JP2008232156A - 温度センサ付き軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の光ファイバ式温度計のように薄板状部材の蛍光体を潤滑材に接触する箇所に装着する必要がなく、また、赤外線センサで必要な放射量の補正が必要なく、簡易かつ高精度で温度測定ができる温度センサ付き軸受装置を提供することを目的とする。
【解決手段】内輪と、前記内輪の半径方向外方に配置され、前記内輪に対して相対回転可能な外輪と、前記内輪と前記外輪により画成される環状空間内に配置される転動体と、前記転動体の周囲に封入され、蛍光体を含有する潤滑材と、前記潤滑材の温度を計測する蛍光体式温度センサと、を備える温度センサ付き軸受装置を備える軸受装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度センサ付き軸受装置に関し、特に軸受装置の潤滑材の温度を測定して潤滑材の劣化を判断できる温度センサ付き軸受装置に関する。

従来より、蛍光体物質のフォトルミネッセンス特性を利用した蛍光体式温度センサが知られている。
蛍光体式温度センサとは、蛍光体を温度測定対象物の所定位置に装着し、パルス状の励起光を照射することによりその蛍光体を発光させ、蛍光体の発光強度の時間に関する減衰曲線が温度に応じて変化するという物理的原理を応用した測温部材である。

図７は、従来の蛍光体式温度センサを示す図である。石英製光ファイバ４０１の先端に光ファイバ４０１を通ってきた光の経路を垂直に変えるための石英製プリズム４０３が透明エポキシ系接着剤４０４で接着されている。プリズム４０３の光の出口には透明エポキシ系接着剤４０５でダブルヘテロ構造のＧａＡｓの蛍光体物質４０６が接着されている。

また、光ファイバ温度センサの接触部４０８を被測定物４０９に平行に接触するように、被測定物４１５の表面に接着剤またはテ−プで容易に取り付けられる。
上記構成において、励起光が光ファイバ４０１を通り、蛍光体部室４０６のフォトルミネッセンス特性により励起光と異なった波長の光が蛍光体物質４０６から放出される。この放出された光の波長を計測することにより被測定物４０９の温度を測定する（例えば、特許文献１参照。）。
さらに、潤滑材の温度測定の別の手段として、被測定物が放射する赤外線を検出する放射温度計（例えば、特許文献２参照）などが知られている。
特開平５−１６４６２９ 特開２００３−０４９８３２

一般的に、転がり軸受装置が所定の場所に組みつけられた後、軸受装置の内部に封入された潤滑材の検査といった、軸受装置の内部を検査するためには、軸受装置を取り外すことが必要になり手間がかかる。転がり軸受装置の不具合を未然に防ぐためには、潤滑材の状態を認識することが必要である。

潤滑材の劣化を判別するための一つの方法として、潤滑材の温度測定がある。潤滑材が劣化すると、潤滑材として機能を十分に果たさなくなり、部材間の摩擦により潤滑材の温度上昇が起きる。そこで、潤滑材の温度を測定することにより潤滑材の劣化の発生の有無を識別できる。

潤滑材の温度測定の手段として、特許文献１に開示される光ファイバ式温度センサを用いることが考えられる。従来の蛍光体式温度センサを使用するためには、潤滑材が接するように蛍光体を配置することが必要である。しかし、昨今は、転がり軸受装置のさらなる小型化の要請が大きく、必然的に転がり軸受装置を構成する外輪、内輪等も非常に小さくなる。また、このように小型化した転がり軸受装置内部では、潤滑材が薄い膜状に延在している。従って、蛍光体を非常に薄く、かつ、小さくする必要がある。
しかし、小型化した蛍光体を、作製することや所定の位置に固定することは益々難しくなることが予想される。

特許文献２に開示される温度センサ等の放射温度計を用いる場合には、潤滑材以外から放射される赤外線を区別することなく測定対象物の放射量として測定してしまう。また、測定対象物である潤滑材の放射率を考慮して（すなわち放射量を補正して）、潤滑材の温度を算出する必要があり、その放射率を得るには手間がかかる。

