JP2008106910A - 軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動作に関する情報を長期にわたって確実に検出及び記憶できる軸受装置を提案すること。
【解決手段】玉軸受の外輪に、センサチップ１を配置する。センサチップ１は、単一の半導体基板１１上に、振動を受けて電力を生成する発電素子１２と、弾性波を検出するＡＥセンサで形成されたセンサ部１３と、不揮発性のＲＡＭで形成された記憶部１４と、外部機器との通信を行うＲＦアンテナと送信回路と受信回路で形成された送受信部１５と、ＣＰＵで形成された制御部１６を有する。玉軸受が回転動作すると、外輪が振動し、この振動によってセンサチップの発電素子１２で電力が生成され、センサ部１３と制御部１６に電力が供給される。玉軸受の長期の動作期間にわたってセンサチップ１を駆動でき、弾性波の検出と検出情報の記憶を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸受装置に関し、詳しくは、動作に関する情報を動作期間にわたって確実に検出及び記憶できる軸受装置に関する。

従来、軸受装置に装着され、衝撃センサと記憶部を有し、軸受装置の損傷の原因となる衝撃を検出して記憶する衝撃センサユニットが提案されている（特許文献１：特開２００５−１８９０５８号公報参照）。

この衝撃センサユニットは、衝撃センサが所定の大きさ以上の衝撃を受けたとき、衝撃の大きさと受けた時刻とを表す情報を記憶部に記憶する。この記憶部に記憶された情報は、衝撃センサユニットと一体の液晶表示部に表示するようにしている。この衝撃センサユニットは、軸受装置に装着され、組み立て工程や輸送工程に送られる。この後、軸受装置の購入者が、組み立て工程や輸送工程において受けた衝撃の大きさ及び回数が液晶表示部を通して確認し、軸受装置の損傷の可能性を判断できるようにしている。

この衝撃センサユニットの電源としては、電池を用いることが記載されている。
特開２００５−１８９０５８号公報

しかしながら、上記衝撃センサユニットは、電池の消耗により、衝撃の検出期間が比較的短いという問題がある。したがって、軸受装置の全ての動作期間にわたって衝撃を検出するのが困難である。

さらに、電池や液晶表示部を内蔵することにより衝撃センサユニットの寸法や重量が比較的大きくなるので、軸受装置への装着位置が限られるという問題がある。詳しくは、軸受装置の転動体の近傍や摺動面の近傍には装着が困難である。また、部品の重量バランスを変化させて軸受装置の動作に影響を与えるような位置には装着が困難である。

また、衝撃センサユニットを、内燃機関の近傍のような高温の環境で使用する場合、電池や液晶表示部の故障を招く虞がある。したがって、衝撃センサユニットの使用環境が限定されるという不都合がある。

さらに、衝撃センサユニットによって検出及び記憶される情報は、衝撃の大きさ及び回数のように、時系列において断片的な情報であるので、情報の詳細な分析が困難であり、故障に関する有効な原因究明が行い難いという問題がある。

そこで、本発明は、動作に関する情報を長期にわたって確実に検出及び記憶でき、情報の検出位置の制限が少なく、軸受装置の動作への影響が少なく、幅広い使用環境で安定して情報を検出及び記憶でき、また、故障原因の究明に対して有効な情報を検出及び記憶できる軸受装置を提案することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の軸受装置は、
第１軌道輪と、
第２軌道輪と、
上記第１軌道輪と第２軌道輪との間に配置された転動体と、
上記第１軌道輪及び第２軌道輪のうちの少なくとも一方に配置された半導体装置と
を備え、
上記半導体装置は、
検出信号を出力するセンサ部と、
上記検出信号に対応する検出情報を記憶する記憶部と、
外部に信号を送信する送信部と、
上記記憶素子及び送信部の動作を制御する制御部と、
発電を行うと共に、上記センサ部、記憶部、送信部および制御部に給電する発電素子と
を有することを特徴としている。

本発明によれば、半導体装置の発電素子で発電が行われて、半導体装置の各部に電力が供給されて動作する。すなわち、センサ部によって軸受装置の動作に関する情報が検出され、このセンサ部から出力された検出信号に対応する検出情報が記憶部に記憶される。記憶部に記憶された情報は、制御部による制御の下送信部によって外部に送信することができる。尚、この発明で使用できる発電素子としては、ハウジングや軸から軸受装置につたわる振動を利用して発電する素子や、軸受装置内の温度差を利用して発電する素子等がある。

本発明の軸受装置は、発電素子が発電を行って、半導体装置が駆動されるので、軸受装置が動作する限り、軸受装置の動作に関する情報を検出することができる。したがって、従来のセンサユニットのように、電池の消耗によって情報の検出が停止したりすることがなく、軸受装置の長期の動作期間にわたって情報の検出及び記憶を行うことができる。

