JP2006090509A

JP2006090509A - センサ付き転がり軸受ユニット

Info

Publication number: JP2006090509A
Application number: JP2004279414A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Matsuo; 浩敬松尾; Katsura Koyagi; 桂小八木; Masahiro Inoue; 昌弘井上
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】高分解能であるレゾルバを利用し、かつ、そのコストを下げることにより、低コストでかつ高分解能であるセンサ付き転がり軸受ユニットを提供する。
【解決手段】センサ装置は、回転側軌道部材4に設けられたロータ8および固定側軌道部材3に設けられたステータ7からなるレゾルバ2を備えている。ロータ8は、回転側軌道部材4とは別部材の機械加工品とされるとともに、被検出面となるロータ8外周面の断面形状8aが楕円とされている。
【選択図】図１

Description

この発明は、転がり軸受とその各種情報を検出するセンサ装置とが一体化されたセンサ付き転がり軸受ユニットに関する。

鉄道車両や自動車においては、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、車輪が取り付けられる回転側軌道部材、車体側に固定される固定側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された転動体を有する転がり軸受と、転がり軸受に設けられたセンサ装置とからなるセンサ付き転がり軸受ユニット（センサ付きハブユニット）が使用されている。

この種のセンサ付き転がり軸受ユニットでは、回転検出の分解能の向上や小径化の要求が強くなっているが、パルサリングを使用するものでは、分解能がパルサリングの着磁極数に依存するため、分解能の向上には、その極数を増すことが必要となる。しかしながら、このようにすると、磁束密度が低くなってセンサ装置の信号出力の絶対値が小さくなり、回転を正確に測定できなくなるという問題が生じることから、分解能の向上には限界があった。

そこで、パルサリングに代わる被検出部を用いたセンサ付き転がり軸受ユニットとして、特許文献１には、複数の突起を有する略コ字状に形成された被検出部材の突起間に挟まれるように検出部を位置させることにより、回転速度の検出出力を向上させたものが開示されており、また、特許文献２には、被検出部を軸受装置固定用のナットに外嵌することにより、形状精度を高くできる構造体とし、検出精度を向上させるものが開示されている。
実開平６−４７８６７号公報特開平１１−１７４０６９号

上記特許文献のセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、特許文献１のものでは、被検出部材の加工が面倒という問題があり、また、特許文献２のものでは、ナットを有していない軸受装置には適用できないという問題があった。

そこで、ステータおよびロータからなり高分解能であるＶＲ形レゾルバを利用して、回転状態や接地荷重を検出可能なセンサ付き転がり軸受ユニットを得ることが考えられるが、従来のＶＲ形レゾルバの形状は、板金加工された珪素鋼板の重ね合わせにより特殊形状に形成されているため、これをそのまま使用したのではコストが高くつくという問題がある。コストを下げるには、ロータの外径を非真円形状に機械加工すればよいが、この場合には、出力波形に歪みが生じやすく、これが角度読み取り誤差となり、結局、レゾルバの高分解能特性を生かすことができないという問題がある。

この発明の目的は、高分解能であるレゾルバを利用し、かつ、その製造コストの増加を極力抑えて、歪みの少ない出力波形を得ることを可能としたセンサ付き転がり軸受ユニットを提供することにある。

第１の発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットは、回転側軌道部材、固定側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された転動体を有する転がり軸受と、転がり軸受に設けられたセンサ装置とからなるセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、センサ装置は、回転側軌道部材に設けられたロータおよび固定側軌道部材に設けられたステータからなるレゾルバを備えており、被検出面となるロータ外周面の断面形状が楕円とされていることを特徴とするものである。

ロータの被検出面を２つの偏心面からなる形状や切欠きのある形状とした場合には、被検出面に不連続面が生じ、このため、高調波のノイズによる角度読み取り誤差が生じやすくなる。そこで、高調波のノイズによる角度読み取り誤差をなくすため、ロータの外周面形状が楕円とされる。楕円形状は、簡単な二次関数または簡単な極座標表示で表すことができるので、外周面形状が楕円のロータは、機械加工（切削加工）により形成することができる。

第２の発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットは、回転側軌道部材、固定側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された転動体を有する転がり軸受と、転がり軸受に設けられたセンサ装置とからなるセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、センサ装置は、回転側軌道部材に設けられたロータおよび固定側軌道部材に設けられたステータからなるレゾルバを備えており、被検出面となるロータ外周面の断面形状が、互いに対向する２つの偏心円弧面と、互いに対向しかつ両偏心円弧面端部同士をつなぐ２つの真円円弧面とによって形成されていることを特徴とするものである。

