JP2020003027A - 軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度分解能が高く、かつ応答性が良く回転輪の温度検出を行なうことが可能な軸受装置を提供する。【解決手段】軸受装置１は、主軸４を支持する軸受５と、軸受５に隣接して配置される間座６とを備える。軸受５は、内輪５ｉ、外輪５ｇ、転動体Ｔ、および保持器Ｒｔを含む。間座６は、外輪５ｇに隣接する外輪間座６ｇと、内輪５ｉに隣接する内輪間座６ｉと、内輪間座６ｉに配置され、温度を測定する温度センサ１４と、内輪間座６ｉに配置され、温度センサ１４の検出した温度を含む信号を送信する信号送信機１５と、外輪間座６ｇに配置され、信号送信機１５から非接触で信号を受信する信号受信機１６とを備える。【選択図】図１

Description

この発明は、工作機械の主軸スピンドルなどに使用される軸受装置に関する。

工作機械のスピンドル装置では、軸受の異常を未然に防ぐために、軸受に異常が起こる前にその予兆を検出することが要求されている。工作機械のスピンドルを高速回転させると、軸受の発熱により軸受周りの温度が上昇し、機械部品が熱膨張する。機械部品の熱膨張により軸受の予圧が上昇すると軸受荷重が増加し、軸受の発熱が増加し、軸受の焼き付きが発生する原因となる。

この軸受の異常を検出するために、回転している軸受の軌道輪の温度を非接触温度センサで検出している例がある。

特開２０１２−３７０１３号公報（特許文献１）には、内輪間座に当接する内輪端面と、内輪外周面との角部に面取り状の被検出面を設け、外輪間座に、被検出面の温度を非接触で測定する非接触温度センサを設け、内輪の温度を非接触で測定するようにした軸受装置が開示されている。

特開２０１２−３７０１３号公報

特開２０１２−３７０１３号公報（特許文献１）に開示された軸受装置の構造では、軸受の内輪外周面に面取り加工を行っているため、標準軸受を使うことができず、軸受部分の価格が高くなる。また、非接触温度センサとして焦電型赤外センサやサーモパイルなどの赤外線温度センサを用いているが、軸受内輪の外周面に設けた面取り部は金属面のため、赤外線放射率が低く、温度検出感度が低くなることが想定される。また、赤外線温度センサは温度検出分解能や応答性が低いため、軸受の焼き付き等の異常を早く予知するには、応答性や分解能が課題になる。赤外線温度センサは、センサ自身の温度と測定対象物の温度範囲によって測定分解能が異なるため、使用状況によっては希望する温度分解能が得られない場合も想定される。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、温度分解能が高く、かつ応答性が良く回転輪の温度検出を行なうことが可能な軸受装置を提供することである。

本開示の軸受装置は、回転軸を支持する軸受と、軸受に隣接して配置される間座とを備える。軸受は、内輪、外輪、および転動体を含む。間座は、外輪に隣接する外輪間座と、内輪に隣接する内輪間座と、内輪間座に配置され、温度を測定する温度センサと、内輪間座に配置され、温度センサの検出した温度を含む信号を送信する信号送信機と、外輪間座に配置され、信号送信機から非接触で信号を受信する信号受信機とを備える。

好ましくは、軸受装置は、外輪間座に配置され、電力を送電する送電部と、内輪間座に配置され、送電部から非接触で電力を受電し、信号送信機に受電した電力を供給する受電部とをさらに備える。

