JP4587656B2 - アブソリュートエンコーダ付軸受 - Google Patents

Description

この発明は、絶対角度の検出機能を有し、種々の機器、例えばロボットの関節等に使用されるアブソリュートエンコーダ付軸受に関する。

コンパクトで組立が容易な利点に着目して、回転センサを転がり軸受に内蔵したものがある。その例を図６に示す。同図の転がり軸受５１は、回転側軌道輪である内輪５２と、固定側軌道輪である外輪５３との間に保持器５５で保持される転動体５４を介在させたものであって、内輪５２に環状の磁気エンコーダ５６が固定されている。外輪５３には例えばホール素子からなる磁気センサ５７が、上記磁気エンコーダ５６に対向して固定されている。磁気エンコーダ５６は、例えばゴム磁石からなり、円周方向にＮ極とＳ極を交互に着磁したものである。

このように構成することにより、内輪５２の回転に伴い、図７に示すように磁気センサ５７が磁気エンコーダ５６の磁極変化を検出し、その検出信号は図８のようなインクリメンタルな回転パルス信号となる。この信号から内輪５２の回転数を知ることができる。

しかし、このような構成では、インクリメンタルな回転パルス信号を得ることはできても、絶対回転角度を知ることができない。この場合、絶対回転角度を知るためには、電源投入時にイニシャライズ動作を行ってから、パルス数をカウントしなければならない。

このような課題を解決するものとして、例えば図９に示すように、絶対角度検出用の被検出部６７および磁気検出部６８を設けると共に、原点検出用の被検出部８７および磁気検出部８８を設けたものが提案されている（特願２００３−１０１３９６号）。すなわち同図において、内輪５２に絶対角度検出用の被検出部６７とは別体の原点検出用の被検出部８７を設け、外輪５３に絶対角度検出用の磁気検出部６８とは別体の原点検出用の磁気検出部８８を設ける。絶対角度検出用の被検出部６７はラジアル型のものであって、その着磁分布は図１０（Ａ）に断面図で示すように、内輪５２の１回転を１周期として例えば正弦波状に変化するものとする。絶対角度検出用の磁気検出部６８は、周方向に所定の間隔（ここでは９０度の位相差）を持たせて配置される２つの磁気センサ６８Ａ，６８Ｂからなる。これら２つの磁気センサ６８Ａ，６８Ｂの出力から象限判別が可能であり、内輪５２の絶対回転角度を知ることができる。

原点検出用の被検出部８７もラジアル型のものであって、その着磁分布は図１０（Ｂ）に断面図で示すように、円周方向にＮＳ１極対の着磁分布を与えたものとしてある。あるいは単極（たとえばＳ極）の着磁分布としてある。原点検出用の磁気検出部８８は、磁束密度に対応した出力信号を発生するラッチタイプまたはスイッチタイプの１つの磁気センサからなる。内輪５２の回転に伴い、磁気検出部８８は被検出部８７の１極対の磁気変化を原点信号として検出する。

しかし、このような構成において、図１１（Ａ）のように、絶対角度検出用の被検出部６７と原点検出用の被検出部８７の設置間距離Ｄ、および絶対角度検出用の磁気検出部６８と原点検出用の磁気検出部８８の設置間距離Ｄ’が近接していると、各被検出部６７，８７からの漏れ磁束が互いに影響し合う。原点検出用の被検出部８７がＳ極単極からなる場合、絶対角度検出用の被検出部６７のラジアル方向の磁気特性は図１１（Ｂ）のようになり、原点検出用の被検出部８７のラジアル方向の磁気特性は図１１（Ｃ）のようになる。この状態では、絶対角度検出用の磁気検出部６７を構成する磁気センサ６８Ａ，６８Ｂの出力信号から得られる絶対回転角度に大きな誤差を生じる。また、原点検出用の磁気検出部８８の出力も、被検出部８７のＳ極付近の激しい磁束変化部ではなく、被検出部８７の磁束０になる付近の緩慢な磁束変化部でラッチ（もしくはスイッチ）されてしまうため、原点検出信号の精度が劣る。

