WO2010029742A1 - 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 PDF

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encoders
rotation detection
detection device
encoder
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高橋亨
上野新太郎
デビオルパスカル
ピーターシュミッツシリル
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    • F16C41/00Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/007Encoders, e.g. parts with a plurality of alternating magnetic poles
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    • G01D2205/80Manufacturing details of magnetic targets for magnetic encoders

Definitions

  • the present invention relates to a rotation detection device used for rotation angle detection in various devices, particularly rotation angle detection for rotation control of various motors, and a bearing with a rotation detection device equipped with the rotation detection device.
  • a ring-shaped magnetic pulse generating means such as a magnetic encoder in which magnetic pole pairs are arranged in the circumferential direction for generating magnetic pulses, and a substantially linear shape in the circumferential direction with respect to the magnetic pulse generating means
  • a plurality of magnetic sensor elements that detect the magnetic pulse, and an absolute angle is detected by calculating an output signal of the magnetic sensor element (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • a magnetic drum having two magnetic encoders having different numbers of magnetic pole pairs per one rotation and two magnetic sensors for detecting the magnetic field of each magnetic encoder are provided, and the magnetic sensor detects 2
  • an apparatus that detects an absolute angle based on a phase difference between magnetic field signals of two magnetic encoders for example, Patent Document 3
  • the rotation detection device configured as described above, when a plurality of magnetic sensors and an arithmetic processing circuit are integrated on the same semiconductor chip, let's narrow the interval between the magnetic sensors by arranging two magnetic encoders adjacent to each other. Then, the magnetic patterns of both magnetic encoders interfere with each other, and the angle detection accuracy deteriorates. As a result, the phase difference for calculating the absolute angle cannot be obtained accurately, and the absolute angle calculation error increases.
  • the above problem can be solved by widening the arrangement interval of the magnetic sensors, but this increases the area of the semiconductor chip and causes an increase in cost. Moreover, when combining magnetic magnets magnetized separately, it takes time to assemble.
  • An object of the present invention is to provide a rotation detection device having a simple structure and capable of accurately detecting an absolute angle with high resolution and a bearing with a rotation detection device equipped with the rotation detection device.
  • a rotation detection device includes a plurality of magnetic encoders provided in a concentric ring shape, each having a magnetized row pattern in which magnetic poles are arranged on a circumference, and different numbers of magnetic poles, and magnetic fields of these magnetic encoders, respectively.
  • a plurality of magnetic sensors to be detected, and angle calculation means for obtaining an absolute angle of the magnetic encoder based on a magnetic field signal detected by each of the magnetic sensors, and the plurality of magnetic encoders are attached to one or a plurality of core bars.
  • the cored bar is integrally formed with a protruding portion located between the adjacent magnetic encoders protruding to the surface side where the magnetic encoder is provided.
  • the absolute angle can be detected. For example, when a magnetic pole pair is rotated using a magnetic encoder having 12 magnetic poles and a magnetic encoder having 13 magnetic poles, a phase shift corresponding to one magnetic pole pair occurs in one rotation between the signals of two magnetic sensors that detect these magnetic fields. Therefore, the absolute angle in one rotation section can be calculated by the angle calculation means based on this phase difference.
  • the cored bar is integrally formed with a protruding part that projects between the adjacent magnetic encoders and protrudes to the surface side where the magnetic encoder is provided, so that the adjacent magnetic encoders are separated by the protruding part of the cored bar. Is done.
  • This makes it possible to reduce the interference between the magnetic patterns of both magnetic encoders without increasing the distance between the corresponding magnetic sensors, and to reduce the absolute angle detection error caused by the magnetic field interference. Can be detected with high accuracy. Further, since the detection accuracy of the absolute angle can be increased without increasing the interval between the magnetic sensors, the manufacturing cost can be reduced even when the magnetic sensor is integrated on a semiconductor chip together with an arithmetic circuit or the like to constitute a sensor module.
  • the plurality of magnetic encoders are attached to a single common cored bar, and the protruding portion is a ring-shaped bent protruding from the surface side formed on the cored bar and provided with the magnetic encoder.
  • a shape part may be sufficient. Since the ring-shaped cored bar is formed with a ring-shaped bent shape part protruding between the adjacent magnetic encoders and projecting to the surface side where the magnetic encoder is provided, the adjacent magnetic encoders are disposed in the cored bar. Are separated at the bent shape.
  • a plurality of magnetic encoders are provided on a single common core, a simple structure can be achieved. As a result, the structure is simple, and the absolute angle can be accurately detected with high resolution.
  • the plurality of magnetic encoders are arranged side by side in the axial direction, and each magnetic encoder is attached to each of the plurality of core bars, and the core bars of the cored magnetic encoders have the same side ends.
  • a flange that extends to the outer diameter side, which becomes the protruding portion may be formed.
  • a flange extending to the outer diameter side is formed as a protruding portion at one end in the axial direction that is the same side end of the cored bar, so that adjacent magnetic encoders are separated by the flange of the cored bar .
  • the rigidity of the core bar can be increased, and deformation of the magnetic encoder can be suppressed when the core bar is attached to the rotating member. It can be detected well.
  • the front end height of the said protrusion part is more than the surface height of the said magnetic encoder.
  • the tip height of the protrusion is set to be equal to or higher than the surface height of the magnetic encoder, it is possible to more effectively suppress the interference of the magnetic pattern generated between adjacent magnetic encoders separated by the protrusion.
  • the detection accuracy can be further improved.
  • the tip height of the protrusion may be lower than the surface height of the magnetic encoder, and adjacent magnetic encoders sandwiching the protrusion may be separated from each other at the tip of the protrusion. Also in this case, since the adjacent magnetic encoders are completely separated from each other at the tip position of the projecting portion, a gap is generated, so that an effect of suppressing interference of magnetic patterns generated between these two magnetic encoders can be obtained. In addition, in this case, the distance between the cored bar and the magnetic sensor can be properly ensured.
  • the cored bar may be made of a magnetic material.
  • the material of the cored bar may be a non-magnetic material, but if the cored bar is made of a magnetic material, the interference of the magnetic pattern generated between adjacent magnetic encoders can be reduced, and the interval between the corresponding magnetic sensors is widened. The absolute angle can be accurately detected without any problem.
  • each of the magnetic encoders is formed by vulcanizing and bonding an elastic member mixed with magnetic powder to a core made of magnetic material, and forming magnetic poles alternately in the circumferential direction on the rubber.
  • a magnet may be used.
  • each of the magnetic encoders is provided with a resin molded body obtained by molding a resin mixed with magnetic powder on a magnetic cored bar, and magnetic poles are alternately formed in the circumferential direction of the resin molded body.
  • a resin magnet may be used.
  • the magnetic encoder is a sintered magnet in which magnetic poles are alternately formed in the circumferential direction on a sintered body obtained by sintering a mixed powder of magnetic powder and non-magnetic powder. May be.
  • each said magnetic sensor may be comprised with the line sensor in which a sensor element is located in a line with the arrangement direction of the magnetic pole of a magnetic encoder. If the magnetic sensor is such a line sensor, the magnetic field distribution of the magnetic encoder can be detected more finely as a sinusoidal signal based on an analog voltage rather than as an on / off signal, and a precise absolute angle diameter can be obtained.
  • the magnetic sensor composed of the line sensor may generate a sin and cos two-phase output signal by calculation to detect a position in the magnetic pole.
