WO2022210720A1 - 軸受装置、スピンドル装置および間座 - Google Patents

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WO2022210720A1
WO2022210720A1 PCT/JP2022/015473 JP2022015473W WO2022210720A1 WO 2022210720 A1 WO2022210720 A1 WO 2022210720A1 JP 2022015473 W JP2022015473 W JP 2022015473W WO 2022210720 A1 WO2022210720 A1 WO 2022210720A1
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WO
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load sensor
resistance
spacer
bearing
load
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PCT/JP2022/015473
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孝誌 小池
靖之 福島
勇介 澁谷
大地 近藤
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Ntn株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/54—Systems consisting of a plurality of bearings with rolling friction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C35/00—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers
    • F16C35/08—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers for spindles
    • F16C35/12—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers for spindles with ball or roller bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes

Definitions

  • the present disclosure relates to a bearing device, a spindle device, and a spacer provided with a preload sensor that detects the preload (load) of a bearing used in a main spindle of a machine tool or the like.
  • bearing preload management is required in order to improve processing accuracy and efficiency, so there is a need to detect the bearing preload (load).
  • bearing preload load
  • Patent Document 1 a thin film pattern that is formed on an insulating film and whose resistance changes with changes in surface pressure, and a protective film that is formed on the thin film pattern and protects the thin film pattern.
  • a preload applied to the bearing is detected by arranging the thin film sensor including the thin film sensor as a preload sensor on the end surface of the member that applies preload to the bearing.
  • Patent Document 1 a preload sensor made of a thin film pattern and a resistor form a bridge circuit, and a differential amplifier provided in the subsequent stage outputs the bridge circuit. Preload is detected by amplification.
  • Patent Document 1 does not explain the installation location of the bridge circuit, if the bridge circuit is installed outside the bearing device, the temperature environment of the resistors used in the preload sensor and the bridge circuit will be different.
  • the resistance value of the preload sensor changes according to the temperature coefficient of resistance.
  • the temperature of the bridge circuit does not change and the resistance value does not change, a temperature drift occurs in the output of the differential amplifier due to the temperature change. Therefore, in order to detect an accurate preload amount, it is necessary to perform temperature correction, which complicates preload detection.
  • the resistance of the preload sensor and the bridge circuit will be in the same temperature environment, but if the resistance temperature coefficients of each are different, the balance of the bridge circuit will be lost and the differential amplifier will be affected by the temperature rise. Output temperature drift occurs.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a bearing device, a spindle device, and a spacer that are capable of measuring the preload of a bearing with little temperature drift and a simple configuration. is to provide
  • the present disclosure relates to bearing devices.
  • the bearing device has rolling elements and raceway surfaces, and includes at least one bearing that supports a shaft; a member arranged on a path through which a pressing force that generates a preload between the rolling elements and the raceway surface is transmitted;
  • a load sensor fixed to a member and having a resistance value that changes according to a pressing force, and a resistance circuit including a plurality of resistors connected to the load sensor to form a bridge circuit are provided.
  • the load sensor includes a thin film pattern whose resistance changes according to pressing force, and a protective layer that insulates and protects the thin film pattern.
  • the bearing device of the present embodiment it is possible to reduce the temperature drift when measuring the preload of the bearing with a simple configuration.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a spindle device according to an embodiment
  • FIG. FIG. 2 is an enlarged view of the left main portion of FIG. 1
  • FIG. 3 is a diagram showing a first arrangement example of the load sensor element and the bridge circuit section in the III-III section of FIG. 2
  • 3 is a diagram showing a second arrangement example of the load sensor element and the bridge circuit section in the III-III section of FIG. 2
  • FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the load sensor element 50a along the XX cross section of FIG. 3
  • FIG. 6 is a front view of the load sensor element 50a of FIG. 5; It is a figure which shows the modification of the shape of the thin film pattern of a load sensor element.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a spindle device according to an embodiment
  • FIG. FIG. 2 is an enlarged view of the left main portion of FIG. 1
  • FIG. 3 is a diagram
  • FIG. 10 is a diagram showing a first improvement of the structure of the load sensor element;
  • FIG. 10 is a diagram showing a second improved example of the structure of the load sensor element;
  • FIG. 10 is a diagram showing the structure of a load sensor element that is an improved example of FIG. 9;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the resistance module 60a in the YY cross section of FIG. 3;
  • 12 is a front view of the resistance module 60a of FIG. 11;
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a circuit formed on a substrate 61 of a resistor module 60a;
  • FIG. It is a figure which shows the example which has arrange
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a bridge circuit that detects resistance changes of load sensor elements;
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration for calculating a preload (load) applied to a bearing from the output of a load sensor element;
  • FIG. 10 is a diagram showing a modification in which a bridge circuit is configured with one resistance circuit for a plurality of load sensor elements;
  • FIG. 18 is a diagram showing a first configuration example of a bridge circuit for detecting a resistance change of a load sensor element in the configuration of FIG. 17;
  • FIG. 18 is a diagram showing a second configuration example of a bridge circuit for detecting a resistance change of a load sensor element in the configuration of FIG. 17;
  • It is a figure which shows the modification which changed the fixed position of the load sensor element. It is a side view of the modification which changed the fixing method of the load sensor element. 21. It is an arrow view of the POP cross section of FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the spindle device of this embodiment.
  • 2 is an enlarged view of the left main part of FIG. 1;
  • FIG. FIG. 2 mainly shows the bearing device 30 .
  • the spindle device 1 shown in FIG. 1 is used, for example, as a built-in motor type spindle device for machine tools.
  • a motor 40 is incorporated at one end of a spindle 4 supported by a spindle device 1 for a machine tool spindle, and a cutting tool such as an end mill (not shown) is connected to the other end.
  • the spindle device 1 includes bearings 5a and 5b, a spacer 6 arranged adjacent to the bearings 5a and 5b, a motor 40, and a bearing 16 arranged behind the motor.
  • the main shaft 4 is rotatably supported by a plurality of bearings 5 a and 5 b provided in a housing 3 embedded in the inner diameter of the outer cylinder 2 .
  • the bearing 5a includes an inner ring 5ia, an outer ring 5ga, rolling elements Ta, and a retainer Rta.
  • the bearing 5b includes an inner ring 5ib, an outer ring 5gb, rolling elements Tb, and a retainer Rtb.
  • the spacer 6 includes an inner ring spacer 6i and an outer ring spacer 6g.
  • FIG. 3 is a diagram showing a first arrangement example of the load sensor element and the bridge circuit section in the III-III section of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a second arrangement example of the load sensor element and the bridge circuit section in the III-III section of FIG. 3 and 4, parts unnecessary for explanation are omitted.
  • a load sensor 50 and a resistance circuit 60 are fixed by adhesion or the like to one end face 6ga of the outer ring spacer 6g or one end face of the outer ring 5ga.
  • the load sensor 50 and the resistance circuit 60 form a bridge circuit.
  • the thickness (height from the end surface) of the load sensor 50 is designed to be thicker than the resistance circuit 60, and the structure is such that only the load sensor 50 is pressed.
  • the height of the base of the end face portion of the fixed member may be varied, or the height of the end face portion of the mating member that abuts may be changed.
  • the inner ring 5ia of the bearing 5a and the inner ring 5ib of the bearing 5b, which are separated in the axial direction, are fitted to the main shaft 4 in an interference fit state (press fit state).
  • An inner ring spacer 6i is arranged between the inner rings 5ia and 5ib, and an outer ring spacer 6g is arranged between the outer rings 5ga and 5gb.
  • the bearing 5a is a rolling bearing in which a plurality of rolling elements Ta are arranged between an inner ring 5ia and an outer ring 5ga. These rolling elements Ta are kept at intervals by a retainer Rta.
  • the bearing 5b is a rolling bearing in which a plurality of rolling elements Tb are arranged between an inner ring 5ib and an outer ring 5gb. These rolling elements Tb are kept at intervals by a retainer Rtb.
  • the bearings 5a and 5b are bearings that can be preloaded by axial force, and angular ball bearings, deep groove ball bearings, tapered roller bearings, or the like can be used. Angular ball bearings are used in the bearing device 30 shown in FIG. 2, and two bearings 5a and 5b are installed in a back-to-back combination (DB combination).
  • DB combination back-to-back combination
  • the single-row rolling bearing 16 is a cylindrical roller bearing.
  • a radial load and an axial load acting on the spindle device 1 are supported by the bearings 5a and 5b, which are angular ball bearings.
  • a cooling medium flow path G is formed in the housing 3 .
  • the bearings 5a and 5b can be cooled.
  • lubricating oil supply passages are not required. Note that the lubricating oil supply path is not shown here.
  • the bearing 5a, the spacer 6, the bearing 5b, and the spacer 9 are first inserted into the main shaft 4 in order, and an initial preload is applied by tightening the nut 10. Thereafter, the main shaft 4 to which the bearings 5a and 5b are attached is inserted into the housing 3 until the right side of the outer ring 5gb of the bearing 5b in FIG. Finally, the main shaft 4 is fixed to the housing 3 by pushing the front cover 12 against the outer ring 5ga of the left bearing 5a.
  • a force acts on the end surface of the inner ring 5ib of the bearing 5b through the spacer 9, and the inner ring 5ib is pushed toward the inner ring spacer 6i.
  • This force is transmitted to the inner ring 5ib, the rolling elements Tb, and the outer ring 5gb to apply preload between the raceway surfaces of the inner ring 5ib and the outer ring 5gb and the rolling elements Tb, and is also transmitted from the outer ring 5gb to the outer ring spacer 6g.
  • a pushing force acts on the outer ring spacer 6g from the outer ring 5gb on the right side, and the force is transmitted to the load sensor 50 as well.
  • This pressing force is transmitted to the outer ring 5ga, rolling elements Ta, and inner ring 5ia in the bearing 5a, and preload is also applied between the raceway surfaces of the inner ring 5ia and outer ring 5ga of the left bearing 5a and the rolling elements Ta.
  • the preload applied to bearings 5a and 5b is determined by the amount of movement of nut 10, which is limited by the dimensional difference between the combined width of outer ring spacer 6g and load sensor 50 and the width of inner ring spacer 6i.
  • the inner ring 16a is axially positioned by the cylindrical member 15 fitted to the outer periphery of the main shaft 4 and the inner ring retainer 19. As shown in FIG. The inner ring retainer 19 is retained by a nut 20 screwed onto the main shaft 4 .
  • An outer ring 16 b of the bearing 16 is sandwiched between a positioning member 21 fixed to the end member 17 and a positioning member 18 fixed to the end member 17 .
  • the inner ring 16a slides integrally with respect to the end member 17 as the main shaft 4 expands and contracts.
  • a motor 40 for driving the main shaft 4 is arranged at an axially intermediate position between the bearing 5b and the single-row bearing 16 in the space 22 formed between the main shaft 4 and the outer cylinder 2. .
  • a rotor 14 of the motor 40 is fixed to a cylindrical member 15 fitted on the outer circumference of the main shaft 4
  • a stator 13 of the motor 40 is fixed to the inner circumference of the outer cylinder 2 .
  • a cooling medium flow path for cooling the motor 40 is not shown here.
  • a load sensor 50 that measures the preload (load) of the bearings 5 (5a, 5b) is mounted on a path that transmits the pressing force that generates the preload of the spindle device 1.
  • FIG. 2 the load sensor 50 is fixed to the end surface 6ga of the outer ring spacer 6g by adhesion or the like, contacts the end surface of the outer ring 5ga of the bearing 5a, and is applied to the bearing 5 (5a, 5b). to measure.
  • the load sensor 50 includes a pressure sensor made up of a thin film pattern (thin film resistor).
  • a load sensor 50 that measures a load (preload) from a change in electrical resistance is arranged on the path through which the pressing force that generates the preload is transmitted.
  • a method of detecting the load from changes in the electrical resistance of the load sensor 50 will be described later, but the detected load value is transmitted to the outside using the cable CB, for example.
  • the cable CB is drawn out of the spindle device 1 through grooves 3b and 12a provided in the housing 3 and the front cover 12. As shown in FIG. When the load output is wirelessly transmitted to an external device, the cable CB and the grooves 3b and 12a may not be provided.
  • the load sensor 50 includes a plurality of load sensor elements.
  • Resistor circuit 60 includes a plurality of resistor modules.
  • FIG. 3 shows a first arrangement example of the load sensor elements 50a-50d and the resistance modules 60a-60d mounted on the end surface 6ga of the outer ring spacer 6g.
  • load sensor elements 50a-50d are arranged at equal intervals of 90 degrees in the circumferential direction of the outer ring spacer 6g, and resistance modules 60a-60d are arranged in the vicinity thereof.
