CN101010566B

CN101010566B - 带绝对角度传感器的轴承装置

Info

Publication number: CN101010566B
Application number: CN2004800437412A
Authority: CN
Inventors: 山田耕嗣
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-08-03
Also published as: US8212551B2; EP1783461A4; CN101010566A; EP1783461A1; EP1783461B1; WO2006013622A1; US20090102466A1

Abstract

提供一种向轴承设置设备安装后不需校正作业，可进行高精度的绝对角度检测的带旋转传感器的轴承。该带绝对角度传感器的轴承装置具备带传感器的轴承(1)和带修正数据记录部的部件(20)。带传感器的轴承(1)具有旋转检测器(6)，该旋转检测器(6)进行电角为90°相位差的两个模拟输出(X、Y)作为旋转侧套圈相对固定侧套圈的旋转角度的检测输出。带修正数据记录部的部件(20)记录进行由所述两个模拟输出(X、Y)运算所述旋转侧套圈的旋转角度的绝对角度时的误差修正的修正数据，且与所述带传感器的轴承(1)成对使用。

Description

带绝对角度传感器的轴承装置

技术领域

本发明涉及用于各种设备的旋转角度检测、例如用于小型马达的位置控制的角度检测、或机器人关节的绝对角度检测的带绝对角度传感器的轴承装置。

背景技术

在该种装置的旋转角度检测中，广泛使用编码器。在需要更小型化、低成本化的领域中，使用在轴承部内置有磁性传感器的传感器内置轴承。磁性传感器内置轴承，与附带的光学式编码器相比，精度不充分，特别是在绝对角度检测中，将轴承装入其使用设备后，需要某些校正作业、例如连接高精度的编码器生成修正数据的作业等。

作为传感器内置轴承的文献，已知一种在旋转构件上设置有多极磁化的磁产生构件，并在固定构件上设置有磁传感器的增量式编码器内置轴承(例如，特开2001-349898号公报)。它与使用同通常的轴承另成一体的编码器的机构相比，虽然成为极小型化的结构，但却不能进行绝对角度检测。

另一方面，作为可检测绝对角度的传感器，普遍知道的是解析器。但是，在解析器中，为了实现高精度的绝对角度检测，将轴承装入设备后需要某些校正作业。例如，在特许2607048号公报中，提出了如下的技术：在装入有解析器的直接驱动马达中结合高精度的增量编码器，并利用CPU生成修正数据。

在解析器这样的与轴承另成一体型的角度检测装置中，由于装入时轴组合的误差等，修正数据产生变化，因而以解析器单体也很难进行高精度的角度检测。为此，需要准备一种在装入有解析器的系统、例如直接驱动马达中安装用于进行检测角度修正的装置、例如校正用高精度编码器的配件。另外，每次将解析器重装到马达中都需要进行校正作业，因而用户需要进行繁杂的作业。

另外，使用了解析器的绝对角度检测，通常使用R-D转换器。在原理上R-D转换器本身不能装入修正数据，因而在专利文献2中，如上所述追加了使用CPU的校正电路，从而，致使角度检测装置复杂且高价。

另一方面，在磁性传感器内置轴承中，已知的是，将在1次旋转中变化的信号、例如1次旋转1个周期的正弦波磁化在磁产生构件上，用磁传感器对它进行检测，由此，可检测绝对角度。另外，传感器内置轴承由于传感器部和轴承成为一体结构，从而不需要轴组合等作业。但是，很难对磁产生构件实施期望的磁化，以传感器单体无法实现高精度的角度检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种向轴承设置设备安装后不需要校正作业，可进行高精度的绝对角度检测的带旋转传感器的轴承。

本发明提供一种带绝对角度传感器的轴承装置，其具备带传感器的轴承和带修正数据记录部的部件，所述带传感器的轴承具有旋转检测器，该旋转检测器进行电角为90°相位差的两个模拟输出作为旋转侧套圈相对固定侧套圈的旋转角度的检测输出；所述带修正数据记录部的部件记录进行由所述两个模拟输出运算所述旋转侧套圈的旋转角度的绝对角度时的误差修正的修正数据，且与所述带传感器的轴承成对使用。

根据该结构，由于相对各个带传感器的轴承设有成对使用的带修正数据记录部的部件，从而，对各个带传感器的轴承，能够在该轴承制造时预先测定运算绝对角度时的修正数据，并预先记录在带修正数据记录部的部件中。从而，向轴承设置设备安装后不需要校正作业，可进行高精度的绝对角度的检测。从而，能够实现廉价且可进行高精度的绝对角度检测的带旋转传感器的轴承。

