JPH08277845A - 軸受荷重の制御装置 - Google Patents

軸受荷重の制御装置

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JPH08277845A
JPH08277845A JP7078021A JP7802195A JPH08277845A JP H08277845 A JPH08277845 A JP H08277845A JP 7078021 A JP7078021 A JP 7078021A JP 7802195 A JP7802195 A JP 7802195A JP H08277845 A JPH08277845 A JP H08277845A
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JP
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bearing
load
output
magnetic induction
control device
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JP7078021A
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Kazumichi Kato
一路 加藤
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Shinko Electric Co Ltd
Original Assignee
Shinko Electric Co Ltd
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Publication date
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C39/00Relieving load on bearings
    • F16C39/06Relieving load on bearings using magnetic means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • F16C19/522Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions related to load on the bearing, e.g. bearings with load sensors or means to protect the bearing against overload
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C19/02Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows
    • F16C19/04Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly
    • F16C19/06Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly with a single row or balls
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C2233/00Monitoring condition, e.g. temperature, load, vibration

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 軸受にかかる荷重を低減させて寿命を延ば
し、機械装置のコストダウンや小型化ができる軸受荷重
の制御装置を提供することを目的としている。 【構成】 ケーシング3内面に固定された1次ヨーク6
が、回転軸2の外周面に固定された2次ヨーク7を、軸
受4にかかる荷重方向と対向する方向に磁気誘導し、軸
受4にかかる荷重を低減させる。さらに制御器10x、
10yは、ロードセンサ5の出力と基準値とに基づいて
各コイル17-1〜17-8による磁束を制御し、軸受4に
かかる荷重の変化に対応する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、軸受の寿命を延ばす
ための軸受荷重の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】機械装置を回動自在に支持するものとし
て、ころがり軸受がある。ころがり軸受は、軸を支える
転動体に一定の集中応力が繰り返し与えられるため、一
定荷重で連続使用すると、剥離現象(疲労)を起こし、
使用できなくなる。上述の剥離現象は適切な使用方法の
