WO2006013622A1 - 絶対角度センサ付軸受装置 - Google Patents

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WO2006013622A1
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Koji Yamada
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    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G01P3/443—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed mounted in bearings

Definitions

  • the present invention relates to a bearing device with an absolute angle sensor used for rotation angle detection in various devices, for example, angle detection for position control of a small motor and absolute angle detection of a robot joint.
  • An encoder is widely used to detect the rotation angle of this type of device.
  • bearings with built-in sensors that incorporate magnetic sensors in bearings are used.
  • Magnetic sensor built-in bearings are not as accurate as separate optical encoders, especially for absolute angle detection. For example, it is essential to create correction data by connecting a high-precision encoder.
  • the absolute angle detection using a Resonator lever generally uses an RD converter.
  • correction data cannot be incorporated into the RD converter itself, so in the example of Patent Document 2, a calibration circuit using a CPU is added as described above, which makes the angle detector complex and expensive. become.
  • an absolute angle can be detected by magnetizing a signal that changes over one rotation, for example, a sine wave of one rotation and one period, on a magnetic generation member and detecting it with a magnetic sensor. It is known that there is.
  • the sensor built-in bearing does not require operations such as axial alignment because the sensor part and bearing have a body structure. However, it is difficult to magnetize the magnetism generating member in a desired manner, and highly accurate angle detection is not realized with the sensor alone.
  • An object of the present invention is to provide a bearing with a rotation sensor capable of detecting an absolute angle with high accuracy without a calibration operation after being incorporated into a bearing installation device.
  • the bearing device with an absolute angle sensor is a rotation detector that outputs two analog outputs having a phase difference of 90 ° in electrical angle as a detection output of the rotation angle of the rotation-side raceway with respect to the fixed-side raceway Correction data for error correction when the absolute angle of the rotation angle of the rotating raceway is calculated from the above two analog outputs is recorded and used as a pair with the above sensor-equipped bearing. And a component with a correction data recording section.
  • the correction data recording part used as a pair is provided for each bearing with a sensor. Therefore, for each bearing with a sensor, the correction data when calculating the absolute angle is used for the bearing of that bearing. It can be measured in advance at the time of manufacture and recorded in a part with a correction data recording unit. Therefore, it is possible to detect absolute angles with high accuracy without the need for calibration after the bearings are installed in the bearing installation equipment. For this reason, a bearing with a rotation sensor capable of detecting an absolute angle with high accuracy at low cost can be realized.
  • the rotation detector is attached to the rotation-side bearing ring and the detected portion whose magnetic characteristics are periodically changed in the circumferential direction, and is attached to the fixed-side bearing ring so as to face the detection portion. It may be composed of two magnetic sensors that output an analog output of 90 ° phase difference with respect to each other.
  • the absolute angle can be output easily and accurately by using the correction data of the part with the correction data recording part. Can do.
  • the analog output having a phase difference can be obtained by the two magnetic sensors, it can be made less susceptible to an external magnetic field by performing appropriate signal processing. In this case, because of the 90 ° phase difference, quadrant discrimination is possible and absolute angle detection with higher accuracy is possible.
  • the component with the correction data recording unit uses the correction table in which the correction data is recorded, the correction data in the correction table, and the two analog outputs.
  • Force Absolute angle calculating means for calculating an absolute angle, and the correction data may be based on angle calibration data measured after manufacturing the sensor-equipped bearing.
  • the correction data recorded in the component with the correction data recording unit may be integrated into an angle value that is an arctangent calculation result in an arctangent calculation table.
  • the absolute value is obtained by comparing the detection value of the rotation detector with the calculation table of arc tangent.
  • the calculation of arc tangent in the digital method is complicated, but it can be easily obtained by referring to the table of arc tangent calculation results prepared in advance from the division results.
  • the correction data is integrated with the angle value that is the result of the arc tangent calculation in the calculation table, that is, the angle value that is the result of the arc tangent calculation is the corrected data.
  • the angle value obtained using the table is the corrected value. For this reason, after performing the arc tangent calculation, it is possible to perform a high-accuracy absolute angle detection that does not need to be performed again by a simple process.
  • the component with the correction data recording unit is one It may be a chip type microcomputer or a programmable logic circuit.
  • these one-chip microcomputers or circuit boards equipped with programmable logic circuits are acceptable.
  • a component with a correction data recording unit is a component having a calculation function
  • a part of the component can be used for recording correction data, and the calculation of the absolute angle can be performed using the calculation function of this component. it can. For this reason, there is no need to provide a separate component as a calculation means.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing a bearing with a sensor in a bearing device with an absolute angle sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a schematic view showing a relationship between a detected portion and a magnetic sensor in the bearing.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing a method of magnetizing a detected portion in the bearing.
  • FIG. 3 is a waveform diagram showing outputs of two magnetic sensors in the bearing.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a relationship between a magnetization waveform of a detected part and two magnetic sensors in the bearing.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a bearing device with an absolute angle sensor that works on this embodiment.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of correction means in the bearing device.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a calibration device used for measuring correction data of a component with a correction data recording unit in the bearing device.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of a bearing device with an absolute angle sensor that works on another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of correction means in the bearing device.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of a bearing device with an absolute angle sensor that is useful in still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is an explanatory view showing an example of attachment of a component with a correction data recording unit in the bearing device that exerts its power on the embodiment.
  • FIG. 12 is an explanatory view showing another example of attachment of the component with the correction data recording unit in the bearing device that is effective in the embodiment.
