JP2007085889A

JP2007085889A - 回転検出装置付き軸受

Info

Publication number: JP2007085889A
Application number: JP2005275102A
Authority: JP
Inventors: Toru Takahashi; 亨高橋
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2007-04-05
Also published as: CN101273210A; WO2007034690A1; EP1947357B1; CN101273210B; US20090263061A1; EP1947357A4; EP1947357A1

Abstract

【課題】外輪回転の用途で回転検出が行え、かつ信号の取り出し系が簡素化でき、小型化が可能な回転検出装置付き軸受を提供する。また、回転検出の高精度化、および絶対角度の検出の実現を図る。
【解決手段】軸受２０の外輪２２側に回転中心回りの方向性を有する磁気発生手段２を設け、この磁気発生手段２の磁気を感知して回転または角度の情報を出力するセンサ３を軸心位置に位置して内輪２１側に設ける。センサ３は、内輪２１、または内輪２１の内径部に組み付けた軸１０の端部に固定する。この軸１０の内部を通じてセンサ３の検出信号を取り出す信号取出手段２８を設ける。センサ３は、例えば磁気アレイセンサとする。
【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のための回転検出、ロボットの関節角度の検出等に用いられる回転検出装置付き軸受に関する。

ロボットの関節等の回転あるいは角度を検出するために、関節部の軸を支持するための軸受と一体となった回転検出装置付き軸受が設置される。このような回転検出装置付き軸受は、小型であることが望まれ、特に、ロボットの指などの関節に装着する場合には、より小型であることが望まれる。このような要請に応えるものとして、図８に示すような回転検出装置付き軸受が提案されている（例えば特許文献１）。

同図の回転検出装置付き軸受は、回転輪である内輪５１側に回転中心回りの方向性を有する磁気発生手段３２を配置すると共に、固定輪である外輪５２側に、前記磁気発生手段３２の磁気を検出する磁気ラインセンサ３３を、磁気発生手段３２に対向して配置したものである。磁気発生手段３２は永久磁石３２Ａと磁性体ヨーク３２Ｂでなり、内輪５１の外径面に圧入嵌合される磁気発生手段取付部材４５を介して内輪５１に取付けられる。回転軸４０と内輪５１は一体となって回転するので、磁気発生手段３２も磁気発生手段取付部材４５と共に回転軸４０と一体となって回転する。磁気ラインセンサ３３は、外輪５２の内径面に圧入嵌合されるセンサ取付部材５７を介して外輪５２に取付けられる。
特開２００４−３７１３３号公報

しかし、上記特許文献１では、内輪が固定輪で、外輪が回転輪である軸受に回転角度検出装置を一体化させた構成ものについては開示されていない。
ローラやプーリなど、外輪回転で使用される軸受用途においても、コンパクトな構成で精度良く検出できる回転検出装置が望まれる。また、外輪回転の場合、固定側となる軸側にセンサを配置することになるが、ローラ等の回転部材が障害となり、センサの信号配線の取り出しが煩雑となったり、配線空間のために小型化が妨げられることがある。

この発明の目的は、外輪回転の用途で回転検出が行え、かつ信号の取り出し系が簡素化でき、小型化が可能な回転検出装置付き軸受を提供することである。
この発明の他の目的は、回転検出の高精度化、および絶対角度の検出の実現を図ることである。

この発明の回転検出装置付き軸受は、軸受の外輪側に、この外輪の回転中心回りの方向性を有する磁気発生手段を、内輪の軸受中心と対向するように設け、この磁気発生手段の磁気を感知して回転または角度の情報を出力するセンサを軸受軸心に位置して内輪側に設けた回転検出装置付き軸受であって、
内輪の内径部に組み付けた軸の内部を通じて前記センサの検出信号を取り出す信号取出手段を設けたことを特徴とする。

この構成によると、外輪側に磁気発生手段を設け、内輪側にセンサを設けたため、外輪回転の用途で使用する場合に、固定側となる内輪側でセンサによる回転が検出でき、固定側から検出信号を取り出すことができる。この場合に、センサの信号取出手段を、内輪に組み付けられる軸の内部を通じて取り出すようにしたため、周辺に配線空間を得難い内輪側からセンサ信号を取り出すにつき、ケーブル等の信号取出手段の配置が空間効率良く行えて、信号の取り出し系が簡素化でき、回転検出装置付き軸受を小型化することができる。また外輪側に設けられる磁気発生手段と内輪側のセンサとを軸受軸心に位置して対向するように設けたため、これによっても回転検出装置付き軸受の小型が図れる。

