JP2014005898A - 回転センサ付軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】回転センサ付軸受の組み立てにおいて、Ａ相出力、Ｂ相出力が可能な機能を維持しつつ、手作業による磁気センサ素子の半田付けを省略する。
【解決手段】Ａ相出力用の第一磁気センサ素子２１と、Ｂ相出力用の第二磁気センサ素子２２を基板２３に表面実装し、センサケース２４に固定した。両磁気センサ素子２１，２２の感磁部２１ａ，２２ａを回転軸方向に並べると共に、感磁部２１ａと径方向に並ぶ位置で、Ａ相出力に対応する磁界変化を作る第一着磁トラック２５と、感磁部２２ａと径方向に並び、かつ第一着磁トラック２５と同軸に並ぶ位置で、Ｂ相出力に対応する磁界変化を第一着磁トラック２５と別に作る第二着磁トラック２６とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、転がり軸受に回転センサを備えた回転センサ付軸受に関する。

従来、外輪（静止輪）の内周面に外環を固定し、更に外環の内周面にセンサケースを固定したものがある。センサケースには、予めＡ相出力用及びＢ相出力用磁気センサ素子を周方向に取り付け、その後、ガラス入りエポキシ樹脂製基板のスルーホールにそれぞれの脚を通して、基板上で手作業により半田付けを行うようになっている。また、基板の他の部分には、電線の芯線を半田付けするためのスルーホールが別途設けられ、基板に磁気センサ素子を半田付けする前に、事前に手作業により半田付けを行うようになっている。磁気センサ素子の脚を半田付けした後、センサケース蓋により電線を固定するようになっている。更に、開放部（空間及び基板上面）を熱硬化性樹脂にて封止することでセンサケースに基板が固定されている。熱硬化性樹脂として、エポキシ、ウレタンなどが使用可能である（例えば、特許文献１）。

一般に、磁気エンコーダは、磁性体からなる金属製リングに磁性ゴムが加硫接着され、その後、円周方向にＮ極とＳ極が等間隔に交互に着磁されたものとなっている。着磁後、金属製リングが内輪（回転輪）の外周面に固定される。Ａ相出力用の磁気センサ素子の感磁部と、Ｂ相出力用の磁気センサ素子の感磁部は、回転軸回りの同一円周上の相異なる位置で磁性ゴムと径方向に並ぶように配置される。内輪の回転に伴い、両磁気センサ素子の感磁部が、磁気エンコーダの回転に伴う磁界変化に対応した電気信号を出力する。この電気信号は、１回転における着磁極数に対応した電圧変化となり、回転方向において変化する。この電圧変化の１周期（high及びlow）の組み合わせを電気角で３６０度とし、Ｂ相センサ出力信号の立ち上がリの後に、Ａ相センサ出力信号の立ち上がりが９０度遅れる関係としている。内輪の回転方向が逆方向の場合は、Ａ相センサ出力信号の立ち上りの後に、Ｂ相センサ出力信号の立ち上がりが９０度遅れる関係になる。この様にして、磁極の変化に対応して電気信号の変化を出力する回転センサ付軸受は、回転軸の回転速度検出や回転方向検出などに従来から用いられている。

特開２００６−２５８５４２号公報

しかしながら、特許文献１のものは、センサ素子の脚や電線の芯線を、ガラス入りエポキシ樹脂製基板のスルーホールに通した後に、手作業により半田付けするため、回転センサ付軸受の組立工程で手間がかかる。また、手作業による半田付けであるため、半田付けの品質にバラツキが生じ易い。更に、熟練者や半田付けの教育訓練を受けた作業者が必要である。

そこで、この発明が解決しようとする課題は、回転センサ付軸受の組み立てにおいて、Ａ相出力、Ｂ相出力が可能な機能を維持しつつ、手作業による磁気センサ素子の半田付けを省略することにある。

