回転角度検出装置および回転角度検出装置付き軸受
【課題】 高速かつ高精度の回転角度検出装置、およびその回転角度検出装置を備えた軸受を提供する。
【解決手段】 磁気発生手段に回転中心の軸方向に配置された複数のライン状の磁気センサアレイと、その出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、出力から磁界分布のゼロクロス位置を検出するゼロクロス位置検出手段と、ゼロクロス位置から磁気発生手段の回転角度を検出する角度計算手段とを備える。検出されたゼロクロス位置を記憶する検出位置記憶手段と、記憶されたゼロクロス位置を元に所定の基準で磁気センサアレイの次回のスキャン範囲を設定するスキャン範囲設定手段と、スキャン範囲設定手段で設定したスキャン範囲で磁気センサアレイ検出信号を読み出すスキャン回路とを設ける。スキャン範囲として限定された部分的な検出信号を用いてゼロクロス位置を検出し、この部分的な検出信号から検出されたゼロクロス位置から回転角度を検出する。
【解決手段】 磁気発生手段に回転中心の軸方向に配置された複数のライン状の磁気センサアレイと、その出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、出力から磁界分布のゼロクロス位置を検出するゼロクロス位置検出手段と、ゼロクロス位置から磁気発生手段の回転角度を検出する角度計算手段とを備える。検出されたゼロクロス位置を記憶する検出位置記憶手段と、記憶されたゼロクロス位置を元に所定の基準で磁気センサアレイの次回のスキャン範囲を設定するスキャン範囲設定手段と、スキャン範囲設定手段で設定したスキャン範囲で磁気センサアレイ検出信号を読み出すスキャン回路とを設ける。スキャン範囲として限定された部分的な検出信号を用いてゼロクロス位置を検出し、この部分的な検出信号から検出されたゼロクロス位置から回転角度を検出する。
【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角度検出装置、およびその回転角度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角度検出装置として、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、磁気センサ素子（ＭＡＧＦＥＴ）を多数並べた磁気センサアレイを、信号増幅回路、ＡＤ変換回路、およびデジタル信号処理回路ととも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石に対向配置したものである。この場合、磁石は回転中心回りの円周方向異方性を有するものとされ、前記センサチップ上では、仮想の矩形の４辺における各辺に沿ってライン状の４個の磁気センサアレイが配置される。
このように構成された回転角度検出装置では、各磁気センサアレイでセンサチップに垂直な磁界分布を検出し、これら磁気センサアレイの出力を信号増幅回路およびＡＤ変換回路を経てデジタル信号処理回路に読み出し、デジタル信号処理回路により、各磁気センサアレイ上での前記磁界分布のＮＳ境界線に相当するゼロクロス位置を検出して磁石の回転角度を算出する。
【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】
【０００３】
上記構成の回転角度検出装置の場合、磁気センサアレイのセンサ信号をスキャンして読み出し、デジタル信号処理回路により角度計算結果を出力するまでの時間が短いほど、高速に角度検出を行うことができ、出力遅延時間を短くすることができる。出力遅延時間の短縮は、高速回転する物体の回転角度の検出や、高速応答が求められる制御システムでの回転角度検出等で特に求められている。
しかし、この出力時間の短縮は、センサ信号の読み出し時間と、その後のデジタル信号処理回路による角度算出の演算処理時間とで制限される。特に、センサ信号の読み出し時間は、磁気センサアレイを構成する磁気センサ素子の並び個数が多いほど長くなる。また、磁気センサ素子の個数が多いと、デジタル信号処理回路で上記ゼロクロス位置を求めるために抽出されるデータ個数も増えるので、角度算出の演算処理時間も長くなってしまう。すなわち、磁気センサアレイを構成する磁気センサ素子数が多くなると、センサ信号の読み出し開始から、角度検出結果が出力されるまでの時間遅れが大きくなる。磁気センサ素子の個数が少ないと上記時間遅れは小さくなるが、角度検出精度は低下する。
【０００４】
この発明の目的は、角度検出精度を落とすことなくセンサ信号の読み出し時間を短縮できて、高速かつ高精度の回転角度検出が可能な回転角度検出装置、およびその回転角度検出装置を備えた軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の回転角度検出装置は、回転側部材に配置され、回転中心（Ｏ）回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段（４）と、この磁気発生手段（４）の回転中心（Ｏ）の軸方向に対向して非回転側部材に配置された複数のライン状の磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）と、これら複数の磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路（１２）と、このＡＤ変換回路（１２）の出力から磁界分布のゼロクロス位置を検出するゼロクロス位置検出手段（１５）と、この検出されたゼロクロス位置から磁気発生手段（４）の回転角度を算出する角度計算手段（１６）とを備えた回転角度検出装置において、前記ゼロクロス位置検出手段（１５）で検出した毎回の処理結果であるゼロクロス位置を記憶する検出位置記憶手段（１７）と、その記憶されたゼロクロス位置を元に所定の基準で磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）の次回のスキャン範囲を設定するスキャン範囲設定手段（１８）と、このスキャン範囲設定手段（１８）で設定したスキャン範囲で磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）の検出信号を読み出すスキャン回路（１３）とを有し、前記ゼロクロス位置検出手段（１５）は、前記スキャン範囲として限定された磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）の部分的な検出信号を用いてゼロクロス位置を検出し、前記角度計算手段（１６）は、この部分的な検出信号から検出されたゼロクロス位置から回転角度を検出するものとしたことを特徴とする。
【０００６】
この構成によると、毎回のゼロクロス位置の検出結果を検出位置記憶手段（１７）で記憶し、その記憶されたゼロクロス位置を元に次回のスキャン範囲をスキャン範囲設定手段（１８）により設定し、ゼロクロス位置検出手段（５）は、その設定されたスキャン範囲をスキャンして次のゼロクロス位置を求める。センサ信号の読み出しは連続して行われるため、次のスキャンで検出されるゼロクロス位置は、よほどの高速でない限り、前回の検出位置から前後のある範囲に存在している。そのため、前回のゼロクロス位置を元に次回のスキャン範囲を適宜設定すれば、上記のようにスキャン範囲を部分的に限られたものとしても、ゼロクロス位置の検出が可能である。このように限定されたスキャン範囲だけを読み出すため、読み出し時間が短縮できる。スキャン範囲は限定するが、磁気センサ素子（５ａ）の個数は削減しないため、読み出し時間を短縮しながら、検出精度の低下がない。また、読み出される信号量が少なくなるので、ゼロクロス位置検出手段（１５）で扱うデータも少なくなり演算処理時間も短縮できる。その結果、磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）を構成する磁気センサ素子（５ａ）の数が多い場合でも、磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）からの出力の読み出し開始から、角度検出結果が出力されるまでの時間遅れを短縮でき、高速かつ高精度の回転角度検出が可能となる。
