JP5638313B2 - 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 - Google Patents

Description

本発明は、内輪が固定され外輪が回転して使用される転がり軸受における、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に係り、特に、転がり軸受の外輪内に光ファイバに装備されるひずみセンサ部を配置し、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。

図７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及びひずみセンサ部の取り付け部を示す図である。

この図において、１０１は回転軸、１０２は回転軸１０１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は転がり軸受の転動体１０３内に形成される細穴、１０７はその細穴１０５に挿入される光ファイバ、１０６は光ファイバ１０７内に装備されるひずみセンサ部である。

このように、転がり軸受の転動体１０３の軸中心に、放電加工により細穴１０５を設ける。その細穴１０５にひずみセンサ部１０６を装備する光ファイバ１０７を挿入し接着することにより、転動体１０３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１参照）。

特開２００７−１８３１０５号公報

しかしながら、上記した特許文献１に開示された転がり軸受の荷重分布測定方法では、自転及び公転を行う転動体１０３内にひずみセンサ部１０６を配置するようにしており、転がり軸受を回転させて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、転動体１０３の自転と公転にそれぞれ対応するための第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。

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。

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、内輪が固定され外輪が回転する転がり軸受であって、この転がり軸受の固定軸に前記内輪を固定し、前記外輪のひずみセンサ部が配置される位置の外側に、極力前記外輪の機械的強度を弱めずに前記外輪の円周方向のひずみを大きくし、前記ひずみセンサ部による精確な転がり軸受の荷重分布を求めるための切欠溝を、前記円周方向にわたって周回しないように形成し、切欠底に前記ひずみセンサ部が装備された光ファイバを挿入する円周方向の細溝を設け、前記内輪と前記外輪との間に転動体を備え、前記ひずみセンサ部からの出力信号を前記光ファイバで導出し、前記固定軸の軸方向に配置され回転するロータリージョイントを介してひずみ計測器に光ファイバを接続し、前記転がり軸受を回転させて前記ひずみセンサ部の位置を前記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。

〔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、内輪が固定され外輪が回転する転がり軸受であって、固定軸に固定される前記転がり軸受の内輪と、この外輪の外方における円周方向に切欠溝を形成し、切欠底に細溝を設け、該細溝に挿入される光ファイバと、この光ファイバに装備されるひずみセンサ部と、前記外輪の前記ひずみセンサ部が配置される位置の外側に、前記円周方向を周回しないように形成され、極力前記外輪の機械的強度を弱めずに前記外輪の円周方向のひずみを大きくし、前記ひずみセンサ部による精確な転がり軸受の荷重分布を求めるための切欠溝と、前記内輪と前記外輪との間に配置される転動体と、前記固定軸の軸方向に配置され回転するロータリージョイントと、このロータリージョイントを介して光ファイバにより接続されるひずみ計測器とを備え、前記転がり軸受を回転させて前記ひずみセンサ部の位置を前記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。

〔３〕上記〔２〕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、前記ひずみセンサ部としてファイバ・ブラッグ・グレーティング方式のひずみセンサ（ＦＢＧセンサ）を用いることを特徴とする。

〔４〕上記〔２〕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、前記ひずみセンサ部としてファブリ・ペロー干渉型のひずみセンサを用いることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成の測定装置で、精確な転がり軸受の荷重分布を求めることができる。

本発明の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ひずみセンサ部を装備した光ファイバの取り付け部を示す模式図である。 本発明の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。 本発明の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外輪の構成図である。 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装置のファイバ・ブラッグ・グレーティング方式のひずみセンサ部の模式図である。 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装置のファブリ・ペロー干渉型のひずみセンサ部の模式図である。 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によるひずみ分布を示す図である。 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及びひずみセンサ部の取り付け部を示す図である。

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、内輪が固定され外輪が回転する転がり軸受であって、この転がり軸受の固定軸に前記内輪を固定し、前記外輪のひずみセンサ部が配置される位置の外側に、極力前記外輪の機械的強度を弱めずに前記外輪の円周方向のひずみを大きくし、前記ひずみセンサ部による精確な転がり軸受の荷重分布を求めるための切欠溝を、前記円周方向にわたって周回しないように形成し、切欠底に前記ひずみセンサ部が装備された光ファイバを挿入する円周方向の細溝を設け、前記内輪と前記外輪との間に転動体を備え、前記ひずみセンサ部からの出力信号を前記光ファイバで導出し、前記固定軸の軸方向に配置され回転するロータリージョイントを介してひずみ計測器に光ファイバを接続し、前記転がり軸受を回転させて前記ひずみセンサ部の位置を前記転動体が通過する際のひずみを検出する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の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ひずみセンサ部を装備した光ファイバの取り付け部を示す模式図であり、図１（ａ）は全体構成図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部拡大図、図２はその転がり軸受の荷重分布測定装置の全体図、図３はそのひずみセンサ内蔵型転がり軸受の外輪の構成図であり、図３（ａ）はその円周方向断面図〔図３（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図〕、図３（ｂ）は外輪の外側から見た図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。

