(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化が可能で、耐環境性にも優れた回転センサを提供する。【解決手段】外輪１１に対する内輪１２の回転を検出する回転センサ２は、内輪１２と共に回転する回転体４と、外輪１１に取り付けられ、回転体４に対向して配置された第１の信号線路と、第１の信号線路の一端部に電気信号を入力して内輪１２の回転を検出する検出部２２と、を備える。回転体４は、第１の信号線路との間の静電容量が周方向の位置によって変化する静電容量変化構造を有し、検出部２２は、第１の信号線路と回転体４との間の静電容量の変化に基づいて内輪１２の回転を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部材に対する回転部材の回転を検出する回転センサであって、
前記回転部材と共に回転する回転体と、
前記固定部材に取り付けられ、前記回転体に対向して配置された信号線路と、
前記信号線路の一端部に電気信号を入力して前記回転部材の回転を検出する検出部と、を備え、
前記回転体は、前記信号線路との間の静電容量が周方向の位置によって変化する静電容量変化構造を有し、
前記検出部は、前記信号線路と前記回転体との間の静電容量の変化に基づいて前記回転部材の回転を検出する、
回転センサ。
【請求項２】
前記検出部は、前記静電容量の変化に起因する、前記信号線路の他端部から出力される前記電気信号の遅延時間の変化に基づいて前記回転部材の回転を検出する、
請求項１に記載の回転センサ。
【請求項３】
前記回転体は、前記信号線路と対向する対向部が導電性を有し、
前記静電容量変化構造は、前記信号線路の延伸方向に対して垂直な方向に貫通する貫通孔が前記対向部に形成された構造である、
請求項１又は２に記載の回転センサ。
【請求項４】
前記信号線路は、前記対向部と向かい合う部分に蛇行した蛇行部を有する、
請求項３に記載の回転センサ。
【請求項５】
前記回転体には、前記対向部に複数の前記貫通孔が所定の角度間隔で形成されており、
前記信号線路は、前記所定の角度間隔で複数の前記蛇行部を有する、
請求項４に記載の回転センサ。
【請求項６】
複数の前記信号線路を備え、このうち一方の前記信号線路の前記蛇行部の位置と他方の前記信号線路の前記蛇行部の位置とが前記回転体の回転方向にずれている、
請求項５に記載の回転センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定部材に対する回転部材の回転を検出する回転センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固定部材に対する回転部材の回転を検出する回転センサとしては、複数の磁極を有する永久磁石を備えたものが広く用いられている。（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の回転センサは、センサケースに固定された基板にＡ相出力用の第一磁気センサ素子及びＢ相出力用の第二磁気センサ素子が実装されている。また、第一磁気センサ素子の感磁部と径方向に並ぶ位置に第一着磁トラックが設けられ、第二磁気センサ素子の感磁部と径方向に並ぶ位置に第二着磁トラックが設けられている。第一着磁トラック及び第二着磁トラックは、芯金に固着されたゴム磁石からなり、回転部材としての軸受内輪の回転軸方向に並んでいる。芯金は、軸受内輪に嵌着されて軸受内輪と一体に回転する。そして、第一磁気センサ素子及び第二磁気センサ素子の出力信号により、軸受外輪に対する軸受内輪の回転速度や回転方向が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−５８９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の回転センサは、第一着磁トラック及び第二着磁トラックを回転軸方向に並べて配置するため、回転軸方向の幅が不可避的に大きくなってしまう。また、磁気センサを用いるため、適用箇所の環境に温度や振動の制約があった。
【０００６】
