JP5670539B2 - センサを備えたベアリングユニット - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のおいて書き部分に示すタイプの、センサ装置が設けられたベアリングユニットに関する。

ベアリングユニットの動作を監視する際に幾つかの重要な物理的パラメータを検出するために、例えば回転センサ、荷重センサや温度センサ等のようなセンサを備えたベアリングユニットが既に知られている。従来においては、これらセンサは、ベアリングユニットの一の側部に設けられており、センサに給電するために電気コネクタを必要とし、これらセンサによって検出されたデータを遠隔配置された装置に送信していた。幾つかの場合では、センサは、ベアリングの内側レースと外側レースとの間に形成された環状の間隙を横方向において閉鎖しているシール装置のうち一のシール装置内に組み込まれている。しかしながら、電気的接続部がベアリングユニットから横方向に突出しているので、利用可能な空間が非常に限定される用途では、嵩の問題が発生する。このような問題は、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。

特許文献３は、センサがベアリングの外側に突出しないように、ベアリングのレースに形成され且つ樹脂に埋設された溝内に、センサが配置されているベアリングユニットを開示している。

欧州特許公開公報第０４６４４０３号明細書 欧州特許公開公報第０４９８２９８号明細書 米国特許第６９４８８５６号明細書

本発明の一般的な目的は、ベアリングユニットの動作状態を示す物理的パラメータを高精度且つ高信頼性で検出可能であり、且つ、センサを備えた、小型ベアリングユニットを提供することである。本発明の特別な目的は、ベアリングユニットから横方向に突出した電気的接続部を不要とすることである。

本発明におけるこれら目的及び優位性並びに他の目的及び優位性は、以下において理解を深めることができ、特許請求の範囲に規定する特徴を有するベアリングユニットによって実現される。

本発明のベアリングユニットにおける、幾つかの好ましいが非限定的な実施例の構造的特徴及び作用的特徴は、添付図面を参照しつつ説明される。

本発明のベアリングユニットにおける第１の実施例の斜視図である。 図１のベアリングユニットの軸方向断面図であり、矢印は電気的信号が流れる経路を示している。 図２の矢印ＩＩＩの方向から見た場合における拡大図である。 図２の軸方向断面図に類する、さらなる実施例の軸方向断面図である。 図２の軸方向断面図に類する、さらなる実施例の軸方向断面図である。

図１及び図２は、固定された外側レース１１及び回転可能な内側レース１２を備えたベアリング１０を表わす。これら外側レース及び内側レースそれぞれが、二組の回転要素、当該実施例では外側レース１１と内側レース１２との間に挿置され且つケージ１４によって周方向において等間隔で配置されたボール１３のために、軌道１１ａ，１２ａを形成している一般に外側レース１１と内側レース１２との間に形成された環状の間隙１５に充填された、潤滑グリースを保持するために、シール装置（図示しない）がベアリングの両側部に取り付けられている。添付図面に表わすベアリングユニットは、径方向フランジが設けられておらず、軸方向に関して非対称なレースを有している、いわゆる第一世代タイプのアンギュラ玉軸受である。しかしながら、実施可能な分野を参照する場合には、特許権の範囲を限定するものとして解釈してはならない。同様に、本発明は、例えばフランジが設けられたベアリングに適用可能である。

ベアリングユニット１０は、ベアリングユニットの動作状態の監視に有用な物理的パラメータを検出するために、外側レース１１及び内側レース１２それぞれに組み込まれた１つ以上のセンサ装置、当該実施例では２つのセンサ装置２０，２１を備えている。センサ装置２０，２１には、温度センサ（例えばサーミスタ）、及び／又は振動センサ（例えば加速度計）、及び／又は荷重センサ（例えば小型ロードセル、小型圧力変換器や圧電変換器）、及び／又は回転センサ、例えばボール又はローラ１３が通過する際に磁場変化を検出可能な地磁気検出器や圧力変化を検出可能な圧力センサが設けられている。

