WO2008053582A1

WO2008053582A1 - Dispositif de détection de rotation et palier équipé dudit dispositif de détection de rotation

Info

Publication number: WO2008053582A1
Application number: PCT/JP2007/001118
Authority: WO
Inventors: Toru Takahashi
Original assignee: Ntn Corporation
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2008-05-08

Description

明細書

回転検出装置および回転検出装置付き軸受

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検出装置、およびその回転検出装置を組み込んだ検出装置付き軸受に関する。

背景技術

[0002] 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 1 4のように、磁気センサ素子（M A G F E T ) を多数並べて構成した磁気センサアレイ 4 5を、信号増幅回路、 A D変換回路、デジタル信号処理回路などの回路 4 6とともにセンサチップ 4 2に集積し、このセンサチップ 4 2を、回転側部材 4 1に配置される磁石 4 4に対向配置したものである。この場合、磁石 4 4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 4 2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 4 5が配置される。

このように構成された回転検出装置 4 3では、各辺の磁気センサアレイ 4 5の出力を信号増幅回路、 A D変換回路で読み出して前記磁石 4 4の磁界分布を検出し、その検出結果に基づき磁石 4 4の回転角度をデジタル信号処理回路により算出する。

[0003] 特許文献 1に開示の回転検出装置 4 3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 austr i am i crosystems社の口一タリエンコーダ L S I ) なども提案されている。

[0004] これらの回転検出装置では、一定時間間隔でサンプリングされた角度値から角度の変化量を算出し、その算出値に基づいて A B相信号などの回転パルス出力を生成することができる。

し力、し、検出される角度値にはノイズによるばらつきが含まれており、サンプリング毎に求めた角度変化量は、大きくばらつきやすい。さらに、低速回転時にはサンプリング毎の移動角度が小さくなり、検出分解能以下の回転角度変化量を基にパルスを出力しなければならず、パルスのばらつきが増大してしまう。また、角度の変化量が小さい場合などにおいては、サンプリング間隔毎に出力されるパルス数が少なくなるので、例えば 0 . 7パルスといつた 1パルスに満たない出力が必要になる場合などが生じる。この場合には、サンプリング期間毎にパルスを発生させると、各期間のつなぎ目でパルスが不連続に変化してしまい、安定したパルス出力が得られない。

このような回転検出装置から出力されるパルス信号を利用して機器の制御を行う場合には、パルス幅や間隔に基づいて演算処理をすることが多く、上記した不安定でバラツキのあるパルスは好ましくない。

[0005] また、特許文献 1に開示される回転検出装置のように、検出対象の磁界分布や磁界の方向を検出することによって回転体の絶対角度を算出する磁気ァレイセンサなどの方式のセンサでは、磁気センサ素子および周辺アナ口グ回路のノイズによって磁界信号がばらつくことにより、検出角度分解能が制限される。このようなランダムノィズは測定を繰り返すことにより抑制することが可能で、例えば n回測定を繰り返して平均値を取った場合には、毎回の測定に含まれるノイズ量の 1 / nになることが知られている。そこで、上記したような回転検出装置においても、検出結果を十分な回数で積算■平均処理すると、検出される角度分解能を十分高めることができる。

し力、し、この処理を行うと、検出結果が得られるまでに時間がかかり検出遅延時間が長くなるため、回転体の動きをリアルタィムで検出することができなくなるという課題がある。

特許文献 1 ：特開 2 0 0 3 _ 3 7 1 3 3号公報

発明の開示

[0006] この発明の目的は、検出角度値に含まれるノイズ成分を低減して、分解能の向上と精度のよい安定した角度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検出装置付き軸受を提供することである。

[0007] この発明の回転検出装置は、回転体に設けられた磁石の磁界強度を計測する複数の磁気センサ素子、およびこれら磁気センサ素子の計測値から前記磁石の回転角度を演算する角度計算手段を有する回転角度センサを備えた回転検出装置であって、一定期間における前記角度計算手段の出力する回転角度のデータを統計処理することにより回転状態を推定する回転状態推定手段と、この回転状態推定手段で推定された回転状態から以降の回転角度を予測する回転角度予測処理手段と、この回転角度予測処理手段で予測した回転角度に基づいて回転角度を算出し出力する出力手段とを備える。

