WO2015012343A1 - 回転検出装置および回転検出装置付き軸受ユニット - Google Patents

回転検出装置および回転検出装置付き軸受ユニット Download PDF

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WO2015012343A1
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phase difference
detection device
pattern
rotation detection
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高橋亨
西川健太郎
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Ntn株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a rotation detection device used for rotation angle detection and rotation speed detection in various devices, and a bearing unit with a rotation detection device incorporating the rotation detection device.
  • Patent Documents 1 and 2 As a conventional example of this type of rotation detection device, a speed detection device having a function of correcting a duty ratio or a phase shift in an encoder output signal using a correction amount stored in advance is presented (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • FIG. 16 shows a graph in which the pulse period of the multiplied pulse whose error has been corrected is compared with that before correction.
  • Patent Documents 1 to 3 in the case of a rotation detection device configured to correct an error included in an encoder pulse output using a correction amount set in advance, A phase and B different by 90 ° from each other. In the correction of the phase error in the phase output, four states can be identified according to the state of each signal, and each correction can be applied.
  • An object of the present invention is to provide a rotation detection device capable of detecting a rotation speed and a rotation position with high accuracy without adding a reference sensor, and a bearing with a rotation detection device incorporating the rotation detection device. .
  • the rotation detection device includes an encoder 2 provided with a plurality of detected patterns that are rotatably provided and arranged in the circumferential direction, and a sensor that detects the detected patterns of the encoder 2 and generates a pulse signal
  • the reference pattern storage means 4 that measures the pitch error included in the detected pattern and stores it as a reference pattern Pref prior to operation, and the sensor 3 during operation detects the pitch error.
  • a phase difference detecting means 5 for obtaining a pitch error pattern for one rotation of the detected pattern from a plurality of rotation signals and comparing the pitch error pattern with the reference pattern to obtain a relative phase difference; and the phase difference Error correction means 6 is provided for correcting an error included in the rotation signal detected by the sensor 3 based on the phase difference obtained by the detection means 5. And wherein the door.
  • the rotation detection device configured as described above performs the following processing.
  • the reference pattern storage means 4 measures the pitch error included in the detected pattern of the encoder 2 for one rotation, and the obtained data is normalized by, for example, an average value and stored in advance as a reference pattern Pref. Keep it.
  • the reference pattern Pref is preferably measured with the encoder 2 assembled and stored as including errors due to misalignment and deformation.
  • the phase difference detection means 5 first performs phase difference detection processing in the following steps (the sensor 3 detects N rotation pulses per rotation of the encoder 2). (1) While the encoder 2 is rotating at a certain speed, the period T (1) to T (N) of each rotation pulse during one rotation is measured over several rotations to several tens of rotations, respectively.
  • the average period of each rotation pulse is calculated and normalized in the same manner as the reference pattern Pref to obtain a pitch error pattern Pm that is an average period fluctuation pattern for one rotation. .
  • the normalized correlation value between the obtained pitch error pattern Pm and the reference pattern Pref is calculated while shifting each other's data, and the position where the correlation value is highest (in other words, the phase) is determined as the pitch error pattern Pm.
  • the relative phase difference ⁇ between the reference pattern Pref and the reference pattern Pref is obtained, the error correction means 6 performs the following error correction processing.
  • the pitch error included in the detected pattern of the encoder 2 is measured and stored as the reference pattern Pref by the reference pattern storage means 4 prior to operation, and is stored by the phase difference detection means 5 during operation.
  • a pitch error pattern Pm for one rotation of the detected pattern is obtained from a plurality of rotation signals detected by the sensor 3, and this pitch error pattern Pm is compared with the reference pattern Pref to obtain a relative phase difference ⁇ .
  • the error correction means 6 is configured to correct the error included in the rotation signal detected by the sensor 3 based on the phase difference ⁇ , the rotation can be performed with high accuracy without adding a reference sensor. Speed and rotational position can be detected.
  • the reference pattern and the pitch error pattern may be normalized with an average value.
  • “normalization with an average value” specifically refers to N pieces of data Pm (1) to Pm with respect to a pitch error pattern Pm for one rotation obtained by averaging from pulse period data for a plurality of rotations.
  • the average value of (N) is Po
  • Pr Pm / Po.
  • the phase difference detecting means 5 may calculate the phase difference by calculating a correlation while shifting a phase between the reference pattern and the pitch error pattern.
  • the calculation of the phase difference by the phase difference detection means 5 excludes the low frequency component below a predetermined frequency included in the reference pattern and the pitch error pattern, and more than the low frequency component.
  • Correlation calculation may be performed using only high frequency components of high frequency. A large pattern with a low frequency component such as once or twice in one rotation may be superimposed, for example, when the rotating body is deviating from the center or when the load changes in synchronization with the rotation. If processing is performed at this time, the correlation value is affected by the low frequency component, and the phase difference may be erroneously detected. By excluding low frequency components, such erroneous detection of the phase difference can be avoided.
  • the error correction means 6 uses the phase difference obtained by the phase difference detection means 5 as a reference position signal when the current rotation angle of the encoder reaches a specific position. May be included.
  • the absolute angle can be calculated by outputting the Z-phase signal as the reference position signal.
  • the error correction means 6 may output a status signal indicating that the phase difference is obtained when the phase difference is obtained. By outputting the status signal, the control using the rotation detection device can be easily performed.
  • a Z-phase signal may be output as the status signal, and the Z-phase signal may not be output when the phase difference is not obtained.
  • a dedicated status signal becomes unnecessary.
  • the error correction means 6 may also calculate a rotation speed value corrected by the encoder based on the phase difference and the reference pattern.
  • the phase difference detection means 5 obtains a pitch error pattern for one rotation by normalizing with an average period of the rotation signal detected by the sensor, and a normalized correlation between the pitch error pattern and the reference pattern. A value may be calculated while shifting each other's data, and if the normalized correlation value exceeds a predetermined threshold value, it may be determined that the phase difference has been obtained. By obtaining the normalized correlation, the rotational phase can be stably detected even if there is an influence of disturbance.
  • the bearing unit with a rotation detection device of the present invention is one in which the rotation detection device having any one of the above configurations of the present invention is mounted on a bearing. According to this configuration, it is possible to detect the rotational speed and the rotational position stably with high accuracy while avoiding the influence of the change of the signal due to the variation of the sensor mounting position and the deformation of the mounting member.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the conceptual structure of the rotation detection apparatus concerning one Embodiment of this invention in the state at the time of initial setting. It is a block diagram which shows the driving
  • (A) is a half sectional view showing a configuration example of an encoder in the rotation detection device, and (B) is a perspective view of the encoder.
  • (A) is a half sectional view showing another configuration example of the encoder in the rotation detection device, and (B) is a perspective view of the encoder.
  • 6 is a graph showing a reference pattern Pref and a pitch error pattern Pm in an overlapping manner. It is a graph which shows the state which match
  • FIG. 1 is a block diagram showing a conceptual configuration of the rotation detection device of this embodiment.
  • the rotation detection device 1 includes a ring-shaped encoder 2 in which a plurality of detection patterns arranged in a circumferential direction in a freely rotatable manner, and a pulse as a rotation signal by detecting the detection pattern of the encoder 2.
  • a sensor 3 that generates a signal S, a reference pattern storage unit 4, a phase difference detection unit 5, and an error correction unit 6 are provided.
  • the reference pattern storage means 4 is a storage means for measuring a pitch error for one rotation included in the detected pattern at the time of initial setting prior to operation, and storing this in advance as a reference pattern Pref.
  • the phase difference detecting means 5 obtains a pitch error pattern Pm for one rotation of the detected pattern from a plurality of rotation signals detected by the sensor 3 during operation, and this pitch error pattern Pm is referred to as the reference pattern Pref. This is a means for obtaining a relative phase difference ⁇ by comparison.
