回転検出装置および回転検出装置付き軸受
【課題】 余分な動作や手続きを要することなく、ＡＢＺ相信号を用いて絶対角度情報を出力できる回転検出装置、およびこの回転検出装置を組み込んだ回転検出装置付き軸受を提供する。
【解決手段】 回転する部材の回転角度を絶対角度で検出する絶対角度検出センサ３と、この絶対角度検出センサ３が検出した絶対角度に基づき、前記絶対角度検出センサ３の零相であるインデックス信号、および一定間隔のパルス信号を含む回転パルス信号を生成する回転パルス信号生成手段７とを設ける。絶対角度出力モード実行手段８により、前記回転パルス信号を、前記インデックス信号を出力してから現在の絶対角度まで出力するモードである絶対角度出力モードで出力する。
【解決手段】 回転する部材の回転角度を絶対角度で検出する絶対角度検出センサ３と、この絶対角度検出センサ３が検出した絶対角度に基づき、前記絶対角度検出センサ３の零相であるインデックス信号、および一定間隔のパルス信号を含む回転パルス信号を生成する回転パルス信号生成手段７とを設ける。絶対角度出力モード実行手段８により、前記回転パルス信号を、前記インデックス信号を出力してから現在の絶対角度まで出力するモードである絶対角度出力モードで出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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等に用いられる回転検出装置、およびその回転検出装置を組み込んだ検出装置付き軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
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１１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４５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４６とともにセンサチップ４２に集積し、このセンサチップ４２を、回転側部材４１に配置される磁石４４に対向配置したものである。この場合、磁石４４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４２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４５が配置される。
このように構成された回転検出装置４３では、各辺の磁気センサアレイ４５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４４の磁界分布を検出し、その検出結果に基づき磁石４４の回転角度をデジタル信号処理回路により算出する。
【０００３】
特許文献１に開示の回転検出装置４３と検出方法は異なるものの、ホール素子などの磁気センサ素子を複数使用し、それらの出力信号を演算することによって、回転体に固定された磁石の位置や動きを検出する回転検出装置（例えばＡＭＳ社のロータリエンコーダＬＳＩ）なども提案されている。
【特許文献１】特開２００３−３７１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの回転検出装置では、検出された絶対角度情報をいくつかの形態で出力することができる。角度情報あるいは回転情報の出力方式としては、シリアル通信やアナログ電圧出力、パラレル信号伝送、ＡＢＺ相パルス出力など、用途によって適したものが選択されている。
しかし、シリアル通信の場合は、情報取得にある程度の時間が必要になり、リアルタイムな回転検出には不都合な場合がある。また、パラレル信号伝送の場合は、高速ではあるが必要な配線が増えてしまうという欠点がある。また、アナログ電圧の場合は、ノイズにより信号の伝達精度が制限されてしまう。ＡＢＺ相パルス出力の場合は、以下の理由により絶対角度情報を伝達できない。
【０００５】
一般的なインクリメンタル型の回転検出装置では、出力信号として互いに位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号が使用されているが、これら２つのパルス信号にインデックス信号であるＺ相信号を組み合わせることで、ＡＢ相信号のＺ相信号からの相対変化量によって角度位置を算出するＡＢＺ相パルス出力を出力方式として採用するのが通例である。
しかし、このＡＢＺ相パルス出力の場合、回転部材をＺ相信号が出力されるまで回転させないと回転原点位置がわからないので、回転検出装置に電源投入した直後などにイニシャライズ動作を実行しないと、現在角度を知ることができない。
【０００６】
この発明の目的は、余分な動作や手続きを要することなく、ＡＢＺ相信号を用いて絶対角度情報を出力できる回転検出装置、およびこの回転検出装置を組み込んだ回転検出装置付き軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の回転検出装置を、実施形態に対応する図１と共に説明する。この回転検出装置は、回転する部材の回転角度を絶対角度で検出する絶対角度検出センサ３と、この絶対角度検出センサ３が検出した絶対角度に基づき、前記絶対角度検出センサ３の零相であるインデックス信号、および一定間隔のパルス信号を含む回転パルス信号を生成する回転パルス信号生成手段７と、前記回転パルス信号を、前記インデックス信号を出力してから現在の絶対角度まで出力するモードである絶対角度出力モードで出力する絶対角度出力モード実行手段８とを備えたものである。
この構成によると、絶対角度検出センサ３で検出した絶対角度情報を、余分な動作や手続きを要することなく、また特別なハードウェアの追加なしに、従来のインクリメンタル・エンコーダと同様なＡＢＺ相パルス信号を利用して出力することができ、回路接続も簡単でコストもかからない。その出力を受信する受信側でも、特別に絶対角度を記憶するなどの手段を用意することなく、常に絶対角度を検出することができる。
【０００８】
この発明において、前記回転パルス信号が、互いに９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号と、前記インデックス信号とでなるものであっても良い。
【０００９】
この発明において、前記絶対角度出力モード実行手段８は、前記絶対角度検出センサ３の電源オンの直後、およびこの回転検出装置に対する外部からの要求信号に応じて前記絶対角度出力モードによる出力を実行するものとしても良い。
この構成の場合、絶対角度検出センサ３が電源オンとなったとき、初期化動作の一部として絶対角度出力モード実行手段８が絶対角度出力モードとされて現在の絶対角度が出力されるので、回転検出装置に電源投入した直後にイニシャライズ動作を実行することなく、簡単に現在角度を知ることができる。また、回転検出装置に対する外部からの要求信号に応じて、絶対角度出力モード実行手段８が絶対角度出力モードによる出力を実行するので、要求信号を送信する外部の状態に応じて絶対角度情報を出力することができ、各種の制御回路・計数回路に接続して利用することが可能となる。
【００１０】
この発明において、前記絶対角度出力モード実行手段８が絶対角度出力モードを実行していることを示す信号を出力するモード実行信号生成手段９を設けたものであっても良い。この構成の場合、絶対角度出力モード動作中を示す信号線を備えておれば、回転検出装置に対する外部の回路において、回転検出装置から送信されて来る回転パルス信号がどのような状態で出力されているかを判別することができ、機器の制御状態などを乱すことなく角度情報を伝達することもできる。
