JP2006023172A - 絶対角検出回転センサおよびこれを用いたセンサ付軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型でコスト的にも安価で、精度よく絶対角の検出が可能な絶対角検出回転センサおよびこれを用いたセンサ付軸受を提供する。
【解決手段】 外輪３と、内輪４と、外輪３および内輪４の間に配置された転動体５とでラジアル転がり軸受が構成され、外輪３の内径部には渦電流センサ９が設けられている。内輪４の外径部６は、センサターゲットになるものであって、外輪３と内輪４との間に形成される対向する間隔が周方向で異なるようにするために、外径部６が回転中心に対して偏芯して連続して形成されている。渦電流センサ９は内輪４の外径部６に形成されたセンサターゲットに対向しており、内輪３の回転に応じた絶対角を示すｓｉｎ波のセンサ信号を出力する。
【選択図】 図１

Description

この発明は絶対角検出回転センサおよびこれを用いたセンサ付軸受に関し、例えば、渦電流センサを用いて回転体が回転したときの絶対角を検出する絶対角検出回転センサおよびこれを用いたセンサ付軸受に関する。

回転体が回転したときその回転角を検出する回転角検出センサとして、実開平７−２０５０４号公報（特許文献１）に記載されているものがある。この回転角検出センサは、鋳物製のハウジング内に設けた一方の回転角検出面に対面するように、駆動軸に他方の回転角検出面を設けてポテンショメータを構成し、その外周をハウジング内に別途備えた軸受で支持するとともに駆動軸の一端部をハウジングに別に設けた軸孔を経てハウジング外ヘ突出させたものである。
実開平７−２０５０４号公報（段落番号００１０〜００１２、図１）

上記特許文献１に記載された回転角検出センサは、鋳物製ハウジング内に軸受支持部材とポテンショメータが構成されているので、建築機材などのアームの回転角を検出できても、軸受の回転角を検出することなどの汎用性に欠けている。また、軸に固定する場合、カップリングなどを介して連結しなければならないので、回転角精度が劣化する。

絶対角を検出する回転角センサとしてレゾルバ形式の絶対角検出センサがある。レゾルバ形式のセンサは、固定子と回転子とにそれぞれコイルを巻回し、一方のコイルを励磁電圧で駆動することで、他方のコイルに生じる出力電圧の位相差が回転角度に比例することを応用したものである。しかし、レゾルバ形式のセンサは、固定子と回転子とにコイルを巻回する必要があるので、小型化できず、コスト的にも高くなってしまう。

そこで、この発明の目的は、小型でコスト的にも安価で、精度よく絶対角の検出が可能な絶対角検出回転センサおよびこれを用いたセンサ付軸受を提供することである。

この発明は、回転体に対して対向して配置された対向部材を含み、回転体が回転したときの対向部材に対する回転体の絶対角を検出する絶対角回転検出センサであって、回転体と対向部材との間の対向する間隔が周方向で異なるように選ばれており、回転体と対向物体のいずれか一方に設けられ、周方向で異なる間隔を検出するセンサを備える。

この発明によれば、回転体と対向部材の間隔が周方向で異なるので、回転体が回転したときの間隔に応じた絶対角をセンサで検出することができ、小型で部品点数を少なくできてコスト的にも安価で、精度よく絶対角の検出が可能になる。

この発明の他の局面は、内輪と、外輪と、内輪と外輪との間に配置された転動体とを含む軸受を有し、内輪と外輪との間の対向する間隔が周方向で異なるように選ばれており、内輪と外輪のいずれか一方に設けられ、周方向で異なる間隔を検出するセンサを備える。

この発明では、内輪と外輪との間の対向する間隔が周方向で異なるので、内輪と外輪のいずれかが回転したときの間隔に応じて絶対角をセンサで検出することが可能になり、小型で部品点数を少なくできてコスト的にも安価で、精度よく絶対角の検出が可能なセンサを軸受に取付けることが可能になる。

