(57)【要約】【課題】  油膜厚さが実測でき、金属接触と放電を混同せずに、油の物性を実軸受と同じ状態で、油膜の絶縁破壊が評価できる油膜絶縁破壊評価装置を提供する。【解決手段】  本発明の油膜絶縁破壊評価装置は、ガラスディスク１と、これに油膜を介して接触させるボール４と、ガラスディスク１とボール４との間の絶縁抵抗を測定する抵抗測定回路とを備えたもので、ガラスディスクを透明体とし、ボールとの接触面側に可視光を透過する膜電極２を設け、この膜電極２とボール４との間の電圧、もしくは流れる電流を測定するとともに、油膜の状況を高速度カメラ１５で撮影するものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
油膜を挟んだ２つの物体間に電圧を印加して油膜の絶縁破壊を調べる油膜絶縁破壊評価装置において、
前記一方の物体を透明体とし、かつ、前記他方の物体との接触面側に可視光を透過する電極を用いることを特徴とする油膜絶縁破壊評価装置。
【請求項２】
回転体と、これに油膜を介して接触させる転動体と、前記回転体と前記転動体との間の絶縁抵抗を測定する抵抗測定回路とを備えた油膜絶縁破壊評価装置において、
前記回転体を透明体とし、この透明体の前記転動体との接触面側に可視光を透過する電極を設け、この電極と前記転動体との間の電圧、もしくは流れる電流を測定するとともに、油膜の状況をカメラで撮影することを特徴とする油膜絶縁破壊評価装置。
【請求項３】
前記電極は、光干渉により油膜厚さを測定する金属膜としたものであることを特徴とする請求項１または２記載の油膜絶縁破壊評価装置。
【請求項４】
前記電極は、透明導電膜であることを特徴とする請求項１または２記載の油膜絶縁破壊評価装置。
【請求項５】
前記電極は、金属膜と透明導電膜とを少なくとも１層ずつ積層したことを特徴とする請求項１または２記載の油膜絶縁破壊評価装置。
【請求項６】
前記電極は、前記透明体の表面から金属膜、透明膜、金属膜の順に積層し、光干渉により接触応力を測定するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の油膜絶縁破壊評価装置。
【請求項７】
前記電極は、前記透明体の表面に、金属膜と透明導電膜とを積層した第１積層膜と、透明膜が金属膜で挟まれて積層された第２積層膜とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の油膜絶縁破壊評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ駆動モータや鉄道主軸の軸受などで発生する軸受電食の現象解明に用いる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の油膜絶縁破壊評価装置の例として、つぎのような動的な試験装置と静的な試験装置がある（例えば、非特許文献１参照）。
まず、第１の従来例として動的な油膜絶縁破壊評価装置の例を図９に示す。図において、２０はボール、２１、２２、２３は内輪、２４はオイルタンク、２５は直流電源、２６はばね、２７はねじである。この装置は、内輪２１と内輪２２が所定の間隔を設けて平行に配置され、この間にボール２０が装着され、さらにこのボール２０の上に内輪２３が載置された構成になっている。そして、内輪２１と内輪２２間に直流電源２５の出力端子が接続されている。
本装置の動作はつぎのようになる。ボール２０と内輪間にオイルタンク２４から油を滴下する。ねじ２７を調整し内輪とボール２０間に負荷を与える。内輪２１を図示しないモータにより回転させ、ボール２０を転がす。その結果、内輪２２、２３が回転する。ボール２０と内輪２１、２２、２３の間に油膜が形成される。この油膜の厚さは内輪２１の回転速度により可変でき、その油膜厚さはＥＨＬ理論（弾性流体潤滑理論）で計算して求める。内輪２１、２２に電圧を印加して、電圧計Ｖ１とＶ２の値を比べ、油膜が絶縁破壊しているかを判定する。油膜が絶縁破壊していないと、内輪２１、２２間の抵抗は１０ＭΩ以上なので、Ｖ２＝Ｖ１になる。油膜が絶縁破壊すると、内輪２１、２２間の抵抗は数ΩになるのでＶ１≒０になる。したがって、このＶ１の値により油膜の絶縁破壊を判定できる。
つぎに、第２の従来例として静的な油膜絶縁破壊評価装置の例を図１０に示す。図において、２８はディスク、２９はアクチュエータ、３０は位置センサである。この装置は、ディスク２８の１個とボール２０の１個で構成し、ディスク２８とボール２０間に油滴を滴下し、アクチュエータ２９により負荷を与える。ディスク２８とボール２０との距離を接触した状態からサブミクロンレベルで離すことで軸受内部の油膜を模擬する。この距離は位置センサ３０で実測する。ここに直流電源２５から電圧を印加して、Ｖ１の値により油膜の絶縁破壊を判定する。
