JP2020008287A

JP2020008287A - センサ、センサ付き軸受及びアキシアル荷重算出システム

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Publication number: JP2020008287A
Application number: JP2018126279A
Authority: JP
Inventors: 杉田　澄雄; Sumio Sugita; 澄雄杉田; 圭克稲田; Yoshikatsu Inada
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2038-07-02
Also published as: JP7167510B2

Abstract

【課題】内輪の回転速度を示す情報と転動体の公転速度を示す情報を得られるセンサ等を提供する。【解決手段】センサは、軸受１２０の内輪１２２に固定されて回転軸を中心とする円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第１磁気トラック３１と、第１磁気トラック３１と対向する位置に固定される第１センサ部２２と、軸受１２０の保持器１２４に固定されて回転軸を中心とする円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第２磁気トラック３１０と、第２磁気トラックと対向する位置に固定される第２センサ部２２０とを有し、第１センサ部２２及び第２センサ部２２０は、磁束密度の変化に応じてそれぞれ振幅の位相が異なる信号を出力する複数の出力部を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、センサ、センサ付き軸受及びアキシアル荷重算出システムに関する。

軸受に加わる荷重を測定するための技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−０９１０７３号公報

ところで、軸受に加わるアキシアル荷重の変化は、内輪の回転速度と転動体の公転速度との関係を変化させることが知られている。このため、内輪の回転速度と転動体の公転速度から軸受に加わるアキシアル荷重に関する情報を得たいという需要がある。しかしながら、そのための具体的な仕組みは確立していなかった。

本発明は、内輪の回転速度を示す情報と転動体の公転速度を示す情報を得られるセンサ、センサ付き軸受及びアキシアル荷重算出システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のセンサは、軸受の内輪の回転速度に応じた第１信号を出力する第１信号出力部と、前記軸受が有する転動体の保持器の回転速度に応じた第２信号を出力する第２信号出力部とを備えるセンサであって、前記第１信号出力部は、前記軸受の回転軸を中心とする円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第１磁気トラックと、前記第１磁気トラックと対向する位置で前記第１磁気トラックと相対移動可能に設けられる第１センサ部とを有し、前記第１磁気トラック又は前記第１センサ部は、前記内輪に固定され、前記第１センサ部は、前記第１磁気トラックからの磁束密度の変化に応じてそれぞれ振幅の位相が異なる信号を出力する複数の出力部を含み、前記第２信号出力部は、前記軸受の回転軸を中心とする円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第２磁気トラックと、前記第２磁気トラックと対向する位置で前記第２磁気トラックと相対移動可能に設けられる第２センサ部とを有し、前記第２磁気トラック又は前記第２センサ部は、前記保持器に固定され、前記第２センサ部は、前記第２磁気トラックからの磁束密度の変化に応じてそれぞれ振幅の位相が異なる信号を出力する複数の出力部を含む。

従って、第１信号出力部から軸受の内輪の回転速度に応じた情報を得られる。また、第２信号出力部から、保持器の回転速度、すなわち保持器が保持する転動体の公転速度に応じた情報を得られる。このように、内輪の回転速度を示す情報と転動体の公転速度を示す情報を得られる。また、第１信号及び第２信号は、磁束密度の変化に応じて出力された振幅の位相が異なる複数の信号を含む。このため、回転速度に関する情報を含めて、回転運動に関する情報の精度がより向上する。

上記の目的を達成するための本発明のセンサは、軸受の内輪の回転速度に応じた第１信号を出力する第１信号出力部と、前記軸受が有する転動体の保持器の回転速度に応じた第２信号を出力する第２信号出力部とを備えるセンサであって、前記第１信号出力部は、前記軸受の回転軸を中心とする円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第１磁気トラックと、前記第１磁気トラックと対向する位置で前記第１磁気トラックと相対移動可能に設けられる第１センサ部とを有し、前記第１磁気トラック又は前記第１センサ部は、前記内輪に固定され、前記第２信号出力部は、前記軸受の回転軸を中心とする円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第２磁気トラックと、前記第２磁気トラックと対向する位置で前記第２磁気トラックと相対移動可能に設けられる第２センサ部とを有し、前記第２磁気トラック又は前記第２センサ部は、前記保持器に固定され、前記第１センサ部又は前記第２センサ部は、磁束密度の変化に応じてそれぞれ振幅の位相が異なる信号を出力する複数の出力部を含む。

従って、第１信号出力部から軸受の内輪の回転速度に応じた情報を得られる。また、第２信号出力部から、保持器の回転速度、すなわち保持器が保持する転動体の公転速度に応じた情報を得られる。このように、内輪の回転速度を示す情報と転動体の公転速度を示す情報を得られる。また、第１信号又は第２信号は、磁束密度の変化に応じて出力された振幅の位相が異なる複数の信号を含む。このため、回転速度に関する情報を含めて、回転運動に関する情報の精度がより向上する。

本発明のセンサでは、前記第１磁気トラック及び前記第１センサ部のうち、一方は前記内輪に固定され、他方は前記軸受の外輪に固定されている。

従って、軸受の外輪と内輪との相対的な回転によって第１磁気トラックと第１センサ部とを相対的に回転させることができる。

本発明のセンサでは、前記第２磁気トラック及び前記第２センサ部のうち、一方は前記保持器に固定され、他方は前記軸受の外輪に固定されている。

従って、軸受の外輪と保持器との相対的な回転によって第２磁気トラックと第２センサ部とを相対的に回転させることができる。

本発明のセンサでは、前記出力部は、前記回転軸を中心とする円周方向に延びる複数の第１導電部と、前記回転軸を中心とする円の径方向に延びる複数の第２導電部とを含む導線であり、前記第１導電部と前記第２導電部は交互に直列に接続される。

