(57)【要約】【課題】転がり軸受構成部材への加工または別部品の追加を不要とし、簡易な構成で転動体の公転速度を検出することができ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２は、転動体５に対向するように固定側軌道部材３に設けられた磁歪センサ８と、磁歪センサ８の出力に基づいて転動体公転速度を求める信号処理手段とを有している。センサ装置２は、磁歪センサ８の出力を所定の条件で通過させるフィルタをさらに有している。【選択図】    図１
2004239397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定側軌道部材、回転側軌道部材および両部材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を備えてい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、転動体に対向するように固定側軌道部材に設けられた磁歪センサと、磁歪センサの出力に基づいて転動体公転速度を求める信号処理手段とを有し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。
【請求項２】
センサ装置は、磁歪センサの出力を以下の条件で通過させるフィルタをさらに有している請求項１のセンサ付き転がり軸受ユニット。
フィルタ条件：回転側軌道部材の回転周波数＜フィルタ通過周波数＜転動体公転周波数×１列当たりの転動体数（理論値）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、転がり軸受と転がり軸受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。
【０００２】
【従来の技術】
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、転がり軸受、ならびにそれに設けられたセンサ装置および被検出部を備えたセンサ付き転がり軸受ユニットが使用されている。
【０００３】
固定側軌道部材、回転側軌道部材および両部材間に配置された転動体を有する転がり軸受において、両軌道部材間に金属片等の異物が混入すると、転動体や軌道部材が損傷して転動体が両軌道部材間を公転する速度が軌道部材の回転速度に比べて遅くなる等の異常が起きるので、転がり軸受の状態を監視するために転動体の公転速度を検出することが求められることがある。
【０００４】
転動体の公転速度を求めるために、転動体が軌道部材と常に転がり接触すると仮定して回転側軌道部材の回転速度から転動体の公転速度を計算により求めることも可能であるが、実際には軌道部材と転動体間にはすべりが発生しており、実際の転動体公転速度を計算で得ることは困難なものとなっている。
【０００５】
そこで、転動体公転速度は、実測により求められているが、そのためには、保持器に切欠き等を設け、渦電流式や光式の変位センサ等で転動体が切欠きを通過するのを検出している。保持器に切欠きを設けることは、転がり軸受の品質低下につながることから、製品化が困難という問題があり、この問題を解決するために、特許文献１には、保持器に磁極を形成しておき、保持器の回転に伴って変化する磁場の変化を検出することにより、保持器の回転数を求めるものが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３５４３５号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１のセンサ付き転がり軸受ユニットによると、磁極を形成することが必要なことから、磁極形成工数または部品点数が増加し、高コストとなるという問題があった。
【０００８】
この発明の目的は、転がり軸受構成部材への加工または別部品の追加を不要とし、簡易な構成で転動体の公転速度を検出することができるセンサ付き転がり軸受ユニットを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットは、固定側軌道部材、回転側軌道部材および両部材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を備えてい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、転動体に対向するように固定側軌道部材に設けられた磁歪センサと、磁歪センサの出力に基づいて転動体公転速度を求める信号処理手段とを有していることを特徴とするものである。
【００１０】
この発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットは、自動車のハブユニットに好適に使用されるが、モータなどにおいて、その回転体を支持する軸受部分に使用することもできる。
【００１１】
