JP4265243B2

JP4265243B2 - 軸受ユニットの予圧測定機

Info

Publication number: JP4265243B2
Application number: JP2003068620A
Authority: JP
Inventors: 孝前田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP2004279125A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオテープレコーダー（ＶＴＲ），ハードディスクドライブ（ＨＤＤ），レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）等のスピンドルモータ、ロータリアクチュエータ、ロータリエンコーダ等の各種精密回転部分に組込まれる軸受ユニットの予圧測定機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種精密回転部分に組込まれる軸受ユニットの予圧測定機は、振れ回り運動及び軸方向の振れを防止するため、極めて高精度に製造されなければならない。そのため、通常、アキシアル方向の予圧を付与した状態で使用される。この予圧を付与することにより、軸受ユニットの剛性を高く保ち、スピンドルの振れ精度を向上させるようにしている。また、スピンドルを支承する軸受ユニットでは、回転軸に、互いに独立した一対の軸受ユニットが用いられ、一対の軸受ユニットに予圧を付与する必要がある。そして、予圧を付与する方法として、コイルばねや皿ばね等を利用して適正な予圧を軸受に与える定圧予圧、対向した軸受のアキシアル方向の相対位置が使用中にも変化しない定位置予圧が知られている。
【０００３】
従来、軸受ユニットの予圧測定機として、図５に示す軸受ユニットの予圧測定機５０は、測定対象となる軸受ユニット５１の内輪５１ａ側に軸５２が挿入された状態で、軸５２の一端を、受け側治具５３の凹部に嵌挿して固定すると共に、他端を押圧側治具５４に当接可能にセットする測定装置本体５５と、測定装置本体５５に接続され測定装置本体５５への入出力データを一括制御する制御部５６とからなる。測定対象となる軸受ユニット５１は、軸線上で２分割され、外周側に軌道溝を有する内輪５１ａ，５１ａと、内輪５１ａ，５１ａの外周側に設けられ、内周面に内輪５１ａ，５１ａの軌道溝に対峙した二列の軌道溝を有する外輪５１ｂとを備えている。
【０００４】
また、測定装置本体５５は、その下部から順に、基板上に固設されたロードセル５７と、ロードセル５７上に固定された下部圧電素子５８と、下部圧電素子５８上に固定され軸５２の下端を支承する受け側治具５３と、軸５２の上端を押圧する押圧側治具５４と、押圧側治具５４上に固定された上部圧電素子５９と、一方を上部圧電素子５９に接続し、ガイドホルダ６０により図中の矢印方向（垂直方向）に移動可能に支持された送り軸６１と、送り軸６１の他方に接続され、送り・加圧用のパルスモータ６２の回転によりボールネジ６３及びナット６４を介して駆動されるカップリング部６５と、を備えて構成される。また、軸受ユニット５１の外輪５１ｂの端面に測定子６６ａを当接して固設された振動センサ６６を備えている。そして、ロードセル５７，下部圧電素子５８，上部圧電素子５９，パルスモータ６２，及び振動センサ６６は制御部５６に接続されて各種データの入出力がなされる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１４６７２６号公報（第３−４頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１に記載された軸受ユニットの予圧測定機５０では、加振を行なうために、軸５２の両端部に下部圧電素子５８，上部圧電素子５９を配しており、更に予圧を行なうために、パルスモータ６２を用いているので、全体的な構造及び制御に必要な回路が複雑になってコスト面で不利になり、各部の点検や管理が煩雑になって生産性の向上が難しい。