JP6215569B2 - 転がり軸受装置 - Google Patents

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Description

この発明は、工作機械や産業機械等に用いられる転がり軸受装置に関し、特に転がり軸受と給油ユニットの組み合わせからなる転がり軸受装置に関するものである。
給油ユニットを転がり軸受の内部に組み込んだ転がり軸受装置が従来から知られている（特許文献１参照）。この転がり軸受装置は、転がり軸受の相互に対向した軌道輪のうち、固定側の軌道輪の内径面に給油ユニットを装着している。給油ユニットは、潤滑油を溜めた潤滑油タンク、前記潤滑油タンクの潤滑油を軸受内部に吐出させるポンプ及び前記ポンプを駆動する発電機により構成される。軸受側の条件に応じてポンプを制御することにより吐出量を調整する手段を有する。
また、特許文献２に開示された転がり軸受装置も同様の給油ユニットを備えている。
特開２００４−１０８３８８号公報 特開２００４−３１６７０７号公報
ところで、軸受近傍に内蔵された給油ユニットは、外部から遮断された環境に組み込まれる場合が多い。この給油ユニットの状態を監視し故障診断等を行うには、定期的な分解検査や外部に通信線等を引き出しておく必要がある。そのため運用面・組込み性に制限が生じる。
そこで、この発明は、分解検査や外部に通信線等を引き出すことなく、組み込み状態のまま給油ユニットが正常に動作しているかどうかを把握することが可能な転がり軸受装置を提供することを課題とする。
前記の課題を解決するために、この発明に係る転がり軸受装置は、転がり軸受と、潤滑油タンク、潤滑油タンクから潤滑油を吸引して吐出口から潤滑油を吐出するポンプ、ポンプを駆動する駆動部、駆動部に電気エネルギーを与える発電部を少なくとも備える給油ユニットの組み合わせからなり、前記給油ユニットを、転がり軸受の固定輪側部材又は転がり軸受に隣接する間座に取り付けた転がり軸受装置において、前記給油ユニットの動作情報を外部に発信する通信装置を給油ユニット内に設けたことを特徴とする。
前記給油ユニットの構成部材をハウジング内に収納してユニット化することにより、ハウジングに対して脱着することができる。
前記通信装置としては、振動波にて情報を伝える通信装置を使用することができる。
前記給油ユニットを複数設け、この複数の給油ユニットを同時に使用可能とする通信装置を設けてもよい。
この発明の転がり軸受装置は、工作機械、風車、鉄道に使用することができる。
この発明によれば、以上のように、給油ユニットの内部に給油ユニットの動作情報を外部に発信する通信装置を設けることにより、給油ユニットが正常に動作していることを組み込み状態で把握することが可能となる。また振動波で検出することにより、ワイヤレスでの情報の伝達が可能になる、組込み性の向上が可能になる、複数の給油ユニットを同時に使用することが可能になるといった利点がある。
図３のＡ−Ａ線の方向から見た断面図である。 図３のＢ−Ｂ線の方向から見た部分断面図である。 給油ユニットの図１のＸ１−Ｘ１線の断面図である。 給油ユニットの電源部の一例を示す拡大断面図である。 給油ユニットの電源部の一例を示す拡大断面図である。 給油ユニットの電源部の一例を示す拡大断面図である。 給油ユニットの電源部の一例を示す拡大断面図である。 制御部の詳細ブロック図である。 （ａ）（ｂ）は振動波にて情報を伝える通信装置の一例を示す概略図であり、（ａ）は振動前の状態、（ｂ）は振動後の状態を示している。 振動波にて情報を伝える通信装置を設けた例を示す概略図である。 振動波にて情報を伝える通信装置を複数設けた例を示す概略図である。 工作機械の主軸にこの発明の給油ユニットを設置した例を示す概略図である。