従って、磁気トラックと対向する導線に生じる起電力を信号に利用することで導線に信号を出力させることができることから、第１センサ部及び第２センサ部をより簡便な構成にすることができる。

本発明のセンサでは、前記出力部は、前記回転軸を中心とする円の半周以上の範囲に設けられている。

従って、回転運動により生じ得る振れ回り振動が磁気トラックと導線との位置関係に与える影響をより低減することができる。このため、磁気トラックと対向する導線に生じる起電力をより安定させることができ、信号の精度をより向上させることができる。

本発明のセンサでは、前記複数の出力部は、前記位相が異なる信号を出力する２つの前記出力部同士の間が絶縁されて積層される。

従って、位相が異なる信号を出力する２つの出力部を１つの積層体に設けることができ、第１センサ部及び第２センサ部をよりコンパクトにすることができる。

上記の目的を達成するための本発明のセンサ付き軸受は、軸受と、上述のセンサとを備える。

本発明のアキシアル荷重算出システムでは、上述のセンサ付き軸受と、前記第１信号及び前記第２信号に基づいて前記軸受に加わるアキシアル荷重を求める信号処理装置とを備え、前記信号処理装置は、前記内輪の回転速度と前記保持器の回転速度と前記アキシアル荷重との関係を示すデータを記憶する記憶部と、異なるタイミングに出力された複数の前記第１信号に基づいて前記内輪の回転速度を算出し、異なるタイミングに出力された複数の前記第２信号に基づいて前記保持器の回転速度を算出し、算出した前記内輪の回転速度と前記保持器の回転速度に基づいて前記データを参照して前記アキシアル荷重を求める演算部とを備える。

従って、センサ付き軸受から得られた内輪の回転速度を示す情報と転動体の公転速度を示す情報に基づいて、アキシアル荷重を求めることができる。

本発明によれば、内輪の回転速度を示す情報と転動体の公転速度を示す情報を得られる。

図１は、実施形態のセンサ付き軸受の主要構成を示す断面図である。図２は、センサ付き軸受の分解斜視図である。図３は、第１磁気トラック及び第２磁気トラックの構成例を示す平面図である。図４は、第１基板及び第２基板に設けられた第１ＦＧパターンの位相と第２ＦＧパターンの位相との関係を示す模式的な平面図である。図５は、センサ基板の構成例を示す平面図である。図６は、図５に示す第１基板のＶＩ−ＶＩ断面図である。図７は、第１ＦＧパターンと第２ＦＧパターンが出力する信号の関係を示す模式的なグラフである。図８は、センサ付き軸受と信号処理装置との接続関係を示す模式図である。図９は、信号処理装置の主要機能構成を示すブロック図である。図１０は、図７に示す２つの信号同士の関係に対応するリサジュー図形である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

図１は、実施形態のセンサ付き軸受１の主要構成を示す断面図である。図２は、センサ付き軸受１の分解斜視図である。センサ付き軸受１は、センサ１００と、軸受１２０とを備える。

軸受１２０は、外輪１２１と、内輪１２２と、複数の転動体１２３と、保持器１２４とを備える。外輪１２１と内輪１２２は、転動体１２３を挟んで軸受１２０の回転軸Ａｘを中心とした径方向（以下、単に「径方向」と記載）に対向する。外輪１２１は、径方向の外側に配置される。内輪１２２は、径方向の内側に配置される。転動体１２３は、外輪１２１と内輪１２２の間で回転軸Ａｘを中心とした円周方向（以下、単に「円周方向」と記載）に沿って公転運動可能に設けられる。これによって、外輪１２１と内輪１２２とは相対的に回転可能に設けられる。保持器１２４は、円周方向に沿って配置された複数の転動体１２３同士の間隔を保持する。保持器１２４は、転動体１２３の公転運動に伴って回転軸Ａｘを中心として回転する。すなわち、保持器１２４の回転速度は、転動体１２３の公転運動速度に対応する。

センサ１００は、転動体１２３の公転速度及び内輪１２２の回転速度に関する情報を取得するための構成を含む。センサ１００は、軸受１２０に対して回転軸Ａｘ方向（以下、「軸方向」と記載）の一方側に設けられる。図１に示すセンサ１００は、外輪固定部材１２５と、内輪固定部材１２６と、第１磁気トラック３１と、第２磁気トラック３１０と、第１ヨーク２４と、第２ヨーク２４０と、第１センサ部２２と、第２センサ部２２０と、ガイド部材１２７とを備える。外輪固定部材１２５、内輪固定部材１２６、第１磁気トラック３１、第２磁気トラック３１０、第１センサ部２２、第２センサ部２２０、第１ヨーク２４及び第２ヨーク２４０の形状は、回転軸Ａｘを中心とする中空を内側として、回転軸Ａｘを中心とする環状の形状を含む。

外輪固定部材１２５は、外輪１２１に固定される部材である。図１に示す外輪固定部材１２５は、環状の段差部１２５ａによって外輪１２１に固定される。段差部１２５ａは、回転軸Ａｘに直交する平面に沿う外輪１２１の側面と、外輪１２１の内周側の面とに噛み合う。内輪固定部材１２６は、内輪１２２に固定される部材である。図１に示す内輪固定部材１２６は、環状の段差部１２６ａによって内輪１２２に固定される。段差部１２６ａは、回転軸Ａｘに直交する平面に沿う内輪１２２の側面と、内輪１２２の内周側の面とに噛み合う。

