特開 2024-67713 ひずみセンサ付き軸受装置および工作機械用スピンドル装置

(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】P2024067713

(43)【公開日】2024-05-17

(54)【発明の名称】ひずみセンサ付き軸受装置および工作機械用スピンドル装置

(51)【国際特許分類】

   F16C 41/02 20060101AFI20240510BHJP

   F16C 35/12 20060101ALI20240510BHJP

   F16C 19/16 20060101ALI20240510BHJP

   F16C 19/52 20060101ALI20240510BHJP

   B23B 19/02 20060101ALI20240510BHJP

   B23Q 17/00 20060101ALI20240510BHJP

【ＦＩ】

F16C41/02

F16C35/12

F16C19/16

F16C19/52

B23B19/02 B

B23Q17/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022177989

(22)【出願日】2022-11-07

(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】100130513

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 直也

(74)【代理人】

【識別番号】100074206

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 文二

(74)【代理人】

【識別番号】100130177

【弁理士】

【氏名又は名称】中谷 弥一郎

(72)【発明者】

【氏名】澁谷 勇介

(72)【発明者】

【氏名】大口 耀示

【テーマコード（参考）】

3C029

3C045

3J217

3J701

【Ｆターム（参考）】

3C029EE00

3C045FD08

3C045FD13

3C045FD20

3C045FD23

3J217JA02

3J217JA14

3J217JA24

3J217JA33

3J217JB53

3J217JB68

3J217JB84

3J217JC01

3J701AA02

3J701AA32

3J701AA42

3J701AA54

3J701AA62

3J701BA77

3J701BA78

3J701FA26

3J701FA41

3J701GA31

3J701XB03

3J701XB26

(57)【要約】

【課題】高い精度で軸受予圧を検出することが可能なひずみセンサ付き軸受装置を提供する。
【解決手段】外輪間座２６の軸方向両側の端面のうち、第１外輪３０の側の端面には、複数の第１凸部５０が周方向に間隔をおいて設けられ、第２外輪３５の側の端面には、第１凸部５０の個数と同数の第２凸部５１が第１凸部５０と同じ周方向位置に設けられ、ひずみセンサ２８は、第１凸部５０および第２凸部５１の周方向位置と同じ周方向位置に配置されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸方向に間隔をおいて配置された第１軸受（２４）および第２軸受（２５）と、前記第１軸受（２４）と前記第２軸受（２５）の間に設けられた筒状の外輪間座（２６）と、前記外輪間座（２６）に取り付けられたひずみセンサ（２８）とを有し、
前記第１軸受（２４）は、第１外輪（３０）と、第１外輪（３０）の径方向内側に設けられた第１内輪（３１）と、第１外輪（３０）と第１内輪（３１）の間に組み込まれた複数の第１転動体（３２）とを有し、
前記第２軸受（２５）は、第２外輪（３５）と、第２外輪（３５）の径方向内側に設けられた第２内輪（３６）と、第２外輪（３５）と第２内輪（３６）の間に組み込まれた複数の第２転動体（３７）とを有し、
前記第１軸受（２４）と前記第２軸受（２５）の間には、前記第１内輪（３１）、前記第１転動体（３２）、前記第１外輪（３０）、前記外輪間座（２６）、前記第２外輪（３５）、前記第２転動体（３７）、前記第２内輪（３６）を通って予圧が伝達するように軸方向の予圧が付与されているひずみセンサ付き軸受装置において、
前記外輪間座（２６）の軸方向両側の端面のうち、前記第１外輪（３０）の側の端面には、前記軸方向の予圧で前記第１外輪（３０）の軸方向端面に押し付けられる複数の第１凸部（５０）が周方向に間隔をおいて設けられ、
前記外輪間座（２６）の軸方向両側の端面のうち、前記第２外輪（３５）の側の端面には、前記軸方向の予圧で前記第２外輪（３５）の軸方向端面に押し付けられる前記複数の第１凸部（５０）の個数と同数の第２凸部（５１）が、周方向に間隔をおいて前記複数の第１凸部（５０）と同じ周方向位置に設けられ、
前記ひずみセンサ（２８）は、前記第１凸部（５０）および前記第２凸部（５１）の周方向位置と同じ周方向位置に配置されていることを特徴とするひずみセンサ付き軸受装置。

【請求項2】

前記複数の第１凸部（５０）の個数が３つであり、前記複数の第２凸部（５１）の個数が３つである、請求項１に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【請求項3】

前記ひずみセンサ（２８）は、前記複数の第１凸部（５０）および前記複数の第２凸部（５１）の個数と同じ個数設けられ、
前記各ひずみセンサ（２８）は、前記各第１凸部（５０）および前記各第２凸部（５１）の周方向位置と同じ周方向位置に配置されている、請求項１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【請求項4】

前記各第１凸部（５０）は、前記第１外輪（３０）の軸方向端面と周方向に長さをもって接触するように一定の軸方向高さで周方向に延びる形状を有し、
前記ひずみセンサ（２８）は、前記第１凸部（５０）の周方向中心に対応する周方向位置に配置され、
前記第１凸部（５０）の先端から前記ひずみセンサ（２８）までの軸方向距離をｂ１とし、前記第１凸部（５０）の周方向長さをｃ１としたときに、ｃ１≦２×ｂ１を満たすように前記第１凸部（５０）の周方向長さｃ１が設定されている、請求項１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【請求項5】

