(57)【要約】【課題】  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、高精度の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。【解決手段】  このアブソリュートエンコーダ付軸受は、回転側軌道輪２、固定側軌道輪３、および転動体４からなる転がり軸受部１を有する。回転側軌道輪２には、磁気特性を円周方向に周期的に変化させた被検出部７が取付けられる。固定側軌道輪３には、上記被検出部７に対向する磁気検出部８と、この磁気検出部８へ電力供給し、磁気検出部８の出力信号を処理して外部に出力する磁気検出回路９とが取付けられる。上記被検出部７の上記磁気検出部８に対する磁気特性は、回転側軌道輪２の１回転を１周期として変化させたものであって、正弦波状で、かつ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する。【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アブソリュートエンコーダ付軸受。
【請求項２】
請求項１に記載の軸受において、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たアブソリュートエンコーダ付軸受。
【請求項３】
請求項２に記載の軸受において、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であるアブソリュートエンコーダ付軸受。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の軸受において、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たアブソリュートエンコーダ付軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（Ａ）はこの発明の一実施形態にかかるアブソリュートエンコーダ付軸受の断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】同軸受における被検出部の着磁分布である。
【図３】同軸受における磁気検出部から生成される原点信号の波形図である。
【図４】（Ａ）は同軸受を搭載したロボットアームの平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるIV−IV線断面図である。
【図５】ロボットアーム装置の第２アーム部の位置と原点信号の関係を示す説明図である。
【図６】従来例の断面図である。
【図７】同従来例における磁気センサと磁気エンコーダの関係を示す説明図である。
【図８】同磁気センサの検出信号の波形図である。
【図９】アブソリュートエンコーダ付軸受の提案例における被検出部と磁気検出部との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
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
【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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