較正曲線取得方法
【課題】軸受荷重測定のための較正曲線を効率よく取得するための較正曲線取得方法を提供すること。
【解決手段】内輪２１と外輪２０の間を転動するボール２２を有する軸受の所定箇所（軸受ハウジング７と外輪２０の嵌合部や外輪２０とボール２２の接触部）に対して、超音波探触子１から超音波を照射し、所定箇所からの反射波の強度を測定し、予め求めた反射波の強度とボール支持荷重との関係を表す較正曲線データに基づいてボール支持荷重の大きさを算出するに際して使用される較正曲線取得方法であって、ボール２２が各超音波探触子１の直下に来たときに検出される反射波の強度と、静荷重に基づくボール支持荷重との関係に基づいて較正曲線データを取得するステップを有する。
【解決手段】内輪２１と外輪２０の間を転動するボール２２を有する軸受の所定箇所（軸受ハウジング７と外輪２０の嵌合部や外輪２０とボール２２の接触部）に対して、超音波探触子１から超音波を照射し、所定箇所からの反射波の強度を測定し、予め求めた反射波の強度とボール支持荷重との関係を表す較正曲線データに基づいてボール支持荷重の大きさを算出するに際して使用される較正曲線取得方法であって、ボール２２が各超音波探触子１の直下に来たときに検出される反射波の強度と、静荷重に基づくボール支持荷重との関係に基づいて較正曲線データを取得するステップを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内輪と外輪の間を転動する転動体を有する軸受の所定箇所に対して、超音波探触子から超音波を照射し、前記所定箇所からの反射波の強度を測定し、予め求めた反射波の強度と転動体支持荷重との関係を表す較正曲線データに基づいて転動体支持荷重の大きさを算出するに際して使用される較正曲線の取得方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
軸受は、回転する軸を支持する機械要素としてよく知られている。軸受の一般的な構成として、内輪と外輪と内輪と外輪に挟持されて転動するボール（転動体に相当）を備えている。外輪の外径部分が軸受ハウジングに形成された嵌合孔に嵌合され、内輪の内径部分に回転軸が嵌合される。
【０００３】
かかる軸受の寿命を知る方法として、軸受に作用する荷重を測定する方法が知られている。一般的に機械は運転中に振動や衝撃を伴うことが多く、また、組み立て状態や使用環境下での軸との嵌め合いの程度を知ることは難しいため、転動体に加わっている実際の荷重（または、軸受に作用する荷重）を把握できない。軸受に作用する荷重を知ることができれば、軸受の寿命（余寿命）を正しく推定することができると考えられる。
【０００４】
そこで、軸受に作用する軸受荷重を非接触で計測する方法として、超音波探触子を用いた計測技術が知られている（例えば、下記特許文献１）。超音波探触子は、自ら超音波を照射し、調査対象物に反射して跳ね返ってきた反射波（エコー）を受信する。具体的には、超音波探触子は軸受ハウジングに取り付けられ、軸受外輪に向けて超音波を照射し、軸受ハウジングと軸受外輪との嵌合部からの反射波を受信する。そして、この嵌合部における面圧が高くなると固体接触面積が大きくなり、発せられた超音波はこの固体接触部分から透過し、この透過率は上記接触面積に比例する。
【０００５】
ここで軸受荷重が大きくなると、面圧が大きくなり接触面積も大きくなるので超音波の透過率が大きくなる。透過率が大きくなるということは、反射波の大きさは小さくなる。逆に、軸受荷重が小さいときは、反射波の大きさは大きくなる。従って、この反射波の強度を測定することにより、軸受荷重の大きさを推定することができる。
【０００６】
上記のような超音波探触子を用いて軸受荷重の推定を行う場合、予め、軸受荷重と反射波の強度との関係を表す較正曲線データを取得しておく必要がある。かかる較正曲線データを取得しておけば、反射波の強度を測定することで、軸受荷重を推定することができる。
【特許文献１】特開２００２−２５７７９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
較正曲線データを取得するためには、軸受に作用する外的な荷重を変化させながら反射波の強度を測定する必要があるが、軸受が使用される場所や構造等により、荷重を変化させてデータを取得することが難しい場合もある。また、荷重を変化させながらデータを取得するのは、効率が悪く時間もかかるという問題がある。さらに、得られた較正曲線は、はめ合い面の塑性変形や外輪の微動、更にはフレッティング等により変化するため、常に最新の較正曲線を用いる必要がある。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、転動体支持荷重測定のための較正曲線を効率よく取得するための較正曲線取得方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明に係る較正曲線取得方法は、
内輪と外輪の間を転動する転動体を有する軸受の所定箇所に対して、超音波探触子から超音波を照射し、前記所定箇所からの反射波の強度を測定し、予め求めた反射波の強度と転動体支持荷重との関係を表す較正曲線データに基づいて転動体支持荷重の大きさを算出するに際して使用される較正曲線の取得方法であって、
転動体が各超音波探触子の直下に来たときに検出される反射波の強度と、静荷重に基づく転動体支持荷重との関係に基づいて前記較正曲線データを取得するステップを有することを特徴とするものである。
【００１０】
かかる較正曲線取得方法の作用・効果を説明する。超音波探触子からの超音波は、所定箇所に向けて発せられる。例えば、外輪と軸受ハウジングの嵌合部や外輪と転動体の接触部に向けて超音波を照射する。このような嵌合部や接触部の接触面積は、転動体支持荷重（軸受荷重）の大きさに応じて変動する。すなわち、転動体支持荷重が大きければ面圧が大きくなるので接触面積が大きくなり、逆に転動体支持荷重が小さくなれば接触面積も小さくなる。そして、超音波照射領域内のこの接触面積の大きさに応じて、反射波の強度が変化するため、転動体支持荷重の推定が可能になる。
【００１１】
反射波の強度を検出することで、予め求めておいた較正曲線データに基づいて、転動体支持荷重の大きさを知ることができる。この較正曲線データは、反射波の強度と転動体支持荷重の大きさの関係を予め測定したものである。なお、反射波の強度を測定する場合の物理量として、例えば、特許文献１に開示されているエコー高さ比を用いることができる。エコー高さ比Ｈは、次式で定義される。
【００１２】
Ｈ＝（１−ｈ／ｈ0）×１００
ｈは外的な軸受荷重が作用しているときのエコー高さであり、ｈ0は外的な軸受荷重が作用していないとき（無負荷時）のエコー高さに相当する値である。なお、１００倍しているのは％表示するためであり、必ずしも必要なものではない。軸受荷重が大きいほどｈは小さくなるため（反射波の大きさは小さくなる）、エコー高さ比（Ｈ）は大きくなる。従って、エコー高さ比から転動体支持荷重を推定することができるので、予めエコー高さ比と転動体支持荷重との関係式や関数等を較正曲線データとして求めておくことにより、転動体支持荷重の測定を行うことができる。
【００１３】
また軸受荷重と個々の転動体に作用する転動体支持荷重との関係は予め求めておくことができるので、転動体支持荷重が求まれば軸受荷重の推定を行うことができる。例えば、２個以上の超音波探触子を用いて測定したエコー高さから、軸受荷重を推定可能である。
【００１４】
本発明においては、較正曲線データを求める場合に、静荷重（回転軸が支持する機器等の自重）を使用する。すなわち、外的な荷重の大きさを変化させながらデータを取得するのではなく、静荷重を作用させた状態で較正曲線を取得する。軸受に設けられた多数の転動体は、軸受の回転軸中心周りを公転しており、転動体が支持する荷重は、転動体の角位置により異なる。従って、軸受に作用する荷重を変化させなくても、種々の異なる転動体の位置において、反射波の強度（前述のエコー高さを用いることができる。）を測定することで、転動体支持荷重と反射波の強度との関係（較正曲線）を予め取得することができる。その結果、軸受荷重測定のための較正曲線を効率よく取得するための較正曲線取得方法を提供することができる。
【００１５】
本発明において、軸受ハウジング又は外輪の円周方向に沿って所定間隔で所定の位置に、複数の超音波探触子を配置しておくことが好ましい。
【００１６】
複数の超音波探触子を円周方向に沿って配置することで、転動体の異なる位置での反射波の強度測定を同タイミングで（あるいは同時に）行うことができる。角位置の違いによる転動体支持荷重を効率よく測定でき、更に効率よく較正曲線データを取得することができる。
【００１７】
本発明において、転動体の回転移動に連動して、反射波を検出すべき超音波探触子を順次切り替えるステップを有していることが好ましい。
【００１８】
多数の転動体のうちの特定の転動体に注目し、その転動体の回転移動に連動して、超音波探触子も切り替えることで、転動体の位置に応じた反射波の強度を測定することができる。また、超音波探触子を順次切り替えることで、較正曲線を作成するために必要な、超音波探触子直下に転動体が位置する場合の反射波の強度のみを取得することができる。
【００１９】
本発明において、微小の振動素子を多数接合して構成されるアレイ型探触子を前記複数の超音波探触子として機能させることが好ましい。
【００２０】
複数の超音波探触子を円周方向に沿って配置するために、アレイ型探触子を用いる方法がある。アレイ型探触子は、微小の振動素子（振動素子の１個が超音波探触子として機能しうる）を多数接合して構成され、より細かい転動体支持荷重の変化について較正を行うことができる。例えば、転動体の公転に連動して振動素子を順次切り換えていくことで、支持荷重の変化と反射波の強度の関係を取得することができる。
【００２１】
本発明において、前記複数の超音波探触子間の感度ばらつきを調整するため、各超音波探触子の直下に転動体が位置しないときの反射波強度を測定し、この測定データに基づいて調整を行うステップを有することが好ましい。
【００２２】
複数の超音波探触子を使用する場合、探触子間のばらつきを調整しておく必要がある。そのため、各探触子を用いて、例えば、探触子直下（音軸上）から等しい距離に転動体が存在するときのエコー高さ比を求める。音軸近傍に転動体が存在しないときは、はめ合い面からの超音波の透過がないので、接触部の状態に関係のない基準データを取得でき、ばらつきを調整するのには都合が良い。各探触子を用いてエコー高さ比を求め、例えば、いずれか１つの超音波探触子で取得したデータ値を基準値とし、他の超音波探触子については、この基準値にあうように電気的な調整を行うことができる。また、各超音波探触子からのエコー高さについて、夫々の超音波探触子のｈ0で標準化を行ってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明に係る較正曲線取得方法の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、較正曲線取得方法が用いられる転動体支持荷重推定装置の構成を示す模式図である。
【００２４】
＜転動体支持荷重推定装置の構成＞
