JP4535290B2 - 集積されたデータ検出及び処理装置を持つ測定軸受 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、軸受に作用する物理的量を検出するセンサ、及びセンサ出力信号を評価しかつ伝送する電子モジュールを持つ測定軸受に関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３６４３８号明細書から、ころがり軸受にあるセンサ装置が公知であり、ころがり軸受に案内される部材の運動中に物理的量を求めるのに適している。この測定装置では、ころがり軸受の軸受メタルに作用する力及びトルクが検出されて、軸受メタルの機械的応力又は他の物理的影響が、軸受メタルに集積されているセンサ素子及び電子モジュールにより検出可能である。センサはひずみ計として構成されて、固定軸受メタルの周囲にある溝に取付けられ、この軸受メタルはころがり軸受の内レース又は外レースとして構成されることができる。この刊行物によれば、伸び測定抵抗は、絶縁層を介して、例えば板片のような金属の中間担体上に取付けることができる。回路担体として構成される別の担体材料は、伸び測定抵抗を持つ中間担体を包囲し、電子モジュール及び導体条片を受入れるのに役立つ。伸び測定抵抗を持つ中間担体及び回路担体をころがり軸受の溝に取付けるため、これらはそこに押込まれるか又は溶接されている。

更にこのドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３６４３８号明細書から、金属の中間担体上の伸び測定抵抗が、軸線方向及び接線方向に測定を行う全ブリッジ回路又は半ブリッジ回路にまとめられることが公知である。更にこの刊行物は、電子モジュールにより信号評価及び別の測定個所又は他の評価回路又はコネクタプラグへの信号伝送が行われることを開示している。この公知の測定軸受における信号伝送は、例えば自動車に設けられているディジタルパス又はアナログパスを介して連続的に行うことができる。

この公知の測定軸受は、ひずみ計及び電子モジュールを軸受レースの溝にある切欠きに設けるため、比較的高くかつ非常に有利な集積度を持っているが、この構造のために比較的幅の広い溝が必要である。従って溝の幅に対して、センサのために利用可能な面積が小さすぎるか又は減少している。このような軸受レースにある溝は、部材が弱くなるのを回避するため、できるだけ小さくするので、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３６４３８号明細書から公知の装置を市販に適した製品に変える見込みは薄い。この技術的問題は特に軸線方向に幅の狭いころがり軸受においても生じる。

この背景から本発明の課題は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３６４３８号明細書から公知の測定軸受を改良し、測定兼評価装置の集積度を更に高めて、軸受レースの１つにあるできるだけ狭くかつ場所を節約する切欠きにこの装置を収容できるようにすることである。

この課題の解決策は請求項１の特徴からわかり、本発明の有利な構成及び展開は従属請求項からわかる。

従って本発明は、軸受レースの１つの周囲の切欠きにひずみ計が設けられている、最初にあげた種類の測定軸受から出発する。更にこの切欠き内の担体材料に、電気導体条片及びひずみ計の出力信号を評価しかつ中間結果及び最終結果を伝送する電子モジュールが設けられ、ひずみ計が電気導体条片を介して電子モジュールに接続されている。本発明によれば、ひずみ計が半径方向において担体材料の下（外レース）にかつ／又はその上（内レース）に設けられるように、このような測定軸受が構成されている。

この構造により、軸受レースの周囲の切欠きにあってひずみ計、導体条片及び電子モジュールから成る測定兼評価装置が、今や複数の層で構成され、従って公知の測定軸受より著しく少ない面積しか必要としないようにすることができる。従って切欠き又は溝の同じ幅で、一層多くの測定兼評価装置をこの切欠きに収容できるか、又は特定の測定兼評価装置を収容するため軸受レースの周囲に特に幅の狭い切欠きしか必要としないか、又は溝の深さを特に小さく構成することができる。別の利点は、溝の全幅がひずみ計のために利用可能であり、従って変形を一層よく検出できることである。

このような測定軸受では、前記の測定兼評価装置がなるべく固定軸受レースにある周囲切欠きに構成されている。回転する軸受レースに測定兼評価装置を設けると、データ及びエネルギを伝送するため通常公知の装置（遠隔測定、誘導結合、揺動接触）を使用することができる。

