JP2007051683A - 転がり軸受装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 回転体の複数回転に亘る回転角度を簡易かつ高精度に検出することができる転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】 ステータ4が、内輪11と一体回転する第1ロータ31に対応する誘起電圧の波形と保持器14と一体回転する第2ロータ32に対応する誘起電圧の波形との合成波形を出力し、出力された誘起電圧に基づいて、第1ロータ31及び第2ロータ32夫々と外輪12との相対回転角度夫々に対応する成分を求め、求めた成分に基づいて、第1ロータ31がn(nは自然数)回転目であること、及び、第1ロータ31と外輪12との相対回転角度を求める。
【選択図】 図1
【解決手段】 ステータ4が、内輪11と一体回転する第1ロータ31に対応する誘起電圧の波形と保持器14と一体回転する第2ロータ32に対応する誘起電圧の波形との合成波形を出力し、出力された誘起電圧に基づいて、第1ロータ31及び第2ロータ32夫々と外輪12との相対回転角度夫々に対応する成分を求め、求めた成分に基づいて、第1ロータ31がn(nは自然数)回転目であること、及び、第1ロータ31と外輪12との相対回転角度を求める。
【選択図】 図1
Description
本発明は、内輪と外輪との間の相対回転角度を検出する回転角度検出手段を組み込んである転がり軸受装置に関し、更に詳しくは、回転角度検出手段により複数回転に亘る相対回転角度の検出が可能としてある転がり軸受装置に関する。
回転体を支持するために多くの産業分野において用いられている転がり軸受は、同軸上に配された内輪と外輪との間に複数の転動体を介装して構成されており、複数の転動体は、円環状をなす保持器により周方向に所定の間隔を保って保持されている。
従来から、このような転がり軸受に、内輪と外輪との間の相対回転角度を検出する回転角度検出手段を組み込み、内輪(又は外輪)と一体回転する回転体の回転角度を検出可能としてある転がり軸受装置が提案されている(特許文献1,2参照)。
前記回転角度検出手段は、内輪及び外輪の一方に設けられたロータと、他方に設けられたステータとを有するレゾルバを備える。ロータはステータに対向配置されて内輪(又は外輪)と一体回転し、内輪(又は外輪)の1回転に対応してロータとステータとのギャップが周期的に変化するようにしてある。ステータはステータ巻線を備えており、ステータ巻線は、交流磁界内で誘起電圧を出力する。ステータ巻線から出力される誘起電圧は、内輪(又は外輪)の1回転に対応して周期的に変化し、この誘起電圧に基づいて、ステータに対するロータの相対回転角度、即ち内輪と外輪との間の相対回転角度が検出される。
転がり軸受は、一般に、一方向又は両方向に連続回転する回転体の支持に用いられるが、一部では、所定の基準位置を中心として両方向に夫々数回転し、回転範囲の全域に亘って回転角度を検出することが要求される回転体の支持に用いられることがある。
一例として、操舵中立位置を中心として、左右両方向に2.5回転前後の回転範囲内で回転し、また、その回転範囲の全域に亘る回転角度を操舵角として検出することが要求されるステアリング軸があり、従来は、この操舵角の検出のために専用の操舵角センサが用いられていた。このようなステアリング軸の支持に回転角検出手段を備える転がり軸受装置を使用した場合、操舵角センサを省略することができる。
しかしながら、前述の如く構成された従来の転がり軸受装置は、内輪と外輪との間の1回転以内の相対回転角度しか検出することができず、操舵角センサの代用とする場合、各回転の積算処理が必要となる、検出精度が悪化する等の不具合があった。
本発明は斯かる問題を解決するためになされたものであり、内輪と外輪との間の複数回転に亘る相対回転角度を簡易かつ高精度に検出することができる転がり軸受装置を提供することを目的とする。
第1発明に係る転がり軸受装置は、内輪及び外輪の間に介装された複数の転動体を円環状の保持器に保持させてなる転がり軸受に、前記内輪及び外輪の相対回転角度を検出する回転角度検出手段を組み込んである転がり軸受装置において、前記回転角度検出手段は、前記内輪(又は外輪)と一体回転するロータ、及び、前記外輪(又は内輪)に固設されたステータを有する第1レゾルバと、前記保持器と一体回転するロータ、及び、前記外輪(又は内輪)に固設されたステータを有する第2レゾルバとを備えることを特徴とする。
