(57)【要約】【課題】ピエゾ素子の駆動周期を短くしても、ポンプによる潤滑油の吐出動作を安定させる。【解決手段】転がり軸受装置１０は、内輪２１、外輪２２、複数の玉２３、及び複数の玉２３を保持する保持器２４を有している軸受部２０と、軸受部２０の軸方向の隣に設けられ、軸受部２０に潤滑油を供給するための給油ユニット４０と、を備える。給油ユニット４０は、ピエゾ素子４３ａを周期的に駆動させて油室４３ｂの容積を変化させることで、油室４３ｂに潤滑油を吸入して吐出するポンプ４３と、ピエゾ素子４３ａの駆動周期の長短に応じて、ピエゾ素子４３ａに印加させる電圧の立ち上がり時間Ｔ１を変えてポンプ４３を動作させる制御部４４と、を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪、外輪、前記内輪と前記外輪との間に介在している複数の転動体、及び前記複数の転動体を保持する保持器を有している軸受部と、
前記軸受部の軸方向の隣に設けられ、当該軸受部に潤滑油を供給するための給油ユニットと、を備え、
前記給油ユニットは、
ピエゾ素子を周期的に駆動させて油室の容積を変化させることで、前記油室に潤滑油を吸入して吐出するポンプと、
前記ピエゾ素子の駆動周期の長短に応じて、前記ピエゾ素子に印加させる電圧の立ち上がり時間を変えて前記ポンプを動作させる制御部と、
を有している、転がり軸受装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記駆動周期の長短に関わらず、前記電圧の立ち下がり時間を一定にして前記ポンプを動作させる、請求項１に記載の転がり軸受装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記立ち上がり時間における電圧波形が、一次関数以外の関数に対応する波形となるように前記ポンプを動作させる、請求項１又は２に記載の転がり軸受装置。
【請求項４】
回転装置に設けられ当該回転装置において給油が必要となる給油領域に潤滑油を供給するための給油ユニットであって、
ピエゾ素子を周期的に駆動させて油室の容積を変化させることで、前記油室に潤滑油を吸入して吐出するポンプと、
前記ピエゾ素子の駆動周期の長短に応じて、前記ピエゾ素子に印加させる電圧の立ち上がり時間を変えて前記ポンプを動作させる制御部と、
を有している、給油ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり軸受装置及び給油ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種の工作機械では、加工効率及び生産性の向上のために主軸の高速化が要求されている。主軸が高速で回転すると、これを支持する軸受部において特に潤滑性が問題となる。そこで、軸受部の軸方向隣りに給油ユニットが設けられている転がり軸受装置が提案されている（特許文献１参照）。この給油ユニットは、潤滑油を溜めるタンク、及び、このタンク内の潤滑油を軸受部に吐出するポンプ等を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−２０６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記のような給油ユニットは、例えば主軸とその外側のハウジングとの間の狭い環状空間に軸受部と共に設置されることから、この給油ユニットでは、保守・管理性向上のため、タンクへの潤滑油の補充頻度を可及的に少なくするのが好ましい。そのためにポンプによる潤滑油の無駄な吐出（消費）を抑える必要があり、また、ポンプから吐出する潤滑油の量を微量とするのが好ましい。
【０００５】
