预压传感器、轴承装置、轴承以及衬垫

技术领域

本发明涉及一种预压传感器以及包括预压传感器的轴承装置、轴承和衬垫，所述预压传感器对用于机床的主轴心轴等的轴承的预压进行检测。

背景技术

在机床的心轴(spindle)装置中，为了提高加工精度和效率，需要进行轴承的预压管理，为此，要求检测轴承的预压。此外，还要求在轴承发生异常前检测出发生异常的预兆，从而预先防范轴承的异常。

在日本特开2008-286219号(专利文献1)中，在沿轴向排列的多个滚动轴承之间夹设有衬垫的轴承装置中，通过磁致伸缩材料构成衬垫的一部分，并且通过非磁性材料构成衬垫中的、由磁致伸缩材料构成的部分以外的其余部分的至少一部分，通过磁致伸缩材料部分的磁特性的变化来检测轴承的预压。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-286219号

专利文献2：日本特开2014-071085号

发明内容

发明所要解决的技术问题

在日本特开2008-286219号(专利文献1)公开的轴承装置中，由于外圈衬垫具有在分割成两个的一对衬垫构件之间夹入有磁致伸缩材料的结构，因此，结构复杂，需要以一对衬垫构件保持成不分离的状态放入外壳，组装困难。

此外，在利用磁致伸缩材料的预压检测中，除了选定磁致伸缩材料以外，输出信号的温度偏移以及迟滞等的降低也成为问题。

本发明是为了解决上述问题而形成的，其目的是提供一种预压传感器以及包括预压传感器的轴承装置、轴承和衬垫，所述预压传感器能够以简单的结构测定轴承的预压。

解决技术问题所采用的技术方案

本公开的预压传感器是对包括内圈、外圈、滚动体的轴承的预压进行检测的预压传感器。预压传感器包括：膜状的感压构件，所述感压构件具有第一主面和第二主面；以及第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极与感压构件电连接。感压构件构成为第一电极与第二电极之间的直流电阻根据作用在第一主面与第二主面之间的压力而变化。感压构件的第一主面配置成朝向轴承的端面，第二主面配置成朝向向轴承提供预压的构件的相对面，所述相对面与端面相对。

优选，感压构件是薄膜传感器，所述薄膜传感器包括：绝缘膜；薄膜图案，所述薄膜图案形成在绝缘膜上，所述薄膜图案的电阻根据表面压力的变化而变化；以及保护膜，所述保护膜形成在薄膜图案上，所述保护膜对薄膜图案进行保护。

优选，感压构件包括：第一绝缘层；第一电极层，所述第一电极层供第一电极连接；感压层，所述感压层由感压油墨或感压橡胶形成；第二电极层，所述第二电极层供第二电极连接；以及第二绝缘层。在第一主面与第二主面之间依次配置第一绝缘层、第一电极层、感压层、第二电极层、第二绝缘层。

本公开的另一方面即轴承装置包括上述预压传感器、轴承以及与轴承相邻配置的衬垫。衬垫是向轴承提供预压的构件。预压传感器配置成第一主面与端面接触，第二主面与相对面接触。

优选，轴承是第一轴承，轴承装置还包括第二轴承。衬垫配置在第一轴承与第二轴承之间，第一轴承与第二轴承以背靠背组合的方式配置，第一轴承的外圈端面与衬垫的外圈衬垫端面之间配置预压传感器。

优选，轴承是第一轴承，轴承装置还包括第二轴承。衬垫配置在第一轴承与第二轴承之间。第一轴承与第二轴承以面对面组合的方式配置。第一轴承的内圈端面与衬垫的内圈衬垫端面之间配置预压传感器。

优选，衬垫包括内圈衬垫和外圈衬垫。轴承装置还包括：传感器信号发送器，所述传感器信号发送器配置于内圈衬垫的外周面，并且内置有电力接收部、传感器信号发送部以及传感器信号处理部；以及传感器信号接收器，所述传感器信号接收器配置于外圈衬垫的内周面，并且内置有供给电力发送部和传感器信号接收部，所述供给电力发送部以非接触的方式向电力接收部供电，所述传感器信号接收部以非接触的方式从传感器信号发送部接收传感器信号。传感器信号发送部被从电力接收部供给电力，并且以非接触的方式将预压传感器的输出发送至传感器信号接收器一侧。