より好ましくは、軸受装置は、内輪間座に配置され、温度センサと受電部と信号送信機とが搭載された配線基板をさらに備える。

好ましくは、信号送信機は、内輪間座の外周面に配置され、信号受信機は、外周面に対向する外輪間座の内周面に配置される。

本発明によれば、軸受装置において、温度分解能が高く、かつ応答性が良く回転輪の温度検出を行なうことができる。

実施の形態１に係る軸受装置の構成を示す断面図である。 信号送信機および信号受信機の配置を説明するための断面図である。 実施の形態１における信号送信機および信号受信機の構成を示す図である。 実施の形態２に係る軸受装置の構成を示す断面図である。 実施の形態２における信号送信機および信号受信機の構成を示す図である。 実施の形態２の変形例に係る軸受装置の構成を示す断面図である。 実施の形態２の変形例における信号送信機および信号受信機の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の軸受装置の構成を示す断面図である。軸受装置１は、たとえば、工作機械のビルトインモータ方式のスピンドル装置に応用される。この場合、軸受装置１で支持されている主軸４の一方端側には図示しないモータが組み込まれ、他方端にはエンドミル等の切削工具が接続される。なお、図１に示す軸受装置１の構造は、回転中心軸Ｏ−Ｏを中心として上下対称であるが、回転中心軸Ｏ−Ｏより下の部分は図示を省略している。

軸受装置１は、主軸４を支持する軸受５と、軸受５に隣接して配置される間座６とを備える。軸受５は、内輪５ｉ、外輪５ｇ、転動体Ｔ、および保持器Ｒｔを含む。間座６は、外輪５ｇに隣接する外輪間座６ｇと、内輪５ｉに隣接する内輪間座６ｉと、温度センサ１４と、信号送信機１５と、信号受信機１６とを備える。

温度センサ１４は、内輪間座６ｉに配置され、内輪５ｉの温度を測定する。信号送信機１５は、内輪間座６ｉに配置され、温度センサ１４の検出した温度を含む信号を送信する。信号受信機１６は、外輪間座６ｇに配置され、信号送信機１５から非接触で信号を受信する。

軸受装置１は、外筒２の内径部に埋設されたハウジング３に複数の軸受５を用いて主軸４を回転自在に支持する。軸方向に離隔した複数の軸受５は、主軸４に締まり嵌め状態で嵌合される。

２つの内輪５ｉ−５ｉ間に内輪間座６ｉが挟持され、また、２つの外輪５ｇ−５ｇ間に外輪間座６ｇが挟持されている。各軸受５は、内輪５ｉと外輪５ｇの間に複数の転動体Ｔが配置された転がり軸受である。複数の転動体Ｔは保持器Ｒｔによって間隔が保持されている。軸受５は、軸方向の予圧を付与することが可能な軸受であり、アンギュラ玉軸受、深溝玉軸受、またはテーパころ軸受等が用いられる。図示の例ではアンギュラ玉軸受が用いられ、２個の軸受５が背面組合せで設置されている。

ハウジング３には冷却媒体流路Ｇが形成される。ハウジング３と外筒２との間に冷却媒体を流すことにより、軸受装置１を冷却することができる。

組立時には、図１における右側の軸受５の外輪５ｇ右側はハウジング３に設けた段差部３ａに押し当てられ、その後、間座６、左側の軸受５の順でハウジングに嵌め込まれる。左側の軸受５の外輪５ｇ左端には、前蓋１２が取り付けられる。前蓋１２によって、間座６と２つの軸受５はハウジング３からの脱落が防止される。

ナット１０を締め付けることにより一方の軸受５の内輪５ｉの端面に力が作用し、間座９を介して内輪５ｉが内輪間座６ｉに向けて移動する。この力は、内輪５ｉ、転動体Ｔ、外輪５ｇと伝わり右の軸受５に予圧を与えるとともに、外輪５ｇから外輪間座６ｇにも伝わる。外輪間座６ｇから右側の外輪５ｇには、押す力が作用し、この力は、左側の軸受５において、外輪５ｇ、転動体Ｔ、内輪５ｉへと伝わり、左側の軸受５にも予圧を与える。内輪５ｉの移動量は、たとえば外輪間座６ｇと内輪間座６ｉの幅の寸法差によって定まる。この移動量に応じて軸受５に予圧が付与される。２つの軸受５のうち一方の近傍に、軸方向に離隔して図示しないモータが配置されている。

