JP2007198885A - エンコーダ、及びセンサ付き転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサでの分解能を高めることができ、軸受の回転速度等の回転体の回転状態を高精度に検出することができるエンコーダ、及びセンサ付き転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】 転がり軸受に組み込まれその転がり軸受の回転状態を検出するセンサに対向配置される被検出面２３ａを有するエンコーダ本体２３よりなるエンコーダＥにおいて、カーボンナノチューブゴムよりなるエンコーダ本体２３の被検出面２３ａに、センサ２２の検出面に対するエアギャップが異なる基面２３ｂ及び凸部２３ｃ（凹凸部）を、転がり軸受の周方向に沿って形成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転体の回転数などの検出に用いられるエンコーダ、及びこのエンコーダを用いたセンサ付き転がり軸受装置に関する。

自動車などの車輪を支持する転がり軸受装置には、アンチロックブレーキシステム等を制御するために、当該車輪の回転速度を検出するためのセンサ装置が組み込まれたものがある。このような従来のセンサ付きの転がり軸受装置では、例えば下記特許文献１に記載されているように、内軸（回転輪）側に設置された着磁パルサーリング（エンコーダ）と、このエンコーダに対向するセンサとが設けられている。上記エンコーダは、耐熱ニトリルゴム等からなる弾性部材にフェライト等の磁性体粉を混入するとともに、その弾性部材を内外輪間の環状開口部を密封する密封装置の回転輪側の部材に加硫接着することで当該回転輪側に一体回転可能に取り付けられている。また、エンコーダには、複数のＮ・Ｓ極が周方向周りに交互に配設されている。一方、センサは、磁気検出素子を備えたものであり、その検出面がエンコーダの被検出面に対向するように配置されている。そして、センサが、回転輪の回転に応じたエンコーダからの磁界の変化を検出することにより、回転輪の回転速度、すなわち上記車輪の回転速度を検出するようになっている。

特開２００２−１５５９６２号公報

しかしながら、上記のような従来のエンコーダでは、そのＮ・Ｓ極の極数を増やすことが困難であり、このため、センサでの分解能を高めることができずに、回転輪の回転速度等の検出精度を向上させることが難しいという問題点があった。詳細にいえば、従来のエンコーダでは、その周方向周りに複数のＮ・Ｓ極が交互に配設されていたので、隣り合うＮ極とＳ極との間隔寸法（ピッチ）を小さくした場合、それら磁極同士での磁気干渉が大きくなって、センサが磁界変化を正確に検出できないことがあった。それゆえ、この従来のエンコーダでは、Ｎ・Ｓ極のピッチを小さくしてセンサ分解能を高分解能とすることができず、特に小径の転がり軸受装置に適用した場合に回転輪の回転速度等を高精度に検出するのが困難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、センサでの分解能を高めることによって、軸受の回転輪の回転速度等、回転体の回転状態を高精度に検出することができるエンコーダ及びセンサ付き転がり軸受装置を提供することを目的とする。

本発明は、回転体の回転状態を検出するセンサの検出面に対向して配置される被検出面を有するエンコーダ本体よりなるエンコーダにおいて、カーボンナノチューブゴムよりなる前記エンコーダ本体の被検出面に、前記検出面に対するエアギャップが異なる多数の凹凸部が周方向に沿って形成されていることを特徴としている。

上記のように構成されたエンコーダによれば、前記エンコーダ本体をカーボンナノチューブゴムにより成形したので、カーボンナノチューブゴムが有する導電性によって、周方向に沿って形成された前記凹凸部は、導電性を有するものとなる。よって、前記凹凸部は、この導電性によって、前記検出面に対するそのエアギャップの変化を前記センサに検出させることができ、その検出結果を回転体の回転動作に応じて変化させることができる。しかも、エンコーダ本体はカーボンナノチューブゴムにより形成することで、機械的強度が大きく、また形状安定性に優れたものとなり、上記多数の凹凸部を精度よく、かつ、それらの間隔寸法を小さくして前記エンコーダ本体の被検出面側に形成することができる。この結果、従来の着磁によるもの以上に、センサでの分解能を高めることが可能となる。

