荷重センサ付き軸受装置及び工作機械の主軸装置並びに工作機械
【課題】回転軸に作用するアキシャル荷重を、コンパクトなセンサによって精度良く測定することができる荷重センサ付き軸受装置及び工作機械の主軸装置並びに工作機械を提供する。
【解決手段】アンギュラ玉軸受２０と、エンコーダ３１及びこのエンコーダ３１の被検出面に対向配置されるセンサ３２からなるセンサユニット３０を備える荷重セン
サ付き軸受装置１０であって、センサユニット３０のエンコーダ３１が内輪１２に設けられると共に、センサ３２が外輪１１に設けられる。エンコーダ３１の被検出面は、円周方向に関して変化する特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成する。
【解決手段】アンギュラ玉軸受２０と、エンコーダ３１及びこのエンコーダ３１の被検出面に対向配置されるセンサ３２からなるセンサユニット３０を備える荷重セン
サ付き軸受装置１０であって、センサユニット３０のエンコーダ３１が内輪１２に設けられると共に、センサ３２が外輪１１に設けられる。エンコーダ３１の被検出面は、円周方向に関して変化する特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重センサ付き軸受装置及び工作機械の主軸装置並びに工作機械に関し、より詳細には、工作機械の主軸等の回転軸に作用するアキシャル荷重を測定可能な荷重センサ付き軸受装置及び工作機械の主軸装置並びに工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転軸に作用するアキシャル荷重、例えば、工作機械の主軸に作用するアキシャル荷重を測定することは、大きなメリットを有する。即ち、工作機械の主軸に働くアキシャル荷重は、加工精度、加工効率、工具寿命等に与える影響が大きい重要なパラメータである。従って、アキシャル荷重を知ることにより適正な加工条件の選定が可能となる。例えば、加工条件は、一般的に工具の回転数や、送り速度によって決められているが、摩擦や、加工によって発生する熱等の制御し難い要因の影響も受けるので、回転数や送り速度を一定に設定しても、常に同じ加工精度が得られることはない。加工面の変化に対応する切削荷重（即ち、主軸のアキシャル荷重）を新たなパラメータとして考慮することで、より厳密な加工条件の選定が可能となり、加工精度の向上が期待される。
【０００３】
具体的には、切り屑排出量が同じであれば、切削荷重の小さい加工条件の方が効率的な加工条件であり、省エネルギ、工具寿命の延長に有利となる。また、切削荷重の増加から、工具の切削性（切れ味）の低下や、刃先摩耗等の発生を推測することができ、工具寿命や、工具交換時期を知ることが可能となる。更に、切削荷重の変化の履歴を管理することによって、無理な切削加工条件や工具とワークとの衝突（衝撃荷重）等の軸受損傷要因を推定することができ、また把握した工具の寿命特性から工具の改良、改善が可能となる。
【０００４】
上記したように、工作機械において切削荷重を知ることは重要である。しかし、工具が回転するタイプの工作機械（工具回転型工作機械）において、工具や回転軸に作用する荷重を検出することは、工具が回転しないタイプの工作機械（工具非回転型工作機械）と比較して困難が伴う。
【０００５】
工作機械の主軸にかかる荷重を検出することができる従来の装置としては、主軸先端部に軸受型センサを配置した工作機械主軸の荷重検出装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の軸受型センサは、ハウジングと主軸間に転がり軸受を配置し、外輪外周に貼付した歪みゲージによって、軸受の転動体が歪みゲージの位置を通過する度に発生する歪みを検出して主軸に加わる荷重の大きさを検出している。
【０００６】
また、転がり軸受の回転輪にエンコーダを装着すると共に、固定輪にセンサを取り付けて回転輪の回転速度を検出するようにしたエンコーダ装置及びこれを備えた転がり軸受が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
さらに、軸受ユニットのハブに配置したエンコーダと、このエンコーダの被検出面に近接対向させたセンサとにより、外輪とハブ間に加わる荷重を求めるようにした荷重測定装置付転がり軸受ユニットが知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２５２０３７０号公報
【特許文献２】特開平１０−１３２６０３号公報
【特許文献３】特開２００６−３１７４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示されている工作機械主軸の荷重検出装置は、軸受の内輪に働く力を、転動体及び軸受外輪を介して間接的に検出する装置であり、回転に伴う発生熱等のように不規則に発生して外輪に作用する外乱（ノイズ）を除去することが困難であり、精度良く荷重を検出することができない問題点があった。また、センサがハウジングの前面側に突出配置されているので、スピンドルの軸長が長くなるばかりでなく、センサ設置のための専用スペースを必要とする問題点があった。
【００１０】
また、特許文献２に記載のエンコーダ装置及びこれを備えた転がり軸受は、高温の条件下において測定対象である高速の回転速度を検出することを目的とした装置であり、回転軸に作用するアキシャル荷重の測定を目的とする本発明とは異なる技術である。
【００１１】
さらに、特許文献３に記載の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、軸受ユニットのハブにエンコーダを固定すると共に、このエンコーダの被検出面に検出部を近接対向させたセンサを外輪に配置し、検出部の出力信号の変化から外輪とハブとの間に加わる荷重を求めるものであり、ハブ以外への適用について具体的構成が記載されておらず、また、工作機械の主軸への適用についても言及されているが、これについても具体的構成が記載されていない。
【００１２】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転軸に作用するアキシャル荷重を、コンパクトなセンサユニットによって精度良く測定することができる荷重センサ付き軸受装置及び工作機械の主軸装置並びに工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成することを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
（２） 前記センサは、前記静止側軌道輪に設けられることを特徴とする（１）に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（３） 前記センサは、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられることを特徴とする（１）に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（４） 前記センサは、前記静止部材に設けられ、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に形成された貫通孔から延出して、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されることを特徴とする（１）に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（５） 静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成し、
前記センサは、前記静止側軌道輪に設けられることを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
（６） 静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成し、
前記センサは、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられることを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
（７） 前記軸受の側方には、前記回転部材の軸方向位置を位置決めするように前記軸受と組合せにて配置される他の軸受をさらに備え、
前記軸受のセンサユニットは、前記軸受の転動体と前記他の軸受の転動体との軸方向中間位置に位置するように、前記他の軸受に隣接して配置されることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の荷重センサ付き軸受装置。
（８） 前記エンコーダの被検出面に、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分より成る複数の被検出用組み合わせ部を、円周方向に亙り等間隔で配置しており、これら各被検出用組み合わせ部を構成する１対ずつの個性化部分同士の円周方向に関する間隔は、総ての被検出用組み合わせ部で軸方向に関して同じ方向に連続的に変化していることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（９） 前記エンコーダの被検出面には、互いに異なる特性を有する第一被検出部と第二被検出部とが円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置されており、前記両被検出部の円周方向に関する幅のうち、第一被検出部の幅は軸方向一端側程広く、第二被検出部の幅は軸方向他端側程広いことを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（１０） 前記エンコーダが磁性材製で、前記センサが前記エンコーダの被検出面の磁気特性の変化に対応して出力信号を変化させるものであり、前記エンコーダの軸方向両端部に、第一、第二両被検出部同士の回転方向に関するピッチが軸方向に関して変化しない平行部が存在することを特徴とする（９）に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（１１） （１）〜（１０）のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置を備え、
前記回転部材である主軸のアキシャル荷重が測定可能であることを特徴とする工作機械の主軸装置。
（１２） （１１）に記載の主軸装置を備えたことを特徴とする工作機械。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の荷重センサ付き軸受装置によれば、被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、被検出面に対向配置されて特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットを備え、エンコーダが、回転側軌道輪に設けられて一体化されているので、測定精度が向上するとともに、取扱い性のよい構成となる。
【００１５】
また、エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成するので、センサを一つの磁気センサのみによって構成することができる。これにより、センサユニットのコスト低減が図られると共に、センサ、及びエンコーダの軸方向幅も狭くすることができる。
【００１６】
また、センサが静止側軌道輪に設けられているので、軸受とセンサとが一体化されており、取扱い性がさらに向上すると共に、省スペース化を図ることができる。あるいはセンサが静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられているので、軸受とセンサとを個別に修理、交換可能となる。
【００１７】
また、センサが静止部材に設けられ、静止側間座に形成された貫通孔から延出して、エンコーダの被検出面に対向配置されるので、新たな専用スペースを設けることなく大きなセンサを使用することができる。
【００１８】
また、本発明の他の荷重センサ付き軸受装置によれば、エンコーダは、回転側軌道輪の側方に配置されて回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、センサは、静止側軌道輪に設けられるので、軸受とエンコーダとが個別に修理、交換可能であり、また、センサが軸受と一体化されるので、取り扱い性が良好となる。
【００１９】
また、本発明のさらに他の荷重センサ付き軸受装置によれば、エンコーダは、回転側軌道輪の側方に配置されて回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、センサは、静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられるので、軸受とエンコーダとセンサとが個別に修理、交換可能である。
【００２０】
また、軸受の側方には、回転部材の軸方向位置を位置決めするように軸受と組合せにて配置される他の軸受をさらに備え、軸受のセンサユニットは、軸受の転動体と他の軸受の転動体との軸方向中間位置に位置するように、他の軸受に隣接して配置されるので、回転部材の伸縮による軸方向移動がない位置で測定することができ、回転部材の伸縮による測定精度への影響が抑制され、回転部材の熱変形の影響を受けることなく、精度のよい荷重測定が可能となる。
【００２１】
更に、エンコーダは、第一被検出部、及び第二被検出部が円周方向に交互に、且つその境界がエンコーダの軸方向中間部を境にして互いに逆方向に傾斜して配置された被検出面を備え、センサは、第一被検出部、及び第二被検出部にそれぞれ対向配置された一対の検出部を備えるので、回転部材に作用するアキシャル荷重の変動に伴って回転側軌道輪がアキシャル方向にずれると、被検出面（第一、及び第二被検出部）と一対の検出部との位置が相対的に変化し、両検出部の出力信号に位相ずれが生じる。従って、センサは、この位相ずれの大きさからアキシャル荷重の大きさを直接求めることができる。
【００２２】
また、エンコーダの被検出面に、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分より成る複数の被検出用組み合わせ部を、円周方向に亙り等間隔で配置しており、これら各被検出用組み合わせ部を構成する１対ずつの個性化部分同士の円周方向に関する間隔は、総ての被検出用組み合わせ部で軸方向に関して同じ方向に連続的に変化している。この様に構成した場合には、回転部材に作用するアキシャル荷重の変動に伴って回転側軌道輪がアキシャル方向にずれると、被検出面と検出部との位置が相対的に変化し、検出部の出力信号に軸方向位置のずれが生じる。従って、センサは、この軸方向位置のずれからアキシャル荷重の方向及び大きさを直接求めることができる。
