KR20210025588A - 예압 센서, 베어링 장치, 베어링 및 스페이서 - Google Patents
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Abstract
예압 센서(11)는 제1 주면(SF)과 제2 주면(SB)을 갖는 막형상의 저항체(16)와, 저항체(16)에 접속되는 제1 전극(15F), 제2 전극(15B)을 구비한다. 저항체(16)는 제1 주면(SF)과 제2 주면(SB)의 사이에 작용하는 압력에 따라서 제1 전극(15F)과 제2 전극(15B) 사이의 직류 저항이 변화하도록 구성된다. 제1 주면(SF)은 베어링(5)의 단면을 향하여 배치된다. 제2 주면(SB)은 베어링(5)의 단면에 대향하는 베어링(5)에 예압을 주는 부재의 단면(7)을 향하여 배치된다. 이와 같은 구성으로 함에 의해 간단한 구성으로 베어링의 예압을 측정하는 것이 가능한 예압 센서를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 공작 기계의 주축 스핀들 등에 사용되는 베어링의 예압을 검출하는 예압 센서 및 예압 센서를 구비한 베어링 장치, 베어링 및 스페이서에 관한 것이다.
공작 기계의 스핀들 장치에서는 가공 정밀도 및 효율의 향상을 위해 베어링의 예압 관리가 요구되고 있고, 그 때문에 베어링의 예압을 검출하는 요구가 있다. 또한, 베어링에 이상이 일어나기 전에 그 징조를 검출하여 베어링의 이상을 미연에 방지하는 요구도 있다.
일본 특개2008-286219호 공보(특허 문헌 1)에서는 축방향으로 나열하는 복수의 구름 베어링의 사이에 스페이서를 개재시킨 베어링 장치에서, 스페이서의 일부분을 자왜(magnetostrictive) 재료로 구성함과 함께, 스페이서 중 자왜 재료로 이루어지는 부분의 나머지 부분의 적어도 일부를 비자성 재료로 구성하고, 자왜 재료 부분의 자기 특성의 변화로부터 베어링의 예압을 검출한다.
일본 특개2008-286219호 공보(특허 문헌 1)에 개시된 베어링 장치에서는 외륜 스페이서가 2분할된 한 쌍의 스페이서 부재의 사이에 자왜재를 끼워 넣은 구조이기 때문에, 구조가 복잡하고, 한 쌍의 스페이서 부재가 분리하지 않도록 유지한 상태로 하우징에 넣을 필요가 있으며 조립이 곤란하다.
또한, 자왜재를 이용한 예압 검출에서는 자왜 재료의 선정 외에, 출력 신호의 온도 드리프트나 히스테리시스 등의 저감이 과제가 된다.
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 간단한 구성으로 베어링의 예압을 측정하는 것이 가능한 예압 센서 및 예압 센서를 구비한 베어링 장치, 베어링 및 스페이서를 제공하는 것이다.
본 개시의 예압 센서는 내륜, 외륜, 전동체를 포함하는 베어링의 예압을 검출하는 예압 센서이다. 예압 센서는 제1 주면과 제2 주면을 갖는 막형상의 감압 부재와, 감압 부재에 전기적으로 접속되는 제1 전극 및 제2 전극을 구비한다. 감압 부재는 제1 주면과 제2 주면의 사이에 작용하는 압력에 따라서 제1 전극과 제2 전극 사이의 직류 저항이 변화하도록 구성된다. 감압 부재의 제1 주면은 베어링의 단면을 향하여 배치되고, 제2 주면은 단면에 대향하는 베어링에 예압을 주는 부재의 대향면을 향하여 배치된다.
바람직하게는 감압 부재는 절연막과, 절연막상에 형성되고 면압의 변화로 저항이 변화하는 박막 패턴과, 박막 패턴상에 형성되고 박막 패턴을 보호하는 보호막을 포함하는 박막 센서이다.
바람직하게는 감압 부재는 제1 절연층과, 제1 전극이 접속되는 제1 전극층과, 감압 잉크 또는 감압 고무로 형성되는 감압층과, 제2 전극이 접속되는 제2 전극층과, 제2 절연층을 포함한다. 제1 주면과 제2 주면의 사이에 제1 절연층, 제1 전극층, 감압층, 제2 전극층, 제2 절연층이 차례로 배치된다.
본 개시의 다른 국면인 베어링 장치는 상기한 예압 센서와, 베어링과, 베어링에 인접하여 배치되는 스페이서를 구비한다. 베어링에 예압을 주는 부재는 스페이서이다. 제1 주면이 단면에 접하고, 제2 주면이 대향면에 접하도록 예압 센서가 배치된다.
바람직하게는 베어링은 제1 베어링이고, 베어링 장치는 제2 베어링을 더 구비한다. 스페이서는 제1 베어링과 제2 베어링의 사이에 배치되고, 제1 베어링과 제2 베어링은 배면 조합이 되도록 배치되고, 제1 베어링의 외륜 단면과 스페이서의 외륜 스페이서 단면의 사이에 예압 센서가 배치된다.
바람직하게는 베어링은 제1 베어링이고, 베어링 장치는 제2 베어링을 더 구비한다. 스페이서는 제1 베어링과 제2 베어링의 사이에 배치된다. 제1 베어링과 제2 베어링은 정면 조합이 되도록 배치된다. 제1 베어링의 내륜 단면과 스페이서의 내륜 스페이서 단면의 사이에 예압 센서가 배치된다.
