JP2022156275A - 軸受装置、スピンドル装置、および電動垂直離着陸機 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受の予圧荷重を正確に検出し、軸受の状態を推定することが可能な軸受装置、スピンドル装置、および電動垂直離着陸機を提供する。【解決手段】軸受装置３０は、軸受５ａの内輪５ｉａ、軸受５ｂの内輪５ｉｂ、および内輪間座６ｉで構成される内側部材と、軸受５ａの外輪５ｇａ、軸受５ｂの外輪５ｇｂ、および外輪間座６ｇで構成される外側部材とのうちいずれか一方が、軸受５ａおよび軸受５ｂを固定する固定部に固定されて固定輪および固定側間座が形成され、他方が軸受装置３０の主軸４を支持して回転する回転輪および回転側間座が形成される。軸受装置３０は、固定輪または固定側間座に配置され、固定輪と固定側間座との間に発生する予圧荷重を検出する少なくとも１つの予圧検出センサ５０と、少なくとも１つの予圧検出センサ５０の信号から軸受５ａおよび軸受５ｂの状態を推定する制御装置と、をさらに備える。【選択図】図２

Description

本開示は、軸受装置、スピンドル装置、および電動垂直離着陸機に関する。

軸受装置が設けられた各種装置では、装置の高剛性化が求められるとともに、装置の状態を監視する要求がある。

特開２０１９－１９０９４３号公報（特許文献１）には、回転体を支持する軸受の疲労状態を予測するシステムとして、偏角が生じた場合でも転がり軸受の寿命を含む疲労状態を正確に予測するシステムが開示されている。特許文献１の疲労状態予測システムでは、疲労状態を予測するために軸受に加わる荷重と偏角を計算しており、回転機械がモータの場合であればモータ電力、回転数、回転速度等の情報から疲労状態を予測している。

特開２０１０－４３９０１号公報（特許文献２）には、車輪用軸受の内外部材のうち固定側部材の外径面に歪を検出するセンサユニットを１８０度の位相差をなす位置に２つ配置する車両用軸受が開示されている。特許文献２の車両用軸受では、各センサユニットから得られる出力信号の大きさから車輪用軸受に入力される荷重の大きさを推定し、各センサユニットから得られる出力信号の振幅から車輪用軸受に入力される荷重の方向を推定する技術が開示されている。

特開２０２０－３３８５号公報（特許文献３）には、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の間に間座を介在させた軸受装置において、軸受の静止輪の端面と間座端面との間に予圧センサを配置することで、軸受の予圧変化を検出する技術が開示されている。

特開２０１９－１９０９４３号公報 特開２０１０－４３９０１号公報 特開２０２０－３３８５号公報

特許文献１では、軸受の疲労状態を予測するために回転機械の発電量またはモータ電力を使用して、軸受への荷重を算出している。特許文献１では、複雑な系で回転体を軸受によって支持する場合、荷重の算出精度は低下し、軸受の疲労状態を精度良く予測することは困難となる。特許文献１では、複数の計測値の情報（モータ電力、回転速度、回転回数）の具体的な取得方法は、言及していない。

特許文献２では、車輪用軸受の固定側部材の外径面に歪を検出するセンサユニットを配置している。特許文献２では、剛性の高い部材では歪の発生量が小さいことが想定され、小さな荷重の正確な検出は困難である。

特許文献３では、予圧センサに加わる荷重を検出する軸受装置の構造について言及しているが、正確な予圧荷重を算出するための推定方法については言及していない。

本開示は、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、剛性の高い材質であっても軸受の予圧荷重を正確に検出し、軸受の状態を推定することが可能な軸受装置、スピンドル装置、および電動垂直離着陸機を提供することである。

本開示は、第１軸受と第２軸受とを備える軸受装置に関する。第１軸受および第２軸受の各々は、外輪と、内輪と、外輪と内輪との間に配置される複数の転動体と、複数の転動体を保持する保持器と、を含む。軸受装置は、第１軸受の内輪と第２軸受の内輪との間に配置される内輪間座と、第１軸受の外輪と第２軸受の外輪との間に配置される外輪間座と、をさらに備える。第１軸受および第２軸受は、第１軸受および第２軸受に予圧が印加されることにより軸受装置に支持される。軸受装置は、第１軸受の内輪、第２軸受の内輪、および内輪間座で構成される内側部材と、第１軸受の外輪、第２軸受の外輪、および外輪間座で構成される外側部材とのうちいずれか一方が、第１軸受および第２軸受を固定する固定部に固定されて固定輪および固定側間座が形成され、他方が軸受装置の主軸を支持して回転する回転輪および回転側間座が形成される。軸受装置は、固定輪または固定側間座に配置され、固定輪と固定側間座との間に発生する予圧荷重を検出する少なくとも１つの予圧検出センサと、少なくとも１つの予圧検出センサの信号から第１軸受および第２軸受の状態を推定する推定装置と、をさらに備える。

本開示によれば、剛性の高い材質であっても軸受の予圧荷重を正確に検出し、軸受の状態を正確に推定することができる軸受装置、スピンドル装置、および電動垂直離着陸機を実現することができる。