本発明の特に有利な展開において、測定兼評価装置に関して、ひずみ計が軸受レースの少なくとも１つの表面に取付けられている。周囲切欠きの範囲において軸受レースの表面へのひずみ計の取付けは、なるべくスパッタにより行われる。真空中でなるべく導体又は半導体の蒸着により平らな物体上に表面構造を形成すること自体は公知であるが、軸受レースの周囲切欠きのように湾曲した表面に例えば薄層ひずみ計をスパッタすることは新規であり、技術的に簡単に行うことはできない。

実験からわかったように、このような構造は、適当な方法技術では良い結果で製造される。例えば非導電性又は悪い導電性の材料（例えばプラスチック）から成る軸受レースでは、ひずみ計が直接軸受レースの表面に取付けられ、導電性材料から成る軸受レースでは、ひずみ計がその間に設けられる二酸化珪素層上に設けられる。

ひずみ計を少なくとも１つの導体条片にかつ／又は直接電子モジュールに電気接続するため、本発明の別の有利な構成では、接続線（ボンド線）が設けられて、電子モジュール用担体材料にある切欠きを貫通している。この担体材料はなるべく可撓性プラスチックとして構成されている。

軸受レースの周囲切欠きに設けられる測定兼評価装置を外部の機械的及び／又は汚染影響に対して保護するため、本発明の別の構成では、担体材料の切欠き及び／又は軸受レースの周囲にある切欠きに設けられるすべてのモジュールが、可撓性で非導電性の覆い材料で覆われている。この覆い材料はなるべく有機塑性注型コンパウンドとして構成され、この注型コンパウンドにより覆い区域が速やかにかつきれいに被覆されている。

測定軸受の別の好ましい構成では、その電気及び電子モジュールが、軸受に支持される物体の回転数及び／又は回転方向、軸受に作用する半径方向力及び軸線方向力、力の方向、軸受騒音、軸受温度及び場合によっては現われる不平衡を検出するように構成されている。

電子モジュールは、例えば演算増幅器、コンデンサ、抵抗のような個々の分離した電子モジュールとして、又は複合した非常に小さいマイクロコンピュータとして構成することができる。更に特定の使用事例では、複数のマイクロコンピュータが軸受レースの周囲切欠きに設けられ、データ導線を介して互いに接続され、これらのデータ導線を介してなるべくディジタルのデータ交換を行うことができると、有利とみなされる。

更に電子モジュールの少なくとも１つが接続個所を持ち、この接続個所を介して生データ及び／又は軸受又は軸受に結合された部材の現在の物理的状態についての処理された情報が、軸受外にある少なくとも１つの別の表示装置、データ記憶装置及び／又はデータ処理装置へ導かれると、有利である。

最後に、軸受レースにある周囲溝上のニ酸化珪素とひずみ計及び／又は導体条片との間に接着剤が設けられて、ニ酸化珪素で被覆された表面とこのモジュールとの結合材として用いられるようにすることができる。

添付図面に示されている具体的な実施例により、本発明が説明される。

図１は、大ざっぱな概観で、大体において外レース１，内レース２、及びこれらの両レース１，２の間に設けられるころがり体３から成る測定軸受の断面を示している。更に図１及び外レース１の周面の平面図を示す図２から、外レース１の外周に環状溝４が形成され、この環状溝の測定個所５，６に、例えば力Ｆの検出用センサ７，８が設けられていることがわかる。外レース１にある溝は、必ずしも周囲溝として形成しなくてもよい。なぜならば、前記のセンサ７，８は、両方の軸受レース１，２の１つの周囲にある軸線方向溝に取付け可能だからである。

図２及び図３に示すように、センサ７，８はひずみ計として構成され、他の電気抵抗９，１０，１１，２７，２８，２９と共に、少なくとも１つの測定ブリッジにおいて互いに接続されている。これらのひずみ計は可変電気抵抗を持ち、この電気抵抗は、ころがり体３が通過する際、外レース１へ及ぼされるＦによる圧縮荷重に、抵抗変化で応答し、この抵抗変化が測定ブリッジから測定信号として取出し可能である。図には２つの可変抵抗７及び１１の使用は示されてない。

