JP7030004B2 - ロータリジョイントおよび流体送給機構 - Google Patents

Description

本発明は、回転部に流体を送給するために用いられるロータリジョイントおよび流体送給機構に関するものである。

工作機械の主軸など作動時に回転状態にある回転部に冷却用のクーラントなどの流体を送給する流体送給機構において、固定された流体送給配管を回転部の流路と接続する流体継手としてロータリジョイントが用いられる。ロータリジョイントは、回転部に結合されて回転する回転軸と流体送給配管に接続される固定軸とを同軸に配置して軸方向に対向させ、それぞれの対向端面に装着された回転シールのシール面を相互に密着させることにより流体の漏洩を防止する構成となっている。この構成により、流体送給配管から回転状態にある回転部へ、所定圧力・所定流量の流体がロータリジョイントを介して連続的に供給される。このような構成のロータリジョイントでは、シール面を密着させるために固定軸側を軸方向に移動させる必要がある．このため、固定軸はケーシング部などに設けられた嵌合孔に摺動自在に嵌合しており、嵌合孔の内周と固定軸との間に介設されたＯリングなどのシール部材によって、この摺動隙間からの流体の漏れが防止される。

ところでロータリジョイントによる供給対象となる流体には、工作機械に循環使用されるクーラントなど、微少な切削屑などの異物を含んだものが多い。このため連続して流体を供給する過程において、固定軸と嵌合孔との間の摺動隙間にこれらの異物が侵入することが避けられない。そしてこれらの異物が反復して侵入すると摺動隙間内において堆積固着し、固定軸の円滑な摺動が阻害される結果、ロータリジョイントは正常に作動せずに流体の大量の漏れなどの不具合が生じる。そこでこのような不具合を検知するために、ジョイント部からの漏れを検知する機能を備えた回転ジョイントが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に示す先行技術例では、回転ジョイントからの漏れクーラントを排出するドレイン配管に流量センサを設け、ドレイン配管におけるクーラントの流量が設定値を超えるとアラームを出力するように構成されている。

特開平１１－１７９６３１号公報

しかしながら上述の先行技術には、以下に述べるような難点があった。先行技術では、アラームが発せられることによりドレイン配管におけるクーラントの流量が設定値を超えていることが判明するのみで、固定軸の嵌合孔への摺動状況がどのような状態であるかを推測するための有効な情報は提供されなかった。すなわちロータリジョイントは使用寿命を有しており、適切なタイミングで固定軸などの消耗部品の交換を要する。ところが使用可能な寿命は、ロータリジョイントが用いられる状況、例えばクーラントに含まれる異物の混入状態などによって一定せず、予め設定されたインターバルで定期的に交換することは必ずしも適切ではない。このため、ロータリジョイントの使用による摺動状態の変化を簡便且つ客観的に検出する方策が求められていた。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、固定軸部と嵌合孔との摺動隙間内に異物が侵入して堆積固化することに起因する摺動状態の変化を簡便且つ客観的に検知することができるロータリジョイントおよび流体送給機構を提供することを目的とする。

本発明のロータリジョイントは、軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して送給するロータリジョイントであって、前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成され保持部材に設けられた嵌合孔に所定の摺動隙間を保って前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部とを備え、前記流体供給源から前記嵌合孔内へ前記流体を供給して前記固定軸部を流体力によって下流側へ押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、さらに前記固定シール部とともに移動する検知部材が嵌合する検知孔と連通し所定圧の空圧が付与された与圧空間内から前記検知孔を介して流出する空気の流量を計測することにより、前記嵌合孔に嵌合した前記固定軸部の摺動状態を検知するために用いられる摺動状態検知部とを備え、前記検知部材は、長手方向に縦通し下流側が外部に開口した内孔と、この内孔における上流側に設けられ外周面と前記内孔とを連通させる連通口とを有し、前記与圧空間は前記検知孔の上流側に設けられた第１の拡径部およびこの第１の拡径部に空圧を付与する配管部を含み、前記検知部材が前記上流側に位置した状態において前記内孔は前記連通口を介して前記第１の拡径部と連通した連通状態となり、前記検知部材が前記固定シール部の移動に伴って下流側へ移動して前記連通口が前記検知孔の内部に位置した状態において、前記連通口は前記第１の拡径部との連通が絶たれた遮断状態となり、前記連通状態、遮断状態において、前記流量の検出値はそれぞれ上値、下値となり、前記摺動状態検知部は、前記固定軸部を下流側へ押圧する際の前記摺動状態を検知する。

本発明のロータリジョイントは、軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して送給するロータリジョイントであって、前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成され保持部材に設けられた嵌合孔に所定の摺動隙間を保って前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部とを備え、前記流体供給源から前記嵌合孔内へ前記流体を供給して前記固定軸部を流体力によって下流側へ押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、さらに前記固定シール部とともに移動する検知部材が嵌合する検知孔と連通し所定圧の空圧が付与された与圧空間内から前記検知孔を介して流出する空気の流量を計測することにより、前記嵌合孔に嵌合した前記固定軸部の摺動状態を検知するために用いられる摺動状態検知部とを備え、前記検知部材は、長手方向に縦通し下流側が外部に開口した内孔と、この内孔における上流側に設けられ外周面と前記内孔とを連通させる連通口とを有し、前記検知孔には、上流側に前記与圧空間を構成する配管部が接続され、下流側に第２の拡径部が形成されており、前記検知部材が前記上流側に位置して前記連通口が前記検知孔の内部に位置した状態において、前記連通口は前記第２の拡径部との連通が絶たれた遮断状態となり、前記検知部材が前記固定シール部の移動に伴って下流側へ移動した状態において、前記内孔は前記連通口を介して前記第２の拡径部と連通した連通状態となり、前記遮断状態、連通状態において、前記流量の検出値はそれぞれ下値、上値となり、前記摺動状態検知部は、前記固定軸部を下流側へ押圧する際の前記摺動状態を検知する。