実施の形態１のスピンドル装置の概略構成を示す断面図である。 軸受装置の概略構成を示す図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ部分における予圧検出センサの配置を示す図である。 図３のＩＶ－ＩＶ断面における断面図である。 図４のＶ方向から見た正面図である。 スピンドル装置と制御装置との位置関係を示す図である。 制御装置の一例を示すブロック図である。 制御装置が実行する処理を示すフローチャートである。 予圧検出センサの出力波形図である。 ハイパスフィルタ設定後の出力波形図である。 ローパスフィルタ設定後の出力波形図である。 実施の形態２の軸受装置の概略構成を示す図である。 実施の形態３の予圧検出センサの配置の一例を示す図である。 実施の形態４の軸受装置の概略構成を示す図である。 軸受装置が搭載される電動垂直離着陸機の斜視図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本開示の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。実施の形態における構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されている。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１のスピンドル装置１の概略構成を示す断面図である。図２は、軸受装置３０の概略構成を示す図である。図１に示すスピンドル装置１は、例えば、工作機械のビルトインモータ方式のスピンドル装置として使用される。この場合、工作機械主軸用のスピンドル装置１で支持されている主軸４の一端側には、モータ４０が組み込まれ、他端側には、図示しないエンドミル等の切削工具が接続される。

スピンドル装置１は、軸受装置３０と、主軸４と、モータ４０と、モータ４０の後方に配置される軸受１６とを備える。軸受装置３０は、軸受５ａ，５ｂを含む軸受５と、軸受５ａ，５ｂに隣接して配置される間座６とを含む。主軸４は、外筒２の内径部に埋設されたハウジング３に設けた複数の軸受５ａ，５ｂによって回転自在に支持される。

図２に示すように、第１軸受としての軸受５ａは、内輪５ｉａと、外輪５ｇａと、転動体Ｔａと、保持器Ｒｔａとを含む。第２軸受としての軸受５ｂは、内輪５ｉｂと、外輪５ｇｂと、転動体Ｔｂと、保持器Ｒｔｂとを含む。間座６は、内輪間座６ｉと、外輪間座６ｇとを含む。

軸受装置３０は、予圧検出センサ５０を含む。予圧検出センサ５０は、外輪５ｇａおよび外輪間座６ｇに当接してはさまれるように配置される複数の予圧検出センサ５０ａ、５０ｂを含む。予圧検出センサ５０は、当接する外輪５ｇａおよび外輪間座６ｇのうちどちらの部材に固定されていてもよく、その固定方法は接着が一般的だが、これに限定されない。

主軸４には、軸方向に離隔した軸受５ａの内輪５ｉａおよび軸受５ｂの内輪５ｉｂが締まり嵌めで嵌合されている。内輪５ｉａ－５ｉｂ間には、内輪間座６ｉが配置され、外輪５ｇａ－５ｇｂ間には、外輪間座６ｇが配置されている。

軸受５ａは、内輪５ｉａと外輪５ｇａとの間に複数の転動体Ｔａを配置した転がり軸受である。これら転動体Ｔａは、保持器Ｒｔａによって間隔が保持されている。軸受５ｂは、内輪５ｉｂと外輪５ｇｂとの間に複数の転動体Ｔｂを配置した転がり軸受である。これら転動体Ｔｂは、保持器Ｒｔｂによって間隔が保持されている。

軸受５ａ，５ｂは、軸方向の力で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を用いることができる。図２に示す軸受装置３０には、アンギュラ玉軸受が用いられ、２個の軸受５ａ，５ｂが背面組み合わせ（ＤＢ組み合わせ）で設置されている。

実施の形態１においては、３つの軸受５ａ，５ｂ、１６で主軸４を支持する構造を例示して説明するが、２つまたは４つ以上の軸受で主軸４を支持する構造であってもよい。

単列の転がり軸受１６は、円筒ころ軸受である。アンギュラ玉軸受である軸受５ａ，５ｂは、スピンドル装置１に作用するラジアル方向の荷重およびアキシアル方向の荷重を支持する。円筒ころ軸受である単列の軸受１６は、工作機械主軸用のスピンドル装置１に作用するラジアル方向の荷重を支持する。

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５ａ，５ｂを冷却することができる。

軸受５ａ，５ｂとしてグリース潤滑の軸受を用いた場合には、潤滑油供給路は不要であるが、エアオイル潤滑等の潤滑が必要な場合には、外輪間座６ｇに潤滑油供給路が設けられる。なお、ここでは潤滑油供給路は図示しない。

組立時には、初めに主軸４に対して軸受５ａ、間座６、軸受５ｂ、間座９が順に挿入され、ナット１０を締めることによって初期予圧が与えられる。ナット１０を締め付けることにより間座９を介して軸受５ｂの内輪５ｉｂの端面に力が作用し、内輪５ｉｂが内輪間座６ｉに向けて押される。この力は、内輪５ｉｂ、転動体Ｔｂ、外輪５ｇｂと伝わり内輪５ｉｂおよび外輪５ｇｂの軌道面と転動体Ｔｂとの間に予圧を与えるとともに、外輪５ｇｂから外輪間座６ｇにも伝わる。右側の外輪５ｇｂから外輪間座６ｇに押す力が作用し、予圧検出センサ５０にも力が伝わる。

この力は、軸受５ａにおいて、外輪５ｇａ、転動体Ｔａ、内輪５ｉａへと伝わり、左側の軸受５ａの内輪５ｉａおよび外輪５ｇａの軌道面と転動体Ｔａとの間にも予圧を与える。軸受５ａ，５ｂに付与される予圧は、例えば、外輪間座６ｇと内輪間座６ｉの幅の寸法差によって制限される移動量によって定まる。

その後、軸受５ｂの外輪５ｇｂの右側がハウジング３に設けた段差部３ａに当たるまで軸受５ａ，５ｂが取り付けられた主軸４がハウジング３に挿入される。最後に、前蓋１２によって、軸受５ａの外輪５ｇａの端面５ｇａ２を押すことで主軸４がハウジング３に固定される。

単列の軸受１６は、内輪１６ａを、主軸４の外周に嵌合した筒状部材１５と内輪押さえ１９とにより軸方向に位置決めされている。内輪押さえ１９は、主軸４に螺着したナット２０により抜け止めされている。軸受１６の外輪１６ｂは、筒状部材１７に固定された位置決め部材２１と、位置決め部材１８とに挟まれている。内輪１６ａは、主軸４の伸縮に応じて一体的に筒状部材１７に対して摺動するようになっている。

