JP2008281158A - 軸受装置および軸受予圧検出装置 - Google Patents

軸受装置および軸受予圧検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 磁歪材に巻いたコイルの磁気抵抗を小さくし、センサ感度を大きくすると共に、磁歪式センサの信頼性を高め、軸受予圧を正確に検出することができる軸受装置および軸受予圧検出装置を提供する。
【解決手段】 軌道輪間に間座を介在させた軸受装置において、間座の一部に、磁歪材料からなる磁歪材10の外周にコイル13を巻いた磁歪式センサS1を備え、この磁歪式センサS1のコイル13の外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなるヨーク14を設けてこの磁歪式センサS1のコイル磁路を閉磁路構造にする。
【選択図】 図1

Description

この発明は、工作機械の主軸スピンドルなどに使用される軸受装置および軸受予圧検出装置に関する。
工作機械のスピンドル装置では、加工精度および効率の向上のため、軸受の予圧管理が求められており、そのため軸受予圧検出の要求がある。軸受予圧検出の方法として、例えば、軸受の固定側輪の間座の一部または全部を磁歪材で構成した技術が提案されている(特許文献1、2参照)。前記磁歪材の磁気特性の変化を検出して軸受にかかる軸方向の力を検出することで、予圧検出を行っている。この磁歪方式は、間座の剛性をあまり下げることなく予圧を検出することができる。また、磁歪式予圧荷重センサは、円柱状の磁歪材コアの周りにコイルを巻いた構造で磁路が閉じていない、いわゆる開ループ構造であった。
特開2001−254742号公報 特開2004−84739号公報
上記磁歪方式のセンサでは、磁歪材に印加された応力による磁歪材料の透磁率変化を、磁歪材の外周に巻いたコイルのインダクタンスの変化により検出する。間座の軸方向一方および他方の間に磁歪材を挟み込んで予圧センサを構成するが、上記の通り磁歪センサのコイル磁路が閉じていない開磁路であると、間座が磁歪材で構成されていても、コイル全体の磁気抵抗が大きいため検出感度が悪いという問題点がある。
また、工作機械等のスピンドル装置では、ビルトインモータ方式が主流になっており、この軸受装置近傍にモータが存在する。この軸受装置の軌道輪および間座は、一般的に鋼材で製造されているが、前記モータが発する外乱磁界対策のため、例えば、前記間座を非磁性材料にすると、センサ感度が著しく悪くなる問題点がある。
この発明の目的は、磁歪材に巻いたコイルの磁気抵抗を小さくし、センサ感度を大きくすると共に、磁歪式センサの信頼性を高め、軸受予圧を正確に検出することができる軸受装置および軸受予圧検出装置を提供することである。
この発明の軸受装置は、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の軌道輪間に間座を介在させた軸受装置において、前記間座の一部に、磁歪材料からなるコアの外周にコイルを巻いた磁歪式センサを備え、この磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてこの磁歪式センサのコイル磁路を閉磁路構造にしたものである。
この構成によると、磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてこの磁歪式センサのコイル磁路を閉磁路構造にしたため、コイルの磁気抵抗が小さくなる。このため、磁歪式センサのセンサ感度が従来のものに比べて良くなる。したがって、磁歪式センサは周りの部品の影響を受け難くなり、磁歪式センサの信頼性が高まり、軸受予圧を正確に検出することができる。
この発明において、前記覆い部材の磁性材料は、間座本体よりも透磁率が大きい磁性材料であることが望ましい。この場合、磁歪式センサは周りの部品の影響をさらに受け難くすることができ、磁歪式センサの信頼性をより高めることができる。
この発明において、前記コアを、その軸方向一端部および他端部にフランジ部を備えたボビン形状とし、このコアの外周面部にコイルを直接巻いても良い。この場合、コア外周に筒状部材等を介してコイルを巻く構造に比べて、部品点数を低減して構造を簡単化し、軸受装置の製造コストの低減を図ることができる。
この発明において、前記磁歪センサの磁気特性の変化から転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段を設けても良い。この予圧検出手段により検出される予圧によって、軸を所望の回転精度に維持すると共に、軸の剛性を適度に管理することが可能となる。
この発明において、前記間座は、軸方向に並ぶ外輪間に介在する外輪間座と、内輪間に介在する内輪間座とを有し、これら外輪間座および内輪間座のいずれか一方は、磁歪式センサの軸方向一端および他端を挟み込む構成になっていても良い。この場合、軸受装置の部品点数を低減して構造を簡単化し、軸受装置の製造コストの低減を図ることができる。また、磁歪式センサを挟み込む間座を非磁性材料で製作しても、コアにかかる応力を感度良く検出することができる。
