JP2008019933A - センサ付軸受装置及び軸受システム - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで構成でき、且つ軸に加わる荷重と軸の回転数とを同時に計測することが可能なセンサ付軸受装置を提供する。
【解決手段】内輪と外輪及び両者の間に介在された転動体からなる軸受を有し、内輪と外輪のいずれか一方が回転輪で他方が静止輪であり、転動体又はその保持器の公転速度を検出するための第１のセンサと回転輪の回転速度を検出するための第２のセンサとを備え、且つ、第１及び第２のセンサが回転輪と静止輪との間の空間内に配置された構成とする。また、第１のセンサからの検出信号に基づき、回転輪と静止輪との間に加わるアキシアル荷重を算出する信号処理部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受装置、機械装置や工作機械のスピンドル等の運転状態を検出するためのセンサを有するセンサ付軸受に関し、特に、荷重検知専用のセンサを設けることなく、軸の回転数やアキシアル荷重を検出可能としたセンサ付軸受装置及び軸受システムに関する。

従来、内輪あるいは外輪と一体化された回転部材の回転数を検知するためのセンサ付軸受としては、例えば特許文献１で開示されたものがある。

図６は、特許文献１に開示されているセンサ付軸受を示す軸方向（軸受の回転軸Ｘ−Ｘ線方向）の断面図である。このセンサ付軸受は、静止輪１１０と、回転輪１１１と、両者の間に転動自在に配設され、保持器１３１によって一定の距離を分離して維持される玉（複数）の列１１２と、回転運動の測定センサ１２１と、保持部材１２２によって回転輪１１１に固設されるホニックホイール（例えば多極磁石）１２０とを備えている。測定センサ１２１は、静止輪１１０と回転輪１１１との相互の運動を測定するためのセンサであり、環状センサキャリヤ１２３内に収容されて保持装置１２４によって保持されている（特許文献１を参照）。

このように、２つの相対的に回転する軌道輪の相互の運動を測定するセンサ付軸受は、静止輪である外輪に保持部材を介して検出センサを取り付け、回転輪である内輪に被検出部材として多極磁石を設けている。そして、検出センサは、一般的にセンサハウジング（図６の例では環状センサキャリヤ１２３）に収納され、且つカバーに保持されるようになっている。
特開平７−３１１２１２号公報

ところで、図６に示した従来構造の場合、軸に対して平行方向に加わるアキシアル荷重（スラスト加重とも言う）を測定しようとした場合、別途荷重センサを設ける必要がある。そのため、荷重センサを設置するための新たなスペースが必要となる。また荷重センサは非常に高価であるため、システム全体のコストアップは避けられない。このように、従来の軸受は、アキシアル荷重の測定には荷重センサが必要であり、センサ機器の設置スペースの増加やコストアップとなる問題点があった。

本発明は上述のような事情から成されたものであり、本発明の目的は、低コストで構成でき、且つ軸に加わる荷重と軸の回転数とを同時に計測することが可能なセンサ付軸受装置を提供することにある。

本発明は、アキシアル荷重を測定することが可能なセンサ付軸受装置及び軸受システムに関するものであり、本発明の上記目的は、センサ付軸受装置に関しては、いずれか一方が回転輪で他方が静止輪である内輪と外輪、及び両者の間に介在された転動体を有する軸受部を備えたセンサ付軸受装置であって、被検出体の回転速度を測定すると同時に前記回転輪と前記静止輪との間に加わるアキシアル荷重を測定するためのセンサとして、前記転動体又はその保持器の公転速度を検出する第１のセンサと、前記回転輪の回転速度を検出する第２のセンサとを備えることによって達成される。

さらに、前記第１及び第２のセンサからの検出信号に基づいて前記アキシアル荷重を算出する信号処理部を有すること、前記信号処理部は、前記第１及び第２のセンサからの検出信号を基に得た前記公転速度と前記回転輪の回転速度との比から前記アキシアル荷重を算出すること、前記第１及び第２のセンサを少なくとも含む２個以上のセンサを組み合わせたセンサ群を備えること、前記第１及び第２のセンサは、前記外輪の内周面と前記内輪の外周面と前記転動体のアキシアル方向での上下の面との間に形成される２つの環状空隙部のうちの一方の空隙部分に配置されていること、前記第１及び第２のセンサは、前記外輪の内周面と前記内輪の外周面と前記転動体のアキシアル方向での上下の面との間に形成される２つの環状空隙部のそれぞれの空隙部分に配置されていること、によってそれぞれ一層効果的に達成される。

