JP2008076063A - 回転センサ付き軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構成を簡素化できて小型化および低コスト化が可能で、高分解能な絶対角度の角度センシングが可能な回転センサ付き軸受装置を提供する。
【解決手段】 この回転センサ付き軸受装置１は、外方部材２と内方部材３の転走面２ａ，３ａ間にた転動体４を介在させた軸受と、回転センサ１１とで構成される。回転センサ１１は、外方部材２および内方部材３のうちの回転側部材に設けられた磁気発生手段１２と、外方部材２および内方部材３のうちの静止側部材に設けられた磁気検出手段１３とを備える。磁気発生手段１２は、回転側部材の１回転１周期で方向が変化する磁界を発生する手段である。磁気検出手段１３は、磁気発生手段１２が発生する磁界の方向を検出する手段であり、２次元磁界センサ等が用いられる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、汎用の軸受や車輪用軸受装置等に適用される回転センサ付き軸受装置に関する。

コンパクトで組立が容易な利点に着目して、回転センサを転がり軸受に内蔵したものがある。このような回転センサ付き軸受装置として、１回転を１周期として磁気特性が変化する磁石を転がり軸受の回転輪に取付け、前記磁石に対向して転がり軸受の固定輪に取付けたセンサにより磁石の磁界を測定することで、絶対回転角度を検出するようにしたものが知られている（特許文献１）。この場合、磁石の作る磁界を検出するセンサとして、１軸方向の磁界を検出できるホールセンサや磁気抵抗効果型センサ（ＭＲセンサ）が使用される。また、磁石とセンサの温度特性を補償するために、円周方向の２カ所に所定の位相差を持ってセンサが配置され、これら両センサの出力の比から回転角度が求められる。
また、回転センサ付き軸受装置の他の例として、インクリメンタル型の回転センサを転がり軸受に内蔵したものも提案されている（例えば特許文献２）。この場合の回転センサは、被検出部として、磁極Ｎ，Ｓが円周方向に交互に並ぶリング状の磁石を円筒状の芯金の外周に設けた磁気エンコーダを用い、この磁気エンコーダの磁極変化を、例えばホール素子からなる磁気センサで検出してインクリメンタルな回転パルス信号を得るようにしている。
このほか、センサとしてレゾルバタイプのものを用いた回転センサ付き軸受装置も提案されている（例えば特許文献３）。

なお、汎用の非接触回転角センサとして、ホールセンサを用い、単極に着磁した磁石の回転角度を絶対角度で検出するものが製品化され、そのホール素子と信号処理ＩＣを一体化したものも製品化されている（例えば旭化成電子株式会社の非接触回転角センサＥＭ−３２４１）。
また、２次元磁界センサを用いた３６０°回転位置センサが、ＭＭＴ社のホームページに紹介されている。
特開２００４−４０２８号公報 特開２００４−１０１３１２号公報 特開２００５−０７６７２９号公報

しかし、特許文献１に開示の回転センサ付き軸受装置では、軸受の固定輪の円周方向の２カ所に所定の位相差を持ってセンサを配置する必要があり、センサ間の配線が煩雑となる。
また、レゾルバタイプのセンサを用いた特許文献３に開示の回転センサ付き軸受装置では、センサ装着のためにサイズが大きくなり、さらにコストアップ幅も大きいという問題点がある。

このような回転センサ付き軸受装置による回転センサの検出信号を様々な制御に使用するためには、回転センサの高分解能化が求められる。特に、自動車等の車輪の回転検出に使用する場合には、回転センサの検出信号を様々な車両の制御にも利用することができ、回転センサの検出信号としてより分解能の高い信号が望まれる。ところが、特許文献２に開示のようなインクリメンタル型の回転センサを用いた回転センサ付き軸受装置では、回転センサの分解能が磁気エンコーダの磁極数に依存するため、磁極の形成ピッチを細かくする必要があり、それに伴って磁界強度が弱くなるため、大きなセンサギャップを確保できなくなり、製造上の限界が存在する。

この発明の目的は、構成を簡素化できて小型化および低コスト化が可能で、高分解能な絶対角度の角度センシングが可能な回転センサ付き軸受装置を提供することである。

この発明の回転センサ付き軸受装置は、内周に転走面を有する外方部材と、この転走面に対面する転走面を有する内方部材と、両転走面間に収容された複列の転動体とを備える軸受装置において、前記外方部材および内方部材のうちの回転側部材の１回転１周期で回転中心軸回りの方向が変化する磁界を発生する磁気発生手段を前記回転側部材に設け、この磁気発生手段が発生する磁界の方向を検出する磁気検出手段を、前記外方部材および内方部材のうちの静止側部材に設けたことを特徴とする。
この構成によると、一つの磁界検出手段で絶対角度を検出することができるので、全体構成を簡素化できて小型化および低コスト化を図ることができる。また、容易に高分解能な角度センシングが可能なものとでき、そのため様々な制御用途に使用できる回転信号を得ることができる。

