JP7480256B1 - ひずみセンサ付き軸受装置および工作機械用スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い精度で軸受予圧を検出することが可能なひずみセンサ付き軸受装置を提供する。
【解決手段】第１内輪３１の第２内輪３６の側とは反対側の軸方向端面と、第２内輪３６の第１内輪３１の側とは反対側の軸方向端面とに、第１内輪３１と第２内輪３６とを接近させる方向の予圧が付与され、その予圧が、第１内輪３１、第１転動体３２、第１外輪３０、外輪間座２６、第２外輪３５、第２転動体３７、第２内輪３６を伝達するように構成されているひずみセンサ付き軸受装置において、第１外輪３０の第２外輪３５の側とは反対側の軸方向端面と、第２外輪３５の第１外輪３０の側とは反対側の軸方向端面とに、第１外輪３０と第２外輪３５とを接近させる方向の押圧力を付与し、その押圧力の大きさを予圧よりも大きく設定する。
【選択図】図４

Description

この発明は、ひずみセンサ付き軸受装置、およびそのひずみセンサ付き軸受装置を使用した工作機械用スピンドル装置に関する。

マシニングセンタや旋盤等の工作機械や、その他の産業機械では、工具や加工物等の対象物が取り付けられる回転軸を回転可能に支持するスピンドル装置が用いられる。このようなスピンドル装置の使用分野において、近年、省人化や無人化のための状態監視機能の強化が求められるようになっている。

そこで、本願の出願人は、状態監視機能の強化のニーズに応えるため、ひずみセンサ付き軸受装置を既に提案している（特許文献１）。

特許文献１のひずみセンサ付き軸受装置は、軸方向に間隔をおいて配置された第１軸受および第２軸受と、第１軸受と第２軸受の間に設けられた筒状の外輪間座と、外輪間座に取り付けられたひずみセンサとを有する。

第１軸受は、第１外輪と、第１外輪の径方向内側に設けられた第１内輪と、第１外輪と第１内輪の間に組み込まれた複数の第１転動体とを有する。同様に、第２軸受は、第２外輪と、第２外輪の径方向内側に設けられた第２内輪と、第２外輪と第２内輪の間に組み込まれた複数の第２転動体とを有する。外輪間座は、第１外輪と第２外輪の間に軸方向に挟み込まれて配置されている。

第１内輪の第２内輪の側とは反対側の軸方向端面と、第２内輪の第１内輪の側とは反対側の軸方向端面には、予圧ナットの締め込みにより、第１内輪と第２内輪とを接近させる方向の予圧が付与されている。第１軸受と第２軸受は、この予圧が、第１内輪、第１転動体、第１外輪、外輪間座、第２外輪、第２転動体、第２内輪を伝達するように構成されている。第１軸受は、第１外輪と第１内輪の間の軸方向の予圧で、第１転動体が第１外輪を押圧する径方向分力を生じるように構成されたアンギュラ玉軸受であり、第２軸受も、第２外輪と第２内輪の間の軸方向の予圧で、第２転動体が第２外輪を押圧する径方向分力を生じるように構成されたアンギュラ玉軸受である。

ひずみセンサは、外輪間座の外周（または内周）に取り付けられ、このひずみセンサの出力に基づいて、第１軸受および第２軸受の予圧荷重（以下「軸受予圧」という）を検出することが可能となっている。

特開２０２１－０１４８８６号公報

ところで、特許文献１のひずみセンサ付き軸受装置において、外輪間座のひずみセンサの出力に基づいて検出される軸受予圧の大きさに誤差が生じることがあった。この誤差を無くし、高い精度で軸受予圧を検出することができれば、省人化や無人化のための状態監視の信頼性を高めることが可能となる。

この発明が解決しようとする課題は、高い精度で軸受予圧を検出することが可能なひずみセンサ付き軸受装置を提供することである。

本願の発明者らは、上記の特許文献１のひずみセンサ付き軸受装置において、軸受予圧を変化させ、外輪間座のひずみセンサの出力に基づいてその軸受予圧を検出する評価試験を行なったところ、軸受予圧が増加する過程と、軸受予圧が減少する過程とで、軸受予圧の大きさが同じでもひずみセンサの出力が同じにならず、前者と後者の間に一定の差が生じるというヒステリシスが生じ、そのヒステリシスが、ひずみセンサの出力に基づいて検出される軸受予圧の誤差の原因となっていることを見出した。

上記のヒステリシスが生じる理由は、次のように考えられる。

軸受予圧が増大するとき、第１外輪は、第１転動体から受ける径方向分力が増大することで拡径方向に弾性変形し、この弾性変形により、第１外輪と外輪間座の接触面間には、第１外輪が外輪間座に対して径方向外方に相対的に移動する微小なすべりが生じる。一方、軸受予圧が減少するときは、第１外輪は、第１転動体から受ける径方向分力が減少することで縮径方向に弾性復元し、この弾性復元により、第１外輪と外輪間座の接触面間には、第１外輪が外輪間座に対して径方向内方に相対的に移動する微小なすべりが生じる。

同様に、軸受予圧が増大するとき、第２外輪は、第２転動体から受ける径方向分力が増大することで拡径方向に弾性変形し、この弾性変形により、第２外輪と外輪間座の接触面間には、第２外輪が外輪間座に対して径方向外方に相対的に移動する微小なすべりが生じる。一方、軸受予圧が減少するときは、第２外輪は、第２転動体から受ける径方向分力が減少することで縮径方向に弾性復元し、この弾性復元により、第２外輪と外輪間座の接触面間には、第２外輪が外輪間座に対して径方向内方に相対的に移動する微小なすべりが生じる。

