JP7206141B2 - 軸受装置 - Google Patents

Description

この発明は、工作機械の主軸等を回転自在に支持する軸受装置に関する。

工作機械主軸用軸受は、高速かつ低荷重で使用されることが多く、その軸受にはアンギュラ玉軸受が広く使用される。工作機械主軸用軸受は、エアオイル（オイルミスト）潤滑またはグリース潤滑によって潤滑される。エアオイル潤滑は、潤滑油を外部から供給するので、長期に渡り安定した潤滑状態を保つことができるという特徴がある。一方、グリース潤滑は、付帯設備および配管を必要としないことから経済性に優れ、ミストの発生が極めて少ないことで、環境に優しいという特徴がある。

工作機械の中でもマシニングセンタの主軸など、より高速な領域、たとえば、内輪内径に回転数を乗じたｄｎ値で１００万以上の領域で使用される軸受は、より安定した運転が必要である。しかし、以下に記載の様々な原因で、軸受軌道面の面荒れまたはピーリング、保持器の異常を経て、軸受が過度に昇温することがある。
・エアオイル潤滑における潤滑油の給排油の不適（油量過小、過多、排気不良）
・軸受内部に封入された潤滑グリースの劣化
・軸受転がり部へのクーラントまたは水の浸入、あるいは異物の侵入
・過大な予圧、つまり転がり部の接触面圧の増大による油膜切れ
上記による軸受の過度の昇温を防止すべく、軸受に隣接した間座に潤滑給油ポンプと非接触式の温度センサを内蔵し、温度センサによる軸受潤滑部の温度測定値に応じて、潤滑給油ポンプにて軸受内部に潤滑油を給油する技術が特開２０１７－２６０７８号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２０１７－２６０７８号公報

一般に、エアオイル潤滑では、常時供給される圧縮エアに対して、オイルバルブからオイルを間欠的に添加し、オイルミストを発生させる。

オイルの添加量が不足すると軸受において摩擦力が大きくなり、摩擦熱によって温度が上昇することによって焼き付きが発生してしまう。一方、オイルの添加量が過多であると、軸受部におけるオイルの撹拌抵抗が増加し、温度が上昇することによって焼き付きが発生してしまう。高速回転軸を支持する軸受についてはオイルの適量の範囲が比較的狭いため、エアオイル潤滑の場合オイルの適量を添加することが難しいという問題がある。

メーカーは、オイル添加量の推奨条件を示しているものの、工作機械等の運転条件によっては、オイルの適量も変動する。たとえば、回転速度の変動、連続運転時間の変動、工作物の加工時の負荷の変動、加工時の軸の姿勢の変化など、運転条件が変化する場合には、一律な添加量では対応できない。

軸受の温度を監視しながらオイルバルブ（ミキシングバルブ）における添加量を調整することも考えられるが、オイルバルブはオイルを滴下してから細粒状にして軸受に供給するために軸受から比較的離れた場所に配置されることが多く、オイルバルブで滴下してからオイルが軸受にいきわたるまでにはタイムラグが発生する。したがって、軸受の温度が閾値を超えたことを検出してからエアオイルを添加するのでは、潤滑が間に合わず、軸受の異常発熱あるいは過度の昇温が発生するという問題もある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、適時のタイミングで冷却可能な軸受装置を提供することである。

（１） 本開示による軸受装置は、内輪および外輪を含む軸受と、内輪に隣接する内輪間座と外輪に隣接する外輪間座とを含む間座と、外輪間座に設けられ、空気供給装置から供給される冷却用の空気を内輪間座に向けて吐出する少なくとも１つのノズルと、軸受または間座に設置された熱流センサとを備える。熱流センサの出力信号は、少なくとも１つのノズルから吐出される空気流量の調整に用いられる。

（２） ある形態においては、少なくとも１つのノズルは、外輪間座の内径面の周方向に所定間隔を隔てて配置された第１ノズルおよび第２ノズルを含む。熱流センサは、外輪間座の内径面の周方向における、第１ノズルと第２ノズルとの中間の位置から、第２ノズルの位置までの間のいずれかの箇所に配置される。

（３） ある形態においては、第１ノズルおよび第２ノズルは、内輪の回転方向の前方へ傾斜させて設けられる。第２ノズルは、第１ノズルよりも内輪の回転方向の前方側の位置に配置される。

（４） ある形態においては、少なくとも１つのノズルは、外輪間座における軸方向の中央部分に配置される。熱流センサは、外輪間座における軸方向の端部に配置される。

（５） ある形態においては、少なくとも１つのノズルから吐出される空気流量は、熱流センサによって検出された熱流束の大きさおよび変化率の少なくとも一方が対応する判定しきい値を超えた場合に増加される。

（６） ある形態においては、空気供給装置は、圧縮空気を発生するコンプレッサと、コンプレッサと少なくとも１つのノズルとの間に設けられたバルブとを備える。熱流センサの出力は、コンプレッサの出力およびバルブの開度の少なくとも一方の制御に用いられる。

