JP4014359B2 - 回転センサ付き軸受およびこれを用いたモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は回転センサ付き軸受およびこれを用いたモータに関し、特に、回転検出機能を必要とする軸を支持する回転センサ付き軸受に関し、特に、汎用モータのように大きな磁界を発生する付近に使用される回転センサ付き軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は従来の回転センサ付き軸受の縦断面図である。図１１において、回転センサ付き軸受は、外輪１と内輪３および転動体２からなる転がり軸受で構成されており、回転側（たとえば内輪３側）にパルサーリング４が芯金５を介して固定され、非回転側（たとえば外輪１側）に磁気センサ８がセンサケース７とセンサケース固定リング６を介して固定されている。このような回転センサ付き軸受は小型かつ組立調整が不要でありさらに堅牢などの特徴を有しており、モータ支持軸受などに利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、大きな磁界を発生するコイルや磁石の磁路内に図１１に示したセンサ付き軸受を組込んだ場合、その外部磁界による漏洩磁束によってセンサ付き軸受の出力が誤動作する場合がある。
【０００４】
たとえば、図１２に示すように、センサ付き軸受をモータに組込んだ場合について説明する。図１２に示した例では、回転軸１２に組込まれたモータロータ１１はフロント側軸受１４と回転センサを組込んだリア軸受１５によってハウジング１３に支持されており、モータステータ１０はハウジング１３に固定されている。モータステータ１０に大きな電流を流す場合には、磁束の流れを無視できなくなり、図１２の矢印で示すようにモータロータ１１から回転軸１２、さらには内輪３，外輪１，ハウジング１３を介してモータステータ１０に戻る磁気ループが発生する。
【０００５】
なお、電流の流れる向きが逆になれば磁気ループは反対向きになる。この際、内輪３と外輪１との間では、転動体２およびリテナ１９を除けば非磁性部分が支配的で磁気抵抗が大きくなるため、磁束が漏洩しやすくなり、この漏洩磁束は磁気センサ８に影響を及ぼし、センサ信号が乱れたり、誤動作する問題があった。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、磁気センサに流れる漏洩磁束のループを遮断して磁気センサへの影響を少なくし得る回転センサ付き軸受およびこれを用いたモータを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る回転センサ付き軸受は、内輪，外輪および内輪と外輪との間に収容される複数の転動体を備え、回転体の回転速度を検出する機能を有する回転センサ付き軸受であって、内輪および外輪のうちのいずれか一方が回転体とともに回転する回転側軌道輪を構成し、他方が固定側軌道輪を構成し、回転側軌道輪の一端部に装着されるパルサーリングと、このパルサーリングに対向して固定側軌道輪に装着され、パルサーリングの回転速度を検出するための磁気センサと、磁性体で形成されて固定側軌道輪に嵌合され、磁気センサをパルサーリングに対向させて固定するセンサ固定リングと、転動体と磁気センサとの間に配設され、内輪と外輪の間に磁気経路を形成するための磁性リングとを備え、センサ固定リングの固定側軌道輪側でかつ磁気センサの近傍には、外部で発生した磁束が磁気センサに漏れるのを抑制するためのスリットが形成されていることを特徴とする。
【０００８】
これにより、漏洩磁束は磁気センサやパルサーリングに与える影響を最小限に留めて、センサ出力波形が乱れたり、誤動作するのを防止することが可能となり、外部漏洩磁束に対して強くすることができる。
【０００９】
また、磁性リングと回転側軌道輪とのエアギャップが０．５ｍｍ以下に選ばれることを特徴とする。
【００１０】
さらに、磁性体で形成されて回転側軌道輪に嵌合され、パルサーリングを保持する芯金を備え、磁性リングと芯金とのエアギャップが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
さらに、磁性体で形成されてセンサ固定リングに嵌合され、センサ固定リングと回転側軌道輪との間に磁気経路を形成するためのリング状の側板を備えたことを特徴とする。
【００１３】
さらに、パルサーリングは磁性粉を混入したエラストマからなる着磁エンコーダからなることを特徴とする。
【００１４】