  • Each of the magnetic sensors has a plurality of sensor elements arranged at positions shifted in the magnetic pole arrangement direction within the magnetic pole pitch, instead of being line sensors, and obtains two-phase output signals of sin and cos. It is also possible to detect by multiplying the position in the magnetic pole.
  • the bearing with the rotation detection device of the present invention may be one in which the rotation detection device according to the present invention is mounted on the bearing. According to this configuration, since the rotation detection device is integrated with the bearing, positioning of the magnetic encoder and the magnetic sensor is not necessary, which is easy to use. In addition, while having an absolute angle detection function, the number of parts and the number of assembling steps of the bearing-using device can be reduced and the size can be reduced.
  • FIG. 3 is an enlarged sectional view taken along the line III-III in FIG. 1.
  • FIG. 4 is an enlarged sectional view taken along arrow IV-IV in FIG. 2.
  • (A) is sectional drawing of an example of the bending shape part of a metal core
  • (B) is sectional drawing of the other example of the bending shape part of a metal core.
  • It is a block diagram which shows one structural example of the absolute angle detection circuit of this rotation detection apparatus.
  • FIG. 15 is an enlarged sectional view taken along arrow XV-XV in FIG. 14. It is an expanded sectional view of the magnetic encoder with a mandrel.
  • A is sectional drawing of an example of the flange of a metal core
  • B is sectional drawing of the other example of the flange of a metal core. It is sectional drawing of the bearing with a rotation detection apparatus which mounted the rotation detection apparatus concerning 2nd Embodiment in the bearing.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of the rotation detection device of this embodiment.
  • the rotation detection device 1 includes a plurality of (here, two) magnetic encoders 2A and 2B provided in a ring shape concentric with an axis O on the outer periphery of a rotating member 4 such as a rotating shaft of a motor, for example.
  • a plurality of (here, two) magnetic sensors 3A and 3B that respectively detect the magnetic fields of the magnetic encoders 2A and 2B are provided.
  • the magnetic sensors 3A, 3B are fixed members 5 such as motor housings so as to face each of the magnetic encoders 2A, 2B in the radial direction (radial direction) through a minute gap.
  • the magnetic sensor 3A faces the magnetic encoder 2A
  • the magnetic sensor 3B faces the magnetic encoder 2B.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG.
  • the magnetic encoders 2A and 2B are attached to the outer periphery of the rotating member 4 via the same cored bar 12.
  • the cored bar 12 is a cylindrical member, and two magnetic encoders 2A and 2B are provided on the outer peripheral surface thereof side by side in the axial direction.
  • a fitting cylinder portion 12b having a smaller diameter than the magnetic encoder installation portion 12a and extending in the axial direction is formed on one side portion of the magnetic encoder installation portion 12a of the core metal 12 via a step portion 12c.
  • the cored bar 12 is fixed to the rotating member 4 by fitting the fitting cylinder portion 12 b to the outer peripheral surface of the rotating member 4.
  • the magnetic encoder installation portion 12a of the cored bar 12 is integrally formed with a protruding portion 12aa positioned between the adjacent magnetic encoders 2A and 2B protruding to the surface side where the magnetic encoder is provided. That is, in the case of this embodiment, the protrusion 12aa is concentric with the cored bar 12 as a ring-shaped bent shape protruding in the shape of a folded piece toward the outer peripheral surface where the adjacent magnetic encoders 2A and 2B are provided. Is formed. Adjacent magnetic encoders 2A and 2B are separated by the bent shape portion 12aa.
  • the core metal 12 is made of a press-formed product of a metal plate such as a steel plate.
  • the magnetic encoders 2A and 2B are ring-shaped magnetic members in which a plurality of magnetic pole pairs (one set of a magnetic pole S and a magnetic pole N) are magnetized at an equal pitch in the circumferential direction. In the example of FIG. A magnetic pole pair is magnetized on the outer peripheral surface. The number of magnetic pole pairs of these two magnetic encoders 2A and 2B is different from each other.
  • an axial type magnet in which a plurality of magnetic pole pairs are magnetized so as to be arranged at an equal pitch in the circumferential direction on the end surface in the axial direction of a ring-shaped magnetic member May be used.
  • two magnetic encoders 2A and 2B are arranged so as to be adjacent to the inner and outer circumferences.
  • the magnetic sensors 3A and 3B are arranged in the axial direction facing the magnetized surface.
  • the cored bar 12 in this case includes a ring-shaped flat magnetic encoder installation part 12a in which the magnetic encoders 2A and 2B are installed concentrically, and a fitting cylinder extending in the axial direction from the inner diameter side end of the magnetic encoder installation part 12a. Part 12d.
  • the cored bar 12 is fixed to the rotating member 4 by fitting the fitting cylinder portion 12 d to the outer peripheral surface of the rotating member 4.
  • the magnetic encoder installation portion 12a of the cored bar 12 is positioned between the adjacent magnetic encoders 2A and 2B protruding as a protruding portion on the surface side where the magnetic encoder is provided.
  • a ring-shaped bent portion 12aa protruding in the shape of a folded piece toward the surface side where 2A and 2B are provided is integrally formed concentrically with the cored bar 12. Adjacent magnetic encoders 2A and 2B are separated by the bent shape portion 12aa.
  • the tip height of the bent shape portion 12aa in the cored bar 12 may be equal to or higher than the surface height of the magnetic encoders 2A and 2B as shown in FIG. 5A, or the magnetic encoders 2A and 2B as shown in FIG.
  • the magnetic encoders 2A and 2B which are adjacent to each other with the bent shape portion 12aa interposed therebetween may be completely separated at the tip of the bent shape portion 12aa.
  • the magnetic encoders 2A and 2B are formed by, for example, vulcanizing and bonding an elastic member mixed with magnetic powder to a cored bar 12 made of a magnetic material, and forming magnetic poles alternately in the circumferential direction with rubber. Configured as a magnet.
  • a resin molded body obtained by molding a resin mixed with magnetic powder is provided on a core 12 made of a magnetic body, and the resin molded bodies are alternately arranged in the circumferential direction. Magnetic poles may be formed on the resin magnets.
  • magnetic poles are alternately formed in a circumferential direction on a sintered body obtained by sintering a mixed powder of magnetic powder and non-magnetic powder, thereby forming a sintered magnet. Also good.
  • the magnetic sensors 3A and 3B have a function of detecting magnetic poles with a resolution higher than the number of magnetic pole pairs of the corresponding magnetic encoders 2A and 2B, that is, a function of detecting position information within the magnetic pole ranges of the magnetic encoders 2A and 2B. It is supposed to be.
  • the phase difference is 90 degrees ( ⁇ / 4) as shown in FIG.
  • Two magnetic sensor elements 3A1 and 3A2 arranged apart from each other in the arrangement direction of the magnetic poles may be used.
  • a Hall element or the like is used for each of the magnetic sensor elements 3A1 and 3A2.
  • the waveform diagram of FIG. 6 shows the arrangement of the magnetic poles of the magnetic encoder 2A in terms of magnetic field strength.
  • the magnetic field distribution of the magnetic encoders 2A and 2B can be detected more finely as a sinusoidal signal based on an analog voltage rather than as an on / off signal, and accurate absolute angle detection can be performed. It becomes possible.
  • a line sensor as shown in FIG. 7B may be used. That is, for example, as the magnetic sensor 3A, line sensors 3AA and 3AB in which the magnetic sensor elements 3a are arranged along the arrangement direction of the magnetic poles of the corresponding magnetic encoder 2A are used.
  • FIG. 7A shows a section of one magnetic pole in the magnetic encoder 2A converted into a magnetic field intensity and shown in a waveform diagram.
