JP2005265768A - 角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
そこで、本発明の目的は、転がり軸受に、回転軸の回転角を検出するために複数の角度センサを備えることにより、装置の小型化および低コスト化を図りつつ、角度センサの異常を容易かつ確実に検知することができるようにし、かついずれかの角度センサが故障しても、他の角度センサで回転角度の検出を可能にし、角度検出装置のフェールセーフ機能を向上させることにある。さらに、角度センサの出力を逆特性にすることによって、角度センサの異常をより一層確実に検知することができるようにすることにある。
【解決手段】
回転輪と、固定輪と、複数の転動体と、保持器とから構成される転がり軸受に、前記回転輪の回転角を検出するための角度センサを少なくとも２個備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、転がり軸受に取り付けられる角度検出装置に関し、特に、ステアリング系の舵角測定などで１回転以上に亘って回転角度を測定するものに適する。また、ステアバイワイヤのように、角度センサに高信頼性が要求される場合にも最適である。

従来より、この種の角度検出装置として、例えば特許文献１に開示されている。この角度検出装置は、図１０に示すように、回転軸５１に一体に取り付けられた回転円板５２と、該回転円板５２の回転角を検出するための光センサ５３と、該光センサ５３からの信号に基いて回転角を演算する舵角演算部５４とから構成される。これにより、回転軸５１には、被検出軸であるコラム軸５５の回転を大、小歯車５６、５７からなる減速機構を介して伝達し、コラム軸５５の回転角を演算するようになっている。なお、５８，５９は、コラム軸５５を回転自在に支持する軸受である。

すなわち、上記従来の装置では、コラム軸５５の回転を減速機構を介して減速し、回転軸５１の回転を利用して、回転円板５２の回転角を検出することにより、コラム軸５５の回転角を検出するようになっている。
特開２００３−３０７４１９号公報

ところが、上記従来の装置では、角度検出装置は、コラム軸５５の外部に１個設けられるため、角度検出装置が故障した場合、異常を感知することができず、回転角度の測定結果は、信頼性に欠ける。

また、上記従来の装置では、角度検出装置は、コラム軸５５や、これを支持する軸受５８、５９の外部に設けられ、また、コラム軸５５の回転を減速するために、コラム軸５５の外部に、大、小歯車５６、５７から構成される減速機構を設ける必要があり、装置が大型化するという問題があった。

さらに、減速機構には、複数の歯車５６、５７を組み合わせて構成されるため、歯車同士の噛合時にバックラッシュによって誤差が生じてしまい、微小な回転角度を測定する際に測定精度に問題があった。

そこで、本発明の目的は、転がり軸受に、回転軸の回転角を検出するために複数の角度センサを備えることにより、装置の小型化および低コスト化を図りつつ、角度センサの異常を容易かつ確実に検知することができるようにし、かついずれかの角度センサが故障しても、他の角度センサで回転角度の検出を可能にし、角度検出装置の信頼性を向上させることにある。さらに、角度センサの出力を逆特性にすることによって、角度センサの異常をより一層確実に検知することができるようにすることにある。

本発明の上記目的は、回転輪と、固定輪と、複数の転動体と、保持器とから構成される転がり軸受に、前記回転輪の回転角を検出するための角度センサを少なくとも２個備えたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記角度センサのうち、少なくとも一組の角度センサの出力特性を逆特性としたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記角度センサを、前記転がり軸受の両端面に取り付けられることにより、達成される。

また、上記目的は、前記回転輪の回転角度を、前記保持器の回転角度に基いて測定することにより、達成される。

また、上記目的は、前記保持器を、前記転動体のうち３個の転動体によって回転するように案内することにより、達成される。

また、上記目的は、前記転動体の個数は、３の倍数であることにより、達成される。

また、上記目的は、前記角度センサにレゾルバを使用することにより、達成される。

また、上記目的は、前記角度センサに磁気感応素子を使用することにより、達成される。

また、上記目的は、前記角度センサの回転角度信号がアナログ信号であることにより、達成される。

また、上記目的は、前記アナログ信号がＡ／Ｄ変換された後に、デジタル信号として伝送することにより、達成される。

また、上記目的は、前記内輪の回転数と前記保持器の回転数の回転数比を０．３３以下にしたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記転がり軸受に与圧を付与するようにしたことにより、達成される。

