(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に摺動運動する２つの摺動部材のうち、一方の摺動部材内に音波を放射し、前記一方の摺動部材の摺動面での反射波と前記一方の摺動部材の前記摺動面を除く部分に設定された基準面での反射波との関係に基づいて前記２つの摺動部材の接触状態を計測する接触状態計測方法。
【請求項２】
前記摺動面での反射波と前記基準面での反射波との強度比を算出し、前記２つの摺動部材の接触状態を前記強度比により数値化することを特徴とする請求項１に記載の接触状態計測方法。
【請求項３】
前記基準面となる底面を有する前記音波の波長のほぼ４分の１の深さで、かつ前記底面の面積が前記摺動面の前記計測音波が反射する部分の面積とほぼ等しい有底穴を形成し、前記摺動面での反射波と前記基準面での反射波との合成波の強度に基づいて前記２つの摺動部材の接触状態を数値化することを特徴とする請求項１に記載の接触状態計測方法。
【請求項４】
相対的に摺動運動する２つの摺動部材のうち、一方の摺動部材内に音波を放射する音波放射手段と、前記一方の摺動部材の摺動面での反射波及び前記一方の摺動部材の前記摺動面を除く部分に設定された基準面での反射波の受信手段と、前記摺動面での反射波及び前記基準面での反射波の関係に基づいて前記２つの摺動部材の接触状態を数値化する反射波解析手段とを備えてなる接触状態計測装置。
【請求項５】
前記基準面が、前記摺動面に穿設された有底穴の底面であることを特徴とする請求項４に記載の接触状態計測装置。
【請求項６】
前記基準面が、前記摺動面上に形成された被膜と前記摺動面との界面であり、前記被膜は、前記摺動部材と異なる密度を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の接触状態計測装置。
【請求項７】
前記基準面が、前記摺動面に穿設された有底穴の底面であり、前記有底穴の深さは、前記音波の波長のほぼ４分の１で、前記底面の面積は、前記摺動面の前記測音波が反射する部分の面積とほぼ等しいことを特徴とする請求項４に記載の接触状態計測装置。
【請求項８】
前記有底穴が複数形成され、該複数の有底穴の底面の面積の合計が、前記摺動面の前記音波が反射する部分の面積とほぼ等しいことを特徴とする請求項７に記載の接触状態計測装置。
【請求項９】
請求項４乃至８のいずれかに記載の接触状態計測装置と、該接触状態計測装置で計測した相対的に摺動運動する２つの摺動部材の接触状態に基づいて運転を制御する制御手段とを備えてなる圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対的に摺動する２つの摺動部材の摺動面の接触状態計測装置に係り、特に、音波により摺動面の接触状態を計測する接触状態計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の相対的に摺動する２つの摺動部材の摺動面の接触状態を検出する手段として、２つの部材が導電性物質である場合には、２つの部材の接触導通を計測する方法や、２つの部材の摺動面の摩耗が激しくなり摺動面が破壊されることによって発生するアコースティック・エミッション波形を計測する方法などが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、２つの摺動部材の接触導通を計測する方法では、間隔をおいて位置する２つの摺動部材の摺動面が接触した状態になったことしか検出することができない。また、アコースティック・エミッション波形を計測する方法では、２つの摺動部材の摺動面の摩耗が激しくなり、摺動面の破壊が起きているような異常状態になったことしか検出することができない。
【０００４】
ところが、多くの摺動する部材を有する機器や装置などでは、使用開始時にすでに２つの摺動部材は接触した状態にあり、さらに、２つの摺動部材の摺動面の接触状態が異常状態になり、摺動面の破壊が起きる前に、異常状態になることを事前に検知する必要がある。このため、２つの摺動部材の摺動面の接触状態を定量的に計測することにより、接触状態の変化を検知できるようにする必要がある。
【０００５】
これに対し、２つの摺動部材の摺動面の接触状態を検出するために位置センサーや荷重センサーなどを摺動面に設置することが考えられる。しかし、摺動部材の摺動面の形状や摺動面周囲の設計によってセンサーを設置できない場合、またはセンサーを設置するために摺動部材を有する装置などの設計が制限されてしまう場合がある。
【０００６】
また、日本機械学会論文集６３巻６１１号２４５６ページ、１９９７−７に記載のように、２つの部材の摺動面に音波を照射したとき、摺動面の接触状態によって、摺動面で反射した音波の反射波の強度が変化することが知られている。しかし、摺動面の粗さや摺動面の運動形態が時間経過に伴い変化する場合には、これらの条件によって摺動面からの反射波の強度が変化するため、摺動運動開始初期の反射波の反射強度と、所定時間摺動運動を行った後に計測した反射波の反射強度との比較を行っても、接触状態の変化を把握することは難しい。
【０００７】
本発明の課題は、２つ摺動部材の摺動面の接触状態を定量的に計測することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の接触状態計測方法及び接触状態計測装置は、以下の手段により上記課題を解決する。
相対的に摺動運動する２つの摺動部材のうち、一方の摺動部材内に音波を放射し、一方の摺動部材の摺動面での反射波と一方の摺動部材の前記摺動面を除く部分に設定された基準面での反射波との関係に基づいて２つの摺動部材の接触状態を計測する。
