JP2009063109A - ロータリエンコーダのシャフト支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 機械的な許容回転数を向上させることができるロータリエンコーダのシャフト支持構造を提供する。
【解決手段】 このロータリエンコーダのシャフト支持構造は、ロータリエンコーダ１のハウジング４に中空のエンコーダシャフト２を転がり軸受３により回転支持したものである。転がり軸受３に封入するグリースは、４０℃における基油粘度が５０mm² ／ｓ以下のグリースとする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、工作機械や、各種産業機器、電装機器などにおける回転軸の回転を検出するロータリエンコーダのシャフト支持構造に関する。

回転軸の回転検出に用いられるロータリエンコーダとして、回転軸に嵌合する中空のエンコーダシャフトを、転がり軸受を介してエンコーダハウジングに回転自在に支持する貫通シャフトタイプのものが知られている。検出形式としては、光学式が一般的である。
光学式のロータリエンコーダの場合、その許容回転数は、応答周波数に関わる電気的な限界によって決まる。それ以上の回転数で用いると、回転量の制御や測定といった本来の機能が果たせなくなる。しかしながら、しばしば、その許容回転数よりも高速に回転させることが必要な場合がある。

ロータリエンコーダの機械的な許容回転数は、内蔵される転がり軸受の発熱によって決まる。転がり軸受が発熱し過ぎると、熱膨張によって回転スリット板の振れが大きくなるなどして、光学系の破損を招く恐れがある。小型のロータリーエンコーダであれば、内蔵される転がり軸受が小さく、高速回転しても発熱はさほど問題にならない。しかし、例えば軸直付けタイプのロータリエンコーダには、内輪内径が３０mm以上の転がり軸受が内蔵されるものがある。そのような大型のロータリエンコーダの場合には、機械的な許容回転数が低い。

このような貫通シャフトタイプのロータリエンコーダに用いられる転がり軸受として、軸受内に封入されるグリースが飛散してロータリエンコーダの光学系に付着するのを防止する目的で、各種の対策を施した次の各例が提案されている。
・転がり軸受の少なくとも一側部に設けるシールを、軸方向に並べた複数の密封板で構 成する（特許文献１）。
・転がり軸受の転動体を保持する保持器に、保持器の回転により軸受内部に気流を発生 させる複数の羽根を設ける（特許文献２）。
・軸受内に封入するグリースの組成について工夫を施す（特許文献３）。
特開２００６−３００１６１号公報 特開２００６−３２２５９４号公報 特開２００４−２６９４１号公報

しかし、上記した各提案例には、貫通シャフトタイプのロータリエンコーダにおいて、機械的な許容回転数を向上させる対策は開示されておらず、改良の余地がある。

この発明の目的は、機械的な許容回転数を向上させることができるロータリエンコーダのシャフト支持構造を提供することである。特に、軸直付けタイプなどの大型ロータリエンコーダにおいても、機械的な許容回転数を向上させることにより、高速回転下で使用可能なロータリエンコーダのシャフト構造を提供することである。

この発明のロータリエンコーダのシャフト支持構造では、ロータリエンコーダのハウジングに中空のエンコーダシャフトを転がり軸受により回転支持したシャフト支持構造において、前記転がり軸受に、４０℃における基油粘度が５０mm² ／ｓ以下のグリースが封入されていることを特徴とする。
このように、転がり軸受に封入するグリースを、基油粘度が４０℃で５０mm² ／ｓ以下と低いものにすることで、転がり軸受の摩擦トルクを低減できる。これにより、高速回転時の発熱を抑制することができ、ロータリエンコーダの機械的な許容回転数を向上させることができる。

この発明において、前記グリースの封入量が空間体積比で２０％以下であっても良い。上記空間体積比は、内外輪間のグリースの封入可能な空間の容積に対するグリースの封入量の割合を言う。グリースの封入可能な空間は、一般的には、内外輪間の両側のシール間の空間のうち、転動体および保持器を除いた部分である。
グリースの封入量を２０％以下と少なくすると、攪拌抵抗による発熱が抑制されて、高速回転時の発熱抑制効果がさらに高くなり、ロータリエンコーダの機械的な許容回転数をさらに向上させることができる。

この発明において、前記転がり軸受の転動体がセラミックス製であっても良い。転動体をセラミックス製とすると、鋼製のもの比べて軽量にできる。転動体を軽量化すれば、転動体に作用する慣性力が小さくなり、転動体が外輪に与える負荷が小さくなるので、摩擦トルクが低減できる。これにより、発熱抑制効果がさらに高くなり、ロータリエンコーダの機械的な許容回転数をさらに向上させることができる。

