JP2012149716A - センサ装備シール付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受の状態情報の検出が可能で、どのような設置場所でも適用できると共に、既存の設計の軸受にも適用できて既存軸受との互換性を有するセンサ装備シール付き軸受を提供する。
【解決手段】 このセンサ装備シール付き軸受１は、内輪２および外輪３と、これら内外輪間に介在した転動体４と、内外輪の間の軸受空間をシールするシール６とを備える。前記シール６に、軸受の状態情報を検出する１つ以上のセンサ１２，１３と、このセンサの検出した情報を管理する情報取扱手段１４と、この情報取扱手段１４と前記センサ１２，１３を駆動する発電機能を有する電源１５とを設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、軸受の内外輪間の軸受空間をシールするシールに、温度や振動等の軸受の状態情報を検出するセンサを設けたセンサ装備シール付き軸受に関する。

シールにセンサを設けたセンサ装備シール付き軸受の従来例として、鉄粉含有量検出センサを軸受の軌道輪の側面に取付け、その触針をシールに貫通させたものが知られている（例えば特許文献１）。また、シール付き軸受であるか否かは不明であるが、センサの検出した軸受状態情報を外部に送信する軸受情報通信システムも知られている（例えば特許文献２）。

特開２００３−２６９４７０号公報 特開２００３−１９４０４７号公報

特許文献１に開示のセンサ装備シール付き軸受では、軌道輪の側面に、軸受寸法外に張り出すようにセンサが配置されており、軸受を設置する場合にはセンサのスペースを確保する必要がある。すなわち、設置済みの既存の軸受のスペースに、この既存の軸受に代えて前記センサ装備シール付き軸受を配置しようとしても、センサのスペースを確保できないので置き換えができない。また、センサの電源を外部から供給しているため、適用できる設置場所が限られる。

特許文献２に開示の軸受情報通信システムは、センサ付き軸受におけるセンサの検出する軸受情報を送信する技術であり、センサを軸受のどの部位に配置するかなどについては何ら開示されていない。

この発明の目的は、軸受情報の検出が可能で、どのような設置場所でも適用できると共に、既存の設計の軸受にも適用できて既存軸受との構成部品や設置の互換性を有するセンサ装備シール付き軸受を提供することである。

この発明のセンサ装備シール付き軸受は、内輪および外輪と、これら内外輪間に介在した転動体と、前記内外輪の間の軸受空間を密封するシールとを備えた軸受において、
前記シールに、軸受の状態情報を検出する１つ以上のセンサと、このセンサの検出した情報を取り扱う情報取扱手段と、この情報取扱手段および前記センサを駆動可能な発電機能を有する電源とを設けたことを特徴とする。

この構成によると、軸受のシールに、センサと情報取扱手段と電源とを設けたので、外部電源を用いることなく、センサによる検出およびその検出した情報の情報取扱手段による取り扱いが可能である。そのため、インフラ等に影響を受けず、どのような設置場所であっても適用できる。センサ、情報取扱手段、および電源はシールに設けたため、これらセンサや、情報取扱手段、電源の設置のために軌道輪等を加工することが不要で、既存の設計の軸受にも適用でき、既存軸受との互換も可能となる。また、センサ、情報取扱手段、電源等が万一故障した場合にも、シールごと交換することが可能であり、簡単に交換することができる。
センサ、情報取扱手段、および電源はシールに設けるため、軌道輪の側面等に設ける場合と異なり、軌道輪から突出させずに、軸受空間内に収めることが可能で、また軸受空間から突出させる場合であっても、シールは、軸受空間をシールする位置にあり、軌道輪とは異なり、大抵の場合は隣接部分が空間となる。そのため、センサ、情報取扱手段、および電源を備えながら、これらセンサや電源等の突出による干渉の問題を生じることなく、既存軸受と互換性のある設置が可能である。
特に、前記センサ、情報取扱手段、および電源を含むシールの全体を前記軸受空間内に収めた場合は、上記のセンサ，電源等の突出による干渉の問題を全く生じることなく、既存軸受と互換性のある設置が可能である。

この発明において、前記情報取扱手段が、前記センサの検出した情報を外部に送信する送信機であっても良い。この構成の場合、センサの検出した情報を送信機により外部に送信できるため、軸受の管理を遠隔地で行なうことができる。

