JP4596025B2 - センサ付転動装置 - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受装置や直動装置等の転動装置の運転状態を検知するセンサ付転動装置に関し、特に、耐環境性、防水性が要求される機械装置等の予防保全や異常検知、例えば、ばね下で使用される鉄道車両や、自動車、搬送車等の移動体の軸受装置の予防保全や、電気情報機器用の軸受等の異常検知にも適用可能なセンサ付転動装置に関する。

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センサを用いて、異常に伴う温度や振動等の変動を検出していた。また、各検出素子をプリント基板に設置して、各検出素子と各種電子素子とを結線する電線を不要とし、コンパクト化を図ると共に経年変化や断線といった不具合のないセンサが知られている。

検出素子がプリント基板に実装される技術として、振動、温度、回転速度、湿度等を検出する検出素子と検出用の回路部がプリント基板上に実装され、プリント基板が軌道輪の一部に取り付けられ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、センサ周りの温度変化に対応するため、プリント基板に取り付けられた検出素子や回路部品を軟質樹脂と硬質樹脂で覆ったセンサが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

また、転動装置は外気に曝される条件の下で使用されることが多く、センサの内部に水が浸入してプリント基板上の回路等に作動不良等が発生するという問題がある。このため、従来、プリント基板を防湿するために防湿剤等をプリント基板に塗布していた。しかしながら、防湿剤の塗布は部品実装後のプリント基板単体で行われるため、プリント基板をケースやハウジング等に固定した後、ケーブルを取り出すためのはんだ付けを行う場合には、その部分の防湿がなされていなかった。

このような問題に対し、図５に示されるように、回路素子部１０１、リード線１０２、電源線１０３を、防湿・防水用の防水性樹脂層１０４で充填した圧電型振動センサ装置１００が知られている（例えば，特許文献３参照。）。圧電型振動センサ装置１００は、一方の面に振動検知部１０５を備え、他方の面に回路素子部１０１を搭載した回路基板１０６がパッケージ１０７内に設けられ、回路基板１０６上の回路素子部１０１を防水性樹脂層１０４で封止する。また、リード線１０２及び電源線１０３は、防水性樹脂層１０４に一部埋設して回路素子部１０１から引き出されている。
特開２００２−２０６５２８号公報（第２−３頁、第１図） 特開２００３−８３７７４号公報（第３−４頁、第２図） 特開平７−４３２０５号公報（第３頁、第１図）

特許文献３における圧電型振動センサ装置では、温度変化や湿度変化によって安定した感度を得ることができ、また、リード線や電源線も防水性樹脂層に部分的に埋設されて防湿・防水が行われている。しかしながら、特許文献３では、ケーブル取り出し口がパッケージ１０７の上方に設けられているが、ケーブル取出し口が回路基板１０６に対して水平方向にある場合には、防水性樹脂がケーブル取り出し口から流出してしまうという問題がある。また、パッケージ１０７自体のケーブル取出し口では防水対策が十分に為されていないため、リード線１０２および電源線１０３と外部の接続ケーブル間が浸水する可能性がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、外気に曝される設置個所でも使用でき、耐環境性・防水性に優れたセンサ付転動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）転動装置の運転状態を検出する少なくとも一つの検出素子と、前記検出素子を内包するセンサ筐体と、前記センサ筐体に取り付けられた蓋体と、を備える検出器を有するセンサ付転動装置において、前記センサ筐体と前記蓋体間はＯリング又は液体パッキンで密閉されており、前記検出素子の出力を外部に取り出すため前記センサ筐体にはケーブル取り出し用穴が設けられており、前記センサ筐体に設けられたケーブル取り出し用穴内はケーブルをモールドするように前記センサ筐体内側から防水性樹脂で封止されることを特徴とするセンサ付転動装置。
（２）前記検出器は、前記検出素子が実装されるプリント基板をさらに備え、前記プリント基板は防水性樹脂で封止されることを特徴とする（１）に記載のセンサ付転動装置。
（３）前記プリント基板の裏面にはざぐり部が設けられており、前記ざぐり部の空間部分が前記プリント基板の上面と連通するように連通穴が設けられており、前記防水性樹脂はざぐり部にも流入していることを特徴とする（１）又は（２）に記載のセンサ付転動装置。
（４）外部から配線されるケーブルは、前記プリント基板から延びる前記ケーブルより線径が大きく、前記センサ筐体の内部において圧着端子で接続されていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のセンサ付転動装置。
（５）前記センサ筐体の材質は、オーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウム合金、又は表面にアルマイト処理を施したアルミニウム合金であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のセンサ付転動装置。
（６）前記センサ筐体は、ハウジングに取り付けられ、前記センサ筐体が取り付けられる前記ハウジングの材質は、アルミニウム合金であり、前記センサ筐体の材質は、アルミニウム合金又は表面にアルマイト処理を施したアルミニウム合金であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載のセンサ付転動装置。
（７）前記センサ付転動装置は、鉄道車両、自動車又は搬送車に用いられることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載のセンサ付転動装置。

