(57)【要約】【課題】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温度センサ１１ａおよび第２温度センサ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温度センサ１１ａと第２温度センサ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
2020070863.tif 000002
【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温度センサおよび第２温度センサと、
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温度センサと前記第２温度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温度センサおよび前記第２温度センサが実装される間座をさらに備え、
前記第１温度センサが前記間座に配置される位置は、前記第２温度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温度センサが前記間座に配置される位置は、前記第１温度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】
前記第１温度センサおよび前記第２温度センサは、非回転部材に固定され、
前記第１温度センサと前記非回転部材とを断熱する第１断熱層と、
前記第２温度センサと前記非回転部材とを断熱する第２断熱層とをさらに備える、請求項１に記載の軸受装置。
【請求項６】
Ｎを３以上の自然数とすると、
Ｎ個の温度センサを備え、
前記第１温度センサおよび前記第２温度センサは、前記Ｎ個の温度センサのうちの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個の温度センサから前記第１温度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温度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温度センサに故障が発生したと判定する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の軸受装置。
【請求項７】
請求項１〜６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８】
主軸を支持する第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温度センサおよび第２温度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温度センサ、前記第２温度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】
工作機械等のスピンドル装置では、軸受の異常を未然に防ぐために、軸受に異常が起こる前に異常の予兆を検出することが要求されている。たとえばスピンドル装置を高速回転させると、軸受の発熱により軸受周りの温度が上昇し、機械部品が熱膨張する。機械部品の熱膨張により軸受の予圧が上昇すると軸受荷重が増加し、軸受の発熱がさらに増加して軸受の焼き付きが発生する原因となる。
【０００３】
この軸受の異常を検出するために、回転している軸受の軌道輪の温度を非接触温度センサで検出している例がある。特開２０１２−３７０１３号公報（特許文献１）には、内輪間座に当接する内輪側面と、内輪外周面との角部に面取り状の被検出面を設け、外輪間座に、被検出面の温度を非接触で測定する非接触温度センサを設け、内輪の温度を非接触で測定するようにした軸受装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−３７０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２０１２−３７０１３号公報（特許文献１）に開示された軸受装置の構造では、軸受の内輪外周面に面取り加工を行っているため、標準軸受を使うことができず、軸受部分の価格が高くなる。また、非接触温度センサとして焦電型赤外センサやサーモパイルなどの赤外線温度センサを用いているが、軸受内輪の外周面に設けた面取り部は金属面のため、赤外線放射率が低く、温度検出感度が低くなることが想定される。また、赤外線温度センサは温度検出分解能や応答性が低いため、軸受の焼き付き等の異常を早く予知するには、応答性や分解能が課題になる。赤外線温度センサは、センサ自身の温度と測定対象物の温度範囲によって測定分解能が異なるため、使用状況によっては希望する温度分解能が得られない場合も想定される。
【０００６】
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、これを用いたスピンドル装置の異常あるいは異常の予兆を安定して早期に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】
【０００７】
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温度センサおよび第２温度センサと、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温度センサと第２温度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。
【０００８】
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。
【０００９】
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温度センサおよび第２温度センサが実装される間座をさらに備える。第１温度センサが間座に配置される位置は、第２温度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温度センサが間座に配置される位置は、第１温度センサが間座に配置される位置よりも、第２軸受に近い。
【００１０】
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。
【００１１】
好ましくは、第１温度センサおよび第２温度センサは、非回転部材に固定される。軸受装置は、第１温度センサと非回転部材とを断熱する第１断熱層と、第２温度センサと非回転部材とを断熱する第２断熱層とをさらに備える。
【００１２】
好ましくは、Ｎを３以上の自然数とすると、軸受装置は、Ｎ個の温度センサを備える。第１温度センサおよび第２温度センサは、Ｎ個の温度センサのうちの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個の温度センサから第１温度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温度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温度センサに故障が発生したと判定する。
