JP2005283247A - センサ付き転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外乱ノイズの影響を受けることなく軸受回転時における転がり荷重等の所望の動作データを高精度に検知することができるコンパクトなセンサ付き転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】 内輪６の肩部（被検出部）６ｂに所定方向に揃えられ、かつ転動体８の転がり荷重等に従って生じる歪みに応じて所定方向から変化する磁化容易軸Ｍｅを設ける。また、この肩部６ｂに対向配置されてその肩部６ｂを励磁する励磁面１５ｂ１を有する第１のヨーク部１５ｂと、このヨーク部１５ｂに巻回されるとともに、交流電源１８ｂに接続された励磁用コイル１６とを備えた励磁部と、上記肩部６ｂに対向配置される検出面１５ｃ１を有する第２のヨーク部１５ｃと、このヨーク部１５ｃに巻回されるとともに、電圧計１８ｃに接続された検出用コイル１７を具備し、肩部６ｂと励磁部とともに磁気回路Ｍを構成して当該磁気回路Ｍを流れる磁束を検出する検出部を設置する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、センサが組込まれたセンサ付き転がり軸受装置に関する。

軸受を備えた転がり軸受装置には、その本来的な軸受機能に加えて、その軸受回転時でのトルク等の動作データを検知するためのセンサが組込まれたセンサ付き転がり軸受装置が提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。具体的にいえば、この従来の軸受装置は自動車用の軸受ハブユニットに適用されたものであり、軸方向周りの異なる位置で内輪と一体的に構成されたハブの取付フランジと制動用のロータとを互いに連結する複数の各スタッドに磁歪式の荷重センサを設けていた。そして、この従来装置では、これらの荷重センサの検出結果に基づいて、上記取付フランジとロータとの間で制動時に作用するトルクを検知するようになっていた。

特開２００３−２０５８３３号公報（第６頁、第８〜１１図）

ところで、上記のような従来軸受装置の各荷重センサは、スタッドの外周面に外嵌固定された円環状の永久磁石と、この永久磁石の外側に装着された非磁性材製の保持リング上に固着された複数の磁性金属片により構成されるとともに、永久磁石からの磁束によって励磁された励磁部と、この励磁部の外方に配置された検出コイルとを備えており、これらの構成部材は上記取付フランジ及びロータに跨るようにスタッドの外周側に配置されていた。そして、励磁部が取付フランジとロータとの僅かな回転速度差によって保持リングに生じた変形（歪み）に応じて歪んだときに、その励磁部の歪みに伴って当該励磁部の磁気特性（励磁部内の透磁率）が変化し、さらに検出コイルが前記透磁率の変化に応じて変動する、励磁部を通過した磁束密度を検出することにより上記トルクを検知していた。

ところが、上記のような励磁部の歪みは極微細なものであり、従ってその透磁率の変化及び検出コイルにて検出される上記磁束密度の変動も極微小なものであった。この結果、トルクを高精度に検知するためには、検出コイルを含む検出系を高感度なセンシング性能を有するよう構成することが要求された。しかるに、検出系はそのセンシング性能（感度）を向上させるにつれて、地磁気などの外乱ノイズの影響を受け易くなり、コイル検出値にバラツキを生じてトルクの検知精度が低下することがあった。
また、上記従来軸受装置では、周方向の異なる位置に設けられた複数の各スタッド、つまり軸受の軸方向周りの複数箇所に複数の荷重センサをそれぞれ設けていたので、センサの部品点数が多くそのコンパクト化を図るのが難しかった。

上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、外乱ノイズの影響を受けることなく軸受回転時における転がり荷重等の所望の動作データを高精度に検知することができるコンパクトなセンサ付き転がり軸受装置を提供することを目的とする。

本発明は、内輪及び外輪と、これらの内外輪間に周方向に沿って所定間隔で転動自在に設けられた複数の転動体とを備えた軸受を有する転がり軸受装置であって、
前記内外輪の一方の軌道輪側に設けられるとともに、歪みに応じて変化する磁化容易軸の磁化容易方向が所定方向に揃えられた被検出部と、前記被検出部に対向配置されてその被検出部を励磁する励磁面を備えた励磁部と、前記被検出部に対向配置される検出面を有し、かつ前記被検出部と前記励磁部とともに磁気回路を構成して当該磁気回路を流れる磁束を検出する検出部とを備えたことを特徴とするものである。

上記のように構成されたセンサ付き転がり軸受装置における被検出部では、歪みに応じて変化する磁化容易軸の磁化容易方向が所定方向に揃えられるとともに、当該被検出部は、励磁部の励磁面によって励磁されている。また、検出部には、被検出部に対向配置される検出面が設けられるとともに、当該検出部は、被検出部及び励磁部とともに磁気回路を構成して当該磁気回路を流れる磁束を検出する。これにより、上記磁化容易軸の磁化容易方向が転動体の転がり荷重や転がり軸受装置に外部から作用する外的荷重に応じて、所定方向から変化したときに、その磁化容易方向の方向変化に従って被検出部での磁気抵抗が変化し、ひいては上記磁気回路の磁気抵抗も変化する。この結果、検出面を通る磁束が変動し、検出部が、その変動する磁束を検出することで上記転がり荷重等の動作データを検知することができる。また、このように歪み変化に伴う磁化容易軸の方向変化に起因する材料の磁気抵抗変化、いわゆるビラリ効果を利用して上述の動作データを検知することができるので、上記従来例と異なり、検出部の感度を高める必要がない。

