JP2009522567A - 差分比較によって絶対角度位置を検出するためのシステム、ころがり軸受および回転機械 - Google Patents
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Abstract
差分比較によって絶対角度位置を検出するためのシステム、ころがり軸受および回転機械である。非回転要素に対する回転要素の角度位置を検出するためのシステムは、2以上のP個の極をもち、回転要素および非回転要素のうちの一方に取り付けられる環状コーダと、該コーダから発せられた信号を受信可能であり、上記回転要素または非回転要素と対向する他方の回転要素または非回転要素に角度をもって分布配置された奇数かつ3以上のN個のセンサと、該センサからの少なくとも二つの出力信号を処理して差分信号の生成可能な少なくとも一つの減算部とを有している。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
本発明は、非回転要素に対する回転要素の角度位置の検出の分野に関する。また、本発明は、静的要素に対するロータの絶対角度位置の確認が要求される回転システムの分野に関する。
特許文献1の要約書には、三個のセンサが互いに近接して取り付けられた回転検出装置が記載されている。
特許文献2、特許文献3、特許文献4の要約書には、三つのセンサを備える回転検出装置が記載されている。
特許文献5、特許文献6、特許文献7の発明は、ブラシレスモータのためのセンサを目的としている。
特許文献8は、多数の極をもつ環状部材を有する磁気情報センサを備えるころ軸受に関する。
特許文献9には、回転方向で対称性を有さない磁場を形成する磁気源を支持するロータの回転位置を決定する方法が記載されている。決定手段は二つの検出器からなる組を複数有しており、各組の検出器は、磁界と実質的に平行な成分に対して敏感となっている。
特開2000−241197号
特開平8−54205号
特開平6−58770号
特開2000−209889号
独国特許出願公開第3910498号
米国特許第5198738号
米国特許第6310450号
仏国特許出願公開第2599794号
米国特許第6288533号
このような装置は、概して複雑であり、高価な手段による処理を要する信号を生成する。得られる該信号は、空隙の大きさやバラツキに対して敏感である。
本発明は、上述の装置の欠点を改善することを目的としている。
本発明は、磁気信号の振幅のバラツキ、取付けに起因するずれあるいは電圧の変動に対してほとんど不感である簡素な検出システムを提供することを目的としている。
非回転要素に対する回転要素の角度位置を検出するためのシステムは、2以上のP個の極をもち、回転要素および非回転要素のうちの一方に取り付けられる環状コーダと、該コーダから発せられた信号を受信可能であり、上記回転要素または非回転要素と対向する他方の回転要素または非回転要素に角度をもって分布配置された奇数かつ3以上のN個のセンサと、該センサからの少なくとも二つの出力信号を処理して差分信号の生成可能な少なくとも一つの減算部とを有している。
上記システムは、三個または六個のセンサを有することが可能である。コーダは二つの極を有しているようにすることができる。コーダは180°間隔の二極とすることが可能である。
Nは3、5または7とすると、有利である。
一つの形態では、iが1〜N、係数aiおよびbiが、検知された角度の正弦値および余弦値をN個の情報に基づいて、再構成可能とする係数であるとき、減算部は、出力電圧Us=Σ(ai×Ui)−Σ(bi×Ui)なる式により、信号の差分に重み付けした信号の生成を可能とする演算部を有している。
一つの形態では、減算部は、アナログ情報をデジタル化処理する回路と、出力電圧を算出する集積回路とを有している。
別の形態では、減算部は出力電圧を算出するアナログ回路を有している。
一つの形態では、回転要素に固定された二極環状コーダと、該コーダと対向する非回転要素に周方向で規則的な間隔をもって配置され固定された三個の磁界センサと、各センサからの出力信号を受ける減算部とを有しており、上記信号は、センサによって計測された磁界を示し、非回転要素に対する回転要素の角度位置θを示す差分信号として出力される。
