JP2008026045A - 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】検出部を外部部材との干渉から保護できて、安定した潤滑剤の劣化検出が可能な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。
【解決手段】潤滑剤劣化検出装置１は、先端が潤滑剤６の配置空間１０を介して平行に並ぶ２本の光ファイバ４，５と、一方の光ファイバ４の基端に配置した発光素子２と、他方の光ファイバ５の基端に配置した受光素子３と、この受光素子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。２本の光ファイバ４，５は、それぞれ先端を斜めにカットしてその斜めカット面を反射コーティングした反射面４ａ，５ａとする。これら斜めの反射面４ａ，５ａは、一方の光ファイバ４を通る光が先端の反射面４ａで他方の光ファイバ５の反射面５ａに向けて反射して、この反射面５ａから他方の光ファイバ５内に反射する方向に向ける。
【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検出装置付き軸受、例えば安全性やメンテナンス性が要求される鉄道車両、発電プラント、風車設備等に使用される潤滑剤劣化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。

このような課題を解決するものとして、例えば図４のように、発光側および受光側の光ファイバ４６，４７の各一端を検出対象となる潤滑剤４５が存在する検出部４８に対向させ、発光側の光ファイバ４６の他端に発光素子４３を、受光側の光ファイバ４７の他端に受光素子４４をそれぞれ配置した光学式の構成を考えた。
図４の構成では、発光素子４３から出射された光が発光側の光ファイバ４６を経由して検出部４８に存在する潤滑剤４５を透過し、さらに受光側の光ファイバ４７を経由して受光素子４４で検出され、受光素子４４で検出される透過光量から潤滑剤４５に混入する異物の量が推定される。

しかし、図４の構成の場合、潤滑剤４５が一定厚さに保たれるような構造の検出部４８が必要であり、例えば軸受内部に封入された潤滑剤の劣化検出に用いるような場合、軸受内部での配置の自由度が低くなる。

そこで、図５のように、検出部となる潤滑剤４５の配置空間５０を介して先端が並ぶ２本の光ファイバ４６，４７を設け、これら光ファイバ ４６，４７の先端を図６のように斜めにカットしてその斜めカット面を反射コーティングした反射面４６ａ，４７ａとし、これら斜めの反射面４６ａ，４７ａを、一方の光ファイバ４６を通る光が先端の反射面４６ａで他方の光ファイバ４７の反射面４７ａに向けて反射してこの反射面４７ａから他方の光ファイバ４７内に反射する方向とする構成のものを考えた。この場合、一方の光ファイバ４６の基端に発光素子４３を、他方の光ファイバ４７の受光素子４４をそれぞれ配置し、受光素子４４の出力に基づき潤滑剤４５に混入している異物の量を図示しない判定回路で検出する。

このように構成した場合、反射部材を別途付加するといった複雑な構造とせずに、検出部となる潤滑剤４５の配置空間５０を小型化でき、構成部品も減らすことができる。これにより、軸受内部などへの設置において、配置の自由度を高めることができ、発光素子４３、受光素子４４、判定回路を軸受内に配置することが可能となる。

しかし、この構成の場合、検出部となる潤滑剤４５の配置空間５０を介して並ぶ２本の光ファイバ４６，４７の先端は、斜めカット面とした反射面４６ａ，４７ａを有する尖った形状であり、しかも光ファイバ４６，４７の材質はプラスチックやガラス等であるため、例えば軸受内部などへの設置において、軸受の構成部品などの外部部材と干渉して変形あるいは破損してしまうという問題がある。

