JP2008249574A - 回転検出装置および回転検出装置付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出分解能が高く、かつ高精度の回転位置検出が可能な回転検出装置、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】 この回転検出装置１は、回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配されたエンコーダ２と、このエンコーダ２の前記被検出極を検出してパルスを発生するセンサ３とを備える。これに逓倍手段４、識別情報出力手段５、および補正手段６が付加される。逓倍手段４は、前記センサ３の発生するパルスを設定された逓倍数に逓倍して逓倍パルスを出力する。識別情報出力手段５は、前記逓倍手段４の出力する逓倍パルスの識別情報を出力する。補正手段６は、前記識別情報出力手段５の出力する識別情報に基づき前記逓倍手段４の出力する逓倍パルスのピッチ誤差を補正する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、各種の機器における回転検出や回転速度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組み込んだ回転検出装置付き軸受に関する。

この種の回転検出装置として、例えば被検出極となる複数の磁極対（Ｎ，Ｓ）を円周方向に並べて設けたリング状の磁気エンコーダを回転体に同心に設け、この磁気エンコーダの磁極を磁気センサで検出するようにしたものが知られている。このような構成のものでは、磁気エンコーダが１回転する間に、磁気センサから前記磁極対の数だけのパルスを出力できる。
また、このような構成の回転検出装置において、磁気エンコーダの各磁極対に対応して磁気センサから出力されるパルスを逓倍回路により逓倍して、実際の磁極対の数よりも多いパルス出力を得ることで、検出の分解能を上げるようにしたものも提案されている（例えば特許文献１，２）。

図１０には、上記した逓倍パルスを生成する方式の一例を示す。この場合、磁気エンコーダの磁極に対向配置する磁気センサとして、１磁極対を周期として互いに９０度位相のずれが生じる位置に２つの磁気センサ４０Ａ，４０Ｂを配置し、これら両磁気センサ４０Ａ，４０Ｂから９０度位相のずれた出力パルスＡ，Ｂを得る。これらの出力パルスＡ，Ｂを組み合わせることで、４倍の分解能の逓倍パルスＣを得ることができる。
しかし、この場合、出力パルスＡ，Ｂの位相差が９０度からずれると、各逓倍パルスＣの間でパルス幅に誤差が生じる。

逓倍パルスを生成する他の方式として、磁気センサ４０Ａ，４０Ｂから得られる２つ
のアナログ出力信号Ａ，Ｂをもとに、図１１のように位相φを求めて逓倍することもできる。
しかし、この場合にも、位相φが９０度からずれたり、アナログ出力信号Ａ，Ｂの振幅が変動すると誤差が生じる。
特表２００１−５１８６０８号公報 特表２００２−５４１４８５号公報

特許文献１，２に開示の構成の場合にも、逓倍回路の回路特性や磁気エンコーダの磁界分布により、生成される逓倍パルスにピッチ誤差が生じる。このように、生成される逓倍パルスの間でピッチ誤差が発生すると、回転検出の分解能は上がっても、逓倍パルスを使用して例えば回転速度を検出すると検出誤差が大きくなるという問題がある。

この発明の目的は、検出分解能が高くかつ正確な回転位置検出が可能な回転検出装置、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。

この発明の回転検出装置は、回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配されたエンコーダと、このエンコーダの前記被検出極を検出してパルスを発生するセンサとを備えた回転検出装置において、前記センサの発生するパルスを設定された逓倍数に逓倍して逓倍パルスを出力する逓倍手段と、この逓倍手段の出力する逓倍パルスの識別情報を出力する識別情報出力手段と、この識別情報出力手段の出力する識別情報に基づき逓倍パルスのピッチ誤差を補正する補正手段とを設けたことを特徴とする。
逓倍手段から出力される逓倍パルスにはピッチ誤差があるが、その誤差パターンはエンコーダにおける被検出極毎に繰り返される再現性のある特性を持つ。そこで、上記構成のようにして、識別情報出力手段の出力する識別情報に基づき、逓倍パルスのピッチ誤差を補正手段で補正すると、ピッチ誤差によるばらつきが低減されて、高精度の回転位置検出が可能となる。しかも、逓倍パルスの出力に同期して回転位置検出を行えるので、検出分解能も高めることができる。

