(57)【要約】【課題】  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、高速回転する対象物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。【解決手段】  回転側部材１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に回転中心Ｏの軸方向に対向して非回転側部材２に配置され、上記回転中心Ｏに垂直な平面内で仮想の矩形の４辺における各辺に配置された４個の磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄと、読み出し回路６Ａ，６Ｂと、角度算出手段７とを備える。読み出し回路６Ａ，６Ｂは、前記矩形の各辺の磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄに対して２つずつ設けられて、それぞれ磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄを２つに分けた磁気センサ素子組５Ａ１，５Ａ２〜５Ｄ１，５Ｄ２の信号読み出しを行い、両磁気センサ素子組の信号読み出しを同時に実行する。角度算出手段７は、前記読み出し回路６Ａ，６Ｂの出力から磁気発生手段４の回転角度を算出する。【選択図】      図３
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【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個の磁気ラインセンサと、これら各辺の磁気ラインセンサに対して２つずつ設けられてそれぞれ磁気ラインセンサを２つに分けた磁気センサ素子組の信号読み出しを行い、両磁気センサ素子組の信号読み出しを同時に実行する読み出し回路と、これら読み出し回路の出力から磁気発生手段の回転角度を算出する角度算出手段とを備えた回転角度検出装置。
【請求項２】
請求項１において、磁気ラインセンサに対して２つずつ設けられた各読み出し回路は、磁気ラインセンサの長手方向の一端側と他端側とに２分割した磁気センサ素子組の読み出しをそれぞれ行うもの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において、前記各磁気ラインセンサに対して設けた２つの読み出し回路は、磁気ラインセンサの出力を増幅する信号増幅回路をそれぞれ有し、この信号増幅回路の出力をＡＤ変換するＡＤ変換回路を、２つの読み出し回路で共通して使用するものとした回転角度検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の回転角度検出装置を備えた回転角度装置付き軸受。
【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、磁気ライン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）を多数並べた磁気ラインセンサを、信号読み出し回路および角度算出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９のように仮想の矩形の４辺における各辺に沿って４個の磁気ラインセンサ３５Ａ〜３５Ｄ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、各磁気ラインセンサ３５Ａ〜３５Ｄの出力を信号読み出し回路で読み出して前記磁石の磁界分布を検出し、その検出結果に基づき磁石の回転角度を角度算出回路３７により算出する。この場合、各磁気ラインセンサ３５Ａ〜３５Ｄの出力は、これらの磁気ラインセンサに対応させて個別に設けられた４つの信号読み出し回路（図示せず）で読み出され、ＡＤ変換回路でデジタル信号に変換されてから角度算出回路３７に入力される。このように、各磁気ラインセンサ３５Ａ〜３５Ｄのデータを４つの信号読み出し回路で並列処理により読み出すため、全ての磁気センサ素子を順次読み出す場合と比較して、４倍の高速読み出しが可能である。
【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】
しかし、上記構成の回転角度検出装置の場合でも、１つの磁気ラインセンサに並べられた磁気センサ素子の数が多いと、読み出し時間が長くなってしまう。また、高速回転する物体の回転検出や、高速応答が求められる制御システムでは、センサの信号読み出し開始から、角度検出結果が出力されるまでの時間遅れができるだけ少ない回転検出が求められるが、上記構成の回転角度検出装置ではその時間遅れが大きくなってしまう。
【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、高速回転する対象物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個の磁気ラインセンサと、これら各辺の磁気ラインセンサに対して２つずつ設けられてそれぞれ磁気ラインセンサを２つに分けた磁気センサ素子組の信号読み出しを行い、両磁気センサ素子組の信号読み出しを同時に実行する読み出し回路と、これら読み出し回路の出力から磁気発生手段の回転角度を算出する角度算出手段とを備えたものである。
この構成によると、各辺の磁気ラインセンサに対して読み出し回路が２つずつ設けられてそれぞれ磁気ラインセンサを２つに分けた磁気センサ素子組の信号読み出しを行うようにしたため、各磁気ラインセンサを構成する磁気センサ素子の並び個数が多い場合でも、磁気ラインセンサからの検出信号の読み出し時間を従来例の場合に比べて半分に短縮できる。また、読み出し時間が短縮されると、磁気発生手段の回転角度を検出する時間間隔を短縮できるので、角度検出レートを上げることができると共に、信号読み出し開始から角度検出結果が出力されるまでの検出遅延時間を短縮することができる。
その結果、より高速な回転物体の検出や、高速応答が求められる制御システムへの適用が可能になる。また、コンパクトな構成であり、高精度な角度検出ができるので、さらに高速な応答が可能となる。
【０００６】
この発明において、磁気ラインセンサに対して２つずつ設けられた各読み出し回路は、磁気ラインセンサの長手方向の一端側と他端側とに２分割した磁気センサ素子組の読み出しをそれぞれ行うものとしても良い。このように磁気ラインセンサを一端側と他端側とに２分割した場合、読み出しのための信号配線を各磁気ラインセンサの両端から取り出すことができる。これにより、磁気センサ素子をアレイ配置の対象性を崩すことなく配置できる。さらに、半導体チップ上に各磁気ラインセンサおよび読み出し回路を集積する場合、各磁気ラインセンサおよび読み出し回路の配置が左右対称になり、余分な配線も必要ないため、配線効率も良くなる。
【０００７】
この発明において、前記各磁気ラインセンサに対して設けた２つの読み出し回路は、磁気ラインセンサの出力を増幅する信号増幅回路をそれぞれ有し、この信号増幅回路の出力をＡＤ変換するＡＤ変換回路を、２つの読み出し回路で共通して使用するものとしても良い。この構成の場合、各磁気ラインセンサごとに、ＡＤ変換回路を２つ設ける必要がないため、半導体チップ上に各磁気ラインセンサおよび読み出し回路を集積する場合、半導体チップの面積を有効利用した効率の良い半導体回路を実現できる。その結果、回路全体の面積が縮小されて、製造コストを抑えることが可能になる。
