JP6019560B2

JP6019560B2 - ハブユニット軸受

Info

Publication number: JP6019560B2
Application number: JP2011225804A
Authority: JP
Inventors: 良雄神谷
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: JP2013087786A

Description

本発明は、自動車等の車輪を回転自在に支承すると共に、車輪の回転速度の測定に用いる磁気エンコーダを備えたハブユニット軸受に関する。

従来、磁気エンコーダを備えたハブユニット軸受として、車体のナックルに固定される外輪と、車輪取付けフランジとシャフト部とを備え該シャフト部が前記外輪に挿入されたハブシャフトと、前記車輪取付けフランジとは反対側の前記シャフト部の部分に外嵌した内輪要素と、前記外輪と前記シャフト部及び前記外輪と前記内輪要素との間に転動自在に介装された転動体と、前記内輪要素の外周部に取り付けられた磁気エンコーダと、前記外輪に取り付けられ前記磁気エンコーダを覆うエンコーダキャップと、を有するものがある。

このようなハブユニット軸受において、非磁性オーステナイト系ステンレス鋼板からプレスによって成形され、円盤状の部分に凹凸を設け、立体的な構造とすることで剛性を高めたエンコーダキャップを備え、車輪取付用フランジとは反対側の外輪の端部にエンコーダキャップの位置決めのための加工を施してあり、前記円盤状の部分のうち磁気エンコーダに対向する部分に、磁気エンコーダに接近させたまゆ形の近接部を形成することによって、磁気センサを近接部の底部に当てて磁気エンコーダの近くでセンシングさせることができるハブユニット軸受がある（特許文献１参照）。

特開２０１０−１０６９０９号公報

しかしながら、特許文献１に係るハブユニット軸受においては、磁気エンコーダの交番磁束により導体であるステンレス製のキャップに渦電流が発生し、内輪の回転にブレーキをかける力が働き、軸受のトルクが重くなるという問題がある。特に、近接部がまゆ形をしており、エンコーダに近接している底部の円周方向の長さが長いため、渦電流により、より大きなブレーキ力が生じるという問題がある。

このような問題に鑑みて、本発明は、エンコーダキャップの位置決め精度を高めて回転速度検出の信頼性を向上させつつ、渦電流損の発生を抑制し、軸受のトルクを低減したハブユニット軸受を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明では、内周に複列の外側転動面を備えた略円筒状の外輪と、該外輪に挿入され、外周に前記外側転動面に対向して設けられた複列の内側転動面を備える略円柱状の内輪部と、該内輪部の一方の端部に設けられ、前記外輪の軸方向外側で前記内輪部の径方向外方に延在する車輪取付け用フランジとを備えるハブシャフトと、前記外側転動面と前記内側転動面との間に介装された複数の転動体と、非磁性のステンレス材の薄板からなり、前記外輪に固定される円筒状の固定部と、該固定部から径方向内方へ延び、前記内輪部の端部を覆う底部と、を備えたエンコーダキャップと、前記底部の一部を介在して磁気センサのセンシング面に対向するように前記内輪部の外周に固設された環状の磁気エンコーダと、を有し、前記エンコーダキャップが、前記外輪の端面に、又は、前記外輪の内周部に形成された拡径段部に、衝合してあるハブユニット軸受において、前記底部のうち前記磁気エンコーダと前記センシング面との間に介在する部分のみが、前記センシング面を前記磁気エンコーダに近接対向させるように前記磁気エンコーダ側に突出した突起部であり、前記突起部以外の前記底部は、前記磁気センサのセンサエレメントより車両内側方向に配置されており、前記センサエレメントの中央から前記突起部周辺の前記底部における前記センサエレメント側の面までの軸方向距離は、前記センサエレメントの中央から前記突起部における前記センサエレメント側の面までの軸方向距離よりも小さいことを特徴とするハブユニット軸受を提供する。

