JP4962417B2 - 給油監視装置及び方法、並びに転がり軸受装置 - Google Patents

給油監視装置及び方法、並びに転がり軸受装置 Download PDF

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Description

本発明は、給油監視装置及び方法、並びに転がり軸受装置に関する。
回転軸等を支持する転がり軸受は、焼き付きを防止するために適宜方法で潤滑される。例えば、転がり軸受の内外輪の間にグリースや固体潤滑剤を封入して潤滑する封入方式や、転がり軸受を潤滑油内に浸して使用する油浴方式等が知られている。しかし、これらの方法では多量の潤滑剤が必要となり、無駄が多くなる。
これに対して、ポンプによって潤滑油を給油箇所に噴射したり、オイルエアー方式によりオイルを少量ずつ供給したり方法も知られている。これらの方法は、必要に応じてオイルを供給することができるという利点があり、潤滑油の無駄も少ない。また、更に近年では、転がり軸受に対して、数nl/min〜数百nl/minで潤滑油の油滴を供給する、所謂「ナノ潤滑」も行われている。
下記特許文献1には、転がり軸受の内輪と外輪との間に、マイクロポンプによって潤滑油を供給する転がり軸受が開示されており、このマイクロポンプは、圧電素子によって脈動するダイアフラムによりタンク内の潤滑油を吸引しつつ、吐出ノズルから潤滑油を極微量の油滴として所定時間毎に吐出する。
特開2007−92886号公報
所謂「ナノ潤滑」では、供給する潤滑油の量が絶対的に少ないため、所定時間毎の給油が継続的に行われなければ潤滑不足を生じやすくなる。したがって、油滴の給油状態を監視し、適切に給油されているか否かを正確に判断することが非常に重要である。
本発明は、所定時間毎に油滴を供給する給油装置の給油状態を監視し、適切に給油されているか否かを正確に判別することが可能な給油監視装置及び方法、並びにこのような給油装置及び給油監視装置を具備した転がり軸受装置を提供することを目的とする。
本発明の給油監視装置は、吐出ノズルから所定時間毎に油滴を供給する給油装置の給油状態を監視する給油監視装置であって、
前記吐出ノズルの側方であって吐出口の近傍に所定の間隔をおいて配置された電極と、
前記吐出口周りの油滴の成長に伴う前記吐出ノズルと前記電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量検出部と、
前記静電容量検出部の検出結果に基づいて所定時間毎に油滴が供給されているか否かを判別する判別部と、を備え、
前記吐出口の周囲には、当該吐出口から吐出されようとする油滴が反電極側へ膨出するのを抑制するべく、当該油滴を挟んで前記電極に対向する油滴受け部が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の給油監視方法は、吐出ノズルから所定時間毎に油滴を供給する給油装置の給油状態を監視する給油監視方法であって、
前記吐出ノズルの側方であって吐出口の近傍に所定の間隔をおいて電極を配置し、
前記吐出ノズルの吐出口の周囲において、当該吐出口から吐出されようとする油滴を挟んで前記電極に対向する油滴受け部によって当該油滴が反電極側へ膨出するのを抑制し、
当該油滴の成長に伴う前記吐出ノズルと前記電極との間の静電容量の変化を検出し、
この検出結果に基づいて所定時間毎に油滴が供給されているか否かを判別することを特徴とする。
さらに、本発明の転がり軸受装置は、第1軌道輪と、第2軌道輪と、前記第1,第2軌道輪の間に配置される転動体とを有する転がり軸受と、
前記第1,第2軌道輪の間に、吐出ノズルから所定時間毎に油滴を供給する給油装置と、
前記吐出ノズルの側方であって吐出口の近傍に所定の間隔をおいて配置された電極と、
前記吐出口周りの油滴の成長に伴う前記吐出ノズルと前記電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量検出部と、
前記静電容量検出部の検出結果に基づいて所定時間毎に油滴が供給されているか否かを判別する判別部とを備え、