本発明の流体送給機構は、請求項３または４に記載のロータリジョイントによって、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する回転流路へ送給する流体送給機構であって、前記与圧空間に前記所定圧の空圧を付与する空圧供給源と、前記与圧空間内から前記検知孔を介して流出する空気の流量を計測する流量センサと、前記流量を流量センサによって時系列的に検出した流量パターンデータに基づいて、前記固定軸部の摺動状態を判断する処理を行うデータ処理部と、前記データ処理部による判断結果を報知する報知部とを備えた。

本発明によれば、固定軸部と嵌合孔との摺動隙間内に異物が侵入して堆積固化することに起因する摺動状態の変化を簡便且つ客観的に検知することができる。

本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの断面図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの動作説明図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントに備えられた摺動状態検知部の第１実施例の構成説明図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントを用いた流体送給機構の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントに備えられた第１実施例の摺動状態検知部の動作説明図 本発明の一実施の形態における第１実施例の摺動状態検知部によって取得される流量パターンデータを示すグラフ 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントに備えられた摺動状態検知部の第２実施例の構成説明図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントに備えられた第２実施例の摺動状態検知部の動作説明図 本発明の一実施の形態における第２実施例の摺動状態検知部によって取得される流量パターンデータを示すグラフ

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図１，図２を参照して、ロータリジョイント１の全体構成を説明する。図１において、ロータリジョイント１は、工作機械のスピンドル軸などの回転軸へ冷却用の流体を送給する流体供給機構に用いられるものであり、軸方向の回転流路が設けられた回転部１ａおよび軸方向の固定流路が設けられた固定部１ｂを同軸配置して構成される。

回転部１ａは回転軸であるスピンドル軸２の流路孔２ａに締結されており、スピンドル軸２は、スピンドルに内蔵されたモータによって回転駆動されて軸心Ａ廻りに回転するとともに、クランプ／アンクランプシリンダによって軸方向の進退動作を行う。また固定部１ｂはケーシング３に流路孔３ｂと連通して設けられた装着孔３ａに、保持部材であるハウジング部材７を介して固定装着されており、スピンドル軸２が挿通するフレーム（図示省略）にボルトなどの締結手段によってケーシング３を着脱自在に締結することにより、固定部１ｂは回転部１ａと同軸に配置される。流路孔３ｂには、流体供給源２０より液体クーラントや冷却用のエアなどの送給対象の流体が供給される。

次に各部の詳細構造を説明する。回転部１ａはスピンドル軸２に装着されたロータ４を主体としており、ロータ４は回転軸部４ａの一方側の端部に回転軸部４ａよりも外径が大きいフランジ部４ｂを設け、さらに軸心部に回転流路４ｅを軸方向に設けた形状となっている。回転軸部４ａの外面には雄ねじ部４ｄが設けられており、流路孔２ａの内面には雌ねじ部２ｂが設けられている。雄ねじ部４ｄを雌ねじ部２ｂに螺合させることにより、ロータ４はスピンドル軸２にねじ締結され、Ｏリング６によってねじ締結部が密封される。これにより、回転流路４ｅはスピンドル軸２の流路孔２ａと連通する。

ロータ４の右側（固定部１ｂと対向する側）の側端面には、回転流路４ｅの開孔面を囲む配置で円形状の凹部４ｃが形成されており、凹部４ｃには第１のシールリング５が固定されている。第１のシールリング５はセラミックなどの耐摩耗性に富む硬質材料を、中央部に開口部５ａを有する円環形状に成形したものであり、平滑面に仕上げられた第１のシール面５ｂを外面側にした状態で凹部４ｃに固定される。そしてこの状態では、回転流路４ｅは開口部５ａと連通して第１のシール面５ｂに開口する。上記構成において、第１のシールリング５が固定されたロータ４は、回転部１ａに設けられ側端面に回転流路４ｅが開口した第１のシール面５ｂを有する回転シール部となっている。

次に、ケーシング３に装着される固定部１ｂの構造を説明する。固定部１ｂは、フローティングシート８をハウジング部材７に装着した構成となっている。ケーシング３の装着面３ｃには流路孔３ｂと連通して設けられた装着孔３ａが開口しており、装着孔３ａには固定部１ｂの本体を構成する円筒形状のハウジング部材７が嵌合する。そしてハウジング部材７は、装着面３ｃに設けられたねじ孔（図示省略）にボルト締結され、Ｏリング１１によって装着孔３ａへの嵌合部が密封される。

フローティングシート８は、一方側（図において回転部１ａと対向する側）に円板形状のフランジ部８ｂが設けられ、他方側に固定流路８ｅが軸方向に貫通して形成された固定軸部８ａを有する形状となっている。フランジ部８ｂの左側（回転部１ａと対向する端面）に円堤状に設けられた凸部８ｃ内には、第２のシールリング９が固定されている。第２のシールリング９は第１のシールリング５と同様の硬質材料を中央部に開口部９ａを有する円環形状に成形したものであり、平滑面に仕上げられた第２のシール面９ｂを外面側にした状態でフランジ部８ｂに固定される。そしてこの状態では、固定流路８ｅは開口部９ａと連通して第２のシール面９ｂに開口する。

