JP2007285900A - 潤滑剤劣化検出装置および検出装置付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受内部などでの潤滑剤の劣化検出をコンパクトな構成で容易に行うことが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検出装置付き軸受を提供することである。
【解決手段】 この潤滑剤劣化検出装置１は、発光素子２と、受光素子３と、投光側光ファイバ４と、受光側光ファイバ５と、判定手段７とを備える。投光側光ファイバ４は、基端が前記発光素子２に対向し先端を潤滑剤６の内部または近傍に位置するように配置する。受光側光ファイバ５は、基端が前記受光素子３に対向し先端が前記投光側光ファイバ４の先端近傍に位置し前記発光素子２から投光側光ファイバ４を介して投光されて潤滑剤６で反射した散乱光を前記受光素子３に導くように配置する。判定手段７は、前記受光素子３の出力から潤滑剤６に混入している異物の量を検出する。
【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検出装置付き軸受、例えば鉄道車両用、自動車用、産業機械用等の検出装置付き軸受に関する。

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、大量の摩耗粉が入って導通が起こるなどの状況にならなければ、特性変化として検出されず、混入物の検出が困難な場合がある。

この発明の目的は、軸受内部などでの潤滑剤の劣化検出をコンパクトな構成で容易に行うことが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検出装置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、発光素子と、受光素子と、基端が前記発光素子に対向し先端を潤滑剤の内部または近傍に位置させる投光側光ファイバと、基端が前記受光素子に対向し先端が前記投光側光ファイバの先端近傍に位置し前記発光素子から投光側光ファイバを介して投光されて潤滑剤で反射した散乱光を前記受光素子に導く受光側光ファイバと、前記受光素子の出力から潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段とを備えたものである。
このように、発光素子から投光されて潤滑剤で散乱する散乱光を受光素子で受光するまでの光路を、それぞれ基端が発光素子および受光素子に対向する投光側光ファイバおよび受光側光ファイバで形成すると、例えば検出対象の潤滑剤が封入された軸受等へコンパクトに配置することができる。また、前記光路を細い光ファイバで構成するため、検出ポイントを狙って設置することが可能になる。さらに、潤滑剤の内部または近傍に位置させた投光側光ファイバの先端の近傍に、受光側光ファイバの先端を位置させる配置構造であるため、組付けが容易で、安価に構成できる。その結果、軸受内部などでの潤滑剤の劣化検出をコンパクトな構成で容易に行うことができる。

この発明において、前記投光側光ファイバの先端に、この投光する光を散乱させる散乱部を設けても良い。
このように、投光側光ファイバの先端に散乱部を設けることにより、受光側光ファイバを介して受光素子で受光する光量を増加させて検出感度を高めることができる。

この発明において、前記投光側光ファイバの先端を受光側光ファイバの先端よりも突出させても良い。
投光側光ファイバの先端に散乱部を設けた構成で、かつ投光側光ファイバの先端を受光側光ファイバの先端よりも突出させた場合、散乱部から散乱して潤滑剤を透過する光を受光側光ファイバで受光し易くなり、安定した検出が可能になる。散乱部を設けない場合でも、潤滑剤で散乱する散乱光を受光側光ファイバで受光し易くなるので、安定した検出が可能になる。

この発明において、前記受光素子の受光信号の強度がしきい値以下になったことを検出して警告信号を出力する警告手段を設けても良い。このように警告手段を設けると、潤滑剤の劣化状態が許容限度を超えた場合に直ちに警告を発することができ、劣化への対応を速やかに行うことができる。

この発明の検出装置付き軸受は、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、リアルタイムで安定良く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、発光素子と、受光素子と、基端が前記発光素子に対向し先端を潤滑剤の内部または近傍に位置させる投光側光ファイバと、基端が前記受光素子に対向し先端が前記投光側光ファイバの先端近傍に位置し前記発光素子から投光側光ファイバを介して投光されて潤滑剤で反射した散乱光を前記受光素子に導く受光側光ファイバと、前記受光素子の出力から潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段とを備えるため、軸受内部などでの潤滑剤の劣化検出をコンパクトな構成で容易に行うことができる。
この発明の検出装置付き軸受は、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、リアルタイムで安定良く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および図２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一構成例を示す概略図である。この潤滑剤劣化検出装置１は、発光素子２および受光素子３と、基端を前記発光素子２に対向させた投光側光ファイバ４と、基端を前記受光素子３に対向させた受光側光ファイバ５と、前記受光素子３の出力から潤滑剤６に混入している異物の量を検出する判定手段７とを備える。投光側光ファイバ４および受光側光ファイバ５は平行に揃えられ、投光側光ファイバ４はその先端が検出対象となる潤滑剤６の内部または近傍に位置するように配置される。受光側光ファイバ５は、その先端が前記投光側光ファイバ４の先端近傍に位置するように配置される。具体的には、受光側光ファイバ５の先端は、投光側光ファイバ４の先端と横並びに揃う位置とされる。このように、投光側光ファイバ４および受光側光ファイバ５を配置することにより、発光素子２から投光された光が投光側光ファイバ４を介して潤滑剤６で散乱光となって散乱する。また、その散乱光が、受光側光ファイバ５を介して受光素子３に導かれる。

