JP4965074B2 - 計測機能付きころがり軸受及びこれを備えた電動機 - Google Patents

Description

本発明は、軸受の回転部材がエンコーダを支持し、軸受の非回転部材がセンサを支持して、エンコーダを支持している回転部材の速度や角位置のような回転パラメータを決定するという目的を達成するころがり軸受に関する。

かかる装置は、速度そして温度において厳しい条件のもとでの運転を要求される電動機のような分野に用いられる。

特許文献１には、非回転軌道輪と一体化されたホール効果プローブ形式のセンサと、回転軌道輪と一体化されてセンサに対し若干の空隙を形成するエンコーダとを有し、回転軌道輪の回転速度に比例した周波数の周期的信号をセンサに生ずることのできるころがり軸受が知られている。

エンコーダはプラスチックマグネットで作られてセンサに対向して配される能動域が設けられた環状の能動部を有し、この能動部は上記能動域の両側で該能動部に接触している二つの環状要素から成る補強部を備えている。かかるころがり軸受は、通常、特に電動機の分野では満足できるものである。
ＦＲ−Ａ−２７５４９０３

しかし、この形式のエンコーダは１２０℃を超える高温では作動しない。センサとエンコーダは、もしこれらが高強度の磁界、例えば、電動機のステータのコイルにより誘導される磁界そして／又は上記電動機に組み込まれる電磁ブレーキによって誘導される磁界に置かれると満足な作動をしない。最後に、このころがり軸受の軸方向寸法がコンパクトでなく、計測が最適には行われず、又、取付けを容易なものとはしていない。

高出力の非同期電動機では、電動機の制御は電動機の回転パラメータの検出を要求する。特に、ステータのコイルに流入する電流の周波数、電流値そしてその流入方向に順応させるには、ロータの回転の速度そして方向を知る必要がある。ホール効果プローブにもとづく多極型エンコーダの使用は、出力と制御が比較的不正確でも良い応用例、例えば、使用中定速運転されるファン用電動機、にのみ有効である。

又、産業用エンコーダとして、光学型センサエンコーダシステムが知られているが、これは電動機内に組み込まれるには不適であり、この場合、電動機によって駆動するには機械的インターフェイスを必要とすると共に衝撃や温度の影響を受けやすい。

本発明はこれらの欠点を改善することを目的とする。

本発明は軸方向で非常にコンパクトであり、高強度の磁界におかれても、高温度での運転を可能とし、しかも高精度検出のできる計測機能付きころがり軸受を提供する。

本発明による計測機能付きころがり軸受装置は、軌道輪を備えた回転部（３）と、軌道輪を備えた非回転部（２）と、エンコーダ（８）及びセンサ（７）を備えていて回転部（３）と非回転部（２）との間の回転パラメータを検出するための組立体とを有し、上記センサ（７）が非回転部（２）と一体であると共に該非回転部（２）の軌道輪に取り付けられた検出部（９）を備え、該センサ（７）は非回転部（２）に取り付けられるための環板状のサポートユニット（１０）を備えていると共にトランスミッションケーブル（１２）に接続されている計測機能付きころがり軸受装置において、センサ（７）は、軸受半径方向に延びる面で平坦状に巻回されて周方向で順次配された複数のレセプションマイクロコイル（２０）と、レセプションマイクロコイル（２０）を周回して円弧形状をなす少なくとも一つのトランスミッションコイル（１９）とを有し、トランスミッションコイル（１９）とレセプションマイクロコイル（２０）の両方は、平坦状に巻回されていると共に、回路（１８）を支持する円弧板状セクタとして形成されたサポート（１７）上に配され、該サポート（１７）は、上記レセプションマイクロコイル（２０）がエンコーダ（８）と軸方向で対向して位置するようにサポートユニット（１０）の面上に配されていること、さらに、エンコーダ（８）は周方向で角度（φ）のピッチで作動帯が形成されている環板状をなし、レセプションマイクロコイル（２０）は対をなして結合されていて、ａを整数としたとき、対をなす両レセプションマイクロコイル（２０）は、回路（１８）で処理される差動信号を発するように、β＝（ａ＋０．５）×φで定まる角度（β）だけ互いにずれている。これは軸方向で十分にコンパクトである。