下にあっても避けられない現象である。このため、ころ
がり軸受は所定時間あるいは所定回転数使用したら交換
する必要があるが、装置のランニングコストを低く抑え
ることも必須要件であるため、寿命の長いころがり軸受
を選択し、使用する。
【0003】一般的に、ころがり軸受の寿命は軸にかか
る荷重に左右されるが、この寿命Lは、 L=(C/P)p ・・・(1) のように求めることができる。ここで、Pは荷重であ
り、Cは定格荷重を表している。また、pは材料や接触
面形状によって決定される指数であり、一例として玉軸
受の場合p=3、ころ軸受の場合p=10/3である。
ただし、一般にはLとして100万回転が想定され、こ
のときの基本定格寿命L10と、基本動定格荷重Cと、軸
受負荷容量Pとは、次の関係式で表される。 L10=(C/P)p ・・・(1')
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述の軸受負荷容量P
は軸により支持される回転体の重量(回転体の質量と重
力加速度との積)により決定されるので、所望の寿命を
得るには、この質量に応じた基本動定格荷重Cを有する
ころがり軸受を選定する必要がある。即ち、ころがり軸
受の寿命を延ばすには、基本動定格荷重Cの大きい(例
えば、外観形状の大きい)ころがり軸受を選ばなければ
ならない。
【0005】しかしながら、基本動定格荷重Cの見合っ
たころがり軸受の選択範囲には限界があり、例えば装置
の小型化等にあたっては、物理的に選択不可能になる場
合等も生じるという問題が生じた。この発明は、このよ
うな背景の下になされたもので、軸受にかかる荷重を低
減させて寿命を延ばし、機械装置のコストダウンや小型
化ができる軸受荷重の制御装置を提供することを目的と
している。
【0006】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項1に記載の発明にあっては、回転軸と、
前記回転軸が貫通するケーシングと、前記ケーシングの
一端面に前記回転軸を回動自在に支持する軸受と、前記
ケーシング内面の、少なくとも前記軸受にかかる荷重方
向と対向する位置に固定された磁気誘導手段と、前記磁
気誘導手段と対向する前記回転軸の外周面に固定され、
前記磁気誘導手段に磁気誘導される被誘導手段とを具備
することを特徴とする。
【0007】また、請求項2に記載の発明にあっては、
請求項1に記載の軸受荷重の制御装置では、前記磁気誘
導手段は、前記回転軸に取り付けられた2次ヨークと、
前記2次ヨークに対向配置された1次ヨークと、前記1
次ヨークに巻回されたコイルとから構成されることを特
徴とする。
【0008】また、請求項3に記載の発明にあっては、
請求項2に記載の軸受荷重の制御装置では、前記軸受に
かかる荷重を検出する検出手段と、前記検出手段の出力
と基準値とを比較する比較回路と、前記比較手段の出力
の比例値、微分値、ならびに積分値に基づく制御信号を
生成するPID制御回路とを有し、前記磁気誘導手段を
制御する制御手段とを具備し、前記PID制御回路の出
力に基づいて前記磁気誘導手段を制御することを特徴と
する。
【0009】
【作用】ケーシング内面に固定された磁気誘導手段が、
回転軸の外周面に固定された被誘導手段を、軸受にかか
る荷重方向と対向する方向に磁気誘導し、軸受にかかる
荷重を低減させる。さらに制御手段は、検出手段の出力
と基準値とに基づいて磁気誘導手段を制御し、軸受にか
かる荷重の変化に対応する。
【0010】
【実施例】以下に図面を参照して、本発明の一実施例に
かかる軸受荷重の制御装置について説明する。 A.構成 図1は、本発明の一実施例にかかる軸受け荷重の制御装
置の構成を示す概略構成図である。同図において一点鎖
線1内は、軸受および軸受荷重の制御装置の断面を示し
ている。ここで2は回転軸であり、この図示しない右方
あるいは左方に、プーリあるいは車輪もしくはロッドや
モータ等の機械装置が取り付けられている。
【0011】回転軸2はケーシング3の中央部を通って
おり、ケーシング3の端部3aに軸受4およびロードセ
ンサ(圧力センサ)5を介して回動自在に取り付けられ
ている。本実施例では、軸受4には玉軸受を用いてい
る。ロードセンサ5は、軸受4が受ける荷重を測定する
ものであり、圧電素子や歪ゲージ等が用いられる。ケー
シング3の内面には、強磁性体により形成された1次ヨ
ーク6が取り付けられている。この1次ヨーク6の内面
には、突出したコア6-1〜6-8(図2参照)が設けられ
ている。これらコア6-1〜6-8は、1次ヨーク6の内周
等分位置に配置されている。
【0012】一方の回転軸2の外周には、磁性体(強磁
性体)から形成される環状の2次ヨーク7が取り付けら
れており、回転軸2とともに回転する。この2次ヨーク
7は、1次ヨーク6の内面に設けられた各コア6-1〜6
-8と対向し、また各コア6-1〜6-8の先端との間には各
々所定長のギャップ8が設けられている。