即ち、アキシャル荷重を求めるためには、必ずしも相対変位量を求める必要はなく、演算部に、センサの出力信号に基づいて、アキシャル荷重の大きさを直接（上記相対変位量を求める過程を経る事なく）算出する機能を持たせることができる。
【００２３】
さらに、エンコーダの被検出面には、互いに異なる特性を有する第一被検出部と第二被検出部とが円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置されており、両被検出部の円周方向に関する幅のうち、第一被検出部の幅は軸方向一端側程広く、第二被検出部の幅は軸方向他端側程広い。この様な構成を採用した場合にも、回転部材に作用するアキシャル荷重の変動に伴って回転側軌道輪がアキシャル方向にずれると、被検出面と検出部との位置が相対的に変化し、検出部の出力信号に軸方向位置のずれが生じる。従って、センサは、この軸方向位置のずれからアキシャル荷重の方向及び大きさを直接求めることができる。
【００２４】
また、工作機械の主軸装置や工作機械が上記の荷重センサ付き軸受装置を備えるので、切削時に主軸に作用するアキシャル荷重の測定が可能となり、このアキシャル荷重を加工条件の新たなパラメータとして考慮することで、より厳密な加工条件の選定が可能となり、加工精度を向上させることができる。更には、工具寿命、工具交換時期、及び軸受損傷要因の推測や、工具の改良、改善が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図２】（ａ）は図１に示すエンコーダの正面図であり、（ｂ）はその斜視図である。
【図３】（ａ）は図１に示すセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図４】（ａ）は図１に示すセンサ取付穴が設けられた静止側軌道輪の斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図５】（ａ）は図４に示すセンサ取付穴に図３に示すセンサが取り付けられた状態を示す斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図６】図１に示すVI−VI線に沿った断面図である。
【図７】図１に示す荷重センサ付き軸受装置のアキシャル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図である。
【図８】第１実施形態の変形例の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図９】第２実施形態のエンコーダの斜視図である。
【図１０】（ａ）は、エンコーダに対する検出部の位置を示し、（ｂ）〜（ｄ）は、図９に示す主軸装置のアキシャル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図である。
【図１１】第２実施形態の変形例のエンコーダの斜視図である。
【図１２】（ａ）は、図１１に示すエンコーダに対する検出部の位置を示し、（ｂ）〜（ｄ）は、図１１に示す主軸装置のアキシャル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図である。
【図１３】（ａ）は第３実施形態のエンコーダの正面図であり、（ｂ）はその斜視図である。
【図１４】第３実施形態のエンコーダの外周面から見た展開図である。
【図１５】第３実施形態の変形例に係るエンコーダの斜視図である。
【図１６】第３実施形態の他の変形例に係るエンコーダの斜視図である。
【図１７】（ａ）は第４実施形態のセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図１８】（ａ）は第５実施形態のセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図１９】図１８に示す第５実施形態のセンサが取り付けられるセンサ取付穴が設けられた静止側軌道輪の斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図２０】（ａ）は静止側軌道輪に取り付けられた第５実施形態のセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図２１】第６実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置の断面図である。
【図２２】第６実施形態の変形例の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図２３】第７実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図２４】第８実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図２５】第９実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図２６】第１０実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置の要部断面図である。
【図２７】本実施形態の主軸装置が適用される門形マシニングセンタの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る荷重センサ付き軸受装置の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は本発明に係る第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、静止側軌道輪である外輪１１と、回転側軌道輪である内輪１２と、静止側軌道である外輪軌道溝１１ａ及び回転側軌道である内輪軌道溝１２ａ間に接触角を持って配置され、保持器１４によって回動自在に保持された転動体としての複数の玉１３と、を備えるアンギュラ玉軸受２０を有する。アンギュラ玉軸受２０の外輪１１は、静止部材であるハウジング（図示せず）に内嵌・固定され、内輪１２は回転部材である回転軸（図示せず）に嵌合固定される。
【００２８】
アンギュラ玉軸受２０の軸方向一端側（図１において右側）には、エンコーダ３１及びセンサ３２を備えたセンサユニット３０が配置されている。即ち、エンコーダ３１が、内輪１２の一端側の外周面にリング状に形成され、センサ３２が、エンコーダ３１に対向して外輪１１に形成されたセンサ取付穴１５に取り付けられている。
【００２９】
エンコーダ３１は、図２に示すように、磁性金属部材である内輪１２の内輪軌道溝１２ａの軸方向側方の外周面に、複数の被検出用組み合わせ部３３、３３を、円周方向に亙り等間隔で配置している。これら各被検出用組み合わせ部３３、３３は、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分３４、３４により構成している。この様な各個性化部分３４、３４として本実施形態の場合には、長尺の溝を採用している。
【００３０】
各被検出用組み合わせ部３３、３３を構成する１対ずつの個性化部分３４、３４同士の円周方向に関する間隔は、総ての被検出用組み合わせ部３３、３３で軸方向に関して同じ方向に連続的に変化させる。即ち、各被検出用組み合わせ部３３、３３を構成する１対ずつの個性化部分３４、３４同士の円周方向に関する間隔が、エンコーダ３１の軸方向一端（図２（ａ）の右側）程小さくなり、円周方向に隣り合う各被検出用組み合わせ部３３、３３を構成する個性化部分３４、３４同士の円周方向に関する間隔が、エンコーダ３１の軸方向他端（図２（ａ）の左側）程小さくなる方向に傾斜している。このエンコーダ３１は、後述するセンサ３２と共にセンサユニット３０を構成する。
なお、エンコーダ３１は、内輪１２の外周面を加工して複数の被検出用組み合わせ部３３を形成することで、内輪１２と一体に形成されているが、内輪１２に小径部を形成し、この小径部に複数の被検出用組み合わせ部３３が形成されたリング状部材を外嵌することで一体化するようにしてもよい。
【００３１】
センサ３２は、図３に示すように、検出部である磁気センサ３６を内蔵し、大径部３２ａ及び小径部３２ｂからなる段付円筒状に形成されている。大径部３２ａの上面には、Ｕ字溝３２ｃが形成されている。Ｕ字溝３２ｃには、長円形状の固定治具３８の一端が嵌合する。また、大径部３２ａの側面から検出信号を演算装置１５０（図２１参照）に出力する信号線３７が導出されている。
【００３２】
なお、磁気センサ３６の構造は、永久磁石を組み込んだものであれば、特にその形式を問わない。即ち、この永久磁石から出る磁束の流れを導くポールピースの周囲にコイルを巻回して成る、所謂パッシブ型のものであっても、磁束の密度に応じて特性を変化させる磁気検出素子を組み込んだ、所謂アクティブ型のものであっても使用される。また、本実施形態のセンサ３２としては、被検出用組み合わせ部３３の溝のエッジを検出可能なものであればよく、光学センサ等が使用されてもよい。
【００３３】
また、センサ３２は、有線式センサ、無線式センサ、いずれの方式のセンサも使用可能であり、特に、限定されない。例えば、有線式センサの場合、センサとコードが一体に接続されるコード一体型センサ、あるいはソケット式コネクタやマグネット式コネクタでセンサとコードが接続されるコネクタ接続型センサが使用可能である。
【００３４】
図４に示すように、外輪１１に設けられたセンサ取付穴１５は、一端側が外輪１１の側面に開放されたＵ字穴１５ａと、Ｕ字穴１５ａの底部側でＵ字穴１５ａの溝幅より大きな直径を有するざぐり穴１５ｂとから構成された段付き穴である。更に、外輪１１の外周面には、一端がざぐり穴１５ｂに連続するＵ字溝１５ｃが形成されている。Ｕ字溝１５ｃには、センサ３２を固定するための雌ねじ穴４０が設けられている。
【００３５】
図５に示すように、センサ３２は、センサ取付穴１５に挿入した後、固定治具３８をセンサ３２のＵ字溝３２ｃ、及び外輪１１のＵ字溝１５ｃに嵌合させてねじ４１で固定することで外輪１１に組み付けられる。センサ３２の信号線３７は、Ｕ字穴１５ａから外部に導出されて演算装置（図示せず）に接続される。
【００３６】
これにより、センサ３２の先端に設けられた磁気センサ３６は、内輪１２に固定されたエンコーダ３１の被検出面に対向して、所定の位置に位置決めされる。即ち、エンコーダ３１とセンサ３２とは、磁気センサ３６が被検出面の軸方向中間部Ｐ（図２参照。）に位置する。
【００３７】
なお、外輪１１には、図６に示すように、このセンサ取付穴１５と一対のノズル穴３５が径方向に貫通して設けられている。一対のノズル穴３５には、それぞれ給油ノズル（図示せず）が配置されており、潤滑装置から供給された潤滑油が、給油ノズルのノズルからアンギュラ玉軸受２０に向けて吐出されて潤滑する。ノズル穴３５は、軸方向において外輪１１に形成されたセンサ取付穴１５と略同一位置、且つ円周方向位相が異なる位置に設けられている。
【００３８】
センサ取付穴１５を、ノズル穴３５と軸方向略同一位置に配置することにより、センサ３２を配置するための専用スペースが不要となり、小型化が可能となる。尚、ノズル穴３５（給油ノズル）とセンサ取付穴１５（センサ３２）との円周方向位相は、特に限定されず任意に設定することができる。また、潤滑方式は、オイルエア潤滑、オイルミスト潤滑、直噴潤滑、グリース潤滑等のいずれであってもよい。また、運転中の潤滑剤の供給を必要としない潤滑方法で使用される場合は、ノズル穴などの潤滑剤供給スペースは必要ない。
【００３９】
第１実施形態のセンサユニット３０の作用を、図７に基づいて説明する。この様なエンコーダ３１の被検出面である外周面にその検出部を対向させたセンサ３２の出力信号は、各個性化部分３４、３４に対向する瞬間に変化する。そして、変化する間隔（周期）は、センサ３２の検出部が対向する部分の軸方向位置の変化に伴って変化する。例えば、内輪１２にアキシャル荷重が作用していない場合、センサ３２の検出部は、仮想線αで示した、被検出面の中央部を走査し、出力信号は、図７（ｃ）に示す様に変化する。
【００４０】
ここで、回転軸、即ち内輪１２に、図７（ａ）において下向き（内輪軌道溝１２ａ側からエンコーダ３１側への向き）のアキシャル荷重が作用すると、エンコーダ３１に対する検出部の位置は、図７（ａ）に示す仮想線β上に移動し、出力信号は、図７（ｂ）に示す様に変化する。
【００４１】
また、内輪１２に上向き（エンコーダ３１側から内輪軌道溝１２ａ側への向き）のアキシャル荷重が作用すると、検出部の位置が図７（ａ）に示す仮想線γ上に移動し、出力信号は、図７（ｄ）に示す様に変化する。
【００４２】
上記したように、磁気センサ３６の出力信号は、内輪１２に作用するアキシャル荷重の方向に応じて、また、アキシャル荷重の大きさに比例して変化する。従って、アンギュラ玉軸受２０の剛性（ばね定数）を予め測定あるいは計算して、アキシャル荷重の大きさと内輪１２（回転軸）の変位量との関係を求めておけば、磁気センサ３６からの出力信号のパターンに基づいて、回転軸に作用するアキシャル荷重の方向及び大きさが、演算装置１５０によって求められる。
【００４３】
また、センサユニット３０は、エンコーダ３１とセンサ３２とから構成されるので、アキシャル荷重だけでなく、同時に回転軸の回転数も検出することができるマルチセンサとして機能する。
【００４４】
上記したように、第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２にエンコーダ３１が装着され、外輪１１にセンサ３２が取り付けられて、アンギュラ玉軸受２０とセンサユニット３０とが一体となっている。このように一体型とすることによって、取扱い性が大幅に向上し、また、内輪１２に作用する荷重を直接測定して、高精度での検出が可能となる。
【００４５】
また、本実施形態では、エンコーダ３１の被検出面は、円周方向に関して変化する特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成しており、センサ３２を一つの磁気センサ３６のみによって構成することができる。これにより、センサユニットのコスト低減が図られると共に、センサ３２、及びエンコーダ３１を構成する内輪１２の軸方向幅も狭くすることができる。これにより、軸受装置１０の軸方向長さも短くすることができ、軸受装置１０を工作機械用主軸装置に適用した場合の主軸装置の軸長を短くすることができる。特に、５軸加工機などでスピンドル軸が旋回する（例えば、±１２０°前後で旋回）方式の工作機械の場合、スピンドル軸長が短くなれば、旋回半径を小さくすることができ、工作機械全体の省スペース化や加工スペースを確保でき、３次元加工を行う場合など、軸受装置１０の動作が容易となり、加工プログラム作成の容易性や加工性が向上できるメリットがある。
【００４６】
図８は、第１実施形態の変形例に係る荷重センサ付き軸受装置を示す。このアンギュラ玉軸受２０は、玉１３とセンサユニット３０との間に配置されたシール１６ａとアンギュラ玉軸受２０の開放側端部（図８において左側端部）に配置されたシール１６ｂとによって軸受空間を密封している。