上記の課題を達成するため、この発明は、Ａ相出力用の第一磁気センサ素子と、前記Ａ相出力と９０度位相の異なるＢ相出力用の第二磁気センサ素子と、前記第一磁気センサ素子及び前記第二磁気センサ素子が取り付けられた基板と、前記基板が固定されたセンサケースと、内外一方の軌道輪に前記センサケースが固定された転がり軸受と、を備える回転センサ付軸受において、前記第一磁気センサ素子と前記第二磁気センサ素子が、前記基板に表面実装されており、前記第一磁気センサ素子の感磁部と、前記第二磁気センサ素子の感磁部とが回転軸方向に並ぶ位置にあり、前記第一磁気センサ素子の感磁部と径方向に並ぶ位置で、前記Ａ相出力に対応する磁界変化を作る第一着磁トラックと、前記第二磁気センサ素子の感磁部と径方向に並び、かつ前記第一着磁トラックと同軸に並ぶ位置で、前記Ｂ相出力に対応する磁界変化を当該第一着磁トラックと別に作る第二着磁トラックとを備えている構成を採用した。ここで、回転軸とは、転がり軸受の軸受中心軸のことをいい、径方向とは、回転軸に垂直な方向のことをいう。

表面実装はチップマウンタを含む自動ラインで実施するため、両磁気センサ素子を基板に表面実装すれば、手作業による磁気センサ素子の半田付けを省略することができる。
特許文献１のように、両磁気センセ素子を円周方向に一定の間隔を設けて配置する場合において、脚付きの素子から表面実装部品に変更するためには、ガラス入りエポキシ樹脂製基板の素子実装面を、着磁トラック表面に対向させる必要がある。両磁気センサ素子を円周方向に一定の間隔を設けて配置するには、磁気センサ素子の感磁部を回転軸中心に向けて配置する必要があるため、ガラス入りエポキシ樹脂製基板を湾曲させるか、それぞれの磁気センサ素子毎に、個別のガラス入りエポキシ樹脂製基板を設けて、両基板間を電線やフレキシブル基板などで電気的に接続する必要がある。
或いは、ガラス入りエポキシ樹脂製基板を、フレキシブル基板に変更し湾曲させることも、この場合、磁気センサ素子の半田付け部に湾曲による応力が発生するため、センサケースへの固定時や使用時に、半田にクラックが発生する心配がある。
一方、第一磁気センサ素子の感磁部と、第二磁気センサ素子の感磁部とが回転軸方向に並ぶ位置にあり、第一磁気センサ素子の感磁部と径方向に並ぶ位置で、Ａ相出力に対応する磁界変化を作る第一着磁トラックと、第二磁気センサ素子の感磁部と径方向に並び、かつ第一着磁トラックと同軸に並ぶ位置で、Ｂ相出力に対応する磁界変化を当該第一着磁トラックと別に作る第二着磁トラックとを備えれば、Ａ相出力とＢ相出力とを得ることができる。この場合、両感磁部及び回転軸を含む平面上で基板が径方向に向くようにセンサケースへ固定するため、両磁気センサ素子を表面実装部品にしても、基板と第一着磁トラック，第二着磁トラック間の距離問題が生じず、径方向ギャップも適切な間隔に設定することができる。

具体的には、前記転がり軸受の内外他方の軌道輪に嵌着された芯金を備えており、前記第一着磁トラック及び前記第二着磁トラックのそれぞれが、前記芯金に固着されたゴム磁石部からなり、前記第一着磁トラックが前記第二着磁トラックに対して円周方向に磁極の１／２だけずれるように着磁されていることが好ましい。ここで、円周方向とは、回転軸回りの円周方向のことをいう。

第一着磁トラックが第二着磁トラックに対して円周方向に磁極の１／２だけずらしておけば、この発明に係る両磁気センサ素子の感磁部及び両着磁トラックの配置において、内外他方の軌道輪と一体に両着磁トラックが円周方向に回転したとき、第一着磁トラックがＡ相出力用の磁界変化を作り、これと別に第二着磁トラックがＢ相出力用の磁界変化を作ることになる。両着磁トラックを芯金に固着するゴム磁石にすれば、両着磁トラック間の磁極位相差及び同軸配置を芯金基準で予め固定することができる。したがって、両着磁トラックを互いに別部品とした場合のように、組み合わせの位置や向きを調整する手間がない。

