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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022153711
(43)【公開日】2022-10-13
(54)【発明の名称】軸受装置、スピンドル装置および間座
(51)【国際特許分類】
F16C 41/00 20060101AFI20221005BHJP
F16C 35/12 20060101ALI20221005BHJP
F16C 19/54 20060101ALI20221005BHJP
G01L 5/00 20060101ALI20221005BHJP
【ＦＩ】
F16C41/00
F16C35/12
F16C19/54
G01L5/00 K
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021056382
(22)【出願日】2021-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】000102692
【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小池 孝誌
(72)【発明者】
【氏名】福島 靖之
(72)【発明者】
【氏名】澁谷 勇介
(72)【発明者】
【氏名】近藤 大地
【テーマコード（参考）】
2F051
3J217
3J701
【Ｆターム（参考）】
2F051AA11
2F051AB09
2F051AC01
2F051BA08
3J217JA02
3J217JA14
3J217JA24
3J217JA38
3J217JB17
3J217JB68
3J217JB84
3J701AA03
3J701AA32
3J701AA42
3J701AA54
3J701AA62
3J701BA80
3J701FA41
3J701GA31
(57)【要約】
【課題】温度ドリフトが少なく、簡単な構成で軸受の予圧を測定することが可能な軸受装置を提供する。
【解決手段】軸受装置は、転動体と軌道面を有し、軸を支持する少なくとも１つの軸受と、転動体と軌道面との間に予圧を発生させる押圧力が伝達する経路上に配置される部材と、部材に固定され、押圧力に応じて抵抗値が変化する荷重センサ５０と、荷重センサと接続してブリッジ回路を形成する抵抗回路６０とを備える。荷重センサ５０は、押圧力に応じて抵抗が変わる薄膜パターンと、薄膜パターンを絶縁保護する保護層とを含む。抵抗回路６０は、荷重センサとともにブリッジ回路を構成する複数の抵抗を含む。
【選択図】図３
【解決手段】軸受装置は、転動体と軌道面を有し、軸を支持する少なくとも１つの軸受と、転動体と軌道面との間に予圧を発生させる押圧力が伝達する経路上に配置される部材と、部材に固定され、押圧力に応じて抵抗値が変化する荷重センサ５０と、荷重センサと接続してブリッジ回路を形成する抵抗回路６０とを備える。荷重センサ５０は、押圧力に応じて抵抗が変わる薄膜パターンと、薄膜パターンを絶縁保護する保護層とを含む。抵抗回路６０は、荷重センサとともにブリッジ回路を構成する複数の抵抗を含む。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
軸受装置であって、
転動体と軌道面を有し、軸を支持する少なくとも１つの軸受と、
前記転動体と前記軌道面との間に予圧を発生させる押圧力が伝達する経路上に配置される部材と、
前記部材に固定され、前記押圧力に応じて抵抗値が変化する荷重センサと、
前記荷重センサと接続してブリッジ回路を構成する複数の抵抗を含む抵抗回路とを備え、
前記荷重センサは、
前記押圧力に応じて抵抗が変わる薄膜パターンと、
前記薄膜パターンを絶縁保護する保護層とを含む、軸受装置。
転動体と軌道面を有し、軸を支持する少なくとも１つの軸受と、
前記転動体と前記軌道面との間に予圧を発生させる押圧力が伝達する経路上に配置される部材と、
前記部材に固定され、前記押圧力に応じて抵抗値が変化する荷重センサと、
前記荷重センサと接続してブリッジ回路を構成する複数の抵抗を含む抵抗回路とを備え、
前記荷重センサは、
前記押圧力に応じて抵抗が変わる薄膜パターンと、
前記薄膜パターンを絶縁保護する保護層とを含む、軸受装置。
【請求項2】
前記荷重センサの抵抗変化に基づいて前記押圧力を検出する処理部をさらに備える、請求項１に記載の軸受装置。
【請求項3】
前記押圧力は、前記軸の延在方向の荷重によって印加され、
前記荷重センサは、前記軸の延在方向に交差する平面における同一円周上に等間隔に配置された複数の荷重センサ素子を含む、請求項１に記載の軸受装置。
前記荷重センサは、前記軸の延在方向に交差する平面における同一円周上に等間隔に配置された複数の荷重センサ素子を含む、請求項１に記載の軸受装置。
【請求項4】
前記抵抗回路は、
前記複数の荷重センサ素子にそれぞれ接続され、複数の抵抗ブリッジ回路を形成する複数の抵抗回路部を含み、
前記複数の抵抗回路部の各々は、前記複数の抵抗回路部の各々とともに抵抗ブリッジ回路を形成する前記複数の荷重センサ素子のうちの１つと前記同一円周上において隣接配置される、請求項３に記載の軸受装置。
前記複数の荷重センサ素子にそれぞれ接続され、複数の抵抗ブリッジ回路を形成する複数の抵抗回路部を含み、
前記複数の抵抗回路部の各々は、前記複数の抵抗回路部の各々とともに抵抗ブリッジ回路を形成する前記複数の荷重センサ素子のうちの１つと前記同一円周上において隣接配置される、請求項３に記載の軸受装置。
【請求項5】
前記複数の荷重センサ素子は、直列または並列に接続されて、荷重検出部を形成し、
前記荷重検出部は、前記複数の抵抗とともに前記ブリッジ回路を構成する、請求項３に記載の軸受装置。
前記荷重検出部は、前記複数の抵抗とともに前記ブリッジ回路を構成する、請求項３に記載の軸受装置。
【請求項6】
前記少なくとも１つの軸受は、複数の軸受であり、
前記部材は、前記複数の軸受のうちの２個の軸受の間に挿入される非回転側の間座であり、
前記荷重センサは、前記間座の端面に固定され、前記２個の軸受のうちの一方の軸受の固定輪と当接するように配置され、
前記端面からの前記抵抗回路の表面の高さは、前記端面からの前記荷重センサの表面の高さよりも低く、
前記押圧力は、前記荷重センサを介して伝達される、請求項１に記載の軸受装置。
前記部材は、前記複数の軸受のうちの２個の軸受の間に挿入される非回転側の間座であり、
前記荷重センサは、前記間座の端面に固定され、前記２個の軸受のうちの一方の軸受の固定輪と当接するように配置され、
前記端面からの前記抵抗回路の表面の高さは、前記端面からの前記荷重センサの表面の高さよりも低く、
前記押圧力は、前記荷重センサを介して伝達される、請求項１に記載の軸受装置。
【請求項7】
前記複数の抵抗の各々の抵抗値および抵抗温度係数は、前記荷重センサの抵抗値および抵抗温度係数と実質的に等しい、請求項１に記載の軸受装置。
【請求項8】
前記複数の抵抗の各々は、前記薄膜パターンと同じ材料で形成される、請求項１に記載の軸受装置。
【請求項9】
前記薄膜パターンは、第１の基板上に形成され、
前記複数の抵抗は、前記第１の基板とは別の第２の基板上に形成される、請求項１に記載の軸受装置。
前記複数の抵抗は、前記第１の基板とは別の第２の基板上に形成される、請求項１に記載の軸受装置。
【請求項10】
前記部材は、前記少なくとも１つの軸受に隣接配置される間座であり、
前記荷重センサは、前記間座の端面に固定され、前記軸受の端面と当接し、
前記押圧力は、前記荷重センサを介して伝達される、請求項１に記載の軸受装置。
前記荷重センサは、前記間座の端面に固定され、前記軸受の端面と当接し、
前記押圧力は、前記荷重センサを介して伝達される、請求項１に記載の軸受装置。
【請求項11】
前記部材は、前記少なくとも１つの軸受に隣接配置される外輪間座を第１間座と第２間座に分割した一方の間座であり、
前記荷重センサは、前記第１間座の端面に固定され、前記第２間座の端面と当接し、
前記押圧力は、前記荷重センサを介して伝達される、請求項１に記載の軸受装置。
前記荷重センサは、前記第１間座の端面に固定され、前記第２間座の端面と当接し、
前記押圧力は、前記荷重センサを介して伝達される、請求項１に記載の軸受装置。
【請求項12】
前記第１間座および前記第２間座は、前記荷重センサを挟持し、
前記第１間座および前記第２間座は、ねじで締結され、
前記荷重センサには、前記ねじの締結力による押圧力が予め与えられている、請求項１１に記載の軸受装置。
