WO2007077700A1

WO2007077700A1 - 回転角度検出装置および回転角度検出装置付き軸受

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Publication number: WO2007077700A1
Application number: PCT/JP2006/323907
Authority: WO
Inventors: Toru Takahashi
Original assignee: Ntn Corporation
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2007-07-12
Also published as: US7884600B2; EP1972900A4; EP1972900A1; US20090072819A1; EP1972900B1

Abstract

　角度算出回路のノイズによる影響を小さくして、角度検出精度を向上させることのできる回転角度検出装置を提供するために、磁気発生体４にその回転中心Ｏの軸方向に対向して非回転側部材２に配置され、上記回転中心Ｏに垂直な平面内で仮想の矩形の４辺における各辺に配置された４個のライン状の磁気センサアレイ５Ａ～５Ｄの出力を信号読み出し回路９Ａ～９Ｄで読み出し、その読み出した信号をＡＤ変換回路１０Ａ～１０Ｄでデジタル信号に変換し、このＡＤ変換回路１０Ａ～１０Ｄの出力を用いて角度算出回路１１により前記磁気発生体４の回転角度を算出する。前記磁気センサアレイ５Ａ～５Ｄ、信号読み出し回路９Ａ～９Ｄ、ＡＤ変換回路１０Ａ～１０Ｄ、および角度算出回路１１は、一つの半導体チップ８に搭載する。信号読み出し回路９Ａ～９ＤおよびＡＤ変換回路１０Ａ～１０Ｄは、矩形に配置された磁気センサアレイ５Ａ～５Ｄの並びの外側に配置する。角度算出回路１１は、矩形に配置された磁気センサアレイ５Ａ～５Ｄの並びの内側に配置する。

Description

明細書

回転角度検出装置および回転角度検出装置付き軸受

技術分野

[0001] 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角度検出装置、およびその回転角度検出装置を備えた軸受に関する。

背景技術

[0002] 小型の機器に^ aみ込み可能で、かつ高精度の回転角度検出が可能な回転角度検出装置として、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、磁気センサ素子（MAGFET)を多数並べた磁気センサアレイを、信号増幅回路、 AD変換回路、およびデジタル信号処理回路ととも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石に対向配置したものである。この場合、磁石は回転中心回りの円周方向異方性を有するものとされ、前記センサチップ上では、図 13のように仮想の矩形の 4辺における各辺に沿ってライン状の 4個の磁気センサアレイ 35A〜35Dが配置される。デジタル信号処理回路 33は、矩形に配置される磁気センサアレイ 35A〜35Dの内側に配置される。

このように構成された回転角度検出装置では、各磁気センサアレイ 35A〜35Dでセンサチップに垂直な磁界分布を検出し、これら磁気センサアレイ 35A〜35Dの出力を信号増幅回路 31および AD変換回路 32を経てデジタル信号処理回路 33に読み出し、デジタル信号処理回路 33により、各磁気センサアレイ 35A〜35D上での前記磁界分布の NS境界線に相当するゼロクロス位置を検出して磁石の回転角度を算出する。

特許文献 1：特開 2003— 37133号公報

[0003] 上記構成の回転角度検出装置において、磁気センサアレイ 35A〜35Dの画素は、複数の磁気センサ素子を並列接続して構成され、これによりセンサノイズおよびォフセット誤差の影響を、平均化によって低減するようにされている。並列接続する磁気センサ素子の数を増加するとノイズ低減などの効果は大きくなるが、 1画素の占有面積が増カロしてくる。その一方で、検出能力を高くする観点からは、画素の配置ピッチをあまり大きくしな、方が良、ので、並列接続される磁気センサ素子は磁気センサアレイ 35A〜35Dの幅方向に並べられる。その結果、磁気センサアレイ 35A〜35D のライン幅が広くなる。

[0004] この場合、図 13のように、デジタル信号処理回路 33と磁気センサアレイ 35A〜35 Dとの間に信号増幅回路 31および AD変換回路 32を配置する構成では、磁気センサアレイ 35A〜35Dの幅が広くなると、信号増幅回路 31および AD変換回路 32を配置するスペースが確保できなつてくる。

また、デジタル信号処理回路 33はデジタル回路構成で、回路力発生するデジタルノイズが大きぐアナログ回路である周囲の信号増幅回路 31および AD変換回路 3 2に与える影響も大きくなり、結果として角度の検出精度を悪ィ匕させる要因となる。発明の開示

[0005] この発明の目的は、角度算出回路のノイズによる影響を小さくして、角度検出精度を向上させることのできる回転角度検出装置、およびその回転角度検出装置を備えた軸受を提供することである。

[0006] この発明の回転角度検出装置は、回転側部材に配置され、回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生体と、この磁気発生体に回転中心の軸方向に対向して非回転側部材に配置され、上記回転中心に垂直な平面内で仮想の矩形の 4辺における各辺に配置された 4個のライン状の磁気センサアレイと、これら 4個の磁気センサアレイの出力を読み出す信号読み出し回路およびその読み出した信号をデジタル信号に変換する AD変換回路と、この AD変換回路の出力から前記磁気発生体の回転角度を算出する角度算出回路とを備えた回転角度検出装置において、上記磁気センサアレイ、信号読み出し回路、 AD変換回路、および角度算出回路を一つの半導体チップに搭載し、矩形に配置された磁気センサアレイの並びの外側に信号読み出し回路および AD変換回路を配置し、磁気センサアレイの並びの内側に上記角度算出回路を配置したことを特徴とする。

