JP5509720B2 - 転がり軸受装置 - Google Patents

Description

この発明は、転がり軸受の異常の判定に使用されるセンサを備えた転がり軸受装置に関する。

転がり軸受の異常を検知するには、例えば、転がり軸受の外輪に取り付けた変位センサで内輪の変位を検出し、変位の変動によって転がり軸受に異常が発生したかどうかを見るものが知られている。ここで、転がり軸受の異常に伴って発生する瞬間的な変動の間隔は、軸の回転運動に同期することから、異常とノイズとを区別するには、回転速度を参照する必要があり、回転軸の変位を検出するセンサとは別に、速度を検出するセンサが別途使用されている。

特許文献１には、相対変位および／または速度の計測が可能なセンサを備えた転がり軸受装置として、固定部材に対して回転する回転部材と、回転部材を支持する転がり軸受と、固定部材に設けられて回転部材の変位量を検知する変位センサとを備えている転がり軸受装置が開示されている。

特開平９−２９７１５１号公報

速度を検出するセンサとしては、通常、軸の切欠きや磁力、表面の反射率から等間隔の信号を入手するものが用いられているが、このようなセンサでは、軸変位を正確に検出することは不可能であり、結局、特許文献１のものでは、「相対変位および／または速度の計測デバイス」となっているものの、１つのセンサで速度と軸受の異常を検知できないという問題があった。

この発明の目的は、１つのセンサで速度と軸受の異常を検知することができる転がり軸受装置を提供することにある。

この発明による転がり軸受装置は、固定部材に対して回転する回転部材と、回転部材を支持する転がり軸受と、固定部材に設けられて回転部材の変位量を検知する変位センサとを備えている転がり軸受装置において、
変位センサからの出力を処理して転がり軸受の異常を検出するセンサ処理手段をさらに備えており、回転部材のセンサ対向部は、転がり軸受の軸心を中心とする円周面に対して偏心した円周面を有しており、
センサ処理手段において、転がり軸受に異常が発生していない段階の変位波形である正弦波が最大値または最小値となる位置を基準位置とするとともに、変位センサの出力波形から正弦波分を減算したものを異常判定用波形として、異常判定用波形において瞬間的な変動が発生した位置を前記基準位置からの値として求め、異常判定用波形における瞬間的な変動が周期的なものである場合に異常と判断することを特徴とするものである。

転がり軸受装置は、センサ装置以外の構成として、例えば、固定部材としての筒状のハウジングと、回転部材としての回転軸と、回転軸に嵌め合わされる内輪、ハウジングに嵌め合わされる外輪および両輪間に配置された複数の転動体を有する１対の転がり軸受とを備えているものとされる。ここで、ハウジングと外輪とは一体になされていることがあり、また、回転軸と内輪とが一体になされていることもある。すなわち、外輪を兼ねるハウジングと内輪を兼ねる回転軸との間に転動体が介在させられていることがある。転がり軸受としては、深みぞ玉軸受、アンギュラ玉軸受、ころ軸受、ニードル軸受、スラスト軸受などのいずれのものでも使用可能であり、また、単列であっても複列であってもよい。

変位センサは、例えば、渦電流式のものとされるが、これに限定されるものではない。

回転部材のセンサ対向部は、回転部材（例えば回転軸）の外周面に設けられることがあり、また、回転部材（例えば中空状とされた回転軸）の内周面に設けられることがある。

センサ対向部を除いた回転部材の本体部分は、転がり軸受の軸心を中心とする円周面（同心円筒面）を有しているものとされ、センサ対向部は、本体部分と平行な軸心を中心とする円周面（偏心円筒面）を有しているものとされる。