【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。磁気ラインセンサは、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。その場合に、回転角度検出装置は、上記したようにセンサ信号の読み出し時間を短縮できるため、高速回転する軸受においても、満足できる回転角度出力を得ることができる。
【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個の磁気ラインセンサと、これら各辺の磁気ラインセンサに対して２つずつ設けられてそれぞれ磁気ラインセンサを２つに分けた磁気センサ素子組の信号読み出しを行い、両磁気センサ素子組の信号読み出しを同時に実行する読み出し回路と、これら読み出し回路の出力から磁気発生手段の回転角度を算出する角度算出手段とを備えたため、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、高速回転する対象物の回転角度検出が可能となる。
この発明の回転角度検出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、また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、高速回転する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。
【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個の磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄと、これら磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄに対して２つずつ設けられ各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄから検出信号を読み出す読み出し回路６Ａ，６Ｂ（図２）と、これらの読み出し回路６Ａ，６Ｂの出力から磁気発生手段４の回転角度を算出する角度算出手段７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８を２つの磁性体ヨーク９，９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９の一端がＮ磁極、他方の磁性体ヨーク９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】
磁気ラインセンサ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、各磁気ラインセンサ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ラインセンサ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１０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１０は、例えばシリコンチップである。
【００１３】
図２のように、前記各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄに対して２つずつ設けられた読み出し回路６Ａ，６Ｂは、対応する各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄの信号を分担して読み出すものであり、磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄで形成される矩形の外周領域に、対応する各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄに沿ってそれぞれ配置される。例えば、磁気ラインセンサ５Ａに沿って配置される２つの読み出し回路６Ａ，６Ｂは、磁気ラインセンサ５Ａを構成する磁気センサ素子５ａをセンサ長手方向の中間で一端側と他端側とに２分割した磁気センサ素子組５Ａ１，５Ａ２の信号読み出しを、個別に、かつ同時に実行するようにされている。すなわち、片方の磁気センサ素子組５Ａ１に沿って配置された１つの読み出し回路６Ａが、その磁気センサ素子組５Ａ１の信号を読み出し、もう片方の磁気センサ素子組５Ａ２に沿って配置されたもう１つの読み出し回路６Ｂが、その磁気センサ素子組５Ａ２の信号を同時に読み出す。これと同様に、磁気ラインセンサ５Ｂの１つの磁気センサ素子組５Ｂ１の信号を対応する１つの読み出し回路６Ａが、他の１つの磁気センサ素子組５Ｂ２の信号を対応する他の１つの読み出し回路６Ｂがそれぞれ同時に読み出す。また、磁気ラインセンサ５Ｃの１つの磁気センサ素子組５Ｃ１の信号を対応する１つの読み出し回路６Ａが、他の１つの磁気センサ素子組５Ｃ２の信号を対応する他の１つの読み出し回路６Ｂがそれぞれ同時に読み出す。さらに、磁気ラインセンサ５Ｄの１つの磁気センサ素子組５Ｄ１の信号を対応する１つの読み出し回路６Ａが、他の１つの磁気センサ素子組５Ｄ２の信号を対応する他の１つの読み出し回路６Ｂがそれぞれ同時に読み出す。
【００１４】
上記各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄに対してそれぞれ設けられ２つの読み出し回路６Ａ，６Ｂは、図３に示すように、磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄの出力を増幅する信号増幅回路１１と、この信号増幅回路１１の出力をＡＤ変換するＡＤ変換回路１２とでなり、変換されたデジタル信号が角度算出手段７に入力される。図４には、１つの磁気ラインセンサ５Ａと、これに対応する２つの読み出し回路６Ａ，６Ｂと、角度算出手段７との回路構成をブロック図で示している。
【００１５】
このように、各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄを２分割してそれぞれ別の読み出し回路６Ａ，６Ｂで読み出すようにしたため、各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄからの検出信号の読み出しに必要な時間が、従来例の場合の半分に短縮され、角度検出レートを向上させることができる。また、より高速な角度検出が可能になり、スキャン開始から各データが出力されるまでの遅延時間も短縮できるため、モータ制御などに使用した場合の応答特性を向上させることが可能になる。
また各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄごとに設けられる２つ読み出し回路６Ａ，６Ｂは、各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄの前半分の検出信号と後半分の検出信号を個別に読み出すため、読み出しのための信号配線を図３のように各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄの両端から取り出すことができる。さらに、半導体チップ１０上での各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄ、および読み出し回路６Ａ，６Ｂの配置が左右対称になり、余分な配線も必要ないため、配線効率も良くなる。
【００１６】
