JP2008045881A - 回転角度位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気検出器の障害に対する耐性を向上し、低コストな回転角度位置検出装置を提供する。
【解決手段】軸受装置１００は、軸受部１の回転側軌道輪２に取り付けられ、円周方向に周期的に磁気特性を変化させたエンコーダ７と、軸受部１の固定側軌道輪３に所定間隔をもって円周方向に配置された３つのアナログホールＩＣ８ａ〜８ｃと、演算処理装置９とを有して構成されている。演算処理装置９は、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃからの出力信号に基づいて回転角度位置θを検出する一方、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃのうちいずれかに障害が発生したことを検出したときは、回転角度位置θを補償する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、軸受の回転角度位置を検出する装置に係り、特に、磁気検出器の障害に対する耐性を向上し、低コストな回転角度位置検出装置に関する。

従来、回転角度位置検出機能を備える軸受装置としては、例えば、特許文献１、２記載の技術が知られている。
特許文献１には、軸受の回転輪に取り付けられ、単極着磁された円環状の磁石と、電気角９０°の位相差が形成される間隔をもって磁石の円周に沿って配置された２つの磁気検出器とを備え、２つの磁気検出器の出力信号に基づいて軸受の回転輪の絶対角度を算出するエンコーダ付軸受が開示されている。

特許文献２には、磁界を発生するマグネットと、磁界内に設けられた４つの磁気検出器（ホール素子）と、各磁気検出器間に設けられていて、磁気検出器に固定されて一体に回転するように結合された、強磁性材製の磁束案内部材とを備え、マグネットは、磁気検出器および磁束案内部材に関して回転可能に構成された角度センサが開示されている。
特開２００４−４０２８号公報 特表２００２−５０６５３０号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術のように磁気検出部が２つしかない構成では、一方に障害が発生したときに機能が維持できなくなる。また、特許文献２記載の技術のように磁気検出部が４つの構成では、コスト高となる。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、磁気検出器の障害に対する耐性を向上し、低コストな回転角度位置検出装置を提供することを目的としている。

〔発明１〕 上記目的を達成するために、発明１の回転角度位置検出装置は、軸受の２つの軌道輪の一方に取り付けられ、円周方向に周期的に磁気特性を変化させたエンコーダと、前記２つの軌道輪の他方に所定間隔をもって円周方向に配置された少なくとも３つの磁気検出器と、前記磁気検出器からの出力信号に基づいて前記軸受の回転角度位置を検出する回転角度位置検出手段とを備え、前記回転角度位置検出手段は、前記少なくとも３つの磁気検出器からの出力信号に基づいて前記少なくとも３つの磁気検出器のうちいずれかに障害が発生したことを検出したときは、前記回転角度位置を補償する。

このような構成であれば、軌道輪のいずれかが回転すると、これに伴ってエンコーダと磁気検出器が相対的に回転する。エンコーダは、円周方向に周期的に磁気特性が変化しているので、回転によって磁気検出器の周辺の磁界が変化し、この変化を磁気検出器で検出することにより、磁界の変化に応じた出力信号が得られる。そして、回転角度位置検出手段により、磁気検出器からの出力信号に基づいて回転角度位置が検出される。

一方、稼働中に少なくとも３つの磁気検出器のうちいずれかに破損等により障害が発生すると、回転角度位置検出手段により、回転角度位置が補償される。すなわち、障害が発生するとフェールセーフ機能が作動して回転角度位置が補償される。
ここで、回転角度位置の補償とは、例えば、障害が発生した磁気検出器を除く他の磁気検出器からの出力信号に基づいて、障害による影響を低減するように回転角度位置を検出、算出または補正することをいう。

〔発明２〕 さらに、発明２の回転角度位置検出装置は、発明１の回転角度位置検出装置において、前記回転角度位置検出手段は、前記少なくとも３つの出力信号から２つを選択するすべての組み合わせについて、当該２つの出力信号に基づいて前記回転角度位置をそれぞれ算出し、算出した回転角度位置の平均値を出力する。
このような構成であれば、回転角度位置検出手段により、少なくとも３つの出力信号から２つを選択するすべての組み合わせについて、その２つの出力信号に基づいて回転角度位置がそれぞれ算出され、算出された回転角度位置の平均値が出力される。

