JP2006010366A

JP2006010366A - 回転検出装置

Info

Publication number: JP2006010366A
Application number: JP2004184418A
Authority: JP
Inventors: Tamiaki Rou; 黎明楼; Yasukazu Fujimoto; 靖一藤本
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】従来の着磁型パルサリングや打ち抜き孔式のパルサリングを使用するものに比べて、分解能を大幅に向上させることができる回転検出装置を提供する。
【解決手段】導電性を有し回転方向に所定間隔で溝16が形成されたパルサリング11と、パルサリング11に対向する回転検出センサ13とを備えている。回転検出センサ13は、高周波電流で駆動されてパルサリング11に渦電流を生成する励磁コイル21と、励磁コイル21と直交するように配置された検出コイル22とを有している。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば各種軸受装置において、その回転角度、回転数、回転速度などを検出する回転検出装置に関する。

自動車においては、その制御を行うために種々の情報が必要であることから、車体側に固定される車体側軌道部材、車輪が取り付けられる車輪側軌道部材、および両部材の間に配置された二列の転動部材を有する軸受装置に、回転検出装置を設けることが提案されている。例えば、特許文献１には、回転方向に交互に磁極が形成された多極着磁型パルサリングと、パルサリングに対向する回転検出センサとを備えており、着磁リングの回転に伴う磁束変化量から回転を検出するものが開示されている。また、特許文献２には、パルサリングとして、磁性体製の円筒に矩形状の打ち抜き孔を円周方向に等間隔で形成されたものが開示されている。
特開２００１−２４９１４１号公報特開２０００−２７１２号公報

回転角や回転速度を精度よく検出するには、できるだけ多くのパルス信号を得ることが好ましいが、上記従来の着磁型パルサリングや打ち抜き孔式のパルサリングを使用するものでは、パルス信号を増やすために磁極数や打ち抜き孔を増やすこと自体が困難であり、しかも、磁極数や打ち抜き孔を増やすと、磁束変化が小さくなって検出精度が落ちるため、その分解能向上には限界があった。

この発明の目的は、従来の着磁型パルサリングや打ち抜き孔式のパルサリングを使用するものに比べて、分解能を大幅に向上させることができる回転検出装置を提供することにある。

この発明による回転検出装置は、導電性を有し回転方向に所定間隔で溝が形成されたパルサリングと、パルサリングに対向する回転検出センサとを備えており、回転検出センサは、高周波電流で駆動されてパルサリングに渦電流を生成する励磁コイルと、励磁コイルと直交するように配置された検出コイルとを有していることを特徴とするものである。

パルサリングは、例えば、金属板に凹凸を設けることにより製作することができ、また、凹凸を設けた金型によって導電高分子体を成形することによっても製作することができる。前者の場合、回転軸や軸受の回転輪に直接圧入などにより取り付けることができ、後者の場合、パルサリングを金属製のパルサリング支持部材に接着し、パルサリング支持部材を回転軸や軸受の回転輪に圧入などにより取り付ければよい。

パルサリングの溝は、通常、すべてが同じ幅でかつ等間隔で設けられるが、部分的に溝の幅を異なる値にしたり、部分的に溝同士の間隔を変えたりしてもよい。隣り合う２つの溝（凹部）に挟まれた部分（凸部）の幅については、溝幅と等しくてもよく（凹部の幅＝凸部の幅）であってもよく、溝幅と異なる値（凹部の幅＞凸部の幅または凹部の幅＜凸部の幅）とされてもよい。また、溝をパルサリングの側面に設けて、パルサリングと回転検出センサとを軸方向に対向させてもよく、溝をパルサリングの外周面に設けて、パルサリングと回転検出センサとを径方向に対向させるようにしてもよい。

励磁コイルは、円形または方形とされ、パルサリングの被検出面に平行となるように配置される。励磁コイルの径（円の場合の直径、方形の場合の一辺の長さ）は、パルサリングの溝幅と同じ程度とされる。検出コイルは、円形、方形、三角形などとされ、パルサリングの被検出面に対して垂直（溝の側面に対しては、平行または垂直のいずれでも可）に配置される。また、検出コイルは、それぞれが信号を出力する検出コイルを複数組み合わせたものとしてもよい。

