JP2007183105A - ころ軸受転動体軸方向ひずみ検出方法、及びころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ころ軸受の転動体（ころ）自体のひずみを検出する方法及び装置を提供する。
【解決手段】公転センサ２３と、サーボモータ制御回路２４と、サーボモータ１５と、第１光ファイバロータリージョイント２１と、第２光ファイバロータリージョイント２２は、検出対象転動体とともに転がり自転運動するとともに公転運動する光ファイバひずみセンサ部３と、不動位置に設置されたレーザ光源及び受光部との間でレーザ光を授受できるようにし、転動体（ころ）８が公転及び自転の転動運動を行っている場合においても、転動体８の転動体軸方向ひずみを出力させることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ころ軸受の転動体（ころ）の軸方向のひずみを検出する方法に関するものである。

従来、ころ軸受に力が作用した場合に、転動体（ころ）の軸方向のひずみを検出する方法としては、有限要素法を用いて計算する方法が知られている。

また、転動体（ころ）そのものではないが、転動体（ころ）を収容し保持する部材、例えば外輪又は内輪などにひずみゲージを貼り付けて、ひずみを検出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、ひずみゲージが検出した電気出力信号を、無線によって外部に送信し、回転中の実際のころ軸受の内輪などのひずみを検出することができる。

しかし、ころ軸受の転動体（ころ）自体のひずみを検出する方法については、有効な方法が無く、その開発が要請されている。
特開２００４−３６０１号公報

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、本発明の解決しようとする課題は、ころ軸受の転動体（ころ）自体のひずみを検出する方法及び装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係るころ軸受転動体軸方向ひずみ検出方法は、
大径で略円環状の外輪と、当該外輪よりも小径の略円環状で当該外輪の内側に配設される内輪と、平面図形をある直線である転動中心線のまわりに回転させて形成した立体である回転体をなし前記外輪と内輪の間に形成される略円環状の軌道空間内に封入配置され前記軌道空間内で前記転動中心線を中心とする転がり運動を行う複数の転動体と、当該転動体を部分的に取り巻くとともに前記軌道空間で隣接する前記転動体どうしの間隔を略一定に保持する保持器類を有するころ軸受が、機械要素を静的に支持するときの前記転動体の転動中心線の方向のひずみである転動体軸方向ひずみを検出する方法であって、
レーザ光源と、光ファイバからなり一端が当該レーザ光源に光学的に接続し入射したレーザ光を受け入れ前方へ伝達する往路部と、取付端が前記往路部の他端に光学的に接続して前記レーザ光を受け入れ反射するとともにひずみを検出する光ファイバひずみセンサ部と、光ファイバからなり一端が前記光ファイバひずみセンサ部の取付端に光学的に接続するとともに他端が受光部に光学的に接続し前記レーザ光を受け入れ前記受光部に伝達する復路部と、光検出素子を含み前記復路部から伝達されたレーザ光を受光し電気信号に変換して出力する受光部と、当該受光部が受光したレーザ光と前記入射したレーザ光との間の波長情報変化に基づき前記光ファイバひずみセンサ部でのひずみを出力する信号処理部を用い、
ひずみを検出しようとする転動体である検出対象転動体の前記転動中心線に沿うようにして前記光ファイバひずみセンサ部を挿入配置し、前記信号処理部の出力に基づいて前記転動体の転動体軸方向ひずみを出力させること
を特徴とする。

また、本発明の請求項２に係るころ軸受転動体軸方向ひずみ検出方法は、
大径で略円環状の外輪と、当該外輪よりも小径の略円環状で当該外輪の内側に配設される内輪と、平面図形をある直線である転動中心線のまわりに回転させて形成した立体である回転体をなし前記外輪と内輪の間に形成される略円環状の軌道空間内に封入配置され前記軌道空間内で前記転動中心線を中心とする転がり運動を行う複数の転動体と、当該転動体を部分的に取り巻くとともに前記軌道空間で隣接する前記転動体どうしの間隔を略一定に保持する保持器類を有するころ軸受が、前記転動体に公転と自転からなる転がり運動を行わせながら回転機械要素を支持するときの前記転動体の転動中心線の方向のひずみである転動体軸方向ひずみを検出する方法であって、
レーザ光源と、光ファイバからなり一端が当該レーザ光源に光学的に接続し入射したレーザ光を受け入れ前方へ伝達する往路部と、取付端が前記往路部の他端に光学的に接続して前記レーザ光を受け入れ反射するとともにひずみを検出する光ファイバひずみセンサ部と、光ファイバからなり一端が前記光ファイバひずみセンサ部の取付端に光学的に接続するとともに他端が受光部に光学的に接続し前記レーザ光を受け入れ前記受光部に伝達する復路部と、光検出素子を含み前記復路部から伝達されたレーザ光を受光し電気信号に変換して出力する受光部と、当該受光部が受光したレーザ光と前記入射したレーザ光とのとの間の波長情報変化に基づき前記光ファイバひずみセンサ部でのひずみを出力する信号処理部を用い、
ひずみを検出しようとする転動体である検出対象転動体の前記転動中心線に沿うようにして前記光ファイバひずみセンサ部を挿入配置しておき、
検出対象転動体とともに転がり自転運動するとともに公転運動する前記光ファイバひずみセンサ部と、不動位置に設置された前記レーザ光源及び受光部との間でレーザ光を授受する転動時レーザ光伝達手段を配設し、
前記信号処理部の出力に基づいて前記転動体の転動体軸方向ひずみを出力させること
を特徴とする。

