JP4229823B2 - 歯車破損検出装置および歯車破損検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の歯車を有する回転駆動装置に設けられる歯車破損検出装置および歯車破損検出方法に関する。

回転駆動装置の中には、モータの出力軸に、回転速度を減速するための複数の歯車からなる歯車伝達機構部が連動連結されたものがあり、その使用時に、いずれかの歯車が破損する（歯が欠損する）場合があり、例えばこの回転駆動装置が物体の位置決め機構に用いられている場合には問題が生じる。したがって、この種の回転駆動装置においては、歯車の破損を検出する必要がある。

ところで、歯車の破損を検出する方法としては、モータのトルク値を監視することが考えられ、例えば特許文献１に開示されている。
この特許文献１には、複数の刃を有する工具において、一部の刃が破損した場合、そのことを検出し得る工具破損検出方式が開示されている。

この工具破損検出方式は、トルク指令値と速度帰還値とからスピンドルモータの外乱負荷トルクを計算するオブザーバと、工具における刃数とその回転数とによって決まる上記外乱負荷トルクの特定の周波数成分を除去する帯域遮断フィルタと、この帯域遮断フィルタの出力信号を所定の基準値と比較し、その出力信号が基準値を下まわったときに工具が破損したことを示す信号を出力する比較器とが具備されたものであり、工具の刃に破損が生じた場合には、帯域遮断フィルタで除去した出力信号が減衰するため、これを比較器で監視するようにしたものである。
特開平７−５１９９９号公報（第２頁〜第５頁、図１参照）

しかしながら、上述した従来の方式によると、工具の刃が破損したことについては検出することができるが、例えば工具が複数ある場合に破損した工具を特定し得るように構成については開示されておらず、したがって上述した歯車伝達機構部のように歯車が複数ある場合に、破損した歯車を特定することができないという課題がある。

そこで、本発明は、複数の歯車からなる歯車伝達機構部において破損した歯車を特定し得る歯車破損検出装置および歯車破損検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の歯車破損検出装置は、モータの出力軸に複数の歯車により構成された歯車伝達機構部が連結されてなる回転駆動装置における上記歯車の破損検出装置であって、
上記モータに設けられたトルクセンサおよび速度センサと、上記歯車伝達機構部に設けられた各歯車の歯数が記憶された記憶部と、
上記トルクセンサからのトルク値および速度センサからの回転速度を入力してトルクの変動周波数または変動周期（以下、変動周波数等という）を演算するトルク変動周波数等演算部と、
このトルク変動周波数等演算部にて求められたトルク変動周波数等に係るトルク値と予め設定された閾値と比較してトルク値が異常であるか否かを判断するトルク値異常判断部と、
このトルク値異常判断部にてトルク値が異常であると判断された場合に、上記速度センサからの回転速度および上記記憶部から各歯車の歯数を入力するとともに、当該入力された回転速度に応じた各歯車における回転周波数または回転周期（以下、回転周波数等という）およびその許容値を演算する回転周波数等演算部と、
上記トルク変動周波数等演算部からのトルク変動周波数等および回転周波数等演算部から各歯車の回転周波数等を順次入力してこれら両周波数等の差を求める差演算部と、
この差演算部にて求められた周波数等の差と上記求められた許容値とを比較して歯車の破損の有無を判断する歯車破損判断部とから構成したものである。

また、本発明の歯車破損検出方法は、モータの出力軸に、複数の歯車により構成された歯車伝達機構部が連結されてなる回転駆動装置における上記歯車の破損検出方法であって、
上記モータのトルク値および回転速度を入力してトルクの変動周波数または変動周期（以下、変動周波数等という）を演算し、
次に上記変動周波数等に係るトルク値と予め求められた閾値とを比較して当該トルク値が異常であるか否かを判断し、
トルク値が異常であると判断された場合に、その変動周波数等と各歯車における回転周波数または回転周期（以下、回転周波数等という）との差を求め、
次にこの差と各歯車における回転周波数等の許容値とを比較して、当該差が許容値より小さい場合に、歯車が破損していると判断する検出方法である。