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡素な構造によりコスト面で有利であり、軸受ユニットに作用する予圧量を、外乱の振動による影響を防止して高精度に予圧量を測定できる軸受ユニットの予圧測定機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の軸受ユニットの予圧測定機は、軸受ユニットの予圧を測定する予圧測定機であって、測定しようとする軸受ユニットの内輪に嵌挿された軸を、前記軸受ユニットを介して支持する軸受支持手段と、前記軸受ユニットに対して軸方向に所定の荷重を負荷する加圧手段と、前記軸受ユニットに振動を付与する加振手段と、該加振手段の振動付与により前記軸受ユニットに生じる振動を検出する振動センサと、前記加圧手段により軸受ユニットを加圧した状態で前記加振手段を作動させ、軸受ユニットに生じる振動を検出した前記振動センサからの出力信号により共振周波数を求め、得られた共振周波数に基づいて前記所定荷重負荷前の軸受ユニットの予圧量を演算する制御部と、を備えた軸受ユニットの予圧測定機において、前記軸の一端面に前記圧電素子を配するとともに該軸の他端面に弾性体を配し、該圧電素子と前記弾性体とにより該軸を挟持したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の請求項２に記載の軸受ユニットの予圧測定機は、請求項１記載の軸受ユニットの予圧測定機において、前記加振手段が単一に配された圧電素子であることを特徴とする。
【００１０】
更に、本発明の請求項３に記載の軸受ユニットの予圧測定機は、請求項１または２に記載の軸受ユニットの予圧測定機において、前記弾性体の剛性が前記軸受ユニットの剛性よりも小さい値に設定されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る上記構成の軸受ユニットの予圧測定機によれば、軸の一端面に配された圧電素子と、軸の他端面に配された弾性体と、により軸が挟持されて構成される。
したがって、加圧手段により所定の荷重を軸受ユニットに負荷するため、ノイズ成分を除去しつつ振動を検出することができるとともに、軸受ユニットの共振周波数を精度良く求めることができ、それによって、軸受ユニットの真の予圧量を換算処理により精度良く求めることができる。また、予圧量の測定を連続的な自動制御により迅速に行うことができるため、生産性の高い測定を行うことができる。そして、軸の両端に一対の圧電素子を配したものと比べて全体的な構造が簡素になるため、制御に必要な回路も単純なものとなる。また、軸に、小径部、大径部、内輪軌道、を形成したものと比べて、軸に対する加工を施す必要がない。これらによって、コスト面で有利となり、生産性の向上を図れる。また、軸の他端面に配された弾性体により、予圧を受ける際の振動モードの影響を受け難くなるため、外乱の振動による影響を防止して高精度に予圧の測定を行うことができる。
【００１２】
また、加圧手段を、単一に配された圧電素子とすることにより、圧電素子を制御する制御回路を更に単純なものとすることができる。
【００１３】
また、弾性体の剛性を、軸受ユニットの剛性よりも小さい値に設定されていることにより、外乱の振動モードを確実に遮断することができるので、軸受ユニットの予圧を正確に評価することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の軸受ユニットの予圧測定機の一実施形態を図１乃至図４に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態の軸受ユニットの予圧測定機の一部破断正面図、図２は図１に示す軸受ユニットの予圧測定機における制御部のブロック構成図、図３は図１に示す軸受ユニットの予圧測定機における共振周波数と予圧量との関係を示すグラフ、図４は図１に示す軸受ユニットの予圧測定機における振幅と周波数との関係を示すグラフである。
【００１５】
図１に示すように、本発明の一実施形態の軸受ユニットの予圧測定機１０は、加圧手段として機能する上治具１２，下治具１３と、加振手段として機能するピエゾ素子（圧電素子）１４と、振動センサ１５と、弾性体１６と、ロードセル１７と、制御部１８とから構成され、軸受支持手段として機能するハウジング２０と、一対の軸受４０，４０と、中空の軸１９とからなるピボット軸受ユニット１１（以下、単に軸受ユニットと云う。）の予圧を測定する。一対の軸受４０，４０は、外周面に内輪軌道面を有する内輪４２，４２と、内周面に外輪軌道面を有する外輪４３，４３と、内輪軌道面と外輪軌道面との間に転動自在に配された複数の転動体である玉４４と、を有する。
【００１６】
軸１９は、外周部が軸受４０の内輪４２，４２に内嵌されており、その上端面が弾性体１６に当接し、その下端面がピエゾ素子１４に当接している。ハウジング２０は、軸１９よりも大きい外径の円筒形状に形成されており、内周部に軸受４０の外輪４３，４３が内嵌されている。このとき、外輪４３，４３は、外輪間座２１を介してハウジング２０に組み付けられている。
