JP2008249353A - 回転検出装置および回転検出装置付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出分解能が高く、かつ検出される回転速度のばらつきも小さくできる回転検出装置、およびこの回転検出装置を組み込んだ回転検出装置付き軸受を提供する。
【解決手段】 この回転検出装置１は、回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配されたエンコーダ２と、このエンコーダ２の前記被検出極を検出してパルスを発生するセンサ３とを備え、これに逓倍手段４と速度検出手段５が付加される。逓倍手段４は、前記センサ３の発生するパルスを設定された逓倍数に逓倍して逓倍パルスを生成する。速度検出手段５は、前記逓倍手段４が逓倍パルスを発生する毎に、その逓倍パルスから過去に逓倍数分の逓倍パルスを発生した区間における前記エンコーダ２の平均速度を検出する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、各種の機器における回転検出や回転速度検出に用いられる回転検出装置、およびその回転検出装置を組み込んだ回転検出装置付き軸受に関する。

この種の回転検出装置として、例えば被検出極となる複数の磁極対（Ｎ，Ｓ）を円周方向に並べて設けたリング状の磁気エンコーダを回転体に同心に設け、この磁気エンコーダの磁極を磁気センサで検出するようにしたものが知られている。このような構成のものでは、磁気エンコーダが１回転する間に、磁気センサから前記磁極対の数だけのパルスを出力できる。
また、このような構成の回転検出装置において、磁気エンコーダの各磁極対に対応して磁気センサから出力されるパルスを逓倍回路により逓倍して、実際の磁極対の数よりも多いパルス出力を得ることで、検出の分解能を上げるようにしたものも提案されている（例えば特許文献１，２）。

図１１には、上記した逓倍パルスを生成する方式の一例を示す。この場合、磁気エンコーダの磁極に対向配置する磁気センサとして、１磁極対を周期として互いに９０度位相のずれが生じる位置に２つの磁気センサ４０Ａ，４０Ｂを配置し、これら両磁気センサ４０Ａ，４０Ｂから９０度位相のずれた出力パルスＡ，Ｂを得る。これらの出力パルスＡ，Ｂを組み合わせることで、４倍の分解能の逓倍パルスＣを得ることができる。
しかし、この場合、出力パルスＡ，Ｂの位相差が９０度からずれると、各逓倍パルスＣの間でパルス幅に誤差が生じる。

逓倍パルスを生成する他の方式として、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂから得られる２つ
のアナログ出力信号Ａ，Ｂをもとに、図１２のように位相φを求めて逓倍することもできる。
しかし、この場合にも、位相φが９０度からずれたり、アナログ出力信号Ａ，Ｂの振幅が変動すると誤差が生じる。
特表２００１−５１８６０８号公報 特表２００２−５４１４８５号公報

特許文献１，２に開示の構成の場合にも、逓倍回路の回路特性や磁気エンコーダの磁界分布により、生成される逓倍パルスにピッチ誤差が生じる。図１３はそのピッチ誤差の一例をグラフで示している。この場合、１磁極対の区間内にＮ個の逓倍パルスを生成する例を示しており、横軸の１，２，３…Ｎは逓倍パルスの番号を示す。
このように、生成される逓倍パルスの間でピッチ誤差が発生すると、回転検出の分解能は上がっても、逓倍パルスを使用して検出される回転速度のばらつきが大きくなるという問題がある。

この発明の目的は、検出分解能が高く、かつ検出される回転速度のばらつきも小さくできる回転検出装置、およびこの回転検出装置を組み込んだ回転検出装置付き軸受を提供することである。

この発明の回転検出装置は、回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配されたエンコーダと、このエンコーダの前記被検出極を検出してパルスを発生するセンサとを備えた回転検出装置において、前記センサの発生するパルスを設定された逓倍数に逓倍して逓倍パルスを生成する逓倍手段と、前記逓倍手段が逓倍パルスを発生する毎に、その逓倍パルスから過去に逓倍数分の逓倍パルスを発生した区間における前記エンコーダの平均速度を検出する速度検出手段とを設けたことを特徴とする。
逓倍手段で生成する逓倍パルスにはピッチ誤差があるが、その誤差パターンはエンコーダにおける被検出極毎に繰り返される再現性のある特性を持つ。そこで、上記構成の速度検出手段を設け、逓倍数分の平均速度となる、逓倍前のパルス間隔での速度を検出しており、これにより、ピッチ誤差によるばらつきが平均化されて、検出速度の誤差を小さく抑えることができる。このように、逓倍手段により逓倍パルスを発生させ、かつ速度については逓倍前のパルス間隔での速度を出力するため、逓倍化された高分解能で、かつピッチ誤差の平均化された精度の良い速度出力が可能である。また、検出速度は、逓倍されたパルスを全て使用して検出するため、速度の検出レートが高くなる。つまり、速度を検出するサンプリング回数を増やせる。これにより、制御の応答性を高めることができ、細かな速度変動を高精度に検出することができる。

