(57)【要約】【課題】回りの環境に影響されることなく異常の予兆を安定して検出することができる軸受装置、スピンドル装置および異常判定方法を提供する。【解決手段】軸受装置３０は、主軸４を支持する第１軸受５ａおよび第２軸受５ｂを少なくとも含む軸受部５と、第１軸受５ａおよび第２軸受５ｂにそれぞれ対応して設けられた第１熱流センサ１１ａおよび第２熱流センサ１１ｂと、軸受部の異常診断を行なう異常判定部２５とを備える。異常判定部２５は、第１熱流センサ１１ａと第２熱流センサ１１ｂとの出力の差または出力の変化速度の差に基づいて軸受部における異常の発生の有無を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸を支持する第１軸受および第２軸受を少なくとも含む軸受部と、
前記第１軸受および前記第２軸受にそれぞれ対応して設けられた第１熱流センサおよび第２熱流センサと、
前記軸受部の異常診断を行なう異常判定部とを備え、
前記異常判定部は、前記第１熱流センサと前記第２熱流センサとの出力の差または出力の変化速度の差に基づいて前記軸受部における異常の発生の有無を検出する、軸受装置。
【請求項２】
前記第１軸受および前記第２軸受は、前記軸の互いに離間する第１部分および第２部分をそれぞれ支持する、請求項１に記載の軸受装置。
【請求項３】
前記第１軸受と前記第２軸受との間に配置され、前記第１熱流センサおよび前記第２熱流センサが実装される間座をさらに備え、
前記第１熱流センサが前記間座に配置される位置は、前記第２熱流センサが前記間座に配置される位置よりも、前記第１軸受に近く、
前記第２熱流センサが前記間座に配置される位置は、前記第１熱流センサが前記間座に配置される位置よりも、前記第２軸受に近い、請求項２に記載の軸受装置。
【請求項４】
前記異常判定部は、前記差の符号に基づいて、前記第１軸受、前記第２軸受のうちいずれの軸受に異常が発生したかを判断する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の軸受装置。
【請求項５】
Ｎを３以上の自然数とすると、
Ｎ個の熱流センサを備え、
前記第１熱流センサおよび前記第２熱流センサは、前記Ｎ個の熱流センサのうちの２つであり、
前記異常判定部は、所定時間の経過前後において、前記Ｎ個の熱流センサから前記第１熱流センサを除いたセンサ群の出力の変化量が第１しきい値よりも大きく、かつ、前記第１熱流センサの出力の変化量が前記第１しきい値以下の第２しきい値よりも小さい場合には、前記第１熱流センサに故障が発生したと判定する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の軸受装置。
【請求項６】
請求項１〜５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。
【請求項７】
軸を支持する第１軸受および第２軸受を少なくとも含む軸受部と、前記第１軸受および前記第２軸受にそれぞれ対応して設けられた第１熱流センサおよび第２熱流センサとを含む軸受装置の異常判定方法であって、
前記第１熱流センサ、前記第２熱流センサの出力の差または出力の変化速度の差を算出するステップと、
算出された前記差に基づいて前記軸受部における異常の発生の有無を検出するステップとを備える、異常判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、軸受装置、スピンドル装置、および異常判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械などに用いられるスピンドル装置では、回転精度および剛性の向上のため、軸受の予圧管理が求められている。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。
【０００３】
特開２０１７−９０３１８号公報（特許文献１）の組付状態の診断装置では、摺動部を有する部品の組付状態、たとえば回転軸を軸受で支持し、軸受に予圧が与えられる支持機構の組付状態を熱流センサ（熱流束センサとも言う）の出力で診断する。
【０００４】
この組付状態の診断装置では、摺動部（軸受の玉(転動体)と内輪、外輪の接触面）から外部に向かって流れる熱流束を検出するセンサ部は、軸受のハウジング表面に固定される。センサ部は、２つの第１、第２熱流センサと熱緩衝体と放熱体とを含む。第１熱流センサと第２熱流センサの間に熱緩衝体が挟まれており、ハウジングから離れた側の第２熱流センサの上に放熱体が配置される。放熱体は、その熱容量が熱緩衝体の熱容量よりも大きくなるように、材質や厚さが設定される。
