JP2004361259A - Sensor device, and rolling bearing unit with sensor - Google Patents
Sensor device, and rolling bearing unit with sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004361259A JP2004361259A JP2003160331A JP2003160331A JP2004361259A JP 2004361259 A JP2004361259 A JP 2004361259A JP 2003160331 A JP2003160331 A JP 2003160331A JP 2003160331 A JP2003160331 A JP 2003160331A JP 2004361259 A JP2004361259 A JP 2004361259A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sensor
- rolling bearing
- bearing unit
- magnetic
- rolling
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
- Rolling Contact Bearings (AREA)
Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、逆磁歪効果を利用したセンサ装置、および、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】
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おいて、磁歪センサを使用して軌道部材の歪みを検知することが本出願人により提案されている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特願２００３−２３３７８
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記出願のセンサ付き転がり軸受ユニットでは、転動部材の通過に伴って軌道部材の肩部が歪むことによる逆磁歪効果を検知して軌道部材に作用する力を求めているが、逆磁歪効果が小さいため、この効果を大きくすることが課題となっている。逆磁歪効果を高めるには、材料を変更したり、被検知部に表面処理を施したりすることなどが考えられるが、材料の変更は軸受としての性能に影響を及ぼすことがあり、また、表面処理を施すことには、手間およびコストが増加するという問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、上記実情に鑑み、磁性体を被検知部としてこれと磁歪センサとを組み合わせるとともに、磁性体の特徴を生かして被検知部の逆磁歪効果を精度よく検知することができるセンサ装置を提供することにある。
【０００６】
また、この発明の目的は、逆磁歪効果を利用して軸受の歪み量の検知が可能であり、しかも、軸受の材料を変更したり、被検知部に表面処理を施したりすることが不要な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装置は、圧縮応力を受ける磁性体製の被検知部と、被検知部に対向するセンシング面を有し被検知部の逆磁歪効果を検知する磁歪センサとからなり、被検知部が、磁気異方性を有するように着磁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、磁区が磁化回転を起こし、見かけ上磁力が現れる現象）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】
着磁は、Ｓ極およびＮ極が軸方向に並ぶように行われてもよく、また、Ｓ極およびＮ極が径方向に並ぶように行われてもよい。この場合に、Ｓ極およびＮ極は環状に形成されてもよく、周方向の１または複数箇所に設けられてもよい。
【００１０】
着磁によって形成される磁気異方性は、各磁区の方向が圧縮方向と同じ方向またはこの方向と小さい角度で交差する方向に揃うように付与され、センサは、そのセンシング面が圧縮方向に対して垂直方向または垂直に近い方向から被検知部を臨むように設けられる。また、センサのセンシング面は、磁束密度がゼロの付近（Ｓ極とＮ極との境界部分）に臨まされる。
【００１１】
この発明のセンサ装置によると、圧縮応力がかかっていない状態では、各磁区の方向が同じ方向を向いており、圧縮方向応力がかかることによって、各磁区の方向が圧縮方向と垂直な方向に変化し、これに伴って、磁歪センサによって検知される磁束密度が変化する。この変化量は、圧縮応力の大きさに比例しており、磁歪センサの出力から、被検知部にかかっている圧縮応力を求めることができる。
【００１２】
この発明のセンサ装置は、被検知部が移動（例えば回転）しており、その被検知部が受けている応力を非接触で測定する場合に特に有効である。
【００１３】
上記センサ装置において、各磁区の方向が圧縮方向と同じ方向となるように磁気異方性が付与されるとともに、センサのセンシング面が圧縮方向に垂直な方向から被検知部を臨むように設けられることが好ましく、このようにすると、圧縮応力がかっていないときに磁歪センサに検知される方向の磁束密度が実質的にゼロとなるとともに、圧縮応力がかったときに磁歪センサに検知される方向の磁束密度が実質的に最大値となり、磁歪センサに検知される磁束密度変化が最大となる。したがって、高い精度で圧縮応力を検知することができる。
【００１４】
この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットは、固定側軌道部材、回転側軌道部材および転動部材を有する転がり軸受と、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、転動部材と軌道部材との接触部に作用する圧縮方向の力により生じるこれらの部材のうちのいずれかの逆磁歪効果を検知する磁歪センサを有しており、被検知部が、磁気異方性を有するように着磁されていることを特徴とするものである。
【００１５】
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。
【００１６】
固定側軌道部材は、ハウジングなどに取り付けられ、回転側軌道部材は、回転軸などに取り付けられる。磁歪センサは、一般的には、固定側軌道部材またはこれが固定されるハウジングなどの固定側部材に取り付けられる。なお、固定側部材とは、回転側部材と相対回転する部材の意であり、必ずしも固定されている必要はなく、固定側部材には、それ自体が回転するものも含まれるものとする。
【００１７】
この発明のセンサ付き転がり軸受ユニットによると、回転軌道部材に固定された主軸等の回転体が回転したり、回転体に荷重がかかると、転動部材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、軸受用鋼等の鉄系磁性体では、ミリガウス程度の小さいものであるが、被検知部に磁気異方性を付与することにより、上述のように、磁束密度変化を大きくすることが可能であり、磁歪センサは、歪み変動量を磁歪変動量として精度よく検知することができる。したがって、この歪みの変動量から軌道部材への作用力の変動量を精度よく求めることができる。
【００１８】
上記のセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、固定側軌道部材、回転側軌道部材および転動部材は、いずれも軸受用鋼であり、固定側軌道部材および回転側軌道部材のいずれか一方に、被検知部が設けられていることがあり、固定側軌道部材および回転側軌道部材は、いずれも軸受用鋼で、転動部材は、非磁性材料で形成されており、固定側軌道部材および回転側軌道部材のいずれか一方に、被検知部が設けられていることがある。
【００１９】
このようにすると、固定側軌道部材および回転側軌道部材がいずれも軸受用鋼であるので、軸受の性能に影響を及ぼすことなく上記の効果を得ることができる。また、転動部材および被検知部を備えない方の軌道部材や保持器を非磁性材料製とすることにより、ノイズとしての周辺磁束を最小にすることができ、逆磁歪効果による微小な磁束変化をより精度よく検知することができる。
【００２０】
上記のセンサ付き転がり軸受ユニットは、固定側軌道部材が車体側、回転側軌道部材が車輪側に取り付けられるようになされて、センサ付きハブユニットとして使用されることがある。
【００２１】
このようにすると、磁歪センサの出力からタイヤの接地荷重を検出することが可能となり、接地荷重を使用した車両の安定制御に寄与することができる。
【００２２】
上記のセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、着磁は、Ｓ極およびＮ極が軸方向に並ぶように行われているいることがあり、また、着磁は、Ｓ極およびＮ極が径方向に並ぶように行われていることがある。
【００２３】
そして、着磁によって形成される磁気異方性は、各磁区の方向が圧縮方向と同じ方向に揃うように付与されていることが好ましく、センサは、そのセンシング面が圧縮方向に対して垂直方向から被検知部を臨むように設けられていることが好ましく、センサのセンシング面は、磁束密度がゼロの付近に臨まされていることが好ましい。
