JP2004198226A

JP2004198226A - センサ付き軸受ユニット

Info

Publication number: JP2004198226A
Application number: JP2002366470A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sakamoto; 賢志坂本; Hideaki Ishii; 秀明石井
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-18
Also published as: JP4151400B2

Abstract

【課題】温度が高くなったときでも信号幅精度が低下しにくいセンサ付き軸受ユニットを提供する。
【解決手段】センサ装置2は、パルサリング3に対向するように設けられた磁気センサ12およびパルサリング12の磁気発生部からの磁束密度を集束して磁気センサ12に導く集磁部材21を有している。集磁部材21の両端部21a,21bがパルサリング3に対向させられるとともに、その対向端部21a,21b同士の間隔がパルサリング3のピッチ相当分の奇数倍とされている。パルサリング3には、Ｎ極、ニュートラルゾーンZ1、Ｓ極およびニュートラルゾーンZ2がこの順で繰り返し形成されている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車のＡＢＳなどで使用されるセンサ付き転がり軸受ユニット等のセンサ付き軸受ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両や自動車において、車軸あるいは車軸に回転を伝達する回転軸を支持するとともに軸の回転速度・回転角度等の回転を検出するために、転がり軸受、ならびにそれに設けられたセンサ装置および被検出部材であるパルサリングを備えたセンサ付き転がり軸受ユニットが使用されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１４２２４７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種のセンサ付き転がり軸受ユニットでは、温度が高く（例えば１００℃以上）になると、磁力が低下し、信号幅精度が低下するという問題があった。
【０００５】
この発明の目的は、温度が高くなったときでも信号幅精度が低下しにくいセンサ付き軸受ユニットを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明によるセンサ付き軸受ユニットは、固定部材および可動部材を有する軸受と、固定部材および可動部材のいずれか一方に設けられた被検出部材と、同他方に設けられたセンサ装置とを備えたセンサ付き軸受ユニットにおいて、センサ装置は、被検出部材に対向するように設けられた磁気センサおよび被検出部材の磁気発生部からの磁束密度を集束して磁気センサに導く集磁部材を有しており、集磁部材の両端部が被検出部材に対向させられるとともに、その対向端部同士の間隔が被検出部材のピッチ相当分の奇数倍とされていることを特徴とするものである。
【０００７】
軸受としては、転がり軸受、すべり軸受、動圧軸受、直動軸受等が使用可能である。
【０００８】
第２の発明によるセンサ付き軸受ユニットは、複数の軌道輪および複数の転動体を有する転がり軸受と、いずれかの軌道輪に設けられかつ周方向に等ピッチの複数の磁気発生部を有する被検出部材と、他方の軌道輪に設けられたセンサ装置とを備えたセンサ付き軸受ユニットにおいて、センサ装置は、被検出部材に対向するように設けられた磁気センサおよび被検出部材の磁気発生部からの磁束密度を集束して磁気センサに導く集磁部材を有しており、集磁部材の両端部が被検出部材に対向させられるとともに、その対向端部同士の間隔が被検出部材のピッチ相当分の奇数倍とされていることを特徴とするものである。
【０００９】
転がり軸受としては、玉軸受、ころ軸受、ニードル軸受、スラスト軸受等が使用可能である。転がり軸受は、単列であってもよく、複列であってもよい。また、軌道輪として、内輪および外輪を１つずつ備えていてもよく、内輪および外輪の少なくとも一方が２つ以上の内輪形成部材または外輪形成部材によって形成されていてもよい。
