JP2010539455A - 支承されたシャフトのための測定構造 - Google Patents

Abstract

本発明は、軸受に支承されたシャフトのための測定構造に関するものであり、測定構造は磁気コーディング（６；８）ならびに受信器（１２）を含んでおり、受信器（１２）は支承されているシャフトに機械的負荷が生じたときの磁気コーディング（６；８）の磁界の変化を検出する。冒頭に述べた測定構造を、転がり軸受または滑り軸受に支承されたシャフトのために利用可能にするという課題は、本発明によると、磁気コーディング（６；８）が軸受の構成要素の端面（５；７）に配置されていることによって解決される。さらに本発明は、転がり軸受ならびに軸受リングおよびシール材も対象としている。

Description

本発明は、請求項１の前提項に記載されている軸受に支承されたシャフトのための測定構造、請求項１４に記載されている転がり軸受、請求項１９に記載されている軸受リング、特に転がり軸受の内輪または外輪、請求項２０に記載されているシール材、特に転がり軸受のためのシール材に関する。

特許文献１は、磁気ひずみ効果を利用して、支承されたシャフトの回転数、回転方向、および角度、ならびにトルクを検出するための測定構造を記載している。磁気ひずみ効果とは、固体における磁化の発生が長さ変化を引き起こすという観察であり、ないしは逆に、磁化された固体の長さ変化または一般に機械的負荷が、固体の磁化の変化を生起するという効果である。後者の現象を利用したうえで、シャフトの回転時にシャフトの本体で発生する機械的応力を検出することができ、それにより、シャフトの回転数、回転方向、ならびにトルクといった特性量を推定することができる。前述した特許文献の測定構造は、シャフトの一区域に磁気コーディングとしての永久磁化部を設けることを意図しており、それにより、シャフトで発生する機械的応力が、コーディングによって生じるシャフトの本体外部の磁界を変化させる。このように、磁気コーディングが設けられるシャフトの区域が、測定構造の信号発生器として構成されている。シャフトの本体の外部に、ただしシャフトのすぐ近傍に、少なくとも１つの信号受信器が配置されており、たとえば、コーディングの磁界を、特にシャフトが機械的負荷を受けたときのコーディングの磁界の変化を、シャフトの本体の外部で検出する磁気コイルが配置されている。前述した特許文献の測定構造の発展例では、コーディングが２層に構成されることが意図されており、シャフトの磁化区域では表面に近い第１の領域が第１の磁化を有するとともに、表面から遠い第２の領域が第２の磁化を有しており、シャフトの応力がない状態のとき、第１の磁化と第２の磁化は方向と数値に関して、シャフトの本体の外部で信号受信器の個所の磁界がちょうど消えるように調整されており、それに対してシャフトの本体に機械的応力が発生すると、シャフトの本体の外部で磁界が発生するようになっている。欠点となるのは、上述した測定構造は少なくとも区域的に磁化可能なシャフトを必要とすることである。この方法は、転がり軸受に支承されるシャフトへ容易に適用可能ではない。シャフトの磁化区域のすぐ近傍に信号受信器が配置されていなくてはならないが、磁化区域は軸受リングのうちの１つに収容されるからである。その場合、信号受信器を各軸受リングの間でシャフトに配置するのも不都合である。シャフトの磁化区域をシャフトの端部に配置することも同じく可能ではない。本体の端部ではシャフトの本体の磁界は、シャフトの本体の磁化についての確実な推測を可能にしない漂遊磁界によって支配されているからである。さらに、シャフトを支承する転がり軸受の軸受リングの外部ではあるが、軸受リングで支承されるシャフト区域のすぐ後に続けて磁化区域を配置するのも不都合である。シャフトの本体に機械的応力を惹起し、同じく磁性材料または少なくとも磁化可能な材料でできている軸受リングによって、シャフトの本体の磁界への重なり合いが起こるからである。

特許文献２は、内輪と外輪とを備える転がり軸受を記載しており、これら両方の軸受リングの相対的な回転運動を検出する測定構造が設けられている。そのために、外輪には第１のデフレクタ板を介して磁気センサと磁石が取り付けられ、内輪には２つの磁気コイルが取り付けられている。磁気コイルのうちの１つが磁石を通過すると磁気コイルに電圧が誘導され、この電圧が他方の磁気コイルに作用を及ぼし、それにより、他方の磁気コイルの磁界が磁気センサによって検出される。断面がＬ字型をした両方のデフレクタ板を介して、磁気センサ、磁石、および両方の磁気コイルがそれぞれの軸受リングに取り付けられているが、軸受の内部に広いスペースが必要となることが欠点である。転がり軸受の両側に取り付けられたデフレクタ板に基づき、軸受はベアリング軸の方向で、転動体の寸法を明らかに上回る縦方向長さを有している。さらに、汚れが軸受の中へ侵入することができる隙間が形成されることが不都合である。さらに、磁石が非常に高い磁界を有しており、そのような磁界に基づき、実質的に防護されていない軸受の中へ汚れが引き込まれる可能性があることが不都合である。さらに、両方の磁気コイルを接続するために、ケーブル接続が設けられていなくてはならないことが欠点である。この測定構造は、受けられているシャフトの軸方向変位を検出する可能性をもたらさない。

