JP2005233857A - センサ付軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 原点位置を直接に見て原点合せが行えて、原点合せの間違いを少なくでき、正確な原点出しが可能なセンサ付軸受を提供する。
【解決手段】 軸受部１と回転センサ２とでなる。回転センサ２は、リング状のエンコーダ８とセンサユニット９で構成される。エンコーダ８は、回転被検出部１０および原点被検出部１１を有し、回転側軌道輪である内輪２に取付けられる。センサユニット９は、固定側軌道輪である外輪４に取付けらるセンサハウジング１５と、このセンサハウジング１５に取付けられてエンコーダ８の前記各被検出部１０，１１を検出する複数のセンサ要素１６〜１８とを有する。センサハウジング１５における原点検出用のセンサ要素１８の取付けられた円周方向位置に、原点被検出部１１が見える覗き窓１９を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、モータや、ロボット関節、その他各種の機器に用いられ、回転数，回転方向検出用のパルス信号の他に、原点信号を得ることができるセンサ付軸受に関し、特に軸受使用機器への組付性の改良に関する。

従来、インクリメンタル式の回転センサにおいて、回転数，回転方向検出用のパルス信号だけでなく、イニシャライズの容易化，原点位置の高精度等のために、１回転で１回の原点信号を得るようにしたものがある。このような原点信号付きの磁気式回転センサを備えたセンサ付軸受も提案されている（例えば、特許文献１）。

また、このようなセンサ付軸受を機器に組み込むときに、センサ要素の原点位置（基準信号発生位置）と機器の原点位置とを合わせる構成として、次のものが提案されている（特許文献２）。この提案例では、センサ要素の組み込み位置をセンサケーブル位置で判別し、回転側の原点位置は内輪またはエンコーダに印を付ける。このようにしておき、この軸受を組み込むときに、組み込み側の機器の原点とセンサ要素につけた印を目安に組み込むようにしたものである。
特開平１１−１９４００９号公報 特表２００３−５２７５４１号公報

特許文献２に示されるものは、原点位置を直接に見て組み込むものではなく、間接的に内輪またはエンコーダに付けた印を元に組み込むものであるため、印の付け間違いによる組込み不良が発生する可能性がある。

この発明の目的は、原点位置を直接に見て原点合わせができて、原点合わせの間違いを少なくでき、正確な原点出しが可能なセンサ付軸受を提供することである。

この発明のセンサ付軸受は、回転側軌道輪、固定側軌道輪、および両軌道輪の軌道面間に介在した複数の転動体を有する軸受部と、回転センサとを備え、この回転センサを次の構成としたものである。
この回転センサは、回転側軌道輪に取付けられ回転被検出部および原点被検出部を有するリング状のエンコーダと、固定側軌道輪にセンサハウジングを介して取付けられて前記エンコーダの前記各被検出部を検出する複数のセンサ要素とを有する。前記センサハウジングはリング状であって前記エンコーダおよび前記各センサ要素を覆うものである。このセンサハウジングにおける前記原点検出用のセンサ要素の取付けられた円周方向位置に、この位置に前記原点被検出部が回転移動した状態でこの原点被検出部が見える覗き窓を設ける。

この構成によると、回転側軌道輪の回転数が、エンコーダの回転被検出部とこれに対向するセンサ要素とで検出される。またエンコーダの原点被検出部が、これに対向するセンサ要素で検出されることで、１回転で１回の原点信号が得られる。
このセンサ付軸受を機器に組み込むときは、センサハウジングに設けられた覗き窓から内部を覗きながら、回転側軌道輪を回転させ、原点被検出部を覗き窓から直接に目で見ることで、原点合わせが行える。つまり、原点検出用センサ要素に対して、機器における回転側軌道輪に組付けられる回転側部品の原点合わせが行える。このように、原点被検出部を直接に見て原点合わせが可能となるため、マークを別に施すような場合と異なり、原点合わせの間違いが少なくでき、正確な原点出しが可能になる。
また、エンコーダおよび各センサ要素がセンサハウジングで覆われるため、内部への塵埃の侵入が防止される。覗き窓は小さいもので済むため、塵埃の侵入性が損なわれることがない。