主軸４と外筒２との間に形成される空間部２２における軸受５ａ，５ｂと単列の軸受１６とで挟まれた軸方向の中間位置には、主軸４を駆動するモータ４０が配置されている。モータ４０のロータ１４は、主軸４の外周に嵌合した筒状部材１５に固定され、モータ４０のステータ１３は、外筒２の内周部に固定されている。なお、モータ４０を冷却するための冷却媒体流路は、ここでは図示しない。

軸受５ａの内輪５ｉａ、軸受５ｂの内輪５ｉｂ、および内輪間座６ｉで構成される部材を内側部材と称する。軸受５ａの外輪５ｇａ、軸受５ｂの外輪５ｇｂ、および外輪間座６ｇで構成される部材を外側部材と称する。内側部材は、回転部としての主軸４を支持して回転輪および回転側間座となり、外側部材は、固定部としてのハウジング３に固定されて固定輪および固定側間座となる。

（予圧検出センサ５０について）
次に、予圧検出センサ５０について詳細に説明する。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ部分における予圧検出センサ５０の配置を示す図、図４は、図３のＩＶ－ＩＶ断面における断面図、図５は、図４のＶ方向から見た正面図である。なお、説明に不要な部品は省略している。

図３では、外輪５ｇａの端面５ｇａ１と外輪間座６ｇの端面６ｇａとの間に配置された予圧検出センサ５０の配置例が示されている。図３に示すように、外輪５ｇａおよび外輪間座６ｇの周方向に９０度等配で予圧検出センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄが配置される。

予圧検出センサ５０は、予圧検出センサ５０に加わる荷重に応じた信号を出力するものであり、例えば、荷重に応じて電気抵抗値が変化する性質を利用した感圧センサである。予圧検出センサ５０は、スピンドル装置１の剛性を著しく低下させることのない、高い剛性を有する感圧センサが望ましい。より具体的には、予圧検出センサ５０は、面圧の変化で抵抗が変化する金属薄膜パターン（金属薄膜抵抗体）で形成される感圧素子である。

図４、図５に示すように、予圧検出センサ５０は、例えば、絶縁性を有する基板５１上に、面圧の変化で抵抗が変化する金属薄膜パターン（金属薄膜抵抗体）５２と、それにつながる電極５３とを含む。金属薄膜パターン５２は、絶縁性を有する保護層５４により保護される。保護層５４は、電極５３上には形成されないため、電極５３に直接、配線を接続できる。電極５３の表面には、例えば、銅、銀、金などの被膜を設け、被膜により配線との半田付けを容易にしてもよい。

基板５１は、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ_２）またはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分にしたセラミック材料を使用する。セラミック材料は、高剛性で絶縁性が高く、基板５１の表面平坦度を精度良く加工することができ、好都合である。基板５１の厚さは、予圧検出センサ５０の薄型化と圧縮方向の強度とを確保する観点から、例えば、０．３ｍｍ以上、５ｍｍ以下とするのが好ましい。

金属薄膜パターン５２および電極５３は、例えば、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）、クロム（Ｃｒ）系材料からなり、蒸着またはスパッタリング等で成膜される。金属薄膜パターンの厚さは、例えば、１μｍ以下である。また、保護層５４は、絶縁性材料からなり、例えば、スパッタリング等でアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）または二酸化珪素（ＳｉＯ_２）の薄膜が形成される。保護層５４の膜厚は、例えば、２μｍ程度とされる。

金属薄膜パターン５２を形成する基板５１の上面は、その平坦度が１μｍ以下になるように研磨するとよい。基板５１の上面と下面との平行度は、１μｍ以下にするのが好ましい。

（制御装置７０について）
次に、制御装置７０について詳細に説明する。図６は、スピンドル装置１と制御装置７０との位置関係を示す図である。図７は、制御装置７０の一例を示すブロック図である。制御装置７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）機能とメモリ機能とを有し、予圧検出センサ５０等から得られる情報を演算処理する。制御装置７０は、演算処理結果から軸受５の状態を推定する推定装置としての機能を有する。

図６に示すように、工作機械１００において制御装置７０は、スピンドル装置１の外部に設けられている。これにより、制御装置７０がスピンドル装置１の振動を直接受けることを防ぎ、制御装置７０の耐久性を向上させることができる。

実施の形態では、剛性の高い材質であっても軸受の予圧荷重を正確に検出し、軸受の状態を推定することが可能な軸受装置３０、スピンドル装置１について説明する。高剛性の材質では歪の発生量が小さいため印加される荷重が小さい場合には正確な荷重の計測が難しい場合がある。軸受装置３０を有するスピンドル装置１は、軸受５と間座６との間に配置した予圧検出センサ５０の信号から軸受５の状態を推定することにより、剛性の高い材質であっても軸受の予圧荷重を正確に検出し、軸受の状態を推定することができる。

図７に示すように、制御装置７０は、出力波形計算部７１と、軸受状態推定部７２と、換算式記憶部７５と、軸受余寿命推定部７６とを備える。軸受状態推定部７２は、軸受予圧推定部７３と温度推定部７４とを含む。制御装置７０に入力される信号、出力される信号、および制御装置７０において実行される各種処理について説明する。

軸受装置３０は、軸受５と間座６とによって回転体を支持するものである。制御装置７０、軸受５と間座６との間に配置した予圧検出センサ５０により、軸受５と間座６との間に発生する荷重を検出する。具体的には、図２に示すように、軸受回転中に外輪５ｇａの軌道面５ｒａと転動体Ｔａとの接触面において、転動体Ｔａの通過にともない、外輪５ｇａが変形することで予圧検出センサ５０に荷重が印加される。