【０００９】
このとき、摺動面での反射波と基準面での反射波との強度比を算出し、２つの摺動部材の接触状態を強度比により数値化する。
【００１０】
このようにすれば、摺動部材の押しつけ荷重によって変化する摺動面での反射波の強度と、常に一定である基準面での反射波の強度との強度比を算出することにより、摺動部材の押しつけ荷重によって変化する摺動面の摩耗速度などの２つの摺動部材の接触状態を、反射波の強度を変化させる他の要因からの影響がない相対的なスケールで数値化できるので、接触状態を定量的に計測することができる。
【００１１】
また、基準面となる底面を有する音波の波長のほぼ４分の１の深さで、かつ底面の面積が摺動面の計測音波が反射する部分の面積とほぼ等しい有底穴を形成し、摺動面での反射波と基準面での反射波との合成波の強度に基づいて２つの摺動部材の接触状態を数値化する。
【００１２】
このようにすれば、摩耗の初期状態では、摺動面からの反射波と基準面からの反射波とがほぼ逆位相となり互いにほぼ打ち消し合い、２つの反射波の合成波の強度は、ほぼ０または小さな値となる。摺動面の摩耗が進むと、有底穴の深さが浅くなることにより、２つの反射波の位相がずれて、２つの反射波の合成波の強度は大きくなる。したがって、摺動部材の摺動面での反射波と基準面での反射波との合成波の強度に基づいて接触状態を数値化できるので、接触状態を定量的に計測することができる。
【００１３】
また、上記の接触状態計測方法により２つの摺動部材の接触状態を計測する装置は、相対的に摺動運動する２つの摺動部材のうち、一方の摺動部材内に音波を放射する音波放射手段と、一方の摺動部材の摺動面での反射波及び一方の摺動部材の摺動面を除く部分に設定された基準面での反射波の受信手段と、摺動面での反射波及び基準面での反射波の関係に基づいて２つの摺動部材の接触状態を数値化する反射波解析手段とを備えてなる装置とすればよい。
【００１４】
このとき、基準面が、摺動面に穿設された有底穴の底面、または、摺動面上に形成された被膜と摺動面との界面であれば、摺動部材の押しつけ荷重によって変化する摺動面での反射波の強度と、常に一定である基準面での反射波の強度との強度比により、接触状態を数値化することができる。このとき、被膜は、摺動部材と異なる密度を有する材料で形成されている。
【００１５】
また、摺動面での反射波と基準面での反射波とを受信手段への到着時刻の差に基づいて弁別して分離する波形分離手段を備えれば、容易に摺動面での反射波と基準面での反射波とを分離できるので好ましい。
【００１６】
さらに、基準面が、摺動面に穿設された１つまたは複数の有底穴の底面であり、有底穴の深さは、計測音波の波長のほぼ４分の１で、底面の面積または複数の底面の面積の合計が、摺動面の計測音波が反射する部分の面積とほぼ等しければ、摺動面での反射波と基準面での反射波との合成波の強度によって接触状態を数値化できる。
【００１７】
ところで、圧縮機の摺動部材間の接触状態は、内部潤滑状態、すなわち、潤滑油中の気泡の量、冷媒溶解量の変化に伴う潤滑油の粘度変化、潤滑油の供給量などの運転モードによって変化し、さらに、摺動部材間などへの異物の混入などによっても変化する。このような内部潤滑状態や異物の混入などにより、圧縮機内の摺動部材の接触状態が経時的に変化するため、摺動部材の接触状態を定量的に把握することが重要であり、信頼性を確保するために摺動部材間の接触状態に応じて圧縮機の運転を制御できることが重要である。
【００１８】
これに対し、上記に記載のいずれかの接触状態計測装置と、この接触状態計測装置で計測した相対的に摺動運動する２つの摺動部材の接触状態に基づいて運転を制御する制御手段とを備えてなる圧縮機とすれば、制御部が、接触状態計測装置からの接触状態の計測結果に基づき、摺動部材の摺動面の接触状態が異常状態になるのを事前に検知し、圧縮機の作動を停止することにより、圧縮機の破損を防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなる接触状態計測装置の第１の実施形態を、図１乃至図８を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる接触状態計測装置の概略構成と動作を示す図である。図２は、押しつけ荷重１００Ｎでの反射波の強度を示す図である。図３は、押しつけ荷重２００Ｎでの反射波の強度を示す図である。図４は、押しつけ荷重に対する反射波の強度比と摩耗速度との関係を示す図である。図５は、接触状態計測装置を備えた圧縮機本体の概略構成を示す断面図である。図６は、接触状態計測装置を備えた圧縮機のオルダム機構部の概略構成を、一部を破断して示す分解斜視図である。図７は、オルダム機構部へ接触状態計測装置を取り付けた状態を示す断面図である。図８は、圧縮機全体の概略構成を示す図である。
【００２０】
本実施形態の接触状態計測装置は、図１に示すように、鋳鉄からなる可動側の摺動部材１と固定側の摺動部材３との接触状態を計測するために設けられている。摺動部材１は、摺動部材３に所定の押しつけ荷重Ｐで押し付けられた状態で、摺動部材３の摺動面５に沿う方向７に往復運動しており、摺動部材１の摺動面９と摺動部材３の摺動面５とは接触しており、摺動部材１の往復運動により摩擦が生じている状態にある。
【００２１】