前記各第２凸部（５１）は、前記第２外輪（３５）の軸方向端面と周方向に長さをもって接触するように一定の軸方向高さで周方向に延びる形状を有し、
前記ひずみセンサ（２８）は、前記第２凸部（５１）の周方向中心に対応する周方向位置に配置され、
前記第２凸部（５１）の先端から前記ひずみセンサ（２８）までの軸方向距離をｂ２とし、前記第２凸部（５１）の周方向長さをｃ２としたときに、ｃ２≦２×ｂ２を満たすように前記第２凸部（５１）の周方向長さｃ２が設定されている、請求項１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【請求項6】

前記外輪間座（２６）の軸方向両側の端面のうち、前記第１外輪（３０）の側の端面には、前記各第１凸部（５０）の周方向両側から軸方向に切り込む第１スリット（５６）が形成され、前記第２外輪（３５）の側の端面にも、前記各第２凸部（５１）の周方向両側から軸方向に切り込む第２スリット（５７）が形成されている請求項１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【請求項7】

前記ひずみセンサ（２８）は、前記外輪間座（２６）の内周に配置されている、請求項１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【請求項8】

前記ひずみセンサ（２８）は、前記外輪間座（２６）の外周に配置されている、請求項１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【請求項9】

請求項１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置（１）と、
前記ひずみセンサ付き軸受装置（１）で回転可能に支持される工作機械の主軸（２）と、
前記主軸（２）を回転駆動するモータ（４）と、を有する工作機械用スピンドル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、ひずみセンサ付き軸受装置、およびそのひずみセンサ付き軸受装置を使用した工作機械用スピンドル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

マシニングセンタや旋盤等の工作機械や、その他の産業機械では、工具や加工物等の対象物が取り付けられる回転軸を回転可能に支持するスピンドル装置が用いられる。このようなスピンドル装置の使用分野において、近年、省人化や無人化のための状態監視機能の強化が求められるようになっている。

【0003】

そこで、本願の出願人は、状態監視機能の強化のニーズに応えるため、ひずみセンサ付き軸受装置を既に提案している（特許文献１）。

【0004】

特許文献１のひずみセンサ付き軸受装置は、軸方向に間隔をおいて配置された第１軸受および第２軸受と、第１軸受と第２軸受の間に設けられた筒状の外輪間座と、外輪間座に取り付けられたひずみセンサとを有する。

【0005】

第１軸受は、第１外輪と、第１外輪の径方向内側に設けられた第１内輪と、第１外輪と第１内輪の間に組み込まれた複数の第１転動体とを有する。同様に、第２軸受は、第２外輪と、第２外輪の径方向内側に設けられた第２内輪と、第２外輪と第２内輪の間に組み込まれた複数の第２転動体とを有する。外輪間座は、第１外輪と第２外輪の間に軸方向に挟み込まれて配置されている。

【0006】

第１軸受と第２軸受の間には、第１内輪、第１転動体、第１外輪、外輪間座、第２外輪、第２転動体、第２内輪を通って予圧が伝達するように軸方向の予圧が付与されている。第１軸受は、軸方向の予圧で、第１転動体が第１外輪を押圧する径方向分力を生じるように構成されたアンギュラ玉軸受であり、第２軸受も、軸方向の予圧で、第２転動体が第２外輪を押圧する径方向分力を生じるように構成されたアンギュラ玉軸受である。

【0007】

ひずみセンサは、外輪間座の外周（または内周）に取り付けられ、このひずみセンサの出力に基づいて、第１軸受および第２軸受の予圧荷重（以下「軸受予圧」という）を検出することが可能となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０２１－０１４８８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

ところで、特許文献１のひずみセンサ付き軸受装置において、外輪間座のひずみセンサの出力に基づいて検出される軸受予圧の大きさに誤差が生じることがあった。この誤差を無くし、高い精度で軸受予圧を検出することができれば、省人化や無人化のための状態監視の信頼性を高めることが可能となる。

【0010】

この発明が解決しようとする課題は、高い精度で軸受予圧を検出することが可能なひずみセンサ付き軸受装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本願の発明者らは、上記の特許文献１のひずみセンサ付き軸受装置を試作評価したところ、外輪間座やその周辺の各部品の微小な加工誤差（例えば、数ミクロンといった僅かな平面度の誤差）等の影響で、外輪間座の軸方向端面の接触の強さが、周方向位置によって変化し、外輪間座の軸方向端面に、強く接触する箇所と、弱く接触する箇所とが発生していることが分かった。

【0012】

そして、強く接触する箇所がひずみセンサと同じ周方向位置にくる場合と、弱く接触する箇所がひずみセンサと同じ周方向位置にくる場合とで、ひずみセンサの出力に差が生じ、そのことが、ひずみセンサの出力に基づいて検出される軸受予圧の誤差の原因となっていることを見出した。

【0013】

そこで、本願の発明者らは、外輪間座の軸方向端面を特定の周方向位置で強く接触する形状とし、その周方向位置にひずみセンサを配置すれば、ひずみセンサの出力に基づいて検出される軸受予圧の誤差を小さく抑えることができるという着想を得た。

