JP2012007707A

JP2012007707A - センサ付き転がり軸受

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Publication number: JP2012007707A
Application number: JP2010145996A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kuwabara; 昌樹桑原; Kazuhiro Ohira; 和広大平
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-06-28
Also published as: JP5569181B2

Abstract

【課題】磁気感応センサの位置決めを高精度で行うことが可能なセンサ付き転がり軸受を提供する。
【解決手段】回転側輪２と、固定側輪３と、前記回転側輪２及び前記固定側輪３間に介在する転動体４と、前記回転側輪２に固定されたマグネットホルダ１２に保持されたリング磁石１１と、前記固定側輪３に固定されたセンサハウジング１６に保持されて前記リング磁石１１と所定間隙を保って対向する磁気感応センサ１５とを備え、前記固定側輪３における軸方向端面より内側に前記センサハウジング１６の固定部に係止凹溝７を形成し、前記センサハウジング１６は、前記固定側輪３に固定する固定部に、前記軸方向端面及び前記係止凹溝間を把持する把持部１６ｄが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、リング磁石及び磁気感応センサを備えたセンサ付き転がり軸受に関する。

この種のセンサ付き転がり軸受としては、例えば図６に示すように、センサ１２１を埋設したセンサキャリア１２３が、センサ保持装置１２５を介して外輪１１０の内径面に設けられた凹状溝１１６ｂに全周に亘ってビーディング固定され、センサ１２１に対向して被検出部材１２０が、内輪１１１の外径面に圧入されたＬ状部材１２２の半径方向の平面部上に配置された構成を有するセンサ付き転がり軸受が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、固定軌道輪を軌道面の両側に環状のシール溝が設けられた外輪とし、環状のセンサ保持部材に形成した突条をシール溝の一方に嵌め込んで外輪に装着し、センサ保持部材の軸方向端部に、回転軌道輪としての内輪に装着される磁気エンコーダの軸方向外側へ径方向張り出し、磁気センサが磁気エンコーダと対向する環状隙間の軸方向外側を覆う鍔部を設けるようにした回転センサ付き転がり軸受が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３３５２７９１号公報特開２００８−２４９０３７号公報

ところで、転がり軸受を使用する際には、内輪及び外輪の軸方向端面は、予圧・固定のために使用されるが、前述した特許文献１に記載された従来例にあっては、外輪の軸方向端面がセンサキャリア１２３によって覆われており、外輪の軸方向端面を予圧・固定のために使用することができないという未解決の課題がある。
また、前述した特許文献２に記載された従来例にあっては、転がり軸受のシール溝にセンサ保持部材と磁気エンコーダとを配置するようにしており、内輪及び外輪の軸方向端面を開放して予圧・固定のために使用することができるものであるが、シール溝形状は、転動体の転動面や、軸受外形に対して加工精度か低いため、センサ部のアキシアルギャップを均一にすることが難しい。このため、特許文献２に記載された従来例では、センサ及び磁気エンコーダがラジアルギャップを挟んで対向されたラジアル検出方式を採用している。

