(57)【要約】  互いに対して回転軸回りで回転する第１軸受リング（４）及び第２軸受リング（６）を有するころ軸受の動作状態を観測するための測定モジュール（１）は、第１及び第２軸受リング（４、６）間の相対運動からエネルギーを発生させるように動作可能であるエネルギー採取デバイス（１０）と、第１及び第２軸受リング（４、６）のうちの一方の軸受リング（６）の表面領域の変形を示す変形信号を提供するように動作可能である少なくとも１つの変形センサ（２０）と、を備える。変形センサ（２０）は、エネルギー採取デバイス（１０）によって給電される。評価回路（２２）は、変形信号を用いて軸受への現在の負荷を示す歪信号を判断するように動作可能である。評価回路（２２）は、エネルギー採取デバイス（１０）によって給電され、共通筐体（８）は、エネルギー採取デバイス（１０）、変形センサ（２０）及び評価回路（２２）を囲む。
2015522793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対して回転軸回りで回転する第１軸受リング（４）及び第２軸受リング（６）を有するころ軸受の動作状態を観測するための測定モジュール（１）であって、当該モジュール（１）が、
前記第１及び第２軸受リング（４、６）間の相対運動からエネルギーを発生させるように動作可能であるエネルギー採取デバイス（１０）と、
前記第１及び第２軸受リング（４、６）のうちの一方の軸受リング（６）の表面領域の変形を示す変形信号を提供するように動作可能である少なくとも１つの変形センサ（２０）であって、当該変形センサ（２０）が前記エネルギー採取デバイス（１０）によって給電される、少なくとも１つの変形センサと、
前記変形信号を用いて前記軸受への現在の負荷を示す歪信号を判断するように動作可能である評価回路（２２）であって、当該評価回路（２２）が前記エネルギー採取デバイス（１０）によって給電される、評価回路と、
前記エネルギー採取デバイス（１０）、前記変形センサ（２０）及び前記評価回路（２２）を囲む共通筐体（８）と、
を備えることを特徴とする測定モジュール。
【請求項２】
前記エネルギー採取デバイス（１０）が、変化する磁束からなる磁界からエネルギーを発生させるように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載の測定モジュール。
【請求項３】
前記変形センサ（２０）が、少なくとも１つの歪ゲージ（２２ａ、２２ｂ）を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の測定モジュール。
【請求項４】
音響変換器（２４）をさらに備え、
前記音響変換器（２４）が、前記共通筐体（８）内に囲まれ、前記エネルギー採取デバイス（１０）によって給電されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の測定モジュール。
【請求項５】
温度センサをさらに備え、
前記温度センサが、前記共通筐体（８）内に囲まれ、前記エネルギー採取デバイス（１０）によって給電されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の測定モジュール。
【請求項６】
前記評価回路（２２）に結合された無線送信器をさらに備え、
前記無線送信器が、負荷信号または負荷信号の情報を対応する受信器に送信するように動作可能であり、
前記送信器が、前記共通筐体（８）内で囲まれ、前記エネルギー採取デバイス（１０）によって給電されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の測定モジュール。
【請求項７】
１以上の永久磁石をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の測定モジュール。
【請求項８】
前記変形センサ（２０）が、前記回転軸にほぼ垂直な表面領域の変形を判断するように動作可能であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の測定モジュール。
【請求項９】
前記共通筐体（８）が、当該共通筐体（８）を前記軸受リング（４、６）の表面に取り付けるように構成された固定構造を備え、そのため、前記軸受リング（４、６）の表面領域の変形を前記共通筐体（８）の基準面の対応する変形に変換することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の測定モジュール。
【請求項１０】
前記変形センサ（２０）が、前記基準面の変形を判断するように動作可能であることを特徴とする請求項９に記載の測定モジュール。
【請求項１１】
前記エネルギー採取デバイス（１０）が、少なくとも１つのコイル（１２）を備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の測定モジュール。
【請求項１２】
当該モジュール（１）が、特有のころ軸受または特有の軸受タイプのために具体的に設計されており、そのため、前記変形センサ（２０）が、前記軸受の表面領域に位置し、前記表面の変形が、所定の関係にしたがって前記軸受への負荷に依存することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の測定モジュール。