また、上記センサ付き転がり軸受装置において、前記検出部には、前記励磁面に対して前記周方向で互いに対称位置に配置されるように、当該周方向での前記励磁面との離間距離が同一距離に設定された第１及び第２の検出面が設けられることが好ましい。
この場合、上記第１及び第２の検出面を通る磁束の差分を求めることにより、周囲温度の影響などを相殺することができ、上記動作データの検知精度をさらに向上させることができる。

また、上記センサ付き転がり軸受装置において、前記励磁面と前記第１及び第２の各検出面との前記離間距離が、前記転動体での前記所定間隔の半分の距離に設定されてもよい。
この場合、軸受回転中において、上記第１及び第２の検出面を通る磁束の差分の変化量を最大限に大きくすることができ、外乱ノイズや周囲温度の変化の影響を受けることなく検出部を高感度にすることができる。

また、上記センサ付き転がり軸受装置において、基部と、この基部の中央部、右側端部、及び左側端部からそれぞれ分岐されるとともに、先端部に前記励磁面、前記第１の検出面、及び前記第２の検出面がそれぞれ形成された第１、第２、及び第３のヨーク部とを有する磁性部材を備え、
前記第１のヨーク部に、前記励磁部に含まれた励磁コイルを巻回するとともに、前記第２及び第３の各ヨーク部に、前記検出部に含まれた検出用コイルを巻回することが好ましい。
この場合、検出用コイルを検出器に接続し、かつ励磁コイルを電源に接続することにより、検出部と励磁部とを一体的にすることができ、センサ部品点数を削減することができるとともに、軸受装置への組付け作業を簡単化することができる。

また、上記センサ付き転がり軸受装置において、前記被検出部が、前記軌道輪の表面上に設けられた超磁歪部材により構成されてもよい。
この場合、内外輪と別個に構成された被検出部を用いているので、一方の軌道輪側に対し磁化容易軸の磁化容易方向を所定方向に揃える場合に比べて、当該被検出部を容易に設けることができる。

本発明によれば、被検出部でのビラリ効果を利用することにより、検出部の感度を高めることなく軸受回転時での転がり荷重等の動作データを検知することができるので、地磁気などの外乱ノイズの影響を排除しつつ、その動作データを高精度に検知することができる。また、内外輪の一方の軌道輪側に設けた被検出部とこれに対向配置された検出部とで動作データを検知することができるので、複数のセンサを用いた上記従来例に比べてセンサ部品点数を削減してそのコンパクト化を容易に行うことができる。

以下、本発明のセンサ付き転がり軸受装置の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、自動車等の車両用の軸受ハブユニットに適用した場合を例示して説明する。

実施形態１

図１は本発明の一実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置の断面図であり、図２はその転がり軸受装置の要部を示す構造図である。図１において、右側は車両アウター側（車輪側）、左側は車両インナー側であり、本実施形態のセンサ付き転がり軸受装置１は、転がり軸受装置２と、センサ装置３とによって構成されている。この転がり軸受装置２は、複列アンギュラ玉軸受タイプのものであり、外輪４と、内軸（ハブ）５と、内輪６と、複数の玉からなる転動体７，８とを備えている。また、転がり軸受装置２には、転動体７，８をそれぞれ周方向に沿って所定間隔で保持する保持器９，１０と、外輪４と内軸５との隙間に配置されたシール１１と、内軸５に螺着されたナット１２とが設けられている。

上記外輪４は、車体側に固定される固定輪であり、その内周側には、複列の軌道４ａ，４ｂが形成されている。一方、回転輪は、内軸５と内輪６とで構成されており、軌道４ａに対向する内軸５の箇所には、軌道５ａが形成されて、上記転動体７が軌道４ａとの間で転動するようになっている。また、軌道４ｂに対向する内輪６の箇所には、軌道６ａが形成されて、上記転動体８が軌道４ｂとの間で転動するようになっている。
また、内輪６の肩部６ｂには、上記センサ装置３が対向して配置されており、後に詳述するように、当該内輪肩部６ｂはセンサ装置３の被検出部として機能するようになっている。

また、上記内軸５は、車両アウター側にインロー部５ｂ及び、車輪取付用のフランジ部５ｃを備えている。このフランジ部５ｃには車輪等を固定するための４本のボルト１３が固定されている。また、内軸５の車両インナー側の端部には、ねじ部５ｄが形成されている。上記内輪６は、内軸５の左端近傍に形成された小径部５ｅの外周に嵌着され、ねじ部５ｄに螺着されるナット１２を締め付けることにより、内軸５に固定されている。また、このナット１２の車両インナー側には、外輪４の内周面に圧入されたカバー１４が設けられている。このカバー１４は、転がり軸受装置２の内外輪間の環状開口部を車両インナー側から密封するように取り付けられたものであり、当該環状開口部を車両アウター側から密封する上記シール１１とともに、軸受内部への雨水や異物等の侵入を防いでいる。