本実施形態の接触状態計測装置は、超音波プローブ１１と接触状態計測制御部１３などで構成され、そして、摺動部材３の摺動面５には有底穴１５が形成されている。超音波プローブ１１は、圧電素子を内蔵しており、計測音波の発振、つまり放射と受信を兼ねており、その先端部にはカバーとなる先端板１６が取り付けられている。そして、摺動部材３の摺動面５と反対側の背面１７側に設けられた有底穴１９に計測音波の放射と受信を行う超音波プローブ１１が挿入され、先端板１６の反対側の端部側に設けられたばねなどの弾性部材２３を介して固定部材２５により摺動部材３に弾性的に取り付けられている。接触状態計測制御部１３は、発振回路２７、受信回路２９、増幅回路３１、波形分離回路３３、反射波形解析回路３５、計測制御回路３７などで構成されている。なお、超音波プローブ１１と発振回路２７とは、音波放射手段を構成し、超音波プローブ１１と受信回路２９とは、受信手段を構成している。
【００２２】
有底穴１５は、摺動部材３の摺動面５に深さＬが２ｍｍで穿設されており、有底穴１５の底面はほぼ平面状に加工されて基準面３９となっている。なお、超音波プローブ１１の先端板１６の端面と摺動面５間の距離は１０ｍｍであり、超音波プローブ１１の先端板１６の端面と基準面３９間の距離は８ｍｍとなっている。なお、基準面３９の大きさ、すなわち面積は、超音波プローブ１１の送受信面となる先端板１６の面積よりも小さければよいが、基準面３９の面積が超音波プローブ１１の送受信面となる先端板１６の面積の半分であれば、摺動面５からの反射波と基準面３９からの反射波の強度がほぼ同じになるため、計測感度がよくなる。
【００２３】
このような本実施形態の接触状態計測装置は、測定時、計測制御回路３７からの指令４１により、発振回路２７からパルス波形４３を出力することで超音波プローブ１１を加振し、周波数１０ＭＨｚの計測音波を発振する。計測音波は、摺動面５及び基準面３９で反射し、摺動面５及び基準面３９で反射した各々の反射波は、超音波プローブ１１で受信される。受信された反射波は、超音波プローブ１１と受信回路２９を順次介して、受信された反射波に応じた受信信号４７として出力される。受信信号４７は、増幅回路３１で所定ゲインまで増幅された後、波形分離回路３３に入力される。受信信号４７は、波形分離回路３３により、摺動面５からの反射波に対応する受信信号４７ａと基準面３７からの反射波に対応する受信信号４７ｂとに弁別して分離される。分離された受信信号４７ａ、４７ｂは、反射波解析回路３５により解析され接触状態を表すための数値に数値化される。これら一連の接触状態の計測動作は、計測制御回路３７で指令されている。本実施形態の接触状態計測制御部３７は、発振回路２７が周波数１０ＭＨｚのパルス波形４３を出力するのに対し、発振と受信とは、１ｋＨｚ毎で切り替えを行っている。すなわち、所定時間間隔で受信信号だけを連続的に取り込み、接触状態の計測をっている。
【００２４】
ここで、波形分離回路３３での波形の分離方法と、反射波形解析回路３５での波形の解析方法、すなわち接触状態の数値化とについて説明する。
摺動部材３の摺動面５と有底穴１５の底面である基準面３９とからの反射波を受信する時間差ｔは、図１に示すように、摺動面５と基準面３９との計測音波の伝播距離差をＬ、計測音波の音速をｖとすると、
ｔ  ＝  Ｌ  ／  ｖ      …（１）
となる。すなわち、摺動面５からの反射波と基準面３９からの反射波とは、常に時間差ｔだけずれて検出される。このため、各々の反射波を時間差ｔに基づき容易に弁別して分離することが可能である。したがって、波形分離回路３３は、予め入力された超音波プローブ１１の先端板１６の端面から計測音波の反射面となる摺動部材３の摺動面５までの距離、超音波プローブ１１の先端板１６の端面から有底穴１５の底面である基準面３９までの距離、そして摺動部材３内での計測音波の音速から、摺動面５からの反射波と基準面３９からの反射波の各々の到着時刻を算出し、この算出された各々の到着時刻から、摺動面５からの反射波に対応する受信信号４７ａと基準面３９からの反射波に対応する受信信号４７ｂとを弁別し分離している。
【００２５】
一方、固体内を伝播した超音波の自由表面での反射に関する物理的性質において、超音波の自由表面での反射率は固体中での音速と固体の密度との積算値に依存し、音響インピーダンスで表現できる。一般に、固体内を伝播した音波が自由表面に達すると、多くは反射され、その他は直進して自由表面に隣接する液体または気体中に進んで行く。これに対し、超音波が反射する面に別の固体が接触している場合の現象に関しては、基本関係式などは未だ無いのが現状である。最近の研究では、日本機械学会論文集６３巻６１１号２４５６ページ、１９９７−７に記載のように、２つの固体の接触面での超音波の反射に関する物理的性質は、２つの固体の接触面圧と密接な関係があり、接触面圧に応じて音波の接触面の透過率が決まることが知られている。接触面圧が高いほど２つの固体の接触面での超音波の反射する割合は低下し、直進する割合が増加する。すなわち、接触面圧が低く、接触の度合いが弱いほど、接触面で超音波が反射する割合が増加するため、接触面での反射波の強度は強くなる。ただし、実際には、発振回路の出力は経時的に変動していることに加え、摺動部材では、２つの固体の接触面となる摺動面の粗さや運動形態などが経時的に変化する。したがって、摺動面からの反射波の強度は、これら発振回路の出力変動、摺動面の粗さや運動形態などの経時的変化などによっても変化する。このため、摺動面からの反射波の強度のみを評価するだけでは接触状態を計測することは難しい。
【００２６】
