JP2013007615A - センサ装置及びセンサ付転がり軸受ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】組立て工数を減少し、半田部の接続信頼性を向上させることができるセンサ装置を提供する。
【解決手段】センサハウジング２１と、転動装置１の回転数を検出する回転検出素子３１ａと、回転数以外の転動装置の状態を検出するその他の検出素子３５，３６と、センサハウジング内に固定され、回転検出素子及びその他の検出素子を実装するプリント基板３０と、回転検出素子を保持してプリント基板の部品実装面に固定する保持部４０と、この保持部に形成され、自身に沿って回転検出素子の複数のリード３１ａ１を配置することでフォーミングするフォーミング部４３とを備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、転がり軸受装置、直動装置等の転動装置の運転状態を検知するセンサ装置及びセンサ付転がり軸受ユニットに関する。

転動装置における軸受の剥離等の異常を検出し、運転状態を監視することが知られている。この運転状態の監視には、回転検出素子、温度検出素子、振動検出素子等の複数のセンサが用いられ、転動装置の様々な情報を検出する。これら複数のセンサを一つのハウジング内部に収納し、転動装置上に配置した先行技術として、例えば特許文献１のセンサ装置が知られている。

特許文献１のセンサ装置は、一つのセンサハウジングと、転動装置の回転数を検出する回転検出素子と、回転数以外の転動装置の状態を検出するその他の検出素子と、センサハウジング内に固定されたプリント基板とを有し、プリント基板に固定した永久磁石に、回転検出素子が固定されている装置である。
そして、このセンサ装置の組立て時には、回転検出素子は、センサハウジングの内部に配置する前のプリント基板に治具等を用いて位置決めした後、プリント基板に固定した永久磁石に接着剤等により固定される。そして、永久磁石に固定された回転検出素子のリードのフォーミングを行ない、フォーミングを行なったリードの先端部をプリント基板に半田付けにて接続固定している。

２００４−９３２５４号公報

しかし、特許文献１のセンサ装置の組立て時には、回転検出素子を、治具等を用いてプリント基板に位置決めしなければならず、組立て工数が多いという問題がある。
また、回転検出素子のリードは、フォーミング時の残留応力が存在した状態でプリント基板に半田付けされるので、半田部の接合信頼性が低下するおそれがある。
そこで、本発明は上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、組立て工数を減少し、半田部の接続信頼性を向上させることができるセンサ装置及びセンサ付転がり軸受ユニットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載のセンサ装置は、センサハウジングと、転動装置の回転数を検出する回転検出素子と、前記回転数以外の前記転動装置の状態を検出するその他の検出素子と、センサハウジング内に固定され、前記回転検出素子及びその他の検出素子を実装するプリント基板と、前記回転検出素子を保持して前記プリント基板の部品実装面に固定する保持部と、この保持部に形成され、自身に沿って前記回転検出素子の複数のリードを配置することでフォーミングするフォーミング部とを備えている。

この発明によると、前記プリント基板の部品実装面に固定した保持部に、回転検出素子の複数のリードをフォーミングするフォーミング部を設けたので、組立て工数を削減することができる。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のセンサ装置において、前記プリント基板の前記部品実装面に固定した前記保持部は、当該保持部が保持している前記回転検出素子の前記複数のリードの先端が前記プリント基板の半田付け位置まで延在するように、前記回転検出素子の位置決めを行なうようにした。

この発明によると、治具による回転検出素子の位置決めが不要となるので、さらに組立て工数を削減することができる。
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のセンサ装置において、前記フォーミング部は、前記プリント基板の前記部品実装面から立ち上がる垂直部と、この垂直部に対して直角に延在する水平部とを備え、前記垂直部及び前記水平部の表面に沿って延在した前記回転検出素子の前記複数のリードは、前記垂直部及び前記水平部の表面に設けた絶縁性を有する接着剤により、互いに離間した状態で固定されている。

この発明によると、フォーミングされた複数のリードは、垂直部及び水平部の表面に設けた絶縁性を有する接着剤により固定されているので、フォーミング時のスプリングバックを抑制し、プリント基板に半田付け後の半田部への残留応力を緩和することができる。
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のセンサ装置において、前記回転検出素子は、前記部品実装面に対して直角に固定されている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載のセンサ装置において、前記回転検出装置は、前記保持部に弾性を有する接着剤で固定されている。
この発明によると、弾性を有する接着剤が、振動環境下における回転検出素子の動きを抑制してプリント基板に実装されるので、回転検出素子のリード線及びプリント基板の半田付け部に発生する応力を小さくすることができ、半田部の接続信頼性を向上させる。

