JP2018087629A

JP2018087629A - 転がり軸受装置

Info

Publication number: JP2018087629A
Application number: JP2016232224A
Authority: JP
Inventors: 司坂崎; Tsukasa Sakazaki; 佳路東山; Yoshiji Higashiyama; 仲　正美; Masami Naka; 正美仲
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2018-06-07
Also published as: DE102017127769A1; US20180149202A1; CN108180212A; US10247243B2

Abstract

【課題】目詰まり等に起因してノズルの吐出口で潤滑油が集まるのを検出することができる給油ユニットを備えた転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】軸受部２０と、軸受部２０の内輪２１と外輪２２との間の環状空間１１の軸方向の隣りに設けられ、環状空間１１へ潤滑油を供給する給油ユニット４０とを備え、給油ユニット４０は、潤滑油を収容する油室４３ｂと、油室４３ｂ内の潤滑油を吐出するノズル５０と、油室４３ｂ内の潤滑油をノズル５０から環状空間１１へ向けて飛ばす吐出力を付与するポンプ本体５１と、ノズル５０の吐出口における潤滑油の集まりを検出する検出部６０とを備え、検出部６０は、ノズル５０の吐出口５０ａを間に挟んで配置された一対の電極６１，６２と、一対の電極６１，６２の静電容量を測定する測定部６３とを備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、給油ユニットを備えている転がり軸受装置に関する。

近年、各種の工作機械では、加工効率及び生産効率の向上のために主軸の高速化が要求されている。主軸が高速で回転すると、これを支持する軸受部において特に潤滑性が問題となるため、軸受部の軸方向の隣りに、潤滑油を供給するための給油ユニットを備えた転がり軸受装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００４−１０８３８８号公報

特許文献１に記載の給油ユニットは、油室内の潤滑油をノズルから吐出して内輪と外輪との間の環状空間に潤滑油を供給するポンプを備えている。このような給油ユニットによって効率的な給油を行うには、軸受部の潤滑に必要な微量の潤滑油を所定の給油タイミングで供給することが求められる。そのため、ノズルを数μｍ〜数十μｍの微細な内径に形成し、ポンプの作動によって微量の潤滑油をノズルから飛ばして供給することが考えられる。

しかし、この場合、ノズルから吐出された潤滑油の一部は油滴となって飛び出すが、残りの潤滑油が表面張力によってノズルの吐出口付近で滴状に集まることがあり、集まった潤滑油が吐出口を塞ぐことによって目詰まりが生じ、適切な給油ができなくなるおそれがある。

本発明は、目詰まり等に起因してノズルの吐出口で潤滑油が集まるのを検出することができる給油ユニットを備えた転がり軸受装置を提供することを目的とする。

本発明の転がり軸受装置は、内輪、外輪、及び、前記内輪と前記外輪との間に介在している複数の転動体を有している軸受部と、前記内輪と前記外輪との間の環状空間の軸方向の隣りに設けられ、当該環状空間へ潤滑油を供給する給油ユニットと、を備え、前記給油ユニットは、潤滑油を収容する油室と、前記油室内の潤滑油を吐出するノズルと、前記油室内の潤滑油をノズルから前記環状空間へ向けて飛ばす吐出力を付与するポンプ本体と、前記ノズルの吐出口における油の集まりを検出する検出部とを備え、前記検出部は、前記ノズルの吐出口を間に挟んで配置された一対の電極と、一対の電極の静電容量を測定する測定部と、を備えている。

この転がり軸受装置によれば、ノズルの目詰まり等に起因してノズルから潤滑油が飛ばされず、ノズルの吐出口で潤滑油が集まった状態になったときに、一対の電極間における誘電率に変化が生じ、当該電極の静電容量も変化する。したがって、一対の電極の静電容量を測定部によって測定することでノズルの吐出口における潤滑油の集まりを検出することができ、吐出異常の発生を検出することができる。

前記一対の電極は、前記ノズルを間に挟んで前記内輪又は前記外輪の回転による空気流れ方向に間隔をあけて配置され、前記空気流れ方向の上流側に位置する一方の電極が、同下流側に位置する他方の電極よりも前記ノズルの吐出口の近くに配置されていることが好ましい。
ノズルの吐出口で集まった潤滑油は、空気の流れ方向の下流側へ流れようとする。そのため、空気流れ方向の上流側に位置する一方の電極を、同下流側に位置する他方の電極よりもノズルの吐出口の近くに配置することで、集まった潤滑油を双方の電極に早期に到達させることができ、一対の電極の静電容量の変化を早期に検出することが可能となる。