所述旋转检测器可以包括：被检测部，其安装在旋转侧套圈上，使磁特性在圆周方向上周期性变化；两个磁传感器，其与被检测部对置安装在固定侧套圈上，进行电角相互为90°相位差的模拟输出。

于是，在设有使磁特性在圆周方向上周期性变化的被检测部的情况下，使用带修正数据记录部的部件的修正数据，从而，能够简单且高精度地输出绝对角度。另外，用两个磁传感器获得有相位差的模拟输出，因而通过实施适当的信号处理，能够不易受到外部磁场的影响。此时，由于90°相位差，从而可进行象限识别，可进行更高精度的绝对角度检测。

另外，当采用该发明的所述各结构时，所述带修正数据记录部的部件可以具有记录所述修正数据的修正表和利用该修正表的修正数据、由所述两个模拟输出运算绝对角度的绝对角度运算机构，所述修正数据基于所述带传感器的轴承制造后测定的角度校正数据。

于是，通过预先将带传感器的轴承制造后测定的角度校正数据记录在修正表中，可进行更高精度的绝对角度检测。

记录在所述带修正数据记录部的部件中的修正数据可以综合成作为反正切计算表中的反正切运算结果的角度值。

当采用该结构时，将旋转检测器的检测值与反正切的计算表对比，获得绝对角度。数字方式的反正切的运算很复杂，但参照根据除法结果预先准备的反正切运算结果的表却能够容易地求得。此时，修正数据被综合成作为计算表的反正切运算结果的角度值，因而，也就是说，作为反正切运算结果的角度值成为修正过的数据，因而，使用所述计算表获得的角度值成为修正过的值。从而，在进行了反正切运算后，不需要重新进行修正运算，能够通过简单的处理来进行高精度的绝对角度检测。

当采用该发明的所述各结构时，所述带修正数据记录部的部件可以是单片型微机或可编程逻辑电路。另外，也可以是安装有这些单片型微机或可编程逻辑电路的电路基板。

于是，带修正数据记录部的部件为具有运算功能的部件时，能够将该部件的一部分用于修正数据的记录，利用该部件的运算功能进行绝对角度的运算。从而，不需要另行设置作为运算装置的部件。

附图说明

图1A是表示本发明的第1实施方式的带绝对角度传感器的轴承装置的带传感器的轴承的剖面图。

图1B是表示同轴承的被检测部和磁传感器的关系的概略图。

图2是表示同轴承的被检测部的磁化方法的说明图。

图3是表示同轴承的两个磁传感器的输出的波形图。

图4是表示同轴承的被检测部的磁化波形和两个磁传感器的关系的说明图。

图5是表示该实施方式的带绝对角度传感器的轴承装置的概略结构的框图。

图6是表示同轴承装置的修正机构的结构的框图。

图7是同轴承装置的带修正数据记录部的部件的修正数据的测定所采用的校正装置的剖面图。

图8是表示本发明的其他实施方式的带绝对角度传感器的轴承装置的概略结构的框图。

图9是表示同轴承装置的修正机构的结构的框图。

图10是表示本发明的再一实施方式的带绝对角度传感器的轴承装置的概略结构的框图。

图11是表示同实施方式的轴承装置的带修正数据记录部的部件的安装例的说明图。

图12是表示同实施方式的轴承装置的带修正数据记录部的部件的另一安装例的说明图。

图13是表示同实施方式的轴承装置的带修正数据记录部的部件的再一安装例的说明图。

具体实施方式

根据以附图为参考的以下优选实施例的说明，可更清晰地理解本发明。不过，实施例及附图仅是为了图示及说明，而不是用于确定本发明的范围。本发明的范围由附加的权利要求的范围确定。附图中，多个图中的相同部件号码表示相同部分。

参照图1～图7，说明本发明的第1实施方式。如图5所示，该带绝对角度传感器的轴承装置具备带传感器的轴承1、和与该带传感器的轴承1成对使用的带修正数据记录部的部件20。带传感器的轴承1如图1所示，由轴承部1A和旋转检测器6构成，所述轴承部1A具有经由滚动体4相互旋转自如的旋转侧套圈2及固定侧套圈3。轴承部1A由深槽球轴承构成，其内圈为旋转侧套圈2，外圈为固定侧套圈3。在旋转侧套圈2的外径面及固定侧套圈3的内径面形成有滚动体4的轨道面2a、3a，滚动体4由保持架5保持。旋转检测器6进行电角为90°相位差的两个模拟输出作为旋转侧套圈2相对固定侧套圈3的旋转角度的检测输出。旋转检测器6由安装在旋转侧套圈2的一端部的被检测部7、和与该被检测部7对置安装在固定侧套圈3一端部的两个磁传感器8A、8B组成。旋转侧套圈2和固定侧套圈3间的环状空间的、与旋转检测器6的设置侧相反的一侧的端部由密封构件10密封。

