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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-08
(45)【発行日】2024-05-16
(54)【発明の名称】軸受装置及び信号処理装置
(51)【国際特許分類】
F16C 41/00 20060101AFI20240509BHJP
F16C 19/52 20060101ALI20240509BHJP
F16C 19/06 20060101ALI20240509BHJP
F16C 19/36 20060101ALI20240509BHJP
G01B 7/30 20060101ALN20240509BHJP
【ＦＩ】
F16C41/00
F16C19/52
F16C19/06
F16C19/36
G01B7/30 T
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020003653
(22)【出願日】2020-01-14
(65)【公開番号】P2021110412
(43)【公開日】2021-08-02
【審査請求日】2023-01-05
(73)【特許権者】
【識別番号】000004204
【氏名又は名称】日本精工株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100109380
【弁理士】
【氏名又は名称】小西 恵
(74)【代理人】
【識別番号】100109036
【弁理士】
【氏名又は名称】永岡 重幸
(72)【発明者】
【氏名】小口 寿明
【審査官】角田 貴章
(56)【参考文献】
【文献】独国特許出願公開第１０１００２９９（ＤＥ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／００７８５３７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００７－０７１２８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２８２２２２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２００９－５１６１６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－０５７２９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０９６４４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００６－５０６２７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０５３３４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０５９４１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－１０４１２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０２００１３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ１６Ｃ １９／００－１９／５６
３３／３０－３３／６６
４１／００－４１／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
軸受装置と信号処理装置とからなるシステムであって、
前記軸受装置は、
回転軸の外周に固定される内輪と、
前記内輪の径方向外側に設けられた複数の転動体と、
前記転動体の径方向外側に設けられて、前記内輪との間に前記転動体を回転可能に挟持する外輪と、を備え、
前記外輪は、前記回転軸の回転中心軸の方向に第１端面と、前記第１端面の反対側の端面となる第２端面を有し、前記第１端面は前記外輪を保持する構造体の端部の径方向延出部に当接して変形が規制され、前記第２端面には当接する物体がなく前記第２端面の変形は規制されず、
前記軸受装置は、前記第２端面に、前記回転軸の周方向に所定間隔をおいて順次設けられた第１歪み検出部、第２歪み検出部、第３歪み検出部及び第４歪み検出部を備え、
前記所定間隔は、前記複数の転動体の周方向ピッチの１／４であり、
前記信号処理装置は、
前記軸受装置に有線または無線で接続されて、前記軸受装置の前記第１歪み検出部乃至前記第４歪み検出部が検出する検出値を取得する取得部と、
