JP2005265767A

JP2005265767A - 転がり軸受

Info

Publication number: JP2005265767A
Application number: JP2004082389A
Authority: JP
Inventors: Ikunori Sakatani; 郁紀坂谷
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】
転がり軸受に角度センサを設けて、保持器の回転角度を検出し、回転輪の回転角度を前記保持器の回転角度から検出することによって、小型でかつ高精度で、信頼性の高い角度センサを有する転がり軸受を提供することにある。また、少なくとも一対の角度センサの出力特性を逆特性にすることで、より一層信頼性の高い角度センサを有する転がり軸受を提供することにある。
【解決手段】
固定輪と、回転輪と、転動体と、保持器とから構成される転がり軸受において、前記回転輪の回転角度を検出するための角度センサを有し、前記回転輪の回転角度を前記保持器の回転角度から検出するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、角度センサを有する転がり軸受に関し、特に、ステアリング系の舵角測定などで１回転以上に亘って回転角度を測定するものに適する。また、ステアバイワイヤのように、角度センサに高信頼性が要求される場合にも最適である。

従来より、この種の角度センサとして、例えば特許文献１に開示されている。この角度センサは、図１０に示すように、回転軸５１に一体に取り付けられた回転円板５２と、該回転円板５２の回転角を検出するための光センサ５３と、該光センサ５３からの信号に基いて回転角を演算する舵角演算部５４とから構成される。これにより、回転軸５１には、被検出軸であるコラム軸５５の回転を大、小歯車５６、５７からなる減速機構を介して伝達し、コラム軸５５の回転角を演算するようになっている。なお、５８，５９は、コラム軸５５を回転自在に支持する軸受である。

すなわち、上記従来の装置では、コラム軸５５の回転を減速機構を介して減速し、回転軸５１の回転を利用して、回転円板５２の回転角を検出することにより、コラム軸５５の回転角を検出するようになっている。
特開２００３−３０７４１９号公報

ところが、上記従来の装置では、角度センサは、コラム軸５５や、これを支持する軸受５８、５９の外部に設けられ、また、コラム軸５５の回転を減速するために、大、小歯車５６、５７から構成される減速機構を設ける必要があり、装置が大型化するという問題があった。

また、減速機構には、複数の歯車５６、５７を組み合わせて構成されるため、歯車同士の噛合時にバックラッシュによって誤差が生じてしまい、微小な回転角度を測定する際に測定精度に問題があった。

そこで、本発明の目的は、転がり軸受に角度センサを設けて、保持器の回転角度を検出し、回転輪の回転角度を前記保持器の回転角度から検出することによって、小型でかつ高精度で、信頼性の高い角度センサを有する転がり軸受を提供することにある。また、少なくとも一対の角度センサの出力特性を逆特性にすることで、より一層信頼性の高い角度センサを有する転がり軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、固定輪と、回転輪と、転動体と、保持器とから構成される転がり軸受において、前記回転輪の回転角度を検出するための角度センサを有し、前記回転輪の回転角度を前記保持器の回転角度から検出するようにしたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記保持器を、３個の転動体によって公転するように案内することにより、達成される。

また、上記目的は、前記転動体の個数を、３の倍数にしたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記角度センサの出力がアナログ信号であることにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記アナログ信号をＡ／Ｄ変換した後に、デジタル信号として伝送することにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、内部隙間を無くして与圧を付与するようにしたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記回転輪と前記保持器の回転数比を、０．３３以下にすることにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記角度センサを２個以上取り付けたことにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記角度センサを転がり軸受の両端面に設けたことにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、少なくとも一対の角度センサの出力特性を逆特性としたことにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、角度センサにレゾルバを使用することにより、効果的に達成される。

