JP7165021B2 - 軸受装置 - Google Patents

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Description

本発明は、軸受装置および予圧センサに関する。
工作機械のスピンドル装置では、加工精度および効率の向上のため、軸受の予圧管理が求められており、そのため軸受に付与される予圧(以下、軸受の予圧)を検出する要求がある。また、軸受に異常が起こる前にその予兆としての予圧の変化を検出して、軸受の異常を未然に防ぐ要求もある。
特開2014-071085号公報には、金属薄膜を備え、該金属薄膜に圧力が作用したときの電気抵抗の変化に基づいて圧力を検出する薄膜センサが開示されている。
特開2014-071085号公報
特開2014-071085号公報に記載の薄膜センサの厚みはサブミクロン台と薄く、特に上記金属薄膜の厚みは200nm程度と非常に薄いため、上記薄膜センサの検出精度は各薄膜センサが挟まれる2つの面の各々の表面粗さおよび平坦度等の面性状の影響を受けやすい。
上記薄膜センサを軸受の予圧センサに適用する場合、複数の上記薄膜センサが、軸受および間座の少なくともいずれか(以下、軸受等)の軸方向に垂直な2つの面間に、周方向に互いに間隔を隔てて配置される必要がある。一方で、一般的な軸受等の軸方向に垂直な面の面性状は、その周方向において比較的大きなバラつきを有している。そのため、一般的な軸受等の上記2つの面間に配置された上記薄膜センサでは、軸受の予圧を高精度に測定することが困難である。
本発明の主たる目的は、従来の予圧センサと比べて、軸受の予圧の変化を安定して検出することができる予圧センサおよび該予圧センサを備える軸受装置を提供することにある。
本発明に係る予圧センサは、第1方向の一方側を向いた第1面と、第1方向の他方側を向いた第2面とを有し、軸受の予圧を検出する予圧センサである。上記予圧センサは、第1端子部および第2端子部と、第1端子部と第2端子部との間を接続しており、かつ第1面と第2面との間に作用する圧力に応じて第1端子部と第2端子部との間の直流抵抗が変化する感圧パターン部と、感圧パターン部を覆う被覆部と、第1方向において被覆部に隣接して配置されている緩衝部とを備える。緩衝部を構成する材料の縦弾性係数は、被覆部を構成する材料の縦弾性係数未満である。
本発明に係る軸受装置は、本発明に係る予圧センサと、軸受と、軸受に隣接して配置される間座とを備える。予圧センサ、軸受、および間座は、第1方向が軸受および間座の軸方向に沿うように配置されている。予圧センサの被覆部および緩衝部の少なくともいずれかは、間座に接している。緩衝部を構成する材料の縦弾性係数は、間座を構成する材料の縦弾性係数未満である。
本発明によれば、従来の予圧センサと比べて、軸受の予圧の変化を安定して検出することができる予圧センサおよび該予圧センサを備える軸受装置を提供することができる。
実施の形態1に係る予圧センサおよび軸受装置の周方向に垂直な部分断面図である。 図1に示される予圧センサおよび軸受装置の部分拡大図である。 図1に示される予圧センサおよび軸受装置の軸方向から視た部分平面図である。 図1に示される予圧センサおよび軸受装置の組立方法の一例を示す部分断面図である。 図1に示される予圧センサおよび軸受装置の軸方向から視た平面図である。 予圧センサによって予圧の変化を検出するための検出回路を示す図である。 実施の形態1に係る予圧センサおよび軸受装置の変形例を示す部分断面図である。 実施の形態2に係る予圧センサおよび軸受装置を示す部分断面図である。 図8に示される予圧センサおよび軸受装置の径方向に垂直な部分断面図である。 実施の形態2に係る予圧センサおよび軸受装置の他の変形例を示す部分断面図である。 実施の形態3に係る予圧センサおよび軸受装置を示す部分断面図である。 図11に示される予圧センサおよび軸受装置の部分拡大図である。 図11に示される予圧センサおよび軸受装置の変形例を示す部分断面図である。 実施の形態1~3に係る予圧センサおよび軸受装置の変形例を示す部分断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
(実施の形態1)
図1~図3に示されるように、実施の形態1に係る軸受装置100は、第1軸受1a、第2軸受1b、外輪間座6および内輪間座7、ならびに予圧センサ10を主に備える。軸受装置100は、主軸11をハウジング8に対して回転可能に支持するように設けられている。第1軸受1aおよび第2軸受1bには、例えば定位置予圧が付与されている。
図1に示されるように、第1軸受1aおよび第2軸受1bは、例えば互いに同等の構成を備えている。第1軸受1aおよび第2軸受1bは、例えばアンギュラ玉軸受である。第1軸受1aおよび第2軸受1bは、例えば背面組み合わせ(DB)とされている。
図1に示されるように、第1軸受1aは、外輪2a、内輪3a、玉4a、および保持器5aを含む。外輪2aは、外輪軌道面を有している。内輪3aは、外輪2aの径方向において外輪軌道面と間隔を隔てて配置されている内輪軌道面を有している。複数の玉4aは、外輪軌道面と内輪軌道面との間に配置されている。保持器5aは、外輪2aの周方向において複数の玉4aを一定の距離を隔てて保持している。第2軸受1bは、外輪2b、内輪3b、玉4b、および保持器5bを含む。外輪2b、内輪3b、玉4b、および保持器5bは、外輪2a、内輪3a、玉4a、および保持器5aと同様の構成を有している。軸受装置100では、外輪2a,2bが固定輪、内輪3a,3bが回転輪、外輪間座6が固定側間座、内輪間座7が回転側間座として構成されている。
