(57)【要約】【課題】  測定装置の構成が簡単であり、転がり軸受の荷重分布を精確に求めることができる外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法及びその装置を提供する。【解決手段】  外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法において、転がり軸受の外輪４の軌道面近傍に軸方向に細穴５を設け、この細穴５に光ファイバひずみセンサ６を挿入し、この光ファイバひずみセンサ６からの出力信号を光ファイバ７で導出し、この光ファイバ７をひずみ計測器８に接続し、前記光ファイバひずみセンサ６の位置を転動体３が通過する際のひずみを検出する。【選択図】  図２
2009216665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受の外輪の軌道面近傍に軸方向に細穴を設け、該細穴に光ファイバひずみセンサを挿入し、該光ファイバひずみセンサからの出力信号を光ファイバで導出し、該光ファイバをひずみ計測器に接続し、前記光ファイバひずみセンサの位置を転動体が通過する際のひずみを検出することを特徴とする外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法において、前記転動体の数だけ前記光ファイバひずみセンサを転動体の間隔で配置することを特徴とする外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法。
【請求項３】
（ａ）転がり軸受の外輪と、
（ｂ）該外輪内の軌道面近傍に形成される軸方向の細穴に挿入される光ファイバひずみセンサと、
（ｃ）該光ファイバひずみセンサに接続されて導出される光ファイバと、
（ｄ）該光ファイバに接続されるひずみ計測器とを備え、
（ｅ）前記光ファイバひずみセンサの位置を転動体が通過する際のひずみを検出することを特徴とする外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置。
【請求項４】
請求項３記載の外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体の数だけ前記光ファイバひずみセンサを転動体の間隔で配置することを特徴とする外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置。
【請求項５】
請求項３記載の外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に単列に配置され、前記光ファイバひずみセンサが前記単列に配置された転動体に対応して配置される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてファブリ・ペロ干渉型センサまたはファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）を用いることを特徴とする外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置。
【請求項６】
請求項３記載の外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に複列に配置され、前記光ファイバひずみセンサが一体化され光ファイバに直列に前記複列に配置された転動体のそれぞれに対応して配置され、前記光ファイバひずみセンサが直列に接続される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）を用いることを特徴とする外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置。
【請求項７】
請求項３記載の外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に複列に配置され、個別の光ファイバにより前記光ファイバひずみセンサがそれぞれ並列に前記複列に配置された転動体のそれぞれに対応して配置される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてファブリ・ペロ干渉型センサを用いることを特徴とする外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法及び装置に係り、特に、転がり軸受の外輪内に光ファイバひずみセンサを配置し、その位置を転動体が通過する際のひずみを検出することで、軸受全体の荷重分布を求めるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
図７は従来の転がり軸受の荷重分布測定装置のひずみゲージの取り付け部を示す図である。
【０００３】
この図において、１０１は回転軸、１０２は回転軸に固定される転がり軸受の内輪、１０３は転がり軸受の転動体、１０４は転がり軸受の外輪、１０５は内輪１０２の切欠部、１０６は切欠部１０５に貼り付けられるひずみゲージである。
【０００４】
このように、転がり軸受の内輪１０２に切欠部１０５を形成し、この切欠部１０５にひずみゲージ１０６を貼付し、その位置を転動体１０３が通過する際のひずみを検出することで、軸受全体の荷重分布を求めるようにしたものが提案されている（下記特許文献１参照）。
【０００５】
図８は従来の転がり軸受の荷重分布測定装置の転動体内への光ファイバセンサの取り付け部を示す図である。
【０００６】
この図において、２０１は回転軸、２０２は回転軸２０１に固定される転がり軸受の内輪、２０３は転がり軸受の転動体、２０４は転がり軸受の外輪、２０５は転がり軸受の転動体２０３内に形成される細穴、２０６はその細穴２０５に挿入される光ファイバひずみセンサ、２０７は光ファイバひずみセンサ２０６に接続される光ファイバである。
【０００７】
このように、転がり軸受の転動体２０３の軸中心に、放電加工により細穴２０５を設ける。その細穴２０５に光ファイバひずみセンサ２０６を挿入し接着することにより、転動体２０３に発生するひずみを検出し、軸受全体の荷重分布を求めるようにしたものが本願発明者らによって提案されている（下記特許文献２参照）。
