JP2005249545A

JP2005249545A - 回転センサ付き軸受

Info

Publication number: JP2005249545A
Application number: JP2004059373A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Ito; 浩義伊藤
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】回転センサ付き軸受において、磁気エンコーダに対向して設けたＡ相及びＢ相の磁気センサ素子により、Ａ相及びＢ相の２相の出力信号の位相差（９０度）を精度よく出せるようにすることである。
【解決手段】内輪１側の磁気エンコーダ１３に対向して設けた外輪２側の磁気センサ素子２８，２９の周方向の間隔を磁気エンコーダ１３の着磁ピッチの０．２５ピッチを基準とした奇数倍の大きさに設定した構成とした。
【選択図】図１

Description

この発明は、モータ等に組み込んで、回転速度制御、回転方向制御、回転角度制御等に利用される回転センサ付き軸受に関し、主としてセンサ出力の位相差精度を向上させる技術に関するものである。

内輪、外輪及び前記内輪と外輪の間に介在された複数の転動体を備え、前記内輪と外輪のいずれか一方を回転側軌道輪、他方を固定側軌道輪となし、回転側軌道輪に装着した芯金に周方向に一定ピッチで異極の磁極を交互に設けた磁気エンコーダを固着し、固定側軌道輪に装着した芯金に前記磁気エンコーダに対向したセンサ素子を取付けた回転センサ付き軸受は従来から知られている（特許文献１参照）。

前記の回転センサ付き軸受は、主にＡ相及びＢ相の２相出力方式が採用され、Ａ相出力信号とＢ相出力信号の電気的な位相差が９０度になるように各センサ素子がセンサホルダに取付けられる。通常、この位相差９０度はモータなどの速度制御には直接関係がなく、回転方向の検出に必要な要素となる（特許文献１参照）。このため、Ａ相出力信号とＢ相出力信号の電気的な位相差（９０度）の精度はあまり高い精度は要求されていなかった。
特開２００３−３０２２５４号公報（段落００２３、０００２４）

しかし、モータ等の速度制御や回転角制御を精度よく行うためには、センサ出力の分解能が高いことが望ましい。即ち、出力信号である矩形波の数（パルス数）が１回転当り多い方が望ましい。

１回転当りのパルス数は、着磁された磁気エンコーダの着磁表面の直径によりほぼ決定されるため、小サイズの回転センサ付き軸受においては、出力パルス数が相対的に少なくなる。このため、一般的には、Ａ相出力信号とＢ相出力信号を用いてパルス数を逓倍することで、パルス数を増やす方法が採られている。

しかしながら、Ａ相出力信号とＢ相出力信号の位相差（９０度）の精度が悪いと逓倍後の出力精度が悪くなる。即ち、ピッチ誤差が大きくなる。その結果、回転速度制御や回転角制御の精度が低下する問題が生じる。

そこで、この発明はＡ相出力信号とＢ相出力信号の位相差（９０度）が精度よく得られるようにし、逓倍後の出力精度を向上させることを課題とする。

前記の課題を解決するために、この発明は、内輪、外輪及び前記内輪と外輪の間に介在された複数の転動体を備え、前記内輪と外輪のいずれか一方を回転側軌道輪、他方を固定側軌道輪と定め、回転側軌道輪に装着した芯金に周方向に一定ピッチで異極の磁極を交互に形成した磁気エンコーダを固着し、固定側軌道輪に前記磁気エンコーダに対向したセンサ素子を設けてなる回転センサ付き軸受において、前記センサ素子を複数個周方向に一定の間隔をおいて配置し、その間隔を前記磁気エンコーダの着磁ピッチの０．２５ピッチを基準とした奇数倍の大きさに設定した構成を採用した。

上記の構成によると、高い精度で９０度の位相差をもったセンサ出力が得られる。

なお、前記の奇数倍の数値は、７〜１５の範囲内で選定することが望ましい。この数値が７未満ではセンサ素子相互が接近した配置となり相互に干渉する可能性がある。また、１５を超えると磁気エンコーダの着磁ピッチの累積誤差の影響が大きくなり位相差の精度が劣化する。

