JP4325381B2 - モータ用センサ付き転がり軸受 - Google Patents

Description

本発明は、転がり軸受の内輪あるいは外輪に一体に固定された回転部材の回転数あるいは回転速度の少なくとも一方を検知するためのセンサ付き転がり軸受に関する。

センサ付き転がり軸受は、磁気感応センサとマグネット等の被検出部材を外輪又は内輪にそれぞれ固定して構成されている。センサ付き転がり軸受を開示している先行技術文献としては以下のものが挙げられる。

特開平７−３１１２１２号公報（第２〜３頁、図１） 特開平１０−３１１７４０号公報（第２〜３頁、図１） 特開２００２−１７４２５８号公報（図１）

図７は、特許文献１に開示のセンサ付き転がり軸受を示す図である。このセンサ付き転がり軸受は、センサキャリア１２３に埋設されたセンサ１２１が、センサ保持装置１２５を介して外輪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て構成されている。
また、被検出部材が、内輪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、センサ１２１と対向している。

図８は、特許文献２に開示のセンサ付き転がり軸受を示す図であり、このセンサ付き転がり軸受は、外輪外径に段部を設け、この段部に環状のホルダーを取り付け、このホルダーにセンサまたは被検出部材が固定されている。

ところで、図７及び図８に示すセンサ付き転がり軸受は、モータ等の磁気ノイズが発生する部材の近傍に配置されることが多い。
このように、センサ付き転がり軸受を、磁気ノイズが発生する部材の近傍に配置した場合、外部のノイズに起因する外部磁界で、センサ付き転がり軸受の被検出部材が形成する磁界を乱してしまうことが考えられる。
このため、これらのセンサ付き転がり軸受では、被検出部材によって形成された磁界を正確に検出することができない虞がある。

この対策として、外部磁気を遮断するために、様々な技術が提案されている。例えば、図９（特許文献３）に示すセンサ付き転がり軸受２５０は、センサ部２５１の磁気バイパスや、センサ固定リング２５２に切欠き窓２５３を設けて、漏洩磁束のループを遮断するものである。
しかし、このセンサ付き転がり軸受２５０においても、強磁界下ではその効果が十分とはいえない。

本発明は、磁気ノイズが発生する環境においても正常に動作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。

前述した目的を達成するために、本発明は、内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に介在する転動体と、前記内輪に取り付けられる磁性体からなる円環状のマグネットホルダと、該マグネットホルダに保持される円環状の多極磁石と、前記外輪に取り付けられる磁性体からなる円環状のセンサホルダと、該センサホルダに配置されたセンサハウジングと、該センサハウジングに保持され、前記多極磁石と対向する磁気感応センサと、を有し、モータ軸を支持するモータ用センサ付き転がり軸受であって、
前記センサホルダが前記多極磁石及び磁気感応センサを軸方向外方及び径方向外方にて覆うように形成され、
前記マグネットホルダは、前記内輪及び前記外輪間に形成される軸受空間を塞ぐように、前記外輪に向けて延出し、且つ、前記マグネットホルダの延出した先端部は、前記センサハウジングの外径側に保持された前記磁気感応センサと対向する前記多極磁石を内側に保持しており、
前記外輪に取り付けられる前記センサホルダは、前記外輪の外周面に沿った円周上に形成された凹状溝に前記円周上に等間隔で、且つ、Ｚ＋Ｘ（ここで、Ｚ：転動体の数、Ｘ：２以上の整数）を満たす素数が加締め箇所の数となるように加締め固定され、
前記多極磁石を希土類磁石としたことを特徴としている。

請求項１記載のセンサ付き転がり軸受によれば、磁性体である取付け部材は、外部磁場に対する磁気シールドとして機能し、被磁気検出部及び磁気感応センサへの外部磁場の影響を低減する。
加えて、多極磁石の材質を希土類とすることで、外部からの漏洩磁束を一層効果的に遮断できる。
従って、磁気感応センサの検出精度を向上し、正確な測定を行うことが可能となる。

