特開 2023-176888 回転軸の回転数変動検出方法及び回転軸の回転数変動検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023176888

(43)【公開日】2023-12-13

(54)【発明の名称】回転軸の回転数変動検出方法及び回転軸の回転数変動検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01P 3/44 20060101AFI20231206BHJP

   G01M 13/00 20190101ALI20231206BHJP

   G01D 5/12 20060101ALI20231206BHJP

【ＦＩ】

G01P3/44 A

G01M13/00

G01D5/12 N

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022089447

(22)【出願日】2022-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100178582

【弁理士】

【氏名又は名称】行武 孝

(72)【発明者】

【氏名】新野 晃一朗

(72)【発明者】

【氏名】岡田 徹

【テーマコード（参考）】

2F077

2G024

【Ｆターム（参考）】

2F077AA34

2F077AA46

2F077AA48

2F077NN02

2F077NN04

2F077QQ17

2F077TT23

2F077VV13

2F077VV29

2F077VV31

2G024AC01

2G024BA11

2G024CA13

2G024FA01

2G024FA04

2G024FA11

(57)【要約】

【課題】対象となる回転軸に新たな部品を装着することなく前記回転軸の回転数変動を精度良く検出することが可能な回転軸の回転数変動検出方法及び回転軸の回転数変動検出装置を提供する。
【解決手段】回転軸１００の回転数変動を検出する方法は、準備工程と、回転工程と、検出工程とを有する。準備工程では、ローラ１０とローラ１０と同期して回転するロータリーエンコーダ２０とを含む少なくとも一つの検出ユニットを準備する。回転工程では、前記少なくとも一つの検出ユニットのローラ１０を回転軸１００の外周面に押し付け、回転軸１００、ローラ１０及びロータリーエンコーダ２０を同期して回転させる。検出工程では、ロータリーエンコーダ２０から出力される信号を処理することで、回転軸１００の回転数変動を検出する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸の回転数変動を検出する方法であって、
ローラと前記ローラと同期して回転するロータリーエンコーダとを含む少なくとも一つの検出ユニットを準備する準備工程と、
前記少なくとも一つの検出ユニットの前記ローラを前記回転軸の外周面に押し付け、前記回転軸、前記ローラ及び前記ロータリーエンコーダを同期して回転させる回転工程と、
前記ロータリーエンコーダから出力される信号を処理することで、前記回転軸の回転数変動を検出する検出工程と、
を備える、回転軸の回転数変動検出方法。

【請求項2】

前記準備工程は、前記少なくとも一つの検出ユニットとして、第１ローラ及び第１ロータリーエンコーダを含む第１検出ユニットと、前記第１ローラと同じ外径の第２ローラ及び第２ロータリーエンコーダを含む第２検出ユニットとを準備することを含み、
前記回転工程は、前記第２ローラが前記回転軸の中心を挟んで前記第１ローラの反対側に配置されるように前記第１ローラ及び前記第２ローラを前記外周面に押し付け、前記回転軸、前記第１ローラ、前記第２ローラ、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダを同期して回転させることを含み、
前記検出工程は、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダからそれぞれ出力される信号を処理することで、前記回転軸に生じる並進方向の振動成分を除去して、前記回転軸の回転数変動を検出することを含む、請求項１に記載の回転軸の回転数変動検出方法。

【請求項3】

前記準備工程は、前記少なくとも一つの検出ユニットとして、第１ローラ及び第１ロータリーエンコーダを含む第１検出ユニットと、前記第１ローラと外径が異なる第２ローラ及び第２ロータリーエンコーダを含む第２検出ユニットとを準備することを含み、
前記回転工程は、前記第１ローラ及び前記第２ローラを前記外周面に押し付け、前記回転軸、前記第１ローラ、前記第２ローラ、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダを同期して回転させることを含み、
前記検出工程は、前記第１ローラの回転周波数成分及び前記第２ローラの回転周波数成分を除去して、前記回転軸の回転数変動を検出することを含む、請求項１に記載の回転軸の回転数変動検出方法。

【請求項4】

前記回転工程は、前記第２ローラが前記回転軸の中心を挟んで前記第１ローラの反対側に配置されるように前記第１ローラ及び前記第２ローラを前記外周面に押し付け、前記回転軸、前記第１ローラ、前記第２ローラ、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダを同期して回転させることを含み、
前記検出工程は、前記回転軸に生じる並進方向の振動成分を更に除去して、前記回転軸の回転数変動を検出することを含む、請求項３に記載の回転軸の回転数変動検出方法。

【請求項5】

回転軸の回転数変動を検出する装置であって、
ローラと前記ローラと同期して回転するロータリーエンコーダとを含む少なくとも一つの検出ユニットと、
前記少なくとも一つの検出ユニットの前記ローラが前記回転軸の外周面に接触し、前記回転軸、前記ローラ及び前記ロータリーエンコーダが同期して回転した際に前記ロータリーエンコーダから出力される信号を処理することで、前記回転軸の回転数変動を検出する回転数変動検出部と、
を備える、回転軸の回転数変動検出装置。

