JP2007271273A - 潤滑剤劣化検出装置およびセンサ付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受内部などの検出部への設置が容易で、潤滑剤が広く分布する場合でも、潤滑剤の厚さやごみ・気泡など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を提供する。
【解決手段】 この潤滑剤劣化検出装置１では、平面的なエリアを撮像可能なエリア撮像素子４の撮像面に、表面に凹凸形状を持った透明の検出部材３を設ける。この検出部材３の前記凹凸面を測定対象の潤滑剤６の配置面とし、前記検出部材３に対面して光を投射する光源２を設ける。前記エリア撮像素子４の出力から、前記検出部材３の前記凹凸形状に応じた受光強度を測定して潤滑剤６の劣化具合を判定する判定手段５を設ける。
【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して配置し、これら光検出素子の出力の光強度信号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し、光検出素子の数が少ない場合には、微小なごみや気泡等の影響を受けやすいという課題がある。また、潤滑剤が広く分布している場合でも、ごく一部の潤滑剤しか測定できないので、広く分布する潤滑剤の平均の劣化状態を検出できないという課題もある。

この発明の目的は、軸受内部などの検出部への設置が容易で、潤滑剤が広く分布する場合でも、潤滑剤の厚さやごみ・気泡など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、平面的なエリアを撮像可能なエリア撮像素子の撮像面に、表面に凹凸形状を持った透明の検出部材を設け、この検出部材の前記凹凸面を測定対象の潤滑剤の配置面とし、前記検出部材に対面して光を投射する光源を設け、前記エリア撮像素子の出力から、前記検出部材の前記凹凸形状に応じた受光強度を測定して潤滑剤の劣化具合を判定する判定手段を設けたものである。
この構成によると、検出部材の潤滑剤の配置面を凹凸面としたため、前記配置面に配置された潤滑剤の厚さに凹部と突部とで違いが生じる。そのため、前記光源から照明光を照射し、透過光をエリア撮像素子で観測することにより、潤滑剤の厚さの違いによる光透過量の違いが検出され、この違いによって潤滑剤の透過率の測定等により潤滑剤の劣化状態が判定される。この場合に、透過光の強度そのものは、潤滑剤の厚さや光源の光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、潤滑剤の厚さの違いから透過光の減衰比率を求めることで、潤滑剤の安定した劣化検出が可能である。また、エリア撮像素子を用いるため、広い面積の測定を行って画像処理やフィルタ処理ができ、そのため細かなノイズや気泡や、ごみ等の影響を受けずに、安定した光透過率測定が可能になる。光源のむらや潤滑剤の厚さ分布のような大きな領域での変化は、補正によってキャンセルできるため、撮像面積が広くても検出が可能である。
このように、潤滑剤が広く分布する場合でも、潤滑剤の厚さやごみ・気泡など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することができる。
また、エリア撮像素子の撮像面に検出部材を設けることから、検出部材の光透過画像をエリア撮像素子の撮像面に結像させる結像光学系を別に配置する必要がなく、それだけ潤滑剤劣化検出装置を小型化でき、軸受内部などの検出部への設置が容易となる。

この発明において、前記検出部材が前記エリア撮像素子の撮像面に直接に形成されてエリア撮像素子と一体化されたものであっても良い。このように一体化すると、潤滑剤劣化検出装置をより一層小型化できる。

この発明において、前記検出部材の前記凹凸が、凹部と突部が交互に並ぶストライプパターンとなったものであっても良い。あるいは、前記検出部材の前記凹凸が、丸孔形状の凹部を分散して配置したものであっても良い。ストライプパターンであると、ストライプの長さ方向の平均輝度を求めることで、潤滑剤の内部に存在する微小なごみや気泡などに起因する細かな光強度のばらつきを解消できる。
また、前記検出部材の前記凹凸が、深さの異なる２種類以上の凹部を有するものであっても良い。この場合、潤滑剤の厚さの種類が増えるため、潤滑剤の光透過情報としてより広範囲のデータを得て、さらに精度の良い劣化検出を行うことが可能である。

