JP4883959B2 - 回転検出装置および回転検出装置付き軸受 - Google Patents

Description

この発明は、各種の機器における回転検出、例えば小型モータの回転制御のための回転検出や、事務機器の位置検出のための回転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備えた軸受に関する。

小型の機器に組み込み可能で、かつ高精度の回転角度検出が可能な回転検出装置として、センサアレイを用いるものが提案されている（例えば特許文献１）。これは、磁気センサ素子（ＭＡＧＦＥＴ）を多数並べたセンサアレイを、信号増幅回路、ＡＤ変換回路、およびディジタル信号処理回路と共にセンサチップに集積し、このセンサチップを、回転側部材に配置される磁気発生手段に対向配置したものである。このように構成することで、磁気発生手段の発生する磁界分布を磁気センサアレイが検出し、その分布から磁気発生手段の回転角度が検出される。
しかし、この構成の場合、半導体回路において、シリコン上に集積されたセンサ素子の出力信号には、回路内部で発生する熱雑音や１／ｆノイズが重畳するので、磁気センサアレイにおいてもセンサ素子のオフセットばらつきが発生し、角度検出精度が悪くなるという問題がある。

そこで、上記センサアレイにおける磁気センサ素子を並列化してセンサ有効面積を増加することで１／ｆノイズを低減することにより、角度検出精度の悪化低減を図るようにしたもの（例えば特許文献２）や、磁気ラインセンサを複数本並列に並べて配設し、これら各ラインセンサにおけるセンサ素子の出力を平均化処理することで、オフセットばらつきに起因する検出精度悪化を解消するようにしたもの（例えば特許文献３）も提案されている。
特開２００３−１４８９９９号公報 特開２００４−０３７１３３号公報 特開２００５−０４３０７０号公報

しかし、特許文献２や特許文献３に開示のように磁気センサ素子を並列化し、あるいは磁気ラインセンサを複数本並列に並べて配設する構成の場合でも、後段の信号読み出し回路で発生するノイズ量は低減できないので、精度悪化低減効果は限られたものとなる。

なお、信号読み出しをして計算することで検出された角度値を記憶しておき、その結果を数回分に渡って平均化処理することにより、検出角度のばらつきを抑えることは可能である。しかし、ｎ回分の平均化を行うためには、ｎ回の信号読み出しおよび角度計算処理を行う必要があり、角度検出レートが１／ｎになってしまうという問題がある。過去ｎ回の計算結果を常に平均して出力する構成にすれば、検出レートは低下せずに済むが、計算結果は実際の角度よりも遅れた値となる。１回の角度検出処理に要する時間をＴとすると、ｎ回の計算ではｎＴの時間が必要で、その平均値を出力するためには概略ｎＴ／２の時間遅れが発生することになる。

この発明の目的は、信号読出し回路で発生するノイズの影響を抑えて、検出角度のばらつきを小さくできる高精度の回転角度検出が可能で、かつ検出角度が出力されるまでの時間遅れをできるだけ小さく抑えることのできる回転検出装置、および回転検出装置付き軸受を提供することである。

この発明の構成を実施形態に対応する図３と共に説明する。この回転検出装置は、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイ（５）と、この磁気センサアレイ（５）に対向して回転する磁石と、前記磁気センサアレイ（５）の信号を読み出す信号読出し回路（１１）と、この信号読出し回路（１１）に磁気センサアレイ（５）の信号読出しを数回繰り返させ、この繰り返し読み出された信号を積算または平均化処理する繰り返し処理手段（１３）と、この繰り返し処理手段（１３）で得られた積算値または平均値から前記磁石の回転角度を計算する回転角度計算回路（１４）とを備えたものである。
この構成によると、磁気センサアレイ（５）を構成する磁気センサ素子からの一連の信号の読み出し、つまりスキャンのみを数回繰り返し、得られたセンサ信号の積算値または平均値を使って回転角度計算回路（１４）による角度計算を実施する。このセンサ信号の積算または平均化により、信号のノイズが低減され、角度計算結果のばらつきを抑えることができる。処理時間のかかる回転角度計算処理は１回で済むため、平均化処理による時間遅れを最小限に抑えつつ、センサ信号のノイズを低減し、角度検出精度を向上させることができる。

回転角度計算回路（１４）による磁石の回転角度の計算毎の差分である角度変化を計算し、角度変化の大きさによって前記繰り返し処理手段（１３）による信号読み出しの繰り返し回数を調整する繰り返し回数自動調整手段（１８）を設ける。
つまり、毎回の角度検出処理によって得られる検出角度から、その検出角度の変化の大きさ（すなわち回転速度）を求め、変化量が大きい場合はスキャンの繰り返し回数を減らし、小さい場合には繰り返し回数を増やす処理を行う。これによって回転が速い場合には時間遅れを抑えることを優先し、逆に回転がゆっくりの場合は検出角度のばらつきを抑えることを優先することができ、回転速度の状況に応じて最適なノイズ低減処理を行うことができる。

