軸受状態検査装置および軸受状態検査方法
【課題】 回転側輪や転動体に対して非接触の状態で、転がり軸受における潤滑膜の状態を推定できると共に、スリップリング等の電気接点を用いることなく、油膜厚さ等の測定を簡単に行うことができ、装置全体の組立を簡単に行うことができる軸受状態検査装置および軸受状態検査方法を提供する。
【解決手段】 内輪３に取付けられこの内輪３に対して電気的に導通した導電性の回転リング８と、外輪２に取付けられた固定側ユニット１３とを備え、この固定側ユニット１３は、回転リング８に静電容量発生用の隙間を介して対向し外輪２に対して電気的に非導通の固定リング９と、この固定リング９に対して電気的に絶縁されかつ外輪２に対して電気的に導通した金属部材１２とを有する。
【解決手段】 内輪３に取付けられこの内輪３に対して電気的に導通した導電性の回転リング８と、外輪２に取付けられた固定側ユニット１３とを備え、この固定側ユニット１３は、回転リング８に静電容量発生用の隙間を介して対向し外輪２に対して電気的に非導通の固定リング９と、この固定リング９に対して電気的に絶縁されかつ外輪２に対して電気的に導通した金属部材１２とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、鉄道車両、自動車、産業機械などの装置に組み込まれた転がり軸受の内部の潤滑剤の劣化状態を検出する軸受状態検査装置および軸受状態検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受において、内部の潤滑状態を確認することは、軸受寿命にとって極めて重要である。潤滑不良が発生し、軸受の転動体の転動面と内外輪の軌道面の間に形成された潤滑剤による潤滑膜の厚さが通常より薄くなった場合、転動面と軌道面が金属接触を起こし、軸受寿命が短くなることが知られている。
そこで、潤滑膜の状態を観察して軸受寿命を予測することが望まれるが、潤滑膜の状態は直接観察することが不可能なため、潤滑膜の状態を測定する各種の方法が従来より提案されている。その一つの方法は潤滑膜の状態を直流抵抗として測定するもの（特許文献１）であり、他の一つの方法は潤滑膜の厚さを電気容量として測定するもの（特許文献２）である。
また、本件出願人は、非接触で電気容量を測定し、１つの軸受の潤滑膜の状態を推定する方法を提案している。
【特許文献１】特開２００１−３１１４２７号公報
【特許文献２】特開２００３−２１４８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１の潤滑膜の状態を直流抵抗として測定する方法の場合、軸受内外輪のいずれかが回転しているため、被測定箇所以外の場所にスリップリングなどの電気接点が必要となり、その接点の電気抵抗が測定誤差の要因となったり測定結果を不安定なものにするという問題がある。
また、特許文献２の潤滑膜の厚さを電気容量として測定する方法の場合、軸受外輪に孔を開けて電極を取り付ける必要があり、一般の軸受には適用できない。
【０００４】
前述の非接触で電気容量を測定する技術では、次のような問題がある。
・固定輪と測定リングとのギャップ調整および取り付けが難しい。
・固定輪とハウジング等の他の部材とは電気的に非導通状態とするため、ハウジング等の他の部材が導通状態である場合、固定輪とハウジング等の他の部材との間のギャップ長を、測定に影響を及ぼさない程度とするための非導通部材を介在させる必要がある。
・軸受の固定輪に電極を取り付け、検出回路と電気的に接続しなければならず、組立て難い。
【０００５】
この発明の目的は、回転側輪や転動体に対して非接触の状態で、転がり軸受における潤滑膜の状態を推定できると共に、スリップリング等の電気接点を用いることなく、油膜厚さ等の測定を簡単に行うことができ、装置全体の組立を簡単に行うことができる軸受状態検査装置および軸受状態検査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の軸受状態検査装置は、それぞれ導電性の外輪と内輪と転動体とを有する転がり軸受において、内外輪のうちの回転側輪に取付けられ回転側輪に対して電気的に導通した導電性の回転側容量結合体と、前記内外輪のうちの固定側輪に取付けられた固定側ユニットとを備え、前記固定側ユニットは、前記回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し前記固定側輪に対して電気的に非導通の固定側容量結合体と、この固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ前記固定側輪に対して電気的に導通した接続用電極部材とを有することを特徴とする。
【０００７】
この構成によると、固定側ユニットは、固定側容量結合体と接続用電極部材とを有する。これらのうちの固定側容量結合体は、回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し固定側輪に対して電気的に非導通である。また、接続用電極部材は、固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ固定側輪に対して電気的に導通する。特に、回転側容量結合体と固定側容量結合体とが、静電容量発生用の隙間を介して対向するので、スリップリング等の電気接点を用いることなく、電気容量計等の判定手段の端子を両方とも固定側に接続して潤滑剤の油膜厚さ等を測定できる。また転がり軸受に、固定側ユニットと回転側容量結合体とを取付けるだけで、潤滑状態を検出することが可能となるため、検査装置の組立てが容易となり、また装置に軸受を取り付ける前にキャリブレーションすることが可能となる。
【０００８】
この発明において、前記固定側容量結合体と前記接続用電極部材との間に接続され、前記回転側容量結合体と固定側容量結合体との間、回転側輪と転動体との間、および固定側輪と転動体との間の各静電容量の合計値を測定し、この測定値から前記転がり軸受の潤滑状態を判定する判定手段を設けても良い。
【０００９】
この場合、判定手段は、回転側容量結合体と固定側容量結合体との間の静電容量、非導通状態にある回転側輪と転動体との間の静電容量、および非導通状態にある固定側輪と転動体との間の静電容量の合計値を測定し、この測定値から潤滑状態を判定する。この判定手段は、計測器や、ＣＰＵ（Central Processing Unit）の他、簡単な電子回路（閾値と比較するだけの回路）によって実現できる。
市販の電気容量計等の計測器を適用する場合、この計測器を他の転がり軸受の潤滑状態の計測に使用することができ、計測器自体の兼用性を高めることができる。したがって、軸受状態検査装置の初期導入費用を極力抑えることができる。専用の電子回路等を適用する場合、転がり軸受の潤滑状態を常に判定することができ、潤滑剤の劣化状態をリアルタイムで監視することが可能となる。
【００１０】
この発明において、前記回転側容量結合体および固定側容量結合体が、それぞれリング状の部材である回転リングおよび固定リングであり、これら回転リングと固定リングとを、径方向または軸方向に対向させても良い。この場合、回転リングおよび固定リングを、回転側輪、固定側輪の直径寸法等に基づいて設計し、取付け可能にできる。
【００１１】
この発明において、前記回転リングおよび固定リングが前記転がり軸受の側部に位置するものであり、前記回転側容量結合体および前記固定側ユニットが、それぞれ回転側輪および固定側輪に嵌合する取付用の環状の嵌合部を有するものであっても良い。この場合、回転側容量結合体を、その環状の嵌合部により回転側輪に簡単に取付けることができる。また、固定側ユニットを、その環状の嵌合部により固定側輪に簡単に取付けることができる。しかも、各環状の嵌合部によって、回転側輪に対する回転側容量結合体の位置決め精度を高めるとともに、固定側輪に対する固定側容量結合体の位置決め精度を高めることが可能となる。
【００１２】
この発明において、前記回転側輪が内輪であり、前記固定側ユニットが、前記外輪の外径面に嵌合するハウジングと、前記外輪の側方で前記ハウジングの内径面に外径側から順に重なり状態に設けられたリング状の接続用電極部材、リング状の絶縁体、および固定リングからなるものであっても良い。この場合、固定側ユニットを、ハウジングの内径面に外径側から重なり状態のリング状の部材で構成したので、固定側ユニットの取り扱い、組立を容易にし、作業工数の低減を図ることができる。
【００１３】
