JP2017003555A - センサユニット、センサ付き軸受及び異常診断システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構成で検出、発信及び発電が可能な、センサユニット、センサ付き軸受及び異常診断システムを提供する。
【解決手段】センサユニット２０は、周囲の信号を検出するセンサモジュール２１と、センサモジュール２１で検出された信号を、無線電波として発信する無線モジュール２３と、センサモジュール２１及び無線モジュール２３に電力を供給する発電モジュール２５と、センサモジュール２１と無線モジュール２３と発電モジュール２５とを一つに収める筐体２７と、
を備える。
【選択図】図２

Description

本発明はセンサユニット、センサ付き軸受及び異常診断システムに関する。

車両や工作機械、風力発電装置等の機械設備には、転がり軸受やモータ、ポンプ等の各種装置が多く装備されている。機械設備を長時間使用することにより摩耗や損傷が発生すると、軸受等の各種装置のスムーズな回転、摺動が阻害され、異常音を発生するだけでなく、寿命の低下を招く可能性がある。このため従来は、機械設備を一定期間使用した後に、軸受等の摩耗や損傷等の異常の有無を検査していた。

この検査は、機械設備の軸受等が組み込まれた部位、又は機械設備全体を分解することにより行われ、軸受等に発生した損傷や摩耗は、作業者の目視による検査によって発見される。そして、検査の結果、軸受等に摩耗や損傷等の異常が発見された場合は、当該軸受等を新品に交換して、機械設備の故障や事故を未然に防止していた。しかしながら、機械設備の一部、又は全体を分解し、作業者の目視によって行う検査方法では、機械設備から軸受等を取り外す作業と、検査が終了した軸受等を再び機械設備に組み込む作業に多大な労力がかかり、機械設備の保守コストが嵩むという問題があった。

このような問題を解決するために、機械設備の実稼動状態で軸受等の各種装置の異常診断を行う異常診断装置が提案されている。例えば、特許文献１記載の転がり軸受の異常診断装置では、振動センサを用いて測定された振動波形の実効値と、振動波形のエンベロープ波形の交流成分の実効値と、に基づいて転がり軸受の異常診断を行う。これにより、正確な異常診断を実現することを図っている。

特開２０１１−１５４０２０号公報

ところで、特許文献１には、振動センサが軸受に固設されると共に、軸受の振動を検出して、その検出値をデータ処理装置に出力することが開示されている。しかしながら、振動センサからデータ処理装置への検出値の出力方法や、振動センサへの電源供給方法について、具体的記載が全くない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成で検出、発信及び発電が可能な、センサユニット、センサ付き軸受及び異常診断システムを提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 周囲の信号を検出するセンサモジュールと、
前記センサモジュールで検出された信号を、無線電波として発信する無線モジュールと、
前記センサモジュール及び前記無線モジュールに電力を供給する発電モジュールと、
前記センサモジュールと前記無線モジュールと前記発電モジュールとを一つに収める筐体と、
を備えるセンサユニット。
（２） 前記筐体は雄ねじ部を有し、
前記雄ねじ部は測定対象物の雌ねじ部に螺合固定可能である（１）に記載のセンサユニット。
（３） 前記無線モジュールからの無線電波は、前記センサモジュールで異常データを検出したときのみに発信される（１）又は（２）に記載のセンサユニット。
（４） 前記センサモジュールは、振動センサ又は温度センサを有する（１）〜（３）のいずれか１項に記載のセンサユニット。
（５） 固定輪に（１）〜（４）のいずれか１項に記載のセンサユニットが設置されるセンサ付き軸受。
（６） 測定対象物に設置される（１）〜（４）のいずれか１項に記載のセンサユニットと、
前記無線モジュールから発信される無線電波に基づき、前記測定対象物及び該測定対象物の周囲に配置された装置の異常を診断する異常診断装置と、
を備える異常診断システム。
（７） 前記無線モジュールから発信される無線電波を受信する中継装置を備え、
前記異常診断装置は、前記中継装置から転送される信号に基づき、前記測定対象物及び該測定対象物の周囲に配置された装置の異常を診断する、（６）に記載の異常診断システム。

本発明によれば、コンパクトな構成で検出、発信及び発電が可能である。

実施形態に係る異常診断システムの概略図である。 外輪にセンサユニットを固定する方法を説明するための図である。 センサユニットを固定した外輪を径方向から見た図である。 変形例に係るセンサユニットの断面図である。 変形例に係るセンサユニットの断面図である。 センサの検出温度と時間との関係を示すグラフである。 転がり軸受、モータ、ポンプの何れかに異常が発生した場合の、センサの検出温度と時間との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係るセンサユニット、センサ付き軸受及び異常診断システムについて、図面を用いて説明する。なお、この実施形態により本発明は何ら限定されるものではない。また、以下の説明における構成要素には、当業者が想定できる範囲で実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。また、出願人は、特願２０１５−０３０９８６、特願２０１５−０３０９８７、特願２０１５―０９２６７２及び特願２０１５−０９２６７３の４件をすでに特許出願しており、以下は、主にこれらの出願と異なる点を説明する。