【０００７】
この発明において、前記磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）は、上記回転中心（Ｏ）に垂直な平面内で仮想の矩形の４辺における各辺に配置して４個設けても良い。この構成の場合、矩形に配置された磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）で囲まれた内部に、磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）の出力を処理して回転角度を算出する信号処理回路（１０）を配置できるので、センサチップ上に磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）と信号処理回路（１０）を共に集積する場合にコンパクトに構成でき、センサチップの回路面積を小さくできる。
【０００８】
この発明において、前記角度計算手段（１６）の毎回の角度検出結果から磁気発生手段（４）の回転速度と方向を検出する速度・方向検出手段（１９）を設け、前記スキャン範囲設定手段（１８）は、前記速度・方向検出手段（１９）で検出した回転速度と方向の記録に基づき、ゼロクロス計算に用いるデータ個数と、磁気発生手段（４）の回転移動に伴うゼロクロス位置の移動分とを用いて所定の基準でスキャン範囲を設定するものとしても良い。この構成の場合、回転速度および方向の記録から、次回の出力読み出し時にゼロクロス位置がどこに存在するかを、正確に予測でき、予測されるゼロクロス位置の前後にスキャン範囲の始点と終点を設定することで、次回のスキャン範囲を設定できる。これにより、磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）から出力を読み出す磁気センサ素子（５ａ）の数をさらに少なくでき、読み出し時間およびゼロクロス位置検出のための演算処理時間をさらに短縮できる。
【０００９】
この発明において、前記速度・方向検出手段（９）で検出した回転方向と速度の検出結果を外部に出力する手段（２０）を設けても良い。この構成の場合、磁気発生手段（４）の回転速度と方向をリアルタイムで外部に知らせることができる。
【００１０】
この発明の回転角度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角度検出装置を軸受に取付けたものである。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、磁気センサアレイは、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、軸受に回転角度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、回転角度検出装置は、高速かつ高精度の回転角度検出が可能であるため、高速回転する機器の軸受や、高速応答が求められる制御システム等での軸受に用いても、高精度の回転角度検出が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の回転角度検出装置は、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た複数のライン状の磁気センサアレイと、これら複数の磁気センサアレイの出力を処理するＡＤ変換回路、ゼロクロス位置検出手段、および角度計算手段とを備えた回転角度検出装置において、毎回のゼロクロス位置の検出結果を記憶する手段を設けたため、前回のゼロクロス検出位置を基にして、次回のゼロクロス位置の存在する範囲を推定し、スキャン範囲を設定することができる。この設定した範囲だけをスキャンして信号を読み出すため、読み出し時間が短縮され、処理するデータ数も少ないために、ゼロクロス計算のためのデータ抽出時間も削減でき、角度検出を高速に実行することができる。したがって、角度検出精度を落とすことなくセンサ信号の読み出し時間を短縮できて、高速かつ高精度の回転角度検出が可能となる。
設定するスキャン範囲については、毎回の角度検出結果から回転速度を推定し、その推定値を元にして算出することもでき、最適な範囲に調整する機能を備えることもでき、これにより、できる限り高速に角度と検出結果を出力することが可能となる。
【００１２】
この発明の回転角度検出装置付き軸受は、上記発明の回転角度検出装置を軸受に取付けたため、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、高速回転する機器の軸受や、高速応答が求められる制御システム等での軸受に用いても、高精度の回転角度検出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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角度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。この回転角度検出装置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４個のライン状の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄと、その出力を処理して回転角度を算出する信号処理回路１０とを備える。
【００１４】
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６を２つの磁性体ヨーク７，７で挟んで一体化して概形が二叉のフォーク状とされ、一方の磁性体ヨーク７の一端がＮ磁極、他方の磁性体ヨーク７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。
【００１５】
磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄ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。図３に示すように、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄは、それぞれ複数の磁気センサ素子５ａをライン状に並べて構成され、上記回転中心Ｏに垂直な平面内で仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置される。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。このように構成される各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄは、非回転側部材２に取付けられる一つの半導体チップ８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８は、例えばシリコンチップである。
【００１６】
