JP7201542B2 - 転がり軸受、回転装置、軸受監視装置、軸受監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受、回転装置、軸受監視装置、軸受監視方法に関する。

内周側に軌道面を有する外輪と、外周側に軌道面を有する内輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に介在された転動体と、外輪又は内輪の表面に貼り付け可能なひずみゲージとを備えた転がり軸受が知られている。この転がり軸受において、ひずみゲージは、金属薄膜よりなる複数の細線状の高抵抗部を経路途中に有する導電配線を絶縁性膜上に設けることによって構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７－３２７０５号公報

しかしながら、転がり軸受の外輪や内輪は剛性力の高い材質で形成されている。ひずみゲージを剛性力の高い材質で形成された測定対象物に対して使用する場合には、高感度であることが要求されるが、従来のひずみゲージは感度が十分ではなかったため、転がり軸受のひずみを精度よく検出できず、実用化は困難であった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみを精度よく検出する機能を備えた転がり軸受を提供することを目的とする。

本転がり軸受は、外輪と、前記外輪の内周側に前記外輪と同軸状に配置された内輪と、前記外輪と前記内輪との間に配置された複数の転動体と、前記外輪又は前記内輪のひずみを検出するひずみゲージと、前記外輪の外周に接して配置された筐体と、を有し、前記ひずみゲージは、Ｃｒ混相膜から形成された抵抗体を備え、前記外輪の回転軸と平行な方向に予圧が与えられ、前記抵抗体は、前記外輪の外周面の反予圧側に配置され、前記転動体の真上に位置する前記外輪の外周面は、全周に亘って前記筐体の内周面と接している。

開示の技術によれば、ひずみを精度よく検出する機能を備えた転がり軸受を提供できる。

第１実施形態に係る転がり軸受を例示する斜視図である。 第１実施形態に係る転がり軸受を例示する図である。 第１実施形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。 第１実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図である。 第１実施形態に係る軸受監視装置を例示するブロック図である。 第１実施形態に係る演算部のハードウェアブロック図の例である。 第１実施形態に係る演算部の機能ブロック図の例である。 アナログフロントエンド部で生成されたひずみ波形を例示する図である。 第１実施形態に係る軸受監視装置の軸受監視方法を例示するフローチャートである。 第１実施形態の変形例１に係る転がり軸受を例示する斜視図である。 第１実施形態の変形例１に係る転がり軸受を例示する部分正面図である。 第１実施形態の変形例２に係る転がり軸受を例示する部分正面図である。 第１実施形態の変形例３に係る転がり軸受を例示する部分正面図である。 第１実施形態の変形例４に係る転がり軸受を例示する部分正面図である。 第１実施形態の変形例５に係る転がり軸受を例示する斜視図である。 第１実施形態の変形例５に係る転がり軸受を例示する部分正面図である。 第１実施形態の変形例６に係る転がり軸受を例示する斜視図である。 第１実施形態の変形例６に係る転がり軸受を例示する部分正面図である。 第２実施形態に係る転がり軸受を例示する斜視図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１実施形態〉
［転がり軸受］
図１は、第１実施形態に係る転がり軸受を例示する斜視図である。図２は、第１実施形態に係る転がり軸受を例示する図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は断面図、図２（ｃ）は背面図である。

図１及び図２を参照すると、転がり軸受１は、外輪１０と、内輪２０と、複数の転動体３０と、保持器４０と、シール５１及び５２と、ひずみゲージ１００とを有する。なお、図２（ａ）及び図２（ｃ）において、シール５１及び５２の図示は便宜的に省略されている。

外輪１０は、回転軸ｍを中心軸とする円筒形の構造体である。内輪２０は、外輪１０の内周側に外輪１０と同軸状に配置された円筒形の構造体である。複数の転動体３０の各々は、外輪１０と内輪２０との間に形成される軌道７０内に配置された球体である。軌道７０内にはグリース等の潤滑剤（図示略）が封入される。シール５１及び５２は、外輪１０の内周面から内輪２０側に突起し、軌道７０を外界から遮断する。

外輪１０の内周面には、断面が円弧状の凹部１１が外輪１０の周方向に形成されている。又、内輪２０の外周面には、断面が円弧状の凹部２１が内輪２０の周方向に形成されている。複数の転動体３０は、凹部１１及び２１により周方向に案内される。

保持器４０は、軌道７０内に配置されて複数の転動体３０を保持する。具体的には、保持器４０は、回転軸ｍと同軸の環状体であり、回転軸ｍの方向における一方の側に転動体３０を収容するための凹部４１を有し、他方の側が環状体の周方向に連続した背面部４２となっている。

ひずみゲージ１００は、外輪１０又は内輪２０のひずみを検出するセンサであり、受感部となる抵抗体１０３を有している。本実施形態では、ひずみゲージ１００は、外輪１０の外周面に貼り付けられており、外輪１０のひずみを抵抗体１０３の抵抗値の変化として検出する。

