(57)【要約】【課題】圧縮性流体軸受の動特性を高精度に計測し得る軸受特性の計測方法を提供する。【解決手段】軸受３を加振機で加振してこのときの加振力をロードセル４、５で計測するとともに、その変位量を変位計７、８で計測し、かかる計測を加振条件を変えて２回実施し、それぞれの場合の加振力及び変位量に基づき前記軸受３のばね係数及び減衰係数を求める場合において、軸受３は、気体軸受等の圧縮性流体軸受を対象とし、加振機に供給する加振信号は、所定領域の多数の周波数成分を有するものとして、軸受３のばね係数及び減衰係数の周波数特性を求める。【選択図】　図１
2004117088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受を加振機で加振してこのときの加振力と前記軸受の変位量とを計測するとともに、かかる計測を振幅等の加振条件を変えて複数回実施し、それぞれの場合の加振力及び変位量に基づき前記軸受のばね係数及び減衰係数を求める軸受特性の計測方法において、
軸受は、気体軸受等の圧縮性流体軸受を対象とし、
加振機に供給する加振信号は、所定領域の多数の周波数成分を有するものとして、この加振信号で前記軸受を加振するとともに、この軸受に作用する加振力を表す加振力信号及び軸受の変位量を表す変位量信号を得る一方、
かかる計測を加振条件を変えて複数回行い、それぞれの場合の加振力信号及び変位量信号に基づき前記加振力信号に含まれる各周波数毎の前記軸受のバネ係数及び減衰係数を求めることを特徴とする軸受特性の計測方法。
【請求項２】
〔請求項１〕に記載する軸受特性の計測方法において、
各周波数毎に求めた軸受の離散的なバネ係数及び減衰係数を補間してバネ係数及び減衰係数の連続的な周波数特性曲線を求めることを特徴とする軸受特性の計測方法。
【請求項３】
〔請求項２〕に記載する軸受特性の計測方法において、
離散的なバネ係数及び減衰係数の補間は、スプライン関数補間により行うことを特徴とする軸受特性の計測方法。
【請求項４】
〔請求項２〕に記載する軸受特性の計測方法において、
離散的なバネ係数及び減衰係数の補間は、気体膜理論に基づく非線形関数補間により行うことを特徴とする軸受特性の計測方法。
【請求項５】
〔請求項１〕乃至〔請求項４〕に記載する何れか一つの軸受特性の計測方法において、
加振信号は、１０Ｈｚ乃至１６００Ｈｚの周波数成分を含むことを特徴とする軸受特性の計測方法。
【請求項６】
〔請求項１〕乃至〔請求項５〕に記載する何れか一つの軸受特性の計測方法において、
軸受の加振は、相互の加振方向が直交するような加振力を前記軸受に付与するように配設した２台の加振機を用いて行うとともに、前記軸受が、これが支承する回転軸に対して円運動を行うような振れ回り加振力を付与するようにしたことを特徴とする軸受特性の計測方法。
【請求項７】
〔請求項１〕乃至〔請求項６〕の何れか一つに記載する軸受特性の計測方法により求めたバネ係数及び減衰係数を加味して支承する回転体が励振源とならないように形成したことを特徴とする軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は軸受特性の計測方法及び軸受に関し、特に冷凍機、タービン等の高速回転機械に用いる気体軸受等の圧縮性流体軸受の軸受特性を高精度に計測する場合に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍機、タービン等の高速回転機械では、気体軸受が用いられている。
【０００３】
一方、この種の高速回転機械の設計に当たっては、その回転体が励振源とならないような設計とすることが肝要である。このためには軸受の動特性を知る必要がある。ここで、軸受部分は特定のバネ係数と減衰係数を有する振動系を構成しているので、回転体の回転により加振された場合の特性は次式（１）で表される。
ｆ＝ｋｘ＋ｃ・（ｄｘ／ｄｔ）　・・・（１）
ここで、ｆは軸受に作用する加振力、ｘは軸受の変位、（ｄｘ／ｄｔ）は軸受の変位速度、ｋはバネ係数、ｃは減衰係数である。
【０００４】
したがって、軸受を所定の加振力で加振してやり、このときの変位を計測するとともに、かかる計測を加振力の振幅等、加振条件を変えて２回行えば、バネ係数ｋ及び減衰係数ｃを未知数とする連立方程式が得られ、この連立方程式を解くことによりバネ係数ｋ及び減衰係数ｃが求まる。当該軸受の動特性は、バネ係数ｋ及び減衰係数ｃで特定される。
【０００５】