【００２４】
このようにすると、磁歪センサで検知される磁束密度の変化量が最大となり、最も精度のよい検知を行うことができる。
【００２５】
【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。
【００２６】
図１および図２は、この発明のセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受ユニットの第１実施形態を示している。以下の説明において、左右および上下は、図の左右および上下をいうものとする。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。
【００２７】
このセンサ付き転がり軸受ユニットは、センサ付きハブユニットとして使用されるもので、ハブユニット（１）と、タイヤの接地荷重を検出するセンサ装置（２）とを備えている。
【００２８】
ハブユニット（１）は、車体側に固定される固定側軌道部材（車体側部材）（３）、車輪が取り付けられる回転側軌道部材（車輪側部材）（４）、両部材（３）（４）の間に２列に配置された複数の転動部材である玉（５）、および各列の玉（５）をそれぞれ保持する保持器（６）を備えている。
【００２９】
固定側軌道部材（３）は、軸受の外輪（固定輪）機能を有しているもので、内周面に２列の外輪軌道が形成されている円筒部（１２）と、円筒部（１２）の左端部近くに設けられて懸架装置（車体）にボルトで取り付けられるフランジ部（１３）とを有している。
【００３０】
回転側軌道部材（４）は、第１の軌道溝（１５ａ）を有する大径部（１５）および第１の軌道溝（１５ａ）の径よりも小さい外径を有する小径部（１６）を有している内軸（１４）と、内軸（１４）の小径部（１６）外径に嵌め止められて右面が内軸（１４）の大径部（１５）左面に密接させられている内輪（１７）とからなる。内軸（１４）の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト（１９）が固定されたフランジ部（１８）が設けられている。内輪（１７）の右部には、内軸（１４）の軌道溝（１５ａ）と並列するように、軌道溝（１７ａ）が形成されており、内輪（１７）の左部に肩部（１７ｂ）が形成されている。固定側軌道部材（３）の右端部と内軸（１４）との間には、シール装置（２０）が設けられている。内軸（１４）の小径部（１６）の左端部には、おねじ部が設けられており、このおねじ部にねじ合わされたナット（２１）によって、内輪（１７）が内軸（１４）に固定されている。固定側軌道部材（３）の左端部には、カバー（２２）が被せ止められている。
【００３１】
センサ装置（２）は、固定側軌道部材（３）に取り付けられた支持部材（７）と、支持部材（７）に取り付けられた磁歪センサ（８）と、磁歪センサ（８）の出力を処理する処理手段（図示略）とを備えている。
【００３２】
この実施形態では、固定側軌道部材（３）および回転側軌道部材（４）は、鉄系磁性体であり軸受用鋼の１種である高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）製、転動部材（５）は、セラミック製、保持器（６）は、黄銅製とされており、固定側軌道部材（３）および回転側軌道部材（４）が磁性を有しているのに対し、転動部材（５）および保持器（６）は、非磁性材料によって形成されている。
【００３３】
この実施形態では、磁歪センサ（８）は、磁気インピーダンスセンサとされており、そのセンシング面（８ａ）は、回転側軌道部材（４）の内輪（１７）の肩部（１７ｂ）の外周面に臨まされている。
【００３４】
回転側軌道部材（４）の内輪（１７）には、Ｓ極とＮ極とが周方向の所定箇所に左右に並んで配置されることにより、内輪（１７）の各磁区の方向を軸方向に向かせる着磁部（９）が設けられている。磁歪センサ（８）のセンシング面（８ａ）は、内輪（１７）と転動部材（５）との接触角の方向にほぼ垂直な方向から着磁部（９）のＳ極とＮ極との境界部分を臨むように調整されている。
【００３５】
上記センサ付き転がり軸受ユニットによると、回転側軌道部材（内輪）（４）が回転して、転動部材（５）が磁歪センサ（８）のセンシング面（８ａ）が臨まされている内輪（１７）を歪ませると、逆磁歪効果により、この内輪（１７）の肩部（１７ｂ）で磁区の磁化回転が生じて見かけ上微小磁力が生じ、磁歪センサ（８）の出力が上昇する。そして、転動部材（５）と転動部材（５）の間がセンシング面（８ａ）に来ると、内輪（１７）の歪みが減り、磁力が低下する。よって、磁歪センサ（８）の出力も低下する。この変化は、転動部材（５）の公転周波数×転動部材数に等しい周波数のサイン波となり、その振幅の変化は、径方向荷重と相関がある。したがって、このサイン波の振幅（磁歪センサ（８）の信号の高周波成分の振幅）から回転側軌道部材（４）に作用する力さらにこれと相関のある車輪の接地荷重を求めることができる。
【００３６】
上記逆磁歪効果の原理および効果について、図３から図６までを参照して以下に説明する。
【００３７】
原子には、電子の公転や電子そのものの自転・スピンにより、自発磁化が発生している。中でもＦｅ原子は、電子分布が回転楕円体的になっているため、原子自体が見掛け楕円体になっており、自発磁化方向がその長軸方向を向いている。Ｆｅでは、結晶格子毎に自発磁化が揃っており、結晶格子は、自発磁化方向に伸びている。これを自発磁歪と言う。さらに、多結晶Ｆｅ（例えば、ＳＵＪ２）では、結晶粒単位で磁化が揃っているのが一般的で、この集団は磁区と呼ばれている。各磁区内で磁化の方向に磁歪が起きているが、消磁状態では、磁区は、図３（ａ）に示すように、等方性を示し、磁歪は打ち消し合っている。
【００３８】
この多結晶Ｆｅに外部から磁界を印加すると、その方向のエネルギーを下げるように、各磁区は、磁界の方向に磁化回転を起こす。これにより、磁化方向が変わり、磁区の磁歪方向も変化する。例えば、図３（ｂ）に破線の矢印で示すような外部磁界が印加されると、磁区は、同図に示すように、外部磁界の方向を向く異方性を示し、磁歪方向も同様に変化することから、全体として、Ｆｅ材が印加磁界の方向に変形する。歪みの大きさは、歪みに抵抗する材料の弾性エネルギーと磁気異方性エネルギーとの兼ね合いで決まる。磁区が等方性を示す消磁状態では、磁歪による材料の歪みｅは、平均してｅ／３となるから、消磁状態から磁気飽和までの変形λ（磁歪の飽和値）は、λ＝ｅ−ｅ／３＝（２／３）ｅで表される。よって、自発磁歪値は、ｅ＝（３／２）λで表される。Ｆｅ材では、一般的にλ＝１０−５程度である。
【００３９】
逆に、外力によって材料を歪ませると、磁化方向が変化する現象が発生する。これは逆磁歪効果と呼ばれている。多結晶Ｆｅに一軸応力がかかると、図３（ｃ）に示すように磁化方向が圧縮方向と垂直の方向に変化し、磁気異方性を成す。逆磁歪効果の測定には、磁気異方性を成すと透磁率が上がる特性を用いて、図３（ｃ）に破線の矢印で示す方向の磁界を外部から印加し、その透磁率変化を測定する方法が多く用いられている。
【００４０】
図４は、被検知部が着磁されている場合に検知される磁束密度を説明する図で、図５は、被検知部が着磁されていない場合に検知される磁束密度を説明する図である。
【００４１】
図５（ａ）において、磁性体（Ｍ）中には、多数の磁区（ｍ）が存在しており、その方向はバラバラゆえ全体として等方性を示している。この磁性体（Ｍ）に磁歪センサ（Ｓ）のセンシング面を対向させると、磁歪センサ（Ｓ）には磁性体（Ｍ）の被検知部の磁束密度が０でないことに伴う出力Δ３（磁束密度０を基準）が生じる。次いで、磁性体（Ｍ）に圧縮応力（Ｃ）を付加すると、同図（ｂ）に示すように、磁区（ｍ）の方向は、圧縮方向と直交する方向に揃えられる。これにより、磁歪センサ（Ｓ）には磁束密度変化に伴う出力Δ４（磁束密度０を基準）が生じる。したがって、磁歪センサ（Ｓ）が検知するのは、Δ４−Δ３である。図４（ａ）において、磁性体（Ｍ）中には、多数の磁区（ｍ）が存在しており、その方向は、着磁により、磁歪センサ（Ｓ）のセンシング面に平行に揃えられている。この磁性体（Ｍ）に磁歪センサ（Ｓ）のセンシング面を対向させると、磁歪センサ（Ｓ）には被検知部の磁束密度に伴う出力Δ１が生じるが、この値は、磁区の方向がセンシング面に対して直交しているので、ほぼ０となっている。次いで、磁性体（Ｍ）に圧縮応力（Ｃ）を付加すると、同図（ｂ）に示すように、磁区（ｍ）の方向は、圧縮方向と直交する方向に揃えられる。これにより、磁歪センサ（Ｓ）には被検知部の磁束密度変化に伴う出力Δ２（磁束密度０を基準）が生じる。このΔ２は、上記Δ４と同じ大きさであるが、磁歪センサ（Ｓ）が検知するのは、Δ２−Δ１であって、Δ１がほぼ０であることから、（Δ２−Δ１）＞（Δ３−Δ４）となる。
【００４２】
