さが調整され、グリス試料２の厚みを所望の数値に調整可能となっている。

ローラー４の動力源には、例えば、手動による回転、モータ制御による自動回転を採用することができる。

図３は、図１に示す磁性粉検査装置１の回路構成の一例を示すブロック図である。磁気粉検査装置１は、磁気センサ６、電源回路部８、磁気センサアンプ１１及びフィルタ回路１２を備えている。

電源回路部８は、電源１０、Ａ／Ｄ変換器１３、信号収集器１４、信号解析器１５及びデータ表示部９を備えている。

磁気センサ６は、グリス試料２に混入した磁性粉が磁石７によって磁化されることでこの磁性粉から発生する磁場の大きさを電気信号として出力するセンサである。磁気センサ６は、例えば、ＴＭＲ（ＴｏｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ）センサ、ＡＭＲ（ＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ）センサ、ＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔ）センサ、または、検出コイルである。

磁気センサ６は、１個でも良いが、例えば２個以上とし、グリス試料２における複数の箇所に関して出力信号を出力するようにしても良い。このようにすると、これら複数の出力信号を平均することで、グリス試料２に含まれる磁性粉の量をさらに高い精度で検出することができるようになる。

磁石７は、グリス試料２に混入した磁性粉を磁化させるために用いられる。この磁石７としては、例えば、磁気センサ６を線形領域で動作させるものであって直流磁場を発生するバイアス磁石を用いることができる。なお、励磁機構としての磁石７は、その代わりに、例えば周波数が１Ｈｚから１０ＭＨｚの交流磁場を形成する励磁コイルで代用することもできる。

磁気センサアンプ１１は、磁気センサ６からの出力信号を増幅する。フィルタ回路１２は、磁気センサアンプ１１で増幅された出力信号のうち、所望の周波数領域を通過させてのアナログ信号を出力する回路である。

Ａ／Ｄ変換器１３は、フィルタ回路１２から出力したアナログ信号をデジタル信号に変換して信号収集器１４にデジタル信号を出力する。信号収集器１４は、例えばメモリやストレージであり、Ａ／Ｄ変換器１３が出力したデジタル信号を格納する。

信号解析器１５は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を備え、ＣＰＵが信号解析プログラムを実行して信号解析を実施する。データ表示部９は、例えば、入出力インタフェース、液晶ディスプレイ、入力装置（ボタン、エンコーダ）を備え、信号解析器１５で解析された結果を表示する。

以下、本実施の形態に係る磁性粉検査装置１の動作例としての磁性粉検査方法について説明する。まず、一例として、図示しない軸受けから採取した半固体状の潤滑剤としてのグリス試料２を試料台３に設置し、前述したように予め高さを調整したローラー４の直下にグリス試料２を配して、ローラー４の回転運動により、グリス試料２を引き伸ばすようにしてその厚さを均一化する。

次に、試料台３を磁石７及び磁気センサ６に近接する位置に配置し、試料台３とともにグリス試料２を移動させることにより、磁石７及び磁気センサ６の上面を通過させる。このとき、磁石７によるグリス試料２の磁化と、磁気センサ６による磁場の検知が同時に行われる。

磁気センサ６の出力は、磁気センサアンプ１１で増幅され、フィルタ回路１２により、ノイズ信号とみなされる周波数成分を除去した後に、所望の信号成分として出力される。ここで、ノイズ信号とみなされる周波数成分とは、例えば、電源または外部環境磁場から混入する信号の商用周波数成分、または、１〜数Ｈｚの低周波数成分である。フィルタ回路１２の出力信号は、Ａ／Ｄ変換器１３を経て信号収集器１４に格納される。

信号収集器１４から出力された信号は、信号解析器１５において演算処理が実行され磁気センサ６により測定された信号と磁性粉の濃度との関係が解析される。これにより、グリス試料２の磁性粉の濃度が算出される。

さらに信号解析器１５は、このように算出した磁性粉の濃度に基づいて軸受けの劣化状態を判定する。ここで、軸受けは、グリスによって潤滑性能を保っていても、長期間の回転動作や不適切な制御管理によってフレーキング現象により損傷することがある。

データ表示部９は、信号解析器１５で算出された磁性粉の濃度を表示する。フレーキングが生じた軸受けでは潤滑剤の中に磁性を持った磨耗粉が混入するため、この磁性粉の量を測定することで、軸受けのフレーキングや損傷の度合いを間接的に評価することができる。これにより、データ表示部９は、磁性粉の濃度に加えて、さらに軸受けの劣化状態の判定結果を表示する。

図４は、本実施の形態において信号検出から判定結果の表示までの手順の一例を示すフローチャートである。本実施の形態では、予め磁性粉の濃度が既知であるグリス試料２を測定してその測定結果を表す信号と、既知の濃度から検量線とを作成する。

このように検量線を作成した後、磁性粉の濃度が未知のグリス試料２を測定してその測定結果を表す信号と、予め作成した検量線とを対比し、濃度が未知のグリス試料２の磁性粉の濃度を算出する。

