特許 7588755 潤滑状態判定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-14

(45)【発行日】2024-11-22

(54)【発明の名称】潤滑状態判定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/14 20060101AFI20241115BHJP

   G01N 29/02 20060101ALI20241115BHJP

【ＦＩ】

G01N29/14

G01N29/02

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2024502329

(86)(22)【出願日】2022-02-24

(86)【国際出願番号】 JP2022007576

(87)【国際公開番号】W WO2023162083

(87)【国際公開日】2023-08-31

【審査請求日】2024-02-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100116964

【弁理士】

【氏名又は名称】山形 洋一

(74)【代理人】

【識別番号】100120477

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 賢改

(74)【代理人】

【識別番号】100135921

【弁理士】

【氏名又は名称】篠原 昌彦

(74)【代理人】

【識別番号】100203677

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 力

(72)【発明者】

【氏名】荒木 宏

(72)【発明者】

【氏名】辻田 亘

(72)【発明者】

【氏名】保手浜 拓也

(72)【発明者】

【氏名】山田 博之

(72)【発明者】

【氏名】長房 智之

【審査官】小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１９４４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１８１２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平４－２０３５２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／１０８３９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１２７９０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３４７４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１２６４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－７８２８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第４５２８８５２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｈ １／００ － Ｇ０１Ｈ ７／００

Ｇ０１Ｎ ２９／００ － Ｇ０１Ｎ ２９／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸と、前記回転軸を支持する軸受と、互いに向き合う前記回転軸の第１の面と前記軸受の第２の面との間に存在する潤滑油とを有する機器において、前記潤滑油の状態を判定する潤滑状態判定装置であって、
超音波又は音波である音響出力波を送信する送信部と、受信した前記音響出力波の反射波である音響入力波に応じた振幅の信号である第１の信号及び前記回転軸と前記軸受との接触に起因するアコースティックエミッション波の周波数帯の信号である第２の信号を受信する受信部と、を有するセンサと、
前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて前記潤滑油の状態を判定する制御部と
を備える、
ことを特徴とする潤滑状態判定装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記第１の信号の振幅が予め定められた第１の閾値より小さい場合に、前記第２の信号に基づいて前記機器における前記回転軸の回転動作を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の潤滑状態判定装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記第２の信号の振幅が予め定められた第２の閾値以上であるか否かを判定し、
前記判定の結果に基づいて前記機器における前記回転軸の回転動作を制御する、
ことを特徴とする請求項２に記載の潤滑状態判定装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記第２の信号の振幅が前記第２の閾値以上である場合に、前記機器における前記回転軸の回転速度を低下させる又は回転を停止させる、
ことを特徴とする請求項３に記載の潤滑状態判定装置。

【請求項5】

前記制御部は、
前記第１の信号の振幅が予め定められた第１の閾値より小さいか否かを判定する第１の判定と、前記第２の信号の振幅が予め定められた第２の閾値以上であるか否かを判定する第２の判定とを並列に行い、
前記第１の判定の結果及び前記第２の判定の結果に基づいて前記機器における前記回転軸の回転動作を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の潤滑状態判定装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記第１の信号の振幅が前記第１の閾値より小さく且つ前記第２の信号の振幅が前記第２の閾値以上である場合に、前記機器における前記回転軸の回転速度を低下させる又は回転を停止させる、
ことを特徴とする請求項５に記載の潤滑状態判定装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記第１の信号の振幅のピーク値の追跡結果に基づいて前記潤滑油の油膜の厚さを検出する、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の潤滑状態判定装置。

【請求項8】

前記センサは、前記軸受に備えられている、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の潤滑状態判定装置。

【請求項9】

前記センサは、前記回転軸に備えられている、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の潤滑状態判定装置。

【請求項10】

前記センサは、前記回転軸の内部に備えられている、
ことを特徴とする請求項９に記載の潤滑状態判定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、回転軸と軸受との間に存在する潤滑油の状態を判定する潤滑状態判定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

金属材料から形成された部材同士が摺動する部分に存在する潤滑油の状態を判定する装置が知られている。例えば、特許文献１及び非特許文献１を参照。

【0003】

特許文献１の装置は、エンジンのピストンとシリンダとの間に存在する潤滑油の状態を判定する。特許文献１の装置は、ピストンとシリンダとが潤滑油を介さずに接触したときに発生するアコースティックエミッション波を検出する圧電素子を有する。

【0004】

非特許文献１の装置は、超音波を用いて、回転軸と焼結軸受との間に存在する潤滑油の状態を判定する。非特許文献１の装置は、焼結軸受の外周面で反射した超音波の反射波と、回転軸の外周面で反射した超音波の反射波との干渉波を計測することによって、潤滑油の油膜厚を測定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】実開昭６３－１０１８４７号公報

【0006】

【文献】「超音波法による多孔質焼結含油軸受の油膜厚さ測定（温度補正法による測定精度の向上検討）」、設計工学、Ｖｏｌ．５２、Ｎｏ．１２、２０１７、ｐｐ．７３７－７５２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、回転軸と軸受との間に存在する潤滑油の状態は、潤滑油の濃度及び回転軸における表面処理の方法などによって異なるため、特許文献１の装置及び非特許文献１の装置では、潤滑油の状態を正確に判定することが困難であった。