この構成によると、矩形に配置された磁気センサアレイの並びの外側に信号読み出し回路および AD変換回路を配置し、磁気センサアレイの並びの内側に角度算出回路を配置しているので、デジタル回路力なる角度算出回路の動作に伴うノイズの影響が、微小なセンサ信号を増幅する信号読み出し回路や、その増幅された信号をデジタル数値ィ匕する AD変換回路に及ぶのを小さく抑えることができる。

これにより、磁気センサアレイ力ノイズの少ないセンサ信号を読み出すことができ、安定した角度検出が可能となり、角度検出精度を向上させることができる。

また、アナログ回路である信号読み出し回路および AD変換回路を磁気センサァレィの並びの外側に配置することで、角度算出回路の周囲に十分な広さのシールド領域を確保することが可能となり、さらに安定した角度検出動作を実現することができる。また、このように信号読み出し回路および AD変換回路を配置することで、半導体チップの回路形成面積を有効に利用することができる。

[0007] この発明において、上記角度算出回路の外周をシールドパターンで囲み、磁気センサアレイと角度算出回路との隙間領域をデジタルノイズのシールド領域としても良い。この構成の場合、角度算出回路からのデジタルノイズが磁気センサアレイに侵入するのを遮断でき、角度検出精度をさらに向上させることができる。

[0008] この発明にお、て、前記各辺の磁気センサアレイに対して 2つずつ設けられて、それぞれ磁気センサアレイを 2つに分けた磁気センサ素子組の信号読み出しを行い、両磁気センサ素子組の信号読み出しを同時に実行する、前記信号読み出し回路および AD変換回路力なる信号処理回路を備えて、てもよ、。

この構成によると、各辺の磁気センサアレイに対して信号処理回路が 2つずつ設けられてそれぞれ磁気センサアレイを 2つに分けた磁気センサ素子組の信号読み出しを行うようにしたため、各磁気センサアレイを構成する磁気センサ素子の並び個数が多い場合でも、磁気センサアレイ力の検出信号の読み出し時間を従来例の場合に比べて半分に短縮できる。また、読み出し時間が短縮されると、磁気発生体の回転角度を検出する時間間隔を短縮できるので、角度検出レートを上げることができると共に、信号読み出し開始力角度検出結果が出力されるまでの検出遅延時間を短縮することができる。

その結果、より高速な回転物体の検出や、高速応答が求められる制御システムへの適用が可能になる。また、コンパクトな構成であり、高精度な角度検出ができるので、さらに高速な応答が可能となる。

[0009] この発明にお、て、磁気センサアレイに対して 2つずつ設けられた各信号処理回路は、磁気センサアレイの長手方向の一端側と他端側とに 2分割した磁気センサ素子組の読み出しをそれぞれ行うものとしても良い。このように磁気センサアレイを一端側と他端側とに 2分割した場合、読み出しのための信号配線を各磁気センサアレイの両端から取り出すことができる。これにより、磁気センサ素子をアレイ配置の対象性を崩すことなく配置できる。さらに、半導体チップ上に各磁気センサアレイおよび信号処理回路を集積する場合、各磁気センサアレイおよび信号処理回路の配置が左右対称になり、余分な配線も必要ないため、配線効率も良くなる。

[0010] この発明にお、て、前記各磁気センサアレイに対して設けた 2つの信号処理回路は、磁気センサアレイの出力を読み出して増幅する信号読み出し回路をそれぞれ有し、この信号読み出し回路の出力を AD変換する AD変換回路を、 2つの信号処理回路で共通して使用するものとしても良い。この構成の場合、各磁気センサアレイごとに、 AD変換回路を 2つ設ける必要がないため、半導体チップ上に各磁気センサアレイおよび信号処理回路を集積する場合、半導体チップの面積を有効利用した効率の良い半導体回路を実現できる。その結果、回路全体の面積が縮小されて、製造コストを抑えることが可能になる。

[0011] この発明において、前記 4個の磁気センサアレイで形成される矩形の四隅部のそれぞれの外側に、さらに 4個の磁気センサアレイを配置してもよい。

この構成によると、矩形を形成する 4個の磁気センサアレイとは別に、前記矩形の四隅部のそれぞれ外側に磁気センサアレイを補完する 4個の磁気センサアレイを配置している。そのため、磁気発生体の配置が矩形を形成する磁気センサアレイに対して大きく軸ずれした場合でも、補完用の磁気センサアレイでゼロクロス位置を検出でき、配置ずれによる検出誤差を増大させることなぐ安定して精度良く磁気発生体の回転角度を検出することができる。

[0012] この発明において、前記四隅の外側に配置した各磁気センサアレイに対して、信号読み出し回路とその読み出し信号をデジタル信号に変換して前記角度算出回路に入力する AD変換回路とを設けても良い。この構成の場合、矩形を形成する磁気センサアレイの出力と矩形四隅部の外側の補完用の磁気センサアレイの出力とを並行して同時に信号読み出しできるので、補完用の磁気センサアレイが増加したことによる信号読み出し時間の増加がなぐ角度検出レートを保ったまま検出精度および検出安定性を高めることができる。

