(57)【要約】【課題】回転数減少に伴う起電力低下を防止することができるセンサー付き転がり軸受ユニットを提供する。【解決手段】センサー付き転がり軸受ユニットは、相対回転するパルサーリングの着磁体２１によって起電力を生成する複数の起電力生成部１２を有している。各起電力生成部１２は、コイル要素１７およびヨーク１８からなり、着磁体２１の磁気特性のピッチに基づいて配置されるとともに、直列に接続されている。各起電力生成部１２の誘導起電力は重畳されて、回転速度検出用の回転信号として出力される。【選択図】　　図３
2004019843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪、内輪およびこれらの間に配置された複数の転動体を有する転がり軸受と、外輪および内輪のいずれか一方に設けられかつ周方向に等間隔をおいて交互に異なる磁気特性を有するパルサーリングと、同他方にパルサーリングと対向して設けられたセンサー装置とを備えているセンサー付き転がり軸受ユニットにおいて、センサー装置は、相対回転するパルサーリングによって起電力を生成する複数の起電力生成部を有しており、各起電力生成部は、パルサーリングの磁気特性のピッチに基づいて配置されるとともに、直列に接続されていることを特徴とするセンサー付き転がり軸受ユニット。
【請求項２】
外輪、内輪およびこれらの間に配置された複数の転動体を有する転がり軸受と、外輪および内輪のいずれか一方に設けられかつ周方向に等間隔をおいて交互に異なる磁気特性を有するパルサーリングと、同他方にパルサーリングと対向して設けられかつセンサー、処理回路および電源部を有するセンサー装置とを備えているセンサー付き転がり軸受ユニットにおいて、電源部は、相対回転するパルサーリングによって起電力を生成する複数の起電力生成部を有しており、各起電力生成部は、パルサーリングの磁気特性のピッチに基づいて配置されるとともに、直列に接続されていることを特徴とするセンサー付き転がり軸受ユニット。
【請求項３】
各起電力生成部は、中心線が径方向を向くコイル要素を有しており、各コイル要素は、極性が同じでかつ隣り合うコイル要素の中心線間の間隔が交互に異なる磁気特性を有しているパルサーリングの各被検知部の偶数ピッチ分の間隔をおいて配置されている請求項１または２のセンサー付き転がり軸受ユニット。
【請求項４】
各起電力生成部は、中心線が径方向を向くコイル要素を有しており、各コイル要素は、極性が逆でかつ隣り合うコイル要素の中心線間の間隔が交互に異なる磁気特性を有しているパルサーリングの各被検知部の奇数ピッチ分の間隔をおいて配置されている請求項１または２のセンサー付き転がり軸受ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、センサー付き転がり軸受ユニット、さらに詳しくは、起電力生成部を含むセンサー装置が転がり軸受の固定輪側または回転輪側に一体的に取り付けられたユニットに関する。
【０００２】
センサー付き転がり軸受ユニットは、たとえば、鉄道車両や自動車において、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、軸の回転速度などを検出するために用いられる。
【０００３】
【従来の技術】
軸の回転速度を検出するセンサー付き転がり軸受ユニットでは、相対回転するパルサーリングによって起電力を生成する起電力生成部を有するセンサー装置およびパルサーリングのうちいずれか一方が固定側に、他方が回転側に取り付けられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記センサー付き転がり軸受ユニットでは、誘導起電力により回転速度を検出しているが、回転数減少に伴う起電力低下により回転速度の検出精度が低下するという問題があった。また、この誘導起電力をセンサー装置の回路の電源として使用している場合には、低回転時には起電力が低下してセンサー装置の各機器を十分に作動させることができないという問題もあった。
【０００５】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、回転数減少に伴う起電力低下を防止することができるセンサー付き転がり軸受ユニットを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明によるセンサー付き転がり軸受ユニットは、外輪、内輪およびこれらの間に配置された複数の転動体を有する転がり軸受と、外輪および内輪のいずれか一方に設けられかつ周方向に等間隔をおいて交互に異なる磁気特性を有するパルサーリングと、同他方にパルサーリングと対向して設けられたセンサー装置とを備えているセンサー付き転がり軸受ユニットにおいて、センサー装置は、相対回転するパルサーリングによって起電力を生成する複数の起電力生成部を有しており、各起電力生成部は、パルサーリングの磁気特性のピッチに基づいて配置されるとともに、直列に接続されていることを特徴とするものである。