上記の各構成によると、複数の歯車が設けられている場合で且つ変動周波数等に係るトルク値が異常である場合、その変動周波数等と各歯車の回転周波数等との差を比較して、当該歯車の回転周波数等にほぼ一致しているか否かを判断するようにしているので、複数の歯車を有する歯車伝達機構部において、破損した歯車を特定することができる。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態に係る回転駆動装置における歯車破損検出装置および歯車破損検出方法を、図１〜図４に基づき説明する。

本実施の形態に係る回転駆動装置は、例えば磁気テープのカートリッジが複数個収納されるとともに、必要な磁気テープを記録再生部に移動させるようにしてなるデータストレージに設けられるもので、例えば磁気テープを記録再生部に移動させる移動装置におけるテープの受渡機構の駆動源に用いられるものとして説明する。

図１に示すように、この回転駆動装置１は、モータ２と、このモータ２の出力軸２ａに連動連結されてテープ受渡機構におけるテープ保持部の駆動入力軸部（以下、被動軸とも称する）を回転させるための歯車伝達機構部３と、所定の動作命令に基づき上記モータ２を制御するための制御装置４とから構成されている。

この制御装置４は、システムプログラムが記憶されたプログラム記憶部（ＲＯＭが用いられる）１１と、各種制御に必要なパラメータなどの制御用データが保持されたデータ保持部（記憶部の一例で、ＣＭＯＳが用いられる）１２と、少なくとも上記プログラム記憶部１１からのプログラムを読み込み各種の動作命令を実行する演算処理部（ＣＰＵにより構成されている）１３と、この演算処理部１３からの制御指令を入力してモータの制御信号を作成するモータ制御回路１４と、このモータ制御回路１４からの制御信号を入力してモータ２を駆動するモータドライバ１５と、モータ２に設けられたトルクセンサ１６からのトルク信号を入力してトルク値を検出するトルク検出回路１７と、同じくモータ２に設けられた速度センサ１８からの速度信号を入力して回転速度を検出する回転速度検出回路１９とから構成され、また、この制御装置４には、上記トルク検出回路１７および回転速度検出回路１９にて検出されたトルク値および回転速度並びにデータ保持部１２に保持されたデータに基づき歯車伝達機構部３の歯車の破損を検出する歯車破損検出機能が具備されている。なお、歯車破損検出機能を実現する歯車破損検出装置の構成については後述する。

ここで、歯車伝達機構部３の構成例について説明しておく。
この歯車伝達機構部３としては、図２に示すように、駆動軸部であるモータ２の出力軸２ａに取り付けられた駆動側歯車と被動軸に取り付けられた被動側歯車との間に、歯車列が４列でもって配置されたものについて説明する。

以下、駆動側歯車、各歯車列における入力側歯車および出力側歯車、および被動側歯車における各歯数の具体例を、下記の［表１］に示しておく。

すなわち、モータ２の出力軸２ａに取り付けられた駆動側歯車２１の歯数は１４、この駆動側歯車２１に噛合する第１歯車列の入力側歯車２２の歯数は５８でその出力側歯車２３の歯数は１４、この出力側歯車２３に噛合する第２歯車列の入力側歯車２４の歯数は５８でその出力側歯車２５の歯数は１４、この出力側歯車２５に噛合する第３歯車列における伝達歯車２６の歯数は６０、この伝達歯車２６に噛合する第４歯車列の入力側歯車２７の歯数は３０でその出力側歯車２８の歯数も３０で、この出力側歯車２８に噛合する被動軸３０に取り付けられた被動側歯車２９の歯数は３７６である。例えば、モータ２が７０００ｒｐｍで回転した場合には、第１歯車列は１６９０ｒｐｍで、第２歯車列は４０８ｒｐｍで、第３歯車列は９５ｒｐｍで、第４歯車列は１９０ｒｐｍで回転し、最後の被動側歯車２９は１５ｒｐｍでもって回転されることになる。

そして、上記歯車破損検出機能により、上述した各歯車の破損（例えば、歯の欠損）の検出が行われ、その検出原理としては、破損している歯車がある場合には、その歯車の回転速度すなわち回転周波数（または、その逆数である回転周期）に応じてトルク値が変動することに着目したものである。