温度センサ１３は、外輪５ｇの端面に外輪間座６ｇが当接する当接部近傍において外輪間座６ｇに配置され、外輪５ｇの温度を測定する。また、温度センサ１４は、内輪５ｉと内輪間座６ｉとが当接する当接部近傍において内輪間座６ｉに配置され、内輪５ｉの温度を測定する。

図２は、信号送信機および信号受信機の配置を説明するための断面図である。図１、図２を参照して、信号送信機１５は、内輪間座６ｉの外周面に配置され、信号受信機１６は、外輪間座６ｇの内周面に配置される。また、信号受信機１６は、外輪間座６ｇの内周面の信号送信機１５と非接触で対向する位置に配置される。非接触通信によって、温度センサ１４で計測された内輪温度を含む情報が信号送信機１５から信号受信機１６に送られる。

好ましくは、信号送信機１５で使用される電力は、非接触給電によって信号受信機１６から信号送信機１５に供給される。

信号送信機１５と信号受信機１６との間では、外輪間座６ｇ側から内輪間座６ｉ側に向けて非接触給電が行なわれ、内輪間座６ｉ側から外輪間座６ｇ側に向けて非接触通信により温度センサ１４の温度データが送信される。ただし、主軸４の回転に伴い、信号送信機１５と信号受信機１６とは相対回転するため、非接触給電と非接触通信が途切れないようにする必要がある。

たとえば、信号送信機１５は、フレキシブル基板を使用して構成され、内輪間座６ｉの外周面に１８０°より大きく巻き付けて固定され、フレキシブル基板を保護する樹脂モールド処理が行なわれる。同様に、信号受信機１６は、フレキシブル基板を使用して構成され、外輪間座６ｇの外周面に１８０°より大きく巻き付けて固定され、フレキシブル基板を保護する樹脂モールド処理が行なわれる。

信号送信機１５と信号受信機１６は、各固定周面に１８０°より大きく存在するため、主軸４が回転しても必ず少なくとも一部が重複することになり、非接触給電と非接触通信が途切れないようにすることができる。なお、信号送信機１５と信号受信機１６が各々配置される角度範囲は必ずしも同じでなくてもよい。たとえば一方が１７０°、他方が２００°のように合計の角度が３６０°を超えれば良い。また、送電効率や通信効率は下がるが、配置の角度範囲の合計が３６０°未満であっても、主軸の回転によって定期的に重なる部分があれば、非接触給電と非接触通信は可能である。

軸受装置１では、回転側の温度を精度の良い接触式温度センサなどの温度センサ１４で計測し、非接触通信で固定側に送信する。金属筐体中での無線通信は困難な点もあるが、図２に示す例では常時一部が対向する送受電部があるので、通信および送電にも使いやすい。

図３は、実施の形態１における信号送信機および信号受信機の構成を示す図である。信号送信機１５は、電力受信部１７と、センサ信号送信部１８と、これらを搭載する配線基板３５とを含む。配線基板３５は、好ましくは、図２の信号送信機１５の形状に示されるように曲げることが可能に構成される。信号送信機１５は、内輪間座６ｉに実装した温度センサ１４を含むセンサ部１９とセンサ信号送信部１８とに電力受信部１７で得た電力を供給する。センサ部１９の温度センサ１４で検出された温度の信号は、センサ信号送信部１８によって信号受信機１６に送信される。

信号受信機１６は、給電電力送信部２０と、センサ信号受信部２１と、これらを搭載する配線基板３６とを含む。配線基板３６は、好ましくは、図２の信号受信機１６の形状に示されるように曲げることが可能に構成される。信号受信機１６は、温度センサ１３のセンサ信号と受信した温度センサ１４の各センサ信号とを、ケーブルＣＢで送信しやすい信号に変換して、ケーブルＣＢを介して外部機器１００に送る。なお、外部機器からは、信号受信機１６に電源電圧が供給される。

以上図１〜図３に示すように、軸受装置１は、外輪間座６ｇに配置され、電力を送電する給電電力送信部２０と、内輪間座６ｉに配置され、給電電力送信部２０から非接触で電力を受電し、センサ信号送信部１８に受電した電力を供給する電力受信部１７とをさらに備える。

