JP2012008073A

JP2012008073A - センサ付き転がり軸受

Info

Publication number: JP2012008073A
Application number: JP2010145997A
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

Abstract

【課題】１種類のリング磁石を使用して原点検出と回転速度検出を正確に行うことができる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、円周方向に所定数のＮ極及びＳ極が交互にアキシアル着磁されたリング磁石１１と、前記回転側輪２に固定されて前記リング磁石１１を当該回転側輪と同軸に保持するマグネットホルダ１２と、前記リング磁石１１の軸方向端面と対向する第１の磁気感応センサ１５Ａと、当該リング磁石１１の外径面と対向する第２の磁気感応センサ１５Ｂとを保持する前記固定側輪に固定されたセンサハウジング１６とを備え、前記マグネットホルダ１２の前記フランジ部１２ｄにリング磁石１１の外径面の一部を外部に臨ませる原点検出用窓１２ｅ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。

従来、第１の従来例として、転がり軸受の内輪に軸方向に円筒状の第１及び第２の被検出部を２段に配設した磁気エンコーダを装着し、第１の被検出部に円周方向に所要数のＮ極及びＳ極を交互に着磁し、第２の被検出部に円周方向の１箇所で原点検出用に着磁された原点検出用着磁部と残りの円周方向部分を原点検出用着磁とは異なる磁極に着磁し、第１及び第２の被検出部に対向して第１及び第２のセンサ素子を配置す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１参照）。
この特許文献１には、第２の従来例として、半径方向の外周側及び内周側に前述したと同様に着磁された第１及び第２の被検出部を配置した構成も提案されている。

特開２００７−１９８８４７号公報

ところで、前述した第１の従来例では、第１の被検出部に対向する第１のセンサ素子で回転速度を検出する検出信号を出力し、第２の被検出部に対向する第２のセンサ素子で原点検出信号を出力することができるものであるが、磁気エンコーダが第１の被検出部及び第２の被検出部を軸方向に２段に連結して構成されているので、磁気エンコーダの軸方向長さが長くなり、軸方向長さに制約がある場合には適用することができないという未解決の課題がある。

また、前述した第２の従来例では、半径方向に第１の被検出部及び第２の被検出部を配置するので、軸方向の長さは短くすることができるものであるが、転がり軸受の内輪及び外輪間の間隔が比較的狭いため、第１の被検出部及び第２の被検出部の半径方向の幅を狭くせざるを得ず、磁束密度が低下して外部磁界の影響を受け易くなるとともに、センサ素子自体も小型化する必要があり、検出精度が低下するという未解決の課題がある。

さらに、前述した第１及び第２の従来例においては、ともに着磁パターンの異なる２種類の第１及び第２の被検出部を設ける必要があり、製造コストが嵩むとともに、第１及び第２の被検出部間での磁界の干渉が生じるという未解決の課題がある。
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、１種類のリング磁石を使用して原点検出と回転速度検出を正確に行うことができる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、前記回転側輪及び固定側輪間に介在する転動体と、円周方向に所定数のＮ極及びＳ極が交互にアキシアル着磁されたリング磁石と、前記回転側輪に固定されて前記リング磁石を当該回転側輪と同軸に保持するマグネットホルダと、前記リング磁石の軸方向端面と対向する第１の磁気感応センサと、当該リング磁石の外径面と対向する第２の磁気感応センサとを保持する前記固定側輪に固定されたセンサハウジングとを備え、前記マグネットホルダの前記フランジ部にリング磁石の外径面の一部を外部に臨ませる原点検出用窓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、前記原点検出用窓は、その円周方向の幅が前記リング磁石の１つのＮ極とその両側のＳ極の一部とを外部に臨ませるように設定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、円周方向に所定数のＮ極及びＳ極を交互にアキシアル着磁したリング磁石を回転側輪に固定されたマグネットホルダに保持し、このマグネットホルダのリング磁石の外径面を支持するフランジ部にリング磁石の外径面の一部を臨ませる原点検出用窓を形成し、固定側輪に固定されたセンサハウジングにリング磁石の軸方向端面に対向する第１の磁気感応センサと、原点検出用窓に対向する第２の磁気感応センサとを配置したので、軸方向長さを長くすることなく、１つのリング磁石で回転検出と原点検出との双方を行うことができるという効果が得られる。
また、リング磁石の厚みが制限されることがないとともに、第１及び第２の磁気感応センサの大きさも制限されることがないので、第１及び第２の磁気感応センサでの磁気検出を正確に行うことができるという効果も得られる。