また、本発明のセンサ付き転がり軸受装置は、固定輪及び回転輪と、これらの間に転動自在に配置された転動体と、前記回転輪の回転状態を検出する検出面を有するセンサと、被検出面が前記検出面に対向して配置されるように前記回転輪に取り付けられた上記エンコーダとを備えていることを特徴としている。
上記のように構成されたセンサ付き転がり軸受装置によれば、上記エンコーダが、前記回転輪に一体回転可能に取り付けられているので、当該回転輪の回転状態を検出する上で、前記センサでの分解能を高めることができる。
また、上記センサ付き転がり軸受装置は、前記エンコーダを取り付けるための部材等を介することなく、前記エンコーダを回転輪側に取り付けたので、その取り付け構造を簡略化でき、コストの低減や、当該センサ付き転がり軸受装置の軽量化を図ることができる。

上記センサ付き転がり軸受装置において、前記エンコーダを構成するカーボンナノチューブゴムよりなるエンコーダ本体が、前記回転輪に対して加硫接着によって直接取り付けられていることが好ましい。
この場合、前記エンコーダの成形と前記回転輪への取り付けを同時に行うことができるので、製造工程を簡略化でき、コストの低減を図ることができる。

以上のように、本発明のエンコーダは、カーボンナノチューブゴムよりなるエンコーダ本体に多数の凹凸部を精度よく、かつ、これらの間隔寸法を小さくしてエンコーダ本体の被検出面側に形成したので、センサでの分解能を高めることができる。
また、本発明のセンサ付き転がり軸受装置によれば、上記エンコーダを用いることでセンサでの分解能を高めることができ、回転輪の回転速度等の回転状態を高精度に検出することができる。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第一の実施形態であるセンサ付き転がり軸受装置の構成を示す断面図である。このセンサ付き転がり軸受装置１は、自動車などの車両の車輪を回転自在に支持する装置として用いられるものであり、転がり軸受部１０と、センサ部２０とによって構成されている。

まず、転がり軸受部１０について説明する。転がり軸受部１０は、固定輪としての外輪１１と、回転輪としての内軸１２と、外輪１１と内軸１２間に配置された複数の転動体としての玉１３と、これらの玉１３をそれぞれ保持する保持器１４と、外輪１１と内軸１２との隙間に取り付けられて軸受内部を密封するシール１５とを備えており、複列のアンギュラ玉軸受を構成している。
このうち、内軸１２は図示しない車輪が取り付けられる車軸を構成しており、内軸本体１６と、内輪部材１７とを組み合わせて成るものである。

内軸本体１６は、上記車輪を取り付けるためのインロー部１６ａ及びフランジ部１６ｂを一端側に備えている。このフランジ部１６ｂには、上記車輪を固定するための複数本のハブボルト１６ｃが圧入固定されている。
また、内軸本体１６の外周面には、第一の内輪軌道１２ａが形成されるとともに、内軸本体１６の他端部には内輪軌道１２ａよりも小径の小径部１６ｄが形成されている。この小径部１６ｄには、円環状に成形された内輪部材１７が外嵌されている。この内輪部材１７の外周面には、第二の内輪軌道１２ｂが形成されている。内輪部材１７は、その一端面が内軸本体１６の外周面と小径部１６ｄとをつなぐ段部１６ｅに当接した状態で圧入されている。さらに、内輪部材１７は、小径部１６ｄの先端部を径方向外向きに屈曲変形させたかしめ部１６ｆによって、内軸本体１６に一体回転可能に固定されている。
また、内輪部材１７の他端面には、上記センサ部２０に含まれるエンコーダＥが一体回転可能に取り付けられている。

外輪１１は、その内周面に第一及び第二の内輪軌道１２ａ，１２ｂに対向する第一及び第二の外輪軌道１１ａ，１１ｂが形成され、玉１３を介して内軸１２を回転自在に支持している。外輪１１の外周面には、外輪１１を車両側に取り付けるための取り付け部１１ｃが形成されている。

次に、センサ部２０について説明する。センサ部２０は、リング状に成形され、その中心と内軸１２の軸心とを一致させつつ内軸１２と一体回転可能に取り付けられたエンコーダＥと、このエンコーダＥに対向して配置されるようにカバー２１に固定されたセンサ２２とを備えており、センサ２２が内軸１２の回転速度を検出することにより、上記車輪の回転速度が検知されるようになっている。