この発明の軸受予圧検出装置は、磁歪材料からなるコアの外周にコイルを巻いた磁歪式センサであって、この磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてコイル磁路を閉磁路構造にした磁歪式センサを部分的に備えた軸受間座と、前記磁歪式センサの磁気特性の変化から転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段とを備えたものである。このような軸受予圧検出装置により、磁歪式センサは周りの部品の影響を受けることなく軸受予圧を正確に検出することができる。また、検出される軸受予圧によって、軸を所望の回転精度に維持すると共に、軸の剛性を適度に管理することが可能となる。
この発明の軸受装置は、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の軌道輪間に間座を介在させた軸受装置において、前記間座の一部に、磁歪材料からなるコアの外周にコイルを巻いた磁歪式センサを備え、この磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてこの磁歪式センサのコイル磁路を閉ループ構造にしたため、磁歪材に巻いたコイルの磁気抵抗を小さくし、センサ感度を大きくすると共に、磁歪式センサの信頼性を高め、軸受予圧を正確に検出することができる
この発明の一実施形態を図1ないし図4と共に説明する。この第1の実施形態にかかる軸受装置は、ハウジング1に軸2を複数の軸受3で回転自在に支持したものである。この軸受装置は、例えば、工作機械のビルトインモータ方式のスピンドル装置に応用され、その場合、軸2はスピンドル装置の主軸2となる。この主軸装置に、主軸2を回転させるためのモータ4が組み込まれている。本実施形態では、主軸2にモータ4のロータ5が取付けられ、ハウジング1にこのモータ4のステータ6が取り付けられている。ロータ5は、永久磁石等からなり、ステータ6はコイルおよびコア等からなる。
主軸2には、軸方向に離隔した複数の軸受3を締まり嵌め状態で嵌合し、内輪3i,3i間に内輪間座7を、外輪3g,3g間に外輪間座8を介在させている。軸受3は、内輪3iと外輪3gの間に複数の転動体Tを介在させた転がり軸受であり、これら転動体Tは保持器Rtで保持されている。軸受3は、軸方向の予圧を付与することが可能な軸受であり、アンギュラ玉軸受、深溝玉軸受、またはテーパころ軸受等が用いられる。図示の例ではアンギュラ玉軸受が用いられ、2個の軸受3,3が背面組合わせで設置されている。これら軸受3,3のうち一方の軸受3の近傍に、軸方向に離隔してモータ4が配置されている。
外輪間座8は、一対の間座部材9,9と、コアである磁歪材10とを有する。軸方向一方に設けられる間座部材9と、軸方向他方に設けられる間座部材9との間に、周方向に複数、本実施形態では3個の磁歪材10を挟み込んでいる。ただし、この磁歪材10の数は、3個に限定されるものではない。これら一対の間座部材9,9および磁歪材10の幅寸法、つまり外輪間座8の幅寸法H1は、内輪間座7の幅寸法H2と異なっており、前記一方の軸受3の内輪端面に当接するナット11を締め付けることにより、これら外輪間座8、内輪間座7の幅寸法差に応じて軸受に予圧が付与される。
前記外輪間座8のうちモータ4に近い一方側の間座部材9は、リング形状を成し、例えばステンレス鋼等の非磁性金属から成る。この右側面部が前記一方の軸受3の外輪背面に当接し、左側面部が磁歪材10に当接する。この間座部材9の右側面部は、外径側に外輪背面に当接する当接面9aと、この当接面9aに段部を介して内径側に連なる軸受に当接しない非当接面9bとを有する。
前記間座部材9の左側面部は、いわゆるラジアル平面を成す。外輪間座8のうちモータ4から離隔した他方側の間座部材9は、前記一方側の間座部材9と左右対称構造に形成される。つまり、この他方側の間座部材9の左側面部が他方の軸受3の外輪背面に当接し、ラジアル平面を成す右側面部が磁歪材10に当接する。この間座部材9の左側面部は、外径側に当接面9aと、この当接面9aに段部を介して内径側に連なる非当接面9bとを有する。
また、前記内輪間座7は、リング形状を成し、例えばステンレス鋼等の非磁性金属から成る。
上記複数の磁歪材10は円周方向一定間隔おきに設けられている。なお、複数の磁歪材10を円周方向適当間隔おきに設けることも可能である。各磁歪材10は、主軸2の軸方向に平行な円柱状の部材であり、この円柱状の部材の外周にコイルボビン12が嵌合され、このコイルボビン12にコイル13が巻回されている。各磁歪材10にコイルボビン12を介してコイル13を巻回することで、磁歪式センサS1が構成される。複数の磁歪材10にわたってコイル13を直列に接続しても良い。このコイル13は、例えばエナメル線からなる。