さらに、前記第１のセンサは、前記保持器に固設されたエンコーダ、多極着磁して成る前記保持器、及び磁性材製の前記転動体のいずれかを前記公転速度検出用の被検出部としていること、前記第２のセンサは、前記回転輪の外周面端部に形成された切欠部分に配置されていること、前記第２のセンサの検出部と被検出部は、アキシアル方向又はラジアル方向に対向させて前記切欠部分に設置されていること、によってそれぞれ一層効果的に達成される。

また、軸受システムに関しては、上記構成要件を有するセンサ付軸受装置を、回転対象物の軸を支持する２つの軸受部のうちの一方に備えることによって達成される。あるいは、上記構成要件を有するセンサ付軸受装置を、回転対象物の軸を支持する２つの軸受部の両方に備えることによって達成される。

本発明によれば、２つの回転速度（公転速度と回転速度）を測定することにより、荷重センサを用いることなく、アキシアル荷重を類推することが可能となる。また、アキシアル荷重と軸の回転数若しくは回転速度とを同時に計測可能な、マルチセンシング機能を有するセンサ付軸受装置を低コストで提供することができる。さらに、回転輪と前記静止輪との間の空間外にセンサ用の広い設置スペースを設けることなく、アキシアル荷重を測定することが可能となる。

（第１の実施形態）
図１は本発明に係るセンサ付軸受装置の第１の実施形態における構成例を示す一部断面構造図である。本発明のセンサ付軸受装置は、鉄道車両や自動車、船舶などの乗物全般に使用される軸受、機械装置や工作機械のスピンドル等の各種軸受に適用可能であるが、以下、車両用の軸受に適用した場合を例として説明する。なお、車両以外の場合でも構成は同様である。

図１において、センサ付軸受装置の軸受部は、車体側ハウジングに内嵌された外輪（静止輪）１１と、車軸に外嵌されて該車軸とともに回転する内輪１２と、外輪１１と内輪１２との間に転動自在に配設された複数の転動体（ボール又はころ）１３と、各転動体１３を内輪軌道と外輪軌道との間に転動自在に保持する保持器１４とを備えている。

上記保持器１４は、センサ付軸受装置の使用時には、軸の中心の周りを公転する各転動体１３の公転速度と同一速度で内輪１２の周囲を公転する。

本発明に係るセンサ付軸受装置は、センサとしては、転動体１３若しくは保持器１４の公転速度を検出するための公転速度検出用センサ２１（以下「公転数検出センサ」とする）と、回転輪（本例では内輪１２）の回転速度を検出するための回転速度検出用センサ２２（以下「回転数検出センサ」とする）とを備え、軸の回転に伴う公転数検出センサ２１からの公転数検出信号と回転数検出センサ２２からの回転数検出信号とを同時に検出し、内輪１２と外輪１１との間にアキシアル荷重が負荷された際に、それらの検出信号を基にアキシアル荷重を測定可能としている。すなわち、公転速度検出用センサ２１と回転数検出センサ２２の一対は、被検出体の回転速度を測定すると同時に、内輪１２と外輪１１との間に加わるアキシアル荷重を測定するためのセンサとして機能する。

公転数検出センサ２１は、転動体１３又は保持器１４の公転数を検出する検出部としての検出素子２１ａと、被検出部としてのエンコーダ２１ｂとを有している。そして、本実施の形態においては、保持器１４側にエンコーダ２１ｂを固設し、アキシアル方向に対向設置された検出素子２１ａにより、転動体１３又は保持器１４（若しくは両者）の公転数を検出する構成としている。