【請求項6】

前記少なくとも一つの検出ユニットは、第１ローラ及び第１ロータリーエンコーダを含む第１検出ユニットと、前記回転軸の中心を挟んで前記第１ローラの反対側に配置され前記第１ローラと同じ外径の第２ローラ及び第２ロータリーエンコーダを含む第２検出ユニットとを有し、
前記回転数変動検出部は、前記第１ローラ及び前記第２ローラが前記外周面に接触し、前記回転軸、前記第１ローラ、前記第２ローラ、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダが同期して回転した際に前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダからそれぞれ出力される信号を処理することで、前記回転軸に生じる並進方向の振動成分を除去して、前記回転軸の回転数変動を検出する、請求項５に記載の回転軸の回転数変動検出装置。

【請求項7】

前記少なくとも一つの検出ユニットは、第１ローラ及び第１ロータリーエンコーダを含む第１検出ユニットと、前記第１ローラと異なる外径の第２ローラ及び第２ロータリーエンコーダを含む第２検出ユニットとを有し、
前記回転数変動検出部は、前記第１ローラ及び前記第２ローラが前記外周面に接触し、前記回転軸、前記第１ローラ、前記第２ローラ、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダが同期して回転した際に前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダからそれぞれ出力される信号を処理することで、前記第１ローラの回転周波数成分及び前記第２ローラの回転周波数成分を除去して、前記回転軸の回転数変動を検出する、請求項５に記載の回転軸の回転数変動検出装置。

【請求項8】

前記第２ローラは前記回転軸の中心を挟んで前記第１ローラの反対側に配置され、
前記回転数変動検出部は、前記回転軸に生じる並進方向の振動成分を更に除去して、前記回転軸の回転数変動を検出する、請求項７に記載の回転軸の回転数変動検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転軸の回転数変動検出方法及び回転軸の回転数変動検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、回転軸の回転数変動を検出する方法が知られている。特許文献１には、回転軸に歯車を固定し、前記回転軸の回転時に前記歯車の凹凸に検出光を照射し、その反射光を受光することで、回転軸のねじり振動を検出する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－８２８７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載された技術では、回転軸に歯車などの新たな部品を装着する必要があり、既に製造、設置された機械に備えられた回転軸の振動を容易に検出することが難しいという問題があった。

【0005】

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、対象となる回転軸に新たな部品を装着することなく前記回転軸の回転数変動を精度良く検出することが可能な回転軸の回転数変動検出方法及び回転軸の回転数変動検出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】

【0006】

本発明によって提供されるのは、回転軸の回転数変動を検出する方法である。当該方法は、ローラと前記ローラと同期して回転するロータリーエンコーダとを含む少なくとも一つの検出ユニットを準備する準備工程と、前記少なくとも一つの検出ユニットの前記ローラを前記回転軸の外周面に押し付け、前記回転軸、前記ローラ及び前記ロータリーエンコーダを同期して回転させる回転工程と、前記ロータリーエンコーダから出力される信号を処理することで、前記回転軸の回転数変動を検出する検出工程と、を備える。

【0007】

本方法によれば、回転軸に新たな部品を装着することなく、既に設置された回転機械、産業機械などでもねじり振動などを含む回転数変動の検出を容易に行うことが可能となる。

【0008】

上記の方法において、前記準備工程は、前記少なくとも一つの検出ユニットとして、第１ローラ及び第１ロータリーエンコーダを含む第１検出ユニットと、前記第１ローラと同じ外径の第２ローラ及び第２ロータリーエンコーダを含む第２検出ユニットとを準備することを含み、前記回転工程は、前記第２ローラが前記回転軸の中心を挟んで前記第１ローラの反対側に配置されるように前記第１ローラ及び前記第２ローラを前記外周面に押し付け、前記回転軸、前記第１ローラ、前記第２ローラ、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダを同期して回転させることを含み、前記検出工程は、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダからそれぞれ出力される信号を処理することで、前記回転軸に生じる並進方向の振動成分を除去して、前記回転軸の回転数変動を検出することを含むものでもよい。

【0009】

本方法によれば、互いに反対側に配置されたローラ間では回転軸の軸振動の影響や偏芯の影響が逆になることに着目し、前記回転軸に生じる並進方向の振動成分を除去して、ねじり振動に注目した回転数変動を容易かつ精度良く検出することが可能になる。

【0010】

上記の方法において、前記準備工程は、前記少なくとも一つの検出ユニットとして、第１ローラ及び第１ロータリーエンコーダを含む第１検出ユニットと、前記第１ローラと外径が異なる第２ローラ及び第２ロータリーエンコーダを含む第２検出ユニットとを準備することを含み、前記回転工程は、前記第１ローラ及び前記第２ローラを前記外周面に押し付け、前記回転軸、前記第１ローラ、前記第２ローラ、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダを同期して回転させることを含み、前記検出工程は、前記第１ローラの回転周波数成分及び前記第２ローラの回転周波数成分を除去して、前記回転軸の回転数変動を検出することを含むものでもよい。