前記コイルボビン12は、磁歪材10の外周に嵌合するボビン本体12aと、このボビン本体12aの軸方向一端に半径方向外方に突出するように付設される第1フランジ12bと、ボビン本体12aの軸方向他端に半径方向外方に突出するように付設される第2フランジ12cとを有する。これらボビン本体12a、第1および第2フランジ12b,12cによって囲まれる環状領域に、コイル13が好適に巻回される。
この磁歪材10に用いる磁歪材料としては、磁歪効果の大きい材料が好ましい。また、この磁歪材料は、逆磁歪効果の大きい材料が好ましい。逆磁歪効果は、磁歪材10が、加圧の程度に応じて透磁率などの磁気特性が変わる効果のことである。本実施形態において、磁歪材10は、例えば、Ni、Fe-Ni系合金、Fe-Co系合金、Fe-Al系合金、アモルファス磁歪合金、超磁歪材料からなる。
上記巻回されたコイル13の外側に、覆い部材としてのヨーク14が設けられている。このヨーク14は、磁性材料からなり、有底円筒状のヨーク本体14aと、リング状の蓋部材14bとを有する。ヨーク本体14aの筒底部14aaに形成された貫通孔14abに、磁歪材10の一端が挿入され、前記筒底部14aaがコイルボビン12の第1フランジ12bに当接または近接するように配置される。この配置状態において、ヨーク本体14aの内筒面14acがコイル13全体を覆うと共に、ヨーク本体14aの先端縁部14adが、蓋部材14bの外周端部に固着される。このとき蓋部材14bの貫通孔14baに、磁歪材10の他端が挿入され、この蓋部材14bの一表面部がコイルボビン12の第2フランジ12cに当接または近接するように配置される。このように、磁歪材10とヨーク14とでコイル13の閉磁路を形成している。前記ヨーク本体14aおよび蓋部材14bを有するヨーク14は、間座よりも透磁率が高い材料であることが望ましい。
上記コイル13の磁路をいわゆる閉磁路構造にすることで、コイル13全体の磁気抵抗が小さくなり、磁歪式センサS1のセンサ感度が従来のものに比べて高くなる。したがって、間座部材9,9、内輪間座7を前記のようにステンレス鋼等のような非磁性材料で製作しても、磁歪材10にかかる応力を感度良く検出することができる。
前記磁歪式センサS1のコイル両端の出力部15は、ハウジング1に設けられた孔1aを介してハウジング外に引き出され、転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段16に電気的に接続されている。この予圧検出手段16は、磁歪式センサS1を構成するコイル13に一定周期の正弦波を印加し、その位相遅れからインダクタンスを検出し、予圧量を算出する電子回路からなる。この予圧検出手段16は、上記位相遅れと予圧量の関係を演算式またはテーブル等で設定した関係設定手段(図示せず)を有していて、検出した位相遅れを前記関係設定手段に照らし予圧量を算出する。予圧検出手段16は、独立して設けられた電子回路であっても、またスピンドル装置を制御する制御装置の一部であっても良い。コイルのインダクタンスの検出には、上記のほかに、コンデンサとコイルの共振周波数を測定してもよく、また、ブリッジ回路を使用しても良い。
上記外輪間座8および内輪間座7を有する間座と、前記磁歪式センサS1およびヨーク14とにより軸受予圧検出装置17が構成される。この軸受予圧検出装置17は、前記予圧検出手段16を含むものであっても良い。
上記構成の作用、効果を説明する。モータ4の駆動により主軸2が回転し、軸受3の温度が上昇して内輪3iが膨張し、予圧が初期設定値よりも大きくなると、外輪間座8に加わる力が増加する。この外輪間座8のうち磁歪材10に力が加わると、その磁気特性が変化し、インダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化がコイル13を介して予圧検出手段16により電圧値の変化等として検出される。したがって、磁歪材料で形成した磁歪材10に加わる力とインダクタンスとの関係を予め調べておけば、軸受装置に組み込まれた軸受3の初期予圧および運転時に増加した予圧を知ることができる。
特に、磁歪式センサS1のコイル13の外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなるヨーク14を設けてこの磁歪式センサS1のコイル磁路を閉磁路構造にしたため、コイル13の磁気抵抗が小さくなる。このため、磁歪式センサS1のセンサ感度が従来のものに比べて良くなる。したがって、磁歪式センサS1は周りの部品の影響を受け難くなり、磁歪式センサS1の信頼性が高まり、軸受予圧を正確に検出することができる。
上記外輪間座8のうち間座部材9,9は、磁歪式センサS1のコアつまり磁歪材10の軸方向一端および他端を挟み込む構成になっているため、軸受装置の部品点数を低減して構造を簡単化し、軸受装置の製造コストの低減を図ることができる。また、磁歪式センサS1を挟み込むこれら間座部材9,9をステンレス鋼等の非磁性材料で製作しても、コアにかかる応力を感度良く検出することができる。
