CN101243304B - 旋转检测装置和带有旋转检测装置的轴承 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转检测装置和带有旋转检测装置的轴承。为了抑制信号读出电路中产生的噪声的影响，可进行减小检测角度的差异的高精度的旋转角度检测，并且为将到达输出检测角度时的时间延迟抑制在尽可能地小，设置磁性传感器阵列(5)、相对该磁性传感器阵列(5)而旋转的磁铁(7)。通过信号读出电路(11)，读出磁性传感器阵列(5)的信号。通过反复处理机构(13)，按照数次反复进行信号读出电路(11)的磁性传感器阵列(5)的信号读出，对该反复读出的信号进行累积或平均处理。通过旋转角度计算电路(14)，根据借助反复处理机构(13)获得的累积值或平均值，计算上述磁铁(4)的旋转角度。

Description

旋转检测装置和带有旋转检测装置的轴承

技术领域

本发明涉及各种的设备的旋转检测，比如，小型电动机的旋转控制用的旋转检测、办公设备的位置检测用的旋转检测所采用的旋转检测装置，以及具有该旋转检测装置的轴承。

背景技术

人们提出有作为可组装于小型的设备中、并且可进行高精度的旋转角度检测的旋转检测装置采用传感器阵列的方案(比如，专利文献1)。在该方案中，并列有多个磁性传感元件(MAGFET)的传感器阵列与信号放大电路、AD变换电路、以及数字信号处理电路一起集成于传感器芯片上，该传感器芯片与设置于旋转侧部件上的磁场发生机构面对地设置。通过像这样形成，磁性传感器阵列检测磁场发生机构所产生的磁场分布，根据该分布，检测磁场发生机构的旋转角度。

但是，在该方案的场合，由于在半导体电路中，在集成于硅上的传感元件的输出信号上叠加在电路内部产生的热噪声、1/f噪声，故具有角度检测精度变差的问题。

于是，人们还提出下述技术方案：将上述传感器阵列的磁性传感元件并列，增加传感器有效面积，减小1/f噪声，这样，谋求降低角度检测精度的变差的方案(比如，专利文献2)；多个并列地并设磁性线传感器，对各线传感器的传感元件的输出进行平均处理，由此，消除检测精度变差的方案(比如，专利文献3)。

专利文献1：日本特开2003-148999号文献

专利文献2：日本特开2004-037133号文献

专利文献3：日本特开2005-043070号文献

发明内容

但是，像专利文献2、专利文献3所公开的那样，即使在并列磁性传感元件或多个并列地并设磁性线传感器的方案的情况下，仍不能够减小后级的信号读出电路产生的噪声量，这样，精度变差降低效果受到限制。

另外，存储通过计算信号读出而检测的角度值，按照多次对该结果进行平均处理，由此，可抑制检测角度的差异。但是，为了进行n次的平均化，必须进行n次的信号读出和角度计算处理，具有角度检测率为1/n的问题。如果形成在平时对过去n次的计算结果进行平均处理，将其输出的方案，则检测率未降低，但是，计算结果为滞后于实际的角度的值。如果1次的角度检测处理所需要的时间为T，则n次的计算必须要求nT的时间，为了输出其平均值，产生大致nT/2的时间延迟。

本发明的目的在于提供抑制信号读出电路中产生的噪声的影响，可进行减小检测角度的差异的高精度的旋转角度检测，并且尽可能小地抑制到输出检测角度时的时间延迟的旋转检测装置，与带有该旋转检测装置的轴承。

本发明具有下述的方案。对于各组成部件，为了容易理解，标注表示1个实施方式的图3所采用的标号。该旋转检测装置包括磁性传感器阵列5，其中，磁性传感元件呈阵列状排列；磁铁，其与该磁性传感器阵列5面对地旋转；读出上述磁性传感器阵列5的信号的信号读出电路11；反复处理机构13，其按照多次反复地 在该信号读出电路11进行磁性传感器阵列5的信号读出，对该反复读出的信号进行累积或平均处理；旋转角度计算电路14，其根据该反复处理机构13获得的累积值或平均值，计算上述磁铁的旋转角度。

按照上述方案，反复多次仅仅进行来自构成磁性传感器阵列5的磁性传感元件的一系列的信号的读出，即扫描，采用已获得的传感器信号的累积值或平均值，实施基于旋转角度计算电路14的角度计算。可通过该传感器的累积或平均处理，减小信号的噪声，抑制角度计算结果的偏差。由于花费处理时间的旋转角度计算处理为1次即可，故可将平均处理的时间延迟抑制在最小限，同时减小传感器信号的噪声，提高角度检测精度。