このように、従来の油膜絶縁破壊評価装置は、油膜を隔てた２面間に電圧を印加し、絶縁破壊を評価するものである。
【非特許文献１】兼田他、電食の防止対策、（社）日本トライボロジー学会トライボロジー会議予稿集（東京  １９９９−５）、１３３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、従来の絶縁破壊評価装置についてはつぎの問題がある。
［第１の従来例］
（１）本装置は、油膜厚さの計算値が定量値と言えない。油膜厚さの計算には油の粘度の値が必要であり、素性の分かった油であれば油の粘度を高い精度で推定できるが、使用後の油や、混合された油の場合は粘度が不明であり、粘度計測から実施しなくてはいけないからである。
（２）仮に粘度が分かり計算できたとしても、接触域は０．１ｍｍ２程度と比較的大きく、その接触域で油膜厚さが厚いところと薄いところがあり、放電がどの部分で起こっているのか分からないので、計算により油膜厚さを算出してもあまり意味が無い。
（３）また、表面粗さの変化を考慮できない。２面には表面粗さがあり、放電は油膜厚さだけではなく、表面粗さとの比で決まると思われるが、表面粗さは試験時間の経過と共に試料の表面は粗くなる。表面粗さの変化までは計算できない。
（４）さらに、金属接触と放電を混同する。油膜厚さが表面粗さ程度に薄い場合、電圧変化（電流でも同じ）からは金属接触と放電の区別が出来ない。
［第２の従来例］
（１）本装置は、静的な状態で２面を近づけるだけなので、油には荷重がかからず、油の物性が実軸受の場合と大きく異なる。静的な状態で近づけるだけだと油は粘性流体のままの状態である。小さくても荷重を加えると、面圧で言えば１ＧＰａ程度の高面圧が生じ油は粘弾性体や弾塑性固体になる。こうなると粘性流体のときと比べ、体積弾性係数が１桁ほど異なる。実際に絶縁破壊電圧を測定すると、実機モータとは２桁違う値となる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、油膜厚さが実測できると共に、表面粗さの変化も見逃すことなく、金属接触と放電を混同せずに、油の物性を実軸受と同じ状態で、油膜の絶縁破壊を評価することができる油膜絶縁破壊評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、油膜を挟んだ２つの物体間に電圧を印加して油膜の絶縁破壊を調べる油膜絶縁破壊評価装置において、前記一方の物体を透明体とし、かつ、前記他方の物体との接触面側に可視光を透過する電極を用いるものである。
請求項２に記載の発明は、回転体と、これに油膜を介して接触させる転動体と、前記回転体と前記転動体との間の絶縁抵抗を測定する抵抗測定回路とを備えた油膜絶縁破壊評価装置において、前記回転体を透明体とし、前記転動体との接触面側に可視光を透過する電極を設け、この電極と他方の物体との間の絶縁抵抗を測定するとともに、油膜の状況をカメラで撮影するものである。
請求項３に記載の発明は、前記電極を光干渉により油膜厚さを測定する金属膜にしたものである。
請求項４に記載の発明は、前記電極を透明導電膜にしたものである。
請求項５に記載の発明は、前記電極を金属膜と透明導電膜とを少なくとも１層ずつ積層したものである。
請求項６に記載の発明は、前記電極を前記透明体の表面から金属膜、透明膜、金属膜の順に積層し、光干渉により接触応力を測定するようにしたものである。
請求項７に記載の発明は、前記電極を前記透明体の表面に、金属膜と透明導電膜とを積層した第１積層膜の領域と、透明な膜が金属膜で挟まれて積層された第２積層膜の領域とを有するものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１、２、３に記載の発明によると、可視光を透過または一部反射する電極を用いているので、荷重をかけた状態で接触面の油膜厚さを光干渉法で実測しながら電圧・電流波形が記録でき、表面粗さの変化を見逃すことがない。
請求項４に記載の発明によると、電極に透明導電膜を用いているので、抵抗値が低く十分な電流が流れ、放電が明瞭な発光現象として観察でき、金属接触と放電を混同せずに油膜の絶縁破壊を評価することができる。
請求項５に記載の発明によると、透明導電膜を用いているので、発光現象が観察でき、金属膜により光干渉に必要な反射が得られ膜厚測定が確実になる。
請求項６に記載の発明によると、金属膜と透明膜を積層しているので、ガラスディスクとボールの接触応力による透明膜の弾性変形量を、金属膜同士で生じる光干渉で実測できる。すなわち、油の物性に大きく影響する接触部の応力をモニタしながら油膜の絶縁破壊を評価できる。
