JP4836588B2 - 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、軸受のシールの内側に電極やコイル等のセンサを配置し、摩耗粉の混入する潤滑剤の電気的特性を前記センサ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、例えば図８のように、対向配置した発光素子３３と受光素子３４の間に潤滑剤３５を介在させ、発光素子３３から出射され潤滑剤３５を透過する光を受光素子３４で検出するようにし、受光素子３４で検出された光量から潤滑剤３５の劣化状態を推定する光学式の構成を考えた。

しかし、この構成の場合、検出対象となる潤滑剤３５の厚さｄが同図に破線で示すように変化すると、受光素子３４で検出される光量が変化するので、潤滑剤３５の厚さｄを一定に保つような構成が必要となる。

そこで、例えば図９のように、発光側および受光側の光ファイバ３６，３７の各一端を検出対象となる潤滑剤３５が存在する測定部３８に対向させ、発光側の光ファイバ３６の他端に発光素子３３を、受光側の光ファイバ３７の他端に受光素子３４をそれぞれ配置した構成を考えた。
図９の構成では、発光素子３３から出射された光が発光側の光ファイバ３６を経由して測定部３８に存在する潤滑剤３５を透過し、さらに受光側の光ファイバ３７を経由して受光素子３４で検出され、受光素子３４で検出される透過光量から潤滑剤３５に混入する異物の量が推定される。この場合、測定部３８における光ファイバ３６，３７と対向する面積を小さくできるので、測定部３８へ潤滑剤３５が入り易くなり、測定部３８に入った潤滑剤３５を容易に一定厚さに保つことができる。

しかし、図９の構成の場合でも、潤滑剤３５が一定厚さｄに保たれるような容器構造の測定部３８が必要であり、例えば軸受内部に封入された潤滑剤の劣化検出に用いるような場合、軸受内部での配置の自由度が低くなる。

この発明の目的は、光源と受光検出素子の間隔が固定されず、配置の自由度を高くしつつ、被測定物である潤滑剤の厚さの影響を受けずに潤滑剤の劣化状態を安定して推定することのできる軸受の潤滑剤劣化検出装置を提供することを目的とする。
この発明の他の目的は、この発明の潤滑剤劣化検出装置の軸受内部への配置自由度が高く、潤滑剤の厚さの影響を受けずに潤滑剤の劣化状態を安定して推定することができ、また定期的あるいはリアルタイムの潤滑剤の劣化検出が容易に行える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、軸受内部に設置され、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を検出する軸受の潤滑剤劣化検出装置であって、光源と、この光源から出射して潤滑剤を透過した透過光を検出する２つの光検出素子とを備え、これら２つの光検出素子は、光検出面の位置が互いに光の進行方向に対してずれたものとし、前記２つの光検出素子の出力の信号強度を比較することによって潤滑剤の劣化状態を検出する判定手段を設け、前記各光検出素子は、検出器とこの検出器に基端が接続されて先端が前記光検出面となる導光体または光ファイバとでなるものとし、前記２つの光検出素子の検出器は、互いに光の進行方向に対して同一位置に並べて配置し、前記導光体または光ファイバは、先端の位置が互いに光の進行方向に対してずれるように長さを異ならせたものである。

この構成の潤滑剤劣化検出装置によると、光源からの光は、光検出素子に到達するまでに吸収や散乱を受け減衰しているが、この光の強度を第１の光検出素子で検出する。先に光が到達する第１の光検出素子の出力を基準にして、第２の光検出素子の出力を評価すると、２つの光検出素子間の距離による光の減衰分を検出することができる。このように、２つの光検出素子間の距離による光の減衰分を検出する構成のため、光検出素子間の間隔が固定されていれば、光源の強度や光源からの距離に依存しない測定ができる。よって、この出力差を用いれば、潤滑剤の厚さの影響等を受けずに、潤滑剤の劣化の状態の推定、例えば摩耗によって発生した混入物などの量の推定ができる。
光源と光検出素子との距離を固定しなくて良いため、配置の自由度が高くなり、搭載スペースの制約に合わせた構成が可能になる。また、２つの光検出素子の信号強度を比較して検出する構成のため、電源変動などのコモンモードノイズの影響を受けず、安定した検出が可能となる。２つの光検出素子を潤滑剤の中に配置するとしても、２つの光検出素子の間で、温度変化による特性変化の影響が相殺され、精度の高い検出が可能となる。

