JP7057868B1 - 油膜の状態検出方法、状態検出装置、およびプログラム - Google Patents

Abstract

複数の部位を潤滑剤にて潤滑させる構成の装置内における前記潤滑剤による油膜の状態を検出する状態検出方法であって、前記複数の部位から構成される電気回路に周波数を変化させながら交流電圧を印加することで前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定する測定工程と、前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率、および、前記測定された前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記潤滑剤による油膜厚さおよび当該油膜厚さにおける電気特性を示すパラメータを導出する導出工程とを有する。

Description

本願発明は、油膜の状態検出方法、状態検出装置、およびプログラムに関する。

従来、軸受装置では、潤滑剤（例えば、潤滑油やグリース）を用いて、その回転を潤滑する構成が広く普及している。一方、軸受装置などの回転部品に対しては、定期的に状態診断を行うことで、損傷や摩耗を早期に検知して回転部品の故障などの発生を抑制することが行われている。

潤滑剤を用いた軸受装置では、その動作状態を診断するために、内部の状態を適切に検知することが求められる。例えば、特許文献１では、転動装置において、潤滑油の膜の厚さ及び金属の接触割合を検出する方法が開示されている。

日本国特開２０１９－２１１３１７号公報

軸受装置などの装置において潤滑剤周りの状態を把握することは、その装置の損傷などを防止する上でも非常に有用である。特許文献１の方法では、潤滑剤の膜の厚さや金属の接触割合を導出することは可能であるが、転がり軸受の電気特性に関するパラメータを導出することは行っていなかった。そもそも、回転時における転がり軸受内の潤滑剤の油膜厚さは実測することが困難であるため、その油膜厚さにおける電気特性を導出することも困難となる。

上記課題を鑑み、本願発明は、転がり軸受などの装置における潤滑剤の膜の厚さと、膜の厚さによる電気特性に関するパラメータを導出する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本願発明は以下の構成を有する。すなわち、複数の部位を潤滑剤にて潤滑させる構成の装置内における前記潤滑剤による油膜の状態を検出する状態検出方法であって、
前記複数の部位から構成される電気回路に周波数を変化させながら交流電圧を印加することで前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定する測定工程と、
前記潤滑剤の組成に基づいて規定される前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率、および、前記測定工程にて測定された前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記潤滑剤による油膜厚さおよび当該油膜厚さにおける電気特性を示すパラメータを導出する導出工程とを有する。

また、本願発明の別の形態は以下の構成を有する。すなわち、複数の部位を潤滑剤にて潤滑させる構成の装置内における前記潤滑剤による油膜の状態を検出する状態検出装置であって、
前記複数の部位から構成される電気回路に周波数を変化させながら交流電圧を印加することで前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定する測定手段と、
前記潤滑剤の組成に基づいて規定される前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率、および、前記測定手段にて測定された前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記潤滑剤による油膜厚さおよび当該油膜厚さにおける電気特性を示すパラメータを導出する導出手段とを有する。

また、本願発明の別の形態は以下の構成を有する。すなわち、プログラムであって、
コンピュータに、
複数の部位を潤滑剤にて潤滑させる構成の装置に対し、前記複数の部位から構成される電気回路に周波数を変化させながら交流電圧を印加することで前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定する測定工程と、
前記潤滑剤の組成に基づいて規定される前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率、および、前記測定工程にて測定された前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記潤滑剤による油膜厚さおよび当該油膜厚さにおける電気特性を示すパラメータを導出する導出工程とを実行させる。

本願発明により、装置内の潤滑剤の膜の厚さと、膜の厚さによる電気特性に関するパラメータを導出する方法を提供することが可能となる。

本願発明に係る診断時の装置構成の例を示す概略図。 本願発明に係る軸受装置の物理モデルを示すグラフ図。 本願発明に係る幾何学モデルを示すグラフ図。 本願発明に係る軸受装置の等価回路を説明するための回路図。 本願発明に係る軸受装置の等価回路を説明するための回路図。 周波数と比誘電率および比誘電損率との関係を説明するための図。 理論式への当てはめによるパラメータの導出を説明するための図。 理論式への当てはめによるパラメータの導出の例を説明するための図。 理論式への当てはめによるパラメータの導出の例を説明するための図。 油膜厚さごとの比誘電率および比誘電損率を説明するための図。 油膜厚さとパラメータの導出の例を説明するための図。 油膜厚さとパラメータの導出の例を説明するための図。 本願発明に係る測定時の処理のフローチャート。