【０００５】
対象物（軸受）から放出される熱流束が急増した場合には、ハウジングに接する第１熱流センサと放熱体に接する第２熱流センサを通過する熱流束の差が大きくなり、センサ部からのセンサ信号が大きくなる。また、対象物から放出される熱流束が減少したか、または対象物から放出される熱流束が一定で、所定時間が経過した場合には、センサ部からのセンサ信号は小さくなる。
【０００６】
軸受に支持された回転軸の回転と停止を繰返すと、センサ部からのセンサ信号はそのサイクルに合わせて規則的に増減する。センサ信号の大きさは軸受予圧によって変わるため、センサ信号から適正な軸受予圧かどうかを判定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１７−９０３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特開２０１７−９０３１８号公報（特許文献１）に記載されたセンサ部は、第１熱流センサと第２熱流センサの間に熱緩衝体を挟んでおり、ハウジングから離れた側の第２熱流センサの上には放熱体が配置された構造である。この構造では、構成要素が多く、センサ部を配するための空間を要するとともに１つのセンサ部に２つの熱流センサを使うため装置のコストアップになる。
【０００９】
また、通常、工作機械のスピンドル装置のハウジングには冷却媒体流路が形成される。ハウジングに冷却媒体を流すことにより軸受が冷却される。工作機械のスピンドル装置の軸受診断用に適用する場合、ハウジングの外径円筒面にセンサ部を固定すると測定感度に影響し、正確な測定ができないことも想定される。
【００１０】
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、工作機械などで使用される軸受装置およびこれを用いたスピンドル装置の異常の予兆を、回りの環境に影響されることなく安定して検出することができる軸受装置、スピンドル装置および異常判定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示は、軸受装置に関する。軸受装置は、軸を支持する第１軸受および第２軸受を少なくとも含む軸受部と、第１軸受および第２軸受にそれぞれ対応して設けられた第１熱流センサおよび第２熱流センサと、軸受部の異常診断を行なう異常判定部とを備える。異常判定部は、第１熱流センサと第２熱流センサとの出力の差または出力の変化速度の差に基づいて軸受部における異常の発生の有無を検出する。
【００１２】
好ましくは、第１軸受および第２軸受は、軸の互いに離間する第１部分および第２部分をそれぞれ支持する。
【００１３】
より好ましくは、軸受装置は、第１軸受と第２軸受との間に配置され、第１熱流センサおよび第２熱流センサが実装される間座をさらに備える。第１熱流センサが間座に配置される位置は、第２熱流センサが間座に配置される位置よりも、第１軸受に近く、第２熱流センサが間座に配置される位置は、第１熱流センサが間座に配置される位置よりも、第２軸受に近い。
【００１４】
好ましくは、異常判定部は、差の符号に基づいて、第１軸受、第２軸受のうちいずれの軸受に異常が発生したかを判断する。
【００１５】
好ましくは、Ｎを３以上の自然数とすると、軸受装置は、Ｎ個の熱流センサを備える。第１熱流センサおよび第２熱流センサは、Ｎ個の熱流センサのうちの２つである。異常判定部は、所定時間の経過前後において、Ｎ個の熱流センサから第１熱流センサを除いたセンサ群の出力の変化量が第１しきい値よりも大きく、かつ、第１熱流センサの出力の変化量が第１しきい値以下の第２しきい値よりも小さい場合には、第１熱流センサに故障が発生したと判定する。
【００１６】
本開示のスピンドル装置は、上記のいずれかに記載の軸受装置を備える。
