(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0014】
(第1実施形態)
本願の第1実施形態に係るハブユニット軸受を
図1ないし
図2を参照しつつ説明する。
図1は、本第1実施形態に係るハブユニット軸受を示す断面図である。上下の断面がほぼ同じ構成をしていることから、
図1においては、下側を省略して上側半分のみ示している。
【0015】
本第1実施形態に係るハブユニット軸受1は、主に、外輪2と、外輪2の内部に一部が挿入されたハブシャフト3と、外輪2とハブシャフト3との間に介装された多数のボール4とから形成されている。
【0016】
外輪2は、略円筒形状をしており、その内周部に
図1に向かって左側(すなわち、車両外側)から環状の第1外側転動面5と第2外側転動面6とが形成され、外輪2の外周面からは外輪2を車体に固定するための車体取付用フランジ(不図示)が径方向の外方へ延在している。
【0017】
ハブシャフト3は、
図1に向かって左側に設けられたハブ輪7と、ハブ輪7から径方向外側に延びる車輪取付用フランジ8と、
図1に向かって右側(すなわち、車両内側)で外輪2の内部に挿入されているシャフト部9と、シャフト部9に外嵌された内輪要素10とを有している。
【0018】
車輪取付用フランジ8には、車輪取付用ボルトを挿入するためのボルト用穴部11が形成されている。
【0019】
シャフト部9は、略円柱形状をしており、車輪取付用フランジ8及びハブ輪7と一体に形成され、
図1に向かって左側の外周面には第1外側転動面5に対向する環状の第1内側転動面12が形成されている。シャフト部9の
図1に向かって右側には内輪要素10を外嵌する縮径部13が設けられており、そのさらに右側には、シャフト部9の軸端を揺動鍛造やリベッティングによって加締めることで内輪要素10をシャフト部9に固定している加締め部14が形成されている。
【0020】
内輪要素10の外周面には、第2外側転動面6に対向する環状の第2内側転動面15が形成されている。第2内側転動面15よりも
図1右側の部分(すなわち、車両内側部分)は、左側の部分よりも肉厚に形成されており、その肉厚の部分の外周面には磁気エンコーダ16が固設されている。磁気エンコーダ16は、車両内側に固定された磁気センサ20と軸方向に対向させるアキシアルタイプであって、フェライト粉等の磁性粉末をバインダーとなるゴム材或いは熱可塑性樹脂材に充填し、断面がL字型の環状をした芯金28と一体に加硫成形或いは射出成形された後、N極、S極が交互に、円周方向等間隔に、多極に着磁され、芯金28を介して内輪要素10の外周面に圧入嵌合されている。
【0021】
ボール4は、第1外側転動面5と第1内側転動面12とで形成された第1転動路、及び、第2外側転動面6と第2内側転動面15とで形成された第2転動路にそれぞれ多数介装されている。ボール4は、保持器17によって転動自在に保持されている。なお、本第1実施形態においては、転動体としてボールを用いているが、本発明においては、これに限らず、円錐ころなどの転動体を用いることも可能である。
【0022】
車輪取付用フランジ8側の外輪2の部分と、その部分に対向するハブシャフト3の部分との間には、シール18が装着されている。一方、磁気エンコーダ16側の外輪2とハブシャフト3との隙間は、外輪2に内嵌された非磁性体のオーステナイト系ステンレス鋼板製のエンコーダキャップ19によって覆われている。
【0023】
図2は、エンコーダキャップ19を
図1に向かって右側から見た平面図を示している。エンコーダキャップ19は、
図2の奥側へ延びる円筒状をした固定部21と、固定部21の
図2手前側(すなわち、車両内側)の端部から径方向内方へ延びるリング部22と、リング部22の内側の端部から
図2手前側に向かって傾斜して径方向内方へ延びる第1傾斜部23と、第1傾斜部23の内側の端部から径方向内方へ延びる凸部24と、凸部24の内側の端部から