転動体をセラミックス製とする場合、例えば、窒化ケイ素であっても良い。窒化ケイ素は、セラミックス製の転動体の材質として、種々の面で優れた特性を有する。

この発明において、前記転がり軸受はシールを有し、そのシールの構造が内輪または外輪のどちらか一方と非接触であっても良い。転がり軸受のシールが接触式であると発熱源となるが、非接触式とすることで、発熱が抑制され、ロータリエンコーダの機械的な許容回転数をさらに向上させることができる。

非接触シールにはゴム製と鉄板製とがあるが、ゴム製の方がより密封性が良く、グリースの飛散を抑制する点で効果的である。

この発明は、ロータリエンコーダのハウジングに中空のエンコーダシャフトを転がり軸受により回転支持したロータリエンコーダのシャフト支持構造において、前記転がり軸受に封入するグリースを、基油粘度が４０℃で５０mm² ／ｓ以下と低いものとしたため、内蔵される転がり軸受の摩擦トルクを低減でき、ロータリエンコーダの機械的な許容回転数を向上させることができる。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１は、この実施形態のシャフト支持構造を適用したロータリエンコーダの断面図を示す。このロータリエンコーダ１は、中空のエンコーダシャフト２を有する貫通シャフトタイプの光学式エンコーダであり、前記エンコーダシャフト２は転がり軸受３を介してエンコーダハウジング４に回転自在に支持される。前記エンコーダシャフト２は、回転検出対象となる工作機械、各種産業機器、電装機器などにおける回転軸等を嵌合させるように、中空とされている。

エンコーダハウジング４は、底板部および内筒部を有する断面Ｌ字状の環体とされたハウジングフレーム５と、天板部および外筒部を有する断面Ｌ字状の筒体とされたカバー６とでなる。カバー６の円筒部６ａの一端がハウジングフレーム５の外周に嵌合し、円筒部６ａの他端から内径側に向けて前記エンコーダシャフト２の外周近傍までフランジ部６ｂが延びている。ハウジングフレーム５の内周面とエンコーダシャフト２の外周面との間に、軸方向に並ぶ２列の転がり軸受３が介在する。
エンコーダシャフト２の外周の前記カバー６で覆われる部位には、環状のスリット板取付台７が嵌合しており、このスリット板取付台７の外周に円板状の回転スリット板９がエンコーダシャフト２と同心に取付けられている。回転スリット板９は、その円周方向の一部に、または全周に複数個が並ぶように、スリット９ａが設けられている。

カバー６で覆われる空間内には、受光素子１１等を実装した回路基板１０が、前記回転スリット板９と平行に並ぶように配置される。この回路基板１０は、軸方向に延びる複数の支柱１２を介してハウジングフレーム５に固定されている。受光素子１１は、回路基板１０の前記回転スリット板９と対向する片面に取付けられ、受光素子１１の取付面とは反対側の面に、波形整形回路等を構成する電子部品１３が実装されている。また、ハウジングフレーム５には、前記回転スリット板９を介して受光素子１１と軸方向に対向する位置に、受光素子１１と光軸を合わせて発光素子１４が設置されている。発光素子１４、回転スリット板９、および受光素子１１によって、このロータリエンコーダ１の光学式センサ部８が構成される。これら回転スリット板９、回路基板１０、受光素子１１、発光素子１４は、前記カバー６によって外界と遮断するように覆われる。

このロータリエンコーダ１では、エンコーダシャフト２に嵌合するモータ等の回転軸の回転に伴い、エンコーダシャフト２と一体に回転スリット板９が回転し、その回転を光学式センサ部８で検出する。すなわち、光学式センサ部８では、回転する回転スリット板９の各スリット９ａが発光素子１４と受光素子１１の光軸上を通過する毎に、発光素子１４からの放射光を受光素子１１で受光する。その検出信号を回路基板１０に実装した波形整形回路等で処理して、回転スリット板９の回転すなわちエンコーダシャフト２の回転を検出する。

図２は、このロータリエンコーダ１に組み込まれる転がり軸受３の部分拡大断面図を示す。この場合の転がり軸受３は深溝玉軸受からなり、内輪２１、外輪２２、およびこれら内外輪２１，２２の間に介在した複数の転動体２３を備え、内輪２１の外形面および外輪２２の内径面にそれぞれ転動体２３の軌道面２１ａ，２２ａが形成されている。転動体２３は保持器２９で保持されている。転動体２３はセラミックス製とされ、具体的な材質として窒化ケイ素が用いられている。内外輪２１，２２は、鋼製である。