  • FIG. 13 is an explanatory view showing still another example of attachment of the component with the correction data recording unit in the bearing device that is applied to the embodiment.
  • this bearing device with an absolute angle sensor includes a bearing 1 with a sensor and a component 20 with a correction data recording unit used as a pair with the bearing 1 with a sensor.
  • the sensor-equipped bearing 1 is composed of a bearing portion 1A having a rotating side race ring 2 and a fixed side race ring 3 that are rotatable with respect to each other via a rolling element 4, and a rotation detector 6.
  • the bearing portion 1A is formed of a deep groove ball bearing.
  • the inner ring is a rotating side race ring 2 and the outer ring is a fixed side race ring 3.
  • the raceway surfaces 2 a and 3 a of the rolling element 4 are formed on the outer diameter surface of the rotation side raceway ring 2 and the inner diameter surface of the fixed side raceway ring 3, and the rolling element 4 is held by a cage 5.
  • the rotation detector 6 outputs two analog outputs with a 90 ° phase difference in electrical angle as detection output of the rotation angle of the rotation side raceway 2 with respect to the fixed side raceway ring 3.
  • the rotation detector 6 includes a detected portion 7 attached to one end portion of the rotation-side raceway ring 2 and two magnetic sensors attached to one end portion of the fixed-side raceway ring 3 so as to face the detected portion 7. 8A and 8B.
  • the end on the opposite side to the installation side of the rotation detector 6 is sealed with a seal member 10.
  • the detected portion 7 of the rotation detector 6 is of a radial type, and is an annular component in which the magnetic characteristics with respect to the magnetic sensors 8A and 8B are periodically changed in the circumferential direction.
  • This magnetic property changes with one rotation of the rotating side race 2 as one cycle.
  • it has an annular back metal 11 and a magnetic generating member 12 provided on the outer peripheral side thereof and magnetized with magnetic poles N and S that change in the circumferential direction.
  • This detected part 7 is connected via a back metal 11.
  • the magnetism generating member 12 is, for example, a rubber magnet and is vulcanized and bonded to the back metal 11.
  • the magnetism generating member 12 may be formed of a plastic magnet or a sintered magnet. In this case, the back metal 11 is not necessarily provided.
  • FIG. 2 shows an example of a process for imparting the above-described magnetic characteristics to the magnetism generating member 12 of the detected part 7.
  • an annular part before magnetization which becomes the annular detection part 7 is placed inside the air coil 13 wound in a cylindrical shape, and its axis C 1 is orthogonal to the axis C 2 of the air coil 13.
  • a magnetizing current is passed through the air-core coil 13 in a state in which the magnetizing yoke 14 for correcting the magnetizing intensity distribution is arranged on the outer periphery of the component to be the detected part 7.
  • a force S can be obtained on the magnetism generating member 12 of the detected portion 7 to obtain a sinusoidal magnetization distribution with one rotation as one cycle as shown in FIG.
  • the two magnetic sensors 8A and 8B constituting the magnetic detection unit of the rotation detector 6 are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction as shown in FIG. 1B (here, a phase difference of 90 ° in mechanical angle). ). Both of these magnetic sensors 8A and 8B are composed of analog sensors. These magnetic sensors 8A and 8B are mounted on the magnetic detection circuit board 9 as shown in FIG. 1A, inserted into the resin case 15 together with the magnetic detection circuit board 9, and then resin-molded. The resin case 15 is fixed to the fixed-side raceway ring 3 via the metal case 16 so that the magnetic sensors 8A and 8B and the magnetic detection circuit board 9 are attached to the fixed-side raceway ring 3.
  • the magnetic detection circuit board 9 is a board on which a circuit for supplying power to the magnetic sensors 8A and 8B and processing the output signals of the magnetic sensors 8A and 8B and outputting them to the outside is mounted.
  • FIG. 3 shows a waveform diagram of detection signals of both magnetic sensors 8A and 8B accompanying the rotation of the rotating side raceway ring 2.
  • the two magnetic sensors 8A and 8B can obtain analog outputs X and Y that are 90 ° out of phase with respect to each other, so that quadrant discrimination is possible, and the absolute angle can be determined from these outputs X and Y. it can.
  • FIG. 4 shows the relationship between the magnetization waveform of the detected portion 7 and the installation positions of both magnetic sensors 8A and 8B.
  • the analog output X of the first magnetic sensor 8A becomes a sine wave
  • the analog output Y of the second magnetic sensor 8B becomes a cosine wave. That is, between these analog outputs X and Y and the absolute angle ⁇ ,
  • the component 20 with the correction data recording unit (FIG. 5) is added to detect the absolute angle ⁇ with high accuracy.
  • the component 20 with the correction data recording unit can be installed on the sensor-equipped bearing 1 or separated from the sensor-equipped bearing 1.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of the bearing device with an absolute angle sensor of this embodiment.
  • correction data for correcting an error when the absolute angle of the rotation angle of the rotating side race 2 is calculated from the two analog outputs X and ⁇ of the rotation detector 6 is recorded.
  • This component with correction data recording unit 20 records correction data for performing error correction when calculating the absolute angle of the rotation angle of the rotating race 3 from the analog outputs X, ⁇ of both magnetic sensors 8 ⁇ , 8 ⁇ .
  • a correction table 26 and an absolute angle calculation means 27 for calculating the absolute angle from the two analog outputs X and ⁇ are used.
  • the component 20 with the correction data recording unit is mounted in a digital manner so that the absolute angle can be calculated.