【0014】

この着想に基づいて、この発明では、上記の課題を解決するため、以下の構成のひずみセンサ付き軸受装置を提供する。
［構成１］
軸方向に間隔をおいて配置された第１軸受および第２軸受と、前記第１軸受と前記第２軸受の間に設けられた筒状の外輪間座と、前記外輪間座に取り付けられたひずみセンサとを有し、
前記第１軸受は、第１外輪と、第１外輪の径方向内側に設けられた第１内輪と、第１外輪と第１内輪の間に組み込まれた複数の第１転動体とを有し、
前記第２軸受は、第２外輪と、第２外輪の径方向内側に設けられた第２内輪と、第２外輪と第２内輪の間に組み込まれた複数の第２転動体とを有し、
前記第１軸受と前記第２軸受の間には、前記第１内輪、前記第１転動体、前記第１外輪、前記外輪間座、前記第２外輪、前記第２転動体、前記第２内輪を通って予圧が伝達するように軸方向の予圧が付与されているセンサ付き軸受装置において、
前記外輪間座の軸方向両側の端面のうち、前記第１外輪の側の端面には、前記軸方向の予圧で前記第１外輪の軸方向端面に押し付けられる複数の第１凸部が周方向に間隔をおいて設けられ、
前記外輪間座の軸方向両側の端面のうち、前記第２外輪の側の端面には、前記軸方向の予圧で前記第２外輪の軸方向端面に押し付けられる前記複数の第１凸部の個数と同数の第２凸部が、周方向に間隔をおいて前記複数の第１凸部と同じ周方向位置に設けられ、
前記ひずみセンサは、前記第１凸部および前記第２凸部の周方向位置と同じ周方向位置に配置されていることを特徴とするひずみセンサ付き軸受装置。

【0015】

この構成を採用すると、第１外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重が、周方向に間隔をおいて配置された各第１凸部の位置に集約され、同様に、第２外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重も、周方向に間隔をおいて配置された各第２凸部の位置に集約される。そして、第１凸部および第２凸部の周方向位置と同じ周方向位置にひずみセンサが配置されているので、第１外輪および第２外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重が、ひずみセンサの位置に安定して伝わる。そのため、ひずみセンサの出力が、外輪間座やその周辺の各部品の微小な加工誤差等の影響を受けにくく、高い精度で軸受予圧を検出することが可能となる。

【0016】

［構成２］
前記複数の第１凸部の個数が３つであり、前記複数の第２凸部の個数が３つである、構成１に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【0017】

この構成を採用すると、外輪間座の第１外輪の側の端面の第１凸部の個数が３つなので、外輪間座による第１外輪の支持が３点支持となる。そのため、第１外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重に偏り等がある場合にも、各第１凸部の第１外輪との接触が安定する。同様に、外輪間座の第２外輪の側の端面の第２凸部の個数が３つなので、外輪間座による第２外輪の支持も３点支持となる。そのため、第２外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重に偏り等がある場合にも、各第２凸部の第２外輪との接触が安定する。

【0018】

［構成３］
前記ひずみセンサは、前記複数の第１凸部および前記複数の第２凸部の個数と同じ個数設けられ、
前記各ひずみセンサは、前記各第１凸部および前記各第２凸部の周方向位置と同じ周方向位置に配置されている、構成１または２に記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【0019】

この構成を採用すると、複数のひずみセンサのそれぞれの出力に基づいて、モーメント荷重を検知することが可能となる。また、各ひずみセンサが、各第１凸部および各第２凸部の周方向位置と同じ周方向位置に配置されているので、第１外輪および第２外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重が、各ひずみセンサの位置に安定して伝わる。そのため、複数のひずみセンサの出力がいずれも安定し、高い精度で軸受予圧を検出することが可能となる。

【0020】

［構成４］
前記各第１凸部は、前記第１外輪の軸方向端面と周方向に長さをもって接触するように一定の軸方向高さで周方向に延びる形状を有し、
前記ひずみセンサは、前記第１凸部の周方向中心に対応する周方向位置に配置され、
前記第１凸部の先端から前記ひずみセンサまでの軸方向距離をｂ１とし、前記第１凸部の周方向長さをｃ１としたときに、ｃ１≦２×ｂ１を満たすように前記第１凸部の周方向長さｃ１が設定されている、構成１から３にいずれかに記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【0021】

この構成を採用すると、第１外輪から第１凸部に加わる軸方向荷重が、軸方向に対して４５°の角度をなす範囲で外輪間座の内部に広がりながら伝わるとしたときに、第１凸部の周方向一端から周方向他端までのいずれの位置に加わった軸方向荷重も、ひずみセンサの位置に伝わることとなる。そのため、第１外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重を、ひずみセンサの位置に効果的に集約させ、ひずみセンサの分解能を高めることが可能となる。

【0022】

［構成５］
前記各第２凸部は、前記第２外輪の軸方向端面と周方向に長さをもって接触するように一定の軸方向高さで周方向に延びる形状を有し、
前記ひずみセンサは、前記第２凸部の周方向中心に対応する周方向位置に配置され、
前記第２凸部の先端から前記ひずみセンサまでの軸方向距離をｂ２とし、前記第２凸部の周方向長さをｃ２としたときに、ｃ２≦２×ｂ２を満たすように前記第２凸部の周方向長さｃ２が設定されている、構成１から４のいずれかに記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【0023】

この構成を採用すると、第２外輪から第２凸部に加わる軸方向荷重が、軸方向に対して４５°の角度をなす範囲で外輪間座の内部に広がりながら伝わるとしたときに、第２凸部の周方向一端から周方向他端までのいずれの位置に加わった軸方向荷重も、ひずみセンサの位置に伝わることとなる。そのため、第２外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重を、ひずみセンサの位置に効果的に集約させ、ひずみセンサの分解能を高めることが可能となる。