  • the error correction unit 6 is a unit that corrects an error included in the rotation signal detected by the sensor 3 based on the phase difference ⁇ obtained by the phase difference detection unit 5.
  • a changeover switch 7 is interposed between the sensor 3 and the reference pattern storage means 4, the phase difference detection means 5 and the error correction means 6.
  • the sensor 3 is connected to the reference pattern storage means 4 as shown in FIG.
  • the changeover switch 7 may be a semiconductor switching element or a contact type switch, and may be a more conceptual one, for example, one that switches processing by software.
  • the encoder 2 has, for example, a plurality of magnetic pole pairs 2a arranged at equal positions in the circumferential direction of the peripheral surface as a detected pattern, as shown in the half sectional view of FIG. 3A and the perspective view of FIG. It consists of a ring-shaped magnetic encoder magnetized side by side.
  • the encoder 2 can be rotated by being fixed and attached so as to be concentric with a rotating body to be detected (not shown).
  • the sensor 3 is a magnetic sensor that detects the magnetic poles N and S of the encoder 2 and is disposed, for example, on the outer diameter side so as to face the peripheral surface of the encoder 2.
  • the configuration example of the encoder 2 in FIG. 3 is a radial type in which a magnetic pole pair 2a is magnetized on the peripheral surface, but the encoder 2 is shown in a half sectional view of FIG. 4A and a perspective view of FIG. 4B. It may be of the axial type shown.
  • a plurality of magnetic pole pairs 2a are arranged in the circumferential direction of the side surface of the flange portion 20b extending from one end of the cylindrical portion 20a of the ring-shaped back metal 20 having an L-shaped cross section to the outer diameter side.
  • the magnets are arranged side by side at the arrangement positions, and are attached to the rotating body by fitting the cylindrical portion 20a of the back metal 20 to the outer peripheral surface of the rotating body such as a rotating shaft.
  • the sensor 3 is arranged in the axial direction so as to face the magnetized surface of the encoder 2.
  • the pulse signal S which is the rotation signal detected by the sensor 3 as shown in FIG. 1, is input to the reference pattern storage means 4 via the changeover switch 7.
  • a reference encoder 8 that rotates in synchronization with the encoder 2 is attached at the time of initial setting.
  • the reference pattern storage unit 4 includes a pulse measurement unit 10, an error extraction unit 11, and a reference pattern storage memory 12, and each pulse signal S for one rotation output from the sensor 3 corresponding to the detected pattern of the encoder 2.
  • the period is measured by the pulse measuring unit 10, and the error extracting unit 11 extracts the pitch error pattern Perr of each detected pattern from the measured value, normalizes the obtained data with an average value, and uses this as a reference pattern Pref in advance. This is stored in the reference pattern storage memory 12.
  • Standardization with an average value specifically refers to an average value of N pieces of data Perr (1) to Perr (N) for a pitch error pattern Perr extracted from pulse period data for one rotation.
  • the pulse measuring unit 10 measures the period of each pulse signal S with reference to the signal obtained from the reference encoder 8.
  • the measurement of the reference pattern Pref is preferably performed with the encoder 2 assembled and stored as including errors due to misalignment and deformation.
  • a flywheel 9 having a large inertia may be concentrically connected to the encoder 2 as shown in FIG. If the encoder 2 is rotated in this state and the pulse period is measured by the pulse measuring unit 10 as described above, the rotation speed is substantially constant or a constant speed change rate.
  • the pattern pitch error can be extracted by the error extraction unit 11.
  • the pulse measuring unit 10 can measure the pulse period with reference to a clock signal having a constant period supplied from the clock circuit 13.
  • the sensor 3 When the rotation detection device 1 is mounted on a rotating body such as a bearing to be detected, the sensor 3 is connected to the phase difference detection means 5 and the error correction means 6 by switching the changeover switch 7 as shown in FIG.
  • the characteristic of the error component included in the rotation signal detected by the sensor 3 by the phase difference detection means 5, that is, the so-called “fake”, is used to compare the reference pattern Pref as follows A phase difference ⁇ is obtained.
  • the phase difference detection means 5 includes a period measurement unit 14, an average calculation normalization processing unit 15, a period variation pattern storage unit 16, a phase difference detection unit 17, a pulse counter 18, and a reference pattern storage memory 12.
  • the reference pattern storage memory 12 is shared by the phase difference detection means 5 and the reference pattern storage means 4.
  • the phase difference detection means 5 performs the following processing for detecting the phase difference ⁇ with respect to the reference pattern Pref using the characteristics of the error component included in the rotation signal detected by the sensor 3.
  • the period P (1) to P (N) of each pulse signal S detected by the sensor 3 during one rotation is respectively measured by the period measuring unit 14. Measure over several to tens of revolutions. In the period measuring unit 14, the period is measured based on a pulse having a constant period given from the pulse counter 18. Here, it is assumed that the sensor 3 detects N pulses per rotation.
  • the average calculation normalization processing unit 16 calculates the average period of each pulse from the measured pulse period data for a plurality of rotations, normalizes it in the same manner as the reference pattern Pref, and converts this into a pitch error pattern for one rotation. Pm is stored in the periodic variation pattern storage unit 16.
  • the phase difference detector 17 calculates the normalized correlation value between the reference pattern Pref obtained by the reference pattern storage means 4 and the pitch error pattern Pm while shifting the phase data of each other, and the correlation value is the largest. The position (relative phase difference) ⁇ to be increased is calculated.
  • the characteristics of the sensor pattern are extracted using data obtained by averaging the pulse periods for several rotations. Therefore, the phase difference ⁇ can be detected if a very slight period variation is included. Therefore, it is not necessary to provide the encoder 2 with a large error pattern for identifying it as the Z phase, and it is possible to detect the phase based on a slight pitch error or the like generated during manufacturing. Therefore, while ensuring sufficient pitch accuracy for normal rotation detection, the rotation phase can be detected by the characteristic error pattern included therein.
  • the phase difference may not be detected well even with the above processing. . Therefore, while keeping the pitch error within one rotation to ⁇ 0.5% or less, the pattern matching in the correlation calculation will be successful by setting the part that becomes + 0.5% to one or several specific parts. It is desirable to use a devised pattern to be detected. In addition, it may be configured to determine that the phase difference ⁇ is normally detected when the calculated value of the normalized correlation exceeds a predetermined threshold value. Since the detected pitch error pattern Pm has a lot of noise and an accurate phase difference ⁇ cannot be detected, the periodic data collection is continued until it is determined that the phase difference can be detected normally. Is desirable.
  • phase difference ⁇ After the phase difference ⁇ is detected, a normal operation state is obtained. That is, the above processing by the phase difference detecting means 5 is compared with the rotation detecting device on which the Z phase signal is mounted. First, the Z phase position is searched while performing one rotation. This corresponds to the initial operation.
  • the error correction means 6 includes a period measurement unit 14, a correction processing unit 19, a reference pattern storage memory 12A, and a pulse counter 18.
  • the period measurement unit 14 and the pulse counter 18 are shared by the error correction unit 6 and the phase difference detection unit 5. That is, the two period measuring units 14 and the two pulse counters 18 shown in the drawing are shown for convenience of explanation, but are the same as each other.
  • the error correction means 6 performs error correction processing in the following steps. Assuming that the period of the pulse signal S of the pulse number (i) is P (i), in the reference pattern storage memory 12A, the period of the reference pattern Pref obtained by the reference pattern storage means 4 is obtained by the phase difference detection means 5. It is stored as a reference pattern Pref (i + ⁇ ) with a phase shifted by the phase difference ⁇ . After such phase matching, the period P (i) of the pulse signal S with the pulse number (i) input through the period measuring unit 14 is stored in the reference pattern storage memory 12A in the correction processing unit 19.
