JP2012007706A - センサ付き転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】外部のノイズに起因する外部磁界の影響を除去することができるセンサ付き転がり軸受を提供する。
【解決手段】回転側輪２と、固定側輪３と、前記回転側輪２及び前記固定側輪３間に介在する転動体４と、前記回転側輪に固定されたマグネットホルダ１２に保持されたリング磁石１１と、前記固定側輪に固定されたセンサハウジング１６に保持されて前記リング磁石１１と所定間隙を保って対向する磁気感応センサ１５とを備え、前記マグネットホルダ１２及び前記センサハウジング１６を磁性体で構成し、当該マグネットホルダ１２と当該センサハウジング１６とを、前記リング磁石１１及び前記磁気感応センサ１５間を外部から磁気シールドするように配設した。
【選択図】図１

Description

本発明は、リング磁石及び磁気感応センサを備えたセンサ付き転がり軸受に関する。

この種のセンサ付き転がり軸受としては、例えば図６に示すように、センサ１２１を埋設したセンサキャリア１２３が、センサ保持装置１２５を介して外輪１１０の内径面に設けられた凹状溝１１６ｂに全周に亘ってビーディング固定され、センサ１２１に対向して被検出部材１２０が、内輪１１１の外径面に圧入されたＬ状部材１２２の半径方向の平面部上に配置された構成を有するセンサ付き転がり軸受が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３３５２７９１号公報

ところで、センサ付き転がり軸受は、一般に、電動モータ等の電気ノイズを発生する部材の近傍に配置されることが多い。そのため、取付位置によっては、外部のノイズに起因する外部磁界が、被検出部材が形成する磁界が乱されることになる。前述した特許文献１に記載された従来例にあっては、センサ１２１の背面がセンサキャリア１２３から外部に露出しているので、外部のノイズに起因する外部磁界が被検出部材１２０が形成する磁界を乱してセンサ１２１が被検出部材１２０によって形成された磁界を正確に検出することができないという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上述した従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、外部のノイズに起因する外部磁界の影響を除去することができるセンサ付き転がり軸受を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、本発明の一の形態に係るセンサ付き転がり軸受は、回転側輪と、固定側輪と、前記回転側輪及び前記固定輪間に介在する転動体と、前記回転側輪に固定されたマグネットホルダに保持されたリング磁石と、前記固定側輪に固定されたセンサハウジングに保持されて前記リング磁石と所定間隙を保って対向する磁気感応センサとを備え、前記マグネットホルダ及び前記センサハウジングを磁性体で構成し、当該マグネットホルダと当該センサハウジングとを、前記リング磁石及び前記磁気感応センサ間を磁気シールドするように配設したことを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係るセンサ付き転がり軸受は、前記マグネットホルダは前記回転側輪及び前記固定側輪間の軸受空間を覆うように配設され、前記センサハウジングは前記マグネットホルダを覆うように断面コ字状に形成されていることを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係るセンサ付き転がり軸受は、前記マグネットホルダは前記軸受空間を覆う円環状板部と前記リング磁石の外径側に接するフランジ部とを少なくとも備えていることを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係るセンサ付き転がり軸受は、前記センサハウジングは前記磁気感応センサをモールド部によって固定したことを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係るセンサ付き転がり軸受は、前記モールド部は前記フランジ部とリング磁石を挟んで反対側近傍に延長する環状突出部を有し、前記リング磁石の前記定空隙を含む周囲にラビリンスを形成したことを特徴としている。

本発明のセンサ付き転がり軸受によれば、リング磁石を保持するマグネットホルダ及び磁気感応センサを保持するセンサハウジングをそれぞれ磁性体で構成し、これらマグネットホルダ及びセンサハウジングがリング磁石及び磁気感応センサ間を外部からの磁界に対して磁気シールドするように配設されているので、電動モータ等のノイズ発生源からの外部ノイズに起因する外部磁界がリング磁石及び磁気感応センサ間の所定空隙に影響することを確実に阻止することができ、正確な回転検出を行うことができるという効果が得られる。

本発明に係るセンサ付き転がり軸受の第１の実施形態を示す断面図である。 リング磁石の極性構造を示す平面図である。 磁気感応センサ及び基板を示す断面図である。 本発明に係るセンサ付き転がり軸受の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明に係るセンサ付き転がり軸受の第３の実施形態を示す断面図である。 従来例を示す断面図である。