前記第１歪み検出部の検出値と前記第３歪み検出部の検出値の差分と、前記第２歪み検出部の検出値と前記第４歪み検出部の検出値の差分とに基づいて、前記回転軸の回転角度を算出する算出部と、を備えるシステム。
【請求項2】
前記第２端面には、前記第１歪み検出部乃至前記第４歪み検出部の各々を覆うケースが設けられている請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記第１歪み検出部乃至前記第４歪み検出部の各々は、金属薄膜または半導体歪みゲージからなる請求項１または２に記載のシステム。
【請求項4】
前記第１歪み検出部乃至前記第４歪み検出部の各々が金属薄膜からなる場合、当該金属薄膜はＣｒ、Ｃｒ－Ｎ、ＣｒＡｌＢ、ＣｒＡｌ、ＮｉＣｒ及びＣｒＭｎのいずれかを含む請求項３に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、軸受装置と、当該軸受装置から得られる信号を処理する信号処理装置とに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、軸受の荷重を検出する技術が知られている。例えば、特許文献１には，軸受の荷重を検出する方法として、荷重の変化に伴う転動体の接触部の位置の変化を磁歪型センサで検知し、当該位置の変化を荷重に換算する技術が開示されている。特許文献１では、軸受の外輪外径から転動体の軌道面に向かって孔を開け、当該孔に磁歪型センサを挿入している。磁歪型センサは、磁場の変化を検出するセンサである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００６－２２６４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１では、磁歪型センサを設置するために軸受の外輪に孔を開けており、軸受に力が作用した場合、当該孔に応力集中が発生する可能性がある。
また、軸受を使用する各種装置・機械に対する市場のニーズは、ますます高度化・多様化している。したがって重要な機械要素である軸受に対しても同様である。例えば、ロボットの関節部、工作機械スピンドル、風力発電機等に使用される軸受に対しては、より高度な作動制御を行うために、荷重だけでなく、軸受（回転軸）の回転角度の検出も期待されている。しかしながら、特許文献１には、磁歪型センサを用いて軸受の荷重を検出する技術は開示されているが、軸受（回転軸）の回転角度の検出する技術は開示されていない。
そこで、本発明は、応力集中を発生することなく、歪み検出を行うことができる軸受装置を提供することを目的とする。また、本発明は、歪み検出部を用いて回転軸の回転角度を検出できる信号処理装置を提供することを目的とする。
また、軸受を使用する各種装置・機械に対する市場のニーズは、ますます高度化・多様化している。したがって重要な機械要素である軸受に対しても同様である。例えば、ロボットの関節部、工作機械スピンドル、風力発電機等に使用される軸受に対しては、より高度な作動制御を行うために、荷重だけでなく、軸受（回転軸）の回転角度の検出も期待されている。しかしながら、特許文献１には、磁歪型センサを用いて軸受の荷重を検出する技術は開示されているが、軸受（回転軸）の回転角度の検出する技術は開示されていない。
そこで、本発明は、応力集中を発生することなく、歪み検出を行うことができる軸受装置を提供することを目的とする。また、本発明は、歪み検出部を用いて回転軸の回転角度を検出できる信号処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記目的を達成するために、本発明の一つの態様の軸受装置は、回転軸の外周に固定される内輪と、前記内輪の径方向外側に設けられた複数の転動体と、前記転動体の径方向外側に設けられて、前記内輪との間に前記転動体を回転可能に挟持する外輪と、を備える軸受装置であって、前記外輪は、前記回転軸の回転中心軸の方向に第１端面と、前記第１端面の反対側の端面となる第２端面を有し、前記第１端面と前記第２端面の少なくとも一方は、前記外輪を保持する構造体に非接触な部分を有し、前記軸受装置は、前記構造体に非接触な部分に、前記回転軸の周方向に所定間隔をおいて設けられた複数の歪み検出部を備える。
回転軸にアキシャル荷重が作用した場合に、外輪を保持する構造体に接触していない端面部分は、当該端面部分に垂直な方向に歪むことができる。歪み検出部は、当該端面部分に設けられているので、この歪みを検出することができる。外輪に孔を設けずに歪み検出部を設けたので、外輪には応力集中が発生しない。
