(57)【要約】【課題】  磁歪材に巻いたコイルの磁気抵抗を小さくし、センサ感度を大きくすると共に、磁歪式センサの信頼性を高め、軸受予圧を正確に検出することができる軸受装置および軸受予圧検出装置を提供する。【解決手段】  軌道輪間に間座を介在させた軸受装置において、間座の一部に、磁歪材料からなる磁歪材１０の外周にコイル１３を巻いた磁歪式センサＳ１を備え、この磁歪式センサＳ１のコイル１３の外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなるヨーク１４を設けてこの磁歪式センサＳ１のコイル磁路を閉磁路構造にする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の軌道輪間に間座を介在させた軸受装置において、
前記間座の一部に、磁歪材料からなるコアの外周にコイルを巻いた磁歪式センサを備え、この磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてこの磁歪式センサのコイル磁路を閉磁路構造にした軸受装置。
【請求項２】
請求項１において、前記覆い部材の磁性材料は、間座本体よりも透磁率が大きい磁性材料である軸受装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記コアを、その軸方向一端部および他端部にフランジ部を備えたボビン形状とし、このコアの外周面部にコイルを直接巻いた軸受装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記磁歪センサの磁気特性の変化から転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段を設けた軸受装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記間座は、軸方向に並ぶ外輪間に介在する外輪間座と、内輪間に介在する内輪間座とを有し、これら外輪間座および内輪間座のいずれか一方は、磁歪式センサの軸方向一端および他端を挟み込む構成になっている軸受装置。
【請求項６】
磁歪材料からなるコアの外周にコイルを巻いた磁歪式センサであって、この磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてコイル磁路を閉ループ構造にした磁歪式センサを部分的に備えた軸受間座と、
前記磁歪式センサの磁気特性の変化から転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段とを備えた軸受予圧検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工作機械の主軸スピンドルなどに使用される軸受装置および軸受予圧検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械のスピンドル装置では、加工精度および効率の向上のため、軸受の予圧管理が求められており、そのため軸受予圧検出の要求がある。軸受予圧検出の方法として、例えば、軸受の固定側輪の間座の一部または全部を磁歪材で構成した技術が提案されている（特許文献１、２参照）。前記磁歪材の磁気特性の変化を検出して軸受にかかる軸方向の力を検出することで、予圧検出を行っている。この磁歪方式は、間座の剛性をあまり下げることなく予圧を検出することができる。また、磁歪式予圧荷重センサは、円柱状の磁歪材コアの周りにコイルを巻いた構造で磁路が閉じていない、いわゆる開ループ構造であった。
【特許文献１】特開２００１−２５４７４２号公報
【特許文献２】特開２００４−８４７３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記磁歪方式のセンサでは、磁歪材に印加された応力による磁歪材料の透磁率変化を、磁歪材の外周に巻いたコイルのインダクタンスの変化により検出する。間座の軸方向一方および他方の間に磁歪材を挟み込んで予圧センサを構成するが、上記の通り磁歪センサのコイル磁路が閉じていない開磁路であると、間座が磁歪材で構成されていても、コイル全体の磁気抵抗が大きいため検出感度が悪いという問題点がある。
また、工作機械等のスピンドル装置では、ビルトインモータ方式が主流になっており、この軸受装置近傍にモータが存在する。この軸受装置の軌道輪および間座は、一般的に鋼材で製造されているが、前記モータが発する外乱磁界対策のため、例えば、前記間座を非磁性材料にすると、センサ感度が著しく悪くなる問題点がある。
【０００４】
この発明の目的は、磁歪材に巻いたコイルの磁気抵抗を小さくし、センサ感度を大きくすると共に、磁歪式センサの信頼性を高め、軸受予圧を正確に検出することができる軸受装置および軸受予圧検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の軸受装置は、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の軌道輪間に間座を介在させた軸受装置において、前記間座の一部に、磁歪材料からなるコアの外周にコイルを巻いた磁歪式センサを備え、この磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてこの磁歪式センサのコイル磁路を閉磁路構造にしたものである。