この発明の回転検出装置付き軸受は、この発明における上記いずれかの構成の回転検出装置を搭載した軸受である。その場合に、磁石は回転側軌道輪に、上記磁気センサアレイは静止側軌道輪にそれぞれ配置する。
軸受に回転検出装置を一体化することで、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。この場合、この発明の回転検出装置による高精度の回転角度検出が可能で、かつ検出角度が出力されるまでの時間遅れをできるだけ小さく抑えることができるという利点が得られる。

この発明の回転検出装置は、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイと、この磁気センサアレイに対向して回転する磁石と、前記磁気センサアレイの信号を読み出す信号読出し回路と、この信号読出し回路に磁気センサアレイの信号読出しを数回繰り返させ、この繰り返し読み出された信号を積算または平均化処理する繰り返し処理手段と、この繰り返し処理手段で得られた積算値または平均値から前記磁石の回転角度を計算する回転角度計算回路とを備え、回転角度計算回路による磁石の回転角度の計算毎の差分である角度変化を計算し、角度変化の大きさによって前記繰り返し処理手段による信号読み出しの繰り返し回数を調整する繰り返し回数自動調整手段を設けたため、信号読出し回路で発生するノイズの影響を抑えて、検出角度のばらつきを小さくできる高精度の回転角度検出が可能で、かつ検出角度が出力されるまでの時間遅れをできるだけ小さく抑えることができる。
この発明の回転検出装置付き軸受は、この発明における回転検出装置を軸受に搭載したため、この発明の回転検出装置による高精度の回転角度検出が可能でかつ検出角度が出力されるまでの時間遅れをできるだけ小さく抑えるという利点を得ながら、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原理構成を示す。回転側部材１および非回転側部材２は、相対的に回転する回転側および非回転側の部材のことである。この回転検出装置３は、非回転側部材２に配置された磁気センサアレイ５と、回転側部材１に配置され磁気センサアレイ５に対向して回転側部材１と一体に回転する磁石４と、磁気センサアレイ５の出力から磁石４の回転角度を算出する角度算出手段６とを備える。磁気センサアレイ５は磁気センサ素子１９をアレイ状に並べたものであり、磁石４に対して僅かな隙間を隔てて配置される。

磁石４は、発生する磁気が回転側部材１の回転中心Ｏの回りの円周方向異方性を有するものであり、永久磁石の単体、あるいは永久磁石と磁性材の複合体からなる。ここでは、磁石４は、１つの永久磁石７を２つの磁性体ヨーク８，８で挟んで一体化したものとされて、概形が二叉のフォーク状とされ、一方の磁性体ヨーク８の一端がＮ磁極、他方の磁性体ヨーク８の一端がＳ磁極となる。磁石４をこのような構造とすることにより、シンプルでかつ堅牢に構成できる。この磁石４は、回転側部材１の回転中心Ｏが磁石４の中心と一致するように回転側部材１に取付けられ、回転側部材１の回転によって上記回転中心Ｏの回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。

磁気センサアレイ５は磁石４の磁気を検出するセンサであって、回転側部材１の回転中心Ｏの軸方向に向けて磁石４と対向するように、非回転側部材２に配置される。ここでは、磁気センサアレイ５は、図２のように一つの半導体チップ９の面上に、仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置される。矩形の中心Ｏ’は、回転側部材１の回転中心Ｏに一致する。各辺のセンサ列５Ａ〜５Ｄにおける磁気センサ素子１９は、ＭＡＧＦＥＴ（電界効果トランジスタ型の磁気センサ素子）からなる。

図１，図２における角度算出手段６は集積回路からなり、半導体チップ９上に、磁気センサアレイ５と共に集積されている。角度算出手段６は、磁気センサアレイ５の矩形配置の内部に配置される。これにより、磁気センサアレイ５および角度算出手段６をコンパクトに配置することができる。

図３は、角度算出手段６からアブソリュート出力を得るものとした場合の、上記半導体チップ９上での回路の概念構成例を示す。この角度算出手段６は、磁気センサアレイ５の各センサ列５Ａ〜５Ｄのアナログ信号を読み出す信号読出し回路１１と、読み出されたアナログ信号をディジタル化するＡＤ変換回路１２と、繰り返し処理手段１３と、回転角度計算回路１４とで構成される。
繰り返し処理手段１３は、信号読出し回路１１に磁気センサアレイ５の信号読出しを数回繰り返させ、この繰り返し読み出された信号を積算または平均化処理する回路部であり、メモリー１５や制御回路１６を有する。メモリー１５は、繰り返し読み出され信号を積算または平均化処理する平均化処理回路１７を含む。制御回路１６は、磁気センサアレイ５、信号読出し回路１１、ＡＤ変換回路１２、およびメモリー１５を制御する回路であって、繰り返し回数自動調整手段１８を有する。繰り返し回数自動調整手段１８は、回転角度計算回路１４による磁石４の回転角度の計算毎の差分である角度変化を計算し、角度変化の大きさによって信号読み出しの繰り返し回数を調整するものである。繰り返し回数自動調整手段１８は、角度変化の大きさと繰り返し回数の関係を定めたテーブルまたは計算式が設定されていて、これらテーブルまたは計算式に従って、繰り返し回数を定める。
回転角度計算回路１４は、繰り返し処理手段１３で得られた積算値または平均値から磁石４の回転角度を計算する回路である。