本開示の異常判定方法は、軸を支持する第１軸受および第２軸受を少なくとも含む軸受部と、第１軸受および第２軸受にそれぞれ対応して設けられた第１熱流センサおよび第２熱流センサとを含む軸受装置の異常判定方法である。異常判定方法は、第１熱流センサ、第２熱流センサの出力の差または出力の変化速度の差を算出するステップと、算出された差に基づいて軸受部における異常の発生の有無を検出するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、軸受装置およびこれを用いたスピンドル装置の異常の予兆を回りの環境に影響されることなく安定して検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態１のスピンドル装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１の左側主要部の拡大図である。
【図３】軸受正常時の２つの熱流センサの出力例を示す波形図である。
【図４】軸受異常時の２つの熱流センサの出力例を示す波形図である。
【図５】実施の形態１で用いられる２つの熱流センサの出力から軸受の異常を判定する異常判定部２５のブロック図である。
【図６】図５の改良例である異常判定部２５Ａの構成を示すブロック図である。
【図７】４つの軸受で主軸を支持する実施の形態２の軸受装置３０Ａの構造を示す図である。
【図８】実施の形態２で用いられる２つの熱流センサの出力から軸受の異常を判定する異常判定部２５Ｂのブロック図である。
【図９】異常判定部の他の構成を示す図である。
【図１０】図９のプロセッサ１０２が実行する処理を説明するためのフローチャートである。
【図１１】センサ故障を判定する処理を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、熱流センサ１１ａ、１１ｂ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。
【００２３】
熱流束を測定する熱流センサ１１ａ、１１ｂは、外輪間座６ｇの内径面６ｇＡに固定され、内輪間座６ｉの外径面６ｉＡに対向する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
ここでは、２つの軸受５ａ，５ｂで主軸４を支持する構造を例示して説明するが、２つ以上の軸受で主軸４を支持する構造であってもよい。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、軸受５ａ，５ｂの冷却と潤滑のために潤滑油供給路が設けられる。潤滑油は、吐出孔（ノズル）から潤滑油を搬送するエアとともに、エアオイルまたはオイルミストの状態で噴射される。なお、ここでは潤滑油供給路は図示しない。なお、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。
【００３１】
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１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。その後、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。
【００３２】
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と伝わり軸受５ｂ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６ｇｂに押す力が作用し、この力は、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と内輪間座６ｉの幅の寸法差によって制限される移動量によって定まる。
【００３３】
また、単列の軸受１６については、内輪１６ａを、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、筒状部材１５に固定された位置決め部材２１と、内輪押さえ１９に固定された位置決め部材１８とに挟まれて、主軸４の伸縮に応じて内輪１６ａと一体的に端部材１７に対して摺動するようになっている。
【００３４】
主軸４と外筒２との間に形成される空間部２２における複列の軸受５ａ，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。
【００３５】
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。
熱流束を測定する熱流センサ１１ａ、１１ｂが、センサ部１１としてスピンドル装置１に実装される。図１、図２に示す例では、熱流センサ１１ａ、１１ｂはともにその一方の面が外輪間座６ｇの内径面６ｇＡに固定され、他方の面が内輪間座６ｉの外径面６ｉＡに対向する。ここでは、軸受５ａの近傍に熱流センサ１１ａが配置され、軸受５ｂの近傍に熱流センサ１１ｂが配置される。