回転軸Ａｘに直交する板状の環を形成している外輪固定部材１２５の内周部１２５ｂは、内輪固定部材１２６の円筒状の内周部１２６ｂに対して径方向の外側に位置する。外輪固定部材１２５の外周部１２５ｃは、円筒状の縁を有し、回転軸Ａｘに直交する板状の環を形成している内輪固定部材１２６の外周部１２６ｃに対して径方向の外側に位置する。内周部１２５ｂは、軸方向について、軸受１２０と外周部１２６ｃとの間に位置する。

外輪固定部材１２５及び内輪固定部材１２６は例えば樹脂製であるが、磁気的な影響を周囲に与えない素材であれば外輪固定部材１２５及び内輪固定部材１２６の材料として採用可能である。

第１磁気トラック３１は、回転軸Ａｘに直交する平面に沿う外周部１２６ｃの側面のうち外輪固定部材１２５側の側面に固定される。第２磁気トラック３１０は、回転軸Ａｘに直交する平面に沿う保持器１２４の側面に固定される。第２磁気トラック３１０が固定される側面は、センサ１００に対して軸受１２０が設けられている側の側面であるすなわち、第１磁気トラック３１と第２磁気トラック３１０とは内周部１２５ｂを挟んで対向する位置関係である。

第１ヨーク２４及び第２ヨーク２４０は、金属、合金又は酸化物の磁性体である。回転軸Ａｘに直交する平面に沿う内周部１２５ｂの側面に固定される。第１ヨーク２４は、第１磁気トラック３１と対向する側の面に固定される。第２ヨーク２４０は、第２磁気トラック３１０と対向する側の面に固定される。第１センサ部２２は、第１ヨーク２４を介して内周部１２５ｂに固定されて第１磁気トラック３１と対向する。第２センサ部２２０は、第２ヨーク２４０を介して内周部１２５ｂに固定されて第２磁気トラック３１０と対向する。なお、図２の分解斜視図では、第２ヨーク２４０の図示を省略している。

図２に示すように、第１センサ部２２は、径方向の外側に延出する第１配線接続部２２Ｔを有する。また、第２センサ部２２０は、径方向の外側に延出する第２配線接続部２２０Ｔを有する。ガイド部材１２７は、第１配線接続部２２Ｔと第２配線接続部２２０Ｔを内側に挿通可能に設けられた枠体である。ガイド部材１２７は、外輪固定部材１２５の外周側に設けられた切欠部１２５ｄに嵌め込まれるように固定される。

実施形態の軸受１２０は、外輪１２１が固定され、内輪１２２が外輪１２１に対して回転軸Ａｘを中心に回転する。これに伴い、内輪固定部材１２６及び内輪固定部材１２６に固定された第１磁気トラック３１が回転する。一方、第１センサ部２２は、第１ヨーク２４及び外輪固定部材１２５を介して外輪１２１に固定されている。このため、第１磁気トラック３１は、第１センサ部２２に対して回転軸Ａｘを中心として回転する。

また、転動体１２３は、内輪１２２の回転に伴って公転する。これに伴い、保持器１２４及び保持器１２４に固定された第２磁気トラック３１０が回転する。一方、第２センサ部２２０は、第２ヨーク２４０及び外輪固定部材１２５を介して外輪１２１に固定されている。このため、第２磁気トラック３１０は、第２センサ部２２０に対して回転軸Ａｘを中心として回転する。

第１磁気トラック３１と第２磁気トラック３１０は、円周方向に磁極対３１１が並ぶ磁石として機能する（図３参照）。第１センサ部２２は、第１磁気トラック３１の回転に応じて起電力を生じるセンサ基板２０，２０Ａ（図４参照）を含む。第１センサ部２２に生じた起電力は、第１磁気トラック３１の回転に応じて出力される信号として機能する。また、第２センサ部２２０は、第２磁気トラック３１０の回転に応じて起電力を生じるセンサ基板２０，２０Ａを含む。第２センサ部２２０に生じた起電力は、第２磁気トラック３１０の回転に応じて出力される信号として機能する。

内輪１２２の回転速度と、転動体１２３の公転速度とは異なる。このため、第１センサ部２２に対する第１磁気トラック３１の回転速度と、第２センサ部２２０に対する第２磁気トラック３１０の回転速度とは異なる。第１センサ部２２から得られる信号と、第２センサ部２２０から得られる信号とに基づいて、内輪１２２の回転速度に関する情報と、転動体１２３の公転速度に関する情報とを個別に得られる。

図３は、第１磁気トラック３１及び第２磁気トラック３１０の構成例を示す平面図である。第１磁気トラック３１は、軸受１２０の回転軸Ａｘを中心とする環状の部材である。第１磁気トラック３１は、Ｎ極３１ＮとＳ極３１Ｓとからなる磁極対３１１を複数有する。複数の磁極対３１１は、円周方向に並んでいる。Ｎ極３１Ｎ及びＳ極３１Ｓは、交互に配置されている。

実施形態の第１磁気トラック３１は、金属製の基材の一方の面にプラスチックマグネットが形成され、形成されたプラスチックマグネットの表面にＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとが交互に着磁されたものである。第２磁気トラック３１０の構成も、図３を参照して説明した第１磁気トラック３１の構成と同様である。

図４は、第１センサ部２２及び第２センサ部２２０に設けられたセンサ基板２０の位相とセンサ基板２０Ａの位相との関係を示す模式的な平面図である。図５は、センサ基板２０の構成例を示す平面図である。図５では、センサ基板２０に第１磁気トラック３１を重ねた状態を示している。

第１センサ部２２及び第２センサ部２２０は、センサ基板２０に設けられた第１ＦＧパターン２３と、センサ基板２０Ａに設けられた第２ＦＧパターン２３Ａとを含む。以下、センサ基板２０を例として図５を参照して説明する。

