WO2007020803A1 - 回転検出装置および回転検出装置付き軸受 - Google Patents

Abstract

　信号読出し回路で発生するノイズの影響を抑えて、検出角度のばらつきを小さくできる高精度の回転角度検出が可能で、かつ検出角度が出力されるまでの時間遅れをできるだけ小さく抑えるために磁気センサアレイ５と、この磁気センサアレイ５に対向して回転する磁石７とを設ける。磁気センサアレイ５の信号を信号読出し回路１１で読み出す。繰り返し処理手段１３により、信号読出し回路１１による磁気センサアレイ５の信号読出しを数回繰り返させ、この繰り返し読み出された信号を積算または平均化処理する。回転角度計算回路１４により、繰り返し処理手段１３で得られた積算値または平均値から前記磁石４の回転角度を計算する。

Description

明 細 書

回転検出装置および回転検出装置付き軸受

技術分野

[0001] 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 、およびその回転検出装置を備えた軸受に関する。

背景技術

[0002] 小型の機器に^ aみ込み可能で、かつ高精度の回転角度検出が可能な回転検出装 置として、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、 磁気センサ素子（MAGFET)を多数並べたセンサアレイを、信号増幅回路、 AD変 換回路、およびディジタル信号処理回路と共にセンサチップに集積し、このセンサチ ップを、回転側部材に配置される磁気発生手段に対向配置したものである。このよう に構成することで、磁気発生手段の発生する磁界分布を磁気センサアレイが検出し 、その分布力 磁気発生手段の回転角度が検出される。

しかし、この構成の場合、半導体回路において、シリコン上に集積されたセンサ素 子の出力信号には、回路内部で発生する熱雑音や lZfノイズが重畳するので、角度 検出精度が悪くなるという問題がある。

[0003] そこで、上記センサアレイにおける磁気センサ素子を並列化してセンサ有効面積を 増加することで lZfノイズを低減することにより、角度検出精度の悪ィ匕低減を図るよう にしたもの（例えば特許文献 2)や、磁気ラインセンサを複数本並列に並べて配設し、 これら各ラインセンサにおけるセンサ素子の出力を平均化処理することで、検出精度 悪ィ匕を解消するようにしたもの（例えば特許文献 3)も提案されている。

特許文献 1 :特開 2003— 148999号公報

特許文献 2 :特開 2004— 037133号公報

特許文献 3 :特開 2005— 043070号公報

発明の開示

[0004] しかし、特許文献 2や特許文献 3に開示のように磁気センサ素子を並列化し、ある いは磁気ラインセンサを複数本並列に並べて配設する構成の場合でも、後段の信号 読み出し回路で発生するノイズ量は低減できな 、ので、精度悪化低減効果は限られ たものとなる。

[0005] なお、信号読み出しをして計算することで検出された角度値を記憶しておき、その 結果を数回分に渡って平均化処理することにより、検出角度のばらつきを抑えること は可能である。しかし、 n回分の平均化を行うためには、 n回の信号読み出しおよび 角度計算処理を行う必要があり、角度検出レートが 1 Znになってしまうと 、う問題が ある。過去 n回の計算結果を常に平均して出力する構成にすれば、検出レートは低 下せずに済むが、計算結果は実際の角度よりも遅れた値となる。 1回の角度検出処 理に要する時間を Tとすると、 n回の計算では nTの時間が必要で、その平均値を出 力するためには概略 ηΤΖ2の時間遅れが発生することになる。

[0006] この発明の目的は、信号読出し回路で発生するノイズの影響を抑えて、検出角度 のばらつきを小さくできる高精度の回転角度検出が可能で、かつ検出角度が出力さ れるまでの時間遅れをできるだけ小さく抑えることのできる回転検出装置、および回 転検出装置付き軸受を提供することである。

[0007] この発明はつぎの構成を有する。各構成要素には、理解を容易にするために、一 実施形態を示す図 3に使用した参照符号を力つこ付きで付する。この回転検出装置 は、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイ（5)と、この磁気センサァ レイ（5)に対向して回転する磁石と、前記磁気センサアレイ（5)の信号を読み出す信 号読出し回路（11)と、この信号読出し回路（11)に磁気センサアレイ（5)の信号読出 しを数回繰り返させ、この繰り返し読み出された信号を積算または平均化処理する繰 り返し処理手段（13)と、この繰り返し処理手段（13)で得られた積算値または平均値 力 前記磁石の回転角度を計算する回転角度計算回路（14)とを備えたものである。 この構成〖こよると、磁気センサアレイ（5)を構成する磁気センサ素子力もの一連の 信号の読み出し、つまりスキャンのみを数回繰り返し、得られたセンサ信号の積算値 または平均値を使って回転角度計算回路（14)による角度計算を実施する。このセン サ信号の積算または平均化により、信号のノイズが低減され、角度計算結果のばら つきを抑えることができる。処理時間のかかる回転角度計算処理は 1回で済むため、 平均化処理による時間遅れを最小限に抑えつつ、センサ信号のノイズを低減し、角 度検出精度を向上させることができる。