固定軸部８ａは、ハウジング部材７の中心部に軸方向に貫通して設けられた嵌合孔７ａに、軸方向の移動が許容された状態で嵌合する。すなわち、嵌合孔７ａ、固定軸部８ａの形状・寸法設定により、嵌合孔７ａの内周面７ｂと固定軸部８ａの外周面８ｄとの間に所定の隙間寸法の摺動隙間（図示省略）が確保されるようになっている。この摺動隙間は嵌合孔７ａの内周面にはシール部材１２が装着されている。シール部材１２は、嵌合孔７ａ内における固定軸部８ａの移動を許容しつつ、摺動隙間内における流体の流動を密封する機能を有している。

ロータリジョイント１による流体送給動作において、フローティングシート８は回転部１ａ側に軸方向に進退する。フランジ部８ｂには、フローティングシート８の進退動作をガイドするガイド機構が設けられている。すなわちフランジ部８ｂにはボルト１６およびボルト１６を外包する円筒カラー１７が螺設されており、ハウジング部材７には軸方向にガイド孔７ｄ（図２参照）が設けられている。フローティングシート８の軸方向の進退において、円筒カラー１７がガイド孔７ｄ内を摺動することにより、フローティングシート８の軸方向の移動がガイドされるとともに、軸廻りの廻り止めが行われる。

上記構成において第２のシールリング９が固定されたフローティングシート８は、固定流路が軸方向に形成され保持部材であるハウジング部材７に設けられた嵌合孔７ａに軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部８ａを有し、側端面に固定流路８ｅが開口した第２のシール面９ｂを有する固定シール部となっている。なお本実施の形態においては、フローティングシート８を保持部材としてのハウジング部材７を介してケーシング３に装着する例を示しているが、ケーシング３にフローティングシート８を直接装着するようにしてもよい。

ハウジング部材７において上述のガイド機構と軸対称の位置には、摺動状態検知部１３が配設されている。摺動状態検知部１３は、嵌合孔７ａに嵌合した固定軸部８ａの摺動状態を検知するために用いられる。摺動状態検知部１３は、固定シール部であるフローティングシート８とともに移動する検知部材１５を備えている。検知部材１５は検知ブロック１４に設けられた検知孔１４ａ（図３参照）に嵌合しており、検知孔１４ａの上流側には内径が拡大した第１の拡径部１４ｂが設けられている。第１の拡径部１４ｂはケーシング３に設けられた配管部３ｄを介して空圧供給源２１と接続されており、さらに配管部３ｄには流量センサ２２が接続されている。

空圧供給源２１によって所定圧の空圧を配管部３ｄを介して第１の拡径部１４ｂに供給することにより、第１の拡径部１４ｂには所定圧の空圧が付与される。すなわち第１の拡径部１４ｂおよび配管部３ｄは、検知孔１４ａと連通し所定圧の空圧が付与された与圧空間を構成している。本実施の形態においては、この与圧空間から検知孔１４ａを介して流出する空気の流量を計測することにより、嵌合孔７ａに嵌合した固定軸部８ａの摺動状態を検知する構成となっている。

次に図２を参照して、ロータリジョイント１の動作を説明する。流路孔３ｂを介して嵌合孔７ａ内に送給対象の流体が供給され、さらに固定流路８ｅ内に流入することにより、この流体の流体圧は固定軸部８ａの上流側の側端面に作用する。これにより、固定軸部８ａは嵌合孔７ａ内で回転部１ａ側へスライドし、第２のシールリング９は第１のシールリング５に対して、固定軸部８ａの側端面の投影面積に流体圧を乗じた大きさの流体力で押圧される。この流体力は第２のシール面９ｂと第１のシール面５ｂとを相互に密着させ、これにより固定流路８ｅから軸廻りに回転状態の回転流路４ｅへ送給される流体の漏洩を防止する面シール部１０が形成される。

このフローティングシート８の軸方向のスライドにおいて、フランジ部８ｂに螺設されたボルト１６およびボルト１６を外包する円筒カラー１７が、ハウジング部材７に軸方向に設けられたガイド孔７ｄ内を摺動することにより、フローティングシート８の軸方向の移動がガイドされるとともに、軸廻りの廻り止めが行われる。

ロータリジョイント１の作動状態においては、送給される流体の圧力によるフローティングシート８の進出と、スピンドル軸２の進退動作によって、面シール部１０のシール面の接離が行われる。すなわちフローティングシート８が後退して第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとが相互に離隔した状態において、流体が流路孔３ｂに送給されることにより、流体力が固定軸部８ａの側端面に作用して軸方向に押圧する。これにより、フローティングシート８が前進（矢印ａ方向）し、第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとが当接して相互に密着して面シール部１０が形成された状態となる。固定流路８ｅから回転状態の回転流路４ｅへの流体の送給はこの状態で行われる。

そしてスピンドル軸２が固定部１ｂに対して相対的に前進（矢印ｄ方向）することにより、フローティングシート８は後退（矢印ｂ方向）し、フランジ部８ｂがハウジング部材７に近接した位置に復帰する。そしてこの状態からスピンドル軸２を相対的に後退（矢印ｃ方向）させることにより、第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとが相互に離隔した状態に戻る。

上述のように、ロータリジョイント１が正常に機能するためには、フローティングシート８とスピンドル軸２とが円滑に接離動作を行うことが求められる。このフローティングシート８とスピンドル軸２との接離動作において、フローティングシート８を流体力によって前進させる過程が、摺動隙間における異物の堆積などによる影響を最も受けやすい。そしてフローティングシート８の前進過程において摺動不良が生じた場合には、第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとが密着した良好な面シール部１０が形成されずに、クーラントなどが大量に漏洩する重大な不具合を生じる。

本実施の形態においては、このような不具合の発生をタイムリーに検知し、さらには不具合の前兆を適切に検知することを目的として、前述の摺動状態検知部１３をロータリジョイント１に装備している。そしてロータリジョイント１による流体送給動作においては、摺動状態検知部１３により、フローティングシート８の固定軸部８ａを下流側へ押圧する際の摺動状態を検知するようにしている。