この発明において、前記内輪の内径部に組み付けた軸の端部に前記センサを取付けても良い。内輪にその軸心に位置してセンサを取付ける場合、専用のセンサ取付部品が必要となるが、軸の端部にセンサを取付けることにより、センサ取付部品が省略でき、構成が簡素化される。
軸の端部にセンサを取付ける場合に、内輪を両側の幅面から挟み付けて軸を内輪に固定する軸固定手段を設けても良い。この構成の場合、軸受内輪への軸の組み付けを簡単な手順により安定良く行うことができる。

この発明において、前記軸を中空軸とし、前記信号取出手段を前記中空軸内に挿通されたケーブルとし、このケーブルを前記軸の前記センサ取付側端とは反対側の端部から取り出し、前記軸の中空部における前記ケーブルの取り出し部を樹脂等で封止する封止体を設けても良い。この構成の場合、ケーブルの配線処理を容易に行うことができ、ケーブルの取り出し部からセンサ側へ埃や水が浸入するのを確実に防止できる。

この発明において、前記軸を中空軸とし、前記信号取出手段を前記中空軸内に挿通されたケーブルとし、前記軸の前記センサ取付側端とは反対側の端部に、前記ケーブルに接続されたコネクタを設けても良い。この構成の場合、ケーブル接続をコネクタ式としているので、軸受を固定部材に取付けた後でコネクタの差込みを行うことにより、センサへのケーブル接続を行うことができ、組立をより簡単に行うことができる。また、コネクタを封止体に兼用できるので、部品点数の省略にもなる。

この発明における上記各構成の場合に、前記センサを磁気アレイセンサとしても良い。回転角度の検出手段として、磁気アレイセンサと磁気発生手段の組み合わせによるものを用いると、磁界の分布測定により回転角度を検出できて、磁界の強さで検出するものと異なり、小型・高分解能となり、また絶対角度検出が可能となる。磁界分布測定に基づく原理によると、磁気発生手段の温度特性やギャップ設定の影響も受けず、環境変化に強いという特性が得られて、安定した検出が可能となり、組立性にも優れる。

この発明の回転角度検出装置付き軸受は、軸受の外輪側に、この外輪の回転中心回りの方向性を有する磁気発生手段を、内輪の軸受中心と対向するように設け、この磁気発生手段の磁気を感知して回転または角度の情報を出力するセンサを軸受軸心に位置して内輪側に設けた回転検出装置付き軸受であって、内輪の内径部に組み付けた軸の内部を通じて前記センサの検出信号を取り出す信号取出手段を設けたものであるため、外輪回転の用途で回転検出が行え、かつ信号の取り出し系が簡素化でき、小型化が可能という効果が得られる。
前記センサとして、磁気アレイセンサを用いた場合は、小型化を図りながら、回転検出の高精度化、および絶対角度の検出の実現を図ることができる。

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。図１は、この実施形態の回転検出装置付き軸受の断面図を示す。この回転検出装置付き軸受は、転がり軸受２０に回転検出装置１を組み込んだものである。転がり軸受２０は、内輪２１と外輪２２の転走面間に転動体２３を介在させたものである。転動体２３はボールからなり、この転がり軸受２０は単列の深溝玉軸受とされている。内輪２１の内径部には固定軸１０が圧入状態に組み付けられている。外輪２２は、例えばローラ等の回転部材２４の内径部に圧入状態に組み付けられている。すなわち、この転がり軸受２０では、内輪２１が固定輪とされ、外輪２２が回転輪とされる。

固定軸１０は、その中胴部に鍔部１０ａを有すると共に、軸受内輪２１に組み付けられる一端部とは反対側の端部が雄ねじ部１０ｂとされている。この固定軸１０は、固定部材１１の軸貫通孔１２に貫通させた雄ねじ部１０ｂにナット１３を螺合させて、このナット１３と固定軸鍔部１０ａとで固定部材１１を挟み付けることにより、固定部材１１に固定される。また、固定部材１１と軸受内輪２１とで挟まれる固定軸鍔部１０ａにより、固定軸１０が軸方向に位置決めされる。軸受内輪１２は、固定軸鍔部１０ａに当接して軸方向に位置決めされる。