（７） ある形態においては、熱流センサは、制御装置に接続される。制御装置は、熱流センサの出力に基づいて軸受の異常または異常の予兆の有無を判定し、異常または異常の予兆がある場合に、少なくとも１つのノズルから吐出される空気流量を増加する処理を行なう。

（８） ある形態においては、軸受装置は、制御装置に接続され、軸受の予圧および外部からの荷重を検出する荷重センサをさらに備える。制御装置は、荷重センサの出力に基づいて少なくとも１つのノズルから吐出される空気流量を調整する処理を行なう。

（９） ある形態においては、軸受装置は、工作機械の主軸を回転自在に支持する。

この構成によると、軸受の温度変化の有無を熱流センサを用いて判定することができるので、軸受の異常を早期に検出可能となる。さらに、熱流センサの出力信号は、外輪間座に設けられたノズルから吐出される空気（冷却用エア）の流量の調整に用いられる。そのため、ノズルから吐出される空気で軸受装置を適時のタイミングで冷却することができる。

スピンドル装置の概略構成を示す断面図である。 軸受装置の構成を示す模式断面図である。 図２の間座のＩＩＩ－ＩＩＩ断面を模式的に示した図である。 エア供給装置の構成の一例を示すブロック図である。 加減速試験によって得られた熱流束、温度、回転速度の関係を示す図である。 図５のｔ１～ｔ２に示す部分の横軸を拡大した図である。 軸受異常の再現試験における熱流束、温度、回転速度の関係を示す図である。 軸受装置の動作を説明するための波形図である。 制御装置が実行する冷却用エアの供給制御を説明するためのフローチャートである。 熱流センサの配置の変形例を示す図である。 熱流センサの配置の他の変形例を示す図（その１）である。 熱流センサの配置の他の変形例を示す図（その２）である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。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。

図１は、本実施の形態による軸受装置３０が組み込まれたスピンドル装置１の概略構成を示す断面図である。図２は、本実施の形態に係る軸受装置３０の構成を示す模式断面図である。

図１に示すスピンドル装置１は、たとえば、工作機械のビルトインモータ方式のスピンドル装置として使用される。この場合、工作機械主軸用のスピンドル装置１で支持されている主軸４の一端側には図示しないモータが組み込まれ、他端側には図示しないエンドミル等の切削工具が接続される。

スピンドル装置１は、軸受５ａ，５ｂと、軸受５ａ，５ｂに隣接して配置される間座６と、熱流センサ１１ａ，１１ｂとを備える。主軸４は、外筒２の内径部に埋設されたハウジング３に設けた複数の軸受５ａ，５ｂによって回転自在に支持される。軸受５ａは、内輪５ｉａと、外輪５ｇａと、転動体Ｔａと、保持器Ｒｔａとを含む。軸受５ｂは、内輪５ｉｂと、外輪５ｇｂと、転動体Ｔｂと、保持器Ｒｔｂとを含む。間座６は、内輪間座６ｉと、外輪間座６ｇとを含む。

主軸４には、軸方向に離隔した軸受５ａの内輪５ｉａおよび軸受５ｂの内輪５ｉｂが締まり嵌め状態（圧入状態）で嵌合されている。内輪５ｉａ－５ｉｂ間には内輪間座６ｉが配置され、外輪５ｇａ－５ｇｂ間には外輪間座６ｇが配置される。

軸受５ａは、内輪５ｉａと外輪５ｇａの間に複数の転動体Ｔａを配置した転がり軸受である。これら転動体Ｔａは、保持器Ｒｔａによって間隔が保持されている。軸受５ｂは、内輪５ｉｂと外輪５ｇｂの間に複数の転動体Ｔｂを配置した転がり軸受である。これら転動体Ｔｂは、保持器Ｒｔｂによって間隔が保持されている。

軸受５ａ，５ｂは、アンギュラ玉軸受、深溝玉軸受、またはテーパころ軸受等を用いることができる。図２に示す軸受装置３０にはアンギュラ玉軸受が用いられ、２個の軸受５ａ，５ｂが背面組み合わせ（ＤＢ組み合わせ）で設置されている。なお、軸受の配列は背面組み合わせに限定されるものではなく、たとえば正面組合せであってもよい。

ここでは、２つの軸受５ａ，５ｂで主軸４を支持する構造を例示して説明するが、２つ以上の軸受で主軸４を支持する構造であってもよい。

ハウジング３には冷却媒体流路が形成される。ハウジング３と外筒２との間に冷却媒体を流すことにより、軸受５ａ，５ｂを冷却することができる。

また、本実施の形態によるスピンドル装置１には、軸受５ａ，５ｂの冷却および潤滑のために、潤滑油を軸受５ａ，５ｂに噴射するための潤滑油供給路６７ａ，６７ｂが、外輪間座６ｇに設けられる。潤滑油は、潤滑油供給路６７ａ，６７ｂの先端に設けられた吐出孔から潤滑油を搬送するエアとともに、エアオイルまたはオイルミストの状態で噴射される。なお、複雑になるため図１では潤滑油供給路６７ａ，６７ｂは図示しない。