【0011】

本方法によれば、２つの外径の異なるローラが回転軸と同期して回転する際に、回転軸の回転数変動の周波数以外の２つの領域に各ローラの回転周波数の成分が含まれることに着目し、２つのロータリーエンコーダの互いのデータを置換しあうことで、これらの回転数の成分をねじり振動などの所望の回転数変動の周波数と分離することが可能になる。

【0012】

上記の方法において、前記回転工程は、前記第２ローラが前記回転軸の中心を挟んで前記第１ローラの反対側に配置されるように前記第１ローラ及び前記第２ローラを前記外周面に押し付け、前記回転軸、前記第１ローラ、前記第２ローラ、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダを同期して回転させることを含み、前記検出工程は、前記回転軸に生じる並進方向の振動成分を更に除去して、前記回転軸の回転数変動を検出することを含むものでもよい。

【0013】

本方法によれば、回転軸の軸振動や偏心の影響や２つのローラの周波数の影響を取り除いたうえで、ねじり振動による回転数変動を精度良く検出することが可能になる。

【0014】

また、本発明によって提供されるのは、回転軸の回転数変動を検出する装置である。当該装置は、ローラと前記ローラと同期して回転するロータリーエンコーダとを含む少なくとも一つの検出ユニットと、前記少なくとも一つの検出ユニットの前記ローラが前記回転軸の外周面に接触し、前記回転軸、前記ローラ及び前記ロータリーエンコーダが同期して回転した際に前記ロータリーエンコーダから出力される信号を処理することで、前記回転軸の回転数変動を検出する回転数変動検出部と、を備える。

【0015】

本構成によれば、回転軸に新たな部品を装着することなく、既に設置された回転機械、産業機械などでもねじり振動などを含む回転数変動の検出を容易に行うことが可能となる。

【0016】

上記の構成において、前記少なくとも一つの検出ユニットは、第１ローラ及び第１ロータリーエンコーダを含む第１検出ユニットと、前記回転軸の中心を挟んで前記第１ローラの反対側に配置され前記第１ローラと同じ外径の第２ローラ及び第２ロータリーエンコーダを含む第２検出ユニットとを有し、前記回転数変動検出部は、前記第１ローラ及び前記第２ローラが前記外周面に接触し、前記回転軸、前記第１ローラ、前記第２ローラ、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダが同期して回転した際に前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダからそれぞれ出力される信号を処理することで、前記回転軸に生じる並進方向の振動成分を除去して、前記回転軸の回転数変動を検出するものでもよい。

【0017】

本構成によれば、互いに反対側に配置されたローラ間では回転軸の軸振動の影響や偏芯の影響が逆になることに着目し、前記回転軸に生じる並進方向の振動成分を除去して、ねじり振動に注目した回転数変動を容易かつ精度良く検出することが可能になる。

【0018】

上記の構成において、前記少なくとも一つの検出ユニットは、第１ローラ及び第１ロータリーエンコーダを含む第１検出ユニットと、前記第１ローラと異なる外径の第２ローラ及び第２ロータリーエンコーダを含む第２検出ユニットとを有し、前記回転数変動検出部は、前記第１ローラ及び前記第２ローラが前記外周面に接触し、前記回転軸、前記第１ローラ、前記第２ローラ、前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダが同期して回転した際に前記第１ロータリーエンコーダ及び前記第２ロータリーエンコーダからそれぞれ出力される信号を処理することで、前記第１ローラの回転周波数成分及び前記第２ローラの回転周波数成分を除去して、前記回転軸の回転数変動を検出するものでもよい。

【0019】

本構成によれば、２つの外径の異なるローラが回転軸と同期して回転する際に、回転軸の回転数変動の周波数以外の２つの領域に各ローラの回転周波数の成分が含まれることに着目し、２つのロータリーエンコーダの互いのデータを置換しあうことで、これらの回転数の成分をねじり振動などの所望の回転数変動の周波数と分離することが可能になる。

【0020】

上記の構成において、前記第２ローラは前記回転軸の中心を挟んで前記第１ローラの反対側に配置され、前記回転数変動検出部は、前記回転軸に生じる並進方向の振動成分を更に除去して、前記回転軸の回転数変動を検出するものでもよい。

【0021】

本構成によれば、回転軸の軸振動や偏心の影響や２つのローラの周波数の影響を取り除いたうえで、ねじり振動による回転数変動を精度良く検出することが可能になる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、対象となる回転軸に新たな部品を装着することなく前記回転軸の回転数変動を精度良く検出することが可能な回転軸の回転数変動検出方法及び回転軸の回転数変動検出装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の第１実施形態に係る回転数変動検出装置の正面図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る回転数変動検出装置の側面図である。