前記第１間座および前記第２間座は、ねじで締結され、
前記荷重センサには、前記ねじの締結力による押圧力が予め与えられている、請求項１１に記載の軸受装置。
【請求項13】
請求項１～１２のいずれか１項に記載の軸受装置を備える、スピンドル装置。
【請求項14】
転動体と軌道面を有する軸受に隣接配置され、前記転動体と前記軌道面の間に予圧を発生する押圧力が伝達される間座であって、
前記押圧力を測定可能な荷重センサと、
前記荷重センサとともにブリッジ回路を構成する複数の抵抗を含む抵抗回路と、
前記軸受に隣接する端面に前記荷重センサおよび前記抵抗回路とが固定された外輪間座とを備える、間座。
前記押圧力を測定可能な荷重センサと、
前記荷重センサとともにブリッジ回路を構成する複数の抵抗を含む抵抗回路と、
前記軸受に隣接する端面に前記荷重センサおよび前記抵抗回路とが固定された外輪間座とを備える、間座。
【請求項15】
前記外輪間座に一体に実装され、前記荷重センサの出力を処理する処理部をさらに備える、請求項１４に記載の間座。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、工作機械の主軸スピンドルなどに使用される軸受の予圧（荷重）を検出する予圧センサを備える軸受装置、スピンドル装置および間座に関する。
【背景技術】
【0002】
工作機械等のスピンドル装置では、加工精度および効率の向上のため、軸受の予圧管理が求められており、そのため軸受の予圧（荷重）を検出する要求がある。また、軸受に異常が起こる前にその予兆を検出して、軸受の異常を未然に防ぐ要求もある。
【0003】
特開２０２０－００３３８５号公報（特許文献１）では、絶縁膜上に形成され、面圧の変化で抵抗が変化する薄膜パターンと、薄膜パターン上に形成され、薄膜パターンを保護する保護膜とを含む薄膜センサを予圧センサとして、軸受に予圧を与える部材の端面に配置することで、軸受に加わる予圧を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０－００３３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特開２０２０－００３３８５号公報（特許文献１）に開示された軸受装置では、薄膜パターンからなる予圧センサと抵抗とでブリッジ回路を形成し、その後段に設けた差動アンプでブリッジ回路の出力を増幅することで予圧を検出する。
【0006】
特許文献１では、ブリッジ回路の設置場所についての説明はないが、ブリッジ回路が軸受装置の外部に設けられた場合には、予圧センサとブリッジ回路で使用する抵抗の温度環境が異なることになる。
【0007】
たとえば、ブリッジ回路の抵抗が室温環境にあって、軸受装置が温度上昇した場合、予圧センサの抵抗値は抵抗温度係数に応じて変化する。しかし、ブリッジ回路の温度は変化せず、その抵抗値は変化しないため、温度変化による差動アンプ出力の温度ドリフトが発生する。そのため、正確な予圧量を検出するには温度補正を行なう必要があり、予圧検出が煩雑になる。
【0008】
ブリッジ回路が軸受装置の内部に配置される場合、予圧センサとブリッジ回路の抵抗は同じ温度環境になるが、それぞれの抵抗温度係数が異なれば、ブリッジ回路のバランスが崩れ、温度上昇による差動アンプ出力の温度ドリフトが発生する。
【0009】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、温度ドリフトが少なく、簡単な構成で軸受の予圧を測定することが可能な軸受装置、スピンドル装置、間座を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本開示は、軸受装置に関する。軸受装置は、転動体と軌道面を有し、軸を支持する少なくとも１つの軸受と、転動体と軌道面との間に予圧を発生させる押圧力が伝達する経路上に配置される部材と、部材に固定され、押圧力に応じて抵抗値が変化する荷重センサと、荷重センサと接続してブリッジ回路を構成する複数の抵抗を含む抵抗回路とを備える。荷重センサは、押圧力に応じて抵抗が変わる薄膜パターンと、薄膜パターンを絶縁保護する保護層とを含む。
【発明の効果】
【0011】
本実施の形態の軸受装置によれば、簡単な構成で軸受の予圧を測定時の温度ドリフトを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本実施の形態のスピンドル装置の概略構成を示す断面図である。
【図7】荷重センサ素子の薄膜パターンの形状の変形例を示す図である。
【図8】荷重センサ素子の構造の第１改良例を示す図である。
【図9】荷重センサ素子の構造の第２改良例を示す図である。
【図13】抵抗モジュール６０ａの基板６１上に形成される回路の回路図である。
【図14】荷重センサの出力を電気的に処理する処理部を外輪間座に配置した例を示す図である。
【図15】荷重センサ素子の抵抗変化を検出するブリッジ回路の構成を示す図である。
【図16】荷重センサ素子の出力から軸受に印加する予圧（荷重）を算出する構成を示す図である。
【図17】複数の荷重センサ素子に対して１個の抵抗回路でブリッジ回路を構成した変形例を示す図である。
【図20】荷重センサ素子の固定位置を変更した変形例を示す図である。
【図21】荷重センサ素子の固定方法を変更した変形例の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【0014】
【0015】
図１に示すスピンドル装置１は、たとえば、工作機械のビルトインモータ方式のスピンドル装置として使用される。この場合、工作機械主軸用のスピンドル装置１で支持されている主軸４の一端側にはモータ４０が組み込まれ、他端側には図示しないエンドミル等の切削工具が接続される。
【0016】
図１、図２を参照して、スピンドル装置１は、軸受５ａ，５ｂと、軸受５ａ，５ｂに隣接して配置される間座６と、モータ４０と、モータ後方に配置される軸受１６とを備える。主軸４は、外筒２の内径部に埋設されたハウジング３に設けた複数の軸受５ａ，５ｂによって回転自在に支持される。軸受５ａは、内輪５ｉａと、外輪５ｇａと、転動体Ｔａと、保持器Ｒｔａとを含む。軸受５ｂは、内輪５ｉｂと、外輪５ｇｂと、転動体Ｔｂと、保持器Ｒｔｂとを含む。間座６は、内輪間座６ｉと、外輪間座６ｇとを含む。
【0017】
図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面における荷重センサ素子とブリッジ回路部の第１配置例を示す図である。図４は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面における荷重センサ素子とブリッジ回路部の第２配置例を示す図である。なお、図３、図４において、説明に不要な部品は省略した。
【0018】
外輪間座６ｇの一方の端面６ｇａまたは外輪５ｇａの一方の端面に、荷重センサ５０と抵抗回路６０とが接着等により固定される。荷重センサ５０と抵抗回路６０とはブリッジ回路を構成する。荷重センサ５０および抵抗回路６０を接着により固定する場合には、耐油性や耐熱性に優れた接着剤を使用するのが望ましい。
【0019】
たとえば、荷重センサ５０の厚さ（端面からの高さ）は、抵抗回路６０よりも厚く設計されており、荷重センサ５０のみ押圧される構造とされる。
【0020】
なお、荷重センサ５０の受圧面だけが相手側部材（この例では外輪５ｇａの端面）に接触することが重要であり、荷重センサ５０の厚さは抵抗回路６０の厚さと同じであっても、固定した部材の端面部分のベースの高さに差を付けたり、当接する相手側部材の端面部分の高さを変えたりしてもよい。
【0021】
主軸４には、軸方向に離隔した軸受５ａの内輪５ｉａおよび軸受５ｂの内輪５ｉｂが締まり嵌め状態（圧入状態）で嵌合されている。内輪５ｉａ－５ｉｂ間には内輪間座６ｉが配置され、外輪５ｇａ－５ｇｂ間には外輪間座６ｇが配置される。
【0022】
軸受５ａは、内輪５ｉａと外輪５ｇａの間に複数の転動体Ｔａを配置した転がり軸受である。これら転動体Ｔａは、保持器Ｒｔａによって間隔が保持されている。軸受５ｂは、内輪５ｉｂと外輪５ｇｂの間に複数の転動体Ｔｂを配置した転がり軸受である。これら転動体Ｔｂは、保持器Ｒｔｂによって間隔が保持されている。
【0023】
軸受５ａ，５ｂは、軸方向の力で予圧を付与することが可能な軸受であり、アンギュラ玉軸受、深溝玉軸受、またはテーパころ軸受等を用いることができる。図２に示す軸受装置３０にはアンギュラ玉軸受が用いられ、２個の軸受５ａ，５ｂが背面組み合わせ（ＤＢ組み合わせ）で設置されている。
