JP2008298251A - 軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出精度を高め、ハウジングのラジアル剛性の低下を防止し、製造コストの低減を図ることができる軸受装置を提供する。
【解決手段】 外輪３ｇ，３ｇ間に介在させた外輪間座５は、軸方向に並ぶ複数個の分割間座６Ａ，６Ｂを有し、これら分割間座６Ａ，６Ｂの間に、荷重の大きさに応じて接触面積の変化する可変部７と、超音波センサ１０とを設けた。
【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。
従来の軸受予圧を検出する軸受予圧荷重検出センサとして、超音波を利用したものが提案されている（特許文献１，２参照）。
特開２０００−２７５１２２号公報 特開２００４−１００８４１号公報

上記特許文献１では、予圧印加時の回転軸の超音波特性の変化を、超音波の伝播時間や固有周波数の変化から測定する。そのために回転軸に超音波センサを接触させる必要がある。しかし、回転中の軸に超音波センサを接触させるのは、油などの接触媒質を満たした装置が必要であるため高価になる、接触媒質の定期的な交換も必要になりメンテナンスが面倒であるなどの問題点がある。

上記特許文献２では、固定輪に設置された超音波センサから発信した超音波が、固定輪と転動体との接触部で反射されることを利用する。反射波の大きさが、固定輪にある軌道輪と転動体との接触面積によって変化するため、この接触面積から予圧荷重を検出する。しかし、この方法では、軌道輪と転動体との間にある潤滑剤のために安定した反射波が得られず、検出精度の問題がある。この方法を工作機械のスピンドル装置に適用する場合、軸受ハウジングに超音波センサを設置することになるが、次のような問題点がある。
・超音波を軸受外輪に効果的に入射させるために、超音波センサと軸受外輪との間に接触媒質などが必要になる。
・超音波センサを軸受ハウジングに設置するために、ハウジングに切欠きを形成しなければならず、この切欠きにより工作機械のスピンドル装置のラジアル剛性が低下する。

この発明の目的は、検出精度を高め、ハウジングのラジアル剛性の低下を防止し、製造コストの低減を図ることができる軸受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、前記間座は、軸方向に並ぶ複数個の分割間座を有し、これら分割間座の間に、荷重の大きさに応じて接触面積の変化する可変部と、この可変部の接触面積の変化を測定するセンサとを設けたものである。

この構成によると、間座にかかる力によって、分割間座と可変部の間の面圧が変化する。その面圧の変化は、これら分割間座、可変部間の接触面積を変化させる。その接触面積の変化により、例えば超音波センサ等のセンサから発信された反射波が変化する。ただし、透過波を適用する場合もある。この発信波と反射波の比から、分割間座、可変部間の面圧を求め、その値から転がり軸受にかかる予圧を求めることができる。分割間座、可変部間には潤滑油などが存在しないため、上記センサの検出精度を高め、予圧の検出精度を高めることができる。また、軸受ハウジングに上記センサを設置する必要がないため、ハウジングに、センサ設置用の切欠きを形成する必要がなくなる。したがって、ハウジングのラジアル剛性の低下を防止することができる。上記接触媒質を満たした装置等も不要となるため、この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、前記可変部は、周方向に複数設けた球状物からなるものであっても良い。この場合、複数の球状物のうちの一つの球状物と、分割間座との間の接触面積の変化を検出する。これら球状物として、転がり軸受の転動体等を適用した場合、部品の兼用性を高め、製造コストの低減を図ることが可能となる。また、可変部は、複数の球状物を保持する保持器を有するものであっても良い。また、複数個の球状物と分割間座との間の接触面積の平均値の変化を検出してもよい。
この発明において、前記可変部はリング状体であっても良い。この場合、部品点数の低減を図り、軸受装置の組立てを簡単化することができる。

この発明において、前記センサが超音波センサであることが望ましい。この場合、超音波センサの発信波と反射波の比、または発信波と透過波の比から、接触面積の変化を測定し、接触面の面圧を求めることができる。これにより、転がり軸受にかかる予圧荷重を検出することができる。