【図3】本発明の第２実施形態に係る回転数変動検出装置の正面図である。

【図4】本発明の第２実施形態に係る回転数変動検出装置の側面図である。

【図5】本発明の第２実施形態に係る回転数変動検出装置の第１ローラの回転数の時刻歴を示すグラフである。

【図6】図５のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。

【図7】本発明の第２実施形態に係る回転数変動検出装置の第２ローラの回転数の時刻歴信号を示すグラフである。

【図8】図７のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。

【図9】本発明の第２実施形態に係る回転数変動検出装置の第１ローラ及び第２ローラの回転数の時刻歴信号の和を２で割った信号を示すグラフである。

【図10】図９のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。

【図11】本発明の第３実施形態に係る回転数変動検出装置の正面図である。

【図12】本発明の第３実施形態に係る回転数変動検出装置の側面図である。

【図13】本発明の第３実施形態に係る回転数変動検出装置の第１ローラの回転数の時刻歴信号を示すグラフである。

【図14】図１３のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。

【図15】本発明の第３実施形態に係る回転数変動検出装置の第２ローラの回転数の時刻歴信号を示すグラフである。

【図16】図１５のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。

【図17】図１４及び図１６から第１ローラ及び第２ローラの回転周波数成分が除去された様子を示す振幅スペクトルのグラフである。

【図18】本発明の第４実施形態に係る回転数変動検出装置の正面図である。

【図19】本発明の第４実施形態に係る回転数変動検出装置の側面図である。

【図20】本発明の第４実施形態に係る回転数変動検出装置の第１ローラの回転数の時刻歴信号を示すグラフである。

【図21】図２０のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。

【図22】本発明の第４実施形態に係る回転数変動検出装置の第２ローラの回転数の時刻歴信号を示すグラフである。

【図23】図２２のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。

【図24】本発明の第４実施形態に係る回転数変動検出装置における時刻歴信号Ｎ７を示すグラフである。

【図25】本発明の第４実施形態に係る回転数変動検出装置における時刻歴信号Ｎ１０を示すグラフである。

【図26】本発明の第４実施形態に係る回転数変動検出装置における時刻歴信号Ｎ１１を示すグラフである。

【図27】図２６のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0024】

＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の各実施形態に係る回転数変動検出装置について説明する。図１、図２は、本発明の第１実施形態に係る回転数変動検出装置１の正面図、側面図である。回転数変動検出装置１は、例えば圧延機や樹脂機械などの回転機械で問題となる回転軸の回転数変動を検出するための装置である。従来から、前記回転機械では回転軸のねじり振動に起因する回転数変動の検出が課題であった。本発明では、このような回転数変動を容易かつ精度良く検出することを可能とする。

【0025】

図１、図２を参照して、回転数変動検出装置１は、回転軸１００の回転数変動を検出する。なお、回転軸１００は、不図示のモータなどの駆動源によって所定の回転数で回転される。回転軸１００は、不図示の軸受によって支持されている。

【0026】

回転数変動検出装置１は、ローラ１０と、エンコーダ２０と、演算処理部３０とを有する。

【0027】

ローラ１０は、図１、図２に太い矢印で示すように回転軸１００の外周面に所定の荷重で押し付けられ、回転軸１００と同期して回転する。なお、ローラ１０は、不図示の軸受によって回転可能に支持されている。また、図１、図２では、ローラ１０、回転軸１００の回転方向が細い矢印で示されている（以後の図も同様）。

【0028】

エンコーダ２０は、公知のロータリーエンコーダであり、ローラ１０と同期して回転するように不図示のカップリングなどを介してローラ１０に連結されている。エンコーダ２０は、ローラ１０の回転に応じたパルス信号を出力する。なお、ローラ１０及びエンコーダ２０は、本発明の検出ユニットを構成する。

【0029】

演算処理部３０は、ローラ１０が回転軸１００の外周面に接触し、回転軸１００、ローラ１０及びエンコーダ２０が同期して回転した際にエンコーダ２０から出力されたパルス信号（信号）を受け、当該パルス信号を処理することで回転軸１００の回転数変動を検出する。本実施形態では、パーソナルコンピュータが所定のプログラムを実行することで、演算処理部３０として機能する。演算処理部３０は、本発明の回転数変動検出部を構成する。なお、演算処理部３０は、その他の演算装置でもよい。

【0030】

次に、本実施形態に係る回転数変動検出装置を用いた、回転軸１００の回転数変動検出方法について詳述する。本方法は、準備工程と、回転工程と、検出工程とを有する。前記準備工程では、ローラ１０とエンコーダ２０とを含む前記検出ユニットを準備する。前記回転工程では、前記検出ユニットのローラ１０を回転軸１００の外周面に押し付け、前記モータの駆動力によって回転軸１００、ローラ１０及びエンコーダ２０を同期して回転させる。この際、回転軸１００が回転機械で用いられる目標の回転数で回転されるように前記モータの回転数が設定される。前記検出工程では、演算処理部３０が、エンコーダ２０から出力される信号を処理することで、回転軸１００の回転数変動を検出する。

【0031】

演算処理部３０の演算処理について具体的に説明する。回転軸１００の半径をＲ１０、ローラ１０の半径をＲとすると、ローラ１０の回転数の時刻歴信号Ｎ１０に対して、以下の式１の演算を実行することで、Ｎ１０’を取得する。
Ｎ１０’＝Ｒ／Ｒ１０×Ｎ１０ ・・・（式１）
ここで、Ｎ１０’は、ローラ１０の時刻歴信号Ｎ１０を回転軸１００のデータとして半径の比で補正したものであり、半径Ｒ１０の回転軸１００における時刻歴信号に補正されたものである。