优选，在配置于向轴承施加预压的路径上的衬垫的端面设置有凸部，在所述凸部的突出面配置感压构件。

更优选，衬垫包括内圈衬垫和外圈衬垫。外圈衬垫或内圈衬垫包括第一构件和第二构件，所述第一构件包括凸部，所述第二构件形成有供第一构件嵌入的凹部。

更优选，轴承装置还包括中间衬垫，所述中间衬垫配置在配置于凸部上的感压构件与轴承的端面之间。

在本公开的又一方面即轴承中，在内圈或外圈形成上述预压传感器，以使第一主面与端面接触。

在本公开的又一方面即衬垫中，在内圈衬垫或外圈衬垫形成上述预压传感器，以使第二主面与相对面接触。

发明效果

根据本发明，能够实现一种能以简单的结构测定轴承的预压的预压传感器以及包括该预压传感器的轴承装置、轴承和衬垫，能够容易地进行轴承的维护、管理。

附图说明

图1是表示实施方式一的轴承装置的结构的剖视图。

图2是将预压传感器的配置部分放大并示出的剖视图。

图3是表示感压片13的结构例的图。

图4是表示由感压片构成的预压传感器的预压与电阻之间的关系的图。

图5是表示在外圈衬垫的端面形成有薄膜传感器的结构的图。

图6是表示由薄膜传感器构成的预压传感器的预压与电阻的关系的图。

图7是表示对使用了薄膜传感器的情况下的电阻变化进行检测的电路的图。

图8是表示用于实施方式二的轴承装置的预压传感器的结构的图。

图9是表示从图8的箭头B方向观察到的外圈衬垫的一部分的图。

图10是表示图8所示的结构的变形例的图。

图11是表示从图10的箭头B2方向观察到的外圈衬垫的一部分的图。

图12是表示实施方式二的轴承装置的变形例的结构的剖视图。

图13是表示实施方式三的轴承装置的结构的剖视图。

图14是表示信号发送器24和信号接收器25的结构以及与预压传感器61的连接状态的图。

图15是表示用于实施方式四的轴承装置的预压传感器的结构的图。

图16是表示从图15的箭头C方向观察到的内圈衬垫的一部分的图。

图17是表示图15所示的结构的变形例的图。

图18是表示从图17的箭头C2方向观察到的内圈衬垫的一部分的图。

具体实施方式

以下，将参照附图，对本发明的实施方式进行说明。另外，在以下附图中，对相同或相当的部分标注相同的参照符号，不重复其说明。

[实施方式一]

图1是表示实施方式一的轴承装置的结构的剖视图。轴承装置1例如用于机床的内置马达式的心轴装置。在该情况下，在通过轴承装置1支承的主轴4的一端侧组装有未图示的马达，在另一端连接有端铣刀等切削工具。另外，图1所示的轴承装置1的结构是以旋转中心轴O-O为中心上下对称的，比旋转中心轴O-O靠下的部分省略图示。

轴承装置1包括轴承5、与轴承5相邻配置的衬垫6、预压传感器11。主轴4在埋设于外筒2的内径部的外壳3处被多个轴承5支承为自由旋转。各轴承5包括内圈5i、外圈5g、滚动体T以及保持器Rt。衬垫6包括内圈衬垫6i和外圈衬垫6g。

沿轴向分开的多个轴承5以过盈配合状态(压入状态)与主轴4嵌合。在内圈5i-5i之间配置有内圈衬垫6i，在外圈5g-5g之间配置有外圈衬垫6g。

轴承5是在内圈5i与外圈5g之间配置有多个滚动体T的滚动轴承，这些滚动体T通过保持器Rt保持间隔。轴承5是能够赋予轴向的预压的轴承，可以采用角接触球轴承、深沟球轴承或者锥形滚子轴承等。图1所示的轴承装置1采用角接触球轴承，以背靠背组合(DB组合)的方式设置有两个轴承5。