吐出する潤滑油の量を微量とするために、ピエゾ素子の駆動により潤滑油を吐出するポンプ（ピエゾポンプ）が提案されている。このポンプは、ピエゾ素子を周期的に駆動して油室の容積を変化させることによって、油室に潤滑油を吸入して吐出するようになっている。しかし、このポンプでは、潤滑油の粘度が高い場合にピエゾ素子の駆動周期を短くすると、油室の容積を変化させるタイミングは速くなるが、潤滑油はその高い粘度によって油室にゆっくりと吸引および吐出されるので、油室の容積変化に対して潤滑油の吸入および吐出が追い付かなくなる。こうなると、油室に潤滑油が充分に吸入されない状態で潤滑油を吐出する頻度が増加し、潤滑油の吐出動作が不安定になる。
【０００６】
そこで、本発明は、ピエゾ素子の駆動周期を短くしても、ポンプによる潤滑油の吐出動作を安定させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の転がり軸受装置は、内輪、外輪、前記内輪と前記外輪との間に介在している複数の転動体、及び前記複数の転動体を保持する保持器を有している軸受部と、前記軸受部の軸方向の隣に設けられ、当該軸受部に潤滑油を供給するための給油ユニットと、を備え、前記給油ユニットは、ピエゾ素子を周期的に駆動させて油室の容積を変化させることで、前記油室に潤滑油を吸入して吐出するポンプと、前記ピエゾ素子の駆動周期の長短に応じて、前記ピエゾ素子に印加させる電圧の立ち上がり時間を変えて前記ポンプを動作させる制御部と、を有している。
【０００８】
この転がり軸受装置によれば、給油ユニットの制御部は、ピエゾ素子の駆動周期の長短に応じて、ピエゾ素子に印加させる電圧の立ち上がり時間を変えることで、油室を容積変化させる時間が変わるので、これによって潤滑油を油室に吸入する時間を変えることができる。したがって、前記駆動周期が短い場合、前記立ち上がり時間を長くすれば、油室を容積変化させる時間が長くなるので、潤滑油を油室に吸入する時間を長くすることができる。これにより、粘度が高い潤滑油を吐出する場合に、ピエゾ素子を短い駆動周期で駆動させても、潤滑油を油室に充分吸入することができるので、ポンプによる潤滑油の吐出動作を安定させることができる。
【０００９】
前記制御部は、前記駆動周期の長短に関わらず、前記電圧の立ち下がり時間を一定にして前記ポンプを動作させるのが好ましい。
この場合、ピエゾ素子の駆動周期の長短に関わらず、前記立ち下がり時間においてポンプから吐出される潤滑油の吐出速度を一定にすることができる。これにより、ポンプによる潤滑油の吐出動作をさらに安定させることができる。
【００１０】
前記制御部は、前記立ち上がり時間における電圧波形が、一次関数以外の関数に対応する波形となるように前記ポンプを動作させるのが好ましい。
この場合、前記立ち上がり時間における電圧波形が一次関数に対応する波形となるようにポンプを動作させる場合に比べて、ポンプの動作制御が容易となる。
【００１１】
本発明の給油ユニットは、回転装置に設けられ当該回転装置において給油が必要となる給油領域に潤滑油を供給するための給油ユニットであって、ピエゾ素子を周期的に駆動させて油室の容積を変化させることで、前記油室に潤滑油を吸入して吐出するポンプと、前記ピエゾ素子の駆動周期の長短に応じて、前記ピエゾ素子に印加させる電圧の立ち上がり時間を変えて前記ポンプを動作させる制御部と、を有している。
【００１２】
この給油ユニットによれば、給油ユニットの制御部は、ピエゾ素子の駆動周期の長短に応じて、ピエゾ素子に印加させる電圧の立ち上がり時間を変えることで、油室を容積変化させる時間が変わるので、これによって潤滑油を油室に吸入する時間を変えることができる。したがって、前記駆動周期が短い場合、前記立ち上がり時間を長くすれば、油室を容積変化させる時間が長くなるので、潤滑油を油室に吸入する時間を長くすることができる。これにより、粘度が高い潤滑油を吐出する場合に、ピエゾ素子を短い駆動周期で駆動させても、潤滑油を油室に充分吸入することができるので、ポンプによる潤滑油の吐出動作を安定させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ピエゾ素子の駆動周期を短くしても、ポンプによる潤滑油の吐出動作を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】転がり軸受装置の実施の一形態を示す断面図である。