  • the load sensor elements 50a to 50c are arranged at equal intervals of 120 degrees in the circumferential direction of the outer ring spacer 6g. Also, the resistance modules 60a to 60c are arranged at equal intervals of 120 degrees in the circumferential direction of the outer ring spacer 6g.
  • the number of load sensor elements included in the load sensor 50 is preferably three or more as long as the end face of the outer ring 5ga is evenly and well-balancedly pushed through the load sensor elements. Moreover, it is preferable to arrange a plurality of load sensor elements at equal intervals on substantially the same circumference.
  • the number of resistance circuits 60 is equal to the number of load sensor elements of the load sensor 50.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the load sensor element 50a taken along the line XX in FIG. 6 is a front view of the load sensor element 50a of FIG. 5.
  • FIG. The load sensor elements 50b to 50d also have the same structure.
  • the load sensor element 50a includes, for example, an insulating substrate 51, a thin film pattern (thin film resistor) 52 arranged on the substrate 51 and whose resistance changes with changes in surface pressure, an electrode 53 connected to the thin film pattern 52, and an insulating protective layer 54 that protects the thin film pattern 52 . Since the protective layer 54 is not formed on the electrodes 53 , wiring can be directly connected to the electrodes 53 .
  • Substrate 51 is made of a ceramic material whose main component is zirconia (ZrO 2 ) or alumina (Al 2 O 3 ), for example.
  • the ceramic material is highly rigid and highly insulating, and is convenient because the surface flatness of the substrate 51 can be processed with high accuracy.
  • the thickness of the substrate 51 is preferably 0.3 mm or more and 5 mm or less, for example.
  • the thin film pattern 52 is made of, for example, nickel chromium (NiCr) or chromium (Cr) based material, and is deposited by vapor deposition, sputtering, or the like.
  • the thickness of the thin film pattern is, for example, 1 ⁇ m or less.
  • a thin film of an insulating material such as alumina (Al 2 O 3 ) or silicon dioxide (SiO 2 ) is formed as the protective layer 54 by sputtering or the like.
  • the film thickness of the protective layer 54 is, for example, approximately 2 ⁇ m.
  • the surface of the electrode 53 may be coated with a material such as copper, silver, or gold.
  • the upper surface of the substrate 51 on which the thin film pattern 52 is formed should be polished so that its flatness is 1 ⁇ m or less. Moreover, it is preferable to set the parallelism between the upper surface and the lower surface of the substrate 51 to 1 ⁇ m or less.
  • the resistance value of the thin film pattern 52 (the resistance value between the two electrodes 53) is set in the range of several tens of ohms to several hundreds of ohms, and the temperature coefficient of resistance, which indicates the rate at which the resistance changes with temperature changes coefficient indicating the rate at which the value changes) is set to, for example, 10 ppm/° C. or less.
  • the temperature coefficient of resistance is set to 1 ppm/°C or less.
  • the thin film pattern is formed on the substrate 51 which is a component separate from the outer ring spacer 6g, manufacturing becomes easier than forming the thin film pattern directly on the outer ring spacer 6g.
  • each of the load sensor elements 50a to 50d is sandwiched and pressed between the end face 6ga of the outer ring spacer 6g and the end face of the outer ring 5ga of the bearing 5a.
  • the substrate 51 of each of the load sensor elements 50a to 50d contacts the end surface 6ga of the outer ring spacer 6g
  • each protective layer 54 contacts the end surface of the outer ring 5ga of the bearing 5a
  • each thin film pattern 52 contacts the substrate 51. and the protective layer 54 are pressed.
  • each of the load sensor elements 50a to 50d is set in consideration of each material property value of each of the load sensor elements 50a to 50d. Also, here, each of the load sensor elements 50a to 50d has a rectangular shape, but the shape is not limited to this.
  • FIG. 7 is a diagram showing a modification of the shape of the thin film pattern of the load sensor element.
  • the thin film pattern 52 has a U-shape in the example of FIG. 6, the thin film pattern 52 may have a continuous rectangular pattern like the load sensor 50a1 shown in FIG. By forming a continuous rectangular pattern on the substrate 51, the pressure-sensitive length of the thin film pattern 52 is increased, and the load can be stably detected.
  • the shape of the thin film pattern 52 is not limited to the shapes shown in FIGS.
  • FIG. 8 is a diagram showing a first improvement of the structure of the load sensor element.
  • the protective layer 54 is a thin film made of an insulating material by vapor deposition or sputtering , but in the load sensor element 150a shown in FIG .
  • a plate material made of a composite ceramic material is used as the protective layer 54A.
  • the protective layer 54A is adhesively fixed so as to cover the thin film pattern 52 formed on the surface of the substrate 51 via an adhesive layer 55 made of an adhesive.
  • the plate thickness of the protective layer 54A is, for example, about 0.3 mm to 5 mm, which is the same as the plate thickness of the substrate 51 .
  • the protective layer 54A If a plate material made of an insulating material is used as the protective layer 54A, it is sufficient to adhere and fix the plate material made of an insulating material to the upper surface of the thin film pattern 52 as the protective layer 54A. Easier to manufacture. Moreover, the insulation between the thin film pattern 52 and the outer ring 5ga can be further increased, and the load can be stably detected. In addition, since the thin film pattern 52 is pressed through the adhesive layer 55, the adhesive layer 55 acts as a cushion layer and can uniformly press the thin film pattern 52, thereby improving load detection accuracy.
  • FIG. 9 is a diagram showing a second improved example of the structure of the load sensor element. 5 and 8, an insulating material is used as the substrate 51, but in the load sensor element 250a shown in FIG. 9, a metal material is used as the substrate 51A, and an insulating layer 58 is formed on the surface thereof.
  • the insulating layer 58 is made of an insulating material, and for example, a thin film of alumina (Al 2 O 3 ) or silicon dioxide (SiO 2 ) is formed by sputtering or the like.
  • the film thickness of the insulating layer 58 is, for example, approximately 2 ⁇ m.
  • the metal material of the substrate 51A for example, the same material as the outer ring spacer 6g, such as bearing steel (SUJ2) is used. Carbon steel (such as S45C) is used other than bearing steel. After cutting these metal materials to a certain size, they are heat-treated. After that, the surfaces requiring high processing accuracy are polished and lapped to achieve the target flatness and surface roughness. For example, the flatness is 1 ⁇ m or less and the surface roughness is Ra 0.1 or less.
  • a thin film pattern (thin film resistor) 52 whose resistance changes with a change in surface pressure and an electrode 53 connected thereto are formed in the same manner as in FIG. Furthermore, a protective layer 54 having insulating properties for protecting the thin film pattern 52 is formed. Since the protective layer 54 is not formed on the electrodes 53 , wiring can be directly connected to the electrodes 53 .
  • protective layer 54 a thin film of alumina (Al 2 O 3 ) or silicon dioxide (SiO 2 ) is formed by, for example, sputtering. These film thicknesses are, for example, approximately 2 ⁇ m.
  • the substrate 51A will not crack due to the load, and reliability will improve. Forming the thin film pattern 52 on the substrate 51A made of a metal piece is easier than forming the thin film pattern 52 directly on the end surface of the outer ring spacer 6g, and the manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 10 is a diagram showing the structure of a load sensor element that is an improved example of FIG.
  • the protective layer 54 is a thin film made of an insulating material by vapor deposition or sputtering , but in the load sensor element 350a shown in FIG .
  • a plate material made of a composite ceramic material is used as the protective layer 54A.
  • the protective layer 54A is adhesively fixed so as to cover the thin film pattern 52 formed on the surface of the substrate 51 via an adhesive layer 55 made of an adhesive.
  • the plate thickness of the protective layer 54A is, for example, about 0.3 mm to 5 mm, which is the same as the plate thickness of the substrate 51 .
  • a plate material made of an insulating material as the protective layer 54A facilitates manufacturing compared to film formation by sputtering or the like. Moreover, the insulation from the thin film pattern 52 can be further increased, and the load can be stably detected. In addition, since the thin film pattern 52 is pressed through the adhesive layer 55, the adhesive layer 55 acts as a cushion layer and can uniformly press the thin film pattern 52, thereby improving load detection accuracy.
  • an insulating film made of an insulating material may be formed on a plate made of a metal material, and the side on which the insulating film is formed may face the thin film pattern 52 side. In this case, cracking of the protective layer 54A can be prevented.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the resistance module 60a along the YY cross section of FIG. 12 is a front view of the resistor module 60a of FIG. 11.
  • FIG. FIG. 13 is a circuit diagram of a circuit formed on the substrate 61 of the resistance module 60a.
  • the resistance modules 60b to 60d also have the same configuration as the resistance module 60a.
  • the resistor module 60a includes, for example, a substrate 61 having an insulating property, resistors R (R1, R2, R3) made up of a thin film pattern (thin film resistor) 62 arranged on the substrate 61, and an electrode T (T1 , T2, T3, T4).
  • a protective layer 64 may be provided on the surface layer of the thin film pattern 62 excluding the electrodes T.
  • a bridge circuit can be formed with the resistor R.
  • Substrate 61 is made of a ceramic material whose main component is zirconia (ZrO 2 ) or alumina (Al 2 O 3 ), for example.
  • the thickness of the substrate 61 is selected, for example, within a range of 0.3 mm or more and 5 mm or less. Since the resistance module 60a is made thinner than the load sensor element 50a, the resistance module 60a is not pressed.
  • the thin film pattern 52 of the load sensor element 50a and the resistor R of the resistance module 60a are provided on separate substrates, even when the load sensor element 50a is pressed, the resistance module 60a is not pressed and the substrate 61 is deformed. Therefore, the change in the resistance value of the resistor R due to substrate deformation is suppressed.
  • the thin film pattern 62 is made of, for example, the same nickel chromium (NiCr) or chromium (Cr) material as the load sensor element 50a, and is deposited by vapor deposition, sputtering, or the like.
  • the thickness of the thin film pattern is, for example, 1 ⁇ m or less.
  • the protective layer 64 is made of an insulating material, and is formed with a thin film of alumina (Al 2 O 3 ) or silicon dioxide (SiO 2 ), for example, by sputtering.
  • the film thickness of the protective layer 64 is, for example, approximately 2 ⁇ m.
  • a cured resin or silicone adhesive may be used as the protective layer 64 .
  • the surface of the electrode T may be coated with a material such as copper, silver, or gold to facilitate soldering with wiring.
  • the resistance values and resistance temperature coefficients of the resistors R1 to R3 and the resistance value and resistance temperature coefficient of the load sensor element 50a can be matched. becomes easier. If the resistance values of the resistors R1 to R3 vary, the resistance values may be adjusted by laser trimming, for example.
  • a chip resistor whose resistance value and temperature coefficient of resistance are close to those of the load sensor element 50a.
  • a variable resistor (not shown) may be connected in series with any one of the resistors R1 to R3.
  • the present embodiment has shown an example in which the resistor circuit and the load sensor element of the bridge circuit are provided on separate substrates.
  • the load sensor element and the resistors of the bridge circuit may be made of the same thin film material and arranged on the same substrate.
  • the load sensor element and the resistor can be manufactured at once in the same process.
  • the resistors of the bridge circuit are arranged in positions where they are not pressed. Using the same substrate enables cost reduction, miniaturization, and a reduction in assembly man-hours due to a reduction in the number of parts.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example in which a processing unit that electrically processes the output of the load sensor is arranged on the outer ring spacer.
  • the load sensor elements 50a to 50d, the resistance modules 60a to 60d, and the processing section 70 are fixed to one end surface 6ga of the outer ring spacer 6g.
  • the load sensor elements 50a to 50d are fixed to the end face 6ga at equal intervals in the circumferential direction.
  • the resistor modules 60a to 60d are fixed to the end surface 6ga at equal intervals in the circumferential direction.
  • the processing unit 70 has a shape that does not interfere with, for example, the load sensor elements 50a to 50d and the resistance modules 60a to 60d. Moreover, the processing portion 70 is manufactured so that the surface height thereof is lower than that of each of the load sensor elements 50a to 50d, thereby preventing contact between the outer ring 5ga and the processing portion 70.
  • FIG. 1 A block diagram illustrating an exemplary computing environment in accordance with the present disclosure.
  • each of the resistance modules 60a to 60d is also set to be thinner than each of the load sensor elements 50a to 50d, so that the outer ring 5ga and the resistance modules 60a to 60d do not contact each other. Therefore, even if the load sensor elements 50a to 50d are pressed, the resistance values of the resistors R of the resistance modules 60a to 60d do not change, so the load can be detected.
  • the outputs of the load sensor elements 50a to 50d and the resistance modules 60a to 60d are connected to the processing section 70 by wirings 71 and 76.
