JP2007263615A - 潤滑剤劣化検出装置およびセンサ付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受内部などへの配置の自由度が高く、潤滑剤の厚さや温度変化による影響を受けずに潤滑剤の劣化状態を安定して精度良く検出できる潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えたセンサ付き軸受を提供する。
【解決手段】 この潤滑剤劣化検出装置１は、光源２と、光を検出するラインセンサ３と、このラインセンサ３から延びて先端が前記光源２に対向する導光器４と、判定手段５とを備え、光源２と導光器４の間に潤滑剤６を介在させる。導光器４は、例えばラインセンサ３の長さ方向に対して一端側から他端側へ順次短くなるように並べて、その先端を段差形状とする。判定手段５は、前記ラインセンサ３の出力から潤滑剤６の劣化状態を検出する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、潤滑剤の混入物などによる劣化状態を光ラインセンサを用いて検出する潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えたセンサ付き軸受、例えば鉄道車両用、風車設備用、工場設備用等のセンサ付き軸受に関する。

潤滑剤を封入した軸受では、軸受内部の潤滑剤（グリース、油など）が劣化すると転動体の潤滑不良が発生し、軸受寿命が短くなる。転動体の潤滑不良を、軸受の振動状態などから判断するのでは、寿命に達して動作異常が発生してから対処することになるため、潤滑状態の異常をより早く検出できない。そこで、軸受内の潤滑剤の状態を定期的あるいはリアルタイムに観測し、異常やメンテナンス期間の予測を可能にすることが望まれる。

潤滑剤の劣化の主要な要因として、軸受の使用に伴って発生する摩耗粉が潤滑剤に混入することが挙げられる。
軸受の摩耗状態を検出するものとしては、軸受のシールの内側に電極やコイル等のセンサを配置し、摩耗粉の混入する潤滑剤の電気的特性（抵抗値や静電容量）を前記センサで検出するようにしたセンサ付き軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００４−２９３７７６号公報

しかし、特許文献１のセンサ付き軸受は、潤滑剤の電気的特性を検出するものであるため、
・ノイズの影響を受ける。
・軸受内部の温度変化による影響を受ける。
・コンパクトに出来ないため、取付位置に制約を受ける。
といった課題がある。

このような課題を解決するものとして、潤滑剤を透過する透過光量を光検出素子で検出する光学式の構成を考えた。
この場合、潤滑剤の厚さが透過光量に影響するので、潤滑剤の厚さが一定となるように、測定部に潤滑剤を存在させる構成が必要になる。

そこで、光検出素子を複数使用して、それぞれの光検出素子に入射する光が、互いに異なる厚さの潤滑剤を透過した光となるように、例えば各光検出素子の光検出面の位置をずらせて配置し、これら光検出素子の出力の信号強度を比較することによって潤滑剤の透明度を測定する構成を考えた。

しかし、このような構成の場合、それぞれの光検出素子に感度ばらつきがあるため、測定結果がばらついてしまうという課題がある。また、光検出素子の数が少ない場合には、微小なごみ等の影響を受けやすいという課題もある。

この発明の目的は、軸受内部などへの配置の自由度が高く、潤滑剤の厚さや温度変化による影響を受けずに潤滑剤の劣化状態を安定して精度良く検出できる潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えたセンサ付き軸受を提供することである。

この発明の潤滑剤劣化検出装置は、光源と、光を検出するラインセンサと、このラインセンサから延びて先端が前記光源に対向する導光器とを設け、この導光器の先端を段差形状とし、前記光源と導光器の先端との間を潤滑剤の配置空間とし、前記ラインセンサの出力から潤滑剤の劣化状態を検出する判定手段を設けたものである。