この発明の軸受状態検査方法は、それぞれ導電性の外輪と内輪と転動体とを有する転がり軸受の潤滑状態を検査する軸受状態検査方法において、内外輪のうちの回転側輪に、この回転側輪に対して電気的に導通した導電性の回転側容量結合体を取付け、前記内外輪のうちの固定側輪に、前記回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し前記固定側輪に対して電気的に非導通の固定側容量結合体と、この固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ前記固定側輪に対して電気的に導通した接続用電極部材とを取付け、
前記回転側容量結合体と固定側容量結合体との間、回転側輪と転動体との間、および固定側輪と転動体との間の各静電容量の合計値を、前記固定側容量結合体と前記接続用電極部材との間に接続手段を接続して測定し、この測定値から前記転がり軸受の潤滑状態を判定することを特徴とする。
【００１４】
この構成によると、固定側容量結合体は、回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し固定側輪に対して電気的に非導通である。また、接続用電極部材は、固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ固定側輪に対して電気的に導通する。これら固定側容量結合体と接続用電極部材との間に測定手段を接続して、回転側容量結合体と固定側容量結合体との間の静電容量、非導通状態にある回転側輪と転動体との間の静電容量、および非導通状態にある固定側輪と転動体との間の各静電容量の合計値を測定する。この測定値から潤滑状態を判定する。特に、固定側容量結合体は、回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向するので、スリップリング等の電気接点を用いることなく、測定手段の端子を両方とも固定側に接続して潤滑剤の油膜厚さ等を測定できる。このように各静電容量の合計値を測定することで、潤滑状態を判定することができる。したがって、回転側輪や転動体に対して非接触の状態で、転がり軸受における潤滑膜の状態を推定できると共に、スリップリング等の電気接点を用いることなく、油膜厚さ等の測定を簡単に行うことができ、装置全体の組立を簡単に行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の軸受状態検査装置は、回転側容量結合体と固定側容量結合体とが、静電容量発生用の隙間を介して対向するので、スリップリング等の電気接点を用いることなく、電気容量計等の判定手段の端子を両方とも固定側に接続して潤滑剤の油膜厚さ等を測定できる。また転がり軸受に、固定側ユニットと回転側容量結合体とを取付けるだけで、潤滑状態を検出することが可能となるため、検査装置の組立てが容易となり、また装置に軸受を取り付ける前にキャリブレーションすることが可能となる。したがって、回転側輪や転動体に対して非接触の状態で、転がり軸受における潤滑膜の状態を推定できると共に、スリップリング等の電気接点を用いることなく、油膜厚さ等の測定を簡単に行うことができ、装置全体の組立を簡単に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。この実施形態は、例えば、鉄道車両、自動車、二輪車、産業機械、工作機械などの装置に組み込まれた転がり軸受の内部の潤滑剤の劣化状態を検出する軸受状態検査装置に適用される。ただし、前記装置に限定されるものではない。以下の説明は、軸受状態検査方法についての説明をも含む。
【００１７】
この軸受状態検査装置１Ａは、図１に示すように、転がり軸受１が回転軸７に取り付けられた軸受使用装置において、転がり軸受１の潤滑膜の潤滑状態を推定するものである。転がり軸受１は、固定側輪である外輪２と、回転軸７に嵌合する回転側輪である内輪３と、外輪２の内周面に形成された軌道面と内輪３の外周面に形成された軌道面との間に介在する複数個の転動体６と、これら転動体６を保持する保持器５と、軸受の一側端部に設けられるシール４とを有する。この場合の転がり軸受１は、前記転動体６がボールからなる玉軸受である。
【００１８】
軸受状態検査装置１Ａは、回転側輪である前記内輪３に取り付けられこの内輪３に対して電気的に導通した導電性の回転リング８と、固定側輪である外輪２に取り付けられた固定側ユニット１３とを有する。また、軸受状態検査装置１Ａは後述する判定手段１６とを有する。この固定側ユニット１３は、回転リング８に静電容量発生用の隙間δｒを介して対向し外輪２に対して電気的に非導通の固定リング８、外輪２の外径面に嵌合するハウジング１０、固定リング８に対して電気的に絶縁されかつ外輪２に対して電気的に導通した接続用電極部材である金属部材１２、および固定リング９と金属部材１２を電気的に絶縁する絶縁体１１とを有する。前記回転リング８が回転側容量結合体に相当し、前記固定リング９が固定側容量結合体に相当する。この固定リング９は、回転リング８に対し一定のラジアル方向の隙間δｒつまり環状隙間δｒを介して、平行になるように、絶縁体１１の内周面に固定されている。これら固定リング９と回転リング８とは、径方向に対向させて配設される。
【００１９】
ハウジング１０の内周面１０ｂに外輪２が嵌合され、この外輪２の端面がハウジング１０の段部１０ａに当接する。前記段部１０ａの内周面に、金属部材１２の大部分が嵌合される。この金属部材１２は、外輪２と電気的に導通する導電性を有する導電性部材であり、この金属部材１２の大部分をなす大径部１２ａと、この大径部１２ａより小径で大径部１２ａの軸方向一端部から軸受内部側に所定小距離延びる小径部１２ｂとを有する。これら大径部１２ａと、小径部１２ｂとは一体に形成されている。大径部１２ａと小径部１２ｂとの間の段部であってラジアル平面をなす一方側段部１２ｃが、外輪２の端面に臨み当接する。小径部１２ｂの外径面は、外輪肩径の内周面に嵌合する。ハウジング１０の内周面１０ｂ、および金属部材１２の小径部１２ｂが、外輪２に嵌合する取付用の環状の嵌合部に相当する。
【００２０】
前記金属部材１２の内周面に、固定リング９と金属部材１２とを電気的に絶縁する絶縁体１１が嵌合されている。この絶縁体１１は、金属部材１２の大径部１２ａに嵌合される絶縁体大径部１１ａと、金属部材１２の小径部１２ｂに嵌合される絶縁体小径部１１ｂとを有する。これら絶縁体大径部１１ａおよび絶縁体小径部１１ｂは、一体に形成される。絶縁体大径部１１ａと絶縁体小径部１１ｂとの間のラジアル平面をなす一方側段部１１ｃが、金属部材１２の他方側段部１２ｄに臨み当接する。これによって、絶縁体１１は、金属部材１２に対して相対的に軸方向に位置決めされる。これら段部１１ｃ，１２ｄによって、絶縁体１１が軸受内部の所定位置よりも不所望に内部に侵入することを確実に防止し得る。
【００２１】
前記絶縁体１１の内周面に固定リング９が嵌合されている。この固定リング９は、絶縁体大径部１１ａに嵌合される大径リング部９ａと、絶縁体小径部１１ｂに嵌合される小径リング部９ｂとを有する。これら大径リング部９ａと小径リング部９ｂとは一体に形成される。大径リング部９ａと小径リング部９ｂとの間のラジアル平面を成す段部９ｃが、絶縁体１１の他方側段部１１ｄに臨み当接する。これによって、固定リング９は、絶縁体１１に対して相対的に軸方向に位置決めされる。これら段部９ｃ，１１ｄによって、固定リング９が軸受内部の所定位置よりも不所望に内部に侵入することを確実に防止し得る。大径リング部９ａの内径と小径リング部９ｂの内径とは同径に、つまり段差なく形成されている。
【００２２】
前記回転リング８は、リング本体８ａと嵌合部８ｂとを有する。リング本体８ａの軸方向一端部に嵌合部８ｂが一体に付設され、この嵌合部８ｂは、内輪３のシールド肩部に嵌合する。つまり嵌合部８ｂが軸受内部に入り込み、内輪３に固定される。この嵌合部８ｂが、内輪３に嵌合する取付け用の環状の嵌合部に相当する。また、内輪端面に臨むリング本体８ａの端部は、この内輪３の端面に当接する。これにより、嵌合部８ｂの軸方向位置が規制され、この嵌合部８ｂが軸受内部に不所望に侵入することを防止する。
【００２３】
図３（Ａ）は前記転がり軸受の半部断面図を示し、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の軸受構造を電気回路として表現した模式図を示す。図３（Ａ）において、転がり軸受１が正常に回転している場合、外輪２と転動体６の接触面には１μｍ以下の厚さの潤滑膜（油膜）が形成され、外輪２と転動体６は直接接触することなく潤滑膜を介して加重を伝えることが知られている。内輪３と転動体６の接触面にも同様の潤滑膜が形成される。外輪２と転動体６の関係において、潤滑膜を誘電体と考え、外輪２と転動体６を電極と考えると、ここに１つのコンデンサが形成される。同様に内輪３と転動体６の関係においても、もう１つのコンデンサが形成される。