また、本発明は、前記センサ付き転がり軸受を、モータなどの回転装置の支持軸受としたことを特徴としている。

センサ付き転がり軸受を、モータなどの回転装置の支持軸受とすることで、回転装置のモータロータから生じる漏洩磁束を、磁性体である取付け部材が遮断する。
一方、磁性体である取付け部材の隙間から磁束が漏れ出すことが考えられるが、多極磁石を、外部磁界に耐性をもつ希土類で形成したので、多極磁石が磁束の影響を受ける虞はない。これにより、モータなどの回転装置に漏洩磁束で誤作動が生じることを防ぐ。

本発明のセンサ付き転がり軸受によれば、モータ等により磁気ノイズが発生する環境においても正常に動作させることができるという効果が得られる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るセンサ付き転がり軸受を示す断面図、図２はセンサホルダの加締方法を示す図、図３は磁気感応センサ及びセンサ位置決め部材を示す断面図、図４はマグネットの構造を示す断面図、図５は希土類磁石の特性を説明したグラフ、図６は本発明に係るセンサ付き転がり軸受をモータの支持軸受として適用した例を示す断面図である。

図１に示すセンサ付き転がり軸受１０は、軸に外嵌する内輪１１と、ハウジングに内嵌する外輪１２と、内輪１１の外径面及び外輪１２の内径面にそれぞれ形成された内輪軌道１１ａ及び外輪軌道１２ａに沿って転動する転動体である玉１３と、玉１３を保持する保持器１４と、外輪１２の一側面近傍から内輪１１に向かって立設し、内輪１１及び外輪１２間に形成される軸受空間をカバーするカバー１５とを有している。本実施形態においては、外輪１２の外径面１２ｂの端部に、外輪１２の周方向に沿って凹状溝１６が形成されている。

内輪１１及び外輪１２の軸方向一端には、センサ付き転がり軸受１０のセンサとして機能するセンサ部３０が設けられている。センサ部３０は、取付け部材としてのセンサホルダ３１と、取付け部材としてのマグネットホルダ３２と、磁気感応センサ３３と、多極磁石としてのマグネット３４と、基板３６と、センサハウジング３７とから構成されている。

センサホルダ３１は、断面視コの字型形状を有する円環状の磁性部材である。センサホルダ３１は、一端部３１ａが外輪１２の外径面１２ｂに形成された凹状溝１６に加締められることにより固定されている。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、外輪１２の外径面１２ｂに形成された凹状溝１６にセンサホルダ３１の一端部３１ａを加締固定する一つの方法を示す図である。
加締め機１００には、加締め用ねじ１０１が、環状のセンサホルダ３１の円周方向に沿って等間隔に、すなわち等角度配置でｎＺ±Ｘの箇所設けられている。例えば、ｎＺ＋Ｘの箇所に設けられている。加締め機１００は、各加締めねじ１０１を締め込むことで、加締めねじ１０１ａの先端１０１ａがセンサホルダ３１の一端部３１ａを凹状溝１６ｂに加締固定する。

ここで、ｎは、正の整数、例えば、１とし、Ｚは、軸受のボール数、Ｘは、２以上の整数である。すなわち加締め箇所の数は、素数であることが好ましい。
また、加締め固定されるセンサホルダとしては、図２（ｃ）に示すように一端部に切欠きが等間隔に設けられたセンサホルダ１３１を用いることも可能である。

転がり軸受において、内輪軌道又は外輪軌道に比較的大きな山の高さを持ったうねりがあると、異音が発生したり一定周波数で軸受が振動したりすることがある。
このようなうねりがある軸受を軸に組み込んだ場合には、軸は特殊なふれまわり運動を行ってしまい、実用上好ましくない。ここで、異音や振動は、うねりの数がｎＺ、ｎＺ±１の場合に発生する。