なお、ひずみゲージ１００において、抵抗体１０３は、長手方向（ゲージ長方向）を外輪１０の周方向に向けて配置されている。外輪１０の周方向は軸方向よりも伸縮し易いため、抵抗体１０３の長手方向を外輪１０の周方向に向けて配置することで、大きなひずみ波形を得ることができる。

ひずみゲージ１００の出力を外部装置でモニタすることにより、転がり軸受１の運転状態を監視できる。以下、ひずみゲージ１００について詳説する。

図３は、第１実施形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。図４は、第１実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図３のＡ－Ａ線に沿う断面を示している。図３及び図４を参照するに、ひずみゲージ１００は、基材１０１と、機能層１０２と、抵抗体１０３と、配線１０４と、端子部１０５とを有している。但し、機能層１０２は、必要に応じて設ければよい。

なお、本実施形態では、便宜上、ひずみゲージ１００において、基材１０１の抵抗体１０３が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体１０３が設けられていない側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗体１０３が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体１０３が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。但し、ひずみゲージ１００は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置できる。又、平面視とは対象物を基材１０１の上面１０１ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材１０１の上面１０１ａの法線方向から視た形状を指すものとする。

基材１０１は、抵抗体１０３等を形成するためのベース層となる部材であり、可撓性を有する。基材１０１の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、５μｍ～５００μｍ程度とすることができる。特に、基材１０１の厚さが５μｍ～２００μｍであると、接着層等を介して基材１０１の下面に接合される起歪体表面からの歪の伝達性、環境に対する寸法安定性の点で好ましく、１０μｍ以上であると絶縁性の点で更に好ましい。

基材１０１は、例えば、ＰＩ（ポリイミド）樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成できる。なお、フィルムとは、厚さが５００μｍ以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。

ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１０１が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材１０１は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。

機能層１０２は、基材１０１の上面１０１ａに抵抗体１０３の下層として形成されている。すなわち、機能層１０２の平面形状は、図３に示す抵抗体１０３の平面形状と略同一である。機能層１０２の厚さは、例えば、１ｎｍ～１００ｎｍ程度とすることができる。

本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体１０３の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層１０２は、更に、基材１０１に含まれる酸素や水分による抵抗体１０３の酸化を防止する機能や、基材１０１と抵抗体１０３との密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層１０２は、更に、他の機能を備えていてもよい。

基材１０１を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に抵抗体１０３がＣｒ（クロム）を含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層１０２が抵抗体１０３の酸化を防止する機能を備えることは有効である。

機能層１０２の材料は、少なくとも上層である抵抗体１０３の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｙ（イットリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｕ（銅）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミニウム）からなる群から選択される１種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。

上記の合金としては、例えば、ＦｅＣｒ、ＴｉＡｌ、ＦｅＮｉ、ＮｉＣｒ、ＣｒＣｕ等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２等が挙げられる。

抵抗体１０３は、機能層１０２の上面に所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。

抵抗体１０３は、Ｃｒ混相膜により形成されている。ここで、Ｃｒ混相膜とは、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ等が混相した膜である。Ｃｒ混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。又、Ｃｒ混相膜に、機能層１０２を構成する材料の一部が拡散されてもよい。この場合、機能層１０２を構成する材料と窒素とが化合物を形成する場合もある。例えば、機能層１０２がＴｉから形成されている場合、Ｃｒ混相膜にＴｉやＴｉＮ（窒化チタン）が含まれる場合がある。

抵抗体１０３の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．０５μｍ～２μｍ程度とすることができる。特に、抵抗体１０３の厚さが０．１μｍ以上であると抵抗体１０３を構成する結晶の結晶性（例えば、α－Ｃｒの結晶性）が向上する点で好ましく、１μｍ以下であると抵抗体１０３を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材１０１からの反りを低減できる点で更に好ましい。

機能層１０２上に抵抗体１０３を形成することで、安定な結晶相により抵抗体１０３を形成できるため、ゲージ特性（ゲージ率、ゲージ率温度係数ＴＣＳ、及び抵抗温度係数ＴＣＲ）の安定性を向上できる。

例えば、抵抗体１０３がＣｒ混相膜である場合、機能層１０２を設けることで、α－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とする抵抗体１０３を形成できる。α－Ｃｒは安定な結晶相であるため、ゲージ特性の安定性を向上できる。

ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の５０質量％以上を占めることを意味する。抵抗体１０３がＣｒ混相膜である場合、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体１０３はα－Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましい。なお、α－Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。

又、機能層１０２を構成する金属（例えば、Ｔｉ）がＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性を向上できる。具体的には、ひずみゲージ１００のゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを－１０００ｐｐｍ／℃～＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。

端子部１０５は、配線１０４を介して抵抗体１０３の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体１０３及び配線１０４よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部１０５は、ひずみにより生じる抵抗体１０３の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極であり、例えば、外部接続用のリード線等が接合される。抵抗体１０３は、例えば、端子部１０５及び配線１０４の一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の配線１０４及び端子部１０５に接続されている。端子部１０５の上面を、端子部１０５よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗体１０３と配線１０４と端子部１０５とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成できる。