そこで、図５に示すような加振機を用いて軸受を所定の周波数（例えば１００Ｈｚ）で加振してやり、これに伴うなう加振力及び軸受の変位を測定するとともに、かかる測定値に基づいて上式（１）に基づく演算を行うことにより、当該軸受の動特性を求めることが従来より行われている。
【０００６】
図５に示す場合は２台の加振機１、２を用いており、その加振ロッド１ａ、２ａがそれぞれ軸方向に直線的に移動して、各加振ロッド１ａ、２ａの先端に当接する軸受３に所定の加振力を付与する。このとき、加振ロッド１ａ、２ａは各軸線方向が直交するように配設してある。したがって、加振機１、２に供給する正弦波の加振信号の位相関係を適切に設定することにより加振ロッド１ａ、２ａで加振する軸受に円運動をさせることができる。このときの加振力を振れ回り加振力という。
【０００７】
軸受の動特性の計測は、通常、対象となる軸受３に振れ回り加振力を作用させて行う。そして、このときの加振力は加振機１、２にそれぞれ配設するロードセル４、５で検出し、軸受３の変位量は、その近傍に配設する変位計（図示せず。）で検出する。ここで、変位計は、軸受３を挟んだ反対側で前記加振ロッド１ａ、２ａの軸線上に配設してかかる軸線上における変位量をそれぞれ検出する。
【０００８】
なお、転がり軸受装置の揺動特性評価方法として下記の特許文献１に開示する発明が知られている。これは、玉軸受及び玉軸受ユニットをモータによって揺動駆動し、モータの駆動電流を計測することによって玉軸受及び玉軸受ユニットのトルク、トルク変動等の軸受特性を評価するものである。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−８３６５０号
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如き従来技術に係る軸受特性の計測方法においては、特定の周波数に関する軸受特性のみを検出していた。すなわち、軸受のバネ係数ｋ及び減衰係数ｃには周波数依存性がないものとしてその動特性を求めていた。
【００１１】
このようにバネ係数ｋ及び減衰係数ｃの周波数依存性を考慮することなく軸受の動特性を求めて軸受を設計しても、これが油等の非圧縮性流体軸受である場合には不都合はないが、気体軸受等の圧縮性流体軸受である場合には、十分ではない。圧縮性流体軸受の場合にはバネ係数ｋ及び減衰係数ｃが周波数依存性を有するからである。
【００１２】
本発明は、上記従来技術に鑑み、圧縮性流体軸受の動特性を高精度に計測し得る軸受特性の計測方法及び軸受を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。
【００１４】
１）　軸受を加振機で加振してこのときの加振力と前記軸受の変位量とを計測するとともに、かかる計測を振幅等の加振条件を変えて複数回実施し、それぞれの場合の加振力及び変位に基づき前記軸受のばね係数及び減衰係数を求める軸受特性の計測方法において、
軸受は、気体軸受等の圧縮性流体軸受を対象とし、
加振機に供給する加振信号は、所定領域の多数の周波数成分を有するものとして、この加振信号で前記軸受を加振するとともに、この軸受に作用する加振力を表す加振力信号及び軸受の変位量を表す変位量信号を得る一方、
かかる計測を加振条件を変えて複数回行い、それぞれの場合の加振力信号及び変位量信号に基づき前記加振力信号に含まれる各周波数毎の前記軸受のバネ係数及び減衰係数を求めること。
【００１５】
２）　上記１）に記載する軸受特性の計測方法において、
各周波数毎に求めた軸受の離散的なバネ係数及び減衰係数を補間してバネ係数及び減衰係数の連続的な周波数特性曲線を求めること。
【００１６】
３）　上記２）に記載する軸受特性の計測方法において、
離散的なバネ係数及び減衰係数の補間は、スプライン関数補間により行うこと。
【００１７】
４）　上記２）に記載する軸受特性の計測方法において、
離散的なバネ係数及び減衰係数の補間は、気体膜理論に基づく非線形関数補間により行うこと。
【００１８】
５）　上記１）乃至４）に記載する何れか一つの軸受特性の計測方法において、
加振信号は、１０Ｈｚ乃至１６００Ｈｚの周波数成分を含むこと。
【００１９】
６）　上記１）乃至５）に記載する何れか一つの軸受特性の計測方法において、
軸受の加振は、相互の加振方向が直交するような加振力を前記軸受に付与するように配設した２台の加振機を用いて行うとともに、前記軸受が、これが支承する回転軸に対して円運動を行うような振れ回り加振力を付与するようにしたこと。
