JP2004084737A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】パルサリングを装着しなくても軸受の荷重、回転数、回転速度を検知することが可能であり、センサ付き転がり軸受ユニット用に使用された場合に、その構成を大幅に簡素化しできる転がり軸受を提供する。
【解決手段】内輪４、外輪５および転動体６のうちの転動体６が、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されており、残りの内輪４および外輪５は、セラミックスで構成されている。所定以上の磁ひずみ定数を有する金属としては、例えば、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏなどの遷移金属が使用される。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、転がり軸受に関し、特に、センサが一体に設けられたセンサ付き軸受ユニットに使用するのに適した転がり軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転速度を検出するためのセンサ付き転がり軸受ユニットとして、外輪、内輪および転動体を有する転がり軸受と、外輪および内輪のいずれか一方に設けられかつ周方向に等間隔をおいて交互に異なる磁気特性を有するパルサリングと、同他方にパルサリングと対向して設けられたセンサ装置とを備えているものが知られており、荷重を検出するためのセンサ付き転がり軸受ユニットとして、外輪、内輪および転動体を有する転がり軸受と、転動体や外輪に貼り付けられた歪みゲージと、外輪または内輪の転動体近傍位置に設けられたセンサ装置とを備えているものが知られている。
【０００３】
また、従来、転がり軸受の予圧を検知するには、軸受の回転トルクから推定したり、間座や軌道輪の軸方向の変位を測定するなどの手段が採られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の回転速度を検出するためのセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、被検知部としてのパルサリングは、軸受に装着する手間がかかるものであり、また、検知精度のばらつきも大きいものであった。同様に、上記従来の荷重を検出するためのセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、歪みゲージの信号を取り出すためには、ワイヤレスで転送するか、歪みゲージからの信号を保持器の公転スピードに合わせるか、スリップリングの機構を用いて電気的な信号を転送するかなどの手段が必要があり、システムの簡素化や小型化が難しいものとなっていた。
【０００５】
また、上記軸受の予圧検知手段では、予圧自体を測定するものではないため、予圧にばらつきが生じやすく、その改良が課題となっている。
【０００６】
この発明の目的は、パルサリングや歪みゲージを装着しなくても軸受の荷重、回転数、回転速度を検知することが可能であり、センサ付き転がり軸受ユニット用に使用された場合に、その構成を大幅に簡素化し、しかも、検知精度も向上することができる転がり軸受を提供することにある。
【０００７】
また、この発明の他の目的は、予圧を検知することが可能であり、これにより、予圧の測定精度を大幅に向上することができる転がり軸受を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明による転がり軸受は、内輪、外輪および転動体を有する転がり軸受において、内輪、外輪および転動体のうちの少なくとも１つの部材が、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
この発明による転がり軸受において、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されているのは、内輪、外輪および転動体のうちの１つの部材だけであり、残りの部材は、セラミックスで構成されていることが好ましい。
【００１０】
また、第２の発明による転がり軸受は、内輪および外輪の少なくとも一方が間座を介して突き合わされた複数の内輪部材または外輪部材によって形成されている転がり軸受において、間座が、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
内輪部材または外輪部材は、１対または３つ以上とされ、間座は、複数の軌道輪の両方に設けられていてもよく、外輪（外側の軌道輪）が、間座を有しない一体の部材とされるとともに、内輪が、間座を介して突き合わされた２つの内輪部材からなる構成とされてもよく、内輪（内側の軌道輪）が、間座を有しない一体の部材とされるとともに、外輪が、間座を介して突き合わされた２つの外輪部材からなる構成とされてもよい。所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されている間座は、予圧を受けるものであることがより好ましい。