【0024】
ここでは、３つの軸受５ａ，５ｂ，１６で主軸４を支持する構造を例示して説明するが、３つ以上の軸受で主軸４を支持する構造であってもよい。
【0025】
単列の転がり軸受１６は、円筒ころ軸受である。アンギュラ玉軸受である軸受５ａ，５ｂにより、スピンドル装置１に作用するラジアル方向の荷重およびアキシアル方向の荷重が支持される。円筒ころ軸受である単列の軸受１６により、工作機械主軸用のスピンドル装置１に作用するラジアル方向の荷重が支持される。
【0026】
ハウジング３には冷却媒体流路Ｇが形成される。ハウジング３と外筒２との間に冷却媒体を流すことにより、軸受５ａ，５ｂを冷却することができる。軸受５ａ，５ｂとしてグリース潤滑の軸受を用いた場合には潤滑油供給路は不要であるが、エアオイル等の潤滑が必要な場合には、外輪間座６ｇに潤滑油供給路が設けられる。なお、ここでは潤滑油供給路は図示しない。
【0027】
組立時には、初めに主軸４に対して軸受５ａ、間座６、軸受５ｂ、間座９が順に挿入され、ナット１０を締めることによって初期予圧が与えられる。その後、図２における軸受５ｂの外輪５ｇｂの右側がハウジング３に設けた段差部３ａに当たるまで、軸受５ａ，５ｂが取り付けられた主軸４がハウジング３に挿入される。最後に、前蓋１２によって、左側の軸受５ａの外輪５ｇａを押すことで主軸４がハウジング３に固定される。
【0028】
ナット１０を締め付けることにより間座９を介して軸受５ｂの内輪５ｉｂの端面に力が作用し、内輪５ｉｂが内輪間座６ｉに向けて押される。この力は、内輪５ｉｂ、転動体Ｔｂ、外輪５ｇｂと伝わり内輪５ｉｂおよび外輪５ｇｂの軌道面と転動体Ｔｂの間に予圧を与えるとともに、外輪５ｇｂから外輪間座６ｇにも伝わる。右側の外輪５ｇｂから外輪間座６ｇに押す力が作用し、荷重センサ５０にも力が伝わる。
【0029】
この押圧力は、軸受５ａにおいて、外輪５ｇａ、転動体Ｔａ、内輪５ｉａへと伝わり、左側の軸受５ａの内輪５ｉａおよび外輪５ｇａの軌道面と転動体Ｔａの間にも予圧を与える。軸受５ａ，５ｂに付与される予圧は、たとえば外輪間座６ｇと荷重センサ５０を合わせた幅と、内輪間座６ｉの幅との寸法差によって制限されるナット１０の移動量によって定まる。
【0030】
また、図１に示す単列の軸受１６については、主軸４の外周に嵌合した筒状部材１５と内輪押さえ１９とにより軸方向に内輪１６ａが位置決めされている。内輪押さえ１９は、主軸４に螺着したナット２０により抜け止めされている。軸受１６の外輪１６ｂは、端部材１７に固定された位置決め部材２１と、端部材１７に固定された位置決め部材１８とに挟まれている。内輪１６ａは主軸４の伸縮に応じて一体的に端部材１７に対して摺動するようになっている。
【0031】
主軸４と外筒２との間に形成される空間部２２における軸受５ｂと単列の軸受１６とで挟まれた軸方向の中間位置には、主軸４を駆動するモータ４０が配置されている。モータ４０のロータ１４は主軸４の外周に嵌合した筒状部材１５に固定され、モータ４０のステータ１３は外筒２の内周部に固定されている。
【0032】
なお、モータ４０を冷却するための冷却媒体流路は、ここでは図示しない。
軸受５（５ａ，５ｂ）の予圧（荷重）を測定する荷重センサ５０は、スピンドル装置１の予圧を発生させる押圧力を伝達する経路に実装される。図２に示すように、荷重センサ５０は、外輪間座６ｇの端面６ｇａに接着等で固定され、軸受５ａの外輪５ｇａの端面と当接し、軸受５（５ａ，５ｂ）に印加される予圧荷重を測定する。
軸受５（５ａ，５ｂ）の予圧（荷重）を測定する荷重センサ５０は、スピンドル装置１の予圧を発生させる押圧力を伝達する経路に実装される。図２に示すように、荷重センサ５０は、外輪間座６ｇの端面６ｇａに接着等で固定され、軸受５ａの外輪５ｇａの端面と当接し、軸受５（５ａ，５ｂ）に印加される予圧荷重を測定する。
【0033】
スピンドル装置１の組立時に荷重センサ５０の出力を観測すれば、予め設定した予圧になっているかを確認でき、組立工数を削減できる。また、工作機械の運転時に荷重センサ５０の出力を観測すれば、運転時の発熱による熱膨張で増加した予圧量を知ることができる。運転時の予圧変化を観測することによって、切削性能の低下や軸受５の焼付きを事前に防止することができる。
【0034】
荷重センサ５０は、薄膜パターン（薄膜抵抗体）からなる感圧センサを含む。たとえば、電気抵抗の変化から荷重（予圧）を測定する荷重センサ５０は、予圧を発生させる押圧力が伝達される経路上に配置される。
【0035】
荷重センサ５０の電気抵抗の変化から荷重を検出する方法については後述するが、検出された荷重値は、たとえばケーブルＣＢを用いて外部に送信される。ケーブルＣＢは、ハウジング３と前蓋１２に設けた溝３ｂ，１２ａを経由してスピンドル装置１の外部に引き出される。なお、荷重出力をワイヤレスで外部機器に送信する場合、ケーブルＣＢや溝３ｂ、１２ａは設けなくても良い。
【0036】
荷重センサ５０は、複数の荷重センサ素子を含む。抵抗回路６０は、複数の抵抗モジュールを含む。図３には、外輪間座６ｇの端面６ｇａに実装された荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの第１配置例が示される。ここでは、外輪間座６ｇの周方向に９０度の等間隔で荷重センサ素子５０ａ～５０ｄが配置され、その近傍には抵抗モジュール６０ａ～６０ｄが配置される。
【0037】
荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗モジュール６０ａ～６０ｄをそれぞれ接続して、４つのブリッジ回路を形成することによって、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々の抵抗変化を検出する。なお、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの詳細は後述する。
【0038】
図４の例では、荷重センサ素子５０ａ～５０ｃが外輪間座６ｇの周方向に１２０度の等間隔で配置される。また、抵抗モジュール６０ａ～６０ｃが外輪間座６ｇの周方向に１２０度の等間隔で配置される。
【0039】
荷重センサ５０に含まれる複数の荷重センサ素子の数は、複数の荷重センサ素子を介して外輪５ｇａの端面が均等にバランス良く押されればよく、３個以上が好ましい。また、ほぼ同一円周上に等間隔に複数の荷重センサ素子を配置するのが好ましい。
【0040】
【0041】
次に、図５、図６を用いて、荷重センサ素子の構造を説明する。図５は、図３のＸ－Ｘ断面における荷重センサ素子５０ａの断面図である。また、図６は、図５の荷重センサ素子５０ａの正面図である。なお、荷重センサ素子５０ｂ～５０ｄも同様な構造である。
【0042】
荷重センサ素子５０ａは、たとえば絶縁性を有する基板５１と、基板５１上に配置され、面圧の変化で抵抗が変化する薄膜パターン（薄膜抵抗体）５２と、薄膜パターン５２につながる電極５３と、薄膜パターン５２を保護する絶縁性を有する保護層５４とを含む。保護層５４は、電極５３上には形成しないため、電極５３に直接、配線を接続できる。
【0043】
基板５１には、たとえばジルコニア（ＺｒＯ２）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にしたセラミック材料を使用する。セラミック材料は高剛性で絶縁性が高く、基板５１の表面平坦度を精度良く加工することができ、好都合である。基板５１の厚さは、荷重センサ５０の薄型化と圧縮方向の強度を確保する観点から、たとえば０．３ｍｍ以上、５ｍｍ以下とするのが好ましい。
【0044】
薄膜パターン５２は、たとえばニッケルクロム（ＮｉＣｒ）、クロム（Ｃｒ）系材料からなり、蒸着またはスパッタリング等で成膜される。薄膜パターンの厚さは、たとえば１μｍ以下である。また、スパッタリング等で絶縁性材料、たとえば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または二酸化珪素（ＳｉＯ２）の薄膜が保護層５４として形成される。保護層５４の膜厚は、たとえば２μｍ程度とされる。
【0045】
なお、配線との半田付けを容易にするため、電極５３の表面に、たとえば、銅、銀、金などの材料の被膜を設けてもよい。
【0046】
薄膜パターン５２を形成する基板５１の上面は、その平坦度が１μｍ以下になるように研磨するとよい。また、基板５１の上面と下面との平行度を１μｍ以下にするのが好ましい。
