JP4039070B2

JP4039070B2 - センサ付軸受装置

Info

Publication number: JP4039070B2
Application number: JP2002028412A
Authority: JP
Inventors: 郁紀坂谷; 茂遠藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2022-02-05
Also published as: JP2003227526A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両などの移動体の軸受装置やギヤボックスなど、あるいは、産業機械や音響、情報、映像機器など精密機器などに使用されるセンサ付軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に示すような回転軸を支持する軸受装置５１は、回転精度や耐久性など高い信頼性が要求されることが多い。このような軸受装置５１は、運転状態を監視するために、センサ５２が取付けられ、運転中に変化する温度や振動などが計測される。センサ５２は、温度や振動を検出する検出部５３を備えている。そして、これらの検出部５３は、信号線５４で温度や振動の情報を出力するため、図６のように計測の対象となる軸受５５を保持するハウジング５６などに取付けられるか、軸受の外表面に取付けられる。信号線５４は、温度や振動の情報を計測する計測装置５７まで配線される。計測装置５７は、検出部５３によって得られた情報を処理して記録計５８に記録したり、処理された情報を基に軸受装置５１の健全性を評価したり、必要に応じて警報装置５９などを作動させたりする。また、電力を必要とする検出部５３には、別途電力を供給するための電線を電源から配線する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、軸受装置の熱や振動は、軸受の回転輪及び固定輪と転動体との転接面において発生する。よって、軸受装置の内部で発生している熱や振動を直接測定することはできなかった。
【０００４】
センサは、軸受やハウジングを伝わってきた温度や振動を計測することとなる。したがって、従来の方法では、伝わってきた温度や振動を検出するため、検出の応答性が悪い。そして、実際に熱や振動が発生している部位の温度や振動は、計測された温度や振動と経験則を基に解析することによって求めなければならない。
【０００５】
また、保持器など温度や振動の発生源がセンサの検出部から離れるとともに、伝わる経路が変わることによって、検出できる信号の信頼性が低下する。そのため、熱や振動の発生源を予め予測してセンサを取付けなければ、信頼性の高い計測ができないとともに、熱や振動の発生源を特定することが難しい。
【０００６】
各検出部は、検出した情報を信号線で出力するので、取付け可能な場所が限られる。また、頻繁に着脱が行われる軸受装置に取付けられるセンサは、軸受装置とともに着脱されることとなる。したがって、軸受装置の着脱の度に信号線を配線し直さなければならず、着脱を繰返すうちに信号線を破損する可能性がある。
【０００７】
さらに、外部電源を必要とするセンサを取付ける場合は、電力を供給するケーブルを信号線とともに配線しなければならない。そして、このケーブルも信号線と同様に、軸受装置の着脱の度に配線し直さなければならなくなる。
【０００８】
そこで、本発明は、取付け場所の制約の少ないセンサを備えることで、汎用性に優れたセンサ付軸受装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるセンサ付軸受装置は、固定輪と、回転輪と、固定輪及び回転輪のそれぞれに転接する複数の転動体と、これらの転動体の間隔を所定の間隔に保つ保持器とを有する軸受に、球状に形成されたシリコン半導体製のセンサベースと、このセンサベースの表面の一部に巻き付けられたコイルと、センサベースの表面にエッチングで形成されたセンサ回路とを有するセンサを少なくとも１つ備え、このセンサは絶縁性の保護膜で覆われている。前記センサベースは、中空の球状に形成されたシェルであり、前記シェルの中空空間には、ターゲットボールが配置されており、前記シェルの内面には、電極が設けられており、前記センサ回路は、前記電極に電場をかけることで前記ターゲットボールを前記シェルの中に浮遊させる制御回路と、前記電極と前記ターゲットボールの間の電圧を検出する検出回路とを有し、前記電極に電場をかけることにより前記ターゲットボールを前記シェルの中空空間に浮遊する状態で保持するとともに、前記ターゲットボールを浮遊させる電圧の変化を検出して振動を検出する。
