(57)【要約】  本発明はスピンドル、特に予圧された軸受を備えた高速回転する高精度スピンドルの軸受状態を監視するためのセンサ装置に関する。このセンサ装置は、同心的に配置された２個のセンサリング（１１、１３）を具備し、作動中内側センサリング（１１）がスピンドル軸（１５）と共に、内側センサリングを取り囲む外側センサリング（１３）と相対的に回転し、監視すべき軸受パラメータのための少なくとも１個のセンサ（１７、１９）と、両センサリングの間でエネルギーと信号を非接触伝送する伝送システムの伝送装置、特にコイルとが、各センサリングに一体化されている。
2009508093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンドル、特に予圧された軸受を備えた高速回転する高精度スピンドルの軸受状態を監視するためのセンサ装置であって、
同心的に配置された２個のセンサリング（１１、１３）を具備し、作動中内側センサリング（１１）がスピンドル軸（１５）と共に、内側センサリングを取り囲む外側センサリング（１３）と相対的に回転し、監視すべき軸受パラメータのための少なくとも１個のセンサ（１７、１９）と、両センサリング（１１、１３）の間でエネルギーと信号を非接触伝送する伝送システムの伝送装置、特にコイル（２１、２３）とが、各センサリング（１１、１３）に一体化されていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
作動中すぐ近くにある軸受構成部材（２５、２７）の温度を測定するために少なくとも１個の温度センサ（１７、１９）が各センサリング（１１、１３）に一体化されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
温度センサ（１７、１９）がそれぞれ、軸方向外面（２９）を有するセンサリング（１１、１３）の側壁（３１）に対して熱的および／または機械的に接触していることを特徴とする請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
各センサリング（１１、１３）に振動センサが一体化され、この振動センサは好ましくはスピンドル軸受の音響伝達関数を決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項５】
センサリング、特に外側センサリング（１３）が制御可能な振動源を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項６】
センサ（１７、１９）がそれぞれ軸方向において偏心してセンサリング（１１、１３）内に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項７】
各センサリング（１１、１３）において、センサ（１７、１９）と、センサ（１７、１９）および／または伝送システムの少なくとも一部を作動させるために必要な電子機器とが、センサリングに一体化されたプリント基板（３３）にまとめられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項８】
各センサリング（１１、１３）において、伝送装置がコイル（２１、２３）を備え、このコイルが導線の形をして支持体（３３）、特にプリント基板に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項９】
各センサリング（１１、１３）において、センサ（１７、１９）と、センサ（１７、１９）および／または伝送システムの少なくとも一部を作動させるために必要な電子機器と、特に印刷された導線の形をしたコイル（２１、２３）とが、共にセンサリング（１１、１３）に一体化された支持体（３３）、特にプリント基板にまとめられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の少なくとも１個のセンサ装置（１１、１３）を有する、スピンドル、特に予圧された軸受を備えた高速回転する高精度スピンドル。
【請求項１１】
センサ装置（１１、１３）と、その都度監視すべきスピンドル軸受（２５、２７）とがスピンドル軸（１５）上に並べて配置され、特に互いに直接隣接していることを特徴とする請求項１０に記載のスピンドル。
【請求項１２】