エンコーダＥは、ニトリル等のゴムに適量のカーボンナノチューブを配合したカーボンナノチューブゴム（以下、“ＣＮＴゴム”ともいう）よりなるリング状のエンコーダ本体２３により構成されている。このＣＮＴゴムは、カーボンナノチューブが配合されることにより、導電性が付与されるとともに、フェライトゴムやニトリルゴム等の既存のゴムと同等以上の機械的強度が与えられている。また、ＣＮＴゴムは、上述のゴムに比べて優れた形状安定性を備えている。

また、エンコーダ本体２３には、図２も参照して、センサ２２の検出面２２ａ（図１）に対向して配置されるリング状の被検出面２３ａを有しており、この被検出面２３ａは、基面２３ｂと、この基面２３ｂから突出しかつ周方向に沿って等間隔で配列された複数の凸部２３ｃとを有している。これらの基面２３ｂ及び凸部２３ｃは、被検出面２３ａが検出面２２ａに対向して配置されたときに、その検出面２２ａとのエアギャップが異なる多数の凹凸部を構成するものであり、エンコーダ本体２３が内軸１２と一体回転したときに、内軸１２の回転方向（軸受回転方向）に設けられた基面２３ｂ及び凸部２３ｃが検出面２２ａに順次対向して、センサ２２の検出結果（センサ出力）を変化させるようになっている。

また、上記基面２３ｂ及び凸部２３ｃは、金型によって成形されたものであり、被検出面２３ａの周方向における隣り合う凸部２３ｃのピッチ寸法は、例えば０．１ｍｍに設定されている。また、エンコーダ本体２３の厚さ方向における基面２３ｂの表面と凸部２３ｃの表面との離間寸法は、例えば０．３ｍｍに設定されている。さらに、これら基面２３ｂ及び凸部２３ｃを形成するための上記金型は、その形状がエッチング加工にて高精度に加工されたものであり、ＣＮＴゴムが優れた機械的強度及び形状安定性を有している点とも相まって、凸部２３ｃは、上記ピッチ寸法の誤差を極力小さくした状態で高精度に形成されている。

また、このエンコーダＥを構成するエンコーダ本体２３を上述した形状に成形するのと同時に内輪部材１７に接着するといった、いわゆる加硫接着によって直接取り付けられている。このとき、エンコーダ本体２３は、前記金型を内輪部材１７の軸方向中心に対して正確に位置決めされて、エンコーダ本体２３の外周の中心と内輪部材１７の軸心とを正確に一致するように成形されている。
エンコーダＥは、あらかじめ成形が完了したエンコーダ本体２３を、例えば接着剤等で内輪部材１７に接着してもよいが、上記のように、エンコーダＥを加硫接着によって、内輪部材１７に取り付ければ、エンコーダ本体２３の成形と内輪部材１７への取り付けを同時に行うことができるので、その製造工程を簡略化でき、コストの低減を図ることができる。
また、エンコーダを取り付けるための部材等を介することなく、エンコーダＥを内輪部材１７に直接取り付けたので、その取り付け構造を簡略化でき、コストの低減や、当該センサ付き転がり軸受装置１の軽量化を図ることができる。

上記センサ２２は、例えば渦電流式の変位センサにより構成されたものであり、エンコーダＥとの間に磁界を発生させるとともに、軸受回転に応じた磁界の磁束（密度）の変化を検出する。詳細には、センサ２２は、エンコーダ本体２３の被検出面２３ａ側に向かって（バイアス）磁界を発生する磁界発生部と、被検出面２３ａ側から検出面２２ａに戻ってきた磁束を検出するホール素子等の磁気検出素子を有する磁気検出部とを備えている（図示せず）。そして、センサ２２では、その磁界発生部から磁界を発生させると、基面２３ｂ及び凸部２３ｃの各表層部分では、カーボンナノチューブにより付与された導電性により磁界の磁束を打ち消すような渦電流が生じるが、検出面２２ａが基面２３ｂに対向している場合と、凸部２３ｃに対向している場合とでは、透磁率の小さい空気の上記ギャップが異なるので、センサ２２の磁気検出部で検出される磁束は、基面２３ｂに対向している場合に比べて、凸部２３ｃに対向している場合の方が大きい値となる。このように、センサ２２では、その検出面２２ａが対向する基面２３ｂ又は凸部２３ｃに一致して磁束検出値が変化しており、センサ２２がその磁束検出値を示す検出（電圧）信号を上記車両のＥＣＵ等の制御部（図示せず）に出力する。そして、制御部にて内軸１２の回転速度、すなわち車輪の回転速度が検知され、車両のアンチロックブレーキシステム等の制御に反映される。