図６は、着磁有りと着磁無しとにおける逆磁歪効果の違いを示すグラフであり、ＳＵＪ２（着磁無し）、ＳＵＪ２（着磁有り）およびＳＵＳ３０４（参考例）の３種類に対して、負荷荷重を増加させていった際の磁束密度変化量がそれぞれ求められている。同図から分かるように、磁性体であるＳＵＪ２（着磁無し）は、荷重の増加にしたがってほぼ直線的に磁束密度が変化しており、磁束密度の変化量から負荷荷重を求めることができるものの、磁束密度変化量は、８ｋＮの荷重を付与しても１μＴに達していない。これに対し、ＳＵＪ２（着磁有り）では、磁束密度変化量は、５ｋＮの荷重を付与した際に４μＴに達しており、ＳＵＪ２（着磁無し）に比べて、磁束密度変化量から負荷荷重を求める際の誤差が小さくなることが分かる。なお、図６のグラフによると、負荷荷重が大きくなると、磁束密度変化量は一定値に飽和しており、ＳＵＪ２（着磁有り）では、所定の圧縮応力値になると、磁区の向きがセンサ方向にほぼ揃い、これ以上負荷荷重を大きくしても、磁束密度があまり大きくならないことが分かる。したがって、磁歪センサの出力値から接地荷重を求める演算式は、この特性を考慮して作成される。
【００４３】
上記のことから、図１の転がり軸受ユニットでは、図２（ａ）に示す圧縮応力がかっていない状態（転動部材（５）がない箇所における状態）では、着磁部（９）の磁区（ｍ）に圧縮方向の磁気異方性が生じており、磁歪センサ（８）に向く磁化が少なくなっている（矢印は、磁区（ｍ）の磁束の方向を示している。）。そして、同図（ｂ）に示す圧縮応力がかった状態（転動部材（５）がある箇所における状態）では、着磁部（９）の磁区（ｍ）が磁歪センサ（８）の方向を向くことにより、磁束密度が大きくなる。この磁束密度変化は、着磁無しの場合に比べ大きく、したがって、この変化量から精度よく荷重を求めることができる。
【００４４】
上記において、着磁部（９）は、内輪（１７）の各磁区（ｍ）の方向を軸方向に向かせるように設けられているが、各磁区（ｍ）の方向を径方向に向かせるように設けることもできる。その一例を図７に示す。同図において、回転側軌道部材（４）の内輪（１７）の肩部（１７ｂ）には、Ｓ極とＮ極とが周方向の所定箇所に径方向に並んで配置されることにより、内輪（１７）の各磁区（ｍ）の方向を径方向に向かせる着磁部（１０）が設けられている。磁歪センサ（８）のセンシング面（８ａ）は、内輪（１７）と転動部材（５）との接触角の方向にほぼ垂直な方向から着磁部（１０）のＳ極とＮ極との境界部分を臨むように調整されている。
【００４５】
なお、上記各実施形態では、いずれも着磁部（９）（１０）を回転側軌道部材（４）の内輪（１７）に設ける例を示したが、着磁部は、回転側軌道部材（４）の他の部分に設けてもよく、固定側軌道部材（３）に設けてもよい。また、転動部材（５）を軸受用鋼で形成し、この軸受用鋼製の転動部材（５）に着磁部を設けるようにしてもよい。いずれの場合でも、着磁に際して、Ｓ極とＮ極とを軸方向に並ぶように設けてもよく、径方向に並ぶように設けてもよい。そして、磁歪センサ（８）のセンシング面（８ａ）は、形成された着磁部からの磁束密度の変化を最適に検知できるようにその方向を調整される。
【００４６】
また、上記においては、センサ付き転がり軸受ユニットとして、センサ付きハブユニットに使用されるものを説明したが、上記のセンサ装置（２）は、図８および図９に示すように、他の転がり軸受にももちろん適用できる。以下の説明において、左右は図８の左右をいうものとする。
【００４７】
このセンサ付き転がり軸受ユニットは、転がり軸受（３１）およびそれに設けられたセンサ装置（３２）を備えている。
【００４８】
転がり軸受（３１）は、ハウジング（３９）に固定されている固定側軌道部材（外輪）（３３）、回転軸（４０）に固定されている回転側軌道部材（内輪）（３４）、これらの間に配置された複数の転動部材（玉）（３５）、および転動部材（３５）を保持する保持器（３６）からなる。
【００４９】
この実施形態では、固定側軌道部材（３３）および回転側軌道部材（３４）は、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）製、転動部材（３５）は、セラミック製、保持器（３６）は、黄銅製とされており、固定側軌道部材（３３）および回転側軌道部材（３４）が磁性を有しているのに対し、転動部材（３５）および保持器（３６）は、非磁性材料によって形成されている。
【００５０】
センサ装置（３２）は、固定側軌道部材（３３）に取付部材（３７）を介して取り付けられた磁歪センサ（３８）と、磁歪センサ（３８）の出力信号を処理する処理手段（図示略）とを備えている。
【００５１】
この実施形態では、磁歪センサ（３８）は、磁気インピーダンスセンサとされており、そのセンシング面（３８ａ）は、回転側軌道部材（３４）の肩部（３４ａ）に設けられたテーパ面に臨まされている。そして、回転側軌道部材（３４）の肩部（３４ａ）には、磁力線の方向がテーパ面にほぼ平行となるように着磁部（４１）が設けられている。
【００５２】
上記センサ付き転がり軸受ユニットによると、回転側軌道部材（内輪）（３４）が回転して、転動部材（３５）が磁歪センサ（３８）のセンシング面（３８ａ）が臨まされている内輪肩部（３４ａ）を歪ませると、逆磁歪効果により、この内輪肩部（３４ａ）で磁区の磁化回転が生じて見かけ上微小磁力が生じ、磁歪センサ（３８）の出力が上昇する。そして、転動部材（３５）と転動部材（３５）の間がセンシング面（３８ａ）に来ると、内輪肩部（３４ａ）の歪みが減り、磁力が低下する。よって、磁歪センサ（３８）の出力も低下する。この変化は、転動部材（３５）の公転周波数×転動部材数に等しい周波数のサイン波（第１のＳＩＮ波）となり、その振幅の変化は、径方向荷重と相関がある。したがって、このサイン波の振幅（磁歪センサ（３８）の信号の高周波成分の振幅）から回転側軌道部材（３４）に作用する力を求めることができる。
【００５３】
この転がり軸受ユニットでは、図９（ａ）に示す圧縮応力がかっていない状態（転動部材（３５）がない箇所における状態）では、矢印で示すように、着磁部（４１）の磁区（ｍ）に圧縮方向の磁気異方性が生じており、磁歪センサ（３８）に向く磁化が少なくなっている。そして、同図（ｂ）に示す圧縮応力がかった状態（転動部材（３５）がある箇所における状態）では、着磁部（４１）の磁区（ｍ）が磁歪センサ（３８）の方向を向くことにより、磁束密度が大きくなる。この磁束密度変化は、着磁無しの場合に比べ大きく、したがって、この変化量から精度よく荷重を求めることができる。
【００５４】
上記の実施形態では、磁歪センサ（３８）を固定側軌道部材（外輪）（３３）に固定する例を示したが、磁歪センサ（３８）は、回転側軌道部（内輪）（３４）やハウジング（３９）等に固定してもよい。軌道部材（３３）（３４）に固定する場合では、転がり軸受ユニットとしてハウジング（３９）等とは独立した構成となり、取扱いが容易になる。
【００５５】
なお、上記各実施形態において、磁歪センサの出力から回転側軌道部材に作用する力を検知する場合についてのみ説明したが、磁歪センサの出力から固定側軌道部材に作用する力を検知することもでき、また、適宜な信号処理手段の追加により、回転側軌道部材の回転情報（回転速度や回転数）、回転側軌道部材の偏心量や膨張量、転動部材の公転速度などの物理量の検出も同時に可能となる。
【００５６】
また、上記各実施形態では、転動部材（５）や保持器（６）に非磁性材料を用いているが、転動部材（５）を軸受用鋼としてももちろんよい。転動部材（５）や保持器（６）あるいは被検知部を備えない方の軌道部材に非磁性材料を用いることにより、ノイズとしての周辺磁束を最小にすることができ、逆磁歪効果による微小な磁束変化を精度よく検知できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明によるセンサ装置および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】図２は、図１のセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受ユニットにおける圧縮応力と磁区の方向との関係を示す拡大断面図である。
【図３】図３は、この発明によるセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受ユニットの逆磁歪効果の原理を示す図である。
【図４】図４は、この発明によるセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受ユニットの磁束密度変化を示す図である。
【図５】図５は、着磁部のない場合の図４に対応する図である。
【図６】図６は、図４および図５のものについて、荷重変化と磁束密度変化との関係を示す実験結果である。
【図７】図７は、この発明によるセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受ユニットの他の実施形態を示す縦断面図である。
【図８】図８は、この発明によるセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受ユニットのさらに他の実施形態を示す縦断面図である。
【図９】図９は、図８のセンサ装置およびセンサ付き転がり軸受ユニットにおける圧縮応力と磁区の方向との関係を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
（１） 転がり軸受
（２） センサ装置
（３） 固定側軌道部材
（４） 回転側軌道部材
（５） 玉（転動部材）
（８） 磁気インピーダンスセンサ（磁歪センサ）
（９） 着磁部
（１０） 着磁部
（３１） 転がり軸受
（３２） センサ装置
（３３） 外輪（固定側軌道部材）