また、上記目的は、前記角度センサを少なくとも２個の転がり軸受に設けたことにより、達成される。

従って、本発明に係る角度検出装置では、転がり軸受に、前記回転輪の回転角を検出するための角度センサを少なくとも２個備えた。これにより、いずれかの角度センサが故障しても、角度センサの異常を確実に検知することができ、角度検出装置の安全性や信頼性が向上する。特に、角度センサを３個以上設けると、いずれかの角度センサが故障しても、他の角度センサで回転角度を測定することができる。また、転がり軸受に、例えば軸受の両端面に、角度センサを取り付けるようにしたので、軸受の外部に減速機構などを設ける必要がなく、取り付けが容易となり、装置の小型化および低コスト化を図ることができる。また、角度センサのうち、少なくとも一対の角度センサの出力特性を逆特性にすると、それらの出力の加算値を監視するだけで、いずれかの角度センサに故障が生じても、その異常を容易かつ確実に検知することができ、角度検出装置の安全性や信頼性が向上する。また、回転輪の回転角度を保持器の回転角度に基いて検出すると、回転輪が３６０度以上の多回転である場合、その回転角度を確実に検出することができる。また、保持器を転動体のうち３個の転動体によって回転するように案内するようにすれば、軸受に作用する負荷を確実に支持でき、保持器を精度よく回転させ、回転角度の測定精度が向上する。さらに、角度センサにレゾルバを使用すると、正弦波および余弦波から保持器の絶対角度位置を検出することができ、また、角度センサに磁気感応素子を使用すれば、より小型で、低コストな角度検出装置を得ることができる。また、角度センサの出力をアナログ信号とし、これをＡ／Ｄ変換してデジタル信号として伝送すれば、回転角度が１回転以内であれば、回転角度を絶対角度で検出でき、かつ伝送時のノイズを低減することができる。また、回転数比を０．３３以下にした場合、例えばステアリング軸の回転角度測定に必要な回転数である片側１．５回転まで測定することができる。また、軸受に与圧を付与しておけば、転動体５の公転すべりを防止し、回転角度の測定誤差を防止することができる。さらに、角度センサを少なくとも２個の軸受に設けると、角度検出装置の安全性や信頼性はより一層向上する。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る角度検出装置の概略構成を示し、玉軸受１は、内輪２と外輪３によって構成される軌道輪４と、該軌道輪４に沿って回転する複数の球状転動体５と、該転動体５を分ける保持器６とから構成される。この軌道輪４は、内輪２を回転側に設定し、外輪３を固定側に設定している。転動体５の個数は、３の倍数で構成し、等配３個の転動体５によって保持器６を案内している。

また、保持器６の端面には、図２に示すように、円環状の磁石７が取り付けられ、保持器６と一体に回転するようになっている。また、磁石７は、サイン波状に着磁され、一方の半周部７ａはＮ極に、他方の半周部７ｂはＳ極に着磁されている。その結果、磁石７の着磁分布は、図３に示すようなサイン波状になっている。

また、玉軸受１の一端面には、円環状の軸受カバー８が配されている。軸受カバー８の外周縁は、Ｌ字状に内側（図１上側）に折り曲げられて折曲部８ａが形成され、折曲部８ａで外輪３の外周側に一体に取り付けられている。また、軸受カバー８の内側には、基板９の上に１又は複数の磁気感応素子であるホール素子１０が軌道輪４に沿って配されている。これにより、保持器６が回転すると、ホール素子１０では、磁石７の磁束変化を検出し、磁束密度に応じた電圧を出力して回転角度を測定するようになっている。すなわち、磁石７とホール素子１０とによって、保持器６の回転角度に基いて回転角を検出するための角度センサ１１が構成される。