予圧検出センサ５０は、印加される荷重に応じて、電気抵抗値が変化する。実施の形態１においては、予圧検出センサ５０と３つの既知の抵抗値とでブリッジ回路を構成する。ブリッジ回路は、電気抵抗値の変化を電圧変化として制御装置７０に信号を出力する。出力信号は、作動アンプを用いることにより増幅して制御装置７０に入力してもよい。制御装置７０は、予圧検出センサ５０の出力信号から軸受３０の状態を推定する。

制御装置７０が実行する処理について、図８から図１１を用いて説明する。図８は、制御装置７０が実行する処理を示すフローチャートであり、図９は、予圧検出センサ５０の出力波形図であり、図１０は、ハイパスフィルタ設定後の出力波形図であり、図１１は、ローパスフィルタ設定後の出力波形図である。

図８に示すように、制御装置７０は、ステップＳ１において、予圧検出センサ５０の出力信号を取得する。予圧検出センサ５０の出力は、転動体Ｔａが予圧検出センサ５０の位置を通過するたびに変化する。制御装置７０は、予圧検出センサ５０に荷重が印加されることにより得られる出力信号を取得する。スピンドル装置１が回転し温度が一定で変化（昇温）している場合、予圧検出センサ５０から得られる出力波形は、図９のようなグラフとなる。

次いで、制御装置７０は、ステップＳ２において、固定輪の回転速度情報、軸受緒元に基づいてフィルタを設定する。具体的には、ステップＳ２において、制御装置７０の出力波形計算部７１は、回転速度８０と軸受諸元８１とからＨＰＦ（ハイパスフィルタ）とＬＰＦ（ローパスフィルタ）とを設定する。ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）とＬＰＦ（ローパスフィルタ）とは、出力波形計算部７１内に形成される。

次いで、制御装置７０は、ステップＳ３において、出力信号をフィルタにかける。具体的には、ステップＳ３において、制御装置７０の出力波形計算部７１は、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）で低周波成分を除去することで、出力信号から図１０に示す転動体通過周期成分である正弦波の変化による出力波形を抽出し、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）で高周波成分を除去することで、出力信号から図１１に示す転動体非通過周期成分である直線的な変化による出力波形を抽出する。

予圧検出センサ５０の出力信号を分離する方法として、センサ出力のある一定時間の間の変化の平均値を用いても良い。これによれば、ステップＳ２においてフィルタを形成する処理部を省略することができる。

（軸受状態推定部７２について）
次に、制御装置７０に含まれる軸受状態推定部７２が実行する処理について説明する。軸受状態推定部７２は、軸受予圧推定部７３と温度推定部７４とを含む。軸受状態推定部７２は、軸受予圧推定部７３における処理により軸受予圧荷重８２の値を出力し、温度推定部７４における処理により軸受温度８３の値を出力する。換算式記憶部７５は、あらかじめ実験や計算などによって取得した軸受予圧荷重８２に対する出力波形の変化を換算式として保存する。軸受状態推定部７２は、軸受予圧推定部７３において換算式を用いた処理を実行する。

換算式記憶部７５は、あらかじめ実験や計算などによって取得した軸受温度８３に対する出力波形の変化を換算式として保存する。軸受状態推定部７２は、温度推定部７４において換算式を用いた処理を実行する。軸受状態推定部７２は、軸受予圧推定部７３、温度推定部７４の処理結果から軸受状態を推定する。軸受予圧推定部７３および温度推定部７４において実行される処理について詳細に説明する。

（軸受予圧推定部７３について）
制御装置７０は、ステップＳ４において、図１０に示す転動体通過周期成分の出力波形と換算式とに基づき外部から印加させる軸受予圧荷重を推定する。図１０に示す転動体通過周期成分は、予圧検出センサ５０の直下の外輪５ｇａを転動体Ｔａが通過する際に、外輪５ｇａに加わる転動体荷重の変化が正弦波として検出される。

具体的に、図１０では、予圧検出センサ５０に印加される荷重が増加するにつれて、外輪５ｇａの変形も大きくなり、出力波形の最大値と出力波形の最小値の差は大きくなり、予圧検出センサ５０に印加される荷重が減少するにつれて、出力波形の最大値と出力波形の最小値の差は小さくなる。

換算式記憶部７５には、あらかじめ実験や計算などによって取得した軸受予圧荷重８２に対する出力波形の振幅の大きさの変化を換算係数あるいは近似式とした換算式が保存されている。軸受予圧推定部７３は、転動体通過周期成分の出力波形を換算式に入力することにより軸受予圧荷重８２を算出する。

例えば、印加される荷重と予圧検出センサ５０の出力が比例関係で変化する場合、ｙ＝Ａｘ＋Ｂという換算式が成り立つ。ＡとＢとは、あらかじめ実験や計算などによって取得した値である。ｘには図１０に示す出力波形の最大値と出力波形の最小値との差(ピークtoピーク)が入力され、印加される荷重がｙとして得られる。

（温度推定部７４について）
制御装置７０は、ステップＳ５において、図１１に示す転動体非通過周期成分の出力波形と換算式とに基づき軸受温度を推定する。図１１に示す転動体非通過周期成分では、温度変化によって外輪が５ｇａ膨張または収縮したときの、予圧検出センサ５０に加わる荷重と荷重センサの出力との関係が直線的な変化として検出される。

具体的に、図１１では、外輪５ｇａの温度変化に応じて、外輪５ｇａが軸方向に膨張または収縮することで、予圧検出センサ５０に加わる荷重に変化が発生する。外輪５ｇａの温度が一定の変化割合で昇温している場合、図１１に示すように、温度変化により予圧検出センサ５０に加わる荷重が増加するに連れて出力信号が増加するグラフとなる。