そして、第１外輪と外輪間座の接触面間や、第２外輪と外輪間座の接触面間に、上記の径方向のすべりが生じると、軸受予圧が増加する過程と、軸受予圧が減少する過程とで、外輪間座の変形が同じにならない。そのため、軸受予圧が増加する過程と、軸受予圧が減少する過程とで、軸受予圧の大きさが同じでもひずみセンサの出力が同じにならず、前者と後者の間に一定の差が生じるというヒステリシスが生じるものと考えられる。このひずみセンサの出力のヒステリシスは、ひずみセンサの出力に基づいて検出される軸受予圧の誤差の原因となる。

さらに、本願の発明者らは、第１外輪と外輪間座の接触面間の面圧を大きくすれば、第１外輪と外輪間座の接触面間の摩擦力が大きくなるので、軸受予圧の変化に応じて第１外輪が第１転動体から受ける径方向分力が変化したときに、第１外輪と外輪間座の接触面間の径方向のすべりを抑制することが可能となり、同様に、第２外輪と外輪間座の接触面間の面圧を大きくすれば、第２外輪と外輪間座の接触面間の摩擦力が大きくなるので、軸受予圧の変化に応じて第２外輪が第２転動体から受ける径方向分力が変化したときに、第２外輪と外輪間座の接触面間の径方向のすべりを抑制することが可能となり、その結果、外輪間座のひずみセンサの出力のヒステリシスが低減され、ヒステリシスによる誤差を小さく抑えることができるという着想を得た。

この着想に基づいて、この発明では、上記の課題を解決するため、以下の構成のひずみセンサ付き軸受装置を提供する。
［構成１］
軸方向に間隔をおいて配置された第１軸受および第２軸受と、前記第１軸受と前記第２軸受の間に設けられた筒状の外輪間座と、前記外輪間座に取り付けられたひずみセンサとを有し、
前記第１軸受は、第１外輪と、第１外輪の径方向内側に設けられた第１内輪と、第１外輪と第１内輪の間に組み込まれた複数の第１転動体とを有し、
前記第２軸受は、第２外輪と、第２外輪の径方向内側に設けられた第２内輪と、第２外輪と第２内輪の間に組み込まれた複数の第２転動体とを有し、
前記第１内輪の前記第２内輪の側とは反対側の軸方向端面と、前記第２内輪の前記第１内輪の側とは反対側の軸方向端面とに、前記第１内輪と前記第２内輪とを接近させる方向の予圧が付与され、
前記予圧が、前記第１内輪、前記第１転動体、前記第１外輪、前記外輪間座、前記第２外輪、前記第２転動体、前記第２内輪を伝達するように構成されているひずみセンサ付き軸受装置において、
前記第１外輪の前記第２外輪の側とは反対側の軸方向端面と、前記第２外輪の前記第１外輪の側とは反対側の軸方向端面とに、前記第１外輪と前記第２外輪とを接近させる方向の押圧力が付与され、
前記押圧力の大きさが、前記内輪予圧よりも大きく設定されていることを特徴とするひずみセンサ付き軸受装置。

この構成を採用すると、第１外輪と外輪間座の接触面間には、第１内輪と第２内輪の軸方向端面に付与される予圧と、第１外輪と第２外輪の軸方向端面に付与される押圧力とを合計した大きさの面圧が作用することとなるので、第１外輪と外輪間座の接触面間の面圧が大きくなる。そのため、第１外輪と外輪間座の接触面間の摩擦力が大きくなり、軸受予圧の変化に応じて第１外輪が第１転動体から受ける径方向分力が変化したときに、第１外輪と外輪間座の接触面間の径方向のすべりを抑制することが可能となる。同様に、第２外輪と外輪間座の接触面間にも、第１内輪と第２内輪の軸方向端面に付与される予圧と、第１外輪と第２外輪の軸方向端面に付与される押圧力とを合計した大きさの面圧が作用することとなるので、第２外輪と外輪間座の接触面間の面圧が大きくなる。そのため、第２外輪と外輪間座の接触面間の摩擦力が大きくなり、軸受予圧の変化に応じて第２外輪が第２転動体から受ける径方向分力が変化したときに、第２外輪と外輪間座の接触面間の径方向のすべりを抑制することが可能となる。その結果、外輪間座のひずみセンサの出力のヒステリシスが低減され、高い精度で軸受予圧を検出することが可能となる。

［構成２］
前記押圧力の大きさが、前記予圧の１０倍以上の大きさに設定されている構成１に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

この構成を採用すると、第１外輪および第２外輪の軸方向端面に、予圧に比べて著しく大きい押圧力が付与されるので、第１外輪と外輪間座の接触面間の面圧と、第２外輪と外輪間座の接触面間の面圧とが、特に大きいものとなる。そのため、第１外輪と外輪間座の接触面間の摩擦力が特に効果的に大きいものとなり、軸受予圧の変化に応じて第１外輪が第１転動体から受ける径方向分力が変化したときに、第１外輪と外輪間座の接触面間の径方向のすべりを特に効果的に抑制することが可能となる。同様に、第２外輪と外輪間座の接触面間の摩擦力が特に効果的に大きいものとなり、軸受予圧の変化に応じて第２外輪が第２転動体から受ける径方向分力が変化したときに、第２外輪と外輪間座の接触面間の径方向のすべりを特に効果的に抑制することが可能となる。