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。リング磁石及びマグネットホルダを示す平面図である。リング磁石を保持したマグネットホルダと第１及び第２の磁気感応センサとの配置関係を示す斜視図である。第２の磁気感応センサの出力信号とリング磁石の極性との関係を説明する説明図である。第２の磁気感応センサの他の例の出力信号を示す信号波形図である。マグネットホルダの他の実施形態を示す側面図である。

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内方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が嵌合保持されている。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第１及び第２の磁気感応センサ１５Ａ及び１５Ｂを保持する磁性体で構成されるセンサハウジング１６が嵌合保持されている。
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中央位置より内側寄り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ア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。

また、マグネットホルダ１２のフランジ部１２ｄには、図２〜図４に示すように、リング磁石１１の１つのＮ極とその両側のＳ極の円周方向の半分程度を外部に臨ませる原点検出用窓１２ｅが形成されている。この原点検出用窓１２ｅは、フランジ部１２ｄの上端から円環状板部１２ｃに達して切欠いた切欠部として形成され、リング磁石１１のＮ極からＳ極に至る磁束を外部に漏出させるようにしている。

センサハウジング１６は、軸受外輪３の係止凹溝７に係止される加締め部１６ａを下端に形成した外筒部１６ｂと、この外筒部１６ｂ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１６ｃと、この円環状板部１６ｃ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に僅かな間隔を空けて対向する内筒部１６ｄ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１６ｂの加締め部１６ａの円周方向の加締め箇所数は、前述した（１）式に基づいて算出することが好ましく、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。
このセンサハウジング１６には、図１及び図３に示すように、第１の磁気感応センサ１５Ａをリング磁石１１の軸方向端面に対して所定間隔を保って対向するように実装するとともに、第２の磁気感応センサ１５Ｂをマグネットホルダ１２の原点検出用窓１２ｅと対向するよう実装した円環状の基板１７が円環状板部１６ｃに装着されている。

ここで、磁気感応センサ１５Ａは、回転速度検出用として設けられ、三相電動モータの各相の位相角を検出するようにリング磁石１１の着磁パターンに応じたパルス信号を出力するように構成されている。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つの第１の磁気感応センサ１５Ａを配置すれば良い。また、回転速度と回転方向とを検出するためには、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２つの第１の磁気感応センサ１５Ａを配置すれば良い。
また、第２の磁気感応センサ１５Ｂは、軸受内輪２の円周方向の原点検出用に設けられ、図４に示すように、マグネットホルダ１２におけるフランジ部１２ｄに形成された原点検出用窓１２ｅを通じてリング磁石１１のＳ極に対向する状態からＮ極と対向する状態となったときにオン状態となる原点検出パルス信号を出力する。

そして、第１の磁気感応センサ１５Ａ及び第２の磁気感応センサ１５Ｂは、合成樹脂性のモールド１８によって覆われており、モールド１８のリング磁石１１との対向面と、モールド１８のマグネットホルダ１２のフランジ部１２ｄの原点検出用窓１２ｅとの対向面との間にそれぞれ所定間隙のセンサギャップ１９Ａ及び１９Ｂが形成されている。
したがって、センサギャップ１９Ａ及び１９Ｂ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。
そして、第１の磁気感応センサ１５Ａ及び第２の磁気感応センサ１５Ｂの検出信号が信号線２１Ａ及び２１Ｂ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の軸方向端面に対向して配設された第１の磁気感応センサ１５Ａでリング磁石１１の着磁パターンに応じてＳ極と対向している状態でオフ状態となり、Ｎ極に対向している状態でオン状態となる回転速度検出パルス信号を出力する。
この回転速度パルス信号が信号線２１Ａ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、軸受内輪２の回転速度を求めることができる。

また、第１の磁気感応センサ１５を２つ配置した場合には、２つの第１の感応センサ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。
また、第２の磁気感応センサ１５Ｂでは、マグネットホルダ１２の原点検出用窓１２ｅが到来し、リング磁石１１のＮ極が対向する毎に原点検出パルス信号が出力され、この原点検出パルス信号が信号線２１Ｂを介して外部の回転速度測定装置に出力される。

したがって、回転速度測定装置で第１の磁気感応センサ１５Ａから出力されるパルス信号に基づいて回転速度を検出することができるととともに、三相電動モータの位相角を検出することができる。しかも、第２の磁気感応センサ１５Ｂから出力される原点検出パルス信号に基づいて軸受内輪２の１回転の原点を正確に検出することができ、この原点検出パルス信号と第１の磁気感応センサ１５Ａから出力されるパルス信号とに基づいて絶対回転角度を正確に検出することができる。

