JP4217423B2

JP4217423B2 - Rotation position detector for bearings

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Publication number: JP4217423B2
Application number: JP2002131891A
Authority: JP
Inventors: 忠敏後藤; 宏坂本; 秀一田中
Original assignee: Amiteq Co Ltd
Current assignee: Amiteq Co Ltd
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: JP2003322547A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、転がり式の軸受における回転位置検出装置に関し、換言すれば回転位置検出機能を一体的に具えた軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸受が適用される回転軸においては、回転位置の検出や制御等のために位置検出装置が適用されることが多い。そのような場合、軸受とは別途に回転位置検出装置を装着するのではなく、軸受そのものに位置検出装置が組み込まれていれば、使い勝手がよく、便利であり、また、コストの削減にもつながる。この種の回転位置検出装置を具備する軸受として従来知られたものには、永久磁石と磁気抵抗素子とを組み合わせたものがある。しかし、それでは、単なるインクリメンタルパルス発生器としての検出機能しかもたず、検出分解能に劣る。また、コスト高でもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上述の点に鑑みてなされたもので、転がり式の軸受において一体的に配置するのに適した簡易な構成の回転位置検出装置を提供しようとするものであり、また、簡易な構成でありながら、インクリメンタルパルス発生方式に比べて検出分解能も格段に優れた回転位置検出装置を提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の観点に従う回転位置検出装置は、リテーナにより所定間隔で保持された複数個の転動体を内輪と外輪との間に配置してなる転がり式の軸受において、前記リテーナに保持された前記転動体の転動軌跡がなす円周に沿い所定の間隔で複数の交流励磁極を配置してなるステータ部を具備し、前記複数個の転動体は、磁気応答性材質からなる第１グループと、磁気に応答しない材質からなる第２グループとを含み、前記リテーナと共に該転動体が前記円周に沿い転動するのに伴い、前記各交流励磁極に対する前記転動体の位置が変化し、この位置変化に応じたインピーダンス変化を示す出力信号を前記交流励磁極に配したコイルにより取り出すことを特徴とする。
【０００５】
内輪を軸受対象軸に固定し、外輪を機械のフレーム等の静止体に固定した場合、対象軸の回転に伴って内輪が回転し、外輪は常時静止している。そのとき、リテーナに保持された転動体（例えばボール）は、リテーナと共に、内輪の回転方向とは逆方向に減速されて回転する。この減速比は軸受の設計により適宜定まる。こうして、リテーナ及び転動体の回転位置は、内輪に固定された対象軸の回転位置に対して所定の相関性を示すので、リテーナ及び転動体の回転位置を検出することで対象軸の回転位置を検出することができる。上記第１の観点によれば、軸受の転動体の変位を検出する構成であるため、簡易な構成からなり、製造コストも安価で済む。また、転動体の位置変化に応じたインピーダンス変化を示す出力信号に基づき回転位置を検出する構成であるため、高い検出分解能でアブソリュート位置検出することも可能である。
【０００６】
また、前記複数個の転動体は、磁気応答性材質からなる連続する第１グループと、磁気に応答しない材質からなる第２グループとを含む構成からなっているため、それぞれのグループが磁気応答性材質の転動体の集合体及びで非磁気応答性材質の転動体の集合体で構成されることとなり、磁性／非磁性の出現サイクルを適宜に調整できる（例えば１回転につき１サイクルとするなど）。
【０００８】
この発明の第２の観点に従う回転位置検出装置は、リテーナに保持された複数個の転動体を内輪と外輪との間に配置してなる転がり式の軸受において、前記リテーナの移動軌跡がなす円周に沿い所定の間隔で複数の交流励磁極を配置してなるステータ部を具備し、前記リテーナには、その移動軌跡がなす円周に対して偏りを示すカム形状の磁気応答性カム部が形成されてなり、前記リテーナが前記円周に沿い移動するのに伴い、前記各交流励磁極に対する磁気応答性カム部の位置が変化し、この位置変化に応じたインピーダンス変化を示す出力信号を前記交流励磁極に配したコイルにより取り出すことを特徴とする。これにより、リテーナに設けた磁気応答性カム部の回転がステータ部によって検出され、これに応じて、軸受される対象軸の回転位置を検出することができる。この場合も、簡易な構成からなり、製造コストも安価で済む。また、位置変化に応じたインピーダンス変化を示す出力信号に基づき回転位置を検出する構成であるため、高い検出分解能でアブソリュート位置検出することも可能である。
【０００９】
この発明の第３の観点に従う回転位置検出装置は、リテーナに保持された複数個の転動体を内輪と外輪との間に配置してなる転がり式の軸受において、前記外輪及び内輪の一方に固定されていて、その円周に沿い所定の間隔で複数の交流励磁極を配置してなる第１ステータ部と、前記外輪又は内輪の他方に固定されていて、その円周に対して偏りを示すカム形状からなる第１磁気応答性カム部とで構成される第１検出部を具備し、前記外輪に対する内輪の相対的回転に伴い、前記第１ステータ部の各交流励磁極に対する前記第１磁気応答性カム部の位置が変化し、この位置変化に応じたインピーダンス変化を示す出力信号を前記第１ステータ部の交流励磁極に配したコイルにより取り出し、一方、前記リテーナの移動軌跡がなす円周に沿い所定の間隔で複数の交流励磁極を配置してなる第２ステータ部と、前記リテーナに配置された第２磁気応答性カム部とで構成される第２検出部を更に具備し、前記リテーナが前記円周に沿い移動するのに伴い、前記第２ステータ部の各交流励磁極に対する前記第２磁気応答性カム部の位置が変化し、この位置変化に応じたインピーダンス変化を示す出力信号を前記第２ステータ部の交流励磁極に配したコイルにより取り出すことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明しよう。
図１は本発明の第１の実施例を示すもので、（ａ）は軸方向断面略図、（ｂ）は正面略図である。図１において、軸受１０は、リテーナ（図示せず）により所定間隔で保持された複数個（図示例では７個）のボール（転動体）１１を内輪（インナーレース）１２と外輪（アウターレース）１３との間に配置してなる転がり式の軸受からなる。便宜上、リテーナの図示を省略したが、リテーナそれ自体は既存の軸受（ボールベアリング）で用いられるものを適宜用いてよい。図示例では、軸受する対象軸５０が内輪１２に結合され、軸５０の回転に伴って内輪１２が回転する。外輪１３は機械のフレーム等に固定され、静止する。
【００１１】
位置検出器のステータ部１は、外輪１３に対して固定され、静止する。このステータ部１は、リテーナに保持されたボール１１の転動軌跡がなす円周（つまりリテーナの回転軌跡）に沿い所定の間隔で複数の交流励磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを配置してなる。この例では、各交流励磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、磁性体コア１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄと、該磁性体コアに巻回されたコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４とで構成され、各コイルＬ１〜Ｌ４が所定の交流信号（例えばｓｉｎωｔ）で励磁される。
軸受１０に内蔵されたボール（転動体）１１は、通常知られるような鋼球からなるもので、磁性体つまり磁気応答性材質からなる。リテーナと共に該ボール１１が円周に沿い転動するのに伴い、ステータ部１の各交流励磁極Ａ〜Ｄに対するボール１１の位置が変化し、この位置変化に応じたインピーダンス変化を示す出力信号が各交流励磁極Ａ〜Ｄに配したコイルＬ１〜Ｌ４により取り出すことができる。