【0008】

本開示は、回転軸と軸受との間に存在する潤滑油の状態の判定精度を向上させることを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の一態様に係る潤滑状態判定装置は、回転軸と、前記回転軸を支持する軸受と、互いに向き合う前記回転軸の第１の面と前記軸受の第２の面との間に存在する潤滑油とを有する機器において、前記潤滑油の状態を判定する潤滑状態判定装置であって、超音波又は音波である音響出力波を送信する送信部と、受信した前記音響出力波の反射波である音響入力波に応じた振幅の信号である第１の信号及び前記回転軸と前記軸受との接触に起因するアコースティックエミッション波の周波数帯の信号である第２の信号を受信する受信部と、を有するセンサと、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて前記潤滑油の状態を判定する制御部とを備える、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、回転軸と軸受との間に存在する潤滑油の状態の判定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態１に係る潤滑状態判定装置の構成及び潤滑状態判定装置の判定対象の機器の構成を概略的に示す構成図である。

【図2】実施の形態１に係る潤滑状態判定装置の構成を示すブロック図である。

【図3】実施の形態１に係る潤滑状態判定装置の構成の他の例を示すブロック図である。

【図4】（Ａ）は、実施の形態１に係る潤滑状態判定装置の制御装置のハードウェア構成の一例を概略的に示す図である。（Ｂ）は、実施の形態１に係る潤滑状態判定装置の制御装置のハードウェア構成の他の例を概略的に示す図である。

【図5】図１及び２に示されるセンサから送信された超音波の反射波による油膜厚の測定原理を説明する説明図である。

【図6】図１に示される回転軸と軸受との間の距離と超音波の強度と潤滑油の膜厚との関係を示す図である。

【図7】図１に示されるセンサから出力されたエコー信号の正常時の基準波形及び異常時の第１の波形を示す図である。

【図8】図１に示されるセンサから出力されたエコー信号の正常時の基準波形及び異常時の第２の波形を示す図である。

【図9】図１に示されるセンサから出力されたエコー信号の正常時の基準波形及び異常時の第３の波形を示す図である。

【図10】図１に示されるセンサから出力されたＡＥ信号の周波数スペクトルを示す図である。

【図11】実施の形態１に係る潤滑状態判定装置の制御装置の処理内容の一例を示すフローチャートである。

【図12】実施の形態２に係る潤滑状態判定装置の構成及び潤滑状態判定装置の判定対象の機器の構成を概略的に示す構成図である。

【図13】実施の形態３に係る潤滑状態判定装置の構成を示すブロック図である。

【図14】実施の形態３に係る潤滑状態判定装置の制御装置の処理内容の一例を示すフローチャートである。

【図15】（Ａ）は、実施の形態３に係る潤滑状態判定装置のセンサから出力されたエコー信号を高速フーリエ変換処理したときの周波数スペクトルを示す図である。（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示される周波数スペクトルのピーク値の追跡結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、本開示の実施の形態に係る潤滑状態判定装置を、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、例にすぎず、実施の形態を適宜組み合わせること及び各実施の形態を適宜変更することが可能である。

【0013】

《実施の形態１》
〈潤滑状態判定装置１００の構成〉
図１は、実施の形態１に係る潤滑状態判定装置１００の構成及び潤滑状態判定装置１００の判定対象の機器５の構成を概略的に示す構成図である。潤滑状態判定装置１００は、回転軸１と軸受２と潤滑油３とを有する機器５において、回転軸１と軸受２との間に存在する潤滑油３の状態（以下、「潤滑状態」とも呼ぶ。）を判定する。潤滑状態判定装置１００は、例えば、回転軸１が軸線Ａｘを中心に回転しているときの潤滑油３の状態を判定する。なお、潤滑状態判定装置１００は、回転軸１が回転していないときの潤滑油３の状態を判定することもできる。

【0014】

図１に示される機器５は、例えば、冷凍サイクル装置（例えば、空気調和装置）に備えられた圧縮機などの回転機械である。軸受２は、例えば、円筒状の滑り軸受（すなわち、ジャーナル軸受）である。潤滑油３は、第１の面としての回転軸１の外周面１ａと第２の面としての軸受２の内周面２ｂとの間に存在している。回転軸１の外周面１ａは、回転軸１と潤滑油３との境界面であり、軸受２の内周面２ｂは、軸受２と潤滑油３との境界面である。なお、軸受２は、滑り軸受に限らず、転がり軸受であってもよく、潤滑状態判定装置１００は、回転軸１と当該転がり軸受との間の潤滑油３の状態を判定してもよい。

【0015】

図２は、実施の形態１に係る潤滑状態判定装置１００の構成を示すブロック図である。図１及び２に示されるように、潤滑状態判定装置１００は、センサ１０と、制御部としての制御装置２０とを有する。

【0016】

センサ１０は、例えば、超音波センサである。実施の形態１では、センサ１０は、軸受２に備えられている。図１に示す例では、センサ１０の一部が、軸受２の内部に固定されている。なお、後述する図１２に示されるように、センサ１０は、回転軸２０１に備えられていてもよい。

【0017】

図２に示されるように、センサ１０は、送信部１１と、受信部１２とを有する。送信部１１及び受信部１２はそれぞれ、圧電素子（例えば、セラミック振動子）を有する。送信部１１は、後述するパルサーレシーバ３１から送信された駆動信号（電圧信号）によって発生した超音波を潤滑油３に向けて送信する。受信部１２は、送信部１１から送信された超音波の反射波の干渉波を受信する。受信部１２は、当該干渉波に応じた振幅の信号をパルサーレシーバ３１に出力する。なお、干渉波については、後述する図５を用いて説明する。