好ましくは、前記突起部以外で前記磁気エンコーダに対向する前記底部の面に磁性ゴムを接着している。

本発明によれば、エンコーダキャップの位置決め精度を高めて回転速度検出の信頼性を向上させつつ、渦電流損の発生を抑制し、軸受のトルクを低減したハブユニット軸受を提供することができる。

本願の第１実施形態に係るハブユニット軸受を示す断面図である。本願の第１実施形態に係るハブユニット軸受のエンコーダキャップを示す平面図である。本願の第１実施形態に係るハブユニット軸受の磁気エンコーダ周辺の拡大断面図である。本願の第２実施形態に係るハブユニット軸受の磁気エンコーダ周辺の拡大断面図である。本願の第３実施形態に係るハブユニット軸受の磁気エンコーダ周辺の拡大断面図である。

（第１実施形態）
本願の第１実施形態に係るハブユニット軸受を図１ないし図２を参照しつつ説明する。図１は、本第１実施形態に係るハブユニット軸受を示す断面図である。上下の断面がほぼ同じ構成をしていることから、図１においては、下側を省略して上側半分のみ示している。

本第１実施形態に係るハブユニット軸受１は、主に、外輪２と、外輪２の内部に一部が挿入されたハブシャフト３と、外輪２とハブシャフト３との間に介装された多数のボール４とから形成されている。

外輪２は、略円筒形状をしており、その内周部に図１に向かって左側（すなわち、車両外側）から環状の第１外側転動面５と第２外側転動面６とが形成され、外輪２の外周面からは外輪２を車体に固定するための車体取付用フランジ（不図示）が径方向の外方へ延在している。

ハブシャフト３は、図１に向かって左側に設けられたハブ輪７と、ハブ輪７から径方向外側に延びる車輪取付用フランジ８と、図１に向かって右側（すなわち、車両内側）で外輪２の内部に挿入されているシャフト部９と、シャフト部９に外嵌された内輪要素１０とを有している。

車輪取付用フランジ８には、車輪取付用ボルトを挿入するためのボルト用穴部１１が形成されている。

シャフト部９は、略円柱形状をしており、車輪取付用フランジ８及びハブ輪７と一体に形成され、図１に向かって左側の外周面には第１外側転動面５に対向する環状の第１内側転動面１２が形成されている。シャフト部９の図１に向かって右側には内輪要素１０を外嵌する縮径部１３が設けられており、そのさらに右側には、シャフト部９の軸端を揺動鍛造やリベッティングによって加締めることで内輪要素１０をシャフト部９に固定している加締め部１４が形成されている。

内輪要素１０の外周面には、第２外側転動面６に対向する環状の第２内側転動面１５が形成されている。第２内側転動面１５よりも図１右側の部分（すなわち、車両内側部分）は、左側の部分よりも肉厚に形成されており、その肉厚の部分の外周面には磁気エンコーダ１６が固設されている。磁気エンコーダ１６は、車両内側に固定された磁気センサ２０と軸方向に対向させるアキシアルタイプであって、フェライト粉等の磁性粉末をバインダーとなるゴム材或いは熱可塑性樹脂材に充填し、断面がＬ字型の環状をした芯金２８と一体に加硫成形或いは射出成形された後、Ｎ極、Ｓ極が交互に、円周方向等間隔に、多極に着磁され、芯金２８を介して内輪要素１０の外周面に圧入嵌合されている。

ボール４は、第１外側転動面５と第１内側転動面１２とで形成された第１転動路、及び、第２外側転動面６と第２内側転動面１５とで形成された第２転動路にそれぞれ多数介装されている。ボール４は、保持器１７によって転動自在に保持されている。なお、本第１実施形態においては、転動体としてボールを用いているが、本発明においては、これに限らず、円錐ころなどの転動体を用いることも可能である。

車輪取付用フランジ８側の外輪２の部分と、その部分に対向するハブシャフト３の部分との間には、シール１８が装着されている。一方、磁気エンコーダ１６側の外輪２とハブシャフト３との隙間は、外輪２に内嵌された非磁性体のオーステナイト系ステンレス鋼板製のエンコーダキャップ１９によって覆われている。

