JP2007170842A - フロート式流量計及び潤滑装置 - Google Patents

Abstract

【課題】いかなる設置状況においても正常に動作することができるフロート式流量計及び潤滑装置を提供する。
【解決手段】 フロート式流量計１２は、強磁性体或いは永久磁石からなり、動きが外部から目視可能なフロート１１と、フロート１１を磁力により初期位置に復帰させる磁石部１３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、フロート式流量計及び潤滑装置に関し、特に、工作機械等の各種高速回転機械の主軸に用いられる軸受に潤滑油を供給する潤滑装置の潤滑異常を監視するフロート式流量計に関する。

マシニングセンタ等に用いられる工作機械の主軸をハウジングに回転自在に支承する転がり軸受は、高効率加工を達成するための高速加工の要望から高速化が進み、ｄｍｎ値（ｄｍ：転動体のピッチ円直径（ｍｍ），ｎ：軸受の回転速度（ｍｉｎ^-1））が３００万を超えるような高速回転も実現されている。

このような回転速度域で用いる転がり軸受の潤滑としては、微量の潤滑油を外部から強制的に給油するオイルエアやオイルミストのような一般的な方式や、これらの方式よりもさらに微量な潤滑油を供給する微量潤滑方式が知られている（例えば、特許文献１参照。）。これらの潤滑方式を用いた場合、給油が停止するなどの原因で潤滑不良になると、転がり軸受の温度が急激に上昇し、焼付きが発生する。

このため、従来においては、特許文献１に記載の微量潤滑方式において、フロートの変位量によって、潤滑状態の正常、ノズル詰まり、漏れ発生を判定するフロート式流量計を備えた主軸装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００１−３１５０４１号公報 特開２００２−２５７２９４号公報

ところで、マシニングセンタ等の工作機械では、効率化、高精度化のため、多軸制御により、ワンチャックでワークに対してより複雑な形状を加工できるようになっている。４軸以上の自由度を有するマシニングセンタでは、ｘ，ｙ，ｚの並進軸に加えて傾斜軸が設けられ、ワークもしくはツールの少なくとも一方が傾斜する。

一方、特許文献１に記載のような微量潤滑方式では、潤滑油供給配管の長さにより潤滑油の吐出量と速度とが変化するため、主軸付近に潤滑装置を設置する必要がある。この場合、主軸本体近傍に直接潤滑装置が取り付けられることもあり、主軸が傾斜すると、潤滑装置も一緒に傾斜するような状態も想定される。

従って、潤滑状態の監視に特許文献２に記載のフロート式流量計を用いた場合、該フロート式流量計を潤滑装置とノズルとの間に設置することから、潤滑装置と共にフロート式流量計も傾斜することになる。しかしながら、特許文献２に記載のフロート式流量計は、フロートを重力によって初期位置に復帰させるため、フロート式流量計が傾斜するとフロートが元の位置に戻らなくなり、正常に動作しなくなる可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、いかなる設置状況においても正常に動作することができるフロート式流量計及び潤滑装置を提供することにある。

本発明の目的は、下記の構成によって達成される。
（１） 超微量で吐出される潤滑油の流量を測定するため、潤滑油が流れる潤滑油供給路の途中に配置可能なフロート式流量計であって、
強磁性体或いは永久磁石からなり、動きが外部から目視可能なフロートと、フロートを磁力により初期位置に復帰させる磁石部と、を備えることを特徴とするフロート式流量計。
（２） 磁石部は、同一極同士がフロートを挟み込んだ状態で対向するように配置されることを特徴とする（１）に記載のフロート式流量計。
（３） １ショット当たり０．０００５〜０．０１ｍｌの超微量の吐出量で潤滑油を間欠的に吐出する潤滑油ポンプと、吐出速度が１０〜１００ｍ／秒の範囲で潤滑油を噴射するノズルと、潤滑油ポンプの送出する潤滑油をノズルに導く潤滑油供給路と、（１）または（２）に記載のフロート式流量計と、を備えることを特徴とする潤滑装置。

本発明によれば、フロート式流量計は、強磁性体或いは永久磁石からなり、動きが外部から目視可能なフロートと、フロートを磁力により初期位置に復帰させる磁石部と、を備えるので、フロートと磁石部との間に働く力が、潤滑油の流れにより移動したフロートを初期位置に戻す回復力として作用するため、いかなる設置状況においても正常に動作することができる。また、本発明によれば、潤滑装置は、上記のフロート式流量計を備えることで、いかなる設置状況においても信頼性の高い構成となる。

