(57)【要約】      （修正有）【課題】環境の影響や潤滑剤等による汚染に強く簡単な構成で安価に製造可能なセンサユニットが組み込まれた軸受け装置を提供する。【解決手段】センサユニット０２は回転可能な軸受け部品０４に結合された回転可能な第１のセンサ要素としてのロータ０８と、固定された第２のセンサ要素としてのステータ０９とを含む。これらのセンサ要素（０８、０９）はコンデンサを構成する。少なくとも一方のセンサ要素（０８、０９）は測度形成体を有しているため、センサ面（０８、０９）が相対的に移動するとコンデンサの容量変化が生じる。更にセンサユニットは、センサ板の間に周期的な静電場を発生させる手段と、容量変化を評価するための処理及び増幅用電子装置とを含む。【選択図】図２
2011107134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ころ軸受け（０１）であって、回転可能な軸受け部品（０４）、固定された軸受け部品（０５）、及び、ころ軸受け（０１）に固定的に結合された又はころ軸受け（０１）内に直接組み込まれたセンサユニット（０２）を備えるものにおいて、
前記センサユニット（０２）が、
前記回転可能な軸受け部品（０４）に結合された回転可能な第１のセンサ要素（０８）、
少なくとも２枚のコンデンサ板（１１、１２）によりコンデンサを構成する、固定された導電性の第２のセンサ要素（０９）、
前記コンデンサ板の間に静電場を発生させるための手段、及び、
前記コンデンサの容量変化を評価するための処理及び増幅用電子装置
を備え、
前記第１のセンサ要素（０８）が前記コンデンサの誘電体の中に配置され、少なくとも２つのセンサ要素（０８、０９）の一方に第１の測度形成体（１４）が設けられているため、該２つのセンサ要素（０８、０９）の相対的な移動の際に前記コンデンサの容量変化が生じることを特徴とするもの。
【請求項２】
請求項１に記載のころ軸受け（０１）において、前記第１の測度形成体が、前記第１のセンサ要素（０８）上における材料のくり抜き、若しくは異なる強度配分、質量配分又はコーティングにより形成されていることを特徴とするもの。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のころ軸受け（０１）において、前記第１の測度形成体が１２０度又は３６０度の構造を表現していることを特徴とするもの。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のころ軸受け（０１）において、前記第２のセンサ要素（０９）が平行に配置された２枚のコンデンサ板（１１、１２）により構成され、該２枚の板の間に前記第１のセンサ要素（０８）が配置されていることを特徴とするもの。
【請求項５】
請求項４に記載のころ軸受け（０１）において、前記２枚の板（１１、１２）の一方が分割領域を有し、その板（１１、１２）の各分割領域に位相のずれた静電場が供給される、又は、その板の各分割領域内においてコンデンサの変化が位相のずれた推移を示すことを特徴とするもの。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のころ軸受け（０１）であって、請求項３には従属しないものにおいて、前記第１のセンサ要素（０８）が第２の測度形成体（１６）を含み、好ましくは該第２の測度形成体が３６０度の構造（１６）を表現していることを特徴とするもの。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のころ軸受け（０１）において、少なくとも第１の測度形成体（１４）が正弦波状のサイクル（１３）を表現していることを特徴とするもの。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のころ軸受け（０１）において、前記第１の測度形成体（１４）が前記回転可能な軸受け部品（０４）により案内され、回転数又は回転角度の測定の対象となるシャフト又は構成部品が前記回転可能な軸受け部品（０４）に収容されていることを特徴とするもの。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のころ軸受け（０１）において、デジタル式の絶対値出力を含むことを特徴とするもの。