図５に示すように、センサ基板２０は、フレキシブル基板２１と、フレキシブル基板２１に設けられた第１ＦＧパターン２３とを有する。

フレキシブル基板２１は、回転軸Ａｘを中心とする環状の平面部を有するＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）である。第１ＦＧパターン２３は、フレキシブル基板２１の平面部を回転軸Ａｘに直交する平面に沿わせた場合に円周方向に延びる複数の第１導電部２３１と、第１導電部２３１と平面視で交差するように径方向に延びる複数の第２導電部２３２と、を有する。第１導電部２３１は、相対的に径方向の内周側に配置される内周導電部２３１Ａと、相対的に径方向の外周側に配置される外周導電部２３１Ｂとを含む。内周導電部２３１Ａと第２導電部２３２と外周導電部２３１Ｂと第２導電部２３２とが交互に直列に接続されて１周期を形成する導電部のパターンが円周方向に複数直列に周期的に配置されることで第１ＦＧパターン２３を形成する。

第１ＦＧパターン２３は、絶縁体の所定の面上にパターニングされて設けられた導電体のパターンである。実施形態においては、導電体のパターンが絶縁体の複数の面上に形成されている。これに限られず、導電体のパターンが絶縁体の１つの面上に形成されていてもよい。

実施形態では、図５に示すように、２つの第２導電部２３２の間に穴２５が１つずつ設けられている。穴２５は、内周導電部２３１Ａに対して径方向の内周側に位置する第１穴２５Ａと、外周導電部２３１Ｂに対して径方向の内周側に位置する第２穴２５Ｂとを有する。第１穴２５Ａと第２穴２５Ｂは、回転軸Ａｘに対して等距離に配置される。円周方向に隣り合う一方の穴２５（例えば、第１穴２５Ａ）と他方の穴２５（例えば、第２穴２５Ｂ）との間の中間に、１つの第２導電部２３２が配置される。

円周方向に隣り合う穴２５の中心間の回転軸Ａｘを中心とした角度２５ｐと、円周方向に隣り合う第２導電部２３２の中心間の回転軸Ａｘを中心とした角度２３ｐは、等しい。また、第１磁気トラック３１において１つのＮ極３１Ｎが設けられる回転軸Ａｘを中心とした角度３１Ｌ１と、１つのＳ極３１Ｓが設けられる回転軸Ａｘを中心とした角度３１Ｌ１は、等しい。また、第１磁気トラック３１において円周方向に隣り合うＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとの回転軸Ａｘを中心とした角度３１ｐ（図３参照）は、角度２５ｐと等しい。また、実施形態では、角度２５ｐ、角度２３ｐ、角度３１ｐ、角度３１Ｌ１、角度３１Ｌ１は全て等しい。

図６は、図５に示す第１センサ部２２のＶＩ−ＶＩ断面図である。実施形態のセンサ基板２０は、厚さ方向に積層された複数層のフレキシブル基板２１の各々に設けられた複数層に渡る平面コイル２３Ｃから２３Ｈを含む第１ＦＧパターン２３とを含む。

図６に示す例では、６層のフレキシブル基板２１Ｃから２１Ｈを含むフレキシブル基板２１と、厚さ方向に積層された６層の平面コイル２３Ｃから２３Ｈを含む第１ＦＧパターン２３と、を有する。平面コイル２３Ｃから２３Ｈにおいて、厚さ方向で隣り合う平面コイル間にはフレキシブル基板２１が配置されている。また、フレキシブル基板２１Ｄから２１Ｈには穴２５が設けられている。

平面コイル２３Ｃから２３Ｈの平面視による形状は、互いに同一である。平面コイル２３Ｃから２３Ｈは、それぞれ複数の第１導電部２３１と複数の第２導電部２３２とを有する（図５参照）。また、平面コイル２３Ｃから２３Ｈは、端子２８，２９（図４参照）において、互いに接続されている。つまり、平面コイル２３Ｃから２３Ｈは、互いに並列又は直列に接続されている。

また、フレキシブル基板２１Ｈ上には絶縁層２７が設けられている。第１ＦＧパターン２３のうち、最上層に位置する平面コイル２３Ｆは絶縁層２７で覆われている。なお、フレキシブル基板２１及び第１ＦＧパターン２３は、単層であってもよい。センサ基板２０の積層数及び回転軸Ａｘを中心とした円弧の長さは必要な信号強度に応じて適宜変更可能である。

実施形態では、第１穴２５Ａの位置を通る磁束密度の変化の位相と、第２穴２５Ｂの位置を通る磁束密度の変化の位相は、１８０度（°）ずれた状態となる。

第１磁気トラック３１が保持器１２４の回転に伴って回転すると、第１センサ部２２の穴２５と対向する磁極が交互に替わる。これにより、穴２５の位置を通る磁束密度が周期的に変化する。この磁束密度の周期的な変化に応じて、穴２５の周りに位置する第１ＦＧパターン２３に起電力が生じる。この起電力による電気的変化は、第１ＦＧパターン２３の両端に設けられた端子２８，２９から電気信号として検出可能になる。