  • the absolute angle calculation means 27 includes a divider 22 that divides the outputs X ′ and Y ′ of the two magnetic sensors 8 and 8 converted into digital signals by the A / D converter 21, and a calculation output by the divider 22 (
  • the arc tangent calculator 23 that performs an arc tangent calculation corresponding to the above equation (3) from ( ⁇ ′ / Y ′)) and the absolute angle ⁇ that is the calculation output of the arc tangent calculator 23 are
  • the correction processing unit 25 outputs a corrected absolute angle ⁇ ′ in comparison with the correction data.
  • the correction processing unit 25 and the correction table 26 constitute correction means 24.
  • the absolute angle ⁇ may be obtained using a calculation table (LUT: Lookup Table) (not shown) that stores the operation output ( ⁇ '/ Y') and the absolute angle value of arctangent. good.
  • LUT Lookup Table
  • the calculation of arc tangent in the digital method is complicated, but it can be easily obtained by referring to a table of arc tangent calculation results prepared in advance from the division result.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of the correcting means 24.
  • a value corrected by a correction value ⁇ is associated with the calculated absolute angle ⁇ ′ as a calibrated absolute angle ⁇ ′.
  • the correction data in the correction table 26 is based on angle calibration data measured after the manufacture of the sensor-equipped bearing 1.
  • the measurement of the angle calibration data is performed by, for example, the calibration device 34 shown in FIG.
  • this calibration device 34 one end portion of a rotary shaft 36 rotatably supported by a bearing 35 is supported by the sensor-equipped bearing 1 of this bearing device with an absolute angle sensor.
  • the bearing with sensor 1 having the rotation detector 6 that performs the two analog output X, ⁇ of 90 ° phase difference, and the two analog outputs described above. Since the correction data for correcting the error when calculating the absolute angle of the rotation angle from X, ⁇ ⁇ is recorded and the sensor-equipped bearing 1 and the component 20 with the correction data recording section used as a pair are provided, the sensor After incorporating the attached bearing 1 into the user's system, high-precision absolute angle detection can be performed without performing calibration work for absolute angle detection again. The system design on the one side is also easy.
  • the rotation detector 6 is attached to the rotation-side bearing ring 2 and has a detected part 7 whose magnetic characteristics are periodically changed in the circumferential direction, and a fixed-side bearing ring facing the detected part 7. Since it is composed of two magnetic sensors 8A and 8B that are attached to 3 and output an analog output of 90 ° phase difference in electrical angle, the absolute angle can be easily output. In addition, since the two magnetic sensors 8A and 8B can obtain analog outputs X and Y with a phase difference of 90 °, quadrant discrimination is possible and more accurate absolute angle detection is possible.
  • the component 20 with the correction data recording unit uses the correction table 26 in which the correction data is recorded and the correction data in the correction table 26, and calculates the absolute angle from the two analog outputs X and Y.
  • Absolute angle calculation means 27 for calculating, and the correction data is based on the angle calibration data measured after the manufacture of the sensor-equipped bearing 1, so that the output force absolute angle of the rotation detector 6 is calculated. The calculated value is automatically corrected and high-precision absolute angle detection is possible.
  • the component 20 with the correction data recording unit is composed of an A / D converter 21, a divider 22, and a correction means 24A.
  • the tangent calculation circuit 23 is omitted.
  • the correction means 24A also serves as an arctangent calculation means, and an arctangent calculation result is a corrected result.
  • the correction means 24A includes a correction processing unit 25 and a calculation table 28.
  • the calculation table 28 includes an operation output ( ⁇ ′ / ⁇ ′) of the divider 22 and an arctangent based on the operation output. Calculation results (absolute angles) are recorded in association with each other, and corrected values are recorded as arc tangent calculation results.
  • the correction processing unit 25 of the correction means 24 ⁇ searches the calculation table 28 for the arc tangent calculation result ⁇ 'corresponding to the calculation output (X'ZY') of the divider 22, and calculates the calibrated angle value ⁇ 'as an absolute angle.
  • the divider 22 and the correction means 24 ⁇ constitute an absolute angle calculation means 27 ⁇ that calculates the absolute angle.
  • the calculation of arc tangent in the digital method is complicated, but it can be easily obtained by referring to a table of arc tangent calculation results prepared in advance from the division result.
  • a special correction means is added to the absolute angle detection circuit. It is possible to realize a highly accurate angle detection device that does not add the above.
  • FIG. 10 to FIG. 13 show various specific usage patterns of the component 20 with the correction data recording section in each of the above embodiments.
  • an interface 29 with the host side for enabling output of detected absolute angle data in various formats such as serial and parallel is provided on the component 20 with the correction data recording unit.
  • the component 20 with the correction data recording unit is a one-chip microcomputer, a programmable logic circuit, or a circuit board on which these one-chip microcomputer or programmable logic circuit is mounted.
  • the angle calculation means 38 in the figure is a calculation means including the divider 22 and the arctangent calculator 23 in the first embodiment (FIG. 5).
  • the component 20 with the correction data recording unit can be easily mounted on the circuit board or the like of the user system in which the bearing device with the absolute angle sensor is incorporated.
  • FIG. 11 shows an example of attachment of the correction data recording part-equipped component 20 formed as a circuit board in the embodiment of FIG.
  • the rotation detector 6 of the sensor-equipped bearing 1 is connected to the circuit board 32 of the user system with the cable 30 and the connector 31, and the component 20 with the correction data recording unit is connected to the socket 33 on the circuit board 32 of the user system. Mounted.