바람직하게는 스페이서는 내륜 스페이서와 외륜 스페이서를 포함한다. 베어링 장치는 내륜 스페이서의 외주면에 배치되고, 전력 수신부와 센서 신호 송신부와 센서 신호 처리부를 내장한 센서 신호 송신기와, 외륜 스페이서의 내주면에 배치되고, 전력 수신부에 비접촉으로 급전하는 공급 전력 송신부와 센서 신호 송신부로부터 비접촉으로 센서 신호를 수신하는 센서 신호 수신부를 내장한 센서 신호 수신기를 더 구비한다. 센서 신호 송신부는 전력 수신부로부터 전력이 공급되고, 예압 센서의 출력을 비접촉으로 센서 신호 수신기측에 송신한다.
바람직하게는 베어링에 예압이 인가되는 경로상에 배치되는 스페이서의 단면에는 볼록부가 마련되고, 볼록부의 돌출면에 감압 부재가 배치된다.
보다 바람직하게는 스페이서는 내륜 스페이서와 외륜 스페이서를 포함한다. 외륜 스페이서 또는 내륜 스페이서는 볼록부를 포함하는 제1 부재와, 제1 부재가 감입되는 오목부가 형성된 제2 부재를 포함한다.
보다 바람직하게는 베어링 장치는 볼록부에 배치된 감압 부재와 베어링의 단면의 사이에 배치된 중간 스페이서를 더 구비한다.
본 개시의 또한 다른 국면인 베어링은 제1 주면이 단면에 접하도록 상기한 예압 센서가 내륜 또는 외륜에 형성된다.
본 개시의 또한 다른 국면인 스페이서는 제2 주면이 대향면에 접하도록 상기한 예압 센서가 내륜 스페이서 또는 외륜 스페이서에 형성된다.
본 발명에 의하면, 간단한 구성으로 베어링의 예압을 측정하는 것이 가능한 예압 센서 및 예압 센서를 구비한 베어링 장치, 베어링 및 스페이서를 실현할 수 있고, 베어링의 보수, 관리를 용이하게 행할 수 있다.
도 1은 실시의 형태 1의 베어링 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 2는 예압 센서의 배치 부분을 확대하여 도시한 단면도.
도 3은 감압 시트(13)의 구조례를 도시하는 도면.
도 4는 감압 시트에 의해 구성한 예압 센서의 예압과 저항의 관계를 도시하는 도면.
도 5는 외륜 스페이서의 단면에 박막 센서를 형성한 구조를 도시하는 도면.
도 6은 박막 센서에 의해 구성한 예압 센서의 예압과 저항의 관계를 도시하는 도면.
도 7은 박막 센서를 사용한 경우의 저항 변화를 검출하는 회로를 도시하는 도면.
도 8은 실시의 형태 2의 베어링 장치에 이용되는 예압 센서의 구성을 도시하는 도면.
도 9는 도 8의 화살표(B) 방향에서 본 외륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면.
도 10은 도 8에 도시한 구성의 변형례를 도시하는 도면.
도 11은 도 10의 화살표(B2) 방향에서 본 외륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면.
도 12는 실시의 형태 2의 베어링 장치의 변형례의 구성을 도시하는 단면도.
도 13은 실시의 형태 3의 베어링 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 14는 신호 송신기(24)와 신호 수신기(25)의 구성과 예압 센서(61)의 접속 상태를 도시하는 도면.
도 15는 실시의 형태 4의 베어링 장치에 이용되는 예압 센서의 구성을 도시하는 도면.
도 16은 도 15의 화살표(C) 방향에서 본 내륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면.
도 17은 도 15에 도시한 구성의 변형례를 도시하는 도면.
도 18은 도 17의 화살표(C2) 방향에서 본 내륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면.
도 2는 예압 센서의 배치 부분을 확대하여 도시한 단면도.
도 3은 감압 시트(13)의 구조례를 도시하는 도면.
도 4는 감압 시트에 의해 구성한 예압 센서의 예압과 저항의 관계를 도시하는 도면.
도 5는 외륜 스페이서의 단면에 박막 센서를 형성한 구조를 도시하는 도면.
도 6은 박막 센서에 의해 구성한 예압 센서의 예압과 저항의 관계를 도시하는 도면.
도 7은 박막 센서를 사용한 경우의 저항 변화를 검출하는 회로를 도시하는 도면.
도 8은 실시의 형태 2의 베어링 장치에 이용되는 예압 센서의 구성을 도시하는 도면.
도 9는 도 8의 화살표(B) 방향에서 본 외륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면.
도 10은 도 8에 도시한 구성의 변형례를 도시하는 도면.
도 11은 도 10의 화살표(B2) 방향에서 본 외륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면.
도 12는 실시의 형태 2의 베어링 장치의 변형례의 구성을 도시하는 단면도.
도 13은 실시의 형태 3의 베어링 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 14는 신호 송신기(24)와 신호 수신기(25)의 구성과 예압 센서(61)의 접속 상태를 도시하는 도면.
도 15는 실시의 형태 4의 베어링 장치에 이용되는 예압 센서의 구성을 도시하는 도면.
도 16은 도 15의 화살표(C) 방향에서 본 내륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면.