また、本発明の軸受装置の半導体装置は、電池が不要であるので、従来のセンサユニットよりも大幅に寸法と重量を削減できる。したがって、第１軌道輪及び第２軌道輪に、従来よりも高い自由度で半導体装置を配置することができる。例えば、上記半導体装置は、相対移動する第１軌道輪及び第２軌道輪の互いに対向する面に配置しても良く、第１軌道輪又は第２軌道輪の軸方向の端面に凹部を形成し、この凹部内に半導体装置を配置しても良い。

また、本発明の軸受装置の半導体装置は、従来のセンサユニットのような電池や液晶表示部が無いので、高温環境においても安定して動作する。例えば、公知の半導体製造技術により、１００℃を越える温度環境で正常に動作する半導体装置を製造できる。したがって、幅広い使用環境において、安定して情報の検出と記憶を行うことができる。

ここで、センサ部が情報を検出する対象には、例えば、弾性波や超音波のような振動や、温度がある。特に、弾性波として、ＡＥ（アコースティック・エミッション）を検出すると、軸受装置の構成部品の変形や破壊の前兆（例えば金属組織の最小粒子のひずみやクラックの発生）を高精度に検知できて好ましい。

また、上記半導体装置は、単一の基板上に形成された所謂ワンチップの半導体装置であるのが好ましい。ワンチップの半導体装置を用いることにより、半導体装置の小型化と、軽量化と、軸受装置の製造の容易化と、第１軌道輪及び第２軌道輪への配置の自由度の向上を図ることができる。

一実施形態の軸受装置は、上記半導体装置の制御部は、上記センサ部による検出値が所定の閾値を越えたとき、上記記憶部に上記検出情報を記憶させる。

上記実施形態によれば、上記閾値を、検出対象の特性に応じて、例えば、故障を示す値に予め設定しておくことにより、故障が生じるときの検出情報を記憶部に記憶させることができる。この記憶部に記憶された検出情報を読み出し、解析することにより、軸受装置の故障原因を特定することができる。

ここで、上記記憶部には、上記検出情報を連続して記憶するのが好ましい。この場合、上記閾値は、故障の前兆を示す値に設定する。そして、制御部が、センサ部からの検出値が上記閾値を越えたと判断すると、上記記憶部に検出情報を継続して記憶させる。これにより、軸受装置の故障の前兆から故障に至るまでの間にわたって、検出情報の時系列における変化を得ることができる。例えば、センサ部によって弾性波を検出する場合、弾性波の時系列変化を解析することにより、軸受装置の部品の詳細な破壊過程を解明して、故障の原因を特定することができる。

なお、上記閾値を、検出対象が故障を起こす直前の値に設定しておくことにより、検出情報の変動過程を詳細に解明することができる。また、検出情報の記憶を継続する時間は、記録の開始から所定時間に設定してもよく、あるいは、記憶部の全容量を満たすまで記憶を継続してもよい。

以下、本発明の軸受装置を図示の実施形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態の軸受装置が備える半導体装置としてのセンサチップを示す模式図であり、図２及び３は、上記センサチップを備えた軸受装置を示す概略図である。

本実施形態の軸受装置のセンサチップ１は、図１に示すように、単一の半導体基板１１上に形成された発電素子１２と、センサ部１３と、記憶部１４と、送信部の一例としての送受信部１５と、制御部１６を有する。上記発電素子１２はピエゾ素子を含み、振動を受けて電力を生成する。上記発電素子１２は、発電を行って、センサ部１３、記憶部１４、送受信部１５および制御部１６に給電するようになっている。上記センサ部１３は、弾性波を検出するＡＥセンサである。上記記憶部１４は、不揮発性のＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）である。上記送受信部１５は、図示しない外部機器との通信を行うＲＦアンテナと、送信回路と、受信回路を含んで形成されている。送受信部１５には、アンテナに入力された高周波エネルギーを整流して電力を生成する整流回路が接続されている。上記制御部１６はＣＰＵで形成され、ＲＯＭ（リード・オンリー・メモリ）に予め書き込まれた制御プログラムに従って、センサ部１３、記憶部１４及び送受信部１５を制御する。制御部１６のＲＯＭには、弾性波に関する閾値が予め記憶されている。

図２は、上記センサチップ１を有する軸受装置としての玉軸受であり、この玉軸受は、第１軌道輪としての外輪２１と、第２軌道輪としての内輪２２と、これらの内外輪２１，２２間に転動自在に配置された転動体としての玉２３とを備え、上記外輪２１と内輪２２とを互いに回転自在に形成し、上記転動体を周方向所定間隔に保持する保持器２４を備えている。上記外輪２１の外周面が、回転機器のハウジングに取り付けられている一方、上記内輪２２の内周面が、回転機器の軸に連結されている。