以下、本発明に係るセンサ付き転がり軸受の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す縦断面図である。図中、１は自動車、鉄道車両、製鉄設備、工作機械等の回転軸に適用して回転速度を検出するセンサ付き転がり軸受であって、このセンサ付き転がり軸受１は、互いに対向する回転側輪としての軸受内輪２及び固定側輪としての軸受外輪３と、これら軸受内輪２及び軸受外輪３間に介在された多数の転動体４とで転がり軸受５が構成されている。ここで、軸受内輪２及び軸受外輪３のそれぞれは、互いの対向面の軸方向両端側に軸方向端面より所定距離だけ転動体４側に段部６及び７が形成されている。

軸受内輪２には、リング磁石１１を保持する磁性体で構成されるマグネットホルダ１２が嵌合保持されている。また、軸受外輪３には、マグネットホルダ１２を覆うようにホール素子等の磁気感応センサ１５を保持する磁性体で構成されるセンサハウジング１６が嵌合保持されている。
マグネットホルダ１２は、軸受内輪２の段部６に圧入固定されて軸受内輪２の軸方向端部より外方に僅かに突出する円筒部１２ａと、この円筒部１２ａの軸方向突出端部から半径方向に転がり軸受５の軸受内輪２及び軸受外輪３間の軸受空間を覆うように延出する円環状板部１２ｂと、この円環状板部１２ｂの外周縁から軸方向外方に突出する円筒状のフランジ部１２ｃとから構成されている。

そして、リング磁石１１が円環状板部１２ｂ及びフランジ部１２ｃに接触して、軸受空間の半径方向の略中央位置となるように例えば接着剤で固定保持されている。リング磁石１１は、図２に示すように、平面から見て、円周方向にＮ極及びＳ極に着磁された円弧状の磁石片１１ａを隣接する磁極が異極性となるように８個連結して、円周方向にＮ極及びＳ極が交互に整列された着磁パターンとなるように構成されている。

センサハウジング１６は、軸受外輪３の段部７に圧入固定される外筒部１６ａと、この外筒部１６ａの外方端から半径方向に内方に軸受内輪２まで延長する円環状板部１６ｂと、この円環状板部１６ｂの内方端から軸受内輪２の軸方向端部に向かって延長し、軸受内輪２に僅かな間隔を空けて対向する内筒部１６ｃとでリング磁石１１を３方から覆う断面コ字状に形成されている。

このセンサハウジング１６には、図３に示す磁気感応センサ１５を実装した円環状の基板１７が、円環状板部１６ｂに磁気感応センサ１５とリング磁石１１とが所定間隔を保って対向するように装着されている。ここで、磁気感応センサ１５は、三相電動モータの各相の位相角を検出するように構成されており、軸受内輪２に嵌挿される回転軸の回転速度を検出するためには、少なくとも１つの磁気感応センサ１５を配置すれば良く、回転速度と回転方向とを検出するためには、磁気感応センサ１５に対してリング磁石１１の着磁パターンに対して９０度の位相差を持つように他の磁気感応センサ１５′を配置すれば良い。この磁気感応センサ１５（又は１５及び１５′）は、合成樹脂性のモールド１８によって覆われており、モールド１８とリング磁石１１との対向面間に所定間隙のセンサギャップ１９が形成されている。

したがって、センサギャップ１９は、磁性体で構成されるマグネットホルダ１２及びセンサハウジング１６によって四方から囲まれている。
また、基板１７には、図３に磁気感応センサ１５から出力される磁界強度に応じた例えば正弦波状の電気的検出信号を信号処理する信号処理回路２０を備えており、この信号処理回路２０で信号処理された検出信号が信号線２１を介して外部の回転速度測定装置に出力される。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
今、転がり軸受５の軸受外輪３をハウジング等の固定部に固定するとともに、軸受内輪２内にブラシレスモータ等の三相電動モータ（図示せず）に連結された回転軸を嵌挿した組付状態とする。この状態で、三相電動モータを回転駆動させると、これに応じて軸受内輪２が回転されて、リング磁石１１が回転することにより、このリング磁石１１に対向して配設された磁気感応センサ１５でリング磁石１１の着磁パターンに応じた磁界を検出して、軸受内輪２の回転速度に応じた周波数の例えば正弦波でなる検出信号を出力する。
この検出信号を基板１７上に実装された信号処理回路２０で信号処理してパルス信号に変換し、このパルス信号が信号線２１を介して外部の回転速度測定装置に出力される。この回転速度測定装置では、単位時間当たりのパルス信号数を計数するか又はパルス信号のパルス間隔を計測することにより、回転速度を求めることができる。