[0013] この発明の回転角度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角度検出装置を軸受に取付けたものである。その場合に、磁気発生体は、回転側部材である回転側軌道輪に配置する。磁気アレイセンサは、非回転側部材である静止側軌道輪に配置する。

このように、軸受に回転角度検出装置を一体ィ匕することで、軸受使用機器の部品点数、組立工数の削減、およびコンパクトィ匕が図れる。

図面の簡単な説明

[0014] 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。し力しながら、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 1]この発明の第 1の実施形態に力かる回転角度検出装置の概念構成を示す斜視図である。

[図 2]同回転角度検出装置における半導体チップ上での磁気センサアレイ、信号読み出し回路、および角度算出回路の配置例を示す平面図である。

[図 3]磁気センサアレイの出力を示す波形図である。

[図 4]角度算出回路による角度算出処理の説明図である。

[図 5]この発明の第 2の実施形態に力かる回転角度検出装置における半導体チップ上での磁気センサアレイ、信号処理回路、および角度算出回路の配置例を示す平面図である。

[図 6]同配置例の詳細な構造を示す平面図である。

[図 7]信号処理回路の構成例を示すブロック図である。

[図 8]信号処理回路の他の構成例を示すブロック図である。 [図 9]この発明の第 3の実施形態に力かる回転角度検出装置の概念構成を示す斜視図である。

[図 10]同回転角度検出装置における半導体チップ上での磁気センサアレイ、信号処理回路、および角度算出回路の配置例を示す平面図である。

[図 11]角度算出回路による角度算出処理の基本部分の説明図である。

[図 12]この発明の第 1の実施形態に力かる回転角度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。

[図 13]従来例における磁気センサアレイ、信号読み出し回路、 AD変換回路、および角度算出回路の配置例を示す平面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0015] この発明の第 1の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角度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。この回転角度検出装置 3は、回転側部材 1に配置された磁気発生体 4と、非回転側部材 2に配置された 4個のライン状の磁気センサアレイ 5A〜5Dと、これら 4個の磁気センサアレイ 5A〜5Dの出力を読み出す信号読み出し回路 9A〜9Dおよびその読み出した信号をデジタル信号に変換する AD変換回路 10A〜10Dと、この AD変換回路 10A〜10Dの出力力ら磁気発生体 4の回転角度を算出する角度算出回路 11とを備える。

[0016] 磁気発生体 4は、発生する磁気が回転側部材 1の回転中心 O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力なる。ここでは、磁気発生体 4は、 1つの永久磁石 6を 2つの磁性体ヨーク 7, 7で挟んで一体化して概形が二叉のフォーク状とされ、一方の磁性体ヨーク 7の一端が N磁極、他方の磁性体ヨーク 7の一端が S磁極となる。磁気発生体 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。この磁気発生体 4は、回転側部材 1の回転中心 Oが磁気発生体 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。

[0017] 磁気センサアレイ 5A〜5Dは磁気発生体 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気発生体 4と対向するように、非回転側部材 2に配置される。図 2に示すように、各磁気センサアレイ 5A〜5Dは、画素となる複数の磁気センサ素子 5aを並べてライン状に構成され、上記回転中心 Oに垂直な平面内で仮想の矩形の 4辺における各辺に沿って配置される。この場合、前記矩形の中心は、回転側部材 1の回転中心 Oに一致する。なお、磁気センサアレイ 5A〜5 Dで形成される矩形の四隅部にお、て、隣接する磁気センサアレイ間は不連続とされている。そこで、各磁気センサアレイ 5A〜5Dは、前記矩形の四隅でそれぞれ一端部が外方に突き出るように配置して、四隅のセンサ配置に隙間が生じる部分を、各磁気センサアレイ 5A〜5Dの突き出たライン部分で補完するようにされている。このように構成される各磁気センサアレイ 5A〜5Dは、非回転側部材 2に取付けられる一つの半導体チップ 8の前記磁気発生体 4と対向する面上に形成される。半導体チップ 8 は、例えばシリコンチップである。

[0018] 信号読み出し回路 9A〜9Dおよび AD変換回路 10A〜： L0Dはともにアナログ回路であって、各磁気センサアレイ 5A〜5Dに対して 1つずつ設けられて、対応する各磁気センサアレイ 5A〜5Dの信号を分担して読み出し処理する。すなわち、各磁気センサアレイ 5A〜5Dの出力が対応する信号読み出し回路 9A〜9Dで読み出され、その読み出された信号が対応する AD変換回路 10A〜： L0Dでデジタル信号に変換される。信号読み出し回路 9A〜9Dは、磁気センサアレイ 5A〜5Dのセンサ信号を増幅する増幅回路等力なる。これらの信号読み出し回路 9A〜9Dおよび AD変換回路 10A〜10Dは、矩形に配置された磁気センサアレイ 5A〜5Dの並びの外側の領域に、対応する各磁気センサアレイ 5A〜5Dに沿ってそれぞれ配置される。各 AD変換回路 10A〜： L0Dで変換されたデジタル信号は角度算出回路 11に入力される。

