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

センサ装置及びセンサ付転がり軸受ユニット Download PDF

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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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