この構成によると、回転体に設けられた磁石の磁界強度を複数の磁気センサ素子で計測し、前記磁気センサ素子の計測値から角度計算手段で前記磁石の回転角度を演算し、一定期間における前記角度計算手段の出力する回転角度のデータを回転状態推定手段で直線や二次関数などで近似する統計処理を行って回転状態を推定する。このため、検出角度値に含まれるノイズ成分を低減した状態で、回転体の運動状態の予測を安定良く正確に行うことができる。また、前記回転状態推定手段で推定された情報に基づいて、回転角度予測処理手段で角度算出処理による検出遅延時間を補正した現在角度の算出、および次のサンプリング時刻における予測到達角度の算出（すなわち回転角度予測処理）を行うので、移動角度が小さい低速回転の場合であっても、高い精度で安定した回転角度を求めることができる。これにより、分解能の向上と精度のよい安定した角度検出が可能となる。

[0008] 好ましくは、前記回転角度のデータまたはこの回転角度のデータの処理結果を記憶しておく記憶手段を備え、前記回転状態推定手段は、前記記憶手段の記憶内容を統計処理することにより回転状態を推定するものとする。また、前記回転角度センサとして、磁気アレイセンサを用いると、小型で高精度な回転検出が行える。

[0009] この発明において、回転状態推定手段の行う統計処理が、平均化フィルタ処理、回帰直線を求める処理、および二次曲線近似を行う処理のいずれかであっても良い。

回転体の回転における回転速度の変動は、通常の運転状態では、慣性モーメントによってかなり抑制されており、短時間での回転速度の時間変化は直線または二次関数で十分に近似できる。この観点から、前記回転状態推定手段の統計処理を、平均化フィルタ処理、回帰直線を求める処理、及び二次曲線近似を行う処理のいずれかとすれば、検出角度値に含まれるノイズ成分が低減され、精度の良い安定した検出角度を得ることができる。

[0010] この発明において、前記回転状態推定手段による統計処理の処理対象期間力この回転状態推定手段に対する外部からの入力信号または通信手段を通じて変更可能なものであっても良い。

前記回転状態推定手段における処理対象期間の長さは、角度検出の時間応答周波数帯域を決定することになる。そこで、処理対象期間を長くしていくと低周波のノィズ成分まで低減させることができるが、応答周波数が低くなつて急激な回転速度変化に対する応答が悪くなる。前記処理対象期間を、外部からの入力信号や通信手段を通じて変更可能とすると、回転体の機械的特性を考慮して最適な処理対象期間を選定できる。

[001 1 ] この発明において、前記記憶手段、回転状態推定手段および出力手段が、前記回転角度センサの角度計算手段と同じ半導体チップ上に集積された回路であっても良い。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。

[0012] この発明において、さらに、前記出力手段の前段に、前記回転角度センサにより検出される角度データの分解能よりも高い分解能を持ちカウント値がこの回転検出装置の出力角度データとされる現在位置カウンタと、この現在位置カウンタの動作速度を、前記回転角度予測処理手段の予測値と現在の力ゥント値との差に応じて変化させるカウンタ動作速度変化手段とを備えたものであっても良い。

この構成によると、一定期間における角度計算手段の出力する回転角度のデータを回転状態推定手段により統計処理することで回転状態を推定し、推定された回転状態から以降の回転角度を回転角度予測処理手段で予測し、回転角度センサにより検出される角度データよりも高い分解能で、現在位置力ゥンタが回転角度に対応した数値を連続的にカウントし、そのカウント値をこの回転検出装置の出力角度データとする。このため、サンプリング間隔以下の時間分解能で精度の良い角度データを安定良く得ることができる。

[0013] この発明において、前記現在位置カウンタを、この現在位置カウンタよりも高速な原ク口ックを分周して生成した動作クロックで動作させる分周回路を有し、前記カウンタ動作速度変化手段が、前記回転角度予測処理手段の予測値に応じて前記分周回路の分周比を変化させる分周比計算手段であっても良い。この構成の場合、サンプリング期間内に角度の変化量に相当する必要なク口ック数を現在位置カウンタでカウントできる。

[0014] この発明において、前記分周比計算手段は、分周比を、現在位置カウンタのサンプリング期間を丁、原クロック周波数を F O、角度の変化量を P nとしたとき、

P n / ( T ■ F 0 )

とするものであっても良い。

[0015] この発明において、前記現在位置カウンタの出力を、互いに 9 0 ° 位相の異なる A相および B相の 2つのパルス信号と、 1回転に 1度のインデックス信号とでなる回転パルス信号として出力する回転パルス生成手段を設けても良い。この構成の場合、 A相および B相の 2つのパルス信号により回転方向を知ることができ、 A B相信号とインデックス信号との併用で絶対角度を知ることができる。