励磁コイルにより、パルサリングの表面には、励磁コイルの巻線と同じ方向に渦電流が誘導される。回転検出センサがパルサリングの溝がない部分に対向している場合には、渦電流による磁束は表面に対して垂直方向を向いており、励磁コイルと直交するように配置された検出コイルに電圧は誘起されない。そして、回転検出センサがパルサリングの溝がある部分に対向すると、渦電流が溝の側面に沿って流れ、この渦電流による磁束は、パルサリング表面に平行の成分を持ち、検出コイルを貫くため、検出コイルに電圧が誘起される。検出コイルに誘起される電圧は、溝に近づく場合と溝から遠ざかる場合とで逆向きであり、その絶対値は、回転検出センサが溝の側面に近づくにつれて大きくなり、溝側面と一致する位置において最大となり、溝の側面から離れるにつれて小さくなっていく。したがって、パルサリングの回転に伴って、周期的に変化する電圧信号（パルス信号）が得られ、この信号から回転角、回転数、回転速度などを求めることができる。この検出原理は、検出コイルを貫通する磁束の差分の変化を検出するもの（ゼロ位法）なので、検出対象物であるパルサリングの回転振れによって、センサとパルサリングとのギャップが変化した場合でも、その影響を受けず、ゼロを中心とした信号となるため、電気的増幅等の処理を行っても、検出信号のＳ／Ｎ比の劣化がなく、任意の大きさの電圧信号を得ることができる。こうして、検出の分解能を数段向上させることができる。また、パルサリングには、溝（凹凸）を形成するだけでよいので、磁極を形成する着磁型パルサリングや打ち抜き孔式のパルサリングに比べて、そのピッチ数を大きくすることができ、回転検出センサの分解能向上と相俟って、デメリットを生じること無くそのパルス信号数を増加することができる。

パルサリングは、ゴムまたは合成樹脂からなる母材にカーボンナノチューブが添加されることにより形成されていることが好ましい。

カーボンナノチューブは、高い導電性を有しており、その添加量を２〜１５％程度としても高いパルス出力を得ることができる。したがって、パルサリングと回転検出センサとの距離を離すことができ、カーボンナノチューブを含むパルサリングと励磁コイルおよび検出コイルを有する回転検出センサとを組み合わせることで、従来背反事象であったパルス信号の分解能向上とギャップの確保とを両立させることができる。

パルサリングの溝は、すべてが同じ幅でかつ等間隔で設けられており、隣り合う２つの溝に挟まれた部分の幅と溝幅とが異なる値とされていることがある。

パルサリングの溝幅と隣り合う２つの溝に挟まれた部分の幅とが等しい値（すなわち、凹部の幅＝凸部の幅）の場合には、同形の波形が連続するので、正回転と逆回転との区別が困難であるが、パルサリングの溝幅と隣り合う２つの溝に挟まれた部分の幅とが異なる値（凹部の幅＞凸部の幅または凹部の幅＜凸部の幅）の場合には、パルス信号とパルス信号との間に、不連続部分が存在し、パルサリングを正回転させたときと逆回転させたときとで、この不連続信号部分の後の波形がプラスになるかマイナスになるかが異なるので、これを利用して、信号の立上りの方向から回転方向を知ることができる。

この発明による回転検出装置は、例えば、車体に固定される固定側軌道部材、回転軸に固定される回転側軌道部材および転動部材を有する転がり軸受装置（ハブユニット）に設けられて、自動車用のセンサ付き転がり軸受装置（センサ付きハブユニット）として使用されることがあり、内輪、外輪および転動部材を有する転がり軸受に設けられて、工作機械等用のセンサ付き転がり軸受装置として使用されることがある。また、軸受装置以外の各種回転装置に適用することもできる。

この発明の回転検出装置によると、回転検出センサは、高周波電流で駆動されてパルサリングに渦電流を生成する励磁コイルと、励磁コイルと直交するように配置された検出コイルとからなるので、検出コイルを貫通する磁束の差分の変化が検出され、したがって、検出対象物であるパルサリングの回転振れによって、センサとパルサリングとの間の距離が変化した場合でも、その影響を受けずに回転角や回転速度を検出することができ、距離の影響を受けることになる磁束絶対量を検出するものに比べて、分解能が大幅に向上する。しかも、センサとパルサリングとの間のギャップを大きく取ることができるので、センサとパルサリングとが接触することによるセンサやパルサリングの損傷を防止することができる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、この発明の回転検出装置(1)を転がり軸受(2)に取り付けた回転検出装置付き転がり軸受装置を示している。

転がり軸受(2)は、ハウジングなどに固定される外輪（固定側軌道部材）(3)、回転軸などに固定される内輪（回転側軌道部材）(4)、およびこれらの間に配置された複数の転動体である玉(5)を備えている。

