JP4321171B2

JP4321171B2 - 鉄道車両用センサ付軸受装置

Info

Publication number: JP4321171B2
Application number: JP2003278571A
Authority: JP
Inventors: 岳史滝澤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-07-23
Also published as: JP2005043258A

Description

本発明は、鉄道車両用センサ付軸受装置に関する。

従来のセンサ付転動装置では、軸受の剥離等、転動装置における異常を早期に検知するため、温度や振動等を検出する検出素子を用いて、異常に伴う温度や振動等の変動を検出している。これら検出素子と検出素子からの信号を処理する回路部とをプリント基板に取付け、コンパクト化やセンサの信頼性向上を図ったセンサ付転がり軸受が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、このようなセンサ付転がり軸受の回路部に、増幅回路、フィルタ回路、波形整形回路が組み込まれ、これらの回路が複数の抵抗やコンデンサを含むことが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

また、図４に示されるように、センサからのアナログ信号をディジタル信号に処理する検出回路が知られている（例えば、特許文献３参照。）。図４に示された検出回路では、発信回路１０１からの繰り返しパルスをカウンタ１０２が計数し、その計数出力に基づいて鋸歯発生回路１０３が鋸歯を発生し、抵抗Ｒ１とＲ２とによって鋸歯の振幅とオフセットを調整する。比較回路１０４はその鋸歯信号と角度センサ１０５からのアナログ電圧を比較し、検出された角度に応じたデューティ比のパルス信号を出力保護回路１０６に出力している。
このような検出回路では、演算増幅器やレギュレータ等の能動素子を含んでおり、これらの能動素子は、図５に示されるレギュレータ１１０のように、コンデンサ１１１，１１２が標準接続されている（例えば、非特許文献１参照。）。
特開２００２−２０６５２８号公報（第２−３頁、第１図）特開２００２−２９５４６３号公報（第５頁、第３図）特開２０００−１８０２０５号公報（第３−４頁、第２図）ＮＥＣ発行「μＰＣ２９００シリーズ」データ・シート

従来、これら回路の能動素子に用いられるコンデンサとしては、アルミ電解コンデンサやタンタルコンデンサが使用されていた。しかしながら、アルミ電解コンデンサやタンタルコンデンサが、鉄道車両や自動車等、振動、衝撃、温度等の使用環境が厳しい条件で長時間使用される場合には、損傷を引き起こす可能性がありセンサの信頼性は十分ではなかった。

アルミ電解コンデンサは、有限寿命であり、振動や衝撃に弱く、電解液が漏れ出ることがある。また、タンタルコンデンサでは、故障モードのほとんどがショートモードであり、電源をバイパスするコンデンサがショートを起こすと最悪の場合システム全体がダウンしてしまう可能性がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、鉄道車両等の耐環境性、信頼性が要求される移動体に適用することができ、信頼性に優れた鉄道車両用センサ付軸受装置を提供することである。

本発明の目的は、下記構成により達成される。
（１）鉄道車両のばね下で使用される軸受装置に取り付けられて、転動装置の運転状態を検出する温度検出素子、振動検出素子、速度検出素子の少なくとも一つの検出素子と、前記検出素子で検出した物理量を出力信号に変換するセンサ回路とを備えたセンサを有する鉄道車両用センサ付軸受装置であって、前記センサ回路は、電源バイパスコンデンサ、演算増幅回路の電源バイパスコンデンサ、基準電圧を出力するレギュレータのバイパスコンデンサの少なくとも１つのコンデンサを有し、前記コンデンサはセラミックコンデンサであることを特徴とするセンサ。
（２）前記検出素子は、前記速度検出素子であり、
前記コンデンサは、前記電源バイパスコンデンサであることを特徴とする（１）に記載の鉄道車両用センサ付軸受装置。
（３）前記検出素子は、前記温度検出素子及び前記振動検出素子であり、
前記コンデンサは、前記電源バイパスコンデンサ及び前記演算増幅回路の電源バイパスコンデンサであることを特徴とする（１）に記載の鉄道車両用センサ付軸受装置。
（４）さらに、検出素子として少なくとも温度検出素子又は振動検出素子を有し、
さらに、コンデンサとして少なくとも演算増幅回路の電源バイパスコンデンサ又は基準電圧を出力するレギュレータのバイパスコンデンサを有し、前記コンデンサはセラミックコンデンサであることを特徴とする（２）に記載の鉄道車両用センサ付軸受装置。
（５）さらに、前記検出素子と前記センサ回路を有するプリント基板を備えることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の鉄道車両用センサ付軸受装置。

