JP2007248105A - 回転角度検出装置付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受内輪と固定関係にある回転部材の端面に回転センサの被検出部として並べて設ける２個の磁石の境界位置を、簡単かつ精度良く軸受軸心に位置合わせできて、回転角度検出の精度を向上させることのできる回転角度検出装置付き軸受を提供する。
【解決手段】 軸受の内輪と固定関係にある回転部材の端面に磁石を設け、外輪と固定関係にある部材に前記磁石と対面して回転角度の情報を出力する磁気センサアレイを設ける。前記回転部材は前記端面に磁石固定用の凹部１０ａを有し、前記磁石は凹部１０ａ内に互いに軸受軸心Ｏを挟んで２個並べて配置される。これら２個の磁石２Ａ，２Ｂの並びの軸受軸心Ｏ方向に見た正面形状は非円形であり、前記凹部１０ａの内周は、前記２個の磁石２Ａ，２Ｂの並びの外周との間に磁石嵌め込み用の隙間Ｇが生じる形状，大きさである。前記２個の磁石２Ａ，２Ｂは、前記凹部１０ａの内周面に角部が当たるまで前記回転部材に対して回転させた状態で固定する。
【選択図】 図８

Description

この発明は、各種の機器における回転角度検出、例えば小型モータの回転制御のための回転角度検出や、事務機器の位置検出のための回転角度検出、ロボットの関節角の検出等に用いられる回転角度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角度検出装置付き軸受が設置される。このような回転角度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ために、本出願人は、先に図１１に示すような回転角度検出装置付き軸受を提案した（特願２００５−４５０８０）。

同図の回転角度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の磁気を感知して回転または角度の情報を出力する磁気センサアレイ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は軸方向に着磁され互いに磁極の異なる２個の磁石からなり、内輪５１の内径側に固定された回転軸４０の端面に設けられた凹部４０ａ内に、前記２個の磁石が軸受軸心を挟んで並べて固定される。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も回転軸４０と一体となって回転する。磁気センサアレイ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。

しかし、上記した回転角度検出装置付き軸受において、回転軸４０の端面の凹部４０ａ内に磁気発生手段３２となる２個の磁石を固定する場合、磁石が焼結製であるとその外形寸法にばらつきがあることから、機械加工で形成される前記凹部４０ａに磁石を挿入するためには、凹部４０ａの寸法を２個の磁石が並ぶ外周よりもやや大きくする必要がある。そのため、磁石を単に凹部４０ａに挿入固定すると、２個の磁石の境界（磁気センサアレイ３３の検出する磁界の境界線）の位置が軸受軸心からずれてしまう場合がある。すなわち、回転角度を正確に検出するためには、２個の磁石の境界をできるだけ軸受軸心に一致させるのが望ましいが、上記構成の回転角度検出装置付き軸受では、そのための対策が未解決である。

この発明の目的は、軸受内輪と固定関係にある回転部材の端面に回転センサの被検出部として並べて設ける２個の磁石の境界位置を、簡単かつ精度良く軸受軸心に位置合わせできて、回転角度検出の精度を向上させることのできる回転角度検出装置付き軸受を提供することである。

この発明の回転角度検出装置付き軸受は、軸受の内輪と固定関係にある回転部材の端面に磁石を設け、外輪と固定関係にある部材に前記磁石と対面して回転角度の情報を出力する磁気センサアレイを設けた回転角度検出装置付き軸受であって、前記回転部材は前記端面に磁石固定用の凹部を有し、前記磁石はこの凹部内に互いに軸受軸心を挟んで２個並べて配置され、これら２個の磁石の並びの軸受軸心方向に見た正面形状は非円形であり、前記凹部の内周は、前記２個の磁石の並びの外周との間に磁石嵌め込み用の隙間が生じる形状，大きさであり、前記２個の磁石は、前記凹部の内周面に角部が当たるまで前記回転部材に対して回転させた状態で固定したことを特徴とする。
磁石が焼結製等の場合、その外形寸法の精度に限界があるので、回転部材の端面の凹部に前記２個の磁石を挿入するために、その凹部は、２個の磁石の並びの外周との間に磁石嵌め込み用の隙間が生じる形状，大きさとする必要がある。しかし、２個の磁石を凹部内に並べて挿入した状態では、磁力の影響などで２個の磁石は凹部の一端に片寄った状態となることが多く、これにより２個の磁石の境界線は軸受軸心からずれてしまう。そこで、回転部材に対して２個の磁石を、例えば互いの接触面がずれるように、前記回転部材に対してそれぞれ相対回転させると、２個の磁石をその境界線が軸受軸心を通過する位置に位置決めできる。このようにして磁石を固定することで、精密な位置決め治具や、寸法精度の高い磁石を用意しなくても、磁石を簡単に精度良く軸受軸心に軸合わせすることができる。その結果、安価な部品と組み立て方法で、回転角度検出装置の検出精度を向上させることができる。また、凹部の寸法精度も高くなくても良く、安価な製造が可能である。