[001 6] この発明において、前記回転パルス生成手段で回転パルス信号を生成するときに使用する出力角度データのビットを選択することで、出力パルス分解能を設定するカウンタ使用ビット指定手段を設けても良い。

[001 7] この発明において、前記回転状態推定手段、回転角度予測処理手段、現在位置カウンタ、およびカウンタ動作速度変化手段が、前記回転角度センサの角度算出手段と同じ半導体チップ上に集積された回路であっても良い。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。

[0018] 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、小型で高分解能な検出装置付き軸受を実現でき、使用するときの組立調整が不要で、取付スペースの削減などの効果が得られ、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。図面の簡単な説明

[001 9] この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる例示および説明のためのものであり、この発明の範囲は添付の特許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実施形態にかか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。

[図 2]同軸受における回転検出装置付設置部を示す拡大側面図である。

[図 3]同軸受における回転センサを構成する半導体チップの平面図である。

[図 4]同回転センサの角度算出手段による角度算出処理の説明図である。

[図 5]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。

[図 6]同回転センサの概略構成を示すブロック図である。

[図 7]同回転センサにおける補正手段の処理動作の一例を示す説明図である。

[図 8]同回転センサにおける補正手段の処理動作の別の一例を示す説明図である。

[図 9]同回転センサにおける出力手段から出力される A B相信号の論理説明図である。

[図 10]第 2実施形態にかかる回転検出装置を組み込んだ検出装置付き軸受における回転センサを構成する半導体チップの平面図である。

[図 1 1 ]同回転センサの概略構成を示すブロック図である。 [図 12]同回転センサにおける出力手段から出力される A B相信号の論理説明図である。

[図 13]同回転センサの動作タイミングチヤ一トである。

[図 14]従来例の斜視図である。

発明を実施するための最良の形態

[0020] この発明の第 1実施形態を図 1ないし図 9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 2 0は、内輪 2 1 と外輪 2 2の転走面間に、保持器 2 3に保持された転動体 2 4を介在させた転がり軸受である。転動体 2 4はポールからなり、この転がり軸受 2 0は単列の深溝玉軸受とされている。内輪 2 1には回転体である回転軸 3 0が圧入状態に嵌合しており、外輪 2 2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。

[0021 ] 転がり軸受 2 0に組み込まれる回転検出装置 1は、転がり軸受 2 0の内輪 2 1側に配置された磁石 2と、外輪 2 2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 2 1 と共に回転する回転軸 3 0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 2 2と固定関係にあるセンサ取付部材 2 7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 2 0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 2 0の軸心 Oが磁石 2の中心と一致するように、回転軸 3 0の —端の中央に固定される。磁石 2が回転軸 1 0と一体に回転することによつて、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。

[0022] 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 2 0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 2 7を介して外輪 2 2側に取付けられる。具体的には、外輪 2 2に前記センサ取付部材 2 7が取付けられ、このセンサ取付部材 2 7に回転センサ 3が固定されている。センサ取付部材 2 7は、外周部の先端円筒部 2 7 aを外輪 2 2の内径面に嵌合させ、この先端円筒部 2 7 aの近傍に形成した鍔部 2 7 bを外輪 2 2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 2 7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 2 9も取付けられている。

[0023] 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（L S I ) 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 5 aと、その磁気センサ素子 5 a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体である回転軸 3 0の回転角度を検出する角度計算手段 6と、補正手段 7と、出力手段 9とからなる。なお、図 3において、角度計算手段 6、補正手段 7 、出力手段 9については、概念的な構成をブロックで示しており、これらの各手段 6〜 9の形状，寸法を示すものではない。半導体チップ 4上において、磁気センサ素子 5 a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 5 A〜5 Dとされる。この場合、前記矩形の中心 O ' は、転がり軸受 2 0の軸心 Oに一致する。 4辺の磁気センサアレイ 5 A〜5 Dは、同図の例ではセンサ素子 5 aが一列に並んだものとしている力センサ素子 5 aが複列に平行に並んだものであっても良い。前記角度計算手段 6、補正手段 7、出力手段 9などからなる演算回路部は、磁気センサアレイ 5 A〜 5 D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 2 7に固定される。

[0024] このように、磁気センサ素子 5 aと演算回路部（角度計算手段 6、補正手段 7、出力手段 9 ) とを同じ半導体チップ 4上に集積して一体化すると、磁気センサ素子 5 a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 5 A〜5 D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。