図１に示すように、回転検出装置(1)は、転がり軸受(2)の内輪(4)に固定されたパルサリング支持部材(12)に支持されたパルサリング(11)と、転がり軸受(2)の外輪(3)に固定されたセンサ支持部材(14)に支持された回転検出センサ(13)とからなる。

パルサリング支持部材(12)は、円筒部(12a)およびその右端に設けられたフランジ部(12b)からなり、円筒部(12a)が内輪(4)の右端部の外径に圧入固定されている。パルサリング(11)は、導電ゴムの成型品であり、パルサリング支持部材(12)のフランジ部(12b)に設けられた環状凹所(15)内に接着固定されている。パルサリング(11)の右側面には、図２に示すように、回転方向に等間隔で形成された溝(16)が設けられている。

外輪(3)の右端部の内径には、芯金(18)およびゴムシール(19)からなるシール部材(17)が圧入固定されている。パルサリング支持部材(12)は、その円筒部(12a)がゴムシール(19)のラジアルリップ(19a)を、そのフランジ部(12b)がゴムシール(19)のアキシャルリップ(19b)をそれぞれ受けることにより、シール部材(17)とともに密封装置を構成している。

回転検出センサ(13)は、図３に拡大して示すように、パルサリング(11)に渦電流を生成する円形の励磁コイル(21)と、励磁コイル(21)と直交するよう（縦置き）に配置された方形の検出コイル(22)とを有している。

センサ支持部材(14)は、短円筒状の外周壁(14a)および内周壁(14b)、ならびにこれらの右端部同士を連結する孔あき円板状の側壁(14c)よりなり、全体として環状をなし、断面は略コ字状をなす。外周壁(14a)の自由端部は内周壁(14b)より左側にのびており、この外周壁(14a)の自由端部が外輪(3)の右端部の外径に圧入固定されている。

回転検出センサ(13)は、励磁コイル(21)のコイル面がパルサリング(11)の右側面に平行になるように、また、検出コイル(22)のコイル面がパルサリング(11)の溝(16)の側面と平行となるように、センサ支持部材(14)に樹脂(23)で固定されている。センサ支持部材(14)には、励磁コイル(21)に高周波電流を供給する励磁電流供給器、検出コイル(22)からの出力信号を処理する信号処理部などからなる制御部(24)がさらに設けられている。

パルサリング(11)は、母材としてのゴムまたは樹脂にカーボンナノチューブを添加することで形成されている。カーボンナノチューブの添加量は、２〜１５％とされる。このようにすると、ゴム等の母材の成形性をほとんど劣化させないので、溝幅(16)を数十μｍ程度まで小さくすることができ、回転検出センサ(13)の分解能に見合った溝(16)幅を容易に得ることができる。カーボンナノチューブとしては、単層、多層等種々のものが用いられるが、直径１〜３ｎｍ、長さ５μｍ以下の単層カーボンを用いることが好ましい。

この発明による回転検出装置(1)の原理を図４を参照して説明する。パルサリング(11)の表面には、励磁コイル(21)の巻線と同じ方向に渦電流(C)が誘導される。回転検出センサ(13)がパルサリング(11)の溝(16)がない部分に対向している場合には、渦電流(C)による磁束は表面に対して垂直方向を向いており、励磁コイル(21)と直交するように配置された検出コイル(22)に電圧は誘起されない。そして、図４（ａ）に示すように、回転検出センサ(13)がパルサリング(11)の溝(16)がある部分にかかると、渦電流(C)が溝(16)の左側面に沿って流れ(C1)、この渦電流(C1)による磁束は、パルサリング(11)表面に平行の成分を持ち、検出コイル(22)を貫くため、検出コイル(22)に電圧が誘起される。検出コイル(22)に誘起される電圧は、溝(16)に近づく場合と溝(16)から遠ざかる場合とで逆向きであり、その絶対値は、回転検出センサ(13)が溝(16)の側面に近づくにつれて大きくなり、溝(16)の側面と一致する位置において最大となり、溝(16)の側面から離れるにつれて小さくなっていく。また、図４（ｂ）に示すように、検出コイル(22)がパルサリング(11)の溝(16)にちょうど対向すると、溝(16)の左側面に沿って流れる渦電流(C1)の磁束と溝(16)の右側面に沿って流れる渦電流(C2)の磁束とは、同じ大きさでかつ逆向きとなり、これらの渦電流(C1)(C2)によって検出コイル(22)に誘起される電圧はゼロとなる。そして、図４（ｃ）に示すように、パルサリング(11)の溝(16)が回転検出センサ(13)を右から左へ横切ると、溝(16)の右側面に沿って流れる渦電流(C2)の磁束により、検出コイル(22)には、図４（ａ）の場合と逆向きの電圧が誘起される。図４において、検出コイル(22)に流れる電流の方向を下から上が正、上から下が負とし、これを電圧信号で表すと、図５に示すような信号波形となる。したがって、パルサリング(11)が回転することで、周期的に変化する電圧信号（パルス信号）が得られ、この信号から回転角および回転速度を求めることができる。この検出原理は、検出コイル(22)を貫通する磁束の差分の変化を検出するもの（ゼロ位法）なので、検出対象物であるパルサリング(11)の回転振れによって、回転検出センサ(13)とパルサリング(11)とのギャップが変化した場合でも、その影響を受けず、ゼロを中心とした信号となるため、電気的増幅等の処理を行っても、検出信号のＳ／Ｎ比の劣化がなく、任意の大きさの電圧信号を得ることができる。こうして、検出の分解能を数段向上させることができる。また、パルサリング(11)には、溝（凹凸）(16)を形成するだけでよいので、磁極を形成する着磁型パルサリングや打ち抜き孔式のパルサリングに比べて、そのピッチ数を大きくすることができ、回転検出センサ(13)の分解能向上と相俟って、デメリットを生じること無くそのパルス信号数を増加することができる。

