(57)【要約】      （修正有）【課題】精度よく早期に異常を発見できる転がり軸受及び監視方法を提供する。【解決手段】固定輪１２にＡＥセンサ１６を埋め込んだので、固定輪１２に異常が生じた場合には、異常発生部位にＡＥセンサ１６が接近して配置されており、異常に基づくＡＥ信号を減衰させる事なく検出することができる。回転輪１１や玉１３に生じた異常についても、ＡＥ信号の発生源となるクラックの発生や進展は、当該異常発生部位が最大負荷時点に生じる確率が高い為、固定輪１２との機械的結合度が高いタイミングでＡＥ信号を受けとる事ができ、比較的ＡＥ信号の減衰を小さくする事ができる。また固定輪１２の負荷圏近傍にＡＥセンサ１６を配置する事によって、異常に基づくＡＥ信号を少ない減衰で確実に検出する事が可能である。しかも、ＡＥセンサ１６の埋め込みにより、転がり軸受１０の寸法を抑えることができる。【選択図】  図１
2006078203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定輪と、回転輪と、両輪間を転動する転動体とからなる転がり軸受において、
前記固定輪にＡＥセンサを埋め込んだことを特徴とする転がり軸受。
【請求項２】
固定輪と、回転輪と、両輪間を転動する転動体とからなる転がり軸受において、
前記固定輪の内周面及び側面の少なくとも一方に、ＡＥセンサを貼り付けたことを特徴とする転がり軸受。
【請求項３】
固定輪と、回転輪と、両輪間を転動する転動体とからなる転がり軸受の監視方法において、
前記固定輪の内周面及び側面の少なくとも２カ所にＡＥセンサを取り付けて、異なる位置からの前記ＡＥセンサの出力信号を検出し、検出した出力信号を比較することにより、ノイズを排除することを特徴とする転がり軸受の監視方法。
【請求項４】
前記ＡＥセンサの少なくとも２つは、受信方向を異ならせて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の転がり軸受の監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受に関し、特に、異常検出のためにＡＥセンサを装着した転がり軸受及びその監視方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、転がり軸受において、ゴミの混入や潤滑不良等によって軌道面に傷や剥離が生じると、回転トルクの上昇や異常振動が生じるなど、正常な軸受回転が阻害される。かかる不具合により、転がり疲労が急速に進行したり、異常な温度上昇等によって短寿命化を招き、場合によっては焼損にも及ぶことから、特に、大形の軸受では軸受交換や操業停止に伴う生産性低下を回避するために、そのような異常の発生を早期に検出する必要がある。
【０００３】
かかる観点から軸受異常の早期発見のための従来手法として、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサから出力されるＡＥ信号の検出・評価による方法が知られている（特許文献１〜３参照）。一般的に、「ＡＥセンサ」は、材料が変形したりき裂が発生したりする際に、内部に蓄えられているひずみエネルギーが弾性波（ＡＥ信号という）として放出される現象を捉えるものである。従ってＡＥ信号は、剥離の前兆となる微小クラックの発生や進展に伴って発生すると考えられており、振動や温度を監視して異常を検出するよりも、ＡＥ信号を検出した方が異常を早期に発見できるという特徴がある。
【特許文献１】特開平６−２５８１９８号公報
【特許文献２】特開平７−６３６０５号公報
【特許文献３】特開平７−２６０６３１号公報
【特許文献４】特開２００２−１８８４１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＡＥ信号を用いた軸受異常検出の従来例を、図５に示す。本図で、１は転がり軸受を示し、この転がり軸受１の外輪はハウジング２によって固定支持され、内輪６が回転するようになっている。ハウジング２の外側の所定箇所にはＡＥセンサ３が設置され、このＡＥセンサ３の出力側がアンプ４を介して信号処理器５に接続されている。