以下、本願発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本願発明を説明するための一実施形態であり、本願発明を限定して解釈されることを意図するものではなく、また、各実施形態で説明されている全ての構成が本願発明の課題を解決するために必須の構成であるとは限らない。また、各図面において、同じ構成要素については、同じ参照番号を付すことにより対応関係を示す。

＜第１の実施形態＞
以下、本願発明の第１の実施形態について説明を行う。なお、以下の説明においては、転がり軸受として玉軸受を例に挙げて説明するが、これに限定するものではなく、本願発明は他の構成の転がり軸受にも適用可能である。例えば、本願発明が適用可能な転がり軸受の種類としては、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受、自動調心ころ軸受などが挙げられる。

［装置構成］
図１は、本実施形態に係る診断装置１にて診断を行う際の全体構成の一例を示す概略構成図である。図１には、本実施形態に係る状態検出方法が適用される軸受装置２と、状態検出および診断を行う診断装置１が設けられる。なお、図１に示す構成は一例であり、軸受装置２の構成などに応じて、異なる構成が用いられてよい。また、図１においては、軸受装置２は、１の転がり軸受を備える構成を示したが、これに限定するものではなく、１の軸受装置２に複数の転がり軸受が備えられてもよい。

軸受装置２において、転がり軸受は、回転軸７を回転自在に支持する。回転軸７は、回転部品である転がり軸受を介して、回転軸７の外側を覆うハウジング（不図示）に支持される。転がり軸受は、ハウジングに内嵌される固定輪である外輪（外方部材）３、回転軸７に外嵌される回転輪である内輪（内方部材）４、内輪４及び外輪３との間に配置された複数の転動体５である複数の玉（ころ）、および転動体５を転動自在に保持する保持器（不図示）を備える。ここでは、外輪３を固定する構成としたが、内輪４が固定され、外輪３が回転するような構成であってもよい。また、転動体５周辺へのごみの侵入や潤滑油の漏れを防止するための周辺部材であるシール６が設けられる。転がり軸受内部において、所定の潤滑方式により、内輪４と転動体５の間、および、外輪３と転動体５の間の摩擦が軽減される。潤滑方式は特に限定するものではないが、例えば、グリース潤滑や油潤滑などが用いられ、転がり軸受内部に供給されている。潤滑剤の種類についても特に限定するものではない。

モータ１０は、駆動用のモータであり、回転軸７に対して回転による動力を供給する。回転軸７は、回転コネクタ９を介してＬＣＲメータ８に接続される。回転コネクタ９は、例えば、カーボンブラシを用いて構成されてよく、これに限定するものではない。また、軸受装置２もＬＣＲメータ８に電気的に接続され、このとき、ＬＣＲメータ８は、軸受装置２に対する交流電源としても機能する。

診断装置１は、本実施形態に係る検出方法を実行可能な検出装置として動作する。診断装置１は、診断の際に、ＬＣＲメータ８に対して交流電源の角周波数ω、および交流電圧Ｖを入力として指示し、それに対する出力としてＬＣＲメータ８から軸受装置２のインピーダンス｜Ｚ｜（｜Ｚ｜は、Ｚの絶対値を示す）、および位相角θを取得する。そして、診断装置１はこれらの値を用いて軸受装置２における潤滑剤の状態に関する情報の検出を行う。検出方法の詳細については、後述する。

診断装置１は、例えば、不図示の制御装置、記憶装置、および出力装置を含んで構成される情報処理装置にて実現されてよい。制御装置は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、または専用回路などから構成されてよい。記憶装置は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の揮発性および不揮発性の記憶媒体により構成され、制御装置からの指示により各種情報の入出力が可能である。出力装置は、スピーカやライト、或いは液晶ディスプレイ等の表示デバイス等から構成され、制御装置からの指示により、作業者への報知を行う。出力装置による報知方法は特に限定するものではないが、例えば、音声による聴覚的な報知であってもよいし、画面出力による視覚的な報知であってもよい。また、出力装置は、通信機能を備えたネットワークインターフェースであってもよく、ネットワーク（不図示）を介した外部装置（不図示）へのデータ送信により報知動作を行ってもよい。ここでの報知内容は、例えば、検出結果に基づいて、異常診断を行った場合、異常が検出された際の報知に限定するものではなく、軸受装置２が正常である旨の報知を含んでもよい。