このように、転がり軸受では、一般的に、内部隙間は、ラジアル方向よりアキシャル方向の方が大きいため、より隙間の小さいラジアルギャップでセンサ部を構成するものが多いが、磁気エンコーダとセンサとを軸方向に配置するため、軸方向の高さが高くなる場合が多い。このため、アキシャルギャップでセンサ部を構成し、アキシャルギャップを均一で高精度に形成することが望まれている。
そこで、本発明は、上述した従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、アキシャルギャップを均一で高精度に形成することが可能なセンサ付き転がり軸受を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、本発明の一の形態に係るセンサ付き転がり軸受は、回転側輪と、固定側輪と、前記回転側輪及び前記固定側輪間に介在する転動体と、前記回転側輪に固定されたマグネットホルダに保持されたリング磁石と、前記固定側輪に固定されたセンサハウジングに保持されて前記リング磁石と所定間隙を保って対向する磁気感応センサとを備え、前記固定側輪における軸方向端面より内側に前記センサハウジングの固定部に係止凹溝を形成し、前記センサハウジングは、前記固定側輪に固定する固定部に、前記軸方向端面及び前記係止凹溝間を把持する把持部が形成されていることを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係るセンサ付き転がり軸受は、前記把持部が、前記固定側輪の半径方向に突出して前記軸方向端面に当接する当接片と、前記係止凹溝に係止される加締め部とを少なくとも有することを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係るセンサ付き転がり軸受は、前記当接片及び前記加締め部は円周方向に交互に形成されていることを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係るセンサ付き転がり軸受は、前記係止片は、前記センサハウジング内で前記磁気感応センサを覆うように形成したモールドの一部を前記固定部に沿わせて前記係止凹溝まで延長させた延出部で構成されていることを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係るセンサ付き転がり軸受は、前記マグネットホルダ及び前記センサハウジングを磁性体で構成し、前記マグネットホルダは前記軸受内輪及び前記軸受外輪間の軸受空間を覆うように配設され、前記センサハウジングは前記マグネットホルダを覆うように断面コ字状に形成されていることを特徴としている。

本発明のセンサ付き転がり軸受によれば、磁気感応センサを保持するセンサハウジングの転がり軸受の固定側輪への固定部に、固定側輪に設けた係止凹溝と軸方向端面との間を把持する把持部を形成したので、この把持部で固定側輪の軸方向端面を基準面として磁気感応センサを配置することができ、磁気感応センサ及びリング磁石間のアキシアルギャップを均一に高精度で形成することができる。
また、把持部を固定側輪の半径方向に突出して固定側輪の軸方向端面に当接する当接片と固定側輪に形成した係止凹溝に係止される加締め部とを少なくとも有する構成とすることで、固定側輪の軸方向端面に当接する当接片を介して固定側輪の予圧・固定を行うことができる。

本発明に係るセンサ付き転がり軸受の第１の実施形態を示す断面図である。リング磁石の極性構造を示す平面図である。センサハウジングを示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線上の断面図である。磁気感応センサ及び基板を示す断面図である。本発明に係るセンサ付き転がり軸受の第２の実施形態を示す断面図である。従来例を示す断面図である。

以下、本発明に係るセンサ付き転がり軸受の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す縦断面図である。図中、１は自動車、鉄道車両、製鉄設備、工作機械等の回転軸に適用して回転速度を検出するセンサ付き転がり軸受である。
このセンサ付き転がり軸受１は、互いに対向する回転側輪としての軸受内輪２及び固定側輪としての軸受外輪３と、これら軸受内輪２及び軸受外輪３間に介在された多数の転動体４とで転がり軸受５が構成されている。ここで、軸受内輪２及び軸受外輪３のそれぞれは、互いの対向面の軸方向の一端側に端面から所定距離だけ転動体４側に円周方向の係止凹溝６及び７が形成されている。これら係止凹溝６及び７としては、転がり軸受のシール溝を使用することができ、このシール溝を使用することにより、特別な加工を施すことなく溝形成を行うことができる。

軸受内輪２には、リング磁石１１を保持する磁性体で構成されるマグネットホルダ１２が固定されている。また、軸受外輪３には、マグネットホルダ１２を覆うようにホール素子等の磁気感応センサ１５を保持する磁性体で構成されるセンサハウジング１６が固定されている。
マグネットホルダ１２は、軸受内輪２の係止凹溝６に係止される加締め部１２ａを形成した軸受内輪２の軸方向端部より外方に僅かに突出する円筒部１２ｂと、この円筒部１２ｂの軸方向突出端部から半径方向に転がり軸受５の軸受内輪２及び軸受外輪３間の軸受空間の一部を覆うように延出する円環状板部１２ｃと、この円環状板部１２ｃの外周縁から軸方向外方に突出する円筒状のフランジ部１２ｄとから構成されている。