ところで、歯車破損検出機能は、ソフトウエア（プログラム）にて実現されるもので、以下、このソフトウエアにて実現される歯車破損検出機能について説明する。
このソフトウエアにて実現される歯車破損検出機能は、図３に示すように、トルク検出回路１７にて検出されたトルク値および回転速度検出回路１９にて検出された回転速度を入力してトルクの変動周波数（または、その逆数である変動周期）を演算するトルク変動周波数演算部（トルク変動周波数等演算部の一例で、トルク変動周期演算部であってもよい）３１と、上記トルク変動周波数演算部３１にて求められた変動周波数に係るトルク値と予め設定された閾値（正常トルクの範囲内であると判断するための上限値（正常トルク判断値ともいう）で、例えばデータ保持部１２に保持されている）（Ｔ_ＲＥＦ）とを比較してトルク値が異常であるか否かを判断するトルク値異常判断部３２と、このトルク値異常判断部３２にて異常であると判断された場合に、上記回転速度検出回路１９からの回転速度および例えばデータ保持部１２に保持されている歯車データ（例えば、歯車番号、各歯車における歯数などのデータ）を入力して、モータ２の回転速度に対する各歯車（駆動側歯車、各歯車列における歯車、被動側歯車）ｎにおける正常な回転周波数（Ｆ_ｎ）（その逆数である回転周期であってもよい）およびその許容値［回転周波数または回転周期の数％（制御安定領域の範囲）、例えば３％程度で、許容回転周波数範囲である］（Ｆ_Ａ）を演算する歯車回転周波数演算部（歯車回転周波数等演算部の一例で、歯車回転周期演算部であってもよい）３３と、上記トルク値異常判断部３３にて異常であると判断された当該トルクの変動周波数（Ｆ_Ｖ）と上記歯車回転周波数演算部３３にて求められた各歯車（駆動側歯車、各歯車列における歯車、被動側歯車）ｎにおける正常な回転周波数（Ｆ_ｎ）との差（Ｆ_Ｖ−Ｆ_ｎ）を演算する差演算部３４と、この差演算部３４にて求められた周波数の差と上記求められた許容値（Ｆ_Ａ）とを比較して（周波数の差の絶対値と許容値とを比較して）歯車が異常であるか否かを判断する歯車破損判断部３５とから構成されている。なお、上記各演算部で求められた値は、必要に応じて、例えば一時記憶部（例えば、ＲＡＭが用いられる）２０に記憶される。

したがって、歯車破損検出装置としては、トルクセンサ１６および速度センサ１８と、データ保持部１２と、トルク変動周波数演算部３１と、トルク値異常判断部３２と、歯車回転周波数演算部３３と、差演算部３４と、歯車破損判断部３５とから構成されている。

上記構成において、破損した歯車を検出する動作を、図４に示すフローチャートに基づき説明する。
例えば、データストレージのメンテナンス時に、上記ソフトウエアにより歯車破損検出動作が開始されると、まずステップ１に示すように、トルクセンサ１６によりモータ２のトルク値および速度センサ１８によりモータ２の回転速度が検出されるとともに、一時記憶部２０に記憶される。なお、少なくとも、トルク値についてはアナログ値で検出されているため、Ａ−Ｄ変換部（図示せず）にてデジタル値で記憶される。また、その検出動作においては、一定時間だけモータ２が駆動されて検出が行われるが、このとき、速度センサ１８からの回転速度がモータ制御回路１４に入力されて、モータ２の回転速度が一定となるようにフィードバック制御が行われている。

次に、ステップ２に示すように、上記トルク値および回転速度が、トルク変動周波数演算部３１に入力されて、トルクの変動周波数（Ｆ_Ｖ）が求められる。
次に、ステップ３に示すように、データ保持部１２に予め保持されている正常トルク判断値である閾値（Ｔ_ＲＥＦ）が、トルク値異常判断部３３に読み出されて上記トルク値との大小が比較される。

このステップ３において、トルク値が閾値以上である場合には、トルク値が異常であると判断されてステップ４に進み、歯車回転周波数演算部３３にて、モータ２の正常回転時における各歯車の回転周波数およびその許容し得る変動分である許容値（許容回転周波数）（Ｆ_Ａ）が求められて、例えば一時記憶部２０に保持される。

上記ステップ３において、トルク値が閾値よりも小さい場合には、歯車が破損しておらず正常であると判断される。
次に、ステップ５において、複数の歯車の異常を順次検査するために、歯車の番号ｎを１に設定した後、ステップ６に進み、当該歯車番号ｎが最終番号（歯車の総数）Ｎを超えているか否かが判断され、最終番号Ｎ以下である場合には、ステップ７に進む。