[0019] 角度算出回路 11はデジタル回路構成とした集積回路力なり、前記半導体チップ 8上に、磁気センサアレイ 5A〜5D、信号読み出し回路 9A〜9Dおよび AD変換回路 10A〜： L0Dと共に集積されている。角度算出回路 11は、矩形に配置された磁気センサアレイ 5A〜5Dの並びの内側の領域に配置される。角度算出回路 11の外周はグランドパターン力もなるシールドパターン 12で囲まれると共に、角度算出回路 11 と磁気センサアレイ 5A〜5Dとの隙間領域は比較的大きな面積を占めるデジタルノィズのシールド領域 13として確保されている。シールド領域 13には、さらに角度算出回路 11の電源の図示しなヽデカプリングキャパシタを配置することによって、角度算出回路 11を構成するデジタル回路素子に流れる貫通電流の供給、外部回路との分離が図られている。

[0020] 図 3および図 4は、角度算出回路 11による角度算出処理の説明図である。図 3のチヤー HA)〜（D)は、回転側部材 1が回転している時の磁気センサアレイ 5A〜5Dの出力波形図を示し、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の並び位置を、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 XIと X2に磁気発生体 4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の出力が、図 3のチヤー HA)〜（D)に示す信号波形となる。したがって、ゼロクロス位置 XI, X2は、磁気センサアレイ 5A〜5D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、磁気発生体 4の回転角度を絶対角度で示した値である。 2Lは、矩形に並べられる各磁気センサアレイ 5A〜5Dの 1辺の長さである。 bは、ゼロクロス位置 XI, X2間の横方向長さである。

ゼロクロス位置 XI, X2が磁気センサアレイ 5B, 5Dにある場合には、それらの出力力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。

なお、各磁気センサアレイ 5A〜5Dは、その矩形配置の四隅のセンサ配置に隙間が生じる部分を、各磁気センサアレイ 5A〜5Dの突き出たライン部分で補完するようにしているので、磁界分布の NS境界線が前記矩形の四隅付近に存在する場合にも、ゼロクロス位置を検出して回転角度を算出することが可能である。

このように、この回転角度検出装置 3では、磁界分布のゼロクロスから回転角度を算出するので、検出精度を向上させることができる。また、磁界パターンから角度情報を取得するので、回転角度検出装置 3の軸合わせが不要となり、取付けが容易となる。

[0021] とくに、この回転角度検出装置 3では、磁気センサアレイ 5A〜5D、信号読み出し回路 9A〜9D、 AD変換回路 10A〜10D、および角度算出回路 11を一つの半導体チップ 8に搭載し、矩形に配置された磁気センサアレイ 5A〜5Dの並びの外側に信号読み出し回路 9A〜9Dおよび AD変換回路 10A〜： L0Dを配置し、磁気センサァレィ 5A〜5Dの並びの内側に角度算出回路 11を配置して、るので、デジタル回路からなる角度算出回路 11の動作に伴うノイズの影響が、微小なセンサ信号を増幅する信号読み出し回路 9A〜9Dや、その増幅された信号をデジタル数値化する AD変換回路 10A〜： LODに及ぶのを小さく抑えることができる。これにより、磁気センサアレイ 5 A〜5D力もノイズの少ないセンサ信号を読み出すことができ、安定した角度検出が可能となり、角度検出精度を向上させることができる。

[0022] また、アナログ回路である信号読み出し回路 9A〜9Dおよび AD変換回路 10A〜1 ODを磁気センサアレイ 5A〜5Dの並びの外側に配置することで、角度算出回路 11 の周囲に十分な広さのシールド領域 13を確保することが可能となり、さらに安定した角度検出動作を実現することができる。また、このように信号読み出し回路 9A〜9D および AD変換回路 10A〜： LODを配置することで、半導体チップ 8の回路形成面積を有効に利用することができ、コストの低減が可能となる。さらに、センサ信号のノイズ低減を図るために、磁気センサアレイ 5A〜5Dを構成する磁気センサ素子 5aを、磁気センサアレイ 5A〜5Dのラインの幅方向に並べて並列接続して画素を構成することも、信号読み出し回路 9A〜9Dおよび AD変換回路 10A〜： L0Dの配置に左右されずに容易に実現できる。

[0023] さらに、この実施形態では、角度算出回路 11の外周をグランドパターン力もなるシ一ルドパターン 12で囲んでヽるので、角度算出回路 11からのデジタルノイズが磁気センサアレイ 5A〜5Dに侵入するのを遮断でき、角度検出精度をさらに向上させることがでさる。

[0024] この発明の第 2の実施形態を図面と共に説明する。この回転角度検出装置の原理構成は、図 1に示す第 1実施形態とほぼ同様であるが、非回転側部材 2に配置された 4個の磁気センサアレイ 5A〜5Dに対して 2つずつ設けられ各磁気センサアレイ 5A 〜5D力検出信号を読み出す信号処理回路 15A1, 15A2〜15D1, 15D2 (図 5) と、これらの信号処理回路 15A1, 15A2〜15D1, 15D2の出力力磁気発生体 4 の回転角度を算出する角度算出回路 11とを備える。

[0025] 磁気センサアレイ 5A〜5Dは磁気発生体 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気発生体 4と対向するように、非回転側部材 2に配置される。図 5に示すように、各磁気センサアレイ 5A〜5Dは、それぞれ複数の磁気センサ素子 5aをライン状に並べて構成され、上記回転中心 Oに垂直な平面内で仮想の矩形の 4辺における各辺に沿って配置される。この場合、前記矩形の中心は、回転側部材 1の回転中心 Oに一致する。このように構成される各磁気センサアレイ 5A〜5Dは、非回転側部材 2に取付けられる一つの半導体チップ 8の前記磁気発生体 4と対向する面上に形成される。半導体チップ 8は、例えばシリコンチップである。

