JP2009216664A - 内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成の測定装置で、転がり軸受の荷重分布を精確に求めることができる内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法及びその装置を提供する。
【解決手段】 内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法において、転がり軸受の回転軸１に固定される内輪２の軌道面近傍に軸方向に細穴２Ａを設け、この細穴２Ａに光ファイバひずみセンサ３を配置し、この光ファイバひずみセンサ３からの出力信号を光ファイバ９で導出し、前記回転軸１の軸方向に配置され、この回転軸１に固定される支持体１０に支持される単一のロータリージョイント１１を介してひずみ計測器１２に前記光ファイバ９を接続し、前記光ファイバひずみセンサ３の位置を転動体４が通過する際のひずみを検出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法及びその装置に係り、特に、転がり軸受の内輪内に光ファイバひずみセンサを配置し、その位置を転動体が通過する際のひずみを検出することで、軸受全体の荷重分布を求めるようにしたものである。

図６は従来の転がり軸受の荷重分布測定装置のひずみゲージの取り付け部を示す図である。

この図において、１０１は回転軸、１０２は回転軸に固定される転がり軸受の内輪、１０３は転がり軸受の転動体、１０４は転がり軸受の外輪、１０５は内輪１０２の切欠部、１０６は切欠部１０５に貼り付けられるひずみゲージである。

このように、転がり軸受の内輪１０２に切欠部１０５を形成し、この切欠部１０５にひずみゲージ１０６を貼付し、その位置を転動体１０３が通過する際のひずみを検出することで、軸受全体の荷重分布を求めるようにしたものが提案されている（下記特許文献１参照）。

図７は従来の転がり軸受の荷重分布測定装置の転動体内への光ファイバセンサの取り付け部を示す図である。

この図において、２０１は回転軸、２０２は回転軸２０１に固定される転がり軸受の内輪、２０３は転がり軸受の転動体、２０４は転がり軸受の外輪、２０５は転がり軸受の転動体２０３内に形成される細穴、２０６はその細穴２０５に挿入される光ファイバひずみセンサ、２０７は光ファイバひずみセンサ２０６に接続される光ファイバである。

このように、転がり軸受の転動体２０３の軸中心に、放電加工により細穴２０５を設ける。その細穴２０５に光ファイバひずみセンサ２０６を挿入し接着することにより、転動体２０３に発生するひずみを検出し、軸受全体の荷重分布を求めるようにしたものが本願発明者らによって提案されている（下記特許文献２参照）。
特開昭５２−０１００２７号公報 特開２００７−１８３１０５号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された荷重用転がり軸受の荷重分布測定方法では、内輪１０２に切欠部を設けるので、内輪１０２と軸の締め代が不足し、内輪クリープが発生することがある。これにより、ひずみゲージ１０６のリード線が断線するといった問題があった。

また、上記した特許文献２に開示された転がり軸受の荷重分布測定方法では、自転及び公転を行う転動体２０３内に光ファイバひずみセンサ２０６を配置するようにしており、動的測定を行う場合、図示しないが、測定装置が複雑になる。特に、第１光ファイバロータリージョイントと第２光ファイバロータリージョイントが必要になるといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、簡単な構成の測定装置で、転がり軸受の荷重分布を精確に求めることができる内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法及びその装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法において、転がり軸受の回転軸に固定される内輪の軌道面近傍に軸方向に細穴を設け、この細穴に光ファイバひずみセンサを配置し、この光ファイバひずみセンサからの出力信号を光ファイバで導出し、前記回転軸の軸方向に配置され、この回転軸に固定される支持体に支持される単一のロータリージョイントを介してひずみ計測器に前記光ファイバを接続し、前記光ファイバひずみセンサの位置を転動体が通過する際のひずみを検出することを特徴とする。