［構成３］
前記押圧力は、前記第１外輪および前記第２外輪を、前記第１外輪の外周と前記第２外輪の外周とに嵌合する軸受支持筒の内周に設けた環状の外輪位置決め段部と、前記軸受支持筒の軸方向端面にねじ部材で固定される蓋部材との間に、軸方向の締め代をもって組み込むことで付与されている構成１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

この構成を採用すると、ねじ部材を締め付ける簡単な方法で、第１外輪および第２外輪の軸方向端面に大きい押圧力を付与することができる。

［構成４］
前記ねじ部材は、前記ひずみセンサと同じ周方向位置に配置されている構成３に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

この構成を採用すると、ひずみセンサと同じ周方向位置にねじ部材が配置されているので、第１外輪と外輪間座の接触面間の面圧と、第２外輪と外輪間座の接触面間の面圧とを、ひずみセンサと同じ周方向位置で効果的に大きくすることができる。そのため、ひずみセンサの出力のヒステリシスを効果的に低減することが可能となる。

［構成５］
前記軸方向の締め代が１０μｍ以上に設定されている構成３または４に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

［構成６］
前記第１軸受および前記第２軸受がアンギュラ玉軸受である構成１から５のいずれかに記載のひずみセンサ付き軸受装置。

また、この発明では、上記のひずみセンサ付き軸受装置を使用した工作機械用スピンドル装置として、以下の構成のものを併せて提供する。
［構成７］
構成１から６のいずれかに記載のひずみセンサ付き軸受装置と、
前記ひずみセンサ付き軸受装置で回転可能に支持される工作機械の主軸と、
前記主軸を回転駆動するモータと、を有する工作機械用スピンドル装置。

この構成を採用すると、工作機械の省人化や無人化のための状態監視を安定して行なうことが可能となる。また、切削加工中の工作機械の主軸に作用する加工荷重を検出することも可能となる。

この発明のひずみセンサ付き軸受装置は、第１外輪と外輪間座の接触面間に、第１内輪と第２内輪の軸方向端面に付与される予圧と、第１外輪と第２外輪の軸方向端面に付与される押圧力とを合計した大きさの面圧が作用するので、第１外輪と外輪間座の接触面間の面圧が大きい。そのため、第１外輪と外輪間座の接触面間の摩擦力が大きく、軸受予圧の変化に応じて第１外輪が第１転動体から受ける径方向分力が変化したときに、第１外輪と外輪間座の接触面間の径方向のすべりを抑制することが可能である。同様に、第２外輪と外輪間座の接触面間にも、第１内輪と第２内輪の軸方向端面に付与される予圧と、第１外輪と第２外輪の軸方向端面に付与される押圧力とを合計した大きさの面圧が作用するので、第２外輪と外輪間座の接触面間の面圧が大きい。そのため、第２外輪と外輪間座の接触面間の摩擦力が大きく、軸受予圧の変化に応じて第２外輪が第２転動体から受ける径方向分力が変化したときに、第２外輪と外輪間座の接触面間の径方向のすべりを抑制することが可能である。その結果、外輪間座のひずみセンサの出力のヒステリシスが低減され、高い精度で軸受予圧を検出することが可能である。

この発明の実施形態にかかるひずみセンサ付き軸受装置を使用した工作機械用スピンドル装置を示す断面図 図１のひずみセンサ付き軸受装置の近傍の拡大図 図２のIII－III線に沿った断面図 図２に示す第１内輪と第２内輪の間に付与される軸方向の予圧の伝達経路と、第１外輪と第２外輪の間に付与される軸方向の押圧力の伝達経路とを示す図

図１に、この発明の実施形態にかかるひずみセンサ付き軸受装置１（以下、単に「軸受装置１」という）を使用した工作機械用スピンドル装置を示す。このスピンドル装置は、工作機械の主軸２と、主軸２を収容する主軸ハウジング３と、主軸２を回転駆動するモータ４と、モータ４よりも軸方向前側で主軸２を回転可能に支持する実施形態の軸受装置１と、モータ４よりも軸方向後側で主軸２を回転可能に支持する後側軸受装置５とを有する。

主軸ハウジング３は、両端が開放した中空筒状に形成されている。主軸ハウジング３は、軸方向の前側から後側に向かって順に軸受装置１とモータ４とを収容している。図では、主軸ハウジング３の軸受装置１を収容する部分と、主軸ハウジング３のモータ４を収容する部分とを継ぎ目の無い一体に形成しているが、主軸ハウジング３の軸受装置１を収容する部分と、主軸ハウジング３のモータ４を収容する部分とを別体に形成し、その両部分を連結して一体化してもよい。

主軸２は、主軸２の前端が主軸ハウジング３の前端開口から突出した状態で主軸ハウジング３に挿入されている。主軸２の前端には、工具または加工物を把持するチャック（図示せず）が着脱可能に取り付けられるようになっている。主軸２には、工作機械のドローバー（図示せず）を軸方向に摺動可能に収容する貫通孔６が軸方向に貫通して形成されている。

モータ４は、主軸２の外周に取り付けられたロータ７と、ロータ７に回転力を付与する環状のステータ８とを有する。ロータ７は、主軸２の外周に嵌合するロータスリーブ９と、ロータスリーブ９の外周に固定されたロータコア１０とを有する。ロータコア１０は、例えば、電磁鋼板の積層体である。ロータスリーブ９は、主軸２と一体回転するように主軸２に回り止めされている。ロータスリーブ９の軸方向前端は、主軸２の外周に形成された段差部１１に接触し、その段差部１１との接触によって軸方向に位置決めされている。