この発明において、前記軸受部が、回転側軌道輪および固定側軌道輪のいずれか一方が内輪、他方が外輪となるラジアル型の軸受であって、前記エンコーダの前記原点被検出部が、リング状の回転被検出部に対して軸方向に並ぶリング部の円周方向の一部に設けられたものである場合に、前記原点被検出部を回転被検出部に対して反軌道輪側に配置しても良い。
原点被検出部が反軌道輪側であると、例えばセンサハウジングの軸方向端面に覗き窓を設けることで、エンコーダにおける回転被検出部が邪魔となることなく、覗き窓から原点被検出部を見ることができる。

この場合に、前記回転数被検出部が円周方向に磁極が並ぶ多極磁石であり、前記原点被検出部が前記リング部の一部に形成された厚肉部分となる磁石であっても良い。
原点被検出部が円周方向の一部に形成された厚肉部分であると、回転被検出部の全周と同時に着磁のための磁界付与を行っても、薄肉部分はエアギャップが広くなることや、磁石となる部分の厚さが薄いことなどで、着磁強度が低くなる。そのため、薄肉部分は検出対象として無視できる着磁強度にでき、未着磁と同等に取り扱える。したがって、回転被検出部と原点被検出部とを同時に着磁できて生産性が良い。この場合に、原点被検出部は厚肉部分として目で見ても判るものとなる。このような原点被検出部の形状の特徴を利用することで、前記覗き窓から見て行う原点合わせが行え、原点合わせ専用のマーク付与を不要とできる。

この発明において、前記覗き窓は透明体で閉じられたものであっても良い。この場合に覗き窓は、例えば窓孔を透明体で蓋したものであっても、また不透明のセンサハウジングの一部に形成した透明部分を覗き窓としても良い。
覗き窓を透明体で閉じておくことで、原点位置の確認性が妨げられることなく、回転センサ内への塵埃等侵入防性をより高めることができる。

この発明において、前記固定側軌道輪の端面、またはこの固定側軌道輪に設けられた軸受シールに、原点検出用のセンサ要素の組み込み位置を示すマークを施しても良い。
この構成の場合、固定側軌道輪に対してセンサハウジングを組付けるときに、原点検出用のセンサ要素のある原点位置につき、上記マークを利用して位置合わせが行える。例えば、上記マークと覗き窓を整合させることで原点位置合わせが行える。そのため、固定側軌道輪に対して原点検出用のセンサ要素を正確に組み込んだ上で、前記覗き窓から原点被検出部を直接に見ることにより、回転部品の原点合わせが簡易，正確に行える。

この発明のセンサ付軸受は、回転側軌道輪、固定側軌道輪、および複数の転動体を有する軸受部と、回転センサとを備え、前記回転センサが、回転側軌道輪に取付けられ回転被検出部および原点被検出部を有するリング状のエンコーダと、固定側軌道輪にセンサハウジングを介して取付けられて前記エンコーダの前記各被検出部を検出する複数のセンサ要素とを有し、前記センサハウジングはリング状であって前記エンコーダおよび前記各センサ要素を覆うものであり、このセンサハウジングにおける前記原点検出用のセンサ要素の取付けられた円周方向位置に、この位置に前記原点被検出部が回転移動した状態でこの原点被検出部が見える覗き窓を設けたため、原点位置を直接に見て原点合わせができて、原点合わせの間違いを少なくでき、正確な原点出しが行える。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図５と共に説明する。このセンサ付軸受は、軸受部１と回転センサ２とで構成される。軸受部１は、回転側軌道輪である内輪３と、固定側軌道輪である外輪４と、これら内外輪３，４の軌道面３ａ，４ａ間に介在した複数の転動体５とでなる。複数の転動体５は、保持器６により保持されている。回転センサ２は、軸受部１の一端側に設けられ、他端側において内外輪３，４間の空間は環状のシール７により密封されている。シール７は、固定側軌道輪である外輪４に取付けられ、回転側軌道輪である内輪３の外径面に近接する非接触シールとされている。シール７は、接触シールであっても良い。軸受部１は、この実施形態ではラジアル型の転がり軸受、詳しくは深溝玉軸受とされ、転動体５はボールからなる。

