JP4879483B2 - インベアリングトルクセンサ機器 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、本願において援用する、インベアリングトルクセンサ機器という表題で、２００２年５月２９日に出願された、アメリカ合衆国特許仮特許出願シリアルＮｏ．６０／３８３，９４５について、優先権を主張する。また、この仮特許出願の内容は、この参照により開示に含まれる。

従来において、強磁性物質の透磁率は、応力が物質に負荷されると、変化することが知られている。このような物質の性質は、磁気ひずみと呼ばれている。それに加え、導体材料に付加された応力は、導電率を変化させる。これら２つの特徴を活用し、軸が受けているトルクを測定するために、軸上にプレスフィットされた磁気弾性リングの導電率及び透磁率の変化を検知する、渦電流デバイスが、作られている。軸トルクは、ホールセンサや磁気抵抗センサのような磁場センサと、軸外周表面上にプレスフィットした環状に分極した磁気弾性リングを使用して測定される。トルクが軸を通して伝達された場合、磁気弾性リングの環状分極は、楕円状の分極に変化し、これを磁気弾性リング近くに設置された磁場センサーが検出する。故に、トルク起因の楕円状の分極の検知が、軸トルク測定につながる。本発明は、軸に負荷されたトルク測定のため、独自の方法でした、上述のようなトルク測定技術に関する。インナーレース、アウターレース及び多数の回転エレメントを備えるベアリングは、軸上にプレスフィットされ、磁気弾性リングは、このベアリングインナーレース上にプレスフィットされている。トルクは軸を通じて伝達された時、トルクは、磁気弾性リングの性質を変化させ、磁気弾性リング近傍のセンサは、トルク起因の変化を測定し、負荷されたトルクの測定値を提供する。もし、渦電流センサが使用されれば、プレスフィットされた磁気弾性リングは磁化せず、センサは透磁率及び導電率の変化を測定し、関連した電気回路は負荷されたトルクの測定値を提供する。もし、磁気センサが使用されると、プレスフィットされた磁気弾性リングは磁気的に環状に分極し、センサは楕円状に分極された磁気弾性リングを測定し、関連した電気回路は、負荷されたトルクの測定値を提供する。

本発明は、軸を通して負荷されたトルクを検知するためのデバイスを含む。デバイスは、軸と軸に取り付けられたベアリングを備える。ベアリングは、インナーレース、アウターレース及び多くの回転エレメントを備える。磁気弾性リングは、インナーレース上にプレスフィットされる。渦電流センサ又は磁場センサは、磁気弾性リングの近傍に設置される。渦電流センサの場合、磁気弾性リングは磁化しない。磁場センサの場合、磁気弾性リングは、磁気的に環状に分極する。どちらの場合にも、選択されたセンサは、磁気弾性リングの特性の誘起された変化を検知し、関連する電気回路は、負荷されたトルクの測定値を提供する。

本発明は、多くの異なる実施例を許容するものであるが、本発明の好ましい実施例をいくつかの図及び詳細な説明において示す。この開示が、本発明の原理の１例にすぎないと考えられることは、理解されるであろう。この開示は、本発明の多岐にわたる特徴を示した実施例に制限することを意図したものではない。保護の範囲は、添付している請求項によってのみ制限されるべきである。

図１において、物質の導電率（σ）は、いかに容易に物質中を電流が流れるかの値を示すものである。透磁率（μ）は、いかに容易に物質中を磁束線が通過するかの値を示すものである。これら２つのパラメータは、物質が電場及び磁場とどのように相互作用するのかを決定する。物質１００が、発信機１０４によって作動した励磁コイル１０２にさらされると、磁束（磁束線１０６によって表されている。）が、コイル１０２の周りに生じ、磁場１０８が、物質１００に供給される。磁場１０８は、反対である磁場１１２を生じる物質１００中に渦電流１１０を生じる。渦電流（Ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ、以下「ＥＣ」と表現する場合がある。）は、導電性材料中を円状に回っている電流であり、これは、物質中を通過している時間変化する磁場の結果として、発生したものである。故に、ＥＣは、ＡＣ電流によって作動する電気コイルの近くにある導電性材料の中に生じる。ＥＣの発生は、物質の導電電子の相互作用及び物質を通過する電流によってコイルのまわりに発生するＡＣ磁場に起因し、そして物質の導電率及び透磁率に依存する。図３において、鉄鋼の軸のような強磁性物質がトルクを受けたとき、物質の導電率及び透磁率は、物質中のトルクの大きさによって変化する。導電率及び透磁率の変化を検知することによって、軸を通して負荷されたトルクの大きさを知ることができる。