一つの形態では、演算部からの出力信号は、非回転要素に対する回転要素の角度位置θの正弦波信号および余弦波信号を含んでいる。これによって、逆正接型の関数によって上記角度位置を算出することができる。
一つの形態では、減算部は、加算器および減算器の少なくとも一方として設けられた増幅器を有している。
一つの形態では、第一の増幅器は第一の出力信号を供給する減算器として設けられ、第二の増幅器は加算型インバータとして設けられ、第三の増幅器は第二の出力信号を供給する加算器として設けられており、第二の増幅器の出力端は、第三の増幅器の入力端と接続されている。上記増幅器を有するサブアセンブリは、アナログ回路によって経済的な手段で具現化できる。
一つの形態では、減算部は、各センサ毎に設けられた一つのフィルタと、フィルタの出力側に設けられた三つの増幅器と、増幅器の出力側に設けられてたインターポレータとを有している。該インターポレータは、アナログ型またはデジタル型を用いることができる。
一つの形態では、センサからの出力信号をB1、B2およびB3とし、定数をAとするとき、演算部は、演算実行時に、(√3/2)×(B2−B3)/Aに等しい第一の出力信号および(B1−(B2+B3)/2)/Aと等しい第二の出力信号を供給する。
一つの形態では、減算部は、角度位置の正弦値および余弦値を入力として受け角度位置θを出力として供給するインターポレータを有している。
一つの形態では、センサは、磁界発生輪によって発せられた磁界形状に関連するエラーを最適化するための非周期的な手段に配置されている。
一つの形態では、複数のセンサが一つの同じハウジング内に設けられている。
一つの形態では、上記システムは、回転比をもつ機械的な減速ギアを有している。
一つの形態では、上記システムは、一回の回転毎に一つのノッチによってカウント数を増加する機械的なカウンタを有している。
一つの形態では、上記システムは、2π/3の角度領域にわたる三個のセンサと、二極コーダとを有している。
一つの形態では、上記システムは、π/3の角度領域にわたる三個のセンサと、四極コーダとを有している。
一つの形態では、上記システムは、4π/9の角度領域にわたる設けられた三個のセンサと、六極コーダとを有している。
一つの形態では、上記システムは、π/6の角度領域にわたる三個のセンサと、八極コーダとを有している。
ころ軸受は、二つの軌道輪および該二つの軌道輪の間に配置された一列の転動要素と、検出システムとを有することが可能であり、該システムは、一方の軌道輪の、他方の軌道輪に対する角度位置を供給する。
電気モータのような回転機械は、ロータと、ステータと、検出システムとを有することができ、該システムは、ステータに対するロータの角度位置を供給する。
本発明の特徴によって、外部の摂動に対してほぼ不感な信頼できる手段で位置検出を行うことができる。
本発明は、全く限定されない例として添付図面で示されたいくつかの実施形態の詳細な説明を参照することで、より良く理解されるであろう。
図1に例として示されているように、検出システムは、三つの磁界センサ1,2,3、例えば、環状コーダ4のまわりに周方向にて一定間隔で設けられたホール効果プローブを有している。該環状コーダ4は、180°の角度領域を占めるN極と、180°の角度領域を占めるS極とを有しており、センサ1〜3に対して回転可能となっている。正弦波信号を変形させて得られた磁気信号、例えば三角波磁気信号における精度は、1.2°であってもよい。0.3°の精度とするには5個のセンサを使用することが可能である。N=7とすると、さらに良い精度がもたらされる。N=4とした場合には、精度は約4°にとどまる。N=5のときに得られる精度は、N=8のときに得られる精度よりも大きい。奇数個のセンサは、特に高調波、特に三角波に近くなる傾向にある信号の変形に起因する高調波の抑制の改良によって、より良く信号を再構成することを許容する。