そこで、本発明は、小型化が可能で、耐環境性にも優れた回転センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決することを目的として、固定部材に対する回転部材の回転を検出する回転センサであって、前記回転部材と共に回転する回転体と、前記固定部材に取り付けられ、前記回転体に対向して配置された信号線路と、前記信号線路の一端部に電気信号を入力して前記回転部材の回転を検出する検出部と、を備え、前記回転体は、前記信号線路との間の静電容量が周方向の位置によって変化する静電容量変化構造を有し、前記検出部は、前記信号線路と前記回転体との間の静電容量の変化に基づいて前記回転部材の回転を検出する、回転センサを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、小型化が可能で、耐環境性にも優れた回転センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る回転センサのセンサ部及び検出部、及び回転センサのセンサ部が取り付けられた転がり軸受を示す断面図である。（ｂ）は、回転センサのセンサ部及び転がり軸受を示す側面図である。
【図２】センサ部の一部を拡大して示す拡大図である。
【図３】基板を示す平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、第１及び第２の信号線路と回転体の対向部との相対的な位置関係を検出部と共に示す模式図である。
【図５】（ａ）は、信号発生部で発生するパルス信号の波形の一例であり、（ｂ）〜（ｄ）は、図４（ａ）〜（ｃ）のそれぞれの状態に対応する第１の信号線路の他端部におけるパルス信号の波形の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［実施の形態］
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る回転センサのセンサ部及び検出部、及び回転センサのセンサ部が取り付けられた転がり軸受を示す断面図である。図１（ｂ）は、回転センサのセンサ部及び転がり軸受を示す側面図である。
【００１１】
転がり軸受１０は、取付対象装置の筐体に固定される外輪１１と、外輪１１の内側に配置された内輪１２と、外輪１１と内輪１２との間に配置された複数の転動体１３と、複数の転動体１３を保持する保持器１４とを備えている。内輪１２が支持対象である図略のシャフトと共に回転軸線Ｏを中心として回転すると、転動体１３が外輪１１の内周面に設けられた軌道面１１ａ及び内輪１２の外周面に設けられた軌道面１２ａを転動する。以下、回転軸線Ｏに平行な方向を軸方向といい、回転軸線Ｏに対して垂直な方向を径方向という。また、軸方向及び径方向に直交する方向を周方向という。
【００１２】
外輪１１は、本発明の固定部材の一態様であり、内輪１２は、本発明の回転部材の一態様である。なお、本実施の形態では、転動体１３が球状であるが、転動体１３の形状はこれに限らず、例えば円筒状や部分円錐状であってもよい。
【００１３】
回転センサ２は、センサ部２１及び検出部２２からなり、外輪１１に対する内輪１２の回転を検出する。センサ部２１は、外輪１１に取り付けられた基板３、及び内輪１２と共に回転する回転体４からなる。転がり軸受１０及び回転センサ２は、回転センサ付き軸受１を構成する。
【００１４】
図２は、センサ部２１の一部を拡大して示す拡大図である。図３は、基板３を示す平面図である。
【００１５】
基板３は、例えばガラスエポキシ等の絶縁体からなる平板状の基材３０と、基材３０の表（おもて）面３０ａに形成された第１及び第２の信号線路３１，３２とを有している。第１及び第２の信号線路３１，３２は、例えば基材３０の表面３０ａに設けられた銅箔をエッチングして形成される配線パターンであり、ソルダーレジスト等の絶縁膜により保護されている。基板３は、表面３０ａの裏側にあたる裏面３０ｂが外輪１１の側面１１ｂに例えば接着によって固定されており、第１及び第２の信号線路３１，３２は、基材３０を介して外輪１１に取り付けられている。
【００１６】
第１の信号線路３１は、分岐や合流のない単一の線路であり、ミアンダ状に蛇行した複数の蛇行部３１１を有している。蛇行部３１１には、径方向に延びる部分と周方向に延びる部分とが交互に設けられている。本実施の形態では、第１の信号線路３１に８個の蛇行部３１１が周方向等間隔に設けられている。周方向に隣り合う２つの蛇行部３１１の間には、蛇行部３１１が設けられていない空白部３１０が設けられている。すなわち、８つの蛇行部３１１は、空白部３１０を介して周方向に離間して設けられている。蛇行部３１１の周方向幅と空白部３１０の周方向幅とは同等である。第１の信号線路３１の一端部３１２及び他端部３１３には、検出部２２との接続のための信号線５１，５２がそれぞれ接続される。