以上、図４〜図６を参照してセンサ基板２０の構成について説明したが、センサ基板２０Ａも、センサ基板２０と同様の構成を有する。ただし、図４に示すように、センサ基板２０の第１ＦＧパターン２３とセンサ基板２０Ａの第２ＦＧパターン２３Ａとは位相が異なる。第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａとの位相のずれに対応する角度Ｒは、円周方向に隣り合う第２導電部２３２の中心間の回転軸Ａｘを中心とした角度２３ｐの半分の角度である。また、図４では第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａとを重ねて図示しているが、実際には、図６に示すように、第２ＦＧパターン２３Ａを構成する平面コイル２３Ｉから２３Ｎ、これらの平面コイル２３Ｉから２３Ｎが設けられるフレキシブル基板２１Ｉから２１Ｎ及びフレキシブル基板２１Ｎ上の絶縁層２７Ａは、センサ基板２０に積層される。また、第２ＦＧパターン２３Ａの端子２８Ａ，２９Ａは、端子２８，２９とは別個に設けられている。すなわち、第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａとは、電気的に独立している。

なお、図４及び図６に示すように、実施形態の第２ＦＧパターン２３Ａは第１ＦＧパターン２３よりも径方向の内周側に位置しているが、第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａの径方向の位置関係は適宜変更可能である。例えば、第２ＦＧパターン２３Ａは第１ＦＧパターン２３よりも径方向の外周側に位置していてもよい。

図７は、第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａが出力する信号の関係を示す模式的なグラフである。内輪１２２の回転に伴って第１磁気トラック３１が回転すると、第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａにそれぞれ起電力が生じる。ここで、第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａは、角度Ｒによる位相のずれがある。このため、第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａの一方が出力する信号の位相と他方が出力する信号の位相とは、図７の信号Ｗと信号ＷＡとの関係が示すように、９０度（°）ずれる。なお、第２磁気トラック３１０と第２センサ部２２０の第１ＦＧパターン２３及び第２ＦＧパターン２３Ａとの関係は、これまで説明した第１磁気トラック３１と第１センサ部２２の第１ＦＧパターン２３及び第２ＦＧパターン２３Ａとの関係と同様である。

図８は、センサ付き軸受１と信号処理装置７０との接続関係を示す模式図である。センサ付き軸受１と信号処理装置７０は、アキシアル荷重算出システム９９を構成する。第１センサ部２２の端子２８，２９と端子２８Ａ，２９Ａは、第１配線接続部２２Ｔに接続された信号線２２Ｌを介して系統別に信号処理装置７０と接続される。信号線２２Ｌは、第２配線接続部２２０Ｔに接続された第１センサ部２２に設けられている第１ＦＧパターン２３で生じた起電力による信号と、第２ＦＧパターン２３Ａで生じた起電力による信号とを個別に伝送する。第２センサ部２２０の端子２８，２９と端子２８Ａ，２９Ａは、信号線２２０Ｌを介して系統別に信号処理装置７０と接続される。信号線２２０Ｌは、第２センサ部２２０に設けられている第１ＦＧパターン２３で生じた起電力による信号と、第２ＦＧパターン２３Ａで生じた起電力による信号とを個別に伝送する。

図９は、信号処理装置７０の主要機能構成を示すブロック図である。信号処理装置７０は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換部７１と、データ記憶部７２と、演算部７３と、出力部７４とを備える。

Ａ／Ｄ変換部７１は、信号線２２Ｌ及び信号線２２０Ｌを介して伝送される電圧によるアナログ信号をデジタル信号に変換して演算部７３に出力するＡ／Ｄ変換器として機能する回路である。実施形態では、ｎ回目の検出タイミングと（ｎ＋１）回目の検出タイミングとのインターバルは、Ａ／Ｄ変換部７１によるＡ／Ｄ変換周期に対応する。

データ記憶部７２は、演算部７３が読み出し可能な形式でデータを記憶する。データ記憶部７２が記憶するデータは、内輪１２２の回転速度と転動体１２３の公転速度の組み合わせと、軸受１２０に加わるアキシアル荷重と、の対応関係に関するデータを含む。演算部７３は、回転速度算出部７３ａと、荷重算出部７３ｂとして機能する。回転速度算出部７３ａは、第１センサ部２２からの信号に基づいて、内輪１２２の回転速度を算出する。また、回転速度算出部７３ａは、第２センサ部２２０からの信号に基づいて、転動体１２３の公転速度を算出する。荷重算出部７３ｂは、内輪１２２の回転速度及び転動体１２３の公転速度とデータ記憶部７２に記憶されているデータとに基づいて、軸受１２０に加わるアキシアル荷重を算出する。

なお、演算部７３は、例えばＦＰＧＡのように予め回路上に実装されたアルゴリズムで演算を行う回路であるが、これに限られるものでない。演算部７３は、データ記憶部７２から回転速度算出部７３ａ及び荷重算出部７３ｂに対応する命令を含むソフトウェア・プログラムを読み出して実行処理するＣＰＵ（Central Processing Unit）のような演算装置を有していてもよい。その場合、データ記憶部７２は、当該ソフトウェア・プログラムをさらに記憶する。

出力部７４は、演算部７３の処理内容に応じた出力を行う。出力部７４による出力の形態は、信号処理装置７０が備える図示しない表示装置、音声出力装置等による出力であってもよいし、他のコンピュータで利用可能なデータの伝送出力であってもよい。

図１０は、図７に示す２つの信号Ｗ，ＷＡ同士の関係に対応するリサジュー図形である。第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａの一方が出力する信号の電圧を第１相出力電圧Ｕ（ｔ）とし、他方が出力する信号の電圧を第２相出力電圧Ｖ（ｔ）として、一方を横軸に、他方を縦軸にしたリサジュー図形を想定する。ｎ回目の検出タイミング（ｎは、自然数）における第１相出力電圧Ｕ（ｔ）をＵ（ｔ_ｎ）とする。ｎ回目の検出タイミングにおける第２相出力電圧Ｖ（ｔ）をＶ（ｔ_ｎ）とする。点ｎ（Ｕ（ｔ_ｎ），Ｖ（ｔ_ｎ））の位相θ_ｎラジアン［ｒａｄ］は、以下の式（１）のように表すことができる。