［物理モデル］
図２を用いて軸受装置２における転動体５と外輪３（または、内輪４）の接触状態について説明する。図２は、ボール片とディスク片とが接触した際の物理モデルを示すグラフである。ボール片が転動体に対応し、ディスク片が外輪３（または、内輪４）に対応する。ｈ軸は、油膜厚さ方向を示し、ｙ軸は油膜厚さ方向と直交する方向を示す。また、図２に示す各変数はそれぞれ以下の通りである。
Ｓ_１：Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触面積（Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域）
ｃ：Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触円半径（＝√（Ｓ_１／π））
α：油膜の破断率（金属接触割合）（０≦α＜１）
ｒ_ｂ：ボール片の半径
αＳ_１：実接触領域（油膜の破断領域）
ｈ：油膜厚さ
ｈ_１：Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域における油膜厚さ

Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域において、金属が接触している面積と接触していない面積の割合はα：（１－α）となる。また、ボール片とディスク片とが接触していない理想状態ではα＝０であり、ｙ＝０の場合にｈ＞０となる。

図２に示す油膜厚さｈは以下の式にて表される。
ｈ＝０ （－αＳ_１／２≦ｙ≦αＳ_１／２）
ｈ＝ｈ_１ （－ｃ≦ｙ＜－αＳ_１／２、または、αＳ_１／２＜ｙ≦ｃ）
ｈ＝ｈ_１＋√（ｒｂ^２－ｃ^２）－√（ｒｂ^２－ｙ^２） （－ｒ_ｂ≦ｙ＜－ｃ、または、ｃ＜ｙ≦ｒ_ｂ） …（１）

なお、実際の転がり軸受において転動体５は荷重を受ける際に弾性変形が生じるため、厳密には球体とはならないが、本実施形態では、球体であるものとして上記の式（１）を用いている。したがって、油膜厚さを求める際に用いられる式は式（１）に限定するものではなく、他の算出式を用いてもよい。

図３は、転がり軸受における幾何学モデルを示す図である。ｘ軸は、ｙ軸およびｈ軸それぞれに直交する軸方向を示す。図３に示す各変数はそれぞれ以下の通りである。また、図２と同じ記号は対応しているものとする。
Ｒ_ｘ：有効半径（ｘ軸）
Ｒ_ｙ：有効半径（ｙ軸）
ｈ_１：Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域における油膜厚さ
ｒ_ｂ：ボール片の半径

図３に示すように、ｙ軸周りに転動体５が回転するものとし、ｙ軸方向に荷重（アキシアル荷重）が加わるものとして説明する。

［等価電気回路］
図４は、図２に示した物理モデルを電気的に等価な電気回路（等価回路）にて示した図である。等価回路Ｅ１は、抵抗Ｒ_１、抵抗Ｒ_２、コンデンサＣ_１、およびコンデンサＣ_２から構成される。抵抗Ｒ_１は、破断領域（＝αＳ_１）における抵抗に相当する。抵抗Ｒ_２は、破断領域周辺における抵抗に相当する。コンデンサＣ_１は、Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域における油膜により形成されるコンデンサに相当し、静電容量Ｃ_１とする。コンデンサＣ_２は、Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域の周辺（図２の－ｒ_ｂ≦ｙ＜－ｃ、および、ｃ＜ｙ≦ｒ_ｂ）における油膜により形成されるコンデンサに相当し、静電容量Ｃ_２とする。Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域（＝Ｓ_１）が、図４の等価回路Ｅ１における抵抗Ｒ_１とコンデンサＣ_１の並列回路を形成する。また、Ｈｅｒｔｉｚａｉｎ接触域周辺が、図４の等価回路Ｅ１における抵抗Ｒ_２とコンデンサＣ_２の並列回路を形成する。更に、これらの並列回路が並列に接続されることで、等価回路Ｅ１が形成される。このとき、Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域の周辺（図２の－ｒ_ｂ≦ｙ＜－ｃ、および、ｃ＜ｙ≦ｒ_ｂ）では、潤滑剤が充填されているものとする。