また、上記目的は、前記角度センサに磁気感応素子を使用することにより、より効果的に達成される。

また、上記目的は、前記角度センサを、少なくとも２個の転がり軸受に設けることにより、より効果的に達成される。

従って、本発明に係る転がり軸受では、前記回転輪の回転角度を検出するための角度センサを有し、前記回転輪の回転角度を前記保持器の回転角度から検出するようにした。これにより、角度センサは、転がり軸受、例えば軸受の両端面に設けられるため、軸受の外部に、回転輪の回転を減速して測定するための減速機構などを設ける必要がなくなり、装置の小型化および低コスト化を図ることができる。また、保持器を転動体のうち３個の転動体によって回転するように案内するようにすれば、軸受に作用する負荷を確実に支持でき、保持器を精度よく回転させ、回転角度の測定精度が向上する。また、角度センサは、アナログ信号を出力するため、回転輪の回転角度を絶対角度で測定することができ、また転がり軸受の内部隙間を無くして与圧を付与すれば、保持器などの回転に遊びがなくなり、回転輪の回転角度の測定精度が向上する。また、角度センサからのアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換してデジタル信号として伝送すれば、伝送時のノイズを低減することができる。また、角度センサにレゾルバを使用すると、正弦波および余弦波から保持器の絶対角度位置を検出することができ、また、角度センサに磁気感応素子を使用すれば、より小型で、低コストな角度センサを得ることができる。さらに、角度センサを少なくとも２個の転がり軸受に設けると、角度センサの安全性や信頼性はより一層向上する。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る転がり軸受の概略構成を示し、玉軸受１は、内輪２と外輪３によって構成される軌道輪４と、該軌道輪４に沿って回転する複数の球状転動体５と、該転動体５を分ける保持器６とから構成される。この軌道輪４は、内輪２を回転側に設定し、外輪３を固定側に設定している。転動体５の個数は、３の倍数で構成し、等配３個の転動体５によって保持器６を案内している。すなわち、保持器６は、等配３個の転動体５によって案内され、回転するので、安定して回転する。

また、保持器６の端面には、図２に示すように、円環状の磁石７が取り付けられ、保持器６と一体に回転するようになっている。また、磁石７は、サイン波状に着磁され、一方の半周部７ａはＮ極に、他方の半周部７ｂはＳ極に着磁されている。その結果、磁石７の着磁分布は、図３に示すようなサイン波状になっている。

また、玉軸受１の一端面には、円環状の軸受カバー８が配されている。軸受カバー８の外周縁は、Ｌ字状に内側（図１上側）に折り曲げられて折曲部８ａが形成され、該折曲部８ａで外輪３の外周側に一体に取り付けられている。また、軸受カバー８の内側には、基板９の上に１又は複数の磁気感応素子であるホール素子１０が軌道輪４に沿って配されている。これにより、保持器６が回転すると、ホール素子１０では、磁石７の磁束変化を検出し、磁束密度に応じた電圧を出力して回転角度を測定するようになっている。すなわち、磁石７とホール素子１０とによって、保持器の回転角度に基いて回転角を検出するための角度センサ１１が構成される。

また、内輪回転の場合、内輪２と保持器６の回転数比（保持器回転数／内輪回転数）は、通常、０．４前後であり、保持器６が１回転するためには、内輪２は約２．５回転する。図４は、回転数比を０．３にした場合のホール素子１０からの出力信号を表わす。ここで、同図破線は内輪２の回転状態を、同図実線は保持器６の回転状態を表わす。

これにより、内輪２を１回転させると、保持器６は約０．３回しか回転せず、内輪２の回転角度で±２７０度までの範囲で保持器６の回転角度を測定できることがわかる。ちなみに、内輪２に磁石７を固定した場合、内輪２の回転角度は、±９０度までの範囲でしか回転角度を測定できない。よって、保持器６の回転角度を測定することで、内輪２の回転角度を広範囲に亘って測定することができる。

なお、軌道輪４上を公転する転動体５に滑りがない状態では、転動体５の公転数Ｎｃは、次式で表される。

Ｎｃ＝（１−ｄ・ｃｏｓ（α）／Ｄ）（Ｎｉ／２）（１）
ここで、Ｎｉは内輪２の回転数（ｒｐｍ）で、ｄは転動体５の直径（ｍｍ）で、Ｄは転動体５のピッチ径（ｍｍ）であり、αは接触角（度）である。

これにより、軸受諸元（例えば転動体直径ｄや転動体ピッチ径Ｄなど）を変えれば、内輪２と保持器６の回転数比を適宜変更することができる。例えば転動体直径ｄを大きくして、回転数比を小さくすることができる。その結果、別途減速機構を設けることなく、内輪２の回転角度を広範囲に測定できる。

また、ホール素子１０の出力信号は、アナログ値であって、マイナス側からプラス側まで滑らかな連続曲線で出力される。そのため、出力電圧を測定すれば、保持器６の回転角度、すなわち内輪２の回転角度を正確に測定することができ、測定精度が向上する。さらに、ホール素子１０の出力信号であるアナログ値を、Ａ／Ｄ変換して、デジタル信号としてセンサ外部に送信すると、伝送途中でノイズ重畳の影響を少なく抑えることができ、より一層測定精度が向上する。

また、被検出軸の回転角度を検出する場合、角度センサ１１を備えた軸受と、普通の軸受とを組み合わせて使用してもよく、また、角度センサ１１を備えた軸受を２個以上使用してもよい。