そこで、本発明は、従来の光ファイバ式温度計のように薄板状部材の蛍光体を潤滑材に接触する箇所に装着する必要がなく、また、赤外線センサで必要な放射量の補正が必要なく、簡易かつ高精度で温度測定ができる温度センサ付き軸受装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の温度センサ付き軸受装置の第１の態様は、内輪と、前記内輪の半径方向外方に配置され、前記内輪に対して相対回転可能な外輪と、前記内輪と前記外輪により画成される環状空間内に配置される転動体と、前記転動体の周囲に封入され、蛍光体を含有する潤滑材と、前記潤滑材の温度を計測する蛍光体式温度センサと、を備える。

また、本発明の温度センサ付き軸受装置の第２の態様によれば、前記蛍光体式温度センサは、前記蛍光体に励起光を照射する光源と、前記励起光による前記蛍光体の発光強度の減衰特性から前記潤滑材の温度を測定する温度測定部と、前記蛍光体へ前記光源からの励起光を導く第１光伝達部材と、前記蛍光体からの蛍光を前記温度測定部に導く第２光伝達部材と、を有する。

本発明の温度センサ付き軸受装置の第３の態様によれば、前記第１光伝達部材と第２光伝達部材は同一部材である。
さらに、本発明のセンサ付き軸受装置の第４の態様によれば、前記蛍光体式温度センサは複数配置される。
本発明の温度センサ付き軸受装置の第５の態様によれば、前記転動体は、玉もしくは円筒ころである。

本発明によれば、粉末状の蛍光体を潤滑材に含ませるので、薄板体の蛍光体を装着するための箇所を確保したり、その箇所に貼り付けるという工程を省略できる。また、放射温度計と異なり放射量を補正する必要もない。結果として、軸受装置内の潤滑材の温度を高精度で測定できる温度センサ付き転がり軸受を提供することができる。

以下、本発明の温度センサ付き軸受装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。各図面中、同一要素は同一符号で示してある。

（実施形態１）
実施形態１は、本発明の温度センサ付き転がり軸受装置を、玉軸受装置に適用したセンサ付き玉軸受装置である。以下、その構成について図１〜３を参照しつつ説明する。図１は、温度センサ付き転がり軸受装置の縦方向断面図であり、図２は、図１の部分拡大図であり、図３は、実施形態１の蛍光体式温度センサを示す図である。

本実施形態の温度センサ付き玉軸受１は、環状の内輪３と、内輪３の半径方向外方に同心に配置された環状の外輪５と、内輪３と外輪５により画成される環状空間７内に配置される転動体である玉部材９と、玉部材９を環状空間７内で転動可能に保持する保持器１１と、環状空間７内に封入される潤滑材である潤滑油と、外輪５の内周面に装着され、内輪の外周面に当接し、軸受装置内部である環状空間７を密閉し、軸受装置内部に潤滑油を保持する環状のシール部材４１と、蛍光体式温度センサ１３と、を備える。なお、本実施形態では、外輪５は固定し、内輪３が転動する構成とした。

温度センサ１３は、潤滑油１５に対して励起光を照射する光源１７と、励起光を受けた潤滑油１５に含まれる粉末状の蛍光体からの蛍光を受け、蛍光体の発光強度の減衰特性から潤滑油１５の温度を測定する温度検出部１９と、蛍光体へ光源１７からの励起光を導く光伝達部材である第１光ファイバ２１と、励起光による蛍光体の蛍光を温度検出部１３に導くための光伝達部材である第２光ファイバ２３と、を有する。

また、温度測定部１９は、蛍光信号を光電変換し光量を測定する光検出部２１と、予め得られている蛍光緩和時間と温度との関係を参照し、所定部位の温度を演算する温度検出部２３と、を有する。