前記一対の電極は、前記ノズルの吐出口が形成された面と面一に配置されていることが好ましい。
このような構成によって、軸受部の内輪又は外輪の回転に伴う空気の流れが電極によって妨げられることがなく、ノズルの吐出口付近で集まった潤滑油を一対の電極に到達するように拡げやすくすることができる。また、一対の電極がノズルの吐出口よりも軸受部側へ突出しないので、ノズルの吐出口を可及的に軸受部へ近づけることができ、吐出口から潤滑油を飛ばすための吐出力（吐出エネルギー）を可及的に小さくすることができる。

本発明によれば、目詰まり等に起因してノズルの吐出口で潤滑油が集まるのを検出することができる。

実施形態に係る転がり軸受装置を示す断面図である。給油ユニットを軸方向から見た断面図である。給油ユニットのノズルの吐出口付近を拡大して示す断面図である。ノズルの吐出口付近で潤滑油が集まる様子を示す断面図である。変形例に係る給油ユニットのノズルの吐出口付近を拡大して示す断面図である。他の変形例に係る給油ユニットのノズルの吐出口付近を拡大して示す断面図である。

以下、本発明の転がり軸受装置の実施の一形態を説明する。
図１は、実施形態に係る転がり軸受装置を示す断面図である。この転がり軸受装置１０は、工作機械が有する主軸装置の主軸（軸７）を回転可能に支持するものであり、主軸装置のハウジング８内に収容されている。図１では、軸７及びハウジング８を２点鎖線で示している。以下の説明において、転がり軸受装置１０の中心線Ｃに平行な方向を軸方向と呼び、この軸方向に直交する方向を径方向と呼ぶ。なお、この転がり軸受装置１０は、工作機械以外においても適用可能である。

転がり軸受装置１０は、軸受部２０と給油ユニット４０とを備えている。軸受部２０は、内輪２１、外輪２２、複数の玉（転動体）２３、及びこれら複数の玉２３を保持する保持器２４を有しており、玉軸受（転がり軸受）を構成している。更に、転がり軸受装置１０は、円筒状である内輪間座１７及び外輪間座１８を備えている。

本実施形態では、外輪２２、外輪間座１８及び給油ユニット４０が軸受ハウジング８に回転不能として取り付けられており、内輪２１及び内輪間座１７が軸７と共に回転する。したがって、外輪２２が、回転しない固定輪となり、内輪２１が、軸７と共に回転する回転輪となる。

内輪２１は、軸７に外嵌する円筒状の部材であり、その外周に軌道（以下、内輪軌道２５という。）が形成されている。本実施形態では、内輪２１と内輪間座１７とは別体であるが、これらは一体（一体不可分）に形成されていてもよい。
外輪２２は、軸受ハウジング８の内周面に固定される円筒状の部材であり、その内周に軌道（以下、外輪軌道２６という。）が形成されている。本実施形態では、外輪２２と外輪間座１８とは別体であるが、これらは一体（一体不可分）に形成されていてもよい。

玉２３及び保持器２４は、内輪２１と外輪２２との間に形成されている環状空間１１に設けられている。
玉２３は、内輪２１と外輪２２との間に介在しており、内輪軌道２５及び外輪軌道２６を転動する。

保持器２４は、全体として環状であり、玉２３の軸方向一方側の環状部２８ａと、玉２３の軸方向他方側の環状部２８ｂと、これら環状部２８ａ，２８ｂを連結している複数の柱部２９とを有している。環状部２８ａ，２８ｂの間であって周方向で隣り合う柱部２９，２９の間がポケット２７となっている。各ポケット２７には、一つの玉２３が収容されている。この構成により、保持器２４は、複数の玉２３を周方向に間隔をあけて保持することができる。

保持器２４の軸方向一方側（給油ユニット４０側）の環状部２８ａは、外輪２２の肩部３０と摺接可能となっている。これにより、保持器２４は外輪２２によって径方向についての位置決めされる。つまり、軸受部２０の保持器２４は、外輪案内（軌道輪案内）されている。
保持器２４は、樹脂製（例えば、フェノール樹脂製）である。内輪２１及び外輪２２は、軸受鋼等の鋼製である。玉２３は、軸受鋼等の鋼製であってもよく、セラミックスであってもよい。