この発明において、前記磁石を固定した前記回転部材が磁性材料で構成されたものであっても良い。
回転部材を磁性材料とすると、２個の磁石をその角部が凹部の内周面に当たるまで相対回転させた後で磁石を解放しても、回転部材と磁石の間に働く磁力により磁石は前記位置決め状態に留まる。そのため、この位置決め状態で凹部と磁石の間に接着剤を充填するなどして、磁石を凹部内に軸ずれを少なくして位置精度良く容易に固定することができる。

この発明において、前記回転部材が非磁性材料の回転部材本体と、この回転部材本体に取付けられて前記凹部が設けられた磁石固定用部材とでなり、前記磁石固定用部材が磁性材料で構成されたものであっても良い。磁石固定用部材を回転部材本体と別体とすると、その凹部の加工が簡単に行える。また、回転部材本体が非磁性体であっても、磁石固定用部材を磁性体とすることで、前記の磁力を利用した簡単な固定方法が採用できる。

この発明の回転角度検出装置付き軸受は、軸受の内輪と固定関係にある回転部材の端面に磁石を設け、外輪と固定関係にある部材に前記磁石と対面して回転角度の情報を出力する磁気センサアレイを設けた回転角度検出装置付き軸受であって、前記回転部材は前記端面に磁石固定用の凹部を有し、前記磁石はこの凹部内に互いに軸受軸心を挟んで２個並べて配置され、これら２個の磁石の並びの軸受軸心方向に見た正面形状は非円形であり、前記凹部の内周は、前記２個の磁石の並びの外周との間に磁石嵌め込み用の隙間が生じる形状，大きさであり、前記２個の磁石は、前記凹部の内周面に角部が当たるまで前記回転部材に対して回転させた状態で固定したため、２個の磁石の境界位置を、簡単かつ精度良く軸受軸心に位置合わせできて、回転角度検出の精度を向上させることができる。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。図１は、この実施形態の回転角度検出装置付き軸受の断面図を示す。この回転角度検出装置付き軸受は、転がり軸受２０に回転角度検出装置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、保持器２３に保持された転動体２４を介在させたものである。転動体２４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には回転部材である回転軸１０が圧入状態に嵌合して内輪２１と固定関係を保っており、外輪２２は軸受使用機器のハウジング（図示せず）に設置されている。

回転角度検出装置１は、転がり軸受２０の内輪２１側に配置された磁気発生手段２と、外輪２２側に配置された回転センサ３とを備える。具体的には、内輪２１と共に回転する回転軸１０に磁気発生手段２が配置され、外輪２２と固定関係にあるセンサ取付部材２７に回転センサ３が配置される。
磁気発生手段２は永久磁石からなり、図２に示すように、発生する磁気が転がり軸受２０の軸心Ｏの回りの方向性を有するものである。この永久磁石からなる磁気発生手段２は、転がり軸受２０の軸心Ｏが永久磁石２の中心と一致するように、回転軸１０の一端の中央に固定される。磁気発生手段２が回転軸１０と一体に回転することによって、上記軸受軸心Ｏの回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。

回転センサ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センサである。回転センサ３は、転がり軸受２０の軸心Ｏの軸方向に向けて磁気発生手段２と対面するように、センサ取付部材２７を介して外輪２２側に取付けられる。具体的には、外輪２２に前記センサ取付部材２７が取付けられ、このセンサ取付部材２７に回転センサ３が固定されている。センサ取付部材２７は、外周部の先端円筒部２７ａを外輪２２の内径面に嵌合させ、この先端円筒部２７ａの近傍に形成した鍔部２７ｂを外輪２２の幅面に係合させて軸方向に位置決めがなされている。また、センサ取付部材２７には、回転センサ３の出力を取り出すための出力ケーブル２９も取付けられている。