また、本発明の請求項３に係るころ軸受転動体軸方向ひずみ検出方法は、
請求項２記載のころ軸受転動体ひずみ検出方法において、
前記転動時レーザ光伝達手段は、
公転する保持器類又は転動体の公転回転速度を検出する公転センサと、
回転駆動手段と、
当該公転センサからの出力に基づき、前記公転する保持器類又は転動体の公転回転速度と等しい回転速度で前記回転駆動手段を回転させるように制御する回転制御手段と、
前記回転駆動手段によって回転駆動される回転部材と、
前記回転部材上で前記検出対象転動体と対応する位置に配置されるとともに、前記検出対象転動体とともに自転する光ファイバひずみセンサ部との間でレーザ光を授受する第１光ファイバロータリージョイントと、
前記回転部材の回転中心線上の位置に配置されるとともに、前記回転部材と不動位置との間でレーザ光を授受する第２光ファイバロータリージョイントを
有すること
を特徴とする。

また、本発明の請求項４に係るころ軸受転動体軸方向ひずみ検出方法は、
請求項１又は２記載のころ軸受転動体ひずみ検出方法において、
前記転動体は、略円柱状又は略樽状若しくは略円錐台形状に形成された立体であること
を特徴とする。

また、本発明の請求項５に係るころ軸受転動体軸方向ひずみ検出方法は、
請求項１又は２記載のころ軸受転動体ひずみ検出方法において、
前記光ファイバひずみセンサ部は、キャビティ長をはさんで、ハーフミラーとミラーが対向するように配置され、ファブリ・ペロ干渉計の原理により、入射光と反射光の間の波長変調を検出することにより前記キャビティ長を測定すること
を特徴とする。

また、本発明の請求項６に係るころ軸受転動体軸方向ひずみ検出方法は、
請求項１又は２記載のころ軸受転動体ひずみ検出方法において、
前記光ファイバひずみセンサ部は、コア中の長手方向に、適宜の光屈折率を有する複数のブラッグ回折格子が適宜間隔値で並ぶように形成され、ファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサの原理により、入射光と反射光の間のブラッグ波長の変化を検出すること
を特徴とする。

また、本発明の請求項７に係るころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置は、
大径で略円環状の外輪と、当該外輪よりも小径の略円環状で当該外輪の内側に配設される内輪と、平面図形をある直線である転動中心線のまわりに回転させて形成した立体である回転体をなし前記外輪と内輪の間に形成される略円環状の軌道空間内に封入配置され前記軌道空間内で前記転動中心線を中心とする転がり運動を行う複数の転動体と、当該転動体を部分的に取り巻くとともに前記軌道空間で隣接する前記転動体どうしの間隔を略一定に保持する保持器類を有するころ軸受が、機械要素を静的に支持するときの前記転動体の転動中心線の方向のひずみである転動体軸方向ひずみを検出する装置であって、
レーザ光源と、光ファイバからなり一端が当該レーザ光源に光学的に接続し入射したレーザ光を受け入れ前方へ伝達する往路部と、取付端が前記往路部の他端に光学的に接続して前記レーザ光を受け入れ反射するとともにひずみを検出する光ファイバひずみセンサ部と、光ファイバからなり一端が前記光ファイバひずみセンサ部の取付端に光学的に接続するとともに他端が受光部に光学的に接続し前記レーザ光を受け入れ前記受光部に伝達する復路部と、光検出素子を含み前記復路部から伝達されたレーザ光を受光し電気信号に変換して出力する受光部と、当該受光部が受光したレーザ光と前記入射したレーザ光との間の波長情報変化に基づき前記光ファイバひずみセンサ部でのひずみを出力する信号処理部を備え、
ひずみを検出しようとする転動体である検出対象転動体の前記転動中心線に沿うようにして前記光ファイバひずみセンサ部を挿入配置し、前記信号処理部の出力に基づいて前記転動体の転動体軸方向ひずみを出力させること
を特徴とする。

また、本発明の請求項８に係るころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置は、
大径で略円環状の外輪と、当該外輪よりも小径の略円環状で当該外輪の内側に配設される内輪と、平面図形をある直線である転動中心線のまわりに回転させて形成した立体である回転体をなし前記外輪と内輪の間に形成される略円環状の軌道空間内に封入配置され前記軌道空間内で前記転動中心線を中心とする転がり運動を行う複数の転動体と、当該転動体を部分的に取り巻くとともに前記軌道空間で隣接する前記転動体どうしの間隔を略一定に保持する保持器類を有するころ軸受が、前記転動体に公転と自転からなる転がり運動を行わせながら回転機械要素を支持するときの前記転動体の転動中心線の方向のひずみである転動体軸方向ひずみを検出する装置であって、
レーザ光源と、光ファイバからなり一端が当該レーザ光源に光学的に接続し入射したレーザ光を受け入れ前方へ伝達する往路部と、取付端が前記往路部の他端に光学的に接続して前記レーザ光を受け入れ反射するとともにひずみを検出する光ファイバひずみセンサ部と、光ファイバからなり一端が前記光ファイバひずみセンサ部の取付端に光学的に接続するとともに他端が受光部に光学的に接続し前記レーザ光を受け入れ前記受光部に伝達する復路部と、光検出素子を含み前記復路部から伝達されたレーザ光を受光し電気信号に変換して出力する受光部と、当該受光部が受光したレーザ光と前記入射したレーザ光との間の波長情報変化に基づき前記光ファイバひずみセンサ部でのひずみを出力する信号処理部を備え、
ひずみを検出しようとする転動体である検出対象転動体の前記転動中心線に沿うようにして前記光ファイバひずみセンサ部を挿入配置しておき、
検出対象転動体とともに転がり自転運動するとともに公転運動する前記光ファイバひずみセンサ部と、不動位置に設置された前記レーザ光源及び受光部との間でレーザ光を授受する転動時レーザ光伝達手段を配設し、
前記信号処理部の出力に基づいて前記転動体の転動体軸方向ひずみを出力させること
を特徴とする。