本発明に係るセンサ付転動装置によれば、検出素子を内包するセンサ筐体を防水構造にしたので、外気に曝される設置個所でも使用でき、耐環境性・防水性に優れたセンサ付転動装置を提供することができる。また、センサ筐体に設けられたケーブル取り出し用の穴の下端は、プリント基板を封止した防水性樹脂より上方に位置しているので、防水性樹脂がケーブル取り出し用の孔から流出することがなく、封入性が良く、組立の工数を削減できる。

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、検出器であるセンサユニット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。

センサユニット２０は、上方に開放した収容空間を構成するセンサ筐体であるケース本体２１と、ケース本体２１の開放部を覆う蓋体２２とで構成される検出器ケース２３とを備える。検出器ケース２３は、ケース本体２１に設けられた筐体取り付け穴２４に挿入される複数のボルト２５を介してハウジング１８に固定される。ケース本体２１の上面には、収容空間を囲むようにＯリング溝２６（図２）が形成されており、Ｏリング溝２６に収容されたＯリング２７によりケース本体２１と蓋体２２間を密閉して防水性を高めている。

ケース本体２１は、図３に示されるように、ハウジング１８の外周面上に隙間無く置かれる取付部２１ａと、取付部２１ａの側方から立設する側部２１ｂとを有する。また、取付部２１ａの取付面（ハウジング１８外周面に対向して固定される面）は、ハウジング１８の外周面に沿った形状を備える。

センサ筐体であるケース本体２１を被測定物である軸受装置１７に取り付ける箇所（ボルト２５の固定位置）は、軸受装置１７の一番高い位置としている。軸受装置１７に検出器ケース２３を取り付ける場合には、作業スペースが軸方向にしかないこと（図１の右側）が多く、筐体取り付け穴２４が一番高い箇所にないと、奥側（図１の左側）のボルト２５を取り付けるための工具が入らない。なお、鉄道車両等の落下防止対策を行う場合には、筐体取り付け穴２４が一番高い位置にあるとワイヤー等で補強することができる。

センサ筐体であるケース本体２１の材質は任意であるが、強度等を考慮してステンレス鋼やアルミニウム合金等の金属製のセンサ筐体が好ましい。ただし、センサ筐体の腐食を防止するために、取付部分（ハウジング１８）と同じ材質を使用したり、ステンレス鋼としてＳＵＳ３０３等のオーステナイト系ステンレス鋼を用いたり、アルミニウム合金であれば表面をアルマイト処理する等の対策を行うことが好ましい。また、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２８が固定されており、振動検出素子（加速度センサ）、温度検出素子等の検出素子及び信号を処理するため信号処理部等からなる電子部品がプリント基板２８を介して取付部２１ａと側部２１ｂとで囲まれた収容空間に設置される。取付部２１ａは、側部２１ｂの内側に設けられ、プリント基板２８を固定するための面一な支持面２１ｃを有する基板支持部２１ｄと、プリント基板２８に対向する位置で、基板支持部２１ｄの内側に段差を設けて形成された凹部であるざぐり部２１ｅとを構成する。

プリント基板２８は、図３に示すように、その周縁部が基板支持部２１ｄ上に面するようにして、プリント基板２８のコーナー部に配した複数の止めねじ２９（本実施形態では、４本）により固定されている。なお、プリント基板２８は、全周が基板支持部２１ｄに支持されているが、両端支持であってもよい。また、プリント基板２８を基板支持部２１ｄ上に固定する固定具として止めねじ２９を用いたが、接着剤等を用いてもよい。