公知の測定軸受では、個々のひずみ計及びこれらにすぐ隣接する電子モジュールは、軸受レースの切欠き内で同じ半径面に設けられているが、本発明による測定軸受は、電子モジュール及び可撓性箔の導体条片の半径面からずれている軸受レースの半径面にひずみ計が取付けられていることによって、構成されている。ひずみ計のこの異なる半径面は、ここに示す実施例では、電子モジュール及び導体条片の半径面の下に設けられているので、高度に集積されたこの測定兼評価装置の所要面積は著しく少なくなる。この構造については後で更に詳細に説明する。

図４では、外レース１の周囲溝４の展開図において、第１のセンサＡのひずみ計７，９，１０，１１及び第２のセンサＢのひずみ計８，２７，２８、２９が、１列に前後して、ころがり体２２，２３，２４，２５の運動軌道の範囲にどのように設けられているかがまず示されている。これらのひずみ計は、この実施例では、外レースの周囲溝のニ酸化珪素で被覆された表面へスパッタされ、従って薄膜センサとして構成されている。

この図から明らかにわかるように、両方のセンサＡ，Ｂのひずみ計７，９，１０，１１及びひずみ計８，２７，２８，２９は、それぞれ同様にスパッタされた導体条片２１，３０を介して測定ブリッジとなるように互いに接続され、通過するころがり体２２，２３，２４，２５により変調される測定ブリッジの測定信号は、接続個所２０，２６から取出し可能である。更にこれらの測定信号接触個所２０，２６の範囲には、ひずみ計７，９，１０，１１及び８，２７，２８，２９の給電用接触個所１９もスパッタされている。

半径方向において薄膜ひずみ計の上に、本発明の中心思想によれば、軸受レース１に関して別の半径面に、このころがり軸受の測定兼評価装置に属するすべての他の電気導体条片及び電子モジュールが設けられている。

この外レース１にある測定兼評価装置の全体構造の著しく簡単化した図５の断面図が示すように、軸受レース１の周囲溝４の底にまず絶縁層１２（例えばＡｌ_２Ｏ_３又はニ酸化珪素）が被覆されて、その上に設けられる電気部材の用の電気絶縁層として役立つ。

この絶縁層１２上に、可撓性担体材料１４を保持する接着材１３が設けられ、この担体材料１４上に半径方向外方へ向いて、電気導体条片１６及び（例えばマイクロコンピュータのような）電子モジュール１７がなるべく同様に接着されるか又はスパッタされている。導体条片１６及び電子モジュール１７用担体材料１４の半径面３１の下に、ひずみ計７，９，１０，１１及び８，２７，２８，２９がその導体条片２１，３０及び接触個所１９，２０，２６と共に設けられているが、そのうちここには、ひずみ計７及び接触個所２０のみが示されている。

ひずみ計を含むセンサ又は測定ブリッジＡ，Ｂを、半径面より高い所に設けられる導体条片１６又は電子モジュール１７と接続するため、センサＡ，Ｂの接触個所１９，２０，２６は、切欠き３２，３３の範囲で担体材料１４により覆われていないので、接続線（ボンド線）１５により前記部材の間の電気接続が行われている。これらの接続線１５は、なるべくレーザ光線により接触せしめられるか溶融金属糸として構成され、接触個所から次の接触個所へ引張られている。

この実施例では、前記のすべての部材の上に覆い材料１８が設けられて、可撓的にかつ電気絶縁して、担体箔１４と電気及び電子部材との確実な機械的及び電気的保護を行う。

本発明による測定軸受は、面積を非常に節約するその構造という点ですぐれているので、適当な測定兼評価装置が、今まで測定軸受として実現不可能であった非常に狭い構造のころがり軸受にも組込み可能である。更に半径方向に積層して構成される測定兼評価装置は、軸受の非常に狭い周囲溝に収容可能なので、部材の弱さはできるだけ小さい程度に減少される。薄膜構造及び扁平構成手段（ＡＳＩＣ）により、溝の深さ従って部材の弱めも大幅に減少される。