図２には、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄと、その出力を処理して回転角度を算出する信号処理回路１０の概略構成をブロック図で示す。信号処理回路１０は、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄと共に、前記半導体チップ８の上に集積される。この場合、図３のように、矩形に配置された磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄで囲まれた内部に信号処理回路１０が配置される。これにより、半導体チップ８の上に、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄと信号処理回路１０をコンパクトに配置でき、半導体チップ８の回路面積を小さくできる。
図２において、信号増幅回路１１、ＡＤ変換回路１２、スキャン制御回路１３および座標カウンタ１４は、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄに対して個別に設けられる。信号増幅回路１１は磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力を増幅するものであり、ＡＤ変換回路１２は信号増幅回路１１で増幅された信号をデジタル信号に変換するものである。スキャン制御回路１３は、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力をスキャンして読み出す制御を行うものである。
【００１７】
例えば、磁気センサアレイ５Ａの出力は、対応するスキャン制御回路１３の制御でスキャンして順次読み出され、さらに対応する信号増幅回路１１で増幅され、その増幅信号が対応するＡＤ変換回路１２でデジタル信号に変換されてゼロクロス位置検出手段１５に入力される。また、スキャン制御回路１３は磁気センサアレイ５Ａのスキャン制御において、選択した磁気センサ素子５ａの配列位置情報を座標カウンタ１４に送信し、これに応答して座標カウンタ１４から選択された磁気センサ素子５ａの座標情報が前記ゼロクロス位置検出手段１５に入力される。これにより、ゼロクロス位置検出手段１５では、ＡＤ変換回路１２からデジタル信号として順次入力されてくる各磁気センサ素子５ａのセンサ信号と、座標カウンタ１４から入力されてくる座標情報とが関連づけられる。ゼロクロス位置検出手段１５は各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄに対して共通のものであり、他の磁気センサアレイ５Ｂ〜５Ｄの出力も同様にゼロクロス位置検出手段１５に入力されて座標情報と関連づけられる。ゼロクロス位置検出手段１５は、前記各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力から前記磁気発生手段４による磁界分布のゼロクロス位置を検出するものである。図３には、任意の１回分の信号読み出しによりゼロクロス位置検出手段１５で検出されるゼロクロス位置を、符号Ａn ，Ｂn で例示している。図２における角度計算手段１６は、ゼロクロス位置検出手段１５で検出されたゼロクロス位置に基づき、磁気発生手段４の回転角度を算出するものである。
【００１８】
前記信号処理回路１０は、このほか検出位置記憶手段１７およびスキャン範囲設定回路１８を有する。検出位置記憶手段１７は、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力を読み出してゼロクロス位置検出手段１５で検出した毎回の処理結果であるゼロクロス位置を記憶する回路である。スキャン範囲設定手段１８は、検出位置記憶手段１７に記憶された前回のゼロクロス位置を元に所定の基準で磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの次回のスキャン範囲を設定する回路である。
【００１９】
次に、図２の信号処理回路１０において、破線で囲まれた検出位置記憶手段１７、およびスキャン範囲設定回路１８を含む回路部分９の動作を説明する。上記スキャン制御回路１３によるセンサ信号の読み出しは特定の周期で連続して実行されるため、磁気発生手段４の回転が例えば時計回りで、その回転速度がよほど高速なものでない限り、図３に符号Ａn ，Ｂn で示したゼロクロス位置が検出された前回の信号読み出し・検出処理に続く次回の信号読み出し・検出処理では、例えば図３に符号Ａn+1 ，Ｂn+1 で示すように、符号Ａn ，Ｂn で示した前回のゼロクロス位置から磁気センサアレイ５Ｄ，５Ｂ上を所定量だけ移動した位置にゼロクロス位置が検出されることが推定される。そこで、前記スキャン範囲設定手段１８では、検出位置記憶手段１７に記憶された前回のゼロクロス位置Ａn ，Ｂn を元に、次回の信号読み出しのスキャン範囲を例えば次のように設定する。すなわち矩形に配置される磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの配置領域において、図４に示すように、前回の１つのゼロクロス位置Ｂn の前後所定領域Ｓ１〜Ｅ１と、前回の他の１つのゼロクロス位置Ａn の前後所定領域Ｓ２〜Ｅ２とがスキャン範囲として設定される。具体的には、前回のゼロクロス位置Ｂn を元にしたスキャン範囲Ｓ１〜Ｅ１については、その始点Ｓ１と終点Ｅ１が、所定の固定値Δを用いて、
Ｓ１＝Ｂn −Δ
Ｅ１＝Ｂn ＋Δ
のように設定される。また、前回のゼロクロス位置Ａn を元にしたスキャン範囲Ｓ２〜Ｅ２については、その始点Ｓ２と終点Ｅ２が、前記固定値Δを用いて、
Ｓ２＝Ａn −Δ
Ｅ２＝Ａn ＋Δ
のように設定される。このように次回のスキャン範囲を設定することにより、次回に検出されると推定されるゼロクロス位置Ａn+1 ，Ｂn+1 が、次回のスキャン範囲に確実に含まれるようにできる。
【００２０】
次回の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力の読み出しにおけるスキャン制御回路１３によるスキャン制御は、上記したように設定されたスキャン範囲Ｓ１〜Ｅ１，Ｓ２〜Ｅ２に限定して行われるので、読み出し時間を短縮することができる。また、読み出される信号量が少なくなるので、ゼロクロス位置検出手段１５で扱うデータも少なくなり演算処理時間も短縮できる。
【００２１】
図５は、前記信号処理回路１０の他の構成例を示す。この構成例では、図２に示す構成例において、前記角度計算手段１６の毎回の角度検出結果から磁気発生手段４の回転速度と方向を検出する速度・方向検出手段１９と、検出した回転速度および方向のデータを記憶するメモリ２０とを追加したものである。また、この構成例の場合、スキャン範囲設定手段１８では、前記速度・方向検出手段１９で検出した回転速度と方向の記録に基づき、ゼロクロス位置の演算に用いるデータ個数と、磁気発生手段４の回転移動に伴うゼロクロス位置の移動分とを用いて所定の基準でスキャン範囲を設定するようにしている。
【００２２】
図６には、信号処理回路１０を図５の構成例とした場合の次回のスキャン範囲Ｓ１〜Ｅ１，Ｓ２〜Ｅ２の設定例を示している。この場合も、磁気発生手段４が時計回りに回転している場合を示す。この場合には、回転速度および方向の記録から、次回の出力読み出し時にゼロクロス位置（対応する磁気分布のＮＳ境界線を同図に破線で示す）がどこに存在するかを、かなり正確に予測できることから、予測されるゼロクロス位置の前後にスキャン領域の始点と終点を設定することで、次回のスキャン領域Ｓ１〜Ｅ１，Ｓ２〜Ｅ２を設定している。
これにより、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄから出力を読み出す磁気センサ素子５ａの数をさらに少なくでき、読み出し時間およびゼロクロス位置検出のための演算処理時間をさらに短縮できる。
