JP6686388B2 - センサ付き転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、センサ付き転がり軸受に関し、より詳細には、転がり軸受に発生するひずみを検出可能なひずみセンサを備えるセンサ付き転がり軸受に関する。

従来、内輪又は外輪の切欠溝にひずみセンサ部を配置し、ひずみセンサ部からの出力信号を光ファイバを介してひずみ計測器に導出して、転動体がひずみセンサ部の位置を通過する際のひずみを検出するようにした転がり軸受の荷重分布測定方法及び装置が知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。

特許第５６３８３１２号公報 特許第５６３８３１３号公報

ところで、特許文献１又は２に記載の荷重分布測定装置では、ひずみセンサ部は、直接、内輪又は外輪の切欠溝に接着剤により接着されている。このため、ひずみセンサ部の破損時や、例えば、感度の異なるひずみセンサ部への交換が必要となったときなど、ひずみセンサ部のみを交換することが難しく、転がり軸受全体を取り換えるしかなかった。また、内輪又は外輪の切欠溝へのひずみセンサ部の接着は、熟練した技術を要し、荷重分布測定装置を量産し難い問題があった。更に、接着剤の耐久性が荷重分布測定装置の寿命に直結し、測定装置寿命の観点からも改善の余地があった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、内輪又は外輪に発生するひずみを、精度よく検出することができ、生産性がよく、且つ、メンテナンス性に優れたセンサ付き転がり軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間の軸受空間内部に転動自在に配置された複数の転動体と、ひずみを検出可能なひずみセンサと、を備えるセンサ付き転がり軸受であって、
前記ひずみセンサが固着されるセンサ保持部材、をさらに備え、
前記センサ保持部材は、前記内輪又は前記外輪に形成された取付け部に締め代を持って固定されていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受。
（２） 前記ひずみセンサは、接着又は成膜により前記センサ保持部材に固着されていることを特徴とする（１）に記載のセンサ付き転がり軸受。
（３） 前記センサ保持部材は、凹部をもって形成されるひずみ受感部を有し、
前記ひずみセンサは、前記ひずみ受感部に設けられた第１ひずみゲージと、前記ひずみ受感部以外に設けられた第２ひずみゲージと、を有することを特徴とする（１）又は（２）に記載のセンサ付き転がり軸受。
（４） 前記センサ保持部材は、前記固定される内輪又は外輪と同一材料からなることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のセンサ付き転がり軸受。

本発明のセンサ付き転がり軸受によれば、ひずみセンサが固着されるセンサ保持部材を別途備え、センサ保持部材は、内輪又は外輪に形成された取付け部に締め代を持って固定されているので、センサ保持部材及びひずみセンサには、予めひずみが付与された状態となる。これにより、ひずみセンサは、固定時に与えられた該ひずみに対して緩む方向と強まる方向の両方向のひずみを感度よく検出することができる。したがって、ひずみセンサは内輪又は外輪に発生するひずみを、精度よく検出することができる。また、本発明は、転がり軸受にひずみセンサを直接、接着や成膜する必要がないので生産性がよく、さらに、ひずみセンサの破損時や、ひずみセンサの交換が必要となったときなど、ひずみセンサをセンサ保持部材ごと容易に交換することができ、メンテナンス性が向上する。

本発明に係る第１実施形態のセンサ付き転がり軸受の要部分解斜視図である。 （ａ）は図１のひずみセンサが固着されたセンサ保持部材の平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）裏面図である。 （ａ）は本発明に係る第２実施形態のセンサ付き転がり軸受の要部分解斜視図、（ｂ）はひずみセンサが固着されたセンサ保持部材の平面図、（ｃ）はひずみセンサが固着されたセンサ保持部材の正面図である。 （ａ）は本発明に係る第３実施形態のセンサ付き転がり軸受の要部分解斜視図、（ｂ）は転がり軸受の正面図である。 （ａ）は本発明に係る第４実施形態のセンサ付き転がり軸受の要部分解斜視図、（ｂ）は転がり軸受の正面図である。