この発明の目的は、精度の良い絶対角度および原点の検出が可能なアブソリュートエンコーダ付軸受を提供することである。

この発明のアブソリュートエンコーダ付軸受は、回転側軌道輪、固定側軌道輪、および転動体からなる転がり軸受部と、回転側軌道輪に取付けられ着磁特性を円周方向に周期的に変化させた絶対角度検出用の被検出部と、この被検出部に対向して固定側軌道輪に取付けられた絶対角度検出用の磁気検出部と、回転側軌道輪の上記絶対角度検出用の被検出部とは異なる位置に取付けられ単極またはＮＳ１極対の着磁特性を有する原点検出用の被検出部と、この被検出部に対向して固定側軌道輪に取付けられた原点検出用の磁気検出部と、上記各磁気検出部へ電力供給し、上記各磁気検出部の出力信号を処理して回転側軌道輪の絶対角度、および固定側軌道輪に対する回転側軌道輪の１回転中の原点を示す原点信号を外部に出力する磁気検出回路とを備える。このアブソリュートエンコーダ付軸受において、絶対角度検出用の被検出部および磁気検出部と、原点検出用の被検出部および磁気検出部をそれぞれの被検出部からの漏れ磁束が互いに影響し合わない位置に設置したことを特徴とする。すなわち、絶対角度検出用の被検出部の漏れ磁束が原点検出用の磁気検出部にその感度から実質上影響せず、かつ原点検出用の被検出部の漏れ磁束が絶対角度検出用の磁気検出部にその感度から実質上影響しないように、各被検出部および磁気検出部の配置を行う。
この構成によると、絶対角度検出用の被検出部および磁気検出部と、原点検出用の被検出部および磁気検出部を設けたため、電源投入時にイニシャライズ動作を行うことなく、回転側軌道輪の絶対回転角度を知ることができ、かつ回転側軌道輪の１回転中の原点を示す原点信号を得ることができる。特にこの発明は、絶対角度検出用の被検出部・磁気検出部および原点検出用の被検出部・磁気検出部を、各被検出部からの漏れ磁束が影響しないように配置したので、各磁気検出部からの検出信号が漏れ磁束による影響のない正常なものとなり、精度の良い絶対回転角度および原点信号を出力することができる。

上記絶対角度検出用の被検出部は、着磁特性を回転側軌道輪の１回転を１周期として正弦波状に変化させたものとし、上記原点検出用の被検出部を、その磁界方向が、絶対角度検出用の被検出部の磁界方向と９０度異なるように配置する。
この構成の場合、絶対角度検出用の被検出部の着磁特性を、回転側軌道輪の１回転を１周期として変化させているので、磁気検出回路において簡単な演算処理を行うことで、絶対回転角度を出力することができる。また、原点検出用の被検出部を、その磁界方向が、絶対角度検出用の被検出部の磁界方向と９０度異なるように配置しているので、同じ方向に配置する場合に比べて、両被検出部の設置間隔が小さくても、絶対角度検出用の被検出部・磁気検出部と原点検出用の被検出部・磁気検出部が、それぞれの被検出部からの漏れ磁束の影響を受けることを回避できる。

このように磁界方向を９０度異ならせた場合に、上記絶対角度検出用の被検出部と原点検出用の被検出部のアキシャル方向の隙間、およびラジアル方向の隙間を０．５ｍｍ以上としても良い。
磁界方向を９０度異ならせた場合は、アキシャル方向の隙間およびラジアル方向の隙間が０．５ｍｍ以上であれば、絶対角度検出および原点検出に、各被検出部からの漏れ磁束の影響を受けることを十分に回避できる。

この発明のアブソリュートエンコーダ付軸受は、回転側軌道輪、固定側軌道輪、および転動体からなる転がり軸受部と、回転側軌道輪に取付けられ着磁特性を円周方向に周期的に変化させた絶対角度検出用の被検出部と、この被検出部に対向して固定側軌道輪に取付けられた絶対角度検出用の磁気検出部と、回転側軌道輪の上記絶対角度検出用の被検出部とは異なる位置に取付けられ単極またはＮＳ１極対の着磁特性を有する原点検出用の被検出部と、この被検出部に対向して固定側軌道輪に取付けられた原点検出用の磁気検出部と、上記各磁気検出部へ電力供給し、上記各磁気検出部の出力信号を処理して回転側軌道輪の絶対角度、および固定側軌道輪に対する回転側軌道輪の１回転中の原点を示す原点信号を外部に出力する磁気検出回路とを備えたアブソリュートエンコーダ付軸受であって、
上記絶対角度検出用の被検出部は、着磁特性を回転側軌道輪の１回転を１周期として正弦波状に変化させたものとし、上記原点検出用の被検出部を、その磁界方向が、絶対角度検出用の被検出部の磁界方向と９０度異なるように配置したため、精度の良い絶対角度、および原点の検出が可能となる。

