(57)【要約】【課題】歯科用ハンドピースのデンタルタービンなどの小型回転体の質量アンバランスの測定を校正おもり等を使うことなく高精度に測定する。【解決手段】質量アンバランスによる遠心力を柔構造のたわみ量に変換して、その大きさと位相を算出する。回転体１の回転中における弾性はり４の振動を変位センサ５により、また回転位置を回転センサ６により非接触で検出し、それぞれの検出値を特定の手段により演算して、アンバランスの大きさと位相を算出する。【選択図】図１
2008180548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から流体を衝突させることにより駆動される回転体の回転軸を支持する軸受を弾性部材で支持し、上記回転体の回転中における上記弾性部材の振動を変位センサにより非接触で検出するとともに、上記回転体の回転位置を回転センサにより非接触で検出し、上記変位センサおよび上記回転センサの出力を保持して演算する回転体の質量アンバランス測定方法であって、上記回転体の回転数を検出する工程と、上記回転体の回転数が定常状態に達したことを判定する工程と、上記回転体の回転数が定常状態に達したときに上記変位センサの出力を演算装置に取り込む工程と、上記演算装置に取り込んだ上記回転センサおよび上記変位センサの出力から当該弾性部材の変位振幅を算出する工程と、上記弾性部材の変位振幅から上記回転体の遠心力を算出する工程と、上記回転体の遠心力の算出結果から上記回転体の質量アンバランス量を算出する工程とを含むことを特徴とする回転体の質量アンバランスの測定方法。
【請求項２】
外部から回転体に流体を衝突させる手段と、上記流体の衝突により駆動される回転体の回転軸を支持する軸受を支持する弾性部材よりなる支持手段と、上記回転体の回転中における上記弾性部材の振動を非接触で検出する変位センサと、上記回転体の回転位置を非接触で検出する回転センサと、上記変位センサおよび上記回転センサの出力を保持して演算する演算装置とを備えた回転体の質量アンバランス測定装置であって、上記回転体の回転を検出する手段と、上記回転体の回転数が定常状態に達したことを判定する手段と、上記回転体が定常状態に達したときに上記回転センサおよび上記変位センサの出力を上記演算装置に取り込む手段と、上記演算装置に取り込んだ上記変位センサの出力から当該弾性部材の変位振幅を算出する手段と、上記弾性部材の変位振幅から上記回転体の遠心力を算出する手段と、上記回転体の遠心力の算出結果から上記回転体の質量アンバランス量を算出する手段とを備えたことを特徴とする回転体の質量アンバランスの測定装置。
【請求項３】
上記弾性部材の弾性係数が上記軸受および上記回転体の弾性係数のいずれよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の回転体の質量アンバランスの測定方法。
【請求項４】
上記弾性部材の弾性係数が上記軸受および上記回転体の弾性係数のいずれよりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の回転体の質量アンバランスの測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸周りに質量分布を有する回転体の質量アンバランスの測定方法と、その測定法を利用した質量アンバランスの測定装置に関するものであり、従来の方法では測定が困難であった小型回転体の質量アンバランス測定に適した方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転体を有する機器の低騒音化・低振動化を目的として機器に搭載される回転体の質量アンバランスを簡便に低減できる方法や装置の開発に対する要求が強くなっている。質量アンバランスの低減には、まずその大きさと位相（角度位置）を確実に検出できなければならないが、近年の機器類の小型化とともにその測定は以下のような理由で困難な状況になってきた。
【０００３】
一つは、小型回転体の質量アンバランスによる振動を高精度に測定できるセンサがないことである。通常、質量アンバランスに起因する回転体の振動測定には圧電型の加速度センサが用いられる場合が多い（例えば、特許文献１参照）。しかし、このセンサに内蔵されている振動検出用おもりの質量が測定対象の回転体に比べて大きいため、小型回転体の振動検出に必要な感度を十分確保できない。また、こういった振動センサは、回転体を支持する軸受の近傍に直接装着して振動を検出するため、その測定対象の振動系を変化させる懸念もある。
【０００４】
さらに、小型回転体の質量アンバランスの測定が困難になってきたもう一つの理由として、従来の測定アルゴリズムを小型回転体の質量アンバランス測定に適用することが困難になってきたことが挙げられる。例えば、特許文献２に示されているように、影響係数法は回転体に校正おもりを直接付加および除去したときの振動を測定するとともに、その結果を数値演算して質量アンバランスの大きさと位相（位置）を算出するアルゴリズムであるが、小型回転体に校正おもりを付加または除去のスペースを確保することが困難な場合が多い。
【特許文献１】特開平１０−１３４５０２号公報
【特許文献２】特開２０００−３１０５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