この発明において、前記磁気検出手段により、磁界発生手段の回転または角度を検出するものとしても良い。
磁気検出手段は、２次元磁界センサであっても良い。この明細書で言う２次元磁界センサは、２次元の磁束あるいは磁界を検出できる磁界センサを言う。２次元磁界センサを使用して磁界の方向を検出するようにすれば、一つのセンサで絶対角度を検出することができる。また、２次元磁界センサの検出する磁界の２成分の比から角度を検出すれば、温度補正が不必要である。
磁気発生手段は、前記回転側部材の回転中心軸に垂直な一方向に平行に磁化されたリング磁石であっても良い。

この発明において、内周に複列の転走面を有する外方部材と、これら転走面にそれぞれ対面する転走面を有する内方部材と、両転走面間に収容された複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置であっても良い。
この構成の場合、回転センサにより高分解能，高精度な絶対角の回転角度検出が行われるので、その検出信号を高度な車両制御に利用することができ、全体の寸法も小さくすることができる。

この発明の回転センサ付き軸受装置は、内周に転走面を有する外方部材と、この転走面に対面する転走面を有する内方部材と、両転走面間に収容された複列の転動体とを備える軸受装置において、前記外方部材および内方部材のうちの回転側部材の１回転１周期で回転中心軸回りの方向が変化する磁界を発生する磁気発生手段を前記回転側部材に設け、この磁気発生手段が発生する磁界の方向を検出する磁気検出手段を、前記外方部材および内方部材のうちの静止側部材に設けたため、一つの磁界検出手段で絶対角度を検出できて、全体構成を簡素化することができ、小型化，低コスト化が可能となる。また、高分解能な角度センシングが可能であり、様々な用途に使用できる回転信号を得ることができる。

この発明の一実施形態を図１および図２と共に説明する。図１は、この実施形態の回転センサ付き軸受装置の断面図を示す。この回転センサ付き軸受装置１は、内周に転走面２ａを有する外方部材２と、この転走面２ａに対面する転走面３ａを有する内方部材３と、両転走面２ａ，３ａ間に収容された転動体４とを備え、転動体４を介して外方部材２および内方部材３が互いに回転自在とされた軸受装置である。外方部材２および内方部材３のうちの回転側部材に設けた磁気発生手段１２と、外方部材２および内方部材３のうちの静止側部材に設けた磁気検出手段１３とで回転センサ１１が構成される。この軸受装置１は例えば深溝玉軸受に上記回転センサ１１を設けたものである。外方部材２は外輪からなり、図示しないハウジングに支持される。内方部材３は内輪からなり、回転軸１０に嵌合する。外輪からなる外方部材２が静止側部材であり、内輪からなる内方部材３が回転側部材である。転動体４は保持器５で保持されている。外方部材２と内方部材３の間の環状空間は、回転センサ１１の設置側とは反対側の端部がシール部材６で密封されている。

磁気発生手段１２は、回転側部材である内方部材３の１回転１周期で方向が変化する磁界を発生するものである。磁気発生手段１２は、リング形状の磁石、つまりリング磁石とされ、円筒状の芯金７を介して内方部材３に同心に取付けられて内方部材３と共に回転する。この磁気発生手段１２であるリング磁石は、回転軸１０に垂直な一方向に平行に磁化されている。この磁気発生手段１２であるリング磁石には、ゴム磁石、プラスチック磁石、焼結磁石などを使用することができ、この他にフェライト磁石や希土類磁石などを使用しても良い。

磁気検出手段１３は、磁気発生手段１２が発生する磁界の方向を検出する磁気センサであり、金属ケース８を介して軸受装置１の外方部材２に取付けられる。磁気検出手段１３には、２次元の磁束を検出できる２次元磁界センサが用いられる。この磁気検出手段１３となる２次元磁界センサを構成する磁界センサとして、ホール素子，ＭＲ素子，ＭＩ素子などが用いられる。磁気検出手段１３からは外部に向けてケーブル９が延ばされて、図示しない外部回路に接続されている。
磁気検出手段１３の出力から回転角度を演算する演算手段１５は、磁気検出手段１３と同じ基板上に設けるか、または同じ半導体チップに集積させることで、磁気検出手段１３と一体化されているが、外部回路に設けても良い。演算手段１５を磁気検出手段１３と一体化した場合には、外部回路を簡素化することができる。