換算式記憶部７５には、あらかじめ実験や計算などによって取得した予圧検出センサの温度に対する出力波形の変化を換算係数あるいは近似式とした換算式が保存されている。温度推定部７４は、転動体非通過周期成分の出力波形を換算式に入力することにより軸受温度８３を算出する。

例えば、温度変化により予圧検出センサ５０に加わる荷重の出力変化と軸受温度が比例関係で変化する場合、ｙ＝Ａｘ＋Ｂという換算式が成り立つ。ＡとＢとは、あらかじめ実験や計算などによって取得した値である。ｘには図１１に示す予圧検出センサ５０の出力信号の値が入力され、軸受温度がｙとして得られる。

あらかじめ実験で換算係数あるいは近似式を算出する方法として、例えば、主軸４が非回転状態において、ヒータ等の熱源および温度測定機器を外輪５ｇａ、あるいは外輪間座６ｇに取り付けておき、温度変化させたときの温度測定値と予圧検出センサ５０の出力値を取得してもよい。

（軸受余寿命推定部７６について）
制御装置７０は、ステップＳ６において、軸受予圧荷重、軸受温度、固定輪の回転速度情報、軸受緒元に基づき、軸受余寿命、軸受交換時期を推定し、処理を終了する。制御装置７０に含まれる軸受余寿命推定部７６は、軸受予圧推定部７３で推定した軸受予圧荷重値、温度推定部７４で推定した軸受温度、回転速度８０、軸受諸元８１の情報を利用し演算することにより、軸受余寿命、軸受交換時期を推定する。

軸受余寿命推定部７６では、基本定格寿命を演算し、軸受余寿命を推定する。基本定格寿命は、軸受予圧推定部７３で推定した軸受予圧荷重８２、回転速度８０、軸受諸元８１から算出する。この時、運転時間から軸受の疲労状態を積算値として演算する。基本定格寿命の代替として、運転時間を取得し、軸受の疲労状態を推定してもよい。温度の情報から軸受の疲労状態を推定しても良いし、潤滑材の状態を推定する情報として利用してもよい。軸受余寿命推定部７６は、軸受交換時期８５を出力する機能を備えてもよい。

制御装置７０は、算出した予圧荷重（動等価荷重）、回転速度、軸受諸元より基本定格寿命Ｌ_１０（Ｌ_１０ｈ）を算出する。

Ｌ_１０＝（Ｃ／Ｐ）^ａ …（１）
Ｌ_１０ｈ＝（１０^６／６０ｎ）×（Ｃ／Ｐ）^ａ …（２）
上記において、Ｌ_１０は基本定格寿命（１０^６回転）、Ｌ_１０ｈは基本定格寿命（時間）、Ｃは基本動定格荷重、Ｐは動等価荷重、ｎは回転速度、ａは球軸受であれば３、ころ軸受であれば１０／３である。

基本動定格荷重Ｃは、軸受諸元より決定する。動等価荷重Ｐは、予圧検出センサ５０の出力より推定した値から決定する。回転速度ｎは、軸受外部に設けた回転速度検出機等から得られる回転速度の情報から決定する。

軸受の寿命は、上記の式（１）、（２）によって算出された結果と運転時間の積算値とから推定される。これにより、軸受に加わった荷重（動等価荷重）の履歴を利用し、軸受余寿命８４を推定することで、推定の精度を上げることができる。なお、軸受寿命に実験に基づく補正係数等を用いれば、推定精度を上げることができる。軸受余寿命推定部７６では、推定した軸受余寿命８４から軸受交換時期８５を算出する。

例えば、基本動定格荷重Ｃ１の軸受について、動等価荷重Ｐ、回転速度ｎ１の軸受予寿命８４を求める場合、式（２）からＬ_１０ｈ１が求められ、Ｌ_１０ｈ１と運転時間との差から、軸受予寿命８４が求められる。例えば、軸受交換時期８５は、軸受予寿命８４がある閾値以下になったとき、という運用とすればよい。閾値については、軸受型番ごとに決めるのが望ましい。

制御装置７０は、予圧検出センサ５０、回転速度８０、軸受諸元８１等の情報から図８の処理を実行することにより軸受予圧荷重８２、軸受温度８３、軸受余寿命８４、軸受交換時期８５を出力することが可能となる。予圧検出センサ５０は、高い剛性を有する感圧センサであるため剛性の高い材質の荷重についても正確に信号を出力することができる。このため、軸受装置３０は、剛性の高い材質においても軸受の予圧荷重を正確に検出し、軸受の状態を正確に推定することができる。

［実施の形態２］
図１２は、実施の形態２の軸受装置３０Ａの概略構成を示す図である。実施の形態２の軸受装置３０Ａは、実施の形態１の軸受装置３０と比較し、予圧検出センサ５０の位置が異なる。

図１２に示すように、予圧検出センサ５０は、外輪間座６ｇを軸方向に２分割した一方の外輪間座６ｇ１の端面６ｇ１ａと、他方の外輪間座６ｇ２の端面６ｇ２ａとに当接するように配置される。

予圧検出センサ５０に当接する外輪間座６ｇ１の端面６ｇ１ａ、および予圧検出センサ５０を押圧する外輪間座６ｇ２の端面６ｇ２ａは、平坦度と面粗さ、およびこれら端面６ｇ１ａ、６ｇ２ａの平行度を基準値以下になるよう加工する必要がある。外輪間座６ｇ１と６ｇ２とは、分割可能であるためそれぞれ単体で精度良く加工することができる。