この発明において、前記判定手段は、前記信号強度の比較により、潤滑剤の内部に混入した混入物の量を推定するものとしても良い。
例えば、潤滑剤が軸受内に封入されたものである場合、軸受の使用に伴って摩耗粉等の異物が潤滑剤に混入することになるので、その混入物の量が増加するにつれて判定手段の検出出力は小さくなる。したがって、判定手段の検出出力の値から潤滑剤の内部に混入した混入物の量を推定することができる。また、混入量の増加は潤滑剤の劣化状態の進行を意味するので、判定手段は、推定した混入物の量から潤滑剤の劣化状態を検出することができる。

この発明において、前記光検出素子は、検出器とこの検出器に基端が接続されて先端が前記光検出面となる導光体とでなるものとしても良い。この構成の場合にも、２つの光検出素子を、それらの光検出面の位置が互いに光の進行方向に対して所定間隔だけずれるように配置したことになるので、潤滑剤そのものの厚さ、光源の強度、光源から光検出素子までの距離などに影響されることなく、潤滑剤の劣化状態を検出することができる。

この発明において、前記光検出素子は、検出器とこの検出器に基端が接続されて先端が前記光検出面となる光ファイバとでなるものとしても良い。この構成の場合にも、２つの光検出素子を、それらの光検出面の位置が互いに光の進行方向に対して所定間隔だけずれるように配置したことになるので、潤滑剤そのものの厚さ、光源の強度、光源から光検出素子までの距離などに影響されることなく、潤滑剤の劣化状態を検出することができる。

この発明において、前記光検出素子の付近に温度センサを配置しても良い。この構成の場合、前記温度センサにより潤滑剤と光検出素子の温度を観測することで、温度変化に応じた補正を検出結果に施すことができる。これにより、より正確な検出が可能となり、環境温度の変化による検出信号の変化を、潤滑剤の劣化に起因するものと見誤るのを回避できる。

この発明の潤滑剤劣化検出装置付き軸受は、上記発明の潤滑剤劣化検出装置を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、定期的に、あるいはリアルタイムで正確に検出することが容易に行える。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径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、軸受内部に設置され、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を検出する軸受の潤滑剤劣化検出装置であって、光源と、この光源から出射して潤滑剤を透過した透過光を検出する２つの光検出素子とを備え、これら２つの光検出素子は、光検出面の位置が互いに光の進行方向に対してずれたものとし、前記２つの光検出素子の出力の信号強度を比較することによって潤滑剤の劣化状態を検出する判定手段を設け、前記各光検出素子は、検出器とこの検出器に基端が接続されて先端が前記光検出面となる導光体または光ファイバとでなるものとし、前記２つの光検出素子の検出器は、互いに光の進行方向に対して同一位置に並べて配置し、前記導光体または光ファイバは、先端の位置が互いに光の進行方向に対してずれるように長さを異ならせたため、光源と受光検出素子の間隔が固定されず、配置の自由度を高くしつつ、被測定物である潤滑剤の厚さの影響を受けずに潤滑剤の劣化状態を安定して推定することができる。
この発明の潤滑剤劣化検出装置付き軸受は、この発明の潤滑剤劣化検出装置を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、定期的にあるいはリアルタイムで正確に検出することが容易に行える。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。

この発明の基礎となる提案例を図１および図２と共に説明する。図１は、この提案例の概略構成図を示す。この潤滑剤劣化検出装置１は、光源２と、この光源２から出射して検出対象となる潤滑剤６を透過した透過光を検出する２つの光検出素子３，４と、これら２つの光検出素子３，４の出力の信号強度を比較することによって潤滑剤６の劣化状態を検出する判定手段５とを備える。検出対象となる潤滑剤６は、例えば軸受内部に封入された潤滑剤である。前記２つの光検出素子３，４は、光検出面の位置が互いに光の進行方向に対して所定間隔ｄだけずらして配置され、このようにずらした状態で連結された一体の部品として扱われる。また、２つの光検出素子３，４は潤滑剤６の中に配置される。これにより、潤滑剤６の光入射面から、各光検出素子３，４の光検出面までの潤滑剤厚さの差はｄとなる。

