(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画定された空間にトレーサ粒子を分散させたグリースを封入し、
前記空間にレーザ光を照射したときの粒子画像を時間をずらせて撮影し、
撮影した２枚の粒子画像における前記トレーサ粒子の輝度分布をもとにして、前記グリースの流速分布を測定する流速分布測定方法であって、
前記トレーサ粒子は、前記レーザ光が照射されたときに蛍光を発する蛍光物質で構成されており、
前記空間を画定する画定物の表面には、前記レーザ光が照射されたときに蛍光を発する蛍光物質で構成された蛍光層が一体に形成されており、
前記レーザ光を照射しつつ、前記トレーサ粒子と前記画定物とを一画面で撮影することによって、流速測定位置を特定することを特徴とする流速分布測定方法。
【請求項２】
画定された空間にトレーサ粒子を分散させた流体を封入し、
前記空間にレーザ光を照射したときの粒子画像を時間をずらせて撮影し、
撮影した２枚の粒子画像における前記トレーサ粒子の輝度分布をもとにして、前記流体の流速分布を測定する流速分布測定方法であって、
前記トレーサ粒子は、前記レーザ光が照射されたときに蛍光を発する蛍光物質で構成されており、
前記空間を画定する画定物の表面には、前記レーザ光が照射されたときに蛍光を発する蛍光物質で構成された蛍光層が一体に形成されており、
前記レーザ光を照射しつつ、前記トレーサ粒子と前記画定物とを一画面で撮影することによって、流速測定位置を特定することを特徴とする流速分布測定方法。
【請求項３】
前記粒子画像は、前記レーザ光が照射されたときに前記トレーサ粒子並びに前記蛍光層が発する蛍光を透過すると同時に前記レーザ光を遮断するフィルターを通して撮影されたことを特徴とする、請求項１及び請求項２のいずれかに記載する流速分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受などに封入された潤滑剤の動きを、粒子画像流速測定法を用いて測定する流速分布測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受を高速条件下や高荷重の条件下で回転させるためには、玉などの転動体が転動する軌道面に潤滑剤が適正に供給されなければならない。そのため、転がり軸受が回転しているときの潤滑剤の動きを可視化して、潤滑状態を向上させるための研究が行なわれている。
【０００３】
潤滑剤の動きを可視化する手法として、粒子画像流速測定法（以下、ＰＩＶ法という。ＰＩＶ：Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｖｅｌｏｃｉｔｙ）がある。図４は、ＰＩＶ法によって流体の速度分布を測定するときの測定原理を説明するための概念図である。図４によって、流速分布の測定原理について説明する。
【０００４】
流体は、管路１０１の中を白抜き矢印の方向に流れている。管路１０１の外壁は、一部が透明で、流体を直接観察することができる。図４では、流体中に円柱状の軸１０２が設置されており、このような障害物がある場合における管路１０１内を流れる流体の流速分布を測定している。流体の中には図示しないトレーサ粒子が分散されている。トレーサ粒子は、気泡で形成されていて、４０μｍ〜６０μｍ程度の大きさの球状である。トレーサ粒子の材料には、その他、樹脂や、銀のコーティングを施したガラスや、油滴等が使用される。
【０００５】
レーザ光源１０４が、管路１０１の鉛直方向上方に設置されており、シート状のレーザ光が流体に向けて照射されている。レーザ光は、流体中のトレーサ粒子によって反射される。この反射光をＣＣＤカメラ１０５で撮影することによって、２次元平面に配置された撮像素子１０３上に、トレーサ粒子の分布状態を表す粒子画像を取得することが出来る。粒子画像はトレーサ粒子の配置に対応した輝度分布を表しており、ＰＩＶ法では、時刻ｔの粒子画像１０６における輝度分布と、時刻ｔ＋Δｔの粒子画像１０７における輝度分布の変化を、画像相関法を用いて演算することによって流体の流速分布を測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０９−１５２４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