도 17은 도 15에 도시한 구성의 변형례를 도시하는 도면.
도 18은 도 17의 화살표(C2) 방향에서 본 내륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 관해 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 도면에서 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 번호를 붙이고, 그 설명은 반복하지 않는다.
[실시의 형태 1]
도 1은 실시의 형태 1의 베어링 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 베어링 장치(1)는 예를 들면, 공작 기계의 빌트인 모터 방식의 스핀들 장치에 응용된다. 이 경우, 베어링 장치(1)로 지지되어 있는 주축(4)의 일방단측에는 도시하지 않은 모터가 조립되고, 타방단에는 엔드 밀 등의 절삭 공구가 접속된다. 또한, 도 1에 도시하는 베어링 장치(1)의 구조는 회전 중심축(O-O)을 중심으로 하여 상하 대칭이지만, 회전 중심축(O-O)보다 아래의 부분은 도시를 생략하고 있다.
베어링 장치(1)는 베어링(5)과, 베어링(5)에 인접하여 배치되는 스페이서(6)와, 예압 센서(11)를 구비한다. 주축(4)은 외통(2)의 내경부에 매설된 하우징(3)에 복수의 베어링(5)에 의해 회전 자유롭게 지지된다. 각 베어링(5)은 내륜(5i)과, 외륜(5g)과, 전동체(T)와, 유지기(Rt)를 포함한다. 스페이서(6)는 내륜 스페이서(6i)와, 외륜 스페이서(6g)를 포함한다.
주축(4)에는 축방향으로 이격한 복수의 베어링(5)이 죄어 끼우는 상태(압입 상태)로 감합되어 있다. 내륜(5i-5i) 사이에는 내륜 스페이서(6i)가 배치되고, 외륜(5g-5g) 사이에는 외륜 스페이서(6g)가 배치된다.
베어링(5)은 내륜(5i)과 외륜(5g)의 사이에 복수의 전동체(T)를 배치한 구름 베어링이고, 이들 전동체(T)는 유지기(Rt)로 간격이 유지되어 있다. 베어링(5)은 축방향의 예압을 부여하는 것이 가능한 베어링이고, 앵귤러 볼 베어링, 심구(deep groove) 볼 베어링, 또는 테이퍼 구름 베어링 등을 이용할 수 있다. 도 1에 도시하는 베어링 장치(1)에는 앵귤러 볼 베어링이 이용되고, 2개의 베어링(5)이 배면 조합(DB 조합)으로 설치되어 있다.
하우징(3)에는 냉각 매체 유로(G)가 형성된다. 하우징(3)과 외통(2)의 사이에 냉각 매체를 흐르게 함에 의해 베어링 장치(1)를 냉각할 수 있다.
조립시에는 처음에 주축(4)에 베어링(5), 스페이서(6), 베어링(5), 스페이서(9)의 순서로 삽입하고, 너트(10)로 죄어 초기 예압이 부여되어진 것을 도 1에서의 우측 베어링(5) 외륜(5g)의 우측이 하우징(3)에 마련된 단차부(3a)에 꽉 눌릴 때까지 삽입하고, 그 후, 앞덮개(12)에 의해 좌측의 베어링(5)의 외륜(5g)을 누름으로써 하우징(3)에 고정된다.
너트(10)를 체결함에 의해 우측의 베어링(5)의 내륜(5i)의 단면에 힘이 작용하고, 스페이서(9)를 통하여 내륜(5i)이 내륜 스페이서(6i)를 향하여 이동한다. 이 힘은 내륜(5i), 전동체(T), 외륜(5g)에 전해져 오른쪽 베어링(5)에 예압을 줌과 함께, 외륜(5g)으로부터 외륜 스페이서(6g)에도 전해진다. 외륜 스페이서(6g)로부터 우측의 외륜(5g)에는 미는 힘이 작용하고, 이 힘은 좌측의 베어링(5)에서 외륜(5g), 전동체(T), 내륜(5i)으로 전해지고, 좌측의 베어링(5)에도 예압을 준다. 내륜(5i)의 이동량은 예를 들면 외륜 스페이서(6g)와 내륜 스페이서(6i)의 폭의 치수차에 의해 정해진다. 이 이동량에 따라서 베어링(5)에 예압이 부여된다. 도 1, 도 2에 도시하는 예압 센서(11)는 외륜(5g)과 외륜 스페이서(6g)의 사이에 배치되어 있는데, 예압을 발생시키는 힘의 전달 경로라면 다른 장소라도 좋다. 예를 들면, 예압 센서(11)는 스페이서(9)와 내륜(5i)의 사이에 배치되어도 좋다.
도 2는 예압 센서의 배치 부분을 확대하여 도시한 단면도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이 외륜 스페이서(6g)의 내주면과 외주면을 잇는 단면(7)중의 적어도 일방(도 1의 좌측)에는 외륜(5g)의 단면과 접촉하는 위치에 예압 센서(11)가 배치된다. 예압 센서(11)에 인가되는 하중과 예압 센서(11)의 출력의 관계는 미리 측정되어 파악되어 있다. 베어링 장치(1)를 조립할 때에는 외륜(5g)과 외륜 스페이서(6g)가 당접한 상태에 있어서 내륜(5i)과 내륜 스페이서(6i)의 사이에 미리 설계상의 간극이 마련되어 있다. 너트(10)를 체결함에 의해 이 간극이 없어짐과 함께 외륜 스페이서(6g)와 스페이서(9)에 의해 베어링(5)에 예압이 부여된다. 너트(10)를 체결하면, 우측의 베어링(5)에 스페이서(9), 내륜(5i)의 궤동면, 전동체(T), 외륜(5g)의 궤동면, 외륜 스페이서(6g)의 경로로 예압이 인가된다. 또한, 좌측의 베어링(5)에는 외륜 스페이서(6g), 외륜(5g)의 궤동면, 전동체(T), 내륜(5i)의 궤동면의 경로로 예압이 인가된다.
