JP2006084001A - センサ付軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸方向長さを短くでき、部品点数および組立工数を低減したセンサ付軸受を提供する。
【解決手段】 外輪１２と内輪１１との間の転動体１３，１４が配置された空間の両側開口部を軸受シール１６，１７で封止し、軸受シール１６として芯金１６１と弾性部１６４とを一体的に形成し、弾性部１６４に着磁して磁気エンコーダ１６５を形成する。磁気エンコーダ１６５に対向して外部シール１８にセンサ部２２を設ける。芯金１６１と磁気エンコーダ１６５とを一体化して軸受シールを構成することで、軸受の軸方向長さを短くでき、部品点数および組立工数を減らすことができる。
【選択図】 図２

Description

この発明はセンサ付軸受に関し、例えば軸受の回転数を検出するセンサ付軸受に関する。

自動車は、小型軽量化および居住性の良好性が望まれている。このために、自動車の開発においては、エンジンルーム空間を減少させる必要があり、電装部品やエンジン補機なども小型軽量化が求められている。また、エンジンルーム内にはカーエアコン（自動車用空調装置）も収納されている。カーエアコンのコンプレッサには、エンジンの駆動力がアイドラプーリ，電磁クラッチを介して伝達されるが、これらの機器なども小型化する必要がある。

カーエアコンにおいて、これらの機器類を小型化すると、出力が低下してしまうため、コンプレッサを高速化することで出力の低下を補っている。しかし、それに伴って電磁クラッチやアイドラプーリも高速化することになる。さらに、エンジン音を静粛化するためにエンジンルームを密閉化されつつあるため、エンジンルーム内が高温になり、機器類は高温に耐えることが要求されている。さらに、これらの機器類はエンジンルームの下部に取付けることが多いため、走行中に雨水や泥水がかかり易くなる。

電磁クラッチはエンジンからの駆動力がベルトとプーリを介して伝達されているが、ベルトとプーリとの滑りが大きくなると、電磁クラッチによるエンジンからコンプレッサへの駆動力の伝達を停止する必要がある。滑りを検出するために、特開平６-２０７６２７号（特許文献１）公報には、温度変化によって磁気センサに与える磁力特性が変化する磁力変化素子を設け、温度が高くなると磁力変化素子の磁力を変化させて、ベルトとプーリとの滑りを検出する。その他に、電磁クラッチの軸受に回転センサを組み込み、回転センサで検出された回転数が所定の回転数でなければ滑りを生じていると検出する例がある。

図５は電磁クラッチの軸受に回転センサを組み込んだセンサ付軸受の従来例を示す概略断面図である。図５において、センサ付軸受５０はアンギュラ玉軸受であって、固定側の内輪５１と、回転側の外輪５２と、内輪５１および外輪５２の間に配置された複数の転動体５３，５４とを有している。転動体５３，５４は保持器５５によって保持されており、内輪５１と外輪５２の間における軸受空間の両端は、接触式の軸受シール５６，５７によって密封されている。一方の軸受シール５６における外側の軸受空間６５には回転センサ６０が内蔵されていて、この軸受空間６５の外側には外部シール５８が設けられている。

軸受シール５６，５７は、外輪５２に取付けられている。転動体５３，５４が収納されている軸受空間には潤滑のためのグリースが封入されるが、軸受シール５６，５７によりグリースが外部に漏れるのが阻止される。また、軸受シール５７と外部シール５８とにより、外部から雨水や泥水が軸受空間に浸入されるのが阻止される。

外部シール５８は、縦断面が平板でリング状の芯金５８１と、この芯金５８１に固着された弾性部材５８２とを含み、その内径側端を内輪５１の外径面に形成されたシール取付け溝５１１に嵌合することで内輪５１に取付けられる。外部シール５８に含まれている弾性部材５８２の外径側端には、その先端が外輪５２の内径面に接触するリップ部５８３が形成されている。