【請求項１３】
依存性が、ほぼ線形であることを特徴とする請求項１２に記載の測定モジュール。
【請求項１４】
前記軸受リング（４、６）の前記表面領域の位置及び／またはサイズを前記ころ軸受の有限要素解析によって判断することを特徴とする請求項１２または１３に記載の測定モジュール。
【請求項１５】
前記共通筐体（８）の外郭が、前記第１及び第２軸受リング（４、６）のうちの一方の半径に対応する半径を有する円弧の形態を少なくとも部分的に有し、
前記円弧までの前記変形センサ（２０）の位置の距離が、前記共通筐体（８）を前記軸受リング（４、６）に取り付けたときに、前記変形センサ（２０）が前記表面領域にまたは前記表面領域の上方に位置するように選択されており、そのため、前記円弧が、前記軸受リング（４、６）の半径と位置合わせされることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１項に記載の測定モジュール。
【請求項１６】
前記エネルギー採取デバイス（１０）と前記変形センサ（２０）との間の電気的結合を前記共通筐体（８）内で実行することを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の測定モジュール。
【請求項１７】
前記第１及び第２軸受リング（４、６）のうちの一方に取り付けられた請求項１から１６のいずれか１項に記載の測定モジュール（２６）を有することを特徴とするころ軸受。
【請求項１８】
前記第１及び第２軸受リングの他方の軸受リング（４）に取り付けられた１以上の永久磁石を有することを特徴とする請求項１７に記載のころ軸受。
【請求項１９】
前記第１及び第２軸受リングのうちの他方の軸受リング（４）に取り付けられた請求項１から１６のいずれか１項に記載のさらなる測定モジュール（２８）を有することを特徴とする請求項１７または１８に記載のころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の形態は、ころ軸受の状態を観測することに、特に、互いに対して回転する第１軸受リング及び第２軸受リングを有するころ軸受の動作状態を観測するための測定モジュールに、関する。
【背景技術】
【０００２】
ころ軸受の状態観測は、例えば一般的に風力エネルギー変換器でまたは他の発電所で使用されるころ軸受など、特に中型または大型のころ軸受を用いる用途において、重要性が増している。
【０００３】
観測する動作状態の１つの特有の例は、軸受に現在かかっている負荷を観測することであり、これは、残存耐用年数の算出や過負荷状態のまたは少負荷状態などの発生に重大な影響を及ぼす。しかしながら、ころ軸受の動作状態の情報を直接集めることは別として、状態観測は、同様に、特有のころ軸受を具現化する主なシステムの有用な情報を判断するために利用される。例えば、自動車の歯部または車輪にあるころ軸受が負荷検知を採用している場合、車輪への個々の負荷は、各駆動車輪に供給された力量または車輪それぞれにかけたブレーキ力量を電気的に制御するように判断される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この紛れもない利点にかかわらず、さまざまなタイプのセンサと評価電子部品と判断した負荷または別の動作状態を観測回路に通信するために利用される通信電子部品とをころ軸受に別々に搭載して共に配線して動作エネルギーを供給しなければならないので、ころ軸受の状態観測を滅多に使用していない。さまざまなセンサタイプ及び関連する評価電子部品並びに電源をころ軸受に個別に取り付けることは、むしろ時間がかかることであり、高価である。さらに、従来の解決法は、ころ軸受の環境に過剰な量のさらなる空間を必要とし、そのため、状態観測することをころ軸受に組み込まなければならないときには、主として全く新規な構造を実施しなければならない。
【０００５】
したがって、ころ軸受の状態観測をより効率的に実行することを可能とする構想に対する要望がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、互いに対して回転軸回りで回転する第１軸受リング及び第２軸受リングを有するころ軸受の動作状態を観測するための測定モジュールを提供することによってこれを可能とし、この測定モジュールは、第１及び第２軸受リング間の相対運動からエネルギーを発生させるように動作可能であるエネルギー採取デバイスと、第１及び第２軸受リングのうちの一方の軸受リングの表面領域の変形を示す変形信号を提供するように動作可能である少なくとも１つの変形センサと、を備える。評価回路は、変形信号を用いて軸受への現在の負荷を示す歪信号を判断するように動作可能であり、変形センサと同様に、エネルギー採取デバイスによって給電される。共通筐体は、エネルギー採取デバイス、変形センサ及び評価回路を囲む。すなわち、ころ軸受にかかる負荷の負荷検知を実行するのに必要なすべての構成部材は、共通筐体内に設けられており、そのため、一形態にかかる測定モジュールをころ軸受に単に搭載することによって、ころ軸受の動作特性を監視する能力を提供できる。本発明の一形態を利用する一方で、ころ軸受の近傍に個別のセンサまたは構成部材を付し、さらに、その後にこれら構成部材を共に配線するさらなる必要なく、負荷観測のすべての機能性を提供する。
【０００７】
