JP2007248106A - 回転速度信号出力付き回転角度検出装置および検出装置付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部回路を用いることなく、回転角度の他に回転速度も検出できる回転速度信号出力付き回転角度検出装置、およびこの回転角度検出装置を組み込んだ検出装置付き軸受を提供する。
【解決手段】 固定部材に対して回転自在な回転軸の軸端に、一対の磁極が形成された磁石を配置する。この磁石と軸方向に対向して前記固定部材に大規模集積回路からなる磁気センサ５Ａ〜５Ｄを設ける。この磁気センサ５Ａ〜５Ｄの出力から前記回転軸の回転角度を検出する角度算出手段７を設けて回転角度検出装置を構成する。さらに、前記角度算出手段７で検出した回転角度θの時間変化から回転速度ωを算出する回転速度算出手段８、およびこの回転速度算出手段８の算出した回転速度ωの信号を出力する速度信号出力手段１１を設ける。
【選択図】 図７

Description

この発明は、各種の機器における回転角度検出、例えば小型モータの回転制御のための回転角度検出や、事務機器の位置検出のための回転角度検出、ロボットの関節角の検出等に用いられる回転角度検出装置、およびその回転角度検出装置を組み込んだ検出装置付き軸受に関する。

小型の機器に組み込み可能で、かつ高精度の回転角度検出が可能な回転角度検出装置として、磁気センサアレイを用いるものが提案されている（例えば特許文献１）。これは、、図９のように、磁気センサ素子（ＭＡＧＦＥＴ）を多数並べて構成した磁気センサアレイ３５を、信号増幅回路、ＡＤ変換回路、デジタル信号処理回路などの回路３６とともにセンサチップ３９に集積し、このセンサチップ３９を、回転側部材３１に配置される磁石３４に対向配置したものである。この場合、磁石３４は回転中心Ｏ回りの円周方向異方性を有するものとされ、前記センサチップ３９上では、仮想の矩形の４辺における各辺に沿って磁気センサアレイ３５が配置される。
このように構成された回転角度検出装置３３では、各辺の磁気センサアレイ３５の出力を信号増幅回路、ＡＤ変換回路で読み出して前記磁石３４の磁界分布を検出し、その検出結果に基づき磁石３４の回転角度をデジタル信号処理回路により算出する。
特開２００３−３７１３３号公報

上記構成の回転角度検出装置の動作では、磁界測定→角度計算→角度出力というサイクルを繰り返すので、そのサイクルに対応する一定時間間隔で角度データが出力されることになる。そこで、この回転角度検出装置を用いて回転体の回転速度を検出する場合、出力される角度データの変化量を測定時間間隔当たりで求めて、回転速度に換算する処理が必要になる。ところが、このような処理には計算回路、あるいはマイコンによる計算などが必要であり、外部回路を用意しなければならなかった。

この発明の目的は、外部回路を用いることなく、回転角度の他に回転速度も検出できる回転速度信号出力付き回転角度検出装置、およびこの回転角度検出装置を組み込んだ検出装置付き軸受を提供することである。

この発明の回転速度信号出力付き回転角度検出装置は、固定部材に対して回転自在な回転体の回転軸心端部に、一対の磁極が形成された磁石を配置し、この磁石と軸方向に対向して前記固定部材に大規模集積回路からなる磁気センサを設け、この磁気センサの出力から前記回転体の回転角度を検出する角度算出手段を設けた回転角度検出装置において、前記角度算出手段で検出した回転角度の時間変化から回転速度を算出する回転速度算出手段、およびこの回転速度算出手段の算出した回転速度の信号を出力する速度信号出力手段を設けたことを特徴とする。
この構成によると、磁気センサの出力に基づき角度算出手段が回転体の回転角度を検出し、角度算出手段で検出した回転角度の時間変化から回転速度算出手段が回転速度を算出する。その回転速度の信号を速度信号出力手段で出力する。このため、従来であれば別途設置したマイコンや計算処理回路などの外部回路を使用しないと検出できなっかた回転速度の情報を、一つの回転角度検出装置から回転角度の情報と共に出力することができ、利便性の高い検出装置とすることができる。

この発明において、前記大規模集積回路からなる磁気センサが磁気センサアレイであっても良い。磁気センサアレイであると、小型で精度の良い角度検出が行える。また、前記速度信号出力手段となるシリアル通信回路を有するものであっても良い。

