JP6165541B2

JP6165541B2 - 回転検出装置および回転検出装置付き軸受

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Publication number: JP6165541B2
Application number: JP2013155409A
Authority: JP
Inventors: 高橋　亨; 亨高橋; 健太郎西川
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: CN105393091A; EP3026398A1; WO2015012343A1; CN105393091B; JP2015025732A; US9823094B2; US20160138942A1; EP3026398B1; EP3026398A4

Description

この発明は、各種の機器における回転角度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の従来例として、エンコーダの出力信号におけるデューティ比や位相のずれを、あらかじめ記憶しておいた補正量を用いて補正する機能を備えた速度検出装置が提示されている（例えば特許文献１，２）。

また、他の従来例として、エンコーダの基準信号を逓倍したパルスを出力する回転検出装置で、逓倍出力に含まれる誤差を、逓倍パルスの識別情報を用いて補正する補正手段を備えたものも提示されている（例えば特許文献３）。図１６は、誤差を補正した前記逓倍パルスのパルス周期を補正前のものと比較したグラフを示す。

特開平０８−１２８８５５号公報特開２００２−３１１０４０号公報特開２００８−２４９５７４号公報

特許文献１〜３に示されるように、エンコーダのパルス出力に含まれる誤差を、あらかじめ設定しておいた補正量を用いて補正する構成の回転検出装置の場合、互いに９０°異なるＡ相，Ｂ相出力における位相誤差の補正においては、各信号の状態に応じて４つの状態を識別し、それぞれの補正を加えることができる。

また、特許文献３に示されるように、より高い分解能の逓倍回路を用いた場合には、逓倍回路でパルス識別信号を追加することにより、それぞれのパルスに対する補正を実現することができる。

ところで、実際のエンコーダ出力においては、シャフトの１回転に付随して発生する誤差、例えば、磁気エンコーダの着磁ピッチ誤差や、エンコーダの取り付け時の心ずれや変形によるピッチ誤差などがあり、精度を上げようとする場合にはこれらの誤差も補正する必要がある。

しかし、これらの誤差を補正するために１回転分の誤差パターンを記憶していても、その誤差パターンの基準となる回転位置がわからなければ補正することができないため、基準となるＺ相信号などを別途設けなければならばない。Ｚ相信号を出力するには追加のセンサや特殊なエンコーダが必要になり、実装スペースや実装コストが増加してしまうという問題がある。

また、Ｚ相信号を設けた場合、回転パルス信号との位置関係がずれないようにする必要があり、設置精度が要求され、簡易な方法で設けるのが難しいのも問題となる。
このような理由により、できる限り基準センサを追加することなく、高い精度で回転速度や回転位置の検出が可能な回転検出装置が望まれている。

この発明の目的は、基準センサを追加することなく、高い精度で回転速度や回転位置の検出が可能な回転検出装置、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パターンが等配されたエンコーダ２と、このエンコーダ２の前記被検出パターンを検出してパルスを発生するセンサ３とを備えた回転検出装置において、運用に先立って前記被検出パターンに含まれるピッチ誤差を測定し基準パターンＰref として記憶させた基準パターン記憶手段４と、運用時の前記センサ３で検出される複数回転の回転信号から前記被検出パターンの１回転分のピッチ誤差パターンを求め、このピッチ誤差パターンを前記基準パターンと比較して相対的な位相差を求める位相差検出手段５と、この位相差検出手段５で求めた前記位相差に基づいて、前記センサ３で検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行う誤差補正手段６とを設けたことを特徴とする。