  • FIG. 12 shows another example of attachment of the component 20 with the correction data recording unit formed as a circuit board in the embodiment of FIG.
  • the correction data recording part 20 is attached to the connector 31 that connects the rotation detector 6 of the sensor-equipped bearing 1 and the circuit board 32 of the user system together with the cable 30.
  • FIG. 13 shows still another example of attachment of the correction data recording part-equipped component 20 formed as a circuit board in the embodiment of FIG.
  • a component 20 with a correction data recording unit is incorporated in, for example, the stationary side race ring 3 of the sensor-equipped bearing 1, and the output (absolute angle) from the component 20 with a correction data recording unit is passed through the cable 30 and the connector 31 Is input to the circuit board 32 of the user system.
  • the rotation detector 6 is a radial type, but the rotation detector 6 may be an axial type.
  • the bearing portion 1A may also be an axial type.

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Abstract

　軸受設置機器への組み込み後の校正作業無しで、高精度な絶対角度の検出が可能な回転センサ付軸受を提供する。この絶対角度センサ付軸受装置は、センサ付軸受１と、補正データ記録部付き部品２０とを備える。センサ付軸受１は、回転側軌道輪の固定側軌道輪に対する回転角度の検出出力として電気角度で９０°位相差の２つのアナログ出力Ｘ，Ｙを行う回転検出器６を有する。補正データ記録部付き部品２０は、上記２つのアナログ出力Ｘ，Ｙから上記回転側軌道輪の回転角度の絶対角度を演算するときの誤差補正を行う補正データが記録されたものであり、上記センサ付軸受１と対として使用される。

Description

明 細 書
絶対角度センサ付軸受装置
技術分野
[0001] 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位置制御の ための角度検出や、ロボット関節の絶対角度検出のために用いられる絶対角度セン サ付軸受装置に関する。
背景技術
[0002] この種類の装置の回転角度検出には、エンコーダが広く使われている。より小型化 、低コスト化が必要な分野では、磁気式のセンサを軸受部に内蔵したセンサ内蔵軸 受が使われている。磁気式のセンサ内蔵軸受は、別付けの光学式エンコーダに比べ て精度が十分でなく、特に絶対角度検出にぉレ、ては軸受をその使用機器に組み込 んだ後で、何らかの校正作業、例えば高精度なエンコーダを接続して補正データを 作成する作業等が必須とされてレ、る。
センサ内蔵軸受の文献としては、回転部材に多極磁化された磁気発生部材を設け 、固定部材に磁気センサを設けたインクリメンタル式エンコーダ内蔵軸受がある（例え ば特開 2001—349898号公報）。これは、通常の軸受と別体のエンコーダを使用す る機構に比べて、極めて小型な構造になっているが、絶対角度検出が不可能である 一方、絶対角度が検出可能なセンサとしてはレゾルバが広く知られている。しかし、 レゾノレバにおいても、高精度な絶対角度検出を実現するためには、軸受を機器に組 み込んだあとで何らかの校正作業が必要である。例えば、特許 2607048号公報のも のにおいては、レゾルバを組み込んだダイレクトドライブモータに高精度なインクリメン タルエンコーダを結合し、 CPUを用いて補正データを作成する技術が提案されてい る。
発明の開示
[0003] レゾルバのような軸受と別体型の角度検出装置では、組み込むとき軸合わせの誤 差などによっても、補正データが変化するため、レゾルバ単体では高精度の角度検 出は困難である。そのため、レゾノレバを組み込んだシステム、例えばダイレクトドライ ブモータに、検出角度補正を行うための手段、例えば校正用高精度エンコーダを取 付けるアタッチメントを用意する必要がある。また、レゾルバをモータに組み直すごと に校正作業を行う必要があるため、ユーザ側での煩雑な作業が必要である。
また、レゾノレバを用いた絶対角度検出は、一般的に R—Dコンバータを用いている。 原理的に R— Dコンバータ自体に補正データを組み込むことはできないため、特許文 献 2の例では、上記のように CPUを用いた校正回路を追加しており、そのため角度 検出装置が複雑で高価になる。