熱流束を測定する熱流センサ１１ａ，１１ｂは、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡに固定され、内輪間座６ｉの外径面６ｉＡに対向する。なお、熱流束は、単位時間あたりに単位面積を通過する熱量である。

熱流センサ１１ａ，１１ｂの各々は、ゼーベック効果を利用して熱流を電気信号に変換するセンサであり、センサ表裏のわずかな温度差から出力電圧が発生する。熱流センサ１１ａ，１１ｂは、非接触式温度センサまたは熱電対などの温度センサに比べ、軸受内部の熱の変化に対する感度が良く、軸受内部の熱の変化にタイムリーに追従する。

熱流センサ１１ａは、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡにおける軸方向（回転軸Ｐ０に沿う方向）の軸受５ａ側の端部に配置される。熱流センサ１１ｂは、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡにおける軸方向の軸受５ｂ側の端部に配置される。このように、外輪間座６ｇにおける軸受５ａ，５ｂ近傍に熱流センサ１１ａ，１１ｂがそれぞれ設置されるため、熱流センサ１１ａ，１１ｂは軸受５ａ，５ｂの内外輪間に流れる熱の熱流束を直接的に検出し得る。

なお、熱流センサ１１ａ，１１ｂを、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡにおける軸方向の中央部分付近に設置することも可能である。このような配置においても、軸受５ａ，５ｂの内外輪間に流れる熱の熱流束を間接的に検出することができる。

軸受５ａ，５ｂの焼き付きの予兆を検出するのに、仮に内輪５ｉａ，５ｉｂ、外輪５ｇａ，５ｇｂ、間座６等の温度を測定して検出しようとすると、急激な発熱が生じたとしても温度が上昇するまでには遅れがあるため、予兆を早期に検出できないことも想定される。

これに対し、本実施の形態においては、熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力を用いて、軸受５ａ，５ｂの焼き付きの予兆を検出する。熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力を利用すれば、温度と比べて熱流は早期に変化し始めるため、急激な発熱を迅速に検出することが可能である。

さらに、外輪間座６ｇの軸方向の軸受５ａ側の端面には、温度センサ５６ａおよび振動センサ５７ａが配置される。外輪間座６ｇの軸方向の軸受５ｂ側の端面には、温度センサ５６ｂおよび振動センサ５７ｂが配置される。

さらに、本実施の形態によるスピンドル装置１には、圧縮された冷却用エアを内輪間座６ｉの外径面６ｉＡに向けて吐出するためのノズル７０が、外輪間座６ｇに設けられる。ノズル７０は、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡにおける軸方向の中央部分に設置される。

図３は、図２の間座６のＩＩＩ－ＩＩＩ断面を模式的に示した図である。図３において、内輪間座６ｉの回転方向は、反時計回り方向とする。以下では、内輪間座６ｉの回転方向を、単に「回転方向」とも称する。

上述のように、間座６は、内輪間座６ｉと外輪間座６ｇとを含む。外輪間座６ｇには、上部にエアオイル潤滑のための潤滑油供給路６７ａ，６７ｂが設けられ、下部に排気溝７２が設けられる。

さらに、外輪間座６ｇには、内輪間座６ｉの外径面６ｉＡに向けて冷却用エアを吐出するための３つのノズル７０が、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡ上に所定間隔を隔てて等間隔（１２０°間隔）に配置されている。なお、ノズル７０の数は、３つに限定されるものではなく、４つ以上であってもよいし、２つ以下であってもよい。

各ノズル７０の吐出口７１は、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡに設けられる。各ノズル７０の吐出口７１から内輪間座６ｉの外径面６ｉＡに向けて冷却用エアが吐出される。冷却用エアは、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡと内輪間座６ｉの外径面６ｉＡとの間の隙間Ｇを通って熱を吸入した後、排気溝７２を通って外部に排出される。

以下では、図３において、潤滑油供給路６７ａ，６７ｂに最も近いノズル７０を「第１ノズル７０Ａ」とも称し、第１ノズル７０の次に反時計回り側（回転方向の前方側）に配置されるノズル７０を「第２ノズル７０Ｂ」とも称し、第２ノズル７０の次に反時計回り側に配置されるノズル７０を「第３ノズル７０Ｃ」とも称する。

第１ノズル７０Ａは、回転軸Ｐ０から半径方向上方に伸びる直線Ｌｘから、反時計回り側（回転方向の前方側）にオフセットした位置に、直線Ｌｘと平行に延在するように形成される。これにより、第１ノズル７０Ａのエア吐出方向は、回転方向に対して垂直にはならずに、回転方向の前方に傾斜される。このようにノズル７０をオフセットさせることによって、冷却用エアが拡散することなく回転方向に流れる旋回流として内輪間座６ｉの表面付近に長く滞留し、冷却用エアが内輪間座６ｉの熱を吸入する時間が長くなるため、内輪間座６ｉの冷却効果が向上する。第２ノズル７０Ｂおよび第３ノズル７０Ｃについても、第１ノズル７０Ａと同様にオフセットされる。

外輪間座６ｇの外径面には、冷却用エアを各ノズル７０に導入するための円弧状の導入溝８０が設けられている。導入溝８０は、各ノズル７０に連通するように形成される。導入溝８０に冷却用エアを導入する経路は、潤滑油供給路６７ａ，６７ｂにエアオイルを導入する経路とは独立して設けられる。

