(57)【要約】【課題】絶対角度の検出が可能で、かつ十分な検出精度を保ったまま、小さなハードウエアロジックで構成でき、またノイズや組み立て精度の影響を受け難く、低コストな角度検出装置を提供する。【解決手段】被検出体の回転角度によって出力が変化するように配置された複数のセンサ素子からなるセンサ素子群５を設ける。このセンサ素子群５の各センサ素子の出力から被検出体の回転角度を算出する角度算出手段６とを設ける。被検出体は、例えば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される。センサ素子は、ライン状や、円形状、矩形状等の所定の幾何学的な配置形態とされる。上記角度算出手段６は、上記各センサ素子の出力データの列である全センサデータ列と、２つの直交する符号関数との内積を算出する内積計算手段１１を有するものとする。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な被検出体と、この被検出体の回転角度によって出力が変化するように配置されてそれぞれ上記被検出体を検出する複数のセンサ素子と、これらセンサ素子の出力から被検出体の回転角度を算出する角度算出手段とを備えた角度検出装置であって、上記角度算出手段は、上記各センサ素子の出力データの列である全センサデータ列と、２つの直交する符号関数との内積を算出する内積計算手段を有し、この内積から回転角度を算出するものであることを特徴とする角度検出装置。
【請求項２】
請求項１において、上記角度算出手段は、上記全センサデータ列を符号関数化する符号化手段を有し、上記内積計算手段は、上記符号関数化された全センサデータ列と上記２つの直交する符号関数との内積を算出するものとした角度検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、上記被検出体は回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段であり、上記センサ素子は磁気センサ素子である角度検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、上記センサ素子はラインセンサを構成するものである角度検出装置。
【請求項５】
請求項４において、上記ラインセンサを仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置し、各辺のラインセンサの個数を少なくとも１個とした角度検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の角度検出装置を転がり軸受に内蔵した角度検出装置付き軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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位置制御のための角度検出や、ロボット関節の絶対角度検出のために用いられる角度検出装置、および角度検出装置付き軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような機器における回転角度検出には、エンコーダが広く使われている。
しかし、装置の小型化や低コスト化の要求により、角度検出装置の更なる小型化や低コスト化が求められている。また、ロボットの関節などの絶対角度が検出可能なアブソリュートエンコーダは、精度を上げようとすると大型になり、また非常に高価であった。
絶対角度が検出可能なセンサとしては、レゾルバが広く知られている。しかしレゾルバは非常に高価であり、構造上から小型化が非常に困難であり、検出精度を上げようとするとこの傾向はさらに大きくなる。そこで、互いに磁気干渉を生じる複数のレゾルバを使用することで、装置の小型化を実現したものも提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２５７４１０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記提案例のものは、複数のレゾルバを使用するうえ、構造が複雑になるため、装置が非常に高価になってしまう。
そこで、本出願人は、絶対角度検出が可能で、かつ小型，高精度で安価な回転角度検出装置として、図７，図８に示すものを提案した（特願２００２−３０３８７４号）。これは、磁気ラインセンサを仮想の矩形の４辺における各辺に配置して、対向して回転する磁気発生手段３４によって得られる各磁気センサ素子の出力を信号処理して回転角度を検出するものを提案した。
【０００５】
同図の回転角度検出装置では、対向する磁気発生手段３４の回転角度に応じて磁界分布が変化して各磁気ラインセンサ３５の個々のセンサ素子の出力が変化する。この出力をＡ／Ｄ変換器３６でディジタル値に変換した後、角度算出手段３７により回転角度を算出する。