この発明において、前記エンコーダは、前記被検出極となる磁極が円周方向に並んで設けられた磁気エンコーダであり、前記センサは前記磁気エンコーダの磁極を検出する磁気センサであっても良い。この他に、前記エンコーダは、被検出極となる歯を円周上に並べたギヤ状のパルサリングであっても、また光学式に検出されるものであっても良い。
磁気エンコーダは、光学式のエンコーダに比べて分解能を高くすることが難しいが、その反面、泥水や埃等に対する環境に強いという利点がある。そのため、磁気エンコーダを用いた場合、この発明における、検出分解能が高くかつ検出される回転速度のばらつきが小さいという利点が効果的に発揮され、環境に強く、かつ高分解能の回転検出装置とできる。

この発明において、前記速度検出手段は、前記逓倍数分の各逓倍パルスの生成時刻を記憶する記憶エリアを有するパルス生成時刻記憶手段と、前記逓倍手段が逓倍パルスを発生する毎に逓倍パルスの生成時刻を計時して前記パルス生成時刻記憶手段の記憶内容を、最新の逓倍数分の生成時刻の記憶状態となるように更新するタイマと、最新の逓倍パルスの生成時刻と前記パルス生成時刻記憶手段に記憶された逓倍数分だけ過去の生成時刻との差分を計算し、この差分を用いて前記平均速度を算出する速度算出手段とを有するものとしても良い。
これにより、逓倍パルスを全て使用して速度を検出する速度検出手段が、簡単な構成で実現できる。

この発明において、前記逓倍手段で生成した逓倍パルスを回転パルスとして出力する回転パルス出力手段と、前記速度検出手段で検出した速度を速度信号として出力する速度信号出力手段とを有するものとしても良い。
このように回転パルスと速度信号との両方が出力されると、この回転検出装置の使用機器につき、処理回路が省略または簡略化できてコンパクト化が可能となる。

この発明において、前記センサと、前記逓倍手段と、前記速度検出手段とを、共通のセンサチップに集積するか、または共通の基板に設けて一体化しても良い。この構成の場合、１つのセンサチップあるいは基板から回転パルスと速度信号が出力されるため、回転検出装置のコンパクト化が可能で、かつ信号処理回路を省略することができる。

この発明において、前記センサと前記逓倍手段が、複数の整列させられた磁気検出素子で構成され、それら複数の磁気検出素子の出力を演算して生成された内部信号に基づいて、あらかじめ定められた逓倍数の出力を生成するものであってもよい。

この発明の回転検出装置付き軸受は、この発明の上記いずれかの構成の回転検出装置が軸受に搭載されたものである。
この構成によると、高分解能の回転パルスと共に、高精度な速度検出が可能で、また軸受使用機器の部品点数、組立工数の削減、およびコンパクト化が図れる。

この発明の回転検出装置は、回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配されたエンコーダと、このエンコーダの前記被検出極を検出してパルスを発生するセンサとを備えた回転検出装置において、前記センサの発生するパルスを設定された逓倍数に逓倍して逓倍パルスを生成する逓倍手段と、前記逓倍手段が逓倍パルスを発生する毎に、その逓倍パルスから過去に逓倍数分の逓倍パルスを発生した区間における前記エンコーダの平均速度を検出する速度検出手段とを設けたため、検出分解能を高くでき、かつ検出される回転速度のばらつきも小さくできる。
この発明の回転検出装置付き軸受は、この発明の回転検出装置が軸受に搭載されたものであるため、高分解能のパルスと共に、高精度な速度検出が可能で、また軸受使用機器の部品点数、組立工数の削減、およびコンパクト化が図れる。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。図１は、この実施形態の回転検出装置の概略構成を示すブロック図である。この回転検出装置１は、円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配されたリング状のエンコーダ２と、このエンコーダ２の前記被検出極を検出してパルスａを発生するセンサ３と、このセンサ３の発生するパルスａを設定された逓倍数Ｎに逓倍して逓倍パルスｂを生成する逓倍手段４と、この逓倍手段４から生成される逓倍パルスｂに基づきエンコーダ２の回転速度を検出する速度検出手段５とを備える。

