JP4833047B2 - 軸受の潤滑剤劣化検出装置および検出装置付き軸受 - Google Patents

Description

この発明は、潤滑剤の混入物などによる劣化状態を検出する軸受の潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えた検出装置付き軸受、例えば鉄道車両用、自動車用、産業機械用等の潤滑剤劣化検出装置付き軸受に関する。

潤滑剤を封入した軸受では、軸受内部の潤滑剤（グリース、油など）が劣化すると転動体の潤滑不良が発生し、軸受寿命が短くなる。転動体の潤滑不良を、軸受の振動状態などから判断するのでは、寿命に達して動作異常が発生してから対処することになるため、潤滑状態の異常をより早く検出できない。そこで、軸受内の潤滑剤の状態を定期的あるいはリアルタイムに観測し、異常やメンテナンス期間の予測を可能にすることが望まれる。

潤滑剤の劣化の主要な要因として、軸受の使用に伴って発生する摩耗粉が潤滑剤に混入することが挙げられる。
軸受の摩耗状態を検出するものとしては、軸受のシール部材の内側に電極を配置し、摩耗粉の混入による潤滑剤の電気的特性を、抵抗値や静電容量や磁気抵抗やインピーダンスの変化で検出するようにしたセンサ付き軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００４−２９３７７６号公報

しかし、特許文献１のセンサ付き軸受は、潤滑剤の電気的特性を検出するものであるため、大量の摩耗粉が入って導通が起こるなどの状況にならなければ、特性変化として検出されず、混入物の検出が困難な場合がある。

このような課題を解決するものとして、発光側および受光側の光ファイバの各一端を検出対象となる潤滑剤が存在する検出部に対向させ、発光側の光ファイバの他端に発光素子を、受光側の光ファイバの他端に受光素子をそれぞれ配置した光学式の構成を考えた。
この構成の潤滑剤劣化検出装置では、発光素子から出射された光が発光側の光ファイバを経由して検出部に存在する潤滑剤を透過し、さらに受光側の光ファイバを経由して受光素子で検出され、受光素子で検出される透過光量から潤滑剤に混入する異物の量が推定される。

しかし、この潤滑剤劣化検出装置では、発光側の光ファイバの一端と受光側の光ファイバの一端とが互いに対向して構成される測定用ギャップが狭いので、潤滑剤の粘度が高くなる低温時において前記測定用ギャップに介在する潤滑剤が入れ替わり難くなり、安定した正確な劣化検出ができない。

この発明の目的は、潤滑剤の流動性が低くなる低温時にも観測部へ潤滑剤を導入し易く、安定した正確な検出が可能な軸受の潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えた検出装置付き軸受を提供することである。

この発明の軸受の潤滑剤劣化検出装置は、概略を説明すると、発光素子と受光素子との間に光を導く導光部材を設け、この導光部材に潤滑剤を介在させる測定ギャップを設け、前記受光素子の出力から前記測定ギャップ内の潤滑剤の混入異物の量を検出する判定手段を設けた潤滑剤劣化検出装置において、前記測定ギャップの近傍に周辺を加熱するヒータを設けたものであり、前記導光部材として光ファイバを用いる。
より具体的には、この発明の軸受の潤滑剤劣化検出装置は、軸受の軸受空間内における保持器よりも軸方向の外側の位置に配置され、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を検出する潤滑剤劣化検出装置であって、
円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させる測定ギャップ部を設け、
前記受光素子の出力から前記測定ギャップ内の潤滑剤の混入異物の量を検出する判定手段を設け、
前記光ファイバの前記測定ギャップ部の近傍部を除く部分を覆う円弧状のカバーを設け、前記光ファイバ前記測定ギャップ部の近傍部を、前記カバーから突出させ、
前記円弧状のカバーは、前記軸受空間内に軸受と同心に設けられて、円弧状の光ファイバに対し、軸受内部側となる片側を少なくとも覆うものであり、前記光ファイバの前記測定ギャップ部の近傍部は、前記円弧中心軸方向の前記片側に突出したものであり、
前記測定ギャップの近傍に周辺を加熱するヒータを設けた、ことを特徴とする。
この構成によると、測定ギャップの周辺の潤滑剤がヒータで加熱される。これにより、低温時に検出対象の潤滑剤の流動性が低いときにも、測定ギャプの周辺の潤滑剤は温度上昇して流動性が増すので、測定ギャップでの潤滑剤の入れ替わりが円滑に行われるようになり、安定した正確な劣化検出が可能となる。