本発明において測定対象となる軸受２は、外輪２０と、内輪２１と、外輪２０と内輪２１との間に挟持される多数個のボール２２（転動体）とを備えている。内輪２１の内径部分には回転軸３が圧入等の適宜の方法により固定される。軸受２は、軸受ハウジング７に形成された嵌合孔７ａに、その外輪２０が嵌合されることで支持される。軸受ハウジング７の外周には、回転軸３と同心に形成される円筒面７ｂが形成され、そこに超音波探触子１が適宜の方法で取り付けられる。なお、超音波探触子１の取付面は円筒面７ｂでなくてもよい。
【００２５】
超音波探触子１は、取り付け面である円筒面７ｂに対して垂直な方向に超音波を発生する。図１の例だと、発生した超音波は回転軸３の回転中心に向かって進行する。この超音波は、外輪２０の外周部分２０ａと軸受ハウジング７の嵌合孔７ａとの嵌合部（はめあい面）で反射するか、ボール２２が音軸近くに来ているときは、この嵌合部で反射もしくは透過する。超音波探触子１は、接触部で反射した反射波を受信する機能も有している。なお、音軸は超音波が進行する軸のことであるが、本実施形態においては、超音波探触子１の中心と回転軸３の中心とを結ぶ直線Ｌとして設定されている。
【００２６】
超音波探触子１は超音波探傷器４（反射波検出手段に相当）と接続されている。超音波探傷器４には、超音波探触子１を駆動する駆動回路や、反射波を受信するための受信回路等が組み込まれている。また、超音波探傷器４はパソコン５（コンピュータ）に接続されており、超音波探触子１により受信した信号はＡ／Ｄ変換されてパソコン５に送信される。パソコン５には、受信した反射波の信号からボール支持荷重及び軸受荷重を推定するコンピュータプログラムが組み込まれている。
【００２７】
＜原理の説明＞
次に、超音波探触子１を用いてボール支持荷重を推定する方法の原理を図２により説明する。図２（ａ）は超音波探触子１の直下（音軸上）にボール２２が位置している状態、（ｂ）は超音波探触子１の直下にボール２２とボール２２の間が位置している状態である。超音波探触子１から発せられた超音波は、軸受ハウジング７と外輪２０との嵌合部に向かい、一部はその嵌合部から透過し、残りは嵌合部で反射する。この反射波を超音波探触子１により受信する。
【００２８】
そして、軸受ハウジング７と外輪２０との嵌合部における固体接触面積が大きいと発せられた超音波は嵌合部から透過しやすくなり、この透過率は上記接触面積にほぼ比例する。図２（ａ）のように、ボール２２が超音波探触子１の直下に位置するときは、外輪２０と軸受ハウジング７間の接触面圧は、ボール２２直下でほぼ最大となり、その周辺ではガウス分布的に低下する。従って、外輪２０と軸受ハウジング７の音軸付近の嵌合部における固体接触面積が大きくなり反射波の大きさは小さくなる。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、ボール２２とボール２２の中間付近の面圧は、軸受荷重が増加してもほとんどゼロであり、非接触状態に近くなる。これは外輪２０の弾性変形に基づいて接触状態が決まるからであり、ボール２２が音軸から離れるに従って、音軸近傍の嵌合部における隙間を大きくする方向に変形するためである。このような状態だと、超音波は透過しにくくなり、反射波の大きさは大きくなる。
【００３０】
本発明において、上記反射波の大きさを定量的に表すために、エコー高さ比と呼ばれる物理量を用いる。エコー高さ比（Ｈ）とは、次式により定義される。
【００３１】
Ｈ＝（１−ｈ／ｈ0）×１００
ｈは外的な軸受荷重（図１にＷで示す）が作用している時のエコー高さである。ｈ0は外的な軸受荷重が作用していない時（無負荷時）のエコー高さ(基準エコー高さ)であり、実際には隣接する転動体の中央に探触子が位置するときのエコー高さを用いる。なお、１００倍しているのは％表示するためであり、必ずしも必要とされるものではない。軸受荷重が大きいほど外輪２０とボール２２の接触面積は大きくなり、ｈは小さくなる（反射波の大きさは小さくなる）ため、エコー高さ比（Ｈ）は大きくなる。
【００３２】
図２（ｂ）に示すような状態で嵌合部の隙間に油が存在しない場合には、超音波は縦波でも横波でも、軸受ハウジング７から外輪２０への超音波の透過がほとんどない。従って、ボール支持荷重を推定するときの基準エコー高さとして、上記ｈ0を用いることができる。
【００３３】
ただし、嵌合部に油が存在する場合は、油中を伝播しない横波を用いることが好ましい。また、図２（ｂ）に示すように隣接するボール２２の中間位置付近での音軸近傍の嵌合部の油膜の厚さに経時変化がほとんどない場合は、高周波の縦波を用いて基準エコー高さｈ0を測定することができる。この場合、図２（ａ）に示すような状態でのエコー高さは、ボール支持荷重による固体接触面積の変化のほかに、嵌合部の薄膜の膜厚変化の影響を受けるが、これらはボール支持荷重（軸受荷重）により変化する。従って、エコー高さの変動からボール支持荷重を推定することができる。
【００３４】
なお、ボール２２が超音波探触子１の直下を通過するときのエコー高さで、ｈ≒０となる角度θ1（図２（ｂ）参照）はボール支持荷重が変化してもほとんど変わることはなく、一定の値を維持する。換言すれば、ボール２２が探触子直下付近にあるとき（エコー高さが支持荷重と共に変動する領域）の面圧は、ボール支持荷重にほぼ比例すると考えられる。
【００３５】
＜パソコンの機能＞
次に、パソコン５に組み込まれるコンピュータプログラムの機能について説明する。図３に示すように、パソコン５には、超音波探触子１により受信した反射波信号に基づいて、軸受荷重を算出するためのソフトウェアとして軸受荷重推定プログラム１０がインストールされている。
【００３６】
エコー高さ比算出手段１０ａは、受信した反射波の強度に基づいて、エコー高さ比を算出する機能を有する。ボール支持荷重算出手段１０ｂは、算出されたエコー高さ比に基づいて、ボール支持荷重や軸受荷重を算出する機能を有する。エコー高さ比とボール支持荷重との関係式は、較正曲線として予め求めておき、較正曲線データ保存手段１１に保存しておく。較正曲線データが分かっておれば、エコー高さ比から軸受荷重（ボール支持荷重）を求めることができる。較正曲線算出手段１０ｃは、エコー高さ比と予め分かっているボール支持荷重の大きさから較正曲線を算出する機能を有する。
【００３７】
表示データ生成手段１０ｄは、受信したデータや算出したボール支持荷重などをモニター１９に表示させるための表示データを生成する機能を有する。
【００３８】
＜較正曲線について＞
エコー高さ比を求めて軸受荷重を推定するためには、予め較正曲線を求めておく必要がある。図４は、較正曲線の一例を示す図である。縦軸がエコー高さ比（Ｈ）であり、横軸がボール支持荷重ｗである。回転軸に作用する静荷重の大きさが既知であれば、各ボール２２により分担して支持される荷重の大きさは、ボール２２の角位置θに応じて計算で求めることができる。従って、較正曲線を求める場合には、数種類の既知の大きさの荷重を作用させて、そのときのエコー高さ比を求めることができる。本発明においては、後述するように、静荷重の作用のみで較正曲線を取得する方法を提供する。
【００３９】
図４において、θ＝０は、ちょうどボール２２が音軸上にある状態を示しており、図４に示すように、音軸Ｌを基準にθ座標を取っている。通常はボール２２の中心が音軸上にあるときに、エコー高さ比が最も大きくなり、θが大きくなるにつれてエコー高さ比は小さくなる傾向がある。
【００４０】
なお、図５に示すようにボール２２の位置を検出するためのセンサー６を設けておけば、ボール２２がセンサー位置に来たときの信号を検出することができる。すなわち、音軸上にセンサー６を設けておけば、θ＝０にボール２２が来たときのエコー高さ比を求めることができる。θが０でない時のエコー高さ比については、ボール２２が公転する速度が予めわかっているため、センサー６でボール２２を検出したタイミングから所定時間後のエコー高さ比を求めることで、得ることができる。
【００４１】
なお、エコー高さ比が最大となるのは常にθ＝０の時とは限らず、θが有限の時にエコー高さ比が最大になることもある。特に変動荷重下では、θ＝０以外の位置でエコー高さ比が最大になることは良く見られる。かかる場合を考慮して、ボールを検出するセンサー６（図５，６を参照）を設けて、ボール２２の位置とエコー高さ比との対応関係を予め求めておくことが好ましい。
【００４２】
＜較正曲線を求める新手法１＞
較正曲線を求めるためには、荷重を変化させていく必要がある。荷重を変化させて、各荷重におけるエコー高さ比を求めることで較正曲線が得られるからである。しかしながら、現実的には、荷重を変化させてデータを取ることが難しいことが多い。
【００４３】
そこで、ボール２２に作用する自重のみで較正曲線を求める方法を提供する。回転軸３に上述のような較正のための荷重を新たに付加しなくても、回転軸３やその他の部材の自重が各ボール２２に作用している。すなわち、回転軸３は、通常は軸周りの機器等の自重を支持しており、例えば、圧延機のローラやタービン翼を支える軸が例としてあげられ、この軸を支持する軸受は、それら（軸を含む）の自重を支えている。かかる自重を較正時に使用することができる。また、ボール２２の位置によって、ボール２２に作用する荷重は異なっている。この点に着目して、図６に示すような方法により較正曲線を求める。
【００４４】
図６に示すように、φ軸を基準として多数の超音波探触子１を外輪２０の外周部分２０ａに取り付ける。なお、何個設けるかは任意に設定することができる。図６では設置角度φ１〜φ９の９つが図示されており、夫々の超音波探触子１からは異なるエコー高さ比Ｈ１〜Ｈ９を検出することができる。また、夫々のボール２２に作用する支持荷重はｗ１〜ｗ９であり、これは回転軸３や回転軸３が支持する機器の重量等から計算で求めることができる。従って、図４に示すように支持荷重とエコー高さ比との関係を表すグラフを求めることができる。図７は、円周方向の角度φとエコー高さ比Ｈとの関係を示すグラフであり、各φ位置における検出されたエコー高さ比のグラフを示しており、エコー高さ比曲線の包絡線を取ることで、φとエコー高さ比Ｈとの関係グラフを求めることができる。φの位置と支持荷重ｗとの関係は、一義的に定まるため、最終的には図７に示すような較正曲線データ（包絡線データ）を取得することができる。
【００４５】
超音波探触子１の配列ピッチは、図例ではボール２２の配列ピッチのちょうど２倍となっている。もちろん、これに限定されるものではない。
【００４６】
超音波探触子１の直下にボール２２が来た場合のエコー高さ比からボール２２の支持荷重を測定する際に、角度の基準を検出するために、ボール２２の到来を検出するセンサー６を設ける。このセンサー６による検出位置を基準として、各超音波探触子１からの信号取りこみタイミングを決めることができる。センサー６は図６に示すように２箇所（いずれも音軸上）に設けているが、センサー６の設置個所及び個数は適宜決めることができる。センサー６は、任意のタイプのものを使用することができ、例えば、非接触でボール２２の検出が可能な光センサーや渦電流式の変位計、そして超音波センサーを用いることができる。
【００４７】
図６のように複数の超音波探触子１を用いる場合、各超音波探触子１の感度ばらつきをなくすように調整しておく必要がある。このようなばらつきは、超音波探触子１の取り付け状態のばらつき等により生じるものである。取り付け状態をできるだけ同じ状態にするためには、例えば、本願発明者による特開２００２−２５７７９６号公報に開示される超音波探触子の入射波調整方法を用いることができる。取り付け状態の調整を行ったのち、超音波探傷器４で各超音波探触子１が受信する信号のゲイン調整により、外輪２０と軸受ハウジング７の固体接触が生じない箇所からの各探触子の反射エコー高さｈ0をできるだけ同じにする。