【００３６】
軸受５ａ，５ｂの転動体Ｔａ，Ｔｂと内輪５ｉａ，５ｉｂおよび外輪５ｇａ，５ｇｂの軌道面との面圧の増加に伴い内輪５ｉａ，５ｉｂおよび外輪５ｇａ，５ｇｂの温度が上昇する。このとき、初めに転動体Ｔａ，Ｔｂと内輪５ｉａ，５ｉｂおよび外輪５ｇａ，５ｇｂの軌道面間で発生した熱が内輪間座６ｉ、外輪間座６ｇ、主軸４、ハウジング３に伝達する。熱容量の大きなハウジング３および外輪間座６ｇの温度は、上昇するまでに遅れが生じる。ハウジング３は冷却されているため、さらに温度の上昇に遅れが発生する。
【００３７】
軸受５ａ，５ｂの焼付き予兆を検出するのに、内輪５ｉａ，５ｉｂ、外輪５ｇａ，５ｇｂ、間座６等の温度を測定して検出しようとすると、温度上昇に遅れがあるため、予兆を早期に検出できないことも想定される。このような場合に熱流センサ１１ａ，１１ｂを利用すれば、熱流は速く変化するため、急激な発熱を迅速に検出することが可能である。
【００３８】
モータ４０を制御する制御装置５０は、異常判定部２５とモータ制御部２３とを含む。熱流センサ１１ａ，１１ｂは、それぞれ出力信号ＨＳａ，ＨＳｂを異常判定部２５に出力する。
【００３９】
図３は、軸受正常時の熱流センサの出力例を示す波形図である。図４は、軸受異常時の熱流センサの出力例を示す波形図である。図３、図４において、熱流センサ１１ａの出力信号ＨＳａの波形を実線で示し、熱流センサ１１ｂの出力信号ＨＳｂの波形を２点鎖線で示す。
【００４０】
正常時にはスピンドル装置１の主軸４の回転速度上昇に伴い、２つの軸受５ａ，５ｂは、ほぼ同じように温度上昇する。従って、図３に示すように熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力信号ＨＳａ，ＨＳｂは、回転速度上昇中は２つとも同様な上昇傾向を示し、主軸４の回転速度が一定になって時間が経過すると、出力信号ＨＳａ，ＨＳｂは安定してくる。
【００４１】
出力信号ＨＳａ，ＨＳｂまたは出力信号ＨＳａ，ＨＳｂの変化速度（時間微分）が、予め設定したしきい値を超えた場合に異常と判定する方法ではしきい値の設定が難しく、場合によっては誤判定も想定される。
【００４２】
そのため、本実施の形態では、２つの熱流センサ１１ａ、１１ｂの出力信号ＨＳａ，ＨＳｂの差の絶対値、または出力信号ＨＳａ，ＨＳｂの信号変化速度の差の絶対値が、予め設定したしきい値幅を越えた場合に異常と判定することによって、判定精度を向上させる。なお、２つの信号の差の絶対値で判定するのは、異常が発生した軸受がどちらの軸受であるかによって差の値が正であったり負であったりするからである。絶対値ではなく差の二乗などによって判定してもよい。
【００４３】
図４では、時刻Ｔ１においては、一方の軸受５ａに温度上昇の兆候が見られ、熱流センサ１１ａの出力信号ＨＳａが急激に上昇するのに対して、他方の軸受５ｂを監視する熱流センサ１１ｂの出力信号ＨＳｂは正常で、出力の上昇は見られない。
【００４４】
異常時に２つの軸受５ａ，５ｂが同時に焼損することは稀であり、片方の軸受が焼損することが多いため、異常時には出力信号ＨＳａ，ＨＳｂは図４のような傾向を示す。この場合は、軸受５ａが焼損したことによって先に出力信号ＨＳａが上昇し、その発熱が伝達されることによって時刻Ｔ２に示すように少し遅れて出力信号ＨＳｂが上昇を開始する。なお、片方の軸受５ａが焼損したことにより、その後、他方の軸受５ｂも焼損することもある。
【００４５】
図１および図２を再び参照して、軸受装置３０は、主軸４を支持する第１軸受５ａおよび第２軸受５ｂを少なくとも含む軸受部５と、第１軸受５ａおよび第２軸受５ｂにそれぞれ対応して設けられた第１熱流センサ１１ａおよび第２熱流センサ１１ｂと、軸受部５の異常診断を行なう異常判定部２５とを備える。異常判定部２５は、第１熱流センサ１１ａと第２熱流センサ１１ｂとの出力の差｜ＨＳａ−ＨＳｂ｜または出力の変化速度の差｜ΔＨＳａ／Δｔ−ΔＨＳｂ／Δｔ｜に基づいて軸受部５における異常の発生の有無を検出する。
【００４６】
好ましくは、第１軸受５ａおよび第２軸受５ｂは、主軸４の互いに離間する第１部分（図２のＰａ）および第２部分（図２のＰｂ）をそれぞれ支持する。
【００４７】