そのために、本発明の一形態にかかる測定モジュールを利用してこれを既存のころ軸受、特にころ軸受の側面に取り付けることによって、状態観測することを既存の構成または環境内で実施することが実現可能になる。
【０００８】
これは、いわゆる「側面負荷測定」を利用する場合に、特に問題となる。変形センサが回転軸にほぼ垂直である表面領域の変形を判断するように動作可能である場合に、特に問題となる。すなわちラジアル軸受の例において、変形センサは、変形信号を提供するように動作可能であり、この信号は、軸受のうち径方向に延在する側面の変形を示す。そのために、任意の種類のセンサを使用してもよく、このセンサは、軸受リングの表面領域の変形を検知でき、基準面に対する表面間の距離を判断できる例えば容量または光学（レーザ）センサなど、または、さらなる例として表面領域に取り付けられた歪ゲージであり、そのため、表面のひいては軸受リングの弾性変形は、表面に取り付けられた１以上の歪ゲージの関連する伸長または圧縮として検知される。
【０００９】
すなわち、特に実施にかかる小型な測定モジュールは、側面負荷測定を利用することによって、実現可能となり、回転軸にほぼ垂直な軸受リングの表面領域の変形を検知してさらに処理することに基づいている。より一般的には、側面負荷測定を用いて、回転軸に平行な任意の表面とは十分に異なる表面領域の変形を利用する。このような表面領域の変形は、軸受の転がり要素を介して内側リングから外側リングへ伝達されるにしたがって、負荷によって引き起こされる。特に、転がり要素が特有の表面領域の近傍の領域を通過すると、転がり要素を介して移送されるにしたがって、負荷は、内側または外側リングの弾性変形、ひいては軸受リングの表面領域の変形を引き起こす。ころ軸受の主負荷のベクトルが表面領域の表面法線とは異なる方向を向く場合であっても、負荷ベクトルの方向及び強さの推論は、ころ軸受の機械的特徴、特に軸受リングの材料及び寸法と転がり要素の数、寸法及び材料とを知ると、引き出される。負荷ベクトルの判断は、例えば、有限要素解析法（ＦＥＭ）を用いて実行されてもよく、これは、例えば異なる負荷ベクトル方向、温度など、異なる動作状態にあるころ軸受の変形特性をモデル化する。このコンセプトを利用して、ラジアル軸受への及び軸方向軸受への負荷を判断する。
【００１０】
ラジアル軸受の例は、深溝ボールベアリング、球面ころ軸受、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、及びテーパ状ころ軸受である。例えば、深溝ボールベアリングは、主に径方向負荷を支持するように設計されている一方で、球面ころ軸受は、主として、高径方向負荷及び高軸方向負荷双方に適合するように設計されている。ラジアル軸受において、第１リング及び第２リングは、同軸であるだけではなく同心状となっている。すなわち、第１リング及び第２リングのうちの一方（すなわち、内側リング）は、第１リング及び第２リングのうちの他方（すなわち、外側リング）内で同心状に位置し、第１リング及び第２リングは、軸にほぼ垂直なほぼ同一面に位置する。複数の転がり要素が通過する経路は、ラジアル軸受が動作使用にあるときに、第１リング及び第２リングと同心状となる。内側リング及び外側リングは、同一面上にある構造を形成し、互いに対して同軸上に回転する。
【００１１】
軸方向軸受において、第１リング及び第２リングは、同軸ではあるが同心状とはならないように配置されている。第１リングは、軸にほぼ垂直な第１面に位置し、第２リングは、軸にほぼ垂直でありかつ第１面から間隔をあけた第２面に位置する。複数の転がり要素が通過する経路は、径方向軸受が動作使用にあるときに、第１リング及び第２リングと同軸となっているが、第１面及び第２面とほぼ平行な別の面に位置する。
【００１２】
エネルギー源、さらなるケーブルまたは配線から独立しているすなわちエネルギー採取デバイスを、変形センサによって提供されるような変形信号に対して信号処理を実行するように動作可能である評価回路と単一モジュールに一体化するときに、ころ軸受の動作観測を提供するのに必要な機能性全てを単一の筐体内に合体させる。これにより、ラジアルころ軸受であるか軸方向ころ軸受であるかにかかわらず、全体として測定モジュールをころ軸受の軸受リングに単に搭載することによって、必要な機能性を提供する。
【００１３】
本発明のいくつかの形態によれば、エネルギー採取デバイスは、変化する磁束からなる磁界からエネルギーを生成するように動作可能であり、すなわち、反対側の軸受リングとの物理的な接触を必要とせず、この反対側の軸受リングは、測定モジュールが搭載されている一方の軸受リングとは反対側にある軸受リングである。このために、エネルギー採取デバイスは、例えば、１以上のコイルを備えており、そのため、反対側の軸受リングに搭載されたような永久磁石からなる磁石組立体の磁束を検知する。これにより、例えば歯車などを駆動するように反対側の軸受リングとの機械的接触をエネルギー採取デバイスが必要とする他の形態と比較して、幾何形状のわずかなバラツキまたは位置ズレに対して、例えば±２°以上までの軸受リングの位置ズレに対して影響を受けにくくさせる可能性がある。
【００１４】