〔２〕内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、転がり軸受の回転軸に固定される内輪と、この内輪内に配置される光ファイバひずみセンサと、この光ファイバひずみセンサに接続されて導出される光ファイバと、前記回転軸の軸方向に配置され、この回転軸に固定される支持体と、前記光ファイバが前記支持体に支持されるロータリージョイントを介して接続されるひずみ計測器とを備え、前記光ファイバひずみセンサの位置を転動体が通過する際のひずみを検出することを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載の内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に単列に配置され、前記光ファイバひずみセンサが前記単列に配置された転動体に対応して配置される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてがファブリ・ペロ干渉型センサまたはファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）を用いることを特徴とする。

〔４〕上記〔２〕記載の内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に複列に配置され、前記光ファイバひずみセンサがが一体化され光ファイバに直列に前記複列に配置された転動体のそれぞれに対応して配置される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてまたはファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）を用いることを特徴とする。

〔５〕上記〔２〕記載の内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に複列に配置され、個別の光ファイバにより前記光ファイバひずみセンサがそれぞれ並列に前記複列に配置された転動体のそれぞれに対応して配置される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてファブリ・ペロ干渉型センサを用いることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成の測定装置で、精確な転がり軸受の荷重分布を求めることができる。また、内輪クリープが発生しない。

本発明の内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法は、転がり軸受の回転軸に固定される内輪の軌道面近傍に軸方向に細穴を設け、この細穴に光ファイバひずみセンサを配置し、この光ファイバひずみセンサからの出力信号を光ファイバで導出し、前記回転軸の軸方向に配置され、この回転軸に固定される支持体に支持される単一のロータリージョイントを介してひずみ計測器に前記光ファイバを接続し、前記光ファイバひずみセンサの位置を転動体が通過する際のひずみを検出する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置における光ファイバひずみセンサの取り付け部を示す模式図、図２はその転がり軸受の荷重分布測定装置の全体図、図３はその転がり軸受の荷重分布測定装置の光ファイバひずみセンサの模式図である。

これらの図において、１は回転軸、２は回転軸に固定される転がり軸受の回転する内輪、２Ａは内輪２の軸方向に形成される細穴、３はこの内輪２内の細穴２Ａに挿入される光ファイバひずみセンサ、４は自転と公転を行う転動体、５はハウジング６に固定される外輪、７は荷重、８は転がり軸受の荷重分布を示している。

図２に示すように、光ファイバひずみセンサ３は、光ファイバ９によって、軸方向に配置され、回転軸１に固定された支持体１０に支持される単列のロータリージョイント１１を介してひずみ計測器１２に接続されている。このひずみ計測器１２にはＬＡＮ１３などを介してパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１４が接続されている。

そこで、転がり軸受の荷重分布８は、内輪２に配置された光ファイバひずみセンサ３からの出力信号を光ファイバ９から出力して、ひずみ計測器１２及びＰＣ１４により、計測されたひずみから荷重を求めることができる。

光ファイバひずみセンサは内輪２に単列に単独に配置すれば足りるので、ここでは、図３に示すようなファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサ２１を用いる。勿論、ファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサ２１に代えて、ファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）を用いるようにしてもよい。

以下、ファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサについて説明する。

ファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサ２１は、略筒状のひずみ受け部材２２を有している。このひずみ受け部材２２の一端である取付端２２ａに光ファイバ２０が挿入され、接着剤２３などによって取り付けられている。略筒状のひずみ受け部材２２は、外部のひずみに対応してひずみ変形可能な材料、例えば、合成樹脂によって形成されている。

また、光ファイバひずみセンサ２１の内部には、キャビティ長Ａを挟んで、第１のミラー２４と第２のミラー２５が対向するように配置されている。第１のミラー２４はハーフミラーであり、光ファイバ２０から入射するレーザ光Ｌの一部を反射面２４ａで反射し、一部を通過するようになっている。また、第２のミラー２５は、第１のミラー２４から入射したレーザ光を反射面２５ａで反射する。