回転軸にアキシャル荷重が作用した場合に、外輪を保持する構造体に接触していない端面部分は、当該端面部分に垂直な方向に歪むことができる。歪み検出部は、当該端面部分に設けられているので、この歪みを検出することができる。外輪に孔を設けずに歪み検出部を設けたので、外輪には応力集中が発生しない。
【0006】
また、上記の軸受装置において、内輪の端面が、内輪を保持する構造体に非接触な部分を有する場合には、歪み検出部を、当該非接触な端面部分に設けてもよい。
前記複数の歪み検出部は、前記複数の転動体の周方向ピッチの１／ｎの間隔で設けられてもよい。ｎは、例えば、３以上の整数である。前記ｎが３の場合、前記複数の歪み検出部は、３つの歪み検出部である。前記ｎが４の場合、前記複数の歪み検出部は、例えば、２つまたは４つの歪み検出部である。
前記複数の歪み検出部の各々は、例えば、金属薄膜または半導体歪みゲージから構成される。金属薄膜は、例えば、Ｃｒ、Ｃｒ－Ｎ、ＣｒＡｌＢ、ＣｒＡｌ、ＮｉＣｒ及びＣｒＭｎのいずれかを含む。
前記複数の歪み検出部は、前記複数の転動体の周方向ピッチの１／ｎの間隔で設けられてもよい。ｎは、例えば、３以上の整数である。前記ｎが３の場合、前記複数の歪み検出部は、３つの歪み検出部である。前記ｎが４の場合、前記複数の歪み検出部は、例えば、２つまたは４つの歪み検出部である。
前記複数の歪み検出部の各々は、例えば、金属薄膜または半導体歪みゲージから構成される。金属薄膜は、例えば、Ｃｒ、Ｃｒ－Ｎ、ＣｒＡｌＢ、ＣｒＡｌ、ＮｉＣｒ及びＣｒＭｎのいずれかを含む。
【0007】
本発明の他の態様の信号処理装置は、前記軸受装置に有線または無線で接続されて、前記軸受装置の複数の歪み検出部が検出する検出値を取得する取得部と、前記取得部で取得した前記検出値に基づいて、前記回転軸の回転角度を算出する算出部と、を備える。前記算出部は、例えば、歪み検出部が検出する検出値（歪みの値）から、リサージュ曲線を生成し、リサージュ曲線に基づいて、回転軸の回転角度を算出する。
【発明の効果】
【0008】
本発明の一つの態様によれば、応力集中を発生させることなく、歪み検出を行うことができる。また、本発明の他の態様によれば、歪み検出部を用いて回転軸の回転角度を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
なお、本発明の範囲は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
【0011】
＜実施形態１＞
図１は、本実施形態における軸受の回転角度を検出する信号処理システム１の全体図である。本実施形態では、軸受１０に歪み検出部としての歪みゲージ２０を取り付けて、軸受１０の回転角度（回転軸１２の回転角度）を検出する場合を説明する。歪みゲージ２０は軸受１０の回転角度を検出するので、軸受角度センサと称することもできる。軸受１０は、例えば、ボールベアリングである。信号処理システム１の主な構成要素は、軸受１０に取付けられた歪みゲージ２０と、歪みゲージ２０の出力信号を処理する信号処理装置３３である。
図１は、本実施形態における軸受の回転角度を検出する信号処理システム１の全体図である。本実施形態では、軸受１０に歪み検出部としての歪みゲージ２０を取り付けて、軸受１０の回転角度（回転軸１２の回転角度）を検出する場合を説明する。歪みゲージ２０は軸受１０の回転角度を検出するので、軸受角度センサと称することもできる。軸受１０は、例えば、ボールベアリングである。信号処理システム１の主な構成要素は、軸受１０に取付けられた歪みゲージ２０と、歪みゲージ２０の出力信号を処理する信号処理装置３３である。
【0012】
図１に示すように、軸受１０は、回転軸１２の外周に固定される内輪１４と、内輪１４の径方向外側に位置する外輪１６と、内輪１４と外輪１６の間に設けられた転動体１８と、を有する。内輪１４と外輪１６の間に、転動体１８が回転可能に挟持されている。軸受１０は、ハウジング３０に固定されている。転動体１８は、内輪１４の周方向に沿って複数設けられている。転動体１８は、保持器（図示せず）にて周方向等間隔（同一の周方向ピッチ）に保持されており、転動体１８は保持器により保持されながら、内輪１４と共に動く。符号Ｊ１は回転軸１２の回転中心軸を示している。
【0013】
回転軸１２は、軸受１０が取り付けられる小径部１２ａと、小径部１２ａより大きな直径を有する大径部１２ｂとを有する。小径部１２ａと大径部１２ｂの境界に、回転軸１２の径方向に延びる段部１２ｃが形成される。軸受１０の内輪１４の左端面１４ａは、回転軸１２の段部１２ｃに当接している。軸受１０の内輪１４の右端面１４ｂは、ベアリングナット２２に当接している。ベアリングナット２２は、回転軸１２の小径部１２ａの外周に形成された雌ネジ部２４に螺合しており、軸受１０はベアリングナット２２により、右方向に移動できないようになっている。