この発明において、前記判定手段は、前記検出部材の前記凹凸のパターンに応じて、エリア撮像素子で撮像された画像上に検出領域を設定する検出領域設定部と、この設定された検出処理内の画像の輝度を平均化して輝度値を求め、輝度値によって潤滑剤の透過率を検出する光透過率検出部とを有するものとしても良い。
この潤滑剤劣化検出装置では、検出部材の光透過画像をエリア撮像素子の撮像面に結像させる結像光学系が要らないことから、エリア撮像素子で撮像される画像の位置がずれることがない。そのため、エリア撮像素子で撮像された画像上に上記したように検出領域を設定して、各検出領域における輝度を平均化して輝度値を求め、輝度値によって潤滑剤の透過率を検出することとすれば、安定した検出が可能となる。
また、上記した各検出領域は、エリア撮像素子で撮像される画像の上に複数設定されるので、各検出領域の検出値を用いて画像全体における光強度を抽出してその強度比を求めることとすれば、広い面積にわたる潤滑剤の光透過率を測定することができ、より正確で安定した劣化検出が可能となる。

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。
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、平面的なエリアを撮像可能なエリア撮像素子の撮像面に、表面に凹凸形状を持った透明の検出部材を設け、この検出部材の前記凹凸面を測定対象の潤滑剤の配置面とし、前記検出部材に対面して光を投射する光源を設け、前記エリア撮像素子の出力から、前記検出部材の前記凹凸形状に応じた受光強度を測定して潤滑剤の劣化具合を判定する判定手段を設けたため、軸受内部などの検出部への設置が容易で、潤滑剤が広く分布する場合でも、潤滑剤の厚さやごみ・気泡など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６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では、平面的なエリアを撮像可能なエリア撮像素子４の撮像面に、表面に凹凸を持った透明の検出部材３が設けられ、この検出部材３に対面して光を投射する光源２が設けられる。前記検出部材３の凹凸面は測定対象の潤滑剤６の配置面とされる。さらに、前記エリア撮像素子４の出力から、前記検出部材３の凹凸形状に応じた受光強度を測定して潤滑剤６の劣化具合を判定する判定手段５が設けられる。測定対象となる潤滑剤６は、例えば軸受内部に封入された潤滑剤である。エリア撮像素子４としては、例えばＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ撮像素子が使用される。

図１では、エリア撮像素子４の撮像面の上に、別部材の検出部材３が重ねて配置されているが、検出部材３は、エリア撮像素子４の撮像面に直接形成されてエリア撮像素子４と一体化されたものであっても良い。

図３（Ａ）は、前記検出部材３の表面に形成される凹凸の一例を示す平面図である。この凹凸の例は、凹部３ａと突部３ｂが交互に並ぶストライプパターンとなったものである。この場合、潤滑剤６は、図３（Ｂ）に正面図で示すように少なくとも凹部３ａに入り込んでいれば良いが、図３（Ｃ）に正面図で示すように凹部３ａから溢れて突部３ｂを覆うように十分な厚さとなっていても良い。

こ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ため、例えば図３（Ｃ）のように検出部材３の表面に潤滑剤６が配置された状態で、検出部材３を透過する光強度はＩ₁ ，Ｉ₂
（図２）のように検出部材３の凹凸段差ｄ、つまり潤滑剤６の厚さの差に応じた値となる。この光強度の差が明暗の縞模様となったストライプ状のパターン画像として前記エリア撮像素子４で撮像される。

前記判定手段５は、次のような基本処理により潤滑剤６の劣化状態を検出する。
潤滑剤６に摩耗粉等の異物が混入していると、図２に曲線グラフで示す減衰量が変化する。そこで、判定手段５は、エリア撮像素子４で撮像された画像から、上記したように検出部材３の凹凸で厚さｄだけ異ならせた潤滑剤６の透過光強度Ｉ₁ ，Ｉ₂ 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の光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の検出部材３を使用する場合、エリア撮像素子４で撮像された画像は、図３（Ａ）に平面図で示す検出部材３の凹凸と同じストライプ状のパターン画像となる。このパターン画像において、ストライプに直交する方向をｘ軸方向、ストライプの長手方向をｙ軸方向としたとき、その画像をｘ軸方向に走査して得られる光強度信号は、図４に示すように、検出部材３の突部３ｂ上に位置する潤滑剤６を透過する光強度Ｉ₁ と、検出部材３の凹部３ａ上に位置する潤滑剤６を透過する光強度Ｉ₂ が、検出位置つまり凹凸の並び位置ｘ₁ ，ｘ₂ ，ｘ₃ …に対応して交互に出力される周期変動信号となる。この周期変動信号は、図３（Ｂ）のように検出部材３上に配置される潤滑剤６の厚さが薄い場合には全体的に高レベルの信号となり、図３（Ｃ）のように潤滑剤６の厚さが厚い場合には全体的に低レベルの信号となる。