以下、本発明に係るセンサ付き転がり軸受の各実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、図１及び図２を参照して、本発明に係る第１実施形態のセンサ付き転がり軸受について説明する。
本実施形態のセンサ付き転がり軸受１０は、内輪１１と、外輪１２と、内輪１１と外輪１２との間の軸受空間Ｓ内部に転動自在に配置された転動体である複数のころ１３と、複数のころ１３を円周方向に所定の間隔で保持する保持器（図示せず）を備える円筒ころ軸受である。また、センサ付き転がり軸受１０は、ひずみを検出可能なひずみセンサ３０と、ひずみセンサ３０が固着されるセンサ保持部材２０と、をさらに備える。

外輪１２には、その側面に軸方向に沿って穿孔された軸方向孔（取付け部）１４が設けられており、この軸方向孔１４には、センサ保持部材２０が締め代を持って圧入により固定されている。

センサ保持部材２０は、外輪１２の軸方向孔１４の孔径より僅かに大きな直径の外周面を有して棒状に形成されている。また、図２にも示すように、センサ保持部材２０には、軸方向に沿って延びる平面部２１が形成されており、平面部２１の裏面側には、その軸方向両側の厚肉部２６を残して、略コの字形の凹部２２が形成されている。裏面側に凹部２２が位置するセンサ保持部材２０の部分は、応力が作用したときのひずみが大きい薄肉部２４であり、ひずみを検出するためのひずみ受感部２５となる。

センサ保持部材２０の材料としては、線膨張率が同一となるように、外輪１２と同じ鋼材を用いるのが好ましい。

センサ保持部材２０の平面部２１には、金属製、または導電性樹脂材からなるひずみ抵抗膜であるひずみセンサ３０が固着されている。ひずみセンサ３０を金属膜で構成する場合、金属膜としては、例えばＣｒ（クロム）−Ｎ（窒素）薄膜を反応性スパッタリングで成膜することができる。Ｃｒ−Ｎ基ひずみ抵抗膜は、ひずみ感度も良好である。
なお、ひずみセンサ３０は、他の形式のひずみセンサであってもよい。更に、成膜によらずに、単品のひずみセンサ３０を、接着や溶接などによりセンサ保持部材２０の平面部２１に固着してもよい。

ひずみセンサ３０は、軸方向と周方向にそれぞれ指向して直交配置された、第１ひずみゲージである２枚のアクティブゲージ３１と、軸方向にそれぞれ指向して配置された第２ひずみゲージである２枚のダミーゲージ３２と、を備える。アクティブゲージ３１は、ひずみ受感部２５の平面上に設けられ、ダミーゲージ３２は、厚肉部２６の平面上に設けられている。

ひずみ受感部２５の平面上に配置されたアクティブゲージ３１は、外輪１２に荷重が負荷されたときのひずみ受感部２５のひずみ（真のひずみと見かけ上のひずみ）を検出する。アクティブゲージ３１の感度は、ひずみ受感部２５（薄肉部２４）の厚さを調整することによって変更することができる。

厚肉部２６の平面上に配置されたダミーゲージ３２は、センサ保持部材２０自身のひずみ、即ち見かけ上のひずみ（外乱）を検出する。アクティブゲージ３１の検出値と、ダミーゲージ３２の検出値との差を求めることで、センサ保持部材２０自身の変形（外乱）の影響を排除することができ、ひずみセンサ３０の検出精度が向上する。

ひずみセンサ３０が固着されたセンサ保持部材２０は、外輪１２の軸方向孔１４に締め代を持って圧入されているので、センサ保持部材２０及びひずみセンサ３０には、圧縮方向のひずみが予め付与される。この状態で、外輪１２に加わる荷重により発生するセンサ保持部材２０の変形（ひずみ）を検出すると、該ひずみは、予め圧縮方向に付与されたひずみに対して緩む方向（伸び方向）又は強まる方向（圧縮方向）となり、該ひずみを感度よく検出することができる。また、アクティブゲージ３１が、ひずみ受感部２５の平面部２１上に設けられているので、精度よくひずみを検出することができる。