この発明において、前記超音波センサで測定した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、工作機械等の主軸を所望の回転精度に維持すると共に、前記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、前記間座は、軸方向に並ぶ複数個の分割間座を有し、これら分割間座の間に、荷重の大きさに応じて接触面積の変化する可変部と、この可変部の接触面積の変化を測定するセンサとを設けたため、検出精度を高め、ハウジングのラジアル剛性の低下を防止し、製造コストの低減を図ることができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３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。

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４を、外輪３ｇ，３ｇ間に外輪間座５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。

外輪間座５は、軸方向に並ぶ複数個、本実施形態では二個の分割間座６Ａ，６Ｂを有し、これら第１，第２の分割間座６Ａ，６Ｂの間に、荷重の大きさに応じて接触面積に変化する可変部７を挟み込んで設けている。これら第１，第２の分割間座６Ａ，６Ｂおよび可変部７の幅寸法Ｈ１、つまり外輪間座５の幅寸法Ｈ１は、内輪間座４の幅寸法Ｈ２と異なっており、一方の軸受３の内輪端面に筒状部材８を介して当接するナット９を締め付けることにより、これら外輪間座５、内輪間座４の幅寸法差に応じて軸受に予圧が付与される。

二個の分割間座６Ａ，６Ｂのうち、右側の第１の分割間座６Ａは、この軸方向右端部が前記一方の軸受３の外輪背面に当接し、軸方向左端部が可変部７に当接する。この第１の分割間座６Ａの軸方向右端部は、外径側に外輪背面に当接する当接面６Ａａと、この当接面６Ａａに段部を介して内径側に連なる軸受３に当接しない非当接面６Ａｂとを有する。この第１の分割間座６Ａの軸方向左端部は、いわゆるラジアル平面に平行に形成されて可変部７に当接する。この第１の分割間座６Ａには、半径方向外方に開孔し前記軸方向左端部寄りに配設されるセンサ収容孔６Ａｈが形成されている。

第２の分割間座６Ｂは、この軸方向左端部が他方の軸受３の外輪背面に当接し、軸方向右端部がラジアル平面を成して可変部７に当接する。この第２の分割間座６Ｂの軸方向左端部は、外径側に外輪背面に当接する当接面６Ｂａと、この当接面６Ｂａに段部を介して内径側に連なる軸受３に当接しない非当接面６Ｂｂとを有する。

前記可変部７について説明する。
前記可変部７は、周方向一定間隔おきに複数配設した球体７ａと、これら球体７ａを保持する保持器７ｂとを有する。各球体７ａは、例えば、同一直径の玉軸受用転動体等によって実現される。ただし、球体７ａは、玉軸受用転動体に限定されるものではなく、可変部７の専用品であっても良い。これら複数の球体７ａにより、間座５の軸方向剛性を高め得る。前記保持器７ｂは、例えば、鋼板等からプレス成形されて成る。ただし、プレス成形品に限定されるものではない。

前記第１の分割間座６Ａにおいて、複数の球体７ａのうちの一つに対応する周方向位置に、超音波センサ１０が設置されている。つまり第１の分割間座６Ａの円周方向の一箇所に、センサ収容孔６Ａｈが形成され、このセンサ収容孔６Ａｈに超音波センサ１０が設置される。この状態において、図３に示すように、超音波センサ１０のセンサヘッド１０ａの円周方向位置Ｐ１と、一つの球体７ａの円周方向位置Ｐ２とが一致する。これと共に、前記センサヘッド１０ａの軸方向位置Ｐ３と、前記球体７ａの軸方向位置Ｐ４とが一致するように設けられる。

