JP6728793B2 - Bearing device with sensor - Google Patents
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Description
本発明は、転がり軸受装置、機械装置や工作機械のスピンドル等の運転状態を検出するためのセンサを有するセンサ付軸受に関し、特に、荷重検知専用のセンサを設けることなく、軸の回転数やアキシアル荷重を検出可能としたセンサ付軸受装置及び軸受システムに関する。 The present invention relates to a bearing with a sensor having a sensor for detecting an operating state of a rolling bearing device, a mechanical device, a spindle of a machine tool, or the like, and particularly, without providing a sensor dedicated to load detection, the number of rotations of a shaft or an axial The present invention relates to a bearing device with a sensor and a bearing system capable of detecting a load.
従来、内輪あるいは外輪と一体化された回転部材の回転数を検知するためのセンサ付軸受としては、例えば特許文献1で開示されたものがある。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a sensor-equipped bearing for detecting the rotation speed of a rotating member integrated with an inner ring or an outer ring, there is, for example, one disclosed in Patent Document 1.
特許文献1に開示されているセンサ付軸受は、静止輪と、回転輪と、両者の間に転動自在に配設され、保持器によって一定の距離を分離して維持される玉(複数)の列と、回転運動の測定センサと、保持部材によって回転輪に固設されるホニックホイール(例えば多極磁石)とを備えている。測定センサは、静止輪と回転輪との相互の運動を測定するためのセンサであり、環状センサキャリヤ内に収容されて保持装置124によって保持されている。 The sensor-equipped bearing disclosed in Patent Document 1 is arranged so as to be rotatable between a stationary wheel, a rotating wheel, and both, and is a ball (plurality) that is maintained at a certain distance by a cage. Row, a sensor for measuring rotational movement, and a phonic wheel (for example, a multi-pole magnet) fixed to the rotating wheel by a holding member. The measurement sensor is a sensor for measuring the mutual movement of the stationary wheel and the rotating wheel, and is housed in the annular sensor carrier and held by the holding device 124.
このように、2つの相対的に回転する軌道輪の相互の運動を測定するセンサ付軸受は、静止輪である外輪に保持部材を介して検出センサを取り付け、回転輪である内輪に被検出部材として多極磁石を設けている。そして、検出センサは、一般的にセンサハウジング(特許文献1にでは環状センサキャリヤ)に収納され、且つカバーに保持されるようになっている。 As described above, in the sensor-equipped bearing for measuring the mutual movement of the two relatively rotating bearing rings, the detection sensor is attached to the outer ring, which is a stationary wheel, via the holding member, and the detected member is attached to the inner ring, which is the rotating wheel. As a multi-pole magnet. The detection sensor is generally housed in a sensor housing (annular sensor carrier in Patent Document 1) and held by a cover.
ただし、特許文献1に開示されている従来構造の場合、軸に対して平行方向に加わるアキシアル荷重(スラスト荷重とも言う)を測定しようとした場合、別途荷重センサを設ける必要がある。そのため、荷重センサを設置するための新たなスペースが必要となる。また荷重センサは非常に高価であるため、システム全体のコストアップは避けられない。このように、従来の軸受は、アキシアル荷重の測定には荷重センサが必要であり、センサ機器の設置スペースの増加やコストアップとなる問題点があった。 However, in the case of the conventional structure disclosed in Patent Document 1, when it is attempted to measure an axial load (also referred to as a thrust load) applied in the direction parallel to the axis, a separate load sensor needs to be provided. Therefore, a new space for installing the load sensor is required. Moreover, since the load sensor is very expensive, it is inevitable that the cost of the entire system will increase. As described above, the conventional bearing requires a load sensor for measuring the axial load, and thus has a problem that the installation space of the sensor device is increased and the cost is increased.
そこで、これらの問題点を解決するものとしては、例えば特許文献2で開示されているセンサ付軸受装置がある。 Therefore, as a means for solving these problems, there is a bearing device with a sensor disclosed in Patent Document 2, for example.
