JP2007263190A - 回転検出装置付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータに組み込んで使用する場合でも、余分な部品を追加することなく、モータからの漏洩磁界の影響を低減して精度の高い回転検出が可能な回転検出装置付き軸受を提供する。
【解決手段】 内輪２１の回転中心Ｏ回りに方向性を有する磁石２を、磁石固定部材２６を介して内輪２１の端面の回転中心部に取付ける。この磁石２に軸方向に対向して磁石２の磁気を感知し回転または角度の情報を出力する回転センサ３を、外輪２２にセンサ取付部材２７を介して取付ける。前記磁石固定部材２６の外径縁２６ｂａは、この外径縁２６ｂａと前記センサ取付部材２７との間または外輪２２との間に微小な隙間Ｇが生じる程度に、内輪２１の外径よりも大きくする。前記隙間Ｇを、磁気バイパス経路、または軸受２０内の潤滑剤の漏れを防止する非接触シール隙間とする。
【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を組み込んだ回転検出装置付き軸受に関する。

小型の機器に組み込み可能で、かつ高精度の回転角度検出が可能な回転角度検出装置として、磁気センサアレイを用いるものが提案されている（例えば特許文献１）。これは、、図８のように、磁気センサ素子（ＭＡＧＦＥＴ）を多数並べて構成した磁気センサアレイ３５を、信号増幅回路、ＡＤ変換回路、デジタル信号処理回路などの回路３６とともにセンサチップ３９に集積し、このセンサチップ３９を、回転側部材３１に配置される磁石３４に対向配置したものである。この場合、磁石３４は回転中心Ｏ回りの円周方向異方性を有するものとされ、前記センサチップ３９上では、仮想の矩形の４辺における各辺に沿って磁気センサアレイ３５が配置される。
このように構成された回転角度検出装置３３では、各辺の磁気センサアレイ３５の出力を信号増幅回路、ＡＤ変換回路で読み出して前記磁石３４の磁界分布を検出し、その検出結果に基づき磁石３４の回転角度をデジタル信号処理回路により算出する。

図９は、上記回転角度検出装置３３を組み込んだ回転検出装置付き軸受の一構成例を示す。この構成例の回転検出装置付き軸受３０では、磁石固定部材４０を介して回転側部材となる内輪４１の端面の回転中心部に前記磁石３４を取付けると共に、センサ取付部材４５を介して前記センサチップ３９を固定側部材である外輪４２に取付けている。磁石固定部材４０は磁石３４を配置する中央部４０ａが外周部４０ｂに対して軸方向に凹陥した形状とされている。磁石固定部材４０は、その中央部４０ａを内輪４１の内径面に圧入することにより内輪４１に固定され、前記外周部４０ｂを内輪４１の端面に当接させることにより軸方向に位置決めされて、磁石３４とセンサチップ３９との間に所定のギャップが確保されている。
特開２００３−３７１３３号公報

しかし上記構成例の回転検出装置付き軸受３０を、例えば図１０のように、モータ４６の回転軸４７の軸端に組み込んだ状態では、モータ４６のステータ４８に流れる電流によって発生した磁界が、回転軸４７からモータハウジング４９を通過する磁路が形成される場合がある。その場合には、磁界が内輪４１から外輪４２に到達する経路として、転動体４３、軸受シール４４、およびセンサ取付部材４５を通過するものがある。そのため、前記磁界が非常に強いと、センサチップ３９を通過する磁界により検出する角度誤差が大きくなる恐れがある。このようなモータ４６の駆動磁界の影響を防止するためには、モータハウジング４９に磁気シールド板を取付けたり、軸受部にバイパスリングを設けるなどの対策が必要になる。

この発明の目的は、モータに組み込んで使用する場合でも、余分な部品を追加することなく、モータからの漏洩磁界の影響を低減して精度の高い回転検出が可能な回転検出装置付き軸受を提供することである。

この発明の回転検出装置付き軸受は、内輪の回転中心回りに方向性を有する磁石を、磁石固定部材を介して内輪の端面の回転中心部に取付け、前記磁石に軸方向に対向して前記磁石の磁気を感知し回転または角度の情報を出力する回転センサを、外輪にセンサ取付部材を介して取付けた回転検出装置付き軸受であって、前記磁石固定部材の外径縁を、前記センサ取付部材の内周面または外輪の内周面に近接する程度に、内輪の外径よりも大きくしたことを特徴とする。
この構成によると、磁石固定部材の外径縁を、センサ取付部材の内周面または外輪の内周面に近接する程度に、内輪の外径よりも大きくしたため、磁石固定部材の外径縁とセンサ取付部材の内周面または外輪の内周面との間の隙間が、磁気バイパス経路、または軸受内の潤滑剤の漏れを防止する非接触シール隙間として作用する。
すなわち、この回転検出装置付き軸受を、モータの回転軸支持に用いた場合、回転軸とモータハウジングの間に流れるモータ磁界の経路におけるバイパス経路として前記隙間が作用する。そのため、モータハウジングに磁気シールド板を取付けたり、軸受にバイパスリングを設けるなど余分な部品を追加することなく、回転センサを通過するモータ磁界を著しく低減できる。これにより、回転検出装置付き軸受のコンパクトな構成を維持しつつ、モータ磁界の影響を低減して高精度の回転検出が可能となる。
また、前記隙間が、回転検出装置付き軸受における回転検出装置の設置側の端部の非接触シール隙間として作用することから、軸受内の潤滑剤の漏れを防止でき、軸受内への異物の侵入を防止できる。