【００１０】
この明細書において、「被検出部材の１ピッチ」は、１つの磁気発生部（Ｓ極またはＮ極）の幅をいうものとする。ここで、両極間には、それぞれニュートラルゾーンが設けられていてもよく、この場合の１ピッチは、Ｓ極＋ニュートラルゾーンまたはＮ極＋ニュートラルゾーンの幅をいうものとする。また、被検出部材が例えばパルサリングのようにリング状である場合には、「被検出部材の１ピッチ相当分」とは、角度に換算した場合に等しいこと、すなわち、被検出部材の中心径をＤ_Ｐ、被検出部材の１ピッチをＷ_Ｐ、磁気センサのピッチ円径をＤ_Ｓとして、磁気センサの「被検出部材の１ピッチ相当分」Ｗ_Ｓが、Ｗ_Ｓ＝Ｗ_Ｐ×Ｄ_Ｓ／Ｄ_Ｐとなることを意味するものとする。「被検出部材のピッチ相当分の奇数倍の間隔」は、「一方がＮ極（またはＳ極）に対向している瞬間に、他方がＳ極（またはＮ極）に対向している配置」と言い換えることができる。
【００１１】
第１および第２の発明のセンサ付き軸受ユニットによると、磁気センサが１対の集磁部材に挟持されて、集磁部材の被検出部材に対向する端部同士の間隔が被検出部材のピッチ相当分の奇数倍とされているので、被検出部材の磁束密度が集磁部材によって高められて磁気センサに入力されるため、高温でも安定した信号幅精度を維持することができる。
【００１２】
磁気センサの出力信号を処理する信号処理手段は、出力信号の絶対値が閾値を下回った場合に出力信号がＬｏ出力となる両極型磁気センサ（バイポーラ型）であることが好ましい。
【００１３】
また、被検出部材には、Ｎ極、ニュートラルゾーン、Ｓ極およびニュートラルゾーンがこの順で繰り返し形成されていることが好ましい。このような被検出部材を得るには、例えば、Ｎ極、ニュートラルゾーン、Ｓ極およびニュートラルゾーンがこの順でそれぞれ繰り返された２つの着磁層が各着磁層のＮ極とＳ極とを対応させて径方向に重ね合わせられるような着磁パターンに着磁すればよい。この被検出部材を使用すると、磁気センサの出力信号が台形波となり、周囲温度が高温になった際でも信号の変化が少なく、したがって、信号幅をより安定させることができ、しかも、ニュートラルゾーンと集磁部材の幅を調整することでパルス波のＨｉｇｈ／Ｌｏｗのデューティ比を調整することもできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、この発明のセンサ付き軸受ユニットの一実施形態の上半部を示している。以下の説明において、左右とは、図の左右をいうものとする。
【００１６】
図１に示すように、センサ付き軸受ユニットは、転がり軸受(1)、ならびにそれに設けられたセンサ装置(2)および被検出部材であるパルサリング(3)を備えている。
【００１７】
転がり軸受(1)は、複数の軌道輪としての固定輪である外輪(4)および回転輪である内輪(5)と、これらの間に配置された複数の転動体である玉(6)とを備えている。図示は省略したが、外輪(4)はハウジングなどに固定され、内輪(5)には回転軸などが固定される。
【００１８】
パルサリング(3)は、内輪(5)に固定された支持部材(7)と、支持部材(7)に固定された着磁体(8)とよりなる。支持部材(7)は、内輪(5)の外周に嵌め被せられた小径円筒部(7a)と、小径円筒部(7a)の右端から径方向外方にのびる穴あき円板部（フランジ部）(7b)と、穴あき円板部(7b)の外周縁部から右方にのびる大径円筒部(7c)とよりなり、全体として環状をなす。
【００１９】
外輪(4)の右端部の内径の肩部に、環状みぞ(9)が形成されている。このみぞ(9)に環状板(10)の外周縁部が嵌合され、環状板(10)の内周縁部がパルサリング(3)の支持部材(7)の小径円筒部(7a)との間でラビリンス（シール）を形成している。なお、上記みぞ(9)は、シールみぞをそのまま利用してもよい。
【００２０】
センサ装置(2)は、外輪(4)に固定されたケース(11)と、ケース(11)内に設けられたセンサ(12)およびセンサ(12)からの出力に基づいた信号処理を行う信号処理手段(13)とを有している。
【００２１】