在本发明中，还可设置反复次数自动调整机构18，其计算基于旋转角度计算电路14的磁铁的旋转角度的每次计算的差分的角度变化，通过角度变化的值，调整基于上述反复处理机构13的信号读出的反复次数。

即，根据通过每次的角度检测处理获得的检测角度，计算该检测角度的变化的值(即，旋转速度)，比如，在变化量较大的场合，减小扫描的反复次数，在较小的场合，进行增加反复次数的处理。由此，在旋转快的场合，以抑制时间延迟为优先，相反在旋转慢的场合，可以抑制检测角度的差异为优先，可对应于旋转速度的状况，进行最佳噪声减小处理。

本发明的带有旋转检测装置的轴承为装载本发明中上述任何一个结构的旋转检测装置的轴承。在此场合，磁铁设置于旋转侧轨道圈上，上述磁性传感器阵列设置于静止侧轨道圈上。

通过在轴承上成一体形成旋转检测装置，谋求轴承使用设备的部件数量、装配工时的削减和整体尺寸的减小。在此场合，具 有以下优点，可通过本发明的旋转检测装置进行高精度的旋转角度检测，并且可将到达输出检测角度时的时间延迟抑制在尽可能地小。

附图说明

根据参考附图的下面的优选的实施例的说明，会更加清楚地理解本发明。但是，实施例和附图用于单纯的图示和说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求确定。在附图中，多个附图中的同一部件标号表示同一部分。

图1为表示本发明的一个实施方式的旋转检测装置的外观结构的立体图；

图2为表示该旋转检测装置的半导体芯片的立体图；

图3为表示该旋转检测装置的信号处理部的结构实例的方框图；

图4(A)为该旋转检测装置的信号处理部的信号处理的时序图；图4(B)为表示信号处理的另一实例的时序图；

图5为表示磁性传感器阵列的输出的波形图；

图6为旋转角度计算电路的角度计算处理的原理说明图；

图7为具有上述旋转检测装置的滚动轴承的一个实例的剖视图。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的一个实施方式进行说明。图1表示本实施方式的旋转检测装置的原理方案。旋转侧部件1和非旋转侧部件2为相对旋转的旋转侧和非旋转侧的部件。该旋转检测装置3包括设置于非旋转侧部件2上的磁性传感器阵列5；与设置 于旋转侧部件1的磁性传感器阵列5面对，与旋转侧部件1成一体地旋转的磁铁4；根据磁性传感器阵列5的输出，计算磁铁4的旋转角度的角度计算机构6。在磁性传感器阵列5中，磁性传感元件19呈阵列状并列，按照与磁铁4以稍稍的间隙间隔开的方式设置。

在磁铁4中，所产生的磁场具有围绕旋转侧部件1的旋转中心O的圆周方向各向异性，该磁铁4由永久磁铁的单体，或永久磁铁和磁性材料的复合体形成。在这里，在磁铁4中，通过2个磁性体轭8、8夹持1个永久磁铁7而形成一体，基本形状呈双叉的叉状，其中一个磁性体轭8的一端为N磁极，另一磁性体轭体8的一端为S磁极。由于磁铁4为这样的结构，可简单而牢固地构成。该磁铁4按照旋转侧部件1的旋转中心O与磁铁4的中心一致的方式安装于旋转侧部件1上，通过旋转侧部件1的旋转，N磁极和S磁极围绕上述旋转中心O而旋转运动。

磁性传感器阵列5为检测磁铁4的磁场的传感器，按照朝向旋转侧部件1的旋转中心O的轴向，与磁铁4面对的方式，设置于非旋转侧部件2上。在这里，磁性传感器阵列5像图2那样，在1个半导体芯片9的面上，沿假想的矩形的4条边的各条边而设置。矩形的中心O’与旋转侧部件1的旋转中心O一致。各条边的传感器列5A～5D的磁性传感元件19由MAGFET(场效应晶体管型的磁性传感元件)构成。

图1，图2的角度计算机构6由集成电路形成，与磁性传感器阵列5一起集成于半导体芯片9上。角度计算机构6设置于磁性传感器阵列5的矩形设置的内部。由此，可紧凑地设置磁性传感器阵列5和角度计算机构6。

图3表示从角度计算机构6，获得绝对值输出的场合的，上述 半导体芯片9上的电路外观结构。该角度计算机构6由读出磁性传感器阵列5的各传感器排5A～5的模拟信号的信号读出电路11、对已读出的模拟信号进行数字化处理的AD变换电路12、反复处理机构13、旋转角度计算电路14构成。

