JP2009288123A - 回転検出装置付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 角度検出精度が高く、回転軸との干渉による使用部位の制限のない回転検出装置付き軸受を提供する。
【解決手段】 回転により対向する平面上の磁界が変化する磁気発生体２と、この磁気発生体２の前記回転中心軸上に対向して設けられて複数の磁気センサ素子が平面的に並び前記磁気発生体２の回転角度を検出する回転角度センサ３とを有する回転検出装置１を備える。軸受２０の回転輪２１には、これと同心に回転輪側歯車２７が取付けられる。軸受２０の固定輪２１には、回転輪側歯車２７に噛み合う固定輪側歯車２８が、支持部材２９を介して回転自在に支持される。固定輪側歯車２８および支持部材２９に、回転検出装置１における磁気発生体２および回転角度センサ３がそれぞれ取付けられる。
【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、ステアリングの操舵角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ために、本出願人は、先に図９に示すような回転検出装置付き軸受を提案した（例えば特許文献１，２）。

同図の回転検出装置付き軸受は、回転輪である内輪５１の一端側に回転中心回りの方向性を有する磁気発生手段として例えば磁石３２を配置すると共に、固定輪である外輪５２の一端側に、複数の磁気センサ信号を用いて前記磁石３２の回転角度を検出する磁気ラインセンサ等の回転角度センサ３３を、磁石３２に対向して配置したものである。磁石３２は、内輪５１の内径面に圧入嵌合される磁石取付部材４５を介して内輪５１に取付けられる。内輪５１は回転軸（図示せず）と一体となって回転するので、磁石３２も磁石取付部材４５と共に回転軸と一体となって回転する。回転角度センサ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。このように、磁石３２は磁石取付部材４５により、回転角度センサ３３はセンサ取付部材５７によりそれぞれ軸方向に位置決めされることで、磁石３２と回転角度センサ３３の間のギャップが一定に保たれる。

特許文献１，２に開示の回転検出装置と検出方法は異なるものの、ホール素子などの磁気センサ素子を複数使用し、それらの出力信号を演算することによって、回転体に固定された磁石の位置や動きを検出する回転検出装置（例えばＡＭＳ社のロータリエンコーダＬＳＩ）なども提案されている。
特開２００４−３７１３３号公報 特開２００６−２３３９８５公報

複数の磁気センサ信号を用いる磁気ラインセンサ等を回転角度センサとした上記構成の回転検出装置付き軸受の場合、角度検出精度は良いものの、軸受の片側端面に回転検出装置が設けられているため、適用できる用途、部位が限られていた。例えば、軸受に回転軸を貫通させる部位では、回転軸に干渉して設置することができない。
一方、従来のホールセンサ等を使用した回転検出装置付き軸受では、通常の軸受と同様の設置方法が可能だが、磁気ラインセンサ等を回転センサとして使用した場合と比較すると、角度検出精度が著しく劣る。

この発明の目的は、角度検出精度が高く、また回転軸等との干渉による使用部位の制限がなくて、汎用性の高い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、回転により対向する平面上の磁界が変化する磁気発生体と、この磁気発生体の前記回転中心軸上に対向して設けられて複数の磁気センサ素子が平面的に並び前記磁気発生体の回転角度を検出する回転角度センサとを有する回転検出装置を備えた軸受であって、軸受の回転輪に同心に取付けられた回転輪側歯車、およびこの回転輪側歯車に噛み合って、軸受の固定輪に支持部材を介して回転自在に支持された固定輪側歯車を有し、前記固定輪側歯車および前記支持部材に、前記回転検出装置における前記磁気発生体および前記回転角度センサをそれぞれ取付けたことを特徴とする。
この構成によると、磁気発生体と、この磁気発生体に対向して、複数の磁気センサ素子が平面的に並ぶ回転角度センサとでなる回転検出装置とを備えるため、高精度の回転角度検出が可能である。
この種の回転検出装置は、高精度である反面、磁気発生体の回転中心軸上に対向して回転角度センサが位置するため、回転軸等との干渉の問題があって、配置上の制限が生じる。しかし、軸受の回転輪に同心に取付けられた回転輪側歯車、およびこの回転輪側歯車に噛み合って、軸受の固定輪に支持部材を介して回転自在に支持された固定輪側歯車を有し、前記固定輪側歯車および前記支持部材に、前記回転検出装置における前記磁気発生体および前記回転角度センサをそれぞれ取付けたため、回転検出装置を回転軸と干渉しない位置、つまり回転輪から径方向に退避した位置に配置でき、それだけ適用できる用途、部位が拡がることになる。
これにより、角度検出精度が高く、汎用性の高い回転検出装置付き軸受とすることができる。