【0014】
ハウジング３０は、円筒部２６と、円筒部２６から径方向内側に延びるフランジ部２８とを有する。円筒部２６の内周面２６ａとフランジ部２８の内側面２８ａにより、ハウジング３０の内部に、座ぐり穴２９が形成される。また、フランジ部２８の内周縁２８ｂにより、貫通穴３１が形成される。
軸受１０の外輪１６の右端面１６ａは、フランジ部２８の内側面２８ａに当接しており、図１において右方向に変形することができない。軸受１０の外輪１６の外周面１６ｂは、ハウジング３０の円筒部２６の内周面２６ａに当接しており、径方向外側に変形することができない。軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃは、ハウジング３０に接触していないので、図１において左方向に変形することができる。より詳しくは、軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃは、左方向に凸及び凹に変形することができる。ハウジング３０は、外輪１６を保持する構造体であると言える。また、左端面１６ｃは、ハウジング３０（構造体）に非接触な部分と言える。
軸受１０の外輪１６の右端面１６ａは、フランジ部２８の内側面２８ａに当接しており、図１において右方向に変形することができない。軸受１０の外輪１６の外周面１６ｂは、ハウジング３０の円筒部２６の内周面２６ａに当接しており、径方向外側に変形することができない。軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃは、ハウジング３０に接触していないので、図１において左方向に変形することができる。より詳しくは、軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃは、左方向に凸及び凹に変形することができる。ハウジング３０は、外輪１６を保持する構造体であると言える。また、左端面１６ｃは、ハウジング３０（構造体）に非接触な部分と言える。
【0015】
軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃには、歪みゲージ２０が、外輪１６の周方向に所定間隔で複数設けられている。本実施形態では２つの歪みゲージ２０が設けられており、図１にはそのうちの１つが示されている。
図２は、歪みゲージ２０とその近傍の拡大図である。図１及び図２に示すように、歪みゲージ２０は外輪１６の左端面１６ｃに取付けられている。よって、軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃが紙面左方向に凸に変形すると、歪みゲージ２０も紙面左方向に凸に変形する。また、軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃが紙面右方向に凹に変形すると、歪みゲージ２０も紙面右方向に凹に変形する。本実施形態では、歪みゲージ２０は、外輪１６の左端面１６ｃに、接着剤により貼り付けられている。
図２は、歪みゲージ２０とその近傍の拡大図である。図１及び図２に示すように、歪みゲージ２０は外輪１６の左端面１６ｃに取付けられている。よって、軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃが紙面左方向に凸に変形すると、歪みゲージ２０も紙面左方向に凸に変形する。また、軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃが紙面右方向に凹に変形すると、歪みゲージ２０も紙面右方向に凹に変形する。本実施形態では、歪みゲージ２０は、外輪１６の左端面１６ｃに、接着剤により貼り付けられている。
【0016】
歪みゲージ２０は、ケース３２により覆われている。ケース３２は、圧入、接着、溶着等により、外輪１６の左端面１６ｃに取付けられている。ケース３２の断面は⊂形状を有しており、ケース３２の左側面には、穴３２ａが形成されている。
図１に示すように、軸受１０から離れた所に信号処理装置３３が設けられている。信号処理装置３３からはケーブル３４が延びている。ケーブル３４は、例えば、シールドケーブルである。図２に示すように、ケーブル３４は、ケース３２の穴３２ａを通って、ケース３２の中に延びている。ケース３２には、当該穴３２ａを塞ぐシール３５が設けられている。ケーブル３４はシール３５を貫通して延びている。