本発明の鉄道車両用センサ付軸受装置によれば、コンデンサをセラミックコンデンサとしたことで、センサの信頼性を向上することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係るセンサ付転動装置１０について詳細に説明する。
図１に示されるように、センサ付転動装置である鉄道車両用センサ付軸受装置１０は、軸方向に間隔をあけて配された一対の転がり軸受（ここでは玉軸受）１１と、各転がり軸受１１の外輪１２に外嵌されたハウジング１８と、各転がり軸受１１の内輪１３に内嵌された軸１５とを備えた転がり軸受装置１７に、センサ２０が取り付られた構成からなる。

外輪１２と内輪１３の間には、複数の転動体（ここでは玉）１４が配されている。本実施形態の転がり軸受装置１７は、軸１５と内輪１３が一体に回転し、外輪１２及びハウジング１８が静止した、いわゆる、内輪回転型のものである。

ハウジング１８は円筒形状に形成されており、一方の（図中右方の）転がり軸受１１よりも軸方向に突出して延びており、その端部には、エンドカバー１９が固定されている。軸１５は、ハウジング１８内で、エンドカバー１９に至る手前で終端している。ハウジング１８のセンサユニット取付部は、円筒状でも、平面状でもよい。

センサ２０は、上方に開放した収容空間を持つケース本体２１と、ケース本体２１の開放部を覆うケースカバー２２とで構成されるセンサケース２３を備えており、センサケース２３は複数のボルト２４を介してハウジング１８に固定される。なお、ケース本体２１の形状は、箱型に限らず、円筒形状等、その他の形状であってもよい。

ケース本体２１内にはプリント基板２５が固定されており、振動検出素子２６（加速度センサ）、温度検出素子２７等の検出素子及び信号を処理するための信号処理部等からなる電子部品がプリント基板２５を介して収容空間に設置される。プリント基板に実装された信号処理部は電気的に接続され、センサ回路３０（図２参照。）を構成する。また、これら電子部品を外部の測定器に接続するケーブル２８が、ケース本体２１に形成されたケーブル取出口（図示略）を挿通して装備される。

検出素子としては、上記振動検出素子２６、温度検出素子２７の他に、速度検出素子等軸受装置の状態を監視するその他の検出素子を設けてもよい。また、ケース本体２１の中央位置には凹部であるざぐり部を設けており、プリント基板２５の両面に検出素子、信号処理部等の電子部品を実装することができる。

振動検出素子２６は、裏面がケース本体２１と接触するプリント基板２５の面上に取り付けられており、図１中符号Ｖで示す方向の振動（ここではハウジング１８及び軸１５の軸線に直交するラジアル方向の振動）を検出する。
振動検出素子２６は、表面実装タイプの振動検出素子でなく、リードタイプの振動検出素子でもよい。

図２は、振動検出素子２６、温度検出素子２７から検出された信号を処理するセンサ回路３０である。振動検出素子２６は圧電素子３１を使用して構成されており、差動増幅を行って電圧出力を行っている。また、温度検出センサ２７は、サーミスタ３２を使用して電圧出力を行っている。

電源３３は、バイパスコンデンサ３４を介して三端子レギュレータ３５の入力端子に接続されており、電源３３から供給された電源電圧は、三端子レギュレータ３５によって安定化され、基準電圧を出力する。三端子レギュレータ３５は、入力端子とＧＮＤとの間及び出力端子とＧＮＤとの間に、バイパスコンデンサ３６，３７が接続されており、異常発振を防止する。

三端子レギュレータ３５からの基準電圧は、抵抗３８，３９を介して演算増幅器４０，４１の非反転入力端子に入力される。また、演算増幅器４０，４１の非反転入力端子には、圧電素子３１の出力電圧が入力される。演算増幅器４０，４１の出力は、それぞれ反転入力端子に直接帰還されるとともに、抵抗４２，４３を介して演算増幅器４４の反転入力端子、非反転入力端子に接続される。また、演算増幅器４４の非反転入力端子には、抵抗４５を介して三端子レギュレータ３５からの基準電圧が入力される。演算増幅器４４の出力は、帰還抵抗４６を介して反転入力端子に接続されると共に、差動増幅された振動電圧が与えられる。なお、演算増幅器４０に示されるように、演算増幅器には電源３３からの電源電圧が供給されており、ノイズを除去すべく＋側の電源端子とＧＮＤとの間に、バイパスコンデンサ４７が配置されている。

また、３端子レギュレータ３２の出力端側は、並列抵抗４８が接続されたサーミスタ３２にも接続されており、サーミスタ３２の抵抗値に応じて温度が出力される。

そして、図２に示されたセンサ回路によって出力された電圧信号は、プリント基板２５から延びた配線（図示せず）やケース本体２１又はケースカバー２２に貫通形成されたケーブル取出口（図示せず）を挿通して外部に延びたケーブル２８を介して外部に伝送され、外部の測定器にて処理される。