【００４７】
グリース潤滑される軸受では、使用用途に合わせて適量のグリースが封入されるが、長期間の使用等によってグリース量が不足すると軸受寿命に大きな影響を及ぼす虞がある。このため、このようなシール１６ａ，１６ｂを有するアンギュラ玉軸受２０は、グリース潤滑される場合に好適に使用される。
【００４８】
シール１６ａの装着位置は、玉１３とセンサユニット３０との間に限定されず、センサ側端部（図８において右側端部）であってもよい。また、必要に応じて、いずれか一方にのみ設けることもでき、更には、グリース漏れが許容可能であれば、シール１６ａ，１６ｂを設けなくてもよい。
なお、以下に説明する各実施形態において、グリース潤滑されるアンギュラ玉軸受２０が用いられる場合には、上記したシール１６ａ，１６ｂが同様に使用されてもよい。
【００４９】
（第２実施形態）
図９は本発明の第２実施形態に係るエンコーダの斜視図である。第２実施形態のエンコーダ３１は、磁性金属部材からなる内輪１２の外周面に、互いに異なる特性を有する第１被検出部である凸部９３と第２被検出部である凹部９４とが円周方向に関して交互に且つ等間隔に形成されている。凸部９３及び凹部９４は、台形若しくは倒立台形に形成されており、凸部９３の幅は、軸方向一端（図９の左下側）側程広く、凹部９４の幅は、軸方向他端（図９の右上側）側程広い。
【００５０】
本実施形態のエンコーダ３１は、内輪１２（回転軸）にアキシャル荷重が作用していない状態では、センサ３２の磁気センサ３６は、図１０（ａ）に示す仮想線α上に位置している。従って、磁気センサ３６の出力信号（デューティー比）は、図１０（ｃ）に示す様に変化する。
【００５１】
ここで、回転軸、即ち内輪１２に、図１０（ａ）において下向き（エンコーダ３１側から内輪軌道溝１２ａ側への向き）のアキシャル荷重が作用すると、エンコーダ３１の軸方向位置が内輪１２と共に下方に移動する。これにより、エンコーダ３１に対する磁気センサ３６の位置が、図１０（ａ）に示す仮想線β上に移動し、磁気センサ３６の出力信号（デューティー比）は、図１０（ｂ）に示すように変化する。
【００５２】
また、内輪１２に、図１０（ａ）において上向き（内輪軌道溝１２ａ側からエンコーダ３１側への向き）のアキシャル荷重が作用すると、エンコーダ３１の軸方向位置が内輪１２と共に上方に移動して、エンコーダ３１に対する磁気センサ３６の位置が、図１０（ａ）に示す仮想線γ上に移動し、磁気センサ３６の出力信号（デューティー比）は、図１０（ｄ）に示すように変化する。従って、検出部からの出力信号（デューティー比）に基づいて、回転軸に作用するアキシャル荷重の方向及び大きさが演算装置１５０によって求められる。
なお、その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００５３】
図１１は本発明の第２実施形態の変形例に係るエンコーダの斜視図である。このエンコーダ３１では、その外周面に形成した凸部９３、９３と凹部９４、９４との形状を工夫する事により、センサ３２の出力信号を安定させるものである。即ち、本実施例の場合には、各凸部９３、９３及び凹部９４、９４の軸方向両端部を、それぞれエンコーダ３１の円周方向に関する幅寸法がこのエンコーダ３１の軸方向に関して変化しない、平行部９３ａ，９３ｂ、９４ａ，９４ｂとしている。従って、エンコーダ３１の被検出面である外周面の特性が円周方向に関して変化するピッチは、この外周面の軸方向中間部では、軸方向位置により変動するが、軸方向両端部では軸方向位置に拘らず変動しない。
【００５４】
本変形例の場合に、各平行部９３ａ、９３ｂ、９４ａ、９４ｂを設ける事で、センサ３２の出力信号を安定させられる理由は、次の通りである。前述した通り、エンコーダとして磁性材製で被検出面に凹凸部を形成したものを使用する事により、永久磁石製のエンコーダに比べて被検出面の特性変化のピッチを高精度にできる。但し、上述した実施形態の場合には、この特性変化のピッチを短くすべく、凹部と凸部との間隔を短くすると、センサの検出部がエンコーダの被検出面の幅方向両端部（軸方向両端部）近傍に対向する状態で、これら検出部と被検出面との間を流れる磁束の流れが不安定になり、上記センサの出力が不安定になり易い。例えば、図９に示したエンコーダ３１で、凸部９３、９３と凹部９４、９４とのピッチを短くした場合、円周方向に隣り合う台形の凸部９３、９３の底辺同士が近接する。特に、エンコーダ３１とセンサ３２とが軸方向に大きくずれた場合でも回転軸の回転速度検出を可能とすべく、これらエンコーダ３１とセンサ３２との間で許容される軸方向に関する相対変位量を確保する為に、台形形状の高さ寸法を大きくした場合に、上述の様に円周方向に隣り合う台形の凸部９３、９３の底辺同士が近接する傾向が著しくなる。
【００５５】
これに対して本変形例の場合には、各平行部９３ａ、９３ｂ、９４ａ、９４ｂを設ける事に伴って、円周方向に隣り合う台形の凸部９３、９３の底辺同士が過度に近接する事を防止できる。そして、センサ３２の検出部がエンコーダ３１の外周面の軸方向端部で凸部９３、９３の底辺に対応する部分に対向した場合でも、センサ３２の検出部とエンコーダ３１の被検出面との間を流れる磁束の流れを安定させて、センサ３２の出力を安定させる事ができる。また、エンコーダ３１とセンサ３２との軸方向の変位量が多少大きくなっても、センサ３２による、回転軸の回転速度検出を行なえる。
【００５６】
尚、各平行部９３ａ、９３ｂ、９４ａ、９４ｂの円周方向両側縁の形状は、直線としているが、この部分の形状は必ずしも直線でなくても良い。例えば、センサ３２の感度や感受範囲（スポット径）によって、軸方向に対し多少傾斜させたり、曲率半径の大きな円弧状にする事もできる。又、エンコーダ３１と組み合わせるセンサ３２の構造は、永久磁石を組み込んだものであれば、特にその型式を問わない。即ち、この永久磁石から出る磁束の流れを導くポールピースの周囲にコイルを巻回して成る、所謂パッシブ型のものであっても、磁束の密度に応じて特性を変化させる磁気検出素子を組み込んだ、所謂アクティブ型のものであっても使用できる。但し、図１２に示す様に、センサ３２の検出部がエンコーダ３１の軸方向中間部に対向した状態で、このエンコーダ３１の外周面に存在する各凸部９３、９３及び凹部９４、９４の、回転方向に関する長さ寸法の比率をセンシングする必要上、センサ３２のスポット径は小さい方が、この比率を高精度で求める面から好ましい。
【００５７】
（第３実施形態）
図１３（ａ）は、本発明に係る第３実施形態のエンコーダ（内輪）の正面図であり、（ｂ）はその斜視図、図１４はその外周側から見た展開図である。
本実施形態の内輪１２は、第１実施形態の内輪１２（図２）の外周面において、エンコーダ３１の軸方向両側第１の溝部１２ｂと第２の溝部１２ｃとを凹設したものである。
【００５８】
本実施形態の内輪１２では、溝部１２ｂ，１２ｃの軸方向幅Ｌｂ，Ｌｃはそれぞれ１ｍｍ以上に設定されており、エンコーダ３１の個性化部分３４は、溝部１２ｂ，１２ｃの両方の軸方向端面１２ｂＳ，１２ｃＳに開口するように連続的に形成されている。また、溝部１２ｂ，１２ｃの深さＨｂ，Ｈｃは、個性化部分３４の深さよりも大きく設定されており、溝部１２ｂ，１２ｃの外周面は個性化部分３４の外周面よりも内径側に位置している。
【００５９】
この内輪１２によれば、エンコーダ３１の個性化部分３４を設ける際、軸方向両端部に個性化部分３４よりも内径側にまで切り欠かれた溝部１２ｂ，１２ｃが形成されているため、個性化部分３４を軸方向に渡って切り通すことが可能となる。
【００６０】
したがって、溝部１２ｂ，１２ｃを有する内輪１２にエンコーダ３１の個性化部分３４をミーリング加工機等で切削加工する際、個性化部分３４は軸方向に渡って切り通すことで形成することができ、加工性を向上することができる。また、加工機が溝部１２ｂの軸方向端面１２ｂＳを抜ける際に、該軸方向端面１２ｂＳ近傍にバリが発生した場合であっても、バリが内輪７２（図２１参照）と当接する内輪１２の軸方向端面１２ｄに影響を及ぼすことがないので、内輪端面の平行度が向上する。これによって、内輪１２，７２を精度良く組み立てることが可能となる。
【００６１】
また、個性化部分３４は、溝部１２ｂ，１２ｃの軸方向端面１２ｂＳ，１２ｃＳ間を軸方向に渡って切り通すことで形成されているので、各個性化部分３４の軸方向寸法誤差を低減することができる。これによって、各個性化部分３４の寸法のアンバランスに起因する主軸装置の振動を抑制することが可能となる。これは、特に、工具を高速回転させる際に、顕著な効果を発揮する。
なお、その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
また、本実施形態では、内輪１２に第１及び第２の溝部１２ｂ、１２ｃを形成しているが、バリの影響を受けない内輪端面の平行度を向上する構成として、第１の溝部１２ｂのみを形成するようにしてもよい。
【００６２】
また、本実施形態の溝部１２ｂ，１２ｃを有する内輪１２の構成は、図１５に示すように、第２実施形態の凸部９３及び凹部９４によってエンコーダ３１を構成する内輪１２にも適用可能であり、また、図１６に示すように、第２実施形態の変形例である、平行部９３ａ，９３ｂ，９４ａ，９４ｂを持った凸部９３及び凹部９４によってエンコーダ３１を構成する内輪１２にも適用可能である。
【００６３】
（第４実施形態）
図１７（ａ）は、本発明に係る第４実施形態のセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。本実施形態のセンサ３２は、（即ち、樹脂製のセンサケース）は、その大径部３２ａの外周面から軸方向一端側（図１７（ｃ）の右側）に向かって延出するフランジ部３２ｆを有する。
【００６４】
フランジ部３２ｆには穴３２ｆａが設けられており、その内部には金属製の補強リング１２０が一体成型されている。補強リング１２０は、穴３２ｆａよりも軸方向に長く、フランジ部３２ｆの表裏面から突出する。そして、ねじ４１を、補強リング１２０の内部を通じて、外輪１１に螺合することによって、センサ３２は固定される。
【００６５】
このように、固定治具３８を使用せずに、センサ３２に設けたフランジ部３２ｆによってセンサ３２を外輪１１に固定する場合、補強リング１２０を設けず、フランジ部３２ｆをねじ４１で直接締め付けようとすると、樹脂製のセンサ３２に強度不足による破損、クリープ変形による緩み、変位による不具合等が発生する可能性がある。
【００６６】
一方、本実施形態のセンサ３２は、金属製の補強リング１２０を穴３２ｆａ内部に一体成型したことにより、補強リング１２０のみでねじ４１の締付力を受け、フランジ部３２ｆに締付力が伝わることを防止できる。これによって、フランジ部３２ｆの破損、クリープ変形による緩み、変位による不具合の発生等を防ぐことができる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００６７】
（第５実施形態）
図１８〜図２０は、第５実施形態の荷重センサ付き軸受装置のセンサ構造を示している。第５実施形態のセンサ３２は、図４に示すセンサと実質的に同じであるが、外形形状が異なる。即ち、本実施形態のセンサ３２は、磁気センサ３６を内蔵し、上部には左右に延設されたフランジ部３２ｄが設けられ、該フランジ部３２ｄには、穴３２ｅが形成されている。この穴３２ｅ内部にも金属製の補強リング１２０が一体成型される。補強リング１２０は、長さが穴３２ｅよりも長く設定されているため、フランジ部３２ｄの表裏面から突出している。
【００６８】
図１９に示すように、外輪１１に設けられたセンサ取付穴５０は、外輪１１の一端面側から形成されたコの字状溝５１と、このコの字状溝５１の底部に開口を有するＵ字溝５２と、コの字状溝５１の底部に形成された一対の雌ねじ穴５３とからなる。
【００６９】
センサ３２のセンサ取付穴５０への取り付けは、図２０に示すように、センサ３２をＵ字溝５２に嵌合させ、ねじ５４を補強リング１２０の内部を通じて雌ねじ５３に螺合させて、フランジ３２ｄをコの字状溝５１に固定して行われる。このように構成することで、外輪１１に形成される雌ねじ穴５３をセンサ３２より軸方向一端面側に形成することができ、高負荷時に雌ねじ穴５３部分に応力集中が作用するのを防止することができる。
また、この実施形態においても、金属製の補強リング１２０を穴３２ｅ内部に一体成型したことにより、補強リング１２０のみでねじ５４の締付力を受け、フランジ部３２ｄに締付力が伝わることを防止できる。これによって、フランジ部３２ｄの破損、クリープ変形による緩み、変位による不具合の発生等を防ぐことができる。
なお、その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００７０】
（第６実施形態）
第６実施形態では、第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置について図２１を参照して説明する。本実施形態の工作機械の主軸装置６０は、モータビルトイン方式であり、その中心部には、回転部材である中空状の回転軸（主軸）６１が設けられている。回転軸６１の軸方向端部（図２１において左側）には、不図示の工具が保持されている。
【００７１】
回転軸６１は、その工具側を支承する前側軸受である一対のアンギュラ玉軸受２０、７０と、反工具側を支承する後側軸受８０とによって、静止部材であるハウジング６２に回転自在に支持されている。一対のアンギュラ玉軸受２０、７０は、背面組合せされて、アンギュラ玉軸受２０のセンサユニット３０が、アンギュラ玉軸受７０寄りに配置される。センサユニット３０の信号線３７は、ハウジング６２に形成された溝６２ｃ内を配索されて外部に導出され、演算装置１５０に電気的に接続されて、検出信号を送出する。なお、アンギュラ玉軸受２０は、本発明の軸受であり、アンギュラ玉軸受７０は、本発明の他の軸受である。
【００７２】
前側軸受２０，７０と後側軸受８０間における回転軸６１の外周面には、ロータ６３が外嵌されている。また、ロータ６３の周囲に配置されるステータ６４は、ハウジング６２に固定されており、ステータ６４に電力を供給することで、ロータ６３に回転力を発生させて、回転軸６１を回転させる。尚、ハウジング６２は、前側軸受７０とステータ６４との間で軸方向に２分割されたハウジング６２ａとハウジング６２ｂとから構成されている。
【００７３】
第１実施形態のアンギュラ玉軸受２０と背面組み合わせされるアンギュラ玉軸受７０は、静止側軌道輪である外輪７１と、回転側軌道輪である内輪７２と、静止側軌道である外輪軌道溝７１ａ及び回転側軌道である内輪軌道溝７２ａ間に、接触角を持って配置された転動体としての複数の玉７３と、を備える。
【００７４】
前側軸受２０，７０の外輪１１，７１は、ハウジング６２に内嵌されてハウジング６２にボルト締結された前側軸受外輪押え６５によって、ハウジング６２に固定されている。また、前側軸受２０，７０の内輪１２，７２は、回転軸６１に外嵌され、回転軸６１に締結されたナット６６によって回転軸６１に固定されている。前側軸受２０，７０は、ナット６６によって定位置予圧が付与されて、回転軸６１の軸方向位置が位置決めされる。
