(57)【要約】【課題】  潤滑剤が厚い場合や透明度が悪い場合でも、潤滑剤の劣化検出が可能な光学式の潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えた検出装置付き軸受を提供する。【解決手段】  潤滑剤劣化検出装置１は、検出対象となる潤滑剤５を互いの間に介在させる発光部２および受光部３と、判定手段４とを備える。判定手段４は、発光部２に定期的に発光指令を行い、かつ、受光部３の出力を発光と同期して取り込み、前記潤滑剤５の光透過率を求めて潤滑剤５に混入している異物の量を検出する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象となる潤滑剤を互いの間に介在させる発光部および受光部と、発光部に定期的に発光指令を行い、かつ、受光部の出力を発光と同期して取り込み、前記潤滑剤の光透過率を求めて潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段とを備えた潤滑剤劣化検出装置。
【請求項２】
検出対象となる潤滑剤を互いの間に介在させる発光部および受光部と、発光部に測定時のみ発光指令を行い、かつ、受光部の出力を発光と同期して取り込み、前記潤滑剤の光透過率を求めて潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段とを備えた潤滑剤劣化検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、発光時の受光信号を消灯時の受光信号と比較することにより、ノイズ、受光素子の暗電流、および回路のオフセットのうち少なくとも一つをキャンセルする誤差要因キャンセル手段を設けた潤滑剤劣化検出装置。
【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、受光部の出力をピークホールドするピークホールド手段を設けた潤滑剤劣化検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記発光部から発光された光を、検出対象となる潤滑剤を介在させずに受光する第２の受光部を設け、前記判定手段は、検出対象となる潤滑剤を介在させる受光部である第１の受光部と第２の受光部との信号を比べることにより、前記潤滑剤の光透過率を求めて潤滑剤に混入している異物の量を検出するものとした潤滑剤劣化検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の潤滑剤劣化検出装置が軸受に搭載された潤滑剤劣化検出装置付き軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、潤滑剤の混入物などによる劣化状態を検出する潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えた検出装置付き軸受、例えば鉄道車両用、自動車用、産業機械用等の潤滑剤劣化検出装置付き軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
潤滑剤を封入した軸受では、軸受内部の潤滑剤（グリース、油など）が劣化すると転動体の潤滑不良が発生し、軸受寿命が短くなる。転動体の潤滑不良を、軸受の振動状態などから判断するのでは、寿命に達して動作異常が発生してから対処することになるため、潤滑状態の異常をより早く検出できない。そこで、軸受内の潤滑剤の状態を定期的あるいはリアルタイムに観測し、異常やメンテナンス期間の予測を可能にすることが望まれる。
【０００３】
潤滑剤の劣化の主要な要因として、軸受の使用に伴って発生する摩耗粉が潤滑剤に混入することが挙げられる。
軸受の摩耗状態を検出するものとしては、軸受のシールの内側に電極やコイル等のセンサを配置し、摩耗粉の混入する潤滑剤の電気的特性を前記センサで検出するようにしたセンサ付き軸受が提案されている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４−２９３７７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１のセンサ付き軸受は、潤滑剤の電気的特性を検出するものであるため、大量の摩耗粉が入って導通が起こるなどの状況にならなければ、特性変化として検出されず、混入物の検出が困難な場合がある。
このような課題を解決するものとして、例えば図９のように、発光部３２と受光部３３の間に検出対象となる潤滑剤３５を介在させ、発光部３２から放射され潤滑剤３５を透過する光を受光部３３で測定することで光の透過率を求め、そこから潤滑剤３５に混入する不純物の量を推定する構成を考えた。
【０００５】