【特許文献１】特開昭５２−０１００２７号公報
【特許文献２】特開２００７−１８３１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に開示された転がり軸受の荷重分布測定方法では、内輪１０２に切欠部を設けるので、内輪１０２と軸の締め代が不足し、内輪クリープが発生することがある。これにより、ひずみゲージのリード線が断線するといった問題があった。
【０００９】
また、上記した特許文献２に開示された転がり軸受の荷重分布測定方法では、自転及び公転を行う転動体２０３内に光ファイバひずみセンサを配置するようにしており、動的測定を行う場合、図示しないが、測定装置が複雑になる。特に、第１光ファイバロータリージョイントと第２光ファイバロータリージョイントが必要になるといった問題があった。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みて、簡単な構成の測定装置で転がり軸受の荷重分布を精確に求めることができる外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法において、転がり軸受の外輪の軌道面近傍に軸方向に細穴を設け、この細穴に光ファイバひずみセンサを挿入し、この光ファイバひずみセンサからの出力信号を光ファイバで導出し、この光ファイバをひずみ計測器に接続し、前記光ファイバひずみセンサの位置を転動体が通過する際のひずみを検出することを特徴とする。
【００１２】
〔２〕外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体の数だけ前記光ファイバひずみセンサを転動体の間隔で配置することを特徴とする。
【００１３】
〔３〕外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、転がり軸受の外輪と、この外輪内の軌道面近傍に形成される軸方向の細穴に挿入される光ファイバひずみセンサと、この光ファイバひずみセンサに接続されて導出される光ファイバと、この光ファイバに接続されるひずみ計測器とを備え、前記光ファイバひずみセンサの位置を転動体が通過する際のひずみを検出することを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔３〕記載の外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体の数だけ前記光ファイバひずみセンサを転動体の間隔で配置することを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔３〕記載の外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に単列に配置され、前記光ファイバひずみセンサが前記単列に配置された転動体に対応して配置される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてファブリ・ペロ干渉型センサまたはファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）を用いることを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔３〕記載の外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に複列に配置され、前記光ファイバひずみセンサが一体化され光ファイバに直列に前記複列に配置された転動体のそれぞれに対応して配置され、前記光ファイバひずみセンサが直列に接続される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）を用いることを特徴とする。
【００１７】
〔７〕上記〔３〕記載の外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において、前記転動体が回転軸方向に複列に配置され、個別の光ファイバにより前記光ファイバひずみセンサがそれぞれ並列に前記複列に配置された転動体のそれぞれに対応して配置される場合、前記光ファイバひずみセンサとしてファブリ・ペロ干渉型センサを用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、簡単な構成の測定装置で、転がり軸受の荷重分布を精確に求めることができる。また、内輪クリープが発生しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法は、転がり軸受の外輪の軌道面近傍に軸方向に細穴を設け、この細穴に光ファイバひずみセンサを挿入し、この光ファイバひずみセンサからの出力信号を光ファイバで導出し、この光ファイバをひずみ計測器に接続し、前記光ファイバひずみセンサの位置を転動体が通過する際のひずみを検出する。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の第１実施例を示す外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置における光ファイバひずみセンサの取り付け部を示す模式図、図２はその外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置の全体図、図３はその外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置の光ファイバひずみセンサによるひずみ波形の模式図である。
【００２２】
これらの図において、１は回転軸、２は回転軸１に固定される転がり軸受の回転する内輪、３は自転と公転を行う転動体、４はハウジングに固定される外輪、５は外輪４内の軌道面近傍に形成される軸方向の細穴、６は軸方向の細穴５内に挿入される光ファイバひずみセンサ、７は光ファイバひずみセンサ６に接続されて導出される光ファイバ、８はひずみ計測器、９はひずみ計測器８に接続されるＬＡＮなど、１０はＬＡＮ９などが接続されるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。また、１１は荷重、１２は転がり軸受の荷重分布である。
【００２３】