給電電力送信部２０から電力受信部１７には非接触で電力が供給される。電力の送電は、無線によるものであっても、また光波、赤外線、超音波によるもの、あるいは磁気結合により行なうものであっても良く、方式は限定されない。

温度センサ１３、温度センサ１４としては、半導体温度センサ、熱電対、薄膜温度センサなどを用いることができる。たとえば、ＣＭＯＳタイプの半導体温度センサの中から高精度品を選択すれば、０．１℃前後の高精度で測定が可能である。また、信号送信機１５と信号受信機１６との間で行なわれる非接触給電と非接触通信によって、回転する内輪５ｉ近傍の温度を直接測定し、測定結果を外部に取り出すことができる。

接触式の温度センサは、特開２０１２−３７０１３号公報（特許文献１）で用いられているような非接触温度センサと比べて高精度で測定可能なものがあり、応答時間も短い。本実施の形態によれば、回転する内輪５ｉ近傍の温度を直接接触式の温度センサ１４によって測定し、この測定結果を外部に取り出すことができる。このため、軸受の内輪温度と外輪温度と、スピンドルの回転状況から軸受の予圧を早く推定することができる。

内輪５ｉと外輪５ｇの温度差と、スピンドルの回転状況から軸受５の予圧を推定し、軸受５の焼き付き予兆を早期に判定することができれば、たとえば、切削中止、スピンドルの回転速度減速、冷却パワーアップなどの対策工程に移行して焼き付きを防止することも可能である。

以上説明したように、実施の形態１の軸受装置１では、軸受の内輪５ｉ−５ｉ間に挿入される内輪間座６ｉと内輪５ｉとが接触する近傍に接触式温度センサ（温度センサＩＣ）１４を配置する。外輪間座６ｇと内輪間座６ｉには、それぞれ非接触で給電を行なう給電電力送信部２０と電力受信部１７とが対向するように配置される。また、外輪間座６ｇと内輪間座６ｉには、非接触で通信を行なうセンサ信号受信部２１とセンサ信号送信部１８とが対向するように配置される。このような構成とすることによって、内輪間座６ｉに配置した温度センサ１４の温度情報（内輪近傍温度）を非接触で外輪間座側（固定側）に送信することができる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、温度センサ１３と温度センサ１４は、信号送信機１５や信号受信機１６とは分離されたセンサ部１９，２２に配置され、有線で接続される構成としたが、これらを有線で配線するのは組立に工数がかかる。実施の形態２では、図４、図５に示すように、センサ部１９，２２を信号送信機１５Ａ、信号受信機１６Ａに内蔵し、組立を容易にした。

図４は、実施の形態２に係る軸受装置１Ａの構成を示す断面図である。図５は、実施の形態２における信号送信機１５Ａおよび信号受信機１６Ａの構成を示す図である。図４、図５では、温度センサ１３を含むセンサ部２２は、信号受信機１６Ａの内部に配置され、温度センサ１４を含むセンサ部１９は、信号送信機１５Ａの内部に配置される。

信号送信機１５Ａは、電力受信部１７と、センサ信号送信部１８と、温度センサ１４と、これらを搭載する配線基板３５Ａとを含む。配線基板３５Ａは、好ましくは、図２の信号送信機１５の形状に示されるように曲げることが可能に構成される。

信号受信機１６Ａは、給電電力送信部２０と、センサ信号受信部２１と、温度センサ１３と、これらを搭載する配線基板３６Ａとを含む。配線基板３６Ａは、好ましくは、図２の信号受信機１６の形状に示されるように曲げることが可能に構成される。