外輪間座６ｇ２の端面６ｇ２ａに図示しない凸面を設け、この凸面と予圧検出センサ５０とが当接するようにしてもよい。外輪間座６ｇ１の端面６ｇ１ａに図示しない凸面を設け、この凸面に予圧検出センサ５０を固定してもよい。２分割した外輪間座６ｇ１、６ｇ２が分離しないように、図示しないピンで位置合わせしてもよい。この場合、機械加工精度が求められる面積を小さくできるため、加工が容易になるとともに、加工時間を短縮することができる。

［実施の形態３］
図１３は、実施の形態３の予圧検出センサ５０の配置の一例を示す図である。実施の形態３の予圧検出センサ５０は、実施の形態１の予圧検出センサ５０と比較し、配置が異なる。

図１３では、外輪間座６ｇの周方向に１２０度等配で予圧検出センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃが配置される。予圧検出センサ５０の数は、予圧検出センサ５０を介して外輪５ｇａの端面５ｇａ１を均等にバランス良く押すことができればよく、３個以上が好ましい。予圧検出センサ５０は、ほぼ同一円周上に等間隔に配置するのが好ましい。

［実施の形態４］
図１４は、実施の形態４の軸受装置３０Ｂの概略構成を示す図である。実施の形態４の軸受装置３０Ｂは、実施の形態２の軸受装置３０Ａと比較し、制御装置７０の位置が異なる。

制御装置７０は、図１４に示すように、外輪間座６ｇ１に設けても良い。制御装置７０は、予圧検出センサ５０の傍で処理することで、ノイズの影響を受けにくく、処理の精度を向上させることができる。制御装置７０は、樹脂等の絶縁材２３で覆われる。これにより、外輪間座６ｇへの固定が強固になり、絶縁性を確保することができる。なお、制御装置７０は、外輪間座６ｇ２に設けても良い。

［電動垂直離着陸機の構成］
近年では、自動車に代わる移動手段として飛行可能な自動車、いわゆる空飛ぶクルマが注目されている。空飛ぶクルマは、地域内移動、地域間移動、観光・レジャー、救急医療、災害救助など、様々な場面での活用を期待されている。

空飛ぶクルマとして、垂直離着陸機（ＶＴＯＬ；Vertical Take-Off and Landing aircraft）が注目されている。垂直離着陸機は、空と離発着場とを垂直に昇降できることから、滑走路を必要とせず、利便性に優れる。特に、近年ではＣＯ₂の削減に向けた社会的要請などから、バッテリとモータとで飛行するタイプの電動垂直離着陸機（ｅＶＴＯＬ）が開発の主流となっている。

上記実施形態の軸受装置は、このような電動垂直離着陸機に搭載されてもよい。実施形態１における軸受装置３０が搭載された電動垂直離着陸機の構成を例に挙げて、図１５を用いて説明する。

図１５に示されるように、電動垂直離着陸機１０１は、機体中央に位置する本体部１０２と、前後左右に配置された４つの駆動部１０３とを有するマルチコプターである。駆動部１０３は、電動垂直離着陸機１０１の揚力および推進力を発生させる装置である。駆動部１０３の駆動によって電動垂直離着陸機１０１が飛行する。電動垂直離着陸機１０１において駆動部１０３は複数あればよく、４つに限定されない。

本体部１０２は乗員（たとえば１～２名程度）が搭乗可能な居住空間を有している。この居住空間には、進行方向や高度などを決めるための操作系や、高度、速度、飛行位置などを示す計器類などが設けられている。本体部１０２からは４本のアーム１０２ａがそれぞれ延び、各アーム１０２ａの先端に駆動部１０３が設けられている。アーム１０２ａには、回転翼１０４を保護するため、回転翼１０４の回転周囲を覆う円環部が一体に設けられている。また、本体部１０２の下部には、着陸時に機体を支えるスキッド１０２ｂが設けられている。

駆動部１０３は、上下１対の回転翼１０４と、該回転翼１０４を回転させるモータ装置１０５とを有している。駆動部１０３において、上下１対の回転翼１０４はモータ装置１０５を挟んで軸方向両側に設けられている。上下１対の回転翼１０４の各々は、径方向外側へ延びる２枚の羽根を有している。

本体部１０２には、バッテリ（図示省略）および制御装置（図示省略）が設けられている。制御装置はフライトコントローラとも呼ばれる。電動垂直離着陸機１０１の制御は、制御装置によって、たとえば以下のように実施される。制御装置が、現姿勢と目標姿勢との差から揚力を調整すべきモータ装置１０５に回転数変更の指令を出力する。その指令に基づいて、モータ装置１０５に備えられたアンプがバッテリからモータ装置１０５へ送る電力量を調整し、モータ装置１０５（および回転翼１０４）の回転数が変更される。また、モータ装置１０５の回転数の調整は、複数のモータ装置１０５に対して、同時に実施され、それによって機体の姿勢が決まる。

モータ装置１０５に対して実施の形態１の軸受装置３０に用いる場合、主軸４を回転軸として適用し、回転軸の一端側に上述の上側回転翼が取り付けられ、他端側にモータ装置１０５のロータ１４が取り付けられている。ロータ１４は、筒状部材１５に固定されたステータ１３に対向配置され、該ステータ１３に対して回転可能になる。なお、モータ装置１０５には、アウターロータ型のブラシレスモータまたはインナーロータ型のブラシレスモータの構成を採用することができる。

モータ装置１０５は、外筒２と、ハウジング３と、ロータ１４と、ステータ１３と、アンプ（図示省略）と、２個の軸受５ａ、５ｂとを有している。外筒２とハウジング３と間には冷却媒体流路が設けられている。この流路に冷却媒体を流すことにより、過度の温度上昇が防止される。外筒２およびハウジング３の材質は特に限定されず、たとえば鉄系材料、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などであってもよい。