【００１１】
この発明において、前記絶対角度検出センサ３が、前記回転する部材に設けられた磁気発生体の磁界を検出する磁気式の絶対角度検出センサであっても良い。
【００１２】
この発明において、前記回転パルス信号生成手段７および絶対角度出力モード実行手段７が同じ半導体上に集積された回路からなるものであっても良い。この構成の場合、小型で高精度な回転検出装置を実現できる。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の回転検出装置は、回転する部材の回転角度を絶対角度で検出する絶対角度検出センサと、この絶対角度検出センサが検出した絶対角度に基づき、前記絶対角度検出センサの零相であるインデックル信号、および一定間隔のパルス信号を含む回転パルス信号を生成する回転パルス信号生成手段と、前記回転パルス信号を、前記インデックス信号を出力してから現在の絶対角度まで出力するモードである絶対角度出力モードで出力する絶対角度出力モード実行手段とを備えたため、余分な動作や手続きを要することなく、ＡＢＺ相信号を用いて絶対角度情報を出力できる。
この発明の検出装置付き軸受は、この発明の回転検出装置を軸受に組み込んだものであるため、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１は、この実施形態の回転検出装置の概略構成をブロック図で示す。この回転検出装置１は、図示しない回転部材の軸心位置に設けられた磁気発生体である磁石２と、この磁石２の磁界変化を計測することで前記回転部材の回転角度を絶対角度で検出する絶対角度検出センサ３と、この絶対角度検出センサ３が検出した絶対角度の情報をＡＢＺ信号として受信側の回路３０に出力する出力手段４とを備える。
【００１６】
磁石２は、その一対の磁極Ｎ，Ｓから発生する磁気が前記回転部材の軸心の回りの方向性を有するものであり、中心が回転部材の軸心と一致するように例えば回転部材の一端に固定される。磁石２が回転部材と一体に回転することによって、回転部材の軸心の回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。
【００１７】
絶対角度検出センサ３は、磁気センサ５と角度算出手段６とでなる。磁気センサ５は、磁石２の磁気を感知して回転角度の情報を出力するセンサであり、前記回転部材の軸心の軸方向に向けて磁石２と対面するように、図示しない固定部材に固定される。この磁気センサ５は、例えば複数の磁気センサ素子（ＭＡＧＥＦＴ）を列状に並べたアレイ式センサあるいは２次元ベクトルセンサである。
角度算出手段６は、前記磁気センサ５を構成する各磁気センサ素子の出力から前記磁石２の磁界強度を計測し、その計測値を基に回転部材の回転角度を絶対角度として検出する手段である。
【００１８】
出力手段４は、回転パルス信号生成手段７と、絶対角度出力モード実行手段８と、モード実行信号生成手段９とを有する。
回転パルス信号生成手段７は、前記絶対角度検出センサ３が検出した絶対角度θに基づき、絶対角度検出センサ３の零相であるインデックス信号（Ｚ相信号）、および一定間隔のパルス信号（ＡＢ相信号）を含む回転パルス信号（ＡＢＺ相信号）を生成する手段である。図２（Ａ），（Ｂ）には、回転パルス信号生成手段７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。これらＡ相およびＢ相のパルス信号は、互いに９０°位相を異ならせてある。図２（Ｃ）には、回転パルス信号生成手段７が生成するインデックス信号（Ｚ相信号）の波形図を示す。
【００１９】
絶対角度出力モード実行手段８は、前記回転パルス信号（ＡＢ相信号）を、前記インデックス信号（Ｚ相信号）を出力してから現在の絶対角度θまで出力するモードである絶対角度出力モードで出力する手段である。前記回転パルス信号生成手段７により生成される回転パルス信号（ＡＢ相信号）は、前記絶対角度出力モードの場合とそのモードでない場合とで異なる。すなわち、絶対角度出力モードでない場合（通常時）の回転パルス信号（ＡＢ相信号）は、絶対角度検出センサ３が検出する絶対角度の変化に応じた速度のパルス信号として生成される。これに対して、絶対角度出力モードでの回転パルス信号（ＡＢ相信号）は、前記通常時のパルス信号に比べて十分高速なパルス信号として生成される。なお、インデックス信号（Ｚ相信号）も、絶対角度出力モードでは高速なパルス信号とされる。
絶対角度出力モード実行手段８は、絶対角度検出センサ３の電源オンの直後、およびこの回転検出装置１の出力を受ける外部の受信側の回路３０からの要求信号（requesut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２（Ｆ）には、外部の受信側回路３０から出力される要求信号（requesut信号) の波形図を示す。絶対角度検出センサ３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８に入力される。
【００２０】
モード実行信号生成手段９は、前記絶対角度出力モード実行手段８が絶対角度出力モードの出力動作を実行していることを示す信号（ＡＢＳ＿mode信号）を出力する手段である。図２（Ｄ）には、モード実行信号生成手段９が出力するＡＢＳ＿mode信号の波形図を示す。
【００２１】
次に、前記回転検出装置１が回転部材の回転角度を絶対角度で検出し、その絶対角度の情報を外部の受信側回路３０に向けて出力する動作を、回転部材が停止している場合（図２）と回転している場合（図３）とに分けて説明する。
・回転部材が停止している場合
受信側回路３０から回転検出装置１の出力手段４に、図２（Ｆ）のように絶対角度出力の要求信号（requesut）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８が動作可能となり、モード実行信号生成手段９から図２（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７から図２（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、絶対角度検出センサ３の零相とは無関係に出力される。
【００２２】
これらの信号を受信して動作する受信側回路３０では、インデックス信号（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３１が０にリセットされる。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３１が図２（Ｅ）のように計数する。Ａ相信号およびＢ相信号のポジションカウンタ３１での扱いは、これら各信号のエッジ部で計数するもの（４逓倍）とされる。回転検出装置１が検出している現在の回転角度の絶対値をQnとすると、回転パルス信号生成手段７からは、Ａ相信号およびＢ相信号としてポジションカウンタ３１での計数値が合計Qnとなるパルス数が出力される。
また、回転パルス信号生成手段７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９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、受信側回路３０のポジションカウンタ３１の計数値は、絶対角度出力モードが終了すると、回転検出装置１の検出している現在の回転角度の絶対値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７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、受信側回路３０のポジションカウンタ３１に絶対角度データ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相信号を用いて絶対角度情報を受信側回路３０に向けて出力することができる。