一方、回転数検出センサ２２は、回転輪の回転数を検出する検出部としての検出素子２２ａと、被検出部としてのエンコーダ２２ｂとを有している。そして、エンコーダ２２ｂを回転輪側に固設、詳しくは、回転輪である内輪１２の外周面端部に形成された切欠部分（図１中の段部１２ａ）に固設し、アキシアル方向に対向設置された検出素子２２ａにより、回転輪（本例では内輪１２）の回転数を検出する構成としている。

本例では、上記検出センサ２１、２２の検出素子２１ａ、２２ａとしては磁気感応センサを使用し、エンコーダ２１ｂ、２２ｂとしては多極磁石を使用している。そして、磁気感応センサ２１ａ、２２ａと多極磁石２１ｂ、２２ｂとをそれぞれ回転輪１２と静止輪１１との間の空間内（本例では、且つセンサハウジングの底面部と転動体との間の空間内）に配置した構成としている。また、検出素子２１ａ、２２ａはそれぞれ電子回路基板２３に実装されており、基板２３から引き出されたケーブル２４を介して外部の制御系に信号を出力する構成としている。

電子回路基板２３そのものは、図１に示すように、センサ実装部の面が転動体１３側に露出するように、環状のセンサハウジング２５の底面部に固設され、更に、センサカバー２６に結合固定される。また、センサカバー２６は静止輪（本例では外輪１１）に結合固定される。なお、電子回路基板はセンサ実装部の面が必ずしも転動体側に露出している必要はなく、センサハウジングを成形する際に一体成形して基板をセンサハウジング内にモールドしてしまうなど適宜形態を選ぶことができる。

本実施の形態では、公転数検出センサ２１からの検出信号に基づいて回転輪と静止輪との間に加わるアキシアル荷重を算出するための演算器を、検出センサ２１，２２の信号処理部である電子回路基板２３に搭載している。そして、外部の制御系には、例えば、上記アキシアル荷重を示す信号と検出対象（軸、軸に連結される回転対象物等）の回転速度を示す信号、あるいは、それらの信号を基に生成した軸受部の異常診断結果等を示す信号を送出する形態としている。なお、アキシアル荷重の算出処理を外部の制御系で実行する形態としても良く、ケーブル２４に接続される別の演算器で実行する形態としても良い。

ここで、アキシアル荷重の算出方法について説明する。

回転輪１２と静止輪１１との間にアキシアル荷重が加わると、転動体１３の接触角が変化し、それに伴い転動体１３の公転数も変化する。そのため、転動体１３の公転速度を測定することで速度比（＝転動体１３の公転速度／回転輪１２の回転速度）を求めることができ、その速度比の変化からアキシアル荷重を算出することができる。従って、信号を受け取る演算器で読取可能な記録媒体に、予め速度比と荷重の変化との関係を示す情報を記録しておけば、その情報を基にアキシアル荷重を算出することができる。

なお、本実施の形態では、保持器１４と一体となった多極磁石から成るエンコーダ２１ｂの公転数を、ホールＩＣなどの磁気感応センサ２１により検出する構成としているが、磁性材製の転動体１３を備えて転動体１３の公転数を直接検出する構成としても構わない。また、公転数、回転数共に多極磁石と磁気感応センサによる検出方式を示したが、公転数、回転数を検出できれば、検出方式は問わない。例えば、磁気式エンコーダの代わりに歯車等から成る機械式エンコーダを用いる、光学式エンコーダを用いるなど、検出方式はどのような方式であっても良い。さらに、本例では公転数と回転数の検出方式が同じものを示したが、両者異なる検出方式であっても構わない。また保持器１４そのものを磁性プラスチックとして、多極着磁しても良い。
（第１の実施形態の変形例）
図２は、第１の実施形態の変形例を示す一部断面構造図であり、図１に示した第１の実施形態と同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。