【０００５】
かかる従来例によれば、ＡＥセンサ３の取付けが簡単であり、既存の機械設備にも容易に適用できるという利点があるが、検出対象である軸受１とＡＥセンサ３との離間距離がハウジング２の介入により大きくなりセンシング感度が落ちるという問題がある。また、軸受１とハウジング２の境界面の存在によりＡＥ信号が反射・減衰し、ＡＥセンサ３の受信点に到達するＡＥ信号の信号強度は更に小さくなる。このため、特に異常によるＡＥ信号が小さい初期状態では、その微弱なＡＥ信号が減衰によって的確に検知されないという問題があり、さらに、外乱によるＡＥ信号を拾う誤検出が多いという問題も発生する。この問題は、とくに異常検出の要求度が高い大形の軸受になるほど顕著に表れる。
【０００６】
これに対し、特許文献４には、軸受の外輪に直接ＡＥセンサを取り付けている。従って、ＡＥ信号の反射・減衰という問題は起きにくいが、ＡＥセンサが周囲部品と干渉する恐れがある。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成ながら、精度よく早期に異常を発見できる転がり軸受及びその監視方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の本発明の転がり軸受は、固定輪と、回転輪と、両輪間を転動する転動体とからなる転がり軸受において、
前記固定輪にＡＥセンサを埋め込んだことを特徴とする。
【０００９】
第２の本発明の転がり軸受は、固定輪と、回転輪と、両輪間を転動する転動体とからなる転がり軸受において、
前記固定輪の内周面及び側面の少なくとも一方に、ＡＥセンサを貼り付けたことを特徴とする。
【００１０】
第３の本発明の転がり軸受の監視方法は、固定輪と、回転輪と、両輪間を転動する転動体とからなる転がり軸受の監視方法において、
前記固定輪の内周面及び側面の少なくとも２カ所にＡＥセンサを取り付けて、異なる位置からの前記ＡＥセンサの出力信号を検出し、検出した出力信号を比較することにより、ノイズを排除することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の本発明の転がり軸受は、前記固定輪にＡＥセンサを埋め込んだので、例えば前記固定輪に異常が生じた場合には、その異常発生部位にＡＥセンサが接近して配置されており、かつその間に境界面もないために、異常に基づくＡＥ信号を減衰させることなく検出することができる。また、前記回転輪や前記転動体に生じた異常についても、ＡＥ信号の発生源となるクラックの発生や進展は、当該異常発生部位が最大負荷時点すなわち軸受の負荷圏通過時に生じる確率が高いため、前記固定輪との機械的結合度（密着度）が高い状態でＡＥ信号を受けとることができ、そのため前記固定輪と前記回転輪または前記転動体との間には境界面が存在するものの、比較的ＡＥ信号の減衰を小さくすることができる。また前記固定輪の負荷圏近傍にＡＥセンサを配置することによって、異常に基づくＡＥ信号を少ない減衰で確実に検出することが可能である。しかも、前記ＡＥセンサの埋め込みにより、前記転がり軸受の寸法を抑えて、周囲部品との干渉を極力回避できる。
【００１２】
第２の本発明の転がり軸受は、前記固定輪の内周面及び側面の少なくとも一方に、ＡＥセンサを貼り付けたので、例えば前記固定輪に異常が生じた場合には、その異常発生部位にＡＥセンサが接近して配置されており、かつその間に境界面もないために、異常に基づくＡＥ信号を減衰させることなく検出することができる。また、前記回転輪や前記転動体に生じた異常についても、ＡＥ信号の発生源となるクラックの発生や進展は、当該異常発生部位が最大負荷時点すなわち軸受の負荷圏通過時に生じる確率が高いため、前記固定輪との機械的結合度（密着度）が高い状態でＡＥ信号を受けとることができ、そのため前記固定輪と前記回転輪または前記転動体との間には境界面が存在するものの、比較的ＡＥ信号の減衰を小さくすることができる。また前記固定輪の負荷圏近傍にＡＥセンサを配置することによって、異常に基づくＡＥ信号を少ない減衰で確実に検出することが可能である。