【００２３】
上記説明では、受信側の回路３０から絶対角度出力モードの要求信号（requesut）を回転検出装置１の出力手段４に入力することによって、絶対角度出力モード実行手段８を絶対角度出力モードとする場合を示したが、回転角度検出装置１の絶対角度検出センサ３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８が絶対角度出力モードとされる。この場合、絶対角度検出センサ３から出力される電源オン信号が前記要求信号（requesut）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、絶対角度検出センサ３の電源がオンになると、絶対角度検出センサ３の検出する現在の絶対角度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受信側の回路３０に現在の絶対角度が伝えられることになる。受信側の回路３０がリセットされた場合や、受信側の回路３０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、受信側の回路３０から絶対角度の出力を要求する要求信号（requesut）を改めて回転角度検出装置１の出力手段４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、現在の絶対角度を受信側の回路３０に転送することが可能になる。
【００２４】
なお、絶対角度出力モードにおいては、上記したようにＡ，Ｂ，Ｚの各相信号はできるかぎり高速なパルス信号の形態で出力される。その結果、絶対角度情報を受信側の回路３０に転送するために必要な時間を最低限にすることができる。
【００２５】
・回転部材が回転している場合
この場合も、受信側回路３０から回転検出装置１の出力手段４に、図３（Ｆ）のように絶対角度出力の要求信号（requesut）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８が動作可能となり、モード実行信号生成手段９から図３（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７から図２（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。
受信側回路３０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３１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３１が計数する。Ａ相信号およびＢ相信号のパルス出力が、図３（Ａ）のように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、回転部材の回転に伴い絶対角度検出センサ３で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）が出力される。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の回路３０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。
【００２６】
このように、この実施形態の回転検出装置１では、絶対角度検出センサ３で検出した絶対角度情報を、特別なハードウェアの追加なしに、従来のインクリメンタル・エンコーダと同様なＡＢＺ相パルス信号を利用して出力することができ、回路接続も簡単でコストもかからない。その出力を受信する受信側でも、特別に絶対角度を記憶するなどの手段を用意することなく、常に絶対角度を検出することができる。
【００２７】
また、この実施形態では、出力手段４の絶対角度出力モード実行手段８が絶対角度出力モードを実行していることを示す信号（ＡＢＳ＿mode）を出力するモード実行信号生成手段９を設けているので、絶対角度出力モード動作中を示す信号線を備えておれば、受信側の回路３０において、回転検出装置１から送信されてくる回転パルス信号（ＡＢＺ相信号）がどのような状態で出力されているかを判別することができ、機器の制御状態などを乱すことなく角度情報を伝達することもできる。例えば受信側の回路３０が、モータ制御などを実行している場合であっても、異常な動作をしないようにすることが可能になる。
【００２８】
また、この実施形態では、回転検出装置１に対する外部（受信側の回路３０）からの要求信号（requesut）に応じて、絶対角度出力モード実行手段８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、受信側の回路３０の状態に応じて絶対角度情報を出力することができ、各種の制御回路・計数回路に接続して利用することが可能となる。
【００２９】
図４は、この実施形態と略同等の回転検出装置を組み込んだ軸受の断面図を示す。この回転検出装置付き軸受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には回転部材である回転軸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。
【００３０】
転がり軸受２０に組み込まれる回転検出装置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１３とを備える。具体的には、内輪２１と共に回転する回転軸１０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１３が配置される。
磁石２は、図５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。
【００３１】
回転センサ１３は磁石２の磁気を感知して回転角度の情報を出力するセンサである。回転センサ１３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１３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１３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。
【００３２】
回転センサ１３は、図６に平面図で示すように、１つの半導体チップ１４上に大規模集積回路（ＬＳＩ）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の出力から前記磁石２の磁界強度を計測し、その計測値に基づき回転側部材である回転軸１０の回転角度を絶対角度で検出する角度算出手段６と、遅延時間補正手段１７と、補間手段１８と、出力手段４とからなる。ここでは、磁気センサ５、角度算出手段６、遅延時間補正手段１７および補完手段１８で、図１における絶対角度検出センサ３が構成され、この絶対角度検出センサ３と出力手段４が１つの半導体チップ１４上に集積して回転センサ１３が構成される。なお、出力手段４は、半導体チップ１４とは別の場所に設置しても良い。
【００３３】