好ましくは、内輪の外径面および外輪の内径面のいずれか一方は、回転中心に対して偏芯して形成されていて、センサは、外輪および内論のいずれか他方に、回転中心に対して偏芯した内輪の外径面および外輪の内径面に対向して配置される。このようにセンサに対向する間隔が異なることで絶対角の検出が可能になるので、センサから間隔に応じた波形のセンサ信号が得られる。

好ましくは、内輪の外径面および外輪の内径面のいずれか一方に設けられ、外周面および内周面のいずれか一方が回転中心に対して偏芯するように、回転中心に対して直交する断面の厚みが周方向に連続的に異なる円筒状に形成されたセンサターゲットを含み、センサは外輪および内論のいずれか他方に、センサターゲットに対向するように配置される。センサターゲットは断面の厚みが周方向に連続的に異なるので、センサから例えば連続したｓｉｎ波形のセンサ信号が得られる。

好ましくは、センサターゲットは、回転中心に対して直交する断面が螺旋状に形成されている。断面が螺旋状に形成されているので、センサから例えば鋸波のセンサ信号が得られる。

１つの実施形態として、センサは、渦電流センサ，静電容量型センサおよび電磁誘導型センサのいずれかが用いられ、渦電流センサを用いる場合には、シート状絶縁体上にコイルが形成され、コイルはシート状絶縁体上に複数形成されている。渦電流センサを用いることで厚みを薄くできるので、半径方向の大きさを小さくできる。

好ましくは、センサターゲットは、導電性部材で形成される。導電部材を用いることで、表面に渦電流を発生し易くなる。

好ましくは、複数のコイルは相互に極性の反転したセンサ信号を出力するように配置されていて、極性の反転した複数のセンサ信号の差動をとることでオフセットを削除する処理回路を含む。センサ信号からオフセットを削除することで、絶対角の検出精度を高めることができる。

１つの実施形態では、センサターゲットとセンサは、軸受のラジアル方向に対向して配置してもよく、あるいはアキシャル方向に対向して配置してもよい。

図１はこの発明の一実施形態における絶対角検出回転センサ付軸受を示す図であり、特に、（ａ）は概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す線ＡーＡに沿う断面図である。

図１（ａ）において、外輪３と、内輪４と、外輪３および内輪４の間に配置された転動体５とでラジアル転がり軸受が構成されている。この例では外輪３が固定側であって、内輪４は回転側となっているが、外輪３を回転側とし、内輪４を固定側としてもよい。内輪４の外径部６は、センサターゲットになるものであって、外輪３と内輪４との間に形成される対向する間隔が周方向で異なるようにするために、回転中心に対して偏芯して連続して形成されている。すなわち、図１（ｂ）に示す回転中心Ｏとａ点との間の距離は、回転中心Ｏとｃ点との間の距離よりも長く形成されている。

なお、外輪３の内径部をセンサターゲットとするために、内径部を回転中心に対して偏芯させてもよい。

また、内輪４はセンサターゲットにするために磁性材料で形成されている。

外輪３の内径部には、外環７が嵌め込まれており、この外環７によってセンサハウジング８が保持されている。センサハウジング８には、シート状に形成された渦電流センサ９が設けられている。渦電流センサ９は内輪４の外径部６に形成されたセンサターゲットに対向しており、図１（ｂ）に示すように、９０度位置をずらせて配置した２個のセンサコイル９１，９２を含む。これらのセンサコイル９１，９２は図示しない外部回路に含まれる駆動回路で駆動されるとともに、センサ出力が処理回路で演算処理される。これらの外部回路は、外部に設けられて、渦電流センサ９とはケーブルなどによって接続される。

センサコイル９１，９２が駆動されると磁束が発生して内輪４の外径部６の外周面に渦電流が流れる。内輪４が回転することにより、内輪４が渦電流センサ９から発生される磁束を横切るがセンサコイル９１，９２と内輪４の外径部６との間隔が変化するので、コイル９１，９２のインピーダンスが変化して出力電圧が変化する。この出力電圧の変化を処理回路で演算処理する。