（ｎ＋１）回目の検出タイミングにおける点ｎ（Ｕ（ｔ_{（ｎ＋１）}），Ｖ（ｔ_{（ｎ＋１）}））の位相θ_{（ｎ＋１）}ラジアン［ｒａｄ］は、上述の式（１）のｎに（ｎ＋１）を代入することで表すことができる。ここで、ｎ回目の検出タイミングと（ｎ＋１）回目の検出タイミングとの間の経過時間に変化した出力の位相をｄθラジアン［ｒａｄ］とすると、ｄθラジアン［ｒａｄ］は以下の式（２）のように表すことができる。

また、ｎ回目の検出タイミングと（ｎ＋１）回目の検出タイミングとの間の経過時間をｄｔとし、第１磁気トラック３１が有する３６０度（°）範囲の磁極対３１１の数をＮとすると、信号Ｗと信号ＷＡを生じさせた原因となる磁極対３１１を有する構成（第１磁気トラック３１又は第２磁気トラック３１０）の回転速度［ｒｐｍ］は、以下の式（３）のように表すことができる。

このように、位相が異なる第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａとを含むことで、信号Ｗと信号ＷＡを生じさせた原因となる磁極対３１１を有する構成（第１磁気トラック３１又は第２磁気トラック３１０）の回転方向、所定の時間（例えばｄｔ）あたりの回転角度の変化、回転速度を求めることが可能な情報を得られる。回転速度算出部７３ａは、式（１）から式（３）を参照して説明したアルゴリズムで転動体１２３の公転及び内輪１２２の回転に関する各種の数値を算出する。

このように、第１磁気トラック３１の回転に応じて第１センサ部２２の第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａから得られた信号に基づいて、内輪１２２の回転に関する情報が得られる。また、第２磁気トラック３１０の回転に応じて第２センサ部２２０の第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａから得られた信号に基づいて、保持器１２４の回転、すなわち転動体１２３の公転に関する情報が得られる。このようにして得られた内輪１２２の回転と転動体１２３の公転に関する情報のうち、内輪１２２の回転速度［ｒｐｍ］と転動体１２３の公転速度［ｒｐｍ］との対応関係は、軸受１２０に加わるアキシアル荷重に対応する。

実施形態では、軸受１２０に予め定められたアキシアル荷重を加えた場合の内輪１２２の回転速度［ｒｐｍ］と転動体１２３の回転速度［ｒｐｍ］との比を取得する事前計測を、それぞれ異なる複数パターンのアキシアル荷重について個別に行う。このような事前計測によって得られたアキシアル荷重と比との関係を示すデータをデータ記憶部７２に記憶させる。そして、荷重算出部７３ｂは、回転速度算出部７３ａによって算出された内輪１２２の回転速度［ｒｐｍ］と転動体１２３の公転速度［ｒｐｍ］を取得し、その比を算出するとともにデータ記憶部７２を参照し、アキシアル荷重を導出する。

なお、ｎ回目の検出タイミングと（ｎ＋１）回目の検出タイミングとのインターバルは任意であるが、信号Ｗ，ＷＡの振幅周期に対して十分小さいことが望ましい。

以上説明したように、本実施形態によれば、センサ付き軸受１は、軸受１２０と、軸受１２０の内輪１２２の回転速度に応じた第１信号を出力する第１信号出力部５１と、軸受１２０が有する転動体１２３の保持器１２４の回転速度に応じた第２信号を出力する第２信号出力部５２とを備える。第１信号出力部５１は、円周方向にＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとが並ぶ第１磁気トラック３１と、第１磁気トラック３１と対向する位置で第１磁気トラック３１と相対移動可能に設けられる第１センサ部２２とを有する。第１磁気トラック３１は、内輪固定部材１２６を介して内輪１２２に固定される。第１センサ部２２は、第１磁気トラック３１からの磁束密度の変化に応じてそれぞれ振幅の位相が異なる信号Ｗ，ＷＡを出力する第１ＦＧパターン２３、第２ＦＧパターン２３Ａを含む。第２信号出力部５２は、円周方向にＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとが並ぶ第２磁気トラック３１０と、第２磁気トラック３１０と対向する位置で第２磁気トラック３１０と相対移動可能に設けられる第２センサ部２２０とを有する。第２磁気トラック３１０は、保持器１２４に固定される。第２センサ部２２０は、第２磁気トラック３１０からの磁束密度の変化に応じてそれぞれ振幅の位相が異なる信号Ｗ，ＷＡを出力する第１ＦＧパターン２３、第２ＦＧパターン２３Ａを含む。第１ＦＧパターン２３、第２ＦＧパターン２３Ａはそれぞれ、本実施形態の出力部として機能する。

従って、第１センサ部２２から内輪１２２の回転速度に応じた情報を得られる。また、第２センサ部２２０から、保持器１２４の回転速度、すなわち転動体１２３の公転速度に応じた情報を得られる。また、これらの情報として機能する信号は、磁束密度の変化に応じて出力された振幅の位相が異なる信号Ｗ，ＷＡを含む。このため、回転速度及び公転速度に関する情報に限らず、回転方向及び公転方向、ｎ回目の検出タイミングと（ｎ＋１）回目の検出タイミング間の回転角度及び公転角度も把握可能な情報を得られる。また、単一位相の場合に比して、回転速度等を算出不可能な情報が重複するタイミング（連続する２回のタイミングで全ての位相が完全同一になる）可能性をより低減することができるため、情報の精度がより高まる。