半導体チップ１４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が複列に平行に並んだものであっても良い。前記角度算出手段６、遅延時間補正手段１７、補間手段１８、出力手段４などからなる演算回路部は、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１４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。
【００３４】
図７および図８は、前記角度算出手段６による回転角度算出処理の説明図である。図８（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７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８（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。
【００３５】
ところで、角度算出手段６が上記した演算を行って回転角度θを出力するまでに時間遅れが発生する。したがって、高速回転状態では検出された回転角度位置は実際の回転角度位置とは異なっていることがある。図１０には、時刻ｔn-1 ，ｔn ，ｔn+1 において角度算出手段６で演算出力される各検出角度θn-1 ，θn ，θn+1 と実際の角度との関係を示している。これら検出角度θn-1 ，θn ，θn+1 と実際の角度との角度差が上記遅延によるものである。
【００３６】
図９において、遅延時間補正手段１７は、角度算出手段６から出力される検出角度θを前記時間遅れ分だけ補正する手段である。その補正処理は以下の手順で行われる。
（１）時刻ｔn に角度算出手段６から出力される検出角度θn と、時刻ｔn-1 に角度算出手段６から出力される検出角度θn-1 の差分Δθn （＝θn −θn-1 ）を回転速度として計算する。この差分値Δθn は、１回の磁界サンプリング間隔Ｔで回転した角度を示している。
（２）このようにして検出された回転速度（差分値Δθn ）を用いて、次のサンプリング時刻（次に角度算出手段６が検出角度θn+1 を出力する時刻）ｔn+1 に到達すべき回転角度位置Ｐn+1 を計算する。ここでは、検出角度出力までの遅延時間を補償する。その補償の計算方法として、例えば一次近似を用いると、ｔn+1 に到達すべき回転角度位置Ｐn+1 は、
Ｐn+1 ＝θn ＋α・Δθn ……（２）
となる。ここでαは遅延時間を補償する係数で、遅延時間の大きさによって設定され、図１０の場合ではα＝２に設定される。このようにして求められた次回の予想検出角度Ｐn+1 が目標値となる。このように遅延時間補償を行った場合、Ｐn+1 は図１０に示す位置となり、実際の回転角度位置に近接した値が目標値となる。このとき、図示しないメモリには、前回計算した目標値Ｐn が記憶されている。
【００３７】
補間手段１８は、磁界のサンプリング間隔Ｔを補間して回転角度の変化分を演算する手段である。その補間処理は、以下の手順で行われる。
（１）遅延時間補正手段１７で求まった目標値Ｐn+1 と、メモリに記憶された前回の目標値Ｐn とを用いて、次回サンプリング時刻ｔn+1 までに変化すべきカウント量Ｃn を、 Ｃn ＝Ｐn+1 −Ｐn ……（３）
として求める。
（２）前記カウント量Ｃn を計算後、現在位置ＡをＰn としてメモリに再記憶する。すると、図示しないカウンタにＣn 個のクロックが順次入力され、これによりカウンタのカウント値が変化し、補正角度出力（遅延時間補償＋補間）Ａが得られる。
出力手段４での処理は図１の実施形態の場合と同様であり、ここでは説明を省略する。
【００３８】
この場合の回転検出装置１では、角度算出手段６から出力される検出角度θを、磁石２の磁界が磁気センサ素子５ａで検出されてから角度算出手段６で検出角度θが出力されるまでの時間遅れ分だけ遅延時間補正手段１７で補正するようにしているので、絶対角度検出センサ３から出力される絶対角度情報が実際の回転側部材（回転軸１０）の回転角度にごく近い値になり、正確な角度情報をリアルタイムで得ることができる。
また、補間手段１８により、磁界のサンプリング間隔Ｔを補間して回転角度の変化分を演算するようにしているので、回転側部材（回転軸１０）の高速回転動作を、サンプリング時間間隔Ｔよりも細かく検出することができる。
【００３９】
また、図４の回転検出装置付き軸受２０では、上記回転検出装置１を転がり軸受２０に組み込んでいるので、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を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の一実施形態に係る回転検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】回転部材停止時の回転検出装置における出力手段の絶対角度出力モードでの出力動作を説明する波形図である。
【図３】回転部材回転時の回転検出装置における出力手段の絶対角度モードでの出力動作を説明する波形図である。
【図４】同回転検出装置と略同等の回転検出装置を組み込んだ回転検出装置付き軸受の断面図である。
【図５】同軸受における回転検出装置設置部を示す拡大側面図である。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】前記回転検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】同回転検出装置における遅延時間補正手段の処理動作を示す説明図である。
【図１１】従来例の斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…回転検出装置
２…磁石
３…絶対角度検出センサ
４…出力手段
５…磁気センサ
６…角度算出手段
７…回転パルス信号生成手段
８…絶対角度出力モード実行手段
９…モード実行信号生成手段
２０…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等に用いられる回転検出装置、およびその回転検出装置を組み込んだ検出装置付き軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
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１１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４５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４６とともにセンサチップ４２に集積し、このセンサチップ４２を、回転側部材４１に配置される磁石４４に対向配置したものである。この場合、磁石４４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４２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４５が配置される。
このように構成された回転検出装置４３では、各辺の磁気センサアレイ４５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４４の磁界分布を検出し、その検出結果に基づき磁石４４の回転角度をデジタル信号処理回路により算出する。
【０００３】
特許文献１に開示の回転検出装置４３と検出方法は異なるものの、ホール素子などの磁気センサ素子を複数使用し、それらの出力信号を演算することによって、回転体に固定された磁石の位置や動きを検出する回転検出装置（例えばＡＭＳ社のロータリエンコーダＬＳＩ）なども提案されている。
