JP6996995B2

JP6996995B2 - 回転角検出装置

Info

Publication number: JP6996995B2
Application number: JP2018017497A
Authority: JP
Inventors: 孝誌小池; 靖之福島; 勇介澁谷
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: JP2019132808A

Description

本発明は、各種の機器における回転角度を検出可能な回転角検出装置に関する。

特開２００９－０８００５８号公報（特許文献１）には、同心のリング状に設けられた互いに磁極数が異なる２つの磁気エンコーダと、各磁気エンコーダの磁界をそれぞれ検出する２つの磁気センサとを備えた回転検出装置が開示されている。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。各磁気センサの検出した磁界信号の位相差が求められ、当該位相差に基づいて磁気エンコーダの絶対角度が算出される。

特開２００９－０８００５８号公報

特開２００９－０８００５８号公報に開示された回転検出装置では、絶対角度を精度良く検出するために、磁気エンコーダと磁気センサとの隙間が小さく設定される。そのため、磁気センサが実装された回路基板における磁気センサ付近の領域と磁気エンコーダとの距離が小さく、当該領域に背の高い電子部品を実装することができない。したがって、背の高い電子部品の実装領域を確保するために、回路基板が大型化する必要がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、磁気センサおよび電子部品を実装するための回路基板の大型化を抑制できる回転角検出装置を提供することである。

本開示のある局面に係る回転角検出装置は、回転軸と、回転軸を回転自在に支持するハウジングと、回転軸に固定される磁気エンコーダと、回転軸の一方端面と対向して設けられ、ハウジングに支持される回路基板とを備える。磁気エンコーダは、回転軸に直交する平面に沿ってリング状にＮ極およびＳ極が交互に着磁された少なくとも１つの磁気トラックを含む。少なくとも１つの磁気トラックにおける回路基板側の表面は、回転軸の一方端面よりも回路基板側に突出する。回路基板には、少なくとも１つの磁気トラックに対向し、少なくとも１つの磁気トラックの磁界を検出する磁気センサと、回転軸の一方端面に対向し、磁気センサの検出信号を処理する電子部品とが実装される。

好ましくは、回転軸の一方端面には凹部が形成される。電子部品は、凹部に対向するように回路基板に実装される。

好ましくは、少なくとも１つの磁気トラックは、第１磁気トラックと第２磁気トラックとを含む。第１磁気トラックの磁極対数と第２磁気トラックの磁極対数との差は１極対である。

好ましくは、電子部品は、検出信号を、検出信号の仕様とは異なる仕様の信号に変換して出力する処理を行なう。

本開示の回転角検出装置によれば、磁気センサおよび電子部品を実装するための回路基板の大型化を抑制できる。

実施の形態に係る回転角検出装置の一例を示す断面図である。図１に示す回転角検出装置が備える磁気エンコーダ付近の拡大断面図である。磁気エンコーダを示す断面図である。磁気エンコーダを示す平面図である。回路基板に実装される電子部品によって構成される機能ブロックの一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、実施の形態に係る回転角検出装置の一例を示す断面図である。図２は、図１に示す回転角検出装置が備える磁気エンコーダ付近の拡大断面図である。図１に示されるように、回転角検出装置１は、回転軸２と、軸受９と、ハウジング３１と、磁気エンコーダ５と、回路基板７とを備える。

回転軸２は、段付軸である。回転軸の大径部２ａは、一対の軸受９によって回転自在に支持されている。大径部２ａの外周面の中間には環状の突部２ｂが設けられている。突部２ｂは、一対の軸受９に予圧をかけた状態で一対の軸受９の内輪間に挟み込まれている。一対の軸受９の外輪間には薄肉の外輪間座１０が挟み込まれている。一対の軸受９の各々は、たとえばシール付きの深溝玉軸受等から構成される。

ハウジング３１は、回転軸２の一部を収容するとともに、一対の軸受９の外輪を固定する。ハウジング３１は、ハウジング本体３とハウジング蓋４とを含む。

ハウジング本体３は筒状である。ハウジング本体３の一方の開口部３ａの口径は、他方の開口部３ｂの口径よりも小さい。ハウジング本体３の内面は、回転軸２に直交する環状の平面３ｃと、回転軸２と同軸の内周面３ｄとを含む。平面３ｃは開口部３ａに隣接する。内周面３ｄは、平面３ｃに隣接し、平面３ｃよりも開口部３ｂ側に位置する。内周面３ｄの内径は、開口部３ｂの口径よりも小さく、軸受９の外輪の外径よりも僅かに大きい。一対の軸受９は、開口部３ｂから差し込まれ、内周面３ｄの内側に収容される。

