JP5946458B2 - 軸受の特性判定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の軸受、請求項１７に記載の軸受、請求項１８に記載の軸受の特性判定装置、並びに請求項２０に記載の軸受の特性判定方法に関する。

軸受(例えば、摩擦型軸受や転がり要素〔rolling element〕軸受)は通常、軸受の可動部分間の摩擦を制御する潤滑油(オイルなど)を含んでいる。軸受における潤滑油の特性（量や粘度）のモニタリングは、軸受の高信頼動作を保証可能にする上で重要である。潤滑油のモニタリングのために、例えば、光学的方法及び超音波を用いた方法が知られている。

本発明の目的は、軸受、特に軸受内の潤滑油の特性をできるだけ高い信頼度でモニタリング可能とすることにある。

本発明によれば、
− 相対的に移動可能な第１及び第２軸受要素と、
− 第１及び／又は第２軸受要素内に励起された音響波を受信する少なくとも１つの受信器とを備え、受信器は第１又は第２軸受要素に配置されており、前記軸受の特性に関する情報が、第１及び／又は第２軸受要素内の音響波を受信した受信器によって発生される信号を用いて判定可能である、軸受が提供される。

例えば、第１及び第２軸受要素間に、第１及び第２軸受要素間の摩擦を減少する潤滑油が配されており、前記受信器の信号を用いて軸受の特性が判定される。更に、第１又は第２軸受要素内に音響波を励起する少なくとも１つの送信器が、第１又は第２軸受要素に配置されてもよく、この場合受信器は送信器から発せられた音響波を受信し、送信器から発せられた音響波を受信した受信器によって発生される信号を用いて、潤滑油の特性に関する情報が判定可能である。

具体的には、送信器は、前記第１又は第２軸受要素内に表面音響波を励起するように構成される。特に、ラム波あるいはラム・レイリー波の性状の複数の同時音響波が発生され、送信器から受信器へと第１又は第２軸受要素内を進行する。

第１又は第２軸受要素の表面に潤滑油が存在すると、第１又は第２軸受要素内に励起された音響波が基板の表面において、軸受要素内を伝播する音響波の少なくとも一部が潤滑油内の音響波に変換される。但しかかる変換は、消失しないサジタル成分を有する変位を含むという条件（この条件はラム波あるいはレイリー波では満たされる）、及び潤滑油内の音速が第１又は第２軸受要素内／上における音響波の速度より低いという、通常の潤滑油（オイルなど）や軸受要素の通常材料（金属など）について成り立つ条件を前提としている。更に、以下論じるように、音響波の周波数が適切に選択されなければならない。

そのため、音響波が励起される軸受要素の表面における潤滑油（例えば潤滑油膜）の存在は、受信器に到達する音響波に変化をもたらし、ひいてはその音響波を受信した受信器によって発生される（電気）信号に変化をもたらす。例えば、受信器信号の振幅は、軸受要素の内面に存在する潤滑油の量（例えば潤滑油膜の厚さ）に依存して減少する。また、潤滑油のその他の特性（温度や組成など）の変動も、受信器信号の変化をもたらす。従って、第１又は第２軸受要素内を進行する音響波を検出し評価することで、幾つか重要な潤滑油の特性に関する情報が得られる。

本発明の実施形態によれば、送信器は第１軸受要素（上または内）に配置され、受信器は第２軸受要素に配置される。特に、送信器は第１軸受要素の表面に配置され、第２軸受要素は第２軸受要素の表面に配置される。しかし、例えば軸受の種類に応じて、送信器と受信器を同じ軸受要素に配置することもできる。すなわち、送信器と受信器を共に第１又は第２軸受要素のどちらかに配置してもよい。

ラム波、ラム・レイリー波あるいはレイリー波の性状の表面音響波を励起するために、軸受要素の第１側と第２（反対）側の両方を伝播する複数の同時表面音響波が励起されるように、軸受要素内における励起波の周波数が軸受要素の厚さに対して適合される。ここで、第１側は潤滑油と接触する内側であり、第２側は軸受要素の外側である。

ラム波あるいはラム・レイリー波の場合、送信器によって励起される軸受要素の対向両面の変位は相関し、特に軸受要素の内面と外面の変位動の振幅及び／又は位相が相互に関連付けられる。例えば、軸受の厚さが励起される音響波の波長よりかなり小さい（例えば、少なくとも５倍小さい）場合、軸受要素内に励起される音響波は主にまたはもっぱらラム波の種類である。従って、励起される音響波の周波数は、ラム波の分散関係を考慮に入れ、軸受要素の厚さに依存して選択されねばならない。

しかし前述したように、例えばラム波及びレイリー波の変移種(transition type)も使用可能である。つまり、軸受要素の厚さ（外側と内側間の距離）は、励起される音響波の波長と同程度の大きさでもよい。その場合でも、軸受要素の対向両面の変位動間には相関が存在し得る。例えば、軸受要素の厚さは０．１ｍｍと５ｍｍの間の範囲である。励起周波数は、５００ｋＨｚと２ＭＨｚの間の範囲、特に８００ｋＨｚと１．５ＭＨｚの間の範囲に選定できる。