回転検出装置１は、転がり軸受２０の外輪２２側に配置された磁気発生手段２と、内輪２１側に配置されたセンサ３とを備える。ここで言う内輪２１側とは、内輪２１または内輪２１に固定された部材のことであり、外輪２２側とは外輪２２または外輪２２と共に回転する部材のことである。

磁気発生手段２は、発生する磁気が転がり軸受２０の回転中心Ｏの回りの方向性を有するものであり、永久磁石の単体、あるいは永久磁石と磁性体の複合体からなる。図１の回転検出装置１では、外輪２２に磁気発生手段取付部材２６が取付けられ、この磁気発生手段取付部材２６に上記構成の磁気発生手段２が取付けられている。磁気発生手段取付部材２６は、外周部の先端円筒部２６ａを外輪２２の内径面に嵌合させ、この先端円筒部２６ａの近傍に形成した鍔部２６ｂを外輪２２の幅面に係合させて軸方向に位置決めされている。この取付けにおいては、転がり軸受２０の回転中心Ｏが磁気発生手段２の中心と一致するように、磁気発生手段取付部材２６の固定軸１０側に向く片面中央に磁気発生手段２が固定される。これにより、磁気発生手段２は、外輪２２の回転に応じて回転し、その回転中心Ｏ回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。

センサ３は、磁気発生手段２の磁気を感知して回転または角度の情報を出力する手段である。図１の回転検出装置１では、内輪２１にセンサ取付部材２７が取付けられ、このセンサ取付部材２７にセンサ３が取付けられている。センサ取付部材２７は、外周部の先端円筒部２７ａを内輪２１の外径面に嵌合させることで、内輪２１の一端に固定されている。この取付けにおいては、センサ３が転がり軸受２０の回転中心Ｏの軸方向に向けて磁気発生手段２と対向するように、センサ取付部材２７の固定軸１０側とは反対側に向く片面中央にセンサ３が固定される。

図２は、回転検出装置１の原理構成を示す斜視図であり、図３はそのセンサ３の平面図である。センサ３は、複数の磁気センサ素子５ａで構成される磁気アレイセンサ５と、その磁気センサ素子５ａの出力を回転信号または角度信号に変換する計算手段である変換回路６とを１つの半導体チップ４上に集積したものである。半導体チップ４上において、磁気センサ素子５ａは、仮想の矩形上の４辺における各辺に沿って配置されて、４辺の磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄとされる。この場合、前記矩形の中心は、転がり軸受２０の回転中心Ｏに一致する。４辺の磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄは、同図の例では磁気センサ素子５ａが一列に並んだものとしているが、磁気センサ素子５ａが複列に平行に並んだものであっても良い。

変換回路６は、磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄの矩形配置の内部に配置される。図２において、半導体チップ４は、その素子形成面が磁気発生手段２と対向するように、回路基板８を介してセンサ取付部材２７に固定される。

図１に示すように、センサ取付部材２７には、センサ３の信号を外部に取り出す信号取出手段であるケーブル２８が取付けられる。このケーブル２８は、固定軸１０の中心部を貫通する孔を通して、雄ねじ部１０ｂ側の端部から外部に取り出される。ケーブル２８が取り出される固定軸１０の端部は、樹脂等からなる封止体２９で封止される。

このように、半導体チップ４上に磁気センサ素子５ａと変換回路６とを集積して一体化すると、磁気センサ素子５ａと変換回路６間の配線が不要となり、センサ３のコンパクト化が可能で、断線等に対する信頼性も向上し、回転検出装置１の組立作業も容易になる。特に、上記したように矩形に配置された磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄの内部に変換回路６を配置すると、チップサイズをより小さくすることができる。