そして、ひずみセンサ３０によって検出されたひずみに基づき、外部の診断装置によって、転がり軸受１０のラジアル荷重分布を求め、転がり軸受１０の状態を監視して摩耗や異常の発生を診断する。また、実稼働時における転がり軸受１０の状態確認が可能となる。
なお、ひずみセンサ３０からの検出信号は、有線と無線のいずれの手法で診断装置に送られてもよい。

また、センサ保持部材２０が固定される外輪１２は、固定輪及び回転輪のいずれであってもよい。
具体的に、外輪１２が回転輪の場合、ひずみセンサ３０は外輪１２と共に回転して全位相での測定が可能であるので、１個のひずみセンサ３０が外輪１２に配設されればよい。そして、ひずみセンサ３０の測定波形は、ひずみセンサ３０が各ころ１３の位置を通過する毎にひずみが大きくなり、通過後には小さくなる、振幅が小さい略正弦波状の連続波形となる。この正弦波状連続波形の平均値は、ひずみセンサ３０が転がり軸受１０の負荷圏側に位置するときに大きくなり、無負荷圏側に位置するときに小さくなって、外輪１２の一回転に対して1サイクルの大きい振幅の略正弦波形となる。

また、外輪１２が固定輪の場合、ひずみセンサ３０により測定可能な位置（位相）は一定になるので、例えば、３個のひずみセンサ３０を外輪１２に配設することで、各位相におけるひずみを、３箇所での測定値から推定するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態のセンサ付き転がり軸受１０によれば、ひずみを検出可能なひずみセンサ３０と、ひずみセンサ３０が固着されるセンサ保持部材２０と、を備え、センサ保持部材２０は、外輪１２に形成された軸方向孔１４に締め代を持って固定される。これにより、ひずみセンサ３０は、固定時に与えられた該ひずみに対して緩む方向と強まる方向の両方向のひずみを感度よく検出することができる。したがって、ひずみセンサ３０は外輪１２に発生するひずみを、精度よく検出することができる。また、転がり軸受１０にひずみセンサ３０を直接、接着や成膜する必要がないので生産性がよく、さらに、ひずみセンサ３０の破損時や、ひずみセンサ３０の交換が必要となったときなど、ひずみセンサ３０をセンサ保持部材２０ごと容易に交換することができ、メンテナンス性が向上する。

特に、ひずみセンサ３０は、ひずみ抵抗膜がセンサ保持部材２０の平面部２１に直接、成膜して形成されることで、ひずみセンサ３０をセンサ保持部材２０に接着するための接着剤が不要となり、接着剤の耐久性に起因するセンサ寿命の問題や、難しいセンサ接着工程を省略することができる。また、外輪１２とは異なる部材であるセンサ保持部材２０にひずみセンサ３０を設けたので、外輪１２に成膜することが困難な、大きな軸受にも成膜からなるひずみセンサ３０を採用することができる。

また、ひずみセンサ３０をセンサ保持部材２０に接着する場合でも、センサ保持部材２０が外輪１２とは別部品であるので、形状設計の自由度が高く、ひずみセンサ３０の接着作業を考慮した形状とすることができる。従って、軸受内輪や外輪に加工された小さな溝内にひずみセンサを接着する従来の熟練を要する作業と比較して、接着作業が大幅に容易になる。

また、センサ保持部材２０が、外輪１２とは異なる別部品で構成されているので、ひずみセンサ３０の成形方法（成膜、接着）に関係なく、同一のセンサ保持部材２０（ひずみセンサ３０）を様々な種類・サイズの軸受や、様々な測定部位に適用することができ、ひずみセンサ３０の共通化が可能となってコストを削減することができる。