送信器及び／又は受信器は、インターデジタル型圧電変換器とし得る。但し、「送信器」という用語は、圧電変換器に限定されない。本発明のその他の実施形態は、熱弾性効果に基づいて基板内に音響波を励起する（例えばパルス式の）レーザからなる送信器を備えている。また、音響波を励起するのに、いわゆるウェッジ（「ウェッジコンバータ」）や櫛歯状振動器（「櫛歯コンバータ」）を使うこともでき、その場合ウェッジコンバータ及び／又は櫛歯コンバータは圧電変換器と組み合わせて用いてもよい。もちろん、異なる種類の送信器を組み合わせて用いてもよい。また受信器も、必ずしもインターデジタル型圧電変換器でなくともよい。例えば、干渉計やレーザ方式のドップラー振動計などの光学的変位検出器からなる受信器も使用できる。

例えば、軸受は、第１軸受要素の面が第２軸受要素の面に対してスライド可能な摩擦型軸受であり、前記２つの面間の摩擦が潤滑油によって減少される。第１及び／又は第２軸受要素は、更に別のパーツに接続可能である。

別の実施形態において、軸受は、少なくとも１つの転がり要素が第１及び第２軸受要素間に配置された転がり要素軸受である。転がり要素は、例えばボール（ボールベアリング（玉軸受））あるいは円筒（ころ軸受）である。

特に、送信器と受信器は共に、第１又は第２軸受要素の転がり要素（１５，１６）に対して反対向きの外側、つまり片側に配置される。転がり要素軸受は、例えばアキシアル軸受であり、第１軸受要素が軸受の外側リングを形成し、第２軸受要素が軸受の内側リングを形成する。内側リングは例えば、シャフトを受け入れるように構成される。但し、第２軸受要素自体が、第１軸受要素の装着される機械部品（シャフトなど）であることも考えられる。つまり、軸受の内部にセンサーを配置せずに、送信器と受信器を軸受の外面に配置するだけで、潤滑油の特性を判定可能である。もちろん、本発明を線形状の転がり要素軸受に適用することもできる。

本発明の別の変形例によれば、送信器と受信器は、軸受の外側リングの外面に配置される。より詳しく言えば、送信器は、第１音響波が励起されて外側リングに沿い時計方向に進み、第２音響波が励起されて外側リングに沿い反時計方向に進むように配置及び構成される。

受信器は例えば、送信器と受信器間の時計方向に沿った経路長が送信器と受信器間の反時計方向に沿った経路長と異なるように配置及び構成される。これにより、１つの送信信号から、容易に識別可能な２つの信号が受信器において得られる。これら２つの信号は、外部パラメータ（例えば軸受周囲の温度など）に等しく依存するが、音響波と潤滑油及び／又は軸受の転がり要素間で相互作用が生じる異なる経路長に対応している。従って、上記２つの信号の差を用いて、外部パラメータの影響を取り除くことができる。尚、例えば送信器から異なる距離に位置した２つの受信器を用いることで、上記の原理を線形状の軸受にも適用可能である。

軸受は、送信器から発せられた音響波を受信した受信器によって発生される信号を用いて、潤滑油の特性に関する情報を判定する評価手段を更に備えてもよい。具体的には、評価手段は、第１音響波に基づき受信器によって発生された第１信号と、第２音響波に基づき受信器によって発生された第２信号とを評価し、第１及び第２信号間の差を用いて潤滑油の特性に関する情報を判定するように構成されてもよい。

受信器信号の評価は、信号の振幅及び時間応答（伝送時間）の評価を含むことができる。前述したように、軸受面に潤滑油が存在すると、軸受要素内の音響波エネルギーの一部が潤滑油内の音響波エネルギーに変換され、受信器に到達する音響波の振幅が、潤滑油を含まない軸受に比べ、潤滑油が存在する方が小さくなる。

受信器信号の伝送時間の評価について見ると、例えば送信器は、軸受要素内にパルス状の音響波を励起し、その音響波は、送信器から受信器に至るまでの間で（送信器と受信器間で音響波がとる経路に応じた）ある伝播時間（「伝送時間」）を要する。軸受要素の内面と軸受の内部間の境界の変化が、軸受内における音響波の伝送時間（つまり波面または音響パルスが送信器から受信器まで進行するのにかかる時間）に影響を及ぼす。従って、伝送時間の変化を評価すれば、軸受内における潤滑油の特性判定に寄与できる。

評価手段は、プログラム組み入れ電子回路あるいはプログラマブルデバイス上で作動するソフトウェアとして実現し得る。

本発明の別の観点によれば、
− 相対的に移動可能な第１及び第２軸受要素と、
− 第１及び第２軸受要素間に配され、第１及び第２軸受要素間の摩擦を減少する潤滑油と、
− 第１又は第２軸受要素内に音響波を励起する手段と、
− 第１又は第２軸受要素内に生起された音響波を受信する手段とを備え、潤滑油の特性に関する情報が、音響波を受信した音響波受信手段によって発生される信号を用いて判定可能であり、
− 前記音響波を励起する手段及び前記音響波を受信する手段は、第１音響波が前記受信手段によって受信されるまで第１経路に沿って進み、第２音響波が前記受信手段によって受信されるまで第２経路に沿って進むように構成されており、前記第１及び第２経路の長さが異なる、
軸受であって、特に前述したような軸受が提供される。