図４および図５は、前記変換回路６による角度算出処理の説明図である。図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、外輪２２が回転している時の磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄによる出力波形図を示し、それらの横軸は各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄにおける磁気センサ素子５ａを、縦軸は検出磁界の強度をそれぞれ示す。
いま、図４に示す位置Ｘ１とＸ２に磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄの検出磁界のＮ磁極とＳ磁極の境界であるゼロクロス位置があるとする。この状態で、各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄの出力は、図４（Ａ）〜図４（Ｄ）に示す信号波形となる。したがって、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２は、磁気ラインセンサ５Ａ，５Ｃの出力から直線近似することで算出できる。
角度計算は、次式（１）で行うことができる。
θ＝ｔａｎ^-1（２Ｌ／ｂ） ……（１）
ここでθは、磁気発生手段２の回転角度を絶対角度（アブソリュート値）で示した値である。２Ｌは、矩形に並べられる各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄで構成される四角形の１辺の長さである。ｂは、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２間の横方向長さである。
ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２が磁気ラインセンサ５Ｂ，５Ｄにある場合には、それらの出力から得られるゼロクロス位置データにより、上記と同様にして回転角度θが算出される。変換回路６で算出された回転角度θは前記ケーブル２８により出力される。

上記構成の回転検出装置付き軸受によると、外輪２２側に磁気発生手段２を設け、内輪２１側にセンサ３を設けたため、外輪回転の用途で使用する場合に、固定側となる内輪２１側でセンサ３による回転検出ができ、固定側から検出信号を取り出すことができる。この場合に、センサ３の信号取出手段であるケーブル２８を、内輪２１に組み付けられる固定軸１０の内部を通じて取り出すようにしたため、周辺に配線空間を得難い内輪２１側からセンサ信号を取り出すにつき、ケーブル２８等の信号取出手段の配置が空間効率良く行えて、信号の取り出し系が簡素化でき、回転検出装置付き軸受を小型化することができる。また、外輪２２側に設けられる磁気発生手段２と内輪２１側のセンサ３とを軸受軸心に位置して対向するように設けたため、これによっても回転検出装置付き軸受の小型が図れる。

また、回転検出装置１を、磁気アレイセンサ５と磁気発生手段２の組み合わせによるものとしたため、磁界の分布測定により回転角度を検出できて、磁界の強さで検出するものと異なり、小型・高分解能となり、かつ絶対角度検出が可能となる。磁界分布測定に基づく原理によるため、磁石等からなる磁気発生手段２の温度特性やギャップ設定の影響も受けず、環境変化に強いという特性が得られて、安定した検出が可能となり、組立性にも優れたものとなる。

図６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〜図５に示す第１の実施形態において、軸受内輪２１に取付けられるセンサ取付部材２７を省略し、軸受内輪２１の内径部に組み付けられる固定軸１０の端面にセンサ３を取付けたものである。固定軸１０には、回転検出装置１側に向く軸端に、軸受内輪２１の幅面に押し当てられる鍔部１０ｃを設け、この鍔部１０ｃに、回路基板８を介して回転検出装置１のセンサ３を取付けている。

固定軸１０のセンサ設置側とは反対側の雄ねじ部１０ｂには、一対のナット１３Ａ，１３Ｂを螺合して、その一方のナット１３Ａと前記固定軸鍔部１０ｃとで軸受内輪２１を両側の幅面から挟み付けることにより、固定軸１０を軸受内輪２１に固定している。すなわち、ナット１３Ａと固定軸鍔部１０ｃとで、固定軸１０を軸受内輪２１に固定する軸固定手段１４が構成されている。雄ねじ部１０ｂを有する固定軸１０の他端部は固定部材１１の軸貫通孔１２に挿通され、前記雄ねじ部１０ｂに螺合する前記両ナット１３Ａ，１３Ｂで固定部材１１を両側から挟み付けることで、固定軸１０の他端部が固定部材１１に固定される。

固定軸１０は中空軸とされ、その中空部１０ｄ内に、センサ３の検出信号を取り出す信号取出手段であるケーブル２８が挿通されている。ケーブル２８は、センサ取付側端とは反対側の軸端から取り出される。ケーブル２８の中空部２０ｄからの取り出し部は、樹脂等からなる封止体２９で封止されている。回転検出装置１の磁気発生手段２の取付け構造や、磁気発生手段２とセンサ３の位置関係、その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