  • the pulse period Pout (i) P (i) / Pref (i + ⁇ ) (1)
  • P (i) / Pref (i + ⁇ ) (1) the pulse period Pout (i) obtained by correcting the fixed error pattern is obtained.
  • Pout (i) an accurate rotational position and rotational speed corresponding to the pulse signal S of the pulse number (i) can be obtained.
  • the reference pattern storage memory 12 ⁇ / b> A may be shared with the reference pattern storage memory 12 in the reference pattern storage unit 4 and the phase difference detection unit 5.
  • the error is not corrected for several rotations until the first phase difference ⁇ is obtained.
  • the error included in the encoder 2 is corrected. . Therefore, a corrected pulse width (from which an accurate rotation angle can be obtained) or a corrected rotation speed calculated using the pulse width can be obtained, and the rotation angle and rotation speed can be detected with higher accuracy.
  • the rotational position with reference to the encoder 2 can be detected. Therefore, after the phase difference ⁇ is detected, the reference position signal related to the angular position can be output.
  • the error correction means 6 is configured to output a status signal indicating that the phase difference ⁇ has been obtained.
  • a reference position signal (Z-phase signal) is output from the pulse counter 18 as a status signal.
  • the Z-phase signal is not output.
  • the Z-phase signal is output after a few rotations, it indicates that the reference position has been found, so that the absolute angle can be calculated thereafter, and it can be used in the same way as a normal Z-phase sensor. Convenient and convenient.
  • FIG. 6 shows an example of the reference pattern Pref.
  • the horizontal axis is the rotation pulse number
  • the vertical axis is the normalized pulse period error, which is expressed as a ratio to the average pulse period.
  • Characteristic error patterns are seen near the pulse numbers 250 and 850.
  • FIG. 7 shows an example of the pitch error pattern Pm obtained from the data for 20 rotations. Although the phase is shifted from the reference pattern Pref in FIG. 6, it can be seen that the characteristics of the error pattern are similar.
  • the position of the characteristic pattern is shifted, but when the pitch error pattern Pm is shifted to the right, it can be overlaid with the reference pattern Pref. That is, if the correlation value is obtained while shifting the pitch error pattern Pm to the right, the correlation value is maximized at the most overlapping position, so this position may be obtained as the phase difference ⁇ . Plotting both the pitch error pattern Pm and the reference pattern Pref at a position shifted by the obtained phase difference ⁇ results in a state as shown in FIG.
  • a large pattern with a low frequency component such as once or twice per rotation may be superimposed, for example, when the rotating body is shaken out of focus. If similar processing is performed at this time, the correlation value is affected by the low frequency component, and the phase difference ⁇ may be erroneously detected.
  • a low frequency component below a predetermined frequency is cut and a correlation operation is performed with a high frequency component having a frequency higher than the low frequency component. It is desirable to do.
  • the low frequency component to be cut is, for example, a frequency component of about 15 times or less per rotation for a wheel application. This value needs to be selected appropriately depending on the application.
  • the effects of the rotation detection device 1 are listed below. Since the error included in the detected pattern of the encoder 2 is corrected based on the error measurement value measured in advance, for example, when the encoder 2 is a magnetic encoder, the error is not affected by a magnetization error or the like.
  • the rotational position and rotational speed can be measured with accuracy. -In the case of a configuration in which correction is performed in a state where it is incorporated in a bearing, errors due to misalignment and deformation are also corrected, so that the rotational position and rotational speed can be measured with higher accuracy.
  • the phase difference ⁇ with respect to the reference pattern Pref is detected by detecting the fluctuation pattern (pitch error pattern Pm) of the rotation pulse observed when rotating and comparing the feature with the reference pattern Pref.
  • the pitch error included in the detected pattern of the encoder 2 is measured by the reference pattern storage means 4 prior to operation and stored as the reference pattern Pref.
  • the phase difference detection means 5 The pitch error pattern Pm for one rotation of the detected pattern is obtained from the rotation signals detected by the sensor 3 by the sensor 3, and the pitch error pattern Pm is compared with the reference pattern Pref to obtain a relative phase difference ⁇ .
  • the error correction means 6 is configured to correct the error included in the rotation signal detected by the sensor 3 based on the phase difference ⁇ , so that it is highly accurate without adding a reference sensor.
  • the rotational speed and rotational position can be detected.
  • FIGS. 10 and 11 show a configuration example of a bearing unit with a rotation detection device in which the rotation detection device 1 described above is mounted on a vehicle wheel bearing.
  • This bearing unit with a rotation detection device 21 is a third generation type inner ring rotation type, and an axial type rotation detection device 1 is mounted on a wheel bearing 30 for driving wheel support.
  • the wheel bearing 30 includes an outer member 31 in which a double row rolling surface 33 is formed on the inner periphery, an inner member 32 in which a rolling surface 34 facing each of the rolling surfaces 33 is formed, and these outer members.
  • a double row rolling element 35 interposed between the rolling surfaces 33 and 34 of the member 31 and the inward member 32 is provided, and the wheel is rotatably supported with respect to the vehicle body.
  • the wheel bearing 30 is a double-row outward angular ball bearing type, and the rolling elements 35 are formed of balls and are held by a cage 36 for each row.
  • the inner member 32 includes a hub wheel 32a and an inner ring 32b fitted to the outer periphery of the inboard side end of the hub wheel 32a.
  • the rolling surface 34 is provided on the outer periphery of each wheel 32a, 32b. . Both ends of the bearing space between the outer member 31 and the inner member 32 are sealed by seals 37 and 38, respectively.
  • the slinger that is press-fitted and fixed to the outer peripheral surface of the inner member 32, specifically, the outer peripheral surface of the inner ring 32 b, in the seal 38 at the inboard side end is the magnetic encoder 2 of the rotation detection device 1.
  • the sensor 3 of the rotation detecting device 1 is arranged in the axial direction on the side surface where the magnetic pole pairs of the magnetic encoder 2 are arranged in the circumferential direction.
  • the sensor 3 is resin-molded in a ring-shaped metal case 39 and fixed to the outer member 31 through the metal case 39.
  • FIGS. 12 and 13 show another configuration example of a bearing unit with a rotation detection device in which the rotation detection device 1 having the above-described configuration is mounted on a vehicle wheel bearing.
  • This rotation detection device-equipped bearing unit 21A is a third generation inner ring rotation type, and is an axial type rotation detection device 1 mounted on a wheel bearing 30A for supporting a driven wheel.
  • the end face opening of the inboard side end portion of the outer member 31 of the wheel bearing 30 ⁇ / b> A is covered with the cover 29, and the sensor 3 of the rotation detection device 1 is attached to the cover 29.
  • Other configurations and operational effects are the same as those of the bearing unit 21 with the rotation detecting device shown in FIGS.
  • FIG. 14 shows a configuration example of a bearing unit 21B with a rotation detection device in which the rotation detection device 1 described above is mounted on a general bearing.
  • This bearing unit with rotation detecting device 21B has a radial type rotation at one end of the rotation-side raceway ring 42 in a bearing 40 having a rotation-side raceway ring 42 and a fixed-side raceway ring 43 that are rotatable relative to each other via a rolling element 44.
  • the encoder 2 of the detection device 1 is mounted, and the sensor 3 of the rotation detection device 1 is attached to one end portion of the stationary race ring 43 so as to face the encoder 2 in the radial direction.
  • the bearing 40 is formed of a deep groove ball bearing, and an inner ring thereof serves as a rotation side race ring 42 and an outer ring serves as a fixed side race ring 43.
  • the encoder 2 is a magnetic encoder in which magnetic pole pairs are arranged in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the ring-shaped back metal 20 and magnetized, and is fixed to the rotating raceway 42 via the back metal 20.
  • the sensor 3 is resin-molded in a ring-shaped metal case 45, and is fixed to the stationary side race ring 43 via the metal case 45.