【図２】給油ユニットを軸方向から見た断面図である。
【図３】ピエゾ素子に印加させる駆動電圧の波形の一例を示すグラフである。
【図４】ピエゾ素子に周期的に駆動電圧を印加させるときの電圧波形を示しており、（ａ）は長周期で駆動電圧を印加させるときの電圧波形であり、（ｂ）は短周期で駆動電圧を印加させるときの電圧波形である。
【図５】従来のピエゾ素子に周期的に駆動電圧を印加させるときの電圧波形を示しており、（ａ）は長周期で駆動電圧を印加させるときの電圧波形であり、（ｂ）は短周期で駆動電圧を印加させるときの電圧波形である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る転がり軸受装置１０を示す縦断面図である。本実施形態の軸受装置１０（以下、軸受装置１０ともいう。）は、工作機械が有する主軸装置（回転装置）の主軸（軸７）を回転可能に支持するものであり、主軸装置の軸受ハウジング８内に収容されている。図１では、軸７及び軸受ハウジング８を２点鎖線で示している。なお、以下の説明において、軸受装置１０の中心線Ｃに平行な方向を軸方向と呼び、この軸方向に直交する方向を径方向と呼ぶ。
【００１６】
この軸受装置１０は、軸受部２０と給油ユニット４０とを備えている。軸受部２０は、内輪２１、外輪２２、複数の玉（転動体）２３、及びこれら玉２３を保持する保持器２４を有しており、玉軸受（転がり軸受）を構成している。さらに、この軸受装置１０は、円筒状である内輪間座１７及び外輪間座１８を備えている。
【００１７】
給油ユニット４０は、全体として円環状であり、外輪間座１８の径方向内側に取り付けられており、軸受部２０の軸方向について隣りに位置している。給油ユニット４０は、軸受部２０に潤滑油を供給する機能を有している。給油ユニット４０の詳細な構成及び機能については後に説明する。本実施形態では、給油ユニット４０（本体部４１）と外輪間座１８とは別体であるが、これらは一体であってもよい。この場合、給油ユニット４０は、給油を行う機能と共に、外輪間座としての機能も有する。
【００１８】
本実施形態では、外輪２２、外輪間座１８及び給油ユニット４０が軸受ハウジング８に回転不能として取り付けられており、内輪２１及び内輪間座１７が軸７と共に回転する。したがって、外輪２２が、回転しない固定輪となり、内輪２１が、軸７と共に回転する回転輪となる。
【００１９】
内輪２１は、軸７に外嵌する円筒状の部材であり、その外周に軌道（以下、内輪軌道２５という。）が形成されている。本実施形態では、内輪２１と内輪間座１７とは別体であるが、図示しないが、これらは一体（一体不可分）であってもよい。
外輪２２は、軸受ハウジング８の内周面に固定される円筒状の部材であり、その内周に軌道（以下、外輪軌道２６という。）が形成されている。本実施形態では、外輪２２と外輪間座１８とは別体であるが、図示しないが、これらは一体（一体不可分）であってもよい。
【００２０】
玉２３は、内輪２１と外輪２２との間に介在しており、内輪軌道２５及び外輪軌道２６を転動する。保持器２４は、全体として環状であり、周方向に沿ってポケット２７が複数形成されている。玉２３及び保持器２４は、内輪２１と外輪２２との間に形成されている環状空間１１に設けられている。
【００２１】
保持器２４は、玉２３の軸方向一方側の環状部２８ａと、玉２３の軸方向他方側の環状部２８ｂと、これら環状部２８ａ，２８ｂを連結している複数の柱部２９とを有している。環状部２８ａ，２８ｂの間であって周方向で隣り合う柱部２９，２９の間がポケット２７となり、各ポケット２７に一つの玉２３が収容されている。この構成により、保持器２４は、複数の玉２３を周方向に間隔をあけて保持することができる。