回転センサ６０は、被検出部としての永久磁石６３と、センサ部６２とを含む。永久磁石６３は芯金６１に取付けられている。センサ部６２は例えばホール素子などを基板に取付けて構成されており、外部シール５８の芯金５８１の内面に取付けることで、外部シール５８と一体化されている。外輪５２の回転に伴って軸受シール５６が回転することにより永久磁石６３も回転し、外輪５２が１回転するごとに永久磁石６３がセンサ部６２に対向するので、センサ部６２は永久磁石６３からの磁束を検出して、回転信号を出力する。回転信号が所定の周期ごとに出力されているかを外部回路で判定することにより、計数した回転数と基準の回転数との偏差を検出することでベルトとプーリとの滑りの有無などを検出できる。

芯金５８１および弾性部材５８２には、ケーブル７０よりも大きな径を有する貫通孔を形成し、その貫通孔にケーブル７０を挿通して、ケーブル７０の一端をセンサ部６２に接続し、他端を外部に引き出している。
特開平６-２０７６２７号（段落番号０００８〜００１２、図１）

図５に示したセンサ付軸受５０において、被検出部としての永久磁石６３は軸受シール５６と、センサ部６２との間に配置されているため、センサ付軸受５０の軸方向長さが長くなってしまう。しかも、芯金６１と、永久磁石６３とを別個に製造した上で、芯金６１に永久磁石６３を取付ける必要があるため、部品点数が増えるばかりでなく、組立工数も増えてしまう。

そこで、この発明の目的は、軸方向長さを短くでき、部品点数および組立工数を低減したセンサ付軸受を提供することである。

この発明は、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置された転動体とを含み、外輪と内輪との相対的な回転を検出するセンサ付軸受であって、外輪と内輪との間の転動体が配置された両側空間の開口部を封止し、外輪と内輪のいずれかに設けられた軸受シールと、軸受シールの一方の外部側に設けられる外部シールと、外部シールに設けられるセンサ部とを含み、軸受シールの一方側は、内輪の外径部と外輪の内径部とのいずれかに嵌合され、転動体が配置された空間を封止する封止部から折り曲げられて、軸方向外側に延びる芯金と、磁性材料が混入されて芯金の先端部に固着され、センサ部に対向する磁気エンコーダとリップ部とを兼ねる弾性部材とを含む。

この発明によれば、転動体が配置された空間の開口部を封止する一方の軸受シールを磁気エンコーダに兼ねることで、軸受の軸方向長さを短くできるとともに、磁気エンコーダを別個の部品として形成する必要がなく、部品点数を減らすことができるとともに、組立工数を減らすことができる。

好ましくは、弾性部材は、紛体状の強磁性材が混入して形成され、弾性部材に着磁して磁気エンコーダを形成する。弾性部材に強磁性材を混入して着磁することで、軸受シールに一体化した磁気エンコーダを構成できる。

転動体は、複列の玉軸受および単列の玉軸受のいずれかである。複列の玉軸受を用いることにより、ラジアル荷重に加えて両方向のアキシャル荷重を受けることができる。単列の玉軸受を用いた場合には、軸方向幅を狭くできる。

以上のように、この発明によれば、内輪の外径部と外輪の内径部とのいずれかに嵌合され、転動体が配置された空間を封止する封止部から折り曲げられて、軸方向外側に延びる芯金に、弾性部材に磁性材料を混入して芯金の先端部に固着することで、センサ部に対向する磁気エンコーダとリップ部とを兼ねることができ、軸受の軸方向長さを短くできるとともに、磁気エンコーダを別個の部品として形成する必要がなく、部品点数を減らすことができるとともに、組立工数を減らすことができる。

図１はこの発明の一実施形態における回転センサ付軸受１が適用された電磁クラッチ２の断面図である。この図１に示す電磁クラッチ２は、カーエアコンにおけるコンプレッサ３の駆動系として用いられるものである。電磁クラッチ２はプーリ４とコイル５と従動部材６とを含む。コンプレッサ３はハウジング３１を含み、ハウジング３１の中心部には図示しない軸受により回転可能に保持されたコンプレッサ駆動軸３２が設けられている。

