(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単かつ安価な構成により、多回転にわたる回転角度を絶対角度として高精度に検出できる多回転角度検出装置を提供する。また、検出対象が回転軸である場合にも、その機械的配置の自由度を大きくする。【解決手段】主回転軸の回転を、減速比の異なる２つの減速機により異なる回転速度を持った各検出軸の回転に変換する回転変換機構と、２つの検出軸角度検出手段と、多回転角度算出手段とを備える。２つの検出軸角度検出手段は、各々の検出軸に設けられて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、これら磁気発生手段にそれぞれ対向して非回転部分に設けられ前記磁気発生手段の磁気を検出する磁気アレイセンサと、磁気アレイセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を絶対角度で算出する角度算出部とでなる。多回転角度算出手段は、２つの検出軸角度検出手段で検出された回転角度の差から主回転軸の多回転にわたる絶対角度を算出する。【選択図】図２
2007078552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主回転軸の回転を、減速比の異なる２つの減速機によって、異なる回転速度を持った各検出軸の回転に変換する回転変換機構と、各々の検出軸に設けられて回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段、これら磁気発生手段にそれぞれ対向して非回転部分に設けられ前記磁気発生手段の磁気を検出する磁気アレイセンサ、およびこの磁気アレイセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を絶対角度で算出する角度算出部からなる２つの検出軸角度検出手段と、これら２つの検出軸角度検出手段で検出された回転角度の差から主回転軸の多回転にわたる絶対角度を算出する多回転角度算出手段とを備えた多回転角度検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の多回転角度検出装置を備えた多回転角度検出装置付き軸受。
【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多回転角度検出、例えば小型モータの回転制御、事務機器の回転・位置検出、自動車ステアリングの絶対的な舵角検出などのための多回転角度検出に用いられる多回転角度検出装置、およびその多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、磁気アレイセンサ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）を多数並べて構成した磁気アレイセンサを、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共にセンサチップに集積し、このセンサチップを、回転軸等の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アレイセンサが検出し、その分布から磁気発生手段の回転角度が検出される。
【特許文献１】特開２００４−０３７１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記構成の回転検出装置によると、１回転分の角度（０〜３６０度）は検出できるが、数回転にわたる回転角度を絶対角度として検出することができない。例えば、自動車のステアリングでは、数回転の絶対角度の検出が必要とされる。そこで、この回転検出装置を多回転型の絶対角度センサとして機能させる場合は、各種の複雑な別機構を付加させる必要があった。
また、上記回転検出装置では、回転軸の軸端に配置される磁気発生手段に対して、磁気アレイセンサが集積されたセンサチップを軸方向に対向配置する構造となるため、センサチップの配置される非回転側部材に回転軸を貫通させて支持する構成を採用できないという制約があった。