以下、このような目的で設けられた摺動状態検知部１３の詳細構成および機能について、図３～図６を参照して説明する。まず図３（ａ）を参照して、摺動状態検知部１３の構造を説明する。図３（ａ）において、ハウジング部材７に形成された収納孔７ｃには、検知ブロック１４が収納されている。検知ブロック１４を長手方向（上流～下流方向）に挿通して形成された検知孔１４ａには、フローティングシート８のフランジ部８ｂに結合された検知部材１５がスライド自在に嵌合している。フローティングシート８の前進・後退において、検知部材１５もともに検知孔１４ａ内でスライドする。

検知ブロック１４が収納孔７ｃに嵌合する嵌合部において、収納孔７ｃの内周面７ｅと検知ブロック１４の外周面１４ｃの間には所定の嵌合隙間Δｄが確保されるように寸法設定されている。これにより、検知ブロック１４は収納孔７ｃ内において軸線と直交する方向への僅かな揺動が許容されるようになっている。すなわち同じく嵌合隙間を以て嵌合孔７ａに嵌合した固定軸部８ａが僅かに揺動しながら進退する動作において、フランジ部８ｂを介して結合されてともに移動する検知部材１５は、固定軸部８ａと同様の揺動が許容されるように構成されている。

検知部材１５は、長手方向に縦通し下流側が外部に開口した内孔１５ａが設けられている。内孔１５ａにおける上流側には、検知部材１５の外周面と内孔１５ａとを連通させる連通口１５ｂが設けられている。検知孔１４ａの上流側は径が拡大された第１の拡径部１４ｂとなっており、第１の拡径部１４ｂにはケーシング３に形成された配管部３ｄが開口している。配管部３ｄは、図１に示す空圧供給源２１に流量センサ２２を介して接続されている。これにより、与圧空間である第１の拡径部１４ｂ内に所定圧の空圧を付与することができるようになっている。嵌合隙間内に侵入した空圧は、シール部材１４ｄによってシールされ、外部への漏洩が防止される。

上記構成において、流量センサ２２を介して与圧空間である第１の拡径部１４ｂ内に流入する空気の流量は、検知孔１４ａを介して流出する空気の流量に等しい。したがって、流量センサ２２によって流量を計測することにより、与圧空間から流出する空気の流量を求めることができる。

フローティングシート８の前進・後退に伴う検知部材１５の移動により、連通口１５ｂの位置は検知ブロック１４内で移動する。これにより、配管部３ｄを介して供給された空圧の内孔１５ａに対する連通・遮断が切り換えられる。すなわち図３（ｂ）に示すように、検知部材１５が上流側に位置した状態において、内孔１５ａは連通口１５ｂを介して配管部３ｄおよび第１の拡径部１４ｂと連通した連通状態となる。この連通状態では、空圧供給源２１から配管部３ｄを介して供給された空圧は連通口１５ｂを介して内孔１５ａに流入し、外部へ放出される。この流動経路においては流路抵抗は小さく、したがって流量センサ２２による流量の検出値は相対的な大流量に相当する上値（Ｑ１）となる。

これに対し、図３（ｃ）に示すように、検知部材１５が固定シール部であるフローティングシート８の移動に伴って下流側へ移動すると、連通口１５ｂが検知孔１４ａの内部に位置して閉塞された状態となる。そしてこの状態において、連通口１５ｂは第１の拡径部１４ｂとの連通が絶たれ、内孔１５ａは配管部３ｄとの連通が絶たれた遮断状態となる。この遮断状態では、空圧供給源２１から配管部３ｄを介して供給された空圧は連通口１５ｂを介して外部へ放出されること無く、第１の拡径部１４ｂに滞留する。したがって第１の拡径部１４ｂから検知孔１４ａを介して流出する空気の流量は少なく、流量センサ２２による流量の検出値は、上値（Ｑ１）と比較して大幅に少ない下値（Ｑ２）となる。

次に図４を参照して、本実施の形態における流体送給機構の構成を説明する。この流体送給機構は、摺動状態検知部１３が組み込まれたロータリジョイント１によって、流体供給源２０から供給される流体を、工作機械などの設備２３に送給する機能を有するものである。

図４において、流体供給源２０により供給されるクーラントなどの流体は、設備２３において軸心廻りに回転する回転流路へ、ロータリジョイント１を介して送給される。ロータリジョイント１は摺動状態検知部１３を備えており、摺動状態検知部１３の予圧空間には、空圧供給源２１によって流量センサ２２を介して所定圧の空圧が付与される。ここで、流量センサ２２による流量の計測値は、前述のように、摺動状態検知部１３の予圧空間内から検知孔１４ａを介して流出する空気の流量の検出値に相当する。そして流量センサ２２によって計測され、検出された流量の検出値は、設備２３に付属した設備側制御部２３ａによって取り込まれる。

設備側制御部２３ａは取り込んだデータを処理するデータ処理部２４を備えている。データ処理部２４は、予圧空間内から検知孔１４ａを介して流出する空気の流量を流量センサ２２によって時系列的に検出した流量パターンデータ（図６参照）に基づいて、フローティングシート８の固定軸部８ａの摺動状態を判断する処理を行う。データ処理部２４による判断結果は、表示パネルなどの報知部２５によって報知される。

なお、本実施の形態に示すロータリジョイント１は、上述機能のデータ処理部２４を有する設備に取り付けられることが必須条件となる。ここでデータ処理部２４としては、設備２３が備えた設備側制御部２３ａに固定的に設けられている必要は無く、タブレット端末などの携帯型のデータ処理装置にデータ処理部２４の機能を持たせるようにしてもよい。