さらに、着磁エンコーダにおけるエラストマの厚さが２ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１５】
また、この発明に係るモータは、ハウジングと、ハウジングに固定されたステータと、ステータに対向して配置され、回転軸に固定されるロータとを備え、上記回転センサ付き軸受を回転軸の支持に用いたことを特徴とする。
また、この発明に係る他の回転センサ付き軸受は、ハウジングと、ハウジングに固定されたステータと、ステータに対向して配置され、回転軸に固定されるロータとを備えたモータに組み込まれて使用され、内輪，外輪および内輪と外輪との間に収容される複数の転動体を備え、回転軸を回転自在に支持するとともに、回転軸の回転速度を検出する機能を有する回転センサ付き軸受であって、外輪はハウジングに固定され、回転軸は内輪に挿嵌され、内輪のロータ側の一端部に装着されるパルサーリングと、パルサーリングに対向して外輪に装着され、パルサーリングの回転速度を検出するための磁気センサと、磁性体で形成されて外輪に嵌合され、磁気センサをパルサーリングに対向させて固定するセンサ固定リングと、転動体と磁気センサとの間に配設され、内輪と外輪の間に磁気経路を形成するための磁性リングとを備え、センサ固定リングの外輪側でかつ磁気センサの近傍には、ロータで発生した磁束が磁気センサに漏れるのを抑制するためのスリットが形成されていることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態を示す図であり、図１１の外輪１と内輪３と転動体２部分を拡大して示したものである。この図１に示した実施形態の回転センサ付き軸受も外輪１と内輪３および転動体２から構成されている。外輪１の内径面に磁性体からなる磁気バイパス１６が嵌合されており、その先端は内輪３に圧入されたパルサーリング４の芯金５の外径に対して０．５ｍｍ程度の隙間を保っている。
【００１７】
このような磁気バイパス１６を配置することにより、外輪１から内輪３への磁束、つまりモータなどから発生する漏洩磁束は最も磁気抵抗の少ない磁気バイパス１６を流れることになり、磁気センサ８やパルサーリング４部分に与える影響を抑制できる。
【００１８】
また、図示しないが、磁気バイパス１６の先端にシール機能を付加すれば、グリースなどの潤滑剤が封印され、ごみの侵入を防止できる。さらに、シール材の中に磁性材が含まれていれば、さらに磁気抵抗が減少する。
【００１９】
磁気バイパス１６はパルサーリング４にできるだけ近くなるように配置すれば、外部漏洩磁束は磁気センサ８やパルサーリング４を貫通するよりも磁気バイパス１６を流れる方が多くなり、結果として磁気センサ８の出力に対する外部漏洩磁束の影響が減少する。
【００２０】
図２は図１に示した隙間と磁気センサ８の耐漏洩磁束性の関係を磁場解析により求めたものである。図２の結果から、磁気バイパス１６とパルサーリング４との隙間が狭いほど磁気センサ８に与える影響の少ないことがわかる。特に、０．５ｍｍ以下の隙間の場合、耐漏洩磁束に対する寄与度が大きくなることがわかった。
【００２１】
通常、パルサーリング４としてはゴム磁石やプラスチック磁石の円周上に多極着磁された着磁エンコーダが用いられ、磁気センサ８としてはホールセンサやＭＲセンサが用いられる。
【００２２】
図３はこの発明の他の実施形態を示す断面図であり、さらに耐漏洩磁束性を高めたものであり、図４は図３の矢視Ａから見た図である。図３および図４に示した実施形態は、磁気バイパス１６以外に２つの改良を追加したものである。すなわち、その１つは図４に示すように、センサケース７を覆うセンサケース固定リング６の磁気センサ８上部に切欠窓１７を設けて磁気センサ８に洩れる漏洩磁束のループを遮断する。この切欠窓１７は外輪１にできるだけ近い方が効果がある。
【００２３】
図５はこの発明のさらに他の実施形態を示す図であり、図３の矢視Ａから見た図である。この図５に示した実施形態では、２個の磁気センサ８，８を隣接して配置したものである。この場合は、切欠窓１７も長く開けるのが好ましい。
【００２４】
この実施形態の特徴の２つ目は、図３に示すセンサケース固定リング６から内輪３へ流れる磁路を形成する磁性体からなる側板１８を設けて耐漏洩磁束性を向上させている。
【００２５】
図６は図３〜図５に示した実施形態を実験によりその効果を確認したものである。前述の図１２に示したモータコイルに代えて、軸に同心円に巻かれたコイルに直流電流を流し、センサ出力が誤動作するときの電流値とコイル巻数の積（起磁力）で耐漏洩磁束性を評価したものである。図６から明らかなように、磁気バイパス１６，切欠窓１７および側板１８の３つが付加されたセンサ付き軸受が最も耐漏洩磁束性の優れているのがわかる。