これらの図において、１は固定軸、２は固定軸１に固定される転がり軸受の内輪、３は自転と公転とを行う転動体、４は転動体３の外側に配置され回転する外輪、４Ｂは外輪４の細溝４Ａの外側に形成される、前記ひずみセンサ部による精確な転がり軸受の荷重分布を求めるための切欠溝、４Ａは外輪４の円周方向に形成される細溝、４Ａ′は光ファイバを外に出すために形成される光ファイバ取り出し用細穴、５は外輪４内の細溝４Ａに挿入される光ファイバ、５′はロータリージョイント９とひずみ計測器１１の間に配置される光ファイバ、６は光ファイバ５内に装備されるひずみセンサ部、７は外輪４と共に回転するハウジング、８はハウジング７に固定されてハウジング７と共に回転する、ロータリージョイント９を取り付ける回転治具、１０はロータリージョイント支持治具、１１はひずみ計測器、１２はＬＡＮケーブル、１３はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）、１４は荷重、１５は転がり軸受の荷重分布を示している。

図２に示すように、ひずみセンサ部６は、外輪４の軌道面近傍に円周方向に形成された細溝４Ａ内に円周方向に配置され、ロータリージョイント９を介して光ファイバ５′によってひずみ計測器１１に接続されている。このひずみ計測器１１にはＬＡＮケーブル１２などを介してＰＣ１３が接続されている。

このように構成することにより、外輪４に配置されたひずみセンサ部６からの出力信号を光ファイバ５を介して出力し、この計測された外輪４のひずみからひずみ計測器１１及びＰＣ１３により得られたひずみデータを適切に処理することにより転がり軸受の荷重を求め、その荷重分布１５を求めることができる。

なお、ひずみセンサ部６は、外輪４に単列に単独に配置すれば足りるので、ここでは、以下に示すようなファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）方式とすることができる。

図４は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装置のファイバ・ブラッグ・グレーティング方式のひずみセンサ部の模式図である。

図４（ａ）において、ＦＢＧセンサ２１の取付端２１ｂが、光ファイバ２２の先端に光学的に接続されている。このＦＢＧセンサ２１のコア２１ａ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２１のコア２１ａの左端と光ファイバ２２のコア２２ａ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２１に、図４（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を光ファイバ２２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４（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４（ａ）に示す反射レーザー光Ｌ２として光ファイバ２２へ戻ってくる。ここで、ＦＢＧセンサ２１にひずみが発生すると、ブラッグ回折格子Ｇ１〜Ｇｎ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４（ｃ）において破線で示すように、帯域の中心波長であるブラッグ波長が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２１のひずみの値を計測することができる。

また、ＦＢＧセンサに代えて、ファブリ・ペロー干渉型のひずみセンサを用いるようにしてもよい。

図５は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装置のファブリ・ペロー干渉型のひずみセンサを用いたひずみセンサ部の模式図である。

ファブリ・ペロー干渉型のひずみセンサ３１は、図５に示すように、略筒状のひずみ受け部材３２を有している。このひずみ受け部材３２の一端である取付端３２ａに光ファイバ３０が挿入され、接着剤３３などによって取り付けられている。略筒状のひずみ受け部材３２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。

また、ファブリ・ペロー干渉型のひずみセンサ３１の内部には、キャビティ長Ｄを挟んで、第１のミラー３４と第２のミラー３５が対向するように配置されている。第１のミラー３４はハーフミラーであり、光ファイバ３０から入射するレーザー光Ｌの一部を反射面３４ａで反射し、一部を通過させるようになっている。また、第２のミラー３５は全反射ミラーであり、第１のミラー３４を通過して入射したレーザー光を反射面３５ａで反射する。

このような構成のファブリ・ペロー干渉型のひずみセンサ３１において、ファブリ・ペロー干渉計の原理により、キャビティ長Ｄ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Ｄを測定することができる。キャビティ長Ｄは、略筒状のひずみ受け部材３２のひずみ変化に応じて変化するので、キャビティ長Ｄ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。

