JP2005127378A - Bearing with absolute encoder - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a bearing with an absolute encoder that has an absolute angle detection function and is used for various devices such as robot joints.
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。磁気センサ57は、樹脂ケース58内に挿入された状態で樹脂モールドされ、この樹脂ケース58を金属ケース59を介して外輪53に嵌着させることで、外輪53に固定されている。
Focusing on the advantage of being compact and easy to assemble, there is one in which a rotation sensor is built in a rolling bearing. An example is shown in FIG. The rolling bearing 51 in FIG. 1 includes a
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。
With this configuration, as the
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。 However, with such a configuration, although an incremental rotation pulse signal can be obtained, the absolute rotation angle cannot be known. In this case, in order to know the absolute rotation angle, the number of pulses must be counted after performing an initialization operation when the power is turned on.
このような課題を解決するものとして、図9に示すように、内輪に設けるラジアル型の被検出部61の磁気特性を、内輪の1回転を1周期として例えば正弦波状に変化するものが提案されている(特願2003−101396号)。上記被検出部61の磁気変化を検出する磁気検出部60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60A,60Bで構成される。この構成によると、被検出部61の磁気特性を、1回転を1周期として変化させたため、簡単に絶対角度を出力することができる。また、この場合、上記2つの磁気センサ60A,60Bの差分出力を矩形処理(コンパレート)することで、1回転1周期の矩形信号を原点信号として得ることができる。あるいは、2つの磁気センサ60A,60Bのうち一方の磁気センサの正弦波出力を、その出力振幅の中央電圧と比較することで矩形信号を得て、これを原点信号とすることができる。
As a solution to such a problem, as shown in FIG. 9, a magnetic characteristic of a radial type detected
しかし、上記構成の場合、各磁気センサ60A,60Bのしきい値のばらつきや、温度による被検出部61の減磁の影響により、高精度の原点信号が得られない。そのため、繰返し原点検出精度が厳しく要求される場合には、絶対角度検出用とは別に、原点検出用の被検出部および磁気検出部を設けて、原点信号を生成する必要がある。
However, in the case of the above configuration, a highly accurate origin signal cannot be obtained due to variations in threshold values of the
この発明の目的は、絶対角度の検出が可能で、かつ絶対角度の検出用とは別の被検出部を設けることなく、高精度な原点信号を得ることのできる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。 An object of the present invention is to provide a bearing with an absolute encoder that can detect an absolute angle and can obtain a highly accurate origin signal without providing a detected part separate from that for detecting an absolute angle. It is.
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磁気特性を円周方向に周期的に変化させた被検出部と、この被検出部に対向して固定側軌道輪に取付けられた磁気検出部と、この磁気検出部へ電力供給し、磁気検出部の出力信号を処理して外部に出力する磁気検出回路とを備え、上記被検出部の上記磁気検出部に対する磁気特性を、回転側軌道輪の1回転を1周期として変化させたアブソリュートエンコーダ付軸受であって、
上記被検出部の磁気特性を、正弦波状で、かつゼロクロス付近で正弦波よりも急峻な立上がりまたは立下がりとなるようにしたことを特徴とする。上記磁気検出回路は、例えば上記磁気検出部の出力信号を処理して絶対角度の検出信号、および原点信号を出力するものとされる。
この構成によると、被検出部の上記磁気検出部に対する磁気特性を、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、絶対角度の検出が可能である。また、被検出部の磁気特性を、正弦波状で、かつゼロクロス付近で正弦波よりも急峻な立上がりまたは立下がりとなるようにしたため、磁気検出部の出力信号を利用して高精度な原点信号を生成することができる。このように、絶対角度の検出が可能で、かつ絶対角度の検出用とは別の被検出部を設けることなく、高精度な原点信号を得ることができる。
なお、上記磁気検出回路は、上記磁気検出部の出力信号の処理により、原点信号のみをを出力するものとし、絶対角度の検出信号の出力機能を持たないものとしても良い。
A bearing with an absolute encoder according to the present invention includes a rolling bearing portion including a rotating side race ring, a fixed side race ring, and a rolling element, and a covered bearing that is attached to the rotary side race ring and whose magnetic characteristics are periodically changed in the circumferential direction. A detection unit, a magnetic detection unit mounted on the fixed-side raceway facing the detected unit, and a magnetic detection unit that supplies power to the magnetic detection unit, processes an output signal of the magnetic detection unit, and outputs the processed signal to the outside A bearing with an absolute encoder, wherein the magnetic characteristic of the detected portion with respect to the magnetic detection portion is changed with one rotation of the rotation side raceway as one cycle,
The magnetic characteristic of the detected portion is characterized by a sine wave shape and a steep rising or falling edge near the zero cross than the sine wave. The magnetic detection circuit, for example, processes the output signal of the magnetic detection unit and outputs an absolute angle detection signal and an origin signal.
