JP2009144857A - センサ付き転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号に含まれるノイズを軽減できて、センサ装置が検出すべき物理量をより正確に検出できるセンサ付き転がり軸受装置を提供すること。
【解決手段】外輪３に固定されると共に、内軸１の軸方向の一端部を密封するキャップ部材５の内部に、センサ装置１０からの信号を処理する信号処理回路１８が配置されたキャップ内基板１５を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ付き転がり軸受装置に関する。

従来、センサ付き転がり軸受装置としては、特開２００７−１２７２５３号公報（特許文献１）に記載されている車輪用転がり軸受装置がある。

この車輪用転がり軸受装置は、インダクタンス型の変位センサを、軸方向に２列に配置し、車輪用転がり軸受装置の３つの並進荷重と、２つのモーメント荷重とを算出するようになっている。

上記変位センサからの信号は、内軸１の軸方向の一方の端部を覆うように配置されたキャップ部材を貫通する信号線を介して、キャップ部材に対してキャップ部材の転動体側とは反対側に位置する信号処理部に出力されて、この信号処理部で信号の処理を行うようになっている。

上記背景において、センサ付き転がり軸受装置において、信号に含まれるノイズの軽減を行うことが所望されている。
特開２００７−１２７２５３号公報

そこで、本発明の課題は、信号に含まれるノイズを軽減できて、センサ装置が検出すべき物理量をより正確に検出できるセンサ付き転がり軸受装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のセンサ付き転がり軸受装置は、
外周面に軌道面を有する第１軌道部材と、
内周面に軌道面を有する第２軌道部材と、
上記第１軌道部材の上記軌道面と上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置される複数の転動体と、
上記第２軌道部材に固定されると共に、上記第１軌道部材の軸方向の一端部を密封するキャップ部材と、
上記第２軌道部材に対する上記第１軌道部材の変位および上記第２軌道部材に対する上記第１軌道部材の相対回転速度のうちの少なくとも一方に基づく信号を出力するセンサ装置と、
上記キャップ部材の内部に位置するキャップ内基板と、
上記キャップ内基板上に配置されると共に、上記センサ装置から上記信号を受けて上記信号を処理する信号処理回路と
を備えることを特徴としている。

上記第１軌道部材は、上記外周面に軌道面を有する部材と、この部材に移動不可に固定されている全ての部材からなるものとする。

本発明によれば、上記信号処理回路が、上記キャップ内に位置するキャップ内基板に配置されているから、センサ装置と、上記信号処理回路とを接続する信号線の長さを、格段に短くできる。したがって、センサが出力する信号にノイズが載りにくくなり、変位や回転速度をより正確に検出することができる。

また、上記キャップ部材は、外部に面する表面積が大きくて、放熱性に優れるから、上記キャップ部材の内部に存在する信号処理回路に到達する熱量が小さくなる。したがって、上記信号処理回路を構成する電子部品が熱によって劣化することを抑制できる。

また、本発明によれば、上記信号処理回路が、キャップ部材内に位置するキャップ内基板に配置されているから、ほこりに起因する信号処理回路の劣化が発生することがない。

また、一実施形態では、
上記センサ装置は、
上記第１軌道部材が貫通している貫通穴を有する環状かつ板状のコイル配置用基板と、
上記コイル配置用基板の一方の側のコイル配置面上に、上記第１軌道部材を全周に亘って取り巻くように配置された平面状の第１コイルと、
上記コイル配置面上に配置されると共に、上記信号を出力する平面状の第２コイルと
を備え、
上記コイル配置面において上記第２コイルが囲んでいる部分は、上記貫通穴よりも上記コイル配置用基板の径方向の外方に位置している。

上記実施形態によれば、後述の実地例の記載のように、センサ装置のセンサ本体の軸方向の寸法を略基板の厚さ程度まで急激に小さくできる。したがって、センサ付き転がり軸受装置をコンパクトにすることができる。

また、一実施形態では、
上記センサ装置は、コイルを備え、そのコイルのインダクタンスの変動に基づいて上記変位および上記相対回転速度のうちの少なくとも一方に基づく信号を出力する。

上記実施形態によれば、信頼性の高いインダクタンス型のセンサ装置を用いて、検出すべき物理量をより正確に検出することができる。

本発明のセンサ付き転がり軸受装置によれば、信号処理回路が、キャップ内に位置するキャップ内基板に配置されているから、センサ装置と、信号処理回路とを接続する信号線の長さを格段に短くできて、変位情報や回転速度情報等の物理情報を含んだ信号に含まれるノイズを小さくできる。したがって、変位や回転速度をより正確に検出することができる。