次に図５、図６を参照して、摺動状態検知部１３による摺動状態検知における各部の動作および摺動状態検知において、流量センサ２２によって予圧空間内から検知孔１４ａを介して流出する空気の流量を時系列的に検出することにより取得される流量パターンデータについて説明する。

図５（ａ）～図５（ｄ）は、フローティングシート８が図１に示す状態から前進して図２に示す状態に移行する、１回の前進ストロークにおける摺動状態検知部１３の各部の状態を動作ステップごとに示している。ここで、図５（ａ）～図５（ｄ）は、フローティングシート８とともに移動する検知部材１５の上流側端部が、ケーシング３の端面からそれぞれストロークＬ０（停止状態）、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３だけ前進した状態を示している。

そして図６では、フローティングシート８の固定軸部８ａの摺動状態が異なる複数の状態において取得される流量パターンデータを、それぞれ図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示している。すなわち、図６（ａ）は、固定軸部８ａの摺動状態が正常で、円滑な摺動動作が確保されている場合に得られる流量パターンデータである。また図６（ｂ）は、嵌合孔７ａ内における摺動隙間に侵入した異物などによって固定軸部８ａが固着し、前進動作が行われない異常状態となった場合に得られる流量パターンデータである。さらに図６（ｃ）は、固定軸部８ａの前進動作は行われているものの正常な状態と比べて移動速度が遅く、異常状態の前兆の流量パターンデータを示している。

以下、正常動作時の流量パターンデータを示す図６（ａ）を参照しながら、図５に示す摺動状態検知について説明する。まず図５（ａ）は、図１に示す状態、すなわちフローティングシート８が後退して固定部１ｂの第２のシールリング９が回転部１ａの第１のシールリング５から離隔した状態を示している。この状態では、フローティングシート８が上流側へ後退した位置にあることから、ともに移動する検知部材１５も上流側に位置している。

すなわち検知部材１５の上流側端部が第１の拡径部１４ｂの上流端にあり（ストロークＬ０）、連通口１５ｂが第１の拡径部１４ｂ内に位置した状態にある。この状態は、図３（ｂ）に示す連通状態に対応しており、したがってこの状態では、流量センサ２２による検出値は前述の上値となり、図６（ａ）ではタイミングｔ０における流量の検出値は流量Ｑ１（上値）となる。

図５（ｂ）は、タイミングｔ０にてフローティングシート８の前進が開始されて（矢印ｅ）、これに伴い検知部材１５がストロークＬ１だけ前進したタイミングｔ１にて、連通口１５ｂの先端部が検知孔１４ａの段付き部に到達した状態を示している。この状態では連通口１５ｂは未だ第１の拡径部１４ｂ内に開口しており、流量センサ２２による検出値は前述の流量Ｑ１（上値）が維持されている。

図５（ｃ）は、この状態からさらに検知部材１５が前進して（矢印ｆ）、連通口１５ｂが検知孔１４ａ内に完全に進入した状態を示している。この連通口１５ｂの進入過程においては、連通口１５ｂが検知孔１４ａの内周面によって閉塞される度合いが増加するのに伴い、第１の拡径部１４ｂを含む与圧空間内から流出する空気の流量が減少する。そしてストロークＬ１とストロークＬ２の中間のストロークに対応するタイミングｔ２において、流量センサ２２による流量の検出値は、図６（ａ）に示すように、前述の流量Ｑ２（下値）に低下する。

この後、図５（ｄ）に示すように、フローティングシート８がさらに前進すると（矢印ｇ）、タイミングｔ３にて第２のシールリング９が第１のシールリング５に当接して、面シール部１０（図２）が形成される。そしてこの状態において、図６（ａ）に示すように、タイミングｔ２からタイミングｔ３の間で、流量Ｑ２（下値）が維持される。

図６（ａ）においてタイミングｔ０からタイミングｔ１までの第１の時間Ｔ１、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの第２の時間Ｔ２は、検知対象となるロータリジョイント１における固定軸部８ａの摺動状態の特性を示す特性パラメータとなっている。すなわち第１の時間Ｔ１は、静止状態から移動に至る起動しやすさを示すパラメータである。また第２の時間Ｔ２は、図３に定義する連通状態から遮断状態に遷移するのに要する遷移時間であり、起動後における加速の迅速さを示すパラメータである。

そして各機種のロータリジョイント１について、メンテナンスが良好な状態で、且つ標準的な動作条件で実際にフローティングシート８を移動させて得られた流量パターンデータより、摺動状態の良否を判断するための基準となる基準パラメータを求める。図４に示す構成の流体送給機構の稼働時には、摺動状態検知部１３と流量センサ２２とを組み合わせた摺動状態検出手段によって検出された流量パターンデータを上述の基準パラメータと比較することにより、摺動状態の良否を判断する。

これらのデータ処置および判断は、データ処理部２４の機能によって実行され、判断結果は報知部２５によって報知される。すなわちデータ処理部２４は、流量パターンデータより前述の遷移時間である第２の時間Ｔ２を求め、この遷移時間に基づいて固定軸部８ａの摺動状態を判断するようになっている。このデータ処理部２４の処理機能については、後述する第２実施例においても同様である。

図６（ｂ）は、固定軸部８ａが固着状態にあって静止状態から起動しない異常状態における流量パターンデータを示している。この場合には、フローティングシート８が検知部材１５とともに静止した状態にあることから、摺動状態検知部１３は図５（ａ）に示す状態のままであり、流量センサ２２による検出値はタイミングｔ０以降、流量Ｑ１（上値）が継続されたままとなる。このような場合には、データ処理部２４はロータリジョイント１が大量の流体の漏洩を招く異常状態であると判断して、報知部２５によってその旨を報知する。そしてこの報知を承けたオペレータは、部品の交換などの必要な処置を行う。