【０００４】
この発明の目的は、簡単かつ安価な構成により、多回転にわたる回転角度を絶対角度として高精度に検出でき、検出対象が回転軸である場合にもその機械的配置の自由度を大きくすることができる多回転角度検出装置、および多回転角度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】
【０００５】
この発明の多回転角度検出装置は、主回転軸の回転を、減速比の異なる２つの減速機によって、異なる回転速度を持った各検出軸の回転に変換する回転変換機構と、各々の検出軸に設けられて回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段、これら磁気発生手段にそれぞれ対向して非回転部分に設けられ前記磁気発生手段の磁気を検出する磁気アレイセンサ、およびこの磁気アレイセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を絶対角度で算出する角度算出部からなる２つの検出軸角度検出手段と、これら２つの検出軸角度検出手段で検出された回転角度の差から主回転軸の多回転にわたる絶対角度を算出する多回転角度算出手段とを備えたものである。
【０００６】
この構成によると、主回転軸の回転を、減速比の異なる減速機によって２本の検出軸の回転に変換し、各検出軸の回転角度をそれぞれ磁気発生手段および磁気アレイセンサで検出し、その検出角度の差から多回転角度算出手段により主回転軸の絶対角度を算出するようにしたため、数回転にわたる絶対角度が検出でき、また磁気発生手段および磁気アレイセンサによるコンパクトな構成で精度の良い角度検出が行える。減速機によって回転角度が拡大された状態で角度を検出するため、主回転軸の回転角度をより高精度で多回転に渡って検出することが可能になる。磁気アレイセンサを使用しているので、角度出力をデジタル値として直接得ることができ、２つの検出軸間の角度差を求める多回転角度算出手段での処理を単純な計算回路（安価なマイコンなど）で実現でき、また高精度なアナログ回路やＡＤ変換回路、信号補正回路が不要であることから、安価に構成できる。
また、主回転軸の回転を減速機により別の検出軸の回転に変換し、これら検出軸の回転角度を検出軸角度検出手段で検出する構成としているので、主回転軸の軸方向延長線上に回転角度検出手段を配置しなくて済み、主回転軸をその軸方向に対向する非回転部材に貫通させて回転自在に支持させることができる。これにより、機械的配置の自由度を大きくすることができる。
【０００７】
この発明の多回転角度検出装置付き軸受は、この発明の多回転角度検出装置を備えたものである。
この構成によると、被検出体である主回転軸を支持する軸受に多回転角度検出装置を一体化できるので、取付調整を不要とできる。その結果、コンパクトで、組立性・組込性を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の多回転角度検出装置は、主回転軸の回転を、減速比の異なる２つの減速機によって、異なる回転速度を持った各検出軸の回転に変換する回転変換機構と、各々の検出軸に設けられて回転中心回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段、これら磁気発生手段にそれぞれ対向して非回転部分に設けられ前記磁気発生手段の磁気を検出する磁気アレイセンサ、およびこの磁気アレイセンサの出力から磁気発生手段の回転角度を絶対角度で算出する角度算出部からなる２つの検出軸角度検出手段と、これら２つの検出軸角度検出手段で検出された回転角度の差から主回転軸の多回転にわたる絶対角度を算出する多回転角度算出手段とを備えたため、簡単かつ安価な構成により、多回転にわたる回転角度を絶対角度として高精度に検出でき、検出対象が回転軸である場合にもその機械的配置の自由度を大きくできる。