このように構成された回転検出装置では、以下の処理を行う。
・運用に先立って、基準パターン記憶手段４により、エンコーダ２の被検出パターンに含まれるピッチ誤差を１回転分測定し、得られたデータを例えば平均値で規格化して基準パターンＰref としてあらかじめ記憶しておく。基準パターンＰref はエンコーダ２を組み付けた状態で測定し、心ずれや変形による誤差も含んだものとして記憶しておくのが望ましい。
・運用時には、先ず位相差検出手段５により、次のステップで位相差検出処理を行う（センサ３はエンコーダ２の１回転あたりＮ個の回転パルスを検出するものとする）。
（１）ある程度の速度でエンコーダ２が回転している状態において、１回転中の各回転パルスの周期Ｔ（１）〜Ｔ（Ｎ）を、それぞれ数回転〜数十回転にわたって測定する。
（２）測定した複数回転分のパルス周期データから、それぞれの回転パルスの平均周期を算出し、基準パターンＰref と同様に規格化して１回転分の平均周期変動パターンであるピッチ誤差パターンＰm とする。
（３）得られたピッチ誤差パターンＰm と基準パターンＰref との正規化相関値を、互いのデータをずらしながら計算し、最も相関値が高くなる位置（換言すれば、位相）をピッチ誤差パターンＰm と基準パターンＰref との相対的な位相差φとして算出する。
・ピッチ誤差パターンＰm と基準パターンＰref との位相差φが求まると、誤差補正手段６により、次のような誤差補正処理を行う。
求まった位相差φだけデータをずらし、位相を合わせた状態で基準パターンＰref を用いて次式により補正する。入力された回転パルスのパルス番号(i) の周期をＰ(i) とすると、
Ｐout(i)＝Ｐ(i) ／Ｐref(i+φ)
として、固定の誤差パターン分を補正したパルス周期Ｐout(i)を求める。最初の位相差φが求まるまでの数回転は誤差が補正されていない状態となるが、その後はエンコーダ２に含まれるピッチ誤差が補正されるため、より高い精度で回転位置・回転速度を検出できるようになる。基準パターンＰref との位相差φが求まれば、回転位置を検出できることになるため、一定の回転位相でＺ相信号を出力するなど、回転角度位置に関する情報を出力することもできる。

このように、この回転検出装置によると、運用に先立って基準パターン記憶手段４によりエンコーダ２の被検出パターンに含まれるピッチ誤差を測定し基準パターンＰref として記憶し、運用時には位相差検出手段５によりセンサ３で検出される複数回転の回転信号から前記被検出パターンの１回転分のピッチ誤差パターンＰm を求めると共に、このピッチ誤差パターンＰm を前記基準パターンＰref と比較して相対的な位相差φを求め、さらに誤差補正手段６により、前記位相差φに基づいて前記センサ３で検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行うように構成したため、基準センサを追加することなく、高い精度で回転速度や回転位置の検出が可能となる。

この発明において、前記基準パターンおよび前記ピッチ誤差パターンは、平均値で規格化したものであっても良い。
なお、「平均値で規格化」とは、具体的には、複数回転分のパルス周期データから平均して求めた１回転分のピッチ誤差パターンＰmについて、Ｎ個のデータＰm(１)〜Ｐm(Ｎ)の平均値をＰoとしたとき、平均値に対する比を求めＰr ＝Ｐm／Ｐo とする処理である。
基準パターンおよびピッチ誤差パターンにつき、平均値で規格化したものとすることで、基準や誤差を示すパターンとして適切なパターンとなる。

この発明において、前記位相差検出手段５は、前記基準パターンと前記ピッチ誤差パターンの間の位相をずらしながら相関計算して前記位相差を算出するものとしても良い。
この場合に、前記位相差検出手段５による前記補位相差の算出は、前記基準パターンと前記ピッチ誤差パターンに含まれる低周波の成分を除外して、高周波の成分だけで相関計算するものであっても良い。
回転体が心ずれして振れ回っている場合や、回転に同期して負荷が変化する場合など、１回転に１回あるいは２回といった低い周波数成分の大きなパターンが重畳することがある。このときに処理を行うと、低周波成分によって相関値が影響されてしまい、位相差が誤検出されてしまうことがある。低周波成分を除外することで、このような位相差の誤検出が回避できる。

この発明において、前記誤差補正手段６は、前記位相差検出手段５で求めた前記位相差を用いて、前記エンコーダの現在の回転角度が特定の位置となったときに基準位置信号としてＺ相信号を出力するパルスカウンタを有するものとしても良い。
基準位置信号としてＺ相信号を出力することで、絶対角度の計算が行える。