また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載のセンサ装置において、前記回転検出装置は、永久磁石を介して前記保持部に弾性を有する接着剤で固定されている。
一方、請求項７記載のセンサ付転がり軸受ユニットは、一方が回転輪であり他方が固定輪であって互いに相対回転する外輪及び内輪と、これら外輪の内周面に形成された外輪軌道と内輪の外周面に形成された内輪軌道との間に転動自在に設けられた複数個の転動体とを有する転がり軸受と、この転がり軸受を転動装置とし、当該転動装置の状態を検出する請求項１乃至６の何れか１項のセンサ装置とを備えた装置である。
この発明によると、組立て工数を減少し、高精度のセンサ装置を備えたセンサ付転がり軸受ユニットを提供することができる。

本発明に係るセンサ装置及びセンサ付転がり軸受ユニットは、組立て工数を減少し、半田部の接続信頼性を向上させることができる。

本発明に係るセンサ装置を備えた転動装置を示す要部断面図である。 本発明に係るセンサ装置の概略構成を示す図である。 本発明に係るプリント基板及びプリント基板に実装された電子部品を示す図である。 図３のＡ−Ａ線矢視図である。 図３のＢ−Ｂ線矢視図である。 ボールねじに本発明に係るセンサ装置を適用した図である。 リニアガイドに本発明に係るセンサ装置を適用した図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る実施形態のセンサ装置が取り付けられた転動装置１の断面図である。図１において、センサ装置２０は、転動装置１上に取り付けられている。
転動装置１は、図示せぬモータ等により回転する主軸２と、転がり軸受１０，１０を介して主軸２を回転可能に保持するハウジング３とを有する。

各転がり軸受１０は、主軸２に外嵌する内輪１２、ハウジング３に内嵌する外輪１３、及び、内輪１２の外周面上に形成された内輪軌道１２ｂと外輪１３の内周面上に形成された外輪軌道１３ｂとの間に配置された転動体としての複数の玉１４を有する。玉１４は、図示せぬ保持器により転動自在に保持されている。
外輪１３の内周側両端近傍には、それぞれシール１５が径方向内側に向かって配置されている。シール１５は、内輪１２、外輪１３、玉１４及び保持器により形成される軸受内部空間に充填されるオイル、グリース等の潤滑油の外部への漏れ、及び外部から軸受内部空間への異物の侵入を防いでいる。

ハウジング３には、センサ装置２０が取り付けられている。センサ装置２０は、センサハウジング２１と、各種センサを備えて基板ホルダ３８（図２参照）に固定されたプリント基板３０とを有する。
センサハウジング２１は、フランジ部２１ａと、フランジ部２１ａの下面に形成した凹部に着脱自在に係合して下方に突出する円筒形状の凸部２１ｂを有している。凸部２１ｂの円筒状の内表面２１ｃによって中空部が形成されており、フランジ部２１ａに一体化された後述する基板ホルダ３８（図２参照）が中空部に挿通されている。

センサハウジング２１の凸部２１ｂは、ハウジング３の外表面３ａ上から径方向に形成された貫通孔３ｂを貫通しており、凸部２１ｂの先端部が主軸２と対向している。そして、センサ装置２０は、フランジ部２１ａにてねじ等の固定部材２３によりハウジング３の外表面３ａ上に固定されている。
図２は、センサ装置２０の概略構造を示す図である。センサハウジング２１の凸部２１ｂの円筒状の内表面２１ｃに挿通した基板ホルダ３８にプリント基板３０が保持されている。

図３及び図４はプリント基板３０を示す図であり、図５は、後述する保持部４０及び回転センサ３１に関する図である。
プリント基板３０は、ほぼ長方形状の板状部材である。プリント基板３０には、４つの基板固定孔３０ｂが形成されており、基板固定孔３０ｂを介してねじ（不図示）により基板ホルダ３８に固定されている。

プリント基板３０は、部品実装面である表面に配線パターンが形成され、配線パターンに従って回転センサ３１、振動センサ３３、温度センサ３４及び他の電子部品３５、３６が配置されている。
プリント基板３０には、各部品３１〜３６への電力供給、回転センサ３１、振動センサ３３及び温度センサ３４から得た検出信号を外部に送出したりする複数のリード線（不図示）が接続されている。複数のリード線は、ケーブル２５と圧着端子や半田付け等により接続されている。ケーブル２５は、リード線と接続しないで、直接プリント基板３０と接続してもよい。ケーブル２５の他端は、外部に配置された図示せぬ電源、測定装置等に接続されている。