図1に示されるように、外輪間座6および内輪間座7は、第1軸受1aおよび第2軸受1bに隣接して配置されている。外輪間座6および内輪間座7は、環状に設けられており、各軸方向が第1軸受1aおよび第2軸受1bの各軸方向に沿うように配置されている。外輪間座6および内輪間座7は、軸受装置100が主軸11を支持している使用状態において、第1軸受1aと第2軸受1bとの相対的な位置を一定に保持する。
図1に示されるように、外輪間座6は、外輪間座6の軸方向において第1軸受1aの外輪2aと第2軸受1bの外輪2bとの間に挟まれている。外輪間座6は、例えば第1間座部材61および第2間座部材62を有している。第1間座部材61および第2間座部材62は、別体として環状に設けられており、上記軸方向に並んで配置されている。第1間座部材61および第2間座部材62は、上記径方向において内輪間座7と対向する内径面を有している。
図1および図2に示されるように、第1間座部材61は、上記軸方向において第1軸受1a側を向いており、かつ外輪2aと接している第1端面61aと、第1端面61aとは反対側に位置する第2端面61bとを有している。第2端面61bは、外輪2bの上記軸方向の端面と対向している。第2端面61bは、第1間座部材61の上記軸方向に向いた表面のうち、外輪2bに最も近い面である。
図1および図2に示されるように、第2間座部材62は、上記軸方向において第2軸受1b側を向いており、かつ第1間座部材61の第2端面61bと上記軸方向に対向する第3端面62aと、第3端面62aとは反対側に位置し、かつ外輪2bと接している第4端面62bとを有している。第3端面62aは、外輪2aの上記軸方向の端面と対向している。第3端面62aは、第2間座部材62の上記軸方向に向いた表面のうち、外輪2aに最も近い面である。
第3端面62aは、軸受装置100において後述する予圧センサ10の第1面20aと接する第5面として構成されている。第2端面61bは、軸受装置100において後述する予圧センサ10の第2面30aと接する第6面として構成されている。
図1に示されるように、第1間座部材61は、例えば上記軸方向において第1端面61aよりも第2軸受1b側に位置して第1軸受1a側を向いており、かつ上記径方向において第1端面61aよりも内側に位置する第5端面61cをさらに有している。
図2に示されるように、第2間座部材62は、例えば上記軸方向において第4端面62bよりも第1軸受1a側に位置して第2軸受1b側を向いており、かつ上記径方向において第4端面62bよりも内側に位置する第6端面62cをさらに有している。
図1および図2に示されるように、第1間座部材61および第2間座部材62の上記径方向および上記周方向の相対的な位置は、位置決め部材63によって位置決めされている。図2に示されるように、第1間座部材61には、第2端面61bに開口した穴61hが設けられている。穴61hは、例えば上記軸方向に沿って延びており、かつ底面を有している。第2間座部材62には、第3端面62aと第6端面62cとの間を貫通する貫通孔62hが設けられている。穴61hおよび貫通孔62hは、上記軸方向において互いに連なりかつ位置決め部材63が挿入されるように設けられている。位置決め部材63は、位置決め部材63の一端が穴61hの底面に接しているときに位置決め部材63の他端が貫通孔62hの内部に配置されるように、設けられている。位置決め部材63は、例えば棒状に設けられている。
なお、予圧センサ10を形成する第2端面61bと第3端面62aの各表面の表面粗さは、他の面よりも良くしておくのが望ましい。
図1に示されるように、内輪間座7は、上記軸方向において第1軸受1aの内輪3aと第2軸受1bの内輪3bとの間に挟まれている。内輪間座7は、内輪3aと接している端面と、当該端面とは反対側に位置しかつ内輪3bと接している端面とを有している。内輪間座7は、上記径方向において第1間座部材61および第2間座部材62と対向するように配置されている。
外輪間座6および内輪間座7を構成する材料は、従来の外輪間座および内輪間座を構成する材料と同等とすることができ、例えば鋼を含む。
図1に示されるように、ハウジング8は、外輪2a,2bおよび外輪間座6の各外径面と対向する内径面8aと、該内径面8aに対して上記径方向の内側に突出している凸面8bとを有している。凸面8bは、外輪間座6と接している外輪2aの端面とは反対側に位置する端面と接している。凸面8bは、外輪間座6の第1端面61aと上記軸方向に対向するように配置されている。内径面8aおよび凸面8bは、上記軸方向において凸面8bとは反対側から内径面8a内に挿入された軸受装置100が、外輪2aが凸面8bに接触するまでで上記軸方向に移動するように設けられている。外輪2a,2bおよび外輪間座6は、例えばハウジング8に対してすきま嵌めとされている。
なお、ハウジング8は、例えば軸受装置100を内部に収容する内筒81と、内筒81および主軸11の一部を内部に収容する外筒82とを有している。ハウジング8には、例えば冷却媒体流路83が形成されている。冷却媒体流路83は、例えば内筒81の外径面に対して凹状である溝部として構成されている。冷却媒体流路83は、例えば上記回転中心軸Oに対して螺旋状に延在するように設けられている。冷却媒体流路83内には冷却媒体が流される。これにより、軸受装置100は冷却される。
