(57)【要約】      （修正有）【課題】回転角度検出装置においてデジタル処理回路のノイズによる影響を小さくする。【解決手段】  磁気発生手段４にその回転中心Ｏの軸方向に対向して非回転側部材２に、回転中心Ｏに垂直な平面内で仮想の矩形の各辺に配置された４個の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力を信号読み出し回路９Ａ〜９Ｄで読み出す。読み出した信号をＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄでデジタル信号に変換した出力を用いてデジタル処理回路１１により前記磁気発生手段４の回転角度を算出する。磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄ、信号読み出し回路９Ａ〜９Ｄ、ＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄ、およびデジタル処理回路１１は、一つの磁気センサチップ８に搭載する。信号読み出し回路９Ａ〜９ＤおよびＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄは、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの並びの外側に配置し、デジタル処理回路１１は、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの並びの内側に配置する。【選択図】図２
2007183156.tif 000002
【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、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された４個のライン状の磁気センサアレイと、これら４個の磁気センサアレイの出力を読み出す信号読み出し回路およびその読み出した信号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前記磁気発生手段の回転角度を算出するデジタル処理回路とを備えた回転角度検出装置において、
上記磁気センサアレイ、信号読み出し回路、ＡＤ変換回路、およびデジタル処理回路を一つの磁気センサチップに搭載し、矩形に配置された磁気センサアレイの並びの外側に信号読み出し回路およびＡＤ変換回路を配置し、磁気センサアレイの並びの内側に上記デジタル処理回路を配置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、上記デジタル処理回路の外周をシールドパターンで囲み、磁気センサアレイとデジタル処理回路との隙間領域をデジタルノイズのシールド領域とした回転角度検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２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。
【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、図６のように仮想の矩形の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３５Ａ〜３５Ｄが配置される。デジタル信号処理回路３３は、矩形に配置される磁気センサアレイ３５Ａ〜３５Ｄの内側に配置される。
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３５Ａ〜３５Ｄ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３５Ａ〜３５Ｄの出力を信号増幅回路３１およびＡＤ変換回路３２を経てデジタル信号処理回路３３に読み出し、デジタル信号処理回路３３により、各磁気センサアレイ３５Ａ〜３５Ｄ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において、磁気センサアレイ３５Ａ〜３５Ｄの画素は、複数の磁気センサ素子を並列接続して構成され、これによりセンサノイズおよびオフセット誤差の影響を、平均化によって低減するようにされている。並列接続する磁気センサ素子の数を増加するとノイズ低減などの効果は大きくなるが、１画素の占有面積が増加してくる。その一方で、検出能力を高くする観点からは、画素の配置ピッチをあまり大きくしない方が良いので、並列接続される磁気センサ素子は磁気センサアレイ３５Ａ〜３５Ｄの幅方向に並べられる。その結果、磁気センサアレイ３５Ａ〜３５Ｄのライン幅が広くなる。      
【０００４】
この場合、図６のように、デジタル信号処理回路３３と磁気センサアレイ３５Ａ〜３５Ｄとの間に信号増幅回路３１およびＡＤ変換回路３２を配置する構成では、磁気センサアレイ３５Ａ〜３５Ｄの幅が広くなると、信号増幅回路３１およびＡＤ変換回路３２を配置するスペースが確保できなってくる。
また、デジタル信号処理回路３３はデジタル回路構成で、回路から発生するデジタルノイズが大きく、アナログ回路である周囲の信号増幅回路３１およびＡＤ変換回路３２に与える影響も大きくなり、結果として角度の検出精度を悪化させる要因となる。
【０００５】
この発明の目的は、デジタル処理回路のノイズによる影響を小さくして、角度検出精度を向上させることのでき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を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、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された４個のライン状の磁気センサアレイと、これら４個の磁気センサアレイの出力を読み出す信号読み出し回路およびその読み出した信号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前記磁気発生手段の回転角度を算出するデジタル処理回路とを備えた回転角度検出装置において、上記磁気センサアレイ、信号読み出し回路、ＡＤ変換回路、およびデジタル処理回路を一つの磁気センサチップに搭載し、矩形に配置された磁気センサアレイの並びの外側に信号読み出し回路およびＡＤ変換回路を配置し、磁気センサアレイの並びの内側に上記デジタル処理回路を配置したことを特徴とする。
この構成によると、矩形に配置された磁気センサアレイの並びの外側に信号読み出し回路およびＡＤ変換回路を配置し、磁気センサアレイの並びの内側にデジタル処理回路を配置しているので、デジタル回路からなるデジタル処理回路の動作に伴うノイズの影響が、微小なセンサ信号を増幅する信号読み出し回路や、その増幅された信号をデジタル数値化するＡＤ変換回路に及ぶのを小さく抑えることができる。
これにより、磁気センサアレイからノイズの少ないセンサ信号を読み出すことができ、安定した角度検出が可能となり、角度検出精度を向上させることができる。