【００４８】
そして更なる微調整として、基準エコー高さｈ0での標準化を行う。すなわち、外輪２０と軸受ハウジング７の固体接触が生じない箇所（ボール２２の数が２０個以下程度なら図２（ｂ）に示すようにボール２２とボール２２の間に音軸が位置する時）でのエコー高さｈ0により標準化したエコー高さ比Ｈを用いることができる。これにより、各超音波探触子１の取り付け状態に依存することなく、正確な測定を行うことが可能となる。
【００４９】
図６に示すように超音波探触子１を多数設ける場合、図１に示すような超音波探傷器４を各超音波探触子１にそれぞれ設けて、個別に測定しても良いが、コストアップの要因となる。そこで、図６に示すようにセンサー６からの検出信号に基づいて、ボール２２の位置を検出するボール位置検出部１０を設け、これに基づいて、どの超音波探触子１からの信号を超音波探傷器４に送信するかを切り替える切り換え機構１１を設けている（使用される探触子１は、他の探触子１からの干渉を防ぐため、常に１個とする。）。これにより、逐次探触子１を切り替えて較正曲線を得ることができる。この構成によれば、超音波探傷器４は１台ですむのでコストメリットを有する。
【００５０】
そのほかに、１台の超音波探触子１と１台の超音波探傷器４との組み合わせで、超音波探触子１を逐次移動させながら、較正曲線を取得してもよい。この場合、超音波探触子１の取り付け状態を一定にするための調整機構を利用することが好ましい。
【００５１】
なお、嵌合部（はめあい面）では、粗さ突起のクリープによる面圧の低下や、外輪２０の円周方向ならびに軸方向の微動、フレッティングの発生などにより、嵌合部の面圧や固体接触面積が時間と共に変化する。従って、基準エコー高さｈ0や、ボール支持荷重とエコー高さとの関係は、できるだけ実際に軸受荷重の推定を行うときに近い時点での較正曲線を用いる必要がある。従って、較正曲線の取得は、逐次行う必要がある。
【００５２】
また、円周方向に複数個の超音波探触子１を配置する場合、ある超音波探触子１から照射された超音波が拡散して、嵌合部で反射して他の超音波探触子１に受信されることがある。複数の超音波探触子１を同時に使用する場合には、各探触子間の干渉を防ぐために、超音波探触子１同士の間隔を所定以上あけて配置することが重要である。
【００５３】
かかる配置ができない場合には、各探触子１において受信される第1反射波を評価の対象とすることが必要である。この場合、第1反射波の先頭の半波長か一波長（図８の符号Ｓで示す領域）でのエコー高さｈを評価対象とすることが好ましい。それ以後の波には、他の探触子１からの影響が含まれる恐れがある。
【００５４】
＜斜角探触子を用いた構成例＞
図９は、斜角探触子を用いて較正曲線を取得する場合の構成例を示す図である。斜角探触子１は、軸受ハウジング７の側面に配置してボール支持荷重の測定を行う。図９（ｂ）の側断面図に示すように、ハウジング７の両側面に発信用探触子１Ｂと受信用探触子１Ａを配置して、一対の探触子１によりボール支持荷重の測定を行う。ただし、一対ではなく１個の斜角探触子１を送信用と受信用で兼用することもできる。隣接する斜角探触子１からの超音波の影響を防ぐため、使用する斜角探触子１は常に１個とするか、互いに干渉をしない２個（複数個）の探触子１を切り替えて使用する。
【００５５】
また、斜角探触子を使用する場合、探触子１の円周方向の間隔や、軸中心からの半径距離を使用する軸受の大きさやボールの個数に合わせて容易に変更できるような治具を予め用意しておくことが好ましい。
【００５６】
＜較正曲線を求める新手法２＞
次に、較正曲線を取得するための別の方法を図１０により説明する。この図１０では、軸受ハウジング７の円筒面７ｂに沿って、アレイ型の探触子１２を配置している。アレイ型の探触子１２は、図１１に示すような構造を有しており、円周方向長さが８０〜１００μｍサイズの微小な角柱の振動素子１２ａを多数並べて配置しており、振動素子１２ａの間には高分子材料が埋め込まれている。これにより、柔軟性を有する構造となり、図１０に示すような円周方向に沿って自由に曲げて配置することができる。振動素子１２ａの両側に＋電極１２ｂと−電極１２ｃとが配置される。電極１２ｂ，１２ｃは、所定個数分の振動素子毎に設けられる。電極面積内の複数の振動素子１２ａが同時に送受信を行うため、同じ電極内の振動素子１２ａ全体は、図４で示した超音波探触子１の１つと同じ機能をするものと考えて良い。そのため、このようなコンポジット素子上に複数の電極を設けて、アレイ型の探触子を構成することが可能になる。
【００５７】
この構成は、図６においてさらに多数の超音波探触子１を配置したものと考えることができる。すなわち、ボール２２の公転に合わせて、常に目的とするボール２２の直上（音軸上）の振動素子１２ａで計測が行えるようにする。アレイ型探触子１２を用いることで、細かな荷重ステップでの較正曲線を取得することができる。
【００５８】
この場合、振動素子１２ａの角度間隔にあわせ、常に振動素子直下にボール２２が来たときにパルス超音波を発信させるようにする必要がある。また、アレイ型探触子１２の軸受ハウジング７への取り付け状態が、円周方向に僅かに変化している可能性もあるため、外輪２０と軸受ハウジング７の固体接触が生じない箇所（ボール２２の数が２０個以下程度なら図２（ｂ）に示すようにボール２２とボール２２の間に音軸が位置する時）での振動素子１２ａを用いて、エコー高さの円周方向の基準値を測定しておく必要がある。これにより、各振動素子１２ａ間のばらつきをなくすことができる。この点は、図６に示す構造で説明したのと同じ考え方である。
【００５９】
アレイ型探触子１２の取り付け状態は、温度や時間と共に変化する可能性があるので、常時基準状態を観測しておく必要がある。また、使用中のはめ合い面の接触状態の変化により較正曲線も変わる可能性がある。従って、軸受の実際の運転中に基準状態（自重のみが作用可能な状態）を設定できるようにしておき、基準値と較正を頻繁に取りながらボール支持荷重（軸受荷重）の測定を行う。
【００６０】
実際の変動荷重下でのボール支持荷重や荷重ベクトルを求める際には、ある角度（例えば図１０のβ）隔てて配置された一対の振動素子１２ａのみを作動させ、ボール２２がその振動素子１２ａの直下に来た時のエコー高さ比Ｈと、較正曲線とから、その時点での各ボールの支持荷重を求めることができ、荷重ベクトルの算出が可能となる。図１０に示す振動素子２００と２０１から夫々エコー高さ比Ｈ（ボール支持荷重）を測定し、得られた支持荷重のベクトル和を計測し続けることで、変動荷重を取得することができる。もちろん、ボール２２の配置角度で設置された複数対の探触子によるエコー高さ比の同時測定から、より正確な荷重ベクトルの推定が可能になる。なお、１個のボール２２の支持荷重変化だけを求めるのであれば、一方の振動素子１２ａのみで計測を行えばよい。
【００６１】
以上説明したのは、ある特定の振動素子１２ａの直下にボール２２が来たその瞬間での荷重変動しか捉えることができない。一方、使用する振動素子１２ａを固定しないで、較正時と同様に、ボール２２の公転速度に合わせて、常に１個のボール２２の荷重を監視するようにすれば、荷重変動の詳細を計測することができる。ただし、較正時と同様に、パルス超音波は、振動素子１２ａの直下にボール２２が来たときに発信させるようにする。ボール２２が来たことの検出は、数個の非接触式のセンサー６等を用いて行うことができ、その他の振動素子１２ａについては、ボール２２の公転速度と振動素子１２ａの配置間隔に基づいて、予め計算しておくことで、超音波発信のタイミングを決めることができる。
【００６２】
このアレイ型探触子１２のような構造の超音波探触子を用い、隣接する複数の振動素子を同時に使用することで、円周方向に長い超音波照射・受信領域を有する超音波探触子を形成することができる。
【００６３】
このアレイ型探触子１２の場合も図１２に示すように斜角探触子を用いることができる。アレイ型の場合も、隣接する振動素子１２ａからの超音波の干渉を防ぐため、使用する振動素子１２ａは常に１個（１組）とするか、干渉のない距離を隔てた複数の振動素子１２ａを電気的に切り替えて使用する。
【００６４】
＜変動荷重下における計測＞
次に、ボールの位置から計算で求まる探触子音軸上での支持荷重（較正時荷重）ｗ0と、それに伴い発生する嵌合面での面圧分布ｆθ、超音波照射領域での音圧分布ｐθ、静荷重下でのボール通過時に計測されるエコー高さ比Ｈθ０を基に、変動荷重下で計測されるＨθから、その時のボール支持荷重ｗθを推定する方法を説明する。
【００６５】
図１３に示すように、ボール２２が左から右へ移動する状態であるとする。なお、ボール２２は、下から上に上がりながら、ボール支持荷重が増大する方向に公転していると仮定する。音軸中心に座標軸θを取り、右側を＋θの領域、左側を−θの領域とする。超音波探触子１により、超音波が照射される領域をΘとする。このとき（自重のみが作用している状態）、ボール２２の支持荷重ｗは、ｗ1からｗ2へと変化する。すなわち、ボール２２が軸受の上側（負荷側）に位置するほど、支持荷重は大きくなる。支持荷重ｗは、厳密には直線的には変化しないが、ボール２２の配置角度がそれほど大きくないため、近似的に直線的に変化するものと考えても良い。直線近似した場合、ボール２２が音軸上にある場合の支持荷重はｗ0で表される。
【００６６】
静荷重が作用しているときの、嵌合面（接触部）における面圧ｆθ0を図１３に示すが、ボール２２の移動に伴い、面圧分布も移動する。ボール支持荷重が大きくなれば面圧ｆθ0も大きくなる。しかし、前述したように、エコー高さｈ≒０となる角度θ1（図２（ｂ）参照）はボール支持荷重が変化してもほとんど変わることはないので、面圧の発生する領域（ｆθ＞０）もほぼ同じと考えることができる。従って、変動荷重が作用するときの面圧は以下のように表される。
【００６７】
ｆθ＝（ｗθ／ｗθ0）ｆθ0
ここでｗθ0は静荷重が作用しているときのθ位置でのボール支持荷重を表し、ｗθは同位置での変動荷重が作用しているときのボール支持荷重を表す。
【００６８】
一方、超音波探触子１によりはめ合い面に照射される超音波の音圧分布ｐθは、図１３に示すように（図５と同じ）、音軸上が最も高くなり、周辺に行くほどなだらかに小さくなる。静荷重下（自重のみが作用している状態）におけるエコー高さ比Ｈθ０と、変動荷重下におけるエコー高さ比Ｈθを示す。実際に機械が稼動している状態では、荷重が変動するため、図１３に示すような不規則的なエコー高さ比Ｈθとなる。
【００６９】
まず、超音波の伝播に寄与する固体接触面積Ａと支持荷重ｗとの関係は、
Ａ∝ｗα
で表される。接触面積Ａは、支持荷重が大きくなれば大きくなる。ここでαの値であるが、
α＝２／３（球体と平面の接触）
α＝１／２（円柱と平面の接触）
α＝１．０（突起と平面の接触）
で表される。
【００７０】
また、照射された超音波は、固体接触部を透過していくため、反射波の大きさは、接触面積Ａの大きさに比例するということができる。従って、エコー高さ比Ｈと接触面積Ａとの間には、
Ｈ∝Ａ
なお、ある位置θにボールが来た時のエコー高さ比Ｈθは、超音波照射領域内での固体接触面積の分布Ａθのほかに、音圧分布ｐθの影響も受ける。さらにＡθはボール支持荷重で決まる面圧ｆθ（従って、ｗθ）のα乗に比例するので、