【０００７】
また、第２の発明によるセンサー付き転がり軸受ユニットは、外輪、内輪およびこれらの間に配置された複数の転動体を有する転がり軸受と、外輪および内輪のいずれか一方に設けられかつ周方向に等間隔をおいて交互に異なる磁気特性を有するパルサーリングと、同他方にパルサーリングと対向して設けられかつセンサー、処理回路および電源部を有するセンサー装置とを備えているセンサー付き転がり軸受ユニットにおいて、電源部は、相対回転するパルサーリングによって起電力を生成する複数の起電力生成部を有しており、各起電力生成部は、パルサーリングの磁気特性のピッチに基づいて配置されるとともに、直列に接続されていることを特徴とするものである。
【０００８】
上記第１および第２の発明は、以下の実施形態として実施することができる。
【０００９】
外輪が固定輪で、内輪が回転輪であってもよく、内輪が固定輪で、外輪が回転輪であってもよい。
【００１０】
センサーとしては、ホール素子センサー、磁気抵抗（ＭＲ）素子センサーなどが使用される。
【００１１】
パルサーリングとしては、周方向に多数の磁極（Ｎ極およびＳ極）が等間隔をおいて形成されたもの、磁性板の周方向にスリットが等間隔をおいて形成されたものなどがある。
【００１２】
前者のパルサーリングを使用する場合には、起電力生成部は、パルサーリングが相対的に回転した際に生じる磁場の変化に伴って誘導電流が生成されるコイル要素コイル要素および磁場を増大させるヨークからなるものとされ、後者のパルサーリングを使用する場合には、パルサーリングに対向するように配されたマグネットがセンサー装置の起電力生成部の構成要素としてさらに付加される。
【００１３】
第１および第２の発明のセンサー付き転がり軸受ユニットによれば、車両の走行に伴って軸が回転することによって、各起電力生成部に起電力が生成される。第１の発明では、この起電力を回転速度検出用として使用することにより、回転数減少に伴う回転速度の検出精度の低下を抑えることができる。また、第２の発明では、この起電力をセンサー装置の電源用に供給することにより、電池が不要となり、メンテナンスフリーとすることができる。いずれの発明においても、軸の回転数の減少に伴って、各起電力生成部に生成される起電力は低下するが、センサー装置には複数の起電力生成部からの起電力の総和が供給されるため、回転信号検出機能、処理回路動作機能などの低下は抑えられるとともに、誤差が小さくなり、しかも、センサー装置の電力供給源も小型化することができる。
【００１４】
起電力生成部は、環状の支持部材に周方向に所定間隔でかつ所定の範囲に配置され、センサー装置を構成する処理回路、送信部などの部材も同じ支持部材に周方向に所定間隔をおいて所定の範囲に配置される。これにより、センサー装置の取付けスペースを少なく保って、起電力を増大させることができる。
【００１５】
磁気特性のピッチに基づいて配置されるとは、コイル要素に生じる誘導起電力が加算されるようにコイル要素の位置および極性を設定するということで、例えば、各起電力生成部は、中心線が径方向を向くコイル要素を有しており、各コイル要素は、極性が同じでかつ隣り合うコイル要素の中心線間の間隔が交互に異なる磁気特性を有しているパルサーリングの各被検知部の偶数ピッチ分の間隔をおいて配置されていることがあり、また、各起電力生成部は、中心線が径方向を向くコイル要素を有しており、各コイル要素は、極性が逆でかつ隣り合うコイル要素の中心線間の間隔が交互に異なる磁気特性を有しているパルサーリングの各被検知部の奇数ピッチ分の間隔をおいて配置されていることがある。
【００１６】
交互に異なる磁気特性を有しているパルサーリングの各被検知部とは、着磁パルサーリングのＮ極またはＳ極、スリットタイプパルサーリングのスリット部または非スリット部を意味する。
【００１７】
多くの起電力生成部を得るためには、偶数ピッチの好ましい数は２ピッチとされ、奇数ピッチの好ましい数は１ピッチとされる。前者は、磁気特性のピッチ数が比較的多い場合に有効であり、後者は、磁気特性のピッチ数が比較的少ない場合に有効である。
【００１８】
なお、コイル要素の極性が同じとは、同じ磁束の変化に対して同じ方向に電流を流す起電力が生じることを意味し、コイル要素の極性が逆とは、同じ磁束の変化に対して逆方向に電流を流す起電力が生じることを意味する。コイルの要素は、通常、巻き方向によって決定されるが、巻き方向が同じであっても、これを他のコイル要素と接続するときに、接続される端部がどれであるかによってその極性が変化する。上記の極性が同じで偶数ピッチ分の間隔および極性が逆で奇数ピッチ分の間隔で配置するとは、いずれも、コイルに生成される起電力の向きが同じであるように、すなわち、起電力の総和がコイルの数×１つのコイルの起電力となるように配置することと同義である。