このステップ７において、差演算部３４によりトルク値の変動周波数（Ｆ_Ｖ）とステップ４で求められた当該歯車の正常時における回転周波数（Ｆ_ｎ）との差（Ｆ_Ｖ−Ｆ_ｎ）が求められる。

次に、ステップ８において、歯車破損判断部３５により、ステップ７で求められた周波数の差（Ｆ_Ｖ−Ｆ_ｎ）の絶対値とステップ４で求められた当該歯車に係る許容値（Ｆ_Ａ）とが比較されて歯車が異常であるか否かが判断される。

このステップ８において、周波数の差の絶対値が許容値以下である場合には、トルクの変動周波数が当該歯車の正常時における回転周波数にほぼ一致していることとなり、したがってこの変動周波数に係るトルク値か発生している箇所が当該歯車であるという判断がなされ、歯車が破損している旨の出力がなされる。

例えば、［表１］に示した数値を用いて説明すると（なお、表１では、ＲＰＭでの数値であるが、説明を簡単にするために、ここでは、その数値を周波数（例えば、７０００ＲＰＭを７０００サイクル）として説明する）、トルクの変動周波数（Ｆ_Ｖ）が、４００サイクルであったとすると、第２歯車列（歯車２４または２５）における正常時の回転周波数（Ｆ_ｎ）が４０８サイクルであり、両周波数の差の絶対値（８サイクル）は、許容値（例えば、４０８サイクルの数％、例えば３％とすると、１４サイクル程度となる）（Ｆ_Ａ）より小さいため、当該第２歯車列における歯車２４または２５が破損していることが分かる。

一方、ステップ８にて、周波数の差の絶対値が許容値より大きい場合には、変動トルクの周波数が当該歯車の回転周波数でないことが分かり、したがってこの歯車については正常であると判断されて、ステップ９にて歯車番号ｎが１だけ増加された後、ステップ６に戻り、ステップ７および８を実行することにより、次の番号に係る歯車の回転周波数との比較が行われる。

なお、ステップ８にて、破損していないと判断された場合には、ステップ９にて、順次、歯車番号が増加されるが、ステップ６において、歯車番号ｎが歯車の総数番号Ｎを超えた時点で（全ての歯車の検査が終了したことになるため）、当該歯車伝達機構部３における歯車が正常である旨の出力がなされる。

このように、複数の歯車が設けられている場合で且つ変動トルク値が異常である場合、そのトルクの変動周波数と各歯車における正常時の回転周波数との差を比較して、変動周波数と各歯車の回転周波数とがほぼ一致しているか否かを判断するようにしているので、複数の歯車を有する歯車伝達機構部３において、破損した歯車を特定することができる。

なお、上記実施の形態においては、複数の歯車の内、個々の歯車についてその破損の有無を検出するように説明したが、入力側歯車と出力側歯車とが設けられている第１〜第４歯車列については、その歯車列に設けられた歯車の異常を検出することができるが、歯車列における入力側歯車または出力側歯車のいずれが破損しているかについては特定することはできない。

上記実施の形態においては、データストレージにおける移動装置の歯車伝達機構部の歯車の破損を検出する場合について説明したが、本発明に係る構成を、下記に示すようなものにも適用することができる。

例えば、位置決めを、ＤＣブラシレスモータと複数の歯車機構を利用している場合、速度の検出に際して、ホール素子の出力から得られるＦＧ信号（モータ回転検出信号）を利用することが一般的である。そして、位置決めを行うために、速度検出に使用しているＦＧ信号をカウントして利用する場合、別のセンサを１箇所用意しておくことにより、当該別のセンサを原点としたＦＧ信号にて速度検出と位置決め検出とが可能となる。但し、歯車機構の歯車が破損している場合、位置決めする位置が目的位置からずれるため、位置決め誤差となるが、歯車の破損が検出されていることにより、警告を発することが可能となる。また、歯車の破損位置が位置決めする位置に影響が少ない破損である場合には、歯車が破損しているにも拘わらず、通常動作をそのまま継続させることや別の動作に切り替えて動作させるといったことも可能となる。また、上記の具体例としては、駆動させる機構部が回転体の場合、一回転で別のセンサを横切るような構成をとることが考えられる。すなわち、機構部が一回転することによって得られる総ＦＧ信号数に比べて、歯車が破損している場合の総ＦＧ信号数は通常よりも多くなると考えられ、したがって歯車の破損した場合に想定される位置ずれ量から得られるＦＧ信号の増分が一致しているならば、位置を移動させる際に通常の位置決めに利用するＦＧ信号の量に上記破損によるＦＧ信号の増分を上乗せさせることによって、歯車が破損しているにも拘わらず、通常の位置決め精度を維持させることが可能となる。さらに、機構部が回転体の場合、複数箇所の歯車が破損していても、ＦＧ信号の増加分を測定することにより、通常の位置決め精度を維持させることが可能となる。

