JP5081553B2 - 回転検出装置および回転検出装置付き軸受 - Google Patents
回転検出装置および回転検出装置付き軸受 Download PDFInfo
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Description
この発明は、各種の機器における回転角度検出、特に各種モータの回転制御のための回転角度検出などに用いられる回転検出装置、およびその回転検出装置を搭載した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、磁気パルスを発生する例えば周方向に磁極対を並べた磁気エンコーダなどのリング状の磁気パルス発生手段と、この磁気パルス発生手段に対してその周方向にほぼ整列させられ前記磁気パルスを検出する複数の検出素子とを備え、検出素子の出力信号を演算することにより絶対角度を検出するようにしたものが提案されている（例えば特許文献１）。
また、他の回転検出装置として、２つの補助ギヤの回転角度からメインシャフトの絶対角度を算出するようにしたものも提案されている（例えば特許文献２）。
特表２００２−５４１４８５号公報
特許３７９２７１８号公報
しかし、特許文献１に開示の回転検出装置の場合、磁気エンコーダを用いて絶対角度を検出し、かつ高い分解能の回転パルスを得ることは難しい。
また、特許文献２に開示の回転検出装置の場合、構造が複雑で、コンパクトに構成できない。
また、特許文献２に開示の回転検出装置の場合、構造が複雑で、コンパクトに構成できない。
そこで、これらの課題を解決して、精度良く絶対角度を検出できる回転検出装置として，本発明者らは以下の構成のものを提案している。
この回転検出装置では、同心のリング状に設けられ互いに磁極数が異なる複数の磁気エンコーダと、これら各磁気エンコーダの磁界をそれぞれ検出する複数の磁気センサとを設け、各磁気センサとして、磁気エンコーダの磁極内における位置の情報を検出する機能を有したものを用いる。さらに、位相差検出手段で前記各磁気センサの検出した磁界信号の位相差を求め、この検出した位相差に基づいて、角度算出手段により磁気エンコーダの絶対角度を算出する。
この回転検出装置では、同心のリング状に設けられ互いに磁極数が異なる複数の磁気エンコーダと、これら各磁気エンコーダの磁界をそれぞれ検出する複数の磁気センサとを設け、各磁気センサとして、磁気エンコーダの磁極内における位置の情報を検出する機能を有したものを用いる。さらに、位相差検出手段で前記各磁気センサの検出した磁界信号の位相差を求め、この検出した位相差に基づいて、角度算出手段により磁気エンコーダの絶対角度を算出する。
このように構成した回転検出装置の場合、例えば磁極対が１２の磁気エンコーダと１３の磁気エンコーダを用いて回転させると、これら２つの磁気センサの信号の間には、１回転に１磁極対分の位相ずれが発生する。そこで、この位相差を位相差検出手段で検出し、その位相差に基づいて角度算出手段により１回転の区間での絶対角度を算出することができる。また、各磁気センサは、各磁気エンコーダの磁極内における位置の情報を検出する機能を有するので、精度良く絶対角度を検出できる。また、構成も簡単なものとなる。
しかし、この構成の回転検出装置の場合、磁気エンコーダの取付位置が異なると、精度良く絶対角度を検出することができない。
この発明の目的は、構造が簡単で、磁気エンコーダの取付位置に左右されないで精度良く絶対角度を検出できる回転検出装置、およびこの回転検出装置を搭載した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、同心のリング状に設けられ互いに磁極数が異なる２つの磁気エンコーダと、これら各磁気エンコーダの磁界をそれぞれ検出する２つの磁気センサとを備え、前記各磁気センサは磁気エンコーダの磁極内における位置の情報を検出する機能を有したものである回転検出装置であって、前記各磁気センサの検出した磁界信号の位相差を求める位相差検出手段と、この検出した位相差に基づいて磁気エンコーダの絶対角度を算出する角度算出手段と、前記磁気エンコーダの取付位置に起因して磁気センサの検出した磁界信号に生じる初期位相差を補正する補正手段とを設け、この補正手段は、前記位相差検出手段で検出した位相差の信号がゼロとなる位置を、片方の磁気センサの検出した磁界信号がゼロとなる位置へシフトすることによって前記初期位相差を補正することを特徴とする。
例えば磁極対が１２の磁気エンコーダと１３の磁気エンコーダを用いて回転させると、これら磁界を検出する２つの磁気センサの信号の間には、１回転に１磁極対分の位相ずれが発生するので、この位相差を位相差検出手段で検出し、その位相差に基づいて角度算出手段により１回転の区間での絶対角度を算出することができる。また、各磁気センサは、各磁気エンコーダの磁極内における位置の情報を検出する機能を有したものとしているので、精度良く絶対角度を検出できる。また、構成も簡単なものとなる。さらに、磁気エンコーダの取付位置に起因して磁気センサの検出した磁界信号に生じる初期位相差を補正手段で補正するようにしているので、磁気エンコーダの取付位置に左右されないで精度良く絶対角度を検出できる。
例えば磁極対が１２の磁気エンコーダと１３の磁気エンコーダを用いて回転させると、これら磁界を検出する２つの磁気センサの信号の間には、１回転に１磁極対分の位相ずれが発生するので、この位相差を位相差検出手段で検出し、その位相差に基づいて角度算出手段により１回転の区間での絶対角度を算出することができる。また、各磁気センサは、各磁気エンコーダの磁極内における位置の情報を検出する機能を有したものとしているので、精度良く絶対角度を検出できる。また、構成も簡単なものとなる。さらに、磁気エンコーダの取付位置に起因して磁気センサの検出した磁界信号に生じる初期位相差を補正手段で補正するようにしているので、磁気エンコーダの取付位置に左右されないで精度良く絶対角度を検出できる。