特許文献2に開示されているセンサ付軸受装置は、アキシアル荷重を測定することが可能なセンサ付軸受装置に関するものであり、いずれか一方が回転輪で他方が静止輪である内輪と外輪、及び両者の間に介在された転動体を有する軸受部を備えたセンサ付軸受装置であって、被検出体の回転速度を測定すると同時に前記回転輪と前記静止輪との間に加わるアキシアル荷重を測定するためのセンサとして、前記転動体又はその保持器の公転速度を検出する第1のセンサと、前記回転輪の回転速度を検出する第2のセンサとを備え、前記第1及び第2のセンサからの検出信号に基づいて前記アキシアル荷重を算出する信号処理部を有し、前記信号処理部は、前記第1及び第2のセンサからの検出信号を基に得た前記公転速度と前記回転輪の回転速度との比から前記アキシアル荷重を算出し、前記第1及び第2のセンサは、前記外輪の内周面と前記内輪の外周面と前記転動体のアキシアル方向での上下の面との間に形成される2つの環状空隙部のうちの一方の空隙部分に配置されている。 A bearing device with a sensor disclosed in Patent Document 2 relates to a bearing device with a sensor capable of measuring an axial load. One of the inner and outer rings is a rotating wheel and the other is a stationary wheel, and A bearing device with a sensor, comprising a bearing portion having rolling elements interposed between the two, wherein an axial load applied between the rotating wheel and the stationary wheel is measured at the same time as measuring the rotational speed of a detected object. The first and second sensors include a first sensor that detects an orbital speed of the rolling element or a retainer thereof and a second sensor that detects a rotational speed of the rotating wheel as a sensor for A signal processing unit that calculates the axial load based on a detection signal from the sensor, and the signal processing unit includes the revolution speed and the rotating wheel obtained based on the detection signals from the first and second sensors. The axial load is calculated from the ratio of the rotational speed of the outer ring to the inner peripheral surface of the outer ring, the outer peripheral surface of the inner ring, and the upper and lower surfaces of the rolling element in the axial direction. It is arranged in one of the two annular gaps formed between them.
ところで、特許文献2に開示されている構造の場合、前記第1及び第2のセンサは、前記外輪の内周面と前記内輪の外周面と前記転動体のアキシアル方向での上下の面との間に形成される2つの環状空隙部のうちの一方の空隙部分に配置されるので、前記第1及び第2のセンサが非常に近接した配置となってしまい、場合によっては前記第1及び第2のセンサが互いに磁気干渉を起こす可能性があった。 By the way, in the case of the structure disclosed in Patent Document 2, the first and second sensors include an inner peripheral surface of the outer ring, an outer peripheral surface of the inner ring, and upper and lower surfaces of the rolling element in the axial direction. Since it is arranged in one of the two annular gaps formed between them, the first and second sensors are arranged very close to each other, and in some cases the first and second sensors are arranged. The two sensors could cause magnetic interference with each other.
本発明は、このような事情に着目してなされたもので、軸に加わる荷重をさらに高精度に計測することが可能なセンサ付軸受装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a bearing device with a sensor that can measure a load applied to a shaft with higher accuracy.
本発明は、いずれか一方が回転輪で他方が静止輪である内輪と外輪、及び両者の間に介在された転動体を有する軸受部と、被検出体の回転速度を測定すると同時に前記回転輪と前記静止輪との間に加わるアキシアル荷重を測定するためのセンサとして、前記転動体又はその保持器の公転速度を検出する第1のセンサと、前記回転輪の回転速度を検出する第2のセンサとを備えたセンサ付軸受装置であって、前記第1のセンサの検出面と前記第2のセンサの検出面が直交の位置関係にあり、前記第1のセンサの検出面と前記第2のセンサの検出面とが交わらないことにより達成される。 The present invention is to measure the rotational speed of an inner ring and an outer ring, one of which is a rotating wheel and the other is a stationary wheel, and a rolling element interposed between the inner ring and the outer ring, and the rotational speed of a detected object, and at the same time, the rotating wheel. As a sensor for measuring the axial load applied between the stationary wheel and the stationary wheel, a first sensor that detects the revolution speed of the rolling element or its retainer and a second sensor that detects the rotation speed of the rotating wheel. A bearing device with a sensor including a sensor, wherein the detection surface of the first sensor and the detection surface of the second sensor are in a perpendicular positional relationship, and the detection surface of the first sensor and the second surface. This is achieved by not intersecting the detection surface of the sensor of.