ハウジング３１にはコンプレッサ駆動軸３２を囲むように筒部３３が形成されていて、筒部３３の外周面とプーリ４との間にセンサ付軸受１が設けられている。センサ付軸受１により、プーリ４はハウジング３１の筒部３３の外周面を回転可能に保持されている。コンプレッサ駆動軸３２の先端部には、従動部材６が固定されている。従動部材６は中心部となる固定部６４と、ばね部材６６と、クラッチ板６８とから構成されている。固定部６４の中心はねじ６７によりコンプレッサ駆動軸３２の先端面にねじ止めされており、固定部６４とクラッチ板６８との間をばね部材６６が結合している。

プーリ４は筒部３３に設けられたセンサ付軸受１によって回転可能に保持されたリング状の回転部材４１を含み、回転部材４１にはその外周面にベルト溝４２が形成されており、そのベルト溝４２と図示しないエンジンのプーリとの間にベルト４３が掛け渡されている。ベルト４３は歯付ベルトの一例のタイミングベルトを用いてもよく、その場合には回転部材４１のベルト溝４２は歯付とされ、プーリ４は歯付プーリを用いればよい。

回転部材４１のハウジング３１に対向する面には円周溝４４が形成されており、この円周溝４４内に入り込むようにコイル５がハウジング３１に固定されている。センサ付軸受１とコイル５は制御ユニット７に接続されており、制御ユニット７には外部より、指令信号が与えられている。回転部材４１とクラッチ板６８は、磁性体で形成されている。

制御ユニット７に指令信号が与えられると、コイル５が通電されてコイル５は電磁力を発生し、その電磁力によりばね部材６６が撓んでプーリ４の回転部材４１と従動部材６のクラッチ板６８とをコイル５が吸着して、回転部材４１の回転を従動部材６に伝達する。これにより、プーリ４の回転力が電磁クラッチ２を介してコンプレッサ３に与えられる。

制御ユニット７によりコイル５への通電を遮断すると、励磁が解除されてばね部材６６の復元力によりクラッチ板６８がプーリ４の回転部材４１から離れるので、コンプレッサ３の駆動が停止される。コイル５の通電中において、制御ユニット７は回転センサ付軸受１が１回転するごとに１つのパルスを回転信号として出力するので、この回転信号を計数することにより回転数を判別することができる。また、計数した回転数と基準の回転数との偏差を検出することでベルト４３とプーリ４との滑りなどを検出できる。

図２は図１に示したセンサ付軸受の具体例を示す概略断面図であり、図３はセンサ付軸受の正面図である。

図２において、センサ付軸受１は複列アンギュラ玉軸受であって、固定側の内輪１１と、回転側の外輪１２と、内輪１１および外輪１２の間に配置された複数の転動体１３，１４とを有している。転動体１３，１４は保持器１５によって保持されており、内輪１１と外輪１２の間における軸受空間の両側は、接触式の軸受シール１６，１７によって密封されている。

一方側の軸受シール１６における外側には軸受空間３０が形成されており、この軸受空間３０には回転センサ２０が内蔵されていて、この軸受空間３０の外側には外部シール１８が設けられている。軸受空間３０は、転動体１３，１４が収納されている空間よりも径方向に広く形成されており、内輪１１の外径面には軸方向に延びる段差面１１１が形成されている。

軸受シール１６，１７は、外輪１２に取付けられている。具体的には、一方側の軸受シール１６はリング状の芯金１６１と、この芯金１６１の一方側に固着された弾性部１６４とを含む。弾性部１６４は、磁気エンコーダ１６５およびリップ部１６６を兼ねており、ゴム材料に例えばフェライト粉末などの強磁性を有する磁紛を混入して芯金１６１とともに一体的に形成されている。弾性部１６４の芯金１６１側は磁気エンコーダ１６５となり、先端部は内輪１１の外径部に非接触で対向するリップ部１６６となる。

芯金１６１の他方側は、軸方向外側に延びる円周面を有する断面がＬ字状に形成されており、外輪１２の内径部の平坦面１２３に嵌め込まれている。リップ部１６６は内輪１１の外径部に近接することで、外部へのグリース漏れを防止できる。