ロータの被検出面を２つの偏心面からなる形状や切欠きのある形状とした場合には、被検出面に不連続面が生じ、このため、高調波のノイズによる角度読み取り誤差が生じやすくなる。そこで、高調波のノイズによる角度読み取り誤差をなくすため、ロータの外周面形状が互いに対向する２つの偏心円弧面と互いに対向しかつ両偏心円弧面端部同士をつなぐ２つの真円円弧面とによって形成される。このような形状は、異なる形状の複数の円筒面の組合せにより得ることができ、機械加工（切削加工）により形成することができる。

第１および第２の発明のセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、ロータは、回転側軌道部材と別部材とされてもよく、回転側軌道部材の外径または内径を切削することにより、回転側軌道部材に一体にロータの被検出面を形成するようにしてもよい。

レゾルバは、回転角度検出装置として公知のものであり、ステータに正弦波電圧を入力した状態で、回転側軌道部材と固定側軌道部材とが相対回転すると、ステータとロータの被検出面とのエアギャップ量が連続に変化することに伴い、ステータに回転角に応じた電圧が得られ、これにより、転がり軸受の回転状態を検出することができる。

レゾルバのステータは、例えば、内径が櫛歯状に形成されたリング状の鉄心と、すべての歯の部分に順次コイルが巻かれて形成されたステータ巻線とから構成される。ステータは、その鉄心部分が歯の先端を径方向内向きにした状態で固定側軌道部材の肩部に圧入されて固定される。

レゾルバは、通常、転がり軸受の端部に配置されるが、転がり軸受が複列の場合には、２列の転動体の中間に配置してもよい。レゾルバとしては、種々のタイプのブラシレスレゾルバや、ブラシレスシンクロを用いることができ、このうち、ＶＲ（バリアブル・リアクタンス）形レゾルバが好適である。

センサ装置には、ステータとロータの被検出面との間のエアギャップ量に応じて出力される信号を処理する処理回路が設けられ、この処理回路は、ＡＢＳ等のために必要な回転角度や回転速度を求める回転検出部と、ステータとロータとの間のエアギャップ量から車輪にかかる接地荷重を求める車輪接地荷重演算部とを有していることが好ましい。

第１および第２の発明のセンサ付き転がり軸受ユニットによると、センサ装置は、回転側軌道部材に設けられたロータおよび固定側軌道部材に設けられたステータからなるレゾルバを備えているので、ロータとステータとの間のギャップ量の変化がレゾルバによって磁気的に検出され、ロータの回転角度が電圧変化として出力される。そして、ロータは、その外周面形状が楕円とされているか、または、その外周面断面形状が、互いに対向する２つの偏心円弧面と互いに対向しかつ両偏心円弧面端部同士をつなぐ２つの真円円弧面とによって形成されているので、機械加工により製作することができ、板金加工された珪素鋼板の重ね合わせに比べて、コストを下げることができるとともに、通常の機械加工による切削品に比べて、歪みの少ない出力波形を得ることができ、相反する課題であるコストの低減と歪みの少ない出力波形特性とを高いレベルでバランスさせて、高分解能であるレゾルバの特性を生かすことができる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１および図２は、第１の発明のセンサ付き転がり軸受ユニットの第１実施形態を示している。以下の説明において、左右および上下は、図の左右および上下をいうものとする。

図１および図２に示すように、センサ付き転がり軸受ユニットは、転がり軸受(1)およびその回転を検出するレゾルバ(2)を備えている。

転がり軸受(1)は、固定側軌道部材である外輪(3)、回転側軌道部材である内輪(4)、これらの間に配置された複数の転動体である玉(5)、および保持器(6)を備えている。図示は省略したが、外輪(3)はハウジングなどに固定され、内輪(4)には回転軸などが固定される。

レゾルバ(2)は、ＶＲ形ブラシレスレゾルバで、ステータ(7)およびロータ(8)からなり、そのステータ(7)が外輪(3)に、そのロータ(8)が内輪(4)にそれぞれ固定されている。