この発明において、前記補正手段として、１つの磁気センサの検出した磁界信号の初期位相差を補正する１つの補正手段を設けても良い。補正手段が１つであると、構成が簡素になる。なお、この場合、例えば複数の磁気センサの検出する磁界信号の相互間の初期位相差を、補正値とする。
この発明において、前記補正手段として、前記各磁気センサの検出した磁界信号の初期位相差を個別に補正する複数の補正手段を設けても良い。この場合、例えば、各磁気センサの検出する磁界信号の、基準位相に対する初期位相差を補正値とする。この構成の場合は、回転体の任意の位置で自由に位相信号をゼロに合わせて設定することができる。その結果、任意の回転位置を基準位置として記憶することが可能となり、センサ取付け後に機械体との位置合わせを簡単に行うことができる。
この発明において、前記補正手段には、記憶手段に保持された初期位相差の設定値が入力され、前記記憶手段に保持された初期位相差の設定値が外部から任意に設定可能とされるものとしても良い。ここで言う「外部」は、例えば、この回転検出装置に対する外部である。この構成の場合、初期位相差の設定値を記憶手段に保持させ、この設定値を必要時に自由に設定することができる。
この発明において、前記磁気センサが、互いに磁極ピッチ内でずれた位置に配置された複数のセンサ素子を有し、sin およびcos の２相の信号出力を得られるものであって、磁極内における位置を逓倍して検出するものであっても良い。
磁気センサをこのような構成とすると、磁気エンコーダの磁界分布をオン・オフ信号としてではなく、アナログ電圧による正弦波状の信号としてより細かく検出でき、精度の良い絶対角度検出が可能となる。
磁気センサをこのような構成とすると、磁気エンコーダの磁界分布をオン・オフ信号としてではなく、アナログ電圧による正弦波状の信号としてより細かく検出でき、精度の良い絶対角度検出が可能となる。
この発明において、前記磁気センサが、磁気エンコーダの磁極の並び方向に沿ってセンサ素子が並ぶラインセンサで構成され、sin,cos の２相の信号出力を演算によって生成して、磁極内における位置を検出するものであっても良い。
磁気センサをこのようにラインセンサで構成した場合、磁界パターンの歪みやノイズの影響が低減されて、より高い精度で磁気エンコーダの位相を検出することが可能である。
磁気センサをこのようにラインセンサで構成した場合、磁界パターンの歪みやノイズの影響が低減されて、より高い精度で磁気エンコーダの位相を検出することが可能である。
この発明において、前記角度算出手段で算出された絶対角度を、いずれか１つの磁気センサの検出信号に基づいて、互いに９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号と、原点位置を示すＺ相のパルス信号とからなるＡＢＺ相信号として出力する角度情報出力回路を有するものとしても良い。
この構成の場合、絶対角度を出力するインタフェースを別途備える必要がなく、この回転検出装置の回路構成、および回転検出装置が搭載される機器側の回路構成を簡略化することができる。また、絶対角度情報と同期したＡＢＺ相信号を出力することができる。
この構成の場合、絶対角度を出力するインタフェースを別途備える必要がなく、この回転検出装置の回路構成、および回転検出装置が搭載される機器側の回路構成を簡略化することができる。また、絶対角度情報と同期したＡＢＺ相信号を出力することができる。
この発明において、前記角度算出手段の算出した絶対角度を出力する角度情報出力回路を有し、上記磁気センサ並びに、位相差検出手段、角度算出手段、および角度情報出力回路が互いに一体化されたセンサモジュールを設けても良い。この構成の場合、部品点数の低減、磁気センサの互いの位置精度の向上、製造コストの低減、組立コストの低減、信号ノイズ低減による検出精度向上などのメリットが得られ、小型で低コストの回転検出装置とすることができる。
この発明において、前記センサモジュールが半導体チップに集積されたものであっても良い。半導体チップに集積すると、より一層小型化され、かつ信頼性が向上する。
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を軸受に搭載したものである。
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。
この発明において、前記軸受が車輪用軸受であっても良い。この構成の場合、車輪の回転角度を絶対角度として精度良く検出できる。
この発明の回転検出装置は、同心のリング状に設けられ互いに磁極数が異なる２つの磁気エンコーダと、これら各磁気エンコーダの磁界をそれぞれ検出する２つの磁気センサとを備え、前記各磁気センサは磁気エンコーダの磁極内における位置の情報を検出する機能を有したものである回転検出装置であって、前記各磁気センサの検出した磁界信号の位相差を求める位相差検出手段と、この検出した位相差に基づいて磁気エンコーダの絶対角度を算出する角度算出手段と、前記磁気エンコーダの取付位置に起因して磁気センサの検出した磁界信号に生じる初期位相差を補正する補正手段とを設け、この補正手段は、前記位相差検出手段で検出した位相差の信号がゼロとなる位置を、片方の磁気センサの検出した磁界信号がゼロとなる位置へシフトすることによって前記初期位相差を補正するため、構造が簡単で、磁気エンコーダの取付け位置に左右されないで精度良く絶対角度を検出できる。
この発明の回転検出装置付き軸受は、この発明の上記構成の回転検出装置を軸受に搭載したものであるため、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。