  • FIG. 15 shows a configuration example of a bearing unit with a rotation detection device in which the rotation detection device 1 having the above configuration is mounted on an axle bearing of a railway vehicle.
  • This bearing unit with rotation detection device 21 ⁇ / b> C is an encoder of the radial type rotation detection device 1 at one end of the inner ring 52 in an axle bearing 50 of a railway vehicle having an inner ring 52 and an outer ring 53 that are rotatable relative to each other via a rolling element 54. 2, and the sensor 3 of the rotation detecting device 1 is attached to one end portion of the outer ring 53 so as to face the encoder 2 in the radial direction.
  • the axle bearing 50 is a double-row outward tapered roller bearing type.
  • the inner ring 52 is formed by connecting two divided inner rings 52A in the axial direction and connecting each other, and the outer ring 53 is formed by an integral member.
  • Double row rolling elements 54 are interposed between the inner ring 52A and the outer ring 53.
  • the rolling element 54 is formed of a tapered roller and is held by a cage 64. Both ends of the bearing space between the inner ring 52 and the outer ring 53 are sealed by seals 57 and 58, respectively.
  • the inner ring 52 is fixed to the axle 60 by a rear lid 62 and a front lid 61 that are fitted to the axle 60 and disposed at both ends of the inner race 52.
  • the encoder 2 is a magnetic encoder in which magnetic pole pairs are arranged in the circumferential direction on the outer peripheral surface of the ring-shaped back metal 20 and magnetized, and is fixed to the inner ring 52 via the back metal 20.
  • the sensor 3 is mounted in a ring-shaped metal case 63 fitted to one end of the outer ring 53 so as to face the encoder 2 in the radial direction.
  • the bearing unit 21C with the rotation detecting device in which the rotation detecting device 1 having the above-described configuration is mounted on the axle bearing 50 the influence of the change in the signal due to the change in the mounting position of the sensor 3 or the deformation of the mounting member is avoided.
  • the rotational speed of the wheel can be detected with high accuracy, and rotation abnormality can be detected more accurately.
  • it can be used to provide information on which rotational position of the axle 60 is abnormal.
  • the pattern to be detected is the magnetic pole pair 2a.
  • the pattern to be detected is arranged at an equal pitch, such as a striped pattern detected optically or a gear shape made of a magnetic material. As long as it becomes a detection target of the sensor.

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Abstract

　この回転検出装置（１）は、円周方向に被検出パターンが等配されたエンコーダ（２）と、前記被検出パターンを検出してパルスを発生するセンサ（３）とを備える。これに、基準パターン記憶手段（４）、位相差検出手段（５）、および誤差補正手段（６）が付加される。基準パターン記憶手段（４）は、運用に先立って被検出パターンのピッチ誤差を測定し基準パターンＰrefとして記憶する。位相差検出手段（５）は、運用時に検出される複数回転の回転信号から被検出パターンの１回転分のピッチ誤差パターンＰmを求め、これを基準パターンＰrefと比較して相対的な位相差φを求める。誤差補正手段（６）は、位相差検出手段（５）で求めた位相差φに基づいて、センサ（３）で検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行う。

Description

回転検出装置および回転検出装置付き軸受ユニット 関連出願
　本出願は、２０１３年７月２６日出願の特願２０１３－１５５４０９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や回転速度検出に用いられる回転検出装置、およびその回転検出装置を組み込んだ回転検出装置付き軸受ユニットに関する。
　この種の回転検出装置の従来例として、エンコーダの出力信号におけるデューティ比や位相のずれを、あらかじめ記憶しておいた補正量を用いて補正する機能を備えた速度検出装置が提示されている（例えば特許文献１，２）。
　また、他の従来例として、エンコーダの基準信号を逓倍したパルスを出力する回転検出装置で、逓倍出力に含まれる誤差を、逓倍パルスの識別情報を用いて補正する補正手段を備えたものも提示されている（例えば特許文献３）。図１６は、誤差を補正した前記逓倍パルスのパルス周期を補正前のものと比較したグラフを示す。
特開平０８－１２８８５５号公報 特開２００２－３１１０４０号公報 特開２００８－２４９５７４号公報
　特許文献１～３に示されるように、エンコーダのパルス出力に含まれる誤差を、あらかじめ設定しておいた補正量を用いて補正する構成の回転検出装置の場合、互いに９０°異なるＡ相，Ｂ相出力における位相誤差の補正においては、各信号の状態に応じて４つの状態を識別し、それぞれの補正を加えることができる。
　また、特許文献３に示されるように、より高い分解能の逓倍回路を用いた場合には、逓倍回路でパルス識別信号を追加することにより、それぞれのパルスに対する補正を実現することができる。
　ところで、実際のエンコーダ出力においては、シャフトの１回転に付随して発生する誤差、例えば、磁気エンコーダの着磁ピッチ誤差や、エンコーダの取り付け時の心ずれや変形によるピッチ誤差などがあり、精度を上げようとする場合にはこれらの誤差も補正する必要がある。