図１に示したセンサ付軸受装置は、回転数検出の方向をアキシアル方向にした場合を例示したが、図２に示すセンサ付軸受装置は、回転数検出の方向をラジアル方向にした場合の例である。本例では、図２中に示すように、回転数検出センサ２２’の検出素子２２ａ’とエンコーダ２２ｂ’とをラジアル方向に対向させて、回転輪の回転数を計測する形態としている。図１と図２の構成を比較して、センサ付軸受装置としての機能の違いはなく、アプリケーションの特性等を考慮してどちらを適用しても良い。
（第２の実施形態）
図３は本発明に係るセンサ付軸受装置の第２の実施形態における構成例を示す一部断面構造図であり、図１に示した第１の実施形態と同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態は、第１の実施形態の様に、片端（詳しくは、外輪１１の内周面と、内輪１２の外周面と、転動体１３のアキシアル方向での上下の面との間に形成される２つの環状空隙部のうちの一方の空隙部分）に、回転数検出センサ２２と公転数検出センサ２１の両方を収めるのが難しい場合、回転数検出センサ２２”の検出素子２２ａ”及びエンコーダ２２ｂ”と、公転数検出センサ２１の検出素子２１ａ及びエンコーダ２１ｂを、図３に示すように両端（図３では上下の空隙部分）に設けた構造とすることも可能である。このような構造であっても、回転数検出と荷重検出に支障はなく、第１の実施形態と比べて機能が変わることもない。

なお、本例では回転数及び公転数をアキシアル方向で検出しているが、どちらか一方をラジアル方向、もう一方をアキシアル方向といった組み合わせの検出方式でも構わない。

以下に、本発明に係るセンサ付軸受装置を適用したシステムの例を示す。
（第１の適用例）
図４は、第１、第２の実施形態に示したセンサ付軸受装置を減速機構に適用したシステムの第１の例を示す模式図である。

本例は、回転対象物１の回転軸２を支持する片側に、本発明のセンサ付軸受装置１０を適用した例である。図４に示される軸受システムは、回転対象物１の回転軸２の端部に取付けた従動プーリ３ａと、動力源であるモータ４の回転軸に固定した駆動プーリ３ｂとをベルト３ｃを介して連結して成る減速機構３を備えており、回転対象物１は、減速機構３を介して回転軸２の周りに回転駆動される。

上記センサ付軸受装置１０は、回転軸２の回転数と回転軸２に加わるアキシアル荷重を同時に測定することができる。

回転対象物１からアキシアル荷重が入力された場合、左右いずれの方向の荷重に係わらず測定することができる。なお、本例のように軸受２個を使用した場合、図４の左側（回転対象物１側）の軸受にセンサ付軸受装置１０を適用した形態としているが、アプリケーションの特性に応じて、どちらにも適用することができる。

また、本例では軸が横（例えば地面に対し平行）になっているが、縦（例えば地面に対し垂直）にした場合でも荷重を測定することができる。
（第２の適用例）
図５は、第１の適用例においてセンサ付軸受装置を２組組み合わせたシステムの例を示しており、同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、センサ付軸受装置１０を２組適用した場合、両方の速度比（公転速度と回転速度との比）の差を求めて、アキシアル荷重の算出値を補正することで、予圧等の影響を抑えることができる。すなわち、アキシアル荷重の測定精度をより向上させることができる。また公転速度比の和を求めることでアキシアル荷重の測定精度を一層向上させる効果を得ることができる。また、センサ付軸受装置１０を図５の例のように対向させて組み合わせるだけでなく、同一方向で組み合わせても良い。なお、本例においては、各ケーブル２４に接続される演算器又は外部の制御系で、アキシアル荷重の算出処理などが実行される。

以上のように、荷重と回転数を測定できるセンサ付軸受装置を用いることで、別途回転センサや荷重センサを用意する必要がなくなるので、スペースの向上を図ることができる。また、荷重センサは高価なため、本発明のセンサ付軸受装置を用いることでコスト低減を図ることができる。

なお、上述した実施の形態においては、深溝玉軸受を図示して説明したが、アンギュラ玉軸受等の軸受にも適用することができる。また単列だけでなく、複列の軸受にも適用することができる。また、回転速度検出用センサと公転速度検出用センサとを組み合わせたものを記載したが、これらの速度検出用センサを少なくとも含む２個以上のセンサを組み合わせた構成、例えば、アプリケーションの特性に応じて、温度センサや振動センサ等を組み合わせた構成としても良い。また、回転輪が内輪の場合を例とて説明したが、本発明のセンサ付軸受装置は、内輪回転の軸受だけでなく、外輪回転の軸受にも適用することができる。また、上述した実施の形態においては、回転速度と公転速度を検出するためのセンサとして、回転数検出センサと公転数検出センサを用いる場合を例として説明したが、速度検出用センサとしては、変位，角度，速度，加速度など、回転速度の測定が可能なセンサであれば良く、いずれのセンサを用いたものも本発明に含まれる。