この発明において、前記磁石固定部材を板状とし、この磁石固定部材の前記内輪の外径よりも大きくなる部分である外径部を、この外径部よりも内径側の部分である内径部よりも軸方向の肉厚が厚いものとしても良い。この場合、前記磁石固定板を前記外径部で内輪の外径面に圧入固定しても良い。
このように、磁石固定部材の外径部の軸方向肉厚を厚くすると、モータの回転軸支持に用いた場合に、回転軸から内輪を通り磁石固定部材を経由して外輪に至る磁路、つまり磁気バイパス経路の磁気抵抗がさらに低くなる。そのため、回転センサに漏れ出すモータ磁界をさらに低減することができる。

この発明において、前記センサ取付部材が非磁性材料からなるものであっても良い。センサ取付部材が非磁性材料であると、モータ磁界の影響をより低減することができる。

この発明の回転検出装置付き軸受は、内輪の回転中心回りに方向性を有する磁石を、磁石固定部材を介して内輪の端面の回転中心部に取付け、前記磁石に軸方向に対向して前記磁石の磁気を感知し回転または角度の情報を出力する回転センサを、外輪にセンサ取付部材を介して取付けた回転検出装置付き軸受であって、前記磁石固定部材の外径縁を、前記センサ取付部材の内周面または外輪の内周面に近接する程度に、内輪の外径よりも大きくしたため、モータに組み込んで使用する場合でも、余分な部品を追加することなく、モータからの漏洩磁界の影響を低減して精度の高い回転検出が可能となる。

この発明の第１の実施形態を図１〜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を介在させた転がり軸受であり、その一端部に回転検出装置１が組み込まれる。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には回転側部材である回転軸（図示せず）が圧入状態に嵌合され、外輪２２は軸受使用機器のハウジング（図示せず）に設置される。転がり軸受２０における他端部の内輪２１の外径面には、内外輪２１，２２間の環状空間を密封する軸受シール２４が取付けられている。

転がり軸受２０に組み込まれる回転角度検出装置１は、転がり軸受２０の内輪２１側に配置された磁石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の端面の回転中心部に、円板状の磁石固定部材２６を介して一対の磁極Ｎ，Ｓが形成された永久磁石２が取付けられ、外輪２２にセンサ取付部材２７を介して回転センサ３が取付けられる。センサ取付部材２７は例えば非磁性材料からなる。
磁石２は、図２に示すように、その一対の磁極Ｎ，Ｓから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。この磁石２は、転がり軸受２０の軸心Ｏが磁石２の中心と一致するように、磁石固定部材２６の内径部２６ａに固定される。磁石固定部材２６の内径部２６ａは、回転センサ３から離反する軸方向に凹陥した凹形状部とされ、この内径部２６ａの外周面を内輪２１の内径面に圧入嵌合することで、磁石固定部材２６が内輪２１に固定される。また、磁石固定部材２６は、その外径部２６ｂを内輪２１の端面に当接させることで、軸方向の位置決めがなされ、これにより磁石２と回転センサ３の間のギャップが一定に保たれる。磁石固定部材２６の外径縁２６ｂａは、この外径縁２６ｂａと前記センサ取付部材２７との間、または外輪２２との間に微小な隙間Ｇが生じる程度に、内輪２１の外径よりも大きくされている。すなわち、磁石固定部材２６の外径縁２６ｂａは、センサ取付部材２７の内周面または外輪２２の内周面に近接する程度に、内輪２１の外径よりも大きくする。
このように回転角度検出装置１が組み込まれることで、磁石２が内輪２１と一体に回転すると、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は磁石２の磁気を感知して回転または回転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石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、大規模集積回路を集積した１つの半導体チップ４と、この半導体チップ４を搭載した回路基板７とで構成される。半導体チップ４上の大規模集積回路は、図３に平面図で示すように、磁気センサ素子５ａと、その磁気センサ素子５ａの出力から回転角度を演算して出力する演算回路部６とからなる。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が複列に平行に並んだものであっても良い。前記演算回路部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石２と対向するように回路基板７を介して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と演算回路部６とを集積して一体化すると、磁気センサ素子５ａと演算回路部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の内部に演算回路部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、前記演算回路部６による回転角度算出処理の説明図である。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、内輪２１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。演算回路部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。
なお、上記の例では、磁気センサとして磁気センサアレイを用いた半導体センサを使用する場合を示したが、磁界の方向を検出するベクトル式の磁気センサなどの半導体センサを使用してもよい。