  • the first line sensor 3AA of the magnetic sensor 3A is disposed in association with the 90-degree phase section of the 180-degree phase section in FIG.
  • the second line sensor 3AB is the remaining 90. It is arranged in correspondence with the phase interval of degrees. With such an arrangement, the signal S1 obtained by adding the detection signal of the first line sensor 3AA by the adder circuit 31 and the signal S2 obtained by adding the detection signal of the second line sensor 3AB by the adder circuit 32 are different adder circuits. By adding at 33, a sin signal corresponding to the magnetic field signal as shown in FIG. Further, the signal S1 and the signal S2 via the inverter 35 are added by another adding circuit 34 to obtain a cos signal corresponding to the magnetic field signal as shown in FIG. The position in the magnetic pole is detected from the two-phase output signal thus obtained.
  • the magnetic sensors 3A and 3B are configured by line sensors in this way, the section of one magnetic pole pair of the magnetic encoders 2A and 2B can be accurately multiplied by a two-phase signal (sin ⁇ , cos ⁇ ).
  • the detection process is simple and the speed can be increased.
  • a multiple signal can be obtained by calculating a large number of sensor outputs in the chip circuit, the influence of the distortion of the magnetic field pattern and noise is reduced, and the gap between the magnetic encoders 2A and 2B is set to other sensor configurations.
  • the phase of the magnetic encoders 2A and 2B can be detected with higher accuracy.
  • the magnetic sensors 3 ⁇ / b> A and 3 ⁇ / b> B are connected to the angle calculation means 19.
  • the angle calculation means 19 includes a phase difference detection means 6 that obtains a phase difference between magnetic field signals detected by the magnetic sensors 3A and 3B, and an angle calculation section 7 that is connected to the subsequent stage.
  • the angle calculation unit 7 is a unit that calculates the absolute angle of the magnetic encoders 2A and 2B based on the phase difference detected by the phase difference detection unit 6.
  • FIG. 1 Schematic operation of absolute angle detection by the rotation detection device 1 having this configuration will be described below with reference to FIGS. 8 (A) to (E) and FIGS. 9 (A) to (E).
  • the number of magnetic pole pairs of the two magnetic encoders 2B and 2A is P and P + n
  • the phases of the detection signals of the magnetic sensors 3A and 3B corresponding to the magnetic encoders 2A and 2B coincide with each other when rotated 360 / n degrees.
  • FIGS. 8A and 8B show examples of magnetic pole patterns of both magnetic encoders 2A and 2B
  • FIGS. 8C and 8D show detection signals of magnetic sensors 3A and 3B corresponding to these magnetic encoders.
  • the waveform is shown.
  • the two magnetic pole pairs of the magnetic encoder 2B correspond to the three magnetic pole pairs of the magnetic encoder 2A, and the absolute position within this section can be detected.
  • FIG. 8E shows a waveform diagram of the output signal of the phase difference obtained by the phase difference detecting means 6 of FIG. 1 based on the detection signals of FIGS. 8C and 8D.
  • FIG. 9 shows a waveform diagram of the detection phase and phase difference by the magnetic sensors 3A and 3B.
  • FIGS. 9A and 9B show examples of magnetic pole patterns of both magnetic encoders 2A and 2B
  • FIGS. 9C and 9D show waveforms of detection phases of the corresponding magnetic sensors 3A and 3B.
  • FIG. 9E shows a waveform diagram of the phase difference signal output from the phase difference detecting means 6.
  • FIG. 10 shows a configuration example of an absolute angle detection circuit in the rotation detection device 1.
  • the corresponding phase detection circuits 13A and 13B are shown in FIGS. 9C and 9D, respectively.
  • the phase difference detection means 6 outputs a phase difference signal as shown in FIG. 9E based on these detected phase signals.
  • the angle calculation unit 7 provided in the next stage performs a process of converting the phase difference obtained by the phase difference detection means 6 into an absolute angle according to a preset calculation parameter. Calculation parameters used in the angle calculation unit 7 are stored in a memory 8 such as a nonvolatile memory.
  • the memory 8 stores information necessary for the operation of the apparatus, such as setting of the number of magnetic pole pairs of the magnetic encoders 2A and 2B, an absolute angle reference position, and a signal output method.
  • the contents of the memory 8 can be updated through the communication interface 9.
  • the individual setting information can be variably set according to the use situation, and the usability is improved.
  • the absolute angle information calculated by the angle calculation unit 7 is output from the angle information output circuit 10 or via the communication interface 9 as a modulation signal such as a parallel signal, serial data, analog voltage, or PWM. Further, the angle calculation unit 7 also outputs a rotation pulse signal. As the rotation pulse signal, any one of the detection signals of the two magnetic sensors 3A and 3B may be output. As described above, since each magnetic sensor 3A, 3B has a multiplication function, it is possible to output a rotation signal with high resolution.
  • the absolute angle calculated by the angle calculation unit 7 is divided into two A-phase and B-phase pulse signals whose phases are 90 degrees different from each other, and a Z-phase pulse signal indicating the origin position. It may be output as an ABZ phase signal.
  • the rotating member 4 is set by setting the number of magnetic poles of the magnetic encoders 2A and 2B so that the phase difference between the output signals of the magnetic sensors 3A and 3B matches once in one rotation, or by performing electrical processing. A one-turn Z-phase pulse signal is generated.
  • the angle information output circuit 10 When outputting an ABZ signal, as shown in FIG. 11, when a request signal for absolute angle output is input from the receiving circuit 14 to the angle information output circuit 10, the angle information output circuit 10 responds accordingly.
  • the angle information output circuit 10 may be configured such that the A, B, and Z phase signals are output from the rotation pulse signal generation means 17 in the circuit 10.
  • the magnetic sensors 3A and 3B and the signal processing circuit including the angle information output circuit 10 shown in FIG. 11 are integrated as a sensor module 11 as shown in the example of FIG.
  • the sensor module 11 may be integrated on one semiconductor chip.
  • the rotation detection device 1 includes a plurality of magnetic encoders 2A and 2B provided concentrically with the core metal 12 on the surface of the same ring-shaped metal core 12 and having different numbers of magnetic poles, and the magnetic encoders 2A and 2A.
  • 2B includes a plurality of magnetic sensors 3A and 3B that respectively detect the magnetic field of 2B, and angle calculation means 19 that calculates the absolute angle of the magnetic encoders 2A and 2B based on the magnetic field signals detected by the magnetic sensors 3A and 3B.
  • the absolute angles of the magnetic encoders 2A and 2B can be detected.
  • the ring-shaped cored bar 12 in which the magnetic encoders 2A and 2B are provided concentrically is folded between the adjacent magnetic encoders 2A and 2B on the surface side where the magnetic encoders 2A and 2B are provided. Since the ring-shaped bent portion 12aa protruding in a piece is formed concentrically with the magnetic encoders 2A and 2B, the adjacent magnetic encoders 2A and 2B are separated by the bent portion 12aa of the cored bar 12. Accordingly, interference between the magnetic patterns of both magnetic encoders 2A and 2B can be reduced without increasing the distance between the corresponding magnetic sensors 3A and 3B, and an absolute angle detection error caused by magnetic field interference. The absolute angle can be detected with high accuracy.
  • the sensor module 11 is configured by integrating the magnetic sensors 3A and 3B on the semiconductor chip together with an arithmetic circuit or the like. Manufacturing cost can be reduced. As a result, the structure becomes simple and the absolute angle can be detected with high resolution and high accuracy.
