JP2022090471A - 回転センサ付き軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気式回転センサ及び自動調心機能の組み合わせに起因する検出精度の低下を抑制可能な回転センサ付き軸受装置を提供する。【解決手段】軸受本体１４は、外輪２２が、軸受中心Ｃを中心とする円弧状の軌道Ｔに沿って移動する自動調心機能を有する軸受からなる。回転センサ１６は、内輪２０及び外輪２２のうちの一方に固定されて磁気を発する磁気エンコーダ４４と、内輪２０及び外輪２２のうちの他方に固定されて磁気を検出する磁気センサ５２と、を備える。磁気エンコーダ４４及び磁気センサ５２は、内輪２０及び外輪２２の軸が一致する状態にて回転軸１２の径方向に沿って離間配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、回転センサ付き軸受装置に関する。

従来から、回転軸を保持する軸受本体に対して、この回転軸の回転状態を検出する回転センサを一体的に取り付けた回転センサ付き軸受装置が知られている。この回転センサの検出方式の一例として、内輪及び外輪のうちの一方に固定されて磁気を発する磁気発生部と、内輪及び外輪のうちの他方に固定されて磁気を検出する磁気検出部とを離間して配置させ、磁気の検出結果に基づいて回転軸の回転状態を検出する磁気式回転センサが挙げられる（特許文献１，２参照）。

特開２００８－２８６２６６号公報 特開２０１１－１２７６８８号公報

例えば、エレベータ用巻上機を含む大型の機械設備には、高負荷に伴う回転軸の撓みに対処するため、いわゆる自動調心機能（あるいは自動調芯機能）を有する軸受本体が用いられる場合がある。この自動調心機能が発揮される際、内輪及び外輪のうちのいずれか一方の軌道輪（以下、可動軌道輪）が、軸受中心を中心とする円弧状の軌道に沿って移動する。つまり、回転軸が同じ角度位置にあるにもかかわらず、磁気発生部と磁気検出部との間の距離が、可動軌道輪の位置に応じて変化することがあり得る。その結果、回転状態の検出精度が低下するという問題が生じる。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気式回転センサ及び自動調心機能の組み合わせに起因する検出精度の低下を抑制可能な回転センサ付き軸受装置を提供することにある。

本発明の第一態様における回転センサ付き軸受装置は、回転軸を保持する軸受本体と、前記軸受本体に搭載されて前記回転軸の回転状態を検出する回転センサと、を備える装置であって、前記軸受本体は、内輪及び外輪のうちいずれか一方である可動軌道輪が、軸受中心を中心とする円弧状の軌道に沿って移動する自動調心機能を有する軸受からなり、前記回転センサは、前記内輪及び外輪のうちの一方に固定されて磁気を発する磁気発生部と、前記内輪及び外輪のうちの他方に固定されて磁気を検出する磁気検出部と、を備え、前記磁気発生部及び前記磁気検出部は、前記内輪及び外輪の軸が一致する状態にて前記回転軸の径方向に沿って離間配置される。

本発明の第二態様における回転センサ付き軸受装置では、前記回転センサは、前記磁気検出部が正面側に固定される基板と、前記基板の背面側に設けられてバイアス磁気を発するバイアス磁石と、をさらに備える。

本発明の第三態様における回転センサ付き軸受装置では、前記磁気発生部及び前記磁気検出部のうちの一方は、前記軸受本体の軸方向に対して平行に配置され、前記磁気発生部及び前記磁気検出部のうちの他方は、前記軸受本体の軸方向に対して、前記円弧状の軌道に沿う方向に傾斜して配置される。

本発明の第四態様における回転センサ付き軸受装置では、前記回転軸は、エレベータ用巻上機の出力軸である。

本発明によれば、磁気式回転センサ及び自動調心機能の組み合わせに起因する検出精度の低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態における回転センサ付き軸受装置の断面図である。 図１に示す領域Ａの部分拡大図である。 図２における回転センサの配置関係による作用効果を示す模式図である。 別の例における回転センサの配置関係を示す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