[0025] 図 4および図 5は、前記角度計算手段 6による回転角度算出処理の説明図である。図 5 (A) 〜（D) は、回転軸 30が回転している時の磁気センサアレイ 5 A〜5 Dによる出力波形図を示し、それらの横軸は各磁気センサァレイ 5 A〜 5 Dにおける磁気センサ素子 5 a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 X 1 と X 2に磁気センサアレイ 5 A〜 5 D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 5 A〜5 D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 X 1 , X2は、磁気センサアレイ 5A, 5 C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。

0 = t a n- ' (2 L/b) …… （1 )

ここで 0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。 2 Lは、矩形に並べられる各磁気センサアレイ 5 A〜 5 D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 X 1 , X2間の横方向長さである。

ゼロクロス位置 X 1 , X 2が磁気センサアレイ 5 B, 5 Dにある場合にも、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 0が算出される。

[0026] 図 6は、前記回転センサ 3のより具体的な構成を示すブロック図である。

同図では、磁気センサ 5と角度計算手段 6を加えたものを回転角度センサ 1 0として示しており、回転角度センサ 1 0は一定のサンプリング周期で現在時刻 t n の角度 0n を検出する。

[0027] 次段の補正手段 7は、回転角度センサ 1 0で検出される角度 0n に基づき、補正した現在角度および次のサンプリング時刻 tn+1 における予測到達角度 0n+1 を算出する手段である。この補正手段 7は、記憶手段としての履歴メモリ 1 1、回転状態推定手段 1 2、処理対象期間設定回路 1 3、および回転角度予測処理手段 1 4からなる。

[0028] 履歴メモリ 1 1は、前記回転角度センサ 1 0の角度計算手段 6から出力される回転角度データ θ η 、またはこのデータを回転状態推定手段 1 2で処理した結果を記憶しておく記憶手段である。

回転状態推定手段 1 2は、前記履歴メモリ 1 1の内容を統計処理することにより回転状態を推定する手段である。具体的には、この回転状態推定手段 1 2は、履歴メモリ 1 1に記憶された現在の検出角度 0 η に至るまでの所定の処理対象期間内の角度データを、平均化フィルタ、回帰直線、あるいは二次曲線近似で統計処理して、回転軸 1 0の回転状態を予測する。回転角度予測処理手段 1 4は、前記回転状態推定手段 1 1で推定された回転状態から前記角度計算手段 6での計算遅延時間の補償を行うとともに、次回サンプリング時刻 t n+1 における予測角度 0 n+1 を求める手段である。

処理対象期間設定回路 1 3は、前記回転状態推定手段 1 2による統計処理の処理対象期間を設定する回路であり、フィルタ定数設定回路などからなる。この処理対象期間設定回路 1 3には処理対象期間として所定の標準値が設定されている。この処理対象期間が変化すると、角度検出の応答時間が変化することになるので、使用状況に応じて設定期間を変えられるのが望ましい。したがって、外部からの設定信号の入力や、別途設けた通信手段を通じて処理対象期間の設定値を変更可能としても良い。

図 7は、前記補正手段 7での角度予測処理の一例を示す。この場合、回転角度センサ 1 0からはサンプリング間隔 Tで角度データが得られており、同図ではノイズによって実際の回転角度位置からふらついている様子を示している。

処理対象期間を m Tとした場合、時刻 t n-m から t n までのデータに対して、回転状態推定手段 1 2では回帰直線を求める処理が実行される。したがつて、この場合、履歴メモリ 1 1は、 m個の角度データを記憶する容量が必要である。

回転角度予測処理手段 1 4では、回転状態推定手段 1 2で求められた回帰直線を延長して、次のサンプリング時刻 t n+1 における予測角度 0 n+1 を求める。この処理は、処理区間 m内の平均回転速度を用いて回転速度予測処理することに相当し、角度データのばらつきが約 1 / mに低減されることになる。したがって、処理区間を広くするほど、ノイズの低減効果を大きくすることができる。

[0030] 図 8は、前記補正手段 7での角度予測処理の別の例を示す。回転状態推定手段 1 2では、回転角度センサ 1 0から得られる処理対象期間 mT内の角度データ（時刻 tn-m から tn までの角度データ）の平均値 0n (バー）を求める。この処理をサンプリング毎に実行し、その処理結果を履歴メモリ 1 1 に記憶していくと、同図に〇で示すように平均値のデータ列ができる。これは移動平均フィルタに相当する処理である。