この発明において、前記固定輪側歯車の回転中心軸上に前記磁気発生体および前記回転角度センサを取付けても良い。これにより回転中心軸に対称な検出系が構成されるため、回転角度の検出精度を向上させることができる。この構成の場合、回転角度センサを固定部材である前記支持部材に取付けることになるので、回転角度センサへの電力供給や、回転角度センサで検出された回転角度データの外部への送信等のための給電・通信手段を簡単に構成できる。

この発明において、前記回転輪側歯車の歯数が、前記固定輪側歯車の歯数よりも多くても良い。この構成の場合、回転輪における絶対角度検出の範囲は３６０度以下となるが、角度分解能が細かくなるので、微小な角度まで検出することができる。

この発明において、前記回転輪側歯車の歯数が、前記固定輪側歯車の歯数よりも少なくても良い。この構成の場合、回転輪における絶対角度検出の範囲は３６０度以上となり、角度分解能は粗くなるが、多回転時でも絶対角度を検出することができる。

この発明において、前記回転輪側歯車の歯数と、前記固定輪側歯車の歯数とが同じであっても良い。この構成の場合、回転輪における絶対角度検出の範囲は３６０度となる。

この発明の回転検出装置付き軸受は、回転により対向する平面上の磁界が変化する磁気発生体と、この磁気発生体の前記回転中心軸上に対向して設けられて複数の磁気センサ素子が平面的に並び前記磁気発生体の回転角度を検出する回転角度センサとを有する回転検出装置を備えた軸受であって、軸受の回転輪に同心に取付けられた回転輪側歯車、およびこの回転輪側歯車に噛み合って、軸受の固定輪に支持部材を介して回転自在に支持された固定輪側歯車を有し、前記固定輪側歯車および前記支持部材に、前記回転検出装置における前記磁気発生体および前記回転角度センサをそれぞれ取付けたため、角度検出精度が高く、また回転軸等との干渉による使用部位の制限がなくて、汎用性の高い回転検出装置付き軸受とすることができる。

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の一端部に回転検出装置１を組み込んだものある。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り、内外輪２１，２２の軸受空間の前記回転検出装置１設置側とは反対側の端部が、シール２５によって密封されている。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の回転輪となる内輪２１には、回転輪側歯車支持部材２６を介して回転輪側歯車２７が同心に取付けられている。具体的には、内輪２１に回転輪側歯車支持部材２６が取付けられ、この回転輪側歯車支持部材２６に回転輪側歯車２７が固定されている。回転輪側歯車支持部材２６はリング状の部材であって、その一端の外周円筒部２６ａを内輪２１の一端部外径面に圧入嵌合させ、この外周円筒部２６ａから内径側に延びる鍔部２６ｂを内輪２１の幅面に係合させて軸方向に位置決めされている。この回転輪側歯車支持部材２６の前記鍔部２６ｂの内径側端から軸方向に延びる内周円筒部２６ｃの外径面に、リング状とした前記回転輪側歯車２７が圧入嵌合して固定されている。なお、回転輪側歯車支持部材２６と回転輪側歯車２７は、一体の部材からなるものとしても良い。