この発明において、前記情報取扱手段が、前記センサの検出した情報を記録する記録装置であっても良い。この構成の場合、センサの検出した情報を記録装置で記録できるので、軸受の設置場所に張り付いて情報管理を行なう必要がなく、軸受状態の管理を容易に行なうことができる。

この発明において、前記情報取扱手段が、前記センサの検出した情報を記録する記録装置と、前記センサの検出した情報を外部に送信する送信機であっても良い。この構成の場合、センサの検出した情報を記録装置で記録できると共に、送信機により外部に送信することもできるため、軸受状態の管理がさらに容易となる。

この発明において、前記送信機がワイヤレス送信機であっても良い。ワイヤレス送信機であると、配線が不要なため、シールに電源を設けて外部電源を不要とした構成と相まって、このセンサ装備シール付き軸受の設置場所の自由度が高く得られる。

この発明において、前記記録装置がＩＣタグであっても良い。ＩＣタグは小型のものが種々製造されており、これを用いることで、センサ装備シール付き軸受の製造が容易となる。

この発明において、前記センサの検出する軸受の状態情報が軸受の振動および温度のいずれか一方または両方であっても良い。軸受の異常は、一般的に振動または温度で判定できるため、これら振動または温度を検出することで、軸受異常の監視が行える。

この発明において、前記電源がゼーベック発電素子からなるものであっても良い。ゼーベック発電素子は、温度差によって発電する素子であり、シールの内外の温度差を効果的に利用して発電することができる。

この発明において、前記電源が振動発電素子からなるものであっても良い。この場合に、前記振動発電素子がエレクトレット素子であっても良い。軸受のシールは、回転によって振動を生じるため、その振動を効果的に利用して発電することができる。

この発明において、前記シールに、前記電源で発電した電気を蓄える蓄電手段をさらに設けても良い。この場合に、前記蓄電手段はコンデンサであってもリチウムイオン電池等の蓄電池であっても良い。このように蓄電手段を付加した場合、電源で万一発電できない時も、蓄電手段により正常に軸受の状態情報の収集、記録、送信ができる。

この発明において、前記シールは軸受から取り外し可能とするのが良い。シールが軸受から取り外し可能であると、シールと共に、シールに設けられたセンサ、情報取扱手段、および電源を容易に交換でき、これらの部品の故障に容易に対応できる。

この発明のセンサ装備シール付き軸受は、内輪および外輪と、これら内外輪間に介在した転動体と、前記内外輪の間の軸受空間を密封するシールとを備えた軸受において、前記シールに、軸受の状態情報を検出する１つ以上のセンサと、このセンサの検出した情報を取り扱う情報取扱手段と、この情報取扱手段および前記センサを駆動可能な発電機能を有する電源とを設けたため、軸受の状態情報の検出が可能で、どのような設置場所でも適用できると共に、既存の設計の軸受にも適用できて既存軸受との互換も可能となる。
特に、前記センサ、情報取扱手段、および電源を含むシールの全体を軸受空間内に収めた場合は、このセンサ装備シール付き軸受の設置場所の自由度がより一層高くなる。

この発明の第１の実施形態にかかるセンサ装備シール付き軸受の断面図である。 同センサ装備シール付き軸受のシールに設けられたセンサユニットのブロック図である。 同センサユニットの構成部品である電源として、ゼーベック素子の適用が可能であることを確認する温度測定試験に用いられるセンサ装備シール付き軸受の断面図である。 （Ａ）は同温度測定試験における軸受のシール表面での感温素子の配置例を示す部分斜視図、（Ｂ）は同部分の断面図、（Ｃ）はシール裏面での感温素子の配置例を示す部分斜視図である。 同試験用シール付き軸受が組み込まれたスピンドル装置の断面図である。 同試験の結果を示すグラフである。 前記センサユニットの構成部品である電源として、適用が可能な振動発電素子の動作原理図である。 この発明の他の実施形態にかかるセンサ装備シール付き軸受の断面図である。 同センサ装備シール付き軸受のシールに設けられたセンサユニットのブロック図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかるセンサ装備シール付き軸受の断面図である。 同センサ装備シール付き軸受のシールに設けられたセンサユニットのブロック図である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図７と共に説明する。この実施形態のセンサ装備シール付き軸受１は、例えば自動車のトランスミッションなどに用いられる転がり軸受であって、内輪２と外輪３の軌道面２ａ，３ａの間に複数の転動体４を介在させ、これら転動体４を保持する保持器５を設け、内外輪２，３間に形成される環状の軸受空間の両端をそれぞれシール６で密封したものである。軸受内にはグリースが初期封入される。この転がり軸受は、転動体４を玉とした深溝玉軸受であり、内輪２を回転輪とし、外輪３を固定輪とした内輪回転タイプである。