このように構成された本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。すなわち、エンコーダＥは、エンコーダ本体２３をカーボンナノチューブゴムにより成形したので、カーボンナノチューブゴムが有する導電性によって、凹凸部としての基面２３ｂ及び凸部２３ｃは導電性を有するものとなる。よって、基面２３ｂ及び凸部２３ｃは、この導電性によって、検出面２２ａに対するそのエアギャップの変化をセンサ２２に検出させることができ、その検出結果を内軸１２の回転動作に応じて変化させることができる。しかも、エンコーダ本体２３はＣＮＴゴムにより形成することで、機械的強度が大きく、また形状安定性に優れたものとなり、その被検出面２３ａには、複数の凸部２３ｃをそのピッチ寸法の誤差を極力小さくした状態で、周方向周りに高精度に形成することができる。この結果、従来の着磁によるもの以上に、センサ２２での分解能を高めることができ、内軸１２の回転速度、すなわち車輪の回転速度を高精度に検出することができる。

また、本実施形態のエンコーダＥによれば、その径寸法を比較的小径にしたとしても、凸部２３ｃを小さいピッチ寸法で基面２３ｂに形成することができるので、センサでの分解能を高い状態で維持できる程度の凸部２３ｃが多数形成できる。従って、磁極の相互干渉によって着磁パルサーリングの適用が困難であった、外輪外径が５０ｍｍ程度の小型の転がり軸受装置においても、その回転輪にエンコーダＥを取り付けて、軸受の回転状態を検知することができる。

また、上記のようにエンコーダＥの径寸法を比較的小径にすることができるので、例えば、内軸本体１６端面のかしめ部１６ｆや、内軸本体１６の端面に形成されている凹部１６ｇの底面や内周側面にエンコーダＥを取り付け、センサ付き軸受装置１を構成することもできる。
内軸本体１６の端面に形成されている凹部１６ｇは、かしめ部１６ｆ形成のため、もしくは軽量化のために、内軸本体１６全体を熱間鍛造にて成形する際に形成されたものであり、このような内軸本体の端面をかしめて内輪部材を固定する内軸においては、従来から形成されていたものである。この凹部１６ｇの内周径寸法は比較的小径であり、従来からデッドスペースとなっていた。
本実施形態のエンコーダＥによれば、この凹部１６ｇのように、従来、エンコーダを取り付けるのが困難であった箇所に対して、その径寸法を小径とすることで、エンコーダＥの取り付けが可能となり、センサ付き転がり軸受装置１にセンサ部２０を組み込む際における設計の自由度を高めることができる。これによって、センサ付き転がり軸受装置１自体の小型化や軽量化等を図ることもできる。

尚、上記実施形態のエンコーダＥでは、エンコーダＥを構成するエンコーダ本体２３の被検出面２３ａに、基面２３ｂとこの基面２３ｂ上に周方向に沿って等間隔に設けられた複数の凸部２３ｃとを備え、内軸１２の回転速度を検出する構成について説明したが、本発明のエンコーダはこれに限定されるものではない。
例えば、図３に示すように、エンコーダ本体２３の被検出面２３ａにおいて周方向周りに等間隔に配列された複数の凸部２３ｃの内周側に、さらに所定のパターンで周方向周りに配列された複数の内周側凸部２３ｄを形成してもよい。この内周側凸部２３ｄは、周方向周りの配列パターンによって特徴点が設けられ、これを検出するセンサが回転体の回転方向、原点あるいは回転角度を検知できるように配列されている。このような構成のエンコーダＥに対しては、凸部２３ｃ及び内周側凸部２３ｄを検知するためのセンサをそれぞれ一個づつ配置することによって、凸部２３ｃから回転体の回転速度を高精度に検出すると同時に、内周側凸部２３ｄから回転体の回転方向や、回転角度を検知することができるセンサ付き転がり軸受装置とできる。

