JP2008116414A - 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】 軸受に簡単かつコンパクトに搭載できて、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ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検出装置付き軸受を提供すること。
【解決手段】 この潤滑剤劣化検出装置１では、円弧状の光ファイバ４の両端にそれぞれ発光素子２および受光素子３を対向して設け、この円弧状の光ファイバ４の一部に潤滑剤５を介在させる測定用ギャップ部７を設ける。光ファイバ４における測定用ギャップ部７以外の部位は、光ファイバ４を潤滑剤５から保護するための円弧状カバー１２で覆う。
【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、風車設備用、工場設備用等の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、軸受のシール部材の内側に電極を配置し、摩耗粉の混入による潤滑剤の電気的特性を、抵抗値や静電容量や磁気抵抗やインピーダンスの変化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９のように、両端にそれぞれ発光素子４２および受光素子４３を対向させる一つ割りのリング状の光ファイバ４４を設け、このリング状の光ファイバ４４の円周方向の一部に、潤滑剤４５を介在させる測定用ギャップ４７を設けた光学式の構成を考えた。
図９の構成では、発光素子４２から出射された光が光ファイバ４４を経由して測定用ギャップ４７に存在する潤滑剤４５を透過し、さらに光ファイバ４４を経由して受光素子４３で検出され、受光素子４３で検出される透過光量から潤滑剤４５に混入する鉄粉等の異物の量が推定される。

しかし、このような光学式のセンサを軸受内に組み込んで、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化検出に用いる場合、光ファイバ４４に対する保護がされていないので、光ファイバ４４が潤滑剤の流動によって荷重を受ける。そのため、光ファイバ４４が動くことによって出力が変動したり、光ファイバ４４が破損する可能性があり、安定した精度の良い検出ができない。また、光ファイバ４４の固定作業も困難である。

この発明の目的は、軸受に簡単かつコンパクトに搭載できて、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ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、円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させる測定用ギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置において、光ファイバにおける前記測定用ギャップ部以外の部位を、光ファイバを潤滑剤から保護するためのカバーに取付けたことを特徴とする。
この構成によると、例えば軸受に搭載した場合にも、潤滑剤の流動によって光ファイバが荷重を受けて破損するのをカバーで防止できる。そのため、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ精度良く検出できる。
また、光ファイバをカバーに取付けた場合、この潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載するときに、カバーを軸受へ取り付ける取付部材に兼用できるので、容易な位置決めおよび取付けが可能となる。
その結果、軸受に簡単かつコンパクトに搭載できて、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ精度良く検出できる。

この発明において、前記光ファイバは光ファイバ固定部材を介して前記カバーに取付け、光ファイバ固定部材とカバーは、ねじ、圧入、接着のいずれか１つ以上の固定手段を用いて固定したものであっても良い。これらねじ、圧入、接着によると、容易にかつ堅固な固定が行える。ねじ、圧入、接着のいずれか２つ以上を併用した場合は、より一層堅固な固定が行える。

この発明の検出装置付き軸受は、この発明の上記いずれかの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、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を、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。

この発明において、潤滑剤劣化検出装置は、ねじ、圧入、接着のいずれか１つ以上の固定手段を用いて軸受に取付けても良い。これらねじ、圧入、接着によると、容易にかつ堅固な固定が行える。ねじ、圧入、接着のいずれか２つ以上を併用した場合は、より一層堅固な固定が行える。

この発明において、潤滑剤劣化検出装置を、軸受シールが取付けられるシールケース、または上記軸受シールの芯金に固定しても良い。この構成の場合、カバーを円弧状としシールケースと同心に配置して潤滑剤劣化装置を取付けることにより、軸受内に潤滑剤劣化装置を容易に位置決めでき、組立も容易となる。

この発明において、潤滑剤劣化検出装置を、軸受シールに一体に設けても良い。このように、潤滑剤劣化検出装置を軸受シールに一体に設けると、部品点数が少なくて済み、組立も容易となる。

この発明の潤滑剤劣化検出装置は、円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させる測定用ギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置において、光ファイバにおける前記測定用ギャップ部以外の部位を、潤滑剤の存在空間に対して覆うカバーを設けたため、光ファイバを潤滑剤の流動による荷重から保護することができ、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ精度良く検出することができる。
この発明の検出装置付き軸受は、この発明の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載したため、軸受内に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで正確に行うことができる。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は軸受に搭載されて軸受内部に封入された潤滑剤の劣化検出を行うものであり、発光素子２および受光素子３と、円弧状の光ファイバ４と、前記受光素子３の出力により潤滑剤の劣化を判定する判定手段６とを備える。前記光ファイバ４の一端は前記発光素子２の発光面に、他端は前記受光素子３の受光面にそれぞれ対向して配置される。また、光ファイバ４の円周方向の一部には、潤滑剤５を介在させる測定用ギャップ部７が設けられている。
このように円弧状の光ファイバ４の円周方向の一部に、検出対象の潤滑剤５を介在させる測定用ギャプ部７を設けることにより、発光素子２から出射された光が光ファイバ４を介して潤滑剤５を透過し、その透過光がさらに光ファイバ４を介して受光素子３に入射される。