【0024】

［構成６］
前記外輪間座の軸方向両側の端面のうち、前記第１外輪の側の端面には、前記各第１凸部の周方向両側から軸方向に切り込む第１スリットが形成され、前記第２外輪の側の端面にも、前記各第２凸部の周方向両側から軸方向に切り込む第２スリットが形成されている構成１から５のいずれかに記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【0025】

この構成を採用すると、第１外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重と、第２外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重とを、特に効果的にひずみセンサの位置に集約させることが可能となる。

【0026】

［構成７］
前記ひずみセンサは、前記外輪間座の内周に配置されている、構成１から６のいずれかに記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【0027】

［構成８］
前記ひずみセンサは、前記外輪間座の外周に配置されている、構成１から６のいずれかに記載のひずみセンサ付き軸受装置。

【0028】

また、この発明では、上記のひずみセンサ付き軸受装置を使用した工作機械用スピンドル装置として、以下の構成のものを併せて提供する。
［構成９］
構成１から８のいずれかに記載のひずみセンサ付き軸受装置と、
前記ひずみセンサ付き軸受装置で回転可能に支持される工作機械の主軸と、
前記主軸を回転駆動するモータと、を有する工作機械用スピンドル装置。

【0029】

この構成を採用すると、工作機械の省人化や無人化のための状態監視を安定して行なうことが可能となる。また、切削加工中の工作機械の主軸に作用する加工荷重を検出することも可能となる。

【発明の効果】

【0030】

この発明のひずみセンサ付き軸受装置は、第１外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重が、周方向に間隔をおいて配置された各第１凸部の位置に集約され、同様に、第２外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重も、周方向に間隔をおいて配置された各第２凸部の位置に集約される。そして、第１凸部および第２凸部の周方向位置と同じ周方向位置にひずみセンサが配置されているので、第１外輪および第２外輪から外輪間座に加わる軸方向荷重が、ひずみセンサの位置に安定して伝わる。そのため、ひずみセンサの出力が、外輪間座やその周辺の各部品の微小な加工誤差等の影響を受けにくく、高い精度で軸受予圧を検出することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】この発明の実施形態にかかるひずみセンサ付き軸受装置を使用した工作機械用スピンドル装置を示す断面図

【図2】図１のひずみセンサ付き軸受装置の近傍の拡大図

【図3】図２のIII－III線に沿った断面図

【図4】図３のIV－IV線に沿った断面図

【図5】図３に示す外輪間座の斜視図

【図6】図５に示すひずみセンサの配置を外輪間座の内周から外周に変更した変形例を示す斜視図

【図7】図５に示す外輪間座に、第１凸部の周方向両側から軸方向に切り込む第１スリットと、第２凸部の周方向両側から軸方向に切り込む第２スリットとを設けた変形例を示す斜視図

【図8】図７に示す外輪間座を内径側から見た図

【図9】図５に示す第１凸部および第２凸部の周方向長さの説明図

【発明を実施するための形態】

【0032】

図１に、この発明の実施形態にかかるひずみセンサ付き軸受装置１（以下、単に「軸受装置１」という）を使用した工作機械用スピンドル装置を示す。このスピンドル装置は、工作機械の主軸２と、主軸２を収容する主軸ハウジング３と、主軸２を回転駆動するモータ４と、モータ４よりも軸方向前側で主軸２を回転可能に支持する実施形態の軸受装置１と、モータ４よりも軸方向後側で主軸２を回転可能に支持する後側軸受装置５とを有する。

【0033】

主軸ハウジング３は、両端が開放した中空筒状に形成されている。主軸ハウジング３は、軸方向の前側から後側に向かって順に軸受装置１とモータ４とを収容している。図では、主軸ハウジング３の軸受装置１を収容する部分と、主軸ハウジング３のモータ４を収容する部分とを継ぎ目の無い一体に形成しているが、主軸ハウジング３の軸受装置１を収容する部分と、主軸ハウジング３のモータ４を収容する部分とを別体に形成し、その両部分を連結して一体化してもよい。

【0034】

主軸２は、主軸２の前端が主軸ハウジング３の前端開口から突出した状態で主軸ハウジング３に挿入されている。主軸２の前端には、工具または加工物を把持するチャック（図示せず）が着脱可能に取り付けられるようになっている。主軸２には、工作機械のドローバー（図示せず）を軸方向に摺動可能に収容する貫通孔６が軸方向に貫通して形成されている。

【0035】

モータ４は、主軸２の外周に取り付けられたロータ７と、ロータ７に回転力を付与する環状のステータ８とを有する。ロータ７は、主軸２の外周に嵌合するロータスリーブ９と、ロータスリーブ９の外周に固定されたロータコア１０とを有する。ロータコア１０は、例えば、電磁鋼板の積層体である。ロータスリーブ９は、主軸２と一体回転するように主軸２に回り止めされている。ロータスリーブ９の軸方向前端は、主軸２の外周に形成された段差部１１に接触し、その段差部１１との接触によって軸方向に位置決めされている。

【0036】

ステータ８は、主軸ハウジング３の内周に固定されたステータコア１２と、ステータコア１２に周方向に間隔をおいて形成された複数のティース部分にそれぞれ巻回された電磁コイル１３とを有する。電磁コイル１３に通電すると、ステータコア１２とロータコア１０の間に働く電磁力によってロータコア１０に回転力が発生し、ロータ７と主軸２が一体に回転する。ここでは、モータ４として、電力で回転力を発生する電動モータを採用したが、電動モータに代えて、圧縮空気など他の動力源で回転力を発生する方式のモータを採用することも可能である。

