(57)【要約】      （修正有）【課題】  高い感度で軸受内部の潤滑剤の劣化状態をリアルタイムに検出できる潤滑剤劣化検出機能付き軸受を提供する。【解決手段】  この潤滑剤劣化検出機能付き軸受は、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１１を設けたものである。潤滑剤劣化検出装置１１は、１次側に１つのコイル１８を、２次側に２つのコイル１９，２０を有する差動トランス１５と、この差動トランス１５の２次側の２つのコイル１９，２０、およびこれら２つのコイル１９，２０にそれぞれ直列接続された２つの抵抗２１，２２からなるブリッジ回路１６とを有する。２次側の２つのコイル１９，２０は、２つの独立した磁路およびギャップ２４，２５を持ったコア１７にそれぞれ巻かれる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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を組み込んだ軸受であって、前記潤滑剤劣化検出装置は、１次側に１つのコイル、２次側にそれぞれ独立した磁路およびギャップを持った２つのコア、並びに各コアに巻かれた２つのコイルを有する差動トランスと、この差動トランスの２次側の２つのコイル、およびこれら２つのコイルにそれぞれ直列接続された２つの抵抗からなるブリッジ回路とを備え、前記差動トランスの片方のギャップは軸受内部の劣化検出対象となる潤滑剤が介在するように位置させ、もう片方のギャップに比較用の試料を介在させ、前記１次側のコイルに交流電流を流すことで、前記各ギャップにそれぞれ介在する潤滑剤と比較用試料との透磁率の差を、前記ブリッジ回路で検出して潤滑剤の劣化を推定する処理手段を設けた潤滑剤劣化検出機能付き軸受。
【請求項２】
請求項１において、前記１次側のコイルに交流電流を流す発振器を設け、この発振器の発振周波数を、自己共振周波数に近い値とした潤滑剤劣化検出機能付き軸受。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記ブリッジ回路に、前記２次側のコイルと並列にコンデンサを接続した潤滑剤劣化検出機能付き軸受。
【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、前記潤滑剤劣化検出装置またはこの潤滑剤劣化検出装置の近傍の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検出値を用いて前記ブリッジ回路の出力を補正する温度補正手段とを設けた潤滑剤劣化検出機能付き軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、軸受内部の摩耗粉による潤滑剤の劣化状態を検出する機能を備えた潤滑剤劣化検出機能付き軸受に関し、特に、鉄道車両、自動車、産業機械等に適用される潤滑剤劣化検出機能付き軸受に関する。
【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】
潤滑剤の主要な劣化の原因は、軸受の使用に伴って発生する鉄粉からなる摩耗粉が潤滑剤に混入することである。
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コイルを配置し、グリース等の潤滑剤に含まれる摩耗粉がシールの内側に付着することで前記コイルのインピーダンスが変化するのを、発振法、同調法、ブリッジ法、正帰還法などにより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、上記インピーダンスを測定する構成において、発振法、同調法、ブリッジ法、正帰還法のいずれの方式においても、微妙な摩耗粉を検出するためには感度が極めて低く実用的ではない。
【０００５】
この発明の目的は、高い感度で軸受内部の潤滑剤の劣化状態をリアルタイムに検出できる潤滑剤劣化検出機能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】
【０００６】
この発明の潤滑剤劣化検出機能付き軸受は、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を組み込んだ軸受であって、前記潤滑剤劣化検出装置は、１次側に１つのコイル、２次側にそれぞれ独立した磁路およびギャップを持った２つのコア、並びに各コアに巻かれた２つのコイルを有する差動トランスと、この差動トランスの２次側の２つのコイル、およびこれら２つのコイルにそれぞれ直列接続された２つの抵抗からなるブリッジ回路とを備え、前記差動トランスの片方のギャップは軸受内部の劣化検出対象となる潤滑剤が介在するように位置させ、もう片方のギャップに比較用の試料を介在させ、前記１次側のコイルに交流電流を流すことで、前記各ギャップにそれぞれ介在する潤滑剤と比較用試料との透磁率の差を、前記ブリッジ回路で検出して潤滑剤の劣化を推定する処理手段を設けたものである。