[0026] 図 5のように、前記各磁気センサアレイ 5A〜5Dに対して 2つずつ設けられた信号処理回路 15A1, 15A2〜15D1, 15D2は、対応する各磁気センサアレイ 5A〜5D の信号を分担して読み出すものであり、磁気センサアレイ 5A〜5Dで形成される矩形の外周領域に、対応する各磁気センサアレイ 5A〜5Dに沿ってそれぞれ配置される。例えば、磁気センサアレイ 5Aに沿って配置される 2つの信号処理回路 15A1, 15 A2は、磁気センサアレイ 5Aを構成する磁気センサ素子 5aをセンサ長手方向の中間で一端側と他端側とに 2分割した磁気センサ素子組 5A1, 5A2の信号読み出しを、個別に、かつ同時に実行するようにされている。すなわち、片方の磁気センサ素子組 5A1に沿って配置された 1つの信号処理回路 15A1が、その磁気センサ素子組 5A1 の信号を読み出し、もう片方の磁気センサ素子組 5A2に沿って配置されたもう 1つの信号処理回路 15A2が、その磁気センサ素子組 5A2の信号を同時に読み出す。これと同様に、磁気センサアレイ 5Bの 1つの磁気センサ素子組 5B1の信号を対応する 1つの信号処理回路 15B1が、他の 1つの磁気センサ素子組 5B2の信号を対応する他の 1つの信号処理回路 15B2がそれぞれ同時に読み出す。また、磁気センサァレィ 5Cの 1つの磁気センサ素子組 5C1の信号を対応する 1つの信号処理回路 15C1 力他の 1つの磁気センサ素子組 5C2の信号を対応する他の 1つの信号処理回路 1 5C2がそれぞれ同時に読み出す。さら〖こ、磁気センサアレイ 5Dの 1つの磁気センサ素子組 5D1の信号を対応する 1つの信号処理回路 15D1が、他の 1つの磁気センサ素子組 5D2の信号を対応する他の 1つの信号処理回路 15D2がそれぞれ同時に読み出す。

[0027] 上記各磁気センサアレイ 5A〜5Dに対してそれぞれ設けられ 2つの信号処理回路 15A1, 15A2〜15D1, 15D2iま、図 6【こ示すよう【こ、磁気センサレイ 5A〜5Dの出力を読み出して増幅する信号読み出し回路 9と、この信号読み出し回路 9の出力を AD変換する AD変換回路 10とでなり、変換されたデジタル信号が角度算出回路 1 1に入力される。図 7には、 1つの磁気センサアレイ 5Aと、これに対応する 2つの信号処理回路 15A1, 15A2と、角度算出回路 11との回路構成をブロック図で示している

[0028] このように、各磁気センサアレイ 5A〜5Dを 2分割してそれぞれ別の信号処理回路 15A1, 15A2〜15D1, 15D2で読み出すようにしたため、各磁気センサアレイ 5A 〜5Dからの検出信号の読み出しに必要な時間が、従来例の場合の半分に短縮され、角度検出レートを向上させることができる。また、より高速な角度検出が可能になり、スキャン開始力各データが出力されるまでの遅延時間も短縮できるため、モータ制御などに使用した場合の応答特性を向上させることが可能になる。

また各磁気センサアレイ 5A〜5Dごとに設けられる 2つ信号処理回路 15A1, 15A 2〜15D1, 15D2は、各磁気センサアレイ 5A〜5Dの前半分の検出信号と後半分の検出信号を個別に読み出すため、読み出しのための信号配線を図 6のように各磁気センサアレイ 5A〜5Dの両端から取り出すことができる。さらに、半導体チップ 8上での各磁気センサアレイ 5A〜5D、および信号処理回路 15A1, 15A2〜15D1, 15D 2の配置が左右対称になり、余分な配線も必要ないため、配線効率も良くなる。

[0029] 図 8は、前記信号処理回路 15A1, 15A2の他の回路構成例を、 1つの磁気センサアレイ 5Aに対する場合について示したブロック図である。この場合、 2つの信号処理回路 15A1, 15A2における各信号読み出し回路 9の出力を、スィッチ 17を経由して一つの AD変換回路 10に入力し、 AD変換回路 10の変換動作をインターリーブで行うことにより、一つの AD変換回路 10を 2つの信号処理回路 15A1, 15A2で共通して使用するようにしている。

スィッチ 17の切り替え動作はインターリーブ制御回路 18により制御される。スィッチ 17は、両方の信号読み出し回路 9から磁気センサ素子 5aの 1個分の信号が出力される読み出し期間のうち、例えば前半の 1Z2期間に接点 17aにオンし、後半の 1Z2 期間に接点 17bにオンするように切り替え動作し、 AD変換回路 10は、信号処理回路 15A1, 15A2の動作速度の 2倍で動作する。これにより、一方の磁気センサ素子組 5A1からの出力と、他方の磁気センサ素子組 5A2からの出力とが AD変換回路 1 0で交互に AD変換される。