예압 센서(11)의 출력으로부터 예압량을 파악할 수 있다. 이 때문에, 베어링 장치(1)의 조립시에 예압 센서(11)의 출력을 관측하면, 미리 설정한 예압량이 되어 있는지를 확인할 수 있고, 조립 공수를 삭감할 수 있다. 또한, 공작 기계의 운전시에 예압 센서(11)의 출력을 관측하면, 운전시의 발열에 의한 열팽창으로 증가한 예압을 알 수 있다. 운전시의 예압 변화를 관측함에 의해 절삭 성능의 저하나 베어링의 눌어붙음을 사전에 방지할 수 있다.
예압 센서(11)로서는 예를 들면 전기 저항의 변화로부터 면압을 측정하는 감압 시트(13)가 이용된다. 도 3은 감압 시트(13)의 구조례를 도시하는 도면이다.
감압 시트(13)는 수지 필름을 기재(14F, 14B)로 하여 기재(14F, 14B)의 각 표면에 형성한 전극(15F, 15B)의 사이에 감압 잉크나 감압 고무 등의 저항체(16)를 배치한 것이다. 감압 시트(13)는 하중에 따라서 전극 사이의 전기 저항이 변화하기 때문에, 전기 저항과 하중의 관계를 미리 파악해 두면, 하중을 검출할 수 있다. 감압 시트(13)를 링형상으로 형성하여 예압 센서(11)로 한다. 이 예압 센서(11)는 외륜 스페이서(6g)의 내주면과 외주면을 잇는 단면(7)과 외륜(5g)의 내주면과 외주면을 잇는 단면의 사이에 배치된다.
도 2, 도 3을 참조하면, 예압 센서(11)는 제1 주면(SF)과 제2 주면(SB)을 갖는 막형상의 감압 부재(저항체(16))와, 감압 부재의 제1 주면(SF)측에 전기적으로 접속되는 제1 전극(15F)과, 감압 부재의 제2 주면(SB)측에 전기적으로 접속되는 제2 전극(15B)을 구비한다. 감압 부재는 제1 주면(SF)과 제2 주면(SB)의 사이에 작용하는 압력에 따라서 제1 전극(15F)과 제2 전극(15B) 사이의 직류 저항이 변화하도록 구성된다. 제1 주면(SF)은 베어링(5)의 내주면과 외주면을 잇는 단면을 향하여 배치된다. 제2 주면(SB)은 베어링(5)의 단면에 대향하는 베어링(5)에 예압을 주는 부재(도 2에서는 외륜 스페이서(6g))의 단면(7)을 향하여 배치된다.
도 4는 감압 시트에 의해 구성한 예압 센서의 예압과 저항의 관계를 도시하는 도면이다. 도 4에는 횡축에 예압(하중)이 나타나고, 종축에는 저항이 나타나 있다. 도 4에 도시하는 바와 같이 예압이 증가하면, 감압 시트의 두께가 감소하고, 감압 시트의 저항치는 저하되는 경향이 있다.
또는 예압 센서(11)는 외륜 스페이서(6g)의 단면(7)에 직접 성형한 박막 센서(17)라도 좋다. 도 5는 외륜 스페이서의 단면에 박막 센서를 형성한 구조를 도시하는 도면이다. 박막 센서(17)는 외륜 스페이서(6g)의 단면(7)에 절연막(18)을 형성 후, 면압의 변화로 저항이 변화하는 박막 패턴(19)을 형성하고, 그 위에서 보호막(20)이 형성된다. 절연막(18), 박막 패턴(19), 보호막(20)은 스퍼터링 등에 의해 성막된다. 박막 패턴(19)에는 2개의 전극이 접속된다. 2개의 전극 사이의 저항을 측정함에 의해 박막 패턴(19)의 저항치의 변화를 검출할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이 외륜 스페이서(6g)의 단면(7)에 직접, 박막 센서(17)를 형성하면, 외륜 스페이서의 구조를 복잡하게 하는 일 없이 또한, 압력 센서의 실장에 필요한 스페이스도 저감할 수 있고, 베어링 장치를 소형화할 수 있다. 또한 감압 시트(13)와 같이 베이스 기재로서 사용되는 수지 부재가 개재하지 않기 때문에 강성이 높아서, 외륜 스페이서(6g)의 강성을 떨어뜨리는 일 없이 예압(베어링(5)의 축방향에 인가된 하중)을 검출할 수 있다. 따라서 예압 센서를 외륜 스페이서(6g)와 외륜(5g)의 사이에 개재시켜도, 공작 기계로서의 가공 정밀도에 영향이 생기는 것을 피할 수 있다.