【００１１】
本発明の一つの形態によれば、前記シェルの内面には、多数の電極が設けられており、振動の変化により前記ターゲットボールを浮遊させるために必要となる電圧が各電極毎に異なって変化する。
【００１２】
本発明の一つの形態によれば、前記センサ回路は、電磁波を受信する受信回路と、前記受信回路で受信された電磁波を電力に変換する発電回路と、検出した信号を電波で送信する送信回路とを有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態のセンサ付軸受装置１について、図１から図３を参照して説明する。図１に示すセンサ付軸受装置１は、ハウジング２と、このハウジング２に固定された２つの軸受３とを備えている。軸受３は、ハウジング２に固定される固定輪としての外輪４と、回転する軸が挿入されてこの軸とともに回転する回転輪としての内輪５と、複数の転動体６と、保持器７と、外輪４に支持されたシールド８とを備えている。転動体６は、外輪４と内輪５のそれぞれに転接し、回転する周方向に対して等配になるように保持器７によって互いの間隔を保持されている。保持器７は、図２に示すように軸受２の周方向に沿って環状に形成されており、転動体６と遊嵌する孔７ａが設けられている。また、保持器７は、外周面７ｂから有底の穴７ｃが設けられており、センサ９が接着剤などで埋設されている。シールド８は、電磁波や電波を遮蔽しない材質、例えば、合成樹脂などがよい。
【００１４】
なお、センサ９は、図２に示すように転動体６に対してセンサ付軸受装置１の回転中心軸に沿う方向に配置されてもよいし、転動体６に対してセンサ付軸受装置１の回転中心軸の回転方向、すなわち、転動体６と転動体６の間に配置してもよい。また、センサ９を複数設けてもよい。
【００１５】
センサ９は、半導体、例えばシリコン製であり、図３に示すように球状に形成されている。センサ９の表面９ａには、センサ回路１０がエッチングなどにより形成されている。センサ回路１０は、受信回路１１と、発電回路１２と、検出回路１３と、制御回路１４と、送信回路１５とを備えている。また、センサ９の表面９ａに沿って、大円を含む範囲に送受信用のアンテナとして機能するコイル１６が巻き付けられている。また、センサ９は、センサ回路１０とコイル１６を保護するために、樹脂など絶縁性の保護膜１７で覆う。なお、コイル１６は、エッチングなどでセンサ９の表面９ａに直接形成してもよい。
【００１６】
受信回路１１は、コイル１６と接続され、電磁波Ｅや指令信号の電波Ｒを受信し、それぞれを分波する。発電回路１２は、コイル１６から受信された電磁波Ｅを利用して発電し、各回路１１，１３，１４，１５に電力を供給する。検出回路１３は、検出対象を検出するための回路、具体的には、トランジスタのベースエミッタ間の順方向ｐｎ接合電圧が温度によって変化することを応用した温度検出回路などを備えている。制御回路１４は、検出回路１３で検出された信号を処理するともに、処理した信号を送信回路１５に出力する。送信回路１５は、制御回路１４から出力された信号に基いてコイル１６から電波Ｒを送信する。また、送信回路１５は、検出回路１３で検出された信号をそのまま電波Ｒに変換して出力してもよい。なお、受信回路１１と送信回路１５は、電磁波Ｅや指令信号の電波Ｒを受信する機能と、出力信号としての電波Ｒを送信する機能とをともに備えた送受信回路としてもよい。また、受信回路１１は、電磁波Ｅを受信する電磁波受信回路と指令信号を受信する電波受信回路に分けてもよい。また、コイル１６についても、電磁波Ｅを受信する電磁波用コイルと電波Ｒを送受信する電波用コイルとに分けて設けてもよいし、受信用と送信用、あるいは、電磁波受信用と電波受信用と電波送信用に分けて設けてもよい。
【００１７】
センサ付軸受装置１と離れた位置には、制御装置１８を設ける。制御装置１８は、電磁波送信装置１９と、監視装置２０と、警報装置２１とを備えている。電磁波送信装置１９は、センサ９が発電に利用する電磁波Ｅを送信する。監視装置２０は、センサ９の送信回路１５によって送信された信号を受信し、評価するとともに、受信した信号を記録する。また、監視装置２０は、センサ９に対して指令信号の電波Ｒを送信し、センサ９に出力信号としての電波Ｒを出力させることができる。そして、評価した信号が各センサに対して予め設定された閾値を超える場合、監視装置２０は、警報装置２１を作動させる。警報装置２１は、予め各センサに対して設定された閾値を超える信号が検出されたことをリレー回路などによって表示や音などで利用者に報知する。このとき、必要に応じて、センサ付軸受装置１が組み込まれた機械や装置を停止させてもよい。