Ｈθ∝∫Ａθ×ｐθｄθ＝∫ｆθα×ｐθｄθ
ただし、Ａθ、ｐθ、ｆθは、軸方向の分布の影響も考慮された値である。
【００７１】
また、静的荷重下におけるボール支持荷重ｗθ０は、図１３に示すような直線近似を行うことができるので、
ｗθ０＝ｗ0＋（Δｗ／Θ）θ
従って、変動荷重下でのボール支持荷重ｗθは、前述したように、（ｗθ／ｗθ0）がθ方向に一定と考えることができることを考慮して、
Ｈθ／Ｈθ０＝∫ｆθα×ｐθｄθ／∫ｆθ0α×ｐθｄθ
＝∫{（ｗθ／ｗθ0）ｆθ0}α×ｐθｄθ／∫ｆθ0α×ｐθｄθ
＝（ｗθ／ｗθ０）α
の関係式で表すことができる。これらの式から、
ｗθ＝（Ｈθ／Ｈθ０）1／α×｛ｗ0＋（Δｗ／Θ）θ｝
この式において、超音波探触子の超音波照射領域が狭い場合は、Δｗ＜＜ｗ0となるので、Δｗの項が消え、
ｗθ＝（Ｈθ／Ｈθ０）1／α×ｗ0
となる。
【００７２】
先ほど述べたαであるが、実際に確認する必要がある。
【００７３】
そこで、軸受荷重（すなわち、ボール支持荷重ｗθ）を変えて、ある角度位置θ（例えば０゜）にボール２２が来た時のエコー高さ比Ｈ0を測定する。２種類の荷重ｗ01，ｗ02でのエコー高さ比Ｈ01，Ｈ02を用いて、前述の式から、
α＝｛ｌｎ（Ｈ01／Ｈ02）｝｛ｌｎ（ｗ01／ｗ02）｝
により、αを算出する。低荷重から高荷重までの、数種類での荷重下でのＨを用いて、αの平均値を求めることが好ましい。αを求めるために荷重を変化させる必要はあるが、αについては経時変化が少ないため、常時測定することはない。
【００７４】
以上は、１つの超音波探触子を用いた場合の求め方であるが、２つ以上の超音波探触子を円周方向に配置したり、アレイ型探触子において使用する振動素子を限定して多数個の探触子化したものを円周方向に配置した場合は、各探触子でのボール支持荷重が異なるため、軸受荷重を変化させず、自重の負荷のみでαを求めることができる。
【００７５】
ただし、超音波探触子の音圧分布ｐθが探触子により異ならないことが条件であるが、探触子の音軸上にボールが来る場合のデータを用いる場合には、各探触子での基準値（外輪と軸受ハウジングの間に隙間が形成される領域でのＨ）を同じとなるようにしておくことで、上記問題を回避できる。この場合、探触子の個数を多くする必要があるので、アレイ型探触子の使用が好ましい。
【００７６】
この図１３に示す方法は、嵌合部での粗さ突起のクリープによる面圧の低下や、外輪２０の円周方向ならびに軸方向の微動、フレッティングの発生などにより、嵌合部の面圧や固体接触面積が時間と共に変化して、初期状態とは異なってきた場合にも適用することができる。つまり、自重だけが作用する（例えば、圧延機のローラやタービン翼の重量）条件があれば、その場で較正曲線が得られる。従って、その使用環境下での最新の較正曲線を基に、変動荷重の推定を行うことができる。すなわち、図１３に示す方法は、変動荷重を推定する方法を提供するものであるが、較正曲線を求める方法でもある。図１３に示す方法は、超音波探触子が１個で済む点に有利さがある。
【００７７】
図６や図１０で説明した較正曲線を求める方法は、そのままの状態で変動荷重を測定する主走査方向としても用いることができる。すなわち、超音波探触子直下にボールが来たときのエコー高さ比と、自重を用いたり、軸受荷重を変化させて測定した較正曲線から変動荷重の推定を行うことができる。
【００７８】
＜ハウジングがない軸受構造の場合の較正曲線の取得方法＞
以上、較正曲線を取得する方法について種々説明してきたが、いずれも軸受ハウジングを有する軸受構造に関するものである。一方、近年においては、外輪と軸受ハウジングを一体化したような軸受構造が知られている。すなわち、ハウジングを外輪に、軸を内輪に見立ててレース面の加工を施し、ユニット化した軸受構造が用いられている。
【００７９】
かかる場合は、超音波探触子を外輪に取り付けるようにし、超音波探触子からの超音波は、軸受外輪とボールとの接触部に向けて発せられる。軸受外輪とボールとの接触面積は、ボール支持荷重（軸受荷重）の大きさに応じて変動する。すなわち、ボール支持荷重が大きければ弾性変形に伴う接触面積は大きくなり、ボール支持荷重が小さくなれば接触面積も小さくなる。従って、超音波照射領域内のこの面積の大きさに応じて、反射波の強度が変化するため、軸受外輪と軸受ハウジングとの境界が存在しなくても、ボール支持荷重の推定が可能になる。
【００８０】
図７に示す較正曲線取得方法に対応する構成図は、図１４に示される。図１４に示すように、φ軸を基準として多数の超音波探触子１を外輪２０の外周部分２０ａに円周方向に沿って取り付ける。図１０に対応する構成図は、図１５に示される。外輪２０の外周部分２０ａに円周方向に沿って、アレイ型の探触子１２を配置している。較正曲線を取得するときの基本的な考え方は、図７や図１０で説明したのと同じである。図１４や図１５に示す超音波探触子は、斜角探触子を用いて構成することもできる。
【００８１】
次に、図１３に対応する構成を図１６に示す。超音波探触子１により照射される超音波の音圧分布ｐθは、図１６に示すように、音軸上が最も高くなり、周辺に行くほどなだらかに小さくなる。静荷重下（自重のみが作用している状態）におけるエコー高さ比Ｈθ０と、変動荷重下におけるエコー高さ比Ｈθを示す。実際に機械が稼動している状態では、荷重が変動するため、図１６に示すような不規則的なエコー高さ比Ｈθとなる。
【００８２】
まず、接触面積Ａと支持荷重ｗとの関係は、
Ａ∝ｗα
で表される。接触面積Ａとは、ＥＨＬ部（弾性流体潤滑部）の面積に相当し、支持荷重が大きくなれば接触面積Ａの大きさも大きくなる。ここでαの値は、前述の通りである。
【００８３】
また、照射された超音波は、ＥＨＬ部を透過していくため、反射波の大きさは、接触面積Ａの大きさに比例するということができる。従って、エコー高さ比Ｈと接触面積Ａとの間には、
Ｈ∝Ａ
また、θ方向のエコー高さ比Ｈは、音圧分布ｐθの影響を受けるので、
Ｈθ∝ｗθα×ｐθ
また、静的荷重下におけるボール支持荷重ｗθ０は、図１６に示すような直線近似を行うことができるので、
ｗθ０＝ｗ0＋（Δｗ／Θ）θ
従って、変動荷重下でのボール支持荷重ｗθは、
Ｈθ／Ｈθ０＝（ｗθ／ｗθ０）α
の関係式で表すことができる。これらの式から、
ｗθ＝（Ｈθ／Ｈθ０）1／α×｛ｗ0＋（Δｗ／Θ）θ｝
この式において、超音波探触子の超音波照射領域が狭い場合は、Δｗ＜＜ｗ0となるので、Δｗの項が消え、
ｗθ＝（Ｈθ／Ｈθ０）1／α×ｗ0
となる。
【００８４】
先ほど述べたαであるが、ハウジングを有しない軸受の場合、外輪２０の内周部分２０ｂとボール２２との接触である。そこで、外輪２０の内周部分２０ｂの曲率をボール２２の方に上乗せする形とすれば、球体と平面との接触であると考えることができる。従って、α＝２／３ということができるが、実際に確認する必要がある。具体的手順は、段落００７３，７４と同じである。
【００８５】
この図１６に示す方法は、軸受のなじみや劣化に伴う、形状寸法の変化やレース面の粗さが異なった場合、探触子そのものの特性が時間や温度によって初期状態とは異なってきた場合にも適用することができる。つまり、自重だけが作用する（例えば、圧延機のローラやタービン翼の重量）条件があれば、その場で較正曲線が得られる。従って、その使用環境下での最新の較正曲線を基に、変動荷重の推定を行うことができる。すなわち、図１６に示す方法は、変動荷重を推定する方法を提供するものであるが、較正曲線を求める方法でもある。図１６に示す方法は、超音波探触子が１個で済む点に有利さがある。
【００８６】
図１４や図１５で説明した較正曲線を求める方法は、そのままの状態で変動荷重を測定する主走査方向としても用いることができる。すなわち、超音波探触子直下にボールが来たときのエコー高さ比と、自重を用いたり、軸受荷重を変化させて測定した較正曲線から変動荷重の推定を行うことができる。
【００８７】
＜別実施形態＞
本実施形態では転動体の一例としてボール（球体）を説明したが、これに限定されるものではなく、円柱形の転動体等を使用する場合にも本発明は応用できるものである。
【００８８】
超音波探触子の取り付け位置は、第１，２象限だけでなく、第３，４象限にも取り付けることができる。この場合、回転荷重の測定も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】軸受荷重推定装置の構成を示す模式図
【図２】超音波探触子を用いて軸受荷重を推定するときの原理を説明する図
【図３】軸受荷重推定プログラムの機能を示す図
【図４】ボール支持荷重とエコー高さ比との関係を示す図
【図５】超音波探触子、音圧分布、面圧分布の関係を説明する図
【図６】較正曲線を求める方法を示す構成図
【図７】円周方向の角度とエコー高さ比の関係を示す図
【図８】受信したエコー高さ信号と時間との関係を示す図
【図９】斜角探触子を用いた構成例を示す図
【図１０】較正曲線を求める方法を示す構成図
【図１１】アレイ型探触子の構成を示す図
【図１２】斜角探触子を用いた構成例を示す図
【図１３】変動荷重を求める方法を示す図
【図１４】較正曲線を求める方法を示す構成図（ハウジングがない場合）
【図１５】較正曲線を求める方法を示す構成図（ハウジングがない場合）
【図１６】変動荷重を求める方法を示す図（ハウジングがない場合）
【符号の説明】
【００９０】
１ 超音波探触子
２ 軸受
３ 回転軸
４ 超音波探傷器
５ パソコン
６ センサー
７ 軸受ハウジング
１０ 軸受荷重推定プログラム
１０ａ エコー高さ比算出手段
１０ｂ 軸受荷重算出手段
１０ｃ 較正曲線算出手段
１０ｄ 表示データ生成手段
１１ 較正曲線データ保存手段
１２ アレイ型探触子
１９ モニター
２０ 外輪
２０ａ 外周部分
２１ 内輪
２２ ボール
Ｈ エコー高さ比
ｗ ボール支持荷重
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内輪と外輪の間を転動する転動体を有する軸受の所定箇所に対して、超音波探触子から超音波を照射し、前記所定箇所からの反射波の強度を測定し、予め求めた反射波の強度と転動体支持荷重との関係を表す較正曲線データに基づいて転動体支持荷重の大きさを算出するに際して使用される較正曲線の取得方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
軸受は、回転する軸を支持する機械要素としてよく知られている。軸受の一般的な構成として、内輪と外輪と内輪と外輪に挟持されて転動するボール（転動体に相当）を備えている。外輪の外径部分が軸受ハウジングに形成された嵌合孔に嵌合され、内輪の内径部分に回転軸が嵌合される。
【０００３】
かかる軸受の寿命を知る方法として、軸受に作用する荷重を測定する方法が知られている。一般的に機械は運転中に振動や衝撃を伴うことが多く、また、組み立て状態や使用環境下での軸との嵌め合いの程度を知ることは難しいため、転動体に加わっている実際の荷重（または、軸受に作用する荷重）を把握できない。軸受に作用する荷重を知ることができれば、軸受の寿命（余寿命）を正しく推定することができると考えられる。
【０００４】