そして、マグネットホルダ１２の円筒部１２ｂの先端が円周方向に所定間隔で係止凹溝４１に加締められて加締め部１２ａが形成されている。
ここで、円筒部１２ｂの加締め部１２ａの円周方向の加締め箇所数は、特許第４２６９６４２号公報に記載されているように、正の整数をｎ、転動体４の数をＺ、２以上の整数をＸとしたとき、
（加締め箇所の数）＝ｎＺ±Ｘ …………（１）
に基づいて算出することが好ましい。このように加締め箇所数を算出することにより、転がり軸受５に発生する可能性のある異音や振動等を低減することができる。

そして、リング磁石１１が円環状板部１２ｃ及びフランジ部１２ｄに接触した状態で、軸受空間の半径方向の略中央位置となるように例えば接着剤で固定保持されている。リング磁石１１は、図２に示すように、平面から見て、円周方向にＮ極及びＳ極となるようにアキシャル着磁された円弧状の磁石片１１ａを隣接する磁極が異極性となるように８個連結して、円周方向にＮ極及びＳ極が交互に整列された着磁パターンとなるように構成されている。

センサハウジング１６は、軸受外輪３に固定される軸受外輪３の半径方向厚みの中央部程度の外径を有する外筒部１６ａと、この外筒部１６ａの外方端から半径方向に内方に軸受内輪２まで延長する円環状板部１６ｂと、この円環状板部１６ｂの内方端から軸受内輪２の軸方向端部に向かって延長し、軸受内輪２に僅かな空隙２０ａを空けて対向する内筒部１６ｃとでリング磁石１１を３方から覆う断面コ字状に形成されている。

ここで、外筒部１６ａには、図３に示すように、下端部に把持部１６ｄが形成されている。この把持部１６ｄは、外筒部１６ａの下端部を１６分割するスリットを形成し、そのうちの１つ置きの８個の分割片を、図３（ｂ）に示すように、半径方向外方に略９０°折り曲げて形成した半径方向に突出して軸受外輪３の軸方向端面に当接して軸受外輪３の外径面まで延長する当接片１６ｅと、残りの８個の分割片の下端に、図３（ｃ）軸受外輪３に形成した係止凹溝７に係止される加締め部で構成される係止部１６ｆを有する係止片１６ｇとを少なくとも備えている。
ここで、係止片１６ｇの係止部１６ｆは、当接片１６ｅを軸受外輪３の軸方向端面に当接させた状態を維持しながら軸受外輪３に形成した係止凹溝７に係止されるように構成され、当接片１６ｅと係止片１６ｇの係止部１６ｆとで軸受外輪３の軸方向端面と係止凹溝７との間を把持する。

そして、センサハウジング１６には、図４に示す磁気感応センサ１５を実装した円環状の基板１７が、円環状板部１６ｂに磁気感応センサ１５がリング磁石１１に所定間隔のアキシアルギャップを保って対向するように装着されている。
ここで、磁気感応センサ１５は、軸受内輪２に嵌挿される回転軸の回転速度を検出するためには、少なくとも１つの磁気感応センサ１５を配置すれば良く、回転速度と回転方向とを検出するためには、磁気感応センサ１５に対してリング磁石１１の着磁パターンに対して９０度の位相差を持つようにもう１つの磁気感応センサ１５′を配置すれば良い。

この磁気感応センサ１５（又は１５及び１５′）は、合成樹脂材のモールド１８によって覆われており、モールド１８とリング磁石１１との対向面間に所定間隙のアキシアルギャップ１９が形成されている。
したがって、アキシアルギャップ１９は、磁性体で構成されるマグネットホルダ１２及びセンサハウジング１６によって四方から囲まれている。

