JP4739804B2

JP4739804B2 - 回転センサ付き軸受

Info

Publication number: JP4739804B2
Application number: JP2005123882A
Authority: JP
Inventors: 浩義伊藤
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2025-04-21
Also published as: JP2006300773A

Description

この発明は、モータ内に組み込まれ、回転速度や回転方向を検出する場合に使用される回転センサ付き軸受に関し、特にモータからの漏洩磁界の影響を回避し検出精度を高めたものである。

内輪、外輪及び前記内輪と外輪の間に介在された複数の転動体を備え、前記内輪と外輪のいずれか一方を回転側軌道輪、他方を固定側軌道輪となし、回転側軌道輪に装着した芯金に周方向に一定ピッチで異極の磁極を交互に設けた磁気エンコーダを固着し、固定側軌道輪に装着した芯金に前記磁気エンコーダに対向したセンサ素子（磁気センサ）を取付けた回転センサ付き軸受は従来から知られている（特許文献１参照）。

図７は、上記従来の回転センサ付き軸受４１をモータ４２に組み込んだ状態を示している。同図において、４３はモータ主軸、４４はモータロータ、４５はモータステータ、４６はモータハウジング、４７は漏洩磁界の磁気ループを示す。

図示のように、モータステータ４５から発生する磁束は、モータロータ４４を半径方向に透過し、モータ主軸４３内に流れる。モータ主軸４３に流れた磁束は、大きく分けて、回転センサ付き軸受４１の内輪４８→転動体４９→外輪５１→モータハウジング４６→モータステータ４５へと流れる磁束の流れａと、回転センサ付き軸受４１の内輪４８→磁気エンコーダ５２→磁気センサ５３→外輪５１→モータハウジング４６→モータステータ４５へと流れる磁束の流れｂがある。

このうち磁束の流れｂは磁気センサ５３を通過するため、磁気センサ５３の誤動作の原因となる。

この点を図８（ａ）〜（ｃ）で説明する。図８（ａ）は漏洩磁界の影響を受けていない磁気波形Ａと、これを一定のしきい値Ｓを基準として取り出した出力信号Ｂを示す。出力信号Ｂにおけるデューティ比（Ｔｐ／Ｔｎ×１００）の値は５０％である。これに対して図８（ｂ）は漏洩磁界が磁極の＋方向に付加された場合であり、漏洩磁界の影響を受けて磁気波形Ａ’は波形が＋方向に＋Ｃだけオフセットされた状態を示す。この場合の出力信号Ｂ’のデューティ比の値は５０％よりはるかに大きくなる。デューティ比の値が相対的に大きいことは漏洩磁界の影響が一層に大きいことを意味する。

前記のオフセット量Ｃの大きさは漏洩磁界の大きさを示し、オフセット量Ｃが図示の場合よりさらに大きくなると、一層デューティ比の値が大きくなり、最悪の場合、出力信号のＨｉｇｈ−Ｌｏｗの繰返しが無くなり回転速度の検出が不可能になる。なお、図８（ｃ）は漏洩磁界が−側に付加された場合（オフセット量が−Ｃの場合）である。

なお、従来の磁気エンコーダ５２の磁性材料としては、通常は安価な粉末フェライトが使用され、バインダとして耐熱ゴムであるＨＮＢＲが使用されていた。

また、モータ等の漏洩磁束の影響を排除してセンサ素子による検知精度を向上させる手段として、円周方向に複数のセンサ素子を配置するとともに、それぞれの出力信号の差動出力手段を１相分のエンコーダ信号として処理することにより、漏洩磁界の影響を排除するようにすることも従来から知られている（特許文献２参照）。
特開２００３−３０２２５４号公報特開２００４−１１７３１８号公報

しかしながら、磁気エンコーダの材料として従来一般に使用されているフェライト材を用いたものでは磁力を強くするには限界があり、大きな漏洩磁界の影響を回避するだけの効果が発揮できない。また前記の差動出力手段を用いたものは、センサ素子の数が多くなるとともに電気回路が複雑になるためコスト高になる問題がある。

そこで、この発明は電気回路によることなく、磁気エンコーダの磁性材料の選定によって磁力を強め、これによりモータなどから発生する漏洩磁界の影響を排除し、磁気センサによる検知精度を高めることを課題とする。

