JP2008019933A - Bearing device with sensor and bearing system - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a bearing with a sensor having a sensor for detecting an operating state of a rolling bearing device, a machine device, a spindle of a machine tool, and the like, and in particular, without providing a dedicated sensor for load detection, The present invention relates to a bearing device with a sensor and a bearing system capable of detecting a load.
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。 Conventionally, as a sensor-equipped bearing for detecting the rotational speed of a rotating member integrated with an inner ring or an outer ring, there is one disclosed in Patent Document 1, for example.
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)。
FIG. 6 is a cross-sectional view in the axial direction (rotation axis XX direction of the bearing) showing the sensor-equipped bearing disclosed in Patent Document 1. The sensor-equipped bearing includes a
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。
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。 Incidentally, in the case of the conventional structure shown in FIG. 6, when an axial load (also referred to as a thrust load) applied in a direction parallel to the shaft is to be measured, it is necessary to provide a separate load sensor. Therefore, a new space for installing the load sensor is required. Moreover, since the load sensor is very expensive, the cost of the entire system is unavoidable. As described above, the conventional bearing requires a load sensor for measuring the axial load, and there is a problem that the installation space of the sensor device is increased and the cost is increased.
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。 The present invention has been made for the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a sensor-equipped bearing that can be configured at low cost and can simultaneously measure the load applied to the shaft and the rotational speed of the shaft. To provide an apparatus.
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。 The present invention relates to a sensor-equipped bearing device and a bearing system capable of measuring an axial load, and the above object of the present invention is related to a sensor-equipped bearing device, one of which is a rotating wheel and the other is a stationary wheel. A sensor-equipped bearing device comprising a bearing portion having a rolling element interposed between the inner ring and the outer ring, and measuring the rotational speed of the detected object and simultaneously rotating the rotating wheel and the stationary ring. By providing a first sensor for detecting the revolution speed of the rolling element or its cage and a second sensor for detecting the rotational speed of the rotating wheel as sensors for measuring the axial load applied between them. Achieved.
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。 And a signal processing unit that calculates the axial load based on detection signals from the first and second sensors. The signal processing unit is based on detection signals from the first and second sensors. Calculating the axial load from the ratio between the revolution speed obtained and the rotational speed of the rotating wheel, and a sensor group in which two or more sensors including at least the first and second sensors are combined. The first and second sensors are one of two annular gaps formed between an inner peripheral surface of the outer ring, an outer peripheral surface of the inner ring, and upper and lower surfaces in the axial direction of the rolling element. The first and second sensors are formed between the inner peripheral surface of the outer ring, the outer peripheral surface of the inner ring, and the upper and lower surfaces in the axial direction of the rolling element. That of two annular voids Being disposed in the gap portion of the record, each of which is more effectively achieved by.
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。 Further, the first sensor detects any one of an encoder fixed to the cage, the cage formed by multipolar magnetization, and the rolling element made of a magnetic material for detecting the revolution speed. The second sensor is disposed in a notch portion formed at an end portion of the outer peripheral surface of the rotating wheel, and the detection part and the detected part of the second sensor are in the axial direction or It is more effectively achieved by being installed in the notch portion so as to face each other in the radial direction.
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。 Further, the bearing system is achieved by providing the sensor-equipped bearing device having the above-described configuration requirements in one of the two bearing portions that support the shaft of the rotating object. Alternatively, it is achieved by providing the sensor-equipped bearing device having the above-described constituent elements in both of the two bearing portions that support the shaft of the rotating object.
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。 According to the present invention, by measuring two rotational speeds (revolution speed and rotational speed), it is possible to analogize an axial load without using a load sensor. In addition, a sensor-equipped bearing device having a multi-sensing function capable of simultaneously measuring the axial load and the rotational speed or rotational speed of the shaft can be provided at a low cost. Furthermore, the axial load can be measured without providing a large installation space for the sensor outside the space between the rotating wheel and the stationary wheel.
(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。
(First embodiment)
FIG. 1 is a partial cross-sectional structure diagram showing a configuration example in a first embodiment of a sensor-equipped bearing device according to the present invention. The sensor-equipped bearing device of the present invention can be applied to various bearings such as bearings used in general vehicles such as railway vehicles, automobiles, and ships, and spindles of machine devices and machine tools. The case where it is applied will be described as an example. The configuration is the same even in cases other than vehicles.
