JP2020186791A - センサ付き軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受にラジアル方向の変位が発生するのを抑制し、当該ラジアル方向の変位に代えてアキシアル方向の変位に基づいて軸受の歪を検出することができるセンサ付き軸受装置を提供する。【解決手段】外輪、前記外輪の径方向内側に配設される内輪、及び前記外輪と前記内輪との間の環状空間に転動自在に配設される複数の転動体を有する軸受と、前記軸受の歪を検出するためのセンサとを備えたセンサ付き軸受装置。前記外輪及び前記内輪の一方は、当該外輪の内周面又は当該内輪の外周面に形成された環状溝を有する。前記環状溝は、前記軸受の内方側に側面を有し、前記センサは、前記側面に設置されてなる。【選択図】 図１

Description

本発明はセンサ付き軸受装置に関する。

生産性の向上等を図るために、近年、機械設備の状態を監視するニーズが高まりつつあり、これを受けて、当該機械設備を構成する軸受にもセンシング機能を付与することが求められつつある。軸受は軸荷重を直接に受ける機械部品であるので、特に荷重に関しては、機械設備のハウジング等その他の部品に荷重センサを取り付けるよりも当該軸荷重を感度よく検知することができると考えられる。

例えば、工作機械の主軸用軸受において、軸受予圧や切削荷重を検知することができれば、得られる荷重に関する情報を前記工作機械の制御部にフィードバックして主軸を制御することで加工条件を最適化することができ、これにより工具の摩耗低減や加工時間の短縮化を図ることができる。また、軸受の異常や、加工の異常を早期に又は未然に検知することにより、設備を計画的にメンテナンスすることができ、メンテナンスコストを削減することができる。

従来、軸受に作用する荷重を検知する方法として、図６に示されるように、軸受の外輪５０の外周面５０ａに溝５１を設け、当該溝５１の底面５１ａに歪ゲージ５２を接着剤等により固定し、転動体５３からの荷重ｆ（太線の矢印参照）による外輪外径のラジアル方向（径方向）の歪ｄを検知する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−９６４４４号公報

しかし、特許文献１記載の方法では、外輪５０の外周面５０ａに溝５１を形成し、この溝５１に固定したセンサユニット（歪ゲージ）５２で当該外輪５０のラジアル方向の歪ｄを検知しているが、溝５１を形成することで外輪５０のラジアル方向の剛性が低下して軸受のラジアル変位が増加してしまう。その結果、工作機械の主軸軸受においては、工具先端の加工位置が大きく変位し加工精度が低下することが懸念される。

そこで、本発明は、軸受にラジアル方向の変位が発生するのを抑制し、当該ラジアル方向の変位に代えてアキシアル方向の変位に基づいて軸受の歪を検出することができるセンサ付き軸受装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点に係るセンサ付き軸受装置は、
（１）外輪、前記外輪の径方向内側に配設される内輪、及び前記外輪と前記内輪との間の環状空間に転動自在に配設される複数の転動体を有する軸受と、前記軸受の歪を検出するためのセンサとを備えたセンサ付き軸受装置であって、
前記外輪及び前記内輪の一方は、当該外輪の内周面又は当該内輪の外周面に形成された環状溝を有し、
前記環状溝は、前記軸受の内方側に側面を有し、
前記センサは、前記側面に設置されてなることを特徴とする。

本発明の第１の観点に係るセンサ付き軸受装置では、外輪の内周面又は内輪の外周面に形成された環状溝における、軸受の内方側の側面にセンサを設置している。これにより、外輪又は内輪のラジアル方向の変位に代えてアキシアル方向の変位に基づいて外輪又は内輪の歪を検出することができる。外輪の外周面に溝を形成しないので、当該外輪のラジアル方向の剛性の低下を抑制することができ、従来のようなラジアル方向の変位の発生は抑制される。これにより、例えば作機械の主軸軸受において、工具先端の加工位置が大きく変位し加工精度が低下することを抑制することができる。