しかし、検出対象となる潤滑剤３５を有する軸受等の実際の装置では、潤滑剤３５の厚みが大きい場合や、潤滑剤３５の光透過率が小さい場合があるので、上記した光学式の構成により潤滑剤３５の劣化検出を行っても受光部３３での受光光量が小さくなって測定できない場合がある。このような場合には、ノイズ等の影響も考えて、発光部３２として例えばレーザーダイオードや白熱電球などのように光量の大きいもの使う必要がある。しかし、レーザーダイオード、白熱電球などは高価であり、寿命も短いという欠点がある。
そこで、発光部３２として例えば安価なＬＥＤを使用したいが、ＬＥＤは一般に光量が少ない。これでは、潤滑剤３５の厚みが大きい場合や、潤滑剤３５の光透過率が小さい場合は受光部３３での受光量が小さくなり、確実な測定を行えない。
【０００６】
この発明の目的は、潤滑剤が厚い場合や透明度が悪い場合でも、潤滑剤の劣化検出が可能な光学式の潤滑剤劣化検出装置、およびその潤滑剤劣化検出装置を備えた検出装置付き軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の第１の発明にかかる潤滑剤劣化検出装置は、検出対象となる潤滑剤を互いの間に介在させる発光部および受光部と、発光部に定期的に発光指令を行い、かつ、受光部の出力を発光と同期して取り込み、前記潤滑剤の光透過率を求めて潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段とを備えたものである。
この構成によると、受光部との間に検出対象となる潤滑剤を介在させる発光部に、判定手段から定期的に、つまり間欠的に発光指令を行い、かつ、受光部の出力を発光と同期して判定手段に取り込むようにしているので、発光部の光源として例えば安価なＬＥＤを用いても、熱破壊を起こすことなく大きな光量を出射させることができる。そのため、潤滑剤が厚い場合や透明度が悪い場合でも、測定に十分な受光光量が得られる。その結果、判定手段では、取り込んだ受光部の出力から、潤滑剤の光透過率を求めて潤滑剤に混入している異物の量を確実に検出することができる。
【０００８】
この発明の第２の発明にかかる潤滑剤劣化検出装置は、検出対象となる潤滑剤を互いの間に介在させる発光部および受光部と、発光部に測定時のみ発光指令を行い、かつ、受光部の出力を発光と同期して取り込み、前記潤滑剤の光透過率を求めて潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段とを備えたものである。
このように、測定の必要なタイミングのみ発光部に判定手段から発光指令を行った場合、発光部の光源として例えば安価なＬＥＤを用いたとしても、ＬＥＤの通電時間が測定時に限定されるので、熱破壊を起こすことなく大きな光量を出射させることができ、潤滑剤が厚い場合や透明度が悪い場合でも、潤滑剤の劣化検出が可能となる。
【０００９】
この発明の上記各構成の場合に、発光時の受光信号を消灯時の受光信号と比較することにより、ノイズ、受光素子の暗電流、および回路のオフセットのうち少なくとも一つをキャンセルする誤差要因キャンセル手段を設けても良い。この構成の場合、誤差要因キャンセル手段が、発光部の発光時における受光部の光量出力から、ノイズや受光部における受光素子の暗電流、回路のオフセットなどをキャンセルするので、精度の高い検出結果を得ることができる。
【００１０】
この発明の上記各構成の場合に、受光部の出力をピークホールドするピークホールド手段を設けても良い。
このように、受光部の光量出力をピークホールド手段でピークホールドする場合は、判定手段による光量データの取り込みを、その後いつでも自由に行うことができる。
【００１１】
この発明の上記各構成の場合に、発光部から発光された光を、検出対象となる潤滑剤を介在させずに受光する第２の受光部を設け、前記判定手段は、検出対象となる潤滑剤を介在させる受光部である第１の受光部と第２の受光部との信号を比べることにより、前記潤滑剤の光透過率を求めて潤滑剤に混入している異物の量を検出するものとしても良い。
このように、潤滑剤を透過した光を受光する第１の受光部の光量出力と、潤滑剤を透過しない光を受光する第２の受光部の光量出力とを比べることにより、発光部における発光素子の発光むらや電源変動などのコモンモードノイズをキャンセルすることができ、より高精度の検出が可能となる。
【００１２】
この発明の潤滑剤劣化装置付き軸受は、この発明の上記いずれかの構成の潤滑剤劣化検出装置を軸受に搭載したものである。