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。
In FIG. 1, the bearing portion of the sensor-equipped bearing device includes an outer ring (stationary wheel) 11 fitted inside the vehicle body side housing, an
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。
When the sensor-equipped bearing device is used, the
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。
The sensor-equipped bearing device according to the present invention includes, as sensors, a revolution speed detection sensor 21 (hereinafter referred to as a “revolution number detection sensor”) for detecting the revolution speed of the
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。
The revolution
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。
On the other hand, the rotation
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。
In this example, magnetic detection sensors are used as the
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。
As shown in FIG. 1, the
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。
In the present embodiment, the arithmetic unit for calculating the axial load applied between the rotating wheel and the stationary wheel based on the detection signal from the revolution
ここで、アキシアル荷重の算出方法について説明する。 Here, a method for calculating the axial load will be described.
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。
When an axial load is applied between the
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。
In the present embodiment, the number of revolutions of the
(Modification of the first embodiment)
FIG. 2 is a partial cross-sectional structure diagram showing a modification of the first embodiment. The same components as those in the first embodiment shown in FIG.
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。
The sensor-equipped bearing device shown in FIG. 1 illustrates the case where the rotational speed detection direction is the axial direction, but the sensor-equipped bearing device shown in FIG. 2 is an example where the rotational speed detection direction is the radial direction. It is. In this example, as shown in FIG. 2, the
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a partial cross-sectional structure diagram showing a configuration example in the second embodiment of the sensor-equipped bearing device according to the present invention. The same components as those in the first embodiment shown in FIG. The description is omitted.
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。
In the second embodiment, like the first embodiment, one end (specifically, between the inner peripheral surface of the
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。 In this example, the rotational speed and revolution number are detected in the axial direction, but a combination detection method in which one of them is the radial direction and the other is the axial direction may be used.
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。
Below, the example of the system to which the bearing apparatus with a sensor which concerns on this invention is applied is shown.
(First application example)
FIG. 4 is a schematic diagram showing a first example of a system in which the sensor-equipped bearing device shown in the first and second embodiments is applied to a speed reduction mechanism.
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。
In this example, the sensor-equipped
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。
The sensor-equipped
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。
When an axial load is input from the rotating object 1, it can be measured regardless of the load in either the left or right direction. When two bearings are used as in this example, the sensor-equipped
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。
In this example, the axis is horizontal (for example, parallel to the ground), but the load can be measured even when the axis is vertical (for example, vertical to the ground).
(Second application example)
FIG. 5 shows an example of a system in which two sets of bearing devices with a sensor are combined in the first application example, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
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。
As shown in FIG. 5, when two sets of bearing
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。 As described above, by using the sensor-equipped bearing device capable of measuring the load and the rotational speed, it is not necessary to separately prepare a rotation sensor and a load sensor, so that space can be improved. In addition, since the load sensor is expensive, the cost can be reduced by using the sensor-equipped bearing device of the present invention.
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。 In the above-described embodiment, the deep groove ball bearing is illustrated and described, but it can also be applied to a bearing such as an angular ball bearing. Further, it can be applied not only to a single row but also to a double row bearing. Moreover, although what combined the sensor for rotational speed detection and the sensor for revolution speed detection was described, according to the structure of the combination of two or more sensors including at least these sensors for speed detection, for example according to the characteristic of an application A configuration in which a temperature sensor, a vibration sensor, or the like is combined may be used. Moreover, although the case where the rotating wheel is an inner ring has been described as an example, the sensor-equipped bearing device of the present invention can be applied not only to the inner ring rotating bearing but also to the outer ring rotating bearing. Further, in the above-described embodiment, the case where the rotation speed detection sensor and the revolution speed detection sensor are used as the sensor for detecting the rotation speed and the revolution speed has been described as an example. Any sensor that can measure the rotational speed such as angle, speed, acceleration, etc., and any sensor is included in the present invention.
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
1 Rotating
10 Bearing device with
12 Inner ring (rotating wheel)
12a Step (notch)
13
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