抵抗体１０３及び配線１０４を被覆し端子部１０５を露出するように基材１０１の上面１０１ａにカバー層１０６（絶縁樹脂層）を設けても構わない。カバー層１０６を設けることで、抵抗体１０３及び配線１０４に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、カバー層１０６を設けることで、抵抗体１０３及び配線１０４を湿気等から保護できる。なお、カバー層１０６は、端子部１０５を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。

カバー層１０６は、例えば、ＰＩ樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＮ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂、複合樹脂（例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂）等の絶縁樹脂から形成できる。カバー層１０６は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層１０６の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、２μｍ～３０μｍ程度とすることができる。

ひずみゲージ１００を製造するためには、まず、基材１０１を準備し、基材１０１の上面１０１ａに機能層１０２を形成する。基材１０１及び機能層１０２の材料や厚さは、前述の通りである。但し、機能層１０２は、必要に応じて設ければよい。

機能層１０２は、例えば、機能層１０２を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒ（アルゴン）ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜できる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材１０１の上面１０１ａをＡｒでエッチングしながら機能層１０２が成膜されるため、機能層１０２の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。

但し、これは、機能層１０２の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層１０２を成膜してもよい。例えば、機能層１０２の成膜の前にＡｒ等を用いたプラズマ処理等により基材１０１の上面１０１ａを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層１０２を真空成膜する方法を用いてもよい。

次に、機能層１０２の上面全体に抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５となる金属層を形成後、フォトリソグラフィによって機能層１０２並びに抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５を図３に示す平面形状にパターニングする。抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５は、同一材料により一体に形成できる。抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５は、例えば、抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５を形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜できる。抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５は、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。

機能層１０２の材料と抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５の材料との組み合わせは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、機能層１０２としてＴｉを用い、抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５としてα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とするＣｒ混相膜を成膜可能である。

この場合、例えば、Ｃｒ混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５を成膜できる。或いは、純Ｃｒをターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗体１０３、配線１０４、及び端子部１０５を成膜してもよい。

これらの方法では、Ｔｉからなる機能層１０２がきっかけでＣｒ混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα－Ｃｒを主成分とするＣｒ混相膜を成膜できる。又、機能層１０２を構成するＴｉがＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性が向上する。例えば、ひずみゲージ１００のゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを－１０００ｐｐｍ／℃～＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。

なお、抵抗体１０３がＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層１０２は、抵抗体１０３の結晶成長を促進する機能、基材１０１に含まれる酸素や水分による抵抗体１０３の酸化を防止する機能、及び基材１０１と抵抗体１０３との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層１０２として、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。

その後、必要に応じ、基材１０１の上面１０１ａに、抵抗体１０３及び配線１０４を被覆し端子部１０５を露出するカバー層１０６を設けることで、ひずみゲージ１００が完成する。カバー層１０６は、例えば、基材１０１の上面１０１ａに、抵抗体１０３及び配線１０４を被覆し端子部１０５を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製できる。カバー層１０６は、基材１０１の上面１０１ａに、抵抗体１０３及び配線１０４を被覆し端子部１０５を露出するように液状又はペースト状の熱硬化性の絶縁樹脂を塗布し、加熱して硬化させて作製してもよい。

このように、抵抗体１０３の下層に機能層１０２を設けることにより、抵抗体１０３の結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体１０３を作製できる。その結果、ひずみゲージ１００において、ゲージ特性の安定性を向上できる。又、機能層１０２を構成する材料が抵抗体１０３に拡散することにより、ひずみゲージ１００において、ゲージ特性を向上できる。

［軸受監視装置］
図５は、第１実施形態に係る軸受監視装置を例示するブロック図である。図５を参照すると、軸受監視装置２００は、転がり軸受１と、アナログフロントエンド部２１０と、演算部２２０とを有する。

軸受監視装置２００において、転がり軸受１のひずみゲージ１００の１対の端子部１０５は、例えば、フレキシブル基板やリード線等を用いて、アナログフロントエンド部２１０に接続されている。

アナログフロントエンド部２１０は、例えば、ブリッジ回路２１１、増幅回路２１２、Ａ／Ｄ変換回路（アナログ／デジタル変換回路）２１３、インターフェイス２１４等を備えており、抵抗体１０３の出力に基づいて、ひずみ波形を生成する。アナログフロントエンド部２１０は、温度補償回路を備えていてもよい。アナログフロントエンド部２１０は、ＩＣ化されていてもよいし、個別部品により構成されていてもよい。

アナログフロントエンド部２１０では、例えば、ひずみゲージ１００の１対の端子部１０５は、ブリッジ回路２１１に接続される。すなわち、ブリッジ回路２１１の１辺が１対の端子部１０５間の抵抗体１０３で構成され、他の３辺が固定抵抗で構成される。これにより、ブリッジ回路２１１の出力として、抵抗体１０３の抵抗値に対応したひずみ波形（アナログ信号）を得ることができる。なお、アナログフロントエンド部２１０は、本発明に係る波形生成部の代表的な一例である。