[0008] この発明において、回転角度計算回路（14)による磁石の回転角度の計算毎の差 分である角度変化を計算し、角度変化の大きさによって前記繰り返し処理手段（ 13) による信号読み出しの繰り返し回数を調整する繰り返し回数自動調整手段（18)を設 けても良い。

つまり、毎回の角度検出処理によって得られる検出角度から、その検出角度の変 化の大きさ（すなわち回転速度）を求め、例えば、変化量が大きい場合はスキャンの 繰り返し回数を減らし、小さい場合には繰り返し回数を増やす処理を行う。これによつ て回転が速い場合には時間遅れを抑えることを優先し、逆に回転がゆっくりの場合は 検出角度のばらつきを抑えることを優先することができ、回転速度の状況に応じて最 適なノイズ低減処理を行うことができる。

[0009] 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 転検出装置を搭載した軸受である。その場合に、磁石は回転側軌道輪に、上記磁気 センサアレイは静止側軌道輪にそれぞれ配置する。

軸受に回転検出装置を一体ィ匕することで、軸受使用機器の部品点数、組立工数の 削減、およびコンパクトィ匕が図れる。この場合、この発明の回転検出装置による高精 度の回転角度検出が可能で、かつ検出角度が出力されるまでの時間遅れをできるだ け小さく抑えることができるという利点が得られる。

図面の簡単な説明

[0010] この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施例の説明から、より明瞭 に理解されるであろう。し力しながら、実施例および図面は単なる図示および説明の ためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この 発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面に おける同一の部品番号は、同一部分を示す。

[図 1]この発明の一実施形態に係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を示す斜視図である。

[図 3]同回転検出装置における信号処理部の構成例を示すブロック図である。 [図 4] (A)は同回転検出装置における信号処理部による信号処理のタイムチャート、

(B)は信号処理の他の例を示すタイムチャートである。

[図 5]磁気センサアレイの出力を示す波形図である。

[図 6]回転角度計算回路による角度計算処理の原理説明図である。

[図 7]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。

発明を実施するための最良の形態

[0011] 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、非回転側部材 2に配置された磁気センサアレイ 5と、回転側部材 1に配置され磁気センサアレイ 5に 対向して回転側部材 1と一体に回転する磁石 4と、磁気センサアレイ 5の出力から磁 石 4の回転角度を算出する角度算出手段 6とを備える。磁気センサアレイ 5は磁気セ ンサ素子 19をアレイ状に並べたものであり、磁石 4に対して僅かな隙間を隔てて配置 される。

[0012] 磁石 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力 なる。 ここでは、磁石 4は、 1つの永久磁石 7を 2つの磁性体ヨーク 8, 8で挟んで一体化した 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。磁石 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。この磁石 4は、回転側部材 1の回転中心 Oが 磁石 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 つて上記回転中心 Oの回りを N磁極および S磁極が旋回移動する。

[0013] 磁気センサアレイ 5は磁石 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石 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、磁気センサアレイ 5は、図 2のように一つの半導体チップ 9の面上に、仮想 の矩形の 4辺における各辺に沿って配置される。矩形の中心 O'は、回転側部材 1の 回転中心 Oに一致する。各辺のセンサ列 5A〜5Dにおける磁気センサ素子 19は、 MAGFET (電界効果トランジスタ型の磁気センサ素子）からなる。 [0014] 図 1,図 2における角度算出手段 6は集積回路力 なり、半導体チップ 9上に、磁気 センサアレイ 5と共に集積されている。角度算出手段 6は、磁気センサアレイ 5の矩形 配置の内部に配置される。これにより、磁気センサアレイ 5および角度算出手段 6をコ ンパタトに配置することができる。

[0015] 図 3は、角度算出手段 6からアブソリュート出力を得るものとした場合の、上記半導 体チップ 9上での回路の概念構成例を示す。この角度算出手段 6は、磁気センサァ レイ 5の各センサ列 5A〜5Dのアナログ信号を読み出す信号読出し回路 11と、読み 出されたアナログ信号をディジタルィ匕する AD変換回路 12と、繰り返し処理手段 13と 、回転角度計算回路 14とで構成される。