【００１２】
ステータ部１における各交流励磁極Ａ〜Ｄの配置は、図１（ｂ）に示すように、対象軸５０の回転に応じて変位するボール１１に対する対応関係が各極Ａ〜Ｄ間で異なる機械的位相を示すように設定されている。例えば、ボール１１の変位（これを便宜上「θ」とする）に対する極Ａのインピーダンス変化がサイン関数特性ｓｉｎθを示すように設定し、極Ｂのインピーダンス変化がコサイン関数特性ｃｏｓθを示すように設定し、極Ｃのインピーダンス変化がマイナスサイン関数特性−ｓｉｎθを示すように設定し、極Ｄのインピーダンス変化がマイナスコサイン関数特性−ｃｏｓθを示すように設定する。よって、リテーナに保持されたボール１１の数つまり複数のボール１１の間隔に応じて、ステータ部１の各交流励磁極Ａ〜Ｄのインピーダンス特性が所定の特性を示すように、該各交流励磁極Ａ〜Ｄの配置が定められる。なお、この場合、各極Ａ〜Ｄのインピーダンス変化の位相角θが０度〜３６０度の１サイクルの変化を示す機械変位が、隣合うボール１１の間隔に対応する。例えば、図示のように軸受１０が７個のボール１１を含む場合、隣合うボール１１の間隔は、３６０度を７分割した機械角に相当し、各極Ａ〜Ｄのインピーダンス変化の位相角θが０度〜３６０度の１サイクルの変化を示す機械変位は、「３６０度／７」に相当する。なお、対象軸５０の回転に対してリテーナの回転つまりボール１１の転動は、逆方向かつ減速されている。よって、θは、対象軸５０の回転角を直接示すものではないが、対象軸５０の回転位置に所定の関係で対応しているものであり、このθを測定することで対象軸５０の回転位置を検出することができる。
【００１３】
ここで、コイルＬ１に生じる理想的なサイン関数特性のインピーダンス変化Ａ（θ）を示すと、
Ａ（θ）＝Ｐ₀＋Ｐｓｉｎθ
のような式で等価的に表せる。インピーダンス変化は負の領域に入らないため、上記式で、オフセット値Ｐ₀は振幅係数Ｐよりも大きく（Ｐ₀≧Ｐ）、「Ｐ₀＋Ｐｓｉｎθ」は負の値をとらない。これに対して、コイルＬ１のインピーダンス変化に対して差動特性を示すコイルＬ３に生じる理想的なマイナスサイン関数特性のインピーダンス変化Ｃ（θ）は、
Ｃ（θ）＝Ｐ₀−Ｐｓｉｎθ
のような式で等価的に表せる。
一方、コイルＬ２に生じる理想的なコサイン関数特性のインピーダンス変化Ｂ（θ）は、
Ｂ（θ）＝Ｐ₀＋Ｐｃｏｓθ
のような式で等価的に表せる。
更に、コイルＬ２のインピーダンス変化に対して差動的な変化を示すコイルＬ４に生じる理想的なマイナスコサイン関数特性のインピーダンス変化Ｄ（θ）は、
Ｄ（θ）＝Ｐ₀−Ｐｃｏｓθ
のような式で等価的に表せる。
なお、Ｐは１とみなして省略しても説明上不都合はないので、以下の説明ではこれを省略する。
【００１４】
図２は、図１に示された回転位置検出装置に適用可能な電気回路例を示す。なお、この回路構成は、図１に示された第１の実施例の構造を持つ軸受の回転位置検出装置に限らず、他の実施例に係る構造を持つ本発明の回転位置検出装置のどれにおいても適用可能である。図２において、各コイルＬ１〜Ｌ４は可変インダクタンス要素として等価的に示されている。各コイルＬ１〜Ｌ４は、交流源３０から与えられる所定の交流信号（便宜上、これをＥｓｉｎωｔで示す）によって１相で定電圧励磁される。各コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄは、下記のように、検出対象たる回転位置に対応する角度変数θに応じた上記各コイルＬ１〜Ｌ４毎のインピーダンス値に応じた大きさを示す。
Ｖａ＝（Ｐ₀＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｂ＝（Ｐ₀＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｃ＝（Ｐ₀−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
Ｖｄ＝（Ｐ₀−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
【００１５】
演算器３１は、下記のように、ステータ極ＡのコイルＬ１の出力電圧Ｖａと、それに対して差動変化するステータ極ＣのコイルＬ３の出力電圧Ｖｃとの差を求め、角度変数θのサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。
Ｖａ−Ｖｃ＝（Ｐ₀＋ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ−（Ｐ₀−ｓｉｎθ）ｓｉｎωｔ
＝２ｓｉｎθｓｉｎωｔ
演算器３２は、下記のように、ステータ極ＢのコイルＬ２の出力電圧Ｖｂと、それに対して差動変化するステータ極ＤのコイルＬ４の出力電圧Ｖｄとの差を求め、角度変数θのコサイン関数特性の振幅係数を持つ交流出力信号を生成する。Ｖｂ−Ｖｄ＝（Ｐ₀＋ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ−（Ｐ₀−ｃｏｓθ）ｓｉｎωｔ
＝２ｃｏｓθｓｉｎωｔ
【００１６】
こうして、検出対象たる回転位置に相関する角度変数θを含む２つの周期的振幅関数（ｓｉｎθとｃｏｓθ）によってそれぞれ振幅変調された２つの交流出力信号「２ｓｉｎθｓｉｎωｔ」と「２ｃｏｓθｓｉｎωｔ」が得られる（以下、係数の「２」は省略する。）。これは、従来からレゾルバとして知られた検出器のサイン相出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びコサイン相出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔと同等のものである。なお、サイン相及びコサイン相という呼び名、及び２つの交流出力信号の振幅関数のサイン、コサインの表わし方は便宜的なものであり、一方がサインで他方がコサインでありさえすれば、どちらをサインと言ってもよい。すなわち、Ｖａ−Ｖｃ＝ｃｏｓθｓｉｎωｔで、Ｖｂ−Ｖｄ＝ｓｉｎθｓｉｎωｔである、と表現してもよい。
【００１７】
ここで、温度ドリフト特性の補償について説明すると、温度に応じて各コイルＬ１〜Ｌ４のインピーダンスが変化し、その出力電圧Ｖａ〜Ｖｄも変動する。しかし、これらを演算合成したサイン及びコサイン関数特性の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔにおいては、「Ｖａ−Ｖｃ」及び「Ｖｂ−Ｖｄ」の演算によって、コイルの温度ドリフト誤差が完全に補償されるので、温度ドリフトによるコイルインピーダンス変化の影響を受けないものとなる。従って、精度のよい検出が可能である。
【００１８】
本実施例においては、演算器３１、３２から出力される２つの交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔ及びｃｏｓθｓｉｎωｔに基づき、位相検出方式と電圧検出方式のどちらでも回転位置検出を行うことができる。この場合の位相検出方式としては、例えば本出願人の出願に係る特開平９−１２６８０９号公報に示された技術を用いて構成するとよい。例えば、一方の交流出力信号ｓｉｎθｓｉｎωｔをシフト回路３３で電気的に９０度シフトすることで、交流信号ｓｉｎθｃｏｓωｔを生成し、これと他方の交流出力信号ｃｏｓθｓｉｎωｔを加算器３４及び引算器３５で加算合成及び減算合成することで、ｓｉｎ（ωｔ＋θ）およびｓｉｎ（ωｔ−θ）なる、θに応じて進相および遅相方向に位相シフトされた２つの交流信号（位相成分θを交流位相ずれに変換した信号）を生成する。そして、位相シフトされた交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）およびｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロスをコンパレータ３６．３７で検出し、進相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ＋θ）のゼロクロス検出パルスＬｐと、遅相の検出交流信号ｓｉｎ（ωｔ−θ）のゼロクロス検出パルスＬｍとを生成して、ディジタル処理装置４０に入力する。ディジタル処理装置４０では、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から進相のゼロクロス検出パルスＬｐの発生時点までの時間差を計測することで、進相の位相ずれ量＋θをディジタル検出し、基準信号ｓｉｎωｔのゼロ位相時点から遅相のゼロクロス検出パルスＬｍの発生時点までの時間差を計測することで、遅相の位相ずれ量−θをディジタル検出する。温度ドリフトやその他の誤差要因による誤差±δは、進相の位相ずれ量＋θにも遅相の位相ずれ量−θにも同方向・同量で含まれるので、ディジタル処理装置４０において、更に、進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θ同士を加算又は減算することを含む所定の演算を行うことで、誤差±δを除去した正確な位相検出データθを得ることができる。ディジタル処理装置４０としては、例えば汎用のマイクロコンピュータを用いることができる。このような進相及び遅相の位相検出値＋θ，−θを用いた補償演算によって、コイルの出力を差動演算することで除去しきれなかった温度ドリフト誤差成分を完全に除去することができる。また、位相ずれ量θをディジタル計測する構成であるため、高い検出分解能でアブソリュート回転位置を検出することができる。勿論、ディジタル検出に限らずアナログ検出も可能である。