弾性部１６４を芯金１６１と一体的に形成するときは、まず強磁性を有する紛体状の強磁性材を混入した接着剤を芯金１６１の表面に焼き付けて形成し、強磁性材を弾性材にも混合して弾性生地を形成し、これを成形して弾性部１６４を形成する。この弾性部１６４に着磁して磁気エンコーダ１６５を形成する。なお、磁気エンコーダ１６５は図３に示すように、センサ部２２に対向する部分のみ着磁される。なお、接着剤には磁性材が混入されていなくてもよい。

他方の軸受シール１７はリング状の芯金１７１と、この芯金１７１に固着された弾性部材１７２とを含み、その外径側端を外輪１２の内径面に形成されたシール取付け溝１２２に嵌合することで、外輪１２に取付けられる。軸受シール１７に含まれている弾性部材１７２の内径側端には、その先端が内輪１１の外径面に接触するリップ部１７３が形成されている。転動体１３，１４が収納されている軸受空間には潤滑のためのグリースが封入されるが、軸受シール１６，１７によりグリースが外部に漏れるのが阻止される。

外部シール１８は、軸受空間３０の開口部を封止する封止部と、この封止部から折り曲げられて軸方向内側に延びる円周面１８２とを有する断面Ｌ字状の芯金１８１を含む。また、芯金１８１の円周面１８２を内輪１１の嵌合面となる段差面１１１に嵌合することで、芯金１８１を強固に内輪１１の外径部に固定できる。なお、芯金１８１の円周面１８２を内輪１１の外径部に固定する方法は圧入やその他の固定手段を用いることができる。

外部シール１８の芯金１８１には、弾性部材１８３が設けられており、弾性部材１８３は芯金１８１の外側を覆うように形成され、外輪１２側にはリップ部１８４が形成されていて、このリップ部１８４が軸受空間３０の外輪１２側内径部に接触している。リップ部１８４が外輪１２の内径部に接触するように外部シール１８を設けたことにより、軸受空間３０を密閉することができるので、外部から雨水や泥水が浸入するおそれをなくすことができ、センサ部２２に水などが付着するおそれがなくなるので、信頼性を高めることができる。

芯金１８１および弾性部材１８３にはケーブル７０を挿通させるための貫通孔１８５が形成されている。貫通孔１８５はケーブル７０を挿通し易いようにケーブル７０の径よりも大きく形成されている。これにより、組立性が向上する。

また、貫通孔１８５とケーブル７０との隙間には封止部材としての樹脂７１が注入されている。これにより、貫通孔１８５とケーブル７０との隙間から雨水などが浸入するのを防止できる。

回転センサ２０は、前述の被検出部としての磁気エンコーダ１６５に対向して設けられたセンサ部２２を含む。センサ部２２は例えばホール素子などを基板２３に取付けて構成されており、防水のためにホール素子などが樹脂２４によって覆われている。また、センサ部２２は基板２３を介して外部シール１８の芯金１８１の内面に取付けることで、外部シール１８と一体化されている。

磁気エンコーダ１６５は、図３に示すように、軸受シール１６の円周方向の１箇所に設けられており、センサ部２２側に向いた面は、Ｓ極１極、またはＮ，Ｓ，Ｎの順で最大３極まで着磁されている。センサ部２２の特性が磁気エンコーダ１６５の特性と逆の場合は、磁気エンコーダ１６５の極性を前記極性と逆にすればよい。外輪１２が回転して磁気エンコーダ１６５のＳ極がセンサ部２２に接近すると、センサ部２２から原点信号として１回転で１パルス出力されることになる。この原点信号が所定の周期ごとに出力されているかを外部回路で判定することにより、計数した回転数と基準の回転数との偏差を検出することで滑りの有無などを検出できる。

この実施形態では、軸受シール１６として、磁気エンコーダ１６５およびリップ部１６６を兼ねており、ゴム材料に例えばフェライト粉末などの強磁性を有する磁紛を混入して形成したので、図５に示す従来のセンサ付軸受５０のように、軸受シール５６と永久磁石６３とを別体の部品として形成する必要がなくなり、部品点数および組立工数を低減できる。しかも、軸受シール１６と磁気エンコーダ１６５とを兼ねることで、回転センサ２０部分で占有される軸方向寸法を短くできるので、センサ付軸受１の外形寸法を小さくできる。

