JP2004233237A

JP2004233237A - センサ付き転がり軸受ユニット

Info

Publication number: JP2004233237A
Application number: JP2003023375A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sakamoto; 賢志坂本
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】磁歪センサを使用して、軸受の軌道部材に作用する力を精度よく求めることができるセンサ付き転がり軸受ユニットを提供する。
【解決手段】センサ付き転がり軸受ユニットは、転がり軸受１およびセンサ装置２を備えている。転がり軸受１は、外輪５、内輪６、玉７および保持器８からなる。外輪５および内輪６は、ＳＵＪ２製とされ、玉７および保持器８は、非磁性材料によって形成されている。センサ装置２は、玉７から受ける力によって生じる内輪６の歪みの変化を磁歪変動量として検出する磁歪センサ１１を有している。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、転がり軸受と転がり軸受の各種情報を検出するセンサ装置とが一体化されたセンサ付き転がり軸受ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このようなセンサ付き転がり軸受ユニットとして、特許文献１には、軌道部材および転動体を有する転がり軸受と、転がり軸受の固定側軌道部材としての外輪の外側に設けられた荷重および温度測定用歪みゲージとを備えているものが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１−２０６１１３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のセンサ付き転がり軸受ユニットでは、荷重および温度の両方を１つのセンサ（歪みゲージ）で測定できる利点を有しているが、転動体が軌道部材に及ぼす力については、測定誤差が大きく、歪みゲージの測定値から精度よく軌道部材に作用する力を得ることができないという問題があった。
【０００５】
そこで、歪みゲージに比べて非常に高感度である磁歪センサを使用して、軌道部材または転動体の歪みを測定し、この歪みから軌道部材に作用する力を求めることが考えられるが、この場合には、磁性体である転動体や保持器がセンサに接近したり離隔したりする際に生じる磁場の微小変化をセンサが検知して精度が低下する問題や、軌道部材の真円度や転動体の形状等の個体差に伴う荷重のうねりによって精度が低下するという問題を解消することが必要となる。
【０００６】
この発明の目的は、磁歪センサを使用して、軸受の軌道部材に作用する力を精度よく求めることができるセンサ付き転がり軸受ユニットを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットは、軌道部材および転動体を有する転がり軸受と、転がり軸受に設けられたセンサ装置とを備えているセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、センサ装置は、転動体から受ける力によって生じる軌道部材の歪みの変化を磁歪変動量として検知する磁歪センサを有しており、上記転動体は、非磁性材料で形成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
磁歪センサは、逆磁歪効果（物質が歪むあるいは変形すると磁力が現れる現象）を計測するセンサであり、磁歪センサとしては、例えば、透磁率の高い磁性線に高周波電流を印加したときの磁性線両端間のインピーダンスが外部磁場によって変化する電磁気現象を利用して外部磁場を計測する磁気インピーダンスセンサ（ＭＩセンサ）、インピーダンスが応力により変化することを利用した応力インピーダンスセンサ（ＳＩセンサ）などが挙げられる。
【０００９】
転がり軸受としては、深みぞ玉軸受、アンギュラ玉軸受、ころ軸受、ニードル軸受、スラスト軸受などのいずれの転がり軸受でも使用可能であり、また、単列のものだけでなく、複列のものにも適用できる。
【００１０】
転がり軸受の軌道部材は、一方が固定側軌道部材とされて、ハウジングなどに取り付けられ、他方が回転側軌道部材とされて、回転軸などに取り付けられる。磁歪センサは、典型的には、固定側軌道部材に取り付けられる。
【００１１】
軌道部材の材料としては、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼の他種々の軸受用鋼が使用され、転動体用の非磁性材料としては、所定の強度が必要なことから、例えば、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼、窒化珪素等のセラミック、クロム・モリブデン鋼などが好適である。
【００１２】
軸受の回転側軌道部材に固定された回転体が回転したり、回転体に荷重がかかると、転動体と軌道部材の軌道面や肩部との間に作用する力が変化し、この結果、軌道部材の軌道面や肩部の歪み量が変動し、逆磁歪効果が得られる。この場合の逆磁歪効果は、ミリガウス程度の小さいものであるが、磁歪センサは、歪み変動量を磁歪変動量として検知することができ、この歪みの変動量から逆算して、軌道部材に作用する力の変動量を求めることができる。
【００１３】
この発明のセンサ付き転がり軸受ユニットによると、転動体が非磁性材料で形成されているので、転動体が磁歪センサに対し近づいたり遠ざかったりしても磁場には影響を及ぼさず、また、軌道部材の真円度や転動体の形状等の個体差が誤差として含まれにくくなり、軌道部材に作用する力を非接触で精度よく検出することができる。
【００１４】
上記転がり軸受は、保持器をさらに有していることがあり、この場合には、保持器が非磁性材料で形成されていることが好ましい。
【００１５】
保持器も回転して磁歪センサに対し近づいたり遠ざかったりするので、これが非磁性材料で形成されていることによって、保持器が磁場に影響を及ぼすことが防止され、したがって、軌道部材に作用する力を非接触でより精度よく検出することができる。
【００１６】