より好ましくは、軸受装置３０は、第１軸受５ａと第２軸受５ｂとの間に配置され、第１熱流センサ１１ａおよび第２熱流センサ１１ｂが実装される間座６をさらに備える。第１熱流センサ１１ａが間座６に配置される位置は、第２熱流センサ１１ｂが間座６に配置される位置よりも、第１軸受５ａに近く、第２熱流センサ１１ｂが間座６に配置される位置は、第１熱流センサ１１ａが間座６に配置される位置よりも、第２軸受５ｂに近い。
【００４８】
図５は、実施の形態１で用いられる２つの熱流センサの出力から軸受の異常を判定する異常判定部２５のブロック図である。図５を参照して、スピンドル装置１の内部に実装した２つの熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力信号ＨＳａ，ＨＳｂは、異常判定部２５に入力される。
【００４９】
異常判定部２５は、差動器Ｄと、比較器Ｃとを含む。差動器Ｄは、２つの熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力信号（あるいは出力信号の変化速度）ＨＳａ，ＨＳｂを受け、差動出力を計算する。比較器Ｃは、差動器Ｄの出力の絶対値と、予め設定した判定基準（しきい値）ＪＳとを比較する。比較器Ｃは、差動出力の絶対値が判定基準（しきい値）ＪＳよりも大きい場合には軸受異常と判定する。
【００５０】
また、異常判定部２５は、軸受５ａ，５ｂのどちらに異常、または異常の予兆が見られるのかを判別する軸受特定部ＰＪをさらに備えてもよい。軸受特定部ＰＪは、外部に軸受特定結果を出力することができる。差動器Ｄの出力の符号によって、軸受５ａ，５ｂのどちらが異常、または異常の予兆を示しているかを特定することが可能である。比較器Ｃによる判定結果が異常、または異常の予兆ありという判定を示した場合のみ、軸受特定部ＰＪは、軸受特定結果を出力するようにしてもよい。
【００５１】
このように、異常判定部２５は、図５の軸受特定部ＰＪにおいて差動器Ｄの出力する差の符号に基づいて、第１軸受、第２軸受のうちいずれの軸受に異常が発生したかを判断する。具体的には、軸受特定部ＰＪは、ＨＳａ−ＨＳｂ＞０（符号が正）であれば軸受５ａに異常が発生したと判断し、ＨＳａ−ＨＳｂ＜０（符号が負）であれば軸受５ｂに異常が発生したと判断する。
【００５２】
図６は、図５の改良例である異常判定部２５Ａの構成を示すブロック図である。図６に示す異常判定部２５Ａの比較器Ｃは、差動器Ｄの出力およびしきい値ＪＳに加えて、スピンドル装置１の運転情報ＭＩ（モータ４０の回転速度、潤滑条件、冷却条件、他のセンサ情報など）をさらに受ける。比較器Ｃは、これらの情報をさらに考慮して異常の有無を判定してもよい。
【００５３】
異常判定部２５または２５Ａで軸受５ａ，５ｂいずれかの焼付きを予測した場合には、軸受の焼付きを起こさないように、図１のモータ制御部２３がモータ回転速度の減速または停止、あるいは潤滑油の供給量アップなどの処置を行なうことも可能である。
【００５４】
異常判定部２５において、２つの熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力信号ＨＳａ，ＨＳｂ（または出力信号ＨＳａ，ＨＳｂの変化速度）に一定以上の差異が見られた場合に異常と判定すれば、１つずつ熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力信号を判定するよりも判定精度を高めることができる。これにより、誤判定を防止してより正確な異常（予知）検出が可能になる。軸受装置３０およびこれを用いたスピンドル装置１に異常判定部２５が実行する異常判定方法を適用すれば、軸受装置３０およびスピンドル装置１の軸受焼付きを防止することが可能になる。
【００５５】
以上説明したように、実施の形態１では、軸受５ａ，５ｂとして２つのアンギュラ玉軸受を用いて、それら軸受の間に外輪間座６ｇ、内輪間座６ｉを挿入して予圧を印加する軸受装置３０において、軸受５ａ，５ｂ近傍に熱流センサ１１ａ，１１ｂがそれぞれ配置される。熱流センサ１１ａ，１１ｂは、一方の面を外輪間座６ｇの内径面６ｇＡに固定し、他方の面を内輪５ｉａ，５ｉｂまたは内輪間座６ｉの外径面６ｉＡに対向するように配置される。
【００５６】
スピンドル装置１が正常運転の場合、スピンドル装置１の主軸４の回転速度が増加するに従って軸受５ａ，５ｂからの発熱量は増加し、間座６の温度も上昇するため、熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力信号の値も上昇する。
【００５７】