  • the material of the metal core 12 may be a non-magnetic material or a magnetic material. Even if the cored bar 12 is made of a non-magnetic material, the bent magnetic part 2aa has an effect of separating the adjacent magnetic encoders 2A and 2B, so that interference of magnetic patterns generated between the adjacent magnetic encoders 2A and 2B is reduced. Can do. If the mandrel 12 is made of a magnetic material, the interference of the magnetic pattern generated between the adjacent magnetic encoders 2A and 2B can be reduced, and the absolute angle can be accurately detected without increasing the interval between the corresponding magnetic sensors 3A and 3B. can do.
  • the tip height of the bent shape portion 12aa of the core metal 12 is equal to or higher than the surface height of the magnetic encoder 2A, 2B as shown in FIG. 5A, the adjacent magnetic encoder 2A, separated by the bent shape portion 12aa, The interference of the magnetic pattern generated during 2B can be more effectively suppressed, and the absolute angle detection accuracy can be further improved.
  • the tip height of the bent shape part 12aa of the cored bar 12 may be lower than the surface height of the magnetic encoders 2A and 2B as shown in FIG. Also in this case, since the adjacent magnetic encoders 2A and 2B are completely separated from each other at the tip position of the bent shape portion 12aa, a gap is generated, so that interference of magnetic patterns generated between the two magnetic encoders 2A and 2B occurs. The effect which suppresses is acquired. In addition, in this case, the distance between the cored bar 12 and the magnetic sensors 3A and 3B can be properly secured.
  • the interval between the adjacent magnetic encoders 2A and 2B can be set in accordance with the required absolute angle detection accuracy.
  • the interval between the adjacent magnetic encoders 2A and 2B is preferably about 0.5 mm.
  • the effect of sufficiently reducing the interference of the magnetic pattern can be achieved.
  • FIG. 12 shows the adjacent magnetic encoders 2A and 2B with the same configuration as the absolute angle error of the rotation detection device 1 of this embodiment in which the adjacent magnetic encoders 2A and 2B are separated by the bent shape portion 12aa of the core metal 12 described above.
  • the result of having compared with the absolute angle error of the rotation detection apparatus at the time of adjoining without a clearance gap is shown with the graph. From this graph, even when the distance between the magnetic sensors 3A and 3B is the same, the rotation detecting device 1 of this embodiment provided with the bent shape portion 12aa is adjacent to the adjacent magnetic encoders 2A and 2B without a gap. It can be seen that the absolute angle error is reduced as compared with the rotation detection device.
  • the number of magnetic encoders is not limited to two, and a combination of three or more magnetic encoders having different numbers of magnetic pole pairs is wider. It may be configured to detect the absolute angle of the range.
  • this rotation detection device 1 is used to detect the rotation of the motor, if the combination of P and P + Pn is adjusted in accordance with the number of rotor poles Pn in the adjustment of the difference in the number of magnetic pole pairs, the rotation detection device 1 causes the motor to This is convenient for controlling the rotation of the motor.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a bearing with a rotation detection device in which the rotation detection device 1 according to the first embodiment is mounted on a bearing.
  • This bearing 20 with a rotation detection device is arranged at one end of a rolling bearing 21 in which a plurality of rolling elements 24 are interposed between an inner ring 22 that is a rotation-side raceway and an outer ring 23 that is a fixed-side raceway. Is provided.
  • the rolling bearing 21 is a deep groove ball bearing, and rolling surfaces 22 a and 23 a of the rolling elements 24 are formed on the outer diameter surface of the inner ring 22 and the inner diameter surface of the outer ring 23, respectively.
  • the bearing space between the inner ring 22 and the outer ring 23 is sealed with a seal 26 at the end opposite to the installation side of the rotation detection device 1.
  • the two magnetic encoders 2 ⁇ / b> A and 2 ⁇ / b> B of the rotation detection device 1 are provided side by side in the axial direction on the outer diameter surface of the ring-shaped cored bar 12 that is press-fitted into the outer diameter surface of one end of the inner ring 22.
  • the two magnetic encoders 2A and 2B are separated by the bent shape portion 12aa.
  • the two magnetic sensors 3A and 3B of the rotation detecting device 1 are integrated as a sensor module 11 together with other signal processing circuits, and are inserted inside a ring-shaped metal sensor housing 28.
  • the resin mold 29 is attached to the inner diameter surface of one end of the outer ring 23 via the sensor housing 28.
  • the magnetic encoders 2A and 2B and the corresponding magnetic sensors 3A and 3B are arranged to face each other in the radial direction.
  • the lead wire 30 connected to the sensor module 11 passes through the sensor housing 28 and is drawn out to the outside, and exchange of signals and power supply are performed between the sensor module 11 and an external circuit via the lead wire 30.
  • FIG. 14 shows a schematic configuration of the rotation detection device of this embodiment.
  • This rotation detection device 1A includes a plurality (two in this case) instead of the plurality of magnetic encoders 2A and 2B attached to a common single metal core in the rotation detection device 1 of the first embodiment shown in FIG.
  • the magnetic encoders 42A and 42B attached to the respective cores are used, and the other configurations are the same. Therefore, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. .
  • FIG. 15 is a cross-sectional view taken along arrow XV-XV in FIG.
  • the cored magnetic encoders 42A and 42B are arranged side by side in the axial direction.
  • each of the magnetic encoders 42 ⁇ / b> A and 42 ⁇ / b> B with a metal core is provided with a magnetic encoder 2 ⁇ / b> A (2 ⁇ / b> B) on the outer peripheral surface of the cylindrical metal core 12.
  • the right end in FIG. 15 which is the same side end of the magnetic encoder installation portion 12a in each core metal 12, instead of the bent shape portion 12aa in the first embodiment, on the outer diameter side
  • An extending flange 12e is formed.
  • a step portion 12c extending toward the inner diameter side and a fitting cylinder portion 12b extending in the axial direction from the inner diameter side end of the step portion 12c are formed at the other axial end of the magnetic encoder installation portion 12a.
  • the cored bar 12 is fixed to the rotating member 4 by fitting the fitting cylinder portion 12 b to the outer peripheral surface of the rotating member 4.
  • the radial height of the stepped portion 12c is made higher than the thickness of the fitting cylinder portion 12b, and the fitting cylinder portion 12b of the adjacent cored bar 12 arranged in the axial direction inside the magnetic encoder installation portion 12a. Is inserted.
  • the magnetic encoders 2A and 2B of the adjacent magnetic encoders 42A and 42B with a cored bar are sandwiched and separated by the flange 12e of the cored bar 12 in the magnetic encoder 42A with one cored bar.
  • the flange 12e at the end of the core metal of the one cored magnetic encoder 42A is in contact with the step 12c of the adjacent cored magnetic encoder 42B.
  • the flange 12e is not in contact with the magnetic encoder 2B of the adjacent cored magnetic encoder 42B with a gap therebetween.
  • the tip height of the flange 12e in the metal core 12 may be equal to or higher than the surface height of the magnetic encoder 2A (2B) as shown in FIG. 17A, or the magnetic encoder 2A (2B) as shown in FIG.
  • the magnetic encoders 2A and 2B adjacent to each other with the flange 12e interposed therebetween may be non-contact at the tip of the flange 12e.
  • this rotation detection device 1A is provided with the magnetic encoders 2A and 2B in which the magnetic poles are arranged in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the cylindrical metal core 12, respectively, arranged side by side in the axial direction and having the number of magnetic poles.