また、外部シール１８の芯金１８１と弾性部材１８３に貫通孔１８５を形成し、その貫通孔１８５にケーブル７０を挿通させることで、ケーブル７０をセンサ部２２に接続し易くなり、組立性が向上する。また、ケーブル７０と貫通孔１８５との隙間を樹脂７１で封止することにより、雨水などが軸受空間３０に浸入するのを防止でき、信頼性が向上する。

さらに、この実施形態では、単一の筐体に回転数の検出機能と軸受機能とを併せ持たせることが可能になるので、センサ付軸受１をカーエアコンのコンプレッサに用いることでコンプレッサの小型化，簡素化などを図ることができる。すなわち、この実施形態では、軸受とは別個に独立した回転センサのための部品を用いる必要がなくなるので、軸受とは別に回転センサを設けるための設置空間や取付け部品などを不要にできるばかりでなく、軸受とは別に回転センサを取付けるための工程も不要にできる。

また、回転センサ２０のセンサ部２２と、外部シール１８とを一体化しているので、センサケースなどを不要にできてコストを低減できる。さらに、回転センサ２０の被検出部である磁気エンコーダ１６５を軸受シール１６に設けているので、軸受シール１６と磁気エンコーダ１６５との軸受への取付けを１回の作業で行うことができ、組立がさらに容易になる。

さらに、磁気エンコーダ１６５が設けられた軸受シール１６は、断面がＬ字状に形成された芯金１６１を平坦面１２３に嵌合させ、センサ部２２を取付けた外部シール１８は、断面がＬ字状に形成された芯金１８１の円周面１８２により内輪１１の段差面１１１に嵌合させているので、磁気エンコーダ１６５とセンサ部２２との軸方向隙間を精度よく設定でき、かつ微調整の工数が不要となる。

なお、センサ付軸受１は、回転センサ２０を内蔵させることで、センサ無の軸受に比べて軸方向寸法が長くなっているが、図１に示した電磁クラッチ２における回転部材４１の内径孔の軸方向に沿う寸法がセンサ付軸受１よりも長いため、回転部材４１の軸方向寸法を長くする必要性は生じない。

また、図２に示した実施形態では、複列のアンギュラ玉軸受を使用しているが、ラジアル荷重に加えて、両方向のアキシャル荷重を受けることができる。このため、ベルト駆動やクラッチ動作のために軸方向が作用する回転部材４１を単独で支持することができる。このような複列アンギュラ玉軸受に回転センサ２０を備えて、センサ付軸受１とすることで軸受使用機器の小型化を達成することができる。

なお、上述の説明では、回転センサ２０として１回転に１つのパルスを出力する原点検出用として用いるようにしたが、１回転に複数のパルスを発生したり、多相のパルス信号を発生させるものであってもよい、その場合には、永久磁石を周方向にＳ極とＮ極とを交互に形成すればよい。

図４は、この発明のさらに他の実施形態におけるセンサ付軸受の概略断面図である。この実施形態におけるセンサ付軸受１Ａは、単列の多点接触玉軸受に、図２に示した軸受シール１６，１７と外部シール１８と回転センサ２０とを取付けたものである。多点接触玉軸受は、４点接触玉軸受であり、図４に示すように、正逆方向の接触角θ１，θ２を有し、転動体１３は内輪１１と外輪１２とに４点で接触している。内輪１１および外輪１２の軌道溝は、例えばいずれもゴシックアーチ形状の断面形状に形成されている。

この例においても、軸受シール１６は図２と同様にして、リング状の芯金１６１と、この芯金１６１の一方側に固着された弾性部１６４とを含む。弾性部１６４は、磁気エンコーダ１６５およびリップ部１６６を兼ねており、ゴム材料に例えばフェライト粉末などの強磁性を有する磁紛を混入して形成されている。弾性部１６４の芯金１６１側は磁気エンコーダ１６５となり、先端部は内輪１１の外径部に非接触で対向するリップ部１６６となる。芯金１６１の他方側は、軸方向外側に延びる円周面を有する断面がＬ字状に形成されており、外輪１２の内径部の平坦面１２３に嵌め込まれている。