在外壳3形成有冷却介质流路G。通过使冷却介质在外壳3与外筒2之间流动，能够对轴承装置1进行冷却。

在组装时，首先，将轴承5、衬垫6、轴承5、衬垫9依次插入主轴4并通过螺母10紧固而给予初始预压，并且将由此得到的结构插入，直到图1的右侧的轴承5的外圈5g的右侧压靠至设置于外壳3的台阶部3a，然后，通过前盖12推压左侧的轴承5的外圈5g而固定于外壳3。

通过紧固螺母10，力作用于右侧的轴承5的内圈5i的端面，通过衬垫9，使得内圈5i向内圈衬垫6i移动。上述力被传递至内圈5i、滚动体T、外圈5g而向右侧的轴承5施加预压，并且，该力也从外圈5g传递至外圈衬垫6g。从外圈衬垫6g向右侧的外圈5g作用有推压力，该力在左侧的轴承5处向外圈5g、滚动体T、内圈5i传递，也向左侧的轴承5施加预压。内圈5i的移动量例如通过外圈衬垫6g与内圈衬垫6i的宽度的尺寸差来确定。根据该移动量向轴承5施加预压。图1、图2所示的预压传感器11配置在外圈5g与外圈衬垫6g之间，不过，只要配置于产生预压的力的传递路径，也可以是其它场所。例如，预压传感器11也可配置在衬垫9与内圈5i之间。

图2是将预压传感器的配置部分放大并示出的剖视图。如图2所示，在将外圈衬垫6g的内周面与外周面相连的端面7中的至少一侧(图1的左侧)的、与外圈5g的端面接触的位置处配置有预压传感器11。预先测定并把握施加至预压传感器11的负载与预压传感器11的输出之间的关系。在组装轴承装置1时，在外圈5g与外圈衬垫6g抵接的状态下，在内圈5i与内圈衬垫6i之间预先设置有设计上的间隙。通过紧固螺母10，该间隙消失，并且通过外圈衬垫6g和衬垫9向轴承5赋予预压。若紧固螺母10，预压通过衬垫9、内圈5i的滚动面、滚动体T、外圈5g的滚动面、外圈衬垫6g这一路径施加至右侧的轴承5。此外，预压通过外圈衬垫6g、外圈5g的滚动面、滚动体T、内圈5i的滚动面这一路径施加至左侧的轴承5。

通过预压传感器11的输出，能够把握预压量。因此，若在组装轴承装置1时观测预压传感器11的输出，就能够确认该预压量是否为预先设定的预压量，能够减少组装工序。此外，若在机床运转时观测预压传感器11的输出，则能够知晓由于运转时的发热所引起的热膨胀而增加的预压。通过观测运转时的预压变化，能够预先防止切削性能的降低以及轴承的烧伤。

作为预压传感器11，例如采用通过电阻的变化来测定表面压力的感压片13。图3是表示感压片13的结构例的图。

在感压片13中，将树脂膜设为基材14F、14B，在形成于基材14F、14B的各表面的电极15F、15B之间配置有感压油墨或感压橡胶等电阻体16。在感压片13中，由于电极间的电阻根据负载而变化，因此，若预先把握电阻与负载之间的关系，则能够检测出负载。使感压片13形成环状而将其用作预压传感器11。该预压传感器11配置在将外圈衬垫6g的内周面与外周面相连的端面7与将外圈5g的内周面与外周面相连的端面之间。

参照图2、图3，预压传感器11包括具有第一主面SF和第二主面SB的膜状的感压构件(电阻体16)、与感压构件的第一主面SF侧电连接的第一电极15F、与感压构件的第二主面SB侧电连接的第二电极15B。感压构件构成为第一电极15F与第二电极15B之间的直流电阻根据作用在第一主面SF与第二主面SB之间的压力而变化。第一主面SF配置成朝向将轴承5的内周面与外周面相连的端面。第二主面SB配置成朝向向轴承5提供预压的构件(图2中是外圈衬垫6g)的端面7，该端面7与轴承5的端面相对。