内側センサリング（１１）がスピンドル軸（１５）と共に回転する、その都度監視すべきスピンドル軸受の軸受内側部分（２５）に付設され、外側センサリング（１３）がスピンドル軸受の定置された軸受外側部分（２７）に付設されていることを特徴とする請求項１０または１１に記載のスピンドル。
【請求項１３】
センサ装置（１１、１３）がその都度監視すべきスピンドル軸受（２５、２７）に対して軸方向に熱的および／または機械的に接触させて配置されていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載のスピンドル。
【請求項１４】
センサ装置（１１、１３）とその都度監視すべきスピンドル軸受（２５、２７）とが同じ外径を有することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のスピンドル。
【請求項１５】
センサリング（１１、１３）がそれぞれ、スピンドル軸受のその都度監視すべきリング状構成部材（２５、２７）と同じ内径および／または外径を有することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか一項に記載のスピンドル。
【請求項１６】
スピンドル（３５）が軸方向において離隔された複数のスピンドル軸受（２５、２７）を備え、隣接する２個のスピンドル軸受（２５、２７）の間にセンサ装置（１１、１３）が配置され、特に挟持されていることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか一項に記載のスピンドル。
【請求項１７】
センサ装置（１１、１３）が監視すべき各スピンドル軸受（２５、２７）と、スピンドル軸受（２５、２７）用の軸方向ストッパーとの間に配置され、特に挟持されていることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか一項に記載のスピンドル。
【請求項１８】
スピンドル軸受（２５、２７）が予圧された軸受であり、センサ装置（１１、１３）がスピンドル軸受の間に作用する予圧を伝達することを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか一項に記載のスピンドル。
【請求項１９】
スピンドル（３５）が軸方向において離隔された複数のスピンドル軸受（２５、２７）を備え、各スピンドル軸受（２５、２７）にセンサ装置（１１、１３）が付設されていることを特徴とする請求項１０〜１８のいずれか一項に記載のスピンドル。
【請求項２０】
スピンドル、特に予圧された軸受を備えた高速回転する高精度スピンドルの軸受状態を監視するための方法であって、
内側センサリング（１１）によってスピンドル軸（１５）と共に回転するスピンドル軸受の軸受内側部分（２５）を監視し、外側センサリング（１３）によって定置された軸受外側部分（２７）を監視することにより、請求項１〜９のいずれか一項に記載の少なくとも１個のセンサ装置（１１、１３）によって少なくとも１個のスピンドル軸受（２５、２７）を監視することを特徴とする方法。
【請求項２１】
センサリング（１１、１３）に一体化されたセンサ（１７、１９）を用いて、少なくとも１つの軸受パラメータについて、センサ（１７、１９）からのセンサ信号の間の数学的な関係が決定され、センサリング（１１、１３）に一体化されたセンサ（１７、１９）が好ましくは同一に形成されていることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
センサ信号間の特に熱的および／または音響的伝達関数またはその都度監視されるスピンドル軸受（２５、２７）の伝達関数が決定されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンドルの軸受状態を監視するためのセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に工作機械で使用されるスピンドルと、とりわけその軸受は、作動中に大きな負荷を受ける。これは特に、２５，０００回転／分以上で高速回転する高精度スピンドルに当てはまる。スピンドル軸受は一般的に、回転するスピンドル軸に固定連結された軸受内側リングと、定置された軸受外側リングとを有する玉軸受である。軸受の早すぎる損傷またはスピンドル軸の規定通りではない回転特性を検出できるようにするために、このスピンドル軸受の状態をできるだけ正確に監視する傾向が益々増えている。
【０００３】