センサ対向部（外周面または内周面のうち検知面となる面）が偏心した円周面とされることで、転がり軸受に異常が発生していない段階（初期状態）の変位波形が滑らかな正弦波（１回転に付き１つの正弦波）となり、この正弦波が最大値または最小値となる位置を基準位置（回転方向の原点）として使用することができる。転がり軸受に異常が発生した場合には、回転軸の変位に瞬間的な変動が発生し、この瞬間的な変動は、センサ対向部においては、正弦波に乗って表れることになる。変位センサの出力波形から正弦波分を減算したものが、従来使用されていたのと同じ異常判定用波形であり、この波形における瞬間的な変動が周期的なものであれば、これを異常と判断することができる。従来では、異常判定用波形に基準位置（原点）がないため、瞬間的な変動が異常によるものかノイズによるものかの判定が困難であったが、この発明のものでは、瞬間的な変動の発生箇所を上記の正弦波から得られる原点を基準にした時間または回転角度によって特定できるので、別途の回転センサまたは速度センサを使用することなく、変動が周期的に発生するかどうかを精度よく判定することができる。これにより、１つのセンサで速度と軸受の異常を検知することができる。

センサ処理手段は、例えば、センサ対向部の初期状態における変位波形を蓄えている記憶部と、変位センサによって得られた変位波形から１回転に要する周期を求める周期演算手段と、変位センサによって得られた変位波形から初期状態における変位波形を減算して異常判定用波形を生成する減算部と、異常判定用波形に表れるピークが１回転の同じ位置に表れるかどうかを判定する周期性判定手段とを有しているものとされる。

変位センサの出力波形から減算される初期状態における変位波形は、付与した偏心量に基づく設計値を使用して生成してもよく、変位センサを使用して実測することで得られた波形を使用してもよい。

変位センサ対向部の偏心量は、数ミクロン程度に設定すれば、回転部材が１回転したことおよび１回転時の最大値または最小値を求めることができる。なお、回転部材では、微小な偏心が加工誤差によって生じるが、加工誤差だけでは、基準位置を求めることは困難であり、また、回転部材全体を偏心させることは、回転時の振動発生の原因となり好ましくない。この発明によると、センサ対向部だけを偏心させるとともに、その偏心量を数ミクロン程度に抑えることで、偏心に起因する回転部材の振動が防止される。センサ対向部の所要位置にバランス調整用の重量を付加することで、高速回転時の振動を防止するようにしてもよい。

この発明の転がり軸受装置によると、固定部材に設けられて回転部材の変位量を検知する変位センサと 変位センサからの出力を処理して転がり軸受の異常を検出するセンサ処理手段と備えており、回転部材のセンサ対向部は、転がり軸受の軸心を中心とする円周面に対して偏心した円周面を有しているので、偏心した円周面に伴って生じる正弦波形から得られる原点を基準にしてて瞬間的な変動の発生箇所を特定できるので、別途のセンサを使用することなく、周期的に発生するかどうかを精度よく判定することができる。これにより、１つのセンサで速度と軸受の異常を検知することができる。

図１は、この発明による転がり軸受装置の第１実施形態を示す縦断面図である。 図２は、図１のII-II線に沿う横断面図である。 図３は、この発明による転がり軸受装置の第２実施形態を示す縦断面図である。 図４は、図３のIV-IV線に沿う横断面図である。 図５は、この発明による転がり軸受装置で得られる変位センサの出力波形および処理手段で得られる波形を示す図である。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、上下および左右は、図１および図３の上下および左右をいうものとする。

図１および図２は、この発明による転がり軸受装置の第１実施形態を示している。

転がり軸受装置(1)は、筒状のハウジング（固定部材）(2)と、ハウジング(2)内に回転可能に配置された回転軸（回転部材）(3)と、回転軸(3)を支持する１対の転がり軸受(4)と、ハウジング(2)に設けられて回転軸(3)の変位量を検知する変位センサ(5)と、変位センサ(5)からの出力を処理して転がり軸受(4)の異常を検出するセンサ処理手段(6)とを備えている。

各転がり軸受(4)は、図２に示すように、回転軸(3)外周に嵌め合わされた内輪(11)、ハウジング(2)内周に嵌め合わされた外輪(12)および両輪(11)(12)間に配置された複数の玉（転動体）(13)を有している。