本発明に係るころ軸受転動体軸方向ひずみ検出方法、及びころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置によれば、ひずみを検出しようとする転動体である検出対象転動体の転動中心線に沿うようにして光ファイバひずみセンサ部を挿入配置したので、信号処理部の出力に基づいて転動体の転動体軸方向ひずみを出力させることができる、という利点を有している。また、検出対象転動体とともに転がり自転運動するとともに公転運動する前記光ファイバひずみセンサ部と、不動位置に設置されたレーザ光源及び受光部との間でレーザ光を授受する転動時レーザ光伝達手段を配設することにより、信号処理部の出力に基づいて転動体の転動時の転動体軸方向ひずみを出力させることができる、という利点を有している。

以下に説明する実施例は、ひずみを検出しようとする転動体である検出対象転動体の転動中心線に沿うようにして光ファイバひずみセンサ部を挿入配置したので、信号処理部の出力に基づいて転動体の転動体軸方向ひずみを出力させることができる、という利点を有している。また、検出対象転動体とともに転がり自転運動するとともに公転運動する前記光ファイバひずみセンサ部と、不動位置に設置されたレーザ光源及び受光部との間でレーザ光を授受する転動時レーザ光伝達手段を配設することにより、信号処理部の出力に基づいて転動体の転動時の転動体軸方向ひずみを出力させることができる、という利点を有している。このため、本発明を実現するための構成として最良の形態である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施例であるころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置１０１の全体構成を示す図である。また、図２は、図１に示すころ軸受と、ころ内部の光ファイバひずみセンサ部の設置状態を示す図である。また、図３は、光ファイバひずみセンサ部の構成を示す図である。また、図４は、シグナルコンディショナーにおける信号処理を説明する図である。

第１実施例のころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置１０１は、ころ軸受４の転動体（ころ）８の転動中心線（図２（Ｂ）におけるセンサ孔８ａの中心線）の方向である転動体軸方向（図２（Ｂ）におけるセンサ孔８ａの延びる左右の方向）のひずみを出力する装置である。

ころ軸受４は、図１及び図２（Ａ）に示すような構成を有している。すなわち、このころ軸受は、外輪６と、内輪７と、複数の転動体（ころ）８と、保持器１１を有している。図１において、符号５は、ころ軸受４の外輪６を支持するハウジングを示している。また、図１において、符号Ｄは、ころ軸受４に負荷が作用した場合の負荷分布を示している。

外輪６は、大径で略円環状に形成された部材である。また、内輪７は、この外輪６よりも小径の略円環状に形成され、外輪６の内側に配設される部材である。また、転動体（ころ）８は、平面図形をある直線である転動中心線のまわりに回転させて形成した立体である回転体、例えば円柱状をなし、外輪６と内輪７の間に形成される略円環状の軌道空間９の内部に封入配置され、軌道空間９の内部で、転動中心線を中心とする転がり運動を行う。また、保持器１１は、転動体（ころ）８を部分的に取り巻くとともに、軌道空間９で隣接する転動体８どうしの間隔を略一定に保持する部材である。

転動体（ころ）８の軸中心位置には、図２（Ｂ）に示すような細い円柱状の孔であるセンサ孔８ａが設けられている。このセンサ孔８ａの中には、光ファイバひずみセンサ部３が挿入され、接着剤等によって接着されている。

図２（Ｂ）及び図３に示すように、光ファイバひずみセンサ部３は、光ファイバ２の先端Ｅに取り付けられている。光ファイバひずみセンサ部３は、略筒状のひずみ受け部材３０を有しており、このひずみ受け部材３０の一端である取付端３ａに、光ファイバ２が挿入され、接着剤２９などによって取り付けられている。ひずみ受け部材３０は、外部のひずみに対応してひずみ変形可能な材料、例えば、合成樹脂材料等によって形成されている。

また、光ファイバひずみセンサ部３の内部には、キャビティ長Ｃをはさんで、第１ミラー３１と第２ミラー３２が対向するように配置されている。第１ミラー３１は、ハーフミラーであり、光ファイバ２から入射するレーザ光Ｌの一部を反射面３１ａで反射し、一部を通過させるようになっている。また、第２ミラー３２は、第１ミラー３１から入射するレーザ光を反射面３２ａで反射する鏡である。

