(57)【要約】【課題】  小径の軸受での分解能向上が可能で、またステータまたはロータの変形を抑えて簡単かつ堅固に固定することができ、回転センサ部の小径軸受への組み込みが容易な回転センサ付軸受を提供する。【解決手段】  この回転センサ付軸受は、回転側軌道輪３、固定側軌道輪４、および転動体５を有する転がり軸受部１と、回転センサ部２とを備える。回転センサ部２は、前記固定側軌道輪４に設けられ複数のヨーク１２に巻線１４を施したステータ１０と、前記回転側軌道輪３に設けられた偏心輪または多極カムからなるロータ９とでなる。ステータ１０およびロータ９は、固定側軌道輪４および回転側軌道輪３の端面にそれぞれレーザ溶接する。ステータ１０の巻線は、１次巻線のみからなるものとしても良い。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転側軌道輪、固定側軌道輪、および転動体を有する転がり軸受部と、回転センサ部とを備え、この回転センサ部は、前記固定側軌道輪に設けられ複数のヨークに巻線を施したステータと、前記回転側軌道輪に設けられた偏心輪または多極カムからなるロータとでなり、前記ステータおよびロータの内、少なくとも一方を、前記転がり軸受部の前記固定側軌道輪および回転側軌道輪の内の対応する軌道輪に溶接した回転センサ付軸受。
【請求項２】
請求項１において、ステータおよびロータを、前記転がり軸受部の前記固定側軌道輪および回転側軌道輪の端面にそれぞれ溶接した回転センサ付軸受。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記ステータの外径は軸受外輪となる固定側軌道輪の外径よりも小さく、前記ロータの内径は軸受内輪となる回転側軌道輪の内径よりも大きくした回転センサ付軸受。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記ステータの巻線を２組以上とし、いずれか一方が故障した場合には、他方をフェールセールとして用いるものとした回転センサ付軸受。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記ステータおよびロータの内、少なくとも一方を、１枚の鋼板で一体成形した回転センサ付軸受。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記ステータおよびロータの内、少なくとも一方を焼結部材で成形した回転センサ付軸受。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記転がり軸受部が車輪用軸受である回転センサ付軸受。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記ロータとステータとの最小エアギャップを０．５ｍｍ以下とした回転センサ付軸受。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、前記ステータの巻線を１次巻線のみからなるものとした回転センサ付軸受。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記溶接がレーザ溶接である回転センサ付軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種の機器における回転検出、例えば小型モータの回転制御のための回転検出や、事務機器の位置検出等に使用される高分解能の回転センサ付軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な回転センサ付軸受の従来例として、例えば図８のように深溝玉軸受などの転がり軸受５１に回転センサ６１を設置したものが知られている（例えば特許文献１）。この回転センサ付軸受は、回転側軌道輪である内輪５２、固定側軌道輪である外輪５３、転動体５４および保持器５５からなる転がり軸受５１において、回転側の内輪５２に環状の磁気エンコーダ５６を固定し、固定側の外輪５３に磁気センサ５７を上記磁気エンコーダ５６と対向させて固定することにより構成されている。磁気センサ５７としては、ホール素子、ホールＩＣ、ＭＲ素子などが使われる。磁気エンコーダ５６は、例えばゴム磁石からなり、図９に示すように円周方向にＮ極とＳ極を交互に着磁したものである。図８のように、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。
【０００３】