【００７５】
後側軸受８０は、円筒ころ軸受であり、外輪８１と、内輪８２と、転動体としての複数の円筒ころ８３と、を有する。後側軸受８０の外輪８１はハウジング６２に内嵌され、ハウジング６２にボルト締結された後側軸受外輪押え６７によって外輪間座６８を介してハウジング６２に固定されている。後側軸受８０の内輪８２は、回転軸６１に締結された他のナット６９によって内輪間座５５を介して回転軸６１に固定されている。
【００７６】
軸方向において前側軸受２０，７０、及びステータ６４に対応するハウジング６２の外周面には、円環状の冷却油溝５６、５７が形成されている。この冷却油溝５６、５７は、ハウジング６２に外嵌するリング状の冷却ジャケット５８、５９によって覆われている。そして、この冷却油溝５６、５７に供給された冷却油によって前側軸受２０，７０、及びステータ６４が冷却される。
【００７７】
このように、背面組合せされたアンギュラ玉軸受２０、７０によって支持され、軸方向位置が位置決めされる回転軸（主軸）６１は、２つのアンギュラ玉軸受２０、７０の軸方向中心位置（具体的には、磁気センサ３６の位置）が一定となり、この位置を中心として伸縮する。そして、アンギュラ玉軸受２０のセンサユニット３０は、２つのアンギュラ玉軸受２０、７０の各玉１３，７３の軸方向中心位置に位置するようにアンギュラ玉軸受７０に配置されているので、熱等によって回転軸６１が伸縮変形しても、測定位置である２つのアンギュラ玉軸受２０、７０の軸方向中心位置が移動することはない。従って、熱等による軸伸縮の影響による測定精度の低下を抑制することができ、アキシャル荷重による回転軸６１の移動により発生する検出部（図２参照）の出力による位相ずれを高精度で測定することができ、この位相ずれに基づいて、アキシャル荷重が演算装置１５０によって求められる。
【００７８】
なお、図２２に示す第６実施形態の変形例では、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２のエンコーダ３１が形成される部分の内周面１２ｃを僅かに大径として回転軸１２との嵌めあいを隙間嵌めとしている。
【００７９】
荷重センサ付き軸受装置１０が工作機械の主軸装置に使用される場合、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２は、回転軸６１と内輪１２との相対的な滑りを防止するため、主軸に締まりバメされるのが一般的である。特に、高速回転で使用される回転軸６１においては、遠心力によって内輪１２が膨張するため、締め代が大きく設定されるので、内輪１２にかかる負荷が大きい。このような内輪１２の外周面にエンコーダ３１が外嵌固定されると、エンコーダ３１の変形による検出精度の低下や、エンコーダ３１の破損等が懸念される。このため、内輪１２のエンコーダ３１が形成される部分と回転軸１２との嵌めあいを隙間嵌めとすることで、このような問題を回避することができる。また、これによって、締め代部の軸方向長さを短くすることができ、エンコーダ３１の組付けが容易となる。
【００８０】
（第７実施形態）
図２３は第７実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第７実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０では、外輪１１と別体に、静止側間座である外輪間座７６が設けられており、外輪間座７６のセンサ取付穴１５にセンサ３２が装着されている。また、エンコーダ３１は、第１実施形態と同様、内輪１２と一体に形成されている。
【００８１】
このように構成することで、アンギュラ玉軸受２０とセンサ３２のいずれかに不具合が生じたとき、個別に修理、交換が可能となるので、メンテナンス性が向上すると共に、コストを抑制することができる。また、荷重センサ付き軸受装置１０の使用条件、あるいは必要精度等に応じて、センサ３２を好適な仕様のものに適宜交換することができ、要求される仕様に対して柔軟に対応することが可能となる。さらに、エンコーダ３１と内輪１２とは一体に形成されているので、取り扱い性が良好となる。また、本実施形態では、外輪１１に雌ねじ穴を設ける必要がなく、好ましい。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００８２】
（第８実施形態）
図２４は第８実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第８実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、内輪１２と別体に、回転輪間座である内輪間座７５が設けられており、内輪間座７５の外周面にエンコーダ３１が形成されている。また、センサ３２は、第１実施形態と同様、外輪１２のセンサ取付穴１５に一体に形成されている。
【００８３】
このように構成することで、アンギュラ玉軸受２０とエンコーダ３１のいずれかに不具合が生じたとき、個別に修理、交換が可能となると共に、使用条件に応じてエンコーダを取り替えることも容易となる。例えば、高速スピンドルに適用されて、遠心力によってエンコーダ３１が破損する可能性がある場合、高速回転対策が施されたエンコーダ３１に交換して容易に対応することができる。さらに、荷重センサ付き軸受装置１０の使用条件、あるいは必要精度等に応じて、エンコーダ３１を好適な仕様のものに適宜交換することができ、要求される仕様に対して柔軟に対応することが可能となる。また、センサ３２と外輪１３とは一体に形成されているので、取り扱い性が良好となる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００８４】
（第９実施形態）
図２５は第９実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第９実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、外輪１１と別体に、静止側間座である外輪間座７６が設けられており、外輪間座７６のセンサ取付穴１５にセンサ３２が装着されている。また、内輪１２と別体に、回転輪間座である内輪間座７５が設けられており、内輪間座７５の外周面にエンコーダ３１が形成されている。
【００８５】
このように、アンギュラ玉軸受２０とセンサユニット３０を分離構造とすることにより、アンギュラ玉軸受２０、エンコーダ３１、及びセンサ３２のいずれかに不具合が生じたとき、個別に修理、交換が可能となるので、メンテナンス性が向上すると共に、コストを抑制することができる。
【００８６】
また、荷重センサ付き軸受装置１０の使用条件、あるいは必要精度等に応じて、軸受２０、エンコーダ３１、及びセンサ３２を好適な仕様のものに適宜交換することができ、要求される仕様に対して柔軟に対応することが可能となる。例えば、高速回転軸に適用されて、遠心力によってエンコーダ３１が破損する可能性がある場合、高速回転対策が施されたエンコーダ３１に交換して容易に対応することができる。また、本実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、図２１に示すような背面組み合わせ軸受としたとき、軸受内外輪ではなく、内輪間座７５及び外輪間座７６を用いて、軸受の予圧調整を容易に行うことができる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００８７】
（第１０実施形態）
図２６は第１０実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置の要部断面図である。本実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０が適用される工作機械の主軸装置６０では、エンコーダ３１は、第７実施形態と同様、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２の一端側に形成される。一方、センサ１３２は、ハウジング６２のセンサ取付穴７７に取り付けられると共に、外輪１１と別体に設けられた外輪間座７６に形成され、センサ取付穴７７と径方向に連続する貫通穴７８から延出する。これにより、センサ１３２の磁気センサ３６がエンコーダ３１の被検出面に対向配置される。
【００８８】
従って、本実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０では、外輪１１や外輪間座７６に取り付けられるセンサ３２と比較して、大きなセンサ１３２を使用することができ、より高性能、且つ高機能なセンサ１３２を用いることが可能となる。
その他の構成及び作用については、第６実施形態の主軸装置６０と同様である。
【００８９】
尚、本発明は、前述した各実施形態及び変形例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記の説明においては、アンギュラ玉軸受２０、または内外輪間座７５、７６にセンサユニット３０を組み付けた構造の荷重センサ付き軸受装置１０について説明したが、これには限定されず、他の形式の軸受や軸受間座と組み合わせることも可能であり、組み合わされる軸受の列数や、組み合わせ方も任意である。
また、工作機械の主軸装置以外の回転軸にも適用することができ、同様の効果を奏する。
【００９０】
加えて、スピンドル軸のアキシャル荷重を測定可能な、本実施形態の主軸装置６０は、工作機械に組み込んで適用可能であり、例えば、図２７に示すような門形マシニングセンタ２０１に装着される。具体的に、門形マシニングセンタ２０１では、ベッド２０２の上にテーブル２０３がＸ軸方向へ移動可能に支持されており、ベッド２０２の両側には一対のコラム２０４が立設されている。コラム２０４の上端にはクロスレール２０５が架設されており、クロスレール２０５には、サドル２０６がＹ軸方向へ移動可能に設けられる。また、サドル２０６には、Ｚ軸方向に昇降可能なラム２０７が支持されており、ラム２０７の下端には、主軸装置６０をＹ軸回り及びＺ軸回りに回転割出し駆動可能に保持する主軸ヘッド２０８が装着されている。主軸ヘッド２０８の２本の支持アーム２０８ａ内には、図示しないチルト機構が設けられており、主軸装置６０は、このチルト機構によってブラケット２０９を介してＹ軸回りに回転割出しされる。
【符号の説明】
【００９１】
１０ 荷重センサ付き軸受装置
１１ 外輪（静止側軌道輪）
１１ａ 外輪軌道溝（静止側軌道）
１２ 内輪（回転側軌道輪）
１２ａ 内輪軌道溝（回転側軌道）
１３ 玉（転動体）
２０ アンギュラ玉軸受（軸受）
３０ センサユニット
３１ エンコーダ
３２，１３２ センサ
３３ 被検出用組み合わせ部
３４ 個性化部分
３６ 磁気センサ（検出部）
６０ 工作機械の主軸装置
６１ 回転軸（主軸、回転部材）
６２ ハウジング（静止部材）
７０ アンギュラ玉軸受（軸受）
７５ 内輪間座（回転側間座）
７６ 外輪間座（静止側間座）
７８ 貫通孔
９３ 凸部（第１被検出部）
９４ 凹部（第２被検出部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重センサ付き軸受装置及び工作機械の主軸装置並びに工作機械に関し、より詳細には、工作機械の主軸等の回転軸に作用するアキシャル荷重を測定可能な荷重センサ付き軸受装置及び工作機械の主軸装置並びに工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転軸に作用するアキシャル荷重、例えば、工作機械の主軸に作用するアキシャル荷重を測定することは、大きなメリットを有する。即ち、工作機械の主軸に働くアキシャル荷重は、加工精度、加工効率、工具寿命等に与える影響が大きい重要なパラメータである。従って、アキシャル荷重を知ることにより適正な加工条件の選定が可能となる。例えば、加工条件は、一般的に工具の回転数や、送り速度によって決められているが、摩擦や、加工によって発生する熱等の制御し難い要因の影響も受けるので、回転数や送り速度を一定に設定しても、常に同じ加工精度が得られることはない。加工面の変化に対応する切削荷重（即ち、主軸のアキシャル荷重）を新たなパラメータとして考慮することで、より厳密な加工条件の選定が可能となり、加工精度の向上が期待される。
【０００３】
具体的には、切り屑排出量が同じであれば、切削荷重の小さい加工条件の方が効率的な加工条件であり、省エネルギ、工具寿命の延長に有利となる。また、切削荷重の増加から、工具の切削性（切れ味）の低下や、刃先摩耗等の発生を推測することができ、工具寿命や、工具交換時期を知ることが可能となる。更に、切削荷重の変化の履歴を管理することによって、無理な切削加工条件や工具とワークとの衝突（衝撃荷重）等の軸受損傷要因を推定することができ、また把握した工具の寿命特性から工具の改良、改善が可能となる。
【０００４】
上記したように、工作機械において切削荷重を知ることは重要である。しかし、工具が回転するタイプの工作機械（工具回転型工作機械）において、工具や回転軸に作用する荷重を検出することは、工具が回転しないタイプの工作機械（工具非回転型工作機械）と比較して困難が伴う。
【０００５】
工作機械の主軸にかかる荷重を検出することができる従来の装置としては、主軸先端部に軸受型センサを配置した工作機械主軸の荷重検出装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の軸受型センサは、ハウジングと主軸間に転がり軸受を配置し、外輪外周に貼付した歪みゲージによって、軸受の転動体が歪みゲージの位置を通過する度に発生する歪みを検出して主軸に加わる荷重の大きさを検出している。
【０００６】
また、転がり軸受の回転輪にエンコーダを装着すると共に、固定輪にセンサを取り付けて回転輪の回転速度を検出するようにしたエンコーダ装置及びこれを備えた転がり軸受が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
さらに、軸受ユニットのハブに配置したエンコーダと、このエンコーダの被検出面に近接対向させたセンサとにより、外輪とハブ間に加わる荷重を求めるようにした荷重測定装置付転がり軸受ユニットが知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第２５２０３７０号公報
【特許文献２】特開平１０−１３２６０３号公報
【特許文献３】特開２００６−３１７４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示されている工作機械主軸の荷重検出装置は、軸受の内輪に働く力を、転動体及び軸受外輪を介して間接的に検出する装置であり、回転に伴う発生熱等のように不規則に発生して外輪に作用する外乱（ノイズ）を除去することが困難であり、精度良く荷重を検出することができない問題点があった。また、センサがハウジングの前面側に突出配置されているので、スピンドルの軸長が長くなるばかりでなく、センサ設置のための専用スペースを必要とする問題点があった。
