(57)【要約】【課題】  小径の軸受やミニチュア軸受であっても分解能を低くすることなく、回転数や回転角度の検出が可能なセンサ付軸受を提供する。【解決手段】外輪３と、内輪４と、転動体５とが配置されて転がり軸受が構成され、転がり軸受には渦電流センサ９とセンサターゲット１０とからなる回転センサが設けられている。センサターゲット１０は、外周面を回転中心Ｏに対して偏芯し、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に形成されて内輪４の外径部に嵌め込まれている。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は回転に応じて連続するアナログ信号を出力する。【選択図】      図１
2006029517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、前記内輪および前記外輪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いずれか一方に設けられるセンサターゲットと、
前記内輪と前記外輪のいずれか他方に前記センサターゲットに対向して設けられ、前記内輪と前記外輪のいずれかの回転に応じて、回転にともなって変化するアナログ信号を出力するセンサ素子と、
前記センサ素子から出力されたアナログ信号に基づいて、それぞれの回転角に対応した信号を出力する処理回路とを備え、
前記センサターゲットは、周方向に交互に異なる磁極が着磁された磁気エンコーダであって、
前記センサ素子は、前記磁気エンコーダの異なる磁極を検出するごとにレベルがアナログ的に変化する検出信号を出力する磁気センサである、センサ付軸受。
【請求項２】
内輪と、外輪と、前記内輪および前記外輪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いずれか一方に設けられるセンサターゲットと、
前記内輪と前記外輪のいずれか他方に前記センサターゲットに対向して設けられ、前記内輪と前記外輪のいずれかの回転に応じて、回転にともなって変化するアナログ信号を出力するセンサ素子と、
前記センサ素子から出力されたアナログ信号に基づいて、それぞれの回転角に対応した信号を出力する処理回路とを備え、
前記センサターゲットは、前記センサ素子に対向する間隔が周方向で連続的に変化するように形成されていて、
前記センサ素子は、前記センサターゲットとの連続的に変化する間隔に応じて連続的に変化するアナログ信号を出力する、センサ付軸受。
【請求項３】
前記センサ素子と前記センサターゲットは、ラジアル方向に対向して配置されている、請求項１または２に記載のセンサ付軸受。
【請求項４】
前記センサ素子と前記センサターゲットは、アキシャル方向に対向して配置されている、請求項１または２に記載のセンサ付軸受。
【請求項５】
前記センサターゲットは、磁性体で形成されており、
前記センサ素子は、前記センサターゲットに渦電流を発生させる渦電流センサである、請求項２から４のいずれかに記載のセンサ付軸受。
【請求項６】
前記処理回路は、前記アナログ信号を時分割処理した信号を出力する、請求項１から５のいずれかに記載のセンサ付軸受。
【請求項７】
前記処理回路は、前記時分割処理した信号をデジタル信号として出力する、請求項６に記載のセンサ付軸受。
【請求項８】
前記処理回路は、前記アナログ信号に基づいて回転角に相当する信号を出力するアブゾリュート回路を含む、請求項１から５のいずれかに記載のセンサ付軸受。
【請求項９】
前記処理回路は、前記軸受とは別個に設けられる、請求項１から８のいずれかに記載のセンサ付軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はセンサ付軸受に関し、例えば回転体が回転したときの回転数を検出する回転センサを設けたセンサ付軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転体が回転したとき、その回転角を検出する回転センサを軸受に設けたものの一例として、特開２００２−３４９５５６号公報（特許文献１）に記載されたものがある。この回転センサ付軸受は、外輪と内輪と転動体とで構成された転がり軸受に、回転センサを設けたものである。回転センサは、回転側である内輪の外周面に設けられている芯金に磁気エンコーダを設けてセンサターゲットとし、この磁気エンコーダに対向するように、固定側である外輪の内周面に芯金を介してセンサ素子を取付けたものである。
【０００３】
磁気エンコーダはリング状に形成されており、周方向にＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。内輪が回転して磁気エンコーダが回転すると、センサ素子は磁気エンコーダに着磁された磁極の変化を検出して、回転数に応じた信号を出力する。
【特許文献１】特開２００２−３４９５５６号公報（段落番号００１６〜００１８、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された磁気エンコーダは、周方向にＮ極とＳ極とを交互に着磁するとき、ピッチ間隔が狭ければＮ極とＳ極とを区別して着磁できなくなってしまうので、ある程度以上の間隔を設けて着磁する必要がある。軸受回転輪の直径寸法が小さくても上記磁気エンコーダやセンサ素子を取付けることは可能であるが、上記理由により、着磁極数がおのずと少なくなってしまう。