この発明の回転検出装置付き軸受は、この発明の上記構成の回転検出装置を軸受に搭載したものであるため、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１ないし図１０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。この回転検出装置１は、例えばモータの回転軸などの回転部材４の外周に、その軸心Ｏに対して同心のリング状に設けられた複数（ここでは２つ）の磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂと、これら各磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁界をそれぞれ検出する複数（ここでは２つ）の磁気センサ３Ａ，３Ｂとを備える。磁気センサ３Ａ，３Ｂは、図１の例では前記各磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂに対して微小のギャップを介してそれぞれ径方向（ラジアル方向）に対向するように、例えばモータのハウジング等の固定部材５に設けられる。ここでは、磁気センサ３Ａが磁気エンコーダ２Ａに対向し、磁気センサ３Ｂが磁気エンコーダ２Ｂに対向する。
磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂは、複数の磁極対（磁極Ｓと磁極Ｎの１組）を周方向に等ピッチで着磁させたリング状の磁性部材であり、ラジアルタイプである図１の例では、その外周面に磁極対が着磁されている。これら２つの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁極対の数は互いに異ならせてある。また、図１の例では、２つの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂを軸方向に隣接させて配置しているが、これら磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂが同一の回転をするならば、それぞれを別の場所に配置しても良い。
磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの他の例として、図２に示すように、リング状の磁性部材の軸方向端面に複数の磁極対を周方向に等ピッチで並ぶように着磁させたアキシアルタイプのものを用いても良い。この例では、２つの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂを、内外周に隣接するように配置している。アキシアルタイプの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの場合、その着磁面に対向する軸方向に向けて各磁気センサ３Ａ，３Ｂが配置される。
磁気センサ３Ａ，３Ｂは、対応する磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁極対の数よりも高い分解能で磁極検出できる機能、つまり磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁極の範囲内における位置の情報を検出する機能を有するものとされる。この機能を満たすために、例えば磁気センサ３Ａとして、対応する磁気エンコーダ２Ａの１磁極対のピッチλを１周期とするとき、図３のように９０度位相差（λ／４）となるように磁極の並び方向に離して配置したホール素子などの２つの磁気センサ素子３Ａ１，３Ａ２を用い、これら２つの磁気センサ素子３Ａ１，３Ａ２により得られる２相の信号(sinφ,cosφ) から磁極内位相（φ=tan-1(sinφ／cos φ))を逓倍して算出するものとしても良い。他の磁気センサ３Ｂについても同様である。なお、図３の波形図は、磁気エンコーダ２Ａの磁極の配列を磁界強度に換算して示したものである。
磁気センサ３Ａ，３Ｂをこのような構成とすると、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁界分布をオン・オフ信号としてではなく、アナログ電圧による正弦波状の信号としてより細かく検出でき、精度の良い絶対角度検出が可能となる。
磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁極内における位置の情報を検出する機能を有する磁気センサ３Ａ，３Ｂの他の例として、図４（Ｂ）に示すようなラインセンサを用いても良い。すなわち、例えば磁気センサ３Ａとして、対応する磁気エンコーダ２Ａの磁極の並び方向に沿って磁気センサ素子３ａが並ぶラインセンサ３ＡＡ，３ＡＢを用いる。なお、図４（Ａ）は、磁気エンコーダ２Ａにおける１磁極の区間を磁界強度に換算して波形図で示したものである。この場合、磁気センサ３Ａの第１のラインセンサ３ＡＡは、図４（Ａ）における１８０度の位相区間のうち９０度の位相区間に対応付けて配置し、第２のラインセンサ３ＡＢは残りの９０度の位相区間に対応付けて配置する。このような配置構成により、第１のラインセンサ３ＡＡの検出信号を加算回路３１で加算した信号Ｓ１と、第２のラインセンサ３ＡＢの検出信号を加算回路３２で加算した信号Ｓ２を別の加算回路３３で加算することで、図４（Ｃ）に示すような磁界信号に応じたsin 信号を得る。また、信号Ｓ１と、インバータ３５を介した信号Ｓ２をさらに別の加算回路３４で加算することで、図４（Ｃ）に示すような磁界信号に応じたcos 信号を得る。このようにして得られた２相の出力信号から、磁極内における位置を検出する。