そこで、軸受に作用する軸受荷重を非接触で計測する方法として、超音波探触子を用いた計測技術が知られている（例えば、下記特許文献１）。超音波探触子は、自ら超音波を照射し、調査対象物に反射して跳ね返ってきた反射波（エコー）を受信する。具体的には、超音波探触子は軸受ハウジングに取り付けられ、軸受外輪に向けて超音波を照射し、軸受ハウジングと軸受外輪との嵌合部からの反射波を受信する。そして、この嵌合部における面圧が高くなると固体接触面積が大きくなり、発せられた超音波はこの固体接触部分から透過し、この透過率は上記接触面積に比例する。
【０００５】
ここで軸受荷重が大きくなると、面圧が大きくなり接触面積も大きくなるので超音波の透過率が大きくなる。透過率が大きくなるということは、反射波の大きさは小さくなる。逆に、軸受荷重が小さいときは、反射波の大きさは大きくなる。従って、この反射波の強度を測定することにより、軸受荷重の大きさを推定することができる。
【０００６】
上記のような超音波探触子を用いて軸受荷重の推定を行う場合、予め、軸受荷重と反射波の強度との関係を表す較正曲線データを取得しておく必要がある。かかる較正曲線データを取得しておけば、反射波の強度を測定することで、軸受荷重を推定することができる。
【特許文献１】特開２００２−２５７７９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
較正曲線データを取得するためには、軸受に作用する外的な荷重を変化させながら反射波の強度を測定する必要があるが、軸受が使用される場所や構造等により、荷重を変化させてデータを取得することが難しい場合もある。また、荷重を変化させながらデータを取得するのは、効率が悪く時間もかかるという問題がある。さらに、得られた較正曲線は、はめ合い面の塑性変形や外輪の微動、更にはフレッティング等により変化するため、常に最新の較正曲線を用いる必要がある。
【０００８】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、転動体支持荷重測定のための較正曲線を効率よく取得するための較正曲線取得方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明に係る較正曲線取得方法は、
内輪と外輪の間を転動する転動体を有する軸受の所定箇所に対して、超音波探触子から超音波を照射し、前記所定箇所からの反射波の強度を測定し、予め求めた反射波の強度と転動体支持荷重との関係を表す較正曲線データに基づいて転動体支持荷重の大きさを算出するに際して使用される較正曲線の取得方法であって、
転動体が各超音波探触子の直下に来たときに検出される反射波の強度と、静荷重に基づく転動体支持荷重との関係に基づいて前記較正曲線データを取得するステップを有することを特徴とするものである。
【００１０】
かかる較正曲線取得方法の作用・効果を説明する。超音波探触子からの超音波は、所定箇所に向けて発せられる。例えば、外輪と軸受ハウジングの嵌合部や外輪と転動体の接触部に向けて超音波を照射する。このような嵌合部や接触部の接触面積は、転動体支持荷重（軸受荷重）の大きさに応じて変動する。すなわち、転動体支持荷重が大きければ面圧が大きくなるので接触面積が大きくなり、逆に転動体支持荷重が小さくなれば接触面積も小さくなる。そして、超音波照射領域内のこの接触面積の大きさに応じて、反射波の強度が変化するため、転動体支持荷重の推定が可能になる。
【００１１】
反射波の強度を検出することで、予め求めておいた較正曲線データに基づいて、転動体支持荷重の大きさを知ることができる。この較正曲線データは、反射波の強度と転動体支持荷重の大きさの関係を予め測定したものである。なお、反射波の強度を測定する場合の物理量として、例えば、特許文献１に開示されているエコー高さ比を用いることができる。エコー高さ比Ｈは、次式で定義される。
【００１２】
Ｈ＝（１−ｈ／ｈ0）×１００
ｈは外的な軸受荷重が作用しているときのエコー高さであり、ｈ0は外的な軸受荷重が作用していないとき（無負荷時）のエコー高さに相当する値である。なお、１００倍しているのは％表示するためであり、必ずしも必要なものではない。軸受荷重が大きいほどｈは小さくなるため（反射波の大きさは小さくなる）、エコー高さ比（Ｈ）は大きくなる。従って、エコー高さ比から転動体支持荷重を推定することができるので、予めエコー高さ比と転動体支持荷重との関係式や関数等を較正曲線データとして求めておくことにより、転動体支持荷重の測定を行うことができる。
【００１３】
また軸受荷重と個々の転動体に作用する転動体支持荷重との関係は予め求めておくことができるので、転動体支持荷重が求まれば軸受荷重の推定を行うことができる。例えば、２個以上の超音波探触子を用いて測定したエコー高さから、軸受荷重を推定可能である。
【００１４】
本発明においては、較正曲線データを求める場合に、静荷重（回転軸が支持する機器等の自重）を使用する。すなわち、外的な荷重の大きさを変化させながらデータを取得するのではなく、静荷重を作用させた状態で較正曲線を取得する。軸受に設けられた多数の転動体は、軸受の回転軸中心周りを公転しており、転動体が支持する荷重は、転動体の角位置により異なる。従って、軸受に作用する荷重を変化させなくても、種々の異なる転動体の位置において、反射波の強度（前述のエコー高さを用いることができる。）を測定することで、転動体支持荷重と反射波の強度との関係（較正曲線）を予め取得することができる。その結果、軸受荷重測定のための較正曲線を効率よく取得するための較正曲線取得方法を提供することができる。
【００１５】
本発明において、軸受ハウジング又は外輪の円周方向に沿って所定間隔で所定の位置に、複数の超音波探触子を配置しておくことが好ましい。
【００１６】
複数の超音波探触子を円周方向に沿って配置することで、転動体の異なる位置での反射波の強度測定を同タイミングで（あるいは同時に）行うことができる。角位置の違いによる転動体支持荷重を効率よく測定でき、更に効率よく較正曲線データを取得することができる。
【００１７】
本発明において、転動体の回転移動に連動して、反射波を検出すべき超音波探触子を順次切り替えるステップを有していることが好ましい。
【００１８】
多数の転動体のうちの特定の転動体に注目し、その転動体の回転移動に連動して、超音波探触子も切り替えることで、転動体の位置に応じた反射波の強度を測定することができる。また、超音波探触子を順次切り替えることで、較正曲線を作成するために必要な、超音波探触子直下に転動体が位置する場合の反射波の強度のみを取得することができる。
【００１９】
本発明において、微小の振動素子を多数接合して構成されるアレイ型探触子を前記複数の超音波探触子として機能させることが好ましい。
【００２０】
複数の超音波探触子を円周方向に沿って配置するために、アレイ型探触子を用いる方法がある。アレイ型探触子は、微小の振動素子（振動素子の１個が超音波探触子として機能しうる）を多数接合して構成され、より細かい転動体支持荷重の変化について較正を行うことができる。例えば、転動体の公転に連動して振動素子を順次切り換えていくことで、支持荷重の変化と反射波の強度の関係を取得することができる。
【００２１】
本発明において、前記複数の超音波探触子間の感度ばらつきを調整するため、各超音波探触子の直下に転動体が位置しないときの反射波強度を測定し、この測定データに基づいて調整を行うステップを有することが好ましい。
【００２２】
複数の超音波探触子を使用する場合、探触子間のばらつきを調整しておく必要がある。そのため、各探触子を用いて、例えば、探触子直下（音軸上）から等しい距離に転動体が存在するときのエコー高さ比を求める。音軸近傍に転動体が存在しないときは、はめ合い面からの超音波の透過がないので、接触部の状態に関係のない基準データを取得でき、ばらつきを調整するのには都合が良い。各探触子を用いてエコー高さ比を求め、例えば、いずれか１つの超音波探触子で取得したデータ値を基準値とし、他の超音波探触子については、この基準値にあうように電気的な調整を行うことができる。また、各超音波探触子からのエコー高さについて、夫々の超音波探触子のｈ0で標準化を行ってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明に係る較正曲線取得方法の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、較正曲線取得方法が用いられる転動体支持荷重推定装置の構成を示す模式図である。
【００２４】
＜転動体支持荷重推定装置の構成＞
本発明において測定対象となる軸受２は、外輪２０と、内輪２１と、外輪２０と内輪２１との間に挟持される多数個のボール２２（転動体）とを備えている。内輪２１の内径部分には回転軸３が圧入等の適宜の方法により固定される。軸受２は、軸受ハウジング７に形成された嵌合孔７ａに、その外輪２０が嵌合されることで支持される。軸受ハウジング７の外周には、回転軸３と同心に形成される円筒面７ｂが形成され、そこに超音波探触子１が適宜の方法で取り付けられる。なお、超音波探触子１の取付面は円筒面７ｂでなくてもよい。
【００２５】
超音波探触子１は、取り付け面である円筒面７ｂに対して垂直な方向に超音波を発生する。図１の例だと、発生した超音波は回転軸３の回転中心に向かって進行する。この超音波は、外輪２０の外周部分２０ａと軸受ハウジング７の嵌合孔７ａとの嵌合部（はめあい面）で反射するか、ボール２２が音軸近くに来ているときは、この嵌合部で反射もしくは透過する。超音波探触子１は、接触部で反射した反射波を受信する機能も有している。なお、音軸は超音波が進行する軸のことであるが、本実施形態においては、超音波探触子１の中心と回転軸３の中心とを結ぶ直線Ｌとして設定されている。
【００２６】
超音波探触子１は超音波探傷器４（反射波検出手段に相当）と接続されている。超音波探傷器４には、超音波探触子１を駆動する駆動回路や、反射波を受信するための受信回路等が組み込まれている。また、超音波探傷器４はパソコン５（コンピュータ）に接続されており、超音波探触子１により受信した信号はＡ／Ｄ変換されてパソコン５に送信される。パソコン５には、受信した反射波の信号からボール支持荷重及び軸受荷重を推定するコンピュータプログラムが組み込まれている。
【００２７】
＜原理の説明＞
次に、超音波探触子１を用いてボール支持荷重を推定する方法の原理を図２により説明する。図２（ａ）は超音波探触子１の直下（音軸上）にボール２２が位置している状態、（ｂ）は超音波探触子１の直下にボール２２とボール２２の間が位置している状態である。超音波探触子１から発せられた超音波は、軸受ハウジング７と外輪２０との嵌合部に向かい、一部はその嵌合部から透過し、残りは嵌合部で反射する。この反射波を超音波探触子１により受信する。
【００２８】
そして、軸受ハウジング７と外輪２０との嵌合部における固体接触面積が大きいと発せられた超音波は嵌合部から透過しやすくなり、この透過率は上記接触面積にほぼ比例する。図２（ａ）のように、ボール２２が超音波探触子１の直下に位置するときは、外輪２０と軸受ハウジング７間の接触面圧は、ボール２２直下でほぼ最大となり、その周辺ではガウス分布的に低下する。従って、外輪２０と軸受ハウジング７の音軸付近の嵌合部における固体接触面積が大きくなり反射波の大きさは小さくなる。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、ボール２２とボール２２の中間付近の面圧は、軸受荷重が増加してもほとんどゼロであり、非接触状態に近くなる。これは外輪２０の弾性変形に基づいて接触状態が決まるからであり、ボール２２が音軸から離れるに従って、音軸近傍の嵌合部における隙間を大きくする方向に変形するためである。このような状態だと、超音波は透過しにくくなり、反射波の大きさは大きくなる。