通常、ＰＩＶ法では、図４に示すように比較的広い視野で粒子画像を撮影している。この場合には、トレーサ粒子に向けて照射したレーザ光が周囲の構造体で反射するので、粒子画像上で周囲の構造体の位置を容易に特定することが出来る。このため、流速を測定した位置を比較的容易に特定することが出来る。しかし、微小な領域で流速分布を測定する場合には、周囲の構造体の位置を特定できないために流速を測定した位置を特定することが出来ず、流速分布を測定できないという問題がある。
【０００８】
例えば、グリース封入形式の転がり軸受では、軌道溝部のグリースが玉によって押し出されたり、保持器に付着したグリースが遠心力によって離脱したりする場合に、グリースの封入位置が変化する。転がり軸受の潤滑状態を向上させるために、グリースの封入位置が変化するときの移動速度を測定する場合がある。
グリースが封入されている空間は微小であり、封入位置が変化するときのグリースの移動速度の分布（以下、単に「グリースの流速分布」という）を測定する場合には、グリースが封入されている微小領域で粒子画像の撮影を行なう必要がある。微小領域で測定するときには視野が狭いので、周囲の構造体からの反射光を捉えることが困難になる。この結果、周囲の構造体の位置を特定することが極めて困難になっている。
一方、周囲の構造体からの反射光の輝度を高くするために、照射するレーザ光の輝度を高くした場合には、背景の輝度が高くなる。このため、トレーサ粒子の輝度のコントラストが小さくなるので、トレーサ粒子の識別が困難になる。
このように、ＰＩＶ法で微小領域におけるグリースや流体の流速分布を測定するときには、流速を測定した位置を特定することが困難なため、流速分布を正確に測定することが極めて困難になるという問題があった。
【０００９】
この発明の目的は、ＰＩＶ法を用いて微小領域におけるグリースや流体の流速分布を測定する場合に、流速を測定した位置の、グリースや流体が封入されている構造体からの距離を明確にすることが出来て、流速分布を正確に測定することが出来る測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一形態は、画定された空間にトレーサ粒子を分散させたグリースを封入し、前記空間にレーザ光を照射したときの粒子画像を時間をずらせて撮影し、撮影した２枚の粒子画像における前記トレーサ粒子の輝度分布をもとにして、前記グリースの流速分布を測定する流速分布測定方法であって、前記トレーサ粒子は、前記レーザ光が照射されたときに蛍光を発する蛍光物質で構成されており、前記空間を画定する画定物の表面には、前記レーザ光が照射されたときに蛍光を発する蛍光物質で構成された蛍光層が一体に形成されており、前記レーザ光を照射しつつ、前記トレーサ粒子と前記画定物とを一画面で撮影することによって、流速測定位置を特定することを特徴としている。
【００１１】
本発明の他の形態は、画定された空間にトレーサ粒子を分散させた流体を封入し、前記空間にレーザ光を照射したときの粒子画像を時間をずらせて撮影し、撮影した２枚の粒子画像における前記トレーサ粒子の輝度分布をもとにして、前記流体の流速分布を測定する流速分布測定方法であって、前記トレーサ粒子は、前記レーザ光が照射されたときに蛍光を発する蛍光物質で構成されており、前記空間を画定する画定物の表面には、前記レーザ光が照射されたときに蛍光を発する蛍光物質で構成された蛍光層が一体に形成されており、前記レーザ光を照射しつつ、前記トレーサ粒子と前記画定物とを一画面で撮影することによって、流速測定位置を特定することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
ＰＩＶ法を用いて微小領域におけるグリースや流体の流速分布を測定する場合に、流速を測定した位置の、グリースや流体が封入されている構造体からの距離を明確にすることが出来て、流速分布を正確に測定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＰＩＶ法を用いて転がり軸受に封入されたグリースの流速分布を測定する方法を説明する説明図である。
【図２】転がり軸受の軸方向断面図である。
【図３】図３（ａ）は、図３（ｃ）のＰ１における粒子画像の模式図であり、図３（ｂ）は、図３（ｃ）のＰ２における粒子画像の模式図である。
【図４】ＰＩＶ法による速度分布の測定原理を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明にかかる流速分布測定方法の一実施形態（以下、「本実施形態」という）を、図を用いて詳細に説明する。図１は、ＰＩＶ法を用いて転がり軸受１１に封入されたグリースの流速分布を測定する方法を説明する説明図である。図２は、測定対象である転がり軸受１１の軸方向断面図である。