前蓋9は、図示しないボルト等によってハウジング8に固定されている。図1に示されるように、前蓋9は、上記径方向においてハウジング8の内径面8aよりも内側に配置されており、かつ上記軸方向においてハウジング8の凸面8bと対向する押さえ面9aを有している。押さえ面9aは、外輪間座6と接している外輪2bの端面とは反対側に位置する端面と接している。押さえ面9aは、外輪間座6の第4端面62bと上記軸方向に対向するように配置されている。ハウジング8および前蓋9は、上記軸方向において外輪2a、外輪2b、および外輪間座6を位置決めしている。
図1に示されるように、主軸11は、内輪3a,3bおよび内輪間座7の各内径面と対向する外径面11aと、該外径面11aに対して上記径方向の外側に突出している凸面11bとを有している。凸面11bは、内輪間座7と接している内輪3bの端面とは反対側に位置する端面と接している。内輪3a,3bおよび内輪間座7は、例えば主軸11に対してしまり嵌めとされている。
図1に示されるように、固定部材12は、主軸11に固定されている。固定部材12は、上記径方向において主軸11の外径面11aよりも外側に配置されており、かつ上記軸方向において主軸11の凸面11bと対向する押さえ面14aを有している。押さえ面14aは、内輪間座7と接している内輪3aの端面とは反対側に位置する端面と接している。主軸11および固定部材12は、上記軸方向において内輪3a、内輪3b、および内輪間座7を位置決めしている。
図1に示されるように、固定部材12は、例えばナット13と、スペーサ14とを有している。ナット13は、主軸11の外径面11aと螺合するように設けられている。ナット13は、スペーサ14を介して内輪3aと接続されている。スペーサ14は、主軸11の外径面11aに対して摺動するように設けられている。スペーサ14の上記軸方向の一方の端面はナット13に接しており、他方の端面は上記押さえ面14aを構成している。
軸受装置100は、例えば以下のように組み立てられる。第2軸受1b、外輪間座6および内輪間座7、第1軸受1a、ならびにスペーサ14が、凸面12a側から順に主軸11に挿通される。外輪2a、外輪間座6、および外輪2bが接触している状態において、内輪3aと内輪間座7との間、および内輪3bと内輪間座7との間には、予め設計上の隙間が設けられている。次に、ナット13が緊締される。これにより、第1軸受1a、第2軸受1b、外輪間座6、内輪間座7、主軸11、および固定部材12が接続され、かつ上記隙間が無くなる。
次に、上記のように接続された第1軸受1a、第2軸受1b、外輪間座6、内輪間座7、主軸11、および固定部材12がハウジング8に挿入される。第1軸受1a、外輪間座6および内輪間座7、ならびに第2軸受1bは、凸面8b側から順にハウジング8に挿入される。次に、前蓋9がハウジング8に固定される。このように組み立てられた軸受装置100において、第1軸受1aおよび第2軸受1bには予圧が付与されている。具体的には、ナット13が締め付けられることによって内輪3aに印加された上記軸方向への力は、玉4aを経て、外輪2aに伝わり、さらに外輪2aから外輪間座6を介して外輪2bに伝わる。外輪2bに伝わった上記力は、玉4bを経て、内輪3bに伝わる。これにより、第1軸受1aの外輪2aおよび内輪3aと玉4aとの各接触点、および第2軸受1bの外輪2bおよび内輪3bと玉4bとの各接触点に、圧縮応力が印加される。第1軸受1a、外輪間座6および第2軸受1bは、第1軸受1aおよび第2軸受1bに予圧を付与させる上記力の伝達経路の一部を構成している。
図1および図2に示されるように、予圧センサ10は、例えば上記軸方向において外輪間座6の第1間座部材61と第2間座部材62との間に配置されている。予圧センサ10は、第1方向の一方側を向いた第1面20aと、第1方向の他方側を向いた第2面30aとを有しており、第1面20aおよび第2面30aに作用する荷重の変化を検出するように設けられている。予圧センサ10は、第1方向が上記軸方向に沿うように、第1軸受1aおよび第2軸受1bに予圧を付与させる上記力の伝達経路上に配置されている。
図1および図2に示されるように、予圧センサ10の第1面20aは、例えば第2間座部材62の第3端面62aに接続されている。第1面20aは、例えば上記径方向において貫通孔62hよりも外側に位置する第3端面62aの一部領域に接続されている。
図1および図2に示されるように、予圧センサ10の第2面30aは、例えば第1間座部材61の第2端面61bに接続されている。第2面30aは、例えば第2端面61bの全面に接続されている。
図1および図2に示されるように、予圧センサ10は、感圧部20と、緩衝部30とを備える。感圧部20は、第1面20aと、第1面20aとは反対側に位置する第3面20bを有する。第1面20aおよび第3面20bは感圧部20の上記軸方向の両端面を成している。第1面20aは、感圧部20の上記軸方向を向いた表面のうち、外輪2bに最も近い面である。第3面20bは、感圧部20の上記軸方向を向いた表面のうち、外輪2aに最も近い面である。
緩衝部30は、第2面30aと、第2面30aとは反対側に位置する第4面30bとを有する。第2面30aおよび第4面30bは緩衝部30の上記軸方向の両端面を成している。第2面30aは、緩衝部30の上記軸方向を向いた表面のうち、外輪2aに最も近い面である。第4面30bは、緩衝部30の上記軸方向を向いた表面のうち、外輪2bに最も近い面である。感圧部20の第3面20bの全体が、緩衝部30の第4面30bと接している。