【０００６】
この構成によると、磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてこの磁歪式センサのコイル磁路を閉磁路構造にしたため、コイルの磁気抵抗が小さくなる。このため、磁歪式センサのセンサ感度が従来のものに比べて良くなる。したがって、磁歪式センサは周りの部品の影響を受け難くなり、磁歪式センサの信頼性が高まり、軸受予圧を正確に検出することができる。
【０００７】
この発明において、前記覆い部材の磁性材料は、間座本体よりも透磁率が大きい磁性材料であることが望ましい。この場合、磁歪式センサは周りの部品の影響をさらに受け難くすることができ、磁歪式センサの信頼性をより高めることができる。
この発明において、前記コアを、その軸方向一端部および他端部にフランジ部を備えたボビン形状とし、このコアの外周面部にコイルを直接巻いても良い。この場合、コア外周に筒状部材等を介してコイルを巻く構造に比べて、部品点数を低減して構造を簡単化し、軸受装置の製造コストの低減を図ることができる。
【０００８】
この発明において、前記磁歪センサの磁気特性の変化から転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段を設けても良い。この予圧検出手段により検出される予圧によって、軸を所望の回転精度に維持すると共に、軸の剛性を適度に管理することが可能となる。
【０００９】
この発明において、前記間座は、軸方向に並ぶ外輪間に介在する外輪間座と、内輪間に介在する内輪間座とを有し、これら外輪間座および内輪間座のいずれか一方は、磁歪式センサの軸方向一端および他端を挟み込む構成になっていても良い。この場合、軸受装置の部品点数を低減して構造を簡単化し、軸受装置の製造コストの低減を図ることができる。また、磁歪式センサを挟み込む間座を非磁性材料で製作しても、コアにかかる応力を感度良く検出することができる。
【００１０】
この発明の軸受予圧検出装置は、磁歪材料からなるコアの外周にコイルを巻いた磁歪式センサであって、この磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてコイル磁路を閉磁路構造にした磁歪式センサを部分的に備えた軸受間座と、前記磁歪式センサの磁気特性の変化から転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段とを備えたものである。このような軸受予圧検出装置により、磁歪式センサは周りの部品の影響を受けることなく軸受予圧を正確に検出することができる。また、検出される軸受予圧によって、軸を所望の回転精度に維持すると共に、軸の剛性を適度に管理することが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の軸受装置は、軸方向に並ぶ複数の転がり軸受の軌道輪間に間座を介在させた軸受装置において、前記間座の一部に、磁歪材料からなるコアの外周にコイルを巻いた磁歪式センサを備え、この磁歪式センサのコイルの外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなる覆い部材を設けてこの磁歪式センサのコイル磁路を閉ループ構造にしたため、磁歪材に巻いたコイルの磁気抵抗を小さくし、センサ感度を大きくすると共に、磁歪式センサの信頼性を高め、軸受予圧を正確に検出することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。この第１の実施形態にかかる軸受装置は、ハウジング１に軸２を複数の軸受３で回転自在に支持したものである。この軸受装置は、例えば、工作機械のビルトインモータ方式のスピンドル装置に応用され、その場合、軸２はスピンドル装置の主軸２となる。この主軸装置に、主軸２を回転させるためのモータ４が組み込まれている。本実施形態では、主軸２にモータ４のロータ５が取付けられ、ハウジング１にこのモータ４のステータ６が取り付けられている。ロータ５は、永久磁石等からなり、ステータ６はコイルおよびコア等からなる。
【００１３】
主軸２には、軸方向に離隔した複数の軸受３を締まり嵌め状態で嵌合し、内輪３ｉ，３ｉ間に内輪間座７を、外輪３ｇ，３ｇ間に外輪間座８を介在させている。軸受３は、内輪３ｉと外輪３ｇの間に複数の転動体Ｔを介在させた転がり軸受であり、これら転動体Ｔは保持器Ｒｔで保持されている。軸受３は、軸方向の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が用いられる。図示の例ではアンギュラ玉軸受が用いられ、２個の軸受３，３が背面組合わせで設置されている。これら軸受３，３のうち一方の軸受３の近傍に、軸方向に離隔してモータ４が配置されている。
【００１４】