図２において、絶対渦電流センサ１は、電源６により動作する発信機４、発信機４によって動作する励磁コイル２からなり、電源が供給されたとき、励磁コイルは、センサ近くの導電性物質の内部に渦電流を誘起する。検知コイル８は、導電性物質中に生じた電流によって発生した磁場を検知する。検知された磁場によって検知コイル８に発生した電流は、ブリッジバランス回路１０、増幅器１２、復調器１４及びフィルター１６に供給され、センサ出力１７を得る。発生した磁界は、渦電流のパスと強さで決定され、言い換えれば、物質の形状、物質のσ及びμの局所値によって決まる。故に、単一励磁／検知エレメント対をともなう絶対ＥＣセンサ１は、導体材料の分析に有効に用いられている。

図３において、差動ＥＣセンサは、２つの励磁／検知エレメント対を備えており、導体材料における微少で局所的な金属、あるいは形状的な異常の検知のために、主に使われる。図３は、センサは図２のセンサと類似しているが、第２の励磁エレメント２’及び第２の検知エレメント８’を追加したようなセンサを示している。差動ＥＣセンサの励磁エレメント２及び２’は、ほとんど同じ大きさで、同じ位相を有する磁界を発生する。しかしながら、検知エレメント８及び８’はほぼ同じ大きさの信号を発生するが、反対の位相を有している。

図４において、軸１８を通して伝達されるトルクは、軸１８全体に、軸の中心において０から、軸の外周において最大値となるように変化する、せん断応力を発生する。引張線２０及び圧縮線２２が、負荷されたトルクの結果として、軸１８に沿って形成される。これらのトルクによって発生した引張線及び圧縮線２０、２２は、互いに直交し、対称線からから±４５°で形成される。軸１８にプレスフィットされた磁気弾性リング２４にも、せん断応力が生じ、引張線２０及び圧縮線２２が、同様にリング２４にも形成される。

磁気弾性リング２４の導電率（σ）と透磁率（μ）の値は、引張線に沿った値と圧縮線に沿った値との違いにともない、発生したせん断応力によって、変化する（例えばσ_引張≠σ_圧縮及びμ_引張≠μ_圧縮）。故に、一対の磁気弾性リング２４の上に設置されている差分ＥＣセンサは、その励磁／検知エレメント対の１つが、引張線に沿って合わせされており、他方の励磁／検知エレメント対が、圧縮線に沿って合わされているため（図６）、磁気弾性リングに沿った、σ及びμの局所値の差を検知し、負荷された軸トルクの測定値を提供する。渦電流の軸トルクとの関係は、一般的に、直線関係である（図５参照）。

図７において、高いトルク検知性が必要とされるある用途において、ＥＣセンサの反応性を増加させるために、ギザギザな溝２８を、外周表面上にプレスフィットされた磁気弾性リングに付けることができる。この場合において、引張線に合わされている、励磁／検知エレメント対センサは、引張線の方向に平行に付けられているギザギザの溝を有している。同様に、圧縮線に合わせられている、励磁／検知エレメント対センサのある磁気弾性リングは、圧縮線に平行に付けられているギザギザの溝を有している。

本発明のＥＣセンサは、軸にプレスされたベアリングコーンに生じたＥＣを検知することによってトルクを検知するトルクセンサの中に、使用されてもよい。図８において、最もシンプルな実施例は、回転する軸１８上にプレスされた磁気弾性リング２４を備えるベアリングコーン２５に近接したある決まった位置に、関連した電気回路とともに、単一励磁／検知エレメント対ＥＣセンサ３０を備えているものである。この形態においては、トルク伝達軸上に作用する負荷及びモーメントは、ＥＣセンサ出力に反映し、故に、このタイプの機器は、単なるトルクのみを伝達する軸の用途に推奨される。ここで、軸は、どのような形状、大きさ、合金組成でも良く、また、どのような製造過程で作られたものでも良い。