一般的な判定方法では、熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力信号ＨＳａ，ＨＳｂ、あるいは出力信号ＨＳａ，ＨＳｂの変化速度（時間微分）が、予め設定したしきい値を超えた場合に異常と判定する。この方法では、スピンドル装置の運転状態や予圧の経年変化の影響などで適切なしきい値の設定が難しく、場合によっては誤判定も想定される。このため、本実施の形態では、各軸受近傍に配した熱流センサの出力信号の差、あるいは２つの熱流センサの出力信号の変化速度の差が、予め設定した判定基準範囲を越えた場合には異常と判定する。
【００５８】
異常時に２つの軸受が同時に焼損することは稀で、初めにいずれか片方の軸受からの発熱量が増加しいずれ焼損するため、実施の形態１では、熱流センサ１１ａ，１１ｂの出力信号に差が見られた場合に異常と判定する。これにより、誤判定を防止してより正確な予知判定が可能になる。このような判定方法を適用すれば、軸受装置およびスピンドル装置の軸受焼付きを防止することが可能になる。
【００５９】
［実施の形態２］
実施の形態１では、軸受装置３０として２つの軸受５ａ，５ｂで主軸４を支持する構造について説明してきた。しかし、このような構成には限定されず、２つ以上の軸受で主軸４を支持する構造であっても同様に本発明の異常判定方法を適用できる。
【００６０】
図７は、４つの軸受で主軸を支持する実施の形態２の軸受装置３０Ａの構造を示す図である。実施の形態２のスピンドル装置は、図１のスピンドル装置１の構成において軸受装置３０に代えて図７に示す軸受装置３０Ａを備える。
【００６１】
図７に示す軸受装置３０Ａでは、図２の軸受装置３０の軸受５ａ，５ｂの両外側にそれぞれ間座３１ｃ，３１ｄと軸受５ｃ，５ｄとを追加した。追加した間座３１ｃの外輪間座３１ｇｃの内径面３１ｇＡｃに熱流センサ１１ｃが配置され、追加した間座３１ｄの外輪間座３１ｇｄの内径面３１ｇＡｄに熱流センサ１１ｄが配置される。その他の構造は図２と同じであるため、説明を省略する。なお、図７では、すべての軸受に対して熱流センサが配置されているが、設計的または経験的に複数の軸受のうちから異常が発生しやすい軸受を選んで、熱流センサを配置しても良い。
【００６２】
図８は、実施の形態２で用いられる２つの熱流センサの出力から軸受の異常を判定する異常判定部２５Ｂのブロック図である。
【００６３】
図８に示す異常判定部２５Ｂは、図５に示した異常判定部２５の構成に加えて、差動器Ｄ２と比較器Ｃ２と論理和回路ＯＲとをさらに含む。差動器Ｄ２は、追加した熱流センサ１１ｃ、１１ｄの出力信号（または出力信号の変化速度）ＨＳｃ、ＨＳｄを受けてこれらの差動出力を計算する。比較器Ｃ２は、予め設定した判定基準（しきい値）ＪＳと差動器Ｄ２が算出した差動出力の絶対値とを比較する。
【００６４】
論理和回路ＯＲは、比較器Ｃの出力信号と比較器Ｃ２の出力信号の論理和を演算する。論理和回路ＯＲは、比較器Ｃまたは比較器Ｃ２のどちらかで異常または異常の予知が検出された場合、異常または異常予兆ありと判定して外部に判定結果を出力する。
【００６５】
軸受特定部ＰＪは、どの軸受５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのいずれに異常または異常の予兆が見られるのかを判別する。軸受特定部ＰＪは、２つの熱流センサ１１ａ、１１ｂの差動器Ｄの出力信号の符号と、２つの熱流センサ１１ｃ、１１ｄの差動器Ｄ２の出力信号の符号と、２つの比較器Ｃ，Ｃ２の出力信号から異常が発生した軸受を特定することができる。
【００６６】
軸受が４つの場合には、中央の２つの軸受５ａ，５ｂを監視する熱流センサ１１ａ、１１ｂの出力比較と、外側の２つの軸受５ｃ，５ｄを監視する熱流センサ１１ｃ、１１ｄの出力比較で異常あるいは異常予兆を判定したが、比較する熱流センサ１１ａ〜１１ｄの組み合わせはこれに限定されない。好ましくは、離れた軸受を監視する熱流センサの出力同士を比較すれば相互の影響が少ないので、測定精度が向上する。
【００６７】
監視する軸受が奇数の場合でも、それらを監視する熱流センサの中から２つを選択し、比較結果から異常あるいは異常の予兆を判定することができる。
【００６８】
上記では、２つの熱流センサの出力同士を直接それぞれ比較する方法を示した。しかし、使用する熱流センサが多数になる場合などは、各熱流センサの出力の平均値を算出した上で、各熱流センサのそれぞれの出力と平均値とを比較しても良いし、複数の熱流センサの出力から最大出力と最小出力の信号を特定し、それらを比較しても良い。こうすることで一度に複数の熱流センサの出力が異常の兆候をとらえ始めた場合の誤判定を防止できる。