【００２４】
これを模式的に表現すると、図３（Ｂ）に示すように２つのコンデンサ１７，１８が直列に接続された回路構成となる。ここで、両コンデンサ１７，１８の静電容量Ｃａ，Ｃｂが等しいとすると、２つのコンデンサ１７，１８の合計の静電容量はＣａ／２となる。また軸受１個あたりの転動体６の個数をｎとして、それぞれの転動体６でのコンデンサの静電容量が等しいとすると、それらの等しい静電容量のコンデンサが並列に接続された回路構成とみなすことができるので、軸受１個での全体の静電容量はｎＣａ／２となる。したがって、転がり軸受１において、外輪２から内輪３までの経路の静電容量を測定すれば、１箇所の潤滑膜１９（２０）での静電容量Ｃａを推定することができる。ただし、このままでは、内外輪３，２のいずれかが回転している（図１の場合は内輪３が回転している）ため、潤滑状態を直流抵抗として測定する先述した特許文献１に開示の方法の場合と同様に、被測定箇所以外の部分でスリップリングなどの電気接点が必要になり、測定誤差が生じたり測定結果が不安定になる要因となる。
【００２５】
そこで、この実施形態の軸受状態検査装置１Ａでは、回転リング８と固定リング９とが成すコンデンサの容量と、転がり軸受１の内外輪３，２と転動体６との接触点にそれぞれ形成される容量との合計値を、前記金属部材１２を電極として測定することによって非接触で推定し、その容量の変化から、転がり軸受１の油膜の潤滑状態を検査する。本実施形態において、一方の電極２１から他方の電極２２にわたる経路の電気的な等価回路は図４のようになる。すなわち、この場合の電気回路は、電極２１→金属部材１２→外輪２→転動体６→内輪３→回転リング８→固定リング９→電極２２の経路で形成される。
【００２６】
固定リング９と回転リング８の間でコンデンサが構成され、その静電容量Ｃｒは、リング断面積Ｓ、固定リング，回転リング間の距離ｄ、誘電率εとすれば、
Ｃｒ＝εＳ／ｄ ……（１）
となる。この静電容量Ｃｒの値は予め測定しておくことも可能である。
一方、各転動体６と内外輪３，２の間に形成されるコンデンサの静電容量が同じ値Ｃａとすると、軸受側の全体の静電容量Ｃｊは、
Ｃｊ＝ｎＣａ／２ ……（２）
となり、
Ｃａ＝２Ｃｊ／ｎ ……（３）
となる。
また、固定リング９，回転リング８間のコンデンサの静電容量はＣｒであるから、前記等価回路の全体の静電容量Ｃを測定すれば、
Ｃ＝Ｃｊ・Ｃｒ／（Ｃｊ＋Ｃｒ） ……（４）
より、
Ｃｊ＝Ｃ・Ｃｒ／（Ｃ−Ｃｒ） ……（５）
となる。したがって、式（３），（５）より、
Ｃａ＝２Ｃ・Ｃｒ／ｎ（Ｃ−Ｃｒ） ……（６）
として、転動体６と内外輪３，２間に介在する潤滑膜２０，１９の１箇所あたりの平均静電容量Ｃａを求めることができる。全体の静電容量Ｃの測定には、電気容量計等の市販の計測器を用いて必要時にこの計測器を接続して測定し、人が判定しても良い。
【００２７】
前記判定手段１６は、金属部材１２と固定リング９との間に電気的に接続され、たとえば、計測器や、中央演算処理装置（略称ＣＰＵ；Central Processing Unit）等の他、簡単な電子回路、例えば閾値と比較するだけの回路等によって実現される。
市販の電気容量計等の計測器を適用する場合、この計測器を他の転がり軸受の潤滑状態の計測に使用することができ、計測器自体の兼用性を高めることができる。したがって、軸受状態検査装置の初期導入費用を極力抑えることができる。専用の電子回路等を適用する場合、転がり軸受の潤滑状態を常に判定することができ、潤滑剤の劣化状態をリアルタイムで監視することが可能となる。
この判定手段１６は、前述のように全体の静電容量Ｃを測定し、その測定値からこの転がり軸受１の潤滑状態を測定する。この判定手段１６による転がり軸受１の潤滑状態の判断基準としては、例えば以下のような潤滑状態が挙げられる。
【００２８】
１．転がり軸受の油膜が形成されない場合、導通状態となり、全体の静電容量はＣｒのみとなり増加する。
２．転がり軸受の各油膜形成箇所のいずれか１箇所が油膜切れの場合、その部分が導通するため、全体の静電容量がやや増える。
３．軸受使用装置に過大な負荷がかかった場合、油膜の厚みが減るため、全体の静電容量が増加する。
４．転がり軸受における油膜の状態が不安定になると、静電容量の不安定になるので、静電容量の変動をチェックする。
【００２９】
これらの判断基準を採用した場合、判定手段１６は、測定された全体の静電容量Ｃの値が通常より増えた場合（所定の閾値を越えた場合）、あるいは静電容量の変動が大きい場合（静電容量の変動幅が所定の閾値を越えた場合）、あるいは両方の条件を満たす場合に潤滑状態不良と判断することになる。
なお、転がり軸受１が停止または低速回転している場合、転がり軸受１は導通状態またはそれに近い状態となるため、全体の静電容量は上記１．の場合と同様に、全体の静電容量はＣｒのみとなり増加する。
【００３０】
この実施形態の軸受状態検査装置１Ａでは、回転リング８と固定リング９との間、内輪３と転動体６との間、および外輪２と転動体６との間の各静電容量の合計値が、回転側輪である内輪３や転動体６と非接触の状態で測定され、その測定値から転がり軸受１の潤滑状態の良否が判定される。
【００３１】
特に、回転リング８と固定リング９とが、静電容量発生用の隙間δｒを介して対向するので、スリップリング等の電気接点を用いることなく、判定手段１６の一方および他方の端子を両方とも固定側に接続して潤滑剤の油膜厚さ等を測定できる。また、転がり軸受１に、固定側ユニット１３と回転リングとを取付けるだけで、潤滑状態を検出することが可能となるため、軸受状態検査装置１Ａの組立てが容易となり、また装置に軸受を取り付ける前にキャリブレーションすることが可能となる。
【００３２】
判定手段１６として市販の電気容量計等の計測器を適用する場合、この計測器を他の転がり軸受の潤滑状態の計測に使用することができ、計測器自体の兼用性を高めることができる。したがって、軸受状態検査装置の初期導入費用を極力抑えることができる。判定手段１６として専用の電子回路等を適用する場合、転がり軸受の潤滑状態を常に判定することができ、潤滑剤の劣化状態をリアルタイムで監視することが可能となる。
また、回転リング８と固定リング９とを、径方向に対向させているが、この場合、これら回転リング８と固定リング９を、内輪３、外輪２の直径寸法等に基づいて設計し、取付け可能にできる。
【００３３】
回転リング８および固定リング９が、転がり軸受１の側部つまり軸方向一方側端部に位置するもので、回転リング８および固定側ユニット１３が、それぞれ内輪３および外輪２に嵌合する取付用の環状の嵌合部８ｂおよび内周面１０ｂを有する。したがって、回転リング８を、その環状の嵌合部８ｂにより内輪３に簡単に取付けることができ、固定側ユニット１３を、その内周面１０ｂにより外輪２に簡単に取付けることができる。しかも、嵌合部８ｂおよび内周面１０ｂによって、内輪３に対する回転リング８の位置決め精度を高めるとともに、外輪２に対する固定リング９の位置決め精度を高めることが可能となる。
【００３４】
また、固定側ユニット１３が、外輪２の外径面に嵌合するハウジング１０と、外輪２の側方でハウジング１０の内径面に外径側から順に重なり状態に設けられたリング状の金属部材１２、リング状の絶縁体１１、および固定リング９からなるので、固定側ユニット１３の取り扱い、組立を容易にし、作業工数の低減を図ることができる。
また、内輪３に取付けた回転リング８に隙間δｒを介して、固定側輪である外輪２に取付けた導電性の固定リング９を設けたので、特に回転リング８と固定リング９との間の静電容量の調整を、前述の従来技術よりも容易にし、各静電容量を精度良く測定できる。また、各静電容量の合計値を固定リング９および回転リング８を介して測定できるので、軸受の固定側輪等に直接電極を取り付ける手間等を省略でき、検査装置自体の組立を簡単化することが可能となる。
【００３５】
また、上記軸受状態検査装置１Ａを組み込んだ軸受使用装置、軸受状態検査方法では、転がり軸受１の潤滑膜の状態、負荷の状態をモニターすることができるため、故障の前兆あるいは故障の診断を行い、軸受使用装置１Ａの停止や軸受交換が必要なことを知らせることができる。この軸受使用装置１Ａが鉄道車両や産業機械である場合、安全性が向上する。また、この軸受使用装置１Ａでは、転がり軸受１の寿命や経年変化を予測できるため、転がり軸受１の無駄な交換や時期に遅れた交換がなくなり、経済性が向上する。
【００３６】