  • the processing unit 70 is equipped with circuit units 72a to 72d that detect and amplify resistance changes of the load sensor elements 50a to 50d, respectively, and obtain output values corresponding to the resistance changes. Further, the calculation unit 73 may be arranged in the processing unit 70 . The calculation unit 73 may process the resistance change amount of the plurality of load sensor elements 50a to 50d, convert it into the load applied to the outer ring spacer 6g, and output it to the outside.
  • the resistance modules 60a to 60d are arranged on the end surface 6ga of the outer ring spacer 6g here, the functions of the resistance modules 60a to 60d may be implemented in the processing section .
  • commercially available chip resistors can be used as the resistors R1, R2 and R3 included in each of the resistor modules 60a-60d.
  • a chip resistor is mounted on the processing unit 70 .
  • a variable resistor (not shown) is mounted in series with the resistor that requires fine adjustment, and by adjusting the variable resistor, the resistance can be balanced. good.
  • FIG. 15 is a diagram showing the configuration of a bridge circuit that detects changes in resistance of the load sensor element.
  • the circuit portion 72 shown in FIG. 15 includes circuit portions 72a to 72d.
  • the circuit section 72a includes a resistor module 60a connected to a DC power supply VSDC, a load sensor element 50a, and a differential amplifier AMPa.
  • the circuit portion 72b includes a resistance module 60b connected to the DC power supply VSDC, a load sensor element 50b, and a differential amplifier AMPb.
  • the circuit portion 72c includes a resistor module 60c connected to the DC power supply VSDC, a load sensor element 50c, and a differential amplifier AMPc.
  • the circuit section 72d includes a resistance module 60d connected to the DC power supply VSDC, a load sensor element 50d and a differential amplifier AMPd.
  • Each of the resistor modules 60a-60d includes resistors R1-R3.
  • Each of the resistors R1-R3 and the load sensor elements 50a-50d constitutes a bridge circuit.
  • a resistor R1 and a resistor R2 are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC power supply VSDC.
  • a load sensor element 50a and a resistor R3 are connected in series between the positive and negative terminals of the DC power supply VSDC.
  • One input node of the differential amplifier AMPa is connected to the connection node between the resistors R1 and R2.
  • the other input node of the differential amplifier AMPa is connected to the connection node between the load sensor element 50a and the resistor R3.
  • load sensor elements 50b to 50d and differential amplifiers AMPb to AMPd are connected instead of the load sensor element 50a and the differential amplifier AMPa in the configuration of the circuit section 72a.
  • the resistance change of the load sensor elements 50a to 50d when the load changes is detected by the differential amplifiers AMPa to AMPd, and the output value S (Sa, Sb, Sc, Sd) is detected. can be obtained.
  • each of the load sensor elements 50a to 50d is placed in the same environment as one of the corresponding resistance modules 60a to 60d, since they are placed in close proximity to each other. If the temperature coefficients of resistance are the same, the resistance value of the resistor module will change in the same way even if the temperature changes. Therefore, the resistance balance of the resistance modules 60a to 60d is maintained even if the temperature changes, so that the output temperature drift of the differential amplifiers AMPa to AMPd due to the temperature change can be suppressed. Therefore, it is possible to eliminate the step of correcting the outputs of the load sensor elements 50a to 50d using the temperature sensor values.
  • the differential amplifiers AMPa to AMPd of the circuit sections 72b to 72d perform electrical processing in the vicinity of the load sensor elements 50a to 50d, respectively, so electrical noise can be reduced.
  • the number of wires drawn out to the outside can be reduced, and the assembly of the bearing device 30 and the spindle device 1 is facilitated.
  • FIG. 16 is a diagram showing a configuration for calculating the preload (load) applied to the bearing from the output of the load sensor element.
  • load preload
  • the calculation circuit shown in FIG. 16 includes an arithmetic unit 73 for arithmetic processing of the output values S (Sa to Sd) of the bridge circuit including the load sensor 50 (load sensor elements 50a to 50d), and an output value S measured in advance and the load.
  • a storage unit 74 is provided for storing relationships or approximate expressions.
  • the calculator 73 calculates the load from the output value S and the data in the memory 74 .
  • the calculation unit 73 and the storage unit 74 may be provided outside the bearing device 30 or may be provided inside the processing unit 70 .
  • the preload load applied to the outer ring spacer 6g is not uniform in the circumferential direction, and the dimensional accuracy of the outer ring spacer 6g, housing 3, front cover 12, bearing 5, etc. may cause differences in output values depending on detection locations. is assumed. Further, when the main shaft 4 rotates, it is assumed that the load distribution in the circumferential direction changes due to the influence of the moment load applied to the main shaft 4 and the movement of the rolling elements Ta and Tb of the bearing 5 .
  • an added value or an average value of the output values S of the load sensor elements 50a to 50d may be used as the sensor output processed by the calculation unit 73. Also, as the range of the output value S, a maximum value, a minimum value, a difference between the maximum value and the minimum value, or the like may be set.
  • the output of the preload (load) obtained by the calculation unit 73 may be passed through a low-pass filter to reduce output fluctuation due to passage of the rolling elements Ta and Tb and noise.
  • the diagnostic unit 75 determines that the bearing 5 is abnormal, reduces the rotation speed of the main shaft 4, or reduces the circulation amount of the cooling medium. or reduce the machining load to prevent the bearing 5 from burning out.
  • the load sensor 50 is fixed to the outer ring spacer 6g on the transmission path of the force that generates the preload, when the spindle device 1 is assembled, the output of the load sensor 50 is applied to the bearings 5 (5a, 5b). It is possible to grasp the initial preload of , and it is possible to adjust the tightening of the nut 10 or the attachment of the fixing screw of the front cover 12 while observing the amount of preload.
  • the calculation unit 73 may calculate the moment load applied to the spindle 4 from the difference between the outputs of two of the load sensor elements 50a to 50d that face each other 180 degrees.
  • the magnitude and direction of the moment load in the vertical direction of the spindle 4 can be calculated from the difference between the load sensor elements 50a and 50b. It is also possible to calculate the magnitude and direction of the moment load in the left-right direction of the spindle 4 from the difference between the load sensor elements 50c and 50d. Note that the magnitude and direction of the moment load can be calculated even if the number of load sensor elements is not four.
  • the load and the direction of load applied to the cutting tool can be grasped from the moment load. It is also possible to detect the collision of the cutting tool with the metal workpiece from the moment load.
  • FIG. 17 is a diagram showing a modification in which a bridge circuit is configured with one resistor circuit for a plurality of load sensor elements.
  • the modification shown in FIG. 17 is an improved example of FIG.
  • FIG. 18 is a diagram showing a first configuration example of a bridge circuit for detecting resistance changes of load sensor elements in the configuration of FIG.
  • FIG. 19 is a diagram showing a second configuration example of a bridge circuit for detecting a resistance change of a load sensor element in the configuration of FIG. 17.
  • a plurality of load sensor elements 50a to 50d fixed at equal intervals in the circumferential direction, one resistance circuit 60, and a processing section 70 are mounted.
  • the processing portion 70 is manufactured to have a shape that does not interfere with the load sensor elements 50a to 50d and the resistance circuit 60, and is thinner than the load sensor elements 50a to 50d. Prevent contact.
  • the thickness of the resistance circuit 60 is set to be thinner than the load sensor elements 50a to 50d, the resistance circuit 60 does not come into contact with the outer ring 5ga. Since the resistance value of resistor R of circuit 60 does not change, the load can be detected.
  • the outputs of the load sensor elements 50a to 50d and the resistance circuit 60 are connected to the processing section 70 by wirings 71 and 76.
  • the processing unit 70 is equipped with one circuit unit 172 (or 272) that detects and amplifies resistance changes of the load sensor elements 50a to 50d.
  • the processing unit 70 obtains output values corresponding to resistance changes of the load sensor elements 50a to 50d.
  • the calculation unit 73 may be arranged in the processing unit 70 .
  • the calculation unit 73 processes the amount of change in resistance of the load sensor 50, converts it into the load applied to the outer ring spacer 6g, and then outputs it to the outside.
  • a circuit section 172 shown in FIG. 18 includes resistors R1 to R3 and load sensor elements 50a to 50d connected to a DC power supply VSDC, and a differential amplifier AMP.
  • the resistors R1-R3 and the load sensor elements 50a-50d form a bridge circuit.
  • a resistor R1 and a resistor R2 are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC power supply VSDC.
  • a load detecting section SR having the load sensor elements 50a to 50d connected in series and a resistor R3 are connected in series.
  • One input node of the differential amplifier AMP is connected to the connection node between the resistors R1 and R2.
  • the other input node of the differential amplifier AMP is connected to the connection node between the load detection section SR and the resistor R3.
  • the resistance values of the resistors R1, R2, and R3 are set to be the same as the series resistance value (combined resistance value) obtained by connecting the load sensor elements 50a to 50d in series.
  • the configuration of the circuit section 172 can be simplified, so that the processing section 70 can be made smaller and simpler.
  • the load sensor elements 50a to 50d and the resistance circuit 60 are arranged in the same environment at positions close to each other. If these resistance temperature coefficients are made uniform, the resistance balance of the bridge circuit will not be lost even if there is a temperature change, so the output temperature drift of the differential amplifier AMP due to the temperature change can be suppressed.
  • FIG. 19 The configuration shown in FIG. 19 is a modification of FIG. 18, and is the same except that the load sensor elements are connected in parallel.
  • a circuit section 272 shown in FIG. 19 includes resistors R1 to R3 and load sensor elements 50a to 50d connected to a DC power supply VSDC, and a differential amplifier AMP.
  • the resistors R1-R3 and the load sensor elements 50a-50d form a bridge circuit.
  • a resistor R1 and a resistor R2 are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the DC power supply VSDC.
  • a load detecting section PR in which the load sensor elements 50a to 50d are connected in parallel and a resistor R3 are connected in series.
  • One input node of the differential amplifier AMP is connected to the connection node between the resistors R1 and R2.
  • the other input node of the differential amplifier AMP is connected to the connection node between the load detection section SR and the resistor R3.
  • the resistance values of the resistors R1, R2, and R3 are set to be the same as the parallel resistance value (combined resistance value) obtained by connecting the load sensor elements 50a to 50d in parallel.
  • the configuration of the circuit section 272 can be simplified as in FIG. 18, so that the size of the processing section 70 can be reduced.
  • the load sensor elements 50a to 50d and the resistance circuit 60 are arranged in the same environment at positions close to each other. If these resistance temperature coefficients are made uniform, the resistance balance of the bridge circuit will not be lost even if there is a temperature change, so the output temperature drift of the differential amplifier AMP due to the temperature change can be suppressed.
  • the resistor circuit 60 is arranged on the end surface 6ga of the outer ring spacer 6g in the description of FIGS.
  • commercially available chip resistors may be used as the resistors R1, R2, and R3 of the resistor circuit 60 and mounted on the processing unit 70.
  • the resistor circuit 60 does not need to be arranged on the end face 6ga of the outer ring spacer 6g, simplifying the configuration.
  • FIG. 20 is a diagram showing a modification in which the fixed position of the load sensor element is changed.
  • the load sensor 50 and the resistance circuit 60 are fixed to the end surface 6g1a of one spacer 6g1 obtained by dividing the outer ring spacer 6g into two in the axial direction.
  • the end face 6g2a of the other spacer 6g2 contacts the load sensor 50.
  • a side view of the load sensor elements 50a to 50d and the resistance circuit 60 or the resistance modules 60a to 60d mounted is the same as in FIGS.
  • the end face 6g1a of the spacer 6g1 that fixes the load sensor 50 and the end face 6g2a of the spacer 6g2 that presses the load sensor 50 have flatness, surface roughness, and parallelism of these end faces 6g1a and 6g2a below the reference values. It must be processed accordingly.
  • the spacers 6g1 and 6g2 can be individually machined with high precision.
  • a convex surface may be provided on the end surface 6g2a of the spacer 6g2, and the convex surface may contact only the load sensor 50. Further, a convex surface (not shown) may be provided on the end surface 6g1a of the spacer 6g1, and the load sensor 50 may be fixed to the convex surface.
  • the top surface of the load sensor 50 protrudes from the top surface of the resistance circuit 60 .
  • the spacers 6g1 and 6g2 which are obtained by dividing the outer ring spacer 6g into two parts, may be aligned with a pin (not shown) so as not to cause relative displacement.
  • the area that requires machining accuracy can be reduced, making machining easier and shortening the machining time.
  • a step may be provided between the surface of the load sensor 50 and the surface of the resistance circuit 60 .
  • an intermediate layer (cushion layer) (not shown) may be inserted between the load sensor 50 and the end surface 6g2a of the spacer 6g2 to press the load sensor 50.