図１に示すように、軸受１０から離れた所に信号処理装置３３が設けられている。信号処理装置３３からはケーブル３４が延びている。ケーブル３４は、例えば、シールドケーブルである。図２に示すように、ケーブル３４は、ケース３２の穴３２ａを通って、ケース３２の中に延びている。ケース３２には、当該穴３２ａを塞ぐシール３５が設けられている。ケーブル３４はシール３５を貫通して延びている。
【0017】
ケース３２の中において、ケーブル３４の先端には回路基板３７が設けられている。回路基板３７は、ケース３２に固定されている。回路基板３７の右端には、スプリングコンタクト４０が設けられている。スプリングコンタクト４０の先端には接点部４１が設けられており、当該接点部４１が歪みゲージ２０の電極パッド２１に接している。回路基板３７には、アンプ３８（図５）やアナログデジタル変換器３９（図５）などのＩＣチップ（集積回路チップ）が実装されている。
【0018】
本実施形態で使用する歪みゲージ２０は、例えば、Ｃｒ、Ｃｒ－Ｎ、ＣｒＡｌＢ、ＣｒＡｌ、ＮｉＣｒ、ＣｒＭｎなどの金属薄膜により形成されている。どの材質の金属薄膜を採用するかは、例えば、要求されるゲージ率や温度安定性等に基づいて決める。ゲージ率は、歪みを抵抗変化に変換する率である。温度安定性は、例えば、高温でも正しい検出値を出せる能力のことである。
あるいは、歪みゲージ２０として、半導体歪みゲージを使用してもよい。半導体歪みゲージは、金属薄膜で構成した歪みゲージより、ゲージ率が高い。
あるいは、歪みゲージ２０として、半導体歪みゲージを使用してもよい。半導体歪みゲージは、金属薄膜で構成した歪みゲージより、ゲージ率が高い。
【0019】
図３は軸受１０と２つの歪みゲージ２０（２０Ａ、２０Ｂ）を、中心軸Ｊ１方向から見た図である。尚、図３では、歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂの配置を分かり易くするために、ケース３２等を省略してある。
図３に示すように、２つの歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂが、軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃに設けられている。本実施形態では、歪みゲージ２０Ａと２０Ｂの間隔は、転動体１８のピッチθの１／４である。各歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂは、外輪１６の左端面１６ｃに設けられて、当該左端面１６ｃの凸変形に伴い、図３の紙面垂直方向に凸に変形することができ、当該左端面１６ｃの凹変形に伴い、図３の紙面垂直方向に凹に変形することができる。図３において軸受１０の内輪１４と転動体１８は、矢印Ｃで示すように、反時計回りに回転するとする。以下の記載では、歪みゲージ２０Ａを第１歪みゲージと称し、歪みゲージ２０Ｂを第２歪みゲージと称する。
図３に示すように、２つの歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂが、軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃに設けられている。本実施形態では、歪みゲージ２０Ａと２０Ｂの間隔は、転動体１８のピッチθの１／４である。各歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂは、外輪１６の左端面１６ｃに設けられて、当該左端面１６ｃの凸変形に伴い、図３の紙面垂直方向に凸に変形することができ、当該左端面１６ｃの凹変形に伴い、図３の紙面垂直方向に凹に変形することができる。図３において軸受１０の内輪１４と転動体１８は、矢印Ｃで示すように、反時計回りに回転するとする。以下の記載では、歪みゲージ２０Ａを第１歪みゲージと称し、歪みゲージ２０Ｂを第２歪みゲージと称する。
【0020】
第１歪みゲージ２０Ａ及び第２歪みゲージ２０Ｂによる歪みの検出について、図１～図５を参照して説明する。以下の説明では、図３に示した３つの転動体１８のうちの中央に位置する転動体１８について説明をする。
図１及び図４に示すように、回転軸１２には左方向から回転中心軸Ｊ１方向に力Ｆが作用するとする。力Ｆの一部は、軸受１０に対して、図４に示すように、アキシャル荷重ＡＸとして作用する。
アキシャル荷重ＡＸが作用している状態で、図３に示すように、転動体１８が第１歪みゲージ２０Ａを通過すると、ハウジング３０に拘束されていない外輪左端面１６ｃが図４の左方向に凸に変形する。当該変形に伴い、第１歪みゲージ２０Ａも図４の左方向に凸に変形する。これを図３で説明すると、図３に示した第１歪みゲージ２０Ａが紙面垂直方向に凸に変形することになる。