【００２２】
保持器２４は、樹脂製（例えば、フェノール樹脂製）であり、内輪２１及び外輪２２は、軸受鋼等の鋼製である。玉２３は、軸受鋼等の鋼製であってもよく、セラミックスであってもよい。
【００２３】
図２は、給油ユニット４０を軸方向から見た断面図である。給油ユニット４０は、全体として円環形状を有している。給油ユニット４０は、タンク４２及びポンプ４３を備えている。タンク４２及びポンプ４３は、給油ユニット４０が有している環状の本体部４１に設けられている。給油ユニット４０は、制御部４４及び電源部４５をさらに備えている。
【００２４】
本体部４１は、外輪間座１８の内周側に取り付けられており、ポンプ４３等を保持するフレームとしての機能を有している。本体部４１は円環状の部材であるが中空空間が形成されており、この中空空間にポンプ４３、制御部４４、及び電源部４５が設けられている。また、前記中空空間の一つがタンク４２となっている。これにより、本体部４１、タンク４２、ポンプ４３、制御部４４、及び電源部４５等を含む給油ユニット４０は、一体として構成される。タンク４２は、潤滑油（オイル）を溜めるためのものであり、潤滑油をポンプ４３へ流すために配管４６を通じてポンプ４３と繋がっている。
【００２５】
図１において、ポンプ４３は、軸受部２０に潤滑油を供給する機能を有している。この機能を発揮するために、ポンプ４３は、潤滑油を吐出するノズル（噴出口）５０が設けられているポンプ本体４８を有しており、ポンプ本体４８は、ノズル５０と繋がりかつ潤滑油を溜める空間である油室（内部空間）４３ｂと、ピエゾ素子（圧電素子）４３ａとを有している。本実施形態のノズル５０は、一端が環状空間１１に面するポンプ本体４８の一側面４３ｃにおいて開口し、他端が油室４３ｂと連通している孔により構成されている。ポンプ本体４８の一側面４３ｃと反対側の他側面４３ｄには、油室４３ｂに連通する吸入口４３ｅが形成されており、この吸入口４３ｅには、タンク４２から延びる前記配管４６（図２参照）が接続される。
【００２６】
ポンプ本体４８内には、油室４３ｂの壁の一部を構成する弾性変形可能な振動板４７が設けられており、この振動板４７にピエゾ素子４３ａの軸方向一端部が取り付けられている。また、ポンプ本体４８内には、電極４９が設けられており、この電極４９にピエゾ素子４３ａの軸方向他端部が取り付けられている。電極４９は、電線５１を介して制御部４４に接続されている。制御部４４は、ポンプ４３を動作させるタイミングを制御する機能を有している。
【００２７】
制御部４４から電線５１及び電極４９を介してピエゾ素子４３ａに周期的に電圧を印加すると、ピエゾ素子４３ａが振動板４７を変形させることで、油室４３ｂの容積が変化する。このように油室４３ｂの容積を変化させると、油室４３ｂ内に潤滑油が吸入されることで、油室４３ｂ内の潤滑油をノズル５０から軸受部２０の環状空間１１に吐出させることができる。特に、ピエゾ素子４３ａが動作することにより、ノズル５０から潤滑油が油滴Ｐとなって初速を有して吐出される。つまり、ノズル５０から油滴Ｐは飛翔する。
【００２８】
ノズル５０は、内輪軌道２５に向かって開口しており、ノズル５０から吐出させた油滴Ｐは、玉２３に当たる、又は、隣り合う玉２３，２３の間を通過したとしても内輪軌道２５に当たる。ポンプ４３の動作用の電力は電源部４５（図２参照）から供給される。
【００２９】