なお、光源１７には、不図示の制御部が連結されており、光源１７が制御部からの駆動信号を受けると、パルス状の励起光を照射し、温度検出部２３において測定部位の温度が検出される。

次に図３を参照して、光伝達部材について述べる。光源１７から励起光を潤滑油１５に含まれる粉末状の蛍光体に伝達する光伝達部材は第１光ファイバ１８であり、潤滑油１５側の一端部１８ａには光学系であるレンズ２７が装着され、他端部１８ｂにはフィルタ２９が装着されている。潤滑油１５の蛍光体からの蛍光を温度検出部１３に導くための第２の光ファイバ２０の一端部２０ａには、光学系であるレンズ３１が装着され、他端部２０ｂにはフィルタ３３が装着され所定の波長の蛍光を透過する。フィルタ３３を透過した蛍光は、光検出部２１において、光量が測定され、温度検出部において予め得られている蛍光緩和時間と蛍光体の温度の関係から潤滑油の温度が得られる。

外輪５の肩部には、外輪５の径方向に貫通し、潤滑油が充填されている領域に連通するファイバ収容路３５が設けられている。第１光ファイバ１８及び第2光ファイバ２０は、その一端部１８ａ、２０ａの先端と、肩部内周面５ｂとが同一面になるようにファイバ収容路３５内に配置され、環状空間７を向くよう位置づけされている。本実施形態では、潤滑油がファイバ収容路３５内へ進入することを防ぐため、第１光ファイバ１８、第２光ファイバ２０の周囲であって、ファイバ収容路３５内に樹脂等を詰めている。

上記構成の温度センサ付きの軸受装置は、以下のように作動する。駆動信号を光源１７が受けると、パルス状の励起光が発せられ、第１光ファイバ１８を通り、潤滑油を照射する。照射された潤滑油１５は、その温度に応じた所定の蛍光を発し、第２光ファイバ２０を介して光検出部２１に伝達される。光検出部２１において光量が測定され、温度検出部２３においてその温度が検出される。

（第２実施形態）
第２実施形態は、内輪に蛍光体及び光伝達部材を装着した温度センサ付き玉軸受装置である。図４を参照しつつ第２実施形態の温度センサ付き玉軸受装置について説明する。なお、玉部材、保持器、温度センサ、シール部材等の他の要素は図１と同様の形状、寸法を有する構成であるので詳細な説明は割愛する。

環状の外輪１０５の径方向内方であって、外輪１０５と同心に内輪１０３が配置されている。本実施形態では、内輪１０３を固定し、外輪１０５が回転する構成である。内輪１０３の内周面は、球状部材が転動する凹状の軌道面１０３ａと、軌道面１０３ａを軸方向に挟んで両端側に配置される肩部内周面１０３ｂとから構成される。一方の肩部内周面１０３ｂにより構成される肩部１０３ｃの軌道面１０３ａの近傍には、径方向に貫通するファイバ収容路１３５が穿孔されている。ファイバ収容路１３５には、図２、図３と同様の第１光ファイバ１１８及び第２光ファイバ１２０が収容されている。両光ファイバ１１８、１２０の先端に設けられた光学系のレンズ（図３の２７、３１に相当）は、環状空間１０４に面する。

上記構成において、第１実施形態と同様に光源からの励起光が第１光ファイバ１１８を介して蛍光体１１５に導かれ、励起光による蛍光体１１５からの蛍光が第２光ファイバ１２０を介して温度測定部に導かれ、蛍光体１１５が装着された測定部分の温度が検出される。なお、温度センサの測温工程は、前述した実施形態１と同様である。

（温度センサの変形例）
図５は、温度センサの変形例の模式図である。上記した第１及び第２実施形態は、第１光ファイバと第２光ファイバを備え、光源からの励起光を蛍光体まで伝達するための光ファイバと、蛍光体からの蛍光を温度測定部に伝達するための光ファイバをそれぞれ別々の部材としたが、本変形例は、励起光の光路及び蛍光の光路を単一の光ファイバから構成されたものである。また、光伝達部材の変形例は、実施形態１、２の何れの構成にも適用できることは言うまでもない。