また図６（ｃ）に示す異常状態の前兆時の流量パターンデータでは、タイミングｔ０からタイミングｔ１までの第１の時間Ｔ１＊、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの第２の時間Ｔ２＊が、いずれも図６（ａ）に示す基準パラメータよりも遅延した形となっている。すなわち固定軸部８ａにおいて、摺動隙間内への異物の付着がある程度進行して固定軸部８ａのスムーズな移動が阻害された結果、動作時間の遅延を招いたことを示している。そしてデータ処理部２４は、第１の時間Ｔ１＊、第２の時間Ｔ２＊が予め設定された警告値を超えたならば、その旨を報知部２５によって報知する。そしてこの報知を承けたオペレータは、部品の清掃・交換などの必要な処置を行う。

次に、本実施の形態における第２実施例の摺動状態検知部１３Ａの構成および機能について、図７～図９を参照して説明する。第２実施例の摺動状態検知部１３Ａでは、第１実施例においては検知孔１４ａの上流側に設けられていた第１の拡径部１４ｂに替えて、検知孔１４ａの下流側に第２の拡径部１４ｅ設けるようにしている。摺動状態検知部１３Ａも摺動状態検知部１３と同様の機能を有しており、図４に示す流体送給機構を構成するロータリジョイント１に組み込んで用いられる。

まず図７（ａ）を参照して、摺動状態検知部１３Ａの構造を説明する。図７（ａ）において、ハウジング部材７に形成された収納孔７ｃには、検知ブロック１４が収納されている。検知ブロック１４を長手方向（上流～下流方向）に挿通して形成された検知孔１４ａには、フローティングシート８のフランジ部８ｂに結合された検知部材１５がスライド自在に嵌合している。フローティングシート８の前進・後退において、検知部材１５もともに検知孔１４ａ内でスライドする。

検知ブロック１４が収納孔７ｃに嵌合する嵌合部において、収納孔７ｃの内周面７ｅと検知ブロック１４の外周面１４ｃの間には、第１実施例と同様の嵌合隙間Δｄが確保されるように寸法設定されている。これにより、検知ブロック１４は収納孔７ｃ内において軸線と直交する方向への僅かな揺動が許容されるようになっている。すなわち同じく嵌合隙間を以て嵌合孔７ａに嵌合した固定軸部８ａが僅かに揺動しながら進退する動作において、フランジ部８ｂを介して結合されてともに移動する検知部材１５は、固定軸部８ａと同様の揺動が許容されるように構成されている。

検知部材１５には、長手方向に縦通し下流側が外部に開口した内孔１５ａが設けられている。内孔１５ａにおける上流側には、検知部材１５の外周面と内孔１５ａとを連通させる連通口１５ｂが設けられている。検知孔１４ａの下流側は径が拡大された第２の拡径部１４ｅとなっており、検知孔１４ａの上流側にはケーシング３に形成された配管部３ｄが開口している。配管部３ｄは、図１に示す空圧供給源２１に流量センサ２２を介して接続されている。これにより、与圧空間である配管部３ｄ内に所定圧の空圧を付与することができるようになっている。嵌合隙間内に侵入した空圧は、シール部材１４ｄによってシールされ、外部への漏洩が防止される。

上記構成において、流量センサ２２を介して与圧空間である配管部３ｄ内に流入する空気の流量は、検知孔１４ａを介して流出する空気の流量に等しい。したがって、流量センサ２２によって流量を計測することにより、与圧空間から流出する空気の流量を求めることができる。

フローティングシート８の前進・後退に伴う検知部材１５の移動により、連通口１５ｂの位置は検知ブロック１４内で移動する。これにより、配管部３ｄを介して供給された空圧の内孔１５ａに対する連通・遮断が切り換えられる。すなわち図７（ｂ）に示すように、検知部材１５が上流側に位置した状態では、連通口１５ｂが検知孔１４ａの内部に位置して閉塞された状態となる。

そしてこの状態において、連通口１５ｂおよび内孔１５ａは、配管部３ｄとの連通が絶たれた遮断状態となる。この遮断状態では、空圧供給源２１から配管部３ｄを介して供給された空圧は外部へ放出されること無く配管部３ｄに滞留する。したがって与圧空間である配管部３ｄから検知孔１４ａを介して流出する空気の流量は少なく、流量センサ２２による流量の検出値は前述の下値となる。

これに対し、図７（ｃ）に示すように、検知部材１５が固定シール部であるフローティングシート８の移動に伴って下流側へ移動すると、連通口１５ｂが第２の拡径部１４ｅと連通する位置に移動する。これにより、内孔１５ａは連通口１５ｂを介して第２の拡径部１４ｅおよび配管部３ｄと連通した連通状態となる。この連通状態では、空圧供給源２１から配管部３ｄを介して供給された空気は連通口１５ｂを介して内孔１５ａに流入し、外部へ放出される。したがって流量センサ２２による流量の検出値は下値より大きい上値となる。

次に図８、図９を参照して、摺動状態検知部１３Ａによる摺動状態検知における各部の動作および摺動状態検知において流量センサ２２の圧力を時系列的に検出することにより取得される流量パターンデータについて説明する。

図８（ａ）～図８（ｄ）は、フローティングシート８が図１に示す状態から前進して図２に示す状態に移行する前進ストロークにおける摺動状態検知部１３Ａの各部の状態を動作ステップごとに示している。ここで、図８（ａ）～図８（ｄ）は、フローティングシート８とともに移動する検知部材１５の上流側端部が、ケーシング３の端面からそれぞれストロークＬ０（停止状態）、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３だけ前進した状態を示している。