この発明において、前記エンコーダは、前記被検出極となる磁極が円周方向に並んで設けられた磁気エンコーダであり、前記センサは前記磁気エンコーダの磁極を検出する磁気センサであっても良い。この他に前記エンコーダは、被検出極となる歯を円周上に並べたギヤ状のパルサリングであっても、また光学式に検出されるものであっても良い。
磁気エンコーダは、光学式のエンコーダに比べて分解能を高くすることが難しいが、その反面、泥水や埃等に対する環境に強いと言う利点がある。そのため、磁気エンコーダを用いた場合、この発明における検出分解能が高くかつ正確な回転位置検出が可能という利点が効果的に発揮され、環境に強く、かつ高分解能で正確な回転検出が可能な装置とできる。

この発明において、前記補正手段は、前記逓倍パルスの識別情報毎に、逓倍パルスの誤差情報を対応させて記憶した誤差パターンデータ記憶手段と、前記逓倍手段で発生した逓倍パルスのピッチを、前記誤差パターンデータ記憶手段の記憶内容を用いて補正する補正演算手段とを有するものとしても良い。

この発明において、前記識別情報が、前記逓倍数の逓倍パルスを発生する毎に１回出力する信号であっても良い。逓倍数毎に１回のパルス等の出力が得られると、その信号を用いてカウンタをリセットし、逓倍パルス毎にカウントすることで、何番目の逓倍パルスであるかが識別できる。この構成の場合、識別情報を１本の信号線で伝達でき、高速回転にも対応できる。

この発明の回転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が軸受に搭載されたものである。
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。

この発明の回転検出装置は、回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配されたエンコーダと、このエンコーダの前記被検出極を検出してパルスを発生するセンサとを備えた回転検出装置において、前記センサの発生するパルスを設定された逓倍数に逓倍して逓倍パルスを出力する逓倍手段と、この逓倍手段の出力する逓倍パルスの識別情報を出力する識別情報出力手段と、この識別情報出力手段の出力する識別情報に基づき前記逓倍手段の出力する逓倍パルスのピッチ誤差を補正する補正手段とを設けたため、検出分解能を高くでき、かつ高精度の回転位置検出が可能となる。
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が軸受に搭載されたものであるため、検出分解能が高くかつ正確な回転位置検出が可能であり、また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。

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概略構成を示すブロック図である。この回転検出装置１は、円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配されたリング状のエンコーダ２と、このエンコーダ２の前記被検出極を検出してパルスａを発生するセンサ３と、このセンサ３の発生するパルスａを設定された逓倍数Ｎに逓倍して逓倍パルスｂを出力する逓倍手段４と、この逓倍手段４が出力する逓倍パルスｂの識別情報を出力する識別情報出力手段５と、この識別情報出力手段５が出力する識別情報に基づいて、前記逓倍手段４から出力される逓倍パルスのピッチ誤差を補正する補正手段６とを備える。

エンコーダ２は、例えば図２（Ａ），（Ｂ）に半部断面図および斜視図で示すように、被検出極として周面の円周方向に複数の磁極対２ａを等配位置に並べて着磁させたリング状の磁気エンコーダからなり、図示しない被検出対象の回転体に対して同心となるように取付けられることで回転自在とされる。この場合、センサ３は、磁気エンコーダ２の磁極Ｎ，Ｓを検出する磁気センサとされ、磁気エンコーダ２の周面に対向するように例えば外径側に配置される。

図２の磁気エンコーダ２の構成例は、周面に磁極対２ａを着磁させたラジアルタイプであるが、磁気エンコーダ２は図３（Ａ），（Ｂ）に半部断面図および斜視図で示すアキシアルタイプのものであっても良い。図３の構成例では、例えは断面をＬ字形としたリング状のバックメタル１２の円筒部１２ａの一端から外径側に延びるフランジ部１２ｂの側面の円周方向に、複数の磁極対２ａを等配位置に並べて着磁させていて、回転軸などの回転体の外周面に前記バックメタル１２の円筒部１２ａを嵌合させることで、回転体に取付けられる。この場合、磁気センサ３は、磁気エンコーダ２の着磁面に対向するように軸方向に向けて配置される。