図９Ａにおいて、ベアリングコーン機器（不図示）上にプレスフィットされた磁気弾性環状分極リング２４は（ベアリングコーン機器は次に軸１８上にプレスフィットされている。）軸トルクが負荷され、環状分極が楕円状の分極に変化したとき、せん断応力を受ける。トルクを負荷する前に、リング２４の環状分極は、どの軸方向の磁場をも維持せず、リング２４の中に含まれる環状磁束線Ｍを発生する。図９Ｂにおいて、軸トルクが負荷されるとすぐに、リング分極は、円状から楕円状に変化する。生じた楕円状分極は、負荷されたトルクに依存する大きさの中心線方向の磁場をリング２４の中に維持し、リング２４の１つの側面から出て、周囲の空気中を通り、リング２４の他の側面から戻ってくるような磁束線Ｍを発生する。言い換えると、リング２４の側面は、磁極対を形成する。磁気弾性リング２４近くに適切に配置された、ホール効果センサや磁気抵抗センサのような磁気センサ３０は、発生した中心線方向の磁場を検知し、負荷された軸トルクの値を提供する。高いトルク検知性及び精度が必要とされる用途においては、複数のリング／センサの形態がベアリング中で実施され、これにより軸負荷とモーメントがトルク測定において有する影響を減少させることができる。この形態においては、磁気弾性リングは、図１０Ａ及び図１０Ｂ中の矢印＋Ｍ及び−Ｍによって示されたように、反対に分極する。

次に示すインベアリングセンサ機器において、センサの使用は、他に断りのない限り、ＥＣセンサ又は磁気センサを含む。また、ＥＣセンサは、非磁化リング及び磁気センサに組み合わされ、あるいは環状に分極したリングに組み合わされる。

図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、カップ４２（又はアウターレース）、ローラー４４、コーン４６（又はインナーレース）、ローラーケイジ４８及びベアリングシール５０を備える１列ベアリング機器４０が、軸１８上にプレスフィットしたコーンの小径上にプレスフィットした磁気弾性リング２４とともに示されている。１つ又はそれ以上のセンサ３０が、ベアリングカップ４２中の１つ又はそれ以上の貫通孔に配置される。もしベアリング設計に盛り込まれていれば、磁気弾性リング２４及びセンサ３０は、ベアリングシール５０のどちらかの端部に取り付けられる。図１１Ａ及び図１１Ｂの設計において、センサ３０は、絶対センサ又は差動センサであってもよい。さらに、差動センサ３０が使用されたとき、１つの磁気弾性リング２４は、ギザギザを有する又は有しない、一対の磁気弾性リング２４に置き換えられてもよい。

図１２Ａ及び図１２Ｂにおいて、カップ４２、ローラー４４、コーン４６、ローラーケイジ４８、及びベアリングシール５０を備えたベアリング機器４０は、軸１８上にプレスフットしたコーン４６の大径上にプレスフィットされた磁気弾性リング２４とともに提供される。もしベアリング設計に盛り込まれていれば、磁気弾性リング２４及びセンサ３０は、ベアリングシール５０のどちらか端部に取り付けられる。図１２Ａ及び図１２Ｂの設計において、センサ３０は、絶対センサ又は差動センサであってもよい。さらに、差動センサ３０が使用されたとき、１つの磁気弾性リング２４は、ギザギザを有する又は有しない、一対の磁気弾性リング２４に置き換えられてもよい。

図１３において、カップ４２、ローラー４４、コーン４６、ローラーケイジ４８、及びベアリングシール５０を備えたベアリング機器４０は、軸１８上にプレスフットされているコーン４６の小径上にプレスフィットされた磁気弾性リング２４とともに提供される。センサ５４は、カップ４２の貫通孔を通して取り付けられていないが、カップ４２の内径に取り付けられ、センサコネクタ３０に電気的に接続している環状コイルＥＣセンサの形をとる。図１４において、図１３の設計は、磁気弾性リングがコーン４６の大径上にプレスフィットされ、センサコネクタ３０及び環状コイルＥＣセンサ５４が、磁気弾性リング２４の上のカップ４２の中に導入されるように、変えられてもよい。図１３及び図１４のＥＣセンサ５４は、絶対又は差動ＥＣセンサであってもよい。もしＥＣセンサ５４が差動ＥＣセンサなら、磁気弾性リング２４は、ギザギザを有した又は有しない、一対の磁気弾性リング２４に置き換えられてもよい。