一方、磁気式センサ内蔵軸受において、 1回転にわたって変化する信号、例えば 1 回転 1周期の正弦波を磁気発生部材に着磁して、それを磁気センサで検出すること で、絶対角度が検出可能であることが知られている。またセンサ内蔵軸受は、センサ 部と軸受がー体構造になっているために軸合わせ等の作業の必要がない。しかし、 磁気発生部材に所望の着磁を施すことは困難であり、センサ単体では高精度な角度 検出は実現されていない。
[0004] この発明の目的は、軸受設置機器への組み込み後の校正作業無しで、高精度な 絶対角度の検出が可能な回転センサ付軸受を提供することである。
[0005] この発明の絶対角度センサ付軸受装置は、回転側軌道輪の固定側軌道輪に対す る回転角度の検出出力として電気角度で 90° 位相差の 2つのアナログ出力を行う回 転検出器を有するセンサ付軸受と、上記 2つのアナログ出力から上記回転側軌道輪 の回転角度の絶対角度を演算するときの誤差補正を行う補正データが記録され、上 記センサ付軸受と対として使用される補正データ記録部付き部品とを備えたものであ る。
この構成によると、個々のセンサ付き軸受に対して、対として使用される補正データ 記録部付き部品を設けたため、個々のセンサ付軸受について、絶対角度を演算する ときの補正データを、その軸受の製造時に予め測定し、補正データ記録部付き部品 に記録しておくことができる。そのため、軸受設置機器への軸受の組み込み後の校 正作業無しで、高精度な絶対角度の検出が可能になる。このため、安価で高精度の 絶対角度検出が可能な回転センサ付軸受が実現できる。 [0006] 上記回転検出器は、回転側軌道輪に取付けられて磁気特性を円周方向に周期的 に変化させた被検出部と、被検出部に対向して固定側軌道輪に取付けられ、互いに 電気角度で 90° 位相差のアナログ出力を行う 2つの磁気センサとでなるものとしても 良い。
このように磁気特性を円周方向に周期的に変化させた被検出部を設けた場合、補 正データ記録部付き部品の補正データを使用することで、簡単に精度良く絶対角度 を出力することができる。また、 2つの磁気センサで位相差のあるアナログ出力が得ら れるため、適宜の信号処理を施すことにより、外部磁界の影響を受け難くすることが できる。この場合に、 90° 位相差のため、象限判別が可能となり、より精度の高い絶 対角度検出が可能となる。
[0007] また、この発明における上記各構成の場合に、上記補正データ記録部付き部品が 、上記補正データを記録した補正テーブルと、この補正テーブルの補正データを用 レ、、上記 2つのアナログ出力力 絶対角度を演算する絶対角度演算手段とを有し、 上記補正データは、上記センサ付軸受の製造後に測定した角度校正データに基づ くものであっても良い。
このようにセンサ付軸受の製造後に測定した角度校正データを補正テーブルに記 録しておくことで、より一層精度の良い絶対角度検出が可能となる。
[0008] 上記補正データ記録部付き部品に記録される補正データは、逆正接の計算テープ ルにおける逆正接演算結果となる角度値に統合しても良い。
この構成の場合、回転検出器の検出値を逆正接の計算テーブルに対比させて絶 対角度を得る。ディジタル方式での逆正接の演算は複雑になるが、割り算結果より予 め用意した逆正接演算結果のテーブルを参照することで容易に求められる。このとき に、計算テーブルの逆正接演算結果となる角度値に補正データが統合されているた め、つまり、逆正接演算結果となる角度値が補正済みのデータとされているため、上 記計算テーブルを用いて得られる角度値が補正済みの値となる。このため、逆正接 演算を行った後に、改めて補正演算を行う必要がなぐ高精度の絶対角度検出を簡 単な処理により行うことができる。
[0009] この発明における上記各構成の場合に、上記補正データ記録部付き部品が、ワン チップ型マイクロコンピュータ、またはプログラマブルロジック回路であっても良い。ま た、これらワンチップ型マイクロコンピュータもしくはプログラマブルロジック回路の実 装された回路基板であっても良レ、。
このように補正データ記録部付き部品が演算機能を有する部品である場合、その 部品の一部を補正データの記録に用い、この部品の演算機能を利用して絶対角度 の演算を行わせることができる。そのため、別途に演算手段となる部品を設ける必要 がない。
図面の簡単な説明
この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施例の説明から、より明瞭 に理解されるであろう。し力 ながら、実施例および図面は単なる図示および説明の ためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この 発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面に おける同一の部品番号は、同一部分を示す。
[図 1A]この発明の第 1の実施形態に力かる絶対角度センサ付軸受装置におけるセン サ付軸受を示す断面図である。
[図 1B]同軸受における被検出部と磁気センサとの関係を示す概略図である。
[図 2]同軸受における被検出部の着磁方法を示す説明図である。
[図 3]同軸受における 2つの磁気センサの出力を示す波形図である。
[図 4]同軸受における被検出部の着磁波形と 2つの磁気センサとの関係を示す説明 図である。
[図 5]この実施形態に力かる絶対角度センサ付軸受装置の概略構成を示すブロック 図である。
[図 6]同軸受装置における補正手段の構成を示すブロック図である。
[図 7]同軸受装置における補正データ記録部付き部品の補正データの測定に用いら れる校正装置の断面図である。
[図 8]この発明の他の実施形態に力かる絶対角度センサ付軸受装置の概略構成を示 すブロック図である。