磁気センサ３Ａ，３Ｂをこのようにラインセンサで構成した場合、磁界パターンの歪みやノイズの影響が低減されて、より高い精度で磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの位相を検出することが可能である。
例えば、図１の構成例において、磁気センサ３Ａ，３Ｂは位相差検出手段６に接続される。位相差検出手段６は、各磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出した磁界信号の位相差を求める手段であり、その後段に角度算出手段７が接続される。角度算出手段７は、位相差検出手段６の検出した位相差に基づいて磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの絶対角度を算出する手段である。
図１の構成例において、磁気センサ３Ａと位相差検出手段６との間に介在させた補正手段１２は、対応する磁気エンコーダ２Ａの取付位置に起因して磁気センサ３Ａの検出した磁界信号に生じる初期位相差を補正する手段であり、この補正手段１２で補正された磁界信号が位相差検出手段６に入力される。
この回転検出装置１による絶対角度検出の概略動作を、図５ないし図７を参照して以下に説明する。図１において、２つの磁気エンコーダ２Ｂ，２Ａの磁極対の数をＰとＰ＋ｎとすると、両磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの間では１回転あたり磁極対にしてｎ個分の位相差があるので、これら磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂに対応する磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出信号の位相は、３６０／ｎ度回転するごとに一致する。
図５（Ａ），（Ｂ）には両磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁極のパターン例を示し、図５（Ｃ），（Ｄ）にはこれら磁気エンコーダに対応する磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出信号の波形図を示す。この場合、磁気エンコーダ２Ａの３磁極対に対して、磁気エンコーダ２Ｂの２磁極対が対応しており、この区間内での絶対位置を検出することができる。具体的には、この例では、２つの磁気エンコーダ２Ｂ，２Ａの磁極対の数が２と３で、両磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの間では１回転あたり磁極対にして１個分の位相差があり、これら磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂに対応する磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出信号の位相は、３６０度回転するごとに一致する例を示している。
図５（Ｅ）は、両磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出位相の波形図を示す。具体的には、図５（Ｅ）における実線の波形図は、図５（Ｃ）に示す磁気センサ３Ａの検出信号に対応する位相信号を示し、一点鎖線の波形図は、図５（Ｄ）に示す磁気センサ３Ｂの検出信号に対応する位相信号を示す。図５（Ｆ）には、図５（Ｅ）の位相信号に基づき、図１の位相差検出手段６より求められる位相差信号delta の波形図を示す。
図５（Ｅ）は、両磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出位相の波形図を示す。具体的には、図５（Ｅ）における実線の波形図は、図５（Ｃ）に示す磁気センサ３Ａの検出信号に対応する位相信号を示し、一点鎖線の波形図は、図５（Ｄ）に示す磁気センサ３Ｂの検出信号に対応する位相信号を示す。図５（Ｆ）には、図５（Ｅ）の位相信号に基づき、図１の位相差検出手段６より求められる位相差信号delta の波形図を示す。
なお、図５では、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂに取付位置に起因する初期位相差φが無い場合（φ＝０）の例を示しており、図１の補正手段１２による補正は行なわれない。
角度算出手段７は、位相差検出手段６の検出した図５（Ｆ）の位相差信号delta から、１つの磁気エンコーダ（ここでは磁極対の多い磁気エンコーダ２Ａ）の概略位相ａ’，ｂ’，ｃ’を推定して、磁気エンコーダ２Ａの各磁極対の検出位置ａ，ｂ，ｃを判別する。この場合、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの初期位相差φが無い（φ＝０）ので、ａ＝ａ’，ｂ＝ｂ’，ｃ＝ｃとなり、精度良く絶対角度を算出することができる。
角度算出手段７は、位相差検出手段６の検出した図５（Ｆ）の位相差信号delta から、１つの磁気エンコーダ（ここでは磁極対の多い磁気エンコーダ２Ａ）の概略位相ａ’，ｂ’，ｃ’を推定して、磁気エンコーダ２Ａの各磁極対の検出位置ａ，ｂ，ｃを判別する。この場合、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの初期位相差φが無い（φ＝０）ので、ａ＝ａ’，ｂ＝ｂ’，ｃ＝ｃとなり、精度良く絶対角度を算出することができる。