【特許文献１】特開２００３−３７１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの回転検出装置では、検出された絶対角度情報をいくつかの形態で出力することができる。角度情報あるいは回転情報の出力方式としては、シリアル通信やアナログ電圧出力、パラレル信号伝送、ＡＢＺ相パルス出力など、用途によって適したものが選択されている。
しかし、シリアル通信の場合は、情報取得にある程度の時間が必要になり、リアルタイムな回転検出には不都合な場合がある。また、パラレル信号伝送の場合は、高速ではあるが必要な配線が増えてしまうという欠点がある。また、アナログ電圧の場合は、ノイズにより信号の伝達精度が制限されてしまう。ＡＢＺ相パルス出力の場合は、以下の理由により絶対角度情報を伝達できない。
【０００５】
一般的なインクリメンタル型の回転検出装置では、出力信号として互いに位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号が使用されているが、これら２つのパルス信号にインデックス信号であるＺ相信号を組み合わせることで、ＡＢ相信号のＺ相信号からの相対変化量によって角度位置を算出するＡＢＺ相パルス出力を出力方式として採用するのが通例である。
しかし、このＡＢＺ相パルス出力の場合、回転部材をＺ相信号が出力されるまで回転させないと回転原点位置がわからないので、回転検出装置に電源投入した直後などにイニシャライズ動作を実行しないと、現在角度を知ることができない。
【０００６】
この発明の目的は、余分な動作や手続きを要することなく、ＡＢＺ相信号を用いて絶対角度情報を出力できる回転検出装置、およびこの回転検出装置を組み込んだ回転検出装置付き軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の回転検出装置を、実施形態に対応する図１と共に説明する。この回転検出装置は、回転する部材の回転角度を絶対角度で検出する絶対角度検出センサ３と、この絶対角度検出センサ３が検出した絶対角度に基づき、前記絶対角度検出センサ３の零相であるインデックス信号、および一定間隔のパルス信号を含む回転パルス信号を生成する回転パルス信号生成手段７と、前記回転パルス信号を、前記インデックス信号を出力してから現在の絶対角度まで出力するモードである絶対角度出力モードで出力する絶対角度出力モード実行手段８とを備えたものである。
この構成によると、絶対角度検出センサ３で検出した絶対角度情報を、余分な動作や手続きを要することなく、また特別なハードウェアの追加なしに、従来のインクリメンタル・エンコーダと同様なＡＢＺ相パルス信号を利用して出力することができ、回路接続も簡単でコストもかからない。その出力を受信する受信側でも、特別に絶対角度を記憶するなどの手段を用意することなく、常に絶対角度を検出することができる。
【０００８】
この発明において、前記回転パルス信号が、互いに９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号と、前記インデックス信号とでなるものであっても良い。
【０００９】
この発明において、前記絶対角度出力モード実行手段８は、前記絶対角度検出センサ３の電源オンの直後、およびこの回転検出装置に対する外部からの要求信号に応じて前記絶対角度出力モードによる出力を実行するものとしても良い。
この構成の場合、絶対角度検出センサ３が電源オンとなったとき、初期化動作の一部として絶対角度出力モード実行手段８が絶対角度出力モードとされて現在の絶対角度が出力されるので、回転検出装置に電源投入した直後にイニシャライズ動作を実行することなく、簡単に現在角度を知ることができる。また、回転検出装置に対する外部からの要求信号に応じて、絶対角度出力モード実行手段８が絶対角度出力モードによる出力を実行するので、要求信号を送信する外部の状態に応じて絶対角度情報を出力することができ、各種の制御回路・計数回路に接続して利用することが可能となる。
【００１０】
この発明において、前記絶対角度出力モード実行手段８が絶対角度出力モードを実行していることを示す信号を出力するモード実行信号生成手段９を設けたものであっても良い。この構成の場合、絶対角度出力モード動作中を示す信号線を備えておれば、回転検出装置に対する外部の回路において、回転検出装置から送信されて来る回転パルス信号がどのような状態で出力されているかを判別することができ、機器の制御状態などを乱すことなく角度情報を伝達することもできる。
【００１１】
この発明において、前記絶対角度検出センサ３が、前記回転する部材に設けられた磁気発生体の磁界を検出する磁気式の絶対角度検出センサであっても良い。
【００１２】
この発明において、前記回転パルス信号生成手段７および絶対角度出力モード実行手段７が同じ半導体上に集積された回路からなるものであっても良い。この構成の場合、小型で高精度な回転検出装置を実現できる。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の回転検出装置は、回転する部材の回転角度を絶対角度で検出する絶対角度検出センサと、この絶対角度検出センサが検出した絶対角度に基づき、前記絶対角度検出センサの零相であるインデックル信号、および一定間隔のパルス信号を含む回転パルス信号を生成する回転パルス信号生成手段と、前記回転パルス信号を、前記インデックス信号を出力してから現在の絶対角度まで出力するモードである絶対角度出力モードで出力する絶対角度出力モード実行手段とを備えたため、余分な動作や手続きを要することなく、ＡＢＺ相信号を用いて絶対角度情報を出力できる。
この発明の検出装置付き軸受は、この発明の回転検出装置を軸受に組み込んだものであるため、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１は、この実施形態の回転検出装置の概略構成をブロック図で示す。この回転検出装置１は、図示しない回転部材の軸心位置に設けられた磁気発生体である磁石２と、この磁石２の磁界変化を計測することで前記回転部材の回転角度を絶対角度で検出する絶対角度検出センサ３と、この絶対角度検出センサ３が検出した絶対角度の情報をＡＢＺ信号として受信側の回路３０に出力する出力手段４とを備える。
【００１６】
磁石２は、その一対の磁極Ｎ，Ｓから発生する磁気が前記回転部材の軸心の回りの方向性を有するものであり、中心が回転部材の軸心と一致するように例えば回転部材の一端に固定される。磁石２が回転部材と一体に回転することによって、回転部材の軸心の回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。
【００１７】
絶対角度検出センサ３は、磁気センサ５と角度算出手段６とでなる。磁気センサ５は、磁石２の磁気を感知して回転角度の情報を出力するセンサであり、前記回転部材の軸心の軸方向に向けて磁石２と対面するように、図示しない固定部材に固定される。この磁気センサ５は、例えば複数の磁気センサ素子（ＭＡＧＥＦＴ）を列状に並べたアレイ式センサあるいは２次元ベクトルセンサである。
角度算出手段６は、前記磁気センサ５を構成する各磁気センサ素子の出力から前記磁石２の磁界強度を計測し、その計測値を基に回転部材の回転角度を絶対角度として検出する手段である。
【００１８】
出力手段４は、回転パルス信号生成手段７と、絶対角度出力モード実行手段８と、モード実行信号生成手段９とを有する。