環状コーダは、磁性合金、その他には、プラストフェライトやエラストフェライトを磁化することにより作られる。磁界(ベクトル)Bは、外部の摂動の範囲内で一定の絶対値Bmaxおよびコーダ4の磁界に依存する磁界の方向を示している。センサ1はBmaxcosθの値である磁界B1を検出する。ここで、θはコーダ4の回転中心に対するセンサ1の角度位置と磁界(ベクトル)Bとの間の角度である。換言すると、θは、コーダ4の回転中心を通る二つの直線(一方はセンサ1を通り、他方はコーダ4のN極の中心を通る)の間の角度である。コーダ4の角度位置の関数として、磁界B1は図2に示されるように展開される。磁界B1は、Bmaxcos(θ+120°)と等しく、磁界B3は、Bmaxcos(θ+240°)と等しい。通常、Bi/Bmax=cos(2π(i−1)/3+θ)である。
図3に見られるように、検出システムは、計測結果を具現化する電子回路5を有している。センサ1〜3のそれぞれの出力は、磁界信号の供給を可能とするフィルタ6〜8に接続されている。上記電子回路5は、上記フィルタ6〜8に加え、二つの増幅器9,10を有している。該増幅器9は、センサ3のフィルタ8から出力された信号B2を、抵抗器12を経由して反転入力端で受ける。該抵抗器12は、固定抵抗器12cとポテンショメータ12bとを直列で有しているとともに、該ポテンショメータ12bと固定抵抗器12aを並列で有している。抵抗器11は増幅器9の反転入力端と出力端との間に設けられている。
該増幅器9は、その非反転入力端にて、センサ2のフィルタ7で発せられた信号B3を、抵抗器13を経由して受ける。抵抗器14は、一方で、増幅器9の非反転入力端と抵抗器13とに共通して接続され、他方で、回路のグランドに接続されて設けられている。抵抗器15は、一方で、増幅器9の非反転入力端と抵抗器13とに共通して接続され、他方で、回路の電源(例えば、+5V)に接続されて設けられている。
増幅器9は、一定の範囲内の角度θの正弦値と等しい電圧を出力する。したがって、増幅器9は、磁界B2と磁界B3とに差を生じさせる。
該増幅器10は、センサ1のフィルタ6で発せられた信号B1を、抵抗器17を経由して受ける非反転入力端を有する。該抵抗器17は、固定抵抗器17cとポテンショメータ17bとを直列で有しているとともに、該ポテンショメータ17bと固定抵抗器17aを並列で有している。抵抗器11は増幅器9の反転入力端と出力端との間に設けられている。抵抗器18は、一方で、増幅器10の非反転入力端と抵抗器17とに共通して接続され、他方で、回路のグランドに接続されて設けられている。抵抗器19は、一方で、増幅器10の非反転入力端と抵抗器17とに共通して接続され、他方で、回路の電源(例えば、+5V)に接続されて設けられている。
上記増幅器10は、一方で、抵抗器20を経由して信号B2を受けるとともに、他方で、抵抗器21を経由して信号B3を受ける反転入力端を有する。該抵抗器21は、固定抵抗器21cとポテンショメータ21bとを直列で有しているとともに、該ポテンショメータ21bと固定抵抗器21aを並列で有している。抵抗器22は増幅器9の反転入力端と出力端との間に設けられている。
増幅器10は、信号B1と、信号B2および信号B3の合計の逆数との和をもたらす。増幅器10からの出力信号は、一定の範囲内の角度θの余弦値と等しい。sinθおよびcosθは、それぞれ増幅器9および増幅器10の出力であり、tanθを算出するために構成されたインターポレータ23へ送られる。すなわち、出力としての角度θを得るために、余弦値によって正弦値を割って、逆正接関数に適用する。ここで、以下の式が得られる。
通常、N個のセンサに関しては、複数の一様な磁界、温度変化、コーダのオフセットおよびゲインの変化に対して本質的に不感であるという長所を確保し、以下の式が成立する。
抵抗器12〜22の抵抗値は、後者の方程式の乗算定数に適用するために選択される。このようにして、非常に単純で安価な電子処理回路が実現できる。該電子処理回路は、図3に示されているようなアナログで構成されてもよく、デジタルで構成されてもよい。このようにして、角度θは、初期のズレ、特に機械的なズレとともに、磁界の係数Bmaxの変動に対しても不感であり、信頼性のある手法で算出される。
