JP2006322474A - 絶対角度検出回転センサ付軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトかつ低コストで構成でき、非接触による信頼性の高い絶対角度検出が可能な絶対角度検出回転センサ付軸受を提供する。
【解決手段】 この絶対角度検出回転センサ付軸受は、内輪２、外輪３、および両輪２，３間に介在した複数の転動体４を有する転がり軸受１に、回転センサ７を取付けたものである。回転センサ７は、回転側軌道輪である内輪２に同心に取付けられた環状の磁気エンコーダ８と、固定側軌道輪である外輪３に取付けられて前記磁気エンコーダ８の磁気を検出する磁気センサ９とを備え、回転側軌道輪２の絶対角度を検出する。磁気エンコーダ８は、例えばその磁石８ｂの厚さが一周にわたり連続的に変化するものとする。これにより、磁気センサ９の検出する磁界の強さが、磁気エンコーダ８の１周にわたり連続的に変化するものとする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、各種産業機械や、自動車、ロボットの関節部等に用いられる絶対角度検出回転センサ付軸受に関する。

従来、回転軸の回転角度における、絶対角度を検出する手段として、鋳物製のハウジング内に、回転軸と、この回転軸を支持する２個のラジアル軸受と、軸の端面に構成される摺動式のポテンショメータとを設けたものがある（特許文献１）。
一般的な絶対角度検出手段としては、レゾルバタイプの絶対角度検出センサがある。これは、回転軸を支持する軸受と一体化することが可能である。
実開平７−２０５０４号公報

特許文献１に示されるものは、鋳物製のハウジング内に軸受支持部材とポテンショメータが構成されるので、汎用性に欠ける。また、回転検出センサの軸を機器の回転軸に固定する場合、カップリングなどを介して回転軸に連結しなければならないので、検出精度が劣化するという問題点がある。また、ポテンショメータでは接触検出となるため、使用に伴って摩耗が生じ、信頼性が低下する問題がある。
レゾルバタイプでは、コイルを巻回した固定子および回転子が構成部品として必要であり、コンパクトにできず、またコスト増になるという問題点がある。

この発明の目的は、簡単な構造で、コンパクトに構成でき、非接触による絶対角度の検出が可能で、低コスト化、信頼性の向上が図れる絶対角度検出回転センサ付軸受を提供することである。

この発明の絶対角度検出回転センサ付軸受は、回転側軌道輪、固定側軌道輪、および両軌道輪間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受と、前記回転側軌道輪に同心に取付けられた環状の磁気エンコーダと、前記固定側軌道輪に取付けられて前記磁気エンコーダの磁気を検出する磁気センサとを有し、前記磁気エンコーダと磁気センサとで回転側軌道輪の絶対角度を検出する回転センサを構成した回転センサ付軸受において、前記磁気センサの検出する磁界の強さが、前記磁気エンコーダの１周にわたり同じ方向へ連続的に変化するものとしたことを特徴とする。
この構成によると、磁気センサの検出する磁界の強さが、磁気エンコーダの一周にわたり同じ方向へ連続的に変化するため、検出信号の波形が、１回転を１周期とする鋸波のようになり、絶対角度の検出が可能になる。また、磁気エンコーダと磁気センサとで回転センサが構成されるため、ポテンショメータと異なり、非接触で回転検出でき、またレゾルバのような巻線が必要なセンサに比べて、構造が簡単でコンパクトに構成でき、かつ低コストで生産できる。磁気エンコーダおよび磁気センサは、それぞれ転がり軸受の回転側軌道輪および固定側軌道輪に取付けるため、この軸受で支持される回転軸の回転角度が検出できて、カップリング等で回転軸と連結する必要がない。そのため、この点からも構造が簡単であり、また連結部による誤差の発生がなく、信頼性の高い角度検出が行える。

磁気センサの検出する磁界の強さを、磁気エンコーダの１周にわたり同じ方向へ連続的に変化させる構成としては、次の各種の構成が採用できる。
例えば、磁気エンコーダの磁石の厚さが、１周にわたり連続的に変化するものとしても良い。この構成の場合、磁気エンコーダの発生する磁界の強さが１周にわたり連続的に変化することから、磁気エンコーダの表面から一定距離だけ離れた磁気センサの検出する磁界の強さが、磁気エンコーダの一周にわたり連続的に変化する。