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載のころ軸受け（０１）において、更に別のセンサを含み、該別のセンサは特にころ軸受けの温度、振動及び／又は稼働時間を検出するセンサであり、前記処理用電子装置がこのセンサの信号をも処理することを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転する軸受け部品の角度位置及び／又は回転数を検出するための容量型センサユニットを有するころ軸受け装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の角度位置及び回転数を検出するためのセンサも、またそのようなセンサを有するころ軸受け装置もよく知られている。それらの公知のセンサでは、磁気抵抗型、光学式又は誘導型の装置が用いられている。
【０００３】
例えば、EP 0 395 783 A1から、ころ軸受けに通常に設けられる部品（例えばころの保持体）を、極性が交互に変わる偶数個の不連続な磁場の保持体として利用することが知られている。この部品の回転が、軸受けに通常に設けられる固定部品（静止した軸受けリング）の上に設置された１つ又は複数のホール効果センサにより電気信号に変換される。
【０００４】
また、DE 101 05 824 A1から、２つの軸受けリングの互いの回転角度を検出できるころ軸受けが知られている。同文献に記載の軸受けは３６０度を超える測定範囲を持つ回転角度センサを含む。このセンサ装置は、ころ軸受けのころ保持体の上に設けられた第１の目盛り要素と、内側リング又は外側リングに回転不能に結合された第２の目盛り要素とを含む。これらの目盛り要素には光学的な符号（コード）が印字されており、光学センサにより走査可能である。この測定系は汚れに極めて弱い。
【０００５】
DE 197 48 996 C1も同様に組み込み型センサを備える球軸受けに関するものである。そのセンサは２つの軸受けリングの相対的な動きを検出するものである。そのために、少なくとも部分的に構成され、回転する軸受け部品に結合された磁気ホイール５が設けられており、センサによってこの磁気ホイールを走査する。磁気ホイールとしては、磁化可能な材料で作成され、磁気抵抗センサにより走査可能な磁気的なマーキングが施されているものが好ましい。
【０００６】
さらに、ころ軸受けの状態関数を加速度計により算出することも知られている。この加速度計は、回転するころ軸受けの本体の音を検出して評価する。この評価は何よりもまずころ軸受けの傷を検出するために行われる。
【０００７】
その他の従来技術として、例えば領域の監視に使用されたり、回転数又は回転角度の検出を可能にしたりする容量型近接スイッチが知られている。このスイッチでは、コンデンサ板の間の誘電体が変化すると容量が変化し、その容量の変化が適宜評価される。この方法（回転数の測定）で必要な結果を得るためには容量型センサの面積を比較的大きくする必要がある。
【０００８】
DE 600 16 395 T2から、容量型の手法で移動物体の位置決定を行う装置及び方法の改良が知られている。その装置及び方法では、静電場の中に固定要素と可動要素が配置される。一方の要素には電気的な活性を有するパターンが施されており、可動要素が回転するとこのパターンにより２つの要素の間の静電場が変調される。この静電場の変化が適宜評価される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】EP 0 395 783 A1
【特許文献２】DE 101 05 824 A1
【特許文献３】DE 197 48 996 C1
【特許文献４】DE 600 16 395 T2
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、簡素で、磁気的な影響を受けない構造を有し、しかも環境の影響や汚染にも強いセンサユニットを備えるころ軸受けを創出することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題は次のようなころ軸受け装置により解決される。即ち、
ころ軸受けであって、回転可能な軸受け部品、固定された軸受け部品、及び、ころ軸受けに固定的に結合された又はころ軸受け内に直接組み込まれたセンサユニットを備えるものにおいて、
前記センサユニットが、
前記回転可能な軸受け部品に結合された回転可能な第１のセンサ要素、