磁歪センサは、逆磁歪効果（物質が歪むあるいは変形すると磁力が現れる現象）を計測するセンサであり、磁歪センサとしては、例えば、透磁率の高い磁性線に高周波電流を印加したときの磁性線両端間のインピーダンスが外部磁場によって変化する電磁気現象を利用して外部磁場を計測する磁気インピーダンスセンサ（ＭＩセンサ）、インピーダンスが応力により変化することを利用した応力インピーダンスセンサ（ＳＩセンサ）などが挙げられる。磁歪センサの取付け箇所は、転動体を検出可能な位置であれば、特に限定されるものではない。また、その数は、１つでもよいし、複数でもよい。複数の場合、円周方向に適当な間隔をおいて配置される。磁歪センサは、例えば、これを樹脂に埋設し、その樹脂を固定側軌道部材またはこれに固定されたカバー等に一体化させることにより、容易に固定側部材に取り付けることができる。
【００１２】
転動体は、高炭素クロム軸受鋼等の磁性体によって形成される。
【００１３】
この発明のセンサ付き転がり軸受ユニットによると、転動体公転速度を検出する構成を得るに際し、磁歪センサの取付け加工以外の加工や部品追加を転がり軸受自体に行う必要がなく、簡易な構成で転動体の公転速度が検出できる。そして、転動体公転速度を実測することにより、転動体の公転周波数の異常な遅れを検出することが可能となり、転がり軸受の異常なすべり等の異常や異物混入等の異常を検知することもできる。
【００１４】
センサ装置は、磁歪センサの出力を所定の条件で通過させるフィルタをさらに有していることが好ましい。この場合に、フィルタ条件は、例えば、回転側軌道部材の回転周波数＜フィルタ通過周波数＜転動体公転周波数×１列当たりの転動体数（理論値）とされる。
【００１５】
ここで、転動体公転周波数（理論値）は、転動体が常に転がり接触するという仮定で算出される。これにより、磁歪センサの出力からノイズが除去され、精度よく転動体公転速度を求めることができる。この場合に、磁歪センサは、アナログ信号を検出するものであってよく、これにより、コスト的に有利となり、しかも、異物混入等の異常を検知しやすい点でも有利となる。
【００１６】
固定側軌道部材は、車体に固定される取付け部を有する外輪とされ、回転側軌道部材は、車輪が取り付けられる内軸および内軸に外嵌された内輪からなり、内軸および内輪にそれぞれ軌道溝が形成されて、これらの軌道溝に転動体が２列に配置されている構成とされることがある。この場合に、磁歪センサは、内輪側の転動体に対向するように固定側軌道部材の端部に固定されていることがあり、また、内軸側の転動体に対向するように固定側軌道部材の端部に固定されていることがあり、さらにまた、内輪側および内軸側のいずれかの転動体に対向するように固定側軌道部材の中央部近傍に固定されていることがある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、こ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。なお、左が車両の内側に、右が車両の外側となっている。
【００１９】
図１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ハブユニット（１）と、その回転を検出するセンサ装置（２）とを備えている。
【００２０】
ハブユニット（１）は、車体側に固定される固定側軌道部材（３）、車輪が取り付けられる回転側軌道部材（４）、両部材（３）（４）の間に２列に配置された複数の転動体である玉（５）、および各列の玉（５）をそれぞれ保持する保持器（６）を備えている。なお、玉（５）は、ＳＵＪ２等の磁性を有する鋼材で作られている。
【００２１】
固定側軌道部材（３）は、内周面に２列の外輪軌道が形成されている円筒部（１２）と、円筒部（１２）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（１３）とを有している。
【００２２】
回転側軌道部材（４）は、第１の軌道溝（１５ａ）を有する大径部（１５）および第１の軌道溝（１５ａ）の径よりも小さい外径を有する小径部（１６）を有している内軸（１４）と、内軸（１４）の小径部（１６）外径に嵌め止められて右面が内軸（１４）の大径部（１５）左面に密接させられている内輪（１７）とからなる。内軸（１４）の右端近くには、車輪を取り付けるための複数のボルト（１９）が固定されたフランジ部（１８）が設けられている。内輪（１７）の右部には、内軸（１４）の軌道溝（１５ａ）と並列するように、軌道溝（１７ａ）が形成されており、内輪（１７）の左部に肩部（１７ｂ）が形成されている。固定側軌道部材（３）の右端部と内軸（１４）との間には、シール装置（２０）が設けられている。固定側軌道部材（３）の左端部には、カバー（２１）が被せ止められている。
【００２３】
センサ装置（２）は、固定側軌道部材（３）に取り付けられた磁歪センサ（８）と、磁歪センサ（８）の出力を処理する処理手段（図１には現れず、図４参照）（１１）とを備えている。
【００２４】
処理手段（１１）は、ノイズを除去するフィルタ（１１ａ）と、玉（５）の公転速度を求める処理回路（１１ｂ）とを有している。磁歪センサ（８）が磁気インピーダンスセンサである場合には、処理手段（１１）は、磁気インピーダンス（ＭＩ）素子と、ＭＩ素子に高周波電流を供給する発振回路とを含み、さらに、検出信号増幅用の増幅回路を含むことがある。
【００２５】