以下、本発明に係るフロート式流量計が適用される主軸装置の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は主軸装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図、図２は図１に示した主軸装置の拡大図、図３は図２のＡ部の拡大図、図４は図２に示したフロート式流量計のフロートの変位挙動を自動検出するセンサの説明図、図５は図１に示した流量計において、潤滑油供給状態の変化に対応したフロートの変位挙動を示すグラフであり、図６は、磁石間の磁力線のイメージを示す図である。

本実施形態の主軸装置１は、図１に示すように、主軸２と、主軸２が挿通するハウジング３と、主軸２をその軸線方向に離間した複数箇所で回転自在にハウジング３に支承する転がり軸受８と、主軸２を高速で回転駆動する不図示の軸駆動部と、転がり軸受８に潤滑油を供給する潤滑装置１１０とを備えている。

そして、潤滑装置１１０は、潤滑油を転がり軸受８の所定の部位に向けて噴射するためのノズル１１１と、超微量の吐出量で潤滑油を間欠的に吐出する潤滑油ポンプを内蔵した潤滑装置本体１１２と、潤滑装置本体１１２内の潤滑油ポンプの送出する潤滑油をノズル１１１に導く潤滑油供給路１１４とを備えて、ノズル１１１からの潤滑油の吐出速度が１０〜１００ｍ／秒の範囲で、且つ、吐出油量が１ショット当たり０．０００５〜０．０１ｍｌとなる潤滑油供給を間欠的に行う。

主軸２を支承する複数個の転がり軸受８には、図２に示すように、それぞれ個別にノズル１１１が装備されている。また、それぞれのノズル１１１には、潤滑装置本体１１２内の潤滑油ポンプの吐出する潤滑油が個別の潤滑油供給路１１４によって送給される。

潤滑装置１１０は、本出願人が先に出願した特願２０００−３２４２０２号により提案した技術を適用したもので、一定圧力に加圧された潤滑油を切替弁の開閉制御によって、一定時間吐出する所謂定圧型潤滑装置である。この定圧型潤滑装置は、ピストンの作動によって定容量の潤滑油を吐出する定容量型潤滑装置と較べて、目詰まりや漏れ等の異常が発生した時に吐出量が変化し易いため、本発明のフロート式流量計１２によって潤滑油の供給量の異常を検知するのに適している。

そして、本実施形態の潤滑装置１１０は、図３及び図４に示すように、各潤滑油供給路１１４の途中に、潤滑油供給路１１４に接続する流路１６が配置され、且つ、流路内径より僅かに小さいフロート（比重が潤滑油より大きい鉄等の強磁性体又は永久磁石からなる球体）１１を流路内に挿入し、さらに、このフロート１１を磁力により初期位置に復帰させる磁石部１３を備えた構造のフロート式流量計１２を設けている。このフロート式流量計１２は、流路１６を透明なアクリル板によって形成して、流路１６内のフロート１１を外部から目視可能としている。

流量計１２の流路１６は、フィッティング等の管継手１７を介して、潤滑油供給路１１４の途中に直列接続され、また、ノズル１１１も管継手１８を介して、潤滑油供給路１１４の先端に接続されている。

流量計１２の流路１６は、図３に示すように、直管状に形成され、下部にフロート１１を初期位置に規制するための小径部１６ａが装備されると共に、上部にはフロート１１の抜けを防止するストッパ１６ｂが装備された構成である。つまり、小径部１６ａとストッパ１６ｂとの間の流路１６が、フロート１１の変位可能範囲である。なお、流量計１２の流路１６は、潤滑装置１１０の設置状況に応じて、重力が作用する垂直に或いは傾斜して配置される場合や、水平に配置される場合がある。