加締めは、軸受の外輪または内輪を変形させ、内輪又は外輪にｎＺ、ｎＺ±１個のうねりを発生させる恐れがある。従って、本実施形態では、ｎＺ、ｎＺ±１個のうねりを生じさせないように、加締め箇所数をｎＺ±Ｘ（Ｘは２以上）、例えば、Ｚ＋Ｘ（Ｘは２以上）を満たす素数とすることにより、振動の発生を予防している。

図１に示すセンサホルダ３１は、底部３１ｂに環状のセンサハウジング３７を備える。このセンサハウジング３７の外周を、センサホルダ３１の内周３１ｃに沿って円弧状に形成されている。
このセンサハウジング３７の所定箇所に磁気感応センサ３３を保持している。磁気感応センサ３３は、基板３６に信号線３９を介して接続されている。基板３６は、磁気感応センサ３３と同様に、センサハウジング３７に内蔵されている。
この基板３６には、磁気感応センサ３３の出力を出力するケーブル線３８が接続され、ケーブル線３８は外部に延長されている。

一方、マグネットホルダ３２は、先端部３２ａが磁気感応センサ３３と略平行になるように折り曲げられた円環状の磁性部材である。
本実施形態においては、マグネットホルダ３２は、基端部３２ｂが内輪１１の内径面１１ｂの嵌合溝１１ｃに圧入固定されている。
マグネットホルダ３２は、内輪１１から軸受空間を塞ぐように外輪１２側に延出しており、軸受空間を覆うカバーとしても機能している。

マグネットホルダ３２の先端部には、磁気感応センサ３３と対向する内径側にマグネット３４が配置されている。この配置により、センサホルダ３１とマグネットホルダ３２は、磁気感応センサ３３とマグネット３４を外界に曝されないような位置に保持している。具体的に、センサホルダ３１は、その底部３１ｂが磁気感応センサ３３とマグネット３４の軸方向外方に設けられ、その内周３１ｃが磁気感応センサ３３とマグネット３４の径方向外方に設けられて、磁気感応センサ３３とマグネット３４を軸方向外方及び径方向外方にて覆うように形成される。
ここで、センサホルダ３１とマグネットホルダ３２は、磁性材で構成されているため、磁気ノイズに起因する磁界の変化が磁気感応センサ３３とマグネット３４に伝達させないための磁気シールドとして機能する。

図３は、磁気感応センサ３３及びセンサハウジング３７の一部を示す断面図である。センサハウジング３７は、センサホルダ３１上に配置された円環状の部材である。センサハウジング３７は、軸の回転中心と同心となるように配置されている。
本実施形態のセンサハウジング３７は、外径面に磁気感応センサ３３を位置決め固定する３つの凹み３７ａが形成されており、各凹み３７ａ内には磁気感応センサ３３がそれぞれ内挿固定されている。

本実施形態では、磁気感応センサ３３は、センサハウジング３７の中心、即ち軸７の回転中心に対して所定角度間隔で同一円周上に配置されている。
なお、取り付けられる磁気感応センサ３３の数は、センサ付き転がり軸受の用途に応じて任意数に変更可能であり、センサハウジング３７に形成される凹み３７ａの数もセンサ数に応じて任意に変更可能である。
本実施形態の構成は、三相モータの各相の位相角を検出する構成であり、軸の回転数や回転速度を検出するためには、センサが最低一つあれば良く、回転方向もあわせて検出するためには、センサが二つあればよい。

図４は、マグネット３４の構造を示す断面図である。マグネット３４は、希土類（Ｓｍ−Ｃｏ磁石や、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石）の多極磁石である。
具体的には、マグネット３４は、その外径面がマグネットホルダ３２（図１参照）に固定され、磁気感応センサ３３及びセンサハウジング３７と対向している。
本実施形態では、マグネット３４は、それぞれ同一形状の８個のＮ極３４ａと８個のＳ極３４ｂが同一円周上にＮ極３４ａとＳ極３４ｂが交互となるように環状に接続されて構成されている。