  • the material of the intermediate layer is, for example, a metal material (such as aluminum, copper, or metal alloy) having lower rigidity (longitudinal modulus) than the material of the outer ring spacer 6g, or a coating thin film of a resin material (such as fluorine resin). can be used.
  • a metal material such as aluminum, copper, or metal alloy
  • a resin material such as fluorine resin
  • the intermediate layer By pressing through the intermediate layer having lower rigidity than the outer ring spacer 6g, the intermediate layer is deformed along the shape of the surface and the load is evened out, so that the load sensor 50 can be stably and uniformly pressed. can.
  • the rigidity of the bearing devices 30, 30A is lowered, an appropriate material is selected for the intermediate layer.
  • the processing accuracy (surface roughness, flatness, etc.) of the end surface of the outer ring spacer 6g can be lowered compared to the case where the intermediate layer is not used. It can be processed easily.
  • load sensor 50 and the processing section 70 or part of the processing section 70 may be integrally mounted.
  • FIG. 21 is a side view of a modified example in which the method of fixing the load sensor element is changed. 22 is a cross-sectional view taken along line POP of FIG. 21. FIG.
  • the load sensor elements 50a to 50d are arranged between spacers 6g1 and 6g2 obtained by dividing the outer ring spacer 6g into two parts, and the spacers 6g1 and 6g2 are fastened with screws B to apply preload to the load sensor elements 50a to 50d. .
  • the load sensor elements 50a to 50d can be fixed without applying an adhesive to the contact surfaces of the spacers 6g1 and 6g2 and the load sensor elements 50a to 50d, an adhesive may be used in combination.
  • the resistance circuit 60 (resistance modules 60a to 60d) is arranged on the circumference of the end surface 6g1a of the spacer 6g1, but is not in contact with the end surface 6g2a of the spacer 6g2 and is not pressed.
  • the end faces 6g1a and 6g2a of the spacers 6g1 and 6g2 with which the load sensor elements 50a to 50d abut are flat-ground without any projections so that the surface roughness and flatness can be processed with high accuracy.
  • the structure is such that it is easy to obtain accuracy.
  • the dead zone in the output of the load sensor 50 is eliminated, and hysteresis can be reduced and linearity can be improved. Further, since the spacers 6g1 and 6g2 obtained by dividing the outer ring spacer 6g into two parts are fixed by screws B, the handling of the outer ring spacer 6g is facilitated, and the assembling efficiency of the spindle device 1 is improved.
  • the resistance modules 60a to 60d are arranged near the load sensor elements 50a to 50d, respectively, and their temperature coefficients of resistance are made uniform, the resistance balance of the bridge circuit will not be lost even if temperature changes. Temperature drift of the dynamic amplifier AMP output can be suppressed. Therefore, it is possible to eliminate the step of correcting the outputs of the load sensor elements 50a to 50d using the temperature sensor values.
  • the cable CB is used to transmit the output of the load sensor 50 and the bridge circuit unit, or the output obtained by electrically processing them. is also possible.
  • the present disclosure relates to a bearing device 30.
  • the bearing device 30 has rolling elements and raceway surfaces, and at least one bearing 5 that supports the shaft, and a member arranged on a path through which a pressing force that generates a preload between the rolling elements and the raceway surfaces is transmitted.
  • a load sensor 50 that is fixed to a member and whose resistance value changes according to the pressing force
  • a resistor circuit 60 that includes a plurality of resistors R1 to R3 that are connected to the load sensor and form a bridge circuit.
  • the load sensor 50 includes a thin film pattern 52 whose resistance changes according to pressing force, and a protective layer 54 that insulates and protects the thin film pattern 52 .
  • the bearing device 30 further includes a processing section that detects the pressing force based on the resistance change of the load sensor 50.
  • the pressing force is applied by a load in the direction in which the main shaft 4 extends, and the load sensor 50 includes a plurality of load sensor elements 50a to 50a that are arranged at equal intervals on the same circumference in a plane that intersects the direction in which the main shaft 4 extends. 50d included.
  • the resistance circuit 60 includes a plurality of resistance modules 60a-60d respectively connected to a plurality of load sensor elements 50a-50d to form a plurality of resistance bridge circuits, each of the plurality of resistance modules 60a-60d connecting to the resistance module 60a. . . . 60d forming a resistance bridge circuit on the same circumference.
  • a plurality of load sensor elements 50a to 50d are connected in series or in parallel to form a load detection section SR or PR.
  • the load detection section SR or PR constitutes a bridge circuit together with a plurality of resistors R1-R3.
  • the at least one bearing 5 is a plurality of bearings 5a, 5b.
  • the member is a non-rotating outer ring spacer 6g inserted between two bearings 5a and 5b out of the plurality of bearings.
  • the load sensor 50 is fixed to the end face 6ga of the outer ring spacer 6g and arranged so as to contact the outer ring 5ga, which is the fixed ring of the bearing 5a, one of the two bearings 5a and 5b.
  • the height of the surface of the resistance circuit 60 from the end face 6ga is lower than the height of the surface of the load sensor 50 from the end face 6ga.
  • the pressing force is transmitted via the load sensor 50 .
  • the resistance value and resistance temperature coefficient of each of the plurality of resistors R1 to R3 are substantially equal to the resistance value and resistance temperature coefficient of the load sensor 50.
  • each of the plurality of resistors R1 to R3 is made of the same material as the thin film pattern 52.
  • a thin film pattern 52 is formed on a substrate 51, and as shown in FIGS. It is formed.
  • the member is the outer ring spacer 6g arranged adjacent to at least one bearing 5a
  • the load sensor 50 is fixed to the end face 6ga of the outer ring spacer 6g, and the end face of the bearing 5a. , and the pressing force is transmitted via the load sensor 50 .
  • the member is one spacer obtained by dividing an outer ring spacer 6g arranged adjacent to at least one bearing 5a into a first spacer 6g1 and a second spacer 6g2.
  • the load sensor 50 is fixed to the end face 6g1a of the first spacer 6g1 and comes into contact with the end face 6g2a of the second spacer 6g2.
  • the first spacer 6g1 and the second spacer 6g2 sandwich the load sensor 50, and the first spacer 6g1 and the second spacer 6g2 are screwed with screws B
  • the screw B is fastened, and the load sensor 50 is given a pressing force by the fastening force of the screw B in advance.
  • the present embodiment relates to a spindle device 1 including any of the above bearing devices.