第2発明に係る転がり軸受装置は、前記第1レゾルバのステータと、前記第2レゾルバのステータとは一体に構成してあることを特徴とする。
第3発明に係る転がり軸受装置は、前記第1レゾルバ及び第2レゾルバはバリアブル・リラクタンス形レゾルバであることを特徴とする。
第1発明の転がり軸受装置による場合、第1レゾルバが、内輪(又は外輪)と一体回転するロータの1回転に対応して周期的に変化する誘起電圧を出力し、第2レゾルバが、保持器と一体回転するロータの1回転に対応して周期的に変化する誘起電圧を出力し、出力された誘起電圧に基づいて、各ロータと外輪(又は内輪)との相対回転角度が検出される。保持器の回転速度は内輪(又は外輪)の回転速度よりも遅く、また、内輪(又は外輪)と保持器との回転速度差は、転がり軸受のサイズによって決まる。
このため、保持器と一体回転するロータと外輪(又は内輪)との相対回転角度に基づいて、内輪(又は外輪)と一体回転するロータがn(nは自然数)回転目であることを求めることができ、この結果、各回転の積算処理を行なうことなく、内輪(又は外輪)と一体回転するロータと外輪(又は内輪)との複数回転に亘る相対回転角度を簡易かつ高精度に検出することができる。
第2発明の転がり軸受装置による場合、第1レゾルバのステータと第2レゾルバのステータとを両方備える代わりに、これらを兼用するステータが備えられているため、構成を簡素化することができ、装置を小型化することができる。
このような第1レゾルバのステータと第2レゾルバのステータとを兼用するステータは、内輪(又は外輪)と一体回転するロータに対応する誘起電圧の波形、及び、保持器と一体回転するロータに対応する誘起電圧の波形との合成波形を出力するため、出力された誘起電圧に基づいて、各ロータと外輪(又は内輪)との相対回転角度夫々に対応する成分を求め、求めた成分に基づいて、内輪(又は外輪)と一体回転するロータがn回転目であること、及び、前記ロータと外輪(又は内輪)との相対回転角度を求めることができ、この結果、複数回転に亘る回転角度を、小型の装置で検出することができる。
第3発明の転がり軸受装置による場合、回転角度検出手段は、バリアブル・リラクタンス(VR)形レゾルバを用いてなる。VR形レゾルバは高分解能を有し、しかも構成が簡易である。
以下、本発明を、その実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
図1は、本発明に係る転がり軸受装置の構成を示す側面断面図であり、図2は、図1におけるII−II線による断面図である。また、図3は、図1におけるIII −III 線による断面図である。転がり軸受装置は、内輪11、外輪12、転動体13,13,…、及び保持器14を備える転がり軸受1と、夫々VR形レゾルバである第1レゾルバ21及び第2レゾルバ22、並びに励磁装置23及び検出装置24を備える回転検出部2とを有する。
内輪11は外周面に周方向の溝が形成してあり、外輪12は前記溝に対向配置された周方向の溝が内周面に形成してあり、内輪11及び外輪12は同軸上に配され、内輪11及び外輪12の間に、内輪11及び外輪12夫々の溝の内面に接触して複数の球状の転動体13,13,…が介装してある。転動体13,13,…は、内輪11及び外輪12に対して同軸上に配された円環状の保持器14に保持されて、内輪11及び外輪12の周方向に所定の間隔を保っている。内輪11、外輪12及び保持器14が相対回転した場合、内輪11及び外輪12の間で転動体13,13,…が転動する。
このように構成された転がり軸受1は、回転体としての回転軸51に内輪11を同軸配置で外嵌固定し、外輪12の外周面をハウジング52内部に固定することによって、ハウジング52に回転軸51を回転可能に支持させるように使用される。内輪11は回転軸51と一体回転し、保持器14は、内輪11の回転速度より遅い回転速度で同一方向に回転する。つまり、回転軸51及び内輪11が1回転する間に、保持器14が1/N回転(N>1)する割合で夫々回転する。この回転数Nは、転がり軸受1のサイズに応じて一意に求められる。
第1レゾルバ21は、内輪11に外嵌固定されて一体回転する環状の第1ロータ31、及び外輪12に内嵌固定された環状のステータ4を有し、第2レゾルバ22は、保持器14に固定されて一体回転する環状の第2ロータ32、及びステータ4を有する。つまり、ステータ4は、第1レゾルバ21のステータと、第2レゾルバ22のステータとを兼ねている。