この玉軸受は、外輪２１の端面に凹部２５を有し、この凹部２５内にセンサチップ１が取り付けられている。これにより、玉軸受の回転機器への取り付け作業時などにおいて、センサチップ１が回転機器の部材と接触して外輪２１から外れたり、故障を生じたりすることを防止できる。なお、センサチップ１は、外輪２１の端面以外に、図２において破線で示すように、外輪２１の内周面に設けた凹部２７内や、内輪２２の外周面に設けた凹部２９内や、内輪２２の端面に設けた凹部２８内に配置してもよい。あるいは、センサチップ１を、外輪２１の内周面に直接配置してもよく、また、内輪２２の外周面に直接配置してもよい。

上記構成の玉軸受は、以下のように動作する。すなわち、外輪２１に対して内輪２２が回転すると、玉２３が転動して外輪２１及び内輪２２が振動する。この振動により、センサチップの発電素子１２で電力が生成され、センサ部１３と制御部１６に電力が供給される。センサ部１３は、弾性波の検出信号を出力し、この検出信号がＡ/Ｄ変換されて制御部に入力される。制御部１６は、弾性波の検出値と、ＲＯＭに予め記憶された閾値との比較を繰り返して、弾性波の検出値の変動に対する監視を行う。

玉軸受の回転動作において、玉２３表面の油膜の破壊が生じると、玉２３と外輪２１又は内輪２２の転走面との間に金属接触が生成され、センサ部１３が検出する振動モードが変化する。この振動モードの変化に伴って、所定周波数の検出値が閾値を越えたことを制御部１６が検知すると、記憶部１４への検出情報の書き込みが開始される。この検出情報の書き込みは、記憶部１４の容量を満たすまで継続する。あるいは、発電素子１２による電力供給が停止するまで継続する。この発電素子１２による電力供給は、玉軸受が回転動作をする限り、継続される。なお、検出値が閾値を越えた時刻よりも所定時間前に遡って検出情報の書き込みを開始してもよく、また、検出情報を記憶する期間を、記憶開始から所定時間に設定してもよい。尚、送受信部１５が、光等からなるリセット信号を受信すると、記憶部１４に書き込まれた情報がリセットされるようになっている。

上記油膜破壊に起因して焼き付きが生じて故障に至ると、玉軸受の回転が停止し、発電素子１２による電力供給が停止して、センサチップ１の動作が停止する。この後、外部機器を用いて、センサチップの記憶部１４から検出情報を読み出す。外部機器から指令信号が送信され、この指令信号を送受信機１５が受信すると、制御部１６によって記憶部１４の検出情報が送受信機１５から外部機器に送信される。このとき、センサチップ１は、外部機器からの電磁波によって整流回路で生成された電力で動作する。センサチップ１から外部機器に送信された検出情報を解析することにより、玉軸受の油膜破壊から焼き付きに至るまでの期間について、時系列における弾性波の変化を把握することができる。この弾性波の時系列変化から、油膜破壊の位置や、ボール表面や転走面における損傷の進行過程等を把握することができ、その結果、玉軸受の故障原因を高精度に特定することができる。

また、故障に至った後に限られず、故障の前に、外部機器によって記憶部１４の検出情報を読み出して解析を行ってもよい。これにより、通常運転時の玉軸受の動作履歴を解析することができて、玉軸受の異常が顕在化する前に故障の可能性を予測することができる。

本実施形態の軸受装置のセンサチップ１は、玉軸受の回転動作に伴う振動によって発電素子１２で発電を行うので、電池が不要である。したがって、玉軸受が回転動作をする限り動作が可能であるから、電池の消耗による停止の不都合が無く、玉軸受の全寿命に渡って検出情報の監視を行うことができる。

また、上記センサチップ１は、電池が不要であるので、単一の半導体基板１１を用いて従来よりも大幅に小型かつ軽量にできる。したがって、玉軸受の外輪２１及び内輪２２に、従来よりも高い自由度で配置できる。従来は、外輪２１の内周面や内輪２２の外周面にはセンサユニットを配置することはできなかった。また、回転する内輪２２には、重量が大幅に大きいセンサユニットを配置することはできなかった。これに対して、本実施形態のセンサチップ１は、従来よりも大幅に小型かつ軽量であるので、回転する内輪２２に配置しても内輪２２の回転バランスに影響を与えることが実質的に無い。また、外輪２１の内周面や内輪２２の外周面のように互いに近接した面にも、センサチップ１を配置できる。また、取り付け作業時にケーシングの面と摺動する面に凹２５，２８部を形成し、この凹部２５，２８内にセンサチップ１を配置することにより、センサチップ１の破損を防止できる。しかも、凹部２５，２８の寸法を比較的小さくできるから、玉軸受の回転動作に影響を与えることも殆ど無い。