なお、図５の回路構成の場合に、前記速度・方向検出手段１９で検出した回転速度および方向の検出結果を外部に出力する手段を設けても良い。この場合には、磁気発生手段４の回転速度と方向をリアルタイムで外部に知らせることができる。
【００２３】
図７および図８は、角度計算手段１６による角度算出処理の説明図である。図７（Ａ）〜（Ｄ）は、回転側部材１が回転している時の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力波形図を示し、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８に示す位置Ｘ１とＸ２に磁気発生手段４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の出力が、図７（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〜５Ｄ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の回転角度を絶対角度で示した値である。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。
このように、この回転角度検出装置３では、磁界分布のゼロクロス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、回転角度検出装置３の軸合わせが不要となり、取付けが容易となる。
【００２４】
特に、この回転角度検出装置３では、毎回の処理結果であるゼロクロス位置を検出位置記憶手段１７で記憶し、その記憶されたゼロクロス位置を元に所定の基準で磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの次回のスキャン範囲をスキャン範囲設定手段１８により設定する。このスキャン範囲で磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの検出信号を読み出すスキャン制御を、スキャン制御回路１３で行う。このようにスキャン範囲として限定された磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの部分的な検出信号を用いて、前記ゼロクロス位置検出手段１５で次回のゼロクロス位置を検出し、検出されたこのゼロクロス位置から角度計算手段１６により回転角度を算出するようにしているので、読み出し時間を短縮することができる。また、読み出される信号量が少なくなるので、ゼロクロス位置検出手段１５で扱うデータも少なくなり演算処理時間も短縮できる。その結果、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄを構成する磁気センサ素子５ａの数が多い場合でも、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄからの出力の読み出し開始から、角度検出結果が出力されるまでの時間遅れを短縮でき、高速かつ高精度の回転角度検出が可能となる。
【００２５】
図９は、この実施形態の回転角度検出装置３を転がり軸受に組み込んだ例を示す。この転がり軸受３０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３０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４０が嵌合する内輪２１は、転動体２４を介して外輪２２に支持されている。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。
【００２６】
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、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄおよび信号処理回路１０の集積された半導体チップ８が取付けられている。また、このセンサ取付部材２７に、角度計算手段１４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。
【００２７】
このように、軸受３０に回転角度検出装置３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、回転角度検出装置３は、高速かつ高精度の回転角度検出が可能であるため、高速回転する機器の軸受や、高速応答が求められる制御システム等での軸受に用いても、高精度の回転角度検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の一実施形態にかかる回転角度検出装置の概念構成を示す斜視図である。
【図２】同回転角度検出装置における半導体チップ上での磁気センサアレイと信号処理回路の構成例を示すブロック図である。
【図３】磁気センサアレイ上でのゼロクロス位置の一例を示す説明図である。
【図４】上記回路構成例の場合に磁気センサアレイ上に設定されるスキャン範囲の一例を示す説明図である。
【図５】半導体チップ上での磁気センサアレイと信号処理回路の他の構成例を示すブロック図である。
【図６】同回路構成例の場合に磁気センサアレイ上に設定されるスキャン範囲の一例を示す説明図である。
【図７】磁気センサアレイの出力波形図である。
【図８】角度計算手段による角度算出処理の説明図である。
【図９】同回転角度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。
【符号の説明】
【００２９】
１…回転側部材
２…非回転側部材
３…回転角度検出装置
４…磁気発生手段
５Ａ〜５Ｄ…磁気センサアレイ
１２…ＡＤ変換回路
１３…スキャン制御回路
１５…ゼロクロス位置検出手段
１６…角度計算手段
１７…検出位置記憶手段
１８…スキャン範囲設定手段
１９…速度・方向検出手段
３０…転がり軸受
Ｏ…回転中心
【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角度検出装置、およびその回転角度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角度検出装置として、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、磁気センサ素子（ＭＡＧＦＥＴ）を多数並べた磁気センサアレイを、信号増幅回路、ＡＤ変換回路、およびデジタル信号処理回路ととも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石に対向配置したものである。この場合、磁石は回転中心回りの円周方向異方性を有するものとされ、前記センサチップ上では、仮想の矩形の４辺における各辺に沿ってライン状の４個の磁気センサアレイが配置される。
このように構成された回転角度検出装置では、各磁気センサアレイでセンサチップに垂直な磁界分布を検出し、これら磁気センサアレイの出力を信号増幅回路およびＡＤ変換回路を経てデジタル信号処理回路に読み出し、デジタル信号処理回路により、各磁気センサアレイ上での前記磁界分布のＮＳ境界線に相当するゼロクロス位置を検出して磁石の回転角度を算出する。
【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】
【０００３】
上記構成の回転角度検出装置の場合、磁気センサアレイのセンサ信号をスキャンして読み出し、デジタル信号処理回路により角度計算結果を出力するまでの時間が短いほど、高速に角度検出を行うことができ、出力遅延時間を短くすることができる。出力遅延時間の短縮は、高速回転する物体の回転角度の検出や、高速応答が求められる制御システムでの回転角度検出等で特に求められている。