そこで、本実施形態の反射波形解析回路３５は、接触面圧、すなわち摺動部材１の押しつけ荷重Ｐにより強度が変化する摺動部材３の摺動面５からの反射波と、摺動部材１と接触せず、摺動部材１の押しつけ荷重Ｐに関係なく常にほぼ一定の強度となる基準面３９の反射波とを用いて接触状態の計測を行っている。反射波形解析回路３５は、接触状態によって反射波の強度が変化する摺動面５からの反射波の強度Ａｎと、一定の値となる基準面３９からの反射波の強度Ａ０とから、摺動面５からの反射波と基準面３９からの反射波との強度比Ｋを、
Ｋ＝Ａｎ／Ａ０      …（２）
により算出し、反射波の強度を強度比Ｋとして規格化している。このように強度比Ｋの値という相対的スケールを設定することにより、発振回路の出力変動や、摺動面の粗さや運動形態などの経時的変化などによる反射波の強度の変動に関わらず、接触状態を数値化して定量的に計測することができる。したがって、強度比Ｋの値により、摺動部材１の摺動面９と摺動部材３の摺動面５との接触状態を数値化することによって、接触状態の定量的な計測が可能になる。また、強度比Ｋの変化から摺動部材１の摺動面９と摺動部材３の摺動面５との接触状態が異常状態になることを事前に予測できる。
【００２７】
また、本実施形態では、受信した反射波に応じた受信信号４７の増幅回路３１による所定レベルまでの増幅において、２種類の反射波、すなわち摺動面５からの反射波と基準面３９からの反射波とを同時に増幅処理している。さらに、上記のように、接触状態を２種類の反射波の強度比Ｋで表している。したがって、増幅回路３１による受信信号４７の増幅率の変動が計測結果に影響しないため、増幅回路３１として、受信信号４７を強度比Ｋの判定ができるレベルまで適宜増幅するＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ、自動利得制御回路）を用いている。
【００２８】
以下に２つの摺動部材の接触状態の計測の一例を示す。
摺動部材１の摺動面９は、僅かに油で濡れた摺動部材３の摺動面５と接触して摩擦状態となっており、摺動部材１が、押しつけ荷重Ｐ１００Ｎ、振幅１０ｍｍ、振動周波数２０Ｈｚで、摺動部材３上を往復摺動している。なお、有底穴１５内は摺動部材３の摺動面５を濡らす油が満たされた状態にある。このとき、図２に示すように、有底穴１５の底面である基準面３９から反射される反射波の１次反射波は、強度振幅Ｂ０で、２次反射波は、１次反射波よりも減衰した波形として観測される。この反射波の強度は摺動状態や押しつけ荷重Ｐには依らず一定である。基準面３９で反射する計測音波の往復伝播距離は１６ｍｍであり、鋳鉄中の音速が４９２０ｍ／ｓであることから、反射波は計測音波の発振から３．２５μｓ後に観測される。一方、摺動面５から反射されてくる反射波は、進行距離が長いぶんだけ時間的遅れ、すなわち時間差ｔをもって観測される。摺動面５で反射する計測音波の往復伝播距離は２０ｍｍなので、摺動面５からの１次反射波は、計測音波の発振から４．０７μｓ後に反射波の強度振幅Ａ１として観測される。これらの強度は、摺動面５や基準面３９などの計測音波が反射する面の面積にも基本的に比例する。この計測例においては、Ａ０は０．２５の強度、Ａ１は０．６５の強度となっている。しかし、実際に計測される強度は、上記のように、発振回路２７の出力変動などにより変動しているため、接触状態を示す値は、Ａ１／Ａ０、すなわち強度比Ｋとして数値化される。このときの強度比Ｋは、２．６である。
【００２９】
押しつけ荷重Ｐを２００Ｎと大きくし、他は上記と同じの条件で計測を行った場合、すなわち摺動面の摩擦を大きくした場合の結果を示す。押しつけ荷重Ｐの増加により、図３に示すように、摺動部材３の摺動面５で計測音波は直進する割合が増え、逆に摺動面５で反射する反射波は減り、結果として反射波の強度は小さくなる。したがって、基準面３９からの反射波の強度Ａ０は変化しないのに対し、摺動面５からの反射波の強度Ａ２は小さくなる。この計測例においては、Ａ２は０．３の強度となっており、このときの強度比Ｋは、１．２である。このように、摺動部材１の摺動面９と摺動部材３の摺動面５との接触状態が変化し、摩擦が大きな状態になるにつれ、強度比Ｋの値は小さくなって行く。
【００３０】
摺動部材１の押しつけ荷重Ｐを１〜４００Ｎまで変化させた時の各々の押しつけ荷重Ｐでの平均強度比Ｋの値と摩耗速度（ｍｍ／ｈ）とを対比した結果の一例を示すと、図４に示しすように、摺動部材１の押し付け押しつけ荷重Ｐの増加により反射波の平均強度比Ｋが減少して行くにつれ、摩耗速度は増加していく結果となる。このように強度比Ｋの減少と摩耗速度の増加との間には相関があるため、強度比Ｋの値を観測することで、摩耗速度の変化に基づき接触状態の変化を検出することができる。図４に示す結果では、摩耗速度は、押しつけ荷重Ｐが２００Ｎを境に、１０−５ｍｍ／ｈから急激に増加していき、摩耗が激しい異常状態になる。また、押しつけ荷重Ｐが２００Ｎのときは、強度比Ｋは１である。したがって、強度比Ｋの値を観測することで、強度比Ｋが１に近づくに連れ、摺動部材１の摺動部材３への押しつけ荷重が２００Ｎに近づき、摺動部材３の摺動面５の摩耗が激しくなる異常な接触状態になることを事前に検知することができる。
【００３１】
次に、本実施形態の接触状態計測装置を備えた機器や装置などの一例として、本実施形態の接触状態計測装置を備えた冷凍や空調用のスクロール圧縮機について説明する。
スクロール圧縮機４９内には、図５に示すように、冷媒５１と潤滑油５３とを混入したものが封入されている。冷媒５１は、非塩素系のＨＦＣ（Ｈｙｄｒｏ  Ｆｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ）冷媒であり、潤滑油５３は、エーテル系潤滑油を混合したものを用いている。なお、冷媒は非塩素系のＨＦＣに限らず、ＨＣ（Ｈｙｄｒｏ  Ｃａｒｂｏｎ）冷媒を用いることもでき、また、潤滑油としてはエーテル系潤滑油を用いたが、エステル系潤滑油を用いることもできる。