なお、図２に示したような検出用の回路の全部又は一部を図１に示されたステータ部１のケーシング内に組み込んで配置するようにしてもよい。あるいは、検出用の回路の全部又は一部をステータ部１から適宜葉なれた箇所に配置、必要な配線で接続するようにしてもよい。
【００１９】
図３は本発明の第２の実施例を示すもので、（ａ）は軸方向断面略図、（ｂ）は正面略図である。図３において、軸受２０は、リテーナ（図示せず）により所定間隔で保持された複数個（図示例では７個）のボール（転動体）１１，１４を内輪１２と外輪１３との間に配置してなる転がり式の軸受からなる。前述と同様、便宜上、リテーナの図示を省略したが、リテーナそれ自体は既存の軸受（ボールベアリング）で用いられるものを適宜用いてよい。図示例では、軸受する対象軸５０が内輪１２に結合され、軸５０の回転に伴って内輪１２が回転する。外輪１３は機械のフレーム等に固定され、静止する。
図３の軸受２０においては、複数個（図示例では７個）のボールが、磁気応答性材質（例えば鋼球）からなる第１グループのボール１１と、磁気に応答しない材質（例えばセラミック）からなる第２グループのボール１４とを含む。第１グループのボール１１及び第２グループのボール１４は、それぞれ連続して配置され、各グループは略同数のボールからなり、２グループで１円周を２分している。図の例では、ボール数が奇数（７）であるため、第１グループのボール１１（斜線を付して示す）が４個、第２グループのボール１４が３個からなっている。こうして、第１グループのボール１１は、全体で略１８０度の円周範囲をカバーする磁気応答性物質の集合体を構成している。また、第２グループのボール１４は、全体で略１８０度の円周範囲をカバーする磁気非応答性物質の集合体を構成している。
【００２０】
図３の例においてもステータ部２は、外輪１３に対して固定され、静止する。このステータ部２もまた、リテーナに保持されたボール１１，１４の転動軌跡がなす円周（つまりリテーナの回転軌跡）に沿い所定の間隔で複数の交流励磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを配置してなる。ただし、図３の例では、（ｂ）に示されるように、各交流励磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、それぞれ円周の９０度弱程度の幅をカバーしうるように幅広になっている。すなわち、図３の各交流励磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの磁性体コア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは幅広のものであり、該磁性体コアにコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４がそれぞれ巻回されている。前述と同様に、各コイルＬ１〜Ｌ４が所定の交流信号（例えばｓｉｎωｔ）で励磁される。幅広の各交流励磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの配置は、リテーナに保持された第１及び第２グループのボール１１，１４が軸円周を１回転したとき、１サイクルのインピーダンス変化が各極Ａ〜Ｄに生じるように設定される。
【００２１】
また、前述と同様に、各極Ａ〜Ｄの各コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄは、それぞれ、その振幅がサイン関数（ｓｉｎθ）、コサイン関数（ｃｏｓθ）、マイナスサイン関数（−ｓｉｎθ）、マイナスコサイン関数（−ｃｏｓθ）の特性を示すように設定される。ただし、この第２の実施例では、各極Ａ〜Ｄのインピーダンス変化の位相角θが０度〜３６０度の１サイクルの変化を示す機械変位は、リテーナつまりボール１１，１４が軸円周を１回転することに対応している。前述と同様に対象軸５０の回転に対してリテーナの回転つまりボール１１，１４の転動は、逆方向かつ減速されている。よって、θは、対象軸５０の回転角を直接示すものではないが、対象軸５０の回転位置に所定の関係で対応しているものであり、このθを測定することで対象軸５０の回転位置を検出することができる。
【００２２】
図４は本発明の第３の実施例を示すもので、（ａ）は軸方向断面略図、（ｂ）は正面略図である。図４において、軸受１０は、図１又は図３に示されたものと同様に、リテーナ（図示せず）により所定間隔で保持された複数個（図示例では７個）のボール（転動体）１４を内輪１２と外輪１３との間に配置してなる転がり式の軸受からなる。ただし、この第３の実施例では、ボール１４の磁気的性質は特に問わないが、セラミックのような磁気非応答部材である方がよい。図４の例においてもステータ部３は、外輪１３に対して固定され、静止する。このステータ部３は、外輪１３の円周に沿い所定の間隔（例えば９０度間隔）で複数の交流励磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを配置してなる。各極Ａ〜Ｄは磁性体コア３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄとそこに巻回されたコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４とで構成される。磁性体コア３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの端部は内向きに軸心方向指向する。つまり、図４の場合は、図１、図３とは異なり、交流励磁極Ａ〜Ｄによる磁束の方向はラジアル方向である。ステータ部３の交流励磁極Ａ〜Ｄに対向するように、磁性体又は導電体等の磁気応答性部材からなる磁気応答性カム部５が設けられている。この磁気応答性カム部５は内輪１２に固定されていて、該内輪１２と共に対象軸５０の回転に伴って回転する。磁気応答性カム部５は、対象軸５０の回りでその円周に対して偏りを示すカム形状からなっており、例えば、内輪１２の１回転すなわち対象軸５０の１回転に対して１サイクルの偏心特性を示す偏心カム形状である。
【００２３】
前述と同様に、各コイルＬ１〜Ｌ４が所定の交流信号（例えばｓｉｎωｔ）で励磁される。ステータ部３側の各交流励磁極Ａ〜Ｄの配置と、内輪１２側の磁気応答性カム部５の磁気応答物質のカム形状との関係は、一例として、内輪１２が１回転したとき１サイクルのインピーダンス変化が各極Ａ〜Ｄに生じるように設定されている。また、前述と同様に、各極Ａ〜Ｄの各コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄは、それぞれ、その振幅がサイン関数（ｓｉｎθ）、コサイン関数（ｃｏｓθ）、マイナスサイン関数（−ｓｉｎθ）、マイナスコサイン関数（−ｃｏｓθ）の特性を示すように設定されている。ただし、この第３の実施例では、各極Ａ〜Ｄのインピーダンス変化の位相角θが０度〜３６０度の１サイクルの変化を示す機械変位は、内輪１２つまり対象軸５０が１回転することに対応している。よって、この第３の実施例では、θは、対象軸５０の回転位置に対応しており、このθを測定することで対象軸５０の回転位置を検出することができる。
【００２４】