国際公開第２００６／０１３０９２Ａ１号パンフレット 米国特許第４，６８８，９５１Ｂ号明細書

本発明の課題は、冒頭に述べた測定構造を、転がり軸受または滑り軸受に支承されたシャフトのために利用可能にすることである。

この課題は、本発明によると請求項１の構成要件を備える前述の測定構造によって解決され、ならびに、請求項１９に記載の軸受リングを備える請求項１４に記載の転がり軸受によって解決され、または請求項２０に記載のシール材によって解決される。

シャフトの本体それ自体にではなく、転がり軸受の構成要素に磁気コーディングが配置されているので、磁性材料または磁化可能な材料から本体が製作されているのではないシャフトについても、磁気ひずみ効果を利用することが可能である。さらに、本体が磁化可能な材料でできていても、シャフトをその長さ全体にわたって磁界なしに保つことが可能となり、このことは、たとえばＮＭＲ測定のような医療技術における特定の用途について必要となる可能性がある。

シャフトの本体における機械的応力は、シャフトの固定的なクランプに基づき、シャフトを支承する転がり軸受へと伝達され、シャフトの本体それ自体ではなく、それに代えて、シャフトと結合されている転がり軸受の構成要素で判定することができる。特に転がり軸受の構成要素については、測定構造の受信器、たとえば少なくとも１つの磁石を配置するための十分なスペースがある。

さらに、測定構造に含まれる受信器はシャフトの軸の延長部に配置されているのが有利であることが判明しており、すなわち、コーディングを備える区域と平行に配置されていなくてよくなり、それに伴ってシャフトの本体と平行に配置されていなくてよくなる。シャフトの軸の延長部に受信器を配置することで、たとえば効率的なスペース利用を可能にする設計上の自由度がもたらされる。このとき受信器は転がり軸受の構成要素に配置されていてよく、または、転がり軸受を収容している構成部品に配置されていてよい。

軸受の構成要素の端面に磁気コーディングが配置されているので、両方の支承される部分の間のスペースに磁気コーディングが介入することがない。ここで「端面」とみなされるのは、ベアリング軸が実質的に鉛直に延びる平面を形成する軸受部品の面である。軸受シール材の場合には、内方ないし外方を向いているシール材の面がそれぞれシール材の端面であるとみなされる。

転がり軸受は外輪ないし内輪を構成要素として含んでおり、磁気コーディングは外輪ないし内輪の端面に配置されることが意図されるのが好ましい。上述した端面は軸受の外部から容易にアクセスすることができるので、磁気コーディングの信号を読み取る受信器をそこへ容易に組み付けることができる。上述した端面は、内輪ないし外輪の円筒状の内面とは違って平坦なので、磁気コーディングは、特にそれが永久磁石または振動回路で構成されている場合、容易に取り付けることができる。

磁気コーディングは外輪ないし内輪の端面で半径方向に周回する各領域の連続を含んでおり、それぞれ２つの隣接する領域が異なる磁化を有していることが意図されているのが好ましい。円の扇形のような形式で構成される各領域は簡単に製作できる磁気コーディングであり、領域の個数を調整可能なので、磁気コーディングの空間解像度を高めることができる。

転がり軸受の軸受リングすなわち内輪または外輪への磁気コーディングの配置の代替または追加として、転がり軸受はシール材を構成要素として含んでおり、磁気コーティングはシール材の１つの面に配置されることが意図されるのが好ましい。特に、磁気コーディングがシール材の外方を向く面に配置されていると、磁気コーディングが外部から容易にアクセス可能となる。さらに、すでに組み付けられている転がり軸受に、シール材の交換によって、磁気コーディングをあとから設けることができるのが好都合であることが判明している。

シール材の１つの面に磁気コーディングが配置されているとき、磁気コーディングは、シール材の外方を向く側の面で半径方向に周回する各区域の連続を含んでおり、それぞれ２つの隣接する各区域が異なる磁化を有していることが意図されるのが好ましい。このようにして、磁気コーディングの高い空間解像度が得られる。