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１から図３に示す実施形態の転がり軸受装置１０は、転がり軸受１１、その軸方向の一端部に突き当てられた間座１２及び間座１２に組み込まれた給油ユニット１３により構成され、回転軸１４とハウジング１５の間に組み込んで使用に供される。転がり軸受１１の他端部にも他の間座１６が突き当てられ、両方の間座１２、１６により転がり軸受１１の軸方向の位置決めが行われる。この実施形態の回転軸１４は水平に設置されている。
転がり軸受１１は、回転側の軌道輪である内輪１７、固定側の外輪１８及びこれらの軌道輪の間に介在された所要数の転動体１９、その転動体１９を一定間隔に保持する保持器２１により構成される、アンギュラ玉軸受、あるいは深溝玉軸受のいずれでもよい。転がり軸受１１には、予め所望のグリースが封入され、間座１６側の端部に、シール板２２が装着されている。
間座１２は、内輪側間座１２ａと外輪側間座１２ｂとからなり、内輪側間座１２ａは回転軸１４側に嵌合固定され、内輪１７の一方の端面に突き当てられる。外輪側間座１２ｂはハウジング１５の内径面に嵌合固定され、外輪１８の一方の端面に突き当てられる。他方の間座１６も同様に回転軸１４側及びハウジング１５側に嵌合固定され、内輪１７及び外輪１８の他方の端面に突き当てられる。
前記給油ユニット１３は、図３に示すように、円環状のハウジング２４内に、円周方向に発電部４１、充電部４２、制御部４３、駆動部４４、ポンプ４５、潤滑油タンク４６、給油ユニット１３の動作情報をワイヤレスで外部に発信する通信装置４９等の諸部材を収納して構成される。
給油ユニット１３の円環状のハウジング２４は、図２に示すように、転がり軸受１１と反対側の面が開放された断面コの字形のハウジング本体２４ａと、このハウジング本体２４ａの開口部を閉塞し、ハウジング本体２４ａに対して着脱自在の蓋体２４ｂとによって構成される。このハウジング本体２４ａと蓋体２４ｂとは、ＰＰＳ等の同種の熱可塑性樹脂材料からなる。
ハウジング２４の蓋体２４ｂは、ハウジング本体２４ａに対し、ネジ２４ｃにより固定され、ネジ２４ｃを外して、蓋体２４ｂを取り除くことにより、給油ユニット１３全体を取外すことなく、ハウジング本体２４ａ内に収納されている潤滑油タンク４６に、潤滑油を補充することができる。
ハウジング本体２４ａの外周面は、外輪側間座１２ｂの内径面に、接着剤によって接着固定されている。ハウジング本体２４ａを接着固定する接着剤は、エポキシ樹脂等を使用できる。
次に、ハウジング本体２４ａ内に収納する潤滑油タンク４６は、柔軟性を有する樹脂製の袋体４６ａからなり、円環状のハウジング２４に沿って円弧状に配置されている。
袋体４６ａには、ポンプ４５と接続する吸込みチューブ４５ａを設けている。この吸込みチューブ４５ａは、袋体４６ａを熱溶着により形成する際に、袋体４６ａを形成する重ね合わせた樹脂シートの間に挟み込んで熱溶着することにより、袋体４６ａと一体化することができる。
また、袋体４６ａをブロー成形により形成する場合には、吸込みチューブ４５ａを袋体４６ａと一体にブロー成形することができる。
潤滑油タンク４６を形成する袋体４６ａの素材は、ナイロン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレンなどを用いることができるが、袋体４６ａ内に収容される潤滑油に侵されない素材であれば特に限定されない。
潤滑油タンク４６の袋体４６ａに充填する潤滑油の粘度は、あまり高いとポンプの負荷や電源への負担が大きくなるため、ＶＧ２２程度が望ましい。
ポンプ４５には、潤滑油タンク４６内の潤滑油を吸引する吸込みチューブ４５ａと、吸引した潤滑油を吐出する吐出チューブ４５ｂを備え、吐出チューブ４５ｂの先端の吐出ノズル４５ｃから転がり軸受１１の固定側の軌道輪と回転側の軌道輪の間に潤滑油が供給される。
ポンプ４５を駆動させて、潤滑油タンク４６内の潤滑油を吸引し、吐出チューブ４５ｂの先端の吐出ノズル４５ｃから転がり軸受１１の固定側の軌道輪と回転側の軌道輪の間に潤滑油を供給し、所定量の潤滑油を供給した後に、ポンプ４５を停止する。