また、磁気感応センサ１５を２つ配置した場合には、２つの感応センサ１５から９０度位相の異なる正弦波信号が出力されることにより、両センサ１５間の位相差に基づいて回転方向を検出することができる。
このようにして、磁気感応センサ１５によってリング磁石１１で発生される磁界を検出することにより、回転速度又は回転速度及び回転方向を検出することができるものであるが、前述したようにブラシレスモータ等の三相電動モータが近接配置されている場合には、この三相電動モータで発生される電気ノイズに起因する外部磁界がリング磁石１１で形成される磁界を乱すおそれがある。

しかしながら、上記第１の実施形態では、マグネットホルダ１２及びセンサハウジング１６が磁性体で構成され、これらマグネットホルダ１２及びセンサハウジング１６でリング磁石１１、磁気感応センサ１５及びそれら間のセンサギャップ１９を四方から覆うようにしている。
このため、これらリング磁石１１、磁気感応センサ１５及びセンサギャップ１９が外部に晒されることを防止することができるとともに、マグネットホルダ１２及びセンサハウジング１６が磁気シールドとしての機能を発揮することができる。この磁気シールド機能によって、近接配置された三相電動モータ等で発生される電気ノイズに起因する外部磁界の変化を遮蔽することができ、リング磁石１１で発生する磁界が外部磁界によって乱れることを抑制して磁気感応センサ１５によってリング磁石１１で発生する磁界を正確に検出して正確な検出信号を出力することができる。

また、磁気感応センサ１５を円環状の基板１７に実装したので、複数の磁気感応センサ１５を配置する場合に、基板１７上で所定の位相差を有して正確に配置することができる。
さらに、磁気感応センサ１５をモールド１８で覆うようにしているので、磁気感応センサ１５を構成するＩＣ部を外界から保護することが可能となり、センサＩＣ部の防塵及び防水性を高めることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図４について説明する。
この第２の実施形態は、センサギャップ１９を含む通路をラビリンス化したものである。
すなわち、第２の実施形態では、図４に示すように、前述した第１の実施形態における図１の構成において、モールド１８をリング磁石１１のマグネットホルダ１２のフランジ部１２ｃとは反対側の内径面及びマグネットホルダ１２の円環状板部１２ｂに近接対向するように突出させて円筒部１８ａを形成したことを除いては図１と同様の構成を有し、図１との対応部分には同一符号を付しその詳細説明はこれを省略する。

この第２の実施形態によると、モールド１８にリング磁石１１の内径面及びマグネットホルダ１２の円環状板部１２ｂに近接対向するように突出する円筒部１８ａが形成されている。このため、前述した第１の実施形態のようにモールド１８によって磁気感応センサ１５を構成するＩＣ部を保護することができることに加えて、センサハウジング１６の内筒部１６ｃと軸受内輪２の軸方向端面との間の空隙部３１ａと、モールド１８の円筒部１８ａとマグネットホルダ１２の円環状板部１２ｂとの間の空隙部３１ｂと、円筒部１８ａの外径面とリング磁石１１の内径面との間の空隙部３１ｃと、センサギャップ１９と、マグネットホルダ１２のフランジ部１２ｃとセンサハウジング１６の外筒部１６ａとの間の空隙部３１ｄとで、ラビリンス３１が形成される。

各空隙部３１ａ〜３１ｄは数ｍｍ以下とすることが可能であるので、異物の侵入を防ぐことが可能となる。また、外部からの磁性異物がラビリンス内に侵入した場合には、リング磁石１１の内径周面で吸着されるので、センサギャップ１９すなわち回転位置検出面への侵入を確実に防止することができるとともに、転がり軸受５の内部への侵入も確実に防止することができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図５について説明する。
この第３の実施形態では、マグネットホルダ１２の軸受内輪２への取付け及びセンサハウジング１６の軸受外輪３への取付けをより確実に行うようにしたものである。
すなわち、第３の実施形態では、図５に示すように、前述した第２の実施形態における図４の構成において、軸受内輪２及び軸受外輪３の段部６及び７が省略され、これらに代えて、軸受内輪２の外径面における軸方向端面から所定距離だけ転動体４側に係止凹溝４１が円周方向に形成されるとともに、軸受外輪３の内径面における軸方向端面から所定距離だけ転動体４側に係止凹溝４２が円周方向に形成されている。ここで、係止凹溝４１及び係止凹溝４２としては、転がり軸受５のシール溝を使用することができ、このシール溝を使用することにより、特別な加工を施すことなく溝形成を行うことができる。

