JP5042551B2 - 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角度検出、例えば小型モータの回転制御のための回転角度検出等に用いられる回転角度検出装置、およびその回転角度検出装置を組み込んだ検出装置付き軸受に関する。

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、磁気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、図１１のように、磁気センサ素子（ＭＡＧＦＥＴ）を多数並べて構成した磁気センサアレイ４５を、信号増幅回路、ＡＤ変換回路、デジタル信号処理回路などの回路４６とともにセンサチップ４２に集積し、このセンサチップ４２を、回転側部材４１に配置される磁石４４に対向配置したものである。この場合、磁石４４は回転中心Ｏ回りの円周方向異方性を有するものとされ、前記センサチップ４２上では、仮想の矩形の４辺における各辺に沿って磁気センサアレイ４５が配置される。
このように構成された回転検出装置４３では、各辺の磁気センサアレイ４５の出力を信号増幅回路、ＡＤ変換回路で読み出して前記磁石４４の磁界分布を検出し、その検出結果に基づき磁石４４の回転角度をデジタル信号処理回路により算出する。

特許文献１に開示の回転検出装置４３と検出方法は異なるものの、ホール素子などの磁気センサ素子を複数使用し、それらの出力信号を演算することによって、回転体に固定された磁石の位置や動きを検出する回転検出装置（例えばＡＭＳ社のロータリエンコーダＬＳＩ）なども提案されている。
特開２００３−３７１３３号公報

このような回転検出装置を使用して、各種機器の動作制御を行う場合に、回転体が所定の角度位置に達したことを示す信号出力が欲しいときがある。具体的には、例えば回転体がモータのロータである場合に、そのコイル電流の切り替えタイミングを知らせる信号出力が望まれる。ところが、そのような信号出力を得るのに、上記構成の回転検出装置では、回転パルス出力をカウンタで計数して、そのカウント値が一定値になったことを検出する処理回路、もしくはマイコンなどで構成される処理装置を別に付加する必要がある。また、回転角度として絶対角度が出力されるタイプの回転検出装置では、検出される回転角度が所定値に達したことを検出する処理回路を付加する必要がある。

この発明の目的は、回転角度検出機能の他に、特別な処理回路や処理装置を付加することなく、検出角度が所定角度範囲や所定角度値に達したことを知らせる機能を持たせた回転検出装置、およびこの回転検出装置を組み込んだ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、回転側部材に設けられ回転中心周りの円周方向異方性を有する磁石（２）と、この磁石（２）に対し前記回転側部材の回転中心の軸方向に対向して固定側部材に配置され複数の磁気センサ素子（５ａ）が平面的に並ぶ磁気センサ（５）と、この磁気センサ（５）の各磁気センサ素子（５ａ）の出力から前記磁石（２）の磁界強度を計測し、その計測値を基に回転側部材の回転角度を検出する角度算出手段（６）とを備えた回転検出装置であって、設定角度領域に前記角度算出手段（６）の検出角度が入っていることを判定する領域内進入判定手段（７）と、この領域内進入判定手段（７）の判定結果を出力する信号出力回路（８）とを備えることを特徴とする。
この構成によると、設定角度領域に角度算出手段（６）の検出角度が入っていることを判定する領域内進入判定手段（７）を設けたので、回転角度検出機能の他に、特別な処理回路や処理装置を付加することなく検出角度が所定角度範囲や所定角度値に達したことを知らせる機能を持たせることができる。したがって、この回転検出装置を、モータなどの回転装置から検出された回転角度によって回転装置の様々な処理を行う制御装置などに使用した場合、回転装置における回転体が所望の回転角度位置に達したタイミングを知らせる信号を容易に得ることができる。このため、従来例の場合のように回転検出装置で観測した回転角度を、別に設けた比較器などからなる回路で所望の回転角度と比較してタイミング信号を生成するといった構成を採る必要がない。