この実施形態の回転検出装置付き軸受２０では、上記したように磁石固定部材２６の外径縁２６ｂａを、この外径縁２６ｂａと前記センサ取付部材２７との間または外輪２２との間に微小な隙間Ｇが生じる程度に、内輪２１の外径よりも大きくしているので、前記隙間Ｇを、磁気バイパス経路、または軸受２０内の潤滑剤の漏れを防止する非接触シール隙間として用いることができる。
すなわち、この回転検出装置付き軸受２０を、モータの回転軸の支持に用いた場合、回転軸とモータハウジングの間に流れるモータ磁界の経路におけるバイパス経路として前記隙間Ｇが作用するので、モータハウジングに磁気シールド板を取付けたり、軸受２０にバイパスリングを設けるなど余分な部品を追加することなく、回転センサ３を通過するモータ磁界を著しく低減できる。これにより、回転検出装置付き軸受２０のコンパクトな構成を維持しつつ、モータ磁界の影響を低減して高精度の回転検出が可能となる。この実施形態では、磁石固定部材２６を非磁性材料としているので、前記モータ磁界の影響をより低減することができる。
また、前記隙間Ｇが、回転検出装置付き軸受２０における回転検出装置１の設置側の端部の非接触シール隙間として作用することで、軸受２０内の潤滑剤の漏れを防止でき、軸受２０内への異物の侵入を防止できる。

図６は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の回転検出装置付き軸受２０は、磁石固定部材２６の外径部２６ｂの軸方向肉厚を、図１の実施形態の場合よりも厚くしたものである。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。
このように、磁石固定部材２６の外径部２６ｂの軸方向肉厚を厚くすると、モータの回転軸支持に用いた場合に、回転軸から内輪２１を通り磁石固定部材２６を経由して外輪２２に至る磁路（磁気バイパス経路）の磁気抵抗がさらに低くなる。そのため、回転センサ３に漏れ出すモータ磁界をさらに低減することができる。

図７は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の回転検出装置付き軸受２０は、図６の実施形態において、磁石固定部材２６の外径部２６ｂの内輪２１の外径よりも大きくなる部分２６ｂｂの軸方向肉厚を内径部２６ａよりも厚くして、この外径厚肉部分２６ｂｂを内輪２１の外径面に圧入固定したものである。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様である。
このように、磁石固定部材２６の外径部２６ｂの内輪２１の外径よりも大きくなる部分２６ｂｂの軸方向肉厚を内径部２６ａよりも厚くして、内輪２１の外径面に圧入固定すると、モータの回転軸支持に用いた場合に、回転軸から内輪２１を通り磁石固定部材２６を経由して外輪２２に至る磁路（磁気バイパス経路）の磁気抵抗がさらに低くなる。そのため、回転センサ３に漏れ出すモータ磁界をさらに低減することができる。

この発明の第１の実施形態に係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設置部を示す拡大断面図である。 同軸受における回転センサを構成する半導体チップの平面図である。 同回転センサの演算回路部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。 この発明の他の実施形態に係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係る回転検出装置付き軸受の断面図である。 従来の回転角度検出装置の斜視図である。 同回転角度検出装置を組み込んだ回転検出装置付き軸受の一構成例を示す断面図である。 同回転検出装置付き軸受を組み込んだモータの断面図である。

符号の説明

１…回転検出装置
２…磁石
３…回転センサ
４…半導体チップ
５ａ…磁気センサ素子
５Ａ〜５Ｄ…磁気センサアレイ
６…演算回路部
２０…回転検出装置付き軸受
２１…内輪
２２…外輪
２６…磁石固定部材
２６ａ…内径部
２６ｂ…外径部
２６ｂａ…外径縁
２６ｂｂ…外径肉厚部分
２７…センサ取付部材
Ｇ…隙間

Claims (5)

1. 内輪の回転中心回りに方向性を有する磁石を、磁石固定部材を介して内輪の端面の回転中心部に取付け、前記磁石に軸方向に対向して前記磁石の磁気を感知し回転または角度の情報を出力する回転センサを、外輪にセンサ取付部材を介して取付けた回転検出装置付き軸受であって、前記磁石固定部材の外径縁を、前記センサ取付部材の内周面または外輪の内周面に近接する程度に、内輪の外径よりも大きくしたことを特徴とする回転検出装置付き軸受。
2. 請求項１において、前記磁石固定部材の外径縁と前記センサ取付部材の内周面または外輪の内周面との間の隙間を、磁気バイパス経路、または軸受内の潤滑剤の漏れを防止する非接触シール隙間とした回転検出装置付き軸受。
3. 請求項１または請求項２において、前記磁石固定部材を板状とし、この磁石固定部材の前記内輪の外径よりも大きくなる部分である外径部を、この外径部よりも内径側の部分である内径部よりも軸方向の肉厚が厚いものとした回転検出装置付き軸受。
4. 請求項３において、前記磁石固定板を前記外径部で内輪の外径面に圧入固定した回転検出装置付き軸受。
5. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記センサ取付部材が非磁性材料からなるものである回転検出装置付き軸受。

Images