回転センサ２は、回転側軌道輪である内輪３に取付けられたリング状のエンコーダ８と、固定側輪である外輪４に取付けられたリング状のセンサユニット９とでなる。

エンコーダ８は、回転数および回転方向の検出用の回転被検出部１０、および原点被検出部１１を有するものである。回転被検出部１０および原点被検出部１１は、共通の円筒状の芯金１２の外径面に設けられ、芯金１２が一端で内輪３の外径面に圧入等により嵌合状態に取付けられている。芯金１２の外端には、内向きのフランジ１２ａが設けられている。

図３に示すように、回転被検出部１０は円周方向に磁極Ｎ，Ｓが交互に並ぶ多極磁石であり、芯金１２の全周にリング状に形成されている。原点被検出部１１は、回転被検出部１１に対し軸方向に並ぶリング部１３の円周方向の一部に形成された厚肉部分からなり、一または複数の磁極Ｎ，Ｓを有する磁石とされている。
原点被検出部１１の円周方向の幅Ｗは、回転被検出部１０の磁極幅と概ね同等とされているが、例えば図４（Ｃ）に示すように磁極幅の略３倍としても良い。磁極幅の３倍を超えると、１回転で２つ以上の原点信号が出るため、好ましくない。なお、図４において、回転被検出部１０と原点被検出部１１とは、区別のために厚さを変えて図示してある。

図３において、回転被検出部１０および原点被検出部１１は、リング部１３を含めて芯金１２の外周に一体に設けられた磁性体からなり、例えば同時に着磁されたものである。原点被検出部１１となる厚肉部分は、回転被検出部１０の１ないし３つの磁極Ｎ，Ｓの部分が軸方向に延びた部分からなり、回転被検出部１０と同じ厚さとされている。したがって、この実施形態では原点被検出部１１の一つの磁極の円周方向の幅Ｗは、回転被検出部１０の一つの磁極の幅と同じとされている。回転被検出部１０および原点被検出部１１の材質は、例えば、ゴム磁石、プラスチック磁石、焼結磁石等からなる。
図１に示すように、原点被検出部１１は、回転被検出部１０に対して反軌道輪側に配置されている。

センサユニット９は、センサハウジング１５内に、エンコーダ８の回転被検出部１０および原点被検出部１１をそれぞれ検出する複数のセンサ要素１６〜１８を、これら回転被検出部１０および原点被検出部１１の外径側に対向して設けたものである。原点検出用のセンサ要素１８は、回転検出用のセンサ要素１６，１７に対して、その回転検出信号の出力波形に対する電気的位相関係が所定の関係になる円周方向位置に配置されている。各センサ要素１６〜１８は、例えばホール素子からなり、配線基板２０を介してセンサハウジング１５に埋め込み状態に固定されている。配線基板２０には、センサ要素１６〜１８の信号を処理する回路部品（図示せず）が実装されている。

図４（Ａ）に示すように、回転被検出部１０に対しては、回転数の他に回転方向の検出が可能なように、２つのセンサ要素１６，１７が設けられる。これらセンサ要素１６，１７は、回転被検出部１０の磁極Ｎ，Ｓを検出して得られる信号の電気的位相が９０°異なるように円周方向に互いにずらせて配置される。回転方向の検出が不要の場合は、回転被検出部１０に対向させるセンサ要素として、回転数検出用に一つのセンサ要素１６を設けるだけで良い。

図１において、センサハウジング１５は、リング状であって前記エンコーダ８および各センサ要素１６〜１８を覆うものである。このセンサハウジング１５における原点検出用のセンサ要素１８の取付けられた円周方向位置に覗き窓１９が設けられている。覗き窓１９は、この覗き窓１９が設けられた円周方向位置に原点被検出部１１が回転移動した状態で、この原点被検出部１１が外部から見えるように設けられる。