【0013】図2は軸受および軸受荷重の制御装置1の
構成を示す放射断面図であり、図2(a)は図1におけ
るAA'断面、図2(b)はBB'断面の構成を示してい
る。図2(a)に示すように、ロードセンサ5は軸受4
の全周にわたって構成されており、軸受に加わるX方向
の荷重信号Sxと、同Y方向の荷重信号Syとを独立して
(図1参照)取り出すことができる。これら荷重信号S
xと荷重信号Syとは、各々増幅器9xあるいは増幅器9
yにより増幅された後、各々制御器10xあるいは制御
器10yに入力される。これら制御器10xおよび制御
器10yの詳細な接続図を図3に示す。
【0014】図3は、制御器10xの精細な構成を示す
接続図である。なお、制御器10yの構成は制御器10
xの構成と同一であるので、説明は省略する。図3にお
いて、増幅器9xの出力信号は減算器11に入力され
る。減算器11は、軸受荷重指令信号S0xから増幅器9
xの出力信号を減算する。ここで、軸受荷重指令信号S
0xは、軸受荷重の基準値を示す信号であり、減算器11
xは、増幅器9xの出力信号が軸受荷重指令信号S0xに
対して大か否かを比較することによって、軸受4のX方
向に加わっている荷重が基準値に対して大か否かを判断
する。
【0015】減算器11の出力信号はPID制御回路1
2に入力される。PID制御とは、周知のP(Proport
ional:比例)、I(Integral:積分)、D(Derivat
ive:微分)制御のことである。PID制御回路12x
の出力信号は、加算器13xと減算器14xとに入力さ
れる。加算器13xと減算器14xとには、この他に各
々一定荷重指令信号S1xあるいは一定荷重指令信号S2x
も入力される。この一定荷重指令信号S1xおよび一定荷
重指令信号S2xは、軸受4に加わる各々X方向あるいは
Y方向の荷重を制御する基準となる信号である。加算器
13xおよび減算器14xの各出力信号は、後述するコ
イルのドライバである各々増幅器15xあるいは増幅器
16xに入力されて増幅され、各コイルに入力される。
【0016】前述のコア6-1〜6-8には、各々コイル1
7-1〜17-8が巻回されている。ここで、コイル17-1
とコイル17-2、コイル17-3とコイル17-4、コイル
17-5とコイル17-6、そしてコイル17-7とコイル1
7-8の各々は、互いに逆方向に巻回されているとともに
並列に接続されている。そして、増幅器15yの出力は
コイル17-1とコイル17-2とに、増幅器15xの出力
はコイル17-3とコイル17-4とに入力される。また、
増幅器16yの出力はコイル17-5とコイル17-6と
に、増幅器16xの出力はコイル17-7とコイル17-8
とに入力される。
【0017】以下に、本実施例の動作を説明する。 (a)軸受荷重が一定の場合 図1あるいは図2(a)に示す軸受4には、重力やプー
リに掛けられたベルトの張力等によって、常に何らかの
荷重が加わっている場合が多い。そこで、軸受4にかか
る基準となる荷重を予め決定し、そのときの軸受荷重指
令信号S0x(X方向)および軸受荷重指令信号S0y(Y
方向)を設定する。また、これに見合った一定荷重指令
信号S1x、S2x(X方向)および一定荷重指令信号S1
y、S2y(Y方向)を設定する。
【0018】ここで、一定荷重指令信号S1x、S2x、S
1yおよびS2yの作用について、制御器10xを例に挙
げ、PID制御回路12xの出力が0(軸受荷重が一
定)であるものとして説明する。図3において、一定荷
重指令信号S1xには、加算器13xにおいてPID制御
回路12xの出力が加算され、この後増幅器15xによ
って増幅される。増幅器15xの出力は、図2(b)に
示すコイル17-3およびコイル17-4に入力される。
【0019】このとき、前述の通りコイル17-3とコイ
ル17-4とは互いに逆方向に巻回されているため、ギャ
ップ8、8を介してコア6-3、コア6-4、1次ヨーク6
および2次ヨーク7中に磁束Φ1が発生する。この磁束
Φ1によって2次ヨーク7にはX方向に引きつける力F1
(図2参照)が作用する。同様に一定荷重指令信号S2x
によって磁束Φ2が発生し、2次ヨーク7には−X方向
に引きつける力F2が作用する。即ち、回転軸2は(F1
−F2)の力でX方向に引きつけられる。
【0020】さらに、一定荷重指令信号S1yによって磁
束Φ3が発生し、2次ヨーク7にはY方向に引きつける
力F3が作用する。一方、一定荷重指令信号S2yによっ
て磁束Φ4が発生し、2次ヨーク7には−Y方向に引き
つける力F4が作用する。即ち、回転軸2は(F3−F
4)の力でY方向に引きつけられる。ここで、仮にF1=
F2=F3=F4であるとすると、軸受4には各磁束Φ1〜
Φ4による力は作用しない。
【0021】(b)Y方向に荷重が増大した場合 図2(a)に示す軸受4に加わる荷重がY方向に増大し
た場合、ロードセンサ5が出力する荷重信号Syが増大