この発明において、前記速度信号出力手段は、前記回転速度算出手段による算出結果である速度を、設定された上限値と下限値の範囲で変化するように変換するものとしても良い。この構成の場合、例えば、上限値設定によって回転速度５０００ｒｐｍを５Ｖの電圧に対応させ、下限値設定によって停止状態を０Ｖの電圧に対応させ、その間の値を線形に対応させるという変換が可能である。

この発明において、前記速度信号出力手段は、出力する回転速度の信号変換方式を、設定により線形変換と対数変換とに切替え可能としたものであっても良い。

この発明において、前記速度信号出力手段は、出力する回転速度の信号の形態を設定によって切替え可能なものであっても良い。この構成の場合、使用する環境や接続する機器に応じて、幅広く対応できる。

この発明において、前記速度信号出力手段は、出力する回転速度の信号の形態が、電圧出力、電流出力、およびＰＷＭ（パルス幅変調）出力のうちの少なくとも２種類であっても良い。
この構成の場合、例えば、電圧出力が選択されている場合には、回転速度に応じた電圧が出力されるため、タコジェネレータなどと同様な使い方が可能になる。また、回転角度検出装置の周辺環境にノイズ源が多い場合などにおいては、電流出力に設定すると、回転速度に応じて変化する電流が出力され、ノイズの影響を受けにくい信号形態となる。ＰＭＷ出力では、回転速度に応じて出力パルス幅が変化する信号出力となる。

この発明において、前記速度信号出力手段の変換または出力に係る設定を通信によって外部から行う外部設定手段を設けても良い。ここで言う「外部」は、速度信号出力手段に対する外部である。この構成の場合、前記速度信号出力手段の変換または出力に係る設定を通信によって外部から変更できるため、１つの回転角度検出装置で様々な用途に適応できる。

この発明において、前記外部設定手段の設定した内容を不揮発メモリに記憶する設定内容記憶手段を、前記磁気センサを構成する大規模集積回路の内部または外部に設け、前記設定内容記憶手段は、電源投入時に前記不揮発メモリの記憶内容を読み込んで前記回転速度算出手段または前記速度信号出力手段の設定内容として利用させるものとしても良い。 この構成の場合、外部設定手段の設定した内容を設定内容記憶手段の不揮発メモリに記憶させることで、一度設定された前記各設定値を、常にその状態で速度信号出力手段の設定内容として利用することができる。

この発明の検出装置付き軸受は、この発明の上記いずれかの構成の回転速度信号出力付き回転角度検出装置を軸受に組み込んだものである。
この構成によると、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。その場合に、回転角度検出装置は回転角度と回転速度を検出できるため、広範囲な用途に使用することができる。

この発明の回転速度信号出力付き回転角度検出装置は、固定部材に対して回転自在な回転体の回転軸心端部に、一対の磁極が形成された磁石を配置し、この磁石と軸方向に対向して前記固定部材に大規模集積回路からなる上記センサを設け、この上記センサの出力から前記回転体の回転角度を検出する角度算出手段を設けた回転角度検出装置において、前記角度算出手段で検出した回転角度の時間変化から回転角度を算出する回転速度算出手段、およびこの回転速度算出手段の算出した回転速度の信号を出力する速度信号出力手段を設けたため、外部回路を用いることなく、回転角度だけでなく回転速度も検出できる。
この発明の検出装置付き軸受は、この発明の回転速度信号出力付き回転角度検出装置を軸受に組み込んだため、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、広範囲な用途に使用することができる。

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速度信号出力付き回転角度検出装置を組み込んだ軸受の断面図を示す。この検出装置付き軸受２０は、内輪２１と外輪２２の転走面間に、保持器２３に保持された転動体２４を介在させた転がり軸受である。転動体２４はボールからなり、この転がり軸受２０は単列の深溝玉軸受とされている。内輪２１には回転体である回転軸１０が圧入状態に嵌合しており、外輪２２は軸受使用機器のハウジング（図示せず）に設置されている。

転がり軸受２０に組み込まれる回転速度信号出力付き回転角度検出装置１は、転がり軸受２０の内輪２１側に配置された磁石２と、外輪２２側に配置された回転センサ３とを備える。具体的には、内輪２１と共に回転する回転軸１０の回転軸心端部に、一対の磁極Ｎ，Ｓが形成された永久磁石２が配置され、外輪２２と固定関係にあるセンサ取付部材２７に回転センサ３が配置される。
磁石２は、図２に示すように、その一対の磁極Ｎ，Ｓから発生する磁気が転がり軸受２０の軸心Ｏの回りの方向性を有するものである。この磁石２は、転がり軸受２０の軸心Ｏが磁石２の中心と一致するように、回転軸１０の一端の中央に固定される。磁石２が回転軸１０と一体に回転することによって、上記軸受軸心Ｏの回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。

