JP2005248999A - 回転センサ付軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 小径の軸受での分解能向上が可能で、漏洩磁束の影響を低減できる回転センサ付軸受を提供する。
【解決手段】 この回転センサ付軸受は、回転側軌道輪３、固定側軌道輪４、および転動体５を有する転がり軸受部１と、回転センサ部２とを備える。回転センサ部２は、前記固定側軌道輪４に設けられ複数のヨーク１２に巻線１４を施したステータ１０と、前記回転側軌道輪３に設けられた偏心輪または多極カムからなるロータ９とでなる。前記回転センサ部２のステータ１０およびロータ９は磁性体からなるカバー１７で覆う。
【選択図】 図１

Description

この発明は、各種の機器における回転検出、例えば小型モータの回転制御のための回転検出や、事務機器の位置検出等に使用される高分解能の回転センサ付軸受に関する。

一般的な回転センサ付軸受の従来例として、例えば図１０のように深溝玉軸受などの転がり軸受５１に回転センサ６１を設置したものが知られている（例えば特許文献１）。この回転センサ付軸受は、回転側軌道輪である内輪５２、固定側軌道輪である外輪５３、転動体５４および保持器５５からなる転がり軸受５１において、回転側の内輪５２に環状の磁気エンコーダ５６を固定し、固定側の外輪５３に磁気センサ５７を上記磁気エンコーダ５６と対向させて固定することにより構成されている。磁気センサ５７としては、ホール素子、ホールＩＣ、ＭＲ素子などが使われる。磁気エンコーダ５６は、例えばゴム磁石からなり、図１１に示すように円周方向にＮ極とＳ極を交互に着磁したものである。図１０のように、磁気センサ５７は、樹脂ケース５８内に挿入された状態で樹脂モールドされ、この樹脂ケース５８を金属ケース５９を介して外輪５３に嵌着させることで、外輪５３に固定されている。

磁気センサ５７は、図１１に示すように、互いに出力位相差（電気角）が９０°になるように配置された２つのセンサ５７ａ，５７ｂからなる。このように回転センサ６１を構成することにより、内輪５２の回転に伴い、磁気センサ５７が磁気エンコーダ５６の磁気変化を検出し、その検出信号は、図１２のように位相が９０°ずれたインクリメンタルな回転パルス信号となる。この信号から内輪５２の回転数や回転方向を知ることができる。 このように構成される回転センサ付軸受は、小型で組立調整が不要であり、さらに堅牢であるなどの特徴を有しており、モータ支持軸受などに利用されている。
特開２００２−４００３７号公報

しかし、上記構成の回転センサ付軸受で、１回転当たりの出力パルス数を増やして高分解能化するためには、図１１に示す磁気エンコーダ５６の極数を増やして１極当たりの着磁幅を小さくする必要がある。しかし、着磁幅が小さくなるほど磁気エンコーダ５６の着磁強度が弱くなるため、磁気センサ５７での検出が難しくなる。また、着磁幅が小さくなればなるほど着磁も難しくなるといった課題がある。加えて、図１２に示すＡ相、Ｂ相の２相出力方式の場合、それらの信号を検出するセンサ５７ａ，５７ｂを電気角で９０°の位相差出力が得られるように配置する必要があるが、着磁幅が狭くなればなるほどセンサ５７ａ，５７ｂの取付け誤差が出力位相に与える影響は大きくなる。そのため、センサ５７ａ，５７ｂの位置合わせにおける機械的ガタがあれば、９０°位相差は大きくずれることになる。
上述したように、従来の構成で出力パルスを高分解能化することは難しく、特に小径軸受を用いた回転センサ付軸受の出力パルス数は概ね１００パルス以下が一般的であり、高分解能が必要となる分野への適用はあまりなかった。