ステータ4は、外輪12に同軸に圧入固定されている磁性体製の円環状のコア42を備え、コア42の内面には、コア42の周方向に等配された偶数個の歯4a,4a,…が、コア42の径方向内向きに突設されている。ステータ4は、歯4a,4a,…に順次導線が巻回されて形成されたステータ巻線41,41,…を更に備える。
ステータ巻線41,41,…には、励磁装置23及び検出装置24が接続されており、ステータ巻線41,41,…は、励磁装置23によって、交流の励磁電圧を印加されて、交流磁界を発生させる。また、磁束の変化によってステータ巻線41,41,…に発生した誘起電圧、及び励磁装置23が発生させる励磁電圧は、夫々アナログ信号として検出装置24へ出力されて、信号処理される。検出装置24は、励磁電圧に対応するアナログ信号と誘起電圧に対応するアナログ信号とに基づいて、回転角度を検出する。
第1ロータ31は磁性体を用いて形成され、軸方向に垂直な断面形状が略涙滴型になるよう周方向に外径が変化している。第2ロータ32は磁性体を用いて形成され、軸方向に垂直な断面形状が略涙滴型になるよう周方向に外径が変化しているロータ部3aと、ロータ部3a及び保持器14を軸方向に連結する連結部3bとで構成されている。また、第1ロータ31及び第2ロータ32は、径方向にステータ4に対向し、ステータ巻線41,41,…が発生させる磁界内に位置する。
このような第1ロータ31及び第2ロータ32が回転軸51の回転に伴って回転することによって、第1ロータ31とステータ4とのギャップ、及び第2ロータ32とステータ4とのギャップ夫々が変化し、このため、ステータ巻線41,41,…が発生させる交流磁界の磁束が変化して、変化した磁束に応じた誘起電圧が検出装置24へ出力される。
検出装置24へ出力される誘起電圧の波形は、第1ロータ31の1回転に対応して周期的に変化する誘起電圧の波形及び第2ロータ32の1回転に対応して周期的に変化する誘起電圧の波形との合成波形である。そして、検出装置24は、入力された励磁電圧及び誘起電圧に基づき、第1ロータ31及び第2ロータ32夫々の外輪12に対する相対回転角度、延いては、回転軸51の回転角度を検出する。
次に、回転軸51の回転角度θを求める手順を説明する。まず、励磁電圧に対応するアナログ信号と誘起電圧に対応するアナログ信号とに基づいて、位相検波、整流等によって、回転角度θを求めるための検出信号Sを得る。得られた検出信号Sは、第1ロータ31の回転角度に応じた磁束の変化を示すアナログ信号と第2ロータ32の回転角度に応じた磁束の変化を示すアナログ信号とを含む合成波形を有し、以下の式(1)によって表される。
S=A・sin(θ)+B・sin(θ/N) (1)
この式(1)の係数A,Bは、回転検出部2の回路構成、部品制度等によって一意に決まる定数である。また、式(1)のA・sin(θ)が第1ロータ31と外輪12との間の相対回転角度に対応する成分であり、B・sin(θ/N)が、第1ロータ31が1回転する間に1/N回転する第2ロータ32と外輪12との間の相対回転角度に対応する成分である。
この式(1)の係数A,Bは、回転検出部2の回路構成、部品制度等によって一意に決まる定数である。また、式(1)のA・sin(θ)が第1ロータ31と外輪12との間の相対回転角度に対応する成分であり、B・sin(θ/N)が、第1ロータ31が1回転する間に1/N回転する第2ロータ32と外輪12との間の相対回転角度に対応する成分である。
係数A,B、及び回転数Nは既知であるため、検出信号Sが得られることによって、式(1)に基づき、回転角度θが算出される。ここで算出される回転角度θは、回転軸51の複数回転に亘る回転角度、即ち、回転軸51がn(nはN>nの自然数)回転目である場合の回転角度である。このようにして、回転検出部2は、第1ロータ31及び第2ロータ32夫々の外輪12に対する相対回転角度を検出することによって、各回転の積算処理を行なうことなく、簡易かつ高精度に回転軸51の回転角度を検出することができる。しかも、回転軸51の回転角度を検出する回転角度センサを別途設ける必要がない。
以上のような転がり軸受装置において、例えば回転軸51は、最大回転数M(M>0)で一方向又は両方向に回転する。この場合、回転数N>Mになるよう転がり軸受1のサイズを設定する必要がある。又は、回転軸51は、所定の基準位置を中心として両方向に数回転する。このような回転軸51は、例えばステアリング軸である。