図５は、この発明の他の実施形態を示す。
以下の説明においては、各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
【００３７】
この実施形態の軸受状態検査装置１Ｂは、回転リング８Ａの一部と固定リング９Ａの一部とを軸方向に対面させて構成されている。前述の図１に示す実施形態では、固定リング９の内径が段差なく形成されているが、この実施形態の固定リング９Ａは、その軸方向一端部が半径方向内方に突出するように形成されている。この突出部を内方フランジ９Ａａと称す。これに対して、回転リング８Ａの軸方向一端部は、半径方向外方に突出する外方フランジ８Ａａを成す。前記内方フランジ９Ａａは、外方フランジ８Ａａに対し一定のアキシアル方向の隙間δａを介して平行になるように、絶縁体１１の内周面に固定されている。その他図１の実施形態と同様の構成となっている。この実施形態の軸受状態検査装置１Ｂによると、内輪３に取付けた回転リング８Ａに軸方向の隙間δａを介して、固定側輪である外輪２に取付けた導電性の固定リング９Ａを設けたので、特に回転リング８Ａと固定リング９Ａとの間の静電容量の調整を、前述の従来技術よりも容易にし、各静電容量を精度良く測定できる。また、各静電容量の合計値を固定リング９Ａおよび回転リング８Ａを介して測定できるので、軸受の固定側輪等に直接電極を取り付ける手間等を省略でき、検査装置自体の組立を簡単化することが可能となる。その他図１の実施形態と同様の効果を奏する。
【００３８】
図６は、この発明のさらに他の実施形態の等価回路図である。この実施形態の軸受状態検査装置は、図１における軸受使用装置の転がり軸受が外輪回転の場合に適用したものである。この転がり軸受の内輪３は、固定軸に嵌合される。また、内輪３の端面に、導電性部材であるリング状の金属部材１２Ａが取り付けられ、この金属部材１２Ａの外周面に、絶縁体を介して固定リング９Ｂが嵌合されている。回転リング８Ｂは外輪２の端面に取付けられ、固定リング９Ｂと回転リング８Ｂとは、径方向に対向させて配設される。
【００３９】
ただしこれらリング９Ｂ，８Ｂを軸方向に対面させて配設しても良い。この場合の電気回路は、電極２２→金属部材１２Ａ→内輪３→転動体６→外輪２→回転リング８Ｂ→固定リング９Ｂ→電極２１の経路で形成される。この実施形態の軸受状態検査装置でも、回転リング８Ｂと固定リング９Ｂとの間、内輪３と転動体６との間、および外輪２と転動体６との間の各静電容量の合計値が、回転側輪である外輪２や転動体６と非接触の状態で測定され、その測定値から転がり軸受の潤滑状態の良否が判定される。その他図１の実施形態と同様の作用、効果を奏する。このように、転がり軸受が外輪回転の場合にも、軸受状態検査装置を適用することができる。
【００４０】
図７は、軸受状態検査装置における判定手段の一例を表すブロック図である。
判定手段１６は、静電容量測定手段２３と、この静電容量測定手段２３で測定した測定値から、この転がり軸受の潤滑状態を推定するＣＰＵ２４とを有する。これらのうち静電容量測定手段２３は、直列接続した発振器２５と電流測定手段２６とを備え、この電流測定手段２６とＣＰＵ２４とが電気的に接続されている。また、電流測定手段２６が電極２１に電気的に接続され、発振器２５が電極２２に電気的に接続されている。この軸受使用装置に交流電流を流すことによって、前述の全体の静電容量Ｃをインピーダンスに換算して測定するようにした例を示す。この場合、測定したインピーダンスから平均静電容量Ｃａを求めることもできる。
油膜で形成される静電容量は一般に数十ｐＦと小さいことから、本実施形態において発振器２５による発振周波数を、例えば１００ｋＨｚから１０ＭＨｚ程度とすると、高い検出精度が得られる。
【００４１】
図８は、前記静電容量測定手段２３ＡがＯＰアンプ２７で構成した発振器２８と、この発振器２８の発振周波数から静電容量を推定する周波数対応容量推定手段２９とでなり、測定した発振器２８の周波数により、軸受使用装置全体の静電容量Ｃを推定するようにした例を示す。この場合の発振器２８は、ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｏｓｃｉｌｌｏｒと呼ばれ、ＯＰアンプ２７に抵抗３０Ｒａ，３０Ｒｂ，３０Ｒｔ、およびコンデンサ３０Ｃｔを接続して構成される。抵抗３０Ｒａ，３０Ｒｂ，３０Ｒｔの抵抗値をＲａ，Ｒｂ，Ｒｔ、コンデンサ３０Ｃｔの静電容量をＣｔとすると、発振周波数ｆは、およそ
ｆ＝１／（２Ｒｔ Ｃｔ）
となることが知られている。
ここでは、前記発振器２８のコンデンサ３０Ｃｔが、軸受使用装置全体の静電容量Ｃに置き換えられることで、その静電容量Ｃが推定される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の一実施形態に係る軸受状態検査装置を用いた軸受使用装置における転がり軸受の検査を示す説明図である。
【図２】同軸受状態検査装置等の要部拡大断面図である。
【図３】（Ａ）は転がり軸受の半部断面図、（Ｂ）は（Ａ）の軸受構造を電気回路として表現した場合の模式図である。
【図４】一方の電極から他方の電極にわたる経路の電気的な等価回路図である。
【図５】この発明の他の実施形態に係り、回転リングと固定リングとを軸方向に対面させた軸受状態検査装置の要部拡大断面図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態の等価回路図である。
【図７】軸受状態検査装置における判定手段の一例を表すブロック図である。
【図８】判定手段の他の例を表すブロック図である。
【符号の説明】
【００４３】
１Ａ…軸受状態検査装置
１…転がり軸受
２…外輪
３…内輪
６…転動体
８…回転リング
９…固定リング
１０…ハウジング
１１…絶縁体
１２…金属部材
１３…固定側ユニット
１６…判定手段
δｒ…隙間
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、鉄道車両、自動車、産業機械などの装置に組み込まれた転がり軸受の内部の潤滑剤の劣化状態を検出する軸受状態検査装置および軸受状態検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受において、内部の潤滑状態を確認することは、軸受寿命にとって極めて重要である。潤滑不良が発生し、軸受の転動体の転動面と内外輪の軌道面の間に形成された潤滑剤による潤滑膜の厚さが通常より薄くなった場合、転動面と軌道面が金属接触を起こし、軸受寿命が短くなることが知られている。
そこで、潤滑膜の状態を観察して軸受寿命を予測することが望まれるが、潤滑膜の状態は直接観察することが不可能なため、潤滑膜の状態を測定する各種の方法が従来より提案されている。その一つの方法は潤滑膜の状態を直流抵抗として測定するもの（特許文献１）であり、他の一つの方法は潤滑膜の厚さを電気容量として測定するもの（特許文献２）である。
また、本件出願人は、非接触で電気容量を測定し、１つの軸受の潤滑膜の状態を推定する方法を提案している。
【特許文献１】特開２００１−３１１４２７号公報
【特許文献２】特開２００３−２１４８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１の潤滑膜の状態を直流抵抗として測定する方法の場合、軸受内外輪のいずれかが回転しているため、被測定箇所以外の場所にスリップリングなどの電気接点が必要となり、その接点の電気抵抗が測定誤差の要因となったり測定結果を不安定なものにするという問題がある。
また、特許文献２の潤滑膜の厚さを電気容量として測定する方法の場合、軸受外輪に孔を開けて電極を取り付ける必要があり、一般の軸受には適用できない。
【０００４】
前述の非接触で電気容量を測定する技術では、次のような問題がある。
・固定輪と測定リングとのギャップ調整および取り付けが難しい。
・固定輪とハウジング等の他の部材とは電気的に非導通状態とするため、ハウジング等の他の部材が導通状態である場合、固定輪とハウジング等の他の部材との間のギャップ長を、測定に影響を及ぼさない程度とするための非導通部材を介在させる必要がある。
・軸受の固定輪に電極を取り付け、検出回路と電気的に接続しなければならず、組立て難い。
【０００５】