【００３０】
本発明において、上記反射波の大きさを定量的に表すために、エコー高さ比と呼ばれる物理量を用いる。エコー高さ比（Ｈ）とは、次式により定義される。
【００３１】
Ｈ＝（１−ｈ／ｈ0）×１００
ｈは外的な軸受荷重（図１にＷで示す）が作用している時のエコー高さである。ｈ0は外的な軸受荷重が作用していない時（無負荷時）のエコー高さ(基準エコー高さ)であり、実際には隣接する転動体の中央に探触子が位置するときのエコー高さを用いる。なお、１００倍しているのは％表示するためであり、必ずしも必要とされるものではない。軸受荷重が大きいほど外輪２０とボール２２の接触面積は大きくなり、ｈは小さくなる（反射波の大きさは小さくなる）ため、エコー高さ比（Ｈ）は大きくなる。
【００３２】
図２（ｂ）に示すような状態で嵌合部の隙間に油が存在しない場合には、超音波は縦波でも横波でも、軸受ハウジング７から外輪２０への超音波の透過がほとんどない。従って、ボール支持荷重を推定するときの基準エコー高さとして、上記ｈ0を用いることができる。
【００３３】
ただし、嵌合部に油が存在する場合は、油中を伝播しない横波を用いることが好ましい。また、図２（ｂ）に示すように隣接するボール２２の中間位置付近での音軸近傍の嵌合部の油膜の厚さに経時変化がほとんどない場合は、高周波の縦波を用いて基準エコー高さｈ0を測定することができる。この場合、図２（ａ）に示すような状態でのエコー高さは、ボール支持荷重による固体接触面積の変化のほかに、嵌合部の薄膜の膜厚変化の影響を受けるが、これらはボール支持荷重（軸受荷重）により変化する。従って、エコー高さの変動からボール支持荷重を推定することができる。
【００３４】
なお、ボール２２が超音波探触子１の直下を通過するときのエコー高さで、ｈ≒０となる角度θ1（図２（ｂ）参照）はボール支持荷重が変化してもほとんど変わることはなく、一定の値を維持する。換言すれば、ボール２２が探触子直下付近にあるとき（エコー高さが支持荷重と共に変動する領域）の面圧は、ボール支持荷重にほぼ比例すると考えられる。
【００３５】
＜パソコンの機能＞
次に、パソコン５に組み込まれるコンピュータプログラムの機能について説明する。図３に示すように、パソコン５には、超音波探触子１により受信した反射波信号に基づいて、軸受荷重を算出するためのソフトウェアとして軸受荷重推定プログラム１０がインストールされている。
【００３６】
エコー高さ比算出手段１０ａは、受信した反射波の強度に基づいて、エコー高さ比を算出する機能を有する。ボール支持荷重算出手段１０ｂは、算出されたエコー高さ比に基づいて、ボール支持荷重や軸受荷重を算出する機能を有する。エコー高さ比とボール支持荷重との関係式は、較正曲線として予め求めておき、較正曲線データ保存手段１１に保存しておく。較正曲線データが分かっておれば、エコー高さ比から軸受荷重（ボール支持荷重）を求めることができる。較正曲線算出手段１０ｃは、エコー高さ比と予め分かっているボール支持荷重の大きさから較正曲線を算出する機能を有する。
【００３７】
表示データ生成手段１０ｄは、受信したデータや算出したボール支持荷重などをモニター１９に表示させるための表示データを生成する機能を有する。
【００３８】
＜較正曲線について＞
エコー高さ比を求めて軸受荷重を推定するためには、予め較正曲線を求めておく必要がある。図４は、較正曲線の一例を示す図である。縦軸がエコー高さ比（Ｈ）であり、横軸がボール支持荷重ｗである。回転軸に作用する静荷重の大きさが既知であれば、各ボール２２により分担して支持される荷重の大きさは、ボール２２の角位置θに応じて計算で求めることができる。従って、較正曲線を求める場合には、数種類の既知の大きさの荷重を作用させて、そのときのエコー高さ比を求めることができる。本発明においては、後述するように、静荷重の作用のみで較正曲線を取得する方法を提供する。
【００３９】
図４において、θ＝０は、ちょうどボール２２が音軸上にある状態を示しており、図４に示すように、音軸Ｌを基準にθ座標を取っている。通常はボール２２の中心が音軸上にあるときに、エコー高さ比が最も大きくなり、θが大きくなるにつれてエコー高さ比は小さくなる傾向がある。
【００４０】
なお、図５に示すようにボール２２の位置を検出するためのセンサー６を設けておけば、ボール２２がセンサー位置に来たときの信号を検出することができる。すなわち、音軸上にセンサー６を設けておけば、θ＝０にボール２２が来たときのエコー高さ比を求めることができる。θが０でない時のエコー高さ比については、ボール２２が公転する速度が予めわかっているため、センサー６でボール２２を検出したタイミングから所定時間後のエコー高さ比を求めることで、得ることができる。
【００４１】
なお、エコー高さ比が最大となるのは常にθ＝０の時とは限らず、θが有限の時にエコー高さ比が最大になることもある。特に変動荷重下では、θ＝０以外の位置でエコー高さ比が最大になることは良く見られる。かかる場合を考慮して、ボールを検出するセンサー６（図５，６を参照）を設けて、ボール２２の位置とエコー高さ比との対応関係を予め求めておくことが好ましい。
【００４２】
＜較正曲線を求める新手法１＞
較正曲線を求めるためには、荷重を変化させていく必要がある。荷重を変化させて、各荷重におけるエコー高さ比を求めることで較正曲線が得られるからである。しかしながら、現実的には、荷重を変化させてデータを取ることが難しいことが多い。
【００４３】
そこで、ボール２２に作用する自重のみで較正曲線を求める方法を提供する。回転軸３に上述のような較正のための荷重を新たに付加しなくても、回転軸３やその他の部材の自重が各ボール２２に作用している。すなわち、回転軸３は、通常は軸周りの機器等の自重を支持しており、例えば、圧延機のローラやタービン翼を支える軸が例としてあげられ、この軸を支持する軸受は、それら（軸を含む）の自重を支えている。かかる自重を較正時に使用することができる。また、ボール２２の位置によって、ボール２２に作用する荷重は異なっている。この点に着目して、図６に示すような方法により較正曲線を求める。
【００４４】
図６に示すように、φ軸を基準として多数の超音波探触子１を外輪２０の外周部分２０ａに取り付ける。なお、何個設けるかは任意に設定することができる。図６では設置角度φ１〜φ９の９つが図示されており、夫々の超音波探触子１からは異なるエコー高さ比Ｈ１〜Ｈ９を検出することができる。また、夫々のボール２２に作用する支持荷重はｗ１〜ｗ９であり、これは回転軸３や回転軸３が支持する機器の重量等から計算で求めることができる。従って、図４に示すように支持荷重とエコー高さ比との関係を表すグラフを求めることができる。図７は、円周方向の角度φとエコー高さ比Ｈとの関係を示すグラフであり、各φ位置における検出されたエコー高さ比のグラフを示しており、エコー高さ比曲線の包絡線を取ることで、φとエコー高さ比Ｈとの関係グラフを求めることができる。φの位置と支持荷重ｗとの関係は、一義的に定まるため、最終的には図７に示すような較正曲線データ（包絡線データ）を取得することができる。
【００４５】
超音波探触子１の配列ピッチは、図例ではボール２２の配列ピッチのちょうど２倍となっている。もちろん、これに限定されるものではない。
【００４６】
超音波探触子１の直下にボール２２が来た場合のエコー高さ比からボール２２の支持荷重を測定する際に、角度の基準を検出するために、ボール２２の到来を検出するセンサー６を設ける。このセンサー６による検出位置を基準として、各超音波探触子１からの信号取りこみタイミングを決めることができる。センサー６は図６に示すように２箇所（いずれも音軸上）に設けているが、センサー６の設置個所及び個数は適宜決めることができる。センサー６は、任意のタイプのものを使用することができ、例えば、非接触でボール２２の検出が可能な光センサーや渦電流式の変位計、そして超音波センサーを用いることができる。
【００４７】
図６のように複数の超音波探触子１を用いる場合、各超音波探触子１の感度ばらつきをなくすように調整しておく必要がある。このようなばらつきは、超音波探触子１の取り付け状態のばらつき等により生じるものである。取り付け状態をできるだけ同じ状態にするためには、例えば、本願発明者による特開２００２−２５７７９６号公報に開示される超音波探触子の入射波調整方法を用いることができる。取り付け状態の調整を行ったのち、超音波探傷器４で各超音波探触子１が受信する信号のゲイン調整により、外輪２０と軸受ハウジング７の固体接触が生じない箇所からの各探触子の反射エコー高さｈ0をできるだけ同じにする。
【００４８】
そして更なる微調整として、基準エコー高さｈ0での標準化を行う。すなわち、外輪２０と軸受ハウジング７の固体接触が生じない箇所（ボール２２の数が２０個以下程度なら図２（ｂ）に示すようにボール２２とボール２２の間に音軸が位置する時）でのエコー高さｈ0により標準化したエコー高さ比Ｈを用いることができる。これにより、各超音波探触子１の取り付け状態に依存することなく、正確な測定を行うことが可能となる。
【００４９】
図６に示すように超音波探触子１を多数設ける場合、図１に示すような超音波探傷器４を各超音波探触子１にそれぞれ設けて、個別に測定しても良いが、コストアップの要因となる。そこで、図６に示すようにセンサー６からの検出信号に基づいて、ボール２２の位置を検出するボール位置検出部１０を設け、これに基づいて、どの超音波探触子１からの信号を超音波探傷器４に送信するかを切り替える切り換え機構１１を設けている（使用される探触子１は、他の探触子１からの干渉を防ぐため、常に１個とする。）。これにより、逐次探触子１を切り替えて較正曲線を得ることができる。この構成によれば、超音波探傷器４は１台ですむのでコストメリットを有する。
【００５０】
そのほかに、１台の超音波探触子１と１台の超音波探傷器４との組み合わせで、超音波探触子１を逐次移動させながら、較正曲線を取得してもよい。この場合、超音波探触子１の取り付け状態を一定にするための調整機構を利用することが好ましい。
【００５１】
なお、嵌合部（はめあい面）では、粗さ突起のクリープによる面圧の低下や、外輪２０の円周方向ならびに軸方向の微動、フレッティングの発生などにより、嵌合部の面圧や固体接触面積が時間と共に変化する。従って、基準エコー高さｈ0や、ボール支持荷重とエコー高さとの関係は、できるだけ実際に軸受荷重の推定を行うときに近い時点での較正曲線を用いる必要がある。従って、較正曲線の取得は、逐次行う必要がある。
【００５２】
また、円周方向に複数個の超音波探触子１を配置する場合、ある超音波探触子１から照射された超音波が拡散して、嵌合部で反射して他の超音波探触子１に受信されることがある。複数の超音波探触子１を同時に使用する場合には、各探触子間の干渉を防ぐために、超音波探触子１同士の間隔を所定以上あけて配置することが重要である。
【００５３】
かかる配置ができない場合には、各探触子１において受信される第1反射波を評価の対象とすることが必要である。この場合、第1反射波の先頭の半波長か一波長（図８の符号Ｓで示す領域）でのエコー高さｈを評価対象とすることが好ましい。それ以後の波には、他の探触子１からの影響が含まれる恐れがある。