  • the adjacent magnetic encoders 2A and 2B are the cores. They are separated by a flange 12e of gold 12. Accordingly, interference between the magnetic patterns of both magnetic encoders 2A and 2B can be reduced without increasing the distance between the corresponding magnetic sensors 3A and 3B, and an absolute angle detection error caused by magnetic field interference. The absolute angle can be detected with high accuracy.
  • the sensor module 11 is configured by integrating the magnetic sensors 3A and 3B on the semiconductor chip together with an arithmetic circuit or the like. Manufacturing cost can be reduced. Furthermore, the flange 12e is formed at one end of the core metal 12, whereby the rigidity of the core metal 12 can be increased, and deformation of the magnetic encoders 2A and 2B is suppressed when the core metal 12 is attached to the rotating member 4 (FIG. 14). From this point, the absolute angle can be detected with high accuracy.
  • the tip height of the flange 12e of the metal core 12 is set to be equal to or higher than the surface height of the magnetic encoders 2A and 2B as shown in FIG. 17A, the gap between adjacent magnetic encoders 2A and 2B separated by the flange 12e.
  • the interference of the generated magnetic pattern can be suppressed more effectively, and the absolute angle detection accuracy can be further improved.
  • the tip height of the flange 12e of the cored bar 12 may be lower than the surface height of the magnetic encoders 2A and 2B as shown in FIG. Also in this case, since the adjacent magnetic encoders 2A and 2B are completely separated from each other at the front end position of the flange 12e, a gap is generated, so that interference of magnetic patterns generated between the two magnetic encoders 2A and 2B is suppressed. An effect is obtained. In addition, in this case, the distance between the cored bar 12 and the magnetic sensors 3A and 3B can be properly secured.
  • the flanges 12e are formed on each of the plurality of metal cores 12, but the flange 12e of the metal core 12 on the right side in FIG. 15 that is not between the magnetic encoders 2A and 2B may be omitted. Good.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing a bearing with a rotation detection device in which the rotation detection device 1A is mounted on the bearing.
  • This bearing 20A with a rotation detection device replaces two magnetic encoders 2A and 2B attached to a common single metal core in the configuration of the bearing 20 with a rotation detection device shown in FIG.
  • the attached magnetic encoders 42A and 42B are used.
  • the two cored magnetic encoders 42A and 42B of the rotation detecting device 1A are provided side by side in the axial direction on the outer diameter surface of a ring-shaped support member 36 press-fitted to the outer diameter surface of one end of the inner ring 22.
  • Each of the magnetic encoders 2A and 2B is separated by the flange 12e of the cored bar 12 in one cored magnetic encoder 42A.
  • the two magnetic sensors 3A and 3B of the rotation detection device 1A are integrated as a sensor module 11 together with other signal processing circuits.

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Abstract

 構造が簡単で、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。同心のリング状に設けられてそれぞれ円周上に磁極が並ぶ着磁列パターンを有し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、これら各磁気センサ(3A,3B)の検出した磁界信号に基づいて磁気エンコーダ(2A,2B)の絶対角度を求める角度算出手段(19)とを備え、複数の磁気エンコーダ(2A,2B)は一つまたは複数の芯金(12)の取り付けられており、芯金(12)に、磁気エンコーダ(2A,2B)が設けられる表面側に突出して隣り合う各磁気エンコーダ(2A,2B)の間に位置する突出部(12aa)が一体形成されている。

Description

回転検出装置および回転検出装置付き軸受 関連出願
 本出願は、2008年9月11日出願の特願2008-233147、および特願2008-233148の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
 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ライン状に並べられ前記磁気パルスを検出する複数の磁気センサ素子とを備え、磁気センサ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1,2)。
 また、他の回転検出装置として、1回転あたりの磁極対数が異なる2つの磁気エンコーダを有する磁気ドラムと、前記各磁気エンコーダの磁界を検出する2つの磁気センサとを設け、磁気センサが検出する2つの磁気エンコーダの磁界信号の位相差に基づいて絶対角度を検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3)。
特表2001-518608号公報 特表2002-541485号公報 特開平06-058766号公報
 しかし、上記した回転検出装置では、磁気エンコーダから高い分解能の絶対角度を検出することは難しい。
 そこで、特許文献3に開示の回転検出装置において、磁気センサとして、特許文献1,2に開示の回転検出装置におけるように、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ものを使用することで、高い分解能の絶対角度を検出することが考えられる。
 しかし、このような構成とした回転検出装置において、複数の磁気センサと演算処理回路を同一半導体チップ上に集積する場合、2つの磁気エンコーダを隣接させて配置することで磁気センサの間隔を狭めようとすると、両方の磁気エンコーダの磁気パターンが互いに干渉して角度検出精度が悪化する。その結果、絶対角度を算出するための位相差が正確に求められず、絶対角度の算出誤差が増大する。
 磁気センサの配置間隔を広くすれば上記問題を解決できるが、それでは半導体チップ面積が大きくなり、コスト増を招く。また、別々に着磁した磁気エンコーダを組み合わせる場合、組立作業に手間がかかる。
 この発明の目的は、構造が簡単で、絶対角度を高い分解能で精度良く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てそれぞれ円周上に磁極が並ぶ着磁列パターンを有し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、これら各磁気センサの検出した磁界信号に基づいて磁気エンコーダの絶対角度を求める角度算出手段とを備え、前記複数の磁気エンコーダは一つまたは複数の芯金に取り付けられており、前記芯金に、磁気エンコーダが設けられる表面側に突出して隣り合う各磁気エンコーダの間に位置する突出部が一体形成されている。