図２は図１に示した絶対角検出回転センサ付軸受の渦電流センサから出力される出力電圧の波形図であり、（ａ）はセンサコイル９１の出力波形を示し、（ｂ）はセンサコイル９２の出力波形を示している。

内輪４の外径部６は回転中心に対して偏芯して形成されているため、図１（ｂ）のａ点では渦電流センサ９と外径部６との間隔は最小値ｄ１になっているのに対して、ｃ点では渦電流センサ９が位置したとき、渦電流センサ９と外径部６との間隔は最大値ｄ２になる。ｂ点，ｄ点では最小値ｄ１と最大値ｄ２との中間値となる。内輪４が時計方向（ＣＷ）に回転すると、渦電流センサ９と内輪４の外径部６との間隔が変化するため、センサコイル９１，９２が例えばｃ点を基準にして時計方向に回転を開始して、ｄ点，ａ点，ｂ点を通過して１回転すると、それぞれの出力電圧が変化して図２（ａ），（ｂ）に示すようにｓｉｎ波状の波形となる。このｓｉｎ波形では、ａ点が最大値を示しており、ｃ点が最小値を示している。

このように、ａ点〜ｄ点におけるセンサコイル９１，９２の出力電圧は、内輪４が１回転する間は図２（ａ），（ｂ）に示すように、必ず限定された電圧値の関係になる。このため、例えばｓｉｎ波の最大値がａ点であり、最小値がｃ点というように、各センサコイル９１，９２の出力電圧値と、回転方向における絶対角度との関係を予め定義しておけば、内輪４が回転したときの絶対角度を検出できる。

なお、センサコイル９１，９２は、平板状の耐熱樹脂からなるシートに巻回して形成される。このように渦電流センサ９をシート状に形成できるので、半径方向の厚みを薄くできる。

また、渦電流センサ９は、例えばフレキシブル基板にパターンを渦巻き状に形成してもよい。さらに、渦電流センサ９は絶縁シートによってコイル９１，９２を挟み込み、電気的に絶縁して形成してもよく、コイル９１，９２を熱硬化性樹脂によってモールド固定してもよい。このように形成することで、耐熱度を高めることができる。さらに、２個のコイル９１，９２は、それぞれの一端をシート上で共通に接続し、それぞれの他端を対応する駆動回路と処理回路に接続すれば配線工数を減らすことができる。

図３はこの発明の他の実施形態における絶対角検出回転センサ付軸受を示す図であり、（ａ）は概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す線ＢーＢに沿う断面図である。

図１に示した実施形態は、内輪４の外径部６の外周面を回転中心に対して偏芯させたのに対して、この実施形態は外輪３と内輪４との間隔を周方向に異ならせるために、外周面が回転中心に対して偏芯させ、回転中心Ｏに対して直交する断面の厚みが連続して変化する円筒状のセンサターゲット１０を内輪４の外径部に嵌め込んだものである。なお、図１の実施形態と異なり、内輪４の外径部は真円となるように形成されている。

渦電流センサ９は図１と同じものが用いられる。センサターゲット１０の外周面を回転中心に対して偏芯させることにより、図３（ｂ）に示すように、ａ点は渦電流センサ９とセンサターゲット１０との間隔が最小値ｄ１になっており、ｃ点は最大値ｄ２になっており、ｂ点，ｄ点は中間値になっている。

したがって、この実施形態においても、内輪４の回転に伴って、センサコイル９１，９２から前述の図２に示したｓｉｎ波形の出力電圧が取出される。なお、外輪３を回転させ、内輪４を固定側にするときは、センサターゲット１０の内周面を回転中心に対して偏芯させて外輪３の内径部に嵌め込み、渦電流センサ９を内輪４の外径部に配置してセンサターゲット１０の内周面に対向させればよい。