この発明において、前記測定ギャップの近傍に温度センサを設け、この温度センサの検出温度に従って前記ヒータの出力を制御するヒータ制御手段を設けても良い。この構成の場合、温度センサの検出温度が所定値を越えると、ヒータ制御手段がヒータを停止させるなどして温度上昇を抑制するので、ヒータによる加熱時に軸受の回転によって温度がさらに上昇するのを防止でき、潤滑剤に過熱による悪影響を与えるのを防止できると共に、無駄な電力消費を抑えることができる。

この発明の検出装置付き軸受は、この発明の上記構成の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載したものである。
この構成によると、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで安定良く正確に検出することができる。これにより、軸受に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

この発明の軸受の潤滑剤劣化検出装置は、軸受の軸受空間内における保持器よりも軸方向の外側の位置に配置され、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を検出する潤滑剤劣化検出装置であって、円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させる測定ギャップ部を設け、前記受光素子の出力から前記測定ギャップ内の潤滑剤の混入異物の量を検出する判定手段を設け、前記光ファイバの前記測定ギャップ部の近傍部を除く部分を覆う円弧状のカバーを設け、前記光ファイバ前記測定ギャップ部の近傍部を、前記カバーから突出させ、前記円弧状のカバーは、前記軸受空間内に軸受と同心に設けられて、円弧状の光ファイバに対し、軸受内部側となる片側を少なくとも覆うものであり、前記光ファイバの前記測定ギャップ部の近傍部は、前記円弧中心軸方向の前記片側に突出したものであり、前記測定ギャップの近傍に周辺を加熱するヒータを設けたため、潤滑剤の流動性が低くなる低温時にも観測部へ潤滑剤を導入し易く、安定した正確な検出が可能となる。
この発明の検出装置付き軸受は、この発明の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載したものであるため、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで安定良く正確に検出することができる。その結果、軸受に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置の潤滑剤によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１は、この実施形態の潤滑剤劣化検出装置の概略構成を示す。この潤滑剤劣化検出装置１は軸受に搭載されて軸受内部に封入された潤滑剤５の劣化検出を行うものであり、発光素子２および受光素子３と、前記発光素子２から前記受光素子３に光を導く導光部材である光ファイバ４Ａ，４Ｂと、前記受光素子３の出力から潤滑剤５の混入異物の量を検出する判定手段６とを備える。導光部材である一方の光ファイバ４Ａの基端は前記発光素子２の発光面に、導光部材である他方の光ファイバ４Ｂの基端は前記受光素子３の受光面にそれぞれ対向して配置される。また、一方の光ファイバ４Ａの先端と他方の光ファイバ４Ｂの先端とは、潤滑剤５を介在させる測定ギャップ７を介して互いに対向配置される。測定ギャップ７の近傍には、その周辺を加熱するヒータ１０が設けられている。
このように２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂの各先端を測定ギャップ７を介して対向配置することにより、発光素子２から出射された光が一方の光ファイバ４Ａを介して潤滑剤５を透過し、その透過光がさらに他方の光ファイバ４Ｂを介して受光素子３に入射される。

前記発光素子２としては、ＬＥＤ、ＥＬ、有機ＥＬなどを用いることができ、発光回路８（図２）によって駆動される。前記受光素子３としては、フォトダイオード、フォトトランジスタなどを用いることができ、その出力を受ける受光回路９によって受光素子３の受光量が検出される。判定手段６は、例えば電子回路やマイクロコンピュータ等の判定回路からなり、受光素子３の出力と各設定値とを比較して混入異物の量を段階的に出力するものであっても、また設定式等に従って受光素子３の出力を混入物量に変換するものであっても良い。