外部シール１８は、図２と同様にして構成されており、芯金１８１の弾性部材１８３には貫通孔１８５が形成されており、この貫通孔１８５にケーブル７０が挿通され、ケーブル７０と貫通孔１８５との隙間には樹脂７１が封止されている。それ以外の軸受シール１７や回転センサ２０は、図２と同様にして構成されている。

この実施形態におけるセンサ付軸受１Ａは、図２に示した複列アンギュラ玉軸受と同様にして、両方向のアキシャル荷重を受けることができる。また、転動体１３が単列であるため、軸受全体の軸方向幅を狭くできる。さらに、複列玉軸受では複数の転動体１３，１４が内輪１１と外輪１２に接触するため、異音が発生しやすいのに対して、単列ではそのような異音の発生を小さくできる。

なお、上述の説明では、センサとして回転センサ２０を設けるようにしたが、その他の温度や湿度や振動などのように、回転以外の検出対象を検出するセンサを設けるようにしてもよい。

さらに、上述の説明では外輪１２を回転側とし、内輪１１を固定側としたが、逆に内輪１１を回転側とし、外輪１２を固定側として回転センサ２０の被検出部である磁気エンコーダ１６５が設けられた軸受シール１６を回転側に取付け、回転センサ２０を固定側に取付けてもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明のセンサ付軸受は、磁気エンコーダを軸受シールに一体化することで軸方向長さを短くできるのでカーエアコンなどのコンプレッサにおける電磁クラッチの軸受として利用できる。

この発明の一実施形態におけるセンサ付軸受が適用された電磁クラッチの断面図である。 図１に示したセンサ付軸受の具体例を示す概略断面図である。 センサ付軸受の正面図である。 この発明のさらに他の実施形態におけるセンサ付軸受の概略断面図である。 電磁クラッチの軸受に回転センサを組み込んだ従来例を示す概略断面図である。

符号の説明

１，１Ａ センサ付軸受、１１ 内輪、１２ 外輪、１３，１４ 転動体、１５ 保持器、１６，１７ 軸受シール、１８ 外部シール、２０ 回転センサ、２２ センサ部、２３ 基板、２４，７１ 樹脂、３０ 軸受空間、７０ ケーブル、１１１，１２３ 段差面、１２２ シール取付け溝，１６１，１７１，１８１ 芯金、１６４ 弾性部、１６５ 磁気エンコーダ、１８２ 円周面、１７２，１８３ 弾性部材、１６６，１７３，１８４ リップ部、１８５ 貫通孔。

Claims (3)

1. 外輪と、内輪と、前記外輪および前記内輪の間に配置された転動体とを含み、前記外輪と前記内輪との相対的な回転を検出するセンサ付軸受であって、
   前記外輪と前記内輪との間の前記転動体が配置された空間の開口部を封止し、前記外輪と前記内輪のいずれかに設けられた軸受シールと、
   前記軸受シールの一方の外部側に設けられる外部シールと、
   前記外部シールに設けられるセンサ部とを含み、
   前記軸受シールの一方側は、
   前記内輪の外径部と前記外輪の内径部とのいずれかに嵌合され、前記転動体が配置された空間を封止する封止部から折り曲げられて、軸方向外側に延びる芯金と、
   磁性材料が混入されて前記芯金の先端部に固着され、前記センサ部に対向する磁気エンコーダとリップ部とを兼ねる弾性部材とを含む、センサ付軸受。
2. 前記弾性部材は、紛体状の強磁性材が混入して形成され、
   前記弾性部材に着磁して前記磁気エンコーダを形成する、請求項１に記載のセンサ付軸受。
3. 前記転動体は、複列の玉軸受および単列の玉軸受のいずれかである、請求項１または２に記載のセンサ付軸受。

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