ステアリング軸は、車両のステアリングホイールに連結され、ステアリングホイールの回転操作に応じ、操舵中立位置を中心として例えば左右両方向に2.5回転前後の回転範囲内で回転する。ステアリングホイールの回転操作に応じて操舵補助用のモータを駆動し、該モータの回転力を操舵機構に加えて操舵を補助する電動パワーステアリング装置においては、操舵補助用のモータの駆動制御に用いるべくステアリングホイールの操舵角を検出する必要があり、この検出のために、本実施の形態の転がり軸受装置を使用することができ、また、この場合、従来操舵角の検出のために備えられていた操舵角センサを省略することができる。ただし、回転数N>2.5になるよう転がり軸受1のサイズを設定する必要がある。
なお、外輪が回転し、内輪が固定される構成でもよい。この場合、第1ロータは外輪に設けられ、ステータは内輪に設けられる。また、ステータは、第1ロータ31に対向する第1ステータ巻線と第2ロータ32に対向する第2ステータ巻線とを備える構成でもよい。この場合、各ステータ巻線から出力される誘起電圧に基づいて、回転角度が検出される。ただし、第1ロータ31及び第2ロータ32両方に対向するステータ巻線41,41,…を備える場合に比べて構造が複雑になり、装置が大型化する。更に、本実施の形態においては励磁電圧が入力されるステータ巻線と誘起電圧を出力するステータ巻線とを兼用しているが、これらを別個に設けてもよい。更にまた、誘起電圧を出力するステータ巻線を複数設けてもよい。
また、第1ロータ31及び第2ロータ32の形状及び構成は、本実施の形態の形状及び構成に限るものではない。更に、第1レゾルバ21、第2レゾルバ22はVR形レゾルバに限るものではない。
1 転がり軸受
11 内輪
12 外輪
13 転動体
14 保持器
2 回転検出部(回転角度検出手段)
21 第1レゾルバ
22 第2レゾルバ
23 励磁装置
24 検出装置
31 第1ロータ(内輪と一体回転するロータ)
32 第2ロータ(保持器と一体回転するロータ)
4 ステータ
11 内輪
12 外輪
13 転動体
14 保持器
2 回転検出部(回転角度検出手段)
21 第1レゾルバ
22 第2レゾルバ
23 励磁装置
24 検出装置
31 第1ロータ(内輪と一体回転するロータ)
32 第2ロータ(保持器と一体回転するロータ)
4 ステータ
Claims (3)
- 内輪及び外輪の間に介装された複数の転動体を円環状の保持器に保持させてなる転がり軸受に、前記内輪及び外輪の相対回転角度を検出する回転角度検出手段を組み込んである転がり軸受装置において、
前記回転角度検出手段は、
前記内輪(又は外輪)と一体回転するロータ、及び、前記外輪(又は内輪)に固設されたステータを有する第1レゾルバと、
前記保持器と一体回転するロータ、及び、前記外輪(又は内輪)に固設されたステータを有する第2レゾルバと
を備えることを特徴とする転がり軸受装置。 - 前記第1レゾルバのステータと、前記第2レゾルバのステータとは一体に構成してあることを特徴とする請求項1に記載の転がり軸受装置。
- 前記第1レゾルバ及び第2レゾルバはバリアブル・リラクタンス形レゾルバであることを特徴とする請求項1又は2に記載の転がり軸受装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005237230A JP2007051683A (ja) | 2005-08-18 | 2005-08-18 | 転がり軸受装置 |
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Legal Events
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Effective date: 20080627 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
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Effective date: 20100316 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100720 |