ブリッジ回路２１１から出力されたひずみ波形は、増幅回路２１２で増幅された後、Ａ／Ｄ変換回路２１３によりデジタル信号に変換され、インターフェイス２１４を介して、例えばＩ^２Ｃ等のシリアル通信により演算部２２０に出力される。アナログフロントエンド部２１０が温度補償回路を備えている場合には、温度補償されたデジタル信号が演算部２２０に送られる。

演算部２２０は、アナログフロントエンド部２１０から送られたデジタル化されたひずみ波形に演算処理を行い、転がり軸受１の運転状態を監視する。演算処理は、例えば、
振幅や周期を算出したり、それらを基準値と比較したりすることを含む。演算部２２０は、例えば、デジタル化されたひずみ波形の振幅又は周期に基づいて、転がり軸受１の運転状態を監視する。

図６は、第１実施形態に係る演算部のハードウェアブロック図の例である。図６に示すように、演算部２２０は、主要な構成要素として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２２１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２２２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２２３と、Ｉ／Ｆ（Interface）２２４と、バスライン２２５とを有している。ＣＰＵ２２１、ＲＯＭ２２２、ＲＡＭ２２３、及びＩ／Ｆ２２４は、バスライン２２５を介して相互に接続されている。演算部２２０は、必要に応じ、他のハードウェアブロックを有しても構わない。

ＣＰＵ２２１は、演算部２２０の各機能を制御する。記憶手段であるＲＯＭ２２２は、ＣＰＵ２２１が演算部２２０の各機能を制御するために実行するプログラムや、各種情報を記憶している。記憶手段であるＲＡＭ２２３は、ＣＰＵ２２１のワークエリア等として使用される。又、ＲＡＭ２２３は、所定の情報を一時的に記憶できる。Ｉ／Ｆ２２４は、他の機器等と接続するためのインターフェイスであり、例えば、アナログフロントエンド部２１０や外部ネットワーク等と接続される。

演算部２２０は、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、所定の機能を実行するよう設計されたＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＳＯＣ（System On a Chip）、又はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）であってもよい。又、演算部２２０は、回路モジュール等であってもよい。

図７は、第１実施形態に係る演算部の機能ブロック図の例である。図７に示すように、演算部２２０は、主要な機能ブロックとして、振幅算出部２２０１と、周期算出部２２０２と、比較部２２０３とを備えている。演算部２２０は、必要に応じ、他の機能ブロックを有しても構わない。

振幅算出部２２０１は、デジタル化されたひずみ波形の振幅を算出する機能を有する。周期算出部２２０２は、デジタル化されたひずみ波形の周期を算出する機能を有する。比較部２２０３は、振幅算出部２２０１が算出した振幅、及び／又は周期算出部２２０２が算出した周期を所定の基準値と比較する機能を有する。演算部２２０は、必要に応じ、その他の機能を有してもよい。

図８は、アナログフロントエンド部で生成されたひずみ波形を例示する図である。図８において、実線は初期のひずみ波形を示しており、破線は所定時間動作後のひずみ波形を示している。実線及び破線で示すひずみ波形は、ピークとボトムを繰り返す周期的な波形になる。ひずみゲージ１００の抵抗体１０３の直下を転動体３０が通過したときに、ひずみ量（出力強度）はピークとなり、隣接する転動体３０の中間点でボトムとなる。なお、一定時間に現れるひずみ量のピークの個数を検出することで、転がり軸受１の回転数を求めることができる。

図８に示すように、初期のひずみ波形では、振幅及び周期のばらつきが小さいが、所定時間動作後のひずみ波形では、振幅及び周期のばらつきが大きくなる。所定時間動作後のひずみ波形では、経時変化により、保持器４０の摩耗や軌道７０内に封入されるグリース等の潤滑剤の貼り付き等により、転動体３０の動きが変化して周期のばらつきが大きくなったと考えられる。又、所定時間動作後のひずみ波形では、経時変化により、転動体３０、外輪１０、及び内輪２０の摩耗や軌道７０内に封入されるグリース等の潤滑剤の貼り付き等により、振幅のばらつきが大きくなったと考えられる。

このように、経時変化によりひずみ波形の振幅及び周期のばらつきが変わるため、演算部２２０は、ひずみ波形の振幅及び／又は周期に基づいて、転がり軸受１の運転状態を監視できる。

図９は、第１実施形態に係る軸受監視装置の軸受監視方法を例示するフローチャートである。図９に示すステップＳ１では、アナログフロントエンド部２１０は、初期のひずみ波形を生成する。そして、振幅算出部２２０１は、初期のひずみ波形の振幅の平均値を求め、それを振幅初期値としてＲＡＭ等に記憶する。

次に、ステップＳ２では、周期算出部２２０２は、ステップＳ１でアナログフロントエンド部２１０が生成した初期のひずみ波形の周期の平均値を求め、それを周期初期値としてＲＡＭ等に記憶する。なお、振幅は、例えば、ピーク検出により得ることができ、周期は、隣接するピーク間の時間測定により得ることができる。