図６は、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの取付位置に起因する初期位相差φがある場合（φ≠０）で、図１の補正手段１２による補正を行なわない場合の図５と同様の各波形図を示している。この場合、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂに初期位相差φが存在するため、磁気エンコーダ２Ａに対応する位相信号にずれが起きて、得られる位相差信号delta にずれが生じる。すなわち、例えば２つの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂに対応する位相信号をそれぞれθ１，θ２とすると、得られる位相差信号delta は、
delta ＝（θ１＋φ）−θ２
となり、図６（Ｆ）のように、位相差信号delta がゼロになる点が０°から点Ａにシフトする。その結果、この位相差信号delta から、角度算出手段７が磁気エンコーダ２Ａの概略位相ａ’，ｂ’，ｃ’を推定すると、推定した概略位相ａ’，ｂ’，ｃ’と、磁気エンコーダ２Ａの実際の検出位置ａ，ｂ，ｃが一致せず、絶対角度を精度良く算出することができない。
delta ＝（θ１＋φ）−θ２
となり、図６（Ｆ）のように、位相差信号delta がゼロになる点が０°から点Ａにシフトする。その結果、この位相差信号delta から、角度算出手段７が磁気エンコーダ２Ａの概略位相ａ’，ｂ’，ｃ’を推定すると、推定した概略位相ａ’，ｂ’，ｃ’と、磁気エンコーダ２Ａの実際の検出位置ａ，ｂ，ｃが一致せず、絶対角度を精度良く算出することができない。
図７は、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの取付位置に起因する初期位相差φがある場合（φ≠０）で、図１の補正手段１２による補正を行った場合の図５と同様の各波形図を示している。この場合、補正しないときに得られる図７（Ｆ）に示す位相差信号delta が、図７（Ｇ）のように補正される。すなわち、補正しないとき位相差信号delta のゼロとなる点が点Ａにシフトしていたものを、図７（Ｇ）に示す位相差信号delta'のように点Ｂにシフトする。この補正した位相差信号delta'から、図５の場合と同様にして、角度算出手段７が、磁気エンコーダ２Ａの概略位相ａ’，ｂ’，ｃ’を推定することで、磁気エンコーダ２Ａの各磁極対の検出位置ａ，ｂ，ｃを判別する。この場合、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの初期位相差φを補正しているため、ａ＝ａ’，ｂ＝ｂ’，ｃ＝ｃ′となり、精度良く絶対角度を算出することができる。
図８は、この回転検出装置１における絶対角度検出回路の構成例を示す。図７（Ｃ），（Ｄ）に示したような各磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出信号に基づき、それぞれ対応する位相検出回路１３Ａ，１３Ｂは、図７（Ｅ）に示したような各位相信号を出力する。補正手段１２は、例えば２つの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの初期位相差φ１に応じた値だけ、磁気エンコーダ２Ａに対応する位相信号を補正する。初期位相差φ１の値は、外部から通信インタフェース９を通じて内部レジスタや不揮発性メモリなどからなる記憶手段８Ａに書き込まれ、書き込まれた初期位相差φ１の値が前記補正手段１２に入力される。記憶手段８Ａとしては、初期位相差φ１の値を通信インタフェース９を通じて書き込む構成のもののほか、初期位相差φ１を設定する専用ピンを設けたものであったり、ヒューズＲＯＭなどで書き込むものであっても良い。
これにより、位相差検出手段６から出力される位相差信号は、図７（Ｇ）のように補正された位相差信号delta'となる。その次段に設けられた角度算出手段７は、位相差検出手段６で求められた位相差を、予め設定された計算パラメータにしたがって絶対角度へ換算する処理を行う。
これにより、位相差検出手段６から出力される位相差信号は、図７（Ｇ）のように補正された位相差信号delta'となる。その次段に設けられた角度算出手段７は、位相差検出手段６で求められた位相差を、予め設定された計算パラメータにしたがって絶対角度へ換算する処理を行う。
角度算出手段７で用いられる計算パラメータは不揮発性メモリなどのメモリ８に記憶されている。このメモリ８には、前記計算パラメータのほか、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁極対の数の設定、絶対角度基準位置、信号出力の方法など、装置の動作に必要な情報が記憶されている。ここでは、メモリ８の次段に通信インタフェース９を設けることで、通信インタフェース９を通じてメモリ８の内容を更新できる構成とされている。これにより、個別の設定情報を使用状況に応じて可変設定でき、使い勝手が良くなる。
角度算出手段７で算出された絶対角度情報は、パラレル信号、シリアルデータ、アナログ電圧、ＰＷＭなどの変調信号として、角度情報出力回路１０から、あるいは前記通信インタフェース９を介して出力される。また、角度算出手段７からは回転パルス信号も出力される。回転パルス信号としては、２つの磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出信号のうち、いずれか１つの信号を出力すれば良い。上記したように、各磁気センサ３Ａ，３Ｂはそれぞれ逓倍機能を備えているので、高い分解能で回転信号を出力することができる。
図８の角度情報出力回路１０では、前記角度算出手段７で算出された絶対角度を、互いに９０度位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号と、原点位置を示すＺ相のパルス信号とでなるＡＢＺ相信号として出力するようにしても良い。