図２（ａ）に示すように、上記センサ装置３には、外輪４の外周外方に配置された基部１５ａと、この基部１５ａの左右の各端部から分岐されて内輪６側に延ばされた第１及び第２のヨーク部１５ｂ，１５ｃとを有する略コ字状に構成された軟磁性材製の磁性部材１５が設けられている。この磁性部材１５では、第１及び第２のヨーク部１５ｂ，１５ｃの各先端部が被検出部としての上記内輪肩部６ｂに対向して配置されており、これらヨーク部１５ｂ，１５ｃが外輪４に形成された取付孔４ｃ，４ｄにそれぞれ挿通された状態で磁性部材１５は当該外輪４側に固定されている。但し、外輪４と磁性部材１５との間には、アルミなどの非磁性材料（図示せず）が介在されており、後述の磁気回路に含まれた磁性部材１５が外輪４に直接接触するのを防いで当該磁気回路が変更されるのを防止するようになっている。
また、センサ装置３は、磁性部材１５の第１及び第２のヨーク部１５ｂ，１５ｃにそれぞれ巻回された励磁用コイル１６及び検出用コイル１７と、これらコイル１６，１７が接続されるとともに、軸受回転時での転がり荷重や回転数（回転速度）等の動作データを検出用コイル１７の検出値を基に検知する制御装置１８とを備えている。

詳細には、上記励磁用コイル１６は、制御装置１８側に設けられた交流電源１８ｂに接続されており、上記肩部６ｂに対して所定の磁界を与えるようになっている。これにより、第１のヨーク部１５ｂには上記コイル１６を流れる交流電流に応じた磁束が発生して、当該ヨーク部１５ｂの先端部で肩部６ｂの表面に対向配置された励磁面１５ｂ１が肩部６ｂを励磁する。
また、上記検出用コイル１７には、制御装置１８側に設けられた検出器としての電圧計１８ｃが接続されている。また、この検出用コイル１７は、肩部６ｂの表面に対向配置された検出面１５ｃ１を先端部に有する上記第２のヨーク部１５ｃ内を流れる磁束（磁束密度）の変化によって誘起された誘起電圧が電圧計１８ｃにて検出されるようになっている。すなわち、励磁用コイル１６から磁束を発生させると、第２のヨーク部１５ｃに磁束が流れ込む。そして、検出用コイル１７では、ヨーク部１５ｃ内を流れる磁束変化に応じた電圧が誘起され、その誘起電圧が電圧計１８ｃにて検出される。

また、上記磁性部材１５では、その励磁面１５ｂ１と検出面１５ｃ１との軸受周方向における中心間距離（離間距離）が転動体８の所定間隔、すなわちボールピッチの半分の距離と一致するように、第１及び第２のヨーク部１５ｂ，１５ｃは構成されている。つまり、励磁面１５ｂ１と検出面１５ｃ１との軸受中心に対する中心角が、図に“θ”にて示す２個の転動体８間の中心角の１／２の角度となるように構成されており、同図に示すように、例えば転動体８の内輪軌道６ａ（図１）との接触点が、その転動体８の転がり動作によって励磁面１５ｂ１の中心点が対向する肩部６ｂの対向点と軸方向の一直線上に位置したとき、検出面１５ｃ１の中心点が対向する肩部６ｂの対向点の軸方向の一直線上には、隣接する２個の転動体８の軌道６ａとの各接触点間の中間点が位置するようになっている。

以上のようにセンサ装置３では、磁性部材１５の内部及び励磁面１５ｂ１と検出面１５ｃ１とがそれぞれ対向する肩部６ｂの内部間に、上記励磁部からの磁束が流れる磁気回路（磁気ループ）Ｍ（図に二点鎖線にて図示）が形成される。
また、センサ装置３では、磁性部材１５の第１のヨーク部１５ｂと、このヨーク部１５ｂに設けられた励磁用コイル１６と、このコイル１６に接続された交流電源１８ｂとにより、肩部（被検出部）６ｂに所定の（バイアス）磁界を与える励磁部が構成されている。また、この励磁部では、磁束密度の大きさや磁束変化速度が一定となる磁束を肩部６ｂに付与するようになっている。また、磁性部材１５の第２のヨーク部１５ｃと、このヨーク部１５ｃに設けられた検出用コイル１７と、このコイル１７に接続された電圧計１８ｃとにより、磁気回路Ｍを流れる磁束を検出する検出部が構成されている。