【0032】

次に、上記で得られたＮ１０’を高速フーリエ変換（ＦＦＴ： Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）してスペクトルを得ることで、測定対象の回転軸１００の回転ムラのデータを得ることができる。

【0033】

このように、本実施形態では、回転軸１００に新たな部品を装着することなく測定が可能になるため、既に設置された回転機械、産業機械などでもねじり振動などを含む回転数変動の検出を容易に行うことが可能となる。

【0034】

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図３、図４は、本実施形態に係る回転数変動検出装置の正面図、側面図である。本実施形態では、図３、図４に示すように、２つの検出ユニットが用いられる。すなわち、回転軸１００の上方では一のローラ１０（第１ローラ）が回転軸１００の外周面に押し付けられ、回転軸１００の下方では他のローラ１０（第２ローラ）が回転軸１００の外周面に押し付けられる。なお、２つのローラ１０は同じ外径を有している。下側のローラ１０は、回転軸１００の中心を挟んで上側のローラ１０の反対側（周方向において１８０度離れた位置）に配置される。上側のローラ１０と同期して回転するエンコーダ２０は、本発明の第１ロータリーエンコーダを構成し、下側のローラ１０と同期して回転するエンコーダ２０は、本発明の第２ロータリーエンコーダを構成する。上側のローラ１０及びこれに連結されるエンコーダ２０は、本発明の第１検出ユニットを構成し、下側のローラ１０及びこれに連結されるエンコーダ２０は、本発明の第２検出ユニットを構成する。

【0035】

本実施形態では、まず、図３、図４に示される２つの検出ユニットが準備され（準備工程）、前記モータによって回転軸１００が回転されると、回転軸１００、各検出ユニットのローラ１０及びエンコーダ２０が同期して回転する（回転工程）。そして、演算処理部３０は、２つのエンコーダ２０からそれぞれ出力される信号を処理することで、回転軸１００に生じる並進方向（回転軸１００の軸方向と直交する方向）の振動成分を除去して、回転軸１００の回転数変動を検出する（検出工程）。以下では、その方法について詳述する。

【0036】

回転軸１００にねじり振動と軸振動（図４の左右方向における回転軸１００の振動）の２種類の振動が生じている場合、２つの検出ユニットに入力される回転ムラは、上記の２つの振動が合算されたものとなる。ここで、図４で回転軸１００が回転する方向を正とすると、ねじり振動に起因する回転数変動は、２つの検出ユニットに対して同じ方向で作用する。一方、軸振動は２つの検出ユニットに対して逆方向に作用する。具体的に、図４において、軸振動の発生によって回転軸１００が右方向に移動したとすると、この移動は上側のローラ１０の回転を促進するように作用する。一方、前記移動は下側のローラ１０の回転を妨げるように作用する。したがって、２つの検出ユニットで測定される信号の和を取ることで、ねじり振動成分のみを抽出し、軸振動の成分を相殺し除去することができる。

【0037】

上記の方法について、図５乃至図１０を用いて詳しく説明する。図５は、本実施形態に係る回転数変動検出装置１の上側のローラ１０の時刻歴信号Ｎ１（エンコーダ２０のパルス信号を回転数に変換した信号）を示すグラフである。図６は、図５のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。図７は、本実施形態に係る回転数変動検出装置１の下側のローラ１０の時刻歴信号Ｎ２を示すグラフである。図８は、図７のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。

【0038】

図５の時刻歴信号Ｎ１を高速フーリエ変換した図６では、ＤＣ成分すなわち周波数ゼロの領域に上側のローラ１０の回転に相当するピークＳ６０が現れており、このピークＳ６０よりも大きな周波数領域に、回転軸１００の軸振動に相当するピークＳ６１、ねじり振動に相当するピークＳ６２、上側のローラ１０の回転ムラに相当するピークＳ６３がそれぞれ現れている。同様に、図７の時刻歴信号Ｎ２を高速フーリエ変換した図８では、ＤＣ成分すなわち周波数ゼロの領域に下側のローラ１０の回転に相当するピークＳ８０が現れており、このピークＳ８０よりも大きな周波数領域に、回転軸１００の軸振動に相当するピークＳ８１、ねじり振動に相当するピークＳ８２、下側のローラ１０の回転ムラに相当するピークＳ８３がそれぞれ現れている。

【0039】

上記の２つの検出ユニットで検出された各ローラ１０の時刻歴信号Ｎ１、Ｎ２（図５、図７）を用いて、以下の式２から時刻歴信号Ｎ３を得ることで、前述のように軸振動成分を相殺することができる。
Ｎ３＝（Ｎ１＋Ｎ２）／２ ・・・（式２）
時刻歴信号Ｎ３は、半径Ｒのローラ１０の回転数変動に対応している。このため、半径Ｒ０の回転軸１００の回転数変動に補正するために、以下の式３の補正式によって、時刻歴信号Ｎ３から時刻歴信号Ｎ４（図９）を得ることができる。
Ｎ４＝Ｒ／Ｒ０×Ｎ３ ・・・（式３）
図９は、回転軸１００の時刻歴信号Ｎ４を示すグラフである。図１０は、図９のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。

