JP5842965B2 - 荷重センサ付き軸受装置を具備した工作機械の主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷重センサ付き軸受装置及び工作機械の主軸装置に関し、より詳細には、工作機械の主軸等の回転軸に作用するアキシャル荷重を測定可能な荷重センサ付き軸受装置及び工作機械の主軸装置に関する。

回転軸に作用するアキシャル荷重、例えば、工作機械の主軸に作用するアキシャル荷重を測定することは、大きなメリットを有する。即ち、工作機械の主軸に働くアキシャル荷重は、加工精度、加工効率、工具寿命等に与える影響が大きい重要なパラメータである。従って、アキシャル荷重を知ることにより適正な加工条件の選定が可能となる。例えば、加工条件は、一般的に工具の回転数や、送り速度によって決められているが、摩擦や、加工によって発生する熱等の制御し難い要因の影響も受けるので、回転数や送り速度を一定に設定しても、常に同じ加工精度が得られることはない。加工面の変化に対応する切削荷重（即ち、主軸のアキシャル荷重）を新たなパラメータとして考慮することで、より厳密な加工条件の選定が可能となり、加工精度の向上が期待される。

具体的には、切り屑排出量が同じであれば、切削荷重の小さい加工条件の方が効率的な加工条件であり、省エネルギ、工具寿命の延長に有利となる。また、切削荷重の増加から、工具の切削性（切れ味）の低下や、刃先摩耗等の発生を推測することができ、工具寿命や、工具交換時期を知ることが可能となる。更に、切削荷重の変化の履歴を管理することによって、無理な切削加工条件や工具とワークとの衝突（衝撃荷重）等の軸受損傷要因を推定することができ、また把握した工具の寿命特性から工具の改良、改善が可能となる。

上記したように、工作機械において切削荷重を知ることは重要である。しかし、工具が回転するタイプの工作機械（工具回転型工作機械）において、工具や回転軸に作用する荷重を検出することは、工具が回転しないタイプの工作機械（工具非回転型工作機械）と比較して困難が伴う。

工作機械の主軸にかかる荷重を検出することができる従来の装置としては、主軸先端部に軸受型センサを配置した工作機械主軸の荷重検出装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の軸受型センサは、ハウジングと主軸間に転がり軸受を配置し、外輪外周に貼付した歪みゲージによって、軸受の転動体が歪みゲージの位置を通過する度に発生する歪みを検出して主軸に加わる荷重の大きさを検出している。

また、転がり軸受の回転輪にエンコーダを装着すると共に、固定輪にセンサを取り付けて回転輪の回転速度を検出するようにしたエンコーダ装置及びこれを備えた転がり軸受が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、軸受ユニットのハブに配置したエンコーダと、このエンコーダの被検出面に近接対向させたセンサとにより、外輪とハブ間に加わる荷重を求めるようにした荷重測定装置付転がり軸受ユニットが知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特許第２５２０３７０号公報 特開平１０−１３２６０３号公報 特開２００６−３１７４２０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている工作機械主軸の荷重検出装置は、軸受の内輪に働く力を、転動体及び軸受外輪を介して間接的に検出する装置であり、回転に伴う発生熱等のように不規則に発生して外輪に作用する外乱（ノイズ）を除去することが困難であり、精度良く荷重を検出することができない問題点があった。また、センサがハウジングの前面側に突出配置されているので、スピンドルの軸長が長くなるばかりでなく、センサ設置のための専用スペースを必要とする問題点があった。

また、特許文献２に記載のエンコーダ装置及びこれを備えた転がり軸受は、高温の条件下において測定対象である高速の回転速度を検出することを目的とした装置であり、回転軸に作用するアキシャル荷重の測定を目的とする本発明とは異なる技術である。