【００１７】
上治具１２は、弾性体１６の上方に配されており、予め定められた重量をもつ錘である。上治具１２の自重である測定荷重Ｆ１がかけられるため、弾性体１６を介して軸１９に所定の予圧荷重をかける。下治具１３は、ピエゾ素子１４の下部に配されており、弾性体１６を介して上治具１２から軸１９にかけられた予圧荷重を受け止める機能を持っている。
【００１８】
ピエゾ素子１４は、圧電素子からなる微動機構であって、軸受４０，４０の軸方向に十分な剛性を有する。ピエゾ素子１４は、軸１９の下端面に当接しており、制御部１８から与えられる発振信号により加振駆動され、軸１９を介して軸受４０，４０に軸方向の振動を付与する。ピエゾ素子１４は、１個のみ設けられており、制御部１８に電気的に接続されている。
【００１９】
振動センサ１５は、軸受ユニット１１の共振周波数を検出するためのもので、例えば、ムービングマグネット型の振動検知センサである。振動センサ１５は、振動を検知する測定子１５ａと、インピーダンスを高くすることで電圧が昇圧されて増幅効果を生じるマッチングトランス（図２に示す）１５ｂとからなる。振動センサ１５は、制御部１８に電気的に接続されている。
【００２０】
弾性体１６は、例えば、ウレタンゴム（ショアＡ５０）であり、軸受ユニット１１の剛性よりも３４ｄＢ小さい１／５０の剛性を持っている。弾性体１６は、上治具１２と軸１９との間に配されているため、軸受ユニット１１において、予圧を受ける際の振動モードの影響を受け難くすることによって、外乱の振動による影響を防止して高精度に予圧の測定を行うための機能を持っている。弾性体１６は、ピエゾ素子１４とにより、軸１９を挟持している。
【００２１】
ロードセル１７は、軸受ユニット１１の軸方向に負荷される荷重をリアルタイムで検出する。ロードセル１７は、制御部１８に電気的に接続されている。
【００２２】
図２に示すように、制御部１８には、中央演算装置（ＣＰＵ）２２と、ピエゾ素子１４駆動用のスィープトサイン発振器２３，パワーアンプ２４と、振動センサ１５からの電気信号解析用のアンチエリアシングフィルタ２５，アンプ２６，Ａ／Ｄ変換器２７と、ロードセル１７からの電気信号解析用のロードセルアンプ２８，Ａ／Ｄ変換器２９と、キーボード３０と、ディスプレイ３１と、を備えている。
【００２３】
制御部１８では、中央演算装置２２からの指令によるスィープトサイン発振器２３の発振信号をパワーアンプ２４により増幅させた後、増幅した信号をピエゾ素子１４に入力する。このとき、入力される発振信号としては、例えば、０〜１０ｋＨｚ程度となるように掃引されたスィープトサイン波が好適に用いられる。
【００２４】
また、制御部１８では、振動センサ１５のマッチングトランス１５ｂからの検出信号を、アンチエリアシングフィルタ２５に入力して高周波成分（例えば１５ｋＨｚ以上）を除去する。このアンチエリアシングフィルタ２５は、高域の折り返し周波数を除去して低域の離散周波数を選択する効果があり、一種のローパスフィルタとして機能する。さらにこの信号を、アンプ２６及びＡ／Ｄ変換器２７を介して中央演算装置２２に転送する。
【００２５】
そして、制御部１８では、ロードセル１７からの出力信号を、ロードセルアンプ２８により増幅し、Ａ／Ｄ変換器２９を介して中央演算装置２２に順次転送する。
【００２６】
制御部１８は、図示しない補助記憶装置等から後述する計算手法によるプログラムを取込んで前記各機器を制御すると共に、各機器から得られたデータを取込んで軸受ユニット１１の予圧量を演算するものである。具体的には、付属するキーボード３０による入力操作により、各種設定がなされ、インターフェースを介してピエゾ素子１４を駆動しつつ、荷重変化データ及び振動データを順次取入れて各種処理及び演算を実行し、同じく付属するディスプレイ３１に表示する。
【００２７】
制御部１８は、以下に記載する動作により、軸受ユニット１１の予圧を測定する。即ち、軸受ユニット１１を軸１９，ハウジング２０に組み付けたところで、制御部１８及び前記各機器に電源を投入して立ち上げ、キーボード３０の操作等により、プログラムがスタートする。そして、上治具１２の自重である測定荷重（第１設定荷重）Ｆ１がかけられる。この荷重Ｆ１は、弾性体１６を介することによって、振動モードの影響を受けない状態で軸受ユニット１１に予圧として作用する。そして、ロードセル１７により、予圧量を測定する荷重（第２設定荷重）Ｆ２が検出されたところで、ピエゾ素子１４にスィープトサイン波を印加し、ピエゾ素子１４に振動を発生させる。この振動は、軸１９に伝達されて軸受ユニット１１が振動する。