この構成によると、光を検出するラインセンサを設けたため、ライン状の検出エリアの潤滑剤を透過する光強度を測定することができる。この場合に、ラインセンサから光源側へ延びる導光器を設けてその先端を段差形状とし、導光器の先端と光源との間を潤滑剤の配置空間としたため、導光器を段差形状としたことによって潤滑剤の厚さに違いが生じ、判定手段において、この潤滑剤の厚さと光の強度を関連づけて検出することにより、潤滑剤の光透過率を精度良く検出することができる。
また、受光部にラインセンサを用いていることで、センサ素子毎の感度ばらつきを小さくでき、潤滑剤の光透過率の違いや変化を精度良く検出することができる。また、ラインセンサの場合、センサ素子が小さいため、検出部を小型化できる。さらに、ラインセンサの場合、センサ素子数が多いため、それらの多数の信号を用いた平均化処理、または必要な部分の抽出処理を容易に実施できる。その結果、軸受内部などへの配置の自由度が高く、潤滑剤の厚さや温度変化による影響を受けずに潤滑剤の劣化状態を安定して精度良く検出できる。

この発明において、前記導光器を、ラインセンサの長さ方向に対して一端側から他端側へ順次短くなるように、先端を段差形状としても良い。

この場合に、前記判定手段は、前記ラインセンサの各センサ素子の出力する受光強度を比較して得られる相対強度によって潤滑剤の透過率を測定し、この透過率から潤滑剤の劣化を検出するものとしても良い。
このように導光器を順次短くなる段差形状とし、各センサ素子の出力する受光強度を比較して得られる相対強度によって潤滑剤の透過率を測定することにより、より精度の良い劣化検出が行える。

この発明において、前記導光器を、ラインセンサの長さ方向に沿って、長さが長いものと短いものとが交互に並んだものとしても良い。この場合に、前記判定手段は、ラインセンサにおける長さの長い導光器に対応するセンサ素子で受光される光と短いセンサ素子で受光される光の周期成分から２種類の信号強度の入射位置を求めて、それぞれの光強度を検出し、両光強度の比率を取ることによって潤滑剤の光の透過率を検出するものとしても良い。

この発明において、前記判定手段は、ラインセンサのセンサ素子で受光される信号強度ヒストグラムから、長さの長い導光器に対応するセンサ素子で受光される光と短いセンサ素子で受光される光との２種類の信号強度の分布を求め、その２種類の信号強度の比率を取ることによって潤滑剤の光の透過率を検出するものとしても良い。この構成の場合、単純な処理で自動的に２種類の信号強度を求めることができる。また、長い導光器と短い導光器の段差位置とラインセンサの各センサ素子の位置とが厳密に一致していなくても、２種類の信号強度を求めることができるので、簡単な組み立て、取付けが可能となる。

この発明において、前記導光器が透明樹脂で形成されたものであっても良い。この構成の場合、導光器をラインセンサの受光面に直接形成できるので、導光器がラインセンサのセンサ素子と一体化されることになり、潤滑剤劣化検出装置の小型化が可能となる。

この発明において、前記導光器がラインセンサ上に直接に形成されたものであっても良い。この構成の場合、潤滑剤劣化検出装置をさらにコンパクトにできる。
この発明において、前記導光器が光ファイバで形成されたものであっても良い。

この発明のセンサ付き軸受は、この発明の上記いずれか構成の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載したものである。
この構成によると、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで正確に検出することができる。これにより、軸受に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

この発明の潤滑剤劣化検出装置は、光源と、光を検出するラインセンサと、このラインセンサから延びて先端が前記光源に対向する導光器とを設け、この導光器の先端を段差形状とし、前記光源と導光器の先端との間を潤滑剤の配置空間とし、前記ラインセンサの出力から潤滑剤の劣化状態を検出する判定手段を設けたため、軸受内部などへの配置の自由度が高く、潤滑剤の厚さや温度変化による影響を受けずに潤滑剤の劣化状態を安定して精度良く検出できる。特に、ラインセンサを用いたため、検出素子毎の感度ばらつきが小さくできて、潤滑剤の透過率の違いや変化を精度良く検出することができる。
この発明のセンサ付き軸受は、上記発明の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載したものであるため、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで正確に検出することができる。その結果、軸受に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１は、この実施形態の潤滑剤劣化検出装置の概略構成図を示す。この潤滑剤劣化検出装置１は、光源２と、この光源２から出射して検出対象となる潤滑剤６を透過した透過光を検出するラインセンサ３と、このラインセンサ３から延びて先端が前記光源２に対向する複数の導光器４と、前記ラインセンサ３の出力から潤滑剤６の劣化状態を検出する判定手段５とを備える。光源２と導光器４の先端との間が潤滑剤の配置空間となり、この配置空間内の潤滑剤６が検出される。検出対象となる潤滑剤６は、例えば、軸受内部に封入された潤滑剤である。