［軸受装置１０の構成］
図１は、本発明の一実施形態における回転センサ付き軸受装置（以下、単に「軸受装置１０」ともいう）の断面図である。図２は、図１に示す領域Ａの部分拡大図である。

図１に示すように、軸受装置１０は、自動調心機能を有するとともに回転軸１２を保持する軸受本体１４と、軸受本体１４に搭載される回転センサ１６と、から基本的に構成される。この軸受装置１０は、回転軸１２の撓みや、組み付け位置のずれが生じやすい装置、具体的には、エレベータ用巻上機を含む大型の機械設備に適している。

軸受本体１４は、いわゆる複列自動調心ころ軸受である。具体的には、軸受本体１４は、回転軸１２を保持する内輪２０と、内輪２０よりも径が大きい外輪２２と、複数の転動体２４と、二つの保持器２６ａ，２６ｂと、ハウジング２８と、オイルシール３０と、を備える。ここでは、転動体２４の個数が、２Ｎ（Ｎ≧２）であるとする。

２Ｎ個の転動体２４は、軸受本体１４の軸方向に二列に並んで設けられる。２Ｎ個のうちの半分（Ｎ個）の転動体２４は、軸受本体１４の周方向に沿って略等間隔に配置された状態にて、一方の保持器２６ａにより保持される。２Ｎ個のうちの残り半分（Ｎ個）の転動体２４は、軸受本体１４の周方向に沿って略等間隔に配置された状態にて、他方の保持器２６ｂにより保持される。

各々の転動体２４は、概略樽形状を有し、内輪２０及び外輪２２の間にて転動可能に設けられる。具体的には、転動体２４の外周面は、内輪２０が有する軌道面２１と、外輪２２が有する軌道面２３との間で転がり接触を行う。軸受本体１４が外輪回転方式の軸受である場合、内輪２０がハウジング２８などに固定されたまま、外輪２２が回転軸１２と一体となって回転する。

ここでは、外輪２２が、自動調心機能の可動軌道輪として機能する。この場合、曲率中心が軸受中心Ｃと一致するように球状の軌道面２３が形成されるとともに、外輪２２が内輪２０に対して軌道面２３に沿って円弧状の軌道に沿って移動可能に構成される。なお、基準位置Ｂは、外輪２２の可動域の中立点を示している。つまり、外輪２２が基準位置Ｂにある場合、内輪２０及び外輪２２の両方の軸が完全に一致する。

オイルシール３０は、転動体２４が移動する際の摩擦力を低減するための潤滑油の漏出を阻止する概略環状の部材である。オイルシール３０は、保持器２６ａの位置に対して軸方向外側に、内輪２０及び外輪２２を架け渡すように設けられる。一方、保持器２６ｂの対応する位置（つまり、内輪２０と外輪２２との隙間）には、オイルシールの代わりに回転センサ１６が取り付けられる。

図２に示すように、回転センサ１６は、外輪２２に固定される第一センサ部４０と、内輪２０に固定される第二センサ部５０と、から構成される。この回転センサ１６は、内輪２０と外輪２２の間の相対移動に伴う磁気の変化を捉えて、回転軸１２の回転状態（例えば、角度位置、回転速度、回転方向など）を検出する。

第一センサ部４０は、シール基材４２と一体的に設けられる磁気エンコーダ４４から構成される。外輪２２の軌道面２３にシール基材４２を環状に貼り付けることで、第一センサ部４０が外輪２２に固定される。

磁気エンコーダ４４は、回転軸１２の角度位置に相関する磁気を発する「磁気発生部」として機能する。磁気エンコーダ４４は、それぞれ多極着磁された二枚の磁性ゴム４５，４６が積層されてなる。磁性ゴム４５，４６の着磁ピッチを僅かにずらすことで、回転軸１２の絶対的な角度位置を特定することができる。

