JP2008224248A - センサ付軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部磁束に強く、高分解能な回転状態信号を出力可能なセンサ付軸受装置を提供すること。
【解決手段】内輪１６と外輪１８との間にボール２０が配置された軸受１２と、内輪１６に支持された回転部材２２と、外輪１８に支持されて回転部材２２の外周面を包囲する円筒部材２６と、円筒部材２６に配置された二対の検出コイル２８〜３４と、各検出コイル２８〜３４の出力を基に回転部材２２の回転状態を検出する回転状態検出器とを備え、回転部材２２は、磁性材料で構成され、回転部材２２には軸方向に伸びる溝２４が複数条形成され、円筒部材２６には窓３６〜４２が複数列形成され、各列の窓３６〜４２が各検出コイル２８〜３４によって包囲され、検出コイル２８、３０と検出コイル３２、３４から差動信号が出力され、差動信号を回転状態検出器で２相信号に変換して、その比から回転部材２２の角度を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサ付軸受装置に係り、特に、ロボットアームや自動車のハブなどの回転支持部分に組み込んで、角度や回転角速度などを検出することに利用することができるセンサ付軸受装置に関する。

従来、センサとしては、例えば、回転軸に発生するトルクを検出するトルクセンサが知られているとともに、回転軸の角度や回転角速度を検出するセンサなどが知られている。これらセンサのうち回転状態検出機能を有するセンサを軸受に付加したセンサ付軸受装置が提案されている。例えば、多極に着磁されたマグネットの磁極をデジタル出力のホールＩＣで検出し、ホールＩＣからパルス信号を出力するようにしたものがある（特許文献１参照）。
特開昭６３−１１１４１６号公報

しかしながら、上述した従来のセンサ付軸受装置を高分解能化しようとするとき、エンコーダのＮＳ極のピッチを小さくするのには限界がある。また、マグネットにより回転状態を検出する方式では、外部磁束に影響されやすいという課題がある。

そこで、本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、外部磁束に強く、高分解能な回転状態信号を出力可能なセンサ付軸受装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、静止輪と回転輪との間に複数の転動体が配置された軸受と、前記回転輪に支持又は一体に成形された回転部材と、前記静止輪に支持されて前記回転部材の外周面を包囲する円筒部材と、前記円筒部材に配置された二対の検出コイルと、前記二対の検出コイルの出力に従って前記回転部材の回転状態を検出する回転状態検出器とを備え、前記回転部材は、磁性材料で構成され、前記回転部材に軸方向に延びる溝が複数条形成され、前記円筒部材には前記回転部材との相対回転位置に応じて前記溝との重なり具合が変化するように窓が複数列形成され、前記各列の窓が形成された領域を包囲するように前記各検出コイルが配置されてなることを特徴とするセンサ付軸受装置である。

本発明によれば、円筒部材の内側には磁性材料からなる回転部材が配置され、回転部材には複数条の溝が円筒部材の窓と同期を持って形成されており、磁界中に置かれた磁性材料により回転部材が磁化されて、磁束を発生する際に、その量は飽和に至るまで磁界の強さに応じて大きくなる。

このため、円筒部材によって作られる円周方向に周期的な強弱と半径方向に勾配を有する磁界によって、回転部材の磁束は円筒部材との相対的な位相によって増減する。この磁束が最大となる位相は窓の中心と、溝と溝との間の凸部の中心とが一致した状態であり、磁束の増減に応じて、一対の検出コイルのインダクタンスも増減し、その変化は、ほぼ正弦波状となる。検出コイルは２個一組のものを二対、合計４つ配置されており、各対のコイルから差動出力されるように窓が配置されている。

しかも、一方の一対の検出コイルに対応する窓と、他方の一対の検出コイルに対応する窓は互いに位相差を持つように形成されているので、各検出コイルからの信号を２相信号に変換し、角度を回転状態検出器によって演算することにより、回転部材の回転状態を検出することが可能である。また、磁気エンコーダを使用しない構造のため、外部磁束に強く、回転部材の回転状態を高精度に検出することができる。

本発明によれば、外部磁束に強く高分解能化が可能となり、回転部材の回転状態を高精度に検出することができるセンサ付軸受装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を示すセンサ付軸受装置の斜視図、図２は、本発明の一実施例を示すセンサ付軸受装置の分解斜視図である。図１および図２において、センサ付軸受装置１０は、軸受１２を備え、軸受１２には、軸受１２の回転状態を検出するためのセンサ１４が付加されている。軸受１２は、内輪１６と、外輪１８と、内輪１６と外輪１８との間に装着された転動体としてのボール２０を複数個備えて構成されており、内輪１６、外輪１８のうち一方が静止輪となり、他方が回転輪となって軸受装置を構成するようになっている。内輪１６を回転輪とした場合、内輪１６にはほぼ円筒状に形成された回転部材２２が支持される。