判定手段５は、上記周期変動信号から、検出位置ｘ₁ ，ｘ₃ …の強い光強度Ｉ₁ と、検出位置ｘ₂ ，ｘ₄ …の弱い光強度Ｉ₂ の比を求めることで、潤滑剤６の光透過率を検出する。この場合、前記パターン画像におけるストライプの長手方向（画像のｙ軸方向）の平均輝度を求めることで、図４の強弱の光強度Ｉ₁ ，Ｉ₂ を算出すると、潤滑剤６の内部に存在する微小なごみや気泡などに起因する細かな光強度のばらつきを解消できるので、安定した測定が可能となる。

また、図４の周期変動信号は、エリア撮像素子４によって得られるので、実際には面の画像データである。光源２に発光むらがあったり、潤滑剤６に厚さむらがある場合、画像全体の輝度が大きく傾斜する状態となる。この場合には、単純に検出位置ｘ₁ ，ｘ₃ …などの光強度を求めるだけでは検出誤差が大きくなってしまう。
そこで、判定手段５では、画像の輝度を求める前に、画像全体の輝度分布を用いてシェーディング補正をかけ全体の輝度分布を一様にしてから、個別の領域における光強度を求めるのが望ましい。これにより、広く分布する潤滑剤６の光透過率を測定することができ、潤滑剤６の分布むらや、局所的な厚み変化などの影響を受けず、安定した劣化検出を行うことができる。

図５（Ａ）は、前記検出部材３の表面に形成される凹凸の他の例を示す平面図である。この凹凸の例は、突部３ｂとなる平面上に丸孔形状の複数の凹部３ａを分散して配置したものである。この場合の各凹部３ａは、図５（Ａ）のＶ−Ｖ矢視断面図を示す図５（Ｂ）のように同じ深さのものとしても、図５（Ｃ）のように深さが異なる２種類以上のものとしても良い。凹部３ａの深さを複数種類とした場合、凹部３ａ上に位置する潤滑剤６の厚さが複数種類となるので、潤滑剤６の光透過情報としてより広範囲のデータを得ることができる。

図５の検出部材３を使用する場合、エリア撮像素子４で撮像された画像は、図５（Ａ）に平面図で示す検出部材３の凹凸と同じ複数の円形暗部１３ａ（凹部３ａに相当する部分）が分散したパターン画像となる。例えば各凹部３ａが同じ深さである場合に、判定手段５は、その検出領域設定部８と光透過率検出部９（図１）とにより、前記パターン画像から、図３の検出部材３を使用する場合でも行った強弱の２種類の光強度Ｉ₁ ，Ｉ₂ を抽出する処理を以下のように行う。
先ず、判定手段５の検出領域設定部８が、例えば、図６（Ａ）のように前記パターン画像における円形暗部１３ａ（凹部３ａに相当する部分）以外の領域１３ｂ（突部３ｂに相当する部分）における所定部分を第１の検出領域１０Ａとして設定すると共に、各円形暗部１３ａにおける中央付近を第２の検出領域１０Ｂとして設定する。なお、これらの検出領域１０Ａ，１０Ｂは、前記パターン画像を用いて予め設定することができる。第２の検出領域１０Ｂは、第１の検出領域１０Ａよりも潤滑剤６を透過した距離が長い光透過画像部分であるため、図６（Ｂ）に示すように第２の検出領域１０Ｂの輝度Ｉ₂ は第１の検出領域１０Ａの輝度Ｉ₁ よりも低い。
上記した各検出領域１０Ａ，１０Ｂはある程度の大きさがあるので、判定手段５の光透過率検出部９は、設定された第１の検出領域１０Ａの画像の輝度Ｉ₁ を平均化し一種類の光強度Ｉ₁ として抽出すると共に、第２の検出領域１０Ｂの画像の輝度Ｉ₂ も平均化してもう一種類の光強度Ｉ₂ として抽出し、これら２種類の光強度Ｉ₁ ，Ｉ₂ の比から潤滑剤６の透過率を検出する。