 上記構成によると、複数の磁気エンコーダの磁極数が互いに異なるため、絶対角度が検出できる。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。
 特に、芯金には、隣り合う各磁気エンコーダの間に位置して磁気エンコーダが設けられる表面側に突出する突出部を一体形成しているので、隣り合う磁気エンコーダが芯金の突出部で分離される。これにより、対応する磁気センサの間隔を広げなくても、両磁気エンコーダの磁気パターンの間での干渉を小さくすることができ、磁界の干渉に起因する絶対角度の検出誤差も低減でき、絶対角度を精度良く検出できる。また、磁気センサの間隔を広げることなく、絶対角度の検出精度を上げられるため、磁気センサを演算回路などと共に半導体チップ上に集積してセンサモジュールを構成する場合にも、製造コストを低減できる。
 この発明において、前記複数の磁気エンコーダが共通する単一の前記芯金に取り付けられており、前記突出部は、前記芯金に形成されて磁気エンコーダが設けられる表面側に突出するリング状の曲げ形状部であってもよい。
 リング状芯金には、突出部として、隣り合う各磁気エンコーダの間に位置して磁気エンコーダが設けられる表面側に突出するリング状の曲げ形状部を形成したので、隣り合う磁気エンコーダが芯金の曲げ形状部で分離される。また、共通する単一の芯金に複数の磁気エンコーダを設けるので、簡単な構造とすることができる。その結果、構造が簡単で、絶対角度を高い分解能で精度良く検出できる。
 この発明において、前記複数の磁気エンコーダが軸方向に並べて配置され、各磁気エンコーダが前記複数の芯金のそれぞれに取付けられており、前記各芯金付き磁気エンコーダにおける芯金の互いに同一側端となる軸方向一端に、前記突出部となる、外径側に延びるフランジが形成されていてもよい。
 各芯金付き磁気エンコーダにおける芯金の互いに同一側端となる軸方向一端に、突出部となる、外径側に延びるフランジを形成したので、隣り合う磁気エンコーダが芯金のフランジで分離される。また、芯金の一端にフランジを形成することで芯金の剛性を上げることができ、芯金を回転部材に取付けるときに磁気エンコーダの変形を抑えることができ、この点からも絶対角度を精度良く検出できる。
 この発明において、前記突出部の先端高さを、前記磁気エンコーダの表面高さ以上としても良い。
 突出部の先端高さを、磁気エンコーダの表面高さ以上とした場合、突出部で分離される隣り合う磁気エンコーダの間に発生する磁気パターンの干渉をより効果的に抑えることができ、絶対角度の検出精度をさらに向上させることができる。
 この発明において、前記突出部の先端高さを、前記磁気エンコーダの表面高さよりも低くし、かつ前記突出部を挟んで隣り合う磁気エンコーダを、前記突出部の先端で互いに離間させても良い。
 この場合にも、突出部の先端位置では、隣り合う磁気エンコーダが完全に分離して隙間が生じているため、これら両磁気エンコーダの間で発生する磁気パターンの干渉を抑える効果が得られる。しかも、この場合、芯金と磁気センサの間の距離も適正に確保することができる。
 この発明において、前記芯金が磁性体からなるものであっても良い。
 芯金の材質は非磁性体であっても良いが、芯金が磁性体製であると、隣り合う磁気エンコーダの間に発生する磁気パターンの干渉を小さくでき、対応する磁気センサの間隔を広げることなく絶対角度を精度良く検出することができる。
 この発明において、前記各磁気エンコーダは、磁性体製の芯金に、磁性体粉が混入された弾性部材を加硫接着し、この弾性部材を、円周方向に交互に磁極を形成してゴム磁石としたものであっても良い。
 この発明において、前記各磁気エンコーダは、磁性体製の芯金に、磁性体粉が混入された樹脂を成形した樹脂成形体を設け、この樹脂成形体を、円周方向に交互に磁極を形成して樹脂磁石としたものであっても良い。
 この発明において、前記磁気エンコーダは、磁性体粉と非磁性体粉との混合粉を焼結させた焼結体に、円周方向に交互に磁極を形成して焼結磁石としたものであっても良い。
 この発明において、前記各磁気センサが、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たものであっても良い。
 磁気センサをこのようなラインセンサとすると、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径が可能となる。
 この場合に、前記ラインセンサで構成された磁気センサは、sin およびcos の2相の出力信号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。また、前記各磁気センサは、ラインセンサとする代わりに、互いに磁極ピッチ内で磁極並び方向に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相の出力信号が得られるものであって、磁極内の位置を逓倍して検出するものであっても良い。
 この発明の回転検出装置付き軸受は、この発明にかかる回転検出装置を軸受に搭載したものであってもよい。
 この構成によると、回転検出装置が軸受と一体化されているので、磁気エンコーダと磁気センサの位置決めが不要となり、使い勝手が良い。また、絶対角度の検出機能を有しながら、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符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の第1実施形態にかかる回転検出装置の一構成例の概略図である。 同回転検出装置の他の構成例の要部側面図である。 図1におけるIII-III矢視拡大断面図である。 図2におけるIV-IV矢視拡大断面図である。 (A)は芯金の曲げ形状部の一例の断面図、(B)は芯金の曲げ形状部の他の例の断面図である。 磁気センサの一構成例の説明図である。 磁気センサの他の構成例の説明図である。 磁気センサの検出信号および位相差検出手段の検出信号の波形図である。 各磁気センサの検出信号の位相と両検出信号の位相差を示す波形図である。 この回転検出装置の絶対角度検出回路の一構成例を示すブロック図である。 この回転検出装置における角度情報出力回路の一構成例を示すブロック図である。 この回転検出装置の絶対角度誤差を他の回転検出装置の絶対角度誤差と比較して示すグラフである。 第1実施形態にかかる回転検出装置を軸受に搭載した回転検出装置付き軸受の断面図である。 この発明の第2実施形態にかかる回転検出装置の一構成例の概略図である。 図14におけるXV-XV矢視拡大断面図である。 芯金付き磁気エンコーダの拡大断面図である。 (A)は芯金のフランジの一例の断面図、(B)は芯金のフランジの他の例の断面図である。 第2実施形態にかかる回転検出装置を軸受に搭載した回転検出装置付き軸受の断面図である。
 この発明の第1実施形態を図1ないし図13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。
 図1のIII-III矢視断面図を図3に示す。同図のように、前記各磁気エンコーダ2A,2Bは、同一の芯金12を介して回転部材4の外周に取付けられる。すなわち、芯金12は円筒状の部材であって、その外周面に2つの磁気エンコーダ2A,2Bが、軸方向に並べて設けられている。芯金12における磁気エンコーダ設置部12aの一側部には、磁気エンコーダ設置部12aよりも小径となって軸方向に延びる嵌合筒部12bが、段差部12cを介して形成されている。この嵌合筒部12bを回転部材4の外周面に嵌合させることで、芯金12が回転部材4に固定される。芯金12の前記磁気エンコーダ設置部12aには、磁気エンコーダが設けられる表面側に突出して隣り合う各磁気エンコーダ2A,2Bの間に位置する突出部12aaが一体形成されている。つまり、この実施形態の場合では、前記突出部12aaは、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bが設けられる外周面側に向けて折り返し片状に突出するリング状の曲げ形状部として芯金12と同心に形成されている。この曲げ形状部12aaで、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bが分離される。前記芯金12は、鋼板等の金属板のプレス成形品等からなる。
 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。
 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、互いに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。
 図2のIV-IV矢視断面図を図4に示す。同図のように、アキシアルタイプの磁気エンコーダ2A,2Bの場合も、同一の芯金12を介して回転部材4に取付けられる。この場合の芯金12は、各磁気エンコーダ2A,2Bが同心に設置されるリング状で平坦な磁気エンコーダ設置部12aと、この磁気エンコーダ設置部12aの内径側端から軸方向に延びる嵌合筒部12dとでなる。この嵌合筒部12dを回転部材4の外周面に嵌合させることで、芯金12が回転部材4に固定される。この場合も、芯金12の前記磁気エンコーダ設置部12aには、突出部として、磁気エンコーダが設けられる表面側に突出して隣り合う各磁気エンコーダ2A,2Bの間に位置して、これら各磁気エンコーダ2A,2Bが設けられる表面側に向けて折り返し片状に突出するリング状の曲げ形状部12aaが、芯金12と同心に一体形成されている。この曲げ形状部12aaで、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bが分離される。
 芯金12における曲げ形状部12aaの先端高さは、図5(A)のように磁気エンコーダ2A,2Bの表面高さ以上としても良いし、図5(B)のように磁気エンコーダ2A,2Bの表面高さより低くし、かつ曲げ形状部12aaを挟んで隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bを、曲げ形状部12aaの先端で完全分離しても良い。
 磁気エンコーダ2A,2Bは、例えば磁性体製とした芯金12に、磁性体粉が混入された弾性部材を加硫接着し、この弾性部材を、円周方向に交互に磁極を形成してゴム磁石として構成される。
 磁気エンコーダ2A,2Bの他の構成例として、磁性体製とした芯金12に、磁性体粉が混入された樹脂を成形した樹脂成形体を設け、この樹脂成形体を、円周方向に交互に磁極を形成して樹脂磁石としても良い。