図４においてステップＳ３０〜Ｓ３７は、既知濃度の磁性粉を含んだグリス試料２に係る厚みの均一化処理と、信号測定処理と、検量線の作成処理とを示している。

始めに、既知の濃度の磁性粉を混入したグリス試料２を試料台３に設置する（ステップＳ３０）。次に、高さ調整ネジ５でローラー４の高さを調整し、グリス試料２を所望の厚さとなるように、厚みに適合した調整板２０を設置する（ステップＳ３１）。ローラー４は、グリス試料２の上面で回転動作し（ステップＳ３２）、試料台３の上でグリス試料２の厚みを均一化する（ステップＳ３３）。

厚さが均一化されたグリス試料２は、試料台３に設置した状態で、磁石７及び磁気センサ６の上面に近接される（ステップＳ３４）。これにより、グリス試料２は、磁石７により磁化され、磁性粉から発生する磁場が磁気センサ６で検知される（ステップＳ３５）。

磁気センサ６で検知された磁気信号は、磁性粉検査装置１の信号処理を経て、信号収集器１４に収集される。信号解析器１５に入力した信号は、演算処理が実行される（ステップＳ３６）。

上述した手順では、濃度の異なる複数のグリス試料を対象とするため、ステップＳ３０〜ステップＳ３６を繰り返し実行される。対象とする試料の信号処理が終了すると、信号解析器１５は、そのような信号と磁性粉の既知濃度との関係を解析し、検量線を作成する（ステップＳ３７）。

一方、ステップＳ３７〜ステップＳ４３は、磁性粉濃度が未知のグリス試料２の処理手順である。

始めに、既知の濃度の磁性粉を混入したグリス試料２が、試料台３に配置される（ステップＳ３８）。次に、ローラー４はグリス試料２の上面で回転動作し、グリス試料２の厚みを均一化する（ステップＳ３９）。

厚さが均一化されたグリス試料２は、試料台３に配置された状態で、磁石７及び磁気センサ６の上面に近接される（ステップＳ４０）。これにより、グリス試料２は、磁石７により磁化されるとともに、磁気センサ６により磁気信号が検知される（ステップＳ４１）。

磁気信号は、磁性粉検査装置１の信号処理を経て、信号解析器１５において、ステップＳ３７で作成した検量線と照合され（ステップＳ４２）、試料の磁性粉濃度が算出される（ステップＳ４３）。

信号解析器１５は、上述のように算出された磁性粉濃度と、予め設定した軸受けの劣化を示す信号閾値とを対比し、当該磁性粉濃度が閾値以上であった場合にはデータ表示部９に軸受けの劣化を示す警告を表示する（ステップＳ４４）。

ところで、信号強度から磁性粉の重量を算出して磁性粉の検量線を取得することができるか否かに関して検証する。まず、予め重量が判明している磁性粉をグリス試料２に混入させ、その磁気信号を測定した。磁性粉の重量は、５８ｍｍ^３の容量あたり５８〜２６０μｇ（濃度１〜４．５ｍｇ／ｃｍ^３）となるように作製した試料Ａと、濃度が１ｍｇ／ｃｍ^３で一定となるように、５８〜２６０μｇの磁性粉を５８〜２６０ｍｍ^３に加えた試料Ｂとの２種類の試料を作製した。

試料Ａは、厚みを、例えば２ｍｍに均一となるようにした後、磁石を用いて磁化されている。一方、試料Ｂは、厚みを一定にせず、高さの範囲を、例えば２ｍｍから８ｍｍまでのように均一でない態様とし、磁石を用いて磁化されている。

本実施例では、磁気センサ６としてＴＭＲセンサを採用し、このＴＭＲセンサを線形領域で動作させるために実装されているバイアス磁石により、試料Ａ及び試料Ｂを磁化させた。なお、このバイアス磁石の磁力は、約１００ｍＴ（テスラ）である。

磁化された試料Ａ及び試料Ｂは、それぞれ試料台３において磁気センサ６の上面に配置されており、磁気センサ６を用いて各磁気信号が検知された。このとき、試料台３の高さが例えば１ｍｍであることから、磁気センサ６と各試料Ａ，Ｂとの距離は１ｍｍである。検知した磁気信号は、磁気センサアンプ１１によりゲイン１０００倍とし、フィルタ回路１２により１〜４０Ｈｚの帯域の信号を通過させ、Ａ／Ｄ変換器１３と信号収集器１４に入力される。このようにして、各試料Ａ，Ｂからの磁気信号を取得した。

図５（Ａ）は、試料Ａから取得した磁気信号の波形を示す。試料Ａの信号強度は、波形の極大値と極小値とからなる振幅値Ｖｐｐをもとに算出した。図５（Ａ）に示したように、磁性粉の重量が８７μｇである場合、磁気信号は０．２５Ｖｐｐであり、磁性粉の重量が２６０μｇである場合、磁気信号は０．７７Ｖｐｐである。よって、磁性粉の重量が大きくなると、信号波形の振幅値が大きくなることが分かる。