ケース(11)は、短円筒状の外周壁(11a)および内周壁(11b)、ならびにこれらの右端部同士を連結する穴あき円板状の側壁(11c)よりなり、全体として環状をなし、その中空部分の断面は略コ字状をなす。外周壁(11a)の自由端部（左端部）は内周壁(11b)より左側にのびており、この外周壁(11a)の自由端部が外輪(4)の右端部の肩部に密にはめ止められ、内周壁(11b)の自由端部が内輪(5)の右端面に近接している。
【００２２】
パルサリング(3)は、磁気発生部が等ピッチとなるようにリング状に形成された着磁体(8)が支持部材(7)の外周面全面にわたって固着されることにより形成されている。
【００２３】
図２に示すように、磁気センサ(12)は、略Ｕ字状の集磁部材(21)の底壁中央部分に保持されている。集磁部材(21)は、合金鋼やＮｉ基合金等の高透磁率材料からなり、パルサリング(3)の磁気発生部（Ｎ極）から出される磁束を集束して磁気センサ(12)に導く作用を有している。パルサリング(3)の着磁体(8)は、Ｎ極(N)、ニュートラルゾーン(Z1)、Ｓ極(S)およびニュートラルゾーン(Z2)がこの順で時計方向に繰り返されている２つの着磁層(8a)(8b)がそのＮ極(N)とＳ極(S)とを対応させて径方向に重ね合わせられることにより形成されている。略Ｕ字状の集磁部材(21)の側壁は、その自由端部(21a)(21b)が、パルサリング(3)に対向するようになされており、その対向端部(21a)(21b)同士の距離は、パルサリング(3)の磁気発生部のピッチ（例えば、Ｎ極の中心とＳ極の中心との距離）の奇数倍とされている。したがって、集磁部材(21)の一方のパルサリング対向端部（図では相対的に反時計側にある方）(21a)の中央がパルサリング(3)の表面側着磁層(8a)のＮ極(N)に対向している瞬間には、集磁部材(21)の他方のパルサリング対向端部（図では相対的に時計側にある方）(21b)の中央は、パルサリング(3)の表面側着磁層(8a)のＳ極(S)に対向させられている。
【００２４】
図４および図５には、この発明によるセンサ付き軸受ユニットの磁気センサで得られる磁束密度変化（Ｎ極からＳ極に向かう方向をプラスとする）を従来のセンサ付き転がり軸受ユニットと比較して示している。ここで、従来のセンサ付き転がり軸受ユニットとしては、図１に示したものと同様の構成であるが、集磁部材は設けられておらず、また、パルサリングの着磁体は、Ｎ極とＳ極とがニュートラルゾーン無しに等ピッチで形成されたものとされている。同図にサイン波で示されているのは、この従来のもので得られる波形であり、同図に台形波で示されているのがこの発明のもので得られる波形である。図４は常温時の磁束密度変化を、図５は高温（１００℃以上）時の磁束密度変化をそれぞれ示している。図４および図５のグラフに添えられているａ〜ｆまでの記号は、磁気センサ(12)とパルサリング(3)との相対位置関係を示す図３の（ａ）〜（ｆ）の記号にそれぞれ対応している。
【００２５】
図３の（ａ）では、集磁部材(21)の相対的に反時計側にある方のパルサリング対向端部（以下、第１端部という）(21a)の中央が、ニュートラルゾーン(Z2)とＮ極(N)との境界位置に対向し、集磁部材(21)の相対的に時計側にある方のパルサリング対向端部（以下、第２端部という）(21b)の中央が、ニュートラルゾーン(Z1)とＳ極(S)との境界位置に対向している。したがって、集磁部材(21)には、第１端部(21a)から第２端部(21b)に向かう磁束の流れ（図に破線の矢印で示す）が形成されており、この磁束密度が磁気センサ(12)によって検知されるため、磁気センサ(12)には、プラスでかつ絶対値が大きい磁束密度が検知されている。