等価回路Ｅ１のインピーダンスをＺにて示す。ここで、等価回路Ｅ１に印加される交流電圧Ｖ、等価回路Ｅ１を流れる電流Ｉ、および、等価回路Ｅ１全体の複素数インピーダンスＺは以下の式（２）～（４）にて示される。
Ｖ＝｜Ｖ｜ｅｘｐ（ｊωｔ） …（２）
Ｉ＝｜Ｉ｜ｅｘｐ（ｊωｔ－ｊθ） …（３）
Ｚ＝Ｖ／Ｉ＝｜Ｖ／Ｉ｜ｅｘｐ（ｊθ）＝｜Ｚ｜ｅｘｐ（ｊθ） …（４）
ｊ：虚数
ω：交流電圧の角周波数
ｔ：時間
θ：位相角（電圧と電流の位相のずれ）

図５は、図４にて示した等価回路Ｅ１に基づいて、１の転動体５周りにおける電気的に等価な電気回路を示した図である。１の転動体５に着目すると、外輪３と転動体５の間、および、内輪４と転動体５の間において等価回路Ｅ２が形成される。ここでは、上側を外輪３と転動体５にて形成される電気回路とし、下側を内輪４と転動体５にて形成される電気回路として説明するが、逆であってもよい。１の転動体５の周りにおいて、これらの電気回路が直列に接続されて等価回路Ｅ２が形成されることとなる。

［アキシアル荷重下における油膜誘電率］
本実施形態では、転がり軸受に対して、アキシアル荷重が回転軸７を介して加えられた状態における比誘電率および比誘電損率について説明する。図５にて示した等価回路Ｅ２によると、各抵抗およびコンデンサの値は以下の式にて定義される。

ε：油膜（潤滑剤）の誘電率
ε’：油膜の比誘電率
ε”：油膜の比誘電損率
Ｚ：回路全体のインピーダンス
Ｒ_１：Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域における抵抗
Ｒ_２：Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域周辺の抵抗
Ｃ_１：Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域における静電容量
Ｃ_２：Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触域周辺における静電容量
Ｓ：Ｈｅｒｔｚｉａｎ接触面積
ｋ：転がり軸受数
ｎ：全転動体数
ｌ：１の転動体当たりの接触領域の数
ω：交流電圧の角周波数
θ：位相角
ｈ：油膜厚さ
ｒ：転動体の有効半径
ｒ_ｘ：転動体の有効半径（ｘ軸）
ｒ_ｙ：転動体の有効半径（ｙ軸）
π：円周率
ｌｎ：対数関数

上記の式（５）～（１０）に基づいて、比誘電率ε’および比誘電損率ε”について整理すると以下の式が求められる。

本実施形態では、アキシアル荷重下における転がり軸受の比誘電率および比誘電損率の導出において、上記の式（１１）、式（１２）を用いる。

［比誘電率および比誘電損率］
図６は、周波数の変化に応じた比誘電率や比誘電損率の変化の傾向を説明するための図である。ここでは、図１に示す構成において、以下の条件により試験を行うことで転がり軸受内の潤滑剤の比誘電率ε_ｒ’および比誘電損率ε_ｒ”を測定し、転がり軸受内の潤滑剤による誘電緩和現象を確認している。このとき、上述した式（１１）、式（１２）を用いて比誘電率ε_ｒ’および比誘電損率ε_ｒ”の導出を行っている。ここでは一例として、式（７）、式（８）における油膜厚さｈを２５０ｎｍとして設定している。

（試験条件）
軸受：深溝玉軸受（銘番：６３０６）
回転速度：９９７［ｍｉｎ^－１］
アキシアル荷重：１０００［Ｎ］
ラジアル荷重：０［Ｎ］
温度：２３［℃］
潤滑剤：１２－ＯＨステアリン酸系グリース
潤滑剤の基油：エステル油
交流電圧：１．０［Ｖ］
交流電源の周波数：２０～１Ｍ［Ｈｚ］

図６（ａ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］の対数を示し、縦軸は比誘電率ε_ｒ’を示す。図６（ａ）は、上記の試験結果として得られた実験値を示す。図６（ａ）に示すように、周波数が増加することに伴って、比誘電率ε_ｒ’は低下（単調減少）する傾向を有する。

図６（ｂ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］の対数を示し、縦軸は比誘電損率ε_ｒ”を示す。図６（ｂ）は、上記の試験結果として得られた実験値を示す。図６（ｂ）に示すように、比誘電損率ε_ｒ”は、周波数が増加するに伴って一旦低下した後、上昇に転じ、その後、また減少する傾向を有する。