【００１３】
第３の本発明の転がり軸受の監視方法は、前記固定輪の内周面及び側面の少なくとも２カ所にＡＥセンサを取り付けて、異なる位置からの前記ＡＥセンサの出力信号を検出し、検出した出力信号を比較することにより、ノイズを排除するので、高精度な異常検出を行える。より具体的には、前記ＡＥセンサを２カ所以上設けることにより、異常部位で発せられるＡＥ信号の各ＡＥセンサへの到達時間の差異が把握できる。異常に基づくＡＥ信号は、常に同一の位置で発生するため、上記時間差は一定となるが、発生位置が不定である外乱的なＡＥ信号（ノイズ）は、上記時間差も不安定となる。このため、各ＡＥセンサに検出された信号の時間差のばらつきを演算・評価することにより、異常信号と外乱信号との弁別が可能となる。
【００１４】
前記ＡＥセンサの少なくとも２つは、受信方向を異ならせて配置されていると好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる転がり軸受及びその監視装置の概略構成図である。図１において、１０は転がり軸受としての内輪回転形の深溝玉軸受を示す。この軸受１０は、単列構造の内輪１１（ここでは回転輪）及び外輪１２（ここでは固定輪）を有し、その内輪１１及び外輪１２における互いに対向する面に、円弧断面をもつ軌道面１１ａ、１２ａがそれぞれ形成され、この軌道面１１ａ、１２ａ間に複数の玉（転動体）１３が保持器１４によって転がり運動可能に保持されている。内輪１１及び外輪１２は軌道輪を構成するものであり、また軌道面１１ａ、１２ａは、それが囲む空間によって軌道溝を形成している。
【００１６】
軸受１０の外径面、即ち外輪１２の外側円周面１２ｂには、その円周方向に沿ってＡＥセンサ取付け溝１５が形成されている。このＡＥセンサ取付け溝１５の円周上一箇所に、ＡＥセンサ１６が貼付もしくは埋設されている。ＡＥセンサ１６の露出した外方面は、外輪１２の外側円周面１２ｂより半径方向内方に位置していると好ましい。ＡＥセンサ取付け溝１５は、本図のように、全円周繁がっていてもよいし、ＡＥセンサ取付け部のみ、切り欠き状に設けられてもよい。ＡＥセンサ１６の受感方向は、ラジアル方向、軸方向、円周方向など適宜選ばれる。
【００１７】
ＡＥセンサ１６の出力端子は、電圧増幅用のアンプ１７を介して信号処理器１８に接続されている。信号処理器１８は、アンプ１７によって電圧増幅されたＡＥ検出信号Ｓを入力し、信号Ｓの実効値、ピーク値及び事象率などを演算してその増減のトレンドを監視したり、図示しない指示計に表示させるとともに、それらの演算値を常時、所定の基準値と比較し、演算値が基準値を超える状態になると、警報を発する機能を有する。
【００１８】
次に、本実施の形態の作用効果を説明する。いま、軸受１０が正常作動状態にあり、その内輪１１が荷重を支持しているとする。この状態では、荷重が内輪１１、玉１３を介して外輪１２に負荷されるが、軸受各部品に損傷がなければＡＥ信号はごく微弱のため、ＡＥ検出信号Ｓによる演算値は基準値内であるので、警報を発することがない。
【００１９】
ここで、軌道溝へのゴミ侵入や、負荷荷重による材料疲労などによって、軸受１０の軌道面や玉表面に傷が付いたり、これらの表面下にクラックが生じたとする。このとき、そのような傷やクラックの発生及び進展とともに、傷やクラック部分からＡＥ信号が発生する。ＡＥ信号は、クラックの発生した軸受部品の中を弾性波として伝播し、ＡＥセンサ１６に到達する。クラックが外輪１２に生じた場合には、クラック部分からのＡＥ信号は、直にＡＥセンサ１６に到達する。クラックが内輪１１または玉１３に生じた場合には、外輪１２との間に境界面が存在するために、外輪１２にクラックが生じた場合に比べると検出効率が劣るものの、機械的な結合強度の高い負荷圏においてＡＥ信号が発生するために、クラックに対して充分な検出能力を有する。