このような構成により、ファブリ・ペロ干渉計の原理により、キャビティ長Ａと、光反射による波長変調は比例する。このため、入射光と反射光の間の波長変調を検出することにより、キャビティ長Ａを測定することができる。キャビティ長Ａは、略筒状のひずみ受け部材２２のひずみ変化に応じて変化するので、キャビティ長Ａの変化を求めることにより、ひずみ値を計測することができる。

図４は本発明の第２実施例を示す内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置の全体図、図５はその転がり軸受の荷重分布測定装置の光ファイバひずみセンサの模式図である。

図４において、３１は回転軸、３２，３３は回転軸３１に固定される内輪、３４，３５はそれらの内輪３２，３３内に形成された細穴３２Ａ，３３Ａに挿入された光ファイバひずみセンサ、３６，３７は複列に配置される自転及び公転を行う転動体、３８はハウジング（図示なし）に固定される外輪、３９は光ファイバ、４０は回転軸３１の軸方向に配置され、かつ回転軸３１に固定される支持体、４１は支持体４０に配置される単一のロータリージョイント、４２は光ファイバ３９が接続されるひずみ計測器、４３はひずみ計測器４２に接続されるＬＡＮなど、４４はＬＡＮ４３などによりひずみ計測器４２に接続されるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。

この第２実施例では、複列に配置される転動体３６，３７のそれぞれに光ファイバひずみセンサ３４，３５を配置した転がり軸受の荷重分布測定装置である。つまり、回転軸３１と共に回転する内輪３２，３３と、自転と公転を行う転動体３６，３７が軸方向に複列に配置されている。外側にはハウジング（図示なし）に固定された外輪３８が配置されている。そこで、転動体３６，３７に対応する内輪３２，３３内のそれぞれに光ファイバひずみセンサ３４，３５を配置する。これらの光ファイバひずみセンサ３４，３５からの出力信号は、光ファイバひずみセンサ３４と３５に直列接続される光ファイバ３９によって、支持体４０に支持された単一のロータリージョイント４１を介してひずみ計測器４２に出力される。このひずみ計測器４２にはＬＡＮ４３などを介してパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４４が接続されている。

ここでは、光ファイバひずみセンサ３４，３５を複列に配置した内輪３２，３３内のそれぞれ（２箇所）に配置し、一本化された光ファイバひずみセンサ３４と３５を、図４に示すように光ファイバ３９を直列に接続するようにしているので、図５に示すようなＦＢＧセンサ５１が好適である。なお、複列に配置した光ファイバひずみセンサのそれぞれに並列に接続するようにする場合には、ファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサを用いることができるが、その場合には独立した２個のセンサが必要になる。

以下、ＦＢＧセンサについて説明する。

図５（ａ）において、ＦＢＧセンサ５１の取付端５３が、光ファイバ５４の先端に光学的に接続されている。このＦＢＧセンサ５１のコア５６の中にはｎ個のブラッグ回折格子Ｇ１〜Ｇｎが長手方向に適当な間隔で並ぶように構成されている。ＦＢＧセンサ５１のコア５６の左端と光ファイバ５４のコア５５の右端とは光学的に接続されている。このようなＦＢＧセンサ５１に、図５（ｂ）に示すような広い帯域の波長の成分を有するレーザー光Ｌ１を接続する光ファイバ５４から入射させると、この入射レーザー光Ｌ１はブラッグ回折格子Ｇ１〜Ｇｎの各々の配置間隔値と屈折率値に応じて定まる所定の波長λ₀ 〔図５（ｃ）参照〕を中心とした狭い帯域の波長λの成分を有するレーザー光として反射され、図５（ａ）に示すような反射レーザー光Ｌ２として、光ファイバ５４へ戻ってくる。ここで、ＦＢＧセンサ５１にひずみが発生すると、ブラッグ回折格子Ｇ１〜Ｇｎの各々の配置間隔値と屈折率値には変化が生じるので、反射レーザー光Ｌ２の波長帯域は、例えば、図５（ｃ）において破線で示すように変化し、帯域の中心波長であるブラッグ波長もλ₀ からλ₁ へと変化する。この変化を求めることにより、ＦＢＧセンサ５１のひずみの値を計測することができる。