【０００５】
ところが、着磁磁極数はセンサ出力の分解能に影響する。すなわち、例えば、センサ素子がＳ極の接近によりオンし、Ｎ極の接近によりオフするものとすると、軸受回転輪の直径寸法が小さくなるにしたがってオン，オフ信号が出力される角度が大きくなってしまう。このため、１回転するごとに出力されるパルス数が少なくなってしまう。例えば外径が８ｍｍの磁気エンコーダではせいぜい２０数個程度のパルスしか出力できず、数百のパルスを出力することができない。
【０００６】
磁気エンコーダの外周長さを長くするために、磁気エンコーダの直径を大きくすることも可能であるが、軸受外輪の外径寸法よりも磁気エンコーダの外径寸法の方が大きくなってしまう。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、小径の軸受やミニチュア軸受であっても分解能を低くすることなく、回転数や回転角度の検出が可能な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】
【０００８】
この発明は、内輪と、外輪と、内輪および外輪の間に配置された転動体を含む軸受と、内輪と外輪とのいずれか一方に設けられるセンサターゲットと、内輪と外輪のいずれか他方にセンサターゲットに対向して設けられ、内輪と外輪のいずれかの回転に応じて、回転にともなって変化するアナログ信号を出力するセンサ素子と、センサ素子から出力されたアナログ信号に基づいて、それぞれの回転角に対応した信号を出力する処理回路とを備え、センサターゲットは、周方向に交互に異なる磁極が着磁された磁気エンコーダであって、センサ素子は磁気エンコーダの異なる磁極を検出するごとにレベルがアナログ的に変化する検出信号を出力する磁気センサである。
【０００９】
この発明の他の局面は、内輪と、外輪と、内輪および外輪の間に配置された転動体を含む軸受と、内輪と外輪とのいずれか一方に設けられるセンサターゲットと、内輪と外輪のいずれか他方にセンサターゲットに対向して設けられ、内輪と外輪のいずれかの回転に応じて、回転にともなって変化するアナログ信号を出力するセンサ素子と、センサ素子から出力されたアナログ信号に基づいて、それぞれの回転角に対応した信号を出力する処理回路とを備え、センサターゲットは、センサに対向する間隔が周方向で連続的に変化するように形成されていて、センサ素子はセンサターゲットとの連続的に変化する間隔に応じて連続的に変化するアナログ信号を出力する。
【００１０】
この発明によれば、センサ素子から出力されるアナログ信号に基づいて、回転角に対応した信号を出力するようにしたので、小径の軸受やミニチュア軸受であっても分解能を低くすることなく、回転数や回転角度の検出が可能になる。しかも、センサ部が軸受外径よりも大きくなることがなく、応用範囲が広くなり、従来では採用できなかった小型高分解能なセンサ付軸受を実現できる。
【００１１】
より好ましくは、センサターゲットは、その外径が回転中心に対して偏芯して形成されている。外径を回転中心に対して偏芯させることでセンサ素子とセンサターゲットとの間の間隔を周方向で異ならせることができ、センサ素子からレベルが変化するセンサ信号を出力できる。
【００１２】
好ましくは、センサターゲットは、磁性体で形成されており、センサ素子はセンサターゲットに渦電流を発生させる渦電流センサである。渦電流センサを用いることで、径方向の厚みを薄くできる。
【００１３】
好ましくは、センサ素子とセンサターゲットは、ラジアル方向に対向して配置されるか、あるいはアキシャル方向に対向して配置される。
【００１４】
１つの実施形態では、処理回路はアナログ信号を時分割処理した信号を出力する。時分割するタイミングを細かく設定することで分解能を高めることができる。より好ましくは、処理回路は時分割処理して信号をデジタル信号として出力する。
【００１５】
他の実施形態では、処理回路はアナログ信号に基づいて回転角に相当する信号を出力するアブゾリュート回路を含む。センサ出力をデジタル信号で出力することで、後続回路でデジタル処理を行うことが可能になる。アブゾリュート回路で処理することでセンサ出力から回転角に対応したアナログ信号を出力できる。
【００１６】
好ましくは、処理回路は軸受とは別個に設けられる。処理回路を軸受とは別個に設けることで、軸受から発する熱の影響を排除できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１はこの発明の一実施形態における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ＡーＡに沿う断面図である。
【００１８】
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。この転がり軸受には渦電流センサ９とセンサターゲット１０とからなる回転センサが設けられてセンサ付軸受１が構成されている。
【００１９】
渦電流センサ９とセンサターゲット１０は対向して設けられているが、渦電流センサ９から内輪４の回転に応じて、連続して変化するアナログ信号を出力するために、渦電流センサ９とセンサターゲット１０との間隔を周方向に異ならせている。このために、センサターゲット１０は、外周面が回転中心Ｏに対して偏芯し、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に形成されている。このセンサターゲット１０は磁性体によって形成されており、内輪４の外径部に嵌め込まれている。