また、本発明のセンサ付き転がり軸受装置によれば、上記キャップ部材は、外部に面する表面積が大きくて、放熱性に優れるから、キャップ部材に伝導してきた熱力のうちで、上記キャップ部材の内部に存在する信号処理回路に到達する熱量が小さくなる。したがって、上記信号処理回路を構成する電子部品が熱によって劣化することを抑制できる。

また、本発明のセンサ付き転がり軸受装置によれば、上記信号処理回路が、キャップ部材内に位置するキャップ内基板に配置されているから、ほこりに起因する信号処理回路の劣化が発生することがない。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態のセンサ付き転がり軸受装置である従動輪用の車両用転がり軸受装置（従動輪用のハブユニット）の軸方向の断面図である。

このセンサ付き転がり軸受装置は、内軸１と、内輪２と、第２軌道部材としての外輪３と、キャップ部材５と、転動体の一例としての複数の玉７と、ナット８と、センサ装置１０とを備える。

また、このセンサ付き転がり軸受装置は、キャップ部材５の内部に、キャップ内基板１５と、キャップ内基板１５に実装された複数の電子部品１７とを備える。上記複数の電子部品１７は、信号処理回路１８を構成している。上記電子部品１７は、キャップ内基板１５の両面に実装されている。

上記内軸１は、小径軸部１９と、中径軸部２０と、大径軸部２１とを有している。上記小径軸部１９の外周面には、ネジが形成されている。上記中径軸部２０は、小径軸部１９に段部３０を介して連なると共に、小径軸部１９の外径よりも大きい外径を有している。上記大径軸部２１は、中径軸部２０の小径軸部１９側とは反対側に位置している。上記大径軸部２１は、中径軸部２０に段部２２を介して連なると共に、中径軸部２０の外径よりも大きい外径を有している。上記大径軸部２１の外周面は、紙面の右側に図示しない外周軌道面としてのアンギュラ型の軌道溝を有し、この軌道溝の外径は、中径軸部２０から離れるにしたがって、大きくなっている。

上記内軸１は、軸方向の大径軸部２１側の端部（紙面の右側、図示せず）に、ブレーキディスクを取り付けるための、ブレーキディスク取付用のフランジを有している。

上記内輪２は、内軸１の中径軸部２０の外周面に外嵌されて固定されている。上記内輪２の軸方向の大径軸部２１側の端面は、上記段部２２に当接している。上記内輪２は、その外周面の大径軸部２１側に、外周軌道面としてのアンギュラ型の軌道溝２７を有している。この軌道溝２７の外径は、大径軸部２２から離れるにしたがって、大きくなっている。

上記内輪２の軸方向の大径軸部２１側の端面は、段部２２に当接している。また、上記ナット８が、小径軸部１９のネジに螺合している。上記内輪２の軸方向の大径軸部２１側とは反対側の端面は、ナット８の軸方向の大径軸部２１側の端面に当接している。上記ナット８を、軸方向の大径軸部２１側に所定距離ネジ込むことにより、内輪２を、内軸１に確実に固定するようになっている。

上記外輪３は、大径軸部２１の径方向の外方に位置している。上記外輪３の内周面は、第１の内周軌道面としてのアンギュラ型の第１軌道溝２８と、第２の内周軌道面としてのアンギュラ型の第２軌道溝（紙面の右側に存在、図示せず）とを有している。上記複数の玉７は、内輪２の軌道溝２７と、外輪３の第１軌道溝２８との間に、保持器２９によって保持された状態で、周方向に互いに間隔をおいて配置されている。また、図示しないが、玉７とは別の複数の玉が、紙面の右側において、内軸１の軌道溝と、外輪３の上記第２軌道溝との間に、保持器によって保持された状態で、周方向に互いに間隔をおいて配置されている。

上記キャップ部材５は、内軸１の軸方向の車輪接続側とは反対側の端部を密封している。上記キャップ部材５は、環状の芯金部３１と、樹脂モールド部３２とを有する。上記芯金部３１は、大径円筒部３３、小径円筒部３４および円板部３５を有し、大径円筒部３３は、外輪３の車輪接続側とは反対側の端部の内周面に、締め代を有した状態で、内嵌されて固定されている。また、上記小径円筒部３４は、大径円筒部３３の外径よりも小さい外径を有し、大径円筒部３３に段部を介して連なっている。上記小径円筒部３４は、略軸方向に延在している。また、上記円板部３５は、小径円筒部３４の大径円筒部３３とは反対側の端部から径方向の内方に略径方向に延在している。