本発明に係るセンサ付軸受装置の第１の実施形態における構成例を示す一部断面構造図である。 第１の実施形態の変形例を示す一部断面構造図である。 本発明に係るセンサ付軸受装置の第２の実施形態における構成例を示す一部断面構造図である。 本発明に係るセンサ付軸受装置を減速機構に適用したシステムの第１の適用例を示す模式図である。 本発明に係るセンサ付軸受装置を減速機構に適用したシステムの第２の適用例を示す模式図である。 従来のセンサ付軸受装置の一例を示す軸方向断面図である。

符号の説明

１ 回転対象物
２ 軸
３ 減速機構
４ 動力源（モータ）
１０ センサ付軸受装置
１１ 外輪（静止輪）
１２ 内輪（回転輪）
１２ａ 段部（切欠部）
１３ 転動体
１４ 保持器
２１ 公転速度検出用センサ
２１ａ 検出素子
２１ｂ エンコーダ
２２，２２’，２２” 公転速度検出用センサ
２２ａ，２２ａ’，２２ａ”， 検出素子
２２ｂ，２２ｂ’，２２ｂ”， エンコーダ
２３，２３ａ，２３ｂ 電子回路基板
２４ ケーブル
２５ センサハウジング
２６ センサカバー

Claims (11)

1. いずれか一方が回転輪で他方が静止輪である内輪と外輪、及び両者の間に介在された転動体を有する軸受部を備えたセンサ付軸受装置であって、被検出体の回転速度を測定すると同時に前記回転輪と前記静止輪との間に加わるアキシアル荷重を測定するためのセンサとして、前記転動体又はその保持器の公転速度を検出する第１のセンサと、前記回転輪の回転速度を検出する第２のセンサとを備えたことを特徴とするセンサ付軸受装置。
2. 前記第１及び第２のセンサからの検出信号に基づいて前記アキシアル荷重を算出する信号処理部を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ付軸受装置。
3. 前記信号処理部は、前記第１及び第２のセンサからの検出信号を基に得た前記公転速度と前記回転輪の回転速度との比から前記アキシアル荷重を算出することを特徴とする請求項２に記載のセンサ付軸受装置。
4. 前記第１及び第２のセンサを少なくとも含む２個以上のセンサを組み合わせたセンサ群を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ付軸受装置。
5. 前記第１及び第２のセンサは、前記外輪の内周面と前記内輪の外周面と前記転動体のアキシアル方向での上下の面との間に形成される２つの環状空隙部のうちの一方の空隙部分に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサ付軸受装置。
6. 前記第１及び第２のセンサは、前記外輪の内周面と前記内輪の外周面と前記転動体のアキシアル方向での上下の面との間に形成される２つの環状空隙部のそれぞれの空隙部分に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサ付軸受装置。
7. 前記第１のセンサは、前記保持器に固設されたエンコーダ、多極着磁して成る前記保持器、及び磁性材製の前記転動体のいずれかを前記公転速度検出用の被検出部としていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のセンサ付軸受装置。
8. 前記第２のセンサは、前記回転輪の外周面端部に形成された切欠部分に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のセンサ付軸受装置。
9. 前記第２のセンサの検出部と被検出部は、アキシアル方向又はラジアル方向に対向させて前記切欠部分に設置されていることを特徴とする請求項８に記載のセンサ付軸受装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のセンサ付軸受装置を、回転対象物の軸を支持する２つの軸受部のうちの一方に備えた軸受システム。
11. 請求項１乃至９のいずれかに記載のセンサ付軸受装置を、回転対象物の軸を支持する２つの軸受部の両方に備えた軸受システム。

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