図３の（ｂ）では、集磁部材(21)の第１端部(21a)の中央が、Ｎ極(N)とニュートラルゾーン(Z1)との境界位置に対向し、集磁部材(21)の第２端部(21b)の中央が、Ｓ極(S)とニュートラルゾーン(Z2)との境界位置に対向している。したがって、集磁部材(21)には、第１端部(21a)から第２端部(21b)に向かう磁束の流れが形成されており、この磁束密度が磁気センサ(12)によって検知されるため、磁気センサ(12)には、プラスでかつ絶対値が大きい磁束密度が検知されている。（ａ）から（ｂ）までの間は、その磁束の方向および大きさが（ａ）または（ｂ）と同様であり、したがって、図３の（ａ）から（ｂ）までの変化に伴って、図４の台形波のフラットなピーク部が得られる。図３の（ｃ）では、集磁部材(21)の第１端部(21a)の中央が、Ｎ極(N)とＳ極(S)との間にあるニュートラルゾーン(Z1)の中央に対向し、集磁部材(21)の第２端部(21b)の中央が、Ｓ(S)極とＮ極(N)との間にあるニュートラルゾーン(Z2)の中央に対向している。したがって、各端部(21a)(21b)においてそれぞれＮ極からＳ極に向かう磁束の流れ（図に破線の矢印で示す）が形成されて、それぞれ磁気ループが完成するため、第１端部(21a)から第２端部(21b)への磁束の流れおよびこの逆の磁束の流れは殆どなくなり、集磁部材(21)に磁束が流れないため、磁気センサ(12)には、磁束密度が検知されない。図３の（ｂ）から（ｃ）までの変化に伴って、図４の台形波のピーク値から徐々に減少する部分が得られる。図３の（ｄ）では、集磁部材(21)の第１端部(21a)の中央が、ニュートラルゾーン(Z1)とＳ極(S)との境界位置に対向し、集磁部材(21)の第２端部(21b)の中央が、ニュートラルゾーン(Z2)とＮ極(N)との境界位置に対向している。したがって、集磁部材(21)には、第２端部(21b)から第１端部(21a)に向かう磁束の流れが形成されており、この磁束密度が磁気センサ(12)によって検知されるため、磁気センサ(12)には、マイナスでかつ絶対値が大きい磁束密度が検知されている。図３の（ｃ）から（ｄ）までの変化に伴って、図４の台形波のゼロからボトム値に徐々に減少する部分が得られる。図３の（ｅ）では、集磁部材(21)の第１端部(21a)の中央が、Ｓ極(S)とニュートラルゾーン(Z2)との境界位置に対向し、集磁部材(21)の第２端部(21b)の中央が、Ｎ極(N)とニュートラルゾーン(Z1)との境界位置に対向している。したがって、集磁部材(21)には、第２端部(21b)から第１端部(21a)に向かう磁束の流れが形成されており、この磁束密度が磁気センサ(12)によって検知されるため、磁気センサ(12)には、マイナスでかつ絶対値が大きい磁束密度が検知されている。図３の（ｄ）から（ｅ）までの間は、その磁束の方向および大きさが（ｄ）または（ｅ）と同様であり、図３の（ｄ）から（ｅ）までの変化に伴って、図４台形波のフラットなボトム部が得られる。図３の（ｆ）では、集磁部材(21)の第１端部(21a)の中央が、Ｓ極(S)とＮ極(N)との間にあるニュートラルゾーン(Z2)の中央に対向し、集磁部材(21)の第２端部(21b)の中央が、Ｎ極(N)とＳ極(S)との間にあるニュートラルゾーン(Z1)の中央に対向している。したがって、パルサリング(3)のＮ極からＳ極に向かう磁束密度は、各端部(21a)(21b)においてそれぞれＮ極からＳ極に向かう磁束の流れ（図に破線の矢印で示す）が形成されて、それぞれ磁気ループが完成するため、第２端部(21b)から第１端部(21a)への磁束の流れおよびこの逆の磁束の流れは殆どなくなり、集磁部材(21)に磁束が流れないため、磁気センサ(12)には、磁束密度が検知されない。図３の（ｅ）から（ｆ）までの変化に伴って、図４の台形波のボトム値から徐々に増加する部分が得られる。磁束密度は、この後もさらに増加してピーク値に達して（ａ）に戻る。こうして、磁束密度変化の１サイクルが終了し、パルサリング(3)の回転に伴って、このサイクルが繰り返される。
【００２６】
上述のように、従来のものでは、磁束密度変化がフラットな部分がないサイン波になるのに対し、この発明によるセンサ付き軸受ユニットの磁気センサ(12)で得られる磁束密度変化は、台形波となる。したがって、Ｎ極側作動閾値およびＳ極側作動閾値に対応する信号幅は、図４の下に示すように、本発明のもの（台形波信号幅）＞従来のもの（サイン波信号幅）となる。ただし、従来のものでも小さすぎるということはない。しかしながら、パルサリングが高温になると、温度の上昇に伴って磁力が低下して、図５に示すように、本発明のものでも従来のものでも、出力の最大値が低下するとともに、最小値が上昇する。この場合に、Ｎ極側作動閾値およびＳ極側作動閾値に対応する信号幅は、同図の下に示すように、本発明のものでは、磁束密度変化が台形波であることから低下量が小さく、従来のものでは、磁束密度変化がサイン波であることから低下量が大きいため、本発明のもの（台形波信号幅）≫従来のもの（サイン波信号幅）となる。したがって、本発明のセンサ付き軸受ユニットでは、高温でも安定した信号幅精度を維持することができる。