前記吐出口の周囲には、当該吐出口から吐出されようとする油滴が反電極側へ膨出するのを抑制するべく、当該油滴を挟んで前記電極に対向する油滴受け部が設けられていることを特徴とする。
吐出ノズルの吐出口から所定時間毎に油滴を給油するタイプの給油装置では、油の表面張力によって吐出口の周りで次第に油滴が成長し、当該油滴が所定の大きさになったときに自重等により落下する、というサイクルが所定時間毎に繰り返し行われる。そして、吐出ノズルと、この吐出ノズルに対して所定間隔をあけて配置された電極との間の静電容量は、吐出口周りの油滴の成長に伴って変化が生じる。本発明では、このような吐出ノズルと電極との間の静電容量の変化を検出し、その変化から所定時間毎に吐出ノズルから油滴が適切に給油されたか否かを判別することができる。
また、本発明では、吐出口の周囲には、当該吐出口から吐出されようとする油滴を挟んで前記電極に対向する油滴受け部が設けられ、この油滴受け部によって油滴が反電極側へ膨出するのを抑制しているので、吐出口から吐出されようとする油滴を積極的に電極側へ成長させ、当該油滴の成長に伴う静電容量の変化を大きくすることが可能となる。したがって、静電容量検出部による検出感度を高めることができる。
本発明によれば、吐出ノズルと電極との間の静電容量の変化を検出することによって、油滴が所定時間毎に適切に給油されているか否かを正確に判別することができる。
図1は、本発明の実施の形態に係る給油監視装置10の概略図である。この給油監視装置10は、吐出ノズル13から油滴Dを吐出する給油装置11の給油状態を監視するものである。まずこの給油装置11について説明する。給油装置11は、潤滑油等の油を貯留するタンク12と、このタンク12内の油を吸引して吐出ノズル13から吐出するマイクロポンプ14と、タンク12とマイクロポンプ14とを接続する導管15とを備えている。マイクロポンプ14としては、例えば、従来公知のダイアフラム式ポンプが用いられており、このダイアフラム式ポンプは、圧電素子を利用してダイアフラムを脈動させることによりタンク12から油を吸引するとともに吐出ノズル13から油を吐出するように構成されている。また、マイクロポンプ14は、例えば数nl/min〜数百nl/min(ナノリットル毎分)の油を被給油箇所に供給する所謂「ナノ潤滑」を実現するために、圧電素子を数秒間隔で駆動することによってタンク12から極微量ずつ油を吸引し、吐出ノズル13から数秒〜数分間隔で油滴Dを吐出するように構成されている。
マイクロポンプ14の吐出ノズル13は、例えば外径が約0.8mm、内径が約0.5mmに設定されている。図示例では、吐出ノズル13はL字状に屈曲しており、吐出ノズル13の先端側は上下方向に指向し、吐出口16が下向きに開口している。また、吐出ノズル13の先端部は斜めにカットされ、これによって吐出口16の開口方向が後述する電極19a側に向けられている。
次に、マイクロポンプ14を作動させたときの、吐出ノズル13からの油の吐出状態について説明する。図2は、吐出ノズル13からの油の吐出状態の変化を示す説明図であり、図2(a)〜(d)の過程を経て吐出ノズル13から油滴Dが吐出されるようになっている。図2(a)は、吐出ノズル13から油滴Dが吐出された直後の状態を示しており、吐出ノズル13の吐出口16からは次に吐出される油が僅かに突出した状態となっている。次いで図2(b)に示すように、油滴Dは、表面張力によって吐出口16から膨れあがるような球形となり、次第に大きくなっていく。図2(c)は、油滴Dが最大にまで成長した状態を示す。図2(d)は、最大にまで成長した油滴Dが自重により吐出ノズル13に沿って下方へ滑った状態を示している。この状態の直後に油滴Dが吐出ノズル13から落下する。給油装置11は、図2の(a)〜(d)の過程を所定の周期で繰り返し、所定時間毎に一滴ずつ被供給箇所に油を給油する。なお、本実施形態のように内径0.5mmの吐出ノズル13を用いた場合、周囲の風圧や振動等の条件にもよるが約2mmの直径にまで油滴Dは成長する。