【００１５】
まず、図２によって転がり軸受１１について説明する。
転がり軸受１１は、外輪１３と、内輪１５と、玉１９と、保持器２１とを備えている。外輪１３及び内輪１５はそれぞれ円環状であり、互いに同軸に組合わされている。転がり軸受１１は、ＪＩＳ６３０１相当の深溝玉軸受であって内輪１５内径が１０ｍｍである。通常、転がり軸受１１では、外輪１３、内輪１５、及び玉１９は、いずれも軸受鋼などの鋼材で製作されている。本実施形態では、レーザ光が外輪１３を透過することが出来るように、外輪１３はアクリル樹脂で製作されており、透明である。
【００１６】
外輪１３の内周には、玉１９が転動する外側軌道面２４が形成されている。外側軌道面２４は、軸方向断面が円弧形状である。外側軌道面２４の軸方向両外側に連続して、円筒形状の肩１４が形成されている。内輪１５の外周には、玉１９が転動する内側軌道面２６が形成されている。内側軌道面２６は、軸方向断面が円弧形状である。内側軌道面２６の軸方向両外側に連続して、円筒形状の肩１６が形成されている。外側軌道面２４と内側軌道面２６とは互いに径方向に対向している。外側軌道面２４と内側軌道面２６との間に、複数の玉１９が組込まれている。玉１９が、内側軌道面２６と外側軌道面２４との間を転動することによって、内輪１５と外輪１３とが互いに軸線ｍの回りで回転自在に組合わされている。玉１９は、保持器２１によって、周方向に互いに等しい間隔で保持されている。
【００１７】
保持器２１は、薄肉の鋼板をプレス成型することによって製作されており、玉１９の外径形状に合わせた球面部２２と、各球面部２２を周方向に連結する連結部２３とで構成されている。球面部２２と玉１９の外周との間にはわずかなすきまが設けられており、球面部２２の内側で、玉１９が自在に回転することが出来る。こうして、保持器２１は、玉１９によって内外輪１３，１５と同軸に保持されている。保持器２１の径方向の外周及び内周は、外輪１３の肩１４及び内輪１５の肩１６とそれぞれすきまをもって組込まれている。
【００１８】
内輪１５または外輪１３が回転するときには、玉１９が軌道面２４，２６上を転動して軸線ｍの回りを公転する。
保持器２１は、玉１９とともに外輪１３及び内輪１５と同軸に回転する。
【００１９】
外輪１３と内輪１５とで径方向に挟まれた環状の微小空間（以下「環状空間Ｋ」）には、グリースが封入されている。環状空間Ｋは、外輪１３及び内輪１５によって画定されており、外輪１３及び内輪１５は環状空間Ｋを画定する画定物である。本実施形態のグリースは、増ちょう剤がリチウム石けん系であって、ちょう度がＪＩＳ２号である。
【００２０】
グリースには、グリースの動きを測定するためのトレーサ粒子２８が分散されている。トレーサ粒子２８には、例えば  ローダミンＢやローダミン６Ｇなどの蛍光染料を球体の樹脂製マイクロカプセルに閉じ込めたものが好適に使用される。トレーサ粒子２８の大きさは、概ね１０μｍ〜２０μｍである。マイクロカプセルに閉じ込める蛍光物質としては、ペリレンなどの蛍光顔料を使用してもよい。
【００２１】
本実施形態で使用する転がり軸受１１では、内輪１５の肩１６の表面、及び、外輪１３の肩１４と径方向に対向する保持器２１の外周の表面に、全周にわたって、それぞれ１００μｍ程度の膜厚の蛍光層３１，３３が形成されている。図２では、蛍光層３１，３３の膜厚を誇張して表示している。蛍光層３１，３３は、ローダミンＢやローダミン６Ｇなどの蛍光物質を分散させた塗料あるいは接着剤を塗布することによって形成することが出来る。蛍光物質としては、ペリレンなどの蛍光顔料を使用してもよい。
【００２２】
次に、粒子画像に基づいて、環状空間Ｋにおけるグリースの流速分布を測定する方法を説明する。
図１に示すように、レーザ光が、転がり軸受１１の上方からシート状に照射されている。本実施形態では、ＹＡＧレーザが使用されている。レーザ光は、シート面３５が転がり軸受１１の軸線ｍと直交する方向に向けて、照射されている。ＣＣＤカメラ３７は、図２に白抜き矢印Ｂで示すように軸線ｍと平行に設置され、環状空間Ｋを撮影している。
【００２３】
ここでは一例として、レーザ光が図２の矢印Ａで示す位置に照射される場合について説明する。外輪１３が透明であるので、レーザ光は、外輪１３を透過して、環状空間Ｋに存在するグリースに向けて直接的に照射されている。