この構成によると、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで正確に検出することができる。これにより、軸受に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の第１の発明にかかる潤滑剤劣化検出装置は、検出対象となる潤滑剤を互いの間に介在させる発光部および受光部と、発光部に定期的に発光指令を行い、かつ、受光部の出力を発光と同期して取り込み、前記潤滑剤の光透過率を求めて潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段とを備えたものとしたため、発光部を熱破壊させることなく発光部からの出射光量を大きくでき、潤滑剤が厚い場合や透明度が悪い場合でも、潤滑剤の劣化検出が可能となる。
この発明の第２の発明にかかる潤滑剤劣化検出装置は、検出対象となる潤滑剤を互いの間に介在させる発光部および受光部と、発光部に測定時のみ発光指令を行い、かつ、受光部の出力を発光と同期して取り込み、前記潤滑剤の光透過率を求めて潤滑剤に混入している異物の量を検出する判定手段とを備えたものとしたため、発光部を熱破壊させることなく発光部からの出射光量を大きくでき、潤滑剤が厚い場合や透明度が悪い場合でも、潤滑剤の劣化検出が可能となる。
この発明の潤滑剤劣化検出装置付き軸受は、この発明の潤滑剤劣化検出装置を搭載したものであるため、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで正確に検出することができる。これにより、軸受に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断でき、軸受の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１は、この実施形態の潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。この潤滑剤劣化検出装置１は、検出対象となる潤滑剤５を互いの間に介在させる発光部２および受光部３と、判定手段４とを備える。発光部２は、図２にその回路構成を示すようにＬＥＤ（すなわち発光ダイオード）６を光源として有するものである。ＬＥＤ６は、電源・アース間に電流制限抵抗７およびスイッチング素子であるトランジスタ８と共に直列に接続され、前記判定手段４からの点灯指令によりトランジスタ８がオンすると、電源より電流制限抵抗７を通してＬＥＤ６に電流が供給されてＬＥＤ６が発光する。
【００１５】
図３は、前記ＬＥＤ６における発熱量と光量の関係についての原理を説明するための回路図である。電源より電流制限抵抗７を通して電流Ｉf が流れると、ＬＥＤ６の順方向電圧はＶf となる。したがって、この場合のＬＥＤ６の損失Ｐは、
Ｐ＝Ｖf ×Ｉf   ……（１）となる。
この損失ＰがＬＥＤ６の発熱量となり、定められた許容損失を超えなければＬＥＤ６は故障せず、連続使用可能である。順方向電圧Ｖf は電流Ｉf の関数であるが、電流Ｉf が大きく変化しても順方向電圧Ｖf は殆ど変化しない。したがって、損失Ｐは、電流Ｉf にほぼ比例する。なお、ＬＥＤ６の出射光量も、電流Ｉf にほぼ比例することが知られている。
ここで、ＬＥＤ６の出射光量を増加させるためには、電流Ｉf を増やさなければならないが、その場合、損失Ｐが増え結果的に許容損失を超えて、熱破壊が起こる。そこで、この潤滑剤劣化検出装置１では、ＬＥＤ６の熱破壊を避け、かつ出射光量を増加させるために、前記判定手段４からの点灯制御によりＬＥＤ６を間欠的に点灯させる。点灯時間をＴ、消灯時間をｔとして、交互に点灯と消灯を繰り返した場合のＬＥＤ６の損失Ｐは、
Ｐ＝Ｖf ×Ｉf ×Ｔ（Ｔ＋ｔ）  ……（２）
である。
ここで、全時間（Ｔ＋ｔ）に対する点灯時間ｔの割合をデューティー比Ｗとすれば、
Ｗ＝Ｔ／（Ｔ＋ｔ）  ……（３）
より、
Ｐ＝Ｖｆ×Ｉf ×Ｗ  ……（４）
となる。
したがって、デューティ比Ｗを小さくすれば、平均発熱量つまり損失Ｐを大きくしないで電流Ｉf を大きくすることができる。経験的には、デューティ比Ｗを小さくすれば、電流Ｉf は連続点灯の場合の１０倍程度にすることが可能であり、ＬＥＤ６の出射光量も１０倍となる。
【００１６】
前記判定手段４は、例えば組み込みコンピュータなどからなり、発光部２のトランジスタ８に対して上記した定期的（間欠的）な発光指令を行う発光制御部９を有する。その発光指令信号の波形図を図４（Ａ）に示す。また、判定手段４は、受光部３の出力を発光と同期して取り込む同期取込部１０と、取り込んだ受光部３の光量出力から潤滑剤５の光透過率を求めて潤滑剤５に混入している異物の量を検出する判定部１２を有する。なお、受光部３の出力は、Ａ／Ｄコンバータ１３を通してデジタル信号に変換され判定手段４に取り込まれる。
さらに、判定手段４は、発光部２の発光時における受光部３の光量出力から、ノイズやＬＥＤ６の暗電流、回路のオフセットなどをキャンセルするキャンセル部１１も有する。このキャンセル部１１は、発光部２の消灯時の受光部３の光量出力を取り込み、その値と、発光時の光量出力を比べることで、発光時の光量出力に含まれるノイズやＬＥＤ６の暗電流、回路のオフセットなどをキャンセルする誤差要因キャンセル手段として働く。