次に、給油監視装置10について説明する。図1に示すように、給油監視装置10は、静電容量式センサ18を備えている。静電容量式センサ18は、センサヘッド19と、測定部20とを備え、センサヘッド19の先端には電極19aが設けられている。そして静電容量式センサ18は、センサヘッド19の電極19aと被測定物との間の静電容量を測定部20により検出するものとされている。本実施形態では、給油装置11の吐出ノズル13(特に先端の突出部13a)を被測定物とし、この吐出ノズル13とセンサヘッド19との間の静電容量を検出する。
センサヘッド19の電極19aは、吐出ノズル13から一定の間隔dをあけて配置されている。具体的に、本実施の形態では、電極19aが吐出ノズル13の側方であって吐出口16の近傍に配置され、電極19aと、この電極19aから最も近い吐出ノズル13の外側面との間隔dが、約1.0〜1.6mmに設定されている。この間隔dは、油滴Dが最大にまで成長したときに、当該油滴Dがセンサヘッド19に触れないような間隔であり、尚かつ、静電容量式センサ18の検出感度を十分に維持できる間隔として設定される。また、吐出ノズル13は導体(SUS等の金属)とされ、静電容量式センサ18のGNDラインと共通電位(接地電位)に接続されている。
測定部20は、電圧印加部21、静電容量検出部22、制御部23等を備えている。センサヘッド19には、電圧印加部21によって交流電圧が印加され、センサヘッド19と吐出ノズル13との間の静電容量が静電容量検出部22により検出される。そして、静電容量検出部22の検出結果は制御部23に入力され、制御部23は、その検出結果に基づいて報知部24等を制御する。報知部24は、静電容量検出部22により異常が検出された場合に、音響や光等によってオペレータに異常を報知する。
静電容量検出部22は、電圧印加部21の出力電圧や、センサヘッド19へ流れる電流を測定することによって間接的に静電容量を検出するものとなっている。センサヘッド19と吐出ノズル13との間の静電容量が減少すると、両者間のインピーダンスが大きくなり、センサヘッド19に流れる電流が減少する。したがって、例えばセンサヘッド19へ流れる電流が一定となるように電圧印加部21の出力電圧が制御部23によって制御されている場合には、この出力電圧を測定することによってセンサヘッド19と吐出ノズル13との間の静電容量を間接的に検出することができる。また、電圧印加部21において定電圧を印加している場合には、センサヘッド19に流れる電流を測定することによって静電容量を間接的に検出することができる。
センサヘッド19と吐出ノズル13との間隔は一定であるので、吐出ノズル13から油滴Dが吐出されなければ両者間の静電容量には変化はない。しかしながら、図2に示したように、給油装置11が給油を行う過程で、油滴Dは吐出ノズル13に付着した状態で次第に成長していくため、その間はセンサヘッド19と吐出ノズル13との間には油が介在することになり、センサヘッド19と吐出ノズル13との間の誘電率に変化が生じる。そのため、吐出ノズル13における油滴Dの成長に伴ってセンサヘッド19と吐出ノズル13との間の静電容量が変化する。
図3は、時間の経過に伴う静電容量検出部22の出力値(センサ出力)の変化を示すグラフである。なお、このグラフでは、静電容量検出部22の出力値が電圧印加部21の出力電圧(V)とされており、この出力電圧は概ね静電容量に反比例することから、センサ出力が大きくなるほどセンサヘッド19と吐出ノズル13との間の静電容量は小さくなり、センサ出力が小さくなるほど当該静電容量は大きくなる。
図3には、図2に示した油滴Dの成長度合いに対応するように、(a)〜(d)の符号を付してある。図2(a)に示すように、吐出ノズル13から油滴が吐出された直後であって、次の油滴Dがほとんど成長していない状態では、図3に符号(a)を付して示すようにセンサ出力が最も高くなる。すなわち、センサヘッド19と吐出ノズル13との間に介在する油は少なく、両者間の静電容量が最も小さくなる。