[図 9]同軸受装置における補正手段の構成を示すブロック図である。 [図 10]この発明のさらに他の実施形態に力かる絶対角度センサ付軸受装置の概略 構成を示すブロック図である。
[図 11]同実施形態に力かる軸受装置における補正データ記録部付き部品の取付例 を示す説明図である。
[図 12]同実施形態に力かる軸受装置における補正データ記録部付き部品の他の取 付例を示す説明図である。
[図 13]同実施形態に力かる軸受装置における補正データ記録部付き部品のさらに他 の取付例を示す説明図である。
発明を実施するための最良の形態
[0011] この発明の第 1の実施形態を図 1ないし図 7と共に説明する。図 5に示すように、こ の絶対角度センサ付軸受装置は、センサ付軸受 1と、このセンサ付軸受 1と対として 使用される補正データ記録部付き部品 20とを備える。センサ付軸受 1は、図 1に示す ように、転動体 4を介して互いに回転自在な回転側軌道輪 2および固定側軌道輪 3を 有する軸受部 1Aと、回転検出器 6とで構成される。軸受部 1Aは、深溝玉軸受からな り、その内輪が回転側軌道輪 2となり、外輪が固定側軌道輪 3となる。回転側軌道輪 2 の外径面および固定側軌道輪 3の内径面には転動体 4の軌道面 2a, 3aが形成され ており、転動体 4は保持器 5で保持されている。回転検出器 6は、回転側軌道輪 2の 固定側軌道輪 3に対する回転角度の検出出力として電気角度で 90° 位相差の 2つ のアナログ出力を行うものである。回転検出器 6は、回転側軌道輪 2の一端部に取付 けられた被検出部 7と、この被検出部 7に対向して固定側軌道輪 3の一端部に取付け られた 2つの磁気センサ 8A， 8Bとでなる。回転側軌道輪 2と固定側軌道輪 3との間の 環状空間は、回転検出器 6の設置側とは反対側の端部がシール部材 10で密封され ている。
[0012] 回転検出器 6の被検出部 7はラジアル型のものであって、磁気センサ 8A, 8Bに対 する磁気特性を円周方向に周期的に変化させた環状の部品とされている。この磁気 特性は、回転側軌道輪 2の 1回転を 1周期として変化するものとしてある。具体的には 、環状のバックメタル 11と、その外周側に設けられて周方向に向けて変化する磁極 N , Sが着磁された磁気発生部材 12とを有する。この被検出部 7はバックメタル 11を介 して回転側軌道輪 2に固着されている。磁気発生部材 12は例えばゴム磁石とされ、 バックメタル 11に加硫接着される。磁気発生部材 12はプラスチック磁石や焼結磁石 で形成されたものであっても良ぐその場合にはバックメタル 11は必ずしも設けなくて も良い。
[0013] 図 2は、被検出部 7の磁気発生部材 12に上述した磁性特性を持たせる処理の一例 を示す。この処理では、円筒状に巻かれた空心コイル 13の内部に、上記環状の被検 出部 7となる着磁前の環状部品を、その軸心 C1が空心コイル 13の軸心 C2と直交す るように配置する。この被検出部 7となる部品の外周部に着磁強度分布補正用の着 磁ヨーク 14を配置した状態で、空心コイル 13に着磁電流を流す。これにより、被検出 部 7の磁気発生部材 12に、図 4のように 1回転を 1周期とする正弦波状の着磁分布を 得ること力 Sできる。
[0014] 図 1において、回転検出器 6の磁気検出部を構成する 2つの磁気センサ 8A， 8Bは 、図 1Bのように円周方向に所定の間隔（ここでは機械角で 90° の位相差）を持たせ て配置されている。これら両磁気センサ 8A, 8Bは共にアナログセンサからなる。これ ら磁気センサ 8A, 8Bは、図 1Aのように磁気検出回路基板 9に搭載され、この磁気 検出回路基板 9と共に樹脂ケース 15内に挿入した後に樹脂モールドされる。この榭 脂ケース 15を、金属ケース 16を介して固定側軌道輪 3に固定することにより、磁気セ ンサ 8A, 8Bおよび磁気検出回路基板 9が固定側軌道輪 3に取付けられている。磁 気検出回路基板 9は、磁気センサ 8A, 8Bへの電力供給および磁気センサ 8A, 8B の出力信号を処理して外部に出力するための回路を実装した基板である。
[0015] 図 3は、回転側軌道輪 2の回転に伴う両磁気センサ 8A, 8Bの検出信号の波形図 を示す。このように 2つの磁気センサ 8A， 8B力 は、互いに電気角度で 90° 位相差 のアナログ出力 X， Yが得られるので象限判別が可能となり、これらの出力 X, Yから 絶対角度を知ることができる。図 4は、被検出部 7の着磁波形と、両磁気センサ 8A, 8 Bの設置位置との関係を示す。これにより、第 1の磁気センサ 8Aのアナログ出力 Xは 正弦波となり、第 2の磁気センサ 8Bのアナログ出力 Yは余弦波となる。すなわち、こ れらアナログ出力 X， Yと絶対角度 Θとの間には、次式
X = SIN ( Θ ) …… (1) Y= COS ( θ ) …… (2)
が成り立つ。したがって、絶対角度 Θは、次式
θ =ΤΑΝ— 1 (Χ/Υ)…… (3)
として求めることができる。
[0016] しかし、被検出部 7の着磁波形を図 4のように理想的な正弦波にすることは現実に は困難であり、両磁気センサ 8Α, 8Βのアナログ出力 X， Υをそのまま用いて上記（1) 一（3)式で絶対角度 Θを演算しても誤差が生じる。そこで、この絶対角度センサ付軸 受装置では、高精度な絶対角度 Θを検出するために前記補正データ記録部付き部 品 20 (図 5)が付加されている。この補正データ記録部付き部品 20は、センサ付軸受 1に設置しても、センサ付軸受 1から離して設置しても良レ、。