절연막(18)이나 보호막(20)은 예를 들면 이산화규소가 이용되고, 박막 패턴(19)은 예를 들면 변형 게이지로 사용되는 금속 합금(구리니켈 합금, 니켈크롬 합금 등 복수의 금속으로 이루어지는 합금)이 이용된다. 예를 들면, 박막 센서로서, 일본 특개2014-071085호 공보에 기재된 박막 센서를 이용해도 좋다.
도 6은 박막 센서에 의해 구성한 예압 센서의 예압과 저항의 관계를 도시하는 도면이다. 도 6에는 횡축에 예압(하중)이 나타나고, 종축에는 저항이 나타나 있다. 도 6에 도시하는 바와 같이 예압이 증가하면, 박막 센서의 저항치도 증가하는 경향이 있다.
도 7은 박막 센서를 사용한 경우의 저항 변화를 검출하는 회로를 도시하는 도면이다. 도 7에 도시하는 센서 신호 처리부(28)는 DC 전원(VSDC)에 접속되는 저항(R1∼R3)과 박막 센서(17)와, 차동 앰프(AMP)를 포함한다. 저항(R1∼R3)과 박막 센서(17)는 브리지 회로를 구성한다. DC 전원(VSDC)의 정극과 부극의 사이에는 저항(R1)과 저항(R2)이 직렬로 접속된다. 또한, DC 전원(VSDC)의 정극과 부극의 사이에는 박막 센서(17)와 저항(R3)이 직렬로 접속된다. 저항(R1)과 저항(R2)의 접속 노드에는 앰프(AMP)의 일방의 입력 노드가 접속된다. 박막 센서(17)와 저항(R3)의 접속 노드에는 앰프(AMP)의 타방의 입력 노드가 접속된다.
도 7에 도시하는 바와 같은 브리지 회로를 구성함에 의해 예압이 변화한 때의 박막 센서(17)의 저항치의 변화를 앰프(AMP)로 검출할 수 있다.
[실시의 형태 2]
도 8은 실시의 형태 2의 베어링 장치에 이용되는 예압 센서의 구성을 도시하는 도면이다. 도 9는 도 8의 화살표(B) 방향에서 본 외륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면이다.
도 9에는 실시의 형태 2에서 이용되는 외륜 스페이서(6gA)의 측면도가 도시되어 있다. 외륜 스페이서(6gA)의 단면(7a)에는 적어도 3개 이상의 볼록부(7b)가 등간격으로 마련된다. 볼록부(7b)의 단면(7c)에는 예압 센서(11)가 배치된다. 예압 센서(11)로서는 감압 시트(13), 또는 박막 센서(17)를 사용할 수 있다. 이 경우, 외륜 스페이서(6g)의 단면과 베어링(5)의 외륜(5g)의 단면은 예압 센서(11)를 통하여 볼록부(7b)의 면적에만 당접하기 때문에, 예압 센서(11)에 인가되는 면압이 높아져서 예압 센서(11)의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 볼록부(7b)는 베어링(5)의 외륜(5g)의 단면을 안정적으로 누르기 위해 외륜 스페이서(6g)에 3개 이상 마련하는 것이 바람직하다.
도 10은 도 8에 도시한 구성의 변형례를 도시하는 도면이다. 도 11은 도 10의 화살표(B2) 방향에서 본 외륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면이다. 도 8, 도 9에 도시한 구성에서는 외륜 스페이서(6g)의 단면(7)에 직접 볼록부(7b)을 마련했다. 이에 대해 도 10, 도 11에 도시하는 구성은 소편(small piece;21)에 마련한 볼록부(21b)의 단면(21c)에 예압 센서(11)가 배치되는 점이 도 8, 도 9에 도시한 구성과 다르다. 소편(21)은 외륜 스페이서(6gB)의 단면(7a)에 마련한 오목부(7d)에 매설되고, 볼트(22)로 외륜 스페이서(6gB)에 고정되어 있다. 소편(21)이라면 사이즈가 외륜 스페이서(6gA)보다도 작기 때문에, 스퍼터 등으로 박막 센서를 형성하는 경우에 처리 장치에 넣기 쉽기 때문에 유리하다. 또한, 볼록부(21b)는 베어링(5)의 외륜(5g)의 단면을 안정적으로 누르기 위해 외륜 스페이서(6gB)에 3개 이상 마련하는 것이 바람직하다.
도 12는 실시의 형태 2의 베어링 장치의 변형례의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 8 또는 도 10에 도시하는 바와 같이 볼록부(7b, 21b)에 예압 센서(11)를 마련하는 경우, 베어링(5)의 외륜(5g) 단면은, 외륜 스페이서(6gA, 6gB)와는 예압 센서(11)를 통하여 볼록부(7b, 21b)에만 당접하게 된다. 이 경우, 베어링(5)의 변형이 우려되는 경우에는 도 12에 도시하는 베어링 장치(1A)와 같이 외륜(5g)과 외륜 스페이서(6g)의 사이에 링형상의 중간 스페이서(23)를 넣고 중간 스페이서(23)에 예압 센서(11)를 부착해도 좋다.
이상 설명한 바와 같이 공작 기계의 스핀들 장치에 전술한 예압 센서(11)를 실장할 수 있다. 이 경우에는 공작 기계 운전중의 베어링 예압 상태를 검출 가능하기 때문에, 베어링의 상태 판단이 용이해지고, 베어링(5)에 이상(예를 들면 눌어붙음)이 일어나기 전에 그 징조를 검출하여 베어링의 이상을 미연에 막을 수 있다.