ステータ(7)は、内径が櫛歯状に形成されたリング状の鉄心(9)と、鉄心(9)のすべての歯の部分に順次コイルが巻かれて形成されたステータ巻線(10)とからなる。ステータ(7)は、鉄心(9)が歯の先端を径方向内向きにした状態で外輪(3)の右端部に圧入されて固定されている。これにより、ステータ(7)の鉄心(9)の内径は、外輪(3)の内径と同心とされている。

ロータ(8)は、図２に示すように、その被検出面となる外周面の断面形状(8a)が連続的に変化する楕円となるように、内輪(4)とは別に機械加工により形成されており、内周面の断面形状(8b)が楕円と中心が同じ円とされて、内輪(4)に設けられた環状溝(4a)に圧入により固定されている。なお、図１においては、上側がロータ(8)の短径（ステータ(7)とロータ(8)とのギャップが最大）、下側がロータ(8)の長径（ステータ(7)とロータ(8)との下側のギャップが最小）を示すように描いている。

したがって、内輪(4)が回転すると、外輪(3)の内径と同心の内径を有するステータ(7)の鉄心(9)と楕円形状の被検出面(8a)を有するロータ(8)とのギャップが変化し、ステータ(7)に回転角に応じた電圧が得られ、これが信号線(11)を介して処理回路に送られる。これにより、内輪(4)の回転状態を検出することができる。

ロータ(58)を機械加工して、ステータ(7)との間に異なるギャップδ_１およびδ_２を形成する場合、図６（ａ）に示すように、ロータ(58)の被検出面を偏心円筒面(58b)(58c)としたり、図６（ｂ）に示すように、円筒面に切欠き(58d)を設けることが考えられる。図６（ａ）において、偏心円筒面(58b)(58c)は、回転中心から所定距離離れた位置を中心とする半径ｒの円弧（第１の周面）(58b)と、回転中心から逆方向に所定距離離れた位置を中心とする半径ｒの円弧（第２の周面）(58c)とによって形成されている。このような偏心円筒面(58b)(58c)は、中心軸に対して旋削工具の軸を２回偏心させて加工することにより得ることができる。この場合、同図にＪで示す部分は、不連続となり、高調波ノイズを創生することになり、誤差原因となるという問題がある。また、図６（ｂ）において、切り欠き(8d)は、対向する二面の幅をＢとすることにより形成されるが、この切り欠き(8d)については、同図にＳで示す部分が不連続となり、高調波ノイズを創生することになり、誤差原因となるという問題がある。いずれの場合でも、機械加工で形状を得ているために、鋭い不連続面が存在し、このため、出力波形に歪みが生じ、角度読み取り誤差の原因となりやすいという問題がある。これに対し、図２に示したロータ(8)のプロフィール（楕円形状）によると、不連続部分をなくすことができるので、出力波形の歪みが抑えられ、検出精度を上げることができる。

また、ロータを機械加工により形成する際しては、図３に示す形状とすることもできる。第２の発明のセンサ付き転がり軸受ユニットの第１実施形態は、図１に示した第１の発明のセンサ付き転がり軸受ユニットのロータ(8)を図３に示すロータ(18)で置き換えることによって得られる。このロータ(18)は、図２に示したロータ(8)と同じ内周面(18b)を有しており、その内径がＤとされている。そして、その被検出面となる外周面断面形状(18a)が、互いに対向する２つの偏心円弧面(r1)(r2)と、互いに対向しかつ両偏心円弧面(r1)(r2)端部同士をつなぐ２つの真円円弧面(r3)(r4)とによって形成されている。第１の偏心円弧面(r1)は、回転中心から距離ｄ離れた位置Ｐを中心とする半径Ｒ１の円の円弧であり、第２の偏心円弧面(r2)は、回転中心からＰに対して逆方向に距離ｄ離れた位置Ｑを中心とする半径Ｒ１の円の円弧であり、第３および第４真円円弧面(r3)(r4)は、いずれも回転中心を中心とする半径Ｒ２の円の円弧である。ここで、（Ｒ１−ｄ）＜Ｒ２＜Ｒ１とされており、こうして、最小半径が（Ｒ１−ｄ）で、最大半径がＲ２のほぼ滑らかな非円形断面形状が得られている。