【００２６】
図７は図４および図５に示した切欠窓が耐漏洩磁束性にどれだけ寄与するかを示す解析結果である。図７に示したデータでは、側板１８はすべての条件でつけている。磁気バイパス１６を取付けただけのものより、切欠窓をさらに追加した方が耐漏洩磁束性が向上することが解析結果からも明らかである。
【００２７】
図８は磁場解析によりＹ方向の磁束分布を求めた結果を示す図である。この例では、パルサーリング４として着磁ゴムエンコーダを使用し、磁気センサ８としてホールセンサが使用されている。解析結果はエンコーダの着磁方向とは逆向きの漏洩磁束をかけた場合のセンサ付近の磁界変化を表わしている。
【００２８】
図８（ａ）は磁気バイパス１６，切欠窓１７および側板１８の３つの対策を施した場合の解析結果である。パルサーリング４の上方向の磁束が漏洩磁束により押し潰されることなく広がっており、磁気センサ付近の磁束分布は漏洩磁束の影響を受けていないことがわかる。
【００２９】
一方、図８（ｂ）は対策を施さない場合を表わしている。パルサーリング４（着磁ゴム）の磁束が漏洩磁束により押し潰されており、さらにパルサーリング４（着磁ゴム）の磁界とは反対方向の磁界がセンサまで広がっている様子がわかる。
【００３０】
図９はパルサーリング４として着磁ゴムエンコーダを用いた場合のゴム厚の効果を比較をしたものであり、図９（ａ）はゴムが薄く、図９（ｂ）はゴムが厚くなっている例である。通常、ゴム厚は１ｍｍ前後あれば十分な着磁強度が得られ、ゴムを厚くしてもある範囲を超えると、着磁強度が大きくならずに飽和してくる。しかし、ゴムの薄い図９（ａ）の場合、パルサーリング４の芯金５と外輪１との距離が近くなるため、図９（ａ）の矢印のように漏洩磁束が芯金５およびパルサーリング４を経由して外輪１へと通りやすくなる。そこで、図９（ｂ）に示すように、ゴムを厚くすることで芯金５と外輪１との距離を大きくし、漏洩磁束がパルサーリング４に影響を及ぼすことを低減している。
【００３１】
図１０は図９のモデルをもとにゴム厚を代えた場合の耐漏洩磁束性を磁場解析した結果を示す図である。この場合、ゴムの着磁強度がどの場合においても同じとしても、ゴムが厚いほど耐漏洩磁束性が向上することが解析結果からも把握できる。ゴム厚は外輪１と芯金５の磁気抵抗を大きくするものであり、ゴム厚が２ｍｍ以上あれば問題にならない。
【００３２】
なお、磁気バイパス手段は、外輪１側に嵌合する場合について説明したが、外輪１が回転する場合は内輪３側に嵌合するようにしても同様の効果を奏することができる。
【００３３】
上述の各実施形態の回転センサ付き軸受を図１２に示したモータのリア側軸受１５として使用すれば、モータロータ１１から生じる漏洩磁束によってセンサが受ける影響を少なくでき、誤動作を軽減できる。
【００３４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、内輪と外輪の間に磁気経路を形成するための磁性リングを転動体と磁気センサの間に設けることにより、漏洩磁束が磁気センサやパルサーリングに与える影響を最小限に留め、センサ出力波形が乱れたり、誤動作するのを防止することが可能となり、外部漏洩磁束に対して強くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施形態の外輪と内輪と転動体の要部を示す断面図である。
【図２】 図１に示した実施形態における磁気バイパス隙間と耐漏洩磁束特性を示す図である。
【図３】 この発明の他の実施形態の外輪と内輪と転動体の要部を示す断面図である。
【図４】 図３の矢視Ａから見た図である。
【図５】 図４において２つの磁気センサを配置した例を示す図である。
【図６】 磁気バイパスを設けた場合と、磁気バイパスと切欠窓と側板とを設けた場合の耐漏洩磁束特性を示す図である。
【図７】 切欠窓が耐漏洩磁束性にどれだけ寄与するかを表わす解析結果を示す図である。
【図８】 ２次元の磁場解析によりＹ方向の磁束分布を求めた結果を示す図である。
【図９】 パルサーリングとして着磁ゴムエンコーダを用いた場合のゴム厚の効果を比較した例を示す図である。
【図１０】 図９に示したモデルをもとにゴム厚を変えた場合の耐漏洩磁束性を磁場解析した結果を示す図である。
【図１１】 従来の磁気センサ付き回転軸の縦断面図である。