図１５において、カップ４２、ローラー４４、コーン４６、ローラーケイジ４８、及びベアリングシール５０を備えたベアリング機器４０は、軸１８上にプレスフットされているコーン４６の小径上にプレスフィットされた磁気弾性リング２４とともに提供される。環状コイルＥＣセンサ５４は、カップ４２に取り付けられており、カップ４２の中の貫通孔を通していないが、カップ４２の座ぐり５６に通じている。座ぐり５６の中の環状コイルＥＣセンサ５４は、センサコネクタ３０に電気的に接続されている。センサ５４からの電気接続は、ベアリングカップ４２とベアリングコーン４６の間のセンサ外側に位置するコネクタ３０から軸方向に、あるいはカップ４２の側面の放射状の溝を通してベアリング機器４０を出る。図１６において、磁気弾性リング２４は、コーン４６の大径上にプレスフィットすることができ、環状コイルＥＣセンサ５４は、磁気弾性リング２４の上部においてカップ４２の内面に取り付けられる。もしベアリング設計に盛り込まれていれば、磁気弾性リング２４及びセンサコネクタ３０は、ベアリングシール５０の外側面上に取り付けられる。前と同様、センサ５４は、絶対又は差動センサであってよく、磁気弾性リング２４は、一対の磁気弾性リングであってもよく、リング２４は、ギザギザを有していてもよい。

図１７において、図１５及び図１６の設計は、環状コイルＥＣセンサ５４が、シール５０の中の座ぐり内部に、取り付けられてあるものに変えられてもよい。さらに、本発明は、１列のベアリング及びテーパベアリングに関して記述したが、本発明のコンセプトは、複数の列のベアリング及びテーパベアリング以外の回転エレメントをともなうベアリング（例えば、ボールベアリング）にも適用できることは、通常の当業者によって理解されるべきである。

具体的な実施形態を示したが、本発明の精神から大きく逸脱することなしに、多くの改良、変形が考えられ、保護範囲は記載された請求項の範囲によってのみ制限されるものである。

導電性材料の内部の渦電流の発生を示している概要図である。 本発明の１つの実施例による、絶対渦電流センサの電気回路概要図である。 本発明の他の実施例による、差動渦電流センサの電気回路概要図である。 軸中の圧縮線及び引張線を示した、トルクのかかった軸の側面図である。 本発明の１つの実施形態における、軸伝達トルクの関数としての渦電流センサ出力のプロットである。 本発明の他の実施形態による、渦電流センサを備えた軸の側面図である。 本発明の他の実施形態による、渦電流センサを備えた軸の側面図である。 本発明の１実施形態による、渦電流センサを備えたベアリングの側面図である。 本発明の１実施形態による、軸外周にプレスフィットした環状分極磁気弾性リング、磁気弾性リングの近傍にある磁場センサ及び負荷された軸トルクにより生じた楕円状の分極の発生及び検知を有する、軸の側面図である。 本発明の１実施形態による、軸外周にプレスフィットした環状分極磁気弾性リング、磁気弾性リングの近傍にある磁場センサ及び負荷された軸トルクにより生じた楕円状の分極の発生及び検知を有する、軸の側面図である。 本発明の１実施形態による、一対の軸外周にプレスフィットした環状分極磁気弾性リング、磁気弾性リング対の近傍にある一対の磁場センサ及び負荷された軸トルクによって生じた楕円状の分極の発生及び検知を有する、軸の側面図である。 本発明の１実施形態による、一対の軸外周にプレスフィットした環状分極磁気弾性リング、磁気弾性リング対の近傍にある一対の磁場センサ及び負荷された軸トルクによって生じた楕円状の分極の発生及び検知を有する、軸の側面図である。 本発明の１実施形態による、１つかそれ以上の単点渦電流センサをともなう、又は、１つかそれ以上の単点磁場センサを備えたベアリングの側面図である。 本発明の１実施形態による、１つかそれ以上の単点渦電流センサをともなう、又は、１つかそれ以上の単点磁場センサを備えたベアリングの側面図である。 本発明の１実施形態による、１つかそれ以上の単点渦電流センサを備える、又は、１つかそれ以上の単点磁場センサを備えたベアリングの側面図である。 本発明の１実施形態による、１つかそれ以上の単点渦電流センサを備える、又は、１つかそれ以上の単点磁場センサを備えたベアリングの側面図である。 本発明の１実施形態による、環状コイル渦電流センサを備えたベアリングの側面図である。 本発明の１実施形態による、環状コイル渦電流センサを備えたベアリングの側面図である。 本発明の１実施形態による、環状コイル渦電流センサを備えたベアリングの側面図である。 本発明の１実施形態による、環状コイル渦電流センサを備えたベアリングの側面図である。 本発明の１実施形態による、環状コイル渦電流センサを備えたベアリングの側面図である。

Claims (15)