図２に示すように、光ファイバひずみセンサ６には光ファイバ７が接続されて導出され、その光ファイバ７はひずみ計測器８に接続される。ひずみ計測器８はＬＡＮ９などを介してパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０に接続されている。
【００２４】
このように構成することにより、転がり軸受の荷重分布１２は、外輪４の軸方向の細穴５に挿入された光ファイバひずみセンサ６からの出力信号を光ファイバ７から出力して、ひずみ計測器８及びＰＣ１０により、計測することができる。
【００２５】
ここでは、光ファイバひずみセンサ６は、外輪４の軌道面近傍に軸方向に形成された細穴５に挿入されて配置される。細穴５は転動体３と同じ間隔で設けているので、光ファイバひずみセンサ６は転動体３の数だけ配置されている。ただし、光ファイバひずみセンサ６の数は調整することができる。
【００２６】
図１に示すように光ファイバひずみセンサ６を転動体３の数だけ配置すると、光ファイバひずみセンサ６で計測されるひずみの出力は図３に示すようになる。つまり、それぞれの光ファイバひずみセンサ６（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…）の位置を転動体３が通過するたびに、ひずみのピークが検出される。ひずみ出力の大きさは転動体３に発生する荷重（転動体荷重）の大きさに対応する。図１では光ファイバひずみセンサ６のうちＳ１のところが最も荷重が大きいので、最も大きなひずみ出力が得られ、続いて、Ｓ２，Ｓ３，…の順となる。これにより、転動体位置（角度）に対するひずみの大きさをプロットすれば、ひずみ分布が得られる。また、ひずみと荷重の関係が分かれば、ひずみから荷重を求めることができる。当然ながら、軸受の大きさや転動体の数によって、荷重を受ける転動体の個数は異なる。また、図１に示すように、荷重１１のみが負荷され荷重分布１２が左右対称となる場合は、右半分あるいは右上１／４の部分の測定で軸受全体の荷重を把握することができる。しかし、軸受の使用条件によっては、荷重分布１２の対称性が必ずしも保たれない場合があるので、本発明では、転動体３の数だけ、光ファイバひずみセンサ６を装着することが望ましい。
【００２７】
これはあくまでも標準形であって、必ずしも転動体の数だけ光ファイバひずみセンサを装着しなくとも、ひずみを検出することができることは言うまでもない。
【００２８】
この第１実施例では、転動体は単列に配置されるので、光ファイバひずみセンサ６は外輪４に単独に配置すれば足りるので、ここでは、図４に示すようなファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサ２１を用いることができる。勿論、ファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサ２１に代えて、ファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）を設けるようにしてもよい。
【００２９】
以下、ファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサ２１について説明する。
【００３０】
このファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサ２１は、略筒状のひずみ受け部材２２を有している。このひずみ受け部材２２の一端である取付端２２ａに光ファイバ２０が挿入され、接着剤２３などによって取り付けられている。ひずみ受け部材２２は、外部のひずみに対応してひずみ変形可能な材料、例えば、合成樹脂によって形成されている。
【００３１】
また、光ファイバひずみセンサ２１の内部には、キャビティ長Ａを挟んで、第１のミラー２４と第２のミラー２５が対向するように配置されている。第１のミラー２４はハーフミラーであり、光ファイバ２０から入射するレーザ光Ｌの一部を反射面２４ａで反射し、一部を通過するようになっている。また、第２のミラー２５は、第１のミラー２４から入射したレーザ光Ｌを反射面２５ａで反射する。
【００３２】
このような構成することで、ファブリ・ペロ干渉計の原理により、キャビティ長Ａと、光反射による波長変調は比例する。このため、入射光と反射光の間の波長変調を検出することにより、キャビティ長Ａを測定することができる。キャビティ長Ａは、ひずみ受け部材２２のひずみ変化に応じて変化するので、キャビティ長Ａの変化を求めることにより、ひずみ値を計測することができる。
【００３３】
図５は本発明の第２実施例を示す外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置の全体図、図６はその外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において光ファイバひずみセンサが直列接続される場合のファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）の模式図である。
【００３４】
図５において、３１は回転軸、３２，３３は回転軸３１に複列に固定される内輪、３４，３５は自転及び公転を行う複列に配置される転動体、３６はハウジング（図示なし）に固定される外輪、３７，３８は外輪３６にそれぞれ配置される光ファイバひずみセンサ、３９は光ファイバひずみセンサ３７，３８に接続される光ファイバ、４０は光ファイバ３９が接続されるひずみ計測器、４１はひずみ計測器４０に接続されるＬＡＮ、４２はＬＡＮ４１によりひずみ計測器４０に接続されるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。
【００３５】
この第２実施例は、複列に配置される転動体３４，３５のそれぞれに光ファイバひずみセンサ３７，３８を配置した外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置である。つまり、回転軸３１と共に回転する内輪３２，３３と、自転と公転を行う転動体３４，３５が軸方向に複列に配置されている。外側にはハウジング（図示なし）に固定された外輪３６が配置されており、その外輪３６内に転動体３４，３５に対応して光ファイバひずみセンサ３７，３８を光ファイバ３９で直列に接続して複列に配置する。これらの光ファイバひずみセンサ３７，３８からの出力信号は、ロータリージョイントを経ることなく、光ファイバ３９によってひずみ計測器４０に出力される。このひずみ計測器４０にはＬＡＮ４１などを介してパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４２が接続されている。