また、本発明は、カーボンナノチューブよりなるエンコーダ本体の被検出面に、センサの検出面とのギャップが異なる多数の凹凸部が周方向に沿って形成されたものであればよく、センサの検出形式や検出対象に応じて凹凸部の形状、設置数、構成等を適宜変更したものでもよい。
例えば、複数の凸部２３ｃのうちの一部の凸部２３ｃの高さを他の凸部２３ｃの高さと異なるようにしたり、基面２３ｂにおける隣り合う凸部２３ｃの間に溝部を設けたりすることにより、センサ２２の検出面２２ａとのギャップに変化をもたせてエンコーダ本体２３に特徴点を設け、センサがこの特徴点を検出することで回転体の回転方向、原点あるいは回転角度等を検知するようにしてもよい。
また、光センサやレーザセンサに対応すべく、被検出面にスリット孔を設けて、これらのセンサに、回転に応じた反射率の相異を検出させて、回転体の回転状態を検出する構成としてもよい。また、カーボンナノチューブによる導電性を利用した他のセンサ、例えば静電容量式の変位センサにも対応することができる。
また、エンコーダ本体の端面を歯車状に構成することで凹凸部を形成してもよい。また、上記エンコーダ本体は、回転体と一体回転するものであればよく、回転体の軸心と同心円状に配置されるリング状のものや回転体の軸心周りに部分的に設けられる円弧状のものでもよい。

このように、エンコーダＥを構成するエンコーダ本体２３は、ＣＮＴゴムを金型によって成形するので、従来の着磁するものと比較して、容易に所望の形状やパターンに成形することができる。

また、上記実施形態では、内軸１２の端面側にエンコーダＥを取り付けたが、例えば、内軸１２における第一及び第二の内輪軌道間の外周面にエンコーダＥを取り付け、センサ２２を外輪１１に形成された孔部に挿入することによってエンコーダＥに対向するように固定するような構成としてもよい。この場合、内軸１２の外周面に加硫接着してもよいが、円筒状に成形されたエンコーダＥを内軸１２に外嵌し、その収縮を利用した収縮嵌合によって取り付けてもよい。また、外輪が回転輪とされた転がり軸受に対しても、その外輪の軸方向端面や内外周面にエンコーダを取り付けてもよい。

また、上記実施形態では、複列アンギュラ玉軸受タイプの軸受を具備する車両の車輪用軸受装置に適用した場合について説明したが、本発明の転がり軸受装置はこれに限定されるものではなく、転動体の種類や設置数などの軸受形式等は上記のものに何等限定されるものではない。

本発明の第一の実施形態である車輪用軸受装置の構成を示す軸方向断面図である。 図１中のエンコーダの一部を示した外観図である。 エンコーダの変形例の一部を示した外観図である。

符号の説明

１ 車輪用軸受装置
１０ 転がり軸受部
１１ 外輪（固定輪）
１２ 内軸（回転輪）
２２ センサ
２２ａ 検出面
２３ エンコーダ本体
２３ａ 被検出面
２３ｂ 基面（凹凸部）
２３ｃ 凸部（凹凸部）
Ｅ エンコーダ

Claims (3)

1. 回転体の回転状態を検出するセンサの検出面に対向して配置される被検出面を有するエンコーダ本体よりなるエンコーダにおいて、
   カーボンナノチューブゴムよりなる前記エンコーダ本体の被検出面に、前記検出面に対するエアギャップが異なる多数の凹凸部が周方向に沿って形成されていることを特徴とするエンコーダ。
2. 固定輪及び回転輪と、これらの間に転動自在に配置された転動体と、前記回転輪の回転状態を検出する検出面を有するセンサと、被検出面が前記検出面に対向して配置されるように前記回転輪に取り付けられた請求項１に記載のエンコーダとを備えていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
3. 前記エンコーダを構成するカーボンナノチューブゴムよりなるエンコーダ本体が、前記回転輪に対して加硫接着によって直接取り付けられている請求項２に記載のセンサ付き転がり軸受装置。

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