また、上記内輪６では、図２（ｂ）の両矢印で示すように、磁化容易軸Ｍｅの磁化容易方向が所定方向として例えば当該内輪６の軸方向に揃えられている。但し、肩部（被検出部）６ｂが負の磁歪定数を持つ材料で構成されている場合には、磁化容易軸Ｍｅの磁化容易方向は内輪６の円周方向に揃えられる。この磁気異方性は、例えば内輪６の製作工程において、その内輪素材（例えば、軸受用鋼）を焼入れする際に当該軸受用鋼のキュリー点（７２０〜７３０℃）を越える温度から所定の磁界内で急冷することによって誘導的に当該内輪全体に付与されたものであり、内輪内部の磁区が同一方向（すなわち、軸方向）となるように磁化することで与えられている。
また、上記磁化容易軸Ｍｅは、ビラリ効果により、転がり軸受装置２に作用する荷重に従って生じる肩部６ｂの（内部）歪みに応じて磁化容易軸Ｍｅが傾くようになっている。具体的には、例えば図２（ｃ）に示すように、検出面１５ｃ１と対向している箇所、すなわち転動体８が通過していない箇所と、励磁面１５ｂ１に対向している箇所、つまり転動体８が通過している箇所とでは、肩部６ｂの歪み量に差を生じている。この歪み量の差は、転がり軸受装置２に作用する荷重（転動体８の転がり荷重や当該装置２に外部から作用する車両のタイヤ接地荷重等の外的荷重を含む。）が大きくなる程、大きい値となる。一方、磁化容易軸Ｍｅの磁化容易方向は、上記軸方向に揃えられることにより、肩部６ｂが転がり軸受装置２にかかる荷重により生じる歪みの方向に対して鉛直方向に揃えられることから、ビラリ効果により、肩部６ｂの歪み量が大きい程、励磁による磁束は流れ易くなる。このように、磁化容易軸Ｍｅは、転動体８の軌道６ａ（図１）との接触点からの距離に応じてその方向（磁化容易方向）が変化するようになっており、この磁化容易軸Ｍｅの方向変化は、肩部６ｂの内部を通る磁束に対しては磁気抵抗の変化として作用する。これにより、内輪肩部６ｂでは、ビラリ効果によって磁性部材１５に対向している当該肩部６ｂの内部、ひいては上記磁気回路Ｍでの磁束の流れ易さが、転動体８の転がり動作に応じて変化する。

上記制御装置１８は、例えばセンサ付き転がり軸受装置１が組付けられた車両のＥＣＵ（電子制御ユニット）であり、ＣＰＵ等により構成された演算部１８ａを具備している。この演算部１８ａが、上記センサ装置３用のプログラムを実行することにより、上記交流電源１８ｂは励磁用コイル１６に交流電流を供給すると、これにより発生した磁束が磁気回路Ｍ内を流れる。そして、電圧計１８ｃが、第２のヨーク部１５ｃを通る磁束変化によって検出用コイル１７に生じた誘起電圧を検出する。その後、演算部１８ａが、電圧計１８ｃの検出値に基づき転動体８の転がり荷重を求めることができ、この求めた転がり荷重から転がり軸受装置２に作用する荷重を所定の演算にて算出し検知することができる。また、上記電圧計１８ｃでの電圧波形は、正弦波的に変化することから、演算部１８ａが例えばそのピーク値の時間間隔を基に転動体８の公転速度、ひいては当該軸受装置２の回転数（回転速度）を演算によって検知することができる。さらに、演算部１８ａは、求めた荷重や回転速度などの転がり軸受装置２の動作データをブレーキシステムなどの車両の他のシステムに反映させて、これらの各システムを最適に動作可能になっている。

上記のように構成されたセンサ付き転がり軸受装置１の動作について、図３及び４を参照して具体的に説明する。尚、以下の説明では、センサ装置３が検出する上記磁化容易軸Ｍｅ（図２）の方向変化とこれに伴う磁気回路Ｍでの磁束の変化について主に説明する。
図３（ａ）に示すように、内輪６が図の矢印Ｒ１方向へ回転すると、転動体８はその内輪軌道６ａ（図１）上を同図の矢印Ｒ２方向に公転（つれ回り）する。この図に示す状態では、肩部６ｂにおける磁気回路Ｍに含まれた部位と転動体８とが比較的離れていることから、肩部６ｂにおける磁気回路Ｍに含まれた部位の歪み量が比較的少ない。これにより、上記磁気回路Ｍに含まれる肩部６ｂ内の磁化容易軸Ｍｅの方向変化が比較的少なく、当該磁気回路Ｍでの磁気抵抗も比較的大きい値となる。このため、磁気回路Ｍを流れる磁束が少なくなり、検出面１５ｃ１を通る磁束も比較的小さい値となる。この結果、図４に実線５０にて示す電圧計１８ｃでの検出値においても、同図の矢印Ａで示す比較的小さい値となる。

その後、転動体８が、図３（ａ）に示した状態から図３（ｂ）に示す状態にＲ２方向への公転動作に応じて移動すると、肩部６ｂにおける磁気回路Ｍに含まれた部位と転動体８とが最も接近した状態となり、肩部６ｂにおける磁気回路Ｍに含まれた部位の歪み量が比較的大きくなる。これにより、磁気回路Ｍに含まれる肩部６ｂ内の磁化容易軸Ｍｅの方向変化が比較的多くなり、当該磁気回路Ｍでの磁気抵抗が比較的小さい値となる。このため、磁気回路Ｍを流れる磁束は同図（ｂ）に白抜きの矢印にて示すように図３（ａ）に示した場合よりも多くなり、検出面１５ｃ１に流れ込む磁束も比較的大きい値となる。この結果、図４に矢印Ｂにて示すように、電圧計１８ｃでの検出値も比較的大きい値となる。このように磁気回路Ｍでは、転動体８の転がり動作に応じて磁束が変化する。