角度算出手段３７は、装置の小型化，低コスト化を考慮して、ハードウエアロジック回路で構成される。そのため、角度算出手段３７の信号処理アルゴリズムは、なるべく簡単なハードウエアロジックで構成でき、要求検出精度が実現でき、センサのノイズなどの要因に対して影響が少なくなることが望ましい。
【０００６】
角度算出手段３７による算出処理方法として、磁束分布の零クロスを検出する方法，フーリエ変換を用いて基本波の位相成分を検出する方法，二次元座標を用いて慣性主軸を求める方法などが提案されている。しかし、ハードウエアロジックで構成するための考慮は十分になされておらず、コストの低減が十分ではなかった。
すなわち、零クロスによる検出方法では、磁気ラインセンサ３５の全センサデータのうち、零クロスするセンサのみを用いて角度検出を行うため、コンパレータと同じようにノイズに弱いという欠点があり、その対策として高性能な前置フィルタが必要となる。また、零クロス情報以外の情報は捨ててしまうので、角度検出に使用するデータ数が少なく、検出精度を磁気ラインセンサ３５の分解能以上に上げることができない。すなわち、いわゆる内挿ができない。
フーリエ変換による検出方法では、磁気ラインセンサ３５の全てのデータの内積演算を行うため、検出精度も高くノイズの影響も少ない。しかし、センサデータ列は周期データで、奇関数であることを仮定しているため、組み立て誤差によるセンサデータ列のデューティ比の変化など、波形のひずみの影響を受けやすい。また、三角関数との内積を演算するため、ＳＩＮ，ＣＯＳのＲＯＭや乗算回路が必要で、計算データのビット数も多くなるなど、ハードウエアロジックが大きくなる。
慣性重心を求める検出方法では、２次元座標で計算を行うため、検出精度，組み立て誤差の影響の点で優れている。しかし、アルゴリズムが複雑で、多くの乗算，除算回路が必要なため、ハードウエアロジックが大きくなる。
【０００７】
この発明の目的は、絶対角度の検出が可能で、かつ十分な検出精度を保ったまま、小さなハードウエアロジックで構成でき、ノイズや組み立て精度の影響も受け難き、低コストにできる角度検出装置を提供することである。
この発明の他の目的は、小型化しても高精度な回転角度出力を得ることのできる角度検出装置付き軸受を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の角度検出装置は、回転可能な被検出体と、この被検出体の回転角度によって出力が変化するように配置されてそれぞれ上記被検出体を検出する複数のセンサ素子と、これらセンサ素子の出力から被検出体の回転角度を算出する角度算出手段とを備えた角度検出装置であって、上記角度算出手段は、上記各センサ素子の出力データの列である全センサデータ列と、２つの直交する符号関数との内積を算出する内積計算手段を有し、この内積から回転角度を算出するものである。上記複数のセンサ素子の配置は被検出体の回転角度によって出力が変化するようになされていれば良いが、例えば直線または直線等の線状、円状、正方形等の幾何学的な形態に配置される。
被検出体が回転すると、被検出体とセンサ素子との相対回転により、各センサ素子から、回転角度に応じた検出信号が出力される。角度算出手段は、各センサ素子の出力から上記回転角度を算出する。すなわち、回転により、複数のセンサ素子で検出される被検出体の対応配置パターンが変化し、その変化によって角度が算出される。この場合に、その算出は、各センサ素子の全データ列と、２つの直交する符合関数との内積を算出することで行われる。上記２つの直交する符号関数は、例えばそれぞれ値が＋１と−１しかとらず、互いに位相が９０°ずれた２つの関数である。このように、全データ列と、２つの直交する符合関数との内積から回転角度を算出するので、フーリエ変換による場合に必要な乗算回路や三角関数のＲＯＭデータを省略することができ、かつ計算ビット数を抑えながら内積演算が行え、ハードウェアロジックを簡略化できる。また、複数のセンサ素子の配置に対する被検出体の相対配置パターンの変化で角度情報を取得できるため、軸合わせが不要となり、組み立てが容易であり、また僅かな回転角度の違いでも検出することができる。さらに、角度情報は、温度変動や電源電圧変動の影響を受け難い。これらのため、絶対角度の検出が可能で、かつ十分な検出精度を保ったまま、小さなハードウエアロジックで構成でき、またノイズや組み立て精度の影響を受け難く、低コストの角度検出装置とすることができる。
【０００９】
上記角度算出手段は、上記全センサデータ列を符号関数化する符号化手段を有し、上記内積計算手段は、上記符号関数化された全センサデータ列と上記２つの直交する符号関数との内積を算出するものとしても良い。
この構成の場合、全センサデータ列を符号関数化するため、角度算出手段のハードウエアロジックをさらに小さくできる。