【0018】

図３は、実施の形態１に係る潤滑状態判定装置１００の構成の他の例を示すブロック図である。図３に示されるように、センサ１０は、図２に示される送信部１１及び受信部１２が一体化された送受信部１３を有していてもよい。送受信部１３は、パルサーレシーバ３１から送信された駆動信号によって発生した超音波を潤滑油３に向けて送信し、当該超音波の反射波の干渉波を受信する。

【0019】

制御装置２０は、信号処理部３０と、回転軸制御部４０とを有する。

【0020】

信号処理部３０は、パルサーレシーバ３１と、信号波形処理部３２とを有する。パルサーレシーバ３１は、送信部１１を駆動させる駆動信号を送信し、且つ受信部１２から出力された信号を受信する。信号波形処理部３２は、パルサーレシーバ３１から出力された信号に基づいて潤滑油３（図１参照）の状態を判定する。

【0021】

回転軸制御部４０は、信号波形処理部３２における判定結果に基づいて、機器５における回転軸１（図１参照）の回転動作を制御する。具体的には、信号波形処理部３２が回転軸１と軸受２との間の潤滑状態が正常であると判定した場合には、回転軸制御部４０は、回転軸１の回転を継続させる。一方、信号波形処理部３２が回転軸１と軸受２との間の潤滑状態が不良であると判定した場合には、回転軸制御部４０は、回転軸１の回転速度を低下又は回転軸１の回転を停止させる。なお、潤滑状態が不良であると判定された場合に、回転軸制御部４０は、回転軸１における回転負荷の調整を行ってもよい。

【0022】

図４（Ａ）は、潤滑状態判定装置１００の制御装置２０のハードウェア構成の一例を概略的に示す図である。図４（Ａ）に示されるように、潤滑状態判定装置１００の制御装置２０は、例えば、ソフトウェアとしてのプログラムを格納する記憶装置としてのメモリ２０ａと、メモリ２０ａに格納されたプログラムを実現する情報処理部としてのプロセッサ２０ｂとを用いて（例えば、コンピュータによって）実現することができる。なお、制御装置２０の一部が、図４（Ａ）に示されるメモリ２０ａと、プログラムを実行するプロセッサ２０ｂとによって実現されてもよい。また、制御装置２０は、電気回路によって実現されてもよい。

【0023】

図４（Ｂ）は、潤滑状態判定装置１００の制御装置２０のハードウェア構成の他の例を概略的に示す図である。図４（Ｂ）に示されるように、制御装置２０は、単一回路又は複合回路等の専用のハードウェアとしての処理回路２０ｃを用いて実現されていてもよい。この場合、制御装置２０の機能は、処理回路２０ｃで実現される。

【0024】

〈油膜の厚さの測定〉
次に、図５を用いて、超音波を用いた潤滑油３の油膜の厚さ（以下、「油膜厚Ｌ」と呼ぶ。）の測定について説明する。図５は、図１及び２に示されるセンサ１０から送信された超音波Ｕ１の反射波による油膜厚Ｌの測定原理を説明する説明図である。

【0025】

図５に示されるように、センサ１０から送信された超音波Ｕ１は、軸受２の内部を透過して、軸受２の内周面２ｂで内部反射する。また、超音波Ｕ１は、軸受２及び潤滑油３を透過して、回転軸１の外周面１ａで反射する。図５において、軸受２の内周面２ｂで内部反射した超音波Ｕ１の反射波をＲ１、回転軸１の外周面１ａで反射した超音波Ｕ１の反射波をＲ２とする。図２に示される受信部１２（又は、図３に示される送受信部１３）は、反射波Ｒ１、Ｒ２の干渉波を受信する。なお、センサ１０は、超音波Ｕ１に代えて、例えば、振動数が２０ｋＨｚよりやや小さい音波を送信してもよい。言い換えれば、図２に示される送信部１１は、超音波又は音波である音響出力波を送信し、受信部１２は、音響出力波の反射波である音響入力波を受信する。

【0026】

ここで、超音波Ｕ１の波長（単位：ｍｍ）をλ、軸受２内での音速（単位：ｍ／ｓ）をｃ、駆動周波数（単位：ＭＨｚ）をｆとしたとき、波長λは、以下の式（１）で示される。
λ＝ｃ／ｆ （１）
例えば、音速ｃ＝５６００ｍ／ｓ、駆動周波数ｆ＝２ＭＨｚであるとき、波長λは、２．８ｍｍである。なお、「駆動周波数」とは、図２に示される送信部１１（又は、図３に示される送受信部１３）のセラミック振動子に印加される電圧信号の周波数である。

【0027】

軸受２の強度を十分に確保するために、軸受２の材質が、例えば、鉄であるとき、図５において、軸受２と潤滑油３との境界面である軸受２の内周面２ｂからセンサ１０までの距離（以下、「離隔距離」とも呼ぶ。）は、超音波Ｕ１の１波長以上の距離である。具体的には、離隔距離は、２．８ｍｍ以上である。なお、離隔距離は、機器５の負荷及び軸受２の形状などに応じて、適宜変更してもよい。

【0028】

パルサーレシーバ３１（図２参照）は、受信部１２から出力された反射波Ｒ１、Ｒ２の干渉波に応じた振幅の信号である第１の信号（以下、「エコー信号」とも呼ぶ。）を、信号波形処理部３２に出力する。信号波形処理部３２（図２参照）は、エコー信号に基づいて干渉波の大きさ（強度）を検出し、当該干渉波の大きさに基づいて油膜厚Ｌを測定する。