예를 들면, 베어링 예압이 임계치를 초과한 경우, 또는 예압 상승 변화율이 임계치를 초과한 경우에 눌어붙음이 생길 가능성이 높은 상태라고 판정하고, 절삭 가공을 중지하거나, 회전 속도를 내리거나 하는 등의 대책을 행하여 베어링의 눌어붙음을 방지할 수 있다.
또한, 실시의 형태 1, 2에서는 예압 센서(11) 중 박막 센서(17)를 외륜 스페이서(6g, 6gA)의 금속 표면에 형성했지만, 베어링(5)의 외륜(5g)의 단면에 박막 센서(17)를 형성해도 좋다.
[실시의 형태 3]
실시의 형태 1, 2에서는 2개의 베어링(5)을 배면 조합(DB 조합)으로 했지만, 실시의 형태 3에서는 2개의 베어링(5)을 정면 조합(DF 조합)으로 한 예를 나타낸다.
도 13은 실시의 형태 3의 베어링 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 또한, 도 13에 도시하는 베어링 장치(1B)의 구조는 회전 중심축(O-O)을 중심으로 하여 상하 대칭이지만, 회전 중심축(O-O)보다 아래의 부분은 도시를 생략하고 있다.
베어링 장치(1B)는 베어링(55)과, 베어링(55)에 인접하여 배치되는 스페이서(56)와, 예압 센서(61)를 구비한다. 주축(4)은 외통(2)의 내경부에 매설된 하우징(3)에 복수의 베어링(55)에 의해 회전 자유롭게 지지된다. 각 베어링(55)은 내륜(55i)과, 외륜(55g)과, 전동체(T)와, 유지기(Rt)를 포함한다. 스페이서(56)는 내륜 스페이서(56i)와, 외륜 스페이서(56g)를 포함한다.
실시의 형태 1, 2에서는 너트(10)의 결합력에 의해 예압이 주어졌지만, 베어링(55)을 정면 조합으로 한 경우, 앞덮개(12)를 도시하지 않은 볼트 등으로 체결함에 의해 예압이 주어진다. 앞덮개(12)를 도시하지 않은 볼트 등으로 체결하면, 도 13의 좌측의 베어링(55)에는 외륜(55g), 외륜(55g)의 궤동면, 전동체(T), 내륜(55i)의 궤동면, 내륜(55i), 내륜 스페이서(56i)의 경로로 예압이 인가된다. 또한, 도 13의 우측의 외륜에는 내륜 스페이서(56i), 내륜(55i), 내륜(55i)의 궤동면, 전동체(T), 외륜(55g)의 궤동면, 외륜(55g)의 경로로 예압이 인가된다. 이 때문에, 예압 센서(61)는 내륜 스페이서(56i)와 내륜(55i)이 당접하는 부분인, 내륜 스페이서(56i)의 단면 또는 내륜(55i)의 단면에 마련된다. 또한, 예압 센서(61)의 위치는 예압을 주는 힘이 전해지는 경로상이면 다른 위치라도 좋다.
그러나, 예압 센서(61)를 내륜 스페이서(56i) 또는 내륜(55i)에 마련하면, 이들은 주축(4)과 함께 회전하기 때문에, 예압 센서(61)의 출력을 케이블(CB)로 외부 기기에 송신하기 위해서는 궁리가 필요하다. 이 때문에, 실시의 형태 3에서는 내륜 스페이서(56i)의 외주면에 신호 송신기(24)가 배치된다. 또한, 외륜 스페이서(56g)의 내경면에는 신호 송신기(24)와 대향하는 위치에 신호 수신기(25)가 배치된다. 신호 송신기(24)와 신호 수신기(25)의 사이에서, 비접촉 급전과 비접촉 통신이 행해진다.
도 14는 신호 송신기(24)와 신호 수신기(25)의 구성과 예압 센서(61)의 접속 상태를 도시하는 도면이다.
신호 송신기(24)는 전력 수신부(26)와, 센서 신호 송신부(27)와, 센서 신호 처리부(28)와, 이들을 탑재하는 배선 기판(31)을 포함한다. 배선 기판(31)은 바람직하게는 내륜 스페이서(56i)의 외주면에 따르도록 구부리는 것이 가능하게 구성된다. 신호 송신기(24)는 내륜 스페이서(56i)에 실장한 예압 센서(61)에 전력 수신부(26)에서 얻은 전력을 공급한다. 예압 센서(61)에서 검출된 예압의 신호는 센서 신호 처리부(28)에 의해 비접촉 통신 가능한 신호로 변환되어, 센서 신호 송신부(27)에 의해 신호 수신기(25)에 송신된다.
신호 수신기(25)는 급전 전력 송신부(29)와, 센서 신호 수신부(30)와, 이들을 탑재하는 배선 기판(32)을 포함한다. 배선 기판(32)은 바람직하게는 외륜 스페이서(56g)의 내주면에 따르도록 구부리는 것이 가능하게 구성된다. 신호 수신기(25)는 센서 신호 수신부(30)가 수신한 예압 센서(61)의 예압 정보를 포함하는 신호를 케이블(CB)로 송신하기 쉬운 신호로 변환하여 케이블(CB)을 통하여 외부 기기(100)에 보낸다.