【００２０】
このため、ＡＥ信号を受けてＡＥセンサ１６から出力されるＡＥ検出信号Ｓは、正常時の微小レべル加えて、クラックに起因したＡＥ信号によるパルス状の異常成分が重畳して得られる。この信号検出において、損傷によって発生したＡＥ信号は殆ど減衰することなくＡＥセンサ１６に伝わるので、検出感度は格段に高くなる。
【００２１】
そして、信号処理器１８は、このように高感度で検出したＡＥ検出信号Ｓの例えば実効値が基準値を越えると、オぺレータに警報を発して必要な処置を早急に講じるように促す。このため、同一基準値であっても損傷が軽微な段階で警報が発せられるので、損傷が拡大して異常高温により焼損を生じてしまう等の突発的な事故を未然に防止でき、信頼性が高められるとともに、充分な余裕をもって軸受１０の交換時期を策定できるなど、保守点検にも融通性を持たせることができる。
【００２２】
また、ＡＥセンサ１６と軸受１０を一体にできるため、軸受まわりにＡＥセンサ１６を取り付けるスぺースが無いようなハウジング構造であっても、ＡＥ検出が可能になるという利点もある。
【００２３】
第２の実施の形態にかかる転がり軸受を、図２及び図３に基づき説明する。ここで、第１の実施の形態と同様の構成要素については同一符号を用いて、その説明を省略又は簡略化する。
【００２４】
図２及び図３は、外輪固定で用いられる深溝玉軸受１０の断面図であって、ＡＥセンサ１６を取付けた例を示す。図２の例では、外輪１２の一方の側面１２ｃに全周または部分的にＡＥセンサ取付け溝１５が設けられており。そこにＡＥセンサ１６が貼り付けもしくは埋め込みされている。ＡＥセンサ１６の露出した外方面は、外輪１２の側面１２ｃより軸線方向内方に位置していると好ましい。
【００２５】
また図３の例では、外輪１２の軌道面１２ａに隣接した溝の肩１２ｄに設けられたＡＥセンサ取付け溝１５に、ＡＥセンサ１６が貼り付けもしくは埋め込みされている。ＡＥセンサ１６の露出した外方面は、外輪１２の内側円周面１２ｄより半径方向外方に位置していると好ましい。
【００２６】
図１〜図３には、深溝玉軸受１０の外輪固定の場合におけるＡＥセンサ１６の取付例を示したが、内輪固定の場合には、同様な態様で軸受１０の内径面、即ち内輪１１の内側円周面１１ｂや、内輪１１の一方の側面１１ｃ、さらには内輪１１の軌道面１１ａに隣接した溝の肩１１ｄに取付け溝を設け、ＡＥセンサ１６を埋設すればよい。
【００２７】
これら図２、図３の取付構造によっても、その作用効果は前述した実施例と同等のものが得られるとともに、軸受１０の支持構造に応じて最も都合の良いセンサ取付け位置を選択できるという利点も得られる。      
【００２８】
次に、複数箇所にＡＥセンサを取り付けて、さらに異常検出の信頼性を向上させる転がり軸受の監視方法について説明する。図４は、転がり軸受の別な監視装置の概略図であって、半径方向外方からみた外輪外径面１２ｂにＡＥセンサ取付け部（切欠き）１５を設け、第１のＡＥセンサ１６ａと第２のＡＥセンサ１６ｂを、その受感方向（ＡＥ信号を検出する感度が最も高い方向）が円周方向かつ互いに逆向きになるように埋設または貼付したものを示している。ＡＥセンサ１６ａ、１６ｂは、アンプ１７ａ、１７ｂを介して信号処理器１８に接続されている。信号処理器１８は、アンプ１７ａ、１７ｂにより増幅されたＡＥ検出信号Ｓａ、Ｓｂを入力し、各々の実効値、ピーク値、事象率と共に、ＡＥ検出信号ＳａとＳｂのＡＥ信号時間差の統計量を演算することで、外乱信号（ノイズ）の影響を排除できる。上述の実効値、ピーク値、事象率については、それらの増減のトレンドを監視し、ＡＥ信号の時間差については、例えば、σ／Ｘ（Ｘ：ＡＥ信号の時間差平均、σ：標準偏差）などの統計量により、ばらつき度合いを算出する。このばらつきが、所定の範囲内に収まり、かつ前述の実効値、ピーク値、事象率などが、所定の基準値を超える状態になると、警報を発する機能を有する。
【００２９】