According to this configuration, the absolute angle can be detected because the magnetic characteristic of the detected portion with respect to the magnetic detection portion is changed with one rotation of the rotation-side raceway as one cycle. In addition, since the magnetic characteristics of the detected part are sinusoidal and rise or fall steeper than the sine wave near the zero cross, a highly accurate origin signal can be obtained using the output signal of the magnetic detection part. Can be generated. In this way, an absolute angle can be detected, and a highly accurate origin signal can be obtained without providing a detected part separate from that for absolute angle detection.
The magnetic detection circuit may output only the origin signal by processing the output signal of the magnetic detection unit, and may not have an absolute angle detection signal output function.
この発明において、上記磁気検出部として複数の磁気センサを配置し、そのうちの1つ以上の磁気センサを、原点信号を生成する原点信号生成手段としても良い。
複数の磁気センサを配置することで、1回転を1周期として変化する被検出部の検出により絶対角度を容易に検出することができる。原点信号生成手段としては、複数設けられる磁気センサのうち、絶対角度の検出に用いる磁気センサのいずれかを利用しても、他の磁気センサを用いても良い。絶対角度の検出用の磁気センサを原点検出に利用すると、磁気センサの個数が削減でき、構成が簡素化される。原点検出に専用の磁気センサを用いると、原点検出に適した特性の磁気センサを使用でき、より一層高精度な原点信号が得られる。
In the present invention, a plurality of magnetic sensors may be arranged as the magnetic detection unit, and one or more of the magnetic sensors may be origin signal generating means for generating an origin signal.
By arranging a plurality of magnetic sensors, the absolute angle can be easily detected by detecting the detected portion that changes with one rotation as one cycle. As the origin signal generating means, any one of a plurality of magnetic sensors used for detecting an absolute angle may be used, or another magnetic sensor may be used. If a magnetic sensor for detecting an absolute angle is used for origin detection, the number of magnetic sensors can be reduced and the configuration is simplified. If a dedicated magnetic sensor is used for origin detection, a magnetic sensor having characteristics suitable for origin detection can be used, and a more accurate origin signal can be obtained.
この発明において、上記原点信号生成手段とされる磁気センサがラッチタイプまたはスイッチタイプのホールICであっても良い。
この構成の場合、原点信号生成手段とされる磁気センサの出力を矩形波の原点信号とすることができる。
In the present invention, the magnetic sensor serving as the origin signal generating means may be a latch type or switch type Hall IC.
In the case of this configuration, the output of the magnetic sensor serving as the origin signal generation means can be used as a rectangular wave origin signal.