次に、ステップＳ３では、アナログフロントエンド部２１０は、所定時間経過後のひずみ波形を生成する。そして、振幅算出部２２０１は、所定時間経過後のひずみ波形の振幅の平均値を求め、それを振幅平均値としてＲＡＭ等に記憶する。

次に、ステップＳ４では、周期算出部２２０２は、ステップＳ３でアナログフロントエンド部２１０が生成した所定時間経過後のひずみ波形の周期の平均値を求め、それを周期平均値としてＲＡＭ等に記憶する。

次に、ステップＳ５では、比較部２２０３は、ひずみ波形に演算処理を行い、転がり軸受１の運転状態を監視する。具体的には、比較部２２０３は、振幅初期値と振幅平均値とをＲＡＭ等から読み出し、｜振幅平均値－振幅初期値｜≦Ａであるか否かを判定する。Ａは、転がり軸受１が寿命であることを判定するための値であり、実験等により求め、予めＲＡＭ等に記憶されている。

ステップＳ５で、｜振幅平均値－振幅初期値｜がＡを超えていれば（ＮＯの場合）、ステップＳ７に移行し、比較部２２０３は、転がり軸受１が寿命であることを外部に出力（データ出力、警告音の発生、警告灯の点灯等）する。ステップＳ５で、｜振幅平均値－振幅初期値｜がＡ以下であれば（ＹＥＳの場合）、ステップＳ６に移行する。

次に、ステップＳ６では、比較部２２０３は、ひずみ波形に演算処理を行い、転がり軸受１の運転状態を監視する。具体的には、比較部２２０３は、周期初期値と周期平均値とをＲＡＭ等から読み出し、｜周期平均値－周期初期値｜≦Ｂであるか否かを判定する。Ｂは、転がり軸受１が寿命であることを判定するための値であり、実験等により求め、予めＲＡＭ等に記憶されている。

ステップＳ６で、｜周期平均値－周期初期値｜がＢを超えていれば（ＮＯの場合）、ステップＳ７に移行し、比較部２２０３は、転がり軸受１が寿命であることを外部に出力（データ出力、警告音の発生、警告灯の点灯等）する。ステップＳ６で、｜周期平均値－周期初期値｜がＢ以下であれば（ＹＥＳの場合）、再びステップＳ３に移行し、振幅算出部２２０１、周期算出部２２０２、及び比較部２２０３は、上記の動作を繰り返す。

なお、演算部２２０は、振幅と周期の何れか一方のみに基づいて転がり軸受１の運転状態を監視してもよいし、振幅と周期の両方に基づいて転がり軸受１の運転状態を監視してもよい。又、平均値を比較することは一例であり、これには限定されない。例えば、平均値及び標準偏差を比較してもよいし、最大値や最小値を比較してもよいし、その他を比較してもよい。

ところで、転がり軸受１では、軸振れを抑制するために予圧を与える場合がある。転がり軸受１の予圧が大きいほど、図８に示すひずみ波形の振幅が大きくなる。これを利用すると、予圧が下がったこと（予圧抜け）を検知できる。例えば、演算部２２０が一定時間ごとのひずみ波形の振幅の平均値を求め、振幅の平均値が予め設定してＲＡＭ等に記憶された閾値を下回ったときに、予圧が適切でない（予圧が下がった）ことを検知できる。予圧が適切でないことを検知した場合、演算部２２０は、予圧が適切でないことを外部に出力（データ出力、警告音の発生、警告灯の点灯等）する。

なお、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１００は、高感度化（従来比５００％以上）かつ、小型化（従来比１／１０以下）を実現している。例えば、従来のひずみゲージの出力が０．０４ｍＶ／２Ｖ程度であったのに対して、ひずみゲージ１００では０．３ｍＶ／２Ｖ以上の出力を得ることができる。又、従来のひずみゲージの大きさ（ゲージ長×ゲージ幅）が３ｍｍ×３ｍｍ程度であったのに対して、ひずみゲージ１００の大きさ（ゲージ長×ゲージ幅）は０．３ｍｍ×０．３ｍｍ程度に小型化できる。

このように、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１００は小型であるため、転がり軸受１の所望の個所に容易に貼り付け可能である。又、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１００は高感度であり、小さい変位を検出できるため、従来は検出が困難であった微小なひずみを検出可能である。すなわち、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１００を有することにより、ひずみを精度よく検出する機能を備えた転がり軸受１を実現できる。その結果、転がり軸受１の運転状態を検出可能な軸受監視装置２００を実現できる。

なお、転がり軸受１では、外輪１０が回転する場合と、内輪２０が回転する場合がある。外輪１０が回転する場合は、ひずみゲージ１００は内輪２０の内周面又は端面に配置し、内輪２０が回転する場合は、ひずみゲージ１００は外輪１０の外周面又は端面に配置する。