さらに、特許文献３に記載の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、軸受ユニットのハブにエンコーダを固定すると共に、このエンコーダの被検出面に検出部を近接対向させたセンサを外輪に配置し、検出部の出力信号の変化から外輪とハブとの間に加わる荷重を求めるものであり、ハブ以外への適用について具体的構成が記載されておらず、また、工作機械の主軸への適用についても言及されているが、これについても具体的構成が記載されていない。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転軸に作用するアキシャル荷重を、コンパクトなセンサユニットによって精度良く測定することができる荷重センサ付き軸受装置及び工作機械の主軸装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材である主軸に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、
を備える荷重センサ付き軸受装置を具備し、前記主軸のアキシャル荷重が測定可能である工作機械の主軸装置であって、
前記エンコーダの前記被検出面は、円周方向に交互に変化する特性をそれぞれが有し、互いの境界が前記エンコーダの軸方向中間部にあって、前記エンコーダの軸方向に対して互いに逆方向に傾斜する第一被検出部と第二被検出部とを備え、
前記センサは、前記被検出面の前記軸方向中間部を挟んで軸方向に間隔を開けて配置される一対の検出部を備え、
前記センサは、大径部及び小径部からなる段付円筒形状を有し、前記小径部の先端に検出部が設けられ、
前記静止部材、前記静止側軌道輪、及び、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座のいずれかには、直径の異なる２つの穴を備える段付きのセンサ取付穴と、外周面において該直径の大きな穴と連続する凹溝とが形成され、
前記センサは、前記大径部の上面が、前記凹溝に嵌合固定された固定治具の一端によって抑えられた状態で、前記段付きのセンサ取付穴に挿入されており、前記静止部材、前記静止側軌道輪、及び、前記静止側間座のいずれかの半径方向に位置決めされ、前記小径部の先端の前記検出部が前記エンコーダの被検出面に対向配置され、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪に設けられることを特徴とする主軸装置。
（２） 静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材である主軸に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、
を備える荷重センサ付き軸受装置を具備し、前記主軸のアキシャル荷重が測定可能である工作機械の主軸装置であって、
前記エンコーダの前記被検出面は、円周方向に交互に変化する特性をそれぞれが有し、互いの境界が前記エンコーダの軸方向中間部にあって、前記エンコーダの軸方向に対して互いに逆方向に傾斜する第一被検出部と第二被検出部とを備え、
前記センサは、前記被検出面の前記軸方向中間部を挟んで軸方向に間隔を開けて配置される一対の検出部を備え、
前記センサは、大径部及び小径部からなる段付円筒形状を有し、前記小径部の先端に検出部が設けられ、
前記静止側軌道輪、及び、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座のいずれかには、直径の異なる２つの穴を備える段付きのセンサ取付穴と、外周面において該直径の大きな穴と連続する凹溝とが形成され、
前記センサは、前記大径部の上面が、前記凹溝に嵌合固定された固定治具の一端によって抑えられた状態で、前記段付きのセンサ取付穴に挿入されており、前記静止部材、前記静止側軌道輪、及び、前記静止側間座のいずれかの半径方向に位置決めされ、前記小径部の先端の前記検出部が前記エンコーダの被検出面に対向配置され、
前記エンコーダは、前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられることを特徴とする主軸装置。

本発明の荷重センサ付き軸受装置を具備した工作機械の主軸装置によれば、センサは、大径部及び小径部からなる段付円筒形状を有し、小径部の先端に検出部が設けられ、静止部材、静止側軌道輪、及び、静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座のいずれかには、直径の異なる２つの穴を備える段付きのセンサ取付穴と、外周面において該直径の大きな穴と連続する凹溝とが形成され、センサは、大径部の上面が、凹溝に嵌合固定された固定治具の一端によって抑えられた状態で、段付きのセンサ取付穴に挿入されており、前記静止部材、前記静止側軌道輪、及び、前記静止側間座のいずれかの半径方向に位置決めされ、小径部の先端の検出部がエンコーダの被検出面に対向配置される。これにより、センサとエンコーダとのギャップを精度良く設定することができ、また、センサの中心軸周りの位置決めを精確に設定することができる。
また、エンコーダが、回転側軌道輪に設けられて一体化されているので、測定精度が向上するとともに、取扱い性のよい構成となる。或いは、エンコーダは、回転側軌道輪の側方に配置されて回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられるので、軸受とエンコーダとが個別に修理、交換可能である。

更に、エンコーダの被検出面は、円周方向に交互に変化する特性をそれぞれが有し、互いの境界がエンコーダの軸方向中間部にあって、エンコーダの軸方向に対して互いに逆方向に傾斜する第一被検出部、及び第二被検出部を備え、センサは、被検出面の軸方向中間部を挟んで軸方向に間隔を空けて配置される一対の検出部を備えるので、主軸に作用するアキシャル荷重の変動に伴って回転側軌道輪がアキシャル方向にずれると、被検出面（第一、及び第二被検出部）と一対の検出部との位置が相対的に変化し、両検出部の出力信号に位相ずれが生じる。従って、センサは、この位相ずれの大きさからアキシャル荷重の大きさを直接求めることができる。

即ち、アキシャル荷重を求めるためには、必ずしも相対変位量を求める必要はなく、演算部に、センサの出力信号に基づいて、アキシャル荷重の大きさを直接（上記相対変位量を求める過程を経る事なく）算出する機能を持たせることができる。

また、工作機械の主軸装置が上記の荷重センサ付き軸受装置を備えるので、切削時に主軸に作用するアキシャル荷重の測定が可能となり、このアキシャル荷重を加工条件の新たなパラメータとして考慮することで、より厳密な加工条件の選定が可能となり、加工精度を向上させることができる。更には、工具寿命、工具交換時期、及び軸受損傷要因の推測や、工具の改良、改善が可能となる。