図１に示すように、本実施形態の異常診断システム１は、機械設備５内に組み込まれた測定対象物である転がり軸受１０と、転がり軸受１０に設置されるセンサユニット２０と、センサユニット２０から出力される信号に基づいて、転がり軸受１０及び当該転がり軸受１０の周囲に配置された各種装置（例えばモータ４１やポンプ４２）の異常を診断する異常診断装置３０と、を備える。

転がり軸受１０は、内周面に外輪軌道面１１ａを有する外輪１１（固定輪である軌道輪）と、外周面に内輪軌道面１３ａを有する内輪１３（回転輪である軌道輪）と、外輪軌道面１１ａ及び内輪軌道面１３ａとの間に転動自在に配置される複数の玉１５と、複数の玉１５を転動自在に保持する保持器１７と、外輪１１の内周面の軸方向両側に固定された一対のシール部材１９と、を有する。このように、転がり軸受１０は、外輪１１、内輪１３、玉１５、保持器１７、シール部材１９等、複数の構成部材からなる。

内輪１３は、シャフト３に外嵌固定され、当該シャフト３と共に回転する回転輪である。転がり軸受１０の軸方向一端側（図中左側）において、シャフト３にはモータ４１（装置）が固定されており、シャフト３はモータ４１の不図示のロータによって回転駆動される。また、転がり軸受１０の軸方向他端側（図中右側）において、シャフト３にはポンプ４２（装置）が固定されており、モータ４１の駆動力がシャフト３を介してポンプ４２に伝達される。

外輪１１は、不図示のハウジング等に内嵌固定されており、回転しない固定輪である。外輪の１１の内周面には、外輪軌道面１１ａの軸方向両側に、一対のシール部材１９を固定するための一対のシール溝１１ｂが形成されている。一対のシール部材１９は、径方向に延びて、内輪１３の外周面と隙間を介して対向する非接触型である。これにより、一対のシール部材１９は、外輪１１と内輪１３との間の空間を密封し、外部からの異物が軸受内部に浸入することを防止する。

外輪１１には、周囲の信号を検出するセンサユニット２０が、埋め込まれて設置されている。以下、センサユニット２０の外輪１１への設置方法をより具体的に説明する。図２及び図３に示すように、外輪１１の外周面の軸方向端部には、センサユニット２０を取り付けるための取付穴１２が設けられている。取付穴１２は、外輪１１の外周面に凹設された略直方形状の大径穴１２ａと、大径穴１２ａの中央部に凹設された円筒状の小径穴１２ｂと、を有する。小径穴１２ｂの側面には雌ねじ部１２ｃが形成されおり、後述するセンサユニット２０の筐体２７の雄ねじ部２７ｃが螺合固定可能とされている。

センサユニット２０は、センサモジュール２１と無線モジュール２３と発電モジュール２５を１つに収める筐体２７を有している。このように、各モジュール２１、２３、２５を１パッケージ内に収めることで、各モジュール２１、２３、２５間での断線の発生等の問題が減少し、信頼性が向上する。筐体２７は、各モジュール２１、２３、２５を収める円筒状の大径部２７ａと、大径部２７ａの中央部から下方に突出する円筒状の小径部２７ｂと、を有し、金属材料からなる。小径部２７ｂの外周面には雄ねじ部２７ｃが形成されている。

したがって、筐体２７の雄ねじ部２７ｃを小径穴１２ｂの雌ねじ部１２ｃに螺合することにより、センサユニット２０は外輪１１に固定される。このような取り付け形式にすることで、センサユニット２０だけを交換したいとき、又は転がり軸受１０だけを交換したいとき、容易に取り外すことができる。ここで、取付穴１２の大径穴１２ａ及び小径穴１２ｂの寸法が、筐体２７の大径部２７ａ及び小径部２７ｂの寸法以上に設定されているので、センサユニット２０は外輪１１の外部に突出しない。したがって、外輪１１をハウジング等に固定する際に、センサユニット２０が干渉することを防止できる。

なお、筐体２７の大径部２７ａの形状は、円筒形状に限られず、六角筒形状や八角筒形状等、任意の形状を採用して構わない。大径部２７ａを六角筒形状等とすることで、工具によって大径部２７ａの外周を把持し易くなり、取付穴１２に対するセンサユニット２０の着脱が容易となる。さらに、筐体２７の大径部２７ａの上部に、工具を挿入可能な六角筒状の穴等を設ければ、センサユニット２０の着脱をより容易とすることができる。