また、アナログ回路である信号読み出し回路およびＡＤ変換回路を磁気センサアレイの並びの外側に配置することで、デジタル処理回路の周囲に十分な広さのシールド領域を確保することが可能となり、さらに安定した角度検出動作を実現することができる。また、このように信号読み出し回路およびＡＤ変換回路を配置することで、磁気センサチップの回路形成面積を有効に利用することができる。
【０００７】
この発明において、上記デジタル処理回路の外周をシールドパターンで囲み、磁気センサアレイとデジタル処理回路との隙間領域をデジタルノイズのシールド領域としても良い。この構成の場合、デジタル処理回路からのデジタルノイズが磁気センサアレイに侵入するのを遮断でき、角度検出精度をさらに向上させることができる。
【０００８】
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。磁気アレイセンサは、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。
【発明の効果】
【０００９】
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、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された４個のライン状の磁気センサアレイと、これら４個の磁気センサアレイの出力を読み出す信号読み出し回路およびその読み出した信号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前記磁気発生手段の回転角度を算出するデジタル処理回路とを備えた回転角度検出装置において、上記磁気センサアレイ、信号読み出し回路、ＡＤ変換回路、およびデジタル処理回路を一つの磁気センサチップに搭載し、矩形に配置された磁気センサアレイの並びの外側に信号読み出し回路およびＡＤ変換回路を配置し、磁気センサアレイの並びの内側に上記デジタル処理回路を配置したため、デジタル処理回路のノイズによる影響を小さくして、角度検出精度を向上させることができる。
この発明の回転角度検出装置付き軸受は、この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る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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、これら４個の磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力を読み出す信号読み出し回路９Ａ〜９Ｄおよびその読み出した信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄと、このＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄの出力から磁気発生手段４の回転角度を算出するデジタル処理回路１１とを備える。
【００１１】
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。
【００１２】
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２に示すように、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄは、画素となる複数の磁気センサ素子５ａを並べてライン状に構成され、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。なお、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄで形成される矩形の四隅部において、隣接する磁気センサアレイ間は不連続とされている。そこで、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄは、前記矩形の四隅でそれぞれ一端部が外方に突き出るように配置して、四隅のセンサ配置に隙間が生じる部分を、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの突き出たライン部分で補完するようにされている。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磁気センサチップ８の前記磁気発生手段４と対向する面上に形成される。磁気センサチップ８は、例えばシリコンチップである。
【００１３】
信号読み出し回路９Ａ〜９ＤおよびＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄはともにアナログ回路であって、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄに対して１つずつ設けられて、対応する各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの信号を分担して読み出し処理する。すなわち、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの出力が対応する信号読み出し回路９Ａ〜９Ｄで読み出され、その読み出された信号が対応するＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄでデジタル信号に変換される。信号読み出し回路９Ａ〜９Ｄは、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄのセンサ信号を増幅する増幅回路等からなる。これらの信号読み出し回路９Ａ〜９ＤおよびＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄは、矩形に配置された磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの並びの外側の領域に、対応する各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄに沿ってそれぞれ配置される。各ＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄで変換されたデジタル信号はデジタル処理回路１１に入力される。
【００１４】
デジタル処理回路１１はデジタル回路構成とした集積回路からなり、前記磁気センサチップ８上に、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄ、信号読み出し回路９Ａ〜９ＤおよびＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄと共に集積されている。デジタル処理回路１１は、矩形に配置された磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの並びの内側の領域に配置される。デジタル処理回路１１の外周はグランドパターンからなるシールドパターン１２で囲まれると共に、デジタル処理回路１１と磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄとの隙間領域は比較的大きな面積を占めるデジタルノイズのシールド領域１３として確保されている。シールド領域１３には、さらにデジタル処理回路１１の電源の図示しないデカプリングキャパシタを配置することによって、デジタル処理回路１１を構成するデジタル回路素子に流れる貫通電流の供給、外部回路との分離が図られている。