本発明に係る第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。 （ａ）は図１に示すエンコーダの正面図であり、（ｂ）はその斜視図である。 （ａ）は図１に示すセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。 （ａ）は図１に示すセンサ取付穴が設けられた静止側軌道輪の斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。 （ａ）は図４に示すセンサ取付穴に図３に示すセンサが取り付けられた状態を示す斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。 図１に示すVI−VI線に沿った断面図である。 図１に示す荷重センサ付き軸受装置のアキシャル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図である。 （ａ）は第１実施形態の変形例のエンコーダの正面図であり、（ｂ）はその斜視図である。 第１実施形態の他の変形例の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。 （ａ）は第２実施形態のエンコーダの正面図であり、（ｂ）はその斜視図である。 図１０に示すエンコーダのアキシャル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図である。 （ａ）は第３実施形態のセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。 （ａ）は図１２に示す第３実施形態のセンサが取り付けられるセンサ取付穴が設けられた静止側軌道輪の斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。 （ａ）は静止側軌道輪に取り付けられた第３実施形態のセンサの斜視図であり、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその側面図である。 第４実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置の断面図である。 第４実施形態の変形例の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。 第５実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。 第６実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。 第７実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。 第８実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置の要部断面図である。 第９実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。

以下、本発明に係る荷重センサ付き軸受装置の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明に係る第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、静止側軌道輪である外輪１１と、回転側軌道輪である内輪１２と、静止側軌道である外輪軌道溝１１ａ及び回転側軌道である内輪軌道溝１２ａ間に接触角を持って配置され、保持器１４によって回動自在に保持された転動体としての複数の玉１３と、を備えるアンギュラ玉軸受２０を有する。アンギュラ玉軸受２０の外輪１１は、静止部材であるハウジング（図示せず）に内嵌・固定され、内輪１２は回転部材である回転軸（図示せず）に嵌合固定される。

アンギュラ玉軸受２０の軸方向一端側（図１において右側）には、エンコーダ３１及びセンサ３２を備えたセンサユニット３０が配置されている。即ち、エンコーダ３１が、内輪１２の一端側の外周面にリング状に形成され、センサ３２が、エンコーダ３１に対向して外輪１１に形成されたセンサ取付穴１５に取り付けられている。

エンコーダ３１は、図２に示すように、磁性金属部材である内輪１２の外周面に２列に整列形成された複数の溝３３を有する。複数の溝３３は、２列に整列して円周方向に交互に且つ等間隔で配置されると共に、２列の溝３３の軸方向中間部(仮想線)Ｐを境にしてエンコーダ３１の軸方向に対して同じ角度で互いに逆方向（Ｖ字状）に傾斜している。この場合、溝３３が第一被検出部として作用し、隣接する溝３３間の中間部３４が第二被検出部として作用する。なお、エンコーダ３１は、内輪１２の外周面を加工して複数の溝３３を形成することで、内輪１２と一体に形成されているが、内輪１２に小径部１２ｂを形成し、この小径部１２ｂに複数の溝３３が形成されたリング状部材を外嵌することで一体化するようにしてもよい。

センサ３２は、図３に示すように、検出部である一対の磁気センサ３６を内蔵し、大径部３２ａ及び小径部３２ｂからなる段付円筒状に形成されている。大径部３２ａの上面には、Ｕ字溝３２ｃが形成されている。Ｕ字溝３２ｃには、長円形状の固定治具３８の一端が嵌合する。また、大径部３２ａの側面から検出信号を演算装置１５０（図１５参照）に出力する信号線３７が導出されている。

なお、磁気センサ３６の構造は、永久磁石を組み込んだものであれば、特にその形式を問わない。即ち、この永久磁石から出る磁束の流れを導くポールピースの周囲にコイルを巻回して成る、所謂パッシブ型のものであっても、磁束の密度に応じて特性を変化させる磁気検出素子を組み込んだ、所謂アクティブ型のものであっても使用される。また、本実施形態のセンサ３２としては、溝３３のエッジを検出可能なものであればよく、光学センサ等が使用されてもよい。

また、センサ３２は、有線式センサ、無線式センサ、いずれの方式のセンサも使用可能であり、特に、限定されない。例えば、有線式センサの場合、センサとコードが一体に接続されるコード一体型センサ、あるいはソケット式コネクタやマグネット式コネクタでセンサとコードが接続されるコネクタ接続型センサが使用可能である。

図４に示すように、外輪１１に設けられたセンサ取付穴１５は、一端側が外輪１１の側面に開放されたＵ字穴１５ａと、Ｕ字穴１５ａの底部側でＵ字穴１５ａの溝幅より大きな直径を有するざぐり穴１５ｂとから構成された段付き穴である。更に、外輪１１の外周面には、一端がざぐり穴１５ｂに連続するＵ字溝１５ｃが形成されている。Ｕ字溝１５ｃには、センサ３２を固定するための雌ねじ穴４０が設けられている。

図５に示すように、センサ３２は、センサ取付穴１５に挿入した後、固定治具３８をセンサ３２のＵ字溝３２ｃ、及び外輪１１のＵ字溝１５ｃに嵌合させてねじ４１で固定することで外輪１１に組み付けられる。センサ３２の信号線３７は、Ｕ字穴１５ａから外部に導出されて演算装置（図示せず）に接続される。