センサハウジング１５は、エンコーダ８の外周に位置する円筒部１５ａと、この円筒部の先端から内径側へ延びてエンコーダ８の軸方向の外側に位置する内鍔部１５ｂとでなる断面Ｌ字状に形成され、内鍔部１５ｂに前記覗き窓１９が設けられている。センサハウジング１５とエンコーダ８との間の隙間は、屈曲した微小隙間とされ、ラビリンスシールを構成する。

センサハウジング１５は、複数の部品を組み合わせて構成されている。この例では、センサハウジング１５は、ハウジング外筒２１、ハウジング内リング２２、ハウジング側板２３、基板取付リング２４、および樹脂モールド体２５により構成されている。
ハウジング外筒２１は、筒部２１ａの基端に内側に延びる段差部２１ｂを介して嵌合筒部２１ｃが設けられ、嵌合筒部２１ｃで外輪４の内径面に圧入等により嵌合状態に取付けられている。段差部２１ｂは外輪４の端面に係合している。嵌合筒部２１ｃには、内径側へ延びるシール用鍔２１ｄが設けられ、その内径端は、エンコーダ８の外周における回転被検出部１０よりも軸方向内側の部分に対向して、回転被検出部１０の外径面よりも内径側に延びている。このシール用鍔２１ｄとエンコーダ８との対向隙間の間でラビリンスシールが構成される。さらには、内輪３→芯金１２→シール用鍔２１ｄ→嵌合筒部２１ｃ→外輪４の間を外部から侵入する磁界が流れることによって、センサ要素へ外部から侵入する磁界の影響を与えることを防止できる、磁気バイパス回路の働きもある。ハウジング外筒２１は、金属板のプレス加工品等とされる。

ハウジング内リング２２は、ハウジング外筒２１の内径面に嵌合した樹脂製等の部材であり、各センサ要素１６，１７，１８をそれぞれ嵌合状態に位置決めする凹部が設けられている。
ハウジング側板２３は、側板部２３ａがハウジング外筒２１の先端内周から内径側へ延び、その内径端に軸方向の内側へ延びる筒部２３ｂを有している。
基板取付リング２４は、ハウジング側板２３の筒部２３ｂの外周に嵌合した筒部２４ａおよびその筒部２４ａ内端から外径側へ延びる内側板部２４ｂを有する断面Ｌ字状のリングであり、内側板部２４ｂに一部を重ねて配線基板２０が取付けられている。
樹脂モールド体２５は、センサハウジング１５を構成する各部品間の隙間を埋めて各センサ要素１６〜１８および配線基板２０を埋め込み状態に樹脂モールドしたものである。この樹脂モールド体２５の樹脂には、エポキシ樹脂等の透明樹脂が用いられ、覗き窓１９を閉じる透明体を兼ねている。または、覗き窓１９以外の部分を黒色等のモールド樹脂でモールドし、窓部は後から透明シール（例えば透明シート）で封止する。

覗き窓１９は、センサハウジング１５におけるハウジング側板２３に設けられた窓孔１９ａと、この窓孔１９ａに整合して基板取付リング２４および配線基板２０に設けられた窓孔１９ｂ，１９ｃにより構成され、前記のように透明体である樹脂モールド体２５により閉じられている。

図２に示すように、固定側軌道輪である外輪４の端面には、原点検出用のセンサ要素１８の組み込み位置を示すマーク２９が施してある。マーク２９は、着色部分であっても、また刻印部分であっても良い。
また、センサハウジング１５における覗き窓１９を設けた面には、原点検出部１１が見れる露出窓４０が、原点検出部１１の旋回移動経路に沿って円弧形の帯状に設けられている。露出窓４０は、１個であっても複数個であっても良い。露出窓４０は、覗き窓１９と同じくセンサハウジング１５を構成する部材に設けられた窓孔で形成され、樹脂モールド体２５（図１）等の透明体で閉じられている。