なお、軸受に予圧を付与すると、軸受すきまがなくなり、転動体５が正確に回転するので、予圧を付与した状態で使用するのが良い。

まず、角度センサ１１を２個使用した場合、軸受１に予圧を付与した状態で使用すると、
転動体５のすべりがなくなるので、回転角度の測定誤差が低減する。さらに、２個の角度センサ１１の出力値を比較し、両出力値が全く異なる角度信号の場合は、いずれか一方に異常が発生したと判断することができ、センサ異常のアラームを発することができ、システムの信頼性を向上させることができる。

また、角度センサ１１を３個以上使用した場合、これらの角度センサ１１からの測定結果を互に比較し、測定結果が等しい角度センサ同士では正常に動作していると判断し、その測定結果（出力値）を真として、これに基いてシステムの制御を続行することができる。そのため、３個以上の角度センサ１１のうち、いずれかの角度センサ１１に異常が生じても、システムの制御は、支障なく続行することができる。

よって、システムに角度センサ１１を使用する場合、角度センサ１１の異常を検出するには、２個の角度センサ１１を用いて異常を検出することができる。また、角度センサ１１の異常後もシステムの制御を継続するには、３個以上の角度センサ１１を用いればよく、用途に応じて角度センサ１１の個数を適宜設定することができる。

なお、上記実施例では、磁気感応素子としてホール素子を用いたが、これに限られず、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子、ＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子、ＭＩ（ＭａｇｎｅｔｏＩｍｐｅｄａｎｃｅ）素子など、磁力の強さに比例して信号を出力する素子を用いてもよい。また、玉軸受１には、予圧を付与することによって、転動体５の公転すべりをなくし、回転角度の測定誤差を防止することができる。

また、図５は、本発明の第２実施例を示し、第１実施例と同一の部材には同一の符合を付して、その説明を省略する。

第２実施例では、角度センサとしてレゾルバを軸受１に使用した場合である。図５において、保持器６の端面に、レゾルバのロータとして偏心ロータ２１が取り付けられるとともに、軸受カバー８の折曲部８ａには、ステータ２２が取り付けられる。ステータ２２には、コイルが巻回され、コイル間の電磁結合率が回転角度によって変化するのを利用して回転角度を検出するようになっている。

レゾルバから、出力波形としてサイン波とコサイン波が出力されると、そのサイン波とコサイン波から一波分の角度を測定することができる。すなわち、図６に示すように、レゾルバのロータを内輪２に固定した場合は、−１８０度〜１８０度の範囲でしか回転角度を測定できないのに対し、レゾルバのロータを保持器６に固定すると、−５４０度〜５４０度（１回転半）という範囲で広範囲に亘って回転角度を測定することができる。

また、図７は、本発明の第３実施例を示し、第１実施例と同一の部材には同一の符合を付して、その説明を省略する。

第３実施例では、角度センサに磁力を利用して、１周１回転のサイン波およびコサイン波を出力し、回転角度を測定するようにした。すなわち、図７に示すように、この角度センサでは、回転軸３１に取り付けられた磁石３２の外周側にリング状の磁束案内部材３３が配置されている。この該磁束案内部材３３は、少なくとも１箇所以上に切込み溝３４が設けられ、該切込み溝３４に、ＭＲ素子、ＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子、或いはＭＩ素子などの磁気検出素子３５が配設されている。これにより、磁気検出素子３５によって、磁石３２の回転によって生じる磁束変化を検出して、回転角度を測定することができる。

この第３実施例でも、上記第１および第２実施例と同様の作用および効果が得られる。

また、図８は、本発明の第４実施例を示し、第１実施例と同一の部材には同一の符合を付して、その説明を省略する。

図８において、保持器６には、図８の上下に、それぞれ円環状の磁石４１が一体に取り付けられている。一方、軸受１の両端側に、それぞれ円環状の軸受カバー４２、４２が配され、その外周縁は、Ｌ字状に内側に折り曲げられて折曲部４２ａが形成され、折曲部４２ａで外輪３の外周側に一体に取り付けられている。この折曲部４２ａには、基板４３の上に１又は複数の磁気感応素子であるホール素子４４が軌道輪４に沿って配されている。これにより、軸受１の両端面に、それぞれ角度センサ１１が取り付けられることになって、１個の軸受１に対して２個の角度センサを有し、測定精度が向上するとともに、組立が容易になって組立コストの低減を図ることができる。なお、軸受カバー４２は、コ字状に折り曲げて、内輪２との間にラビリンスシールを設けると、軸受１の内部への異物の侵入を防げるので、好ましい。

この第４実施例でも、上記各実施例と同様の作用および効果が得られる。

また、図９は、２個の角度センサの出力例を示し、角度センサの出力を互いに逆特性にした場合である。

２個の角度センサの出力を同特性にした場合、それらの出力値を比較することによって、角度センサの異常を検知することができるのに対し、逆特性にした場合、２個の角度センサの出力値を加算し、その加算値が零付近にあれば、２個の角度センサは正常に動作していることがわかり、角度センサの異常を確実に検知することができる。