【0037】

後側軸受装置５は、主軸ハウジング３の後端に同軸に固定された環状の軸受支持部材１４と、軸受支持部材１４に組み込まれた転がり軸受１５とを有する。転がり軸受１５は、軸受支持部材１４の内周に嵌合する外輪１６と、主軸２の外周に嵌合する内輪１７と、外輪１６と内輪１７の間に組み込まれた複数の円筒ころ１８とを有する円筒ころ軸受である。

【0038】

軸受支持部材１４には、外輪押さえ部材１９が取り付けられている。外輪押さえ部材１９は、外輪１６の軸方向後端面に接触することで外輪１６の軸方向位置を固定している。主軸２の外周には、内輪１７を軸方向前方に押圧するナット部材２０と、内輪１７とナット部材２０の間に組み込まれた環状のスペーサ２１とが装着されている。ナット部材２０は、主軸２の後端部外周に形成された雄ねじ２２にねじ係合している。スペーサ２１の軸方向前端面は、内輪１７の軸方向後端面に接触し、スペーサ２１の軸方向後端面は、ナット部材２０の軸方向前端面に接触している。内輪１７の軸方向前端面は、ロータスリーブ９の軸方向後端に接触している。

【0039】

軸受装置１は、主軸ハウジング３に固定された軸受支持筒２３と、軸受支持筒２３に軸方向に間隔をおいて組み込まれた第１軸受２４および第２軸受２５と、第１軸受２４と第２軸受２５の間に設けられた外輪間座２６および内輪間座２７と、外輪間座２６に取り付けられたひずみセンサ２８とを有する。

【0040】

図２に示すように、第１軸受２４は、軸受支持筒２３の内周に嵌合する第１外輪３０と、第１外輪３０の径方向内側に回転可能に設けられた第１内輪３１と、第１外輪３０と第１内輪３１の間に組み込まれた複数の第１転動体３２とを有する。第１転動体３２は、ここでは玉である。第１外輪３０の内周には、第１転動体３２が転がり接触する断面円弧状の第１外輪軌道面３３が設けられている。第１外輪３０は、第１外輪軌道面３３に対して軸方向前側の外輪肩部と軸方向後側の外輪肩部のうち、軸方向前側の外輪肩部を除去した形状の肩落とし外輪である。第１内輪３１の外周には、第１転動体３２が転がり接触する断面円弧状の第１内輪軌道面３４が設けられている。第１内輪３１は、第１転動体３２が転がり接触する第１内輪軌道面３４に対して軸方向前側の内輪肩部と軸方向後側の内輪肩部のうち、軸方向後側の内輪肩部を除去した形状の肩落とし内輪である。第１内輪３１は、主軸２の外周に締め代をもって嵌合している。

【0041】

第２軸受２５は、軸受支持筒２３の内周に嵌合する第２外輪３５と、第２外輪３５の径方向内側に回転可能に設けられた第２内輪３６と、第２外輪３５と第２内輪３６の間に組み込まれた複数の第２転動体３７とを有する。第２転動体３７は、ここでは玉である。第２外輪３５の内周には、第２転動体３７が転がり接触する断面円弧状の第２外輪軌道面３８が設けられている。第２外輪３５は、第１外輪３０から軸方向後方に間隔をおいて配置され、第２内輪３６も、第１内輪３１から軸方向後方に間隔をおいて配置されている。第２外輪３５は、第２外輪軌道面３８に対して軸方向前側の外輪肩部と軸方向後側の外輪肩部のうち、軸方向後側の外輪肩部を除去した形状の肩落とし外輪である。第２内輪３６の外周には、第２転動体３７が転がり接触する断面円弧状の第２内輪軌道面３９が設けられている。第２内輪３６は、第２転動体３７が転がり接触する第２内輪軌道面３９に対して軸方向前側の内輪肩部と軸方向後側の内輪肩部のうち、軸方向前側の内輪肩部を除去した形状の肩落とし内輪である。第２内輪３６は、主軸２の外周に締め代をもって嵌合している。

【0042】

ここで、第１軸受２４は、軸方向の予圧で、第１転動体３２が第１外輪３０を押圧する径方向分力を生じるように構成され、同様に、第２軸受２５も、軸方向の予圧で、第２転動体３７が第２外輪３５を押圧する径方向分力を生じるように構成されている。この実施形態では、第１軸受２４は、第１内輪３１と第１転動体３２の接触点と、第１外輪３０と第１転動体３２の接触点とを結ぶ直線が、半径方向内側から半径方向外側に向かって軸方向後方に傾斜するアンギュラ玉軸受である。また、第２軸受２５は、第２内輪３６と第２転動体３７の接触点と、第２外輪３５と第２転動体３７の接触点とを結ぶ直線が、半径方向内側から半径方向外側に向かって軸方向前方に傾斜するアンギュラ玉軸受である。つまり、第１軸受２４と第２軸受２５は、背面合わせの関係で軸方向に間隔をおいて配置された一対のアンギュラ玉軸受である。

【0043】

外輪間座２６は、両端が開放した中空の筒状部材である。外輪間座２６は、軸受支持筒２３の内周に隙間をもって嵌合している。外輪間座２６は、第１外輪３０の軸方向後端面と第２外輪３５の軸方向前端面との間で軸方向に挟み込まれている。

【0044】

内輪間座２７も、外輪間座２６と同様、両端が開放した中空の筒状部材である。内輪間座２７は、主軸２の外周に隙間をもって嵌合している。内輪間座２７は、第１内輪３１と第２内輪３６の間で軸方向に挟み込まれている。