このような構成により、ファブリ・ペロ干渉計の原理により、キャビティ長Ｃと、光反射による波長変調は比例する。このため、入射光と反射光の間の波長変調を検出することにより、キャビティ長Ｃを測定することができる。キャビティ長Ｃは、ひずみ受け部材３０のひずみ変化に応じて変化するから、キャビティ長Ｃの変化を求めることにより、ひずみの値を計測することができる。ここに、ファブリ・ペロ干渉計の原理による反射光中の光波長変調は、特許請求の範囲における波長情報変化に相当している。

図４に示すように、レーザ光源３９から発射されたレーザ光は、光ファイバ２０ａからハーフミラー４０に入り、光路を光ファイバ２の方向（図４における右から左への方向）に変えられ、光ファイバ２を図４の左へ向かって進行する。光ファイバ２０ａと、ハーフミラー４０と、光ファイバ２は、特許請求の範囲における往路部を構成している。

光ファイバ２の図４における左端には、光ファイバひずみセンサ部３が設置されており、レーザ光は、上記したように、第１ミラー３１又は第２ミラー３２で反射され、光ファイバ２を逆に戻り、ハーフミラー４０から光ファイバ２０ｂに入り、受光部４１に入る。受光部４１は、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの光検出素子を有しており、受光したレーザ光を受光し電気信号に変換して出力する。ここで、光ファイバ２と、ハーフミラー４０と、光ファイバ２０ｂは、特許請求の範囲における復路部を構成している。

受光部４１が出力した電気信号は、増幅器４２により増幅される。増幅後の電気信号は、Ａ／Ｄコンバータ４３により、アナログ量からディジタル量に変換され、入出力インタフェース４４ａを経てＣＰＵ４５に送られる。

ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央演算処理装置）４５は、図示はしていないが、ＣＰＵ４５の内部での電流（信号）の授受を行うための信号線である内部バスを有しており、この内部バスに、演算部と、レジスタと、クロック生成部と、命令処理部等が接続され、各種データに対して、四則演算（加算、減算、乗算、及び除算）を行い、又は論理演算（論理積、論理和、否定、排他的論理和など）を行い、又はデータ比較、若しくはデータシフトなどの処理を実行し、制御を行う。

ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ：読出し専用メモリ）４６は、ＣＰＵ４５を制御するための制御プログラムや、ＣＰＵ４５が用いる各種データ等を格納している部分である。ＲＯＭとしては、半導体チップにより構成されるものと、ハードディスク装置等が用いられる。ハードディスク装置は、図示はしていないが、その内部に、円盤状の磁気ディスクを有しており、この磁気ディスクをディスク駆動機構により回転駆動し、磁気ヘッドをヘッド駆動機構によって磁気ディスクの任意位置に移動させ、磁気ディスク表面の磁性膜を磁気ヘッドからの書込電流によって磁化することによりデータを記録し、磁化された磁性膜の上を磁気ヘッドが移動する際に磁気ヘッドのコイル等に流れる電流を検出することにより記録データを読み出す装置である。

上記した制御プログラムは、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等のＣＰＵ４５の基本ソフトウェアのほか、各種の処理や分析演算等をＣＰＵ４５に実行させるための命令等の処理手順が、所定のプログラム用言語で記述された文字や記号の集合である。

また、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：随時書込み読出しメモリ）４７は、ＣＰＵ４５により演算された途中のデータ等を一時記憶する部分である。ＲＡＭは、半導体チップにより構成されるものが主である。

上記のような構成により、ＣＰＵ４５は、受光部４１からの電気信号から、転動体（ころ）８の転動体軸方向ひずみの値を演算し、入出力インタフェース４４ｂを経て出力する。これにより、シグナルコンディショナー１の表示部（例えば液晶表示器）には、転動体（ころ）８の転動体軸方向ひずみの値が表示される。

図１において、ころ軸受４の内輪７を、手動で回転させて静止させた後、負荷を作用させれば、光ファイバひずみセンサ部３が取り付けられている転動体（ころ）８の転動体軸方向ひずみを求めることができる。図１に図示した分布Ｄは、ころ軸受４を、ある角度ずつ回転させて負荷載荷を行った結果によって得られた転動体軸方向ひずみの分布を模式的に示したグラフである。

なお、図２（Ｂ）に示すような、光ファイバひずみセンサ部３を挿入した転動体（ころ）単体８を用い、これに様々な荷重を付与し、その時々のひずみの測定を行い、その結果から、例えば、ひずみと荷重の値の対応表、ひずみと荷重の値の関係を表現する数式、ひずみと荷重の値の関係を図示するグラフなどを得ることにより、シグナルコンディショナー１の出力から、ころ軸受４の個々の転動体（ころ）単体８に作用した荷重の値を算出することができる。

本発明は、上記した第１実施例以外の構成によっても実現可能である。次に、本発明の第２実施例について、図面を参照しながら説明する。図５は、本発明の第２実施例であるころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置１０２の構成を示す図である。

第２実施例のころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置１０２は、転動体（ころ）８が転動運動を行っている場合においても、転動体８の転動体軸方向ひずみを出力させることができるように構成されている。

すなわち、図５は、ころ軸受４の内輪７が軸２６に取り付けられ、外輪６が軸２６のまわりを回転する状態を示している。

この状態では、転動体８は、軸２６の軸中心線Ａ１の回りを回転する公転運動と、転動体８の軸中心線の回りを回転する自転運動の両方を同時に行っている。したがって、転動体８の転動中心線に沿うようにして転動体８に挿入配置された光ファイバひずみセンサ部３と、光ファイバひずみセンサ部３に接続する光ファイバ２ａ及び２ｂも、転動体８とともに、軸２６の軸中心線Ａ１の回りを回転する公転運動と、転動体８の軸中心線の回りを回転する自転運動の両方を同時に行っている。これに対し、レーザ光源と受光部を有するシグナルコンディショナー１は、不動位置（例えば床Ｂなどの位置）に設置されている。