　しかし、これらの誤差を補正するために１回転分の誤差パターンを記憶していても、その誤差パターンの基準となる回転位置がわからなければ補正することができないため、基準となるＺ相信号などを別途設けなければならばない。Ｚ相信号を出力するには追加のセンサや特殊なエンコーダが必要になり、実装スペースや実装コストが増加してしまうという問題がある。
　また、Ｚ相信号を設けた場合、回転パルス信号との位置関係がずれないようにする必要があり、設置精度が要求され、簡易な方法で設けるのが難しいのも問題となる。
　このような理由により、できる限り基準センサを追加することなく、高い精度で回転速度や回転位置の検出が可能な回転検出装置が望まれている。
　この発明の目的は、基準センサを追加することなく、高い精度で回転速度や回転位置の検出が可能な回転検出装置、およびこの回転検出装置を組み込んだ回転検出装置付き軸受を提供することである。
　この発明の回転検出装置は、回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出パターンが等配されたエンコーダ２と、このエンコーダ２の前記被検出パターンを検出してパルス信号を発生するセンサ３とを備えた回転検出装置において、運用に先立って前記被検出パターンに含まれるピッチ誤差を測定し基準パターンＰrefとして記憶させた基準パターン記憶手段４と、運用時の前記センサ３で検出される複数回転の回転信号から前記被検出パターンの１回転分のピッチ誤差パターンを求め、このピッチ誤差パターンを前記基準パターンと比較して相対的な位相差を求める位相差検出手段５と、前記位相差検出手段５で求めた前記位相差に基づいて、前記センサ３で検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行う誤差補正手段６とを設けたことを特徴とする。
　このように構成された回転検出装置では、以下の処理を行う。
・　運用に先立って、基準パターン記憶手段４により、エンコーダ２の被検出パターンに含まれるピッチ誤差を１回転分測定し、得られたデータを例えば平均値で規格化して基準パターンＰrefとしてあらかじめ記憶しておく。基準パターンＰrefはエンコーダ２を組み付けた状態で測定し、心ずれや変形による誤差も含んだものとして記憶しておくのが望ましい。
・　運用時には、先ず位相差検出手段５により、次のステップで位相差検出処理を行う（センサ３はエンコーダ２の１回転あたりＮ個の回転パルスを検出するものとする）。
　（１）　ある程度の速度でエンコーダ２が回転している状態において、１回転中の各回転パルスの周期Ｔ（１）～Ｔ（Ｎ）を、それぞれ数回転～数十回転にわたって測定する。
　（２）　測定した複数回転分のパルス周期データから、それぞれの回転パルスの平均周期を算出し、基準パターンＰrefと同様に規格化して１回転分の平均周期変動パターンであるピッチ誤差パターンＰmとする。
　（３）　得られたピッチ誤差パターンＰmと基準パターンＰrefとの正規化相関値を、互いのデータをずらしながら計算し、最も相関値が高くなる位置（換言すれば、位相）をピッチ誤差パターンＰmと基準パターンＰrefとの相対的な位相差φとして算出する。
・　ピッチ誤差パターンＰmと基準パターンＰrefとの位相差φが求まると、誤差補正手段６により、次のような誤差補正処理を行う。
　求まった位相差φだけデータをずらし、位相を合わせた状態で基準パターンＰrefを用いて次式により補正する。入力された回転パルスのパルス番号(i)の周期をＰ(i)とすると、
　　Ｐout(i)＝Ｐ(i) ／Ｐref(i+φ)
として、固定の誤差パターン分を補正したパルス周期Ｐout(i)を求める。最初の位相差φが求まるまでの数回転は誤差が補正されていない状態となるが、その後はエンコーダ２に含まれるピッチ誤差が補正されるため、より高い精度で回転位置・回転速度を検出できるようになる。基準パターンＰrefとの位相差φが求まれば、回転位置を検出できることになるため、一定の回転位相でＺ相信号を出力するなど、回転角度位置に関する情報を出力することもできる。
　このように、この回転検出装置によると、運用に先立って基準パターン記憶手段４によりエンコーダ２の被検出パターンに含まれるピッチ誤差を測定し基準パターンＰrefとして記憶し、運用時には位相差検出手段５によりセンサ３で検出される複数回転の回転信号から前記被検出パターンの１回転分のピッチ誤差パターンＰmを求めると共に、このピッチ誤差パターンＰmを前記基準パターンＰrefと比較して相対的な位相差φを求め、さらに誤差補正手段６により、前記位相差φに基づいて前記センサ３で検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行うように構成したため、基準センサを追加することなく、高い精度で回転速度や回転位置の検出が可能となる。
　この発明において、前記基準パターンおよび前記ピッチ誤差パターンは、平均値で規格化したものであっても良い。
　なお、「平均値で規格化」とは、具体的には、複数回転分のパルス周期データから平均して求めた１回転分のピッチ誤差パターンＰmについて、Ｎ個のデータＰm(１)～Ｐm(Ｎ)の平均値をＰoとしたとき、平均値に対する比を求め Ｐr ＝ Ｐm／Ｐo とする処理である。基準パターンおよびピッチ誤差パターンにつき、平均値で規格化したものとすることで、基準や誤差を示すパターンとして適切なパターンとなる。
　この発明において、前記位相差検出手段５は、前記基準パターンと前記ピッチ誤差パターンの間の位相をずらしながら相関計算して前記位相差を算出するものとしても良い。
　この場合に、前記位相差検出手段５による前記位相差の算出は、前記基準パターンと前記ピッチ誤差パターンに含まれる所定の周波数以下の低周波の成分を除外して、前記低周波の成分よりも高い周波数の高周波の成分だけで相関計算するものであっても良い。
　回転体が心ずれして振れ回っている場合や、回転に同期して負荷が変化する場合など、１回転に１回あるいは２回といった低い周波数成分の大きなパターンが重畳することがある。このときに処理を行うと、低周波成分によって相関値が影響されてしまい、位相差が誤検出されてしまうことがある。低周波成分を除外することで、このような位相差の誤検出が回避できる。
　この発明において、前記誤差補正手段６は、前記位相差検出手段５で求めた前記位相差を用いて、前記エンコーダの現在の回転角度が特定の位置となったときに基準位置信号としてＺ相信号を出力するパルスカウンタを有するものとしても良い。基準位置信号としてＺ相信号を出力することで、絶対角度の計算が行える。
　この発明において、前記誤差補正手段６は、前記位相差が得られたとき、位相差が得られたことを示すステータス信号を出力するものとしても良い。ステータス信号が出力されることで、この回転検出装置を用いる制御が行い易くなる。
　この場合に、前記ステータス信号としてＺ相信号を出力し、前記位相差が得られていないときにはＺ相信号を出力しないものとしても良い。ステータス信号としてＺ相信号を用いることにより、専用のステータス信号が不要となる。
　この発明において、前記誤差補正手段６は、前記位相差と前記基準パターンとにより、前記エンコーダの補正された回転速度値も算出するものとしても良い。
　この発明において、前記位相差検出手段５は、前記センサで検出される回転信号の平均周期で規格化して１回転分のピッチ誤差パターンを求め、このピッチ誤差パターンと前記基準パターンとの正規化相関値を、互いのデータをずらしながら計算し、この正規化相関値が予め定められたしきい値を超えていると、前記位相差が得られたと判断するものとしても良い。正規化相関によって求めることにより、外乱の影響があっても安定して回転位相を検出することができる。
　この発明の回転検出装置付き軸受ユニットは、この発明の上記いずれかの構成の回転検出装置が軸受に搭載されたものである。