この構成によると、差動トランスの１次側のコイルに交流電流が流されると、電磁誘導によって２次側の２つのコイルに交流電圧が誘導される。その際、２次側の片方のコイルに対応する検出用ギャップに介在する潤滑剤の透磁率と、２次側のもう片方のコイルに対応する比較用ギャップに介在する比較用試料の透磁率との違いにより、検出用の２次側のコイルのインピーダンスが変化し、検出用の２次側コイルに誘導される交流電圧と、比較用の２次側コイルに誘導される交流電圧とに違いが生じる。その差をブリッジ回路から交流の検出信号として取り出し、その検出信号から検査対象となる潤滑剤の劣化つまり透磁率の変化（含有鉄粉の増大）を処理手段で推定することにより、軸受内部の潤滑剤の劣化を高感度でリアルタイムに検出できる。
【０００７】
この発明において、前記１次側のコイルに交流電流を流す発振器を設け、この発振器の発振周波数を、自己共振周波数に近い値としても良い。１次側コイルに流す交流電流の発振周波数を、自己共振周波数に近い値とすると、効率の向上が可能となる。
【０００８】
この発明において、前記ブリッジ回路に、前記２次側のコイルと並列にコンデンサを接続しても良い。このようにコンデンサを設けた場合、コンデンサの容量を調整することにより、さらに感度を向上させることができる。
【０００９】
この発明において、前記潤滑剤劣化検出装置、またはこの装置の近傍の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検出値を用いて前記ブリッジ回路の出力を補正する温度補正手段とを設けても良い。この構成の場合、潤滑剤劣化検出装置の温度変化による検出誤差を補正でき、検出精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の潤滑剤劣化検出機能付き軸受は、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を組み込んだ軸受であって、前記潤滑剤劣化検出装置は、１次側に１つのコイル、２次側にそれぞれ独立した磁路およびギャップを持った２つのコア、並びに各コアに巻かれた２つのコイルを有する差動トランスと、この差動トランスの２次側の２つのコイル、およびこれら２つのコイルにそれぞれ直列接続された２つの抵抗からなるブリッジ回路とを備え、前記差動トランスの片方のギャップは軸受内部の劣化検出対象となる潤滑剤が介在するように位置させ、もう片方のギャップに比較用の試料を介在させ、前記１次側のコイルに交流電流を流すことで、前記各ギャップにそれぞれ介在する潤滑剤と比較用試料との透磁率の差を、前記ブリッジ回路で検出して潤滑剤の劣化を推定する処理手段を設けたため、高い感度で軸受内部の潤滑剤の状態をリアルタイム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】
【００１１】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図７と共に説明する。図１はこの潤滑剤劣化検出機能付き軸受を備えた鉄道車両用軸受ユニットの断面図である。この鉄道車両用軸受ユニットは、潤滑剤劣化検出機能付き軸受１とその内輪４の両側に各々接して設けられた付属部品である油切り２および後ろ蓋３とで構成される。軸受１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６，６に対して設けた分割型の内輪４，４と、一体型の外輪５と、前記ころ６，６と、保持器７とを備える。内輪４、外輪５、およびころ６は、軸受鋼等の鋼製のものである。
後ろ蓋３は、車軸１０に軸受１よりも中央側で取付けられて外周のオイルシール８を摺接させたものである。油切り２は、車軸１０に取付けられて外周にオイルシール９を摺接させたものである。これら軸受１の両端部に配置されるオイルシール８，９により軸受１の内部にグリース等の潤滑剤が封止され、かつ防塵・耐水性が確保される。
【００１２】
軸受１の外輪５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１１が取付けられている。潤滑剤劣化検出装置１１は、合成樹脂製等の検出装置ハウジング内に構成部品を組み込んだものである。この潤滑剤劣化検出装置１１は、外輪５に両列の軌道面間で設けられたセンサ挿入孔５ａに挿入されて、軸受空間の内部に先端が進入し、ボルト等により外輪５に固定されている。潤滑剤劣化検出装置１１およびそのケーブルには、防水・防油処理が施される。潤滑剤劣化検出装置１１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１１は、密封シール１２を介して外輪５のセンサ挿入孔５ａに挿入され、密封シール１２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１２を介して潤滑剤劣化検出装置１１が外輪５に固定されることにより、潤滑剤劣化検出装置１１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。