【００３６】
ここでは、２個の光ファイバひずみセンサ３７，３８を複列に配置された転動体３４，３５に対応するように外輪３６内に並列に配置するようにしているので、上記した図４に示すようなファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサ２１を用いることができる。
【００３７】
しかしながら、光ファイバひずみセンサ３７と３８とを一体化し光ファイバで直列接続する場合には、図６に示すようなファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）５１が好適である。
【００３８】
以下、ＦＢＧセンサについて説明する。
【００３９】
図６（ａ）において、ＦＢＧセンサ５１の取付端５３が、光ファイバ５４の先端に光学的に接続されている。このＦＢＧセンサ５１のコア５６の中には、ｎ個のブラッグ回折格子Ｇ１〜Ｇｎが長手方向に適当な間隔で並ぶように構成されている。ＦＢＧセンサ５１のコア５６の左端と光ファイバ５４のコア５５の右端とは光学的に接続されている。このようなＦＢＧセンサ５１に、図６（ｂ）に示すような広い帯域の波長の成分を有するレーザー光Ｌ１を接続する光ファイバ５４から入射させると、この入射レーザー光Ｌ１はブラッグ回折格子Ｇ１〜Ｇｎの各々の配置間隔値と屈折率値に応じて定まる所定の波長λ0 〔図６（ｃ）参照〕を中心とした狭い帯域の波長λの成分を有するレーザー光として反射され、図６（ａ）に示すような反射レーザー光Ｌ２として、光ファイバ５４へ戻ってくる。ここで、ＦＢＧセンサ５１にひずみが発生すると、ブラッグ回折格子Ｇ１〜Ｇｎの各々の配置間隔値と屈折率値に変化が生じるので、反射レーザー光Ｌ２の波長帯域は、例えば、図６（ｃ）において破線で示すように変化し、帯域の中心波長であるブラッグ波長もλ0 からλ1 へと変化する。この変化を求めることにより、ＦＢＧセンサ５１のひずみの値を計測することができる。
【００４０】
このように、第２実施例では、複列に転動体を配置し、その転動体のそれぞれに対応するように光ファイバひずみセンサを外輪内に配置する。複列に配置した光ファイバひずみセンサを直列接続して単一の光ファイバで導出する場合には、ＦＢＧセンサを用いることにより、一本の光ケーブルで複数箇所のひずみセンサを接続できる利点がある。よって、複列の転動体を有する大型の転がり軸受の荷重分布を簡単な構成で計測することができる。
【００４１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定方法及びその装置は、簡単な構成で、精確な計測ができる転がり軸受の荷重分布測定のツールとして利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１実施例を示す外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置における光ファイバひずみセンサの取り付け部を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置の全体図である。
【図３】本発明にかかる外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置の光ファイバひずみセンサによるひずみ波形の模式図である。
【図４】本発明の第１実施例に適用されるファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサの模式図である。
【図５】本発明にかかる外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置の全体図である。
【図６】本発明の第２実施例を示す外輪へのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の荷重分布測定装置において光ファイバひずみセンサが直列接続される場合のＦＢＧセンサの模式図である。
【図７】従来の転がり軸受の荷重分布測定装置のひずみゲージの取り付け部を示す図である。
【図８】従来の転がり軸受の荷重分布測定装置の転動体内への光ファイバセンサの取り付け部を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１，３１    回転軸
２，３２，３３    内輪
３，３４，３５    転動体
４，３６    外輪
５    軸方向の細穴
６，３７，３８，５２    光ファイバひずみセンサ
７，２０，３９，５４    光ファイバ
８，４０    ひずみ計測器
９，４１    ＬＡＮ
１０，４２    パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１１    荷重
１２    荷重分布
２１    ファブリ・ペロ干渉型光ファイバひずみセンサ
２２    ひずみ受け部材
２２ａ    ひずみ受け部材の取付端
２３    接着剤
２４    第１のミラー
２４ａ，２５ａ    反射面
２５    第２のミラー
Ａ    キャビティ長
Ｌ    レーザー光
５１    ファイバ・ブラッグ・グレーティング方式光ファイバひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）
５３    光ファイバひずみセンサの取付端
５５    光ファイバのコア
５６    ＦＢＧセンサのコア
Ｇ１〜Ｇｎ    ブラッグ回折格子
Ｌ１    入射レーザー光
Ｌ２    反射レーザー光
【図１】
2009216665.tif 000003
【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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