この発明において、前記位相差検出手段５は、前記位相差が得られたとき、位相差が得られたことを示すステータス信号を出力するものとしても良い。
ステータス信号が出力されることで、この回転検出装置を用いる制御が行い易くなる。

この場合に、前記ステータス信号としてＺ相信号を出力し、前記位相差が得られていないときにはＺ相信号を出力しないものとしても良い。
ステータス信号としてＺ相信号を用いることにより、専用のステータス信号が不要となる。

この発明において、前記誤差補正手段６は、前記位相差と前記基準パターンとにより、前記エンコーダの補正された回転速度値も算出するものとしても良い。

この発明において、前記位相差検出手段５は、前記センサで検出される回転信号の平均周期で規格化して１回転分のピッチ誤差動パターンを求め、このピッチ誤差パターンと前記基準パターンとの正規化相関値を、互いのデータをずらしながら計算し、この正規化相関値が予め定められたしきい値を超えていると、前記位相差が得られたと判断するものとしても良い。
正規化相関によって求めることにより、外乱の影響があっても安定して回転位相を検出することができる。

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、センサの取付け位置の変動などによる信号の変化や、取付部材の変形などの影響を気にせず、高い精度で安定した回転速度や回転位置の検出が可能である。

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パターン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パターン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、運用に先立って前記被検出パターンに含まれるピッチ誤差を測定し基準パターンとして記憶させた基準パターン記憶手段と、運用時の前記センサで検出される複数回転の回転信号から前記被検出パターンの１回転分のピッチ誤差パターンを求め、このピッチ誤差パターンを前記基準パターンと比較して相対的な位相差を求める位相差検出手段と、この位相差検出手段で求めた前記位相差に基づいて、前記センサで検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行う誤差補正手段とを設けたため、基準センサを追加することなく、高い精度で回転速度や回転位置の検出が可能である。
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、センサの取付け位置の変動などによる信号の変化や、取付部材の変形などの影響を気にせず、高い精度で安定した回転速度や回転位置の検出が可能である。

この発明の一実施形態にかかる回転検出装置の概念構成を初期設定時の状態で示すブロック図である。同回転検出装置の運転状態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。同回転検出装置の初期設定時の状態の他の例を示すブロック図である。同回転検出装置の初期設定時に検出される基準パターンＰref の一例を示すグラフである。同回転検出装置の運用時に検出されるピッチ誤差パターンＰm の一例を示すグラフである。基準パターンＰref とピッチ誤差パターンＰm とを重ねて示すグラフである。ピッチ誤差パターンＰm の位相を基準パターンＰref に合わせた状態を示すグラフである。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。同回転検出装置付き軸受をインボード側から見た側面図である。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。同回転検出装置付き軸受をインボード側から見た側面図である。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さらに他の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さらに他の構成例を示す断面図である。従来例での誤差補正した逓倍パルスのパルス周期を補正前のものと比較して示したグラフである。

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念構成を示すブロック図である。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パターン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の前記被検出パターンを検出して回転信号としてパルスａを発生するセンサ３と、基準パターン記憶手段４と、位相差検出手段５と、誤差補正手段６とを備える。基準パタ−ン記憶手段４は、運用に先立つ初期設定時に、前記被検出パターンに含まれるピッチ誤差を１回転分測定し、これを基準パターンＰref として予め記憶しておく記憶手段である。位相差検出手段５は、運用時の前記センサ３で検出される複数回転の回転信号から前記被検出パターンの一回転分のピッチ誤差パターンＰm を求め、このピッチ誤差パターンＰm を前記基準パターンＰref と比較して相対的な位相差φを求める手段である。誤差補正手段６は、位相差検出手段５で求めた前記位相差φに基づいて、前記センサ３で検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行う手段である。