また、第１ＦＧパターン２３及び第２ＦＧパターン２３Ａは、円周方向に延びる複数の第１導電部２３１と、径方向に延びる複数の第２導電部２３２とを含む導線である。第１導電部２３１と第２導電部２３２は交互に直列に接続される。従って、第１磁気トラック３１又は第２磁気トラック３１０と対向する導線に生じる起電力を信号に利用することで導線に信号を出力させることができることから、第１センサ部２２及び第２センサ部２２０をより簡便な構成にすることができる。

また、第１ＦＧパターン２３及び第２ＦＧパターン２３Ａは、回転軸Ａｘを中心とする円の半周以上の範囲に設けられている。従って、回転運動により生じ得る内輪１２２、保持器１２４の振れ回り振動が第１磁気トラック３１、第２磁気トラック３１０と導線との位置関係に与える影響をより低減することができる。このため、第１磁気トラック３１又は第２磁気トラック３１０と対向する導線に生じる起電力をより安定させることができ、信号の精度をより向上させることができる。

また、第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａは、絶縁層２７により絶縁されて積層される。

従って、位相が異なる信号を出力する第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａを１つの積層体に設けることができ、第１センサ部２２及び第２センサ部２２０をよりコンパクトにすることができる。

また、本実施形態によれば、アキシアル荷重算出システム９９は、センサ付き軸受１と、第１信号及び第２信号に基づいて軸受１２０に加わるアキシアル荷重を求める信号処理装置７０とを備える。信号処理装置７０は、内輪１２２の回転速度と保持器１２４の回転速度とアキシアル荷重との関係を示すデータを記憶するデータ記憶部７２と、異なるタイミングに出力された複数の第１信号に基づいて内輪１２２の回転速度を算出し、異なるタイミングに出力された複数の第２信号に基づいて保持器１２４の回転速度を算出し、算出した内輪１２２の回転速度と保持器１２４の回転速度に基づいてデータ記憶部７２のデータを参照してアキシアル荷重を求める演算部７３とを備える。なお、本実施形態における第１信号は、第１センサ部２２から出力される信号である。また、第２信号は、第２センサ部２２０から出力される信号である。従って、内輪１２２の回転速度を示す情報と転動体１２３の公転速度を示す情報に基づいて、アキシアル荷重を求めることができる。

なお、第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａは、位相がずれた２つの信号を出力する他の構成に置換可能である。例えば、円周方向に並ぶ複数の磁極対３１１の配置周期に対して、隣接するホールセンサ同士の位相のずれが角度Ｒである複数のホールセンサを設け、これらのホールセンサから出力される信号のうち２つをＵ（ｔ）、Ｖ（ｔ）として扱ってもよい。ホールセンサは２つであってもよいし、３つ以上あってもよい。その場合、いずれか２つのホールセンサから得られた信号を選択的に採用してもいし、３つ以上の数（ｍ）のホールセンサのうち２つのホールセンサから得られる信号の組み合わせ（_ｍＣ_２）を複数パターン設定して情報の確からしさをより高めるようにしてもよい。

また、実施形態では第１磁気トラック３１、第２磁気トラック３１０が回転する物（転動体１２３、内輪固定部材１２６）に設けられ、第１センサ部２２、第２センサ部２２０が固定される物（外輪１２１に固定された外輪固定部材１２５）に設けられているが、第１磁気トラック３１、第２磁気トラック３１０と第１センサ部２２、第２センサ部２２０の関係は逆であってもよい。すなわち、第１磁気トラック３１、第２磁気トラック３１０が回転する物に設けられ、第１センサ部２２、第２センサ部２２０が固定されていてもよい。この場合、第１磁気トラック３１、第２磁気トラック３１０から信号を無線送信するための無線通信部を設ける等、回転角度に関わらず信号を得られる手段を設けることが望ましい。

また、実施形態では、保持器１２４に第２磁気トラック３１０が取り付けられていたが、これに限られるものでない。例えば、保持器１２４の側面が着磁されて磁気トラックとして機能するようにしてもよい。また、センサ１００は、軸受１２０に固定されていなくてもよい。例えば、内輪固定部材１２６と内輪１２２とが共通のシャフトに固定されている構成であってもよい。すなわち、シャフトを介して内輪固定部材１２６と内輪１２２とが連結されていてもよい。

また、第１センサ部２２に設けられている穴２５に対応する位置で穴２５の内側に入り込むように設けられた突出部を第１ヨーク２４に設けてもよい。これによって、第１センサ部２２と第１ヨーク２４との位置決めができる。また、磁性体の突出部が穴２５の内側に設けられることで、第１磁気トラック３１からの磁束を還流させることができる。同様に、第２センサ部２２０に設けられている穴２５の内側に入り込むように設けられた突出部を第２ヨーク２４０に設けてもよい。

また、第１ヨーク２４及び第２ヨーク２４０は省略可能である。すなわち、外輪固定部材１２５に第１センサ部２２及び第２センサ部２２０を取り付けてもよい。この場合、上述の第１ヨーク２４、第２ヨーク２４０と同様、第１センサ部２２、第２センサ部２２０に設けられている穴２５に対応する位置で穴２５の内側に入り込むように設けられた突出部を外輪固定部材１２５の内周部１２５ｂに設けてもよい。また、第１センサ部２２及び第２センサ部２２０の穴２５はなくてもよい。

また、磁束密度の変化に応じてそれぞれ振幅の位相が異なる信号を出力する複数の出力部（例えば、第１ＦＧパターン２３と第２ＦＧパターン２３Ａの両方）を含むのは、第１センサ部２２又は第２センサ部２２０のいずれか一方であってもよい。この場合、他方は、単相の信号を出力する１つの出力部（例えば、第１ＦＧパターン２３又は第２ＦＧパターン２３Ａのいずれか一方）を含む。