図2および図3に示されるように、感圧部20は、第1端子部22aおよび第2端子部22bと、感圧パターン部22cと、被覆部21,23とを含む。なお、図1では、第1端子部22a、第2端子部22b、感圧パターン部22c、および被覆部21,23の図示が省略されている。
第1端子部22aおよび第2端子部22bは、例えば半田等を介して外部配線と電気的に接続される。つまり、第1端子部22aおよび第2端子部22bは、被覆部21,23および緩衝部30から露出している。
感圧パターン部22cは、第1端子部22aと第2端子部22bとの間を接続している。感圧パターン部22cは、被覆部21,23に被覆されており、かつ上記軸方向において緩衝部30と重なるように配置されている。感圧パターン部22cの第1端子部22aと第2端子部22bとの間の直流抵抗は、第1面20aと第2面30aとの間に作用する圧力に応じて変化する。第1端子部22a、第2端子部22bおよび感圧パターン部22cは、例えば後述する絶縁膜21上に成膜された感圧膜がパターニングされることにより形成されたものである。
図2に示されるように、被覆部21,23は、感圧パターン部22cを覆うように設けられている。被覆部21,23は、例えば絶縁膜21と、保護膜23とを有する。絶縁膜21は、上記第1面20aと、第1面20aとは反対側に位置する面21bとを有する。第1端子部22a、第2端子部22b、感圧パターン部22c、および保護膜23は、面21b上に配置されている。保護膜23は、絶縁膜21の面21b上に配置された第1端子部22a、第2端子部22b、および感圧パターン部22cのうち、感圧パターン部22cを覆うように設けられている。保護膜23は、面21bと直接または感圧パターン部22cを介して接続されている面23aと、面23aとは反対側に位置する第3面20bとを有する。
被覆部21,23を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料であればよいが、好ましくは潤滑油によって腐食されにくい材料であり、例えば二酸化珪素(SiO2)、酸化アルミニウム(Al23)、およびダイヤモンドライクカーボン(DLC)の少なくともいずれかを含む。感圧パターン部22cを構成する材料は、一般的な歪みゲージを構成する合金材料と同等であってもよく、例えば銅ニッケル合金(Cu‐Ni合金)およびニッケルクロム合金(Ni‐Cr合金)の少なくともいずれかを含む。
図1および図2に示されるように、緩衝部30は、上記軸方向において感圧パターン部22cと重なるように設けられている。緩衝部30の上記径方向の幅は、例えば感圧部20の上記径方向の幅を超えている。緩衝部30は、例えば第2端面61bと接続されている第2面30aと,感圧部20の第3面20bと接続されている面30bとを有している。
図1および図2に示されるように、緩衝部30の第2面30aは、例えば第2端面61bの全面と接続されている。なお、第1端子部22aと第2端子部22bに接続される配線を押圧しないよう、第2面30a側に図示しない逃げ部を設ける。緩衝部30には、穴61hおよび貫通孔62hに連なる貫通孔30hが形成されている。感圧部20の第3面20bは、例えば上記径方向において貫通孔30hよりも外側に位置する面30bの一部領域に接続されている。緩衝部30の上記軸方向の厚みは、例えば絶縁膜21および保護膜23の各厚みを超えている。緩衝部30の上記軸方向の厚みは、例えば100μm以下である。
緩衝部30の面30bは、感圧部20第3面20bと接触している限りにおいて、これと接着されていてもよいし、これと接着されていなくてもよい。
図5に示されるように、予圧センサ10は、例えば複数の感圧部20を含んでいる。複数の感圧部20は、例えば上記周方向において互いに間隔を隔てて配置されている。複数の感圧部20の各々は、例えば環状に設けられた1つの緩衝部30と接続されている。なお、予圧センサ10は、上記周方向において互いに間隔を隔てて配置された複数の緩衝部30を含んでいてもよい。この場合、各緩衝部30は、例えば1つの感圧部20と接続されている。
軸受装置100は、図6に示されるセンサ信号処理部40をさらに備えている。図6に示されるように、センサ信号処理部40は、DC電源VSDCに接続される抵抗R1~R3と、予圧センサ10と、差動アンプAMPとを含む。抵抗R1~R3と予圧センサ10とはブリッジ回路を構成している。DC電源VSDCの正極と負極との間には、抵抗R1と抵抗R2とが直列に接続されている。また、DC電源VSDCの正極と負極との間には、予圧センサ10と抵抗R3とが直列に接続されている。抵抗R1と抵抗R2との接続ノードには、アンプAMPの一方の入力ノードが接続されている。予圧センサ10と抵抗R3との接続ノードには、アンプAMPの他方の入力ノードが接続されている。このようなセンサ信号処理部40は、図6に示されるブリッジ回路を備えることによって、第1軸受1aおよび第2軸受1bに付与されている予圧が変化することによって引き起こされる予圧センサ10の直流抵抗の変化を検出することができる。
予圧センサ10は、図1に示されるケーブル16を介して上記センサ信号処理部40の検出回路に接続されている。ハウジング8には、ケーブル16が通される挿通路15が設けられている。挿通路15の一端は、ハウジング8の内筒81の内径面に開口している。