上記角度算出手段６の動作を以下に説明する。多数の磁気センサ素子１９が並べられた磁気センサアレイ５は順次スキャンされて、信号読出し回路１１によってアナログ信号が取り出される。読み出されたアナログ信号は、ＡＤ変換回路１２でディジタル信号に変換されてメモリー１５に取り込まれ、そのデータに基づいて回転角度計算処理が回転角度計算回路１４で実行され、回転角度が検出される。
このとき、読み出されたセンサ信号には、磁気センサ素子１９が発生するノイズ成分、信号読出し回路１１のノイズ成分、およびＡＤ変換回路１２のノイズ成分が重畳しており、時間的に揺らいだ成分を持ったデータとなっている。そのため、角度計算処理をこのままのデータに基づいて実行されるものとすると、計算結果はノイズによる影響を受け、時間的に揺らいでしまい、検出精度が低くなってしまう。この実施形態では、このようなノイズの影響が次のように低減される。

すなわち、磁気センサ素子１９からの信号の読み出し（スキャン）は、図４（Ａ）にタイムチャートで示すように繰り返しｎ回（同図では３回）行われ、その間の各センサデータが繰り返し処理手段１３におけるメモリー１５の平均化処理回路１７で平均化（または積算）処理される。これにより、センサ信号の段階でノイズ低減が図られる。この平均化処理は、信号読出し動作の一部として実行される。なお、信号の読み出し回数は繰り返し回数自動調整手段１８によって調整される。
決められた回数のスキャンが終了したところで、平均化処理の結果得られた平均化後のセンサデータを使用して、図４（Ａ）のように回転角度計算回路１４による角度検出計算が実行される。このように信号処理することにより、スキャン時間よりも実行時間の長い角度検出計算処理が１回で済むため、結果として検出角度が出力されるまでの増加時間は、繰り返しによって増加した（ｎ−１）回分のスキャン時間のみとなり、時間遅れを最小限に抑えることができる。

ノイズを低減するには、このほか図４（Ｂ）にタイムチャートで示すような信号処理方法もある。この方法は、スキャンから角度計算までの一連の動作によって得られた検出角度を、数回分にわたって平均化（または積算）処理し、各計算処理に含まれるばらつき成分をキャンセルするものである。この場合、毎回の検出結果を利用してノイズキャンセルを行えるため、処理回路を内蔵する必要がなく、外部で信号処理を実施できる簡便さがある。しかし、この方法では、ｎ回の平均化効果を得るためにｎ回の処理が必要となり、検出レートが１／ｎに低下してしまうという弊害がある。これを避けるために、過去ｎ回の検出結果を常に平均して出力する移動平均手法を用いれば、検出レートを低下させずにノイズを低減することが可能である。ただし、過去ｎ回の移動平均処理を行うことにより、現在の角度ではなく、概略ｎ／２回前の時刻の角度が出力されることになり、時間遅れが発生してしまうことになる。

この実施形態では、図４（Ａ）のようにセンサ信号のスキャンを繰り返して平均化処理を行うので、上記したようにスキャン回数分だけ検出までの時間遅れが増加する。この遅れは、センシング対象の磁石４の動きがゆるやかな場合には問題にならないが、高速に回転しているときには望ましくない場合がある。そこで、この実施形態では、平均化を実施するスキャン回数を、対象物の動きの状態によって変化させるようにして、最適なスキャン回数を自動的に設定することで、より望ましい処理を実現できるようにしている。
すなわち、繰り返し処理手段１３の繰り返し回数自動調整手段１８が、メモリー１５に記憶しておいた前回の検出角度と、回転角度計算回路１４が計算処理する今回の検出角度との差分である角度変化を計算し、その角度変化の大きさによって信号読み出しの繰り返し回数を自動調整するようにしている。この場合に、前記角度変化が大きいときにはスキャンの繰り返し回数を減らし、角度変化が小さいときには繰り返し回数を増やすように、繰り返し回数自動調整手段１８が制御する。これによって、ノイズ低減処理が最も必要な低速回転時には十分な低減処理によって安定した角度検出が実現され、より高速応答が要求される高速回転時にはノイズ低減よりも時間遅れを少なくした角度検出が実現される。