旋转检测部6的被检测部7为径向型，形成为使相对磁传感器8A、8B的磁特性在圆周方向上周期性变化的环状部件。该磁特性以旋转侧套圈2的1次旋转为1个周期进行变化。具体地说，具有环状的瓦卡镍铬电热线合金11、设置在其外周侧并磁化有朝向圆周方向变化的磁极N、S的磁产生构件12。该被检测部7经由瓦卡镍铬电热线合金11固定在旋转侧套圈2上。磁产生构件12例如为橡胶磁铁，与瓦卡镍铬电热线合金11硫化粘接。磁产生构件12也可以由塑料磁铁或烧结磁铁形成，此时也可以不必设置瓦卡镍铬电热线合金11。

图2表示使被检测部7的磁产生构件12具有所述磁性特性的处理的一例。该处理中，在卷成圆筒状的空心线圈13内部配置有成为所述环状的被检测部7的磁化前的环状部件，使其轴心C1与空心线圈13的轴心C2正交。以在成为该被检测部7的部件的外周部配置有磁化强度分布修正用的磁化轭14的状态，使磁化电流在空心线圈13中流动。从而，能够在被检测部7的磁产生构件12上，获得如图4所示的以1次旋转为1个周期的正弦波状的磁化分布。

图1中，构成旋转检测器6的磁检测部的两个磁传感器8A、8B，如图1B所示，在圆周方向以规定间隔(在此机械角为90°的相位差)配置。这两个磁传感器8A、8B均由模拟传感器构成。这些磁传感器8A、8B，如图1A所示，搭载在磁检测电路基板9上，与该磁检测电路基板9一起插入树脂箱15内后进行树脂塑模。经由金属箱16将该树脂箱15固定在固定侧套圈3上，从而磁传感器8A、8B及磁检测电路基板9安装在固定侧套圈3上。磁检测电路基板9是安装有用于向磁传感器8A、8B供给电力及处理磁传感器8A、8B输出信号并向外部输出的电路的基板。

图3表示随着旋转侧套圈2的旋转而产生的两个磁传感器8A、8B的检测信号的波形图。于是从两个磁传感器8A、8B相互得到电角为90°相位差的模拟输出X、Y，因此可进行象限识别，能够由这些输出X、Y知道绝对角度。图4表示被检测部7的磁化波形和两个磁传感器8A、8B的设置位置的关系。从而，第1磁传感器8A的模拟输出X成为正弦波，第2磁传感器8B的模拟输出Y成为余弦波。即，在这些模拟输出X、Y和绝对角度θ之间，下式

X＝SIN(θ)(1)

Y＝COS(θ)(2)

成立。因而，绝对角度θ，能够以下式

θ＝TAN^-1(X/Y)(3)

求得。

但是，使被检测部7的磁化波形成如图4那样理想的正弦波在现实中是困难的，原封不动地采用两个磁传感器8A、8B的模拟输出X、Y，以所述(1)～(3)式运算绝对角度θ，也会产生误差。因此，在该带绝对角度传感器的轴承装置中，为了检测高精度的绝对角度θ而附加了所述带修正数据记录部的部件20(图5)。该带修正数据记录部的部件20可以设置在带传感器的轴承1上，也可以离开带传感器的轴承1设置。

图5以框图表示该实施方式的带绝对角度传感器的轴承装置的概略结构。在带修正数据记录部的部件20中，记录着进行由旋转检测器6的两个模拟输出X、Y运算旋转侧套圈2的旋转角度的绝对角度时的误差修正的修正数据。该带修正数据记录部的部件20具有修正表26和绝对角度运算机构27，所述修正表26记录有进行由所述两磁传感器8A、8B的模拟输出X、Y运算旋转侧套圈3的旋转角度的绝对角度时误差修正的修正数据，所述绝对角度运算机构27利用该修正表26的修正数据，由所述两个模拟输出X、Y运算绝对角度。该带修正数据记录部的部件20以数字方式安装，以能够进行绝对角度的运算，除了修正表26、绝对角度运算机构27以外，还具有对所述两磁传感器8A、8B的模拟输出X、Y进行A/D转换的A/D转换器21。绝对角度运算机构27包括除法器22、反正切运算器23和修正处理部25，所述除法器22将由A/D转换器21转换成数字信号的所述两磁传感器8A、8B的输出X’、Y’进行除法运算，所述反正切运算器23由除法器22的运算输出(X’/Y’)进行相当于所述(3)式的反正切运算，所述修正处理器25输出将作为该反正切运算器的运算输出的绝对角度θ对照所述修正表26的修正数据进行了修正而得的绝对角度θ’。该修正处理部25和修正表26构成修正机构24。反正切运算器23在由除法器22的运算输出(X’/Y’)进行相当于所述(3)式的反正切运算之际，例如，也可以利用将所述除法的运算输出(X’/Y’)和反正切的绝对角度值进行对比并存储而得的计算表(LUT：一览表)(未图示)来求得绝对角度。数字方式的反正切运算复杂，而通过参照根据除法结果预先准备的反正切运算结果的表却容易求得。