【００１９】
また、電源部は、起電力生成部から供給された電力を蓄える２次電池をさらに有していることが好ましい。このようにすると、軸受ユニットの回転中に２次電池へ充電し、軸受ユニットの非回転中には、２次電池からセンサー装置へ供給することにより、電池の交換および充電作業が不要となり、メンテナンスフリーとすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。
【００２１】
図１および図２に示すこの発明によるセンサー付き転がり軸受ユニットは、転がり軸受（１）、ならびにそれに設けられたセンサー装置（２）および被検出部であるパルサーリング（３）を備えており、外輪（４）にセンサー装置（２）が、内輪（５）にパルサーリング（３）が設けられている。
【００２２】
センサー装置（２）は、外輪（４）に固定された支持部材（１１）、複数の起電力生成部（１２）、ホール素子センサーや磁気抵抗（ＭＲ）素子センサーなどの回転速度検出用センサー（１３）、処理回路（１４）、送信部（１５）および電源部（１６）を備えている。
【００２３】
各起電力生成部（１２）は、らせん状コイル要素（１７）およびコイル要素内に挿入されたヨーク（１８）からなる。起電力生成部（１２）は、回転速度検出のための回転信号を得るための誘導起電力とセンサー装置（２）の電源を得るための誘導起電力を生成するもので、後述する配置とされて互いに直列に接続されている。
【００２４】
電源部（１６）は、発電部としての上記直列接続起電力生成部（１２）と、整流器（１９）と、２次電池（２０）とを備えている。
【００２５】
センサー装置（２）の支持部材（１１）は、短円筒状の外周壁（１１ａ）および内周壁（１１ｂ）、ならびにこれらの右端部同士を連結するフランジ（１１ｃ）よりなり、全体として環状をなし、その中空部分の断面は略コ字状をなす。外周壁（１１ａ）の自由端部（左端部）は内周壁（１１ｂ）より左側にのびており、この外周壁（１１ａ）の自由端部が外輪（４）の右端部の外径に密にはめ止められ、内周壁（１１ｂ）の自由端部が内輪（５）の内径寄りの右端面に近接している。
【００２６】
パルサーリング（３）は、円筒部（３ａ）およびその右端部に設けられた外向きフランジ部（３ｂ）よりなり、そのフランジ部（３ｂ）の外側面に、Ｎ極とＳ極とが同じ幅でかつ等間隔に設けられた着磁体（２１）が貼り付けられている。パルサーリング（３）は、フランジ部（３ｂ）が内輪（５）の右端面よりも軸方向に突出するように、その円筒部（３ａ）が内輪（５）の外径に密にはめ止められている。センサー装置（２）は、パルサーリング（３）の軸方向外側からこれに対向させられている。
【００２７】
図２に示すように、複数（図示は４つ）の起電力生成部（１２）、センサー（１３）、処理回路（１４）、送信部（１５）、整流器（１９）および２次電池（２０）は、支持部材（１１）のフランジ（１１ｃ）に沿って周方向に配置されて固定されている。センサー（１３）は、パルサーリング（３）にちょうど対向するよう径方向内寄りに配置されている。
【００２８】
各起電力生成部（１２）は、パルサーリング（３）の磁気特性（着磁体（２１）の着磁パターン）のピッチに基づいて配置されている。この配置の例を図３および図４に示す。
【００２９】
図３において、各起電力生成部（１２）のコイル要素（１７）は、中心線が径方向を向いており、各コイル要素（１７）は、極性が同じ（図示した例では径方向内方に向かって右回りとされ、一方のコイル要素（１７）の径方向内側の端部と他方のコイル要素（１７）の径方向外側の端部とが接続されている）でかつ隣り合うコイル要素（１７）の中心線間の間隔が着磁体（２１）の着磁パターンの２ピッチ分の間隔をおいて配置されている。したがって、一方のコイル要素（１７）が着磁体（２１）のＮ極に対向している際には、他方のコイル要素（１７）も着磁体（２１）のＮ極に対向しており、この結果、全体の誘導起電力ｅ０は、各コイル要素（１７）の誘導起電力をｅＬとして、ｅ０＝２ｅＬとなる。１ピッチが角度にして１５°であるとすると、２ピッチ分の間隔をおいてコイル要素（１７）を配置すると、コイル要素（１７）の数は計１２個可能となる。ここで、１つのコイル要素（１７）に対向したＮ極が他のＮ極に対してピッチがずれており、その誤差が１サイクルを２πとしてπ／２０であるとすると、コイル要素（１７）の数が１つの場合には、回転信号の誤差がπ／２０となるのに対し、コイル要素（１７）の数を２つとしてこれらの出力を重畳した信号を使用した場合、誤差がπ／４０となり、誤差に伴う精度を向上させることができる点でも有利となる。なお、コイル要素（１７）は、周上の一部に設けても全部に設けてももちろんよい。