前記の課題を解決するために、この発明は、内輪、外輪及び前記内輪と外輪の間に介在された複数の転動体を備え、前記内輪と外輪のいずれか一方を回転側軌道輪、他方を固定側軌道輪と定め、回転側軌道輪に装着した芯金に周方向に一定ピッチで異極の磁極を交互に形成した磁気エンコーダを固着し、固定側軌道輪に前記磁気エンコーダに対向したセンサ素子を設けてなる回転センサ付き軸受において、前記の磁気エンコーダの磁性材料が希土類系磁性材料であり、そのバインダとしてフッ素系ゴムを用いた構成としたのである。

なお、前記の希土類系磁性材料としてサマリウム系のものを用いることができる。また前記の希土類磁性材料をゴム材に練り込んだものを使用することができる。

以上のように、回転センサ付き軸受に用いる磁気エンコーダの磁性材料としてサマリウム系等の希土類系磁性材料を用いたことにより、従来のフェライト系のものより強い磁力が得られるので、モータ等に組み込んで用いる際にモータ等から発生する漏洩磁界の影響を受け難くなり、センサの誤動作を避けることができる。

また、前記磁性材料のバインダとしてフッ素系ゴム（ＦＫＭ）を使用することにより、磁気エンコーダを構成する磁性ゴムは大きな衝撃力が作用しても破壊されることがなく信頼性も高い。このため、急激な作動・停止を繰り返す電動工具などに適用範囲が広がる。

以下、この発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１及び図２に示した回転センサ付き軸受は、内輪１を回転側軌道輪、外輪２を固定側軌道輪と定めた内輪回転型であり、内輪１、外輪２及び内輪１と外輪２の対向した軌道溝３、４の間に保持器５によって保持された複数の転動体６が介在される。前記内輪１と外輪２の一方の側面において、固定側の外輪２に装着したシール部材７を回転側の内輪１に接触させている。

前記のシール部材７を設けた側と反対側の端部において、内輪１の外径面と外輪２の内径面にそれぞれ環状の内輪側芯金８と外輪側芯金９を径方向に対向状態に固定している。内輪側芯金８は環状の内輪側固定部１１の外端に拡径方向に屈曲したＬ型断面の内輪側装着部１２が設けられ、その内輪側装着部１２の外径面に磁気エンコーダ１３が固着される。

磁気エンコーダ１３は、図２に示したように全周にわたり一定幅の異極の磁極１５を周方向に一定ピッチで交互に着磁配列したものである。磁極１５の幅を小さくするにしたがって磁気エンコーダ１３の磁束密度が低下しピッチ精度も低下する傾向にあるが、着磁幅は経験上、磁気エンコーダ１３の周方向の長さで０．５ｍｍ以上あればよいことが分かっている。

前記の外輪側芯金９も、図１に示したように、環状の外輪側固定部１６の外端にＬ型断面の外輪側装着部１７を設けたものであり、その外輪側装着部１７は前記の内輪側装着部１２よりアキシャル方向に長く突き出している。また、前記の外輪側固定部１６の内径面に内輪側固定部１１に向け突き出したシール部１８が全周に形成される。

前記の外輪側芯金９において、そのＬ型断面の外輪側装着部１７の内面に環状の樹脂等でなるセンサホルダ１９が装着され、そのセンサホルダ１９の一部に電気回路基板２１等がインサート成形等により一体に固着される。センサホルダ１９の内径面は内側が大径、外側が小径の２段に形成される。大径側の内径面２２が磁気エンコーダ１３に所要のすき間をおいて対向する。

前記内輪側芯金８の装着部１２の内径側にカバー部材２３の円筒部２４が挿入される。その円筒部２４の外端に外向きのつば部２５が設けられ、そのつば部２５の外周縁が前記外輪側芯金９の装着部１７の外端部内周縁に固着される。前記つば部２５は電気回路基板２１を含むセンサホルダ１９の外端面をカバーする。また円筒部２４は電気回路基板２１を含むセンサホルダ１９の内周面をカバーするとともに、内輪側芯金８の装着部１２の内周面との間にラビリンスすき間２６の一部を形成する。ラビリンスすき間２６は、前記円筒部２４と装着部１２の部分から該装着部１２の外端面とセンサホルダ１９の間、磁気エンコーダ１３とセンサホルダ１９との間、該装着部１２内端面とセンサホルダ１９の内端面を含む部分と前記のシール部１８との間に渡り形成される。