【００５４】
＜斜角探触子を用いた構成例＞
図９は、斜角探触子を用いて較正曲線を取得する場合の構成例を示す図である。斜角探触子１は、軸受ハウジング７の側面に配置してボール支持荷重の測定を行う。図９（ｂ）の側断面図に示すように、ハウジング７の両側面に発信用探触子１Ｂと受信用探触子１Ａを配置して、一対の探触子１によりボール支持荷重の測定を行う。ただし、一対ではなく１個の斜角探触子１を送信用と受信用で兼用することもできる。隣接する斜角探触子１からの超音波の影響を防ぐため、使用する斜角探触子１は常に１個とするか、互いに干渉をしない２個（複数個）の探触子１を切り替えて使用する。
【００５５】
また、斜角探触子を使用する場合、探触子１の円周方向の間隔や、軸中心からの半径距離を使用する軸受の大きさやボールの個数に合わせて容易に変更できるような治具を予め用意しておくことが好ましい。
【００５６】
＜較正曲線を求める新手法２＞
次に、較正曲線を取得するための別の方法を図１０により説明する。この図１０では、軸受ハウジング７の円筒面７ｂに沿って、アレイ型の探触子１２を配置している。アレイ型の探触子１２は、図１１に示すような構造を有しており、円周方向長さが８０〜１００μｍサイズの微小な角柱の振動素子１２ａを多数並べて配置しており、振動素子１２ａの間には高分子材料が埋め込まれている。これにより、柔軟性を有する構造となり、図１０に示すような円周方向に沿って自由に曲げて配置することができる。振動素子１２ａの両側に＋電極１２ｂと−電極１２ｃとが配置される。電極１２ｂ，１２ｃは、所定個数分の振動素子毎に設けられる。電極面積内の複数の振動素子１２ａが同時に送受信を行うため、同じ電極内の振動素子１２ａ全体は、図４で示した超音波探触子１の１つと同じ機能をするものと考えて良い。そのため、このようなコンポジット素子上に複数の電極を設けて、アレイ型の探触子を構成することが可能になる。
【００５７】
この構成は、図６においてさらに多数の超音波探触子１を配置したものと考えることができる。すなわち、ボール２２の公転に合わせて、常に目的とするボール２２の直上（音軸上）の振動素子１２ａで計測が行えるようにする。アレイ型探触子１２を用いることで、細かな荷重ステップでの較正曲線を取得することができる。
【００５８】
この場合、振動素子１２ａの角度間隔にあわせ、常に振動素子直下にボール２２が来たときにパルス超音波を発信させるようにする必要がある。また、アレイ型探触子１２の軸受ハウジング７への取り付け状態が、円周方向に僅かに変化している可能性もあるため、外輪２０と軸受ハウジング７の固体接触が生じない箇所（ボール２２の数が２０個以下程度なら図２（ｂ）に示すようにボール２２とボール２２の間に音軸が位置する時）での振動素子１２ａを用いて、エコー高さの円周方向の基準値を測定しておく必要がある。これにより、各振動素子１２ａ間のばらつきをなくすことができる。この点は、図６に示す構造で説明したのと同じ考え方である。
【００５９】
アレイ型探触子１２の取り付け状態は、温度や時間と共に変化する可能性があるので、常時基準状態を観測しておく必要がある。また、使用中のはめ合い面の接触状態の変化により較正曲線も変わる可能性がある。従って、軸受の実際の運転中に基準状態（自重のみが作用可能な状態）を設定できるようにしておき、基準値と較正を頻繁に取りながらボール支持荷重（軸受荷重）の測定を行う。
【００６０】
実際の変動荷重下でのボール支持荷重や荷重ベクトルを求める際には、ある角度（例えば図１０のβ）隔てて配置された一対の振動素子１２ａのみを作動させ、ボール２２がその振動素子１２ａの直下に来た時のエコー高さ比Ｈと、較正曲線とから、その時点での各ボールの支持荷重を求めることができ、荷重ベクトルの算出が可能となる。図１０に示す振動素子２００と２０１から夫々エコー高さ比Ｈ（ボール支持荷重）を測定し、得られた支持荷重のベクトル和を計測し続けることで、変動荷重を取得することができる。もちろん、ボール２２の配置角度で設置された複数対の探触子によるエコー高さ比の同時測定から、より正確な荷重ベクトルの推定が可能になる。なお、１個のボール２２の支持荷重変化だけを求めるのであれば、一方の振動素子１２ａのみで計測を行えばよい。
【００６１】
以上説明したのは、ある特定の振動素子１２ａの直下にボール２２が来たその瞬間での荷重変動しか捉えることができない。一方、使用する振動素子１２ａを固定しないで、較正時と同様に、ボール２２の公転速度に合わせて、常に１個のボール２２の荷重を監視するようにすれば、荷重変動の詳細を計測することができる。ただし、較正時と同様に、パルス超音波は、振動素子１２ａの直下にボール２２が来たときに発信させるようにする。ボール２２が来たことの検出は、数個の非接触式のセンサー６等を用いて行うことができ、その他の振動素子１２ａについては、ボール２２の公転速度と振動素子１２ａの配置間隔に基づいて、予め計算しておくことで、超音波発信のタイミングを決めることができる。
【００６２】
このアレイ型探触子１２のような構造の超音波探触子を用い、隣接する複数の振動素子を同時に使用することで、円周方向に長い超音波照射・受信領域を有する超音波探触子を形成することができる。
【００６３】
このアレイ型探触子１２の場合も図１２に示すように斜角探触子を用いることができる。アレイ型の場合も、隣接する振動素子１２ａからの超音波の干渉を防ぐため、使用する振動素子１２ａは常に１個（１組）とするか、干渉のない距離を隔てた複数の振動素子１２ａを電気的に切り替えて使用する。
【００６４】
＜変動荷重下における計測＞
次に、ボールの位置から計算で求まる探触子音軸上での支持荷重（較正時荷重）ｗ0と、それに伴い発生する嵌合面での面圧分布ｆθ、超音波照射領域での音圧分布ｐθ、静荷重下でのボール通過時に計測されるエコー高さ比Ｈθ０を基に、変動荷重下で計測されるＨθから、その時のボール支持荷重ｗθを推定する方法を説明する。
【００６５】
図１３に示すように、ボール２２が左から右へ移動する状態であるとする。なお、ボール２２は、下から上に上がりながら、ボール支持荷重が増大する方向に公転していると仮定する。音軸中心に座標軸θを取り、右側を＋θの領域、左側を−θの領域とする。超音波探触子１により、超音波が照射される領域をΘとする。このとき（自重のみが作用している状態）、ボール２２の支持荷重ｗは、ｗ1からｗ2へと変化する。すなわち、ボール２２が軸受の上側（負荷側）に位置するほど、支持荷重は大きくなる。支持荷重ｗは、厳密には直線的には変化しないが、ボール２２の配置角度がそれほど大きくないため、近似的に直線的に変化するものと考えても良い。直線近似した場合、ボール２２が音軸上にある場合の支持荷重はｗ0で表される。
【００６６】
静荷重が作用しているときの、嵌合面（接触部）における面圧ｆθ0を図１３に示すが、ボール２２の移動に伴い、面圧分布も移動する。ボール支持荷重が大きくなれば面圧ｆθ0も大きくなる。しかし、前述したように、エコー高さｈ≒０となる角度θ1（図２（ｂ）参照）はボール支持荷重が変化してもほとんど変わることはないので、面圧の発生する領域（ｆθ＞０）もほぼ同じと考えることができる。従って、変動荷重が作用するときの面圧は以下のように表される。
【００６７】
ｆθ＝（ｗθ／ｗθ0）ｆθ0
ここでｗθ0は静荷重が作用しているときのθ位置でのボール支持荷重を表し、ｗθは同位置での変動荷重が作用しているときのボール支持荷重を表す。
【００６８】
一方、超音波探触子１によりはめ合い面に照射される超音波の音圧分布ｐθは、図１３に示すように（図５と同じ）、音軸上が最も高くなり、周辺に行くほどなだらかに小さくなる。静荷重下（自重のみが作用している状態）におけるエコー高さ比Ｈθ０と、変動荷重下におけるエコー高さ比Ｈθを示す。実際に機械が稼動している状態では、荷重が変動するため、図１３に示すような不規則的なエコー高さ比Ｈθとなる。
【００６９】
まず、超音波の伝播に寄与する固体接触面積Ａと支持荷重ｗとの関係は、
Ａ∝ｗα
で表される。接触面積Ａは、支持荷重が大きくなれば大きくなる。ここでαの値であるが、
α＝２／３（球体と平面の接触）
α＝１／２（円柱と平面の接触）
α＝１．０（突起と平面の接触）
で表される。
【００７０】
また、照射された超音波は、固体接触部を透過していくため、反射波の大きさは、接触面積Ａの大きさに比例するということができる。従って、エコー高さ比Ｈと接触面積Ａとの間には、
Ｈ∝Ａ
なお、ある位置θにボールが来た時のエコー高さ比Ｈθは、超音波照射領域内での固体接触面積の分布Ａθのほかに、音圧分布ｐθの影響も受ける。さらにＡθはボール支持荷重で決まる面圧ｆθ（従って、ｗθ）のα乗に比例するので、
Ｈθ∝∫Ａθ×ｐθｄθ＝∫ｆθα×ｐθｄθ
ただし、Ａθ、ｐθ、ｆθは、軸方向の分布の影響も考慮された値である。
【００７１】
また、静的荷重下におけるボール支持荷重ｗθ０は、図１３に示すような直線近似を行うことができるので、
ｗθ０＝ｗ0＋（Δｗ／Θ）θ
従って、変動荷重下でのボール支持荷重ｗθは、前述したように、（ｗθ／ｗθ0）がθ方向に一定と考えることができることを考慮して、
Ｈθ／Ｈθ０＝∫ｆθα×ｐθｄθ／∫ｆθ0α×ｐθｄθ
＝∫{（ｗθ／ｗθ0）ｆθ0}α×ｐθｄθ／∫ｆθ0α×ｐθｄθ
＝（ｗθ／ｗθ０）α
の関係式で表すことができる。これらの式から、
ｗθ＝（Ｈθ／Ｈθ０）1／α×｛ｗ0＋（Δｗ／Θ）θ｝
この式において、超音波探触子の超音波照射領域が狭い場合は、Δｗ＜＜ｗ0となるので、Δｗの項が消え、
ｗθ＝（Ｈθ／Ｈθ０）1／α×ｗ0
となる。
【００７２】
先ほど述べたαであるが、実際に確認する必要がある。
【００７３】
そこで、軸受荷重（すなわち、ボール支持荷重ｗθ）を変えて、ある角度位置θ（例えば０゜）にボール２２が来た時のエコー高さ比Ｈ0を測定する。２種類の荷重ｗ01，ｗ02でのエコー高さ比Ｈ01，Ｈ02を用いて、前述の式から、
α＝｛ｌｎ（Ｈ01／Ｈ02）｝｛ｌｎ（ｗ01／ｗ02）｝
により、αを算出する。低荷重から高荷重までの、数種類での荷重下でのＨを用いて、αの平均値を求めることが好ましい。αを求めるために荷重を変化させる必要はあるが、αについては経時変化が少ないため、常時測定することはない。
【００７４】
以上は、１つの超音波探触子を用いた場合の求め方であるが、２つ以上の超音波探触子を円周方向に配置したり、アレイ型探触子において使用する振動素子を限定して多数個の探触子化したものを円周方向に配置した場合は、各探触子でのボール支持荷重が異なるため、軸受荷重を変化させず、自重の負荷のみでαを求めることができる。
【００７５】
ただし、超音波探触子の音圧分布ｐθが探触子により異ならないことが条件であるが、探触子の音軸上にボールが来る場合のデータを用いる場合には、各探触子での基準値（外輪と軸受ハウジングの間に隙間が形成される領域でのＨ）を同じとなるようにしておくことで、上記問題を回避できる。この場合、探触子の個数を多くする必要があるので、アレイ型探触子の使用が好ましい。
【００７６】
この図１３に示す方法は、嵌合部での粗さ突起のクリープによる面圧の低下や、外輪２０の円周方向ならびに軸方向の微動、フレッティングの発生などにより、嵌合部の面圧や固体接触面積が時間と共に変化して、初期状態とは異なってきた場合にも適用することができる。つまり、自重だけが作用する（例えば、圧延機のローラやタービン翼の重量）条件があれば、その場で較正曲線が得られる。従って、その使用環境下での最新の較正曲線を基に、変動荷重の推定を行うことができる。すなわち、図１３に示す方法は、変動荷重を推定する方法を提供するものであるが、較正曲線を求める方法でもある。図１３に示す方法は、超音波探触子が１個で済む点に有利さがある。