変位センサ(5)は、渦電流式のもので、回転軸(3)の右端部に上方（径方向外方）から臨まされており、回転軸(3)のセンサ対向部(22)は、回転軸(3)の他の部分（本体部分(21)）に対して偏心させられている。すなわち、回転軸(3)の本体部分(21)は、転がり軸受(4)の軸心と同心に形成されており、したがって、その外周面(21a)は、転がり軸受(4)の軸心を中心とする円周面（同心円筒面）となっているのに対し、センサ対向部(22)の外周面(22a)は、本体部分(21)の外周面(21a)に対して偏心した円周面（偏心円筒面）とされている。センサ対向部(22)の外周面(22a)は、例えば、回転軸(3)の軸心に対して旋削工具の軸心を偏心させて加工することにより、容易にかつ精度よく得ることができる。

この転がり軸受装置(1)によると、転がり軸受(4)に異常が発生していない段階（初期状態）では、変位センサ(5)による波形は、回転軸(3)のセンサ対向部(22)が偏心しているために、図５（ａ）に示すような正弦波となる。正弦波では、変位が最大値（または最小値）となるときの横軸の値（例えば時間Ｔｏ）を容易に求めることができる。転がり軸受(4)の軌道面の１カ所に傷（例えば凹状の圧痕）が発生すると、玉(13)がその圧痕に嵌まることで、回転軸(3)が径方向に移動し、傷が発生した位置における回転軸(3)の変位が瞬間的に変動する。センサ対向部(22)におけるこの変動は、正弦波にオンされることになるので、その波形は、図５（ｂ）に示したものとなる。したがって、センサ処理手段(6)において、図５（ｂ）の波形から図５（ａ）の波形を減算する処理を行うと、図５（ｃ）に示した波形が得られることになる。ここで、図５（ｂ）の波形の正弦波部分に関しては、変位が最大値となるときの横軸の値（時間Ｔｏ）を容易に求めることができ、図５（ｃ）に示した波形においてこのＴｏを維持することができる。すなわち、図５（ｃ）に示した波形の形状は、センサ対向部(22)を偏心させない場合に得られる波形と同じものであるが、センサ対向部(22)を偏心させない場合には、基準位置がないために、変位の変動が回転軸の周方向どの位置で発生しているのかが分からないのに対し、図５（ｃ）に示した波形では、原点位置Ｔｏが明確になっており、瞬間的な変動が発生した位置を原点位置からの値として求めることができる。これにより、原点位置Ｔｏを求めるための別途のセンサを使用することなく、転がり軸受(4)の異常に伴って周期的に生じる変動かノイズによる変動かの区別を容易に行うことができ、異常検出精度を向上させることができる。

センサ処理手段(6)は、上記の処理を行うために、センサ対向部(22)の初期状態における変位波形を蓄えている記憶部、変位センサ(5)によって得られた変位波形から１回転に要する周期を求める周期演算手段、変位センサ(5)によって得られた変位波形から初期状態における変位波形を減算して異常判定用波形を生成する減算部、異常判定用波形に表れるピークが１回転の同じ位置に表れるかどうかを判定する周期性判定手段などを有しているものとされる。

なお、上記第１実施形態では、回転軸(3)の右端部に相当する位置に変位センサ(5)およびセンサ対向部(22)が設けられているが、変位センサ(5)およびセンサ対向部(22)は、左右の転がり軸受(4)の中間に位置するように設けることもできる。

図３および図４は、この発明による転がり軸受装置の第２実施形態を示している。

転がり軸受装置(31)は、筒状のハウジング（固定部材）(32)と、ハウジング(32)内に回転可能に配置された回転軸（回転部材）(33)と、回転軸(33)を支持する転がり軸受(34)と、ハウジング(32)に設けられて回転軸(33)の変位量を検知する変位センサ(35)と、変位センサ(35)からの出力を処理して転がり軸受(34)の異常を検出するセンサ処理手段(36)とを備えている。

ハウジング(32)および回転軸(33)は、転がり軸受(34)の構成要素となっており、転がり軸受(34)は、図３に示すように、ハウジング(32)に形成された外輪軌道面(32a)、回転軸(33)に形成された内輪軌道面(33a)および両軌道面(32a)(33a)間に配置された複数のころ（転動体）(37)を有している。