これに関連して、この場合特に重要な軸受内側リングの軸受温度の測定のために、軸受内側リングの下方に、すなわち半径方向内側に、温度センサを配置することが既に知られている。その場合もちろん、センサ自体と導体を軸上に置くために、欠点に結びつくスピンドル軸の加工が必要である。この導体は、センサをいわゆるテレメータリングに接続するために必要である。このテレメータリングはスピンドル軸上の異なる軸方向位置にあり、一緒に回転するセンサと伝送システムの定置装置との間でエネルギーや信号を非接触伝送する働きをする。
【０００４】
温度センサとテレメータリングとの間の接続部が一方では例えばメンテナンスのために分離可能に形成しなければならず、他方では同時に作動中に発生する遠心力に耐えなければならないので、この接続部は構造的にきわめて複雑である。他の欠点は、各々の種類のスピンドルのために、センサ装置全体と電子伝送装置（テレメータ）を新たに開発しなければならないことである。
【０００５】
スピンドル軸受の監視は温度測定に限定されない。さらに、軸受の範囲において発生する振動を測定することが知られている。そのために、軸受外側リングに加速度センサが取付けられる。この方法は、例えばモータ制御に起因する妨害周波数が通常の運転で既に存在するという欠点がある。それによって、実務的に適切なスピンドル軸受の振動監視を損なうかまたは不可能にする振動が発生し得る。さらに、これにより、工作機械の高速回転スピンドルの場合に実際に重要な妨害周波数を特定できないことが判った。
【０００６】
さらに、作動中に軸受内側リングと軸受外側リングとの間の半径方向間隔を監視し、それから当該軸受の状態を推定することにより、スピンドル軸受を監視することが知られている。この方法は技術的にきわめて複雑でコストのかかる方法であり、価格が重要である比較的に大量に製作されるスピンドルには適していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、できるだけ簡単および低コストで実現可能であり、特にスピンドル軸を加工しないで可能である、特に妨害作用に関して信頼性がありかつ影響を受けにくい軸受状態監視方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は請求項１のセンサ装置によって解決される。
【０００９】
本発明のセンサ装置は、同心的に配置された２個のセンサリングを具備し、作動中内側センサリングがスピンドル軸と共に、内側センサリングを取り囲む外側センサリングと相対的に回転し、監視すべき軸受パラメータのための少なくとも１個のセンサと、両センサリングの間でエネルギーと信号を非接触伝送する伝送システムの伝送装置、特にコイルとが、各センサリングに一体化されている。
【００１０】
本発明は、内側軸受リングと外側軸受リングからなる典型的なスピンドル軸受を監視するために最適であるコンパクトで集積したセンサ装置を提供する。内側センサリングによって内側軸受リングを、そして外側センサリングによって外側軸受リングを監視することができるからである。これにより、監視すべきスピンドル軸受の構造が本発明に係るセンサ装置によってある程度模倣される。
【００１１】
本発明の重要な効果は、内側軸受リングも直接監視可能であり、しかもスピンドル軸を加工する必要がないことにある。さらに、センサと伝送ユニットとの間でスピンドル軸の中またはスピンドル軸受上に導体を敷設する必要がない。なぜなら、本発明では、このような伝送のための装置、特にコイルが、センサリングに一体化されているからである。
【００１２】
本発明はさらに、本発明に係る少なくとも１個のセンサ装置を備えたスピンドルに関する。
【００１３】
本発明はさらに、内側センサリングによってスピンドル軸と共に回転するスピンドル軸受の軸受内側部分を監視し、外側センサリングによって定置された軸受外側部分を監視することにより、本発明に係る少なくとも１個のセンサ装置によって少なくとも１個のスピンドル軸受を監視する、スピンドルの軸受状態を監視するための方法に関する。
【００１４】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項、明細書および図面に記載されている。
【００１５】
センサリングに一体化されたセンサは例えばそれぞれ、作動中すぐ近くにある軸受構成部材の温度を測定することができる温度センサである。温度センサは好ましくはそれぞれ、軸方向外面を有するセンサリングの側壁に対して熱的および／または機械的（物理的）に接触している。