图6是表示所述修正机构24的结构的框图。修正表26是将根据所述两个模拟输出X、Y运算的绝对角度θ(＝TAN^-1(X’/Y’))和作为校正了该运算绝对角度θ的修正数据的绝对角度θ’按照各个运算绝对角度θ₁、θ₂、……、θ_n逐个对应并进行记录而得的表。即，相对运算的绝对角度θ，修正了修正值Δθ的值作为校正过的绝对角度θ’进行对应。

所述修正表26的修正数据基于所述带传感器的轴承1制造后测定的角度校正数据。此时的角度校正数据的测定例如用图7所示的校正装置34进行。该校正装置34中，由该带绝对角度传感器的轴承装置的带传感器的轴承1支承旋转轴36的一端部，所述旋转轴36由轴承35支承并旋转自如地旋转驱动，并在该旋转轴36的另一端部设置有高精度的编码器37，在此状态下，利用高精度编码器37检测的旋转角度的检测数据和根据带传感器的轴承1的两个磁传感器8A、8B的输出X、Y运算的旋转角度的数据相对应地被测定。带传感器的轴承1被装入设备后其轴承部1A和旋转检测器6的相对位置关系也没有产生变化，因此，只要如上所述制造后一次生成了校正数据，则在该带绝对角度传感器的轴承装置出厂且其带传感器的轴承1被装入用户系统后，就不需要对检测出的绝对角度重新进行校正作业。

于是，根据该带绝对角度传感器的轴承装置，由于设置有带传感器的轴承1和带修正数据记录部的部件20，所述带传感器的轴承1具有旋转检测器6，该旋转检测器6进行90°相位差的两个模拟输出X、Y，所述带修正数据记录部的部件20记录进行由所述两个模拟输出X、Y运算旋转角度的绝对角度时的误差修正的修正数据，且与带传感器的轴承1成对使用，因而，将所述带传感器的轴承1装入用户系统后不需重新进行用于绝对角度检测的校正作业，能够进行高精度的绝对角度检测，用户方的系统设计也变得容易。

所述旋转检测器6包括：被检测部7，其安装在旋转侧套圈2上，使磁特性在圆周方向上周期性变化；两个磁传感器8A、8B，其与该被检测部7对置安装在固定侧套圈3上，进行电角为90°相位差的模拟输出，因此，能够简单地输出绝对角度。另外，能够由两个磁传感器8A、8B获得90°相位差的模拟输出X、Y，因此可进行象限识别，可进行更高精度的绝对角度检测。

所述带修正数据记录部的部件20具有记录有所述修正数据的修正表26和利用该修正表26的修正数据、由所述两个模拟输出X、Y运算绝对角度的绝对角度运算机构27，所述修正数据基于所述带传感器的轴承1制造后测定的角度校正数据，因此，由旋转检测器6的输出自动进行绝对角度的运算和其运算值的修正，可进行高精度的绝对角度检测。

图8及图9表示本发明的第2实施方式。该带绝对角度传感器的轴承装置，在第1实施方式的基础上，由A/D转换器21、除法器22、修正机构24A构成带修正数据记录部的部件20，省略了独立的反正切运算电路23。该修正机构24A兼作反正切运算机构，反正切运算结果成为修正过的结果。具体地说，修正机构24A由修正处理部25和计算表28组成，计算表28中对应记录有除法器22的运算输出(X’/Y’)和根据该运算输出的反正切运算结果(绝对角度)，另外，还记录修正过的值作为反正切运算结果。即，第1实施方式的修正表26的修正数据综合成作为反正切计算表28中的反正切运算结果(绝对角度)的角度值θ’(＝θ+Δθ)。修正机构24的修正处理部25从计算表28检索与除法器22的运算输出(X’/Y’)对应的反正切运算结果θ’，以该校正过的角度值θ’作为绝对角度输出。此时，由除法器22和修正机构24A构成运算绝对角度的绝对角度运算机构27A。