図１及び図４に示すように、回転軸１２には左方向から回転中心軸Ｊ１方向に力Ｆが作用するとする。力Ｆの一部は、軸受１０に対して、図４に示すように、アキシャル荷重ＡＸとして作用する。
アキシャル荷重ＡＸが作用している状態で、図３に示すように、転動体１８が第１歪みゲージ２０Ａを通過すると、ハウジング３０に拘束されていない外輪左端面１６ｃが図４の左方向に凸に変形する。当該変形に伴い、第１歪みゲージ２０Ａも図４の左方向に凸に変形する。これを図３で説明すると、図３に示した第１歪みゲージ２０Ａが紙面垂直方向に凸に変形することになる。
【0021】
転動体１８が、さらにθ／４ピッチ反時計回りに進んで、第２歪みゲージ２０Ｂの位置に至ると、第２歪みゲージ２０Ｂが位置する外輪左端面１６ｃと、第２歪みゲージ２０Ｂとが図３において紙面垂直方向に凸に変形する。この時、歪みゲージ２０Ａが位置する外輪左端面１６ｃと第１歪みゲージ２０Ａは、凸変形から元の状態に戻る。
転動体１８が、さらにθ／４ピッチ反時計回りに進むと、第２歪みゲージ２０Ｂが位置する外輪左端面１６ｃと第２歪みゲージ２０Ｂは、凸変形から元の状態に戻り、第１歪みゲージ２０Ａが位置する外輪左端面１６ｃと第１歪みゲージ２０Ａは、紙面垂直方向に凹に変形する。このように、外輪左端面１６ｃの表面変形は、θ／４毎に凸、平ら、凹、平らを繰り返し、第１歪みゲージ２０Ａ及び第２歪みゲージ２０Ｂの各々も、同様な変形を繰り返す。
転動体１８が、さらにθ／４ピッチ反時計回りに進むと、第２歪みゲージ２０Ｂが位置する外輪左端面１６ｃと第２歪みゲージ２０Ｂは、凸変形から元の状態に戻り、第１歪みゲージ２０Ａが位置する外輪左端面１６ｃと第１歪みゲージ２０Ａは、紙面垂直方向に凹に変形する。このように、外輪左端面１６ｃの表面変形は、θ／４毎に凸、平ら、凹、平らを繰り返し、第１歪みゲージ２０Ａ及び第２歪みゲージ２０Ｂの各々も、同様な変形を繰り返す。
【0022】
図２に示すように、第１歪みゲージ２０Ａ及び第２歪みゲージ２０Ｂの各々の変形は、スプリングコンタクト４０を介して電気信号として回路基板３７に伝達され、回路基板３７からケーブル３４を介して信号処理装置３３に伝達される。
【0023】
図５は、各歪みゲージ２０（２０Ａ、２０Ｂ）からケーブル３４までの信号の流れの概要を示している。歪みゲージ２０の出力は電圧信号である。
【0024】
図６は、各歪みゲージ２０の出力信号（歪み信号）から得られるリサージュ信号（リサージュ曲線Ｒ）を示している。リサージュ曲線Ｒは、ケーブル３４を介して信号処理装置３３に供給された信号に基づいて、信号処理装置３３により生成される。図６のグラフの横軸は軸受１０の周方向の回転角度（回転軸１２の回転角度）を示しており、縦軸は歪みを示している。リサージュ曲線Ｒを用いれば、歪みが分かると、軸受１０の回転角度が分かる。本実施形態では、軸受１０の回転角度は、内輪１４の回転角度であり、且つ、回転軸１２の回転角度である。このように取得した回転角度に基づいて、信号処理装置３３は、回転軸１２の回転速度を計算することもできる。また、リサージュ曲線Ｒにより、回転軸１２の回転方向を特定することもできる。信号処理装置３３は、歪みゲージの出力信号を所定のアルゴリズムにより処理する装置である。
【0025】
図７は、信号処理装置３３の構成を示す図である。信号処理装置３３は、入力部４４、制御部４５、記憶部４６、表示部４７及び受信部４８を有する。信号処理装置３３は、例えば、パーソナルコンピュータまたはタブレット端末である。
入力部４４は、ボタン、スイッチ、タッチパネル等からなり、ユーザは入力部４４を介して各種入力等を行う。ユーザは、信号処理装置３３を操作する際に、入力部４４を使用する。入力部４４は、操作部と称することもできる。
入力部４４は、ボタン、スイッチ、タッチパネル等からなり、ユーザは入力部４４を介して各種入力等を行う。ユーザは、信号処理装置３３を操作する際に、入力部４４を使用する。入力部４４は、操作部と称することもできる。
【0026】
制御部４５は、１つまたは複数のＣＰＵやＭＰＵにより構成され、信号処理装置３３の各部４４及び４６～４８の動作を制御する。制御部４５は、記憶部４６に記憶される制御プログラムを実行することにより信号処理装置３３を制御する。
記憶部４６は、ＨＤＤ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＩＣメモリカード等により構成され、制御部４５が実行する制御プログラムや軸受１０の回転角度を計算するためのアルゴリズム等の各種情報を記憶する。リサージュ曲線Ｒの生成や、軸受１０の回転角度の計算は、記憶部４６に記憶された制御プログラムを制御部４５が実行することにより行われる。尚、本実施形態では、軸受１０の回転角度を計算した後に、当該角度に基づいて、軸受１０の回転速度（回転軸１２の回転速度）を計算することもできる。