【００１６】
その代わりにまたはそれに加えて、各センサリングに振動センサを一体化することができる。本発明では、軸受内側リングを監視するために内側センサリングを設け、そして軸受外側リングを監視するために外側センサリングを設けることができるので、すなわち内側軸受部分と外側軸受部分を同時に測定することができるので、本発明に係るセンサ装置によって特に、当該のスピンドル軸受の音響伝達関数を決定することができる。これにより、他の振動源または妨害源に影響されずに、スピンドル軸受の状態を音響の観点から検出し、この状態の変化時に例えば軸受の損傷またはスピンドル軸の回転状態の不具合を推定することができる。
【００１７】
本発明は温度センサまたは振動センサに限定されない。基本的には、他のセンサを使用することができる。さらに、内側センサリングと外側センサリングに同じようなセンサを設けること、すなわち両センサリングを同一のパラメータについて同時に監視することは、有利であっても、必ずしも必要ではない。
【００１８】
本発明の他の実施形態では、センサリング、特に外側センサリングは制御可能な振動源を備えている。これにより、監視すべきスピンドル軸受を適切に振動させることができ、その結果この振動励起に対する軸受の音響的な反応の測定に基づいて、軸受状態を推定することができる。
【００１９】
センサは好ましくはそれぞれ軸方向において偏心してセンサリング内に配置されている。この非対称配置により、本発明に係るセンサ装置が軸方向においてスピンドル軸受に隣りあわせてスピンドル軸上に取付けられるときに、監視すべきスピンドル軸受のできるだけ近くにセンサを配置することができる。
【００２０】
本発明の他の実施形態においては、各センサリングにおいて、センサと、センサおよび／または伝送システムの少なくとも一部を作動させるために必要な電子機器とが、センサリングに一体化されたプリント基板にまとめられている。このような構成にすると、本発明に係るセンサ装置のきわめて簡単な構造が提供される。
【００２１】
本発明に係るスピンドルの場合、センサ装置と、その都度監視すべきスピンドル軸受とがスピンドル軸上に並べて配置され、特に互いに直接隣接していると有利である。
【００２２】
前述のように、内側センサリングがスピンドル軸と共に回転する、その都度監視すべきスピンドル軸受の軸受内側部分に付設され、外側センサリングがスピンドル軸受の定置された軸受外側部分に付設されている。
【００２３】
軸方向に離隔した２個のスピンドル軸受の間にセンサ装置を配置するために、本発明の他の実施形態に従い、センサ装置とその都度監視すべきスピンドル軸受とが同じ外径を有するときわめて有利である。
【００２４】
さらに、センサリングがそれぞれ、スピンドル軸受のその都度監視すべきリング状構成部材と同じ内径および／または外径を有すると有利である。
【００２５】
本発明に係るセンサ装置が離隔された２個のスピンドル軸受の間に配置されているときに、センサ装置が両スピンドル軸受の間に挟持されていると有利である。
【００２６】
スピンドル軸受は実際には往々にして、内側軸受リングと外側軸受リングが軸方向に互いに予圧されているいわゆる予圧された軸受である。高速回転する高精度スピンドルは実際にはほとんどがこのようなスピンドル軸受を備えている。このような２個のスピンドル軸受の間にセンサ装置が配置されている場合、本発明に従い好ましくは、センサ装置がスピンドル軸受の間に作用する予圧を伝達する。
【００２７】
本発明は、１本のスピンドルに１個のセンサ装置を設けることに限定されない。複数のスピンドル軸受を備えたスピンドルの場合、この各スピンドル軸受にセンサ装置が付設されていると有利である。
【００２８】
前述のように、本発明に係るセンサ装置は、それぞれのスピンドル軸受の特別な伝達関数を決定するために使用可能である。この場合、音響的な伝達関数を決定することができるだけでなく、センサリングに一体化された温度センサにより、スピンドル軸受の熱的な伝達関数を決定することができる。これは、本発明に係る方法でセンサによって監視される他の軸受パラメータにも同様に当てはまる。本発明は一般的に、両センサリングに一体化されたセンサのセンサ信号の間の数学的な関係を決定し、この関係を他の評価部に供給することができる。これにより、センサ信号のノイズを含む個別評価が有利に回避される。そのために特に構造が同じセンサまたは同一のセンサが使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、図を参照して本発明を例示的に詳しく説明する。