請求項７に記載の発明によると、２つの異なる積層膜の領域を設けたので、膜厚と接触部の応力を測定しながら油膜の絶縁破壊を１試験中に一緒に評価でき、特にグリースの油膜のように潤滑特性が時間の変化と共に変わる材料を評価する際、本発明は効果が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【０００７】
図１は、本発明の油膜絶縁破壊評価装置を示す断面図である。図において、１はガラスディスク、２は膜電極、３は油、４はボールである。なお、５は支持部材、６はシャフト、７は固定ねじ、８は絶縁物、９はばね、１１は電源、１２はブラシ、１３は光源、１４はプリズム、１５は高速度カメラである。
ガラスディスク１の下面には可視光を透過する膜電極２を被覆している。図２はガラスディスク１と膜電極２としての金属膜２ａを模式的に示した拡大模式図である。
ガラスディスク１の下面には、評価する油３を薄く塗りつけている。油には粘性があるので、評価試験の間はガラスディスク１よりたれ落ちない。ボール４を下方のばね９でガラスディスク１に押しつけ、シャフト６でガラスディスク１と繋がったプーリ１０を図示しないモータで回転させると、ボール４も供回りして自転する。その結果、ボール４とガラスディスク１の間にサブミクロンの油膜が形成される。上部より  高速度カメラ１５で観察すると０．１ｍｍ２程度の円形で、ボール４とガラスディスク１が接触していることが分かる。油膜の厚さは光干渉法で測定できる。絶縁破壊の状況は、シャフトとボール間にブラシを介して印加した電圧Ｖ１または回路に流れる電流Ａ１の測定で判定できる。なお、ガラスディスクは廉価であるが縦弾性係数が鋼と比べ低いので、高価ではあるが縦弾性係数が鋼とほぼ等しいサファイアディスクを使い、軸受内部の応力状態と厳密に等価にすることを狙う場合もある。
本発明が従来技術と異なる本質的な部分は、電極に透明体を使い、接触面を観察できるようにしているところである。
【実施例１】
【０００８】
本発明の実施例１について図１、２を用いて説明する。本実施例では、膜電極２として、厚さ７ｎｍのクロムの金属膜２ａを用いた。この膜厚によると可視光の透過率はおよそ４０％、反射率はおよそ２０％である。ボール４は直径２５．４ｍｍ、材質ＳＵＪ２の軸受用鋼球である。ガラスディスク１は板厚１１ｍｍ、直径１８０ｍｍ、材質ＢＫ−７ガラスの円板である。油３は、昭和シェル石油製アルバニア＃２（基油：鉱油、増ちょう剤：Ｌｉせっけん）というグリースを用いた。
つぎに本実施例の動作について述べる。
先ず、ばね９の変位を調整して４０Ｎの力でボール４をガラスディスク１に押し当て、ボール４が２５０ｒｐｍで自転するようにガラスディスク１を回転させた。このとき、油３には実軸受相当の０．５ＧＰａの面圧が負荷されている。上部より高速度カメラ１５で撮影した画像を図３に示す。図中の矢印の先端部の領域が油膜の最も薄い部分である。測定分解能をあげるために、光源１３は、５５５ｎｍ（緑色）と６３０ｎｍ（赤色）の波長の異なる単色光を２色重ねた２色光源を用いている。油膜厚さは、色により測定している。このため、実際の油膜厚さと色との関係をあらかじめ分かっている隙間を用いて検定した関係データを用いている。この図では矢印の先端のところが最小の油膜厚さで、約０．５μｍである。
本発明の装置の特徴は、光干渉法で膜厚が実測できることである。試験時間の経過に伴い表面が粗くなっていくが、この装置を用いると油膜厚さが干渉縞により実測できるので、表面粗さの変化を見逃すことがない。
【実施例２】
【０００９】
図４は、本発明の実施例２を示す電極部の拡大模式図である。図において、２ｂは膜電極２となる透明導電膜である。実施例１と異なる部分は、膜電極２として透明導電膜であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ，Ｔｉｎ，Ｏｘｉｄｅ）膜を３００ｎｍの厚さで用いている点である。本実施例で用いたＩＴＯ膜は、実施例１に比べて可視光の透過率が高く、膜厚を厚くでき、抵抗値を下げることが可能である。その結果、放電時の電流値を大きくでき、放電を発光現象として捉えることができる。
なお、本実施例では、透明導電膜としてＩＴＯを使用した例を示したが、ＳｎＯ２，ＺｎＯ、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ，Ｚｉｎｃ，Ｏｘｉｄｅ）など透明導電膜であれば同じ効果が得られる。
【実施例３】
【００１０】
図５は、本発明の実施例３を示す電極部の拡大模式図である。実施例２と異なる部分は、ガラスディスク１の表面からクロムを７ｎｍ被覆した金属膜２ａ、ＩＴＯ膜を３００ｎｍ被覆した透明導電膜２ｂの順に設け、金属膜２ａにより干渉縞をでき易くした点である。