背景技術で示したように、現場の回転機械の診断や保守で用いられるバランス測定器に採用されている従来の質量アンバランス測定法を、小型回転体の質量アンバランス測定に適用できないことが本発明の解決しようとする課題である。特に、校正おもりの設置が困難であるため、一般的な影響係数法が適用できないことが、最も大きな解決すべき課題になっている。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するため、質量アンバランスによる遠心力を柔構造のたわみ量に変換して測定する方法に想到し、影響係数法による測定アルゴリズムに従うことなく質量アンバランスの大きさと位相を算出できる方法およびその方法を利用した装置を完成したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明請求項１の発明は、外部から流体を衝突させることにより駆動される回転体の回転軸を支持する軸受を弾性部材で支持し、上記回転体の回転中における上記弾性部材の振動を変位センサにより非接触で検出するとともに、上記回転体の回転位置を回転センサにより非接触で検出し、上記変位センサおよび上記回転センサの出力を保持して演算する回転体の質量アンバランス測定方法であって、上記回転体の回転数を検出する工程と、上記回転体の回転数が定常状態に達したことを判定する工程と、上記回転体の回転数が定常状態に達したときに上記変位センサの出力を演算装置に取り込む工程と、上記演算装置に取り込んだ上記回転センサおよび上記変位センサの出力から当該弾性部材の変位振幅を算出する工程と、上記弾性部材の変位振幅から上記回転体の遠心力を算出する工程と、上記回転体の遠心力の算出結果から上記回転体の質量アンバランス量を算出する工程とを含むことを特徴とする回転体の質量アンバランスの測定方法である。
【０００８】
本発明請求項２の発明は、外部から回転体に流体を衝突させる手段と、上記流体の衝突により駆動される回転体の回転軸を支持する軸受を支持する弾性部材よりなる支持手段と、上記回転体の回転中における上記弾性部材の振動を非接触で検出する変位センサと、上記回転体の回転位置を非接触で検出する回転センサと、上記変位センサおよび上記回転センサの出力を保持して演算する演算装置とを備えた回転体の質量アンバランス測定装置であって、上記回転体の回転を検出する手段と、上記回転体の回転数が定常状態に達したことを判定する手段と、上記回転体が定常状態に達したときに上記回転センサおよび上記変位センサの出力を上記演算装置に取り込む手段と、上記演算装置に取り込んだ上記変位センサの出力から当該弾性部材の変位振幅を算出する手段と、上記弾性部材の変位振幅から上記回転体の遠心力を算出する手段と、上記回転体の遠心力の算出結果から上記回転体の質量アンバランス量を算出する手段とを備えたことを特徴とする回転体の質量アンバランスの測定装置である。
【０００９】
本発明請求項３の発明は、上記弾性部材の弾性係数が上記軸受および上記回転体の弾性係数のいずれよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の回転体の質量アンバランスの測定方法である。
【００１０】
本発明請求項４の発明は、上記弾性部材の弾性係数が上記軸受および上記回転体の弾性係数のいずれよりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の回転体の質量アンバランスの測定装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、上述のような構成であるため、校正おもりを使う必要がなく、一度の測定でアンバランスの大きさと位相を測定できる。また、回転軸を支持する軸受を支持する弾性部材の断面形状を変化させることによって測定レンジ（測定感度）を任意に変更できるため、回転体の質量によって感度を調整することができる。更に、変位センサの測定範囲を考慮して測定感度を設定することができる。また、請求項３、４に係る発明は、上述の効果に加え、更に高出力が得られる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を適用できる回転体は多岐にわたり、種々の実施例において、本発明は実現されるが、以下その一実施例について、図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施例における回転体の質量アンバランスの測定方法及び測定装置を説明するための図である。図１において、１は回転体であり、例えば、歯科用ハンドピースの切削工具を装着するタービンとか工作機械において工具を装着する主軸回転体、いわゆるツールホルダが相当する。２は圧縮空気供給体であり、当該空気流により回転体１を回転させる。圧縮空気は水でもよく高速の水流により回転体１を回転させることもできる。４は回転体１を支持する軸受３を支持する弾性部材の一例としての弾性はりである。５は、上記回転体１の回転中における上記弾性はり４の振動を非接触で検出する変位センサ、６は上記回転体１の回転位置を非接触で検出する回転センサである。変位センサの一例は、静電容量式非接触変位センサ（小野測器製VE-521）で、測定レンジ0〜0．5mm、測定分解能0．1μｍ、周波数レンジDC〜2．7kHzのものを使用した。回転センサの一例は、波長が650nmの可視光半導体レーザを用いたキーエンス製光電センサLV-H32を使用した。弾性はりの寸法は長さ165 mm、 幅18mm、厚さ0．6