この発明の多回転角度検出装置付き軸受は、この発明の多回転角度検出装置を備えたものであるため取付調整を不要とでき、コンパクト化が可能で、組立性・組込性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
この発明の一実施形態を、図１ないし図５と共に説明する。この多回転角度検出装置１は、例えば自動車のステアリングの舵角センサとして用いられるものである。図２に示すように、この多回転角度検出装置１は、主回転軸２の回転を２つの検出軸４Ａ，４Ｂの回転に変換する回転変換機構３と、各検出軸４Ａ，４Ｂの回転角度を個別に検出する２つの検出軸角度検出手段５Ａ，５Ｂとを備える。また、これら２つの検出軸角度検出手段５Ａ，５Ｂで検出された回転角度の差から主回転軸２の多回転にわたる絶対角度を算出する多回転角度算出手段６（図２）を備える。
【００１０】
図１に示すように、主回転軸２は軸受２０により回転可能に支持されており、この軸受２０は、多回転角度検出装置１を一体に組み込んだ多回転角度検出装置付き軸受とされている。この軸受２０は、内輪２１と外輪２２の転走面間に転動体２３を介在させた転がり軸受である。転動体２３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２４が、外輪２２に取付けられている。主回転軸２が嵌合する内輪２１は、転動体２３を介して外輪２２に支持されて、外輪２２は図示しない軸受ハウジングに設置されている。
【００１１】
内輪２１におけるシール２４側とは反対側の一端に、軸受２０と同心のリング状のギヤ取付部材２５が取付けられ、このギヤ取付部材２５に入力ギヤ７が嵌合して固定されている。外輪２２における前記シール２４側とは反対側の一端には、断面逆Ｕ字状でリング状のギヤ取付部材２６が取付けられている。このギヤ取付部材２６における外輪２２の幅面寄りの側壁部２６ａに、前記入力ギヤ７に噛合する第１の出力ギヤ８Ａ（図２参照）の回転軸４Ａが、前記主回転軸２と平行に延びて回転自在に支持されている。この回転軸４Ａが第１の検出軸とされる。これと同様に、ギヤ取付部材２６の側壁部２６ａには、前記入力ギヤ７に噛合する第２の出力ギヤ８Ｂの回転軸４Ｂが主回転軸２と平行に延びて回転自在に支持されている。この回転軸４Ｂが第２の検出軸とされる。
【００１２】
図２に示すように、前記入力ギヤ７と第１の出力ギヤ８Ａとで第１の減速機９Ａが構成され、また入力ギヤ７と第２の出力ギヤ８Ｂとで第２の減速機９Ｂが構成される。２つの減速機９Ａ，９Ｂは互いに減速比が異なるものとされ、これらの減速機９Ａ，９Ｂによって回転変換機構３が構成される。
【００１３】
第１の検出軸４Ａの軸端には、その回転中心Ｏ１回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段１１Ａが設けられる。この磁気発生手段１１Ａに軸方向に対向して、磁気アレイセンサ１３（図３）を集積した半導体チップ１２Ａが、外輪２２側のギヤ取付部材２６の他方の側壁部２６ｂの内壁面に回路基板１５Ａを介して取付けられる。前記磁気発生手段１１Ａと半導体チップ１２Ａとで第１の検出軸角度検出手段５Ａが構成される。
これと同様に、第２の検出軸４Ｂの軸端にも、その回転中心Ｏ２回りの円周方向異方性を有する磁気発生手段１１Ｂが設けられる。この磁気発生手段１１Ｂに軸方向に対向して、磁気アレイセンサ１３（図３）を集積した半導体チップ１２Ｂが、外輪２２側のギヤ取付部材２６の他方の側壁部２６ｂの内壁面に回路基板１５Ｂを介して取付けられる。前記磁気発生手段１１Ｂと半導体チップ１２Ｂとで第２の検出軸角度検出手段５Ｂが構成される。
【００１４】
各検出軸角度検出手段５Ａ（５Ｂ）の原理構成を図３に斜視図で示す。この検出軸角度検出手段５Ａ（５Ｂ）は、回転側部（ここでは検出軸４Ａ，４Ｂ）に配置された磁気発生手段１１Ａ（１１Ｂ）と、非回転部分（ここではギヤ取付部材２６の側壁部２６ｂ）に配置された半導体チップ１２Ａ（１２Ｂ）とを備える。半導体チップ１２Ａ（１２Ｂ）は、磁気アレイセンサ１３と、この磁気アレイセンサ１３の出力から対向する磁気発生手段１１Ａ（１１Ｂ）の回転角度を算出する角度算出部１４とが集積されている。