図２は、エンコーダキャップ１９を図１に向かって右側から見た平面図を示している。エンコーダキャップ１９は、図２の奥側へ延びる円筒状をした固定部２１と、固定部２１の図２手前側（すなわち、車両内側）の端部から径方向内方へ延びるリング部２２と、リング部２２の内側の端部から図２手前側に向かって傾斜して径方向内方へ延びる第１傾斜部２３と、第１傾斜部２３の内側の端部から径方向内方へ延びる凸部２４と、凸部２４の内側の端部から図２の奥側に（すなわち、車両外側に）向かって傾斜して径方向内方へ延びる第２傾斜部２５と、傾斜部２５の内側を覆う凹部２６とを有している。このように、エンコーダキャップ１９の円盤状の部分を立体的な形状とすることでエンコーダキャップ１９の剛性を高めると伴に、プレス加工による反りやしわの発生を防止し、寸法精度の向上に寄与している。

リング部２２には、磁気エンコーダ１６に近接対向するように図２の奥側へ突出した近接部２７が形成されている。近接部２７は、図１に示すように、磁気センサ２０が磁気エンコーダ１６の近くでセンシングすることができるようにしている。

また、エンコーダキャップ１９の近接部２７と磁気エンコーダ１６とのエアギャップは、荷重負荷時の軸受外内輪の相対傾きや移動、部品精度や組み付け精度を考慮して最小化してある。これにより、磁気センサ２０と磁気エンコーダ１６を軸方向に対向接近させて回転速度の測定を高精度に行うことを可能としている。

ところで、エンコーダキャップ１９と磁気エンコーダ１６とが近接していると、導体であるステンレス製のエンコーダキャップには、ハブシャフト３の回転に伴う磁気エンコーダ１６の交番磁束によりレンツの法則に従って渦電流が発生（渦電流損）し、アラゴーの円板の原理に従ってハブシャフト３の回転にブレーキをかける力が働き、ハブユニット軸受１のトルクが重くなる。

渦電流損は以下の式で計算されることが知られている。
Ｐ_ｅ＝ｋ_ｅ（ｔｆＢ_ｍ）^２／ρ （１）
ここで、Ｐ_ｅは渦電流損、ｔは板厚、ｆは周波数、Ｂ_ｍは最大磁束密度、ρは磁性体の抵抗率、ｋ_ｅは比例定数を示している。

式（１）から明らかなように、渦電流損Ｐ_ｅは、板厚ｔと周波数ｆと最大磁束密度Ｂ_ｍの２乗に比例して大きくなるので、これらを減少させることができれば効果的に渦電流損を減らすことができる。しかし、エンコーダキャップ１９の板厚ｔは強度上の要求からむやみに薄くすることはできず、周波数ｆに関連する磁気エンコーダ１６の極数は多いほど、また、最大磁束密度Ｂ_ｍに関連する磁気エンコーダ１６の磁束密度は強いほど回転センサとしては好ましい。

一方で、磁気エンコーダの表面からの距離における磁束密度を計算する一般式は存在しないが、ハブユニット軸受に多く採用される磁性体がフェライト粉の磁気エンコーダの場合、表面から１mm位置での最大磁束密度は一般に２０〜３０mT程度であり、それが２mmだと５〜７mT程度と、概ね距離の２乗に反比例して磁束密度が低下する。また、上記のように、渦電流損は、最大磁束密度の２乗に比例して大きくなるので、渦電流損は磁気エンコーダ１６とエンコーダキャップ１９のエアギャップの概ね４乗に反比例して減少する。

したがって、エンコーダキャップ１９の強度及び回転センサとしての性能を確保しつつ渦電流損を減少させるためには、磁気センサ２０を磁気エンコーダ１６に接近させるために必要な部分を除いて、エンコーダキャップ１９をなるべく磁気エンコーダ１６から離して配置し、エンコーダキャップ１９における最大磁束密度Ｂ_ｍを低下させることが効果的であるといえる。