【００７７】
図６や図１０で説明した較正曲線を求める方法は、そのままの状態で変動荷重を測定する主走査方向としても用いることができる。すなわち、超音波探触子直下にボールが来たときのエコー高さ比と、自重を用いたり、軸受荷重を変化させて測定した較正曲線から変動荷重の推定を行うことができる。
【００７８】
＜ハウジングがない軸受構造の場合の較正曲線の取得方法＞
以上、較正曲線を取得する方法について種々説明してきたが、いずれも軸受ハウジングを有する軸受構造に関するものである。一方、近年においては、外輪と軸受ハウジングを一体化したような軸受構造が知られている。すなわち、ハウジングを外輪に、軸を内輪に見立ててレース面の加工を施し、ユニット化した軸受構造が用いられている。
【００７９】
かかる場合は、超音波探触子を外輪に取り付けるようにし、超音波探触子からの超音波は、軸受外輪とボールとの接触部に向けて発せられる。軸受外輪とボールとの接触面積は、ボール支持荷重（軸受荷重）の大きさに応じて変動する。すなわち、ボール支持荷重が大きければ弾性変形に伴う接触面積は大きくなり、ボール支持荷重が小さくなれば接触面積も小さくなる。従って、超音波照射領域内のこの面積の大きさに応じて、反射波の強度が変化するため、軸受外輪と軸受ハウジングとの境界が存在しなくても、ボール支持荷重の推定が可能になる。
【００８０】
図７に示す較正曲線取得方法に対応する構成図は、図１４に示される。図１４に示すように、φ軸を基準として多数の超音波探触子１を外輪２０の外周部分２０ａに円周方向に沿って取り付ける。図１０に対応する構成図は、図１５に示される。外輪２０の外周部分２０ａに円周方向に沿って、アレイ型の探触子１２を配置している。較正曲線を取得するときの基本的な考え方は、図７や図１０で説明したのと同じである。図１４や図１５に示す超音波探触子は、斜角探触子を用いて構成することもできる。
【００８１】
次に、図１３に対応する構成を図１６に示す。超音波探触子１により照射される超音波の音圧分布ｐθは、図１６に示すように、音軸上が最も高くなり、周辺に行くほどなだらかに小さくなる。静荷重下（自重のみが作用している状態）におけるエコー高さ比Ｈθ０と、変動荷重下におけるエコー高さ比Ｈθを示す。実際に機械が稼動している状態では、荷重が変動するため、図１６に示すような不規則的なエコー高さ比Ｈθとなる。
【００８２】
まず、接触面積Ａと支持荷重ｗとの関係は、
Ａ∝ｗα
で表される。接触面積Ａとは、ＥＨＬ部（弾性流体潤滑部）の面積に相当し、支持荷重が大きくなれば接触面積Ａの大きさも大きくなる。ここでαの値は、前述の通りである。
【００８３】
また、照射された超音波は、ＥＨＬ部を透過していくため、反射波の大きさは、接触面積Ａの大きさに比例するということができる。従って、エコー高さ比Ｈと接触面積Ａとの間には、
Ｈ∝Ａ
また、θ方向のエコー高さ比Ｈは、音圧分布ｐθの影響を受けるので、
Ｈθ∝ｗθα×ｐθ
また、静的荷重下におけるボール支持荷重ｗθ０は、図１６に示すような直線近似を行うことができるので、
ｗθ０＝ｗ0＋（Δｗ／Θ）θ
従って、変動荷重下でのボール支持荷重ｗθは、
Ｈθ／Ｈθ０＝（ｗθ／ｗθ０）α
の関係式で表すことができる。これらの式から、
ｗθ＝（Ｈθ／Ｈθ０）1／α×｛ｗ0＋（Δｗ／Θ）θ｝
この式において、超音波探触子の超音波照射領域が狭い場合は、Δｗ＜＜ｗ0となるので、Δｗの項が消え、
ｗθ＝（Ｈθ／Ｈθ０）1／α×ｗ0
となる。
【００８４】
先ほど述べたαであるが、ハウジングを有しない軸受の場合、外輪２０の内周部分２０ｂとボール２２との接触である。そこで、外輪２０の内周部分２０ｂの曲率をボール２２の方に上乗せする形とすれば、球体と平面との接触であると考えることができる。従って、α＝２／３ということができるが、実際に確認する必要がある。具体的手順は、段落００７３，７４と同じである。
【００８５】
この図１６に示す方法は、軸受のなじみや劣化に伴う、形状寸法の変化やレース面の粗さが異なった場合、探触子そのものの特性が時間や温度によって初期状態とは異なってきた場合にも適用することができる。つまり、自重だけが作用する（例えば、圧延機のローラやタービン翼の重量）条件があれば、その場で較正曲線が得られる。従って、その使用環境下での最新の較正曲線を基に、変動荷重の推定を行うことができる。すなわち、図１６に示す方法は、変動荷重を推定する方法を提供するものであるが、較正曲線を求める方法でもある。図１６に示す方法は、超音波探触子が１個で済む点に有利さがある。
【００８６】
図１４や図１５で説明した較正曲線を求める方法は、そのままの状態で変動荷重を測定する主走査方向としても用いることができる。すなわち、超音波探触子直下にボールが来たときのエコー高さ比と、自重を用いたり、軸受荷重を変化させて測定した較正曲線から変動荷重の推定を行うことができる。
【００８７】
＜別実施形態＞
本実施形態では転動体の一例としてボール（球体）を説明したが、これに限定されるものではなく、円柱形の転動体等を使用する場合にも本発明は応用できるものである。
【００８８】
超音波探触子の取り付け位置は、第１，２象限だけでなく、第３，４象限にも取り付けることができる。この場合、回転荷重の測定も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】軸受荷重推定装置の構成を示す模式図
【図２】超音波探触子を用いて軸受荷重を推定するときの原理を説明する図
【図３】軸受荷重推定プログラムの機能を示す図
【図４】ボール支持荷重とエコー高さ比との関係を示す図
【図５】超音波探触子、音圧分布、面圧分布の関係を説明する図
【図６】較正曲線を求める方法を示す構成図
【図７】円周方向の角度とエコー高さ比の関係を示す図
【図８】受信したエコー高さ信号と時間との関係を示す図
【図９】斜角探触子を用いた構成例を示す図
【図１０】較正曲線を求める方法を示す構成図
【図１１】アレイ型探触子の構成を示す図
【図１２】斜角探触子を用いた構成例を示す図
【図１３】変動荷重を求める方法を示す図
【図１４】較正曲線を求める方法を示す構成図（ハウジングがない場合）
【図１５】較正曲線を求める方法を示す構成図（ハウジングがない場合）
【図１６】変動荷重を求める方法を示す図（ハウジングがない場合）
【符号の説明】
【００９０】
１ 超音波探触子
２ 軸受
３ 回転軸
４ 超音波探傷器
５ パソコン
６ センサー
７ 軸受ハウジング
１０ 軸受荷重推定プログラム
１０ａ エコー高さ比算出手段
１０ｂ 軸受荷重算出手段
１０ｃ 較正曲線算出手段
１０ｄ 表示データ生成手段
１１ 較正曲線データ保存手段
１２ アレイ型探触子
１９ モニター
２０ 外輪
２０ａ 外周部分
２１ 内輪
２２ ボール
Ｈ エコー高さ比
ｗ ボール支持荷重
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と外輪の間を転動する転動体を有する軸受の所定箇所に対して、超音波探触子から超音波を照射し、前記所定箇所からの反射波の強度を測定し、予め求めた反射波の強度と転動体支持荷重との関係を表す較正曲線データに基づいて転動体支持荷重の大きさを算出するに際して使用される較正曲線の取得方法であって、
転動体が各超音波探触子の直下に来たときに検出される反射波の強度と、静荷重に基づく転動体支持荷重との関係に基づいて前記較正曲線データを取得するステップを有することを特徴とする較正曲線取得方法。
【請求項２】
軸受ハウジング又は外輪の円周方向に沿って所定間隔で所定の位置に、複数の超音波探触子を配置しておくことを特徴とする請求項１に記載の較正曲線取得方法。
【請求項３】
転動体の回転移動に連動して、反射波を検出すべき超音波探触子を順次切り替えるステップを有していることを特徴とする請求項２に記載の較正曲線取得方法。
【請求項４】
微小の振動素子を多数接合して構成されるアレイ型探触子を前記複数の超音波探触子として機能させることを特徴とする請求項２又は３に記載の較正曲線取得方法。
【請求項５】
前記複数の超音波探触子間の感度ばらつきを調整するため、各超音波探触子の直下に転動体が位置しないときの反射波強度を測定し、この測定データに基づいて調整を行うステップを有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の較正曲線取得方法。
【請求項１】
内輪と外輪の間を転動する転動体を有する軸受の所定箇所に対して、超音波探触子から超音波を照射し、前記所定箇所からの反射波の強度を測定し、予め求めた反射波の強度と転動体支持荷重との関係を表す較正曲線データに基づいて転動体支持荷重の大きさを算出するに際して使用される較正曲線の取得方法であって、
転動体が各超音波探触子の直下に来たときに検出される反射波の強度と、静荷重に基づく転動体支持荷重との関係に基づいて前記較正曲線データを取得するステップを有することを特徴とする較正曲線取得方法。
【請求項２】
軸受ハウジング又は外輪の円周方向に沿って所定間隔で所定の位置に、複数の超音波探触子を配置しておくことを特徴とする請求項１に記載の較正曲線取得方法。
【請求項３】
転動体の回転移動に連動して、反射波を検出すべき超音波探触子を順次切り替えるステップを有していることを特徴とする請求項２に記載の較正曲線取得方法。
【請求項４】
微小の振動素子を多数接合して構成されるアレイ型探触子を前記複数の超音波探触子として機能させることを特徴とする請求項２又は３に記載の較正曲線取得方法。
【請求項５】
前記複数の超音波探触子間の感度ばらつきを調整するため、各超音波探触子の直下に転動体が位置しないときの反射波強度を測定し、この測定データに基づいて調整を行うステップを有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の較正曲線取得方法。
【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】
【公開番号】特開２００６−２１４９０５（Ｐ２００６−２１４９０５Ａ）
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８８４１（Ｐ２００５−２８８４１）
【出願日】平成１７年２月４日（２００５．２．４）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【出願人】（３９２０００１１０）オートマックス株式会社 (16)
【出願人】（５９７１５４９６６）学校法人高知工科大学 (141)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月４日（２００５．２．４）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【出願人】（０００００１２４７）株式会社ジェイテクト (7,053)
【出願人】（３９２０００１１０）オートマックス株式会社 (16)
【出願人】（５９７１５４９６６）学校法人高知工科大学 (141)
【Ｆターム（参考）】
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