図２は、給油ユニット４０を軸方向から見た断面図である。給油ユニット４０は、全体として円環形状に形成されている。給油ユニット４０は、タンク４２及びポンプ４３を備えている。これらタンク４２及びポンプ４３は、給油ユニット４０が有している環状の本体部４１に設けられている。また、給油ユニット４０は、制御部４４及び電源部４５を備えており、更に、図示はしていないが、各種センサも備えている。

本体部４１は、外輪間座１８の内周側に取り付けられており、ポンプ４３等を保持するフレームとしての機能を有している。本体部４１は円環状の部材であるが内部に空間が形成されており、この空間にポンプ４３、制御部４４、及び電源部４５が設けられている。また、空間の一つがタンク４２となっている。これにより、本体部４１、タンク４２、ポンプ４３、制御部４４、及び電源部４５等を含む給油ユニット４０は、一体として構成される。

図２において、タンク４２は、潤滑油（オイル）を溜めるためのものであり、潤滑油をポンプ４３へ流すために配管４６を通じてポンプ４３と繋がっている。タンク４２内には、潤滑油を保持する保持材（多孔質部材）が設けられていてもよい。なお、タンク４２、制御部４４及び電源部４５のうちの一部又は全部は、転がり軸受装置１０（ハウジング８）の外に設けられていてもよく、この場合、配管や通信線を通じてポンプ４３等と接続される。

図１に示すように、ポンプ４３は、ポンプケース４８と、ポンプ本体５１とを備えている。ポンプケース４８は、内部空間にはポンプ本体５１が設けられている。ポンプ本体５１は、ダイアフラム式のマイクロポンプにより構成され、圧電素子４３ａとダイアフラム４７とを備えている。ダイアフラム４７とポンプケース４８の壁部とは、油室４３ｂを形成し、この油室４３ｂにタンク４２からの潤滑油が流入し、貯留される。また、ポンプケース４８における軸受部２０側の壁部４９には、当該壁部４９を貫通する孔状のノズル５０が軸方向に沿って形成されている。ノズル５０は、油室４３ｂとポンプケース４８の外部とを連通している。ノズル５０の内径は、十数μｍ〜数十μｍ、例えば２５μｍの寸法とされている。

ポンプ本体５１は、圧電素子４３ａを駆動することによってダイアフラム４７を往復変位させ、油室４３ｂの容積を変化させる。そして、油室４３ｂの容積の減少によって油室４３ｂ内の潤滑油に圧縮力が作用し、この圧縮力が吐出力となって微量の油滴Ｐとなった潤滑油がノズル５０から軸受部２０の環状空間１１へ向けて飛び出し（飛翔し）、環状空間１１へ供給される（図１参照）。言い換えると、潤滑油は、ノズル５０から油滴Ｐとなって初速を有して吐出される。

なお、圧電素子４３ａの一回の動作により油室４３ｂから吐出される潤滑油量は微量（例えば５０ｎＬ）であることから、一回の給油動作のためにポンプ本体５１の圧電素子４３ａを複数回動作させる。つまり、一回の給油動作のために圧電素子４３ａを脈動させる。なお、油室４３ｂから潤滑油が吐出される毎にタンク４２から油室４３ｂへ潤滑油が自動的に補給される。

電源部４５（図２参照）は、ポンプ４３の動作させるための電力を供給する。制御部４４は、ポンプ４３を動作させるタイミングを制御することができる。また、電源部４５は、次に説明する検出部６０に電力を供給するために用いてもよく、制御部４４は、当該検出部６０を制御するために用いてもよい。

給油ユニット４０は、更に検出部６０を備えている。この検出部６０は、潤滑油が吐出口５０ａ付近で集まる（滴状に溜まる）のを検出するものである。例えば、ポンプ４３によってノズル５０の吐出口５０ａから潤滑油を吐出したとき、その一部は油滴Ｐとなって飛ばされるが、残りが表面張力によって吐出口５０ａの付近に付着し、次第に集まることがある。集まった潤滑油は、吐出口５０ａを塞ぐように作用し、軸受部２０に向けて潤滑油を飛ばすことへの障害となる。すなわち、目詰まりを起こした状態となる。そのため、吐出口５０ａの付近には潤滑油がより集まり易くなり、潤滑油を飛ばすことができず給油困難となる。つまり、吐出口５０ａにおいて潤滑油が集まると吐出異常を生じる。検出部６０は、吐出口５０ａにおける潤滑油の集まりを検出することで吐出異常を検出するものとなっている。