回転センサ３は磁石２の磁気を感知して回転角度と回転速度の情報を出力するセンサである。回転センサ３は、転がり軸受２０の軸心Ｏの軸方向に向けて磁石２と対面するように、センサ取付部材２７を介して外輪２２側に取付けられる。具体的には、外輪２２に前記センサ取付部材２７が取付けられ、このセンサ取付部材２７に回転センサ３が固定されている。センサ取付部材２７は、外周部の先端円筒部２７ａを外輪２２の内径面に嵌合させ、この先端円筒部２７ａの近傍に形成した鍔部２７ｂを外輪２２の幅面に係合させて軸方向に位置決めがなされている。また、センサ取付部材２７には、回転センサ３の出力を取り出すための出力ケーブル２９も取付けられている。

回転センサ３は、複数の磁気センサ素子を集積した集積回路であって、半導体チップに印加された磁界の方向または強度分布を検出することによって、磁石２の回転角度を検出するものである。図３に平面図で示すような磁気センサアレイを用いたものであってもよく、１つの半導体チップ４上に大規模集積回路を集積して構成される。その大規模集積回路は、磁気センサ５を構成する複数の磁気センサ素子５ａと、その磁気センサ素子５ａの出力から回転角度および回転速度を演算して出力する演算回路部６とからなる。半導体チップ４上において、磁気センサ素子５ａは、仮想の矩形上の４辺における各辺に沿って配置されて、４辺の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄとされる。この場合、前記矩形の中心Ｏ’は、転がり軸受２０の軸心Ｏに一致する。４辺の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄは、同図の例ではセンサ素子５ａが一列に並んだものとしているが、センサ素子５ａが複列に並行に並んだものであっても良い。前記演算回路部６は、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの矩形配置の内部に配置される。半導体チップ４は、その素子形成面が前記磁石２と対向するように前記センサ取付部材２７に固定される。

このように、半導体チップ４上に磁気センサ素子５ａと演算回路部６とを集積して一体化すると、磁気センサ素子５ａと演算回路部６間の配線が不要となり、回転センサ３のコンパクト化が可能で、断線等に対する信頼性も向上し、回転角度検出装置１の組み立て作業も容易になる。特に、上記したように矩形に配置された磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの内部に演算回路部６を配置すると、チップサイズをより小さくすることができる。

図４および図５は、前記演算回路部６における角度算出手段７（図７）による回転角度算出処理の説明図である。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、回転軸１０が回転している時の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄによる出力波形図を示し、それらの横軸は各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄにおける磁気センサ素子５ａを、縦軸は検出磁界の強度をそれぞれ示す。
いま、図４に示す位置Ｘ１とＸ２に磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの検出磁界のＮ磁極とＳ磁極の境界であるゼロクロス位置があるとする。この状態で、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力は、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す信号波形となる。したがって、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２は、磁気センサアレイ５Ａ，５Ｃの出力から直線近似することで算出できる。
角度計算は、次式（１）で行うことができる。
θ＝ｔａｎ^-1（２Ｌ／ｂ） ……（１）
ここでθは、磁石２の回転角度θを絶対角度（アブソリュート値）で示した値である。２Ｌは、矩形に並べられる各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄより構成される四角形の１辺の長さである。ｂは、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２間の横方向長さである。
ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２が磁気センサアレイ５Ｂ，５Ｄにある場合には、それらの出力から得られるゼロクロス位置データにより、上記と同様にして回転角度θが算出される。演算回路部６で算出された回転角度θは前記出力ケーブル２９、あるいは後述するシリアル通信回路１２（図７）により出力される。

図６は、回転センサ３が回転角度θを検出して出力する処理動作のサイクルを示すタイミングチャートである。その１サイクルの時間Ｔの前半の区間Ｔａにおいて、回転センサ３の磁気センサである磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄが回転側の磁石２の磁界をサンプリングし、その１サイクルの後半の区間Ｔｂにおいて、前記サンプリング値から演算回路部６の角度算出手段７（図７）が回転角度θを演算し出力する。このように、磁界のサンプリングは時間Ｔごとに繰り返し行われるので、各サンプリング値から算出される回転角度θも時間Ｔごとに出力される。

前記演算回路部６における回転速度算出手段８（図７）は、上記したように時間Ｔごとに出力される回転角度θのデータからその変化量を求めることで、磁石２、すなわち回転軸１０の回転速度を算出する。