〔発明３〕 さらに、発明３の回転角度位置検出装置は、発明１の回転角度位置検出装置において、前記エンコーダは、円周方向にＳ極とＮ極を交互に着磁した円環状の永久磁石である。
〔発明４〕 さらに、発明４の回転角度位置検出装置は、発明１の回転角度位置検出装置において、前記磁気検出器は、アナログホールＩＣである。
〔発明５〕 さらに、発明５の回転角度位置検出装置は、発明１の回転角度位置検出装置において、前記磁気検出器が３つの場合は、それぞれ電気角１２０°の位相差が形成される間隔をもって配置されている。

以上説明したように、発明１の回転角度位置検出装置によれば、少なくとも３つの磁気検出器により回転角度位置の検出および補償を行うので、従来に比して、磁気検出器の障害に対する耐性を向上することができるとともにコストを低減することができるという効果が得られる。
さらに、発明２の回転角度位置検出装置によれば、複数の検出結果の平均値を回転検出位置として検出するので、高精度な検出を実現することができるという効果が得られる。

以下、本発明の第１の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図４は、本発明に係る回転角度位置検出装置の第１の実施の形態を示す図である。また、磁気検出器が３つの場合を示す。
まず、本発明を適用する軸受装置１００の構成を説明する。
図１は、軸受装置１００の軸方向の部分断面図である。
軸受装置１００は、図１に示すように、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を有する軸受部１と、回転側軌道輪２の一端に取り付けられたエンコーダ７と、エンコーダ７に対向して固定側軌道輪３の一端に取り付けられた磁気検出器８と、磁気検出器８からの出力信号に基づいて回転角度位置θを検出する演算処理装置９とを有して構成されている。

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２となり、その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３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、エンコーダ７および磁気検出器８の設置側とは反対側の端部がシール部材１０で密封されている。

エンコーダ７は、環状のバックメタル１１と、バックメタル１１の外周面に設けられ、円周方向にＮ極およびＳ極が交互に着磁された磁気発生部材１２とを有して構成されている。エンコーダ７は、バックメタル１１を介して回転側軌道輪２に固定されている。磁気発生部材１２は、例えば、ゴム磁石として構成され、バックメタル１１に加硫接着される。磁気発生部材１２は、永久磁石として構成されるが、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よく、この場合は、バックメタル１１は必ずしも設けなくてもよい。

図２は、軸受装置１００の径方向を断面としたブロック図である。
エンコーダ７は、図２に示すように、左半周の円周面がＮ極に着磁され、右半周の円周面がＳ極に着磁されている。したがって、回転側軌道輪２が１回転すると磁気特性が１周期変化する。
磁気検出器８は、磁束密度に応じた出力信号を発生する３つのアナログホールＩＣ８ａ〜８ｃからなる。アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃは、電気角１２０°の位相差が形成される間隔をもって円周方向に配置されている。本実施の形態では、回転側軌道輪２の１回転につき磁気特性が１周期するので、機械角１２０°の間隔をもって配置される。アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃは、演算処理装置９に搭載され、演算処理装置９とともに樹脂ケース１５内に挿入した後に樹脂モールドされる。樹脂ケース１５を、金属ケース１６を介して固定側軌道輪３に固定することにより、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃおよび演算処理装置９が固定側軌道輪３に取り付けられる。

図３は、回転側軌道輪２の回転に伴うアナログホールＩＣ８ａ〜８ｃの出力信号の波形図を示す。
図３に示すように、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃを用いることにより、象限判別が可能となり、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃからの出力信号に基づいて回転角度位置θを算出することができる。

次に、演算処理装置９の構成を説明する。
図４は、演算処理装置９で実行される回転角度位置検出処理を示すフローチャートである。
演算処理装置９は、磁気検出器８への電力供給および磁気検出器８の信号処理を行い、回転角度位置θを外部に出力するものであって、図４のフローチャートに示す回転角度位置検出処理を周期的に実行する。
回転角度位置検出処理は、演算処理装置９において実行されると、図４に示すように、まず、ステップＳ１００に移行する。

ステップＳ１００では、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃからの出力信号データをそれぞれ取得し、ステップＳ１０２に移行して、アナログホールＩＣ８ａ、８ｂの出力信号データに基づいて回転角度位置θABを算出し、ステップＳ１０４に移行する。
ステップＳ１０４では、アナログホールＩＣ８ｂ、８ｃの出力信号データに基づいて回転角度位置θBCを算出し、ステップＳ１０６に移行して、アナログホールＩＣ８ａ、８ｃの出力信号データに基づいて回転角度位置θCAを算出し、ステップＳ１０８に移行する。