ここで、本実施形態では、図２に示されたセンサ回路における、電源３３のバイパスコンデンサ３４，三端子レギュレータ３５のバイパスコンデンサ３６，３７及び演算増幅器４０のバイパスコンデンサ４７をセラミックコンデンサによって構成している。

従って、本実施形態によれば、センサ回路に用いられるコンデンサをセラミックコンデンサとしたので、アルミ電解コンデンサやタンタルコンデンサと比較して振動や衝撃に強く、電解液もないため信頼性が高い。また、セラミックコンデンサは小型であり、実装面積も小さいことからセンサ全体をコンパクトにすることができる。

なお、本実施形態では、電源３３のバイパスコンデンサ３４，三端子レギュレータ３５のバイパスコンデンサ３６，３７及び演算増幅器４０のバイパスコンデンサ４７をすべてセラミックコンデンサとしたが、少なくとも一つがセラミックコンデンサであってもよい。ただし、センサ回路上の少なくともこの３種類のコンデンサをセラミックコンデンサとした場合に、上記効果が大きい。

また、本発明は、以上に説明した各実施の形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。
上記実施形態では、ケーブル２８で信号を取り出していたが、無線等を使用してワイヤレスで信号を伝送してもよい。ワイヤレスの場合は、可動輪側に（可動部材側に）センサユニットを設けてもよい。
また、センサ回路の構成は上記実施形態に限定されず、検出信号の高周波成分を減衰除去するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）が設けられてもよい。

軸受装置１７における転がり軸受は玉軸受に限らず、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受や、各種の複列軸受でもよい。
また、軸受装置１７に限らず、図３に示すようにボールねじ５０に本発明を適用することもできる。ボールねじ５０では、可動部であるナット５１に本発明に係るセンサ６０を取り付けることにより、ねじ軸５２とナット５１との係合部における剥離等の異常を検知することができる。なお、センサユニット６０の取付け相手はナット５１に限らず、ねじ軸５２をサポートしている固定側のサポートユニット５３や単純支持側のサポートユニット５４に取り付けてもよい。ねじ軸５２はロックナット５５により固定側のサポートユニット５３に軸方向に固定されており、カップリング５６を介して結合された駆動モータ５７によって回転する。
また、ボールねじに限らず、リニアガイドやリニアボールベアリング等、その他の直動部品における可動部やレールにセンサユニット６０を取り付けることによって、剥離等の異常を検知することもできる。

また、上記実施形態では、鉄道車両用センサ付転動装置について説明したが、検出素子と回路部とが一体構造となったセンサを有する、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）のような自動車用センサ付転動装置にも適用可能である。

本発明に係るセンサ付転動装置の一実施形態の縦断面図である。振動検出素子、温度検出素子から検出された信号を処理するセンサ回路である。本発明に係るセンサがボールねじに適用された例を示す側面図である。従来のセンサ回路図である。一般的な三端子レギュレータの構成を示す図である。

符号の説明

１０センサ付軸受装置（センサ付転動装置）
１１転がり軸受
１２外輪
１３内輪
１５軸
１７転がり軸受装置（転動装置）
２０，６０センサ
２３検出器ケース
２５プリント基板
２６振動検出素子
２７温度検出素子
３０センサ回路
３１圧電素子
３２サーミスタ
３４，３６，３７，４７コンデンサ
３５三端子レギュレータ
４０，４１，４４演算増幅器
５０ボールねじ

Claims

鉄道車両のばね下で使用される軸受装置に取り付けられて、転動装置の運転状態を検出する温度検出素子、振動検出素子、速度検出素子の少なくとも一つの検出素子と、前記検出素子で検出した物理量を出力信号に変換するセンサ回路とを備えたセンサを有する鉄道車両用センサ付軸受装置であって、前記センサ回路は、電源バイパスコンデンサ、演算増幅回路の電源バイパスコンデンサ、基準電圧を出力するレギュレータのバイパスコンデンサの少なくとも１つのコンデンサを有し、前記コンデンサはセラミックコンデンサであることを特徴とする鉄道車両用センサ付軸受装置。
前記検出素子は、前記速度検出素子であり、
前記コンデンサは、前記電源バイパスコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用センサ付軸受装置。
前記検出素子は、前記温度検出素子及び前記振動検出素子であり、
前記コンデンサは、前記電源バイパスコンデンサ及び前記演算増幅回路の電源バイパスコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用センサ付軸受装置。
さらに、検出素子として少なくとも温度検出素子又は振動検出素子を有し、
さらに、コンデンサとして少なくとも演算増幅回路の電源バイパスコンデンサ又は基準電圧を出力するレギュレータのバイパスコンデンサを有し、前記コンデンサはセラミックコンデンサであることを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用センサ付軸受装置。
さらに、前記検出素子と前記センサ回路を有するプリント基板を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の鉄道車両用センサ付軸受装置。