温度センサ２１３は、温度測定部２１９と、先端に撮像光学系を構成するレンズ２２７が装着された光伝達部材である光ファイバ２１８と、を備える。温度測定部２１９は、光源２１７、光検出部２２１、温度検出部２２３、ビームスプリッタ２３７、フィルタ２３９を備える。ビームスプリッタ２３７は、光源２１７からの励起光２５１を９０度反射させて光ファイバ２２８の一端部２２８ｂに導波し、また、光ファイバ２１８の他端２２８ａを出射した蛍光体２１５からの光線２５３を透過させる部材である。また、フィルタ２３９は、蛍光体（図１の符号１５に相当）からの光線２５３のうち、所定波長の光を透過させる部材である。

また、光検出部２２１は、フィルタ２３７を透過した光の光量を測定するための光電変換部材であり、温度検出部２２３は、光検出部２２１で得られた電荷に基づいて算定された蛍光体の発光強度の減衰特性に基づき、予め格納されている温度と減衰特性との関係から、温度を測定する部材である。

上記構成の温度センサ２１３において、光源２１７から照射される励起光２５１は、図５中の上下方向上方に進行する。さらに、ビームスプリッタ２３７により励起光２５１を９０度反射させ光ファイバ２２８内の端部２２８ｂへ導入する。光ファイバ２１８内を進行する励起光２５１は、蛍光体（図１、２の符号１５に相当）に到達し蛍光体が発光する。蛍光体から放出される蛍光２５３は、直接光ファイバ２１８の他端部２２８ａ側から入射し、光ファイバ２１８の一端部２２８ｂから出射し、ビームスプリッタ２３７、フィルタ２３９を透過し光検出部２２１内に入射する。上述のように温度検出部２２３において蛍光体の発光強度の減衰に基づき軸受装置の所定の部位の温度が計測される。この変形例によれば光伝達部材の構成を簡易にできる。

（第３実施形態）
第１実施形態では、単一の測定点での潤滑油の温度を検出する構成であったが、第３実施形態は、軸受装置内に複数の測定点を設ける構成である。図６は、第３実施形態の温度センサ付き玉軸受の横断面図である。本実施形態では、外輪３０５の肩部に光ファイバ収容路（図２の参照符号３５）が複数設けられている。本実施形態では、外輪３０５の３分の１の円弧状部分に等間隔に５つの５つの測定点３１５ａ〜３１５ｅを設けた。従って、外輪３０５の５つの測定点において温度を検出することができる。

また、５つの測定点３１５ａ〜３１５ｅのそれぞれには、図１、２で示した第１及び第２光ファイバと同様の第１光ファイバ３１８ａ〜３１８ｅ及び第２光ファイバ３２０ａ〜３２０ｅが配置されている。

本実施形態の励起光は、単一の光源３１７から照射された励起光を分岐し各測定点３１５ａ〜３１５ｅに伝達する構成でもよいし、測定点３１５毎に独立した光源を設ける構成としてもよい。

また、各測定点３１５ａ〜３１５ｅからの蛍光は、第２光ファイバ３２０ａ〜３２０ｅを介して光検出部３２１、そして温度検出部３２３へと伝達される。このような構成により、軸受装置の外輪３０５の温度分布を測定することができる。なお、本実施形態は、外輪３０５の所定の領域にのみ測定点を設ける構成としたが、外輪３０５の周方向全体に亘り測定点を設けることも可能である。また、実施形態２と同様に内輪３０３に複数の測定点を設ける構成としてもよい。

上記第１及び第２光ファイバの測定点の近傍に近い側の端部からの一定長さは、長手方向に一体として結合し、途中で分岐する構成となっており、光伝達部材を測定点側でコンパクトに構成している。