この実施形態では、固定軸雄ねじ部１０ｂに螺合するナット１３Ａと固定軸鍔部１０ｃとでなる軸固定手段１４により、軸受内輪２１を両側の幅面から挟み付けて固定軸１０を軸受内輪２１に固定するようにしているので、軸受内輪２１への固定軸１０の組み付けを簡単な手順により安定良く行うことができる。また、固定軸１０の中空部１０ｄにケーブル２８を挿通してセンサ取付側端とは反対側の端部から取り出し、その取り出し部を封止体２９で封止しているので、ケーブル２８の配線処理を容易に行うことができ、またケーブル２８の取り出し部からセンサ３側へ埃や水が浸入するのを確実に防止できる。

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６に示す実施形態において、固定軸１０のセンサ取付側端とは反対側の端部に差し込み接続型のコネクタ３０を設けている。コネクタ３０は、例えば雌部材３０ａを固定軸１０の端部に埋め込み設置し、センサ３側のケーブル２８に接続している。外部のケーブル１８には、コネクタ３０の雄部材３０ｂを接続してあり、雄部材３０ｂを雌部材３０ａに差し込むことで、両ケーブル２８，１８が接続される。その他の構成は、図６の実施形態と同様である。

この実施形態では、ケーブル接続をコネクタ式としているので、転がり軸受２０を固定部材１１に取付けた後で、コネクタ３０の雌部材３０ａに雄部材３０ｂを差し込むことにより、センサ３へのケーブル接続を行うことができる。そのため、組立をより簡単に行うことができる。また、コネクタ雌部材３０ｂを、図６の実施形態における封止体２９に兼用できるので、部品点数の省略にもなる。

なお、以上の各実施形態において、転がり軸受２０にラジアル方向の外力が印加される場合には、固定部材１１の軸挿通孔１２に対して固定軸１０を圧入固定、もしくは殆ど隙間のない状態で挿入し、前記ナット１３と固定軸鍔部１０ａとによる締付け（図１）や、一対のナット１３Ａ，１３Ｂによる締付け（図６，図７）により抜け止めを図った構成としても良い。

この発明の第１の実施形態にかかる回転検出装置付き軸受の断面図である。同軸受における回転検出装置の概念構成を示す斜視図である。同回転検出装置における半導体チップ上での磁気アレイセンサおよび変換回路の配置例を示す平面図である。磁気アレイセンサにおける各磁気ラインセンサの出力波形図である。変換回路による計算例の説明図である。この発明の他の実施形態にかかる回転検出装置付き軸受の断面図である。この発明のさらに他の実施形態にかかる回転検出装置付き軸受の断面図である。従来例の断面図である。

符号の説明

１…回転検出装置
２…磁気発生手段
３…センサ
５…磁気アレイセンサ
１０…固定軸
２０…転がり軸受
２１…内輪
２２…外輪
２８…ケーブル（信号取出手段）
２９…封止体

Claims

軸受の外輪側に、この外輪の回転中心回りの方向性を有する磁気発生手段を、内輪の軸受中心と対向するように設け、この磁気発生手段の磁気を感知して回転または角度の情報を出力するセンサを軸受軸心に位置して内輪側に設けた回転検出装置付き軸受であって、内輪の内径部に組み付けた軸の内部を通じて前記センサの検出信号を取り出す信号取出手段を設けたことを特徴とする回転検出装置付き軸受。
請求項１において、前記内輪の内径部に組み付けた軸の端部に前記センサを取付けた回転検出装置付き軸受。
請求項２において、前記内輪を両側の幅面から挟み付けて軸を内輪に固定する軸固定手段を設けた回転検出装置付き軸受。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記軸を中空軸とし、前記信号取出手段を前記中空軸内に挿通されたケーブルとし、このケーブルを前記軸の前記センサ取付側端とは反対側の端部から取り出し、前記軸の中空部における前記ケーブルの取り出し部を樹脂等で封止する封止体を設けた回転検出装置付き軸受。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記軸を中空軸とし、前記信号取出手段を前記中空軸内に挿通されたケーブルとし、前記軸の前記センサ取付側端とは反対側の端部に、前記ケーブルに接続されたコネクタを設けた回転検出装置付き軸受。
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記センサが磁気アレイセンサである回転検出装置付き軸受。