本発明に係る歯車破損検出装置および歯車破損検出方法は、複数の歯車を有する歯車伝達機構部がモータに連結されてなる回転駆動装置において、破損した歯車を特定することができるため、モータを使用し且つ歯車の破損が問題となる用途においては有用である。特に、モータが位置決めを行っている場合は、位置決めエラーを回避し、装置使用者に警告を促すことが必要となる用途には最適である。

本実施の形態に係る歯車破損検出装置が具備された回転駆動装置の概略構成を示すブロック図である。 同回転駆動装置の歯車伝達機構部の具体例を示す模式図である。 同回転駆動装置における歯車破損検出機能の具体例を示すブロック図である。 同回転駆動装置における歯車破損検出動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 回転駆動装置
２ モータ
２ａ 出力軸
３ 歯車伝達機構部
４ 制御装置
１１ プログラム記憶部
１２ データ保持部
１３ 演算処理部
１６ トルクセンサ
１７ トルク検出回路
１８ 速度センサ
１９ 回転速度検出回路
２１ 駆動歯車
２２〜２８ 歯車
２９ 被動歯車
３１ トルク変動周波数演算部
３２ トルク値異常判断部
３３ 歯車回転周波数演算部
３４ 差演算部
３５ 歯車破損判断部

Claims (2)

1. モータの出力軸に複数の歯車により構成された歯車伝達機構部が連結されてなる回転駆動装置における上記歯車の破損検出装置であって、
   上記モータに設けられたトルクセンサおよび速度センサと、上記歯車伝達機構部に設けられた各歯車の歯数が記憶された記憶部と、
   上記トルクセンサからのトルク値および速度センサからの回転速度を入力してトルクの変動周波数または変動周期（以下、変動周波数等という）を演算するトルク変動周波数等演算部と、
   このトルク変動周波数等演算部にて求められたトルク変動周波数等に係るトルク値と予め設定された閾値と比較してトルク値が異常であるか否かを判断するトルク値異常判断部と、
   このトルク値異常判断部にてトルク値が異常であると判断された場合に、上記速度センサからの回転速度および上記記憶部から各歯車の歯数を入力するとともに、当該入力された回転速度に応じた各歯車における回転周波数または回転周期（以下、回転周波数等という）およびその許容値を演算する回転周波数等演算部と、
   上記トルク変動周波数等演算部からのトルク変動周波数等および回転周波数等演算部から各歯車の回転周波数等を順次入力してこれら両周波数等の差を求める差演算部と、
   この差演算部にて求められた周波数等の差と上記求められた許容値とを比較して歯車の破損の有無を判断する歯車破損判断部と
   から構成したことを特徴とする歯車破損検出装置。
2. モータの出力軸に、複数の歯車により構成された歯車伝達機構部が連結されてなる回転駆動装置における上記歯車の破損検出方法であって、
   上記モータのトルク値および回転速度を入力してトルクの変動周波数または変動周期（以下、変動周波数等という）を演算し、
   次に上記変動周波数等に係るトルク値と予め求められた閾値とを比較して当該トルク値が異常であるか否かを判断し、
   トルク値が異常であると判断された場合に、その変動周波数等と各歯車における回転周波数または回転周期（以下、回転周波数等という）との差を求め、
   次にこの差と各歯車における回転周波数等の許容値とを比較して、当該差が許容値より小さい場合に、歯車が破損していると判断する
   ことを特徴とする歯車破損検出方法。
   

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