［理論式への当てはめ］
次に、転がり軸受内の潤滑剤による誘電緩和現象に関するパラメータの導出について説明する。転がり軸受内の潤滑剤の誘電緩和現象により、比誘電率や比誘電損率は、図６にて示したような変化傾向を有する。この変化傾向を特定するために理論式へ当てはめ（フィッティング）、各種パラメータを導出する。本実施形態では、低周波極限での比誘電率ε_ｒ０、高周波極限での比誘電率ε_ｒ∞、緩和強度（ε_ｒ０－ε_ｒ∞）、緩和時間τ、緩和時間の分布を示す定数β、および直流導電率σ_０を導出対象のパラメータとして説明する。本実施形態では、以下の理論式を用いる。

ε_ｒ０：低周波極限での比誘電率
ε_ｒ∞：高周波極限での比誘電率
τ：緩和時間［ｓ］
β：緩和時間の分布を表す定数
σ_０：直流導電率［Ｓ／ｍ］
ε_０：真空の誘電率
π：円周率
ｆ：周波数

図７は、上記の理論式への当てはめにより得られる曲線と、実験により得られる値とを比較したものである。図７（ａ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］を示し、縦軸は比誘電率ε_ｒ’を示す。図７（ｂ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］を示し、縦軸は比誘電損率ε_ｒ”を示す。図７（ａ）に示すように、比誘電率について、当てはめにより理論値は実験値の傾向を表現できている。また、図７（ｂ）に示すように、比誘電損率についても、当てはめにより理論値は実験値の傾向を表現できている。

上記の理論式への当てはめを行うことで、潤滑剤に関する電気特性のパラメータとして、低周波極限での比誘電率ε_ｒ０、高周波極限での比誘電率ε_ｒ∞、緩和強度（ε_ｒ０－ε_ｒ∞）、緩和時間τ、緩和時間の分布を示す定数β、および直流導電率σ_０を導出することが可能となる。なお、上記の理論式はＣｏｌｅ－Ｃｏｌｅ型の理論式をベースとしたものであり、一例に過ぎない。そのため、この理論式に限定するものでは無く、他の理論式を用いてもよい。

［パラメータの導出］
（電気特性に関するパラメータ）
上述した方法にて、電気特性に関するパラメータを導出する例について説明する。図８は、上記の試験条件下にて測定した実験結果と、それを理論式に当てはめすることにより得られた理論値の曲線を示す。ここでは、転がり軸受内の潤滑剤の油膜厚さｈを２５０ｎｍと仮定した例を示している。図７（ａ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］の対数を示し、縦軸は比誘電率ε_ｒ’を示す。図７（ｂ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］の対数を示し、縦軸は比誘電損率ε_ｒ”を示す。

図９は、図８にて示した当てはめした結果に基づいて導出された、比誘電率、緩和強度、緩和時間、緩和時間の分布、および直流導電率を示す。

（油膜厚さ）
図８、図９の例では、油膜厚さｈを２５０ｎｍに設定していた。つまり、上記の式（１１）、式(１２)を用いる場合、比誘電率ε_ｒ’や比誘電損率ε_ｒ”を算出するためには、油膜厚さｈを設定する必要がある。言い換えると、比誘電率ε_ｒ’や比誘電損率ε_ｒ”の値は、油膜厚さｈの値によって変化する。

図１０は、油膜厚さを異なる値に設定した得られた実験値を示す。ここでは、油膜厚さｈとして、２００ｎｍ、２５０ｎｍ、および３００ｎｍの３つの値を用いて比較を行う。図１０（ａ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］の対数を示し、縦軸は比誘電率ε_ｒ’を示す。図１０（ｂ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］の対数を示し、縦軸は比誘電損率ε_ｒ”を示す。

図１０に示すように、油膜厚さｈが変化することで、比誘電率ε_ｒ’や比誘電損率ε_ｒ”の値は変化している。一方、油膜厚さｈの設定を変更した場合でも、周波数を掃引して得られる実験値の変化の傾向には変動がない。例えば、比誘電率ε_ｒ’は、図１０（ａ）に示すように、油膜厚さｈの変化に伴う変化量は、いずれの周波数においても一定である。同様に、比誘電損率ε_ｒ”は、図１０（ｂ）に示すように、油膜厚さｈの変化に伴う変化量は、いずれの周波数においても一定である。