図５は本発明の第４の実施例を示すもので、（ａ）は軸方向断面略図、（ｂ）は正面略図である。図５において、軸受１０は、図１又は図３に示されたものと同様に、リテーナ１５により所定間隔で保持された複数個（図示例では７個）のボール（転動体）１４を内輪１２と外輪１３との間に配置してなる転がり式の軸受からなる。ただし、この第４の実施例では、ボール１４はセラミック等の磁気非応答性材質を用いるのが好ましい。図５の例においてもステータ部４は、外輪１３に対して固定され、静止する。このステータ部４は、リテーナ１５の移動軌跡がなす円周に沿い所定の間隔（例えば９０度間隔）で複数の交流励磁極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを配置してなる。各極Ａ〜Ｄは磁性体コア４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとそこに巻回されたコイルＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４とで構成される。磁性体コア４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの端部は軸方向にリテーナ１５の方に向いている。つまり、図５の場合は、図１、図３と同様に、交流励磁極Ａ〜Ｄによる磁束の方向は軸方向である。ステータ部４の交流励磁極Ａ〜Ｄに対向するように、リテーナ１５の円周に沿い、その円周に対して偏りを示すカム形状からなる、磁性体又は導電体等の磁気応答性部材からなる磁気応答性カム部１５ａが設けられている。磁気応答性カム部１５ａは、例えば、図５（ｂ）に示されるように、リテーナ１５の１回転に対して１サイクルの偏心特性を示す偏心カム形状である。
【００２５】
前述と同様に、各コイルＬ１〜Ｌ４が所定の交流信号（例えばｓｉｎωｔ）で励磁される。ステータ部４側の各交流励磁極Ａ〜Ｄの配置と、リテーナ１５側の磁気応答性カム部１５ａの磁気応答物質のカム形状との関係は、図５（ｂ）に示されるように、一例として、リテーナ１５が１回転したとき１サイクルのインピーダンス変化が各極Ａ〜Ｄに生じるように設定されている。また、前述と同様に、各極Ａ〜Ｄの各コイルＬ１〜Ｌ４に生じる電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄは、それぞれ、その振幅がサイン関数（ｓｉｎθ）、コサイン関数（ｃｏｓθ）、マイナスサイン関数（−ｓｉｎθ）、マイナスコサイン関数（−ｃｏｓθ）の特性を示すように設定されている。ただし、この第４の実施例では、各極Ａ〜Ｄのインピーダンス変化の位相角θが０度〜３６０度の１サイクルの変化を示す機械変位は、リテーナ１５が軸円周を１回転することに対応している。前述と同様に対象軸５０の回転に対してリテーナ１５の回転は、逆方向かつ減速されている。よって、θは、対象軸５０の回転角を直接示すものではないが、対象軸５０の回転位置に所定の関係で対応しているものであり、このθを測定することで対象軸５０の回転位置を検出することができる。例えば、対象軸５０とリテーナ１５との減速比が９：１の場合、対象軸５０の９回転にわたる絶対回転位置が、リテーナ１５の１回転にわたる絶対回転角θを検出することで検出できる。
【００２６】
図５（ｃ）は、リテーナ１５に設ける磁気応答性カム部１５ｂの変更例を示す。この磁気応答性カム部１５ｂは楕円カム形状からなり、リテーナ１５の１回転に対して２サイクルのインピーダンス変化が各極Ａ〜Ｄに生じるように設定されている。この場合も、検出可能なθは、対象軸５０の回転角を直接示すものではないが、対象軸５０の回転位置に所定の関係で対応しているものであり、このθを測定することで対象軸５０の回転位置を検出することができる。例えば、対象軸５０とリテーナ１５との減速比が９：１の場合、対象軸５０の４回転半にわたる絶対回転位置が、リテーナ１５の半回転にわたる絶対回転角θを検出することで検出できる。例えば、自動車のステアリングホイールの回転可能範囲は４回転半乃至５回転程度であるから、ステアリングホイールを軸受する軸受部に本発明を適用し、対象軸５０とリテーナ１５との減速比が９：１あるは１０：１程度に設計すれば、４回転半乃至５回転程度のステアリングホイールの回転可能範囲全体を容易にアブソリュートで回転位置検出することができることになる。
【００２７】
図４に示した実施例と図５に示した実施例とを組み合わせることで、本発明の第５の実施例を構成することができる。すなわち、この第５の実施例に従う回転位置検出装置は、リテーナ１５に保持された複数個の転動体（ボール１４）を内輪１２と外輪１３との間に配置してなる転がり式の軸受１０において、外輪１３に固定されていて、その円周に沿い所定の間隔で複数の交流励磁極を配置してなる第１ステータ部３（図４）と、内輪１２に固定されていて、その円周に対して偏りを示すカム形状からなる第１磁気応答性カム部５（図４）とで構成される第１検出部を具備し、更に、外輪１３に固定されていて、リテーナ１５の移動軌跡がなす円周に沿い所定の間隔で複数の交流励磁極を配置してなる第２ステータ部４（図５）と、リテーナ１５に配置された第２磁気応答性カム部１５ａ又は１５ｂ（図５）とで構成される第２検出部を具備する。これにより、第１検出部（図５）により対象軸５０の１回転内の回転位置をアブソリュートで検出することができ、第２検出部により対象軸５０の多回転にわたる回転位置をアブソリュートで検出することができ、両者の組合せにより、多回転にわたる回転位置を高分解能かつアブソリュートに検出することができる。
【００２８】
上記各実施例においては、軸受において、内輪１２が動き、外輪１３が静止しているが、この逆であってもよい。その場合は、静止する内輪１２の方にステータ部１，２，３，４を固定するのは勿論である。
また、磁気応答性材質としては、磁性体に限らず、銅のような良導電体を用いてもよいし、あるいは磁性体と良導電体のハイブリッド構造を用いてもよい。軸受の転動体はボールに限らず、コロでもよい。
検出用のコイル構成は、上記実施例のような励磁コイルのインピーダンスを検出するタイプに限らず、１次コイルと２次コイルをペアで具備して誘導出力を２次コイルから取り出すようにしてもよい。
また、交流励磁法は、上記実施例のようなｓｉｎωｔで１相励磁するタイプに限らず、ｓｉｎωｔとｃｏｓωｔとで２相励磁するタイプでもよい。
交流励磁極の数は、上記実施例のような４極に限らず、２極（サインとコサイン）であってもよいし、３極、６極、８極等であってもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によれば、軸受の転動体の変位を検出する構成を採用することで、簡易な構成の回転位置検出装置とすることができ、製造コストも安価で済む。また、転動体の位置変化に応じたインピーダンス変化を示す出力信号に基づき回転位置を検出する構成であるため、高い検出分解能でアブソリュート位置検出することも可能である。また、外輪と内輪にそれぞれ設けたステータ部と磁気応答性カム部との組合せにより、外輪と内輪との相対的回転位置を検出することで、軸受される対象軸の回転位置を検出することができ、この場合も、簡易な構成からなり、製造コストも安価で済む。また、リテーナにてその移動軌跡がなす円周に対して偏りを示すカム形状の磁気応答性カム部を形成し、リテーナに設けた磁気応答性カム部の回転をステータ部によって検出することで、簡易な構成の位置検出装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す軸方向断面略図及び正面略図。
【図２】本発明の各実施例に適用可能な検出用の回路の一例を示す回路図。
【図３】本発明の第２の実施例を示す軸方向断面略図及び正面略図。
【図４】本発明の第３の実施例を示す軸方向断面略図及び正面略図。
【図５】本発明の第４の実施例を示す軸方向断面略図及び正面略図。
【符号の説明】
１，２，３，４ステータ部
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ交流励磁極
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４コイル
１ａ〜１ｄ，２ａ〜２ｄ，３ａ〜３ｄ，４ａ〜４ｄ磁性体コア
１０，２０軸受
１１ボール（磁気応答性）
１４ボール（磁気非応答性）
１２内輪
１３外輪
１５リテーナ
５，１５ａ，１５ｂ磁気応答性カム部
５０軸受対象軸[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotational position detecting device in a rolling bearing, in other words, to a bearing integrally having a rotational position detecting function.