【００３２】
このスクロール圧縮機４９において、スクロール圧縮機４９の筐体５６の上部の蓋部５７に設けられた吸込流路５５から吸入された潤滑油５３を含んだ冷媒５１は、一旦、筐体５６の底部５９に設けられた油溜６１に入る。筐体５６の中央部に設置されているスクロール圧縮機４９の駆動手段であるモータ６３が起動すると、冷媒５１は、筐体５６の上下方向に延在するモータ６３のシャフト６５の芯部に設けられた流路６７を通流して吸い上げられ、モータ６３の上方に設けられ、流路６７と連通する背圧室６９に入る。背圧室６９内には、シャフト６５に連動して回転する羽状のバランスウエイト７１が設けられており、バランスウエイト７１の回転攪拌により、背圧室６９内の潤滑油５３を含む冷媒５１は霧状になり、背圧室６９内の壁面を濡らす。
【００３３】
背圧室６９内には、図６に示すように、シャフト６５の回転運動を旋回運動に変換するためのオルダムリング７３と背圧室６０内の壁面の対向する位置に設けられたキー溝７５などで構成されるオルダム機構部７７がある。キー溝７５は、背圧室６９の壁面からシャフト６５方向に向けて突出させて形成された突出部７６の平面状の上面に、背圧室６９の壁面からシャフト６５方向に向けて形成された溝である。シャフト６５の端部にはシャフト６５の軸に対して偏芯した位置に設けられた円柱状の偏芯軸部７９が形成されており、この偏芯軸部７９が、背圧室６９の上部に配設される旋回スクロール８１の下部に形成された円筒状の軸挿入部８３に挿入されることにより、シャフト６５と旋回スクロール８１とが連結される。
【００３４】
オルダムリング７３の下面には、２つのキー溝７５に対応する位置に、キー溝７５に挿入される下面側突起８５が形成されている。また、オルダムリング７３の上面には、旋回スクロール８１の下面の対向する位置に形成された凹部８７に対応する位置に上面側突起８９が形成されている。なお、オルダムリング７３の各々対向する位置に形成された下面側突起８５と上面側突起８９とは、交互にほぼ９０度間隔で形成されている。シャフト６５の回転運動が旋回スクロール８１に伝えられたとき、旋回スクロール８１の運動が、旋回スクロール８１の凹部８７に挿入されたオルダムリング７３の上面側突起８９と、背圧室６９のキー溝７５に挿入された下面側突起８５とにより制限され、旋回スクロール８１が自転することを防ぐ。
【００３５】
このときオルダムリング７３は、キー溝７５に沿った方向９１への往復運動を行う。旋回スクロール８１は、キー溝７５に沿った方向９１への往復運動に加えて、旋回スクロール８１の凹部８７とオルダムリング７３の上面側突起８９とにより、キー溝７５に沿った方向９１に垂直な方向９３への往復運動も行うことができる。したがって、旋回スクロール８１は、偏芯軸部７９の偏芯回転運動により、振れ回り運動し、固定スクロール９５に対して旋回運動する。これにより、旋回スクロール８１の上部に螺旋状に形成された歯部９７と、固定スクロール９５の下部に螺旋状に形成された歯部９９とが噛み合わされることで、両歯部９７と９９との間に形成された空間の容積が両歯部９７と９９との相対的な移動により変動することで、吸引された冷媒５１を圧縮しながら旋回スクロール８１と固定スクロール９５との中心部１０１へ導く。圧縮された冷媒５１は、中心部１０１から固定スクロール９５に形成された流路１０３と、図示していない排出流路とを介して吐出口１０５から、高圧の冷媒５１として吐出される。
【００３６】
この圧縮過程の動作において、信頼性が厳しく要求されるのは、往復運動するオルダムリング７３の下面側突起８５と下面側突起８５が挿入されるキー溝７５との接触状態である。相対的に摺動運動する２つの摺動部材、すなわち背圧室６９の壁面に形成された突出部７６とオルダムリング７３の下面側突起８５とは、図７において紙面に対して垂直方向に往復運動する下面側突起８５の左側面１０７と突出部７６のキー溝７５の左側面１０９と、そして下面側突起８５の底面１１１とキー溝７５の底面１１３とを摺動面として、各々摩擦状態で摺動運動する。キー溝７５の底面１１３には、深さ０．１ｍｍの有底穴１５ａを穿設し、有底穴１５ａの底面により基準面３９ａを形成している。突出部７６の下面１１５には、超音波プローブ１１ａが設置されている。同様に、キー溝７５の左側面１０９にも、有底穴１５ｂを穿設することにより、基準面３９ｂを形成し、突出部７６の左側外面１１７には、超音波プローブ１１ｂが設置されている。なお、この往復運動するオルダムリング７３は、正弦運動し、両端部では静止しているが、中央部では最高毎秒０．８ｍまでの速度に達する。また、オルダムリング７３の下面側突起８５が突出部７６の摺動面に対して及ぼす垂直方向への圧力は、運転モードによって異なるが、１ＭＰａから最大１０ＭＰａまで変化する。
【００３７】
このようなスクロール圧縮機４９の運転制御システムは、図８に示すように、超音波プローブ１１ａ、１１ｂで受信した反射波の強度比Ｋ、すなわち接触状態を検出する接触状態計測装置１１９からの強度比Ｋの値に基づいて、運転制御部１２１中にある異常状態検知回路１２３で、異常状態に近づいていることを検知し、運転を継続するか停止するかを判定する。運転を停止する場合には、スクロール圧縮機４９内のモータ６３の動作を制御するモータ制御回路１２５に司令を出し、スクロール圧縮機４９の作動を停止する。また、同時に、運転制御部１２１は、スクロール圧縮機４９の作動を停止したことを知らせるアラームを鳴動させる。