前記基板にコネクタが表面実装されていれば、電線を基板に手作業で半田付けする作業も省略することができる。

この発明において、両磁気センサ素子等の所要の部品を表面実装した基板をセンサケースに後付けすることができる限り、センサケースの前記軌道輪に対する固定構造は適宜に選択することができる。

例えば、前記センサケースが有端環状に形成されており、前記内外一方の軌道輪が外輪からなり、前記内外一方の軌道輪の内周面に形成された周溝に前記センサケースの凸部を入れ込み、この状態でセンサケースに装着する弾性部材の復元力によって、当該センサケースが当該内外一方の軌道輪に固定される構造を採用することができる。

上述のように、この発明は、上記構成の採用により、回転センサ付軸受の組み立てにおいて、Ａ相出力、Ｂ相出力が可能な機能を維持しつつ、手作業による磁気センサ素子の半田付けを省略することができる。

この発明の実施形態に係る全体構成を示す断面図 同実施形態の正面図 （ａ）は図１の基板アッセンブリの拡大図、（ｂ）は前記（ａ）の正面図、（ｃ）は前記（ａ）の平面図 （ａ）は同実施形態の第一着磁トラックと第二着磁トラックの円周方向一部分の展開図、（ｂ）は同実施形態で得られるＡ相出力とＢ相出力を示す図

この発明の実施形態に係る回転センサ付軸受（以下、「この回転センサ付軸受」と呼ぶ）を添付図面に基いて説明する。図１，図２に示すように、この回転センサ付軸受は、転がり軸受１０に磁気式回転センサ２０が取り付けられたユニットからなる。

転がり軸受１０は、内外の軌道輪１１、１２と、複数の転動体１３と、保持器１４とを有する非分離型のものとなっている。転がり軸受１０に対して静止する部材と、転がり軸受１０の回転軸（軸受中心軸）に同軸の回転中心をもって回転する回転体との間に転がり軸受１０が組み込まれる。内外一方の軌道輪１１は、前記静止する部材に装着される。内外他方の軌道輪１２は、前記回転体と一体回転させられる。図示の軌道輪１１は、外輪からなる。

この回転センサ付軸受は、転がり軸受１０としてシール１５付きの深溝玉軸受を採用したものを例示している。

磁気式回転センサ２０は、Ａ相出力用の第一磁気センサ素子２１と、Ａ相出力と９０度位相の異なるＢ相出力用の第二磁気センサ素子２２と、第一磁気センサ素子２１及び第二磁気センサ素子２２が取り付けられた基板２３と、転がり軸受１０の軌道輪１１に取り付けられたセンサケース２４と、第一着磁トラック２５と、第二着磁トラック２６とからなる。第一着磁トラック２５，第二着磁トラック２６は、それぞれ円周方向に並ぶ磁極からなる。

図１，図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、第一磁気センサ素子２１，第二磁気センサ素子２２は、それぞれ感磁部２１ａ，感磁部２２ａをもった表面実装部品からなる。感磁部２１ａ，感磁部２２ａは、磁界の変化を電気信号の変化に変換する回路部からなる。

基板２３は、表面実装に耐えるものであればよく、例えば、ガラス入りエポキシ樹脂製基板を採用することができる。基板２３に対する第一磁気センサ素子２１等の表面実装は、この回転センサ付軸受の組立工程とは別に実施されたリフロー半田付けによる。リフロー半田付けによる表面実装は、複数の基板アッシを効率良く半田付けすることができる。ここで、「リフロー半田付け」とは、予め基板の半田付け部にペースト状の半田を印刷し、次にチップマウンターなどにより部品を実装した後に、基板を過熱して半田を溶かして接合する方式のことをいう。

第一磁気センサ素子２１と第二磁気センサ素子２２は、基板２３の同一板面に表面実装されている。ここで、感磁部２１ａと感磁部２２ａとが回転軸方向に並ぶ位置にあるように表面実装位置が決定されている。

基板２３の両磁気センサ素子２１，２２と反対側の板面には、コネクタ２７が表面実装されている。コネクタ２７には、接続コネクタ付きのハーネスが接続される。このハーネスを介して、磁気式回転センサ２０と、これを利用する外部機器との間の入出力を実施するようになっている。