또한, 외부 기기(100)로부터는 신호 수신기(25)에 전원이 공급된다. 이 전력의 일부는 급전 전력 송신부(29)로부터 전력 수신부(26)를 향하여 비접촉으로 송전된다. 전력의 송전은 무선에 의한 것이라도, 또한 광파, 적외선, 초음파에 의한 것, 또는 자기 결합에 의해 행하는 것이라도 좋고 방식은 한정되지 않는다.
[실시의 형태 4]
도 15는 실시의 형태 4의 베어링 장치에 이용되는 예압 센서의 구성을 도시하는 도면이다. 도 16은 도 15의 화살표(C) 방향에서 본 내륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면이다. 도 15, 도 16에 도시하는 바와 같이 내륜 스페이서(56iA)의 단면에 볼록부를 마련하고, 그 단면에 예압 센서(61)를 배치해도 좋다.
도 17은 도 15에 도시한 구성의 변형례를 도시하는 도면이다. 도 18은 도 17의 화살표(C2) 방향에서 본 내륜 스페이서의 일부를 도시하는 도면이다. 도 17, 도 18에 도시하는 구성은 소편(71)에 마련한 볼록부(71b)의 단면(71c)에 예압 센서(61)가 배치되는 점이 도 15, 도 16에 도시한 구성과 다르다. 소편(71)은 내륜 스페이서(56iB)의 단면(56a)에 마련한 오목부(56d)에 매설되고, 볼트(72)로 내륜 스페이서(56iB)에 고정되어 있다.
또한, 실시의 형태 4에서도, 도 12의 중간 스페이서(23)와 같은 중간 스페이서를 내륜 스페이서(56i)와 내륜(5i)의 사이에 삽입해도 좋다.
이상 설명한 바와 같이 실시의 형태 1∼4에서는 베어링의 외륜 단면과 외륜 스페이서가 당접하는 위치, 또는 베어링의 내륜 단면과 내륜 스페이서가 당접하는 위치에 면압을 측정한 예압 센서를 배치하고, 직접, 면압을 측정함으로써, 사전에 측정한 면압과 하중의 관계로부터 베어링 예압량을 측정할 수 있다.
또한, 스페이서에 강성을 낮게 한 기왜부(strain portion)를 마련하는 일 없이 예압을 측정하기 때문에, 베어링 장치의 강성을 저하시키는 일이 없게 예압을 측정할 수 있다. 이 때문에, 예압의 측정이 공작 기계로서의 가공 정밀도에 영향을 주는 것을 피할 수 있다.
또한, 예압 센서로서, 감압 시트, 또는 금속면에 압력 센서를 직접 형성한 박막 센서를 이용하기 때문에, 외륜 스페이서의 구조를 복잡하게 하는 일 없이 또한, 예압 센서의 실장에 필요한 스페이스도 삭감할 수 있어서, 베어링 장치 및 베어링 예압 검출 장치의 소형화에 공헌한다.
이번 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 실시의 형태의 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1, 1A, 1B: 베어링 장치 2: 외통
3: 하우징 3a: 단차부
4: 주축 5, 55: 베어링
5g, 55g: 외륜 5i, 55i: 내륜
6, 9, 56: 스페이서 6g, 6gA, 6gB, 56g, 66g: 외륜 스페이서
6i, 56i, 56iA, 56iB: 내륜 스페이서 7, 7a, 7c, 21c, 56a, 71c: 단면
7b, 21b, 71b: 볼록부 7d, 56d: 오목부
10: 너트 11, 61: 예압 센서
12: 앞덮개 13: 감압 시트
14B, 14F: 기재 15B, 15F: 전극
16: 저항체 17: 박막 센서
18: 절연막 19: 박막 패턴
20: 보호막 21, 71: 소편
22, 72: 볼트 23: 중간 스페이서
24: 신호 송신기 25: 신호 수신기
26: 전력 수신부 27: 센서 신호 송신부
28: 센서 신호 처리부 29: 급전 전력 송신부
30: 센서 신호 수신부 31, 32: 배선 기판
100: 외부 기기 AMP: 앰프
CB: 케이블 R1, R2, R3: 저항
Rt: 유지기 SB: 제2 주면
SF: 제1 주면 T: 전동체
VSDC: 전원
3: 하우징 3a: 단차부
4: 주축 5, 55: 베어링
5g, 55g: 외륜 5i, 55i: 내륜
6, 9, 56: 스페이서 6g, 6gA, 6gB, 56g, 66g: 외륜 스페이서
6i, 56i, 56iA, 56iB: 내륜 스페이서 7, 7a, 7c, 21c, 56a, 71c: 단면
7b, 21b, 71b: 볼록부 7d, 56d: 오목부
10: 너트 11, 61: 예압 센서
12: 앞덮개 13: 감압 시트
14B, 14F: 기재 15B, 15F: 전극
16: 저항체 17: 박막 센서
18: 절연막 19: 박막 패턴
20: 보호막 21, 71: 소편
22, 72: 볼트 23: 중간 스페이서
24: 신호 송신기 25: 신호 수신기
26: 전력 수신부 27: 센서 신호 송신부
28: 센서 신호 처리부 29: 급전 전력 송신부
30: 센서 신호 수신부 31, 32: 배선 기판
100: 외부 기기 AMP: 앰프
CB: 케이블 R1, R2, R3: 저항
Rt: 유지기 SB: 제2 주면
SF: 제1 주면 T: 전동체
VSDC: 전원
Claims (12)
- 내륜, 외륜, 전동체를 포함하는 베어링의 예압을 검출하는 예압 센서로서,
제1 주면과 제2 주면을 갖는 막형상의 감압 부재와,
상기 감압 부재에 전기적으로 접속되는 제1 전극 및 제2 전극을 구비하고,