複数のセンサ素子から得られる出力波形の位相差（９０度）の精度が向上するので、逓倍後の波形精度が改善され、その結果、回転体の速度制御や回転角制御の精度が向上する。

以下、この発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１から図３に示した回転センサ付き軸受は、内輪１を回転側軌道輪、外輪２を固定側軌道輪と定めた内輪回転型であり、内輪１、外輪２及び内輪１と外輪２の対向した軌道溝３、４の間に保持器５によって保持された複数の転動体６が介在される。前記内輪１と外輪２の一方の側面において、固定側の外輪２に装着したシール部材７を回転側の内輪２に接触させている。

前記のシール部材７を設けた側と反対側の端部において、内輪１の外径面と外輪２の内径面にそれぞれ環状の内輪側芯金８と外輪側芯金９を径方向に対向状態に固定している。内輪側芯金８は環状の内輪側固定部１１の外端に拡径方向に屈曲したＬ型断面の内輪側装着部１２が設けられ、その内輪側装着部１２の外径面に磁気エンコーダ１３が固着される。磁気エンコーダ１３は、図２に示したように全周にわたり一定幅の異極の磁極１５を周方向に一定ピッチで交互に着磁配列したものである。磁極１５の幅を小さくするにしたがって磁気エンコーダ１３の磁束密度が低下しピッチ精度も低下する傾向にあるが、着磁幅は経験上、磁気エンコーダ１３の周方向の長さで０．５ｍｍ以上あればよいことが分かっている。

なお、前記の磁気エンコーダ１３の磁性材料として希土類系（ネオジウム系、サマリウム系）や、アルニコ系を用いることが望ましい。これらの希土類系又はアルニコ系磁性材料は従来のフェライト系のものより強い磁力が得られるので、モータ等に組み込んで用いる際にモータ等から発生する漏洩磁界の影響を受け難くなり、センサの誤動作を避けることができる。上記の希土類系磁性材料を用いる場合、そのバインダそして耐熱ゴム、耐熱樹脂等を用いることが望ましい。さらに、希土類系磁性材料又はアルニコ系磁性材料を用いる場合、これらを焼結製とすることができる。

前記の外輪側芯金９も環状の外輪側固定部１６の外端にＬ型断面の外輪側装着部１７を設けたものであり、その外輪側装着部１７は前記の内輪側装着部１２よりアキシャル方向に長く突き出している。また、前記の外輪側固定部１６の内径面に内輪側固定部１１に向け突き出したシール部１８が全周に形成される。

前記の外輪側芯金９において、そのＬ型断面の外輪側装着部１７の内面に環状の樹脂等でなるセンサホルダ１９が装着され、そのセンサホルダ１９の一部に回路基板２１等がインサート成形等により一体に固着される。センサホルダ１９の内径面は内側が大径、外側が小径の２段に形成される。大径側の内径面２２が磁気エンコーダ１３に所要のすき間をおいて対向する。

前記内輪側芯金８の装着部１２の内径側にカバー部材２３の円筒部２４が挿入される。その円筒部２４の外端に外向きのつば部２５が設けられ、そのつば部２５の外周縁が前記外輪側芯金９の装着部１７の外端部内周縁に固着される。前記つば部２５は回路基板２１を含むセンサホルダ１９の外端面をカバーし、また円筒部２４は回路基板２１を含むセンサホルダ１９の内周面をカバーするとともに、内輪側芯金８の装着部１２の内周面との間にラビリンスすき間２６の一部を形成する。ラビリンスすき間２６は、前記の部分から該装着部１２の外端面とセンサホルダ１９の間、磁気エンコーダ１３とセンサホルダ１９との間、該装着部１２内端面とセンサホルダ１９の内端面を含む部分と前記のシール部１８との間に渡り形成される。

前記センサホルダ１９の小径側の部分に回路基板２１が周方向に所要の範囲に渡り埋め込まれる（図２参照）。その回路基板２１内面には周方向に一定の間隔をおいてホールＩＣ等からなるＡ相センサ素子２８とＢ相センサ素子２９が内向きに突き出して設けられる。各センサ素子２８、２９が前記センサホルダ１９の大径の内径面２２に露出し前記の磁気エンコーダ１３の磁極１５（図２（ｂ）（ｃ）参照）と対面する。各センサ素子２８、２９の間隔は、着磁ピッチの０．２５ピッチを基準ピッチとして、その奇数倍に設定される。図２（ａ）（ｂ）はその間隔を基準ピッチの９倍（＝２．２５ピッチ）に設定した例を示す。最大では基準ピッチの１５倍程度まで可能である。なお、図２（ａ）において、３１は出力ケーブルを示す。