センサ装置２０，２１は、好ましくは軌道１１ａ，１２ａから離隔した、ベアリングユニットの径方向断面における表面的位置又は周辺位置を機械加工することによって、レース１１，１２に形成された径方向の凹所１６，１７それぞれに収容されていることが望ましい。センサ装置は、各レースに安定的に保持されるように、樹脂材料又はプラスチック材料から成る本体２２，２３それぞれに埋設されている。各センサ装置は、参照符号２４，２５が示す地点において各レースに電気的に接続されており、外部受信機（図示しない）に接続させるための出力側の電気的接続部２６と、内側レース１２が回転可能にロックされた中心軸（図示しない）に結合させるための出力側の電気的接続部２７とを有している。

絶縁材料層３０，３１が、外側レース１１の外面のうち一の外面に形成された、保護されていない給電領域３２を除いて、外側レース１１の外表面及び内側レース１２の外表面とベアリングユニット１０に設けられた他の機械的部材（外側ハウジングや中心軸等）とが直接に電気的に接続することを防止する。例えば、カバー層３０，３１は、アルミナ（Ａ１２０３）であり且つその厚さが約１００マイクロメートルであって、商品名ＩＮＳＯＣＯＡＴＲとして市場に流通している材料によって構成されている場合がある。

給電領域３２は、給電手段（図示しないが、例えばプローブ）に電気的に接続されている。当該給電手段は、外側レース１１の本体を通じて外側のセンサ装置２０に電流を供給し、且つ、外側レース１１、回転要素１３、及び内側レース１２の本体を通じて内側のセンサ装置２１に電流を供給する。このような給電を実現するために、回転要素のうち少なくとも１つの回転要素が導電性を有している必要がある。代替的な実施例として、例えば、すべての回転要素１３が被覆されているか、又は非導電性材料（一般にはセラミック材料）から完全に作られている場合には、環状の間隙１５内部に充填されたグリースが、導電性を有しており、これにより回転要素１３の周囲に導電性膜を形成している必要がある。このようなグリースは、例えばKluberelectric B42-72として知られている。

ベアリングユニットが、ベアリングユニット内側に潤滑剤を保持するために、且つ、水及び埃がベアリングユニット内側に侵入することを防止するために、接触シールを備えている。当該接触シールは、優位にはベアリングの固定側レースをベアリングの回転側レースに電気的に接続させることに適している。

給電領域３２がスポット状に表わされている点において図１とは異なり、給電領域の形状及び大きさ（extent）は必要に応じて大きく変化する場合がある。例えば、給電領域は、ベアリングの外側レースの周囲に周方向において連続的に延在している、保護されていないストリップとして形成されている場合がある。

センサ装置２０，２１によって発生された信号は、検出された（温度、振動、及び回転等の）データを示しており、保護されていない給電領域３２に到達する給電電圧を調整する。電圧変化は、給電装置に接続された外部装置（図示しない）によって検出されるので、センサによって検出されたデータが容易に得られる。代替的又は付加的には、電流調整は、信号が流れた場合に実行される。電流調整は、優位には信号のノイズを低減させる。

センサ装置２０，２１は、様々な変換器によって発生されるデータを処理するために、例えばマイクロプロセッサのような電子装置を備えている場合がある。これらセンサ装置には、検出され且つ可能であれば処理されたデータをベアリングユニットの外側に配置された受信機に無線通信するための送信機が設けられているか、又は備えられている場合がある。

電流が通過するベアリングの部品が電食されることを防止するために、給電が低強度且つ低周波数で実施されることが望ましい。しかしながら、導電性グリースが利用される場合には、このような給電は不要である。

電気的絶縁層３０，３１は、給電電流が確実且つ効果的にセンサ装置に到達し、これにより電流が外側ハウジング内又は中心軸内で直接分散され、センサ装置をバイパスするように機能する。