そこで、本実施形態においては、一般に円柱形をしている磁気センサ２０の先端部の形状に合わせて、磁気センサ２０の先端部よりも一回り大きい円形の近接部２７とし、近接部２７以外のリング部２２の部分（以下「離隔部３１」とする）を、後述の磁気センサ２０のセンサエレメント３０より車両内側方向に配置することで、渦電流損を抑え、軸受のトルク増加を最小限にしている。

ところで、前述のセンサエレメントには、ホール素子や磁気抵抗素子などの半導体素子（ＩＣチップ）が用いられるが、例えばホール素子は温度が上昇するとホール出力電圧が低下するし、磁気抵抗素子は温度が上昇すると抵抗値が低下するといった、温度依存性を持っている。渦電流損は最終的には熱となり、磁気センサ２０の温度を上昇させ、センサ信号の劣化（精度の悪化）につながるが、渦電流損を抑える本願構造は磁気センサ２０の温度上昇を抑えるため、センサ信号の劣化防止にも効果を示す。

なお、本発明においては、近接部２７の形状は円形に限らず磁気センサ２０の形状に合わせた種々の形状とすることができる。また、リング部２２のうち磁気エンコーダ１６に対向しない部分であれば渦電流損に与える影響は小さいため、例えば、近接部２７をリング部２２の径方向に長い楕円形状或いは長円形状とすることで近接部２７と磁気センサ２０の径方向に隙間を設け、径方向の不可避な位置ずれを吸収できる。つまり、渦電流損を低減するためには、リング部の円周方向に於ける近接部２７の寸法をなるべく小さくすれば良いため、径方向寸法には自由度を持たせることができる。

ただし、近接部２７の周方向位置決めについては、厳密に規制する必要があるため、外輪２にエンコーダキャップ１９を圧入する場合の圧入位相の管理は、車体取付用フランジのボルト孔（不図示）を基準に画像処理などの方法で厳格に行う必要がある。また、磁気センサ２０を近接部２７に挿入後にボルト締め等の磁気センサ係止手順を行うことで、微小な位相誤差は吸収可能である。

次に、図３を参照しつつエンコーダ１６付近の構成について説明する。図３は磁気エンコーダ１６付近の拡大断面図である。

前述のように、磁気エンコーダ１６は、磁気センサ２０と軸方向に対向させるアキシアルタイプであって、フェライト粉等の磁性粉末をバインダーとなるゴム材或いは熱可塑性樹脂材に充填し、断面がＬ字型の環状をした芯金２８と一体に加硫成形或いは射出成形された後、Ｎ極、Ｓ極が交互に、円周方向等間隔に、多極に着磁され、芯金２８を介して内輪要素１０の外周面に固設されている。

エンコーダキャップ１９は、固定部２１を外輪２の端部内周面に内嵌固定することによって外輪２に支持されている。エンコーダキャップ１９の軸方向の位置決めは、外輪２のエンコーダキャップ１９側の端部の内周の適切な位置に環状の拡径段部２９を形成しておき、組立ての際に、拡径段部２９に対して、固定部２１の先端部全体が当接するまでエンコーダキャップ１９を押し込むことで正確に行うことができる。また、エンコーダキャップ１９の円周方向の位置決めは、近接部２７の位置を基準とすることで正確に行うことができる。

図３のエンコーダキャップ１９の断面は、近接部２７の中心を通る断面を示している。近接部２７は、固定部２１の図３右側（すなわち、車両内側）の端部から径方向内方へ延びるリング部２２から磁気エンコーダ１６へ近づくように軸受内方に延びて形成した部分である。図３においては、磁気センサ２０を２点鎖線で示している。近接部２７の底部に磁気センサ２０を当てることで、磁気センサ２０をより磁気エンコーダ１６に近づけ、高い磁束密度において高精度の計測ができるようにしている。