前記センサホルダ１９の小径側の部分に電気回路基板２１が周方向に所要の範囲に渡り埋め込まれる。その電気回路基板２１内面には周方向に一定の間隔をおいてホールＩＣ等からなるＡ相センサ素子２８とＢ相センサ素子２９が内向きに突き出して設けられる。各センサ素子２８、２９が前記センサホルダ１９の大径の内径面２２に露出し前記の磁気エンコーダ１３の磁極１５（図２（ｂ）（ｃ）参照）と対面する。各センサ素子２８、２９の間隔は、着磁ピッチの０．２５ピッチを基準ピッチとして、その奇数倍に設定される。図２（ａ）（ｂ）はその間隔を基準ピッチの９倍（＝２．２５ピッチ）に設定した例を示す。最大では基準ピッチの１５倍程度まで可能である。なお、図２（ａ）において、３１は出力ケーブルを示す。

上記のように、Ａ相センサ素子２８とＢ相センサ素子２９の間隔を基準ピッチの奇数倍に設定すると、Ａ相出力信号とＢ相出力信号の電気的位相差が９０度となる。

一方、磁気エンコーダ１３において、その任意の一定位置の磁極１５から着磁ピッチを増加させて行くに従ってピッチの累積誤差が発生するため、対向するセンサ素子２８、２９の間隔（ピッチ数）が大きくなり、出力信号の位相差の誤差が大きくなる。従って、９０度の位相差を精度良く作り出すためには、センサ素子２８、２９の間隔をできるだけ小さく設定する必要がある。しかし、一定以上小さくするとセンサ素子２８、２９相互が干渉するため、その間隔を小さくするには制限がある。

そこで、磁極の幅が０．５ｍｍ以上の場合において、最小の間隔はセンサ素子２８、２９の干渉を避けるために必要最小限の間隔（１．７５ピッチ＝０．２５ピッチ×７倍）が必要である。また、最大の間隔は着磁ピッチの累積誤差の影響を無視できる最大限の間隔（２．２５ピッチ＝０．２５ピッチ×９倍）に設定することができる。

なお、前記の間隔は磁気エンコーダ１３の回転方向が逆であっても、また両センサ素子２８、２９の配置が逆であっても同様である。

図３は、磁気エンコーダ１３が図２（ａ）のように時計周り方向（矢印Ａ参照）に回転する場合において、Ｂ相センサ素子２９に対してＡ相センサ素子２８の位置を磁気エンコーダ１３の回転方向に０．２５ピッチの奇数倍ごと離した場合の出力波形の関係を示している。図３において、Ｎ及びＳは磁気エンコーダ１３の磁極１５を示す。各センサ素子２８、２９はＮ極への接近でＯＦＦとなり、Ｓ極への接近でＯＮとなる。センサ素子２８、２９がＯＦＦの状態で出力波形はＨｉｇｈとなり、ＯＮの状態でＬｏｗとなる。図４はＡ相出力波形とＢ相出力波形を逓倍した状態を示す。図示のように、逓倍前の出力波形のピッチに対して、逓倍後の出力波形のピッチは２倍となる。

図５に磁気エンコーダ１３の累積ピッチ誤差が大きい状態で逓倍した例を示す。各相の出力波形のピッチ誤差が大きいと、逓倍後のピッチ精度が悪くなることが分かる。

なお、以上の実施形態は内輪回転型の軸受について説明したが、外輪回転型の軸受にも同様に適用することができる。

前記の磁気エンコーダ１３の磁性材料として希土類系（ネオジウム系、サマリウム系）を用いることが望ましい。これらの希土類系磁性材料は従来のフェライト系のものより強い磁力が得られるので、モータ等に組み込んで用いる際にモータ等から発生する漏洩磁界の影響を受け難くなり、センサの誤動作を避けることができる。