回転軸(33)の右端部には、中空状のセンサ対向部(42)が設けられている。

変位センサ(35)は、渦電流式のもので、中空状とされたセンサ対向部(42)の内周面に、径方向内方から臨まされている。センサ対向部(42)の内周面(42a)は、回転軸(33)の他の部分（本体部分(41)）に対して偏心させられている。すなわち、回転軸(33)の本体部分(41)は、転がり軸受(34)の軸心と同心に形成されており、したがって、その外周面(41a)は、転がり軸受(34)の軸心を中心とする円周面（同心円筒面）となっているのに対し、センサ対向部(42)の内周面(42a)は、本体部分(41)の外周面(41a)に対して偏心した円周面（偏心円筒面）とされている。このセンサ対向部(42)の内周面(42a)は、例えば、回転軸(33)の軸心に対して旋削工具の軸心を偏心させて加工することにより、容易にかつ精度よく得ることができる。

第２実施形態のものは、センサ対向部(42)が回転軸(33)の内周に設けられている点で第１実施形態のものと相違しており、また、転がり軸受(34)の外輪がハウジング(32)と一体になされているとともに、転がり軸受(34)の内輪が回転軸(33)と一体になされている点でも第１実施形態のものと相違している。

この転がり軸受装置(31)によると、転がり軸受(34)に異常が発生していない段階では、変位センサ(35)による波形は、回転軸(33)のセンサ対向部(42)が偏心しているために、図５（ａ）に示すような正弦波となり、転がり軸受(34)の内輪軌道面(32a)または外輪軌道面(32a)の１カ所に傷（例えば凹状の圧痕）が発生すると、ころ(37)がその圧痕に嵌まることで、回転軸(33)が径方向に移動し、傷が発生した位置における変位が瞬間的に変動する。センサ対向部(42)におけるこの変動は、正弦波にオンされることになるので、その波形は、図５（ｂ）に示したものとなる。したがって、センサ処理手段(36)において、第１実施形態と同様の処理を行うことにより、原点位置Ｔｏを求めるための別途のセンサを使用することなく、転がり軸受(34)の異常に伴って周期的に生じる変動かノイズによる変動かの区別を容易に行うことができ、異常検出精度を向上させることができる。

(1)(31) 転がり軸受装置
(2)(32) ハウジング（固定部材）
(3)(33) 回転軸（回転部材）
(4)(34) 転がり軸受
(5)(35) 変位センサ
(6)(36) センサ処理手段
(22)(42) センサ対向部
(21a)(41a) 円周面
(22a)(42a) 偏心円周面

Claims (2)

1. 固定部材に対して回転する回転部材と、回転部材を支持する転がり軸受と、固定部材に設けられて回転部材の変位量を検知する変位センサとを備えている転がり軸受装置において、
   変位センサからの出力を処理して転がり軸受の異常を検出するセンサ処理手段をさらに備えており、回転部材のセンサ対向部は、転がり軸受の軸心を中心とする円周面に対して偏心した円周面を有しており、
   センサ処理手段において、転がり軸受に異常が発生していない段階の変位波形である正弦波が最大値または最小値となる位置を基準位置とするとともに、変位センサの出力波形から正弦波分を減算したものを異常判定用波形として、異常判定用波形において瞬間的な変動が発生した位置を前記基準位置からの値として求め、異常判定用波形における瞬間的な変動が周期的なものである場合に異常と判断することを特徴とする転がり軸受装置。
2. センサ処理手段は、センサ対向部の初期状態における変位波形を蓄えている記憶部と、変位センサによって得られた変位波形から１回転に要する周期を求める周期演算手段と、変位センサによって得られた変位波形から初期状態における変位波形を減算して異常判定用波形を生成する減算部と、異常判定用波形に表れるピークが１回転の同じ位置に表れるかどうかを判定する周期性判定手段とを有していることを特徴とする請求項１の転がり軸受装置。

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