図４はこの発明のさらに他の実施形態における絶対角検出回転センサ付軸受を示す図であり、（ａ）は概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す線ＣーＣに沿う断面図である。

前述の図３に示した実施形態は、センサターゲット１０として、その外周面が回転中心に対して偏芯させていた。これに対して、この実施形態では、その外周面が回転中心に対して偏芯させかつ回転中心に対して直交する断面が螺旋状に形成したセンサターゲット１１を内輪４の外径部に嵌め込んだものである。

センサターゲット１１の外周面を螺旋状に形成することで、図４（ｂ）に示すように渦電流センサ９とセンサターゲット１１の対向部分の間隔は、ａ点で最小値となり、ｅ点で最大値になっている。そして、時計方向に沿って間隔が大きくなり、それぞれの間隔は、ｂ点＜ｃ点＜ｄ点＜ｅ点となっている。ａ点とｅ点は隣接した位置である。このように渦電流センサ９とセンサターゲット１１の対向する間隔を形成することで、センサコイル９１，９２からａ点で最大値となり、ｅ点で最小値になる鋸波形の出力電圧が得られる。

図５は図４に示した絶対角検出回転センサ付軸受の渦電流センサから出力される出力電圧の波形図であり、（ａ）はセンサコイル９１の出力波形を示し、（ｂ）はセンサコイル９２の出力波形を示している。図４（ｂ）に示したセンサターゲット１１が例えばｅ点を基準にして時計方向に回転を開始して、ｄ点，ｃ点，ｂ点，ａ点の順にセンサコイル９１，９２を通過するように１回転すると、図５（ａ），（ｂ）に示すように、それぞれの出力電圧が直線的に上昇し、最大電圧であるａ点から最小電圧であるｅ点に変化する鋸波形となる。

センサコイル９１と９２は相対的に９０度位置をずらしているので、図５（ａ），（ｂ）に示す波形は相互にずれている。この２個センサコイル９１，９２のセンサ出力信号を処理回路で演算処理することで、回転方向における絶対角度を検出することができる。例えば、センサコイル９１の波形のａ点，ｄ点，ｃ点，ｂ点と、センサコイル９２の波形のｂ点，ａ点，ｄ点，ｃ点のそれぞれの各出力電圧値の関係は，１回転中で必ず限定された電圧値の関係になる。

ただし、この実施形態では、２個のセンサコイル９１，９２を設けなくとも１つのコイルのみを設けるだけでも１回転中の出力電圧と回転角度とを限定することができる。

図６は２個のセンサコイルから出力されるセンサ出力の温度によって生じるオフセットをキャンセルする回路を示す図である。図６において、センサコイル９１からのセンサ出力信号は、抵抗Ｒ１を介してオフセットキャンセル用のオペアンプＡ１の一方入力端（ー入力端）に与えられ、センサコイル９２からのセンサ出力信号は、抵抗Ｒ３を介してオペアンプＡ１の他方入力端（＋入力端）に与えられる。オペアンプＡ１の一方入力端と出力端との間には抵抗Ｒ２が接続されており、オペアンプＡ１の他方入力端は抵抗Ｒ４を介して接地されている。オペアンプＡ１の出力端は、矩形波処理用のオペアンプＡ２の一方入力端に与えられており、他方入力端には基準電圧が与えられている。オペアンプＡ２からオフセット成分が除去された絶対角度を示す矩形波信号が出力される。

図７はセンサコイルのセンサ出力に含まれるオフセットを示し、図８は図６に示したオペアンプから出力される矩形波処理後の出力波形を示す図である。

図１および図３に示した絶対角検出回転センサ付軸受のセンサコイル９１，９２から出力されるｓｉｎ波のセンサ出力は、図７（ａ），（ｂ）に示すように、温度によって直流電位が変化する結果オフセットを生じている。なお、センサコイル９１，９２はそれぞれのセンサ出力の波形が１８０度反転するように配置されている。センサコイル９１，９２のセンサ出力をそれぞれ抵抗Ｒ１，Ｒ３を介してオペアンプＡ１に入力すると、オフセット電圧の極性が１８０度ずれているため、オペアンプＡ１によって差動増幅されることでオフセットをキャンセルすることができる。また、オペアンプＡ１によってオフセットをキャンセルできるばかりでなく出力電圧の増幅も可能になる。