【００１２】
所定以上の磁ひずみ定数を有する金属としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏなどの遷移金属が例示され、これをセラミックスに分散させることにより、セラミックス／磁性金属ナノコンポジットが創製される。
【００１３】
そして、第１の発明による転がり軸受において、内輪、外輪および転動体のうちの転動体をこのナノコンポジットにすると、荷重を受けたことによって転動体に磁化の変化が生じる。この磁化の変化と荷重の変化とはリニアリティがあり、この磁化の変化に伴う磁気変化をセンサで検知することにより、転動体に歪みゲージを貼り付けなくても、転動体の荷重したがって軸受の荷重を推定することができる。また、転動体が受ける歪み変化の繰り返し数から、内輪および外輪のうちの回転輪の回転数を求めることができ、荷重変化だけでなく、回転数したがって回転速度を検知することもできる。
【００１４】
また、外輪および内輪のうちの例えば固定輪の方をを上記ナノコンポジットにしてもよく、この場合には、転動体と固定輪との間で及ぼし合う力により、固定輪に磁化の変化が生じる。この磁化の変化に伴う磁気変化をセンサで検知することにより、軸受の荷重や回転速度を検知することができる。
【００１５】
また、第２の発明による転がり軸受においては、予圧を受けることによって、間座に磁化の変化が生じる。この磁化の変化と予圧の変化とはリニアリティがあり、この磁化の変化に伴う磁気変化をセンサで検知することにより、間座の荷重したがって予圧を推定することができる。また、軸受使用中には、間座にかかるアキシャル荷重を測定することができる。
【００１６】
磁気の変化を検知するには、高感度な磁気センサ（ホール素子やＭＲセンサ等）もしくは電磁誘導法やフラックスゲート法により磁化の変化を測定するセンサが使用される。磁気センサは、例えば、固定輪となる外輪に設けられたセンサ支持部材に取り付けられることがあり、また、外輪を支持している軸受ハウジングに適当な孔を設けて配置されることがある。
【００１７】
第１の発明の転がり軸受によると、転動体に歪みゲージを貼り付けなくても、軸受の荷重変化を検知することができ、また、パルサリングを装着しなくても軸受の回転数や回転速度を検知することができる。したがって、この転がり軸受を使用したセンサ付き転がり軸受ユニットの構成を大幅に簡素化することができる。
【００１８】
また、第２の発明の転がり軸受によると、予圧を検知することが可能であり、これにより、予圧の測定精度を大幅に向上することができるとともに、この転がり軸受を使用したセンサ付き転がり軸受ユニットでは、アキシャル方向の荷重を容易に測定することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、第１の発明の転がり軸受が使用されているセンサ付き転がり軸受ユニットの第１実施形態の上半部を示している。以下の説明において、左右とは、図の左右をいうものとする。
【００２１】
図１に示すように、センサ付き転がり軸受ユニットは、転がり軸受（１）およびそれに設けられたセンサ装置（２）を備えている。
【００２２】
軸受（１）は、固定輪である外輪（４）、回転輪である内輪（５）、これらの間に配置された複数の転動体である玉（６）および保持器（７）を備えている。図示は省略したが、外輪（４）はハウジングなどに固定され、内輪（５）には回転軸などが固定される。センサ装置（２）は外輪（４）に設けられている。
【００２３】
外輪（４）の左端部の内径の肩部および同右端部の内径の肩部に、環状溝（８）（９）がそれぞれ形成されている。左端部の環状溝（８）には、接触シール（１１）の外周縁部が嵌合され、シール（１１）の内周縁部が内輪（５）の外径に接触している。右端部の環状溝（９）は、左端部の環状溝（８）と左右対称になるように形成されている。
【００２４】
転動体である玉（６）は、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されている。そして、外輪（４）および内輪（５）は、セラミックスで構成されており、保持器（７）は、樹脂製とされている。
【００２５】
センサ装置（２）は、外輪（４）に固定された支持部材（１２）と、支持部材（１２）に取り付けられた複数の磁気センサ（１３）とを備えている。
【００２６】
磁気センサ（１３）は、玉（６）と同じ数とされ、支持部材（１２）に周方向に等間隔で配置されている。
【００２７】