この構成のセンサ付軸受によると、内輪３と共にエンコーダ８が回転することにより、回転検出用の被検出部１０がセンサ要素１６，１７で検出され、各センサ要素１６，１７から図５（Ａ），（Ｂ）にそれぞれ出力信号波形を示す２つのパルス信号が得られる。センサ要素１６，１７のいずれかの出力パルス信号により回転数を検出することができ、また両パルス信号は９０°位相がずれているため、両パルス信号の比較によって回転方向が検出される。
また、エンコーダ８の原点被検出部１１が原点検出用のセンサ要素１８で検出されることにより、エンコーダ８の１回の回転で１つのパルス信号が図５（Ｃ）に示すように得られる。このパルス信号により内輪３の回転位相の原点が検出される。

このセンサ付軸受は、センサ使用機器（図示せず）のハウジングに外輪４を組付け、回転軸に内輪３を組付ける。この組付けに際して、次のように原点合わせを行う。すなわちセンサハウジング１５に設けられた覗き窓１９から内部を覗きながら、内輪３を回転させて、原点被検出部１１が覗き窓１９の円周方向の中央になった位置で内輪３を止める。この内輪３の回転位相と外輪４との関係が得られるように、内輪３に対する回転軸の取付けや、回転軸に連結される部品の取付位置を調整し、あるいは制御系の設定を行う。
このように、覗き窓１９を設けたため、原点被検出部１１を覗き窓１９から直接に目で見ることで、原点合わせが行える。そのため、原点被検出部１１に対して原点合せ用のマークを別に施すような場合と異なり、マーク付与の誤差等による原点合わせの間違いが少なくでき、正確な原点出しが可能になる。

エンコーダ８において、原点被検出部１１は回転被検出部１０に対して反軌道輪側に配置してあるため、覗き窓１９から原点被検出部１１を見るときに、リング状の回転被検出部１０が障害にならない。

また、各被検出部１０，１１、および各センサ要素１６〜１８がセンサハウジング１５で覆われるため、内部への塵埃の侵入が防止される。センサハウジング１５とエンコーダ８との間の隙間はラビリンスシールとなるため、より塵埃の侵入防止性が高められる。
覗き窓１９は小さいもので済むため、開口していたとしても塵埃の侵入性を大きく阻害することがないが、この実施形態では透明体となる樹脂モールド体２５で覗き窓１９を封止しているため、覗き窓１９からの塵埃の侵入の問題がない。
センサハウジング１５に、覗き窓１９の他に上記露出窓４０が設けられている場合は、原点被検出部１１が覗き窓１９から離れた回転位置にある場合も、この露出窓４０から原点被検出部１１が見えるため、原点被検出部１１を覗き窓１９の位置に回して行く作業が行い易い。露出窓４０を形成した場合も、透明体で閉じられたものとすることで、露出窓４０からの塵埃の侵入が防止される。

このセンサ付軸受における軸受部１に対するセンサハウジング１５の組み付けに際しては、外輪４の端面に設けられたマーク２９にセンサハウジング１５の覗き窓１９の回転位相が一致するように取付ける。これにより、内輪４に対するセンサハウジング１５の原点合わせも、覗き窓１９を利用して行うことができる。このように、覗き窓１９は、固定側軌道輪である外輪４に対するセンサハウジング１５の取付時の原点合わせにも利用できる。そのため、センサハウジング１５に別の原点合わせ用のマークを設けることが省けるだけでなく、外輪４に対してセンサハウジング１５の取付時の原点合わせに用いられる覗き窓１９を基準に用いて、外輪４に対する内輪３の原点合わせも行えるため、より精度の良い原点合わせを行うことができる。

また、このセンサ付軸受において、エンコーダ８は、原点被検出部１１が円周方向の一部に形成された厚肉部分であるため、回転被検出部１０と同時に全周の着磁のための磁界付与を行っても、薄肉部分であるリング部１３はエアギャップが広くなることや、磁石となる部分の厚さが薄いことなどで、着磁強度が低くなる。そのため、リング部１３は検出対象として無視できる着磁強度にでき、未着磁と同等に取り扱える。したがって、回転被検出部１０と原点被検出部１１とを同時に着磁できて生産性が良い。この場合に、原点被検出部１１は厚肉部分として目で見ても判るものとなる。このような原点被検出部１１の視覚的に判別可能な形状の特徴を利用することで、前記覗き窓１９から見て行う原点合わせが行え、原点合わせ専用のマーク付与を不要とできる。