また、上記矢印Ａ及びＢで示した電圧計１８の検出値は、センサ付き転がり軸受装置１が組み込まれた車両が直進している場合での値であり、当該車両がカーブを走行する場合には、そのハンドル操作に応じた荷重が車両タイヤ側からハブユニットを介してセンサ付き転がり軸受装置１に上記外的荷重として作用する。このような外的荷重がかかると、電圧計１８の検出値は、例えば図４にｐ、ｐ間で示すピークtoピーク値のように、その外的荷重に応じて全体的に大きくなる。
また、図４において、実線５０の周波数は、励磁用コイル１６への印加交流電源の周波数と一致している。また、実線５０（電圧計検出値）の包絡線（同図に点線にて図示）の周波数は、１個の転動体８の公転周波数と転動体数との乗算値に一致し、さらに上記点線の包絡線（同図に二点鎖線にて図示）は、センサ装置３が検出した荷重の変動周波数を示している。そして、二点鎖線にて示した包絡線の周波数は、点線にて示した包絡線のものより、一般的に小さいことから、周波数分析を行うことで荷重変動と、転がり軸受装置２の回転数変動とを区別して検出することができる。

以上のように構成された本実施形態のセンサ付き転がり軸受装置１では、センサ装置３が肩部６ｂにおける磁気回路Ｍに含まれた部位の磁化容易軸Ｍｅの方向変化に応じて変動する、磁気回路Ｍを流れる磁束の変動を検出することにより、制御装置１８が軸受回転時での荷重等の動作データを検知している。つまり、肩部６ｂに所定方向に揃えられた磁化容易軸Ｍｅの磁化容易方向が肩部６ｂにおける磁気回路Ｍに含まれた部位のビラリ効果によって揃えられた方向から変化し、その方向変化に従って増減される磁気回路Ｍでの磁束に基づいて、制御装置１８が上述の動作データを検知しているので、上記従来例と異なり、制御装置１８を含んだ上記検出部の感度を高める必要がない。具体的には、上記従来例では、高精度に検知するためには、センサのセンシティブを高感度なものとする必要があり、地磁気などの外乱ノイズの影響で動作データの検知精度が低下することがあった。
これに対して、本実施形態では、磁化容易軸Ｍｅの方向変化に従って増減される磁束を検出する構成であるので、上記地磁気などの外乱ノイズの影響を防ぐために上記励磁部の磁束密度を例えば５００ガウスと大きくすることができる。これにより、上記演算部１８ａにおいて、電圧計１８ｃの検出値から外乱ノイズを分離する分離処理を不要とすることができ、動作データの検知処理を簡単化しつつ、当該動作データを高精度に検知することができる。

また、本実施形態では、内輪肩部６ｂに設けた被検出部とこれに対向配置されたセンサ装置３とで動作データを検知することができるので、複数のセンサを用いた上記従来例に比べてセンサ部品点数を削減してそのコンパクト化を容易に行うことができる。しかも、外乱ノイズに影響されることなく動作データを高精度に検知することができるので、軟磁性材からなるシールド部材でセンサ装置３及びその被検出部を磁気的にシールドする必要がないセンサ付きのインテリジェントな転がり軸受装置を容易に構成することができる。

また、本実施形態では、上記励磁面１５ｂ１と検出面１５ｃ１との軸受周方向における中心間距離（離間距離）が転動体８の所定間隔の半分の距離に設定されているので、肩部６ｂにおける磁気回路Ｍに含まれた部位の歪み発生に寄与する転動体８が１個以下になる。これにより、肩部６ｂにおける磁気回路Ｍに含まれた部位のビラリ効果を効率よく検出できるため、上記電圧計１８ｃにて検出される検出用コイル１７での誘起電圧の変化を最大限に変化させることができ、上記検出部の感度を向上させることができる。

実施形態２

図５は別の実施形態に係る転がり軸受装置の要部を示す構造図である。図において、本実施形態と上記実施形態との主な相違点は、略コ字状の磁性部材に代えて、内輪肩部６ｂからの磁束が流れ込む二つの検出面を有する三つ又状の磁性部材を用いた点である。
図５（ａ）に示すように、本実施形態では、センサ装置３の磁性部材２５は、基部２５ａと、この基部２５ａの中央部、右側端部、及び左側端部からそれぞれ分岐された第１、第２、及び第３のヨーク部２５ｂ，２５ｃ，及び２５ｄを有する三つ又状に構成された磁性材料により構成されている。この磁性部材２５は、外輪４に形成された３つの取付孔４ｃ，４ｄ，４ｅに第１〜第３のヨーク部２５ｂ〜２５ｄがそれぞれ挿通された状態で、当該磁性部材２５は外輪４に固定されている。但し、外輪４と磁性部材２５との間には、アルミなどの非磁性材料（図示せず）が介在されており、磁気回路Ｍに含まれた磁性部材２５が外輪４に直接接触するのを防いで当該磁気回路Ｍが変更されるのを防止するようになっている。