この発明の目的は、小径の軸受での分解能向上が可能で、漏洩磁束の影響を低減できる回転センサ付軸受を提供することである。

この発明の回転センサ付軸受は、回転側軌道輪、固定側軌道輪、および転動体を有する転がり軸受部と、回転センサ部とを備え、この回転センサ部は、前記固定側軌道輪に設けられ複数のヨークに巻線を施したステータと、前記回転側軌道輪に設けられた偏心輪または多極カムからなるロータとでなり、前記回転センサ部のステータおよびロータを磁性体からなるカバーで覆ったことを特徴とする。固定側軌道輪は例えば内輪、回転側軌道輪は例えば外輪とする。
この構成によると、回転センサ部として巻線型センサを用いているので、ミニアチュア軸受のような小型軸受であっても高分解能化することが容易となり、軸受にもコンパクトに収容することができる。そのため、モータ等に用いれば小型化に有効である。巻線を使ったセンサであるため、耐環境性も良好である。また、磁性体からなるカバーを設けたことによって、モータ等の支持軸受として使用した場合にも、モータから発生する漏洩磁束に対してシールド効果が得られ、回転センサ部の誤動作、出力精度の劣化を防止することができる。

この発明において、前記固定側軌道輪に、転動体と回転センサ部との間に位置して磁性体からなるリングを取付けても良い。
この構成の場合、回転センサ部が、磁性体からなるカバーおよびリングで覆われることになり、回転センサ部に対する漏洩磁束の遮断効果をより向上させることができる。

この発明において、前記ロータが多極カムであって、前記回転側軌道輪の端部に一体に形成されたものであっても良い。
このようにロータを多極カムとすることにより、回転センサ部は、２極以上の回転センサとして機能し、回転側軌道輪の１回転で複数周期の正弦波が得られることになり、分解能がさらに向上する。多極にすることで磁気的なバランスが良くなるため、絶対精度も向上する。さらに、回転側軌道輪の端部にロータを一体形成することにより、ロータの圧入固着といった作業が不要になり、組立が容易になる。

また、この発明において、前記ロータである多極カムの外接円は、回転側軌道輪の外径に等しいか、またはこの外径よりも小径にしても良い。この構成の場合は、回転側軌道輪と一体のロータのために、回転側軌道輪の加工が困難になることを回避できる。

この発明において、前記磁性体からなるカバーとリングとのうち、１つ以上に銅メッキを施しても良い。銅メッキはカバーに施しても良い。カバーやリングに銅メッキを施すことにより、高周波の交流漏洩磁界が渦電流を生じることで消滅し、回転センサ部へ交流漏洩磁界が侵入することを阻止することができる。

この発明において、前記軸受部に予圧を与えて使用するものとしても良い。軸受部が深溝玉軸受等の場合は軸方向に多少の隙間があるので、軸受を単列で使用するときに、ロータとステータとの間のエアギャップに誤差が生じる等の悪影響を与える可能性があるが、上記したように軸受部に予圧を与えることで、エアギャップへの悪影響を排除することができる。

また、この発明において、前記軸受部をアンギュラ玉軸受または４点接触玉軸受としても良い。軸受部がアンギュラ玉軸受や４点接触玉軸受であると、ロータとステータとの間のエアギャップに誤差が生じる等の悪影響を排除することができる。

この発明の回転センサ付軸受は、回転側軌道輪、固定側軌道輪、および転動体を有する転がり軸受部と、回転センサ部とを備え、この回転センサ部は、前記固定側軌道輪に設けられ複数のヨークに巻線を施したステータと、前記回転側軌道輪に設けられた偏心輪または多極カムからなるロータとでなり、前記回転センサ部のステータおよびロータを磁性体からなるカバーで覆ったため、小径の軸受での分解能向上が可能で、漏洩磁束の影響を低減できる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１に示すように、この回転センサ付軸受は、回転側軌道輪３、固定側軌道輪４および複数の転動体５を有する転がり軸受部１と、回転センサ部２とを備える。転がり軸受部１は深溝玉軸受からなり、例えば、その内輪が回転側軌道輪３となり、外輪が固定側軌道輪４となる。回転側軌道輪３の外径面および固定側軌道輪４の内径面にはそれぞれ転動体５の軌道面３ａ，４ａが形成されており、転動体５は保持器６で保持されている。回転側軌道輪３と固定側軌道輪４の間の環状空間は、回転センサ部２の設置側とは反対側の端部がシール部材７で密封されている。