また、内輪回転の場合、内輪２と保持器６の回転数比（保持器回転数／内輪回転数）は、通常、０．４前後であり、保持器６が１回転するためには、内輪２は約２．５回転する。図４は、回転数比を０．３にした場合のホール素子１０からの出力信号を表わす。ここで、同図破線は内輪２の回転状態を、同図実線は保持器６の回転状態を表わす。

これにより、内輪２を１回転させると、保持器６は約０．３回しか回転せず、内輪２の回転角度で±２７０度までの範囲で保持器６の回転角度を測定できることがわかる。ちなみに、内輪２に磁石７を固定した場合、内輪２の回転角度は、±９０度までの範囲でしか回転角度を測定できない。よって、保持器６の回転角度を測定することで、内輪２の回転角度を広範囲に亘って測定することができる。

なお、軌道輪４上を公転する転動体５に滑りがない状態では、転動体５の公転数Ｎｃは、次式で表される。

Ｎｃ＝（１−ｄ・ｃｏｓ（α）／Ｄ）（Ｎｉ／２） （１）
ここで、Ｎｉは内輪２の回転数（ｒｐｍ）で、ｄは転動体５の直径（ｍｍ）で、Ｄは転動体５のピッチ径（ｍｍ）であり、αは接触角（度）である。

これにより、軸受諸元（例えば転動体直径ｄや転動体ピッチ径Ｄなど）を変えれば、内輪２と保持器６の回転数比を適宜変更することができる。例えば転動体直径ｄを大きくして、回転数比を小さくすることができる。その結果、別途減速機構を設けることなく、内輪の回転角度を広範囲に測定できる。

また、ホール素子１０の出力信号は、アナログ値であって、マイナス側からプラス側まで滑らかな連続曲線で出力される。そのため、出力電圧を測定すれば、保持器６の回転角度、すなわち内輪２の回転角度を正確に測定することができ、測定精度が向上する。さらに、ホール素子１０の出力信号であるアナログ値を、Ａ／Ｄ変換して、デジタル信号としてセンサ外部に送信すると、伝送途中でノイズ重畳の影響を少なく抑えることができ、より一層測定精度が向上する。

そして、本発明の特徴として、角度センサ１１は、玉軸受１に少なくとも２個設けられるが、角度センサを備えた軸受と、普通の軸受とを組み合わせて使用してもよく、また、角度センサを備えた軸受を２個以上使用してもよい。

なお、軸受に予圧を付与すると、軸受すきまがなくなって、転動体５のすべりがなくなる。そのため、転動体５が正確に回転して、回転角度の測定誤差が低減するので、予圧を付与した状態で使用するのが良い。

まず、角度センサを２個使用した場合、２個の角度センサの出力値を比較し、両出力値が全く異なっている場合、いずれか一方に異常が発生したと判断し、センサ異常のアラームを発することができ、システムの制御の安全性や信頼性が向上する。

また、角度センサを３個以上使用した場合、これらの測定結果を互に比較し、測定結果が等しい角度センサ同士では正常に動作していると判断し、その測定結果（出力値）を真として、これに基いてシステムの制御を続行することができる。そのため、３個以上のセンサのうち、いずれかの角度センサに異常が生じても、システムの制御は、支障なく続行することができる。すなわち、正常に作動する角度センサによって回転角度を正確に検出することができる。

よって、システムに角度センサを使用する場合、角度センサの異常を検出するには、２個の角度センサを用いて異常を検出することができる。また、角度センサの異常後もシステムの制御を継続するには、３個以上の角度センサを用いればよく、用途に応じて角度センサの個数を適宜設定することができる。

また、角度センサのうち、少なくとも一対の角度センサの出力特性を逆特性にすれば、それらの出力の加算値を監視するだけで、角度センサの異常を確実に検知することができる。図５は、２個の角度センサの出力例を示し、角度センサの出力を互いに逆特性にした場合である。

２個の角度センサの出力を同特性にした場合、それらの出力値を比較することによって、角度センサの異常を検知することができるのに対し、逆特性にした場合、２個の角度センサの出力値を加算し、その加算値が零付近にあれば、２個の角度センサは正常に動作していることがわかり、角度センサの異常を確実に検知することができる。