【００１０】
また、特許文献２に記載のエンコーダ装置及びこれを備えた転がり軸受は、高温の条件下において測定対象である高速の回転速度を検出することを目的とした装置であり、回転軸に作用するアキシャル荷重の測定を目的とする本発明とは異なる技術である。
【００１１】
さらに、特許文献３に記載の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、軸受ユニットのハブにエンコーダを固定すると共に、このエンコーダの被検出面に検出部を近接対向させたセンサを外輪に配置し、検出部の出力信号の変化から外輪とハブとの間に加わる荷重を求めるものであり、ハブ以外への適用について具体的構成が記載されておらず、また、工作機械の主軸への適用についても言及されているが、これについても具体的構成が記載されていない。
【００１２】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転軸に作用するアキシャル荷重を、コンパクトなセンサユニットによって精度良く測定することができる荷重センサ付き軸受装置及び工作機械の主軸装置並びに工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成することを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
（２） 前記センサは、前記静止側軌道輪に設けられることを特徴とする（１）に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（３） 前記センサは、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられることを特徴とする（１）に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（４） 前記センサは、前記静止部材に設けられ、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に形成された貫通孔から延出して、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されることを特徴とする（１）に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（５） 静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成し、
前記センサは、前記静止側軌道輪に設けられることを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
（６） 静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成し、
前記センサは、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられることを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
（７） 前記軸受の側方には、前記回転部材の軸方向位置を位置決めするように前記軸受と組合せにて配置される他の軸受をさらに備え、
前記軸受のセンサユニットは、前記軸受の転動体と前記他の軸受の転動体との軸方向中間位置に位置するように、前記他の軸受に隣接して配置されることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の荷重センサ付き軸受装置。
（８） 前記エンコーダの被検出面に、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分より成る複数の被検出用組み合わせ部を、円周方向に亙り等間隔で配置しており、これら各被検出用組み合わせ部を構成する１対ずつの個性化部分同士の円周方向に関する間隔は、総ての被検出用組み合わせ部で軸方向に関して同じ方向に連続的に変化していることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（９） 前記エンコーダの被検出面には、互いに異なる特性を有する第一被検出部と第二被検出部とが円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置されており、前記両被検出部の円周方向に関する幅のうち、第一被検出部の幅は軸方向一端側程広く、第二被検出部の幅は軸方向他端側程広いことを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（１０） 前記エンコーダが磁性材製で、前記センサが前記エンコーダの被検出面の磁気特性の変化に対応して出力信号を変化させるものであり、前記エンコーダの軸方向両端部に、第一、第二両被検出部同士の回転方向に関するピッチが軸方向に関して変化しない平行部が存在することを特徴とする（９）に記載の荷重センサ付き軸受装置。
（１１） （１）〜（１０）のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置を備え、
前記回転部材である主軸のアキシャル荷重が測定可能であることを特徴とする工作機械の主軸装置。
（１２） （１１）に記載の主軸装置を備えたことを特徴とする工作機械。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の荷重センサ付き軸受装置によれば、被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、被検出面に対向配置されて特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットを備え、エンコーダが、回転側軌道輪に設けられて一体化されているので、測定精度が向上するとともに、取扱い性のよい構成となる。
【００１５】
また、エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成するので、センサを一つの磁気センサのみによって構成することができる。これにより、センサユニットのコスト低減が図られると共に、センサ、及びエンコーダの軸方向幅も狭くすることができる。
【００１６】
また、センサが静止側軌道輪に設けられているので、軸受とセンサとが一体化されており、取扱い性がさらに向上すると共に、省スペース化を図ることができる。あるいはセンサが静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられているので、軸受とセンサとを個別に修理、交換可能となる。
【００１７】
また、センサが静止部材に設けられ、静止側間座に形成された貫通孔から延出して、エンコーダの被検出面に対向配置されるので、新たな専用スペースを設けることなく大きなセンサを使用することができる。
【００１８】
また、本発明の他の荷重センサ付き軸受装置によれば、エンコーダは、回転側軌道輪の側方に配置されて回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、センサは、静止側軌道輪に設けられるので、軸受とエンコーダとが個別に修理、交換可能であり、また、センサが軸受と一体化されるので、取り扱い性が良好となる。
【００１９】
また、本発明のさらに他の荷重センサ付き軸受装置によれば、エンコーダは、回転側軌道輪の側方に配置されて回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、センサは、静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられるので、軸受とエンコーダとセンサとが個別に修理、交換可能である。
【００２０】
また、軸受の側方には、回転部材の軸方向位置を位置決めするように軸受と組合せにて配置される他の軸受をさらに備え、軸受のセンサユニットは、軸受の転動体と他の軸受の転動体との軸方向中間位置に位置するように、他の軸受に隣接して配置されるので、回転部材の伸縮による軸方向移動がない位置で測定することができ、回転部材の伸縮による測定精度への影響が抑制され、回転部材の熱変形の影響を受けることなく、精度のよい荷重測定が可能となる。
【００２１】
更に、エンコーダは、第一被検出部、及び第二被検出部が円周方向に交互に、且つその境界がエンコーダの軸方向中間部を境にして互いに逆方向に傾斜して配置された被検出面を備え、センサは、第一被検出部、及び第二被検出部にそれぞれ対向配置された一対の検出部を備えるので、回転部材に作用するアキシャル荷重の変動に伴って回転側軌道輪がアキシャル方向にずれると、被検出面（第一、及び第二被検出部）と一対の検出部との位置が相対的に変化し、両検出部の出力信号に位相ずれが生じる。従って、センサは、この位相ずれの大きさからアキシャル荷重の大きさを直接求めることができる。
【００２２】
また、エンコーダの被検出面に、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分より成る複数の被検出用組み合わせ部を、円周方向に亙り等間隔で配置しており、これら各被検出用組み合わせ部を構成する１対ずつの個性化部分同士の円周方向に関する間隔は、総ての被検出用組み合わせ部で軸方向に関して同じ方向に連続的に変化している。この様に構成した場合には、回転部材に作用するアキシャル荷重の変動に伴って回転側軌道輪がアキシャル方向にずれると、被検出面と検出部との位置が相対的に変化し、検出部の出力信号に軸方向位置のずれが生じる。従って、センサは、この軸方向位置のずれからアキシャル荷重の方向及び大きさを直接求めることができる。
即ち、アキシャル荷重を求めるためには、必ずしも相対変位量を求める必要はなく、演算部に、センサの出力信号に基づいて、アキシャル荷重の大きさを直接（上記相対変位量を求める過程を経る事なく）算出する機能を持たせることができる。
【００２３】
さらに、エンコーダの被検出面には、互いに異なる特性を有する第一被検出部と第二被検出部とが円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置されており、両被検出部の円周方向に関する幅のうち、第一被検出部の幅は軸方向一端側程広く、第二被検出部の幅は軸方向他端側程広い。この様な構成を採用した場合にも、回転部材に作用するアキシャル荷重の変動に伴って回転側軌道輪がアキシャル方向にずれると、被検出面と検出部との位置が相対的に変化し、検出部の出力信号に軸方向位置のずれが生じる。従って、センサは、この軸方向位置のずれからアキシャル荷重の方向及び大きさを直接求めることができる。
【００２４】
また、工作機械の主軸装置や工作機械が上記の荷重センサ付き軸受装置を備えるので、切削時に主軸に作用するアキシャル荷重の測定が可能となり、このアキシャル荷重を加工条件の新たなパラメータとして考慮することで、より厳密な加工条件の選定が可能となり、加工精度を向上させることができる。更には、工具寿命、工具交換時期、及び軸受損傷要因の推測や、工具の改良、改善が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図２】（ａ）は図１に示すエンコーダの正面図であり、（ｂ）はその斜視図である。
【図３】（ａ）は図１に示すセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図４】（ａ）は図１に示すセンサ取付穴が設けられた静止側軌道輪の斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図５】（ａ）は図４に示すセンサ取付穴に図３に示すセンサが取り付けられた状態を示す斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図６】図１に示すVI−VI線に沿った断面図である。
【図７】図１に示す荷重センサ付き軸受装置のアキシャル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図である。
【図８】第１実施形態の変形例の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図９】第２実施形態のエンコーダの斜視図である。
【図１０】（ａ）は、エンコーダに対する検出部の位置を示し、（ｂ）〜（ｄ）は、図９に示す主軸装置のアキシャル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図である。
【図１１】第２実施形態の変形例のエンコーダの斜視図である。
【図１２】（ａ）は、図１１に示すエンコーダに対する検出部の位置を示し、（ｂ）〜（ｄ）は、図１１に示す主軸装置のアキシャル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図である。
【図１３】（ａ）は第３実施形態のエンコーダの正面図であり、（ｂ）はその斜視図である。
【図１４】第３実施形態のエンコーダの外周面から見た展開図である。
【図１５】第３実施形態の変形例に係るエンコーダの斜視図である。
【図１６】第３実施形態の他の変形例に係るエンコーダの斜視図である。
【図１７】（ａ）は第４実施形態のセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図１８】（ａ）は第５実施形態のセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図１９】図１８に示す第５実施形態のセンサが取り付けられるセンサ取付穴が設けられた静止側軌道輪の斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図２０】（ａ）は静止側軌道輪に取り付けられた第５実施形態のセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。
【図２１】第６実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置の断面図である。
【図２２】第６実施形態の変形例の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図２３】第７実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図２４】第８実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図２５】第９実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。