振動センサ３３は、転動装置１の振動方向に応じて電圧や電荷等を出力するセンサである。振動センサ３３は、変位、速度、加速度検出素子等から構成されている。振動検出素子として加速度センサを用いる場合、両端支持のバイモルフ型加速度センサ、ＭＥＭＳ型加速度センサ、リング上の圧電素子型加速度センサ等を用いることが可能である。また、複数の振動検出素子をセンサユニット内部に配置するようにしてもよい。振動センサ３３の出力は、プリント基板３０上に形成された信号処理回路配線パターン、リード線、ケーブル２５を介して外部に設けられた測定装置に送られる。

温度センサ３４は、転動装置１の温度を測定する温度検出素子である。温度センサ３４は、所定の温度測定範囲を有しており、転動装置１の温度に対応する電流又は電圧等を出力する素子である。温度検出素子としては、サーミスタ、温度ＩＣ、白金等からなる測温抵抗、熱電対等を使用可能である。温度センサ３４の出力は、プリント基板３０上に形成された信号処理回路配線パターン、リード線、ケーブル２５を介して外部に設けられた測定装置に送られる。

ここで、プリント基板３０上に増幅回路やローパスフィルタ等を設け、振動センサ３３及び温度センサ３４の出力を増幅し、不要な周波数成分をカットした後に測定装置に出力するようにしてもよい。
回転センサ３１は、センサ装置２０の凸部２１ｂの先端部近傍に位置するようにプリント基板３０の端部近傍に設けられている。回転センサ３１は、回転検出素子３１ａと永久磁石３１ｂとから構成されており、永久磁石３１ｂは、ほぼ直方体形状の磁石である。

回転センサ３１を構成する回転検出素子３１ａ及び永久磁石３１ｂは、保持部４０を介してプリント基板３０上に固定されている。
保持部４０は合成樹脂製の部材であり、図３に示すように、プリント基板３０の一側面から立ち上がって互いに離間して配置された一対の脚部４１，４１と、プリント基板３０の特定の基板固定孔３０ｂに対応するように一対の脚部４１，４１にそれぞれ一体化して形成された脚部固定孔４２と、一対の脚部４１，４１の間に形成されたフォーミング部４３とを備えている。

フォーミング部４３は、一対の脚部４１，４１の最上部より少し低い位置を平面としてプリント基板３０の一側面に対して平行に延在している水平板部４３ａと、水平板部４３ａの縁部からプリント基板３０の一側面に向けてほぼ直角に延在する垂直板部４３ｂとで構成されている。
永久磁石３１ｂは、水平板部４３ａ及び垂直板部４３ｂに囲まれた内側に配置され、垂直板部４３ａの内面に弾性を有する接着剤４４により固定されている。

また、回転検出素子３３ａは、プリント基板３０の一側面とほぼ直角となるように永久磁石３３ｂに固定され、図１に示すように、主軸２と対向した状態となる。
図１に示すように、回転検出素子３３ａと対向する主軸２上には、周方向に一定間隔で並べられた複数の凸部１ｂが歯として形成されている。プリント基板３０上の永久磁石３１ｂは、そのＮ極またはＳ極が主軸２の複数の凸部１ｂの方向に向けられている。永久磁石３１ｂが形成する磁場の強度は、主軸２の形状の変化に伴う距離の変化により変化する。主軸２が回転すると、主軸２との間の距離が変化し、この変化に伴い、磁場の強度が変化する。

回転検出素子３１ａは、磁場強度の時間変化を検出する磁場検出素子であり、ホール素子、ホールＩＣ、ＭＲ素子、ＧＭＲ素子等の回転センサを使用することが可能である。
そして、回転検出素子３１ａは、磁場強度の時間変化を検出し、複数のリード線３１ａ１を介して検出信号としてプリント基板３０の配線パターンに出力する。
回転検出素子３１ａの検出信号は、プリント基板３０上に形成された配線パターン、リード線、ケーブル２５を介して外部に設けられた測定装置に送られる。

回転センサ３１は、永久磁石３１ｂを有する構成としたが、これに限られない。例えば、軸２上に磁力を発するＳ・Ｎ着磁領域が周期的に形成されている場合には、永久磁石を設けず、Ｓ・Ｎ着磁領域に対向して配置された回転検出素子３１ａによりＳ・Ｎ着磁領域が形成する磁場の時間変化を測定する構成とすればよい。
ここで、回転検出素子３１ａは、プリント基板３０と保持部４０とを一体化する前に保持部４０に一体化され、その後に、回転検出素子３１ａが一体化された保持部４０とプリント基板３０とが、センサハウジング２１の基板ホルダ３８に固定されている。