mmの一般構造用圧延鋼板を使用した。変位センサ５の出力はアンプ（信号増幅器）７、フィルタ８を経てＦＦＴアナライザ（高速フーリエ変換器）９に入力するとともに、回転センサ６の出力はアンプ１０を経てＦＦＴアナライザ９に入力する。１１は定盤であり定盤面より適宜間隔を保って弾性はりを装着している。
【００１４】
次に、上述の装置により質量アンバランス量が算出できることを説明する。回転体１を回転させると、回転体の質量アンバランスに応じて弾性はり４が変位する。図２と図３は、それぞれ算出方法を説明するための質量アンバランスを示す図、質量アンバランスによる弾性はりのたわみ状態を示す図である。
【００１５】
回転体の質量アンバランスは大きさと位相をもつベクトルで表現され、その大きさｍｒは、回転体の偏心質量ｍとその偏心質量の回転軸からの距離ｒの積で表される。
【００１６】
今、質量アンバランスの大きさをｍｒ、回転体の回転数をω、回転体の位相をθとすると、質量アンバランスによる遠心力に起因して弾性はり４に作用する力の鉛直方向成分Fは、
【数１】
2008180548.tif 000003
で表される。このFが弾性はりに作用したときのたわみ量δは両端支持の場合のたわみ式から式（２）で表される。
【数２】
2008180548.tif 000004
ここで、Eは弾性はりの縦弾性係数、Iは弾性はりの断面２次モーメント、lは弾性はり４の支持部１２と回転体の回転軸との距離である。上記（２）式を変形すると、質量アンバランス量mrはたわみ量δの計測値から一意的に以下の式で計算できることがわかる。
【数３】
2008180548.tif 000005
ここで、ｂとｈはそれぞれ弾性はりの幅と高さであり、長方形断面の断面２次モーメントIは、
【数４】
2008180548.tif 000006
を用いた。（３）式より明らかなように、たわみ量δの測定結果より質量アンバランス量mrが導出される。この場合、回転体の回転数ωによってアンバランス量mrが変化するので、圧縮空気等の流量を一定に保ち、回転数を一定に保持する必要がある。
【００１７】
図４は、本発明に係る方法および装置で回転体の質量アンバランスの大きさを検出できることを説明するための図である。図１に示した測定装置を用いて、質量アンバランスを有する歯科用デンタルタービンの回転中の弾性はり４のたわみδを変位センサ５で測定した結果を示した図である。図４中の丸印で示したように、デンタルタービン１の回転数の増加に伴って、同図（ａ）〜（ｄ）に示すように、回転体１の質量アンバランスに起因する振動周波数が上昇していることがわかる。このことから、弾性はり４のたわみを測定すれば、回転体１の回転周波数における質量アンバランスの大きさを抽出できるといえる。
【００１８】
図５は、本発明において位相検出が可能であることを説明するための図である。図１の測定装置を用いて、質量アンバランスを有する歯科用デンタルタービン１の回転中における弾性はり４のたわみを回転センサ６の参照信号を基点として測定した。図５は、デンタルタービン１の回転軸周りに位相が１８０°異なる参照信号をマーキングした場合の変位センサ５のそれぞれの出力を測定した。参照信号のマーキングには白色の油性塗料をデンタルタービンの回転軸１３に塗布して行った。図５は、それぞれの場合について、変位センサの出力波形をＦＦＴアナライザ９で測定した結果を示す。参照信号のマーキングを反転させることによって変位センサの信号波形のピーク位置が反転した。この測定結果から、本測定装置の位相検出の方法が妥当であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例における質量アンバランスの測定方法および測定装置を説明するための図である。
【図２】回転体のアンバランス量を説明するための図であり、質量アンバランスをベクトル表記したものである。
【図３】本発明の一実施例における質量アンバランス測定装置における回転体の質量アンバランスによる弾性はりのたわみ状態を示す図である。
【図４】本発明の一実施例における質量アンバランス測定装置において回転体の質量アンバランスによる弾性はりのたわみ量の測定結果を示す図である。
【図５】本発明の一実施例における質量アンバランス測定装置において回転体の質量アンバランスによる弾性はりのたわみの位相を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１    回転体（歯科用デンタルタービン）
２    圧縮空気供給体
３    軸受
４    弾性はり
５    変位センサ
６    回転センサ
７    アンプ（信号増幅器）
８    フィルタ
９    ＦＦＴアナライザ（高速フーリエ変換器）
１０  アンプ（信号増幅器）
１１  定盤
１２  弾性はりの支持部
１３  回転軸
【図１】
2008180548.tif 000007
【図２】
2008180548.tif 000008
【図３】
2008180548.tif 000009
【図４】
2008180548.tif 000010
【図５】
2008180548.tif 000011