この実施形態では、磁歪センサ（８）は、磁気インピーダンスセンサとされており、金属製のカバー（２１）の内部に樹脂（２２）により埋設されている。磁歪センサ（８）のセンサ面は、左列の玉（内輪（１７）と固定側軌道部材（３）との間に保持されている玉（５）に左方から臨まされている。樹脂（２２）には、車体側に設けられた処理手段（１１）とセンサ装置（２）とを結ぶハーネスを取り付けるためのコネクタ部（２７）が一体に成形されている。コネクタ部（２７）には信号用のコネクタピン（２３）が設けられており、磁歪センサ（８）とコネクタピン（２３）とが、コネクタ（２４）およびリード線（またはリード線のみ）を介して接続されている。したがって、回転側軌道部材（４）が回転すると、玉（５）が回転側軌道部材（４）と固定側軌道部材（３）との間を転がりながら公転する。磁性材料製の玉（５）が磁歪センサ（８）の検出面の前を通過すると、磁歪センサ（８）近傍の磁場が変化するので、磁歪センサ（８）は、図３に示すように、玉（５）による磁場の変化を電圧値として出力する。図３のＴｉは、１つの玉（転動体）（５）がセンサを通過するのに要する時間であり、転動体の数をｎ、転動体のピッチ径をＤとして、転動体の公転速度の実測値ＶがＶ＝πＤ／ｎＴｉとして求められる。
【００２６】
磁歪センサを取り付ける位置は、適宜変更可能であり、図２に示すように、磁歪センサ（９）は、固定側軌道部材（３）の軸方向略中央部に固定されるとともに、そのセンサ面が左列または右列の玉（５）に臨まされているようにしてもよい。同図において、磁歪センサ（９）は、発振回路とともに、樹脂製のケース（２５）内に埋設成形されている。また、ケース（２５）には、車体側に設けられた処理手段（１１）とセンサ装置（２）とを接続するハーネスを取り付けるためのコネクタ部（２７）および固定側軌道部材（３）の外周面に固定するためのフランジ部（２５ａ）が一体に形成されている。コネクタ部（２７）内部には信号用のコネクタピン（２３）が設けられており、磁歪センサ（９）とコネクタピン（２３）とが、リード線（２４）を介して接続されている。ケース（２５）は、固定側軌道部材（３）に形成された取付け孔（３ａ）に挿入され、フランジ部（２５ａ）がボルト（２６）により固定側軌道部材（３）に固定されている。
【００２７】
なお、磁歪センサは、図１または図２に示したようにカバーやケースに樹脂によって支持させるのではなく、固定側軌道部材（３）に直接取り付けるようにしてもよい。
【００２８】
上記図１および図２に示したセンサ付き転がり軸受ユニットによると、図４に示すように、ハブユニット（１）の回転側軌道部材が回転すると、これに伴って転動体（玉）（５）が公転し、これに伴う磁場変化が磁歪センサ（８）（９）によって検出され、アナログ信号として出力される。転動体（５）の公転に伴う磁歪センサ（８）（９）の電圧変化は、図３に示したように周期的に変化することから、その変化の繰り返し数から転動体（５）の公転速度を求めることができる。ここで、磁歪センサ（８）（９）からの出力信号には、図４の（Ａ）に例示するように、転動体（５）の公転周波数に比べて、相当高い周波数のものも相当低い周波数ものも含まれており、これらのノイズ部分がフィルタ（１０）によって除去される。ここで、フィルタ条件は、フィルタ通過周波数が回転側軌道部材の回転周波数より高くかつ転動体公転周波数×１列当たりの転動体数（理論値）よりも低くなされ、これにより、実質的に転動体（５）の公転によって生じる変化だけが取り出される。こうしてノイズが除去された波形に基づき、処理回路（１１）においては、転動体（５）の周波数（公転速度）を求め、その公転速度値および振幅値が異常でないかを判定する。例えば、同図の（イ）のような波形であれば、正常と判定され、同図の（ロ）（ハ）（ニ）のような波形であれば、異常と判定され、これに基づいて、ハブユニット（転がり軸受）（１）の異常を検知する信号を出力する等の処理が行われる。
【００２９】
なお、上記においては、ハブユニット（１）の玉（５）の公転速度を求める例を示したが、ハブユニット以外の種々の転がり軸受について、上記の実施形態に基づきその転動体の公転速度を求めることができる。この場合に、転がり軸受は、玉軸受の他、ころ軸受、ニードル軸受等が使用可能であり、また、単列であってもよく、複列であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】こ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】こ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３】磁歪センサの出力の一例を示す図である。
【図４】第１および第２実施形態のこの発明によるセンサ付き転がり軸受ユニットのセンサ装置のブロック図である。
【符号の説明】
（１）      ハブユニット
（２）      センサ装置
（３）      固定側軌道部材
（４）      回転側軌道部材
（５）      玉（転動体）
（８）（９）  磁歪センサ（磁気インピーダンスセンサ）
【図１】
2004239397.tif 000003
【図２】
2004239397.tif 000004
【図３】
2004239397.tif 000005
【図４】
2004239397.tif 000006