シャフトの機械的負荷が磁化の発生ないしすでに存在している磁化の変化を引き起こす、少なくとも１つの区域によって磁気コーディングを構成する別案として、磁気コーディングは、内輪ないし外輪のそれぞれの端面に配置された、ないしはシール材の面に配置された、１つまたは複数の永久磁石によって構成されていてよい。

磁気コーディングは、電磁放射を放出し、その時間的に変化する磁気割合が受信器によって検出される少なくとも１つの振動回路によって構成されているのが好ましく、送信器が同時に受信器としての役目を果たすことができ、振動回路は内輪または外輪の端面に配置され、ないしはシール材の面に配置されている。さらに振動回路により、送信器から放出される電磁場が弱められ、または歪められ、送信器から放出される電磁場の変化を検出可能である。送信器ないし受信器はコイルとして構成されており、振動回路はコイルによって電磁誘導結合の形式でエネルギーの供給を受けて、電磁放射を放出するように励起されることが意図されるのが特別に好ましい。

磁気コーディングの配置には関わりなく、受信器がカバーに配置されており、カバーは転がり軸受を軸方向で閉止することが意図されるのが好ましい。カバーは受信器に確実な保持を提供するとともに、光学的、機械的な閉止部を提供し、ならびに、侵入してくる汚れに対する転がり軸受の追加の防護を提供する。

受信器がカバーに配置されているとき、カバーは転がり軸受の構成要素のうちの１つに、特に転がり軸受の外輪に、溝によって固定可能であることが意図されるのが好ましく、それにより、カバーおよびこれに伴って受信器を容易に組付け可能なように、かつ場合によっては交換可能なように取り付けられる。

磁気コーディングは転がり軸受の構成要素の本体に印加されることが意図されるのが好ましい。その場合、磁気コーディングはたとえば軸受リングの端面ないしシール材の外方を向く端面に固定的に印加される。

その別案として、磁気コーディングは転がり軸受の構成要素の本体に追加の物体として取り付けられていることが意図されているのが好ましく、それにより、磁化可能でない材料で構成要素ができている転がり軸受にも、磁気コーディングをあとから設けることができる。磁気コーディングを取り替えることも可能である。

本発明の上記以外の利点や構成要件は従属請求項から明らかであり、ならびに、本発明の好ましい実施例についての説明から明らかである。

次に、添付の図面を参照しながら、好ましい実施例を用いて本発明を詳しく説明、解説する。

本発明による転がり軸受の好ましい実施例の構成要素としての本発明の軸受リングの好ましい実施例を有する、本発明による測定構造の好ましい実施例を示す断面図である。 図１の区域「Ａ」を示す拡大図である。

図１は、内輪２と、外輪３と、転動体４とを含む転がり軸受１を示している。内輪２の端面５には、第１の磁気コーディング６が装着されている。さらに、外輪３の端面７には第２の磁気コーディング８が装着されており、第２の磁気コーディング８は、円周方向で周回するように配置された、外輪３の端面７の８つの磁化区域によって構成されている。第１の磁気コーディング６は、個別に詳しく図面で見ることはできない、それぞれ２つの隣接する区域が異なる磁化を有する、円周方向に配置された複数の磁気区域を含んでおり、各々の区域は円切片状に構成されている。第２の磁気コーディング８において、個々の磁化区域が磁化されていない区域で互いに分離されている場合、第１の磁気コーディング６では、隣接する磁化区域が互いに直接的に接している。

内輪２に固定的にクランプされ、それによって転がり軸受１に支承されるシャフトは図示していない。

図２は、内輪２と、外輪３と、いくつかの転動体４と、シールリップ９をもつシールディスクとして模式的に図示されたシール材１０とを備える転がり軸受１を区域的に示している。さらに転がり軸受１は、模式的に面として区域的にのみ示された受信器１２が表面に配置されたカバー１１を含んでおり、受信器１２は、第１の磁気コーディング６ないし第２の磁気コーディング８の磁化を検出する。カバー１１は中央の穴を有しており、この穴を通してシャフトが案内されている。カバー１１はシール材１０を覆うように位置しており、それにより、受信器１２はシャフトの軸の延長部に配置されている。第１の磁気コーディング６ないし第２の磁気コーディング８に付属している受信器１２の区域は、それぞれシャフトの軸と平行に、両方の磁気コーディング６，８に対して最短の間隔でオフセットされて配置されている。カバー１１はその外側円周に、外輪３ないし内輪２にある付属の溝１４に係合してカバー１１を外輪３ないし内輪２に固定する軸方向の突出部１３を有しており、それによって突起１３は溝１４の中で係止され、転がり軸受１を軸方向で閉止する。カバー１１は非磁性材料でできており、たとえばプラスチック、セラミック、または金属でできている。