前記センサ３と、前記基準パターン記憶手段４、位相差検出手段５および誤差補正手段６との間には切替スイッチ７が介在させられ、この切替スイッチ７の切替により、運用に先立つ初期設定時には図１のようにセンサ３が基準パターン記憶手段４に接続され、回転検出装置１が軸受などの回転体に搭載された運用時には、図２のようにセンサ３が位相差検出手段５および誤差補正手段６に接続される。切替スイッチ７は、半導体スイッチング素子であっても、接点式のスイッチであっても良く、さらに概念的なもの、例えばソフトウェアによって処理を切り替えるものであっても良い。

エンコーダ２は、例えば図３（Ａ），（Ｂ）に半部断面図および斜視図で示すように、被検出パターンとして周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３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４（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４の構成例では、例えば断面をＬ字形としたリング状のバックメタル２０の円筒部２０ａの一端から外径側に延びるフランジ部２０ｂ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２０の円筒部２０ａ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。

運用に先立つ初期設定においては、図１のようにセンサ３の検出する回転信号であるパルスａは切替スイッチ７を経て基準パターン記憶手段４に入力される。この例では、初期設定時に、エンコーダ２に同期して回転する基準エンコーダ８が取付けられる。基準パターン記憶手段４は、パルス測定部１０、誤差抽出部１１、基準パターン記憶メモリ１２を備え、エンコーダ２の被検出パターンに対応してセンサ３から出力される１回転分の各パルスａの周期をパルス測定部１０で測定し、誤差抽出部１１では前記測定値から各被検出パターンのピッチ誤差Ｐerrを抽出し、得られたデータを平均値で規格化し、これを基準パターンＰref としてあらかじめ基準パターン記憶メモリ１２に記憶しておく。測定におけるノイズの影響を低減するため、測定を数回転から数十回転にわたって行い、各パルス周期の測定値から平均値を求めてＰerrを抽出するのが望ましい。
なお、「平均値で規格化」とは、具体的には、パルス周期データから抽出した１回転分のピッチ誤差パターンＰerrについて、Ｎ個のデータＰerr(１)〜Ｐerr(Ｎ)の平均値をＰerroとしたとき、平均値に対する比を求めＰref ＝Ｐerr／Ｐerro とする処理である。
パルス測定部１０では、基準エンコーダ８から得られる信号を基準にして、前記各パルスａの周期が測定される。基準パターンＰref の測定は、エンコーダ２を組み付けた状態で行い、心ずれや変形による誤差も含んだものとして記憶しておくのが望ましい。

図１のように、初期設定において、エンコーダ２に同期して回転する基準エンコーダ８を取付ける代わりに、図５のように、慣性の大きなフライホイール９をエンコーダ２に同心に連結しても良い。この状態でエンコーダ２を回転させて上記のようにパルス測定部１０でパルス周期を測定すれば、ほぼ一定の回転速度、あるいは一定の速度変化率の回転速度となるため、同様にして各被検出パターンのピッチ誤差を誤差抽出部１１で抽出することができる。この場合、パルス測定部１０は、クロック回路１３から与えられる一定周期のクロック信号を基準にしてパルス周期を測定できる。

回転検出装置１が被検出対象である軸受などの回転体に取付けられた運用時には、図２のように切替スイッチ７の切り替えにより、センサ３は位相差検出手段５と誤差検出手段６に接続される。この運用状態の初期には、位相差検出手段５により、前記センサ３で検出される回転信号に含まれる誤差成分の特徴、いわば「くせ」を用いて、以下のように基準パターンＰref との位相差φが求められる。

