JP3973983B2

JP3973983B2 - 回転検出装置および回転検出装置付き軸受

Info

Publication number: JP3973983B2
Application number: JP2002191594A
Authority: JP
Inventors: 祥二川人; 憲市岩本; 亨高橋
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2022-07-01
Also published as: JP2004037133A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、各種の機器における回転検出、例えば小型モータの回転制御のための回転検出や、事務機器の位置検出のための回転検出に用いられる回転検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンパクトで組み立てが容易な利点に着目して、回転センサを転がり軸受に内蔵したものがある。その例を図１１に示す。同図において、転がり軸受５１の回転輪５２にゴム製の磁気エンコーダ５４を固定し、静止輪５３に例えばホール素子等の磁気センサ５５を配置している。このような構成を採ることにより、回転パルス信号や回転方向を得ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の磁気エンコーダ５４を設けた構造では、転がり軸受５１のサイズが小さい小径軸受においては、磁気センサ５５を静止輪５３の外径寸法内に収容することが難しかったり、１回転での回転パルス数を５００以上確保できる程度の高精度な回転角度検出が難しいなどの欠点があった。
【０００４】
この発明の目的は、小型の機器に組み込みが可能で、かつ高精度な回転角度出力が可能な回転検出装置を提供することである。
この発明の他の目的は、小型化しても高精度な回転角度出力を得ることのできる回転検出装置付き軸受を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の回転検出装置は、回転側部材に配置され、回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段と、この磁気発生手段に回転中心の軸方向に対向して非回転側部材に配置され、上記磁気発生手段の磁気を検出する磁気ラインセンサと、この磁気ラインセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を算出する角度算出手段とを備えたものである。
回転側部材が回転すると、磁気発生手段と磁気ラインセンサとの相対回転により、磁気ラインセンサにおける各磁気センサ素子から、回転角度に応じた検出信号が出力される。角度算出手段は、磁気ラインセンサの出力から上記回転角度を算出する。すなわち、回転により、磁気ラインセンサにおける磁気センサ素子の並びで検出される磁気発生手段の磁界パターンが変化し、その変化によって角度が算出される。ライン状に並ぶ複数の磁気センサ素子で検出するため、僅かな回転角度の違いでも検出することができる。磁気センサ素子は小さな寸法のものがあり、高密度に配列することが可能である。このため、磁気発生手段が磁気エンコーダのような細分化されたものでなくても高分解能の角度検出が可能である。磁気発生手段が細分化されている必要がないため、小型化を図っても検出に必要な磁界強度の確保が容易である。これらのため、小型化を図っても、高精度な回転角度出力が可能で、したがって小型の機器への組み込みが可能になる。また、磁界パターンの変化で角度情報を取得できるため、軸合わせ不要となり、組み立てが容易である。さらに、角度情報は、温度変動や電源電圧変動の影響を受けにくい。なお、磁気発生手段につき、回転中心回りの円周方向異方性を有するとは、磁気発生手段が上記回転中心回りに回転することで、発生磁界のＮ磁極範囲とＳ磁極範囲の回転位置が変化する形状であることを言う。磁気発生手段の全体の外形は問わない。
【０００６】
上記磁気発生手段は、永久磁石、または永久磁石と磁性材とからなるものである。この場合に、磁気発生手段は一対の磁極のみを持つものであっても良い。また、上記角度算出手段は、上記磁気ラインセンサの出力から磁界分布のゼロクロスを検出して上記回転角度の算出を行うものとする。すなわち、上記磁気ラインセンサを構成する複数の磁気センサ素子の出力から、この磁気ラインセンサ上の磁界分布が、Ｎ極とＳ極間で変わる境界となる位置であるゼロクロス位置を求め、このゼロクロス位置から上記回転角度の算出を行うものとする。上記角度算出手段は、上記磁気ラインセンサの上記複数の磁気センサ素子の出力から直線近似で上記ゼロクロス位置の算出を行うものとしても良い。
磁気発生手段がこのように永久磁石、または永久磁石と磁性材とからなるものであると、回転側の部材の機械的構造がシンプルでかつ堅牢に構成できる。また角度算出手段を、磁界分布のＮ極とＳ極のゼロクロス位置から回転角度を算出するものとすることにより、検出される角度位置の精度を向上させることができる。
【０００７】
上記磁気ラインセンサは仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置し、各辺の磁気ラインセンサの個数を少なくとも１個以上としても良い。各辺の磁気ラインセンサは、１個であっても、複数個数が平行に設けられていても良い。
磁気ラインセンサを矩形の配置とすることで、９０度ずつずれた位相の検出信号が得られ、精度の良い角度検出が簡単な演算処理で可能になる。
【０００８】
このように矩形配置とする場合に、各辺に並べられる上記磁気ラインセンサの矩形の配置の内部に、上記角度算出手段を配置しても良い。この配置関係とすることにより、磁気ラインセンサの配置できない矩形内部を角度算出手段の配置箇所として有効に利用できて、磁気ラインセンサおよび角度算出手段の平面配置の効率が良く、コンパクトに配置することができる。
【０００９】
上記磁気ラインセンサと角度算出手段とは、一つの半導体チップ上に集積化しても良い。角度算出手段は、この半導体チップ上に形成された集積回路とする。このように、一つの半導体チップ上に磁気ラインセンサと角度算出手段とを集積すると、磁気ラインセンサと角度算出手段間の配線が不要となり、より一層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、回転検出装置の組み立て作業も容易になる。特に、複数の磁気ラインセンサの配置の内部、例えば上記矩形配置の内部に角度算出手段を配置した場合は、チップサイズをより小さくすることができる。
【００１０】
上記角度算出手段は、磁気ラインセンサの出力を増幅する増幅部と、その増幅されたアナログ出力をディジタル化するＡ／Ｄ変換部と、そのディジタル出力からノイズを除去する空間フィルタ部と、この空間フィルタ部の出力から磁界分布のゼロクロス位置を検出するゼロ検出部と、このゼロ検出部の出力から回転角度を算出する角度算出部とを有するものとしても良い。この構成とすることにより、回転角度出力をディジタル値で精度良く得ることができる。
【００１１】
上記角度算出手段は、回転角度の算出結果をパルス変換してパルス出力するものとしても良い。このように構成することにより、回転角度出力としてインクリメンタルな信号を出力することができる。
【００１２】
この発明の上記各構成の回転検出装置において、角度算出手段で算出された角度情報をワイヤレスで送信する送信器を磁気ラインセンサに隣接して設けても良い。ワイヤレスの送信器は、無線電波を用いるものであっても、光信号やその他の空間を電送可能な信号を用いるものであって良い。
ワイヤレスの送信器を用いれば、出力ケーブル無しで信号を取り出すことができる。また、この送信器を磁気ラインセンサに隣接して設けることにより、送信器付きのコンパクトな回転検出装置となる。
【００１３】
この発明の回転検出装置付き軸受は、この発明における上記いずれかの構成の回転検出装置を転がり軸受に内蔵したものである。その場合に磁気発生手段は、回転側部材である回転側軌道輪に配置する。磁気ラインセンサは、非回転側部材である静止側軌道輪に配置する。
このように、転がり軸受に回転検出装置を一体化することで、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、回転検出装置は、上記のように小型で高精度な回転角度出力が可能であるため、小径軸受等の小型の軸受においても、満足できる回転角度出力を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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原理構成を示す。回転側部材１および非回転側部材２は、相対的に回転する回転側および非回転側の部材のことである。この回転検出装置３は、回転側部材１に配置された磁気発生手段４と、非回転側部材２に配置された磁気ラインセンサ５と、この磁気ラインセンサ５の出力から磁気発生手段４の回転角度を算出する角度算出手段６とを備える。磁気ラインセンサ５は、磁気発生手段４に対して僅かな隙間を隔てて配置される。
【００１５】
磁気発生手段４は、発生する磁気が回転側部材１の回転中心Ｏの回りの円周方向異方性を有するものであり、永久磁石の単体、あるいは永久磁石と磁性材の複合体からなる。ここでは、磁気発生手段４は、１つの永久磁石７を２つの磁性体ヨーク８，８で挟んで一体化されたものとされて、概形が二叉のフォーク状とされ、一方の磁性体ヨーク８の一端がＮ磁極、他方の磁性体ヨーク８の一端がＳ磁極となる。磁気発生手段４をこのような構造とすることにより、シンプルでかつ堅牢に構成できる。この磁気発生手段４は、回転側部材１の回転中心Ｏが磁気発生手段４の中心と一致するように回転側部材１に取付けられ、回転側部材１の回転によって上記回転中心Ｏの回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。
【００１６】
磁気ラインセンサ５は磁気発生手段４の磁気を検出するセンサであって、回転側部材１の回転中心Ｏの軸方向に向けて磁気発生手段４と対向するように、非回転側部材２に配置される。ここでは、磁気ラインセンサ５は、図２のように仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置され、各辺のセンサ列５Ａ〜５Ｄにおける磁気センサ素子５ａの個数は少なくとも１個以上とされている。この場合、前記矩形の中心は、回転側部材１の回転中心Ｏに一致する。磁気ラインセンサ５の検出精度を上げるためには、各センサ列５Ａ〜５Ｄの個数は多いほどよく、例えば図３に示すように矩形の各辺に沿って磁気ラインセンサ５を複数列平行に配列して構成しても良い。このように構成される磁気ラインセンサ５は、非回転側部材２に取り付けられる一つの半導体チップ９の前記磁気発生手段４と対向する面上に形成される。半導体チップ９は、例えばシリコンチップである。
【００１７】
角度算出手段６は集積回路からなり、半導体チップ９上に、磁気ラインセンサ５と共に集積されている。角度算出手段６は、磁気ラインセンサ５の矩形配置の内部に配置される。これにより、磁気ラインセンサ５および角度算出手段６をコンパクトに配置することができる。
図４は、角度算出手段６をアブソリュート出力を得るものとした概念構成例である。この角度算出手段６は、磁気ラインセンサ５の出力を増幅する増幅部１１と、その増幅されたアナログ出力をディジタル化するＡ／Ｄ変換部１２と、そのディジタル出力からノイズを除去する空間フィルタ部１３と、この空間フィルタ部１３の出力から磁界分布のゼロクロス位置を検出するゼロ検出部１４と、このゼロ検出部１４の出力から磁気発生手段４の回転角度を算出する角度算出部１５とを有する。
【００１８】
図５は、空間フィルタ部１３のノイズ除去機能を説明する波形図である。そのうち、図５（Ａ）は磁気ラインセンサ５の出力波形を示す。同図において、横軸はセンサ列５Ａ〜５Ｄにおける各磁気センサ素子５ａの並び位置を示し、縦軸は磁界強度（例えば横軸より上方がＮ極，下方がＳ極）を示す。図５（Ａ）の波形からわかるように、磁気ラインセンサ５の出力はばらつきを持ったディジタル出力となっている。図５（Ｂ）はこの出力を周波数領域でスペクトラム表示したものであり、横軸は周波数を、縦軸は強度をそれぞれ示す。同図からわかるように、磁気ラインセンサ５の特性ばらつきは、本来の信号成分Ｐに対して、斜線で示すように高周波まで延びたノイズＱとして重畳する。空間フィルタ部１３は、磁気ラインセンサ５の出力に対して、図５（Ｃ）に示すようにディジタルフィルタＦを掛けることで、図５（Ｄ）に示すように前記ノイズＱを低減する。これにより、空間フィルタ部１３を経たセンサ出力は、図５（Ｅ）に示すようにセンサばらつきによるノイズの低減された波形となる。このような機能を有する空間フィルタ１３として、例えばくし形フィルタを使用することができる。
【００１９】
図６および図７は、角度算出部１５による角度算出処理の説明図である。図６（Ａ）〜（Ｄ）は、回転側部材１が回転している時の磁気ラインセンサ５の各センサ列５Ａ〜５Ｄによる出力波形図を示し、それらの横軸は各センサ列５Ａ〜５Ｄにおける磁気センサ素子５ａの並び位置を、縦軸は検出磁界の強度をそれぞれ示す。
いま、図７に示す位置Ｘ１とＸ２に磁気ラインセンサ５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、磁気ラインセンサ５の各センサ列５Ａ〜５Ｄの出力が、図６（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、センサ列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、磁気発生手段４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ラインセンサ５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がセンサ列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。
このように、磁界分布のゼロクロス位置から回転角度を算出するので、検出精度を向上させることができる。また、磁界パターンから角度情報を取得するので、回転検出装置３の軸合わせが不要となり、取付けが容易となる。
【００２０】
図８は、この実施形態の回転検出装置３を転がり軸受に組み込んだ例を示す。この転がり軸受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を介在させたものである。転動体２４はボールからなり、この転がり軸受２０は深溝玉軸受とされている。また、軸受空間の一端を覆うシール２５が、外輪２２に取付けられている。
回転軸１０が嵌合する内輪２１は、転動体２４を介して外輪２３に支持されている。外輪２３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。
【００２１】
内輪２１には、磁気発生手段取付部材２６が取付けられ、この磁気発生手段取付部材２６に磁気発生手段４が取付けられている。磁気発生手段取付部材２６は、内輪２１の一端の内径孔を覆うように設けられ、外周縁に設けられた円筒部２６ａを、内輪２１の肩部外周面に嵌合させることにより、内輪２１に取付けられている。また、円筒部２６ａの近傍の側板部が内輪２１の幅面に係合して軸方向の位置決めがなされている。
外輪２２にはセンサ取付部材２７が取付けられ、このセンサ取付部材２７に、図１の磁気ラインセンサ５および角度算出手段６の集積された半導体チップ９が取付けられている。また、このセンサ取付部材２７に、角度算出手段６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。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の位置決めがなされている。
【００２２】
このような構成において、磁気ラインセンサ５を構成する各磁気センサ素子５ａの検出サイズを例えば１０μｍ角とし、各センサ列５Ａ〜５Ｄの素子数を２００とすれば、各センサ列５Ａ〜５Ｄの長さは２．０mmとなり、磁気ラインセンサ５の寸法は２mm角程度に収まる。この大きさは、代表的な小径軸受（型番♯６０８）の外径寸法がφ２２mmであることを考えあわせれば、十分に小さな磁気ラインセンサ５と言える。
詳細は省略するが、１センサ列の素子数を２００程度とした磁気ラインセンサ５を用いれば、角度分解能が０．３°の回転検出装置３が実現できると考えられ、従来の磁気エンコーダ方式の分解能の３°より、格段に性能の向上が期待できる。
さらに、半導体チップ９に隣接して、図１に鎖線で示すように無線電波などのワイヤレス送信器３１や受信器（図示せず）を設ければ、上記した出力ケーブル２９を用いることなく、検出信号を取り出すことができる。
【００２３】
図９は、回転検出装置３における角度算出手段６の他の構成例を示すブロック図である。この角度算出手段６Ａは、図４の角度算出手段６における角度算出部１５の次段にパルス変換部１６を設け、角度算出部１５で得られた角度情報に基づき、インクリメンタルなパルス信号として検出信号を出力するようにしている。具体的には、１回転分の回転角度（３６０°）を、予め図１０のように、所定角度ごとに「０」区間（図１０で黒部分）と「１」区間（図１０で白部分）に区分してＲＯＭ等の記憶手段に書き込んでおく。角度算出部１５で得られる回転角度θを前記記憶手段のデータと照合して、その算出回転角度θが図１０の黒部分に相当するときは「０」を、白部分に相当するときは「１」をそれぞれ出力することにより、磁気発生手段４の回転に伴い、角度算出手段６Ａからインクリメンタルなパルス出力が得られる。
【００２４】
【発明の効果】
この発明の回転検出装置は、磁気発生手段と磁気ラインセンサとの組み合わせによって、小型・高精度の回転検出装置が実現できる。特に、磁気センサをラインセンサとすることで、少ないセンサ数で高精度が得られる。これらのため、小型の機器にも組み込みが可能なものとなる。
角度算出手段は、磁気ラインセンサの出力から磁界分布のゼロクロス位置を検出して角度を算出するものであるため、検出される角度位置の精度向上が期待できる。また、磁気ラインセンサを矩形に配置してその内部に角度算出手段を配置した場合は、空間効率良く各部品を配置することができて、よりコンパクトな構成となる。磁気ラインセンサと角度算出手段とを、一つの半導体チップ上に集積化した場合は、より一層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、回転検出装置の組み立て作業も容易になる。
この発明の回転検出装置付き軸受は、この発明の回転検出装置を内蔵したものであるため、小型化しても高精度な回転角度出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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示す斜視図である。
【図２】同回転検出装置における半導体チップ上での磁気ラインセンサおよび角度算出手段の配置例を示す平面図である。
【図３】同回転検出装置における磁気ラインセンサの他の構成例を示す平面図である。
【図４】同回転検出装置における角度算出手段を示すブロック図である。
【図５】角度算出手段における空間フィルタ部の機能説明図である。
【図６】磁気ラインセンサの出力を示す波形図である。
【図７】角度算出手段による角度算出処理の説明図である。
【図８】同回転検出装置を備えた転がり軸受の一例を示す断面図である。
【図９】角度算出手段の他の構成例を示すブロック図である。
【図１０】同角度算出手段におけるパルス変換部の処理を説明するための説明図である。
【図１１】従来例の断面図である。
【符号の説明】
１…回転側部材
２…非回転側部材
３…回転検出装置
４…磁気発生手段
５…磁気ラインセンサ
５Ａ〜５Ｄ…センサ列
６…角度算出手段
７…永久磁石
８…磁性体ヨーク
９…半導体チップ
１１…増幅部
１２…Ａ／Ｄ変換部
１３…空間フィルタ部
１４…ゼロ検出部
１５…角度算出部
１６…パルス変換部
２０…転がり軸受
Ｏ…回転中心

Claims

回転側部材に配置され、回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段と、この磁気発生手段に回転中心の軸方向に対向して非回転側部材に配置され、上記磁気発生手段の磁気を検出する磁気ラインセンサと、この磁気ラインセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を算出する角度算出手段とを備え、上記円周方向異方性を有する磁気発生手段が、永久磁石、または永久磁石と磁性材とからなり、上記角度算出手段は、上記磁気ラインセンサを構成する複数の磁気センサ素子の出力から、この磁気ラインセンサ上の磁界分布が、Ｎ極とＳ極間で変わる境界となる位置であるゼロクロス位置を求め、このゼロクロス位置から上記回転角度の算出を行うものとした回転検出装置。
請求項１において、上記角度算出手段は、上記磁気ラインセンサの上記複数の磁気センサ素子の出力から直線近似で上記ゼロクロス位置の算出を行うものとした回転検出装置。
請求項１または請求項２において、磁気ラインセンサを仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置し、各辺の磁気ラインセンサの個数を少なくとも１個以上とした回転検出装置。
請求項３において、各辺に並べられる磁気ラインセンサの矩形の配置の内部に上記角度算出手段を配置した回転検出装置。
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、磁気ラインセンサと角度算出手段とを、一つの半導体チップ上に集積化した回転検出装置。
請求項１ないし請求項５のいずれかにおいて、上記角度算出手段は、磁気ラインセンサの出力を増幅する増幅部と、その増幅されたアナログ出力をディジタル化するＡ／Ｄ変換部と、そのディジタル出力からノイズを除去する空間フィルタ部と、この空間フィルタ部の出力から磁界分布の前記ゼロクロス位置を検出するゼロ検出部と、このゼロ検出部の出力から回転角度を算出する角度算出部とを有するものとした回転検出装置。
請求項１ないし請求項６のいずれかにおいて、角度算出手段は、回転角度の算出結果をパルス変換してパルス出力するものとした回転検出装置。
請求項１ないし請求項７のいずれかにおいて、角度算出手段で算出された角度情報をワイヤレスで送信する送信器を磁気ラインセンサに隣接して設けた回転検出装置。
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の回転検出装置を内蔵した回転検出装置付き軸受。