上記樹脂モールド部３２は、芯金部３１の小径円筒部３４よりも径方向の内方および芯金部３１の円板部５３よりも軸方向の内軸１側に位置している。上記樹脂モールド部３２は、芯金部３１の小径円筒部３４の内周面３４、および、円板部３５の軸方向の内軸１側の端面に沿うように形成されている。詳しくは、上記樹脂モールド部３２は、断面コ字形状であり、筒状部４０および円板部４１を有している。上記円筒部４０は、略軸方向に延在している一方、円板部４１は、略径方向に延在している。上記筒状部４０は、芯金部３１の小径筒部３４の内周面に当接する外周面を有する一方、円板部４１は、芯金部３１の軸方向の内軸１側の端面に当接する軸方向の端面を有している。

上述のように、上記樹脂モールド部３２の内部には、キャップ内基板１５が配置されている。上記キャップ内基板１５は、円板形状を有している。上記キャップ内基板１５の外径は、芯金部３１の小径円筒部３４の内周面の内径と略同じ寸法に設定されている。上記キャップ内基板１５の外周面は、芯金部３１の小径円筒部３４の内周面に当接している。上記キャップ内基板１５は、略径方向に延在している。

上記センサ装置１０は、センサ本体５０と、磁性体からなるターゲット部材５１とを有している。上記センサ本体５０は、コイル配置用基板７０と、第１コイル７１と、第２コイル７２とを有する。

上記コイル配置基板７０は、ガラス布基材エポキシ樹脂からなっている。上記コイル配置用基板７０は、板状かつ環状であって貫通穴８９を有し、内軸１は、この貫通穴８９を貫通している。

上記コイル配置基板７０の外周面は、芯金部３１の大径円筒部３３の内周面に当接している。上記コイル配置基板７０は、樹脂モールド部３２の軸方向の玉７側の端面に固定されている。上記コイル配置基板７０は、略外輪３の径方向に延在している。また、上記第１コイル７１は、第２コイル７２よりも径方向の内方に位置している。

上記ターゲット部材５１は、略筒状の形状を有している。上記ターゲット部材５１の軸方向の一端部は、内輪２の円筒外周面における軸方向のナット８側の端部に圧入によって押しこまれている。上記ターゲット部材５１の軸方向の一端部は、内輪２の外周面の一端部としての円筒外周面５８に締まり嵌めにより外嵌されて固定されている。

この明細書では、第１軌道部材は、外周に軌道面を有する部材、すなわち、内軸１および内輪２と、この内軸１および内輪２に移動不可に固定されている全ての部材から構成されており、内軸１、内輪２およびターゲット部材５１の夫々は、第１軌道部材の一部を構成している。

図２は、上記コイル配置用基板７０の周辺部を模式的に示す模式図である。

図２に示すように、上記ターゲット部材５１は、環状の基板７０の貫通穴８９を貫通している。上記第１コイル７１は、平面状の形状を有し、ターゲット部材５１（第１軌道部材）を全周に亘って取り巻くように基板７０の一方の面７５に形成されている。一方、第２コイル７２は、平面状の形状を有し、第１コイル７１に接触しないように、上記一方の面７５に渦巻状に形成されている。上記第２コイル７２は、上記第１軌道部材を取り巻かないように配置されている。上記基板７０の上記一方の面７５において第２コイル７２が囲んでいる部分は、基板７０の貫通穴８９よりも、基板７０の径方向の外方に位置している。

上記第２コイル７２は、４つ存在し、４つの第２コイル７２は、周方向に等間隔に配置されている。上記キャップ内基板１５（図１参照）には、発振器９０（駆動回路）が配置されており、この発振器７０は、ケーブル９１を介して第１コイル７１に接続されている。

上記発振器９０で、例えば、１００ＫＨｚから１０ＭＨｚまでの高周波電流が生成され、この高周波電流が、ケーブル９１を介して第１コイル７１に流れ込むようになっている。

上記ターゲット部材５１は、磁性体からなっているから、第１コイル７１で生成された磁束が、ターゲット部材５１を通過することになる。したがって、上記ターゲット部材５１に荷重が作用して、上記ターゲット部材５１が、ある第２コイル７２に近づくと、第１コイル７１が生成する高周波の磁場に基づいてその第２コイル７２に発生する誘導起電力が大きくなる一方、ターゲット部材５１に荷重が作用して、ターゲット部材５１が、ある第２コイル７２から遠ざかると、第１コイル７１が生成する高周波の磁場に基づいてその第２コイル７２に発生する誘導起電力が小さくなる。