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。

光ファイバ４は、２つの光ファイバ固定部材１０，１１を介して光ファイバ４と略同径の円弧状カバー１２に取付けられている。円弧状カバー１２は光ファイバ４を検出対象の潤滑剤５の流動による荷重から保護するための部材であり、図１のＢ−Ｂ矢視断面図を示す図２（Ｂ）のように、断面概形がＳ字状の剛性材料、例えば樹脂成型品からなる。この潤滑剤劣化検出装置１を軸受内に設置する場合、前記円弧状カバー１２の表面側が軸受内に封入される潤滑剤に晒されるように配置される。

１つの光ファイバ固定部材１０は、カバー１２の裏面下半部に接合される円弧状の部材であり、この光ファイバ固定部材１０に光ファイバ４の両端が固定され、さらに発光素子２および受光素子３もこの光ファイバ固定部材１０に固定される。もう１つの光ファイバ固定部材１１は、図１のＡ−Ａ矢視断面図を示す図２（Ａ）のように、他の光ファイバ固定部材１０の前面側に固定され、この光ファイバ固定部材１１に光ファイバ４の測定用ギャップ部７の近傍部位が固定されて位置決めされている。このように、光ファイバ４の両端を固定する光ファイバ固定部材１０とは別の光ファイバ固定部材１１で測定用ギャップ部７の近傍部位を固定することにより、測定用ギャップ部７の位置決めを容易にすることができ、潤滑剤劣化検出装置１の組立も容易となる。なお、光ファイバ固定部材１１は、他の光ファイバ固定部材１０に固定するのではなく、円弧状カバー１２に直接固定しても良い。また、光ファイバ固定部材１０，１１は、円弧状カバー１２と一体に樹脂成型等で設けられたものであっても良い。
光ファイバ４の測定用ギャップ部７に対応する位置である円弧状カバー１２の円周方向中間部には開口１３が設けられ、この開口１３を介して測定用ギャップ部７が軸受内部の潤滑剤５の存在空間に晒される。光ファイバ固定部材１１は、光ファイバ４の測定用ギャップ部７の近傍部位を支持する部分が、図２（Ａ）のように円弧状カバー１２の開口１３からカバー外にはみ出す形状とされている。
図２（Ｃ）のように、発光素子２の電気配線１９は、円弧状カバー１２の外周部で裏面から外部に引き出されている。受光素子３の電気配線についても、発光素子２の電気配線と同様に外部に引き出される。

上記構成により、光ファイバ４の両端、発光素子２および受光素子３が固定される光ファイバ固定部位材１０がカバー１２で覆われる。また、図２（Ｂ）のように、表面側のカバー１２と裏面側の光ファイバ固定部材１０とで挟まれて形成される円弧状空間１４内に光ファイバ４の測定用ギャップ部７以外の部位が配置される。これにより、潤滑剤５の流動による荷重から光ファイバ４、発光素子２および受光素子３が保護される。

円弧状カバー１２への光ファイバ固定部材１０，１１の固定、あるいは光ファイバ固定部材１０への他の光ファイバ固定部材１１の固定は、ねじ、圧入、接着のいずれか１つ以上の固定手段を用いて固定される。これにより、この潤滑剤劣化装置１の軸受への組込みを容易に、かつ堅固に行うことができる。
図２に示すように、軸受への取付けにおいて、軸受の支持部材２９に光ファイバ固定部材１０を接面させることを想定して、その光ファイバ固定部材１０の背面には円周方向に沿う溝１０ａが形成され、この溝１０ａに弾性体からなるシール部材１５が装着される。このシール構造により、軸受の支持部材２９とこれに接面した状態で取付けられる潤滑剤劣化装置１との間の防水処理が図られる。

潤滑剤５が新品のときには透明に近い状態にあり、発光素子２から光ファイバ４を経由して投光され潤滑剤５を透過する透過光の強度は高い。ところが、潤滑剤５に混入する鉄粉（摩耗粉）などの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６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５に混入している異物の量を検出する。潤滑剤５に混入する異物の量の増加は潤滑剤５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５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、円弧状の光ファイバ４の両端にそれぞれ発光素子２および受光素子３を対向して設け、この光ファイバ４の一部に潤滑剤５を介在させる測定用ギャップ部７を設け、光ファイバ４における前記測定用ギャップ部７以外の部位をカバー１２に取付けることで、光ファイバ４を潤滑剤５の流動による荷重から保護するようにしているので、光ファイバ４の破損が防止され、例えば軸受に搭載した場合に軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ精度良く検出できる。
また、この潤滑剤劣化検出装置１を軸受に搭載するときに、円弧状カバー１２を軸受へ取り付ける場合の取付部材に兼用できるので、容易な位置決めおよび取付けが可能となる。
その結果、軸受に簡単かつコンパクトに搭載できて、軸受内部の潤滑剤劣化状態を安定的にかつ精度良く検出できる。