これに対して、第二センサ部５０は、磁気センサ５２と、基板５４と、バイアス磁石５６と、ケーブル５８と、ホルダ６０と、ブラケット６２と、を含んで構成される。

磁気センサ５２は、磁気エンコーダ４４による磁気を検出する「磁気検出部」として機能する。磁気センサ５２は、例えば、磁気の時間変化を示す磁気パターンを検出するホール素子が組み込まれた集積回路である。図２から理解されるように、磁気エンコーダ４４及び磁気センサ５２は、回転軸１２（あるいは、軸受本体１４）の径方向に沿って離間して配置される。なお、「径方向に沿って」とは、径方向に一致する場合のみならず、径方向に対して所定の許容範囲内（概ね、±２０度以内）で傾斜する場合が含まれる。

基板５４は、磁気センサ５２から出力される電気信号を処理する電子回路基板である。基板５４の正面側には、磁気センサ５２や図示しない電子部品が設けられる。基板５４の背面側には、ケーブル５８を接続するためのコネクタ５５と、磁気バイアスを発するバイアス磁石５６と、が設けられる。例えば、バイアス磁石５６は、平面視にて磁気センサ５２と少なくとも部分的に重なる位置に配置される。

ケーブル５８は、基板５４のコネクタ５５に接続され、軸受本体１４の軸方向に沿って延びるように配線される。これにより、基板５４にはケーブル５８を通じて駆動電力が供給されるとともに。基板５４は、ケーブル５８を通じて、磁気センサ５２により検出された回転軸１２の回転状態を示す電気信号を出力する。

基板５４及びケーブル５８は、概略直方体状のホルダ６０により保持される。ホルダ６０は、断面が概略Ｃ字状である環状のブラケット６２の内側に取り付けられる。これにより、第二センサ部５０は、ブラケット６２を介して、内輪２０の軌道面２１の外縁に固定される。

［軸受装置１０の動作］
この実施形態における軸受装置１０は、以上のように構成される。続いて、この軸受装置１０の動作について、図１～図４を参照しながら説明する。

図１及び図２に示すように、ハウジング２８の回転運動に伴って、回転センサ１６の第一センサ部４０は、外輪２２と一体となって回転を行う。一方、回転センサ１６の第二センサ部５０は、内輪２０に固定されているので回転を行わない。そこで、回転センサ１６は、磁気を利用して、第一センサ部４０と第二センサ部５０の間の相対的位置関係の変化を捉え、回転軸１２の回転状態を検出する。一方、この回転運動中に回転軸１２が撓むことで軸受本体１４が自動調心機能を発揮する場合、外輪２２は、基準位置Ｂから円弧状の軌道Ｔに沿って移動する。

図３は、図２における回転センサ１６の配置関係による作用効果を示す模式図である。説明の便宜上、本図では、図２と比べて、磁気エンコーダ４４及び磁気センサ５２の位置関係を誇張して表記している。

軌道Ｔは、磁気エンコーダ４４が外輪２２と一体的に移動する円弧状の軌道である。点Ｐは、外輪２２が基準位置Ｂにある場合における磁気エンコーダ４４の位置である。点Ｑは、外輪２２が角度Δθだけ移動した場合における磁気エンコーダ４４の位置である。Ｒは、軌道面２３の曲率半径である。Ｄは、点Ｐに位置する磁気エンコーダ４４と、磁気センサ５２の間の距離である。

幾何学的考察により、点ＰＱ間の距離が２Ｒ・ｓｉｎ（Δθ／２）、点ＰＱ間における径方向の変位がＲ・（１－ｃｏｓΔθ）とそれぞれ算出される。ここで、磁気エンコーダ４４及び磁気センサ５２が径方向に離間配置されるので、外輪２２の移動に起因する距離Ｄの変化量がより小さくなる。これにより、外輪２２が円弧状の軌道Ｔに沿って移動する場合であっても、回転センサ１６による磁気の検出結果と角度位置との間の関係性が保たれやすくなる。