図２および図３のいずれのものでも、ロータ(8)(18)を機械加工により形成することにより、コストの低減が図られるとともに、機械加工でありながら、２つの偏心面からなる形状や切欠きを形成した場合に生じる不連続面を避けることができ、ギャップ調整の自由度が増し、歪みの少ない出力波形を得ることができる。なお、上記ロータ(8)(18)は、内輪(4)とは別部材とされているが、内輪(4)の内径を所定形状に切削することで、内輪(4)に一体にロータ(8)(18)を形成することもできる。

図４は、第１および第２の発明のセンサ付き転がり軸受ユニットの第２実施形態を示している。同図に示すように、センサ付き転がり軸受ユニットは、複列の転がり軸受(21)およびその回転を検出するレゾルバ(22)を備えている。

転がり軸受(21)は、複列のアンギュラ玉軸受であって、固定側軌道部材である外輪(23)、回転側軌道部材である２つの内輪(24)、これらの間に２列に配置された複数の転動体である玉(25)、および各列の玉(25)をそれぞれ保持する保持器(26)を備えている。図示は省略したが、外輪(23)はハウジングなどに固定され、内輪(24)には回転軸などが固定される。

レゾルバ(22)は、ＶＲ形ブラシレスレゾルバで、ステータ(27)およびロータ(28)からなり、そのステータ(27)が外輪(23)に、そのロータ(28)が内輪(24)にそれぞれ固定されている。

ステータ(27)は、内径が櫛歯状に形成されたリング状の鉄心(29)と、鉄心(29)のすべての歯の部分に順次コイルが巻かれて形成されたステータ巻線(30)とからなる。ステータ(27)は、鉄心(29)が歯の先端を径方向内向きにした状態で外輪(23)の軸方向ほぼ中央部に圧入されて固定されている。これにより、ステータ(27)の鉄心(29)の内径は、外輪(23)の内径と同心とされている。

レゾルバ(22)のロータ(28)は、図示省略するが、図２のロータ(8)または図３のロータ(18)と類似の形状とされている。ステータ(27)は、外輪(23)の軸方向ちょうど中央よりも若干右方にずらされて、その鉄心(29)が右側の内輪(24)の左端部を臨むように位置させられている。そして、ロータ(28)は、右側の内輪(24)の左端部に設けられた環状溝(24a)に圧入固定されている。したがって、内輪(24)が回転すると、外輪(23)の内径と同心の内径を有するステータ(27)の鉄心(29)と楕円または偏心円筒面の被検出面(28a)を有するロータ(28)とのギャップが変化し、ステータ(27)に回転角に応じた電圧が得られ、これが信号線(31)を介して処理回路に送られる。これにより、内輪(24)の回転状態を検出することができる。

なお、上記第１および第２実施形態においては、外輪(3)(23)が固定側、内輪(4)(24)が回転側としたが、外輪(3)(23)が回転側、内輪(4)(24)が固定側としてもよく、この場合には、ロータが外輪(3)(23)の内径に設けられ、ステータが内輪(4)(24)の外径に設けられる。

図５は、第１および第２の発明のセンサ付き転がり軸受ユニットの第３実施形態を示している。

同図に示すように、センサ付き転がり軸受ユニットは、転がり軸受としての自動車用ハブユニット(41)およびその回転を検出するレゾルバ(42)を備えている。

ハブユニット(41)は、車体側に固定される固定側軌道部材(43)、車輪が取り付けられる回転側軌道部材(44)、両部材(43)(44)の間に２列に配置された複数の転動体である玉(45)、および各列の玉(45)をそれぞれ保持する保持器(46)を備えている。

固定側軌道部材(43)は、内周面に２列の外輪軌道が形成されている円筒部(52)と、円筒部(52)の左端部近くに設けられて懸架装置（車体）にボルトで取り付けられるフランジ部(53)とを有している。回転側軌道部材(44)は、第１の軌道溝(55a)を有する大径部(55)および第１の軌道溝(55a)の径よりも小さい外径を有する段付き状の小径部(56)からなるシャフト部(54)と、シャフト部(54)の小径部(56)外径に嵌め止められたリング部(57)とからなる。シャフト部(54)の左端部には、おねじ部が形成されており、このおねじ部には、リング部(57)をシャフト部(54)の大径部(55)左端面に密接させるナット(58)がねじ合わされている。シャフト部(54)の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト(59)が固定されたフランジ部(60)が設けられている。リング部(57)には、シャフト部(55)の軌道溝(55a)と並列するように、軌道溝(57a)が形成されている。固定側軌道部材(43)の右端部とシャフト部(55)との間には、シール装置(61)が設けられている。