熱流センサ１１ａ，１１ｂは微量な熱の流れも検出するため、熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力は冷却用エアの影響を大きく受ける。この点に鑑み、熱流センサ１１ａ，１１ｂは、冷却用エアの影響を受け難い位置に設置される。具体的には、熱流センサ１１ａ，１１ｂは、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡの周方向における、第１ノズル７０Ａと第２ノズル７０Ｂとの中間の位置から、第２ノズル７０Ｂの位置までの間に配置される。換言すると、図３に示すように、第１ノズル７０Ａの周方向の配置を基準として、熱流センサ１１ａ，１１ｂの周方向の配置角αは、第１ノズル７０Ａと第２ノズル７０Ｂとの中間位置に相当する角β／２（＝６０°）よりも大きく、かつ第２ノズル７０Ｂの周方向の配置角β（＝１２０°）よりも小さい範囲に含まれるように設定される。このような配置によって、熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力が、第１ノズル７０Ａから吐出される冷却用エアの旋回流の影響を受け難くなるとともに、第２ノズル７０Ｂから吐出される冷却用エアの逆流（圧力流）の影響を受け難くなる。これにより、熱流センサ１１ａ，１１ｂは、外輪間座６ｇと内輪間座６ｉとの間で生じる熱流束をより精度よく検出することができる。

さらに、潤滑油供給路６７ａ，６７ｂは外輪間座６ｇの上部に配置されるのに対し、熱流センサ１１ａ，１１ｂは外輪間座６ｇの下部に配置される。そのため、熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力が、潤滑油供給路６７ａ，６７ｂから噴射されるエアオイルの影響を受け難くなる。その結果、熱流センサ１１ａ，１１ｂは、外輪間座６ｇと内輪間座６ｉとの間で生じる熱流束をより精度よく検出することができる。

なお、上述の図２におけるノズル７０、潤滑油供給路６７ａ，６７ｂ、および熱流センサ１１ａ，１１ｂの位置は、回転軸方向の位置関係および回転軸Ｐ０からの距離を模式的に示すものである。ノズル７０、潤滑油供給路６７ａ，６７ｂ、および熱流センサ１１ａ，１１ｂの外輪間座６ｇの内径面６ｇＡにおける周方向の実際の配置は、図３に示す配置となる。

熱流センサ１１ａには、熱流センサ１１ａの検出信号を後述する制御装置５５に送るための配線（図示せず）が接続される。熱流センサ１１ｂには、熱流センサ１１ｂの検出信号を後述する制御装置５５に送るための配線（図示せず）が接続される。

図４は、導入溝８０およびノズル７０に冷却用エアを供給するためのエア供給装置５０の構成の一例を示すブロック図である。エア供給装置５０は、コンプレッサ５１と、エアバルブ５２と、配管５３，５４と、制御装置（マイコン）５５とを含む。

コンプレッサ５１は、制御装置５５からの制御信号によって作動し、空気を圧縮する。エアバルブ５２は、配管５３を介してコンプレッサ５１に連通され、配管５４を介して導入溝８０および各ノズル７０に連通される。エアバルブ５２の開度は、制御装置５５からの制御信号によって制御される。

制御装置５５は、熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力を用いて、軸受５ａ，５ｂの異常（焼き付きなど）の予兆の有無を判定する。異常の予兆があると判定された場合、制御装置５５は、コンプレッサ５１の出力およびエアバルブ５２の開度の少なくとも一方を制御することによって、各ノズル７０から吐出される冷却用エアの流量を増加させる。制御装置５５は、さらに、温度センサ５６と、振動センサ５７と、回転センサ５８と、荷重センサ５９の出力とを受け、これらの出力も考慮して冷却用エアの流量を調整するように構成されてもよい。

荷重センサ５９は、軸受５の予圧および外部からの荷重を検知するように、たとえば軸受と間座との間の隙間に設置される。たとえば工作機械の場合には、加工対象によって外部から受ける力の変動や高速運転による発熱、遠心力によって、軸受５に加わる予圧も変動する。予圧が増加すると油膜切れによる摩擦力によって発熱量が増加し得る。したがって、予圧の増加を荷重センサ５９によって検出した場合に冷却用エアの流量を増加することも有効である。また、外部からの荷重を直接検出した場合に冷却用エアの流量を増加することも有効である。

＜加減速試験について＞
本出願人は、工作機械主軸スピンドルを模した試験機に実施形態に係る軸受装置を組込み、主軸４の回転速度を加速および減速したときの熱流束、温度、回転速度の関係を評価する加減速試験を行なった。

図５は、加減速試験によって得られた熱流束、温度、回転速度の関係を示す図である。図６は、図５のｔ１～ｔ２に示す部分の横軸を拡大した図である。

図５に示すように、熱流センサの出力（熱流）は、温度センサの出力（軸受温度）よりも回転速度の加減速に対する応答性が良く、軸受の異常の予兆検出の精度を高め得る。熱流センサの出力の増減開始のタイミングは、回転速度の増減開始のタイミングに略同期している。