したがって、この実施形態のように、上記ターゲット部材５１が同一の磁性体で形成されている場合には、各第２コイル７２が生成する誘導起電力を測定すれば、各第２コイル７２とターゲット部材５１との距離を測定できる。

また、例えば、上記第１コイルに径方向に対向するターゲット部材の部分が、周方向に交互に位置し、かつ、互いに透磁率が異なる二つの部分（第１部分および第２部分）で形成されている場合、または、周方向に歯車状に凹凸が繰り返されている場合には、第２コイルが生成する誘導起電力が、基板に対するスリンガの相対回転速度（第１軌道部材に対する第２軌道部材の相対回転速度）に依存する周期性を有する誘導起電力になり、この周期を検出することによって、第１軌道部材に対する第２軌道部材の回転速度を検出できる。

話を戻して、上記各第２コイル７２は図示しない信号線を介して、上記キャップ内基板１５の信号処理回路１８に接続されている。上記信号処理回路１８は、各第２コイル７２からの信号（微弱な信号）を受けて、この信号を、オペアンプを有する周知の増幅回路で増幅したり、周知の包絡線検波回路で包絡線検波を行う等して、上記第２コイルに発生した誘電起電力から第１軌道部材に対する第２軌道部材の変位情報が顕著である信号を生成するようになっている。

上記実施形態のセンサ付き転がり軸受装置によれば、上記信号処理回路１８が、キャップ部材５内に位置するキャップ内基板１５に配置されているから、信号処理回路がキャップ部材に対する転動体側とは反対側に位置する従来の構成と比較して、センサ装置１０と信号処理回路１８とを接続する信号線の長さを格段に短くできる。したがって、センサが出力する信号にノイズが載りにくくなり、変位や回転速度をより正確に検出することができる。また、特に、センサ本体５０からの信号が微弱な信号であったとしても、この微弱な信号から確実に物理情報を拾い上げることができる。

また、上記実施形態のセンサ付き転がり軸受装置によれば、上記キャップ部材５は、外部に面する表面積が大きくて、放熱性に優れるから、キャップ部材５の内部に存在する信号処理回路１８に到達する熱量が小さくなる。したがって、上記信号処理回路１８を構成する電子部品１７が熱によって劣化することを抑制できる。

また、上記実施形態のセンサ付き転がり軸受装置によれば、転動体である玉７が転動することによって発生する風を受ける位置に存在するキャップ部材５内に、信号処理回路１８を構成する電子部品１７が実装されたキャップ内基板１５が配置されているから、上記風によってキャップ部材５の放熱効果を更に向上させることができて、この理由からも上記電子部品１７の熱による劣化を抑制することができる。

また、上記実施形態のセンサ付き転がり軸受装置によれば、上記信号処理回路１８が、キャップ部材５内に位置するキャップ内基板１５に配置されているから、ほこりに起因する電子部品１７の劣化が発生することがない。

また、上記実施形態のセンサ付き転がり軸受装置によれば、センサ本体５０が、基板７０およびその基板６０の一面７５に形成されたコイル７１,７２からなるから、センサ本体５０の軸方向の寸法を略基板７０の厚さ程度まで急激に小さくすることができる。したがって、センサ付き転がり軸受装置をコンパクトにすることができて、センサ付き転がり軸受装置の配置スペースを小さくすることができる。

尚、上記実施形態のセンサ付き転がり軸受装置では、第２コイル７２が４つ存在していたが、この発明では、第２コイルは、４以外の如何なる自然数存在していても良い。

また、上記実施形態のセンサ付き転がり軸受装置では、２つのコイル７１,７２からなるコイルの組が、軸方向に一列に配置されていたが、この発明では、図３に示すような２つのコイルの組を、基板の両側に形成したり、あるいは、複数の基板を違いに平行に配置して、各基板の面に、図３に示すような２つのコイルの組を形成することにより、図３に示すような２つのコイルの組を、軸方向に複列に配置しても良い。

例えば、図３に示すような２つのコイルの組を軸方向に２列に配置し（一方の組の第１軌道部材を取り巻くコイルを第１コイル、その第１コイルの径方向の外方に位置するコイルを第２コイル、また、他方の組の第１軌道部材を取り巻くコイルを第３コイル、その第３コイルの径方向の外方に位置するコイルを第４コイルとする）、更に、第２コイルおよび第４コイルの夫々に径方向に対向する第１軌道部材の外周面の部分に凹部や透磁率が周辺と異なる領域を形成すると、このセンサ付き転がり軸受装置に作用している５つの荷重を検出することができる（特開２００７−１２７２５３号公報参照、この公報に開示されている５つの荷重を検出する方法は、基板７０を有するセンサ本体５０を使用する本実施形態でも、全く同様に使用することができる。）。