前記光源２としては、ＬＥＤ、白熱電球、半導体レーザダイオード、ＥＬ、有機ＥＬ、蛍光管などを用いることができる。また、前記光検出素子３，４としては、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＤＳ、太陽電池、光電子増倍管などの検出器を用いることができる。図１では、前記判定手段５を、前記２つの光検出素子３，４の出力の信号強度の差分を求める差動増幅回路で構成した例を示しているが、これに限らず、２つの光検出素子３，４の出力の信号強度の比を求める回路構成としても良い。

上記構成の潤滑剤劣化検出装置１において、前記潤滑剤６を透過する光の強度は、透過した距離によって大きく減衰する。これら透過光強度と透過距離との間には、図２にグラフで示す関係がある。この関係は、透過光強度（透過光量）をＩ、透過距離をｘ、潤滑剤６への入射光量をＩinとすると、αを定数として、
Ｉ＝Ｉinｅｘｐ（−αｘ） ……（１）
となる。
そこで、各光検出素子３，４の出力の信号強度Ｉ0 ，Ｉ1 は、
Ｉ0 ＝Ｉinｅｘｐ（−αｘ0 ） ……（２）
Ｉ1 ＝Ｉinｅｘｐ（−αｘ1 ） ……（３）
となる。前記判定手段５が、２つの光検出素子３，４の出力の信号強度の比を求めるものとすると、判定手段５の検出出力は、
（Ｉ1 ／Ｉ0 ）＝ｅｘｐ（−α（ｘ1 −ｘ0 ））
＝ｅｘｐ（−αｄ） ……（４）
となる。すなわち、判定手段５の検出出力は、潤滑剤６そのものの厚さには関係なく、２つの光検出素子３，４の光検出面の間隔ｄに依存する値となる。

また、式（４）における定数αの値は、潤滑剤６の状態によって変化する。例えば、潤滑剤６が軸受内に封入されたものである場合、軸受の使用に伴って摩耗粉等の異物が潤滑剤６に混入することになるので、その混入物の量が増加するにつれて前記定数αが大きくなる。したがって、前記判定手段５が、上記したように前記２つの光検出素子３，４の信号強度の比を求める場合、潤滑剤６における間隔ｄを透過する光の透過率を検出することになり、その検出出力の値から潤滑剤６の内部に混入した混入物の量を推定することができる。また、混入量の増加は潤滑剤６の劣化状態の進行を意味するので、判定手段５は、推定した混入物の量から潤滑剤６の劣化状態を検出することができる。

なお、前記判定手段５は、前記２つの光検出素子３，４の信号強度の差を求めるものであっても良い。この場合にも、判定手段５は潤滑剤６における間隔ｄを透過する光の透過率を検出することになるので、その検出出力から潤滑剤６の内部に混入した混入物の量を推定することができ、推定した混入物の量から潤滑剤６の劣化状態を検出することができる。

このように、この潤滑剤劣化検出装置１では、２つの光検出素子３，４を、それらの光検出面の位置が互いに光の進行方向に対して間隔ｄだけずれるように配置し、これら２つの光検出素子３，４の出力の信号強度を判定手段５で比較することによって潤滑剤６の劣化状態を検出するようにしているので、潤滑剤６そのものの厚さ、光源２の強度、光源２から光検出素子３，４までの距離などに影響されることなく、潤滑剤６の劣化状態を検出することができる。

その結果、軸受内部などへ潤滑剤劣化検出装置１を設置する場合にも、配置の自由度が高くなり、設置スペースの制約に合わせた構成が可能となる。また、２つの光検出素子３，４の出力の信号強度を比較して潤滑剤６の劣化状態を検出することから、電源変動などのコモンモードノイズの影響を受けず、安定した検出が可能となる。また、２つの光検出素子３，４を潤滑剤６の中に配置するので、２つの光検出素子３，４の間で温度変化による特性変化の影響が相殺され、精度の高い検出が可能となる。

なお、上記構成において、２つの光検出素子３，４の配置部付近に温度センサを配置して、潤滑剤６と光検出素子３，４の温度を観測することで、温度変化に応じた補正を検出結果に施すようにしても良い。具体的には、例えば、温度変化による検出信号の変化を予め測定しておき、実際の使用温度における検出信号を補正する回路を別に設ければ良い。この場合、潤滑剤６の温度が分かると、環境温度の変化による検出信号の変化を、潤滑剤６の劣化に起因するものと見誤るのを回避できる。これにより、より正確な検出が可能となる。