【0029】

次に、図６を用いて、油膜厚Ｌと干渉波の大きさとの関係について説明する。図６は、油膜厚Ｌと干渉波の大きさとの関係を示すグラフである。図６において、縦軸は、干渉波の波形成分中のピーク値である振幅ピークを示し、横軸は、油膜厚Ｌ（単位：μｍ）を示す。図６において、破線で示されるグラフは、油膜厚Ｌとエコー信号の振幅ピークとの理想的な関係を示す。また、図６に示される複数のプロットはそれぞれ、実際の測定値を示す。

【0030】

図６に示されるように、エコー信号の振幅ピークは、油膜厚Ｌに比例して大きくなる。言い換えれば、油膜厚Ｌが厚ければ振幅ピークは大きく、油膜厚Ｌが薄ければ振幅ピークは小さい。これにより、信号波形処理部３２は、エコー信号の振幅ピークに基づいて、回転軸１と軸受２との間に存在する潤滑油３の状態を判定することができる。

【0031】

〈温度上昇によるエコー信号の変化〉
次に、図７から９を用いて、軸受２及び潤滑油３の温度上昇によるエコー信号の変化について説明する。図７は、図１に示されるセンサ１０から出力された正常時のエコー信号の波形を示す基準波形Ｗ０と、エコー信号の異常時の第１の波形（以下、「第１の異常波形」と呼ぶ。）Ｗ１とを示すグラフである。図７において、基準波形Ｗ０は破線のグラフによって表されていて、第１の異常波形Ｗ１は実線のグラフによって表されている。また、図７、後述する図８及び９において、横軸は、時間（単位：μｓ）を示し、縦軸は、エコー信号の振幅を示す。

【0032】

基準波形Ｗ０は、回転軸１と軸受２との間の油膜厚Ｌが正常であって、且つ軸受２（又は潤滑油３）の温度が３０℃であるときに検出されたエコー信号の波形である。ここで、「油膜厚Ｌが正常」とは、例えば、油膜厚Ｌが予め定められた設定値より厚いことをいう。また、第１の異常波形Ｗ１は、油膜厚Ｌが不良であって潤滑油３の温度が３０℃であるときに検出されたエコー信号の波形である。言い換えれば、第１の異常波形Ｗ１は、油膜厚Ｌが設定値より薄いことで回転軸１に軸受２が接近し、回転軸１及び軸受２の少なくとも一方に焼き付きが発生する前のエコー信号の波形を示す。図７に示されるように、例えば、時間が１．０μｓから３．０μｓまでの範囲内では、第１の異常波形Ｗ１におけるエコー信号の振幅は、基準波形Ｗ０におけるエコー信号の振幅より小さい。

【0033】

図８は、基準波形Ｗ０と、エコー信号の異常時の第２の波形（以下、「第２の異常波形」と呼ぶ。）Ｗ２とを示すグラフである。図９は、基準波形Ｗ０と、エコー信号の異常時の第３の波形（以下、「第３の異常波形」と呼ぶ。）Ｗ３とを示すグラフである。図８に示される第２の異常波形Ｗ２は、油膜厚Ｌが設定値より薄く且つ軸受２（又は潤滑油３）の温度が７０℃であるときに検出されたエコー信号の波形を示す。また、図９に示される第３の異常波形Ｗ３は、油膜厚Ｌが設定値より薄く且つ軸受２（又は潤滑油３）の温度が１２０℃であるときに検出されたエコー信号の波形を示す。図８及び９に示されるように、時間が１．０μｓから３．０μｓまでの範囲内では、第２の異常波形Ｗ２におけるエコー信号の振幅及び第３の異常波形Ｗ３におけるエコー信号の振幅はそれぞれ、基準波形Ｗ０におけるエコー信号の振幅より小さい。

【0034】

また、図７において、第１の異常波形Ｗ１が受信された時点をｔ１、図８において、第２の異常波形Ｗ２が受信された時点をｔ２としたとき、時点ｔ２は時点ｔ１より早い。更に、図９において、第３の異常波形Ｗ３が受信された時点をｔ３としたとき、時点ｔ３は、図８に示される時点ｔ２より早い。これは、超音波Ｕ１が伝搬する媒質中の温度、すなわち、軸受２及び潤滑油３の温度の影響を受けて、超音波Ｕ１の音速ｃが変化したためである。具体的には、軸受２及び潤滑油３の温度が上昇するにつれて、音速ｃは速くなる。そのため、図７から９に示されるように、軸受２及び潤滑油３の温度が上昇するほど、第２の異常波形Ｗ２及び第３の異常波形Ｗ３のそれぞれが、パルサーレシーバ３１に受信された時点が早くなる。

【0035】

このように、軸受２及び潤滑油３の温度上昇によって、超音波Ｕ１の音速ｃが変化する。従来の装置は、例えば、図７に示される第１の異常波形Ｗ１において選択したピーク値を追跡することで、油膜厚Ｌの測定を実現していた。しかしながら、実機において、エコー信号のピーク値を常時追跡することは困難である。また、潤滑油３が枯渇した状態、すなわち、焼き付きが発生する直前の状態では、回転軸１及び軸受２の温度上昇が想定される。この場合、エコー信号の信号強度レベルの低下又はエコー信号の消失が発生するため、油膜厚Ｌの測定が困難である。よって、従来の装置では、エコー信号のみに基づいて焼き付きの予兆があるか否かを判定することが困難である。また、機器５が圧縮機である場合、ガス冷媒によって潤滑油が発泡する可能性があることによっても、エコー信号の信号強度レベルの低下又はエコー信号の消失が発生する。