　この構成によると、センサの取付け位置の変動などによる信号の変化や、取付部材の変形などの影響を回避して、高い精度で安定した回転速度や回転位置の検出が可能である。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　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符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の一実施形態にかかる回転検出装置の概念構成を初期設定時の状態で示すブロック図である。 同回転検出装置の運転状態を示すブロック図である。 （Ａ）は同回転検出装置におけるエンコーダの一構成例を示す半部断面図、（Ｂ）は同エンコーダの斜視図である。 （Ａ）は同回転検出装置におけるエンコーダの他の構成例を示す半部断面図、（Ｂ）は同エンコーダの斜視図である。 同回転検出装置の初期設定時の状態の他の例を示すブロック図である。 同回転検出装置の初期設定時に検出される基準パターンＰrefの一例を示すグラフである。 同回転検出装置の運用時に検出されるピッチ誤差パターンＰmの一例を示すグラフである。 基準パターンＰrefとピッチ誤差パターンＰmとを重ねて示すグラフである。 ピッチ誤差パターンＰmの位相を基準パターンＰrefに合わせた状態を示すグラフである。 この発明の回転検出装置を搭載した回転検出装置付き軸受ユニットの一構成例を示す断面図である。 同回転検出装置付き軸受ユニットをインボード側から見た側面図である。 この発明の回転検出装置を搭載した回転検出装置付き軸受ユニットの他の構成例を示す断面図である。 同回転検出装置付き軸受ユニットをインボード側から見た側面図である。 この発明の回転検出装置を搭載した回転検出装置付き軸受ユニットのさらに他の構成例を示す断面図である。 この発明の回転検出装置を搭載した回転検出装置付き軸受ユニットのさらに他の構成例を示す断面図である。 従来例での誤差補正した逓倍パルスのパルス周期を補正前のものと比較して示したグラフである。
　この発明の一実施形態を図面と共に説明する。図１は、この実施形態の回転検出装置の概念構成を示すブロック図である。この回転検出装置１は、回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出パターンが等配されたリング状のエンコーダ２と、このエンコーダ２の前記被検出パターンを検出して回転信号としてパルス信号Ｓを発生するセンサ３と、基準パターン記憶手段４と、位相差検出手段５と、誤差補正手段６とを備える。基準パタ－ン記憶手段４は、運用に先立つ初期設定時に、前記被検出パターンに含まれる１回転分のピッチ誤差を測定し、これを基準パターンＰrefとして予め記憶しておく記憶手段である。位相差検出手段５は、運用時の前記センサ３で検出される複数回転の回転信号から前記被検出パターンの一回転分のピッチ誤差パターンＰm を求め、このピッチ誤差パターンＰmを前記基準パターンＰrefと比較して相対的な位相差φを求める手段である。誤差補正手段６は、位相差検出手段５で求めた前記位相差φに基づいて、前記センサ３で検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行う手段である。
　前記センサ３と、前記基準パターン記憶手段４、位相差検出手段５および誤差補正手段６との間には切替スイッチ７が介在している。この切替スイッチ７の切替により、運用に先立つ初期設定時には、図１のようにセンサ３が基準パターン記憶手段４に接続される。一方、回転検出装置１が軸受などの回転体に搭載された運用時には、図２のようにセンサ３が位相差検出手段５および誤差補正手段６に接続される。切替スイッチ７は、半導体スイッチング素子であっても、接点式のスイッチであっても良く、さらに概念的なもの、例えばソフトウェアによって処理を切り替えるものであっても良い。
　エンコーダ２は、例えば図３（Ａ）の半部断面図および図３（Ｂ）の斜視図に示すように、被検出パターンとして周面の円周方向に複数の磁極対２ａを等配位置に並べて着磁させたリング状の磁気エンコーダからなる。エンコーダ２は、図示しない被検出対象の回転体に対して同心となるように固定して取付けられることで回転自在とされる。この場合、センサ３は、エンコーダ２の磁極Ｎ，Ｓを検出する磁気センサとされ、エンコーダ２の周面に対向するように例えば外径側に配置される。
　図３のエンコーダ２の構成例は、周面に磁極対２ａを着磁させたラジアルタイプであるが、エンコーダ２は図４（Ａ）の半部断面図および図４（Ｂ）の斜視図に示すアキシアルタイプのものであっても良い。図４の構成例では、例えば断面をＬ字形としたリング状のバックメタル２０の円筒部２０ａの一端から外径側に延びるフランジ部２０ｂの側面の円周方向に、複数の磁極対２ａを等配位置に並べて着磁させていて、回転軸などの回転体の外周面に前記バックメタル２０の円筒部２０ａを嵌合させることで、回転体に取付けられる。この場合、センサ３は、エンコーダ２の着磁面に対向するように軸方向に向けて配置される。
　運用に先立つ初期設定においては、図１のようにセンサ３の検出する回転信号であるパルス信号Ｓは切替スイッチ７を経て基準パターン記憶手段４に入力される。この例では、初期設定時に、エンコーダ２に同期して回転する基準エンコーダ８が取付けられる。基準パターン記憶手段４は、パルス測定部１０、誤差抽出部１１、基準パターン記憶メモリ１２を備え、エンコーダ２の被検出パターンに対応してセンサ３から出力される１回転分の各パルス信号Ｓの周期をパルス測定部１０で測定し、誤差抽出部１１では前記測定値から各被検出パターンのピッチ誤差パターンＰerrを抽出し、得られたデータを平均値で規格化し、これを基準パターンＰrefとしてあらかじめ基準パターン記憶メモリ１２に記憶しておく。測定におけるノイズの影響を低減するため、測定を数回転から数十回転にわたって行い、各パルス周期の測定値から平均値を求めてピッチ誤差パターンＰerrを抽出するのが望ましい。
　なお、「平均値で規格化」とは、具体的には、パルス周期データから抽出した１回転分のピッチ誤差パターンＰerrについて、Ｎ個のデータＰerr(１)～Ｐerr(Ｎ)の平均値をＰerroとしたとき、平均値に対する比を求め Ｐref ＝ Ｐerr／Ｐerro とする処理である。
　パルス測定部１０では、基準エンコーダ８から得られる信号を基準にして、前記各パルス信号Ｓの周期が測定される。基準パターンＰrefの測定は、エンコーダ２を組み付けた状態で行い、心ずれや変形による誤差も含んだものとして記憶しておくのが望ましい。
　図１のように、初期設定において、エンコーダ２に同期して回転する基準エンコーダ８を取付ける代わりに、図５のように、慣性の大きなフライホイール９をエンコーダ２に同心に連結しても良い。この状態でエンコーダ２を回転させて上記のようにパルス測定部１０でパルス周期を測定すれば、ほぼ一定の回転速度、あるいは一定の速度変化率の回転速度となるため、同様にして各被検出パターンのピッチ誤差を誤差抽出部１１で抽出することができる。この場合、パルス測定部１０は、クロック回路１３から与えられる一定周期のクロック信号を基準にしてパルス周期を測定できる。
　回転検出装置１が被検出対象である軸受などの回転体に取付けられた運用時には、図２のように切替スイッチ７の切り替えにより、センサ３は位相差検出手段５と誤差補正手段６に接続される。この運用状態の初期には、位相差検出手段５により、前記センサ３で検出される回転信号に含まれる誤差成分の特徴、いわば「くせ」を用いて、以下のように基準パターンＰrefとの位相差φが求められる。
　位相差検出手段５は、周期測定部１４、平均計算規格化処理部１５、周期変動パターン記憶部１６、位相差検出部１７、パルスカウンタ１８、および基準パターン記憶メモリ１２を備える。基準パターン記憶メモリ１２は、位相差検出手段５と前記基準パターン記憶手段４とによって共用される。
　回転検出装置１の運用の初期に、位相差検出手段５では、センサ３の検出する回転信号に含まれる誤差成分の特徴を用いて、基準パターンＰrefとの位相差φを検出する以下の処理を行う。
（１）　エンコーダ２がある程度の速度で回転している状態において、１回転中にセンサ３で検出される各パルス信号Ｓの周期Ｐ（１）～Ｐ（Ｎ）を、周期測定部１４でそれぞれ数回転～数十回転にわたって測定する。周期測定部１４では、パルスカウンタ１８から与えられる一定周期のパルスに基づき前記周期が測定される。なお、ここではセンサ３は１回転あたりＮパルスを検出するものとする。
（２）　平均計算規格化処理部１６では、測定した複数回転分のパルス周期データから、それぞれのパルスの平均周期を算出し基準パターンＰrefと同様に規格化し、これを１回転分のピッチ誤差パターンＰm として周期変動パターン記憶部１６に記憶する。
（３） 位相差検出部１７では、基準パターン記憶手段４で得られた基準パターンＰrefと前記ピッチ誤差パターンＰmとの正規化相関値を、互いの位相データをずらしながら計算し、最も相関値が高くなる位置（相対位相差）φを算出する。
　この処理では、数回転分のパルス周期を平均化したデータを用いてセンサパターンの特徴を抽出するため、ごくわずかな周期変動が含まれていれば位相差φを検出することができる。そのため、エンコーダ２にＺ相として識別するための大きな誤差パターンを設けておく必要はなく、製造時に発生するわずかなピッチ誤差などをもとにして位相検出することが可能である。したがって、通常の回転検出に十分なピッチ精度を確保しておきながら、その中に含まれる特徴的な誤差パターンによって回転位相を検出することができる。