【0047】
薄膜パターン５２の抵抗値（２つの電極５３間の抵抗値）は、数十Ωから数百Ωの範囲で設定され、温度変化とともに抵抗値が変化する割合を示す抵抗温度係数（温度変化とともに抵抗値が変化する割合を示す係数）は、たとえば１０ｐｐｍ／℃以下に設定される。好ましくは、抵抗温度係数は１ｐｐｍ／℃以下に設定される。
【0048】
抵抗温度係数が小さいほど温度変化に伴う抵抗変化量が小さく、荷重検出時の温度ドリフトを低減することができる。
【0049】
このように、外輪間座６ｇとは別部品である基板５１に薄膜パターンを形成するため、外輪間座６ｇに直接薄膜パターンを形成するよりも製造が容易になる。
【0050】
前述の例では、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々は、外輪間座６ｇの端面６ｇａと、軸受５ａの外輪５ｇａの端面とに挟まれて押圧される。たとえば、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々の基板５１は外輪間座６ｇの端面６ｇａと当接し、各々の保護層５４は軸受５ａの外輪５ｇａの端面と当接し、各々の薄膜パターン５２は基板５１と保護層５４を介して押圧される。
【0051】
荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々の形状は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々の各材料物性値を考慮して設定される。また、ここでは、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々の形状を四角としたが、形状はこれに限定されない。
【0052】
図７は、荷重センサ素子の薄膜パターンの形状の変形例を示す図である。薄膜パターン５２は、図６の例ではＵ字形状としたが、図７に示す荷重センサ５０ａ１のように薄膜パターン５２を連続する矩形パターンにしてもよい。基板５１上に連続する矩形パターンを形成することで、薄膜パターン５２の感圧長さが長くなり、荷重を安定して検出することができる。なお、薄膜パターン５２の形状は図６、図７に示した形状に限定されない。
【0053】
図８は、荷重センサ素子の構造の第１改良例を示す図である。図５では、保護層５４は、絶縁材料からなる蒸着またはスパッタリング等の薄膜であったが、図８に示す荷重センサ素子１５０ａでは、たとえばジルコニア（ＺｒＯ２）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にしたセラミック材料からなる板材が保護層５４Ａとして用いられる。保護層５４Ａは、接着剤からなる接着層５５を介して基板５１の表面に成膜された薄膜パターン５２を覆うように接着固定される。保護層５４Ａの板厚は、たとえば基板５１の板厚と同じ０．３ｍｍから５ｍｍ程度とされる。
【0054】
保護層５４Ａとして絶縁材料からなる板材を使用すれば、薄膜パターン５２の上面に絶縁材料からなる板材を保護層５４Ａとして接着固定するだけで済むため、スパッタリング等による保護層５４の成膜に比べて製造が容易になる。また、薄膜パターン５２と外輪５ｇａとの間の絶縁性をより高くすることができ、安定して荷重検出することができる。また、接着層５５を介して薄膜パターン５２を押すため、接着層５５がクッション層になって薄膜パターン５２を均一に押すことができるため、荷重検出精度が向上する。
【0055】
図９は、荷重センサ素子の構造の第２改良例を示す図である。図５、図８では、基板５１として絶縁材料を用いたが、図９に示す荷重センサ素子２５０ａでは、基板５１Ａとして金属材料を用い、その表面に絶縁層５８が形成される。絶縁層５８は、絶縁性材料からなり、たとえば、スパッタリング等でアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または二酸化珪素（ＳｉＯ２）の薄膜が形成される。絶縁層５８の膜厚は、たとえば２μｍ程度とされる。
【0056】
基板５１Ａの金属材料としては、たとえば外輪間座６ｇと同じ材料、たとえば軸受鋼（ＳＵＪ２）を用いる。軸受鋼以外では、炭素鋼（Ｓ４５Ｃなど）を用いる。これら金属材料を一定の大きさに切削加工後に熱処理し、その後、加工精度が必要な面について研磨、ラッピング加工を行ない、目標の平坦度、面粗さに仕上げる。たとえば、平坦度は１μｍ以下、面粗さはＲａ０．１以下にする。
【0057】
その後、基板５１Ａの一方の面に絶縁層５８を成膜後、図５と同様に、面圧の変化で抵抗が変化する薄膜パターン（薄膜抵抗体）５２と、それにつながる電極５３とを形成し、さらに、薄膜パターン５２を保護する絶縁性を有する保護層５４が形成される。保護層５４は、電極５３上には形成しないため、電極５３に直接、配線を接続できる。
【0058】
保護層５４としては、たとえばスパッタリング等でアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または二酸化珪素（ＳｉＯ２）の薄膜が形成される。これらの膜厚は、たとえば２μｍ程度とされる。
【0059】
基板５１Ａの材質が金属材料であれば、荷重により基板５１Ａが割れることもなく信頼性が向上する。また、外輪間座６ｇの端面に直接、薄膜パターン５２を形成するよりも、金属小片からなる基板５１Ａに薄膜パターン５２を形成する方が製造は容易であり、製造コストを抑えることができる。
【0060】
図１０は、図９の改良例である荷重センサ素子の構造を示す図である。図９では、保護層５４は、絶縁材料からなる蒸着またはスパッタリング等の薄膜であったが、図１０に示す荷重センサ素子３５０ａでは、たとえばジルコニア（ＺｒＯ２）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にしたセラミック材料からなる板材を保護層５４Ａとして用いる。保護層５４Ａは、接着剤からなる接着層５５を介して基板５１の表面に成膜された薄膜パターン５２を覆うように接着固定される。保護層５４Ａの板厚は、たとえば基板５１の板厚と同じ０．３ｍｍから５ｍｍ程度とされる。
【0061】
保護層５４Ａとして絶縁材料からなる板材を使用すれば、スパッタリング等による成膜に比べて製造が容易になる。また、薄膜パターン５２との絶縁性をより高くすることができ、安定して荷重を検出することができる。また、接着層５５を介して薄膜パターン５２を押すため、接着層５５がクッション層になって薄膜パターン５２を均一に押すことができるため、荷重検出精度が向上する。
【0062】
なお、保護層５４Ａとして、金属材料からなる板材に絶縁材料からなる絶縁膜を形成し、絶縁膜が成膜された側を薄膜パターン５２側に対向させてもよい。この場合、保護層５４Ａの割れを防止することができる。
【0063】
次に、図１１、図１２、図１３を用いて、抵抗モジュールの構造を説明する。図１１は、図３のＹ－Ｙ断面における抵抗モジュール６０ａの断面図である。また、図１２は、図１１の抵抗モジュール６０ａの正面図である。図１３は、抵抗モジュール６０ａの基板６１上に形成される回路の回路図である。なお、抵抗モジュール６０ｂ～６０ｄも、抵抗モジュール６０ａと同様な構成である。
【0064】
抵抗モジュール６０ａは、たとえば絶縁性を有する基板６１と、基板６１上に配置される薄膜パターン（薄膜抵抗体）６２からなる抵抗Ｒ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）と、抵抗Ｒにつながる電極Ｔ（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４）とを含む。なお、電極Ｔを除く薄膜パターン６２の表層に保護層６４を設けてもよい。
【0065】
抵抗回路６０の電極Ｔ１，Ｔ２に荷重センサ素子５０ａを接続すれば、抵抗Ｒとブリッジ回路を形成することができる。
【0066】
基板６１には、たとえばジルコニア（ＺｒＯ２）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分にしたセラミック材料を使用する。基板６１の厚さは、たとえば０．３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の範囲で選定する。なお、抵抗モジュール６０ａの厚さは、荷重センサ素子５０ａの厚さよりも薄く製作されるので、抵抗モジュール６０ａは押圧されることはない。
【0067】