ポンプ４５を停止しても、ポンプ４５内と配管内部は、潤滑油で満たされているため、潤滑油タンク４６内の潤滑油がサイフォンの原理により引き出されて吐出ノズル４５ｃから潤滑油が漏れ出すことがある。この漏れ出しを防止するために、ポンプ４５の吐出配管に、潤滑油の漏れ出しを防止する漏れ出し防止機構を設けている。
この漏れ出し防止機構としては、図３に示すように、吐出チューブ４５ｂに開閉弁４８を設け、ポンプ４５が稼動する期間のみ、開閉弁４８を開き、その他の状態では開閉弁４８が閉じるようにしておく方法、あるいは、ポンプ４５を駆動して給油動作を完了した後に、ポンプ４５を逆転させて吐出配管内に空気を導入する方法などを採用することができる。
次に、潤滑油を供給するタイミング、即ち、ポンプ４５の駆動のタイミングは、電力が充電部４２のコンデンサに蓄電され、一定の電圧に達した時点で行なうことが可能である。発電効率との関係で蓄電時間が短い場合においては、蓄電電圧が一定の値に達した時点で抵抗器などに放電させ、ポンプ４５の駆動のタイミングに、インターバルを設けてもよい。この場合、ポンプ４５の駆動までの間に、充放電が繰り返されることになり、この充放電の回数でポンプ４５の駆動のインターバルを管理してもよい。あるいは、蓄電電圧が一定の値に達した時点で、タイマ機能によりポンプ４５の駆動のタイミングに、インターバルを設けてもよい。この場合は、前記の様な充放電を繰り返さない。
ポンプ４５の吸込み側に接続された吸込みチューブ４５ａは、潤滑油タンク４６内に挿入され、潤滑油タンク４６内の潤滑油が吸引される。
一方、吐出側に接続された吐出チューブ４５ｂの先端には、転がり軸受の内部に潤滑油を吐出するための吐出ノズル４５ｃを接続している。吐出ノズル４５ｃの先端は、軸受内外輪の間で、内輪外周面に近い部分に配置することが望ましい。なお、吐出ノズル４５ｃのノズル穴の内径寸法は、基油の粘度に起因する表面張力と、吐出量との関係により、適宜設定される。
円環状のハウジング２４内には、潤滑油タンク４６以外に、円周方向に発電部４１、充電部４２、制御部４３、駆動部４４、ポンプ４５、給油ユニット１３の動作情報をワイヤレスで外部に発信する通信装置４９等を収納している。
発電部４１としては、例えば、図４に示すように、ゼーベック効果によって発電を行うものを使用することができる。即ち、転がり軸受装置１０を使用した場合、転動体１９（図１参照）との摩擦熱により内輪１７と外輪１８の温度が上昇する。通常、外輪１８は機器のハウジング１５に組み込まれるため熱伝導により放熱され、内輪１７、外輪１８の間で温度差が生じる。その温度が各熱伝導体５２、５３に伝導され、ゼーベック素子５４の両端面に温度差を生じさせることにより、ゼーベック効果による発電を行う。
ハウジング本体２４ａの内周面と外周面を貫通する熱伝導体５２、５３を設け、これら熱伝導体５２、５３の間にゼーベック素子５４を介在したものを使用する場合、ハウジング本体２４ａの外周面を貫通する熱伝導体５２が外輪側間座１２ｂの内径面に接する面には、熱導電性を考慮した接着剤を使用することが望ましい。なお、外輪側の熱伝導体５２の外径は、外輪側間座１２ｂの内径寸法と同一にして、放熱効果が高くなるように密着させている。一方、内輪側の熱伝導体５３の内径は、内輪側間座１２ａとは接していない。可能であれば、外輪側と内輪側の熱伝導体５２、５３の体積を等しくすることが望ましい。
なお、外輪側間座１２ｂの内径面と熱伝導体５２の間、熱伝導体５２とゼーベック素子５４の間、ゼーベック素子５４と内輪側の熱伝導体５３の間には、熱伝導率及び密着性を高めるため、放熱グリースなどを塗布することが好ましい。放熱グリースは、一般的にシリコーンが主成分である。また、熱伝導体５２、５３は、熱伝導率の高い金属を使用する。例えば、銀、銅、金などが挙げられるがコスト面から、銅を使用する事が一般的である。なお、銅を主成分とする銅合金でもよい。また、銅を主成分とする焼結合金でもよい。