第一磁気センサ素子２１，コネクタ２７等を表面実装済みの基板２３が、図１，図２に示すように、センサケース２４に固定されている。センサケース２４には、表面実装済みの基板２３を回転軸方向から挿入する収容口２４ａが形成されている。収容口２４ａの内壁面は、四角形状の基板２３を所定の固定位置へ導き、この固定位置で基板２３の挿入を止め、ここで基板２３を保持するようになっている。表面実装済みの基板２３を収容口２４ａに保持させた後、収容口２４ａを熱硬化性樹脂にて封止することにより、基板２３がセンサケース２４に固定されている。

センサケース２４は、有端環状に形成されている。センサケース２４は、合成樹脂の射出成形によって形成されている。軌道輪１１の内周面に形成された円周方向の周溝１１ａに、センサケース２４の外径を縮径させて凸部２４ｂを入れ込む。次に、縮径させることを止めたセンサケース２４にＣ型の弾性部材２８を装着すると、弾性部材２８の両端面に設けた円弧部分２８ａを起点とした突っ張り力により、センサケース２４が拡径される。これにより、凸部２４ｂが周溝１１ａに固定され、センサケース２４の固定作業が完了するようになっている。なお、センサケース２４の両端部間にゴム製の弾性部材を圧入、固定するようにして、凸部２４ｂを周溝１１ａに固定するようにすることもできる。

磁気式回転センサ２０は、内外他方の軌道輪１２に嵌着された芯金２９を備えている。芯金２９は、軌道輪１２に圧入する嵌合部２９ａと、第一着磁トラック２５及び第二着磁トラック２６を中空に支持する円環状支持部２９ｂとを有する。芯金２９、第一着磁トラック２５及び第二着磁トラック２６は、センサケース２４と協働して、ラビリンスシールを形成している。

第一着磁トラック２５，第二着磁トラック２６は、それぞれ円環状支持部２９ｂに固着されたゴム磁石部からなる。ゴム磁石部は、円周方向に亘って同一の内外径をもち、回転軸方向幅の半分を第一着磁トラック２５、残り半分を第二着磁トラック２６とするように着磁されている。

図４（ａ）に第一着磁トラック２５，第二着磁トラック２６の外径面の展開図を示すように、第一着磁トラック２５及び第二着磁トラック２６は、それぞれ同じ永久磁石構造をもっている。したがって、第一着磁トラック２５が作る磁界自体、第二着磁トラック２６が作る磁界自体は、同様の磁束分布をもつ。ゴム磁石の材質は従来例と同様であるが、回転軸方向に２列の着磁トラック２５，２６となり、相互の着磁トラック２５，２６間においてＮ極及びＳ極の１／２だけ円周方向に位相をずらして、等間隔に多極着磁されている。すなわち、第一着磁トラック２５及び第二着磁トラック２６において、円周方向に隣り合うＮ極間の円周方向間隔（Ｓ極の円周方向幅Ｗｓに相当）、及び円周方向に隣り合うＳ極間の円周方向間隔（Ｎ極の円周方向幅Ｗｎに相当）が同じである（Ｗｓ＝Ｗｎ）。第一着磁トラック２５の各Ｎ極は、回転軸方向に一部重なる第二着磁トラック２６のＮ極に対してＷｎ／２だけずれ、第一着磁トラック２５の各Ｓ極は、回転軸方向に一部重なる第二着磁トラック２６のＳ極に対してＷｓ／２だけずれるように着磁されている。

なお、着磁トラック２５，２６の着磁は、通電コイルを巻回したヨークを、芯金２９に固着された環状の磁性ゴムの表面に対向させた状態で静止させ、芯金２９ごと磁性ゴムを割り出しテーブルにて回転させることにより、着磁極数に対応して割り出しを行うと共に、コイルに流す電流の向きを交互に切り替えることにより、磁性ゴムの表面にＮ極とＳ極を交互に形成する、インデックス着磁方式を採用することができる。この場合、２列の着磁トラック２５，２６の内どちらかのトラックを先に着磁した後に、コイルとヨークからなる着磁ヨークを回転軸方向に移動させて、残りのトラックを同様に着磁することができる。