しかし、この出力時間の短縮は、センサ信号の読み出し時間と、その後のデジタル信号処理回路による角度算出の演算処理時間とで制限される。特に、センサ信号の読み出し時間は、磁気センサアレイを構成する磁気センサ素子の並び個数が多いほど長くなる。また、磁気センサ素子の個数が多いと、デジタル信号処理回路で上記ゼロクロス位置を求めるために抽出されるデータ個数も増えるので、角度算出の演算処理時間も長くなってしまう。すなわち、磁気センサアレイを構成する磁気センサ素子数が多くなると、センサ信号の読み出し開始から、角度検出結果が出力されるまでの時間遅れが大きくなる。磁気センサ素子の個数が少ないと上記時間遅れは小さくなるが、角度検出精度は低下する。
【０００４】
この発明の目的は、角度検出精度を落とすことなくセンサ信号の読み出し時間を短縮できて、高速かつ高精度の回転角度検出が可能な回転角度検出装置、およびその回転角度検出装置を備えた軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の回転角度検出装置は、回転側部材に配置され、回転中心（Ｏ）回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段（４）と、この磁気発生手段（４）の回転中心（Ｏ）の軸方向に対向して非回転側部材に配置された複数のライン状の磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）と、これら複数の磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）の出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路（１２）と、このＡＤ変換回路（１２）の出力から磁界分布のゼロクロス位置を検出するゼロクロス位置検出手段（１５）と、この検出されたゼロクロス位置から磁気発生手段（４）の回転角度を算出する角度計算手段（１６）とを備えた回転角度検出装置において、前記ゼロクロス位置検出手段（１５）で検出した毎回の処理結果であるゼロクロス位置を記憶する検出位置記憶手段（１７）と、その記憶されたゼロクロス位置を元に所定の基準で磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）の次回のスキャン範囲を設定するスキャン範囲設定手段（１８）と、このスキャン範囲設定手段（１８）で設定したスキャン範囲で磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）の検出信号を読み出すスキャン回路（１３）とを有し、前記ゼロクロス位置検出手段（１５）は、前記スキャン範囲として限定された磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）の部分的な検出信号を用いてゼロクロス位置を検出し、前記角度計算手段（１６）は、この部分的な検出信号から検出されたゼロクロス位置から回転角度を検出するものとしたことを特徴とする。
【０００６】
この構成によると、毎回のゼロクロス位置の検出結果を検出位置記憶手段（１７）で記憶し、その記憶されたゼロクロス位置を元に次回のスキャン範囲をスキャン範囲設定手段（１８）により設定し、ゼロクロス位置検出手段（５）は、その設定されたスキャン範囲をスキャンして次のゼロクロス位置を求める。センサ信号の読み出しは連続して行われるため、次のスキャンで検出されるゼロクロス位置は、よほどの高速でない限り、前回の検出位置から前後のある範囲に存在している。そのため、前回のゼロクロス位置を元に次回のスキャン範囲を適宜設定すれば、上記のようにスキャン範囲を部分的に限られたものとしても、ゼロクロス位置の検出が可能である。このように限定されたスキャン範囲だけを読み出すため、読み出し時間が短縮できる。スキャン範囲は限定するが、磁気センサ素子（５ａ）の個数は削減しないため、読み出し時間を短縮しながら、検出精度の低下がない。また、読み出される信号量が少なくなるので、ゼロクロス位置検出手段（１５）で扱うデータも少なくなり演算処理時間も短縮できる。その結果、磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）を構成する磁気センサ素子（５ａ）の数が多い場合でも、磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）からの出力の読み出し開始から、角度検出結果が出力されるまでの時間遅れを短縮でき、高速かつ高精度の回転角度検出が可能となる。
【０００７】
この発明において、前記磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）は、上記回転中心（Ｏ）に垂直な平面内で仮想の矩形の４辺における各辺に配置して４個設けても良い。この構成の場合、矩形に配置された磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）で囲まれた内部に、磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）の出力を処理して回転角度を算出する信号処理回路（１０）を配置できるので、センサチップ上に磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）と信号処理回路（１０）を共に集積する場合にコンパクトに構成でき、センサチップの回路面積を小さくできる。
【０００８】
この発明において、前記角度計算手段（１６）の毎回の角度検出結果から磁気発生手段（４）の回転速度と方向を検出する速度・方向検出手段（１９）を設け、前記スキャン範囲設定手段（１８）は、前記速度・方向検出手段（１９）で検出した回転速度と方向の記録に基づき、ゼロクロス計算に用いるデータ個数と、磁気発生手段（４）の回転移動に伴うゼロクロス位置の移動分とを用いて所定の基準でスキャン範囲を設定するものとしても良い。この構成の場合、回転速度および方向の記録から、次回の出力読み出し時にゼロクロス位置がどこに存在するかを、正確に予測でき、予測されるゼロクロス位置の前後にスキャン範囲の始点と終点を設定することで、次回のスキャン範囲を設定できる。これにより、磁気センサアレイ（５Ａ〜５Ｄ）から出力を読み出す磁気センサ素子（５ａ）の数をさらに少なくでき、読み出し時間およびゼロクロス位置検出のための演算処理時間をさらに短縮できる。
【０００９】
この発明において、前記速度・方向検出手段（９）で検出した回転方向と速度の検出結果を外部に出力する手段（２０）を設けても良い。この構成の場合、磁気発生手段（４）の回転速度と方向をリアルタイムで外部に知らせることができる。
【００１０】
この発明の回転角度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角度検出装置を軸受に取付けたものである。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、磁気センサアレイは、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、軸受に回転角度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、回転角度検出装置は、高速かつ高精度の回転角度検出が可能であるため、高速回転する機器の軸受や、高速応答が求められる制御システム等での軸受に用いても、高精度の回転角度検出が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の回転角度検出装置は、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た複数のライン状の磁気センサアレイと、これら複数の磁気センサアレイの出力を処理するＡＤ変換回路、ゼロクロス位置検出手段、および角度計算手段とを備えた回転角度検出装置において、毎回のゼロクロス位置の検出結果を記憶する手段を設けたため、前回のゼロクロス検出位置を基にして、次回のゼロクロス位置の存在する範囲を推定し、スキャン範囲を設定することができる。この設定した範囲だけをスキャンして信号を読み出すため、読み出し時間が短縮され、処理するデータ数も少ないために、ゼロクロス計算のためのデータ抽出時間も削減でき、角度検出を高速に実行することができる。したがって、角度検出精度を落とすことなくセンサ信号の読み出し時間を短縮できて、高速かつ高精度の回転角度検出が可能となる。