一つの形態において、装置はほぼ同一ラジアル平面で巻回された複数のレセプションマイクロコイルを有している。かくして、センサは高精度の検出をすることができる。

本発明の他の形態では、装置は複数の平行ラジアル平面に配された複数のレセプションマイクロコイルを有している。

好ましくは、装置はセンサユニットに配されたトランスミッションコイルを有している。トランスミッションコイルはマイクロコイル、好ましくは平坦な巻回がなされたものとすることもできる。

好ましくは、装置は、サポート上に配された、少なくとも一つのトランスミッションコイルと、少なくとも一つのレセプションマイクロコイルと、データプロセシング回路とを有している。これらの要素は、十分に軸方向でのコンパクト性を保ったまま使用されることができる。サポートは合成樹脂基板の形態のプリント配線回路基板とすることができる。換言すれば、センサは非回転部と単一モジュールとして一体化された能動そして／又は受動要素を有する。

好ましくは、装置は、差動信号を発するように対をなしそして周方向でオフセットして接続されている複数のマイクロコイルを有している。エンコーダは、導電性金属で作られた能動域をもつエンコーダとすることができる。

好ましくは、エンコーダは、金属セクタと非金属セクタとが設けられた環状基板として形成されたプリント配線回路を有している。プリント配線回路はころがり軸受の非回転軌道輪に組まれることができる。

本発明の他の形態では、エンコーダは、窓部あるいは歯部を有し、ころがり軸受の回転輪に取り付けられたエンコーダホイールを有している。エンコーダは一体型ブロックとして作ることができる。かかるエンコーダは高温のもとでも作動できる。窓部は二つの周方向連続部の間で孔状に形成される。歯部は一つの周方向連続部と一体となっている材料の部分を意味している。エンコーダは、回転軌道輪の円筒支持面に取り付けられるアキシャル部と、他の軌道輪に向け延び窓部あるいは歯部が形成されているラジアル部とを有するようにすることができる。

コンパクト化させるために、エンコーダの少なくとも一部がころがり軸受の軌道輪同士間に形成される空間に配されていることが好ましく、すなわち、半径方向では両軌道輪の軌道面間で延びる両軌道輪の円筒面と両軌道輪を限界づける前面との間、そして軸方向では、上記円筒面に対して直角で、転動体ところがり軸受の両軌道輪のラジアル前面との間に配される。

本発明の他の形態では、エンコーダはころがり軸受の軌道輪同士間に形成される空間の外に配されている。

本発明の一形態では、サポートは環状をなしている。

本発明の他の形態では、サポートは３６０°以下、例えば１２０°台の角度のセクタとして形成されている。

本発明の一形態では、データプロセシング回路は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）である。

本発明は、ロータと、ステータと、該ロータを支持する少なくとも一つのころがり軸受と、回転パラメータの検出のためのエンコーダ（８）及び非回転部の軌道輪に取り付けられた検出部（９）が設けられたセンサ（７）を備えたセンサ組立体を有し、上記検出部（９）が上記ステータに取り付けられたセンサの環板状のサポートユニット（１０）を備えると共にトランスミッションケーブル（１２）に接続されている電動機において、センサ（７）は軸受半径方向に延びる面で平坦状に巻回されて周方向で順次配された複数のレセプションマイクロコイル（２０）と、レセプションマイクロコイル（２０）を周回して円弧状をなす少なくとも一つのトランスミッションコイル（１９）とを有し、トランスミッションコイル（１９）とレセプションマイクロコイル（２０）の両方は、平坦状に巻回されていると共に、回路（１８）を支持する円弧板状セクタとして形成されたサポート（１７）上に配され、該サポート（１７）は、上記レセプションマイクロコイル（２０）がエンコーダ（８）と軸方向で対向して位置するようにステータと一体のサポートユニット（１０）の面上に配されていること、さらに、エンコーダ（８）は周方向で角度（φ）のピッチで作動帯が形成されている環板状をなし、上記トランスミッションコイル（１９）がサポート（１７）上で上記複数のレセプションマイクロコイル（２０）を包囲して円弧状をなしているレセプションマイクロコイル（２０）は対をなして結合されていて、ａを整数としたとき、対をなす両レセプションマイクロコイル（２０）は、回路（１８）で処理される差動信号を発するように、β＝（ａ＋０．５）×φで定まる角度（β）だけ互いにずれている。通常、巻回は、ステータと一体でセンサユニットを支持する外軌道輪とロータ及びエンコーダを支持するロータと一体とされた回転内軌道輪とを含む。電動機は、回転パラメータを精度よく測定することによって高精度制御が要求される高出力非同期型とすることができる。