ＡＢＺ相信号を出力する場合、図１０に示すように、受信側回路１４から角度算出手段７に対して絶対角度出力の要求信号が入力されると、これに呼応して角度情報出力回路１０における絶対角度実行手段１５が動作可能となり、角度情報出力回路１０におけるモード実行信号生成手段１６から絶対角度出力モード中であることを示すモード実行信号（ＡＢＳ＿mode＝１）が生成され、角度情報出力回路１０における回転パルス信号生成手段１７からＡ，Ｂ，Ｚ相信号が出力されるように、角度情報出力回路を構成しても良い。
受信側回路１４では、Ｚ相信号を受信することで絶対角度値を示すポジションカウンタ１８が０にリセットされ、Ｚ相信号に続いて出力されるＡ相信号およびＢ相信号を、前記ポジションカウンタ１８が計数する。Ａ相信号およびＢ相信号のパルス出力が、一旦現在の絶対角度値に達すると、そこで絶対角度出力モード動作が終了する（ＡＢＳ＿mode＝０）。その後は、回転部材４（図１）の回転に伴い検出される絶対角度の変化に応じた回転パルス信号（ＡＢＺ相信号）を角度算出手段７から出力する。これにより、パルスを計数することで絶対角度を知る受信側回路１４では、絶対角度出力モード動作が終了（ＡＢＳ＿mode＝０）となった後は実際の絶対角度情報を常に取得している状態となる。
受信側回路１４では、Ｚ相信号を受信することで絶対角度値を示すポジションカウンタ１８が０にリセットされ、Ｚ相信号に続いて出力されるＡ相信号およびＢ相信号を、前記ポジションカウンタ１８が計数する。Ａ相信号およびＢ相信号のパルス出力が、一旦現在の絶対角度値に達すると、そこで絶対角度出力モード動作が終了する（ＡＢＳ＿mode＝０）。その後は、回転部材４（図１）の回転に伴い検出される絶対角度の変化に応じた回転パルス信号（ＡＢＺ相信号）を角度算出手段７から出力する。これにより、パルスを計数することで絶対角度を知る受信側回路１４では、絶対角度出力モード動作が終了（ＡＢＳ＿mode＝０）となった後は実際の絶対角度情報を常に取得している状態となる。
このように、角度情報出力回路１０からＡＢＺ相信号のような回転パルス信号を出力し、絶対角度出力モードによって絶対角度情報を出力する構成とすると、絶対角度を出力するインタフェースを別途備える必要がなく、この回転検出装置１の回路構成、および回転検出装置１が搭載される機器側の回路構成を簡略化することができる。
図９は、この回転検出装置１における絶対角度検出回路の他の構成例を示す。この構成例では、図８の構成例において、各磁気センサ３Ａ，３Ｂ毎に、それぞれ初期位相差φ１，φ２を書き込む記憶手段８Ａ，８Ｂと、初期位相差補正用の補正手段１２Ａ，１２Ｂを設けている。なお、この場合の初期位相差φ１，φ２は、磁気センサ３Ａ，３Ｂの相互間の初期位相差ではなく、任意に設定される基準位相に対するそれぞれの位相差である。その他の構成は図８の構成例の場合と同様である。
これにより、それぞれの初期位相差の値φ１，φ２を各記憶手段８Ａ，８Ｂに記憶させ、この値を必要時に自由に設定することも可能となる。例えば、同図のように、別にリセットモード設定手段１９を設け、通信インタフェース９などからリセット要求があると、φ１＝φ２＝０の命令を各記憶手段８Ａ，８Ｂに設定するようにすることができる。この場合、それぞれの磁気センサ３Ａ，３Ｂからの位相信号を全て同一値に合わせることができるため、回転部材４（図１）における任意の回転位置で自由に位相信号をゼロに合わせて設定することができる。その結果、任意の回転位置を基準位置として記憶することが可能になり、回転検出装置１の取付け終了後に、この回転検出装置１が取付けられる軸受など機器との位置合わせを簡単に行うことができる。
これにより、それぞれの初期位相差の値φ１，φ２を各記憶手段８Ａ，８Ｂに記憶させ、この値を必要時に自由に設定することも可能となる。例えば、同図のように、別にリセットモード設定手段１９を設け、通信インタフェース９などからリセット要求があると、φ１＝φ２＝０の命令を各記憶手段８Ａ，８Ｂに設定するようにすることができる。この場合、それぞれの磁気センサ３Ａ，３Ｂからの位相信号を全て同一値に合わせることができるため、回転部材４（図１）における任意の回転位置で自由に位相信号をゼロに合わせて設定することができる。その結果、任意の回転位置を基準位置として記憶することが可能になり、回転検出装置１の取付け終了後に、この回転検出装置１が取付けられる軸受など機器との位置合わせを簡単に行うことができる。
また、この回転検出装置１において、前記磁気センサ３Ａ，３Ｂと、図８や図９に示した角度情報出力回路１０を含む信号処理回路とを、例えば図２の例で示すように、センサモジュール１１として一体化しても良いし、このセンサモジュール１１を１つの半導体チップに集積しても良い。このように構成した場合、部品点数の低減、磁気センサ３Ａ，３Ｂの互いの位置精度の向上、製造コストの低減、組立コストの低減、信号ノイズ低減による検出精度向上などのメリットが得られ、小型で低コストの回転検出装置１とすることができる。
なお、この場合、２つの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂに対して１つのセンサモジュール１１を対向させることになるので、２つの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂは互いに近接して配置させることになる。
なお、この場合、２つの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂに対して１つのセンサモジュール１１を対向させることになるので、２つの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂは互いに近接して配置させることになる。