この発明の目的は、回転側輪や転動体に対して非接触の状態で、転がり軸受における潤滑膜の状態を推定できると共に、スリップリング等の電気接点を用いることなく、油膜厚さ等の測定を簡単に行うことができ、装置全体の組立を簡単に行うことができる軸受状態検査装置および軸受状態検査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の軸受状態検査装置は、それぞれ導電性の外輪と内輪と転動体とを有する転がり軸受において、内外輪のうちの回転側輪に取付けられ回転側輪に対して電気的に導通した導電性の回転側容量結合体と、前記内外輪のうちの固定側輪に取付けられた固定側ユニットとを備え、前記固定側ユニットは、前記回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し前記固定側輪に対して電気的に非導通の固定側容量結合体と、この固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ前記固定側輪に対して電気的に導通した接続用電極部材とを有することを特徴とする。
【０００７】
この構成によると、固定側ユニットは、固定側容量結合体と接続用電極部材とを有する。これらのうちの固定側容量結合体は、回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し固定側輪に対して電気的に非導通である。また、接続用電極部材は、固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ固定側輪に対して電気的に導通する。特に、回転側容量結合体と固定側容量結合体とが、静電容量発生用の隙間を介して対向するので、スリップリング等の電気接点を用いることなく、電気容量計等の判定手段の端子を両方とも固定側に接続して潤滑剤の油膜厚さ等を測定できる。また転がり軸受に、固定側ユニットと回転側容量結合体とを取付けるだけで、潤滑状態を検出することが可能となるため、検査装置の組立てが容易となり、また装置に軸受を取り付ける前にキャリブレーションすることが可能となる。
【０００８】
この発明において、前記固定側容量結合体と前記接続用電極部材との間に接続され、前記回転側容量結合体と固定側容量結合体との間、回転側輪と転動体との間、および固定側輪と転動体との間の各静電容量の合計値を測定し、この測定値から前記転がり軸受の潤滑状態を判定する判定手段を設けても良い。
【０００９】
この場合、判定手段は、回転側容量結合体と固定側容量結合体との間の静電容量、非導通状態にある回転側輪と転動体との間の静電容量、および非導通状態にある固定側輪と転動体との間の静電容量の合計値を測定し、この測定値から潤滑状態を判定する。この判定手段は、計測器や、ＣＰＵ（Central Processing Unit）の他、簡単な電子回路（閾値と比較するだけの回路）によって実現できる。
市販の電気容量計等の計測器を適用する場合、この計測器を他の転がり軸受の潤滑状態の計測に使用することができ、計測器自体の兼用性を高めることができる。したがって、軸受状態検査装置の初期導入費用を極力抑えることができる。専用の電子回路等を適用する場合、転がり軸受の潤滑状態を常に判定することができ、潤滑剤の劣化状態をリアルタイムで監視することが可能となる。
【００１０】
この発明において、前記回転側容量結合体および固定側容量結合体が、それぞれリング状の部材である回転リングおよび固定リングであり、これら回転リングと固定リングとを、径方向または軸方向に対向させても良い。この場合、回転リングおよび固定リングを、回転側輪、固定側輪の直径寸法等に基づいて設計し、取付け可能にできる。
【００１１】
この発明において、前記回転リングおよび固定リングが前記転がり軸受の側部に位置するものであり、前記回転側容量結合体および前記固定側ユニットが、それぞれ回転側輪および固定側輪に嵌合する取付用の環状の嵌合部を有するものであっても良い。この場合、回転側容量結合体を、その環状の嵌合部により回転側輪に簡単に取付けることができる。また、固定側ユニットを、その環状の嵌合部により固定側輪に簡単に取付けることができる。しかも、各環状の嵌合部によって、回転側輪に対する回転側容量結合体の位置決め精度を高めるとともに、固定側輪に対する固定側容量結合体の位置決め精度を高めることが可能となる。
【００１２】
この発明において、前記回転側輪が内輪であり、前記固定側ユニットが、前記外輪の外径面に嵌合するハウジングと、前記外輪の側方で前記ハウジングの内径面に外径側から順に重なり状態に設けられたリング状の接続用電極部材、リング状の絶縁体、および固定リングからなるものであっても良い。この場合、固定側ユニットを、ハウジングの内径面に外径側から重なり状態のリング状の部材で構成したので、固定側ユニットの取り扱い、組立を容易にし、作業工数の低減を図ることができる。
【００１３】
この発明の軸受状態検査方法は、それぞれ導電性の外輪と内輪と転動体とを有する転がり軸受の潤滑状態を検査する軸受状態検査方法において、内外輪のうちの回転側輪に、この回転側輪に対して電気的に導通した導電性の回転側容量結合体を取付け、前記内外輪のうちの固定側輪に、前記回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し前記固定側輪に対して電気的に非導通の固定側容量結合体と、この固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ前記固定側輪に対して電気的に導通した接続用電極部材とを取付け、
前記回転側容量結合体と固定側容量結合体との間、回転側輪と転動体との間、および固定側輪と転動体との間の各静電容量の合計値を、前記固定側容量結合体と前記接続用電極部材との間に接続手段を接続して測定し、この測定値から前記転がり軸受の潤滑状態を判定することを特徴とする。
【００１４】
この構成によると、固定側容量結合体は、回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し固定側輪に対して電気的に非導通である。また、接続用電極部材は、固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ固定側輪に対して電気的に導通する。これら固定側容量結合体と接続用電極部材との間に測定手段を接続して、回転側容量結合体と固定側容量結合体との間の静電容量、非導通状態にある回転側輪と転動体との間の静電容量、および非導通状態にある固定側輪と転動体との間の各静電容量の合計値を測定する。この測定値から潤滑状態を判定する。特に、固定側容量結合体は、回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向するので、スリップリング等の電気接点を用いることなく、測定手段の端子を両方とも固定側に接続して潤滑剤の油膜厚さ等を測定できる。このように各静電容量の合計値を測定することで、潤滑状態を判定することができる。したがって、回転側輪や転動体に対して非接触の状態で、転がり軸受における潤滑膜の状態を推定できると共に、スリップリング等の電気接点を用いることなく、油膜厚さ等の測定を簡単に行うことができ、装置全体の組立を簡単に行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の軸受状態検査装置は、回転側容量結合体と固定側容量結合体とが、静電容量発生用の隙間を介して対向するので、スリップリング等の電気接点を用いることなく、電気容量計等の判定手段の端子を両方とも固定側に接続して潤滑剤の油膜厚さ等を測定できる。また転がり軸受に、固定側ユニットと回転側容量結合体とを取付けるだけで、潤滑状態を検出することが可能となるため、検査装置の組立てが容易となり、また装置に軸受を取り付ける前にキャリブレーションすることが可能となる。したがって、回転側輪や転動体に対して非接触の状態で、転がり軸受における潤滑膜の状態を推定できると共に、スリップリング等の電気接点を用いることなく、油膜厚さ等の測定を簡単に行うことができ、装置全体の組立を簡単に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。この実施形態は、例えば、鉄道車両、自動車、二輪車、産業機械、工作機械などの装置に組み込まれた転がり軸受の内部の潤滑剤の劣化状態を検出する軸受状態検査装置に適用される。ただし、前記装置に限定されるものではない。以下の説明は、軸受状態検査方法についての説明をも含む。
【００１７】
この軸受状態検査装置１Ａは、図１に示すように、転がり軸受１が回転軸７に取り付けられた軸受使用装置において、転がり軸受１の潤滑膜の潤滑状態を推定するものである。転がり軸受１は、固定側輪である外輪２と、回転軸７に嵌合する回転側輪である内輪３と、外輪２の内周面に形成された軌道面と内輪３の外周面に形成された軌道面との間に介在する複数個の転動体６と、これら転動体６を保持する保持器５と、軸受の一側端部に設けられるシール４とを有する。この場合の転がり軸受１は、前記転動体６がボールからなる玉軸受である。