マグネット３４は、センサハウジング３７（図３参照）と同様に、軸の回転中心と同心となるように配置されており、内輪１１（図１参照）の回転に伴い回転する。
マグネット３４は、センサハウジング３７と同心であるため、マグネット３４と各磁気感応センサ３３との距離は、マグネット３４の回転位置に関わらず変化しない。
各Ｎ極３４ａ及び各Ｓ極３４ｂは、磁束密度が磁気感応センサ３３の方向に強くなるように配置されている。
なお、マグネット３４が有する磁極の数は、磁気感応センサ３３の数同様にセンサ付き転がり軸受の使用状況に応じて任意数に変更可能である。

次に、図５のグラフに基づいて、マグネット３４を希土類磁石とした理由について説明する。希土類磁石とフェライト磁石について外部磁界に対する出力信号の精度について説明する。図５のグラフは縦軸が出力信号の精度を示し、横軸が外部磁界強度を示す。
図５のグラフｇ１に示すように、フェライト磁石のマグネットは、外部磁界強度がＱを超えると、出力信号の精度が急激に悪くなる。

これに対して、図５のグラフｇ２に示すように、希土類磁石のマグネット３４は、外部磁界強度が強くなっても、出力信号の精度を好適に保つことができる。
すなわち、希土類磁石のマグネット３４は、単位体積当たりの最大エネルギー積が大きく、外部磁界に対して耐性に優れ、強磁界下でも減磁し難いという特性を備えていることが分かる。

図３に示す磁気感応センサ３３は、マグネット３４が軸の回転と共に回転した際に、マグネット３４の各磁極が形成する磁界の強さを検出し、電気信号として出力する。
出力された電気信号は、図１に示す信号線３９を介して基板３６に送られ、所定の処理を施された後、ケーブル線３８を介して、外部に設置された測定装置（図示せず）に出力される。
この測定装置は、受け取った電気信号を基に、回転速度、回転数、回転方向、三相の位相角等の情報を得る。

図６は本発明に係るセンサ付き転がり軸受１０をモータ５０の支持軸受として適用した例を示す断面図である。
モータ５０は、ケーシング５１の内周にステータ５２が設けられるとともに、ケーシング５１に、センサ付き転がり軸受１０及び軸受５３を介して回転軸５４が回転自在に設けられ、回転軸にロータ５５が設けられている。
センサ付き転がり軸受１０を、モータ５０の支持軸受とすることで、ロータ５５から生じる漏洩磁束（磁気の流れを矢印で示す）を、センサホルダ（磁性体）３１やマグネットホルダ（磁性体）３２で遮断する。

ここで、磁性体であるセンサホルダ３１やマグネットホルダ３２の隙間から磁束が漏れ出すことが考えられるが、マグネット（多極磁石）３４を、外部磁界に耐性をもつ希土類で形成したので、マグネット（多極磁石）３４が磁束の影響を受ける虞はない。
これにより、漏洩磁束でモータ５０が誤作動することを防ぐ。

なお、図６では、センサ付き転がり軸受１０をモータ５０の支持軸受として適用した例について説明したが、これに限らないで、センサ付き転がり軸受１０をモータ５０以外の回転装置の支持軸受として適用しても同様の効果を得ることができる。
さらに、図６では、センサ付き転がり軸受１０をケーシング５１の内部に設けた例について説明したが、これに限らないで、センサ付き転がり軸受１０をケーシング５１の外部に設けても同様の効果を得ることができる。

加えて、図６ではモータ５０として電磁ブレーキを内蔵していないものを例に説明したが、電磁ブレーキを内蔵したモータの支持軸受としてセンサ付き転がり軸受１０を用いることも可能である。
この場合、電磁ブレーキからも漏洩磁束が生じるが、センサ付き転がり軸受１０を適用することで、漏洩磁束でモータ５０が誤作動することを防ぐことができる。