（３４） 内輪（回転側軌道部材）
（３５） 玉（転動部材）
（３８） 磁気インピーダンスセンサ（磁歪センサ）
（４１） 着磁部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a sensor device utilizing an inverse magnetostrictive effect, and a rolling bearing unit with a sensor in which a rolling bearing and a sensor device for detecting various kinds of information of the rolling bearing are integrated.
[0002]
[Prior art]
In a rolling bearing unit with a sensor in which a rolling bearing and a sensor device for detecting various kinds of information of the rolling bearing are integrated, it has been proposed by the present applicant to detect distortion of a raceway member using a magnetostrictive sensor ( Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application No. 2003-23378
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the rolling bearing unit with the sensor of the above application, the force acting on the raceway member is obtained by detecting the reverse magnetostriction effect due to the shoulder of the raceway member being distorted with the passage of the rolling member. Since it is small, it is an issue to increase this effect. In order to enhance the reverse magnetostriction effect, it is conceivable to change the material or apply a surface treatment to the part to be detected.However, the change in the material may affect the performance as a bearing. There is a problem that performing the processing increases labor and cost.
[0005]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to combine a magnetic material as a detected portion with a magnetostrictive sensor and to accurately detect the inverse magnetostrictive effect of the detected portion by utilizing the characteristics of the magnetic material. It is to provide a device.
[0006]
Further, an object of the present invention is to detect the amount of distortion of a bearing by utilizing the inverse magnetostriction effect, and it is unnecessary to change the material of the bearing or to perform surface treatment on the detected part. It is to provide a rolling bearing unit with a sensor.
[0007]
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
A sensor device according to the present invention comprises a detected part made of a magnetic material subjected to a compressive stress, and a magnetostrictive sensor having a sensing surface facing the detected part and detecting a reverse magnetostrictive effect of the detected part. Are magnetized so as to have magnetic anisotropy.
[0008]
Magnetostrictive sensors are sensors that measure the reverse magnetostrictive effect (a phenomenon in which when a material is distorted or deformed, magnetic domains cause magnetization rotation and an apparent magnetic force appears). As a magnetostrictive sensor, for example, a magnetic wire with high magnetic permeability is used. A magnetic impedance sensor (MI sensor) that measures an external magnetic field using an electromagnetic phenomenon in which the impedance between both ends of a magnetic wire when an RF current is applied changes according to an external magnetic field, and a stress impedance that uses that the impedance changes due to stress. Sensors (SI sensors).
[0009]
The magnetization may be performed such that the S pole and the N pole are arranged in the axial direction, or may be performed so that the S pole and the N pole are arranged in the radial direction. In this case, the S pole and the N pole may be formed in a ring shape, or may be provided at one or more locations in the circumferential direction.
[0010]
The magnetic anisotropy formed by magnetization is provided so that the direction of each magnetic domain is aligned in the same direction as the compression direction or in a direction crossing this direction at a small angle, and the sensor has a sensing surface with respect to the compression direction. The detection portion is provided so as to face the detected portion from a vertical direction or a direction close to vertical. In addition, the sensing surface of the sensor is exposed near a magnetic flux density of zero (a boundary portion between the S pole and the N pole).