【００２０】
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、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、センサ出力が後述の処理回路で処理される。
【００２１】
センサコイル９１，９２が駆動されると磁束が発生してセンサターゲット１０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とセンサターゲット１０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してアナログセンサ信号が出力される。このアナログセンサ信号の変化を処理回路でデジタル信号として出力するかあるいは演算処理する。
【００２２】
図２は図１に示したセンサ付軸受の渦電流センサから出力されるアナログセンサ信号の波形図であり、（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。
【００２３】
センサターゲット１０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とセンサターゲット１０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とセンサターゲット１０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とセンサターゲット１０との間隔が変化するため、センサターゲット１０が例えばｃ点を基準にして時計方向に回転を開始して、ｂ点，ａ点，ｄ点の順にセンサコイル９１，９２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１回転で１周期の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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図３は処理回路の一例を示すブロック図である。図１に示した渦電流センサ９から出力されたアナログセンサ信号は、処理回路３０に含まれているサンプリング回路３１に与えられて所定のタイミングでサンプリングされる。この所定のタイミングの時間間隔を短くすればするほど分解能を向上できる。このサンプリング出力のみでも回転数や回転角度の検出が可能になる。しかし、より好ましくは、サンプリング出力をＡ／Ｄ変換回路３２に入力してデジタルセンサ信号として出力することで、後段のデジタル回路などに与えることができる。後段のデジタル回路では、デジタルセンサ信号を処理することで、回転数や回転方向や回転位相などを検出することが可能になる。
【００２８】
また、アナログセンサ信号をアブゾリュート演算回路に入力して回転角に相当する信号を出力してもよい。
【００２９】
図４はこの発明の他の実施形態における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に沿う断面図のうちのセンサターゲットと芯金のみを抽出して示した図である。
【００３０】
この実施形態は、回転センサとして、磁気エンコーダ１１と、アナログ信号出力式の磁気センサ１２とを用いてセンサ付軸受２を構成したものである。磁気エンコーダ１１は芯金１３の外周面に配置されており、芯金１３は内輪４の外径面に嵌め込まれている。
【００３１】
磁気エンコーダ１１には、図４（ｂ）に示すように半周ごとにＮ極とＳ極とが着磁されて着磁極数は１極対に選ばれている。外輪３の内径部には外環７が嵌め込まれており、外環７はセンサハウジング８を保持しており、このセンサハウジング８には、磁気センサ１２が磁気エンコーダ１１に対向するように設けられている。また、センサハウジング８には駆動回路や処理回路を搭載した基板１５が設けられている。
【００３２】
この実施形態においては、内輪４が回転すると、それに伴って磁気エンコーダ１１が回転し、磁気センサ１２は磁気エンコーダ１１の磁極の変化に応じて、出力電力が連続的に変化し、１回転で１周期変化するアナログセンサ信号を出力する。
【００３３】
このアナログセンサ信号を図３に示したサンプリング回路３１に与えてサンプリングし、Ａ／Ｄ変換回路３２によってデジタル信号に変換することでデジタルセンサ信号を出力できる。この例では、基板１５に図３に示したサンプリング回路３１とＡ／Ｄ変換回路３２を搭載することができるので、センサ付軸受から直接デジタルセンサ信号を出力することが可能になる。
【００３４】
なお、図４（ｂ）に示した例では、磁気エンコーダ１１に半周期ごとにＮ極とＳ極とを着磁して１回転で１周期のアナログセンサ信号を出力するようにしたが、磁気エンコーダ１１にＮ極とＳ極とを交互に複数極形成してもよい。この場合は、１回転で複数周期のアナログセンサ信号を出力することができ、１周期当たりの分割数を一定にすれば、周期の数が多いほど分解能を高くすることができる。
【００３５】