図５は、前記読み出し回路６Ａ，６Ｂの他の回路構成例を、１つの磁気ラインセンサ５Ａに対する場合について示したブロック図である。この場合、２つの読み出し回路６Ａ，６Ｂにおける各信号増幅回路１１の出力を、スイッチ１３を経由して一つのＡＤ変換回路１２に入力し、ＡＤ変換回路１２の変換動作をインターリーブで行うことにより、一つのＡＤ変換回路１２を２つの読み出し回路６Ａ，６Ｂで共通して使用するようにしている。  スイッチ１３の切り替え動作はインターリーブ制御回路１４により制御される。スイッチ１３は、両方の信号増幅回路１１から磁気センサ素子５ａの１個分の信号が出力される読み出し期間のうち、例えば前半の１／２期間に接点１３ａにオンし、後半の１／２期間に接点１３ｂにオンするように切り替え動作し、ＡＤ変換回路１２は、読み出し回路６Ａ，６Ｂの動作速度の２倍で動作する。これにより、一方の磁気センサ素子組５Ａ１からの出力と、他方の磁気センサ素子組５Ａ２からの出力とがＡＤ変換回路１２で交互にＡＤ変換される。
【００１７】
読み出し回路６Ａ，６Ｂをこのように構成した場合、各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄごとに、ＡＤ変換回路１２を２つ設ける必要がないため、半導体チップ１０の面積を有効利用した効率の良い半導体回路を実現できる。その結果、回路全体の面積が縮小されて、製造コストを抑えることが可能になる。
【００１８】
角度算出手段７は集積回路からなり、半導体チップ１０上に、磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄおよび読み出し回路６Ａ，６Ｂと共に集積されている。角度算出手段７は、磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄの矩形配置の内部に配置される。これにより、磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄ、読み出し回路６Ａ，６Ｂ、および角度算出手段７をコンパクトに配置することができる。
【００１９】
図６および図７は、角度算出手段７による角度算出処理の説明図である。図６（Ａ）〜（Ｄ）は、回転側部材１が回転している時のある瞬間における磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄの出力波形図を示し、それらの横軸は各磁気ラインセンサ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７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、各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄの出力が、図６（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、磁気ラインセンサ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ラインセンサ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が磁気ラインセンサ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、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。
【００２０】
このように、この回転角度検出装置３では、回転側部材１の回転中心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４個の磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄを配置し、これら各辺の磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄに対して２つずつ読み出し回路６Ａ，６Ｂを設け、各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄを２つに分けた磁気センサ素子組の信号読み出しを、前記各２つの読み出し回路６Ａ，６Ｂで分担して同時に実行し、これら読み出し回路６Ａ，６Ｂの出力に基づき磁気発生手段４の回転角度を角度算出手段７で算出するようにしているので、各磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄを構成する磁気センサ素子５ａの並び個数が多い場合でも、磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄからの検出信号の読み出し時間を従来例の場合に比べて半分に短縮できる。
また、読み出し時間が短縮されると、磁気発生手段４の回転角度を検出する時間間隔を短縮できるので、角度検出レートを上げることができると共に、信号読み出し開始から角度検出結果が出力されるまでの検出遅延時間を短縮することができる。
その結果、より高速な回転物体の検出や、高速応答が求められる制御システムへの適用が可能になる。また、コンパクトな構成であり、高精度な角度検出ができるので、さらに高速な応答が可能となる。
【００２１】
図８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。
【００２２】
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、磁気ラインセンサ５Ａ〜５Ｄ、読み出し回路６Ａ，６Ｂ、および角度算出手段７の集積された半導体チップ１０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７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。
【００２３】
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。その場合に、回転角度検出装置３は、上記したように、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るため、高速回転する軸受においても、満足できる回転角度出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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ラインセンサ、読み出し回路、および角度算出手段の配置例を示す平面図である。
【図３】同配置例の詳細な構造を示す平面図である。
【図４】読み出し回路の構成例を示すブロック図である。
【図５】読み出し回路の他の構成例を示すブロック図である。
【図６】磁気ラインセンサの出力を示す波形図である。
【図７】角度算出手段による角度算出処理の説明図である。
【図８】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９】従来例における磁気ラインセンサの配置例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２５】
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…磁気ラインセンサ
５Ａ１，５Ａ２〜５Ｄ１，５Ｄ２…磁気センサ素子組
６Ａ，６Ｂ…読み出し回路
７…角度算出手段
２０…転がり軸受
Ｏ…回転中心
【図１】
2007183198.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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