 磁気エンコーダ2A,2Bのさらに他の構成例として、磁性体粉と非磁性体粉との混合粉が焼結された焼結体に、円周方向に交互に磁極を形成して焼結磁石としても良い。
 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6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2つの磁気センサ素子3A1,3A2を用いても良い。各磁気センサ素子3A1,3A2にはホール素子等を用いる。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)を、磁気センサ素子3A1,3A2に内蔵した逓信回路により周波数逓倍したうえで、磁極内位相(φ=tan-1(sinφ/cos φ))を算出する。他の磁気センサ3Bについても同様である。なお、図6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7(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7(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7(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7(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7(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、磁気エンコーダ2A,2Bの1磁極対の区間を2相の信号(sinφ,cosφ) で精度良く逓倍できる。また、磁極内位相(φ=tan-1(sinφ/cosφ))などの演算を必要としないので、検出処理が単純で高速化が可能となる。また、多数のセンサ出力をチップ回路内で演算して逓倍信号を得ることができるため、磁界パターンの歪みやノイズの影響が低減されて、磁気エンコーダ2A,2Bとのギャップを他のセンサ構成の場合よりも大きくできて、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は角度算出手段19に接続される。この角度算出手段19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位相差検出手段6と、その後段に接続された角度算出部7とでなる。角度算出部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。
 この構成の回転検出装置1による絶対角度検出の概略動作を、図8(A)~(E)および図9(A)~(E)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8(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8(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。図8(E)は、図8(C),(D)の検出信号に基づき、図1の位相差検出手段6より求められる位相差の出力信号の波形図を示す。
 なお、図9は、各磁気センサ3A,3Bによる検出位相と位相差の波形図を示す。すなわち、図9(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9(C),(D)には対応する磁気センサ3A,3Bの検出位相の波形図を示し、図9(E)には位相差検出手段6より出力される位相差信号の波形図を示す。
 図10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8(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9(C),(D)に示したような検出位相信号を出力する。位相差検出手段6は、これらの検出位相信号に基づき、図9(E)に示したような位相差信号を出力する。その次段に設けられた角度算出部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。角度算出部7で用いられる計算パラメータは不揮発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。
 角度算出部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、角度算出部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10の角度情報出力回路10では、前記角度算出部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。その場合、両磁気センサ3A,3Bの出力信号の位相差が1回転で1回一致するように磁気エンコーダ2A,2Bの磁極数を設定するか、または電気的処理を行うことにより、回転部材4の1回転一つのZ相のパルス信号を発生させる。
 ABZ信号を出力する場合、図11に示すように、受信側回路14から角度情報出力回路10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における絶対角度出力モード実行手段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10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)を角度算出部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。
 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11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。
 このように、この回転検出装置1は、同一のリング状芯金12の表面に芯金12と同心に設けられて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、これら各磁気センサ3A,3Bの検出した磁界信号に基づいて磁気エンコーダ2A,2Bの絶対角度を求める角度算出手段19とを備えるため、磁気エンコーダ2A,2Bの絶対角度を検出することができる。
 特に、各磁気エンコーダ2A,2Bが同心に設けられるリング状の芯金12には、隣り合う各磁気エンコーダ2A,2Bの間に位置してこれら各磁気エンコーダ2A,2Bが設けられる表面側に折り返し片状に突出するリング状の曲げ形状部12aaを磁気エンコーダ2A,2Bと同心に形成しているので、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bが芯金12の曲げ形状部12aaで分離される。これにより、対応する磁気センサ3A,3Bの間隔を広げなくても、両磁気エンコーダ2A,2Bの磁気パターンの間での干渉を小さくすることができ、磁界の干渉に起因する絶対角度の検出誤差も低減でき、絶対角度を精度良く検出できる。また、磁気センサ3A,3Bの間隔を広げることなく、絶対角度の検出精度を上げられるため、磁気センサ3A,3Bを演算回路などと共に半導体チップ上に集積してセンサモジュール11を構成する場合にも、製造コストを低減できる。その結果、構造が簡単となり、絶対角度を高い分解能で精度良く検出できる。
 芯金12の材質は非磁性体であっても磁性体であっても良い。芯金12の材質が非磁性体でも、その曲げ形状部12aaで隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bを引き離す効果があるため、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bの間に発生する磁気パターンの干渉を減らすことができる。芯金12が磁性体製であると、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bの間に発生する磁気パターンの干渉を小さくでき、対応する磁気センサ3A,3Bの間隔を広げることなく絶対角度を精度良く検出することができる。
 芯金12の曲げ形状部12aaの先端高さを、図5(A)のように磁気エンコーダ2A,2Bの表面高さ以上とした場合、曲げ形状部12aaで分離される隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bの間に発生する磁気パターンの干渉をより効果的に抑えることができ、絶対角度の検出精度をさらに向上させることができる。
 芯金12の曲げ形状部12aaの先端高さは、図5(B)のように磁気エンコーダ2A,2Bの表面高さより低くしても良い。この場合にも、曲げ形状部12aaの先端位置では、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bが完全に分離して隙間が生じているため、これら両磁気エンコーダ2A,2Bの間で発生する磁気パターンの干渉を抑える効果が得られる。しかも、この場合、芯金12と磁気センサ3A,3Bの間の距離も適正に確保することができる。
 また、芯金12の曲げ形状部12aaの先端の厚みを調整することで、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bの間隔を、必要な絶対角度の検出精度に合わせて設定することができる。例えば、磁気センサ3A,3Bの間隔を2mmに設定した場合、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bの間隔(曲げ形状部分12aa先端の厚み)は0.5mm程度が望ましい。ただし、その間隔は、わずか0.1mmであっても、十分に磁気パターンの干渉低減に効果を上げることができる。
 図12は、上記した芯金12の曲げ形状部12aaで隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bを分離したこの実施形態の回転検出装置1の絶対角度誤差と、同じ構成で隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bを隙間なく隣接させた場合の回転検出装置の絶対角度誤差とを比較した結果を、グラフで示したものである。このグラフから、磁気センサ3A,3Bの間隔が同じであっても、上記した曲げ形状部12aaを設けたこの実施形態の回転検出装置1の方が、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bを隙間なく隣接させた回転検出装置に比べて絶対角度誤差が低減されていることが分かる。