磁気センサ５７は、図９に示すように、互いに出力位相差（電気角）が９０°になるように配置された２つのセンサ５７ａ，５７ｂからなる。このように回転センサ６１を構成することにより、内輪５２の回転に伴い、磁気センサ５７が磁気エンコーダ５６の磁気変化を検出し、その検出信号は、図１０のように位相が９０°ずれた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の回転数や回転方向を知ることができる。  このように構成される回転センサ付軸受は、小型で組立調整が不要であり、さらに堅牢であるなどの特徴を有しており、モータ支持軸受などに利用されている。
【特許文献１】特開２００２−４００３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記構成の回転センサ付軸受で、１回転当たりの出力パルス数を増やして高分解能化するためには、図９に示す磁気エンコーダ５６の極数を増やして１極当たりの着磁幅を小さくする必要がある。しかし、着磁幅が小さくなるほど磁気エンコーダ５６の着磁強度が弱くなるため、磁気センサ５７での検出が難しくなる。また、着磁幅が小さくなればなるほど着磁も難しくなるといった課題がある。加えて、図１０に示すＡ相、Ｂ相の２相出力方式の場合、それらの信号を検出するセンサ５７ａ，５７ｂを電気角で９０°の位相差出力が得られるように配置する必要があるが、着磁幅が狭くなればなるほどセンサ５７ａ，５７ｂの取付け誤差が出力位相に与える影響は大きくなる。そのため、センサ５７ａ，５７ｂの位置合わせにおける機械的ガタがあれば、９０°位相差は大きくずれることになる。
上述したように、従来の構成で出力パルスを高分解能化することは難しく、特に小径軸受を用いた回転センサ付軸受の出力パルス数は概ね１００パルス以下が一般的であり、高分解能が必要となる分野への適用はあまりなかった。
【０００５】
このため、レゾルバ等の巻線式のセンサを用いることを考えた。しかし、レゾルバを小径の軸受に組み込む場合、レゾルバを小型化する必要がある。また、レゾルバのステータおよびロータは、通常ケイ素鋼板等を積層して形成されているが、それらを軸受内に一般的な組み込み方法である圧入により固着すると、小型化に伴って、圧入によりステータやロータが変形するなどの問題が生じる。圧入の代わりに緩み嵌めと接着を併用することも可能であるが、振動等が発生する環境下で使用するには信頼性の点で課題が残る。
【０００６】
この発明の目的は、小径の軸受での分解能向上が可能で、またステータまたはロータの変形を抑えて簡単かつ堅固に固定することができ、回転センサ部の小径軸受への組み込みが容易な回転センサ付軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の回転センサ付軸受は、回転側軌道輪、固定側軌道輪、および転動体を有する転がり軸受部と、回転センサ部とを備え、この回転センサ部は、前記固定側軌道輪に設けられ複数のヨークに巻線を施したステータと、前記回転側軌道輪に設けられた偏心輪または多極カムからなるロータとでなり、前記ステータおよびロータの内、少なくとも一方を、前記転がり軸受部の前記固定側軌道輪および回転側軌道輪の内の対応する軌道輪に溶接したことを特徴とする。
【０００８】
この構成によると、回転センサ部として巻線型センサを用いているので、ミニアチュア軸受のような小型軸受であっても高分解能化することが容易となり、軸受にもコンパクトに収容することができる。これらのため、モータ等に用いれば小型化に有効である。巻線を使ったセンサであるため、耐環境性も良好である。ステータおよびロータの内、少なくとも一方は軌道輪への固定を溶接で行うため、圧入による場合と異なり、回転センサ部のステータまたはロータの組み込みに伴う、これらステータまたはロータの変形を抑えて、簡単かつ堅固に固定することができる。また、溶接により固定するため、振動等の環境下でも問題なく使用することができる。ロータを溶接した場合は、緩み嵌めと異なり、回転振れを少なくすることができる。
【０００９】
前記ロータは、偏心輪または多極カムのいずれであっても良いが、多極カムであると、回転センサ部は、２極以上の回転センサとして機能し、回転側軌道輪の１回転で複数周期の正弦波が得られることになり、分解能がさらに向上する。多極にすることで磁気的なバランスが良くなるため、絶対精度も向上する。
【００１０】
ステータおよびロータは、いずれか一方を前記固定側軌道輪および回転側軌道輪の内の対応する軌道輪に溶接しても良いが、両方とも前記軌道輪に溶接しても良い。また、これらステータおよびロータの溶接は、例えば、前記転がり軸受部の前記固定側軌道輪および回転側軌道輪における端面に行っても良い。
ステータおよびロータを共に溶接で固定すると、これらステータおよびロータの組み込みに伴う変形を共に抑えて、簡単に固定することができる。また、この溶接を軌道輪の端面に行うようにすると、溶接作業が容易である。