また、上記構成において、判定手段５は、２つの光検出素子３，４の出力の信号強度を比較して得られる検出信号を、所定の基準値と比較する比較回路を有するものとしても良い。この場合、潤滑剤６の劣化状態が所定のレベル以上であることを容易に判断できるので、潤滑剤６の交換時期などの目安とすることができる。

図３は、この発明の第１の実施形態の概略構成図を示す。この実施形態の潤滑剤劣化検出装置１は、図１に示す提案例において、２つの光検出素子３，４を、検出器１３Ａ，１４Ａと、導光体１３Ｂ，１４Ｂとで構成したものである。すなわち、片方の光検出素子３は、検出器１３Ａと、この検出器１３Ａに基端が接続されて先端が光検出面となる導光体１３Ｂとでなり、もう片方の光検出素子４は、検出器１４Ａと、この検出器１４Ａに基端が接続されて先端が光検出面となる別の導光体１４Ｂとでなる。各検出器１３Ａ，１４Ａとしては、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＤＳ、太陽電池、光電子増倍管などが用いられる。この場合、２つの検出器１３Ａ，１４Ａは、光の進行方向に対して同一位置に並べて配置される。これに対して、２つの導光体１３Ｂ，１４Ｂは、先端の位置が互いに光の進行方向に対して所定間隔ｄだけずれるように、長さを異ならせてある。これにより、２つの光検出素子３，４の光検出面の位置が、互いに光の進行方向に対して所定距離ｄだけずれたものとされる。各導光体１３Ｂ，１４Ｂは、例えば円筒状の透明体からなり、外周面には反射材料が塗布され、光検出面となる先端は透明な円形窓とされる。なお、導光体１３Ｂ，１４Ｂの形状は円筒状のものに限らず、例えば角筒状であっても良い。その他の構成は図１の提案例の場合と同様である。

このように構成した潤滑剤劣化検出装置１の場合にも、２つの光検出素子３，４を、それらの光検出面の位置が互いに光の進行方向に対して間隔ｄだけずれるように配置したことになるので、潤滑剤６そのものの厚さ、光源２の強度、光源２から光検出素子３，４までの距離などに影響されることなく、潤滑剤６の劣化状態を検出することができる。

図４は、この発明の他の実施形態の概略構成図を示す。この実施形態の潤滑剤劣化検出装置１は、図１に示す提案例において、２つの光検出素子３，４を、検出器１３Ａ，１４Ａと、光ファイバ１３Ｃ，１４Ｃとで構成したものである。すなわち、片方の光検出素子３は、検出器１３Ａと、この検出器１３Ａに基端が接続されて先端が光検出面となる光ファイバ１３Ｃとでなり、もう片方の光検出素子４は、検出器１４Ａと、この検出器１４Ａに基端が接続されて先端が光検出面となる別の光ファイバ１４Ｃとでなる。各検出器１３Ａ，１４Ａとして、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＤＳ、太陽電池、光電子増倍管などが用いられることは図３の実施形態の場合と同じである。この場合も、２つの検出器１３Ａ，１４Ａは、光の進行方向に対して同一位置に並べて配置され、２つの光ファイバ１３Ｃ，１４Ｃは、先端の位置が互いに光の進行方向に対して所定間隔ｄだけずれるように、長さを異ならせてある。これにより、２つの光検出素子３，４の光検出面の位置が、互いに光の進行方向に対して所定距離ｄだけずれたものとされる。その他の構成は図１の提案例の場合と同様である。

このように構成した潤滑剤劣化検出装置１の場合にも、２つの光検出素子３，４を、それらの光検出面の位置が互いに光の進行方向に対して間隔ｄだけずれるように配置したことになるので、潤滑剤６そのものの厚さ、光源２の強度、光源２から光検出素子３，４までの距離などに影響されることなく、潤滑剤６の劣化状態を検出することができる。