これにより、センサ３２の先端に設けられた一対の磁気センサ３６は、内輪１２に固定されたエンコーダ３１の被検出面３３、３４に対向して、所定の位置に位置決めされる。即ち、エンコーダ３１とセンサ３２とは、一対の磁気センサ３６が被検出面の軸方向中間部Ｐを挟んで互いに軸方向反対側、且つ対称に位置する。

なお、外輪１１には、図６に示すように、このセンサ取付穴１５と一対のノズル穴３５が径方向に貫通して設けられている。一対のノズル穴３５には、それぞれ給油ノズル（図示せず）が配置されており、潤滑装置から供給された潤滑油が、給油ノズルのノズルからアンギュラ玉軸受２０に向けて吐出されて潤滑する。ノズル穴３５は、軸方向において外輪１１に形成されたセンサ取付穴１５と略同一位置、且つ円周方向位相が異なる位置に設けられている。

センサ取付穴１５を、ノズル穴３５と軸方向略同一位置に配置することにより、センサ３２を配置するための専用スペースが不要となり、小型化が可能となる。尚、ノズル穴３５（給油ノズル）とセンサ取付穴１５（センサ３２）との円周方向位相は、特に限定されず任意に設定することができる。また、潤滑方式は、オイルエア潤滑、オイルミスト潤滑、直噴潤滑、グリース潤滑等のいずれであってもよい。また、運転中の潤滑剤の供給を必要としない潤滑方法で使用される場合は、ノズル穴などの潤滑剤供給スペースは必要ない。

第１実施形態のセンサユニット３０の作用を、図７に基づいて説明する。内輪１２にアキシャル荷重が作用していない場合、センサ３２の一対の磁気センサ（検出部）３６は、仮想線Ｐから軸方向に同一距離だけずれた、図７（ａ）に示す実線イ、イ上に位置しており、出力信号の位相は、図７（ｃ）に示す様に一致しており、位相ずれはない。

ここで、回転軸、即ち内輪１２に、図７（ａ）において下向きのアキシャル荷重が作用すると、エンコーダ３１に対する一対の磁気センサ３６の位置が図７（ａ）に示す破線ロ、ロ上に移動し、図７（ｂ）に示すように出力信号に位相ずれが生じる。

また、内輪１２に上向きのアキシャル荷重が作用すると、一対の磁気センサ３６の位置が図７（ａ）に示す一点鎖線ハ、ハ上に移動し、図７（ｄ）に示すように、出力信号に図７（ｂ）と逆方向の位相ずれが生じる。

上記したように、一対の磁気センサ３６の出力信号は、内輪１２に作用するアキシャル荷重の方向に応じて位相が所定の方向へずれる。また、位相ずれの大きさは、内輪１２（エンコーダ３１）のセンサ３２に対する相対距離、換言すれば、アキシャル荷重の大きさに比例する。従って、アンギュラ玉軸受２０の剛性（ばね定数）を予め測定あるいは計算して、アキシャル荷重の大きさと内輪１２（回転軸）の変位量との関係を求めておけば、一対の磁気センサ３６からの出力信号の位相ずれの方向及び大きさに基づいて、回転軸に作用するアキシャル荷重の方向及び大きさが、演算装置によって求められる。

また、センサユニット３０は、エンコーダ３１とセンサ３２とから構成されるので、アキシャル荷重だけでなく、同時に回転軸の回転数も検出することができるマルチセンサとして機能する。

上記したように、第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２にエンコーダ３１が装着され、外輪１１にセンサ３２が取り付けられて、アンギュラ玉軸受２０とセンサユニット３０とが一体となっている。このように一体型とすることによって、取扱い性が大幅に向上し、また、内輪１２に作用する荷重を直接測定して、高精度での検出が可能となる。

図８は、第１実施形態の変形例のエンコーダを示す。このエンコーダ３１は、磁性金属材からなり、図１の内輪１２に形成される小径部１２ｂに外嵌され、外周面に複数の円弧状溝４５が連続して設けられている。円弧状溝４５は、円周方向に交互に且つ等間隔で配置されており、周方向に隣接する円弧状溝４５の稜線４６は、エンコーダ３１の中間部Ｐを境にして、エンコーダ３１の軸方向に対して同じ角度で互いに逆方向（Ｖ字状）に傾斜している。これにより、高速回転時にも応力集中がエンコーダ３１に作用することがなく、遠心力による損傷が防止される。なお、このエンコーダ３１も内輪１２と一体に形成されてもよい。

図９は、第１実施形態の他の変形例に係る荷重センサ付き軸受装置を示す。このアンギュラ玉軸受２０は、玉１３とセンサユニット３０との間に配置されたシール１６ａとアンギュラ玉軸受２０の開放側端部（図９において左側端部）に配置されたシール１６ｂとによって軸受空間を密封している。