また、モールド１８には、センサハウジング１６の内筒部１６ｃに沿って軸受内輪２側に突出し、マグネットホルダ１２の円環状板部１２ｃ及びリング磁石１１に対して僅かな空隙部２０ｂ及び２０ｃを介して対向する円筒部１８ａが形成されている。
そして、センサハウジング１６の内筒部１６ｃの下端と軸受内輪２の軸方向端面との間の空隙部２０ａと、モールド１８の円筒部１８ａとマグネットホルダ１２の円環状板部１２ｃ及びリング磁石１１の内径面との間の空隙部２０ｂ及び２０ｃと、アキシアルギャップ１９、マグネットホルダ１２のフランジ部１２ｄとセンサハウジング１６の内筒部１６ａとの間の空隙部２０ｄとでラビリンス２０が形成されている。

また、基板１７には、図４に示すように磁気感応センサ１５から出力される磁界強度に応じた例えば正弦波状の電気的検出信号を信号処理してパルス検出信号に変換する信号処理回路２１を備えており、この信号処理回路２１で信号処理されたパルス検出信号が信号線２２を介して外部の回転速度測定装置に出力される。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
今、転がり軸受５の軸受外輪３をハウジング等の固定部に固定するとともに、軸受内輪２内にブラシレスモータ等の三相電動モータ（図示せず）に連結された回転軸（図示せず）を嵌挿した組付状態とする。この状態で、三相電動モータを回転駆動させると、これに応じて軸受内輪２が回転されて、リング磁石１１が回転することにより、このリング磁石１１に対向して配設された磁気感応センサ１５でリング磁石１１の着磁パターンに応じた磁界を検出して、軸受内輪２の回転速度に応じた周波数の例えば正弦波でなる検出信号を出力する。
この検出信号を基板１７上に実装された信号処理回路２１で信号処理してパルス検出信号に変換し、このパルス検出信号が信号線２２を介して外部の回転速度測定装置に出力される。この回転速度測定装置では、単位時間当たりのパルス検出信号数を計数するか又はパルス信号のパルス間隔を計測することにより、回転速度を求めることができる。

また、磁気感応センサ１５を２つ配置した場合には、２つの磁気感応センサ１５及び１５′から９０度位相の異なる正弦波信号が出力されることにより、両センサ１５及び１５′間の位相差に基づいて回転方向を検出することができる。
このようにして、磁気感応センサ１５（又は１５及び１５′）によってリング磁石１１で発生される磁界を検出することにより、回転速度（又は回転速度及び回転方向）を検出することができるものであるが、前述したようにブラシレスモータ等の三相電動モータが近接配置されている場合には、この三相電動モータで発生される電気ノイズに起因する外部磁界がリング磁石１１で形成される磁界を乱すおそれがある。

しかしながら、上記第１の実施形態では、マグネットホルダ１２及びセンサハウジング１６が磁性体で構成され、これらマグネットホルダ１２及びセンサハウジング１６でリング磁石１１、磁気感応センサ１５及びそれら間のアキシアルギャップ１９を四方から覆うようにしている。
このため、これらリング磁石１１、磁気感応センサ１５及びアキシアルギャップ１９が外部に晒されることを防止することができるとともに、マグネットホルダ１２及びセンサハウジング１６が磁気シールドとしての機能を発揮することができる。この磁気シールド機能によって、近接配置された三相電動モータ等で発生される電気ノイズに起因する外部磁界の変化を遮蔽することができ、リング磁石１１で発生する磁界が外部磁界によって乱れることを抑制して磁気感応センサ１５によってリング磁石１１で発生する磁界を正確に検出して正確な検出信号を出力することができる。

また、磁気感応センサ１５を円環状の基板１７に実装したので、複数の磁気感応センサ１５を配置する場合に、基板１７上で所定の位相差を有して正確に配置することができる。
さらに、磁気感応センサ１５をモールド１８で覆うようにしているので、磁気感応センサ１５を構成するＩＣ部を外界から保護することが可能となり、センサＩＣ部の防塵及び防水性を高めることができる。

また、センサハウジング１６が固定側輪となる軸受外輪３に把持部１６ｄによって当接片１６ｅを軸受外輪３の軸方向端面に当接させた状態で、係止片１６ｇの係止部１６ｆを軸受外輪３に形成した係止凹溝７に加締めるようにして、係止凹溝７及び軸受外輪３の軸方向端面間を把持するようにしているので、センサハウジング１６を軸受外輪３に強固に固定することができる。