少なくとも２枚のコンデンサ板によりコンデンサを構成する、固定された導電性の第２のセンサ要素、
前記コンデンサ板の間に静電場を発生させるための手段、及び、
前記コンデンサの容量変化を評価するための処理及び増幅用電子装置
を備え、
前記第１のセンサ要素が前記コンデンサの誘電体の中に配置され、少なくとも２つのセンサ要素の一方に第１の測度形成体が設けられているため、該２つのセンサ要素の相対的な移動の際に前記コンデンサの容量変化が生じることを特徴とするもの。
【００１２】
また、本発明の有利な実施形態は各従属請求項に示されている。
【００１３】
本発明に係るころ軸受け装置は、回転可能な軸受け部品、固定された軸受け部品及び容量型センサユニットを含む。このセンサユニットは、前記回転可能な軸受け部品に結合された回転可能な第１のセンサ要素（ロータ）及び少なくとも１つの固定された導電性の第２のセンサ要素（ステータ）を含む。この容量型センサユニットは、ロータが回転すると該ロータにより誘電体の局所的な変化が生じるように構成されている。そこではロータ自体も誘電体の構成要素となる。
【００１４】
前記センサユニットは更に、コンデンサに当たる周期的な静電場を発生させる手段を含むことが好ましい。
【００１５】
前記ステータ及びロータは、DE 600 16 395 T2に記載されている容量型リニアエンコーダの実施形態に従って構成することが好ましい。その限りにおいて前記文献は本願の開示内容に明示的に含まれる。従って、ステータ及びロータ並びにその共同的な動作に関する詳しい説明はここでは省略することができる。
【００１６】
例えば、前記ステータは２枚の板又は円盤を含み、前記ロータはその間に配置されたものとすることができる。この場合、２枚の板がコンデンサとなり、ロータがそのコンデンサの誘電体となる（さらに通常は空気の層がそこに介在する）。
【００１７】
ただし、ステータを１つの要素だけで構成し、それに対向するようにロータを配置することも同様に可能である。この場合、両方のコンデンサ板は１つのステータ要素の上に配置される一方、ロータには電場を通す結合板が取り付けられる。ステータの上に設けられた２枚の板の一方には円周沿いに割り当てられた複数の分割領域（セグメント）がある。コンデンサ板のうち１枚は静電場の発信器として、もう１枚は受信器としてそれぞれ機能する。発信器が分割領域に分けられている場合、交番電圧をその発信器の個々の分割領域へ位相をずらして供給することにより静電場を発生させる。受信器が分割領域に分けられている場合、供給された静電場の情報の下で、コンデンサの出力からロータの回転角度の正弦又は余弦を算出することができる。
【００１８】
前記２つのセンサ要素は互いに対して回転可能である。２つのセンサ要素の一方（好ましくはロータ）には、センサ要素の相対運動の際にコンデンサの容量変化又は静電場の変調を生じさせる測度形成体が設けられる。この測度形成体は、センサ要素の幾何的な形状、又は例えば適当な模様を持つ導電層により形成することができる。
【００１９】
前記センサユニットは更に容量変化を評価するための処理及び増幅用電子装置を含む。
【００２０】
本発明の利点は特に、センサユニットが組み込まれた軸受け装置を非常に簡単な構成で安価に製造可能であり、しかもそれが環境の影響や潤滑剤等による汚染にも強いという点にある。
【００２１】
また、多くの用途において別個の角度測定装置が不要になるため、省スペースでコストが低く、短時間で組み立てられるという利点がある。本発明に係るころ軸受け装置、つまり軸受けと測定系の組み合わせは、例えば同期モータ又は非同期モータにおいて、電子的な整流のため、並びに角度の増分又は絶対値の決定のために、モータのシャフトの軸受けに直接はめ込むことができる。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態においては、前記測度形成体が正弦波状のサイクルにより構成され、該サイクルは、一方又は両方のセンサ面上の切除部又はくり抜き部として、若しくは異なる強度配分、質量配分又はコーティングにより形成されることが有利である。測度形成体のサイクルの数により測定量の基本分解能が決まる。そして、全体の分解能は基本分解能にサイクルあたりの内挿係数を乗じた値から決定可能である。
【００２３】