上記において、パルサリング(11)の溝(16)幅は、回転検出センサ(13)の分解能に応じて決定される。溝(16)同士の間隔は、図２に示したように、溝幅（凹部の幅）と２つの溝(16)に挟まれた部分の幅（凸部の幅）とが等しい値であってもよいが、図６に示すように、溝(36)の幅と２つの溝(36)に挟まれた部分(37)の幅とが異なる値であってもよい。図６において、パルサリング(31)には、回転方向に等間隔で形成された溝(36)が設けられており、２つの溝(36)に挟まれた部分(37)の幅は、溝(36)の幅よりも大きく（凸部(37)の幅＞凹部(36)の幅）なされている。

このようなパルサリング(31)を使用すると、信号波形は、図７（ｂ）（ｃ）に示すように、隣り合うパルス信号の間に、信号ゼロの部分が存在することになる。図７（ａ）の実線の矢印で示す方向にパルサリング(31)が移動した場合（パルサリングを正回転させたとき）の波形が、図７（ｂ）に示すように、信号ゼロの後にプラスとなるとすると、図７（ａ）の破線の矢印で示す方向にパルサリング(31)が移動した場合（パルサリングを逆回転させたとき）の波形は、図７（ｃ）に示すように、信号ゼロの後にマイナスとなる。したがって、これを利用して、信号の立上りの方向から回転方向を知ることができる。図２に示したパルサリング(11)では、連続信号を得ることになるので、正転と逆転とを区別するための別のセンサが必要となるが、図６のパルサリング(31)を使用することにより、１つの回転検出センサ(13)だけで、正転と逆転とを区別しながら、回転角や回転速度を検出することができる。

図１は、この発明による回転検出装置の第１実施形態を示す縦断面図である。図２は、同パルサリングの正面図である。図３は、同回転検出センサの斜視図である。図４は、この発明による回転検出装置の原理を示す図である。図５は、この発明による回転検出装置の第１実施形態の出力の一例を示すグラフである。図６は、この発明による回転検出装置の第２実施形態のパルサリングの正面図である。図７は、この発明による回転検出装置の第２実施形態の出力の一例を示すグラフである。

符号の説明

(1) 回転検出装置
(2) 転がり軸受
(11)(31) パルサリング
(13) 回転検出センサ
(16)(36) 溝
(21) 励磁コイル
(22) 検出コイル
(37) ２つの溝に挟まれた部分

Claims

導電性を有し回転方向に所定間隔で溝が形成されたパルサリングと、パルサリングに対向する回転検出センサとを備えており、回転検出センサは、高周波電流で駆動されてパルサリングに渦電流を生成する励磁コイルと、励磁コイルと直交するように配置された検出コイルとを有していることを特徴とする回転検出装置。
パルサリングは、ゴムまたは合成樹脂からなる母材にカーボンナノチューブが添加されることにより形成されている請求項１の回転検出装置。
パルサリングの溝は、すべてが同じ幅でかつ等間隔で設けられており、隣り合う２つの溝に挟まれた部分の幅と溝幅とが異なる値とされている請求項１または２の回転検出装置。