ステータ８は、主軸ハウジング３の内周に固定されたステータコア１２と、ステータコア１２に周方向に間隔をおいて形成された複数のティース部分にそれぞれ巻回された電磁コイル１３とを有する。電磁コイル１３に通電すると、ステータコア１２とロータコア１０の間に働く電磁力によってロータコア１０に回転力が発生し、ロータ７と主軸２が一体に回転する。ここでは、モータ４として、電力で回転力を発生する電動モータを採用したが、電動モータに代えて、圧縮空気など他の動力源で回転力を発生する方式のモータを採用することも可能である。

後側軸受装置５は、主軸ハウジング３の後端に同軸に固定された環状の軸受支持部材１４と、軸受支持部材１４に組み込まれた転がり軸受１５とを有する。転がり軸受１５は、軸受支持部材１４の内周に嵌合する外輪１６と、主軸２の外周に嵌合する内輪１７と、外輪１６と内輪１７の間に組み込まれた複数の円筒ころ１８とを有する円筒ころ軸受である。

軸受支持部材１４には、外輪押さえ部材１９が取り付けられている。外輪押さえ部材１９は、外輪１６の軸方向後端面に接触することで外輪１６の軸方向位置を固定している。主軸２の外周には、内輪１７を軸方向前方に押圧するナット部材２０と、内輪１７とナット部材２０の間に組み込まれた環状のスペーサ２１とが装着されている。ナット部材２０は、主軸２の後端部外周に形成された雄ねじ２２にねじ係合している。スペーサ２１の軸方向前端面は、内輪１７の軸方向後端面に接触し、スペーサ２１の軸方向後端面は、ナット部材２０の軸方向前端面に接触している。内輪１７の軸方向前端面は、ロータスリーブ９の軸方向後端に接触している。

軸受装置１は、主軸ハウジング３に固定された軸受支持筒２３と、軸受支持筒２３に軸方向に間隔をおいて組み込まれた第１軸受２４および第２軸受２５と、第１軸受２４と第２軸受２５の間に設けられた外輪間座２６および内輪間座２７と、外輪間座２６に取り付けられたひずみセンサ２８とを有する。

軸受支持筒２３は、主軸ハウジング３の内周に嵌合している。軸受支持筒２３の外周には、軸受装置１の冷却用の冷媒が流れる冷却溝２９が形成されている。冷却溝２９は、軸受支持筒２３の外周に軸方向に間隔をおいて形成された複数の環状溝または軸受支持筒２３の外周を螺旋状に延びる螺旋溝である。軸受支持筒２３の内径は、ロータ７の外径よりも大きい。

図２に示すように、第１軸受２４は、軸受支持筒２３の内周に嵌合する第１外輪３０と、第１外輪３０の径方向内側に回転可能に設けられた第１内輪３１と、第１外輪３０と第１内輪３１の間に組み込まれた複数の第１転動体３２とを有する。第１転動体３２は、ここでは玉である。第１外輪３０の内周には、第１転動体３２が転がり接触する断面円弧状の第１外輪軌道面３３が設けられている。第１外輪３０は、第１外輪軌道面３３に対して軸方向前側の外輪肩部と軸方向後側の外輪肩部のうち、軸方向前側の外輪肩部を除去した形状の肩落とし外輪である。第１外輪３０の外周は、軸受支持筒２３の内周に隙間をもって嵌合している。第１内輪３１の外周には、第１転動体３２が転がり接触する断面円弧状の第１内輪軌道面３４が設けられている。第１内輪３１は、第１転動体３２が転がり接触する第１内輪軌道面３４に対して軸方向前側の内輪肩部と軸方向後側の内輪肩部のうち、軸方向後側の内輪肩部を除去した形状の肩落とし内輪である。第１内輪３１は、主軸２の外周に締め代をもって嵌合している。

第２軸受２５は、軸受支持筒２３の内周に嵌合する第２外輪３５と、第２外輪３５の径方向内側に回転可能に設けられた第２内輪３６と、第２外輪３５と第２内輪３６の間に組み込まれた複数の第２転動体３７とを有する。第２転動体３７は、ここでは玉である。第２外輪３５の内周には、第２転動体３７が転がり接触する断面円弧状の第２外輪軌道面３８が設けられている。第２外輪３５は、第１外輪３０から軸方向後方に間隔をおいて配置され、第２内輪３６も、第１内輪３１から軸方向後方に間隔をおいて配置されている。第２外輪３５は、第２外輪軌道面３８に対して軸方向前側の外輪肩部と軸方向後側の外輪肩部のうち、軸方向後側の外輪肩部を除去した形状の肩落とし外輪である。第２外輪３５の外周は、軸受支持筒２３の内周に隙間をもって嵌合している。第２内輪３６の外周には、第２転動体３７が転がり接触する断面円弧状の第２内輪軌道面３９が設けられている。第２内輪３６は、第２転動体３７が転がり接触する第２内輪軌道面３９に対して軸方向前側の内輪肩部と軸方向後側の内輪肩部のうち、軸方向前側の内輪肩部を除去した形状の肩落とし内輪である。第２内輪３６は、主軸２の外周に締め代をもって嵌合している。