前述の様に離隔部３１は、その磁気エンコーダ１６側の面がセンサエレメント３０よりも磁気エンコーダ１６から離れるように配置している。

センサエレメント３０のクリスタルエアギャップ（エンコーダ表面（被検出面）からセンサエレメントまでの距離）は、一般的に、磁気エンコーダ表面からエンコーダキャップの磁気エンコーダ側の面までの距離（通常１mm程度）、エンコーダキャップの板厚（通常０．５〜０．８mm）、センサ検出面の被覆（通常０．５mm程度）の和となり、２mm程度となることが多い。

前述のように、渦電流損は磁気エンコーダ１６とエンコーダキャップ１９のエアギャップの概ね４乗に反比例して減少する。したがって、離隔部３１の磁気エンコーダ１６側の面を、磁気エンコーダ１６からセンサエレメント３０までと同じ距離（２mm）まで遠ざけて配置すれば、上記の一般的な場合（１mm）と比較して、離隔部３１に生じる渦電流損失を１／２^４（１／１６）まで減らすことができる。しかしながら、センサエレメント３０の位置は、センサエレメント３０が検出できる交番磁界（例えば１ｍＴ）により規制されるので、本第１実施形態のように離隔部３１を磁気エンコーダ１６からセンサエレメント３０よりも遠ざけて配置すれば（例えば３〜４mm）、離隔部３１に生じる渦電流損失を１／３^４〜１／４^４（１／８１〜１／２５６）にでき、ほとんど無視できるレベルまで引き下げることができる。

なお、寸法上の制約などにより、離隔部３１を磁気エンコーダ１６から十分に距離を離して配置することができない場合や、距離を離した上でさらに渦電流損を減らすべき場合には、離隔部３１の少なくとも磁気エンコーダ１６側の側面にフェライト被膜を設けても良い。フェライトは強磁性体であると同時に不導体でもあるため、交番磁束を吸収し、渦電流損を低下させることができる。

エンコーダキャップ１９へのフェライト被膜にはＰＣＤ法（物理的蒸着法）やＣＶＤ法（化学的蒸着法）を適用することができる。しかしながら、これらを適用すると近接部２７までフェライト被膜が形成されてしまうため、マスキングを行う、或いは、後処理で近接部２７のフェライト被膜を落とすことが必要となる。そこで、エアロゾルデポジション法（フェライト玉をショットすることでフェライト被膜を形成する方法）で、磁気エンコーダ１６と対向する面にだけフェライト被膜を形成することが好ましい。

また、磁気エンコーダ１６用のゴムと同様、フェライト粉を多く含む磁性ゴムを磁気エンコーダ１６と対向する面だけに加硫接着しても同様の効果を得ることができる。

（第２実施形態）
次に本願の第２実施形態に係るハブユニット軸受を、図４を参照しつつ説明する。図４は、本第２実施形態に係るハブユニット軸受４０の磁気エンコーダ４１周辺の断面図である。

本第２実施形態に係るハブユニット軸受４０は、上述の第１実施形態に係るハブユニット軸受１と基本的な構成を共通にしているが、本第２実施形態においては、エンコーダキャップ４２に樹脂フィルム積層鋼板を使用することで、エンコーダキャップ４２の強度及び、プレスでの成形性を確保しつつ、導体である金属板の板厚を薄くすることで、渦電流損を低減している。

なお、樹脂フィルム積層鋼板は、芯部の金属板に燐酸被膜等の化成処理を行い、接着剤の乗りを良くし、その両面に樹脂フィルムを接着剤で貼り付けたもので、例えば、ヒシメタル等のブランドで販売されている。

本第２実施形態は、上記第１実施形態において説明したハブユニット軸受と併用することが可能である。

（第３実施形態）
次に本願の第３実施形態に係るハブユニット軸受を図５を参照しつつ説明する。図５は、本第３実施形態に係るハブユニット軸受５０の磁気エンコーダ５１周辺の断面図である。

本第３実施形態に係るハブユニット軸受５０は、上述の第１実施形態に係るハブユニット軸受１と基本的な構成を共通にしているが、エンコーダキャップ５２の固定部が、外輪５４に外嵌固定されている点において異なっている。