【0040】

そして、この時刻歴信号Ｎ４を高速フーリエ変換することで、図１０に示すように、回転軸１００に生じている回転数変動の周波数と振幅との関係を得ることができる。図１０では、ＤＣ成分すなわち周波数ゼロの領域に回転軸１００の回転に相当するピークＳ１００が現れており、このピークＳ１００よりも大きな周波数領域に、ねじり振動に相当するピークＳ１０１、上下のローラ１０の回転ムラに相当するピークＳ１０２がそれぞれ現れている。すなわち、図６、図８における回転軸１００の軸振動に相当するピークＳ６１、Ｓ８１を除去することが可能となる。この結果、回転軸１００のねじり振動の回転数変動を精度良く検出することが可能になる。なお、図１０において、ローラ１０の回転数は、図９のデータの中心値から得ることができるとともに、他の測定器によって容易に測定することができる。したがって、図１０において、ピークＳ１０２がローラ１０の回転むらに起因するものであることは容易に判別できるため、残ったピークＳ１０１がねじり振動に起因するものであると判断することができる。

【0041】

一般的に、回転軸１００には、回転方向の振動と、並進方向の振動である軸振動とが生じるが、従来、これらの振動成分を容易に分離することは困難であった。本発明によれば、２つの検出ユニットの測定データを処理することで、軸振動成分を除去し、回転数変動の成分のみを容易に検出することができる。なお、回転軸１００が偏心している場合には、たとえ回転軸１００が一定の回転数で回転していても、ローラ１０と回転軸１００の接触点と、回転軸１００の回転中心との距離が周期的に変化することによって、ローラ１０に回転数変動として影響が生じる。このような場合であっても、本実施形態では、２つの検出ユニットにおいて上記のような回転軸１００の回転数変動の影響が逆になることに着目し、２つの時刻歴信号Ｎ１、Ｎ２を合算することで、回転軸１００の偏心の影響をキャンセルすることができる。この結果、ねじり振動に注目した回転数変動を容易かつ精度良く検出することが可能になる。

【0042】

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図１１、図１２は、本実施形態に係る回転数変動検出装置１の正面図、側面図である。本実施形態においても、図１１、図１２に示すように、２つの検出ユニットが用いられる。すなわち、回転軸１００の上方ではローラ１１（第１ローラ）が回転軸１００の外周面に押し付けられ、回転軸１００の下方ではローラ１０（第２ローラ）が回転軸１００の外周面に押し付けられる。なお、２つのローラ１０は異なる外径を有しており、ローラ１１の外径はローラ１０の外径よりも大きく設定されている。本実施形態においても、上側のローラ１１と同期して回転するエンコーダ２０は、本発明の第１ロータリーエンコーダを構成し、下側のローラ１０と同期して回転するエンコーダ２０は、本発明の第２ロータリーエンコーダを構成する。上側のローラ１１及びこれに連結されるエンコーダ２０は、本発明の第１検出ユニットを構成し、下側のローラ１０及びこれに連結されるエンコーダ２０は、本発明の第２検出ユニットを構成する。

【0043】

本実施形態においても、図１１、図１２に示される２つの検出ユニットが準備され（準備工程）、前記モータによって回転軸１００が回転されると、回転軸１００、各検出ユニットのローラ１０、１１及びエンコーダ２０が同期して回転する（回転工程）。そして、演算処理部３０は、２つのエンコーダ２０からそれぞれ出力される信号を処理することで、ローラ１０、１１の回転周波数成分をそれぞれ除去して、回転軸１００の回転数変動を検出する（検出工程）。以下では、その方法について詳述する。

【0044】

先の第２実施形態のように、高速フーリエ変換によって、時刻歴信号Ｎ１あるいはＮ２のスペクトルを計算すると、ねじり振動や軸振動の周波数のほかに、ローラ１０自身の形状のムラなどの影響で、ローラ１０の回転数の周波数でピークが発生する（図６のピークＳ６３、図８のピークＳ８３、図１０のピークＳ１０２）。ねじり振動をより精度良く検出するためには、これらのローラ１０の回転数の周波数成分を除去することが望ましい。

【0045】

具体的には、まず、Ｎ１時刻歴信号、Ｎ２時刻歴信号のスペクトルをそれぞれ計算すると、０ＨｚのＤＣ成分の値は回転ムラがないときのローラ１０の回転数に相当する。したがって、一方のローラの時刻歴信号において、上記のＤＣ成分の値と合致する周波数周辺の値を他方のローラの測定データで置き換えることで、ねじり振動の周波数成分のみを抽出することができる。この際、２つの検出ユニットにおいてローラの外径が異なるように設定すると、２つのローラの回転数が異なるため、一方の検出ユニットにおいてローラの回転数の周波数を除去した領域を、他方の検出ユニットの測定データで置き換えることが可能になる。