【0036】

〈焼き付きの予兆の有無の判定〉
次に、潤滑状態判定装置１００において、回転軸１及び軸受２における焼き付きの予兆の有無の判定方法について説明する。一般的に、超音波センサのセラミック振動子は、駆動周波数ｆと同じ共振周波数を持つ。受信感度を高めるために、超音波センサでは、共振周波数と同じ周波数におけるエコー信号が検出される。共振周波数以外の周波数におけるエコー信号は、大きく減衰するため、油膜厚Ｌの測定に用いられていなかった。

【0037】

本願発明者は、セラミック振動子の共振周波数以下の低い周波数帯域に着目した。本願発明者による研究の結果、セラミック振動子の共振周波数以下の低い周波数帯の信号、具体的には、回転軸１と軸受２との接触に起因するアコースティックエミッション波の周波数帯の第２の信号（以下、「ＡＥ信号」とも呼ぶ。）が、超音波センサによって得られることが判明した。すなわち、実施の形態１では、単一のセンサ１０が、エコー信号及びＡＥ信号の両方を受信する。なお、実施の形態１のセンサ１０に備えられたセラミック振動子の共振周波数は、例えば、２ＭＨｚである。

【0038】

図１０は、センサ１０によって検出されたＡＥ信号の周波数スペクトルを示すグラフである。図１０は、センサ１０によって検出されたＡＥ信号にＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理を行った後の解析結果を示す。図１０において、横軸は、周波数（単位：Ｈｚ）を示し、縦軸は、振幅ピークを示す。

【0039】

図１０に示されるように、セラミック振動子の共振周波数２ＭＨｚより低い周波数帯である１００ｋＨｚ周辺、具体的には、２０ｋＨｚ周辺において、軸受２の打音時のＡＥ信号が検出されている。なお、「軸受２の打音時」とは、回転軸１と軸受２とが潤滑油３を介さずに摺動して、音が発生しているときをいう。

【0040】

信号波形処理部３２は、ＡＥ信号を増幅し、特徴量を抽出する。具体的には、信号波形処理部３２は、パルサーレシーバ３１を介してセンサ１０から出力された共振周波数以下の信号（すなわち、ＡＥ信号）をＦＦＴ処理した後に、大きな振幅ピークを持つ周波数を抽出する。

【0041】

信号波形処理部３２は、例えば、ＡＥ信号の振幅が予め定められた第２の閾値である閾値Ｔｈ２以上であるか否かを判定する。これにより、回転軸１と軸受２との間の潤滑油３の枯渇などによって、エコー信号の信号強度レベルの低下又はエコー信号の消失が発生した場合でも、信号波形処理部３２は、ＡＥ信号に基づいて焼き付きの予兆の有無を判定することができる。よって、焼き付きによる機器５の故障を予め防止することができるため、機器５の安全性を向上させることができる。また、潤滑状態判定装置１００は、ＡＥ信号を受信する他のセンサ（例えば、加速度センサ）を設けずに、焼き付きの予兆の有無を判定することができる。よって、潤滑状態判定装置１００における部品点数を削減することができる。なお、信号波形処理部３２は、センサ１０から出力された信号をＦＦＴ処理した後に自己相関処理を行うことで、回転軸１及び軸受２における焼き付きの予兆の有無を判定してもよい。例えば、信号波形処理部３２は、自己相関処理によって算出された自己相関値が閾値より大きい場合に、焼き付きの予兆が有ると判定する。

【0042】

〈制御装置２０の処理内容〉
次に、図１１を用いて、潤滑状態判定装置１００の制御装置２０の処理内容について説明する。図１１は、潤滑状態判定装置１００の制御装置２０の処理内容の一例を示すフローチャートである。

【0043】

先ず、ステップＳＴ１において、信号波形処理部３２は、パルサーレシーバ３１から出力されたエコー信号の振幅（例えば、振幅ピーク）が予め定められた第１の閾値である閾値Ｔｈ１より小さいか否かを判定する第１の判定を行う。信号波形処理部３２は、エコー信号の振幅ピークが閾値Ｔｈ１より小さいと判定した場合（つまり、ステップＳＴ１において、判定がＹｅｓである場合）、処理をステップＳＴ２へ進める。なお、ステップＳＴ１において、信号波形処理部３２は、エコー信号の振幅ピークの積分値が予め定められた閾値以下であるか否かを判定してもよい。

【0044】

ステップＳＴ２において、信号波形処理部３２は、パルサーレシーバ３１から出力された信号のうちＡＥ信号の振幅（例えば、振幅ピーク）が閾値Ｔｈ２以上であるか否かを判定する第２の判定を行う。信号波形処理部３２は、ＡＥ信号の振幅ピークが閾値Ｔｈ２以上であると判定した場合（つまり、ステップＳＴ２において、判定がＹｅｓである場合）、処理をステップＳＴ３へ進める。なお、ステップＳＴ２において、信号波形処理部３２は、ＡＥ信号の振幅ピークの積分値が予め定められた閾値以であるか否かを判定してもよい。