軸受（１）が荷重を受けると、玉（６）に掛かる力が変化し、玉（６）の歪み量が変化する。玉（６）は、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されているので、歪みの変化に伴ってその磁化も変化することになる。磁化の変化と荷重の変化とは、図３に示すように、リニアリティがあり、この磁化の変化に伴う磁気変化を磁気センサ（１３）で検知することにより、玉（６）の荷重が測定可能となる。さらに、複数の磁気センサ（１３）によって個々の玉（６）にかかる荷重を求めることにより、軸受（１）の荷重分布を知ることができる。ここで、外輪（４）固定の場合の玉（６）の公転数Ｎｂと内輪（５）の回転数Ｎｉとの間には、接触角が小さいとして、Ｎｂ≒Ｎｉ／２の関係があるので、歪みの周期に玉（６）の数を掛けさらに２倍したものが内輪（５）の１回転に要する時間となる。したがって、歪み変化の繰り返し数から内輪（５）の回転数を求めることができる。なお、接触角がαであるときの玉（転動体）の公転数Ｎｂと内輪の回転数Ｎｉとの関係は、Ｄを転動体のピッチ径、ｄを転動体の直径として、Ｎｂ＝（１−ｄｃｏｓα／Ｄ）Ｎｉ／２となる。
【００２８】
図２は、第１の発明の転がり軸受が使用されているセンサ付き転がり軸受ユニットの第２実施形態の上半部を示している。
【００２９】
図２に示すように、センサ付き転がり軸受ユニットは、転がり軸受（２１）およびそれに設けられたセンサ装置（２２）を備えている。
【００３０】
軸受（２１）は、固定輪である外輪（２４）、回転輪である内輪（２５）、これらの間に配置された複数の転動体である玉（２６）および保持器（２７）を備えている。外輪（２４）はハウジング（２３）に固定されており、センサ装置（２２）はハウジング（２３）に設けられている。図示省略したが、内輪（２５）には回転軸などが固定される。
【００３１】
外輪（２４）の左端部の内径の肩部および同右端部の内径の肩部に、環状溝（２８）（２９）がそれぞれ形成されている。左端部の環状溝（２８）には、接触シール（３１）の外周縁部が嵌合され、シール（３１）の内周縁部が内輪（２５）の外径に接触している。右端部の環状溝（２９）は、左端部の環状溝（２８）と左右対称になるように形成されており、右端部の環状溝（２９）には、接触シール（３２）の外周縁部が嵌合され、シール（３２）の内周縁部が内輪（２５）の外径に接触している。
【００３２】
固定輪である外輪（２４）は、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されている。そして、内輪（２５）および玉（２６）は、セラミックスで構成されており、保持器（２７）は、樹脂製とされている。
【００３３】
センサ装置（２２）は、ハウジング（２３）に設けられた凹所（２３ａ）に嵌め入れられて外輪（２４）の外周面に臨まされている磁気センサ（３３）を備えている。
【００３４】
軸受（２１）が荷重を受けると、外輪（２４）と玉（２６）とが互いに及ぼし合う力が変化し、外輪（２４）の歪み量が変化する。外輪（２４）は、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されているので、歪みの変化に伴ってその磁化も変化することになる。磁化の変化と荷重の変化とは、図３に示すように、リニアリティがあり、この磁化の変化に伴う磁気変化を磁気センサ（３３）で検知することにより、外輪（２４）の荷重変動が測定可能となる。玉（２６）の公転数Ｎｂと内輪（２５）の回転数Ｎｉとの間には、接触角が小さいとして、Ｎｂ≒Ｎｉ／２の関係があるので、歪みの周期に玉（２６）の数を掛けさらに２倍したものが内輪（２５）の１回転に要する時間となる。したがって、歪み変化の繰り返し数から内輪（２５）の回転数を求めることができる。また、磁気センサ（３３）の数を玉（２６）の数と同じにしてかつハウジング（２３）に等間隔に設けた凹所（２３ａ）にそれぞれ配置することにより、軸受（２１）の荷重分布を知ることもできる。
【００３５】
なお、上記実施形態では、転がり軸受が単列の場合について説明したが、転がり軸受は、複列であってももちろんよく、この場合には、転動体に関しては、二列の転動体の少なくとも一方の列のものが所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されていればよい。
【００３６】
また、間座を有する複列の転がり軸受の場合には、間座を所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成するようにしてもよい。その例を図４に示す。
【００３７】
図４は、第２の発明の転がり軸受が使用されているセンサ付き転がり軸受ユニットの第１実施形態の上半部を示すもので、センサ付き転がり軸受ユニットは、転がり軸受（４０）およびそれに設けられたセンサ装置（４２）を備えている。
【００３８】
