JP2007051683A - 転がり軸受装置 - Google Patents

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

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。

特開２００４−１９８３３４号公報 特開２００４−１３２４７７号公報

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。

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。

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る。 図１におけるII−II線による断面図である。 図１におけるIII −III 線による断面図である。

符号の説明

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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。

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