このように、上記実施形態によると、回転速度検出及び原点検出の双方を行う場合に、円周方向に交互にＮ極及びＳ極をアキシアル着磁した１つのリング磁石１１とリング磁石１１を保持するマグネットホルダ１２のフランジ部１２ｄに形成した原点検出用窓１２ｅとを設けるだけでよく、前述した従来例のように、回転速度検出用の磁石と、原点検出用の磁石との２組の磁石を設ける特別な構造とする必要がない。このため、リング磁石１１の製造コストを低減することができるとともに、リング磁石１１の軸方向長さを短くすることができる。また、第１及び第２の磁気感応センサ１５Ａ及び１５Ｂの大きさに制限がなく、第１及び第２の磁気感応センサ１５Ａ及び１５Ｂの磁気検出精度を高精度に維持することができる。さらに、前述した従来例のように２種類の磁石を使用する場合のように磁石間での磁界の干渉を生じることがない。

また、上記実施形態のように、前述したようにセンサ付き転がり軸受１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、第１及び第２の磁気感応センサ１５Ａ，１５Ｂ及びそれら間のセンサギャップ１９Ａ，１９Ｂ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１５Ａ，１５Ｂ及びセンサギャップ１９Ａ，１９Ｂ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第１及び第２の磁気感応センサ１５Ａ及び１５Ｂ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１５Ａ及び１５Ｂ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。

なお、上記実施形態においては、第１及び第２の磁気感応センサ１５Ａ及び１５Ｂがリング磁石１１の磁界を検出して直接パルス信号を出力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、第１及び第２の磁気感応センサ１５Ａ及び１５Ｂの少なくとも一方を、アナログ電圧を出力するアナログ出力センサで構成することもできる。この場合、第１の磁気感応センサ１５Ａをアナログ出力センサで構成する場合には、基板１７に信号処理回路を配設し、この信号処理回路でアナログ電圧をパルス信号に変換するようにすればよい。また、第２の磁気感応センサ１５Ｂをアナログ出力センサで構成する場合にも、出力されるアナログ電圧が、図５に示すように、マグネットホルダ１２の原点検出用窓１２ｅ以外に対向している場合には閾値Ｖｔより小さい電圧を維持するが、原点検出用窓１２ｅと対向してリング磁石１１のＮ極と対向する状態となると、閾値Ｖｔを超えることになり、この閾値以上となったことを信号処理回路で検出して原点検出パルス信号を出力するようにすればよい。

また、上記実施形態においては、マグネットホルダ１２のフランジ部１２ｄに形成した原点検出用窓１２ｅが円環状板部１２ｃに達する切欠部で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、図６（ａ）に示すように、フランジ部１２ｄの中間部までの切欠部１２ｆとすることもでき、図６（ｂ）に示すように、円周方向に延長する長円形窓部１２ｇとすることもでき、要は第２の磁気感応センサ１５Ｂでリング磁石１１の１つのＮ極の磁界を検出することができればよく、原点検出用窓の形状に任意に選択することができる。

また、上記実施形態においては、マグネットホルダ１２の円筒部１２ｂ及びセンサハウジング１６の外筒部１６ｂを固定する加締め部１６ａを形成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、加締め部１６ａを省略し、軸受内輪２及び軸受外輪３の軸方向端部に段部を形成し、これら段部にマグネットホルダ１２の円筒部１２ｂ及びセンサハウジング１６の外筒部１６ｂを圧入固定するようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、軸受外輪３を固定し、軸受内輪２を回転させ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をハウジング等に固定し、軸受外輪３を回転軸に内嵌するようにした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１５Ａ，１５Ｂ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、１２ｅ…原点検出用窓部、１５Ａ…第１の磁気感応センサ、１５Ｂ…第２の磁気感応センサ、１６…センサハウジング、１６ａ…加締め部、１６ｂ…外筒部、１６ｃ…円環状板部、１６ｄ…内筒部、１７…基板、１８…モールド、１９Ａ，１９Ｂ…センサギャップ、２１Ａ，２１Ｂ…信号線

Claims

回転側輪と、
固定側輪と、
前記回転側輪及び固定側輪間に介在する転動体と、
円周方向に所定数のＮ極及びＳ極が交互にアキシアル着磁されたリング磁石と、
前記回転側輪に固定されて前記リング磁石を当該回転側輪と同軸に保持するマグネットホルダと、
前記リング磁石の軸方向端面と対向する第１の磁気感応センサと、当該リング磁石の外径面と対向する第２の磁気感応センサとを保持する前記固定側輪に固定されたセンサハウジングとを備え、
前記マグネットホルダの前記フランジ部にリング磁石の外径面の一部を外部に臨ませる原点検出用窓が形成されている
ことを特徴とするセンサ付き転がり軸受。
前記原点検出用窓は、その円周方向の幅が前記リング磁石の１つのＮ極とその両側のＳ極の一部とを外部に臨ませるように設定され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。