例えば、第１又は第２軸受要素内に音響波を励起する手段は少なくとも１つの送信器からなり、音響波を受信する手段は少なくとも１つの受信器からなり、送信器、受信器及び軸受要素の可能な構成については上述した。例えば、複数の軸受要素の少なくとも１つはリング状であり、送信器と受信器は共に、そのリング状の軸受要素に配置される。また、受信手段を２つの受信器で構成し、送信器と第１及び第２の受信器それぞれとの間の距離で、異なる経路長を実現することも考えられる。

更に本発明は、軸受の特性、特に第１及び第２軸受要素を有する軸受における潤滑油の特性を判定する装置であって、
− 第１及び／又は第２軸受要素内に音響波を励起する少なくとも１つの送信器と、
− 送信器から発せられた音響波を受信する少なくとも１つの受信器であって、前記潤滑油の特性が、送信器から発せられた音響波を受信した受信器によって発生される信号を用いて判定可能である受信器と、
− 前記送信器と前記受信器を前記第１又は第２軸受要素に取り付けるための取付手段と、
を備えた装置に関する。

取付手段は、軸受要素に対する送信器及び／又は受信器の取り外し可能な接合を可能とする。例えば、取付手段はラッチ（掛け止め）要素からなる。特に取付手段は、送信器及び／又は受信器が上述したように配置されるのを可能とする。

本発明による前記装置は、送信器から発せられた音響波を受信した受信器によって発生される信号を用いて、潤滑油の特性に関する情報を判定する評価手段を更に備えてもよい。評価手段は、詳しくは前述したように構成される。

また本発明は、軸受の特性（例えば、軸受の潤滑油の特性）を判定する方法であって、
ａ）相対的に移動可能な第１及び第２軸受要素を有する軸受を提供する工程と、
ｂ）第１及び／又は第２軸受要素内に音響波（特に、前述したようなラム波）を、（例えば、第１又は第２軸受要素に配置された送信器を用いて）励起する工程と、
ｃ）少なくとも１つの受信器を配置し、（例えば送信器から発せられた）第１及び／又は第２軸受要素内の音響波を、前記受信器を用いて受信する工程と、
ｄ）（例えば送信器から発せられた）第１及び／又は第２軸受要素内の音響波を受信した前記受信器によって発生される信号を評価することで、前記軸受の特性に関する情報を判定する工程と、
を含む方法からなる。

例えば、潤滑油を含まない軸受について前記信号の振幅の標準値を求め、前記信号の評価は、前記標準値と前記受信した信号の振幅（あるいは位相や伝播時間）との差を判定することからなる。その差が所定値より下がったら、信号（アラーム信号）を発生してもよい。また、較正を行うことも可能である。例えば、後で詳しく述べるように、複数の異なる潤滑油量（軸受充填量など）について振幅値が求められる。

特性に関する情報の判定は、第１又は第２軸受要素の面上の潤滑油層の厚さを判定することでもよい。特に、厚さの絶対値を判定可能とするためには、較正が行われる。

例えば、軸受は摩擦軸受であり、その場合軸受は、（２つの軸受要素とそれらの間の潤滑油膜からなる）３層系を構成していると考えられる。受信器信号（例えばその振幅、伝送時間及び／又は位相）と軸受の適切な３層モデルを用いることで、潤滑油膜の厚さ及び／又はその他の特性を判定可能である。更に、潤滑油膜の厚さ（及び／又はその他の膜特性）の変化を検出可能なように、受信器信号を経時的にモニターすることもできる。（上記に代えてあるいは加えて）、伝送経路における音響波の減衰だけを用いて、潤滑油膜を判定することも可能である。例えば、送信器のすぐ後方における音響波の振幅が、受信器における振幅（受信器信号を用いて求められた受信器における振幅）と比較される。また、音響波は汚染粒子によって反射されるため、軸受内の不純物（潤滑油内の不純物など）も判定可能である。

（摩擦軸受やころ軸受など）軸受が静止状態の第１軸受要素と移動する第２軸受要素からなる場合、静止状態の軸受要素内に励起される音響波で移動する軸受要素内に音響波を励起させ、音響波の受信周波数がドップラー効果によって変化するようにしてもよい。この効果は、移動する軸受要素の速度を判定するのに使える。

本発明の別に実施形態によれば、受信器信号は、軸受の欠陥、特に第１又は第２軸受要素における（亀裂あるいは構造的変化などの）欠陥、が識別されるように評価される。表面音響波の使用は、体積音響波の場合に比べ、重大な損傷が生じる前に軸受を含む装置の故障が避けられるように、軸受要素（例えばころ軸受の軸受リング）におけるより小さい欠陥を検出可能とする。