また、実施の形態１のモータ装置１０５を軸受装置３０に用いる場合、軸受装置３０は、外筒２内で回転軸を回転自在に支持している。２個の軸受５ａ、５ｂの間には内輪間座６ｉおよび外輪間座６ｇが挿入され、外輪５ｇａ、５ｇｂおよび内輪５ｉａ、５ｉｂの各々に予圧が印加されている。

なお、駆動部における軸受構成は、他の構成であってもよい。図１５では、モータ装置１０５の回転軸と回転翼１０４の回転軸とが同一の回転軸であるが、モータ装置１０５の回転軸と回転翼１０４の回転軸とが伝達機構を介して接続された構成であってもよい。この場合、駆動部における回転軸を支持する軸受装置は、モータ装置１０５の回転軸を支持する軸受装置でもよく、回転翼の回転軸を支持する軸受装置でもよい。

（まとめ）
本開示は、第１軸受としての軸受５ａと第２軸受としての軸受５ｂとを備える軸受装置３０である。軸受装置３０は、外輪５ｇａ、５ｇｂと、内輪５ｉａ、５ｉｂと、外輪５ｇａ、５ｇｂと内輪５ｉａ、５ｉｂとの間に配置される複数の転動体Ｔａ、Ｔｂと、複数の転動体Ｔａ、Ｔｂを保持する保持器Ｒｔａ、Ｒｔｂと、を含む。軸受装置３０は、軸受５ａの内輪５ｉａと軸受５ｂの内輪５ｉｂとの間に配置される内輪間座６ｉと、軸受５ａの外輪５ｇａと軸受５ｂの外輪５ｇｂとの間に配置される外輪間座６ｇと、をさらに備える。軸受５ａおよび軸受５ｂは、軸受５ａおよび軸受５ｂに予圧が印加されることにより軸受装置３０に支持される。軸受装置３０は、軸受５ａの内輪５ｉａ、軸受５ｂの内輪５ｉｂ、および内輪間座６ｉで構成される内側部材と、軸受５ａの外輪５ｇａ、軸受５ｂの外輪５ｇｂ、および外輪間座６ｇで構成される外側部材とのうちいずれか一方が、軸受５ａおよび軸受５ｂを固定する固定部に固定されて固定輪および固定側間座が形成され、他方が軸受装置３０の主軸４を支持して回転する回転輪および回転側間座が形成される。軸受装置３０は、固定輪または固定側間座に配置され、固定輪と固定側間座との間に発生する予圧荷重を検出する少なくとも１つの予圧検出センサ５０と、少なくとも１つの予圧検出センサ５０の信号から軸受５ａおよび軸受５ｂの状態を推定する制御装置７０と、をさらに備える。

このような構成を備えることによって、軸受装置３０は、剛性の高い材質であっても軸受の予圧荷重を正確に検出し、軸受の状態を正確に推定することができる。

好ましくは、少なくとも１つの予圧検出センサ５０は、複数の予圧検出センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを含み、複数の予圧検出センサ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄは、固定輪または固定側間座のいずれか一方の周方向に配置されている。

このような構成を備えることによって、軸受装置３０は、予圧検出センサ５０に加わる荷重を正確に検出することができる。

好ましくは、少なくとも１つの予圧検出センサ５０は、荷重により電気抵抗値が変化し、制御装置７０は、変化した電気抵抗値を用いて予圧荷重を推定する。

このような構成を備えることによって、軸受装置３０は、剛性の高い材質であっても予圧検出センサ５０が検出した値から軸受に加わる荷重を正確に検出することができる。

好ましくは、固定側間座は、外輪間座６ｇである。
このような構成を備えることによって、軸受装置３０は、外輪間座６ｇ部分に加わる荷重を正確に検出することができる。

好ましくは、制御装置７０は、回転輪の回転速度情報と、軸受諸元と、少なくとも１つの予圧検出センサ５０の出力信号とを演算処理し、演算処理の処理結果を換算する換算式に処理結果を入力し、換算式で換算された結果から固定輪の状態を推定する。

このような構成を備えることによって、軸受装置３０は、剛性の高い材質であっても軸受の予圧荷重を正確に検出し、軸受の状態を正確に推定することができる。

好ましくは、制御装置７０は、回転速度情報と軸受緒元とからフィルタを設定し、出力信号をフィルタにかけることにより、出力信号から、複数の転動体Ｔａの回転成分である転動体通過周期成分と、転動体通過周期成分以外の転動体非通過周期成分とを抽出する。

このような構成を備えることによって、軸受装置３０は、出力信号を転動体通過周期成分と、転動体非通過周期成分とに分けることができる。

好ましくは、制御装置７０は、転動体通過周期成分を換算式に入力することにより軸受５ａおよび軸受５ｂに印加される予圧荷重を推定し、転動体非通過周期成分を換算式に入力することにより軸受５ａおよび軸受５ｂの温度を推定する。

このような構成を備えることによって、軸受装置３０は、軸受５ａおよび軸受５ｂに印加される予圧荷重および温度を推定することができる。

好ましくは、制御装置７０は、回転速度情報と、軸受諸元と、制御装置７０の推定結果とから軸受余寿命および軸受交換時期を推定する。

このような構成を備えることによって、軸受装置３０は、軸受余寿命および軸受交換時期を推定することができる。

好ましくは、軸受装置３０は、スピンドル装置１に適用してもよい。
このような構成を備えることによって、スピンドル装置１が剛性の高い材質であっても軸受の予圧荷重を正確に検出し、軸受の状態を正確に推定することができる。