以上より、ポンプ４３は、ピエゾ素子４３ａを周期的に駆動させて潤滑油を吐出するピエゾポンプであり、タンク４２の潤滑油を油室４３ｂにおいて受けると共に、この油室４３ｂの潤滑油をノズル５０から油滴Ｐとして軸受部２０のターゲットに向けて噴出させる（飛翔させる）構成となっている。潤滑油の効率的利用の観点から、ポンプ４３において一回の吐出動作で定められた量の油滴Ｐを噴出させ、この油滴Ｐを軸受部２０のターゲットに到達させる。ポンプ４３の一回の動作で、ノズル５０から数ピコリットル〜数ナノリットルの潤滑油が油滴Ｐとして噴出される。本実施形態における前記ターゲットは、玉２３及び内輪軌道２５である。
【００３０】
図３は、ピエゾ素子４３ａに印加させる電圧（駆動電圧）の波形（電圧の時間変化）の一例を示している。図１及び図３において、ピエゾ素子４３ａに駆動電圧を印加させると、その電圧波形の立ち上がり時間Ｔ１において、ピエゾ素子４３ａが油室４３ｂの容積を増加させるように振動板４７を変形させることで、油室４３ｂ内に潤滑油が吸入される。そして、前記電圧波形の立ち下がり時間Ｔ２において、ピエゾ素子４３ａが油室４３ｂの容積を減少させるように振動板４７を変形させることで、油室４３ｂ内の潤滑油がノズル５０から吐出される。
【００３１】
ここで、ピエゾ素子４３ａに周期的に駆動電圧を印加させるときの従来の電圧波形を、図５により説明する。図５（ａ）は長周期で駆動電圧を印加させるときの電圧波形であり、図５（ｂ）は短周期で駆動電圧を印加させるときの電圧波形である。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、従来は、ピエゾ素子４３ａに長周期で駆動電圧を印加させるときの電圧波形の立ち上がり時間ＴＬ１’ と、ピエゾ素子４３ａに短周期で駆動電圧を印加させるときの電圧波形の立ち上がり時間ＴＳ１’とが同じ時間に設定されている。
【００３２】
つまり、従来では、ピエゾ素子４３ａの駆動周期の長短に関わらず、ピエゾ素子４３ａに印加させる駆動電圧の立ち上がり時間ＴＬ１’， ＴＳ１’が一定である。このため、潤滑油の粘度が高い場合にピエゾ素子４３ａを短周期で駆動させると、油室４３ｂの容積を変化させるタイミングは速くなるが、潤滑油はその高い粘度によって油室４３ｂにゆっくりと吸引および吐出されるので、油室の容積変化に対して潤滑油の吸入および吐出が追い付かなくなる。こうなると、油室４３ｂに潤滑油が充分に吸入されない状態で潤滑油を吐出する頻度が増加し、潤滑油の吐出動作が不安定になる。
【００３３】
そこで、本実施形態では、ピエゾ素子４３ａの駆動周期の長短に応じて、ピエゾ素子４３ａに印加させる駆動電圧の立ち上がり時間Ｔ１を変えるための制御を制御部４４が行う。以下、この制御について具体的に説明する。
【００３４】
図４は、ピエゾ素子４３ａに周期的に駆動電圧を印加させるときの本実施形態の電圧波形を示しており、図４（ａ）は長周期で駆動電圧を印加させるときの電圧波形であり、図４（ｂ）は短周期で駆動電圧を印加させるときの電圧波形である。図４（ａ）に示すように、制御部４４は、ピエゾ素子４３ａに長周期で駆動電圧を印加させる場合、駆動電圧の立ち上がり時間ＴＬ１を短い時間に設定している。これに対して、図４（ｂ）に示すように、制御部４４は、ピエゾ素子４３ａに短周期で駆動電圧を印加させる場合、駆動電圧の立ち上がり時間ＴＳ１を、前記長周期の場合における駆動電圧の立ち上がり時間ＴＬ１よりも長い時間に設定している。
【００３５】
また、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、制御部４４は、ピエゾ素子４３ａに長周期及び短周期の駆動電圧で印加させる場合、立ち上がり時間ＴＬ１，ＴＳ１における電圧波形は、一次関数以外の関数に対応する波形となるように制御している。本実施形態における制御部４４は、立ち上がり時間ＴＬ１，ＴＳ１の電圧波形が凸曲線の波形となるように形成されている。なお、立ち上がり時間ＴＬ１，ＴＳ１の電圧波形は、凸曲線に限定されるものではなく、一次関数以外の関数に対応する波形であれば凹曲線や他の形状の波形であってもよいし、一次関数に対応する波形（直線の波形）であってもよい。