【００３０】
図４において、各起電力生成部（１２）のコイル要素（１７Ａ）（１７Ｂ）は、中心線が径方向を向いており、各コイル要素（１７Ａ）（１７Ｂ）は、巻き方向が交互でかつ隣り合うコイル要素（１７Ａ）（１７Ｂ）の中心線間の間隔が着磁体（２１）の着磁パターンの１ピッチ分の間隔をおいて配置されている。各コイル要素（１７Ａ）（１７Ｂ）は、導線の長さ方向に沿って同じ回り方向に巻かれており、この結果、その巻き方向は、符号（１７Ａ）で示したものは、図３のものと同じで、径方向内方に向かって右回りとされており、符号（１７Ｂ）で示したものは、これと逆すなわち径方向内方に向かって左回り＝径方向外方に向かって右回りとされて各コイル要素（１７Ａ）（１７Ｂ）の径方向内側端部同士または各コイル要素（１７Ａ）（１７Ｂ）の径方向外側端部同士が接続されている。したがって、一方のコイル要素（１７Ａ）が着磁体（２１）のＮ極に対向している際には、これとは向きが逆の他方のコイル要素（１７Ｂ）は着磁体（２１）のＮ極に対向している。したがって、着磁体（２１）が図の矢印方向に回転すると、Ｎ極に対向しているコイル要素では、電流は径方向内向きに流れ、Ｓ極に対向しているコイル要素では、電流は径方向外向きに流れる。こうして、全体の誘導起電力ｅ０は、各コイル要素（１７）の誘導起電力をｅＬとして、ｅ０＝４ｅＬとなる。１ピッチが角度にして１５°であるとすると、１ピッチ分の間隔をおいてコイル要素（１７Ａ）（１７Ｂ）を配置すると、コイル要素（１７Ａ）（１７Ｂ）の数は計２４個可能となる。
【００３１】
このセンサー付き転がり軸受ユニットによると、外輪（４）の回転に伴って、相対的に回転させられるパルサーリング（３）の磁気特性の変化は、図５に示すように、複数の起電力生成部（１２）のそれぞれに誘導起電力を生成し、これらの誘導起電力は、重畳されて、リミッターまたはコンパレータなどを備えた処理回路（１４）を経て回転信号となり、送信部（１５）から車側に設けられた受信部に発信される。こうして、重畳された誘導起電力から回転信号を得ることにより、各極のピッチ誤差を平均化し精度を高めることができ、また、得られる電圧も起電力生成部（１２）が複数あることから大きくなり、低回転時でも必要な回転信号の出力を得ることができる。そして、複数の起電力生成部（１２）のそれぞれに生じた誘導電流は、整流回路（１９）で整流されて、電源としてセンサー装置（２）各部に送られるとともに、２次電池（２０）にも蓄えられる。こうして、回路の電源として使用される場合には、低回転時においてもセンサー装置（２）の各機器を作動することができる。なお、パルサーリングが相対回転していないときには、センサー（１３）、処理回路（１４）および送信部（１５）には、２次電池（２０）から電力が供給されるが、２次電池（２０）は、省略することが可能であり、この場合には、整流器（１９）で整流された電流がセンサー（１３）、処理回路（１４）および送信部（１５）に直接供給される。
【００３２】
なお、上記の実施形態において、複数の起電力生成部（１２）に生じる誘導起電力は、回転速度検出のための回転信号を得るためと、センサー装置（２）の電源を得るためとの両方に使用されているが、いずれか一方のためにだけ使用してももちろんよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明のセンサー付き転がり軸受ユニットの実施形態を示す上半部の縦断面図である。
【図２】図２は、この発明のセンサー付き転がり軸受ユニットのセンサー装置の配置の形態を示すブロック図である。
【図３】図３は、起電力生成部の構成の一例を示す軸方向からみた模式図である。
【図４】図４は、起電力生成部の構成の他の例を示す軸方向からみた模式図である。
【図５】図５は、この発明のセンサー付き転がり軸受ユニットの回路構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
（１）　　　転がり軸受
（２）　　　センサー装置
（３）　　　パルサーリング
（４）　　　外輪
（５）　　　内輪
（１１）　　支持部材
（１２）　　起電力形成部
（１３）　　センサー
（１６）　　電源部
（１７）　　コイル要素
（１８）　　ヨーク
（２１）　　着磁体
【図１】
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【図２】
2004019843.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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