[0017] 図 5は、この実施形態の絶対角度センサ付軸受装置の概略構成をブロック図で示 したものである。補正データ記録部付き部品 20には、回転検出器 6の 2つのアナログ 出力 X, Υから回転側軌道輪 2の回転角度の絶対角度を演算するときの誤差補正を 行う補正データが記録されている。この補正データ記録部付き部品 20は、上記両磁 気センサ 8Α, 8Βのアナログ出力 X, Υから回転側軌道輪 3の回転角度の絶対角度を 演算するときの誤差補正を行う補正データを記録した補正テーブル 26と、この補正 テーブル 26の補正データを用レ、、上記 2つのアナログ出力 X, Υから絶対角度を演 算する絶対角度演算手段 27とを有する。この補正データ記録部付き部品 20は、絶 対角度の演算が可能なようにディジタル方式で実装されており、補正テーブル 26、 絶対角度演算手段 27のほかに、前記両磁気センサ 8Α, 8Βのアナログ出力 X, Υを A/D変換する A/D変換器 21を有する。絶対角度演算手段 27は、 A/D変換器 2 1でディジタル信号に変換された前記両磁気センサ 8Α， 8Βの出力 X'， Y'を割り算 する割り算器 22と、割り算器 22による演算出力（Χ' /Y' )から上記（3)式に相当す る逆正接演算を行う逆正接演算器 23と、この逆正接演算器 23の演算出力である絶 対角度 Θを、前記補正テーブル 26の補正データと照合して、補正された絶対角度 Θ 'を出力する補正処理部 25とで構成される。この補正処理部 25と補正テーブル 26 とは補正手段 24を構成する。逆正接演算器 23は、割り算器 22による演算出力 (X' /Υ' )から上記（3)式に相当する逆正接演算を行うに際して、例えば、上記割り算の 演算出力 (χ' /Y' )と逆正接の絶対角度値とを対比させて記憶した計算テーブル（ LUT:ルックアップテーブル）（図示せず）を用いて絶対角度 Θを求めるものであって も良い。ディジタル方式での逆正接の演算は複雑になるが、割り算結果より予め用意 した逆正接演算結果のテーブルを参照することで容易に求められる。
[0018] 図 6は、上記補正手段 24の構成を示すブロック図である。補正テーブル 26は、上 記 2つのアナログ出力 X， Υに基づき演算される絶対角度 θ (=ΤΑΝ— ^Χ' ΖΥ' ) )と 、この演算絶対角度 Θを校正した補正データである絶対角度 Θ，とを、個々の演算 絶対角度 Θ ， θ ,…， Θ ごとに対応付けて記録したテーブルである。すなわち、演
1 2 η
算された絶対角度 Θに対して、補正値 Δ Θだけ補正した値が校正した絶対角度 Θ ' として対応付けられる。
[0019] 前記補正テーブル 26の補正データは、前記センサ付軸受 1の製造後に測定した 角度校正データに基づくものである。この場合の角度校正データの測定は、例えば 図 7に示す校正装置 34で行われる。この校正装置 34では、軸受 35で回転自在に支 持されて回転駆動される回転軸 36の一端部を、この絶対角度センサ付軸受装置の センサ付軸受 1で支持し、同じ回転軸 36の他端部に高精度のエンコーダ 37を設置 した状態で、高精度エンコーダ 37により検出される回転角度の検出データと、センサ 付き軸受 1の 2つの磁気センサ 8Α, 8Βからの出力 X, Υに基づき演算される回転角 度のデータとが対応付けて測定される。センサ付軸受 1は、機器に組み込んだ後もそ の軸受部 1Aと回転検出器 6との相対位置関係が変化することが無いので、上述した ように製造後に校正データを一度作成しておけば、この絶対角度センサ付軸受装置 が出荷されてそのセンサ付軸受 1がユーザのシステムに組み込まれた後に、検出さ れる絶対角度について改めて校正作業を行う必要がない。
[0020] このように、この絶対角度センサ付軸受装置によると、 90° 位相差の 2つのアナ口 グ出力 X， Υを行う回転検出器 6を有するセンサ付軸受 1と、上記 2つのアナログ出力 X， Υから回転角度の絶対角度を演算するときの誤差補正を行う補正データが記録さ れてセンサ付軸受 1と対として使用される補正データ記録部付き部品 20とを設けた ため、上記センサ付軸受 1をユーザのシステムに組み込んだ後に、改めて絶対角度 検出のための校正作業を行うことなぐ高精度の絶対角度検出を行うことができ、ュ 一ザ側のシステム設計も容易となる。
[0021] 上記回転検出器 6は、回転側軌道輪 2に取付けられて磁気特性を円周方向に周期 的に変化させた被検出部 7と、被検出部 7に対向して固定側軌道輪 3に取付けられ、 電気角度で 90° 位相差のアナログ出力を行う 2つの磁気センサ 8A， 8Bとでなるもの としているので、簡単に絶対角度を出力することができる。また 2つの磁気センサ 8A , 8Bで 90° 位相差のアナログ出力 X， Yが得られるため、象限判別が可能となり、よ り精度の高い絶対角度検出が可能となる。
[0022] 上記補正データ記録部付き部品 20は、上記補正データを記録した補正テーブル 2 6と、この補正テーブル 26の補正データを用レ、、上記 2つのアナログ出力 X， Yから絶 対角度を演算する絶対角度演算手段 27とを有し、上記補正データは、上記センサ 付軸受 1の製造後に測定した角度校正データに基づくものとしているので、回転検 出器 6の出力力 絶対角度の演算とその演算値の補正とが自動的に行われ、高精度 の絶対角度検出が可能となる。