この発明の基礎となる参考提案例を図１ないし図４と共に説明する。このアブソリュートエンコーダ付軸受は、転動体４を介して互いに回転自在な回転側軌道輪２および固定側軌道輪３を有する軸受部１と、回転側軌道輪２の一端部に軸方向に並べて設けた絶対角度検出用の被検出部７および原点検出用の被検出部２７と、これら被検出部７，２７に対向して固定側軌道輪３の一端部に設けた絶対角度検出用の磁気検出部８および原点検出用の磁気検出部２８と、磁気検出回路９とを備える。絶対角度検出用の磁気検出部８と原点検出用の磁気検出部２８も軸方向に並べて設けられる。軸受部１は、深溝玉軸受からなり、その内輪が回転側軌道輪２となり、外輪が固定側軌道輪３となる。回転側軌道輪２の外径面および固定側軌道輪３の内径面には転動体４の軌道面２ａ，３ａが形成されており、転動体４は保持器５で保持されている。回転側軌道輪２と固定側軌道輪３の間の環状空間は、被検出部７，２７および磁気検出部８，２８の設置側とは反対側の端部がシール部材６で密封されている。

絶対角度検出用の被検出部７はラジアル型のものであって、絶対角度検出用の磁気検出部８に対する着磁特性を円周方向に変化させた環状の部品とされている。この着磁特性は回転側軌道輪２の１回転を１周期として変化するものとしてある。具体的には、環状のバックメタル１１と、その外周側に設けられ周方向に向けて変化する磁極Ｎ，Ｓが着磁された磁気発生部材１２とからなる。その着磁分布は、１回転を１周期とする正弦波状のものとされる。この被検出部７はバックメタル１１を介して回転側軌道輪２に固着されている。磁気発生部材１２は例えばゴム磁石とされ、バックメタル１１に加硫接着される。磁気発生部材１２は、プラスチック磁石または焼結磁石であっても良い。

図１において、絶対角度検出用の磁気検出部８は、磁束密度に対応した出力信号を発生する２つの磁気センサ８Ａ，８Ｂからなる。これら２つの磁気センサ８Ａ，８Ｂは、図２（Ａ）のように円周方向に所定の間隔（ここでは９０°の位相差）を持たせて配置されている。これら両磁気センサ８Ａ，８Ｂは共にアナログセンサからなる。これら磁気センサ８Ａ，８Ｂは、磁気検出回路９の実装された回路基板に実装される。

図３は、回転側軌道輪２の回転に伴う両磁気センサ８Ａ，８Ｂの検出信号の波形図を示す。このように位相差のある２つの磁気センサ８Ａ，８Ｂを用いることによって、象限判別が可能となり、これら磁気センサ８Ａ，８Ｂの出力から絶対角度を知ることができる。このような信号処理は、磁気検出回路９に設けられた絶対角度演算回路（図示せず）によって行われる。ここで信号処理は、外部に設けた回路内で行っても構わない。

図１において、原点検出用の被検出部２７は、バックメタル１１の外周側に絶対角度検出用の被検出部７の磁気発生部材１２とは別体の磁気発生部材２２を、磁気発生部材１２と軸方向に並べて設けることにより構成される。磁気発生部材２２は、ラジアル型のものであって、磁気センサからなる原点検出用の磁気検出部２８に対する着磁特性を円周方向に変化させたシート型の部品とされている。この着磁特性は、円周方向に少なくとも１極以上として変化するものとしてある。この例では図２（Ｂ）に示すようにＮＳ１極対の着磁分布が与えられている。１極の着磁分布とする場合は、単極の磁石が用いられる。この磁気発生部材２２は、例えばゴム磁石とされバックメタル１１に接着される。
図４（Ａ）に拡大して示すように、被検出部７の磁気発生部材１２と被検出部２７の磁気発生部材２２とのアキシャル方向の隙間Ｄ１は、それぞれの被検出部７，２７からの漏れ磁束が、対応する磁気検出部８，２８に影響し合わない間隔とされ、例えば１ｍｍ以上とされている。