つまり、以上の説明は、外輪１０にひずみゲージ１００を貼り付ける例であり、内輪２０が回転する場合である。転がり軸受１において、外輪１０が回転する場合は、ひずみゲージ１００を内輪２０に貼り付けることで、上記と同様の効果を奏する。以降の実施形態についても同様である。

〈第１実施形態の変形例〉
第１実施形態の変形例では、第１実施形態とは異なるひずみゲージを備えた転がり軸受の例を示す。なお、第１実施形態の変形例において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１０は、第１実施形態の変形例１に係る転がり軸受を例示する斜視図である。図１１は、第１実施形態の変形例１に係る転がり軸受を例示する部分正面図である。

図１０及び図１１を参照すると、転がり軸受１Ａは、ひずみゲージ１００がひずみゲージ１００Ａに置換された点が、転がり軸受１（図１等参照）と相違する。

ひずみゲージ１００Ａは、受感部となる抵抗体１０３ａ及び１０３ｂを有しており、抵抗体１０３ａ及び１０３ｂは、隣接する転動体３０の間隔に合わせて、転動体３０の配列方向と同一方向に配列されている。抵抗体１０３ａ及び１０３ｂの材料や厚さ、製造方法等は、抵抗体１０３と同様である。

ここで、抵抗体が隣接する転動体の間隔に合わせて配列されるとは、転がり軸受が複数の抵抗体を有する場合に、転がり軸受が動作していないときに転がり軸受を正面方向から視て、転がり軸受の回転軸ｍから各々の転動体の中心を通る直線を放射状に引いて、所定の抵抗体配置領域が１つの直線と交わる位置にあるときに、所定の抵抗体配置領域に隣接する抵抗体配置領域が、該直線に隣接する直線と交わる位置にあることをいう。ここで、抵抗体配置領域は、ゲージ長×ゲージ幅で画定される範囲である。なお、検出感度の観点から、隣接する直線が隣接する抵抗体配置領域の各々の中心近傍を通ることが好ましい。

又、抵抗体が隣接する転動体の間隔の半分の間隔に合わせて配列されるとは、上記の場合の半分のピッチで複数の抵抗体が配列されることである（後述の図１５及び図１６の例）。

なお、３つ以上の抵抗体を、隣接する転動体３０の間隔に合わせて、転動体３０の配列方向と同一方向に配列してもよい。隣接する転動体３０の間隔に合わせて、複数個所に抵抗体を設置した場合、各抵抗体設置場所におけるひずみ波形が測定できる。特に、３箇所以上のより多くの個所に抵抗体を設置することで、各抵抗体設置場所のひずみ波形を比較できる。例えば、各抵抗体設置場所のひずみ波形が著しく異なる場合、転がり軸受組付け時のミスアライメント（不均一な予圧等）が発生している可能性を検出できる。ミスアライメントは、転がり軸受の寿命を著しく損なう可能性があるため、事前に検出できる機能は有用である。

このように、受感部となる抵抗体を複数個設け、各々の抵抗体を隣接する転動体３０の間隔に合わせて、転動体３０の配列方向と同一方向に配列してもよい。例えば、各々の抵抗体から得られるひずみ情報を平均化することで、精度のよいひずみ波形が得られる。

なお、図１２に示す転がり軸受１Ｂのひずみゲージ１００Ｂのように、抵抗体１０３ａ及び１０３ｂを外輪１０の一方の端面に配置し、抵抗体１０３ａ及び１０３ｂを隣接する転動体３０の間隔に合わせて、転動体３０の配列方向と同一方向に配列してもよい。

又、図１３に示す転がり軸受１Ｃのひずみゲージ１００Ｃのように、抵抗体１０３ａ及び１０３ｂを内輪２０の内周面に配置し、抵抗体１０３ａ及び１０３ｂを隣接する転動体３０の間隔に合わせて、転動体３０の配列方向と同一方向に配列してもよい。

又、図１４に示す転がり軸受１Ｄのひずみゲージ１００Ｄのように、抵抗体１０３ａ及び１０３ｂを内輪２０の一方の端面に配置し、抵抗体１０３ａ及び１０３ｂを隣接する転動体３０の間隔に合わせて、転動体３０の配列方向と同一方向に配列してもよい。

なお、前述のように、転がり軸受では、外輪１０が回転する場合と、内輪２０が回転する場合がある。図１３や図１４のように内輪２０にひずみゲージを貼り付ける場合は、外輪１０が回転する場合である。

図１５は、第１実施形態の変形例５に係る転がり軸受を例示する斜視図である。図１６は、第１実施形態の変形例５に係る転がり軸受を例示する部分正面図である。

図１５及び図１６を参照すると、転がり軸受１Ｅは、ひずみゲージ１００がひずみゲージ１００Ｅに置換された点が、転がり軸受１（図１等参照）と相違する。又、ひずみゲージ１００が外輪１０の外周面に配置されていたのとは異なり、ひずみゲージ１００Ｅは外輪１０の一方の端面に沿って周方向に配列されている。