位相差検出手段５は、周期測定部１４、平均計算規格化処理部１５、周期変動パターン記憶部１６、位相差検出部１７、パルスカウンタ１８、および基準パターン記憶メモリ１２を備える。基準パターン記憶メモリ１２は、前記基準パターン記憶手段４と共用される。
回転検出装置１の運用の初期に、位相差検出手段５では、センサ３の検出する回転信号に含まれる誤差成分の特徴を用いて、基準パターンＰref との位相差φを検出する以下の処理を行う。
（１）エンコーダ２がある程度の速度で回転している状態において、１回転中にセンサ３で検出される各パルスａの周期Ｐ（１）〜Ｐ（Ｎ）を、周期測定部１４でそれぞれ数回転〜数十回転にわたって測定する。周期測定部１４では、パルスカウンタ１８から与えられる一定周期のパルスに基づき前記周期が測定される。なお、ここではセンサ３は１回転あたりＮパルスを検出するものとする。
（２）平均計算規格化処理部１６では、測定した複数回転分のパルス周期データから、それぞれのパルスの平均周期を算出し基準パターンＰref と同様に規格化し、これを１回転分のピッチ誤差パターンＰm として周期変動パターン記憶部１６に記憶する。
（３）位相差検出部１７では、基準パターン記憶手段４で得られた基準パターンＰref と前記ピッチ誤差パターンＰm との正規化相関値を、互いのデータをずらしながら計算し、最も相関値が高くなる位置（相対位相差）φを算出する。

この処理では、数回転分のパルス周期を平均化したデータを用いてセンサパターンの特徴を抽出するため、ごくわずかな周期変動が含まれていれば位相差φを検出することができる。そのため、エンコーダ２にＺ相として識別するための大きな誤差パターンを設けておく必要はなく、製造時に発生するわずかなピッチ誤差などをもとにして位相検出することが可能である。したがって、通常の回転検出に十分なピッチ精度を確保しておきながら、その中に含まれる特徴的な誤差パターンによって回転位相を検出することができる。

しかしながら、ピッチ誤差があまりにも小さい場合や、回転方向に均一にピッチ変動が発生しているような状態のエンコーダ２を用いた場合には、上記の処理でも良好に位相差検出ができない場合がある。したがって、１回転内のピッチ誤差を±0.5 ％以下に抑えつつ、＋0.5 ％になる部分を特定の一か所あるいは数か所となるようにして、相関計算におけるパターンマッチングがうまくいくように工夫された被検出パターンとするのが望ましい。
また、正規化相関の計算値を、あらかじめ定めておいたしきい値を超えた場合に、位相差φが正常に検出されたと判断する構成としても良い。検出されたピッチ誤差パターンＰm のノイズが多く、正確な位相差φが検出できていない場合も発生するため、正常に検出できたと判断されるまで、周期データの収集を継続するように構成するのが望ましい。

このようにして、前記位相差φが検出された後には、通常の運用状態になる。すなわち、位相差検出手段５による上記処理は、Ｚ相信号が搭載されている回転検出装置と対比すると、最初に１回転しながらＺ相位置を探して、見つかった後には回転位相が既知の状態になる、という初期動作に相当する。

誤差検出手段６は、周期測定部１４、補正処理部１９、基準パターン記憶メモリ１２Ａ、およびパルスカウンタ１８を備える。周期測定部１４およびパルスカウンタ１８は位相差検出手段５と共用される。すなわち、図に示した２つの周期測定部１４、および２つのパルスカウンタ１８は、説明の都合上で２つ示しているが、それぞれ互いに同じものである。
基準パターンＰref との位相差φが求まった後の通常の運用時には、誤差検出手段６は、以下のステップで誤差補正処理を行う。
パルス番号（ｉ）のパルスａの周期をＰ(i) とすると、基準パターン記憶メモリ１２Ａでは、基準パターン記憶手段４で求めた基準パターンＰref の周期を、位相差検出手段５で求められた位相差φ分だけずらして位相を合わせした基準パターンＰref(i+φ) として基準パターン記憶メモリ１２Ａに記憶する。
このような位相合わせの後、周期測定部１４を経て入力されてくるパルス番号（ｉ）のパルスａの周期Ｐ(i) は、補正処理部１９において、基準パターン記憶メモリ１２Ａに記憶された基準パターンＰref(i+φ) を用いて、次式
Ｐout(i)＝Ｐ(i) ／Ｐref(i+φ) ……（１）
により、固定の誤差パターン分を補正したパルス周期Ｐout(i)として求められる。この補正されたパルス周期Ｐout(i)を用いて、パルス番号（ｉ）のパルスａに対応した正確な回転位置や回転速度が得られる。
なお、基準パターン記憶メモリ１２Ａは、基準パターン記憶手段４、位相差検出手段５における基準パターン記憶メモリ１２と共用しても良い。