図2(b)に示すように、吐出ノズル13の吐出口周りで油滴Dが次第に成長していくと、図3に符号(b)を付して示すように、センサ出力は徐々に小さくなる。すなわちセンサヘッド19と吐出ノズル13との間の静電容量が徐々に大きくなる。そして、図2(c)に示すように、油滴Dが最大にまで成長すると、図3に符号(c)を付して示すように、センサ出力が最も小さく(静電容量が最も大きく)なる。その後、図2(d)に示すように、油滴Dが自重により下方に滑ると、センサヘッド19と吐出ノズル13との間に介在する油滴Dの量が少なくなるため、図3に符号(d)を付して示すように、センサ出力は急激に高くなり(静電容量が急激に小さくなり)、その直後に油滴Dが落下すると、センサ出力は最大値に戻る。
したがって、吐出ノズル13において油滴Dが次第に成長し、吐出されるまでの間に、センサ出力は周期的に変動する(図3の周期T参照)。そして、油滴Dが最大にまで成長してから落下するまでの間(図3の符号(c)〜(a)間)で、センサ出力は急激に変化するため、この変化を捉えることによって、吐出ノズル13から油滴Dが吐出されたことを検出することが可能となる。
図2に示すように、吐出ノズル13の先端部は、吐出口16が電極19a側に向くように斜めにカットされており、このカットされた部分の基端位置aよりもノズル先端側へ突出する部分13aが、油滴Dを挟んで電極19aに対向して配置されている。言い換えると、電極19aから遠い側の吐出ノズル13の周壁部がノズル先端側へ突出し、電極19aに対向している。静電容量式センサ18は、この突出部13aと電極19aとの間の静電容量を検出する。
一方、吐出口16から吐出されようとする油滴は、図2(b)(c)に示すように、突出部13aの存在によって反電極側(右側)には膨出せず、電極19a側へ膨出・成長する。これにより以下のような利点がある。
図5は、吐出ノズル13の先端部を斜めにカットした場合(a)と、吐出ノズル13’の先端部をカットしない比較例の場合(b)とを比較して示す説明図である。図5(a)は、図3(c)と同じものを示している。図5(b)は、先端をカットしていない吐出ノズル13’において、(a)と同程度にまで油滴が成長した場合(油滴が落下する直前の状態)を示している。また、図5(b)の吐出ノズル13’は、電極19aに最も近い周壁部が電極19aに対向し、当該部分と電極19aとの間の静電容量を検出するようになっている。
図5(b)に示す比較例において、油滴D’は、ほとんど成長していない状態(2点鎖線で示す)から最も成長するまでの間で、「β」で示す寸法だけ電極19a側へ膨出する。
これに対して、図5(a)に示す本実施形態では、油滴Dは、ほとんど成長していない状態(2点鎖線で示す)から最も成長するまでの間で、上記「β」よりも大きい「α」で示す量だけ電極19a側へ膨出する。また、電極19aから最も近い吐出ノズル13の周壁部を基準に比較しても、油滴Dは上記「β」よりも大きい「α’」で示す量だけ電極19a側へ膨出する。すなわち、本実施形態の場合、反電極側への油滴Dの膨出が突出部13aによって抑制されているので、電極19a側だけでなく反電極側へも油滴D’が膨出する比較例と比べて、電極19a側へ油滴Dの膨出量が大きくなる。そのため、静電容量式センサ18によって検出される静電容量変化が大きくなり、これによって静電容量式センサ18の検出感度を向上することが可能となっている。ここで、吐出ノズル13の突出部13aは、吐出口16から吐出されようとする油滴Dを受けて反電極側へ膨出するのを抑制する油滴受け部を構成している。
測定部20の制御部23は、図3に示すような周期Tでセンサ出力が変動している場合には、給油装置11が正常に作動していると判別する。そして、マイクロポンプ14が駆動されているにもかかわらず、センサ出力が所定の周期で変動していない場合、例えば、図3の符号(c)〜(a)間のような急激な変化が現れない場合や、この変化が所定よりも遅く又は早く現れた場合には、油滴Dが適切に吐出されていないと判別する。すなわち、制御部23は、給油が適切に行われているか否かを静電容量の変化に基づいて判別する判別部としての機能を有している。そして、給油が適切に行われていないと判別した場合には、制御部23は、例えば、報知部24を制御することによって所定の報知信号を発し、オペレータに給油異常を報知する。