こうして、環状空間Ｋに存在するグリースでは、レーザ光のシート面３５上にあるトレーサ粒子２８が発光する。このトレーサ粒子２８をＣＣＤカメラ３７で撮影することによって、環状空間Ｋにおける粒子画像を撮影することが出来る。
【００２４】
照射するレーザ光の波長λ０は、５３２ｎｍ（ナノメートル）である。
外輪１３を透過したレーザ光によって、環状空間Ｋに存在するトレーサ粒子２８、および、内輪１５の外周に形成した蛍光層３１が発光する。ローダミンＢまたはローダミン６Ｇは、５８０ｎｍの蛍光を発する。こうして、トレーサ粒子２８及び蛍光層３１を蛍光物質で構成することによって、トレーサ粒子２８及び蛍光層３１から、照射したレーザ光より長い波長λ１の光が発せられる。
なお、ペリレンなどの蛍光物質を使用したときには、照射するレーザ光の波長λ０を４０５ｎｍとしている。このとき、ペリレンからは、４５０ｎｍの蛍光が発せられる。
【００２５】
ＣＣＤカメラ３７では、トレーサ粒子２８と内輪１５（環状空間Ｋを画定する画定物）とを同時に撮影しており、トレーサ粒子２８と内輪１５とが一つの粒子画像に撮影されている。
このとき、短波長カットフィルター（以下単に「フィルター」という。）を設置して粒子画像を撮影することによって、トレーサ粒子２８を更に明確に撮影することが出来る。フィルターは、照射した波長λ０のレーザ光を遮断するとともに、トレーサ粒子２８及び蛍光層３１から発せられる長い波長λ１の光を透過することが出来る。このフィルターを通して撮影することにより、粒子画像では、トレーサ粒子２８及び蛍光層３１のみを抽出して撮影することが出来る。
【００２６】
こうして、フィルターを設置した場合には、内外輪１３，１５や保持器２１で反射した反射光と、トレーサ粒子２８とが重なった場合であっても、トレーサ粒子２８を識別することが出来る。
例えば、図２において矢印Ａの向きに照射したレーザ光が内輪１５外周面で乱反射し、保持器２１の球面部２２の側面が明るく撮影されている場合について説明する。
フィルターを設置していない場合には、ＣＣＤカメラ３７では、環状空間Ｋのトレーサ粒子２８から発せられる波長λ１の蛍光と、保持器２１の表面で反射した波長λ０のレーザ光とを同時に撮影することになる。ＣＣＤカメラ３７では、波長λ０のレーザ光と、波長λ１の蛍光とを区別して撮影することが出来ないので、粒子画像においては、いずれも同様の光の点として撮影されるので、トレーサ粒子２８を識別することが出来ない。
一方、フィルターを設置した場合には、保持器２１の側面で反射した反射光を除外することが出来る。これは、反射光の波長は、照射したレーザ光の波長と同一でλ０であり、トレーサ粒子２８並びに蛍光層３１から発せられる光は波長がλ１で、互いに波長が異なっているからである。
【００２７】
この結果、ＣＣＤカメラ３７では、トレーサ粒子２８を明確に撮影することが出来るので、流速分布をより正確に求めることが出来る。ＰＩＶ法では、互いに異なる時間で二枚の粒子画像を撮影し、トレーサ粒子２８の輝度分布の位置の変化を画像相関法で演算して、グリースの流速および移動方向を測定することが出来る。
さらに、フィルターを設置することにより、トレーサ粒子２８とともに蛍光層３１から発せられた光を粒子画像として撮影することが出来るので、内輪１５の位置を明確に特定することが出来る。これにより、流速を測定した位置の内輪１５外周面からの距離を明確に測定することが出来るので、グリースの流速分布を明確に測定することが出来る。
【００２８】
次に、流速を測定した位置を特定するための方法を具体的に説明する。
図３（ａ）は、図３（ｃ）にＰ１で示す長方形の枠で囲んだ領域の粒子画像の一例を模式的に示した模式図である。図３（ｂ）は、図３（ｃ）にＰ２で示す長方形の枠で囲んだ領域での図３（ａ）と同様の模式図である。
粒子画像には、トレーサ粒子２８と内輪１５の蛍光層３１とが同時に撮影されている。粒子画像では、蛍光を発する部位については明確に識別できるが、蛍光物質で構成されていない一般的な構造体については、レーザ光の照度が低いため、粒子画像上でその輪郭を識別することが出来ない。
図３（ａ）及び図３（ｂ）では、蛍光を発するトレーサ粒子２８と内輪１５の蛍光層３１を太い実線で示している。蛍光層３１は、内輪１５の肩１６に沿った円弧形状に撮影されている。その他、外輪１３、保持器２１、玉１９などの形態は、粒子画像では識別できないので、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、これらの部位を破線で示している。