【００１１】
この発明において、前記ステータの外径は軸受外輪となる固定側軌道輪の外径よりも小さく、前記ロータの内径は軸受内輪となる回転側軌道輪の内径よりも大きくすることが好ましい。
このようにステータおよびロータの径を設定することで、転がり軸受部をハウジングや軸に組み込む際に、ステータやロータが邪魔にならない。
【００１２】
この発明において、ステータの巻線は２組以上としても良い。これにより、いずれか一方のステータが故障した場合には、他方をフェールセールとして用いることができる。すなわち、一方が断線等の故障を生じた場合に、他方の巻線により位置検出を行うことが可能となる。
【００１３】
この発明において、前記ステータおよびロータの内、少なくなくとも一方を、１枚の鋼板で一体成形されたものとしても良い。１枚の鋼板で一体成形されたものとすると、製造が簡単である。
【００１４】
また、前記ステータおよびロータの内、少なくとも一方を焼結部材で成形しても良い。焼結部材で成形した場合、ステータやロータの形状が複雑な場合でも、容易に製造することができる。
【００１５】
この発明において、前記転がり軸受部は車輪用軸受であっても良い。車輪用軸受に適用した場合、分解能向上が可能で、コンパクトに回転センサ部を組み込むことができる。
【００１６】
この発明において、前記ロータとステータとの最小エアギャップを０．５ｍｍ以下としても良い。ステータおよびロータは、少なくとも一方を軌道輪に溶接するため、回転振れを少なくできることなどから、ロータとステータとの最小エアギャップを小さくすることが可能になる。転がり軸受として深溝玉軸受を用いた場合、軸受の等級にもよるが軸受のガタは５０μｍ程度ある。その１０倍のエアギャップ、つまり０．５ｍｍ以下の最小ギャップ設定も可能となる。
【００１７】
この発明において、ステータ巻線を１次巻線のみからなるものとしても良い。ステータ巻線を１次巻線のみとすると、ステータの小型化が可能になり、小径軸受への組み込みが可能になる。
【００１８】
この発明において、前記ステータまたはロータを軌道輪に固定する溶接は、レーザ溶接であっても良い。
種々の溶接法のうち、レーザ溶接の場合は、周辺への熱的な影響が少なく、また周辺を汚すことなく溶接が行える。特に、レーザ溶接を軌道輪の端面に行う場合は、溶接作業が容易である。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の回転センサ付軸受は、回転側軌道輪、固定側軌道輪、および転動体を有する転がり軸受部と、回転センサ部とを備え、この回転センサ部は、前記固定側軌道輪に設けられ複数のヨークに巻線を施したステータと、前記回転側軌道輪に設けられた偏心輪または多極カムからなるロータとでなり、前記ステータおよびロータの内、少なくとも一方を、前記転がり軸受部の前記固定側軌道輪および回転側軌道輪の内の対応する軌道輪に溶接したため、小径の軸受での分解能向上が可能であり、またステータまたはロータの変形を抑えて簡単かつ堅固に固定することができ、回転センサ部の小径軸受への組み込みが容易なものとできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
この発明の第１の実施形態を、図１ないし図３と共に説明する。この回転センサ付軸受は、回転側軌道輪３、固定側軌道輪４および複数の転動体５を有する転がり軸受部１と、回転センサ部２とを備える。転がり軸受部１は深溝玉軸受からなり、例えば、その内輪が回転側軌道輪３となり、外輪が固定側軌道輪４となる。回転側軌道輪３の外径面および固定側軌道輪４の内径面にはそれぞれ転動体５の軌道面３ａ，４ａが形成されており、転動体５は保持器６で保持されている。回転側軌道輪３と固定側軌道輪４の間の環状空間は、回転センサ部２の設置側とは反対側の端部がシール部材７で密封されている。
【００２１】
回転センサ部２は、レゾルバ等の巻線型センサを用いたものである。この回転センサ部２は、固定側軌道輪３に設けられ複数のヨーク１３に巻線１４を施したステータ１０と、回転側軌道輪３に設けられたロータ９とでなる。ステータ１０およびロータ９は、上記各軌道輪４，３の端面に、それぞれ溶接により固定されている。上記溶接は、例えばレーザ溶接とされる。ステータ１０およびロータ９はケイ素鋼板等の積層鋼板で製作されるが、１枚の鋼板で一体に形成されたものとしても良い。また、ステータ１０およびロータ９をそれぞれ焼結部材で成形し、固定側軌道輪４および回転側軌道輪３の端面にそれぞれレーザ溶接しても良い。