以上、本実施形態のセンサ付き転がり軸受１０では、磁性材を素材とするセンサホルダ３１及びマグネットホルダ３２は、外部磁界を遮蔽するため、外部磁界の変化が磁気感応センサ３３及びマグネット３４に影響する心配がない。よって、外部磁界の変化に影響されることなく、正確な測定を行うことが可能となる。

加えて、マグネット３４の材質を希土類とした。希土類磁石は、外部磁界に対して耐性を備えているので、マグネット３４は強磁界下でも減磁し難い。
これにより、磁気感応センサの検出精度が向上し、正確な測定を行うことが可能となる。
したがって、センサ付き転がり軸受１０は、自動車、鉄道車両、製鉄設備、工作機械等に用いられる軸の軸受として用い、各装置の軸の回転速度を検出することが可能である。

なお、前記実施形態では、センサホルダ３１を外輪１２に設け、マグネットホルダ３２を内輪１１に設けた例について説明したが、センサホルダ３１を内輪１１に設け、マグネットホルダ３２を外輪１２に設けることも可能である。
また、前記実施形態では、センサホルダ３１及びマグネットホルダ３２の両部材を磁性体とした例について説明したが、センサホルダ３１及びマグネットホルダ３２の少なくとも一方を磁性体とすることも可能である。

その他、前述した実施形態において例示した内輪１１，外輪１２，転動体１３，センサ部３０、センサホルダ３１，マグネットホルダ３２，磁気感応センサ３３，マグネット３４等の材質，形状，寸法，形態，数，配置個所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明に係るセンサ付き転がり軸受を示す断面図である。 センサホルダの加締方法を示す図である。 磁気感応センサ及びセンサ位置決め部材を示す断面図である。 マグネットの構造を示す断面図である。 希土類磁石の特性を説明したグラフである。 本発明に係るセンサ付き転がり軸受をモータの支持軸受として適用した例を示す断面図である。 特許文献１のセンサ付き転がり軸受を示す図である。 特許文献２のセンサ付き転がり軸受を示す図である。 特許文献３のセンサ付き転がり軸受を示す図である。

符号の説明

１０ センサ付き転がり軸受
１１ 内輪
１２ 外輪
１３ 転動体
３０ センサ部
３１ センサホルダ（取付け部材）
３２ マグネットホルダ（取付け部材）
３３ 磁気感応センサ
３４ マグネット（多極磁石）
５０ モータ（回転装置）

Claims (1)

1. 内輪と、外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に介在する転動体と、前記内輪に取り付けられる磁性体からなる円環状のマグネットホルダと、該マグネットホルダに保持される円環状の多極磁石と、前記外輪に取り付けられる磁性体からなる円環状のセンサホルダと、該センサホルダに配置されたセンサハウジングと、該センサハウジングに保持され、前記多極磁石と対向する磁気感応センサと、を有し、モータ軸を支持するモータ用センサ付き転がり軸受であって、
   前記センサホルダが前記多極磁石及び磁気感応センサを軸方向外方及び径方向外方にて覆うように形成され、
   前記マグネットホルダは、前記内輪及び前記外輪間に形成される軸受空間を塞ぐように、前記外輪に向けて延出し、且つ、前記マグネットホルダの延出した先端部は、前記センサハウジングの外径側に保持された前記磁気感応センサと対向する前記多極磁石を内側に保持しており、
   前記外輪に取り付けられる前記センサホルダは、前記外輪の外周面に沿った円周上に形成された凹状溝に前記円周上に等間隔で、且つ、Ｚ＋Ｘ（ここで、Ｚ：転動体の数、Ｘ：２以上の整数）を満たす素数が加締め箇所の数となるように加締め固定され、
   前記多極磁石を希土類磁石としたことを特徴とするモータ用センサ付き転がり軸受。

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