ラインセンサ３は、その各センサ素子３ａが光の進行方向に対して同一位置に並ぶように配置される。これに対して、各導光器４は、先端の並びが段差形状となるように、ラインセンサ３の長さ方向に対して一端側から他端側へ順次短くなる配列とされている。具体的には、各導光器４は、それらの先端位置が、隣接する導光器４との間で所定間隔ｄだけ互いに順次ずれるように、長さを異ならせてある。導光器４としては、例えば透明樹脂や光ファイバを用いることができる。各導光器４は、必ずしもラインセンサ３のセンサ素子３ａ毎に設けられたものでなくても良く、各導光器４の基端が複数のセンサ素子３ａに対向するものとしても良い。また、ラインセンサ３のセンサ素子３ａのうち、導光器４と対向しないものがあっても良く、その場合に、例えばラインセンサ３のセンサ素子３ａのうちの導光器４と対向するもののみを検出に用いるようにしても良い。
ラインセンサ３に対して、光源２もライン状光源とすることが望ましい。このように光源２をライン状とした場合、検出部に入射する光の強度が場所によらず均一になるので、安定した検出が可能となる。

上記構成の潤滑剤劣化検出装置１において、前記潤滑剤６を透過する光の強度は図２に曲線グラフで示すように透過距離によって大きく減衰する。このため、先端位置を互いにずらせて配置される各導光器４に入射する光強度は、Ｉ_{0 ，}Ｉ_{1 ，}Ｉ_{2 …}のように導光器４の配置に応じた段階的な値となる。これらの光強度が、各導光器４の基端に位置するラインセンサ３のセンサ素子３ａで検出される。

前記判定手段５は、以下のようにして潤滑剤６の劣化を検出する。
潤滑剤６に摩耗粉等の異物が混入していると、図２に示す曲線グラフの示す減衰量が変化する。そこで、判定手段５は、上記したように距離ｄだけずらした隣り合う２つの導光器４に対応するラインセンサ３でのセンサ素子３ａの信号強度を比較することにより相対強度を求め、その相対強度から透過光の減衰比率を検出し、その検出値から潤滑剤６の内部に混入した混入物の量を推定する。透過光の強度そのものは、潤滑剤６の厚さや光源２の強度によって変化するが、透過光の減衰比率はこれらの要因によっては変化しないので、安定した検出が可能である。また、混入物の増加は潤滑剤６の劣化状態の進行を意味するので、判定手段５は、推定した混入物の量から潤滑剤６の劣化状態を検出することができる。

図３は、図１の潤滑剤劣化検出装置１の具体的構成例を示す。この構成例では、溝部８を有する平面状のハウジング７において、その溝部８の一側壁に前記ラインセンサ３を配置し、さらにラインセンサ３の受光面に透明樹脂からなる前記導光器４を直接形成すると共に、前記溝部８の他側壁に光源２を配置して、溝部８における光源２と導光器４との間の隙間に入ってくる潤滑剤６を検出するようにしている。

このように、この潤滑剤劣化検出装置１では、ラインセンサ３から光源２側へ延びる導光器４を設けてその先端を階段状とし、導光器４の先端と光源２との間を潤滑剤６の配置空間としたため、導光器４を階段状の形状としたことにより潤滑剤の厚さに違いが生じ、判定手段において、この潤滑剤６の厚さと光の強度を関連づけて検出することにより、潤滑剤６の光透過率を精度良く検出することができる。
また、受光部にラインセンサ３を用いているので、センサ素子３ａ毎の感度ばらつきを小さくでき、潤滑剤６の光透過率の違いや変化を精度良く検出することができる。また、ラインセンサ３の場合、センサ素子３ａが小さいため、検出部を小型化できる。さらに、ラインセンサ３の場合、センサ素子３ａの数の個数が多いため、それらの多数の信号を用いた平均化処理、または必要な部分の抽出処理を容易に実施できる。その結果、軸受内部などへの配置の自由度が高く、潤滑剤６の厚さや温度変化による影響を受けずに潤滑剤６の劣化状態を安定して精度良く検出できる
とくに、この実施形態では、図３のように、透明樹脂からなる導光器４をラインセンサ３の受光面に直接形成することから、導光器４がラインセンサ３のセンサ素子３ａと一体化されることになり、潤滑剤劣化検出装置１の小型化が可能となる。