図７は、回転センサ３の回路構成をブロック図で示したものである。磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄでサンプリングされた磁気データは、増幅・ＡＤ変換されて演算回路部６に入力される。演算回路部６における角度算出手段７は、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄによるサンプリング値に基づき、図４および図５に示した演算処理を行って回転角度θを算出する。
一方、演算回路部６における回転速度算出手段８は、時間Ｔ毎に前記角度算出手段７より毎回出力される回転角度θのデータをメモリ９に記憶し、そのデータの変化を演算して回転速度ωおよび回転方向を求める。その演算は以下のように行われる。
毎回のサンプリング回転角度θ（ｎ）が変化している場合には、連続したサンプリング間の変化角度から次式（２）のように回転速度ωを求めることができる。
ω＝｛θ（ｎ＋１）−θ（ｎ）｝／Ｔ ……（２）
ただし、θ（ｎ），θ（ｎ＋１）は、ｎ回目，（ｎ＋１）回目のサンプリングで求められた回転角度を表す。
回転速度が低く、毎回のサンプリングでは回転角度θ（ｎ）が変化しない場合には、数回〜数十回のサンプリング間での角度変化量から次式（３）のように回転速度ωを求めることができる。
ω＝｛θ（ｎ＋ｍ）−θ（ｎ）｝／ｍＴ ……（３）
ただし、θ（ｎ＋ｍ）は、（ｎ＋ｍ）回目のサンプリングで求められた回転角度を表す。
このようにして求められた回転速度ωのデータは、速度信号出力手段である出力回路１１に入力され、ここで所定の信号形態の回転速度信号に変換されて外部に出力される。その出力信号形態の設定は、回転センサ３の外部に設けられた外部設定手段２５からシリアル通信回路１２を経由して、設定内容記憶手段である設定メモリ１３に記憶させることで行われる。設定メモリ１３は不揮発メモリを有する。ここでは、シリアル通信回路１２が、半導体チップ４上に磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄと共に大規模集積回路として構成される演算回路部６の一部として設けられているが、シリアル通信回路１２は半導体チップ４の外部に設けても良い。

図８は、図７における出力回路１１の詳細を示すブロック図である。前記設定メモリ１３には、前記外部設定手段２５（図７）からシリアル通信回路１２を経由して、前記出力信号形態のほかに、速度上限設定値１４Ａ、速度下限設定値１４Ｂ、および図示しない変換計算方式の設定値（対数変換または線形変換などを指定する）が記憶されて、電源投入時にこれらの設定値が読み出されるように構成されている。これら速度上限設定値１４Ａ、速度下限設定値１４Ｂ、変換計算方式に応じて、出力回路１１の出力変換回路１５は、回転速度算出手段８（図７）から与えられる回転速度ωのデータを回転速度信号に変換する。出力される信号はデジタル信号であってもアナログ信号であっても良い。例えば、上限値設定１４Ａによって回転速度５０００ｒｐｍを５Ｖの電圧に対応させ、下限値設定１４Ｂによって停止状態を０Ｖの電圧に対応させ、その間の値を線形に対応させるという変換を行う。
変換された回転速度信号は、設定メモリ１３に設定された出力信号形態に応じて、スイッチ１９Ａ〜１９Ｃを選択的にオンさせ、電圧出力回路１６、電流出力回路１７、ＰＷＭ出力回路１８のいずれかを選ぶことにより、電圧出力、電流出力、ＰＷＭ出力の形態に切り換えられて外部に出力される。例えば、電圧出力が選択されている場合には、回転速度ωに応じた電圧が出力されるため、タコジェネレータなどと同様な使い方が可能になる。また、回転角度検出装置１の周辺環境にノイズ源が多い場合などにおいては、電流出力に設定すると、回転速度ωに応じて変化する電流が出力され、ノイズの影響を受けにくい信号形態となる。ＰＭＷ出力では、回転速度ωに応じて出力パルス幅が変化する信号出力となる。この場合、設定メモリ１３は不揮発メモリを有するものとされているので、一度設定された前記各設定値は、常にその状態で使用することができる。
また、この実施形態では、回転速度ωのデータを前記シリアル通信回路１２を通じて外部に出力するようにもしている。したがって、シリアル通信回路１２は出力回路１１とともに回転速度ωの信号を外部に出力する速度信号出力手段を構成することになる。