【００２０】
７）　上記１）乃至６）の何れか一つに記載する軸受特性の計測方法により求めたバネ係数及び減衰係数を加味して支承する回転体が励振源とならないように形成したこと。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明の実施の形態に係る軸受特性の計測原理を概念的に示す説明図である。同図中、３は計測対象である軸受、４，５はロードセル、６は回転軸、７，８は変位計である。ここで、ロードセル４及び変位計７は、図５に示す加振機１の加振ロッド１ａの軸線であるｘ軸上に軸受３を挟んで相対向して配設してあり、ロードセル５及び変位計８は、図５に示す加振機２の加振ロッド２ａの軸線であり、前記ｘ軸に直交する軸であるｙ軸上に軸受３を挟んで相対向して配設してある。かくして、加振機１、２で軸受３を加振した場合の軸受３からの反力である加振力をロードセル４、５でそれぞれ検出して、各加振力を表す加振力信号を得る。同時に、軸受３のｘ軸及びｙ軸に沿う変位量を変位計７、８でそれぞれ検出して、各変位量を表す変位量信号を得る。
【００２３】
ここで、軸受３は、気体軸受等の圧縮性流体軸受である。また、加振機１、２に供給する加振信号は、独立なランダム波（各周波数の振幅及び位相が異なる波）として、この加振信号で前記軸受３を加振する。すなわち、加振信号は、所定領域（例えば１０Ｈｚ乃至１６００Ｈｚ）の多数の周波数成分を有する。また、このときの加振は、軸受３が、これが支承する回転軸６に対して円運動を行うような振れ回り加振力として付与する。
【００２４】
この結果、前記ロードセル４、５の出力信号として図２（ａ）に示すような加振力信号を得るとともに、前記変位計７、８の出力信号として図２（ｂ）に示すような変位量信号を得る。かかる加振力信号及び変位量信号は、いずれも加振機１、２の加振信号と同様の領域の周波数成分を有する。したがって、軸受３の加振機１、２による加振を、加振条件を変えて複数回（少なくとも２回）行うことにより得る複数組の加振力信号及び変位量信号に基づく連立方程式を解くことにより任意の各周波数毎のバネ係数及び減衰係数を求めることができる。具体的には次の通りである。
【００２５】
バネ係数をＫｉｊ、減衰係数をＣｉｊとすると、当該振動系の運動方程式は次式（２）で表される。同式中の軸受特性の添字は変位方向（ｊ方向）と力の働く方向（ｉ方向）とを示す。
【００２６】
【数１】
2004117088.tif 000003
ここで、ｆｉ　、ｘｉ　はｉ方向の加振力及び変位量である。
【００２７】
上式（２）をフーリェ変換して周波数領域で記述すると次式（３）の通りとなる。
【数２】
2004117088.tif 000004
ここで、次式（４）の通りに置く（Ｈは周波数応答関数である。）
【数３】
2004117088.tif 000005
【００２８】
独立なランダム波である加振信号で２回の加振を行って２つの連立方程式を連立させると次式（５）の通りとなる。
【数４】
2004117088.tif 000006
ここで、右上側の添字はｉ回目の加振であることを表す。
【００２９】
計測から得られた加振力及び変位量を上式（５）に代入すると周波数応答関数Ｈが求まる。また、式（４）より次式（６）、（７）となる。
【数５】
2004117088.tif 000007
【００３０】
上式（６）の周波数応答関数Ｈの実部から、図３に示すように、各周波数のバネ係数ｋが求まる。また、上式（７）の周波数応答関数Ｈの虚部から、図４（ａ）に示す周波数特性が求まり、これを２πｆで除すことにより減衰係数ｃが求まる。すなわち、軸受３の動特性を周波数の関数として得る。
【００３１】
上述の如き手法により各周波数毎に求めた軸受３の離散的なバネ係数ｋ及び減衰係数ｃを補間してバネ係数ｋの連続的な周波数特性曲線（図３参照。）及び減衰係数ｃの連続的な周波数特性曲線（図４（ｂ）参照。）を求める。ここで、補間法としては、スプライン関数補間及び気体膜理論に基づく非線形関数補間を好適に利用し得る。
【００３２】