【００１７】
第２の信号線路３２は、第１の信号線路３１と同様、分岐や合流のない単一の線路であり、第１の信号線路３１の径方向内側に形成されている。また、第２の信号線路３２は、ミアンダ状に蛇行した複数の蛇行部３２１を有している。蛇行部３２１には、径方向に延びる部分と周方向に延びる部分とが交互に設けられている。本実施の形態では、第２の信号線路３２に８個の蛇行部３２１が周方向等間隔に設けられており、周方向に隣り合う２つの蛇行部３２１の間には、蛇行部３２１が設けられていない空白部３２０が設けられている。蛇行部３２１の周方向幅と空白部３２０の周方向幅とは同等である。第２の信号線路３２の一端部３２２及び他端部３２３には、検出部２２との接続のための信号線５３，５４がそれぞれ接続される。
【００１８】
回転軸線Ｏを中心とする回転体４の回転方向（周方向）において、第１の信号線路３１の複数の蛇行部３１１の角度間隔を第１のピッチ角Ｐ１とし、第２の信号線路３２の複数の蛇行部３２１の角度間隔を第２のピッチ角Ｐ２とすると、第１のピッチ角Ｐ１と第２のピッチ角Ｐ２とは同じ角度である。また、第１の信号線路３１の複数の蛇行部３１１の位置と第２の信号線路３２の複数の蛇行部３２１の位置とは、回転体４の回転方向にずれている。
【００１９】
この位置ずれの角度をギャップ角Ｐｇとすると、ギャップ角Ｐｇは、例えば第１のピッチ角Ｐ１及び第２のピッチ角Ｐ２の４分の１程度の大きさである。このため、第２の信号線路３２の蛇行部３２１は、一部が第１の信号線路３１の蛇行部３１１の径方向内側に形成され、残部が第１の信号線路３１の空白部３１０の径方向内側に形成されている。
【００２０】
回転体４は、内輪１２の外周面に嵌合固定された固定部４０（図１（ａ）参照）と、軸方向に対して垂直に配置された円環板状の平板部４１とを一体に有している。平板部４１は、外周側の一部が基板３の第１及び第２の信号線路３１，３２と僅かな隙間を介して軸方向に向かい合っている。以下、平板部４１のうち第１及び第２の信号線路３１，３２と対向する部分を対向部４２という。対向部４２は、内輪１２の回転時に第１及び第２の信号線路３１，３２と対向し得る部分であり、回転軸線Ｏを中心とする環状の領域である。第１及び第２の信号線路３１，３２は、対向部４２と向かい合う部分に複数の蛇行部３１１，３２１を有している。
【００２１】
回転体４は、少なくとも対向部４２が導電性を有している。本実施の形態では、固定部４０及び平板部４１の全体が例えばアルミニウム等の導電性の金属からなるが、これに限らず、例えば導電性金属がメッキされた樹脂、カーボンブラックまたは金属微粒子等の導電性微粒子を混入させた樹脂等により回転体４が形成されていてもよい。なお、回転体４の対向部４２は、例えば固定部４０及び内輪１２を介して電気的に接地される。
【００２２】
回転体４の平板部４１には、対向部４２をその厚み方向（軸方向）に貫通する複数の貫通孔４２０が等間隔に形成されている。対向部４２において貫通孔４２０が形成されていない部分は、平板部４１における対向部４２よりも外周側の部分と内周側の部分とを接続する柱部４２１となっている。回転体４の径方向の任意の位置において、貫通孔４２０の周方向幅と柱部４２１の周方向幅とは同等である。また、回転体４の回転方向（周方向）における複数の貫通孔４２０の角度間隔をピッチ角Ｐ０とすると、ピッチ角Ｐ０は第１及び第２のピッチ角Ｐ１，Ｐ２に等しい。
【００２３】
貫通孔４２０の周方向の幅は、第１及び第２の信号線路３１，３２の複数の蛇行部３１１，３２１の幅と同等である。このため、例えば図２に示すように貫通孔４２０の中心位置が第１の信号線路３１の蛇行部３１１の中心位置と一致したとき、第２の信号線路３２の蛇行部３２１は、約半分の部分が柱部４２１に対向し、残部は貫通孔４２０が形成された部分に対向する。また、貫通孔４２０の中心位置が第２の信号線路３２の蛇行部３２１の中心位置と一致したときには、第１の信号線路３１の蛇行部３１１の約半分の部分が柱部４２１に対向し、残部は貫通孔４２０が形成された部分に対向する。
【００２４】
回転体４は、第１及び第２の信号線路３１，３２との間の静電容量が周方向の位置によって変化する静電容量変化構造を有している。本実施の形態では、この静電容量変化構造が、第１及び第２の信号線路３１，３２の延伸方向に対して垂直な方向に貫通する複数の貫通孔４２０によって実現されている。すなわち、第１の信号線路３１の蛇行部３１１が対向部４２の貫通孔４２０が形成された部分に対向する場合には第１の信号線路３１と回転体４との間の静電容量が小さくなり、第１の信号線路３１の蛇行部３１１が柱部４２１に対向する場合には第１の信号線路３１と回転体４との間の静電容量が大きくなる。