【００２９】
粒子画像における位置を特定するために、実際の寸法と粒子画像上のピクセル数との相関を明確にする。具体的には、あらかじめ、外輪１３の肩１４、および内輪１５の肩１６の両方に蛍光層３１を形成し、レーザ光を照射したときの画像を撮影する。外輪１３の肩１４と内輪１５の肩１６との寸法をノギス等で測定したときの値と、対応する位置における画像上のピクセル数とを対比することによって、実際の寸法と粒子画像上のピクセル数との相関を求めることが出来る。例えば、実際の寸法がＬであり、粒子画像上のピクセル数がＸのときは、校正値α（α＝Ｌ／Ｘ）を定めることが出来る。
【００３０】
図３（ａ）では、蛍光層３１からのピクセル数を読み取ることにより、内輪１５の肩１６から流速測定位置までの距離を算出することが出来る。例えば、ピクセル数がＸｏのときには、内輪１５の肩１６から流速測定位置までの距離Ｌｏは、Ｘｏ×αで求めることが出来る。αは、あらかじめ求めた校正値である。
図３（ｂ）では、転がり軸受１１の中心Ｏに対する測定位置の方向θは、蛍光層３１の接線の傾き角φと等しい。したがって、粒子画像における蛍光層３１の接線の傾き角φを測定することによって、流速測定位置の方向を特定することができる。
【００３１】
従来の粒子画像測定においては、トレーサ粒子２８を泡や樹脂粉体で構成し、これらによって反射したレーザ光を用いて測定していた。このため、トレーサ粒子２８が反射したレーザ光と重なった場合にはトレーサ粒子２８の動きを測定できなかった。また、レーザ光は照度が低いため、粒子画像において周辺の物体を識別するのが困難であった。このため、流速を測定したときに、その測定位置が、周辺の構成物からどの程度離れた位置にあるのかを特定することが困難であった。
【００３２】
これに対して、本実施形態では、以上説明したように、トレーサ粒子２８及び内輪１５の外周に設けた蛍光層３１を蛍光物質で構成することによって、トレーサ粒子２８と環状空間Ｋを画定する画定物（内輪１５等）とが明確に撮影された粒子画像を取得することが出来る。これによって、粒子画像相関法で演算した流速分布を演算したときに、流速を測定した位置の内輪１５からの距離を明確に測定することが出来る。
更に、フィルターを使用することによって、照射したレーザ光をカットして、トレーサ粒子２８及び内輪１５の外周に設けた蛍光層３１からの光のみを撮影することが出来る。これによって、更にトレーサ粒子２８の位置を明確に撮影することが出来るので、さらに正確な流速分布を測定することが出来る。
【００３３】
なお、レーザ光を照射する方向は、鉛直方向に限定されない。例えば、レーザ光を図２に示す矢印Ｂの向きで水平面内で照射し、矢印Ａの向きでＣＣＤカメラ３７を設置してもよい。こうすることによって、グリースの水平面上の速度分布を測定することが出来る。
また、レーザ光を、図２の矢印Ａの向きと平行で、保持器２１の外周端面に形成した蛍光層３３に向けて照射したときには、外輪１３と保持器２１との間の微小すきまにおけるグリースの流速分布を測定することが出来る。
【００３４】
本実施形態では、内輪１５内径寸法が１０ｍｍの大きさの深溝玉軸受を例にして、潤滑剤の流速分布を測定する方法を説明したが、大きさが異なる軸受においても同様にして測定することが出来る。また、円すいころ軸受などの他の形式の転がり軸受に適用してもよい。
また、封入されているグリースを、増ちょう剤がリチウム石けん系で、ちょう度がＪＩＳ２号のグリースとして説明したが、その他の増ちょう剤を使用したグリースや、ちょう度が異なるグリースでも同様にして測定することが出来る。
また、流速分布を測定する対象が、グリース以外の流体流動性を持った物質や、油などの液体であっても同様にして測定することが出来る。
【符号の説明】
【００３５】
１１：転がり軸受、１３：外輪、１４：肩（外輪）、１５：内輪、１６：肩（内輪）、１９：玉、２１：保持器、２２：球面部、２３：連結部、２４：外側軌道面、２６：内側軌道面、２８：トレーサ粒子、３１：蛍光層（保持器）、３３：蛍光層（保持器）、３５：シート面、３７：ＣＣＤカメラ、１０１：管路、１０２：軸、１０３：撮像素子、１０４：レーザ光源、１０５：ＣＣＤカメラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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