【００１３】
本開示のスピンドル装置は、上記いずれかに記載の軸受装置を備える。
本開示は、さらに他の局面では、主軸を支持する第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温度センサおよび第２温度センサとを含む軸受装置の異常判定方法に関する。異常判定方法は、第１温度センサ、第２温度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】
【００１４】
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安定して早期に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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】温度センサの感度を上げる変形例である。
【図４】軸受正常時の温度センサの出力例を示す波形図である。
【図５】軸受異常時の温度センサの出力例を示す波形図である。
【図６】実施の形態１で用いられる２つの温度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７】図６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８】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９】実施の形態２で用いられる２つの温度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１０】異常判定部の他の構成を示す図である。
【図１１】図１０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１２】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】
【００１６】
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。
【００１７】
［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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、温度センサ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。
【００２０】
温度センサ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。温度センサ１１ａ、１１ｂとしては、熱電対、半導体温度センサＩＣ、薄膜温度センサ、サーミスタなどを利用することができる。たとえばポリイミドフィルム上に熱電対を形成した温度センサを用いれば、外輪間座６ｇと内輪間座６ｉの狭い隙間でも配置することができる。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
温度センサ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、温度センサ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の近傍に温度センサ１１ａが配置され、軸受５ｂの近傍に温度センサ１１ｂが配置される。
【００３２】
たとえば、温度センサとして半導体温度センサＩＣを使用する場合には、温度センサ１１ａ、１１ｂを実装したプリント基板を外輪間座６ｇの内径面６ｇＡに固定し、温度センサ１１ａ、１１ｂの表面が内輪間座６ｉ（または内輪）に対向するように配置する。なお、プリント基板を樹脂モールドする場合には、温度センサ１１ａ、１１ｂ上の樹脂モールドは極力薄くするのが好ましく、また、温度センサ１１ａ、１１ｂと内輪間座６ｉとの隙間が小さい方が好ましい。
【００３３】
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。
【００３４】
そのため、軸受５ａまたは５ｂの外輪５ｇａまたは５ｇｂ近傍の外輪間座６ｇに温度センサを単に実装した場合には、軸受５ａ，５ｂの異常予兆を早期に検出できないことも想定される。温度センサ１１ａおよび１１ｂを内輪間座６ｉ（あるいは内輪５ｉａ，５ｉｂ）に対向配置すれば、発熱源に近いため温度上昇が早く見られる内輪間座６ｉ（あるいは内輪５ｉ）からの放熱（放射と対流）を温度センサ１１ａおよび１１ｂで検出することで、軸受５ａまたは５ｂの急激な発熱をより早く検出できる。
【００３５】
なお、温度センサ１１ａ，１１ｂが対向する内輪間座６ｉの外径面６ｉＡからの放熱による温度センサ１１ａ，１１ｂの温度変化を測定するため、温度センサ１１ａ，１１ｂと外輪間座６ｇとはできるだけ断熱する方が感度を上げるためにより好ましい。
【００３６】
図３は、温度センサの感度を上げる変形例である。図３に示す軸受装置３０Ｎでは、外輪間座６ｇａと温度センサ１１ａの間に断熱層２６ａを配置し、外輪間座６ｇｂと温度センサ１１ｂの間に断熱層２６ｂを配置している点が図２の軸受装置３０と異なる。軸受装置３０Ｎの他の構成は、図２の軸受装置３０と同様であるので説明は繰返さない。断熱層２６ａ，２６ｂとしては、たとえば鉄、ステンレスなどで形成される外輪間座６ｇよりも熱伝導率の低い樹脂やセラミックを用いることができる。断熱層を設けて、外輪間座６ｇと温度センサとの間の熱伝導を抑制すると、発熱に対する温度センサの応答性をさらに改善することができる。
【００３７】
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。温度センサ１１ａ，１１ｂは、それぞれ出力信号ＴＰａ，ＴＰｂを異常判定部２５に出力する。
【００３８】
図４は、軸受正常時の温度センサの出力例を示す波形図である。図５は、軸受異常時の温度センサの出力例を示す波形図である。図４、図５において、温度センサ１１ａの出力信号ＴＰａの波形を実線で示し、温度センサ１１ｂの出力信号ＴＰｂの波形を２点鎖線で示す。
【００３９】
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４に示すように温度センサ１１ａ，１１ｂの出力信号ＴＰａ，ＴＰｂ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ＴＰａ，ＴＰｂは安定してくる。
【００４０】
出力信号ＴＰａ，ＴＰｂまたは出力信号ＴＰａ，ＴＰｂ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。
【００４１】
そのため、本実施の形態では、２つの温度センサ１１ａ、１１ｂの出力信号ＴＰａ，ＴＰｂの差の絶対値、または出力信号ＴＰａ，ＴＰｂ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。