【００２８】
軸受ユニット１１の予圧量を求めるに際し、一般的に、振動を受けた状態における軸受ユニット１１に作用する共振周波数ｆは、
ｆ＝（１／２π）√（Ｋ／ｍ） (1)
で示される。ここで、ｍは軸受４０，４０の質量で、Ｋは軸受４０，４０の剛性である。
【００２９】
軸受ユニット１１に第２設定荷重Ｆ２が負荷されたときに測定した共振周波数をｆ_Mとすると、荷重が負荷されていない真の（初期状態における）共振周波数ｆ_aは、共振周波数ｆ_Mから荷重Ｆ２分の周波数成分を差し引く必要がある。そのため、共振周波数ｆ_aは、
ｆ＝ｆ_M−Ｆ２×ｋｃ (2)
で表すことができる。ここで、ｋｃは予め求めた補正係数［Hz/kgf］である。そして、上記（２）式で求めた共振周波数ｆ_aを（１）式に代入して軸受の剛性Ｋを求め、得られたＫを用いて真の予圧量Ｆ_aを（３）式から求める。
【００３０】
Ｆ_a＝α・ｆ（Ｋ） (3)
ここで、αは軸受４０，４０の接触角であり既知の値である。
【００３１】
ここで、図３に示すように、共振周波数と予圧量との関係は、接触角αの大小に応じて変化する。即ち、接触角αが大となるラジアル隙間が大きい場合は、接触角αが小となるラジアル隙間が小さい場合より、同一予圧量であっても共振周波数が高くなる。軸受特性が判明している場合は、アキシアル共振周波数から予圧量を推定することができる。
【００３２】
図４に示すように、振動センサ１５から取り込んだ電気信号は、測定帯域内の最大ピーク周波数（５０００Ｈｚ）がアキシアル共振周波数となる。
【００３３】
そして、上記真の予圧量Ｆ_aを制御部１８によって求めるには、先ずピエゾ素子１４により振動を付加したときの共振周波数ｆ_Mを求める。具体的には、振動センサ１５からの信号をアンチエリアシングフィルタ２５により高周波成分を除去した後、アンプ２６により増幅して、さらにＡ／Ｄ変換器２７によりサンプリングすることで、例えば、１０２４個のデジタルデータを生成する。このデジタルデータに対しＦＦＴ処理を行ってパワースペクトルを求める。そして、このパワースペクトルの最大振幅のスペクトル周波数を共振周波数ｆ_Mとする。次に、得られた共振周波数ｆ_Mと、ロードセル１７から検出される荷重Ｆ２から、（２）式により真の共振周波数ｆ_aを求める。そして、真の共振周波数ｆ_a、軸受ユニット１１の剛性Ｋ、軸受ユニット１１の接触角α、から（３）式により真の予圧量Ｆ_aを求める。
【００３４】
このような演算処理は、制御部１８にプログラムを予め組込んでおき、中央演算装置２２の指令によって、各機器から取込んだ測定データに基づいて演算することで自動的になされる。その際の途中経過を含む演算結果はディスプレイ３１に逐次表示され、軸受ユニットの予圧測定機１０の使用者に明瞭且つ迅速に良否判定や製造工程における各種条件設定等に資する情報を提供することができる。その後は、データの保存、ピエゾ素子１４の駆動停止、荷重除去等の一連の復帰動作により測定の一サイクルを終了し、次の測定の待機状態となる。
【００３５】
本実施形態に係る軸受ユニットの予圧測定機１０によれば、軸１９の上端面に当接した弾性体１６と、軸１９の下端面に当接したピエゾ素子１４とにより軸１９が挟持されて構成される。
したがって、弾性体１６を介して上治具１２，下治具１３により所定の荷重を軸受ユニット１１に負荷するため、ノイズ成分を除去しつつ振動を検出することができるとともに、軸受ユニット１１の共振周波数を精度良く求めることができる。それによって、軸受ユニット１１の真の予圧量を換算処理により精度良く求めることができる。また、予圧量の測定を連続的な自動制御により迅速に行うことができるため、生産性の高い測定を行うことができる。そして、軸の両端に一対の圧電素子を配したものと比べて全体的な構造が簡素になるため、制御に必要な回路も単純なものとなる。
【００３６】
また、軸に、小径部、大径部、内輪軌道、を形成したものと比べて、軸に対する加工を施す必要がない。これらによって、コスト面で有利となり、生産性の向上を図れる。また、軸１９の他端面に配された弾性体１６により、予圧を受ける際の振動モードの影響を受け難くなるため、外乱の振動による影響を防止して高精度に予圧の測定を行うことができる。また、ピエゾ素子１４を、単一に配しているため、ピエゾ素子１４を制御する制御回路を更に単純なものとすることができる。更に、弾性体１６の剛性を、軸受ユニット１１の剛性よりも小さい値に選んでいるため、外乱の振動モードを確実に遮断することができるので、軸受ユニット１１の予圧を正確に評価することができる。