識別情報出力手段５の出力する識別情報は、逓倍手段４から順次出力される各逓倍パルスｂが、Ｎ個の逓倍パルスｂのうちの何番目のものかを知らせる情報であり、例えば逓倍パルスｂの出力順序を示す番号１，２，…，Ｎとして出力される。この識別情報は、逓倍手段４から各逓倍パスルｂが生成されるのに同期して、例えばコードデータ、アナログ信号、ＰＭＷ信号、シリアルデータ等の信号形態で出力される。

前記識別情報の他の出力信号形態として、逓倍数Ｎの逓倍パルスｂが逓倍手段４から出力開始される毎に、つまりセンサ３からパルスａが出力される毎に、１パルスの信号を出力しても良く、そのパルス信号としてセンサ３からの出力パルスａをそのまま使用しても良い。この場合、例えば識別情報を受け取る前記補正手段６において、識別情報解読手段として、前記１パルスの出力信号をリセット信号として受けるカウンタを設け、このカウンタで前記逓倍手段４から出力される逓倍パルスｂをカウントすれば、そのカウント値（１，２，…，Ｎ）を逓倍パルス番号（識別情報）として得ることができる。この出力信号形態によると、識別情報を１本の信号線で伝達でき、高速回転にも対応しやすい形態となる。

補正手段６は、各逓倍パルスｂの識別情報と、これら逓倍パルスｂのピッチ誤差情報とを対応させて記憶した誤差パターンデータ記憶手段７と、この誤差パターンデータ記憶手段７の記憶内容を用いて、逓倍手段４で発生した逓倍パルスｂのピッチ誤差を補正する補正演算手段８と、補正された逓倍パルスから逓倍パルスに対応した位置情報つまり回転角度を出力する位置情報出力手段９とを備える。位置情報出力手段９は、ピッチ誤差が補正された逓倍パルスを出力するものであっても良い。誤差パターンデータ記憶手段７としては、例えばセンサ３の内部のＲＯＭを用いることができる。

図４には、誤差パターンデータ記憶手段７に記憶させる誤差情報の一例を示す。逓倍手段５で発生する逓倍パルスｂにピッチ誤差があることは、従来例の説明でも指摘したが、この誤差パターンは、図５および図６に示すように、磁気エンコーダ２における磁極対２ａ毎に繰り返される再現性のある特性を持つ。
図５は、磁気エンコーダ２が所定の回転速度で回転しているときに、逓倍数Ｎの各逓倍パルスｂのピッチ（パルス周期）をグラフで示したものであり、理想のパルス周期に対して各逓倍パルスｂのパルス周期が増減しており、その誤差パターンは磁極対２ａ毎の区間で繰り返してもほぼ同じパターンとなる。異なる磁極対２ａにおける同じ逓倍パルス番号の逓倍パルスｂでのパルス周期の誤差は、異なる逓倍パルス番号の逓倍パルスｂの間での誤差に比べて非常に小さい値である。
図６は、磁気エンコーダ２が所定の回転速度で回転しているときに、磁極対２ａの数個分の区間で繰り返される逓倍数Ｎの逓倍パルスｂの波形の一部を示したものであり、同じ逓倍パルス番号の逓倍パルスｂの間ではパルス周期Ｔは同じであるが、異なる逓倍パルス番号の逓倍パルスｂの間ではパルス周期Ｔが異なっている。

上記した誤差パターンの繰り返し再現性に着目して、図４の誤差パターンデータ記憶手段７には、あらかじめ、一定回転速度での基準となる逓倍数Ｎの逓倍パルスｂの誤差情報が、各逓倍パルスｂの番号１，２，…，Ｎ（識別情報）と対応付けて記憶されている。ここで、誤差情報における−１２’，＋３０’，＋２０’，…などの値は、誤差を含まない理想値の回転角度に対するピッチ増減誤差に対応した回転角度を示す。

補正演算手段８は、逓倍手段４で発生した各逓倍パルスｂに対応する回転位置を、それら逓倍パルスｂのピッチ誤差により位置誤差が生じないように補正演算する。この場合の回転位置とは、センサ３がパルスａを発生する時点に対応する磁極対２ａの一端から、各逓倍パルスｂが生成された時点（具体例では逓倍パルスの立ち上がり時）に対応する磁極対２ａの途中の各位置までの回転角度を指す。図４において、補正手段６における角度カウンタ１０は、逓倍手段４から出力される各逓倍パルスｂをカウントして、前記補正演算手段８に演算のタイミングを与え、誤差を含まない回転角度を計算する手段である。