＜軸受異常時の再現試験＞
本出願人は、転がり軸受に異常が生じる際の予兆検出を試みるため、軸受異常時の再現試験を実施した。本再現試験では、主軸組立時にのみごく少量の潤滑油を転がり軸受に注入することで、試験軸受に潤滑油切れによる異常が発生しやすい状況を作り出した。また、試験軸受の異常に伴って駆動用のモータが過負荷になると、リミッターが作動し、試験機が自動停止するよう設定した。

図７は、潤滑油切れによる軸受異常の再現試験における熱流束、温度、回転速度の関係を示す図である。横軸は運転時間（秒）である。上欄には、熱流束Ｑ、内輪温度Ｔ（ｉ）、外輪温度Ｔ（ｇ）、ハウジング温度Ｔ（ｈ）が示され、下欄には回転速度Ｎ（毎分の回転数）が示される。

熱容量と放熱の関係から、内輪温度Ｔ（ｉ）＞外輪温度Ｔ（ｇ）＞ハウジング温度Ｔ（ｈ）が成立している。

駆動用のモータの過負荷が検出された時刻５２５（秒）過ぎから、回転速度Ｎが低下を開始している。時刻５２５（秒）より前では、各温度はほとんど変化しておらず、温度で異常の予兆を検出するのは困難であることがわかる。試験結果より、熱流束Ｑは、内輪温度Ｔ（ｉ）等よりも早い段階から出力値の上昇が認められており、転がり軸受に異常が生じる際の予兆を早期に検出する際に有効と考えられる。

図８は、本実施の形態による軸受装置３０の動作を説明するための波形図である。図８では、図７に示した再現実験の波形に、本実施の形態による軸受装置３０の動作によって冷却用エアが供給された場合の波形を重ねて示している。

図８の横軸は運転時間（秒）である。上欄には、熱流束Ｑ、および熱流束の変化率Ｄが示され、冷却用エアが供給された場合の熱流束Ｑｘおよび変化率Ｄｘが重ねて示されている。下欄には回転速度Ｎ（毎分の回転数）が示される。

冷却用エアを供給しない場合、時刻５２５（秒）を過ぎると、軸受の損傷によってモータが過負荷を検出して回転速度Ｎが低下していく。

軸受の損傷を避けるためには、時刻５２５（秒）より以前に冷却用エアを供給し始める必要がある。温度の上昇は図７に示したように、時刻５２５（秒）よりも後であるので、温度の上昇に基づいて冷却用エアを供給したのでは手遅れである。これに対して熱流センサの検出する熱流束Ｑは、時刻５２３（秒）くらいから上昇する。したがって、熱流センサの出力の上昇を検出して冷却用エアを供給し始めることが好ましい。熱流センサの出力の上昇を判定するしきい値Ｑｔｈは、定常状態におけるノイズを考慮してマージンを設けて設定する必要がある。しかし、わずかな上昇に対してしきい値Ｑｔｈを決めるのは、軸受をセットする機械の個体差、ユーザの運転条件などが様々では非常に難しい。

これに対して、熱流束Ｑの変化率Ｄ（単位時間当たりの変化量）を計算するとより早期に軸受損傷の予兆を見つけられることが発明者らの実験によりわかった。変化率Ｄについては、軸受をセットする機械の個体差、ユーザの運転条件などが違っていても、比較的一律にしきい値を決めても実用に供することができることもわかった。したがって、より好ましくは、熱流センサの出力の変化率Ｄがしきい値Ｄｔｈを超えた場合に冷却用エアの供給を開始するのがよい。なお、冷却用エアの供給開始は、冷却用エアの流量増加の一例である。

変化率Ｄは、熱流センサで検出した熱流束Ｑを時間微分によって算出したパラメータである。熱流束Ｑを時間微分したパラメータを用いることで、瞬間かつ急激な発熱を精度良く検出することが可能となる。

熱流束Ｑがしきい値Ｑｔｈを超えた時点（５２５秒ごろ）、または、熱流束の変化率Ｄがしきい値Ｄｔｈを超えた時点（５２４秒ごろ）において、冷却用エアの供給を開始すれば、軸受は損傷を受けない。その結果、図８の波形では、モータに制限がかかることなく時刻５２５（秒）を経過した後にも回転速度Ｎｘに示すように定常運転を継続することができる。

以上の結果に鑑み、本実施の形態による軸受装置３０においては、熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力信号が、ノズル７０から吐出される冷却用エアの流量の調整に用いられる。具体的には、熱流センサ１１ａ，１１ｂによって検出された熱流束Ｑの大きさあるいは熱流束Ｑの変化率Ｄが対応する判定しきい値（しきい値Ｑｔｈあるいはしきい値Ｄｔｈ）を超えた場合に、制御装置５５によって、軸受５ａ，５ｂの異常（焼き付き等）の予兆があると判定される。これにより、軸受５ａ，５ｂの異常を早期に検出可能になる。そして、軸受５ａ，５ｂの異常の予兆があると判定された場合、制御装置５５によって、ノズル７０から吐出される冷却用エアの流量が増量される。そのため、工作機械の生産性の低下を伴う制御（たとえば工作機械の加工停止、切込み量の低減、回転の停止、回転の減速など）を行なうことなく、冷却用エアによって軸受５ａ，５ｂを冷却して軸受５ａ，５ｂの焼き付きを防止することができる。これにより、軸受５ａ，５ｂの損傷防止および寿命延長が実現される。