このレーザ溶接は、転がり軸受部１に直接行うか、転がり軸受部１を分解した状態で行う。ステータ１０およびロータ９のレーザ溶接は、外周側、内周側の両方に施しても良いし、片側のみに施しても構わない。また、レーザ溶接は連続でも良いが、転がり軸受部１の変形を避けるため、周方向で複数箇所の部分溶接でも構わない。
【００２２】
ステータ１０の外径は、軸受外輪である固定側軌道輪４の外径よりも小さく、かつロータ９の内径は、軸受内輪である回転側軌道輪３の内径よりも大きくしている。これにより、図示しないハウジングへの組み込みや、回転軸の組立に影響を与えない。
【００２３】
ステータ１０は、図２のように、複数のヨーク１３にそれぞれコイル１４を施したものとされている。各ヨーク１３は、環状の磁性体１２の円周方向に等ピッチで並んで設けられ、先端が内径側へ延びている。ステータ１０の各コイル１４（１４ａ〜１４ｄ）は、１次巻線のみからなるものとしてある。
【００２４】
ロータ９は、偏心輪からなる。すなわち、ロータ９の外径面の中心Ｏ１は、回転側軌道輪３である内輪の中心Ｏから若干偏心した位置とされる。被検出部であるロータ９は、ここではケイ素鋼板を打ち抜いた板を積層して構成されるが、磁性体からなる鋼板１枚で一体成形されたものであっても良い。
【００２５】
上記回転センサ部２は、ロータ９の回転に伴い、ロータ９とステータ１０のヨーク１３とのエアギャップが変化するのを、コイル１４（１４ａ〜１４ｄ）の磁気抵抗変化として取り出す巻線型センサであり、図３にその回路の概略構成を示す。同図において、各コイル１４ａ〜１４ｄは、それぞれ抵抗と直列に接続されて、発信器１８からの交流信号により交流励磁される。ここでは、機械角で１８０°離れた２つのコイル１４ａ，１４ｃの信号の差分値を第１の差分増幅器１９で取り出し、同じく機械角で１８０°離れた他の２つのコイル１４ｂ，１４ｄの信号の差分値を第２の差分増幅器２０で取り出すようにされている。これにより、２つの差分増幅器１９，２０から位相が９０°ずれた正弦波と余弦波が得られると共に、このように生成された正弦波および余弦波は回転偏心による影響がキャンセルされた基準信号となる。これらの正弦波および余弦波の信号を、処理回路２１で処理することにより、回転角度の算出が行われる。
【００２６】
被検出部であるロータ９の１回転、すなわち回転側軌道輪３の１回転で正弦波１周期分の信号が得られ、１回転の絶対位置検出が可能となる。この回転センサ部２は１極（１Ｘ）の巻線型センサであり、処理回路２１には良く知られているレゾルバ−デジタル変換器を用いることが可能である。この場合、分解能も１２ビット（４０９６分割）程度は簡単に得ることができ、絶対位置検出も可能となる。
【００２７】
ステータ１０のコイル１４（１４ａ〜１４ｄ）を１次巻線のみからなるものとしたのは次の理由による。すなわち転がり軸受部１として小径サイズの軸受を用いる場合、ステータ１０のコイル巻線のスペースの確保が難しくなる。１次巻線タイプのステータを採用すれば、ステータ１０の小型化が可能となり、小径サイズの軸受への適応が容易になる。
【００２８】
ステータ１０のコイル１４は１次巻線式であるが、図４に示すように２組以上のコイル１４，１４´を同じステータ１０に巻回しても良い。この構成の場合、いずれか一方のコイル１４，１４´が断線等で故障した場合に、他方をフェールセールとして用いることができる。
【００２９】
この実施形態の回転センサ付軸受によると、次の各利点が得られる。
・ステータ１０、ロータ９を各軌道輪４，３の端面にレーザ溶接等で溶接したしたため、組み込みに伴うこれらステータ１０やロータ９の変形を抑えて簡単に固定できる。
・また、上記溶接のため、振動等の環境下でも問題なく使用することができる。
・ステータ１０のコイル１４を１次巻線のみの構成にしたため、ステータ１０の小型化が可能となり、小径軸受への組み込みが容易になる。
・図４の例のように、ステータ１０に２組のコイル１４，１４′を設けた場合は、断線等の故障時には他方のコイル１４，１４′により、位置検出を行うことが可能となる。
【００３０】
小径サイズの軸受に適応するステータ１０、ロータ９は小さいため、これらを固定側軌道輪４や回転側軌道輪３に固着するのが難しく、圧入等で固着すれば、それらの変形を招き、精度を劣化させる場合がある。この実施形態では、固定側軌道輪４の端面にステータ１０、回転側軌道輪３の端面にロータ９をそれぞれレーザ溶接しているため、変形を抑えて簡単かつ堅固に固定することができる。
【００３１】
また、この実施形態の回転センサ付軸受は、転がり軸受部１に回転センサ部２を溶接で直接固定するため、組立作業の簡略化ができ、また回転センサ部２の回転ぶれを少なくできるため、ステータ１０とロータ９とのエアギャップを別体で設ける場合に比べて詰めることが可能となる。転がり軸受１として深溝玉軸受を用いた場合、軸受の等級にもよるが軸受のガタは５０μｍ程度あり、その１０倍のエアギャップ、０．５ｍｍ以下の最小ギャップ設定も可能となる。