いくつかの形態によれば、測定モジュールは、特定のころ軸受として製造してもよく、このころ軸受において、変形センサは、軸受の表面領域に位置しており、この表面領域において、表面の変形は、所定の関係にしたがって、特にほぼ線形の関係にしたがって、軸受への負荷に依存する。そのため、共通筐体内における負荷センサの位置は、観測されるころ軸受の特有の幾何形状に適合されており、このころ軸受において、変形センサは、表面領域に配置され、軸受への負荷を最大限正確に判断することを可能とする。
【００１５】
いくつかの形態によれば、ころ軸受の有限要素解析を実行することによってこれを達成する。いくつかのさらなる形態によれば、軸受への現在の負荷を示す歪信号の判断は、逆有限要素変換に基づいてもよく、そのため、軸受の有限要素モデルに基づいた負荷ベクトルを判断する。しかしながら、評価信号によって判断されるような歪信号は、負荷ベクトルの直接の情報を必ずしも備えていない。本明細書で理解されている歪信号は、一般的に、負荷ベクトルの方向及び／または強度を少なくとも暗に推論することを可能とする情報を備える。すなわち、さらなる形態は、歪センサなどから判断されたアナログ電圧または電流への単純な信号処理を採用し、そのため、センサへの歪みを示す信号を判断する。そして、負荷ベクトルは、評価回路によって判断された歪信号に基づいており、この評価回路は、後続の評価デバイスまたは電子機器によって実行される。
【００１６】
本発明のいくつかの形態によれば、共通筐体の外郭または境界は、特有のころ軸受のために製造されており、このころ軸受において、これは、少なくとも部分的に、モジュールを取り付ける軸受リングの半径に対応する半径を有する円弧形状を有する。そのため、共通筐体の円形部分に対する変形センサの位置は、筐体を軸受リングに搭載したときに、変形センサが表面領域にまたは表面領域上に位置するように選択されており、そのため、円弧を軸受リングの半径と位置合わせさせる。そのため、モジュールは、単にモジュールの筐体を軸受リングと位置合わせさせることによって、負荷ベクトルの判断に関して最大限の精度を達成するように設けられる。
【００１７】
共通筐体内の機能性を提供するため、ひいては、本発明にかかる測定モジュールをころ軸受の少なくとも１つの軸受リングに単に取り付けることによって、状態観測のさらなる機能性を実行することを可能とするため、本発明にかかるいくつかの形態は、エネルギー採取デバイスと共通筐体自体内にある変形センサとの間の電気的結合を提供する。本発明のさらなる形態によれば、測定モジュール自体は、１以上の永久磁石を備える。これにより、２つの測定モジュールをころ軸受に搭載し、一方をいずれかの軸受リングに搭載する可能性を提供する。軸受リングの双方が永久磁石を備えるエネルギー採取デバイスを備え、これら永久磁石が、エネルギー採取デバイスによって利用されて必要なエネルギーを供給する磁界を提供するために使用されるとき、例えばさらなる永久磁石を一方の軸受リングに直接結合する必要なくエネルギー採取デバイスを介してエネルギーを発生させるために、２つの測定モジュールを特有の軸受に搭載することは、すべての必要な構成部材に対して提供される。
【００１８】
いくつかの形態によれば、共通筐体は、音響変換器をさらに備え、そのため、ころ軸受のさらなる動作特性として音響フィードバックを追加的に受ける。受信した信号に周波数解析を実行することによって、音響フィードバックを利用し、軸受の音響信号内の周波数成分を特定してもよく、この音響信号は、軸受の欠陥または追加の潤滑剤を付与する必要性などを示唆する。追加的な機能性は、このような測定モジュールを利用することによって、さらなる労力なく実施される。いくつかの形態によれば、エネルギー採取デバイスは、同様に、評価回路に結合されており、そのため、エネルギー採取デバイスの永久磁石の変化する磁束に基づいて、軸受の回転周波数の情報を引き出す。
【００１９】
さらなる形態によれば、モジュールは、評価回路に結合された無線送信器をさらに備え、無線送信器は、歪信号または歪信号の情報を対応する受信器に送信するように動作可能であり、無線送信器は、エネルギー採取デバイスにより給電される。これにより、外部配線なく必要な情報を引き出すことが可能となり、また、一形態にかかる測定モジュール以外のさらなる構成部材を軸受に取り付ける必要なく情報を送信することが可能となる。
【００２０】
これに関して、無線送信器は、例えば、汎欧州デジタル移動電話方式（ＧＳＭ（登録商標））、ＧＳＭ進化型高速データレート（ＥＤＧＥ）、ＧＳＭ  ＥＤＧＥ無線アクセスネットワーク（ＧＥＲＡＮ）、ユニバーサル地上波無線アクセスネットワーク（ＵＴＲＡＮ）または進化型ＵＴＲＡＮ（Ｅ−ＵＴＲＡＮ）、もしくは、例えば、ユニバーサル移動体通信システム（ＵＴＭＳ）、ロングタームエボリューション（ＬＴＥ）もしくはＬＴＥアドバンスト（ＬＴＥ−Ａ）、または、例えばマルチスタンダード無線アナライザ（ＭＳＲ）、ＩＥＥＥ８０２．１６規格であるマイクロ波を利用した世界標準の通信方式（ＷｉＭＡＸ）もしくはＩＥＥＥ８０２．１１規格であるワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）として、第３世代移動体通信システム標準化プロジェクト（３ＧＰＰ）によって標準化された移動通信システムまたは受信器のうちの１つに対応しているおり、一般的ないずれのシステムも、時分割多重アクセス方式（ＴＤＭＡ）、周波数分割多重アクセス方式（ＦＤＭＡ）、符号分割多重アクセス方式（ＣＤＭＡ）、直交周波数分割多重アクセス方式（ＯＦＤＭＡ）、もしくは、フィルタバンクマルチキャリヤ（ＦＢＭＣ）システムのような多重可能物理層(multiplexing capable physical layer)に基づいている。もちろん、ナノトロン（チャープスペクトラム拡散）、ＡＮＴ、ＤＵＳＴ、無線ＨＡＲＴ、ＩＳＡ１００，ブルートゥース（登録商標）またはＺｉｇＢｅｅ（登録商標）を用いてもよい。