図２は、前記潤滑剤劣化検出装置１の具体的構成例を示す。発光素子２、受光素子３、および２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂは、円弧状のカバー１１に取付けられ、２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂは円弧状カバー１１に沿って配置される。円弧状カバー１１は、発光素子２、受光素子３、および光ファイバ４Ａ，４Ｂを覆って、これらの部材を潤滑剤５の流動による荷重から保護する。

２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂの両先端間の測定ギャップ７に対応する位置である円弧状カバー１１の円周方向中間部には開口１２が設けられ、これにより測定ギャップ７が軸受内部の潤滑剤５に晒される。図３に平面図で示すように、光ファイバ４Ａ，４Ｂの測定ギャップ７の近傍部位は、固定部材１３を介して円弧状カバー１１の前面に支持固定される。前記固定部材１３は、図４に拡大して示すように、光ファイバ４Ａ，４Ｂの測定ギャップ７の近傍部位を支持する部分が、円弧状カバー１１の開口１２からカバー表面側に向けて二股状に突出した突出部１３ａとされている。これにより、光ファイバ４Ａ，４Ｂの測定ギャップ７の近傍部位が、円弧状カバー１１からカバー外に突出させられる。ここでは、前記固定部材１３における二股状の突出部１３ａの基部付近に前記ヒータ１０が配置される。

前記潤滑剤劣化検出装置１による潤滑剤５の劣化検出において、潤滑剤５が新品のときには透明に近い状態にあり、発光素子２から光ファイバ４Ａを経由して投光され潤滑剤５を透過する透過光の強度は高い。ところが、潤滑剤５に混入する鉄粉（摩耗粉）などの異物の量が多くなると、透過光の強度が徐々に低下する。そこで、判定手段６は、透過光の強度に対応する受光素子３の出力から、潤滑剤５に混入している異物の量を検出する。潤滑剤５に混入する異物の量の増加は潤滑剤５の劣化の進行を意味するので、検出された異物の量から潤滑剤５の劣化具合を推定することができる。

この潤滑剤劣化検出装置１では、導光部材である２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂの先端間に設けられる測定ギャップ７の近傍に、周辺を加熱するヒータ１０を設けているので、測定ギャップ７の周辺の潤滑剤５がヒータ１０で加熱される。これにより、低温時に検出対象の潤滑剤５の流動性が低いときにも、測定ギャプ７の周辺の潤滑剤５は温度上昇して流動性が増すので、測定ギャップ７での潤滑剤５の入れ替わりが円滑に行われるようになり、安定した正確な劣化検出が可能となる。

なお、前記実施形態において、図５のように、光ファイバ４Ａ，４Ｂを金属製パイプ１４に挿入することで、光ファイバ４Ａ，４Ｂの変形を防止するようにしても良い。このように金属製パイプ１４に光ファイバ４Ａ，４Ｂを挿入すると、潤滑剤５の流動による荷重などで光ファイバ４Ａ，４Ｂが変形するのを防止できるので、より正確な検出が可能となる。

潤滑剤劣化検出装置の参考提案例を図６に示す。この提案例の潤滑剤劣化検出装置１では、導光部材となる２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂが平行に揃えて配置され、それら光ファイバ４Ａ，４Ｂの先端間に潤滑剤５を介在させる測定ギャップ７が設けられる。一方の光ファイバ４Ａの基端に発光素子２が配置され、他方の光ファイバ４Ｂの基端に受光素子３が配置されること、および前記受光素子３の出力から潤滑剤５に混入している異物の量を検出する判定手段６を備えることなどは先の実施形態の場合と同様である。

２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂの各先端は、それぞれ斜めにカットした斜めカット面とされている。これらの斜めカット面は、蒸着膜、またはメッキ、または樹脂封止により反射コーティングした反射面４Ａａ，４Ｂａとされている。これら斜めの反射面４Ａａ，４Ｂａは、一方の光ファイバ４Ａを通る光が先端の反射面４Ａａで他方の光ファイバ４Ｂの反射面４Ｂａに向けて反射して、この反射面４Ｂａから他方の光ファイバ４Ｂ内に反射する方向に向けられている。２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂの先端の互いに対向する面、つまり測定ギャップ７を構成する面には、光透過を可能とする切欠等による平坦面化等の処理が施されている。
このように、２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂを配置することにより、発光素子２から出射された光が一方の光ファイバ４Ａを介して潤滑剤５を透過し、その透過光が他方の光ファイバ４Ｂを介して受光素子３に入射される。