【0046】

上記の方法について、図１３乃至図１７を用いて更に詳しく説明する。図１３は、本実施形態に係る回転数変動検出装置１の上側のローラ１１の時刻歴信号Ｎ１を示すグラフである。図１４は、図１３のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。図１５は、本実施形態に係る回転数変動検出装置１の下側のローラ１０の時刻歴信号Ｎ２を示すグラフである。図１６は、図１５のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。図１７は、図１４及び図１６から各ローラの回転数の周波数成分（回転周波数成分）が除去された様子を示す振幅スペクトルのグラフである。

【0047】

図１３の時刻歴信号Ｎ１を高速フーリエ変換した図１４では、ＤＣ成分すなわち周波数ゼロの領域に上側のローラ１１の回転に相当するピークＳ１４０が現れており、このピークＳ１４０よりも大きな周波数領域に、回転軸１００の軸振動に相当するピークＳ１４１、ねじり振動に相当するピークＳ１４２、上側のローラ１１の回転ムラに相当するピークＳ１４３がそれぞれ現れている。同様に、図１５の時刻歴信号Ｎ２を高速フーリエ変換した図１６では、ＤＣ成分すなわち周波数ゼロの領域に下側のローラ１０の回転に相当するピークＳ１６０が現れており、このピークＳ１６０よりも大きな周波数領域に、回転軸１００の軸振動に相当するピークＳ１６１、ねじり振動に相当するピークＳ１６２、下側のローラ１０の回転ムラに相当するピークＳ１６３がそれぞれ現れている。

【0048】

本実施形態では、ローラ１０、１１の外径が異なることから、図１４及び図１６では、ローラの回転ムラに対応するピークＳ１４３、Ｓ１６３が異なる周波数において発生している。このため、ローラ１１に基づいて取得された図１４のピークＳ１４３の周辺の周波数領域を、ローラ１０に基づいて取得された図１６の同周波数領域のデータで置換することで、図１７に示すようなスペクトル分布を得ることができる。すなわち、図１７では、周波数領域Ａ１においてピークが発生していない。同様に、ローラ１０に基づいて取得された図１６のピークＳ１６３の周辺の周波数領域を、ローラ１１に基づいて取得された図１４の同周波数領域のデータで置換することで、同様に図１７に示すようなスペクトル分布を得ることができる。すなわち、図１７では、周波数領域Ａ２においてもピークが発生していない。なお、上記の方法で図１３、図１５の時刻歴信号Ｎ１、Ｎ２から所定の周波数領域のデータを取り除く（置換する）とともに、先の第２実施形態と同様に、２つのデータの和をとり、半径に応じた補正を行うことで、回転軸１００の回転数変動を検出することができる。

【0049】

以上のように、本実施形態では、ローラ１０、１１が回転軸１００と同期して回転する際に、回転軸１００の回転数変動の周波数以外の領域に、ローラ１０、１１の回転周波数の成分が含まれることに着目し、これらの回転数の成分をねじり振動などの所望の回転数変動の周波数と分離することが可能になる。特に、本発明では、ローラ１０、１１の回転数に応じた周波数成分をデータ処理によって除去し、回転軸１００の振動成分のみを抽出することができる。この結果、ねじり振動に注目した回転数変動を更に精度良く検出することが可能になる。

【0050】

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図１８、図１９は、本実施形態に係る回転数変動検出装置１の正面図、側面図である。本実施形態においても、先の第３実施形態と同様に、２つの検出ユニットが用いられる。すなわち、回転軸１００の上方ではローラ１１（第１ローラ）が回転軸１００の外周面に押し付けられ、回転軸１００の下方ではローラ１０（第２ローラ）が回転軸１００の外周面に押し付けられる。なお、本実施形態は、ローラ１０が回転軸１００の中心を挟んでローラ１１の反対側に配置されている点で、第３実施形態と相違する。その他の構成については、第３実施形態と同様である。

【0051】

本実施形態においても、図１８、図１９に示される２つの検出ユニットが準備され（準備工程）、前記モータによって回転軸１００が回転されると、回転軸１００、各検出ユニットのローラ１０、１１及びエンコーダ２０が同期して回転する（回転工程）。そして、演算処理部３０は、２つのエンコーダ２０からそれぞれ出力される信号を処理することで、ローラ１０、１１の回転周波数成分及び回転軸１００に生じる並進方向の振動成分をそれぞれ除去して、回転軸１００の回転数変動を検出する（検出工程）。以下では、その方法について詳述する。

【0052】

図２０は、本実施形態に係る回転数変動検出装置１の上側のローラ１１の時刻歴信号Ｎ１を示すグラフであり、図２１は、図２０のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。図２２は、本実施形態に係る回転数変動検出装置１の下側のローラ１０の時刻歴信号Ｎ２を示すグラフであり、図２３は、図２２のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。

【0053】

本実施形態において、上側の検出ユニットのローラ１１の半径をＲ１、測定された回転数の時刻歴信号をＮ１とし、下側の検出ユニットのローラ１０の半径をＲ２、測定された回転数の時刻歴信号をＮ２とし、回転軸１００の半径をＲ０とする。