これらの発明において、上記原点信号を原点位置復帰動作の方向検知に利用するものとしても良い。例えば、ロボットアーム等の動作回転角が制限されている部分にこの発明の上記いずれかの構成のアブソリュートエンコーダ付軸受を組み込むことより、原点位置復帰動作の方向が簡単にわかる。このような動作回転角が制限されている可動部分の回転自在な支持に、この発明のアブソリュートエンコーダ付軸受を用い、上記可動部分を回転させる制御手段において、電源投入後の動作開始時に可動部分を原点位置に復帰させるときの回転方向の検知に、上記原点信号を用いるものとしても良い。 In these inventions, the origin signal may be used for direction detection of the origin position return operation. For example, the direction of the home position return operation can be easily understood by incorporating the absolute encoder bearing of any one of the above configurations of the present invention into a portion where the operation rotation angle is limited, such as a robot arm. In the control means for rotating the movable part using the bearing with the absolute encoder of the present invention for the rotatable support of the movable part in which the operation rotation angle is limited, the movable part is set at the start of the operation after the power is turned on. The origin signal may be used to detect the rotation direction when returning to the origin position.
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磁気特性を円周方向に周期的に変化させた被検出部と、この被検出部に対向して固定側軌道輪に取付けられた磁気検出部と、この磁気検出部へ電力供給し、磁気検出部の出力信号を処理して外部に出力する磁気検出回路基板とを備え、上記被検出部の上記磁気検出部に対する磁気特性を、回転側軌道輪の1回転を1周期として変化させたアブソリュートエンコーダ付軸受において、上記被検出部の磁気特性を、正弦波状で、かつゼロクロス付近で正弦波よりも急峻な立上がりまたは立下がりとなるようにしたため、絶対角度の検出が可能で、かつ絶対角度の検出用とは別の被検出部を設けることなく、高精度な原点信号を得ることができる。 The bearing with an absolute encoder according to the present invention includes a rolling bearing portion including a rotating side race ring, a fixed side race ring, and a rolling element, and a covered bearing that is attached to the rotary side race ring and whose magnetic characteristics are periodically changed in the circumferential direction. A detection unit, a magnetic detection unit mounted on the fixed-side raceway facing the detected unit, and a magnetic detection unit that supplies power to the magnetic detection unit, processes an output signal of the magnetic detection unit, and outputs the processed signal to the outside A magnetic circuit board having an absolute encoder, wherein the magnetic characteristic of the detected part with respect to the magnetic detecting part is changed with one rotation of the rotation-side raceway as one cycle. It is wavy and has a sharper rise or fall than the sine wave near the zero cross, so that it can detect absolute angles and provide a part to be detected that is separate from absolute angle detection. Ku, it is possible to obtain a high-precision origin signal.
この発明の第1の実施形態を図1ないし図5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を有する転がり軸受部1と、回転側軌道輪2の一端部に設けた被検出部7と、この被検出部7に対向して固定側軌道輪3の一端部に取付けられた磁気検出部8と、磁気検出回路9とを備える。磁気検出回路9は、回路基板に電子部品が実装されたものであるが、単独のチップからなるものであっても良い。転がり軸受部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2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および磁気検出部8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。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This bearing with an absolute encoder includes a rolling bearing portion 1 having a rotating