回転部材２２は磁性体として、磁性材料を用いて構成されており、その外周側には複数の凹凸部が等間隔で周方向に沿って形成されている。各凹凸部のうち凹部は溝２４として形成され、凸部は溝２４と溝２４との間に形成されている。すなわち回転部材２２の外周側には、軸方向に伸びる溝２４が複数条形成されており、各条の溝２４は回転部材２２の周方向において等間隔で形成されている。

円筒部材２２の外側には円筒部材２６が配置されており、円筒部材２６の外周側には二対の検出コイル２８、３０、３２、３４が配置されている。円筒部材２６、検出コイル２８、３０、３２、３４は静止輪としての外輪１８に支持されている。

円筒部材２６は、導電性で且つ非磁性の材料から形成されており、この円筒部材２６には、その周方向に沿って等間隔に離隔した長方形の複数の窓３６、３８、４０、４２が複数列形成されている。窓３８は、窓３６に対して１８０度位相がずれるように配置されており、窓４２は窓４０に対して１８０度位相がずれて配置されている。一方、窓４０は、窓３６に対して９０度位相がずれるように配置されている。

検出コイル２８、３０、３２、３４は、各列の窓３６、３８、４０、４２をそれぞれ包囲するように配置されている。各検出コイル２８、３０、３２、３４は、回転状態検出器（図示せず）に接続されており、各検出コイル２８、３０、３２、３４には、回転状態検出器から正弦波状の電圧が印加されるようになっている。

回転状態検出器は、各検出コイル２８、３０、３２、３４に正弦波状の電圧を印加して各検出コイル２８、３０、３２、３４に起電力を誘導させて、この起電力を基に回転部材２２の回転状態としてその角度を算出するように構成されている。

上記構成において、内輪１６が回転輪として回転すると、それに伴って回転部材２２が回転する。この際、円筒部材２６に窓３６、３８、４０、４２がない状態では、円筒部材２６は導電性で且つ非磁性の材料で構成されていることから、検出コイル２８、３０、３２、３４に交流電流を流して検出コイル２８、３０、３２、３４内部に交番磁界を生じさせると、円筒部材２６の外周面には各検出コイル２８、３０、３２、３４に流れるコイル電流とは反対方向の渦電流が発生する。この渦電流による磁界と検出コイル２８、３０、３２、３４による磁界とを重ね合わせると、円筒部材２６の内側の磁界は相殺される。

これに対して、円筒部材２６に、窓３６、３８、４０、４２を２列に設けた場合、円筒部材２６の外周面に生じた渦電流は、窓３６、３８、４０、４２によって外周面を周回できないため、窓３６、３８、４０、４２の端面に沿って円筒部材２６の内周面側に回りこみ、その内周面をコイル電流と同一方向に流れ、さらに相隣接する窓３６、３８、４０、４２の端面に沿って外周面側に戻り、ループを形成する。つまり、検出コイル２８、３０、３２、３４の内側に、渦電流のループを周方向に周期的に配置した状態となる。

円筒部材２６の内側には、磁性材料からなる回転部材２２が同軸に配置され、その回転部材２２には軸方向に沿って溝２４が、窓３６、３８、４０、４２と同じ周期で形成されているので、磁界中に置かれた回転部材２２は磁化されて磁束を発生するが、その量は飽和に至るまでには磁界の強さに応じて大きくなる。

このため、円筒部材２６によって作られる周方向に周期的な強弱と半径方向に勾配を有する磁界によって、回転部材２２の磁束は、円筒部材２６との相対的な位相によって増減する。このとき、磁束が最大となる位相は、各窓３６、３８、４０、４２の中心と、溝２４と溝２４との間の凸部の中心とが一致した状態であり、磁束の増減に応じて、検出コイル２８、３０、３２、３４のインダクタンスも増減する。その変化は、ほぼ正弦波状となる。このとき、回転部材２２の回転状態を示す信号として、一方の一対の検出コイル２８、３０と他方の一対の検出コイル３２、３４からは、９０度の位相を持つ２相の差動信号が出力される。