軸受（４０）は、単列のアンギュラ玉軸受（４１）が外側および内側の間座（４７）（４８）を介して背面組合せされたもので、各単列のアンギュラ玉軸受（４１）は、固定輪である外輪（４４）、回転輪である内輪（４５）、および、これらの間に配置された複数の転動体である玉（４６）を備えている。外輪（４４）はハウジング（４３）に固定されており、センサ装置（４２）はハウジング（４３）に設けられている。図示省略したが、内輪（４５）には回転軸などが固定される。
【００３９】
外側の間座（４７）は、各外輪（４４）に挟まれて予圧を受けており、内側の間座（４８）は、各内輪（４５）との間に過負荷防止用の若干の間隙をおいて、各内輪（４５）間に収められている。
【００４０】
外輪（４４）間に挟まれて予圧を受けている外側の間座（４７）は、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されている。そして、外輪（４４）、内輪（４５）、玉（４６）および内側の間座（４８）は、セラミックスで構成されている。
【００４１】
センサ装置（４２）は、ハウジング（４３）に設けられた凹所（４３ａ）に嵌め入れられて外側の間座（４７）の外周面に臨まされている磁気センサ（５３）を備えている。
【００４２】
図４において、（４９）は、内輪（４５）の左方への移動を阻止しているストッパであり、（５０）は、ナットまたはばねの力によって内輪（４５）に右方から所定の左向き荷重を負荷する締め付け部材である。背面組合せとされた軸受（４０）は、締め付け部材（５０）の荷重負荷により、外輪（４４）同士が接近する方向の力を受け、これにより、外側の間座（４７）に予圧が付与される。
【００４３】
外側の間座（４７）は、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されているので、予圧の変化に伴ってその磁化も変化することになる。磁化の変化と荷重の変化とは、図３に示すように、リニアリティがあり、この磁化の変化に伴う磁気変化を磁気センサ（５３）で検知することにより、間座（４７）にかかる予圧が測定でき、適正な予圧を付与することができる。また、軸受使用中には、アキシャル方向の荷重によって、外側の間座（４７）の磁化が変化することから、この磁化の変化に伴う磁気変化を磁気センサ（５３）で検知することにより、軸受（４０）にかかるアキシャル方向荷重を測定することができる。
【００４４】
なお、上記実施形態では、アンギュラ玉軸受の間座を所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成する例を示したが、複列円錐ころ軸受に使用されている間座を所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成するようにしてもよく、この場合でも、上記アンギュラ玉軸受と同じ作用効果を得ることができる。
【００４５】
また、予圧を測定するために、磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成される部材は、間座に限られるものではなく、予圧を受ける外輪または内輪としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明による転がり軸受の第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】第１の発明による転がり軸受の第２実施形態を示す縦断面図である。
【図３】この発明による転がり軸受で使用されている所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料の特性を示すグラフである。
【図４】第２の発明による転がり軸受の第１実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
（１）（２１）（４０）　　　　　転がり軸受
（４）（２４）（４４）　　　　　外輪
（５）（２５）（４５）　　　　　内輪
（６）（２６）（４６）　　　　　玉（転動体）
（４７）（４８）　　　　　　間座

Claims (3)

1. 内輪、外輪および転動体を有する転がり軸受において、内輪、外輪および転動体のうちの少なくとも１つの部材が、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されていることを特徴とする転がり軸受。
2. 所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されているのは、内輪、外輪および転動体のうちの１つの部材だけであり、残りの部材は、セラミックスで構成されている請求項１の転がり軸受。
3. 内輪および外輪の少なくとも一方が間座を介して突き合わされた複数の内輪部材または外輪部材によって形成されている転がり軸受において、間座が、所定以上の磁ひずみ定数を有する金属をセラミックスに分散させた材料で構成されていることを特徴とする転がり軸受。

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