上述の図４のＡＥセンサ取付け例において、外輪１２（又は内輪１１）の外周面の切欠きは１箇所の例を示したが、２箇所以上に切欠きを設けて、ＡＥセンサ１６を各々埋設または貼付してもよいし、１本または複数のＡＥセンサ取付溝を設けて、複数のＡＥセンサ１６を装着してもよい。また、外輪１２（又は内輪１１）の側面１２ｃ（又は１１ｃ）の片側もしくは両側の側面に複数のＡＥセンサを埋設または貼付してもよい。同様に外輪１２（又は内輪１１）の軌道面１２ａ（又は１１ａ）に隣接した両方の溝の肩１２ｄ、１２ｄ（又は１１ｄ、１１ｄ）の一方、もしくは両方に複数のＡＥセンサを埋設または貼付してもよい。
【００３０】
なお、複数のＡＥセンサの設置に際し、異常部位とセンサとのＡＥ信号伝達は、できるだけ異なった経路を経由することが望まれる。なぜならば、同一の信号伝達経路であれば、各センサともに外乱信号（ノイズ）の影響を同時に被るため、ＡＥ信号の時問差も得られない恐れがある。したがって、センサ同士を近接して装着する場合には、お互いのＡＥセンサの受感方向を、図４のように逆向きに設置するのが望ましく、また、スぺース的に可能であれば、ＡＥセンサ１６ａ、１６ｂは、異常発生の確率の高い負荷圏を挟んで対向する位置に装着することが好ましい。
【００３１】
これらにより、複数に設置したＡＥセンサからの異常に基づくＡＥ検出信号の時間差のばらつきが少なければ、異常信号が同一箇所から発生しているために異常の確率が高いし、逆に各センサ間の時間差が不安定であれば外乱要因の可能性が高いなどの判断ができ、検出の信頼性を一層向上させることができる。
【００３２】
また、本発明における転がり軸受は、ラジアル軸受である深溝玉軸受以外にも、例えば円すいころ軸受、円筒ころ軸受、スラスト玉軸受、自動調心ころ軸受など、殆ど全ての転がり軸受にも同様に適用できることは勿論である。
【００３３】
さらにまた、前記実施例ではＡＥセンサは固定輪側に設けるとしたが、テレメータもしくはスリップリングのような信号伝送手段と組合わせるこ  とにより、状況によっては回転輪側に設けることもできる。
【００３４】
以上説明したように本発明では、固定輪や回転輪の軌道面以外の円周状又はリング状の面にＡＥセンサを直接、貼付又は埋設しているため、軌道とセンサ位置とが極めて接近し、且つ、軌道とセンサ間の境界面をできるだけ排除することができることから、軸受異常に基づくＡＥ信号の検出感度が低下するようなことが無く、常に、高感度且つ安定したＡＥ検出を行うことができる。したがって、異常発生を早期に検知して、従来のように、異常発生を検知できないまま作動を継続させることによって焼損に至る等の事態を的確に回避でき、異常検出に対する信頼性を格段に高めることができるとともに、保守点検も容易化できるという効果がある、このことは、とくに、大形の転がり軸受の異常早期検出において効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施の形態にかかる転がり軸受及びその監視装置の概略構成図である。
【図２】外輪固定で用いられる深溝玉軸受１０の断面図である。
【図３】外輪固定で用いられる深溝玉軸受１０の断面図である。
【図４】転がり軸受の別な監視装置の概略図である。
【図５】ＡＥ信号を用いた軸受異常検出の従来例を示す一部ブロック化及び破断した概略構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  転がり軸受としての深溝玉軸受、
１１  内輪
１２  外輪
１３  転動体としての玉
１１ａ、１２ａ  軌道面
１１ｂ  内径面
１２ｂ  外径面
１１ｃ、１２ｃ  側面
１１ｄ、１２ｄ  溝の肩
１６  ＡＥセンサ
【図１】
2006078203.tif 000003
【図２】
2006078203.tif 000004
【図３】
2006078203.tif 000005
【図４】
2006078203.tif 000006
【図５】
2006078203.tif 000007