シール６は、環状の芯金７と、この芯金７に一体に固着されるゴム等の弾性部材８とで構成され、固定輪である外輪３の内周面に形成されたシール取付溝９に外周部が嵌合状態に固定される。回転輪である内輪２は、各シール６の内周部に対応する位置に、円周溝からなるシール溝１０が形成されている。シール６における弾性部材８の内周側端には、二股状に分かれるシールリップ部８ａ，８ｂが形成される。一方のシールリップ部８ａは、内輪２のシール溝１０の内側壁面にアキシアル接触する。他方のシールリップ部８ｂは、シール溝１０の外側壁面から軸受外部に延びる外径面の一部にラジアル接触する。シール６の全体は、前記芯金７にゴム材を加硫成形して形成される。

左右のシール６のうち、片方のシール６には、２つのセンサ１２，１３と、これらセンサ１２，１３の検出した軸受の状態情報を取り扱う情報取扱手段である送信機１４と、電源１５とでなるセンサユニット１１が一体に設けられている。図２にセンサユニット１１のブロック図を示す。ここでは、１つのセンサ１２が軸受の状態情報の１つである軸受温度を検出し、もう１つのセンサ１３が軸受の他の状態情報である軸受の振動を検出する。この場合、２つのセンサ１２，１３を設けたが、軸受温度を検出するセンサ１２だけを設けても、軸受振動を検出するセンサ１３だけを設けても良く、さらには前記センサ１２，１３に加えて、例えばグリース含有鉄粉量を検出する別のセンサを設けても良い。

送信機１４は、センサ１２，１３の検出した軸受の状態情報を外部に送信するワイヤレス送信機であり、無線で軸受の設置部から離れた外部の情報理処理装置（図示せず）に軸受の状態情報を送信する。電源１５は発電機能を有するものであり、センサ１２，１３および送信機１４にこれらの駆動に必要な電源を供給する。この発電機能を有する電源１５として、熱発電素子であるゼーベック素子や振動発電素子であるエレクトレット素子を適用することができる。

図３〜図６は、発電機能を有する前記電源１５として、ゼーベック素子の適用が可能であることを確認するために行なった温度測定試験について説明するものである。図３は、この試験に用いたシール付き軸受２１の断面図を示す。この試験用シール付き軸受２１が図１のセンサ装備シール付き軸受１と異なる点は、前記センサユニット１１をシール６に設けてないことであり、その他の構成は図１のセンサ装備シール付き軸受１と同じである。

試験用シール付き軸受２１における１つのシール６の表面には、図４（Ａ）のように、感温素子２２が配置され樹脂２０で固定されており、この感温素子２２でシール６の表面温度が測定される。同じシール６の裏面には、図４（Ｂ）のように、別の感温素子２３が配置され樹脂２０で固定されており、この感温素子２３でシール６の裏面温度が測定される。表裏の感温素子２２，２３は互いに平面的に同一箇所に固定されており、シール６の表裏の同一箇所を測定する。各感温素子２２，２３は、それぞれコード４２，４３に接続されていて、裏面側の感温素子２３のコード４３は、シール６に設けられた孔４４から表側に引き出されている。

図５は、図３の試験用シール付き軸受２１が組み込まれた試験機であるスピンドル装置の断面図を示す。このスピンドル装置２４は工作機械に応用されるものであり、主軸２５の前側（加工側）端に工具４０またはワークのチャックが取付けられる。主軸２５は、軸方向に離れた２つの試験用シール付き軸受２１により支持されている。各シール付き軸受２１の内輪２は主軸２５の外径面に嵌合し、外輪３は軸受箱２６の内径面に嵌合している。主軸前側のシール付き軸受２１については、その内輪２が内輪位置決め間座２７により、外輪３が押さえ蓋２８Ａにより、軸受箱２６内に固定されている。主軸後ろ側のシール付き軸受２１については、その内輪２が内輪位置決め間座２９を介して主軸２５の段面２５ａにより、外輪３が押さえ蓋２８Ｂにより、軸受箱２６内に固定されている。軸受箱２６は、内周軸受箱２６Ａと外周軸受箱２６Ｂの二重構造とされ、内外の軸受箱２６Ａ，２６Ｂ間に冷却溝３０が形成されている。両シール付き軸受２１の隣接する内輪２，２間には内輪間座３１が介在し、隣接する外輪３，３間には外輪間座３２が介在している。主軸２５の前端部には、内輪位置決め間座２７に押し当ててシール付き軸受２１を固定する軸受固定ナット３３が螺着されている。このスピンドル装置２４を駆動して、そのときのシール付き軸受２１におけるシール６の表裏両面の温度が測定される。