【００６９】
なお、以上の説明では非回転の外輪間座６ｇ，３１ｇｃ，３１ｇｄの内径面６ｇＡ、３１ｇＡｃ，３１ｇＡｄに熱流センサを配置した。しかし、軸受５ａ〜５ｄの非回転側の軌動輪（外輪）に熱流センサを配置し、熱流センサを回転輪（内輪）に対向させる構造であっても構わない。
【００７０】
また、上記の説明では、軸受の外輪が固定側、内輪が回転側となる構成を例として説明したが、外輪回転、内輪固定の場合にも、固定側に熱流センサを取り付けることにより、本発明を適用することができる。
【００７１】
実施の形態２では、発熱源となる３個以上の軸受の近傍にそれぞれ熱流センサを配置し、複数の熱流センサの出力信号同士、あるいは出力信号の変化速度同士を比較し、その差が予め設定した判定基準幅（しきい値）を越えた場合には異常と判定する。このため、実施の形態１と同様に、１つの熱流センサを用いて異常判定するよりも正確な予知判定が可能になる。また、軸受特定部ＰＪによって、３個以上の軸受のうちどの軸受が異常であるか、または異常の予兆を示しているかを特定することができる。
【００７２】
なお、図５、図６、図８の異常判定部については、ハードウエアで実現する場合の構成を示したが、マイクロコンピュータとソフトウエアによって実現することも可能である。
【００７３】
図９は、異常判定部の他の構成を示す図である。図９を参照して異常判定部２５，２５Ａは、センサ部１１の出力を受けるＡ／Ｄコンバータ１０１と、Ａ／Ｄコンバータ１０１の変換結果を処理するプロセッサ（ＣＰＵ）１０２と、プロセッサ１０２に読み込まれるプログラムを記憶するとともに、プロセッサ１０２の演算処理時にデータを記憶するメモリ１０３とを含む。
【００７４】
図１０は、図９のプロセッサ１０２が実行する処理を説明するためのフローチャートである。
【００７５】
実施の形態１および２において実行される異常判定方法は、軸を支持する第１軸受５ａおよび第２軸受５ｂを少なくとも含む軸受部５と、第１軸受５ａおよび第２軸受５ｂにそれぞれ対応して設けられた第１熱流センサ１１ａおよび第２熱流センサ１１ｂとを含む軸受装置３０の異常判定方法である。プロセッサ１０２が実行する異常判定方法は、第１熱流センサ１１ａ、第２熱流センサ１１ｂの出力の差または出力の変化速度の差を算出するステップＳ１と、算出された差に基づいて軸受部５における異常の発生の有無を検出するステップＳ２〜Ｓ４とを備える。
【００７６】
より具体的には、ステップＳ１において、プロセッサ１０２は、第１熱流センサ１１ａ、第２熱流センサ１１ｂの出力の差｜ＨＳａ−ＨＳｂ｜または出力の変化速度の差｜ΔＨＳａ／Δｔ−ΔＨＳｂ／Δｔ｜を算出する。
【００７７】
続いて、ステップＳ２において、プロセッサ１０２は、算出した差がしきい値よりも大きいか否かを判断する。差がしきい値よりも大きい場合（Ｓ２でＹＥＳ）、プロセッサ１０２は、ステップＳ３において軸受異常があると判定する。差がしきい値を超えない場合（Ｓ２でＮＯ）、プロセッサ１０２は、ステップＳ４において軸受異常がないと判定する。ステップＳ３またはステップＳ４の判定が決定されると、ステップＳ５において処理はメインルーチンに戻される。
【００７８】
また、このように３個以上のセンサを使用する場合には、２個のセンサが同時に故障することは稀であることに着目して、同様な考えでセンサ故障を判定することも可能である。
【００７９】
図１１は、センサ故障を判定する処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートでは、図９に示すＡ／ＤコンバータがＮ個（Ｎは３以上の自然数）のセンサの出力をデジタル値に変換してＣＰＵ１０２に送る場合について説明する。この処理によって、たとえば、図３、図４の初期のように正常なセンサの出力が回転速度の上昇に従って次第に増加していく場合に、故障したセンサが固定値を示している場合が検出可能である。
【００８０】
図１１を参照して、ステップＳ１１においてＣＰＵ１０２がセンサ１〜ＮからそれぞれデータＤ１（１）〜Ｄ１（Ｎ）を取得する。続いて、所定時間Δｔが経過するまでステップＳ２において時間待ちが行なわれる。所定時間Δｔが経過すると、ステップＳ１３においてＣＰＵ１０２がセンサ１〜ＮからそれぞれデータＤ２（１）〜Ｄ２（Ｎ）を取得する。そして、ステップＳ１４においてＣＰＵ１０２がセンサ１〜Ｎの各々について、所定時間Δｔが経過する前後の差分ΔＤ（１）〜ΔＤ（Ｎ）を算出する。そして以下の処理で差分ΔＤ（１）〜ΔＤ（Ｎ）のうちから１つだけ変化量が他のセンサと比べて際立って少ないセンサが無いかを調べる。
