JP4095445B2 - 軸受荷重検知と軸受正常性監視とを併せて行うセンサシステム - Google Patents

Description

本発明は、複合軸受荷重と軸受正常性の監視のためのセンサシステムに関するものである。特に、本発明は、少なくとも一つの軸受輪を有する軸受に作用する荷重を測定するためのセンサ組立体を有するセンサシステムにおいて、少なくとも一つの軸受輪はセンサ組立体の保持のための空所が形成され、センサ組立体は空所の対向面の間に直列搭載体を有し、該直列搭載体は圧電板とばね定数ｋのばねとを有していることを特徴とするセンサシステムに関する。

発明の背景

米国特許、US-A-5,677,488は、隣接圧力波(contiguous pressure wave)が軸受から伝達する圧電フィルム変換器を用いて軸受の様子を監視するセンサを開示している。センサシステムが軸受の回転速度を決めるために用いられることもある。軸受の差し迫っている損傷は、圧電変換器からの信号と設定された閾値とを比較することにより、あるいは、一連の圧電変換器からの信号を通常モードのノイズと相殺するように比較することにより、決められる。

さらには、特許請求の範囲の前提文に記載の形式のセンサ組立体は軸受に作用する荷重を間接的に、即ち、軸受輪の変形を測定する方法として知られている。

しかし、軸受荷重と軸受の正常性を同時に決定するためのシステムは公知ではない。

発明の要約

本発明は、軸受の荷重についての情報と軸受の正常性についての情報の両方をもたらすセンサを提供しようとするものである。

このために、本発明は、第一の見地から、特許請求の範囲の請求項１の前提文に記載の形式のセンサシステムであって、少なくとも一つのセンサ組立体を有し、該センサ組立体が圧電板とばねとの間に質量ｍの質量体をも有しているものを提供する。
空所は少なくとも一つの軸受輪に形成される。この軸受輪は軸受外輪又は軸受内輪である。これに代えて、空所は軸受の少なくとも一つの転動体にも形成できる。転動体は内輪と外輪との間に位置し、軸受に作用する力を受けており、かくして、センサ組立体のための空所の他の位置付けを可能とする。
さらに、本発明のセンサシステムは、圧電板上の電荷重を表わす電荷信号を受けるために、該圧電板に接続された処理手段を有し、該処理手段は、さらに、遮断周波数以下で電荷信号から軸受の荷重を表わす測定信号を提供し、遮断周波数以上で電荷信号から軸受の加速度を表わす測定信号を提供し、センサ装置の遮断周波数ｆ _０ が、ばねのばね定数をｋ、質量体の質量をｍとしたとき、１／２π√（ｋ／ｍ）と設定されている。

本発明は、二つの異なる軸受パラメータ、すなわち軸受荷重と軸受正常性に関する規則的な励起振動が軸受運転中に測定できるという点で公知のセンサに比し有利である。

本発明によるセンサシステムの一形態では、電気絶縁板が圧電板と質量体の間に配設されている。圧電板における電荷重は圧電板の反対側の面で測定できる。

好ましくは、センサシステムは軸受軸線に対しほぼ直角に位置付けられている。こうすることにより、（荷重に起因する）第一面の変位と（軸受損傷に起因する）軸受輪の誘起加速度あるいは振動の効果的測定が行える。

このセンサシステムは、ただ一つのセンサ組立体を用いて、軸受運転中に二つの異なるパラメータを効果的に測定できる。

好ましくは、処理手段は、さらに、軸受の加速度を表わす測定信号から軸受の正常性を決めるようになっている。

好適な実施形態

本発明は、添付図面を参照しつつ本発明の例示的な実施形態を示すことにより、さらに詳しく説明される。

図１には、本発明による一実施形態としてのセンサ組立体を伴う軸受輪１１が示されている。軸受輪１１は軸受外輪として示されているが、これは軸受内輪でもよく、該軸受輪１１には、該軸受輪１１の内面すなわち軌道面にほぼ平行な第一面１７と、該第一面１７に対しほぼ平行な第二面１８とを有する空所１２が形成されている。空所１２は矩形で良いが、軸受軸線方向に見たときに丸形をなしていてもよく、かかる形状の場合、軸受輪１１に空所１２をフライス加工により形成することができる。空所１２には、第一面１７と第二面１８との間に、ばね定数ｋの一連のばね１３、絶縁板１５、圧電板１６が配されている。このように、センサ組立体の感度は、軸受に作用する（ラジアル）荷重を効果的に測定するように軸受軸線に向けて設定されている。圧電板１６は市販の圧電材料で作ることができ、５×５ｍｍの幅で０．４ｍｍの厚さとなっている。機械的剛性を高めるために、圧電板１６は、図示しない保護板の間にサンドイッチ状に納められていてもよい。

ばね１３は単純な螺旋ばねでよいが、板ばねであってもよい。空所１２は、ばね１３が圧電板１６に対して直角に力を加えるように、ばね１３の形に適合して決められる。

軸受輪１１に（そして軸受に）荷重が作用すると、空所１２の第一面１７と第二面１８は、軸受輪１１の材料の弾性特性によって、互に近づく方向に変位する。一般に、（図１において）Ｘ方向での変位は軸受荷重による構造変形に比例する。静的状況では、ばね１３は、変位量とばね定数ｋとの積に比例する力を圧電板１６に作用せしめる。圧電板１６は該圧電板１６に作用する力に比例し、又、軸受輪１１の荷重に比例した電荷量Ｑを生ずる。圧電板１６の電荷量Ｑは、圧電板１６の上面と下面との間で検知される。