【００２１】
本発明のいくつかの形態によれば、共通筐体は、特有の固定構造を備え、この固定構造は、筐体を軸受リングの表面に取り付けるように構成されており、そのため、軸受リングの表面領域の変形を筐体の基準面の対応する変形に変換する。すなわち、変形センサを軸受リングの表面に直接取り付ける必要はなく、むしろ、事前に適切に製造された共通筐体に取り付ける必要がある。
【００２２】
したがって、本発明の形態は、同様に、第１及び第２軸受リングのうちの一方の軸受リングに取り付けられ、上記形態のいずれかにかかる少なくとも１つの測定モジュールを有するころ軸受を備える。
【００２３】
本発明のさらなる形態によれば、上記タイプのころ軸受は、第１及び第２軸受リングの他方の軸受リングに対してころ軸受に追加的に取り付けられた１以上の永久磁石を有し、そのため、モジュールのエネルギー採取デバイスによって必要なエネルギーを発生させることを可能とする可変磁束からなる磁界を提供できる。
【００２４】
さらなる形態によれば、ころ軸受は、第１軸受リングにある１つの測定モジュールと、第２軸受リングにある別の測定モジュールと、を備え、両測定モジュールは、他の測定モジュールを動作させるのに必要な磁界を発生させるために利用される永久磁石を備える。
【００２５】
いくつかの形態にかかる装置及び／または方法は、添付の図面を参照しながら、単なる例として以下で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ころ軸受の外側リングに取り付けられる一実施形態にかかる測定モジュールを示す図である。
【図２】図１に示すような測定モジュールを実施するために考慮されるパラメータを示す概略図である。
【図３】内側及び外側リングそれぞれにある測定モジュールが搭載された一実施形態にかかるころ軸受を示す。
【図４】図３に示すような２つの測定モジュールを実施するために考慮されるパラメータを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
ここでは、添付の図面を参照しながらさまざまな実施形態を説明し、これら図面には、いくつかの例示的な実施形態のみを示す。明確にする目的で、図面における個別の構成部材、線、層及び／または領域を寸法どおりに描画していないことがある。
【００２８】
しかしながら、理解すべきことは、以下の図面に開示されている特有の実施にさらなる実施形態を限定することを意図していないことである。それとは反対に、指摘することは、さらなる実施形態が別の実施または改変及び本発明の範囲内にある図面に記載された実施の均等物を用いてもよいことである。特に、さまざまな実体物、機能ブロックまたはデバイスに関して個別の機能性を説明しているという事実は、これら実態が本発明のすべての可能性のあるさらなる実施形態において物理的に分離されていることを意味していると解釈される。さらなる実施形態は、複数の機能性を単一の実体物、機能ブロックまたはデバイスに一体化してもよい。同様に、単一の実体物、機能ブロックに関して説明された複数の機能性は、さらなる実施形態または実施において、複数の物理的に分離された構成部材にわたって分散されてもよい。
【００２９】
理解することは、構成要素を別の構成要素に「接続する」または「結合する」と称している場合に、他の構成要素に直接接続または結合してもよく、介在する構成要素が存在してもよいことである。その一方で、構成要素を別の構成要素に「直接接続する」または「直接結合する」と称している場合に、介在する構成要素が存在しない。構成要素間の関係を説明するために使用される他の用語は、同様に解釈されるべきである（例えば「間に」に対する「間に直接」、「隣接する」に対する「直接隣接する」など）。
【００３０】
本明細書で使用する専門用語は、特有の実施形態のみを説明するためであり、さらなる実施形態を限定することを意図していない。本明細書で使用するように、単数形の“a”、“an”及び“the”は、文脈で別のように明確に示されていない限り、複数形を含むことを意図している。さらに理解することは、本明細書で使用した場合に、用語“comprises”、“comprising”、“includes”及び／または“including”が述べた特徴、整数、ステップ、動作、構成要素及び／または構成部材を特定しているが、１以上の特徴、整数、ステップ、動作、構成要素、構成部材及び／またはそれらからなる群を排除していないことである。
【００３１】
別の方法で規定しない限り、本明細書で使用されるすべての用語（技術的及び科学的用語を含む）は、当業者により一般的に理解されているものと同一の意味を有する。
【００３２】
同様の参照符号は、図面の以下の説明にわたって同様のまたは同一構成要素を参照する。
【００３３】