【００１３】
図２は、上記潤滑剤劣化検出装置１１の原理構成を示す回路図である。この潤滑剤劣化検出装置１１は、潤滑剤の劣化を直接検出するセンサヘッド１３と、このセンサヘッド１３の検出信号を処理して潤滑剤の劣化を推定する処理手段１４とを備える。センサヘッド１３は、図３に示すように磁気コア１７に１つの１次コイル１８と２つの２次コイル１９，２０を巻回してなる差動トランス１５と、この差動トランス１５の２つの２次コイル１９，２０に図２のように抵抗２１，２２を個別に直列接続してなるブリッジ回路１６とを備える。１次コイル１８には交流電流を流す発振器２３が接続される。発振器２３の発振周波数は、この差動トランス１５の自己共振周波数に近い値とすることが、効率の点で好ましい。
【００１４】
差動トランス１５の磁気コア１７は、図３のように３つのコア脚部１７ａ〜１７ｃを有する概形がＥ字状に形成され、その１次コイル１８が巻回されるコア脚部１７ａの先端と検出用２次コイルとなる一方の２次コイル１９が巻回されるコア脚部１７ｂの先端との間には検出用ギャップ２４が設けられる。また、１次コイル１８が巻回されるコア脚部１７ａの先端と比較用２次コイルとなる他方の２次コイル２０が巻回されるコア脚部１７ｃの先端との間には比較用ギャップ２５が設けられる。
前記検出用ギャップ２４は、潤滑剤劣化検出装置１１を図１のように軸受１の外輪５に取付けた状態で、軸受内部の劣化検出対象となる潤滑剤が介在するように位置させる。比較用ギャップ２５は、比較用の試料を介在させ、潤滑剤劣化検出装置１１を図１のように軸受１の外輪５に取付けた状態で、軸受内部の潤滑剤が介在しないように位置させるか、または軸受内部の潤滑剤が介在しないようにカバー（図示せず）等で覆う。比較用試料としては、新品の潤滑剤、または空気や樹脂等が用いられ、これにより比較用ギャップ２５の透磁率が変化しないようにされる。
【００１５】
このように構成されたセンサヘッド１３では、発振器２３により１次コイル１８に交流電流が流されると、電磁誘導によって２つの２次コイル１９，２０に交流電圧が誘導される。その際、２次コイル１９に対応する検出用ギャップ２４に介在する潤滑剤の透磁率と、２次コイル２０に対応する比較用ギャップ２５に介在する比較用試料の透磁率との違いにより、検出用の２次コイル１９のインピーダンスが変化し、検出用２次コイル１９に誘導される交流電圧と、比較用２次コイル２０に誘導される交流電圧とに違いが生じる。結果として、その差を前記ブリッジ回路１６から交流の検出信号として取り出すことにより、検査対象となる潤滑剤の劣化、つまり鉄粉からなる摩耗粉の含有量の増大による透磁率の変化が、高精度で検出される。
【００１６】
潤滑剤劣化検出装置１１の処理手段１４は、センサヘッド１３の微小な検出信号を増幅する増幅器２６と、増幅された交流検出信号を直流信号に変換する検波回路２７と、その直流信号を一定の電圧に平滑化させるローパスフィルタ２８と、その出力を所定の基準値と比較するコンパレータ２９とで構成される。
【００１７】
次に、上記構成の潤滑剤劣化検出機能付き軸受１による軸受剤の劣化検出動作を説明する。潤滑剤劣化検出装置１１のセンサヘッド１３において、差動トランス１５の１次コイル１８に発振器２３から交流電流が流されると、電磁誘導によって２つの２次コイル１９，２０に交流電圧が誘導される。軸受内部の潤滑剤の劣化が進むと、潤滑剤の含有鉄粉が増大するので、検出用ギャップ２４の透磁率が変化する。これにより、前記センサヘッド１３における検出用２次コイル１９のインピーダンスが変化し、この検出用２次コイル１９に誘導される交流電圧と比較用２次コイル２０に誘導される交流電圧とに違いが生じる。この交流電圧の差が、センサヘッド１３の検出信号として処理手段１４の増幅器２６に入力される。その交流検出信号は増幅器２６で増幅され、増幅された交流検出信号が検波回路２７で直流信号に変換され、さらにその直流信号がローパスフィルタ２８により一定の電圧に平滑化される。さらにその検出出力はコンパレータ２９で所定の基準値（しきい値）と比較され、基準値を超えるときコンパレータ２９から劣化が所定基準値を超えたことを示す判定信号が出力される。この場合の基準値（しきい値）は、固定に設定しても良いが、可変抵抗等で変更可能としても良く、さらには外部から可変設定できるようにしても良い。なお、前記コンパレータ２９を省略して、ローパスフィルタ２８の出力を検出信号として利用しても良い。
このようにして、潤滑剤の劣化（潤滑剤中の含有鉄粉の増大）を、リアルタイムに高精度で検出することができる。
【００１８】