マイクロコイルは、ここで、回路基板上で巻回された、例えばプリント配線回路基板上の銅線コイルを意味する。

本発明は、非限定的例として示され添付図面に描かれたいくつかの実施形態についての詳細説明を検討することにより、さらに良く理解されるであろう。

図１に示されているように、ころがり軸受１は、外輪２と、内輪３と、外輪２と内輪３との間に配され保持器５により保持されている一列の転動体４と、ここではボールと、その一方の側方におけるシール６と、そして、反対側で外輪２に一体化された速度センサ７と内輪３に一体化されたエンコーダ８とを有している。

図示の実施形態では、外輪は非回転で、内輪が回転している。しかし、両者は逆の関係であっても良い。

センサ７は、図２でより詳しく示されている検出部９、合成樹脂製のサポートユニット１０、外輪（非回転部）２の支持面に取り付けられた金属要素１１とを有し、この場合、金属要素は計測機能なしのころがり軸受のときにシールの取付けのために用いられる溝に取り付けられている。検出部９に接続されているケーブル１２は、速度、位置あるいはさらなる回転パラメータの情報を、かかるデータを活用する図示しない他のユニットに伝達するために用いられる。

図１と図３に見られるエンコーダ８は、支持部１３と作動部１４とを有している。支持部１３は、軸方向でセンサの側に、転動体４と接触する軌道面３ｂと内輪（回転部）３の端部をなすラジアル面３ｃとの間で形成される内輪３の円筒支持面３ａに取り付けられるように筒状をなしている。

作動部１４は半径方向に延び矩形の複数の窓部１５を有しており、この窓部は半径方向に長く、該作動部１４の大径側端部で連続周部１６を残している。作動部１４と支持部１３とは一体ユニットとして形成されていて、経済的かつ特に構造を堅牢にしている。エンコーダ８は、プレスそして打抜き工程を経て金属シートから作られているようにすることができる。

作動部１４が内輪３のラジアル面３ｃに対し若干没していることに注目される。したがって、エンコーダ８は、特にコンパクトであり、半径方向ではころがり軸受の外輪２と内輪の間でそして軸方向では転動体４と上記外輪２そして内輪３の端面２ｃ，３ｃを通るラジアル面との間で限界づけられる空間内に配される。

センサ７の検出部９は、例えばＡＳＩＣ型の集積回路１８が搭載されており、該検出部９のサポート１７は、データプロセシング、励磁コイルとも呼ばれるトランスミッションコイル１９そして四つのレセプションマイクロコイル２０の支持のためでもある。上記回路は、図示しない、コンデンサ、抵抗等いくつかのフィルタ要素をも有している。検出部９は、軸方向でエンコーダ８の作動部１４から若干距離をもって配されていて、１２０°位の円弧状のセクタをなしている一方、円周状をなすサポートユニット１０の凹部に挿入されている。もし必要ならば、３６０°の連続せるセクタとしてもよい。検出部９はサポートユニット１０の材料によって覆われないでエンコーダ８に対面して位置する面を有している。

マイクロコイル１９と２０はフラット巻回型であり、印刷回路や集積回路の形式でもよい。平坦な巻回はセンサ７を軸方向できわめてコンパクトにするのに優れている。これに加え、レセプションコイル２０は四角形の外形を有し、検出部９の基板部としてのサポート１７により形成される弧状部分に次々と配されており、一方、トランスミッションコイル１９はこれらのレセプションコイル２０を包囲して弧状をなしている。コイル１９と２０は図示しない方法でケーブル１２に接続されているデータプロセシング回路１８に接続されている。