图4是表示由感压片构成的预压传感器的预压与电阻之间的关系的图。图4中，横轴表示预压(负载)，纵轴表示电阻。如图4所示，若预压增加，则感压片的厚度减小，感压片的电阻值具有降低的趋势。

或者，预压传感器11也可以是直接成型在外圈衬垫6g的端面7的薄膜传感器17。图5是表示在外圈衬垫的端面形成有薄膜传感器的结构的图。薄膜传感器17以下述方式形成：在外圈衬垫6g的端面7形成绝缘膜18后，形成电阻根据表面压力的变化而变化的薄膜图案19，在其上形成保护膜20。绝缘膜18、薄膜图案19、保护膜20通过溅射等方式成膜。在薄膜图案19处连接有两个电极。通过测定两个电极间的电阻，能够检测出薄膜图案19的电阻值的变化。

如图5所示，若在外圈衬垫6g的端面7直接形成薄膜传感器17，那么，能够不将外圈衬垫的结构设得复杂，此外，还能够减少安装压力传感器所需的空间，能够使轴承装置小型化。此外，不像感压片13那样夹设用作基材的树脂构件，其刚度较高，因此，能够在不减小外圈衬垫6g的刚度的情况下检测预压(沿轴承5的轴向施加的负载)。因此，即便在使预压传感器夹设在外圈衬垫6g与外圈5g之间的情况下，也能够避免对机床的加工精度产生影响。

对于绝缘膜18和保护膜20，例如采用二氧化硅，而对于薄膜图案19，例如采用应变计所使用的金属合金(铜镍合金、镍钴合金等由多种金属构成的合金)。例如，作为薄膜传感器，也可采用日本特开2014-071085号公报中记载的薄膜传感器。

图6是表示由薄膜传感器构成的预压传感器的预压与电阻之间的关系的图。图6中，横轴表示预压(负载)，纵轴表示电阻。如图6所示，若预压增加，则薄膜传感器的电阻值也具有增加的趋势。

图7是表示对使用薄膜传感器的情况下的电阻变化进行检测的电路的图。图7所示的传感器信号处理部28包括与DC电源VSDC连接的电阻R1～R3、薄膜传感器17、差动放大器AMP。电阻R1～R3和薄膜传感器17构成桥式电路。电阻R1与电阻R2串联地连接在DC电源VSDC的正极与负极之间。此外，薄膜传感器17与电阻R3串联地连接在DC电源VSDC的正极与负极之间。在电阻R1与电阻R2的连接节点连接有放大器AMP的一个输入节点。在薄膜传感器17与电阻R3的连接节点连接有放大器AMP的另一输入节点。

通过构成图7所示的桥式电路，能够利用放大器AMP检测预压变化时的薄膜传感器17的电阻值变化。

[实施方式二]

图8是表示用于实施方式二的轴承装置的预压传感器的结构的图。图9是表示从图8的箭头B方向观察到的外圈衬垫的一部分的图。

图9中示出了实施方式二中采用的外圈衬垫6gA的侧视图。在外圈衬垫6gA的端面7a等间隔地设置有至少三个以上的凸部7b。在凸部7b的端面7c配置有预压传感器11。作为预压传感器11，能够使用感压片13或薄膜传感器17。在该情况下，由于外圈衬垫6g的端面和轴承5的外圈5g的端面隔着预压传感器11而仅以凸部7b的面积抵接，因此，施加至预压传感器11的表面压力变高，能够提高预压传感器11的测定精度。