超音波センサ１０の出力部である配線１０ｂは、ハウジング１に設けられた孔１ａを介してハウジング１外に引き出され、転がり軸受３の予圧を検出する予圧検出手段１１に電気的に接続されている。間座５にかかる力によって、分割間座６Ａと球体７ａの間の面圧が変化する。その面圧の変化は、分割間座６Ａ、球体７ａ間の接触面積Ｓ１を変化させる。その接触面積Ｓ１の変化により、超音波センサ１０から発信された超音波の反射波が変化する。同超音波センサ１０により反射波を受信する。予圧検出手段１１は、発信波と反射波の比から、第１の分割間座６Ａ、球体７ａ間の面圧を求め、その値から軸受にかかる予圧を求める。

前記発信波と反射波の比は、電気信号に変換され、予圧検出手段１１は、前記配線１０ｂを介して入力される電気信号に比例する予圧量を算出する電子回路等からなる。この予圧検出手段１１は、上記電気信号と予圧量の関係を演算式またはテーブル等で設定した図示外の関係設定手段を有し、発信波と反射波の比に基づく電気信号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１１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。
上記第１，第２分割間座６Ａ，６Ｂ、可変部７、内輪間座４、および前記予圧検出手段１１により、軸受予圧検出装置が構成される。

上記構成の作用、効果を説明する。
スピンドル装置の図示外の駆動源により主軸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５の両端間に加わる軸方向力が増加する。これにより、可変部７の各球体７ａに、第１の分割間座６Ａから軸方向力が加わると、分割間座６Ａと球体７ａの間の面圧は初期面圧よりも大きくなる。したがって、第１の分割間座６Ａ、球体７ａ間の接触面積Ｓ１を変化させる。その接触面積Ｓ１の変化により、超音波センサ１０から発信された超音波の反射波が変化する。

この発信波と反射波の比から、分割間座６Ａ、可変部７間の面圧を求め、その値から転がり軸受３にかかる予圧を求めることができる。この求めた予圧によって、工作機械の主軸２を所望の回転精度に維持すると共に、前記主軸２の剛性を適度に管理することが可能となる。分割間座６Ａ，６Ｂ、可変部７間には潤滑油などが存在しないため、上記センサ１０の検出精度を高め、予圧の検出精度を高めることができる。また、軸受ハウジング１に上記センサを設置する必要がないため、ハウジング１に、センサ設置用の切欠きを形成する必要がなくなる。したがって、ハウジング１のラジアル剛性の低下を防止することができる。上記接触媒質を満たした装置等も不要となるため、この軸受装置の製造コストの低減を図ることができる。また、定期的なメンテナンスが不要となるため、その分、工作機械の稼働率を高めることができるうえ、メンテナンスのための労力等を軽減することができる。

可変部７は、周方向に複数設けた球状物としての球体７ａを有するため、複数の球体７ａのうちの一つの球体７ａと、第１の分割間座６Ａとの間の接触面積Ｓ１の変化を検出することで、分割間座６Ａ、可変部７間の面圧を求め、軸受予圧を求めることができる。これら球状物として、転がり軸受の転動体を適用した場合、部品の兼用性を高め、製造コストの低減を図ることが可能となる。また、複数の球体７ａを保持する保持器７ｂを設けたため、複数の球体７ａを一定間隔に確実に保持することができ、よって、外輪間座５の軸方向剛性を確実に高めることができる。また、複数個の球状物と分割間座との間の接触面積の平均値の変化を検出してもよい。

次に、この発明の第２の実施形態を図４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可変部７Ａは、断面円形のリング状体であり、上記保持器は設けられていない。第１，第２の分割間座６Ａ，６Ｂにセンサ収容孔６Ａｈ，６Ｂｈが形成されている。第２の分割間座６Ｂのセンサ収容孔６Ｂｈは、半径方向外方に開孔し軸方向右端部寄りに配設される。第１の分割間座６Ａのセンサ収容孔６Ａｈの円周方向位置と、第２の分割間座６Ｂのセンサ収容孔６Ｂｈの円周方向位置とは一致する。これと共に、第１の分割間座６Ａのセンサ収容孔６Ａｈに設置される超音波センサ１０のセンサヘッド１０ａの軸方向位置と、第２の分割間座６Ｂのセンサ収容孔６Ｂｈに設置される超音波センサ１０のセンサヘッド１０ａの軸方向位置とが一致するように設けられる。また、この可変部７Ａの直径Ｄ１、つまり外径と内径との中間部における直径寸法が、これらセンサヘッド１０ａ，１０ａの軸方向位置と一致するように、可変部７Ａが設置される。その他第１の実施形態と同様の構成となっている。