【００１５】
図３および図４は、デジタル処理回路１１による角度算出処理の説明図である。図３（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４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３（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。
なお、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄは、その矩形配置の四隅のセンサ配置に隙間が生じる部分を、各磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの突き出たライン部分で補完するようにしているので、磁界分布のＮＳ境界線が前記矩形の四隅付近に存在する場合にも、ゼロクロス位置を検出して回転角度を算出することが可能である。
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。
【００１６】
とくに、この回転角度検出装置３では、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄ、信号読み出し回路９Ａ〜９Ｄ、ＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄ、およびデジタル処理回路１１を一つの磁気センサチップ８に搭載し、矩形に配置された磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの並びの外側に信号読み出し回路９Ａ〜９ＤおよびＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄを配置し、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの並びの内側にデジタル処理回路１１を配置しているので、デジタル回路からなるデジタル処理回路１１の動作に伴うノイズの影響が、微小なセンサ信号を増幅する信号読み出し回路９Ａ〜９Ｄや、その増幅された信号をデジタル数値化するＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄに及ぶのを小さく抑えることができる。これにより、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄからノイズの少ないセンサ信号を読み出すことができ、安定した角度検出が可能となり、角度検出精度を向上させることができる。
【００１７】
また、アナログ回路である信号読み出し回路９Ａ〜９ＤおよびＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄを磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄの並びの外側に配置することで、デジタル処理回路１１の周囲に十分な広さのシールド領域１３を確保することが可能となり、さらに安定した角度検出動作を実現することができる。また、このように信号読み出し回路９Ａ〜９ＤおよびＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄを配置することで、磁気センサチップ８の回路形成面積を有効に利用することができ、コストの低減が可能となる。さらに、センサ信号のノイズ低減を図るために、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄを構成する磁気センサ素子５ａを、磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄのラインの幅方向に並べて並列接続して画素を構成することも、信号読み出し回路９Ａ〜９ＤおよびＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄの配置に左右されずに容易に実現できる。
【００１８】
さらに、この実施形態では、デジタル処理回路１１の外周をグランドパターンからなるシールドパターン１２で囲んでいるので、デジタル処理回路１１からのデジタルノイズが磁気センサアレイ５Ａ〜５Ｄに侵入するのを遮断でき、角度検出精度をさらに向上させることができる。
【００１９】
図５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３０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。
【００２０】
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、信号読み出し回路９Ａ〜９Ｄ、ＡＤ変換回路１０Ａ〜１０Ｄ、およびデジタル処理回路１１の集積された磁気センサチップ８が取付けられている。また、このセンサ取付部材２７に、デジタル処理回路１１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。
【００２１】
このように、軸受２０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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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磁気センサチップ上での磁気センサアレイ、信号読み出し回路、およびデジタル処理回路の配置例を示す平面図である。
【図３】磁気センサアレイの出力を示す波形図である。
【図４】デジタル処理回路による角度算出処理の説明図である。
【図５】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。
【図６】従来例における磁気センサアレイ、信号読み出し回路、ＡＤ変換回路、およびデジタル処理回路の配置例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２３】
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
８…磁気センサチップ
９Ａ〜９Ｄ…信号読み出し回路
１０Ａ〜１０Ｄ…ＡＤ変換回路
１１…デジタル処理回路
１２…シールドパターン
１３…シールド領域
２０…転がり軸受
Ｏ…回転中心
【図１】
2007183156.tif 000003
【図２】
2007183156.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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