ここで、第１軸受２４は、軸方向の予圧で、第１転動体３２が第１外輪３０を押圧する径方向分力を生じるように構成され、同様に、第２軸受２５も、軸方向の予圧で、第２転動体３７が第２外輪３５を押圧する径方向分力を生じるように構成されている。この実施形態では、第１軸受２４は、第１内輪３１と第１転動体３２の接触点と、第１外輪３０と第１転動体３２の接触点とを結ぶ直線が、半径方向内側から半径方向外側に向かって軸方向後方に傾斜するアンギュラ玉軸受である。また、第２軸受２５は、第２内輪３６と第２転動体３７の接触点と、第２外輪３５と第２転動体３７の接触点とを結ぶ直線が、半径方向内側から半径方向外側に向かって軸方向前方に傾斜するアンギュラ玉軸受である。つまり、第１軸受２４と第２軸受２５は、背面合わせの関係で軸方向に間隔をおいて配置された一対のアンギュラ玉軸受である。

外輪間座２６は、両端が開放した中空の筒状部材である。外輪間座２６は、軸受支持筒２３の内周に隙間をもって嵌合している。外輪間座２６は、第１外輪３０の軸方向後端面（第１外輪３０の第２外輪３５の側の軸方向端面）と、第２外輪３５の軸方向前端面（第２外輪３５の第１外輪３０の側の軸方向端面）との間で軸方向に挟み込まれている。

内輪間座２７も、外輪間座２６と同様、両端が開放した中空の筒状部材である。内輪間座２７は、主軸２の外周に隙間をもって嵌合している。内輪間座２７は、第１内輪３１と第２内輪３６の間で軸方向に挟み込まれている。

図４に示すように、主軸２の外周には、第１内輪３１の軸方向前端面（第１内輪３１の第２内輪３６の側とは反対側の軸方向端面）に軸方向に対向する環状の内輪位置決め段部４０が形成されている。内輪位置決め段部４０は、第１内輪３１の軸方向前方（第２外輪３５から遠ざかる方向）への移動を規制することで、第１内輪３１を軸方向に位置決めしている。また、主軸２の外周には、第２内輪３６よりも軸方向後側に予圧ナット４１が装着されている。予圧ナット４１は、主軸２の外周に形成された雄ねじ４２にねじ係合している。第２内輪３６と予圧ナット４１の間には、環状のスペーサ４３が組み込まれている。スペーサ４３の軸方向前端面は、第２内輪３６の軸方向後端面に接触し、スペーサ４３の軸方向後端面は、予圧ナット４１の軸方向前端面に接触している。

予圧ナット４１は所定の力で締め付けられ、その予圧ナット４１の軸力により、第１内輪３１の軸方向前端面（第１内輪３１の第２内輪３６の側とは反対側の軸方向端面）と、第２内輪３６の軸方向後端面（第２内輪３６の第１内輪３１の側とは反対側の軸方向端面）とに、第１内輪３１と第２内輪３６とを接近させる方向の予圧が付与されている。すなわち、第１内輪３１と第２内輪３６の間には、図の太い実線に示すように、予圧ナット４１の軸力により、第１内輪３１、第１転動体３２、第１外輪３０、外輪間座２６、第２外輪３５、第２転動体３７、第２内輪３６を順に通って予圧が伝達するように軸方向の予圧が付与された状態となっている。

ひずみセンサ２８は、外輪間座２６の軸方向中央部に取り付けられている。具体的には、ひずみセンサ２８は、外輪間座２６の軸方向の中心位置から、外輪間座２６の軸方向全長の１／４の軸方向距離の範囲内の領域にひずみセンサ２８が収まるように外輪間座２６に取り付けられている。

図３に示すように、ひずみセンサ２８は、外輪間座２６の内周に周方向に等間隔に複数（ここでは３つ）設けられている。外輪間座２６の内周には、ひずみセンサ２８の個数と同数の軸方向溝４４が周方向に等間隔に形成されている。軸方向溝４４は、それぞれ軸線に平行な平面状の溝底面を有し、その各溝底面にひずみセンサ２８が取り付けられている。

図４に示すように、各ひずみセンサ２８は、ひずみ検出部４５と、ひずみ検出部４５に接続された処理部４６とを有する。ひずみ検出部４５は、ひずみに応じて電気抵抗が変化するひずみゲージである。処理部４６は、ひずみゲージの電気抵抗の変化に基づいてひずみを検出するひずみ検出回路と、その検出回路で検出されたひずみをアナログ信号からデジタル信号に変換して出力するＡＤ変換回路とを有する。

ここで、ひずみ検出部４５は、ひずみセンサ２８の取り付け位置における外輪間座２６の軸方向ひずみを検出する軸方向ひずみ検出部（軸方向をひずみ検出方向として配置したひずみゲージ）と、ひずみセンサ２８の取り付け位置における外輪間座２６の周方向ひずみを検出する周方向ひずみ検出部（周方向をひずみ検出方向として配置したひずみゲージ）とを有するものを採用している。そして、処理部４６は、軸方向ひずみ検出部で検出される軸方向ひずみと、周方向ひずみ検出部で検出される周方向ひずみとの差分（つまり、軸方向ひずみの絶対値と周方向ひずみの絶対値の和）をとり、その差分をひずみセンサ２８の出力とするように構成されている。

軸受支持筒２３の内周には、第２外輪３５の軸方向後端面（第２外輪３５の第１外輪３０の側とは反対側の軸方向端面）に軸方向に対向する環状の外輪位置決め段部５０が形成されている。外輪位置決め段部５０は、第２外輪３５の軸方向後方（第１外輪３０から遠ざかる方向）への移動を規制することで、第２外輪３５を軸方向に位置決めしている。