そして図９では、フローティングシート８の固定軸部８ａの摺動状態が異なる複数の状態において取得される流量パターンデータを、それぞれ図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示している。すなわち、図９（ａ）は、固定軸部８ａの摺動状態が正常で、円滑な摺動動作が確保されている場合に得られる流量パターンデータである。また図９（ｂ）は、嵌合孔７ａ内における摺動隙間に侵入した異物によって固定軸部８ａが固着し、前進動作が行われない異常状態となった場合に得られる流量パターンデータである。さらに図９（ｃ）は、固定軸部８ａの前進動作は行われているものの正常な状態と比べて移動速度が遅く、異常状態の前兆の流量パターンデータを示している。

以下、正常動作時の流量パターンデータを示す図９（ａ）を参照しながら、図８に示す摺動状態検知について説明する。まず図８（ａ）は、図１に示す状態、すなわちフローティングシート８が後退して固定部１ｂの第２のシールリング９が回転部１ａの第１のシールリング５から離隔した状態を示している。この状態では、フローティングシート８が上流側へ後退した位置にあることから、ともに移動する検知部材１５も上流側に位置している。

すなわち検知部材１５の上流側端部が検知孔１４ａの上流端にあり（ストロークＬ０）、連通口１５ｂが検知孔１４ａに位置した状態にある。この状態は、図７（ｂ）に示す遮断状態に対応している。したがって流量センサ２２による検出値は前述の下値となり、図９（ａ）ではタイミングｔ０における流量の検出値は流量Ｑ１（下値）となる。

図８（ｂ）は、タイミングｔ０にてフローティングシート８の前進が開始されて（矢印ｈ）、これに伴い検知部材１５がストロークＬ１だけ前進したタイミングｔ１にて、内孔１５ａの下流端部が第２の拡径部１４ｅの上流端部に到達した状態を示している。図８（ｃ）に示すように、検知部材１５がこの状態から下流側へ移動すると（矢印ｉ）、検知孔１４ａから第２の拡径部１４ｅ内への空圧の流入が開始される。

この状態では、連通口１５ｂは第２の拡径部１４ｅ内に位置しており、流入した空圧は連通口１５ｂおよび内孔１５ａを介して外部へ排出される。したがって流量センサ２２による流量の検出値は下値から増大する。そして所定のストロークＬ２だけ移動したタイミングｔ２にて、流量センサ２２による検出値は前述の流量Ｑ２（上値）に収束する。

この後、図８（ｄ）に示すように、フローティングシート８がさらに前進すると（矢印ｊ）、タイミングｔ３にて第２のシールリング９が第１のシールリング５に当接して、面シール部１０（図２）が形成される。そしてこの状態において、図９（ａ）に示すように、タイミングｔ１からタイミングｔ２の間で、流量Ｑ２（上値）が維持される。

図９（ａ）においてタイミングｔ０からタイミングｔ１までの第１の時間Ｔ１、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの第２の時間Ｔ２は、検知対象となるロータリジョイント１における固定軸部８ａの摺動状態の特性を示す特性パラメータとなっている。すなわち第１の時間Ｔ１は、静止状態から移動に至る起動しやすさを示すパラメータである。また第２の時間Ｔ２は、起動後における加速の迅速さを示すパラメータである。

そして各機種のロータリジョイント１について、メンテナンスが良好な状態で、且つ標準的な動作条件で実際にフローティングシート８を移動させて得られた流量パターンデータより、摺動状態の良否を判断するための基準となる基準パラメータを求める。図４に示す構成の流体送給機構の稼働時には、摺動状態検知部１３と流量センサ２２とを組み合わせた摺動状態検知手段によって検出された流量パターンデータを上述の基準パラメータと比較することにより、摺動状態の良否を判断する。これらのデータ処置および判断は、データ処理部２４の機能によって実行され、判断結果は報知部２５によって報知される。

図９（ｂ）は、固定軸部８ａが固着状態にあって静止状態から起動しない異常状態における流量パターンデータを示している。この場合には、フローティングシート８が検知部材１５とともに静止した状態にあることから、摺動状態検知部１３Ａは図８（ａ）に示す状態のままであり、流量センサ２２による検出値はタイミングｔ０以降、圧力Ｐ２（上値）が継続されたままとなる。このような場合には、データ処理部２４はロータリジョイント１が大量の流体の漏洩を招く異常状態であると判断して、報知部２５によってその旨を報知する。そしてこの報知を承けたオペレータは、部品の交換などの必要な処置を行う。

また図８（ｃ）に示す異常状態の前兆時の流量パターンデータでは、タイミングｔ０からタイミングｔ１までの第１の時間Ｔ１＊、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの第２の時間Ｔ２＊が、いずれも図９（ａ）に示す基準パラメータよりも遅延した形となっている。すなわち固定軸部８ａにおいて、摺動隙間内への異物の付着がある程度進行して固定軸部８ａのスムーズな移動が阻害された結果、動作時間の遅延を招いたことを示している。そしてデータ処理部２４は、第１の時間Ｔ１＊、第２の時間Ｔ２＊が予め設定された警告値を超えている場合には、その旨を報知部２５によって報知する。そしてこの報知を承けたオペレータは、部品の清掃・交換などの必要な処置を行う。