繰り返し処理手段 13は、信号読出し回路 11に磁気センサアレイ 5の信号読出しを 数回繰り返させ、この繰り返し読み出された信号を積算または平均化処理する回路 部であり、メモリー 15や制御回路 16を有する。メモリー 15は、繰り返し読み出され信 号を積算または平均化処理する平均化処理回路 17を含む。制御回路 16は、磁気セ ンサアレイ 5、信号読出し回路 11、 AD変換回路 12、およびメモリー 15を制御する回 路であって、繰り返し回数自動調整手段 18を有する。繰り返し回数自動調整手段 18 は、回転角度計算回路 14による磁石 4の回転角度の計算毎の差分である角度変化 を計算し、角度変化の大きさによって信号読み出しの繰り返し回数を調整するもので ある。繰り返し回数自動調整手段 18は、角度変化の大きさと繰り返し回数の関係を 定めたテーブルまたは計算式が設定されて 、て、これらテーブルまたは計算式に従 つて、繰り返し回数を定める。

回転角度計算回路 14は、繰り返し処理手段 13で得られた積算値または平均値か ら磁石 4の回転角度を計算する回路である。

[0016] 上記角度算出手段 6の動作を以下に説明する。多数の磁気センサ素子 19が並べ られた磁気センサアレイ 5は順次スキャンされて、信号読出し回路 11によってアナ口 グ信号が取り出される。読み出されたアナログ信号は、 AD変換回路 12でディジタル 信号に変換されてメモリー 15に取り込まれ、そのデータに基づいて回転角度計算処 理が回転角度計算回路 14で実行され、回転角度が検出される。

このとき、読み出されたセンサ信号には、磁気センサ素子 19が発生するノイズ成分 、信号読出し回路 11のノイズ成分、および AD変換回路 12のノイズ成分が重畳して おり、時間的に揺らいだ成分を持ったデータとなっている。そのため、角度計算処理 をこのままのデータに基づいて実行されるものとすると、計算結果はノイズによる影響 を受け、時間的に揺らいでしまい、検出精度が低くなつてしまう。この実施形態では、 このようなノイズの影響が次のように低減される。

[0017] すなわち、磁気センサ素子 19からの信号の読み出し (スキャン）は、図 4 (A)にタイ ムチャートで示すように繰り返し n回（同図では 3回）行われ、その間の各センサデー タが繰り返し処理手段 13におけるメモリー 15の平均化処理回路 17で平均化 (または 積算)処理される。これにより、センサ信号の段階でノイズ低減が図られる。この平均 化処理は、信号読出し動作の一部として実行される。なお、信号の読み出し回数は 繰り返し回数自動調整手段 18によって調整される。

決められた回数のスキャンが終了したところで、平均化処理の結果得られた平均化 後のセンサデータを使用して、図 4 (A)のように回転角度計算回路 14による角度検 出計算が実行される。このように信号処理することにより、スキャン時間よりも実行時 間の長い角度検出計算処理が 1回で済むため、結果として検出角度が出力されるま での増加時間は、繰り返しによって増加した (n— 1)回分のスキャン時間のみとなり、 時間遅れを最小限に抑えることができる。

[0018] ノイズを低減するには、このほか図 4 (B)にタイムチャートで示すような信号処理方 法もある。この方法は、スキャン力 角度計算までの一連の動作によって得られた検 出角度を、数回分にわたって平均化 (または積算)処理し、各計算処理に含まれるば らつき成分をキャンセルするものである。この場合、毎回の検出結果を利用してノイズ キャンセルを行えるため、処理回路を内蔵する必要がなぐ外部で信号処理を実施 できる簡便さがある。しかし、この方法では、 n回の平均化効果を得るために n回の処 理が必要となり、検出レートが lZnに低下してしまうという弊害がある。これを避ける ために、過去 n回の検出結果を常に平均して出力する移動平均手法を用いれば、検 出レートを低下させずにノイズを低減することが可能である。ただし、過去 n回の移動 平均処理を行うことにより、現在の角度ではなぐ概略 nZ2回前の時刻の角度が出 力されることになり、時間遅れが発生してしまうことになる。 [0019] この実施形態では、図 4 (A)のようにセンサ信号のスキャンを繰り返して平均化処理 を行うので、上記したようにスキャン回数分だけ検出までの時間遅れが増加する。こ の遅れは、センシング対象の磁石 4の動きがゆるやかな場合には問題にならないが、 高速に回転しているときには望ましくない場合がある。そこで、この実施形態では、平 均化を実施するスキャン回数を、対象物の動きの状態によって変化させるようにして、 最適なスキャン回数を自動的に設定することで、より望まし 、処理を実現できるように している。