また、前記領域内進入判定手段（７）の設定角度領域を設定する角度領域処理手段（９）を設ける。角度領域処理手段（９）は、例えば通信回路で構成される。この構成の場合、領域内進入判定手段（７）で得られる信号出力の位置やパターン、つまり設定角度領域の内容を角度領域処理手段（９）で変更することができるので、動作条件によって細かなタイミング調整を行うことも可能になる。例えは、モータの電流切り替えタイミングを回転速度によって変化させる場合などにも対応できる。

この発明において、前記領域内進入判定手段（７）が、複数の設定角度領域に対して、それぞれの設定角度領域に前記角度算出手段の検出角度が入っていることを判定するものであっても良い。この構成の場合、信号出力回路（８）に用意する出力ピンをそれぞれプログラム可能なタイミング出力ピンとすることができる。

この発明において、前記角度算出手段（６）が、サンプリング間隔毎の検出角度を内挿する機能を持ち、補間された検出角度を出力するものであり、前記領域内進入判定手段（７）は、前記の補間された検出角度を用いて、設定角度領域に入っていることを判定するものとしても良い。この構成の場合、サンプリング方式によって磁石（２）の回転を磁気センサ素子（５ａ）で検出する構成でありながら、高速回転時においても磁石（２）の設けられる回転側部材が所定の回転角度位置に達したことを、エラーを生じさせることなく確実に知らせることができる。

この発明において、前記磁気センサ（５）、角度算出手段（６）、領域内進入判定手段（７）、および信号出力回路（８）を、同じ集積回路内に集積しても良い。この構成の場合、小型で高精度な回転検出装置を実現できる。

この発明の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を軸受に組み込んだものである。
この構成によると、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、回転側部材に設けられ回転中心周りの円周方向異方性を有する磁石と、この磁石に対し前記回転側部材の回転中心の軸方向に対向して固定側部材に配置され複数の磁気センサ素子が平面的に並ぶ磁気センサと、この磁気センサの各磁気センサ素子の出力から前記磁石の磁界強度を計測し、その計測値を基に回転側部材の回転角度を検出する角度算出手段とを備えた回転検出装置であって、設定角度領域に前記角度算出手段の検出角度が入っていることを判定する領域内進入判定手段と、この領域内進入判定手段の判定結果を出力する信号出力回路と、前記領域内進入判定手段の設定角度領域を設定する角度領域処理手段とを設けたため、回転角度検出機能の他に、特別な処理回路や処理装置を付加することなく検出角度が所定角度範囲や所定角度値に達したことを知らせる機能を持たせることができる。
この発明の検出装置付き軸受は、この発明の回転検出装置を軸受に組み込んだものであるため、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を組み込んだ軸受の断面図を示す。この検出装置付き軸受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を介在させた転がり軸受である。転動体２４はボールからなり、この転がり軸受２０は単列の深溝玉軸受とされている。内輪２１には回転部材である回転軸１０が圧入状態に嵌合しており、外輪２２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。

転がり軸受２０に組み込まれる回転検出装置１は、転がり軸受２０の内輪２１側に配置された磁石２と、外輪２２側に配置された回転センサ３とを備える。具体的には、内輪２１と共に回転する回転軸１０に、一対の磁極Ｎ，Ｓが形成された永久磁石２が配置され、外輪２２と固定関係にあるセンサ取付部材２７に回転センサ３が配置される。
磁石２は、図２に示すように、その一対の磁極Ｎ，Ｓから発生する磁気が転がり軸受２０の軸心Ｏの回りの方向性を有するものである。この磁石２は、転がり軸受２０の軸心Ｏが磁石２の中心と一致するように、回転軸１０の一端の中央に固定される。磁石２が回転軸１０と一体に回転することによって、上記軸受軸心Ｏの回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。

回転センサ３は磁石２の磁気を感知して回転角度の情報を出力するセンサである。回転センサ３は、転がり軸受２０の軸心Ｏの軸方向に向けて磁石２と対面するように、センサ取付部材２７を介して外輪２２側に取付けられる。具体的には、外輪２２に前記センサ取付部材２７が取付けられ、このセンサ取付部材２７に回転センサ３が固定されている。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に位置決めがなされている。また、センサ取付部材２７には、回転センサ３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。