[0002]
[Prior art]
In a rotary shaft to which a bearing is applied, a position detection device is often applied for detection and control of a rotational position. In such a case, instead of mounting a rotational position detection device separately from the bearing, if the position detection device is incorporated in the bearing itself, it is convenient and convenient, and also leads to cost reduction. . Conventionally known bearings having this type of rotational position detecting device include a combination of a permanent magnet and a magnetoresistive element. However, it has only a detection function as a simple incremental pulse generator, and is inferior in detection resolution. It is also expensive.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above points, and is intended to provide a rotational position detector having a simple configuration suitable for being integrally arranged in a rolling bearing, and has a simple configuration. However, an object of the present invention is to provide a rotational position detection device that has a remarkably superior detection resolution as compared with the incremental pulse generation method.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
  A rotational position detecting device according to a first aspect of the present invention is a rolling type bearing in which a plurality of rolling elements held by a retainer at a predetermined interval are arranged between an inner ring and an outer ring, and is held by the retainer. And a stator portion in which a plurality of AC excitation poles are arranged at predetermined intervals along a circumference formed by a rolling locus of the rolling element,The plurality of rolling elements include a first group made of a magnetically responsive material and a second group made of a material that does not respond to magnetism,As the rolling element rolls along the circumference together with the retainer, the position of the rolling element with respect to each AC excitation pole changes, and an output signal indicating an impedance change corresponding to this position change is sent to the AC excitation. It is characterized by being taken out by a coil arranged on the pole.
[0005]
When the inner ring is fixed to the bearing target shaft and the outer ring is fixed to a stationary body such as a machine frame, the inner ring rotates along with the rotation of the target shaft, and the outer ring is always stationary. At that time, the rolling elements (for example, balls) held by the retainer are rotated together with the retainer while being decelerated in the direction opposite to the rotation direction of the inner ring. This reduction ratio is appropriately determined by the bearing design. Thus, the rotational positions of the retainer and the rolling element have a predetermined correlation with the rotational position of the target shaft fixed to the inner ring. Therefore, the rotational position of the target shaft can be determined by detecting the rotational position of the retainer and the rolling element. Can be detected. According to the first aspect, since the configuration detects the displacement of the rolling elements of the bearing, the configuration is simple and the manufacturing cost is low. Further, since the rotational position is detected based on the output signal indicating the impedance change according to the change in the position of the rolling element, the absolute position can be detected with high detection resolution.
[0006]
  In addition, since the plurality of rolling elements are configured to include a continuous first group made of a magnetically responsive material and a second group made of a material that does not respond to magnetism, each group has a magnetic responsiveness. It is composed of an assembly of rolling elements made of material and an assembly of rolling elements made of non-magnetic responsive material, so that the appearance cycle of magnetism / nonmagnetism can be adjusted as appropriate (for example, one cycle per rotation). .
[0008]
  No. 1 of this invention2The rotational position detecting device according to the above aspect is a rolling type bearing in which a plurality of rolling elements held by a retainer are arranged between an inner ring and an outer ring, and a predetermined position along a circumference formed by the movement locus of the retainer. It comprises a stator part in which a plurality of alternating current excitation poles are arranged at intervals, and the retainer is formed with a cam-shaped magnetically responsive cam part that shows a deviation with respect to the circumference formed by the movement locus thereof, As the retainer moves along the circumference, the position of the magnetic-responsive cam portion with respect to each AC excitation pole changes, and an output signal indicating an impedance change corresponding to this position change is distributed to the AC excitation pole. It is characterized in that it is taken out by a coil. Thereby, rotation of the magnetic-responsive cam part provided in the retainer is detected by the stator part, and according to this, the rotational position of the target shaft to be bearing can be detected. In this case, too, the structure is simple and the manufacturing cost is low. Further, since the rotational position is detected based on the output signal indicating the impedance change corresponding to the position change, it is possible to detect the absolute position with high detection resolution.
[0009]
  No. 1 of this invention3The rotational position detection device according to the above aspect is a rolling type bearing in which a plurality of rolling elements held by a retainer are disposed between an inner ring and an outer ring, and is fixed to one of the outer ring and the inner ring. A first stator portion formed by arranging a plurality of AC excitation poles at predetermined intervals along the circumference, and a cam shape fixed to the other of the outer ring and the inner ring and showing a deviation with respect to the circumference. A first detection unit configured with one magnetic responsive cam unit, and with the relative rotation of the inner ring with respect to the outer ring, the first magnetic responsive cam unit with respect to each AC excitation pole of the first stator unit An output signal indicating a change in position and an impedance change corresponding to the change in position is taken out by a coil disposed on the AC excitation pole of the first stator portion, and on the other hand, a predetermined interval along the circumference formed by the movement locus of the retainer Multiple in And a second detector configured by a second stator having an AC excitation pole and a second magnetic responsive cam disposed on the retainer, the retainer moving along the circumference As a result, the position of the second magnetic-responsive cam portion changes with respect to each AC excitation pole of the second stator portion, and an output signal indicating a change in impedance corresponding to this position change is sent to the AC of the second stator portion. It is characterized by being taken out by a coil arranged on the excitation pole.The
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIGS. 1A and 1B show a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a schematic axial sectional view, and FIG. 1B is a schematic front view. In FIG. 1, a bearing 10 includes a plurality (seven in the illustrated example) of balls (rolling elements) 11 held by a retainer (not shown) at inner intervals (inner races) 12 and outer rings (outer races). 13 is a rolling type bearing disposed between. For the sake of convenience, the retainer is not shown, but the retainer itself may be an appropriate one used in an existing bearing (ball bearing). In the illustrated example, a target shaft 50 to be bearing is coupled to the inner ring 12, and the inner ring 12 rotates as the shaft 50 rotates. The outer ring 13 is fixed to a machine frame or the like and is stationary.
[0011]
The stator 1 of the position detector is fixed to the outer ring 13 and is stationary. The stator unit 1 has a plurality of AC excitation poles A, B, C, and D arranged at predetermined intervals along a circumference formed by the rolling trajectory of the ball 11 held by the retainer (that is, the rotation trajectory of the retainer). Become. In this example, each AC excitation pole A, B, C, D is composed of magnetic cores 1a, 1b, 1c, 1d and coils L1, L2, L3, L4 wound around the magnetic core. The coils L1 to L4 are excited with a predetermined AC signal (for example, sin ωt).
The ball (rolling element) 11 built in the bearing 10 is made of a steel ball as is generally known, and is made of a magnetic substance, that is, a magnetic responsive material. As the ball 11 rolls along the circumference together with the retainer, the position of the ball 11 with respect to the AC excitation poles A to D of the stator portion 1 changes, and an output signal indicating an impedance change corresponding to this position change is generated. It can take out with the coils L1-L4 arrange | positioned to each alternating current excitation pole AD.
[0012]
As shown in FIG. 1B, the arrangement of the AC excitation poles A to D in the stator unit 1 is a machine in which the correspondence relationship with respect to the ball 11 that is displaced according to the rotation of the target shaft 50 differs between the poles A to D. It is set to show the target phase. For example, the change in the impedance of the pole A with respect to the displacement of the ball 11 (which is referred to as “θ” for convenience) is set so as to indicate the sine function characteristic sinθ, and the change in the impedance of the pole B is set so as to indicate the cosine function characteristic cosθ. The impedance change of the pole C is set to indicate the minus sine function characteristic −sin θ, and the impedance change of the pole D is set to indicate the minus cosine function characteristic −cos θ. Therefore, according to the number of balls 11 held by the retainer, that is, the interval between the plurality of balls 11, the AC excitation poles A to D have a predetermined characteristic so that the impedance characteristics of the AC excitation poles A to D have predetermined characteristics. Arrangements A to D are determined. In this case, the mechanical displacement indicating one cycle change in which the phase angle θ of the impedance change of each pole A to D is 0 degree to 360 degree corresponds to the interval between the adjacent balls 11. For example, when the bearing 10 includes seven balls 11 as shown in the figure, the interval between the adjacent balls 11 corresponds to a mechanical angle obtained by dividing 360 degrees into seven, and the phase angle θ of impedance change of each pole AD. The mechanical displacement indicating a change in one cycle of 0 degrees to 360 degrees corresponds to “360 degrees / 7”. The rotation of the retainer, that is, the rolling of the ball 11 with respect to the rotation of the target shaft 50 is reversed and decelerated. Therefore, θ does not directly indicate the rotation angle of the target shaft 50, but corresponds to the rotation position of the target shaft 50 in a predetermined relationship, and the rotation of the target shaft 50 is measured by measuring θ. The position can be detected.
