JP2017160974A

JP2017160974A - センサ付軸受装置

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Publication number: JP2017160974A
Application number: JP2016045126A
Authority: JP
Inventors: 柳沢　知之; Tomoyuki Yanagisawa; 知之柳沢
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-03-09
Also published as: JP6728793B2

Abstract

【課題】低コストで構成でき、且つ軸に加わる荷重と軸の回転数とを同時に計測することが可能なセンサ付軸受装置を提供する。【解決手段】内輪と外輪及び両者の間に介在された転動体からなる軸受を有し、内輪と外輪のいずれか一方が回転輪で他方が静止輪であり、転動体又はその保持器の公転速度を検出するための第１のセンサと回転輪の回転速度を検出するための第２のセンサとを備え、前記第１のセンサの検出面と前記第２のセンサの検出面が直交の位置関係にあり、前記第１のセンサの検出面と前記第２のセンサの検出面とが交わらない構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、転がり軸受装置、機械装置や工作機械のスピンドル等の運転状態を検出するためのセンサを有するセンサ付軸受に関し、特に、荷重検知専用のセンサを設けることなく、軸の回転数やアキシアル荷重を検出可能としたセンサ付軸受装置及び軸受システムに関する。

従来、内輪あるいは外輪と一体化された回転部材の回転数を検知するためのセンサ付軸受としては、例えば特許文献１で開示されたものがある。

特許文献１に開示されているセンサ付軸受は、静止輪と、回転輪と、両者の間に転動自在に配設され、保持器によって一定の距離を分離して維持される玉（複数）の列と、回転運動の測定センサと、保持部材によって回転輪に固設されるホニックホイール（例えば多極磁石）とを備えている。測定センサは、静止輪と回転輪との相互の運動を測定するためのセンサであり、環状センサキャリヤ内に収容されて保持装置１２４によって保持されている。

このように、２つの相対的に回転する軌道輪の相互の運動を測定するセンサ付軸受は、静止輪である外輪に保持部材を介して検出センサを取り付け、回転輪である内輪に被検出部材として多極磁石を設けている。そして、検出センサは、一般的にセンサハウジング（特許文献１にでは環状センサキャリヤ）に収納され、且つカバーに保持されるようになっている。

ただし、特許文献１に開示されている従来構造の場合、軸に対して平行方向に加わるアキシアル荷重（スラスト荷重とも言う）を測定しようとした場合、別途荷重センサを設ける必要がある。そのため、荷重センサを設置するための新たなスペースが必要となる。また荷重センサは非常に高価であるため、システム全体のコストアップは避けられない。このように、従来の軸受は、アキシアル荷重の測定には荷重センサが必要であり、センサ機器の設置スペースの増加やコストアップとなる問題点があった。

そこで、これらの問題点を解決するものとしては、例えば特許文献２で開示されているセンサ付軸受装置がある。

特許文献２に開示されているセンサ付軸受装置は、アキシアル荷重を測定することが可能なセンサ付軸受装置に関するものであり、いずれか一方が回転輪で他方が静止輪である内輪と外輪、及び両者の間に介在された転動体を有する軸受部を備えたセンサ付軸受装置であって、被検出体の回転速度を測定すると同時に前記回転輪と前記静止輪との間に加わるアキシアル荷重を測定するためのセンサとして、前記転動体又はその保持器の公転速度を検出する第１のセンサと、前記回転輪の回転速度を検出する第２のセンサとを備え、前記第１及び第２のセンサからの検出信号に基づいて前記アキシアル荷重を算出する信号処理部を有し、前記信号処理部は、前記第１及び第２のセンサからの検出信号を基に得た前記公転速度と前記回転輪の回転速度との比から前記アキシアル荷重を算出し、前記第１及び第２のセンサは、前記外輪の内周面と前記内輪の外周面と前記転動体のアキシアル方向での上下の面との間に形成される２つの環状空隙部のうちの一方の空隙部分に配置されている。