図２（Ａ）は、回転センサ１１の正面図を示す。同図において、ＸＹ平面は、磁気発生手段１２であるリング磁石の中心軸Ｏに垂直な平面である。この磁気発生手段１２であるリング磁石は、上記中心軸Ｏに垂直な一方向に平行に磁化されており、同図は上記一方向がＹ軸方向である状態を示す。この磁気発生手段１２であるリング磁石は、磁力線１４で示すような磁界を作る。
２次元磁界センサからなる磁気検出手段１３は、上記磁界のＸ軸方向成分およびＹ軸方向成分を検出する。このように、磁気検出手段１３として２次元磁界センサを使用することで、ＸＹ平面内の磁界の方向を検出することができる。リング磁石からなる磁気発生手段１２が、その中心軸Ｏを通る回転軸１０とともに回転すると、磁気検出手段１３の位置の磁界の方向がリング磁石１２の１回転の間に０〜３６０°にわたって変化する。

そこで、その磁界の方向を磁気検出手段１３で検出し、その検出結果を上記した外部回路の演算手段１５で演算することで、磁気発生手段１２の回転角度を絶対角度として算出することができる。
この場合、図２（Ｂ）に示すように、磁気検出手段１３が検出する磁界のＸ成分ＨX とＹ成分ＨY の比ＨY ／ＨX から磁界の方向を計算できるので、リング磁石１２および２次元磁界センサ１３の温度特性を演算過程で補正することができる。その結果、温度補正用の温度センサが不要となる。

このように構成された回転センサ付き軸受装置において、図２（Ａ）のように磁化された磁気発生手段１２が回転軸１０とともに１回転すると、磁気発生手段１２の作る磁界のＸ成分ＨX およびＹ成分ＨY は疑似正弦波状に変化する。この場合、磁界がＸ軸となす角度θ＝tan ^-1（Ｈ_Y ／Ｈ_X ）から簡単に回転角度を求めることができる。
磁界のＸ成分ＨX およびＹ成分ＨY の振幅が等しくない場合は、磁界の角度θと磁気発生手段１２の回転角度との間の関係を予め測定により求めておくことで、その関係から磁気発生手段１２の回転角度を割り出すことができる。あるいは、予め決められた回転角度毎に磁界の方向を求めて補正テーブルを作成しておき、そのテーブルから磁気発生手段１２の回転角度を割り出すようにしても良い。上記演算手段１５は、上記いずれの方法で回転角度を割り出すものとしても良い。

なお、磁気発生手段１２としては、１回転１周期で方向が変化する磁界を発生するものであれば、上記リング磁石に限らず、どのようなものを使用しても良い。この場合にも、磁界の方向と磁気発生手段１２の回転角度の関係を予め求めておき、その関係から磁気発生手段１２の回転角度を割り出すことで正確な回転角度を求めることができる。また、予め決められた磁気発生手段１２の回転角度毎に磁界の方向を求めて補正テーブルを作成しておき、そのテーブルから磁気発生手段１２の回転角度を割り出すようにしても良い。

この構成の回転センサ付き軸受装置によると、このように回転センサ１１で高分解能な回転軸１１の絶対角度検出ができる。そのため検出結果を様々な制御に使用することができる。この実施形態では、磁気検出手段１３として２次元磁界センサを用いているので、１個の磁気検出手段１３だけで磁気発生手段１２が作る磁界の方向を検出でき、磁気センサを２個使用するものと比べて全体の構成を簡素化でき、小型化も可能となる。

図３は、この発明の他の実施形態を示す。この回転センサ付き軸受装置は、第３世代型の車輪用軸受装置に適用したものである。この車輪用軸受装置１Ａは、内周に複列の転走面２ａ，２ａを有する外方部材２と、これら各転走面２ａにそれぞれ対面する転走面３ａ，３ａを有する内方部材３と、これら外方部材２および内方部材３の転走面２ａ，３ａ間に収容された複列の転動体４とを備える。各列の転動体４は保持器５により保持されている。外方部材２と内方部材３との間の両端は、シール部材６Ａ，６Ｂによりそれぞれ密封されている。

外方部材２は一体の部品からなり、車体の懸架装置（図示せず）に取付けるフランジ２ｂが外周に設けられている。
内方部材３は、アウトボード側端に車輪取付用フランジ２１ａを有するハブ輪２１と、このハブ輪２１のインボード側端の外周に嵌合した内輪２２とを有し、これらハブ輪２１および内輪２２に前記複列の転走面３ａにおける各列の転走面３ａが設けられている。なお、アウトボード側とは、車輪用軸受装置を車両に取付けた状態で車幅方向の外側となる側を言い、中央側となる側をインボード側と言う。