回転角度予測処理手段 1 4では、得られたデータから、時刻 tn-w の平均角度データ 0n-w (バー）と、時刻 tn の平均角度データ 0n (バー）とを用いて、その 2点を結んだ直線を求めることで、時刻 tn+1 における角度 0n +1 を予測する。この場合の直線の傾きは検出された回転速度△ を示すが、それぞれが平均処理されているため、ノイズが低減されている。また、時間間隔 wTを大きくすることが可能なため、角度データのばらつきをさらに小さくすることが可能になる。

[0031] 出力手段 9は、前記回転角度予測処理手段 1 4で予測した回転角度 0n+1 に基づいて回転角度を算出し出力する手段である。この出力手段 9は、出力パルス数計算回路 1 5、クロック生成回路 1 6、現在位置カウンタ 1 7、および回転パルス生成回路 1 8からなる。

[0032] 出力パルス数計算手段 1 5は、現在位置カウンタ 1 7で計数される現在角度 0n に対応する計数値 Cn と回転角度予測処理手段 1 4から出力される予測角度 0n+1 との差 P (=θη+1 -Cn ) を算出する回路である。

クロック生成回路 1 6は、前記出力パルス数計算手段 1 5が算出する出力パルス数 Pに応じて現在位置カウンタ 1 7を動作させるクロックを生成する回路である。

現在位置カウンタ 1 7は、クロック生成回路 1 6の生成するクロックに応じて Pだけ動作して、カウント値を更新するカウンタである。現在の出力角度データは、現在位置カウンタ 1 7のカウント値 C n となっているので、前記出力パルス数計算手段 1 5で予測角度 0 n+1 との差 Pを算出すると、次のサンプリング期間 Tの予想変化角度が求められる。

なお、上記したように、補正手段 7での計算処理は回転角度センサ 1 0の検出分解能よりも高い精度で実行され、統計処理によるノイズ低減効果が得られるので、それに伴って現在位置カウンタ 1 7も同じ精度で動作するよう

! «- 5X5 Γ れる。

[0033] 回転パルス生成回路 1 8は、現在位置カウンタ 1 7のカウント値の変化に基づき、 A B Z相信号として回転パルス信号を生成する回路である。現在位置カウンタ 1 7は入力されるクロックによって土 1ずつ変化するので、その値から A B Z相信号のような位相差パルス信号を生成することができる。例えば、現在位置カウンタ 1 7のカウント値の下位 2ビットを C O , C 1 として、図 9に示す論理説明図によって、 A B相の信号を生成することがでさる。

[0034] 回転体の回転における回転速度の変動は、通常の運転状態では、慣性モーメントによってかなり抑制されており、短時間での回転速度の時間変化は直線または二次関数で十分に近似できる。

この観点から、この第 1実施形態の回転検出装置 1では、回転体である回転軸 3 0に設けられた磁石 2の磁界強度を計測する磁気センサ 5と、この磁気センサ 5の測定値から前記磁石 2の回転角度を演算する角度計算手段 6を有する回転角度センサ 1 0を備え、一定期間における前記角度計算手段 6の出力する回転角度のデータまたはこの回転角度のデ一タの処理結果を履歴メモリ 1 1で記憶しておき、この履歴メモリ 1 1の記憶内容を直線や二次関数などで近似する統計処理を回転状態推定手段 1 2で行って回転状態を推定するようにしているので、検出角度値に含まれるノイズ成分を低減した状態で、回転軸 3 0の運動状態の予測をかなり正確に行うことができる。また、前記回転状態推定手段 1 2で推定された情報に基づいて、回転速度予測処理手段 1 4で角度算出処理による検出遅延時間を補正した現在角度の算出、および次のサンプリング時刻における予測到達角度の算出（回転速度予測）を行うので、高い精度で角度を求めることができる。

[0035] ここで、回転状態推定手段 1 2における処理対象期間の長さは、角度検出の時間応答周波数帯域を決定することになる。そこで、処理対象期間を長くしていくと低周波のノィズ成分まで低減させることができるが、応答周波数が低くなつて急激な回転速度変化に対する応答が悪くなる。この実施形態では、前記処理対象期間を処理対象期間設定回路 1 3で標準値に設定するほか、外部からの入力信号や通信手段を通じて変更可能としているので、回転体 (こでは回転軸 3 0 ) の機械的特性を考慮して最適な処理対象期間を選定することができる。