【0045】

ステップＳＴ３において、回転軸制御部４０は、回転軸１の回転速度を低下又は回転軸１の回転を停止させる。これにより、焼き付きによる機器５の故障を予め防止することができるため、機器５の安全性を向上させることができる。

【0046】

なお、信号波形処理部３２は、ステップＳＴ１における第１の判定処理と、ステップＳＴ２における第２の判定処理とを並列に行ってもよい。これにより、信号波形処理部３２は、エコー信号の信号強度レベルの低下又はエコー信号の消失が発生した場合、直ちにＡＥ信号に基づいて潤滑油３の状態を判定することができる。よって、回転軸１及び軸受２の少なくとも一方に焼き付きの予兆が有るか否かを早期に判定することができる。この場合、回転軸制御部４０は、エコー信号の振幅ピークが閾値Ｔｈ１より小さく、且つＡＥ信号の振幅ピークが閾値Ｔｈ２以上である場合に、回転軸１の回転速度を低下又は回転軸１の回転を停止させる。

【0047】

〈実施の形態１の効果〉
以上に説明した実施の形態１によれば、潤滑状態判定装置１００は、エコー信号及びＡＥ信号を受信するセンサ１０と、センサ１０から出力されたエコー信号及びＡＥ信号に基づいて潤滑油３の状態を判定する制御装置２０とを有する。これにより、潤滑油３の枯渇などによってエコー信号の信号強度レベルの低下又はエコー信号の消失が発生した場合であっても、ＡＥ信号に基づいて潤滑油３の状態を判定することができる。言い換えれば、潤滑状態判定装置１００は、エコー信号の振幅ピーク（又は当該振幅ピークの積分値）が０に近い値であっても、ＡＥ信号に基づいて潤滑油３の状態を判定することができる。よって、実施の形態１によれば、潤滑油３の状態の判定精度を向上させることができる。

【0048】

また、実施の形態１によれば、エコー信号の振幅ピーク（又は当該振幅ピークの積分値）が予め定められた閾値Ｔｈ１より小さい場合には、信号波形処理部３２は、センサ１０によって検出された信号のうち、ＡＥ信号を抽出する。これにより、潤滑油３の枯渇などによって、エコー信号の信号強度レベルの低下又はエコー信号の消失が発生した場合でも、制御装置２０は、ＡＥ信号に基づいて回転軸１及び軸受２のうちの少なくとも一方における焼き付きの予兆の有無を判定することができる。

【0049】

また、実施の形態１によれば、制御装置２０は、ＡＥ信号の振幅ピークが閾値Ｔｈ２以上であると判定した場合には、回転軸１の回転速度を低下又は回転軸１の回転を停止させる。これにより、回転軸１及び軸受２の少なくとも一方の焼き付きによる機器５の故障を予め防止することができるため、機器５の安全性を向上させることができる。

【0050】

また、実施の形態１によれば、センサ１０は、軸受２に備えられている。これにより、潤滑油３の枯渇などによって、エコー信号の信号強度レベルの低下又はエコー信号の消失が発生した場合でも、センサ１０は、回転軸１が回転しているときの回転軸１と軸受２との接触に起因するＡＥ信号を検出し易くなる。

【0051】

《実施の形態２》
図１２は、実施の形態２に係る潤滑状態判定装置２００の構成及び潤滑状態判定装置２００の判定対象の機器２０５の構成を概略的に示す構成図である。図１２において、図１に示される構成要素と同一又は対応する構成要素には、図１に示される符号と同じ符号が付される。実施の形態２に係る潤滑状態判定装置２００は、センサ１０が回転軸２０１に備えられている点で、実施の形態１に係る潤滑状態判定装置１００と相違する。これ以外の点については、実施の形態２に係る潤滑状態判定装置２００は、実施の形態１に係る潤滑状態判定装置１００と同じである。そのため、以下の説明では、図２を参照する。

【0052】

実施の形態２では、センサ１０は、機器２０５の回転軸２０１に備えられている。具体的には、センサ１０は、回転軸２０１の内部に備えられている。図１２に示す例では、回転軸２０１は、ｚ軸方向に延びる中空部としての孔２０１ｃが設けられていて、センサ１０は、当該孔２０１ｃに設けられている。これにより、上述した実施の形態１のように、センサ１０が軸受２に取り付けられている構成と比較して、回転軸２０１の内部の全周に亘ってエコー信号及びＡＥ信号を検出することができる。よって、油膜厚Ｌの判定及び焼き付きの予兆の有無の判定を早期に実現することができる。

【0053】

図１２に示されるように、センサ１０が孔２０１ｃに設けられている場合、センサ１０とパルサーレシーバ３１とを繋ぐ信号線は、例えば、スリップリングによって接続されている。なお、孔２０１ｃは、回転軸２０１を軸線Ａｘの方向に貫通していてもよいし、貫通していなくてもよい。また、孔２０１ｃは、回転軸２０１の内部を径方向に延びていてもよい。また、センサ１０は、回転軸２０１の外周面２０１ａに備えられていてもよい。更に、センサ１０は、回転軸２０１の外周面２０１ａに設けられた凹部に埋め込まれていてもよい。

【0054】

〈実施の形態２の効果〉
以上に説明した実施の形態２によれば、センサ１０は、回転軸２０１に備えられている。これにより、潤滑油３の枯渇などによって、エコー信号の信号強度レベルの低下又はエコー信号の消失が発生した場合でも、センサ１０は、回転軸２０１が回転しているときの回転軸２０１と軸受２との接触に起因するＡＥ信号を検出し易くなる。