特開２００４−４５０９５号公報特開２００８−１９９３３号公報

ところで、特許文献２に開示されている構造の場合、前記第１及び第２のセンサは、前記外輪の内周面と前記内輪の外周面と前記転動体のアキシアル方向での上下の面との間に形成される２つの環状空隙部のうちの一方の空隙部分に配置されるので、前記第１及び第２のセンサが非常に近接した配置となってしまい、場合によっては前記第１及び第２のセンサが互いに磁気干渉を起こす可能性があった。

本発明は、このような事情に着目してなされたもので、軸に加わる荷重をさらに高精度に計測することが可能なセンサ付軸受装置を提供することを目的とする。

本発明は、いずれか一方が回転輪で他方が静止輪である内輪と外輪、及び両者の間に介在された転動体を有する軸受部と、被検出体の回転速度を測定すると同時に前記回転輪と前記静止輪との間に加わるアキシアル荷重を測定するためのセンサとして、前記転動体又はその保持器の公転速度を検出する第１のセンサと、前記回転輪の回転速度を検出する第２のセンサとを備えたセンサ付軸受装置であって、前記第１のセンサの検出面と前記第２のセンサの検出面が直交の位置関係にあり、前記第１のセンサの検出面と前記第２のセンサの検出面とが交わらないことにより達成される。

さらに、前記検出した回転輪の回転速度と前記検出した転動体又は保持器の公転速度の比を用いて、前記アキシアル荷重を推定することによって一層効果的に達成される。

本発明によれば、２つの回転速度（公転速度と回転速度）を測定することにより、荷重センサを用いることなく、アキシアル荷重を類推する場合に、第１及び第２のセンサが互いに磁気干渉を起こすことなく、軸に加わるアキシアル荷重を高精度に計測することが可能となる。

本発明に係るセンサ付軸受装置の第１の実施形態における構成例を示す断面図である。第１の実施形態の変形例１を示す断面図である。第１の実施形態の変形例２を示す断面図である。第１の実施形態の変形例３を示す斜視図である。本発明に係るセンサ付軸受装置の第２の実施形態における構成例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明に係るセンサ付軸受装置の第１の実施形態における構成例を示す断面図である。本発明のセンサ付軸受装置は、鉄道車両や自動車、船舶等の乗物全般に使用される軸受、機械装置や工作機械のスピンドル等の各種軸受に適用可能であるが、以下、車両用の軸受に適用した場合を例として説明する。なお、車両以外の場合でも構成は同様である。

図１において、センサ付軸受装置の軸受部は、車体側ハウジングに内嵌された外輪（静止輪）１１と、車軸に外嵌されて該車軸とともに回転する内輪１２と、外輪１１と内輪１２との間に転動自在に配設された複数の転動体（ボール又はころ）１３と、各転動体１３を内輪軌道と外輪軌道との間に転動自在に保持する保持器１４とを備えており、保持器１４は、センサ付軸受装置の使用時には、軸の中心の周りを公転する各転動体１３の公転速度と同一速度で内輪１２の周囲を公転する。

本発明に係るセンサ付軸受装置は、センサとしては、転動体１３若しくは保持器１４の公転速度を検出するための公転速度検出センサ２１と、回転輪（本例では内輪１２）の回転速度を検出するための回転速度検出センサ２２とを備え、軸の回転に伴う公転速度検出センサ２１からの公転速度検出信号と回転速度検出センサ２２からの回転速度検出信号とを同時に検出し、内輪１２と外輪１１との間にアキシアル荷重が負荷された際に、それらの検出信号を基にアキシアル荷重を測定可能としている。すなわち、公転速度検出センサ２１と回転速度検出センサ２２の一対は、被検出体の回転速度を測定すると同時に、内輪１２と外輪１１との間に加わるアキシアル荷重を測定するためのセンサとして機能する。