[0011]
According to the sensor device of the present invention, when no compressive stress is applied, the direction of each magnetic domain is oriented in the same direction, and the direction of each magnetic domain changes in a direction perpendicular to the compression direction by applying the compressive stress. Accordingly, the magnetic flux density detected by the magnetostrictive sensor changes. The amount of change is proportional to the magnitude of the compressive stress, and the compressive stress applied to the detected part can be obtained from the output of the magnetostrictive sensor.
[0012]
The sensor device of the present invention is particularly effective when the detected part is moving (for example, rotating) and the stress received by the detected part is measured in a non-contact manner.
[0013]
In the above-described sensor device, magnetic anisotropy is provided so that the direction of each magnetic domain is the same as the compression direction, and the sensor is provided so that the sensing surface of the sensor faces the detection target from a direction perpendicular to the compression direction. In this case, the magnetic flux density in the direction detected by the magnetostrictive sensor when no compressive stress is applied is substantially zero, and the magnetic flux density in the direction detected by the magnetostrictive sensor when the compressive stress is applied is preferable. The density substantially becomes the maximum value, and the change in the magnetic flux density detected by the magnetostrictive sensor becomes the maximum. Therefore, the compressive stress can be detected with high accuracy.
[0014]
A sensor-equipped rolling bearing unit according to the present invention is a sensor-equipped rolling bearing unit comprising: a rolling bearing having a fixed-side raceway member, a rotation-side raceway member, and a rolling member; and a sensor device. And a magnetostrictive sensor for detecting an inverse magnetostrictive effect of any of these members generated by a compressive force acting on a contact portion between the bearing member and the track member, and the detected portion has magnetic anisotropy. It is characterized by being magnetized as described above.
[0015]
As rolling bearings, any rolling bearings such as deep groove ball bearings, angular ball bearings, roller bearings, needle bearings, thrust bearings, etc. can be used. Applicable.
[0016]
The fixed-side track member is attached to a housing or the like, and the rotating-side track member is attached to a rotating shaft or the like. The magnetostrictive sensor is generally mounted on a fixed-side track member or a fixed-side member such as a housing to which the track member is fixed. Note that the fixed-side member means a member that rotates relative to the rotation-side member, and is not necessarily fixed. The fixed-side member includes a member that rotates itself.
[0017]
According to the sensor-equipped rolling bearing unit of the present invention, when a rotating body such as a main shaft fixed to the rotating race member rotates or a load is applied to the rotating body, the rolling member and the raceway surface or the shoulder of the race member may be moved. The force acting between them changes, and as a result, the amount of distortion of the raceway surface and shoulder of the raceway member fluctuates, and an inverse magnetostriction effect is obtained. The reverse magnetostriction effect in this case is small in the order of milligauss in an iron-based magnetic material such as bearing steel, but by giving magnetic anisotropy to the detected part, the magnetic flux density changes as described above. Can be increased, and the magnetostrictive sensor can accurately detect the amount of strain variation as the amount of magnetostriction variation. Therefore, the amount of change in the acting force on the track member can be accurately determined from the amount of change in the distortion.
[0018]
In the above-described sensor-equipped rolling bearing unit, the fixed-side raceway member, the rotation-side raceway member, and the rolling member are all bearing steel, and the detected part is provided on one of the fixed-side raceway member and the rotation-side raceway member. The fixed-side raceway member and the rotation-side raceway member are both made of bearing steel, and the rolling member is formed of a non-magnetic material. May be provided with the detected part.
[0019]
With this configuration, since both the fixed-side raceway member and the rotation-side raceway member are made of bearing steel, the above effects can be obtained without affecting the performance of the bearing. In addition, by using a non-magnetic material for the raceway member and the cage that do not have the rolling member and the detected portion, the peripheral magnetic flux as noise can be minimized, and a small change in magnetic flux due to the inverse magnetostriction effect. Can be detected with higher accuracy.
[0020]
The above-mentioned rolling bearing unit with a sensor may be used as a sensor-equipped hub unit in such a manner that the fixed-side track member is mounted on the vehicle body side and the rotating-side track member is mounted on the wheel side.
[0021]
This makes it possible to detect the ground contact load of the tire from the output of the magnetostrictive sensor, thereby contributing to stable control of the vehicle using the ground contact load.
[0022]
In the above-mentioned sensor-equipped rolling bearing unit, the magnetization may be performed such that the S pole and the N pole are arranged in the axial direction, and the magnetization is performed such that the S pole and the N pole are arranged in the radial direction. It may be done as follows.
[0023]
The magnetic anisotropy formed by the magnetization is preferably provided so that the direction of each magnetic domain is aligned in the same direction as the compression direction, and the sensor has a sensing surface perpendicular to the compression direction. It is preferable that the sensor is provided so as to face the portion to be detected, and it is preferable that the sensing surface of the sensor is exposed near a magnetic flux density of zero.
[0024]
In this case, the amount of change in the magnetic flux density detected by the magnetostrictive sensor is maximized, and the most accurate detection can be performed.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0026]
1 and 2 show a sensor device and a rolling bearing unit with a sensor according to a first embodiment of the present invention. In the following description, left and right and up and down refer to left and right and up and down in the figure. The left side is inside the vehicle and the right side is outside the vehicle.
[0027]
This rolling bearing unit with a sensor is used as a hub unit with a sensor, and includes a hub unit (1) and a sensor device (2) for detecting a ground contact load of a tire.
[0028]
The hub unit (1) includes a fixed-side track member (vehicle-side member) (3) fixed to the vehicle body, a rotating-side track member (wheel-side member) (4) to which wheels are attached, and both members (3) (4). ) Are provided with balls (5) as a plurality of rolling members arranged in two rows, and retainers (6) for respectively holding the balls (5) in each row.
[0029]
The fixed-side track member (3) has an outer ring (fixed ring) function of the bearing, and includes a cylindrical portion (12) having two rows of outer ring raceways formed on an inner peripheral surface, and a cylindrical portion (12). And a flange (13) provided near the left end of the bracket (13) and attached to a suspension device (vehicle body) with bolts.
[0030]
The rotation-side race member (4) has a large-diameter portion (15) having a first raceway groove (15a) and a small-diameter portion (16) having an outer diameter smaller than the diameter of the first raceway groove (15a). Inner shaft (14), and a small diameter portion (16) of the inner shaft (14), which is fitted to the outer diameter and whose right surface is closely contacted with the large diameter portion (15) left surface of the inner shaft (14). (17). Near the right end of the inner shaft (14), a flange portion (18) to which a plurality of bolts (19) for attaching a wheel are fixed is provided. A track groove (17a) is formed on the right side of the inner ring (17) so as to be parallel to the track groove (15a) of the inner shaft (14), and a shoulder (17b) is formed on the left part of the inner ring (17). ) Is formed. A sealing device (20) is provided between the right end of the fixed-side track member (3) and the inner shaft (14). A male thread is provided at the left end of the small diameter portion (16) of the inner shaft (14), and the nut (21) screwed to the male thread causes the inner ring (17) to rotate the inner ring (17). Fixed to. A cover (22) is placed over the left end of the fixed-side track member (3).