回転センサ３は、図３に平面図で示すように、複数の磁気センサ素子５ａ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辺の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄとされる。この場合、前記矩形の中心Ｏ’は、転がり軸受２０の軸心Ｏに一致する。４辺の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄは、同図の例ではセンサ素子５ａが一列に並んだものとしているが、センサ素子５ａが複列に並行に並んだものであっても良い。 前記変換回路６は、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの矩形配置の内部に配置される。半導体チップ４は、その素子形成面が前記磁気発生手段（永久磁石）２と対向するように前記センサ取付部材２７に固定される。

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、回転センサ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、回転角度検出装置１の組み立て作業も容易になる。特に、上記したように矩形に配置された磁気センサアレイ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５（Ａ）〜（Ｄ）は、回転軸１０が回転している時の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄによる出力波形図を示し、それらの横軸は各磁気センサアレイ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に磁気センサアレイ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、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力は、図５（Ａ）〜（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、磁気センサアレイ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、磁石２の回転角度θ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センサアレイ５Ａ〜５Ｄより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が磁気センサアレイ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は前記出力ケーブル２９より出力される。

図６（Ａ），（Ｂ）には、磁気発生手段２の具体的構成の側面図および正面図を示す。磁気発生手段２は、軸方向に着磁された２個の四角形の永久磁石２Ａ，２Ｂを、回転軸１０の軸心（軸受軸心）Ｏを挟んで径方向に並べて配置したものである。ここでは、２個の磁石２Ａ，２Ｂの軸受軸心Ｏ方向に見た正面形状を四角形としているが、その形状は、非円形な他の形状であっても良い。
回転軸１０の一端への磁石２Ａ，２Ｂの固定は、図７（Ａ）に示すように、回転軸１０の端面に凹部１０ａを形成し、この凹部１０ａに２個の磁石２Ａ，２Ｂを挿入して接着等により図７（Ｂ）のように固定する。この場合、前記凹部１０ａの内周は、図８（Ａ）に正面図で示すように、前記２個の磁石２Ａ，２Ｂの並びの外周との間に磁石嵌め込み用の隙間Ｇが生じる形状（ここでは四角形），大きさである。磁石２Ａ，２Ｂが焼結製の場合、その外形寸法の精度に限界があるので、このように凹部１０ａの内周の寸法を設定することは、２個の磁石２Ａ，２Ｂを挿入する上で必要である。
この凹部１０ａに２個の磁石２Ａ，２Ｂを並べて挿入してから、互いの接触面がずれるように２個の磁石２Ａ，２Ｂを、図８（Ｂ）のように、凹部１０ａの内周面に角部が当たるまで回転軸１０に対して軸受軸心Ｏ回りに相対回転させた状態で、磁石２Ａ，２Ｂを凹部１０ａ内に固定する。凹部１０ａの内周寸法を２個の磁石２Ａ，２Ｂの並びの外周寸法より大きく設定することで、２個の磁石２Ａ，２Ｂを凹部１０ａ内に並べて挿入した状態では、図８（Ａ）のように、磁力の影響などで２個の磁石２Ａ，２Ｂは凹部１０ａの一端に片寄った状態となることが多く、これにより２個の磁石２Ａ，２Ｂの境界線は軸受軸心Ｏからずれてしまう。そこで、図８（Ｂ）のように、回転軸１０に対して２個の磁石２Ａ，２Ｂを相対回転させると、２個の磁石２Ａ，２Ｂをその境界線が軸受軸心Ｏを通過する位置に位置決めできる。

この場合、回転軸１０を磁性材料とすることが望ましい。回転軸１０を磁性材料とすると、図８（Ｂ）のように２個の磁石２Ａ，２Ｂをその角部が凹部１０ａの内周面に当たるまで相対回転させた後で磁石２Ａ，２Ｂを解放しても、回転軸１０と磁石２Ａ，２Ｂの間に働く磁力により磁石２Ａ，２Ｂは前記位置決め状態に留まるので、この位置決め状態で凹部１０ａと磁石２Ａ，２Ｂの間に接着剤を充填するなどして、磁石２Ａ，２Ｂを凹部１０ａ内に軸ずれを少なくして位置精度良く容易に固定できる。
このように磁石２Ａ，２Ｂを固定することで、精密な位置決め治具や、寸法精度の高い磁石を用意しなくても、磁気発生手段となる磁石２を簡単に精度良く軸受軸心Ｏに軸合わせすることができる。その結果、安価な部品と組み立て方法で、回転角度検出装置１の検出精度を向上させることができる。また、凹部１０ａに厳しい寸法精度が求められないため、安価に製造することができる。