[0013]
Here, when an impedance change A (θ) of an ideal sine function characteristic generated in the coil L1 is shown,
A (θ) = P₀+ Psinθ
It can be expressed equivalently by an expression such as Since the impedance change does not enter the negative region, the offset value P₀Is larger than the amplitude coefficient P (P₀≧ P), “P₀“+ Psin θ” does not take a negative value. On the other hand, the ideal impedance change C (θ) of the negative sine function characteristic generated in the coil L3 that exhibits differential characteristics with respect to the impedance change of the coil L1 is:
C (θ) = P₀-Psinθ
It can be expressed equivalently by an expression such as
On the other hand, the ideal cosine function characteristic impedance change B (θ) generated in the coil L2 is:
B (θ) = P₀+ Pcosθ
It can be expressed equivalently by an expression such as
Furthermore, the impedance change D (θ) of the ideal negative cosine function characteristic generated in the coil L4 that shows a differential change with respect to the impedance change of the coil L2 is:
D (θ) = P₀−P cos θ
It can be expressed equivalently by an expression such as
It should be noted that even if P is regarded as 1 and omitted, there is no inconvenience in the description, so this is omitted in the following description.
[0014]
FIG. 2 shows an example of an electric circuit applicable to the rotational position detecting device shown in FIG. Note that this circuit configuration is not limited to the bearing rotational position detecting device having the structure of the first embodiment shown in FIG. 1, but any of the rotational position detecting devices of the present invention having the structure according to another embodiment. It is also applicable to. In FIG. 2, the coils L1 to L4 are equivalently shown as variable inductance elements. Each of the coils L1 to L4 is subjected to constant voltage excitation in one phase by a predetermined AC signal (for convenience, this is indicated by Esin ωt) given from the AC source 30. The voltages Va, Vb, Vc, and Vd generated in the coils L1 to L4 are large in accordance with the impedance values of the coils L1 to L4 according to the angle variable θ corresponding to the rotational position that is the detection target, as described below. It shows.
Va = (P₀+ Sinθ) sinωt
Vb = (P₀+ Cosθ) sinωt
Vc = (P₀-Sinθ) sinωt
Vd = (P₀-Cosθ) sinωt
[0015]
The arithmetic unit 31 obtains the difference between the output voltage Va of the coil L1 of the stator pole A and the output voltage Vc of the coil L3 of the stator pole C, which changes differentially with respect thereto, as described below, and calculates the sign of the angle variable θ. An AC output signal having an amplitude coefficient with a function characteristic is generated.
Va−Vc = (P₀+ Sinθ) sinωt− (P₀-Sinθ) sinωt
= 2sinθsinωt
The arithmetic unit 32 obtains the difference between the output voltage Vb of the coil L2 of the stator pole B and the output voltage Vd of the coil L4 of the stator pole D, which changes differentially with respect thereto, as described below, and cosines the angle variable θ. An AC output signal having an amplitude coefficient with a function characteristic is generated. Vb−Vd = (P₀+ Cos θ) sinωt− (P₀-Cosθ) sinωt
= 2 cos θ sin ωt
[0016]
In this way, two AC output signals “2 sin θ sin ωt” and “2 cos θ sin ωt” that are respectively amplitude-modulated by two periodic amplitude functions (sin θ and cos θ) including the angular variable θ correlated with the rotational position to be detected are obtained (hereinafter, referred to as “2 cos θ sin ωt”). (The coefficient “2” is omitted.) This is equivalent to the sine phase output signal sin θ sin ωt and the cosine phase output signal cos θ sin ωt of a detector conventionally known as a resolver. The names sine phase and cosine phase, and the sine and cosine representations of the amplitude functions of the two AC output signals are for convenience. If either one is a sine and the other is a cosine, it will You can say. That is, Va−Vc = cos θ sin ωt, and Vb−Vd = sin θ sin ωt may be expressed.
[0017]
Here, the compensation of the temperature drift characteristic will be described. The impedances of the coils L1 to L4 change according to the temperature, and the output voltages Va to Vd also change. However, in the AC output signals sin θ sin ωt and cos θ sin ωt having the sine and cosine function characteristics obtained by calculating and synthesizing these, the temperature drift error of the coil is completely compensated by the calculation of “Va−Vc” and “Vb−Vd”. It is not affected by changes in coil impedance due to temperature drift. Therefore, accurate detection is possible.
[0018]
In the present embodiment, the rotational position can be detected by either the phase detection method or the voltage detection method based on the two AC output signals sin θ sin ωt and cos θ sin ωt output from the calculators 31 and 32. As a phase detection method in this case, for example, a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-126809 related to the applicant's application may be used. For example, one AC output signal sin θ sin ωt is electrically shifted 90 degrees by the shift circuit 33 to generate an AC signal sin θ cos ωt, and this and the other AC output signal cos θ sin ωt are added and synthesized by the adder 34 and the subtractor 35. And subtracting and synthesizing two AC signals (phase component θ converted into AC phase shifts), which are sin (ωt + θ) and sin (ωt−θ), phase-shifted in the fast and slow directions according to θ. Signal). The comparator 36.37 detects the zero cross of the phase-shifted AC signals sin (ωt + θ) and sin (ωt−θ), and the zero-cross detection pulse Lp of the advanced detection AC signal sin (ωt + θ) A zero cross detection pulse Lm of the detected AC signal sin (ωt−θ) is generated and input to the digital processing device 40. The digital processor 40 measures the time difference from the zero phase point of the reference signal sin ωt to the generation point of the leading zero cross detection pulse Lp, thereby digitally detecting the leading phase shift amount + θ and zeroing the reference signal sin ωt. By measuring the time difference from the time point of the phase to the time point of occurrence of the zero-phase detection pulse Lm of the late phase, the phase shift amount -θ of the late phase is digitally detected. Since the error ± δ due to temperature drift and other error factors is included in the same phase and amount in both the leading phase shift amount + θ and the slow phase shift amount −θ, the digital processing device 40 further includes: By performing a predetermined calculation including adding or subtracting the phase detection values + θ and −θ of the advanced phase and the delayed phase, accurate phase detection data θ from which the error ± δ is removed can be obtained. As the digital processor 40, for example, a general-purpose microcomputer can be used. By such a compensation calculation using the phase detection values + θ and −θ of the advanced phase and the delayed phase, the temperature drift error component that could not be removed by differentially calculating the coil output can be completely removed. . In addition, since the phase shift amount θ is digitally measured, the absolute rotation position can be detected with high detection resolution. Of course, not only digital detection but also analog detection is possible.
Note that all or a part of the detection circuit as shown in FIG. 2 may be incorporated and arranged in the casing of the stator portion 1 shown in FIG. Alternatively, all or a part of the detection circuit may be arranged at a location appropriately separated from the stator unit 1 and connected by necessary wiring.
[0019]
3A and 3B show a second embodiment of the present invention, in which FIG. 3A is a schematic axial sectional view, and FIG. 3B is a schematic front view. In FIG. 3, the bearing 20 has a plurality (seven in the illustrated example) of balls (rolling elements) 11 and 14 held between a inner ring 12 and an outer ring 13 held at a predetermined interval by a retainer (not shown). It consists of a rolling bearing. As in the above, for the sake of convenience, the retainer is omitted from the illustration, but the retainer itself may be used as appropriate for an existing bearing (ball bearing). In the illustrated example, a target shaft 50 to be bearing is coupled to the inner ring 12, and the inner ring 12 rotates as the shaft 50 rotates. The outer ring 13 is fixed to a machine frame or the like and is stationary.