【００１０】
上記被検出体は回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段であっても良い。その場合、上記センサ素子は磁気センサ素子とする。
上記被検出体の対応配置パターンの変化は、磁界パターンの変化として現れ、その変化を検出することによって角度が算出される。磁気センサ素子は、小さな寸法のものがあり、高密度に配置することができる。このため、磁気発生手段が磁気エンコーダのような細分化されたものでなくても、高分解能の角度検出が可能である。磁気発生手段が細分化されている必要がないため、小型化を図っても、高精度な回転角度検出が可能で、したがって小型の機器への組み込みが可能になる。なお、磁気発生手段につき、回転中心回りの円周方向異方性を有するとは、磁気発生手段が上記回転中心回りに回転することで、発生磁界のＮ磁極範囲とＳ磁極範囲の回転位置が変化する形状であることを言う。磁気発生手段の全体の外形は問わない。
【００１１】
上記センサ素子はラインセンサを構成するものであっても良い。ライン状に並ぶ複数のセンサ素子で検出するため、僅かな回転角度の違いでも検出することができる。
【００１２】
上記ラインセンサを仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置し、各辺のラインセンサの個数を少なくとも１個としても良い。
【００１３】
この発明の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角度検出装置を転がり軸受に内蔵したものである。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。センサ素子は、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、転がり軸受に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、角度検出装置は、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いても、満足できる回転角度出力を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態を図面と共に説明する。図１は、この実施形態の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。この角度検出装置３は、回転側部材１に配置された被検出体４と、非回転側部材２に配置されたセンサ素子群５と、このセンサ素子群５の出力から被検出体４の回転角度を算出する角度算出手段６とを備える。センサ素子群５は、被検出体４を検出する複数のセンサ素子５ａを所定の幾何学的配置に並べたものであり、被検出体４に対して僅かな隙間を隔てて配置される。
【００１５】
被検出体４は磁気発生手段からなり、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とされている。被検出体４は、永久磁石の単体であっても、永久磁石と磁性材の複合体からなるものであっても良い。ここでは、被検出体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。被検出体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。この被検出体４は、回転側部材１の回転中心Ｏが被検出体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。
【００１６】
センサ素子群５は、回転側部材１の回転中心Ｏの軸方向に向けて被検出体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、センサ素子群５は、磁気センサ素子からなるセンサ素子５ａを配列した磁気ラインセンサとされる。
このセンサ素子群５は、図２のように仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置され、各辺のセンサ列５Ａ〜５Ｄにおけるセンサ素子５ａの個数は少なくとも１個以上とされている。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。センサ素子群５の検出精度を上げるためには、各センサ列５Ａ〜５Ｄの個数は多いほど良い。このように構成されるセンサ素子群５は、非回転側部材２に取り付けられる一つの半導体チップ９の前記被検出体４と対向する面上に形成される。半導体チップ９は、例えばシリコンチップからなる。
【００１７】