【図２６】第１０実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置の要部断面図である。
【図２７】本実施形態の主軸装置が適用される門形マシニングセンタの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る荷重センサ付き軸受装置の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
（第１実施形態）
図１は本発明に係る第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、静止側軌道輪である外輪１１と、回転側軌道輪である内輪１２と、静止側軌道である外輪軌道溝１１ａ及び回転側軌道である内輪軌道溝１２ａ間に接触角を持って配置され、保持器１４によって回動自在に保持された転動体としての複数の玉１３と、を備えるアンギュラ玉軸受２０を有する。アンギュラ玉軸受２０の外輪１１は、静止部材であるハウジング（図示せず）に内嵌・固定され、内輪１２は回転部材である回転軸（図示せず）に嵌合固定される。
【００２８】
アンギュラ玉軸受２０の軸方向一端側（図１において右側）には、エンコーダ３１及びセンサ３２を備えたセンサユニット３０が配置されている。即ち、エンコーダ３１が、内輪１２の一端側の外周面にリング状に形成され、センサ３２が、エンコーダ３１に対向して外輪１１に形成されたセンサ取付穴１５に取り付けられている。
【００２９】
エンコーダ３１は、図２に示すように、磁性金属部材である内輪１２の内輪軌道溝１２ａの軸方向側方の外周面に、複数の被検出用組み合わせ部３３、３３を、円周方向に亙り等間隔で配置している。これら各被検出用組み合わせ部３３、３３は、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分３４、３４により構成している。この様な各個性化部分３４、３４として本実施形態の場合には、長尺の溝を採用している。
【００３０】
各被検出用組み合わせ部３３、３３を構成する１対ずつの個性化部分３４、３４同士の円周方向に関する間隔は、総ての被検出用組み合わせ部３３、３３で軸方向に関して同じ方向に連続的に変化させる。即ち、各被検出用組み合わせ部３３、３３を構成する１対ずつの個性化部分３４、３４同士の円周方向に関する間隔が、エンコーダ３１の軸方向一端（図２（ａ）の右側）程小さくなり、円周方向に隣り合う各被検出用組み合わせ部３３、３３を構成する個性化部分３４、３４同士の円周方向に関する間隔が、エンコーダ３１の軸方向他端（図２（ａ）の左側）程小さくなる方向に傾斜している。このエンコーダ３１は、後述するセンサ３２と共にセンサユニット３０を構成する。
なお、エンコーダ３１は、内輪１２の外周面を加工して複数の被検出用組み合わせ部３３を形成することで、内輪１２と一体に形成されているが、内輪１２に小径部を形成し、この小径部に複数の被検出用組み合わせ部３３が形成されたリング状部材を外嵌することで一体化するようにしてもよい。
【００３１】
センサ３２は、図３に示すように、検出部である磁気センサ３６を内蔵し、大径部３２ａ及び小径部３２ｂからなる段付円筒状に形成されている。大径部３２ａの上面には、Ｕ字溝３２ｃが形成されている。Ｕ字溝３２ｃには、長円形状の固定治具３８の一端が嵌合する。また、大径部３２ａの側面から検出信号を演算装置１５０（図２１参照）に出力する信号線３７が導出されている。
【００３２】
なお、磁気センサ３６の構造は、永久磁石を組み込んだものであれば、特にその形式を問わない。即ち、この永久磁石から出る磁束の流れを導くポールピースの周囲にコイルを巻回して成る、所謂パッシブ型のものであっても、磁束の密度に応じて特性を変化させる磁気検出素子を組み込んだ、所謂アクティブ型のものであっても使用される。また、本実施形態のセンサ３２としては、被検出用組み合わせ部３３の溝のエッジを検出可能なものであればよく、光学センサ等が使用されてもよい。
【００３３】
また、センサ３２は、有線式センサ、無線式センサ、いずれの方式のセンサも使用可能であり、特に、限定されない。例えば、有線式センサの場合、センサとコードが一体に接続されるコード一体型センサ、あるいはソケット式コネクタやマグネット式コネクタでセンサとコードが接続されるコネクタ接続型センサが使用可能である。
【００３４】
図４に示すように、外輪１１に設けられたセンサ取付穴１５は、一端側が外輪１１の側面に開放されたＵ字穴１５ａと、Ｕ字穴１５ａの底部側でＵ字穴１５ａの溝幅より大きな直径を有するざぐり穴１５ｂとから構成された段付き穴である。更に、外輪１１の外周面には、一端がざぐり穴１５ｂに連続するＵ字溝１５ｃが形成されている。Ｕ字溝１５ｃには、センサ３２を固定するための雌ねじ穴４０が設けられている。
【００３５】
図５に示すように、センサ３２は、センサ取付穴１５に挿入した後、固定治具３８をセンサ３２のＵ字溝３２ｃ、及び外輪１１のＵ字溝１５ｃに嵌合させてねじ４１で固定することで外輪１１に組み付けられる。センサ３２の信号線３７は、Ｕ字穴１５ａから外部に導出されて演算装置（図示せず）に接続される。
【００３６】
これにより、センサ３２の先端に設けられた磁気センサ３６は、内輪１２に固定されたエンコーダ３１の被検出面に対向して、所定の位置に位置決めされる。即ち、エンコーダ３１とセンサ３２とは、磁気センサ３６が被検出面の軸方向中間部Ｐ（図２参照。）に位置する。
【００３７】
なお、外輪１１には、図６に示すように、このセンサ取付穴１５と一対のノズル穴３５が径方向に貫通して設けられている。一対のノズル穴３５には、それぞれ給油ノズル（図示せず）が配置されており、潤滑装置から供給された潤滑油が、給油ノズルのノズルからアンギュラ玉軸受２０に向けて吐出されて潤滑する。ノズル穴３５は、軸方向において外輪１１に形成されたセンサ取付穴１５と略同一位置、且つ円周方向位相が異なる位置に設けられている。
【００３８】
センサ取付穴１５を、ノズル穴３５と軸方向略同一位置に配置することにより、センサ３２を配置するための専用スペースが不要となり、小型化が可能となる。尚、ノズル穴３５（給油ノズル）とセンサ取付穴１５（センサ３２）との円周方向位相は、特に限定されず任意に設定することができる。また、潤滑方式は、オイルエア潤滑、オイルミスト潤滑、直噴潤滑、グリース潤滑等のいずれであってもよい。また、運転中の潤滑剤の供給を必要としない潤滑方法で使用される場合は、ノズル穴などの潤滑剤供給スペースは必要ない。
【００３９】
第１実施形態のセンサユニット３０の作用を、図７に基づいて説明する。この様なエンコーダ３１の被検出面である外周面にその検出部を対向させたセンサ３２の出力信号は、各個性化部分３４、３４に対向する瞬間に変化する。そして、変化する間隔（周期）は、センサ３２の検出部が対向する部分の軸方向位置の変化に伴って変化する。例えば、内輪１２にアキシャル荷重が作用していない場合、センサ３２の検出部は、仮想線αで示した、被検出面の中央部を走査し、出力信号は、図７（ｃ）に示す様に変化する。
【００４０】
ここで、回転軸、即ち内輪１２に、図７（ａ）において下向き（内輪軌道溝１２ａ側からエンコーダ３１側への向き）のアキシャル荷重が作用すると、エンコーダ３１に対する検出部の位置は、図７（ａ）に示す仮想線β上に移動し、出力信号は、図７（ｂ）に示す様に変化する。
【００４１】
また、内輪１２に上向き（エンコーダ３１側から内輪軌道溝１２ａ側への向き）のアキシャル荷重が作用すると、検出部の位置が図７（ａ）に示す仮想線γ上に移動し、出力信号は、図７（ｄ）に示す様に変化する。
【００４２】
上記したように、磁気センサ３６の出力信号は、内輪１２に作用するアキシャル荷重の方向に応じて、また、アキシャル荷重の大きさに比例して変化する。従って、アンギュラ玉軸受２０の剛性（ばね定数）を予め測定あるいは計算して、アキシャル荷重の大きさと内輪１２（回転軸）の変位量との関係を求めておけば、磁気センサ３６からの出力信号のパターンに基づいて、回転軸に作用するアキシャル荷重の方向及び大きさが、演算装置１５０によって求められる。
【００４３】
また、センサユニット３０は、エンコーダ３１とセンサ３２とから構成されるので、アキシャル荷重だけでなく、同時に回転軸の回転数も検出することができるマルチセンサとして機能する。
【００４４】
上記したように、第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２にエンコーダ３１が装着され、外輪１１にセンサ３２が取り付けられて、アンギュラ玉軸受２０とセンサユニット３０とが一体となっている。このように一体型とすることによって、取扱い性が大幅に向上し、また、内輪１２に作用する荷重を直接測定して、高精度での検出が可能となる。
【００４５】
また、本実施形態では、エンコーダ３１の被検出面は、円周方向に関して変化する特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成しており、センサ３２を一つの磁気センサ３６のみによって構成することができる。これにより、センサユニットのコスト低減が図られると共に、センサ３２、及びエンコーダ３１を構成する内輪１２の軸方向幅も狭くすることができる。これにより、軸受装置１０の軸方向長さも短くすることができ、軸受装置１０を工作機械用主軸装置に適用した場合の主軸装置の軸長を短くすることができる。特に、５軸加工機などでスピンドル軸が旋回する（例えば、±１２０°前後で旋回）方式の工作機械の場合、スピンドル軸長が短くなれば、旋回半径を小さくすることができ、工作機械全体の省スペース化や加工スペースを確保でき、３次元加工を行う場合など、軸受装置１０の動作が容易となり、加工プログラム作成の容易性や加工性が向上できるメリットがある。
【００４６】
図８は、第１実施形態の変形例に係る荷重センサ付き軸受装置を示す。このアンギュラ玉軸受２０は、玉１３とセンサユニット３０との間に配置されたシール１６ａとアンギュラ玉軸受２０の開放側端部（図８において左側端部）に配置されたシール１６ｂとによって軸受空間を密封している。
【００４７】
グリース潤滑される軸受では、使用用途に合わせて適量のグリースが封入されるが、長期間の使用等によってグリース量が不足すると軸受寿命に大きな影響を及ぼす虞がある。このため、このようなシール１６ａ，１６ｂを有するアンギュラ玉軸受２０は、グリース潤滑される場合に好適に使用される。
【００４８】
シール１６ａの装着位置は、玉１３とセンサユニット３０との間に限定されず、センサ側端部（図８において右側端部）であってもよい。また、必要に応じて、いずれか一方にのみ設けることもでき、更には、グリース漏れが許容可能であれば、シール１６ａ，１６ｂを設けなくてもよい。
なお、以下に説明する各実施形態において、グリース潤滑されるアンギュラ玉軸受２０が用いられる場合には、上記したシール１６ａ，１６ｂが同様に使用されてもよい。
【００４９】
（第２実施形態）
図９は本発明の第２実施形態に係るエンコーダの斜視図である。第２実施形態のエンコーダ３１は、磁性金属部材からなる内輪１２の外周面に、互いに異なる特性を有する第１被検出部である凸部９３と第２被検出部である凹部９４とが円周方向に関して交互に且つ等間隔に形成されている。凸部９３及び凹部９４は、台形若しくは倒立台形に形成されており、凸部９３の幅は、軸方向一端（図９の左下側）側程広く、凹部９４の幅は、軸方向他端（図９の右上側）側程広い。
【００５０】
本実施形態のエンコーダ３１は、内輪１２（回転軸）にアキシャル荷重が作用していない状態では、センサ３２の磁気センサ３６は、図１０（ａ）に示す仮想線α上に位置している。従って、磁気センサ３６の出力信号（デューティー比）は、図１０（ｃ）に示す様に変化する。
【００５１】
ここで、回転軸、即ち内輪１２に、図１０（ａ）において下向き（エンコーダ３１側から内輪軌道溝１２ａ側への向き）のアキシャル荷重が作用すると、エンコーダ３１の軸方向位置が内輪１２と共に下方に移動する。これにより、エンコーダ３１に対する磁気センサ３６の位置が、図１０（ａ）に示す仮想線β上に移動し、磁気センサ３６の出力信号（デューティー比）は、図１０（ｂ）に示すように変化する。
【００５２】
また、内輪１２に、図１０（ａ）において上向き（内輪軌道溝１２ａ側からエンコーダ３１側への向き）のアキシャル荷重が作用すると、エンコーダ３１の軸方向位置が内輪１２と共に上方に移動して、エンコーダ３１に対する磁気センサ３６の位置が、図１０（ａ）に示す仮想線γ上に移動し、磁気センサ３６の出力信号（デューティー比）は、図１０（ｄ）に示すように変化する。従って、検出部からの出力信号（デューティー比）に基づいて、回転軸に作用するアキシャル荷重の方向及び大きさが演算装置１５０によって求められる。
なお、その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００５３】
図１１は本発明の第２実施形態の変形例に係るエンコーダの斜視図である。このエンコーダ３１では、その外周面に形成した凸部９３、９３と凹部９４、９４との形状を工夫する事により、センサ３２の出力信号を安定させるものである。即ち、本実施例の場合には、各凸部９３、９３及び凹部９４、９４の軸方向両端部を、それぞれエンコーダ３１の円周方向に関する幅寸法がこのエンコーダ３１の軸方向に関して変化しない、平行部９３ａ，９３ｂ、９４ａ，９４ｂとしている。従って、エンコーダ３１の被検出面である外周面の特性が円周方向に関して変化するピッチは、この外周面の軸方向中間部では、軸方向位置により変動するが、軸方向両端部では軸方向位置に拘らず変動しない。
【００５４】
本変形例の場合に、各平行部９３ａ、９３ｂ、９４ａ、９４ｂを設ける事で、センサ３２の出力信号を安定させられる理由は、次の通りである。前述した通り、エンコーダとして磁性材製で被検出面に凹凸部を形成したものを使用する事により、永久磁石製のエンコーダに比べて被検出面の特性変化のピッチを高精度にできる。但し、上述した実施形態の場合には、この特性変化のピッチを短くすべく、凹部と凸部との間隔を短くすると、センサの検出部がエンコーダの被検出面の幅方向両端部（軸方向両端部）近傍に対向する状態で、これら検出部と被検出面との間を流れる磁束の流れが不安定になり、上記センサの出力が不安定になり易い。例えば、図９に示したエンコーダ３１で、凸部９３、９３と凹部９４、９４とのピッチを短くした場合、円周方向に隣り合う台形の凸部９３、９３の底辺同士が近接する。特に、エンコーダ３１とセンサ３２とが軸方向に大きくずれた場合でも回転軸の回転速度検出を可能とすべく、これらエンコーダ３１とセンサ３２との間で許容される軸方向に関する相対変位量を確保する為に、台形形状の高さ寸法を大きくした場合に、上述の様に円周方向に隣り合う台形の凸部９３、９３の底辺同士が近接する傾向が著しくなる。
【００５５】