なお、センサユニット２０の筐体２７は、上述した構成に限定されず、図４や図５に示す構成を採用しても構わない。図４に示す筐体２７では、大径部２７ａの周縁に、小径部２７ｂと逆側に突出するフランジ部２７ｄが設けられることで、上方が開口する有底形状とされている。そして、大径部２７ａの底部に、各モジュール２１、２３、２５を配置した上で、これら各モジュール２１、２３、２５の上部に樹脂モールド２９を成形する。また、図５に示す筐体２７では、図４で示した樹脂モールド２９に代わり、蓋部材２８がフランジ部２７ｄの外周に外嵌される。

このように、外輪１１にセンサユニット２０が設置されることで、転がり軸受１０はセンサ付き軸受として構成される。なお、本実施形態ではセンサユニット２０を、外輪１１の取付穴１２に設置した例を示したが、内輪１３や保持器１７、シール部材１９等の転がり軸受１０の構成部材のうち、雌ねじ部が形成可能な部材であれば、センサユニット２０の設置場所は特に限定されない。例えば、転がり軸受１０の素材が肌焼き鋼で、浸炭焼入れ熱処理される場合、雌ねじ設置部に、熱処理前に防炭剤を塗布することで、後加工で雌ねじを加工できる。なお、センサユニット２０を取り外す必要がない場合等には、螺合固定ではなく、接着固定や嵌合固定等を採用することができる。

センサユニット２０を構成するセンサモジュール２１は、一つ以上のセンサ素子で構成されており、転がり軸受１０及び転がり軸受１０の周囲に配置された装置（モータ４１及びポンプ４２）の状態を監視（計測）できるセンサが適用される。本実施形態のセンサモジュール２１は、温度センサを搭載したモジュールから構成される。当該温度センサが検出する温度は、転がり軸受１０や、モータ４１、ポンプ４２の発熱に影響される。

無線（通信）モジュール２３は、センサモジュール２１で検出された信号を、無線電波として外部に発信するモジュールである。無線の種類は特に問わないが、パッケージの小型化が見込めるため、アナログ通信よりもデジタル通信が好ましい。通信規格も特に問わないが、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＷｉ−Ｆｉ等の既存の通信規格を用いることで、コスト面で有利になる。

発電モジュール２５は、センサモジュール２１や無線モジュール２３に電力を供給する。発電モジュール２５の発電方法は、振動を用いた発電や、光を用いた発電、外部からの無線給電による発電等、任意の方法が採用できる。

センサモジュール２１によって検出された温度データは、無線モジュール２３によって異常診断装置３０に伝達される。異常診断装置３０は、無線モジュール２３によって発信される無線電波を受信する受信装置３４を備えている。また、異常診断装置３０は、例えばマイクロコンピュータを備えており、このマイクロコンピュータ内に記録保持されたプログラムが実行されることにより、データ収集部３１等の各部は以下のような各処理を実行することになる。

異常診断装置３０のデータ収集部３１は、センサモジュール２１からの出力データを収集する。異常診断装置３０のデータ処理部３２は、収集された出力データを処理し、各出力データを記憶する。異常診断装置３０の状態判定部３３は、センサモジュール２１の出力値が定格温度から最初に上昇し若しくは最初に所定の閾値を超えた場合に、転がり軸受１０、モータ４１、及びポンプ４２のうち、少なくとも一つが異常状態であると判定する。

異常診断システム１が組み込まれる機械設備５においては、転がり軸受１０の発熱や、モータ４１の発熱、ポンプ４２の発熱がある。そのため、図６に示すように、センサモジュール２１の出力値から得られる温度増加曲線は、転がり軸受１０、モータ４１、ポンプ４２の運転開始後しばらくは上昇するが、一定時間経過後、ある温度（定格温度Ｔａ）に到達した時点で、転がり軸受１０、モータ４１、ポンプ４２の発熱と周囲へ逃げる熱とがバランスし、定常状態となる。

ここで、図７に示すように、時間ｔにおいて、モータ４１が何らかの要因で異常発熱した場合や、転がり軸受１０が焼き付きや摩耗等の要因で異常発熱した場合、ポンプ４２が何らかの要因で異常発熱した場合、センサモジュール２１の出力値が上昇し、所定の閾値Ｔｂを超えることになる。

したがって、異常診断装置３０は、センサモジュール２１の出力値が上昇し、又は出力値が閾値Ｔｂを超えたことに基づいて、転がり軸受１０、モータ４１、及びポンプ４２のうち、少なくとも一つが異常状態であると判定する。

このように本実施形態の異常診断システム１によれば、転がり軸受１０の異常診断、及び転がり軸受１０の周囲に配置された装置（モータ４１及びポンプ４２）の異常診断を効率良く行うことが可能である。