軸受支持筒２３の軸方向前端面には、環状の蓋部材５１が固定されている。蓋部材５１は、軸受支持筒２３の内周に嵌合する筒部５２と、筒部５２の軸方向前端から径方向外方に延びる円環板状のフランジ部５３とを有する。

図２、図３に示すように、フランジ部５３は、周方向に等間隔に配置された複数のねじ部材５４で、軸受支持筒２３の軸方向前端面に固定されている。ここでは、ねじ部材５４はボルトである。ねじ部材５４は、ひずみセンサ２８と同じ周方向位置に配置されている。すなわち、図３において、ひずみセンサ２８は、外輪間座２６の上側から時計回りに０°、１２０°、２４０°の各周方向位置に配置され、ねじ部材５４は、ひずみセンサ２８の周方向位置をすべて含む周方向位置（図では、０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°の各周方向位置）に配置されている。

フランジ部５３には、ねじ部材５４が挿通される複数の貫通穴５５が周方向に等間隔に形成されている。また、軸受支持筒２３の軸方向前端面には、ねじ部材５４がねじ込まれる複数のねじ穴５６が周方向に等間隔に形成されている。ねじ部材５４の締め込みによって、フランジ部５３は軸受支持筒２３の軸方向前端面に押し付けられている。また、筒部５２の軸方向後端は、第１外輪３０の軸方向前端面（第１外輪３０の第２外輪３５の側とは反対側の軸方向端面）に接触している。

図４に示すように、第１外輪３０および第２外輪３５は、蓋部材５１と外輪位置決め段部５０との間に軸方向の締め代をもって組み込まれ、その軸方向の締め代によって、第１外輪３０の軸方向前端面（第１外輪３０の第２外輪３５の側とは反対側の軸方向端面）と、第２外輪３５の軸方向後端面（第２外輪３５の第１外輪３０の側とは反対側の軸方向端面）とに、第１外輪３０と第２外輪３５とを接近させる方向の押圧力が付与されている。

すなわち、図４に示す軸受支持筒２３から、第１外輪３０と外輪間座２６と第２外輪３５とを取り外した状態で、蓋部材５１を軸受支持筒２３に固定したときの蓋部材５１と外輪位置決め段部５０の軸方向の対向面間の距離は、軸受支持筒２３から第１外輪３０と外輪間座２６と第２外輪３５とを取り外した状態で、その第１外輪３０と外輪間座２６と第２外輪３５とを隙間なく軸方向に並べたときの第１外輪３０の軸方向前端面から第２外輪３５の軸方向後端面までの距離よりも、軸方向の締め代に相当する分、短く設定されている。そして、軸受支持筒２３に第１外輪３０と外輪間座２６と第２外輪３５とを組み込み、その後、蓋部材５１を複数のねじ部材５４で軸方向に締め込むことで、軸方向の締め代の分、第１外輪３０と外輪間座２６と第２外輪３５とが、蓋部材５１と外輪位置決め段部５０との間で軸方向に圧縮され、その結果、図の太い破線に示すように、第１外輪３０と第２外輪３５の間に、軸方向の押圧力が付与された状態となっている。軸方向の締め代は、１０μｍ以上５０μｍ以下（好ましくは２０μｍ以下）の範囲で設定されている。

ここで、軸方向の締め代により第１外輪３０および第２外輪３５の軸方向端面に付与される軸方向の押圧力の大きさは、予圧ナット４１の締め付けにより第１内輪３１および第２内輪３６の軸方向端面に付与される軸方向の予圧の大きさに比べて、著しく大きいものとなっている。

すなわち、予圧ナット４１の締め付けにより、第１内輪３１および第２内輪３６の軸方向端面に付与される軸方向の予圧の大きさは、１ｋＮ未満（数十～数百Ｎ程度）である。一方、軸方向の締め代により第１外輪３０および第２外輪３５の軸方向端面には、１０ｋＮ以上の大きさの軸方向の押圧力が付与されている。軸方向の締め代により第１外輪３０および第２外輪３５の軸方向端面に付与される軸方向の押圧力の大きさは、予圧ナット４１の締め付けにより第１内輪３１および第２内輪３６の軸方向端面に付与される軸方向の予圧の大きさの１０倍以上（好ましくは５０倍以上）の大きさに設定されている。

図２に示す軸受装置１において、第１軸受２４および第２軸受２５の予圧荷重（以下「軸受予圧」という）は、スピンドル装置の運転時における主軸２の回転速度によって変化する。そして、ひずみセンサ２８で検出される外輪間座２６のひずみに基づいて、その軸受予圧を検出することが可能となっている。

すなわち、スピンドル装置の運転時において、主軸２の回転速度が変化すると、第１転動体３２および第２転動体３７の遠心力が変化し、その遠心力の変化に応じて、第１転動体３２が第１外輪軌道面３３を押圧する荷重（第１軸受２４の予圧荷重）および第２転動体３７が第１外輪軌道面３３を押圧する荷重（第２軸受２５の予圧荷重）も変化する。ここで、第１外輪軌道面３３および第２外輪軌道面３８は、軸方向に対して傾斜した角度をもって第１転動体３２および第２転動体３７と接触しているので、第１転動体３２が第１外輪軌道面３３を押圧する荷重および第２転動体３７が第１外輪軌道面３３を押圧する荷重が変化すると、第１外輪３０および第２外輪３５から外輪間座２６に負荷される軸方向の予圧荷重が変化し、外輪間座２６のひずみが変化する。そのため、ひずみセンサ２８で検知される外輪間座２６のひずみに基づいて、第１軸受２４および第２軸受２５の予圧荷重（軸受予圧）を検出することが可能となっている。