外輪間座８は、一対の間座部材９，９と、コアである磁歪材１０とを有する。軸方向一方に設けられる間座部材９と、軸方向他方に設けられる間座部材９との間に、周方向に複数、本実施形態では３個の磁歪材１０を挟み込んでいる。ただし、この磁歪材１０の数は、３個に限定されるものではない。これら一対の間座部材９，９および磁歪材１０の幅寸法、つまり外輪間座８の幅寸法Ｈ１は、内輪間座７の幅寸法Ｈ２と異なっており、前記一方の軸受３の内輪端面に当接するナット１１を締め付けることにより、これら外輪間座８、内輪間座７の幅寸法差に応じて軸受に予圧が付与される。
【００１５】
前記外輪間座８のうちモータ４に近い一方側の間座部材９は、リング形状を成し、例えばステンレス鋼等の非磁性金属から成る。この右側面部が前記一方の軸受３の外輪背面に当接し、左側面部が磁歪材１０に当接する。この間座部材９の右側面部は、外径側に外輪背面に当接する当接面９ａと、この当接面９ａに段部を介して内径側に連なる軸受に当接しない非当接面９ｂとを有する。
【００１６】
前記間座部材９の左側面部は、いわゆるラジアル平面を成す。外輪間座８のうちモータ４から離隔した他方側の間座部材９は、前記一方側の間座部材９と左右対称構造に形成される。つまり、この他方側の間座部材９の左側面部が他方の軸受３の外輪背面に当接し、ラジアル平面を成す右側面部が磁歪材１０に当接する。この間座部材９の左側面部は、外径側に当接面９ａと、この当接面９ａに段部を介して内径側に連なる非当接面９ｂとを有する。
また、前記内輪間座７は、リング形状を成し、例えばステンレス鋼等の非磁性金属から成る。
【００１７】
上記複数の磁歪材１０は円周方向一定間隔おきに設けられている。なお、複数の磁歪材１０を円周方向適当間隔おきに設けることも可能である。各磁歪材１０は、主軸２の軸方向に平行な円柱状の部材であり、この円柱状の部材の外周にコイルボビン１２が嵌合され、このコイルボビン１２にコイル１３が巻回されている。各磁歪材１０にコイルボビン１２を介してコイル１３を巻回することで、磁歪式センサＳ１が構成される。複数の磁歪材１０にわたってコイル１３を直列に接続しても良い。このコイル１３は、例えばエナメル線からなる。
【００１８】
前記コイルボビン１２は、磁歪材１０の外周に嵌合するボビン本体１２ａと、このボビン本体１２ａの軸方向一端に半径方向外方に突出するように付設される第１フランジ１２ｂと、ボビン本体１２ａの軸方向他端に半径方向外方に突出するように付設される第２フランジ１２ｃとを有する。これらボビン本体１２ａ、第１および第２フランジ１２ｂ，１２ｃによって囲まれる環状領域に、コイル１３が好適に巻回される。
【００１９】
この磁歪材１０に用いる磁歪材料としては、磁歪効果の大きい材料が好ましい。また、この磁歪材料は、逆磁歪効果の大きい材料が好ましい。逆磁歪効果は、磁歪材１０が、加圧の程度に応じて透磁率などの磁気特性が変わる効果のことである。本実施形態において、磁歪材１０は、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ-Ｎｉ系合金、Ｆｅ-Ｃｏ系合金、Ｆｅ-Ａｌ系合金、アモルファス磁歪合金、超磁歪材料からなる。
【００２０】
上記巻回されたコイル１３の外側に、覆い部材としてのヨーク１４が設けられている。このヨーク１４は、磁性材料からなり、有底円筒状のヨーク本体１４ａと、リング状の蓋部材１４ｂとを有する。ヨーク本体１４ａの筒底部１４ａａに形成された貫通孔１４ａｂに、磁歪材１０の一端が挿入され、前記筒底部１４ａａがコイルボビン１２の第１フランジ１２ｂに当接または近接するように配置される。この配置状態において、ヨーク本体１４ａの内筒面１４ａｃがコイル１３全体を覆うと共に、ヨーク本体１４ａの先端縁部１４ａｄが、蓋部材１４ｂの外周端部に固着される。このとき蓋部材１４ｂの貫通孔１４ｂａに、磁歪材１０の他端が挿入され、この蓋部材１４ｂの一表面部がコイルボビン１２の第２フランジ１２ｃに当接または近接するように配置される。このように、磁歪材１０とヨーク１４とでコイル１３の閉磁路を形成している。前記ヨーク本体１４ａおよび蓋部材１４ｂを有するヨーク１４は、間座よりも透磁率が高い材料であることが望ましい。
【００２１】
上記コイル１３の磁路をいわゆる閉磁路構造にすることで、コイル１３全体の磁気抵抗が小さくなり、磁歪式センサＳ１のセンサ感度が従来のものに比べて高くなる。したがって、間座部材９，９、内輪間座７を前記のようにステンレス鋼等のような非磁性材料で製作しても、磁歪材１０にかかる応力を感度良く検出することができる。
【００２２】
前記磁歪式センサＳ１のコイル両端の出力部１５は、ハウジング１に設けられた孔１ａを介してハウジング外に引き出され、転がり軸受の予圧を検出する予圧検出手段１６に電気的に接続されている。この予圧検出手段１６は、磁歪式センサＳ１を構成するコイル１３に一定周期の正弦波を印加し、その位相遅れからインダクタンスを検出し、予圧量を算出する電子回路からなる。この予圧検出手段１６は、上記位相遅れと予圧量の関係を演算式またはテーブル等で設定した関係設定手段（図示せず）を有していて、検出した位相遅れを前記関係設定手段に照らし予圧量を算出する。予圧検出手段１６は、独立して設けられた電子回路であっても、またスピンドル装置を制御する制御装置の一部であっても良い。コイルのインダクタンスの検出には、上記のほかに、コンデンサとコイルの共振周波数を測定してもよく、また、ブリッジ回路を使用しても良い。