このように、この回転検出装置１は、同心のリング状に設けられ互いに磁極数が異なる複数の磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂと、これら各磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁界をそれぞれ検出する複数の磁気センサ３Ａ，３Ｂとを備え、これら各磁気センサ３Ａ，３Ｂは磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁極内における位置の情報を検出する機能を有したものとし、各磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出した磁界信号の位相差を位相差検出手段６で求め、この検出した位相差に基づいて磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの絶対角度を角度算出手段７で算出するものとし、さらに、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの取付位置に起因して磁気センサ３Ａ，３Ｂの検出した磁界信号に生じる初期位相差を補正手段１２（１２Ａ，１２Ｂ）で補正するようにしているので、構造が簡単となり、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの取付位置に左右されずに精度良く絶対角度を検出することができる。
この実施形態では、２つの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂを用いたものを例示したが、磁気エンコーダは２つでなくてもよく、磁極対の数の異なる３つ以上の磁気エンコーダを組み合わせて、より広い範囲の絶対角度を検出する構成としても良い。この回転検出装置１をモータの回転検出に使用する場合、上記磁極対の数の差の調整において、モータのロータ極数Ｐｎに合わせてＰとＰ＋Ｐｎという組合せとすれば、回転検出装置１によりモータの電気角を検出できるため、モータの回転制御に好都合である。
図１１は、上記回転検出装置１を軸受に搭載した回転検出装置付き軸受の一実施形態を示す断面図である。この回転検出装置付き軸受２０は、回転側軌道輪である内輪２２と固定側軌道輪である外輪２３の間に複数の転動体２４が介在する転がり軸受２１の一端部に、上記回転検出装置１を設けたものである。転がり軸受２１は深溝玉軸受からなり、内輪２２の外径面および外輪２３の内径面にはそれぞれ転動体２４の転走面２２ａ，２３ａが形成されている。内輪２２と外輪２３の間の軸受空間は、回転検出装置１の設置側とは反対側の端部がシール２６で密封されている。
回転検出装置１の２つの磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂは、内輪２２の一端部の外径面に圧入嵌合されるリング状の芯金２７の外径面に、軸方向に並べて設けられる。回転検出装置１の２つの磁気センサ３Ａ，３Ｂは、図２で示したように他の信号処理回路と共にセンサモジュール１１として一体化され、リング状の金属製センサハウジング２８の内側に挿入された状態で樹脂モールド２９が施され、センサハウジング２８を介して外輪２３の一端部の内径面に取付けられる。これにより、磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂと対応する磁気センサ３Ａ，３Ｂとがラジアル方向に対向配置される。センサモジュール１１に接続されるリード線３０はセンサハウジング２７を貫通して外部に引き出され、このリード線３０を介してセンサモジュール１１と外部回路との間で信号の授受や電源供給が行われる。
この回転検出装置付き軸受２０では、上記回転検出装置１を転がり軸受２１に搭載しているので、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１２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４０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４０は、内周に複列の転走面４３を形成した外方部材４１と、これら各転走面４３に対向する転走面４４を形成した内方部材４２と、これら外方部材４１および内方部材４２の転走面４３，４４間に介在した複列の転動体４５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４０は、複列外向きアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体４５はボールからなり、各列毎に保持器４６で保持されている。外方部材４１と内方部材４２の間の軸受空間の両端は、シール４７，４８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４８の内方部材４２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２Ａ，２Ｂとされる。すなわち、この場合の磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂは図２で示したアキシアルタイプのものであり、この磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁極対が周方向に並ぶ側面に、回転検出装置１の対応する磁気センサ３Ａ，３Ｂが軸方向に対向して配置される。磁気センサ３Ａ，３Ｂはリング状の金属ケース４９内に樹脂モールドされ、金属ケース４９を介して外方部材４１に固定される。