図４は、別の例における回転センサ１６の配置関係を示す模式図である。ここでは、磁気センサ５２は、軸方向に対して外側にφだけ傾斜するように配置される。傾斜角度φは、例えば、点ＰＱ間の距離（Ｄ）が略等しくなるように設定される。このように構成することで、軌道Ｔ上の特定の区間における距離Ｄの変化量がさらに小さくなる。

一般的に言えば、外輪２２は、基準位置Ｂを移動中心として、軸方向の前方向又は後方向に略同じ頻度で移動すると考えられる。この場合、図３に示す配置関係を採用することが効果的である。ところが、軸受装置１０の組み付け状態や使用状況によっては、外輪２２の移動中心が基準位置Ｂからずれる可能性がある。この場合、図４に示す配置関係を採用することが効果的である。

なお、図４では、磁気センサ５２が、軸方向に対して外側にφだけ傾斜するように配置されるが、これとは逆の関係であってもよい。具体的には、磁気エンコーダ４４が、軸方向に対して外側にφだけ傾斜するように配置されてもよい。この構成によっても、軌道Ｔ上の特定の区間における距離Ｄの変化量がさらに小さくなる。

あるいは、磁気エンコーダ４４及び磁気センサ５２の両方が、軸方向に対して傾斜するように配置されてもよい。この場合、磁気エンコーダ４４は、磁気センサ５２と平行（つまり、同じ傾斜角）であってもよいし、非平行（つまり、異なる傾斜角）であってもよい。特に、平行である場合、軌道Ｔ上の特定の点Ｑにおける距離Ｄの変化量がさらに小さくなる。

［実施形態のまとめ］
以上のように、軸受装置１０は、回転軸１２を保持する軸受本体１４と、軸受本体１４に搭載されて回転軸１２の回転状態を検出する回転センサ１６と、を備える。軸受本体１４は、内輪２０及び外輪２２のうちのいずれか一方である可動軌道輪（ここでは、外輪２２）が、軸受中心Ｃを中心とする円弧状の軌道Ｔに沿って移動する自動調心機能を有する軸受からなる。回転センサ１６は、内輪２０及び外輪２２のうちの一方に固定されて磁気を発する磁気発生部（ここでは、磁気エンコーダ４４）と、内輪２０及び外輪２２のうちの他方に固定されて磁気を検出する磁気検出部（ここでは、磁気センサ５２）と、を備える。磁気エンコーダ４４及び磁気センサ５２は、内輪２０及び外輪２２の軸が一致する状態（つまり、基準位置Ｂ）にて軸受本体１４の径方向に沿って離間配置される。

このように、磁気エンコーダ４４及び磁気センサ５２が径方向、すなわち、円弧状の軌道Ｔに略直交する方向に離間配置されるので、外輪２２の移動に起因する距離Ｄの変化量がより小さくなる。そうすると、外輪２２が軌道Ｔに沿って移動する場合であっても、回転センサ１６による磁気の検出結果と角度位置との間の関係性が保たれやすくなる。つまり、磁気式回転センサ及び自動調心機能の組み合わせに起因する検出精度の低下を抑制することができる。

また、回転センサ１６は、磁気センサ５２が正面側に設けられる基板５４と、基板５４の背面側に設けられてバイアス磁気を発するバイアス磁石５６と、をさらに備えてもよい。これにより、外輪２２の移動に伴い、磁気エンコーダ４４と磁気センサ５２の間の距離Ｄが長くなった場合であっても、バイアス磁気の付加によって磁気の変化が検出されやすくなる。

また、磁気エンコーダ４４及び磁気センサ５２のうちの一方（磁気エンコーダ４４）は、回転軸１２の軸方向に対して平行に配置されるとともに、他方（磁気センサ５２）は、回転軸１２の軸方向に対して、円弧状の軌道Ｔに沿う方向に傾斜して配置されてもよい。これにより、軌道Ｔ上の特定の区間における距離Ｄの変化量を小さくすることができる。