ころがり軸受の概略断面図を示す。 図１によるころがり軸受の周囲溝の平面図を示す。 電気測定ブリッジ回路を示す。 軸受レースの周囲溝に設けられているブリッジ回路にある２つの薄膜伸び測定センサの平面図を示す。 測定兼評価装置の範囲にある図１の軸受の外レースの概略断面図を示す。

Claims (16)

1. 測定軸受であって、その軸受レース（１，２）の少なくとも１つの周囲に切欠き（４）が形成され、この切欠き（４）の底にひずみ計（７，８，９，１０，１１，２７，２８，２９）及び担体材料（１４）が固定され、この担体材料（１４）上に、半径方向外方へ向いて導体条片（１６）、及びひずみ計の出力信号を評価しかつ伝送する電子モジュール（１７）が設けられ、ひずみ計が電子モジュール（１７）へ至る導体条片（１６）に電気接続されているものにおいて、ひずみ計（７，８，９，１０，１１，２７，２８，２９）が、外レース（１）では担体材料（１４）としてのプラスチック及びその上にある導体条片（１６）及び電子モジュール（１７）の半径面（３１）の下に、又は内レース（２）ではこの半径面（３１）の上に設けられていることを特徴とする、測定軸受。
2. 軸受レース（１）の表面が、少なくとも切欠き（４）の範囲に、絶縁層（１２）を持っていることを特徴とする、請求項１に記載の測定軸受。
3. 絶縁層（１２）上で、ひずみ計（７，８，９，１０，１１，２７，２８，２９）担体材料（１４）としてのプラスチック及び導体条片（２１，３０）を保持する軸受レース（１）に接着剤（１３）が塗布されていることを特徴とする、請求項２に記載の測定軸受。
4. ひずみ計（７，８，９，１０，１１，２７，２８，２９）、導体条片（１６，２１，３０）及び電子モジュール（１７）が、軸受レース（１）の切欠き（４）の表面又は絶縁層（１２）上に直接スパッタされていることを特徴とする、請求項２に記載の測定軸受。
5. ひずみ計（７，８，９，１０，１１，２７，２８，２９）が接続線（１５）を介して導体条片（１６）に、又は直接電子モジュール（１７）に接続されていることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の測定軸受。
6. 担体材料（１４）としてのプラスチックに切欠きが設けられて、接続線（１５）がこの切欠きを貫通していることを特徴とする、請求項１〜５の１つに記載の測定軸受。
7. 担体材料（１４）としてのプラスチックが可撓的に構成されていることを特徴とする、請求項１又は６に記載の測定軸受。
8. 担体材料（１４）としてのプラスチックが箔として構成されていることを特徴とする、請求項７に記載の測定軸受。
9. 担体材料（１４）としてのプラスチックの範囲にある切欠き又は軸受レース（１，２）にある切欠き（４）全体が、可撓的で非導電性の覆い材料（１８）で覆われていることを特徴とする、請求項１〜８の１つに記載の測定軸受。
10. 覆い材料（１８）が可塑性有機コンパウンドとして構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の測定軸受。
11. 測定軸受がころがり軸受として構成され、その軸受レースが金属又はプラスチックから成っていることを特徴とする、請求項１〜１０の１つに記載の測定軸受。
12. 切欠きとしての溝（４）が固定軸受レースに形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の測定軸受。
13. 測定軸受の電子モジュール（１７）が、軸受に支持される物体の回転数又は回転方向、軸受に作用する半径方向力及び軸線方向力、力の方向、軸受騒音、軸受温度を検出するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１２の１つに記載の測定軸受。
14. 電子モジュールが少なくとも１つのマイクロコンピュータを含んでいることを特徴とする、請求項１３に記載の測定軸受。
15. 複数のマイクロコンピュータ（１７）がデータ導線を介して互いに接続され、これらのデータ導線を介してデータ交換を行うことができることを特徴とする、請求項１４に記載の測定軸受。
16. 電子モジュール（１７）の少なくとも１つが接続個所を持ち、この接続個所を介して生データ又は軸受又は軸受に結合された部材の現在の物理的状態についての処理された情報が、軸受外にある少なくとも１つの別の表示装置、データ記憶装置又はデータ処理装置へ導かれることを特徴とする、請求項１３〜１５の１つに記載の測定軸受。

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