車輪用軸受４０は、内周に複列の転走面４３を形成した外方部材４１と、これら各転走面４３に対向する転走面４４を形成した内方部材４２と、これら外方部材４１および内方部材４２の転走面４３，４４間に介在した複列の転動体４５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４０は、複列外向きアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体４５はボールからなり、各列毎に保持器４６で保持されている。外方部材４１と内方部材４２の間の軸受空間の両端は、シール４７，４８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４８の内方部材４２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２Ａ，２Ｂとされる。すなわち、この場合の磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂは図２で示したアキシアルタイプのものであり、この磁気エンコーダ２Ａ，２Ｂの磁極対が周方向に並ぶ側面に、回転検出装置１の対応する磁気センサ３Ａ，３Ｂが軸方向に対向して配置される。磁気センサ３Ａ，３Ｂはリング状の金属ケース４９内に樹脂モールドされ、金属ケース４９を介して外方部材４１に固定される。
この回転検出装置付き軸受２０Ａによると、車輪の回転を絶対角度として精度良く検出することができる。
１…回転検出装置
２Ａ，２Ｂ…磁気エンコーダ
３Ａ，３Ｂ…磁気センサ
３Ａ１，３Ａ２…磁気センサ素子
３ＡＡ，３ＡＢ…ラインセンサ
６…位相差検出手段
７…角度算出手段
８Ａ，８Ｂ…記憶手段
１０…角度情報出力回路
１１…センサモジュール
１２，１２Ａ，１２Ｂ…補正手段
１３Ａ，１３Ｂ…位相検出回路
２０，２０Ａ…回転検出装置付き軸受
２１…転がり軸受
４０…車輪用軸受
２Ａ，２Ｂ…磁気エンコーダ
３Ａ，３Ｂ…磁気センサ
３Ａ１，３Ａ２…磁気センサ素子
３ＡＡ，３ＡＢ…ラインセンサ
６…位相差検出手段
７…角度算出手段
８Ａ，８Ｂ…記憶手段
１０…角度情報出力回路
１１…センサモジュール
１２，１２Ａ，１２Ｂ…補正手段
１３Ａ，１３Ｂ…位相検出回路
２０，２０Ａ…回転検出装置付き軸受
２１…転がり軸受
４０…車輪用軸受
Claims (11)
- 同心のリング状に設けられ互いに磁極数が異なる２つの磁気エンコーダと、これら各磁気エンコーダの磁界をそれぞれ検出する２つの磁気センサとを備え、前記各磁気センサは磁気エンコーダの磁極内における位置の情報を検出する機能を有したものである回転検出装置であって、
前記各磁気センサの検出した磁界信号の位相差を求める位相差検出手段と、この検出した位相差に基づいて磁気エンコーダの絶対角度を算出する角度算出手段と、前記磁気エンコーダの取付位置に起因して磁気センサの検出した磁界信号に生じる初期位相差を補正する補正手段とを設け、この補正手段は、前記位相差検出手段で検出した位相差の信号がゼロとなる位置を、片方の磁気センサの検出した磁界信号がゼロとなる位置へシフトすることによって前記初期位相差を補正することを特徴とする回転検出装置。 - 請求項１において、前記補正手段として、１つの磁気センサの検出した磁界信号の初期位相差を補正する１つの補正手段を設けた回転検出装置。
- 請求項１において、前記補正手段として、前記各磁気センサの検出した磁界信号の初期位相差を個別に補正する複数の補正手段を設けた回転検出装置。
- 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記補正手段には、記憶手段に保持された初期位相差の設定値が入力され、前記記憶手段に保持された初期位相差の設定値は外部から任意に設定可能とされている回転検出装置。
- 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記磁気センサが、互いに磁極ピッチ内でずれた位置に配置された複数のセンサ素子を有し、sin およびcos の２相の信号出力を得られるものであって、磁極内における位置を逓倍して検出するものである回転検出装置。
- 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記磁気センサが、磁気エンコーダの磁極の並び方向に沿ってセンサ素子が並ぶラインセンサで構成され、sin,cos の２相の信号出力を演算によって生成して、磁極内における位置を検出するものである回転検出装置。
- 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記角度算出手段で算出された絶対角度を、いずれか１つの磁気センサの検出信号に基づいて、互いに９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号と、原点位置を示すＺ相のパルス信号とからなるＡＢＺ相信号として出力する角度情報出力回路を有する回転検出装置。
- 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記角度算出手段の算出した絶対角度を出力する角度情報出力回路を有し、上記磁気センサ並びに、位相差検出手段、角度算出手段、および角度情報出力回路が互いに一体化されたセンサモジュールを設けた回転検出装置。
- 請求項８において、前記センサモジュールが半導体チップに集積されたものである回転検出装置。
- 請求項１ないし請求項９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。
- 請求項１０において、前記軸受が車輪用軸受である回転検出装置付き軸受。
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