【００３６】
制御部４４は、ピエゾ素子４３ａの駆動周期の長短に関わらず、駆動電圧の立ち下がり時間Ｔ２が一定となるように制御している。つまり、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、制御部４４は、ピエゾ素子４３ａに長周期で駆動電圧を印加させる場合の駆動電圧の立ち下がり時間ＴＬ２と、ピエゾ素子４３ａに短周期で駆動電圧を印加させる場合の駆動電圧の立ち下がり時間ＴＳ２とを同じ時間に設定している。
【００３７】
以上、本実施形態の転がり軸受装置１０によれば、給油ユニット４０の制御部４４は、ポンプ４３におけるピエゾ素子４３ａの駆動周期の長短に応じて、ピエゾ素子４３ａに印加させる駆動電圧の立ち上がり時間を変えることで、油室４３ｂの容積が変化する時間が変わるので、これによって潤滑油を油室４３ｂに吸入する時間を変えることができる。本実施形態では、ピエゾ素子４３ａの駆動周期が短周期の場合における駆動電圧の立ち上がり時間ＴＳ１を、ピエゾ素子４３ａの駆動周期が長周期の場合における駆動電圧の立ち上がり時間ＴＬ１よりも長くしている。
【００３８】
このように、前記立ち上がり時間ＴＳ１を長くすることで、ポンプ４３の油室４３ｂの容積を増加させる時間が長くなるので、潤滑油を油室４３ｂに吸入する時間を長くすることができる。その結果、粘度が高い潤滑油を吐出する場合に、ピエゾ素子４３ａを短い駆動周期で駆動させても、潤滑油を油室４３ｂに充分吸入することができるので、ポンプ４３による潤滑油の吐出動作を安定させることができる。
【００３９】
また、制御部４４は、ピエゾ素子４３ａの駆動周期の長短に関わらず、駆動電圧の立ち下がり時間ＴＬ２，ＴＳ２が一定となるようにポンプ４３を動作制御しているので、ピエゾ素子４３ａの駆動周期の長短に関わらず、前記立ち下がり時間ＴＬ２，ＴＳ２においてポンプ４３から吐出される潤滑油の吐出速度（油滴Ｐの初速）を一定にすることができる。これにより、ポンプ４３による潤滑油の吐出動作をさらに安定させることができる。
【００４０】
また、制御部４４は、駆動電圧の立ち上がり時間ＴＬ１，ＴＳ１における電圧波形が、一次関数以外の関数に対応する波形となるようにポンプ４３を動作制御しているので、前記立ち上がり時間ＴＬ１，ＴＳ１における電圧波形が一次関数に対応する波形となるようにポンプを動作させる場合に比べて、ポンプの動作制御が容易となる。
【００４１】
〔その他〕
以上のとおり開示した実施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。つまり、本発明の転がり軸受装置及び給油ユニットは、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。例えば、前記実施形態では、軸受部２０がアンギュラ玉軸受である場合について説明したが、軸受の形式はこれに限らず、深溝玉軸受であってもよく、また、円すい転がり軸受や、円筒ころ軸受であってよい。
【００４２】
また、転がり軸受装置１０は、工作機械の主軸用以外の用途に用いることができる。さらに、給油ユニット４０は、軸受部２０の潤滑用途以外であってもよく、例えば、減速機等のギヤ機構（回転装置）の潤滑に用いることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０：転がり軸受装置、２０：軸受部、２１：内輪、２２：外輪、２３：玉（転動体）、２４：保持器、４０：給油ユニット、４３：ポンプ、４３ａ：ピエゾ素子、４３ｂ：油室、４４：制御部、Ｔ１，ＴＬ１，ＴＳ１：立ち上がり時間、Ｔ２，ＴＬ２，ＴＳ２：立ち下がり時間
【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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