  • the present embodiment relates to a spacer 6 which is arranged adjacent to a bearing 5a having rolling elements and raceway surfaces and to which a pressing force that generates a preload between the rolling elements and raceway surfaces is transmitted.
  • the spacer 6 includes a load sensor 50 capable of measuring a pressing force, a resistance circuit 60 including a plurality of resistors R1 to R3 forming a bridge circuit together with the load sensor 50, and an end surface 6ga adjacent to the bearing 5a.
  • An outer ring spacer 6g to which a resistance circuit 60 is fixed is provided.
  • the spacer 6 further includes a processor 70 that is integrally mounted on the outer ring spacer 6g and that processes the output of the load sensor 50.
  • a load sensor element formed of a thin film resistor capable of measuring the load is formed on the load path where preload (load) is applied to the bearing, and a resistance circuit is arranged in the vicinity thereof.
  • a bridge circuit was formed. Since the load sensor element and the resistance circuit are placed in the same temperature environment, the balance of the bridge circuit can be maintained even if the temperature changes by matching the resistance temperature coefficients or setting the resistance temperature coefficients small. Therefore, it is possible to suppress the temperature drift of the output obtained by electrically processing the signal of the load sensor element.
  • the thin film pattern (resistor) of the resistance circuit is formed from the same material as the load sensor element, the resistance value and the temperature coefficient of resistance (the rate at which the resistance value changes with temperature changes) can be made uniform, enabling the amplifier to respond to temperature changes. output drift can be further reduced. In this case, simplification or omission of temperature correction can be expected.
  • 1 spindle device 2 outer cylinder, 3 housing, 3a step, 3b, 12a groove, 4 main shaft, 5, 5a, 5b, 16 bearing, 5ga, 5gb, 16b outer ring, 5ia, 5ib, 16a inner ring, 6, 6g1, 6g2, 9 spacer, 6g outer ring spacer, 6g1a, 6g2a, 6ga end face, 6i inner ring spacer, 10, 20 nut, 12 front cover, 13 stator, 14 rotor, 15 tubular member, 17 end member, 18, 21 Positioning member, 19 inner ring retainer, 22 space, 30 bearing device, 40 motor, 50, 50a1 load sensor, 50a to 50d, 150a, 250a, 350a load sensor element, 51, 51A, 61 substrate, 52, 62 thin film pattern, 53, T, T1 electrodes, 54, 54A, 64 protective layer, 55 adhesive layer, 58 insulating layer, 60 resistance circuit, 60a to 60d resistance module, 70 processing section, 71 wiring, 72, 72

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Abstract

軸受装置は、転動体と軌道面を有し、軸を支持する少なくとも１つの軸受と、転動体と軌道面との間に予圧を発生させる押圧力が伝達する経路上に配置される部材と、部材に固定され、押圧力に応じて抵抗値が変化する荷重センサ（５０）と、荷重センサと接続してブリッジ回路を形成する抵抗回路（６０）とを備える。荷重センサ（５０）は、押圧力に応じて抵抗が変わる薄膜パターンと、薄膜パターンを絶縁保護する保護層とを含む。抵抗回路（６０）は、荷重センサとともにブリッジ回路を構成する複数の抵抗を含む。これにより、温度ドリフトが少なく、簡単な構成で軸受の予圧を測定することが可能な軸受装置を提供する。

Description

軸受装置、スピンドル装置および間座
　本開示は、工作機械の主軸スピンドルなどに使用される軸受の予圧（荷重）を検出する予圧センサを備える軸受装置、スピンドル装置および間座に関する。
　工作機械等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、そのため軸受の予圧（荷重）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を検出して、軸受の異常を未然に防ぐ要求もある。
　特開２０２０－００３３８５号公報（特許文献１）では、絶縁膜上に形成され、面圧の変化で抵抗が変化する薄膜パターンと、薄膜パターン上に形成され、薄膜パターンを保護する保護膜とを含む薄膜センサを予圧センサとして、軸受に予圧を与える部材の端面に配置することで、軸受に加わる予圧を検出する。
特開２０２０－００３３８５号公報
　特開２０２０－００３３８５号公報（特許文献１）に開示された軸受装置では、薄膜パターンからなる予圧センサと抵抗とでブリッジ回路を形成し、その後段に設けた差動アンプでブリッジ回路の出力を増幅することで予圧を検出する。
　特許文献１では、ブリッジ回路の設置場所についての説明はないが、ブリッジ回路が軸受装置の外部に設けられた場合には、予圧センサとブリッジ回路で使用する抵抗の温度環境が異なることになる。
　たとえば、ブリッジ回路の抵抗が室温環境にあって、軸受装置が温度上昇した場合、予圧センサの抵抗値は抵抗温度係数に応じて変化する。しかし、ブリッジ回路の温度は変化せず、その抵抗値は変化しないため、温度変化による差動アンプ出力の温度ドリフトが発生する。そのため、正確な予圧量を検出するには温度補正を行なう必要があり、予圧検出が煩雑になる。
　ブリッジ回路が軸受装置の内部に配置される場合、予圧センサとブリッジ回路の抵抗は同じ温度環境になるが、それぞれの抵抗温度係数が異なれば、ブリッジ回路のバランスが崩れ、温度上昇による差動アンプ出力の温度ドリフトが発生する。
　この発明は、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、温度ドリフトが少なく、簡単な構成で軸受の予圧を測定することが可能な軸受装置、スピンドル装置、間座を提供することである。
　本開示は、軸受装置に関する。軸受装置は、転動体と軌道面を有し、軸を支持する少なくとも１つの軸受と、転動体と軌道面との間に予圧を発生させる押圧力が伝達する経路上に配置される部材と、部材に固定され、押圧力に応じて抵抗値が変化する荷重センサと、荷重センサと接続してブリッジ回路を構成する複数の抵抗を含む抵抗回路とを備える。荷重センサは、押圧力に応じて抵抗が変わる薄膜パターンと、薄膜パターンを絶縁保護する保護層とを含む。
　本実施の形態の軸受装置によれば、簡単な構成で軸受の予圧を測定時の温度ドリフトを少なくすることができる。
本実施の形態のスピンドル装置の概略構成を示す断面図である。 図１の左側主要部の拡大図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面における荷重センサ素子とブリッジ回路部の第１配置例を示す図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面における荷重センサ素子とブリッジ回路部の第２配置例を示す図である。 図３のＸ－Ｘ断面における荷重センサ素子５０ａの断面図である。 図５の荷重センサ素子５０ａの正面図である。 荷重センサ素子の薄膜パターンの形状の変形例を示す図である。 荷重センサ素子の構造の第１改良例を示す図である。 荷重センサ素子の構造の第２改良例を示す図である。 図９の改良例である荷重センサ素子の構造を示す図である。 図３のＹ－Ｙ断面における抵抗モジュール６０ａの断面図である。 図１１の抵抗モジュール６０ａの正面図である。 抵抗モジュール６０ａの基板６１上に形成される回路の回路図である。 荷重センサの出力を電気的に処理する処理部を外輪間座に配置した例を示す図である。 荷重センサ素子の抵抗変化を検出するブリッジ回路の構成を示す図である。 荷重センサ素子の出力から軸受に印加する予圧（荷重）を算出する構成を示す図である。 複数の荷重センサ素子に対して１個の抵抗回路でブリッジ回路を構成した変形例を示す図である。 図１７の構成において荷重センサ素子の抵抗変化を検出するブリッジ回路の第１構成例を示す図である。 図１７の構成において荷重センサ素子の抵抗変化を検出するブリッジ回路の第２構成例を示す図である。 荷重センサ素子の固定位置を変更した変形例を示す図である。 荷重センサ素子の固定方法を変更した変形例の側面図である。 図２１のＰ－Ｏ－Ｐ断面の矢視図である。
　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、本実施の形態のスピンドル装置の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の左側主要部の拡大図である。図２には主として軸受装置３０が示される。
　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の一端側にはモータ４０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。
　図１、図２を参照して、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、モータ４０と、モータ後方に配置される軸受１６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。
　図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面における荷重センサ素子とブリッジ回路部の第１配置例を示す図である。図４は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面における荷重センサ素子とブリッジ回路部の第２配置例を示す図である。なお、図３、図４において、説明に不要な部品は省略した。
　外輪間座６ｇの一方の端面６ｇａまたは外輪５ｇａの一方の端面に、荷重センサ５０と抵抗回路６０とが接着等により固定される。荷重センサ５０と抵抗回路６０とはブリッジ回路を構成する。荷重センサ５０および抵抗回路６０を接着により固定する場合には、耐油性や耐熱性に優れた接着剤を使用するのが望ましい。
　たとえば、荷重センサ５０の厚さ（端面からの高さ）は、抵抗回路６０よりも厚く設計されており、荷重センサ５０のみ押圧される構造とされる。
　なお、荷重センサ５０の受圧面だけが相手側部材（この例では外輪５ｇａの端面）に接触することが重要であり、荷重センサ５０の厚さは抵抗回路６０の厚さと同じであっても、固定した部材の端面部分のベースの高さに差を付けたり、当接する相手側部材の端面部分の高さを変えたりしてもよい。
　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、軸方向の力で予圧を付与することが可能な軸受であり、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。
　ここでは、３つの軸受５ａ，５ｂ，１６で主軸４を支持する構造を例示して説明するが、３つ以上の軸受で主軸４を支持する構造であってもよい。
　単列の転がり軸受１６は、円筒ころ軸受である。アンギュラ玉軸受である軸受５ａ，５ｂにより、スピンドル装置１に作用するラジアル方向の荷重およびアキシアル方向の荷重が支持される。円筒ころ軸受である単列の軸受１６により、工作機械主軸用のスピンドル装置１に作用するラジアル方向の荷重が支持される。
　ハウジング３には冷却媒体流路Ｇ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。軸受５ａ，５ｂとしてグリース潤滑の軸受を用いた場合には潤滑油供給路は不要であるが、エアオイル等の潤滑が必要な場合には、外輪間座６ｇに潤滑油供給路が設けられる。なお、ここでは潤滑油供給路は図示しない。
　組立時には、初めに主軸４に対して軸受５ａ、間座６、軸受５ｂ、間座９が順に挿入され、ナット１０を締めることによって初期予圧が与えられる。その後、図２における軸受５ｂの外輪５ｇｂの右側がハウジング３に設けた段差部３ａに当たるまで、軸受５ａ，５ｂが取り付けられた主軸４がハウジング３に挿入される。最後に、前蓋１２によって、左側の軸受５ａの外輪５ｇａを押すことで主軸４がハウジング３に固定される。
　ナット１０を締め付けることにより間座９を介して軸受５ｂの内輪５ｉｂの端面に力が作用し、内輪５ｉｂが内輪間座６ｉに向けて押される。この力は、内輪５ｉｂ、転動体Ｔｂ、外輪５ｇｂと伝わり内輪５ｉｂおよび外輪５ｇｂの軌道面と転動体Ｔｂの間に予圧を与えるとともに、外輪５ｇｂから外輪間座６ｇにも伝わる。右側の外輪５ｇｂから外輪間座６ｇに押す力が作用し、荷重センサ５０にも力が伝わる。
　この押圧力は、軸受５ａにおいて、外輪５ｇａ、転動体Ｔａ、内輪５ｉａへと伝わり、左側の軸受５ａの内輪５ｉａおよび外輪５ｇａの軌道面と転動体Ｔａの間にも予圧を与える。軸受５ａ，５ｂに付与される予圧は、たとえば外輪間座６ｇと荷重センサ５０を合わせた幅と、内輪間座６ｉの幅との寸法差によって制限されるナット１０の移動量によって定まる。
　また、図１に示す単列の軸受１６については、主軸４の外周に嵌合した筒状部材１５と内輪押さえ１９とにより軸方向に内輪１６ａが位置決めされている。内輪押さえ１９は、主軸４に螺着したナット２０により抜け止めされている。軸受１６の外輪１６ｂは、端部材１７に固定された位置決め部材２１と、端部材１７に固定された位置決め部材１８とに挟まれている。内輪１６ａは主軸４の伸縮に応じて一体的に端部材１７に対して摺動するようになっている。
　主軸４と外筒２との間に形成される空間部２２における軸受５ｂと単列の軸受１６とで挟まれた軸方向の中間位置には、主軸４を駆動するモータ４０が配置されている。モータ４０のロータ１４は主軸４の外周に嵌合した筒状部材１５に固定され、モータ４０のステータ１３は外筒２の内周部に固定されている。