【００１７】
次に、上記潤滑剤劣化検出装置１の動作を説明する。測定が必要な場合、判定手段４は図４（Ａ）における区間Ｔのように点灯指令をハイレベルにする。その結果、図２における発光部２におけるトランジスタ８がオンし、ＬＥＤ６に電流Ｉf が流れＬＥＤ６が発光する。発光部２の発光は潤滑剤５を透過して受光部３で受光される。ＬＥＤ６を流れる電流Ｉf は、過度的にはほんのわずかに点灯指令から遅れるため、電流Ｉf に比例した受光部３での光量出力は図４（Ｂ）に波形図で示すように立ち上がり部に過度部が生じる場合があり、また通電時間によっては、その後、光量がしだいに減少する場合もある。そこで、判定手段４の同期取込部１０では、受光部３の光量出力をＡ／Ｄコンバータ１３を通して取り込む場合、点灯指令からある程度の安定時間を経た後の所定のタイミングで、取り込みを行う。そのタイミングを、図４（Ｃ）にトリガとして示す。判定手段４の判定部１２は、発光部２の発光に同期して同期取込部１０により取り込んだ受光部３の光量出力から、潤滑剤５の光透過率を求めて潤滑剤５に混入している異物の量を検出する。また、判定手段４のキャンセル部１１は、発光部２の発光時における受光部３の光量出力から、ノイズやＬＥＤ６の暗電流、回路のオフセットなどをキャンセルするので、精度の高い検出結果を得ることができる。
【００１８】
このように、この潤滑剤劣化検出装置１では、受光部３との間に検出対象となる潤滑剤５を介在させる発光部２に、判定手段４から定期的（間欠的）に発光指令を行い、かつ、受光部３の出力を発光と同期して判定手段４に取り込むようにしているので、発光部２の光源として実施形態のように安価なＬＥＤ６を用いても、熱破壊を起こすことなく大きな光量を出射させることができ、潤滑剤５が厚い場合や透明度が悪い場合でも、測定に十分な受光光量が得られる。その結果、判定手段４では、取り込んだ受光部３の出力から、潤滑剤５の光透過率を求めて潤滑剤５に混入している異物の量を確実に検出することができる。
【００１９】
なお、上記実施形態では、定期的（間欠的）に発光部２に点灯指令を行う場合を示したが、発光制御部９は、測定の必要なタイミングのみ点灯指令を行っても良い。この場合も、発光部２の光源として前記実施形態のように安価なＬＥＤ６を用いたとしても、ＬＥＤ６の通電時間が測定時に限定されるので、熱破壊を起こすことなく大きな光量を出射させることができ、潤滑剤５が厚い場合や透明度が悪い場合でも、潤滑剤の劣化検出が可能となる。
【００２０】
図５は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の潤滑剤劣化検出装置１は、図１に示す第１の実施形態において、受光部３の光量出力をピークホールドするピークホールド手段１５を追加したものである。ピークホールド手段１５の出力は、Ａ／Ｄコンバータ１６を通してデジタル信号に変換され、判定手段４に取り込まれる。ここでは、受光部３の光量出力が安定するタイミングである図４（Ｃ）のトリガを、ピークホールド手段１５を始動させるタイミング信号としているが、点灯指令でピークホールド手段１５を始動させても良い。また、点灯指令は、定期的（間欠的に）に出力しても測定の必要なタイミングのみ出力しても良い。
【００２１】
このように、受光部３の光量出力をピークホールド手段１５でピークホールドする場合は、判定手段４による光量データの取り込みを、その後いつでも自由に行うことができる。なお、この実施形態において、ピークホールド手段１５をバイパスして受光部３の光量出力を判定手段４に取り込む経路も確保されているので、この経路から消灯時の光量出力を判定手段４に取り込むことにより、その値と発光時の光量出力を比べてノイズやＬＥＤ６の暗電流、回路のオフセットなどをキャンセルすることができる。
【００２２】
また、図５の実施形態において、発光部２への点灯指令を専用の発振器等を用いて行うと共に、ピークホールド手段１５の出力を、メータなど表示器に入力して表示器でピークホールド値を直接表示させることにより、判定手段４を省略しても良い。この場合、表示器に表示される光量出力のピークホールド値を監視することで、検出対象である潤滑剤５の劣化状態を推定することになる。
【００２３】
図６は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の潤滑剤劣化検出装置１は、図１に示す第１の実施形態において、検出対象となる潤滑剤５を介在させずに発光部２の発光を受光する第２の受光部１３を追加したものである。その受光部１３の光量出力はＡ／Ｄコンバータ１７を通してデジタル信号に変換され、判定手段４に取り込まれる。判定手段４の判定部１２（図１）では、検出対象となる潤滑剤４を介在させた発光部２からの発光を受光する第１の受光部３の光量出力と、前記第２の受光部１３の光量出力とを比べることにより、潤滑剤５の光透過率を求めて潤滑剤５に混入している異物の量を検出する。