本発明の第２の観点に係るセンサ付き軸受装置は、
（２）外輪、前記外輪の径方向内側に配設される内輪、及び前記外輪と前記内輪との間の環状空間に転動自在に配設される複数の転動体を有する軸受と、前記軸受の歪を検出するためのセンサとを備えたセンサ付き軸受装置であって、
前記外輪及び前記内輪の一方は、当該外輪の内周面又は当該内輪の外周面に形成された環状切欠きを有し、
前記センサは、前記環状切欠きの側面に設置されてなることを特徴とする。

本発明の第２の観点に係るセンサ付き軸受装置では、外輪の内周面又は内輪の外周面に形成された環状切欠きの側面にセンサを設置している。これにより、外輪又は内輪のラジアル方向の変位に代えてアキシアル方向の変位に基づいて外輪又は内輪の歪を検出することができる。外輪の外周面に溝を形成しないので、当該外輪のラジアル方向の剛性の低下を抑制することができ、従来のようなラジアル方向の変位の発生は抑制される。これにより、例えば作機械の主軸軸受において、工具先端の加工位置が大きく変位し加工精度が低下することを抑制することができる。

（３）前記（１）又は（２）のセンサ付き軸受装置において、前記センサは、前記環状溝又は環状切欠き内に配設される断面コの字状の円弧部材と、前記円弧部材の底面に固定される歪ゲージとを備えたセンサアッシーとすることができる。軸受の歪を検出するセンサを、その底面に歪ゲージが固定されるセンサアッシーとすることで、センサを簡単に軸受に取り付けることができる。また、センサが故障した場合に、当該センサだけを新しいものと交換することができる。
外輪に形成した溝の底面に歪ゲージを接着剤で取り付ける作業は、手間がかかるとともに、接着剤の膜厚を所定の厚さに調節する必要がある等、熟練を要する難しい作業である。しかし、円弧部材の底面に歪ゲージを取り付ける作業は、当該底面が平坦な面であることから、外輪に形成した溝の底面に取り付ける場合よりも簡単に行うことができる。また、外輪に形成した溝の底面に歪ゲージを接着剤で固定した従来のセンサ付き軸受装置では、センサ及び軸受の一方だけが故障した場合でも、全体を交換する必要があるが、センサアッシーを用いる場合は、故障した方だけを交換すればよいので、メンテナンスコストを低減させることができる。

（４）前記（１）〜（３）のセンサ付き軸受装置において、前記センサ付き軸受装置は、さらに付勢部材を有し、
前記センサは、前記付勢部材によって前記側面に向かって付勢された状態で設置されることが望ましい。付勢部材によってセンサを環状溝又は環状切欠きの側面に向かって付勢することで、軸受に生じるアキシアル方向の歪を精度よく検出することができる。

（５）前記（１）〜（４）のセンサ付き軸受装置において、前記軸受は、アンギュラ玉軸受であり、
前記環状溝又は環状切欠きは、前記外輪の大端側の内周面に形成されてなるものとすることができる。アンギュラ玉軸受の外輪の大端側の内周面に形成された環状溝又は環状切欠きの側面にセンサを設置することで、当該外輪のアキシアル方向の変位に基づいて外輪の歪を検出することができる。

（６）前記（５）のセンサ付き軸受装置において、前記環状溝又は環状切欠きの外径は、前記アンギュラ玉軸受の接触角を規定する、前記転動体と外輪軌道との接触点の径よりも大きいことが望ましい。環状溝又は環状切欠きの外径を接触点の径よりも大きくすることで、当該環状溝又は環状切欠きの側面をアキシアル方向に歪み易くすることができる。これにより、外輪のアキシアル方向の歪の検出精度を向上させることができる。

本発明にセンサ付き軸受装置よれば、軸受にラジアル方向の変位が発生するのを抑制し、当該ラジアル方向の変位に代えてアキシアル方向の変位に基づいて軸受の歪を検出することができる。