回転センサ３は、図３に平面図で示すように、１つの半導体チップ４上に大規模集積回路（ＬＳＩ）を集積して構成される。その大規模集積回路は、磁気センサ５を構成する複数の磁気センサ素子５ａと、その磁気センサ素子５ａの出力から前記磁石２の磁界強度を計測し、その計測値に基づき回転側部材である回転軸１０の回転角度を検出する角度算出手段６と、領域内進入判定手段７と、信号出力回路８と、角度領域処理手段９とからなる。なお、図３において、角度算出手段６、領域内進入判定手段７、信号出力回路８、および角度領域処理手段９については、概念的にブロックで示したものであり、位置や大きさの関係を図示したものではない。半導体チップ４上において、磁気センサ素子５ａは、仮想の矩形上の４辺における各辺に沿って配置されて、４辺の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄとされる。この場合、前記矩形の中心Ｏ’は、転がり軸受２０の軸心Ｏに一致する。４辺の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄは、同図の例ではセンサ素子５ａが一列に並んだものとしているが、センサ素子５ａが複列に平行に並んだものであっても良い。前記角度算出手段６、領域内進入判定手段７、信号出力回路８、角度領域処理手段９などからなる演算回路部は、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの矩形配置の内部に配置される。半導体チップ４は、その素子形成面が前記磁石２と対向するように前記センサ取付部材２７に固定される。

このように、磁気センサ素子５ａと演算回路部（角度算出手段６、領域内進入判定手段７、信号出力回路８、角度領域処理手段９）とを同じ集積回路内（同一半導体チップ４上）に集積して一体化すると、磁気センサ素子５ａと演算回路部間の配線が不要となり、回転センサ３のコンパクト化が可能で、断線等に対する信頼性も向上し、回転検出装置１の組み立て作業も容易になる。特に、上記したように矩形に配置された磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの内部に演算回路部を配置すると、チップサイズをより小さくすることができる。

図４および図５は、前記角度算出手段６による回転角度算出の基本処理の説明図である。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、回転軸１０が回転している時の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄによる出力波形図を示し、それらの横軸は各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄにおける磁気センサ素子５ａを、縦軸は検出磁界の強度をそれぞれ示す。
いま、図４に示す位置Ｘ１とＸ２に磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄ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、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力は、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、磁気センサアレイ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（１）で行うことができる。
θ＝ｔａｎ^-1（２Ｌ／ｂ） ……（１）
ここでθは、磁石２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５Ａ〜５Ｄより構成される四角形の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が磁気センサアレイ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６は、角度算出手段６が、回転角度θを検出して出力する処理動作のサイクルを示すタイミングチャートである。その１サイクルの時間Ｔの前半の区間Ｔａにおいて、回転センサ３の磁気センサ５である磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄが回転側の磁石２の磁界をサンプリングし、その１サイクルの後半の区間Ｔｂにおいて、前記サンプリング値から角度算出手段６が回転角度θを演算し出力する。このように、角度データが算出されるまでには時間遅れがあるため、回転角度のデータを読み込んだときの実際の回転軸１０の回転角度は、読み込んだデータと異なっている可能性がある。

そこで、角度算出手段６では、時間Ｔごとに出力される回転角度θのデータからその変化量を求めることで、回転軸１０の回転速度ωを算出する。回転速度ωの演算は例えば以下のように行われる。
毎回サンプリングされる回転角度θ（ｎ）が変化しているものとすると、連続したサンプリング間の角度変化量から次式（２）のように回転速度ωを求めることができる。
ω＝｛θ（ｎ＋１）−θ（ｎ）｝／Ｔ ……（２）
ただし、θ（ｎ），θ（ｎ＋１）は、ｎ回目，（ｎ＋１）回目のサンプリングで求められた回転角度を表す。