角度算出手段６は集積回路からなり、半導体チップ９上に、センサ素子群５と共に集積されている。角度算出手段６は、センサ素子群５の矩形配置の内部に配置される。これにより、センサ素子群５および角度算出手段６をコンパクトに配置することができる。
図３は、角度算出手段６をアブソリュート出力を得るものとした概念構成例である。この角度算出手段６は、内積計算手段１１と、除算手段１２と、アークタンゼェント算出手段１３とを有する。内積計算手段１１は、センサ素子群５の各センサ素子５ａの出力データの列である全センサデータ列と、２つの直交する符号関数との内積を算出する手段である。
【００１８】
内積計算手段１１は、センサ素子群５の１周分のセンサ素子５ａの出力データ列をまとめて内積演算をし、その基本波成分の位相を求める。内積計算手段１１の用いる内積演算手法は、フーリェ変換を行って基本波の位相を求める手法と基本概念は同じである。ただし、内積演算に用いる２つの直交する符号関数は、ＳＩＮ（ｗｔ），ＣＯＳ（ｗｔ）の直交する三角関数ではなく、次式（１），（２）に示すように位相が１／４周期ずれた２つの符号関数を採用する。
【００１９】
【数１】
2004239699.tif 000003
【００２０】
（１），（２）式において、次式（３），（４），（５）が成り立つ。＜・＞は内積を表す。
【００２１】
【数２】
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【００２２】
すなわち、ｇ（ｔ），ｈ（ｔ）はノルムが１で直交しているため、正規直交基底となっている。フーリエ変換がＳＩＮ（ｗｔ），ＣＯＳ（ｗｔ）の直交する三角関数を用いて内積を計算するのに対して、この実施形態では上記（１），（２）式の符合関数を用いて内積演算を行う。
いま、上記全出力データ列が、Ｎ個のセンサデータｆ（ｋ），（ｋ＝０〜Ｎ−１）の場合、回転角度θは、次式（６），（７），（８）で与えられる。
【００２３】
【数３】
2004239699.tif 000005
【００２４】
（８）式における（Ｘ／Ｙ）は角度算出手段６における内積計算手段１１の後段の除算手段１２で行われ、（８）式そのものの演算はさらに後段のアークタンジェント算出手段１３で行われる。
先に述べたように、ｇ（ｔ），ｈ（ｔ）は符合関数であるため、（６），（７）式の積和演算は加算と減算のみで表される。すなわち、内積計算手段１１をディジタル回路で構成する場合、フーリエ変換で必要であった乗算回路や三角関数のＲＯＭデータを省略することができるため、ハードウエアロジックが簡略化される。例えば、データ数Ｎ＝１０２４（１０ビット）、センサおよび三角関数データ長８ビットとした場合、フーリエ変換では８ビット×８ビットの乗算回路が必要であり、また加算減算回路は（８＋８＋１０）ビット＝２６ビット必要となる。そのため、後段の除算手段１２の回路は２６ビット入力のものが必要となる。これに対して、符合関数では、乗算回路やＲＯＭは必要なく、（８＋１０）ビット＝１８ビットの加算減算回路のみとなり、ハードウエアロジックを大幅に小さくできる。
【００２５】
この構成の角度検出装置３は、基本的には、複数のセンサ素子５ａの配置に対する被検出体４の相対配置パターンの変化を検出することで角度情報を取得するものであるため、軸合わせが不要となり、組み立てが容易であり、また僅かな回転角度の違いでも検出することができ、かつ絶対角度が検出できる。さらに、角度情報は、温度変動や電源電圧変動の影響を受け難い。この場合に、上記のように符号関数を用いて内積を算出し、回転角度を演算するため、ハードウエアロジックを小さくすることができる。これらのため、小型で非常に安価で、かつ絶対角度の検出が可能な角度検出装置となる。
【００２６】
この実施形態では、被検出体４を磁気発生手段としている。被検出体４の対応配置パターンの変化は、磁界パターンの変化として現れ、回転による磁界パターンの変化を検出することによって角度が算出される。そのため、回転角度の検出が精度良く行える。またセンサ素子５ａは磁気センサ素子からなるが、磁気センサ素子には小さな寸法のものがあり、高密度に配列することが可能である。このため、被検出体４が磁気エンコーダのような細分化されたものでなくても高分解能の角度検出が可能である。被検出体４が細分化されている必要がないため、小型化を図っても、高精度な回転角度出力が可能で、したがって小型の機器への組み込みが可能になる。センサ素子５ａはラインセンサを構成し、このライン状に並ぶ複数のセンサ素子５ａで検出するため、僅かな回転角度の違いでも検出することができる。
【００２７】
図４は、この実施形態の角度検出装置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を介在させたものである。転動体２４はボールからなり、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。