[0031]
The sensor device (2) processes the output of the support member (7) attached to the fixed-side track member (3), the magnetostriction sensor (8) attached to the support member (7), and the magnetostriction sensor (8). (Not shown).
[0032]
In this embodiment, the fixed-side raceway member (3) and the rotation-side raceway member (4) are made of high-carbon chromium bearing steel (SUJ2), which is an iron-based magnetic material and one type of bearing steel, and a rolling member ( 5) is made of ceramic, the retainer (6) is made of brass, and the fixed-side race member (3) and the rotating-side race member (4) have magnetism, whereas the rolling member is (5) and the cage (6) are formed of a non-magnetic material.
[0033]
In this embodiment, the magnetostrictive sensor (8) is a magneto-impedance sensor, and its sensing surface (8a) is provided on the outer peripheral surface of the shoulder (17b) of the inner race (17) of the rotating raceway member (4). It is coming.
[0034]
The S-pole and the N-pole are arranged side by side at predetermined positions in the circumferential direction on the inner ring (17) of the rotation-side raceway member (4), so that the direction of each magnetic domain of the inner ring (17) is changed in the axial direction. There is provided a magnetized portion (9) for directing the magnetic head to the direction. The sensing surface (8a) of the magnetostrictive sensor (8) is connected to the S pole and the N pole of the magnetized portion (9) from a direction substantially perpendicular to the direction of the contact angle between the inner ring (17) and the rolling member (5). It has been adjusted to face the border.
[0035]
According to the rolling bearing unit with the sensor, the rotation-side raceway member (inner race) (4) rotates, and the rolling member (5) faces the sensing surface (8a) of the magnetostrictive sensor (8). ) Is distorted, due to the inverse magnetostriction effect, the magnetization rotation of the magnetic domain occurs at the shoulder (17b) of the inner ring (17), an apparently small magnetic force is generated, and the output of the magnetostrictive sensor (8) increases. When the space between the rolling member (5) and the rolling member (5) reaches the sensing surface (8a), the distortion of the inner ring (17) is reduced, and the magnetic force is reduced. Therefore, the output of the magnetostrictive sensor (8) also decreases. This change becomes a sine wave having a frequency equal to the revolving frequency of the rolling member (5) × the number of rolling members, and the change in the amplitude has a correlation with the radial load. Therefore, from the amplitude of the sine wave (the amplitude of the high-frequency component of the signal of the magnetostrictive sensor (8)), the force acting on the rotating-side track member (4) and the ground contact load of the wheel correlated therewith can be obtained.
[0036]
The principle and effect of the reverse magnetostriction effect will be described below with reference to FIGS.
[0037]
At the atom, spontaneous magnetization is generated by the revolution of the electron and the rotation and spin of the electron itself. Above all, Fe atoms have an ellipsoidal appearance because the electron distribution is spheroidal, and the spontaneous magnetization direction is oriented in the major axis direction. In Fe, spontaneous magnetization is uniform for each crystal lattice, and the crystal lattice extends in the spontaneous magnetization direction. This is called spontaneous magnetostriction. Further, in polycrystalline Fe (for example, SUJ2), the magnetization is generally uniform for each crystal grain, and this group is called a magnetic domain. Although magnetostriction occurs in the direction of magnetization in each magnetic domain, in the demagnetized state, the magnetic domains exhibit isotropic properties as shown in FIG. 3A, and the magnetostrictions cancel each other.
[0038]
When a magnetic field is externally applied to the polycrystalline Fe, each magnetic domain causes magnetization rotation in the direction of the magnetic field so as to reduce the energy in that direction. Thereby, the magnetization direction changes, and the magnetostriction direction of the magnetic domain also changes. For example, when an external magnetic field is applied as shown by a broken arrow in FIG. 3B, the magnetic domains show anisotropy in the direction of the external magnetic field as shown in FIG. Because of the change, the Fe material is deformed in the direction of the applied magnetic field as a whole. The magnitude of the strain is determined by a balance between the elastic energy of the material that resists the strain and the magnetic anisotropic energy. In the demagnetized state in which the magnetic domains show isotropicity, the strain e of the material due to magnetostriction is e / 3 on average, so that the deformation λ (saturation value of magnetostriction) from demagnetized state to magnetic saturation is λ = e− e / 3 = (2/3) e. Therefore, the spontaneous magnetostriction value is represented by e = (3/2) λ. In the case of Fe material, generally λ = 10 -5 It is about.
[0039]
Conversely, when the material is distorted by an external force, a phenomenon occurs in which the magnetization direction changes. This is called the inverse magnetostriction effect. When a uniaxial stress is applied to the polycrystalline Fe, the magnetization direction changes in a direction perpendicular to the compression direction, as shown in FIG. To measure the inverse magnetostriction effect, a magnetic field in the direction indicated by a broken arrow in FIG. 3C is applied from the outside, and the change in the magnetic permeability is measured using the characteristic of increasing the magnetic permeability when magnetic anisotropy is achieved. Many methods are used.
[0040]
FIG. 4 is a diagram illustrating a magnetic flux density detected when the detected portion is magnetized, and FIG. 5 is a diagram illustrating a magnetic flux density detected when the detected portion is not magnetized. It is.
[0041]
In FIG. 5A, a large number of magnetic domains (m) exist in the magnetic body (M), and the directions thereof are scattered, so that the magnetic body (M) shows isotropicity as a whole. When the sensing surface of the magnetostrictive sensor (S) is opposed to the magnetic body (M), the output Δ3 (magnetic flux density) associated with the fact that the magnetic flux density of the detected portion of the magnetic body (M) is not 0 0). Next, when compressive stress (C) is applied to the magnetic body (M), the direction of the magnetic domains (m) is aligned in a direction orthogonal to the compression direction, as shown in FIG. As a result, an output Δ4 (based on a magnetic flux density of 0) is generated in the magnetostrictive sensor (S) in accordance with a change in the magnetic flux density. Therefore, what is detected by the magnetostrictive sensor (S) is Δ4−Δ3. In FIG. 4A, a large number of magnetic domains (m) exist in the magnetic body (M), and their directions are aligned parallel to the sensing surface of the magnetostrictive sensor (S) by magnetization. I have. When the sensing surface of the magnetostrictive sensor (S) is opposed to the magnetic material (M), an output Δ1 is generated in the magnetostrictive sensor (S) according to the magnetic flux density of the detected part. Since it is perpendicular to the plane, it is almost zero. Next, when compressive stress (C) is applied to the magnetic body (M), the direction of the magnetic domains (m) is aligned in a direction orthogonal to the compression direction, as shown in FIG. As a result, an output Δ2 (based on a magnetic flux density of 0) is generated in the magnetostrictive sensor (S) in accordance with a change in the magnetic flux density of the detected part. This Δ2 is the same size as the above Δ4, but the magnetostrictive sensor (S) detects Δ2−Δ1 and Δ1 is almost 0, so (Δ2−Δ1)> (Δ3−1) Δ4).