さらに、軸受５ａ，５ｂの異常の予兆がない場合には、冷却用エアの増量を行なわなずに冷却用エアの流量を削減することができるため、コンプレッサ５１の消費電力を低減することができ、さらにはコンプレッサ５１の小型化にも貢献することができる。

なお、熱流束Ｑがしきい値Ｑｔｈを超えた時点、あるいは、熱流束Ｑの変化率Ｄがしきい値Ｄｔｈを超えた時点で、エアオイルの添加量を増加することも考えられる。しかしながら、エアオイルの添加量を調整するためのオイルバルブは、一般的に、オイルを滴下してから細粒状にして軸受に供給するために、軸受から比較的離れた場所に配置されることが多く、オイルバルブで滴下してからオイルが軸受にいきわたるまでにはタイムラグが発生する。これに対し、冷却用エアの流量は、エアバルブ５２の開度を増加させることによって即座に増加させることができるため、エアオイルのようなタイムラグはない。そのため、適時のタイミングで軸受装置３０を冷却し、軸受の焼き付きを適切に防止することができる。

図９は、制御装置５５が実行する冷却用エアの供給制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、予め定められた条件が成立する毎（たとえば所定周期毎）にメインルーチンから呼び出されて実行される。

まず、制御装置５５は、熱流センサ１１ａ，１１ｂから判定値を得る（ステップＳ１０）。判定値は、熱流束Ｑでもよいが、熱流束の変化率Ｄのほうが好ましい。熱流束Ｑの場合は、たとえば、熱流センサ１１ａ，１１ｂの検出値を制御装置５５の内部メモリに記憶された予め定められたマップなどに照合して得ることができる。熱流束の変化率Ｄの場合には、たとえば、前回の熱流束Ｑと今回の熱流束Ｑの差を時間差で除算して得ることができる。

次いで、制御装置５５は、判定値が判定しきい値より大きいか否かを判定する（ステップＳ２０）。この判定は、軸受５ａ，５ｂの異常の予兆を検出するための処理である。判定値が熱流束Ｑの場合には、判定しきい値は、図８に示したしきい値Ｑｔｈである。判定値が熱流束の変化率Ｄの場合には、判定しきい値は、図８に示したしきい値Ｄｔｈである。

なお、回転速度Ｎに応じて熱流束Ｑが変化することに鑑み、回転速度Ｎごとに判定しきい値Ｑｔｈを予め定めておき、回転速度Ｎを回転センサ５８から読み込んで、読み込んだ回転速度Ｎに対応する判定しきい値Ｑｔｈを適用してもよい。

また、たとえば、図６において、時刻ｔ１～ｔ２の間に変化した熱流束Ｑ１～Ｑ２を基準として、判定しきい値Ｄｔｈを以下の式（１）に従って決定してもよい。

Ｄｔｈ＝Ｍ×（Ｑ２－Ｑ１）／（ｔ２－ｔ１） …（１）
式（１）において、「Ｍ」は、安全係数である。上式の安全係数Ｍは、工作機械の主軸毎で異なるため、Ｍ＝１、Ｍ＝１００など、様々なケースがある。

熱流束の変化率Ｄについては、軸受異常発生時の値のほうが、回転速度Ｎの増加時の値よりもはるかに大きい値となることがわかっているので、回転速度Ｎの変化にかかわらず一律のしきい値Ｄｔｈを使用することができる。

判定値が判定しきい値よりも大きいと判定されない場合（ステップＳ２０においてＮＯ）、制御装置５５は、軸受異常の予兆はないと判定し（ステップＳ３０）、冷却用エアの流量が第１流量Ｆ１となるように、コンプレッサ５１の出力およびエアバルブ５２の開度を制御する（ステップＳ３２）。なお、第１流量Ｆ１はゼロであってもよい。この場合、冷却用エアの供給は停止される。その後、処理はリターンに移される。

一方、判定値が判定しきい値よりも大きいと判定された場合（ステップＳ２０においてＹＥＳ）、制御装置５５は、軸受異常の予兆があると判定し（ステップＳ４０）、冷却用エアの流量が第１流量Ｆ１よりも多い第２流量Ｆ２となるように、コンプレッサの出力および空冷用バルブの開度を制御する（ステップＳ４２）。これにより、冷却用エアの流量が増量される。制御装置５５は、冷却用エアの増量を所定時間継続した後、処理をリターンに移す。なお、冷却用エアの増量とともにエアオイルの添加量が増加される場合には、エアオイルが軸受にいきわたるまでの時間が経過した時点で、冷却用エアの増量を停止するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態による軸受装置３０は、内輪５ｉａ，５ｉｂおよび外輪５ｇａ，５ｇｂを含む軸受５ａ，５ｂと、内輪５ｉａ，５ｉｂに隣接する内輪間座６ｉと外輪５ｇａ，５ｇｂに隣接する外輪間座６ｇとを含む間座６と、外輪間座６ｇに設けられ、各々が冷却用エアを内輪間座６ｉに向けて吐出する３つのノズル７０と、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡに設置された熱流センサ１１ａ，１１ｂとを備える。熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力は、ノズル７０から吐出される冷却用エアの流量の調整に用いられる。そのため、冷却用エアで軸受５ａ，５ｂを適時のタイミングで軸受装置３０を冷却することができる。

