JP2008286219A - 軸受装置および軸受予圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータ等からの外乱磁界が磁歪材料に到達し難いようにし、磁歪材料の磁気特性の変化を検出する精度の低下を防止して、軸受予圧の検出精度が低下することを防止す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】 間座の一部分を磁歪材１０で構成すると共に、前記間座のうち、前記磁歪材１０の残りの部分の少なくとも一部を非磁性材料で構成し、前記磁歪材１０の磁気特性の変化を検出可能な磁気特性変化検出手段を設ける。
【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。
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したり、磁歪材の磁化変化を磁界センサで検出する。現在、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ため、前記モータが発する外乱磁界が磁歪材に到達し、そのため軸受予圧の検出精度が低下する問題がある。

この発明の目的は、モータ等からの外乱磁界が磁歪材料に到達し難いようにし、磁歪材料の磁気特性の変化を検出する精度の低下を防止して、軸受予圧の検出精度が低下することを防止す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、前記間座の一部分を磁歪材料で構成すると共に、前記間座のうち、前記磁歪材料からなる部分の残りの部分の少なくとも一部を非磁性材料で構成し、前記磁歪材料の部分の磁気特性の変化を検出可能な磁気特性変化検出手段を設けたものである。

この構成によると、間座の一部分を磁歪材料で構成したため、この磁歪材料の磁気特性の変化を磁気特性変化検出手段で検出することで、軸受の予圧が検出できる。前記間座のうち、磁歪材料からなる部分を除く部分である残りの部分の少なくとも一部を非磁性材料で構成したため、磁歪材料はモータ等の外乱磁界の影響を受け難くなる。このため、磁気特性変化検出手段は、前記磁歪材料の部分の磁気特性の変化を精度良く検出できる。これにより、予圧検出精度を向上することができる。

この発明において、前記非磁性材料は非磁性金属であっても良い。非磁性金属を非磁性材料に適用することで、間座の剛性強度を低下させることなく、予圧検出精度を向上することができる。
この発明において、前記間座のうち非磁性材料で構成した部分は、前記磁歪材料の部分を挟み込む構成になっていても良い。この場合、磁歪材料の部分を挟む一方側からの外乱磁界を遮蔽し、前記磁歪材料の部分を挟む他方側からの外乱磁界を遮蔽する。このように外乱磁界を確実に遮蔽することができる。

この発明において、前記磁気特性変化検出手段により検出される特性変化検出値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、主軸を所望の回転精度に維持すると共に、主軸の剛性を適度に管理することが可能となる。

この発明の軸受予圧検出装置は、磁歪材料からなる部分と、非磁性材料からなる部分とで構成してなる軸受間座と、前記磁歪材料からなる部分の磁気特性の変化を検出する磁気特性変化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、軸受運転中、磁歪材料はモータ等の外乱磁界の影響を受け難くなり、磁気特性変化検出手段は、前記磁歪材料の部分の磁気特性の変化を精度良く検出することができる。
この発明において、前記磁気特性変化検出手段により検出される特性変化検出値から転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段を備えても良い。この予圧検出手段により検出される予圧によって、主軸を所望の回転精度に維持すると共に、主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、前記間座の一部分を磁歪材料で構成すると共に、前記間座のうち、前記磁歪材料からなる部分の残りの部分の少なくとも一部を非磁性材料で構成し、前記磁歪材料の部分の磁気特性の変化を検出可能な磁気特性変化検出手段を設けたため、モータ等からの外乱磁界が磁歪材料に到達し難いようにし、磁歪材料の磁気特性の変化を検出する精度の低下を防止して、軸受予圧の検出精度が低下することを防止することができる。

この発明の第１の実施形態を図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、周方向に複数の磁歪材１０を挟み込んでいる。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(SUS304など)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(SUS304)等の非磁性金属から成る。

複数、例えば図２に示すように３個の磁歪材１０が、円周方向一定間隔おきに設けられている。ただし３個に限定されるものではない。また、複数の磁歪材１０を円周方向適当間隔おきに設ける場合もある。
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、磁気特性変化検出手段となるコイル１３が巻回されている。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。

前記コイルボビン１２に巻回されたコイル両端の出力部１４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１５に電気的に接続されている。この予圧検出手段１５は、磁気特性変化検出手段を構成するコイル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１５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１５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、前記磁気特性変化検出手段とにより、軸受予圧検出装置１６が構成される。この軸受予圧検出装置１６は、前記予圧検出手段１５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からなる磁気特性変化検出手段を介して予圧検出手段１５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、外輪間座８のうち、軸方向一方および他方の間座部材９，９の間に、周方向に複数の磁歪材１０を挟み込み、これら間座部材９，９および内輪間座７を非磁性材料で構成したことにより、磁歪材料は上記モータ４の外乱磁界の影響を受け難くなる。すなわち間座部材９，９および内輪間座７によって、モータ４の外乱磁界を確実に遮蔽する。よって、磁気特性変化検出手段であるコイル１３は、前記磁歪材料の部分の磁気特性の変化を精度良く検出する。これにより、予圧検出手段１５による検出精度を向上することができる。