【００１８】
軸受状態検査装置１Ａは、回転側輪である前記内輪３に取り付けられこの内輪３に対して電気的に導通した導電性の回転リング８と、固定側輪である外輪２に取り付けられた固定側ユニット１３とを有する。また、軸受状態検査装置１Ａは後述する判定手段１６とを有する。この固定側ユニット１３は、回転リング８に静電容量発生用の隙間δｒを介して対向し外輪２に対して電気的に非導通の固定リング８、外輪２の外径面に嵌合するハウジング１０、固定リング８に対して電気的に絶縁されかつ外輪２に対して電気的に導通した接続用電極部材である金属部材１２、および固定リング９と金属部材１２を電気的に絶縁する絶縁体１１とを有する。前記回転リング８が回転側容量結合体に相当し、前記固定リング９が固定側容量結合体に相当する。この固定リング９は、回転リング８に対し一定のラジアル方向の隙間δｒつまり環状隙間δｒを介して、平行になるように、絶縁体１１の内周面に固定されている。これら固定リング９と回転リング８とは、径方向に対向させて配設される。
【００１９】
ハウジング１０の内周面１０ｂに外輪２が嵌合され、この外輪２の端面がハウジング１０の段部１０ａに当接する。前記段部１０ａの内周面に、金属部材１２の大部分が嵌合される。この金属部材１２は、外輪２と電気的に導通する導電性を有する導電性部材であり、この金属部材１２の大部分をなす大径部１２ａと、この大径部１２ａより小径で大径部１２ａの軸方向一端部から軸受内部側に所定小距離延びる小径部１２ｂとを有する。これら大径部１２ａと、小径部１２ｂとは一体に形成されている。大径部１２ａと小径部１２ｂとの間の段部であってラジアル平面をなす一方側段部１２ｃが、外輪２の端面に臨み当接する。小径部１２ｂの外径面は、外輪肩径の内周面に嵌合する。ハウジング１０の内周面１０ｂ、および金属部材１２の小径部１２ｂが、外輪２に嵌合する取付用の環状の嵌合部に相当する。
【００２０】
前記金属部材１２の内周面に、固定リング９と金属部材１２とを電気的に絶縁する絶縁体１１が嵌合されている。この絶縁体１１は、金属部材１２の大径部１２ａに嵌合される絶縁体大径部１１ａと、金属部材１２の小径部１２ｂに嵌合される絶縁体小径部１１ｂとを有する。これら絶縁体大径部１１ａおよび絶縁体小径部１１ｂは、一体に形成される。絶縁体大径部１１ａと絶縁体小径部１１ｂとの間のラジアル平面をなす一方側段部１１ｃが、金属部材１２の他方側段部１２ｄに臨み当接する。これによって、絶縁体１１は、金属部材１２に対して相対的に軸方向に位置決めされる。これら段部１１ｃ，１２ｄによって、絶縁体１１が軸受内部の所定位置よりも不所望に内部に侵入することを確実に防止し得る。
【００２１】
前記絶縁体１１の内周面に固定リング９が嵌合されている。この固定リング９は、絶縁体大径部１１ａに嵌合される大径リング部９ａと、絶縁体小径部１１ｂに嵌合される小径リング部９ｂとを有する。これら大径リング部９ａと小径リング部９ｂとは一体に形成される。大径リング部９ａと小径リング部９ｂとの間のラジアル平面を成す段部９ｃが、絶縁体１１の他方側段部１１ｄに臨み当接する。これによって、固定リング９は、絶縁体１１に対して相対的に軸方向に位置決めされる。これら段部９ｃ，１１ｄによって、固定リング９が軸受内部の所定位置よりも不所望に内部に侵入することを確実に防止し得る。大径リング部９ａの内径と小径リング部９ｂの内径とは同径に、つまり段差なく形成されている。
【００２２】
前記回転リング８は、リング本体８ａと嵌合部８ｂとを有する。リング本体８ａの軸方向一端部に嵌合部８ｂが一体に付設され、この嵌合部８ｂは、内輪３のシールド肩部に嵌合する。つまり嵌合部８ｂが軸受内部に入り込み、内輪３に固定される。この嵌合部８ｂが、内輪３に嵌合する取付け用の環状の嵌合部に相当する。また、内輪端面に臨むリング本体８ａの端部は、この内輪３の端面に当接する。これにより、嵌合部８ｂの軸方向位置が規制され、この嵌合部８ｂが軸受内部に不所望に侵入することを防止する。
【００２３】
図３（Ａ）は前記転がり軸受の半部断面図を示し、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の軸受構造を電気回路として表現した模式図を示す。図３（Ａ）において、転がり軸受１が正常に回転している場合、外輪２と転動体６の接触面には１μｍ以下の厚さの潤滑膜（油膜）が形成され、外輪２と転動体６は直接接触することなく潤滑膜を介して加重を伝えることが知られている。内輪３と転動体６の接触面にも同様の潤滑膜が形成される。外輪２と転動体６の関係において、潤滑膜を誘電体と考え、外輪２と転動体６を電極と考えると、ここに１つのコンデンサが形成される。同様に内輪３と転動体６の関係においても、もう１つのコンデンサが形成される。
【００２４】
これを模式的に表現すると、図３（Ｂ）に示すように２つのコンデンサ１７，１８が直列に接続された回路構成となる。ここで、両コンデンサ１７，１８の静電容量Ｃａ，Ｃｂが等しいとすると、２つのコンデンサ１７，１８の合計の静電容量はＣａ／２となる。また軸受１個あたりの転動体６の個数をｎとして、それぞれの転動体６でのコンデンサの静電容量が等しいとすると、それらの等しい静電容量のコンデンサが並列に接続された回路構成とみなすことができるので、軸受１個での全体の静電容量はｎＣａ／２となる。したがって、転がり軸受１において、外輪２から内輪３までの経路の静電容量を測定すれば、１箇所の潤滑膜１９（２０）での静電容量Ｃａを推定することができる。ただし、このままでは、内外輪３，２のいずれかが回転している（図１の場合は内輪３が回転している）ため、潤滑状態を直流抵抗として測定する先述した特許文献１に開示の方法の場合と同様に、被測定箇所以外の部分でスリップリングなどの電気接点が必要になり、測定誤差が生じたり測定結果が不安定になる要因となる。
【００２５】
そこで、この実施形態の軸受状態検査装置１Ａでは、回転リング８と固定リング９とが成すコンデンサの容量と、転がり軸受１の内外輪３，２と転動体６との接触点にそれぞれ形成される容量との合計値を、前記金属部材１２を電極として測定することによって非接触で推定し、その容量の変化から、転がり軸受１の油膜の潤滑状態を検査する。本実施形態において、一方の電極２１から他方の電極２２にわたる経路の電気的な等価回路は図４のようになる。すなわち、この場合の電気回路は、電極２１→金属部材１２→外輪２→転動体６→内輪３→回転リング８→固定リング９→電極２２の経路で形成される。
【００２６】
固定リング９と回転リング８の間でコンデンサが構成され、その静電容量Ｃｒは、リング断面積Ｓ、固定リング，回転リング間の距離ｄ、誘電率εとすれば、
Ｃｒ＝εＳ／ｄ ……（１）
となる。この静電容量Ｃｒの値は予め測定しておくことも可能である。
一方、各転動体６と内外輪３，２の間に形成されるコンデンサの静電容量が同じ値Ｃａとすると、軸受側の全体の静電容量Ｃｊは、
Ｃｊ＝ｎＣａ／２ ……（２）
となり、
Ｃａ＝２Ｃｊ／ｎ ……（３）
となる。
また、固定リング９，回転リング８間のコンデンサの静電容量はＣｒであるから、前記等価回路の全体の静電容量Ｃを測定すれば、
Ｃ＝Ｃｊ・Ｃｒ／（Ｃｊ＋Ｃｒ） ……（４）
より、
Ｃｊ＝Ｃ・Ｃｒ／（Ｃ−Ｃｒ） ……（５）
となる。したがって、式（３），（５）より、
Ｃａ＝２Ｃ・Ｃｒ／ｎ（Ｃ−Ｃｒ） ……（６）
として、転動体６と内外輪３，２間に介在する潤滑膜２０，１９の１箇所あたりの平均静電容量Ｃａを求めることができる。全体の静電容量Ｃの測定には、電気容量計等の市販の計測器を用いて必要時にこの計測器を接続して測定し、人が判定しても良い。
【００２７】
前記判定手段１６は、金属部材１２と固定リング９との間に電気的に接続され、たとえば、計測器や、中央演算処理装置（略称ＣＰＵ；Central Processing Unit）等の他、簡単な電子回路、例えば閾値と比較するだけの回路等によって実現される。
市販の電気容量計等の計測器を適用する場合、この計測器を他の転がり軸受の潤滑状態の計測に使用することができ、計測器自体の兼用性を高めることができる。したがって、軸受状態検査装置の初期導入費用を極力抑えることができる。専用の電子回路等を適用する場合、転がり軸受の潤滑状態を常に判定することができ、潤滑剤の劣化状態をリアルタイムで監視することが可能となる。
この判定手段１６は、前述のように全体の静電容量Ｃを測定し、その測定値からこの転がり軸受１の潤滑状態を測定する。この判定手段１６による転がり軸受１の潤滑状態の判断基準としては、例えば以下のような潤滑状態が挙げられる。