回転パルス信号生成手段７は、前記絶対角度検出センサ３が検出した絶対角度θに基づき、絶対角度検出センサ３の零相であるインデックス信号（Ｚ相信号）、および一定間隔のパルス信号（ＡＢ相信号）を含む回転パルス信号（ＡＢＺ相信号）を生成する手段である。図２（Ａ），（Ｂ）には、回転パルス信号生成手段７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。これらＡ相およびＢ相のパルス信号は、互いに９０°位相を異ならせてある。図２（Ｃ）には、回転パルス信号生成手段７が生成するインデックス信号（Ｚ相信号）の波形図を示す。
【００１９】
絶対角度出力モード実行手段８は、前記回転パルス信号（ＡＢ相信号）を、前記インデックス信号（Ｚ相信号）を出力してから現在の絶対角度θまで出力するモードである絶対角度出力モードで出力する手段である。前記回転パルス信号生成手段７により生成される回転パルス信号（ＡＢ相信号）は、前記絶対角度出力モードの場合とそのモードでない場合とで異なる。すなわち、絶対角度出力モードでない場合（通常時）の回転パルス信号（ＡＢ相信号）は、絶対角度検出センサ３が検出する絶対角度の変化に応じた速度のパルス信号として生成される。これに対して、絶対角度出力モードでの回転パルス信号（ＡＢ相信号）は、前記通常時のパルス信号に比べて十分高速なパルス信号として生成される。なお、インデックス信号（Ｚ相信号）も、絶対角度出力モードでは高速なパルス信号とされる。
絶対角度出力モード実行手段８は、絶対角度検出センサ３の電源オンの直後、およびこの回転検出装置１の出力を受ける外部の受信側の回路３０からの要求信号（requesut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２（Ｆ）には、外部の受信側回路３０から出力される要求信号（requesut信号) の波形図を示す。絶対角度検出センサ３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８に入力される。
【００２０】
モード実行信号生成手段９は、前記絶対角度出力モード実行手段８が絶対角度出力モードの出力動作を実行していることを示す信号（ＡＢＳ＿mode信号）を出力する手段である。図２（Ｄ）には、モード実行信号生成手段９が出力するＡＢＳ＿mode信号の波形図を示す。
【００２１】
次に、前記回転検出装置１が回転部材の回転角度を絶対角度で検出し、その絶対角度の情報を外部の受信側回路３０に向けて出力する動作を、回転部材が停止している場合（図２）と回転している場合（図３）とに分けて説明する。
・回転部材が停止している場合
受信側回路３０から回転検出装置１の出力手段４に、図２（Ｆ）のように絶対角度出力の要求信号（requesut）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８が動作可能となり、モード実行信号生成手段９から図２（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７から図２（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、絶対角度検出センサ３の零相とは無関係に出力される。
【００２２】
これらの信号を受信して動作する受信側回路３０では、インデックス信号（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３１が０にリセットされる。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３１が図２（Ｅ）のように計数する。Ａ相信号およびＢ相信号のポジションカウンタ３１での扱いは、これら各信号のエッジ部で計数するもの（４逓倍）とされる。回転検出装置１が検出している現在の回転角度の絶対値をQnとすると、回転パルス信号生成手段７からは、Ａ相信号およびＢ相信号としてポジションカウンタ３１での計数値が合計Qnとなるパルス数が出力される。
また、回転パルス信号生成手段７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９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、受信側回路３０のポジションカウンタ３１の計数値は、絶対角度出力モードが終了すると、回転検出装置１の検出している現在の回転角度の絶対値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７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、受信側回路３０のポジションカウンタ３１に絶対角度データ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相信号を用いて絶対角度情報を受信側回路３０に向けて出力することができる。
【００２３】
上記説明では、受信側の回路３０から絶対角度出力モードの要求信号（requesut）を回転検出装置１の出力手段４に入力することによって、絶対角度出力モード実行手段８を絶対角度出力モードとする場合を示したが、回転角度検出装置１の絶対角度検出センサ３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８が絶対角度出力モードとされる。この場合、絶対角度検出センサ３から出力される電源オン信号が前記要求信号（requesut）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、絶対角度検出センサ３の電源がオンになると、絶対角度検出センサ３の検出する現在の絶対角度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受信側の回路３０に現在の絶対角度が伝えられることになる。受信側の回路３０がリセットされた場合や、受信側の回路３０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、受信側の回路３０から絶対角度の出力を要求する要求信号（requesut）を改めて回転角度検出装置１の出力手段４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、現在の絶対角度を受信側の回路３０に転送することが可能になる。
【００２４】
なお、絶対角度出力モードにおいては、上記したようにＡ，Ｂ，Ｚの各相信号はできるかぎり高速なパルス信号の形態で出力される。その結果、絶対角度情報を受信側の回路３０に転送するために必要な時間を最低限にすることができる。
【００２５】
・回転部材が回転している場合
この場合も、受信側回路３０から回転検出装置１の出力手段４に、図３（Ｆ）のように絶対角度出力の要求信号（requesut）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８が動作可能となり、モード実行信号生成手段９から図３（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７から図２（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。