センサユニット２０は機械設備５の内部の測定対象物（転がり軸受１０）に組み込まれるため、センサユニット２０が無線電波を伝送する場合に、当該無線電波が異常診断装置３０の受信装置３４まで届かない場合がある。そのため、センサユニット２０の無線モジュール２３と異常診断装置３０の受信装置３４との間に中継装置３５を配置し、当該中継装置３５によって、無線モジュール２３から発信される無線電波を受信し且つ受信装置３４に転送しても構わない。

中継装置３５は、無線信号が通過する非金属でもよいし、機械設備５の内部と外部にアンテナ３６を持ち、内部で受信したデータを外部に送信するものでもよい。中継装置３５の電源は、振動などによる自己発電によってもよく、非接触給電によってもよく、ボタン電池などの一次電池によってもよく、特に限定されない。

なお、１個のセンサユニット２０に対して１個の中継装置３５でデータ転送を行ってもよく、複数のセンサユニット２０に対して１個の中継装置３５でデータ転送を行ってもよい。

無線モジュール２３からの無線電波は、センサモジュール２１で異常データを検出したときのみ、発信するようにしてもよい。この場合、常時無線でデータを発信する必要がないので、センサユニット２０全体の消費電力を抑えることができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更、改良等が可能である。

センサユニット２０の設置位置は、異常を検出したい対象に対し、適した位置又は位相となるように適宜変更しても構わない。例えば、センサユニット２０を外輪１１の軸方向一端部近傍に配置し、モータ４１の異常に対する感度を向上することで、モータ４１の異常検出に適した配置としてもよい。また、センサユニット２０を外輪１１の軸方向他端部近傍に配置し、ポンプ４２の異常に対する感度を向上することで、ポンプ４２の異常検出に適した配置としてもよい。また、センサユニット２０を外輪１１の外輪軌道面１１ａ近傍に配置し、転がり軸受１０の異常に対する感度を向上することで、転がり軸受１０の異常検出に適した配置としてもよい。

また、センサモジュール２１を構成するセンサは、転がり軸受１０や、転がり軸受１０の周囲に配置された装置（例えばモータ４１やポンプ４２）の状態を監視できるものであれば種類は限定されず、例えば振動センサや荷重センサを採用してもよい。

異常診断装置３０が、転がり軸受１０やモータ４１、ポンプ４２の異常を判定した場合、上位のシステムに知らせて自動で機械設備を停止させることもできるし、作業者及び管理者にアラームや画面表示等で警告することもできる。

転がり軸受１０の周囲に配置される装置としては、上述したモータ４１やポンプ４２に限定されず、任意の装置が採用可能である。

１ 異常診断システム
３ シャフト
５ 機械設備
１０ 転がり軸受（測定対象物）
１１ 外輪（固定輪）
１１ａ 外輪軌道面
１１ｂ シール溝
１２ 取付穴
１２ａ 大径穴
１２ｂ 小径穴
１２ｃ 雌ねじ部
１３ 内輪
１３ａ 内輪軌道面
１５ 玉
１７ 保持器
１９ シール部材
２０センサユニット
２１ センサモジュール
２３ 無線モジュール
２５ 発電モジュール
２７ 筐体
２７ａ 大径部
２７ｂ 小径部
２７ｃ 雄ねじ部
２８ 蓋部材
２９ 樹脂モールド
３０ 異常診断装置
３１ データ収集部
３２ データ処理部
３３ 状態判定部
３４ 受信装置
３５ 中継装置
３６ アンテナ

Claims (7)

1. 周囲の信号を検出するセンサモジュールと、
   前記センサモジュールで検出された信号を、無線電波として発信する無線モジュールと、
   前記センサモジュール及び前記無線モジュールに電力を供給する発電モジュールと、
   前記センサモジュールと前記無線モジュールと前記発電モジュールとを一つに収める筐体と、
   を備えるセンサユニット。
2. 前記筐体は雄ねじ部を有し、
   前記雄ねじ部は測定対象物の雌ねじ部に螺合固定可能である請求項１に記載のセンサユニット。
3. 前記無線モジュールからの無線電波は、前記センサモジュールで異常データを検出したときのみに発信される請求項１又は２に記載のセンサユニット。
4. 前記センサモジュールは、振動センサ又は温度センサを有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサユニット。
5. 固定輪に請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサユニットが設置されるセンサ付き軸受。
6. 測定対象物に設置される請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサユニットと、
   前記無線モジュールから発信される無線電波に基づき、前記測定対象物及び該測定対象物の周囲に配置された装置の異常を診断する異常診断装置と、
   を備える異常診断システム。
7. 前記無線モジュールから発信される無線電波を受信する中継装置を備え、
   前記異常診断装置は、前記中継装置から転送される信号に基づき、前記測定対象物及び該測定対象物の周囲に配置された装置の異常を診断する、請求項６に記載の異常診断システム。

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