さらに、熱流センサ１１ａ，１１ｂは、図３に示すように、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡの周方向における、第１ノズル７０Ａと第２ノズル７０Ｂとの中間の位置から、第２ノズル７０Ｂの位置までの間に配置される。このような配置によって、熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力が冷却用エアの影響を受け難くなるため、熱流センサ１１ａ，１１ｂは、外輪間座６ｇと内輪間座６ｉとの間で生じる熱流束をより精度よく検出することができる。

さらに、図２に示すように、ノズル７０は外輪間座６ｇにおける軸方向の中央部分に配置され、熱流センサ１１ａ，１１ｂは外輪間座６ｇの内径面６ｇＡにおける軸方向の端部に配置される。このような配置によっても、熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力が冷却用エアの影響を受け難くなるため、熱流センサ１１ａ，１１ｂは、外輪間座６ｇと内輪間座６ｉとの間で生じる熱流束をより精度よく検出することができる。

［潤滑タイプの変形例］
上述の実施の形態では軸受５ａ，５ｂとしてエアオイル潤滑の軸受を用いる例を説明したが、軸受５ａ，５ｂとしてグリース潤滑の軸受を用いるようにしてもよい。軸受５ａ，５ｂとしてグリース潤滑の軸受を用いる場合には、潤滑油供給路６７ａ，６７ｂは不要である。

［熱流センサの配置の変形例］
図１０は、熱流センサの配置の変形例を示す図である。本変形例では、図１０に示すように、固定側である外輪間座６ｇに、軸方向側面から内外輪間に突出する突出部７ａ，７ｂが付加され、一方の突出部７ａに熱流センサ１１ａが設置される。この場合、図示しないが、もう一方の突出部７ｂにも、同様に熱流センサ１１ｂを配置するとよい。

発熱源は、転がり軸受の固定側軌道輪の転動体接触部分であるが、固定側軌道輪に熱流センサを設置する場合、固定側軌道輪の加工コスト等が高くなる問題が懸念される。固定側間座の突出部７ａ，７ｂに熱流センサを設置する場合、この問題が解消でき容易に熱流センサを設置できる。また内外輪間に突出する突出部７ａ，７ｂに熱流センサ１１ａ，１１ｂを設置するため、運転時における軸受内部の温度変化を直接的に検出することができる。

なお、突出部７ａ，７ｂは、軸受５ａ，５ｂにエアオイル潤滑の潤滑油を吐出するノズルを兼ねるものであってもよい。この場合、潤滑油を吐出する既存のノズルを利用して熱流センサを設置できるため、たとえば、熱流センサを設置する専用部品を設けるよりもコスト低減を図れる。

図１１は、熱流センサの配置の他の変形例を示す図である。図１、図２では、熱流センサ１１ａ，１１ｂが外輪間座６ｇの内径面における軸方向の端部（軸受５近傍）に設置された例を示した。しかしながら、図１１に示すように、熱流センサ１１を、外輪間座６ｇの内径面における軸方向の中央部に設置してもよい。

図１２は、熱流センサの配置の他の変形例を示す図である。図１２に示すように、熱流センサ１１ａを、外輪５ｇａの内径面に設置してもよい。この場合、図示しないが、同様に熱流センサ１１ｂを外輪５ｇｂの内径面に設置するとよい。

［軸受異常の予兆検出の変形例］
上述の実施の形態においては、熱流センサ１１ａ，１１ｂによって検出された熱流束Ｑの大きさあるいはその変化率Ｄ（熱流束Ｑの時間微分値）から軸受異常の予兆を検出する例について説明した。しかしながら、熱流センサ１１ａ，１１ｂによって検出された熱流束Ｑとその他の検出値との組み合わせにより、軸受異常の予兆を検出するようにしてもよい。

たとえば、熱流束Ｑとその他の検出値（回転速度Ｎ、振動、温度、モータ電流値、予圧および外部からの荷重など）との相関関係（追従性など）、熱流束Ｑの時間積分値などのパラメータを用いて軸受異常の予兆を検出するようにしてもよい。たとえば、回転速度Ｎと、この回転速度に追従する熱流束Ｑとの関係に基づいて、軸受異常の予兆の有無を判定してもよい。また、回転速度Ｎと熱流束Ｑとの関係を監視し、両者の関係に齟齬が生じた場合、軸受異常の予兆があると判定してもよい。また、たとえば、回転速度Ｎが一定で変化していないにもかかわらず、熱流束Ｑが急峻に変化する場合に、軸受異常の予兆あると判定してもよい。また、たとえば、回転速度Ｎが変動しているときに、熱流束Ｑが回転速度Ｎに追従しない場合に、軸受異常の予兆あると判定するようにしてもよい。