これに対して本変形例の場合には、各平行部９３ａ、９３ｂ、９４ａ、９４ｂを設ける事に伴って、円周方向に隣り合う台形の凸部９３、９３の底辺同士が過度に近接する事を防止できる。そして、センサ３２の検出部がエンコーダ３１の外周面の軸方向端部で凸部９３、９３の底辺に対応する部分に対向した場合でも、センサ３２の検出部とエンコーダ３１の被検出面との間を流れる磁束の流れを安定させて、センサ３２の出力を安定させる事ができる。また、エンコーダ３１とセンサ３２との軸方向の変位量が多少大きくなっても、センサ３２による、回転軸の回転速度検出を行なえる。
【００５６】
尚、各平行部９３ａ、９３ｂ、９４ａ、９４ｂの円周方向両側縁の形状は、直線としているが、この部分の形状は必ずしも直線でなくても良い。例えば、センサ３２の感度や感受範囲（スポット径）によって、軸方向に対し多少傾斜させたり、曲率半径の大きな円弧状にする事もできる。又、エンコーダ３１と組み合わせるセンサ３２の構造は、永久磁石を組み込んだものであれば、特にその型式を問わない。即ち、この永久磁石から出る磁束の流れを導くポールピースの周囲にコイルを巻回して成る、所謂パッシブ型のものであっても、磁束の密度に応じて特性を変化させる磁気検出素子を組み込んだ、所謂アクティブ型のものであっても使用できる。但し、図１２に示す様に、センサ３２の検出部がエンコーダ３１の軸方向中間部に対向した状態で、このエンコーダ３１の外周面に存在する各凸部９３、９３及び凹部９４、９４の、回転方向に関する長さ寸法の比率をセンシングする必要上、センサ３２のスポット径は小さい方が、この比率を高精度で求める面から好ましい。
【００５７】
（第３実施形態）
図１３（ａ）は、本発明に係る第３実施形態のエンコーダ（内輪）の正面図であり、（ｂ）はその斜視図、図１４はその外周側から見た展開図である。
本実施形態の内輪１２は、第１実施形態の内輪１２（図２）の外周面において、エンコーダ３１の軸方向両側第１の溝部１２ｂと第２の溝部１２ｃとを凹設したものである。
【００５８】
本実施形態の内輪１２では、溝部１２ｂ，１２ｃの軸方向幅Ｌｂ，Ｌｃはそれぞれ１ｍｍ以上に設定されており、エンコーダ３１の個性化部分３４は、溝部１２ｂ，１２ｃの両方の軸方向端面１２ｂＳ，１２ｃＳに開口するように連続的に形成されている。また、溝部１２ｂ，１２ｃの深さＨｂ，Ｈｃは、個性化部分３４の深さよりも大きく設定されており、溝部１２ｂ，１２ｃの外周面は個性化部分３４の外周面よりも内径側に位置している。
【００５９】
この内輪１２によれば、エンコーダ３１の個性化部分３４を設ける際、軸方向両端部に個性化部分３４よりも内径側にまで切り欠かれた溝部１２ｂ，１２ｃが形成されているため、個性化部分３４を軸方向に渡って切り通すことが可能となる。
【００６０】
したがって、溝部１２ｂ，１２ｃを有する内輪１２にエンコーダ３１の個性化部分３４をミーリング加工機等で切削加工する際、個性化部分３４は軸方向に渡って切り通すことで形成することができ、加工性を向上することができる。また、加工機が溝部１２ｂの軸方向端面１２ｂＳを抜ける際に、該軸方向端面１２ｂＳ近傍にバリが発生した場合であっても、バリが内輪７２（図２１参照）と当接する内輪１２の軸方向端面１２ｄに影響を及ぼすことがないので、内輪端面の平行度が向上する。これによって、内輪１２，７２を精度良く組み立てることが可能となる。
【００６１】
また、個性化部分３４は、溝部１２ｂ，１２ｃの軸方向端面１２ｂＳ，１２ｃＳ間を軸方向に渡って切り通すことで形成されているので、各個性化部分３４の軸方向寸法誤差を低減することができる。これによって、各個性化部分３４の寸法のアンバランスに起因する主軸装置の振動を抑制することが可能となる。これは、特に、工具を高速回転させる際に、顕著な効果を発揮する。
なお、その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
また、本実施形態では、内輪１２に第１及び第２の溝部１２ｂ、１２ｃを形成しているが、バリの影響を受けない内輪端面の平行度を向上する構成として、第１の溝部１２ｂのみを形成するようにしてもよい。
【００６２】
また、本実施形態の溝部１２ｂ，１２ｃを有する内輪１２の構成は、図１５に示すように、第２実施形態の凸部９３及び凹部９４によってエンコーダ３１を構成する内輪１２にも適用可能であり、また、図１６に示すように、第２実施形態の変形例である、平行部９３ａ，９３ｂ，９４ａ，９４ｂを持った凸部９３及び凹部９４によってエンコーダ３１を構成する内輪１２にも適用可能である。
【００６３】
（第４実施形態）
図１７（ａ）は、本発明に係る第４実施形態のセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。本実施形態のセンサ３２は、（即ち、樹脂製のセンサケース）は、その大径部３２ａの外周面から軸方向一端側（図１７（ｃ）の右側）に向かって延出するフランジ部３２ｆを有する。
【００６４】
フランジ部３２ｆには穴３２ｆａが設けられており、その内部には金属製の補強リング１２０が一体成型されている。補強リング１２０は、穴３２ｆａよりも軸方向に長く、フランジ部３２ｆの表裏面から突出する。そして、ねじ４１を、補強リング１２０の内部を通じて、外輪１１に螺合することによって、センサ３２は固定される。
【００６５】
このように、固定治具３８を使用せずに、センサ３２に設けたフランジ部３２ｆによってセンサ３２を外輪１１に固定する場合、補強リング１２０を設けず、フランジ部３２ｆをねじ４１で直接締め付けようとすると、樹脂製のセンサ３２に強度不足による破損、クリープ変形による緩み、変位による不具合等が発生する可能性がある。
【００６６】
一方、本実施形態のセンサ３２は、金属製の補強リング１２０を穴３２ｆａ内部に一体成型したことにより、補強リング１２０のみでねじ４１の締付力を受け、フランジ部３２ｆに締付力が伝わることを防止できる。これによって、フランジ部３２ｆの破損、クリープ変形による緩み、変位による不具合の発生等を防ぐことができる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００６７】
（第５実施形態）
図１８〜図２０は、第５実施形態の荷重センサ付き軸受装置のセンサ構造を示している。第５実施形態のセンサ３２は、図４に示すセンサと実質的に同じであるが、外形形状が異なる。即ち、本実施形態のセンサ３２は、磁気センサ３６を内蔵し、上部には左右に延設されたフランジ部３２ｄが設けられ、該フランジ部３２ｄには、穴３２ｅが形成されている。この穴３２ｅ内部にも金属製の補強リング１２０が一体成型される。補強リング１２０は、長さが穴３２ｅよりも長く設定されているため、フランジ部３２ｄの表裏面から突出している。
【００６８】
図１９に示すように、外輪１１に設けられたセンサ取付穴５０は、外輪１１の一端面側から形成されたコの字状溝５１と、このコの字状溝５１の底部に開口を有するＵ字溝５２と、コの字状溝５１の底部に形成された一対の雌ねじ穴５３とからなる。
【００６９】
センサ３２のセンサ取付穴５０への取り付けは、図２０に示すように、センサ３２をＵ字溝５２に嵌合させ、ねじ５４を補強リング１２０の内部を通じて雌ねじ５３に螺合させて、フランジ３２ｄをコの字状溝５１に固定して行われる。このように構成することで、外輪１１に形成される雌ねじ穴５３をセンサ３２より軸方向一端面側に形成することができ、高負荷時に雌ねじ穴５３部分に応力集中が作用するのを防止することができる。
また、この実施形態においても、金属製の補強リング１２０を穴３２ｅ内部に一体成型したことにより、補強リング１２０のみでねじ５４の締付力を受け、フランジ部３２ｄに締付力が伝わることを防止できる。これによって、フランジ部３２ｄの破損、クリープ変形による緩み、変位による不具合の発生等を防ぐことができる。
なお、その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００７０】
（第６実施形態）
第６実施形態では、第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置について図２１を参照して説明する。本実施形態の工作機械の主軸装置６０は、モータビルトイン方式であり、その中心部には、回転部材である中空状の回転軸（主軸）６１が設けられている。回転軸６１の軸方向端部（図２１において左側）には、不図示の工具が保持されている。
【００７１】
回転軸６１は、その工具側を支承する前側軸受である一対のアンギュラ玉軸受２０、７０と、反工具側を支承する後側軸受８０とによって、静止部材であるハウジング６２に回転自在に支持されている。一対のアンギュラ玉軸受２０、７０は、背面組合せされて、アンギュラ玉軸受２０のセンサユニット３０が、アンギュラ玉軸受７０寄りに配置される。センサユニット３０の信号線３７は、ハウジング６２に形成された溝６２ｃ内を配索されて外部に導出され、演算装置１５０に電気的に接続されて、検出信号を送出する。なお、アンギュラ玉軸受２０は、本発明の軸受であり、アンギュラ玉軸受７０は、本発明の他の軸受である。
【００７２】
前側軸受２０，７０と後側軸受８０間における回転軸６１の外周面には、ロータ６３が外嵌されている。また、ロータ６３の周囲に配置されるステータ６４は、ハウジング６２に固定されており、ステータ６４に電力を供給することで、ロータ６３に回転力を発生させて、回転軸６１を回転させる。尚、ハウジング６２は、前側軸受７０とステータ６４との間で軸方向に２分割されたハウジング６２ａとハウジング６２ｂとから構成されている。
【００７３】
第１実施形態のアンギュラ玉軸受２０と背面組み合わせされるアンギュラ玉軸受７０は、静止側軌道輪である外輪７１と、回転側軌道輪である内輪７２と、静止側軌道である外輪軌道溝７１ａ及び回転側軌道である内輪軌道溝７２ａ間に、接触角を持って配置された転動体としての複数の玉７３と、を備える。
【００７４】
前側軸受２０，７０の外輪１１，７１は、ハウジング６２に内嵌されてハウジング６２にボルト締結された前側軸受外輪押え６５によって、ハウジング６２に固定されている。また、前側軸受２０，７０の内輪１２，７２は、回転軸６１に外嵌され、回転軸６１に締結されたナット６６によって回転軸６１に固定されている。前側軸受２０，７０は、ナット６６によって定位置予圧が付与されて、回転軸６１の軸方向位置が位置決めされる。
【００７５】
後側軸受８０は、円筒ころ軸受であり、外輪８１と、内輪８２と、転動体としての複数の円筒ころ８３と、を有する。後側軸受８０の外輪８１はハウジング６２に内嵌され、ハウジング６２にボルト締結された後側軸受外輪押え６７によって外輪間座６８を介してハウジング６２に固定されている。後側軸受８０の内輪８２は、回転軸６１に締結された他のナット６９によって内輪間座５５を介して回転軸６１に固定されている。
【００７６】
軸方向において前側軸受２０，７０、及びステータ６４に対応するハウジング６２の外周面には、円環状の冷却油溝５６、５７が形成されている。この冷却油溝５６、５７は、ハウジング６２に外嵌するリング状の冷却ジャケット５８、５９によって覆われている。そして、この冷却油溝５６、５７に供給された冷却油によって前側軸受２０，７０、及びステータ６４が冷却される。
【００７７】
このように、背面組合せされたアンギュラ玉軸受２０、７０によって支持され、軸方向位置が位置決めされる回転軸（主軸）６１は、２つのアンギュラ玉軸受２０、７０の軸方向中心位置（具体的には、磁気センサ３６の位置）が一定となり、この位置を中心として伸縮する。そして、アンギュラ玉軸受２０のセンサユニット３０は、２つのアンギュラ玉軸受２０、７０の各玉１３，７３の軸方向中心位置に位置するようにアンギュラ玉軸受７０に配置されているので、熱等によって回転軸６１が伸縮変形しても、測定位置である２つのアンギュラ玉軸受２０、７０の軸方向中心位置が移動することはない。従って、熱等による軸伸縮の影響による測定精度の低下を抑制することができ、アキシャル荷重による回転軸６１の移動により発生する検出部（図２参照）の出力による位相ずれを高精度で測定することができ、この位相ずれに基づいて、アキシャル荷重が演算装置１５０によって求められる。
【００７８】
なお、図２２に示す第６実施形態の変形例では、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２のエンコーダ３１が形成される部分の内周面１２ｃを僅かに大径として回転軸１２との嵌めあいを隙間嵌めとしている。
【００７９】
荷重センサ付き軸受装置１０が工作機械の主軸装置に使用される場合、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２は、回転軸６１と内輪１２との相対的な滑りを防止するため、主軸に締まりバメされるのが一般的である。特に、高速回転で使用される回転軸６１においては、遠心力によって内輪１２が膨張するため、締め代が大きく設定されるので、内輪１２にかかる負荷が大きい。このような内輪１２の外周面にエンコーダ３１が外嵌固定されると、エンコーダ３１の変形による検出精度の低下や、エンコーダ３１の破損等が懸念される。このため、内輪１２のエンコーダ３１が形成される部分と回転軸１２との嵌めあいを隙間嵌めとすることで、このような問題を回避することができる。また、これによって、締め代部の軸方向長さを短くすることができ、エンコーダ３１の組付けが容易となる。
【００８０】
（第７実施形態）
図２３は第７実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第７実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０では、外輪１１と別体に、静止側間座である外輪間座７６が設けられており、外輪間座７６のセンサ取付穴１５にセンサ３２が装着されている。また、エンコーダ３１は、第１実施形態と同様、内輪１２と一体に形成されている。
【００８１】
このように構成することで、アンギュラ玉軸受２０とセンサ３２のいずれかに不具合が生じたとき、個別に修理、交換が可能となるので、メンテナンス性が向上すると共に、コストを抑制することができる。また、荷重センサ付き軸受装置１０の使用条件、あるいは必要精度等に応じて、センサ３２を好適な仕様のものに適宜交換することができ、要求される仕様に対して柔軟に対応することが可能となる。さらに、エンコーダ３１と内輪１２とは一体に形成されているので、取り扱い性が良好となる。また、本実施形態では、外輪１１に雌ねじ穴を設ける必要がなく、好ましい。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００８２】
（第８実施形態）
図２４は第８実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第８実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、内輪１２と別体に、回転輪間座である内輪間座７５が設けられており、内輪間座７５の外周面にエンコーダ３１が形成されている。また、センサ３２は、第１実施形態と同様、外輪１２のセンサ取付穴１５に一体に形成されている。