【００３７】
なお、本発明に係る軸受ユニットの予圧測定機は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。例えば、ハウジングの内筒として、図示した円筒形状に代えて、中実の軸形状としたり、内周部に別体の軸を挿入したりしても良い。その場合には、重量が大きくなるおそれがあるため、比重の小さい部材を選択するのが好ましい。
また、弾性体のボリュームについては、設定荷重の値に対応して選ばれるが、上治具がハウジングに直接接触しない程度であれば、ハウジングに接近するようになっても差し支えない。
そして、軸受ユニットの予圧測定機に用いられる軸受として、ピボット軸受に代え、深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受等を適用しても良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の軸受ユニットの予圧測定機によれば、軸の一端面に配された圧電素子と、軸の他端面に配された弾性体と、により軸が挟持されて構成される。
したがって、加圧手段により所定の荷重を軸受ユニットに負荷するため、ノイズ成分を除去しつつ振動を検出することができるとともに、軸受ユニットの共振周波数を精度良く求めることができ、軸受ユニットの真の予圧量を換算処理により精度良く求めることができる。また、予圧量の測定を連続的な自動制御により迅速に行うことができるため、生産性の高い測定を行うことができる。そして、軸の両端に一対の圧電素子を配したものと比べて全体的な構造が簡素になるため、制御に必要な回路も単純なものとなる。また、軸に、小径部、大径部、内輪軌道、を形成したものと比べて、軸に対する加工を施す必要がない。これらによって、コスト面で有利となり、生産性の向上を図れる。また、軸の他端面に配された弾性体により、予圧を受ける際の振動モードの影響を受け難くなるため、外乱の振動による影響を防止して高精度に予圧の測定を行うことができる。
よって、簡素な構造によりコスト面で有利であり、軸受ユニットに作用する予圧量を、外乱の振動による影響を防止して高精度に予圧量を測定できる軸受ユニットの予圧測定機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の軸受ユニットの予圧測定機の一部破断正面図である。
【図２】図１に示した軸受ユニットの予圧測定機の制御部のブロック構成図である。
【図３】図１に示した軸受ユニットの予圧測定機における共振周波数と予圧量との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示した軸受ユニットの予圧測定機における振幅と周波数との関係を示すグラフである。
【図５】従来の軸受ユニットの予圧測定機の構造図である。従来の他の構成の軸受ユニットの予圧測定機の構造図である。
【符号の説明】
１０軸受ユニットの予圧測定機
１１軸受ユニット
１２上治具（加圧手段）
１３下治具（加圧手段）
１４ピエゾ素子（圧電素子、加振手段）
１５振動センサ
１６弾性体
１８制御部
１９軸
２０ハウジング（軸受支持手段）
４２内輪

Claims

軸受ユニットの予圧を測定する予圧測定機であって、測定しようとする軸受ユニットの内輪に嵌挿された軸を、前記軸受ユニットを介して支持する軸受支持手段と、前記軸受ユニットに対して軸方向に所定の荷重を負荷する加圧手段と、前記軸受ユニットに振動を付与する加振手段と、該加振手段の振動付与により前記軸受ユニットに生じる振動を検出する振動センサと、前記加圧手段により軸受ユニットを加圧した状態で前記加振手段を作動させ、軸受ユニットに生じる振動を検出した前記振動センサからの出力信号により共振周波数を求め、得られた共振周波数に基づいて前記所定荷重負荷前の軸受ユニットの予圧量を演算する制御部と、を備えた軸受ユニットの予圧測定機において、
前記軸の一端面に前記加振手段を配するとともに該軸の他端面に弾性体を配し、該加振手段と前記弾性体とにより該軸を挟持したことを特徴とする軸受ユニットの予圧測定機。
前記加振手段が、単一に配された圧電素子であることを特徴とする請求項１記載の軸受ユニットの予圧測定機。
前記弾性体の剛性が、前記軸受ユニットの剛性よりも小さい値に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸受ユニットの予圧測定機。