荷重センサ素子５０ａの薄膜パターン５２と抵抗モジュール６０ａの抵抗Ｒが別々の基板に設けられるため、荷重センサ素子５０ａが押圧された場合であっても、抵抗モジュール６０ａは押圧されず、基板６１が変形することはないので、基板変形に伴う抵抗Ｒの抵抗値の変化は抑制される。
【0068】
薄膜パターン６２は、たとえば荷重センサ素子５０ａと同じニッケルクロム（ＮｉＣｒ）、クロム（Ｃｒ）系材料からなり、蒸着またはスパッタリング等で成膜される。薄膜パターンの厚さは、たとえば１μｍ以下である。保護層６４は、絶縁性材料からなり、たとえば、スパッタリング等でアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または二酸化珪素（ＳｉＯ２）の薄膜が形成される。保護層６４の膜厚は、たとえば２μｍ程度とされる。
【0069】
なお、保護層６４としては、硬化樹脂やシリコーン系接着剤を用いてもよい。また、電極Ｔの表面を、たとえば、銅、銀、金などの材料で被膜して、配線との半田付けを容易としてもよい。
【0070】
荷重センサ素子５０ａの薄膜パターン５２と同じ材料で抵抗モジュール６０ａの薄膜パターン６２を形成すれば、抵抗Ｒ１～Ｒ３の抵抗値および抵抗温度係数と荷重センサ素子５０ａの抵抗値および抵抗温度係数とを揃えることが容易になる。なお、抵抗Ｒ１からＲ３の抵抗値にばらつきが生じた場合には、たとえばレーザトリミングにより抵抗値を調整してもよい。
【0071】
以上の構成によって、ブリッジ回路において荷重センサ素子５０ａの抵抗値のみが変化し、荷重を測定することができる。
【0072】
抵抗Ｒ１～Ｒ３を薄膜パターン６２で形成する代わりに、基板６１の表面に形成した薄膜パターン６２に市販のチップ抵抗を実装してもよい。この場合、抵抗値、抵抗温度係数が荷重センサ素子５０ａに近いチップ抵抗を使うことが望ましい。なお、抵抗値を調整するため、図示しない可変抵抗器を抵抗Ｒ１～Ｒ３のいずれかと直列に接続してもよい。
【0073】
荷重センサ素子５０ａの電極５３と抵抗モジュール６０ａの電極ＴにケーブルＣＢを接続して外部に引き出し、外部に設けた図示しない処理部に接続すれば、温度変化の影響を低減して荷重値を算出することができる。
【0074】
以上、本実施の形態では、ブリッジ回路の抵抗回路と荷重センサ素子とを別々の基板に設けた例を示した。ただし、荷重センサ素子とブリッジ回路の抵抗を同じ薄膜材料で構成し、同一基板上に配置してもよい。この場合、同一工程で一度に荷重センサ素子と抵抗を製造することができる。この構成の場合には、ブリッジ回路の抵抗は押圧されない位置に配置される。同一基板にした場合、コスト低減、小型化、部品点数削減による組立工数削減が可能になる。
【0075】
図１４は、荷重センサの出力を電気的に処理する処理部を外輪間座に配置した例を示す図である。
【0076】
外輪間座６ｇの一方の端面６ｇａには、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄと、処理部７０とが固定される。荷重センサ素子５０ａ～５０ｄは、端面６ｇａに、その周方向に等間隔で固定される。抵抗モジュール６０ａ～６０ｄは、端面６ｇａに、その周方向に等間隔で固定される。
【0077】
処理部７０は、たとえば荷重センサ素子５０ａ～５０ｄおよび、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄと干渉しない形状する。また、処理部７０は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々よりも表面高さが低くなるように製作して、外輪５ｇａと処理部７０との接触を防止する。
【0078】
抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各々の厚さも、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々よりも薄くなるように設定するため、外輪５ｇａと抵抗モジュール６０ａ～６０ｄとは接触しない。したがって、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄが押圧されても抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの抵抗Ｒの抵抗値は変化しないため、荷重を検出することができる。
【0079】
荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの出力は、配線７１、７６により処理部７０に接続される。
【0080】
処理部７０は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの抵抗変化をそれぞれ検出して増幅する回路部７２ａ～７２ｄが実装され、抵抗変化に相当する出力値を得る。また、処理部７０に演算部７３を配置してもよい。演算部７３では、複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの抵抗変化量を処理して、外輪間座６ｇに印加される荷重に変換してから外部に出力してもよい。
【0081】
ここでは、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄを外輪間座６ｇの端面６ｇａに配置したが、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの機能を処理部７０に実装してもよい。この場合、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各々に含まれる抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３として市販のチップ抵抗を用いることができる。チップ抵抗は、処理部７０に実装される。
【0082】
このようにすれば、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄを外輪間座６ｇの端面６ｇａに配置する必要がなくなり、構成と配線処理が簡略化される。
【0083】
なお、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各抵抗値を微調整したい場合には、図１３の回路を変更して抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を分離し、処理部７０に設けた回路部７２の中で、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの中で、微調整が必要な抵抗と直列に図示しない可変抵抗器を実装し、可変抵抗器を調整することで、抵抗をバランスさせてもよい。
【0084】
図１５は、荷重センサ素子の抵抗変化を検出するブリッジ回路の構成を示す図である。図１５に示す回路部７２は、回路部７２ａ～７２ｄを含む。回路部７２ａは、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗モジュール６０ａと、荷重センサ素子５０ａと差動アンプＡＭＰａとを含む。回路部７２ｂは、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗モジュール６０ｂと、荷重センサ素子５０ｂと差動アンプＡＭＰｂとを含む。回路部７２ｃは、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗モジュール６０ｃと、荷重センサ素子５０ｃと差動アンプＡＭＰｃとを含む。回路部７２ｄは、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗モジュール６０ｄと、荷重センサ素子５０ｄと差動アンプＡＭＰｄとを含む。
【0085】
抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各々は、抵抗Ｒ１～Ｒ３を含む。抵抗Ｒ１～Ｒ３と荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々とはブリッジ回路を構成する。
【0086】