第２実施例のころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置１０２においては、公転センサ２３が、公転する保持器１１の公転回転速度を検出する。検出方式は、非接触状態で検出する方式であり、レーザ光によるもの、磁気、電気等を利用するものなど、公知の回転センサが用いられる。

この公転センサ２３の出力は、サーボモータ制御回路２４に送られる。サーボモータ制御回路２４は、公転センサ２３からの出力に基づき、公転する保持器１１の公転回転速度と等しい回転速度でサーボモータ１５を回転させるように制御する。ここに、サーボモータ制御回路２４は、特許請求の範囲における回転制御手段に相当している。また、サーボモータ１５は、特許請求の範囲における回転駆動手段に相当している。

サーボモータ１５のモータ軸１５ａには、円板状の回転板１６が取り付けられており、サーボモータ１５によって回転駆動されるようになっている。この回転板１６は、特許請求の範囲における回転部材に相当している。

また、回転板１６の上には、検出対象の転動体８と対応する位置に、第１光ファイバロータリージョイント２１が配置されている。上記したように、サーボモータ制御回路２４は、公転センサ２３からの出力に基づき、公転する保持器１１の公転回転速度と等しい回転速度でサーボモータ１５を回転させるように制御しているから、第１光ファイバロータリージョイント２１は、検出対象の転動体８とまったく同じ回転速度（公転回転速度）で回転（公転）をしており、第１光ファイバロータリージョイント２１から見ると、検出対象の転動体８は公転していない状態となっている。この状態では、相対的には、検出対象の転動体８は、第１光ファイバロータリージョイント２１の軸中心線の回りに自転Ｒ１のみを行っていることになる。

第１光ファイバロータリージョイント２１は、検出対象転動体８とともに、図５においてＲ１で示すように自転している光ファイバひずみセンサ部３との間でレーザ光を授受することができる部材である。これにより、Ｒ１で自転回転する光ファイバ２ａ及び２ｂと、相対的に静止している光ファイバ２ｃとの間で、レーザ光は、光ファイバ２ｃから２ａへ入っていくことができ、レーザ光は、光ファイバ２ａから２ｃへ入っていくこともできるようになっている。

また、回転板１６の上には、回転板１６の回転中心線上の位置に、第２光ファイバロータリージョイント２２が配置されている。第２光ファイバロータリージョイント２２は、回転板１６と、不動位置（例えば床Ｂなどの位置）との間でレーザ光を授受することができる部材である。これにより、Ｒ２で回転する光ファイバ２ｅと、不動位置に静止している光ファイバ２ｆとの間で、レーザ光は、光ファイバ２ｆから２ｅへ入っていくことができ、レーザ光は、光ファイバ２ｅから２ｆへ入っていくこともできるようになっている。また、光ファイバ２ｃと光ファイバ２ｅは、光学的に接続されており、レーザ光が通過可能となっている。

シグナルコンディショナー１の中には、図４で説明した信号処理部が内蔵されている。第１実施例の場合と異なるのは、ハーフミラー４０の左側に接続する光ファイバ２のかわりに、図５に示す光ファイバ２ｇ、２ｆ、２ｅ、２ｄ、２ｃ、２ｂ及び２ａが配置されている点である。

上記のような構成により、第２実施例のころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置１０２は、転動体（ころ）８が公転及び自転の転動運動を行っている場合においても、転動体８の転動体軸方向ひずみを出力させることができるようになっている。

なお、第２実施例のころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置１０２の場合においても、図２（Ｂ）に示すような、光ファイバひずみセンサ部３を挿入した転動体（ころ）単体８を用い、これに様々な荷重を付与し、その時々のひずみの測定を行い、その結果から、例えば、ひずみと荷重の値の対応表、ひずみと荷重の値の関係を表現する数式、ひずみと荷重の値の関係を図示するグラフなどを得ることにより、シグナルコンディショナー１の出力から、ころ軸受４の個々の転動体（ころ）単体８に作用した荷重の値を算出することができる。

第２実施例のころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置１０２においては、公転センサ２３と、サーボモータ制御回路２４と、サーボモータ１５と、第１光ファイバロータリージョイント２１と、第２光ファイバロータリージョイント２２は、特許請求の範囲における「転動時レーザ光伝達手段」を構成している。すなわち、上記したように、第２実施例のころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置１０２においては、光ファイバひずみセンサ部３は、検出対象転動体とともに転がり自転運動をするとともに、公転運動をしている。一方、レーザ光源と受光部を有するシグナルコンディショナー１は、不動位置（例えば床Ｂなどの位置）に動かない状態で設置されている。「転動時レーザ光伝達手段」は、静止状態のシグナルコンディショナー１と、運動状態の光ファイバひずみセンサ部３との間に介在し、これらの相互間でレーザ光を支障なく円滑に授受できるようにしているのである。

なお、本発明は、上記した各実施例に限定されるものではない。上記各実施例は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