第１センサ部２２及び第２センサ部２２０の両方が複数の出力部を含む場合、両方から得られる複数の出力部からの信号の検出タイミングを同一にすることで、当該同一タイミングにおける内輪１２２の回転速度［ｒｐｍ］と保持器１２４の回転速度［ｒｐｍ］とを比較できる。一方、複数の出力部を含むのが第１センサ部２２又は第２センサ部２２０のいずれか一方であっても、他方が含む１つの出力部からの信号の検出周期を一方に比して十分小さくすることで、第１センサ部２２及び第２センサ部２２０の両方が複数の出力部を含む場合と同様に、内輪１２２の回転速度［ｒｐｍ］と保持器１２４の回転速度［ｒｐｍ］とを比較できる。従って、複数の出力部を含むのが第１センサ部２２又は第２センサ部２２０のいずれか一方であっても、第１センサ部２２及び第２センサ部２２０の両方が１つの出力部を含む場合に比して、アキシアル荷重を算出する精度をより向上させることができる。

１センサ付き軸受
２２第１センサ部
２３第１ＦＧパターン
２３Ａ第２ＦＧパターン
２７絶縁層
３１第１磁気トラック
５１第１信号出力部
５２第２信号出力部
７０信号処理装置
７２データ記憶部
７３演算部
９９アキシアル荷重算出システム
１００センサ
１２０軸受
１２１外輪
１２２内輪
１２３転動体
１２４保持器
２２０第２センサ部
２３１第１導電部
２３２第２導電部
３１０第２磁気トラック

Claims

軸受の内輪の回転速度に応じた第１信号を出力する第１信号出力部と、
前記軸受が有する転動体の保持器の回転速度に応じた第２信号を出力する第２信号出力部とを備えるセンサであって、
前記第１信号出力部は、
前記軸受の回転軸を中心とする円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第１磁気トラックと、
前記第１磁気トラックと対向する位置で前記第１磁気トラックと相対移動可能に設けられる第１センサ部とを有し、
前記第１磁気トラック又は前記第１センサ部は、前記内輪に固定され、
前記第１センサ部は、前記第１磁気トラックからの磁束密度の変化に応じてそれぞれ振幅の位相が異なる信号を出力する複数の出力部を含み、
前記第２信号出力部は、
前記軸受の回転軸を中心とする円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第２磁気トラックと、
前記第２磁気トラックと対向する位置で前記第２磁気トラックと相対移動可能に設けられる第２センサ部とを有し、
前記第２磁気トラック又は前記第２センサ部は、前記保持器に固定され、
前記第２センサ部は、前記第２磁気トラックからの磁束密度の変化に応じてそれぞれ振幅の位相が異なる信号を出力する複数の出力部を含む
センサ。
軸受の内輪の回転速度に応じた第１信号を出力する第１信号出力部と、
前記軸受が有する転動体の保持器の回転速度に応じた第２信号を出力する第２信号出力部とを備えるセンサであって、
前記第１信号出力部は、
前記軸受の回転軸を中心とする円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第１磁気トラックと、
前記第１磁気トラックと対向する位置で前記第１磁気トラックと相対移動可能に設けられる第１センサ部とを有し、
前記第１磁気トラック又は前記第１センサ部は、前記内輪に固定され、
前記第２信号出力部は、
前記軸受の回転軸を中心とする円周方向にＮ極とＳ極とが並ぶ第２磁気トラックと、
前記第２磁気トラックと対向する位置で前記第２磁気トラックと相対移動可能に設けられる第２センサ部とを有し、
前記第２磁気トラック又は前記第２センサ部は、前記保持器に固定され、
前記第１センサ部又は前記第２センサ部は、磁束密度の変化に応じてそれぞれ振幅の位相が異なる信号を出力する複数の出力部を含む
センサ。
前記第１磁気トラック及び前記第１センサ部のうち、一方は前記内輪に固定され、他方は前記軸受の外輪に固定されている
請求項１又は２に記載のセンサ。
前記第２磁気トラック及び前記第２センサ部のうち、一方は前記保持器に固定され、他方は前記軸受の外輪に固定されている
請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ。
前記出力部は、前記回転軸を中心とする円周方向に延びる複数の第１導電部と、前記回転軸を中心とする円の径方向に延びる複数の第２導電部とを含む導線であり、
前記第１導電部と前記第２導電部は交互に直列に接続される
請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ。
前記出力部は、前記回転軸を中心とする円の半周以上の範囲に設けられている
請求項５に記載のセンサ。
前記複数の出力部は、前記位相が異なる信号を出力する２つの前記出力部同士の間が絶縁されて積層される
請求項５又は６に記載のセンサ。
軸受と、
請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサとを備える
センサ付き軸受。
請求項８に記載のセンサ付き軸受と、
前記第１信号及び前記第２信号に基づいて前記軸受に加わるアキシアル荷重を求める信号処理装置とを備え、
前記信号処理装置は、
前記内輪の回転速度と前記保持器の回転速度と前記アキシアル荷重との関係を示すデータを記憶する記憶部と、
異なるタイミングに出力された複数の前記第１信号に基づいて前記内輪の回転速度を算出し、異なるタイミングに出力された複数の前記第２信号に基づいて前記保持器の回転速度を算出し、算出した前記内輪の回転速度と前記保持器の回転速度に基づいて前記データを参照して前記アキシアル荷重を求める演算部とを備える
アキシアル荷重算出システム。