図3に示されるような差分検出システムは、図4に示される、ステータ24および軸受26,27に支持されたシャフト25に取り付けられたロータ24aを有する電気モータに適用可能である。
図4では、センサ1のみが示されており、電気モータ内部に設けられているセンサ2,3は断面図には示されていない。回路5はセンサ1に近接して設けられている。これらのセンサおよび処理回路5はステータ24によって支持されており、コーダ4はロータ24aによって支持されている。
図5に示される実施形態では、検出システムは、全体として符号28で示されているころ軸受に取り付けられている。ころ軸受28は、外軌道輪29と、コーダ4を支持する内軌道輪30を有している。外側軌道輪29は、センサ1〜3および処理回路5を支持している。軸受28は、様々な適用例、特に、電気モータのシャフトを支持し、ステータの極に対するロータの極の位置を確実にするための適用例において、使用可能である。
換言すると、非回転要素に対する回転要素の位置を差分をもって検出する装置は、回転要素に取り付けられた二極コーダと、コーダに対して空隙をもって非回転要素に取り付けられ周方向にて一定間隔で配置された3個、5個または7個の磁界センサと、各センサからの出力信号を受ける演算回路とを有するようにすることが可能であり、該信号は、上記センサによって計測された磁界を示す。演算部は、非回転要素に対する回転要素の角度位置を示す信号を出力として発するように構成されている。該演算部は、抵抗器と接続された三つの増幅器からなるサブアセンブリを有することが可能である。
図6に示される形態では、検出システムは、所望の位置に設けられた回転要素(図示せず)と連結された小径の歯車31と、該小径の歯車31と噛み合う大径の歯32および小径の歯33を有する二重歯車と、該二重歯車の小径の歯33と噛み合う大径の歯車34とを備えている。コーダ4は、大径の歯車34とともに回転するように該歯車34に順次結合され、センサ1〜3は固定されている。伝動装置は、D32D34/D31D33に等しい減速(ここで、伝動装置iの直径Di)を確実にするので、非常に正確な計測が確実となる。
したがって、大径の歯車34の回転数を計数することが有用である。図7および図8に示されているように、大径の歯車34は、歯に対して軸方向にずれた位置で、該大径の歯車に対して軸方向にずれて位置している歯車36と協働するスタッド35を有している。大径の歯車34の回転中、歯車36は、近接して通過するスタッド35により間欠的に作動する。歯車36の一回の角変位は、一方向またはその逆の方向における大径の歯車34の一回転に対応する。歯車36は、低分解能の安価な角変位センサ37を備える。
図9に示される電子処理回路38は、センサ1〜3からの出力信号を入力として受けるアナログ−デジタルコンバータ39と、コンバータ39の出力端に接続された入力端を有し、特に、出力としてのtanθを得るために、例えば信号sinθを信号cosθで除算するよう構成された演算部40と、演算部40の出力端に接続された入力端を有し、特に、逆正接の演算を実行して出力θとしての角度を得るように構成された演算部41と、角度θを入力として受けて、例えばパルス幅変調やデジタル−アナログ変換による整形に用いる整形部42とを備えている。この結果、電子処理回路38は、所定の応用例において所望のデジタル処理を確実に実行する。
図10に示される実施形態では、検出システムは、二極コーダ4に対して軸方向の空隙をもって配置された三つのセンサ1〜3を有している。半径方向の位置はコーダ4に応じて決定され、図1に示されたシステムにおける半径方向の位置に対してより内側に位置している。センサ1〜3は、半径方向において、コーダ4の縁部を形成する二つの円の間に配置されている。