（第４実施形態）
第４実施形態は、温度センサ付きの円筒ころ軸受装置である。第１実施形態では、玉軸受装置であったが、本実施形態は、円筒ころ軸受装置に温度センサを設けた例である。
図７は、温度センサ付き円筒ころ軸受装置の縦方向断面図である。環状の内輪４０３と、内輪４０３の半径方向外方に配置される外輪４０５と、内輪４０３と外輪４０５により画成される環状空間４０７内に配置される転動体である円筒ころ４０９と、円筒ころ４０９を環状空間４０７内で転動可能に保持する保持器４１１と、外輪４０５の軌道面４０５ａ側に配置される蛍光体式温度センサ４１３と、を備える。温度センサ４１３の温度測定部の第１及び第２光ファイバ４１８、４２０等は、図２と同じ構成であるので説明を割愛する。

なお、軌道面４０５ａと第１及び第２光ファイバ４１８、４２０の端部とが第１実施形態と同様に面一になるような構成にすると、円筒ころ４０９が第１及び第２光ファイバ４１８、４２０に直接接触し磨耗してしまう。そこで、酸化シリコン等の酸化膜、窒化シリコン等の窒化膜、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜等の誘電体膜等を、ファイバ収容路４３５の、軌道面４０５上の開口を覆うように誘電体膜４３９を装着する。この構成により、誘電体膜４３９を介して潤滑油４１５の温度を測定することができる。

なお、本実施形態では、円筒ころ軸受装置の軌道面上の温度測定を行う構成としたが、第１実施形態の転がり軸受装置の軌道面や、軌道面上の複数の測定点を設け、複数の蛍光体を配置できるとは言うまでもない。

また、本実施形態では、シール部材を設け潤滑油を軸受装置内に保持する構成としたが、本発明はこの構成に限定されない。すなわち、潤滑材として固体状のグリースを利用する場合には、シール部材を設けない構成とすることも可能である。

この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。

温度センサ付き転がり軸受装置の縦方向断面図である。 図１の部分拡大図である。 実施形態１の蛍光体温度測定手段を示す図である。 内輪に光導電部材を装着した温度センサ付き軸受装置の縦方向断面図である。 温度センサの変形例の模式図である。 第３実施形態の温度センサ付き転がり軸受の横断面図である. 温度センサ付き円筒ころ軸受装置の縦方向断面図である。 従来の温度センサ付き玉軸受装置の縦方向断面図である。

符号の説明

１ 温度センサ付き転がり軸受装置
３ 内輪
５ 外輪
７ 環状空間
９ 転動体
１１ 保持器
１３ 温度センサ
１５ 潤滑材
１８、２０ 光ファイバ
１９ 温度測定部
２１ 光検出部
２３ 温度検出部

Claims (5)

1. 内輪と、前記内輪の半径方向外方に配置され、前記内輪に対して相対回転可能な外輪と、前記内輪と前記外輪により画成される環状空間内に配置される転動体と、前記転動体の周囲に封入され、蛍光体を含有する潤滑材と、前記潤滑材の温度を計測する蛍光体式温度センサと、を備える温度センサ付き軸受装置。
2. 前記蛍光体式温度センサは、前記蛍光体に励起光を照射する光源と、前記励起光による前記蛍光体の発光強度の減衰特性から前記潤滑材の温度を測定する温度測定部と、前記蛍光体へ前記光源からの励起光を導く第１光伝達部材と、前記蛍光体からの蛍光を前記温度測定部に導く第２光伝達部材と、を有する請求項１に記載の温度センサ付き軸受装置。
3. 前記第１光伝達部材と第２光伝達部材は同一部材である請求項１又は２に記載の温度センサ付き軸受装置。
4. 前記蛍光体式温度センサは複数配置される請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度センサ付き軸受装置。
5. 前記転動体は、玉もしくは円筒ころである請求項１〜４のいずれか一項に記載の温度センサ付き軸受装置。

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