上記の特性を踏まえ、転がり軸受の回転時の電気特性に関するパラメータと油膜厚さを同時に導出することを考える。ここで、高周波極限の比誘電率ε_ｒ∞は、潤滑剤を構成する増ちょう剤の量と基油の種類により特定することができる。そこで、まず、転がり軸受にて用いている潤滑剤における増ちょう剤の量と基油の種類から、高周波極限の比誘電率ε_ｒ∞の値を特定する。ここでの高周波極限の比誘電率ε_ｒ∞は、潤滑剤がバルク状態の値であってよい。そして、この高周波極限の比誘電率ε_ｒ∞の値を境界条件として式（１３）、式（１４）に設定することで、油膜厚さｈを一意に特定でき、また、実験値に対応する曲線を特定することができる。つまり、図１０（ａ）に示す例の場合、高周波極限の比誘電率ε_ｒ∞に相当する右端の位置を特定することで、各周波数における比誘電率ε_ｒ’の値を特定することができる。

図１１は、高周波極限の比誘電率ε_ｒ∞の値を特定することで、得られた実験値、および当てはめによる理論値を示す。図１１（ａ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］の対数を示し、縦軸は比誘電率ε_ｒ’を示す。図１１（ｂ）において、横軸は周波数［Ｈｚ］の対数を示し、縦軸は比誘電損率ε_ｒ”を示す。また、図１２は、図１１にて示した当てはめした結果に基づいて導出される低周波極限での比誘電率、緩和強度、緩和時間、緩和時間の分布、および直流導電率を示す。上述したように、高周波極限の比誘電率ε_ｒ∞の値は、潤滑剤の組成に基づいて決定したものであり、ここではバルク状態の値を用いている。

その結果、低周波極限での比誘電率、緩和強度、緩和時間、緩和時間の分布、直流導電率、および油膜厚さを同時に導出することができる。

［処理フロー］
図１３は、本実施形態に係る状態診断処理のフローチャートである。本処理は、診断装置１により実行され、例えば、診断装置１が備える制御装置（不図示）が本実施形態に係る処理を実現するためのプログラムを記憶装置（不図示）から読み出して実行することにより実現されてよい。

Ｓ１３０１にて、診断装置１は、軸受装置２に対して、所定の荷重方向にアキシアル荷重が与えられるように制御する。なお、アキシアル荷重を与える制御は、診断装置１とは別の装置により行われてもよい。この時、静的接触状態における位相とインピーダンスを測定する。

Ｓ１３０２にて、診断装置１は、モータ１０により回転軸７の回転を開始させる。これにより回転軸７に接続された内輪４の回転が開始される。なお、モータ１０の制御は、診断装置１とは別の装置により行われてもよい。

Ｓ１３０３にて、診断装置１は、ＬＣＲメータ８に対し、ＬＣＲメータ８が備える交流電源（不図示）を用いて角周波数ωの交流電圧Ｖを軸受装置２に与えるように制御する。これにより、軸受装置２には、角周波数ωの交流電圧Ｖが印加されることとなる。

Ｓ１３０４にて、診断装置１は、Ｓ１３０３の入力に対する出力として、ＬＣＲメータ８からインピーダンス｜Ｚ｜および位相角θを取得する。つまり、ＬＣＲメータ８は、入力である交流電圧Ｖおよび交流電圧の角周波数ωに対する軸受装置２の検出結果として、インピーダンス｜Ｚ｜および位相角θを診断装置１に出力する。

Ｓ１３０５にて、診断装置１は、軸受装置２にて用いられている潤滑剤の組成に基づく高周波極限での比誘電率εｒ∞の値を取得する。なお、高周波極限での比誘電率ε_ｒ∞の値は、潤滑剤の組成に対応して予め規定されているものとする。高周波極限での比誘電率ε_ｒ∞の情報は、診断装置１の記憶装置（不図示）に保持されていてもよいし、ユーザが個別に設定できるような構成であってもよい。

Ｓ１３０６にて、診断装置１は、Ｓ１３０４にて取得したインピーダンス｜Ｚ｜および位相角θ、Ｓ１３０３にて指示した角周波数ωの交流電圧Ｖの情報、および、Ｓ１３０５にて取得した高周波極限での比誘電率εｒ∞の値を用いて、油膜厚さｈおよび理論値に対応する曲線を特定する。具体的には、上述した式（１３）～式（１５）を用いて、実験値の当てはめを行うことで、油膜厚さｈと図１１に示すような曲線を求める。

Ｓ１３０７にて、診断装置１は、Ｓ１３０６の当てはめの結果として得られる曲線から各種パラメータを導出する。本実施形態では、低周波極限での比誘電率、緩和強度、緩和時間、緩和時間の分布、および直流導電率を求める。