記憶部４６は、ＨＤＤ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＩＣメモリカード等により構成され、制御部４５が実行する制御プログラムや軸受１０の回転角度を計算するためのアルゴリズム等の各種情報を記憶する。リサージュ曲線Ｒの生成や、軸受１０の回転角度の計算は、記憶部４６に記憶された制御プログラムを制御部４５が実行することにより行われる。尚、本実施形態では、軸受１０の回転角度を計算した後に、当該角度に基づいて、軸受１０の回転速度（回転軸１２の回転速度）を計算することもできる。
【0027】
表示部４７は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）などからなり、各種データ、数値、文字および画像等の表示を行う。リサージュ曲線Ｒや軸受１０の回転角度も表示部４７に表示される。
受信部４８は、ケーブル３４を介して、歪みゲージ２０の出力信号を受け取る。
受信部４８は、ケーブル３４を介して、歪みゲージ２０の出力信号を受け取る。
【0028】
＜実施形態１の効果＞
上記したように、本実施形態によれば、歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂの出力信号に基づいて、軸受１０の回転角度（回転軸１２の回転角度）を取得することができる。つまり、軸受１０の回転角度は、回転角度センサを用いずに取得することができる。また、図５のリサージ曲線Ｒに基づいて、回転軸１２の回転方向を特定することもできるし、回転軸１２の回転速度を算出することもできる。
上記したように、本実施形態によれば、歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂの出力信号に基づいて、軸受１０の回転角度（回転軸１２の回転角度）を取得することができる。つまり、軸受１０の回転角度は、回転角度センサを用いずに取得することができる。また、図５のリサージ曲線Ｒに基づいて、回転軸１２の回転方向を特定することもできるし、回転軸１２の回転速度を算出することもできる。
【0029】
尚、上記した実施形態では、２つの歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂを転動体ピッチθの１／４の間隔で設けたが、本実施形態はこのような構成に限定されない。２つの歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂを転動体ピッチθの１／ｎの間隔で設けてよい（ｎは３または５以上の整数）。例えば、転動体の１ピッチθの中で、３つの歪みゲージをθ／３間隔で設けてもよい。
また、転動体の１ピッチθの中で、４つの歪みゲージをθ／４間隔で設けてもよい。４つの歪みゲージ２０を設ける場合を、実施形態２として後述する。
さらに、図８に示すように、２つの歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂを転動体の１ピッチθの中でθ／４間隔で設けると共に、別の１ピッチθの中で、２つの歪みゲージ２０Ａａ及び２０Ｂｂをθ／４間隔で設けてもよい。このようにすると、歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂが故障した際に、もう一対の歪みゲージ２０Ａａ及び２０Ｂｂから得られる信号を用いて、軸受１０の回転角度を検出することができる。
また、転動体の１ピッチθの中で、４つの歪みゲージをθ／４間隔で設けてもよい。４つの歪みゲージ２０を設ける場合を、実施形態２として後述する。
さらに、図８に示すように、２つの歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂを転動体の１ピッチθの中でθ／４間隔で設けると共に、別の１ピッチθの中で、２つの歪みゲージ２０Ａａ及び２０Ｂｂをθ／４間隔で設けてもよい。このようにすると、歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂが故障した際に、もう一対の歪みゲージ２０Ａａ及び２０Ｂｂから得られる信号を用いて、軸受１０の回転角度を検出することができる。
【0030】