グリース潤滑される軸受では、使用用途に合わせて適量のグリースが封入されるが、長期間の使用等によってグリース量が不足すると軸受寿命に大きな影響を及ぼす虞がある。このため、このようなシール１６ａ，１６ｂを有するアンギュラ玉軸受２０は、グリース潤滑される場合に好適に使用される。

シール１６ａの装着位置は、玉１３とセンサユニット３０との間に限定されず、センサ側端部（図９において右側端部）であってもよい。また、必要に応じて、いずれか一方にのみ設けることもでき、更には、グリース漏れが許容可能であれば、シール１６ａ，１６ｂを設けなくてもよい。
なお、以下に説明する各実施形態において、グリース潤滑されるアンギュラ玉軸受２０が用いられる場合には、上記したシール１６ａ，１６ｂが同様に使用されてもよい。

（第２実施形態）
図１０に示すように、第２実施形態のエンコーダ３１の被検出面は、多極磁石、即ち、第一被検出部３３であるＳ極、及び第二被検出部３４であるＮ極が、円周方向に交互に且つ等間隔で内輪１２の小径部１２ｂ（図１参照。）に装着されている。第一被検出部３３と第二被検出部３４との境界は、エンコーダ３１の軸方向中間部（仮想線Ｐ）を境にしてエンコーダ３１の軸方向に対して同じ角度で互いに逆方向に傾斜している。

図１１は、図１０に示すエンコーダのアキシャル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図である。本実施形態のエンコーダ３１は、内輪１２（回転軸）にアキシャル荷重が作用していない状態では、センサ３２の一対の磁気センサ３６は、第一被検出部３３及び第二被検出部３４の境界が円周方向に関して最も突出する位置（傾斜方向が変化する位置）を通る仮想線Ｐから、軸方向に同一距離だけずれた、図１１（ａ）に示す実線イ、イ上に位置している。従って、一対の磁気センサ３６の出力信号の位相は、図１１（ｃ）に示す様に一致しており、位相ずれはない。

ここで、回転軸、即ち内輪１２に、図１１（ａ）において下向きのアキシャル荷重が作用すると、エンコーダ３１の軸方向位置が内輪１２と共に下方に移動する。これにより、エンコーダ３１に対する一対の磁気センサ３６の位置が、図１１（ａ）に示す破線ロ、ロ上に移動する。即ち、一対の磁気センサ３６は、仮想線Ｐからの軸方向距離が互いに異なる位置に位置することになり、一対の磁気センサ３６の出力信号には、図１１（ｂ）に示すように位相ずれが生じる。

また、内輪１２に、図１１（ａ）において上向きのアキシャル荷重が作用すると、エンコーダ３１の軸方向位置が内輪１２と共に上方に移動して、エンコーダ３１に対する一対の磁気センサ３６の位置が、図１１（ａ）に示す一点鎖線ハ、ハ上に移動する。即ち、一対の磁気センサ３６は、仮想線Ｐからの軸方向距離が互いに異なる位置に位置することになり、一対の磁気センサ３６の出力信号には、図１１（ｄ）に示すように位相ずれが生じる。従って、一対の磁気センサ３６からの出力信号の位相ずれの方向及び大きさに基づいて、回転軸に作用するアキシャル荷重の方向及び大きさが、演算装置によって求められる。
なお、その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

（第３実施形態）
図１２〜図１４は、第３実施形態の荷重センサ付き軸受装置のセンサ構造を示している。第３実施形態のセンサ３２は、図４に示すセンサと実質的に同じであるが、外形形状が異なる。即ち、本実施形態のセンサ３２は、一対の磁気センサ３６を内蔵し、上部には左右に延設されたフランジ３２ｄが設けられ、該フランジ３２ｄには、ねじ穴３２ｅが形成されている。

図１３に示すように、外輪１１に設けられたセンサ取付穴５０は、外輪１１の一端面側から形成されたコの字状溝５１と、このコの字状溝５１の底部に開口を有するＵ字溝５２と、コの字状溝５１の底部に形成された一対の雌ねじ穴５３とからなる。

センサ３２のセンサ取付穴５０への取り付けは、図１４に示すように、センサ３２をＵ字溝５２に嵌合させ、ねじ５４を雌ねじ穴５３に螺合させて、フランジ３２ｄをコの字状溝５１に固定して行われる。このように構成することで、外輪１１に形成される雌ねじ穴５３をセンサ３２より軸方向一端面側に形成することができ、高負荷時に雌ねじ穴５３部分に応力集中が作用するのを防止することができる。
なお、その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

（第４実施形態）
第４実施形態では、第１実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置について図１５を参照して説明する。本実施形態の工作機械の主軸装置６０は、モータビルトイン方式であり、その中心部には、回転部材である中空状の回転軸（主軸）６１が設けられている。回転軸６１の軸方向端部（図１５において左側）には、不図示の工具が保持されている。