公転速度検出センサ２１は、転動体１３又は保持器１４の公転速度を検出する検出部としての検出素子２１ａと、被検出部としてのエンコーダ２１ｂとを有している。そして、本実施の形態においては、保持器１４側にバックヨーク２１ｃを介してエンコーダ２１ｂを固設し、アキシアル方向に対向設置された検出素子２１ａにより、転動体１３又は保持器１４（若しくは両者）の公転速度を検出する構成としている。

一方、回転速度検出センサ２２は、回転輪の回転速度を検出する検出部としての検出素子２２ａと、被検出部としてのエンコーダ２２ｂとを有している。そして、回転輪側にバックヨーク２２ｃを介してエンコーダ２２ｂを固設、詳しくは、回転輪である内輪１２の外周面端部に形成された肩部分１２ａにバックヨーク２２ｃを固設し、ラジアル方向に対向設置された検出素子２２ａにより、回転輪（本例では内輪１２）の回転速度を検出する構成としている。

本実施形態では、上記検出センサ２１、２２の検出素子２１ａ、２２ａとしては磁気感応センサを使用し、エンコーダ２１ｂ、２２ｂとしては多極磁石を使用している。また、検出素子２１ａ、２２ａはそれぞれのリード線２１ｄ、２２ｄをセンサユニット２３の先端部に組み込むことで実装されており、センサユニット２３から引き出されたケーブル２４を介して外部の制御系に信号を出力する構成としている。

センサユニット２３そのものは、図１に示すように、センサ実装部の面が転動体１３側に露出するように、センサカバー２５に固設される。また、センサカバー２５は静止輪（本例では外輪１１）に結合固定される。

本実施の形態では、公転数検出センサ２１からの検出信号に基づいて回転輪と静止輪との間に加わるアキシアル荷重を算出するための演算器を、検出センサ２１、２２の信号処理部であるセンサユニット２３に搭載している。そして、外部の制御系には、例えば、上記アキシアル荷重を示す信号と検出対象（軸、軸に連結される回転対象物等）の回転速度を示す信号、あるいは、それらの信号を基に生成した軸受部の異常診断結果等を示す信号を送出する形態としている。なお、アキシアル荷重の算出処理を外部の制御系で実行する形態としても良く、ケーブル２４に接続される別の演算器で実行する形態としても良い。

ここで、アキシアル荷重の算出方法について説明する。回転輪１２と静止輪１１との間にアキシアル荷重が加わると、転動体１３の接触角が変化し、それに伴い転動体１３の公転速度も変化する。そのため、転動体１３の公転速度と回転輪１２の回転速度を測定することで速度比（＝転動体１３の公転速度／回転輪１２の回転速度）を求めることができ、その速度比の変化からアキシアル荷重を算出することができる。従って、信号を受け取る演算器で読取可能な記録媒体に、予め速度比と荷重の変化との関係を示す情報を記録しておけば、その情報を基にアキシアル荷重を算出することができる。

なお、本実施形態では、保持器１４と一体となった多極磁石から成るエンコーダ２１ｂの公転数を、ホールＩＣなどの磁気感応センサ２１により検出する構成としているが、磁性材製の転動体１３を備えて転動体１３の公転数を直接検出する構成としても構わない。また保持器１４そのものを磁性プラスチックとして、多極着磁しても良い。

（第１の実施形態の変形例１）
図２は第１の実施形態の変形例１を示す断面図である。前述の図１に示した第１の実施形態の場合、円筒形状のセンサユニット２３の先端部に検出素子２１ａ、２２ａを組み込むにあたり、検出素子２１ａ、２２ａのそれぞれのリード線２１ｄ、２２ｄを径方向に離して組み込んでいた。これに対して本変形例１の場合、センサユニット２３の先端部にリード線２１ｄ、２２ｄを近づけて組み込んでいる。

これに合わせて、図２（ｂ）に示すように、センサユニット２３の径方向寸法を小さくしても良い。このような構造であっても、公転速度検出と回転速度検出に支障はなく、第１の実施形態と比べて機能が変わることもない。