発電部４１は、前記のゼーベック効果によって発電を行うもののほか、図５、図６、図７に示すものを使用することができる。
図５に示すものは、転がり軸受装置１０内に交番磁界が存在する場合に適用される。工作機等のビルトインスピンドル内部や大電力を扱う高周波機器の近傍では、漏れ磁束又は高周波の照射が発生する。この漏れ磁束を利用し電磁誘導により発電を行うものである。即ち、片側を開放したＥ形の鉄心５５にコイル５６を組み合わせることで効率よく交番磁界を捉え、電磁誘導による発電を行う。鉄心５５の開放面に絶縁性基台５７が取り付けられる。漏れ磁束の周波数が既知である場合は、鉄心５５を除き漏れ磁束の周波数に共振するコイル５６を用いるようにしてもよい。
図６に示すものは、転がり軸受装置１０内に振動が発生する場合に適用されるものである。即ち、固定側絶縁基板５８、その上に配置された可動側絶縁基板５９の対向面にそれぞれ多数の電極６０を設け、固定側絶縁基板５８の電極６０にのみエレクトレット６１を積層し、可動側絶縁基板５９の電極６０に対し空隙を設けて対向させる。可動側絶縁基板５９は摺動装置６２によって図中の矢印ａの方向にのみ移動可能となる。
転がり軸受装置１０に振動が発生すると、摺動装置６２によって矢印ａの方向に可動側絶縁基板５９が振動する。このとき、固定側絶縁基板５８及び可動側絶縁基板５９の相対運動とエレクトレット６１により、電極６０間に静電誘導による電荷が発生する。この発生した電荷を外部に取り出すことにより発電を行う。
図７に示すものも転がり軸受装置１０内に振動が発生する場合に適用されるものである。即ち、固定側絶縁基板５８と重り６３の間に弾性のあるシート状の圧電体６４を配置する。転がり軸受装置１０に振動が発生すると、重り６３と圧電体６４により矢印ａの方向に重り６３が振動する。このとき、圧電体６４にひずみが生じ誘電分極による起電力が発生する。その起電力を外部に取り出すことにより発電を行う。
発電部４１によって発電した電荷は、蓄電池やコンデンサなどの充電部４２に蓄電される。コンデンサは、電気二重層コンデンサ（キャパシタ）を使用することが望ましい。
制御部４３は、図８に示すように、例えば、軸受温度センサー４７ａ、軸受回転センサー４７ｂ、潤滑油残量センサー４７ｃ、潤滑油温度センサー４７ｄ等のセンサーを備える。これらのセンサーから信号がＣＰＵ５１に入力され、転がり軸受１１の温度及びその回転状況に応じてポンプ４５を自動制御し、潤滑油の供給量を調整する。
通信装置４９は、図１のように外輪側間座１２ｂに取付けられる。また通信手段として振動波を用いることができる。振動波を用いることでワイヤレス化と組込み性の向上が図られる。
図９に振動波発生装置７０を示す。図９（ａ）（ｂ）において金属板７１ａに圧電体７１ｂが貼りつけてあり、金属板７１ａを挟む圧電体７１ｂの対向面側に打付け部７２を取り付けてある。固定ケース７３はこれらを支持し、更に振動波伝達媒体７４に固定される。この時、打付け部７２と振動波伝達媒体７４の間に微小隙間７５を設けてある。この装置の圧電体７１ｂに電圧を印加すると圧電効果(逆圧電効果)により圧電体７１ｂが、図９（ｂ）のように機械的変形を起こす。それに伴い金属板７１ａも変形を起こし、打付け部７２が振動波伝達媒体７４に打付けられ、起震源となり振動波伝達媒体７４の内部に振動波を生じさせる。この振動波は、振動波伝達媒体７４の内部を伝搬する。なお実際の機器において振動波伝達媒体７４は、図１における外輪側間座１２ｂ及び給油ユニット１３を格納するハウジング２４類に相当する。
上記の方法によって得られる振動波による通信方法は、以下のようになる。
振動波は、図１０のように、振動波伝達媒体７４を挟み、振動波発生装置７０と対向する位置に設けられた振動波検出器７７により検出される。
図１０では波形発生装置７６が発生した周波数に従い振動波発生装置７０を駆動させ、任意の周波数を持つ振動波Ａを発生させている。この振動波Ａは、振動波伝達媒体７４を通じて振動波検出器７７まで伝搬される。振動波検出器７７は、振動波Ａを電気信号に変換する。Ｂは検出波形を示している。