し、増幅器9yの出力が増大する。このとき、減算器1
1yは軸受荷重指令信号S0yと増幅器9yの出力信号と
の差を算出しているので、減算器11yの出力は減少す
る。PID制御回路12yはPID制御によって、減算
器11yの出力信号に対応する制御信号を生成し、加算
器13yと減算器14yとに入力される。
【0022】加算器13yは、一定荷重指令信号S1yと
PID制御回路12yの出力とを加算するが、ここでは
PID制御回路12yの出力が減少しているので、加算
器13yの出力も減少する。このため、コイル17-1お
よびコイル17-2によって発生する磁束Φ3が減少し、
2次ヨーク7に作用する力F3も減少する。
【0023】一方、減算器14yは、一定荷重指令信号
S2yからPID制御回路12yの出力を減算するが、こ
こではPID制御回路12yが減少しているので、減算
器14yの出力は増加する。このため、コイル17-5お
よびコイル17-6によって発生する磁束Φ4が増加し、
2次ヨーク7に作用する力F4も増加する。磁束Φ3およ
びΦ4によって軸受4に作用する力は(F3−F4)であ
るので、力F3が減少して力F4が増加した場合には、軸
受4には−Y方向の力が作用し、Y方向に増大した荷重
が低減される。
【0024】(c)−Y方向に荷重が増大した場合 図2(a)に示す軸受4に加わる荷重が−Y方向に増大
(Y方向の荷重が減少)した場合、ロードセンサ5が出
力する荷重信号Syが減少し、従って減算器11yの出
力は増大し、PID制御回路12yの出力が増大する。
加算器13yは、一定荷重指令信号S1yとPID制御回
路12yの出力とを加算するので、その出力が増大し、
これによりコイル17-1およびコイル17-2によって発
生する磁束Φ3が増加し、2次ヨーク7に作用する力F3
も増加する。
【0025】一方、減算器14yは、一定荷重指令信号
S2yからPID制御回路12yの出力を減算するので、
その出力が減少し、これによりコイル17-5およびコイ
ル17-6によって発生する磁束Φ4が減少し、2次ヨー
ク7に作用する力F4も減少する。磁束Φ3およびΦ4に
よって軸受4に作用する力は(F3−F4)であるので、
力F3が減少して力F4が減少した場合には、軸受4には
Y方向の力が作用し、−Y方向に増大した荷重が低減さ
れる。
【0026】(d)X方向に荷重が増大した場合 図2(a)に示す軸受4に加わる荷重がX方向に増大し
た場合、ロードセンサ5が出力する荷重信号Sxが増大
し、増幅器9xの出力が増大し、これにともなって減算
器11xの出力は減少する。これにより、PID制御回
路12xの出力信号が減少し、この信号が加算器13x
と減算器14xとに入力される。
【0027】加算器13xは、一定荷重指令信号S1xと
PID制御回路12xの出力とを加算するので、コイル
17-3およびコイル17-4によって発生する磁束Φ1が
減少し、2次ヨーク7に作用する力F1も減少する。一
方、減算器14xは、一定荷重指令信号S2xからPID
制御回路12xの出力を減算するので、コイル17-7お
よびコイル17-8によって発生する磁束Φ2が増加し、
2次ヨーク7に作用する力F2も増加する。磁束Φ1およ
びΦ2によって軸受4に作用する力は(F1−F2)であ
るので、力F1が減少して力F2が増加した場合には、軸
受4には−X方向の力が作用し、X方向に増大した荷重
が低減される。
【0028】(e)−X方向に荷重が増大した場合 図2(a)に示す軸受4に加わる荷重が−X方向に増大
(X方向の荷重が減少)した場合、ロードセンサ5が出
力する荷重信号Sxが減少し、減算器11xの出力は増
大し、PID制御回路12xの出力が増大する。これに
より加算器13xの出力が増大し、コイル17-3および
コイル17-4によって発生する磁束Φ1が増加し、2次
ヨーク7に作用する力F1が増加する。
【0029】一方、減算器14xの出力は減少し、コイ
ル17-7およびコイル17-8によって発生する磁束Φ2
が減少し、2次ヨーク7に作用する力F2も減少する。
磁束Φ1およびΦ2によって軸受4に作用する力は(F1
−F2)であるので、力F1が減少して力F2が減少した
場合には、軸受4にはX方向の力が作用し、−X方向に
増大した荷重が低減される。
【0030】このように、ロードセンサ5によって測定
された荷重が、放射方向の何れかの方向に増加すると、
増加した方向に位置する各コイル17-1〜17-8によっ
て発生する磁束Φ1〜Φ4が減少する。また増加した反対
方向に位置する各コイル17-1〜17-8によって発生す
る磁束Φ1〜Φ4が増加する。これによって、増加した荷
重とは反対方向に力F1〜F4が作用して、軸受4にかか
る荷重は相殺あるいは低減される。
【0031】このとき制御器10xは軸受荷重指令信号
S0xと荷重信号Sxとの差信号、制御器10yは軸受荷
重指令信号S0yと荷重信号Syとの差信号をPID制御