設定するスキャン範囲については、毎回の角度検出結果から回転速度を推定し、その推定値を元にして算出することもでき、最適な範囲に調整する機能を備えることもでき、これにより、できる限り高速に角度と検出結果を出力することが可能となる。
【００１２】
この発明の回転角度検出装置付き軸受は、上記発明の回転角度検出装置を軸受に取付けたため、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、高速回転する機器の軸受や、高速応答が求められる制御システム等での軸受に用いても、高精度の回転角度検出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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角度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。この回転角度検出装置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４個のライン状の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄと、その出力を処理して回転角度を算出する信号処理回路１０とを備える。
【００１４】
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６を２つの磁性体ヨーク７，７で挟んで一体化して概形が二叉のフォーク状とされ、一方の磁性体ヨーク７の一端がＮ磁極、他方の磁性体ヨーク７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。
【００１５】
磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄ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。図３に示すように、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄは、それぞれ複数の磁気センサ素子５ａをライン状に並べて構成され、上記回転中心Ｏに垂直な平面内で仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置される。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。このように構成される各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄは、非回転側部材２に取付けられる一つの半導体チップ８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８は、例えばシリコンチップである。
【００１６】
図２には、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄと、その出力を処理して回転角度を算出する信号処理回路１０の概略構成をブロック図で示す。信号処理回路１０は、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄと共に、前記半導体チップ８の上に集積される。この場合、図３のように、矩形に配置された磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄで囲まれた内部に信号処理回路１０が配置される。これにより、半導体チップ８の上に、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄと信号処理回路１０をコンパクトに配置でき、半導体チップ８の回路面積を小さくできる。
図２において、信号増幅回路１１、ＡＤ変換回路１２、スキャン制御回路１３および座標カウンタ１４は、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄに対して個別に設けられる。信号増幅回路１１は磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力を増幅するものであり、ＡＤ変換回路１２は信号増幅回路１１で増幅された信号をデジタル信号に変換するものである。スキャン制御回路１３は、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力をスキャンして読み出す制御を行うものである。
【００１７】
例えば、磁気センサアレイ５Ａの出力は、対応するスキャン制御回路１３の制御でスキャンして順次読み出され、さらに対応する信号増幅回路１１で増幅され、その増幅信号が対応するＡＤ変換回路１２でデジタル信号に変換されてゼロクロス位置検出手段１５に入力される。また、スキャン制御回路１３は磁気センサアレイ５Ａのスキャン制御において、選択した磁気センサ素子５ａの配列位置情報を座標カウンタ１４に送信し、これに応答して座標カウンタ１４から選択された磁気センサ素子５ａの座標情報が前記ゼロクロス位置検出手段１５に入力される。これにより、ゼロクロス位置検出手段１５では、ＡＤ変換回路１２からデジタル信号として順次入力されてくる各磁気センサ素子５ａのセンサ信号と、座標カウンタ１４から入力されてくる座標情報とが関連づけられる。ゼロクロス位置検出手段１５は各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄに対して共通のものであり、他の磁気センサアレイ５Ｂ〜５Ｄの出力も同様にゼロクロス位置検出手段１５に入力されて座標情報と関連づけられる。ゼロクロス位置検出手段１５は、前記各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力から前記磁気発生手段４による磁界分布のゼロクロス位置を検出するものである。図３には、任意の１回分の信号読み出しによりゼロクロス位置検出手段１５で検出されるゼロクロス位置を、符号Ａn ，Ｂn で例示している。図２における角度計算手段１６は、ゼロクロス位置検出手段１５で検出されたゼロクロス位置に基づき、磁気発生手段４の回転角度を算出するものである。
【００１８】
前記信号処理回路１０は、このほか検出位置記憶手段１７およびスキャン範囲設定回路１８を有する。検出位置記憶手段１７は、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力を読み出してゼロクロス位置検出手段１５で検出した毎回の処理結果であるゼロクロス位置を記憶する回路である。スキャン範囲設定手段１８は、検出位置記憶手段１７に記憶された前回のゼロクロス位置を元に所定の基準で磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの次回のスキャン範囲を設定する回路である。
【００１９】