このように、この回転速度信号出力付き回転角度検出装置１では、角度算出手段７で検出した回転角度θの時間変化から回転速度ωを算出する回転速度算出手段８を設け、この回転速度算出手段８の算出した回転速度ωの信号を出力する速度信号出力手段２６を設けているので、従来であれば別途設置したマイコンや計算処理回路を使用しないと検出できなっかた回転速度ωの情報を、一つの回転角度検出装置１から回転角度θの情報と共に出力することができ、利便性の高い検出装置とすることができる。
また、この実施形態では、前記速度信号出力手段１１が、出力する回転速度ωの信号の形態を設定によって切替え可能なものとしているので、使用する環境や接続する機器に応じた出力形態で回転速度信号を取り出すことができ、用途に応じて幅広く対応できる。
また、前記速度信号出力手段１１の変換または出力に係る設定を通信によって外部から設定可能とする外部設定手段２５を設けているので、その設定を外部から容易に変更でき、１つの回転角度検出装置１で様々な用途に適応できる。

また、上記回転速度信号出力付き回転角度検出装置１を一体に組み込んだ検出装置付き軸受２０によると、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。その場合に、回転角度検出装置１は回転角度θと回転速度ωを検出できるため、広範囲な用途に使用することができる。

この発明の一実施形態に係る回転速度信号出力付き回転角度検出装置を組み込んだ検出装置付き軸受の断面図である。 同軸受における磁石固定部を示す拡大側面図である。 同軸受における回転センサの一例を構成する半導体チップの平面図である。 同回転センサの角度算出手段による角度算出処理の説明図である。 同回転センサにおける磁気センサアレイの出力を示す波形図である。 同回転センサが回転角度を検出して出力する処理動作のサイクルを示すタイミングチャートである。 同回転センサの回路構成を示すブロック図である。 図７における出力回路の詳細を示すブロック図である。 従来例の斜視図である。

符号の説明

１…回転速度信号出力付き回転角度検出装置
２…磁石
５…磁気センサ
５Ａ〜５Ｄ…磁気センサアレイ
７…角度算出手段
８…回転速度算出手段
１０…回転軸（回転体）
１１…速度信号出力手段
１２…シリアル通信回路
１３…設定メモリ（設定内容記憶手段）
２０…転がり軸受（検出装置付き軸受）
２５…外部設定手段
２７…センサ取付部材（固定部材）

Claims (10)

1. 固定部材に対して回転自在な回転体の回転軸心端部に、一対の磁極が形成された磁石を配置し、この磁石と軸方向に対向して前記固定部材に大規模集積回路からなる磁気センサを設け、この磁気センサの出力から前記回転体の回転角度を検出する角度算出手段を設けた回転角度検出装置において、
   前記角度算出手段で検出した回転角度の時間変化から回転速度を算出する回転速度算出手段、およびこの回転速度算出手段の算出した回転速度の信号を出力する速度信号出力手段を設けたことを特徴とする回転速度信号出力付き回転角度検出装置。
2. 請求項１において、前記大規模集積回路からなる磁気センサが磁気センサアレイである回転速度信号出力付き回転角度検出装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記速度信号出力手段となるシリアル通信回路を有する回転速度信号出力付き回転角度検出装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記速度信号出力手段は、前記回転速度算出手段による算出結果である速度を、設定された上限値と下限値の範囲で変化するように変換するものとした回転速度信号出力付き回転角度検出装置。
5. 請求項４において、前記速度信号出力手段は、出力する回転速度の信号変換方式を、設定により線形変換と対数変換とに切替え可能としたものである回転速度信号出力付き回転角度検出装置。
6. 請求項１または請求項２において、前記速度信号出力手段は、出力する回転速度の信号の形態を設定によって切替え可能なものである回転速度信号出力付き回転角度検出装置。
7. 請求項１または請求項２において、前記速度信号出力手段は、出力する回転速度の信号の形態が、電圧出力、電流出力、およびＰＷＭ出力のうちの少なくとも２種類である回転速度信号出力付き回転角度検出装置。
8. 請求項５または請求項６または請求項７において、前記回転速度算出手段または速度信号出力手段の変換または出力に係る設定を、通信によって外部から行う外部設定手段を設けた回転速度信号出力付き回転角度検出装置。
9. 請求項８において、前記外部設定手段の設定した内容を不揮発メモリに記憶する設定内容記憶手段を、前記磁気センサを構成する大規模集積回路の内部または外部に設け、前記設定内容記憶手段は、電源投入時に前記不揮発メモリの記憶内容を読み込んで前記回転速度算出手段または前記速度信号出力手段の設定内容として利用させるものとした回転速度信号出力付き回転角度検出装置。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の回転速度信号出力付き回転角度検出装置を軸受に組み込んだ検出装置付き軸受。

Images