JP4265243B2 - 軸受ユニットの予圧測定機 - Google Patents
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Description
【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fM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faは、共振周波数fM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faは、
f=fM−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fa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Faを(3)式から求める。
【0030】
Fa=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Fa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fM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fMとする。次に、得られた共振周波数fM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faを求める。そして、真の共振周波数fa、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Fa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 (3)
- 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。
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