補正演算手段８の具体的な演算動作は以下のように行われる。
センサ３からパルスａが出力されて、最初に逓倍手段４からパルス番号１の逓倍パルスｂが生成されると、これに同期して識別情報出力手段５から識別情報としてパルス番号１が出力され、これにより誤差パタ−ンデータ記憶手段７からパルス番号１に対応する誤差情報（−１２’）が読み出される。このとき、角度カウンタ１０はパルス番号１の逓倍パルスｂをカウントし、補正演算手段８に演算のタイミングを与える。補正演算手段８は、誤差パターンデータ記憶手段５から読み出された誤差情報（−１２’）をカウンタ１０の値による理想的な回転角度（θ）に加算して回転位置とする。この場合、逓倍パルスｂのパルス周期は理想値（θ）より短いので、逓倍パルスｂが生成した時点での回転位置をθとすると、回転位置に誤差が生じる。補正演算手段８は上記したように回転位置を（θ−１２’）として与えるので、正しい回転位置を検出することができる。この回転位置情報は位置情報出力手段９から外部に出力される。この回転位置情報は、ピッチ誤差が補正された逓倍パルスとして、位置情報出力手段９から出力されるようにしても良い。

上記と同様に、逓倍手段４からパルス番号２の逓倍パルスｂが生成されると、これに同期して識別情報出力手段５から識別情報としてパルス番号２が出力され、誤差パタ−ンデータ記憶手段７からパルス番号２に対応する誤差情報（＋３０’）が読み出される。このとき、角度カウンタ１０はパルス番号２の逓倍パルスｂをカウントし、補正演算手段８に演算のタイミングを与える。補正演算手段８は、カウンタ１０の値による理想的な回転角度（２θ）に、誤差パターンデータ記憶手段５から読み出された誤差情報（＋３０’）を加算して、回転位置として与える。この場合も、パルス番号２の逓倍パルスｂが生成した時点での回転位置を２θとすると、回転位置に誤差が生じる。補正演算手段８は上記したように回転位置を（２θ＋３０’）として与えるので、正しい回転位置を検出することができる。この回転位置情報は位置情報出力手段９から外部に出力される。以下、同様の演算処理により、各逓倍パルスｂが生成された時点での回転位置が順次検出される。

このように、補正演算手段８は、各逓倍パルスｂが生成される毎に、誤差パターンデータ記憶手段７から読み出されるパルス番号に対応する誤差情報を加算して、各逓倍パルスｂの生成時点での回転位置とするので、高い精度（正確性）で回転位置を検出することができる。このようにして得られる位置情報は正確なものとなるので、これを利用して回転速度を算出した場合、ばらつきの小さい正確な回転速度を算出できる。なお、参考として、図７に、補正後の逓倍パルスと、補正前の逓倍パルスのパルス周期をグラフで比較して示している。

このように、この実施形態の回転検出装置１では、識別情報出力手段５から出力される逓倍パルスｂの識別情報に基づき、逓倍手段４の出力する逓倍パルスｂのピッチを補正手段６で補正するようにしているので、検出分解能を高くでき、かつ高精度の回転位置検出が可能となる。

図８は、上記した回転検出装置１を軸受に搭載した回転検出装置付き軸受の一構成例を示す。この回転検出装置付き軸受２０は、転動体２４を介して互いに回転自在な回転側軌道輪２２および固定側軌道輪２３を有する軸受２１において、回転側軌道輪２２の一端部にラジアルタイプの回転検出装置１のエンコーダ２を取付けると共に、このエンコーダ２と径方向に対向して固定側軌道輪２３の一端部に回転検出装置１のセンサ３を取付けたものである。軸受２０は深溝玉軸受からなり、その内輪が回転側軌道輪２２となり、外輪が固定側軌道輪２３となる。

エンコーダ２は、リング状のバックメタル１２の外周面に磁極対を周方向に並べて着磁させた磁気エンコーダであり、バックメタル１２を介して回転側軌道輪２２に固着されている。センサ３はリング状の金属ケース２５内に樹脂モールドされ、金属ケース２５を介して固定側軌道輪２３に固定される。