反复处理机构13为在信号读出电路11中，按照数次反复进行磁性传感器阵列5的信号读出，对该反复读出的信号进行累加计算或对其进行平均处理的电路部，具有存储器15与控制电路16。存储器15包括对反复读出的信号累加计算或对其进行平均处理的平均处理电路17。控制电路16为控制磁性传感器阵列5、信号读出电路11、AD变换电路12、存储器15的电路，具有反复次数自动调整机构18。反复次数自动调整机构18计算角度变化，该角度变化为基于旋转角度计算电路14的磁铁4的旋转角度的每次计算的差分，通过角度变化的值，调整信号读出的反复次数。在反复次数自动调整机构18中，设定确定角度变化的值和反复次数的关系的表或计算公式，按照这些表或计算公式，确定反复次数。

旋转角度计算电路14为根据通过反复处理机构13获得的累加值或平均值，计算磁铁4的旋转角度的电路。

下面对上述角度计算机构6的动作进行说明。对多个磁性传感元件19排列的磁性传感器阵列5依次进行扫描，通过信号读出电路11获取模拟信号。已读出的模拟信号通过AD变换电路12变换为数字信号，获取到存储器15中，根据该数据，在旋转角度计算电路14中，进行旋转角度计算处理，检测旋转角度。

此时，在已读出的传感器信号上，叠加磁性传感元件19产生的噪声成分、信号读出电路11的噪声成分以及AD变换电路12的噪声成分，形成具有伴随时间而摆动的成分的数据。由此，如果根据此状态的数据进行角度计算处理，则计算结果受到噪声的 影响，伴随时间而摆动，检测精度降低。在本实施方式中，这样噪声的影响像下述这样的降低。

即，磁性传感元件19的信号的读出(扫描)像图4(A)的时序图所示的那样，反复进行n次(在该图中，为3次)，此期间的各传感器数据通过反复处理机构13的存储器15的平均处理电路17进行平均(或累加)处理。由此，在传感器信号的阶段，谋求噪声的降低。该平均处理作为信号读出动作的一部分而进行。另外，信号的读出次数通过反复次数自动调整机构18而调整。

在已确定的次数的扫描结束时，采用作为平均处理的结果而获得的平均处理后的传感器数据，像图4(A)那样，进行旋转角度计算电路14的角度检测计算。由于通过像这样进行信号处理，实施时间长于扫描时间的角度检测计算处理为1次即可，故其结果是，输出检测角度时的增加时间仅仅为反复地增加的(n-1)次的扫描时间，可将时间延迟抑制在最小限。

为了减小噪声，此外，还具有图4(B)所示的时序图所示的那样的信号处理方法。该方法按照多次对检测角度进行平均(或累加)处理，消除各计算处理中包含的差异成分，该检测角度为通过从扫描到角度计算的一系列的动作获得。在此场合，由于采用每次的检测结果进行噪声消除，故不必内置处理电路，具有可在外部实施信号处理的方便性。但是，在该方法的场合，为了获得n次的平均处理效果，必须进行n次的处理，具有检测率降低到1/n的弊病。为了避免该情况，如果采用在平时对过去的n次的检测结果进行平均处理，将其输出的移动平均方法，则可在不降低检测率的情况下，减小噪声。但是，提高对过去n次的移动平均处理，不输出目前的角度，而输出基本n/2次前的时刻的角度，产生时间延迟。

在本实施方式中，由于像图4(A)那样，反复进行传感器信号的扫描，进行平均处理，故像上述那样，直到检测的时间延迟仅按照扫描次数增加。该延迟在传感对象的磁铁4的动作缓慢的场合没有问题，但是，在高速地旋转时，是不希望的。于是，在本实施方式中，可通过对象物的动作的状态，改变实施平均处理的扫描次数，自动地设定最佳的扫描次数，由此，可实现更希望的处理。

即，反复处理机构13的反复次数自动调整机构18计算在存储器15中存储的上次的检测角度、作为旋转角度计算电路14所计算处理的本次的检测角度的差分的角度变化，根据该角度变化的值，自动调整信号读出的反复次数。在此场合，按照在上述角度变化大时，减小扫描的反复次数，在角度变化小时，增加反复次数的方式控制反复次数自动调整机构18。由此，在噪声降低处理是最必要的低速旋转时，通过充分的减小处理，实现稳定的角度检测，在要求更高速度的反应的高速旋转时，实现时间延迟小于噪声减小的角度检测。