さらに、図示しないが、転動体を複列に配置し、その外輪のそれぞれにひずみセンサ部としてＦＢＧセンサあるいはファブリ・ペロー干渉型のひずみセンサを配置することにより、複数本の光ファイバで複数箇所のひずみの計測を行うように構成することもできる。

図６は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装置によって測定されるひずみ分布を示す図であり、図６（ａ）は外輪１回転目のひずみ分布を示す図、図６（ｂ）は外輪２回転目のひずみ分布を示す図、同様にある回転数まで順次回数を重ねて、図６（ｃ）は全ての測定値を重ね合わせたひずみ分布を示す図、図６（ｄ）はデータ処理を行って得られた転動体荷重分布を示す図である。なお、図６（ａ）〜図６（ｃ）における横軸は角度（転動体位置）、縦軸はひずみを示し、図６（ｄ）における横軸は角度（転動体位置）、縦軸は転動体荷重を示している。

これらの図に示すように、本発明によれば、転がり軸受の荷重分布を測定することができる。

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。

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。

１ 固定軸
２ 内輪
３ 転動体
４ 外輪
４Ａ 細溝
４Ａ′ 光ファイバ取り出し用細穴
４Ｂ 切欠溝
５，５′，２２，３２ 光ファイバ
６ ひずみセンサ部
７ ハウジング
８ 回転治具
９ ロータリージョイント
１０ ロータリージョイント支持治具
１１ ひずみ計測器
１２ ＬＡＮケーブル
１３ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１４ 荷重
１５ 転がり軸受の荷重分布
２１ ＦＢＧセンサ
２１ａ ＦＢＧセンサのコア
２１ｂ ＦＢＧセンサの取付端
２２ａ 光ファイバのコア
３１ ファブリ・ペロー干渉型のひずみセンサ
３２ ひずみ受け部材
３２ａ ひずみ受け部材の取付端
３３ 接着剤
３４ 第１のミラー（ハーフミラー）
３４ａ 第１のミラーの反射面
３５ 第２のミラー
３５ａ 第２のミラーの反射面
Ｄ キャビティ長
Ｇ１〜Ｇｎ ｎ個のブラッグ回折格子
Ｌ レーザー光
Ｌ１ 入射レーザー光
Ｌ２ 反射レーザー光

Claims (4)

1. 内輪が固定され外輪が回転する転がり軸受であって、該転がり軸受の固定軸に前記内輪を固定し、前記外輪のひずみセンサ部が配置される位置の外側に、極力前記外輪の機械的強度を弱めずに前記外輪の円周方向のひずみを大きくし、前記ひずみセンサ部による精確な転がり軸受の荷重分布を求めるための切欠溝を、前記円周方向にわたって周回しないように形成し、切欠底に前記ひずみセンサ部が装備された光ファイバを挿入する円周方向の細溝を設け、前記内輪と前記外輪との間に転動体を備え、前記ひずみセンサ部からの出力信号を前記光ファイバで導出し、前記固定軸の軸方向に配置され回転するロータリージョイントを介してひずみ計測器に光ファイバを接続し、前記転がり軸受を回転させて前記ひずみセンサ部の位置を前記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。
2. 内輪が固定され外輪が回転する転がり軸受であって、
   （ａ）固定軸に固定される前記転がり軸受の内輪と、
   （ｂ）該外輪の外方における円周方向に切欠溝を形成し、切欠底に細溝を設け、該細溝に挿入される光ファイバと、
   （ｃ）該光ファイバに装備されるひずみセンサ部と、
   （ｄ）前記外輪の前記ひずみセンサ部が配置される位置の外側に、前記円周方向を周回しないように形成され、極力前記外輪の機械的強度を弱めずに前記外輪の円周方向のひずみを大きくし、前記ひずみセンサ部による精確な転がり軸受の荷重分布を求めるための切欠溝と、
   （ｅ）前記内輪と前記外輪との間に配置される転動体と、
   （ｆ）前記固定軸の軸方向に配置され回転するロータリージョイントと、
   （ｇ）該ロータリージョイントを介して光ファイバにより接続されるひずみ計測器とを備え、
   （ｈ）前記転がり軸受を回転させて前記ひずみセンサ部の位置を前記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。
3. 請求項２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、前記ひずみセンサ部としてファイバ・ブラッグ・グレーティング方式のひずみセンサ（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。
4. 請求項２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、前記ひずみセンサ部としてファブリ・ペロー干渉型のひずみ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。