【0055】

また、実施の形態２によれば、センサ１０は、回転軸２０１の内部に備えられている。これにより、実施の形態１のように、センサ１０が軸受２に備えられている構成（図１参照）と比較して、回転軸２０１内部の全周に亘ってエコー信号及びＡＥ信号を検出することができる。よって、油膜厚Ｌの判定並びに回転軸２０１及び軸受２についての焼き付きの判定を早期に検出することができる。

【0056】

《実施の形態３》
図１３は、実施の形態３に係る潤滑状態判定装置３００の構成を示すブロック図である。実施の形態３に係る潤滑状態判定装置３００は、エコー信号の振幅ピークを追跡することで得られた油膜厚Ｌの時間変化に基づいて潤滑油３の状態を判定する点で、実施の形態１に係る潤滑状態判定装置１００と相違する。これ以外の点については、実施の形態３に係る潤滑状態判定装置３００は、実施の形態１に係る潤滑状態判定装置１００と同じである。そのため、以下の説明では、図１及び５を参照する。

【0057】

図１３に示されるように、潤滑状態判定装置３００は、センサ１０と、制御装置３２０とを有する。なお、実施の形態３のセンサ１０は、上述した図３と同様に、送受信部１３（すなわち、送信部１１及び受信部１２が一体化された構成）を有していてもよい。

【0058】

制御装置３２０は、信号処理部３３０と、回転軸制御部４０とを有する。信号処理部３３０は、パルサーレシーバ３１と、信号波形処理部３２と、増幅部としての可変アンプ３３３と、Ａ／Ｄコンバータ３３４とを有する。

【0059】

ここで、上述した実施の形態１では、油膜厚Ｌとエコー信号の振幅ピークとの相関曲線（図６参照）は、制御装置２０の記憶部（図示せず）に予め記憶されている。しかしながら、機器５（図１参照）では、様々な種類の軸受２が用いられ、軸受２の種類に応じて、上記相関曲線も異なる可能性がある。機器５に用いられる軸受２毎に、相関曲線を取得することは困難である。潤滑状態判定装置３００の信号波形処理部３２は、エコー信号の振幅ピークを追跡することで得られた油膜厚Ｌの時間変化に基づいて、潤滑油３の状態を判定する。

【0060】

〈制御装置３２０の処理内容〉
次に、図１４を用いて、潤滑状態判定装置３００における制御装置３２０の処理内容について説明する。図１４は、潤滑状態判定装置３００の制御装置３２０の処理内容の一例を示すフローチャートである。

【0061】

先ず、ステップＳＴ３０１において、パルサーレシーバ３１は、所定の時間長のエコー信号を受信する。

【0062】

ステップＳＴ３０２において、可変アンプ３３３は、パルサーレシーバ３１から出力されたエコー信号を増幅する。

【0063】

ステップＳＴ３０３において、Ａ／Ｄコンバータ３３４は、ステップＳＴ３０２において増幅されたエコー信号をデジタル信号に変換する。

【0064】

ステップＳＴ３０４において、信号波形処理部３２は、ステップＳＴ３０３においてデジタル信号に変換されたエコー信号のうちの帯域外のノイズを、フィルタリングによって除去する。

【0065】

ステップＳＴ３０５において、信号波形処理部３２は、ノイズ除去されたエコー信号をＦＦＴ処理することにより、エコー信号の周波数スペクトルを取得する。

【0066】

ステップＳＴ３０６において、信号波形処理部３２は、ステップＳＴ３０５において取得された周波数スペクトルのうちの所定の周波数の振幅成分についてのピーク値を追跡する。

【0067】

ここで、ステップＳＴ３０６におけるピーク値の追跡の詳細について説明する。図１５（Ａ）は、図１４に示されるステップＳＴ３０５において取得されたエコー信号の周波数スペクトルを示す図である。図１５（Ａ）において、横軸は周波数を示し、縦軸はＦＦＴ振幅を示す。図１５（Ａ）において、実線で示されるグラフは、第１の時点におけるエコー信号の周波数スペクトルＳ１を示す。また、一点鎖線で示されるグラフは、第１の時点から時間が経過した第２の時点におけるエコー信号の周波数スペクトルＳ２を示す。

【0068】

図１５（Ａ）に示されるように、周波数スペクトルＳ１のピーク周波数ｆｐにおける振幅と、周波数スペクトルＳ２のピーク周波数ｆｐにおける振幅とは、互いに異なる。このように、回転軸１（図１参照）の回転に伴い、周波数スペクトルＳ１、Ｓ２のピーク周波数における振幅が変動する。

【0069】

図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示される周波数スペクトルＳ１、Ｓ２のピーク値の追跡結果を示すグラフである。図１５（Ｂ）において、横軸は時間を示し、縦軸はＦＦＴ振幅のピーク値を示す。ここで、図１５（Ｂ）の縦軸のＦＦＴ振幅のピーク値は、油膜厚Ｌに比例する。そのため、図１５（Ｂ）に示されるグラフは、油膜厚Ｌの時間変化を示す。図１５（Ｂ）に示されるグラフは、回転軸１と軸受２との間の潤滑状態が正常であることを示す。これは、時間が経過するにつれて、ＦＦＴ振幅のピーク値が大きく変化しているためである。