[0036] なお、上記の計算では、平均化処理の効果によって角度検出データの分解能よりもはるかに高い精度の結果が得られるので、角度検出データ長よりも 4〜8ビット多い計算精度で処理が実行される。

[0037] サンプリング毎に求めた回転速度値（角度変化量）がばらつくことによる角度予測のばらつきは、上記の処理によって大幅に低減される。したがって、この処理を実施して得られる出力角度データは、遅延時間が補償されノィズの影響も抑えられて安定したものとなる。移動角度が小さい低速回転の場合であっても、十分高い計算精度で回転状態の検出と予測が実行されるため、安定した回転角度情報を出力することができる。

[0038] また、回転パルス生成手段 1 8により、現在位置カウンタ 1 7の出力を、 A B Z相のパルス信号として出力するようにしているので、現在位置カウンタ 1 7が連続的に安定した動作をすることによって、出力パルス信号の幅 - 周期などのばらつきが小さくなり、安定した回転信号を得ることができる。

[0039] また、図 1の検出装置付き軸受 2 0では、上記回転検出装置 1を転がり軸受 2 0に組み込んでいるので、小型で高分解能な検出装置付き軸受を実現でき、使用するときの組立調整が不要で、取付スペースの削減などの効果が得られる。

[0040] 次に、この発明の第 2実施形態について図 1 0ないし図 1 3と共に説明する。この第 2実施形態の回転センサ 3 Aでは、図 3に示す第 1実施形態の回転センサ 3の場合と同様に、図 1 0に示すように、磁気センサ 5を構成する複数の磁気センサ素子 5 aと、その磁気センサ素子 5 a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体である回転軸 3 0の回転角度を検出する角度計算手段 6と、補正手段 7 Aと、出力手段 9とを有するのに加えて、さらに、カウンタ動作速度変化手段 8を備えた大規模集積回路で構成されている。

[0041 ] 図 1 1は、前記回転センサ 3 Aのより具体的な構成を示すブロック図である。図 6に示す第 1実施形態に対応するブロック図の構成との比較からわかるように、図 1 1に示す回転センサ 3 Aでは、出力手段 9の前段に、前記力ゥンタ動作速度変化手段 8が付加されている。

[0042] 図 1 1に示す回転角度センサ 1 0に続く次段の補正手段 7 Aは、前記補正手段 7と同様、回転角度センサ 1 0で検出される角度 0 n に基づき、補正した現在角度および次のサンプリング時刻 t n+1 における予測到達角度 0 n+1 を算出する手段であるが、この補正手段 7 Aは、回転状態推定手段 1 2と回転角度予測処理手段 1 4とを有する。

[0043] 前記補正手段 7 Aでの具体的な角度予測処理の一例を以下に説明する。この場合における角度予測処理も第 1実施形態の場合とほぼ同様でその詳しい説明は省略するが、回転角度予測処理手段 1 4により所定手順で予測角度 0 n +1を求める。つまり、この処理は、検出された角度 0 n よりも高い精度で実行される。したがって、例えば検出角度 0 n のデータ精度が 1 0ビットであつた場合、予測角度 0 n+1 は 1 6ビットで扱われる。

[0044] カウンタ動作速度変化手段 8は、前記出力手段 9の構成要素である後述する現在位置カウンタ 1 7の動作速度を、前記回転角度予測処理手段 1 4で求められる予測角度 0 n+1 と現在位置カウンタ 1 7の現在のカウント値 C n との差に応じて変化させる手段である。このカウンタ動作速度変化手段 8は、出力パルス数計算手段 1 5、分周比計算手段 3 1、発振器 3 2、および分周回路 3 3からなる。出力パルス数計算手段 1 5は、現在位置カウンタ 1 7で計数される現在角度 0n に対応する計数値 Cn と回転角度予測処理手段 1 4から出力される予測角度 0n+1 との差 P (= θη+1 -Cn ) を、次のサンプリングまでの期間丁に必要な角度変化量に相当する出力パルス数として算出する回路である。

[0045] 分周回路 33は、発振器 32から出力される現在位置カウンタ 1 7の動作クロックよりも高速な原クロック（周波数 FO) を分周して生成した動作口ック（周波数 f ) で現在位置カウンタ 1 7を動作させる回路である。

[0046] 分周比計算手段 31は、前記出力パルス数計算手段 1 5が算出する出力パルス数 Pに応じて、前記分周回路 33の分周比を変化させる手段である。現在位置カウンタ 1 7のサンプリング間隔を丁、発振器 32から出力される原クロックの周波数を FO、出力パルス数計算手段 1 5で算出する角度の変化量（出力パルス数）を P nであるとすると、分周比計算手段 31は、分周回路 33の分周比 Wを、