例えば、光ファイバひずみセンサ部は、上記したファブリ・ペロ干渉計の原理を利用するものには限定されず、他の原理を用いる他の構成の光ファイバひずみセンサ部を採用してもよい。ファブリ・ペロ干渉計の原理を利用する光ファイバひずみセンサ部とは異なる原理の光ファイバひずみセンサ部としては、図６に示す「ファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサ」がある。以下、ファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサを、「ＦＢＧセンサ」という。図６（Ａ）は、ＦＢＧセンサの構成を有する光ファイバひずみセンサ部３Ａの取付端（図６（Ａ）における左端）３ａ１が、光ファイバ２ｈの先端（図６（Ａ）における右端）に光学的に接続している。この光ファイバ２ｈの左側の構成は、図４における光ファイバ２、あるいは図５における光ファイバ２ａと同様である。ＦＢＧセンサとは、光ファイバのコア６１の中に、図６（Ａ）でＧ１〜Ｇｎの符号が付されたｎ個（ｎ：自然数）のブラッグ回折格子を、コア６１の長手方向（図６（Ａ）における左右方向）に適宜の間隔値で並ぶように形成したものであり、光ファイバひずみセンサ部３Ａのコア６１の左端と光ファイバ２ｈのコア５１の右端は光学的に接続している。個々のブラッグ回折格子、例えばＧ２は、コア長手方向の光屈折率が、その前後の通常のコア６１とは異なる部分である。このようなブラッグ回折格子Ｇ１〜Ｇｎは、例えば、コア６１の素材として紫外線硬化合成樹脂（所定の紫外線が照射されると硬化する合成樹脂）を用い、紫外線の照射により、コア中に適宜の光屈折値のブラッグ回折格子を適宜の間隔を有するように形成することができる。このようなＦＢＧセンサの構成を有する光ファイバひずみセンサ部３Ａに、接続する光ファイバ２ｈから、図６（Ｂ）に示すような広い帯域の波長（λ）の成分を有するレーザ光Ｌ１を入射させると、レーザ光Ｌ１は、ブラッグ回折格子Ｇ１〜Ｇｎのおのおのの配置間隔値と屈折率値に応じて定まる所定の波長λ₀（図６（Ｃ）を参照。以下、「ブラッグ波長」という。）を中心とした狭い帯域の波長（λ）の成分を有するレーザ光として反射され、図６（Ａ）に示すような反射レーザ光Ｌ２として、光ファイバ２ｈへ戻ってくる。ここで、光ファイバひずみセンサ部３Ａに「ひずみ」が発生すると、ブラッグ回折格子Ｇ１〜Ｇｎのおのおのの配置間隔値や屈折率値には変化が生じるから、反射レーザ光Ｌ２の波長帯域は、例えば図６（Ｃ）において破線で示す部分のように変化し、帯域の中心波長であるブラッグ波長も、λ₀からλ₁へと変化（波長の値が移動）する。このため、上記したシグナルコンディショナー１のＣＰＵ４５は、ブラッグ波長の値の変化を求めることにより、光ファイバひずみセンサ部３Ａの部分のひずみの値を計測することができる。ここに、ファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサ（ＦＢＧセンサ）の原理による反射光中の光波長の変化（波長値の移動）は、特許請求の範囲における波長情報変化に相当している。

また、上記実施例の保持器１１の回転速度を公転センサ２３で検出する方式以外に、ころ軸受にセパレータ（隣接する転動体の間に配設されて転動体の間隔を一定に保たせる部品）が設けられている場合には、セパレータの回転速度を公転センサで検出し、上記と同様の制御により、サーボモータ２４の回転速度を、セパレータの公転回転速度と同期させるようにしてもよい。あるいは、公転センサは、転動体自体の公転回転速度を検出するようにしてもよい。保持器１１又はセパレータは、特許請求の範囲における「保持器類」に相当している。特許請求の範囲における「保持器類」には、セパレータに類似する機能を有するリテーナーも含まれる。したがって、特許請求の範囲における公転センサは、リテーナーの公転回転速度を検出するようにしてもよい。

また、転動体は、略円柱形状のほか、略樽状に形成された立体でもよい。あるいは、転動体は、略円錐台形状に形成された立体であってもよい。

本発明は、ころ軸受のひずみ計測等を行う計測サービス業、ころ軸受のひずみ計測装置を製造する産業などで実施可能であり、これらの産業で利用可能である。

本発明の第１実施例であるころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置の全体構成を示す図である。 図１に示すころ軸受と、ころ内部の光ファイバひずみセンサ部の設置状態を示す図である。 光ファイバひずみセンサ部の一例の構成を示す図である。 シグナルコンディショナーにおける信号処理を説明する図である。 本発明の第２実施例であるころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置の構成を示す図である。 光ファイバひずみセンサ部の他の例の構成を示す図である。