本発明のセンサ付き軸受装置の一実施形態の部分断面図である。 図１に示されるセンサ付き軸受の要部拡大図である。 図１に示されるセンサアッシーの平面説明図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 本発明のセンサ付き軸受装置の他の実施形態の部分断面図である。 従来のセンサ付き軸受装置の一例の部分断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明のセンサ付き軸受装置を詳細に説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、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及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。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ付き軸受装置１の部分断面図であり、図２は、図１に示されるセンサ付き軸受装置１の要部拡大図である。センサ付き軸受装置１は、軸受１０と、センサであるセンサアッシー２０とを備えている。

本実施形態における軸受１０はアンギュラ玉軸受であり、外輪１１と、内輪１２と、複数の玉（転動体）１３と、環状の保持器１４とを備えている。外輪１１及び内輪１２は、いずれも軸受鋼や浸炭鋼等の軸受用鋼を用いて環状に形成された部材である。内輪１２は、外輪１１の径方向内側に当該外輪１１と同心になるように配設されている。

外輪１１の内周面には玉１３が転動する外輪軌道面１１ａが形成されており、又、内輪１２の外周面には玉１３が転動する内輪軌道面１２ａが形成されている。複数の玉１３は、保持器１４により周方向に所定間隔で保持された状態で、外輪１１と内輪１２との間の環状空間を転動自在である。

外輪１１の大端側（図１において左側）の内周面には環状溝１５が形成されており、この環状溝１５内にセンサアッシー２０が配設されている。環状溝１５は軸受１０の内方側に側面１６を有するとともに、軸受１０の外方側にテーパ面１７を有している。側面１６は、軸受１０の中心線Ｃに垂直な面と平行な平坦面であるが、テーパ面１７は当該垂直な面に対し傾斜した面であり、環状溝１５の底面１８から径方向内側に且つ軸受外方側に向かう面である。なお、本明細書において、「内方側」とは、玉１３の中心を通り、軸受１０の軸心と直交する線を基準線ｓとしたときに軸方向に沿って当該基準線ｓに向かう側を「内方側」といい、又、「外方側」とは、軸方向に沿って当該基準線ｓから離れる側を「外方側」という。環状溝１５についていえば、２つの側面の内、側面１６はテーパ面１７に比べて基準線ｓに向かう側に存在するので内方側の側面であり、テーパ面１７は側面１６に比べて基準線ｓから離れる側に存在するので外方側の側面である。本実施形態における環状溝１５は、通常の軸受装置における外輪の軸方向端部の内周面に形成されるシール用の溝とサイズや形状が似ていることから、既存の量産製造工程で形成することができ、低コストで形成することができる。

センサアッシー２０は、図２〜４に示されるように、環状溝１５内に配設される断面コの字状の円弧部材２１と、円弧部材２１の底面２１ａに固定される歪ゲージ２２とを備えている。円弧部材２１は、例えば炭素鋼やステンレス鋼で作製することができる。円弧部材２１の弧の角度θは、当該円弧部材２１の環状溝１５内への配設を容易に行うことができるように、１８０°未満であることが好ましい。なお、センサアッシー２０は、軸受１０とは別体であり、かかるセンサアッシー２０を用いることで歪ゲージ２２を簡単に軸受１０に搭載することができ、また、故障したときには、簡単に交換することができる。また、環状溝１５のサイズを統一することで、多少サイズが異なる軸受に対しても同じ仕様のセンサアッシーを用いることができ、部品の種類を削減することができる。

歪ゲージ２２は、円弧部材２１の底面２１ａに接着剤等により固定される。本実施形態では、１つの円弧部材２１に３つの歪ゲージ２２が固定されているが、歪ゲージ２２の数は、本発明において特に限定されるものではなく、１つ又は２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。円弧部材２１の径方向内側の側面２１ｂには、歪ゲージ２２に対応して孔２３が形成されている。歪ゲージ２２からのリード線２４は、孔２３を通って円弧部材２１の径方向内側に引き出される。なお、歪ゲージ２２を異物から保護するために、当該歪ゲージ２２を円弧部材２１に搭載（固定）した後に、円弧部材２１により画定される溝２５内に合成樹脂等を充填することもできる。