【００８１】
ＣＰＵ１０２は、所定時間Δｔの経過前後において、Ｎ個の熱流センサからＭ番目の熱流センサを除いたセンサ群の出力の変化量が第１しきい値よりも大きく、かつ、Ｍ番目の熱流センサの出力の変化量が第１しきい値以下の第２しきい値よりも小さい場合には、第Ｍ番目の熱流センサに故障が発生したと判定する。この判定処理について以下に詳細を述べる。
【００８２】
まずステップＳ１５において変数Ｍが１に初期化される。続いて、ステップＳ１６において、差分ΔＤ（１）〜ΔＤ（Ｎ）からΔＤ（Ｍ）を除いた群について平均値ＡＶＥ（Ｍ）を算出する。ΔＤ（Ｍ）とＡＶＥ（Ｍ）とを比較することによって、センサＭの変化が他のセンサと比べて際立って少ないか否かを判断することができる。具体的には、ステップＳ１７においてＣＰＵ１０２は、平均値の大きさ｜ＡＶＥ（Ｍ）｜が第１しきい値を超えており、かつ、センサＭの変化量の大きさ｜ΔＤ（Ｍ）｜が第１しきい値以下の第２しきい値よりも小さいか否かを判断する。ステップＳ１７の条件が成立した場合、センサＭが他のセンサと比べて変化が少ないと考えられる。この場合、断線や短絡等の故障がセンサＭに発生していると推定されるので、ステップＳ１８においてＣＰＵ１０２はセンサＭが故障していると判定し、処理をステップＳ１９に進める。このときＣＰＵ１０２は必要に応じて故障発生を報知する警告灯を点灯したり、警告音、報知信号等を出力したりしてもよい。ステップＳ１７の条件が成立しない場合には、ＣＰＵ１０２はステップＳ１８の処理を実行せずに処理をステップＳ１９に進める。なお、上記の処理では、センサＭが他のセンサと比べて変化が少ないことを検出するためにセンサＭ以外のセンサの出力の平均値を算出したが、他の方法でセンサＭ以外のセンサの出力の挙動を評価しても良い。たとえば、最大値、最小値、分散などを評価に使用しても良い。
【００８３】
ステップＳ１９において、変数ＭがＮに到達していない場合には、ステップＳ２０において変数Ｍがインクリメントされ、再びステップＳ１６以降の処理が実行される。一方、ステップＳ１９において、変数ＭがＮに到達していたらステップＳ２１において処理が終了し、制御はメインルーチンに移される。
【００８４】
以上説明したように、複数のセンサを設けてこれらを互いに参照することによって、センサの故障の判定も行なうことができる。このため、軸受異常とセンサ故障とを区別することが可能となる。
【００８５】
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特許請求の範囲によって示され、特許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。
【符号の説明】
【００８６】
１  スピンドル装置、２  外筒、３  ハウジング、３ａ  段差部、４  主軸、５  軸受部、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，１６  軸受、５ｇ，５ｇａ，５ｇｂ，１６ｂ  外輪、５ｉ，５ｉａ，５ｉｂ，１６ａ  内輪、６，９，３１ｃ，３１ｄ  間座、６ｇ，６ｇｂ，３１ｇｃ，３１ｇｄ  外輪間座、６ｇＡ，３１ｇＡｃ，３１ｇＡｄ  内径面、６ｉ  内輪間座、６ｉＡ  外径面、１０，２０  ナット、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ  熱流センサ、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、２３  モータ制御部、２５，２５Ａ，２５Ｂ  異常判定部、３０，３０Ａ  軸受装置、４０  モータ、５０  制御装置、１０１  Ａ／Ｄコンバータ、１０２  プロセッサ、１０３  メモリ、Ｃ，Ｃ２  比較器、Ｄ，Ｄ２  差動器、ＯＲ  論理和回路、ＰＪ  軸受特定部、Ｒｔａ，Ｒｔｂ  保持器、Ｔａ，Ｔｂ  転動体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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