另外，优选，在外圈衬垫6g设置三个以上的凸部7b以稳定地推压轴承5的外圈5g的端面。

图10是表示图8所示的结构的变形例的图。图11是表示从图10的箭头B2方向观察到的外圈衬垫的一部分的图。在图8、图9所示的结构中，在外圈衬垫6g的端面7直接设置有凸部7b。与之相对地，与图8、图9所示的结构的不同点在于，在图10、图11所示的结构中，在设置于小片21的凸部21b的端面21c配置有预压传感器11。小片21埋设于设置在外圈衬垫6gB的端面7a处的凹部7d，通过螺栓22固定于外圈衬垫6gB。由于小片21的尺寸小于外圈衬垫6gA的尺寸，因此，在通过溅射等形成薄膜传感器的情况下，有利于放入处理装置。另外，优选，在外圈衬垫6gB设置三个以上的凸部21b以稳定地推压轴承5的外圈5g的端面。

图12是表示实施方式二的轴承装置的变形例的结构的剖视图。如图8或图10所示，在凸部7b、21b设置有预压传感器11的情况下，轴承5的外圈5g的端面隔着预压传感器11仅通过凸部7b、21b与外圈衬垫6gA、6gB抵接。在该情况下，在担心轴承5的变形的情况下，也可如图12所示的轴承装置1A那样，在外圈5g与外圈衬垫6g之间放入环状的中间衬垫23，并且在中间衬垫23安装预压传感器11。

如上文所说明的那样，能够将前述的预压传感器11安装至机床的心轴装置。在该情况下，由于能够检测机床运转过程中的轴承预压状态，因此，轴承状态的判断变得容易，能够在轴承5发生异常(例如烧伤)前检测到该异常的预兆，从而预先防范轴承的异常。

例如，在轴承预压超过阈值的情况下，或者在预压上升变化率超过阈值的情况下判定为产生烧伤的可能性高的状态，能够采取中止切削加工或者降低转速等对策，从而防止轴承的烧伤。

另外，在实施方式一、二中，在预压传感器11内，在外圈衬垫6g、6gA的金属表面形成有薄膜传感器17，不过，也可在轴承5的外圈5g的端面形成薄膜传感器17。

[实施方式三]

在实施方式一、二中，以背靠背组合(DB组合)的方式设置了两个轴承5，不过，在实施方式三中，示出了以面对面组合(DF组合)的方式设置了两个轴承5的例子。

图13是表示实施方式三的轴承装置的结构的剖视图。另外，图13所示的轴承装置1B的结构是以旋转中心轴O-O为中心上下对称的，不过，比旋转中心轴O-O靠下的部分省略图示。

轴承装置1B包括轴承55、与轴承55相邻配置的衬垫56、预压传感器61。主轴4在埋设于外筒2的内径部的外壳3处被多个轴承55支承为自由旋转。各轴承55包括内圈55i、外圈55g、滚动体T、保持器Rt。衬垫56包括内圈衬垫56i、外圈衬垫56g。

在实施方式一、二中，通过螺母10的紧固力提供预压，不过，在以面对面组合的方式设置轴承55的情况下，以利用未图示的螺栓等将前盖12紧固的方式提供预压。若利用未图示的螺栓等将前盖12紧固，那么，预压将通过外圈55g、外圈55g的滚动面、滚动体T、内圈55i的滚动面、内圈55i、内圈衬垫56i这一路径施加至图13左侧的轴承55。此外，预压通过内圈衬垫56i、内圈55i、内圈55i的滚动面、滚动体T、外圈55g的滚动面、外圈55g这一路径施加至图13右侧的外圈。因此，预压传感器61设置于内圈衬垫56i与内圈55i抵接的部分、即内圈衬垫56i的端面或内圈55i的端面。另外，关于预压传感器61的位置，只要位于提供预压的力的传递路径上，也可位于其它位置。

不过，若将预压传感器61设置于内圈衬垫56i或内圈55i，则这些构件将与主轴4一起旋转，因此，需要采取手段以将预压传感器61的输出通过线缆CB发送至外部设备。为此，在实施方式三中，在内圈衬垫56i的外周面配置有信号发送器24。此外，在外圈衬垫56g的内径面的与信号发送器24相对的位置处配置有信号接收器25。在信号发送器24与信号接收器25之间进行非接触供电和非接触通信。