【００２７】
なお、図１において、パルサリング(3)は内輪(5)に固定されて、センサ装置(2)が外輪(4)に設けられているが、パルサリングを外輪(4)に固定して、センサ装置を内輪(5)に設けることも可能である。
【００２８】
また、パルサリング(3)の着磁体(8)の２つの着磁層（磁気発生層）(8a)(8b)は、２つの別体のリング状部材を互いに異なる磁極が対向するように重ね合わせてもよく、１つのリング状部材に内周側と外周側とで異なる磁極となるように着磁してもよい。ここで、リング状部材は、継ぎ目無し形状に形成されていてもよく、帯状部材を丸めて両端を接合することによってリング状に形成されていてもよい。
【００２９】
また、上記実施形態においては、軸受が転がり軸受である場合について説明したが、この発明は、すべり軸受、動圧軸受、直動軸受等、固定部材および可動部材を有する他の軸受にも適用可能である。また、玉軸受の他、ころ軸受、ニードル軸受、スラスト軸受等の転がり軸受にも適用できる。転がり軸受の場合には、複数の軌道輪として内外輪を１つずつ備えているものの他、内外輪の少なくとも一方を２つ以上備えていてもよい。また、センサ装置については、磁気センサと信号処理手段とをそれぞれ別体で備えるものを示したが、これらをＩＣとして一体化してもよい。また、信号処理手段は、必ずしも、センサ装置に備えられる必要はなく、軸受ユニット外に備えて有線あるいは無線でセンサと信号授受してもよい。ＩＣとして一体化した場合は、外部磁場ノイズの影響を受けにくくなるため、分解能向上にも有効となり、センサ装置の小型化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明によるセンサ付き軸受ユニットの１実施形態を示す横断面図である。
【図２】図２は、回転検出部分の要部を示す図である。
【図３】図３は、パルサリングの回転に伴って、磁気センサとの相対位置関係が変化するとともに、磁束密度が変化していく様子を示す図である。
【図４】図４は、図３に示した相対位置変化に伴って磁気センサに検知される磁束密度変化のグラフを示す図である。
【図５】図５は、温度が高温になった際の図４のグラフに対応するグラフを示す図である。
【符号の説明】
(1) 転がり軸受
(2) センサ装置
(3) パルサリング
(12) 磁気センサ
(21) 集磁部材

Claims

固定部材および可動部材を有する軸受と、固定部材および可動部材のいずれか一方に設けられた被検出部材と、同他方に設けられたセンサ装置とを備えたセンサ付き軸受ユニットにおいて、センサ装置は、被検出部材に対向するように設けられた磁気センサおよび被検出部材の磁気発生部からの磁束密度を集束して磁気センサに導く集磁部材を有しており、集磁部材の両端部が被検出部材に対向させられるとともに、その対向端部同士の間隔が被検出部材のピッチ相当分の奇数倍とされていることを特徴とするセンサ付き軸受ユニット。
複数の軌道輪および複数の転動体を有する転がり軸受と、いずれかの軌道輪に設けられかつ周方向に等ピッチの複数の磁気発生部を有する被検出部材と、他方の軌道輪に設けられたセンサ装置とを備えたセンサ付き軸受ユニットにおいて、センサ装置は、被検出部材に対向するように設けられた磁気センサおよび被検出部材の磁気発生部からの磁束密度を集束して磁気センサに導く集磁部材を有しており、集磁部材の両端部が被検出部材に対向させられるとともに、その対向端部同士の間隔が被検出部材のピッチ相当分の奇数倍とされていることを特徴とするセンサ付き軸受ユニット。
被検出部材には、Ｎ極、ニュートラルゾーン、Ｓ極およびニュートラルゾーンがこの順で繰り返し形成されている請求項１または２のセンサ付き軸受ユニット。