そして、マグネットホルダ１２の円筒部１２ａの先端が円周方向に所定間隔で係止凹溝４１に加締められて固定され、同様にセンサハウジング１６の外筒部１６ａの先端が円周方向に所定間隔で係止凹溝４２に可締められて固定されている。
ここで、円筒部１２ａ及び外筒部１６ａの加締め箇所数は、特許第４２６９６４２号公報に記載されているように、正の整数をｎ、転動体４の数をＺ、２以上の整数をＸとしたとき、
（加締め箇所の数）＝ｎＺ±Ｘ …………（１）
に基づいて算出することが好ましい。このように加締め箇所数を算出することにより、転がり軸受５に発生する可能性のある異音や振動等を低減することができる。

この第３の実施形態によると、マグネットホルダ１２の円筒部１２ａ及びセンサハウジング１６の外筒部１６ａが軸受内輪２の係止凹溝４１及び軸受外輪３の係止凹溝４２に円周方向に等間隔で加締めによって固定されているので、マグネットホルダ１２及びセンサハウジング１６の取付の精度を向上させることができる。また、円筒部１２ａ及び外筒部１６ａの加締め箇所数を前記（１）式によって算出することにより、転がり軸受５に発生する可能性のある異音や振動等を低減することができる。

なお、上記第１〜第３の実施形態においては、軸受内輪２を回転側輪とし、軸受外輪３を固定側輪とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、軸受内輪２をハウジング等に固定し、軸受外輪３を回転軸に内嵌するようにした場合でも本発明を適用することができる。この場合には、リング磁石１１を保持するマグネットホルダ１２を軸受外輪３側に固定し、磁気感応センサ１５を保持するセンサハウジング１６を軸受内輪２側に固定するようにすればよい。

また、上記第１〜第３の実施形態においては、リング磁石１１が８個の磁石片１１ａを連結して構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、リング磁石１１の磁極数は、センサ付き転がり軸受１の使用状況に応じて任意数に設定することができる。
また、上記第１〜第３の実施形態においては、本発明をラジアル転がり軸受に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、スラスト転がり軸受にも本発明を適用することができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、磁気感応センサ１５がホール素子等のアナログタイプである場合について説明したが、これに限定されるものではなく、リング磁石１１の磁界を検出して直接パルス検出信号を出力するデジタルタイプの磁気感応センサを適用することもでき、この場合には信号処理回路２０を省略することができる。また、磁気感応センサ１５は、ホール素子等に限らず、他の磁気感応センサを適用することができる。例えば、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）を適用した場合には、磁気検知の感度が広がるため、軸受内部すき間が比較的大きいアキシャル方向でもより正確に検出することが可能となる。

１…センサ付き転がり軸受、２…軸受内輪、３…軸受外輪、４…転動体、５…転がり軸受、１１…リング磁石、１２…マグネットホルダ、１２ａ…円筒部、１２ｂ…円環状板部、１２ｃ…フランジ部、１５…磁気感応センサ、１６…センサハウジング、１６ａ…外筒部、１６ｂ…円環状板部、１６ｃ…内筒部、１７…基板、１８…モールド、１８ａ…円筒部、１９…センサギャップ、２０…信号処理回路、２１…信号線、３１…ラビリンス、３１ａ〜３１ｄ…空隙部、４１，４２…係止凹部

Claims (5)

1. 回転側輪と、
   固定側輪と、
   前記回転側輪及び前記固定側間に介在する転動体と、
   前記回転側輪に固定されたマグネットホルダに保持されたリング磁石と、
   前記固定側輪に固定されたセンサハウジングに保持されて前記リング磁石と所定間隙を保って対向する磁気感応センサとを備え、
   前記マグネットホルダ及び前記センサハウジングを磁性体で構成し、当該マグネットホルダと当該センサハウジングとを、前記リング磁石及び前記磁気感応センサ間を磁気シールドするように配設した
   ことを特徴とするセンサ付き転がり軸受。
2. 前記マグネットホルダは前記回転側輪及び前記固定側輪間の軸受空間を覆うように配設され、前記センサハウジングは前記マグネットホルダを覆うように断面コ字状に形成さ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。
3. 前記マグネットホルダは前記軸受空間を覆う円環状板部と前記リング磁石の外径側に接するフランジ部とを少なくとも備え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。
4. 前記センサハウジングは前記磁気感応センサをモールド部によって固定したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のセンサ付き転がり軸受。
5. 前記モールド部は前記フランジ部とリング磁石を挟んで反対側近傍に延長する環状突出部を有し、前記リング磁石の前記所定空隙を含む周囲にラビリンスを形成したことを特徴とする請求項４に記載のセンサ付き転がり軸受。

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