回路部７２ａにおいて、ＤＣ電源ＶＳＤＣの正極と負極との間には、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とが直列に接続される。また、ＤＣ電源ＶＳＤＣの正極と負極との間には、荷重センサ素子５０ａと抵抗Ｒ３とが直列に接続される。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノードには、差動アンプＡＭＰａの一方の入力ノードが接続される。荷重センサ素子５０ａと抵抗Ｒ３との接続ノードには、差動アンプＡＭＰａの他方の入力ノードが接続される。
【0087】
回路部７２ｂ～７２ｄの各々においては、回路部７２ａの構成において、荷重センサ素子５０ａおよび差動アンプＡＭＰａに代えて、荷重センサ素子５０ｂ～５０ｄおよび差動アンプＡＭＰｂ～ＡＭＰｄが接続される。
【0088】
図１５に示すブリッジ回路構成にすることによって、荷重が変化した際の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの抵抗変化を差動アンプＡＭＰａ～ＡＭＰｄで検出し、出力値Ｓ（Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ）を得ることができる。
【0089】
図１４に示したように、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの各々は、対応する抵抗モジュール６０ａ～６０ｄのいずれかと互いに近傍の位置に配置されるため、同じ環境下に置かれる。それらの抵抗温度係数を揃えておけば、温度変化があっても抵抗モジュールの抵抗値は同じように変化する。したがって、温度変化があっても抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの抵抗バランスが崩れないので、温度変化による差動アンプＡＭＰａ～ＡＭＰｄの出力温度ドリフトを抑えることができる。そのため、温度センサの値で荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの出力補正を行なう工程を削減することも可能である。
【0090】
図１４に示す構成では、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄのそれぞれの近傍で回路部７２ｂ～７２ｄの差動アンプＡＭＰａ～ＡＭＰｄが電気的処理を行なうため、電気ノイズの低減を図ることができる。また、外部に引き出す配線本数を削減することができ、軸受装置３０、スピンドル装置１の組立が容易になる。
【0091】
図１６は、荷重センサ素子の出力から軸受に印加する予圧（荷重）を算出する構成を示す図である。ここでは、４つの荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを用いた例で説明する。
【0092】
図１６に示す算出回路は、荷重センサ５０（荷重センサ素子５０ａ～５０ｄ）を含むブリッジ回路の出力値Ｓ（Ｓａ～Ｓｄ）を演算処理する演算部７３と、予め測定した出力値Ｓと荷重の関係、あるいは近似式を保存する記憶部７４を備える。演算部７３は、出力値Ｓと記憶部７４のデータから荷重を算出する。演算部７３と記憶部７４は、軸受装置３０の外部に設けてもよいし、処理部７０の内部に設けてもよい。
【0093】
外輪間座６ｇに印加される予圧荷重は周方向に均一ではなく、外輪間座６ｇ、ハウジング３、前蓋１２、軸受５等の寸法精度によって、検出場所による出力値の違いが発生することも想定される。また、主軸４が回転した際には、主軸４に負荷されるモーメント荷重の影響や、軸受５の転動体Ｔａ，Ｔｂの移動に伴って周方向の荷重分布が変動することも想定される。
【0094】
そのため、各荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの出力値Ｓの加算値、または平均値を演算部７３が処理するセンサ出力として採用してもよい。また、出力値Ｓが取る範囲として、最大値や最小値、最大値と最小値の差などを設定してもよい。
【0095】
なお、演算部７３によって得られた予圧（荷重）の出力をローパスフィルタに通し、転動体Ｔａ，Ｔｂの通過やノイズによる出力変動を削減してもよい。
【0096】
スピンドル装置１に軸受装置３０を実装し、モータ４０で主軸４を高速回転している場合、軸受５の温度上昇、あるいは軸受５の損傷によって軸受５が発熱することにより、予圧荷重が過大になって軸受５が焼損することが想定される。これに対しては、荷重センサ５０から予圧荷重を算出して監視すれば、軸受５が焼損しないよう回避策を取ることができる。
【0097】
たとえば、荷重センサ５０により測定した予圧荷重が、予め設定した基準値を超えた場合には、診断部７５で軸受５の異常と判定し、主軸４の回転速度を下げたり、冷却媒体の循環量を増やしたり、加工負荷を低減したりするなどの処置を施し、軸受５の焼損を防止することができる。
【0098】
また、荷重センサ５０は、予圧を発生させる力の伝達経路上にある外輪間座６ｇに固定されるため、スピンドル装置１を組み立てる際には、荷重センサ５０の出力から軸受５（５ａ，５ｂ）の初期予圧を把握でき、予圧量を見ながらナット１０の締め付け、あるいは前蓋１２の固定ねじの取り付けを調節することもできる。
【0099】
なお、演算部７３では、１８０度対向した荷重センサ素子５０ａ～５０ｄのうちの２つの出力の差分から主軸４に印加されるモーメント荷重を算出してもよい。たとえば、図１４に示す荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの配置では、荷重センサ素子５０ａ，５０ｂの差分から主軸４の上下方向のモーメント荷重の大きさと向きとを算出することができる。また、荷重センサ素子５０ｃ，５０ｄの差分から主軸４の左右方向のモーメント荷重の大きさと向きとを算出することも可能である。なお、荷重センサ素子の数は、４つでなくてもモーメント荷重の大きさと向きは算出可能である。
【0100】
たとえば、スピンドル装置１の他端側に固定したエンドミル等の切削工具で金属ワークを切削加工している際に、切削工具にかかる負荷および負荷方向をモーメント荷重から把握することができる。また、モーメント荷重から切削工具が金属ワークに衝突したことを検出することも可能である。
【0101】
異常診断の信頼性を高めるため、予圧（荷重）の増加に加え、他のセンサ、たとえば温度センサ、熱流束センサ、加速度センサの出力をさらに考慮して総合的に判断することもできる。たとえば、熱流束センサ（図示せず）を軸受５の近傍の非回転部材（たとえば外輪間座６ｇ）に固定し、回転部材（たとえば主軸４）に対向して配置すれば、軸受５の焼付きによる温度上昇の予兆を早期に検出することができる。
【0102】
図１７は、複数の荷重センサ素子に対して１個の抵抗回路でブリッジ回路を構成した変形例を示す図である。図１７に示す変形例は、図１４の改良例である。図１８は、図１７の構成において荷重センサ素子の抵抗変化を検出するブリッジ回路の第１構成例を示す図である。図１９は、図１７の構成において荷重センサ素子の抵抗変化を検出するブリッジ回路の第２構成例を示す図である。図１７には、図１８、図１９の構成例のどちらか１方を用いる。
【0103】
図１７に示すように、外輪間座６ｇの一方の端面６ｇａには、その周方向に等間隔で固定した複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと、１個の抵抗回路６０と、処理部７０とが固定される。たとえば荷重センサ素子５０ａ～５０ｄおよび抵抗回路６０と干渉しない形状、かつ、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄよりも厚さが薄くなるように、処理部７０を製作して、外輪５ｇａと処理部７０との接触を防止する。
【0104】
また、抵抗回路６０の厚さは荷重センサ素子５０ａ～５０ｄよりも薄くなるように設定するため、抵抗回路６０は外輪５ｇａとは当接せず、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄが押圧されても抵抗回路６０の抵抗Ｒの抵抗値は変化しないため、荷重を検出することができる。
【0105】
荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗回路６０の出力は、配線７１、７６により処理部７０に接続される。
【0106】