[0030] 信号処理回路 15A1, 15A2〜15D1, 15D2をこのように構成した場合、各磁気センサアレイ 5A〜5Dごとに、 AD変換回路 10を 2つ設ける必要がないため、半導体チップ 8の面積を有効利用した効率の良い半導体回路を実現できる。その結果、回路全体の面積が縮小されて、製造コストを抑えることが可能になる。

[0031] 角度算出回路 11は集積回路力なり、半導体チップ 8上に、磁気センサアレイ 5A 〜5Dおよび信号処理回路 15A1, 15A2〜15D1, 15D2と共に集積されている。角度算出回路 11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。これにより、磁気センサアレイ 5A〜5D、信号処理回路 15A1, 15A2〜15D1, 15D2、および角度算出回路 11をコンパクトに配置することができる。

[0032] このように、この回転角度検出装置 3では、回転側部材 1の回転中心 Oに垂直な平面内で仮想の矩形の 4辺における各辺に沿って 4個の磁気センサアレイ 5A〜5Dを配置し、これら各辺の磁気センサアレイ 5A〜5Dに対して 2つずつ信号処理回路 15 Al, 15A2〜15D1, 15D2を設け、各磁気センサアレイ 5A〜5Dを 2つに分けた磁気センサ素子組の信号読み出しを、前記各 2つの信号処理回路 15A1, 15A2〜15 Dl, 15D2で分担して同時に実行し、これら信号処理回路 15A1, 15A2〜15D1, 15D2の出力に基づき磁気発生体 4の回転角度を角度算出回路 11で算出するようにして!/、るので、各磁気センサアレイ 5A〜5Dを構成する磁気センサ素子 5aの並び個数が多い場合でも、磁気センサアレイ 5A〜5Dからの検出信号の読み出し時間を従来例の場合に比べて半分に短縮できる。

また、読み出し時間が短縮されると、磁気発生体 4の回転角度を検出する時間間隔を短縮できるので、角度検出レートを上げることができると共に、信号読み出し開始から角度検出結果が出力されるまでの検出遅延時間を短縮することができる。その結果、より高速な回転物体の検出や、高速応答が求められる制御システムへの適用が可能になる。また、コンパクトな構成であり、高精度な角度検出ができるので、さらに高速な応答が可能となる。

[0033] この発明の第 3の実施形態を図面と共に説明する。図 9は、この実施形態の回転角度検出装置の原理構成を示す。この回転角度検出装置の原理構成は、図 1に示す第 1実施形態とほぼ同様であるが、非回転側部材 2に配置された 4個の磁気センサァレイ 5A〜5Dの出力を読み出して信号処理する信号処理回路 15A〜15D (図 10)と、これらの信号処理回路 15A〜 15Dの出力から磁気発生体 4の回転角度を算出する角度算出回路 11とを備える。

[0034] 磁気センサアレイ 5A〜5Dは磁気発生体 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気発生体 4と対向するように、非回転側部材 2に配置される。図 10に示すように、各磁気センサアレイ 5A〜5Dは、それぞれ複数の磁気センサ素子 5aをライン状に並べて構成され、上記回転中心 Oに垂直な平面内で仮想の矩形の 4辺における各辺に沿って配置される。この場合、前記矩形の中心は、回転側部材 1の回転中心 Oに一致する。なお、磁気センサアレイ 5A〜5 Dで形成される矩形の四隅部にお、て、隣接する磁気センサアレイ間は不連続とされている。このように構成される各磁気センサアレイ 5A〜5Dは、非回転側部材 2に取付けられる一つの半導体チップ 8の前記磁気発生体 4と対向する面上に形成される。半導体チップ 8は、例えばシリコンチップである。

[0035] 信号処理回路 15A〜15Dは、各磁気センサアレイ 5A〜5Dに対して 1つずつ設けられて、対応する各磁気センサアレイ 5A〜5Dの信号を分担して読み出し処理するものである。これらの信号処理回路 15A〜15Dは、それぞれ対応する各磁気センサアレイ 5A〜5Dの出力を読み出す信号読み出し回路 9と、その読み出した信号をデジタル信号に変換する AD変換回路 10とでなる。これらの信号処理回路 15A〜 15D は、磁気センサアレイ 5A〜5Dで形成される矩形の外周領域に、対応する各磁気センサアレイ 5A〜5Dに沿ってそれぞれ配置される。各 AD変換回路 10で変換されたデジタル信号は角度算出回路 11に入力される。

[0036] 4個の磁気センサアレイ 5A〜5Dで形成される矩形の四隅部のそれぞれ外側には、さらに別の 4個の磁気センサアレイ 5A，〜5D，が配置されている。これらの磁気センサアレイ 5A'〜5D'も磁気発生体 4の磁気を検出するセンサであり、それぞれ複数の磁気センサ素子 5aをライン状に並べて構成される。これら磁気センサアレイ 5A，〜 5D'は、矩形を形成する前記 4個の磁気センサアレイ 5A〜5Dにおける矩形四隅部での不連続部分を補完する補助用のものである。具体的には、磁気センサアレイ 5A , 5Bが隣接する隅部では、補助用の磁気センサアレイ 5A'が磁気センサアレイ 5Bと平行に配置される。また、磁気センサアレイ 5B, 5Cが隣接する隅部では、補助用の磁気センサアレイ 5B'が磁気センサアレイ 5Cと平行に配置される。また、磁気センサアレイ 5C, 5Dが隣接する隅部では、補助用の磁気センサアレイ 5C，が磁気センサァレイ 5Dと平行に配置される。さらに、磁気センサアレイ 5D, 5Aが隣接する隅部では、補助用の磁気センサアレイ 5D'が磁気センサアレイ 5Dと平行に配置される。