センサアッシー２０の円弧部材２１の外方側（図１において左側）には、付勢部材であるＣ型止め輪２６が配設されている。Ｃ型止め輪２６は、例えばばね用鋼等で作製することができ、弾性を有する部材である。Ｃ型止め輪２６はテーパ面２６ａ及び側面２６ｂを有しており、テーパ面２６ａが環状溝１５のテーパ面１７と当接し、側面２６ｂが円弧部材２１と当接するように、当該Ｃ型止め輪２６は環状溝１５内に嵌入される。

円弧部材２１は、Ｃ型止め輪２６を環状溝１５内に嵌入することで、環状溝１５の側面１６に向かって付勢された状態で当該環状溝１５内に設置される。より詳細には、円弧部材２１は、当該円弧部材２１の底部２７の裏面２７ａが環状溝１５の側面１６に押圧されるように環状溝１５内に設置される。テーパ面２６ａを有するＣ型止め輪２６を用いることで、径方向外側に押し当てる力をアキシアル方向（軸方向）に変えることができ、これにより円弧部材２１を環状溝１５の側面１６に押し当てて当該円弧部材２１を環状溝１５内に固定することができる。歪ゲージ２２が固定された底部２７を環状溝１５の側面１６に密接させることで、外輪１１に生じるアキシアル方向の歪を精度よく検出することができる。

なお、本実施形態において、環状溝１５の外径Ｒ（図１参照）は、アンギュラ玉軸受である軸受１０の接触角αを規定する、玉１３と外輪軌道面１２ａとの接触点Ｐの径ｒよりも大きくなるように、環状溝１５の深さが設定されている。環状溝１５の外径Ｒを接触点Ｐの径ｒよりも大きくすることで、当該環状溝１５の側面１６をアキシアル方向に歪み易くすることができる。これにより、外輪１１のアキシアル方向の歪の検出精度を向上させることができる。外径Ｒと径ｒとの差は、本発明において特に限定されないが、例えば１〜３ｍｍとすることができる。

〔第２実施形態〕
図５は、本発明の他の実施形態に係るセンサ付き軸受装置３１の部分断面図である。本実施形態（第２実施形態）に係るセンサ付き軸受装置３１が、図１〜４に示される実施形態（第１実施形態）と異なる点は、センサ付き軸受装置１では、付勢部材としてＣ型止め輪２６が用いられているのに対し、センサ付き軸受装置３１では付勢部材として環状の弾性部材３２が採用されている点である。また、付勢部材の構成の相違に対応して、第２実施形態では、環状溝１５に代えて、外輪１１の大端側の内周面に環状の切欠き３３が形成されている点である。なお、図４に示される第２実施形態において、図１〜３に示される第１実施形態と共通する要素ないし部材には、同じ参照符号を付し、簡単のため、それらについての説明を省略する。図５において、Ｃ´は軸受１０の中心線を示している。

環状の弾性部材３２は、例えばニトリルゴムで作製されており、図５に示されるように、センサ付き軸受装置３１が外輪間座３４に押し付けられて所定位置に組み付けられる前の状態において、その外方側の側面３２ａは外輪の大端側面１１ｂよりも外方側にわずかに突出するようなサイズを有している。この突出する距離は、軸受１０のサイズや、弾性部材４２の材質等により異なるが、例えば０．２〜１．５ｍｍ程度とすることができる。

歪ゲージ２２が搭載された円弧部材２１を外輪１１の大端側の内周面に形成された切欠き３３に配設し、当該円弧部材２１の外方側に弾性部材３２を配設した、図５に示される状態のセンサ付き軸受装置３１を、外輪の大端側面１１ｂと外輪間座３４の内方側の側面３４ａとが互いに接するまで当該センサ付き軸受装置３１を外輪間座３４に押し付けて所定位置に組み付ける。これにより、外方側に突出していた弾性部材３２が軸方向に圧縮される。その結果、圧縮された弾性部材３２により生じる付勢力により円弧部材２１が切欠き３３の側面３５に向かう方向に付勢され、当該円弧部材２１が側面３５に押圧される。歪ゲージ２２が固定された円弧部材２１の底部２７を切欠き３３の側面３５に密接させることで、外輪１１に生じるアキシアル方向の歪を精度よく検出することができる。