回転軸６１は、その工具側を支承する前側軸受である一対のアンギュラ玉軸受２０、７０と、反工具側を支承する後側軸受８０とによって、静止部材であるハウジング６２に回転自在に支持されている。一対のアンギュラ玉軸受２０、７０は、背面組合せされて、アンギュラ玉軸受２０のセンサユニット３０が、アンギュラ玉軸受７０寄りに配置される。センサユニット３０の信号線３７は、ハウジング６２に形成された溝６２ｃ内を配索されて外部に導出され、演算装置１５０に電気的に接続されて、検出信号を送出する。なお、アンギュラ玉軸受２０は、本発明の軸受であり、アンギュラ玉軸受７０は、本発明の他の軸受である。

前側軸受２０，７０と後側軸受８０間における回転軸６１の外周面には、ロータ６３が外嵌されている。また、ロータ６３の周囲に配置されるステータ６４は、ハウジング６２に固定されており、ステータ６４に電力を供給することで、ロータ６３に回転力を発生させて、回転軸６１を回転させる。尚、ハウジング６２は、前側軸受７０とステータ６４との間で軸方向に２分割されたハウジング６２ａとハウジング６２ｂとから構成されている。

第１実施形態のアンギュラ玉軸受２０と背面組み合わせされるアンギュラ玉軸受７０は、静止側軌道輪である外輪７１と、回転側軌道輪である内輪７２と、静止側軌道である外輪軌道溝７１ａ及び回転側軌道である内輪軌道溝７２ａ間に、接触角を持って配置された転動体としての複数の玉７３と、を備える。

前側軸受２０，７０の外輪１１，７１は、ハウジング６２に内嵌されてハウジング６２にボルト締結された前側軸受外輪押え６５によって、ハウジング６２に固定されている。また、前側軸受２０，７０の内輪１２，７２は、回転軸６１に外嵌され、回転軸６１に締結されたナット６６によって回転軸６１に固定されている。前側軸受２０，７０は、ナット６６によって定位置予圧が付与されて、回転軸６１の軸方向位置が位置決めされる。

後側軸受８０は、円筒ころ軸受であり、外輪８１と、内輪８２と、転動体としての複数の円筒ころ８３と、を有する。後側軸受８０の外輪８１はハウジング６２に内嵌され、ハウジング６２にボルト締結された後側軸受外輪押え６７によって外輪間座６８を介してハウジング６２に固定されている。後側軸受８０の内輪８２は、回転軸６１に締結された他のナット６９によって内輪間座５５を介して回転軸６１に固定されている。

軸方向において前側軸受２０，７０、及びステータ６４に対応するハウジング６２の外周面には、円環状の冷却油溝５６、５７が形成されている。この冷却油溝５６、５７は、ハウジング６２に外嵌するリング状の冷却ジャケット５８、５９によって覆われている。そして、この冷却油溝５６、５７に供給された冷却油によって前側軸受２０，７０、及びステータ６４が冷却される。

このように、背面組合せされたアンギュラ玉軸受２０、７０によって支持され、軸方向位置が位置決めされる回転軸（主軸）６１は、２つのアンギュラ玉軸受２０、７０の軸方向中心位置（具体的には、２つの磁気センサ３６，３６の軸方向中間位置）が一定となり、この位置を中心として伸縮する。そして、アンギュラ玉軸受２０のセンサユニット３０は、２つのアンギュラ玉軸受２０、７０の各玉１３，７３の軸方向中心位置に位置するようにアンギュラ玉軸受７０に配置されているので、熱等によって回転軸６１が伸縮変形しても、測定位置である２つのアンギュラ玉軸受２０、７０の軸方向中心位置が移動することはない。従って、熱等による軸伸縮の影響による測定精度の低下を抑制することができ、アキシャル荷重による回転軸６１の移動により発生する一対の検出部（図２参照）の出力による位相ずれを高精度で測定することができ、この位相ずれに基づいて、アキシャル荷重が演算装置１５０によって求められる。

なお、図１６に示す第４実施形態の変形例では、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２のエンコーダ３１が形成される部分の内周面１２ｃを僅かに大径として回転軸６１との嵌めあいを隙間嵌めとしている。

荷重センサ付き軸受装置１０が工作機械の主軸装置に使用される場合、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２は、回転軸６１と内輪１２との相対的な滑りを防止するため、主軸に締まりバメされるのが一般的である。特に、高速回転で使用される回転軸６１においては、遠心力によって内輪１２が膨張するため、締め代が大きく設定されるので、内輪１２にかかる負荷が大きい。このような内輪１２の外周面にエンコーダ３１が外嵌固定されると、エンコーダ３１の変形による検出精度の低下や、エンコーダ３１の破損等が懸念される。このため、内輪１２のエンコーダ３１が形成される部分と回転軸６１との嵌めあいを隙間嵌めとすることで、このような問題を回避することができる。また、これによって、締め代部の軸方向長さを短くすることができ、エンコーダ３１の組付けが容易となる。