【００２８】
１．転がり軸受の油膜が形成されない場合、導通状態となり、全体の静電容量はＣｒのみとなり増加する。
２．転がり軸受の各油膜形成箇所のいずれか１箇所が油膜切れの場合、その部分が導通するため、全体の静電容量がやや増える。
３．軸受使用装置に過大な負荷がかかった場合、油膜の厚みが減るため、全体の静電容量が増加する。
４．転がり軸受における油膜の状態が不安定になると、静電容量の不安定になるので、静電容量の変動をチェックする。
【００２９】
これらの判断基準を採用した場合、判定手段１６は、測定された全体の静電容量Ｃの値が通常より増えた場合（所定の閾値を越えた場合）、あるいは静電容量の変動が大きい場合（静電容量の変動幅が所定の閾値を越えた場合）、あるいは両方の条件を満たす場合に潤滑状態不良と判断することになる。
なお、転がり軸受１が停止または低速回転している場合、転がり軸受１は導通状態またはそれに近い状態となるため、全体の静電容量は上記１．の場合と同様に、全体の静電容量はＣｒのみとなり増加する。
【００３０】
この実施形態の軸受状態検査装置１Ａでは、回転リング８と固定リング９との間、内輪３と転動体６との間、および外輪２と転動体６との間の各静電容量の合計値が、回転側輪である内輪３や転動体６と非接触の状態で測定され、その測定値から転がり軸受１の潤滑状態の良否が判定される。
【００３１】
特に、回転リング８と固定リング９とが、静電容量発生用の隙間δｒを介して対向するので、スリップリング等の電気接点を用いることなく、判定手段１６の一方および他方の端子を両方とも固定側に接続して潤滑剤の油膜厚さ等を測定できる。また、転がり軸受１に、固定側ユニット１３と回転リングとを取付けるだけで、潤滑状態を検出することが可能となるため、軸受状態検査装置１Ａの組立てが容易となり、また装置に軸受を取り付ける前にキャリブレーションすることが可能となる。
【００３２】
判定手段１６として市販の電気容量計等の計測器を適用する場合、この計測器を他の転がり軸受の潤滑状態の計測に使用することができ、計測器自体の兼用性を高めることができる。したがって、軸受状態検査装置の初期導入費用を極力抑えることができる。判定手段１６として専用の電子回路等を適用する場合、転がり軸受の潤滑状態を常に判定することができ、潤滑剤の劣化状態をリアルタイムで監視することが可能となる。
また、回転リング８と固定リング９とを、径方向に対向させているが、この場合、これら回転リング８と固定リング９を、内輪３、外輪２の直径寸法等に基づいて設計し、取付け可能にできる。
【００３３】
回転リング８および固定リング９が、転がり軸受１の側部つまり軸方向一方側端部に位置するもので、回転リング８および固定側ユニット１３が、それぞれ内輪３および外輪２に嵌合する取付用の環状の嵌合部８ｂおよび内周面１０ｂを有する。したがって、回転リング８を、その環状の嵌合部８ｂにより内輪３に簡単に取付けることができ、固定側ユニット１３を、その内周面１０ｂにより外輪２に簡単に取付けることができる。しかも、嵌合部８ｂおよび内周面１０ｂによって、内輪３に対する回転リング８の位置決め精度を高めるとともに、外輪２に対する固定リング９の位置決め精度を高めることが可能となる。
【００３４】
また、固定側ユニット１３が、外輪２の外径面に嵌合するハウジング１０と、外輪２の側方でハウジング１０の内径面に外径側から順に重なり状態に設けられたリング状の金属部材１２、リング状の絶縁体１１、および固定リング９からなるので、固定側ユニット１３の取り扱い、組立を容易にし、作業工数の低減を図ることができる。
また、内輪３に取付けた回転リング８に隙間δｒを介して、固定側輪である外輪２に取付けた導電性の固定リング９を設けたので、特に回転リング８と固定リング９との間の静電容量の調整を、前述の従来技術よりも容易にし、各静電容量を精度良く測定できる。また、各静電容量の合計値を固定リング９および回転リング８を介して測定できるので、軸受の固定側輪等に直接電極を取り付ける手間等を省略でき、検査装置自体の組立を簡単化することが可能となる。
【００３５】
また、上記軸受状態検査装置１Ａを組み込んだ軸受使用装置、軸受状態検査方法では、転がり軸受１の潤滑膜の状態、負荷の状態をモニターすることができるため、故障の前兆あるいは故障の診断を行い、軸受使用装置１Ａの停止や軸受交換が必要なことを知らせることができる。この軸受使用装置１Ａが鉄道車両や産業機械である場合、安全性が向上する。また、この軸受使用装置１Ａでは、転がり軸受１の寿命や経年変化を予測できるため、転がり軸受１の無駄な交換や時期に遅れた交換がなくなり、経済性が向上する。
【００３６】
図５は、この発明の他の実施形態を示す。
以下の説明においては、各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。
【００３７】
この実施形態の軸受状態検査装置１Ｂは、回転リング８Ａの一部と固定リング９Ａの一部とを軸方向に対面させて構成されている。前述の図１に示す実施形態では、固定リング９の内径が段差なく形成されているが、この実施形態の固定リング９Ａは、その軸方向一端部が半径方向内方に突出するように形成されている。この突出部を内方フランジ９Ａａと称す。これに対して、回転リング８Ａの軸方向一端部は、半径方向外方に突出する外方フランジ８Ａａを成す。前記内方フランジ９Ａａは、外方フランジ８Ａａに対し一定のアキシアル方向の隙間δａを介して平行になるように、絶縁体１１の内周面に固定されている。その他図１の実施形態と同様の構成となっている。この実施形態の軸受状態検査装置１Ｂによると、内輪３に取付けた回転リング８Ａに軸方向の隙間δａを介して、固定側輪である外輪２に取付けた導電性の固定リング９Ａを設けたので、特に回転リング８Ａと固定リング９Ａとの間の静電容量の調整を、前述の従来技術よりも容易にし、各静電容量を精度良く測定できる。また、各静電容量の合計値を固定リング９Ａおよび回転リング８Ａを介して測定できるので、軸受の固定側輪等に直接電極を取り付ける手間等を省略でき、検査装置自体の組立を簡単化することが可能となる。その他図１の実施形態と同様の効果を奏する。
【００３８】
図６は、この発明のさらに他の実施形態の等価回路図である。この実施形態の軸受状態検査装置は、図１における軸受使用装置の転がり軸受が外輪回転の場合に適用したものである。この転がり軸受の内輪３は、固定軸に嵌合される。また、内輪３の端面に、導電性部材であるリング状の金属部材１２Ａが取り付けられ、この金属部材１２Ａの外周面に、絶縁体を介して固定リング９Ｂが嵌合されている。回転リング８Ｂは外輪２の端面に取付けられ、固定リング９Ｂと回転リング８Ｂとは、径方向に対向させて配設される。
【００３９】
ただしこれらリング９Ｂ，８Ｂを軸方向に対面させて配設しても良い。この場合の電気回路は、電極２２→金属部材１２Ａ→内輪３→転動体６→外輪２→回転リング８Ｂ→固定リング９Ｂ→電極２１の経路で形成される。この実施形態の軸受状態検査装置でも、回転リング８Ｂと固定リング９Ｂとの間、内輪３と転動体６との間、および外輪２と転動体６との間の各静電容量の合計値が、回転側輪である外輪２や転動体６と非接触の状態で測定され、その測定値から転がり軸受の潤滑状態の良否が判定される。その他図１の実施形態と同様の作用、効果を奏する。このように、転がり軸受が外輪回転の場合にも、軸受状態検査装置を適用することができる。
【００４０】
図７は、軸受状態検査装置における判定手段の一例を表すブロック図である。
判定手段１６は、静電容量測定手段２３と、この静電容量測定手段２３で測定した測定値から、この転がり軸受の潤滑状態を推定するＣＰＵ２４とを有する。これらのうち静電容量測定手段２３は、直列接続した発振器２５と電流測定手段２６とを備え、この電流測定手段２６とＣＰＵ２４とが電気的に接続されている。また、電流測定手段２６が電極２１に電気的に接続され、発振器２５が電極２２に電気的に接続されている。この軸受使用装置に交流電流を流すことによって、前述の全体の静電容量Ｃをインピーダンスに換算して測定するようにした例を示す。この場合、測定したインピーダンスから平均静電容量Ｃａを求めることもできる。
油膜で形成される静電容量は一般に数十ｐＦと小さいことから、本実施形態において発振器２５による発振周波数を、例えば１００ｋＨｚから１０ＭＨｚ程度とすると、高い検出精度が得られる。
【００４１】