図５は、上記した潤滑剤劣化検出装置１を搭載した潤滑剤劣化検出装置付き軸受を、鉄道車両用軸受ユニットに用いた断面図である。この場合の鉄道車両用軸受ユニットは、潤滑剤劣化検出装置付き軸受２１とその内輪２４の両側に各々接して設けられた付属部品である油切り２２および後ろ蓋２３とで構成される。軸受２１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２６，２６に対して設けた分割型の内輪２４，２４と、一体型の外輪２５と、前記ころ２６，２６と、保持器２７とを備える。
後ろ蓋２３は、車軸３０に軸受２１よりも中央側で取付けられて外周のオイルシール２８を摺接させたものである。油切り２２は、車軸３０に取付けられて外周にオイルシール２９を摺接させたものである。これら軸受２１の両端部に配置される両オイルシール２８，２９により軸受２１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は軸受２１の外輪２５の内径面における両列の軌道面間に取付けられ、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を検出する。潤滑剤劣化検出装置１は、ころ２６の端面付近に配置される。外輪２５には、潤滑剤劣化検出装置１の配線ケーブル１５を挿通させるケーブル挿入孔２５ａが設けられ、配線ケーブル１５の挿通部には、防水・防油処理が施される。前記配線ケーブル１５を通じて、軸受外から潤滑剤劣化検出装置１への電源供給と軸受外への検出信号の取り出しが行われる。これにより、潤滑剤劣化検出装置１の取付部から軸受内部へ水分やゴミ等が侵入するのを防止している。
上記潤滑剤劣化検出装置１を搭載したこの潤滑剤劣化検出装置付き軸受２１では、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで正確に検出することができる。その結果、軸受２１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２１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６は、潤滑剤劣化検出装置付き軸受の他の例を示す。この潤滑剤劣化検出装置付き軸受２１Ａは、図５に示した潤滑剤劣化検出装置付き軸受２１において、上記した潤滑剤劣化検出装置１をオイルシール２９の内側面に取付けたものである。この場合、潤滑剤劣化検出装置１は、保持器２７の端面付近に配置される。

図７は、潤滑剤劣化検出装置付き軸受のさらに他の例を示す。この潤滑剤劣化検出装置付き軸受２１Ｂは、図５に示した潤滑剤劣化検出装置付き軸受２１において、上記した潤滑剤劣化検出装置１を、外輪２５の転走面の脇部に取付けたものである。このように、転走面の脇部に潤滑剤劣化検出装置１を配置することにより、潤滑に寄与している潤滑剤の状態を確実に検出することができる。

提案例に係る潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。 潤滑剤を透過する光の透過距離と透過光の強度との関係を示すグラフである。 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。 この発明の他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。 上記潤滑剤劣化検出装置を搭載した潤滑剤劣化検出装置付き軸受の一例の断面図である。 上記潤滑剤劣化検出装置を搭載した潤滑剤劣化検出装置付き軸受の他の例の断面図である。 上記潤滑剤劣化検出装置を搭載した潤滑剤劣化検出装置付き軸受のさらに他の例の断面図である。 潤滑剤劣化検出装置の提案例の概略構成図である。 潤滑剤劣化検出装置の他の提案例の概略構成図である。

符号の説明

１…潤滑剤劣化検出装置
２…光源
３，４…光検出素子
５…判定手段
６…潤滑剤
１３Ａ，１４Ａ…検出器
１３Ｂ，１４Ｂ…導光体
１３Ｃ，１４Ｃ…光ファイバ
２１，２１Ａ，２１Ｂ…潤滑剤劣化検出装置付き軸受

Claims (6)

1. 軸受内部に設置され、軸受内に封入された潤滑剤の劣化状態を検出する軸受の潤滑剤劣化検出装置であって、光源と、この光源から出射して潤滑剤を透過した透過光を検出する２つの光検出素子とを備え、これら２つの光検出素子は、光検出面の位置が互いに光の進行方向に対してずれたものとし、前記２つの光検出素子の出力の信号強度を比較することによって潤滑剤の劣化状態を検出する判定手段を設け、前記各光検出素子は、検出器とこの検出器に基端が接続されて先端が前記光検出面となる導光体または光ファイバとでなるものとし、前記２つの光検出素子の検出器は、互いに光の進行方向に対して同一位置に並べて配置し、前記導光体または光ファイバは、先端の位置が互いに光の進行方向に対してずれるように長さを異ならせた軸受の潤滑剤劣化検出装置。
2. 請求項１において、前記判定手段は、前記信号強度の比較により、潤滑剤の内部に混入した混入物の量を推定するものとし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において、前記光検出素子は、検出器とこの検出器に基端が接続されて先端が前記光検出面となる導光体とでなるものとした軸受の潤滑剤劣化検出装置。
4. 請求項１または請求項２において、前記光検出素子は、検出器とこの検出器に基端が接続されて先端が前記光検出面となる光ファイバとでなるものとした軸受の潤滑剤劣化検出装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記光検出素子の付近に温度センサを配置した軸受の潤滑剤劣化検出装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載した検出装置付き軸受。

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