さらに、前記検出した回転輪の回転速度と前記検出した転動体又は保持器の公転速度の比を用いて、前記アキシアル荷重を推定することによって一層効果的に達成される。 Further, it is more effectively achieved by estimating the axial load using the ratio of the detected rotation speed of the rotating wheel and the detected revolution speed of the rolling element or the cage.
本発明によれば、2つの回転速度(公転速度と回転速度)を測定することにより、荷重センサを用いることなく、アキシアル荷重を類推する場合に、第1及び第2のセンサが互いに磁気干渉を起こすことなく、軸に加わるアキシアル荷重を高精度に計測することが可能となる。 According to the present invention, by measuring two rotational speeds (an orbital speed and a rotational speed), when analogizing an axial load without using a load sensor, the first and second sensors may cause magnetic interference with each other. It is possible to measure the axial load applied to the shaft with high accuracy without causing it.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は本発明に係るセンサ付軸受装置の第1の実施形態における構成例を示す断面図である。本発明のセンサ付軸受装置は、鉄道車両や自動車、船舶等の乗物全般に使用される軸受、機械装置や工作機械のスピンドル等の各種軸受に適用可能であるが、以下、車両用の軸受に適用した場合を例として説明する。なお、車両以外の場合でも構成は同様である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example in a first embodiment of a bearing device with a sensor according to the present invention. INDUSTRIAL APPLICABILITY The sensor-equipped bearing device of the present invention is applicable to bearings used in general vehicles such as railroad cars, automobiles, ships, and various bearings such as spindles of machine devices and machine tools. The case where it is applied will be described as an example. The configuration is the same even when the vehicle is not a vehicle.
図1において、センサ付軸受装置の軸受部は、車体側ハウジングに内嵌された外輪(静止輪)11と、車軸に外嵌されて該車軸とともに回転する内輪12と、外輪11と内輪12との間に転動自在に配設された複数の転動体(ボール又はころ)13と、各転動体13を内輪軌道と外輪軌道との間に転動自在に保持する保持器14とを備えており、保持器14は、センサ付軸受装置の使用時には、軸の中心の周りを公転する各転動体13の公転速度と同一速度で内輪12の周囲を公転する。
In FIG. 1, the bearing portion of the sensor-equipped bearing device includes an outer ring (stationary wheel) 11 that is fitted into a housing on the vehicle body side, an
本発明に係るセンサ付軸受装置は、センサとしては、転動体13若しくは保持器14の公転速度を検出するための公転速度検出センサ21と、回転輪(本例では内輪12)の回転速度を検出するための回転速度検出センサ22とを備え、軸の回転に伴う公転速度検出センサ21からの公転速度検出信号と回転速度検出センサ22からの回転速度検出信号とを同時に検出し、内輪12と外輪11との間にアキシアル荷重が負荷された際に、それらの検出信号を基にアキシアル荷重を測定可能としている。すなわち、公転速度検出センサ21と回転速度検出センサ22の一対は、被検出体の回転速度を測定すると同時に、内輪12と外輪11との間に加わるアキシアル荷重を測定するためのセンサとして機能する。
The sensor-equipped bearing device according to the present invention includes, as a sensor, a revolution
公転速度検出センサ21は、転動体13又は保持器14の公転速度を検出する検出部としての検出素子21aと、被検出部としてのエンコーダ21bとを有している。そして、本実施の形態においては、保持器14側にバックヨーク21cを介してエンコーダ21bを固設し、アキシアル方向に対向設置された検出素子21aにより、転動体13又は保持器14(若しくは両者)の公転速度を検出する構成としている。
The revolution
一方、回転速度検出センサ22は、回転輪の回転速度を検出する検出部としての検出素子22aと、被検出部としてのエンコーダ22bとを有している。そして、回転輪側にバックヨーク22cを介してエンコーダ22bを固設、詳しくは、回転輪である内輪12の外周面端部に形成された肩部分12aにバックヨーク22cを固設し、ラジアル方向に対向設置された検出素子22aにより、回転輪(本例では内輪12)の回転速度を検出する構成としている。
On the other hand, the rotation