また、転がり軸受２０の固定輪となる外輪２２には、前記回転輪側歯車２７に噛み合う固定輪側歯車２８が支持部材２９を介して回転自在に支持されている。具体的には、前記支持部材２９もリング状の部材であって、その一端の内周円筒部２９ａを外輪２２の一端部内径面に圧入嵌合させ、この内周円筒部２９ａから外径側に延びる鍔部２９ｂ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。この支持部材２９の前記鍔部２９ｂに、前記固定輪側歯車２８がその回転中心軸を転がり軸受２０の軸心と平行にして回転自在に支持されている。

回転検出装置１は、回転により対向する平面上の磁界が発生する磁気発生体２と、この磁気発生体２の前記回転中心軸上に対向して設けられて磁気発生体２の回転角度を検出する回転角度センサ３とを有する。回転角度センサ３は、複数の磁気センサ素子を平面的に並べて構成したものである。前記磁気発生体２は、固定輪側歯車２８の回転中心軸上に取付けられている。磁気発生体２は永久磁石からなり、図２に示すように、発生する磁気が固定輪側歯車２８の回転中心軸Ｏ’の回りの方向性を有する。すなわち、磁気発生体２は、回転すると、磁気発生体２に対向して回転中心軸Ｏ’に垂直となる平面上の磁界のパターンが変化する。磁気発生体２は、固定輪側歯車２８の回転によって磁気回転中心軸Ｏ’の回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。回転角度センサ３は、前記固定輪側歯車２８が回転自在に支持される前記支持部材２９における固定輪側歯車２８と軸方向に対向する位置に取付けられている。

前記支持部材２９は、前記内周円筒部２９ａおよび前記鍔部２９ｂのほか、鍔部２９ｂの外周側端から軸方向に延びる外周円筒部２９ｃ、およびこの外周円筒部の他端から内径側に延びる第２の鍔部２９ｄを有する。この支持部材２９の第２の鍔部２９ｄにおける前記固定輪側歯車２８と対向する一側面に、回転角度センサ３が前記磁気発生体２と軸方向に一定のギャップを保って取付けられている。具体的には、回転角度センサ３は、その複数の磁気センサ素子の配列中心が前記固定輪側歯車２８の回転中心軸に一致するように、回路基板１０を介して前記第２の鍔部２９ｄの一側面に取付けられている。第２の鍔部２９ｄには、前記回路基板１０に接続された出力ケーブル３０が、軸方向に張り出して設けられている。なお、ここでは、前記支持部材２９の第２の鍔部２９ｄを、内周円筒部２９ａから外周円筒部２９ｃに至る部分と別部材として、これらを圧入、接着、かしめ等により連結する場合を示しているが、内周円筒部２９ａから第２の鍔部２９ｄまでの部分を一体の部材としても良い。第２の鍔部２９ｄは、回転角度センサ３の支持部となるだけでなく、回転輪側歯車２７、固定輪側歯車２８および回転検出装置１の全体を覆う蓋部にもなっている。

図３は、回転角度センサ３の一構成例を示す平面図である。回転角度センサ３は、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辺の磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄとされる。この場合、前記矩形の中心Ｏ’は、固定輪側歯車２８の回転中心軸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。また、磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄは、それぞれ、そのライン方向にセンサ素子５ａが３個以上配置されることが好ましい。
前記変換回路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。半導体チップ４は、その素子形成面が前記磁気発生体（永久磁石）２と対向するように前記支持部材２９の第２の鍔部２９ｄに固定される。

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、固定輪側歯車２８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。このとき、各磁気ラインセンサ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、磁気発生体（永久磁石）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ラインセンサ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。