上記説明したように、本実施の形態に示す流体送給機構では、流体供給源２０から供給される流体を設備２３の回転流路へ固定流路を介して送給するロータリジョイント１に、固定流路を構成する固定軸部８ａの摺動状態を検知するために用いられる摺動状態検知部１３，１３Ａを設けるようにしている。摺動状態検知部１３は固定軸部８ａとともに移動する検知部材１５および検知部材１５が嵌合する検知孔１４ａと連通し所定圧の空圧が付与された与圧空間を備えており、この与圧空間内の圧力を流量センサ２２によって検出し、検出結果をデータ処理部２４によってデータ処理して、嵌合孔７ａに嵌合した固定軸部８ａの摺動状態を判断する。これにより、固定軸部８ａと嵌合孔７ａとの摺動隙間内に異物が侵入して堆積固化することに起因する摺動状態の変化を簡便且つ客観的に検知することができる。

本発明のロータリジョイントおよび流体送給機構は、固定軸部と嵌合孔との摺動隙間内に異物が侵入して堆積固化することに起因する摺動状態の変化を簡便且つ客観的に検知することができるという効果を有し、工作機械の主軸などの回転部に液体クーラントやエアなどの流体を送給する用途に有用である。

１ ロータリジョイント
１ａ 回転部
１ｂ 固定部
２ スピンドル軸
３ ケーシング
４ ロータ
４ｅ 回転流路
５ 第１のシールリング
５ｂ 第１のシール面
８ フローティングシート
８ａ 固定軸部
８ｅ 固定流路
９ 第２のシールリング
９ｂ 第２のシール面
１０ 面シール部
１３、１３Ａ 摺動状態検知部
１４ 検知ブロック
１４ａ 検知孔
１４ｂ 第１の拡径部
１４ｅ 第２の拡径部
１５ 検知部材
１５ａ 内孔
１５ｂ 連通口

Claims (5)

1. 軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して送給するロータリジョイントであって、
   前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、
   前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成され保持部材に設けられた嵌合孔に所定の摺動隙間を保って前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部とを備え、
   前記流体供給源から前記嵌合孔内へ前記流体を供給して前記固定軸部を流体力によって下流側へ押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、
   さらに前記固定シール部とともに移動する検知部材が嵌合する検知孔と連通し所定圧の空圧が付与された与圧空間内から前記検知孔を介して流出する空気の流量を計測することにより、前記嵌合孔に嵌合した前記固定軸部の摺動状態を検知するために用いられる摺動状態検知部とを備え、
   前記検知部材は、長手方向に縦通し下流側が外部に開口した内孔と、この内孔における上流側に設けられ外周面と前記内孔とを連通させる連通口とを有し、
   前記与圧空間は前記検知孔の上流側に設けられた第１の拡径部およびこの第１の拡径部に空圧を付与する配管部を含み、
   前記検知部材が前記上流側に位置した状態において前記内孔は前記連通口を介して前記第１の拡径部と連通した連通状態となり、
   前記検知部材が前記固定シール部の移動に伴って下流側へ移動して前記連通口が前記検知孔の内部に位置した状態において、前記連通口は前記第１の拡径部との連通が絶たれた遮断状態となり、
   前記連通状態、遮断状態において、前記流量の検出値はそれぞれ上値、下値となり、
   前記摺動状態検知部は、前記固定軸部を下流側へ押圧する際の前記摺動状態を検知することを特徴とするロータリジョイント。
2. 軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して送給するロータリジョイントであって、
   前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、
   前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成され保持部材に設けられた嵌合孔に所定の摺動隙間を保って前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部とを備え、
   前記流体供給源から前記嵌合孔内へ前記流体を供給して前記固定軸部を流体力によって下流側へ押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、
   さらに前記固定シール部とともに移動する検知部材が嵌合する検知孔と連通し所定圧の空圧が付与された与圧空間内から前記検知孔を介して流出する空気の流量を計測することにより、前記嵌合孔に嵌合した前記固定軸部の摺動状態を検知するために用いられる摺動状態検知部とを備え、
   前記検知部材は、長手方向に縦通し下流側が外部に開口した内孔と、この内孔における上流側に設けられ外周面と前記内孔とを連通させる連通口とを有し、
   前記検知孔には、上流側に前記与圧空間を構成する配管部が接続され、下流側に第２の拡径部が形成されており、
   前記検知部材が前記上流側に位置して前記連通口が前記検知孔の内部に位置した状態において、前記連通口は前記第２の拡径部との連通が絶たれた遮断状態となり、
   前記検知部材が前記固定シール部の移動に伴って下流側へ移動した状態において、前記内孔は前記連通口を介して前記第２の拡径部と連通した連通状態となり、
   前記遮断状態、連通状態において、前記流量の検出値はそれぞれ下値、上値となり、
   前記摺動状態検知部は、前記固定軸部を下流側へ押圧する際の前記摺動状態を検知することを特徴とするロータリジョイント。
3. 前記ロータリジョイントは、前記流量を時系列的に検出した流量パターンデータに基づいて前記固定軸部の摺動状態を判断する処理を行うデータ処理部を有する設備に取り付けられることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のロータリジョイント。
4. 前記データ処理部は、前記流量パターンデータより前記連通状態から前記遮断状態に、または前記遮断状態から前記連通状態に遷移するのに要する遷移時間を求め、この遷移時間に基づいて前記固定軸部の摺動状態を判断することを特徴とする、請求項３に記載のロータリジョイント。
5. 請求項３または４に記載のロータリジョイントによって、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する回転流路へ送給する流体送給機構であって、
   前記与圧空間に前記所定圧の空圧を付与する空圧供給源と、前記与圧空間内から前記検知孔を介して流出する空気の流量を計測する流量センサと、前記流量を流量センサによって時系列的に検出した流量パターンデータに基づいて、前記固定軸部の摺動状態を判断する処理を行うデータ処理部と、前記データ処理部による判断結果を報知する報知部とを備えたことを特徴とする流体送給機構。

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