保持器用の非磁性材料としては、黄銅等の金属、合成樹脂等の非金属が例示される。
【００１７】
なお、転動体用および保持器用の非磁性材料は、磁歪センサに悪影響を及ぼさない範囲で、適宜変更することができる。すなわち、この非磁性材料とは、完全な非磁性材に加え、影響が及ばない程度の微弱磁性を有する材料を含む意である。
【００１８】
センサ装置は、歪み変化の繰り返し数から軌道部材の回転を検出するとともに、歪みの振幅から軌道部材に作用する力を検出するものであることが好ましい。
【００１９】
転動体が公転することによって、歪みは、転動体の数および回転速度や回転総数等の回転に応じた周波数で繰り返されることになり、適宜な処理回路を構成して、この繰り返し数を使用することにより、転がり軸受ユニット（回転側軌道部材）の回転を求めることができるとともに、歪みの振幅から軌道部材に作用する力を検出することができる。こうして、１つのセンサを使用して、２種類の重要な軸受挙動に関するデータを得ることができる。
【００２０】
【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。
【００２１】
図１および図２は、この発明のセンサ付き転がり軸受ユニットの１実施形態を示している。以下の説明において、左右は図１の左右をいうものとする。
【００２２】
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。
【００２３】
転がり軸受（１）は、ハウジング（３）に固定されている外輪（固定側軌道部材）（５）、回転軸（４）に固定されている内輪（回転側軌道部材）（６）、これらの間に配置された複数の転動体である玉（７）、および玉（７）を保持する保持器（８）からなる。
【００２４】
この実施形態では、外輪（５）および内輪（６）は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）製、玉（７）は、セラミック製、保持器（８）は、黄銅製とされており、外輪（５）および内輪（６）が磁性を有しているのに対し、玉（７）および保持器（８）は、非磁性材料によって形成されている。
【００２５】
センサ装置（２）は、ハウジング（３）に取り付けられた磁歪センサ（１１）と、磁歪センサ（１１）の出力を処理する処理手段（１２）（図１には現れず、図２参照）とを備えている。
【００２６】
この実施形態では、磁歪センサ（１１）は、磁気インピーダンスセンサとされており、そのセンシング部（１１ａ）は、内輪（６）の肩部（６ａ）に臨まされている。この肩部（６ａ）に対向する外輪（５）の肩部には、カウンタボア（５ａ）が形成されている。内輪（６）の肩部（６ａ）は、玉（７）から受ける力によって生じる歪みの変化に伴って、逆磁歪効果を生む。これにより、磁歪センサ（１１）としての磁気インピーダンスセンサは、内輪（６）の玉（７）近傍の歪みの変動量を検出することができる。
【００２７】
内輪（６）に生成される歪みは、図２に示すような波形を成しており、磁歪センサ出力として測定できる。また、玉（７）の公転数Ｎｂと内輪（６）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、処理手段において、歪みの周期（Ｔ１またはＴ２）に玉（７）の数を掛けてさらに２倍し、玉（７）のすべり等による分を微調整することにより、内輪（６）の１回転に要する時間が求められる。こうして、歪み変化の繰り返し数から内輪（６）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（７）の公転数Ｎｂと内輪の回転数Ｎｉとの関係は、Ｄを玉のピッチ径、ｄを玉の直径として、Ｎｂ＝（１−ｄｃｏｓα／Ｄ）Ｎｉ／２となる。一方、処理手段（１２）には、電圧の変動量として出力された歪みの振幅から内輪（６）に作用する力の変動量を求める演算式が蓄えられており、歪みの振幅Ａを使用することにより、内輪（６）が玉（７）から受ける力の最大値を求めることができ、これを使用して内輪（６）に作用する力を求めることができる。
【００２８】
上記の歪み検知において、玉（７）および保持器（８）は、非磁性材料によって形成されているので、内輪（６）の回転に伴ってこれらが磁歪センサ（１１）に対し近づいたり遠ざかったりしても、内輪（６）の肩部（６ａ）近傍の磁場には影響を及ぼさないため、玉（７）および保持器（８）の回転に起因する誤差（ノイズ）が生じず、高感度の磁歪センサ（１１）が検知するデータに含まれる誤差を非常に小さくすることができる。
【００２９】
こうして、このセンサ付き転がり軸受ユニットによると、磁歪センサ（１１）によって、転がり軸受（２）の回転（回転数、回転速度、回転角度など）が求められるとともに、転がり軸受（２）にかかる力が精度よく検出され、これらが制御手段に出力されて、回転軸（４）に適正な制御が施される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットの１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットのセンサ装置のブロック図である。
【符号の説明】
（１）転がり軸受ユニット
（２）センサ装置
（５）外輪
（６）内輪
（７）玉（転動体）
（８）保持器
（１１）磁気インピーダンスセンサ（磁歪センサ）

Claims

軌道部材および転動体を有する転がり軸受と、転がり軸受に設けられたセンサ装置とを備えているセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、
センサ装置は、転動体から受ける力によって生じる軌道部材の歪みの変化を磁歪変動量として検知する磁歪センサを有しており、上記転動体は、非磁性材料で形成されていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受ユニット。
転がり軸受は、保持器をさらに有しており、該保持器が非磁性材料で形成されている請求項１のセンサ付き転がり軸受ユニット。
センサ装置は、歪み変化の繰り返し数から軌道部材の回転を検出するとともに、歪みの振幅から軌道部材に作用する力を検出するものであることを特徴とする請求項１または２のセンサ付き転がり軸受ユニット。