回転側軌道輪３には、その外径面に断面Ｚ字状の環状芯金８が圧入固着され、この芯金８の小径筒部８ａの外径面に回転センサ部２の被検出部であるロータ９が圧入固着されている。この場合の芯金８は磁性体からなる。図１のＸ−Ｘ矢視断面図を示す図２のように、ここではロータ９は偏心輪とされている。すなわち、芯金８の外径面に圧入固着されるロータ９の外径面の中心Ｏ１は、回転側軌道輪３である内輪の中心Ｏから若干偏心した位置とされる。被検出部であるロータ９は、ここではケイ素鋼板を打ち抜いた板を積層して構成されるが、磁性体からなる鋼板１枚であっても良い。

図１において、固定側軌道輪４の側面には、回転センサ部２の検出部であるステータ１０が、ロータ９と径方向に対向させて固着されている。具体的には、断面Ｚ字状の環状芯金１１の小径筒部１１ａを固定側軌道輪４の内径面に圧入固着し、芯金１１の大径筒部１１ｂの内径面にステータ１０を圧入固着することで、芯金１１を介してステータ１０が固定側軌道輪４の側面に固着されている。この場合の芯金１１も磁性体からなる。検出部であるステータ１０はラジアル型のものであって、図２に示すように、円周方向に等ピッチで並ぶ複数の内向きヨーク１３を有する環状の磁性体１２と、各ヨーク１３にボビン１５を介して巻回されたコイル１４ａ〜１４ｄとからなる。環状の磁性体１２はロータ９と同じ材料からなる。なお、ヨーク１３へのコイル１４ａ〜１４ｄの巻回は、ボビン１５を介さずに直接にコイル１４ａ〜１４ｄを巻回しても良い。ロータ９の厚さは、ヨーク１３の厚さよりも厚くする方が磁気特性の安定性から好ましい。

図１のように、ステータ１０の側面には基板１６が設けられ、この基板１６を介して、各コイル１４ａ〜１４ｄの配線が一箇所に集約され、図示しないケーブル等によって外部に出力される。基板１６を介さずにケーブルを引き出すことも可能である。
ステータ１０が固着される前記環状芯金１１の大径筒部１１ｂには、鉄等の磁性体からなる断面Ｌ字状の環状カバー１７が圧入固着されている。このカバー１７により、ステータ１０の保護と、外部からステータ１０への漏洩磁束の遮断が図られる。

上記回転センサ部２は、ロータ９の回転に伴い、ロータ９とステータ１０のヨーク１３とのエアギャップが変化するのを、コイル１４ａ〜１４ｄの磁気抵抗変化として取り出す巻線型センサであり、図３にその回路の概略構成を示す。同図において、各コイル１４ａ〜１４ｄは、それぞれ抵抗と直列に接続されて、発信器１８からの交流信号により交流励磁される。ここでは、機械角で１８０°離れた２つのコイル１４ａ，１４ｃの信号の差分値を第１の差分増幅器１９で取り出し、同じく機械角で１８０°離れた他の２つのコイル１４ｂ，１４ｄの信号の差分値を第２の差分増幅器２０で取り出すようにされている。これにより、２つの差分増幅器１９，２０から位相が９０°ずれた正弦波と余弦波が得られると共に、このように生成された正弦波および余弦波は回転偏心による影響がキャンセルされた基準信号となる。これらの正弦波および余弦波の信号を、処理回路２１で処理することにより、回転角度の算出が行われる。

被検出部であるロータ９の１回転、すなわち回転側軌道輪３の１回転で正弦波１周期分の信号が得られ、１回転の絶対位置検出が可能となる。この回転センサ部２は１極（１Ｘ）の巻線型センサであり、処理回路２１には良く知られているレゾルバ−デジタル変換器を用いることが可能である。この場合、分解能も１２ビット（４０９６分割）程度は簡単に得ることができ、絶対位置検出も可能となる。

この実施形態の回転センサ付軸受によると、磁性体からなるカバー１７を設けたため、モータ等の支持軸受として使用した場合にも、モータから発生する漏洩磁束に対してシールド効果が得られ、回転センサ部２の誤動作、出力精度の劣化を防止することができる。