したがって、オペレータは、給油異常が発生したかを迅速に把握することができ、被給油箇所の駆動を停止する等の処置を行うことによって、給油不足に起因する不具合の発生を未然に防止することができる。また、制御部23は、給油が適切に行われていないと判別した場合に、被給油箇所の作動を停止する制御や適切な給油量となるようにマイクロポンプ14を駆動する制御を行うこともできる。
本実施の形態では、吐出ノズル13から吐出されようとする油滴D(吐出ノズル13から滴下する前の油滴D)に関する静電容量の変化を検出しているため、吐出後の油滴Dの挙動や形状の影響を受けることはない。そのため、吐出後の油滴Dの状態を検出する場合に比べてより正確に給油状態を監視することができる。
上述の給油装置11や給油監視装置10は、転がり軸受の潤滑のために用いることができる。図4は、給油装置11及び給油監視装置10を具備した転がり軸受装置を示す概略図であり、給油装置11の吐出ノズル13は、転がり軸受30の外輪(第1軌道輪)31と内輪(第2軌道輪)32との間に形成される空間に配置されている。さらに詳しくは、吐出ノズル13の先端部は、転がり軸受30の内輪32の径方向外方で且つ保持器35の径方向内方であって、内輪32と保持器35とが径方向に重なる空間に配置されている。また、吐出ノズル13は、内輪32及び保持器35に対して非接触の状態で配置されている。そして、吐出ノズル13の近傍には所定の間隔をおいて給油監視装置10のセンサヘッド19が配置されている。センサヘッド19は、吐出ノズル13に対して相対移動しない位置に固定されている。具体的に、センサヘッド19は、絶縁体からなる支持部材39によって吐出ノズル13に固定されている。センサヘッド19の電極19aは吐出ノズル13に対して絶縁されている。センサヘッド19及び支持部材39は、内輪32及び保持器35に対して非接触の状態で配置されている。
以上の構成により、吐出ノズル13から吐出される油滴Dによって内輪32及び外輪31の軌道面や、その間に配置される玉(転動体)33の転動面を潤滑することができ、その潤滑状態を給油監視装置10によって監視することができる。なお、吐出ノズル13の先端部の向きは、図1に示したように上下方向としてもよいが、転がり軸受30の配置に応じて、図4に示すような水平方向や他の方向とすることができる。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく適宜設計変更可能である。
例えば、図6(a)に示すように、吐出ノズル13の先端部を斜めにカットせず、吐出ノズル13の吐出口16から更にノズル先端側へ突出する突出部(油滴受け部)13aを形成してもよい。また、図6(b)に示すように、吐出ノズル13とは別体の導体からなる突出部(油滴受け部)13aを吐出ノズル13の先端部に設けても良い。また、吐出ノズル13は、突出部13aの部分のみを導体で形成して接地電位に接続し、他の部分を絶縁体により形成しても良い。
上記実施形態において、静電容量式センサ18は、電極19aと吐出ノズル13の突出部13aとの間の静電容量を検出するように構成されているが、電極19aと、吐出ノズル13の最も電極19aに近い周壁部との間の静電容量を検出するように構成してもよい。この場合であっても、図5に示したように、油滴Dの膨出量α’は比較例における油滴D’の膨出量βよりも大きくなるため、静電容量変化を増大させることができる。
本発明の転がり軸受装置は、図4に示すような玉軸受に限らず、ころ軸受にも適用することができる。また、給油監視装置10は、転がり軸受装置に限らず、給油を必要とするあらゆる装置、特に、「ナノ潤滑」を行う装置に対して好適に利用することができる。センサヘッド19は、吐出ノズル13に対して相対移動せず、絶縁された状態であれば、固定箇所は問われない。したがって、例えば、マイクロポンプ14やタンク12、これらが固定される軌道部材や間座にセンサヘッド19を固定してもよい。