また、２個の角度センサの出力は、同特性でも逆特性でも、角度センサの異常を検知することができる。ところが、ケーブルなどの短絡により、一方の角度センサからの信号だけが出力された場合、同特性では、異常を検知できないのに対し、逆特性では、異常を検知することができる。また、ケーブルや回路の導通により、一方の角度センサから他方の角度センサに信号が流れた場合、同特性では、異常を検知できないのに対し、逆特性では、角度センサからの出力値の加算値は、零近傍から外れてしまうため、異常を検知することができる。よって、２個の角度センサを互いに逆特性にすると、角度検出装置の正常・異常の状態を容易かつ確実に検知することができ、角度検出装置の安全性や信頼性が向上する。

なお、２個の角度センサの出力を逆特性にするのは、角度センサを１個有する軸受を２個使用する場合にも適用できるが、１個の軸受の両側に逆特性の角度センサを取り付けた方が、２個の角度センサの位相を合わせやすく、好ましい。

また、３個以上の角度センサを使用する場合、２個の角度センサを有する軸受と１個の角度センサを有する軸受とを組み合わせて使用してもよく、また、２個の角度センサを有する軸受を２個組み合わせて使用してもよい。その際、２個の角度センサを有する軸受を２個使用する場合、逆特性の角度センサを用いると、逆特性の角度センサをそれぞれ２組有することになり、角度センサの信頼性はより一層向上する。

ちなみに、角度センサの出力を、サイン波とコサイン波を出力するようにした場合、保持器の回転角度で±１回転までの絶対角度を測定することができる。すなわち、図５に示す例では、内輪の回転角度で、絶対値で５４０度（１回転半）以上の回転角度を測定することができる。

なお、上記実施例では、磁気感応素子としてホール素子を用いたが、これに限られず、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子、ＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）素子など、磁力の強さに比例して信号を出力する素子を用いてもよい。また、玉軸受１には、予圧を付与することによって、転動体５の公転すべりを防止し、回転角度の測定誤差を防止することができる。

また、図６は、本発明の第２実施例を示し、第１実施例と同一の部材には同一の符合を付して、その説明を省略する。

第２実施例では、角度検出装置の角度センサとしてレゾルバを軸受に使用した場合である。図６において、保持器６の端面に、レゾルバのロータとして偏心ロータ２１が取り付けられるとともに、軸受カバー８の折曲部８ａには、ステータ２２が取り付けられる。このステータ２２には、コイルが巻回され、コイル間の電磁結合率が回転角度によって変化するのを利用して回転角度を検出するようになっている。

レゾルバから、出力波形としてサイン波とコサイン波が出力されると、サイン波とコサイン波から一波分の角度を測定することができる。すなわち、図７に示すように、レゾルバのロータを内輪２に固定した場合、−１８０度〜１８０度の範囲でしか回転角度を測定できないのに対し、レゾルバのロータを保持器６に固定すると、−５４０度〜５４０度という範囲で広範囲に亘って回転角度を測定することができ、ステアリング等のような１回転半以上の回転角度を測定する用途に好適である。

また、図８は、本発明の第３実施例を示し、第１実施例と同一の部材には同一の符合を付して、その説明を省略する。

第３実施例では、角度検出装置の角度センサとして磁力を利用して、１周１回転のサイン波およびコサイン波を出力し、回転角度を測定するようにした。すなわち、図８に示すように、この角度センサでは、回転軸３１に取り付けられた磁石３２の外周側にリング状の磁束案内部材３３が配置されている。この該磁束案内部材３３は、少なくとも１箇所以上に切込み溝３４が設けられ、該切込み溝３４に、ＭＲ素子、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子、或いはＭＩ素子などの磁気検出素子３５が配設されている。これにより、磁気検出素子３５によって、磁石３２の回転によって生じる磁束変化を検出して、回転角度を測定することができる。