以上の通信手段を使用すれば機器内部に組み込まれた給油ユニット１３の動作状態をワイヤレスによって知ることができる。図１０において、符号７６は振動波Ａをを発生させる波形発生装置、符号７８は増幅器、符号７４は振動波伝達媒体、符号７７は検出器を示している。
その給油ユニット１３の動作状態を具体的に把握する方法として以下の手段がある。ポンプ動作毎に振動波Ａを発生させる。そして振動波Ａを検出した回数を計数すれば潤滑剤の残り残量が把握可能になる。同時に給油ユニット１３が正常に動作を行なっていることも確認できる。
複数の給油ユニット１３を同時に組み込んだ場合の通信手段は、図１１のようになる。
基本構成要素は図１０と変わりないが、各装置に異なる周波数の信号を発生させる発振器７６ａ，７６ｂを持たせている。また検出側にフィルター７９を設け、特定周波数の信号を抽出させている。この手段を用いることにより、特定の給油ユニットの状態を知ることが可能になる。
以上の機能を持たせた給油ユニット１３を機器に組み込んだ転がり軸受装置１０を図１２に示す。図１２は、給油ユニット１３を使用したスピンドル（回転軸１４）の一部を示している。振動波Ａは、外輪側間座１２ｂ及びハウジング１５を伝搬する。そして振動波Ａは、ハウジング１５に取付けられた振動波検出器７７により検出させる。なお振動波Ａの周波数は、転がり軸受１１が発生する振動周波数及びスピンドルが１４持つ固有振動数(共振周波数)とは異なる周波数とする。このような周波数にすることにより振動波発生装置が生じた振動の検出を容易とし、機器の不要な共振を防止する効果がある。
以上のように、給油ユニット１３の内部に振動波による通信装置を設けることにより、電気的機能が正常に動作していることを組み込み状態で把握することが可能となる。また振動波で検出することにより、ワイヤレスで情報の伝達が可能になる、組込み性の向上が可能になる、複数の給油ユニット１３を同時に使用することが可能になるといった利点がある
１０ 軸受装置
１１ 転がり軸受
１２ 間座
１２ａ 内輪側間座
１２ｂ 外輪側間座
１３ 給油ユニット
１４ 回転軸
１５ ハウジング
１６ 間座
１７ 内輪
１８ 外輪
１９ 転動体
２１ 保持器
２２ シール板
２４ ハウジング
２４ａ ハウジング本体
２４ｂ 蓋体
２４ｃ ネジ
４１ 発電部
４２ 充電部
４３ 制御部
４４ 駆動部
４５ ポンプ
４５ａ 吸込みチューブ
４５ｂ 吐出チューブ
４５ｃ 吐出ノズル
４６ 潤滑油タンク
４６ａ 袋体
４６ｂ 熱溶着部分
４７ａ〜４７ｄ センサー
４８ 開閉弁
４９ 通信装置
５１ ＣＰＵ
５２、５３ 熱伝導体
５４ ゼーベック素子
５５ 鉄心
５６ コイル
５７ 絶縁性基台
５８ 固定側絶縁基板
５９ 可動側絶縁基板
６０ 電極
６１ エレクトレット
６２ 摺動装置
６３ 重り
６４ 圧電体
７０ 振動波発生装置
７１ａ 金属板
７１ｂ 圧電体
７２ 打付け部
７３ 固定ケース
７４ 振動波伝達媒体
７５ 微小隙間
７６ａ，７６ｂ 発振器
７７ 振動波検出器
７９ フィルター

Claims (2)

  1. 転がり軸受と、潤滑油タンク、潤滑油タンクから潤滑油を吸引して吐出口から潤滑油を吐出するポンプ、ポンプを駆動する駆動部、駆動部に電気エネルギーを与える発電部を少なくとも備える給油ユニットの組み合わせからなり、前記給油ユニットを、転がり軸受の固定輪側部材又は転がり軸受に隣接する間座に取り付けた転がり軸受装置において、前記給油ユニットの動作情報を振動波発信装置によって起振させた振動波とし、この振動波を外部に発信する通信装置を給油ユニット内に設けたことを特徴とする転がり軸受装置。
  2. 工作機械、風車、鉄道に使用される請求項１に記載の転がり軸受装置。
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