【００１５】
磁気発生手段１１Ａ（１１Ｂ）は、発生する磁気が回転部分（検出軸４Ａ（４Ｂ））の回転中心Ｏ１（Ｏ２）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からなる。ここでは、磁気発生手段１１Ａ（１１Ｂ）は、１つの永久磁石１６を２つの磁性体ヨーク１７，１７で挟んで一体化されたものとされて、概形が二叉のフォーク状とされ、一方の磁性体ヨーク１７の一端がＮ磁極、他方の磁性体ヨーク１７の一端がＳ磁極となる。
【００１６】
磁気アレイセンサ１３は、磁気発生手段１１Ａ（１１Ｂ）の磁気を検出するセンサであって、検出軸４Ａ（４Ｂ）の回転中心Ｏ１（Ｏ２）の軸方向に向けて磁気発生手段１１Ａ（１１Ｂ）と対向するように、ギヤ取付部材２６の側壁部２６ｂに配置される。ここでは、磁気アレイセンサ１３は、図４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た磁気ラインセンサ１３Ａ〜１３Ｄからなる。各辺の磁気ラインセンサ１３Ａ〜１３Ｄは、磁気センサ素子１３ａを１列または複数列に配列したものである。この場合、前記矩形の中心は、検出軸４Ａ（４Ｂ）の回転中心Ｏ１（Ｏ２）に一致する。各磁気センサ素子１３ａは、例えば磁気トランジスタ素子またはホール素子等からなる。
【００１７】
角度算出部１４は集積回路からなり、半導体チップ１２Ａ（１２Ｂ）上に磁気アレイセンサ１３と共に集積される。角度算出部１４は、磁気アレイセンサ１３の矩形配置の内部に配置される。これにより、磁気アレイセンサ１３および角度算出部１４をコンパクトに配置することができる。
【００１８】
次に、上記多回転角度検出装置１の動作について説明する。主回転軸２が回転すると、回転変換機構３を構成する各減速機９Ａ，９Ｂを介して２つの検出軸４Ａ，４Ｂが所定の減速比で回転する。減速機９Ａの減速比が１／ｎに、減速機９Ｂの減速比が１／ｍにそれぞれ設定されているものとすると、主回転軸２の回転角度θに対して、検出軸４Ａには回転角度ｎθの回転が、検出軸４Ｂには回転角度ｍθの回転がそれぞれ生じる。各検出軸４Ａ，４Ｂの回転に伴い、その回転中心回りに磁気発生手段１１Ａ，１１Ｂの磁界分布が回転変化し、その変化を対応する磁気アレイセンサ１３が検出軸４Ａ，４Ｂの絶対回転角度（０〜３６０度）として検出する。
【００１９】
具体的には、磁気発生手段１１Ａ，１１ＢのＮ磁極とＳ磁極が回転中心Ｏ１，Ｏ２回りに回転し、対応する磁気アレイセンサ１３が、Ｎ磁極とＳ磁極の境界線（磁界分布のゼロ点）を、磁気ラインセンサ１３Ａ〜１３Ｄによって検出する。この磁気ラインセンサ１３の出力から、角度算出部１４が磁気発生手段１１Ａ，１１Ｂの回転角度つまり検出軸４Ａ，４Ｂの回転角度をデジタル数値で算出する。
【００２０】
検出軸４Ａに対応する検出軸角度検出手段５Ａの角度出力をＳ１、検出軸４Ｂに対応する検出軸角度検出手段５Ｂの角度出力をＳ２とすると、
Ｓ１＝ｎθ，Ｓ２＝ｍθ
となる。これらの角度出力Ｓ１，Ｓ２は上記したように０〜３６０度の範囲に限られた値であるため、主回転軸２を数回転にわたって回転させた場合の各角度出力は、図５（Ａ），（Ｂ）に示すような繰り返し信号となる。なお、同図において、横軸は主回転軸２の回転数を示し、縦軸は角度出力Ｓ１，Ｓ２を示す。ここでは、検出軸４Ａの角度出力Ｓ１としてｎ＝７／６の場合を、検出軸４Ｂの角度出力Ｓ２としてｍ＝１（６／６）の場合を示している。
【００２１】
この場合、減速比の逆数の差（ｎ−ｍ）は、主回転軸２が１回転する間の両検出軸４Ａ，４Ｂ間の回転ずれに対応する。すなわち、主回転軸２が回転角度θだけ回転すると、両検出軸４Ａ，４Ｂ間の出力角度差（Ｓ１−Ｓ２）は（ｎ−ｍ）θとなる。
図５（Ａ），（Ｂ）の場合、ｎ−ｍ＝１／６であるから、主回転軸２が１回転する毎に、両検出軸４Ａ，４Ｂ間では１／６回転ずつ回転角度がずれていき、主回転軸２が６回転すると両検出軸４Ａ，４Ｂ間の角度差が０に戻る。
図５（Ｃ）は両検出軸４Ａ，４Ｂ間の出力角度差（Ｓ１−Ｓ２）を示し、主回転軸２の６回転で０〜３６０度の変化をする。したがって、２つの検出軸４Ａ，４Ｂの角度差から、主回転軸２の多回転にわたる回転角度を絶対角度で検出することができる。
多回転角度算出手段６は、上記演算処理により２つの検出軸角度検出手段５Ａ，５Ｂの出力角度差（Ｓ１−Ｓ２）から主回転軸２の多回転にわたる絶対角度を算出する。
【００２２】
なお、図５の場合、主回転軸２の回転を検出軸４Ｂの回転に変換する減速機９Ｂの減速比１／ｍを１としているので、検出軸角度検出手段５Ｂの検出角度Ｓ２が主回転軸２の回転角度θに１：１に対応しており、主回転軸２の回転角度θの分解能は検出軸角度検出手段５Ｂの分解能と等しい。一般的に、ｎを１よりも大きくした場合には、主回転軸２の１回転で検出軸４Ａ，４Ｂがｎ回転するので、主回転軸２の回転角度の検出分解能をｎ倍に高めることができる。
【００２３】
このように、この多回転角度検出装置１では、主回転軸２の回転を、減速比の異なる減速機９Ａ，９Ｂによって２本の検出軸４Ａ，４Ｂの回転に変換し、各検出軸４Ａ，４Ｂの回転角度をそれぞれ磁気発生手段１１Ａ，１１Ｂおよび磁気アレイセンサ１３で検出し、その検出角度の差から多回転角度算出手段６により主回転軸２の絶対角度を算出するものとしている。このため、数回転にわたる絶対角度が検出でき、また磁気発生手段１１Ａ，１１Ｂおよび磁気アレイセンサ１３によるコンパクトな構成で精度の良い角度検出が行える。
検出軸の回転が増速されている場合には、減速機９Ａ，９Ｂによって回転角度が拡大された状態で角度を検出するため、主回転軸２の回転角度をより高精度で多回転に渡って検出することが可能になる。
各検出軸角度検出手段５Ａ，５Ｂには磁気アレイセンサ１３を使用しているので、角度出力をデジタル値として直接得ることができ、２つの検出軸４Ａ，４Ｂ間の角度差を求める多回転角度算出手段６での処理を、単純な計算回路（安価なマイコンなど）で実現できる。高精度なアナログ回路や信号補正回路が不要であることから、ノイズにも強く、安価に構成できる。
【００２４】
また、主回転軸２の回転を減速機９Ａ，９Ｂにより別の検出軸４Ａ，４Ｂの回転に変換し、これら検出軸４Ａ，４Ｂの回転角度を検出軸角度検出手段５Ａ，５Ｂで検出する構成としたため、主回転軸２の軸方向延長線上に回転角度検出手段を配置しなくて済み、主回転軸２をその軸方向に対向する非回転部材に貫通させて回転自在に支持させることができる。これにより、機械的配置の自由度を大きくすることができる。
特に、この実施形態では、被検出体である主回転軸２を支持する軸受２０に多回転角度検出装置１を一体化しているので、取付調整を不要とできる。その結果、コンパクトで、組立性・組込性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の一実施形態にかかる多回転角度検出装置を備えた軸受の断面図である。
【図２】同多回転角度検出装置における回転変換機構の概念構成図である。
【図３】同多回転角度検出装置における検出軸角度検出手段の概念構成を示す斜視図である。
【図４】同検出軸角度検出手段における半導体チップ上での磁気アレイセンサおよび角度算出部の配置例を示す平面図である。
【図５】多回転角度検出装置における主回転軸と各検出軸との回転角の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…多回転角度検出装置
２…主回転軸
３…回転変換機構
４Ａ，４Ｂ…検出軸
５Ａ，５Ｂ…検出軸角度検出手段
６…多回転角度算出手段
９Ａ，９Ｂ…減速機
１１Ａ，１１Ｂ…磁気発生手段
１３…磁気アレイセンサ
１４…角度算出部
２０…多回転角度検出装置付き軸受
２６…ギヤ取付部材（非回転部分）
【図１】
2007078552.tif 000003
【図２】
2007078552.tif 000004
【図３】
2007078552.tif 000005
【図４】
2007078552.tif 000006
【図５】
2007078552.tif 000007