ハウジング蓋４は、軸受９がハウジング本体３の内周面３ｄの内側に収容された状態で、ハウジング本体３の開口部３ｂを閉じるように、ボルト１４によってハウジング本体３に装着される。このとき、ハウジング蓋４は、回転軸２における軸方向の一方端面２ｃを覆う。ハウジング蓋４とハウジング本体３との間にはＯリング１３が配置される。さらに、ハウジング蓋４と一対の軸受９のうちハウジング蓋４側の軸受９の外輪との間に、断面Ｌ字形状のスペーサ１１が配置される。ハウジング蓋４がボルト１４によってハウジングに装着されると、一対の軸受９は、ハウジング蓋４およびスペーサ１１によってハウジング本体３の平面３ｃに押し付けられる。これにより、一対の軸受９がハウジング本体３内に固定される。その結果、ハウジング３１は、一対の軸受９を介して、回転軸２を回転自在に支持する。なお、スペーサ１１を省略し、ハウジング蓋４が軸受９の外輪に直接接触してもよい。

一対の軸受９がハウジング３１内に固定されると、一対の軸受９に支持された回転軸２の小径部２ｄは、ハウジング本体３の開口部３ａから突出する。開口部３ａ内にはオイルシール１６ａが設けられ、開口部３ａの外側にはスリンガ１６ｂが配置される。

回路基板７は、たとえばガラスエポキシ系の平らな円板状のプリント基板であり、回転軸２の一方端面２ｃと対向して設けられ、ハウジング蓋４に支持される。回路基板７の表面は、主平面７ａと主平面７ａの裏側の平らな裏面７ｂとを含む。主平面７ａと裏面７ｂとは平行である。ハウジング蓋４における回転軸２側の面には平面視円形状の凹部４ａが形成され、凹部４ａ内に回路基板７が配置される。このとき、回路基板７の主平面７ａが回転軸２の一方端面２ｃと対向し、回路基板７の裏面７ｂが凹部４ａの底面に接する。平面視円形状の凹部４ａは、回転軸２と同軸になるように加工される。回路基板７の直径は、凹部４ａの直径よりも僅かに小さい。そのため、回路基板７は、微小な隙間を介して凹部４ａに収まる。回路基板７は、ねじ８によりハウジング蓋４に支持される。

磁気エンコーダ５は、回転軸２に固定される。具体的には、磁気エンコーダ５は、回転軸２における回路基板７側の一方端部２ｆ（図１参照）の外周面にリング部材１２を介して固定される。なお、リング部材１２を省略し、回転軸２の一方端部２ｆの外周面に圧入等で磁気エンコーダ５を直接固定してもよい。回転軸２が一対の軸受９によって支持されるため、磁気エンコーダ５は、回転軸２に作用する外乱にほとんど影響されず、安定して回転する。

図３は、磁気エンコーダを示す断面図である。図４は、磁気エンコーダを示す平面図である。図３および図４に示されるように、磁気エンコーダ５は、芯金５ａと、２列の磁気トラック５ｂ１，５ｂ２とを含む。なお、以下では、磁気トラック５ｂ１，５ｂ２を特に区別しない場合、磁気トラック５ｂ１，５ｂ２の各々を「磁気トラック５ｂ」という。

芯金５ａは、環状の薄板を断面Ｌ字形状にプレス成形することにより得られる。芯金５ａの内周面は、リング部材１２を介して回転軸２に固定される。芯金５ａのフランジ部分は、回転軸２の半径方向外側に突出している。

磁気トラック５ｂは、芯金５ａにおける回転軸２に直交する平面に沿ってリング状にＮ極およびＳ極が交互に着磁されている。リング状の磁気トラック５ｂは、回転軸２と同軸であり、回転軸２の半径方向外側に突出している。磁気トラック５ｂは、磁性材料を混練した未加硫のゴム材料を加硫接着させたゴム磁性体であり、芯金５ａのフランジ部分の回路基板７側の表面上に形成される。磁気トラック５ｂ２は磁気トラック５ｂ１の内側に位置する。磁気トラック５ｂ１の磁極対数と磁気トラック５ｂ２の磁極対数との差は１極対であり、たとえば磁気トラック５ｂ１が６４極対を有し、磁気トラック５ｂ２が６３極対を有する。磁気トラック５ｂ１は角度算出のための基準となる主トラックであり、磁気トラック５ｂ２は位相位置を検出ための副トラックである。