前記間座部材９，９および内輪間座７の非磁性材料として、非磁性金属を適用することで、間座の剛性強度を低下させることなく、予圧検出精度を向上することができる。また、軸方向一方および他方の間座部材９，９の間に、磁歪材１０を挟み込む構成にしたので、モータ４側つまり図１の右側からの外乱磁界を直接遮蔽し、モータ４からハウジング１を介して図１の左側から回り込んでくる外乱磁界をも遮蔽する。また主軸２を介して内輪間座７側からの外乱磁界も遮蔽する。このように外乱磁界を確実に遮蔽することができる。
なお、予圧検出手段１５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を直列に接続しても良い。この場合、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より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と共に説明する。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外輪間座８Ａは、リング状の磁歪材１０Ａを、軸方向一方および他方の間座部材９，９で挟み込んで構成している。このリング状磁歪材１０Ａの外周に、磁気特性変化検出手段となるコイル１３が巻回されている。右側の間座部材９の左側面部が、このリング状磁歪材１０Ａの右端面に当接し、左側の間座部材９の右側面部が、このリング状磁歪材１０Ａの左端面に当接する。
軸受装置の間座は、両端面の平行度の精度を高くする必要がある。この第２の実施形態では、磁歪材１０Ａをリング状の一部材にすることで、この磁歪材１０Ａの両端面１０Ａａ，１０Ａｂの加工が容易になり、平行度が出し易い。また、第２の実施形態によれば、複数の磁歪材の平行度と幅寸法を精度良く管理する必要がある第１の実施形態と比べて、精度の確保が容易である。したがって、軸受装置の製造コストの低減を図ることが可能となる。

本実施形態では、磁気特性変化検出手段としてコイル１３を適用しているが、コイル１３に限らず、磁歪材に作用する力で変化する磁気抵抗値やその他の何らかの磁気特性が検出できるものであれば良い。例えば、磁歪材１０，１０Ａに対向させて配置した磁界センサで、磁歪材１０，１０Ａの磁気特性の変化を検出しても良い。この場合、例えば、磁歪材１０，１０Ａに対向する間座部材９、またはハウジング１の一部に切り欠き部を設け、この切り欠き部に磁界センサを配置して、磁気特性の変化を検出する。

本実施形態のように、一方、他方の間座部材９，９および内輪間座７とも非磁性材料で構成することが好ましいが、例えば、これら間座部材９，９および内輪間座７のうちのいずれか一つを磁性材料で構成することも可能である。また、間座部材９，９または内輪間座７の大部分を磁性材料で構成し、部分的に非磁性材料から成る部位を一体に設けても良い。また、外乱磁界の要因は、主軸装置に組み込まれたモータ４に限定されるものではなく、主軸装置外のノイズ等の外部要因も考えられる。本実施形態によると、このようなノイズ等の外部要因の影響も受け難くなり、磁歪材料の磁気特性の変化を検出する精度の低下を防止して、軸受予圧の検出精度が低下することを防止することができる。

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。 図１のII−II線断面図である。 磁歪材料からなる部分、コイルの要部拡大断面図である。 同磁歪材料からなる部分、コイルを軸方向から見た側面図である。 この発明の第２の実施形態に係る軸受装置等の断面図である。

符号の説明

３…軸受
３ｇ…外輪
３ｉ…内輪
７…内輪間座
８，８Ａ…外輪間座
９…間座部材
１０，１０Ａ…磁歪材
１３…コイル
１５…予圧検出手段

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、
   前記間座の一部分を磁歪材料で構成すると共に、前記間座のうち、前記磁歪材料からなる部分の残りの部分の少なくとも一部を非磁性材料で構成し、前記磁歪材料の部分の磁気特性の変化を検出可能な磁気特性変化検出手段を設けた軸受装置。
2. 請求項１において、前記非磁性材料は非磁性金属である軸受装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記間座のうち非磁性材料で構成した部分は、前記磁歪材料の部分を挟み込む構成になっている軸受装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記磁気特性変化検出手段により検出される特性変化検出値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. 磁歪材料からなる部分と、非磁性材料からなる部分とで構成してなる軸受間座と、
   前記磁歪材料からなる部分の磁気特性の変化を検出する磁気特性変化検出手段とを備えた軸受予圧検出装置。
6. 請求項５において、前記磁気特性変化検出手段により検出される特性変化検出値から転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段を備えた軸受予圧検出装置。

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