この潤滑剤劣化検出装置１では、検出部材３の光透過画像をエリア撮像素子４の撮像面に結像させる結像光学系を配置する必要がないので、エリア撮像素子４で撮像される画像の位置はずれることがない。このため、上記したように、エリア撮像素子４で撮像された画像上に検出領域１０Ａ，１０Ｂを容易に設定することができ、各検出領域１０Ａ，１０Ｂにおける輝度Ｉ₁ ，輝度Ｉ₂ を平均化することで、強弱の２種類の光強度Ｉ₁ ，Ｉ₂ を抽出することにより、安定した検出が可能となる。
また、上記した各検出領域１０Ａ，１０Ｂは、エリア撮像素子４で撮像される画像の上に複数設定されるので、各検出領域１０Ａ，１０Ｂの検出値を用いて画像全体における強弱の２種類の光強度度Ｉ₁ ，Ｉ₂ を抽出してその強度比を求めることで、広い面積にわたる潤滑剤６の光透過率を測定することができ、より正確で安定した劣化検出が可能となる。
なお、図３の検出部材３を使用した場合の説明では、判定手段５での信号処理として、検出領域設定部８や光透過率検出部９の機能について述べなかったが、上記と同様の信号処理を行って強弱の２種類の光強度度Ｉ₁ ，Ｉ₂ を抽出することができる。

このように、この潤滑剤劣化検出装置１では、平面的なエリアを撮像可能なエリア撮像素子４の撮像面に、表面に凹凸形状を持った透明の検出部材３を設け、この検出部材３の前記凹凸面を測定対象の潤滑剤の配置面とし、前記検出部材３に対面して光を投射する光源２を設け、前記エリア撮像素子４の出力から、判定手段５が前記検出部材３の前記凹凸形状に応じた受光強度を測定して潤滑剤６の劣化具合を判定するように構成しているので、潤滑剤６が広く分布する場合でも、潤滑剤６の厚さやごみ・気泡など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することができる。
また、エリア撮像素子４の撮像面に検出部材３を設けるので、検出部材３の光透過画像をエリア撮像素子４の撮像面に結像させる結像光学系を別に配置する必要がなく、それだけ潤滑剤劣化検出装置１を小型化できる。その結果、軸受内部などの検出部への潤滑剤劣化検出装置１の設置が容易となる。

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。この場合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の転走面の脇部に取付けられ、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。これにより、設備の保守作業や交換の必要性を早期に判断することができ、装置の運転停止時間を最小限にすることもできる。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。

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。 （Ａ）は上記潤滑剤劣化検出装置に使用される検出部材の一例の平面図、（Ｂ），（Ｃ）は同検出部材の各例の断面図である。 同潤滑剤劣化検出装置におけるエリア撮像素子で撮像される画像をｘ軸方向に走査した検出信号の波形図である。 （Ａ）は上記潤滑剤劣化検出装置に使用される検出部材の他の例の平面図、（Ｂ），（Ｃ）は（Ａ）におけるＶ−Ｖ矢視断面における各例を示す図である。 （Ａ）は図５の検出部材を用いた場合の画像上に設定される検出領域の一例を示す説明図、（Ｂ）は各検出領域の輝度を示す説明図である。 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。

符号の説明

１…潤滑剤劣化検出装置
２…光源
３…検出部材
３ａ…凹部
３ｂ…突部
４…エリア撮像素子
５…判定手段
６…潤滑剤
８…検出領域設定部
９…光透過率検出部
２１…センサ付き軸受

Claims (7)

1. 平面的なエリアを撮像可能なエリア撮像素子の撮像面に、表面に凹凸形状を持った透明の検出部材を設け、この検出部材の前記凹凸面を測定対象の潤滑剤の配置面とし、前記検出部材に対面して光を投射する光源を設け、前記エリア撮像素子の出力から、前記検出部材の前記凹凸形状に応じた受光強度を測定して潤滑剤の劣化具合を判定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、前記検出部材が前記エリア撮像素子の撮像面に直接に形成されてエリア撮像素子と一体化されたものである潤滑剤劣化検出装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記検出部材の前記凹凸が、凹部と突部が交互に並ぶストライプパターンとなったものである潤滑剤劣化検出装置。
4. 請求項１または請求項２において、前記検出部材の前記凹凸が、丸孔形状の凹部を分散して配置したものである潤滑剤劣化検出装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記検出部材の前記凹凸が、深さの異なる２種類以上の凹部を有するものである潤滑剤劣化検出装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記判定手段は、前記検出部材の前記凹凸のパターンに応じて、エリア撮像素子で撮像された画像上に検出領域を設定する検出領域設定部と、この設定された検出処理内の画像の輝度を平均化して輝度値を求め、輝度値によって潤滑剤の透過率を検出する光透過率検出部とを有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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