図３および図４は、上記実施形態の潤滑剤劣化検出装置１を、鉄道車両用軸受に込み込んでなる検出装置付き軸受の一例を示す。この検出装置付き軸受２０は、図３に示すように、内輪２１の両側に各々接して設けられた付属品である油切り２５および後ろ蓋２６とで鉄道車両用軸受ユニットを構成する。軸受２０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２３，２３に対して設けた分割型の内輪２１，２１と、一体型の外輪２２と、前記ころ２３，２３と、保持器２４とを備える。
後ろ蓋２６は、車軸３０に軸受２０よりも中央側で取付けられて、外周に軸受シール３１Ａを摺接させたものである。油切り２５は、車軸３０に取付けられて外周に軸受シール３１を摺接させたものである。これら軸受２０の両端部に配置される両軸受シール３１，３１Ａにより軸受２０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。

この場合、潤滑剤劣化装置１における回路部（判定手段６、発光回路８、受光回路９）を除くセンサ部（発光素子２、受光素子３、光ファイバ４、円弧状カバー１２など）は、前記軸受シール３１を有するシールユニット２７内に組み込んで一体化されている。図４はシールユニット２７の拡大断面図を示す。
この場合のシールユニット２７は、軸受外輪２２の端部に取付けられる環状のシールケース２８と、このシールケース２８の内径面に圧入嵌合されるリング部材２９と，このリング部材２９の内周面に圧入嵌合される軸受シール３１とでなる。シールケース２８は、軸受シール３１を覆う環状の部材であって、軸方向に複数の段部が階段状に並ぶ断面形状とされ、その一端部を固定輪となる軸受外輪２２の内径面に圧入嵌合させることで軸受外輪２２に取付けられる。さらに、シールケース２８の他端の小径段部は、油切り２５のフランジ部２５ａの内向き幅面に形成されたリング状の溝３８に遊嵌させることで、この溝３８とシールケース２８の小径段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。
このシールケース２８の中間段部の内径面に、断面Ｌ字状の前記リング部材２９がその円筒部２９ａを圧入嵌合させて取付けられている。リング部材２９の内径側に延びる立板部２９ｂは、前記油切り２５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。軸受シール３１は、断面Ｌ字状の環状芯金３２と、この環状芯金３２の立板部に固定される弾性部材３３とでなり、環状芯金３２の円筒部を前記リング部材２９の円筒部２９ａの内周面に圧入嵌合させることにより、リング部材２９を介してシールケース２８に固定される。前記弾性部材３３には、油切り２５の外径面に摺接するラジアルリップが形成されている。

前記シールユニット２７に対して、潤滑剤劣化検出装置１が同心に取付けられる。具体的には、シールケース２８における大径段部の内径面に潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１２が嵌め込まれ、続いて圧入される圧入リング３４により、シールケース２８の大径段部端面とリング部材２９の立板部２９ｂにわたって潤滑剤劣化検出装置１が押し当てられることで軸方向に位置決め固定される。このように、円弧状カバー１２をシールケース２８と同心状に配置して潤滑剤劣化装置１を取付けることにより、軸受２０内に潤滑剤劣化装置１を容易に位置決めでき、組立も容易となる。なお、この場合の潤滑剤劣化検出装置１の取付けは、前記圧入に限らず、ねじや接着などのいずれかの固定手段を１つ以上採用して行っても良い。また、潤滑剤劣化検出装置１のシールユニット２７への取付けは、環状芯金３２またはリング部材２９に対して行っても良い。

潤滑剤劣化検出装置１の発光素子２と発光回路８、および受光素子３と受光回路９をそれぞれ繋ぐ配線３５は、潤滑剤劣化検出装置１の内部からシールケース２８に設けられた孔３６を貫通して、軸受２０の外部に設置される発光回路８および受光回路９に接続される。シールケース２８の前記孔３６は内側から潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１２で覆われ、さらに弾性体３７でシールすることによって、防水処理が施される。この場合、図２で示したように、潤滑剤劣化検出装置１における光ファイバ固定部材１０の背面に設けた溝１０ａに装着されるシール部材１５が、リング部材２９の立板部２９ｂに押し当てられるので、潤滑剤劣化検出装置１とリング部材２９の接面部での防水も同時に図られる。
もう一方の軸受シール３１Ａもシールユニット２７Ａにより軸受外輪２２に取付けられる。このシールユニット２７Ａは、潤滑剤劣化検出装置１を取付けていないほかは、前記シールユニット２７と同じ構造とされている。