図２は、絶縁層が外側レース１１及び内側レース１２の側面の一部分を覆っている実施例を表わす。このような構成によって、ベアリングのレースを通過する給電電流が、ベアリングユニット１０の一の側部に配置された他の部材又は本体を通じて漏出することは防止される。スペーサリング及び／又は他の従来のベアリングユニットには、例えば図２に表わすような電気的絶縁層が設けられていない。

図４は、センサ装置が回転側レース１２内に設けられていない、本発明における代替的な実施例である。

図５は、センサ装置が固定側レース１１内に設けられていない変形例を表わす。回転側レース１２内に固定されたセンサ装置２１は、固定側レース１１と回転側レース１２とボール１３又は導電性グリースとを通じて給電されている。

上述の内容から理解されるように、従来のセンサを有しないベアリングユニットの外形と略同一の外形を有し、且つ、センサが設けられた、本発明におけるベアリングユニットが、ベアリングのレースを通じた電流供給を実現する。ベアリングの両側部で突出している従来の電気コネクタが不要となるので、軸方向における嵩の問題が解消され、本発明におけるベアリングユニットを取り付けることができる。例えば工作機械では、図示するタイプのベアリングユニットは、工作機械の他の固定部品又は可動部品の配置を改良する必要なく、大きさが等しく且つセンサが設けられていない従来のベアリングユニットに交換可能とされる。

さらに、本発明によって、様々なタイプのセンサ装置をベアリングユニットのレースに堅固に固定可能となるので、検出されるデータ、特に振動センサ及び温度センサによって検出されるデータの精度が改善される。とりわけ高精密ベアリングでは、外側レースと内側レースとの温度差が、動作状態を監視する際における最重要のパラメータを表わしている。本発明では、２つのレースの温度を直接検出することができる。センサ装置のタイプに関係なく、センサ装置とレースとの堅固なロックによって、センサ装置が経時的に正確に位置決めされることが保証されるので、検出されたデータの信頼性も保証される。このようなロックは、例えば車両のホイールハブのベアリングの場合のように、衝撃を受け易い部品に取り付けられたベアリングユニットにおいて特に有用である。

本発明は、本明細書に説明及び図示された実施例に限定される訳ではなく、ベアリングユニットの例示として考慮すべきである。むしろ本発明は、当業者にとって明らかなように、部品の形状及び配置や構成的な詳細及び作用的な詳細について改良することができる。例えば、幾つかの凹所が、幾つかのセンサを収容するための同一のレースに形成されている場合がある。さらに、好ましい実施例に表わすように凹所に埋設されている訳ではなく、ベアリングのレースの外面に取り付けられたセンサを有しているベアリングユニットを利用することによっても、本発明は実施可能である。

１０ ベアリングユニット
１１ 固定側のレース
１１ａ 軌道
１２ 回転側のレース
１２ａ 軌道
１３ 回転要素
１５ 間隙
１６ 凹所
１７ 凹所
２０ 第１のセンサ装置
２１ 第１のセンサ装置
２２ 本体
２３ 本体
２４ 第２の電気的接続手段
２５ 第２の電気的接続手段
２６ 第３の電気的接続手段
２７ 第３の電気的接続手段
３０ 層
３１ 層
３２ 給電領域（第１の電気的接続手段）

Claims (13)