[0042]
FIG. 6 is a graph showing the difference in the reverse magnetostriction effect between the presence of magnetization and the absence of magnetization. For three types of SUJ2 (no magnetization), SUJ2 (with magnetization), and SUS304 (reference example), The amount of change in magnetic flux density when the applied load is increased is determined. As can be seen from the figure, in the magnetic material SUJ2 (without magnetization), the magnetic flux density changes almost linearly as the load increases, and the load can be determined from the change in the magnetic flux density. The change in magnetic flux density does not reach 1 μT even when a load of 8 kN is applied. On the other hand, in SUJ2 (with magnetization), the amount of change in magnetic flux density reached 4 μT when a load of 5 kN was applied, and compared to SUJ2 (without magnetization), the applied load was calculated from the amount of change in magnetic flux density. It can be seen that the error at the time of finding is small. According to the graph of FIG. 6, when the applied load increases, the change amount of the magnetic flux density saturates to a constant value, and in SUJ2 (with magnetization), when a predetermined compressive stress value is reached, the direction of the magnetic domain is changed to the sensor direction. It can be seen that the magnetic flux density does not increase so much even if the applied load is further increased. Therefore, an arithmetic expression for calculating the ground load from the output value of the magnetostrictive sensor is created in consideration of this characteristic.
[0043]
From the above, in the rolling bearing unit of FIG. 1, in the state where the compressive stress is not applied as shown in FIG. 2A (the state where there is no rolling member (5)), the magnetic domain ( m) has magnetic anisotropy in the compression direction, and the magnetization directed to the magnetostrictive sensor (8) is small (the arrow indicates the direction of the magnetic flux in the magnetic domain (m)). Then, in a state where a compressive stress is applied (a state where the rolling member (5) is present) shown in FIG. 3B, the magnetic domain (m) of the magnetized portion (9) faces the magnetostrictive sensor (8). This increases the magnetic flux density. This change in magnetic flux density is greater than in the case without magnetization, so that the load can be obtained with high accuracy from this change amount.
[0044]
In the above description, the magnetized portion (9) is provided so that the direction of each magnetic domain (m) of the inner ring (17) is oriented in the axial direction, but the direction of each magnetic domain (m) is oriented in the radial direction. It can also be provided as follows. An example is shown in FIG. In the figure, an S-pole and an N-pole are arranged radially at predetermined positions in the circumferential direction on the shoulder (17b) of the inner race (17) of the rotation-side raceway member (4), so that the inner race is formed. A magnetized part (10) for radially orienting the direction of each magnetic domain (m) of (17) is provided. The sensing surface (8a) of the magnetostrictive sensor (8) is connected between the S pole and the N pole of the magnetized portion (10) from a direction substantially perpendicular to the direction of the contact angle between the inner ring (17) and the rolling member (5). It has been adjusted to face the border.
[0045]
In each of the above embodiments, the example in which the magnetized portions (9) and (10) are provided on the inner ring (17) of the rotation-side track member (4) has been described. 4) It may be provided in another part, or may be provided in the fixed side track member (3). Alternatively, the rolling member (5) may be formed of bearing steel, and the rolling member (5) made of bearing steel may be provided with a magnetized portion. In any case, at the time of magnetization, the S pole and the N pole may be provided so as to be arranged in the axial direction or may be arranged so as to be arranged in the radial direction. The direction of the sensing surface (8a) of the magnetostrictive sensor (8) is adjusted so that a change in magnetic flux density from the formed magnetized portion can be optimally detected.
[0046]
Further, in the above description, the rolling bearing unit with a sensor used for a hub unit with a sensor has been described. However, as shown in FIGS. Of course, it can be applied. In the following description, left and right refer to the left and right in FIG.
[0047]
This rolling bearing unit with a sensor includes a rolling bearing (31) and a sensor device (32) provided on the rolling bearing (31).
[0048]
The rolling bearing (31) includes a fixed track member (outer ring) (33) fixed to the housing (39), a rotating track member (inner ring) (34) fixed to the rotating shaft (40), and the like. It comprises a plurality of rolling members (balls) (35) arranged therebetween and a retainer (36) for holding the rolling members (35).
[0049]
In this embodiment, the fixed side track member (33) and the rotating side track member (34) are made of high carbon chromium bearing steel (SUJ2), the rolling member (35) is made of ceramic, and the retainer (36) is made of The fixed-side track member (33) and the rotating-side track member (34) are made of brass, and the rolling member (35) and the retainer (36) are made of a non-magnetic material. Is formed by
[0050]
The sensor device (32) includes a magnetostrictive sensor (38) attached to the fixed-side track member (33) via an attaching member (37), and processing means (not shown) for processing an output signal of the magnetostrictive sensor (38). And
[0051]
In this embodiment, the magnetostrictive sensor (38) is a magneto-impedance sensor, and its sensing surface (38a) faces a tapered surface provided on a shoulder (34a) of the rotating track member (34). ing. A magnetized portion (41) is provided on the shoulder (34a) of the rotation-side track member (34) such that the direction of the magnetic force lines is substantially parallel to the tapered surface.
[0052]
According to the rolling bearing unit with the sensor, the rotation-side raceway member (inner ring) (34) rotates and the rolling member (35) faces the sensing surface (38a) of the magnetostrictive sensor (38). When (34a) is distorted, due to the reverse magnetostriction effect, the magnetization rotation of the magnetic domain occurs at the inner ring shoulder (34a), an apparently small magnetic force is generated, and the output of the magnetostrictive sensor (38) increases. When the space between the rolling member (35) and the rolling member (35) reaches the sensing surface (38a), the distortion of the shoulder portion (34a) of the inner ring decreases, and the magnetic force decreases. Therefore, the output of the magnetostrictive sensor (38) also decreases. This change becomes a sine wave (first SIN wave) having a frequency equal to the revolution frequency of the rolling member (35) × the number of rolling members, and the change in the amplitude is correlated with the radial load. Therefore, the force acting on the rotation-side track member (34) can be obtained from the amplitude of the sine wave (the amplitude of the high-frequency component of the signal of the magnetostrictive sensor (38)).
[0053]
In this rolling bearing unit, in a state where no compressive stress is applied (a state where there is no rolling member (35)) as shown in FIG. 9A, as shown by an arrow, the magnetic domain (m) of the magnetized portion (41) is increased. ) Has magnetic anisotropy in the compression direction, and the magnetization directed to the magnetostrictive sensor (38) is reduced. Then, in a state where a compressive stress is applied (a state where the rolling member (35) is present) as shown in FIG. 2B, the magnetic domain (m) of the magnetized portion (41) faces the direction of the magnetostrictive sensor (38). This increases the magnetic flux density. This change in magnetic flux density is greater than in the case without magnetization, so that the load can be obtained with high accuracy from this change amount.
[0054]
In the above embodiment, the example in which the magnetostrictive sensor (38) is fixed to the fixed-side track member (outer ring) (33) has been described. (39) or the like. When fixed to the track members (33) and (34), the rolling bearing unit has a configuration independent of the housing (39) and the like, and is easy to handle.
[0055]
In each of the above embodiments, only the case where the force acting on the rotating side track member is detected from the output of the magnetostrictive sensor, but the force acting on the fixed side track member can be detected from the output of the magnetostrictive sensor. Also, by adding appropriate signal processing means, it is also possible to detect physical information such as rotation information (rotation speed and number of rotations) of the rotation-side track member, eccentricity and expansion of the rotation-side track member, and revolution speed of the rolling member. It is possible at the same time.