また、上記センサチップ１は、従来のセンサユニットのような電池や液晶表示部が無いので、高温環境においても安定して動作する。例えば、１００℃を越える温度環境で正常に動作することができ、内燃機関の排気系統に近接して配置されても、安定して玉軸受の情報の検出及び記憶を行うことができる。

図３は、他の実施形態の軸受装置を示す概略図であり、センサチップ１を有する円錐ころ軸受を示す図である。この円錐ころ軸受は、第１軌道輪としての外輪３１と、第２軌道輪としての内輪３２と、これらの内外輪３１，３２間に転動自在に配置された転動体としての円錐ころ３３と、上記転動体を周方向所定間隔に保持する保持器３４とを備え、上記外輪３１及び内輪３２のうちの少なくとも一方に、少なくとも１つのセンサチップ１を配置している。このセンサチップ１は、外輪の端面に形成された凹部４１，４２内に配置してもよく、内輪の端面に形成された凹部４３，４４内に配置してもよく、あるいは、外輪３１の内周面や内輪３２の外周面に直接配置してもよい。

本実施形態のように、ラジアル荷重とスラスト荷重を受け、振動及び衝撃を受けやすく、転走面の応力分布の変動が大きい円錐ころ軸受について、センサチップ１を用いることにより、故障の原因を高精度に特定することができる。また、故障に至る前に、故障の可能性を予測することができる。

上記各実施形態において、半導体装置のセンサ部としてＡＥセンサを用いたが、低周波振動センサ、加速度センサ、あるいは、温度センサを用いてもよい。いずれのセンサを用いた場合においても、センサの検出対象に応じた閾値を制御部１６に予め設定することにより、この閾値に関する事象を契機として検出情報の記録を開始することができる。

また、半導体装置のセンサ部は、１つに限られず、複数個設けてもよい。特に、複数のＡＥセンサを設けて弾性波を検出することにより、部品の損傷位置を高精度に特定できる。尚、上記各実施形態では、半導体装置は、送信機能と受信機能の両方を有していたが、半導体装置は、受信機能を有さず送信機能のみを有していても良い。尚、この場合、制御部が、記憶部に記憶された情報を、所定間隔毎にリセットすることによって、記憶部に書き込まれた情報を消去するようにすれば良い。

また、半導体装置の発電素子は、ピエゾ素子を用いて振動によって発電を行ったが、温度差によって発電を行ってもよい。このような発電素子として、ぺルチェ素子を用いることができる。

また、上記各実施形態では、センサチップは発電素子と、センサ部と、記憶部と、送受信部と、制御部と、を単一の半導体基板上に形成していたが、複数の半導体基板上にそれぞれ複数または１つの部材を形成して、複数の半導体基板を電気的に結線してもよい。更には一部の、例えば、発電素子とセンサ部との少なくとも一方は半導体基板に形成せず独立した部材を用いるとともに記憶部と、送受信部と、制御部と、を形成した半導体基板と電気的に結線してもよく、さらには、半導体基板上の他の部材と（発電素子は電力を要する部材と、センサ部は制御部と、）電気的に結線してもよく、或いは、半導体基板を用いずに各部材を配置して各部材を電気的に結線してもよい。

さらに、上記各実施形態において、内輪または外輪の一方に固定されるとともに、他方に摺接または対向することで、内輪と外輪とが形成する径方向の空間を外部と区分する密封装置（シール、シールド）を軸方向の一方または両方に設けてもよい。

本発明の実施形態の軸受装置が備えるセンサチップを示す模式図である。 本発明の実施形態としての玉軸受を示す概略図である。 本発明の実施形態としての円錐ころ軸受を示す概略図である。

符号の説明

１ センサチップ
１２ 発電素子
１３ センサ部
１４ 記憶部
１５ 送受信部
１６ 制御部
２１ 外輪
２２ 内輪
２３ 玉

Claims (2)

1. 第１軌道輪と、
   第２軌道輪と、
   上記第１軌道輪と第２軌道輪との間に配置された転動体と、
   上記第１軌道輪及び第２軌道輪のうちの少なくとも一方に配置された半導体装置と
   を備え、
   上記半導体装置は、
   検出信号を出力するセンサ部と、
   上記検出信号に対応する検出情報を記憶する記憶部と、
   外部に信号を送信する送信部と、
   上記記憶素子及び送信部の動作を制御する制御部と、
   発電を行うと共に、上記センサ部、記憶部、送信部および制御部に給電する発電素子と
   を有することを特徴とする軸受装置。
2. 請求項１に記載の軸受装置において、
   上記半導体装置の制御部は、上記センサ部による検出値が所定の閾値を越えたとき、上記記憶部に上記検出情報を記憶させることを特徴とする軸受装置。

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