[0023] 図 8および図 9はこの発明の第 2の実施形態を示す。この絶対角度センサ付軸受装 置は、第 1の実施形態において、補正データ記録部付き部品 20を、 A/D変換器 21 と、割り算器 22と、補正手段 24Aとで構成し、独立した逆正接演算回路 23は省略し ている。この補正手段 24Aが、逆正接演算手段を兼ね、逆正接演算結果が補正済 み結果となるものとしている。具体的には、補正手段 24Aは、補正処理部 25と計算 テーブル 28とでなり、計算テーブル 28には、割り算器 22の演算出力（Χ' /Υ' )と、 この演算出力に基づく逆正接演算結果 (絶対角度）とが対応付けて記録されており、 また逆正接演算結果としては補正済みの値が記録されている。すなわち、第 1の実 施形態における補正テーブル 26の補正データは、逆正接の計算テーブル 28にお ける逆正接演算結果 (絶対角度）となる角度値 θ ' (= θ + Δ Θ )に統合されている。 補正手段 24Αの補正処理部 25は、割り算器 22の演算出力（X' ZY' )に対応する逆 正接演算結果 Θ 'を計算テーブル 28から検索し、この校正済みの角度値 Θ 'を絶対 角度として出力する。この場合、割り算器 22と補正手段 24Αとで、絶対角度を演算 する絶対角度演算手段 27Αが構成される。
[0024] このように、補正データを、逆正接の計算テーブル 28における逆正接演算結果と なる角度値 θ ' (= θ + Δ Θ )に統合したため、第 1の実施形態のように逆正接演算 した上で補正演算するものと異なり、逆正接演算結果が既に補正済み結果となるた め、改めて補正演算を行う必要がなぐ演算が簡単な処理で行える。そのため処理が 高速に行える。
すなわち、ディジタル方式での逆正接の演算は複雑になるが、割り算結果より予め 用意した逆正接演算結果のテーブルを参照することで容易に求められる。この場合 に、補正データを考慮して着磁誤差がある場合に正確な逆正接演算結果が得られる ように逆正接のテーブル 28を作成しておけば、絶対角度検出回路に特別な補正手 段を加えることなぐ高精度な角度検出装置が実現できる。
[0025] 図 10ないし図 13は、それぞれ上記各実施形態における補正データ記録部付き部 品 20の具体的な各種使用形態例を示す。図 10の例では、第 1の実施形態において 、補正データ記録部付き部品 20に、検出される絶対角度データをシリアル，パラレル などの各種フォーマットで出力可能とするためのホスト側とのインターフェース 29を付 加すると共に、この補正データ記録部付き部品 20を、ワンチップ型マイクロコンピュ ータ、プログラマブルロジック回路、またはこれらワンチップ型マイクロコンピュータもし くはプログラマブルロジック回路の実装された回路基板としている。同図における角 度算出手段 38は、第 1の実施形態（図 5)における割り算器 22と逆正接演算器 23と を含めた演算手段である。これにより、この絶対角度センサ付軸受装置が組み込ま れるユーザシステムの回路基板などへの上記補正データ記録部付き部品 20の装着 を容易に行うことができる。
[0026] 図 11は、図 10の実施形態における回路基板化した補正データ記録部付き部品 20 の取付例を示す。この例では、センサ付軸受 1の回転検出器 6がケーブル 30および コネクタ 31でユーザシステムの回路基板 32に接続され、このユーザシステムの回路 基板 32上のソケット 33に補正データ記録部付き部品 20が取付けられる。
[0027] 図 12は、図 10の実施形態における回路基板化した補正データ記録部付き部品 20 の他の取付例を示す。この例では、センサ付軸受 1の回転検出器 6とユーザシステム の回路基板 32とを、ケーブル 30と共に接続するコネクタ 31に補正データ記録部付き 部品 20が取付けられる。 [0028] 図 13は、図 10の実施形態における回路基板化した補正データ記録部付き部品 20 のさらに他の取付例を示す。この例では、センサ付軸受 1における例えば固定側軌 道輪 3に補正データ記録部付き部品 20が組み込まれ、補正データ記録部付き部品 20からの出力（絶対角度）がケーブル 30およびコネクタ 31を介してユーザシステム の回路基板 32に入力される。
[0029] なお、上記各実施形態は、回転検出器 6をラジアル型のものとしたが、回転検出器 6はアキシアル型のものであっても良い。また、軸受部 1Aもアキシアル型のものであ つても良い。

Claims

請求の範囲
[1] 回転側軌道輪の固定側軌道輪に対する回転角度の検出出力として電気角度で 90 ° 位相差の 2つのアナログ出力を行う回転検出器を有するセンサ付軸受と、上記 2つ のアナログ出力力 上記回転側軌道輪の回転角度の絶対角度を演算するときの誤 差補正を行う補正データが記録され、上記センサ付軸受と対として使用される補正 データ記録部付き部品とを備えた絶対角度センサ付軸受装置。
[2] 請求項 1におレ、て、上記回転検出器は、回転側軌道輪に取付けられて磁気特性を 円周方向に周期的に変化させた被検出部と、被検出部に対向して固定側軌道輪に 取付けられ、互いに電気角度で 90° 位相差のアナログ出力を行う 2つの磁気センサ とでなる絶対角度センサ付軸受装置。
[3] 請求項 1において、上記補正データ記録部付き部品が、上記補正データを記録し た補正テーブルと、この補正テーブルの補正データを用い、上記 2つのアナログ出力 から絶対角度を演算する絶対角度演算手段とを有し、上記補正データは、上記セン サ付軸受の製造後に測定した角度校正データに基づくものである絶対角度センサ 付軸受装置。
[4] 請求項 1において、上記補正データは、逆正接の計算テーブルにおける逆正接演 算結果となる角度値に統合した絶対角度センサ付軸受装置。
[5] 請求項 1において、上記補正データ記録部付き部品が、ワンチップ型マイクロコン ピュータ、プログラマブルロジック回路、またはこれらワンチップ型マイクロコンピュー タもしくはプログラマブルロジック回路の実装された回路基板である回転センサ付軸 受装置。
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