図８は、前記静電容量測定手段２３ＡがＯＰアンプ２７で構成した発振器２８と、この発振器２８の発振周波数から静電容量を推定する周波数対応容量推定手段２９とでなり、測定した発振器２８の周波数により、軸受使用装置全体の静電容量Ｃを推定するようにした例を示す。この場合の発振器２８は、ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｏｓｃｉｌｌｏｒと呼ばれ、ＯＰアンプ２７に抵抗３０Ｒａ，３０Ｒｂ，３０Ｒｔ、およびコンデンサ３０Ｃｔを接続して構成される。抵抗３０Ｒａ，３０Ｒｂ，３０Ｒｔの抵抗値をＲａ，Ｒｂ，Ｒｔ、コンデンサ３０Ｃｔの静電容量をＣｔとすると、発振周波数ｆは、およそ
ｆ＝１／（２Ｒｔ Ｃｔ）
となることが知られている。
ここでは、前記発振器２８のコンデンサ３０Ｃｔが、軸受使用装置全体の静電容量Ｃに置き換えられることで、その静電容量Ｃが推定される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の一実施形態に係る軸受状態検査装置を用いた軸受使用装置における転がり軸受の検査を示す説明図である。
【図２】同軸受状態検査装置等の要部拡大断面図である。
【図３】（Ａ）は転がり軸受の半部断面図、（Ｂ）は（Ａ）の軸受構造を電気回路として表現した場合の模式図である。
【図４】一方の電極から他方の電極にわたる経路の電気的な等価回路図である。
【図５】この発明の他の実施形態に係り、回転リングと固定リングとを軸方向に対面させた軸受状態検査装置の要部拡大断面図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態の等価回路図である。
【図７】軸受状態検査装置における判定手段の一例を表すブロック図である。
【図８】判定手段の他の例を表すブロック図である。
【符号の説明】
【００４３】
１Ａ…軸受状態検査装置
１…転がり軸受
２…外輪
３…内輪
６…転動体
８…回転リング
９…固定リング
１０…ハウジング
１１…絶縁体
１２…金属部材
１３…固定側ユニット
１６…判定手段
δｒ…隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ導電性の外輪と内輪と転動体とを有する転がり軸受において、
内外輪のうちの回転側輪に取付けられ回転側輪に対して電気的に導通した導電性の回転側容量結合体と、前記内外輪のうちの固定側輪に取付けられた固定側ユニットとを備え、
前記固定側ユニットは、前記回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し前記固定側輪に対して電気的に非導通の固定側容量結合体と、この固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ前記固定側輪に対して電気的に導通した接続用電極部材とを有することを特徴とする軸受状態検査装置。
【請求項２】
請求項１において、前記固定側容量結合体と前記接続用電極部材との間に接続され、前記回転側容量結合体と固定側容量結合体との間、回転側輪と転動体との間、および固定側輪と転動体との間の各静電容量の合計値を測定し、この測定値から前記転がり軸受の潤滑状態を判定する判定手段を設けた軸受状態検査装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記回転側容量結合体および固定側容量結合体が、それぞれリング状の部材である回転リングおよび固定リングであり、これら回転リングと固定リングとを、径方向または軸方向に対向させた軸受状態検査装置。
【請求項４】
請求項３において、前記回転リングおよび固定リングが前記転がり軸受の側部に位置するものであり、前記回転側容量結合体および前記固定側ユニットが、それぞれ回転側輪および固定側輪に嵌合する取付用の環状の嵌合部を有する軸受状態検査装置。
【請求項５】
請求項４において、前記回転側輪が内輪であり、前記固定側ユニットが、前記外輪の外径面に嵌合するハウジングと、前記外輪の側方で前記ハウジングの内径面に外径側から順に重なり状態に設けられたリング状の接続用電極部材、リング状の絶縁体、および固定リングからなる軸受状態検査装置。
【請求項６】
それぞれ導電性の外輪と内輪と転動体とを有する転がり軸受の潤滑状態を検査する軸受状態検査方法において、
内外輪のうちの回転側輪に、この回転側輪に対して電気的に導通した導電性の回転側容量結合体を取付け、前記内外輪のうちの固定側輪に、前記回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し前記固定側輪に対して電気的に非導通の固定側容量結合体と、この固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ前記固定側輪に対して電気的に導通した接続用電極部材とを取付け、
前記回転側容量結合体と固定側容量結合体との間、回転側輪と転動体との間、および固定側輪と転動体との間の各静電容量の合計値を、前記固定側容量結合体と前記接続用電極部材との間に接続手段を接続して測定し、この測定値から前記転がり軸受の潤滑状態を判定する軸受状態検査方法。
【請求項１】
それぞれ導電性の外輪と内輪と転動体とを有する転がり軸受において、
内外輪のうちの回転側輪に取付けられ回転側輪に対して電気的に導通した導電性の回転側容量結合体と、前記内外輪のうちの固定側輪に取付けられた固定側ユニットとを備え、
前記固定側ユニットは、前記回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し前記固定側輪に対して電気的に非導通の固定側容量結合体と、この固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ前記固定側輪に対して電気的に導通した接続用電極部材とを有することを特徴とする軸受状態検査装置。
【請求項２】
請求項１において、前記固定側容量結合体と前記接続用電極部材との間に接続され、前記回転側容量結合体と固定側容量結合体との間、回転側輪と転動体との間、および固定側輪と転動体との間の各静電容量の合計値を測定し、この測定値から前記転がり軸受の潤滑状態を判定する判定手段を設けた軸受状態検査装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記回転側容量結合体および固定側容量結合体が、それぞれリング状の部材である回転リングおよび固定リングであり、これら回転リングと固定リングとを、径方向または軸方向に対向させた軸受状態検査装置。
【請求項４】
請求項３において、前記回転リングおよび固定リングが前記転がり軸受の側部に位置するものであり、前記回転側容量結合体および前記固定側ユニットが、それぞれ回転側輪および固定側輪に嵌合する取付用の環状の嵌合部を有する軸受状態検査装置。
【請求項５】
請求項４において、前記回転側輪が内輪であり、前記固定側ユニットが、前記外輪の外径面に嵌合するハウジングと、前記外輪の側方で前記ハウジングの内径面に外径側から順に重なり状態に設けられたリング状の接続用電極部材、リング状の絶縁体、および固定リングからなる軸受状態検査装置。
【請求項６】
それぞれ導電性の外輪と内輪と転動体とを有する転がり軸受の潤滑状態を検査する軸受状態検査方法において、
内外輪のうちの回転側輪に、この回転側輪に対して電気的に導通した導電性の回転側容量結合体を取付け、前記内外輪のうちの固定側輪に、前記回転側容量結合体に静電容量発生用の隙間を介して対向し前記固定側輪に対して電気的に非導通の固定側容量結合体と、この固定側容量結合体に対して電気的に絶縁されかつ前記固定側輪に対して電気的に導通した接続用電極部材とを取付け、
前記回転側容量結合体と固定側容量結合体との間、回転側輪と転動体との間、および固定側輪と転動体との間の各静電容量の合計値を、前記固定側容量結合体と前記接続用電極部材との間に接続手段を接続して測定し、この測定値から前記転がり軸受の潤滑状態を判定する軸受状態検査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１８５３３９（Ｐ２００８−１８５３３９Ａ）
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６３７１（Ｐ２００７−１６３７１）
【出願日】平成１９年１月２６日（２００７．１．２６）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月２６日（２００７．１．２６）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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