【００３０】
図１ａには、本発明に係るセンサ装置が示されている。このセンサ装置は作動状態で同心的に配置された、同じ軸方向長さを有する２個のセンサリング１１、１３を備えている。
【００３１】
各センサリング１１、１３は複数の構成部材を備えている。内側のまたは回転するセンサリング１１は、横断面がＬ字形の曲がった金属製環状要素４１（支持リング）を備えている。この環状要素は同様に横断面がＬ字形の２個の合成樹脂製環状要素４３、４５に接着によって連結されている。この合成樹脂製環状要素は互いに補い合ってほぼ長方形の横断面をなしている。両合成樹脂製環状要素４３、４５の間の環状隙間内には、エネルギーと信号を非接触伝送するための伝送システムの内側コイル２１が配置されている。コイル２１は環状要素４３に接着されている。
【００３２】
作動中回転しない外側のまたは定置のセンサリング１３は、同様に横断面がＬ字形の金属製環状要素４７（支持リング）を備えている。この環状要素は１個の合成樹脂製環状要素４９（カバー）に接着によって連結されている。この合成樹脂製環状要素はその半径方向外側に、周方向の凹部を有し、この凹部内には伝送システムの外側コイル２３が配置されている。
【００３３】
図１ａの部分「Ｚ」において両センサリング１１、１３内には、円弧状に形成されて比較的に小さな角度範囲にわたってのみ延在するプリント基板３３が示されている。このプリント基板は各スピンドル軸受を監視するための１個または複数個のセンサ１７、１９と、必要な全電子機器を備えている。この電子機器は特にセンサ信号を処理および転送する働きをする。
【００３４】
内側センサリング１１のプリント基板３３は内側コイル２１に接続されている。外側センサリング１３のプリント基板３３は外側コイル２３と、更に図示していない１本または複数本の信号ケーブルとに接続されている。この信号ケーブルを経て、両リング１１、１３のセンサ１７、１９からのデータを、従属のメモリ装置および／または評価装置、特にスピンドルに一体化されたいわゆるデータロガーあるいはスピンドルの差込みコネクタに供給することができる。外側センサリング１３は穴３７を有し、この穴３７を経て信号ケーブルを外側へ案内することができる。
【００３５】
図１ｂの実施形態では、各センサリング１１、１３にそれぞれ１個のリング状プリント基板３３が一体化されている。特徴は、プリント基板３３がセンサや必要な電子部品を支持しているだけでなく、同時にそれぞれコイルとしての働きをするかまたはコイルとして形成されている点にある。プリント基板３３にはそれぞれ同心的な導線が印刷されている。この導線は必要な伝送機能を発揮し得るコイルとして作用する。
【００３６】
図１ａの実施形態と同様に、外側のステータリング１３の場合にも内側のステータリング１１の場合にもそれぞれ、軸方向測定面を形成する支持リング４７または４１とカバー４９または４５が互いに接着されている。場合によって必要である軸受予圧の伝達は、支持リング４７、４１を介して行われる。
【００３７】
図２は、スピンドル３５の２個の軸受２５、２７の間における図１に示したセンサ装置の配置の一例を示している。作動中に回転するスピンドル軸１５は、図２において左側のその前方の端部に、図示していない工具を備え、そして前側範囲において軸方向に離隔された２個の軸受２５、２７によってスピンドル３５の定置部分に軸承（支持）されている。スピンドル軸受はそれぞれ内側軸受リング２５と外側軸受リング２７を備えている。内側軸受リング２５はスピンドル軸１５に相対回転しないように連結されている。これに対して、外側軸受リング２７は定置スピンドル部分の構成部材である。
【００３８】
内側センサリング１１と外側センサリング１３からなる本発明に係るセンサ装置は、両スピンドル軸受２５、２７の間で挟持され、そしてプリント基板３３に取付けられたセンサ１７、１９（図１の部分Ｚ参照）が図２において左側のスピンドル軸受２５、２７寄りのセンサ装置側に位置するように配置されている。従って、この構成（組込み例）の場合、図２において左側のスピンドル軸受２５、２７だけが本発明に係るセンサ装置によって監視される。この場合、内側センサリング１１は内側軸受リング２５に付設され、外側センサリング１３は外側軸受リング２７に付設されている。その際、センサ１７、１９の半径方向位置がセンサによって監視すべき各軸受構成部材２５、２７の半径方向位置に一致しているので、本発明に係るセンサ装置は監視すべきスピンドル軸受の構造を模倣している。