図１は、内側軸受リング４と外側軸受リング６との間に配置された球面ころ２を有するころ軸受に取り付けられるような特有の実施形態にかかる測定モジュール１を示し、これら内側軸受リング及び外側軸受リングは、回転軸回りに互いに対して回転する。測定モジュール１は、図１の測定モジュールの電子部品及び個々のセンサを収容するまたは備える共通筐体８を備える。特に、測定モジュール１は、エネルギー採取デバイス１０を備え、このデバイスは、接着、ネジ止めなどによって内側リング４に取り付けられた可変リラクタンスリング１４により発生された磁界を検知するために、１以上のコイル１２を備える。内側及び外側リングが互いに対して回転すると、可変リラクタンスリング１４は、コイル１２において変化する磁束を発生させ、したがって、電圧を誘導させ、この電圧は、測定モジュールのさらなる構成部材により必要とされる電力を発生させるために、電力採取電子部品１６に供給される。そのために、電力採取電子部品１６は、バッファキャパシタ、整流器、変圧器などを備え、そのため、残りのデバイスまたは電子回路のための適切な出力電圧を提供する。もちろん、別の実施形態がエネルギー採取デバイス１０を使用し、このデバイスにおいて、コイル１２の関連する電子部品及び電力採取電子部品を単一の電子回路にまたは単一の印刷回路基板もしくは半導体材料のダイに埋め込んでもよい。
【００３４】
図１の実施形態において、コイル１２によって発生したまたはコイル１２で引き起こされた信号を同様に利用して、内側リング４と外側リング６との間の相対回転速度を判断する。発電機またはエネルギー採取デバイス１０によって発生された交流波の周波数を測定することによって、速度を判断する。反対側のリング１４の特徴によって磁束変化量が生じるので、速度を算出できる。間隙１８を導入し、発電機が反対側のリングにある別の測定ユニットの応用を可能とする。可変リラクタンスリング１４に間隙１８が発生することは、検知され、関連する回転周波数を判断するために使用される、及び／または、軸受の両リングの相対位置（すなわち位相）を規定する。図１の実施形態は、変形センサ２０として２つの歪ゲージ２０ａ及び２０ｂを利用しており、これら歪ゲージは、歪ゲージ２０ａ及び２０ｂの下部にある表面における変形を判断するために、外側リング６の表面に取り付けられている。外側リング６が弾性変形し、そのため、外側リング６の側面、すなわち回転軸と平行な表面法線を有する軸受リングの表面が軸受リングの弾性変形に起因して外方に曲がると、これら変形が発生する。そのため、歪ゲージ２０ａ及び２０ｂによって直接判断される変形信号は、外側リング６の表面領域の変形を示し、この信号は、ころ軸受の一方の軸受リングへのものである。
【００３５】
測定を実行するためかつ変形信号を提供するため、変形センサ、すなわち歪ゲージ２０ａ及び２０ｂは、エネルギー採取デバイス１０によって給電される。表面領域の変形を示す信号を提供するため、歪ゲージ２０ａ及び２０ｂは、軸受の外側リング６の表面領域に直接接続されている。そのため、共通筐体８には、軸受の表面領域の位置に開口部が形成されている。しかしながら、さらなる実施形態において、変形センサ、すなわち歪ゲージ２０ａ及び２０ｂは、共通筐体８の基準面に直接接続されており、一方、共通筐体８は、筐体を軸受の表面に取り付けるように構成された固定構造を備えており、そのため、軸受リングの表面領域の変形は、基準面の対応する変形に変換される。そのため、さらなる実施形態において、筐体は、同様に、歪ゲージ２０ａ及び２０ｂと外側リング６の表面領域との間に位置する材料部または構成部材を備える。
【００３６】
歪ゲージ２０ａ及び２０ｂによって提供された変形信号は、軸受への現在の負荷を示す歪信号を判断するため、評価回路２２によって使用される。すなわち、評価回路は、信号を提供するためまたは信号を導き出すために、歪ゲージを介して電圧または電流変化を評価し、この変化は、歪ゲージにかかる歪みに依存する。例えば、依存性は、基本的に線形であってもよい。歪ゲージの伸長または収縮に関する測定値を有することによって、ころ軸受または外側リング６の有限要素モデルを用いて、内側リング４から外側リング６まで球面ころによって移送される負荷を推定する。
【００３７】
図１に示すような特有の実施形態にかかる測定モジュールにおいて、共通筐体は、音響変換器２４をさらに収容し、この音響変換器は、軸受によって発生した音響情報を受けるために、外側リング６の表面に取り付けられている。音響信号の周波数分布及び信号強度は、例えば予想残存耐用年数、必要な追加グリース量のような軸受の状態を推定する。そのため、同様に、音響変換器２４は、情報を評価するため、及びユーザに関連情報を提供するために、例えば評価回路２２と一体化される無線送信器を利用して、評価回路に連結されている。
【００３８】
図１は、開放状態、すなわち筐体が開放しそのため筐体内の構成部材が視認可能である状態にある共通筐体８を示しているが、もちろん、さらなる実施形態は、同様に、いったん封止されそのままずっと封止されたままである、すなわち筐体が開放できない筐体を利用してもよい。一般的に、観測モジュールの１以上のデバイスを収容する共通筐体は、すべてのデバイスを完全に収容するまたは１つのもしくはすべてのデバイスを部分的にのみ収容する筐体であると理解される。すなわち、筐体は、軸受リングの方向における開口部または両側にある開口部を備えてもよく、そのため、保守点検などの理由のため、例えば歪ゲージ２０ａ及び２０ｂまたはエネルギー採取回路１０へのアクセスを提供する。
【００３９】