金属要素１１は、従来の計測機能なしのころがり軸受でシール６が対称的に有するように、シール要素を取り付けるために用いられてきた外輪２の溝に曲がって入り込むフック部１１ａを形成している。

金属要素１１は短ラジアル部１１ｂとアキシャル部１１ｃとを有し、短ラジアル部１１ｂは上記フック部１１aから半径外方に延び、一方の側で外輪２のラジアル面２ｃとそして他方の側でセンサ７のサポートユニット１０と接触しており、上記アキシャル部１１ｃは、ケーブル１２を囲んでその延出部を保護している突部２１を外方に向け形成しているサポートユニット１０のケーブル延出部１２を除いて、サポートユニット１０を半径方向で包囲するラジアル部１１ｂの自由端から軸方向に延びている。

サポートユニット１０は合成樹脂材料で作られていて外周で突出する突部２１をもった概ね環状をなし、ころがり軸受に向く側のラジアル面には軸方向に没した凹部が形成されており、該凹部は検出部９を収容するハウジングとして機能し、又、該検出部９を、ころがり軸受と反対側の面で、該検出部９の厚みに対し半径方向で覆っている。サポートユニット１０と検出部９は一体化されている。変形例としては、サポートユニット１０は金属であってもよい。

図４はエンコーダについての変形例を示しており、ここでは、支持部１３が前出の実施形態の場合と同じで、該支持部１３から半径外方へ延出する作動部１４は半径方向に長い略長方形をなす複数の歯２２で形成され、これらの外周は円形をなし歯同士間には若干台形状の溝が形成されている。

センサとエンコーダの組立体の作動要領はこれらの二つの実施形態で同様である。

レセプションコイル２０は発振回路に接続されているトランスミッションコイル１９により電気的に励起されている。

トランスミッションコイル１９は誘導によりレセプションコイル２０に電気信号を生ずる。

エンコーダ８の回転中、マイクロコイルの前を通過する作動部１４の窓部と壁部は各レセプションマイクロコイル２０の前で位置する金属質量の変化をもたらす。

上記レセプションコイル２０では、これは、渦電流損により誘導される電気信号の相の変動という結果をもたらす。

種々のレセプションコイル２０により発せられ回路１８によって処理される電気信号の変動は、回転速度のようなエンコーダ８の回転パラメータを代表する信号の発生のベースとなる。

マイクロコイル付きのセンサは、高強度磁界の中にあっても、計測機能付きころがり軸受が信頼ある情報を提供するようにせしめている。

エンコーダは、鋼等の導電性そして磁性金属材料、あるいは、アルミニウムや銅のような導電性そして非磁性材料で作ることができる。

レセプションマイクロコイル２０は対をなして差動信号を発するように作動する。一対のレセプションマイクロコイル２０はβで示される角度だけ周方向にオフセットされており、窓部の角度ピッチはφで示されている。信号の相がずれるためには、これらの角度の一つが他に対して倍数でないことを要求する。これは、したがって、ａを整数にしたとき、β≠ａ×φということになり、角度βは通常φよりも大きい。例えば、β＝（ａ＋０．５）×φあるいはβ＝（ａ＋０．２５）×φである。

エンコーダが回転中にセンサの前を通過すると、作動部１４における材料の不連続性がレセプションマイクロコイル２０とは反対の金属質量の周期的変動を生ずる。一対のレセプションコイルの各コイル前に金属材料が存在するときには、二つの差動コイルの間の相差はゼロとなる。一対をなす二つのレセプションコイルの少なくとも一つの前に金属材料が存在しそして金属材料が各コイル前に異なる分布をなしているときには、金属材料中の渦電流損が電流の位相差を生ずる。この位相差はプロセシングユニット１８によって適切に処理されそして抽出され、角速度、回転方向、位置等の所望の情報を得る。