【００３８】
このスクロール圧縮機４９の運転制御部１２１では、図４で示したように、反射波の強度比Ｋの値が、１．０より大きければ、許容摩耗速度が１０−５ｍｍ／ｈより遅く接触状態は正常であると判断するが、強度比Ｋの値が、１．０になると、許容摩耗速度が１０−５ｍｍ／ｈ以上となる異常状態に移行すると判定する。例えば、摩耗の進行によりオルダムリング７３の下面側突起８５の摺動面１０７、１１１などが削られてキー溝７５の摺動面１０９、１１３との接触面積が減少することによるオルダムリング７３の下面側突起８５のキー溝７５への押しつけ荷重Ｐの増加や、オルダムリング７３の下面側突起８５の摺動面１０７、１１１とキー溝７５の摺動面１０９、１１３との間などへの異物の混入などによるオルダムリング７３の運動状態の変化によるオルダムリング７３の下面側突起８５のキー溝７５への押しつけ荷重Ｐの増加した場合などには、オルダムリング７３の下面側突起８５の摺動面１０７、１１１とキー溝７５の摺動面１０９、１１３との間摩擦が大きくなる。このような場合、摩擦が大きくなり、摩耗速度が１０−５ｍｍ／ｈ以上となる異常状態に近づくことにより、強度比Ｋの値が、１．０になると、モータ制御回路１２５に司令を出しスクロール圧縮機４９の作動を停止するとともに、スクロール圧縮機４９の作動を停止したことを知らせるアラームを鳴動させる。これにより、スクロール圧縮機４９のオルダム機構部７７などの破損を防止することができる。
【００３９】
このように本実施形態の接触状態計測装置では、摺動部材３の摺動面５に有底穴１５を穿設することで基準面３９が形成され、固定された摺動部材３の摺動面５と反対側の面に設置された超音波プローブ１１から計測音波を発振し、反射波解析手段３５で、超音波プローブ１１が受信した摺動面５からの反射波と基準面３９からの反射波との強度比Ｋを算出している。摺動面５からの反射波の強度は、摺動面にかかる押しつけ荷重Ｐに相関して変化し、一方、基準面３９からの反射波は、常に一定である。したがって、反射波の強度比Ｋにより、摺動部材１の摺動面９と摺動部材３の摺動面５との接触状態を数値化することができるため、２つの摺動部材の摺動面の接触状態を定量的に計測できる。
【００４０】
さらに、強度比Ｋは、摺動面５の摩耗速度と相関しているため、強度比Ｋを観測することで、摺動部材１の摺動面９と摺動部材３の摺動面５との接触状態が異常状態、例えば摩耗が激しくなり摺動面の破壊が起こるような状態になることを事前に検知することができる。また、摺動面５からの反射波に対応する受信信号４７ａと基準面３９からの反射波に対応する受信信号４７ｂとは各々の反射波の受信時刻の時間差ｔに基づいて波形分離回路３３で分離することができるため、増幅回路３１は、摺動面５からの反射波と基準面３９からの反射波とを受信信号４７として同時に増幅処理でき、ＡＧＣ回路などの比較的簡単な回路で構成でき、経時的に増幅率が変動するＳＴＣ回路（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  Ｔｉｍｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ、時間的感度制御回路）などのような複雑な回路を用いる必要がない。加えて、ＡＧＣ回路などのような簡単な回路構成の増幅回路３１などを用いても正確な接触状態の計測ができる。
【００４１】
さらに、本実施形態の接触状態計測装置を備えたスクロール圧縮機４９などのような圧縮機では、摺動部材の摺動面の接触状態が異常状態になるのを事前に検知することができ、圧縮機の破損を防止し、信頼性の高い冷凍装置や空調システムなどを得ることができる。また、強度比Ｋを連続的に検出して摩耗速度の変化率を算出すれば、この変化率から摺動部材の寿命予測もできる。
【００４２】
また、本実施形態では、有底穴１５内は空洞になっているが、摺動面に形成された穴が問題になる場合には、有底穴１５に摺動部３と密度が違う金属や合成樹脂など充填することもできる。ただし、摺動部材３と有底穴１５内の物質と密度の差が大きいほど、基準面３９での計測音波の反射の割合が多くなるため、反射波の強度を大きくする必要がある場合などは、有底穴１５内は、空洞、すなわち空気である方がよい。さらに、本実施形態では、有底穴１５を１つ穿設しているが、複数穿設することもできる。
【００４３】
また、本実施形態の接触状態計測装置では、固定側の摺動部材３の摺動面５に有底穴１５を穿設することで基準面３９が形成されているが、図９に示すように、固定側の摺動部材３の表面１２６とこの摺動部材３の表面１２６上に形成されたコーティング膜１２７との界面を基準面１２９としてもよい。この場合、可動側の摺動部材１の摺動面９は、コーティング膜１２７の表面と摺動することになり、このコーティング膜１２７の表面が摺動面１３１となる。計測音波は、コーティング膜１２７と摺動部材３の表面１２６との界面である基準面１２９とコーティング膜１２７の摺動面１３１とで反射する。これらの基準面１２９と摺動面１３１とで反射した２つの反射波に対応する受信信号の強度比Ｋにより接触状態を検出できる。
【００４４】