なお、前記センサヘッド１３におけるブリッジ回路１６を構成する両抵抗２１，２２は固定抵抗でも良いが、いずれか一方を可変抵抗として、ブリッジ回路１６のバランスをとるようにすれば、より高感度に潤滑剤の劣化を検出することができる。
また、２つの２次コイル１９，２０のいずれか一方に調整用のコイル（図示せず）を巻回し、このコイルに流す電流を調整することにより、ブリッジ回路１６のバランスをとるようにしても良い。この場合に、若干調整をずらすことで、感度を上げるようにしても良い。
【００１９】
また、前記センサヘッド１３におけるブリッジ回路１５の比較用２次コイル２０には、図４のように、調整用のコンデンサ３０を付加しても良い。この場合、コンデンサ３０の容量を調整することにより、さらに感度を向上させることができる。なお、調整用コンデンサ３０は、検出用２次コイル１９に付加した方がよい場合もある。さらには、この潤滑剤劣化検出装置１１またはこの潤滑剤劣化検出装置１１の近傍の温度を検出する温度センサ（図示せず）と、この温度センサの検出値を用いてブリッジ回路１５の出力を補正する温度補正手段とを別に設けても良い。この場合は、潤滑剤劣化検出装置１１の温度変化による検出誤差を補正でき、検出精度を向上させることができる。
【００２０】
また、前記センサヘッド１３における差動トランス１５の磁気コア１７としては、図３の形状のものに限らず、図５〜図７の形状としても良い。図５の磁気コア１７では、１次コイル１８が巻回されるコア脚部１７ａと、検出用２次コイル１９が巻回されるコア脚部１７ｂとで略長円形の磁路が形成され、１次コイル１８が巻回されるコア脚部１７ａと、比較用２次コイル２０が巻回されるコア脚部１７ｃとで別の略長円形の磁路が形成されている。図６の磁気コア１７では、１次コイル１８、および２つの２次コイル１９，２０が巻回される各コア脚部１７ａ〜１７ｃがＴ字状をなし、１次コイル１８が巻回されるコア脚部１７ａと、検出用２次コイル１９が巻回されるコア脚部１７ｂとで略矩形の磁路が形成され、１次コイル１８が巻回されるコア脚部１７ａと、比較用２次コイル２０が巻回されるコア脚部１７ｃとで別の略矩形の磁路が形成されている。図７の磁気コア１７では、長円の磁路の半部を検出用２次コイル１９が巻回されるコア脚部１７ｂとし、長円の磁路の残る半部を比較用２次コイル２０が巻回されるコア脚部１７ｃとし、これら両コア脚部１７ｂ，１７ｃの間を結ぶＺ字状の部分を、１次コイル１８が巻回されるコア脚部１７ａとしている。いずれの磁気コア１７の場合も、２つの２次コイル１９，２０が巻回される両コア脚部１７ｂ，１７ｃは同形状であることが望ましいが、電気的な調整が可能であれば、形状は異なっていても良い。形状を異ならせる場合は、２つの２次コイル１９，２０の巻数を異ならせる方が良い場合もある。
【００２１】
図８は、この発明の他の実施形態を示す。この潤滑剤劣化検出機能付き軸受１Ａは、図１〜図７に示した第１の実施形態において、潤滑剤劣化検出装置１１を、シール９の近傍に取付けたものである。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００２２】
上記各実施形態は、いずれも鉄道車両用軸受に適用した場合につき説明したが、この発明は、自動車や産業機械等に用いられる軸受に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる潤滑剤劣化検出機能付き軸受の断面図である。
【図２】同軸受における潤滑剤劣化検出装置の原理構成を示す回路図である。
【図３】同潤滑剤劣化検出装置における差動トランスを示す平面図である。
【図４】同潤滑剤劣化検出装置の他の例の原理構成を示す回路図である。
【図５】同潤滑剤劣化検出装置における差動トランスの他の例を示す平面図である。
【図６】同潤滑剤劣化検出装置における差動トランスのさらに他の例を示す平面図である。
【図７】同潤滑剤劣化検出装置における差動トランスのさらに他の例を示す平面図である。
【図８】この発明の他の実施形態にかかる潤滑剤劣化検出機能付き軸受の断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１…潤滑剤劣化検出機能付き軸受
１１…潤滑剤劣化検出装置
１４…処理手段
１５…差動トランス
１６…ブリッジ回路
１７…磁気コア
１８…１次コイル
１９，２０…２次コイル
２１，２２…抵抗
２３…発振器
２４…検出用ギャップ
２５…比較用ギャップ
３０…調整用のコンデンサ
【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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【図７】
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【図８】
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