また、上記第１のヨーク部２５ｂには、交流電源１８ｂに接続された励磁用コイル１６が巻回されており、当該ヨーク部２５ｂの先端部には、励磁面２５ｂ１が形成されている。また、上記第２のヨーク部２５ｃには、電圧計１８ｃに接続された検出用コイル１７ａが巻回されており、当該ヨーク部２５ｃの先端部には、第１の検出面２５ｃ１が形成されている。同様に、上記第３のヨーク部２５ｄには、電圧計１８ｄに接続された検出用コイル１７ｂが巻回されており、当該ヨーク部２５ｄの先端部には、第２の検出面２５ｄ１が形成されている。そして、この磁性部材２５では、第１のヨーク部２５ｂと、このヨーク部２５ｂに設けられた励磁用コイル１６と、このコイル１６に接続された交流電源１８ｂとにより、肩部６ｂに所定の（バイアス）磁界を与える励磁部が構成されている。また、磁性部材２５では、第２のヨーク部２５ｃと、このヨーク部２５ｃに設けられた検出用コイル１７ａと、このコイル１７ａに接続された電圧計１８ｃとにより、後述の第１の磁気回路Ｍ１を流れる磁束を検出する第１の検出部が構成され、また第３のヨーク部２５ｄと、このヨーク部２５ｄに設けられた検出用コイル１７ｂと、このコイル１７ｂに接続された電圧計１８ｄとにより、後述の第２の磁気回路Ｍ２を流れる磁束を検出する第２の検出部が構成されている。

また、本実施形態のセンサ装置３では、上記第１及び第２のヨーク部２５ｂ，２５ｃの内部、これらのヨーク部２５ｂ，２５ｃとの間の基部２５ａの内部、及び励磁面２５ｂ１と第１の検出面２５ｃ１とがそれぞれ対向する肩部６ｂの内部間に、上記励磁部からの磁束が上記第１の検出部側に流れる第１の磁気回路Ｍ１が構成されている。また、第１及び第３のヨーク部２５ｂ，２５ｄの内部、これらのヨーク部２５ｂ，２５ｄとの間の基部２５ａの内部、及び励磁面２５ｂ１と第２の検出面２５ｄ１とがそれぞれ対向する肩部６ｂの内部間に、上記励磁部からの磁束が上記第２の検出部側に流れる第２の磁気回路Ｍ２が構成されている。

また、上記磁性部材２５では、第１及び第２の検出面２５ｃ１，２５ｄ１が励磁面２５ｂ１に対して周方向で互いに対称位置に配置されるように、第１〜第３のヨーク部２５ｂ〜２５ｄは構成されており、さらには上記周方向での励磁面２５ｂ１と第１及び第２の各検出面２５ｃ１，２５ｄ１との離間距離が同一距離、例えば転動体８での所定間隔の半分の距離に設定されている。これにより、上記第１及び第２の磁気回路Ｍ１，Ｍ２では、例えば図５（ｂ）に示すように、転がり軸受装置２にかかる荷重により磁化容易軸Ｍｅの磁化容易方向が揃えられた方向から最大限に方向変化している肩部６ｂの表面に励磁面２５ｂ１が対向したときに、磁化容易軸Ｍｅに方向変化を生じていない肩部６ｂの表面に第１及び第２の各検出面２５ｃ１，２５ｄ１を対向させることができる。つまり、励磁面２５ｂ１の中心点が転動体８の内輪軌道６ａ（図１）との接触点と軸方向で一致したときに、検出面２５ｃ１，２５ｄ１の中心点を各々隣接する２個の転動体８の軌道６ａとの各接触点間の中間点と軸方向で一致させることができる。

また、この図５（ｂ）に示す場合では、上述の磁気回路Ｍ１，Ｍ２にそれぞれ含まれる肩部６ｂの内部での磁化容易軸Ｍｅの方向変化が互いに同じ状態になっており、励磁磁束密度が例えば５００ガウスであるときに第１及び第２の磁気回路Ｍ１，Ｍ２での磁気抵抗が同一であることから、検出面２５ｃ１，２５ｄ１に流れ込む磁束及び電圧計１８ｃ，１８ｄの検出値も同じ値（２５０ガウス）を示す。
また、この図５（ｃ）に示す場合でも、磁気回路Ｍ１，Ｍ２での磁気抵抗が同一であることから、検出面２５ｃ１，２５ｄ１に流れ込む磁束及び電圧計１８ｃ，１８ｄの検出値も同じ値を示す。

また、本実施形態では、制御装置１８の演算部１８ａは、電圧計１８ｃ，１８ｄの検出値の差分を求め、この求めた差分を基に転がり軸受装置２にかかる荷重等の動作データを検知するようになっている。
以上の構成により、本実施形態では、上記実施形態と同様に、ビラリ効果を利用した上記動作データの検知が可能となって第１及び第２の検出部の各感度を高めることなく動作データを検知することができ、上記実施形態と同様な効果を得ることができる。