また、主軸２にモーメント荷重が作用すると、周方向に等間隔に配置された各ひずみセンサ２８の位置には異なる大きさの荷重が加わる。そのため、複数のひずみセンサ２８のそれぞれの出力に基づいて、切削加工中の工作機械の主軸２に作用するモーメント荷重を検知することも可能である。

ところで、軸受予圧が増大するとき、第１外輪３０は、第１転動体３２から受ける径方向分力が増大することで拡径方向に弾性変形し、このとき第１外輪３０に作用する拡径方向の力が、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間の最大静止摩擦力よりも大きくなることによって、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間には、第１外輪３０が外輪間座２６に対して径方向外方に相対的に移動する微小なすべりが生じる可能性がある。一方、軸受予圧が減少するときは、第１外輪３０は、第１転動体３２から受ける径方向分力が減少することで縮径方向に弾性復元し、このとき第１外輪３０に作用する縮径方向の力が、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間の最大静止摩擦力よりも大きくなることによって、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間には、第１外輪３０が外輪間座２６に対して径方向内方に相対的に移動する微小なすべりが生じる可能性がある。

同様に、軸受予圧が増大するとき、第２外輪３５は、第２転動体３７から受ける径方向分力が増大することで拡径方向に弾性変形し、この弾性変形により、第２外輪３５と外輪間座２６の接触面間には、第２外輪３５が外輪間座２６に対して径方向外方に相対的に移動する微小なすべりが生じる可能性がある。一方、軸受予圧が減少するときは、第２外輪３５は、第２転動体３７から受ける径方向分力が減少することで縮径方向に弾性復元し、この弾性復元により、第２外輪３５と外輪間座２６の接触面間には、第２外輪３５が外輪間座２６に対して径方向内方に相対的に移動する微小なすべりが生じる可能性がある。

そして、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間や、第２外輪３５と外輪間座２６の接触面間に、上記の径方向のすべりが生じると、軸受予圧が増加する過程と、軸受予圧が減少する過程とで、外輪間座２６の変形が同じにならない。そのため、軸受予圧が増加する過程と、軸受予圧が減少する過程とで、軸受予圧の大きさが同じでもひずみセンサ２８の出力が同じにならず、前者と後者の間に一定の差が生じるというヒステリシスが生じ、そのヒステリシスによって、ひずみセンサ２８の出力に基づいて検出される軸受予圧に誤差が生じるという問題がある。

この問題に対し、図４に示すように、この実施形態の軸受装置１では、蓋部材５１と外輪位置決め段部５０の間に軸方向の締め代を設定することで、第１外輪３０および第２外輪３５の軸方向端面に、第１外輪３０と第２外輪３５とを接近させる方向の押圧力を付与しているので、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間には、第１内輪３１と第２内輪３６の軸方向端面に付与される予圧（図の太い実線）と、第１外輪３０と第２外輪３５の軸方向端面に付与される押圧力（図の太い破線）とを合計した大きさの面圧が作用し、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間の面圧が大きいものとなる。そのため、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間の摩擦力が大きく、軸受予圧の変化に応じて第１外輪３０が第１転動体３２から受ける径方向分力が変化したときに、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間の径方向のすべりを抑制することが可能である。同様に、第２外輪３５と外輪間座２６の接触面間にも、第１内輪３１と第２内輪３６の軸方向端面に付与される予圧（図の太い実線）と、第１外輪３０と第２外輪３５の軸方向端面に付与される押圧力（図の太い破線）とを合計した大きさの面圧が作用するので、第２外輪３５と外輪間座２６の接触面間の面圧が大きい。そのため、第２外輪３５と外輪間座２６の接触面間の摩擦力が大きく、軸受予圧の変化に応じて第２外輪３５が第２転動体３７から受ける径方向分力が変化したときに、第２外輪３５と外輪間座２６の接触面間の径方向のすべりを抑制することが可能である。その結果、外輪間座２６のひずみセンサ２８の出力のヒステリシスが低減され、高い精度で軸受予圧を検出することが可能となっている。

特に、この軸受装置１では、第１外輪３０および第２外輪３５の軸方向端面に付与する軸方向の押圧力（図の太い破線）を、予圧ナット４１の締め付けにより第１内輪３１および第２内輪３６の軸方向端面に付与される軸方向の予圧（図の太い実線）の大きさの１０倍以上（好ましくは５０倍以上）と著しく大きく設定しているので、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間の面圧と、第２外輪３５と外輪間座２６の接触面間の面圧とが、特に大きいものとなる。そのため、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間の摩擦力が特に効果的に大きいものとなり、軸受予圧の変化に応じて第１外輪３０が第１転動体３２から受ける径方向分力が変化したときに、第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間の径方向のすべりを特に効果的に抑制することが可能である。同様に、第２外輪３５と外輪間座２６の接触面間の摩擦力が特に効果的に大きいものとなり、軸受予圧の変化に応じて第２外輪３５が第２転動体３７から受ける径方向分力が変化したときに、第２外輪３５と外輪間座２６の接触面間の径方向のすべりを特に効果的に抑制することが可能である。

また、この軸受装置１は、第１外輪３０および第２外輪３５の軸方向端面に押圧力を付与する方法として、軸方向の締め代を利用しているので、ねじ部材５４を締め付ける簡単な方法で、第１外輪３０および第２外輪３５の軸方向端面に大きい押圧力を付与することが可能である。