図５（Ｂ）は、各試料Ａ，Ｂに関する磁気信号と磁性粉の重量との関係例を表す検量線の一例を示す。図５（Ｂ）のグラフにおいて、試料Ａでは、磁性粉の重量が上がるにつれて信号強度が上昇し、相関係数Ｒ２＝０．９７である。一方、試料Ｂでは、磁性粉の重量が上がっても信号強度が上昇するとは限らず、信号強度から磁性粉の重量を算出することは困難である。よって、試料Ａに示すように、試料の厚さを均一化したうえで、磁気センサ６による信号を取得することで、磁性粉の検量線を取得することができることが分かる。

（２）その他の実施形態
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。すなわち、本実施の形態は、上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれ、例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、フラッシュメモリカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などの記録媒体に置くことができる。またプログラムの実行で得られたデータは、有線または無線の通信技術を用いて、オンラインで遠隔サイトに結果を送信し、警告を発することができる。

前述した本実施形態において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

本実施の形態の変形例としては、例えば、次の（Ａ）〜（Ｃ）のようなものを挙げることができる。
（Ａ）グリス試料２の厚みを均一化する伸展機構は、ローラー４の回転によるものに限られず、例えば２枚の板の間に所定の厚みのスペーサーが挟み込まれており、これら２枚の板でグリス試料２を両面から圧縮して引き延ばして所定の厚みに均一化する形態であってもよい。
（Ｂ）検量線を生成する試料は、半固体状のグリスに限られず、流動性のある潤滑剤を用いてもよい。
（Ｃ）前述したステップＳ３０〜Ｓ３７の処理は、未知の試料ごとに毎回行う必要はなく、最初の測定時に一度だけ実行して検量線を設定してもよい。

本発明は、磨耗等によって軸受けのグリスに混入した磁性粉の量を検出することにより軸受けの劣化損傷の度合いを間接的に検査する磁性粉検査装置に広く適用することができる。

１……磁性粉検査装置、２……グリス試料、３……試料台、４……ローラー、５……高さ調整ネジ、６……磁気センサ、７……磁石、８……電源回路部、９……データ表示部、１０……電源、１１……磁気センサアンプ、１２……フィルタ回路、１３……Ａ／Ｄ変換器、１４……信号収集器、１５……信号解析器。

Claims

検査対象物の潤滑剤として用いられる半固体状の試料を引き延ばして前記試料の厚みを均一にする伸展機構と、
前記試料に混入した磁性粉に磁場を印加する励磁機構と、
前記磁性粉から発生する磁気信号を検出する磁気センサと、
前記磁気信号を基に前記磁性粉の量を算出する信号解析器と、
前記信号解析器で算出された前記磁性粉の量を表示するデータ表示部と、
を備えることを特徴とする磁性粉検査装置。
前記信号解析器は、既知量の磁性粉を混入した既知試料に対して、
前記磁気センサで検出された前記既知試料の磁気信号及び磁性粉の量から検量線を作成し、前記磁気センサにより検出された、磁性粉の量が不明である未知試料からの磁気信号及び前記検量線に基づいて、前記未知試料に混入した磁性粉の量を算出することを特徴とする、請求項１に記載の磁性粉検査装置。
前記信号解析器は、
前記試料に含まれる磁性粉の量から軸受けの状態を判定することを特徴とする、請求項１に記載の磁性粉検査装置。
前記データ表示部は、
前記信号解析器で算出される前記磁性粉の量に基づいて、前記検査対象物としての軸受けの状態を表示することを特徴とする、請求項１に記載の磁性粉検査装置。
前記伸展機構は、
ローラーの回転により前記試料を引き伸ばすことを特徴とする、請求項１に記載の磁性粉検査装置。
前記伸展機構は、
所定の厚みのスペーサーを挟んだ２枚の板により前記試料を引き伸ばすことを特徴とする、請求項１に記載の磁性粉検査装置。
前記励磁機構は、
前記磁気センサのバイアス磁石から発生する直流磁場を形成することを特徴とする、請求項１に記載の磁性粉検査装置。
前記励磁機構は、
周波数が１Ｈｚから１０ＭＨｚの交流磁場を形成することを特徴とする、請求項１に記載の磁性粉検査装置。
伸展機構を用いて、検査対象物の潤滑剤として用いられる半固体状の試料を引き延ばして前記試料の厚みを均一にする伸展ステップと、
励磁機構を用いて、前記試料に混入した磁性粉に磁場を印加する励磁ステップと、
磁気センサを用いて、前記磁性粉から発生する磁気信号を検出する磁気検出ステップと、
信号解析器を用いて、前記磁気信号を基に前記磁性粉の量を算出する信号解析ステップと、
前記信号解析器で算出された前記磁性粉の量をデータ表示部に表示するデータ表示ステップと、
を有することを特徴とする磁性粉検査方法。