この第３実施例でも、上記第１および第２実施例と同様の作用および効果が得られる。

また、図９は、本発明の第４実施例を示し、第１実施例と同一の部材には同一の符合を付して、その説明を省略する。

図９において、保持器６には、図９の上下に、それぞれ円環状の磁石４１が一体に取り付けられている。一方、軸受１の両側には、それぞれ円環状の軸受カバー４２、４２が配され、その外周縁は、Ｌ字状に内側に折り曲げられて折曲部４２ａが形成され、折曲部４２ａで、外輪３の外周側に一体に取り付けられている。この折曲部４２ａには、基板４３の上に１又は複数の磁気感応素子であるホール素子４４が軌道輪４に沿って一定間隔で配されている。これにより、軸受１の両端面に、角度センサが取り付けられることになって、１個の軸受１に対して２個の角度センサが取り付けられ、組立が容易になって、組立コストを低減させることができる。なお、軸受カバー４２は、コ字状に折り曲げて、内輪２との間にラビリンスシールを設けると、軸受１の内部への異物の侵入を防げるので、好ましい。この第４実施例でも、上記各実施例と同様の作用および効果が得られる。

なお、上記各実施例では、軸受として、玉軸受を用いて説明したが、これに限られず、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、アンギュラ玉軸受、球面ころ軸受などの転がり軸受にも適用することができ、上記各実施例の作用および効果が得られることはもとよりである。また、上記各実施例では、内輪を回転側にした場合を説明したが、外輪を回転側にした場合でも使用できる。しかしながら、内輪を回転側にした方が回転数比を小さくすることができるので、内輪の多回転を検出したい場合には、内輪を回転側にした方が好ましい。

本発明の第１実施例に係る角度検出装置の概略構造を示す断面図である。 保持器の外周面に取り付けられた磁石の平面図である。 図２の磁石にサイン波状に着磁された分布を示す。 内輪を多回転させた場合のホール素子１個の出力信号を示す図である。 ２個の角度センサの出力特性を逆特性にした場合を示す図である。 本発明の第２実施例を示し、図１に対応する図である。 第２実施例で使用されるレゾルバからの出力信号を示す図である。 本発明の第３実施例を示し、磁石の磁束変化を磁気感応素子によって検出するようにした図である。 本発明の第４実施例を示し、図１に対応する図である。 従来の角度センサの概略構造を示す図である。

符号の説明

１ 軸受
２ 内輪
３ 外輪
４ 軌道輪
５ 転動体
７ 磁石
８ 磁気カバー
１０ ホール素子
２１ 偏心ロータ
２２ ステータ
３１ 回転軸
３２ 磁石
３３ 磁束案内部材
３５ 磁気検出素子
４１ 磁石
４２ 軸受カバー
４４ ホール素子

Claims (13)

1. 回転輪と、固定輪と、複数の転動体と、保持器とから構成される転がり軸受に、前記回転輪の回転角を検出するための角度センサを少なくとも２個備えたことを特徴とする角度検出装置。
2. 前記角度センサのうち、少なくとも一組の角度センサの出力特性は、逆特性としたことを特徴とする請求項１記載の角度検出装置。
3. 前記角度センサは、前記転がり軸受の両端面に取り付けられることを特徴とする請求項１又は２記載の角度検出装置。
4. 前記回転輪の回転角度は、前記保持器の回転角度に基いて測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の角度検出装置。
5. 前記保持器は、前記転動体のうち３個の転動体によって回転するように案内されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の角度検出装置。
6. 前記転動体の個数は、３の倍数であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の角度検出装置。
7. 前記角度センサは、レゾルバを使用することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の角度検出装置。
8. 前記角度センサは、磁気感応素子を使用することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の角度検出装置。
9. 前記角度センサの回転角度信号は、アナログ信号であることを特徴とする請求項１ないし８のうちいずれかに記載の角度検出装置。
10. 前記アナログ信号は、Ａ／Ｄ変換された後に、デジタル信号として伝送されることを特徴とする請求項９記載の角度検出装置。
11. 前記内輪の回転数と前記保持器の回転数の回転数比は、０．３３以下であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の角度検出装置。
12. 前記転がり軸受に、与圧を付与するようにしたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の角度検出装置。
13. 前記角度センサは、少なくとも２個の転がり軸受に設けられることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の角度検出装置。
    

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