このような構成とするため、本第３実施形態に係るエンコーダキャップ５２は、固定部５３を外輪５４の外周面に外嵌する径寸法とし、固定部５３の図５に向かって右側（すなわち、車両内側）の端部から径方向内方へリング部５５を延ばしている。また、外輪５４のエンコーダキャップ５２側の端面をリング部５５の外輪５４側の面に当接する位置まで延在させている。

エンコーダキャップ５２の軸方向の位置決めは、取付けに際し、外輪５４に固定部５３を外嵌し、外輪５４のエンコーダキャップ５２側の端面にリング部５５が当接するまで押し込むことで、容易かつ正確に行うことができる。

このような構成とすることにより、外輪５４とエンコーダキャップ５２との間からの異物の侵入をより効果的に防ぐことができる。

なお、エンコーダキャップを非磁性かつ不導体である樹脂キャップとすれば渦電流損を防止できるが、樹脂材料はオーステナイト系ステンレス鋼板程強度が無く、また、樹脂の成形性（射出成形型内での溶融樹脂の流動性）を考慮すれば、板厚を薄くすることができない。したがって、樹脂キャップとした場合には、板厚が増すことでクリスタルエアギャップが増加し、回転センサとしての性能が低下するので好ましくない。

以上のように、本発明は、軸受内部空間（転動体や転動面の存在する空間）及び磁気エンコーダを軸受外方から遮蔽して保護すると共に、渦電流損の発生を抑制することで、軸受トルクを低減し、また、センサ信号の劣化を防止することができる保護カバーを備えたハブユニット軸受を提供することができる。

１、４０、５０ハブユニット軸受
２、５４外輪
３ハブシャフト
４ボール
５第１外側転動面
６第２外側転動面
７ハブ輪
８車輪取付用フランジ
９シャフト部
１０内輪要素
１１ボルト用穴部
１２第１内側転動面
１３縮径部
１４加締め部
１５第２内側転動面
１６、４１、５１磁気エンコーダ
１７保持器
１８シール
１９、４２、５２エンコーダキャップ
２０磁気センサ
２１固定部
２２、５５リング部
２３第１傾斜部
２４凸部
２５第２傾斜部
２６凹部
２７近接部
２８芯金
２９拡径段部
３０センサエレメント
３１離隔部

Claims

内周に複列の外側転動面を備えた略円筒状の外輪と、
該外輪に挿入され、外周に前記外側転動面に対向して設けられた複列の内側転動面を備える略円柱状の内輪部と、該内輪部の一方の端部に設けられ、前記外輪の軸方向外側で前記内輪部の径方向外方に延在する車輪取付け用フランジとを備えるハブシャフトと、
前記外側転動面と前記内側転動面との間に介装された複数の転動体と、
非磁性のステンレス材の薄板からなり、前記外輪に固定される円筒状の固定部と、該固定部から径方向内方へ延び、前記内輪部の端部を覆う底部と、を備えたエンコーダキャップと、
前記底部の一部を介在して磁気センサのセンシング面に対向するように前記内輪部の外周に固設された環状の磁気エンコーダと、を有し、
前記エンコーダキャップが、前記外輪の端面に、又は、前記外輪の内周部に形成された拡径段部に、衝合してあるハブユニット軸受において、
前記底部のうち前記磁気エンコーダと前記センシング面との間に介在する部分のみが、前記センシング面を前記磁気エンコーダに近接対向させるように前記磁気エンコーダ側に突出した突起部であり、
前記突起部以外の前記底部は、前記磁気センサのセンサエレメントより車両内側方向に配置されており、
前記センサエレメントの中央から前記突起部周辺の前記底部における前記センサエレメント側の面までの軸方向距離は、前記センサエレメントの中央から前記突起部における前記センサエレメント側の面までの軸方向距離よりも小さいことを特徴とするハブユニット軸受。
前記突起部以外で前記磁気エンコーダに対向する前記底部の面に磁性ゴムを接着していることを特徴とする請求項１に記載のハブユニット軸受。