エンコーダ２は、例えば図２（Ａ），（Ｂ）に半部断面図および斜視図で示すように、被検出極として周面の円周方向に複数の磁極対（磁極ＮとＳの対）２ａを等配位置に並べて着磁させたリング状の磁気エンコーダからなり、図示しない被検出対象の回転体に対して同心となるように取付けられることで回転自在とされる。この場合、センサ３は、磁気エンコーダ２の磁極Ｎ，Ｓを検出する磁気センサとされ、磁気エンコーダ２の周面に対向するように例えば外径側に配置される。

図２の磁気エンコーダ２の構成例は、周面に磁極対２ａを着磁させたラジアルタイプであるが、磁気エンコーダ２は図３（Ａ），（Ｂ）に半部断面図および斜視図で示すアキシアルタイプのものであっても良い。図３の構成例では、例えは断面をＬ字形としたリング状のバックメタル１２の円筒部１２ａの一端から外径側に延びるフランジ部１２ｂの側面の円周方向に、複数の磁極対２ａを等配位置に並べて着磁させていて、回転軸などの回転体の外周面に前記バックメタル１２の円筒部１２ａを嵌合させることで、回転体に取付けられる。この場合、磁気センサ３は、磁気エンコーダ２の着磁面に対向するように軸方向に向けて配置される。
なお、前記センサ３と前記逓倍手段４が、複数の整列させられた磁気検出素子（図示せず）で構成され、それら複数の磁気検出素子の出力を演算して生成された内部信号に基づいて、あらかじめ定められた逓倍数の出力を生成するものであってもよい。

速度検出手段５は、前記逓倍手段４が逓倍パルスｂを発生する毎に、その発生した逓倍パルスｂの過去の逓倍数Ｎ分の逓倍パルスｂを発生した区間におけるエンコーダ２の平均回転速度を順次検出する。この場合に、速度検出手段５は、逓倍手段４から出力される逓倍情報ｃを用いて上記回転速度の検出を行う。逓倍情報ｃとは、設定されている逓倍数の状態など、速度検出手段５が演算に必要とする逓倍手段４の動作状態の情報である。前記速度検出手段５は、具体的には図４に示すように、パルス生成時刻記憶手段６と、タイマ７と、速度算出手段８とを有する。

パルス生成時刻記憶手段６は、前記逓倍数Ｎ分の逓倍パルスｂの生成時刻を記憶する記憶エリアを有する。このパルス生成時刻記憶手段６の記憶エリアの一構成例を図５に示す。同図において、時刻ｔ₁ ，ｔ₂ ，…，ｔ_N-1 ，ｔ_N は連続するＮ個分の逓倍パルスｂの生成時刻である。パルス生成時刻記憶手段６は、先入れ先出し形式で最新の逓倍数Ｎ個分の時刻を記憶するキュー等の記憶手段であり、最も古い記憶内容が消去されるように、記憶エリア列における順次隣の記憶エリアに記憶内容を移し、空となった先頭の記憶エリアに最新の時刻を入力する。
タイマ７は、逓倍パルスｂが発生する都度、その生成時刻（具体的には逓倍パルスの立ち上がり時の時刻）を計時して前記パルス生成時刻記憶手段６に記憶させる。このとき、上記のように、パルス生成時刻記憶手段６の記憶内容が、最新の逓倍数Ｎ分の逓倍パルスｂの生成時刻となるように更新する。
なお、ここで言う「タイマ７」は、本来のタイマの機能も持つ計時部と、この計時部で計時した時刻をパルス生成時刻記憶手段６に入力する入力処理部とを含む計時・入力処理手段を言う。

速度算出手段８は、前記パルス生成時刻記憶手段６に最新の逓倍パルスの生成時刻が記憶されると同時に、図５に示すように、前記最新の逓倍パルスｂの生成時刻とパルス生成時刻記憶手段６に記憶された逓倍数Ｎ分だけ過去の逓倍パルスｂの生成時刻との差分を差分演算部８ａで計算し、この差分を用いて前記平均回転速度を平均速度演算部８ｂで算出する。
例えば、連続して生成される逓倍パルスｂの出力波形を示す図６において、最新の逓倍パルスｂの生成時刻ｔ_N がパルス生成時刻記憶手段６に記憶されると同時に、速度算出手段８では、前記生成時刻ｔ_N と逓倍数Ｎ分だけ過去の逓倍パルスｂの生成時刻ｔ₁ との差分（ｔ_N −ｔ₁ ）を差分演算部８ａで計算し、この差分を用いて、平均回転速度（角速度）ｖを
ｖ＝Δθ／（ｔ_N −ｔ₁ ）
として平均速度演算部８ｂで算出する。ただし、Δθは、前記磁気エンコーダ２における１磁極対２ａ分の周回角度である。すなわち、前記磁気エンコーダ２の磁極対２ａ（図２，図３）の数をｍとすると、Δθは
Δθ＝３６０°／ｍ
として求められる値である。
同様に、次の逓倍パルスｂの生成時刻ｔ_N+1 がパルス生成時刻記憶手段６に記憶されると、速度算出手段８では、その生成時刻ｔ_N+1 と逓倍数Ｎ分だけ過去の逓倍パルスの生成時刻ｔ₂ との差分（ｔ_N+1 −ｔ₂ ）を差分演算部８ａで計算し、平均回転速度ｖを
ｖ＝Δθ／（ｔ_N+1 −ｔ₂ ）
として平均速度演算部８ｂで算出する。