　なお、モータ４０を冷却するための冷却媒体流路は、ここでは図示しない。
　軸受５（５ａ，５ｂ）の予圧（荷重）を測定する荷重センサ５０は、スピンドル装置１の予圧を発生させる押圧力を伝達する経路に実装される。図２に示すように、荷重センサ５０は、外輪間座６ｇの端面６ｇａに接着等で固定され、軸受５ａの外輪５ｇａの端面と当接し、軸受５（５ａ，５ｂ）に印加される予圧荷重を測定する。
　スピンドル装置１の組立時に荷重センサ５０の出力を観測すれば、予め設定した予圧になっているかを確認でき、組立工数を削減できる。また、工作機械の運転時に荷重センサ５０の出力を観測すれば、運転時の発熱による熱膨張で増加した予圧量を知ることができる。運転時の予圧変化を観測することによって、切削性能の低下や軸受５の焼付きを事前に防止することができる。
　荷重センサ５０は、薄膜パターン（薄膜抵抗体）からなる感圧センサを含む。たとえば、電気抵抗の変化から荷重（予圧）を測定する荷重センサ５０は、予圧を発生させる押圧力が伝達される経路上に配置される。
　荷重センサ５０の電気抵抗の変化から荷重を検出する方法については後述するが、検出された荷重値は、たとえばケーブルＣＢを用いて外部に送信される。ケーブルＣＢは、ハウジング３と前蓋１２に設けた溝３ｂ，１２ａを経由してスピンドル装置１の外部に引き出される。なお、荷重出力をワイヤレスで外部機器に送信する場合、ケーブルＣＢや溝３ｂ、１２ａは設けなくても良い。
　荷重センサ５０は、複数の荷重センサ素子を含む。抵抗回路６０は、複数の抵抗モジュールを含む。図３には、外輪間座６ｇの端面６ｇａに実装された荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの第１配置例が示される。ここでは、外輪間座６ｇの周方向に９０度の等間隔で荷重センサ素子５０ａ～５０ｄが配置され、その近傍には抵抗モジュール６０ａ～６０ｄが配置される。
　荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗モジュール６０ａ～６０ｄをそれぞれ接続して、４つのブリッジ回路を形成することによって、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々の抵抗変化を検出する。なお、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの詳細は後述する。
　図４の例では、荷重センサ素子５０ａ～５０ｃが外輪間座６ｇの周方向に１２０度の等間隔で配置される。また、抵抗モジュール６０ａ～６０ｃが外輪間座６ｇの周方向に１２０度の等間隔で配置される。
　荷重センサ５０に含まれる複数の荷重センサ素子の数は、複数の荷重センサ素子を介して外輪５ｇａの端面が均等にバランス良く押されればよく、３個以上が好ましい。また、ほぼ同一円周上に等間隔に複数の荷重センサ素子を配置するのが好ましい。
　図３、図４に示した配置例では、抵抗回路６０の数は、荷重センサ５０の荷重センサ素子の数に等しい。
　次に、図５、図６を用いて、荷重センサ素子の構造を説明する。図５は、図３のＸ－Ｘ断面における荷重センサ素子５０ａの断面図である。また、図６は、図５の荷重センサ素子５０ａの正面図である。なお、荷重センサ素子５０ｂ～５０ｄも同様な構造である。
　荷重センサ素子５０ａは、たとえば絶縁性を有する基板５１と、基板５１上に配置され、面圧の変化で抵抗が変化する薄膜パターン（薄膜抵抗体）５２と、薄膜パターン５２につながる電極５３と、薄膜パターン５２を保護する絶縁性を有する保護層５４とを含む。保護層５４は、電極５３上には形成しないため、電極５３に直接、配線を接続できる。
　基板５１には、たとえばジルコニア（ＺｒＯ２）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にしたセラミック材料を使用する。セラミック材料は高剛性で絶縁性が高く、基板５１の表面平坦度を精度良く加工することができ、好都合である。基板５１の厚さは、荷重センサ５０の薄型化と圧縮方向の強度を確保する観点から、たとえば０．３ｍｍ以上、５ｍｍ以下とするのが好ましい。
　薄膜パターン５２は、たとえばニッケルクロム（ＮｉＣｒ）、クロム（Ｃｒ）系材料からなり、蒸着またはスパッタリング等で成膜される。薄膜パターンの厚さは、たとえば１μｍ以下である。また、スパッタリング等で絶縁性材料、たとえば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または二酸化珪素（ＳｉＯ２）の薄膜が保護層５４として形成される。保護層５４の膜厚は、たとえば２μｍ程度とされる。
　なお、配線との半田付けを容易にするため、電極５３の表面に、たとえば、銅、銀、金などの材料の被膜を設けてもよい。
　薄膜パターン５２を形成する基板５１の上面は、その平坦度が１μｍ以下になるように研磨するとよい。また、基板５１の上面と下面との平行度を１μｍ以下にするのが好ましい。
　薄膜パターン５２の抵抗値（２つの電極５３間の抵抗値）は、数十Ωから数百Ωの範囲で設定され、温度変化とともに抵抗値が変化する割合を示す抵抗温度係数（温度変化とともに抵抗値が変化する割合を示す係数）は、たとえば１０ｐｐｍ／℃以下に設定される。好ましくは、抵抗温度係数は１ｐｐｍ／℃以下に設定される。
　抵抗温度係数が小さいほど温度変化に伴う抵抗変化量が小さく、荷重検出時の温度ドリフトを低減することができる。
　このように、外輪間座６ｇとは別部品である基板５１に薄膜パターンを形成するため、外輪間座６ｇに直接薄膜パターンを形成するよりも製造が容易になる。
　前述の例では、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々は、外輪間座６ｇの端面６ｇａと、軸受５ａの外輪５ｇａの端面とに挟まれて押圧される。たとえば、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々の基板５１は外輪間座６ｇの端面６ｇａと当接し、各々の保護層５４は軸受５ａの外輪５ｇａの端面と当接し、各々の薄膜パターン５２は基板５１と保護層５４を介して押圧される。
　荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々の形状は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々の各材料物性値を考慮して設定される。また、ここでは、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々の形状を四角としたが、形状はこれに限定されない。
　図７は、荷重センサ素子の薄膜パターンの形状の変形例を示す図である。薄膜パターン５２は、図６の例ではＵ字形状としたが、図７に示す荷重センサ５０ａ１のように薄膜パターン５２を連続する矩形パターンにしてもよい。基板５１上に連続する矩形パターンを形成することで、薄膜パターン５２の感圧長さが長くなり、荷重を安定して検出することができる。なお、薄膜パターン５２の形状は図６、図７に示した形状に限定されない。
　図８は、荷重センサ素子の構造の第１改良例を示す図である。図５では、保護層５４は、絶縁材料からなる蒸着またはスパッタリング等の薄膜であったが、図８に示す荷重センサ素子１５０ａでは、たとえばジルコニア（ＺｒＯ２）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にしたセラミック材料からなる板材が保護層５４Ａとして用いられる。保護層５４Ａは、接着剤からなる接着層５５を介して基板５１の表面に成膜された薄膜パターン５２を覆うように接着固定される。保護層５４Ａの板厚は、たとえば基板５１の板厚と同じ０．３ｍｍから５ｍｍ程度とされる。
　保護層５４Ａとして絶縁材料からなる板材を使用すれば、薄膜パターン５２の上面に絶縁材料からなる板材を保護層５４Ａとして接着固定するだけで済むため、スパッタリング等による保護層５４の成膜に比べて製造が容易になる。また、薄膜パターン５２と外輪５ｇａとの間の絶縁性をより高くすることができ、安定して荷重検出することができる。また、接着層５５を介して薄膜パターン５２を押すため、接着層５５がクッション層になって薄膜パターン５２を均一に押すことができるため、荷重検出精度が向上する。
　図９は、荷重センサ素子の構造の第２改良例を示す図である。図５、図８では、基板５１として絶縁材料を用いたが、図９に示す荷重センサ素子２５０ａでは、基板５１Ａとして金属材料を用い、その表面に絶縁層５８が形成される。絶縁層５８は、絶縁性材料からなり、たとえば、スパッタリング等でアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または二酸化珪素（ＳｉＯ２）の薄膜が形成される。絶縁層５８の膜厚は、たとえば２μｍ程度とされる。
　基板５１Ａの金属材料としては、たとえば外輪間座６ｇと同じ材料、たとえば軸受鋼（ＳＵＪ２）を用いる。軸受鋼以外では、炭素鋼（Ｓ４５Ｃなど）を用いる。これら金属材料を一定の大きさに切削加工後に熱処理し、その後、加工精度が必要な面について研磨、ラッピング加工を行ない、目標の平坦度、面粗さに仕上げる。たとえば、平坦度は１μｍ以下、面粗さはＲａ０．１以下にする。
　その後、基板５１Ａの一方の面に絶縁層５８を成膜後、図５と同様に、面圧の変化で抵抗が変化する薄膜パターン（薄膜抵抗体）５２と、それにつながる電極５３とを形成し、さらに、薄膜パターン５２を保護する絶縁性を有する保護層５４が形成される。保護層５４は、電極５３上には形成しないため、電極５３に直接、配線を接続できる。
　保護層５４としては、たとえばスパッタリング等でアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または二酸化珪素（ＳｉＯ２）の薄膜が形成される。これらの膜厚は、たとえば２μｍ程度とされる。
　基板５１Ａの材質が金属材料であれば、荷重により基板５１Ａが割れることもなく信頼性が向上する。また、外輪間座６ｇの端面に直接、薄膜パターン５２を形成するよりも、金属小片からなる基板５１Ａに薄膜パターン５２を形成する方が製造は容易であり、製造コストを抑えることができる。
　図１０は、図９の改良例である荷重センサ素子の構造を示す図である。図９では、保護層５４は、絶縁材料からなる蒸着またはスパッタリング等の薄膜であったが、図１０に示す荷重センサ素子３５０ａでは、たとえばジルコニア（ＺｒＯ２）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にしたセラミック材料からなる板材を保護層５４Ａとして用いる。保護層５４Ａは、接着剤からなる接着層５５を介して基板５１の表面に成膜された薄膜パターン５２を覆うように接着固定される。保護層５４Ａの板厚は、たとえば基板５１の板厚と同じ０．３ｍｍから５ｍｍ程度とされる。
　保護層５４Ａとして絶縁材料からなる板材を使用すれば、スパッタリング等による成膜に比べて製造が容易になる。また、薄膜パターン５２との絶縁性をより高くすることができ、安定して荷重を検出することができる。また、接着層５５を介して薄膜パターン５２を押すため、接着層５５がクッション層になって薄膜パターン５２を均一に押すことができるため、荷重検出精度が向上する。
　なお、保護層５４Ａとして、金属材料からなる板材に絶縁材料からなる絶縁膜を形成し、絶縁膜が成膜された側を薄膜パターン５２側に対向させてもよい。この場合、保護層５４Ａの割れを防止することができる。
　次に、図１１、図１２、図１３を用いて、抵抗モジュールの構造を説明する。図１１は、図３のＹ－Ｙ断面における抵抗モジュール６０ａの断面図である。また、図１２は、図１１の抵抗モジュール６０ａの正面図である。図１３は、抵抗モジュール６０ａの基板６１上に形成される回路の回路図である。なお、抵抗モジュール６０ｂ～６０ｄも、抵抗モジュール６０ａと同様な構成である。
　抵抗モジュール６０ａは、たとえば絶縁性を有する基板６１と、基板６１上に配置される薄膜パターン（薄膜抵抗体）６２からなる抵抗Ｒ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）と、抵抗Ｒにつながる電極Ｔ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４）とを含む。なお、電極Ｔを除く薄膜パターン６２の表層に保護層６４を設けてもよい。
　抵抗回路６０の電極Ｔ１，Ｔ２に荷重センサ素子５０ａを接続すれば、抵抗Ｒとブリッジ回路を形成することができる。
　基板６１には、たとえばジルコニア（ＺｒＯ２）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にしたセラミック材料を使用する。基板６１の厚さは、たとえば０．３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の範囲で選定する。なお、抵抗モジュール６０ａの厚さは、荷重センサ素子５０ａの厚さよりも薄く製作されるので、抵抗モジュール６０ａは押圧されることはない。
　荷重センサ素子５０ａの薄膜パターン５２と抵抗モジュール６０ａの抵抗Ｒが別々の基板に設けられるため、荷重センサ素子５０ａが押圧された場合であっても、抵抗モジュール６０ａは押圧されず、基板６１が変形することはないので、基板変形に伴う抵抗Ｒの抵抗値の変化は抑制される。
　薄膜パターン６２は、たとえば荷重センサ素子５０ａと同じニッケルクロム（ＮｉＣｒ）、クロム（Ｃｒ）系材料からなり、蒸着またはスパッタリング等で成膜される。薄膜パターンの厚さは、たとえば１μｍ以下である。保護層６４は、絶縁性材料からなり、たとえば、スパッタリング等でアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または二酸化珪素（ＳｉＯ２）の薄膜が形成される。保護層６４の膜厚は、たとえば２μｍ程度とされる。
　なお、保護層６４としては、硬化樹脂やシリコーン系接着剤を用いてもよい。また、電極Ｔの表面を、たとえば、銅、銀、金などの材料で被膜して、配線との半田付けを容易としてもよい。
　荷重センサ素子５０ａの薄膜パターン５２と同じ材料で抵抗モジュール６０ａの薄膜パターン６２を形成すれば、抵抗Ｒ１～Ｒ３の抵抗値および抵抗温度係数と荷重センサ素子５０ａの抵抗値および抵抗温度係数とを揃えることが容易になる。なお、抵抗Ｒ１からＲ３の抵抗値にばらつきが生じた場合には、たとえばレーザトリミングにより抵抗値を調整してもよい。
　以上の構成によって、ブリッジ回路において荷重センサ素子５０ａの抵抗値のみが変化し、荷重を測定することができる。
　抵抗Ｒ１～Ｒ３を薄膜パターン６２で形成する代わりに、基板６１の表面に形成した薄膜パターン６２に市販のチップ抵抗を実装してもよい。この場合、抵抗値、抵抗温度係数が荷重センサ素子５０ａに近いチップ抵抗を使うことが望ましい。なお、抵抗値を調整するため、図示しない可変抵抗器を抵抗Ｒ１～Ｒ３のいずれかと直列に接続してもよい。
　荷重センサ素子５０ａの電極５３と抵抗モジュール６０ａの電極ＴにケーブルＣＢを接続して外部に引き出し、外部に設けた図示しない処理部に接続すれば、温度変化の影響を低減して荷重値を算出することができる。
　以上、本実施の形態では、ブリッジ回路の抵抗回路と荷重センサ素子とを別々の基板に設けた例を示した。ただし、荷重センサ素子とブリッジ回路の抵抗を同じ薄膜材料で構成し、同一基板上に配置してもよい。この場合、同一工程で一度に荷重センサ素子と抵抗を製造することができる。この構成の場合には、ブリッジ回路の抵抗は押圧されない位置に配置される。同一基板にした場合、コスト低減、小型化、部品点数削減による組立工数削減が可能になる。
　図１４は、荷重センサの出力を電気的に処理する処理部を外輪間座に配置した例を示す図である。
　外輪間座６ｇの一方の端面６ｇａには、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄと、処理部７０とが固定される。荷重センサ素子５０ａ～５０ｄは、端面６ｇａに、その周方向に等間隔で固定される。抵抗モジュール６０ａ～６０ｄは、端面６ｇａに、その周方向に等間隔で固定される。
　処理部７０は、たとえば荷重センサ素子５０ａ～５０ｄおよび、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄと干渉しない形状する。また、処理部７０は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々よりも表面高さが低くなるように製作して、外輪５ｇａと処理部７０との接触を防止する。
　抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各々の厚さも、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々よりも薄くなるように設定するため、外輪５ｇａと抵抗モジュール６０ａ～６０ｄとは接触しない。したがって、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄが押圧されても抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの抵抗Ｒの抵抗値は変化しないため、荷重を検出することができる。
　荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの出力は、配線７１、７６により処理部７０に接続される。
　処理部７０は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの抵抗変化をそれぞれ検出して増幅する回路部７２ａ～７２ｄが実装され、抵抗変化に相当する出力値を得る。また、処理部７０に演算部７３を配置してもよい。演算部７３では、複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの抵抗変化量を処理して、外輪間座６ｇに印加される荷重に変換してから外部に出力してもよい。
　ここでは、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄを外輪間座６ｇの端面６ｇａに配置したが、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの機能を処理部７０に実装してもよい。この場合、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各々に含まれる抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３として市販のチップ抵抗を用いることができる。チップ抵抗は、処理部７０に実装される。
　このようにすれば、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄを外輪間座６ｇの端面６ｇａに配置する必要がなくなり、構成と配線処理が簡略化される。
　なお、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各抵抗値を微調整したい場合には、図１３の回路を変更して抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を分離し、処理部７０に設けた回路部７２の中で、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの中で、微調整が必要な抵抗と直列に図示しない可変抵抗器を実装し、可変抵抗器を調整することで、抵抗をバランスさせてもよい。
　図１５は、荷重センサ素子の抵抗変化を検出するブリッジ回路の構成を示す図である。図１５に示す回路部７２は、回路部７２ａ～７２ｄを含む。回路部７２ａは、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗モジュール６０ａと、荷重センサ素子５０ａと差動アンプＡＭＰａとを含む。回路部７２ｂは、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗モジュール６０ｂと、荷重センサ素子５０ｂと差動アンプＡＭＰｂとを含む。回路部７２ｃは、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗モジュール６０ｃと、荷重センサ素子５０ｃと差動アンプＡＭＰｃとを含む。回路部７２ｄは、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗モジュール６０ｄと、荷重センサ素子５０ｄと差動アンプＡＭＰｄとを含む。
　抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各々は、抵抗Ｒ１～Ｒ３を含む。抵抗Ｒ１～Ｒ３と荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々とはブリッジ回路を構成する。
　回路部７２ａにおいて、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る。また、ＤＣ電源ＶＳＤＣの正極と負極との間には、荷重センサ素子５０ａと抵抗Ｒ３とが直列に接続される。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノードには、差動アンプＡＭＰａの一方の入力ノードが接続される。荷重センサ素子５０ａと抵抗Ｒ３との接続ノードには、差動アンプＡＭＰａの他方の入力ノードが接続される。
　回路部７２ｂ～７２ｄの各々においては、回路部７２ａの構成において、荷重センサ素子５０ａおよび差動アンプＡＭＰａに代えて、荷重センサ素子５０ｂ～５０ｄおよび差動アンプＡＭＰｂ～ＡＭＰｄが接続される。
　図１５に示すブリッジ回路構成にすることによって、荷重が変化した際の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの抵抗変化を差動アンプＡＭＰａ～ＡＭＰｄで検出し、出力値Ｓ（Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ）を得ることができる。
　図１４に示したように、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々は、対応する抵抗モジュール６０ａ～６０ｄのいずれかと互いに近傍の位置に配置されるため、同じ環境下に置かれる。それらの抵抗温度係数を揃えておけば、温度変化があっても抵抗モジュールの抵抗値は同じように変化する。したがって、温度変化があっても抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの抵抗バランスが崩れないので、温度変化による差動アンプＡＭＰａ～ＡＭＰｄの出力温度ドリフトを抑えることができる。そのため、温度センサの値で荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの出力補正を行なう工程を削減することも可能である。
　図１４に示す構成では、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄのそれぞれの近傍で回路部７２ｂ～７２ｄの差動アンプＡＭＰａ～ＡＭＰｄが電気的処理を行なうため、電気ノイズの低減を図ることができる。また、外部に引き出す配線本数を削減することができ、軸受装置３０、スピンドル装置１の組立が容易になる。
　図１６は、荷重センサ素子の出力から軸受に印加する予圧（荷重）を算出する構成を示す図である。ここでは、４つの荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを用いた例で説明する。
　図１６に示す算出回路は、荷重センサ５０（荷重センサ素子５０ａ～５０ｄ）を含むブリッジ回路の出力値Ｓ（Ｓａ～Ｓｄ）を演算処理する演算部７３と、予め測定した出力値Ｓと荷重の関係、あるいは近似式を保存する記憶部７４を備える。演算部７３は、出力値Ｓと記憶部７４のデータから荷重を算出する。演算部７３と記憶部７４は、軸受装置３０の外部に設けてもよいし、処理部７０の内部に設けてもよい。
　外輪間座６ｇに印加される予圧荷重は周方向に均一ではなく、外輪間座６ｇ、ハウジング３、前蓋１２、軸受５等の寸法精度によって、検出場所による出力値の違いが発生することも想定される。また、主軸４が回転した際には、主軸４に負荷されるモーメント荷重の影響や、軸受５の転動体Ｔａ，Ｔｂの移動に伴って周方向の荷重分布が変動することも想定される。
　そのため、各荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの出力値Ｓの加算値、または平均値を演算部７３が処理するセンサ出力として採用してもよい。また、出力値Ｓが取る範囲として、最大値や最小値、最大値と最小値の差などを設定してもよい。
　なお、演算部７３によって得られた予圧（荷重）の出力をローパスフィルタに通し、転動体Ｔａ，Ｔｂの通過やノイズによる出力変動を削減してもよい。
　スピンドル装置１に軸受装置３０を実装し、モータ４０で主軸４を高速回転している場合、軸受５の温度上昇、あるいは軸受５の損傷によって軸受５が発熱することにより、予圧荷重が過大になって軸受５が焼損することが想定される。これに対しては、荷重センサ５０から予圧荷重を算出して監視すれば、軸受５が焼損しないよう回避策を取ることができる。
　たとえば、荷重センサ５０により測定した予圧荷重が、予め設定した基準値を超えた場合には、診断部７５で軸受５の異常と判定し、主軸４の回転速度を下げたり、冷却媒体の循環量を増やしたり、加工負荷を低減したりするなどの処置を施し、軸受５の焼損を防止することができる。
　また、荷重センサ５０は、予圧を発生させる力の伝達経路上にある外輪間座６ｇに固定されるため、スピンドル装置１を組み立てる際には、荷重センサ５０の出力から軸受５（５ａ，５ｂ）の初期予圧を把握でき、予圧量を見ながらナット１０の締め付け、あるいは前蓋１２の固定ねじの取り付けを調節することもできる。
　なお、演算部７３では、１８０度対向した荷重センサ素子５０ａ～５０ｄのうちの２つの出力の差分から主軸４に印加されるモーメント荷重を算出してもよい。たとえば、図１４に示す荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの配置では、荷重センサ素子５０ａ，５０ｂの差分から主軸４の上下方向のモーメント荷重の大きさと向きとを算出することができる。また、荷重センサ素子５０ｃ，５０ｄの差分から主軸４の左右方向のモーメント荷重の大きさと向きとを算出することも可能である。なお、荷重センサ素子の数は、４つでなくてもモーメント荷重の大きさと向きは算出可能である。
　たとえば、スピンドル装置１の他端側に固定したエンドミル等の切削工具で金属ワークを切削加工している際に、切削工具にかかる負荷および負荷方向をモーメント荷重から把握することができる。また、モーメント荷重から切削工具が金属ワークに衝突したことを検出することも可能である。
　異常診断の信頼性を高めるため、予圧（荷重）の増加に加え、他のセンサ、たとえば温度センサ、熱流束センサ、加速度センサの出力をさらに考慮して総合的に判断することもできる。たとえば、熱流束センサ（図示せず）を軸受５の近傍の非回転部材（たとえば外輪間座６ｇ）に固定し、回転部材（たとえば主軸４）に対向して配置すれば、軸受５の焼付きによる温度上昇の予兆を早期に検出することができる。
　図１７は、複数の荷重センサ素子に対して１個の抵抗回路でブリッジ回路を構成した変形例を示す図である。図１７に示す変形例は、図１４の改良例である。図１８は、図１７の構成において荷重センサ素子の抵抗変化を検出するブリッジ回路の第１構成例を示す図である。図１９は、図１７の構成において荷重センサ素子の抵抗変化を検出するブリッジ回路の第２構成例を示す図である。図１７には、図１８、図１９の構成例のどちらか１方を用いる。
　図１７に示すように、外輪間座６ｇの一方の端面６ｇａには、その周方向に等間隔で固定した複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと、１個の抵抗回路６０と、処理部７０とが固定される。たとえば荷重センサ素子５０ａ～５０ｄおよび抵抗回路６０と干渉しない形状、かつ、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄよりも厚さが薄くなるように、処理部７０を製作して、外輪５ｇａと処理部７０との接触を防止する。
　また、抵抗回路６０の厚さは荷重センサ素子５０ａ～５０ｄよりも薄くなるように設定するため、抵抗回路６０は外輪５ｇａとは当接せず、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄが押圧されても抵抗回路６０の抵抗Ｒの抵抗値は変化しないため、荷重を検出することができる。
　荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗回路６０の出力は、配線７１、７６により処理部７０に接続される。
　処理部７０には、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの抵抗変化を検出して増幅する１つの回路部１７２（または２７２）が実装される。処理部７０は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの抵抗変化に相当する出力値を得る。また、処理部７０に演算部７３を配置してもよい。演算部７３では、荷重センサ５０の抵抗変化量を処理して、外輪間座６ｇに印加される荷重に変換してから外部に出力する。
　図１８に示す回路部１７２は、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗Ｒ１～Ｒ３および荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと、差動アンプＡＭＰとを含む。抵抗Ｒ１～Ｒ３と荷重センサ素子５０ａ～５０ｄとはブリッジ回路を構成する。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る。また、ＤＣ電源ＶＳＤＣの正極と負極との間には、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを直列に接続した荷重検出部ＳＲと抵抗Ｒ３とが直列に接続される。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノードには、差動アンプＡＭＰの一方の入力ノードが接続される。荷重検出部ＳＲと抵抗Ｒ３との接続ノードには、差動アンプＡＭＰの他方の入力ノードが接続される。
　抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の抵抗値は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを直列に接続した直列抵抗値（合成抵抗値）と同じに設定される。
　図１８に示すような構成することによって、回路部１７２の構成を簡略にできるため、処理部７０の小型化、簡易化が可能になる。
　また、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗回路６０は、それらが近傍した位置にあって同じ環境に配置される。それらの抵抗温度係数を揃えておけば、温度変化があってもブリッジ回路の抵抗バランスは崩れないので、温度変化による差動アンプＡＭＰの出力温度ドリフトを抑えることができる。
　図１９に示す構成は、図１８の変更例であり、荷重センサ素子の接続方法を並列接続にしたことを除き、その他は同じである。
　図１９に示す回路部２７２は、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗Ｒ１～Ｒ３および荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと、差動アンプＡＭＰとを含む。抵抗Ｒ１～Ｒ３と荷重センサ素子５０ａ～５０ｄとはブリッジ回路を構成する。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る。また、ＤＣ電源ＶＳＤＣの正極と負極との間には、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを並列に接続した荷重検出部ＰＲと抵抗Ｒ３とが直列に接続される。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノードには、差動アンプＡＭＰの一方の入力ノードが接続される。荷重検出部ＳＲと抵抗Ｒ３との接続ノードには、差動アンプＡＭＰの他方の入力ノードが接続される。
　抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の抵抗値は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを並列に接続した並列抵抗値（合成抵抗値）と同じに設定される。
　図１９に示すような構成することによって、図１８と同様に、回路部２７２の構成を簡略にできるため、処理部７０の小型化が可能になる。