【0045】

主軸ハウジング３の軸方向前端には、外輪押さえ部材４０が固定されている。外輪押さえ部材４０は、第１外輪３０の軸方向前端面に接触することで第１外輪３０の軸方向位置を固定している。外輪押さえ部材４０は、軸受支持筒２３の内周に嵌合する筒部４１と、筒部４１の軸方向前端から径方向外方に延びるフランジ部４２とを有する。フランジ部４２は、軸受支持筒２３の軸方向前端面に固定されている。主軸２の軸方向前端部の外周には、第１内輪３１の軸方向前方への移動を規制する段差部４３が設けられている。段差部４３は、第１内輪３１の軸方向前端面に接触し、第１内輪３１を軸方向に位置決めしている。

【0046】

主軸２の外周には、第２内輪３６を軸方向前方に押圧する予圧ナット４４と、第２内輪３６と予圧ナット４４の間に組み込まれた環状のスペーサ４５とが装着されている。予圧ナット４４は、主軸２の外周の段差部１１（図１参照）から軸方向前側に延びる部分に形成された雄ねじ４６にねじ係合している。スペーサ４５の軸方向前端面は、第２内輪３６の軸方向後端面に接触し、スペーサ４５の軸方向後端面は、予圧ナット４４の軸方向前端面に接触している。軸受支持筒２３の内周には、第２外輪３５の軸方向後方への移動を規制する段差部４７が設けられている。段差部４７は、第２外輪３５の軸方向後端面に接触し、第２外輪３５を軸方向に位置決めしている。

【0047】

図１に示すように、軸受支持筒２３は、主軸ハウジング３の内周に嵌合している。軸受支持筒２３の外周には、軸受装置１の冷却用の冷媒が流れる冷却溝４８が形成されている。冷却溝４８は、軸受支持筒２３の外周に軸方向に間隔をおいて形成された複数の環状溝または軸受支持筒２３の外周を螺旋状に延びる螺旋溝である。

【0048】

図２に示すように、予圧ナット４４は所定の力で締め付けられ、その予圧ナット４４の軸力が、スペーサ４５、第２内輪３６、第２転動体３７、第２外輪３５、外輪間座２６、第１外輪３０、第１転動体３２、第１内輪３１を伝達し、段差部４３で受け止められた状態となっている。すなわち、予圧ナット４４の軸力により、第１軸受２４と第２軸受２５の間には、第１内輪３１、第１転動体３２、第１外輪３０、外輪間座２６、第２外輪３５、第２転動体３７、第２内輪３６を順に通って予圧が伝達するように軸方向の予圧が付与された状態となっている。

【0049】

ひずみセンサ２８は、外輪間座２６の軸方向中央部に取り付けられている。具体的には、ひずみセンサ２８は、外輪間座２６の軸方向の中心位置から、外輪間座２６の軸方向全長の１／４の軸方向距離の範囲内の領域にひずみセンサ２８が収まるように外輪間座２６に取り付けられている。

【0050】

外輪間座２６の軸方向両側の端面のうち、軸方向前端面（第１外輪３０の側の端面）には、軸方向の予圧で第１外輪３０の軸方向後端面に押し付けられる複数の第１凸部５０が周方向に間隔をおいて設けられている。同様に、外輪間座２６の軸方向後端面（第２外輪３５の側の端面）にも、軸方向の予圧で第２外輪３５の軸方向端面に押し付けられる複数の第２凸部５１が、周方向に間隔をおいて設けられている。

【0051】

図３に示すように、第１凸部５０の個数は、３つである。各第１凸部５０は、周方向に等間隔の位置（図では、各第１凸部５０の周方向中心が、外輪間座２６の上端から時計回りに０°、１２０°、２４０°の方向にくる位置）に配置されている。各第１凸部５０は、第１外輪３０（図２参照）の軸方向端面と周方向に長さをもって接触するように一定の軸方向高さで周方向に延びる形状を有する。各第１凸部５０の先端は、周方向に延びる軸直角平面である。第１凸部５０の軸方向の高さは、０．１ｍｍ以上に設定されている。

【0052】

また、図５に示すように、第２凸部５１は、第１凸部５０の個数と同数（３つ）設けられている。各第２凸部５１は、各第１凸部５０の周方向位置と同じ周方向位置（各第２凸部５１の周方向中心が、図３の０°、１２０°、２４０°の方向にくる位置）に配置されている。第２凸部５１も、第１凸部５０と同様に、第２外輪３５（図２参照）の軸方向端面と周方向に長さをもって接触するように一定の軸方向高さで周方向に延びる形状を有する。各第２凸部５１の先端は、周方向に延びる軸直角平面である。第２凸部５１の軸方向の高さは、０．１ｍｍ以上に設定されている。外輪間座２６の形状は、軸方向の前後に対称である。

【0053】

図３に示すように、ひずみセンサ２８は、外輪間座２６の内周に周方向に間隔をおいて複数設けられている。ひずみセンサ２８の個数は、第１凸部５０および第２凸部５１の個数と同じ個数（３つ）である。各ひずみセンサ２８は、各第１凸部５０と同じ周方向位置（各第１凸部５０の周方向中心に対応する周方向位置）に配置されている。外輪間座２６の内周には、ひずみセンサ２８の個数と同数の軸方向溝５２が周方向に等間隔に形成されている。軸方向溝５２は、それぞれ軸線に平行な平面状の溝底面を有し、その各溝底面にひずみセンサ２８が取り付けられている。