【0054】

上記の時刻歴信号Ｎ１、Ｎ２を回転軸１００の半径に合わせて以下の式４、式５のように補正して、時刻歴信号Ｎ３、Ｎ４を取得する。
Ｎ３＝Ｒ１／Ｒ０×Ｎ１ ・・・（式４）
Ｎ４＝Ｒ２／Ｒ０×Ｎ２ ・・・（式５）

【0055】

上記の時刻歴信号Ｎ３、Ｎ４をそれぞれＦＦＴ解析して得られた振動スペクトルから、時刻歴信号Ｎ３のＤＣ成分（ＤＣ１）、時刻歴信号Ｎ４のＤＣ成分（ＤＣ２）をそれぞれ取得する。なお、当該ＤＣ成分は、図２１の時刻歴信号Ｎ１では周波数ゼロのピークＳ２１０に相当し、図２３の時刻歴信号Ｎ２ではピークＳ２３０に相当する。時刻歴信号Ｎ３、Ｎ４の場合も同様である。

【0056】

次に、時刻歴信号Ｎ３において、上記で取得したＤＣ１に対応する周波数ｆ１周辺の信号をバンドエリミネートフィルタで除去し時刻歴信号Ｎ５を得る。また、時刻歴信号Ｎ４において、周波数ｆ１周辺の信号をバンドパスフィルタで抽出し時刻歴信号Ｎ６を得る。次に、時刻歴信号Ｎ５、Ｎ６の和を取り時刻歴信号Ｎ７を得る。図２４は、本実施形態に係る回転数変動検出装置１における時刻歴信号Ｎ７を示すグラフである。時刻歴信号Ｎ７の導出によって、前述の時刻歴信号Ｎ３からローラ１１の回転数成分を除去することができる。なお、図２１の例では、ピークＳ２１３が上側のローラ１１の回転数成分に相当する。なお、上記のフィルタ処理は、バンドエリミネートフィルタに限定されるものではなく、他のフィルタ処理によるものでもよい。

【0057】

同様に、時刻歴信号Ｎ４において、上記で取得したＤＣ２に対応する周波数ｆ２周辺の信号をバンドエリミネートフィルタで除去し時刻歴信号Ｎ８を得る。また、時刻歴信号Ｎ３において、周波数ｆ２周辺の信号をバンドパスフィルタで抽出し時刻歴信号Ｎ９を得る。次に、時刻歴信号Ｎ８、Ｎ９の和を取り時刻歴信号Ｎ１０を得る。図２５は、本実施形態に係る回転数変動検出装置１における時刻歴信号Ｎ１０を示すグラフである。時刻歴信号Ｎ１０の導出によって、前述の時刻歴信号Ｎ４からローラ１０の回転数成分を除去することができる。なお、図２３の例では、ピークＳ２３３が下側のローラ１０の回転数成分に相当する。

【0058】

更に、以下の式６のように、上記で得られた時刻歴信号Ｎ７、Ｎ１０の和を取るとともに２で割ることで、時刻歴信号Ｎ１１を得る。
Ｎ１１＝（Ｎ７＋Ｎ１０）／２ ・・・（式６）
図２６は、本実施形態に係る回転数変動検出装置１における時刻歴信号Ｎ１１を示すグラフである。時刻歴信号Ｎ７、Ｎ１０の和をとることによって、両者の軸変動の成分が相殺され、時刻歴信号Ｎ１１において回転軸１００の軸振動の成分を除去することができる。なお、図２１ではピークＳ２１１が回転軸１００の軸振動成分に相当し、図２３ではピークＳ２３１が回転軸１００の軸振動成分に相当する。これらの成分は、時刻歴信号Ｎ７、Ｎ１０のＦＦＴ解析結果でも同様に現れる。

【0059】

以上のように、本実施形態によって取得される時刻歴信号Ｎ１１は、回転軸１００の軸振動の周波数成分と、２つのローラ１０、１１の回転周波数成分とが除去された信号となり、ねじり振動によって生じる回転数変動の周波数成分のみを抽出した信号となる。したがって、時刻歴信号Ｎ１１を高速フーリエ変換処理することにより、ねじり振動によって生じる回転数変動の周波数とその大きさを知ることができる。図２７は、図２６の時刻歴信号Ｎ１１のデータをＦＦＴ解析して得られた振幅スペクトルを示すグラフである。図２７の例では、ＤＣ成分すなわち周波数ゼロの領域に回転軸１００の回転に相当するピークＳ２７０が現れており、このピークＳ２７０よりも大きな周波数領域に、ねじり振動に相当するピークＳ２７１のみが現れている。このように、本実施形態では、回転軸１００の軸振動の影響や２つのローラの回転ムラの影響を取り除いたうえで、ねじり振動による回転数変動を精度良く検出することが可能になる。特に、一般的に抽出が難しいねじり振動の成分を容易かつ精度良く検出することが可能になり、回転軸１００の回転系に対する種々の改善策などを容易に講じることが可能になる。

【符号の説明】

【0060】

１ 回転数変動検出装置
１０、１１ ローラ（第１ローラ、第２ローラ）
２０ エンコーダ（ロータリーエンコーダ）
３０ 演算処理部（回転数変動検出部）
１００ 回転軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】