上記の希土類系磁性材料を用いる場合、そのバインダそしてフッ素系ゴム（ＦＫＭ）を使用することが望ましい。前記の磁性材料はフッ素系ゴムに練り込まれ磁性ゴムの性状を示す。従来のＨＮＢＲに比べて、引っ張り強度において約２倍になるため、大きな衝撃力が作用しても磁性ゴムが破壊されないため電動工具などに用いることができる。

前記のように希土類系磁性材料を用い強い磁界が得られる場合において、前記のセンサ素子２８、２９の検知精度が向上することを図６（ａ）〜（ｃ）に基づいて説明する。図６（ａ）の磁気波形Ａは、前述した図８（ａ）の磁気波形Ａの場合に比べて磁力が相対的に強くなった場合において、磁気エンコーダ１３が漏洩磁界の影響を受けていない状態を示す。図６（ｂ）の磁気波形Ａ’は漏洩磁界が磁極の＋方向に付加され、磁気波形Ａが＋方向にＣだけオフセットした状態を示す。図６（ａ）においては出力信号のデューティ比の値が５０％であるのに対し、図６（ｂ）においてはその値が５０％よりわずかに大きくなっており、前述の図８（ｂ）の場合に比べデューティ比の変化量が小さいことがわかる。これは、磁力を大きくしたことによって磁気波形Ａの角度αが小さくなったためである。また、同時に磁力を強くしたことによって、オフセットがかかっても磁気波形Ａの頂点がしきい値とクロスしなくなるのまでの余裕が大きくなる。

なお、図６（ｃ）は漏洩磁界が−側に付加された場合（オフセット量が−Ｃの場合）である。

実施形態の断面図（ａ）図１のIIａ−IIａ線の断面図、（ｂ）図１のIIｂ−IIｂ線の一部断面図、（ｃ）（ｂ）図の磁極部分の拡大図同上のセンサ素子の固定位置と出力波形の関係の説明図同上のセンサ出力Ａ相及びＢ相による逓倍の説明図センサ出力Ａ相及びＢ相による逓倍状態の累積ピッチ誤差の影響を受けた場合の説明図（ａ）〜（ｃ）同上の磁気波形図と出力信号波形図従来例の使用状態の一部断面図（ａ）〜（ｃ）従来の場合の磁気波形図と出力信号波形図

符号の説明

１内輪
２外輪
３軌道溝
４軌道溝
５保持器
６転動体
７シール部材
８内輪側芯金
９外輪側芯金
１１内輪側固定部
１２内輪側装着部
１３磁気エンコーダ
１５磁極
１６外輪側固定部
１７外輪側装着部
１８シール部
１９センサホルダ
２１電気回路基板
２２内径面
２３カバー部材
２４円筒部
２５つば部
２６ラビリンスすき間
２８Ａ相センサ素子
２９Ｂ相センサ素子
３１出力ケーブル

Claims

内輪、外輪及び前記内輪と外輪の間に介在された複数の転動体を備え、前記内輪と外輪のいずれか一方を回転側軌道輪、他方を固定側軌道輪と定め、回転側軌道輪に装着した芯金に周方向に一定ピッチで異極の磁極を交互に形成した磁気エンコーダを固着し、固定側軌道輪に前記磁気エンコーダに対向したセンサ素子を設けてなる回転センサ付き軸受において、前記の磁気エンコーダの磁性材料が希土類系磁性材料であり、そのバインダとしてフッ素系ゴムを用い、
前記磁気エンコーダを、全周に亘り一定幅の前記異極の磁極を前記一定ピッチで交互に着磁配列したものとし、前記磁極の着磁幅を、前記磁気エンコーダの周方向の長さで０．５ｍｍ以上とし、
周方向に隣接する一対の前記異極の磁極を単位とした周方向間隔を着磁ピッチとし、この着磁ピッチの０．２５ピッチを基準ピッチとしたとき、Ａ相出力信号を出力する前記センサ素子と、Ｂ相出力信号を出力する前記センサ素子とを、周方向に前記基準ピッチの奇数倍の間隔をおいて設け、
前記奇数倍を７倍から９倍までとしたことを特徴とする回転センサ付き軸受。
前記の希土類系磁性材料がサマリウム系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。
前記の希土類磁性材料がフッ素系ゴム材に練りこまれたことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転センサ付き軸受。