図２に示されるように、磁気トラック５ｂにおける回路基板７側の表面５ｃは、回転軸２の一方端面２ｃよりも回路基板７側に突出する。

回路基板７には、磁気センサ６と複数の電子部品２０とが実装される。磁気センサ６と複数の電子部品２０とは、回路基板７における回転軸２側の主平面７ａにのみ実装され、裏面７ｂには実装されない。これにより、回転角検出装置１の大型化が抑制される。

さらに、回路基板７には、磁気センサ６および複数の電子部品２０とに電気的に接続されるケーブル１５が接続される。ケーブル１５の先端は、回路基板７における回転軸２の一方端面２ｃと対向する領域において裏面７ｂから主平面７ａに向けて貫通する。ケーブル１５の先端は、主平面７ａにおいて、配線回路を介して、磁気センサ６と複数の電子部品２０とに接続される。ケーブル１５は、ハウジング蓋４の凹部４ａの底面に形成された貫通孔４ｂを通って外部に引き出される。貫通孔４ｂには樹脂材料が充填される。

回路基板７の表面に結露や軸受９のグリースが付着しても問題とならないように、撥油および撥水作用を有する撥液剤が回路基板７および電子部品２０の表面に塗布されていてもよい。もしくは、回路基板７に実装された電子部品２０の表面が合成樹脂等によりモールド処理されていてもよい。合成樹脂としては、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。

磁気センサ６は、回路基板７における磁気トラック５ｂに対向する位置に実装され、磁気トラック５ｂ１と磁気トラック５ｂ２との磁束をそれぞれ検出する。上述したように、回路基板７が収まる凹部４ａと回転軸２とが同軸であり、かつ、リング状の磁気トラック５ｂと回転軸２とが同軸であるため、磁気トラック５ｂと磁気センサ６とを容易に位置合わせできる。磁気センサ６の表面は、磁気トラック５ｂの表面から微小な隙間（たとえば０．４ｍｍ程度）だけを空けて離間される。これにより、磁気センサ６による磁気トラック５ｂの磁束の検出精度が高くなる。さらに、上述したように、回転軸２が一対の軸受９によって支持されるため、磁気エンコーダ５は、回転軸２に作用する外乱にほとんど影響されず、安定して回転する。そのため、磁気トラック５ｂと磁気センサ６との微小な隙間を一定に保つことができ、磁気トラック５ｂの磁束の検出精度が一層高くなる。

磁気センサ６は、磁気トラック５ｂ１の磁極対数と磁気トラック５ｂ２の磁極対数との差が１極対であることを利用して、磁気エンコーダ５の絶対角度（回転軸２の絶対角度）を検出し、検出結果を示す検出信号を出力する。磁気トラック５ｂ１が６４極対であり、磁気トラック５ｂ２が６３極対である場合、回転軸２の１回転あたり１８ｂｉｔ程度の分解能（０．００１４度）で角度を検出することができる。これにより、組み立て誤差を考慮しても、角度精度±０．１度以下での測定が可能である。

電子部品２０は、磁気センサ６の検出信号を処理する。電子部品２０は、回路基板７の主平面７ａにおける回転軸２の一方端面２ｃに対向する位置に実装される。図２に示されるように、磁気トラック５ｂにおけるハウジング蓋４側の表面５ｃが回転軸２の一方端面２ｃよりもハウジング蓋４側に突出しているため、磁気トラック５ｂの内径側領域１７における回路基板７と一方端面２ｃとの距離は、回路基板７と磁気トラック５ｂの表面５ｃとの距離よりも長い。そのため、磁気センサ６よりも背の高い電子部品２０を回路基板７に実装することができる。

さらに、回転軸２の一方端面２ｃには凹部２ｅが形成される。これにより、回路基板７と凹部２ｅの底面との距離は、回路基板７と一方端面２ｃとの距離よりも長くなる。そのため、回路基板７における凹部２ｅと対向する位置には、より背の高い電子部品２０を実装することができる。

図５は、回路基板７に実装される電子部品２０によって構成される機能ブロックの一例を示す図である。図５に示す例では、回路基板７には、磁気センサ６から出力される検出信号に演算処理を行なう演算処理部１８と、検出信号の仕様とは異なる仕様の信号を出力する出力部１９とを構成する電子部品が実装される。演算処理部１８は、シリアル通信仕様の検出信号を、別の仕様の信号（たとえばＣＡＮ（Controller Area Network）信号、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号、アナログ信号）に変換する処理を行なう。出力部１９は、演算処理部１８によって変換された信号（たとえばＣＡＮ信号、ＰＷＭ信号、アナログ信号）を出力する。磁気センサ６から出力される検出信号を外部に出力する場合であれば回路基板７に実装される電子部品２０の個数は少ないが、演算処理部１８および出力部１９を構成する電子部品２０の個数は多くなる。さらに、演算処理部１８および出力部１９は、たとえばワンチップマイコン、電解コンデンサ、保護回路素子などの背の高い電子部品２０によって構成される。図１および図２に示す回転角検出装置１であれば、このような背の高い複数の電子部品２０を回路基板７に実装することができる。

上記の説明では、磁気トラック５ｂ１の磁極対数と磁気トラック５ｂ２の磁極対数との差を１極対としたが、２以上の極対であってもよい。また、磁気エンコーダ５の相対位置を検出する場合には、磁気エンコーダ５が１列の磁気トラック５ｂのみを含み、磁気センサ６として逓倍処理が可能なものを用いてもよい。

また、回路基板７に実装される電子部品２０の個数は、特に限定されるものではなく、１つであってもよいし、２以上であってもよい。

以上のように、実施の形態に係る回転角検出装置１は、回転軸２を回転自在に支持するハウジング３１と、回転軸２に固定される磁気エンコーダ５と、回転軸２の一方端面２ｃを覆うようにハウジング３１に支持される回路基板７とを備える。磁気エンコーダ５は、回転軸２に直交する平面に沿ってリング状にＮ極およびＳ極が交互に着磁された少なくとも１つの磁気トラック５ｂを含む。磁気トラック５ｂにおけるハウジング蓋４側の表面５ｃは、一方端面２ｃよりもハウジング蓋４側に突出する。回路基板７には、磁気トラック５ｂに対向し、磁気トラック５ｂの磁界を検出する磁気センサ６と、一方端面２ｃに対向し、磁気センサ６の検出信号を処理する電子部品２０とが実装される。

上記の構成によれば、回路基板７と一方端面２ｃとの距離は、回路基板７と磁気トラック５ｂの表面５ｃとの距離よりも長い。そのため、回路基板７における一方端面２ｃに対向する位置に、磁気センサ６よりも背の高い電子部品２０を実装することができる。回路基板７における一方端面２ｃに対向する位置は、回路基板７における磁気トラック５ｂに対向する位置の内径側である。その結果、磁気センサ６および電子部品２０を実装するための回路基板７の大型化を抑制できる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１回転角検出装置、２回転軸、２ａ大径部、２ｂ突部、２ｃ一方端面、２ｄ小径部、２ｅ凹部、２ｆ一方端部、３ハウジング本体、３ａ，３ｂ開口部、３ｃ平面、３ｄ内周面、４ハウジング蓋、４ａ凹部、４ｂ貫通孔、５磁気エンコーダ、５ａ芯金、５ｂ１，５ｂ２，５ｂ磁気トラック、５ｃ表面、６磁気センサ、７回路基板、７ａ主平面、７ｂ裏面、８ねじ、９軸受、１０外輪間座、１１スペーサ、１２リング部材、１３リング、１４ボルト、１５ケーブル、１６ａオイルシール、１６ｂスリンガ、１７内径側領域、１８演算処理部、１９出力部、２０電子部品、３１ハウジング。

Claims

回転軸と、
前記回転軸を回転自在に支持するハウジングと、
前記回転軸に固定される磁気エンコーダと、
前記回転軸の一方端面と対向して設けられ、前記ハウジングに支持される回路基板とを備え、
前記磁気エンコーダは、前記回転軸に直交する平面に沿ってリング状にＮ極およびＳ極が交互に着磁された少なくとも１つの磁気トラックを含み、
前記少なくとも１つの磁気トラックにおける前記回路基板側の表面は、前記回転軸の一方端面よりも前記回路基板側に突出し、
前記回路基板には、前記少なくとも１つの磁気トラックに対向し、前記少なくとも１つの磁気トラックの磁界を検出する磁気センサと、前記回転軸の一方端面に対向し、前記磁気センサの検出信号を処理する電子部品とが実装される、回転角検出装置。
前記回転軸の一方端面には凹部が形成され、
前記電子部品は、前記凹部に対向するように前記回路基板に実装される、請求項１に記載の回転角検出装置。
前記少なくとも１つの磁気トラックは、第１磁気トラックと第２磁気トラックとを含み、
前記第１磁気トラックの磁極対数と前記第２磁気トラックの磁極対数との差は１極対である、請求項１または２に記載の回転角検出装置。
前記電子部品は、前記検出信号を、前記検出信号の仕様とは異なる仕様の信号に変換して出力する処理を行なう、請求項１から３のいずれか１項に記載の回転角検出装置。