緩衝部30を構成する材料の剛性(縦弾性係数)は、外輪間座6を構成する材料のそれよりも低い。緩衝部30を構成する材料の剛性(縦弾性係数)は、被覆部21,23を構成する材料のそれよりも低い。
緩衝部30を構成する材料は、たとえばアルミニウム(Al)や銅(Cu)などの金属、あるいは合金でもよい。緩衝部30は、例えばスパッタリング法により第2面30a上に成膜した後、緩衝部30を形成する必要がない領域上に形成された膜を部分的に除去してもよい。
緩衝部30を構成する材料は、フッ素系樹脂を含んでいてもよく、例えばポリアミドイミドをバインダーとしポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を個体潤滑剤とするコーティング材料であってもよい。この場合、緩衝部30は、緩衝部30を形成する必要がない領域をマスキングした後、上記コーティング材料を塗布、噴霧、または溶射する等により形成され得る。あるいは、緩衝部30は、予め成形されたPTFEからなるシート材を、緩衝部30を形成すべき領域に接着することにより形成され得る。
予圧センサ10は、上記構成を備える限りにおいて、任意の方法により形成され得る。一例として、予圧センサ10は、互いに独立に別体として形成された感圧部20および緩衝部30の各々が外輪間座6に組み付けられることにより、形成されてもよい。この場合、予圧センサ10は、第1間座部材61および第2間座部材62とは別体として形成された感圧部20および緩衝部30の各々が第1間座部材61または第2間座部材62に組み付けられた後、第1間座部材61および第2間座部材62が組み立てられることにより、形成されていてもよい。あるいは、予圧センサ10は、第1間座部材61または第2間座部材62と一体として形成された感圧部20および緩衝部30の各々が、第1間座部材61および第2間座部材62が組み立てられることにより、形成されていてもよい。
例えば、まず、絶縁膜21が、スパッタリング法等によって第2間座部材62の第3端面62a上に形成される。次に、第1端子部22a、第2端子部22bおよび感圧パターン部22cが、スパッタリング法等によって絶縁膜21の面21b上に形成される。次に、保護膜23が、スパッタリング法等によって感圧パターン部22cを覆うように絶縁膜21の面21b上に形成される。第1端子部22aおよび第2端子部22b上に成膜された保護膜23は、選択的に除去されるか、あるいは第1端子部22aと第2端子部22b上に保護膜23が成膜されないように、保護膜23の成膜前に第1端子部22aと第2端子部22bがマスキングされていてもよい。このようにして、図4に示されるように、第2間座部材62と一体として形成された感圧部20が準備される。
さらに、緩衝部30が、スパッタリング等によって第1間座部材61の第2端面61b上に形成される。これにより、図4に示されるように、第1間座部材61と一体として形成された緩衝部30が準備される。
次に、第1間座部材61および第2間座部材62が位置決め部材63によって相対的に位置決めされる。具体的には、図4に示されるように配置された第1間座部材61および第2間座部材62の穴61hおよび貫通孔62hに位置決め部材63が挿入されることにより、第1間座部材61および第2間座部材62が上記周方向および上記径方向において相対的に位置決めされる。これにより、感圧部20と緩衝部30とが上記軸方向に積層した予圧センサ10が形成される。
他の一例として、予圧センサ10は、外輪間座6に組み付けられる前に、感圧部20および緩衝部30の積層体として予め一体として形成されていてもよい。この場合、予圧センサ10は、第1間座部材61および第2間座部材62とは別体として形成された上記積層体として形成されていてもよい。あるいは、予圧センサ10は、第1間座部材61または第2間座部材62と一体として形成された上記積層体として形成されていてもよい。
<作用効果>
予圧センサ10は、第1方向に作用する圧力に応じて直流抵抗が変化する感圧パターン部22cと、感圧パターン部22cを覆う被覆部21,23と、第1方向において被覆部21,23に隣接して配置されている緩衝部30とを備える。緩衝部30を構成する材料の縦弾性係数は、被覆部21,23を構成する材料の縦弾性係数未満である。
上述のように緩衝部30を備えない従来の予圧センサの検出精度は、予圧センサが挟まれる2つの面の各々の表面粗さおよび平坦度等の面性状の影響を受けやすい。具体的には、上記2つの面の少なくとも一方の表面粗さが比較的大きい場合、あるいは上記2つの面の少なくとも一方の平坦度が比較的低い場合、予圧センサの感圧パターン部は、上記2つの面によって均一に押圧されないため、押圧により印加された力の変化を高精度に測定することが困難である。特に、一般的な軸受等の軸方向に垂直な面の面性状はその面内において比較的大きなバラつきを有しているため、一般的な軸受等の上記2つの面間に配置された上記予圧センサでは、軸受の予圧の変化を高精度に検出することが困難である。
これに対し、予圧センサ10の感圧パターン部22cには、第1方向への力が緩衝部30を介して印加される。そのため、予圧センサ10は、緩衝部30を備えない従来の予圧センサと比べて、緩衝部30の第2面30aが接する面の表面粗さおよび平坦度によらず、第1方向の力の変化を安定して検出できる。つまり、予圧センサ10は、一般的な軸受および間座に隣接して配置された場合にも、該軸受に付与される予圧の変化を安定して高精度に検出することができる。