（第５実施形態）
図１７は第５実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第５実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０では、外輪１１と別体に、静止側間座である外輪間座７６が設けられており、外輪間座７６のセンサ取付穴１５にセンサ３２が装着されている。また、エンコーダ３１は、第１実施形態と同様、内輪１２と一体に形成されている。

このように構成することで、アンギュラ玉軸受２０とセンサ３２のいずれかに不具合が生じたとき、個別に修理、交換が可能となるので、メンテナンス性が向上すると共に、コストを抑制することができる。また、荷重センサ付き軸受装置１０の使用条件、あるいは必要精度等に応じて、センサ３２を好適な仕様のものに適宜交換することができ、要求される仕様に対して柔軟に対応することが可能となる。さらに、エンコーダ３１と内輪１２とは一体に形成されているので、取り扱い性が良好となる。また、本実施形態では、外輪１１に雌ねじ穴を設ける必要がなく、好ましい。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

（第６実施形態）
図１８は第６実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第６実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、内輪１２と別体に、回転輪間座である内輪間座７５が設けられており、内輪間座７５の外周面にエンコーダ３１が形成されている。また、センサ３２は、第１実施形態と同様、外輪１１のセンサ取付穴１５に一体に形成されている。

このように構成することで、アンギュラ玉軸受２０とエンコーダ３１のいずれかに不具合が生じたとき、個別に修理、交換が可能となると共に、使用条件に応じてエンコーダを取り替えることも容易となる。例えば、高速スピンドルに適用されて、遠心力によってエンコーダ３１が破損する可能性がある場合、高速回転対策が施されたエンコーダ３１に交換して容易に対応することができる。さらに、荷重センサ付き軸受装置１０の使用条件、あるいは必要精度等に応じて、エンコーダ３１を好適な仕様のものに適宜交換することができ、要求される仕様に対して柔軟に対応することが可能となる。また、センサ３２と外輪１１とは一体に形成されているので、取り扱い性が良好となる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

（第７実施形態）
図１９は第７実施形態の荷重センサ付き軸受装置の断面図である。第７実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、外輪１１と別体に、静止側間座である外輪間座７６が設けられており、外輪間座７６のセンサ取付穴１５にセンサ３２が装着されている。また、内輪１２と別体に、回転輪間座である内輪間座７５が設けられており、内輪間座７５の外周面にエンコーダ３１が形成されている。

このように、アンギュラ玉軸受２０とセンサユニット３０を分離構造とすることにより、アンギュラ玉軸受２０、エンコーダ３１、及びセンサ３２のいずれかに不具合が生じたとき、個別に修理、交換が可能となるので、メンテナンス性が向上すると共に、コストを抑制することができる。

また、荷重センサ付き軸受装置１０の使用条件、あるいは必要精度等に応じて、軸受２０、エンコーダ３１、及びセンサ３２を好適な仕様のものに適宜交換することができ、要求される仕様に対して柔軟に対応することが可能となる。例えば、高速回転軸に適用されて、遠心力によってエンコーダ３１が破損する可能性がある場合、高速回転対策が施されたエンコーダ３１に交換して容易に対応することができる。また、本実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０は、内輪間座７５及び外輪間座７６を用いて、軸受の予圧調整を行うことができる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

（第８実施形態）
図２０は第８実施形態の荷重センサ付き軸受装置を備える工作機械の主軸装置の要部断面図である。本実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０が適用される工作機械の主軸装置６０では、エンコーダ３１は、第５実施形態と同様、アンギュラ玉軸受２０の内輪１２の一端側に形成される。一方、センサ３２´は、ハウジング６２のセンサ取付穴７７に取り付けられると共に、外輪１１と別体に設けられた外輪間座７６に形成され、センサ取付穴７７と径方向に連続する貫通穴７８から延出する。これにより、センサ３２の一対の磁気センサ３６がエンコーダ３１の被検出面３３、３４に対向配置される。

従って、本実施形態の荷重センサ付き軸受装置１０では、外輪１１や外輪間座７６に取り付けられるセンサ３２と比較して、大きなセンサ３２´を使用することができ、より高性能、且つ高機能なセンサ３２´を用いることが可能となる。
その他の構成及び作用については、第４実施形態の主軸装置６０と同様である。

（第９実施形態）
図２１は、本発明に係る第９実施形態の主軸装置の要部断面図である。この主軸装置１０では、軸受２０の内輪１２が回転軸６１の段部６１ａに当接して配置されており、エンコーダ３１は、回転軸６１の段部６１ａ近傍の外周面に直接形成されている。また、センサ３２は、第１実施形態と同様、外輪１１のセンサ取付穴１５に一体に形成されており、本実施形態では、外輪１１の外輪軌道溝１１ａに対してカウンタボア側に組み込まれている。

これにより、エンコーダが回転側間座に形成される場合、センサ３２とエンコーダ３１との間に、間座と軸とのガタ（すきま）分だけ半径方向ギャップのずれが生じていたが、エンコーダ３１を回転軸６１に直接形成することで、このようなギャップのずれを抑制することができる。また、ギャップずれを防止すべく、エンコーダが形成された回転側間座を回転軸にしまり嵌めで嵌合する場合と比べて、本実施形態は、組み込み時間や分解時の手間を省くことができる。