W= P n/ (T ■ F 0) …… (2)

として算出する。

[0047] 出力手段 9は、前記回転角度予測処理手段 1 4で予測した回転角度 0n+1 に基づいて回転角度を算出し出力する手段である。この出力手段 9は、現在位置カウンタ 1 7、回転パルス生成回路 1 8、およびカウンタ使用ビット指定手段 1 9からなる。

[0048] 現在位置カウンタ 1 7は、発振器 32の原ロック（周波数 FO) を分周回路 33で分周（分周比 W) して得られる動作クロック（周波数 f = FO - W = P/T) に応じて出力パルス数 Ρだけ動作して、カウント値を更新する力ゥンタである。これにより、現在位置カウンタ 1 7は、サンプリング期間 Τ 内に角度の変化量に相当する必要なクロック数 Ρをカウントできる。現在の出力角度データは、現在位置カウンタ 1 7のカウント値 Cn となっているので、前記出力パルス数計算手段 1 5で予測角度 0n+1 との差 Pを算出すると、次のサンプリング期間 Tの予想変化角度が求められる。現在位置カウンタ 1 7も、前記補正手段 7 Aでの演算精度に合わせて高い精度に設定される。例えば検出角度 0n のデータ精度が 1 0ビッ卜であった場合、補正手段 7 A の演算精度と同じ 1 6ビッ卜で扱われる。

[0049] なお、隣り合うサンプリング期間での角度変化量の差はそれほど大きな値となることはないので、それに対応した分周比 Wの変化は小さい。したがつて、前記分周回路 33の出力パルス周期が急激に変化することはなく、現在位置カウンタ 1 7の動作速度の変化は小さいものとなる。また、複数のサンプリング期間をまたぐようなカウンタ動作も安定して行われるようになる。

[0050] A B Z相信号のうちの A相および B相の 2つのパルス信号は互いに 90° 位相の異なる信号であり、これにより回転方向を知ることができる。 ABZ 相信号のうちの Z相信号は、回転体（回転軸 30) の 1回転に 1回の頻度で出力されるインデックス信号であり、 A B相信号との併用で絶対角度を知ることができる。

[0051] カウンタ使用ビット指定手段 1 9は、回転パルス生成回路 1 8で前記回転パルス信号を生成するときに使用する出力角度データ（現在位置カウンタ 1 7のカウント値 Cn ) のビットを選択することで、回転パルス生成回路 1 8 の出力パルス分解能を設定する手段である。

[0052] 図 1 3には、前記回転センサ 3による動作タイミングチャートを示す。

図 1 3 (a) のように、サンプリング間隔 T毎に出力パルス数計算手段 1 3では出力パルス数 P (=θη+1 -Cn ) が計算され、その値に基づき図 1 3 (b) のように分周回路 33から T' (=T/P) の周期でカウンタ動作クロックが生成される。現在位置カウンタ 1 7の値は図 8 (c) のように常に 1ずつしか変化しないので、回転パルス生成回路 1 8によるパルス信号の生成では、必要な精度に応じてカウンタ使用ビット指定手段 1 9によりカウンタデータの 2ビットを選択し、その信号状態から図 1 3 (d) , (e) のように通常のエンコーダで用いられる A相および B相の 2相パルス信号が生成される。図 1 3 (d) , (e) では、現在位置カウンタ 1 7のカウント値の最下位の 2ビットを使用した例を示す。この場合、選択する 2つのビット位置を変えると、出力される A B相信号のパルス数が変わるので、検出角度の出力分解能を変化させることができる。例えば、現在位置カウンタ 1 7での 1回転の角度カウント値が 1 6ビットデータで構成されている場合、最下位 4ビットを除いた下位ビッ卜の 2つをビット C 5 , C 4として、図 1 2に示す論理説明図によって、 A B相の信号を生成することができる。この場合には、 A B各相 1 0 2 4パルス / 1回転のパルス出力となり、 4通倍すると 4 0 9 6 / 1回転の角度分解能の信号が出力されることになる。選択するビットを C 7 , C 6とすると出力分解能は 4分の 1になり、 A B各相 2 5 6パルス回転の出力パルス数となる。