して各コイル17-1〜17-8によって発生する磁束Φ-1
〜Φ-4を増減させているので、軸受4の各方向にかかる
荷重が偏らないように常時制御される。従って、軸受の
寿命を延ばし、ランニングコストを低減することができ
る。また、基本動定格荷重の小さい軸受を使用すること
ができるので、機械装置の小型化が可能となる。
【0032】ところで回転軸2が、一定重量の荷を搬送
する搬送台車の車輪軸である場合等には、軸受4には常
に一定方向の荷重がかかる。このような場合には、回転
軸2に作用する力F-1〜F-4を、荷重変化に応じて制御
する必要はない。例えば、常にY方向に一定の荷重がか
かる場合にあっては、制御器10yは不要となり、さら
にコイル17-1とコイル17-2あるいはコイル17-5と
コイル17-6に対応する位置に永久磁石を配置し、各々
力F3および力F4を作用させる構成とすることも可能で
ある。
【0033】なお本実施例では、回転軸2に作用する力
F1〜F4は、各々2つのコイルによって発生させていた
が、このコイルは1つずつでもよい。また、本実施例に
は玉軸受を適用した例を示したが、本発明の適用される
軸受は玉軸受に限定されたものではなく、ころ軸受、す
べり軸受あるいは空気軸受であってもよく、さらにはリ
ニアベアリングにも適用可能である。
【0034】本実施例の制御器10xおよび制御器10
yにはPID制御回路を有したものを示したが、軸受の
用途やコイルの特性等によっては、微分制御回路のみ、
積分制御回路のみ、比例制御回路のみ、あるいはこれら
の組み合わせ制御回路の何れかであってもよい。また、
本実施例のコイル17-1とコイル17-2、コイル17-3
とコイル17-4、コイル17-5とコイル17-6、そして
コイル17-7とコイル17-8の各々は並列に接続されて
いるが、各々直列接続であってもよい。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ケーシング内面に固定された磁気誘導手段が、回転軸の
外周面に固定された被誘導手段を、軸受にかかる荷重方
向と対向する方向に磁気誘導し、軸受にかかる荷重を低
減させる。さらに制御手段は、検出手段の出力と基準値
とに基づいて磁気誘導手段を制御し、軸受にかかる荷重
の変化に対応するので、軸受の寿命を延ばし、機械装置
のコストダウンや小型化、さらには軸受のメンテナンス
フリー化も可能な軸受荷重の制御装置が実現可能である
という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例にかかる軸受け荷重の制御装
置の構成を示す概略構成図である。
【図2】同実施例における軸受および軸受荷重の制御装
置1の構成を示す放射断面図である。
【図3】同実施例における制御器10xの精細な構成を
示す接続図である。
【符号の説明】
1 軸受および軸受荷重の制御装置 2 回転軸 3 ケーシング 4 軸受 5 ロードセンサ 6 1次ヨーク 6-1〜6-8 コア 7 2次ヨーク 10x、10y 制御器 11x、11y 減算器 12x、12y PID制御回路 17-1〜17-8 コイル Sx、Sy 荷重信号 S0x、S0y 軸受荷重指令信号

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転軸と、 前記回転軸が貫通するケーシングと、 前記ケーシングの一端面に前記回転軸を回動自在に支持
    する軸受と、 前記ケーシング内面の、少なくとも前記軸受にかかる荷
    重方向と対向する位置に固定された磁気誘導手段と、 前記磁気誘導手段と対向する前記回転軸の外周面に固定
    され、前記磁気誘導手段に磁気誘導される被誘導手段と
    を具備することを特徴とする軸受荷重の制御装置。
  2. 【請求項2】 前記磁気誘導手段は、 前記回転軸に取り付けられた2次ヨークと、 前記2次ヨークに対向配置された1次ヨークと、 前記1次ヨークに巻回されたコイルとから構成されるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の軸受荷重の制御装置。
  3. 【請求項3】前記軸受にかかる荷重を検出する検出手段
    と、 前記検出手段の出力と基準値とを比較する比較回路と、
    前記比較手段の出力の比例値、微分値、ならびに積分値
    に基づく制御信号を生成するPID制御回路とを有し、
    前記磁気誘導手段を制御する制御手段とを具備し、 前記PID制御回路の出力に基づいて前記磁気誘導手段
    を制御することを特徴とする請求項2に記載の軸受荷重
    の制御装置。
JP7078021A 1995-04-03 1995-04-03 軸受荷重の制御装置 Pending JPH08277845A (ja)

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