電気信号の発生は、したがって、マイクロコイルにより検出される磁界レベルや方向に依るものではなく、上記マイクロコイルの前を通過する導電性金属質量の変動のもとでレセプションコイル２０の励磁コイル１９により誘導される電流の変動に依るものである。信号は、したがって、外部の磁界に対し不感知であり、このことは、本発明装置を電動機等の強磁界のもとでもきわめて適正に作動できるようにしている。レセプションコイル２０は、エンコーダ８の作動部１４と協働しかつ要求信号を生ずるのに好適な半径方向位置そして角度ピッチのもとでサポート１７に分布している。必要な場合には、レセプションコイル２０の数を周方向で増やしたり、あるいは幾つかのコイルの軸方向における積層を高出力信号が得られるように設定することもできる。

プロセシングユニット１８がそうであるように、マイクロコイルはきわめて薄いので、センサ７は軸方向寸法がきわめて小さく、該センサ自体をきわめて小さい軸方向寸法のセンサユニット１０へ一体化させることを可能とする。同様に、エンコーダも、その構造によって、軸方向にきわめて薄くすることが可能で、軸受の軌道輪間に形成される空間に容易に収容でき、上記エンコーダは計測機能付きころがり軸受の外形寸法に何ら影響をもたらさない。

図５そして図６はプリント配線回路技術をもって作られたエンコーダ８を有する変形例を示している。例えば銅による薄い金属層が従来のプリント配線回路基板に形成されてディスクが作られており、該ディスクは金属セクタ８ａと非金属セクタ８ｂとを交互に有している。基板は非導電体であり、金属セクタ８ａは導電性を有している。

このディスクは、適切な手段（嵌合そして／あるいは接着）によって、この目的のために用意された軸受１の回転軌道輪３のアキシャル部３ｄに取り付けられている。この形式のエンコーダホイールは殆ど慣性がなくそして軸方向できわめてコンパクトであり、作動部の外形は非常に精度よく作れる。したがって、集約信号は特に弱い。

図７はシステムの電気的機能を詳細に示している。この図では、レセプションコイル２０は、符号２４と２５が付され破線で囲まれた二対にグループ分けされている。図面を判りやすくするために、二対のレセプションコイル２４そして２５は励磁トランスミッションコイルの外側にあるように示されているが、実際には、上記レセプションコイルは上記トランスミッションコイル１９の内側に配されている。

コイル１９と２０はプロセシングユニット１８に接続されている。プロセシングユニット１８は発振器２６を有し、該発振器の出力側はトランスミッションコイル１９、そしてレセプションコイル２０のそれぞれの出力側に接続された二つの位相復調器２７と２８に接続されている。回路１８は、位相復調器２７と２８の出力側にてそれぞれ組まれた補間比較回路２９，３０をも有している。出力側にて、プロセシングユニット１８はころがり軸受の回転についての速度、位置、回転方向、加速度等の回転パラメータの少なくとも一つを伝達する。

かくして小体積の機械的組立体として一体化可能な計測機能付きころがり軸受が得られ、電動機における高温度条件での運転が可能、そして強磁界の環境での運転が可能となる。

かかる特性によって、本発明による計測機能付きころがり軸受は高出力の非同期電動機での使用に十分な能力を有するようになり、計測機能付きころがり軸受は、軸受としての機械的機能そして電動機を制御するために必要な検出を行う電気的機能の両方を備えることとなる。

本発明の一実施形態としての計測機能付きころがり軸受の軸方向断面図である。 図１のセンサの部分図である。 図１のエンコーダの正面図である。 エンコーダの変形例の正面図である。 本発明の他の実施形態としての計測機能付きころがり軸受の軸方向断面図である。 図５のエンコーダの正面図である。 センサの配線図である。

Claims (11)