上記外輪間座８および内輪間座７を有する間座と、前記磁歪式センサＳ１およびヨーク１４とにより軸受予圧検出装置１７が構成される。この軸受予圧検出装置１７は、前記予圧検出手段１６を含むものであっても良い。
【００２３】
上記構成の作用、効果を説明する。モータ４の駆動により主軸２が回転し、軸受３の温度が上昇して内輪３ｉが膨張し、予圧が初期設定値よりも大きくなると、外輪間座８に加わる力が増加する。この外輪間座８のうち磁歪材１０に力が加わると、その磁気特性が変化し、インダクタンスが変化する。このインダクタンスの変化がコイル１３を介して予圧検出手段１６により電圧値の変化等として検出される。したがって、磁歪材料で形成した磁歪材１０に加わる力とインダクタンスとの関係を予め調べておけば、軸受装置に組み込まれた軸受３の初期予圧および運転時に増加した予圧を知ることができる。
【００２４】
特に、磁歪式センサＳ１のコイル１３の外周部、軸方向一端部および他端部に、磁性材料からなるヨーク１４を設けてこの磁歪式センサＳ１のコイル磁路を閉磁路構造にしたため、コイル１３の磁気抵抗が小さくなる。このため、磁歪式センサＳ１のセンサ感度が従来のものに比べて良くなる。したがって、磁歪式センサＳ１は周りの部品の影響を受け難くなり、磁歪式センサＳ１の信頼性が高まり、軸受予圧を正確に検出することができる。
【００２５】
上記外輪間座８のうち間座部材９，９は、磁歪式センサＳ１のコアつまり磁歪材１０の軸方向一端および他端を挟み込む構成になっているため、軸受装置の部品点数を低減して構造を簡単化し、軸受装置の製造コストの低減を図ることができる。また、磁歪式センサＳ１を挟み込むこれら間座部材９，９をステンレス鋼等の非磁性材料で製作しても、コアにかかる応力を感度良く検出することができる。
なお、予圧検出手段１６から得られるインダクタンスの変化は、軸受３の予圧荷重に一定の関係を持っているが、軸受装置やその他の使用機器の制御等に用いる場合に、必ずしも予圧の値に換算する必要はなく、インダクタンスの検出値をそのまま制御信号に用いても良い。また、各磁歪材１０に巻回されたコイル１３を直列に接続した場合、インダクタンスの絶対値を大きくでき、モータ４からの外乱磁界の影響を受け難くすることができるさらに、予圧が不均一で各磁歪材に掛かる荷重が等しくない場合でも平均化して確実に軸受全体に掛かる予圧を検出することができる。
【００２６】
次に、この発明の第２の実施形態を図５，図６と共に説明する。また、図１も参照しつつ説明する。以下の説明において、第１の実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
【００２７】
第２の実施形態における磁歪式センサＳ２は、コアである磁歪材１０Ａを、その軸方向一端部および他端部にフランジ部１８，１８を備えたボビン形状とし、この磁歪材１０Ａの外周面部にコイル１３を直接巻いている。このコイル１３の外側であって、一方のフランジ部１８の外周縁部１８ａから他方のフランジ部１８の外周縁部１８ａにわたって、円筒状のヨーク１４Ａが外嵌されている。この覆い部材としてのヨーク１４Ａは、磁性材料からなる。このヨーク１４Ａは、第１の実施形態におけるヨーク１４と同様に、間座よりも透磁率が高い材料であることが望ましい。その他第１の実施形態と同様の構成となっている。
【００２８】
上記第２の実施形態の構成によると、磁歪材１０Ａとヨーク１４Ａとでコイル１３の磁路を閉磁路構造にすることで、コイル１３全体の磁気抵抗が小さくなり、磁歪式センサＳ２のセンサ感度が従来のものに比べて高くなる。特に、コアである磁歪材１０Ａを両端にフランジ部１８を備えたボビン形状とし、このコアの外周面部にコイル１３を直接巻いているので、第１の実施形態の構成に比べてコイルボビン等の部品を低減することができると共に、ヨーク１４Ａを二部品ではなく円筒状の単体品とすることができる。したがって、軸受装置の構造を簡単化し、製造コストの低減を図ることができる。その他第１の実施形態と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る軸受装置等の断面図である。
【図２】同軸受装置の磁歪式センサの要部拡大断面図である。
【図３】同磁歪式センサを軸方向から見た側面図である。
【図４】円周方向に複数の磁歪式センサを設けた例を表す側面図である。
【図５】この発明の第２の実施形態に係る軸受装置の磁歪式センサの断面図である。
【図６】同磁歪式センサを軸方向から見た側面図である。
【符号の説明】
【００３０】
３…軸受
３ｇ…外輪
３ｉ…内輪
７…内輪間座
８…外輪間座
９…間座部材
１０，１０Ａ…磁歪材
１３…コイル
１４，１４Ａ…ヨーク
１６…予圧検出手段
１７…軸受予圧検出装置
１８…フランジ部
Ｓ１，Ｓ２…磁歪式センサ
【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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