内輪２１と外輪２２の間の環状空間の両端部は非接触シール２４で密封され、両側の非接触シール２４間で上記環状空間にグリース（図示せず）が封入されている。前記非接触シール２４はゴム製であり、リング状の芯金２５と、この芯金２５に固着されたゴム部材２６とで構成される。これら非接触シール２４は、その外径側端を外輪２２の内径面に形成されたシール取付溝２７に嵌合させることで、外輪２２に取付けられる。非接触シール２４の内径側端は、内輪２１の外径面に形成されたシール溝２８の溝内面に近接し、溝内面との間にシール隙間を構成している。

転がり軸受３に封入するグリースには、摩擦トルクを低減するために、基油粘度が低いものが用いられる。具体的には、４０℃における基油粘度が５０mm²／ｓ以下のグリースが用いられる。封入グリースの４０℃における基油粘度は、好ましくは２０mm²／ｓ以上である。
また、このグリースの封入量は、軸受内の空間体積比で２０％以下とされている。この空間体積比は、内外輪２１，２２間の上記環状空間における両側の非接触シール２４，２４間の部分のうち、転動体２３および保持器２９を除いた空間の容積に対する封入グリース体積の割合である。

この構成のロータリエンコーダのシャフト支持構造によると、転がり軸受３に封入するグリースを、基油粘度が４０℃で５０mm² ／ｓ以下と低いものにしたため、転がり軸受３の摩擦トルクを低減できる。これにより、高速回転時の発熱を抑制することができ、ロータリエンコーダ１の機械的な許容回転数を向上させることができる。グリースの封入量は２０％以下と少なくしたため、攪拌抵抗による発熱が抑制され、高速回転時の発熱抑制効果がさらに高くなる。
また、転動体２３をセラミックス製としたため、その軽量化により、転動体２３に作用する慣性力が小さくなり、転動体２３が外輪２２に与える負荷が小さくなる。そのため、摩擦トルクが低減でき、これにより、発熱抑制効果がさらに高くなる。これによっても、ロータリエンコーダ１の機械的な許容回転数をさらに向上させることができる。転動体２３は、セラミックスのうち窒化ケイ素を用いたため、種々の面で優れた特性を有する。

転がり軸受３のシールは、接触式であると発熱源となるが、非接触式としたため、発熱が抑制され、ロータリエンコーダの機械的な許容回転数をさらに向上させることができる。非接触式シール２４として、この実施形態のようにゴム製とした場合は、鉄板製よりも密封性が良く、グリースの飛散を抑制する点で効果的である。

図３は、図１のロータリエンコーダ１に用いる転がり軸受３の他の例を示す。この例の転がり軸受３Ａは、図２の転がり軸受３において、両端部を密封する非接触シール２４Ａとして鉄板製の非接触シールを用いており、その他の構成は図２の例と同様である。

解析結果および試験結果を説明する。まず、転がり軸受の摩擦トルクの計算による解析例を示す。解析対象の転がり軸受は、ＪＩＳ規格の６８１４ＺＺ（内輪２１の内径を７０mm、鉄板製の非接触シール）であり、図３に示す転がり軸受３Ａにおいて、上記寸法としたものである。
この転がり軸受３Ａに、１００〜５００Ｎのアキシアル荷重を与えて２０００ｒｐｍで回転させる状況を想定し、アキシャル荷重と摩擦トルクの関係の計算を行なった。また、このときの摩擦トルクに及ぼすグリース粘度と転動体比重の影響を計算した。なお、この計算では、潤滑温度を４０℃、接触角を２０°と仮定した。また、転動体２３と保持器２９の摩擦は無視し、潤滑は正常になされていると仮定した。

図４に、アキシャル荷重と摩擦トルクの関係の計算を行なった結果をグラフで示す。同図において、(1) はグリース基油の粘度が１３０mm² ／ｓで、転動体２３の比重が７８００kg/m³ の場合（鋼製の転動体相当）の計算結果のグラフを示す。(2) はグリース基油の粘度が２２．５mm² ／ｓで、転動体２３の比重が７８００kg/m³ （鋼製の転動体相当）の場合を、(3) はグリース基油の粘度が１３０mm² ／ｓで、転動体２３の比重が３２００kg/m³ の場合（窒化ケイ素製の転動体相当）を、(4) はグリース基油の粘度が２２．５mm² ／ｓで、転動体２３の比重が３２００kg/m³ の場合（窒化ケイ素製の転動体相当）の計算結果のグラフをそれぞれ示す。