[0037] 補助用の各磁気センサアレイ 5A'〜5D'に対しても、 1つずつ信号処理回路 15A' 〜15D'が設けられて、対応する各磁気センサアレイ 5A'〜5D'の信号を分担して読み出し処理するようにされている。これらの信号処理回路 15A'〜15D'も、それぞれ対応する補助用の各磁気センサアレイ 5A'〜5D'の出力を読み出す信号読み出し回路 9と、その読み出した信号をデジタル信号に変換する AD変換回路 10とでなる。これらの信号処理回路 15A，〜15D'は、磁気センサアレイ 5A〜5Dで形成される矩形の外周領域に、対応する各磁気センサアレイ 5A'〜5D'の並び方向に向けてそれぞれ配置される。各信号処理回路 15A'〜6D'の AD変換回路 10で変換されたデジタル信号も角度算出回路 11に入力される。

[0038] 角度算出回路 11は集積回路力なり、半導体チップ 8上に、磁気センサアレイ 5A 〜5D, 5A，〜5D，および信号処理回路 15A〜15D, 15A，〜15D，と共に集積されている。角度算出回路 11は、 4個の磁気センサアレイ 5A〜5D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 5A〜5D, 5八，〜50，、信号処理回路1 5A〜15D, 15A'〜15D'、および角度算出回路 11をコンパクトに配置することができる。

[0039] 図 3および図 11は、角度算出回路 11による角度算出処理の基本部分の説明図である。既に説明したように、図 3のチャート (A)〜（D)は、回転側部材 1が回転している時のある瞬間における磁気センサアレイ 5A〜5Dの出力波形図を示し、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の並び位置を、縦軸は検出磁界の強度をそれぞれ示す。

いま、図 11に示す位置 XIと X2に磁気発生体 4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の出力が、図 3のチャート (A)〜（D)に示す信号波形となる。したがって、ゼロクロス位置 XI, X2は、磁気センサアレイ 5A〜5D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)

このように、この回転角度検出装置 3では、磁界分布のゼロクロスから回転角度を算出するので、検出精度を向上させることができる。また、磁界パターンから角度情報を取得するので、回転角度検出装置 3の軸合わせが不要となり、取付けが容易となる。この回転角度検出装置 3において、磁気発生体 4の配置が半導体チップ 8に対して大きく軸ずれした場合、上記したように磁気アレイセンサ 5A〜5Dで形成される矩形の四隅には不連続部分が存在するため、磁気発生体 4による磁界分布の NS境界線が例えば図 10の状態になり、 NS境界線を検出するためのゼロクロス位置が矩形を形成する磁気センサアレイ 5A〜5D上に見つ力な、状態が発生する。すなわち、同図では、矩形の左辺の符号 aで示す左側のゼロクロス位置は磁気センサアレイ 5D で検出できている力右側のゼロクロス位置は上辺の磁気センサアレイ 5Aと右辺の磁気センサアレイ 5Bの境界部分にあり、双方の磁気センサアレイ 5A, 5Bのセンサ信号からは検出できない状態になる。

しかし、このような場合でも、この回転角度検出装置 3では、符号 bで示す右側のゼ口クロス位置を右上の隅部に配置された補助用の磁気センサアレイ 5A'で検出できる。そこで、この場合に、角度算出回路 11は、磁気センサアレイ 5Dの出力を信号処理回路 15Dで処理した信号力も左側のゼロクロス位置を検出すると共に、前記補助用の磁気センサアレイ 5A'の出力を信号処理回路 15A'で処理した信号力も右側のゼロクロス位置を検出し、これらのゼロクロス位置に基づいて、このときの磁気発生体 4の回転角度 0を算出する。

[0041] このように、この回転角度検出装置 3では、矩形を形成する 4個の磁気センサアレイ 5A〜5Dとは別に、前記矩形の四隅部のそれぞれ外側に磁気センサアレイ 5A〜5D を補完する 4個の磁気センサアレイ 5A'〜5D'を配置しているので、磁気発生体 4の配置が磁気センサアレイ 5A〜5Dに対して大きく軸ずれした場合でも、補助用の磁気センサアレイ 5A'〜5D'でゼロクロス位置を検出でき、配置ずれによる検出誤差を増大させることなぐ安定して精度良く磁気発生体 4の回転角度を検出することができる。

また、矩形を形成する 4個の磁気センサアレイ 5A〜5Dの不連続部分を、その矩形の四隅の外側に追カ卩した補助用の 4個の磁気センサアレイ 5A，〜5D，で補完するようにして!/、るので、矩形を形成する各磁気センサアレイ 5A〜5Dの一端部を従来例のように矩形の隅部力突出させなくて良い。その結果、矩形を形成する磁気センサアレイ 5A〜5Dの配置寸法を増カロさせずに、角度検出誤差の発生を防ぐことができ、回路面積を小さくしてコンパタトに構成できる。