例えば、鋳鉄からなる摺動部材３に対し、耐摺動性に優れる厚さ１００μｍのＮｉＰ膜をコーティングしてコーティング膜１２７を形成する。計測音波は、ほぼ図２に示すようになるが、コーティング膜１２７内の音速は、摺動部材３よりも速い５３００ｍ／ｓである。したがって、基準面１２９からの反射波と摺動面１３１からの反射波との受信時刻の時間差ｔは、伝播距離差Ｌが２００μｍ、音速ｖが５３００ｍ／ｓであることから、式（１）により、０．０３７７μｓとなる。摺動面１３１からの反射波の強度は、接触状態の変化に伴い変化するが、摺動部材１の摺動面９と接触していない基準面１２９からの反射波の強度は、通常変化することはない。このように、摺動部材の摺動面に有底穴を形成するなどの加工をせずに、コーティング膜と摺動部材の界面に基準面を設定することによっても接触状態を検出できる。また、耐摺動性を高めるために表面にコーティング膜が形成されている摺動部材では、そのコーティング膜をそのまま使えるため、接触状態計測装置を設置するための摺動部材の加工工数を低減できる。
【００４５】
また、本実施形態では、計測音波の発振と反射波の受信を１つの超音波プローブ１１で行っているが、発振器と受信器を別個に設けることもできる。さらに、接触状態計測制御部１３は、発振回路２７、受信回路２９、増幅回路３１、波形分離回路３３、反射波形解析回路３５、計測制御回路３７などを一体的に制御盤などとして構成してもよいし、別体のユニットの集合として構成してもしてもよい。例えば、計測制御回路３７、波形分離回路３３、反射波解析回路３５などは、１つのコンピュータユニットなどで構成してもよい。
【００４６】
また、本実施形態では、摺動面５、９が平滑である場合を前提として説明たが、本発明の接触状態計測装置は、粗い摺動面と粗い摺動面または粗い摺動面と平滑な摺動面とが摺動するような、摺動面が部分的に接触している状態においても適用できる。この場合には、反射波の強度比Ｋは、同じ接触状態であっても経時的に変動することになるが、例えば、強度比Ｋを所定の時間間隔で平均して平均強度比Ｋとすれば、経時的な押しつけ荷重Ｐの変化に応じて平均強度比Ｋが変化するので、接触状態を定量的に計測することができる。
【００４７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、本発明を適用してなる接触状態計測装置の概略構成と動作を示す断面図である。図１１は、摩耗深さに対する合成波の強度に応じた信号出力との関係を示す図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と相違する構成及び特徴部などについて説明する。また、図１０では、第１の実施形態と相違する摺動部材部分の構成のみを示している。
本実施形態が、第１の実施形態と相違する点は、図９に示すように、固定された摺動部材３の摺動面５に計測音波の４分の１波長の深さを有する複数の有底穴１３３を穿設していることである。
【００４８】
ここで、一般に、振幅ａ、距離ｘ、波長λ、時間ｔ、周期Ｔとすると、波の強度Ａは、
Ａ＝ａ・ｓｉｎ｛２π（ｘ／λ−ｔ／Ｔ）  ｝      …（３）
で表される。異なる反射面からの２つの反射波が同じ振幅ａであり、各々の反射面からの距離ｘが、往復路でλ／２違うと仮定し、摺動面と基準面からの反射波を各々Ａｎ、Ａ０とすると、式（３）は、
0003616908.tif 000002
となる。この式で、
ｘ＝（ｍ＋１／２）λ      …（５）
のとき、摺動面と基準面からの反射波は逆位相となり、摺動面と基準面からの反射波は互いに打ち消し合うことになる。そこで、２つの反射波がほぼ逆位相になるように有底穴または溝の深さを超音波の波長のほぼ４分の１とし、かつ摺動面と基準面からの反射波の強度が等しくなるように、摺動面と基準面の計測音波が反射する部分の面積を等しく設定しておけば、摺動開始状態、すなわち摩耗の初期状態では、反射波の進路長差がほぼ半波長になり摺動面と基準面からの反射波が互いに打ち消し合う。このため、摺動面からの反射波と基準面からの反射波との合成波の強度は、ほぼ０または小さなものになる。この初期状態から摺動面の摩耗が進行し、反射波の進路長差が半波長より短くなると、摺動面と基準面からの反射波の波形が逆位相状態からずれるため、２つの反射波の合成波の強度は、次第に大きくなる。したがって、２つの反射波の合成波の強度に応じた信号出力は、摩耗の初期状態では、ほぼ０または小さく、摩耗が進行すると、大きくなるので、本実施形態の図示していない接触状態制御部の反射波解析手段は、この２つの反射波の合成波の強度に応じた信号出力として接触状態を数値化している。
【００４９】
本実施形態の鋳鉄からなる摺動部材３に対して１０ＭＨｚの超音波を計測音波として用いると、波長は０．４８ｍｍになる。そこで、計測音波が照射される摺動面５に、計測音波の４分の１波長に相当する０．１２ｍｍの深さの有底穴１３３を一定間隔で形成している。また、複数の有底穴１３３間の間隔と数は、上記のように、複数の有底穴１３３の底面、すなわち基準面１３５の面積の合計が、摺動面５の計測音波が反射する面積とほぼ等しくなるようにした。したがって、摺動面５で反射してくる計測音波の反射波の強度と基準面１３５で反射してくる計測音波の反射波の強度とはほぼ等しくなる。なお、基準面１３５の面積の合計面積は、超音波プローブ１１の送受信面となる先端板１６の面積の半分以下になっている。
【００５０】
一方、反射面５からの反射波と基準面１３５からの反射波は、波の伝播方向に、深さが２分の１波長ずれている。すなわち、摺動面５からの反射波と基準面１３５からの反射波が、同じ強度でほぼ逆位相になるため、２つの反射波は互いに打ち消し合い、摺動開始状態、すなわち摩耗の初期状態での合成波の信号出力の検出強度はほぼ０になる。実際には、基準面１３５の面積や有底穴１３３の深さの誤差などがあるため、完全に０にはならず、小さな出力がある。摺動面５に摩耗が生じ、有底穴１３３の深さが浅くなると、摺動面５からの反射波と基準面１３５からの反射波の位相差は、１８０度よりも小さくなって逆位相状態からずれた結果として、摺動面５からの反射波と基準面１３５からの反射波との合成波の強度が増加する。