图5和图6为旋转角度计算电路14的计算处理的原理说明图。图5(A)～(D)表示磁铁4旋转时的磁铁传感器阵列5的各传感器排5A～5D的检测波形，这些横轴表示各传感器排5A～5D的传感元件19，纵轴表示检测磁场的强度(在这里，扫描次数的平均值)。

此时，在图6所示的位置X1和X2，具有作为磁性传感器阵列5的检测磁场的N磁极和S磁极的边界的零交叉位置。在该状态，磁性传感器阵列5的各传感器排5A～5D的输出为图5(A)～(D)所示的信号波形。于是，零交叉位置X1、X2可通过根据传感器排5A、5C的输出而直线近似处理的方式计算。

角度计算可通过下述方式进行。

θ＝tan^-1(2L/b)

在这里，θ表示通过绝对角度(绝对值)表示磁铁4的旋转角度值。2L表示呈矩形并列的各磁性传感器阵列5的1条边的长度。b表示零交叉位置X1、X2之间的横向长度。

在零交叉位置X1、X2为传感器排5B、5D的场合，通过根据它们的输出而获得的零交叉位置数据，与上述方式相同，计算旋转角度θ。

图7为表示本实施方式的旋转检测装置3组装于滚动轴承中的实例。在该滚动轴承20中，在内圈21和外圈22的滚动面之间，介设有通过护圈23保持的滚动体24。滚动体24由滚珠形成，该滚动轴承20为深槽球轴承。另外，覆盖轴承空间的一端的密封件25安装于外圈22上。旋转轴10所嵌合的内圈21通过滚动体24支承于外圈22上。外圈22设置于轴承使用设备的外壳(图中未示出)上。

在内圈21上安装磁铁安装部件26。在该磁铁安装部件26上安装磁铁4。该磁铁安装部件26按照覆盖内圈21的一端的内径孔的方式设置，通过将设置于外周缘上的圆筒部26a与内圈21的肩部外周面嵌合的方式，安装于内圈21上。另外，圆筒部26a的附近的侧板部与内圈21的幅面卡合，进行轴向的定位。

在外圈22上安装传感器安装部件27，在该传感器安装部件27上，安装集成有图1的磁性传感器阵列5和角度计算机构6的半导体芯片9。另外，在该传感器安装部件27上，还安装用于获取角度计算机构6的输出的输出缆线29。在传感器安装部件27中，外周部的前端圆筒部27a与外圈22的内径面嵌合，形成于该前端圆筒部27a的附近的锷部27b与外圈22的幅面卡合，进行轴向的定位。

像这样，通过在滚动轴承20上成一体形成旋转检测装置3，谋求轴承使用设备的部件数量、装配工时的削减、整体尺寸的减小。在此场合，旋转检测装置3可像上述那样，为小型，可进行高精度的旋转角度输出，由此，同样在小直径轴承等的小型的轴承中，可获得能够令人满意的旋转角度输出。

如上所述，参照附图，对优选实施例进行说明，但是，如果是本领域的普通技术人员，在观看本案说明书后，在显然的范围内，容易想到各种变更和修正方案。

于是，将这样的变更和修正解释在由权利要求确定的发明的范围内。

Claims (5)

1.一种旋转检测装置，该旋转检测装置包括：磁性传感器阵列，其中，磁性传感元件沿假想的矩形的4条边的各条边而设置；磁铁，其与该磁性传感器阵列面对地旋转；读出上述磁性传感器阵列的信号的信号读出电路；反复处理机构，其按照多次反复地在该信号读出电路进行磁性传感器阵列的信号读出，对该反复读出的信号进行累积或平均处理；旋转角度计算电路，其根据该反复处理机构获得的累积值或平均值，计算上述磁铁的旋转角度；

上述反复处理机构内设置反复次数自动调整机构，上述反复次数自动调整机构计算基于旋转角度计算电路的磁铁的旋转角度的每次计算的差分的角度变化，通过角度变化的值，调整基于上述反复处理机构的信号读出的反复次数。

2.根据权利要求1所述的旋转检测装置，其中，上述反复次数自动调整机构在上述角度变化较大时减小上述反复次数，在角度变化较小时，增加反复次数。

3.根据权利要求1所述的旋转检测装置，其中，上述反复处理机构包括对上述反复读出信号进行累积或平均处理，对其存储的存储器。

4.一种带有旋转检测装置的轴承，其装载权利要求1所述的旋转检测装置。

5.根据权利要求4所述的带有旋转检测装置的轴承，其中，上述磁铁设置于旋转侧轨道圈上，上述磁性传感器阵列设置于静止侧轨道圈上。

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