オフセットのキャンセルされたセンサ出力を矩形波処理用のオペアンプＡ２の一方入力端に入力し、他方入力端に与えられている基準電圧と比較することで、図８（ａ）に示すような矩形波を出力することができる。

なお、図６に示したオペアンプＡ１の一方入力端と他方入力端に与えるセンサコイル９１，９２の出力を逆にすれば、オペアンプＡ２から図８（ｂ）に示す矩形波を出力することができる。

図９はこの発明のさらに他の実施形態を示す絶対各検出回転センサ付軸受を示す図であり、（ａ）は概略断面図であり、（ｂ）はセンサターゲットの平面図である。

この実施形態は、センサターゲット１９と渦電流センサ２１とをアキシャル方向に対向させて絶対角を検出するものである。すなわち、図９（ａ）に示すように回転側である内輪４の一方側端面にセンサターゲット１９が取付けられている。このセンサターゲット１９は図９（ｂ）に示すように円板状に形成されており、その厚みが周方向で異なるように形成されている。

このセンサターゲット１９に対向して渦電流センサ２１が外環２２の端面に取付けられており、外環２２は固定側である外輪３の内径部に嵌め込まれている。センサターゲット１９が内輪４とともに回転すると、渦電流センサ２１はセンサターゲット１９との間隔を検出することでｓｉｎ波のセンサ信号を出力する。このｓｉｎ波により絶対角の検出が可能になる。

図１０はこの発明のさらに他の実施形態を示す絶対角検出回転センサ付軸受の概略断面図である。この実施形態は、荷重をスラスト方向に受けるスラスト転がり軸受にセンサを取付けたものである。固定側の外輪２３と、回転側の内輪２４との間に転動体５が配置されており、外輪２３の内径部には外環２５が嵌め込まれており、この外環２５によって渦電流センサ２６が保持されている。内輪２４の内径部には円板状であって、その厚みが周方向で異なるように形成されたセンサターゲット２７が設けられている。このセンサターゲット２７は図９（ｂ）に示したセンサターゲット１９とほぼ同じである。センサターゲット２７は厚みが周方向で異なるように形成されているので、渦電流センサ２６とセンサターゲット２７が対向する間隔は、内輪２４の回転に応じて変化する。その結果、渦電流センサ２６から図２に示したｓｉｎ波のセンサ信号が出力され、絶対角の検出が可能になる。

なお、上述の実施形態においては、この発明を転がり軸受に適用したが、これに限ることなく、コロ軸受や滑り軸受などのその他の回転体の絶対角を検出するものに適用してもよい。

また、上述の実施形態では、渦電流センサを用いたが、これに限ることなく、その他の静電誘導型センサや電磁誘導型センサなどを用いてもよい。

さらに、上述の説明では、絶対角を検出するようにしたが、回転数や軸受の回転精度であるラジアル振れを偏芯として検出してもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明の絶対角検出回転センサ付軸受は、外輪と内輪との間に転動体を配置したラジアル軸受において、外輪または内輪の回転による絶対角を検出できるので、小型でコスト的にも安価で、精度よく絶対角の検出が可能になり、各種機器に利用できる。

この発明の一実施形態における絶対角検出回転センサ付軸受を示す図である。 図１に示した絶対角検出回転センサ付軸受の渦電流センサから出力される出力電圧の波形図である。 この発明の他の実施形態における絶対角検出回転センサ付軸受を示す図である。 この発明のさらに他の実施形態における絶対角検出回転センサ付軸受を示す図である。 図４に示した絶対角検出回転センサ付軸受の渦電流センサから出力される出力電圧の波形図である。 ２個のセンサコイルから出力されるセンサ出力の温度によって生じるオフセットをキャンセルする回路を示す図である。 センサコイルのセンサ出力に含まれるオフセットを示す図である。 図６に示したオペアンプから出力される矩形波処理後の出力波形を示す図である。 この発明のさらに他の実施形態を示す絶対角検出回転センサ付軸受の概略断面図である。 この発明のさらに他の実施形態を示す絶対角検出回転センサ付軸受の概略断面図である。