〔その他の変形例〕
以上のとおり開示した実施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。
例えば、前述した実施形態では、センサアッシーを構成する円弧部材に歪ゲージを搭載しているが、かかる歪ゲージ以外に、例えば温度センサや振動センサを搭載してもよい。これにより、歪だけでなく温度や振動を含む複合的な情報を得ることができ、軸受を用いた機械設備の故障予知の精度を向上させることができる。
特に、歪ゲージとともに温度センサを用いる場合、当該温度センサの検知結果から、歪ゲージにより得られる歪に温度補正をかけることができ、歪検知の精度を向上させることができる。

また、前述した実施形態では、歪ゲージを搭載する円弧部材２１の数は１であるが、複数の円弧部材を用いることもできる。
また、前述した実施形態では、歪ゲージを搭載した円弧部材を外輪に形成された環状溝に配設しているが、かかる円弧部材を省略して、歪ゲージを環状溝の側面に接着剤等を用いて直接に固定することもできる。この場合、歪ゲージが本発明における「センサ」を構成する。
また、前述した実施形態では、外輪の内周面に環状溝又は環状切欠きを形成しているが、かかる環状溝又は環状切欠きを内輪の外周面に形成することもできる。

１：センサ付き軸受装置 １０：軸受 １１：外輪
１２：内輪 １３：玉（転動体） １４：保持器
１５：環状溝 １６：側面 １７：テーパ面
２０：センサアッシー ２１：円弧部材 ２２：歪ゲージ
２３：孔 ２４：リード線 ２５：溝
２６：Ｃ型止め輪 ３１：センサ付き軸受装置
３２：弾性部材 ３３：切欠き ３４：外輪間座
３５：側面 Ｒ：外径 Ｐ：接触点
ｒ：径

Claims (6)

1. 外輪、前記外輪の径方向内側に配設される内輪、及び前記外輪と前記内輪との間の環状空間に転動自在に配設される複数の転動体を有する軸受と、前記軸受の歪を検出するためのセンサとを備えたセンサ付き軸受装置であって、
   前記外輪及び前記内輪の一方は、当該外輪の内周面又は当該内輪の外周面に形成された環状溝を有し、
   前記環状溝は、前記軸受の内方側に側面を有し、
   前記センサは、前記側面に設置されてなる、ことを特徴とするセンサ付き軸受装置。
2. 外輪、前記外輪の径方向内側に配設される内輪、及び前記外輪と前記内輪との間の環状空間に転動自在に配設される複数の転動体を有する軸受と、前記軸受の歪を検出するためのセンサとを備えたセンサ付き軸受装置であって、
   前記外輪及び前記内輪の一方は、当該外輪の内周面又は当該内輪の外周面に形成された環状切欠きを有し、
   前記センサは、前記環状切欠きの側面に設置されてなる、ことを特徴とするセンサ付き軸受装置。
3. 前記センサは、前記環状溝又は環状切欠き内に配設される断面コの字状の円弧部材と、前記円弧部材の底面に固定される歪ゲージとを備えたセンサアッシーである、請求項１又は請求項２に記載のセンサ付き軸受装置。
4. 前記センサ付き軸受装置は、さらに付勢部材を有し、
   前記センサは、前記付勢部材によって前記側面に向かって付勢された状態で設置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受装置。
5. 前記軸受は、アンギュラ玉軸受であり、
   前記環状溝又は環状切欠きは、前記外輪の大端側の内周面に形成されてなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受装置。
6. 前記環状溝又は環状切欠きの外径は、前記アンギュラ玉軸受の接触角を規定する、前記転動体と外輪軌道との接触点の径よりも大きい、請求項５に記載のセンサ付き軸受装置。
   

Images