また、本実施形態によれば、間座にエンコーダが形成された場合に、振動などによって、回転中に回転軸との間で生じる円周方向の位相ずれや、間座の不均一な遠心力膨張による、円周方向におけるギャップのばらつきも発生することがなく、より高精度な検出が可能となる。
その他の構成及び作用については、第７実施形態のものと同様である。

尚、本発明は、前述した各実施形態及び変形例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記の説明においては、アンギュラ玉軸受２０、または内外輪間座７５、７６にセンサユニット３０を組み付けた構造の荷重センサ付き軸受装置１０について説明したが、これには限定されず、他の形式の軸受や軸受間座と組み合わせることも可能であり、組み合わされる軸受の列数や、組み合わせ方も任意である。
また、工作機械の主軸装置以外の回転軸にも適用することができ、同様の効果を奏する。

１０ 荷重センサ付き軸受装置
１１ 外輪（静止側軌道輪）
１１ａ 外輪軌道溝（静止側軌道）
１２ 内輪（回転側軌道輪）
１２ａ 内輪軌道溝（回転側軌道）
１３ 玉（転動体）
２０ アンギュラ玉軸受（軸受）
３０ センサユニット
３１ エンコーダ
３２，３２´ センサ
３３ 溝（第一被検出部）
３４ 中間部（第二被検出部）
３６ 磁気センサ（検出部）
６０ 工作機械の主軸装置
６１ 回転軸（主軸、回転部材）
６２ ハウジング（静止部材）
７０ アンギュラ玉軸受（軸受）
７５ 内輪間座（回転側間座）
７６ 外輪間座（静止側間座）
７８ 貫通穴
Ｐ エンコーダの軸方向中間部

Claims (2)

1. 静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材である主軸に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
   被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、
   を備える荷重センサ付き軸受装置を具備し、前記主軸のアキシャル荷重が測定可能である工作機械の主軸装置であって、
   前記エンコーダの前記被検出面は、円周方向に交互に変化する特性をそれぞれが有し、互いの境界が前記エンコーダの軸方向中間部にあって、前記エンコーダの軸方向に対して互いに逆方向に傾斜する第一被検出部と第二被検出部とを備え、
   前記センサは、前記被検出面の前記軸方向中間部を挟んで軸方向に間隔を開けて配置される一対の検出部を備え、
   前記センサは、大径部及び小径部からなる段付円筒形状を有し、前記小径部の先端に検出部が設けられ、
   前記静止部材、前記静止側軌道輪、及び、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座のいずれかには、直径の異なる２つの穴を備える段付きのセンサ取付穴と、外周面において該直径の大きな穴と連続する凹溝とが形成され、
   前記センサは、前記大径部の上面が、前記凹溝に嵌合固定された固定治具の一端によって抑えられた状態で、前記段付きのセンサ取付穴に挿入されており、前記静止部材、前記静止側軌道輪、及び、前記静止側間座のいずれかの半径方向に位置決めされ、前記小径部の先端の前記検出部が前記エンコーダの被検出面に対向配置され、
   前記エンコーダは、前記回転側軌道輪に設けられることを特徴とする主軸装置。
2. 静止部材に嵌合固定される静止側軌道輪と、回転部材である主軸に嵌合固定される回転側軌道輪と、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体と、を備える軸受と、
   被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、前記エンコーダの前記被検出面に対向配置されて前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットと、
   を備える荷重センサ付き軸受装置を具備し、前記主軸のアキシャル荷重が測定可能である工作機械の主軸装置であって、
   前記エンコーダの前記被検出面は、円周方向に交互に変化する特性をそれぞれが有し、互いの境界が前記エンコーダの軸方向中間部にあって、前記エンコーダの軸方向に対して互いに逆方向に傾斜する第一被検出部と第二被検出部とを備え、
   前記センサは、前記被検出面の前記軸方向中間部を挟んで軸方向に間隔を開けて配置される一対の検出部を備え、
   前記センサは、大径部及び小径部からなる段付円筒形状を有し、前記小径部の先端に検出部が設けられ、
   前記静止側軌道輪、及び、前記静止側軌道輪の側方に配置された静止側間座のいずれかには、直径の異なる２つの穴を備える段付きのセンサ取付穴と、外周面において該直径の大きな穴と連続する凹溝とが形成され、
   前記センサは、前記大径部の上面が、前記凹溝に嵌合固定された固定治具の一端によって抑えられた状態で、前記段付きのセンサ取付穴に挿入されており、前記静止部材、前記静止側軌道輪、及び、前記静止側間座のいずれかの半径方向に位置決めされ、前記小径部の先端の前記検出部が前記エンコーダの被検出面に対向配置され、
   前記エンコーダは、前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座に設けられることを特徴とする主軸装置。

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