ひずみゲージ１００Ｅは、受感部となる抵抗体１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、及び１０３ｄを有しており、抵抗体１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、及び１０３ｄは、隣接する転動体３０の間隔の半分の間隔に合わせて、転動体３０の配列方向と同一方向に配列されている。抵抗体１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、及び１０３ｄの材料や厚さ、製造方法等は、抵抗体１０３と同様である。

例えば、抵抗体１０３ａ及び１０３ｃの各々の真横を転動体３０が通過する場合、抵抗体１０３ｂ及び１０３ｄの各々の真横は隣接する転動体３０の中間点である。この場合、抵抗体１０３ａ及び１０３ｃは転がり軸受１Ｅの引張ひずみを検出し、抵抗体１０３ｂ及び１０３ｄ転がり軸受１Ｅの圧縮ひずみを検出する。

抵抗体１０３ａ及び１０３ｃで検出する波形と、抵抗体１０３ｂ及び１０３ｄで検出する波形とは、位相が略９０度ずれるため、抵抗体１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、及び１０３ｄでホイートストンブリッジ回路を組むことにより、振幅の大きなひずみ波形を得ることができる。これにより、転がり軸受１Ｅのひずみを高精度で検出できる。

外輪１０の端面は、外周面に比べて撓みにくいため、検出できる信号も小さくなる。しかし、ひずみゲージ１００Ｅでは、上記のように振幅の大きなひずみ波形を得ることができるため、外輪１０の端面に配置しても、転がり軸受１Ｅのひずみを高精度で検出できる。

但し、ひずみゲージ１００Ｅを、大きさを適切に調整したうえで、外輪１０の外周面に配置してもよい。この場合には、ひずみゲージ１００Ｅを外輪１０の端面に配置した場合よりも更に振幅の大きなひずみ波形を得ることができるため、転がり軸受１Ｅのひずみを更に高精度で検出できる。又、ひずみゲージ１００Ｅを、大きさを適切に調整したうえで、内輪２０の内周面や一方の端面に配置してもよい。

図１７は、第１実施形態の変形例６に係る転がり軸受を例示する斜視図である。図１８は、第１実施形態の変形例６に係る転がり軸受を例示する部分正面図である。

図１７及び図１８を参照すると、転がり軸受１Ｆは、ひずみゲージ１００がひずみゲージ１００Ｆに置換された点が、転がり軸受１（図１等参照）と相違する。転がり軸受１Ｆには、軸と平行な矢印方向に予圧Ｆが与えられている。

ひずみゲージ１００Ｆは、受感部となる抵抗体１０３ａ及び１０３ｂを有しており、抵抗体１０３ａ及び１０３ｂは、外輪１０の外周面の反予圧側に、隣接する転動体３０の間隔に合わせて、転動体３０の配列方向と同一方向に配列されている。

転がり軸受１Ｆが回転装置に使用される場合、転がり軸受１Ｆの外周面はハウジング（筐体）の内周面と接して押さえられるが、ひずみゲージ１００Ｆを配置した部分はひずみゲージ１００Ｆがハウジングと接しないようにハウジング側に逃げが設けられる。

ハウジング側に逃げが設けられた部分では、転がり軸受１Ｆの外周面がハウジングの内周面と接して押さえられない。特に、大きな力が加わる転動体３０の直上にハウジング側の逃げが位置する場合には、転動体３０の直上の外周面が大きくひずむことになる。外周面の特定部分が大きくひずむと、それが要因となって転がり軸受１Ｆの寿命が短くなる場合があるため、転動体３０の直上に位置する外輪１０の外周面は、全周に亘ってハウジングの内周面と接して押さえられることが好ましい。

転がり軸受１Ｆでは、予圧Ｆが与えられているため、転動体３０は、外輪１０の厚さ方向の中央よりも矢印の逆方向に偏在している。そこで、抵抗体１０３ａ及び１０３ｂを外輪１０の外周面の反予圧側に配置すれば、抵抗体１０３ａ及び１０３ｂの部分のみにハウジングの逃げを設ければよく、転動体３０の直上に位置する外輪１０の外周面は、全周に亘ってハウジングの内周面と接して押さえることができる。

なお、ハウジング側の逃げを設ける代わりに外輪１０や内輪２０にひずみゲージを配置する凹部を設けることも考えられる。

ひずみゲージ１００Ｆの検出対象となるひずみは、転動体３０の直上に位置する外輪１０の外周面で最も大きく、外輪１０の外周面の反予圧側では転動体３０の直上よりも小さくなる。そのため、従来のひずみゲージを外輪１０の外周面の反予圧側に配置してもひずみ波形を得ることは困難であった。これに対して、抵抗体にＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１００Ｆは高感度であり、小さい変位を検出できるため、外輪１０の外周面の反予圧側に配置してもひずみ波形を精度よく得ることができる。

なお、図１２の形態でも、転動体３０の直上に位置する外輪１０の外周面は、全周に亘ってハウジングの内周面と接して押さえることができる。しかし、図１７及び図１８の形態の方が、外輪１０の端面よりもひずみゲージの貼り付けが容易である点、外輪１０の端面よりも大きなひずみ波形が得られる点で、図１２の形態よりも有利である。