さらに、角度算出手段６は、このようにして求められた回転速度ωのデータと、図示しないタイマによって求められる経過時間とにより、演算された回転角度θを補正する。すなわち、角度算出手段６は、回転角度θ（ｎ）を算出するのに必要な時間Ｔｂの間に、どれだけ回転角度θが変化しているかを、次式（３）のようにして推測する。
θ（ｎ＋Ｔｂ）＝θ（ｎ）＋ω×Ｔｂ ……（３）
ただし、θ（ｎ＋Ｔｂ）は、ｎ回目のサンプリングから演算が終了した時点での回転角度であり、これが角度算出手段６で求められた正式の回転角度θとして出力される。

領域内進入判定手段７は、前記角度算出手段６の検出角度θが予め設定された所定の角度領域に入っていることを判定する手段であり、図７に示すように、角度領域設定メモリ１１と比較回路１２とでなる。ここでは、角度領域設定メモリ１１に複数の角度領域が設定されている。比較回路１２は、角度算出手段６の検出角度θを、角度領域設定メモリ１１に設定されている角度領域と比較して、指定されたチャンネルchに対応する信号出力をオンする。例えば、角度領域設定メモリ１１に図８のように複数の角度領域が設定されている場合、θ＝０°のとき比較回路１２からはch1(P1) 信号が出力され、θ＝１８０°のときch1(P1) 信号が出力され、１０°＜θ＜２０°のときch2(P2) が出力される。角度領域設定メモリ１１と比較回路１２は複数個用意され、様々な信号出力パターンをプログラム可能とされる。信号出力回路８は、領域内進入判定手段７の判定結果を出力する。角度領域処理手段９は、前記領域内進入判定手段７の設定角度領域を設定する手段であり、例えば通信回路からなり、外部からの設定が可能である。したがって、角度領域設定メモリ１１には予め初期値を与えておいて、角度領域処理手段９により設定角度領域を随時可変設定するようにしても良い。

このように構成された回転検出装置１を、モータなどの回転装置から検出された回転角度によって回転装置の様々な処理を行う制御装置などに使用した場合、回転装置における回転体が所望の回転角度位置に達したタイミングを知らせる信号を容易に得ることができる。このため、従来例の場合のように回転検出装置で観測した回転角度を、別に設けた比較器などからなる回路で所望の回転角度と比較してタイミング信号を生成するといった構成を採る必要がない。
また、得られる信号出力の位置やパターン、つまり角度領域設定メモリ１１の内容は、例えば通信回路からなる角度領域処理手段９で変更することができるので、動作条件によって細かなタイミング調整を行うことも可能になる。例えは、モータの電流切り替えタイミングを回転速度によって変化させる場合などにも対応できる。
また、この実施形態では、角度領域設定メモリ１１に複数の角度領域が設定されているので、信号出力回路に用意する出力ピンをそれぞれプログラム可能なタイミング出力ピンとすることができる。
また、この実施形態では、磁気センサ５、角度算出手段６、領域内進入判定手段７、および信号出力回路８を、同じ集積回路内に集積しているので、小型で高精度な回転検出装置１を実現できる。

また、図１の検出装置付き軸受２０では、上記回転検出装置１を転がり軸受２０に組み込んでいるので、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を図ることができる。

図９および図１０は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の回転検出装置１は、図９にブロック図で示すように、図７に示す先の実施形態において、角度算出手段６を、算出処理主部６Ａと算出処理補間部６Ｂとで構成している。算出処理主部６Ａは、図６の実施形態における角度算出手段６と同じ機能を担う部分であり、磁気センサ５の出力から直接回転角度θを算出するものである。これに対して、算出処理補間部６Ｂは、算出処理主部６Ａが磁気センサ５のサンプリングに対応して離散的に算出する各検出角度θの途中の角度を、以下のように推定して算出するものである。