図５および図６は、回転角度計算回路１４での計算処理の原理説明図である。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、磁石４が回転している時の磁気センサアレイ５の各センサ列５Ａ〜５Ｄによる出力波形を示し、それらの横軸は各センサ列５Ａ〜５Ｄにおけるセンサ素子１９を、縦軸は検出磁界の強度（ここではスキャン回数分の平均値）をそれぞれ示す。
いま、図６に示す位置Ｘ１とＸ２に磁気センサアレイ５の検出磁界のＮ磁極とＳ磁極の境界であるゼロクロス位置があるとする。この状態で、磁気センサアレイ５の各センサ列５Ａ〜５Ｄの出力が、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す信号波形となる。したがって、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２は、センサ列５Ａ，５Ｃの出力から直線近似することで算出できる。
角度計算は、次式で行うことができる。
θ＝ｔａｎ^-1（２Ｌ／ｂ）
ここで、θは、磁石４の回転角度を絶対角度（アブソリュート値）で示した値である。２Ｌは、矩形に並べられる各磁気センサアレイ５の１辺の長さである。ｂは、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２間の横方向長さである。
ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２がセンサ列５Ｂ，５Ｄにある場合には、それらの出力から得られるゼロクロス位置データにより、上記と同様にして回転角度θが算出される。

図７は、この実施形態の回転検出装置３を転がり軸受に組み込んだ例を示す。この転がり軸受２０は、内輪２１と外輪２２の転走面間に、保持器２３に保持された転動体２４を介在させたものである。転動体２４はボールからなり、この転がり軸受２０は深溝玉軸受とされている。また、軸受空間の一端を覆うシール２５が、外輪２２に取付けられている。回転軸１０が嵌合する内輪２１は、転動体２４を介して外輪２３に支持されている。外輪２３は、軸受使用機器のハウジング（図示せず）に設置されている。

内輪２１には、磁石取付部材２６が取付けられ、この磁石取付部材２６に磁石４が取付けられている。磁石取付部材２６は、内輪２１の一端の内径孔を覆うように設けられ、外周縁に設けられた円筒部２６ａを、内輪２１の肩部外周面に嵌合させることにより、内輪２１に取付けられている。また、円筒部２６ａの近傍の側板部が内輪２１の幅面に係合して軸方向の位置決めがなされている。
外輪２２にはセンサ取付部材２７が取付けられ、このセンサ取付部材２７に、図１の磁気センサアレイ５および角度算出手段６の集積された半導体チップ９が取付けられている。また、このセンサ取付部材２７に、角度算出手段６の出力を取り出すための出力ケーブル２９も取付けられている。センサ取付部材２７は、外周部の先端円筒部２７ａを外輪２２の内径面に嵌合させ、この先端円筒部２７ａの近傍に形成した鍔部２７ｂを外輪２２の幅面に係合させて軸方向の位置決めがなされている。

このように、転がり軸受２０に回転検出装置３を一体化することで、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。その場合に、回転検出装置３は、上記のように小型で高精度な回転角度出力が可能であるため、小径軸受等の小型の軸受においても、満足できる回転角度出力を得ることができる。

この発明の一実施形態に係る回転検出装置の概念構成を示す斜視図である。 同回転検出装置における半導体チップを示す斜視図である。 同回転検出装置における信号処理部の構成例を示すブロック図である。 （Ａ）は同回転検出装置における信号処理部による信号処理のタイムチャート、（Ｂ）は信号処理の他の例を示すタイムチャートである。 磁気センサアレイの出力を示す波形図である。 回転角度計算回路による角度計算処理の原理説明図である。 同回転検出装置を備えた転がり軸受の一例を示す断面図である。

符号の説明

３…回転検出装置
４…磁石
５…磁気センサアレイ
１１…信号読出し回路
１３…繰り返し処理手段
１４…回転角度計算回路
１８…繰り返し回数自動調整手段
１９…磁気センサ素子
２０…転がり軸受

Claims (2)

1. 磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイと、この磁気センサアレイに対向して回転する磁石と、前記磁気センサアレイの信号を読み出す信号読出し回路と、この信号読出し回路に磁気センサアレイの信号読出しを数回繰り返させ、この繰り返し読み出された信号を積算または平均化処理する繰り返し処理手段と、この繰り返し処理手段で得られた積算値または平均値から前記磁石の回転角度を計算する回転角度計算回路とを備え、回転角度計算回路による磁石の回転角度の計算毎の差分である角度変化を計算し、角度変化の大きさによって前記繰り返し処理手段による信号読み出しの繰り返し回数を調整する繰り返し回数自動調整手段を設けた回転検出装置。
2. 請求項１に記載の回転検出装置を搭載した回転検出装置付き軸受。

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