本実施形態では、上記検出センサ21、22の検出素子21a、22aとしては磁気感応センサを使用し、エンコーダ21b、22bとしては多極磁石を使用している。また、検出素子21a、22aはそれぞれのリード線21d、22dをセンサユニット23の先端部に組み込むことで実装されており、センサユニット23から引き出されたケーブル24を介して外部の制御系に信号を出力する構成としている。
In this embodiment, magnetic sensitive sensors are used as the
センサユニット23そのものは、図1に示すように、センサ実装部の面が転動体13側に露出するように、センサカバー25に固設される。また、センサカバー25は静止輪(本例では外輪11)に結合固定される。
As shown in FIG. 1, the
本実施の形態では、公転数検出センサ21からの検出信号に基づいて回転輪と静止輪との間に加わるアキシアル荷重を算出するための演算器を、検出センサ21、22の信号処理部であるセンサユニット23に搭載している。そして、外部の制御系には、例えば、上記アキシアル荷重を示す信号と検出対象(軸、軸に連結される回転対象物等)の回転速度を示す信号、あるいは、それらの信号を基に生成した軸受部の異常診断結果等を示す信号を送出する形態としている。なお、アキシアル荷重の算出処理を外部の制御系で実行する形態としても良く、ケーブル24に接続される別の演算器で実行する形態としても良い。
In the present embodiment, the arithmetic unit for calculating the axial load applied between the rotating wheel and the stationary wheel based on the detection signal from the revolution
ここで、アキシアル荷重の算出方法について説明する。回転輪12と静止輪11との間にアキシアル荷重が加わると、転動体13の接触角が変化し、それに伴い転動体13の公転速度も変化する。そのため、転動体13の公転速度と回転輪12の回転速度を測定することで速度比(=転動体13の公転速度/回転輪12の回転速度)を求めることができ、その速度比の変化からアキシアル荷重を算出することができる。従って、信号を受け取る演算器で読取可能な記録媒体に、予め速度比と荷重の変化との関係を示す情報を記録しておけば、その情報を基にアキシアル荷重を算出することができる。
Here, a method of calculating the axial load will be described. When an axial load is applied between the
なお、本実施形態では、保持器14と一体となった多極磁石から成るエンコーダ21bの公転数を、ホールICなどの磁気感応センサ21により検出する構成としているが、磁性材製の転動体13を備えて転動体13の公転数を直接検出する構成としても構わない。また保持器14そのものを磁性プラスチックとして、多極着磁しても良い。
In this embodiment, the revolution number of the
(第1の実施形態の変形例1)
図2は第1の実施形態の変形例1を示す断面図である。前述の図1に示した第1の実施形態の場合、円筒形状のセンサユニット23の先端部に検出素子21a、22aを組み込むにあたり、検出素子21a、22aのそれぞれのリード線21d、22dを径方向に離して組み込んでいた。これに対して本変形例1の場合、センサユニット23の先端部にリード線21d、22dを近づけて組み込んでいる。
(Modification 1 of the first embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a modified example 1 of the first embodiment. In the case of the first embodiment shown in FIG. 1 described above, when the
これに合わせて、図2(b)に示すように、センサユニット23の径方向寸法を小さくしても良い。このような構造であっても、公転速度検出と回転速度検出に支障はなく、第1の実施形態と比べて機能が変わることもない。
In accordance with this, as shown in FIG. 2B, the radial dimension of the
(第1の実施形態の変形例2)
図3は第1の実施形態の変形例2を示す断面図である。前述の図1に示した第1の実施形態と図2に示した第1の実施形態の変形例1の場合、円筒形状のセンサユニット23の先端部に検出素子21a、22aを組み込むにあたり、検出素子21a、22aのそれぞれのリード線21d、22dを別々にして組み込んでいた。これに対して本変形例2の場合、センサユニット23の先端部にリード線21dをまとめて組み込んでいる。
(Modification 2 of the first embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a modified example 2 of the first embodiment. In the case of the first embodiment shown in FIG. 1 and the modified example 1 of the first embodiment shown in FIG. 2 described above, when the
これに合わせて、図2(b)に示したように、センサユニット23の径方向寸法を小さくしても良い。また、図3(b)のような構造としても良い。このような構造であっても、公転速度検出と回転速度検出に支障はなく、第1の実施形態と比べて機能が変わることもない。
Accordingly, as shown in FIG. 2B, the radial dimension of the
(第1の実施形態の変形例3)
図4は第1の実施形態の変形例3を示す斜視図である。前述の図1に示した第1の実施形態の場合、円筒形状のセンサユニット23の先端部に検出素子21a、22aを組み込むにあたり、検出素子21a、22aのそれぞれのリード線21d、22dを径方向に対向して組み込んでいた。これに対して本変形例3の場合、センサユニット23の先端部にリード線21dとリード線22dが対向しないように組み込んでいる。
(Modification 3 of the first embodiment)