表１は、前記温度測定試験の結果を示したものであり、表中のＣＨ１はシール表面温度のデータを、ＣＨ２はシール裏面温度のデータをそれぞれ示す。図６は、主軸２５の回転速度（同図中の（３）のグラフ）と、測定したシール表面温度（同図中の（１）のグラフ）およびシール裏面温度（同図中の（２）のグラフ）と、基準温度（同図中の（４）のグラフ）とをそれぞれ示している。

また、この温度測定試験に用いたシール付き軸受２１の種類、および試験条件は以下の通りである。
１．試験軸受 ・＃２０（内径１００）
２．試験条件 ・回転速度３０００〜１５０００min ^-1（ｄｎ＝３０万〜１５０万）
・封入グリース：ＮＯＫクリューバ製グリース
軸受内部への封入量＝７ｇ（空間容積の２５％）
軸受端面への塗布量＝１ｇ
・外筒冷却：有り，室温同調１０ l／min
・試験姿勢：横軸

この温度測定試験の結果から、図６に示すように、シール６の裏面（同図中のグラフ（２））の方が表面（同図中のグラフ（１））より温度が高いことが確認された。シール付き軸受２１における転動体４の付近では、回転による発熱の影響を受け、温度が高くなるものと考えられる。この試験では、１５０００min ^-1のとき、シール表面とシール裏面の最大温度差７．５℃（４８．５℃−４１．０℃）が得られた。５℃以上の温度差が得られると、前記した発電機能を有する電源１５として、一般的にゼーベック素子を用いることができる。

図７は、発電機能を有する電源１５として適用可能な振動発電素子の１つであるエレクトレット素子の動作原理を示している。このエレクトレット素子１７は、静止状態を示す図７（Ａ）のように、互いに対向して配置されるエレクトレット電極基板１８，メタル電極基板１９を有し、静止状態でエレクトレット電極基板１８，メタル電極基板１９を対向させると電荷が誘導された状態となる。図７（Ｂ）のように振動に伴う移動で位置が互いにずれると、メタル電極基板１９の電荷が移動する。これにより、発電が行なわれる。

このように、このセンサ装備シール付き軸受１によると、シール６に、センサ１２，１３と、情報取扱手段である送信機１４と、これらセンサ１２，１３および送信機１４を駆動する電源１５とを設けたので、外部電源を用いることなく、センサ６による検出およびその検出した情報の送信が可能である。そのため、インフラ等に影響を受けず、どのような設置場所であっても適用できる。センサ６、送信機１４、および電源１５はシール６に設けたため、これらセンサ１２，１３や、送信機１４、電源１５の設置のために外輪３や内輪２等を加工することが不要で、既存の設計の軸受にも適用でき、既存軸受との互換も可能となる。また、センサ６、送信機１４、電源１５等が万一故障した場合にも、シールユニット１１ごと交換することが可能であり、簡単に交換することができる。
センサ１２，１３、送信機１４、および電源１５はシール６に設けるため、軌道輪の側面等に設ける場合と異なり、軌道輪から突出させずに、軸受空間内に収めることが可能で、また軸受空間から突出させる場合であっても、シール６は、軸受空間をシールする位置にあり、軌道輪とは異なり、大抵の場合は隣接部分が空間となる。そのため、センサ１２，１３、送信機１４、および電源１５を備えながら、これらセンサ１２，１３や電源１５等の突出による干渉の問題を生じることなく、既存軸受と互換性のある設置が可能である。
特に、図示の例のようにセンサ６、送信機１４、および電源１５を含むシールユニット１１の全体を軸受空間内に収めた場合は、上記のセンサ１２，１３，電源１５等の突出による干渉の問題を全く生じることなく、既存軸受と互換性のある設置が可能である。

また、この実施形態では、シール６が、固定輪である外輪３から取り外し可能であるため、シール６と共に、シール６に設けられたセンサ１２，１３、情報取扱手段である送信機１４、および電源１５を容易に交換でき、これらの部品の故障に容易に対応できる。