In the bearing 20 of FIG. 3, a plurality of (seven in the illustrated example) balls are made of a first group of balls 11 made of a magnetically responsive material (for example, a steel ball) and a material that does not respond to magnetism (for example, ceramic). And a second group of balls 14. The first group of balls 11 and the second group of balls 14 are continuously arranged, and each group is composed of substantially the same number of balls, and the two groups divide one circumference into two. In the illustrated example, since the number of balls is an odd number (7), the first group of balls 11 (shown by hatching) and the second group of balls 14 are composed of three. Thus, the balls 11 of the first group constitute an aggregate of magnetically responsive substances that cover a circumferential range of approximately 180 degrees as a whole. In addition, the second group of balls 14 constitutes an aggregate of magnetic non-responsive materials covering the entire circumferential range of approximately 180 degrees.
[0020]
Also in the example of FIG. 3, the stator portion 2 is fixed to the outer ring 13 and is stationary. The stator portion 2 also has a plurality of AC excitation poles A, B, C, and D at predetermined intervals along a circumference formed by rolling trajectories of the balls 11 and 14 held by the retainer (that is, a rotation trajectory of the retainer). Arranged. However, in the example of FIG. 3, as shown in FIG. 3B, each AC excitation pole A, B, C, D is widened so as to cover a width of about 90 degrees around the circumference. Yes. That is, the magnetic cores 2a, 2b, 2c, 2d of the AC excitation poles A, B, C, D in FIG. 3 are wide, and coils L1, L2, L3, L4 are wound around the magnetic cores, respectively. It has been turned. As described above, the coils L1 to L4 are excited by a predetermined AC signal (for example, sin ωt). The arrangement of the wide AC excitation poles A, B, C, and D is such that when the first and second groups of balls 11 and 14 held by the retainer make one rotation of the axis circumference, one cycle of impedance changes. It is set to occur at the poles A to D.
[0021]
Similarly to the above, the voltages Va, Vb, Vc, and Vd generated in the coils L1 to L4 of the poles A to D have amplitudes of sine function (sin θ), cosine function (cos θ), and minus sine function, respectively. It is set so as to show the characteristics of (−sin θ) and a minus cosine function (−cos θ). However, in this second embodiment, the mechanical displacement indicating a one-cycle change in which the phase angle θ of the impedance change of each pole A to D is 0 degrees to 360 degrees is caused by the retainer, that is, the balls 11 and 14 move along the axis circumference. It corresponds to one rotation. As described above, the rotation of the retainer, that is, the rolling of the balls 11 and 14 with respect to the rotation of the target shaft 50 is reversed and decelerated. Therefore, θ does not directly indicate the rotation angle of the target shaft 50, but corresponds to the rotation position of the target shaft 50 in a predetermined relationship, and the rotation of the target shaft 50 is measured by measuring θ. The position can be detected.
[0022]
4A and 4B show a third embodiment of the present invention, in which FIG. 4A is a schematic axial sectional view, and FIG. 4B is a schematic front view. In FIG. 4, the bearing 10 has a plurality of (seven in the illustrated example) balls (rolling elements) held at predetermined intervals by a retainer (not shown) in the same manner as that shown in FIG. 14 is composed of a rolling bearing in which 14 is arranged between the inner ring 12 and the outer ring 13. However, in this third embodiment, the magnetic properties of the ball 14 are not particularly limited, but a magnetic non-responsive member such as ceramic is better. Also in the example of FIG. 4, the stator portion 3 is fixed to the outer ring 13 and is stationary. The stator portion 3 is formed by arranging a plurality of AC excitation poles A, B, C, and D at a predetermined interval (for example, an interval of 90 degrees) along the circumference of the outer ring 13. Each pole A to D is composed of magnetic cores 3a, 3b, 3c, 3d and coils L1, L2, L3, L4 wound around the magnetic cores 3a, 3b, 3c, 3d. The ends of the magnetic cores 3a, 3b, 3c, 3d are directed inward in the axial direction. That is, in the case of FIG. 4, unlike FIGS. 1 and 3, the direction of the magnetic flux by the AC excitation poles A to D is the radial direction. A magnetic responsive cam portion 5 made of a magnetic responsive member such as a magnetic material or a conductor is provided so as to face the AC excitation poles A to D of the stator portion 3. The magnetic-responsive cam portion 5 is fixed to the inner ring 12 and rotates with the rotation of the target shaft 50 together with the inner ring 12. The magnetic-responsive cam portion 5 has a cam shape that is biased with respect to its circumference around the target shaft 50, for example, one cycle for one rotation of the inner ring 12, that is, one rotation of the target shaft 50. It is an eccentric cam shape which shows an eccentric characteristic.
[0023]
As described above, the coils L1 to L4 are excited by a predetermined AC signal (for example, sin ωt). The relationship between the arrangement of the AC excitation poles A to D on the stator 3 side and the cam shape of the magnetic response substance of the magnetic responsive cam 5 on the inner ring 12 side is, for example, one cycle when the inner ring 12 rotates once. The impedance change is set to occur in each of the poles A to D. Similarly to the above, the voltages Va, Vb, Vc, and Vd generated in the coils L1 to L4 of the poles A to D have amplitudes of sine function (sin θ), cosine function (cos θ), and minus sine function, respectively. It is set so as to show the characteristics of (−sin θ) and a minus cosine function (−cos θ). However, in this third embodiment, the mechanical displacement indicating a one-cycle change in which the phase angle θ of the impedance change of each pole A to D is 0 degrees to 360 degrees means that the inner ring 12, that is, the target shaft 50 rotates once. It corresponds to. Therefore, in the third embodiment, θ corresponds to the rotational position of the target shaft 50, and the rotational position of the target shaft 50 can be detected by measuring this θ.
[0024]
FIGS. 5A and 5B show a fourth embodiment of the present invention. FIG. 5A is a schematic sectional view in the axial direction, and FIG. 5B is a schematic front view. In FIG. 5, the bearing 10 includes a plurality of (seven in the illustrated example) balls (rolling elements) 14 held by a retainer 15 at predetermined intervals, as in the case shown in FIG. 1 or FIG. 3. It consists of a rolling-type bearing arranged between the outer ring 13 and the outer ring 13. However, in the fourth embodiment, the ball 14 is preferably made of a magnetic non-responsive material such as ceramic. Also in the example of FIG. 5, the stator portion 4 is fixed to the outer ring 13 and is stationary. The stator portion 4 is formed by arranging a plurality of AC excitation poles A, B, C, and D at a predetermined interval (for example, an interval of 90 degrees) along the circumference formed by the movement locus of the retainer 15. Each of the poles A to D includes magnetic cores 4a, 4b, 4c, and 4d and coils L1, L2, L3, and L4 wound therearound. The end portions of the magnetic cores 4a, 4b, 4c and 4d are directed toward the retainer 15 in the axial direction. That is, in the case of FIG. 5, the direction of the magnetic flux by the AC excitation poles A to D is the axial direction as in FIGS. From a magnetic responsive member such as a magnetic body or a conductor having a cam shape that is offset along the circumference of the retainer 15 so as to face the AC excitation poles A to D of the stator portion 4. A magnetic responsive cam portion 15a is provided. For example, as shown in FIG. 5B, the magnetic-responsive cam portion 15 a has an eccentric cam shape that shows an eccentric characteristic of one cycle with respect to one rotation of the retainer 15.
[0025]
As described above, the coils L1 to L4 are excited by a predetermined AC signal (for example, sin ωt). The relationship between the arrangement of the AC excitation poles A to D on the stator 4 side and the cam shape of the magnetic response material of the magnetic responsive cam 15a on the retainer 15 side is an example as shown in FIG. As described above, when the retainer 15 makes one rotation, one cycle of impedance change is set to occur in each of the poles A to D. Similarly to the above, the voltages Va, Vb, Vc, and Vd generated in the coils L1 to L4 of the poles A to D have amplitudes of sine function (sin θ), cosine function (cos θ), and minus sine function, respectively. It is set so as to show the characteristics of (−sin θ) and a minus cosine function (−cos θ). However, in this fourth embodiment, the mechanical displacement indicating a one-cycle change in which the phase angle θ of the impedance change of each pole A to D is 0 degrees to 360 degrees means that the retainer 15 makes one rotation on the shaft circumference. It corresponds to. As described above, the rotation of the retainer 15 is decelerated in the reverse direction with respect to the rotation of the target shaft 50. Therefore, θ does not directly indicate the rotation angle of the target shaft 50, but corresponds to the rotation position of the target shaft 50 in a predetermined relationship, and the rotation of the target shaft 50 is measured by measuring θ. The position can be detected. For example, when the reduction ratio between the target shaft 50 and the retainer 15 is 9: 1, the absolute rotation position over nine rotations of the target shaft 50 can be detected by detecting the absolute rotation angle θ over one rotation of the retainer 15.