図３は、給油ユニット４０のノズル５０の吐出口５０ａ付近を拡大して示す断面図である。図３における左右方向は、軸受部２０の周方向を示す。また、矢印Ｘは、内輪２１の回転に伴って発生する空気の流れの方向を示している。

検出部６０は、一対の電極６１，６２と、静電容量測定部６３とを備えている。
一対の電極６１，６２は、ポンプケース４８の軸受部２０側の壁部４９に設けられている。一対の電極６１，６２は、ノズル５０の吐出口５０ａを間に挟んで周方向に間隔をあけて配置されている。一対の電極６１，６２の間隔ｗ_１は、数ｍｍ、例えば２ｍｍとされ、ノズル５０の内径ｄよりも大きい寸法とされる。

また、一対の電極６１，６２は、ノズル５０の吐出口５０ａが開口しているポンプケース４８の壁部４９の外面４９ａと面一になるように配置されている。空気の流れ方向Ｘの上流側に位置する一方の電極６１は、同下流側に位置する他方の電極６２よりもノズル５０の吐出口５０ａの近くに配置されている。具体的には、ノズル５０の中心Ｏから一方の電極６１までの距離をｗ_１１とし、当該中心Ｏから他方の電極６２までの距離をｗ_１２としたとき、ｗ_１１＜ｗ_１２の関係にある。

静電容量測定部６３は、一対の電極６１，６２の静電容量を測定するものである。一対の電極６１，６２の静電容量は、当該電極６１，６２間の誘電率に変化が生じることによって変化する。検出部６０は、静電容量測定部６３により一対の電極６１，６２の静電容量を測定することによって静電容量の変化、すなわち誘電率の変化を検出するものとなっている。

図４に示すように、ポンプのノズル５０において目詰まり等が生じ、吐出口５０ａにおいて潤滑油Ｌが集まった（滴状に溜まった）状態になると、一対の電極６１，６２間の誘電率に変化が生じる。また、吐出口５０ａに集まった潤滑油Ｌの量が少ない場合（図４（ａ）参照）と多い場合（図４（ｂ）参照）との間でも誘電率に変化がある。特に、図４（ｂ）に示すように、潤滑油Ｌが一対の電極６１，６２に到達して両電極６１，６２間に渡された状態（両電極６１，６２が潤滑油Ｌで繋がった状態）となることで、図３に示すように一対の電極６１，６２間が空気のみである場合と比べて誘電率の変化が顕著となる。

したがって、検出部６０は、静電容量測定部６３において測定した静電容量の変化からノズル５０の吐出口５０ａにおける潤滑油Ｌの集まりを検出することができ、その検出結果に基づいてノズル５０の目詰まり等に起因する吐出異常の発生を検出することができる。吐出異常があるか否かの判断は、例えば制御部４４が、静電容量測定部６３で測定された静電容量と所定の閾値との比較に基づいて行うことができる。

なお、ノズル５０の吐出口５０ａにおける潤滑油Ｌの集まりを検出するためには、ある程度の潤滑油Ｌの量が必要であり、そのために一対の電極６１，６２の間隔ｗ_１はノズル５０の微小な内径ｄに比べて十分に大きい寸法とされる。
また、ノズルの吐出口５０ａで潤滑油が集まる原因としては、ノズル５０内への異物の滞留や付着による流動抵抗の増大やポンプ性能の低下等によって吐出力が弱まることも考えられる。ただし、これらに限られるものではない。

一対の電極６１，６２は、空気の流れ方向Ｘの上流側に配置されたものが、下流側に配置されたものよりもノズル５０の吐出口５０ａの近くに配置されている。ノズル５０の吐出口５０ａで集まった潤滑油Ｌは、空気の流れのために矢印Ｘ方向へは拡がりやすいが反Ｘ方向には拡がりにくいので、流れ方向Ｘの上流側に位置する一方の電極６１をより吐出口５０ａに近づけることで当該電極６１に潤滑油Ｌが到達し易くなり、流れ方向Ｘの下流側に位置する他方の電極６２にも空気の流れによって潤滑油Ｌが到達し易くなる。したがって、潤滑油Ｌは双方の電極６１，６２に早期に到達し、両電極６１，６２間に架け渡された状態となる。したがって、ノズル５０の吐出口５０ａで潤滑油が集まっていることをより早期に検出することが可能となる。