図４、図５に示した例では温度センサ１３は中央部に１個配置としたが、いずれか一方の外輪５ｇの近傍に温度センサ１３を配置してもよい。または、左右の外輪５ｇの近傍のそれぞれに２個の温度センサ１３を配置してもよい。図６は、実施の形態２の変形例に係る軸受装置の構成を示す断面図である。図７は、実施の形態２の変形例における信号送信機および信号受信機の構成を示す図である。図６に示すように、配線基板３５Ｂの幅を内輪間座６ｉの幅近くまで広げて、その両端部に温度センサ１４を配置し、配線基板３６Ｂの幅を外輪間座６ｇの幅近くまで広げて、その両端部に温度センサ１３を配置する。このようにすれば、間座６の幅が広い場合であっても、軸受５の内輪５ｉ、外輪５ｇの温度を正確に測定できる。

以上説明したように、実施の形態２の軸受装置では、温度センサ１４は、信号送信機１５Ａまたは１５Ｂの内部に配置され、温度センサ１３は、信号受信機１６Ａまたは１６Ｂの内部に配置される。このため、温度センサを配線基板に接続するケーブルを省略することができ、組立工数を削減することができる。

また、内輪間座６ｉに実装した温度センサ１４に対して、外輪間座６ｇ側から非接触で電力供給を行い、また、温度センサ１４の温度データを外輪間座６ｇ側に非接触で送信することで、回転している軸受５の内輪５ｉ近傍の温度を精度良く測定することが可能となる。

さらに、軸受５の内輪５ｉ温度と外輪５ｇ温度と、スピンドルの回転状況から軸受５の予圧を推定し、推定した予圧を軸受５の焼き付きを防止するのに利用することができる。この場合、軸受５の内輪５ｉと外輪５ｇの温度差を検出する必要があるが、温度差を高精度で測定できるため、予圧上昇に伴う異常発熱を早期に把握し、軸受５が焼付かないように軸受装置１Ａを制御することができる。

さらに、非接触型の温度センサを使用する場合と異なり、内輪を面取り加工する必要が無いので標準型の軸受５を使用できるため、軸受装置を安価に製作することができる。また、内輪５ｉと外輪５ｇとも接触型の温度センサ１３、１４を使用するため、測定精度や応答性が良好である。

なお、実施の形態１，２では、２個の軸受５を背面組合せとしたが、正面組合せであってもよい。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 軸受装置、２ 外筒、３ ハウジング、３ａ 段差部、４ 主軸、５ 軸受、５ｇ 外輪、５ｉ 内輪、６，９ 間座、６ｇ 外輪間座、６ｉ 内輪間座、１０ ナット、１２ 前蓋、１２ａ 肩、１３，１４，ＩＣ 温度センサ、１５，１５Ａ 信号送信機、１６，１６Ａ 信号受信機、１７ 電力受信部、１８ センサ信号送信部、１９，２２ センサ部、２０ 給電電力送信部、２１ センサ信号受信部、３５，３５Ａ，３５Ｂ，３６，３６Ａ，３６Ｂ 配線基板、１００ 外部機器、ＣＢ ケーブル、Ｇ 流路、Ｒｔ 保持器、Ｔ 転動体。

Claims (4)

1. 回転軸を支持する軸受と、
   前記軸受に隣接して配置される間座とを備え、
   前記軸受は、内輪、外輪、および転動体を含み、
   前記間座は、
   前記外輪に隣接する外輪間座と、
   前記内輪に隣接する内輪間座と、
   前記内輪間座に配置され、温度を測定する温度センサと、
   前記内輪間座に配置され、前記温度センサの検出した温度を含む信号を送信する信号送信機と、
   前記外輪間座に配置され、前記信号送信機から非接触で前記信号を受信する信号受信機とを備える、軸受装置。
2. 前記外輪間座に配置され、電力を送電する送電部と、
   前記内輪間座に配置され、前記送電部から非接触で電力を受電し、前記信号送信機に受電した電力を供給する受電部とをさらに備える、請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記内輪間座に配置され、前記温度センサと前記受電部と前記信号送信機とが搭載された配線基板をさらに備える、請求項２に記載の軸受装置。
4. 前記信号送信機は、前記内輪間座の外周面に配置され、
   前記信号受信機は、前記外周面に対向する前記外輪間座の内周面に配置される、請求項１に記載の軸受装置。

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