図２は、振動あるいは加速度の同時測定をも可能とする本発明の他の実施形態を示している。これらの振動は、軸受軌道あるいは転動要素の損傷に起因するものであり、軸受の監視を可能とする。そのために、質量ｍの質量体１４が一連のばね１３、そして圧電板１６に接続されている。

軸受輪１１の材料は通常金属なので、電荷量Ｑの検知のために、圧電板１６の少なくとも一方の側に絶縁板１５が必要となる。その場合、圧電板１６の電荷量Ｑは圧電板１６の絶縁面と軸受輪１１へのリード線を用いて検知できる。場合によっては、質量Ｍの電気絶縁材で作られた質量体とすることができ、そうすれば、圧電板１６上の電荷量Ｑが圧電板１６の上面と下面との間で直接測定される。

質量Ｍの質量体１４が設けられたときには、上記のものは電荷信号の低周波成分にのみ効果的である。ばね１３、質量体１４そして圧電板１６の組立体は機械的フィルタとして作用し、１／２π√（ｋ／ｍ）に等しい遮断周波数ｆ_０をもつ。遮断周波数ｆ_０以下では、電荷重Ｑは変位、したがって軸受輪１１の荷重に比例する。遮断周波数ｆ_０以上では、電荷重Ｑは軸受輪１１の加速度に比例し、質量慣性によって、遮断周波数以上では、質量体１４は空所内で実質的に静止し、第一面１７の加速度による変位にほぼ比例して伸縮する。軸受輪１１の加速度は、軸受の正常性に関連する軸受内の規則的な励起振動についての情報をもたらす。遮断周波数ｆ_０は、センサ組立体の要求特性に適合するように設定される。

図３は本発明の実施形態に用いられるセンサシステムの概要図である。このセンサシステムは、本発明のセンサ組立体を有し、図３に見られるように圧電板１６のみの形態となっている。二つの電気コンタクト１９，２０が圧電板１６の電荷を検知するように用いられており、ここに二つの信号リード線２１，２２がそれぞれ接続され、これらは処理手段２３に接続されている。二つの電気コンタクトのうちの第一コンタクト１９は、圧電板１６と電気的に接触している（金属）軸受輪１１に設けられている。第二コンタクトは圧電板１６と絶縁板１５との間に配されている。

処理手段２３は、圧電板１６からの電荷信号にもとづいて、軸受に関する二つの異なるパラメータを測定するようになっている。機械的な遮断周波数ｆ_０以上の電荷信号成分では軸受について加速速度が測定される。これから、軸受の正常性に関する軸受のさらなる特性が導き出せる。遮断周波数以下の電荷信号成分では、空所１２の第一面１７の変位が測定され、これから、軸受輪１１の材料の既知特性、軸受輪そして空所の寸法を考慮の上、軸受輪１１上の荷重が導き出せる。

処理手段２３はフィルタ、増幅器等のアナログ信号処理部品を用いて構成することも、あるいは、デジタル信号プロセッサ等のデジタル信号処理部品をもって構成することも、さらにはそれらの混合とすることもできる。

図示の例に代え、空所はころ軸受の外輪１１と内輪との間に配されている複数の転動体のうちの一つに形成することもできる。これらの転動体は、軸受に作用する力を受け、センサ組立体のための他の位置を提供する。行うべきことは、例えばＲＦ伝送路（ＥＰ特許出願、EP-A-0637734参照）を用いて、外部へセンサ組立体の測定信号を中継するだけである。

本発明の最初の実施形態のセンサ組立体の断面図である。 本発明の次の実施形態のセンサ組立体の断面図である。 本発明のセンサシステムの概要構成図である。

Claims (6)

1. 少なくとも一つの軸受輪（１１）を有する軸受に作用する荷重を測定するための少なくとも一つのセンサ組立体であって、該少なくとも一つのセンサ組立体が圧電板を有している該センサ組立体を有しているセンサシステムにおいて、
   少なくとも一つの軸受輪はセンサ組立体の保持のための空所（１２）が形成され、センサ組立体は空所（１２）内で半径方向に対向せる対向面（１７，１８）の間に直列搭載体を有し、該直列搭載体は圧電板（１６）と、ばね定数ｋのばね（１３）と、圧電板（１６）とばね（１３）との間に配置された質量ｍの質量体（１４）とを有し、
   センサシステムが、圧電板（１６）上の電荷を表わす電荷信号を受けるために、該圧電板（１６）に接続された処理手段（２３）を有し、
   該処理手段（２３）は、遮断周波数以下で電荷信号から軸受の荷重を表わす測定信号を提供し、遮断周波数以上で電荷信号から軸受の加速度を表わす測定信号を提供し、センサ装置の遮断周波数ｆ _０ が、ばね（１３）のばね定数をｋ、質量体（１４）の質量をｍとしたとき、１／２π√（ｋ／ｍ）と設定されていることを特徴とするセンサシステム。
2. 処理手段（２３）が、さらに、軸受の加速度を表わす測定信号から軸受の正常性を決めるようになっていることとする請求項１に記載のセンサシステム。
3. 電気絶縁板（１５）が圧電板（１６）の一方の側に配設されていることとする請求項１に記載のセンサシステム。
4. センサ組立体は軸受軸線に対しほぼ直角に位置付けられていることとする請求項１に記載のセンサシステム。
5. 空所（１２）が少なくとも一つの軌道輪（１１）に形成されていることとする請求項１に記載のセンサシステム。
6. 空所（１２）が軸受の少なくとも一つの転動体に形成されていることとする請求項１に記載のセンサシステム。

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