プリント基板２８の一方の面（図では上面；ケースカバー２２側の面）には振動検出素子３０および速度検出素子３１が実装されている。また、プリント基板２８の他方の面（図では下面；取付板２１ａ側の面）には温度検出素子３２が実装されており、温度検出素子３２は、取付部２１ａに形成されたざぐり部２１ｅに収容される。
なお、速度検出素子３１、温度検出素子３２の取り付けは、プリント基板２８に対して逆に配置されてもよく、一方の面のみでもよい。
ざぐり部２１ｅは、電子部品実装面やパターンがある部分とケーブルをはんだ付けする部分を含む。電子部品やパターンがプリント基板裏面にない場合には、ケーブルのはんだ付け部分が含まれればよい。

振動検出素子３０は、図１に示されるように、その振動検出方向がプリント基板２８の面に垂直な方向（板厚方向）となるように構成されている。即ち、振動検出素子３０は、図中符号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）を検出可能に構成されている。このため、振動検出素子３０は、その振動検出方向がＶ方向となるようにプリント基板２８に取り付けられており、プリント基板２８は板厚方向がＶ方向、即ち、振動検出方向となるようにセンサ筐体であるケース本体２１に水平に設置されている。

また、振動検出素子３０が実装されるプリント基板２８の部分の裏面は、プリント基板自体の曲げ方向（板厚方向）の固有振動数を高くするため、接着剤でケース本体２１の基板支持部２１ｄに接着されている。なお、振動検出素子３０は、プリント基板２８を固定するための止めねじ２９間で、かつ、２つの筐体取り付け穴２４の中心間に沿って配置されており、これによりプリント基板２８の固有振動数の影響をより小さくすることができる。
なお、本実施形態では、軸受装置の状態を監視するための検出素子として、振動検出素子３０、速度検出素子３１、温度検出素子３２、その他の運転状態を検出する検出素子の少なくとも一つが装備されていればよい。

さらに、プリント基板２８の一方の面或いは他方の面上には、これらの検出素子以外に、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）や、上記の各検出素子の出力信号を増幅するための増幅回路、検出信号を電圧出力又は電流出力（電流ループ出力）で出力するための出力回路及びそれらの回路を構成する電子部品などが表面実装されている。

また、電子部品が実装されたプリント基板２８を取り付けたケース本体２１の収容空間には、防水性樹脂３３が封止されている。防水性樹脂３３は、例えば、シリコンゲル等を用いることができる。防水性樹脂３３は、プリント基板２８の両側に設けられた電子部品を覆うとともに、はんだ付けによりプリント基板２８に接続されたケーブル３４の接続部分を覆う。従って、プリント基板２８をセンサ筐体に固定した後にプリント基板２８とケーブル３４を接続するためにはんだ付けしても、その後に防水性樹脂３３で封止できるので、プリント基板２５、電子部品及びケーブルのはんだ付け部のすべてを防湿・防水することができる。

なお、本実施形態のように、基板の裏面にざぐり部２１ｅがある場合には、防水性樹脂３３がざぐり部２１ｅへ確実に流れるように、ざぐり部２１ｅの空間部分がプリント基板２８の上面と連通するように連通穴（図示せず）を設けておくとより好ましい。

振動検出素子３０、速度検出素子３１、温度検出素子３２は、軸受装置１７に作用する運転状態を常時検出して信号（値）を出力し、その信号（値）をプリント基板２８に実装された電子部品に供給する。電子部品は、これらの検出素子３０，３１，３２から与えられた信号（値）を処理し、電圧信号又は電流信号として出力する。

また、プリント基板２８から延びたケーブル３４は、ケース本体２１に貫通形成されたケーブル取り出し用の穴３５を通じて、ケース本体２１の側面に取り付けられたコネクタ３６の内端部に接続される。また、コネクタ３６の外端部には、外部の測定器に接続する別のケーブル３７が接続されている。ケーブル３７を介して外部に伝送する信号は、電圧出力でもよいし、電流出力でもよい。電流出力の場合は、電流ループ出力にすると、ノイズの影響を受けにくくなるので好ましい。電流ループ出力の場合は、ケーブル３７の信号線と電源線をツイストしておくとノイズの影響をさらに受けにくくなるのでより好ましい。また、電圧出力の場合も、ケーブル３７の信号線をツイストしておく方がノイズの影響を受けにくいので好ましい。ケーブル３７は、プリント基板２８の表面（上面）から取り出しても裏面（下面）から取り出してもよい。