上記のように、Ａ相センサ素子２８とＢ相センサ素子２９の間隔を基準ピッチの奇数倍に設定すると、Ａ相出力信号とＢ相出力信号の電気的位相差が９０度となる。

一方、磁気エンコーダ１３において、その任意の一定位置の磁極１５から着磁ピッチを増加させて行くに従ってピッチの累積誤差が発生するため、対向するセンサ素子２８、２９の間隔（ピッチ数）が大きくなり、出力信号の位相差の誤差が大きくなる。従って、９０度の位相差を精度良くつくり出すためには、センサ素子２８、２９の間隔をできるだけ小さく設定する必要がある。しかし、一定以上小さくするとセンサ素子２８、２９相互が干渉するため、その間隔を小さくするには制限がある。そこで、磁極の幅が０．５ｍｍ以上の場合において、最小の間隔はセンサ素子２８、２９の干渉を避けるために必要最小限の間隔（１．７５ピッチ＝０．２５ピッチ×７倍）が必要である。また、最大の間隔は着磁ピッチの累積誤差の影響を無視できる最大限の間隔（２．２５ピッチ＝０．２５ピッチ×９倍）に設定することができる。

なお、前記の間隔は磁気エンコーダ１３の回転方向が逆であっても、また両センサ素子２８、２９の配置が逆であっても同様である。

図３は、磁気エンコーダ１３が図２（ａ）のように時計周り方向（矢印Ａ参照）に回転する場合において、Ｂ相センサ素子２９に対してＡ相センサ素子２８の位置を磁気エンコーダ１３の回転方向に０．２５ピッチの奇数倍ごと離した場合の出力波形の関係を示している。図３において、Ｎ及びＳは磁気エンコーダ１３の磁極１５を示す。各センサ素子２８、２９はＮ極への接近でOFFとなり、Ｓ極への接近でONとなる。センサ素子２８、２９が0FFの状態で出力波形はHighとなり、ONの状態でLowとなる。図４はＡ相出力波形とＢ相出力波形を逓倍した状態を示す。図示のように、逓倍前の出力波形のピッチに対して、逓倍後の出力波形のピッチは２倍となる。

図５に磁気エンコーダ１３の累積ピッチ誤差が大きい状態で逓倍した例を示す。各相の出力波形のピッチ誤差が大きいと、逓倍後のピッチ精度が悪くなることが分かる。

なお、以上の実施形態は内輪回転型の軸受について説明したが、外輪回転型の軸受にも同様に適用することができる。

実施形態の断面図（ａ）図１のIIａ―IIａ線の断面図、（ｂ）図１のIIｂ―IIｂ線の一部断面図、（ｃ）（ｂ）図の磁極部分の拡大図同上のセンサ素子の固定位置と出力波形の関係の説明図同上のセンサ出力Ａ相及びＢ相による逓倍の説明図センサ出力Ａ相及びＢ相による逓倍状態の累積ピッチ誤差の影響を受けた場合の説明図

符号の説明

１内輪
２外輪
３軌道溝
４軌道溝
５保持器
６転動体
７シール部材
８内輪側芯金
９外輪側芯金
１１内輪側固定部
１２内輪側装着部
１３磁気エンコーダ
１５磁極
１６外輪側固定部
１７外輪側装着部
１８シール部
１９センサホルダ
２１電気回路基板
２２内径面
２３カバー部材
２４円筒部
２５つば部
２６ラビリンスすき間
２８Ａ相センサ素子
２９Ｂ相センサ素子
３１出力ケーブル

Claims

内輪、外輪及び前記内輪と外輪の間に介在された複数の転動体を備え、前記内輪と外輪のいずれか一方を回転側軌道輪、他方を固定側軌道輪と定め、回転側軌道輪に装着した芯金に周方向に一定ピッチで異極の磁極を交互に形成した磁気エンコーダを固着し、固定側軌道輪に前記磁気エンコーダに対向したセンサ素子を設けてなる回転センサ付き軸受において、前記センサ素子を複数個周方向に一定の間隔をおいて配置し、その間隔を前記磁気エンコーダの着磁ピッチの０．２５ピッチを基準とした奇数倍の大きさに設定したことを特徴とする回転センサ付き軸受。
前記の奇数倍の数値を７〜１５の間で選定したことを特徴とする請求項１に記載の回転センサ付き軸受。