[0053] カウンタ使用ビット指定手段 1 9による、このような 2ビットの選択を外部から実行できるようにすれば、使用目的や接続機器に合わせて出力パルス数を変更することが可能になる。例えば、カウンタ使用ビット指定手段 1 9 に選択用の信号入力を用意しておき、その信号の論理状態によって選択しても良いし、不揮発性メモリに選択条件を記憶して読み出すようにしても良い

[0054] このように、第 2実施形態によっても、一定期間における角度計算手段 6 の出力する回転角度のデータを回転状態推定手段 1 2により統計処理することで回転状態を推定し、推定された回転状態から以降の回転角度を回転角度予測処理手段 1 4で予測し、回転角度センサ 1 0により検出される角度デ一タよりも高い分解能で、現在位置カウンタ 1 7が回転角度に対応した数値を連続的にカウン卜するので、サンプリング間隔以下の時間分解能で精度の高い角度データを安定良く得ることができる。

[0055] また、回転状態推定手段 1 2および回転角度予測処理手段 1 4の各処理における計算が高い分解能で実行されるため、 1 0回のサンプリング期間に角度データが 1だけ変化するような状態にも対応でき、安定した回転信号を得ることができる。

[0056] 以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付のクレームから定まるこの発明の範囲内のものものと解釈される。

Claims

請求の範囲

[1 ] 回転体に設けられた磁石の磁界強度を計測する複数の磁気センサ素子、およびこれら磁気センサ素子の計測値から前記磁石の回転角度を演算する角度計算手段を有する回転角度センサを備えた回転検出装置であって、

一定期間における前記角度計算手段の出力する回転角度のデータを統計処理することにより回転状態を推定する回転状態推定手段と、この回転状態推定手段で推定された回転状態から以降の回転角度を予測する回転角度予測処理手段と、この回転角度予測処理手段で予測した回転角度に基づいて回転角度を算出し出力する出力手段とを備える回転検出装置。

[2] 請求項 1において、前記回転角度のデータまたはこの回転角度のデータの処理結果を記憶しておく記憶手段を備え、前記回転状態推定手段は、前記記憶手段の記憶内容を統計処理することにより回転状態を推定する回転検出装置。

[3] 請求項 1において、前記回転状態推定手段の行う統計処理が、平均化フィルタ処理、回帰直線を求める処理、および二次曲線近似を行う処理のいずれかである回転検出装置。

[4] 請求項 1において、前記回転状態推定手段による統計処理の処理対象期間力この回転状態推定手段に対する外部からの入力信号または通信手段を通じて変更可能なものである回転検出装置。

[5] 請求項 2において、前記記憶手段、回転状態推定手段、および出力手段が、前記回転角度センサの角度計算手段と同じ半導体チップ上に集積された回路である回転検出装置。

[6] 請求項 1において、さらに、前記出力手段の前段に、前記回転角度センサにより検出される角度データの分解能よりも高い分解能を持ちカウント値がこの回転検出装置の出力角度データとされる現在位置カウンタと、この現在位置カウンタの動作速度を、前記回転角度予測処理手段の予測値と現在の力ゥント値との差に応じて変化させるカウンタ動作速度変化手段とを備えた回転検出装置。

[7] 請求項 6において、前記現在位置カウンタを、この現在位置カウンタよりも高速な原ク口ックを分周して生成した動作クロックで動作させる分周回路を有し、前記カウンタ動作速度変化手段が、前記回転角度予測処理手段の予測値に応じて前記分周回路の分周比を変化させる分周比計算手段である回転検出装置。

[8] 請求項 7において、前記分周比計算手段は、分周比を、現在位置カウンタのサンプリング期間を丁、原クロック周波数を F O、角度の変化量を P nとしたとき、

P n / ( T ■ F 0 )

とするものである回転検出装置。

[9] 請求項 6において、前記現在位置カウンタの出力を、互いに 9 0 ° 位相の異なる A相および B相の 2つのパルス信号と、 1回転に 1度のインデックス信号とでなる回転パルス信号として出力する回転パルス生成手段を設けた回転検出装置。

[10] 請求項 9において、前記回転パルス生成手段で回転パルス信号を生成するときに使用する出力角度データのビットを選択することで、出力パルス分解能を設定するカウンタ使用ビット指定手段を設けた回転検出装置。

[1 1 ] 請求項 6において、前記回転状態推定手段、回転角度予測処理手段、現在位置カウンタ、およびカウンタ動作速度変化手段が、前記回転角度センサの角度算出手段と同じ半導体チップ上に集積された回路である回転検出装置。

[12] 請求項 1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