また、上記実施の形態で数値として例示したノズルの内外径寸法や、ノズルとセンサヘッド19との間隔等は、給油条件や被給油箇所の状態などによって適宜変更できるものである。例えば、高速回転する転がり軸受では、回転輪の回転に伴って風圧が生じるため、油滴Dは成長段階の途中で風圧によって吐出口16から吹き飛ばされる。したがって、この場合は、油滴Dがセンサヘッド19に付着しない程度に吐出ノズル13に対するセンサヘッド19の間隔をより小さくし、油滴Dの成長に伴う吐出ノズル13とセンサヘッド19との間の静電容量の変化を確実に検出できるようにする。なお、油滴Dがセンサヘッド19に付着したとしても回転輪の回転に伴う風圧により油滴Dを吐出ノズル13から吹き飛ばすことができるため、実用上は差し支えない。
本発明の実施の形態に係る給油監視装置の概略図である。 吐出ノズルからの油の吐出状態の変化を示す説明図である。 時間の経過に伴う静電容量検出部の出力値(センサ出力)の変化を示すグラフである。 (a)は給油装置及び給油監視装置を具備した転がり軸受装置を示す断面図、(b)は(a)のA−A矢視図である。 吐出ノズルからの油の吐出状態について、本発明と比較例とを比較して示す説明図である。 本発明の変形例を示す説明図である。
符号の説明
10 給油監視装置
11 給油装置
13 吐出ノズル
13a 突出部(油滴受け部)
16 吐出口
18 静電容量式センサ
19 センサヘッド
30 転がり軸受
31 外輪(第1軌道輪)
32 内輪(第2軌道輪)
33 転動体

Claims (3)

  1. 吐出ノズルから所定時間毎に油滴を供給する給油装置の給油状態を監視する給油監視装置であって、
    前記吐出ノズルの側方であって吐出口の近傍に所定の間隔をおいて配置された電極と、
    前記吐出口周りの油滴の成長に伴う前記吐出ノズルと前記電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量検出部と、
    前記静電容量検出部の検出結果に基づいて所定時間毎に油滴が供給されているか否かを判別する判別部と、を備え、
    前記吐出口の周囲には、当該吐出口から吐出されようとする油滴が反電極側へ膨出するのを抑制するべく、当該油滴を挟んで前記電極に対向する油滴受け部が設けられていることを特徴とする給油監視装置。
  2. 吐出ノズルから所定時間毎に油滴を供給する給油装置の給油状態を監視する給油監視方法であって、
    前記吐出ノズルの側方であって吐出口の近傍に所定の間隔をおいて電極を配置し、
    前記吐出ノズルの吐出口の周囲において、当該吐出口から吐出されようとする油滴を挟んで前記電極に対向する油滴受け部によって、当該油滴が反電極側へ膨出するのを抑制し、
    当該油滴の成長に伴う前記吐出ノズルと前記電極との間の静電容量の変化を検出し、
    この検出結果に基づいて所定時間毎に油滴が供給されているか否かを判別することを特徴とする給油監視方法。
  3. 第1軌道輪と、第2軌道輪と、前記第1,第2軌道輪の間に配置される転動体とを有する転がり軸受と、
    前記第1,第2軌道輪の間に、吐出ノズルから所定時間毎に油滴を供給する給油装置と、
    前記吐出ノズルの側方であって吐出口の近傍に所定の間隔をおいて配置された電極と、
    前記吐出口周りの油滴の成長に伴う前記吐出ノズルと前記電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量検出部と、
    前記静電容量検出部の検出結果に基づいて所定時間毎に油滴が供給されているか否かを判別する判別部とを備え、
    前記吐出口の周囲には、当該吐出口から吐出されようとする油滴が反電極側へ膨出するのを抑制するべく、当該油滴を挟んで前記電極に対向する油滴受け部が設けられていることを特徴とする転がり軸受装置。
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