ケーブル取り出し用の穴３５は、水平方向である軸１５の軸方向に沿って貫通形成されており、ケーブル取り出し用の穴３５の開口を覆うようにコネクタ３６が取り付けられている。また、ケーブル取り出し用の穴３５は、省スペース化のため、筐体取り付け穴２４と軸方向に重ならない位置、即ち、筐体取り付け穴２４とオフセットした位置に配置されている。
ここで、筐体取り付け穴２４とケーブル取り出し用の穴３５に取り付けられたコネクタ３６とが同軸上に配置されている場合にはボルトの出し入れが困難になってしまう。また、コネクタ３６をケース本体２１の上面（図１の上方向）につけると、上方向へのオーバーハングによる大きな取り付けスペースを必要としてしまう。このため、筐体取り付け穴２４とケーブル取り出し用の穴３５をオフセットさせることで、ボルトの取り付け、取り外しが自由にでき、上方向へのオーバーハングを小さくできる。

ケーブル取り出し用の穴３５は、充填される防水性樹脂３３の高さ、即ち、プリント基板２５に実装した電子部品の高さより上方に位置する。これにより、防水性樹脂３３をケース本体２１の収容空間に流し込んでも、防水性樹脂３３がケーブル取り出し用の穴３５から外部へ流出するのを防止することができる。

また、コネクタ３６のケース本体２１に対向する面にはＯリング溝３８が形成されており、Ｏリング溝３８に収容されたＯリング３９によりケース本体２１とコネクタ３３間を密閉して防水性を高めている。
さらに、外部のケーブル被覆が損傷した場合の防水処置として、ケーブル取り出し用の穴３５内で、ケーブル被覆にシリコン樹脂等の防水性樹脂４０をモールドして内側から樹脂封止するようにしてもよい。この場合、ケーブル取り出し用孔３５は、プリント基板２８上に封止された防水性樹脂３３よりも上方に位置しているので、ケーブル取り出し用の穴３５を封止する防水性樹脂４０と、プリント基板２８を封止する防水性樹脂３３が混ざり合うことがない。このため、互いの樹脂が硬化阻害物質であっても問題は起きない。

なお、外部から配線されるケーブル３７の線径が大きい場合には、ケース本体２１内で端子台もしくは圧着端子等で接続してもよい。
また、ケーブル３４は、ケース本体２１内で結束バンド等で固定しておくと、プリント基板２８がケーブル３４で引っ張られることを防止できるのでより好ましい。

上記のように、本実施形態によれば、検出素子を内包するセンサ筐体であるケース本体２１を防水構造にしたので、外気に曝される設置個所でも使用でき、耐環境性・防水性に優れたセンサ付転動装置を構成することができる。
特に、ケース本体２１と蓋体２２との間はＯリング２７で密閉されており、ケース本体２１とコネクタ３６との間はＯリング３９の装着と防水性樹脂４０による封止で密閉されていることから、検出素子を内包する収容空間が外気に曝されることを確実に防止することができる。また、電子部品、はんだ付け後のケーブル３４が実装されたプリント基板２８は防水性樹脂３３で封止されていることから、これらの部品も確実に防湿・防水されている。また、Ｏリング溝を形成するスペースがない場合は、ケース本体２１と蓋体２２との間に液体パッキン等を入れて防水してもよい。

さらに、ケーブル取り出し用の穴３５の下端は、プリント基板２８を封止した防水性樹脂３３より上方に位置しているので、防水性樹脂３３がケーブル取り出し用の穴３５から流出することがなく、封入性が良く、組立の工数を削減できる。
加えて、ケース本体２１は、筐体取り付け穴２４とケーブル取り出し用の穴３５とをオフセットさせているので、ボルトの取り付け、取り外しが自由にでき、上方向へのオーバーハングを小さくできる。