次に、図２の信号処理回路１０において、破線で囲まれた検出位置記憶手段１７、およびスキャン範囲設定回路１８を含む回路部分９の動作を説明する。上記スキャン制御回路１３によるセンサ信号の読み出しは特定の周期で連続して実行されるため、磁気発生手段４の回転が例えば時計回りで、その回転速度がよほど高速なものでない限り、図３に符号Ａn ，Ｂn で示したゼロクロス位置が検出された前回の信号読み出し・検出処理に続く次回の信号読み出し・検出処理では、例えば図３に符号Ａn+1 ，Ｂn+1 で示すように、符号Ａn ，Ｂn で示した前回のゼロクロス位置から磁気センサアレイ５Ｄ，５Ｂ上を所定量だけ移動した位置にゼロクロス位置が検出されることが推定される。そこで、前記スキャン範囲設定手段１８では、検出位置記憶手段１７に記憶された前回のゼロクロス位置Ａn ，Ｂn を元に、次回の信号読み出しのスキャン範囲を例えば次のように設定する。すなわち矩形に配置される磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの配置領域において、図４に示すように、前回の１つのゼロクロス位置Ｂn の前後所定領域Ｓ１〜Ｅ１と、前回の他の１つのゼロクロス位置Ａn の前後所定領域Ｓ２〜Ｅ２とがスキャン範囲として設定される。具体的には、前回のゼロクロス位置Ｂn を元にしたスキャン範囲Ｓ１〜Ｅ１については、その始点Ｓ１と終点Ｅ１が、所定の固定値Δを用いて、
Ｓ１＝Ｂn −Δ
Ｅ１＝Ｂn ＋Δ
のように設定される。また、前回のゼロクロス位置Ａn を元にしたスキャン範囲Ｓ２〜Ｅ２については、その始点Ｓ２と終点Ｅ２が、前記固定値Δを用いて、
Ｓ２＝Ａn −Δ
Ｅ２＝Ａn ＋Δ
のように設定される。このように次回のスキャン範囲を設定することにより、次回に検出されると推定されるゼロクロス位置Ａn+1 ，Ｂn+1 が、次回のスキャン範囲に確実に含まれるようにできる。
【００２０】
次回の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力の読み出しにおけるスキャン制御回路１３によるスキャン制御は、上記したように設定されたスキャン範囲Ｓ１〜Ｅ１，Ｓ２〜Ｅ２に限定して行われるので、読み出し時間を短縮することができる。また、読み出される信号量が少なくなるので、ゼロクロス位置検出手段１５で扱うデータも少なくなり演算処理時間も短縮できる。
【００２１】
図５は、前記信号処理回路１０の他の構成例を示す。この構成例では、図２に示す構成例において、前記角度計算手段１６の毎回の角度検出結果から磁気発生手段４の回転速度と方向を検出する速度・方向検出手段１９と、検出した回転速度および方向のデータを記憶するメモリ２０とを追加したものである。また、この構成例の場合、スキャン範囲設定手段１８では、前記速度・方向検出手段１９で検出した回転速度と方向の記録に基づき、ゼロクロス位置の演算に用いるデータ個数と、磁気発生手段４の回転移動に伴うゼロクロス位置の移動分とを用いて所定の基準でスキャン範囲を設定するようにしている。
【００２２】
図６には、信号処理回路１０を図５の構成例とした場合の次回のスキャン範囲Ｓ１〜Ｅ１，Ｓ２〜Ｅ２の設定例を示している。この場合も、磁気発生手段４が時計回りに回転している場合を示す。この場合には、回転速度および方向の記録から、次回の出力読み出し時にゼロクロス位置（対応する磁気分布のＮＳ境界線を同図に破線で示す）がどこに存在するかを、かなり正確に予測できることから、予測されるゼロクロス位置の前後にスキャン領域の始点と終点を設定することで、次回のスキャン領域Ｓ１〜Ｅ１，Ｓ２〜Ｅ２を設定している。
これにより、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄから出力を読み出す磁気センサ素子５ａの数をさらに少なくでき、読み出し時間およびゼロクロス位置検出のための演算処理時間をさらに短縮できる。
なお、図５の回路構成の場合に、前記速度・方向検出手段１９で検出した回転速度および方向の検出結果を外部に出力する手段を設けても良い。この場合には、磁気発生手段４の回転速度と方向をリアルタイムで外部に知らせることができる。
【００２３】
図７および図８は、角度計算手段１６による角度算出処理の説明図である。図７（Ａ）〜（Ｄ）は、回転側部材１が回転している時の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力波形図を示し、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８に示す位置Ｘ１とＸ２に磁気発生手段４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の出力が、図７（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〜５Ｄ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の回転角度を絶対角度で示した値である。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。
このように、この回転角度検出装置３では、磁界分布のゼロクロス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、回転角度検出装置３の軸合わせが不要となり、取付けが容易となる。
【００２４】
特に、この回転角度検出装置３では、毎回の処理結果であるゼロクロス位置を検出位置記憶手段１７で記憶し、その記憶されたゼロクロス位置を元に所定の基準で磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの次回のスキャン範囲をスキャン範囲設定手段１８により設定する。このスキャン範囲で磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの検出信号を読み出すスキャン制御を、スキャン制御回路１３で行う。このようにスキャン範囲として限定された磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの部分的な検出信号を用いて、前記ゼロクロス位置検出手段１５で次回のゼロクロス位置を検出し、検出されたこのゼロクロス位置から角度計算手段１６により回転角度を算出するようにしているので、読み出し時間を短縮することができる。また、読み出される信号量が少なくなるので、ゼロクロス位置検出手段１５で扱うデータも少なくなり演算処理時間も短縮できる。その結果、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄを構成する磁気センサ素子５ａの数が多い場合でも、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄからの出力の読み出し開始から、角度検出結果が出力されるまでの時間遅れを短縮でき、高速かつ高精度の回転角度検出が可能となる。
【００２５】
図９は、この実施形態の回転角度検出装置３を転がり軸受に組み込んだ例を示す。この転がり軸受３０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３０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４０が嵌合する内輪２１は、転動体２４を介して外輪２２に支持されている。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。
【００２６】