【００３２】
なお、上記各実施形態では、ロータ９を偏心輪としたが、例えば図５に示すように、ロータ９を多極カムとしても良い。同図の例では、ロータ９は多極カムの一種である断面楕円形とされている。これに対応させてステータ１０の環状磁性体１２における内向きヨーク１３は機械角４５°の間隔で８個配置されている。これにより、この場合の回転センサ部２は、２極（２Ｘ）の回転センサとして機能し、回転側軌道輪３の１回転で２周期の正弦波が得られる。
【００３３】
この場合の回転センサ部２の回路構成を図６に示す。この実施形態では、図３の回路構成において、機械角で１８０°離れたコイル１４ａとコイル１４ａ’、コイル１４ｂとコイル１４ｂ’、コイル１４ｃとコイル１４ｃ’、コイル１４ｄとコイル１４ｄ’とを直列に接続している点が、図３の場合と異なるだけである。
この実施形態では回転側軌道輪３の１回転で２周期の正弦波が得られ、機械角１８０°ごとに処理回路２１で分割処理がなされるため、分解能がさらに向上する。多極にすることで磁気的なバランスが良くなるため、絶対精度も向上する。極数が３Ｘ，４Ｘ…となっても、同様に処理することにより、絶対精度を向上させることができる。
【００３４】
図７は、この発明を車輪用軸受に適用した実施形態を示す。この車輪用軸受は、転がり軸受部１Ａが、外方部材である固定側軌道輪４Ａと、内方部材である回転側軌道輪３Ａと、複列の転動体５とで構成される。各列の転動体５は、それぞれ保持器６により保持されている。固定側軌道輪４Ａと回転側軌道輪３Ａの間の両端は、それぞれシール部材７Ａ，７Ｂにより密封されている。固定側軌道輪４Ａは一体の部材であって、内周に複列の軌道面４ａを有しており、車体の懸架装置のナックル（図示せず）に固定するためのフランジ４Ａａを外周に有している。回転側軌道輪３Ａは、車輪取付フランジ３ＡＡａを有するハブ輪３ＡＡと、このハブ輪３ＡＡのインボード側端の外周に嵌合した内輪３ＡＢとでなり、ハブ輪３ＡＡおよび内輪３ＡＢに各列の軌道面３ａが形成されている。なお、この明細書において、車輪用軸受を車両に取付けた状態で、車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側といい、車幅方向の中央寄りとなる側をインボード側と言う。
【００３５】
この構成の回転センサ付軸受において、回転センサ部２を、転がり軸受部１Ａのインボード側端に組み込んでいる。回転センサ部２は、図１〜図３と共に前述した構成のものであるが、その取付けは、ステータ１０を外方部材である固定側軌道輪４Ａの内径面にレーザ溶接等で固定し、ロータ９を内方部材である回転側軌道輪３Ａの外形面にレーザ溶接等で固定することにより行っている。ロータ９は、回転側軌道輪３Ａにおける内輪３ＡＢに対して固定している。回転センサ部２の位置は、インボード側のシール部材７Ｂよりも軸受内側とされている。
【００３６】
このように車輪用軸受に適用した場合も、回転センサ部２の分解能の向上が可能で、コンパクトに回転センサ部を組み込むことができる。回転センサ部２の出力は、ＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）の制御や、車速センサ、あるいは車両の姿勢制御等に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る回転センサ付軸受の縦断面図である。
【図２】図１におけるII-II 矢視断面図である。
【図３】同回転センサ付軸受における回転センサ部の概略回路構成図である。
【図４】この発明の他の実施形態に係る回転センサ付軸受の縦断面図である。
【図５】この発明のさらに他の実施形態に係る回転センサ付軸受における回転センサ部の横断面図である。
【図６】同回転センサ部の概略回路構成図である。
【図７】この発明を車輪用軸受に適用した実施形態にかかる回転センサ付軸受の縦断面図である。
【図８】従来例の縦断面図である。
【図９】同従来例における回転センサの構成を示す部分正面図である。
【図１０】同回転センサの出力波形図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…転がり軸受
２…回転センサ部
３…回転側軌道輪
４…固定側軌道輪
５…転動体
９…ロータ
１０…ステータ
１２…磁性体
１３…ヨーク
１４ａ〜１４ｄ，１４ａ’〜１４ｄ’…コイル
２２…磁性体リング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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