FIG. 4 is a perspective view showing a modified example 3 of the first embodiment. In the case of the first embodiment shown in FIG. 1 described above, when the
なお、本変形例3の場合、リード線21dとリード線22dの組み込み位置が略直角となるように組み込んでいる。また、このようなそれぞれのリード線が対向しないような構造であっても、公転速度検出と回転速度検出に支障はなく、第1の実施形態と比べて機能が変わることもない。
In addition, in the case of the third modification, the
(第2の実施形態)
図5は本発明に係るセンサ付軸受装置の第2の実施形態における構成例を示す断面図であり、図1に示した第1の実施形態と同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。
(Second embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structural example of a sensor-equipped bearing device according to a second embodiment of the present invention. The same components as those of the first embodiment shown in FIG. Omit it.
前述の図1に示した第1の実施形態の場合、公転速度検出センサ21の検出素子21aとエンコーダ21bをアキシアル方向に対向設置された構成とした。また、回転速度検出センサ22の検出素子22aとエンコーダ22bをラジアル方向に対向設置された構成とした。これに対して本実施形態の場合、公転速度検出センサ21の検出素子21aとエンコーダ21bをラジアル方向に対向設置され、回転速度検出センサ22の検出素子22aとエンコーダ22bをアキシアル方向に対向設置された構成としている。図1と図5の構成を比較して、センサ付軸受装置としての機能の違いはなく、アプリケーションの特性等を考慮してどちらを適用しても良い。
In the case of the first embodiment shown in FIG. 1 described above, the
11 外輪
12 内輪
12a 肩部分
13 転動体
14 保持器
21 公転速度検出センサ
21a 検出素子
21b エンコーダ
21c バックヨーク
21d リード線
22 回転速度検出センサ
22a 検出素子
22b エンコーダ
22c バックヨーク
22d リード線
23 センサユニット
24 ケーブル
25 センサカバー
11
Claims (2)
前記第1のセンサの検出面と前記第2のセンサの検出面が直交の位置関係にあり、前記第1のセンサの検出面と前記第2のセンサの検出面とが交わらず、
前記第1のセンサの検出面と前記第2のセンサの検出面とが、前記外輪の径方向位置、軸方向位置及び周方向位置の全ての位置において互いにずれて配置され、かつ、
前記第1のセンサの第1検出素子と前記第2のセンサの第2検出素子とは、それぞれのリード線を介してセンサユニットの先端部に固定されていることを特徴とするセンサ付軸受装置。 A bearing portion having an inner ring and an outer ring, one of which is a rotating wheel and the other of which is a stationary wheel, and a rolling member interposed between the inner and outer rings, and the rotating speed of the detected object and the rotating wheel and the stationary wheel. As a sensor for measuring an axial load applied between the rolling element and the cage, a first sensor for detecting the revolution speed of the rolling element or its retainer and a second sensor for detecting the rotation speed of the rotating wheel are provided. A bearing device with a sensor,
The detection surface of the first sensor and the detection surface of the second sensor have an orthogonal positional relationship, and the detection surface of the first sensor and the detection surface of the second sensor do not intersect ,
The detection surface of the first sensor and the detection surface of the second sensor are displaced from each other at all positions of the outer ring in the radial direction, the axial position, and the circumferential position, and
The bearing device with a sensor, wherein the first detection element of the first sensor and the second detection element of the second sensor are fixed to the tip portion of the sensor unit via respective lead wires. ..
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