　しかしながら、ピッチ誤差があまりにも小さい場合や、回転方向に均一にピッチ変動が発生しているような状態のエンコーダ２を用いた場合には、上記の処理でも良好に位相差検出ができない場合がある。したがって、１回転内のピッチ誤差を±0.5％以下に抑えつつ、＋0.5 ％になる部分を特定の一か所あるいは数か所となるようにして、相関計算におけるパターンマッチングがうまくいくように工夫された被検出パターンとするのが望ましい。
　また、正規化相関の計算値を、あらかじめ定めておいたしきい値を超えた場合に、位相差φが正常に検出されたと判断する構成としても良い。検出されたピッチ誤差パターンＰm のノイズが多く、正確な位相差φが検出できていない場合も発生するため、正常に検出できたと判断されるまで、周期データの収集を継続するように構成するのが望ましい。
　このようにして、前記位相差φが検出された後には、通常の運用状態になる。すなわち、位相差検出手段５による上記処理は、Ｚ相信号が搭載されている回転検出装置と対比すると、最初に１回転しながらＺ相位置を探して、見つかった後には回転位相が既知の状態になる、という初期動作に相当する。
　誤差補正手段６は、周期測定部１４、補正処理部１９、基準パターン記憶メモリ１２Ａ、およびパルスカウンタ１８を備える。周期測定部１４およびパルスカウンタ１８は、誤差補正手段６と位相差検出手段５とによって共用される。すなわち、図に示した２つの周期測定部１４、および２つのパルスカウンタ１８は、説明の都合上で２つ示しているが、それぞれ互いに同じものである。
　基準パターンＰrefとの位相差φが求まった後の通常の運用時には、誤差補正手段６は、以下のステップで誤差補正処理を行う。
　パルス番号（ｉ）のパルス信号Ｓの周期をＰ(i) とすると、基準パターン記憶メモリ１２Ａでは、基準パターン記憶手段４で求めた基準パターンＰrefの周期を、位相差検出手段５で求められた位相差φ分だけずらして位相を合わせた基準パターンＰref(i+φ) として記憶する。
　このような位相合わせの後、周期測定部１４を経て入力されてくるパルス番号（ｉ）のパルス信号Ｓの周期Ｐ(i) は、補正処理部１９において、基準パターン記憶メモリ１２Ａに記憶された基準パターンＰref(i+φ) を用いて、次式
　Ｐout(i)＝Ｐ(i) ／Ｐref(i+φ) 　　……（１）
により、固定の誤差パターン分を補正したパルス周期Ｐout(i)として求められる。この補正されたパルス周期Ｐout(i)を用いて、パルス番号（ｉ）のパルス信号Ｓに対応した正確な回転位置や回転速度が得られる。
　なお、基準パターン記憶メモリ１２Ａは、基準パターン記憶手段４、位相差検出手段５における基準パターン記憶メモリ１２と共用しても良い。
　運用時の上記処理において、最初の位相差φが求まるまでの数回転は誤差が補正されていない状態となるが、位相差φが検出された後は、エンコーダ２に含まれる誤差が補正される。そのため、補正されたパルス幅（これから正確な回転角度が求まる）、あるいはそれを用いて算出した補正された回転速度が得られ、より高い精度で回転角度・回転速度を検出できるようになる。
　また、基準パターンＰref との位相差φが求まれば、エンコーダ２を基準にした回転位置が検出できることになる。したがって、位相差φが検出された後には、角度位置に関する基準位置信号を出力することもできる。
　また、誤差補正手段６では、位相差φが求まったことを示すステータス信号を出力する構成となっている。ここでは、ステータス信号として、パルスカウンタ１８から基準位置信号（Ｚ相信号）を出力している。位相差φが得られていない場合は、Ｚ相信号は出力されない。このように構成した場合、数回転させてＺ相信号が出力されると基準位置が見つかったことを示すため、以降は絶対角度を計算できることになり、通常のＺ相付きセンサと同様な使い方ができて都合が良い。
　図６に基準パターンＰrefの例を示す。図６および後述の図７～９では、横軸が回転パルス番号、縦軸が規格化したパルス周期誤差で、平均パルス周期に対する比率で示されている。パルス番号２５０付近と８５０付近に、特徴的な誤差パターンが見えている。図７は２０回転分のデータから求めたピッチ誤差パターンＰmの例を示す。図６の基準パターンＰrefとは位相がずれているが、誤差パターンの特徴が似ていることがわかる。図８では、図６の基準パターンＰrefと図７のピッチ誤差パターンＰmとを重ねて示している。
　図８の状態では特徴的なパターンの位置がずれているが、ピッチ誤差パターンＰmを右にずらしていくと基準パターンＰrefと重ねることができる。すなわち、ピッチ誤差パターンＰmを右にずらしながら相関値を求めていくと、最も重なる位置で相関値が最大になるので、この位置を位相差φとして求めれば良い。求めた位相差φだけずらした位置で、ピッチ誤差パターンＰmと基準パターンＰrefの両者をプロットすると、図９のような状態となる。
　このデータには顕著でないが、回転体が心ずれして振れ回っている場合など、１回転に１回あるいは２回といった低い周波数成分の大きなパターンが重畳することがある。このときに同様な処理を行うと、低周波成分によって相関値が影響されてしまい、位相差φが誤検出されてしまうことがある。センサ３に含まれる特徴的な誤差によって位相差φを確実に検出するためには、所定の周波数以下の低周波成分をカットして、この低周波成分よりも大きい周波数を有する高周波成分で相関演算するのが望ましい。
　カットする低周波成分は、例えば車輪用途であれば１回転につき、15回程度以下の周波数成分とする。この値は用途によって適切に選択される必要がある。例えば８極モータに使用されるのであれば、１回転に4回の同期成分が重畳する可能性が高いため４～８程度以下に設定するのが望ましく、歯数12枚のギヤが回転しているのであれば同様に12以下に設定するのが望ましい。
　以下に、この回転検出装置１の効果を列挙する。
　・　エンコーダ２の被検出パターンに含まれる誤差を、あらかじめ測定された誤差測定値に基づいて補正するため、例えばエンコーダ２が磁気エンコーダである場合に着磁誤差などの影響を受けずに、より高い精度で回転位置や回転速度を測定することができる。
　・　軸受に組み込まれた状態で補正する構成の場合、心ずれや変形による誤差も補正されるため、より高い精度で回転位置や回転速度を測定することができる。
　・　回転したときに観測される回転パルスの変動パターン（ピッチ誤差パターンＰm）を検出し、その特徴を基準パターンＰrefと比較することにより、基準パターンＰrefとの位相差φを検出しているため、位相差φを検出するためのＺ相信号などのセンサやエンコーダを追加で実装する必要がない。したがって、価格を上げることなく、省スペースなままで、高精度な回転位置・回転速度検出を実現できる。
　・　上記の位相差検出を正規化相関によって求めているため、外乱の影響があっても安定して回転位相を検出することができる。
　・　回転パルス数が多いセンサ信号に適用した場合であっても、上記の正規化相関処理の精度が高いため、基準パターンＰrefとの位相を正確に合わせることができ、誤差補正を正確に行うことができる。
　・　別途、Ｚ相を検出するためのセンサや構造を設けることなく、回転位置を検出することができ、エンコーダ２に含まれる誤差も補正することができる。
　このように、この回転検出装置１によると、運用に先立って基準パターン記憶手段４によりエンコーダ２の被検出パターンに含まれるピッチ誤差を測定し基準パターンＰrefとして記憶し、運用時には位相差検出手段５によりセンサ３で検出される複数回転の回転信号から前記被検出パターンの１回転分のピッチ誤差パターンＰmを求めると共に、このピッチ誤差パターンＰmを前記基準パターンＰrefと比較して相対的な位相差φを求め、さらに誤差補正手段６により、前記位相差φに基づいて前記センサ３で検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行うように構成したため、基準センサを追加することなく、高い精度で回転速度や回転位置の検出が可能となる。
　図１０および図１１は、上記した回転検出装置１を自動車の車輪用軸受に搭載した回転検出装置付き軸受ユニットの一構成例を示す。この回転検出装置付き軸受ユニット２１は、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ駆動輪支持用の車輪用軸受３０にアキシアルタイプの回転検出装置１を搭載したものである。
　車輪用軸受３０は、内周に複列の転走面３３を形成した外方部材３１と、これら各転走面３３に対向する転走面３４を形成した内方部材３２と、これら外方部材３１および内方部材３２の転走面３３，３４間に介在した複列の転動体３５とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持するようにしたものである。この車輪用軸受３０は、複列外向きアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体３５はボールからなり、各列毎に保持器３６で保持されている。内方部材３２は、ハブ輪３２ａと、このハブ輪３２ａのインボード側端の外周に嵌合した内輪３２ｂとでなり、各輪３２ａ、３２ｂの外周に前記転走面３４が設けられている。外方部材３１と内方部材３２の間の軸受空間の両端は、シール３７，３８によりそれぞれ密封されている。インボード側端のシール３８における、内方部材３２の外周面、具体的には内輪３２ｂの外周面に圧入固定されるスリンガが、回転検出装置１の磁気エンコーダ２とされる。この磁気エンコーダ２の磁極対が周方向に並ぶ側面に、回転検出装置１のセンサ３が軸方向に対向して配置される。センサ３はリング状の金属ケース３９内に樹脂モールドされ、金属ケース３９を介して外方部材３１に固定される。