本発明の実施形態にかかる測定モジュールは、内側及び外側リングのうちの一方に接着、ネジ止め、ボトル止め、成形、またはハンダ付けされてもよい。一般的に、これらは、任意の適切な技術を用いて搭載されており、そのため、共通筐体を内側リング４または外側リング６の表面に固定する。もちろん、さらなる実施形態にかかるころ軸受では、測定モジュールを同様に内側リング４に搭載する一方で、可変リラクタンスリング１４を外側リング６に搭載してもよい。
【００４０】
特に、本発明にかかる測定モジュールを特定のころ軸受に対して具体的に製造する場合、共通筐体８の形状、特に曲率は、内側または外側筐体の半径に対応するように設計される。さらに、側面、すなわち共通筐体８の湾曲要素までの歪ゲージ２０ａ及び２０ｂの距離は、歪ゲージ２０ａ及び２０ｂが側面負荷測定を実行するための理想位置にあるように、選択されるまたはあらかじめ設定される。
【００４１】
特有のタイプのころ軸受のための測定モジュールを設計する際に考慮する相互依存性を図２に示す。基本的な幾何形状は、内側及び外側リングとこれらそれぞれの相対的な直径とによって、特に内側及び外側リングの側面における内側及び外側リング間に設けられた間隙によって、規定される。これら特有の寸法は、共通筐体８のサイズ及び形状を並びに個別のセンサの位置、特に共通筐体内における少なくとも１つの変形センサの位置を設計するために使用され、そのため、センサは、軸受リングの側面の最適位置に配置される。この最適位置は、ころ軸受のＦＥＭ解析を用いて事前に決定されている。さらに、可変リラクタンスリング１４、またはより一般的な用語において、内側リング４にある少なくとも１つの永久磁石の位置は、エネルギー採取デバイス１０が所定の幾何形状において変化する磁界を最大限利用するように、設計されている。
【００４２】
図３は、本発明のさらなる実施形態を示しており、２つの測定モジュール２６及び２８を上述したタイプのころ軸受の両軸受リングに搭載している。第１測定モジュール２６の機能性が図１を用いて上述したものに対応しているので、ここでは、図１の対応する説明を参照する。図１に示す実施形態に加え、図３に示す実施形態は、内側リング４に搭載された第２測定モジュール２８を備えている。第２測定モジュール２８は、第２音響変換器３４と第１及び第２歪ゲージ３６ａ及び３６ｂを備える第２変形センサ３６とによって提供された信号を評価するために、第２エネルギー採取デバイス３０及び第２評価回路３２を備える。変化する磁束からなる必要な磁界を第２測定モジュール２８に提供するために、外側リング６には、第２可変リラクタンスリング３８が取り付けられている。
【００４３】
可変リラクタンスを提供する磁気材料からなる個別のリングによって給電されるが、本発明にかかるさらなる実施形態は、一方の軸受リングにあり、少なくとも１つの永久磁石をそれぞれに備える測定モジュールを利用する。これにより、測定モジュールが互いに通過すると、反対側の測定モジュールのコイルの位置にかなりの磁界を発生させる。これにより、１つの測定モジュールを一方の軸受リングに端に取り付けることによって、状態観測を採用できる。これは、軸受リング４及び６それぞれに可変リラクタンスリング１４または３８を追加的に備え付けるコスト及び労力を節約する。
【００４４】
図２と同様に、図４は、図３の実施形態にかかる２つの測定モジュールを特有のころ軸受に合わせたときの相互依存性を示す。同様に、基本的幾何構造は、内側及び外側リングの寸法によって提供され、そのため、可変リラクタンスは、内側リングに及び外側リングにそれぞれ適合するように設計されなければならない。共通筐体の寸法及び位置は、共通筐体が取り付けられるリングの寸法に及び反対側の軸受リングの可変リラクタンスリングの幾何形状に共通筐体が適合するように設計されなければならない。
【００４５】
すなわち、図２及び図４に示す相互依存性は、軸受の歪みを測定するために具体的な場所において測定することが望ましいと説明される。特に、これら場所は、側面負荷測定を可能とする。アコースティックエミッション検知に関して伝達率が十分であれば、変換器は、軸受自体に、特に内側もしくは外側リングまたはシールに配置される。測定値は、他のノードに及び／または基地局もしくは中継ノードに送信される。発電のため、発電機またはエネルギー採取デバイスは、内側及び外側リングの相対運動を利用する。これら要件すべてを組み合わせた測定モジュールを最適に配置することは、同様に図２及び図４に概略的に示すように、実現が困難となることがある。
【００４６】
側面負荷測定を用いて負荷を測定する場合、これら機能は、エネルギー発生、エネルギー採取と共に、可能であれば内側及び外側リングにおける加速度測定、アコースティックエミッション測定と共に、１つのパッケージに組み込まれてもよい。発電のため及び速度測定のため、内側及び外側リング間の相対運動を用いる。したがって、パッケージの場所は、負荷検知位置のみによって決定され、この位置は、最適なように選択される。他の機能は、軸受の寸法と内側及び外側リング間の関係とによって決定されるように、その点の周囲に集められる。共通筐体を利用することにより、軸受ローラを位置ズレさせる可能性があり、そのため、ローラは、筐体及び発電機リングに接触せず、これにより、±２°以上まで軸受を位置ズレさせる可能性がある。
【００４７】