上記回転検出装置付き軸受の動作を説明する。転がり軸受２０の内輪２１が回転すると、その回転が回転輪側歯車２７から固定輪側歯車２８に伝達される。このとき、固定輪側歯車２８に取付けられた磁気発生体２の回転角度θ’を回転角度センサ３が検出する。検出される磁気発生体２の回転角度θ’と転がり軸受２０の内輪２１の回転角度θとの関係は、回転輪側歯車２７と固定輪側歯車２８の増減速比によって異なる。
磁気発生体２の回転角度をθ’、回転輪側歯車２７の歯数をＺ1 ，回転輪側歯車２８の歯車をＺ2 とすると、転がり軸受２０の内輪２１の回転角度θは、
θ＝（Ｚ2 ／Ｚ1 ）×θ’ ……（２）
となる。前記変換回路６では、（２）式の演算が行なわれ、算出された内輪２１の回転角度θは前記出力ケーブル３０より出力される。
また、回転角度センサ３の角度検出分解能をＮ’とすると、転がり軸受２０の内輪２１の角度検出分解能Ｎは、
Ｎ＝（Ｚ1 ／Ｚ2 ）×Ｎ’ ……（３）
となる。このように、歯車２７，２８の増減速比を変えることで、異なった検出分解能を得ることができるため、用途に合わせた仕様が可能になる。

また、図３〜図５のように、回転角度センサ３として磁気センサアレイを用いた場合、転がり軸受２０の内輪２１の回転角度を絶対角度として検出できる。このような回転角度センサ３を用いて、例えば、回転輪側歯車２７の歯数Ｚ1 を、固定輪側歯車２８の歯数Ｚ2 よりも多くした場合（Ｚ1 ＞Ｚ2 ）、内輪２１における絶対角度検出の範囲は３６０度以下となるが、角度分解能が細かくなるので、微小な角度まで検出することができる。
一方、回転輪側歯車２７の歯数Ｚ1 を、固定輪側歯車２８の歯数Ｚ2 よりも少なくした場合（Ｚ1 ＜Ｚ2 ）、内輪２１における絶対角度検出の範囲は３６０度以上となり、角度分解能は粗くなるが、多回転時でも絶対角度を検出することができる。
また、回転輪側歯車２７の歯数Ｚ1 と、固定輪側歯車２８の歯数Ｚ2 を同じとした場合（Ｚ1 ＝Ｚ2 ）、内輪２１における絶対角度検出の範囲は３６０度となる。なお、回転角度センサ３の出力をインクリメンタル方式とした場合、回転輪側歯車２７の歯数Ｚ1 を、固定輪側歯車２８の歯数Ｚ2 よりも多くした場合（Ｚ1 ＞Ｚ2 ）が最も高分解能となることは明らかである。

なお、図３〜図５の例では、回転角度センサ３の構成として、半導体チップ４上に複数の磁気センサ素子５ａを矩形に並べた磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄで磁気発生体２の磁気を感知するようにしたが、回転角度センサ３は、ライン状に配置する代わりに、縦横に、それぞれ３個以上または２個以上の磁気センサ素子５ａが平面的にマトリクス状に並ぶものとしても良い。

また、図６のように半導体チップ４上の中心Ｏ’（固定輪側歯車２８の回転中心軸Ｏ’に一致する）の回りに９０度の周回角度を隔てて最低限２つの磁気センサ素子５ａ，５ｂを配置することで、回転角度センサ３Ａを構成しても良い。
なお、同図の例において、磁気センサ素子５ａ，５ｂ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を、磁気センサ素子５ａ，５ｂと共に半導体チップ４上に集積することは、図３の場合と同じである。

図６の例のように回転角度センサ３Ａを構成した場合、２つの磁気センサ素子５ａ，５ｂの出力は、磁気発生体２の回転角度θ’（図６）に合わせて変化し、図７に示すように一方の磁気センサ素子５ａの出力ａは正弦信号、他方の磁気センサ素子５ｂの出力ｂは余弦信号となる。これにより、回転角度θ’は、ａ／ｂの逆正接関数（アークタンジェント）、およびａとｂの正負によって計算することができる。この計算は変換回路６で行う。図７の出力波形が理想的な正弦波，余弦波に対して歪む場合は、変換回路６内に補正テーブルを設けることにより歪みを補正して、検出される回転角度θ’の精度劣化を防止するようにしても良い。

