(57)【要約】【課題】  軸受装置の高剛性を維持し、玉軸受が受ける軸方向の荷重を高精度に算出することができる荷重検出装置および荷重検出方法を提供する。【解決手段】  この荷重検出装置では、センサ１２は、保持器８に設けられた複数の磁石９によって生じる磁界の変化を検出し、保持器８の回転速度、すなわち玉６の公転速度を示す信号を出力する。センサ１５は、パルサーリング１３に取付けられた複数の磁石１４によって生じる磁界の変化を検出し、回転軸２の回転速度を示す信号を出力する。図示しない算出部は、玉６の公転速度および回転軸２の回転速度に基づいて接触角θを算出し、算出した接触角θと、予め求められた接触角θと軸方向の荷重との関係に基づいて、軸方向の荷重を算出する。したがって、軸受装置の高剛性を維持し、玉軸受が受ける軸方向の荷重を高精度に算出することが可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受装置において玉軸受が受ける軸方向の荷重を検出する荷重検出装置であって、
前記玉軸受の玉の公転速度を示す信号を出力する第１のセンサ、
前記玉軸受が支持する回転軸の回転速度を示す信号を出力する第２のセンサ、および
前記第１および第２のセンサの出力信号に基づいて、前記玉軸受が受ける軸方向の荷重を算出する算出部を備える荷重検出装置。
【請求項２】
前記算出部は、前記第１および第２のセンサの出力信号と、前記玉軸受の玉の直径と、前記玉軸受の玉が公転時に描く円の直径とに基づいて、前記玉軸受の玉が外輪と内輪とに接触する点を結んだ直線が前記軸方向に垂直な方向線に対して有する接触角を算出し、算出した接触角と、予め求められた前記接触角と前記軸方向の荷重との関係に基づいて、前記軸方向の荷重を算出する、請求項１に記載の荷重検出装置。
【請求項３】
前記軸受装置は、前記玉軸受を介して前記回転軸を回転自在に支持するハウジングを有し、
前記荷重検出装置は、前記玉軸受の玉を保持する保持器の側面に設けられた複数の磁石を備え、
前記第１のセンサは、前記ハウジングに取付けられ、前記玉軸受の玉の公転時に、前記保持器とともに前記複数の磁石が回転することによって生じる磁界の変化を検出し、前記玉軸受の玉の公転速度を示す信号を出力する、請求項１または請求項２に記載の荷重検出装置。
【請求項４】
前記玉軸受の玉は磁性材で構成され、かつ前記保持器は非磁性材で構成され、
前記第１のセンサは、磁性材で構成された玉の通過を非接触で検出する近接センサである、請求項１または請求項２に記載の荷重検出装置。
【請求項５】
前記玉軸受は複数の玉を有し、前記複数の玉のうちの少なくとも１つの玉は磁性材で構成され、他の玉は非磁性材で構成され、
前記第１のセンサは、磁性材で構成された玉の通過を非接触で検出する近接センサである、請求項１または請求項２に記載の荷重検出装置。
【請求項６】
軸受装置において玉軸受が受ける軸方向の荷重を検出する荷重検出方法であって、
前記玉軸受の玉の公転速度と、前記玉軸受が支持する回転軸の回転速度を測定する第１のステップ、および
前記第１のステップによる測定結果に基づいて、前記玉軸受が受ける軸方向の荷重を算出する第２のステップを含む荷重検出方法。
【請求項７】
前記第２のステップは、前記第１のステップによる測定結果と、前記玉軸受の玉の直径と、前記玉軸受の玉が公転時に描く円の直径とに基づいて、前記玉軸受の玉が外輪と内輪とに接触する点を結んだ直線が前記軸方向に垂直な方向線に対して有する接触角を算出し、算出した接触角と、予め求められた前記接触角と前記軸方向の荷重との関係に基づいて、前記軸方向の荷重を算出する、請求項６に記載の荷重検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、荷重検出装置および荷重検出方法に関し、特に、軸受装置において玉軸受が受ける軸方向の荷重を検出する荷重検出装置および荷重検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細加工を行なうための工作機械は、高い加工精度が要求される。回転軸を支持する軸受が受ける軸方向の荷重（アキシアル荷重）に応じて、工作機械の動作が制御される場合、その軸方向の荷重を高精度に求める必要がある。