図８および図９は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態のセンサ装備シール付き軸受は、図１〜図７に示した実施形態において、シール６に設けるセンサユニット１１の構成部品の１つである送信機１４を、他の情報取扱手段である記録装置１６に置き換えたものである。この場合の記録装置１６は、センサ１２，１３の検出した軸受の状態情報を記録するものである。この記録装置１６として、例えばＩＣタグを用いることができる。その他の構成は、図１〜図７に示した実施形態の場合と同様である。

この実施形態の場合、センサ１２，１３の検出した情報を記録装置１６で記録できるので、センサ装備シール付き軸受１の設置場所に張り付いて情報管理を行なう必要がなく、軸受管理を容易に行なうことができる。その他の作用効果は、図１〜図７に示した第１の実施形態の場合と同様である。

図１０および図１１は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態のセンサ装備シール付き軸受は、図１〜図７に示した第１の実施形態において、シール６に設けるセンサユニット１１の構成部品のうち、センサ１２，１３の検出した情報を管理する情報取扱手段として、送信機１４のほかに、その情報を記録する記録装置１６を設けたものである。この記録装置１６として、例えばＩＣタグを用いることができることは、図８および図９に示した実施形態の場合と同様である。また、その他の構成は、図１〜図７に示した第１の実施形態の場合と同様である。

この実施形態の場合、センサ１２，１３の検出した情報を記録装置１６で記録できると共に、送信機１４により外部に送信することもできるため、軸受管理がさらに容易となる。その他の作用効果は図１〜図７に示した第１の実施形態の場合と同様である。

なお、上記した各実施形態において、前記シール６に設けるセンサユニット１１の構成部品として、前記電源１５で発電した電気を蓄える蓄電手段をさらに設けても良い。このように蓄電手段を付加した場合、電源１５で万一発電できない時も、蓄電手段により正常に軸受の状態情報の収集、記録、送信ができる。この場合に、前記蓄電手段はコンデンサであってもリチウムイオン電池であっても良い。

１…センサ装備シール付き軸受
２…内輪
３…外輪
４…転動体
６…シール
９…シール取付溝
１１…センサユニット
１２，１３…センサ
１４…送信機（情報取扱手段）
１５…電源
１６…記録装置
１７…エレクトレット素子

Claims (15)

1. 内輪および外輪と、これら内外輪間に介在した転動体と、前記内外輪の間の軸受空間を密封するシールとを備えた軸受において、
   前記シールに、軸受の状態情報を検出する１つ以上のセンサと、このセンサの検出した情報を取り扱う情報取扱手段と、この情報取扱手段および前記センサを駆動可能な発電機能を有する電源とを設けたことを特徴とするセンサ装備シール付き軸受。
2. 請求項１において、前記センサ、情報取扱手段、および電源を含むシールの全体を前記軸受空間内に収めたシール付き軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記情報取扱手段が、前記センサの検出した情報を外部に送信する送信機であるセンサ装備シール付き軸受。
4. 請求項１または請求項２において、前記情報取扱手段が、前記センサの検出した情報を記録する記録装置であるセンサ装備シール付き軸受。
5. 請求項１または請求項２において、前記情報取扱手段が、前記センサの検出した情報を記録する記録装置と、前記センサの検出した情報を外部に送信する送信機であるセンサ装備シール付き軸受。
6. 請求項３または請求項５において、前記送信機がワイヤレス送信機であるセンサ装備シール付き軸受。
7. 請求項４または請求項５において、前記記録装置がＩＣタグであるセンサ装備シール付き軸受。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記センサの検出する軸受の状態情報が軸受の振動および温度のいずれか一方または両方であるセンサ装備シール付き軸受。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記電源がゼーベック発電素子からなるセンサ装備シール付き軸受。
10. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記電源が振動発電素子からなるセンサ装備シール付き軸受。
11. 請求項１０において、前記振動発電素子がエレクトレット素子であるセンサ装備シール付き軸受。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項において、前記シールに、前記電源で発電した電気を蓄える蓄電手段をさらに設けたセンサ装備シール付き軸受。
13. 請求項１２において、前記蓄電手段がコンデンサであるセンサ装備シール付き軸受。
14. 請求項１２において、前記蓄電手段がリチウムイオン電池であるセンサ装備シール付き軸受。
15. 請求項１ないし請求項１４のいずれか１項において、前記シールが軸受から取り外し可能であるセンサ装備シール付き軸受。

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