上記した実施形態では、歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂを軸受１０の外輪１６の左端面１６ｃに取付けたが、内輪１４の左端面１４ａが図１の左方向に自由に変形できる場合（例えば、段部１２ｃの高さが小さい場合）には、歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂを内輪１４の左端面１４ａに取付けてもよい。この場合、歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂは回転軸１２と共に回転するので、歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂの検出値（出力信号）は、無線で信号処理装置３３に送信される。
【0031】
上記した実施形態では、歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂを外輪左端面１６ｃに貼り付けたが、本実施形態はこのような構成に限定されない。例えば、歪みゲージ２０Ａ、２０Ｂを外輪左端面１６ｃにエッチングやレーザ加工等により直接形成してもよい。
軸受１０はボールベアリングではなく、円錐ころ軸受でもよい。また、回路基板３８から信号処理装置３３へ信号を伝達するために、ケーブル３４により回路基板３８を信号処理装置３３に接続したが、回路基板３８と信号処理装置３３を無線で接続してもよい。
軸受１０はボールベアリングではなく、円錐ころ軸受でもよい。また、回路基板３８から信号処理装置３３へ信号を伝達するために、ケーブル３４により回路基板３８を信号処理装置３３に接続したが、回路基板３８と信号処理装置３３を無線で接続してもよい。
【0032】
＜実施形態２＞
転動体の１ピッチθの中で、４つの歪みゲージをθ／４間隔で設ける場合を、実施形態２として説明する。実施形態１と同様な構成には同じ参照符号を付け、詳細な説明は省略する。
図９は実施形態２による軸受１０と歪みゲージ２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ）を示す図である。実施形態１との相違点は、第２歪みゲージ２０Ｂの左横に第３歪みゲージ２０Ｃを設け、第３歪みゲージ２０Ｃの左横に第４歪みゲージ２０Ｄを設けたことである。第２歪みゲージ２０Ｂと第３歪みゲージ２０Ｃの間隔はθ／４であり、第３歪みゲージ２０Ｃと第４歪みゲージ２０Ｄの間隔もθ／４である。第３歪みゲージ２０Ｃ及び第４歪みゲージ２０Ｄは、軸１２の外輪１６の左端面１６ｃに設けられている。
転動体の１ピッチθの中で、４つの歪みゲージをθ／４間隔で設ける場合を、実施形態２として説明する。実施形態１と同様な構成には同じ参照符号を付け、詳細な説明は省略する。
図９は実施形態２による軸受１０と歪みゲージ２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ）を示す図である。実施形態１との相違点は、第２歪みゲージ２０Ｂの左横に第３歪みゲージ２０Ｃを設け、第３歪みゲージ２０Ｃの左横に第４歪みゲージ２０Ｄを設けたことである。第２歪みゲージ２０Ｂと第３歪みゲージ２０Ｃの間隔はθ／４であり、第３歪みゲージ２０Ｃと第４歪みゲージ２０Ｄの間隔もθ／４である。第３歪みゲージ２０Ｃ及び第４歪みゲージ２０Ｄは、軸１２の外輪１６の左端面１６ｃに設けられている。
【0033】
実施形態２では、信号処理装置３３は、４つの歪みゲージ２０Ａ～２０Ｄから得られる４つの出力信号から図１０のようなリサージュ曲線Ｒ１を生成する。具体的には、信号処理装置３３は、第１歪みゲージ２０Ａと第３歪みゲージ２０Ｃのリサージュ信号（Ａと／Ａ）の差動信号を用いると共に、第２歪みゲージ２０Ｂと第４歪みゲージ２０Ｄのリサージュ信号（Ｂと／Ｂ）の差動信号を用いる。第１歪みゲージ２０Ａと第３歪みゲージ２０Ｃのリサージュ信号（Ａと／Ａ）の差動信号はＡ－（／Ａ）であり、第２歪みゲージ２０Ｂと第４歪みゲージ２０Ｄのリサージュ信号（Ｂと／Ｂ）の差動信号はＢ－（／Ｂ）であるので、図６のリサージュ曲線Ｒと比較して、図１０のリサージュ曲線Ｒ１の振幅は２倍になる。
【0034】
実施形態２によれば、位相が１８０度ずれている２つの信号（例えば、Ａと／Ａ）の差動信号を用いることにより、各信号に含まれるノイズ（例えば、外部からの電磁波）を引算することになるので、ノイズをキャンセルすることができる。また、曲線の振幅が２倍になるので、信号感度が２倍になり、その結果として、ＳＮ比を上げることができる。
【符号の説明】
【0035】
１０…軸受、１２…回転軸、１４…内輪、１６…外輪、１８…転動体、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ…歪みゲージ、３０…ハウジング、３３…信号処理装置、Ｊ１…回転中心軸
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】