【０００３】
下記の特許文献１には、工作機械等に実際に加わる力、特に軸方向の力を高精度に検出し得る軸力検出手段付き直線案内装置が開示されている。この軸力検出手段は、軸方向に弾性変形可能な弾性部材と、弾性部材の軸方向の荷重に応じて変化する変位または歪みを電気信号に変換して検出する変位または歪み検出手段とを含む。
【特許文献１】特開平５−１３８４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
工作機械の加工精度を向上させるためには、軸受装置の剛性を高くする必要がある。上記の特許文献１による方法を用いた場合、軸方向の荷重を高精度に算出するためには、荷重に対する弾性部材の変位量または歪量を大きくする必要がある。しかし、弾性部材の変位量や歪量を大きくすると軸受装置の剛性が低下してしまうという問題があった。また、歪みを検出する場合は歪ゲージを軸受装置に貼付ける必要があり、その実装が煩雑であった。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、軸受装置の高剛性を維持し、玉軸受が受ける軸方向の荷重を高精度に算出することができる荷重検出装置および荷重検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる荷重検出装置は、軸受装置において玉軸受が受ける軸方向の荷重を検出する荷重検出装置であって、玉軸受の玉の公転速度を示す信号を出力する第１のセンサと、玉軸受が支持する回転軸の回転速度を示す信号を出力する第２のセンサと、第１および第２のセンサの出力信号に基づいて、玉軸受が受ける軸方向の荷重を算出する算出部とを備えたものである。
【０００７】
好ましくは、算出部は、第１および第２のセンサの出力信号と、玉軸受の玉の直径と、玉軸受の玉が公転時に描く円の直径とに基づいて、玉軸受の玉が外輪と内輪とに接触する点を結んだ直線が軸方向に垂直な方向線に対して有する接触角を算出し、算出した接触角と、予め求められた接触角と軸方向の荷重との関係に基づいて、軸方向の荷重を算出する。
【０００８】
また好ましくは、軸受装置は、玉軸受を介して回転軸を回転自在に支持するハウジングを有する。荷重検出装置は、玉軸受の玉を保持する保持器の側面に設けられた複数の磁石を備える。第１のセンサは、ハウジングに取付けられ、玉軸受の玉の公転時に、保持器とともに複数の磁石が回転することによって生じる磁界の変化を検出し、玉軸受の玉の公転速度を示す信号を出力する。
【０００９】
また好ましくは、玉軸受の玉は磁性材で構成され、かつ保持器は非磁性材で構成される。第１のセンサは、磁性材で構成された玉の通過を非接触で検出する近接センサである。
【００１０】
また好ましくは、玉軸受は複数の玉を有し、複数の玉のうちの少なくとも１つの玉は磁性材で構成され、他の玉は非磁性材で構成される。第１のセンサは、磁性材で構成された玉の通過を非接触で検出する近接センサである。
【００１１】
この発明に係わる荷重検出方法は、軸受装置において玉軸受が受ける軸方向の荷重を検出する荷重検出方法であって、玉軸受の玉の公転速度と、玉軸受が支持する回転軸の回転速度を測定する第１のステップと、第１のステップによる測定結果に基づいて、玉軸受が受ける軸方向の荷重を算出する第２のステップとを含む。
【００１２】
また好ましくは、第２のステップは、第２のステップによる測定結果と、玉軸受の玉の直径と、玉軸受の玉が公転時に描く円の直径とに基づいて、玉軸受の玉が外輪と内輪とに接触する点を結んだ直線が軸方向に垂直な方向線に対して有する接触角を算出し、算出した接触角と、予め求められた接触角と軸方向の荷重との関係に基づいて、軸方向の荷重を算出する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係わる荷重検出装置では、玉軸受の玉の公転速度を示す信号を出力する第１のセンサと、玉軸受が支持する回転軸の回転速度を示す信号を出力する第２のセンサと、第１および第２のセンサの出力信号に基づいて、玉軸受が受ける軸方向の荷重を算出する算出部とが設けられる。したがって、軸受装置の高剛性を維持し、玉軸受が受ける軸方向の荷重を高精度に算出することが可能となる。