図５はこの発明のさらに他の実施形態におけるセンサ付軸受を示す図である。この図５に示した実施形態におけるセンサ付軸受２は図１と同じであり、渦電流センサ９で検出されたアナログセンサ信号がケーブル３４を介して外部回路３３に与えられる。外部回路３３には駆動回路や図３に示した処理回路３０などが内蔵されている。このように外部回路３３を軸受とは別個に設けることで、軸受からの熱による影響を回避できる。
【００３６】
上述のごとく、図１〜図５に示した実施形態では、センサ信号を回転に応じて連続的に変化するアナログ信号として出力できるようにしたので、小径の軸受やミニチュア軸受であっても分解能を低くすることなく、回転数や回転角度の検出が可能になる。しかも、センサ部が軸受外径よりも大きくなることがなく、応用範囲が広くなり、従来では採用できなかった小型高分解能なセンサ付軸受を実現できる。
【００３７】
ここで本件発明の実施形態と従来例を具体的に比較してみる。仮に軸受内輪の内径寸法をφ１０ｍｍとした場合、従来方式では磁気エンコーダ着磁面の円周長さと着磁ピッチの関係より、磁極数はＮ極とＳ極のそれぞれは２９極で２９極対程度しか着磁できない。そこで、これらの磁極を検出するセンサ素子から出力される信号を４逓倍してパルス数を増やすことが考えられるが、最大でも１１６パルス迄しか分解能を高くすることができない。事務機や小型モータ等では、数百例えば３００パルス以上の分解能が要求されているが、従来のセンサ付軸受では、このような要求を満たすことができなかった。
【００３８】
これに対して、本件発明の実施形態では、軸受内輪の内径寸法がφ１０ｍｍ以下の軸受において、数百パルス以上の高分解能を得ることが可能な小型のセンサ付軸受を実現できる。
【００３９】
図６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。
【００４０】
この実施形態は、図１に示した実施形態の変形例であり、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６（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６（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。
【００４１】
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。
【００４２】
なお、図６において、センサターゲット１９に代えて磁気エンコーダを用い、渦電流センサ２１に代えて磁気センサを用いてもよい。
【００４３】
図７はこの発明のさらに他の実施形態におけるセンサ付軸受を示す概略断面図である。この実施形態は、図４に示した実施形態の変形例であり、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が設けられており、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によって磁気センサ２６が保持されている。内輪２４の内径部には図４（ｂ）と同様にしてＮ極とＳ極とが交互に着磁されてセンサターゲット２７が設けられている。内輪２４が回転するとそれに伴ってセンサターゲット２７も回転し、磁気センサ２６がセンサターゲット２７の磁極を検出する。
【００４４】
なお、図７において、磁気エンコーダ２７に代えて図６に示したセンサターゲット１９を用い、磁気センサ２６に代えて渦電流センサ２１を用いるようにしてもよい。
【００４５】
また、この発明は、転がり軸受に限らず、すべり軸受やコロ軸受などにも適用できる。
【００４６】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
この発明は、高分解能で回転数を検出できる小径の軸受やミニチュア軸受などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の一実施形態におけるセンサ付軸受を示す図である。
【図２】図１に示した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。
【図３】処理回路の一例を示すブロック図である。
【図４】この発明の他の実施形態におけるセンサ付軸受を示す図である。
【図５】この発明のさらに他の実施形態におけるセンサ付軸受を示す図である。
【図６】この発明のさらに他の実施形態を示すセンサ付軸受を示す図である。
【図７】この発明のさらに他の実施形態におけるセンサ付軸受を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１，２  センサ付軸受、３，２３  外輪、４，２４  内輪、５  転動体、７，２２，２５  外環、８  センサハウジング、９，２１  渦電流センサ、１０  センサターゲット、１１，２７  磁気エンコーダ、１２，２６  磁気センサ、１３  芯金、１５  基板、３０  処理回路、３１  サンプリング回路、３２  Ａ／Ｄ変換回路、３３  外部回路、３４  ケーブル、９１，９２  コイル、
【図１】
2006029517.tif 000003
【図２】
2006029517.tif 000004
【図３】
2006029517.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006029517.tif 000008
【図７】
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