Ｓ１３０８にて、診断装置１は、Ｓ１３０６にて特定した油膜厚さ、およびＳ１３０７にて導出した各種パラメータに基づいて、潤滑剤の状態診断を行う。ここでの診断内容は特に限定するものでは無いが、例えば、各パラメータに対して閾値を設定しておき、その閾値との比較により正常または異常を診断するような構成であってもよい。また、異常の緊急度に応じた複数の閾値を設定しておき、それらの閾値との比較により、緊急度を診断するような構成であってもよい。

Ｓ１３０９にて、診断装置１は、Ｓ１３０８にて得られた診断結果をユーザに対して報知する。ここでの報知方法は特に限定するものでは無いが、例えば、異常と判断したパラメータや項目を画面上で表示したり、音声にて通知したりするような構成であってよい。そして、本処理フローを終了する。

以上、本実施形態により、転がり軸受などにおいて潤滑剤の油膜の厚さの実測が困難な場合でも、油膜の厚さを特定し、また、油膜に応じた電気特性に関するパラメータを導出することができる。そして、これらに基づき、容易に状態診断を行うことが可能となる。

なお、上記の例では、高周波極限での比誘電率εｒ∞を設定することで、各種パラメータを導出していた。しかし、この構成に限定するものではない。例えば、上記の式（７）、式（８）では、油膜厚さｈを含む関数であった。ここで、油膜厚さｈは交流電圧の角周波数ωによっては変化しないパラメータであることから、ｄｈ／ｄω＝０として誘電率を導出するような構成の式を用いてもよい。また、転がり軸受の運転条件や設計パラメータに基づいて、油膜厚さｈを算出し、この値を用いて各種パラメータを算出するような構成であってもよい。

＜その他の実施形態＞
上記の実施形態では、軸受装置を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。図２～図５を用いて示したように幾何学モデルと等価回路を設定することで、他の装置にも本願発明は適用可能である。例えば、第１の実施形態にて述べた転がり軸受内の潤滑剤の油膜厚さはμｍ～ｎｍ程度のオーダーが想定される。したがって、このようなサイズにおける物質の測定を行う際に、本願発明に係る手法を適用してよい。そのほか、適用する装置として、潤滑剤を利用した転動装置などに本願発明に係る手法は適用可能である。

また、本願発明において、上述した１以上の実施形態の機能を実現するためのプログラムやアプリケーションを、ネットワーク又は記憶媒体等を用いてシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。

また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ））によって実現してもよい。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 複数の部位を潤滑剤にて潤滑させる構成の装置内における前記潤滑剤による油膜の状態を検出する状態検出方法であって、
前記複数の部位から構成される電気回路に周波数を変化させながら交流電圧を印加することで前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定する測定工程と、
前記潤滑剤の組成に基づいて規定される前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率、および、前記測定工程にて測定された前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記潤滑剤による油膜厚さおよび当該油膜厚さにおける電気特性を示すパラメータを導出する導出工程とを有することを特徴とする状態検出方法。
この構成によれば、装置内の潤滑剤の膜の厚さと、膜の厚さによる電気特性に関するパラメータを同時に導出する方法を提供することが可能となる。

（２） 前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率は、バルク状態における前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率であることを特徴とする（１）に記載の状態検出方法。
この構成によれば、バルク状態の潤滑剤の高周波極限における比誘電率を用いることで、容易に装置内の潤滑剤の膜の厚さと、膜の厚さによる電気特性に関するパラメータを同時に導出することが可能となる。

（３） 前記パラメータは、低周波極限での比誘電率、緩和強度、緩和時間、緩和時間の分布、および直流導電率の少なくともいずれかを含むことを特徴とする（１）または（２）に記載の状態検出方法。
この構成によれば、装置内の潤滑剤の状態に応じたパラメータとして、低周波極限での比誘電率、緩和強度、緩和時間、緩和時間の分布、および直流導電率を導出することができる。

（４） 前記装置は、転動装置であることを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載の状態検出方法。
この構成によれば、転動装置を対象として、転動装置内の潤滑剤の膜の厚さおよび膜の厚さによる電気特性に関するパラメータを同時に導出することができる。

（５） 前記装置は、軸受装置であり、
前記複数の部位は、外方部材、内方部材、および転動体を含む
ことを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載の状態検出方法。
この構成によれば、転がり軸受を対象として、転がり軸受内の潤滑剤の膜の厚さおよび膜の厚さによる電気特性に関するパラメータを同時に導出することができる。