上に説明した実施例では、第１の磁気コーディング６と第２の磁気コーディング８が両方とも設けられていた。当然ながら、ただ１つの磁気コーディングだけでも十分である。

転がり軸受１の構成要素すなわち外輪３に取り付けられたカバー１１への受信器１２の固定に代えて、たとえば受信器１２がさらにカバー部品に収容されることによって、転がり軸受１が収容された構成部品に受信器１２が固定されていてもよく、この場合、カバー部品は転がり軸受１を収容する構成部品に取り付けられる。

上に説明した実施例では、第１の磁気コーディング６ないし第２の磁気コーディング８の磁化区域は、それぞれ内輪２ないし外輪３の本体に印加されていた。当然ながらそれぞれのコーディングは、両方の軸受リングであれシール材であれ、該当する軸受構成要素の本体の端面に装着された物体によって構成されていてもよいが、それは当該物体が磁気ひずみ効果を受けることが条件であり、すなわち、物体の本体で機械的応力が生じたときに磁気の変化ないし磁気の発生を示すことが条件である。さらに当然ながら、構造的に分離されて配置された個々の物体に代えて、円板状に構成されて端面へ平坦に取り付けられた単一の物体が設けられていてもよく、この場合、半径方向で単一の物体に沿って磁化が変化する。

上に説明した実施例では、磁化は磁気ひずみ効果によって生じていた。当然ながら、軸受の内輪ないし外輪の端面に配置されていてよい、ないしは軸受のシール材に配置されていてよい、１つまたは複数の永久磁石によって磁化が形成されてもよい。その場合、磁気コーディング６ないし８は、内輪２ないし外輪３のそれぞれの端面５ないし７における永久磁石の配置に対応する。

軸受の構成要素の磁化可能な区域での磁気ひずみ効果による磁化の形成、ないし１つまたは複数の永久磁石による磁化の形成の代替または追加として、受信器１２の位置で発生する磁界によって磁化が形成されてもよく、この場合、磁界は電磁放射を放出する振動回路によって惹起され、この電磁放射の磁界成分が、周期的に変化する磁界として受信器により検出される。この場合、検出される振動回路の磁界の周期性に基づき、受信器の場所で検出される磁界に占めるその割合を、たとえば地磁気の関与のような漂遊磁界から、たとえば電子的な方法で分離することができる。さらに、振動回路の磁界を弱めはするが完全には遮蔽しない金属補強部をシール材に設けることが可能であり、それにより、受信器の場所に残っている割合は、磁界の周期的に変化する磁界強さを手がかりとしたうえで認識可能であり、磁界の発生源としての振動回路に割り当てられたままに保たれる。磁界の送信器としての振動回路は、これに付属するエネルギー供給部によって供給を行うことができる。その代替として、受信器として構成されるコイルを、当該コイルが振動回路への供給を行って振動回路への無線式の供給部が形成されるように構成することが意図されていてよく、それにより、コイルと振動回路が電磁誘導式に結合されることになる。このときコイルに存在している磁界は、受信器として設けられたコイルの領域における振動回路の磁界の割合と重ね合わされ、それにより、コイルの磁界と振動回路の磁界の割合との重なり合いが生じることになる。このような重なり合いはコイルの磁界の離調につながり、すなわち、位相および／または振幅に関する変化につながり、こうした変化を検出することができ、受信器に対する振動回路の相対的な位置についての情報を供給する。このように、振動回路によってコイルから放出される磁界が弱められ、ないしは歪められ、すなわちいずれのケースでも変化し、コイルから放出される磁界の変化を検出可能であり、コイルに対して相対的な振動回路の位置の推定を可能にする。特に支承されているシャフトが回転ないし並進したときに、シャフトが機械的な負荷を受けると、コイルで受信される振動回路の信号がその際に変化する。このような種類の振動回路は、場合により取付位置にある既存の転がり軸受ないしリニアベアリングまたは滑り軸受に、必要に応じて簡単に組み付けることができるので、すでに完成した軸受に簡単なやり方で後付けすることができる。

本発明について、転がり軸受１を参照しながら上に説明した。当然ながら、これ以外の種類の軸受が意図されていてもよく、たとえば、支承されたシャフトを固定的にクランプされた状態で受け、たとえば端部に端面を有している滑り軸受またはリニアベアリングが意図されていてもよく、この場合、軸受で機械的な応力が生じているときに、端面は磁化を有している。