【００８３】
このように構成することで、アンギュラ玉軸受２０とエンコーダ３１のいずれかに不具合が生じたとき、個別に修理、交換が可能となると共に、使用条件に応じてエンコーダを取り替えることも容易となる。例えば、高速スピンドルに適用されて、遠心力によってエンコーダ３１が破損する可能性がある場合、高速回転対策が施されたエンコーダ３１に交換して容易に対応することができる。さらに、荷重センサ付き軸受装置１０の使用条件、あるいは必要精度等に応じて、エンコーダ３１を好適な仕様のものに適宜交換することができ、要求される仕様に対して柔軟に対応することが可能となる。また、センサ３２と外輪１３とは一体に形成されているので、取り扱い性が良好となる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００８４】
（第９実施形態）
図２５は第９実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第９実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、外輪１１と別体に、静止側間座である外輪間座７６が設けられており、外輪間座７６のセンサ取付穴１５にセンサ３２が装着されている。また、内輪１２と別体に、回転輪間座である内輪間座７５が設けられており、内輪間座７５の外周面にエンコーダ３１が形成されている。
【００８５】
このように、アンギュラ玉軸受２０とセンサユニット３０を分離構造とすることにより、アンギュラ玉軸受２０、エンコーダ３１、及びセンサ３２のいずれかに不具合が生じたとき、個別に修理、交換が可能となるので、メンテナンス性が向上すると共に、コストを抑制することができる。
【００８６】
また、荷重センサ付き軸受装置１０の使用条件、あるいは必要精度等に応じて、軸受２０、エンコーダ３１、及びセンサ３２を好適な仕様のものに適宜交換することができ、要求される仕様に対して柔軟に対応することが可能となる。例えば、高速回転軸に適用されて、遠心力によってエンコーダ３１が破損する可能性がある場合、高速回転対策が施されたエンコーダ３１に交換して容易に対応することができる。また、本実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、図２１に示すような背面組み合わせ軸受としたとき、軸受内外輪ではなく、内輪間座７５及び外輪間座７６を用いて、軸受の予圧調整を容易に行うことができる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。
【００８７】
（第１０実施形態）
図２６は第１０実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置の要部断面図である。本実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０が適用される工作機械の主軸装置６０では、エンコーダ３１は、第７実施形態と同様、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２の一端側に形成される。一方、センサ１３２は、ハウジング６２のセンサ取付穴７７に取り付けられると共に、外輪１１と別体に設けられた外輪間座７６に形成され、センサ取付穴７７と径方向に連続する貫通穴７８から延出する。これにより、センサ１３２の磁気センサ３６がエンコーダ３１の被検出面に対向配置される。
【００８８】
従って、本実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０では、外輪１１や外輪間座７６に取り付けられるセンサ３２と比較して、大きなセンサ１３２を使用することができ、より高性能、且つ高機能なセンサ１３２を用いることが可能となる。
その他の構成及び作用については、第６実施形態の主軸装置６０と同様である。
【００８９】
尚、本発明は、前述した各実施形態及び変形例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記の説明においては、アンギュラ玉軸受２０、または内外輪間座７５、７６にセンサユニット３０を組み付けた構造の荷重センサ付き軸受装置１０について説明したが、これには限定されず、他の形式の軸受や軸受間座と組み合わせることも可能であり、組み合わされる軸受の列数や、組み合わせ方も任意である。
また、工作機械の主軸装置以外の回転軸にも適用することができ、同様の効果を奏する。
【００９０】
加えて、スピンドル軸のアキシャル荷重を測定可能な、本実施形態の主軸装置６０は、工作機械に組み込んで適用可能であり、例えば、図２７に示すような門形マシニングセンタ２０１に装着される。具体的に、門形マシニングセンタ２０１では、ベッド２０２の上にテーブル２０３がＸ軸方向へ移動可能に支持されており、ベッド２０２の両側には一対のコラム２０４が立設されている。コラム２０４の上端にはクロスレール２０５が架設されており、クロスレール２０５には、サドル２０６がＹ軸方向へ移動可能に設けられる。また、サドル２０６には、Ｚ軸方向に昇降可能なラム２０７が支持されており、ラム２０７の下端には、主軸装置６０をＹ軸回り及びＺ軸回りに回転割出し駆動可能に保持する主軸ヘッド２０８が装着されている。主軸ヘッド２０８の２本の支持アーム２０８ａ内には、図示しないチルト機構が設けられており、主軸装置６０は、このチルト機構によってブラケット２０９を介してＹ軸回りに回転割出しされる。
【符号の説明】
【００９１】
１０ 荷重センサ付き軸受装置
１１ 外輪（静止側軌道輪）
１１ａ 外輪軌道溝（静止側軌道）
１２ 内輪（回転側軌道輪）
１２ａ 内輪軌道溝（回転側軌道）
１３ 玉（転動体）
２０ アンギュラ玉軸受（軸受）
３０ センサユニット
３１ エンコーダ
３２，１３２ センサ
３３ 被検出用組み合わせ部
３４ 個性化部分
３６ 磁気センサ（検出部）
６０ 工作機械の主軸装置
６１ 回転軸（主軸、回転部材）
６２ ハウジング（静止部材）
７０ アンギュラ玉軸受（軸受）
７５ 内輪間座（回転側間座）
７６ 外輪間座（静止側間座）
７８ 貫通孔
９３ 凸部（第１被検出部）
９４ 凹部（第２被検出部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成することを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
【請求項２】
前記センサは、前記静止側軌道輪に設けられることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項３】
前記センサは、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項４】
前記センサは、前記静止部材に設けられ、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に形成された貫通孔から延出して、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項５】
静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成し、
前記センサは、前記静止側軌道輪に設けられることを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
【請求項６】
静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成し、
前記センサは、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられることを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
【請求項７】
前記軸受の側方には、前記回転部材の軸方向位置を位置決めするように前記軸受と組合せにて配置される他の軸受をさらに備え、
前記軸受のセンサユニットは、前記軸受の転動体と前記他の軸受の転動体との軸方向中間位置に位置するように、前記他の軸受に隣接して配置されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項８】
前記エンコーダの被検出面に、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分より成る複数の被検出用組み合わせ部を、円周方向に亙り等間隔で配置しており、これら各被検出用組み合わせ部を構成する１対ずつの個性化部分同士の円周方向に関する間隔は、総ての被検出用組み合わせ部で軸方向に関して同じ方向に連続的に変化していることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項９】
前記エンコーダの被検出面には、互いに異なる特性を有する第一被検出部と第二被検出部とが円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置されており、前記両被検出部の円周方向に関する幅のうち、第一被検出部の幅は軸方向一端側程広く、第二被検出部の幅は軸方向他端側程広いことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項１０】
前記エンコーダが磁性材製で、前記センサが前記エンコーダの被検出面の磁気特性の変化に対応して出力信号を変化させるものであり、前記エンコーダの軸方向両端部に、第一、第二両被検出部同士の回転方向に関するピッチが軸方向に関して変化しない平行部が存在することを特徴とする請求項９に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置を備え、
前記回転部材である主軸のアキシャル荷重が測定可能であることを特徴とする工作機械の主軸装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の主軸装置を備えたことを特徴とする工作機械。
【請求項１】
静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成することを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
【請求項２】
前記センサは、前記静止側軌道輪に設けられることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項３】
前記センサは、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項４】
前記センサは、前記静止部材に設けられ、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に形成された貫通孔から延出して、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項５】
静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成し、
前記センサは、前記静止側軌道輪に設けられることを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
【請求項６】
静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、を備える荷重センサ付き軸受装置であって、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられ、前記エンコーダの被検出面は、円周方向に関して変化する前記特性のピッチが、軸方向に関して連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成し、
前記センサは、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座に設けられることを特徴とする荷重センサ付き軸受装置。
【請求項７】
前記軸受の側方には、前記回転部材の軸方向位置を位置決めするように前記軸受と組合せにて配置される他の軸受をさらに備え、
前記軸受のセンサユニットは、前記軸受の転動体と前記他の軸受の転動体との軸方向中間位置に位置するように、前記他の軸受に隣接して配置されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項８】
前記エンコーダの被検出面に、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分より成る複数の被検出用組み合わせ部を、円周方向に亙り等間隔で配置しており、これら各被検出用組み合わせ部を構成する１対ずつの個性化部分同士の円周方向に関する間隔は、総ての被検出用組み合わせ部で軸方向に関して同じ方向に連続的に変化していることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項９】
前記エンコーダの被検出面には、互いに異なる特性を有する第一被検出部と第二被検出部とが円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置されており、前記両被検出部の円周方向に関する幅のうち、第一被検出部の幅は軸方向一端側程広く、第二被検出部の幅は軸方向他端側程広いことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項１０】
前記エンコーダが磁性材製で、前記センサが前記エンコーダの被検出面の磁気特性の変化に対応して出力信号を変化させるものであり、前記エンコーダの軸方向両端部に、第一、第二両被検出部同士の回転方向に関するピッチが軸方向に関して変化しない平行部が存在することを特徴とする請求項９に記載の荷重センサ付き軸受装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の荷重センサ付き軸受装置を備え、
前記回転部材である主軸のアキシャル荷重が測定可能であることを特徴とする工作機械の主軸装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の主軸装置を備えたことを特徴とする工作機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２０１２−６７９０７（Ｐ２０１２−６７９０７Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３５６４０（Ｐ２０１０−２３５６４０）
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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