運用時の上記処理において、最初の位相差φが求まるまでの数回転は誤差が補正されていない状態となるが、位相差φが検出された後は、エンコーダ２に含まれる誤差が補正される。そのため、補正されたパルス幅（これから正確な回転角度が求まる）、あるいはそれを用いて算出した補正された回転速度が得られ、より高い精度で回転角度・回転速度を検出できるようになる。

また、基準パターンＰref との位相差φが求まれば、エンコーダ２を基準にした回転位置が検出できることになる。したがって、位相差φが検出された後には、角度位置に関する基準位置信号を出力することもできる。

また、誤差検出手段６では、位相差φが求まったことを示すステータス信号を出力する構成となっている。ここでは、ステータス信号として、パルスカウンタ１８から基準位置信号（Ｚ相）を出力している。このように構成した場合、数回転させてＺ相が出力されると基準位置が見つかったことを示すため、以降は絶対角度を計算できることになり、通常のＺ相付きセンサと同様な使い方ができて都合が良い。

図６に基準パターンＰref の例を示す。横軸が回転パルス番号、縦軸が規格化したパルス周期誤差で、平均パルス周期に対する比率で示されている。パルス番号２５０付近と８５０付近に、特徴的な誤差パターンが見えている。
図７は２０回転分のデータから求めたピッチ誤差パターンＰm の例を示す。図６の基準パターンＰref とは位相がずれているが、誤差パターンの特徴が似ていることがわかる。図８では、図６の基準パターンＰref と図７のピッチ誤差パターンＰm とを重ねて示している。

図８の状態では特徴的なパターンの位置がずれているが、ピッチ誤差パターンＰm を右にずらしていくと基準パターンＰref と重ねることができる。すなわち、ピッチ誤差パターンＰm を右にずらしながら相関値を求めていくと、最も重なる位置で相関値が最大になるので、この位置を位相差φとして求めれば良い。求めた位相差φだけずらした位置で、ピッチ誤差パターンＰm と基準パターンＰref の両者をプロットすると、図９のような状態となる。

このデータには顕著でないが、回転体が心ずれして振れ回っている場合など、１回転に１回あるいは２回といった低い周波数成分の大きなパターンが重畳することがある。このときに同様な処理を行うと、低周波成分によって相関値が影響されてしまい、位相差φが誤検出されてしまうことがある。センサ３に含まれる特徴的な誤差によって位相差φを確実に検出するためには、低周波成分をカットして高次のパターン成分で相関演算するのが望ましい。
カットする低周波成分は、例えば車輪用途であれば１回転につき、15回程度以下の周波数成分とする。この値は用途によって適切に選択される必要がある。例えば８極モータに使用されるのであれば、１回転に4回の同期成分が重畳する可能性が高いため４〜８程度に設定するのが望ましく、歯数12枚のギヤが回転しているのであれば同様に12以上に設定するのが望ましい。

以下に、この回転検出装置１の効果を列挙する。
・エンコーダ２の被検出パターンに含まれる誤差を、あらかじめ測定された誤差測定値に基づいて補正するため、例えばエンコーダ２が磁気エンコーダである場合に着磁誤差などの影響を受けずに、より高い精度で回転位置や回転速度を測定することができる。・軸受に組み込まれた状態で補正する構成の場合、心ずれや変形による誤差も補正されるため、より高い精度で回転位置や回転速度を測定することができる。
・回転したときに観測される回転パルスの変動パターン（ピッチ誤差パターンＰm ）を検出し、その特徴を基準パターンＰref と比較することにより、基準パターンＰref との位相差φを検出しているため、位相差φを検出するためのＺ相信号などのセンサやエンコーダを追加で実装する必要がない。したがって、価格を上げることなく、省スペースなままで、高精度な回転位置・回転速度検出を実現できる。
・上記の位相差検出を正規化相関によって求めているため、外乱の影響があっても安定して回転位相を検出することができる。
・回転パルス数が多いセンサ信号に適用した場合であっても、上記の正規化相関処理の精度が高いため、基準パターンＰref との位相を正確に合わせることができ、誤差補正を正確に行うことができる。
・別途、Ｚ相を検出するためのセンサや構造を設けることなく、回転位置を検出することができ、エンコーダ２に含まれる誤差も補正することができる。