１ 転がり軸受
２ 内輪
３ 外輪
４ 転動体
５ 内輪２の端面
６ 第１の磁気コーディング
７ 外輪３の端面
８ 第２の磁気コーディング
９ シールリップ
１０ シール材
１１ カバー
１２ 受信器
１３ 突出部
１４ 溝

Claims (20)

1. 軸受に支承されたシャフトのための測定構造であって、前記測定構造は磁気コーディング（６；８）ならびに受信器（１２）を含んでおり、前記受信器（１２）は支承されているシャフトに機械的負荷が生じたときの前記磁気コーディング（６；８）の磁界の変化を検出する測定構造において、前記磁気コーディング（６；８）は前記軸受の構成要素の端面（５；７）に配置されていることを特徴とする測定構造。
2. 前記軸受は転がり軸受（１）として構成されるとともに前記構成要素としての外輪（３）を含んでおり、前記磁気コーディング（８）は前記外輪（２）の端面（７）に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の測定構造。
3. 前記軸受は転がり軸受（１）として構成されるとともに前記構成要素としての内輪（２）を含んでおり、前記磁気コーディング（６）は前記内輪の端面（５）に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の測定構造。
4. 前記磁気コーディング（６；８）は前記端面（５；７）で半径方向に周回する領域（９）の連続を含んでおり、それぞれ２つの隣接する前記領域は異なる磁化を有していることを特徴とする、請求項２または３に記載の測定構造。
5. 前記軸受、特に前記転がり軸受（１）は前記構成要素としてシール材（１１）を含んでおり、前記磁気コーディングは前記シール材（１１）の面に配置されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の測定構造。
6. 前記磁気コーディングは前記シール材（１１）の外方を向く側の面で半径方向に周回する区域の連続を含んでおり、それぞれ２つの隣接する前記区域は異なる磁化を有していることを特徴とする、請求項５に記載の測定構造。
7. 前記受信器（１２）はカバー（１１）に配置されており、前記カバー（１１）は前記軸受を、特に前記転がり軸受（１）を、軸方向で閉止することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の測定構造。
8. 前記カバー（１１）は前記軸受の、特に前記転がり軸受（１）の前記構成要素のうちの１つに、特に前記転がり軸受（１）の前記外輪（３）に、溝（１４）によって固定可能であることを特徴とする、請求項７に記載の測定構造。
9. 前記受信器（１２）は前記シャフトの軸の延長部に配置されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の測定構造。
10. 前記磁気コーディング（６；８）は前記転がり軸受（１）の前記構成要素の本体に印加されており、特に前記転がり軸受（１）の軸受リングに印加されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の測定構造。
11. 前記磁気コーディングは前記転がり軸受の前記構成要素の本体に追加の物体として取り付けられていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の測定構造。
12. 前記磁気コーディングは少なくとも１つの振動回路を前記受信器の信号発生器として含んでおり、前記受信器は前記振動回路から放出される電磁放射の磁気割合を検出し、または前記振動回路によって変化される、たとえば減衰される、前記信号発生器の磁界を検出することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の測定構造。
13. 前記受信器は磁気コイルとして構成されており、前記磁気コイルは前記振動回路へ電磁誘導結合の形式で出力を供給することを特徴とする、請求項１２に記載の測定構造。
14. 少なくとも１つの軸受リング（２，３）を含む転がり軸受において、前記軸受リングの端面（５，７）に磁気コーディング（６，８）が設けられていることを特徴とする転がり軸受。
15. 前記磁気コーディング（６，８）は前記端面（５，７）で周回する領域（９）の連続として構成されており、それぞれ２つの隣接する前記領域は異なる磁化を有していることを特徴とする、請求項１４に記載の転がり軸受。
16. 前記磁気コーディング（６，８）は前記軸受リング（２，３）の本体に印加されていることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の転がり軸受。
17. 前記磁気コーディングは前記軸受リング（２，３）の本体に取り付けられていることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の転がり軸受。
18. シール材（１１）をさらに含んでおり、前記磁気コーディングは前記シール材（１１）の面に配置されている、請求項１４から１７のいずれか一項に記載の転がり軸受。
19. 転がり軸受（１）の軸受リング、特に内輪または外輪（２；３）において、前記軸受リング（２；３）の本体の端面（５；７）に磁気コーディング（６；８）を有していることを特徴とする軸受リング。
20. シール材（１１）、特に転がり軸受（１）のためのシール材（１１）において、前記シール材の本体の面に磁気コーディングを有していることを特徴とするシール材。

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