処理部７０には、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの抵抗変化を検出して増幅する１つの回路部１７２（または２７２）が実装される。処理部７０は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの抵抗変化に相当する出力値を得る。また、処理部７０に演算部７３を配置してもよい。演算部７３では、荷重センサ５０の抵抗変化量を処理して、外輪間座６ｇに印加される荷重に変換してから外部に出力する。
【0107】
図１８に示す回路部１７２は、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗Ｒ１～Ｒ３および荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと、差動アンプＡＭＰとを含む。抵抗Ｒ１～Ｒ３と荷重センサ素子５０ａ～５０ｄとはブリッジ回路を構成する。ＤＣ電源ＶＳＤＣの正極と負極との間には、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とが直列に接続される。また、ＤＣ電源ＶＳＤＣの正極と負極との間には、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを直列に接続した荷重検出部ＳＲと抵抗Ｒ３とが直列に接続される。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノードには、差動アンプＡＭＰの一方の入力ノードが接続される。荷重検出部ＳＲと抵抗Ｒ３との接続ノードには、差動アンプＡＭＰの他方の入力ノードが接続される。
【0108】
抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の抵抗値は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを直列に接続した直列抵抗値（合成抵抗値）と同じに設定される。
【0109】
図１８に示すような構成することによって、回路部１７２の構成を簡略にできるため、処理部７０の小型化、簡易化が可能になる。
【0110】
また、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗回路６０は、それらが近傍した位置にあって同じ環境に配置される。それらの抵抗温度係数を揃えておけば、温度変化があってもブリッジ回路の抵抗バランスは崩れないので、温度変化による差動アンプＡＭＰの出力温度ドリフトを抑えることができる。
【0111】
【0112】
図１９に示す回路部２７２は、ＤＣ電源ＶＳＤＣに接続される抵抗Ｒ１～Ｒ３および荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと、差動アンプＡＭＰとを含む。抵抗Ｒ１～Ｒ３と荷重センサ素子５０ａ～５０ｄとはブリッジ回路を構成する。ＤＣ電源ＶＳＤＣの正極と負極との間には、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とが直列に接続される。また、ＤＣ電源ＶＳＤＣの正極と負極との間には、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを並列に接続した荷重検出部ＰＲと抵抗Ｒ３とが直列に接続される。抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続ノードには、差動アンプＡＭＰの一方の入力ノードが接続される。荷重検出部ＳＲと抵抗Ｒ３との接続ノードには、差動アンプＡＭＰの他方の入力ノードが接続される。
【0113】
抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の抵抗値は、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを並列に接続した並列抵抗値（合成抵抗値）と同じに設定される。
【0114】
【0115】
また、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄと抵抗回路６０は、それらが近傍した位置にあって同じ環境に配置される。それらの抵抗温度係数を揃えておけば、温度変化があってもブリッジ回路の抵抗バランスは崩れないので、温度変化による差動アンプＡＭＰの出力温度ドリフトを抑えることができる。
【0116】
なお、図１７から図１９の説明では、抵抗回路６０は外輪間座６ｇの端面６ｇａに配置したが、抵抗回路６０の機能を処理部７０に実装してもよい。この場合、抵抗回路６０の抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３として市販チップ抵抗を用い、処理部７０に実装すればよい。この場合、抵抗回路６０を外輪間座６ｇの端面６ｇａに配置する必要がなくなり、構成が簡略化される。
【0117】
図２０は、荷重センサ素子の固定位置を変更した変形例を示す図である。図２０では、外輪間座６ｇを軸方向に２分割した一方の間座６ｇ１の端面６ｇ１ａに荷重センサ５０と抵抗回路６０を固定した。この場合、他方の間座６ｇ２の端面６ｇ２ａは荷重センサ５０に当接する。
【0118】
【0119】
荷重センサ５０を固定する間座６ｇ１の端面６ｇ１ａ、および荷重センサ５０を押圧する間座６ｇ２の端面６ｇ２ａは、平坦度と面粗さ、およびこれら端面６ｇ１ａ，６ｇ２ａの平行度を基準値以下になるよう加工する必要がある。間座６ｇ１，６ｇ２は、をそれぞれ単体で精度良く加工することが可能である。
【0120】
間座６ｇ２の端面６ｇ２ａに図示しない凸面を設け、凸面は荷重センサ５０のみと当接するようにしてもよい。また、間座６ｇ１の端面６ｇ１ａに図示しない凸面を設け、凸面に荷重センサ５０を固定してもよい。
【0121】
この場合、荷重センサ５０の上面は、抵抗回路６０の上面よりも突出する。
さらに、外輪間座６ｇを２分割した間座６ｇ１，６ｇ２の相対的な位置ずれが生じないように、図示しないピンで位置合わせしてもよい。
さらに、外輪間座６ｇを２分割した間座６ｇ１，６ｇ２の相対的な位置ずれが生じないように、図示しないピンで位置合わせしてもよい。
【0122】
この場合、機械加工精度が求められる面積を小さくできるため、加工が容易になるとともに、加工時間の短縮が可能になる。
【0123】
また、荷重センサ５０の表面と抵抗回路６０の表面に段差を付けてもよい。
また、荷重センサ５０と間座６ｇ２の端面６ｇ２ａとの間に、図示しない中間層（クッション層）を挿入して、荷重センサ５０を押圧する構造であってもよい。
また、荷重センサ５０と間座６ｇ２の端面６ｇ２ａとの間に、図示しない中間層（クッション層）を挿入して、荷重センサ５０を押圧する構造であってもよい。
【0124】
中間層の材料としては、たとえば外輪間座６ｇの材料よりも剛性（縦弾性係数）の低い金属材料（たとえばアルミニウム、銅、金属合金）、あるいは樹脂材料（たとえばフッ素系樹脂など）のコーティング薄膜などが使用できる。
【0125】
外輪間座６ｇより剛性が低い中間層を介して押圧することで、表面の形状に沿って中間層が変形して荷重が平均化するため、荷重センサ５０を安定して均一に押圧することができる。この場合、軸受装置３０、３０Ａの剛性は低下するため、中間層として適切な材料を選定する。
【0126】
また、中間層を介して荷重センサ５０を押圧する構成であれば、中間層を用いない場合に比べて、外輪間座６ｇの端面の加工精度（面粗さ、平坦度など）を下げることができ、加工が容易になる。
【0127】
なお、荷重センサ５０と処理部７０または処理部７０の一部とを一体的に実装してもよい。
【0128】
【0129】
外輪間座６ｇを２分割した間座６ｇ１，６ｇ２の間に荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを配置し、間座６ｇ１，６ｇ２をねじＢで締結することによって荷重センサ素子５０ａ～５０ｄに予圧を印加する。なお、間座６ｇ１，６ｇ２と荷重センサ素子５０ａ～５０ｄとの当接面に接着剤を塗らなくても荷重センサ素子５０ａ～５０ｄは固定できるが、接着剤を併用してもよい。
【0130】
抵抗回路６０（抵抗モジュール６０ａ～６０ｄ）は、間座６ｇ１の端面６ｇ１ａの周上に配置されるが、間座６ｇ２の端面６ｇ２ａとは非接触とされ、押圧されない。
【0131】
荷重センサ素子５０ａ～５０ｄが当接する間座６ｇ１，６ｇ２の端面６ｇ１ａ，６ｇ２ａは、表面粗さや平坦度の精度が良い加工ができるよう、端面６ｇ１ａ，６ｇ２ａには突起を設けず、平研削で面精度が得られ易い構造とした。
【0132】