さらに、上記のパラメータを用いて、軸受異常の予兆を検出することに加えて、軸受異常そのものを検出する異常診断を行なうようにしてもよい。たとえば、熱流束Ｑまたは熱流束の変化率Ｄがそれぞれ図８に示したＱｔｈまたはＤｔｈよりもさらに大きなしきい値を超えた場合に、軸受に異常が生じたと判定するようにしてもよい。また、たとえば、軸受異常の予兆が検出されたことによって冷却用エアを増量した後もさらに熱流束Ｑが増加する場合には、軸受が損傷していることが想定されるため、軸受が異常であると判定するようにしてもよい。

さらに、上記のような異常診断によって軸受に異常が生じたと判定された場合、軸受装置の回転を停止させる等の制御を実行することができる。この場合、制御装置５５は、警報ランプを点灯させる等で異常を報知するようにしてもよい。

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、上記した実施の形態の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。

１ スピンドル装置、２ 外筒、３ ハウジング、４ 主軸、５，５ａ，５ｂ 軸受、５ｇａ，５ｇｂ 外輪、５ｉａ，５ｉｂ 内輪、６ 間座、６ｇ 外輪間座、６ｇＡ 内径面、６ｉ 内輪間座、６ｉＡ 外径面、７ａ，７ｂ 突出部、１１，１１ａ，１１ｂ 熱流センサ、３０ 軸受装置、５０ エア供給装置、５１ コンプレッサ、５２ エアバルブ、５３，５４ 配管、５５ 制御装置、５６ 温度センサ、５７ 振動センサ、５８ 回転センサ、６７ａ，６７ｂ 潤滑油供給路、７０ ノズル、７０Ａ 第１ノズル、７０Ｂ 第２ノズル、７０Ｃ 第３ノズル、７１ 吐出口、７２ 排気溝、８０ 導入溝、Ｒｔａ，Ｒｔｂ 保持器、Ｔａ，Ｔｂ 転動体。

Claims (9)

1. 内輪および外輪を含む軸受と、
   前記内輪に隣接する内輪間座と前記外輪に隣接する外輪間座とを含む間座と、
   前記外輪間座に設けられ、空気供給装置から供給される冷却用の空気を前記内輪間座に向けて吐出する少なくとも１つのノズルと、
   前記軸受または前記間座に設置され、熱流束を測定する熱流センサとを備え、
   前記熱流センサの出力信号は、前記少なくとも１つのノズルから吐出される空気流量の調整に用いられる、軸受装置。
2. 前記少なくとも１つのノズルは、前記外輪間座の内径面の周方向に所定間隔を隔てて配置された第１ノズルおよび第２ノズルを含み、
   前記熱流センサは、前記外輪間座の内径面の周方向における、前記第１ノズルと前記第２ノズルとの中間の位置から、前記第２ノズルの位置までの間のいずれかの箇所に配置される、請求項１に記載の軸受装置。
3. 前記第１ノズルおよび前記第２ノズルは、前記内輪の回転方向の前方へ傾斜させて設けられ、
   前記第２ノズルは、前記第１ノズルよりも前記内輪の回転方向の前方側の位置に配置される、請求項２に記載の軸受装置。
4. 前記少なくとも１つのノズルは、前記外輪間座における軸方向の中央部分に配置され、
   前記熱流センサは、前記外輪間座における軸方向の端部に配置される、請求項１～３のいずれかに記載の軸受装置。
5. 前記少なくとも１つのノズルから吐出される前記空気流量は、前記熱流センサによって検出された熱流束の大きさおよび変化率の少なくとも一方が対応する判定しきい値を超えた場合に増加される、請求項１～４のいずれかに記載の軸受装置。
6. 前記空気供給装置は、
   圧縮空気を発生するコンプレッサと、
   前記コンプレッサと前記少なくとも１つのノズルとの間に設けられたバルブとを備え、
   前記熱流センサの出力は、前記コンプレッサの出力および前記バルブの開度の少なくとも一方の制御に用いられる、請求項１～５のいずれかに記載の軸受装置。
7. 前記熱流センサは、制御装置に接続され、
   前記制御装置は、前記熱流センサの出力に基づいて前記軸受の異常または前記異常の予兆の有無を判定し、前記異常または前記異常の予兆がある場合に、前記少なくとも１つのノズルから吐出される前記空気流量を増加する処理を行なう、請求項１～６のいずれかに記載の軸受装置。
8. 前記軸受装置は、制御装置に接続され、前記軸受の予圧および外部からの荷重を検出する荷重センサをさらに備え、
   前記制御装置は、前記荷重センサの出力に基づいて前記少なくとも１つのノズルから吐出される前記空気流量を調整する処理を行なう、請求項１に記載の軸受装置。
9. 工作機械の主軸を回転自在に支持する、請求項１～８のいずれかに記載の軸受装置。

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