〈第２実施形態〉
第２実施形態では、外輪の外側にハウジングを有する転がり軸受の例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１９は、第２実施形態に係る転がり軸受を例示する斜視図である。図１９を参照すると、転がり軸受１Ｇは、外輪１０の外周側に配置されたハウジング６０を有し、ひずみゲージ１００は、ハウジング６０の外周面に配置されている。ハウジング６０は、外輪１０の外周面を全周に亘って押さえている。ハウジング６０は、例えば、真鍮等により形成できる。

例えば、外輪１０が小径（例えば、直径２０ｍｍ程度）であって、外輪１０にひずみゲージ１００を配置することが困難な場合がある。このような場合、転がり軸受１Ｇのように、外輪１０の外周側にハウジング６０を配置し、ハウジング６０の外周面にひずみゲージ１００を配置すればよい。或いは、ハウジング６０の端面にひずみゲージ１００を配置してもよい。これにより、ひずみゲージ１００を容易に配置できる。外輪１０のひずみは、ハウジング６０を介してひずみゲージ１００に伝わり、ひずみゲージ１００で検出可能である。

前述のように、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１００は高感度であり、小さい変位を検出できるため、従来は検出が困難であった微小なひずみを検出可能である。すなわち、抵抗体１０３の材料としてＣｒ混相膜を用いたひずみゲージ１００を有することにより、ひずみを精度よく検出する機能を備えた転がり軸受１Ｇを実現できる。その結果、ハウジング６０にひずみゲージ１００を配置しても、転がり軸受１Ｇの運転状態を検出可能な軸受監視装置２００を実現できる。

なお、ハウジングの形状は円環状には限定されず、任意の形状として構わない。或いは、転がり軸受１Ｇがファンモータ等の回転装置に使用される場合、ハウジング６０は回転装置のハウジングを兼ねてもよい。すなわち、転がり軸受を有する回転装置において、回転装置のハウジングの外周面や端面にひずみゲージを配置してもよい。

以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ 転がり軸受、１０ 外輪、１１、２１、４１ 凹部、２０ 内輪、３０ 転動体、４０ 保持器、４２ 背面部、５１、５２ シール、６０ ハウジング、７０ 軌道、１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ ひずみゲージ、１０１ 基材、１０１ａ 上面、１０２ 機能層、１０３、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ 抵抗体、１０４ 配線、１０５ 端子部、１０６ カバー層、２００ 軸受監視装置、２１０ アナログフロントエンド部、２１１ ブリッジ回路、２１２ 増幅回路、２１３ Ａ／Ｄ変換回路、２１４ インターフェイス、２２０ 演算部、２２０１ 振幅算出部、２２０２ 周期算出部、２２０３ 比較部

Claims (7)

1. 外輪と、
   前記外輪の内周側に前記外輪と同軸状に配置された内輪と、
   前記外輪と前記内輪との間に配置された複数の転動体と、
   前記外輪又は前記内輪のひずみを検出するひずみゲージと、
   前記外輪の外周に接して配置された筐体と、を有し、
   前記ひずみゲージは、Ｃｒ混相膜から形成された抵抗体を備え、
   前記外輪の回転軸と平行な方向に予圧が与えられ、
   前記抵抗体は、前記外輪の外周面の反予圧側に配置され、
   前記転動体の真上に位置する前記外輪の外周面は、全周に亘って前記筐体の内周面と接している転がり軸受。
2. 前記抵抗体は、隣接する前記転動体の間隔に合わせて、前記転動体の配列方向と同一方向に配列された２つの抵抗体を含む請求項１に記載の転がり軸受。
3. 前記抵抗体は、隣接する前記転動体の間隔の半分の間隔に合わせて、前記転動体の配列方向と同一方向に配列された４つの抵抗体を含む請求項１に記載の転がり軸受。
4. 前記抵抗体は、長手方向を前記外輪又は前記内輪の周方向に向けて配置されている請求項１乃至３の何れか一項に記載の転がり軸受。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の転がり軸受を有する回転装置。
6. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の転がり軸受と、
   前記抵抗体の出力に基づいて、ひずみ波形を生成する波形生成部と、
   前記ひずみ波形に演算処理を行い、前記転がり軸受の運転状態を監視する演算部と、を有し、
   前記演算部は、前記ひずみ波形の振幅及び／又は周期と、前記転がり軸受の寿命に対応する値とを用いることによって、前記転がり軸受の運転状態を監視する軸受監視装置。
7. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の転がり軸受の前記抵抗体の出力に基づいてひずみ波形を生成するステップと、
   前記ひずみ波形に演算処理を行い、前記転がり軸受の運転状態を監視するステップと、を有し、
   前記ひずみ波形の振幅及び／又は周期と、前記転がり軸受の寿命に対応する値とを用いることによって、前記転がり軸受の運転状態を監視する軸受監視方法。

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