また、上記実施形態のセンサ付き転がり軸受装置では、センサ装置１０で変位を検出するようにしたが、この発明では、第１コイルに径方向に対向する磁性体からなるターゲット部材の部分を、周方向に交互に位置し、かつ、互いに透磁率が異なる二つの部分（第１部分および第２部分）で形成するか、または、周方向に歯車状に凹凸が繰り返されている構成にしても良い。

この場合、第２コイルが生成する誘導起電力が、基板に対するスリンガの相対回転速度（第１軌道部材に対する第２軌道部材の相対回転速度）に依存する周期性を有する誘導起電力になるから、この周期を検出することによって、第１軌道部材に対する第２軌道部材の回転速度を検出できる。

また、上記実施形態のセンサ付き転がり軸受装置では、基板７０を有するセンサ本体５０を有するセンサ装置１０を使用したが、この発明では、センサ装置として、コイルを有し、かつ、コイルのインダクタンスの変位に基づいて、第１軌道部材に対する第２軌道部材の変位を検出するようにしても良く（特開２００７−１２７２５３号公報参照）、この場合、信頼性の高いインダクタンス型のセンサ装置を用いて、検出すべき物理量をより正確に検出することができる。

尚、本発明で使用できるセンサ装置は、上記実施形態で説明した基板を利用したセンサ装置や、インダクタンス型の変位センサを利用したセンサ装置に限らないことは言うまでもない。すなわち、本発明で使用できるセンサ装置は、ホール素子を利用するセンサ装置等、ギャップを検出できる非接触式のものであれば、如何なる変位センサであっても良い。

また、上記実施形態では、センサ付き転がり軸受装置が、ハブユニットであったが、この発明のセンサ付き転がり軸受装置は、ハブユニットに限らず、例えば磁気軸受装置等のハブユニット以外の如何なる軸受装置であっても良い。上記実施形態で説明した本発明の構成を、複数のモーメント荷重や並進荷重を測定するニーズのある各種軸受装置に適用することができるのは、言うまでもないからである。

また、上記実施形態のセンサ付き転がり軸受では、製造されるセンサ付き転がり軸受の転動体が玉であったが、この発明では、製造されるセンサ付き転がり軸受の転動体が、ころであっても良く、また、ころおよび玉を含んでいても良いことは言うまでもない。

本発明の一実施形態のセンサ付き転がり軸受装置である従動輪用の車両用転がり軸受装置（従動輪用のハブユニット）の軸方向の断面図である。 コイル配置用基板の周辺部を模式的に示す模式図である。

符号の説明

１ 内軸
２ 内輪
３ 外輪
５ キャップ部材
７ 玉
１０ センサ装置
１５ キャップ内基板
１８ 信号処理回路
７０ コイル配置用基板
７１ 第１コイル
７２ 第２コイル
８９ 貫通穴

Claims (3)

1. 外周面に軌道面を有する第１軌道部材と、
   内周面に軌道面を有する第２軌道部材と、
   上記第１軌道部材の上記軌道面と上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置される複数の転動体と、
   上記第２軌道部材に固定されると共に、上記第１軌道部材の軸方向の一端部を密封するキャップ部材と、
   上記第２軌道部材に対する上記第１軌道部材の変位および上記第２軌道部材に対する上記第１軌道部材の相対回転速度のうちの少なくとも一方に基づく信号を出力するセンサ装置と、
   上記キャップ部材の内部に位置するキャップ内基板と、
   上記キャップ内基板上に配置されると共に、上記センサ装置から上記信号を受けて上記信号を処理する信号処理回路と
   を備えることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
2. 請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置において、
   上記センサ装置は、
   上記第１軌道部材が貫通している貫通穴を有する環状かつ板状のコイル配置用基板と、
   上記コイル配置用基板の一方の側のコイル配置面上に、上記第１軌道部材を全周に亘って取り巻くように配置された平面状の第１コイルと、
   上記コイル配置面上に配置されると共に、上記信号を出力する平面状の第２コイルと
   を備え、
   上記コイル配置面において上記第２コイルが囲んでいる部分は、上記貫通穴よりも上記コイル配置用基板の径方向の外方に位置していることを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。
3. 請求項１に記載のセンサ付き転がり軸受装置において、
   上記センサ装置は、コイルを備え、そのコイルのインダクタンスの変動に基づいて上記変位および上記相対回転速度のうちの少なくとも一方に基づく信号を出力することを特徴とするセンサ付き転がり軸受装置。

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