 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13は、上記第1実施形態にかかる回転検出装置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12の外径面に軸方向に並べて設けられ、芯金12の曲げ形状部12aaで2つの磁気エンコーダ2A,2Bが分離される。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28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、磁気エンコーダ2A,2Bと磁気センサ3A,3Bの位置決めが不要となり、使い勝手が良い。また、絶対角度の検出機能を有しながら、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。
 この発明の第2実施形態を図14ないし図18と共に説明する。図14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1Aは、図1に示す第1実施形態の回転検出装置1における共通する単一の芯金に取り付けられた複数の磁気エンコーダ2A,2Bに代えて、複数(ここでは2つ)の芯金それぞれに取り付けられた磁気エンコーダ42A,42Bを用いた点で異なっており、その他の構成は共通するので、同一または相当する部分には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。
 図14のXV-XV矢視断面図を図15に示す。同図のように、前記各芯金付き磁気エンコーダ42A,42Bは、互いに軸方向に並べて配置される。各芯金付き磁気エンコーダ42A,42Bは、図16のように、それぞれ円筒状芯金12の外周面に磁気エンコーダ2A(2B)を設けてなる。各芯金12における磁気エンコーダ設置部12aの互いに同一側端となる軸方向一端(図15では右端)には、突出部として、第1実施形態における曲げ形状部12aaに代えて、外径側に延びるフランジ12eが形成されている。また、磁気エンコーダ設置部12aの軸方向他端には内径側に延びる段差部12c、およびこの段差部12cの内径側端から軸方向に延びる嵌合筒部12bが形成されている。この嵌合筒部12bを回転部材4の外周面に嵌合させることで、芯金12が回転部材4に固定される。また、前記段差部12cの径方向高さは嵌合筒部12bの厚さよりも高くされていて、磁気エンコーダ設置部12aの内側に、軸方向に並ぶ隣の芯金12の嵌合筒部12bが挿入される。これにより、隣り合う芯金付き磁気エンコーダ42A,42Bの各磁気エンコーダ2A,2Bは、一方の芯金付き磁気エンコーダ42Aにおける芯金12のフランジ12eに挟まれて分離される。一方の芯金付き磁気エンコーダ42Aの芯金端部のフランジ12eは、隣の芯金付き磁気エンコーダ42Bの段差部12cに接しているが、この状態で、一方の芯金付き磁気エンコーダ42Aの上記フランジ12eは、隣の芯金付き磁気エンコーダ42Bの磁気エンコーダ2Bに対して隙間が介在して非接触となっている。
 芯金12におけるフランジ12eの先端高さは、図17(A)のように磁気エンコーダ2A(2B)の表面高さ以上としても良いし、図17(B)のように磁気エンコーダ2A(2B)の表面高さより低くし、かつフランジ12eを挟んで隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bを、フランジ12eの先端で非接触としても良い。
 このように、この回転検出装置1Aは、それぞれ円筒状芯金12の外周面に、円周方向に磁極が並ぶ磁気エンコーダ2A,2Bを設けてなり、互いに軸方向に並べて配置されかつ磁極数が互いに異なる複数の芯金付き磁気エンコーダ42A,42Bと、これら各芯金付き磁気エンコーダ42A,42Bの磁界をそれぞれ検出する複数の磁気センサ3A,3Bと、これら各磁気センサ3A,3Bの検出した磁界信号に基づいて磁気エンコーダ2A,2Bの絶対角度を求める角度算出手段19とを備えるため、前述した回転検出装置1と同様、磁気エンコーダ2A,2Bの絶対角度を検出することができる。
 とくに、各芯金付き磁気エンコーダ42A,42Bにおける芯金12の互いに同一側端となる軸方向一端に、外径側に延びるフランジ12eを形成しているので、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bが芯金12のフランジ12eで分離される。これにより、対応する磁気センサ3A,3Bの間隔を広げなくても、両磁気エンコーダ2A,2Bの磁気パターンの間での干渉を小さくすることができ、磁界の干渉に起因する絶対角度の検出誤差も低減でき、絶対角度を精度良く検出できる。また、磁気センサ3A,3Bの間隔を広げることなく、絶対角度の検出精度を上げられるため、磁気センサ3A,3Bを演算回路などと共に半導体チップ上に集積してセンサモジュール11を構成する場合にも、製造コストを低減できる。さらに、芯金12の一端にフランジ12eを形成することで芯金12の剛性を上げることができ、芯金12を回転部材4(図14)に取付けるときに磁気エンコーダ2A,2Bの変形を抑えることができ、この点からも絶対角度を精度良く検出できる。
 芯金12のフランジ12eの先端高さを、図17(A)のように磁気エンコーダ2A,2Bの表面高さ以上とした場合、フランジ12eで分離される隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bの間に発生する磁気パターンの干渉をより効果的に抑えることができ、絶対角度の検出精度をさらに向上させることができる。
 芯金12のフランジ12eの先端高さは、図17(B)のように磁気エンコーダ2A,2Bの表面高さより低くしても良い。この場合にも、フランジ12eの先端位置では、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bが完全に分離して隙間が生じているため、これら両磁気エンコーダ2A,2Bの間で発生する磁気パターンの干渉を抑える効果が得られる。しかも、この場合、芯金12と磁気センサ3A,3Bの間の距離も適正に確保することができる。
 本実施形態の場合も、第1実施形態の場合の図12と同様な結果が得られ、隣り合う磁気エンコーダ2A,2Bを隙間なく隣接させた回転検出装置に比べて絶対角度誤差が低減される。
 なお、本実施形態では、複数の芯金12のそれぞれにフランジ12eが形成されているが、磁気エンコーダ2A,2Bの間にない、図15の右側の芯金12のフランジ12eは省略してもよい。
 図18は、上記回転検出装置1Aを軸受に搭載した回転検出装置付き軸受を示す断面図である。この回転検出装置付き軸受20Aは、図13に示す回転検出装置付き軸受20の構成における共通する単一の芯金に取り付けられた2つの磁気エンコーダ2A,2Bに代えて、2つの芯金それぞれに取り付けられた磁気エンコーダ42A,42Bを用いている。
 回転検出装置1Aの2つの芯金付き磁気エンコーダ42A,42B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支持部材36の外径面に軸方向に並べて設けられ、それらの各磁気エンコーダ2A,2Bは、一方の芯金付き磁気エンコーダ42Aにおける芯金12のフランジ12eで分離される。回転検出装置1Aの2つの磁気センサ3A,3Bは、他の信号処理回路と共にセンサモジュール11として一体化されている。
 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、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。
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
12…芯金
12aa…曲げ形状部(突出部)
12e…フランジ(突出部)
19…角度算出手段
20…回転検出装置付き軸受
21…転がり軸受
42A,42B…芯金付き磁気エンコーダ

Claims (11)

  1.  同心のリング状に設けられてそれぞれ円周上に磁極が並ぶ着磁列パターンを有し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、これら各磁気センサの検出した磁界信号に基づいて磁気エンコーダの絶対角度を求める角度算出手段とを備え、
     前記複数の磁気エンコーダは一つまたは複数の芯金に取り付けられており、
     少なくとも一つの前記芯金に、磁気エンコーダが設けられる表面側に突出して隣り合う各磁気エンコーダの間に位置する突出部が一体形成されている回転検出装置。
  2.  請求項1において、前記複数の磁気エンコーダが共通する単一の前記芯金に取り付けられており、前記突出部は、前記芯金に形成されて磁気エンコーダが設けられる表面側に突出するリング状の曲げ形状部である回転検出装置。
  3.  請求項1において、前記複数の磁気エンコーダが軸方向に並べて配置され、各磁気エンコーダが前記複数の芯金のそれぞれに取付けられており、前記各芯金付き磁気エンコーダにおける芯金の互いに同一側端となる軸方向一端に、
    前記突出部となる、外径側に延びるフランジが形成されている回転検出装置。
  4.  請求項1において、前記突出部の先端高さを、前記磁気エンコーダの表面高さ以上とした回転検出装置。
  5.  請求項1において、前記突出部の先端高さを、前記磁気エンコーダの表面高さよりも低くし、かつ前記突出部を挟んで隣り合う磁気エンコーダを、前記突出部の先端で互いに離間させた回転検出装置。
  6.  請求項1において、前記芯金が磁性体からなる回転検出装置。
  7.  請求項1において、前記各磁気エンコーダは、磁性体製の芯金に、磁性体粉が混入された弾性部材を加硫接着し、この弾性部材を、円周方向に交互に磁極を形成してゴム磁石としたものである回転検出装置。
  8.  請求項1において、前記各磁気エンコーダは、磁性体製の芯金に、磁性体粉が混入された樹脂を成形した樹脂成形体を設け、この樹脂成形体を、円周方向に交互に磁極を形成して樹脂磁石としたものである回転検出装置。
  9.  請求項1において、前記磁気エンコーダは、磁性体粉と非磁性体粉との混合粉を焼結させた焼結体に、円周方向に交互に磁極を形成して焼結磁石としたものである回転検出装置。
  10.  請求項1において、前記各磁気センサが、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た回転検出装置。
  11.  請求項1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。
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