【００２５】
同様に、第２の信号線路３２の蛇行部３２１が対向部４２の貫通孔４２０が形成された部分に対向する場合には第２の信号線路３２と回転体４との間の静電容量が小さくなり、第２の信号線路３２の蛇行部３２１が柱部４２１に対向する場合には第２の信号線路３２と回転体４との間の静電容量が大きくなる。第１の信号線路３１と回転体４との間の静電容量が最大となる回転体４の角度位置と、第２の信号線路３２と回転体４との間の静電容量が最大となる回転体４の角度位置とは、ギャップ角Ｐｇに対応する角度分だけずれている。
【００２６】
検出部２２は、第１及び第２の信号線路３１，３２の一端部３１２，３２２に電気信号を入力して内輪１２の回転を検出する。具体的には、第１及び第２の信号線路３１，３２の一端部３１２，３２２に電気信号を入力すると共に、第１及び第２の信号線路３１，３２の他端部３１３，３２３から出力される電気信号に基づいて内輪１２の回転を検出する。より詳細には、第１及び第２の信号線路３１，３２と回転体４との静電容量の変化に起因して第１及び第２の信号線路３１，３２において発生する電気信号の遅延時間の変化に基づいて内輪１２の回転を検出する。次に、この原理について詳細に説明する。
【００２７】
図４（ａ）〜（ｃ）は、第１及び第２の信号線路３１，３２と回転体４の対向部４２との相対的な位置関係を検出部２２と共に示す模式図である。図４（ａ）は、第１の信号線路３１の蛇行部３１１が対向部４２の貫通孔４２０が形成された部分に対向する状態を示し、図４（ｂ）は、第１の信号線路３１の蛇行部３１１の半分の領域が柱部４２１に対向する状態を示している。また、図４（ｃ）は、第１の信号線路３１の蛇行部３１１の全体が柱部４２１に対向する状態を示している。
【００２８】
検出部２２は、第１及び第２の信号線路３１，３２の一端部３１２，３２２に電気信号を入力する信号発生部２２１と、信号発生部２２１で発生した信号の第１及び第２の信号線路３１，３２による遅延時間を測定して内輪１２の回転速度及び回転方向を演算する測定演算部２２２とを有している。信号発生部２２１は、第１及び第２の信号線路３１，３２の一端部３１２，３２２にパルス信号を入力する。測定演算部２２２は、信号発生部２２１で発生したパルス信号と、第１及び第２の信号線路３１，３２の他端部３１３，３２３におけるパルス信号との時間的な差によって遅延時間を測定する。なお、パルス信号の伝播経路長の差によって元々生じる遅延時間は、補正等によって予め差し引かれており、静電容量の変化によって遅延が生じるようにされている。
【００２９】
図５（ａ）は、信号発生部２２１で発生するパルス信号の波形の一例を示し、図５（ｂ）〜（ｄ）は、図４（ａ）〜（ｃ）のそれぞれの状態に対応する第１の信号線路３１の他端部３１３におけるパルス信号の波形の一例を示している。図５（ａ）〜（ｄ）において、横軸は時間軸であり、縦軸は電圧を示している。横軸のｔ０は、パルス信号の発生時刻である。また、縦軸のＶ０は、パルス信号の波高値を示し、Ｖ１はＶ０・（１−ｅ−１）の電圧を示している。なお、ｅは自然対数（ｅ≒２．７１８）であり、Ｖ１はＶ０の約６３％である。
【００３０】
図５（ｂ）〜（ｄ）において、横軸のｔ１〜ｔ３は、パルス信号の電圧がＶ１に達した時刻を示している。図５（ｂ）〜（ｄ）に示すように、ｔ０とｔ２との時間差はｔ０とｔ１との時間差よりも大きく、ｔ０とｔ３との時間差はｔ０とｔ２との時間差よりもさらに大きい。このように、第１の信号線路３１の他端部３１３におけるパルス信号は、第１の信号線路３１と回転体４との間の静電容量が大きくなるほど立ち上がりが大きく遅れる。
【００３１】
そして、この時間差（遅延時間）が極小値から極大値まで変化して再び極小値となると、回転体４が第１のピッチ角Ｐ１分だけ回転したことが分かる。検出部２２は、上記の時間差を測定し、測定結果が所定の閾値を超えて変化したとき、例えば制御装置に検出結果を示すパルス信号を出力する。制御装置では、このパルス信号をカウントすることで内輪１２の回転速度を求めることができる。
【００３２】