被検出部7はラジアル型のものであって、磁気検出部8に対する磁気特性を円周方向に変化させた環状の部品とされている。この磁気特性は、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12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13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。特に、ここではその磁気特性が、図2に破線で示す正弦波状の波形B,C,Dのように、磁束0になる付近、つまりゼロクロス付近で正弦波Aよりも急峻な立ち上がり、または立下がりとなるようにしている。なお、この正弦波状の着磁分布は、その波形を示す曲線の半周期分とゼロ値の座標軸とで囲まれる面積が同じとなる正弦波よりも、上記のような急峻な立ち上がり、または立ち上がりとなるようにしている。この被検出部7はバックメタル12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13は例えばゴム磁石とされ、バックメタル12に加硫接着される。磁気発生部材13はプラスチック磁石や焼結磁石で形成されたものであっても良く、この場合にはバックメタル12は必ずしも設けなくても良い。
The detected
図1において、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、同図(B)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、同図(A)のように磁気検出回路9の回路基板に実装され、この磁気検出回路9の回路基板と共に樹脂ケース10内に挿入した後に樹脂モールドされる。この樹脂ケース10を、金属ケース11を介して固定側軌道輪3に固定することにより、磁気センサ8A,8Bおよび磁気検出回路9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、磁気検出部8への電力供給および磁気検出部8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、上記出力信号の処理として、次に示すような絶対角度の出力と原点位置の出力を生成するものとされる。なお、磁気検出回路9を外部に設けても構わない。
In FIG. 1, the
この構成のエンコーダ付軸受によると、被検出部7を1回転を1周期とする正弦波状の着磁分布とし、90°の位相差を持たせて2つの磁気センサ8A,8Bを設けたため、これら磁気センサ8A,8Bの出力から象限判別が可能となり、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、被検出部7の磁気特性を、ゼロクロス付近で急峻な立上がりまたは立下がりとなるようにしたので、各磁気センサ8A,8Bのしきい値のばらつきや、温度による磁石の減磁に対する影響を少なくでき、磁気センサ8A,8Bの出力を利用して高精度な原点信号を生成することができる。そのため、繰り返し原点精度が要求される用途においても使用することができる。
この場合の原点信号の生成は、2つの磁気センサ8A,8Bの各出力の差を取り矩形処理(コンパレート)することで原点信号となる1回転1周期の矩形信号を出力させるものであっても、また、一方の磁気センサ8A(8B)の出力を、その正弦波の出力振幅の中央電圧と比較することで原点信号となる矩形信号を出力させるものであっても良い。
According to the bearing with an encoder having this configuration, the detected
In this case, the origin signal is generated by taking a difference between the outputs of the two
ちなみに、被検出部7の磁気特性が、図2に実線で示す正弦波Aのように磁束0になる付近の磁束変化が緩いものであると、絶対角度の検出精度は良くなるものの、上記した原点検出処理で生成した原点信号は繰返し原点検出精度の良いものとはならない。この実施形態におけるように波形B,C,Dのように、ゼロクロス付近で急峻な立上がりまたは立下がりとなるようにした場合は、絶対角度の検出精度が多少低下しても、繰り返し原点精度が要求される用途に適したものとなる。
Incidentally, if the magnetic characteristic of the detected
また、この実施形態において、上記2つの磁気センサ8A,8Bとは別に、図1(B)に鎖線で示すように上記両磁気センサ8A,8Bと同位相とならないように、被検出部7と同心の円周上の所定の位置に第3の磁気センサ8Cを設け、この磁気センサ8Cを原点信号生成手段としても良い。この場合、この磁気センサ8Cは、片側磁界動作型(すなわちスイッチタイプ)または交番磁界動作型(すなわちラッチタイプ)のデジタル出力センサとする。このデジタル出力センサとする磁気センサ8Cには、例えばホールICを用いる。
上記磁気センサ8Cを交番磁界動作型のデジタル出力センサとした場合に生成される原点信号を図3に示す。同図からわかるように、原点信号が得られる。したがって、この場合、正弦波状となる2つの磁気センサ8A,8Bの出力で絶対角度を得ることができ、矩形波となる第3の磁気センサ8Cの出力から原点信号を得ることができる。
Further, in this embodiment, apart from the two
FIG. 3 shows an origin signal generated when the
なお、上記2つの磁気センサ8A,8Bのうちのいずれか片方だけを設け、その磁気センサ8Aまたは磁気センサ8Bの正弦波状の波形と、第3の磁気センサ8Cによる矩形波状の出力とから、絶対角度の検出信号を生成するものとしても良い。この場合は、2つの信号で絶対位置と原点信号の両方を得ることができる。
また、第1の実施形態にかかるアブソリュートエンコーダ付軸受において、磁気検出回路9は、絶対角の演算を行う手段を持たずに、出力信号の処理として、原点位置の出力のみを生成するものとしても良い。その場合に、磁気センサ8A〜8Cのいずれか一つのみを有するものとしてもよい。
Note that only one of the two
Further, in the bearing with the absolute encoder according to the first embodiment, the magnetic detection circuit 9 does not have a means for calculating the absolute angle, and only generates the output of the origin position as the processing of the output signal. good. In that case, only one of the