図2の奥側に(すなわち、車両外側に)向かって傾斜して径方向内方へ延びる第2傾斜部25と、傾斜部25の内側を覆う凹部26とを有している。このように、エンコーダキャップ19の円盤状の部分を立体的な形状とすることでエンコーダキャップ19の剛性を高めると伴に、プレス加工による反りやしわの発生を防止し、寸法精度の向上に寄与している。
【0024】
リング部22には、磁気エンコーダ16に近接対向するように
図2の奥側へ突出した近接部27が形成されている。近接部27は、
図1に示すように、磁気センサ20が磁気エンコーダ16の近くでセンシングすることができるようにしている。
【0025】
また、エンコーダキャップ19の近接部27と磁気エンコーダ16とのエアギャップは、荷重負荷時の軸受外内輪の相対傾きや移動、部品精度や組み付け精度を考慮して最小化してある。これにより、磁気センサ20と磁気エンコーダ16を軸方向に対向接近させて回転速度の測定を高精度に行うことを可能としている。
【0026】
ところで、エンコーダキャップ19と磁気エンコーダ16とが近接していると、導体であるステンレス製のエンコーダキャップには、ハブシャフト3の回転に伴う磁気エンコーダ16の交番磁束によりレンツの法則に従って渦電流が発生(渦電流損)し、アラゴーの円板の原理に従ってハブシャフト3の回転にブレーキをかける力が働き、ハブユニット軸受1のトルクが重くなる。
【0027】
渦電流損は以下の式で計算されることが知られている。
P
e=k
e(tfB
m)
2/ρ (1)
ここで、P
eは渦電流損、tは板厚、fは周波数、B
mは最大磁束密度、ρは磁性体の抵抗率、k
eは比例定数を示している。
【0028】
式(1)から明らかなように、渦電流損P
eは、板厚tと周波数fと最大磁束密度B
mの2乗に比例して大きくなるので、これらを減少させることができれば効果的に渦電流損を減らすことができる。しかし、エンコーダキャップ19の板厚tは強度上の要求からむやみに薄くすることはできず、周波数fに関連する磁気エンコーダ16の極数は多いほど、また、最大磁束密度B
mに関連する磁気エンコーダ16の磁束密度は強いほど回転センサとしては好ましい。
【0029】
一方で、磁気エンコーダの表面からの距離における磁束密度を計算する一般式は存在しないが、ハブユニット軸受に多く採用される磁性体がフェライト粉の磁気エンコーダの場合、表面から1mm位置での最大磁束密度は一般に20〜30mT程度であり、それが2mmだと5〜7mT程度と、概ね距離の2乗に反比例して磁束密度が低下する。また、上記のように、渦電流損は、最大磁束密度の2乗に比例して大きくなるので、渦電流損は磁気エンコーダ16とエンコーダキャップ19のエアギャップの概ね4乗に反比例して減少する。
【0030】
したがって、エンコーダキャップ19の強度及び回転センサとしての性能を確保しつつ渦電流損を減少させるためには、磁気センサ20を磁気エンコーダ16に接近させるために必要な部分を除いて、エンコーダキャップ19をなるべく磁気エンコーダ16から離して配置し、エンコーダキャップ19における最大磁束密度B
mを低下させることが効果的であるといえる。
【0031】
そこで、本実施形態においては、一般に円柱形をしている磁気センサ20の先端部の形状に合わせて、磁気センサ20の先端部よりも一回り大きい円形の近接部27とし、近接部27以外のリング部22の部分(以下「離隔部31」とする)を、後述の磁気センサ20のセンサエレメント30より車両内側方向に配置することで、渦電流損を抑え、軸受のトルク増加を最小限にしている。
【0032】
ところで、前述のセンサエレメントには、ホール素子や磁気抵抗素子などの半導体素子(ICチップ)が用いられるが、例えばホール素子は温度が上昇するとホール出力電圧が低下するし、磁気抵抗素子は温度が上昇すると抵抗値が低下するといった、温度依存性を持っている。渦電流損は最終的には熱となり、磁気センサ20の温度を上昇させ、センサ信号の劣化(精度の悪化)につながるが、渦電流損を抑える本願構造は磁気センサ20の温度上昇を抑えるため、センサ信号の劣化防止にも効果を示す。
【0033】