レゾルバ(42)は、ＶＲ形ブラシレスレゾルバで、ステータ(47)およびロータ(48)からなり、そのステータ(47)が固定側軌道部材(43)に、そのロータ(48)が回転側軌道部材(44)にそれぞれ固定されている。

ステータ(47)は、内径が櫛歯状に形成されたリング状の鉄心(49)と、鉄心(49)のすべての歯の部分に順次コイルが巻かれて形成されたステータ巻線(50)とからなる。ステータ(47)は、鉄心(49)が歯の先端を径方向内向きにした状態で固定側軌道部材(43)の軸方向ほぼ中央部に圧入されて固定されている。これにより、ステータ(47)の鉄心(49)の内径は、固定側軌道部材(43)の内径と同心とされている。鉄心(49)の内径は、シャフト部(54)の大径部(55)の外径よりも若干大きくなされている。

レゾルバ(42)のロータ(48)は、図示省略するが、図２のロータ(8)または図３のロータ(18)と類似の形状とされている。回転側軌道部材(44)の段付き状の小径部(56)は、リング部(57)が嵌められている中間部(56a)と、中間部(56a)と大径部(55)との間にあって両者の中間の径を有する連結部(56b)と、中間部(56a)の左端に設けられたおねじ部(56c)とからなる。そして、ステータ(47)は、小径部(56)の中間部(56a)の右端部を臨むように位置させられ、ロータ(48)は、小径部(56)の中間部(56a)に圧入固定されて、大径部(55)の左端面によって位置決めされている。したがって、回転側軌道部材(44)が回転すると、固定側軌道部材(43)の内径と同心の内径を有するステータ(47)の鉄心(49)と楕円または偏心円筒面の被検出面を有するロータ(48)とのギャップが変化し、ステータ(47)に回転角に応じた電圧が得られ、これが信号線(51)を介して処理回路に送られる。これにより、回転側軌道部材(44)の回転状態を検出することができる。回転側軌道部材(44)の回転角度、回転数、回転速度などは、ＡＢＳなどの制御データとして使用される。

なお、図示省略したが、第３実施形態のハブユニット(41)において、ステータ(47)を固定側軌道部材(43)の左端部に圧入固定するとともに、ロータ(48)を回転側軌道部材(44)のリング部(57)やナット(58)に固定するようにしてもよい。

図１は、第１の発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットの第１実施形態を示す縦断面図である。図２は、ロータの被検出面の形状を示す横断面図である。図３は、第２の発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットの第１実施形態のロータの被検出面の形状を示す横断面図である。図４は、第１および第２の発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットの第２実施形態を示す縦断面図である。図５は、第１および第２の発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットの第３実施形態を示す縦断面図である。図６は、機械加工で得られるロータ（この発明の比較例となるロータ）の被検出面の形状を示す横断面図である。

符号の説明

(1)(21) 転がり軸受
(2)(22) レゾルバ
(3)(23) 外輪（固定側軌道部材）
(4)(24) 内輪（回転側軌道部材）
(7)(27) ステータ
(8) ロータ（第１発明用ロータ）
(18) ロータ（第２発明用ロータ）
(28) ロータ
(41) ハブユニット（転がり軸受）
(42) レゾルバ
(43) 固定側軌道部材
(44) 回転側軌道部材
(47) ステータ
(48) ロータ

Claims

回転側軌道部材、固定側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された転動体を有する転がり軸受と、転がり軸受に設けられたセンサ装置とからなるセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、
センサ装置は、回転側軌道部材に設けられたロータおよび固定側軌道部材に設けられたステータからなるレゾルバを備えており、被検出面となるロータ外周面の断面形状が楕円とされていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受ユニット。
回転側軌道部材、固定側軌道部材、および両軌道部材の間に配置された転動体を有する転がり軸受と、転がり軸受に設けられたセンサ装置とからなるセンサ付き転がり軸受ユニットにおいて、
センサ装置は、回転側軌道部材に設けられたロータおよび固定側軌道部材に設けられたステータからなるレゾルバを備えており、被検出面となるロータ外周面の断面形状が、互いに対向する２つの偏心円弧面と、互いに対向しかつ両偏心円弧面端部同士をつなぐ２つの真円円弧面とによって形成されていることを特徴とするセンサ付き転がり軸受ユニット。