図4(A),(B)は上記のいずれかの実施形態にかかるアブソリュートエンコーダ付軸受を内蔵したロボットアーム装置の平面図および断面図を示す。このロボットアーム装置15は、アブソリュートエンコーダ付軸受14の外輪3に固定された第1アーム部16と、上記エンコーダ付軸受14の内輪2に固定された第2アーム部17とを有する。この場合、両アーム部16,17の可動回転角は機械的干渉に制限される。例えば図4(A)に破線で示すように第2アーム部17をアクチュエータ(図示せず)等で動作させる場合、電源投入時には第2アーム部17の絶対位置は軸受14により判断可能であるが、位置精度を求める場合には軸受14が備える高精度の原点検出機能を用いた原点位置復帰(イニシャライズ)を行う必要がある。この原点位置復帰動作では、機械的干渉を避けるために、復帰動作で第2アーム部17を回転させる方向、つまり原点がある方向に回す必要がある。この場合、第2アーム部17が原点位置に対してどの方向に動作させるか知る手段が必要である。
4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view of a robot arm device incorporating a bearing with an absolute encoder according to any of the above embodiments. The
この実施形態において、原点信号のみを用いて原点位置復帰の回転方向を検出する方法を説明する。図4(A)において、第2アーム部17の原点位置aで上記エンコーダ軸受14が原点検出するように設定する。これにより、第2アーム部17を動作させた場合、例えば図1(B)の磁気センサ8Cにより得られる原点信号、または磁気センサ8A,8Bのいずれかの検出信号を処理して得られる原点信号と、第2アーム部17の位置との関係は図5のようになる。すなわち、例えば図4(A)で第2アーム部17が位置bの場合、原点信号はハイレベルになり、このことから原点検出可能な動作方向が反時計回りであることが判る。また、図4(A)で第2アーム部17が位置cの場合、原点信号はローレベルになり、このことから原点検出可能な動作方向が時計回りであることが判る。
In this embodiment, a method for detecting the rotation direction for returning to the origin position using only the origin signal will be described. In FIG. 4A, the
この実施形態において、絶対位置の検出値から原点の方向を検出しても良いが、図4,図5に示す原点信号を用いる手段によると、絶対角度の検出を行わなくても、原点位置復帰のための回転方向の検出が行える。そのため、磁気検出回路は絶対角度を演算する演算回路等が省略されたものであっても良い。 In this embodiment, the direction of the origin may be detected from the detected value of the absolute position. However, according to the means using the origin signal shown in FIGS. 4 and 5, the origin position return can be performed without detecting the absolute angle. The direction of rotation can be detected. Therefore, the magnetic detection circuit may be one in which an arithmetic circuit for calculating an absolute angle is omitted.
1…転がり軸受部
2…回転側軌道輪
3…固定側軌道輪
4…転動体
7…被検出部
8…磁気検出部
8A〜8C…磁気センサ
9…磁気検出回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (4)
上記被検出部の磁気特性を、正弦波状で、かつゼロクロス付近で正弦波よりも急峻な立上がり、または立下がりとなるように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。 A rolling bearing unit composed of a rotating side race ring, a fixed side race ring, and a rolling element, a detected portion that is attached to the rotating side race ring and whose magnetic characteristics are periodically changed in the circumferential direction, and the detected portion A magnetic detection unit opposed to the fixed-side raceway; and a magnetic detection circuit that supplies power to the magnetic detection unit, processes an output signal of the magnetic detection unit, and outputs the processed signal to the outside. A magnetic encoder bearing having an absolute encoder in which the magnetic characteristic of the magnetic detection unit is changed with one rotation of the rotation-side raceway as one cycle,
A bearing with an absolute encoder, characterized in that the magnetic characteristics of the detected portion are sinusoidal and rise or fall sharper than the sine wave in the vicinity of the zero cross.
The bearing according to any one of claims 1 to 3, wherein the origin signal is used for direction detection of the origin position return operation.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20061023 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20070706 |