図４ないし図６は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の潤滑剤劣化検出装置１では、図３に示す実施形態の構成例において、導光器４を２種類の長さとし、図４のようにラインセンサ３の長さ方向に沿って長さの長い導光器４と短い導光器４とが交互に並ぶように配置している。ここでは、導光器４として光ファイバを用いている。

この実施形態の場合、ラインセンサ３で検出される光信号は、図５に示すように、ラインセンサ３における長い導光器４に対応するセンサ素子３ａでの受光強度Ｉ₁ と、短い導光器４に対応するセンサ素子３ａでの受光強度Ｉ₂ が、検出位置つまりセンサ素子３ａの並び位置Ｘ_{1 ，}Ｘ_{2 ，}Ｘ_{3 …}に応じて交互に出力される交番信号となり、長い導光器４に対応する受光強度Ｉ₁ は大きく、短い導光器４に対応する受光強度Ｉ₂ が小さくなる。
判定手段５は、この交番信号の周波数成分から上記２種類の信号強度Ｉ_{1 ，}Ｉ₂ の入射位置Ｘ_{1 ，}Ｘ_{2 ，}Ｘ_{3 …}を求めて、それぞれの光強度Ｉ_{1 ，}Ｉ₂ を抽出し、それらの強度比を求めることで、潤滑剤６の光透過率を検出する。長い導光器４に対応する光強度Ｉ₁は、図５におけるＸ_{1 ，}Ｘ_{3 …}の検出位置の信号に対応し、その平均値または加算値が強度比の演算に用いられる。短い導光器４に対応する受光強度Ｉ₂ は、図５におけるＸ_{2 ，}Ｘ_{4 …}の検出位置の信号に対応し、同様にその平均値または加算値が強度比の演算に用いられる。

図６は、この実施形態における判定手段５の他の信号処理例を示す図である。この信号処理では、ラインセンサ３が受光した光強度を横軸にとり、ラインセンサ３におけるそれぞれの光強度となるセンサ素子数を縦軸にとって、図６のようにヒストグラムを作成する。これにより、２種類の光強度でピークとなる形状が得られる。このヒストグラムのそれぞれのピークは、２種類の長さの導光器４を通過した透過光の強度を示しているので、ピークから求めた光強度を上記した２種類の光強度Ｉ_{1 ，}Ｉ₂ として、それらの強度比を演算することができる。
このように、この信号処理の場合、単純な処理で自動的に２種類の信号強度を求めることができる。また、長い導光器４と短い導光器４の段差位置とラインセンサ３の各センサ素子３ａの位置とが厳密に一致していなくても、２種類の信号強度を求めることができるので、簡単な組み立て、取付けが可能となる。

なお、上記各実施形態では、ラインセンサ３の受光面に、透明樹脂や光ファイバからなる長さの異なる複数の導光器４を設けたが、ラインセンサ３の受光面に段差形状となる凹凸（図示せず）を設けることで導光器４としても良い。このように導光器４を構成すると、潤滑剤劣化検出装置１をさらにコンパクトに構成できる。

図７は、上記した潤滑剤劣化検出装置１を搭載したセンサ付き軸受を、鉄道車両用軸受ユニットに用いた断面図である。この鉄道車両用軸受ユニットは、センサ付き軸受２１とその内輪２４の両側に各々接して設けられた付属部品である油切り２２および後ろ蓋２３とで構成される。軸受２１は、ころ軸受、詳しくは複列の円すいころ軸受からなり、各列のころ２６，２６に対して設けた分割型の内輪２４，２４と、一体型の外輪２５と、前記ころ２６，２６と、保持器２７とを備える。
後ろ蓋２３は、車軸３０に軸受２１よりも中央側で取付けられて外周のオイルシール２８を摺接させたものである。油切り２２は、車軸３０に取付けられて外周にオイルシール２９を摺接させたものである。これら軸受２１の両端部に配置される両オイルシール２８，２９により軸受２１の内部に潤滑剤が封止され、かつ防塵・耐水性が確保される。