상기 감압 부재는 상기 제1 주면과 상기 제2 주면의 사이에 작용하는 압력에 따라서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 직류 저항이 변화하도록 구성되고,
상기 제1 주면은 상기 베어링의 단면을 향하여 배치되고, 상기 제2 주면은 상기 단면에 대향하는 상기 베어링에 예압을 주는 부재의 대향면을 향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 예압 센서. - 제1항에 있어서,
상기 감압 부재는,
절연막과,
상기 절연막상에 형성되고, 면압의 변화로 저항이 변화하는 박막 패턴과,
상기 박막 패턴상에 형성되고, 상기 박막 패턴을 보호하는 보호막을 포함하는 박막 센서인 것을 특징으로 하는 예압 센서. - 제1항에 있어서,
상기 감압 부재는,
제1 절연층과,
상기 제1 전극이 접속되는 제1 전극층과,
감압 잉크 또는 감압 고무로 형성되는 감압층과,
상기 제2 전극이 접속되는 제2 전극층과,
제2 절연층을 포함하고,
상기 제1 주면과 상기 제2 주면의 사이에, 상기 제1 절연층, 상기 제1 전극층, 상기 감압층, 상기 제2 전극층, 상기 제2 절연층이 차례로 배치되는 것을 특징으로 하는 예압 센서. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 예압 센서와,
상기 베어링과,
상기 베어링에 인접하여 배치되는 스페이서를 구비하고,
상기 베어링에 예압을 주는 부재는 상기 스페이서이고,
상기 제1 주면이 상기 단면에 접하고, 상기 제2 주면이 상기 대향면에 접하도록 상기 예압 센서가 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치. - 제4항에 있어서,
상기 베어링은 제1 베어링이고,
상기 베어링 장치는 제2 베어링을 더 구비하고,
상기 스페이서는 상기 제1 베어링과 상기 제2 베어링의 사이에 배치되고,
상기 제1 베어링과 상기 제2 베어링은 배면 조합이 되도록 배치되고,
상기 제1 베어링의 외륜 단면과 상기 스페이서의 외륜 스페이서 단면의 사이에 상기 예압 센서가 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치. - 제4항에 있어서,
상기 베어링은 제1 베어링이고,
상기 베어링 장치는 제2 베어링을 더 구비하고,
상기 스페이서는 상기 제1 베어링과 상기 제2 베어링의 사이에 배치되고,
상기 제1 베어링과 상기 제2 베어링은 정면 조합이 되도록 배치되고,
상기 제1 베어링의 내륜 단면과 상기 스페이서의 내륜 스페이서 단면의 사이에 상기 예압 센서가 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치. - 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스페이서는 내륜 스페이서와 외륜 스페이서를 포함하고,
상기 베어링 장치는,
상기 내륜 스페이서의 외주면에 배치되고, 전력 수신부와 센서 신호 송신부와 센서 신호 처리부를 내장한 센서 신호 송신기와,
상기 외륜 스페이서의 내주면에 배치되고, 상기 전력 수신부에 비접촉으로 급전하는 공급 전력 송신부와 상기 센서 신호 송신부로부터 비접촉으로 센서 신호를 수신하는 센서 신호 수신부를 내장한 센서 신호 수신기를 더 구비하고,
상기 센서 신호 송신부는 상기 전력 수신부로부터 전력이 공급되고, 상기 예압 센서의 출력을 비접촉으로 상기 센서 신호 수신기측에 송신하는 것을 특징으로 하는 베어링 장치. - 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베어링에 예압이 인가되는 경로상에 배치된 상기 스페이서의 단면에는 볼록부가 마련되고,
상기 볼록부의 돌출면에 상기 감압 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치. - 제8항에 있어서,
상기 스페이서는 내륜 스페이서와 외륜 스페이서를 포함하고,
상기 외륜 스페이서 또는 상기 내륜 스페이서는 상기 볼록부를 포함하는 제1 부재와, 상기 제1 부재가 감입되는 오목부가 형성된 제2 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 장치. - 제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 볼록부에 배치된 상기 감압 부재와, 상기 베어링의 단면의 사이에 배치된 중간 스페이서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 베어링 장치. - 내륜, 외륜, 전동체를 포함하는 베어링으로서,
상기 제1 주면이 상기 단면에 접하도록, 제1항에 기재된 예압 센서가 상기 내륜 또는 상기 외륜에 형성되는 것을 특징으로 하는 베어링. - 내륜 스페이서와 외륜 스페이서를 포함하는 스페이서로서,
상기 제2 주면이 상기 대향면에 접하도록, 제1항에 기재된 예압 센서가 상기 내륜 스페이서 또는 상기 외륜 스페이서에 형성되는 것을 특징으로 하는 스페이서.
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