ステップＳ１０８では、算出した回転角度位置θAB、θBC、θCAの相互の差分のうちいずれかが所定値以上であるか否かを判定し、いずれの差分も所定値未満であると判定したとき(No)は、ステップＳ１１０に移行する。
ステップＳ１１０では、算出した回転角度位置θAB、θBC、θCAの平均値を回転角度位置θとして算出し、ステップＳ１１２に移行して、算出した回転角度位置θを外部に出力し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。

一方、ステップＳ１０８で、いずれかの差分が所定値以上であると判定したとき(Yes)は、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃのうちいずれかに障害が発生したと判定し、ステップＳ１１４に移行して、算出した回転角度位置θAB、θBC、θCAのうち、障害が発生したアナログホールＩＣを除く他のアナログホールＩＣからの出力信号データに基づき算出されたものを回転角度位置θとして選択し、ステップＳ１１２に移行する。正常なアナログホールＩＣに係る回転角度位置は、例えば、回転角度位置θAB、θBC、θCAの相互の差分値に基づいて特定することができる。

次に、本実施の形態の動作を説明する。
回転側軌道輪２が回転すると、これに伴ってエンコーダ７が回転する。エンコーダ７は、円周方向に周期的に磁気特性が変化しているので、回転によってアナログホールＩＣ８ａ〜８ｃの周辺の磁束密度が変化し、この変化をアナログホールＩＣ８ａ〜８ｃで検出することにより、磁束密度の変化に応じた出力信号が得られる。
演算処理装置９では、ステップＳ１００〜Ｓ１１２を経て、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃからの出力信号データに基づいて回転角度位置θAB、θBC、θCAが算出され、それらの平均値が回転角度位置θとして出力される。

一方、稼働中に３つのアナログホールＩＣ８ａ〜８ｃのうちいずれかに破損等により障害が発生すると、演算処理装置９では、ステップＳ１００〜Ｓ１０８、Ｓ１１４、Ｓ１１２を経て、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃからの出力信号データに基づいて回転角度位置θAB、θBC、θCAが算出され、回転角度位置θAB、θBC、θCAのうち、障害が発生していない正常なアナログホールＩＣからの出力信号データにのみ基づいて算出されたものが回転角度位置θとして出力される。例えば、アナログホールＩＣ８ａに障害が発生した場合は、回転角度位置θBCが出力される。すなわち、障害が発生するとフェールセーフ機能が作動して回転角度位置θが補償される。

このようにして、本実施の形態では、回転側軌道輪２に取り付けられ、円周方向に周期的に磁気特性を変化させたエンコーダ７と、固定側軌道輪３に所定間隔をもって円周方向に配置された３つのアナログホールＩＣ８ａ〜８ｃと、演算処理装置９とを備え、演算処理装置９は、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃからの出力信号に基づいて回転角度位置θを検出する一方、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃのうちいずれかに障害が発生したことを検出したときは、回転角度位置θを補償する。
これにより、３つのアナログホールＩＣ８ａ〜８ｃにより回転角度位置θの検出および補償を行うので、従来に比して、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃの障害に対する耐性を向上することができるとともにコストを低減することができる。

さらに、本実施の形態では、演算処理装置９は、３つの出力信号から２つを選択するすべての組み合わせについて、その２つの出力信号に基づいて回転角度位置θAB、θBC、θCAをそれぞれ算出し、算出した回転角度位置θAB、θBC、θCAの平均値を回転角度位置θとして出力する。
これにより、複数の検出結果の平均値を回転検出位置θとして検出するので、高精度な検出を実現することができる。
上記第１の実施の形態において、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃは、発明１、４または５の磁気検出器に対応し、演算処理装置９は、発明１または２の回転角度位置検出手段に対応している。

次に、本発明の第２の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図５は、本発明に係る回転角度位置検出装置の実施の形態を示す図である。
本実施の形態は、上記第１の実施の形態に対して、回転側軌道輪２の１回転につき磁気特性が多周期となるようにした点が異なる。また、磁気検出器が３つの場合を示す。
まず、エンコーダ７の構成を説明する。
図５は、軸受装置１００の径方向を断面としたブロック図である。
エンコーダ７は、図５に示すように、円周を１２等分して各区分にＮ極およびＳ極が交互に現れるように着磁されている。したがって、回転側軌道輪２が１回転すると磁気特性が６周期変化する。

アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃは、電気角１２０°の位相差が形成される間隔をもって円周方向に配置されている。本実施の形態では、回転側軌道輪２の１回転につき磁気特性が６周期するので、機械角２０°の間隔をもって配置される。
なお、１２等分に限らず、円周をｎ（ｎ＝２、３、４…）等分して各区分にＮ極およびＳ極が交互に現れるように着磁した場合は、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃは、機械角２４０／ｎ[°]の間隔をもって配置すればよい。
なお、上記第１および第２の実施の形態においては、演算処理装置９を軸受装置１００に内蔵したが、これに限らず、軸受装置１００に外付けで設けてもよい。

また、上記第１および第２の実施の形態において、演算処理装置９の出力形式について特に説明しなかったが、演算処理装置９は、回転角度位置θをパルス信号として出力し、またはパルス信号のインクリメント信号若しくはデクリメント信号として出力するように構成することもできる。
パルス信号を出力する場合、例えば、電気角１周期を１０２４分割するとすると、上記第１の実施の形態では、回転側軌道輪２の１回転につき１０２４パルスであるのに対し、上記第２の実施の形態では、回転側軌道輪２の１回転につき１０２４×ｎの高分解能なパルスを出力することができる。

インクリメント信号を出力する場合、例えば、電気角１周期を１０２４分割するとすると、上記第１の実施の形態では、機械角３６０°が０〜１０２３の値に変換されるのに対し、上記第２の実施の形態では、電気角３６０°が０〜１０２３の値に変換され、周期数分だけ繰り返し出力される。
また、上記第１および第２の実施の形態においては、深溝玉軸受に適用したが、これに限定するものではなく、円錐ころ軸受、ニードル軸受、ころ軸受、複列軸受その他任意の種類の軸受に適用することができる。

また、上記第１および第２の実施の形態においては、電気角１２０°の位相差が形成される間隔をもって３つのアナログホールＩＣ８ａ〜８ｃを配置したが、これに限らず、４つ以上のアナログホールＩＣを電気角１２０°以外の位相差が形成される間隔をもって配置することもできる。ただし、アナログホールＩＣが３つの場合は、アナログホールＩＣ８ａ〜８ｃを点対称に配置することにより平均化が容易となるので、電気角１２０°とするのが好ましい。

軸受装置１００の軸方向の部分断面図である。 軸受装置１００の径方向を断面としたブロック図である。 回転側軌道輪２の回転に伴うアナログホールＩＣ８ａ〜８ｃの出力信号の波形図を示す。 演算処理装置９で実行される回転角度位置検出処理を示すフローチャートである。 軸受装置１００の径方向を断面としたブロック図である。

符号の説明

１００ 仮想オブジェクト管理装置
１００ 軸受装置
１ 軸受部
２ 回転側軌道輪
３ 固定側軌道輪
２ａ、３ａ 軌道面
４ 転動体
５ 保持器
７ エンコーダ
８ 磁気検出器
８ａ〜８ｃ アナログホールＩＣ
９ 演算処理装置
１０ シール部材
１１ バックメタル
１２ 磁気発生部材
１５ 樹脂ケース
１６ 金属ケース

Claims (5)

1. 軸受の２つの軌道輪の一方に取り付けられ、円周方向に周期的に磁気特性を変化させたエンコーダと、前記２つの軌道輪の他方に所定間隔をもって円周方向に配置された少なくとも３つの磁気検出器と、前記磁気検出器からの出力信号に基づいて前記軸受の回転角度位置を検出する回転角度位置検出手段とを備え、
   前記回転角度位置検出手段は、前記少なくとも３つの磁気検出器からの出力信号に基づいて前記少なくとも３つの磁気検出器のうちいずれかに障害が発生したことを検出したときは、前記回転角度位置を補償することを特徴とする回転角度位置検出装置。
2. 請求項１において、
   前記回転角度位置検出手段は、前記少なくとも３つの出力信号から２つを選択するすべての組み合わせについて、当該２つの出力信号に基づいて前記回転角度位置をそれぞれ算出し、算出した回転角度位置の平均値を出力することを特徴とする回転角度位置検出装置。
3. 請求項１において、
   前記エンコーダは、円周方向にＳ極とＮ極を交互に着磁した円環状の永久磁石であることを特徴とする回転角度位置検出装置。
4. 請求項１において、
   前記磁気検出器は、アナログホールＩＣであることを特徴とする回転角度位置検出装置。
5. 請求項１において、
   前記磁気検出器が３つの場合は、それぞれ電気角１２０°の位相差が形成される間隔をもって配置されていることを特徴とする回転角度位置検出装置。

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