前記発光素子２、受光素子３、および２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂは、光ファイバ４Ａ，４Ｂの先端の測定ギャップ７の近傍部位を除いて、モールド樹脂などからなるケース１５内に固定されている。測定ギャップ７の周辺を加熱するヒータ１０は、前記ケース１５の外周に設けられる。その他の構成は先の実施形態の場合と同様である。

この提案例の場合でも、測定ギャップ７の周辺の潤滑剤５がヒータ１０で加熱されるので、低温時に検出対象の潤滑剤５の流動性が低いときにも、測定ギャプ７の周辺の潤滑剤５は温度上昇して流動性が増し、測定ギャップ７での潤滑剤５の入れ替わりが円滑に行われるようになり、安定した正確な劣化検出が可能となる。

図７は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、図１〜図４に示す実施形態の潤滑剤劣化検出装置１において、前記測定ギャップ７の近傍、具体的には固定部材１３に温度センサ１６を設けると共に、この温度センサ１６の検出温度に従ってヒータ１０の出力を制御するヒータ制御手段１７を設けたものである。その他の構成は図１〜図４の実施形態の場合と同様であり、ここではその説明を省略する。

この潤滑剤劣化検出装置１の場合もヒータ１０が測定ギャップ７の周辺を加熱するが、同時に測定ギャップ７の周辺の潤滑剤５の温度を温度センサ１６が観測する。温度センサ１６の検出温度が所定値を超えると、ヒータ制御手段１７がヒータ１０を停止させるなどして温度上昇を抑制する。これにより、ヒータ１０による加熱時に軸受の回転によって温度がさらに上昇するのを防止でき、潤滑剤５に過熱による悪影響を与えるのを防止できると共に、無駄な電力消費を抑えることもできる。ヒータ制御手段１７は、ヒータ１０の停止の後、温度センサ１６の検出温度がオン用の所定値を超えると、再度ヒータ１０を駆動させる。

図８は、さらに他の提案例を示す。この提案例は、図６に示す提案例の潤滑剤劣化検出装置１において、前記測定ギャップ７の近傍、具体的にはケース１５の外周部に温度センサ１６を設けると共に、この温度センサ１６の検出温度に従ってヒータ１０の出力を制御するヒータ制御手段１７を設けたものである。

図９は、図１〜図４や図７に示す実施形態の潤滑剤劣化検出装置１を転がり軸受に搭載した検出装置付き軸受の一例を示す。この場合の転がり軸受２０は鉄道車両用軸受であって、内輪２１の両側に各々接して設けられた付属部品である油切り２５および後ろ蓋２６とで鉄道車両用軸受ユニットが構成される。転がり軸受２０は、ころ軸受、詳しくは複列の円すいころ軸受からなり、各列のころ２３，２３に対して設けた分割型の内輪２１，２１と、一体型の外輪２２と、前記ころ２３，２３と、保持器２４とを備える。
油切り２５は、車軸３０に取付けられて外周にオイルシール３１を摺接させたものである。このオイルシール３１は、外輪２２の前記油切り２５に対応する一端部に取付けられる環状のシールケース２７の内径面に、仲介部材を介して圧入嵌合される。前記シールケース２７の内側に潤滑剤劣化検出装置１が同心に取付けられる。
後ろ蓋２６は、車軸３０に軸受２０よりも中央側で取付けられて外周にオイルシール３１Ａを摺接させたものである。このオイルシール３１Ａは、外輪２２の前記後ろ蓋２６に対応する他端部に取付けられる環状のシールケース２７Ａ８の内径面に、仲介部材を介して圧入嵌合される。これら軸受２０の両端部に配置される両オイルシール３１，３１Ａにより軸受２０の内部に潤滑剤が封止され、かつ防塵・耐水性が確保される。