受信側回路３０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３１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３１が計数する。Ａ相信号およびＢ相信号のパルス出力が、図３（Ａ）のように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、回転部材の回転に伴い絶対角度検出センサ３で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）が出力される。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の回路３０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。
【００２６】
このように、この実施形態の回転検出装置１では、絶対角度検出センサ３で検出した絶対角度情報を、特別なハードウェアの追加なしに、従来のインクリメンタル・エンコーダと同様なＡＢＺ相パルス信号を利用して出力することができ、回路接続も簡単でコストもかからない。その出力を受信する受信側でも、特別に絶対角度を記憶するなどの手段を用意することなく、常に絶対角度を検出することができる。
【００２７】
また、この実施形態では、出力手段４の絶対角度出力モード実行手段８が絶対角度出力モードを実行していることを示す信号（ＡＢＳ＿mode）を出力するモード実行信号生成手段９を設けているので、絶対角度出力モード動作中を示す信号線を備えておれば、受信側の回路３０において、回転検出装置１から送信されてくる回転パルス信号（ＡＢＺ相信号）がどのような状態で出力されているかを判別することができ、機器の制御状態などを乱すことなく角度情報を伝達することもできる。例えば受信側の回路３０が、モータ制御などを実行している場合であっても、異常な動作をしないようにすることが可能になる。
【００２８】
また、この実施形態では、回転検出装置１に対する外部（受信側の回路３０）からの要求信号（requesut）に応じて、絶対角度出力モード実行手段８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、受信側の回路３０の状態に応じて絶対角度情報を出力することができ、各種の制御回路・計数回路に接続して利用することが可能となる。
【００２９】
図４は、この実施形態と略同等の回転検出装置を組み込んだ軸受の断面図を示す。この回転検出装置付き軸受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には回転部材である回転軸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。
【００３０】
転がり軸受２０に組み込まれる回転検出装置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１３とを備える。具体的には、内輪２１と共に回転する回転軸１０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１３が配置される。
磁石２は、図５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。
【００３１】
回転センサ１３は磁石２の磁気を感知して回転角度の情報を出力するセンサである。回転センサ１３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１３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１３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。
【００３２】
回転センサ１３は、図６に平面図で示すように、１つの半導体チップ１４上に大規模集積回路（ＬＳＩ）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の出力から前記磁石２の磁界強度を計測し、その計測値に基づき回転側部材である回転軸１０の回転角度を絶対角度で検出する角度算出手段６と、遅延時間補正手段１７と、補間手段１８と、出力手段４とからなる。ここでは、磁気センサ５、角度算出手段６、遅延時間補正手段１７および補完手段１８で、図１における絶対角度検出センサ３が構成され、この絶対角度検出センサ３と出力手段４が１つの半導体チップ１４上に集積して回転センサ１３が構成される。なお、出力手段４は、半導体チップ１４とは別の場所に設置しても良い。
【００３３】
半導体チップ１４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が複列に平行に並んだものであっても良い。前記角度算出手段６、遅延時間補正手段１７、補間手段１８、出力手段４などからなる演算回路部は、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１４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。
【００３４】
図７および図８は、前記角度算出手段６による回転角度算出処理の説明図である。図８（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７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８（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。
【００３５】
ところで、角度算出手段６が上記した演算を行って回転角度θを出力するまでに時間遅れが発生する。したがって、高速回転状態では検出された回転角度位置は実際の回転角度位置とは異なっていることがある。図１０には、時刻ｔn-1 ，ｔn ，ｔn+1 において角度算出手段６で演算出力される各検出角度θn-1 ，θn ，θn+1 と実際の角度との関係を示している。これら検出角度θn-1 ，θn ，θn+1 と実際の角度との角度差が上記遅延によるものである。
【００３６】
図９において、遅延時間補正手段１７は、角度算出手段６から出力される検出角度θを前記時間遅れ分だけ補正する手段である。その補正処理は以下の手順で行われる。
（１）時刻ｔn に角度算出手段６から出力される検出角度θn と、時刻ｔn-1 に角度算出手段６から出力される検出角度θn-1 の差分Δθn （＝θn −θn-1 ）を回転速度として計算する。この差分値Δθn は、１回の磁界サンプリング間隔Ｔで回転した角度を示している。
（２）このようにして検出された回転速度（差分値Δθn ）を用いて、次のサンプリング時刻（次に角度算出手段６が検出角度θn+1 を出力する時刻）ｔn+1 に到達すべき回転角度位置Ｐn+1 を計算する。ここでは、検出角度出力までの遅延時間を補償する。その補償の計算方法として、例えば一次近似を用いると、ｔn+1 に到達すべき回転角度位置Ｐn+1 は、
Ｐn+1 ＝θn ＋α・Δθn ……（２）
となる。ここでαは遅延時間を補償する係数で、遅延時間の大きさによって設定され、図１０の場合ではα＝２に設定される。このようにして求められた次回の予想検出角度Ｐn+1 が目標値となる。このように遅延時間補償を行った場合、Ｐn+1 は図１０に示す位置となり、実際の回転角度位置に近接した値が目標値となる。このとき、図示しないメモリには、前回計算した目標値Ｐn が記憶されている。
【００３７】
補間手段１８は、磁界のサンプリング間隔Ｔを補間して回転角度の変化分を演算する手段である。その補間処理は、以下の手順で行われる。