【００１８】
なお、制御装置１８は、同時に複数のセンサ付軸受装置、及びこのセンサ付軸受装置に搭載される複数のセンサに対応することで、より高度で複合的な監視を行うことが可能である。また、センサ９との無線通信用に監視装置２０が備える電波Ｒの送受信機能を電磁波送信装置１９の電磁波Ｅの送信機能と組み合わせて、電磁波送受信装置としてもよい。
【００１９】
次に、センサ付軸受装置１の動作について説明する。センサ付軸受装置１は、電磁波送信装置１９によって制御装置１８から出力された電磁波Ｅをセンサ９のコイル１６から受信する。受信された電磁波Ｅは、発電回路１２で電力に変換され、各回路１１，１３，１４，１５に供給される。センサ付軸受装置１が運転されると、転動体６と外輪４及び内輪５との転接面は、転がり摩擦によって発熱する。発生した熱は、転動体６から保持器７を経て、あるいは、外輪４と内輪５に挟まれた空間２２にあるグリースなどの潤滑剤によって、保持器７に取付けられたセンサ９に伝わる。検出回路１３の温度検出回路は、検出された温度に応じた信号を制御回路１４に対して出力する。出力された信号は、制御回路１４において、増幅、数値化などの処理が行われ、送信回路１５を経由してコイル１６から送信される。そして、送信された信号は、制御装置１８で受信され、監視装置２０で各センサ毎に予め設定されている閾値と比較評価される。
【００２０】
以上のように、本実施形態のセンサ付軸受装置１は、制御装置１８の電磁波送信装置１９から送信された電磁波Ｅをコイル１６で受信し、この電磁波Ｅを発電回路１２で電力に変換する。また、検出回路１３で検出した温度に対応する信号は、送信回路１５によってコイル１６から電波Ｒで出力される。すなわち、センサ付軸受装置１は、電磁波Ｅを利用して外部から電力が供給されるので、電力を供給するためのケーブルが必要ないとともに、検出された信号を電波Ｒで送信するので、信号線も必要ない。
【００２１】
したがって、本実施形態のセンサ付軸受装置１は、軸受３の回転輪（本実施形態では内輪５）や保持器７など有線でセンサを取付けられないような部位のほか、産業機械などに装着されるスピンドルユニットなど着脱が頻繁に行われる部品などにも適用することができ、汎用性に優れている。また、電力が電磁波Ｅで供給され、電池などの消耗部品を備えていないので、分解が困難な部位に適用するセンサ付軸受装置としても適している。
【００２２】
なお、センサ付軸受装置１に取付けられセンサ９は、１つの軸受３に対して１つでもよいし、複数取付けてもよい。また、センサ９から送信される信号は、所定の時間間隔毎に一定の時間送信してもよいし、制御装置１８から送られてくる指令信号に応じて検出した信号を送信するようにしても良い。
【００２３】
次に、本発明と関連性のある参考例のセンサ付軸受装置２３について、図３及び図４を参照して説明する。なお、第１の実施形態のセンサ付軸受装置１と同じ構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２４】
センサ付軸受装置２３は、図４に示すように軸受３の外輪４と内輪５の間に挟まれた空間２２に、図３に示すセンサ９を配置している。つまり、センサ９が、軸受３の空間２２に注入されているグリースなどの潤滑剤に浮遊した状態である。また、センサ９は、検出回路１３に温度を検出する温度検出回路を備えている。
【００２５】
なお、センサ９は、潤滑剤とともに空間を動き回るので、センサ９の表面９ａを耐磨耗性に優れた保護膜１７で覆うと耐久性が向上するのでよい。耐磨耗性の保護膜１７として具体的には、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）などをコーティングするとよい。
【００２６】
この参考例のセンサ付軸受装置２３は、空間２２に配置されたセンサ９が、電磁波Ｅを受信して発電し、この電力を使用してセンサ９の周りの潤滑剤の温度を検出回路１３で計測する。そして、計測された温度の信号を電波Ｒで送信する。
【００２７】
このように、この参考例のセンサ付軸受装置２３は、運転中の潤滑剤の温度を直接計測することができるので、温度を計測する検出応答性がよく、軸受３の焼付きの防止などに効果的であり、機械装置などの運転状態の監視に適している。また、センサ９への電力の供給を電磁波Ｅによって行い、センサからの信号の出力を電波Ｒで行うので、電力供給用のケーブルや信号出力用の信号線が不要である。したがって、センサ付軸受装置２３は、スピンドルユニットのように頻繁に機械装置から着脱されるような部品や、ケーブルや信号線を配線することができない部位に適用することができ、汎用性に優れている。