[0026]
FIG. 5C shows a modified example of the magnetic responsive cam portion 15 b provided in the retainer 15. The magnetic-responsive cam portion 15b has an elliptical cam shape, and is set such that two cycles of impedance change occur in each pole A to D with respect to one rotation of the retainer 15. In this case as well, the detectable θ does not directly indicate the rotation angle of the target shaft 50, but corresponds to the rotational position of the target shaft 50 in a predetermined relationship. By measuring this θ, The rotational position of the target shaft 50 can be detected. For example, when the reduction ratio between the target shaft 50 and the retainer 15 is 9: 1, the absolute rotation position of the target shaft 50 over four and a half rotations can be detected by detecting the absolute rotation angle θ over the half rotation of the retainer 15. For example, since the rotatable range of the steering wheel of an automobile is about a half to five rotations, the present invention is applied to a bearing portion for bearing the steering wheel, and the reduction ratio between the target shaft 50 and the retainer 15 is 9: 1. Alternatively, if the design is about 10: 1, the entire rotation range of the steering wheel of about four to half rotations to about five rotations can be easily detected in absolute.
[0027]
The fifth embodiment of the present invention can be configured by combining the embodiment shown in FIG. 4 and the embodiment shown in FIG. That is, the rotational position detecting device according to the fifth embodiment is a rolling type bearing 10 in which a plurality of rolling elements (balls 14) held by a retainer 15 are arranged between an inner ring 12 and an outer ring 13. The first stator portion 3 (FIG. 4), which is fixed to the outer ring 13 and has a plurality of AC excitation poles arranged at predetermined intervals along the circumference thereof, and the inner ring 12 is fixed to the circumference thereof. 4 includes a first detection unit composed of a first magnetic responsive cam unit 5 (FIG. 4) having a cam shape that is biased with respect to the movement track of the retainer 15. A second stator portion 4 (FIG. 5) in which a plurality of AC excitation poles are arranged at predetermined intervals along the circumference formed by the second magnetic responsive cam portion 15a or 15b (FIG. 5). ). Thereby, the rotation position within one rotation of the target shaft 50 can be detected by the first detection unit (FIG. 5), and the rotation position of the target shaft 50 over multiple rotations can be detected by the second detection unit by the absolute. It is possible to detect the rotational position over multiple rotations with high resolution and absolute by the combination of both.
[0028]
In each of the above embodiments, in the bearing, the inner ring 12 moves and the outer ring 13 is stationary, but this may be reversed. In that case, of course, the stator portions 1, 2, 3, and 4 are fixed to the stationary inner ring 12.
Further, the magnetic responsive material is not limited to a magnetic material, and a good conductor such as copper may be used, or a hybrid structure of a magnetic material and a good conductor may be used. The rolling elements of the bearing are not limited to balls, but may be rollers.
The detection coil configuration is not limited to the type that detects the impedance of the exciting coil as in the above-described embodiment, and a primary coil and a secondary coil are provided as a pair so that an induction output is taken out from the secondary coil. Good.
Further, the AC excitation method is not limited to the type in which one phase excitation is performed with sin ωt as in the above embodiment, but may be the type in which two phases are excited with sin ωt and cos ωt.
The number of AC excitation poles is not limited to 4 poles as in the above embodiment, but may be 2 poles (sine and cosine), 3 poles, 6 poles, 8 poles, or the like.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by adopting the configuration for detecting the displacement of the rolling element of the bearing, a rotational position detection device with a simple configuration can be obtained, and the manufacturing cost can be reduced. Further, since the rotational position is detected based on the output signal indicating the impedance change according to the change in the position of the rolling element, the absolute position can be detected with high detection resolution. Further, by detecting the relative rotational position of the outer ring and the inner ring by the combination of the stator portion and the magnetically responsive cam portion respectively provided on the outer ring and the inner ring, the rotational position of the bearing target shaft can be detected. In this case, too, the configuration is simple and the manufacturing cost is low. In addition, by forming a cam-shaped magnetic-responsive cam portion that shows a deviation with respect to the circumference formed by the movement locus of the retainer, and detecting the rotation of the magnetic-responsive cam portion provided in the retainer by the stator portion, A position detecting device with a simple configuration can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic axial sectional view and a schematic front view showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a detection circuit applicable to each embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic axial sectional view and a schematic front view showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic axial sectional view and a front schematic view showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic axial sectional view and a schematic front view showing a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3, 4 Stator section
A, B, C, D AC excitation pole
L1, L2, L3, L4 coil
1a-1d, 2a-2d, 3a-3d, 4a-4d Magnetic core
10,20 Bearing
11 balls (magnetic response)
14 balls (magnetic non-responsiveness)
12 inner ring
13 Outer ring
15 Retainer
5, 15a, 15b Magnetic response cam part
50 Bearing target shaft

Claims

In a rolling type bearing in which a plurality of rolling elements held by a retainer at predetermined intervals are arranged between an inner ring and an outer ring,
Comprising a stator portion in which a plurality of AC excitation poles are arranged at predetermined intervals along a circumference formed by a rolling locus of the rolling element held by the retainer;
The plurality of rolling elements include a first group made of a magnetically responsive material and a second group made of a material that does not respond to magnetism,
As the rolling elements roll along the circumference together with the retainer, the positions of the first and second groups of the rolling elements with respect to the AC excitation poles change, and impedance changes corresponding to the position changes. A rotation position detecting device in a bearing, wherein an output signal is taken out by a coil arranged on the AC excitation pole.

In a rolling type bearing in which a plurality of rolling elements held by a retainer are arranged between an inner ring and an outer ring,
Comprising a stator portion in which a plurality of AC excitation poles are arranged at predetermined intervals along the circumference formed by the movement trajectory of the retainer;
The retainer is formed with a cam-shaped magnetically responsive cam portion that is biased with respect to the circumference formed by the movement trajectory,
As the retainer moves along the circumference, the position of the magnetic-responsive cam portion with respect to each AC excitation pole changes, and an output signal indicating an impedance change corresponding to this position change is distributed to the AC excitation pole. A rotating position detecting device for a bearing, wherein the rotating position detecting device is taken out by a coil.

In a rolling type bearing in which a plurality of rolling elements held by a retainer are arranged between an inner ring and an outer ring,
A first stator part fixed to one of the outer ring and the inner ring and having a plurality of AC excitation poles arranged at predetermined intervals along the circumference thereof; and fixed to the other of the outer ring or the inner ring, A first detection unit configured with a first magnetic responsive cam unit having a cam shape exhibiting a deviation with respect to a circumference, and each of the first stator units according to relative rotation of the inner ring with respect to the outer ring. The position of the first magnetic responsive cam portion with respect to the AC excitation pole is changed, and an output signal indicating an impedance change corresponding to the position change is taken out by a coil arranged on the AC excitation pole of the first stator portion,
A second stator portion comprising a plurality of alternating current excitation poles arranged at predetermined intervals along a circumference formed by the movement trajectory of the retainer, and a second magnetic responsive cam portion disposed on the retainer. 2, and the position of the second magnetic responsive cam portion with respect to each AC excitation pole of the second stator portion changes as the retainer moves along the circumference. A rotation position detecting device for a bearing, wherein an output signal indicating an impedance change according to the frequency is taken out by a coil disposed on an AC excitation pole of the second stator portion.