さらに、予圧センサ10は、外輪間座6に感圧部20および緩衝部30を成膜、加工することにより、外輪間座6と一体として形成され得る。この場合、ハウジング8に取り付けられる前の軸受装置100において、予圧センサ10は外輪間座6に対して位置決められている。そのため、このような軸受装置100は、ハウジング8に取り付けられる前には外輪間座6に位置決めされておらず、ハウジング8に取り付けられることによって外輪間座6に位置決めされる予圧センサ10を備える軸受装置と比べて、容易に組み立てられる。例えば特開2008-286219号公報に記載の軸受装置は、予圧検出装置としての磁歪材およびコイルを、軸方向に分割された外輪間座間に挟み込んだ複雑な構造を有しているため、組み立ての際には一対の間座部材が分離しないよう保持された軸受装置をハウジングに取り付ける必要がある。このような組立は困難である。軸受装置100は、上記予圧検出装置を備える軸受装置と比べて、容易に組み立てられる。
上記軸受装置100では、被覆部21,23は、第1面20aとは反対側に位置する第3面20bをさらに有している。緩衝部30は、第2面30aとは反対側に位置する第4面30bをさらに有している。第3面20bの全面が第4面30bに接している。
このような予圧センサ10では、緩衝部30が感圧パターン部22cに印加される第1方向への力の伝達経路上に確実に配置されている。
また、被覆部21,23は感圧パターン部22cを被覆しているため、第1方向から視た第1面20aおよび第3面20bの面積は感圧パターン部22cの面積を超えている。そのため、上記予圧センサ10は、例えば第1方向から視た緩衝部30の平面形状および寸法が感圧パターン部22cのそれらと同等とされている予圧センサ10と比べて、感圧部20と緩衝部30とが容易に位置決めされる。
上記予圧センサ10では、緩衝部30を構成する材料は、樹脂を含む。このようにすれば、緩衝部30は、塗布、噴霧、または溶射等によって比較的容易に形成される。さらに、緩衝部30として樹脂を用いることで、金属に比べて縦弾性係数が小さいので、予圧センサ10の表面形状(平坦度)が悪くても確実に感圧パターン部22cを押すことができる。
上記予圧センサ10では、緩衝部30の第1方向の厚みが100μm以下である。予圧センサ10を備える軸受装置100では、緩衝部30を構成する材料の縦弾性係数が第1間座部材61および第2間座部材62を構成する材料の縦弾性係数未満とされているため、緩衝部30の上記厚みが比較的厚くなると、外輪間座6の剛性が低下する。これに対し、緩衝部30の上記厚みが100μm以下であれば、予圧センサ10が緩衝部30を備えることによる外輪間座6の剛性の低下が、軸受装置100が工作機械に用いられたときに工作機械の加工精度に影響を及ぼさない程度に抑制される。
上記軸受装置100は、上記予圧センサ10と、第1軸受1aおよび第2軸受1bと、第1軸受1aおよび第2軸受1bに隣接して配置される外輪間座6とを備える。予圧センサ10、第1軸受1aおよび第2軸受1b、ならびに外輪間座6は、上記第1方向が上記軸方向に沿うように配置されている。予圧センサ10の第1面20aおよび第2面30aは、外輪間座6に接している。緩衝部30を構成する材料の縦弾性係数は、外輪間座6を構成する材料の縦弾性係数未満である。
このようにすれば、予圧センサ10、第1軸受1a、第2軸受1b、および外輪間座6に上記軸方向への力が作用するときに、これらの部材のうち相対的に剛性が低い緩衝部30が、上記力を伝達する面である第2端面61bおよび第3端面62aの面性状のばらつきに起因した当該力のばらつきを低減できる。そのため、軸受装置100によれば、第2端面61bおよび第3端面62aの面性状のばらつきが一般的な軸受装置におけるそれと同等であっても、予圧センサ10によって上記予圧の変化を高精度の検出することができる。軸受装置100は、例えば工作機械の主軸のように、高速回転する回転軸を支持する軸受装置に好適である。
上記軸受装置100は、上記周方向に互いに間隔を隔てて配置された複数の予圧センサ10を備えている。このような軸受装置100によれば、各予圧センサ10の出力を比較することにより、第1軸受1aおよび第2軸受1bに偏心荷重が印加されている状態も検出され得る。
なお、予圧センサ10は、上記伝達経路の任意の場所に配置されていてもよい。予圧センサ10は、例えば内輪3aとスペーサ14との間に配置されても良い。この場合、外輪間座6は一体として構成されていてもよい。
なお、図1~図3に示される外輪間座6は、外輪2a,2bよりも上記径方向の内側に突出している部分を有しているが、これに限られるものではない。外輪間座6の第1間座部材61および第2間座部材62の内径面は、例えば外輪2a,2bの各内径面と上記軸方向に連なるように設けられていてもよい。この場合、感圧部20の第3面20bの全面は、例えば緩衝部30の第4面30bの全面と接するように設けられている。
また、図7に示されるように、予圧センサ10の第1面20aが第1間座部材61の第2端面61bに接し、第2面30aが第2間座部材62の第3端面62aに接していてもよい。つまり、第1間座部材61の第2端面61bが第5面として構成され、第2間座部材62の第3端面62aが第6面として構成されていてもよい。
(実施の形態2)