この発明の目的は、検出部を外部部材との干渉から保護できて、安定した潤滑剤の劣化検出が可能な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、先端が潤滑剤の配置空間を介して平行に並ぶ２本の光ファイバを設け、これら２本の光ファイバは、それぞれ先端を斜めにカットしてその斜めカット面を反射面とし、これら斜めの反射面は、一方の光ファイバを通る光が先端の反射面で他方の光ファイバの反射面に向けて反射してこの反射面から他方の光ファイバ内に反射する方向とし、前記一方の光ファイバの基端に発光素子を、他方の光ファイバの基端に受光素子をそれぞれ配置し、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を設け、前記２本の光ファイバの両方を、互いに対向する先端部分を除いて覆って相互に固定する光ファイバ固定部材を設け、この光ファイバ固定部材の光ファイバ先端側の端面を、光フィイバの先端と同じかまたは先端よりも突出させたものである。
このように、投光側光ファイバおよび受光側光ファイバを、それらの先端が潤滑剤の配置空間を介して並ぶように設けると共に、それぞれの先端を斜めにカットしてその斜めカット面を反射面とすると、反射部材を別途付加するといった複雑な構造とせずに、検出部となる潤滑剤の配置空間を小型化でき、構成部品も減らすことができる。また、構成部品を減らすことによって、潤滑剤劣化検出装置の光学系をコンパクトで故障し難い構成とすることができる。これにより、例えば検出対象の潤滑剤が封入された軸受の内部などへの設置において、配置の自由度を高めることができる。
検出部である２本の光ファイバの先端間の潤滑剤の配置空間のギャップが変動すると、検出対象となる潤滑剤の厚さが変動する。潤滑剤を透過する透過光の強度は潤滑剤の厚さにも左右されるので、潤滑剤の厚さ変動は安定した検出の妨げになる。この潤滑剤劣化検出装置では、２本の光ファイバの両方を光ファイバ固定部材で覆って互いに固定しているので、検出部のギャップの変動がなく、安定した劣化検出が可能となる。
しかも、前記光ファイバ固定部材は、２本の光ファイバを、それらの互いに対向する先端部分を除いて覆って相互に固定し、光ファイバ固定部材の光ファイバ先端側の端面を、光フィイバの先端と同じかまたは先端よりも突出させたものとしている。そのため、この潤滑剤劣化検出装置を、例えば軸受の内部に設置するような場合に、光ファイバの先端部分が軸受の構成部品等の外部部材と干渉して変形あるいは破損するのを防止できる。これにより、潤滑剤劣化検出装置の検出部が保護され、潤滑剤の劣化検出を安定して行うことができる。

この発明の検出装置付き軸受は、この発明の上記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潤滑剤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、先端が潤滑剤の配置空間を介して平行に並ぶ２本の光ファイバを設け、これら２本の光ファイバは、それぞれ先端を斜めにカットしてその斜めカット面を反射面とし、これら斜めの反射面は、一方の光ファイバを通る光が先端の反射面で他方の光ファイバの反射面に向けて反射してこの反射面から他方の光ファイバ内に反射する方向とし、前記一方の光ファイバの基端に発光素子を、他方の光ファイバの基端に受光素子をそれぞれ配置し、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を設け、前記２本の光ファイバの両方を、互いに対向する先端部分を除いて覆って相互に固定する光ファイバ固定部材を設け、この光ファイバ固定部材の光ファイバ先端側の端面を、光フィイバの先端と同じかまたは先端よりも突出させたため、検出部を外部部材との干渉から保護できて、安定した潤滑剤の劣化検出が可能となる。
この発明の検出装置付き軸受は、この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潤滑剤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概略構成図を示す。この潤滑剤劣化検出装置１は、先端が潤滑剤６の配置空間１０を介して並ぶ２本の光ファイバ４，５と、一方の光ファイバ４の基端に配置した発光素子２と、他方の光ファイバ５の基端に配置した受光素子３と、この受光素子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。前記潤滑剤６の配置空間１０は、この潤滑剤劣化検出装置１における潤滑剤６の検出部となるものである。
前記２本の光ファイバ４，５は平行に揃えて配置され、それらの先端は、それぞれ斜めにカットした斜めカット面とされている。これらの斜めカット面は、蒸着膜、またはメッキ、または樹脂封止により反射コーティングした反射面４ａ，５ａとされている。これら斜めの反射面４ａ，５ａは、一方の光ファイバ４を通る光が先端の反射面４ａで他方の光ファイバ５の反射面５ａに向けて反射して、この反射面５ａから他方の光ファイバ５内に反射する方向に向けられている。具体的には、一方の光ファイバ４は、発光素子２の発光面と対向する基端の端面に発光素子２から出射された光を入射させ、先端の反射面４ａで反射させることで光路を９０°曲げて、潤滑剤６の配置空間１０に投光する投光側光ファイバとなるものである。また、他方の光ファイバ５は、潤滑剤６の配置空間１０に対向する先端の面から潤滑剤６を透過した光を入射させ、先端の反射面５ａで光ファイバ５内に反射させることで光路をさらに９０°曲げて、受光素子３の受光面と対向する基端の端面から受光素子３に入射させる受光側光ファイバとなるものである。なお、両光ファイバ４，５の先端の互いに対面する部分は、光の透過が可能な構成としておく。
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から出射された光が投光側光ファイバ４を介して潤滑剤６を透過し、その透過光が受光側光ファイバ５を介して受光素子３に入射される。