前記発光素子２としては、ＬＥＤ、ＥＬ、有機ＥＬなどを用いることができ、発光回路８によって駆動される。前記受光素子３としては、フォトダイオード、フォトトランジスタなどを用いることができ、その出力を受ける受光回路９によって受光素子３の受光量が検出される。

潤滑剤６が新品のときには透明に近い状態にあり、投光側光ファイバ４から投光された光は散乱されずに潤滑剤６を透過するため、散乱光の強度は低い。ところが、潤滑剤６に混入する異物の量が多くなると、散乱光の強度が徐々に増加する。そこで、判定手段７は、前記散乱光の強度に対応する受光素子３の出力から、潤滑剤６に混入している異物の量を検出する。潤滑剤９に混入する異物の量の増加は潤滑剤６の劣化の進行を意味するので、検出された異物の量から潤滑剤６の劣化具合を推定することができる。一方、潤滑剤６の汚れが更にひどくなると潤滑剤６を光が透過し難くなるので、受光素子３の受光信号は弱くなる。そこで、この実施形態では、前記判定手段７とは別に、受光素子３の受光信号の強度が所定のしきい値以下になったことを検出して警告信号を出力する警告手段１０が設けられている。このように警告手段１０を設けると、潤滑剤６の劣化状態が許容限度を超えた場合に、直ちに警告を発することができ、劣化への対応を速やかに行うことができる。

図２は、この実施形態の潤滑剤劣化検出装置１の他の構成例の光学系を示す。光学系以外の部分の構成は図１の構成例の場合と同様であり、ここでは重複する説明を省略する。この構成例では、投光側光ファイバ４の先端に、この光ファイバ４から投光される光を散乱させる散乱部１１が設けられている。この散乱部１１は、例えば投光側光ファイバ４の先端を斜めに切断して、この斜め切断面４ａにメッキ１２を施して構成される。メッキ１２は光ファイバ４内を先端側へ進んだ光を散乱反射させるものであり、光ファイバ４の先端におけるメッキ１２と反対側の側面には、メッキ１２で反射した光が外部に出るように形成されている。散乱部１１の他の構成として、前記斜め切断面４ａを研磨して投光を反射させることで、前記メッキ１２を省略するようにしても良い。
また、この構成例では、投光側光ファイバ４の先端を受光側光ファイバ５の先端よりも突出させている。

図２のように、投光側光ファイバ４の先端に散乱部１１を設けると、受光側光ファイバ５を介して受光素子３で受光する光量を増加させて検出感度を高めることができる。また、投光側光ファイバ４の先端を受光側光ファイバ５の先端よりも突出させることで、前記散乱部１１から散乱して潤滑剤６を透過する光を受光側光ファイバ５で受光し易くなり、安定した検出が可能になる。なお、前記散乱部１１を設けない場合でも、投光側光ファイバ４の先端を受光側光ファイバ５の先端よりも突出させると、潤滑剤６で散乱する散乱光を受光側光ファイバ５で受光し易くなるので、安定した検出が可能になる。

このように、この潤滑剤劣化検出装置１では、発光素子２から投光されて潤滑剤６で散乱する散乱光を受光素子３で受光するまでの光路を、それぞれ基端が発光素子２および受光素子３に対向する投光側光ファイバ４および受光側光ファイバ５で形成しているので、例えば検出対象の潤滑剤６が封入された軸受等へコンパクトに配置することができる。また、前記光路を細い光ファイバ４，５で構成するため、検出ポイントを狙って設置することが可能になる。さらに、潤滑剤６の内部または近傍に位置させた投光側光ファイバ４の先端の近傍に、受光側光ファイバ５の先端を位置させる配置構造であるため、組付けが容易で、安価に構成できる。その結果、軸受内部などでの潤滑剤６の劣化検出をコンパクトな構成で容易に行うことができる。

図３は、上記した潤滑剤劣化検出装置１を搭載した検出装置付き軸受を、鉄道車両用軸受ユニットに用いた一例の断面図である。この場合の鉄道車両用軸受ユニットは、検出装置付き軸受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２０に軸受２１よりも中央側で取付けられて外周にオイルシール２８を摺接させたものである。油切り２２は、車軸２０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。