また、磁気エンコーダの残留磁気が１周にわたり連続的に変化するものとしても良い。この場合も、磁気エンコーダの発生する磁界の強さが１周にわたり連続的に変化し、磁気エンコーダの表面から一定距離だけ離れた磁気センサの検出する磁界の強さが、磁気エンコーダの一周にわたり連続的に変化する。

また、磁気エンコーダの磁気センサと対向する面の出入りによって、磁気センサとのセンサギャップが、１周にわたり連続的に変化するものとしても良い。この構成の場合、磁気エンコーダの発生する磁界の強さが全周に一定であっても、センサギャップの変化により、磁気センサの検出する磁界の強さが、磁気エンコーダの一周にわたり連続的に変化する。

この発明において、前記磁気エンコーダの磁極を、１周で単一の磁極としても良い。磁気エンコーダは、１周の間で磁極がＮ極からＳ極、あるいはＮ極からＳ極に変化するものとしても良いが、単一の磁極とすることで、磁気センサの検出する信号から絶対角度を得る処理が容易となる。

この発明の絶対角度検出回転センサ付軸受は、回転側軌道輪、固定側軌道輪、および両軌道輪間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受と、前記回転側軌道輪に同心に取付けられた環状の磁気エンコーダと、前記固定側軌道輪に取付けられて前記磁気エンコーダの磁気を検出する磁気センサとを有し、前記磁気エンコーダと磁気センサとで回転側軌道輪の絶対角度を検出する回転センサを構成した回転センサ付軸受において、前記磁気センサの検出する磁界の強さが、前記磁気エンコーダの１周にわたり連続的に変化するものとしたため、簡単な構造で、コンパクトに構成でき、また非接触による絶対角度の検出が可能で、低コスト化、信頼性の向上が図れる。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。この絶対角度検出回転センサ付軸受は、内輪２と外輪３の間に複数の転動体４を介在させた転がり軸受１と、この転がり軸受１の一端部に設けられた回転センサ７とからなる。ここでは、内輪２が回転側軌道輪、外輪３が固定側軌道輪とされる。回転センサ７は、磁気エンコーダ８と、この磁気エンコーダ８の磁気を検出する磁気センサ９とからなり、磁気エンコーダ８は回転側軌道輪である内輪２に取付けられる。磁気センサ９は固定側軌道輪である外輪３に取付けられる。

磁気エンコーダ８は、リング状の芯金８ａの外径面に一周にわたり磁石８ｂを設けてなり、芯金８ａは磁石８ｂから一側方へ突出している。磁気エンコーダ８は、芯金８ａの側方突出部分を内輪２の一端部の外径面に圧入嵌合させることにより、内輪２に同心に取付けられる。
リング状の芯金８ａは、その外径寸法が図１（Ｂ）のように一周に渡り一定の変化率で連続的に変化する形状とされ、外周面は単周の渦巻き状の断面形状となっている。この芯金８ａの外周面に設けられる磁石８ｂは、その外径寸法が一周にわたり同一とされ、芯金８ａの外径の変化に沿った磁石８ｂの内径の変化により、磁石８ｂの厚さが一周にわたり連続的に変化するように形成されている。

磁石８ｂは、この例では芯金８ａの外径面に磁性ゴムを加硫接着し、その磁性ゴムの内径側および外径側が一周にわたり単一の磁極となるように着磁して構成される。図１（Ｂ）では、外径側がＮ磁極、内径側がＳ磁極となるように着磁される。

固定側軌道輪である外輪３に取付けられる磁気センサ９は、例えばホール素子などからなり、基板１０と共に樹脂製センサハウジング１１内に挿入された状態でモールド樹脂１２によりモールドされる。このセンサハウジング１１は、金属製外環１３の内周部に取付けられ、金属製外環１３を介して外輪３に取付けられる。これにより、磁気センサ９と磁気エンコーダ８とはラジアル方向に対向配置される。前記基板１０は磁気センサ９を実装するものであって、この基板１０を通して外部の信号受信機（図示せず）との間で電力やセンサ信号の授受が行われる。

前記転がり軸受１は深溝玉軸受からなり、内輪２の外径面および外輪３の内径面にはそれぞれ転動体４の軌道面２ａ，３ａが形成されている。転動体４は保持器５で保持されている。内輪２と外輪３の間の環状空間は、回転センサ７の設置側とは反対側の端部がシール部材６で密封されている。