逓倍手段４で生成する逓倍パルスｂには、図６のようにピッチ誤差があることは、従来例の説明でも指摘したが、この誤差パターンは、磁気エンコーダ２における磁極対２ａ毎に繰り返される再現性のある特性を持つ。したがって、上記したように、磁極対２ａの周回角度Δθを、センサ３の発生するパルスａを逓倍して生成されるＮ個分の逓倍パルスａの区間（例えばｔ_N −ｔ₁ ）で割り算して回転角度ｖを検出すると、ピッチ誤差によるばらつきが平均化されて、図７にＡで示すように検出速度の誤差を小さく抑えることができる。しかも、逓倍パルスｂの生成に同期して速度検出が行われるので、検出分解能も高めることができる。
これに対して、従来例のように、図６における逓倍パルスｂの一つ一つのパルスピッチに相当する回転角度Δθi と、前記パルスピッチの時間間隔Ｔとから、速度ｖを
ｖ＝Δθi ／Ｔ
として算出した場合、図７にＢで示すように検出速度の誤差の変動が大きい。

また、この実施形態の回転検出装置１では、図１に示すように、前記逓倍手段４で生成した逓倍パルスを回転パルスとして出力する回転パルス出力手段９と、前記速度検出手段５で検出した平均回転速度を速度信号として出力する速度信号出力手段１０とを有する。速度信号出力手段１０からの速度信号は、回転パルス出力手段９からの回転パルスの出力と同期して出力される。このように回転パルスと速度信号との両方が出力されると、この回転検出装置の使用機器につき、処理回路が省略または簡略化できてコンパクト化が可能となる。

図１の構成において、センサ３、逓倍手段４、および速度検出手段５を、共通のセンサチップに集積するか、または共通の基板に設けて一体化しても良い。このように構成した場合、１つのセンサチップあるいは基板から回転パルスと速度信号が出力されるため、回転検出装置１のコンパクト化が可能で、信号処理回路を省略することができる。

このように、この実施形態の回転検出装置１では、センサ３の発生するパルスａを逓倍した逓倍パルスｂを全て使用して速度検出を行うので、図８に×印で示すように速度検出のレートつまり速度検出のサンプリング回数を増やすことができ、その検出速度ｖを利用した回転制御などにおいて制御の応答性を高めることができる。また、細かな速度変動を高精度に検出することができる。なお、同図において、▲印は、逓倍パルスｂを使用しない場合、つまりセンサ３の発生するパルスａだけを使用して速度検出を行う場合の検出速度ｖの変化を示す。

図９は、上記した回転検出装置１を軸受に搭載した回転検出装置付き軸受の一構成例を示す。この回転検出装置付き軸受２０は、転動体２４を介して互いに回転自在な回転側軌道輪２２および固定側軌道輪２３を有する軸受２１において、回転側軌道輪２２の一端部にラジアルタイプの回転検出装置１のエンコーダ２を取付けると共に、このエンコーダ２と径方向に対向して固定側軌道輪２２の一端部に回転検出装置１のセンサ３を取付けたものである。軸受２０は深溝玉軸受からなり、その内輪が回転側軌道輪２２となり、外輪が固定側軌道輪２３となる。

エンコーダ２は、リング状のバックメタル１２の外周面に磁極対を周方向に並べて着磁させた磁気エンコーダであり、バックメタル１２を介して回転側軌道輪２２に固着されている。センサ３はリング状の金属ケース２５内に樹脂モールドされ、金属ケース２５を介して固定側軌道輪２２に固定される。