図９には、前記凹部１０ａと２個の永久磁石２Ａ，２Ｂの並びの外周との間に生じる磁石嵌め込み用の隙間Ｇが、図８の場合よりもさらに大きい場合の位置決め例を示す。磁石２Ａ，２Ｂの寸法公差が、全体寸法に対して大きい場合は、図９（Ａ）のように凹部１０ａと２個の永久磁石２Ａ，２Ｂの並びの外周との間にさらに大きな隙間Ｇが必要になり、磁石２Ａ，２Ｂと軸受軸心Ｏとのずれが大きくなる。この場合でも、図８の場合と同様に、凹部１０ａ内に挿入した２個の磁石２Ａ，２Ｂを回転軸１０に対して軸受軸心Ｏ回りに相対回転させることで、図９（Ｂ）のように軸ずれを小さくすることができる。図９（Ｂ）において、凹部１０ａの上下には隙間Ｇがまだ残っているが、２個の磁石２Ａ，２Ｂの境界線の位置は略軸受軸心Ｏを通過しており、良い精度で位置決めができた状態となる。

なお、上記実施形態では、回転軸１０の端面に直接に凹部１０ａを形成して、この凹部１０ａ内に２個の磁石２Ａ，２Ｂを挿入固定したが、図１０に示すように、軸受内輪２１と固定関係にある回転部材１１を、この回転部材１１の本体となる非磁性材料の回転軸１０と、この回転軸１０の端面に取付けた磁性材料の磁石固定用部材１２とで構成し、磁石固定用部材１２の表面に設けた凹部１２ａに磁気発生手段２となる２個の磁石２Ａ，２Ｂを挿入して、上記した回転処理で位置決め固定しても良い。なお、この場合の組付順序としては、例えば、先に回転軸１０の凹部１０ａに磁石固定用部材１２を挿入固定した後で、磁石固定用部材１２の凹部１２ａに磁石２Ａ，２Ｂを挿入固定する。

この発明の一実施形態にかかる回転角度検出装置付き軸受の断面図である。 同軸受における磁気発生手段の固定部を示す拡大側面図である。 同軸受における回転センサの一例を構成する半導体チップの平面図である。 同回転センサの変換回路による角度算出処理の説明図である。 同回転センサにおける磁気センサアレイの出力を示す波形図である。 （Ａ）は回転角度検出装置付き軸受における磁気発生手段の固定部の拡大図、（Ｂ）は同磁気発生手段の正面図である。 同磁気発生手段の回転軸への固定処理の前段の説明図である。 同磁気発生手段の回転軸への固定処理の後段の説明図である。 同磁気発生手段の回転軸への固定処理の後段の他の例の説明図である。 同磁気発生手段の固定部の他の例を示す部分破断拡大図である。 提案例の断面図である。

符号の説明

１…回転角度検出装置
２…磁気発生手段
２Ａ，２Ｂ…永久磁石
３…回転センサ
４…半導体チップ
５ａ，５ｂ…磁気センサ素子
５Ａ〜５Ｄ…磁気センサアレイ
６…変換回路（計算手段）
１０…回転軸（回転部材）
１０ａ…凹部
１１回転部材
１２…磁石固定用部材
１２ａ…凹部
２０…転がり軸受
２１…内輪
２２…外輪
２７…センサ取付部材

Claims (4)

1. 軸受の内輪と固定関係にある回転部材の端面に磁石を設け、外輪と固定関係にある部材に前記磁石と対面して回転角度の情報を出力する磁気センサアレイを設けた回転角度検出装置付き軸受であって、
   前記回転部材は前記端面に磁石固定用の凹部を有し、前記磁石はこの凹部内に互いに軸受軸心を挟んで２個並べて配置され、これら２個の磁石の並びの軸受軸心方向に見た正面形状は非円形であり、前記凹部の内周は、前記２個の磁石の並びの外周との間に磁石嵌め込み用の隙間が生じる形状，大きさであり、前記２個の磁石は、前記凹部の内周面に角部が当たるまで前記回転部材に対して回転させた状態で固定したことを特徴とする回転角度検出装置付き軸受。
2. 請求項１において、前記２個の磁石は、互いの接触面がずれるように、前記回転部材に対してそれぞれ回転させた状態とした回転角度検出装置付き軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記磁石を固定した前記回転部材が磁性材料で構成されたものである回転角度検出装置付き軸受。
4. 請求項１または請求項２において、前記回転部材が非磁性材料の回転部材本体と、この回転部材本体に取付けられて前記凹部が設けられた磁石固定用部材とでなり、前記磁石固定用部材が磁性材料で構成されたものである回転角度検出装置付き軸受。
   
   
   

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