特に有利な実施形態においては、センサ面のいずれか１つの上に第２の測度形成体が設けられる。第２の測度形成体が３６０度の構造を表現したものである場合は絶対的な角度位置を確定することができる。また、細かい構造と粗い構造の比が３６０度にわたって常に一意に決まるように第２の測度形成体の構造のサイクル数を決める（例えば、微かい構造は１６サイクルで、粗い構造が３サイクル）ことによっても、絶対的な角度位置の確定が可能である。
【００２４】
また、前記第２の測度形成体だけが設けられ、本発明にいう第１の測度形成体が省略された実施形態も可能である。この場合、精度を落とせば３６０度又は１２０度にわたって一意に角度を割り当てることが可能であるが、いくつかの用途ではそれで十分である。
【００２５】
複数の測度形成体を組み合わせれば、ロータの位置をより高い精度且つ高い分解能で一意に求めることができる。
【００２６】
更に多くの測度形成体があれば、複数チャンネル方式の細かい調整や、軸受けの別の振動の検出が可能となる。この場合、粗いものから細かいものまで段階的に測度形成体を用意する。
【００２７】
更に、前記静電場がコンデンサ表面の異なる領域において異なる推移（例えば位相のずれ）を示すものであると有利である。
【００２８】
本発明によれば、測度形成体又は移動するセンサ要素の案内という働き、及び、回転シャフト又は回転する構成部品の収容という働きを軸受け装置が担うとともに、センサユニットが軸受けに直接結合される。それゆえ、多くの用途において、回転数又は回転方向を検出するための別個のセンサ手段が不要となる。
【００２９】
本発明の有利な形態においては、組み立て完了時にころ軸受けと結合可能な別体のケーシング内にセンサユニットが配置され、その際、センサ要素がころ軸受けの回転する軸受け部品に回転不能に結合される。この場合、ケーシングによりセンサユニットが電気的に十分に遮蔽されるという利点がある。この安定したケーシング部品を通じて、軸受けへの初期応力の付与や、軸方向に沿った軸受けへの動力の伝達が行われる。センサのケーシング及び測度形成体は軸受けから分離できるようにすると有利である。これは例えば修理やリサイクルのために必要となることがある。
【００３０】
本発明の特に有利な実施形態においては、センサユニットがころ軸受けに直接組み込まれる。加えて、測度形成体を有するセンサ要素を軸受けリングの間の空隙に配置することができる。
【００３１】
前記ころ軸受けが、位置の絶対値のデジタル出力及び／又は回転数検出のためのアナログ正弦／余弦出力を含むようにすると有利である。
【００３２】
当然のことながら、ころ軸受けに別のセンサを含めて、前記処理用電子装置によりその信号をも処理することも可能である。前記別のセンサは、例えばころ軸受けの温度、振動及び／又は稼働時間を検出するセンサとすることができる。
【００３３】
上記のようなセンサユニットから出力される測定値は、場合によって発生する軸受けの振動に影響される。従って、測定信号の適切な評価によってその影響を振動の尺度として出力することにより、例えば加速度計のような追加のセンサをなくすことができる。この場合、容量の変化（これは位相に依存しない）から周波数変化（例えば軸受けの損傷によるもの）を推定できる。
【００３４】
センサ要素及び評価処理の他の例はDE 600 16 395 T2から採用することが可能であり、その限りにおいて同文献の開示内容は本願に取り入れられる。
【００３５】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳しく説明する。図面の内容は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】容量型センサユニットを有するころ軸受けの立体図。
【図２】図１の縦断面図。
【図３】容量型センサのロータの測度形成体。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１はころ軸受け０１と容量型センサユニット０２を組み合わせた本発明に係るころ軸受け装置を示している。センサユニット０２はころ軸受け０１の一側面にほぼ全面にわたって接合されており、好ましくは、はめ込まれたシャフト（図示せず）のためのブッシュを含む。センサユニットところ軸受けの接合は、例えば粘着、力による固定及び／又は形状による固定により行うことができる。本実施例では、各軸受けリングの表面にパッキングリング（図示せず）用の穴が設けられており、この穴で形状による固定が行われる。この場合、センサユニット０２の外径がころ軸受け０１の外径よりもわずかに小さいことが好ましい。センサユニット０２は給電線装置０３を含んでおり、これを通じてエネルギー供給を受けたり、検出信号を更なる処理のために出力したりする。信号は、例えばデジタル式インタフェースを通じて制御装置へ伝送することができる。