すなわち、永久磁石３１ｂは、フォーミング部４３の水平板部４３ａ及び垂直板部４３ｂに囲まれた内側に配置され、垂直板部４３ａの内壁に、弾性を有する接着剤４４を介して固定される。そして、永久磁石３３ｂに回転検出素子３３ａが固定される。
また、回転検出素子３１ａから延在している複数のリード線３１ａ１は、保持部４０のフォーミング部４３の外周形状（水平板部４３ａの外壁、垂直板部４３ｂの外壁）に沿って変形されることでフォーミングされる。なお、フォーミング部４３の外周によりフォーミングされたリード線３１ａ１の先端は、プリント基板３０のスルーホール３０ｃに対する位置決めがなされており、プリント基板３０の基板固定孔３０ｂに脚部固定孔４２を対応させて保持部４０を配置すると、リード線３１ａ１の先端がプリント基板３０のスルーホール３０ｃに挿通するようになっている。

また、図５に示すように、水平板部４３ａの外壁の全域に、電気絶縁性を有する接着剤４５を塗布することで、水平板部４３ａの外壁に沿って延在する回転検出素子３１ａの複数のリード線３１が、接着剤４５に埋設されて互いに離間しながら水平板部４３ａに固定されている。また、図示していないが、垂直板部４３ｂの外壁の全域にも、電気絶縁性を有する接着剤４５を塗布することで、垂直板部４３ｂの外壁に沿って延在する回転検出素子３１ａの複数のリード線３１が、接着剤４５に埋設されて互いに離間しながら垂直板部４３ｂに固定されている。

そして、プリント基板３０の基板固定孔３０ｂに保持部４０の脚部固定孔４２を対応させると、フォーミング部４３の外周でフォーミングされたリード線３１ａ１の先端が、プリント基板３０のスルーホール３０ｃに挿通される。そして、プリント基板３０のスルーホール３０ｃ及びリード線３１ａ１の先端を半田付けにて接続固定するとともに、互いに対応したプリント基板３０の基板固定孔３０ｂ及び保持部４０の脚部固定孔４２に挿通したねじ（不図示）を、基板ホルダ３８に固定する。

そして、基板ホルダ３８にプリント基板３０を固定した後、プリント基板３０に配置されている回転センサ３１、振動センサ３３、温度センサ３４及び他の電子部品３５、３６の表面には、絶縁性を有する樹脂が塗布されている。
上記構成の転動装置１の主軸の運転を開始すると、回転センサ３１，振動センサ３３及び温度センサ３４が転動装置１の運転状態を検出し、外部の測定装置に出力する。測定装置は、各センサ３１，３３，３４から出力された回転数データ，振動データ，温度データを所定の解析手法で解析する。例えば、回転数データ，振動データ，温度データの何れか一つが所定のしきい値よりを超えた異常値を示している場合には、測定装置は、警報を発し、転動装置１を停止するよう制御する。

なお、本発明に係る垂直部が垂直板部４３ｂに対応し、本発明に係る水平部が水平板部４３ａに対応している。
本実施形態によれば、回転センサ３１、振動センサ３３及び温度センサ３４は、全てプリント基板３０上に固定されている。プリント基板３０は、各センサ３１，３３，３４を所定の配線パターンで接続した状態で、基板ホルダ３８に固定される。

そして、基板ホルダ３８にプリント基板３０を固定した後、プリント基板３０上の回転センサ３１、振動センサ３３、温度センサ３４及び他の電子部品３５、３６の表面は絶縁性を有する樹脂で覆われているので、プリント基板３０上の電子部品３１〜３６及び半田付け部の腐食防止や防湿の効果を高めることができる。
また、回転検出素子３１ａの複数のリード線３１ａ１は、保持部４０のフォーミング部４３の外周形状（水平板部４３ａ及び垂直板部４３ｂの外壁）をガイドとして容易にフォーミングすることができるので、従来装置のようなフォーミング時の治具を削減することができる。

また、プリント基板３０の基板固定孔３０ｂに脚部固定孔４２を対応させて保持部４０を配置すると、フォーミング部４３の外周によりフォーミングされたリード線３１ａ１の先端がプリント基板３０のスルーホール３０ｃに対して位置決めがなされているので、従来装置と比較して位置決めが簡易的になり、組立て工数を削減することができる。
また、保持部４０の水平板部４３ａ及び垂直板部４３ｂに沿って延在している回転検出素子３１ａの複数のリード線３１ａ１は、電気絶縁性を有する接着剤４５により互いに離間しながら固定されているので、隣接するリード線３１ａ１間の絶縁を強固にすることができるとともに、フォーミング時のスプリングバックを抑制し、プリント基板３０のスルーホール３０ｃに半田付け後の半田部への残留応力を緩和することができる。