内方部材３は中央孔２３を有し、この中央孔２３に等速ジョイント２４の片方の継手部材となる外輪２５のステム部２５ａが挿通されて、このステム部２５ａの先端の雄ねじ部に螺合するナット２６の締め付けにより、等速ジョイント外輪２５が内方部材３に結合される。このとき、等速ジョイント外輪２５に設けられた段面２５ｂが、内方部材３の内輪２２の幅面に押し付けられることで、内輪２２のハブ輪２１に対する固定が行われる。

この実施形態においても、回転センサ１１はアブソリュート型であり、図２と共に前述した構成のものが用いられる。回転センサ１１の磁気発生段１２は、内方部材３のインボード側端における内輪２２の外周に嵌合される。回転センサ１１の磁気検出手段１３は、芯金２７を介して外方部材２のインボード側端に取付けられる。具体的には、外方部材２のインボード側端の外周に芯金２７が嵌合し、この芯金２７に接着やインサート成形などにより磁気検出手段１３が取付けられる。磁気検出手段１３からはハーネスを構成するケーブル９が車体側に伸びており、車体側のＥＣＵユニットなどに接続される。この場合、回転センサ１１はインボード側のシール部材６Ｂよりも軸受内側（アウトボード側）に配置される。これにより、回転センサ１１が泥水，塩水，異物にさらされることがなく、回転センサ１１の信頼性、耐久性を高めることができる。回転センサ１１のその他の構成は先の実施形態の場合と同様であり、ここではその説明を省略する。

このように、この発明に係る回転センサ付き軸受装置を車輪用軸受装置１Ａに適用した場合、回転センサ１１により高分解能，高精度な回転角度検出が行われるので、その検出信号を高度な車両制御に利用することができ、全体の寸法も小さくすることができる。

図４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この回転センサ付き軸受装置は、第４世代型の車輪用軸受装置に適用したものである。この車輪用軸受装置１Ｂは、図３の実施形態において、内方部材３が、ハブ輪２１と、その中央孔２３に挿入されて嵌合する等速ジョント外輪２５とからなり、外方部材２の転走面２ａ，２ａに対面する複列の転走面３ａのうちの各列の転走面３ａが、ハブ輪２１および等速ジョイント外輪２５のそれぞれに設けられている。また、インボード側端のシール部材６Ｂは、外方部材２の内径面と等速ジョイント外輪２５の外径面との間に介在させてある。
回転センサ１１の磁気発生手段１２は、内方部材３を構成するハブ輪２１の外径面の両転走面３ａで挟まれる位置に取付けられる。回転センサ１１の磁気検出手段１３は、センサ支持体２８内にモールドされていて、このセンサ支持体２８は、外方部材２に径方向に貫通して設けられた孔内に挿通され、磁気検出手段１３が磁気発生手段１２に対面する。磁気発生手段１２から車体側にケーブル９が伸びていることなど、回転センサ１１のその他の構成は先の実施形態の場合と同様である。

この発明の第１の実施形態に係る回転センサ付き軸受装置の断面図である。 （Ａ）は同回転センサ付き軸受装置における回転センサの正面図、（Ｂ）は同回転センサによる磁界の方向の算出処理の説明図、（Ｃ）は磁気検出手段と演算手段の関係を示すブロック図である。 この発明の他の実施形態に係る回転センサ付き軸受装置の断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る回転センサ付き軸受装置の断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ…回転センサ付き軸受装置
２…外方部材
３…内方部材
２ａ，３ａ…転走面
４…転動体
１０…回転軸
１１…回転センサ
１２…磁気発生手段
１３…磁気検出手段
１５…演算手段

Claims (5)

1. 内周に転走面を有する外方部材と、この転走面に対面する転走面を有する内方部材と、両転走面間に収容された転動体とを備える軸受装置において、
   前記外方部材および内方部材のうちの回転側部材の１回転１周期で回転中心軸回りの方向が変化する磁界を発生する磁気発生手段を前記回転側部材に設け、この磁気発生手段が発生する磁界の方向を検出する磁気検出手段を、前記外方部材および内方部材のうちの静止側部材に設けたことを特徴とする回転センサ付き軸受装置。
2. 請求項１において、前記磁気検出手段により、磁気発生手段の回転または角度を検出する回転センサ付き軸受装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記磁気検出手段は、２次元磁界センサである回転センサ付き軸受装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記磁気発生手段は、前記回転側部材の回転中心軸に垂直な一方向に平行に磁化されたリング磁石である回転センサ付き軸受装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の回転センサ付き軸受装置において、内周に複列の転走面を有する外方部材と、これら転走面にそれぞれ対面する転走面を有する内方部材と、両転走面間に収容された複列の転動体とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持する車輪用軸受装置である回転センサ付き軸受装置。

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