【００３８】
図２は図１に示したころ軸受け０１とセンサユニット０２の組み合わせの縦断面を示している。ころ軸受け０１は周知の形態で内側リング０４、外側リング０５及び両者の間に配置されたころ０６を含む。ころ０６は保持体０７により案内される。
【００３９】
センサユニット０２は、回転可能に配置された第１のセンサ要素としてのロータ０８を含み、これが回転可能な内側リング０４に回転不能に結合されている。固定された第２のセンサ要素としてのステータ０９はセンサのケーシング１０に回転不能に結合されている。ステータ０９はコンデンサを構成する２枚の板１１及び１２を含む。このコンデンサの容量は処理及び増幅用電子装置１３により常に測定される。この電子装置も同様にセンサのケーシング１０内に配置することが好ましい。少なくとも一方の板は円周方向に並ぶ複数の領域（セグメント）に分割されている。
【００４０】
板１１及び１２の一方の上の各セグメントを角度に応じたパターンでマスクすることにより容量を変調することによって、通常の正弦又は余弦信号が形成されている。この信号は位置決定のためのものであり、１２０度の構造と共に絶対位置の決定のための基礎を成している（図３）。
【００４１】
ロータ０８の上には測度形成体（図３参照）がある。この測度形成体の形状により位置決定の精度が影響される。
【００４２】
その上、センサ要素０８及び０９の形状は軸受けの摩耗及び負荷を示す特定の振動周波数の検出を可能にする。
【００４３】
回転可能な外側リングについては簡単に構成を適合させることができる。
【００４４】
図３は第１のセンサ要素としてのロータ０８の形状として考えられる模範例を平面図で示したものである。図示したロータ０８は、外側の円周上領域に形成された１６サイクル分の正弦波状パターン１４を有している。そのため、ロータ０８の形状は歯車に似たものとなっている。これらのサイクル又はその数により第１の測度形成体が構成されている。
【００４５】
ロータ０８の半径方向の内側の領域には材料を増やした構造１６が確認できる。これは第２の測度形成体に相当する。この測度形成体は円周に沿って並んだ３つの正弦波状サイクルから成り、これにより例えば３６０度構造（３×１２０°）が十分正確に規定される。こうしてロータ０８の絶対的な回転位置の決定が可能になっている。
【００４６】
ロータに複数の測度形成体を設ける場合、各測度形成体に対応する別々の分割領域をステータ上に設けることが好ましい。
【００４７】
処理及び増幅用電子装置は回転数検出のためのアナログ正弦／余弦信号を出力し、更に好ましくは絶対位置を決定するためのデジタル信号も出力する。しかし、原理的にはどのような信号形態を用いても信号の伝送及び評価を行うことができる。
【００４８】
これら２つの形態の信号は測定系のケーブルを通じて外部の制御装置へ伝送される。アナログの正弦／余弦信号は位置制御に用いられるのが通例であるが、これは完全にデジタル方式の信号に置き換え可能である。この場合、制御装置への伝送はモータの導線だけを使って行うことができる。つまり、モータに適用する場合は測定系のケーブルをなくすことができる。
【００４９】
本発明の別の実施形態では、センサ面上の同じ装置により軸受けの外側リングと内側リングの間の振動及び軸受けの温度を並行して測定することができる。発生する振動の影響も同様に容量変化に重畳されるから、適切なフィルタ処理により、発生した振動を表す信号を得ることができる。
【符号の説明】
【００５０】
０１…ころ軸受け
０２…容量型センサユニット
０３…給電線装置
０４…内側リング
０５…外側リング
０６…ころ
０７…保持体
０８…ロータ
０９…ステータ
１０…センサのケーシング
１１…板
１２…板
１３…電子装置
１４…正弦波状サイクル、第１の測度形成体
１６…３６０度構造、第２の測度形成体
【図１】
2011107134.tif 000003
【図２】
2011107134.tif 000004
【図３】
2011107134.tif 000005