[0056]
In each of the above embodiments, a non-magnetic material is used for the rolling member (5) and the retainer (6). However, the rolling member (5) may be made of bearing steel. By using a non-magnetic material for the rolling member (5), the cage (6), or the track member not provided with the detected part, the peripheral magnetic flux as noise can be minimized, and the minute magnetic flux due to the inverse magnetostriction effect can be minimized. A change in magnetic flux can be accurately detected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing one embodiment of a sensor device and a rolling bearing unit with a sensor according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged sectional view showing a relationship between a compressive stress and a direction of a magnetic domain in the sensor device and the rolling bearing unit with the sensor of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing the principle of the reverse magnetostriction effect of the sensor device and the rolling bearing unit with the sensor according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a change in magnetic flux density of the sensor device and the rolling bearing unit with the sensor according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram corresponding to FIG. 4 when there is no magnetized portion;
FIG. 6 is an experimental result showing a relationship between a change in load and a change in magnetic flux density for those shown in FIGS. 4 and 5;
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing another embodiment of the sensor device and the rolling bearing unit with the sensor according to the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing still another embodiment of the sensor device and the rolling bearing unit with the sensor according to the present invention.
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view showing the relationship between the compressive stress and the direction of a magnetic domain in the sensor device and the rolling bearing unit with the sensor of FIG. 8;
[Explanation of symbols]
(1) Rolling bearing
(2) Sensor device
(3) Fixed track member
(4) Rotation side track member
(5) Ball (rolling member)
(8) Magnetic impedance sensor (magnetostrictive sensor)
(9) Magnetized part
(10) Magnetized part
(31) Rolling bearing
(32) Sensor device
(33) Outer ring (fixed track member)
(34) Inner ring (Rotating track member)
(35) Ball (rolling member)
(38) Magnetic impedance sensor (magnetostrictive sensor)
(41) Magnetized part
Claims (11)
センサ装置は、転動部材と軌道部材との接触部に作用する圧縮方向の力により生じるこれらの部材のうちのいずれかの逆磁歪効果を検知する磁歪センサを有しており、被検知部が、磁気異方性を有するように着磁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。In a rolling bearing unit having a fixed-side raceway member, a rotation-side raceway member, and a rolling member, and a sensor device, the rolling bearing unit includes a sensor device.
The sensor device has a magnetostrictive sensor that detects an inverse magnetostrictive effect of any of these members generated by a compressive force acting on a contact portion between the rolling member and the track member, and the detected portion is A rolling bearing unit with a sensor, which is magnetized so as to have magnetic anisotropy.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003160331A JP4029777B2 (en) | 2003-06-05 | 2003-06-05 | Rolling bearing unit with sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003160331A JP4029777B2 (en) | 2003-06-05 | 2003-06-05 | Rolling bearing unit with sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004361259A true JP2004361259A (en) | 2004-12-24 |
| JP4029777B2 JP4029777B2 (en) | 2008-01-09 |
Family
ID=34053146
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003160331A Expired - Fee Related JP4029777B2 (en) | 2003-06-05 | 2003-06-05 | Rolling bearing unit with sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4029777B2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007083485A1 (en) * | 2006-01-20 | 2007-07-26 | Ntn Corporation | Bearing device for driving wheel |
| JP2009516160A (en) * | 2005-11-09 | 2009-04-16 | エス．エヌ．エール．ルールマン | Deformation sensor bearing with at least three strain gauges |
| US7628540B2 (en) * | 2004-02-18 | 2009-12-08 | Ntn Corporation | Bearing device for wheel |
| EP2381235A1 (en) * | 2010-04-23 | 2011-10-26 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG | Method and device for recognising errors in the bearing surfaces of bearing shells and the roller bodies of ceramic-hybrid bearings |
| DE102013205491A1 (en) * | 2013-03-27 | 2014-10-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Storage device for storing a first component on a second component and method for detecting loads acting on a bearing element |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115103966A (en) | 2020-02-13 | 2022-09-23 | 日本精工株式会社 | Hub unit bearing state determination device, hub unit bearing state determination method, program, and hub unit bearing |
-
2003
- 2003-06-05 JP JP2003160331A patent/JP4029777B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7628540B2 (en) * | 2004-02-18 | 2009-12-08 | Ntn Corporation | Bearing device for wheel |
| JP2009516160A (en) * | 2005-11-09 | 2009-04-16 | エス．エヌ．エール．ルールマン | Deformation sensor bearing with at least three strain gauges |
| WO2007083485A1 (en) * | 2006-01-20 | 2007-07-26 | Ntn Corporation | Bearing device for driving wheel |
| EP2381235A1 (en) * | 2010-04-23 | 2011-10-26 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG | Method and device for recognising errors in the bearing surfaces of bearing shells and the roller bodies of ceramic-hybrid bearings |
| DE102010018236A1 (en) * | 2010-04-23 | 2011-10-27 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg | Method and device for detecting defects in the bearing surfaces of the bearing shells and in the rolling elements of ceramic hybrid bearings |
| US8701499B2 (en) | 2010-04-23 | 2014-04-22 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg | Method and apparatus for the detection of defects in the raceways of bearing shells and in the rolling elements of ceramic hybrid bearings |
| DE102013205491A1 (en) * | 2013-03-27 | 2014-10-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Storage device for storing a first component on a second component and method for detecting loads acting on a bearing element |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4029777B2 (en) | 2008-01-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3952881B2 (en) | Rolling bearing unit for wheel support with load measuring device | |
| US7245123B2 (en) | Rolling element bearing unit with sensor and hub unit with sensor | |
| KR102208373B1 (en) | System and method for reducing rotation noise in a magnetoelastic torque sensing device | |
| JP2007218426A (en) | Rolling bearing system for vehicles | |
| US20190242922A1 (en) | Magnetic speed sensor and method of making the same | |
| EP1508022B1 (en) | In-bearing torque sensor assembly | |
| JP6852559B2 (en) | Rotating body support device and its diagnostic system and diagnostic method | |
| JP2004361259A (en) | Sensor device, and rolling bearing unit with sensor | |
| JP4165260B2 (en) | Rolling bearing unit with sensor | |
| JPH05107255A (en) | Rolling bearing unit for detecting rotational speed | |
| JP2004084848A (en) | Roller bearing device | |
| JP2004045370A (en) | Rolling bearing unit with sensor, and hub unit with sensor | |
| JP4029785B2 (en) | Rolling bearing unit with sensor | |
| JP2006098258A (en) | Sensor device and rolling bearing unit with sensor | |
| JP2004076752A (en) | Rolling bearing device | |
| JP2004084739A (en) | Bearing device and sensing system | |
| JP4239758B2 (en) | Hub unit with sensor | |
| JP2006226477A (en) | Rolling bearing device with sensor | |
| JP4218361B2 (en) | Rolling bearing unit with sensor | |
| JP2005048823A (en) | Hub unit with sensor | |
| JP2000356531A (en) | Device and measuring motion state of rolling element for rolling bearing | |
| JP2006090958A (en) | Sensor device and rolling bearing unit with sensor | |
| JP4107094B2 (en) | Rolling bearing unit with sensor | |
| JP2006284286A (en) | Roller bearing with sensor | |
| JP2004084738A (en) | Sensing system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060524 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070614 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070626 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070827 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070925 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071008 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101026 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |