JP2010169664A - 回転検出装置および回転検出装置付き軸受 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 この回転検出装置1は、同心のリング状に設けられ互いに磁極数が異なる複数の磁気エンコーダ2A,2Bと、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とを備える。各磁気センサ3A,3Bは、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し、センサ素子と、そのセンサ素子の検出した磁界信号からその位相を求めこれをABZ相信号として出力する位相検出手段13A,13Bとでなる。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を設け、この検出した位相差に基づいて磁気エンコーダの絶対角度を算出する角度算出手段7を設ける。
【選択図】 図7
Description
特許文献4では、複数の磁気センサの検出した磁気位相から絶対角度を算出する構成において、各々の検出した磁気位相信号を位相差検出回路に伝達するための信号形態についての説明がない。特に、複数の磁気センサが別々の素子として実装される場合、高精度な絶対角度検出を行うためには、検出した磁界信号の位相を、ノイズで乱されることなく、少ない配線で正確に伝達することが、絶対角度検出には必要である。特許文献4には、このような各々の磁気センサが検出した磁界信号の位相を位相差検出回路に伝達する信号形態について開示がない。
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。
この構成によると、各磁気センサの検出した磁界信号の位相をアナログ信号でなくABZ相信号として位相差検出手段に伝送する。そのため、ノイズに強く高速な伝達が可能で、配線の本線も少なくて済む。特に、前記複数の磁気センサが別々の素子としてに実装されている場合に、磁気センサから前記位相差検出手段への磁界信号の伝送に、ノイズに強く高速な伝達が可能という利点がより効果的に発揮される。また、シリアル通信と異なり、通信プロトコルのオーバーヘッドがないため、回転情報を最小時間で伝送することができる。その結果、ノイズに強く高速回転時でも精度良く絶対角度を検出できる回転検出装置とすることができる。
前記インデックス信号を生成するための位相ずれパターンが、複数のトラックにおける全ての磁極対に形成され、磁極対毎にZ相信号を出力するように構成されたものであっても良い。この場合、磁気センサそのものが磁極内位相を検出してABZ信号を出力できる構成と等価になる。
この構成の場合、ABZ相信号外部出力手段により外部に出力されたABZ相信号を用いて回転速度などの検出を行うことができる。
磁気センサをこのような構成とすると、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検出が可能となる。
磁気センサのセンサ素子をこのようにラインセンサで構成した場合、磁界パターンの歪みやノイズの影響が低減されて、より高い精度で磁気エンコーダの位相を検出することが可能である。
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。
この発明の回転検出装置付き軸受は、この発明の上記構成の回転検出装置を軸受に搭載したものであるため、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る。
なお、複数の磁気エンコーダ2A,2Bは、ラジアルタイプおよびアキシアルタイプのいずれにおいても、必ずしも隣接して配置されていなくても良く、一体に回転可能であれば、互いに離れて配置されていても良い。
上記複数の磁気センサ3A,3Bは、別々の素子として、つまり個別にパッケージされた形態で設けられて配線基板(図示せず)や他の手段に実装され、前記位相差検出手段6と、配線基板の配線または独立した配線で接続されている。
なお、図6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6(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6(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6(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。
このように、後段の位相差検出手段6などを経ずに位相検出回路13Aから外部にABZ相信号を出力させると、このABZ相信号を回転部材4の回転速度検出などにそのまま利用することができる。
回転パルス信号生成手段17は、前記角度算出手段12で算出した磁気位相に基づきABZ相信号を生成する手段である。図9(A),(B)には、回転パルス信号生成手段17が生成する2つのパルス信号(A相信号,B相信号)の波形図を示す。図9(C)には、回転パルス信号生成手段17が生成するZ相信号の波形図を示す。
絶対角度出力モード実行手段15は、磁気センサ3A,3Bの電源オンの直後、および磁気センサ3A,3Bの出力を受ける位相差検出手段6からの要求信号(request信号)
に応じて前記絶対角度出力モードの出力動作を実行する。図9(F)には、位相差検出手段6から出力される要求信号(request信号) の波形図を示す。磁気センサ3A,3Bは
、電源オンの直後に電源オン信号を出力し、この電源オン信号が絶対角度出力モード実行手段15に入力される。
・回転部材が停止している場合
位相差検出手段6から磁気センサ3A,3Bの位相検出回路13A,13Bにおける角度情報出力回路20に、図9(F)のように絶対角度出力の要求信号(request)が入力
されると、これに呼応して絶対角度出力モード実行手段15が動作可能となり、モード実行信号生成手段16から図9(D)のように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)が生成され、回転パルス信号生成手段17から図9(A),(B),(C)のように各回転パルス信号(A,B,Z)が生成される。各信号の生成順序としては、先ずABS_mode信号が1となり、その後インデックス信号(Z相信号)が出力され、さらに遅れて2つの回転パルス信号(A相信号,B相信号)が出力される。この場合のインデックス信号(Z相信号)は、磁気センサ3A,3Bの零相とは無関係に出力される。
また、回転パルス信号生成手段17が、A相信号およびB相信号として合計Qnカウント分のパルス数を出力すると、モード実行信号生成手段16の生成するABS_mode信号が0となり、絶対角度出力モードが終了する。その結果、位相差検出手段6のポジションカウンタ18A,18Bの計数値は、絶対角度出力モードが終了すると、磁気センサ3A,3Bが検出している現在の磁界位相の絶対値Qnを示す。
したがって、絶対角度出力モード動作中(ABS_mode=1)に回転パルス信号生成手段17から出力されるA相信号およびB相信号を計数することにより、位相差検出手段6のポジションカウンタ18A,18Bに絶対位相データQnが転送されることになり、別途シリアル通信手段を設けることなく、ABZ相信号を用いて磁界位相情報を位相差検出手段6に向けて出力することができる。
気センサ3A,3Bにおける位相検出回路13A,13Bの角度情報出力回路20に入力することによって、絶対角度出力モード実行手段15を絶対角度出力モードとする場合を示したが、磁気センサ3A,3Bが電源オンとなったときにも、初期化動作の一部として絶対角度出力モード実行手段15が絶対角度出力モードとされる。この場合、磁気センサ3A,3Bから出力される電源オン信号が前記要求信号(request)に代わって、絶対角
度出力モードのタイミング信号となる。
この場合にも、磁気センサ3A,3Bの電源がオンになると、磁気センサ3A,3Bの検出する現在の磁界位相に相当するパルス数のAB相信号が出力されるため、この信号を受信する位相差検出手段6に現在の磁界位相情報が伝えられることになる。位相差検出手段6がリセットされた場合や、位相差検出手段6の起動時間が長くかかり電源オン直後のAB相信号を正確に受信できない場合には、位相差検出手段6から磁界位相情報の出力を要求する要求信号(request)を改めて磁気センサ3A,3Bにおける位相検出回路13
A,13Bの角度情報出力回路20に入力し、再度絶対角度検出モードを実行させることにより、現在の磁界位相情報を位相差径手段6に転送することが可能になる。
この場合も、位相差検出手段6から磁気センサ3A,3Bにおける位相検出回路13A,13Bの角度情報出力回路20に、図10(F)のように絶対角度出力の要求信号(request)が入力されると、これに呼応して絶対角度出力モード実行手段15が動作可能となり、モード実行信号生成手段16から図10(E)のように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、回転パルス信号生成手段17から図9(B),(C),(D)のように各回転パルス信号(A,B,Z相信号)が生成される。
位相差検出手段6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18A,18Bがリセットされ、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18A,18Bが計数する。A相信号およびB相信号のパルス出力が、図10(A)のように一旦現在の磁界位相に達すると、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、回転部材の回転に伴い磁気センサ3A,3Bで検出される磁界位相の変化に応じた回転パルス信号(ABZ相信号)が出力される。これにより、パルスを計数することで各磁気センサ3A,3Bの検出する磁界位相を知る位相差検出手段6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磁界位相情報を常に取得している状態となる。
応じて、絶対角度出力モード実行手段15が絶対角度出力モードによる出力を実行するものとしているので、位相差検出手段6の状態に応じて磁界位相情報を出力することができ、位相差の演算を余裕を持って行うことができる。
この場合、図11に示すように、受信側回路44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(request)が入力されると、これに呼応して角度情報出力回路1
0における絶対角度出力モード実行手段45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46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47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44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48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48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)を角度算出手段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44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。
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。
また、図7の最上部に示したパルス出力のように、一方の磁気センサ3A(または3B)の検出した位相信号(絶対角度出力モード以外は回転パルスと等価)を出力すれば、角度計算による内部遅延なく回転信号を出力できるため、高速回転にも対応した角度センサが実現できる。
・位相信号の伝達にアナログ信号を用いないため、ノイズに強い。
・電源ON直後に、各センサ3A,3Bの検出した磁気位相を絶対角度出力モードで出力するため、余分な配線を用意することなく磁気位相のデータを伝送することができる。
・一旦絶対角度(位相)データを出力した後は、回転に応じたABZ信号を出力するため、検出位相信号を高速に伝達可能で、検出遅れもほとんど発生せず、高精度な絶対角度検出が可能。
その場合、例えば、2つの磁気センサ素子3A1,3A2により得られる2相のアナログ信号(sinφ,cosφ)等を別途利用して磁極内位相を求めて記憶する。その後、出力されるAB信号の積算によりポジションカウンタ18A,18Bを動作させ、角度検出を継続することができる。
しかし、ノイズ等の影響でポジションカウンタ18A,18Bが誤動作(誤カウント)することがあると、その誤差を修正する機会がなく、検出誤差が滞留してしまう。
トラック2Aiにおける、位相検出用のトラック2Amに対して前記の磁極遷移位置が変わる部分のパターンZPが、インデックス信号を生成するための「位相ずれパターン」となる。
磁気センサ3Am,3Aiは、トラック2Am、トラック2Aiにそれぞれ微小のギャップを介して対向する。これら磁気センサ3Am,3Aiのうち磁気センサ3Aiは、前記磁極遷移位置のずれを検出してインデックス信号を出力する。インデックス位置P1がn個等間隔に形成される場合、磁気エンコーダ1回転あたりn個のインデックス信号を出力し得る。
前記インデックス位置P1は、前記のように円周方向一定間隔で形成されても良いし、複数のトラック2Am,2Aiにおける全ての磁極対に形成されていても良い。インデックス位置P1が全ての磁極対に形成された場合、磁気センサそのものが磁極内位相を検出してABZ信号を出力できる構成と等価になる。
また、回転体の高速回転時に、磁極数の異なる両方の磁気エンコーダ2A,2Bの信号から絶対角度を計算すると、構成によっては遅延時間が問題となる場合がある。しかし、インデックス信号が一定位置で出力されていれば、絶対角度の計算が終わるのを待たずに、前記インデックス信号を用いた処理を実行することも可能になる。よって、高速回転時における応答性を高める効果もある。
位相差検出手段6は、前記インデックス信号を受信したタイミングでポジションカウンタ18A,18Bを規定の値に設定する動作を行うようにしても良い。
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60はセンサハウジング59を貫通して外部に引き出され、このリード線60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。
2A,2B…磁気エンコーダ
3A,3B…磁気センサ
3A1,3A2,3B1,3B2…磁気センサ素子
3AA,3AB…ラインセンサ
6…位相差検出手段
7…角度算出手段
10…角度情報出力回路
13A,13B…位相検出回路
50…回転検出装置付き軸受
51…転がり軸受
Claims (14)
- 同心のリング状に設けられ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を備え、前記各磁気センサは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したものである回転検出装置であって、
前記各磁気センサは、複数のセンサ素子と、そのセンサ素子の検出した磁界信号からその位相を求めこれを互いに90°位相の異なるA相およびB相のパルス信号A,Bおよび原点位置を示すZ相のパルス信号Zを含むABZ相信号として出力する位相検出手段とを有するものとし、この位相検出手段の出力から前記各磁界信号の位相差を求める位相差検出手段と、この検出した位相差に基づいて磁気エンコーダの絶対角度を算出する角度算出手段とを設けたことを特徴とする回転検出装置。 - 請求項1において、磁極数が異なる複数の磁気エンコーダのうち、少なくとも一方の磁気エンコーダが複数のトラックで形成され、これらトラックの特定の位置にインデックス信号を生成するための位相ずれパターンが形成されている回転検出装置。
- 請求項2において、前記インデックス信号を生成するための位相ずれパターンが、磁気エンコーダ間の磁極対数の差nと等しい個数だけ等間隔に形成され、前記磁気エンコーダの1回転あたりにn個(nは自然数)のZ相信号を出力するように構成された回転検出装置。
- 請求項2において、前記インデックス信号を生成するための位相ずれパターンが、複数のトラックにおける全ての磁極対に形成され、磁極対毎にZ相信号を出力するように構成された回転検出装置。
- 請求項1において、前記複数の磁気センサが個別にパッケージされた形態で実装され、前記位相差検出手段と配線で接続されている回転検出装置。
- 請求項1または請求項5において、前記位相検出手段は、前記磁界信号の位相を絶対角度で出力する絶対角度出力モードと、上記A相およびB相のパルス信号A,Bのみを出力するモードとに切換えて出力可能な絶対角度出力モード実行手段を有する回転検出装置。
- 請求項1ないし請求項6のいずれ1項において、前記位相検出手段の出力するABZ相信号のうち、少なくとも1組の信号を、この回転検出装置に対する外部に出力するABZ相信号外部出力手段を設けた回転検出装置。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか1項において、前記磁気センサが、互いに磁極ピッチ内で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相の信号出力を得られるものであって、磁極内における位置を、前記出力信号を用いた内挿演算処理で検出するものである回転検出装置。
- 請求項8において、前記複数のセンサ素子は2個であって、互いに、前記磁極ピッチで90°離れた位置に配置されている回転検出装置。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか1項において、前記磁気センサが、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を有し、sin ,cos の2相の信号出力を演算によって生成して、磁極内における位置を、前記出力信号を用いた内挿演算処理で検出するものである回転検出装置。
- 請求項1ないし請求項10のいずれか1項において、前記角度算出手段で算出された絶対角度情報をABZ相信号として出力する角度情報出力手段を設けた回転検出装置。
- 請求項1ないし請求項11のいずれか1項において、前記磁気エンコーダが外周面に各磁極を有し、前記磁気センサの前記磁気センサ素子が、磁気エンコーダに対してラジアル方向に対面する回転検出装置。
- 請求項1ないし請求項12のいずれか1項において、前記磁気エンコーダが軸方向面に各磁極を有し、前記磁気センサの前記磁気センサ素子が、磁気エンコーダに対してアキシアル方向に対面する回転検出装置。
- 請求項1ないし請求項13のいずれか1項に記載の回転検出装置を軸受に組み込んだ回転検出装置付き軸受。
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