また、回転軸１２は、エレベータ用巻上機の出力軸であってもよい。エレベータ用巻上機の動作中に、ラジアル荷重により回転軸１２の撓みが発生しやすくなるので、自動調心機能が発揮される頻度が高くなる。その分だけ、検出精度の低下抑制効果がより顕著に現われる。

［変形例］
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。あるいは、技術的に矛盾が生じない範囲で各々の構成を任意に組み合わせてもよい。

上記した実施形態では、軸受本体１４が複列自動調心ころ軸受である場合について説明したが、自動調心機能を発揮可能である限り、様々な軸受の構造が採用され得る。例えば、図１に示す軸受本体１４は外輪回転方式の軸受であるが、これに代えて、内輪回転方式の軸受であってもよい。また、自動調心機能の可動軌道輪は、外輪２２あるいは内輪２０のいずれであってもよい。

上記した実施形態では、回転センサ１６の第一センサ部４０が外輪２２に、第二センサ部５０が内輪２０にそれぞれ固定される場合について説明したが、回転センサの配置関係はその逆であってもよい。具体的には、軸受本体１４は、第一センサ部４０を内輪２０に、第二センサ部５０を外輪２２にそれぞれ固定するように構成されてもよい。

上記した実施形態では、磁気エンコーダ４４が二枚の磁性ゴム４５，４６から構成される場合について説明したが、磁気エンコーダの構成はこれに限られない。例えば、磁気エンコーダは、一枚の磁性ゴムのみで構成されてもよいし、歯車状の珪素鋼板で構成されてもよい。

上記した実施形態では特に言及していないが、回転センサ１６には、必要に応じて、潤滑油の漏出を阻止するシール機構が設けられてもよい。この場合、シール機構は、［１］自動調心により可動軌道輪が移動しても密封性を保てるようなリップ形状の接触ゴムシールや、［２］トルクを抑えるためにラビリンス構造を有した非接触ゴムシール又はシールド、を含む様々な構成を採用し得る。

１０‥軸受装置（回転センサ付き軸受装置）、１２‥回転軸、１４‥軸受本体、１６‥回転センサ、２０‥内輪、２２‥外輪（可動軌道輪）、２４‥転動体、４４‥磁気エンコーダ（磁気発生部）、５２‥磁気センサ（磁気検出部）、Ｂ‥基準位置、Ｃ‥軸受中心、Ｔ‥円弧状の軌道

Claims (4)

1. 回転軸を保持する軸受本体と、前記軸受本体に搭載されて前記回転軸の回転状態を検出する回転センサと、を備える回転センサ付き軸受装置であって、
   前記軸受本体は、内輪及び外輪のうちのいずれか一方である可動軌道輪が、軸受中心を中心とする円弧状の軌道に沿って移動する自動調心機能を有する軸受からなり、
   前記回転センサは、
   前記内輪及び外輪のうちの一方に固定されて磁気を発する磁気発生部と、
   前記内輪及び外輪のうちの他方に固定されて磁気を検出する磁気検出部と、
   を備え、
   前記磁気発生部及び前記磁気検出部は、前記内輪及び外輪の軸が一致する状態にて前記回転軸の径方向に沿って離間配置される、回転センサ付き軸受装置。
2. 前記回転センサは、
   前記磁気検出部が正面側に固定される基板と、
   前記基板の背面側に設けられてバイアス磁気を発するバイアス磁石と、
   をさらに備える、
   請求項１に記載の回転センサ付き軸受装置。
3. 前記磁気発生部及び前記磁気検出部のうちの一方は、前記回転軸の軸方向に対して平行に配置され、
   前記磁気発生部及び前記磁気検出部のうちの他方は、前記回転軸の軸方向に対して、前記円弧状の軌道に沿う方向に傾斜して配置される、
   請求項１又は２に記載の回転センサ付き軸受装置。
4. 前記回転軸は、エレベータ用巻上機の出力軸である、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の回転センサ付き軸受装置。
   
   

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