一般に、フロート式流量計では、流路にテーパ管を使用して、定常的な潤滑油の流れに対して、単位時間当たりの流量（瞬間流量）をフロート位置の変位によって測定するものが多い。しかし、本発明で使用する直憤式の潤滑装置のように、間欠的に数マイクロリットルの超微量な潤滑油が極短時間の間だけ流される潤滑装置では、定常的な潤滑油の流れができないため、上記した流路にテーパ管を利用した流量計では、潤滑油ポンプの潤滑油の１ショット毎に瞬間流量を求めることは非常に困難である。そこで、本実施形態のフロート式流量計１２では、１ショット当たりの積算流量に従ってフロートが上昇するように、流路１６を直管状にしている。

潤滑装置本体１１２からの潤滑油のショット前は、フロート１１は流路１６の小径部１６ａに着座した初期位置にあり、潤滑油のショットによって流路１６内を潤滑油が流れると、その潤滑油に押し上げられてフロート１１が流路１６内を上昇し、ショットが終了すると、フロート１１は重力及び磁石部１３の磁力と潤滑油の粘性抵抗に従って徐々に初期位置まで復帰するように、フロート１１の外径は流路１６内径よりも適度に小さく設定されている。

また、磁石部１３は、図４に示すように、フロート１１の初期位置の下方、具体的には、小径部１６ａの上端より所定の距離ａだけ下方に配置されている。磁石部１３は、２つの磁石１３ａ，１３ｂがフロート１１の初期位置の下方で流路１６を間に挟むようにし、磁石１３ａ，１３ｂの同一極同士（例えば、Ｎ極：図４参照。）が対向するように配置して構成されている。

このように、２つの磁石１３ａ，１３ｂの同一極同士を対向配置することにより（図６（ａ）参照。）、Ｓ極とＮ極とを対向配置する場合（図６（ｂ）参照。）と比較して、磁力線が２つの磁石１３ａ，１３ｂの中立面の方向に広がり、さらに中立面付近の磁束密度が高くなる。これにより、フロート１１を初期位置に引き寄せる力（復帰力）が働く範囲が広くなり、磁力の弱い磁石でも効率よくフロート１１を初期位置に復帰させることができる。

更に、流量計１２には、フロート１１の挙動を自動検出するためのセンサ１４が装備されている。このセンサ１４は、図４（ａ）に示すように、フロート１１の初期位置に向けて出射した光線１４ａの反射光によって、フロート１１の存在を検出するフォトセンサで、図４（ｂ）に示すように、潤滑油の流量に応じてフロート１１が上昇して初期位置から外れると作動して、出力信号を発する。なお、本実施の形態の場合、流路１６が透明であるため、センサ１４は外乱光の影響を受け易いので、外乱光に強い変調光タイプのフォトセンサを使用することが望ましい。

センサ１４の出力信号は、不図示のタイマ回路を内蔵した判定回路に送られる。タイマ回路は、センサ１４の出力信号に応動し、潤滑油の供給開始に伴い初期位置から上昇したフロート１１が、潤滑油の供給終了によって再び初期位置まで戻るまでの時間を計時し、判定回路はその時の所要時間から、潤滑油の供給量が正常か異常かを判定し、潤滑異常の場合には、不図示の警告手段によりその旨を通報すると共に、必要に応じて、主軸装置１の作動を停止する。

図５（ａ）は、潤滑油供給が正常な場合に、１ショット毎のフロート１１が上昇を開始して初期位置に復帰する迄の所要時間ｔ１と、その際のフロート１１の変位を示したものである。ノズル１１１の目詰まりや潤滑油供給路１１４内の詰まり等で、１ショット当たりの潤滑油供給量が低減した場合は、流量計１２を通過する潤滑油量が少なくなるため、図５（ｂ）に示すように、フロート１１の上昇量が減少すると共に、フロート１１が初期位置に復帰するまでの所要時間ｔ２も短縮される。逆に、潤滑油供給路１１４や供給路の継ぎ目等で漏れが発生した場合、定圧型潤滑装置を構成する潤滑装置本体１１２からの１ショット当たりの潤滑油供給量が増大し、流量計１２を通過する潤滑油量も多くなるため、図５（ｃ）に示すように、フロート１１の上昇量が増大し、それに伴い、フロート１１が初期位置へ復帰するまでの所要時間ｔ３も増大する。