【００２８】
内輪２１には、被検出体取付部材２６が取付けられ、この被検出体取付部材２６に被検出体４が取付けられている。被検出体取付部材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、図１のセンサ素子群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。
【００２９】
図５は、角度検出装置３における角度算出手段６の他の構成例を示すブロック図である。この角度検出手段６は、図３の角度算出手段６における内積計算手段１１の前段に、センサ素子群５からのセンサデータｆ（ｋ）を符合関数化する符合化手段１４を設けている。符合化されたセンサデータＳ（ｋ）は次式（９）で表される。
【００３０】
【数４】
2004239699.tif 000006
【００３１】
この場合、内積計算手段１１における加減算回路は、（１＋１０）＝１１ビットで実現できる。センサデータを符合化する際には、先述した零クロス検出方法の場合と同様にノイズの影響を受け易くなる。しかし、例えば、零クロス付近でチャタリングを起こしても、後段の内積計算手段１１で内積演算されるため、ノイズの影響は大きく低減される。
【００３２】
このように、センサ素子群５からのセンサデータｆ（ｋ）を、内積計算手段１１に入力する前に符合化手段１４で符合関数化することにより、角度算出手段６のロジックをさらに小さくできる。
【００３３】
なお、上記各実施形態では、センサ素子群５を、仮想の矩形の各辺に沿ってセンサ素子５ａを１列に配列して構成したが、これに限らず図６（Ａ）に示すように、矩形の各辺に沿ってセンサ素子５ａを複数列平行に配列して構成し、検出精度を上げるようにしても良い。また、角度算出手段６は零クロス検出方法によらないで角度を算出するので、必ずしも矩形にセンサ素子５ａを配列する必要はなく、例えば図６（Ｂ）のように単純にセンサ素子５ａを１列に並べてセンサ素子群５を構成しても良く、図６（Ｃ）のようにリング状にセンサ素子５ａを配列して構成しても、図６（Ｄ）のように方形の領域内にセンサ素子５ａを充填配列して構成しても良い。
【００３４】
また、前記実施形態では、磁気を検出するセンサ素子５ａを配列してセンサ素子群５としたが、この他に、例えばセンサ素子５ａとして光センサを用いてラインセンサを構成すると共に、被検出体側に被検出体４に代えて円周方向異方性を有する光発生手段を設置して、ラインセンサの各センサ素子５ａからの光検出データを同様に演算処理することで角度検出を行っても良い。
【００３５】
【発明の効果】
この発明の角度検出装置は、被検出体の回転角度によって出力が変化するように配置された複数のセンサ素子と、これらセンサ素子の出力から被検出体の回転角度を算出する角度算出手段とを備えた角度検出装置であって、上記角度算出手段は、上記各センサ素子の出力データの列である全センサデータ列と、２つの直交する符号関数との内積を算出する内積計算手段を有するものであるため、絶対角度の検出が可能で、かつ十分な検出精度を保ったまま、小さなハードウエアロジックで構成でき、またノイズや組み立て精度の影響を受け難く、低コストのものとできる。
この発明の角度検出装置付き軸受は、この発明の角度検出装置を内蔵したものであるため、小型化しても高精度な回転角度出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる角度検出装置の概念構成を示す斜視図である。
【図２】同角度検出装置における半導体チップ上での磁気ラインセンサおよび角度算出手段の配置例を示す平面図である。
【図３】同角度検出装置における角度算出手段を示すブロック図である。
【図４】同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。
【図５】この発明の他の実施形態における角度算出手段を示すブロック図である。
【図６】磁気ラインセンサを構成するセンサ素子の他の配列例を示す平面図である。
【図７】提案例にかかる角度検出装置の概念構成を示す斜視図である。
【図８】同提案例における角度算出手段を示すブロック図である。
【符号の説明】
３…角度検出装置
４…被検出体（磁気発生手段）
５…センサ素子群
５ａ…センサ素子
６…角度算出手段
１１…内積計算手段
１４…符合化手段
２０…転がり軸受
【図１】
2004239699.tif 000007
【図２】
2004239699.tif 000008
【図３】
2004239699.tif 000009
【図４】
2004239699.tif 000010
【図５】
2004239699.tif 000011
【図６】
2004239699.tif 000012
【図７】
2004239699.tif 000013
【図８】
2004239699.tif 000014