或いは、予め、トラック間で円周方向に１／２だけ位相をずらした着磁ヨークを製作し、２列の着磁トラック２５，２６を同時に着磁することもできる。この場合、前者に比べて着磁時間が短縮できる。

また、着磁トラック２５，２６の磁極数に対応した総型の着磁ヨークの内側に、磁性ゴムを配置して割り出しを行わずに、一発で着磁する一発着磁方式を採用することもできる。

図示例では、着磁トラック２５，２６を一連のゴム磁石部に形成したが、上記いずれかの方式において、着磁トラック２５，２６間同士の磁界が相互に影響を及ぼす場合、着磁トラック２５，２６の間に磁性体からなる金属製のリングを配置し、このリング両側に別々のゴム磁石部を固着しても良い。

芯金２９を嵌合部２９ａの圧入によって軌道輪１２に嵌着すると、第一着磁トラック２５と第二着磁トラック２６とが、転がり軸受１０の回転軸に同軸で並び、また、感磁部２１ａと第一着磁トラック２５の回転軸方向幅中央とが径方向に並び、感磁部２２ａと第二着磁トラック２６の回転軸方向幅中央とが径方向に並ぶ位置関係に固定される。

図１，図２に例示したように、各着磁トラック２５，２６の回転軸方向位置、回転軸方向幅及び内外径、芯金２９採用時の軌道輪１２に対する芯金固定位置、軌道輪１１に対するセンサケース２４の固定位置、センサケース２４に対する基板２３の固定位置、基板２３の板厚、板形状及び板面積、基板２３に対する磁気センサ素子２１，２２の表面実装位置等は、感磁部２１ａ，２２ａを回転軸方向に結ぶ並び直線及び回転軸を含む平面（図１は、この平面での断面を示す）上で、回転軸に同軸の第一着磁トラック２５，第二着磁トラック２６に対して基板２３の板面を径方向に正対させ、感磁部２１ａと第一着磁トラック２５の磁極を径方向に並べ、感磁部２２ａと第二着磁トラック２６の磁極を径方向に並べ、感磁部２１ａ，２２ａと対応の磁極間で適切かつ同等の径方向ギャップを得ることができるよう、適宜に決定すればよい。

この回転センサ付軸受において、図１に示す軌道輪１２が回転すると、第一着磁トラック２５，第二着磁トラック２６が、それぞれ当該回転運動を別々の磁界変化に変換する。第一着磁トラック２５が作る磁界変化を感磁部２１ａがアナログ電気信号に変換する。同時に、第二着磁トラック２６が作る磁界変化を感磁部２２ａがアナログ電気信号に変換する。第一磁気センサ素子２１，第二磁気センサ素子２２は、それぞれ感磁部２１ａ，感磁部２２ａの電気信号をさらにＡＤ変換処理し、最終的に、第一磁気センサ素子２１は、図４（ｂ）に示すＡ相出力を生成し、図１に示す第二磁気センサ素子２２は、図４（ｂ）に示すＢ相出力を生成する。図４（ａ），（ｂ）中の矢線ＣＷは、軌道輪１２の回転方向に相当する。そのＡ相出力，Ｂ相出力は、１回転における着磁極数に対応した電圧変化となり、回転方向ＣＷにおいて変化する波形となる。図４（ａ）中における１磁極対（円周方向に隣接する１組のＮ極及びＳ極）分の回転量は、図４（ｂ）に示すように、その電圧変化の１周期（high及びlow）の組み合わせに相当し、電気角で３６０度となる。図４（ａ）に示すように、第一着磁トラック２５と第二着磁トラック２６が同じ永久磁石構造をもち、第二着磁トラック２６が第一着磁トラック２５に対して円周方向に磁極の１／２だけずれているので、図１に示すように第一着磁トラック２５，第二着磁トラック２６が感磁部２１ａ，２２ａに対して同軸かつ同じ回転速度で回転し、かつ感磁部２１ａ，２２ａが同じ円周方向及び径方向位置にあるセンシング条件下では、図４（ｂ）に示すように、Ｂ相出力の立ち上がリの後に、Ａ相出力の立ち上がりが９０度遅れる位相差となる。なお、図１に示す軌道輪１２の回転方向が逆方向の場合は、図４（ｂ）において時間軸が矢線ＣＷ方向と逆になることと等価なので、Ａ相出力の立ち上がりの後に、Ｂ相出力の立ち上がりが９０度遅れる位相差となる。