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、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄおよび信号処理回路１０の集積された半導体チップ８が取付けられている。また、このセンサ取付部材２７に、角度計算手段１４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。
【００２７】
このように、軸受３０に回転角度検出装置３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、回転角度検出装置３は、高速かつ高精度の回転角度検出が可能であるため、高速回転する機器の軸受や、高速応答が求められる制御システム等での軸受に用いても、高精度の回転角度検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の一実施形態にかかる回転角度検出装置の概念構成を示す斜視図である。
【図２】同回転角度検出装置における半導体チップ上での磁気センサアレイと信号処理回路の構成例を示すブロック図である。
【図３】磁気センサアレイ上でのゼロクロス位置の一例を示す説明図である。
【図４】上記回路構成例の場合に磁気センサアレイ上に設定されるスキャン範囲の一例を示す説明図である。
【図５】半導体チップ上での磁気センサアレイと信号処理回路の他の構成例を示すブロック図である。
【図６】同回路構成例の場合に磁気センサアレイ上に設定されるスキャン範囲の一例を示す説明図である。
【図７】磁気センサアレイの出力波形図である。
【図８】角度計算手段による角度算出処理の説明図である。
【図９】同回転角度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。
【符号の説明】
【００２９】
１…回転側部材
２…非回転側部材
３…回転角度検出装置
４…磁気発生手段
５Ａ〜５Ｄ…磁気センサアレイ
１２…ＡＤ変換回路
１３…スキャン制御回路
１５…ゼロクロス位置検出手段
１６…角度計算手段
１７…検出位置記憶手段
１８…スキャン範囲設定手段
１９…速度・方向検出手段
３０…転がり軸受
Ｏ…回転中心
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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た複数のライン状の磁気センサアレイと、これら複数の磁気センサアレイの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路の出力から磁界分布のゼロクロス位置を検出するゼロクロス位置検出手段と、この検出されたゼロクロス位置から磁気発生手段の回転角度を検出する角度計算手段とを備えた回転角度検出装置において、
前記ゼロクロス位置検出手段で検出した毎回の処理結果であるゼロクロス位置を記憶する検出位置記憶手段と、その記憶されたゼロクロス位置を元に所定の基準で磁気センサアレイの次回のスキャン範囲を設定するスキャン範囲設定手段と、このスキャン範囲設定手段で設定したスキャン範囲で磁気センサアレイの検出信号を読み出すスキャン回路とを有し、前記ゼロクロス位置検出手段は、前記スキャン範囲として限定された磁気センサアレイの部分的な検出信号を用いてゼロクロス位置を検出し、前記角度計算手段は、この部分的な検出信号から検出されたゼロクロス位置から回転角度を検出するものとしたことを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
請求項１において、前記磁気センサアレイは、上記回転中心に垂直な平面内で仮想の矩形の４辺における各辺に配置して４個設けた回転角度検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記角度計算手段の毎回の角度検出結果から磁気発生手段の回転速度と方向を検出する速度・方向検出手段を設け、前記スキャン範囲設定手段は、前記速度・方向検出手段で検出した回転速度と方向の記録に基づき、ゼロクロス計算に用いるデータ個数と、磁気発生手段の回転移動に伴うゼロクロス位置の移動分とを用いて所定の基準でスキャン範囲を設定するものとした回転角度検出装置。
【請求項４】
請求項２において、前記速度・方向検出手段で検出した回転方向と速度の検出結果を外部に出力する手段を設けた回転角度検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の回転角度検出装置を備えた回転角度検出装置付き軸受。
【請求項１】
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た複数のライン状の磁気センサアレイと、これら複数の磁気センサアレイの出力をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路と、このＡＤ変換回路の出力から磁界分布のゼロクロス位置を検出するゼロクロス位置検出手段と、この検出されたゼロクロス位置から磁気発生手段の回転角度を検出する角度計算手段とを備えた回転角度検出装置において、
前記ゼロクロス位置検出手段で検出した毎回の処理結果であるゼロクロス位置を記憶する検出位置記憶手段と、その記憶されたゼロクロス位置を元に所定の基準で磁気センサアレイの次回のスキャン範囲を設定するスキャン範囲設定手段と、このスキャン範囲設定手段で設定したスキャン範囲で磁気センサアレイの検出信号を読み出すスキャン回路とを有し、前記ゼロクロス位置検出手段は、前記スキャン範囲として限定された磁気センサアレイの部分的な検出信号を用いてゼロクロス位置を検出し、前記角度計算手段は、この部分的な検出信号から検出されたゼロクロス位置から回転角度を検出するものとしたことを特徴とする回転角度検出装置。
【請求項２】
請求項１において、前記磁気センサアレイは、上記回転中心に垂直な平面内で仮想の矩形の４辺における各辺に配置して４個設けた回転角度検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記角度計算手段の毎回の角度検出結果から磁気発生手段の回転速度と方向を検出する速度・方向検出手段を設け、前記スキャン範囲設定手段は、前記速度・方向検出手段で検出した回転速度と方向の記録に基づき、ゼロクロス計算に用いるデータ個数と、磁気発生手段の回転移動に伴うゼロクロス位置の移動分とを用いて所定の基準でスキャン範囲を設定するものとした回転角度検出装置。
【請求項４】
請求項２において、前記速度・方向検出手段で検出した回転方向と速度の検出結果を外部に出力する手段を設けた回転角度検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の回転角度検出装置を備えた回転角度検出装置付き軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−１８３１５４（Ｐ２００７−１８３１５４Ａ）
【公開日】平成１９年７月１９日（２００７．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２３２（Ｐ２００６−１２３２）
【出願日】平成１８年１月６日（２００６．１．６）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月１９日（２００７．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月６日（２００６．１．６）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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