【００２４】
このように、潤滑剤５を透過した光を受光する第１の受光部３の光量出力と、潤滑剤５を透過しない光を受光する第２の受光部１３の光量出力とを比べることにより、発光部２におけるＬＥＤ６（図２）等の発光素子の発光むらや電源変動などのコモンモードノイズをキャンセルすることができ、より高精度の検出が可能となる。
【００２５】
図７は、上記した潤滑剤劣化検出装置１を搭載した検出装置付き軸受を、鉄道車両用軸受ユニットに用いた断面図である。この場合の鉄道車両用軸受ユニットは、潤滑剤劣化検出装置付き軸受２１とその内輪２４の両側に各々接して設けられた付属部品である油切り２２および後ろ蓋２３とで構成される。軸受２１は、ころ軸受、詳しくは複列の円すいころ軸受からなり、各列のころ２６，２６に対して設けた分割型の内輪２４，２４と、一体型の外輪２５と、前記ころ２６，２６と、保持器２７とを備える。
後ろ蓋２３は、車軸３０に軸受２１よりも中央側で取付けられて外周のオイルシール２８を摺接させたものである。油切り２２は、車軸３０に取付けられて外周にオイルシール２９を摺接させたものである。これら軸受２１の両端部に配置される両オイルシール２８，２９により軸受２１の内部に潤滑剤が封止され、かつ防塵・耐水性が確保される。
【００２６】
軸受２１の外輪２５には、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を検出する潤滑剤劣化検出装置１が取付けられている。この潤滑剤劣化検出装置１は、外輪２５に設けられた検出装置挿入孔２５ａに挿入されて、ボルト等により外輪２５に固定されている。潤滑剤劣化検出装置１およびその配線ケーブル１８には、防水・防油処理が施される。潤滑剤劣化検出装置１の取付部も耐油材料でシールされる。例えば、前記潤滑剤劣化検出装置１は、密封シール３２を介して外輪２５の検出装置挿入孔２５ａに挿入され、密封シール３２として、例えばＯリングが用いられる。このように、密封シール３２を介して潤滑剤劣化検出装置１が外輪２５に固定されることにより、潤滑剤劣化検出装置１の取付部から軸受内部へ水分やゴミ等が侵入するのを防止できる。
上記潤滑剤劣化検出装置１を搭載したこの検出装置付き軸受２１では、軸受内部に封入された潤滑剤の劣化を、リアルタイムで正確に検出することができる。具体的には、潤滑剤劣化検出装置１の周辺に存在する潤滑剤の状態を検出することができ、潤滑剤に混入している鉄粉量などを推定することができる。これにより、軸受２１に動作異常が発生する前に潤滑剤の交換の必要性を判断できるため、軸受２１の潤滑不良による破損を防ぐことができる。また、潤滑剤交換の必要性を潤滑剤劣化検出装置１の出力によって判断できるため、使用期限前に廃棄される潤滑剤の量が減少する。
【００２７】
図８は、潤滑剤劣化検出装置付き軸受の他の例を示す。この潤滑剤劣化検出装置付き軸受２１Ａは、図７に示した潤滑剤劣化検出装置付き軸受２１において、潤滑剤劣化検出装置１を、シール２９の内側面近傍に取付けたものである。その他の構成は図７の例と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。
【図２】同潤滑剤劣化検出装置における発光部の回路図である。
【図３】同発光部のＬＥＤにおける発熱量と光量の関係についての原理を説明するための回路図である。
【図４】潤滑剤劣化検出装置における各部の波形図である。
【図５】この発明の他の実施形態に係る潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態にかかる潤滑剤劣化検出装置の概略構成図である。
【図７】上記潤滑剤劣化検出装置を搭載した検出装置付き軸受の一例を示す断面図である。
【図８】上記潤滑剤劣化検出装置を搭載した検出装置付き軸受の他の例の断面図である。
【図９】潤滑剤劣化検出装置の提案例の概略構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…潤滑剤劣化検出装置
２…発光部
３…受光部
４…判定部
５…潤滑剤
１１…キャンセル部（誤差要因キャンセル手段）
１３…第２の受光部
１５…ピークホールド手段
２１，２１Ａ…潤滑剤劣化検出装置付き軸受
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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