また、この実施形態では、回転センサ部２として巻線型センサを用いているので、内径１０ｍｍ以下のミニアチュア軸受のような小型軸受であっても高分解能化することが容易となり、軸受にもコンパクトに収容することができる。そのため、モータ等に用いれば小型化に有効である。さらに巻線を使ったセンサであるため、耐環境性も良好である。

図４はこの発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、図１の回転センサ付軸受において、カバー１７を断面コ字状とすることで回転センサ部２の全体をカバー１７で覆うようにしている。これにより外部から回転センサ部２への異物の侵入をより確実に防止すると共に、漏洩磁束の遮断効果をより向上させている。また、この実施形態では、固定側の芯金１１の小径筒部１１ａの内径面に、断面Ｌ字状の磁性体リング２２を圧入固着し、その磁性体リング２２の内向き鍔部２２ａの先端が回転側の芯金８の大径筒部８ｂの外径面に対して所定の隙間を保つようにしている。これにより、回転センサ部２の全体が、カバー１７、固定側の芯金１１、磁性体リング２２、および回転側の芯金８で構成される磁気経路によって覆われることになり、回転センサ部２に対する漏洩磁束の遮断効果をより向上させることができる。その他の構成は図１の実施形態の場合と同じである。

図５ないし図７はこの発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、図４の実施形態の回転センサ付軸受において、回転側および固定側の各芯金８，１１を省略し、これに代えて回転側軌道輪３および固定側軌道輪４に、回転センサ部２の配置側に向けて軸方向に延びる延長部３ｂ，４ｂをそれぞれ一体に形成している。回転側軌道輪３の延長部３ｂの内径面にはロータ９を、固定側軌道輪４の延長部４ｂの内径面にはステータ１０をそれぞれ圧入固着している。芯金小径筒部１１ａの内径面に固着していた磁性体リング２２は、固定側軌道輪４の本体部内径面に直接に圧入固着させ、その内向き鍔部２２ａ先端が回転側軌道輪３の本体部内径面に対して所定の間隔を保つようにしている。これにより、回転センサ部２の全体が、カバー１７、固定側軌道輪４の延長部４ｂ、磁性体リング２２、および回転側軌道輪３の延長部３ｂで構成される磁気経路によって覆われることになり、回転センサ部２に対する漏洩磁束の遮断効果をより向上させることができる。

また、図５のＹ−Ｙ矢視断面図を示す図６のように、ロータ９は多極カムの一種である断面楕円形とされており、これに対応させてステータ１０の環状磁性体１２における内向きヨーク１３は機械角４５°の間隔で８個配置されている。これにより、この場合の回転センサ部２は、２極（２Ｘ）の回転センサとして機能し、回転側軌道輪３の１回転で２周期の正弦波が得られる。

この場合の回転センサ部２の回路構成を図７に示す。この実施形態では、図３の回路構成において、機械角で１８０°離れたコイル１４ａとコイル１４ａ’、コイル１４ｂとコイル１４ｂ’、コイル１４ｃとコイル１４ｃ’、コイル１４ｄとコイル１４ｄ’とを直列に接続している点が、図３の場合と異なるだけである。その他の構成は図４の実施形態の場合と同じである。この実施形態では、回転側軌道輪３の１回転で２周期の正弦波が得られ、機械角１８０°ごとに処理回路２１で分割処理がなされるため、分解能がさらに向上する。多極にすることで磁気的なバランスが良くなるため、絶対精度も向上する。極数が３Ｘ，４Ｘ…となっても、同様に処理することにより、絶対精度を向上させることができる。

図８はこの発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、図５の実施形態の回転センサ付軸受において、ロータ９を、回転側軌道輪３の延長部３ｂの外径面に一体形成したものであり、その外径面を断面楕円形などの多極カムとしている。このように、回転側軌道輪３の延長部３ｂにロータ９を一体形成することにより、ロータ９の圧入固着といった作業が不要になり、組立が容易になる。また、回転軌道輪３の延長部３ｂに形成したロータ９の外接円は、回転軌道輪３の本体部外径に等しいかそれよりも小さくなるようにされている。これにより、ロータ９のために回転側軌道輪３の加工が困難にならないようにできる。その他の構成は図５の実施形態の場合と同じである。