【図１２】 図１１に示した磁気センサ付き回転軸をモータに適用した例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 外輪、２ 転動体、３ 内輪、４ パルサーリング、５ 芯金、６ センサケース固定リング、７ センサケース、８ 磁気センサ、９ シールド板、１０ モータステータ、１１ モータロータ、１２ 回転軸、１３ ハウジング、１４ フロント側軸受、１５ リア側軸受、１６ 磁気バイパス、１７ 切欠窓、１８ 側板、１９ リテナ。

Claims (8)

1. 内輪，外輪および前記内輪と前記外輪との間に収容される複数の転動体を備え、回転体の回転速度を検出する機能を有する回転センサ付き軸受であって、
   前記内輪および前記外輪のうちのいずれか一方が前記回転体とともに回転する回転側軌道輪を構成し、他方が固定側軌道輪を構成し、
   前記回転側軌道輪の一端部に装着されるパルサーリングと、
   前記パルサーリングに対向して前記固定側軌道輪に装着され、前記パルサーリングの回転速度を検出するための磁気センサと、
   磁性体で形成されて前記固定側軌道輪に嵌合され、前記磁気センサを前記パルサーリングに対向させて固定するセンサ固定リングと、
   前記転動体と前記磁気センサとの間に配設され、前記内輪と前記外輪の間に磁気経路を形成するための磁性リングとを備え、
   前記センサ固定リングの前記固定側軌道輪側でかつ前記磁気センサの近傍には、外部で発生した磁束が前記磁気センサに漏れるのを抑制するためのスリットが形成されていることを特徴とする、回転センサ付き軸受。
2. 前記磁性リングと前記回転側軌道輪とのエアギャップが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の回転センサ付き軸受。
3. さらに、磁性体で形成されて前記回転側軌道輪に嵌合され、前記パルサーリングを保持する芯金を備え、
   前記磁性リングと前記芯金とのエアギャップが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の回転センサ付き軸受。
4. さらに、磁性体で形成されて前記センサ固定リングに嵌合され、前記センサ固定リングと前記回転側軌道輪との間に磁気経路を形成するためのリング状の側板を備えたことを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の回転センサ付き軸受。
5. 前記パルサーリングは、磁性粉を混入したエラストマからなる着磁エンコーダからなることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の回転センサ付き軸受。
6. 前記着磁エンコーダにおけるエラストマの厚さが２ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項５に記載の回転センサ付き軸受。
7. ハウジングと、前記ハウジングに固定されたステータと、前記ステータに対向して配置され、回転軸に固定されるロータとを備え、請求項１から請求項６までのいずれかに記載の回転センサ付き軸受を前記回転軸の支持に用いたことを特徴とする、モータ。
8. ハウジングと、前記ハウジングに固定されたステータと、前記ステータに対向して配置され、回転軸に固定されるロータとを備えたモータに組み込まれて使用され、内輪，外輪および前記内輪と前記外輪との間に収容される複数の転動体を備え、前記回転軸を回転自在に支持するとともに、前記回転軸の回転速度を検出する機能を有する回転センサ付き軸受であって、
   前記外輪は前記ハウジングに固定され、前記回転軸は前記内輪に挿嵌され、
   前記内輪の前記ロータ側の一端部に装着されるパルサーリングと、
   前記パルサーリングに対向して前記外輪に装着され、前記パルサーリングの回転速度を検出するための磁気センサと、
   磁性体で形成されて前記外輪に嵌合され、前記磁気センサを前記パルサーリングに対向させて固定するセンサ固定リングと、
   前記転動体と前記磁気センサとの間に配設され、前記内輪と前記外輪の間に磁気経路を形成するための磁性リングとを備え、
   前記センサ固定リングの前記外輪側でかつ前記磁気センサの近傍には、前記ロータで発生した磁束が前記磁気センサに漏れるのを抑制するためのスリットが形成されていることを特徴とする、回転センサ付き軸受。

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