このように、上記構成の回転検出装置１を搭載した回転検出装置付き軸受２０では、高分解能の回転パルスを得ることができると共に、高精度の速度検出が可能となる。

図１０は、上記した回転検出装置１を軸受に搭載した回転検出装置付き軸受の他の構成例を示す。この回転検出装置付き軸受２０Ａは、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ駆動輪支持用の車輪用軸受３０にアキシアルタイプの回転検出装置１を搭載したものである。
車輪用軸受３０は、内周に複列の転走面３３を形成した外方部材３１と、これら各転走面３３に対向する転走面３４を形成した内方部材３２と、これら外方部材３１および内方部材３２の転走面３３，３４間に介在した複列の転動体３５とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持するようにしたものである。この車輪用軸受３０は、複列外向きアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体３５はボールからなり、各列毎に保持器３６で保持されている。外方部材３１と内方部材３２の間の軸受空間の両端は、シール３７，３８によりそれぞれ密封されている。インボード側端のシール３８の内方部材３２の外周面に圧入固定されるスリンガが、回転検出装置１の磁気エンコーダ２とされる。この磁気エンコーダ２の磁極対が周方向に並ぶ側面に、回転検出装置１のセンサ３が軸方向に対向して配置される。センサ３はリング状の金属ケース３９内に樹脂モールドされ、金属ケース３９を介して外方部材３１に固定される。

この発明の一実施形態にかかる回転検出装置の概略構成を示すブロック図である。 （Ａ）は同回転検出装置におけるエンコーダの一構成例を示す半部断面図、（Ｂ）は同エンコーダの斜視図である。 （Ａ）は同回転検出装置におけるエンコーダの他の構成例を示す半部断面図、（Ｂ）は同エンコーダの斜視図である。 同回転検出装置における速度検出手段の構成を示すブロック図である。 同速度検出手段におけるパルス生成時刻記憶手段および速度算出手段の構成を示すブロック図である。 速度算出手段における差分演算部の動作説明図である。 速度算出手段により得られる速度の変化と従来例の方法により得られる速度の変化とを比較して示すグラフである。 全逓倍パルスを使用して得られる検出速度のプロットと、逓倍パルスを使用しない場合に得られる検出速度のプロットとを比較して示すグラフである。 この発明の回転検出装置を搭載した回転検出装置付き軸受の一構成例を示す断面図である。 この発明の回転検出装置を搭載した回転検出装置付き軸受の他の構成例を示す断面図である。 センサの出力パルスから逓倍パルスを生成する方式の説明図である。 センサのアナログ出力信号から逓倍信号を生成する方式の説明図である。 逓倍パルスのピッチ誤差を示すグラフである。

符号の説明

１…回転検出装置
２…エンコーダ
３…センサ
４…逓倍手段
５…速度検出手段
６…パルス生成時刻記憶手段
７…タイマ
８…速度算出手段
２０，２０Ａ…回転検出装置付き軸受
２１，３０…軸受

Claims (7)

1. 回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配されたエンコーダと、このエンコーダの前記被検出極を検出してパルスを発生するセンサとを備えた回転検出装置において、
   前記センサの発生するパルスを設定された逓倍数に逓倍して逓倍パルスを生成する逓倍手段と、前記逓倍手段が逓倍パルスを発生する毎に、その逓倍パルスから過去に逓倍数分の逓倍パルスを発生した区間における前記エンコーダの平均速度を検出する速度検出手段とを設けたことを特徴とする回転検出装置。
2. 請求項１において、前記エンコーダは、前記被検出極となる磁極が円周方向に並んで設けられた磁気エンコーダであり、前記センサは前記磁気エンコーダの磁極を検出する磁気センサである回転検出装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記速度検出手段は、前記逓倍数分の各逓倍パルスの生成時刻を記憶する記憶エリアを有するパルス生成時刻記憶手段と、前記逓倍手段が逓倍パルスを発生する毎に逓倍パルスの生成時刻を計時して前記パルス生成時刻記憶手段の記憶内容を、最新の逓倍数分の生成時刻の記憶状態となるように更新するタイマと、最新の逓倍パルスの生成時刻と前記パルス生成時刻記憶手段に記憶された逓倍数分だけ過去の生成時刻との差分を計算し、この差分を用いて前記平均速度を算出する速度算出手段とを有する回転検出装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記逓倍手段で生成した逓倍パルスを回転パルスとして出力する回転パルス出力手段と、前記速度検出手段で検出した速度を速度信号として出力する速度信号出力手段とを有する回転検出装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記センサと、前記逓倍手段と、前記速度検出手段とを、共通のセンサチップに集積するか、または共通の基板に設けて一体化した回転検出装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記センサと前記逓倍手段が、複数の整列させられた磁気検出素子で構成され、それら複数の磁気検出素子の出力を演算して生成された内部信号に基づいて、あらかじめ定められた逓倍数の出力を生成するものである回転検出装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の回転検出装置が軸受に搭載された回転検出装置付き軸受。

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