さらにまた、回転検出素子３３ａを固定した永久磁石３１ｂは、弾性を有する接着剤４４を介して保持部４０の垂直板部４３ｂに固定されており、弾性を有する接着剤４４が、振動環境下における回転検出素子３３ａの動きを抑制してプリント基板３０に配置され、リード線３１ａ１及びスルーホール３０ｃの半田付け部に発生する応力を小さくすることができるので、半田付け部の接合信頼性を向上させることができる。

なお、本実施形態で示したセンサ装置は、玉軸受を用いた転動装置似て起用したが、これに限られず、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、各種の複列軸受を用いた転動装置に適用してもよい。
また、本実施形態で示したセンサ装置は、転動装置に限らず、図６に示すようにボールねじ８０に適用することもできる。ボールねじ８０では、ナット８１にセンサ装置２０を配置することにより、ねじ軸８２との係合部における剥離や傷等の初期的な異常及び、急激な温度上昇等の末期的な異常を検知することができる。なお、センサ装置２０は、ナット８１に限らず、ねじ軸８２をサポートしている固定側のサポートユニット８３や単純支持側のサポートユニット８４に取付けても良い。ねじ軸８２はロックナット８５により固定側のサポートユニット８３に軸方向に固定されており、カップリング８６を介して結合された駆動ユニット８７によって回転する。

また更に、ボールねじに限らず、図７に示すリニアガイド９０やその他の直動部品における可動部やレールにセンサ装置２０を取り付けることによって、剥離や傷等の初期的な異常及び、急激な温度上昇等の末期的な異常を検知することもできる。

１…転動装置、２…主軸、３…ハウジング、３ａ…外表面、３ｂ…貫通孔、１０…軸受、１２…内輪、１２ｂ…内輪軌道、１３…外輪、１３ｂ…外輪軌道、１４…玉、１５…シール、２０…センサ装置、２１…センサハウジング、２１ａ…フランジ部、２１ｂ…凸部、２１ｃ…内表面、２３…固定部材、２５…ケーブル、３０…プリント基板、３０ｂ…基板固定孔、３０ｃ…スルーホール、３１…回転センサ、３１ａ…回転検出素子、３１ｂ…永久磁石、３３…振動センサ、３４…温度センサ、３５，３６…他の電子部品、３８…基板ホルダ、４０…保持部、４１…脚部、４２…脚部固定孔、４３…フォーミング部、４３ａ…水平板部、４３ｂ…垂直板部、４４…弾性を有する接着剤、４５…絶縁性を有する接着剤

Claims (7)

1. センサハウジングと、
   転動装置の回転数を検出する回転検出素子と、
   前記回転数以外の前記転動装置の状態を検出するその他の検出素子と、
   センサハウジング内に固定され、前記回転検出素子及びその他の検出素子を実装するプリント基板と、
   前記回転検出素子を保持して前記プリント基板の部品実装面に固定する保持部と、
   この保持部に形成され、自身に沿って前記回転検出素子の複数のリードを配置することでフォーミングするフォーミング部と、を備えていることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記プリント基板の前記部品実装面に固定した前記保持部は、当該保持部が保持している前記回転検出素子の前記複数のリードの先端が前記プリント基板の半田付け位置まで延在するように、前記回転検出素子の位置決めを行なうことを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記フォーミング部は、前記プリント基板の前記部品実装面から立ち上がる垂直部と、この垂直部に対して直角に延在する水平部とを備え、
   前記垂直部及び前記水平部の表面に沿って延在した前記回転検出素子の前記複数のリードは、前記垂直部及び前記水平部の表面に設けた絶縁性を有する接着剤により、互いに離間した状態で固定されていることを特徴とする請求項１または２記載のセンサ装置。
4. 前記回転検出素子は、前記部品実装面に対して直角に固定されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のセンサ装置。
5. 前記回転検出装置は、前記保持部に弾性を有する接着剤で固定されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のセンサ装置。
6. 前記回転検出装置は、永久磁石を介して前記保持部に弾性を有する接着剤で固定されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のセンサ装置。
7. 一方が回転輪であり他方が固定輪であって互いに相対回転する外輪及び内輪と、
   これら外輪の内周面に形成された外輪軌道と内輪の外周面に形成された内輪軌道との間に転動自在に設けられた複数個の転動体とを有する転がり軸受と、
   この転がり軸受を転動装置とし、当該転動装置の状態を検出する請求項１乃至６の何れか１項に記載のセンサ装置と、を備えていることを特徴とするセンサ付転がり軸受ユニット。
   
   
   

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