【００４２】
図５では、時刻ｔ１においては、一方の軸受５ｂに温度上昇の兆候が見られ、温度センサ１１ｂの出力信号ＴＰｂは時刻ｔ１から少し遅れて時刻ｔ２で温度上昇の傾向を示す。その後、しばらくの時間経過後、時刻ｔ３において他方の温度センサ１１ａの出力信号ＴＰａも温度上昇の傾向を示す。
【００４３】
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、軸受５ａ，５ｂのうち片方が先に焼損することが多いため、異常時には温度センサの出力は図５のような傾向を示す。軸受５ａ，５ｂの片方が焼損したことにより、その後、軸受５ａ，５ｂの他方も焼損することもある。
【００４４】
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温度センサ１１ａおよび第２温度センサ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温度センサ１１ａと第２温度センサ１１ｂとの出力の差｜ＴＰａ−ＴＰｂ｜または出力の変化速度の差｜ΔＴＰａ／Δｔ−ΔＴＰｂ／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。
【００４５】
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。
【００４６】
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温度センサ１１ａおよび第２温度センサ１１ｂが実装される間座６をさらに備える。第１温度センサ１１ａが間座６に配置される位置は、第２温度センサ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温度センサ１１ｂが間座６に配置される位置は、第１温度センサ１１ａが間座６に配置される位置よりも、第２軸受５ｂに近い。
【００４７】
図６は、実施の形態１で用いられる２つの温度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を参照して、スピンドル装置１の内部に実装した２つの温度センサ１１ａ，１１ｂの出力信号ＴＰａ，ＴＰｂは、異常判定部２５に入力される。
【００４８】
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つの温度センサ１１ａ，１１ｂの出力信号（あるいは出力信号の変化速度）ＴＰａ，ＴＰｂ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。
【００４９】
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。
【００５０】
このように、異常判定部２５は、図６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、ＴＰａ−ＴＰｂ＞０（符号が正）であれば軸受５ａに異常が発生したと判断し、ＴＰａ−ＴＰｂ＜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。
【００５１】
図７は、図６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。
【００５２】
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、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。
【００５３】
異常判定部２５において、２つの温度センサ１１ａ，１１ｂの出力信号ＴＰａ，ＴＰｂ（または出力信号ＴＰａ，ＴＰｂ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つずつ温度センサ１１ａ，１１ｂの出力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。
【００５４】
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、外輪間座６ｇの内径面両端部の軸受近傍にそれぞれ温度センサ１１ａ，１１ｂを固定し、内輪間座６ｉ（あるいは内輪５ｉａ，５ｉｂ）に近接して対向させる。温度センサ１１ａ，１１ｂは、内輪間座６ｉから放熱（放射と対流）によって温められる。温度センサ１１ａ，１１ｂとしては、熱電対、半導体温度センサＩＣ、サーミスタなどを利用する。たとえばポリイミドフィルム上に熱電対を形成した温度センサを用いれば、外輪間座６ｇと内輪間座６ｉの狭い隙間でも配置することができる。図３に示すように、温度センサ１１ａ，１１ｂと外輪間座６ｇの間に断熱層２６ａ，２６ｂを入れてもよい。
【００５５】
軸受装置３０，３０Ｎ、あるいはこれを搭載したスピンドル装置１の正常運転時には、主軸４の回転速度が増加するに従い軸受５ａ，５ｂの発熱量は増加し、間座６の温度も上昇する。
【００５６】
それぞれの温度センサ１１ａ，１１ｂ毎に、その出力信号あるいは出力信号変化速度（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一般的な判定方法では、しきい値を軸受５ａ，５ｂの運転状態（回転速度、負荷）に合わせて設定したり、長期間の使用による予圧の変化に応じて見直す必要があり設定が難しく、場合によっては誤判定も想定される。
【００５７】
本実施の形態では、２つの温度センサ１１ａ，１１ｂの出力信号の差の絶対値、あるいは２つの温度センサ１１ａ，１１ｂの信号変化速度の差の絶対値が、予め設定したしきい値よりも大きい場合には異常と判定する。これにより運転状態による軸受の適正な温度を予め知らなくても異常の判断が可能となる。
【００５８】
なぜならば、異常時（たとえば軸受の焼付き時）には、２つの軸受５ａ，５ｂが同時に焼損することは稀であり、片方の軸受が焼損し、その後時間を経過して両方の軸受が焼付くことが想定される。そのため、２つの温度センサ１１ａ，１１ｂの出力差（あるいは変化速度の差）の絶対値が予め設定したしきい値を超えた場合にいずれかの軸受を異常と判定すれば、誤判定を防止してより正確な予知判定が可能になる。なお、焼付き時には温度が上昇するため、センサ出力が高温側の軸受を異常と判断すればよい。
【００５９】
また、内輪間座６ｉ（または内輪５ｉａ，５ｉｂ）に対向するように外輪間座６ｇの内径面６ｇＡに温度センサ１１ａ，１１ｂを固定し、内輪５ｉａ，５ｉｂの放射熱によるセンサ自体の温度上昇を捉えるようにすれば、冷却されている外輪５ｇａ，５ｇｂの温度を熱伝導で測定した場合に比べて早く内輪５ｉａ，５ｉｂの温度変化を捉えることができるので、軸受の異常（焼付き予兆）を早期に検出することができる。すなわち、内輪間座（あるいは内輪）からの放熱による温度センサの温度変化を測定することによって、外輪近傍の外輪間座に温度センサを配置した場合に比べて早く内輪間座の温度変化を捉えることができるので、軸受の異常（焼付き予兆）を早期に検出することができる。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。