（６） 前記導出工程にて導出した前記油膜厚さおよび前記パラメータを用いて前記装置の状態を診断する診断工程を更に有することを特徴とする（１）～（５）のいずれかに記載の状態検出方法。
この構成によれば、導出した潤滑剤の油膜厚さおよびパラメータに基づいて、装置の状態診断を行うことが可能となる。

（７） 複数の部位を潤滑剤にて潤滑させる構成の装置内における前記潤滑剤による油膜の状態を検出する状態検出装置であって、
前記複数の部位から構成される電気回路に周波数を変化させながら交流電圧を印加することで前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定する測定手段と、
前記潤滑剤の組成に基づいて規定される前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率、および、前記測定手段にて測定された前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記潤滑剤による油膜厚さおよび当該油膜厚さにおける電気特性を示すパラメータを導出する導出手段とを有することを特徴とする状態検出装置。
この構成によれば、装置内の潤滑剤の膜の厚さと、膜の厚さによる電気特性に関するパラメータを同時に導出する方法を提供することが可能となる。

（８） コンピュータに、
複数の部位を潤滑剤にて潤滑させる構成の装置に対し、前記複数の部位から構成される電気回路に周波数を変化させながら交流電圧を印加することで前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定する測定工程と、
前記潤滑剤の組成に基づいて規定される前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率、および、前記測定工程にて測定された前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記潤滑剤による油膜厚さおよび当該油膜厚さにおける電気特性を示すパラメータを導出する導出工程とを実行させるためのプログラム。
この構成によれば、装置内の潤滑剤の膜の厚さと、膜の厚さによる電気特性に関するパラメータを同時に導出する方法を提供することが可能となる。

以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

なお、本出願は、２０２０年９月２９日出願の日本特許出願（特願２０２０－１６３９６３）、および、２０２１年８月２５日出願の日本特許出願（特願２０２１－１３７５６４）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。

１…診断装置
２…軸受装置
３…外輪（外方部材）
４…内輪（内方部材）
５…転動体
６…シール
７…回転軸
８…ＬＣＲメータ
９…回転コネクタ
１０…モータ

Claims (8)

1. 複数の部位を潤滑剤にて潤滑させる構成の装置内における前記潤滑剤による油膜の状態を検出する状態検出方法であって、
   前記複数の部位から構成される電気回路に周波数を変化させながら交流電圧を印加することで前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定する測定工程と、
   前記潤滑剤の組成に基づいて規定される前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率、および、前記測定工程にて測定された前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記潤滑剤による油膜厚さおよび当該油膜厚さにおける電気特性を示すパラメータを導出する導出工程とを有することを特徴とする状態検出方法。
2. 前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率は、バルク状態における前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率であることを特徴とする請求項１に記載の状態検出方法。
3. 前記パラメータは、低周波極限での比誘電率、緩和強度、緩和時間、緩和時間の分布、および直流導電率の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の状態検出方法。
4. 前記装置は、転動装置であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の状態検出方法。
5. 前記装置は、軸受装置であり、
   前記複数の部位は、外方部材、内方部材、および転動体を含む
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の状態検出方法。
6. 前記導出工程にて導出した前記油膜厚さおよび前記パラメータを用いて前記装置の状態を診断する診断工程を更に有することを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の状態検出方法。
7. 複数の部位を潤滑剤にて潤滑させる構成の装置内における前記潤滑剤による油膜の状態を検出する状態検出装置であって、
   前記複数の部位から構成される電気回路に周波数を変化させながら交流電圧を印加することで前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定する測定手段と、
   前記潤滑剤の組成に基づいて規定される前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率、および、前記測定手段にて測定された前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記潤滑剤による油膜厚さおよび当該油膜厚さにおける電気特性を示すパラメータを導出する導出手段とを有することを特徴とする状態検出装置。
8. コンピュータに、
   複数の部位を潤滑剤にて潤滑させる構成の装置に対し、前記複数の部位から構成される電気回路に周波数を変化させながら交流電圧を印加することで前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定する測定工程と、
   前記潤滑剤の組成に基づいて規定される前記潤滑剤の高周波極限における比誘電率、および、前記測定工程にて測定された前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記潤滑剤による油膜厚さおよび当該油膜厚さにおける電気特性を示すパラメータを導出する導出工程とを実行させるためのプログラム。

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