第２の実施形態では、可変部７Ａを、前述の球体からリング状体に変えることで、間座５の軸方向剛性を第１の実施形態のものより高めることができる。一方の超音波センサ１０から発信した超音波が、第１の分割間座６Ａ、可変部７Ａ間の接触面Ｓ１、および可変部７Ａ、第２の分割間座６Ｂ間の接触面Ｓ２を透過する大きさは、これら接触面Ｓ１，Ｓ２の接触面積によって変化する。これら接触面Ｓ１，Ｓ２を透過した超音波を、他方の超音波センサ１０、つまり図４における左側のセンサ１０で受信する。前記接触面積が接触面Ｓ１，Ｓ２の面圧により変化するので、透過波の大きさを測定することにより、発信波と透過波の比から接触面Ｓ１，Ｓ２の面圧を求めることができる。これにより、転がり軸受にかかる予圧荷重を検出することができる。また、可変部７Ａをリング状としたため、部品点数の低減を図り、軸受装置の組立てを簡単化することができる。その他、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

他の実施について説明する。
図５は、この発明の他の実施形態に係る軸受装置の可変部を表す断面図である。第１，第２の実施形態では、可変部を分割間座６Ａ，６Ｂとは別部品として設けているが、他の実施形態において、可変部７Ｂを分割間座６Ａ，６Ｂの一部として設けてもよい。例えば、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、第２の分割間座６Ｂの軸方向右端部６ＢＲ，６Ｂｒを、軸方向一方に突出する断面円弧状の球面リングに形成している。この可変部７Ｂとしての球面の先端部分の直径Ｄ２が、センサヘッド１０ａの軸方向位置と一致するように構成されている。

この実施形態によれば、第２の実施形態よりもさらに部品点数の低減を図り、軸受装置の組立てをより簡単化することができる。また、可変部７Ｂとセンサヘッド１０ａとの軸方向位置、径方向位置を位置決めする作業負担の軽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。

以上説明した軸受装置を、スピンドル装置以外の装置、ロボット等に適用することも可能である。本実施形態では、２個の軸受を背面組み合わせで設置したが、正面組み合わせで設置する場合もあり得る。また、軸受の個数は２個に必ずしも限定されるものではない。
本実施形態で説明した可変部は一例であって、間座にかかる力により接触面積が変化するものであれば上記説明した例に限らず、どのような形状でもよい。超音波センサは、第１の実施形態の反射形、第２の実施形態の透過形いずれの形式を用いてもよい。

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。 同軸受装置の要部の拡大断面図である。 同軸受装置の可変部と超音波センサとの関係を概略表す図である。 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。 この発明の他の実施形態に係る軸受装置の可変部を表す断面図である。

符号の説明

３…軸受
３ｇ…外輪
３ｉ…内輪
４…内輪間座
５…外輪間座
６Ａ，６Ｂ…分割間座
７，７Ａ…可変部
７ａ…球体
７ｂ…保持器
１０…超音波センサ
１１…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、
   前記間座は、軸方向に並ぶ複数個の分割間座を有し、これら分割間座の間に、荷重の大きさに応じて接触面積の変化する可変部と、この可変部の接触面積の変化を測定するセンサとを設けた軸受装置。
2. 請求項１において、前記可変部は、周方向に複数設けた球状物からなる軸受装置。
3. 請求項２において、前記可変部は、複数の球状物を保持する保持器を有する軸受装置。
4. 請求項１において、前記可変部はリング状体である軸受装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記センサが超音波センサである軸受装置。
6. 請求項５において、前記超音波センサで測定した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。

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