【００６０】
［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。
【００６１】
図８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８に示す軸受装置３０Ａを備える。
【００６２】
図８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に温度センサ１１ｃが配置され、追加した間座３１ｄの外輪間座３１ｇｄの内径面３１ｇＡｄに温度センサ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８では、すべての軸受に対して温度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、温度センサを配置しても良い。
【００６３】
図９は、実施の形態２で用いられる２つの温度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。
【００６４】
図９に示す異常判定部２５Ｂは、図６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、追加した温度センサ１１ｃ、１１ｄの出力信号（または出力信号の変化速度）ＴＰｃ、ＴＰｄ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。
【００６５】
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。
【００６６】
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つの温度センサ１１ａ、１１ｂの差動器Ｄの出力信号の符号と、２つの温度センサ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。
【００６７】
軸受が４つの場合には、中央の２つの軸受５ａ，５ｂを監視する温度センサ１１ａ、１１ｂの出力比較と、外側の２つの軸受５ｃ，５ｄを監視する温度センサ１１ｃ、１１ｄの出力比較で異常あるいは異常予兆を判定したが、比較する温度センサ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温度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。
【００６８】
監視する軸受が奇数の場合でも、それらを監視する温度センサの中から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。
【００６９】
上記では、２つの温度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、使用する温度センサが多数になる場合などは、各温度センサの出力の平均値を算出した上で、各温度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、複数の温度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温度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。
【００７０】
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に温度センサを配置した。しかし、軸受５ａ〜５ｄの非回転側の軌動輪（外輪）に温度センサを配置し、温度センサを回転輪（内輪）に対向させる構造であっても構わない。
【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温度センサを配置し、複数の温度センサの出力信号同士、あるいは出力信号の変化率同士を比較し、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つの温度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６、図７、図９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１０は、異常判定部の他の構成を示す図である。図１０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１１は、図１０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、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温度センサ１１ａおよび第２温度センサ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温度センサ１１ａ、第２温度センサ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温度センサ１１ａ、第２温度センサ１１ｂの出力の差｜ＴＰａ−ＴＰｂ｜または出力の変化速度の差｜ΔＴＰａ／Δｔ−ΔＴＰｂ／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１２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１０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４、図５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１２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個の温度センサからＭ番目の温度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番目の温度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番目の温度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  温度センサ、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、２６ａ，２６ｂ  断熱層、３０，３０Ａ，３０Ｎ  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】
2020070863.tif 000011
【図１０】
2020070863.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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