【００２８】
なお、この参考例のセンサ付軸受装置２３は、第１の実施形態のセンサ付軸受装置１のように、センサ９を保持器７にも備えてもよい。また、センサ９は、空間２２や保持器７に複数配置してもよい。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施形態のセンサ付軸受装置２４について、図３及び図５を参照して説明する。なお、第１の実施形態のセンサ付軸受装置１または上記参考例のセンサ付軸受装置２３と同じ構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
センサ付軸受装置２４は、図５に示すように軸受３の内輪５に空間２２に面して開口する有底の穴５ａを設け、この穴５ａに図３に示すセンサ９を入れて接着剤や樹脂などでモールド固定している。このときセンサ９の検出回路１３を空間に向けるとともに、モールド固定によって取付ける。このセンサ９は、センサ回路１０の検出回路１３に温度を検出する温度検出回路と、振動を検出する振動検出回路を備えている。
【００３１】
第２の実施形態のセンサ付軸受装置２４は、内輪５に取付けられたセンサ９が、電磁波Ｅを受信して発電し、その電力で内輪５の温度を計測して電波Ｒを送信する。したがって、センサ９へ電力を供給するケーブルが不要であるとともに、検出した信号を出力する信号線も不要である。そして、内輪５にセンサ９を取付けているので、内輪５を伝わってきた温度や振動を直接計測することができる。
【００３２】
また、振動は加速度として検出されるので、センサ９を回転輪である内輪５に取付けた場合、この振動検出回路を利用して、センサ９にかかる遠心力から、内輪５が支持する軸の回転速度を求めることができる。すなわち、遠心力Ｆは、センサ９の回転半径をｒ、回転角速度をω、遠心力Ｆを受ける部材の質量をｍ、とすると、Ｆ＝ｍｒω^２であり、このときセンサ９に作用する加速度αは、α＝ｒω^２となる。したがって、センサ９を決められた半径ｒの位置に取付けることによって、軸受３に保持されている軸の回転角速度ωを容易に求めることができる。
【００３３】
また、センサ９を埋没しないようにモールド固定すると、センサ９は、潤滑剤に直接触れる。したがって、潤滑剤の温度を直接計測することができるとともに、潤滑剤の温度変化に対する応答性が向上する。センサ９の検出回路１３を穴５ａから突出させてモールド固定するとより効果的である。
【００３４】
以上のように、第２の実施形態のセンサ付軸受装置２４は、内輪５と転動体６の転接面から近い位置で温度や振動を検出することができるので、温度や振動の変化に対して応答性がよく、検出される値の信頼性も高い。また、内輪５や潤滑剤の温度を直接計測することができるので、機械装置などの予防保全や、精密機器の軸受の温度管理に適している。なお、内輪５に設けた穴５ａと同様の穴を固定輪である外輪４に設け、ここにセンサ９を取付けてもよい。
【００３５】
さらに、センサ付軸受装置２４は、センサ９への電力の供給を電磁波Ｅによって行い、センサからの信号の出力を電波Ｒで行うので、電力供給用のケーブルや信号出力用の信号線が不要である。したがって、センサ付軸受装置２４は、スピンドルユニットのように頻繁に機械装置から着脱されるような部品や、ケーブルや信号線を配線することができない部位に適用することができ、汎用性に優れている。
【００３６】
なお、第１および第２の実施形態、および上記参考例のセンサ付軸受装置は、センサの検出回路が温度検出回路のほかに、振動、圧力、回転速度などの検出に対応した回路をそれぞれ備えることで、センサに作用する振動、圧力、回転速度などを計測することができる。各回路は、それぞれ別々のセンサの検出回路１３に設け、各センサ９をそれぞれ軸受３の外輪４、内輪５、保持器７に取付けてもよいし、このうちの複数を検出回路１３に備えて対応する検出対象を検出するようにしてもよい。また、各センサ９は、第１の実施形態のように保持器７に取付けてもよいし、第２の実施形態のように内輪５に取付けてもよい。また、上記参考例のように検出回路１３に温度検出回路を備えたセンサ９のように、圧力を計測する検出回路を供えたセンサを空間２２に配置してもよい。さらに、内輪５に設けた穴５ａと同様の穴を外輪４に設けてセンサ９を別途取付けると、外輪４の温度や振動などを直接計測することができる。
【００３７】