算出処理主部６Ａで得られる時間遅れ補正済みの回転角度データθは、上記したように一定時間Ｔの間隔で出力される離散的なデータであるため、データが更新される間隔よりも細かく角度情報を得ることができない。
そこで、上記算出処理補間部６Ｂは、回転角度データを要求した時刻における角度値を、回転角度データθと回転速度ωから予測して補間するものである。算出処理補間部６Ｂは、角度データ補間処理部１３と、タイマ１４と、メモリ１５とでなる。具体的には、算出処理補間部６Ｂでは、図１０のように、算出処理主部６Ａから出力された最新の回転角度データ（例えばθ2 ）が出力された時刻ｔ2 から、時間Ｔに比べて十分短い周期の高速クロック信号となるトリガａを角度データ補間処理部１３が受け取るまでの経過時間Δｔをタイマ１５で測定し、角度データ補間処理部１３は回転速度ωから予測される角度変化量をデータに加算する処理を実行する。すなわち、角度データ補間処理部１３は前記回転角度データθ、回転速度ω、および経過時間を一旦メモリ１５に記憶して、これらの値から要求トリガ信号ａを受け取ったときの回転角度θを予測する。その結果、高速クロック信号からなる要求トリガａが入力された各時刻ｔ2 ＋Δｔにおける回転角度データθ2 ＋Δθを出力することができ、サンプリング間隔内での角度変化を精密に検出できる。このように補間処理された回転角度信号Ａは、領域内進入判定手段７の比較回路１２に入力される。その後の処理は、先の実施形態の場合と同様である。

このように構成された回転検出装置１の場合、サンプリング方式によって磁石２の回転を磁気センサ５で検出する構成でありながら、高速回転時においても磁石２が固定される回転側部材が所定の回転角度位置に達したことを、エラーを生じさせることなく確実に知らせることができる。

この発明の一実施形態に係る回転検出装置を組み込んだ検出装置付き軸受の断面図である。 同軸受における回転検出装置設置部を示す拡大側面図である。 同軸受における回転センサの一例を構成する半導体チップの平面図である。 同回転センサの角度算出手段による角度算出の基本処理の説明図である。 同回転センサにおける磁気センサアレイの出力を示す波形図である。 同回転センサの角度算出手段の処理動作のサイクルを示すタイミングチャートである。 前記回転検出装置の概略構成を示すブロック図である。 同回転検出装置における領域内進入判定手段の角度領域設定メモリの内容の一例を示す図である。 この発明の他の実施形態に係る回転検出装置の概略構成を示すブロック図である。 同回転検出装置の角度算出手段における算出処理補間部の処理動作を示す説明図である。 従来例の斜視図である。

符号の説明

１…回転検出装置
２…磁石
３…回転センサ
４…半導体チップ
５…磁気センサ
５ａ…磁気センサ素子
６…角度算出手段
７…領域内進入判定手段
８…信号出力回路
９…角度領域処理手段
１０…回転軸
１１…角度領域設定メモリ
１２…比較回路
１３…角度データ補間処理部
２０…検出装置付き軸受
２７…センサ取付部材

Claims (5)

1. 回転側部材に設けられ回転中心周りの円周方向異方性を有する磁石と、この磁石に対し前記回転側部材の回転中心の軸方向に対向して固定側部材に配置され複数の磁気センサ素子が平面的に並ぶ磁気センサと、この磁気センサの各磁気センサ素子の出力から前記磁石の磁界強度を計測し、その計測値を基に回転側部材の回転角度を検出する角度算出手段とを備えた回転検出装置であって、
   設定角度領域に前記角度算出手段の検出角度が入っていることを判定する領域内進入判定手段と、この領域内進入判定手段の判定結果を出力する信号出力回路と、前記領域内進入判定手段の設定角度領域を設定する角度領域処理手段とを備えることを特徴とする回転検出装置。
2. 請求項１において、前記領域内進入判定手段が、複数の設定角度領域に対して、それぞれの設定角度領域に前記角度算出手段の検出角度が入っていることを判定するもの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、前記角度算出手段が、サンプリング間隔毎の検出角度を内挿する機能を持ち、補間された検出角度を出力するものであり、前記領域内進入判定手段は、前記の補間された検出角度を用いて、設定角度領域に入っていることを判定するものとした回転検出装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記磁気センサ、角度算出手段、領域内進入判定手段、および信号出力回路を、同じ集積回路内に集積した回転検出装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の回転検出装置を軸受に組み込んだ回転検出装置付き軸受。

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