【００３９】
図２には、信号ケーブル５５の一部が示されている。センサによって検出された測定値はこの信号ケーブルを経て、スピンドル３５の定置部分に一体化されたデータロガー５３に伝送される。このデータロガーはスピンドルの作動中、データを電子的「タコグラフ」または「ログブック」の方式で記憶する。スピンドル３５の作動中に集められたデータを評価するために、データロガー５３はプラグ５１を介して外部の評価ユニットに接続可能で読み出し可能である。尚、このような構成にするのではなく、スピンドルと一体化されたデータロガー５３が省略され、スピンドル３５が例えばプラグコンタクトの形をした、信号ケーブル５５用の慣用のコネクタを備えていてもよい。このコネクタには外部の評価ユニットが接続される。
【００４０】
本発明に係るセンサ装置のセンサリング１１、１３内の電子機器は好ましくは、センサの測定値がデジタル化され、デジタル形式でデータロガー５３またはコネクタに伝送されるように設計されている。これによって、きわめて妨害されにくい測定が保証される。
【００４１】
図２に示したスピンドル３５について、ここではこれ以上詳しく説明しない。というのは、このスピンドルが本発明に係るセンサ装置の組込み例を説明するためだけのものであるからである。
【００４２】
図３ａの組込み例は、図２に示した例に一致し、特に、１個だけのスピンドル軸受が監視され、軸方向に離隔された両スピンドル軸受の間の空間がそのほかのために、例えば潤滑剤を供給するために必要とされないときに選択される。
【００４３】
図３ｂ、３ｅは、本発明に係るセンサ装置を対のスピンドル軸受の「外側に」配置可能であることを示している。図３ａと３ｂの比較によって分かるように、「二重リングセンサ」を１８０°だけ回転するだけで、中心からずらして軸方向に配置したセンサ１７、１９の向きを合わせることができる。
【００４４】
図３ｂ、３ｅの外側配置例の場合、センサ装置１１、１３は、その都度監視すべき軸受２５、２７と、この軸受２５、２７に付設された図示していない軸方向ストッパーとの間に配置可能である。センサ装置１１、１３の外側配置は例えば、前述のように両スピンドル軸受２５、２７の間の空間が潤滑剤供給のために必要とされるときに行われる。
【００４５】
また、図３ｃ、３ｄに示すように、本発明に従って複数のセンサ装置１１、１３を使用することができる。このセンサ装置によってそれぞれ１個のスピンドル軸受２５、２７が監視される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１ａ】同心的な２個のリングからなる、本発明の実施形態に係るセンサ装置を示す種々の図である。
【図１ｂ】同心的な２個のリングからなる、本発明の他の実施形態に係るセンサ装置を示す種々の図である。
【図２】本発明に係るセンサ装置をスピンドルに組み込むための一例を示す図である。
【図３】本発明に係る１個または複数個のセンサ装置をスピンドル軸上に配置するための種々の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１  内側センサリング
１３  外側センサリング
１５  スピンドル軸
１７  内側センサ
１９  外側センサ
２１  内側コイル
２３  外側コイル
２５  軸受内側部分
２７  軸受外側部分
２９  軸方向の外側の面
３１  側壁
３３  プリント基板
３５  スピンドル
３７  穴
４１  環状要素、支持リング
４３  環状要素
４５  環状要素、カバー
４７  環状要素、支持リング
４９  環状要素、カバー
５１  プラグ
５３  データロガー（data logger）
５５  信号ケーブル
【図１ａ】
2009508093.tif 000003
【図１ｂ】
2009508093.tif 000004
【図２】
2009508093.tif 000005
【図３】
2009508093.tif 000006
【国際調査報告】
2009508093.tif 000007
2009508093.tif 000008
2009508093.tif 000009
2009508093.tif 000010