符号の説明

１ シグナルコンディショナー
２、２ａ〜２ｈ 光ファイバ
３、３Ａ 光ファイバひずみセンサ部
３ａ、３ａ１ 取付端
４ ころ軸受
５ ハウジング
６ 外輪
７ 内輪
８ 転動体
８ａ センサ孔
９ 軌道空間
１１ 保持器
１５ サーボモータ
１６ 回転板
２０ａ、２０ｂ 光ファイバ
２１ 第１光ファイバロータリージョイント
２２ 第２光ファイバロータリージョイント
２３ 公転センサ
２４ サーボモータ制御回路
２６ 軸
２９ 接着剤
３０ ひずみ受け部材
３１ 第１ミラー
３２ 第２ミラー
３９ レーザ光源
４０ ハーフミラー
４１ 受光部
４２ 増幅器
４３ Ａ／Ｄコンバータ
４４ａ、４４ｂ 入出力インタフェース
４５ ＣＰＵ
４６ ＲＯＭ
４７ ＲＡＭ
５１ コア
５２ クラッド
６１ コア
６２ クラッド
１０１、１０２ ころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置
Ｂ 床
Ｃ キャビティ長
Ｄ 分布
Ｅ 光ファイバ端
Ｇ１〜Ｇｎ ブラッグ格子
Ｌ レーザ光
Ｌ１ レーザ光
Ｌ２ 反射レーザ光
λ₀、λ₁ ブラッグ波長

Claims (8)