このように、この回転センサ付軸受は、従来と同じく、Ａ相出力及びＢ相出力を得ることができ、これらを利用した回転方向の判別、また、パルスカウントによる回転速度や回転角度の算出が可能である。

また、この回転センサ付軸受は、図１に示す基板２３への第一磁気センサ素子２１，第二磁気センサ素子２２，コネクタ２７等の所要の半田付け作業を、リフロー半田付けにて自動化することにより、回転センサ付軸受の組立工程で、手作業による半田付けを省略することができるため、作業効率が向上する。手作業での半田付けを必要としないため、半田付けの品質バラツキが少なくなり、品質が向上する。手作業での半田付けを必要としないため、熟練者が不要である。この発明の技術的範囲は、上述の各実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載に基く技術的思想の範囲内での全ての変更を含むものである。

１０ 転がり軸受
１１ 軌道輪
１１ａ 周溝
２０ 磁気式回転センサ
２１ 第一磁気センサ素子
２１ａ 感磁部
２２ 第二磁気センサ素子
２２ａ 感磁部
２３ 基板
２４ センサケース
２４ｂ 凸部
２５ 第一着磁トラック
２６ 第二着磁トラック
２７ コネクタ
２８ 弾性部材
２９ 芯金

Claims (4)

1. Ａ相出力用の第一磁気センサ素子（２１）と、
   前記Ａ相出力と９０度位相の異なるＢ相出力用の第二磁気センサ素子（２２）と、
   前記第一磁気センサ素子（２１）及び前記第二磁気センサ素子（２２）が取り付けられた基板（２３）と、
   前記基板（２３）が固定されたセンサケース（２４）と、
   内外一方の軌道輪（１１）に前記センサケース（２４）が固定された転がり軸受（１０）と、
   を備える回転センサ付軸受において、
   前記第一磁気センサ素子（２１）と前記第二磁気センサ素子（２２）が、前記基板（２３）に表面実装されており、
   前記第一磁気センサ素子（２１）の感磁部（２１ａ）と、前記第二磁気センサ素子（２２）の感磁部（２２ａ）とが回転軸方向に並ぶ位置にあり、
   前記第一磁気センサ素子（２１）の感磁部（２１ａ）と径方向に並ぶ位置で、前記Ａ相出力に対応する磁界変化を作る第一着磁トラック（２５）と、
   前記第二磁気センサ素子（２２）の感磁部（２２ａ）と径方向に並び、かつ前記第一着磁トラック（２５）と同軸に並ぶ位置で、前記Ｂ相出力に対応する磁界変化を当該第一着磁トラック（２５）と別に作る第二着磁トラック（２６）とを備えていることを特徴とする回転センサ付軸受。
2. 前記転がり軸受（１０）の内外他方の軌道輪（１２）に嵌着された芯金（２９）を備えており、
   前記第一着磁トラック（２５）及び前記第二着磁トラック（２６）のそれぞれが、前記芯金（２９）に固着されたゴム磁石部からなり、
   前記第一着磁トラック（２５）が前記第二着磁トラック（２６）に対して円周方向に磁極の１／２だけずれるように着磁されている請求項１に記載の回転センサ付軸受。
3. 前記基板（２３）にコネクタ（２７）が表面実装されている請求項１又は２に記載の回転センサ付軸受。
4. 前記センサケース（２４）が有端環状に形成されており、
   前記内外一方の軌道輪（１１）が外輪からなり、
   前記内外一方の軌道輪（１１）の内周面に形成された周溝（１１ａ）に前記センサケース（２４）の凸部（２４ｂ）を入れ込み、この状態でセンサケース（２４）に装着する弾性部材（２８）の復元力によって、当該センサケース（２４）が当該内外一方の軌道輪（１１）に固定される請求項１から３のいずれか１項に記載の回転センサ付軸受。

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