上記解析に使用した上記各粘度のグリース、および後述の試験に使用したグリースは、商品名で示すと次のものである。
粘度１３０mm² ／ｓのグリース：昭和シェル石油 アルバニアグリースＳ２
粘度２２．５mm² ／ｓのグリース：昭和シェル石油 アルバニアグリースＨＶＱ
粘度４６．０mm² ／ｓのグリース：共同油脂 マルテンプＳＢ−Ｍ

図４のグラフは、４０℃におけるグリース基油粘度が１３０mm² ／ｓの場合（(1) ，(3) ）に比べて、グリース基油粘度が２２．５mm² ／ｓの場合（(2),(4) ）では摩擦トルクが格段に小さくなることを示している。
さらに、転動体比重が７８００kg/m³ （鋼製の転動体相当）に対し、それが３２００kg/m³ の場合（窒化ケイ素製の転動体相当）では、摩擦トルクが幾分小さくなることを示している。

次に、実際の試験例を説明する。試験対象の転がり軸受は、ＪＩＳ規格の６８１４ＬＬＢ（内輪２１の内径を７０mm、ゴム製の非接触シール）であり、図２に示す転がり軸受３において、上記寸法としたものである。
この試験対象の軸受を回転させて、回転に伴う温度上昇を調べた。この場合、実施例となる試験対象軸受として、グリースに、４０℃における基油粘度が４６mm² ／ｓのグリースを空間体積比で３１％封入したものと、１６％封入したものの２種類を用意し、従来品の例として、４０℃における基油粘度が１３０mm² ／ｓのグリースを空間体積比で３１％封入したもの１種類を用意した。いずれも起動トルクが０．０５Ｎｍとなるように予圧を調整して評価した。

その結果、従来品を２０００ｒｐｍで回転させたところ、定常状態の外輪温度が８０℃を超えたのに対して、上記実施例となる２種類の例の場合、３０００ｒｐｍで回転させても定常状態の外輪温度はさほど高くならず、グリース封入量が３１％のもので約４８℃、グリース封入量が１６％のもので約４３℃であった。

上記試験結果および解析結果に示すように、封入グリースとして、４０℃における基油粘度を５０mm² ／ｓ以下とした転がり軸受３，３Ａによると、摩擦トルクを低減できて、高速回転時の発熱を抑制することができる。したがって、この転がり軸受３，３Ａを用いたロータリエンコーダ１の機械的な許容回転数を向上させることができる。

なお、上記転がり軸受３，３Ａに封入するグリースは、試験例に用いたものに限らず、基油粘度が５０mm² ／ｓ以下と低ければ、どのような種類のグリースを用いても良いが、基油粘度が２０mm² ／ｓ以下では離油して飛散しやすくなり、また、油膜が形成されにくくなるため、金属接触が生じる恐れがあるので、好ましくは２０mm²／ｓ以上のものを用いる。好ましくは、高速回転しても飛散しない、保油性のある増ちょう剤入りのグリースが良い。粘度が低いグリースを用いていて、より飛散し易くなっているためである。

この発明の一実施形態にかかるシャフト支持構造を適用したロータリエンコーダの断面図である。 同ロータリエンコーダに組み込まれる転がり軸受の部分拡大断面図である。 同ロータリエンコーダに組み込まれる他の転がり軸受の例を示す部分拡大断面図である。 図３の転がり軸受に基づきアキシャル荷重と摩擦トルクの関係の計算を行なった結果を示すグラフである。

符号の説明

１…ロータリエンコーダ
２…エンコーダシャフト
３…転がり軸受
４…エンコーダハウジング
８…光学式センサ部
２１…内輪
２２…外輪
２３…転動体
２４…非接触シール

Claims (6)

1. ロータリエンコーダのハウジングに中空のエンコーダシャフトを転がり軸受により回転支持した、ロータリエンコーダのシャフト支持構造において、前記転がり軸受は、４０℃における基油粘度が５０mm² ／ｓ以下のグリースが封入されていることを特徴とするロータリエンコーダのシャフト支持構造。
2. 請求項１において、前記グリースの封入量が空間体積比で２０％以下であるロータリエンコーダのシャフト支持構造。
3. 請求項１または請求項２において、前記転がり軸受の転動体がセラミックス製であるロータリエンコーダのシャフト支持構造。
4. 請求項３において、前記転動体の材質が窒化ケイ素であるロータリエンコーダのシャフト支持構造。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記転がり軸受はシールを有し、このシールが、内輪または外輪のどちらか一方と非接触であるロータリエンコーダのシャフト支持構造。
6. 請求項５において、前記非接触のシールがゴム製であるロータリエンコーダのシャフト支持構造。

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