なお、本実施形態に用いられる振動検出素子２８は、シリコン加速度センサや、圧電素子を使用したバイモルフ型の振動検出素子、圧電素子と重錘を組合せた振動検出素子、あるいは片持ちはり構造の振動検出素子等のほか、圧電素子の代わりにひずみゲージを利用した振動検出素子などが使用される。シリコン加速度センサは、シリコン・マイクロマシン部品（機械素子）を電子回路と同一のシリコン基板上に集積することにより、小型化、高性能化及び低コスト化を図ったものであり、フォトリソグラフィなどＩＣの製造技術を利用して製造される。
また、振動検出素子２８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。
なお、ケース本体２１内にプリント基板２５を固定するために、ねじや接着剤を用いる他に、エポキシ樹脂などのモールド材をケース本体２１内にモールドして固定してもよい。また、ねじで固定した場合、その後にエポキシ樹脂などでモールドしてもよい。また、防水のため、軟らかいシリコン樹脂やシリコンゲルなどを充填してもよい。
なお、エポキシ樹脂のような硬い樹脂でモールドする場合は、検出素子や電子部品部分をシリコン樹脂等のやわらかい樹脂で被覆した後に、モールド材でモールドすることが好ましい。このとき、発泡性の樹脂（発泡性シリコン樹脂など）をやわらかい樹脂の上に覆った後にモールド材でモールドすることがより好ましい。こうすれば、温度変化による熱膨張率差によって発生する圧力を緩和することで、圧力による検出素子や電子部品の破損を防止できる。

また、ローパスフィルタが不要な場合は、ローパスフィルタを省いてもよいが、プリント基板２５や振動検出素子２８の固有振動数成分の振動を除去するためには、ローパスフィルタを設けることが好ましい。
さらに、ケース本体２１とコネクタ３６との間は、Ｏリング３９の装着と防水性樹脂４０の封入のいずれか一方によって為されてもよい。

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。
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。

更に、軸受装置１７に限らず、図４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、ナット５１に本発明に係るセンサユニット（検出器）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、その他の直同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。

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。 図１に示した蓋体を外したセンサユニットの上面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 本発明に係るセンサ付転動装置の検出器がボールねじに適用された例を示す側面図である。 従来のセンサ付転動装置の断面図である。

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 センサユニット（検出器）
２１ ケース本体
２２ 蓋体
２３ 検出器ケース
２７ Ｏリング
２８ プリント基板
３０ 振動検出素子
３１ 速度検出素子
３２ 温度検出素子
３３ 防水性樹脂
３４ ケーブル
３６ コネクタ
３９ Ｏリング
４０ 防水性樹脂
６０ ボールねじ

Claims (7)

1. 転動装置の運転状態を検出する少なくとも一つの検出素子と、前記検出素子を内包するセンサ筐体と、前記センサ筐体に取り付けられた蓋体と、を備える検出器を有するセンサ付転動装置において、
   前記センサ筐体と前記蓋体間はＯリング又は液体パッキンで密閉されており、
   前記検出素子の出力を外部に取り出すため前記センサ筐体にはケーブル取り出し用穴が設けられており、
   前記センサ筐体に設けられた前記ケーブル取り出し用穴内はケーブルをモールドするように前記センサ筐体内側から防水性樹脂で封止されることを特徴とするセンサ付転動装置。
2. 前記検出器は、前記検出素子が実装されるプリント基板をさらに備え、
   前記プリント基板は防水性樹脂で封止されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ付転動装置。
3. 前記プリント基板の裏面にはざぐり部が設けられており、
   前記ざぐり部の空間部分が前記プリント基板の上面と連通するように連通穴が設けられており、
   前記防水性樹脂はざぐり部にも流入していることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ付転動装置。
4. 外部から配線されるケーブルは、前記プリント基板から延びる前記ケーブルより線径が大きく、前記センサ筐体の内部において圧着端子で接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ付転動装置。
5. 前記センサ筐体の材質は、オーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウム合金、又は表面にアルマイト処理を施したアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ付転動装置。
6. 前記センサ筐体は、ハウジングに取り付けられ、
   前記センサ筐体が取り付けられる前記ハウジングの材質は、アルミニウム合金であり、
   前記センサ筐体の材質は、アルミニウム合金又は表面にアルマイト処理を施したアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ付転動装置。
7. 前記センサ付転動装置は、鉄道車両、自動車又は搬送車に用いられることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセンサ付転動装置。

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