　このように、上記構成の回転検出装置１を車輪用軸受３０に搭載した回転検出装置付き軸受ユニット２１では、センサの取付け位置の変動などによる信号の変化や、取付部材の変形などの影響を回避して、高い精度で車輪の安定した回転速度・回転位置情報を得ることができ、路面状態や運転状態の変化による回転変動や、スリップ状態などを正確にとらえることが可能になる。
　図１２および図１３は、上記構成の回転検出装置１を自動車の車輪用軸受に搭載した回転検出装置付き軸受ユニットの他の構成例を示す。この回転検出装置付き軸受ユニット２１Ａは、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ従動輪支持用の車輪用軸受３０Ａにアキシアルタイプの回転検出装置１を搭載したものである。この構成例では、車輪用軸受３０Ａの外方部材３１のインボード側端部の端面開口がカバー２９で覆われており、このカバー２９に回転検出装置１のセンサ３が取付けられている。その他の構成および作用効果は図１０および図１１に示した回転検出装置付き軸受ユニット２１の場合と同様である。
　図１４は、上記した回転検出装置１を一般的な軸受に搭載した回転検出装置付き軸受ユニット２１Ｂの構成例を示す。この回転検出装置付き軸受ユニット２１Ｂは、転動体４４を介して互いに回転自在な回転側軌道輪４２および固定側軌道輪４３を有する軸受４０において、回転側軌道輪４２の一端部にラジアルタイプの回転検出装置１のエンコーダ２を取付けると共に、このエンコーダ２と径方向に対向して固定側軌道輪４３の一端部に回転検出装置１のセンサ３を取付けたものである。軸受４０は深溝玉軸受からなり、その内輪が回転側軌道輪４２となり、外輪が固定側軌道輪４３となる。
　エンコーダ２は、リング状のバックメタル２０の外周面に磁極対を周方向に並べて着磁させた磁気エンコーダであり、バックメタル２０を介して回転側軌道輪４２に固着されている。センサ３はリング状の金属ケース４５内に樹脂モールドされ、金属ケース４５を介して固定側軌道輪４３に固定されている。
　このように、上記構成の回転検出装置１を搭載した回転検出装置付き軸受ユニット２１Ｂでは、センサの取付け位置の変動などによる信号の変化や、取付部材の変形などの影響を回避して、回転軸の回転速度や回転位置を正確に検出することが可能になる。
　図１５は、上記構成の回転検出装置１を鉄道車両の車軸軸受に搭載した回転検出装置付き軸受ユニットの構成例を示す。この回転検出装置付き軸受ユニット２１Ｃは、転動体５４を介して互いに回転自在な内輪５２および外輪５３を有する鉄道車両の車軸軸受５０において、内輪５２の一端部にラジアルタイプの回転検出装置１のエンコーダ２を取付けると共に、このエンコーダ２と径方向に対向して外輪５３の一端部に回転検出装置１のセンサ３を取付けたものである。
　車軸軸受５０は複列外向きの円すいころ軸受型のものであり、内輪５２は２つの分割型内輪５２Ａを軸方向に並べて互いに連結してなり、外輪５３は一体の部材からなる。これら内輪５２Ａと外輪５３の間に複列の転動体５４が介在する。転動体５４は円すいころからなり、保持器６４で保持されている。内輪５２と外輪５３との間の軸受空間の両端は、シール５７，５８によってそれぞれ密封されている。内輪５２は、車軸６０に嵌合して内輪５２の両端に配置される後ろ蓋６２と前蓋６１とにより車軸６０に固定される。
　エンコーダ２は、リング状のバックメタル２０の外周面に磁極対を周方向に並べて着磁させた磁気エンコーダであり、バックメタル２０を介して内輪５２に固着されている。センサ３は、外輪５３の一端部に嵌合するリング状の金属ケース６３内にエンコーダ２と径方向に対向させて取付けられている。
　このように、上記構成の回転検出装置１を車軸軸受５０に搭載した回転検出装置付き軸受ユニット２１Ｃでは、センサ３の取付け位置の変動などによる信号の変化や、取付部材の変形などの影響を回避して、精度よく車輪の回転速度を検出することができ、回転異常の検出などもより正確に行うことができる。また、絶対角度位置がわかることにより、車軸６０のどの回転位置に異常が発生しているかといった情報提供にも利用することができる。
　なお、前記実施形態では、被検出パターンが磁極対２ａである場合につき説明したが、被検出パターンは光学式に検出される縞模様や、磁性体からなるギヤ形状のものなど、等ピッチで配置されてセンサの検出ターゲットとなるものであれば良い。
　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
２…エンコーダ
２ａ…磁極対（被検出パターン）
３…センサ
４…基準パターン記憶手段
５…位相差検出手段
６…誤差補正手段
２１～２１Ｃ…回転検出装置付き軸受ユニット
３０，３０Ａ…車輪用軸受
４０…軸受
５０…車軸軸受

Claims (10)

  1. 　回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出パターンが等配されたエンコーダと、このエンコーダの前記被検出パターンを検出してパルス信号を発生するセンサとを備えた回転検出装置において、
    　運用に先立って前記被検出パターンに含まれるピッチ誤差を測定し基準パターンとして記憶する基準パターン記憶手段と、
    　運用時の前記センサで検出される複数回転の回転信号から前記被検出パターンの１回転分のピッチ誤差パターンを求め、このピッチ誤差パターンを前記基準パターンと比較して相対的な位相差を求める位相差検出手段と、
    　前記位相差検出手段で求めた前記位相差に基づいて、前記センサで検出される回転信号に含まれる誤差の補正を行う誤差補正手段、
    とを設けたことを特徴とする回転検出装置。
  2. 　請求項１に記載の回転検出装置において、前記基準パターンおよび前記ピッチ誤差パターンは、平均値で規格化したものである回転検出装置。
  3. 　請求項１または２に記載の回転検出装置において、前記位相差検出手段は、前記基準パターンと前記ピッチ誤差パターンの間の位相をずらしながら相関計算して前記位相差を算出する回転検出装置。
  4. 　請求項３に記載の回転検出装置において、前記位相差検出手段による前記位相差の算出は、前記基準パターンと前記ピッチ誤差パターンに含まれる所定の周波数以下の低周波の成分を除外して、前記低周波の成分よりも高い周波数の高周波の成分だけで相関計算するものである回転検出装置。
  5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の回転検出装置において、前記誤差補正手段は、前記位相差検出手段で求めた前記位相差を用いて、前記エンコーダの現在の回転角度が特定の位置となったときに基準位置信号としてＺ相信号を出力するパルスカウンタを有する回転検出装置。
  6. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の回転検出装置において、前記誤差補正手段は、前記位相差が得られたとき、位相差が得られたことを示すステータス信号を出力するものとした回転検出装置。
  7. 　請求項６に記載の回転検出装置において、前記誤差補正手段は、前記ステータス信号としてＺ相信号を出力し、前記位相差が得られていないときにはＺ相信号を出力しないものとした回転検出装置。
  8. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の回転検出装置において、前記誤差補正手段は、前記位相差と前記基準パターンとにより、前記エンコーダの補正された回転速度値も算出するものとした回転検出装置。
  9. 　請求項１から８のいずれか一項に記載の回転検出装置において、前記位相差検出手段は、前記センサで検出される回転信号の平均周期で規格化して１回転分のピッチ誤差パターンを求め、このピッチ誤差パターンと前記基準パターンとの正規化相関値を、互いのデータをずらしながら計算し、この正規化相関値が予め定められたしきい値を超えていると、前記位相差が得られたと判断するものとした回転検出装置。
  10. 　請求項１から９のいずれか一項に記載の回転検出装置が軸受に搭載されてなる回転検出装置付き軸受ユニット。
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