好ましくは、軸受装置３０は、軸受装置３０により回転可能に支持された回転翼１０４を備え、回転翼１０４の回転により飛行する、電動垂直離着陸機１０１に適用してもよい。

このような構成を備えることによって、電動垂直離着陸機１０１が剛性の高い材質であっても軸受の予圧荷重を正確に検出し、軸受の状態を正確に推定することができる。

（変形例）
上記実施の形態では、外輪５ｇａおよび外輪間座６ｇが固定部に固定されて固定輪および固定側間座となり、内輪５ｉａおよび内輪間座６ｉが回転部を支持して回転する回転輪および回転側間座となっていた。しかし、内輪５ｉａおよび内輪間座６ｉが固定部に固定されて固定輪および固定側間座となり、外輪５ｇａおよび外輪間座６ｇが回転部を支持して回転する回転輪および回転側間座となってもよい。この場合、予圧検出センサ５０は、内輪５ｉａまたは内輪間座６ｉに配置すればよい。

予圧検出センサ５０は、軸受５ａの外輪５ｇａおよび外輪間座６ｇに当接してはさまれるように配置されているが、軸受５ｂの外輪５ｇｂおよび外輪間座６ｇに当接してはさまれるように配置されてもよい。予圧検出センサ５０は、軸受５ａの外輪５ｇａおよび外輪間座６ｇに当接してはさまれるとともに、軸受５ｂの外輪５ｇｂおよび外輪間座６ｇに当接してはさまれるように配置されてもよい。

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。本開示の範囲は、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 スピンドル装置、２ 外筒、３ ハウジング、４ 主軸、５，５ａ，５ｂ 軸受、５ｇａ，５ｇｂ 外輪、５ｉａ，５ｉｂ 内輪、６ 間座、６ｇ 外輪間座、６ｉ 内輪間座、１３ ステータ、１４ ロータ、３０ 軸受装置、４０ モータ、５０ 予圧検出センサ、５１ 基板、５２ 金属薄膜パターン、５３ 電極、５４ 保護層、７０ 制御装置、７１ 出力波形計算部、７２ 軸受状態推定部、７３ 軸受予圧推定部、７４ 温度推定部、７５ 換算式記憶部、７６ 軸受余寿命推定部、８０ 回転速度、８１ 軸受諸元、８２ 軸受予圧荷重、８３ 軸受温度、８４ 軸受余寿命、８５ 軸受交換時期、１００ 工作機械、１０１ 電動垂直離着陸機、Ｒｔａ，Ｒｔｂ 保持器、Ｔａ，Ｔｂ 転動体。

Claims (10)

1. 第１軸受と第２軸受とを備える軸受装置であって、
   前記第１軸受および前記第２軸受の各々は、
   外輪と、
   内輪と、
   前記外輪と前記内輪との間に配置される複数の転動体と、
   前記複数の転動体を保持する保持器と、を含み、
   前記軸受装置は、
   前記第１軸受の内輪と前記第２軸受の内輪との間に配置される内輪間座と、
   前記第１軸受の外輪と前記第２軸受の外輪との間に配置される外輪間座と、をさらに備え、
   前記第１軸受および前記第２軸受は、前記第１軸受および前記第２軸受に予圧が印加されることにより前記軸受装置に支持され、
   前記第１軸受の内輪、前記第２軸受の内輪、および前記内輪間座で構成される内側部材と、前記第１軸受の外輪、前記第２軸受の外輪、および前記外輪間座で構成される外側部材とのうちいずれか一方が、前記第１軸受および前記第２軸受を固定する固定部に固定されて固定輪および固定側間座が形成され、他方が前記軸受装置の主軸を支持して回転する回転輪および回転側間座が形成され、
   前記軸受装置は、
   前記固定輪または前記固定側間座に配置され、前記固定輪と前記固定側間座との間に発生する予圧荷重を検出する少なくとも１つの予圧検出センサと、
   前記少なくとも１つの予圧検出センサの信号から前記第１軸受および前記第２軸受の状態を推定する推定装置と、をさらに備える、軸受装置。
2. 前記少なくとも１つの予圧検出センサは、複数の予圧検出センサを含み、
   前記複数の予圧検出センサは、前記固定輪または前記固定側間座のいずれか一方の周方向に配置されている、請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記少なくとも１つの予圧検出センサは、荷重により電気抵抗値が変化し、
   前記推定装置は、変化した電気抵抗値を用いて予圧荷重を推定する、請求項１または請求項２に記載の軸受装置。
4. 前記固定側間座は、前記外輪間座である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の軸受装置。
5. 前記推定装置は、
   前記回転輪の回転速度情報と、軸受諸元と、前記少なくとも１つの予圧検出センサの出力信号とを演算処理し、
   前記演算処理の処理結果を換算する換算式に前記処理結果を入力し、
   前記換算式で換算された結果から前記固定輪の状態を推定する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の軸受装置。
6. 前記推定装置は、
   前記回転速度情報と前記軸受緒元とからフィルタを設定し、
   前記出力信号を前記フィルタにかけることにより、前記出力信号から、前記複数の転動体の回転成分である第１成分と、前記第１成分以外の第２成分とを抽出する、請求項５に記載の軸受装置。
7. 前記推定装置は、
   前記第１成分を前記換算式に入力することにより前記第１軸受および前記第２軸受に印加される予圧荷重を推定し、
   前記第２成分を前記換算式に入力することにより前記第１軸受および前記第２軸受の温度を推定する、請求項６に記載の軸受装置。
8. 前記推定装置は、前記回転速度情報と、前記軸受諸元と、前記推定装置の推定結果とから軸受余寿命および軸受交換時期を推定する、請求項７に記載の軸受装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の軸受装置を備える、スピンドル装置。
10. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の軸受装置と、
    前記軸受装置により回転可能に支持された回転翼と、を備え、
    前記回転翼の回転により飛行する、電動垂直離着陸機。

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