なお、予圧検出手段16から得られるインダクタンスの変化は、軸受3の予圧荷重に一定の関係を持っているが、軸受装置やその他の使用機器の制御等に用いる場合に、必ずしも予圧の値に換算する必要はなく、インダクタンスの検出値をそのまま制御信号に用いても良い。また、各磁歪材10に巻回されたコイル13を直列に接続した場合、インダクタンスの絶対値を大きくでき、モータ4からの外乱磁界の影響を受け難くすることができるさらに、予圧が不均一で各磁歪材に掛かる荷重が等しくない場合でも平均化して確実に軸受全体に掛かる予圧を検出することができる。
次に、この発明の第2の実施形態を図5,図6と共に説明する。また、図1も参照しつつ説明する。以下の説明において、第1の実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
第2の実施形態における磁歪式センサS2は、コアである磁歪材10Aを、その軸方向一端部および他端部にフランジ部18,18を備えたボビン形状とし、この磁歪材10Aの外周面部にコイル13を直接巻いている。このコイル13の外側であって、一方のフランジ部18の外周縁部18aから他方のフランジ部18の外周縁部18aにわたって、円筒状のヨーク14Aが外嵌されている。この覆い部材としてのヨーク14Aは、磁性材料からなる。このヨーク14Aは、第1の実施形態におけるヨーク14と同様に、間座よりも透磁率が高い材料であることが望ましい。その他第1の実施形態と同様の構成となっている。
上記第2の実施形態の構成によると、磁歪材10Aとヨーク14Aとでコイル13の磁路を閉磁路構造にすることで、コイル13全体の磁気抵抗が小さくなり、磁歪式センサS2のセンサ感度が従来のものに比べて高くなる。特に、コアである磁歪材10Aを両端にフランジ部18を備えたボビン形状とし、このコアの外周面部にコイル13を直接巻いているので、第1の実施形態の構成に比べてコイルボビン等の部品を低減することができると共に、ヨーク14Aを二部品ではなく円筒状の単体品とすることができる。したがって、軸受装置の構造を簡単化し、製造コストの低減を図ることができる。その他第1の実施形態と同様の効果を奏する。
この発明の第1の実施形態に係る軸受装置等の断面図である。 同軸受装置の磁歪式センサの要部拡大断面図である。 同磁歪式センサを軸方向から見た側面図である。 円周方向に複数の磁歪式センサを設けた例を表す側面図である。 この発明の第2の実施形態に係る軸受装置の磁歪式センサの断面図である。 同磁歪式センサを軸方向から見た側面図である。
符号の説明
3…軸受
3g…外輪
3i…内輪
7…内輪間座
8…外輪間座
9…間座部材
10,10A…磁歪材
13…コイル
14,14A…ヨーク
16…予圧検出手段
17…軸受予圧検出装置
18…フランジ部
S1,S2…磁歪式センサ

Claims (6)

  1. 軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の軌道輪間に間座を介在させた軸受装置において、
    前記間座の一部に、磁歪材料からなるコアの外周にコイルを巻いた磁歪式センサを備え、この磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてこの磁歪式センサのコイル磁路を閉磁路構造にした軸受装置。
  2. 請求項1において、前記覆い部材の磁性材料は、間座本体よりも透磁率が大きい磁性材料である軸受装置。
  3. 請求項1または請求項2において、前記コアを、その軸方向一端部および他端部にフランジ部を備えたボビン形状とし、このコアの外周面部にコイルを直接巻いた軸受装置。
  4. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、前記磁歪センサの磁気特性の変化から転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段を設けた軸受装置。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、前記間座は、軸方向に並ぶ外輪間に介在する外輪間座と、内輪間に介在する内輪間座とを有し、これら外輪間座および内輪間座のいずれか一方は、磁歪式センサの軸方向一端および他端を挟み込む構成になっている軸受装置。
  6. 磁歪材料からなるコアの外周にコイルを巻いた磁歪式センサであって、この磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてコイル磁路を閉ループ構造にした磁歪式センサを部分的に備えた軸受間座と、
    前記磁歪式センサの磁気特性の変化から転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段とを備えた軸受予圧検出装置。
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