図11および図12に示される実施形態では、検出システムはコーダ43に対して軸方向の空隙をもって配置された三つのセンサ1〜3と、固定された三つの永久磁石44,45,46とを有している。コーダ43は、外周が楕円形をなす磁性材料(例えば非鉄)から作られた平坦な板を有している。該板には楕円形の開口部が形成されていて、該開口部の焦点同士を結ぶ軸が、該板の外周縁をなす楕円の焦点同士を結ぶ軸に対して直角となっており、半径方向で相対的に広がった膨らみ部47が形成されている。コーダの外周縁の楕円形の中心がコーダ43の回転軸上に位置している。磁石44,45および46は、コーダ43に対してセンサ1〜3の反対側に設けられていて、該センサと対面している。換言すると、軸方向の空隙は磁石44,45および46とセンサ1〜3との間に設けられている。軸方向の空隙は、コーダ43が磁石44,45および46とセンサ1〜3との間に進入することを許容する程度に十分大きい。
図11および図12で見ることができる角度位置において、コーダ43の膨らみ部47は磁石44とセンサ1との間に位置しており、センサ1によって感知される磁界が著しく弱められている。逆に、コーダ43は、磁石45とセンサ2との間そして磁石46とセンサ3との間には位置していない。したがって、センサ1〜3は、既述した実施形態にて供給される信号と類似した信号を供給する。
図13および図14に示されている実施形態は、磁石44〜46とセンサ1〜3とがコーダ43に対して同じ側の面に設けられている点を除いては、図11および図12に示される実施形態と類似している。このように、コーダ43は、角度位置に応じてセンサ1〜3によって感知される磁界を変化させることを可能としている。
図15に示されている実施形態は、コーダ48が回転軸に対して傾いている点を除いては、図13および図14に示されている実施形態に類似している。コーダ48は、外周が円形をなす磁性材料(例えば鉄)から作られた平坦な板を有している。該板には、該板の外周縁と同心をなす円形の開口部が形成されている。コーダ48の回転中、コーダ48とセンサ1〜3との間の距離は正弦曲線状に変化する。コーダ48は、角度位置に応じてセンサ1〜3によって感知される磁界を変化させる。
図16に示されている実施形態は、コーダ49が、例えば、磁化されたプラストフェライトを基礎とするベースとする環状の二極の輪50を有している点を除いては、図15に示されている実施形態と類似している。コーダ49は、回転軸に対して傾いており、各センサ1〜3に対して周期的に近づいたり離れたりして、磁界51を発生させる。各センサ1〜3による該磁界51の感知は該センサ1〜3とコーダ49との間の距離、ひいてはコーダ49の角度位置によって左右される。
図17に示されている実施形態では、コーダ52は、半径方向に磁化された環状の二極の輪を有している。換言すると、一方の極53はコーダの開口側に形成されており、他方の極54は外周側に形成されている。コーダ52の中心55は、回転軸56に対して半径方向にずれている。したがって、半径方向の空隙をもって配置されているセンサはコーダ52の角度位置の関数としてN極またはS極を感知している。したがって、センサ1〜3の出力信号は、コーダ52の角度位置を示す。
Claims (22)
- 非回転要素に対する回転要素の角度位置を検出するためのシステムにおいて、2以上のP個の極をもち、回転要素および非回転要素のうちの一方に取り付けられる環状コーダ(4)と、該コーダから発せられた信号を受信可能であり、上記回転要素または非回転要素と対向する他方の回転要素または非回転要素に角度をもって分布配置された奇数かつ3以上のN個のセンサと、該センサからの少なくとも二つの出力信号を処理して差分信号を生成可能な少なくとも一つの減算部とを有していることを特徴とするシステム。
- iが1〜N、係数aiおよびbiが、検知された角度の正弦値および余弦値を、N個の情報に基づいて、再構成可能とする係数であるとき、減算部は、Ucos=Σ(ai×Ui)−Σ(bi×Ui)なる式により、信号の差分に重み付けした信号の生成を可能とする演算部を有していることとする請求項1に記載のシステム。
- 減算部は、アナログ情報をデジタル化処理する回路と、Ucosを算出する集積回路とを有していることとする請求項2に記載のシステム。
- 減算部はUcosを算出するアナログ回路を有していることとする請求項2に記載のシステム。