軸受２１の外輪２５の両端部には、それぞれシールケース３０，３１が取付けられ、これらシールケース３０，３１に前記オイルシール２８，２９が設けられる。図４は、一方のオイルシール２９の取付け構造を示す拡大断面図である。同図において、シールケース３１は、軸方向に複数の段部が階段状に並ぶ断面形状とした環状の部材であって、その一端部を軸受外輪２５の内径面に圧入嵌合させることで、外輪２５に取付けられる。このシールケース３１の中間段部の内径面には、断面Ｌ字状のリング部材３２がその円筒部３２ａを圧入嵌合させて取付けられており、そのリング部材３２の内径側に延びる立板部３２ｂが前記油切り２２の外径面に対して所定のラビリンス隙間を形成するように配置されている。前記シールケース３１に設けられるオイルシール２９は、断面Ｌ字状の環状芯金３３と、この環状芯金３３の立板部に固定される弾性部材３４とでなり、環状芯金３３の円筒部３３ａを前記リング部材３２の円筒部３２ａの内周面に圧入嵌合させることにより、リング部材３２を介してシールケース３１に固定されている。前記弾性部材３４には、油切り２２の外径面に摺接するラジアルリップが形成されている。シールケース３１の他端部は、油切り２２のフランジ部２２ａの内向き幅面に形成されたリング状の溝３５に遊嵌させることで、この溝３５とシールケース３１の他端部との間にラビリンス隙間を形成している。このような構成により、軸受２１の内外輪２４，２５間の環状空間の一端部では、前記リング部材立片部３２ｂと油切り２２の外径面との間に形成されるラビリンス隙間と、油切り２２の外径面に摺接するオイルシール２９と、油切り２２の溝３５とシールケース３１の他端部との間に形成されるラビリンス隙間とで、密封が図られている。軸受２１の内外輪２４，２５間の環状空間の他端部については説明を省略するが、上記した一端部と同様のシール構造とされる。

この検出装置付き軸受２１では、前記シールケース３１の外側に潤滑剤劣化検出装置１の電気回路部１３が固定され、投光側光ファイバー４および受光側光ファイバ５がシールケース３１を貫通して観測ポイントである外輪２５の内径面近傍まで延ばされている。シールケース３１における光ファイバ貫通部には防水・防油処理が施され、これにより潤滑剤劣化検出装置１の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。

潤滑剤劣化検出装置１のこのような設置例は、軸受内部にスペースがない場合に有効である。また、例えば軸受２１の外輪２５等は、その製造の工程が煩雑であり、強度的にも厳しい要求があるため、上記潤滑剤劣化検出装置１を搭載する場合、工程の増加等のうえで好ましくない場合があるが、簡易な部品であるシールケース３１に潤滑剤劣化検出装置１を配置する場合、その取付工程が容易である。また、シールケース３１に潤滑剤劣化検出装置１を配置する場合、その他の軸受構成部品については、潤滑剤劣化検出装置１を搭載しない一般の軸受と軸受部品の共通化が図れ、製造工程を同じにできて生産性に優れる。

上記潤滑剤劣化検出装置１を搭載したこの検出装置付き軸受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５は、上記した潤滑剤劣化検出装置１を搭載した検出装置付き軸受を、鉄道車両用軸受ユニットに用いた他の例の断面図である。図６は、図５における潤滑剤劣化検出装置１の取付部の拡大断面図を示す。この例の検出装置付き軸受２１Ａでは、一方のシールケース３１の内側に潤滑剤劣化検出装置１の電気回路部１３および光ファイバ４，５が共に配置されている。具体的には、オイルシール２９におけるリング部材立板部３２ｂの軸方向内側に向く面に潤滑剤劣化検出装置１の電気回路部１３が固定され、その配線ケーブル１４がシールケース３１を貫通して軸受外に引き出されている。その配線ケーブル１４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。シールケース３１における配線ケーブル１４の貫通部には防水・防油処理が施される。これにより、潤滑剤劣化検出装置１の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。その他の構成は、図３および図４に示した構成例の場合と同様である。

潤滑剤劣化検出装置１のこのような設置例は、軸受内部にスペースがある場合に有効である。また、この設置例では、短い光ファイバ４，５で観測ポイントへ投光し、その散乱光を受光できる。

この発明の一実施形態にかかる潤滑剤劣化検出装置の一構成例を示す概略図である。 同潤滑剤劣化検出装置における光学系の他の構成例を示す概略図である。 上記潤滑剤劣化検出装置を搭載した検出装置付き軸受の一例の断面図である。 同検出装置付き軸受の一部の拡大断面図である。 上記潤滑剤劣化検出装置を搭載した検出装置付き軸受の他の例の断面図である。 同検出装置付き軸受の一部の拡大断面図である。

符号の説明

１…潤滑剤劣化検出装置
２…発光素子
３…受光素子
４…投光側光ファイバ
５…受光側光ファイバ
６…潤滑剤
７…判定手段
１０…警告手段
２１，２１Ａ…検出装置付き軸受

Claims (5)

1. 発光素子と、受光素子と、基端が前記発光素子に対向し先端を潤滑剤の内部または近傍に位置させる投光側光ファイバと、基端が前記受光素子に対向し先端が前記投光側光ファイバの先端近傍に位置し前記発光素子から投光側光ファイバを介して投光されて潤滑剤で反射した散乱光を前記受光素子に導く受光側光ファイバと、前記受光素子の出力から潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段とを備えた潤滑剤劣化検出装置。
2. 請求項１において、前記投光側光ファイバの先端に、この投光する光を散乱させる散乱部を設けた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、投光側光ファイバの先端を受光側光ファイバの先端よりも突出させた潤滑剤劣化検出装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記受光素子の受光信号の強度がしきい値以下になったことを検出して警告信号を出力する警告手段を設けた潤滑剤劣化検出装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載した検出装置付き軸受。
   
   

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