更に、ひずみセンサ３０は、センサ保持部材２０に凹部２２をもって形成されるひずみ受感部２５に設けられたアクティブゲージ３１と、ひずみ受感部２５以外に設けられたダミーゲージ３２と、を有するので、センサ保持部材２０自身の変形などの外乱がある場合にも、精度よくひずみを検出することができる。

（第２実施形態）
次に、図３を参照して、本発明に係る第２実施形態のセンサ付き転がり軸受について説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等部分については、図面に同一符号を付してその説明を省略或いは簡略化する。

本実施形態のセンサ付き転がり軸受１０Ａの外輪１２には、外周面１２ａの軸方向略中央に有底孔（取付け部）１５が径方向に沿って形成されている。有底孔１５には、ひずみセンサ３０が固着されたセンサ保持部材４０が、締め代を持って圧入により固定されている。

センサ保持部材４０は、外輪１２の有底孔１５の孔径より僅かに大きな直径の外周面を備えると共に、該外周面に互いに平行な二平面を有する。また、センサ保持部材４０は、上面（軸方向端面）に平面部４１を有すると共に、平面部４１の裏面側には、略コの字形の凹部４２が形成されている。即ち、凹部４２に対応する部分は薄肉部４４であり、ひずみを検出するためのひずみ受感部４５となる。また、凹部４２以外の部分（長手方向両端）は、厚肉部４６となる。

センサ保持部材４０のひずみ受感部４５（薄肉部４４）には、２枚のアクティブゲージ３１が成膜形成され、ひずみ受感部４５以外の厚肉部４６の上面には、２枚のダミーゲージ３２が成膜形成されている。そして、センサ保持部材４０が有底孔１５に圧入されることで、ひずみセンサ３０は、圧縮応力が作用した状態で外輪１２に固定される。なお、センサ保持部材４０は、ひずみセンサ３０の向きを考慮して、二平面が転がり軸受の周方向に指向するように外輪１２の有底孔１５に固定されている。
その他の構成及び作用効果については、上記第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

（第３実施形態）
次に、図４を参照して、本発明に係る第３実施形態のセンサ付き転がり軸受について説明する。
本実施形態のセンサ付き転がり軸受１０Ｂには、外輪１２の外周面１２ａに、コの字溝（取付け部）１６が軸方向全長に亘って形成されている。コの字溝１６には、ひずみセンサ３０が固着されたセンサ保持部材５０が、締め代を持って固定（圧入）されている。

センサ保持部材５０は、外輪１２のコの字溝１６の幅より僅かに大きな幅を有する略矩形状に形成されており、上面に平面部５１が形成されると共に、平面部５１の裏面側には、略コの字形の凹部５２が形成されている。即ち、凹部５２に対応する薄肉部５４はひずみ受感部５５となる。また、凹部５２以外の部分（幅方向両端部）は、厚肉部５６となる。

センサ保持部材５０のひずみ受感部５５（薄肉部５４）の平面上には、２枚のアクティブゲージ３１が成膜形成され、ひずみ受感部５５以外の厚肉部５６の平面上には、２枚のダミーゲージ３２が成膜形成されている。そして、センサ保持部材５０がコの字溝１６に圧入されることで、ひずみセンサ３０には、圧縮応力が作用した状態で外輪１２に固定される。
その他の構成及び作用効果については、上記第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

（第４実施形態）
次に、図５を参照して、本発明に係る第４実施形態のセンサ付き転がり軸受について説明する。
本実施形態のセンサ付き転がり軸受１０Ｃには、外輪１２の外周面１２ａに、外周面１２ａより低い平面部１８ａを有する凸部１８を介して、周方向に離間した一対の溝１７，１７が軸方向に沿って形成される取付け部１９が形成されている。この取付け部１９には、ひずみセンサ３０が固着されたセンサ保持部材６０が、締め代を持って圧入により固定されている。