（１）遅延時間補正手段１７で求まった目標値Ｐn+1 と、メモリに記憶された前回の目標値Ｐn とを用いて、次回サンプリング時刻ｔn+1 までに変化すべきカウント量Ｃn を、 Ｃn ＝Ｐn+1 −Ｐn ……（３）
として求める。
（２）前記カウント量Ｃn を計算後、現在位置ＡをＰn としてメモリに再記憶する。すると、図示しないカウンタにＣn 個のクロックが順次入力され、これによりカウンタのカウント値が変化し、補正角度出力（遅延時間補償＋補間）Ａが得られる。
出力手段４での処理は図１の実施形態の場合と同様であり、ここでは説明を省略する。
【００３８】
この場合の回転検出装置１では、角度算出手段６から出力される検出角度θを、磁石２の磁界が磁気センサ素子５ａで検出されてから角度算出手段６で検出角度θが出力されるまでの時間遅れ分だけ遅延時間補正手段１７で補正するようにしているので、絶対角度検出センサ３から出力される絶対角度情報が実際の回転側部材（回転軸１０）の回転角度にごく近い値になり、正確な角度情報をリアルタイムで得ることができる。
また、補間手段１８により、磁界のサンプリング間隔Ｔを補間して回転角度の変化分を演算するようにしているので、回転側部材（回転軸１０）の高速回転動作を、サンプリング時間間隔Ｔよりも細かく検出することができる。
【００３９】
また、図４の回転検出装置付き軸受２０では、上記回転検出装置１を転がり軸受２０に組み込んでいるので、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を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の一実施形態に係る回転検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】回転部材停止時の回転検出装置における出力手段の絶対角度出力モードでの出力動作を説明する波形図である。
【図３】回転部材回転時の回転検出装置における出力手段の絶対角度モードでの出力動作を説明する波形図である。
【図４】同回転検出装置と略同等の回転検出装置を組み込んだ回転検出装置付き軸受の断面図である。
【図５】同軸受における回転検出装置設置部を示す拡大側面図である。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】前記回転検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】同回転検出装置における遅延時間補正手段の処理動作を示す説明図である。
【図１１】従来例の斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…回転検出装置
２…磁石
３…絶対角度検出センサ
４…出力手段
５…磁気センサ
６…角度算出手段
７…回転パルス信号生成手段
８…絶対角度出力モード実行手段
９…モード実行信号生成手段
２０…回転検出装置付き軸受
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する部材の回転角度を絶対角度で検出する絶対角度検出センサと、この絶対角度検出センサが検出した絶対角度に基づき、前記絶対角度検出センサの零相であるインデックス信号、および一定間隔のパルス信号を含む回転パルス信号を生成する回転パルス信号生成手段と、前記回転パルス信号を、前記インデックス信号を出力してから現在の絶対角度まで出力するモードである絶対角度出力モードで出力する絶対角度出力モード実行手段とを備えた回転検出装置。
【請求項２】
請求項１において、前記回転パルス信号が、互いに９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号と、前記インデックス信号とでなる回転検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記絶対角度出力モード実行手段は、前記絶対角度検出センサの電源オンの直後、およびこの回転検出装置に対する外部からの要求信号に応じて前記絶対角度出力モードによる出力を実行するものとした回転検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記絶対角度出力モード実行手段が絶対角度出力モードを実行していることを示す信号を出力するモード実行信号生成手段を設けた回転検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記絶対角度検出センサが、前記回転する部材に設けられた磁気発生体の磁界を検出する磁気式の絶対角度検出センサである回転検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記回転パルス信号生成手段および絶対角度出力モード実行手段が同じ半導体上に集積された回路からなる回転検出装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６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。
【請求項１】
回転する部材の回転角度を絶対角度で検出する絶対角度検出センサと、この絶対角度検出センサが検出した絶対角度に基づき、前記絶対角度検出センサの零相であるインデックス信号、および一定間隔のパルス信号を含む回転パルス信号を生成する回転パルス信号生成手段と、前記回転パルス信号を、前記インデックス信号を出力してから現在の絶対角度まで出力するモードである絶対角度出力モードで出力する絶対角度出力モード実行手段とを備えた回転検出装置。
【請求項２】
請求項１において、前記回転パルス信号が、互いに９０°位相の異なるＡ相およびＢ相の２つのパルス信号と、前記インデックス信号とでなる回転検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記絶対角度出力モード実行手段は、前記絶対角度検出センサの電源オンの直後、およびこの回転検出装置に対する外部からの要求信号に応じて前記絶対角度出力モードによる出力を実行するものとした回転検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記絶対角度出力モード実行手段が絶対角度出力モードを実行していることを示す信号を出力するモード実行信号生成手段を設けた回転検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記絶対角度検出センサが、前記回転する部材に設けられた磁気発生体の磁界を検出する磁気式の絶対角度検出センサである回転検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記回転パルス信号生成手段および絶対角度出力モード実行手段が同じ半導体上に集積された回路からなる回転検出装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−１１６２９１（Ｐ２００８−１１６２９１Ａ）
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９９０１７（Ｐ２００６−２９９０１７）
【出願日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２２日（２００８．５．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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