具体的には、転動体８が図５（ｂ）に示した状態からＲ２方向に公転して、図６（ａ）に示す状態に移動したときに、第１の磁気回路Ｍ１では、転がり軸受装置２にかかる荷重による磁化容易軸Ｍｅの方向変化が比較的小さく肩部６ｂ（被検出部）での磁気抵抗がほとんど減らない。一方、第２の磁気回路Ｍ２では、転動体８の転がり荷重による磁化容易軸Ｍｅの方向変化が比較的多くなって肩部６ｂでの磁気抵抗が顕著に小さくなっており、その磁気回路Ｍ２には磁気回路Ｍ１よりも多くの磁束が流れ込む。この結果、検出用コイル１７ｂに誘起される電圧も検出用コイル１７ａに誘起されるものより大きくなって、電圧計１８ｃの検出値よりも大きい値の検出値が電圧計１８ｄにて検出される。そして、演算部１８ａが、これらの検出値の差を算出して、この算出値を基に上述の動作データを所定演算により求めることができる。

その後、転動体８が図５ａに示した状態からさらにＲ２方向に公転して、図６（ｂ）に示す状態に移動すると、第１の磁気回路Ｍ１では、転がり軸受装置２にかかる荷重による磁化容易軸Ｍｅの方向変化が増加して肩部６ｂでの磁気抵抗が小さくなる。一方、第２の磁気回路Ｍ２では、転がり軸受装置２にかかる荷重による磁化容易軸Ｍｅの方向変化が図６（ａ）に示す状態に比べて減少して肩部６ｂでの磁気抵抗が大きくなっている。この結果、磁気回路Ｍ１には磁気回路Ｍ２よりも多くの磁束が流れ込み、検出用コイル１７ａに誘起される電圧が検出用コイル１７ｂに誘起されるものより大きくなり、電圧計１８ｃの検出値は電圧計１８ｄの検出値よりも大きい値となる。続いて、演算部１８ａは、これらの検出値の差を算出して、この算出値を基に上述の動作データを所定演算により求めることができる。

また、本実施形態では、演算部１８ａが電圧計１８ｃ，１８ｄの検出値の差分を求めて動作データを検知しているので、内輪６が軸受動作に伴い遠心膨張したときや周囲温度の変化などによって励磁部や、第１及び第２の検出面と肩部６ｂの表面との各距離（ギャップ）が変化したときでも、そのギャップ変化に起因する磁束の大きさ変動などの影響を相殺することができる。従って、演算部１８ａが演算する動作データの検知精度をさらに向上させることができる。また、各検出部の温度補正も不要とすることができる。

尚、上記の説明では、複列アンギュラ玉軸受タイプの軸受を具備する車両用の軸受ハブユニットに適用した場合について説明したが、本発明は、内輪及び外輪とこれらの内外輪間に周方向に沿って所定間隔で転動自在に設けられた複数の転動体とを備えた軸受を有する転がり軸受装置に上記磁化容易軸での方向変化を検出することによって軸受回転時での所望の動作データを検知可能なセンサ装置を組付けたものであればよく、転動体の種類や設置数などの軸受形式やセンサ構成等は上記のものに何等限定されるものではなく、本発明は回転機器などの機械や装置等に組み込まれる軸受装置に適用することができる。

また、上記の説明では、内輪の肩部を被検出部とした場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば外輪の肩部の磁化容易軸の磁化容易方向を揃えて当該外輪の肩部を被検出部として構成してもよい。
また、上記の説明では、内輪全体に磁化容易軸の磁化容易方向を揃えた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁化容易方向を所定方向に揃えた磁化容易軸を有する超磁歪部材を内外輪のいずれかの軌道輪の表面上に溶射または接合などにより、例えば被検出部と同調するような歪みを発生するように設ける構成でもよい。この超磁歪部材には、アモルファス磁性合金（結晶磁気異方性を有するものを含む。（例えばＣｏ；７２．５重量％、Ｓｉ；１２．５重量％、Ｂ；１５重量％））や超磁歪材（例えば、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系超磁歪材）がある。また、このような内外輪と別個に構成された被検出部を用いた場合、一方の軌道輪側に磁化容易軸の磁化容易方向を所定方向に揃える場合に比べて、当該被検出部を容易に設置できる点で好ましい。

また、上記の説明では、励磁面と検出面との離間距離または励磁面と第１及び第２の各検出面との離間距離を、転動体での所定間隔（ボールピッチ）の半分の距離に設定した場合について説明したが、本発明は磁化容易軸の方向変化に伴う検出部での検出磁束の変化を基に動作データを検知するものであればよく、これらの励磁面と検出面との離間距離は上記のボールピッチの半分の距離に限定されない。すなわち、励磁面から被検出部の内部を経て検出面に流れ込む磁束は、当該被検出部の内部での磁化容易軸の方向変化に応じた磁気抵抗の累積的な変化に従って増減されることから、ボールピッチに関わらず励磁面と検出面との離間距離を設定することができる。但し、励磁面と検出面との離間距離を上記のボールピッチの半分の距離に設定した場合の方が、電圧計（検出器）にて検出される検出用コイルでの誘起電圧の変化を最大限に変化させるできる点で好ましい。