上述の手法により求めた周波数依存性をも考慮することにより、当該軸受３の動特性を高精度に測定することができ、特に高速回転体の軸受３として汎用されている圧縮性流体軸受の設計を適正に行うことができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、〔請求項１〕に記載する発明は、軸受を加振機で加振してこのときの加振力と前記軸受の変位とを計測するとともに、かかる計測を振幅等の加振条件を変えて複数回実施し、それぞれの場合の加振力及び変位量に基づき前記軸受のばね係数及び減衰係数を求める軸受特性の計測方法において、軸受は、気体軸受等の圧縮性流体軸受を対象とし、加振機に供給する加振信号は、所定領域の多数の周波数成分を有するものとして、この加振信号で前記軸受を加振するとともに、この軸受に作用する加振力を表す加振力信号及び軸受の変位量を表す変位量信号を得る一方、かかる計測を加振条件を変えて複数回行い、それぞれの場合の加振力信号及び変位量信号に基づき前記加振力信号に含まれる各周波数毎の前記軸受のバネ係数及び減衰係数を求めるので、
圧縮性流体軸受の動特性を決定するバネ係数及び減衰係数の周波数特性を精確に検出することができる。
この結果、バネ係数及び減衰係数の周波数依存性を加味した適切な軸受の設計が可能になる。
【００３４】
〔請求項２〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する軸受特性の計測方法において、各周波数毎に求めた軸受の離散的なバネ係数及び減衰係数を補間してバネ係数及び減衰係数の連続的な周波数特性曲線を求めるので、
〔請求項１〕に記載する発明におけるバネ係数及び減衰係数の連続的な周波数依存性を検出することができる。
【００３５】
〔請求項３〕に記載する発明は、〔請求項２〕に記載する軸受特性の計測方法において、離散的なバネ係数及び減衰係数の補間は、スプライン関数補間により行うので、
〔請求項２〕に記載する発明を具体的に実現できる。
【００３６】
〔請求項４〕に記載する発明は、〔請求項２〕に記載する軸受特性の計測方法において、離散的なバネ係数及び減衰係数の補間は、気体膜理論に基づく非線形関数補間により行うので、
〔請求項２〕に記載する発明を具体的に実現できる。
【００３７】
〔請求項５〕に記載する発明は、〔請求項１〕乃至〔請求項４〕に記載する何れか一つの軸受特性の計測方法において、加振信号は、１０Ｈｚ乃至１６００Ｈｚの周波数成分を含むので、
回転体の回転時に作用する具体的な周波数の加振力に対する特性を精確に検出し得る。
【００３８】
〔請求項６〕に記載する発明は、〔請求項１〕乃至〔請求項５〕に記載する何れか一つの軸受特性の計測方法において、軸受の加振は、相互の加振方向が直交するような加振力を前記軸受に付与するように配設した２台の加振機を用いて行うとともに、前記軸受が、これが支承する回転軸に対して円運動を行うような振れ回り加振力を付与するようにしたので、
被検体である軸受に円運動を行わせることにより、実機に搭載した場合に作用する加振力に対する動特性をその周波数依存性とともに精確に検出することができる。
【００３９】
〔請求項７〕に記載する発明は、〔請求項１〕乃至〔請求項６〕の何れか一つに記載する軸受特性の計測方法により求めたバネ係数及び減衰係数を加味して支承する回転体が励振源とならないように形成したので、
支承する回転体が励振源となることがないよう、加振力に対する周波数依存性をも加味したバネ係数及び減衰係数に基づき最適に設計された軸受を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る軸受特性の計測原理を概念的に示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る測定結果を表す信号の波形図で、（ａ）はロードセルで検出した加振力信号、（ｂ）は変位計で検出した変位信号をそれぞれ示す。
【図３】本発明の実施の形態に係る軸受特性の計測方法により得るバネ係数の周波数特性を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態により得る測定結果を示す図で、（ａ）は減衰係数を含む虚数部分の周波数特性を示す特性図、（ｂ）は（ａ）に示す特性を２πｆで除して求める減衰係数の周波数特性を示す特性図である。
【図５】軸受特性の計測を行うための加振機を示す説明図である。
【符号の説明】
１、２　　　　加振機
１ａ、２ａ　　　　加振ロッド
３　　　　軸受
４、５　　　　ロードセル
６　　　　回転軸
７、８　　　　変位計
【図１】
2004117088.tif 000008
【図２】
2004117088.tif 000009
【図３】
2004117088.tif 000010
【図４】
2004117088.tif 000011
【図５】
2004117088.tif 000012