（第１の実施形態の変形例２）
図３は第１の実施形態の変形例２を示す断面図である。前述の図１に示した第１の実施形態と図２に示した第１の実施形態の変形例１の場合、円筒形状のセンサユニット２３の先端部に検出素子２１ａ、２２ａを組み込むにあたり、検出素子２１ａ、２２ａのそれぞれのリード線２１ｄ、２２ｄを別々にして組み込んでいた。これに対して本変形例２の場合、センサユニット２３の先端部にリード線２１ｄをまとめて組み込んでいる。

これに合わせて、図２（ｂ）に示したように、センサユニット２３の径方向寸法を小さくしても良い。また、図３（ｂ）のような構造としても良い。このような構造であっても、公転速度検出と回転速度検出に支障はなく、第１の実施形態と比べて機能が変わることもない。

（第１の実施形態の変形例３）
図４は第１の実施形態の変形例３を示す斜視図である。前述の図１に示した第１の実施形態の場合、円筒形状のセンサユニット２３の先端部に検出素子２１ａ、２２ａを組み込むにあたり、検出素子２１ａ、２２ａのそれぞれのリード線２１ｄ、２２ｄを径方向に対向して組み込んでいた。これに対して本変形例３の場合、センサユニット２３の先端部にリード線２１ｄとリード線２２ｄが対向しないように組み込んでいる。

なお、本変形例３の場合、リード線２１ｄとリード線２２ｄの組み込み位置が略直角となるように組み込んでいる。また、このようなそれぞれのリード線が対向しないような構造であっても、公転速度検出と回転速度検出に支障はなく、第１の実施形態と比べて機能が変わることもない。

（第２の実施形態）
図５は本発明に係るセンサ付軸受装置の第２の実施形態における構成例を示す断面図であり、図１に示した第１の実施形態と同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。

前述の図１に示した第１の実施形態の場合、公転速度検出センサ２１の検出素子２１ａとエンコーダ２１ｂをアキシアル方向に対向設置された構成とした。また、回転速度検出センサ２２の検出素子２２ａとエンコーダ２２ｂをラジアル方向に対向設置された構成とした。これに対して本実施形態の場合、公転速度検出センサ２１の検出素子２１ａとエンコーダ２１ｂをラジアル方向に対向設置され、回転速度検出センサ２２の検出素子２２ａとエンコーダ２２ｂをアキシアル方向に対向設置された構成としている。図１と図５の構成を比較して、センサ付軸受装置としての機能の違いはなく、アプリケーションの特性等を考慮してどちらを適用しても良い。

１１外輪
１２内輪
１２ａ肩部分
１３転動体
１４保持器
２１公転速度検出センサ
２１ａ検出素子
２１ｂエンコーダ
２１ｃバックヨーク
２１ｄリード線
２２回転速度検出センサ
２２ａ検出素子
２２ｂエンコーダ
２２ｃバックヨーク
２２ｄリード線
２３センサユニット
２４ケーブル
２５センサカバー

Claims

いずれか一方が回転輪で他方が静止輪である内輪と外輪、及び両者の間に介在された転動体を有する軸受部と、被検出体の回転速度を測定すると同時に前記回転輪と前記静止輪との間に加わるアキシアル荷重を測定するためのセンサとして、前記転動体又はその保持器の公転速度を検出する第１のセンサと、前記回転輪の回転速度を検出する第２のセンサとを備えたセンサ付軸受装置であって、前記第１のセンサの検出面と前記第２のセンサの検出面が直交の位置関係にあり、前記第１のセンサの検出面と前記第２のセンサの検出面とが交わらないことを特徴とするセンサ付軸受装置。
前記検出した回転輪の回転速度と前記検出した転動体又は保持器の公転速度の比を用いて、前記アキシアル荷重を推定することを特徴とする請求項１に記載のセンサ付軸受装置。