図１において、原点検出用の磁気検出部２８は、磁束密度に対応した出力信号を発生する１つ以上（図示の例は１つ）の磁気センサからなる。この原点検出用の磁気検出部２８となる磁気センサは、片側磁界動作型または交番磁界動作型のデジタルセンサからなる。この磁気検出部２８は、絶対角度検出用の磁気検出部８の磁気センサ８Ａ，８Ｂと同一の磁気検出回路９の回路基板に搭載され、この回路基板と共に樹脂ケース１６内に挿入した後に樹脂モールドされる。上記被検出部７，２７の配置に対応させて、原点検出用の磁気検出部２８も絶対角度検出用の磁気検出部８と軸方向に並べて配置される。
図４（Ａ）に示すように、磁気検出部８と磁気検出部２８とのアキシャル方向の隙間Ｄ２も、それぞれの被検出部７，２７からの漏れ磁束が互いに影響し合わないように１ｍｍ以上とされている。図１のように、上記樹脂ケース１６を、金属ケース１７を介して固定側軌道輪３に固定することにより、絶対角度検出用の磁気検出部８を構成する磁気センサ８Ａ，８Ｂ、原点検出用の磁気検出部２８、および磁気検出９の回路基盤が固定側軌道輪３に取付けられている。磁気検出回路９は、磁気センサ８Ａ，８Ｂおよび原点検出用の磁気検出部２８への電力供給および磁気検出部８，２８の出力信号を処理して外部に出力するための回路である。磁気検出回路９は、回路部品を回路基板に実装したものに限らず、例えば単独のチップで構成されたものであっても良いし、外部に設けても良い。

この構成のアブソリュートエンコーダ付軸受によると、絶対角度検出用の磁気検出部８に対する被検出部７の着磁特性（ここでは着磁強度）を、被検出部７が取付けられた回転側軌道輪２の１回転を１周期として変化させているので、電源投入時にイニシャライズ動作を行うことなく、絶対回転角度を知ることができる。また、原点検出用の被検出部２７と磁気検出部２８とで、回転側軌道輪２の１回転中の原点を示す原点信号を生成するようにしているので、回転側軌道輪３の原点位置を確実に検出することもできる。

この実施形態では、絶対角度検出用の被検出部７の着磁特性を正弦波状に変化させると共に、磁気検出部８は所定の位相差を持って配置された２つの磁気センサ８Ａ，８Ｂで構成し、これら２個の磁気センサ８Ａ，８Ｂの位相差を持つ出力信号を磁気検出回路９の絶対角度演算回路により演算するようにしたため、正確に回転側軌道輪２の絶対回転角度を知ることができる。

また、この実施形態では、絶対角度検出用の被検出部７と略同一の円筒面上に軸方向に離れて原点検出用の被検出部２７を配置したため、簡単な構成でこれら２つの被検出部７，２７を設置することができる。

特に、この実施形態では、被検出部７，２７のアキシャル隙間Ｄ１、および磁気検出部８，２８のアキシャル隙間Ｄ２を１ｍｍ以上として、図４（Ａ）に拡大して示すように、絶対角度検出用の被検出部７・磁気検出部８と原点検出用の被検出部２７・磁気検出部２８の間で、各被検出部７，２７からの漏れ磁束が互いに影響し合わないようにしているので、被検出部７に対して検出される磁気特性が図４（Ｂ）のように歪みの無い正弦波形となり、また被検出部２７に対して検出される磁気特性も図４（Ｃ）のように磁極対の配置部だけが局部的に変化するものとなり、さらに正確に回転側軌道輪２の絶対回転角度および原点を知ることができる。

図５は、この発明の実施形態を示す。このアブソリュートエンコーダ付軸受は、上記参考提案例において、原点検出用の磁気発生部材２２をアキシアル型としたものであって、原点検出用の磁気検出部２８もアキシアル方向に設置する。この場合、図５（Ｂ）に拡大して示すように、被検出部７を構成する磁気発生部材１２と被検出部２７を構成する磁気発生部材２２とのアキシャル隙間Ｄ３、およびラジアル隙間Ｄ４は、例えば０．５ｍｍ以上とし、絶対角度検出用の被検出部７・磁気検出部８と原点検出用の被検出部２７・磁気検出部２８との間で、各被検出部７，２７からの漏れ磁束が互いに影響し合わないようにする。これにより、正確に回転側軌道輪２の絶対角度および原点を知ることができる。