【0054】

図４に示すように、各ひずみセンサ２８は、ひずみ検出部５３と、ひずみ検出部５３に接続された処理部５４とを有する。ひずみ検出部５３は、ひずみに応じて電気抵抗が変化するひずみゲージである。処理部５４は、ひずみゲージの電気抵抗の変化に基づいてひずみを検出するひずみ検出回路と、その検出回路で検出されたひずみをアナログ信号からデジタル信号に変換して出力するＡＤ変換回路とを有する。

【0055】

ここで、ひずみ検出部５３は、ひずみセンサ２８の取り付け位置における外輪間座２６の軸方向ひずみを検出する軸方向ひずみ検出部５３（軸方向をひずみ検出方向として配置したひずみゲージ）と、ひずみセンサ２８の取り付け位置における外輪間座２６の周方向ひずみを検出する周方向ひずみ検出部（周方向をひずみ検出方向として配置したひずみゲージ）とを有するものを採用している。そして、処理部５４は、軸方向ひずみ検出部で検出される軸方向ひずみと、周方向ひずみ検出部で検出される周方向ひずみとの差分（つまり、軸方向ひずみの絶対値と周方向ひずみの絶対値の和）をとり、その差分をひずみセンサ２８の出力とするように構成されている。

【0056】

図９に示すように、第１凸部５０の先端からひずみセンサ２８のひずみ検出位置（図４のひずみ検出部５３の中心に対応する位置）までの軸方向距離をｂ１とし、第１凸部５０の周方向長さをｃ１としたときに、ｃ１≦２×ｂ１を満たすように各第１凸部５０の周方向長さｃ１が設定されている。同様に、第２凸部５１の先端からひずみセンサ２８のひずみ検出位置までの軸方向距離をｂ２とし、第２凸部５１の周方向長さをｃ２としたときに、ｃ２≦２×ｂ２を満たすように各第２凸部５１の周方向長さｃ２が設定されている。図では、第１凸部５０の周方向長さｃ１と第２凸部５１の周方向長さｃ２は同一である。

【0057】

図２に示す軸受装置１において、第１軸受２４および第２軸受２５の予圧荷重（以下「軸受予圧」という）は、スピンドル装置の運転時における主軸２の回転速度によって変化する。そして、ひずみセンサ２８で検出される外輪間座２６のひずみに基づいて、その軸受予圧を検出することが可能となっている。

【0058】

すなわち、スピンドル装置の運転時において、主軸２の回転速度が変化すると、第１転動体３２および第２転動体３７の遠心力が変化し、その遠心力の変化に応じて、第１転動体３２が第１外輪軌道面３３を押圧する荷重（第１軸受２４の予圧荷重）および第２転動体３７が第２外輪軌道面３８を押圧する荷重（第２軸受２５の予圧荷重）も変化する。ここで、第１外輪軌道面３３および第２外輪軌道面３８は、軸方向に対して傾斜した角度をもって第１転動体３２および第２転動体３７と接触しているので、第１転動体３２が第１外輪軌道面３３を押圧する荷重および第２転動体３７が第２外輪軌道面３８を押圧する荷重が変化すると、第１外輪３０および第２外輪３５から外輪間座２６に負荷される軸方向の予圧荷重が変化し、外輪間座２６のひずみが変化する。そのため、ひずみセンサ２８で検知される外輪間座２６のひずみに基づいて、第１軸受２４および第２軸受２５の予圧荷重（軸受予圧）を検出することが可能となっている。

【0059】

また、主軸２にモーメント荷重が作用すると、周方向に等間隔に配置された各ひずみセンサ２８の位置には異なる大きさの荷重が加わる。そのため、複数のひずみセンサ２８のそれぞれの出力に基づいて、切削加工中の工作機械の主軸２に作用するモーメント荷重を検知することも可能である。

【0060】

ところで、図２に示す軸受装置１において、外輪間座２６の軸方向両側の端面に第１凸部５０および第２凸部５１を設けずに、外輪間座２６の両側の軸方向端面を、全周にわたって連続する軸直角平面とし、その軸直角平面に第１外輪３０および第２外輪３５を接触させた比較例を想定する。この比較例においては、外輪間座２６やその周辺の各部品の微小な加工誤差（例えば、数ミクロンといった僅かな平面度の誤差）等の影響で、外輪間座２６の軸方向端面の接触の強さが、周方向位置によって変化し、外輪間座２６の軸方向端面に、強く接触する箇所と、弱く接触する箇所とが発生する可能性がある。そして、強く接触する箇所がひずみセンサ２８と同じ周方向位置にくる場合と、弱く接触する箇所がひずみセンサ２８と同じ周方向位置にくる場合とで、ひずみセンサ２８の出力に差が生じ、そのことが原因で、ひずみセンサ２８の出力に基づいて検出される軸受予圧に誤差が生じるという問題がある。

【0061】

この問題に対し、この実施形態の軸受装置１では、図５に示すように、外輪間座２６の軸方向両側の端面に第１凸部５０および第２凸部５１が周方向に間隔をおいて設けられているので、第１外輪３０および第２外輪３５（図２参照）から外輪間座２６に加わる軸方向荷重が、各第１凸部５０および各第２凸部５１の位置にそれぞれ集約される。そして、第１凸部５０および第２凸部５１の周方向位置と同じ周方向位置にひずみセンサ２８が配置されているので、第１外輪３０および第２外輪３５（図２参照）から外輪間座２６に加わる軸方向荷重が、ひずみセンサ２８の位置に安定して伝わる。そのため、ひずみセンサ２８の出力が、外輪間座２６やその周辺の各部品の微小な加工誤差等の影響を受けにくく、高い精度で軸受予圧を検出することが可能である。