【0070】

一方、回転軸１と軸受２との間の油膜厚Ｌが減少した場合、ＦＦＴ処理後のエコー信号の振幅も減少する。この場合、回転軸１が回転しているときの振幅の大きさが変化しないため、例えば、ＦＦＴ振幅のピーク値が小さい値で且つ当該ピーク値が変化しない、概ね一定の直線のグラフが得られる。このように、周波数スペクトルＳ１、Ｓ２のピーク値の追跡結果によって、小さいピーク値（例えば、閾値より小さいピーク値）が維持されるグラフが得られた場合、信号波形処理部３２は、回転軸１と軸受２との間の油膜厚Ｌが薄く、潤滑状態が不良であると判定する。なお、回転軸１と軸受２との間の油膜厚Ｌが減少した場合、図１５（Ｂ）に示されるグラフは、ＦＦＴ振幅のピーク値が時間変化に伴って徐々に低下するグラフ、又は振幅変化の小さいグラフになる場合もある。

【0071】

図１４に戻って、ステップＳＴ３０７以降の処理内容について説明する。ステップＳＴ３０７において、信号波形処理部３２は、ピーク値の追跡結果を示す波形信号を記録する。

【0072】

ステップＳＴ３０８において、所定の時間記録された波形信号から特徴量を抽出する。ここで、ステップＳＴ３０８における「特徴量」は、例えば、上述したステップＳＴ３０５のＦＦＴ処理によって得られたＦＦＴ振幅のピーク値、当該ピーク値を規格化した値、当該ピーク値を時間微分した値、又は当該ピーク値を時間積分した値などである。

【0073】

ステップＳＴ３０９において、信号波形処理部３２は、ステップＳＴ３０８において抽出された特徴量を、機器５の情報を示す機器情報と共にデータベースに保存する。なお、機器情報とは、例えば、回転軸１、軸受２及び潤滑油３の種類などを示す情報、並びに機器５の品番などを示す情報である。

【0074】

ステップＳＴ３１０において、信号波形処理部３２は、ステップＳＴ３０９においてデータベースに保存された情報を機械学習する。なお、ステップＳＴ３０９及びＳＴ３１０の処理は、省略されてもよい。

【0075】

ステップＳＴ３１１において、信号波形処理部３２は、ステップＳＴ３０６において追跡されたＦＦＴ振幅のピーク値の変化に基づいて、回転軸１と軸受２の間の潤滑状態の良否、言い換えれば、機器５における回転の品質の良否についての判定を行う。なお、ステップＳＴ３１１において、信号波形処理部３２は、回転軸１及び軸受２の少なくとも一方についての焼き付きの有無を判定してもよい。

【0076】

なお、上述したステップＳＴ３１０における特徴量の抽出は、ステップＳＴ３０６におけるピーク値の追跡と同時に行われてもよい。また、ステップＳＴ３０６におけるピーク値の追跡は、１つのピーク値、言い換えれば、図１５（Ａ）に示される周波数スペクトルＳ１、Ｓ２のそれぞれの極大点Ｐ１、Ｐ２を追跡するのではなく、１つの周波数スペクトルにおける複数のピーク値を追跡してもよい。また、図１４に示される処理において、油膜厚Ｌを測定するためのエコー信号が検出されなかった場合及びＡＥ信号が検出されなかった場合、信号波形処理部３２は、回転軸１と軸受２との間の潤滑状態が不良である又はセンサ１０が異常であると判定してもよい。この場合、回転軸制御部４０は、回転軸１の回転を停止してもよい。

【0077】

〈実施の形態３の効果〉
以上に説明した実施の形態３によれば、信号波形処理部３２は、エコー信号の振幅ピーク値の追跡結果に基づいて、回転軸１と軸受２との間の油膜厚Ｌを検出する。これにより、油膜厚Ｌとエコー信号の振幅ピークとの相関を示す相関曲線の事前取得が困難であっても、当該潤滑油３の状態を判定することができる。

【0078】

また、実施の形態３によれば、信号波形処理部３２は、軸受２及び潤滑油３の温度変化に伴う超音波Ｕ１（図５参照）の音速ｃの変化に追従した判定を行うことができる。よって、信号波形処理部３２は、回転軸１と軸受２との間に存在する潤滑油３の状態の判定を、広い温度範囲で実現することができる。

【符号の説明】

【0079】

１、２０１ 回転軸、 １ａ、２０１ａ 外周面（第１の面）、 ２ 軸受、 ２ｂ 内周面（第２の面）、 ３ 潤滑油、 ５、２０５ 機器、 １０、２１０ センサ、 １１ 送信部、 １２ 受信部、 １３ 送受信部、 ２０、３２０ 制御装置、 ２０ａ メモリ、 ２０ｂ プロセッサ、 ２０ｃ 処理回路、 ３０、３３０ 信号処理部、 ３１ パルサーレシーバ、 ３２ 信号波形処理部、 ４０ 回転軸制御部、 １００、２００、３００ 潤滑状態判定装置、 ２０１ｃ 孔、 ３３３ 可変アンプ、 ３３４ Ａ／Ｄコンバータ、 Ａｘ 軸線、 Ｌ 油膜厚、 Ｒ１、Ｒ２ 反射波、 Ｓ１、Ｓ２ 周波数スペクトル、 Ｔｈ１、Ｔｈ２ 閾値、 Ｕ１ 超音波、 Ｗ０ 基準波形、 Ｗ１ 第１の異常波形、 Ｗ２ 第２の異常波形、 Ｗ３ 第３の異常波形。

【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】