欠陥の検出は、（表面）音響波が少なくとも部分的に欠陥によって反射され、異なる音響波は異なる浸透深さを有するために、異なる波長の異なる音響波を用いることで、欠陥のサイズ（例えば深さ）が判定可能になる点に基づいている。更に、欠陥のサイズ及び数に基づき、軸受の予測寿命時間や故障の確率を計算できる。また、異なる波長を有する音響波が、（対応した励起波長を設定することで）軸受内に励起されると、それらの音響波は欠陥との相互作用によって異なって変化を生じる。

例えば、音響波の伝播時間が異なって変化する（分散する）。分散挙動の変化（例えば、信号がディラック(Dirac)インパルス状の曲線になるかどうか）は、経時的にモニターできる。また、軸受の欠陥を識別するために、受信器信号の包絡線の転換時点(change over time)が評価されてもよい。

更に、励起される音響波は単一モード（例えば対称モード）のみからなり、その場合前記工程ｄ）における評価で、マルチモード波あるいは異なるモード（例えば非対称モード）からなる波が受信器によって受信されたら欠陥が指示されるようにしてもよい。音響波は欠陥と相互作用を生じ、軸受の欠陥領域との相互作用によって当初単一モードの波がマルチモード波になることがある。

例えば、受信器信号の位相シフト及び／又は振幅の変化が、（例えば、伝送経路の始めで測定される標準値と比較して）ころ軸受の潤滑油に関する情報を得るのに使われる。連続的な送信器信号を送信器に与えて連続的な音響波を発生させてもよく、この場合送信器信号は、受信器信号の評価を容易にするため変調してもよい。

軸受の潤滑油及び／又は軸受の機械的な特性に関する情報を集めるために、受信器信号の周波数分析を行うことも可能である。すなわち、（主ピークのシフトなど）周波数スペクトラムの変化をモニターしてもよい。また、（例えば、受信器信号にヒルベルト(Hilbert)変換を施すことで発生される）受信器信号の包絡線の変化をモニターしてもよい。

送信器及び／又は受信器がインターデジタル変換器である場合には、変換器で使用されている圧電材料の容量性信号を求め、その容量性信号を標準値として用いることも考えられる。更に、異なる音響モード（例えば、対称モードと非対称モード）の関係を評価することもできる（例えば、伝送経路の始めにおける両モードの振幅の関係を受信器における関係と比較してもよい）。

更に、ラム波とは別の種類の表面音響波を用いて、第１及び／又は第２軸受要素内に音響波を励起することもできる。例えば、大型の軸受では、（例えば第１及び／又は第２軸受要素の内面側で、他方の軸受要素の方を向いた側に）レイリー波を励起してもよい。

また、軸受の動作時に周期的な受信器信号が発生されるように、軸受は（上述したような）転がり要素軸受であってもよく、その場合上記の方法は、
− 前記周期的な受信器信号を前記受信器によって記録する工程、
− 前記信号の平均振幅及び／又は平均伝送時間を判定することにより、前記周期的な受信器信号を評価する工程、及び
− 前記軸受内に存在する潤滑油の量を、前記信号の平均振幅及び／又は平均伝送時間を用いて判定する工程、を含む。

すなわち、軸受の適切な較正後、軸受内における潤滑油の量を、受信器信号を用いて判定可能である。また、平均の振幅や伝送時間に加えてあるいはそれに代えて、振幅や伝送時間の最小値を用いることもできる。更に、振幅や伝送時間の周期的な変化の平均も使える。

受信器信号を評価することによって、転がり要素の速度及び／又は内部に転がり要素が配置された収納容器（ケージ）の速度を判定することも可能である。ころ軸受の動作時、受信器信号（例えばその振幅及び伝送時間）は、軸受要素の回転によって周期的に変調される。その変調の周期（周波数ｆ_mod）、軸受要素の寸法、及び転がり要素の個数ｎ_reを用いて、ケージの速度Ｖ_cageを計算可能である。例えば、ケージの角速度w_cageは次式に基づいて計算される：

これに対応して、軸受ケージの内側部分のトラック速度は、
ｖ_cage＝w_cage・r_cage（r_cage：軸受ケージの内径）となる。

更に、判定された速度（例えば、ケージ速度）を、別個の速度検出器（例えば、回転カウンタ）によって測定された対応する速度と比較し、軸受のすべりを判定するようにしてもよい。

尚、パルス状の音響波が軸受要素内に発生されるように、送信器を作動させてもよい。しかし上述したように連続的な音響波を励起することも可能であり、この場合には、（パルス状波を用いると、パルスの伝播時間とパルス間の時間間隔によりサンプリング速度が制限されるのに対し）、サンプリング速度が制限されないという効果が得られる。例えば、150,000回転／分を越える回転周波数が測定可能である。

上述したように、受信器信号を評価することで、ころ軸受内に存在する潤滑油の量を判定できる。判定された潤滑油量及び転がり要素及び／又は軸受ケージ（上述参照）の判定速度は、転がり要素と第１及び／又は第２軸受要素間の潤滑油膜の厚さを求めるのに使える。潤滑油膜の厚さの計算は、原理的に当該分野において周知であり、例えば、 “Rolling Bearing Analysis，4th Edition，Tedric A. Harris，John Wiley & Sons Canada，Ltd.; 第４版（２０００年１２月１５日）” に記載されており、当文献は参照によってここに包含されるものとする。