従って、本実施形態のフロート式流量計１２は、強磁性体或いは永久磁石からなり、動きが外部から目視可能なフロート１１と、フロート１１を磁力により初期位置に復帰させる磁石部１３と、を備えるので、フロート１１と磁石部１３との間に働く磁力が、潤滑油の流れにより潤滑装置１１０側からノズル１１１側へ移動したフロート１１を初期位置に戻す回復力として作用するため、ショット終了後にフロート１１を確実に初期位置まで沈下させることができる。このため、復元力として重力のみでは十分でないフロート式流量計１１が傾斜した場合や、復元力として重力が作用しない水平に配置された場合等、いかなる設置状況においても正常な動作を確保することができる。

また、主軸２の設置状況に応じて、傾斜或いは水平に配置される潤滑装置１１０も、上記のフロート式流量計１２を備えることで、いかなる設置状況においても信頼性の高い構成となる。

しかも、フロート式流量計１２は、単純に潤滑油供給路１１４の途中に繋げるだけでよく、潤滑油供給量の不足を検出するため改造が必要となる既存部品が、例えば、超微量潤滑油ポンプ自体に潤滑異常検出手段を組み込む場合と比較すると、少なくて済み、改良コストを安価にすることができる。

さらに、このように構成された主軸装置１では、潤滑装置１１０を構成しているポンプの故障又はノズル１１１の目詰まり等の何らかの理由で潤滑油供給量の低減が発生すれば、結局は、潤滑油ポンプとノズル１１１との間の潤滑油供給路１１４内における潤滑油の流れが悪化し、フロート式流量計１２におけるフロート１１の変位挙動が通常と異なった状態となるフロート１１の挙動異常現象として具現する。即ち、フロート式流量計１２が潤滑油の供給量の異常を検出するセンサ１４として機能し、流量計１２のフロート１１の動きをチェックすることで、何れの理由により潤滑油供給量が低減しても、速やか、且つ、確実にこれを検出することができる。従って、潤滑油の供給不足という異常の見落としに起因する軸受の焼き付き等の事故を確実に防止することができる。

更に、上記のフロート式流量計１２に、フロート１１の挙動を検出するセンサ１４とこのセンサ１４の出力を監視・解析する判定回路とを組み合わせたことで、潤滑油の供給異常の検知が自動化されていて、潤滑油の供給不足に起因する焼き付き等の事故を未然に防ぐことができる。但し、上記のフロート式流量計１２は、フロート１１の挙動を目視可能な構成のため、潤滑油の供給量の変動に応じて電気的な出力信号を変化させるセンサを使用する場合と比較すると、高価なセンサや判定回路を省いても、フロート１１を目視することで、潤滑油供給量の異常を検知することができ、高価なセンサや判定回路の省略よって、更に、改良コストや製造コストの低減を図ることも可能である。

また、本実施形態のように、フロート１１の挙動を検出するセンサ１４やこのセンサ１４の出力信号を監視・解析する判定回路を装備した構成にした場合、これらのセンサ１４や判定回路が故障した際は、フロート１１を目視して潤滑油供給量の異常を検知することができ、フロート１１によって潤滑油供給量が正常であると確認できれば、主軸装置１の運転は止めずに、故障したセンサ１４等の修復作業を行うことができ、主軸装置１の稼働率の向上を図ることができる。

なお、本発明のフロート式流量計を含む主軸装置の各構成部品は、本実施形態のものに限定されるものでなく、適宜な変形、改良等が可能である。

また、フロート１１の初期位置の下方に配置する磁石部１３は、上記実施形態のように一対の永久磁石１３ａ，１３ｂを用いる代わりに、図７に示すように、円筒状の１つの永久磁石１３ｃを用いて、フロート１１を磁力により初期位置に復帰させることも可能であり、更に、磁石には、永久磁石の他に電磁石を用いてもよい。

流量計のフロートの動きを検出するセンサは、上記の実施形態に記載した構成に限らない。例えば、図８及び図９に示した構造のセンサを利用することも可能である。ここに示したセンサ２１は、レーザ光２２を出射する投光器２３と、投光器２３の出射したレーザ光２２を受光する受光器２４とを、流路１６を挟んで対向配置して、受光器２４の受光面２４ａにおける総受光量に従って検出信号を出力するレーザセンサで、フロート１１の位置を直接検知するものである。

即ち、図９に示すように、受光器２４の受光面２４ａは、本来矩形状であるが、フロート１１の位置を特定するために、マスキング２６によって実質的な受光面である有効受光面２４ｂを、上方に向かって徐々に幅が狭まる三角形状に形成してある。従って、フロート１１の位置によって、フロート１１により遮断される面積が異なることから、フロート１１の位置を算出可能にしたものである。