潤滑剤劣化検出装置１の軸受２０への取付けにおいて、前記シールケース２７における段部の内径面に潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１１が嵌め込まれ、続いて圧入される圧入リング３４により、シールケース２７の段部端面と前記仲介部材材にわたって潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１１が押し当てられる。これにより、潤滑剤劣化検出装置１の円弧状カバー１１が軸方向に位置決め固定され、転がり軸受２０の内外輪２１，２２間の軸受空間に円周方向に延びる光ファイバ４Ａ，４Ｂが配置され、測定ギャップ７は保持器２４の内径面からころ２３の大端部にわたる面域の近傍に配置される。潤滑剤劣化検出装置１の他の構成部品（判定手段６、発光回路８、受光回路９など）は軸受２０の外部に配置される。

これにより、上記潤滑剤劣化検出装置１を搭載したこの検出装置付き軸受２０では、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで安定良く正確に検出することができる。その結果、軸受２０に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受２０の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置１の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。

図１０は、図６や図８に示す提案例の潤滑剤劣化検出装置１を転がり軸受に搭載した検出装置付き軸受の一例を示す。この検出装置付き軸受２０Ａでは、図９に示した検出装置付き軸受２０において、潤滑剤劣化検出装置１の発光素子２、受光素子３および２本の光ファイバ４Ａ，４Ｂを固定したケース１５が、一方のシールケース２７に設けられた孔からシールケース２７の内側に挿入されて取付けられ、測定ギャップ７は、保持器２４の内径面からころ２３の大端部に跨がる面域の近傍に配置される。その他の構成は図９の検出装置付き軸受２０の場合と同様である。

この発明の第１の実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。 同潤滑剤劣化検出装置の具体的な構成図である。 同潤滑剤劣化検出装置の部分平面図である。 図４の一部の拡大平面図である。 同潤滑剤劣化検出装置の他の構成例の説明図である。 提案例に係る潤滑剤劣化検出装置の構成図である。 他の提案例に係る潤滑剤劣化検出装置の一部を示す構成図である。 さらに他提案例に係る潤滑剤劣化検出装置の構成図である。 この発明の潤滑剤劣化検出装置を搭載した検出装置付き軸受の一例を示す断面図である。 提案例の潤滑剤劣化検出装置を搭載した検出装置付き軸受の例を示す断面図である。

符号の説明

１…潤滑剤劣化検出装置
２…発光素子
３…受光素子
４Ａ，４Ｂ…光ファイバ（導光部材）
５…潤滑剤
６…判定手段
７…測定ギャップ
１０…ヒータ
１６…温度センサ
１７…ヒータ制御手段
２０，２０Ａ…転がり軸受（検出装置付き軸受）

Claims (3)

1. 軸受の軸受空間内における保持器よりも軸方向の外側の位置に配置され、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を検出する潤滑剤劣化検出装置であって、
   円弧状の光ファイバの両端にそれぞれ発光素子および受光素子を対向して設け、この円弧状の光ファイバの一部に潤滑剤を介在させる測定ギャップ部を設け、
   前記受光素子の出力から前記測定ギャップ内の潤滑剤の混入異物の量を検出する判定手段を設け、
   前記光ファイバの前記測定ギャップ部の近傍部を除く部分を覆う円弧状のカバーを設け、前記光ファイバ前記測定ギャップ部の近傍部を、前記カバーから突出させ、
   前記円弧状のカバーは、前記軸受空間内に軸受と同心に設けられて、円弧状の光ファイバに対し、軸受内部側となる片側を少なくとも覆うものであり、前記光ファイバの前記測定ギャップ部の近傍部は、前記円弧中心軸方向の前記片側に突出したものであり、
   前記測定ギャップの近傍に周辺を加熱するヒータを設けた、
   ことを特徴とする軸受の潤滑剤劣化検出装置。
2. 請求項１において、前記測定ギャップの近傍に温度センサを設け、この温度センサの検出温度に従って前記ヒータの出力を制御するヒータ制御手段を設けた軸受の潤滑剤劣化検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載した潤滑剤劣化検出装置付き軸受。

Images