このように、この回転検出装置１によると、運用に先立って基準パターン記憶手段４によりエンコーダ２の被検出パターンに含まれるピッチ誤差を測定し基準パターンＰref として記憶し、運用時には位相差検出手段５によりセンサ３で検出される複数回転の回転信号から前記被検出パターンの１回転分のピッチ誤差パターンＰm を求めると共に、このピッチ誤差パターンＰm を前記基準パターンＰref と比較して相対的な位相差φを求め、さらに誤差補正手段６により、前記位相差φに基づいて前記センサ３で検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行うように構成したため、基準センサを追加することなく、高い精度で回転速度や回転位置の検出が可能となる。

図１０および図１１は、上記した回転検出装置１を自動車の車輪用軸受に搭載した回転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２１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。内方部材３２は、ハブ輪３２ａと、このハブ輪３２ａのインボード側端の外周に嵌合した内輪３２ｂとでなり、各輪３２ａ、３２ｂの外周に前記転走面３４が設けられている。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における、内方部材３２の外周面、具体的には内輪３２ｂ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。

このように、上記構成の回転検出装置１を車輪用軸受３０に搭載した回転検出装置付き軸受２１では、センサの取付け位置の変動などによる信号の変化や、取付部材の変形などの影響を気にせず、高い精度で車輪の安定した回転速度・回転位置情報を得ることができ、路面状態や運転状態の変化による回転変動や、スリップ状態などを正確にとらえることが可能になる。

図１２および図１３は、上記構成の回転検出装置１を自動車の車輪用軸受に搭載した回転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２１Ａは、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ従動輪支持用の車輪用軸受３０Ａ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。この構成例では、車輪用軸受３０Ａの外方部材３１のインボード側端部の端面開口がカバー２９で覆われており、このカバー２９に回転検出装置１のセンサ３が取付けられている。その他の構成および作用効果は図１０および図１１に示した回転検出装置付き軸受２１の場合と同様である。

図１４は、上記した回転検出装置１を一般的な軸受に搭載した回転装置付き軸受２１Ｂの構成例を示す。この回転検出装置付き軸受２１Ｂは、転動体４４を介して互いに回転自在な回転側軌道輪４２および固定側軌道輪４３を有する軸受４０において、回転側軌道輪４２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４３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４０は深溝玉軸受からなり、その内輪が回転側軌道輪４２となり、外輪が固定側軌道輪４３となる。

エンコーダ２は、リング状のバックメタル２０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２０を介して回転側軌道輪４２に固着されている。センサ３はリング状の金属ケース４５内に樹脂モールドされ、金属ケース４５を介して固定側軌道輪４３に固定されている。

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２１Ｂでは、センサの取付け位置の変動などによる信号の変化や、取付部材の変形などの影響を気にせず、回転軸の回転速度や回転位置を正確に検出することが可能になる。

図１５は、上記構成の回転検出装置１を鉄道車両の車軸軸受に搭載した回転装置付き軸受の構成例を示す。この回転検出装置付き軸受２１Ｃは、転動体５４を介して互いに回転自在な内輪５２および外輪５３を有する鉄道車両の車軸軸受５０において、内輪５２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外輪５３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。
車軸軸受５０は複列外向きの円すいころ軸受型のものであり、内輪５２は２つの分割型内輪５２Ａを軸方向に並べて互いに連結してなり、外輪５３は一体の部材からなる。これら内輪５２と外輪５３の間に複列の転動体５４が介在する。転動体５４は円すいころからなり、保持器６４で保持されている。内輪５２と外輪５３との間の軸受空間の両端は、シール５７，５８によってそれぞれ密封されている。内輪５２は、車軸６０に嵌合して内輪５２の両端に配置される後ろ蓋６２と前蓋６１とにより車軸６０に固定される。