この構成の絶対角度検出回転センサ付軸受によると、磁気エンコーダ８の厚みが１周に渡り連続的に変化する。そのため、磁気エンコーダ８の発生する磁界の強さが１周にわたり連続的に変化し、磁気エンコーダ８の外周面から一定距離離れた磁気センサ９の検出する磁界の強さが、磁気エンコーダ８の一周にわたり連続的に変化する。
図２は、内輪２の回転に伴って磁気センサ９の出力する検出信号の波形図を示す。磁気センサ９の検出する磁界の強さが、磁気エンコーダ８の一周にわたり連続的に変化するため、検出信号の波形図は１回転を１周期とする鋸波となる。回転角度とセンサ出力電圧の関係はリニアとなる。これにより、磁気センサ９の検出信号から内輪２の回転の絶対角度を知ることができる。
また、回転センサ７は磁気エンコーダ８と磁気センサ９とで構成されるため、ポテンショメータと異なり、非接触で回転検出でき、またレゾルバのような巻線が必要なセンサに比べて、構造が簡単でコンパクトに構成でき、かつ低コストで生産できる。磁気エンコーダ８および磁気センサ９は、それぞれ転がり軸受１の内輪２および外輪３に取付けるため、この軸受１で支持される回転軸（図示せず）の回転角度が検出できて、カップリング等で回転軸と連結する必要がない。そのため、この点からも構造が簡単であり、また連結部による誤差の発生がなく、信頼性の高い角度検出が行える。

図３は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の絶対角度検出回転センサ付軸受は、図１および図２に示す第１の実施形態において、磁気エンコーダ８の芯金８ａの外径寸法、およびこの芯金８ａの外径面に設けられる磁石８ｂの外径寸法を一周にわたり同一とすることで磁石８ｂの厚さを一周にわたり均一とし、かつ磁石８ｂの残留磁気が一周にわたり一定の変化率で連続的に変化するものとしている。具体的には、磁気エンコーダ８の芯金８ａの外径寸法、およびこの芯金８ａの外径面に加硫接着される磁性ゴムの外径寸法を一周にわたり同一とすることで磁性ゴムの厚さを一周にわたり均一とし、この磁性ゴムを着磁して磁石８ｂとするときに、磁化のための電流を一周にわたり連続的に変化させて磁化させたものである。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

この実施形態の絶対角度検出回転センサ付軸受の場合も、磁気エンコーダ８の発生する磁界の強さが１周にわたり連続的に変化するため、磁気センサ９の検出する磁界の強さが磁気エンコーダ８の一周にわたり連続的に変化し、回転角度とセンサ出力電圧の関係がリニアとなって磁気センサ９の検出信号から内輪２の回転の絶対角度を知ることができる。これにより、絶対角度検出回転センサ付軸受をコンパクトかつ低コストで構成でき、非接触による信頼性の高い絶対角度検出が可能となる。

図４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の絶対角度検出回転センサ付軸受は、図１および図２に示す第１の実施形態において、磁気エンコーダ８の芯金８ａの外径寸法を一周にわたり同一とすると共に、この芯金８ａの外径面に設けられる磁石８ｂの外径寸法を一周にわたり連続的に変化させることで、磁石８ｂの厚さが一周にわたり連続的に変化するものとしている。これにより、磁気エンコーダ８の磁気センサ９と対向する面である外周面の出入りによって、磁気センサ９とのセンサギャップも、１周にわたり連続的に変化する。
具体的には、一周にわたり同一の外径寸法とした芯金８ａの外径面に、一周にわたり連続的に外径寸法が変化する磁性ゴムを加硫接着することで磁性ゴムの厚さを一周にわたり連続的に変化させ、この磁性ゴムを着磁して磁石８ｂとしたものである。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

この実施形態の絶対角度検出回転センサ付軸受の場合、第１の実施形態の場合と同様に磁気エンコーダ８における磁石８ｂの厚さが一周にわたり連続的に変化すること、およびセンサギャップが一周にわたり連続的に変化することから、磁気センサ９の検出する磁界の強さが、磁気エンコーダ８の一周にわたり連続的に変化する。これにより、回転角度とセンサ出力電圧の関係がリニアとなり、磁気センサ９の検出信号から内輪２の回転の絶対角度を知ることができる。したがって、絶対角度検出回転センサ付軸受をコンパクトかつ低コストで構成でき、非接触による信頼性の高い絶対角度検出が可能となる。特に、この実施形態では、磁石８ｂの厚さの変化に加えて、磁石８ａと磁気センサ９との間のセンサギャップも内輪２が１回転する間に連続的に変化することから、磁気センサ９の検出信号の一周における変化が、先の各実施形態の場合に比べてより大きくなるので、さらに信頼性の高い絶対角度検出が可能となる。