なお、前記実施形態では、軸受部１の回転センサ２の設置側は、回転センサ２でシールを兼ねるようにしたが、例えば図６に示すように、回転センサ２の設置側にも他端側と同様な軸受シール７Ａを取付けても良い。その場合に、この軸受シール７Ａに、回転センサ２のセンサハウジング１５を外輪４に対して原点出しするためのマーク２９Ａ（図７）を付しても良い。図６，図７に示す実施形態におけるその他の構成は、図１ないし図５に示した第１の実施形態と同様である。

上記各実施形態では、内輪３が回転側、外輪４が固定側である場合につき説明したが、この発明は、外輪４が回転側軌道輪、内輪３が固定側軌道輪である場合にも適用することができる。その場合、回転センサ２のエンコーダ８は回転側軌道である外輪４に取付け、センサハウジング１５は固定側軌道輪である内輪３に取付ける。
また、上記各実施形態では、回転センサ２を、被検出部１０，１１とセンサ要素１６〜１８とが半径方向に対応するラジアル型のものとしたが、回転センサ２は、各被検出部１０，１１とセンサ要素１６〜１８とが軸方向に対応するアキシアル型のものであっても良い。
さらに、この発明は、軸受部１がスラスト型の転がり軸受である場合にも適用することができる。
また、回転センサ２は磁気式のものに限らず、光学式のものであっても良い。

この発明の第１の実施形態にかかるセンサ付軸受を示す断面図である。 同センサ付軸受のセンサハウジング側から見た正面図である。 同センサ付軸受のエンコーダの概略構成を示す斜視図である。 （Ａ），（Ｂ）は同センサ付軸受の被検出部とセンサ要素の関係を示す説明図、（Ｃ）は被検出部の変形例とセンサ要素の関係を示す説明図である。 各センサ要素の出力波形図である。 この発明の他に実施形態にかかるセンサ付軸受の断面図である。 同センサ付軸受の部分正面図である。

符号の説明

１…軸受部
２…回転センサ
３…内輪
４…外輪
５…転動体
７，７Ａ…軸受シール
８…エンコーダ
９…センサユニット
１０…回転被検出部
１１…原点被検出部
１２…芯金
１３…リング部
１５…センサハウジング
１６，１７…回転検出用のセンサ要素
１８…原点検出用のセンサ要素
１９…覗き窓
２５…樹脂モールド体（透明体）
２９，２９Ａ…マーク

Claims (5)

1. 回転側軌道輪、固定側軌道輪、および両軌道輪の軌道面間に介在した複数の転動体を有する軸受部と、回転センサとを備え、
   前記回転センサは、回転側軌道輪に取付けられ回転被検出部および原点被検出部を有するリング状のエンコーダと、固定側軌道輪にセンサハウジングを介して取付けられて前記エンコーダの前記各被検出部を検出する複数のセンサ要素とを有し、前記センサハウジングはリング状であって前記エンコーダおよび前記各センサ要素を覆うものであり、このセンサハウジングにおける前記原点検出用のセンサ要素の取付けられた円周方向位置に、この位置に前記原点被検出部が回転移動した状態でこの原点被検出部が見える覗き窓を設けたことを特徴とするセンサ付軸受。
2. 請求項１において、前記軸受部は、回転側軌道輪および固定側軌道輪のいずれか一方が内輪、他方が外輪となるラジアル型の軸受であり、前記エンコーダは、リング状の回転被検出部に対して軸方向に並ぶリング部の円周方向の一部に前記原点被検出部が設けられたものであり、前記原点被検出部を回転被検出部に対して反軌道輪側に配置したセンサ付軸受。
3. 請求項２において、前記回転被検出部が、円周方向に磁極が並ぶ多極磁石であり、前記原点被検出部が前記リング部の一部に形成された厚肉部分からなる磁石であるセンサ付軸受。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記覗き窓は透明体で閉じられたものであるセンサ付軸受。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記固定側軌道輪の端面、またはこの固定側軌道輪に設けられた軸受シールに、原点検出用のセンサ要素の組み込み位置を示すマークを施したセンサ付軸受。

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