回転状態検出器は、入力された差動信号をシングルエンド信号に変換し、９０度の位相差を持つ２相信号に変換し、その２相信号の比を演算で求めることにより、回転部材２２の回転状態として、回転部材２２の角度を演算することができる。

演算された角度は、アナログ信号またはデジタル信号として出力される。例えば、０〜５Ｖに均等に割り当て、角度に対応したアナログ電圧を出力する。また、０〜３６０度を１０ビット（０〜１０２３）に均等に割り当て、角度に対応したデジタル値を出力する。
または、回転に応じてパルス信号を出力することができる。例えば、１周を１０ビット（１０２４）に分割して、回転に応じてパルス信号を出力する。特に、１周期を分割してパルスを生成すれば、「１周期のパルス数×周期数」のパルスを生成することができ、高分解能化が可能である。また、パルス信号をカウントして回転角速度を出力することもできる。

また、回転状態検出器は軸受に組み込んでもよいし、外付けであってもよい。また、上記実施の形態においては、玉軸受に適用した例を示したが、それに限定するものではなく、円錐ころ軸受・ニードル軸受・こと軸受・複列軸受・その他任意の種類の軸受に適用してもよい。

また、角度を算出する方法は、２相信号の比を求める方法を示したが、これに限定するものではなく、他の方法でもよい。

また、上記実施の形態において、回転部材２２は、内輪１６に支持された構造としているが、回転部材２２と内輪１６を一体で形成すると、部品点数が削減できるので、好ましい。

また、上記実施の形態においては、検出コイル対の位相差は９０度で形成しているが、これに限定するものではない。しかし、位相差を９０度にすると２相信号の位相差が９０度となり、角度の算出が容易となるので、９０度の位相差が好ましい。

また、窓３６、３８、４０、４２は、窓３６と窓４０、窓３８と窓４２がそれぞれ対になる場合を示したが、図３に示すように、窓６２は、窓５８に対して１８０度位相がずれるように配置し、窓６４は、窓６０に対して１８０度位相がずれるように配置し、窓６０は窓５８に対して９０度位相がずれるように配置してもよい。つまり、検出コイル５０と検出コイル５４が対となり、検出コイル５２と検出コイル５６が対となるように窓５８、６０、６２、６４を配置してもよい。

本実施の形態によれば、磁気エンコーダ方式とは異なり、外部磁束に強く、高分解能化が可能であって、回転部材２２の回転状態を高精度に検出することができる。

本発明の一実施例を示すセンサ付軸受装置の斜視図である。 本発明の一実施例を示すセンサ付軸受装置の分解斜視図である。 本発明の他の実施例を示すセンサ付軸受装置の分解斜視図である。

符号の説明

１０ センサ付軸受装置
１２ 軸受
１４ センサ
１６ 内輪
１８ 外輪
２０ ボール
２２ 回転部材
２４ 溝
２６ 円筒部材
２８、３０、３２、３４ 検出コイル
３６、３８、４０、４２ 窓
５０、５２、５４、５６ 検出コイル
５８、６０、６２、６４ 窓

Claims (6)

1. 静止輪と回転輪との間に複数の転動体が配置された軸受と、前記回転輪に支持又は一体に成形された回転部材と、前記静止輪に支持されて前記回転部材の外周面を包囲する円筒部材と、前記円筒部材に配置された二対の検出コイルと、前記二対の検出コイルの出力に従って前記回転部材の回転状態を検出する回転状態検出器とを備え、前記回転部材は、磁性材料で構成され、前記回転部材に軸方向に延びる溝が複数条形成され、前記円筒部材には前記回転部材との相対回転位置に応じて前記溝との重なり具合が変化するように窓が複数列形成され、前記各列の窓が形成された領域を包囲するように前記各検出コイルが配置されてなることを特徴とするセンサ付軸受装置。
2. 前記二対の検出コイルは、それぞれ一対ずつ差動信号を出力する請求項１に記載のセンサ付軸受装置。
3. 前記回転状態検出器は、前記二対の検出コイルの差動信号をシングルエンド信号に変換し、得られた２相信号から前記回転部材の回転状態を検出してなることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ付軸受装置。
4. 前記回転状態検出器は、前記回転部材の回転状態をアナログ信号で出力してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ付軸受装置。
5. 前記回転状態検出器は、前記回転部材の回転状態をデジタル信号で出力してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ付軸受装置。
6. 前記回転状態検出器は、前記回転部材の回転状態をパルス信号で出力してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ付軸受装置。

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