図8および図9に示されるように、実施の形態2に係る軸受装置101は、実施の形態1に係る軸受装置100と基本的に同様の構成を備えるが、外輪間座6の第2間座部材62が上記軸方向に突出している突出部62pを有しており、突出部62pの頂面が第3端面62aを構成している点で異なる。言い換えれば、実施の形態2に係る軸受装置101は、突出部62pの頂面が予圧センサ10の第1面20aと接する第5面として構成されている点で、軸受装置100と異なる。なお、図8および図9では、第1端子部22a、第2端子部22b、感圧パターン部22c、および被覆部21,23の図示が省略されている。また、図8では、位置決め部材63の図示が省略されている。
突出部62pは、例えば第2間座部材62の外径面に連なるように設けられている。突出部62pは、上記軸方向において外輪2a,2bの少なくとも一部と重なるように設けられており、例えば上記軸方向において外輪2a,2bの全体と重なるように設けられている。突出部62pの頂面は、第1間座部材61の上記軸方向を向いた表面のうち、外輪2aに最も近い面である。突出部62pの頂面が第3端面62aを構成している。
実施の形態2に係る予圧センサ10は、実施の形態1に係る予圧センサ10と基本的に同様の構成を備えている。緩衝部30の上記径方向の幅は、例えば感圧部20の上記径方向の幅と同等とされている。予圧センサ10の第2面30aは、上記径方向において外側に位置する第2端面61bの一部領域のみと接している。予圧センサ10の第1面20aは、例えば第3端面62aの全面と接している。予圧センサ10の第1面20aの面積は、例えば実施の形態1に係る予圧センサ10の第1面20aの面積未満である。
実施の形態2に係る予圧センサ10および軸受装置101は、実施の形態1に係る予圧センサ10および軸受装置100と基本的に同様の構成を備えるため、実施の形態1に係る予圧センサ10および軸受装置100と同様の効果を奏することができる。
実施の形態2に係る軸受装置101では、上記仕上げ加工が図1に示される第3端面62aの全面に施される場合と比べて、上記仕上げ加工が施される領域の面積が小さいため、上記仕上げ加工が比較的容易に実施され得る。
図10に示されるように、実施の形態2に係る軸受装置101では、第2間座部材62に加え、第1間座部材61も上記軸方向に突出する突出部61pを有していてもよい。突出部61pの頂面は、突出部62pの頂面と接するように設けられている。突出部61pの頂面は、第2端面61bを構成しており、例えば予圧センサ10の第2面30aに接している。なお、突出部61pの頂面が予圧センサ10の第1面20aに接しており、突出部62pの頂面が予圧センサの第2面30aに接していてもよい。
図10に示される予圧センサ10の第2面30aの面積は、図8および図9に示される予圧センサ10の第2面30aの面積未満とされている。第2端面61bの面積も小さくなるので、高い加工精度が要求される領域が小さくなるので、加工が容易になる。
なお、実施の形態2に係る軸受装置101では、第2間座部材62は突出部62pを有しておらず、第1間座部材61のみが突出部61pを有していてもよい。
(実施の形態3)
図11および図12に示されるように、実施の形態3に係る軸受装置102は、実施の形態1に係る軸受装置100と基本的に同様の構成を備えるが、予圧センサ10の第2面30aが第2軸受1bの外輪2bに接するように配置されている点で異なる。言い換えれば、実施の形態3に係る軸受装置102は、外輪2bの上記軸方向の端面2cが予圧センサ10の第2面30aと接する第6面として構成されている点で、軸受装置100と異なる。なお、図11では、第1端子部22a、第2端子部22b、感圧パターン部22c、および被覆部21,23の図示が省略されている。
外輪間座6は、例えば一体として構成されている。外輪間座6は、上記軸方向において第1軸受1a側を向いており、かつ外輪2aと接している第7端面6aと、第7端面6aとは反対側に位置して第2軸受1b側を向いており、かつ上記軸方向において外輪2bの上記端面2cと対向するように配置されている第8端面6bとを有している。第8端面6bの面積は、例えば外輪2bの上記端面2cの面積と同等とされている。
予圧センサ10の第1面20aは、外輪間座6の第8端面6bに接している。第2面30aは、外輪2bの上記端面2cに接している。つまり、外輪間座6の第8端面6bが第5面として構成され、外輪2bの上記端面2cが第6面として構成されている。
実施の形態3に係る予圧センサ10および軸受装置102は、実施の形態1に係る予圧センサ10および軸受装置100と基本的に同様の構成を備えるため、実施の形態1に係る予圧センサ10および軸受装置100と同様の効果を奏することができる。
図13に示されるように、予圧センサ10の第1面20aが外輪2bの上記端面2cに接し、第2面30aが外輪間座6の第8端面6bに接していてもよい。つまり、外輪2bの上記端面2cが第5面として構成され、外輪間座6の第8端面6bが第6面として構成されていてもよい。
上記軸受装置100,101,102では、予圧センサ10の第1面20aおよび第2面30aの少なくともいずれかは外輪間座6に接しているが、これに限られるものでは無い。図14に示されるように、予圧センサ10の第1面20aおよび第2面30aの少なくともいずれかは内輪間座7に接していてもよい。この場合、緩衝部30を構成する材料の縦弾性係数は、内輪間座7を構成する材料の縦弾性係数未満であればよい。