しかも、センサハウジング１６が軸受外輪３の高精度に仕上げられた軸方向端面を基準面として固定されることになり、センサハウジング１６に保持された磁気感応センサ１５の位置を正確に位置決めすることができる。このため、磁気感応センサ１５とリング磁石１１との間のアキシアルギャップ１９を均一に高精度で形成することができる。
さらに、当接片１６ｅが軸受外輪３の軸方向端面に当接しているので、この当接片１６ｅを介して軸受外輪３に図１に矢印で示した押圧力を作用させることができ、当接片１６ｅを軸受外輪３の予圧・固定のために使用することができる。

また、センサハウジング１６の軸受外輪３への固定部に当接片１６ｅ及び係止片１６ｇを円周方向に交互に形成したので、係止片１６ｇの係止部１６ｆを加締める際に加える加締め力が直接当接片１６ｅに影響を与えることがなく、当接片１６ｅと軸受外輪３の軸方向端面との当接状態が変化することを防止することができる。
さらに、ラビリンス２０を形成する各空隙部２０ａ〜２０ｄは数ｍｍ以下とすることが可能であるので、異物の侵入を防ぐことが可能となる。また、外部からの磁性異物がラビリンス２０内に侵入した場合には、リング磁石１１の内径面で吸着されるので、アキシアルギャップ１９すなわち回転位置検出面への侵入を確実に防止することができるとともに、転がり軸受５の内部への侵入も確実に防止することができる。

なお、上記第１の実施形態においては、マグネットホルダ１２を、軸受内輪２に形成した係止凹溝６に加締める場合について説明したが、これに限定されるものではなく、軸受内輪２の外径面に軸方向端面より小径の小径部を形成して段部を形成し、この段部にマグネットホルダ１２の円筒部１２ｂを圧入固定するようにしてもよく、この場合には、段部を高精度に形成することにより、リング磁石１１の位置決めを高精度に行うことができる。このため、リング磁石１１及び磁気感応センサ１５間のアキシアルギャップ１９をより均一に形成することができる。
また、上記第１の実施形態においては、モールド１８に形成した円筒部１８ａによってラビリンス２０を形成する空隙部２０ｂ及び２０ｃを形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、円筒部１８ａを省略してラビリンスの形成を省略することもできる。

次に、本発明の第２の実施形態を図５について説明する。
この第２の実施形態では、センサハウジング１６に形成した把持部１６ｄを当接片１６ｅと、モールド１８に形成した延出部とで形成するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図５に示すように、前述した第１の実施形態における図１の構成において、係止片１６ｇを省略し、これに代えて係止片１６ｇの位置にモールド１８の外径部からセンサハウジング１６の外筒部１６ａに沿って下方に延長する延出部１８ｂを形成し、この延出部１８ｂの下端に当接片１６ｅを軸受外輪３の軸方向端面に当接させた状態で、係止凹溝７に係止される係止部１８ｃを形成し、さらに軸受内輪２の軸方向端面に、軸方向端面より所定距離だけ転動体４側に段部３１を形成するとともに、マグネットホルダ１２の加締め部１２ａを省略し、この段部３１にマグネットホルダ１２の円筒部１２ｂを圧入固定したことを除いては前述した図１と同様の構成を有し、その詳細説明はこれを省略する。

この第２の実施形態によると、軸受内輪２に形成した段部３１にマグネットホルダ１２の円筒部１２ｂを圧入固定するようにしたので、段部３１を高精度に形成することにより、マグネットホルダ１２に保持されているリング磁石１１の軸方向位置を正確に位置決めすることができ、このリング磁石１１と磁気感応センサ１５との間のアキシアルギャップ１９をより均一に形成することができる。