图14是表示信号发送器24和信号接收器25的结构以及与预压传感器61的连接状态的图。

信号发送器24包括电力接收部26、传感器信号发送部27、传感器信号处理部28、供这些部件装设的配线基板31。配线基板31优选构成为能够沿着内圈衬垫56i的外周面弯曲。信号发送器24将在电力接收部26获取到的电力供给至安装于内圈衬垫56i的预压传感器61。通过预压传感器61检测出的预压的信号通过传感器信号处理部28转换成能够进行非接触通信的信号，并通过传感器信号发送部27发送至信号接收器25。

信号接收器25包括供电电力发送部29、传感器信号接收部30、供这些部件装设的配线基板32。配线基板32优选构成为能够沿着外圈衬垫56g的内周面弯曲。信号接收器25将包含传感器信号接收部30接收到的预压传感器61的预压信息的信号转换成容易通过线缆CB发送的信号，从而通过线缆CB送至外部设备100。

此外，电源从外部设备100供给至信号接收器25。该电力的一部分通过非接触的方式从供电电力发送部29向电力接收部26发送。电力的发送可以是以无线的方式进行的，此外，也可是以光波、红外线、超声波或者磁耦合的方式进行的，其方法未被限定。

[实施方式四]

图15是表示用于实施方式四的轴承装置的预压传感器的结构的图。图16是表示从图15的箭头C方向观察到的内圈衬垫的一部分的图。如图15、图16所示，可以在内圈衬垫56iA的端面设置凸部，并且在该端面配置预压传感器61。

图17是表示图15所示的结构的变形例的图。图18是表示从图17的箭头C2方向观察到的内圈衬垫的一部分的图。与图15、图16所示的结构的不同点在于，在图17、图18所示的结构中，在设置于小片71的凸部71b的端面71c配置有预压传感器61。小片71埋设于设置在内圈衬垫56iB的端面56a处的凹部56d，并通过螺栓72固定至内圈衬垫56iB。

此外，在实施方式四中，也可以在内圈衬垫56i与内圈5i之间插入与图12的中间衬垫23相同的中间衬垫。

如上文所说明的那样，在实施方式一～四中，在轴承的外圈端面与外圈衬垫抵接的位置，或者，在轴承的内圈端面与内圈衬垫抵接的位置配置测定表面压力的预压传感器，对表面压力进行直接测定，由此，能够通过预先测定出的表面压力与负载的关系来测定轴承预压量。

此外，由于在未将降低刚度的应变部设置于衬垫的情况下测定预压，因此，能够在不降低轴承装置的刚度的情况下测定预压。因此，能够避免预压的测定对车床的加工精度造成影响。

此外，作为预压传感器，采用了感压片或在金属面直接形成压力传感器的薄膜传感器，因此，能够不将外圈衬垫的结构设得复杂，此外还能够减少安装预压传感器所需的空间，从而有助于轴承装置以及轴承预压检测装置的小型化。

应当理解的是，本次公开的实施方式的所有点均为例示，而非限制性的。本发明的范围通过权利要求书而非上述实施方式的说明示出，其意在包含与权利要求书的范围均等的意思及范围内的所有变更。

符号说明

1、1A、1B轴承装置；2外筒；3外壳；3a台阶部；4主轴；5、55轴承；5g、55g外圈；5i、55i内圈；6、9、56衬垫；6g、6gA、6gB、56g、66g外圈衬垫；6i、56i、56iA、56iB内圈衬垫；7、7a、7c、21c、56a、71c端面；7b、21b、71b凸部；7d、56d凹部；10螺母；11、61预压传感器；12前盖；13感压片；14B、14F基材；15B、15F电极；16电阻体；17薄膜传感器；18绝缘膜；19薄膜图案；20保护膜；21、71小片；22、72螺栓；23中间衬垫；24信号发送器；25信号接收器；26电力接收部；27传感器信号发送部；28传感器信号处理部；29供电电力发送部；30传感器信号接收部；31、32配线基板；100外部设备；AMP放大器；CB线缆；R1、R2、R3电阻；Rt保持器；SB第二主面；SF第一主面；T滚动体；VSDC电源。