第１または第２の実施形態のセンサで振動や回転速度あるいは圧力を検出する方法として、多数の電極を内面に備えた中空の球状に形成された半導体製のシェルと、この電極との間に電場をかけることで隙間を隔ててシェルの中で浮遊するターゲットボールと、シェルの外面に形成されたセンサ回路と、シェルの外面の一部に巻き付けられたコイルとを備えるセンサとする。センサ回路には、電磁波を受信する受信回路と、この受信回路で受信された電磁波を電力に変換する発電回路と、ターゲットボールをシェルの中に浮遊させる制御回路と、電極とターゲットボールの間の電圧を検出する検出回路と、検出した信号を電波で送信する送信回路とを備える。受信回路で受信した電磁波は、発電回路で電力に変換され、各回路に供給される。
【００３８】
このセンサは、振動や回転速度の変化によって、加速度の変化が生じると、ターゲットボールがシェルの中で片寄り、ターゲットボールを中心に浮遊させるために必要となる電圧が各電極毎に異なって変化する。そして、このときの電圧の変化を検出することで、振動や回転速度を求める。
【００３９】
また、圧力の変化によって、シェルとセンサとの距離が全体に変化することで、センサを中心に浮遊させるために必要となる電圧が全体的に変化する。したがって、このときの電圧の変化を検出することで、センサにかかる圧力を求めることが可能である。
【００４０】
圧力は、シェルの外面に形成されるセンサ回路に歪を検出する検出回路を設けるか、シェルの一部をダイヤフラム状に形成し、外圧に応じて変形するダイヤフラムの変形量を計測することでも計測することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明のセンサ付軸受装置によれば、コイルで電磁波を受信してセンサ回路で発電し、この電力で軸受の温度を計測することができる。センサ回路は、計測した温度の信号を基に電波をコイルから送信することができる。つまり、電力を供給するためのケーブルや検出された信号を出力する信号線が不要である。さらに本発明のセンサ付軸受装置によれば、ターゲットボールを浮遊させる電圧の変化を検出して振動を検出することができる。
【００４２】
したがって、本発明のセンサ付軸受装置は、軸受の回転輪や保持器など有線でセンサを取付けられないような部位のほか、産業機械などに装着されるスピンドルユニットなど着脱が頻繁に行われる部品などにも適用することができ、汎用性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のセンサ付軸受装置を示す断面図。
【図２】図１中の軸受を拡大して示す断面図。
【図３】図２のセンサを拡大し、保護膜の一部を切り欠いて示す正面図。
【図４】本発明と関連性を有する参考例のセンサ付軸受装置を示す断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態のセンサ付軸受装置を示す断面図。
【図６】従来の軸受装置にセンサを取付けた状態を示す断面図。
【符号の説明】
１，２３，２４…センサ付軸受装置
３…軸受
４…外輪（固定輪）
５…内輪（回転輪）
６…伝導体
７…保持器
９…センサ
９ａ…表面
１０…センサ回路
１１…受信回路
１２…発電回路
１３…検出回路
１４…制御回路
１５…送信回路
１６…コイル
２２…空間
Ｅ…電磁波
Ｒ…電波

Claims

固定輪と、回転輪と、前記固定輪及び前記回転輪のそれぞれに転接する複数の転動体と、これらの転動体の間隔を所定の間隔に保つ保持器とを有する軸受に、
球状に形成されたシリコン半導体製のセンサベースと、このセンサベースの表面の一部に巻き付けられたコイルと、前記センサベースの表面にエッチングで形成されたセンサ回路とを有するセンサを少なくとも１つ備え、このセンサは絶縁性の保護膜で覆われており、
前記センサベースは、中空の球状に形成されたシェルであり、前記シェルの中空空間には、ターゲットボールが配置されており、前記シェルの内面には、電極が設けられており、前記センサ回路は、前記電極に電場をかけることで前記ターゲットボールを前記シェルの中に浮遊させる制御回路と、前記電極と前記ターゲットボールの間の電圧を検出する検出回路とを有し、前記電極に電場をかけることにより前記ターゲットボールを前記シェルの中空空間に浮遊する状態で保持するとともに、前記ターゲットボールを浮遊させる電圧の変化を検出して振動を検出することを特徴とするセンサ付軸受装置。
前記シェルの内面には、多数の電極が設けられており、振動の変化により前記ターゲットボールを浮遊させるために必要となる電圧が各電極毎に異なって変化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。
前記センサ回路は、電磁波を受信する受信回路と、前記受信回路で受信された電磁波を電力に変換する発電回路と、検出した信号を電波で送信する送信回路とを有することを特徴とする請求項２に記載のセンサ付軸受装置。