また、センサハウジング１６に形成した把持部１６ｄを当接片１６ｅとモールド１８の延出部１８ｂとで形成するようにしたので、モールド１８の延出部１８ｂの弾性変形量を第１の実施形態におけるセンサハウジング１６の係止片１６ｇに比較して大きい弾性変形量とすることができるので、軸受外輪３へのセンサハウジング１６の装着をより容易に行うことができる。しかも、モールド１８の延出部１８ｂは、モールド成形によって一体成形できるので、容易に製作することができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、磁気感応センサ１５がホール素子等のアナログタイプである場合について説明したが、これに限定されるものではなく、リング磁石１１の磁界を検出して直接パルス検出信号を出力するデジタルタイプの磁気感応センサを適用することもでき、この場合には信号処理回路２１を省略することができる。また、磁気感応センサ１５は、ホール素子等に限らず、他の磁気感応センサを適用することができる。たとえば、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を適用した場合には、磁気検知の感度を広げ、軸受内部すき間が比較的大きいアキシャル方向でもより正確に検出することが可能となる。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、軸受内輪２を回転側輪とし、軸受外輪３を固定側輪とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、軸受内輪２をハウジング等に固定して固定側輪とし、軸受外輪３を回転軸に内嵌して回転側輪とする場合でも本発明を適用することができる。この場合には、リング磁石１１を保持するマグネットホルダ１２を軸受外輪３側に固定し、磁気感応センサ１５を保持するセンサハウジング１６を軸受内輪２側に固定するようにすればよい。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、リング磁石１１が８個の磁石片１１ａを連結して構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、リング磁石１１の磁極数は、センサ付き転がり軸受１の使用状況に応じて任意数に設定することができる。
また、上記実施形態においては、本発明をラジアル転がり軸受に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、スラスト転がり軸受にも本発明を適用することができる。

１…センサ付き転がり軸受、２…軸受内輪、３…軸受外輪、４…転動体、５…転がり軸受、１１…リング磁石、１２…マグネットホルダ、１２ａ…加締め部、１２ｂ…円筒部、１２ｃ…円環状板部、１２ｄ…フランジ部、１５…磁気感応センサ、１６…センサハウジング、１６ａ…外筒部、１６ｂ…円環状板部、１６ｃ…内筒部、１６ｄ…把持部、１６ｅ…当接片、１６ｆ…係止部、１６ｇ…係止片、１７…基板、１８…モールド、１８ａ…円筒部、１８ｂ…延出部、１８ｃ…係止部、１９…アキシアルギャップ、２０…ラビリンス、２１…信号処理回路、２２…信号線、

Claims

回転側輪と、
固定側輪と、
前記回転側輪及び前記固定側輪間に介在する転動体と、
前記回転側輪に固定されたマグネットホルダに保持されたリング磁石と、
前記固定側輪に固定されたセンサハウジングに保持されて前記リング磁石と所定間隙を保って対向する磁気感応センサとを備え、
前記固定側輪における軸方向端面より内側に前記センサハウジングの固定部に係止凹溝を形成し、
前記センサハウジングは、前記固定側輪に固定する固定部に、前記軸方向端面及び前記係止凹溝間を把持する把持部が形成されている
ことを特徴とするセンサ付き転がり軸受。
前記把持部は、前記固定側輪の半径方向に突出して前記軸方向端面に当接する当接片と、当該当接片が当該軸方向端面に当接した状態を維持しながら前記前記係止凹溝に係止される係止部を有する係止片とを少なくとも備えていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受。
前記当接片及び前記係止片は円周方向に交互に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のセンサ付き転がり軸受。
前記係止片は、前記センサハウジング内で前記磁気感応センサを覆うように形成したモールドの一部を前記固定部に沿わせて前記係止凹溝まで延長させた延出部で構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のセンサ付き転がり軸受。
前記マグネットホルダ及び前記センサハウジングを磁性体で構成し、前記マグネットホルダは前記軸受内輪及び前記軸受外輪間の軸受空間を覆うように配設され、前記センサハウジングは前記マグネットホルダを覆うように断面コ字状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のセンサ付き転がり軸受。