前記２本の光ファイバ４，５の両方は、互いに対向する先端部を除いて光ファイバ固定部材１１で覆われて相互に固定状態とされている。具体的には、光ファイバ固定部材１１は、２本の光ファイバ４，５の先端側の端面が、光ファイバ４，５の先端と同じか、または先端よりも突出したものとされ、その先端側の端面の中央部には、両光ファイバ４，５の先端部分を露出させる溝１２が基端側へ延びて形成されている。

前記発光素子２としては、ＬＤ、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から投光されて潤滑剤６を透過する透過光の強度は高い。ところが、潤滑剤６に混入する異物の量が多くなると、透過光の強度が徐々に低下する。そこで、判定手段７は、透過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６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。

このように、この潤滑剤劣化検出装置１では、投光側光ファイバ４および受光側光ファイバ５を、それらの先端が潤滑剤６の配置空間１０を介して並ぶように設けると共に、それぞれの先端を斜めにカットしてその斜めカット面を反射コーティングした反射面４ａ，５ａとしているので、反射部材を別途付加するといった複雑な構造とせずに、検出部となる潤滑剤６の配置空間１０を小型化でき、構成部品も減らすことができる。また、構成部品を減らすことによって、光学系をコンパクトで故障し難い構成とすることができる。これにより、例えば検出対象の潤滑剤６が封入された軸受の内部などへの設置において、配置の自由度を高めることができる。

潤滑剤６の検出部１０のギャップ、つまり２本の光ファイバ４，５の先端間の潤滑剤６の配置空間のギャップが変動すると、検出対象となる潤滑剤６の厚さが変動する。潤滑剤６を透過する透過光の強度は潤滑剤６の厚さにも左右されるので、潤滑剤６の厚さ変動は安定した検出の妨げになる。この潤滑剤劣化検出装置１では、２本の光ファイバ４，５の両方を光ファイバ固定部材１１で覆って互いに固定状態としているので、検出部１０のギャップの変動がなく、安定した劣化検出が可能となる。

また、光ファイバ固定部材１１は、２本の光ファイバ４，５をそれらの互いに対向する先端部分を除いて覆っているので、この潤滑剤劣化検出装置１を例えば軸受の内部に設置するような場合に、光ファイバ４，５の先端部分が軸受の構成部品等の外部部材と干渉して変形あるいは破損するのを防止できる。これにより、潤滑剤劣化検出装置１の検出部が保護され、潤滑剤６の劣化検出を安定して行うことができる。

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。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オイルシール２９が取付けられる。軸受２１の内外輪２４，２５間の環状空間の他端部についても、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、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２本の光ファイバ４，５が共に設けられ、光ファイバ４，５の先端の検出部１０は、観測ポイントである外輪２５の内径面における転走面の脇に配置されている。潤滑剤劣化検出装置１の検出部１０は、上記したように小型化され配置の自由度が高いので、このような位置への配置を容易に行うことができる。また、光ファイバ４，５は、上記したように互いに対向する先端部分を除いて光ファイバ固定部材１１で覆われているので、軸受内部への設置において前記検出部１０が軸受構成部品等の外部部材と干渉して変形あるいは破損するのを防止できる。これにより、軸受２１の潤滑に寄与する転走面の脇での潤滑剤の劣化検出を安定して行うことができる。

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。

この発明の一実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。 同潤滑剤劣化検出装置における光学系の概略構成を示す正面図である。 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一例を示す断面図である。 潤滑剤劣化検出装置の提案例の概略構成図である。 潤滑剤劣化検出装置の他の提案例の光学系の概略構成を示す正面図である。 （Ａ）は図５における光ファイバの側面図、（Ｂ）は同背面図である。

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
４ａ…反射面
５…受光側光ファイバ
５ａ…反射面
６…潤滑剤
７…判定手段
１０…潤滑剤の配置空間（検出部）
１１…光ファイバ固定部材
１２…溝
２１…検出装置付き軸受

Claims (2)

1. 先端が潤滑剤の配置空間を介して平行に並ぶ２本の光ファイバを設け、これら２本の光ファイバは、それぞれ先端を斜めにカットしてその斜めカット面を反射面とし、これら斜めの反射面は、一方の光ファイバを通る光が先端の反射面で他方の光ファイバの反射面に向けて反射してこの反射面から他方の光ファイバ内に反射する方向とし、前記一方の光ファイバの基端に発光素子を、他方の光ファイバの基端に受光素子をそれぞれ配置し、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を設け、前記２本の光ファイバの両方を、互いに対向する先端部分を除いて覆って相互に固定する光ファイバ固定部材を設け、この光ファイバ固定部材の光ファイバ先端側の端面を、光フィイバの先端と同じかまたは先端よりも突出させた潤滑剤劣化検出装置。
2. 請求項１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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