図14に示される軸受装置103では、第1軸受1aおよび第2軸受1bが正面組み合わせ(DF)とされている。この場合、前蓋9を図示しないボルト等によってハウジング8に対して締め付けることにより、第2軸受1b側から第1軸受1a側に向けて予圧が与えられる。前蓋9が締め付けられることによって外輪2bに印加された上記軸方向への力は、玉4bを経て、内輪3bに伝わり、さらに内輪3bから内輪間座7を介して内輪3aに伝わる。内輪3aに伝わった上記力は、玉4aを経て、外輪2aに伝わる。これにより、第1軸受1aの外輪2aおよび内輪3aと玉4aとの各接触点、および第2軸受1bの外輪2bおよび内輪3bと玉4bとの各接触点に、圧縮応力が印加される。第2軸受1b、内輪間座7および第1軸受1aは、第1軸受1aおよび第2軸受1bに予圧を付与させる上記力の伝達経路の一部を構成している。
予圧センサ10は、上記伝達経路において、例えば内輪3bと内輪間座7との間に配置されている。なお、予圧センサ10の位置は、上記伝達経路上の他の位置であってもよい。
なお、図14に示されるように、予圧センサ10が回転輪としての内輪3bと回転側間座としての内輪間座7との間に配置される場合、予圧センサ10も主軸11、内輪3bおよび内輪間座7とともに回転する。そのため、図14に示される軸受装置103では、予圧センサ10の出力を外部機器に送信するための送信機51が、内輪間座7の外径面に配置されている。また、外輪間座6の内径面には、送信機51と対向する位置に受信機52が配置されている。送信機51および受信機52は、互いに非接触で通信および給電するように設けられている。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1a 第1軸受、1b 第2軸受、2a,2b 外輪、2c 端面、3a,3b 内輪、4a,4b 玉、5a,5b 保持器、6 外輪間座、6a 第7端面、6b 第8端面、61p,62p 突出部、7 内輪間座、8 ハウジング、8a 内径面、8b,11b 凸面、9 前蓋、9a,14a 押さえ面、10 予圧センサ、11 主軸、11a 外径面、12 固定部材、13 ナット、14 スペーサ、15 挿通路、16 ケーブル、20 感圧部、20a 第1面、20b 第3面、21 絶縁膜(被覆部)、23 保護膜(被覆部)、22a 第1端子部、22b 第2端子部、22c 感圧パターン部、30 緩衝部、30a 第2面、30b 第4面、40 センサ信号処理部、61 第1間座部材、61a 第1端面、61b 第2端面、61c 第5端面、62 第2間座部材、62a 第3端面、62b 第4端面、62c 第6端面、63 位置決め部材、81 内筒、82 外筒、83 冷却媒体流路、100 軸受装置。

Claims (8)

  1. 予圧センサと、
    軸受と、
    前記軸受に隣接して配置される間座とを備え、
    前記予圧センサは、
    第1方向に作用する圧力に応じて直流抵抗が変化する感圧パターン部と、
    前記感圧パターン部を覆う被覆部と、
    前記第1方向において前記被覆部に隣接して配置されている緩衝部とを備え、
    前記緩衝部を構成する材料の縦弾性係数は、前記被覆部を構成する材料の縦弾性係数未満であり、
    前記予圧センサ、前記軸受、および前記間座は、前記第1方向が前記軸受および前記間座の軸方向に沿うように配置されており、
    前記予圧センサの前記被覆部および前記緩衝部の少なくともいずれかは、前記間座に接しており、
    前記緩衝部を構成する材料の縦弾性係数は、前記間座を構成する材料の縦弾性係数未満である、軸受装置。
  2. 前記被覆部は、前記第1方向の一方側を向いた第1面を有し、
    前記緩衝部は、前記第1方向の他方側を向いた第2面を有し、
    前記被覆部は、前記第1面とは反対側に位置する第3面をさらに有し、
    前記緩衝部は、前記第2面とは反対側に位置する第4面をさらに有し、
    前記第3面が前記第4面に接している、請求項1に記載の軸受装置
  3. 前記緩衝部を構成する材料は、樹脂を含む、請求項1または2に記載の軸受装置
  4. 前記緩衝部の前記第1方向の厚みは、100μm以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載の軸受装置
  5. 前記予圧センサは、前記軸方向において前記軸受と前記間座との間に配置されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の軸受装置
  6. 前記間座は、第1間座部材と、前記第1間座部材と別体として構成されており、かつ前記軸方向において前記第1間座部材と並んで配置されている第2間座部材とを含み、
    前記予圧センサは、前記軸方向において前記第1間座部材と前記第2間座部材との間に配置されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の軸受装置。
  7. 前記間座は、前記軸方向に突出している少なくとも1つの突出部を含み、
    前記予圧センサは、前記軸方向において前記突出部と隣接して配置されている、請求項またはに記載の軸受装置。
  8. 前記緩衝部は、前記軸受および前記間座と同軸の環状部材として構成されている、請求項のいずれか1項に記載の軸受装置。
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