このように、上記構成の回転検出装置１を搭載した回転検出装置付き軸受２０では、高分解能の回転パルスを得ることができると共に、高精度の回転位置検出が可能となる。また、この回転検出装置付き軸受２０を各種機器に用いると、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。

図９は、上記した回転検出装置１を軸受に搭載した回転検出装置付き軸受の他の構成例を示す。この回転検出装置付き軸受２０Ａは、第３世代型の内輪回転タイプで、かつ駆動輪支持用の車輪用軸受３０にアキシアルタイプの回転検出装置１を搭載したものである。 車輪用軸受３０は、内周に複列の転走面３３を形成した外方部材３１と、これら各転走面３３に対向する転走面３４を形成した内方部材３２と、これら外方部材３１および内方部材３２の転走面３３，３４間に介在した複列の転動体３５とを備え、車体に対して車輪を回転自在に支持するようにしたものである。この車輪用軸受３０は、複列外向きアンギュラ玉軸受型とされていて、転動体３５はボールからなり、各列毎に保持器３６で保持されている。外方部材３１と内方部材３２の間の軸受空間の両端は、シール３７，３８によりそれぞれ密封されている。インボード側端のシール３８の内方部材３２の外周面に圧入固定されるスリンガが、回転検出装置１の磁気エンコーダ２とされる。この磁気エンコーダ２の磁極対が周方向に並ぶ側面に、回転検出装置１のセンサ３が軸方向に対向して配置される。センサ３はリング状の金属ケース３９内に樹脂モールドされ、金属ケース３９を介して外方部材３１に固定される。

この発明の一実施形態にかかる回転検出装置の概略構成を示すブロック図である。 （Ａ）は同回転検出装置におけるエンコーダの一構成例を示す半部断面図、（Ｂ）は同エンコーダの斜視図である。 （Ａ）は同回転検出装置におけるエンコーダの他の構成例を示す半部断面図、（Ｂ）は同エンコーダの斜視図である。 同回転検出装置における補正手段の構成を示すブロック図である。 逓倍パルスのピッチ誤差を示すグラフである。 逓倍パルスのピッチ誤差を示す波形図である。 ピッチ誤差を補正した逓倍パルスのパルス周期を補正前のものと比較したグラフである。 この発明の回転検出装置を搭載した回転検出装置付き軸受の一構成例を示す断面図である。 この発明の回転検出装置を搭載した回転検出装置付き軸受の他の構成例を示す断面図である。 センサの出力パルスから逓倍パルスを生成する方式の説明図である。 センサのアナログ出力信号から逓倍信号を生成する方式の説明図である。

符号の説明

１…回転検出装置
２…エンコーダ
３…センサ
４…逓倍手段
５…識別情報出力手段
６…補正手段
７…誤差パターンデータ記憶手段
８…補正演算手段
２０，２０Ａ…回転検出装置付き軸受
２１，３０…軸受

Claims (5)

1. 回転自在に設けられ円周方向に並ぶ複数の被検出極が等配されたエンコーダと、このエンコーダの前記被検出極を検出してパルスを発生するセンサとを備えた回転検出装置において、
   前記センサの発生するパルスを設定された逓倍数に逓倍して逓倍パルスを出力する逓倍手段と、この逓倍手段の出力する逓倍パルスの識別情報を出力する識別情報出力手段と、この識別情報出力手段の出力する識別情報に基づき前記逓倍手段の出力する逓倍パルスのピッチ誤差を補正する補正手段とを設けたことを特徴とする回転検出装置。
2. 請求項１において、前記エンコーダは、前記被検出極となる磁極が円周方向に並んで設けられた磁気エンコーダであり、前記センサは前記磁気エンコーダの磁極を検出する磁気センサである回転検出装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記補正手段は、前記逓倍パルスの識別情報毎に、逓倍パルスの誤差情報を対応させて記憶した誤差パターンデータ記憶手段と、前記逓倍手段で発生した逓倍パルスのピッチ誤差を、前記誤差パターンデータ記憶手段の記憶内容を用いて補正する補正演算手段とを有する回転検出装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記識別情報が、前記逓倍数の逓倍パルスを発生する毎に１回出力する信号である回転検出装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の回転検出装置が軸受に搭載された回転検出装置付き軸受。
   

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