[0042] 補助用の磁気センサアレイ 5A'〜5D'の出力は、矩形を形成する磁気センサァレィ 5A〜5Dに対応付けた信号処理回路 15A〜 15Dを共用して信号処理しても良!ヽ 1S その場合、画素数の増加によって読み出し時間が増加することで、検出レートが低下してしまうことになる。この実施形態のように磁気センサアレイ 5A'〜5D 'の出力を別に設けた信号処理回路 15A'〜 15D 'で信号処理した場合には、磁気センサァレイ 5A〜5Dの出力と補助用の磁気センサアレイ 5A，〜5D，の出力とを並行して同時に信号処理できるので、補助用の磁気センサアレイ 5A'〜5D'が増加したことによる信号処理時間の増加がなぐ角度検出レートを保ったまま検出精度および検出安定性を高めることができる。すなわち、補助用の磁気センサアレイ 5A'〜5D'に別の信号処理回路 15A'〜15D' (信号読み出し回路 9および AD変換回路 10)を備えることにより、読み出し時間を増加させることなぐ追加となる補助用の磁気センサアレイ 5A'〜5D'を実装することができる。

[0043] 図 12は、第 1の実施形態の回転角度検出装置 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 30が嵌合する内輪 21は、転動体 24を介して外輪 22に支持されている。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。

[0044] 内輪 21には、磁気発生体取付部材 26が取付けられ、この磁気発生体取付部材 26 に磁気発生体 4が取付けられている。磁気発生体取付部材 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、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、磁気センサアレイ 5A〜5D、信号読み出し回路 9A〜9D、 AD変換回路 10A〜： LOD、および角度算出回路 11の集積された半導体チップ 8が取付けられている。また、このセンサ取付部材 27に、角度算出回路 11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!/、る。

[0045] このように、軸受 20に回転角度検出装置 3を一体ィ匕することで、軸受使用機器の部品点数、組立工数の削減、およびコンパクトィ匕が図れる。なお、ここでは第 1の実施形態の回転角度検出装置 3を転がり軸受に組み込んだ例のみを示したが、第 2および第 3の実施形態の回転角度検出装置も同様にして組み込むことができる。第 2の実施形態の回転角度検出装置 3を転がり軸受に組み込んだ場合には、回転角度検出装置 3は、上記したように、検出精度を落とすことなくセンサ信号の読み出し時間を短縮できるため、高速回転する軸受においても、満足できる回転角度出力を得ることができる。また、第 3の実施形態の回転角度検出装置 3を転がり軸受に組み込んだ場合には、回転角度検出装置 3は、配置ずれによる検出誤差の増大が発生せずに、安定して精度良く回転角度を検出することができるため、軸受 20への回転角度検出装置 3の組み付け作業が容易になる。

Claims

請求の範囲

[1] 回転側部材に配置され、回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生体と、この磁気発生体に回転中心の軸方向に対向して非回転側部材に配置され、前記回転中心に垂直な平面内で仮想の矩形の 4辺における各辺に配置された 4個のライン状の磁気センサアレイと、これら 4個の磁気センサアレイの出力を読み出す信号読み出し回路およびその読み出した信号をデジタル信号に変換する AD変換回路と、この AD変換回路の出力力前記磁気発生体の回転角度を算出する角度算出回路とを備えた回転角度検出装置であって、

前記磁気センサアレイ、信号読み出し回路、 AD変換回路、および角度算出回路を一つの半導体チップに搭載し、矩形に配置された磁気センサアレイの並びの外側に信号読み出し回路および AD変換回路を配置し、磁気センサアレイの並びの内側に前記角度算出回路を配置した回転角度検出装置。

[2] 請求項 1において、前記角度算出回路の外周をシールドパターンで囲み、磁気センサアレイと角度算出回路との隙間領域をデジタルノイズのシールド領域とした回転角度検出装置。

[3] 請求項 1にお、て、前記各辺の磁気センサアレイに対して 2つずつ設けられて、それぞれ磁気センサアレイを 2つに分けた磁気センサ素子組の信号読み出しを行い、両磁気センサ素子組の信号読み出しを同時に実行する、前記信号読み出し回路および AD変換回路力なる信号処理回路を備えた回転角度検出装置。

[4] 請求項 3において、前記各辺の磁気センサアレイに対して 2つずつ設けられた前記各信号処理回路は、磁気センサアレイの長手方向の一端側と他端側とに 2分割した磁気センサ素子組の読み出しをそれぞれ行うものとした回転角度検出装置。

[5] 請求項 3において、前記各磁気センサアレイに対して設けた 2つの前記信号処理回路は、磁気センサアレイの出力を読み出して増幅する信号読み出し回路をそれぞれ有し、この信号読み出し回路の出力を AD変換する前記 AD変換回路を、 2つの信号処理回路で共通して使用するものとした回転角度検出装置。

[6] 請求項 1において、前記 4個の磁気センサアレイで形成される矩形の四隅部のそれぞれの外側に、さらに 4個の磁気センサアレイを配置した回転角度検出装置。請求項 6において、前記四隅の外側に配置した各磁気センサアレイに対して、信号読み出し回路とその読み出し信号をデジタル信号に変換して前記角度算出回路に入力する AD変換回路とを設けた回転角度検出装置。

請求項 1に記載の回転角度検出装置を備えた回転角度検出装置付き軸受。