【0062】

また、この軸受装置１は、図５に示すように、第１凸部５０の個数が３つなので、外輪間座２６による第１外輪３０（図２参照）の支持が３点支持となる。そのため、第１外輪３０（図２参照）から外輪間座２６に加わる軸方向荷重に偏り等がある場合にも、各第１凸部５０の第１外輪３０との接触が安定する。同様に、第２凸部５１の個数が３つなので、外輪間座２６による第２外輪３５（図２参照）の支持も３点支持となる。そのため、第２外輪３５（図２参照）から外輪間座２６に加わる軸方向荷重に偏り等がある場合にも、各第２凸部５１の第２外輪３５との接触が安定する。

【0063】

また、この軸受装置１は、図９に示すように、ｃ１≦２×ｂ１を満たすように第１凸部５０の周方向長さｃ１が設定されているので、第１外輪３０（図２参照）から第１凸部５０に加わる軸方向荷重が、軸方向に対して４５°の角度をなす範囲で外輪間座２６の内部に広がりながら伝わるとしたときに、第１凸部５０の周方向一端から周方向他端までのいずれの位置に加わった軸方向荷重も、ひずみセンサ２８の位置に伝わることとなる。そのため、第１外輪３０（図２参照）から外輪間座２６に加わる軸方向荷重を、ひずみセンサ２８の位置に効果的に集約させ、ひずみセンサ２８の分解能を高めることが可能となっている。

【0064】

同様に、図９に示すように、ｃ２≦２×ｂ２を満たすように第２凸部５１の周方向長さｃ２が設定されているので、第２外輪３５（図２参照）から第２凸部５１に加わる軸方向荷重が、軸方向に対して４５°の角度をなす範囲で外輪間座２６の内部に広がりながら伝わるとしたときに、第２凸部５１の周方向一端から周方向他端までのいずれの位置に加わった軸方向荷重も、ひずみセンサ２８の位置に伝わることとなる。そのため、第２外輪３５（図２参照）から外輪間座２６に加わる軸方向荷重を、ひずみセンサ２８の位置に効果的に集約させ、ひずみセンサ２８の分解能を高めることが可能となっている。

【0065】

上記実施形態では、図３、図５に示すように、ひずみセンサ２８を外輪間座２６の内周に配置したものを例に挙げたが、図６に示すように、ひずみセンサ２８を外輪間座２６の外周に配置してもよい。図６において、外輪間座２６の外周には、ひずみセンサ２８の個数と同数の外周平面部５５が周方向に等間隔に形成され、その外周平面部５５にひずみセンサ２８が取り付けられている。外周平面部５５は、外輪間座２６の中心線と平行な平面に沿って外輪間座２６の外周を除去した形状の部分である。

【0066】

また、図７、図８に示すように、外輪間座２６の軸方向両側の端面のうち、第１外輪３０の側（図では上側）の端面に、各第１凸部５０の周方向両側から軸方向に切り込む第１スリット５６を形成し、第２外輪３５の側（図では下側）の端面にも、各第２凸部５１の周方向両側から軸方向に切り込む第２スリット５７を形成してもよい。このようにすると、第１外輪３０（図２参照）から外輪間座２６に加わる軸方向荷重と、第２外輪３５（図２参照）から外輪間座２６に加わる軸方向荷重とを、特に効果的にひずみセンサ２８の位置に集約させることが可能となる。図７、図８において、第１スリット５６は、第１凸部５０の先端から外輪間座２６の軸方向全長の２０％以上の軸方向長さを有し、第２スリット５７も、第２凸部５１の先端から外輪間座２６の軸方向全長の２０％以上の軸方向長さを有する。

【0067】

上記実施形態では、第１軸受２４および第２軸受２５として、アンギュラ玉軸受を例に挙げて説明したが、第１軸受２４および第２軸受２５として、例えば、円すいころ軸受や深溝玉軸受など、軸方向の予圧で径方向分力を生じる他の形式の転がり軸受を採用することも可能である。

【0068】

また、上記実施形態では、ひずみセンサ２８として、ひずみ検出部５３と処理部５４とを有するものを例に挙げたが、ひずみセンサ２８は、ひずみ検出部５３のみ（ひずみゲージのみ）で構成することも可能である。

【0069】

また、上記実施形態では、工作機械(マシニングセンタや旋盤など)の主軸２を回転可能に支持する軸受装置１を例に挙げて説明したが、この発明は、例えば、風力発電装置の主軸など、他の装置の回転軸を回転可能に支持する軸受装置に適用することも可能である。

【0070】

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】

【0071】

１ ひずみセンサ付き軸受装置
２ 主軸
４ モータ
２４ 第１軸受
２５ 第２軸受
２６ 外輪間座
２８ ひずみセンサ
３０ 第１外輪
３１ 第１内輪
３２ 第１転動体
３５ 第２外輪
３６ 第２内輪
３７ 第２転動体
５０ 第１凸部
５１ 第２凸部
５６ 第１スリット
５７ 第２スリット
ｂ１ 第１凸部の先端からひずみセンサまでの軸方向距離
ｂ２ 第２凸部の先端からひずみセンサまでの軸方向距離
ｃ１ 第１凸部の周方向長さ
ｃ２ 第２凸部の周方向長さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】