図５は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の絶対角度検出回転センサ付軸受は、図１および図２に示す第１の実施形態において、磁気エンコーダ８の芯金８ａの外径寸法を一周にわたり連続的に変化させると共に、その外径面に設ける磁石８ｂの厚さを一周にわたり均一としている。これにより、磁気エンコーダ８の磁気センサ９と対向する面である外周面の出入りによって、磁気センサ９とのセンサギャップが１周にわたり連続的に変化するものとしている。具体的には、一周にわたり連続的に外径寸法が変化する芯金８ａの外径面に、一周にわたり均一の厚さとした磁性ゴムを加硫接着し、この磁性ゴムを着磁して磁石８ｂとしたものである。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

この実施形態の絶対角度検出回転センサ付軸受では、磁気エンコーダ８における磁石８ｂの厚さを一周にわたり均一としているので、その発生する磁界の強さは一周にわたり同一である。しかし、この実施形態では、内輪２が１回転する間に、磁石８ａと磁気センサ９との間のセンサギャップが連続的に変化することから、磁気センサ９の検出する磁界の強さが、磁気エンコーダ８の一周にわたり連続的に変化する。これにより、回転角度とセンサ出力電圧の関係がリニアとなり、磁気センサ９の検出信号から内輪２の回転の絶対角度を知ることができる。したがって、絶対角度検出回転センサ付軸受をコンパクトかつ低コストで構成でき、非接触による信頼性の高い絶対角度検出が可能となる。

なお、上記各実施形態では、回転センサ７を構成する磁気エンコーダ８と磁気センサ９とがラジアル方向に対向する構成例について示したが、磁気エンコーダ８と磁気センサ９とがアキシアル方向に対向するものであっても、上記と同様の作用効果を得ることができる。また軸受１は、内輪２が固定側軌道輪、外輪３が回転側軌道輪であっても良い。磁気エンコーダ８は、ゴム磁石に限らず、プラスチック磁石や焼結磁石であっても良い。

（Ａ）はこの発明の第１の実施形態にかかる絶対角度検出回転センサ付軸受の断面図、（Ｂ）は（Ａ）における磁気エンコーダの断面図である。 磁気センサの出力信号を示す波形図である。 （Ａ）はこの発明の他の実施形態にかかる絶対角度検出回転センサ付軸受の断面図、（Ｂ）は（Ａ）における磁気エンコーダの断面図である。 （Ａ）はこの発明のさらに他の実施形態にかかる絶対角度検出回転センサ付軸受の断面図、（Ｂ）は（Ａ）における磁気エンコーダの断面図である。 （Ａ）はこの発明のさらに他の実施形態にかかる絶対角度検出回転センサ付軸受の断面図、（Ｂ）は（Ａ）における磁気エンコーダの断面図である。

符号の説明

１…転がり軸受
２…内輪（回転側軌道輪）
３…外輪（固定側軌道輪）
４…転動体
７…回転センサ
８…磁気エンコーダ
８ａ…芯金
８ｂ…磁石
９…磁気センサ

Claims (5)

1. 回転側軌道輪、固定側軌道輪、および両軌道輪間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受と、前記回転側軌道輪に同心に取付けられた環状の磁気エンコーダと、前記固定側軌道輪に取付けられて前記磁気エンコーダの磁気を検出する磁気センサとを有し、前記磁気エンコーダと磁気センサとで回転側軌道輪の絶対角度を検出する回転センサを構成した回転センサ付軸受において、
   前記磁気センサの検出する磁界の強さが、前記磁気エンコーダの１周にわたり同じ方向へ連続的に変化するものとしたことを特徴とする絶対角度検出回転センサ付軸受。
2. 請求項１において、前記磁気エンコーダの磁石の厚さが、１周にわたり連続的に変化するものとした絶対角度検出回転センサ付軸受。
3. 請求項１において、前記磁気エンコーダの残留磁気が、１周にわたり連続的に変化するものとした絶対角度検出回転センサ付軸受。
4. 請求項１において、前記磁気エンコーダの前記磁気センサと対向する面の出入りによって、磁気センサとのセンサギャップが、１周にわたり連続的に変化するものとした絶対角度検出回転センサ付軸受。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記磁気エンコーダの磁極を、１周で単一の磁極とした絶対角度検出回転センサ付軸受。

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