本実施形態では、図１０に示すように、摩耗の初期状態では、摺動面５からの反射波と基準面１３５からの反射波との合成波の強度に応じた信号出力は、約２．３ｍＶであるが、摺動面５の摩耗が進んで摺動面５が摩耗により削られた深さ、すなわち摩耗深さが深くなるにつれ、有底穴１３３の深さが浅くなり、信号出力が上昇する。摩耗深さに対する信号出力の上昇は、最初は直線的であるが、摩耗深さが深くなるにつれ飽和する傾向を示す。
【００５１】
このように、本実施形態の接触状態計測装置では、摺動面５に、計測音波の波長の４分の１の深さを有する複数の有底穴１３３を穿設し、かつ摺動面５の計測音波が反射する部分の面積と基準面１３５の面積とがほぼ同じになるように、複数の有底穴１３３を形成している。これにより、摩耗の初期状態では、摺動面５からの反射波と基準面１３５からの反射波とが互いに打ち消し合い、受信した反射波の合成波の強度に応じた信号出力は、ほぼ０または小さな値となり、摩耗が進むにつれ信号出力は大きくなる。したがって、摺動部材３の摺動面５からの反射波と基準面１３５からの反射波との合成波の強度に応じた信号出力により、接触状態を数値化して定量的に計測することができる。
【００５２】
さらに、第１の実施形態では、２つの摺動部材の接触状態を、摺動部材の押しつけ荷重Ｐの変化に相関する強度比Ｋで数値化しているため、摺動部材の押しつけ荷重Ｐの変化がないような条件下で用いられる摺動部材の接触状態を計測することはできない。しかし、本実施形態の接触状態計測装置は、有底穴１３３を複数穿設するため加工工数は増加するが、摺動部材の押しつけ荷重Ｐの変化がないような条件下で用いられる摺動部材であっても、その接触状態の変化を検出することができる。加えて、本実施形態では、２つの反射波を分離する必要がないため、第１の実施形態の接触状態計測制御部１３のように波形分離回路３３は必要なく、装置構成を簡素化できる。
【００５３】
また、本実施形態の接触状態計測装置を備えたスクロール圧縮機４９などのような圧縮機では、潤滑油の供給量不足などの内部潤滑状態の変化やオルダム機構部７７への異物の混入などにより、摺動部材の摺動面の摩擦が大きくなることによる摩耗の度合いから接触状態が異常状態になるのを事前に検知することができる。したがって、圧縮機の破損を防止し、信頼性の高い冷凍装置や空調システムなどを得ることができる。
【００５４】
さらに、本実施形態では、有底穴１３３を複数穿設しているが、有底穴の深さや、基準面１３５の面積に関する条件が同じであれば有底穴１３３を１つにすることもできる。
【００５５】
また、第１及び第２の実施形態では、摺動部材１、３は鋳鉄製であるが、本発明の接触状態計測装置は、鋳鉄以外の金属や合成樹脂などからなる摺動部材にも適用することができる。
【００５６】
また、本発明を適用してなる接触状態計測装置は、第１の実施形態において例示したスクロール圧縮機４９に限らず、様々な構成の圧縮機、膨張機、ポンプなどの容積式流体機械、さらにすべり軸受など摺動する部材を有する様々な機器や装置などに適用できる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、２つの摺動部材の摺動面の接触状態を定量的に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる接触状態計測装置の第１の実施形態の概略構成と動作を示す図である。
【図２】摺動部材の押しつけ荷重１００Ｎでの摺動面からの反射波と基準面からの反射波の強度を示す図である。
【図３】摺動部材の押しつけ荷重２００Ｎでの摺動面からの反射波と基準面からの反射波の強度を示す図である。
【図４】押しつけ荷重Ｐに対する反射波の強度比Ｋと摩耗速度との関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態の接触状態計測装置を備えた圧縮機本体の概略構成を示す断面図である。
【図６】第１の実施形態の接触状態計測装置を備えた圧縮機のオルダム機構部の一部を破断して概略構成を示した分解斜視図である。
【図７】オルダム機構部へ第１の実施形態の接触状態計測装置を取り付けた状態を示す断面図である。
【図８】第１の実施形態の接触状態計測装置を備えた圧縮機全体の概略構成を示す図である。
【図９】本発明を適用してなる接触状態計測装置の第１の実施形態の変形例を示す図である。
【図１０】本発明を適用してなる接触状態計測装置の第２の実施形態の概略構成と動作を示す断面図である。
【図１１】摩耗深さに対する合成波の強度に応じた信号出力との関係を示す図である。
【符号の説明】
１，３  摺動部材
５，９  摺動面
１１  超音波プローブ
２７  発振回路
２９  受信回路
３５  反射波解析回路
３９，１３５  基準面
【図１】
0003616908.tif 000003
【図２】
0003616908.tif 000004
【図３】
0003616908.tif 000005
【図４】
0003616908.tif 000006
【図５】
0003616908.tif 000007
【図６】
0003616908.tif 000008
【図７】
0003616908.tif 000009
【図８】
0003616908.tif 000010
【図９】
0003616908.tif 000011
【図１０】
0003616908.tif 000012
【図１１】
0003616908.tif 000013