荷重センサ５０に予圧を印加することで、荷重センサ５０の出力に不感帯がなくなるとともに、ヒステリシスの低減と直線性の改善が期待できる。また、外輪間座６ｇを２分割した間座６ｇ１、６ｇ２はねじＢで固定されるため、外輪間座６ｇの取り扱いが容易となり、スピンドル装置１の組立性が向上する。
【0133】
また、荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの近傍にそれぞれ抵抗モジュール６０ａ～６０ｄを配置し、それらの抵抗温度係数を揃えれば、温度変化があってもブリッジ回路の抵抗バランスは崩れないので、温度変化による差動アンプＡＭＰ出力の温度ドリフトを抑えることができる。そのため、温度センサの値で荷重センサ素子５０ａ～５０ｄの出力補正を行なう工程を削減することも可能である。
【0134】
前述の例では、ケーブルＣＢを用いて荷重センサ５０とブリッジ回路部の出力、あるいはこれらを電気処理した出力を外部に送信しているが、自己発電とワイヤレス通信を追加で実装して無線通信することも可能である。
【0135】
（まとめ）
再び、図を参照して、本実施の形態について総括する。
再び、図を参照して、本実施の形態について総括する。
【0136】
本開示は、軸受装置３０に関する。軸受装置３０は、転動体と軌道面を有し、軸を支持する少なくとも１つの軸受５と、転動体と軌道面との間に予圧を発生させる押圧力が伝達する経路上に配置される部材と、部材に固定され、押圧力に応じて抵抗値が変化する荷重センサ５０と、荷重センサと接続してブリッジ回路を構成する複数の抵抗Ｒ１～Ｒ３を含む抵抗回路６０とを備える。荷重センサ５０は、押圧力に応じて抵抗が変わる薄膜パターン５２と、薄膜パターン５２を絶縁保護する保護層５４とを含む。
【0137】
好ましくは、軸受装置３０は、荷重センサ５０の抵抗変化に基づいて押圧力を検出する処理部をさらに備える。
【0138】
押圧力は、主軸４の延在方向の荷重によって印加され、荷重センサ５０は、主軸４の延在方向に交差する平面における同一円周上に等間隔に配置された複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄを含む。
【0139】
抵抗回路６０は、複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄにそれぞれ接続され、複数の抵抗ブリッジ回路を形成する複数の抵抗モジュール６０ａ～６０ｄを含み、複数の抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各々は、抵抗モジュール６０ａ～６０ｄの各々とともに抵抗ブリッジ回路を形成する複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄのうちの１つと同一円周上において隣接配置される。
【0140】
複数の荷重センサ素子５０ａ～５０ｄは、直列または並列に接続されて、荷重検出部ＳＲまたはＰＲを形成する。荷重検出部ＳＲまたはＰＲは、複数の抵抗Ｒ１～Ｒ３とともにブリッジ回路を構成する。
【0141】
少なくとも１つの軸受５は、複数の軸受５ａ，５ｂである。部材は、複数の軸受のうちの２個の軸受５ａ，５ｂの間に挿入される非回転側の外輪間座６ｇである。荷重センサ５０は、外輪間座６ｇの端面６ｇａに固定され、２個の軸受５ａ，５ｂのうちの一方の軸受５ａの固定輪である外輪５ｇａと当接するように配置される。端面６ｇａからの抵抗回路６０の表面の高さは、端面から６ｇａの荷重センサ５０の表面の高さよりも低い。押圧力は、荷重センサ５０を介して伝達される。
【0142】
好ましくは、複数の抵抗Ｒ１～Ｒ３の各々の抵抗値および抵抗温度係数は、荷重センサ５０の抵抗値および抵抗温度係数と実質的に等しい。
【0143】
好ましくは、複数の抵抗Ｒ１～Ｒ３の各々は、薄膜パターン５２と同じ材料で形成される。
【0144】
【0145】
図１、図２に示すように、部材は、少なくとも１つの軸受５ａに隣接配置される外輪間座６ｇであり、荷重センサ５０は、外輪間座６ｇの端面６ｇａに固定され、軸受５ａの端面と当接し、押圧力は、荷重センサ５０を介して伝達される。
【0146】
好ましくは、図２０に示すように、部材は、少なくとも１つの軸受５ａに隣接配置される外輪間座６ｇを第１間座６ｇ１と第２間座６ｇ２に分割した一方の間座である。荷重センサ５０は、第１間座６ｇ１の端面６ｇ１ａに固定され、第２間座６ｇ２の端面６ｇ２ａと当接し、押圧力は、荷重センサ５０を介して伝達される。
【0147】
より好ましくは、図２１、図２２に示すように、第１間座６ｇ１および第２間座６ｇ２は、荷重センサ５０を挟持し、第１間座６ｇ１および第２間座６ｇ２は、ねじＢで締結され、荷重センサ５０には、ねじＢの締結力による押圧力が予め与えられている。
【0148】
本実施の形態は、他の局面では、上記いずれの軸受装置を備える、スピンドル装置１に関する。
【0149】
本実施の形態は、さらに他の局面では、転動体と軌道面を有する軸受５ａに隣接配置され、転動体と軌道面の間に予圧を発生する押圧力が伝達される間座６に関する。間座６は、押圧力を測定可能な荷重センサ５０と、荷重センサ５０とともにブリッジ回路を構成する複数の抵抗Ｒ１～Ｒ３を含む抵抗回路６０と、軸受５ａに隣接する端面６ｇａに荷重センサ５０および抵抗回路６０とが固定された外輪間座６ｇとを備える。
【0150】
好ましくは、間座６は、外輪間座６ｇに一体に実装され、荷重センサ５０の出力を処理する処理部７０をさらに備える。
【0151】
以上説明した実施の形態の軸受装置によれば、次のような効果が得られる。
本実施の形態では、軸受に予圧（荷重）が印加される荷重経路上に荷重を測定することが可能な薄膜抵抗体を形成した荷重センサ素子と、その近傍に抵抗回路を配置し、これらでブリッジ回路を形成した。荷重センサ素子と抵抗回路は、同じ温度環境に配置されるため、それらの抵抗温度係数を揃える、あるいは抵抗温度係数を小さく設定すれば、温度変化があってもブリッジ回路のバランスは保たれる。したがって、荷重センサ素子の信号を電気処理して得られる出力の温度ドリフトを抑えることが可能になる。
本実施の形態では、軸受に予圧（荷重）が印加される荷重経路上に荷重を測定することが可能な薄膜抵抗体を形成した荷重センサ素子と、その近傍に抵抗回路を配置し、これらでブリッジ回路を形成した。荷重センサ素子と抵抗回路は、同じ温度環境に配置されるため、それらの抵抗温度係数を揃える、あるいは抵抗温度係数を小さく設定すれば、温度変化があってもブリッジ回路のバランスは保たれる。したがって、荷重センサ素子の信号を電気処理して得られる出力の温度ドリフトを抑えることが可能になる。
【0152】
たとえば、荷重センサ素子と同じ材料で抵抗回路の薄膜パターン（抵抗）を形成すれば、抵抗値と抵抗温度係数（温度変化とともに抵抗値が変化する割合）を揃えることができ、温度変化に伴う増幅器の出力ドリフトをより低減することができる。この場合、温度補正を簡略化、あるいは省略することも期待できる。
【0153】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0154】
１ スピンドル装置、２ 外筒、３ ハウジング、３ａ 段差部、３ｂ，１２ａ 溝、４ 主軸、５，５ａ，５ｂ，１６ 軸受、５ｇａ，５ｇｂ，１６ｂ 外輪、５ｉａ，５ｉｂ，１６ａ 内輪、６，６ｇ１，６ｇ２，９ 間座、６ｇ 外輪間座、６ｇ１ａ，６ｇ２ａ，６ｇａ 端面、６ｉ 内輪間座、１０，２０ ナット、１２ 前蓋、１３ ステータ、１４ ロータ、１５ 筒状部材、１７ 端部材、１８，２１ 位置決め部材、１９ 内輪押さえ、２２ 空間部、３０ 軸受装置、４０ モータ、５０，５０ａ１ 荷重センサ、５０ａ～５０ｄ，１５０ａ，２５０ａ，３５０ａ 荷重センサ素子、５１，５１Ａ，６１ 基板、５２，６２ 薄膜パターン、５３，Ｔ，Ｔ１ 電極、５４，５４Ａ，６４ 保護層、５５ 接着層、５８ 絶縁層、６０ 抵抗回路、６０ａ～６０ｄ 抵抗モジュール、７０ 処理部、７１ 配線、７２，７２ａ～７２ｄ，１７２，２７２ 回路部、７３ 演算部、７４ 記憶部、７５ 診断部、ＡＭＰ，ＡＭＰａ～ＡＭＰｄ 差動アンプ、Ｂ ねじ、ＣＢ ケーブル、Ｇ 流路、ＰＲ，ＳＲ 荷重検出部、Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 抵抗、Ｒｔａ，Ｒｔｂ 保持器、Ｔａ，Ｔｂ 転動体、ＶＳＤＣ 電源。
【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】