于是，将修正数据综合成作为反正切计算表28中的反正切运算结果的角度值θ’(＝θ+Δθ)，因而，与第1实施方式那样在反正切运算基础上进行修正运算不同，反正切运算结果已经是修正过的结果，因而不需重新进行修正运算，能以简单处理进行运算。从而，能高速进行处理。

即，数字方式的反正切运算非常复杂，不过参照根据除法结果预先准备的反正切运算结果的表却容易求得。此时，若预先考虑修正数据生成反正切表28以使存在磁化误差时获得正确的反正切运算结果，则在绝对角度检测电路不用添加特别的修正机构就能够实现高精度的角度检测装置。

图10～图13分别表示所述各实施方式的带修正数据记录部的部件20的具体的各种使用方式例。图10的例中，根据第1实施方式，在带修正数据记录部的部件20上，为了能够以串联、并联等各种格式输出被检测的绝对角度数据而附加了与主机侧的接口29，并且，使该带修正数据记录部的部件20为单片型微机、可编程逻辑电路、或者安装有这些单片型微机或可编程逻辑电路的电路基板。同图中的角度算出机构38是包括第1实施方式(图5)中的除法器22和反正切运算器23的运算机构。从而，能够容易进行将所述带修正数据记录部的部件20向装有该带绝对角度传感器的轴承装置的用户系统的电路基板等的安装。

图11表示图10实施方式的电路基板化的带修正数据记录部的部件20的安装例。该例中，带传感器的轴承1的旋转检测器6用电缆30及连接器31连接到用户系统的电路基板32，在该用户系统的基板32上的插座33中安装带修正数据记录部的部件20。

图12表示图10实施方式的电路基板化的带修正数据记录部的部件20的其他安装例。该例中，连接器31将带传感器的轴承1的旋转检测器6和用户系统的电路基板32与电缆30连接在一起，并在连接器31上安装带修正数据记录部的部件20。

图13表示图10实施方式的电路基板化的带修正数据记录部的部件20的再一安装例。该例中，在带传感器的轴承1的例如固定侧套圈3上装入带修正数据记录部的部件20，来自带修正数据记录部的部件20的输出(绝对角度)经由电缆30及连接器31输入用户系统的电路基板32。

还有，所述各实施方式使旋转检测器6为径向型，不过，旋转检测器6也可以是轴向型。另外，轴承部1A也可以是轴向型。

Claims

1.一种带绝对角度传感器的轴承装置，其具备带传感器的轴承和带修正数据记录部的部件，所述带传感器的轴承具有旋转检测器，该旋转检测器进行电角为90°相位差的两个模拟输出，并将所述两个模拟输出作为旋转侧套圈相对固定侧套圈的旋转角度的检测输出；所述带修正数据记录部的部件记录修正数据，且与所述带传感器的轴承成对使用，其中，所述修正数据在由所述两个模拟输出运算所述旋转侧套圈的旋转角度的绝对角度时进行误差修正，

所述旋转检测器包括：被检测部，其安装在旋转侧套圈上，使磁特性在圆周方向上周期性变化；两个磁传感器，其与被检测部对置安装在上述轴承的固定侧套圈上，进行电角相互为90°相位差的模拟输出，

所述被检测部是：将作为该被检测部的磁化前的环状部件配置在卷成圆筒状的空心线圈的内部，并使所述环状部件的轴心与所述空心线圈的轴心正交，并在该环状部件的外周部配置磁化强度分布修正用的磁化轭，使磁化电流在所述空心线圈中流动，从而获得以旋转侧套圈的1次旋转为1个周期的正弦波状的磁化特性。

2.根据权利要求1所述的带绝对角度传感器的轴承装置，其中，所述带修正数据记录部的部件具有记录所述修正数据的修正表和利用该修正表的修正数据、由所述两个模拟输出运算绝对角度的绝对角度运算机构，所述修正数据是所述带传感器的轴承制造后测定的角度校正数据。

3.根据权利要求1所述的带绝对角度传感器的轴承装置，其中，所述修正数据综合成作为反正切计算表中的反正切运算结果的角度值。

4.根据权利要求1所述的带绝对角度传感器的轴承装置，其中，所述带修正数据记录部的部件为单片型微机、可编程逻辑电路、或者安装有这些单片型微机或可编程逻辑电路的电路基板。