エンコーダ２は、リング状のバックメタル２０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２０を介して内輪５２に固着されている。センサ３は、外輪５３の一端部に嵌合するリング状の金属ケース６３内にエンコーダ２と径方向に対向させて取付けられている。

このように、上記構成の回転検出装置１を車軸軸受５０に搭載した回転検出装置付き軸受２１Ｃでは、センサ３の取付け位置の変動などによる信号の変化や、取付部材の変形などの影響を気にせず、精度よく車輪の回転速度を検出することができ、回転異常の検出などもより正確に行うことができる。また、絶対角度位置がわかることにより、車軸６０のどの回転位置に異常が発生しているかといった情報提供にも利用することができる。

なお、前記実施形態では、被検出パターンが磁極対２ａである場合につき説明したが、被検出パターンは光学式に検出される縞模様や、磁性体からなるギヤ形状のものなど、等ピッチで配置されてセンサの検出ターゲットとなるものであれば良い。

１…回転検出装置
２…エンコーダ
２ａ…磁極対（被検出パターン）
３…センサ
４…基準パターン記憶手段
５…位相差検出手段
６…誤差補正手段
２１〜２１Ｃ…回転検出装置付き軸受
３０，３０Ａ…車輪用軸受
４０…軸受
５０…車軸軸受

Claims

回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出パターン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パターン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、
運用に先立って前記被検出パターンに含まれるピッチ誤差を測定し基準パターンとして記憶させた基準パターン記憶手段と、
運用時の前記センサで検出される複数回転の回転信号から前記被検出パターンの１回転分のピッチ誤差パターンを求め、このピッチ誤差パターンを前記基準パターンと比較して相対的な位相差を求める位相差検出手段と、
この位相差検出手段で求めた前記位相差に基づいて、前記センサで検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行う誤差補正手段、
とを設けたことを特徴とする回転検出装置。
請求項１に記載の回転検出装置において、前記基準パターンおよび前記ピッチ誤差パターンは、平均値で規格化したものである回転検出装置。
請求項１に記載の回転検出装置において、前記位相差検出手段は、前記基準パターンと前記ピッチ誤差パターンの間の位相をずらしながら相関計算して前記位相差を算出する回転検出装置。
請求項３に記載の回転検出装置において、前記位相差検出手段による前記補位相差の算出は、前記基準パターンと前記ピッチ誤差パターンに含まれる低周波の成分を除外して、高周波の成分だけで相関計算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項に記載の回転検出装置において、前記誤差補正手段は、前記位相差検出手段で求めた前記位相差を用いて、前記エンコーダの現在の回転角度が特定の位置となったときに基準位置信号としてＺ相信号を出力するパルスカウンタを有する回転検出装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の回転検出装置において、前記位相差検出手段は、前記位相差が得られたとき、位相差が得られたことを示すステータス信号を出力するものとした回転検出装置。
請求項６に記載の回転検出装置において、前記位相差検出手段は、前記ステータス信号としてＺ相信号を出力し、前記位相差が得られていないときにはＺ相信号を出力しないものとした回転検出装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の回転検出装置において、前記誤差補正手段は、前記位相差と前記基準パターンとにより、前記エンコーダの補正された回転速度値も算出するものとした回転検出装置。
請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の回転検出装置において、前記位相差検出手段は、前記センサで検出される回転信号の平均周期で規格化して１回転分のピッチ誤差動パターンを求め、このピッチ誤差パターンと前記基準パターンとの正規化相関値を、互いのデータをずらしながら計算し、この正規化相関値が予め定められたしきい値を超えていると、前記位相差が得られたと判断するものとした回転検出装置。
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。