　また、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗回路６０は、それらが近傍した位置にあって同じ環境に配置される。それらの抵抗温度係数を揃えておけば、温度変化があってもブリッジ回路の抵抗バランスは崩れないので、温度変化による差動アンプＡＭＰの出力温度ドリフトを抑えることができる。
　なお、図１７から図１９の説明では、抵抗回路６０は外輪間座６ｇの端面６ｇａに配置したが、抵抗回路６０の機能を処理部７０に実装してもよい。この場合、抵抗回路６０の抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３として市販チップ抵抗を用い、処理部７０に実装すればよい。この場合、抵抗回路６０を外輪間座６ｇの端面６ｇａに配置する必要がなくなり、構成が簡略化される。
　図２０は、荷重センサ素子の固定位置を変更した変形例を示す図である。図２０では、外輪間座６ｇを軸方向に２分割した一方の間座６ｇ１の端面６ｇ１ａに荷重センサ５０と抵抗回路６０を固定した。この場合、他方の間座６ｇ２の端面６ｇ２ａは荷重センサ５０に当接する。
　なお、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗回路６０または抵抗モジュール６０ａ～６０ｄとを実装した側面図は、図３、図４または図１４、図１７と同じため、説明を省略する。
　荷重センサ５０を固定する間座６ｇ１の端面６ｇ１ａ、および荷重センサ５０を押圧する間座６ｇ２の端面６ｇ２ａは、平坦度と面粗さ、およびこれら端面６ｇ１ａ，６ｇ２ａの平行度を基準値以下になるよう加工する必要がある。間座６ｇ１，６ｇ２は、をそれぞれ単体で精度良く加工することが可能である。
　間座６ｇ２の端面６ｇ２ａに図示しない凸面を設け、凸面は荷重センサ５０のみと当接するようにしてもよい。また、間座６ｇ１の端面６ｇ１ａに図示しない凸面を設け、凸面に荷重センサ５０を固定してもよい。
　この場合、荷重センサ５０の上面は、抵抗回路６０の上面よりも突出する。
　さらに、外輪間座６ｇを２分割した間座６ｇ１，６ｇ２の相対的な位置ずれが生じないように、図示しないピンで位置合わせしてもよい。
　この場合、機械加工精度が求められる面積を小さくできるため、加工が容易になるとともに、加工時間の短縮が可能になる。
　また、荷重センサ５０の表面と抵抗回路６０の表面に段差を付けてもよい。
　また、荷重センサ５０と間座６ｇ２の端面６ｇ２ａとの間に、図示しない中間層（クッション層）を挿入して、荷重センサ５０を押圧する構造であってもよい。
　中間層の材料としては、たとえば外輪間座６ｇの材料よりも剛性（縦弾性係数）の低い金属材料（たとえばアルミニウム、銅、金属合金）、あるいは樹脂材料（たとえばフッ素系樹脂など）のコーティング薄膜などが使用できる。
　外輪間座６ｇより剛性が低い中間層を介して押圧することで、表面の形状に沿って中間層が変形して荷重が平均化するため、荷重センサ５０を安定して均一に押圧することができる。この場合、軸受装置３０、３０Ａの剛性は低下するため、中間層として適切な材料を選定する。
　また、中間層を介して荷重センサ５０を押圧する構成であれば、中間層を用いない場合に比べて、外輪間座６ｇの端面の加工精度（面粗さ、平坦度など）を下げることができ、加工が容易になる。
　なお、荷重センサ５０と処理部７０または処理部７０の一部とを一体的に実装してもよい。
　図２１は、荷重センサ素子の固定方法を変更した変形例の側面図である。図２２は、図２１のＰ－Ｏ－Ｐ断面の矢視図である。
　外輪間座６ｇを２分割した間座６ｇ１，６ｇ２の間に荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを配置し、間座６ｇ１，６ｇ２をねじＢで締結することによって荷重センサ素子５０ａ～５０ｄに予圧を印加する。なお、間座６ｇ１，６ｇ２と荷重センサ素子５０ａ～５０ｄとの当接面に接着剤を塗らなくても荷重センサ素子５０ａ～５０ｄは固定できるが、接着剤を併用してもよい。
　抵抗回路６０（抵抗モジュール６０ａ～６０ｄ）は、間座６ｇ１の端面６ｇ１ａの周上に配置されるが、間座６ｇ２の端面６ｇ２ａとは非接触とされ、押圧されない。
　荷重センサ素子５０ａ～５０ｄが当接する間座６ｇ１，６ｇ２の端面６ｇ１ａ，６ｇ２ａは、表面粗さや平坦度の精度が良い加工ができるよう、端面６ｇ１ａ，６ｇ２ａには突起を設けず、平研削で面精度が得られ易い構造とした。
　荷重センサ５０に予圧を印加することで、荷重センサ５０の出力に不感帯がなくなるとともに、ヒステリシスの低減と直線性の改善が期待できる。また、外輪間座６ｇを２分割した間座６ｇ１、６ｇ２はねじＢで固定されるため、外輪間座６ｇの取り扱いが容易となり、スピンドル装置１の組立性が向上する。
　また、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの近傍にそれぞれ抵抗モジュール６０ａ～６０ｄを配置し、それらの抵抗温度係数を揃えれば、温度変化があってもブリッジ回路の抵抗バランスは崩れないので、温度変化による差動アンプＡＭＰ出力の温度ドリフトを抑えることができる。そのため、温度センサの値で荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの出力補正を行なう工程を削減することも可能である。
　前述の例では、ケーブルＣＢを用いて荷重センサ５０とブリッジ回路部の出力、あるいはこれらを電気処理した出力を外部に送信しているが、自己発電とワイヤレス通信を追加で実装して無線通信することも可能である。
　（まとめ）
　再び、図を参照して、本実施の形態について総括する。
　本開示は、軸受装置３０に関する。軸受装置３０は、転動体と軌道面を有し、軸を支持する少なくとも１つの軸受５と、転動体と軌道面との間に予圧を発生させる押圧力が伝達する経路上に配置される部材と、部材に固定され、押圧力に応じて抵抗値が変化する荷重センサ５０と、荷重センサと接続してブリッジ回路を構成する複数の抵抗Ｒ１～Ｒ３を含む抵抗回路６０とを備える。荷重センサ５０は、押圧力に応じて抵抗が変わる薄膜パターン５２と、薄膜パターン５２を絶縁保護する保護層５４とを含む。
　好ましくは、軸受装置３０は、荷重センサ５０の抵抗変化に基づいて押圧力を検出する処理部をさらに備える。
　押圧力は、主軸４の延在方向の荷重によって印加され、荷重センサ５０は、主軸４の延在方向に交差する平面における同一円周上に等間隔に配置された複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを含む。
　抵抗回路６０は、複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄにそれぞれ接続され、複数の抵抗ブリッジ回路を形成する複数の抵抗モジュール６０ａ～６０ｄを含み、複数の抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各々は、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各々とともに抵抗ブリッジ回路を形成する複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄのうちの１つと同一円周上において隣接配置される。
　複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄは、直列または並列に接続されて、荷重検出部ＳＲまたはＰＲを形成する。荷重検出部ＳＲまたはＰＲは、複数の抵抗Ｒ１～Ｒ３とともにブリッジ回路を構成する。
　少なくとも１つの軸受５は、複数の軸受５ａ，５ｂである。部材は、複数の軸受のうちの２個の軸受５ａ，５ｂの間に挿入される非回転側の外輪間座６ｇである。荷重センサ５０は、外輪間座６ｇの端面６ｇａに固定され、２個の軸受５ａ，５ｂのうちの一方の軸受５ａの固定輪である外輪５ｇａと当接するように配置される。端面６ｇａからの抵抗回路６０の表面の高さは、端面から６ｇａの荷重センサ５０の表面の高さよりも低い。押圧力は、荷重センサ５０を介して伝達される。
　好ましくは、複数の抵抗Ｒ１～Ｒ３の各々の抵抗値および抵抗温度係数は、荷重センサ５０の抵抗値および抵抗温度係数と実質的に等しい。
　好ましくは、複数の抵抗Ｒ１～Ｒ３の各々は、薄膜パターン５２と同じ材料で形成される。
　図５～図７に示すように、薄膜パターンは５２、基板５１上に形成され、図１１、図１２に示すように、複数の抵抗Ｒ１～Ｒ３は、基板５１とは別の基板６１上に形成される。
　図１、図２に示すように、部材は、少なくとも１つの軸受５ａに隣接配置される外輪間座６ｇであり、荷重センサ５０は、外輪間座６ｇの端面６ｇａに固定され、軸受５ａの端面と当接し、押圧力は、荷重センサ５０を介して伝達される。
　好ましくは、図２０に示すように、部材は、少なくとも１つの軸受５ａに隣接配置される外輪間座６ｇを第１間座６ｇ１と第２間座６ｇ２に分割した一方の間座である。荷重センサ５０は、第１間座６ｇ１の端面６ｇ１ａに固定され、第２間座６ｇ２の端面６ｇ２ａと当接し、押圧力は、荷重センサ５０を介して伝達される。
　より好ましくは、図２１、図２２に示すように、第１間座６ｇ１および第２間座６ｇ２は、荷重センサ５０を挟持し、第１間座６ｇ１および第２間座６ｇ２は、ねじＢで締結され、荷重センサ５０には、ねじＢの締結力による押圧力が予め与えられている。
　本実施の形態は、他の局面では、上記いずれの軸受装置を備える、スピンドル装置１に関する。
　本実施の形態は、さらに他の局面では、転動体と軌道面を有する軸受５ａに隣接配置され、転動体と軌道面の間に予圧を発生する押圧力が伝達される間座６に関する。間座６は、押圧力を測定可能な荷重センサ５０と、荷重センサ５０とともにブリッジ回路を構成する複数の抵抗Ｒ１～Ｒ３を含む抵抗回路６０と、軸受５ａに隣接する端面６ｇａに荷重センサ５０および抵抗回路６０とが固定された外輪間座６ｇとを備える。
　好ましくは、間座６は、外輪間座６ｇに一体に実装され、荷重センサ５０の出力を処理する処理部７０をさらに備える。
　以上説明した実施の形態の軸受装置によれば、次のような効果が得られる。
　本実施の形態では、軸受に予圧（荷重）が印加される荷重経路上に荷重を測定することが可能な薄膜抵抗体を形成した荷重センサ素子と、その近傍に抵抗回路を配置し、これらでブリッジ回路を形成した。荷重センサ素子と抵抗回路は、同じ温度環境に配置されるため、それらの抵抗温度係数を揃える、あるいは抵抗温度係数を小さく設定すれば、温度変化があってもブリッジ回路のバランスは保たれる。したがって、荷重センサ素子の信号を電気処理して得られる出力の温度ドリフトを抑えることが可能になる。
　たとえば、荷重センサ素子と同じ材料で抵抗回路の薄膜パターン（抵抗）を形成すれば、抵抗値と抵抗温度係数（温度変化とともに抵抗値が変化する割合）を揃えることができ、温度変化に伴う増幅器の出力ドリフトをより低減することができる。この場合、温度補正を簡略化、あるいは省略することも期待できる。
　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、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、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、３ａ　段差部、３ｂ，１２ａ　溝、４　主軸、５，５ａ，５ｂ，１６　軸受、５ｇａ，５ｇｂ，１６ｂ　外輪、５ｉａ，５ｉｂ，１６ａ　内輪、６，６ｇ１，６ｇ２，９　間座、６ｇ　外輪間座、６ｇ１ａ，６ｇ２ａ，６ｇａ　端面、６ｉ　内輪間座、１０，２０　ナット、１２　前蓋、１３　ステータ、１４　ロータ、１５　筒状部材、１７　端部材、１８，２１　位置決め部材、１９　内輪押さえ、２２　空間部、３０　軸受装置、４０　モータ、５０，５０ａ１　荷重センサ、５０ａ～５０ｄ，１５０ａ，２５０ａ，３５０ａ　荷重センサ素子、５１，５１Ａ，６１　基板、５２，６２　薄膜パターン、５３，Ｔ，Ｔ１　電極、５４，５４Ａ，６４　保護層、５５　接着層、５８　絶縁層、６０　抵抗回路、６０ａ～６０ｄ　抵抗モジュール、７０　処理部、７１　配線、７２，７２ａ～７２ｄ，１７２，２７２　回路部、７３　演算部、７４　記憶部、７５　診断部、ＡＭＰ，ＡＭＰａ～ＡＭＰｄ　差動アンプ、Ｂ　ねじ、ＣＢ　ケーブル、Ｇ　流路、ＰＲ，ＳＲ　荷重検出部、Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３　抵抗、Ｒｔａ，Ｒｔｂ　保持器、Ｔａ，Ｔｂ　転動体、ＶＳＤＣ　電源。

Claims (15)

  1. 　軸受装置であって、
    　転動体と軌道面を有し、軸を支持する少なくとも１つの軸受と、
    　前記転動体と前記軌道面との間に予圧を発生させる押圧力が伝達する経路上に配置される部材と、
    　前記部材に固定され、前記押圧力に応じて抵抗値が変化する荷重センサと、
    　前記荷重センサと接続してブリッジ回路を構成する複数の抵抗を含む抵抗回路とを備え、
    　前記荷重センサは、
    　前記押圧力に応じて抵抗が変わる薄膜パターンと、
    　前記薄膜パターンを絶縁保護する保護層とを含む、軸受装置。
  2. 　前記荷重センサの抵抗変化に基づいて前記押圧力を検出する処理部をさらに備える、請求項１に記載の軸受装置。
  3. 　前記押圧力は、前記軸の延在方向の荷重によって印加され、
    　前記荷重センサは、前記軸の延在方向に交差する平面における同一円周上に等間隔に配置された複数の荷重センサ素子を含む、請求項１に記載の軸受装置。
  4. 　前記抵抗回路は、
    　前記複数の荷重センサ素子にそれぞれ接続され、複数の抵抗ブリッジ回路を形成する複数の抵抗回路部を含み、
    　前記複数の抵抗回路部の各々は、前記複数の抵抗回路部の各々とともに抵抗ブリッジ回路を形成する前記複数の荷重センサ素子のうちの１つと前記同一円周上において隣接配置される、請求項３に記載の軸受装置。
  5. 　前記複数の荷重センサ素子は、直列または並列に接続されて、荷重検出部を形成し、
    　前記荷重検出部は、前記複数の抵抗とともに前記ブリッジ回路を構成する、請求項３に記載の軸受装置。
  6. 　前記少なくとも１つの軸受は、複数の軸受であり、
    　前記部材は、前記複数の軸受のうちの２個の軸受の間に挿入される非回転側の間座であり、
    　前記荷重センサは、前記間座の端面に固定され、前記２個の軸受のうちの一方の軸受の固定輪と当接するように配置され、
    　前記端面からの前記抵抗回路の表面の高さは、前記端面からの前記荷重センサの表面の高さよりも低く、
    　前記押圧力は、前記荷重センサを介して伝達される、請求項１に記載の軸受装置。
  7. 　前記複数の抵抗の各々の抵抗値および抵抗温度係数は、前記荷重センサの抵抗値および抵抗温度係数と実質的に等しい、請求項１に記載の軸受装置。
  8. 　前記複数の抵抗の各々は、前記薄膜パターンと同じ材料で形成される、請求項１に記載の軸受装置。
  9. 　前記薄膜パターンは、第１の基板上に形成され、
    　前記複数の抵抗は、前記第１の基板とは別の第２の基板上に形成される、請求項１に記載の軸受装置。
  10. 　前記部材は、前記少なくとも１つの軸受に隣接配置される間座であり、
    　前記荷重センサは、前記間座の端面に固定され、前記軸受の端面と当接し、
    　前記押圧力は、前記荷重センサを介して伝達される、請求項１に記載の軸受装置。
  11. 　前記部材は、前記少なくとも１つの軸受に隣接配置される外輪間座を第１間座と第２間座に分割した一方の間座であり、
    　前記荷重センサは、前記第１間座の端面に固定され、前記第２間座の端面と当接し、
    　前記押圧力は、前記荷重センサを介して伝達される、請求項１に記載の軸受装置。
  12. 　前記第１間座および前記第２間座は、前記荷重センサを挟持し、
    　前記第１間座および前記第２間座は、ねじで締結され、
    　前記荷重センサには、前記ねじの締結力による押圧力が予め与えられている、請求項１１に記載の軸受装置。
  13. 　請求項１～１２のいずれか１項に記載の軸受装置を備える、スピンドル装置。
  14. 　転動体と軌道面を有する軸受に隣接配置され、前記転動体と前記軌道面の間に予圧を発生する押圧力が伝達される間座であって、
    　前記押圧力を測定可能な荷重センサと、
    　前記荷重センサとともにブリッジ回路を構成する複数の抵抗を含む抵抗回路と、
    　前記軸受に隣接する端面に前記荷重センサおよび前記抵抗回路とが固定された外輪間座とを備える、間座。
  15. 　前記外輪間座に一体に実装され、前記荷重センサの出力を処理する処理部をさらに備える、請求項１４に記載の間座。
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