図９はこの発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、図５の実施形態の回転センサ付軸受において、カバー１７の表面の露出部に導電率の高い銅メッキ１７ａを施したものである。その他の構成は図５の実施形態の場合と同じである。このように、カバー１７に銅メッキ１７ａを施すことにより、高周波の交流漏洩磁界が渦電流を生じることで消滅し、回転センサ部２が配置されるカバー１７の内側への交流漏洩磁界の侵入を阻止できる。なお、この実施形態では、カバー１７の外側の一部に銅メッキ１７ａを施しているが、カバー１７の外表面全体あるいは裏側に銅メッキを施しても良く、さらには磁性体リング２２に銅メッキを施しても良い。

なお、上記した各実施形態では、転がり軸受部１が深溝玉軸受である場合を例示したが、深溝玉軸受は軸方向に多少の隙間があるので、軸受を単列で使用する場合には、ロータ９とステータ１０との間のエアギャップに誤差が生じる等の悪影響を与える可能性がある。このため、深溝玉軸受に予圧を与えることで、その影響を排除することが可能となる。また、転がり軸受部１として、アンギュラ玉軸受や、４点接触玉軸受を用いても同じ効果が得られる。

また、上記した各実施形態では、回転側軌道輪３が転がり軸受部１の内輪である場合を例示したが、外輪を回転側軌道輪とした場合にも同様に適用できる。この場合には、内輪にステータ１０を固着し、外輪にロータ９を固着することになる。なお、この場合には、ステータ１０のヨーク１３は環状磁性体１２の外径側に突出する形となり、ロータ９は内径面を偏心面あるいは多極カム状とする必要がある。

この発明の第１の実施形態に係る回転センサ付軸受の縦断面図である。 図１におけるＸ−Ｘ矢視断面図である。 同回転センサ付軸受における回転センサ部の概略回路構成図である。 この発明の他の実施形態に係る回転センサ付軸受の縦断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る回転センサ付軸受の縦断面図である。 図５におけるＹ−Ｙ矢視断面図である。 同回転センサ付軸受における回転センサ部の概略回路構成図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る回転センサ付軸受の縦断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る回転センサ付軸受の縦断面図である。 従来例の縦断面図である。 同従来例における回転センサの構成を示す部分正面図である。 同回転センサの出力波形図である。

符号の説明

１…転がり軸受
２…回転センサ部
３…回転側軌道輪
４…固定側軌道輪
５…転動体
９…ロータ
１０…ステータ
１３…ヨーク
１４ａ〜１４ｄ，１４ａ’〜１４ｄ’…コイル
１７…カバー
１７ａ…銅メッキ
２２…磁性体リング

Claims (10)

1. 回転側軌道輪、固定側軌道輪、および転動体を有する転がり軸受部と、回転センサ部とを備え、この回転センサ部は、前記固定側軌道輪に設けられ複数のヨークに巻線を施したステータと、前記回転側軌道輪に設けられた偏心輪または多極カムからなるロータとでなり、前記回転センサ部のステータおよびロータを磁性体からなるカバーで覆ったことを特徴とする回転センサ付軸受。
2. 請求項１において、前記固定側軌道輪に、転動体と回転センサ部との間に位置して磁性体からなるリングを取付けた回転センサ付軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記ロータが多極カムであって、前記回転側軌道輪の端部に一体に形成されたものである回転センサ付軸受。
4. 請求項３において、前記ロータである多極カムの外接円は、回転側軌道輪の外径に等しいか、またはこの外径よりも小径にした回転センサ付軸受。
5. 請求項２において、前記磁性体からなるカバーとリングとのうち、１つ以上に銅メッキを施した回転センサ付軸受。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記カバーに銅メッキを施した回転センサ付軸受。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記軸受部に予圧を与えて使用するものである回転センサ付軸受。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記軸受部をアンギュラ玉軸受または４点接触玉軸受とした回転センサ付軸受。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、固定側軌道輪を内輪、回転側軌道輪を外輪とした回転センサ付軸受。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記軸受部の内径が１０mm以下である回転センサ付軸受。

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