また、上記の説明では、略コ字状または三つ又状に構成された磁性部材を用いて励磁部と検出部とを一体的に構成した場合について説明したが、本発明は、これらの励磁部と検出部とが磁気的に結合されて磁気回路を構成できるものであれば何等限定されない。具体的には、上記励磁用コイル及び検出用コイルがそれぞれ巻回された二本の軟磁性材製の棒状部材を用いて、励磁部及び検知部を別個に構成してもよい。但し、上記のように励磁部と検出部とを一体的に構成する軟磁性部材を使用する場合の方が、センサ部品点数を削減することができるとともに、転がり軸受装置へのセンサ装置の組付け作業を簡単化できる点で好ましい。また、磁気損失を少なくして効率よくセンシングすることができるセンサ装置を容易に構成できる点でも好ましい。

また、上記の説明では、励磁用コイルに交流電源を接続して交流磁界を被検出部に与える構成について説明したが、ホール素子などの入力磁束に応じた出力信号を出力する磁気センサを使用する場合には、上記交流電源による交流磁界に代えて、直流電源が接続された励磁用コイルから直流磁界を被検出部に与える構成でもよい。また、直流電源の代わりに永久磁石を用いることもできる。但し、このように永久磁石を用いて励磁部を構成する場合には、周囲温度の変化に伴う磁力変化が小さい、例えば希土類の磁石を使用することが好ましい。また、このような直流磁界を用いる構造は、上記実施形態２に示したように、励磁磁束が分割され、磁気回路Ｍ１に流れる磁束と磁気回路Ｍ２に流れる磁束との割合の変化によって動作データを検知する構造に限る。但し、この構造では、磁束との割合の変化を検出していることから、上記実施形態１と異なり、磁束密度の大きさや磁束の変化速度を一定にして励磁する必要はない。

本発明の一実施形態に係るセンサ付き転がり軸受装置の断面図である。 上記転がり軸受装置の要部を示す構造図であり、（ａ）は図１のIIａ−IIａ線一部切裁断面図であり、（ｂ）は上記転がり軸受装置の内輪に揃えられた磁化容易軸を示す図であり、（ｃ）は上記磁化容易軸の方向変化を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は図２に示した転がり軸受装置の要部の動作を説明する動作説明図である。 図２に示した電圧計で検出される具体的な検出波形及び検出荷重を示す波形図である。 別の実施形態に係る転がり軸受装置の要部を示す構造図であり、（ａ）は図１のIIａ−IIａ線一部切裁断面図であり、（ｂ）及び（ｃ）はボール転動に伴う上記磁化容易軸の方向変化を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は図５に示した転がり軸受装置の要部の動作を説明する動作説明図である。

符号の説明

１ センサ付き転がり軸受装置
２ 転がり軸受装置
３ センサ装置
４ 外輪
６ 内輪
６ｂ 肩部（被検出部）
８ 転動体
１５，２５ 磁性部材（励磁部及び検出部）
１５ｂ，２５ｂ 第１のヨーク部（励磁部）
１５ｂ１，２５ｂ１ 励磁面
１５ｃ，２５ｃ 第２のヨーク部（検出部）
１５ｃ１，２５ｃ１ 検出面，第１の検出面
２５ｄ 第３のヨーク部（検出部）
２５ｄ１ 第２の検出面
１６ 励磁用コイル（励磁部）
１７ 検出用コイル（検出部）
１８ 制御装置（検出部）
１８ａ 演算部（励磁部及び検出部）
１８ｂ 交流電源（励磁部）
１８ｃ，１８ｄ 電圧計（検出部）
Ｍ，Ｍ１，Ｍ２ 磁気回路

Claims (5)

1. 内輪及び外輪と、これらの内外輪間に周方向に沿って所定間隔で転動自在に設けられた複数の転動体とを備えた軸受を有する転がり軸受装置であって、
   前記内外輪の一方の軌道輪側に設けられるとともに、歪みに応じて変化する磁化容易軸の磁化容易方向が所定方向に揃えられた被検出部と、
   前記被検出部に対向配置されてその被検出部を励磁する励磁面を備えた励磁部と、
   前記被検出部に対向配置される検出面を有し、かつ前記被検出部と前記励磁部とともに磁気回路を構成して当該磁気回路を流れる磁束を検出する検出部と
   を備えたことを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
2. 前記検出部には、前記励磁面に対して前記周方向で互いに対称位置に配置されるように、当該周方向での前記励磁面との離間距離が同一距離に設定された第１及び第２の検出面が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
3. 前記励磁面と前記第１及び第２の各検出面との前記離間距離が、前記転動体での前記所定間隔の半分の距離に設定されていることを特徴とする請求項２に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
4. 基部と、この基部の中央部、右側端部、及び左側端部からそれぞれ分岐されるとともに、先端部に前記励磁面、前記第１の検出面、及び前記第２の検出面がそれぞれ形成された第１、第２、及び第３のヨーク部とを有する磁性部材を備え、
   前記第１のヨーク部に、前記励磁部に含まれた励磁コイルを巻回するとともに、
   前記第２及び第３の各ヨーク部に、前記検出部に含まれた検出用コイルを巻回したことを特徴とする請求項２または３に記載のセンサ付き転がり軸受装置。
5. 前記被検出部が、前記軌道輪の表面上に設けられた超磁歪部材により構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ付き転がり軸受装置。

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