センサ保持部材６０は、上面が平面部６１であり、平面部６１の裏面側には、略コの字形の凹部６２が形成されている。即ち、凹部６２に対応する部分は、薄肉部６４であり、ひずみを検出するためのひずみ受感部６５となる。また、凹部６２以外の部分（幅方向両端部）は、厚肉部６６となる。

一対の厚肉部６６間の幅Ｗ１は、凸部１８の周方向幅Ｗ２より僅かに狭くなっている。また、ひずみ受感部６５には、２枚のアクティブゲージ３１が成膜形成され、厚肉部６６の上面には、２枚のダミーゲージ３２が成膜形成されている。

センサ保持部材６０は、一対の厚肉部６６で凸部１８を挟持するようにして取付け部１９に圧入されて外輪１２に固定される。このとき、センサ保持部材６０の幅方向端面と一対の溝１７，１７の外側面との間には、隙間が確保されている。これにより、センサ保持部材６０のひずみ受感部６５には、引っ張り力が作用する。即ち、本実施形態のひずみセンサ３０は、第１〜第３実施形態のひずみセンサ３０とは逆に、予め引張り応力が作用した状態で外輪１２に固定される。したがって、本実施形態のひずみセンサ３０でも、固定時に与えられた該ひずみに対して緩む方向（圧縮方向）と強まる方向（伸び方向）の両方向のひずみを感度よく検出することができる。
その他の構成及び作用効果については、上記第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

尚、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
例えば、上記各実施形態では、ひずみセンサ３０が、円筒ころ軸受１０に設けられた例について説明したが、これに限定されず、他の形式の転がり軸受であってもよい。
また、上記各実施形態では、ひずみセンサ３０は、外輪１２の取付け部に配置されているが、内輪１１の取付け部に配置されてもよく、この場合、該内輪１１は、固定輪であってもよいし、回転輪であってもよい。
また、内輪または外輪に形成される取付け部は、センサ保持部材の形状に併せて締め代を持って固定される形状であれば、上述した実施形態のものに限定されるものではない。
さらに、ひずみセンサ３０の構成も、本実施形態のものに限定されず、他の構成であってもよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ センサ付き転がり軸受
１１ 内輪
１２ 外輪
１３ ころ（転動体）
１４ 軸方向孔（取付け部）
１５ 有底孔（取付け部）
１６ コの字溝（取付け部）
１９ 取付け部
２０，４０，５０，６０ センサ保持部材
２２，４２，５２，６２ 凹部
２５，４５，５５，６５ ひずみ受感部
３０ ひずみセンサ
３１ アクティブゲージ（第１ひずみゲージ）
３２ ダミーゲージ（第２ひずみゲージ）
Ｓ 軸受空間

Claims (3)

1. 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間の軸受空間内部に転動自在に配置された複数の転動体と、ひずみを検出可能なひずみセンサと、を備えるセンサ付き転がり軸受であって、
   前記ひずみセンサが固着される平面部を有するセンサ保持部材、をさらに備え、
   前記センサ保持部材は、前記内輪又は前記外輪に形成された孔又は溝からなる取付け部に締め代を持って固定されており、
   前記センサ保持部材には、前記平面部の裏面側に厚肉部を残して凹部が形成され、該凹部が位置する部分は、薄肉部であるひずみ受感部となり、
   前記ひずみセンサは、前記ひずみ受感部に設けられた第１ひずみゲージと、前記ひずみ受感部以外である前記厚肉部に設けられた第２ひずみゲージと、を有し、
   前記第１ひずみゲージは、前記内輪又は前記外輪に荷重が負荷された時の真のひずみと、前記センサ保持部材自身の見かけ上のひずみを検出し、前記第２ひずみゲージは、前記センサ保持部材自身の見かけ上のひずみを検出することを特徴とするセンサ付き転がり軸受。
2. 前記ひずみセンサは、接着又は成膜により前記センサ保持部材に固着されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受。
3. 前記センサ保持部材は、前記固定される内輪又は外輪と同一材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ付き転がり軸受。

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