なお、本発明においては、近接部27の形状は円形に限らず磁気センサ20の形状に合わせた種々の形状とすることができる。また、リング部22のうち磁気エンコーダ16に対向しない部分であれば渦電流損に与える影響は小さいため、例えば、近接部27をリング部22の径方向に長い楕円形状或いは長円形状とすることで近接部27と磁気センサ20の径方向に隙間を設け、径方向の不可避な位置ずれを吸収できる。つまり、渦電流損を低減するためには、リング部の円周方向に於ける近接部27の寸法をなるべく小さくすれば良いため、径方向寸法には自由度を持たせることができる。
【0034】
ただし、近接部27の周方向位置決めについては、厳密に規制する必要があるため、外輪2にエンコーダキャップ19を圧入する場合の圧入位相の管理は、車体取付用フランジのボルト孔(不図示)を基準に画像処理などの方法で厳格に行う必要がある。また、磁気センサ20を近接部27に挿入後にボルト締め等の磁気センサ係止手順を行うことで、微小な位相誤差は吸収可能である。
【0035】
次に、
図3を参照しつつエンコーダ16付近の構成について説明する。
図3は磁気エンコーダ16付近の拡大断面図である。
【0036】
前述のように、磁気エンコーダ16は、磁気センサ20と軸方向に対向させるアキシアルタイプであって、フェライト粉等の磁性粉末をバインダーとなるゴム材或いは熱可塑性樹脂材に充填し、断面がL字型の環状をした芯金28と一体に加硫成形或いは射出成形された後、N極、S極が交互に、円周方向等間隔に、多極に着磁され、芯金28を介して内輪要素10の外周面に固設されている。
【0037】
エンコーダキャップ19は、固定部21を外輪2の端部内周面に内嵌固定することによって外輪2に支持されている。エンコーダキャップ19の軸方向の位置決めは、外輪2のエンコーダキャップ19側の端部の内周の適切な位置に環状の拡径段部29を形成しておき、組立ての際に、拡径段部29に対して、固定部21の先端部全体が当接するまでエンコーダキャップ19を押し込むことで正確に行うことができる。また、エンコーダキャップ19の円周方向の位置決めは、近接部27の位置を基準とすることで正確に行うことができる。
【0038】
図3のエンコーダキャップ19の断面は、近接部27の中心を通る断面を示している。近接部27は、固定部21の
図3右側(すなわち、車両内側)の端部から径方向内方へ延びるリング部22から磁気エンコーダ16へ近づくように軸受内方に延びて形成した部分である。
図3においては、磁気センサ20を2点鎖線で示している。近接部27の底部に磁気センサ20を当てることで、磁気センサ20をより磁気エンコーダ16に近づけ、高い磁束密度において高精度の計測ができるようにしている。
【0039】
前述の様に離隔部31は、その磁気エンコーダ16側の面がセンサエレメント30よりも磁気エンコーダ16から離れるように配置している。
【0040】
センサエレメント30のクリスタルエアギャップ(エンコーダ表面(被検出面)からセンサエレメントまでの距離)は、一般的に、磁気エンコーダ表面からエンコーダキャップの磁気エンコーダ側の面までの距離(通常1mm程度)、エンコーダキャップの板厚(通常0.5〜0.8mm)、センサ検出面の被覆(通常0.5mm程度)の和となり、2mm程度となることが多い。
【0041】
前述のように、渦電流損は磁気エンコーダ16とエンコーダキャップ19のエアギャップの概ね4乗に反比例して減少する。したがって、離隔部31の磁気エンコーダ16側の面を、磁気エンコーダ16からセンサエレメント30までと同じ距離(2mm)まで遠ざけて配置すれば、上記の一般的な場合(1mm)と比較して、離隔部31に生じる渦電流損失を1/2
4(1/16)まで減らすことができる。しかしながら、センサエレメント30の位置は、センサエレメント30が検出できる交番磁界(例えば1mT)により規制されるので、本第1実施形態のように離隔部31を磁気エンコーダ16からセンサエレメント30よりも遠ざけて配置すれば(例えば3〜4mm)、離隔部31に生じる渦電流損失を1/3
4〜1/4
4(1/81〜1/256)にでき、ほとんど無視できるレベルまで引き下げることができる。
【0042】