一対の電極６１，６２は、ノズル５０の吐出口５０ａが形成された面、すなわちポンプケース４８の壁部４９の外面４９ａと面一に配置されているので、一対の電極６１，６２によって空気の流れが妨げられることがなく、ノズル５０の吐出口５０ａで集まった潤滑油Ｌに対する空気の流れの影響が大きくなる。そのため、ノズル５０から離れた他方の電極６２にも早期に潤滑油Ｌが到達する。

［給油ユニット４０の変形例］
以下、給油ユニット４０における一対の電極６１，６２の変形例について説明する。
図５に示す変形例は、一対の電極６１，６２が、ノズル５０の吐出口５０ａから等距離に配置されたものとなっている（ｗ_１１＝ｗ_１２）。その他の構成は上記実施形態と同様であり、上記実施形態と略同様の作用効果を奏する。ただし、ノズル５０の吐出口５０ａで集まった潤滑油Ｌは、空気の流れ方向Ｘの上流側に拡がりにくいため、本変形例では、上流側の電極６１に潤滑油Ｌが到達するまで時間がかかる。そのため、上記実施形態と比較すると、潤滑油Ｌが双方の電極６１，６２に渡された状態となり、潤滑油Ｌの集まりを明確に検出することができるまで時間がかかる。したがって、この点においては上記実施形態の方が有利である。

図６に示す変形例は、一対の電極６１，６２が、ノズル５０の吐出口５０ａが形成された面（壁部４９の外面４９ａ）よりも軸受部２０側へ突出するように設けられたものである。また、一対の電極６１，６２は、ノズル５０の吐出口５０ａから等距離に配置されている。その他の構成は上記実施形態と同様である。本変形例では、電極６１，６２が壁部４９の外面４９ａよりも突出しているため、空気の流れの影響が少なくなり、一対の電極６１，６２をノズル５０から等間隔に設けたとしても、潤滑油は双方の電極６１，６２に略同様に到達しやすくなる。

本変形例では、一対の電極６１，６２が軸受部２０側へ突出しているため、ノズル５０を軸受部２０側へ接近させることが困難となり、ノズル５０から環状空間１１へ向けて潤滑油を飛ばす距離が長くなる。この点において、前記実施形態では、ノズル５０の吐出口５０ａと電極６１，６２とが面一に配置されているので、ノズル５０を可及的に軸受部２０に近づけることができ、潤滑油を飛ばす距離も短くすることができる。そのため、ポンプ本体５１による吐出力を可及的に小さくできるという利点がある。

前記実施形態及び変形例はすべての点で例示であって制限的なものではない。つまり、本発明の転がり軸受装置は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。
例えば、前記実施形態では、軸受部２０がアンギュラ玉軸受である場合について説明したが、軸受の形式はこれに限らず、深溝玉軸受であってもよく、円すい転がり軸受や円筒ころ軸受であってよい。また、この転がり軸受装置１０を、工作機械の主軸用以外の用途に用いることができる。軸受部２０は、内輪２１が固定輪とされ、外輪２２が回転輪とされたものであってもよい。

１０：転がり軸受装置、１１：環状空間、２０：軸受部、２１：内輪、２２：外輪、４０：給油ユニット、４３：ポンプ、４３ｂ：油室、５０：ノズル、５０ａ：吐出口、５１：ポンプ本体、６０：検出部、６１：電極、６２：電極、６３：静電容量測定部

Claims

内輪、外輪、及び、前記内輪と前記外輪との間に介在している複数の転動体を有している軸受部と、
前記内輪と前記外輪との間の環状空間の軸方向の隣りに設けられ、当該環状空間へ潤滑油を供給する給油ユニットと、を備え、
前記給油ユニットは、潤滑油を収容する油室と、前記油室内の潤滑油を吐出するノズルと、前記油室内の潤滑油をノズルから前記環状空間へ向けて飛ばす吐出力を付与するポンプ本体と、前記ノズルの吐出口における油の集まりを検出する検出部とを備え、
前記検出部は、前記ノズルの吐出口を間に挟んで配置された一対の電極と、一対の電極の静電容量を測定する測定部と、を備えている、転がり軸受装置。
前記一対の電極は、前記ノズルを間に挟んで前記内輪又は前記外輪の回転による空気流れ方向に間隔をあけて配置され、前記空気流れ方向の上流側に位置する一方の電極が、同下流側に位置する他方の電極よりも前記ノズルの吐出口の近くに配置されている、請求項１に記載の転がり軸受装置。
前記一対の電極は、前記ノズルの吐出口が形成された面と面一に配置されている、請求項１又は２に記載の転がり軸受装置。