【００１４】
この発明に係わる荷重検出方法は、玉軸受の玉の公転速度と、玉軸受が支持する回転軸の回転速度を測定する第１のステップと、第１のステップによる測定結果に基づいて、玉軸受が受ける軸方向の荷重を算出する第２のステップとを含む。したがって、軸受装置の高剛性を維持し、玉軸受が受ける軸方向の荷重を高精度に算出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、この発明の一実施の形態による軸受装置の概略構成を示す縦断面図である。図１において、この軸受装置は、ハウジング１と、ハウジング１内に設けられた回転軸２と、ハウジング１と回転軸２との間に介装され、回転軸２を支持するための２つの玉軸受３，４とを備える。
【００１６】
玉軸受３，４は、それぞれハウジング１の内周面に固定された外輪３ａ，４ａと、それぞれ回転軸２の外周面に固定された内輪３ｂ，４ｂと、それぞれ外輪３ａ，４ａと内輪３ｂ，４ｂとの間に設けられた複数の玉５，６で構成される。玉軸受３，４には、それぞれ複数の玉５，６が脱落しないように保持するための保持器７，８が設けられる。また、外輪３ａ，４ａと内輪３ｂ，４ｂとの間で玉５，６が滑らかな転がり運動を行なうように、潤滑材が用いられる。保持器８の側面には、複数の磁石９が設けられる。２つの玉軸受３，４の外輪３ａ，４ａの間には、ハウジング１の内周面に固定された外輪間座１０が設けられる。また、２つの玉軸受３，４の内輪３ｂ，４ｂの間には、回転軸２の外周面に固定された内輪間座１１が設けられる。
【００１７】
回転軸２の一端（図１においては左方の端部）の外周面には、パルサーリング１３が固定される。パルサーリング１３の外周面には、複数の磁石１４が等間隔で設けられる。また、ハウジング１には、複数の玉６の公転速度（保持器の回転速度）を示す信号を出力するセンサ１２と、回転軸２の回転速度を示す信号を出力するセンサ１５とが設けられる。図示しないが、軸受装置は、センサ１２，１５の出力信号に基づいて、玉軸受４が受ける軸方向の荷重を算出する算出部をさらに含む。センサ１２，１５、複数の磁石９，１４、パルサーリング１３および図示しない算出部は、玉軸受４が受ける軸方向の荷重を検出する荷重検出装置を構成する。
【００１８】
なお、ハウジング１の内周面に固定された外輪４ａにセンサ１２を取付けることも可能であるが、この場合はセンサ１２の配置に制約が生じるため、センサ１２を小型にしなければならない。そこで、この一実施の形態では、センサ１２をハウジング１に設ける。これにより、センサ１２の配置の制約が弱まるためセンサを小型にする必要がなくなり、センサ選択の自由度が大きくなる。
【００１９】
回転軸２は図示しない駆動モータによって回転駆動され、回転軸２および内輪３ｂ，４ｂが回転運動を行なう。玉軸受３，４は、回転軸２が自在に回転運動を行なえるように回転軸２を支持する。
【００２０】
図２は、図１に示した玉軸受４を軸方向から見た側面図である。図２において、保持器８の側面に複数の磁石９が等間隔で設けられる。保持器８は、複数の玉６が互いに所定の間隔を保ちつつ、外輪４ａと内輪４ｂとの間から脱落しないように、複数の玉６を保持する。回転軸２および内輪４ｂが回転運動を行なうと、複数の玉６が公転運動を行なう。公転運動を行なう複数の玉６とともに、保持器８は回転運動を行なう。
【００２１】
なお、複数の磁石９を保持器８の側面に取付ける代わりに、複数のＮ極磁石とＳ極磁石が交互に外周面に接着されたパルサーリングを保持器８に取付けてもよい。
【００２２】