また、２個の角度センサの出力は、同特性でも逆特性でも、角度センサの異常を検知することができる。ところが、ケーブルなどの短絡により、一方の信号だけが出力された場合、同特性では、異常を検知できないのに対し、逆特性では、異常を検知することができる。また、また、ケーブルや回路の導通により、一方の角度センサからが他方の角度センサに信号が流れた場合、同特性では、異常を検知できないのに対し、逆特性では、角度センサからの出力値の加算値は、零近傍から外れてしまうため、異常を検知することができる。よって、２個の角度センサを互いに逆特性にすると、角度センサの正常・異常の状態を確実に検知することができ、信頼性が向上する。

なお、２個の角度センサの出力値を逆特性にするのは、角度センサを１個有する軸受を２個使用する場合にも適用できるが、１個の軸受の両側に逆特性の角度センサを取り付けた方が、２個の角度センサの位相を合わせやすく、好ましい。

また、３個以上の角度センサを使用する場合、２個の角度センサを有する軸受と１個の角度センサを有する軸受とを組み合わせて使用してもよく、また、２個の角度センサを有する軸受を２個組み合わせて使用してもよい。これにより、角度センサの信頼性はさらに向上する。

また、２個の角度センサを有する軸受を２個使用する場合、逆特性の角度センサを用いると、逆特性の角度センサをそれぞれ２組有することになり、角度センサの信頼性はより一層向上する。

ちなみに、角度センサの出力を、サイン波とコサイン波を出力するようにした場合、保持器の回転角度で±１回転までの絶対角度を測定することができる。すなわち、図９に示す例では、内輪２の回転角度で、絶対値で５４０度（１回転半）以上の回転角度を測定することができ、ステアリング等のような１回転半以上の回転角度を測定する用途に好適である。

なお、上記各実施例では、軸受として、玉軸受を用いて説明したが、これに限られず、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、アンギュラ玉軸受、球面ころ軸受などの転がり軸受にも適用することができ、上記各実施例の作用および効果が得られる。また、上記各実施例では、内輪を回転側にした場合を説明したが、外輪を回転側にした場合でも使用できる。しかしながら、内輪を回転側にした方が回転数比を小さくすることができるので、内輪の多回転を検出したい場合には、内輪を回転側にした方が好ましい。

本発明の第１実施例に係る転がり軸受の概略構造を示す断面図である。保持器の外周面に取り付けられる磁石の平面図である。図２の磁石にサイン波状に着磁された分布を示す。内輪を多回転させた場合のホール素子１個の出力信号を示す図である。本発明の第２実施例を示し、図１に対応する図である。第２実施例で使用されるレゾルバからの出力信号を示す図である。本発明の第３実施例を示し、磁石の磁束変化を磁気感応素子によって検出するようにした図である。本発明の第４実施例を示し、図１に対応する図である。２個の角度センサの出力特性を逆特性にした場合を説明する図である。従来の角度センサの概略構造を示す図である。

符号の説明

１軸受
２内輪
３外輪
４軌道輪
５転動体
７磁石
８磁気カバー
１０ホール素子
２１偏心ロータ
２２ステータ
３１回転軸
３２磁石
３３磁束案内部材
３５磁気検出素子
４１磁石
４２軸受カバー
４４ホール素子

Claims

固定輪と、回転輪と、転動体と、保持器とから構成される転がり軸受において、前記回転輪の回転角度を検出するための角度センサを有し、前記回転輪の回転角度を前記保持器の回転角度から検出するようにしたことを特徴とする転がり軸受。
前記保持器は、３個の転動体によって回転するように案内されることを特徴とする請求項１記載の転がり軸受。
前記転動体の個数は、３の倍数であることを特徴とする請求項２記載の転がり軸受。
前記角度センサの出力は、アナログ信号であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の転がり軸受。
前記アナログ信号は、Ａ／Ｄ変換された後に、デジタル信号として伝送されることを特徴とする請求項４記載の転がり軸受。
与圧を付与するようにしたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の転がり軸受。
前記回転輪と前記保持器の回転数比は、０．３３以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の転がり軸受。
前記角度センサを２個以上組み合わせたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の転がり軸受。
前記角度センサは、転がり軸受の両端面に設けられたことを特徴とする請求項８記載の転がり軸受。
少なくとも一対の角度センサの出力特性を逆特性としたことを特徴とする請求項８又は９記載の転がり軸受。
前記角度センサは、レゾルバを使用することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の転がり軸受。
前記角度センサは、磁気感応素子を使用することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の転がり軸受。
前記角度センサは、少なくとも２個の転がり軸受に設けられることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の転がり軸受。