潤滑油膜に対する検査に焦点を絞り、音響波に対するその他の影響を抑えるために、送信器と受信器間に短い及び／又は小さい伝送経路を形成してもよい。そのために、伝送経路を、転がり要素の移動方向に対して直角に向けてもよい。例えば、送信器は第１軸受要素の外面側に配置され、受信器は第１軸受要素（ころ軸受の外側リング）の内面側に配置され、この内面側が第１軸受要素の方を向いている。もちろん、送信器と受信器を共に、第２軸受要素（または第１軸受要素）の同じ側、例えば外面側に配置することも可能である。

伝送経路の（音響波の伝播方向に対して直角に測った）幅は、送信器（及び／又は受信器）の対応する幅に依存する。例えば、受信器は、送信器と受信器を結ぶ線（つまり伝播経路）に対し直角な方向に測って、転がり要素の直径に依存して選択された幅を有する。受信器の幅は例えば、転がり要素の直径より小さい、もしくは転がり要素の半径よりまたは直径の１０分の１より小さい。別の例において、受信器の幅は５ｍｍを越えない、もしくは１ｍｍを越えない。

転がり要素、潤滑油膜、及び外側リング（第２軸受要素）からなる装置は、（上述したように）３相系とみなせ、受信器信号を用いて、適切な３相モデルに基づき膜厚を求められる。

もちろん、潤滑油膜の複数の異なる部分を調べるために、（１より多い送信器及び／又は受信器を配置して）１より多い伝送経路を用いることも可能である。この変形例は特に、より複雑な幾何形状を有する転がり要素に関連して用いることができる。

本発明の別の変形例によれば、前記送信器と前記受信器は同一の軸受要素に配置され、前記受信器信号の絶対振幅を評価することによって、当該軸受要素に加わる負荷が判定される。例えば、パルス状の音響波が軸受要素内に励起され、この場合特に、受信された第１のパルス（またはパルス群）の振幅が印加負荷の影響を受ける。更に、２つの異なる伝送経路を用いてもよく、この場合には異なる伝送経路に係わるそれぞれの受信器信号（例えばそれらの振幅）が比較される。すなわち、伝送経路の１つを負荷に依存しないようにし、その伝送経路に係わる受信器信号を標準信号として使えるようにする。

また、送信器を用いなくともよく、この場合第１及び／又は第２軸受要素内の音響波を、軸受要素に負荷を加えて発生できる。より詳しく言えば、ころ軸受の動作中、転がり要素は周期的に圧縮及び膨張され、この転がり要素の周期的な膨張と圧縮で第１及び／又は第２軸受要素内に音響波を発生させてもよい。ころ軸受の別の形態においては、第１（内側）軸受要素に第１受信器が存在し、第２（外側）軸受要素に第２受信器が配置され、第２軸受要素（第１軸受要素についても同様）に励起された音響波が転がり要素によって第１軸受要素に向かって伝送される。転がり要素を介した音響波の伝送は、それら転がり要素に加わる負荷に依存するため、両受信器の信号の評価によって転がり要素に加わる負荷を判定できる。

更に、送信器及び／又は受信器が圧電変換器からなる場合、（測定の較正後）圧電変換器のインピーダンスを測定することにより、軸受の温度を測定できる。また軸受の温度も、異なる音響波モードに係わる各受信器信号の特性（振幅及び／又は伝送時間）を比較することによって測定できる。例えば、標準の伝送経路が用いられる。

別の実施形態においては、体積音響波を記録して体積音響波の周波数スペクトルが発生可能なように、広域バンドの受信器が用いられる。

送信器及び受信器の可能な構成及び動作については上述した。

本発明の実施例を、以下図面を参照して詳しく説明する。図面中：

図１は、本発明の第１の実施形態に係る軸受を示す。 図２Ａは、図１の軸受装置で得られる受信器信号を示す。 図２Ｂは、図１の軸受装置に関する異なる潤滑油の状況における受信器信号の振幅を示す。 図３Ａは、本発明の第２の実施形態に係る軸受の平面図を示す。 図３Ｂは、図３Ａに示した軸受の変形例を示す。 図４は、図２の拡大詳細図を示す。 図５Ａは、本発明の第３の実施形態に係る軸受の平面図を示す。 図５Ｂは、図５Ａの装置の側面図を示す。 図６は、図５Ａ及び５Ｂの装置を用いて発生した受信器信号を示す。 図７Ａは、異なる軸受位置に関する振幅を示す。 図７Ｂは、異なる軸受位置に関する伝送時間を示す。 図８Ａは、図５Ａ及び５Ｂの装置の異なる位置における側面図を示す。 図８Ｂは、図５Ａ及び５Ｂの装置の更に異なる位置における側面図を示す。 図９Ａは、回転する軸受の平均振幅を、潤滑油量に対して示す。 図９Ｂは、回転する軸受の平均伝送時間を、潤滑油量に対して示す。 図１０Ａは、回転する軸受の振幅の標準偏差を、潤滑油量に対して示す。 図１０Ｂは、回転する軸受の平均伝送時間の標準偏差を、潤滑油量に対して示す。

図１は、摩擦型軸受（平面軸受）の形状を成す軸受１を示し、この軸受は直方体１１形状の第１の軸受要素と、第２の直方体１２とを有する。２つの直方体は相対的に移動可能で、第１直方体１１の面１１１が第２直方体１２の面１２１に対してスライド可能である。これら両面は相互に対向し、実質上平行に延びている。第１及び／又は第２直方体は、相対的に移動されるべき別のパーツ（不図示）に接続可能である。

２つの直方体１１，１２の間（つまり両直方体の各面１１１，１２１間）の摩擦を減少するため、両面１１１と１２１間に潤滑油２が施されている。潤滑油の特性の一部を判定可能とするため、表面音響波（弾性表面波）Ａが第１直方体１１に対して励起される。この励起のために、第１直方体１１の面１１１上に送信器３が配置され、送信器３は第１及び第２直方体１１，１２間の重複領域の外側に（つまり潤滑油２と距離を置いて）位置される。さらに、受信器４が第２直方体１２の面１２１に配置される。

音響波Ａはまず、第１直方体１１に沿って進む。しかし、潤滑油２の領域において、音響波Ａの少なくとも一部が上述したモード変換効果により、潤滑油２中の音波Ｂに変換される。変換された音波は、潤滑油中を第２直方体１２に向かって伝播し、そこで音波の一部が第２直方体１２内の表面音響波に再変換される。再変換波Ｃは、第２直方体１２に沿って受信器４へと進み、そこで検出され、検出に応じて電気信号が発生される。

受信器４で発生される電気信号の特性は、音響波Ｃの特性（振幅、伝送時間）に依存し、音響波Ｃはモード変換効果ひいては潤滑油２の特性(例えば、軸受内に存在する潤滑油の量)に依存する。そのため、受信器４で発生される電気信号の振幅及び時間挙動を評価することで、潤滑油の特性に関する情報を求めることができる。受信器信号の例が、図２Ａ及び２Ｂに示してある。

図２Ａは、図１に示した摩擦軸受装置で得られる受信器信号を示す。信号の振幅は、軸受内に潤滑油が存在すると劇的に増大する（実線：潤滑油のない軸受、点線：潤滑油のある軸受）。これは、下側の軸受直方体１内における音響波の一部が潤滑油２を介して上側の軸受直方体２と結合し、受信器４によって受信されるためである。図２Ｂは、受信器信号の最大振幅を、潤滑油が存在しない場合(棒グラフ１００)、潤滑油としてオイルが使われている場合(棒グラフ２００)、及び潤滑油としてグリースが使われている場合(棒グラフ３００)について示している。

図３Ａ(平面図)及び図４(側面図)は、軸受１がボールベアリング形状の転がり要素軸受である本発明の別の実施形態に関する。

軸受１は、外側リング１３の形状を成す第１軸受要素と、外側リングより直径が小さく外側リング内に位置した内側リング１４の形状を成す第２軸受要素とを備える。外側リング１３の内面１３１と内側リング１４の外面１４１(内面１３１に対向する)との間に、玉（球）１５形状の複数の転がり要素が配置されている。さらに、内面１３１と外面１４１の間の容積の少なくとも一部が、潤滑油２で満たされている。

潤滑油２の特性（充填レベルなど）を測定するために、音響センサー装置が設けられており、このセンサー装置は、軸受要素内に音響波を励起するための、送信器３の形状をした手段と、その音響波を受信するための、受信器４の形状をした手段とを備える。送信器３と受信器４は共に、外側リング１３の外面１３２に配置されており、外面１３２は内面１３１と反対側に面している。

送信器３は表面音響波を外側リング１３内に励起し、その表面音響波が受信器４によって検出される。受信器信号の振幅及び時間応答は、外側リング１３の内面１３１とその周囲との間の境界面の特性に依存する。特に、潤滑油が内面１３１に接触して、外側リングに発生した表面音響波のモード変換が上述したように且つ図４に示すように生じる場合、受信器信号は潤滑油の存在及び特性に依存する。外側リング１３内の音響波の一部が潤滑油２と結合し（矢印Ｂ）、例えば受信器信号の振幅が、例えばリング１３と１４間に存在する潤滑油の量に依存して低下する。

送信器３は、外側リング１３に沿って（軸受の平面図において）時計方向に進む第１音響波Ａ１と、外側リング１３に沿って反時計方向に進む第２音響波Ａ２が発生するように構成及び配置されている。さらに、送信器３は受信器４に対して、送信器と受信器間の時計方向に沿った経路長が送信器と受信器間の反時計方向に沿った経路長より長くなるように配置されている。従って、第１及び第２音響波を受信した受信器から確実に識別可能な２つの信号が発生され、両者の差信号を用いることで、つまり第１音響波に対応した信号から第２音響波に対応した信号を引くことあるいはその逆を行うことで、外形ひずみを除去もしくは少なくとも減少可能となる。

例えば、送信器と受信器は、３０° の角度だけ離れている。もちろん、その他の角度も可能である。

図３Ｂに示すように、別の送信器・受信器変換器３’が外側リング１３に配置されてもよい。変換器３’は、送信器３及び受信器４と同じ型（インターデジタル変換器）でよく、送信器または受信器いずれかとして作動可能である。追加の変換器３’は、別個に評価を行い測定の精度を高められるような異なる音響路を与えることができる。例えば、変換器３’は受信器として作動され、その場合には、送信器３によって励起された音響波が変換器３’と受信器４の両方によって受信及び評価される。もちろん、変換器３’は純粋の送信器（または受信器）であってもよい。さらに、１より多い追加の変換器を設けることもできる。

図５Ａ（平面図）及び図５Ｂ（側面図）は、軸受が円筒ころ軸受形状を成す転がり要素軸受である本発明の別の実施形態に関する。この軸受は、第１リング１７の形状を成す第１軸受要素と第２リング１８の形状を成す第２軸受要素との間に配置された円筒１６形状の複数の転がり要素を備えており、第１リングの直径は第２リングの直径と同等である。更に、円筒ころ１６を保持するケージ１９が設けられている。各円筒ころ１６の軸は両リング１７、１８に対して半径方向を向いており、円筒ころは第１リングの内面１７１と第２リング１８の内面１８１との間で転動し、両面１７１と１８１は相互に対向している。更に、第１及び第２リング１７、１８間に潤滑油２が存在している。

第１リング１７の外面側１７２に、送信器３と受信器４が配置されている。上記その他の実施形態で述べたように、送信器３と受信器４を用いて表面音響波Ａが発生されて検出され、軸受１の動作時においても潤滑油２の特性が検出可能である。つまり、送信器３と受信器４は図３の場合と同様に配置され、第１及び第２音響波Ａ１、Ａ２が第１リング１７に発生されて反対方向に進み、送信器から受信器まで異なる経路長を有する。もちろん、１より多い送信器及び／又は１より多い受信器を用いることもできる。例えば、（図３Ｂと同様に）別の受信器を第１リングまたは第２リングに配置してもよい。

送信器と受信器の上記配置により、図６に示すように、２つの識別可能な信号が受信器信号中に現れる。初め方の信号（パルス）Ｓ２は、送信器３と受信器４間の短い経路に沿って進む第２音響波Ａ２に対応し、後の方の信号Ｓ１は、長い経路に沿って伝播する第１音響波Ａ１に対応する。

図７Ａ及び７Ｂは、図５Ａ及び５Ｂに示したころ軸受装置の動作時における受信器信号（図７Ａ：振幅、図７Ｂ：伝送時間）を示す。図７Ａにおいて、上側の曲線Ｓ２０及びＳ２は第２音響波Ａ２（短経路）に対応し、下側の曲線Ｓ１０及びＳ１は第１音響波Ａ１（長経路）に対応する。曲線Ｓ１０及びＳ２０が、潤滑油を含まない軸受で測定した標準曲線である一方、曲線Ｓ１及びＳ２が、潤滑油のオイルを満たした後に測定された曲線である。

それらの曲線から分かるように、信号の振幅は周期的に変動し、振幅の最大値が標準値に接近する。かかる挙動の説明が、軸受の２つの異なる位置を示した図８Ａ及び８Ｂに表してある。図８Ａ及び８Ｂによれば、送信器３と受信器４の間に存在する円筒ころ１６の数が軸受の作動（回転）中周期的に変動する（図８Ａ：送信器と受信器の間に５個の円筒ころが位置する、図８Ｂ：送信器と受信器の間に４個の円筒ころが位置する）。潤滑油２は転動する円筒ころ１６によって搾り出されるため（つまり、リングと円筒ころ間には、潤滑油の膜が存在しないかまたはわずかしか存在しないため）、軸受の第１リング１７と接触する潤滑油の量は、送信器と受信器の間に存在する円筒ころの個数に依存する。しかしその個数は、軸受の動作中周期的に変動する。

最小振幅値を用いて、軸受内に存在する潤滑油の量（特に適切な較正後の量）を判定することができる。例えば、標準曲線Ｓ１０，Ｓ２０と最小振幅値との差が小さくなりすぎたら、アラーム信号をトリガー可能である。

振幅と同様に、潤滑油の存在及び特性を反映した対応する伝送時間信号Ｔ１、Ｔ１０、Ｔ２、Ｔ２０（図７Ｂ）が、軸受の位置（回転角度）に対する同様の周期的依存性を示す。

図９Ａ及び９Ｂは、動作中の軸受（毎分３６０回転）に関する振幅（図９Ａ）と伝送時間（図９Ｂ）の平均値を、潤滑油（オイル）の異なる量に対して示している。

これらの図から分かるように、（時計方向の波Ａ１と反時計方向の波Ａ２について示された）振幅及び伝送時間は共に、軸受内に存在するオイルの量に依存する。従って、軸受の動作状態においても、（音響波の）振幅及び／又は伝送時間、つまり受信器信号の振幅及び時間挙動を用いて軸受内の潤滑油の量を判定可能である。図１０Ａ及び１０Ｂは、振幅（図１０Ａ）及び伝送時間（図１０Ｂ）の標準偏差も、軸受内に存在する潤滑油の量に依存することを示している。

Claims (16)

1. 第１及び第２軸受要素（１１、１３、１７、１２、１４、１８）を有する軸受の特性を判定する装置であって、
   − 第１及び／又は第２軸受要素（１１、１３、１７、１２、１４、１８）内に音響波を励起する少なくとも１つの送信器（３）と、
   − 送信器（３）から発せられた音響波を受信する少なくとも１つの受信器（４）であって、前記軸受の特性が、送信器（３）から発せられた音響波を受信した受信器（４）によって発生される信号を用いて判定可能である受信器（４）と、
   − 前記送信器と前記受信器を前記第１又は第２軸受要素に取り外し可能に取り付けるための取付手段とを備え、該取付手段はラッチ要素からなる、装置。
2. 前記送信器から発せられた音響波を受信した前記受信器によって発生される信号を用いて、潤滑油（２）の特性に関する情報を判定する評価手段を更に備えている請求項１項に記載の装置。
3. 前記評価手段は、前記信号の振幅値及び伝送時間を評価するように構成されている請求項２に記載の装置。
4. 前記送信器と前記受信器は前記取付手段により前記第１又は第２軸受要素（１１、１３、１７、１２、１４、１８）に取り外し可能に結合されている請求項１〜３のいずれか1項に記載の第１及び第２軸受要素（１１、１３、１７、１２、１４、１８）からなる軸受と装置。
5. 軸受（１）は、少なくとも１つの転がり要素（１５、１６）が第１及び第２軸受要素（１３、１７、１４、１８）間に配置された転がり要素軸受である請求項４に記載の軸受。
6. 軸受の特性を判定する方法であって、
   ａ）相対的に移動可能な第１及び第２軸受要素（１１、１３、１７、１２、１４、１８）を有する軸受（１）を提供する工程と、
   ｂ）第１及び／又は第２軸受要素（１１、１３、１７、１２、１４、１８）内に音響波（Ａ、Ａ１、Ａ２）を励起する工程と、
   ｃ）少なくとも１つの受信器（４）を配置し、第１及び／又は第２軸受要素（１１、１３、１７、１２、１４、１８）内の音響波を前記受信器を用いて受信し、前記第１又は第２軸受要素（１１、１３、１７、１２、１４、１８）に送信器を配置し、該送信器を用いて前記第１及び／又は第２軸受要素（１１、１３、１７、１２、１４、１８）内に音響波を励起する工程と、
   ｄ）第１及び／又は第２軸受要素（１１、１３、１７、１２、１４、１８）内の音響波を受信した前記受信器によって発生される信号を評価することで、前記軸受の特性に関する情報を判定する工程と、からなり、
   前記軸受（１）は該軸受の動作時に転がり要素の回転により周期的な受信器信号を発生する複数の要素からなる転がり要素軸受であり、
   前記周期的な受信器信号を前記受信器によって記録し、
   前記工程ｄ）において、前記受信器信号の平均振幅、前記受信器信号の平均伝送時間、前記受信器信号の振幅の標準偏差、前記受信器信号の伝送時間の標準偏差、前記受信器信号の包絡線の転換時点、前記受信器信号の変調の周期を判定することにより、或いは前記受信器信号の周波数分析を行うことにより、前記周期的な受信器信号を評価する方法。
7. 前記工程ｄ）において、前記軸受の潤滑油の特性が判定される請求項６に記載の方法。
8. 前記工程ｄ）において、前記信号は、前記軸受（１）の欠陥、特に前記第１又は第２軸受要素における亀裂あるいは構造的変化、を見分けられるように評価される請求項6又は７に記載の方法。
9. 前記工程ｄ）において、前記軸受内に存在する潤滑油の量が、前記信号の平均振幅及び／又は平均伝送時間を用いて判定される請求項６〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記工程ｄ）において、前記転がり要素の速度及び／又は内部に前記転がり要素が配置された収納容器の速度が判定される請求項６〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記収納容器の角速度w_cageが次式に基づいて計算される請求項１０に記載の方法：
    

    

    
    但し、ｆ_modは前記受信器信号の変調周波数、ｎ_reは転がり要素軸受内に存在する転がり要素の個数である。
12. 前記判定された速度が、別個の速度検出器によって測定された対応する速度と比較され、前記軸受のすべりを判定する請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記工程ｄ）において、前記軸受内の潤滑油膜の厚さが判定される請求項６から９のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記工程ｄ）において、前記軸受内の潤滑油膜の厚さが、前記判定された速度を用いて判定される請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記工程ｄ）において、前記軸受内に存在する潤滑油の量が判定され、前記潤滑油膜の厚さが、更に前記判定された潤滑油の量をも用いて判定される請求項１４に記載の方法。
16. 前記送信器と前記受信器は同一の軸受要素に配置され、前記受信器信号の絶対振幅を評価することによって、当該軸受要素に加わる負荷が判定される請求項６から１５のいずれか１項に記載の方法。

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