第２の信号線路３２の一端部３２２に入力されるパルス信号も同様に、蛇行部３２１と対向部４２の柱部４２１との重なり量によって他端部３２３におけるパルス信号の遅延時間が変化するが、遅延時間の変化の周期が第１の信号線路３１におけるパルス信号の遅延時間の変化の周期と約４分の１周期ずれる。そしてこの周期のずれによって内輪１２の回転方向を検知することができる。検出部２２は、回転方向の検知結果を示す信号を制御装置に出力する。
【００３３】
（実施の形態の作用及び効果）
以上説明した実施の形態によれば、センサ部２１が基板３及び回転体４からなるので、センサ部２１の特に軸方向の小型化が可能となる。また、磁気センサ等の半導体素子をセンサ部２１に用いないので、温度や振動に対する信頼性が高く、高い耐環境性を得ることができる。
【００３４】
（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
【００３５】
［１］固定部材（外輪１１）に対する回転部材（内輪１２）の回転を検出する回転センサ（２）であって、前記回転部材（１２）と共に回転する回転体（４）と、前記固定部材（１１）に取り付けられ、前記回転体（４）に対向して配置された信号線路（３１，３２）と、前記信号線路（３１，３２）の一端部（３１２，３２２）に電気信号を入力して前記回転部材（１２）の回転を検出する検出部（２２）と、を備え、前記回転体（４）は、前記信号線路（３１，３２）との間の静電容量が周方向の位置によって変化する静電容量変化構造を有し、前記検出部（２２）は、前記信号線路（３１，３２）と前記回転体（４）との間の静電容量の変化に基づいて前記回転部材（１２）の回転を検出する、回転センサ（２）。
【００３６】
［２］前記検出部（２２）は、前記静電容量の変化に起因する、前記信号線路（３１，３２）の他端部（３１３，３２３）から出力される前記電気信号の遅延時間の変化に基づいて前記回転部材（１２）の回転を検出する、前記［１］に記載の回転センサ（２）。
【００３７】
［３］前記回転体（４）は、前記信号線路（３１，３２）と対向する対向部（４２）が導電性を有し、前記静電容量変化構造は、前記信号線路（３１，３２）の延伸方向に対して垂直な方向に貫通する貫通孔（４２０）が前記対向部（４２）に形成された構造である、前記［１］に記載の回転センサ（２）。
【００３８】
［４］前記信号線路（３１，３２）は、前記対向部（４２）と向かい合う部分に蛇行した蛇行部（３１１，３２１）を有する、前記［１］又は［３］に記載の回転センサ（２）。
【００３９】
［５］前記回転体（４）には、前記対向部（４２）に複数の前記貫通孔（４２０）が所定の角度間隔（Ｐ０）で形成されており、前記信号線路（３１，３２）は、前記所定の角度間隔（Ｐ１，Ｐ２（＝Ｐ０））で複数の前記蛇行部（３１１，３２１）を有する、前記［４］に記載の回転センサ（２）。
【００４０】
［６］複数の前記信号線路（３１，３２）を備え、このうち一方の前記信号線路（３１）の前記蛇行部（３１１）の位置と他方の前記信号線路（３２）の前記蛇行部（３２１）の位置とが前記回転体（４）の回転方向にずれている、前記［５］に記載の回転センサ（２）。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。例えば、上記の実施の形態では、パルス信号の伝搬遅延時間の変化によって静電容量変化構造における静電容量の変化を検出する場合について説明したが、これに限らず、例えばスイッチドキャパシタ方式、すなわち電荷を充電又は放電したときの電圧変化の時定数によって静電容量変化構造における静電容量の変化を検出する方式を採用してもよい。また、例えば、上記の実施の形態では、第１及び第２の信号線路３１，３２は、基板３の表面３０ａにのみ形成したが、基板３に貫通ビアを形成し、表面３０ａ及び裏面３０ｂの両面に亘って第１及び第２の信号線路３１，３２を形成してもよい。この場合は、ソルダーレジスト等の絶縁膜により両面の第１及び第２の信号線路３１，３２が保護されているとよい。
【符号の説明】
【００４２】
１１…外輪（固定部材）
１２…内輪（回転部材）
２２…検出部
３１…第１の信号線路
３１１…蛇行部
３１２…一端部
３１３…他端部
３２…第２の信号線路
３２１…蛇行部
３２２…一端部
３２３…他端部
４…回転体
４２…対向部
４２０…貫通孔
【図１】
2020051908.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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