このように、この回転検出装置付き軸受は、転がり軸受２０の回転輪である内輪２１に同心に取付けられた回転輪側歯車２７と、この回転輪側歯車２７に噛み合って、転がり軸受２０の固定輪である外輪２２に支持部材２９を介して回転自在に支持された固定輪側歯車２８を有し、回転検出装置１における磁気発生体２を前記固定輪側歯車２８の回転中心軸上に取付け、回転検出装置１における回転角度センサ３を前記支持部材２９に取付けたために、転がり軸受２０の片側端部に回転検出装置１を設けた構成であっても、回転検出装置１を、回転軸と干渉しない内輪２１から外径側に退避した位置に配置でき、それだけ適用できる用途、部位が拡がることになる。
また、用いられる回転検出装置１は、回転により対向する平面上の磁界が変化する磁気発生体２と、この磁気発生体２の前記回転中心軸上に対向して設けられて複数の磁気センサ素子５ａが平面的に並び前記磁気発生体２の回転角度を検出する回転角度センサ３とを有するものであるため、高精度の回転角度検出が可能である。これにより、角度検出精度が高く、汎用性の高い回転検出装置付き軸受とすることができる。

また、この実施形態では、回転検出装置１の磁気発生体２を固定輪側歯車２８に取付け、回転検出装置１の回転角度センサ３を固定部材である前記支持部材２９に取付けているので、回転角度センサ３への電力供給や、回転角度センサ３で検出された回転角度データの外部への送信等のための給電・通信手段を出力ケーブル３０等で簡単に構成できる。

この発明の一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。 同軸受における磁気発生体の固定部を示す拡大断面図である。 同軸受における回転角度センサの一例を構成する半導体チップの平面図である。 同回転角度センサの変換回路による角度算出処理の説明図である。 同回転角度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。 回転検出装置付き軸受における回転角度センサの他の例を構成する半導体チップの平面図である。 同回転角度センサにおける磁気センサ素子の出力波形図である。 従来例の断面図である。

符号の説明

１…回転角度検出装置
２…磁気発生体
３，３Ａ…回転角度センサ
５ａ…磁気センサ素子
２０…転がり軸受
２１…内輪（回転輪）
２２…外輪（固定輪）
２６…回転輪側歯車支持部材
２７…回転輪側歯車
２８…固定輪側歯車
２９…支持部材

Claims (5)

1. 回転により対向する平面上の磁界が変化する磁気発生体と、この磁気発生体の前記回転中心軸上に対向して設けられて複数の磁気センサ素子が平面的に並び前記磁気発生体の回転角度を検出する回転角度センサとを有する回転検出装置を備えた軸受であって、
   軸受の回転輪に同心に取付けられた回転輪側歯車、およびこの回転輪側歯車に噛み合って、軸受の固定輪に支持部材を介して回転自在に支持された固定輪側歯車を有し、前記固定輪側歯車および前記支持部材に、前記回転検出装置における前記磁気発生体および前記回転角度センサをそれぞれ取付け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、前記固定輪側歯車の回転中心軸上に前記磁気発生体および前記回転角度センサを取付け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、前記回転輪側歯車の歯数が、前記固定輪側歯車の歯数よりも多い回転検出装置付き軸受。
4. 請求項１または請求項２において、前記回転輪側歯車の歯数が、前記固定輪側歯車の歯数よりも少ない回転検出装置付き軸受。
5. 請求項１または請求項２において、前記回転輪側歯車の歯数と、前記固定輪側歯車の歯数とが同じである回転検出装置付き軸受。

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