1. 大径で略円環状の外輪と、当該外輪よりも小径の略円環状で当該外輪の内側に配設される内輪と、平面図形をある直線である転動中心線のまわりに回転させて形成した立体である回転体をなし前記外輪と内輪の間に形成される略円環状の軌道空間内に封入配置され前記軌道空間内で前記転動中心線を中心とする転がり運動を行う複数の転動体と、当該転動体を部分的に取り巻くとともに前記軌道空間で隣接する前記転動体どうしの間隔を略一定に保持する保持器類を有するころ軸受が、機械要素を静的に支持するときの前記転動体の転動中心線の方向のひずみである転動体軸方向ひずみを検出する方法であって、
   レーザ光源と、光ファイバからなり一端が当該レーザ光源に光学的に接続し入射したレーザ光を受け入れ前方へ伝達する往路部と、取付端が前記往路部の他端に光学的に接続して前記レーザ光を受け入れ反射するとともにひずみを検出する光ファイバひずみセンサ部と、光ファイバからなり一端が前記光ファイバひずみセンサ部の取付端に光学的に接続するとともに他端が受光部に光学的に接続し前記レーザ光を受け入れ前記受光部に伝達する復路部と、光検出素子を含み前記復路部から伝達されたレーザ光を受光し電気信号に変換して出力する受光部と、当該受光部が受光したレーザ光と前記入射したレーザ光との間の波長情報変化に基づき前記光ファイバひずみセンサ部でのひずみを出力する信号処理部を用い、
   ひずみを検出しようとする転動体である検出対象転動体の前記転動中心線に沿うようにして前記光ファイバひずみセンサ部を挿入配置し、前記信号処理部の出力に基づいて前記転動体の転動体軸方向ひずみを出力させること
   を特徴とするころ軸受転動体軸方向ひずみ検出方法。
2. 大径で略円環状の外輪と、当該外輪よりも小径の略円環状で当該外輪の内側に配設される内輪と、平面図形をある直線である転動中心線のまわりに回転させて形成した立体である回転体をなし前記外輪と内輪の間に形成される略円環状の軌道空間内に封入配置され前記軌道空間内で前記転動中心線を中心とする転がり運動を行う複数の転動体と、当該転動体を部分的に取り巻くとともに前記軌道空間で隣接する前記転動体どうしの間隔を略一定に保持する保持器類を有するころ軸受が、前記転動体に公転と自転からなる転がり運動を行わせながら回転機械要素を支持するときの前記転動体の転動中心線の方向のひずみである転動体軸方向ひずみを検出する方法であって、
   レーザ光源と、光ファイバからなり一端が当該レーザ光源に光学的に接続し入射したレーザ光を受け入れ前方へ伝達する往路部と、取付端が前記往路部の他端に光学的に接続して前記レーザ光を受け入れ反射するとともにひずみを検出する光ファイバひずみセンサ部と、光ファイバからなり一端が前記光ファイバひずみセンサ部の取付端に光学的に接続するとともに他端が受光部に光学的に接続し前記レーザ光を受け入れ前記受光部に伝達する復路部と、光検出素子を含み前記復路部から伝達されたレーザ光を受光し電気信号に変換して出力する受光部と、当該受光部が受光したレーザ光と前記入射したレーザ光とのとの間の波長情報変化に基づき前記光ファイバひずみセンサ部でのひずみを出力する信号処理部を用い、
   ひずみを検出しようとする転動体である検出対象転動体の前記転動中心線に沿うようにして前記光ファイバひずみセンサ部を挿入配置しておき、
   検出対象転動体とともに転がり自転運動するとともに公転運動する前記光ファイバひずみセンサ部と、不動位置に設置された前記レーザ光源及び受光部との間でレーザ光を授受する転動時レーザ光伝達手段を配設し、
   前記信号処理部の出力に基づいて前記転動体の転動体軸方向ひずみを出力させること
   を特徴とするころ軸受転動体軸方向ひずみ検出方法。
3. 請求項２記載のころ軸受転動体ひずみ検出方法において、
   前記転動時レーザ光伝達手段は、
   公転する保持器類又は転動体の公転回転速度を検出する公転センサと、
   回転駆動手段と、
   当該公転センサからの出力に基づき、前記公転する保持器類又は転動体の公転回転速度と等しい回転速度で前記回転駆動手段を回転させるように制御する回転制御手段と、
   前記回転駆動手段によって回転駆動される回転部材と、
   前記回転部材上で前記検出対象転動体と対応する位置に配置されるとともに、前記検出対象転動体とともに自転する光ファイバひずみセンサ部との間でレーザ光を授受する第１光ファイバロータリージョイントと、
   前記回転部材の回転中心線上の位置に配置されるとともに、前記回転部材と不動位置との間でレーザ光を授受する第２光ファイバロータリージョイントを
   有すること
   を特徴とするころ軸受転動体軸方向ひずみ検出方法。
4. 請求項１又は２記載のころ軸受転動体ひずみ検出方法において、
   前記転動体は、略円柱状又は略樽状若しくは略円錐台形状に形成された立体であること
   を特徴とするころ軸受転動体ひずみ検出方法。
5. 請求項１又は２記載のころ軸受転動体ひずみ検出方法において、
   前記光ファイバひずみセンサ部は、キャビティ長をはさんで、ハーフミラーとミラーが対向するように配置され、ファブリ・ペロ干渉計の原理により、入射光と反射光の間の波長変調を検出することにより前記キャビティ長を測定すること
   を特徴とするころ軸受転動体ひずみ検出方法。
6. 請求項１又は２記載のころ軸受転動体ひずみ検出方法において、
   前記光ファイバひずみセンサ部は、コア中の長手方向に、適宜の光屈折率を有する複数のブラッグ回折格子が適宜間隔値で並ぶように形成され、ファイバ・ブラッグ・グレーティング・センサの原理により、入射光と反射光の間のブラッグ波長の変化を検出すること
   を特徴とするころ軸受転動体ひずみ検出方法。
7. 大径で略円環状の外輪と、当該外輪よりも小径の略円環状で当該外輪の内側に配設される内輪と、平面図形をある直線である転動中心線のまわりに回転させて形成した立体である回転体をなし前記外輪と内輪の間に形成される略円環状の軌道空間内に封入配置され前記軌道空間内で前記転動中心線を中心とする転がり運動を行う複数の転動体と、当該転動体を部分的に取り巻くとともに前記軌道空間で隣接する前記転動体どうしの間隔を略一定に保持する保持器類を有するころ軸受が、機械要素を静的に支持するときの前記転動体の転動中心線の方向のひずみである転動体軸方向ひずみを検出する装置であって、
   レーザ光源と、光ファイバからなり一端が当該レーザ光源に光学的に接続し入射したレーザ光を受け入れ前方へ伝達する往路部と、取付端が前記往路部の他端に光学的に接続して前記レーザ光を受け入れ反射するとともにひずみを検出する光ファイバひずみセンサ部と、光ファイバからなり一端が前記光ファイバひずみセンサ部の取付端に光学的に接続するとともに他端が受光部に光学的に接続し前記レーザ光を受け入れ前記受光部に伝達する復路部と、光検出素子を含み前記復路部から伝達されたレーザ光を受光し電気信号に変換して出力する受光部と、当該受光部が受光したレーザ光と前記入射したレーザ光との間の波長情報変化に基づき前記光ファイバひずみセンサ部でのひずみを出力する信号処理部を備え、
   ひずみを検出しようとする転動体である検出対象転動体の前記転動中心線に沿うようにして前記光ファイバひずみセンサ部を挿入配置し、前記信号処理部の出力に基づいて前記転動体の転動体軸方向ひずみを出力させること
   を特徴とするころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置。
8. 大径で略円環状の外輪と、当該外輪よりも小径の略円環状で当該外輪の内側に配設される内輪と、平面図形をある直線である転動中心線のまわりに回転させて形成した立体である回転体をなし前記外輪と内輪の間に形成される略円環状の軌道空間内に封入配置され前記軌道空間内で前記転動中心線を中心とする転がり運動を行う複数の転動体と、当該転動体を部分的に取り巻くとともに前記軌道空間で隣接する前記転動体どうしの間隔を略一定に保持する保持器類を有するころ軸受が、前記転動体に公転と自転からなる転がり運動を行わせながら回転機械要素を支持するときの前記転動体の転動中心線の方向のひずみである転動体軸方向ひずみを検出する装置であって、
   レーザ光源と、光ファイバからなり一端が当該レーザ光源に光学的に接続し入射したレーザ光を受け入れ前方へ伝達する往路部と、取付端が前記往路部の他端に光学的に接続して前記レーザ光を受け入れ反射するとともにひずみを検出する光ファイバひずみセンサ部と、光ファイバからなり一端が前記光ファイバひずみセンサ部の取付端に光学的に接続するとともに他端が受光部に光学的に接続し前記レーザ光を受け入れ前記受光部に伝達する復路部と、光検出素子を含み前記復路部から伝達されたレーザ光を受光し電気信号に変換して出力する受光部と、当該受光部が受光したレーザ光と前記入射したレーザ光との間の波長情報変化に基づき前記光ファイバひずみセンサ部でのひずみを出力する信号処理部を備え、
   ひずみを検出しようとする転動体である検出対象転動体の前記転動中心線に沿うようにして前記光ファイバひずみセンサ部を挿入配置しておき、
   検出対象転動体とともに転がり自転運動するとともに公転運動する前記光ファイバひずみセンサ部と、不動位置に設置された前記レーザ光源及び受光部との間でレーザ光を授受する転動時レーザ光伝達手段を配設し、
   前記信号処理部の出力に基づいて前記転動体の転動体軸方向ひずみを出力させること
   を特徴とするころ軸受転動体軸方向ひずみ検出装置。

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