符号の説明

３，２３ 外輪、４，２４ 内輪、５ 転動体、６ 外径部、７，２２，２５ 外環、８ センサハウジング、９，２１，２６ 渦電流センサ、１０，１１，１９，２７ センサターゲット、９１，９２ センサコイル、Ａ１，Ａ２ オペアンプ、Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗。

Claims (13)

1. 回転体に対して対向して配置された対向部材を含み、前記回転体が回転したときの前記対向部材に対する前記回転体の絶対角を検出する絶対角回転検出センサであって、
   前記回転体と前記対向部材との間の対向する間隔が周方向で異なるように選ばれており、
   前記回転体と前記対向物体のいずれか一方に設けられ、前記周方向で異なる間隔を検出するセンサを備える、絶対角検出回転センサ。
2. 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に配置された転動体とを含む軸受と、
   前記内輪と前記外輪との間の対向する間隔が周方向で異なるように選ばれており、
   前記内輪と前記外輪のいずれか一方に設けられ、前記周方向で異なる間隔を検出するセンサを備える、絶対角回転検出センサ付軸受。
3. 前記内輪の外径面および前記外輪の内径面のいずれか一方は、回転中心に対して偏芯して形成されていて、
   前記センサは、前記外輪および前記内論のいずれか他方に、前記回転中心に対して偏芯した前記内輪の外径面および前記外輪の内径面に対向して配置される、請求項２に記載の絶対角検出回転センサ付軸受。
4. さらに、前記内輪の外径面および前記外輪の内径面のいずれか一方に設けられ、外周面および内周面のいずれか一方が回転中心に対して偏芯するように、前記回転中心に対して直交する断面の厚みが周方向に異なる円筒状に形成されたセンサターゲットを含み、
   前記センサは、前記外輪および前記内論のいずれか他方に、前記センサターゲットに対向するように配置される、請求項２に記載の絶対角検出回転センサ付軸受。
5. 前記センサターゲットは、前記回転中心に対して直交する断面が螺旋状に形成されている、請求項４に記載の絶対角検出回転センサ付軸受。
6. 前記センサターゲットの前記回転中心に対して直交する断面の厚みが連続して変化している、請求項４に記載の絶対角検出回転センサ付軸受。
7. 前記センサは、渦電流センサ，静電容量型センサおよび電磁誘導型センサのいずれかである、請求項１から６のいずれかに記載の絶対角検出回転センサ付軸受。
8. 前記渦電流式センサは、シート状絶縁体上にコイルが形成されている、請求項７に記載の絶対角検出回転センサ付軸受。
9. 前記コイルは前記シート状絶縁体上に複数形成されている、請求項８に記載の絶対角検出回転センサ付軸受。
10. 前記センサターゲットは、導電性部材で形成される、請求項４から９のいずれかに記載の絶対角検出回転センサ付軸受。
11. 前記複数のコイルは相互に極性の反転したセンサ信号を出力するように配置されていて、さらに
    前記極性の反転した複数のセンサ信号の差動をとることでオフセットを削除する処理回路を含む、請求項９に記載の絶対角検出回転センサ付軸受。
12. 前記センサターゲットと前記センサは、前記軸受のラジアル方向に対向して配置される、請求項２から１１のいずれかに記載の絶対角検出回転センサ付軸受。
13. 前記センサターゲットと前記センサは、前記軸受のアキシャル方向に対向して配置される、請求項２から１１のいずれかに記載の絶対角検出回転センサ付軸受。

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