なお、寸法上の制約などにより、離隔部31を磁気エンコーダ16から十分に距離を離して配置することができない場合や、距離を離した上でさらに渦電流損を減らすべき場合には、離隔部31の少なくとも磁気エンコーダ16側の側面にフェライト被膜を設けても良い。フェライトは強磁性体であると同時に不導体でもあるため、交番磁束を吸収し、渦電流損を低下させることができる。
【0043】
エンコーダキャップ19へのフェライト被膜にはPCD法(物理的蒸着法)やCVD法(化学的蒸着法)を適用することができる。しかしながら、これらを適用すると近接部27までフェライト被膜が形成されてしまうため、マスキングを行う、或いは、後処理で近接部27のフェライト被膜を落とすことが必要となる。そこで、エアロゾルデポジション法(フェライト玉をショットすることでフェライト被膜を形成する方法)で、磁気エンコーダ16と対向する面にだけフェライト被膜を形成することが好ましい。
【0044】
また、磁気エンコーダ16用のゴムと同様、フェライト粉を多く含む磁性ゴムを磁気エンコーダ16と対向する面だけに加硫接着しても同様の効果を得ることができる。
【0045】
(第2実施形態)
次に本願の第2実施形態に係るハブユニット軸受を、
図4を参照しつつ説明する。
図4は、本第2実施形態に係るハブユニット軸受40の磁気エンコーダ41周辺の断面図である。
【0046】
本第2実施形態に係るハブユニット軸受40は、上述の第1実施形態に係るハブユニット軸受1と基本的な構成を共通にしているが、本第2実施形態においては、エンコーダキャップ42に樹脂フィルム積層鋼板を使用することで、エンコーダキャップ42の強度及び、プレスでの成形性を確保しつつ、導体である金属板の板厚を薄くすることで、渦電流損を低減している。
【0047】
なお、樹脂フィルム積層鋼板は、芯部の金属板に燐酸被膜等の化成処理を行い、接着剤の乗りを良くし、その両面に樹脂フィルムを接着剤で貼り付けたもので、例えば、ヒシメタル等のブランドで販売されている。
【0048】
本第2実施形態は、上記第1実施形態において説明したハブユニット軸受と併用することが可能である。
【0049】
(第3実施形態)
次に本願の第3実施形態に係るハブユニット軸受を
図5を参照しつつ説明する。
図5は、本第3実施形態に係るハブユニット軸受50の磁気エンコーダ51周辺の断面図である。
【0050】
本第3実施形態に係るハブユニット軸受50は、上述の第1実施形態に係るハブユニット軸受1と基本的な構成を共通にしているが、エンコーダキャップ52の固定部が、外輪54に外嵌固定されている点において異なっている。
【0051】
このような構成とするため、本第3実施形態に係るエンコーダキャップ52は、固定部53を外輪54の外周面に外嵌する径寸法とし、固定部53の
図5に向かって右側(すなわち、車両内側)の端部から径方向内方へリング部55を延ばしている。また、外輪54のエンコーダキャップ52側の端面をリング部55の外輪54側の面に当接する位置まで延在させている。
【0052】
エンコーダキャップ52の軸方向の位置決めは、取付けに際し、外輪54に固定部53を外嵌し、外輪54のエンコーダキャップ52側の端面にリング部55が当接するまで押し込むことで、容易かつ正確に行うことができる。
【0053】
このような構成とすることにより、外輪54とエンコーダキャップ52との間からの異物の侵入をより効果的に防ぐことができる。
【0054】
なお、エンコーダキャップを非磁性かつ不導体である樹脂キャップとすれば渦電流損を防止できるが、樹脂材料はオーステナイト系ステンレス鋼板程強度が無く、また、樹脂の成形性(射出成形型内での溶融樹脂の流動性)を考慮すれば、板厚を薄くすることができない。したがって、樹脂キャップとした場合には、板厚が増すことでクリスタルエアギャップが増加し、回転センサとしての性能が低下するので好ましくない。
【0055】
以上のように、本発明は、軸受内部空間(転動体や転動面の存在する空間)及び磁気エンコーダを軸受外方から遮蔽して保護すると共に、渦電流損の発生を抑制することで、軸受トルクを低減し、また、センサ信号の劣化を防止することができる保護カバーを備えたハブユニット軸受を提供することができる。