1. 軌道輪を備えた回転部（３）と、軌道輪を備えた非回転部（２）と、エンコーダ（８）及びセンサ（７）を備えていて回転部（３）と非回転部（２）との間の回転パラメータを検出するための組立体とを有し、上記センサ（７）が非回転部（２）と一体であると共に該非回転部（２）の軌道輪に取り付けられた検出部（９）を備え、該センサ（７）は非回転部（２）に取り付けられるための環板状のサポートユニット（１０）を備えていると共にトランスミッションケーブル（１２）に接続されている計測機能付きころがり軸受装置において、センサ（７）は、軸受半径方向に延びる面で平坦状に巻回されて周方向で順次配された複数のレセプションマイクロコイル（２０）と、レセプションマイクロコイル（２０）を周回して円弧形状をなす少なくとも一つのトランスミッションコイル（１９）とを有し、トランスミッションコイル（１９）とレセプションマイクロコイル（２０）の両方は、平坦状に巻回されていると共に、回路（１８）を支持する円弧板状セクタとして形成されたサポート（１７）上に配され、該サポート（１７）は、上記レセプションマイクロコイル（２０）がエンコーダ（８）と軸方向で対向して位置するようにサポートユニット（１０）の面上に配されていること、さらに、エンコーダ（８）は周方向で角度（φ）のピッチで作動帯が形成されている環板状をなし、レセプションマイクロコイル（２０）は対をなして結合されていて、ａを整数としたとき、対をなす両レセプションマイクロコイル（２０）は、回路（１８）で処理される差動信号を発するように、β＝（ａ＋０．５）×φで定まる角度（β）だけ互いにずれていることを特徴とする計測機能付きころがり軸受装置。
2. 複数の平行ラジアル平面に複数のレセプションマイクロコイルが配されていることとする請求項１に記載の装置。
3. エンコーダは作動域が導電性金属で作られているエンコーダホイールであることとする請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. エンコーダは、窓部あるいは歯部を有し、ころがり軸受の回転輪（３）に取り付けられたエンコーダホイールを有していることとする請求項１ないし請求項３のうちの一つに記載の装置。
5. エンコーダは、金属セクタと非金属セクタとが設けられた環状基板として形成されたプリント配線回路を有していることとする請求項１ないし請求項３のうちの一つに記載の装置。
6. プリント配線回路はころがり軸受の回転輪に組まれていることとする請求項５に記載の装置。
7. エンコーダの少なくとも一部がころがり軸受の軌道輪同士間に形成される空間に配されていることとする請求項１ないし請求項６のうちの一つに記載の装置。
8. エンコーダはころがり軸受の軌道輪同士間に形成される空間の外に配されていることとする請求項１ないし請求項７のうちの一つに記載の装置。
9. サポートが環状をなしていることとする請求項１ないし請求項８のうちの一つに記載の装置。
10. サポートは３６０°以下の角度のセクタとして形成されていることとする請求項
    １ないし請求項９のうちの一つに記載の装置。
11. ロータと、ステータと、該ロータを支持する少なくとも一つのころがり軸受と、回転パラメータの検出のためのエンコーダ（８）及び非回転部の軌道輪に取り付けられた検出部（９）が設けられたセンサ（７）を備えたセンサ組立体を有し、上記検出部（９）が上記ステータに取り付けられたセンサの環板状のサポートユニット（１０）を備えると共にトランスミッションケーブル（１２）に接続されている電動機において、センサ（７）は軸受半径方向に延びる面で平坦状に巻回されて周方向で順次配された複数のレセプションマイクロコイル（２０）と、レセプションマイクロコイル（２０）を周回して円弧状をなす少なくとも一つのトランスミッションコイル（１９）とを有し、トランスミッションコイル（１９）とレセプションマイクロコイル（２０）の両方は、平坦状に巻回されていると共に、回路（１８）を支持する円弧板状セクタとして形成されたサポート（１７）上に配され、該サポート（１７）は、上記レセプションマイクロコイル（２０）がエンコーダ（８）と軸方向で対向して位置するようにステータと一体のサポートユニット（１０）の面上に配されていること、さらに、エンコーダ（８）は周方向で角度（φ）のピッチで作動帯が形成されている環板状をなし、上記トランスミッションコイル（１９）がサポート（１７）上で上記複数のレセプションマイクロコイル（２０）を包囲して円弧状をなしているレセプションマイクロコイル（２０）は対をなして結合されていて、ａを整数としたとき、対をなす両レセプションマイクロコイル（２０）は、回路（１８）で処理される差動信号を発するように、β＝（ａ＋０．５）×φで定まる角度（β）だけ互いにずれていることを特徴とする電動機。

Images