このように、第２実施例では、複列に転動体が配置され、その転動体のそれぞれに光ファイバひずみセンサとしてＦＢＧセンサを用いることにより、一本の光ケーブルで複数箇所のひずみの計測を行うことができるという利点がある。よって、複列の転動体が有する大型の転がり軸受の荷重分布を簡単な構成で計測することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法及びその装置は、簡単な構成で精確な計測ができる転がり軸受の荷重分布測定のツールとして利用可能である。

本発明の第１実施例を示す内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置における光ファイバひずみセンサの取り付け部を示す模式図である。 本発明の第１実施例を示す内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置の全体図である。 本発明にかかる内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置の光ファイバひずみセンサの模式図である。 本発明の第２実施例を示す内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置の全体図である。 本発明にかかる内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置の光ファイバひずみセンサの模式図である。 従来の転がり軸受の荷重分布測定装置のひずみゲージの取り付け部を示す図である。 従来の転がり軸受の荷重分布測定装置の転動体内への光ファイバセンサの取り付け部を示す図である。

符号の説明

１，３１ 回転軸
２，３２，３３ 内輪
２Ａ，３２Ａ，３３Ａ 細穴
３，３４，３５ 光ファイバひずみセンサ
４，３６，３７ 転動体
５，３８ 外輪
６ ハウジング
７ 荷重
８ 転がり軸受の荷重分布
９，２０，３９，５４ 光ファイバ
１０，４０ 支持体
１１，４１ ロータリージョイント
１２，４２ ひずみ計測器
１３，４３ ＬＡＮ
１４，４４ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
２１ ファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサ
２２ 略筒状のひずみ受け部材
２２ａ，５３ 取付端
２３ 接着剤
２４ 第１のミラー
２４ａ，２５ａ 反射面
２５ 第２のミラー
Ａ キャビティ長
５１ ファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）
５５ 光ファイバのコア
５６ ＦＢＧセンサのコア
Ｇ１〜Ｇｎ ｎ個のブラッグ回折格子
Ｌ１ 入射レーザー光
Ｌ２ 反射レーザー光

Claims (5)

1. 転がり軸受の回転軸に固定される内輪の軌道面近傍に軸方向に細穴を設け、該細穴に光ファイバひずみセンサを配置し、該光ファイバひずみセンサからの出力信号を光ファイバで導出し、前記回転軸の軸方向に配置され、該回転軸に固定される支持体に支持される単一のロータリージョイントを介してひずみ計測器に前記光ファイバを接続し、前記光ファイバひずみセンサの位置を転動体が通過する際のひずみを検出することを特徴とする内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法。
2. （ａ）転がり軸受の回転軸に固定される内輪と、
   （ｂ）該内輪内に配置される光ファイバひずみセンサと、
   （ｃ）該光ファイバひずみセンサに接続されて導出される光ファイバと、
   （ｄ）前記回転軸の軸方向に配置され、該回転軸に固定される支持体と、
   （ｅ）前記光ファイバが前記支持体に支持されるロータリージョイントを介して接続されるひずみ計測器とを備え、
   （ｆ）前記光ファイバひずみセンサの位置を転動体が通過する際のひずみを検出することを特徴とする内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置。
3. 請求項２記載の内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に単列に配置され、前記光ファイバひずみセンサが前記単列に配置された転動体に対応して配置される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてファブリ・ペロ干渉型センサまたはファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）を用いることを特徴とする内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置。
4. 請求項２記載の内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に複列に配置され、前記光ファイバひずみセンサが一体化され光ファイバに直列に前記複列に配置された転動体のそれぞれに対応して配置される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）を用いることを特徴とする内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置。
5. 請求項２記載の内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に複列に配置され、個別の光ファイバにより前記光ファイバひずみセンサがそれぞれ並列に前記複列に配置された転動体のそれぞれに対応して配置される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてファブリ・ペロ干渉型センサを用いることを特徴とする内輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置。

Images