ころ軸受を状態観測するために単に実施形態にかかる測定モジュールを使用することにより、極めて小型な解決法を提供し、また、ＥＭＣ問題を回避する。電力は、内側及び外側リング双方によって同時に発生する。単一の測定モジュールを利用して、軸受の動荷重及び軸受のローラボール通過モード並びに軸受負荷領域を検出し、これは、内側リングまたは外側リングパッケージにおける変化に関して観測される。エネルギー採取デバイスを使用することは、バッテリまたは外部電源ケーブルなどの必要性を否定し、独立して設計されたころ軸受の状態観測をさらに実現可能にする。
【００４８】
説明及び図面は、単に本発明の原理を説明するだけである。このため、当然のことながら、当業者は、さまざまな配列を案出することができ、これらは、本明細書で明確には説明されていないまたは示されていないが、本発明の原理を具現化し、その精神及び範囲に含まれる。さらに、本明細書に記載されたすべての例は、主として、教育上の目的でのみを明確に意図しており、発明者（ら）によって従来技術に対して寄与された本発明の原理及び概略を理解しようとする読者を補助し、また、これらすべての例は、このような具体的に記載された例または条件に限定されないように、解釈される。さらに、本明細書において本発明の原理、態様及び実施形態並びにその具体的な例を記載した陳述全ては、その等価物を包含することを意図する。
【００４９】
機能ブロックを含む図面に示すさまざまな構成要素の機能は、例えばプロセッサのような専用ハードウェアと適切なソフトウェアに関連してソフトウェアを実行することが可能なハードウェアとを用いることを介して提供されてもよい。プロセッサによって提供される場合、機能は、単一の専用プロセッサによって、単一の汎用プロセッサによって、または一部が汎用であってもよい複数の個別のプロセッサによって、提供されてもよい。さらに、用語「プロセッサ」または「コントローラ」を明確に使用することは、ソフトウェアを実行できるハードウェアを排他的に言及すると解釈すべきではなく、限定しないが、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェアを保存するための読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）及び不揮発性記憶装置を暗に含んでもよい。従来の及び／または特注の他のハードウェアは、同様に、例えば測定を実行し、処理し、送信するための専用アナログ電子回路を用いて実行されてもよい。
【００５０】
当業者によって当然ながら、本明細書におけるブロックダイアグラムは、本発明の原理を具現化する説明に役立つ回路の概略的な図を示している。同様に、当然ながら、フローチャート、フローダイアグラム、疑似コードなどは、さまざまな処理を示しており、これら処理は、このようなコンピュータを明確に示していてもいなくても、コンピュータで読取可能な媒体において実質的に表され、コンピュータまたはプロセッサによって実行される。
【００５１】
さらに、以下の特許請求の範囲は、詳細な説明に組み込まれており、各請求項は、別個の実施形態として自立する。各請求項が別個の実施形態として自立しているが、留意することは、独立請求項が特許請求の範囲において１以上の他の請求項との具体的な組合せに言及するが、他の実施形態が同様に独立請求項と他の独立請求項それぞれの主題との組合せを有してもよいことである。このような組合せは、具体的な組合せを目的としていないと述べていない限り、本明細書で提案される。さらに、ある請求項が独立請求項に直接従属していない場合であっても、この請求項の特徴を他の独立請求項に含ませることを意図する。
【００５２】
さらに留意することは、明細書または特許請求の範囲に記載された方法がこれら方法の各ステップそれぞれを実行する手段を有するデバイスによって実行されてもよいことである。
【００５３】
さらに、理解することは、明細書または特許請求の範囲で開示された複数のステップまたは機能の開示が、具体的な順番にあると解釈しないことである。したがって、複数のステップまたは機能の開示は、このようなステップまたは機能が技術的な問題で交換可能でない限り、ステップまたは機能を特有の順番に限定しない。さらに、いくつかの実施形態において、単一のステップは、複数のサブステップを有してもよく、複数のサブステップに分割されてもよい。このようなサブステップは、明確に排除しない限り、この単一のステップの開示に含まれ、単一の解除のステップの一部である。
【符号の説明】
【００５４】
１  測定モジュール
２  シリンダローラ
４  内側リング
６  外側リング
８  共通筐体
１０  エネルギー採取デバイス
１２  コイル
１４  可変リラクタンスリング
１６  電力採取電子機器
１８  間隙
２０  変形センサ
２０ａ，２０ｂ  歪ゲージ
２２  評価回路
２４  音響変換器及び／または加速度変換器
２６  第１測定モジュール
２８  第２測定モジュール
３０  第２エネルギー採取デバイス
３２  第２評価回路
３４  第２音響変換器
３６  第２変形センサ
３６ａ，３６ｂ  歪ゲージ
３８  第２可変リラクタンスリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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