すなわち、繰り返し処理手段 13の繰り返し回数自動調整手段 18が、メモリー 15に 記憶しておいた前回の検出角度と、回転角度計算回路 14が計算処理する今回の検 出角度との差分である角度変化を計算し、その角度変化の大きさによって信号読み 出しの繰り返し回数を自動調整するようにしている。この場合に、前記角度変化が大 きいときにはスキャンの繰り返し回数を減らし、角度変化が小さいときには繰り返し回 数を増やすように、繰り返し回数自動調整手段 18が制御する。これによつて、ノイズ 低減処理が最も必要な低速回転時には十分な低減処理によって安定した角度検出 が実現され、より高速応答が要求される高速回転時にはノイズ低減よりも時間遅れを 少なくした角度検出が実現される。

[0020] 図 5および図 6は、回転角度計算回路 14での計算処理の原理説明図である。図 5 ( A)〜（D)は、磁石 4が回転して!/、る時の磁気センサアレイ 5の各センサ列 5A〜5D による出力波形を示し、それらの横軸は各センサ列 5A〜5Dにおけるセンサ素子 19 を、縦軸は検出磁界の強度 (ここではスキャン回数分の平均値)をそれぞれ示す。

V、ま、図 6に示す位置 XIと X2に磁気センサアレイ 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、磁気センサアレイ 5の各セン サ列 5A〜5Dの出力力 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 XI, X2は、センサ列 5A, 5Cの出力力も直線近似することで算出できる。 角度計算は、次式で行うことができる。

Θ =tan^_1 (2L/b)

ここで、 Θは、磁石 4の回転角度を絶対角度 (アブソリュート値)で示した値である。 2 Lは、矩形に並べられる各磁気センサアレイ 5の 1辺の長さである。 bは、ゼロクロス位 置 XI, X2間の横方向長さである。

ゼロクロス位置 XI, X2がセンサ列 5B, 5Dにある場合には、それらの出力力も得ら 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。

[0021] 図 7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 2 4を介在させたものである。転動体 24はボール力もなり、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。

[0022] 内輪 21には、磁石取付部材 26が取付けられ、この磁石取付部材 26に磁石 4が取 付けられている。磁石取付部材 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!/、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 気センサアレイ 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 27 a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。

[0023] このように、転がり軸受 20に回転検出装置 3を一体ィ匕することで、軸受使用機器の 部品点数、組立工数の削減、およびコンパクトィ匕が図れる。その場合に、回転検出装 置 3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 、ても、満足できる回転角度出力を得ることができる。

[0024] 以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施例を説明したが、当業者であれば、 本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであ ろう。

したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲力も定まる発明の範囲内の ものと解釈される。

Claims

請求の範囲

[1] 磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイと、この磁気センサアレイに 対向して回転する磁石と、前記磁気センサアレイの信号を読み出す信号読出し回路 と、この信号読出し回路に磁気センサアレイの信号読出しを数回繰り返させ、この繰 り返し読み出された信号を積算または平均化処理する繰り返し処理手段と、この繰り 返し処理手段で得られた積算値または平均値から前記磁石の回転角度を計算する 回転角度計算回路とを備えた回転検出装置。

[2] 請求項 1において、さらに、回転角度計算回路による磁石の回転角度の計算毎の 差分である角度変化を計算し、角度変化の大きさによって前記繰り返し処理手段に よる信号読み出しの繰り返し回数を調整する繰り返し回数自動調整手段を設けた回 転検出装置。

[3] 請求項 2において、前記繰り返し回数自動調整手段は、前記角度変化が大きいと きに前記繰り返し回数を減らし、角度変化が小さいときに繰り返し回数を増やす回転 検出装置。

[4] 請求項 1において、前記繰り返し処理手段は、前記繰り返し読み出された信号を積 算または平均化処理して記憶するメモリーを有する回転検出装置。

[5] 請求項 1に記載の回転検出装置を搭載した回転検出装置付き軸受。

[6] 請求項 5にお 、て、前記磁石は回転側軌道輪に配置され、前記磁気センサアレイ は静止側軌道輪に配置されている回転検出装置付き軸受。