図３は、図１に示した玉軸受４を拡大して示した部分断面図である。図３において、玉６は外輪４ａと内輪４ｂとに接触している。この玉軸受４には、軸受の剛性を高めるために予め所定の予圧が加えられている。玉軸受４は、アンギュラ玉軸受であり、玉６が外輪４ａと内輪４ｂとに接触する点を結んだ直線は、ラジアル方向（軸方向に垂直な方向）に対して接触角θを有する。軸方向の荷重が大きくなるほど、接触角θは大きくなる関係にある。また、接触角θが大きくなるほど、玉６の公転速度は速くなる関係にある。
【００２３】
センサ１２は、磁界の変化を検出するホール素子センサで構成される。このセンサ１２は、保持器８に設けられた複数の磁石９によって生じる磁界の変化を検出し、保持器８の回転速度、すなわち玉６の公転速度を示す信号を出力する。
【００２４】
再び図１を参照して、センサ１５は、センサ１２と同様に、磁界の変化を検出するホール素子センサである。このセンサ１５は、パルサーリング１３に取付けられた複数の磁石１４によって生じる磁界の変化を検出し、回転軸２の回転速度（内輪３ｂ，４ｂの回転速度）を示す信号を出力する。ここで、玉５，６の公転速度（保持器７，８の回転速度）ｆｂは、以下の数式（１）で表わされる。
【００２５】
ｆｂ  ＝  ｆｒ×（Ｄｐ−ｄｗcosθ）／２Ｄｐ      ・・・（１）
ただし、ｆｒは回転軸２の回転速度（内輪３ｂ，４ｂの回転速度）、Ｄｐは玉５，６のＰＣＤ（Pitch circle Diameter：円周上に配置された玉の取付け中心線が描く円の直径）、ｄｗは玉５，６の直径である。
【００２６】
したがって、センサ１２によって玉の公転速度ｆｂが検出され、センサ１５によって回転軸２の回転速度ｆｒが検出されると、数式（１）を用いて接触角θが算出される。算出された接触角θと、既存の数式または実験値より予め求められた接触角θと軸方向の荷重との関係に基づいて、軸方向の荷重が算出される。このようにして算出された軸方向の荷重に応じて、工作機械の動作が制御される。
【００２７】
以上のように、この一実施の形態では、荷重に応じて変位する弾性部材を用いる必要がないため、軸受装置の剛性は低下しない。したがって、軸受装置の高剛性を維持し、玉軸受が受ける軸方向の荷重を高精度に算出することが可能となる。
【００２８】
なお、ここでは、センサ１２を磁界の変化を検出するホール素子センサで構成した場合について説明したが、センサ１２を磁性金属が接近したことを非接触で検出することができる近接センサで構成することもできる。この場合、保持器８を非磁性材（たとえば、プラスチックや真ちゅう、アルミニウムなど）で構成し、複数の玉６を磁性材で構成することによって、センサ１２は磁性材で構成された玉の通過を検知し、玉の公転速度を示す信号を出力することができる。また、磁性材で構成した玉と非磁性材で構成した玉とが混在した複数の玉６を用いることによって、センサ１２が磁性材で構成した玉の通過を検知するようにしてもよい。
【００２９】
また、ここでは、玉軸受３，４がアンギュラ玉軸受である場合について説明したが、玉軸受３，４は、軸方向の荷重を受ける他の玉軸受であってもよい。
【００３０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の一実施の形態による軸受装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】図１に示した玉軸受４を軸方向から見た側面図である。
【図３】図１に示した玉軸受４を拡大して示した部分断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ハウジング、２  回転軸、３，４  玉軸受、５，６  玉、７，８  保持器、９，１４  磁石、１０  外輪間座、１１  内輪間座、１２，１５  センサ、１３  パルサーリング。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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