1. 固定側のレース（１１）と回転側のレース（１２）との間に挿置された回転要素（１３）のために、各軌道（１１ａ，１２ａ）を形成している固定側のレース（１１）及び回転側のレース（１２）と、
   少なくとも１つのレース（１１，１２）に固定された少なくとも１つの第１のセンサ装置（２０，２１）と、
   を備えているベアリングユニット（１０）において、
   固定側のレース（１１）は、電気的絶縁材料（３０）によって部分的に覆われており、ベアリングユニット（１０）は、固定側のレース（１１）をベアリングユニット（１０）の外側に配置された給電源に電気的に接続するために、第１の電気的接続手段（３２）をさらに備え、
   前記ベアリングユニットは、前記センサ装置が固定されているレース（１１，１２）にセンサ装置（２０，２１）を電気的に接続するために、第２の電気的接続手段（２４，２５）を備えていることを特徴とするベアリングユニット。
2. センサ装置（２０，２１）は、レース（１１，１２）のうち少なくとも１つのレースの表面領域に形成された少なくとも１つの凹所（１６，１７）内にロックされていることを特徴とする請求項１に記載のベアリングユニット。
3. センサ装置（２０，２１）を本体又はベアリングユニット（１０）の外側の装置に電気的に接続するために、第３の電気的接続手段（２６，２７）を備えていることを特徴とする請求項１に記載のベアリングユニット。
4. 第１のセンサ装置（２０）が、外側に設けられた固定側のレース（１１）の表面領域に形成された凹所（１６）内にロックされていることを特徴とする請求項２に記載のベアリングユニット。
5. 第１のセンサ装置（２１）が、内側に設けられた回転側のレース（１２）の表面領域に形成された凹所（１７）内にロックされており、
   内側に設けられた回転側のレース（１２）が、回転要素（１３）によって、及び／又は、外側に設けられた固定側のレース（１１）と内側に設けられた回転側のレース（１２）との間に形成された環状の間隙（１５）内に収容された導電性グリースによって、外側に設けられた固定側のレース（１１）に電気的に接続されており、
   内側に設けられた回転側のレース（１２）が、電気的絶縁材料からなる層（３１）によって部分的に被覆されていることを特徴とする請求項２に記載のベアリングユニット。
6. 一方のセンサ装置（２０）が外側に設けられた固定側のレース（１１）の凹所（１６）内にロックされており、且つ、他方のセンサ装置（２１）が内側に設けられた回転側のレース（１２）の凹所（１７）内にロックされている、少なくとも２つのセンサ装置（２０，２１）を備えているベアリングユニットであって、
   外側に設けられた固定側のレース（１１）及び内側に設けられた回転側のレース（１２）の両方が、電気的絶縁材料から成る層（３０，３１）それぞれによって部分的に覆われており、
   ２つのセンサ装置（２０，２１）がそれぞれ、前記センサ装置が固定されているレース（１１，１２）に各センサ装置（２０，２１）を電気的に接続するために、各第２の電気的接続手段（２４，２５）に接続されており、且つ、本体又はベアリングユニット（１０）の外側の装置に各センサ装置（２０，２１）を電気的に接続するために、第３の電気的接続手段（２６，２７）に接続されていることを特徴とする請求項３に記載のベアリングユニット。
7. 凹所（１６，１７）が、軌道（１１ａ，１２ａ）から離隔した領域においてレース（１１，１２）内に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のベアリングユニット。
8. センサ装置（２０，２１）が、対応する凹所（１６，１７）内において樹脂材料又はプラスチック材料から作られた本体（２２，２３）それぞれに埋設されていることを特徴とする請求項２に記載のベアリングユニット。
9. センサ装置（２０，２１）が、温度センサ、振動センサ、荷重センサ、ロードセル、圧力変換器、及び磁気回転センサのうち少なくとも１つのセンサを含んでいることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか一項に記載のベアリングユニット。
10. 前記第１の電気的接続手段が、電気的絶縁材料（３０）によって覆われていない状態にある、固定側のレース（１１）の表面領域（３２）を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のベアリングユニット。
11. 保護されていない給電領域（３２）が、スポット状とされることを特徴とする請求項１０に記載のベアリングユニット。
12. 保護されていない給電領域（３２）が、固定側のレース（１１）に沿って周方向に延在しているストリップとして形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のベアリングユニット。
13. 第１の電気的接続手段（３２）と第３の電気的接続手段（２６，２７）とが、前記ベアリングユニットの回転中心軸線と同軸に配置されたベアリングユニット（１０）の円筒状表面に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のベアリングユニット。