この実施形態では、原点検出用の被検出部２７を、その磁界方向が、絶対角度検出用の被検出部７の磁界方向と９０度異なるように配置しているので、両被検出部７，２７の設置間隔Ｄ３，Ｄ４が小さくても、絶対角度検出用の被検出部７・磁気検出部８と原点検出用の被検出部２７・磁気検出部２８が、それぞれの被検出部７，２７からの漏れ磁束の影響を受けるのを回避することができる。

また、絶対角度検出用の被検出部７と原点検出用の被検出部２７のアキシャル隙間Ｄ３、およびラジアル隙間Ｄ４を０．５ｍｍ以上としていることから、絶対角度検出用の被検出部７・磁気検出部８と原点検出用の被検出部２７・磁気検出部２８が、それぞれの被検出部７，２７からの漏れ磁束の影響を受けることを確実に回避することができる。

参考提案例にかかるアブソリュートエンコーダ付軸受の断面図である。 （Ａ）は図１におけるIIａ−IIａ線断面図、（Ｂ）は図１におけるIIｂ−IIｂ線断面図である。 この参考提案例の軸受における絶対角度検出用の磁気検出部の出力波形図である。 （Ａ）は同軸受の要部拡大断面図、（Ｂ）は絶対角度検出用の被検出部の着磁分布、（Ｃ）は原点検出用の被検出部の着磁分布である。 （Ａ）はこの発明の実施形態にかかるアブソリュートエンコーダ付軸受の断面図、（Ｂ）は同軸受の要部拡大断面図である。 従来例の断面図である。 同従来例における磁気センサと磁気エンコーダの関係を示す説明図である。 同磁気センサの検出信号の波形図である。 アブソリュートエンコーダ付軸受の提案例を示す断面図である。 （Ａ）は図９におけるＸａ−Ｘａ線断面図、（Ｂ）は図９におけるＸｂ−Ｘｂ線断面図である。 （Ａ）は図９の軸受の要部拡大断面図、（Ｂ）は絶対角度検出用の被検出部の着磁分布、（Ｃ）は原点検出用の被検出部の着磁分布である。

符号の説明

１…軸受部
２…回転側軌道輪（内輪）
３…固定側軌道輪（外輪）
４…転動体
７…絶対角度検出用の被検出部
８…絶対角度検出用の磁気検出部
９…磁気検出回路
２７…原点検出用の被検出部
２８…原点検出用の磁気検出部

Claims (2)

1. 回転側軌道輪、固定側軌道輪、および転動体からなる転がり軸受部と、回転側軌道輪に取付けられ着磁特性を円周方向に周期的に変化させた絶対角度検出用の被検出部と、この被検出部に対向して固定側軌道輪に取付けられた絶対角度検出用の磁気検出部と、回転側軌道輪の上記絶対角度検出用の被検出部とは異なる位置に取付けられ単極またはＮＳ１極対の着磁特性を有する原点検出用の被検出部と、この被検出部に対向して固定側軌道輪に取付けられた原点検出用の磁気検出部と、上記各磁気検出部へ電力供給し、各磁気検出部の出力信号を処理して回転側軌道輪の絶対回転角度、および固定側軌道輪に対する回転側軌道輪の１回転中の原点を示す原点信号を外部に出力する磁気検出回路とを備えたアブソリュートエンコーダ付軸受において、
   上記絶対角度検出用の被検出部は、着磁特性を回転側軌道輪の１回転を１周期として正弦波状に変化させたものとし、上記原点検出用の被検出部を、その磁界方向が、絶対角度検出用の被検出部の磁界方向と９０度異なるように配置したことを特徴とするアブソリュートエンコーダ付軸受。
2. 請求項１に記載の軸受において、上記絶対角度検出用の被検出部と原点検出用の被検出部のアキシャル方向の隙間、およびラジアル方向の隙間を０．５ｍｍ以上としたアブソリュートエンコーダ付軸受。

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