なお、発光回路８や受光回路９は軸受２０の内部に設置しても良い。軸受２０の外部に回路を設置するスペースがない場合には、潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１２を円周方向に延ばして、そのカバー１２上に発光回路８および受光回路９を配置することで、軸受２０内にこれらの回路を容易に設置できる。

この検出装置付き軸受２０によると、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を、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２０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２０に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および図６は、上記実施形態の潤滑剤劣化検出装置１を、鉄道車両用軸受に込み込んでなる検出装置付き軸受の他の例を示す。この検出装置付き軸受２０Ａでは、図３および図４に示した検出装置付き軸受２０において、潤滑剤劣化検出装置１における発光回路８および受光回路９だけでなく、発光素子２および受光素子３も、軸受２０Ａの外部に配置している。このため、この構成例では、光ファイバ４の両端部がシールケース２８に設けられた孔３６から軸受外に引き出されている。その他の構成は図３および図４に示す構成例の場合と同様であり、ここではその説明を省略する。

この検出装置付き軸受２０Ａの場合、発光素子２や受光素子３が軸受２０Ａの外部に配置される分だけ軸受内部の空間体積が増すので、より多くの潤滑剤を軸受２０Ａ内に封入することができる。また、軸受内部の温度が発光素子２、受光素子３、発光回路８、受光回路９に及ぼす影響を軽減することができる。

図７および図８は、上記実施形態の潤滑剤劣化検出装置１を、鉄道車両用軸受に込み込んでなる検出装置付き軸受のさらに他の例を示す。この検出装置付き軸受２０Ｂでは、図３および図４に示した検出装置付き軸受２０において、潤滑剤劣化検出装置１のセンサ部（発光素子２、受光素子３、光ファイバ４、円弧状カバー１２など）が、軸受シール３１に一体に取付けられている。潤滑剤劣化検出装置１の発光素子２と発光回路８、および受光素子３と受光回路９をそれぞれ繋ぐ配線３５は、潤滑剤劣化検出装置１の内部からリング部材２９の立板部２９ｂに設けられた孔３９、およびシールケース２８に設けられた孔３６を貫通して、軸受２０の外部に設置される発光回路８および受光回路９に接続される。シールケース２８の前記孔３６は、弾性体３７でシールすることによって防水処理が施される。光ファイバ４の測定用ギャップ部７の近傍部位を支持固定する光ファイバ固定部材１１は、リング部材２９の立板部２９ｂを貫通してころ２３の大端面近傍まで突出させてある。

この検出装置付き軸受２０Ｂの場合、潤滑剤劣化検出装置１のセンサ部がシールユニット２７内の軸受シール３１に一体に取付けられているので、部品点数が少なくて済み、組立も容易となる。

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。 （Ａ）は図１におけるＡ−Ａ矢視断面図、（Ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図、（Ｃ） は図１におけるＣ−Ｃ矢視断面図である。 図１の潤滑剤劣化検出装置を搭載した検出装置付き軸受の一構成例を示す断面図である。 同検出装置付き軸受のシールユニットの部分の拡大断面図である。 図１の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構成例を示す断面図である。 同検出装置付き軸受のシールユニットの部分の拡大断面図である。 図１の潤滑剤劣化検出装置を搭載した検出装置付き軸受のさらに他の構成例を示す断面図である。 同検出装置付き軸受のシールユニットの部分の拡大断面図である。 潤滑剤劣化検出装置の従来例の概略構成図である。

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…光ファイバ
５…潤滑剤
７…測定用ギャップ部
１０，１１…光ファイバ固定部材
１２…円弧状カバー
２０，２０Ａ，２０Ｂ…検出装置付き軸受
２８…シールケース
３１…軸受シール

Claims (6)

1. 円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させる測定用ギャップ部を設けた潤滑剤劣化検出装置において、
   光ファイバにおける前記測定用ギャップ部以外の部位を、潤滑剤の存在空間に対して覆うカバーを設けたことを特徴とする潤滑剤劣化検出装置。
2. 請求項１において、前記光ファイバは光ファイバ固定部材を介して前記カバーに取付けて固定した潤滑剤劣化検出装置。
3. 請求項１または請求項２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。
4. 請求項３において、潤滑剤劣化検出装置は、ねじ、圧入、接着、溶接のいずれか１つ以上の固定手段を用いて軸受に取付けた検出装置付き軸受。
5. 請求項３または請求項４において、潤滑剤劣化検出装置を、リング状の軸受シールが取付けられるリング状のシールケース、または上記軸受シールの芯金に固定した検出装置付き軸受。
6. 請求項３または請求項４において、潤滑剤劣化検出装置を、軸受シールに一体に設けた検出装置付き軸受。

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