1. 軸、
   軸に回転自在に固定されたインナーレース、固定されたアウターレース、及び前記インナーレースと前記アウターレースとの間に配置された多くの回転エレメントを備えて前記軸に取り付けられるベアリング、
   前記インナーレース上にプレスフィットしている磁気弾性リング、
   前記磁気弾性リング内で渦電流を誘起させるために、前記磁気弾性リング外周上の一箇所の近傍に配置され、励磁軸の長手方向が前記軸の回転軸の径方向に揃えられている励磁コイル、
   前記磁気弾性リング内で誘起された渦電流によって生じた磁場を検知するために、前記磁気弾性リング外周上の一箇所の近傍に配置され、検知軸の長手方向が前記軸の回転軸の径方向に揃えられている検知コイル、及び
   リングの導電率及び透磁率の変化を検知するための電気回路、
   を備える、
   軸を通して負荷されるトルクを検知するためのデバイス。
2. 前記インナーレースがテーパレースであり、磁気弾性リングが前記テーパインナーレースの一方の端部付近の軸首上にプレスフィットされている、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記励磁コイル及び検知コイルが、前記アウターレースに取り付けられているシングルユニットの中に納められている、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記シングルユニットが、前記アウターレースの中に取り付けられているシールの中に取り付けられている、請求項３に記載のデバイス。
5. 第２の励磁コイル及び第２の検知コイルと、第２のユニットとをさらに備え、
   前記第２の励磁コイル及び前記第２の検知コイルが、前記アウターレースに取り付けられている前記第２のユニットの中に納められている請求項３に記載のデバイス。
6. 前記電気回路が、
   前記検知コイルの出力を受けるブリッジバランス回路、
   前記ブリッジバランス回路の出力を増幅する増幅器、
   前記増幅器の出力を復調する復調器、及び
   前記復調器の出力をフィルタリングしてセンサ出力を発生させるフィルタを備える、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記励磁コイルは、第１の励磁コイルと第２の励磁コイルとを有し、
   前記検知コイルは、第１の検知コイルと第２の検知コイルとを有し、
   前記第１の検知コイル及び前記第２の検知コイルがほぼ同等の大きさで、反対の位相の信号を生じる、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記第１の励磁コイル及び前記第１の検知コイルが、前記軸の中心線によって定義される中心線から＋４５度回転されて、前記磁気弾性リングの圧縮線又は引張線に合わせられており、
   前記第２の励磁コイル及び前記第２の検知コイルが、前記軸の中心線によって定義される中心線から−４５度回転されて、前記第１の励磁コイル及び前記第１の検知コイルによって合わせられた前記圧縮線又は引張線と反対の線に合わせられている、請求項７に記載のデバイス。
9. 磁気弾性リングが、第１及び第２の磁気弾性リングに分割されており、前記第１の磁気弾性リングが、前記第１の磁気弾性リングに焦点を合わせられた前記第１の励磁コイル及び前記第１の検知コイルを有し、
   前記第２の磁気弾性リングが、前記第２の磁気弾性リングに焦点を合わせられた前記第２の励磁コイル及び前記第２の検知コイルを有している、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記第１の励磁コイル及び前記第２の励磁コイルが、前記リングの円周方向に沿って１８０度離れて間隔をあけられている、請求項８に記載のデバイス。
11. 前記第１及び第２の励磁コイル及び検知コイルが、１つの物理的容器の中に組み込まれている、請求項８に記載のデバイス。
12. 前記磁気弾性リングが、その外周にギザギザの溝を有する、請求項８に記載のデバイス。
13. 前記第１の励磁コイル及び前記第１の検知コイルに最も近い前記ギザギザの溝が、前記軸の前記中心線によって定義される中心線から＋４５度に配置され、
    前記第２の励磁コイル及び前記第２の検知コイルに最も近い前記ギザギザの溝が、前記軸の前記中心線によって定義される中心線から−４５度に配置され、
    前記ギザギザの溝が、前記磁気弾性リングの前記圧縮線及び引張線と平行である、請求項１２に記載のデバイス。
14. 第３の励磁コイル及び第４の励磁コイル、第３の検知コイル及び第４の検知コイルをさらに有し、
    前記第３の検知コイル及び前記第３の励磁コイルが、前記磁気弾性リングの圧縮線又は引張線の１つに合わせられ、
    前記第４の検知コイル及び前記第４の励磁コイルが、前記磁気弾性リングの圧縮線又は引張線の他方に合わせられている、請求項８に記載のデバイス。
15. 前記磁気弾性リングが環状に分極している、請求項１に記載のデバイス。

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