フロート式流量計１２を垂直方向に配置したときと水平方向に配置したときの動作を確認した結果を表１に示す。

使用したフロート式流量計１２は、流路径１ｍｍでフロート１１にφ０．８ｍｍの強磁性体からなる鋼球を採用した。フロート１１の最大変位量は１０ｍｍとし、フロート１１の初期位置の下方に配置する磁石部１３には、φ１０×１０ｍｍのフェライト磁石を用いた。図４（ａ）を参照して、フロート１１の初期位置と磁石部１３の中心位置との距離ａを６．５ｍｍ，８ｍｍ，８．５ｍｍと変化させて、流量計１２の動作を水平方向と垂直方向の２条件で確認した。

表１から明らかなように、正常動作時は、距離ａが６．５ｍｍ，８ｍｍ，８．５ｍｍの全ての条件で、水平方向及び垂直方向共に、フロート１１は初期位置から約５ｍｍ変位して、初期位置に戻った。

漏れ発生時には、距離ａが６．５ｍｍ，８ｍｍ，８．５ｍｍの全ての条件で、水平方向及び垂直方向共に、フロート１１は初期位置から１０ｍｍ変位した。このうち、流量計１２を垂直方向にした場合、或いは、流量計１２を水平方向にして、距離ａ＝６．５ｍｍとした場合には５秒以内にフロート１１が初期位置へ戻った。一方、流量計を水平方向にして、距離ａ＝８ｍｍの場合には、フロート１１の動作が不安定で、フロート１１が初期位置へ戻るときと戻らないときがあり、距離ａ＝８．５ｍｍの場合では、フロート１１は５秒以内に初期位置へ戻らなかった。

従って、流量計１２は、フロート１１と磁石部１３との間に働く磁力の大きさに応じて、フロートの初期位置から所定の距離内に配置することで、設置状態に依存せずに正常な動作が可能であることがわかる。

本発明のフロート式流量計が適用される主軸装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。 図１に示した主軸装置の拡大図である。 図２のＡ部の拡大図である。 図２に示したフロート式流量計のフロートの変位挙動を自動検出するセンサの説明図である。 図１に示した流量計において、潤滑油供給状態の変化に対応したフロートの変位挙動を示すグラフ図であり、（ａ）は正常吐出時、（ｂ）はノズル詰まり時、（ｃ）は漏れ発生時である。 磁石間の磁束線のイメージを示す図であり、（ａ）は同一極を対向配置した図、（ｂ）はＳ極とＮ極とを対向配置下図である。 本発明で使用するフロート式流量計に配置する磁石部の変形例を示す図である。 本発明で使用するフロート式流量計のフロートの変位挙動を自動検出するセンサの変形例を示す拡大断面図である。 図８の要部拡大図である。

符号の説明

１ 主軸装置
２ 主軸
３ ハウジング
８ 転がり軸受
１１ フロート
１２ 流量計
１３ 磁石部
１４ センサ
１６ 流路
１７，１８ 管継手
２１ センサ
１１０ 潤滑装置
１１１ ノズル
１１２ 潤滑装置本体
１１４ 潤滑油供給路

Claims (3)

1. 超微量で吐出される潤滑油の流量を測定するため、前記潤滑油が流れる潤滑油供給路の途中に配置可能なフロート式流量計であって、
   強磁性体或いは永久磁石からなり、動きが外部から目視可能なフロートと、該フロートを磁力により初期位置に復帰させる磁石部と、を備えることを特徴とするフロート式流量計。
2. 前記磁石部は、同一極同士が前記フロートを挟み込んだ状態で対向するように配置されることを特徴とする請求項１に記載のフロート式流量計。
3. １ショット当たり０．０００５〜０．０１ｍｌの超微量の吐出量で潤滑油を間欠的に吐出する潤滑油ポンプと、吐出速度が１０〜１００ｍ／秒の範囲で潤滑油を噴射するノズルと、前記潤滑油ポンプの送出する潤滑油を前記ノズルに導く潤滑油供給路と、請求項１または２に記載のフロート式流量計と、を備えることを特徴とする潤滑装置。

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