図６は、本実施例において高速度カメラが捉えた放電による発光である。秒速２０００コマの速度で撮影している。図中の矢印の先端部の白点が発光部分である。つまり５００ｎｓの間に２箇所で絶縁破壊したことが分かる。そして、膜厚が最も薄いところだけで放電しているわけではないことが分かる。また、金属膜２ａを被覆しているので、実施例２に比べて反射率が高く、干渉縞ができ易い。つまり、本実施例の装置では、発光現象の捕捉と干渉縞の判別が同時に可能である。その結果、油膜の絶縁破壊現象の解明がより進む効果がある。
【実施例４】
【００１１】
図７は、本発明の実施例４を示す電極部の拡大模式図である。図において、２ｃは透明膜、２ｄは金属膜である。本実施例の膜電極２は、ガラスディスク１の下面にクロムを７ｎｍ被覆した金属膜２ａ、ＳｉＯ２を８００ｎｍ被覆した透明膜２ｃ、最下面にクロムを３００ｎｍ被覆した金属膜２ｄから形成されている。最下面に金属膜２ｄ（３００ｎｍのクロム）を被覆しているので光源からの光は油膜に届かない。油を挟んでボール４をガラスディスク１に押し当てると接触応力によりガラスディスク１および電極膜２が弾性変形する。上部からの光は、金属膜２ａ（７ｎｍのクロムの膜）で一部が反射し、通過した光が金属膜２ｄで反射する。この光干渉により、二つの膜に挟まれた透明膜の弾性変形量が求まり、接触応力がモニタできる。なお、透明膜の弾性変形量は、干渉縞の色により測定している。このため、干渉縞の色と実際の弾性変形量との関係をあらかじめ分かっている荷重を負荷することで検定した関係データを用いている。
【実施例５】
【００１２】
図８は、本発明の実施例５を示す電極部の拡大模式図で、図８（ａ）はガラスディスクを下方から見た平面図、（ｂ）は側断面図である。図において、１６は第１積層膜、１７は第２積層膜である。本実施例は、ガラスディスク１に第１積層膜１６と第２積層膜１７を半分ずつ被覆している。すなわち、第１積層膜１６はガラスディスク１の表面から金属膜２ａ、透明導電膜２ｂの順に形成したものであり、第２積層膜１７は同じくガラスディスク１の表面から金属膜２ａ、透明膜２ｃ、金属膜２ｄの順に形成したものである。
ガラスディスクが１回転する間に、第１積層膜１６により油膜厚さの実測と放電の可視化ができ、第２積層膜１７により接触応力の実測ができる。このように本発明では、一度に２種類の評価ができるという利便性に加え、特にグリースの油膜のように潤滑特性が試験時間の経過と共に刻々と変わる材料を評価する際、一度に多面的に評価できるので、ガラスディスクを取り替えて２回評価する場合と比べ、本発明で得られたデータは信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１を示す油膜絶縁破壊評価装置の側断面図
【図２】図１のガラスディスクと膜電極の拡大模式図
【図３】実施例１において撮影した油膜部の画像
【図４】本発明の実施例２を示すガラスディスクと膜電極の拡大模式図
【図５】本発明の実施例３を示すガラスディスクと膜電極の拡大模式図
【図６】本発明の実施例３において撮影した油膜部の画像
【図７】本発明の実施例４を示すガラスディスクと膜電極の拡大模式図
【図８】本発明の実施例５を示す電極部の拡大模式図で、（ａ）はガラスディスクを下方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）Ａ−Ａ‘面における側断面図
【図９】第１の従来例を示す油膜絶縁破壊評価装置の側断面図
【図１０】第２の従来例を示す油膜絶縁破壊評価装置の側断面図
【符号の説明】
【００１４】
１  ガラスディスク
２  膜電極
２ａ  金属膜
２ｂ  透明導電膜
２ｃ  透明膜
２ｄ  金属膜
３  油
４、２０  ボール
５  支持部材
６  シャフト
７  固定ねじ
８  絶縁物
９、２６  ばね
１０  プーリ
１１  電源
１２  ブラシ
１３  光源
１４  プリズム
１５  高速度カメラ
１６  第１積層膜
１７  第２積層膜
２１、２２、２３  内輪
２４  オイルタンク
２５  直流電源
２７  ねじ
２８  レース
２９  アクチュエータ
３０  位置センサ  
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2008241383.tif 000009
【図１０】
2008241383.tif 000010
【図３】
2008241383.tif 000011
【図６】
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