また、この軸受装置１は、図３に示すように、ひずみセンサ２８と同じ周方向位置にねじ部材５４が配置されているので、図４に示す第１外輪３０と外輪間座２６の接触面間の面圧と、第２外輪３５と外輪間座２６の接触面間の面圧とを、ひずみセンサ２８と同じ周方向位置で効果的に大きくすることができる。そのため、ひずみセンサ２８の出力のヒステリシスを効果的に低減することが可能である。

軸方向の締め代は、第１外輪３０の軸方向端面または第２外輪３５の軸方向端面の少なくともいずれか一方に、定められた押込量（μｍ）と押圧力（Ｎ）を負荷および測定できる試験機等で押圧力を与え、押込量（μｍ）と押圧力（Ｎ）の関係を導くことで設定することができる。

上記実施形態では、ひずみセンサ２８を外輪間座２６の内周に配置したものを例に挙げたが、ひずみセンサ２８は外輪間座２６の外周に配置するようにしてもよい。

上記実施形態では、第１軸受２４および第２軸受２５として、アンギュラ玉軸受を例に挙げて説明したが、第１軸受２４および第２軸受２５として、例えば、円すいころ軸受や深溝玉軸受など、軸方向の予圧で径方向分力を生じる他の形式の転がり軸受を採用することも可能である。

また、上記実施形態では、ひずみセンサ２８として、ひずみ検出部４５と処理部４６とを有するものを例に挙げたが、ひずみセンサ２８は、ひずみ検出部４５のみ（ひずみゲージのみ）で構成することも可能である。

また、上記実施形態では、工作機械(マシニングセンタや旋盤など)の主軸２を回転可能に支持する軸受装置１を例に挙げて説明したが、この発明は、例えば、風力発電装置の主軸など、他の装置の回転軸を回転可能に支持する軸受装置に適用することも可能である。

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。

１ ひずみセンサ付き軸受装置
２ 主軸
４ モータ
２３ 軸受支持筒
２４ 第１軸受
２５ 第２軸受
２６ 外輪間座
２８ ひずみセンサ
３０ 第１外輪
３１ 第１内輪
３２ 第１転動体
３５ 第２外輪
３６ 第２内輪
３７ 第２転動体
５０ 外輪位置決め段部
５１ 蓋部材
５４ ねじ部材

Claims (7)

1. 軸方向に間隔をおいて配置された第１軸受（２４）および第２軸受（２５）と、前記第１軸受（２４）と前記第２軸受（２５）の間に設けられた筒状の外輪間座（２６）と、前記外輪間座（２６）に取り付けられたひずみセンサ（２８）とを有し、
   前記第１軸受（２４）は、第１外輪（３０）と、第１外輪（３０）の径方向内側に設けられた第１内輪（３１）と、第１外輪（３０）と第１内輪（３１）の間に組み込まれた複数の第１転動体（３２）とを有し、
   前記第２軸受（２５）は、第２外輪（３５）と、第２外輪（３５）の径方向内側に設けられた第２内輪（３６）と、第２外輪（３５）と第２内輪（３６）の間に組み込まれた複数の第２転動体（３７）とを有し、
   前記第１内輪（３１）の前記第２内輪（３６）の側とは反対側の軸方向端面と、前記第２内輪（３６）の前記第１内輪（３１）の側とは反対側の軸方向端面とに、前記第１内輪（３１）と前記第２内輪（３６）とを接近させる方向の予圧が付与され、
   前記予圧が、前記第１内輪（３１）、前記第１転動体（３２）、前記第１外輪（３０）、前記外輪間座（２６）、前記第２外輪（３５）、前記第２転動体（３７）、前記第２内輪（３６）を伝達するように構成されているひずみセンサ付き軸受装置において、
   前記第１外輪（３０）の前記第２外輪（３５）の側とは反対側の軸方向端面と、前記第２外輪（３５）の前記第１外輪（３０）の側とは反対側の軸方向端面とに、前記第１外輪（３０）と前記第２外輪（３５）とを接近させる方向の押圧力が付与され、
   前記押圧力の大きさが、前記予圧よりも大きく設定されていることを特徴とするひずみセンサ付き軸受装置。
2. 前記押圧力の大きさが、前記予圧の１０倍以上の大きさに設定されている請求項１に記載のひずみセンサ付き軸受装置。
3. 前記押圧力は、前記第１外輪（３０）および前記第２外輪（３５）を、前記第１外輪（３０）の外周と前記第２外輪（３５）の外周とに嵌合する軸受支持筒（２３）の内周に設けた環状の外輪位置決め段部（５０）と、前記軸受支持筒（２３）の軸方向端面にねじ部材（５４）で固定される蓋部材（５１）との間に、軸方向の締め代をもって組み込むことで付与されている請求項１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置。
4. 前記ねじ部材（５４）は、前記ひずみセンサ（２８）と同じ周方向位置に配置されている請求項３に記載のひずみセンサ付き軸受装置。
5. 前記軸方向の締め代が１０μｍ以上に設定されている請求項３に記載のひずみセンサ付き軸受装置。
6. 前記第１軸受（２４）および前記第２軸受（２５）がアンギュラ玉軸受である請求項１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置。
7. 請求項１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置（１）と、
   前記ひずみセンサ付き軸受装置（１）で回転可能に支持される工作機械の主軸（２）と、
   前記主軸（２）を回転駆動するモータ（４）と、を有する工作機械用スピンドル装置。

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