- 回転要素に固定された二極環状コーダ(4)と、該コーダと対向する非回転要素に周方向で規則的な間隔をもって配置され固定された三個の磁界センサ(1,2,3)と、各センサからの出力信号を受ける減算部(5)とを有しており、上記信号は、センサによって計測された磁界を示し、非回転要素に対する回転要素の角度位置θを示す差分信号として出力されることとする請求項1ないし請求項4のいずれか一つに記載のシステム。
- 演算部からの出力信号は、非回転要素に対する回転要素の角度位置θの正弦波信号および余弦波信号を含んでいることとする請求項1ないし請求項5のいずれか一つに記載のシステム。
- 減算部(5)は、加算器および減算器の少なくとも一方として設けられた増幅器を有していることとする請求項1ないし請求項6のいずれか一つに記載のシステム。
- 第一の増幅器は第一の出力信号を供給する減算器として設けられ、第二の増幅器は加算型インバータとして設けられ、第三の増幅器は第二の出力信号を供給する加算器として設けられており、第二の増幅器の出力端は、第三の増幅器の入力端と接続されていることとする請求項7に記載のシステム。
- 第一の増幅器(9)は、角度位置θの正弦値に応じた第一の出力信号を供給するように二つのセンサから信号を受ける減算器として設けられており、第二の増幅器は、角度位置θの余弦値に応じた第二の出力信号を供給するように上記二つのセンサからの信号および第三のセンサからの信号を受ける加算型インバータとして設けられていることとする請求項7に記載のシステム。
- 減算部(5)は、各センサ毎につき設けられたフィルタ(6,7,8)と、該フィルタの出力側に設けられた増幅器と、該増幅器の出力側に設けられたインターポレータ(23)とを有している、こととする請求項7ないし請求項9のいずれか一つに記載のシステム。
- センサからの出力信号をB1、B2およびB3とし、定数をAとするとき、演算部は、演算実行時に、(√3/2)×(B2−B3)/Aに等しい第一の出力信号および(B1−(B2+B3)/2)/Aと等しい第二の出力信号を供給することとする請求項8または請求項9に記載のシステム。
- 減算部は、角度位置の正弦値および余弦値を入力として受け角度位置θを出力として供給するインターポレータ(23)を有していることとする請求項1ないし請求項11のいずれか一つに記載のシステム。
- センサは、磁界発生輪によって発せられた磁界形状に関連するエラーを最適化するための非周期的な手段に配置されていることとする請求項1ないし請求項12のいずれか一つに記載のシステム。
- 複数のセンサが一つの同じハウジング内に設けられていることとする請求項1ないし請求項13のいずれか一つに記載のシステム。
- 回転比をもつ機械的な減速ギアを有していることとする請求項1ないし請求項14のいずれか一つに記載のシステム。
- 一回の回転毎に一つのノッチによってカウント数を増加する機械的なカウンタを有していることとする請求項15に記載のシステム。
- 2π/3の角度領域にわたる三個、五個または七個のセンサと、二極コーダとを有していることとする請求項1ないし請求項16のいずれか一つに記載のシステム。
- π/3の角度領域にわたる三個、五個または七個のセンサと、四極コーダとを有していることとする請求項1ないし請求項16のいずれか一つに記載のシステム。
- 4π/9の角度領域にわたる三個、五個または七個のセンサと、六極コーダとを有していることとする請求項1ないし請求項16のいずれか一つに記載のシステム。
- π/6の角度領域にわたる三個、五個または七個のセンサと、八極コーダとを有していることとする請求項1ないし請求項16のいずれか一つに記載のシステム。
- 二つの軌道輪(29,30)および該二つの軌道輪の間に配置された一列の転動要素を有するころ軸受と、請求項1ないし請求項20のいずれか一つに記載のシステムとを有し、該システムは、一方の軌道輪の、他方の軌道輪に対する角度位置を供給することとするシステム。
- ロータ(24a)と、ステータ(24)と、請求項1ないし請求項20のいずれか一つに記載のシステムとを有し、ステータに対するロータの角度位置を供給することとする回転機械。
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