潤滑剤劣化検出装置１は軸受２１の外輪２５の中央部の内径面に取付けられ、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を検出する。潤滑剤劣化検出装置１は、ころ２６の端面付近に配置される。外輪２５には、潤滑剤劣化検出装置１の配線ケーブル１５を挿通させるケーブル挿入孔２５ａが設けられ、配線ケーブル１５の挿通部には、防水・防油処理が施される。前記配線ケーブル１５を通じて、軸受外から潤滑剤劣化検出装置１への電源供給と軸受外への検出信号の取り出しが行われる。これにより、潤滑剤劣化検出装置１と取付部から軸受内部へ水分やゴミ等が侵入するのを防止している。
上記潤滑剤劣化検出装置１を搭載したこのセンサ付き軸受２１では、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで正確に検出することができる。その結果、軸受２１に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受２１の潤滑剤不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置１の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

図８は、センサ付き軸受の他の例を示す。このセンサ付き軸受２１Ａは、図７に示したセンサ付き軸受２１において、上記した潤滑剤劣化検出装置１を、オイルシール２９の内側面に取付けたものである。この場合、潤滑剤劣化検出装置１は、保持器２７の端面付近に配置される。

この発明の一実施形態にかかる潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。 潤滑剤を透過する光の透過距離と透過光の強度との関係を示すグラフである。 上記潤滑剤劣化検出装置の具体的構成例を示す斜視図である。 この発明の他の実施形態にかかる潤滑剤劣化検出装置の構成例を示す斜視図である。 同潤滑剤劣化検出装置におけるラインセンサの検出信号の波形図である。 同潤滑剤劣化検出装置における判定手段での信号抽出処理の一例の説明図である。 上記潤滑剤劣化検出装置を搭載したセンサ付き軸受の一例の断面図である。 上記潤滑剤劣化検出装置を搭載したセンサ付き軸受の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１…潤滑剤劣化検出装置
２…光源
３…ラインセンサ
４…導光器
５…判定手段
６…潤滑剤
２１，２１Ａ…センサ付き軸受

Claims (10)

1. 光源と、光を検出するラインセンサと、このラインセンサから延びて先端が前記光源に対向する導光器とを設け、この導光器の先端を段差形状とし、前記光源と導光器の先端との間を潤滑剤の配置空間とし、前記ラインセンサの出力から潤滑剤の劣化状態を検出する判定手段を設けた潤滑剤劣化検出装置。
2. 請求項１において、前記導光器を、ラインセンサの長さ方向に対して一端側から他端側へ順次短くなるように、先端を段差形状とした潤滑剤劣化検出装置。
3. 請求項２において、前記判定手段は、前記ラインセンサの各センサ素子の出力する受光強度を比較して得られる相対強度によって潤滑剤の透過率を測定し、この透過率から潤滑剤の劣化を検出するものとした潤滑剤劣化検出装置。
4. 請求項１において、前記導光器を、ラインセンサの長さ方向に沿って、長さが長いものと短いものとが交互に並んだものとした潤滑剤劣化検出装置。
5. 請求項４において、前記判定手段は、ラインセンサにおける長さの長い導光器に対応するセンサ素子で受光される光と短いセンサ素子で受光される光の周期成分から２種類の信号強度の入射位置を求めて、それぞれの光強度を検出し、両光強度の比率を取ることによって潤滑剤の光の透過率を検出するものとした潤滑剤劣化検出装置。
6. 請求項４において、前記判定手段は、ラインセンサのセンサ素子で受光される信号強度ヒストグラムから、長さの長い導光器に対応するセンサ素子で受光される光と短いセンサ素子で受光される光との２種類の信号強度の分布を求め、その２種類の信号強度の比率を取ることによって潤滑剤の光の透過率を検出するものとした潤滑剤劣化検出装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記導光器が透明樹脂で形成されたものである潤滑剤劣化検出装置。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記導光器がラインセンサ上に直接に形成されたものである潤滑剤劣化検出装置。
9. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記導光器が光ファイバで形成されたものである潤滑剤劣化検出装置。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載したセンサ付き軸受。

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