【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】
【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】
【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】
【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】
【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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an angle detection device used for detecting a rotation angle in various devices, for example, an angle detection for position control of a small motor, an absolute angle of a robot joint, and a bearing with an angle detection device.
[0002]
[Prior art]
An encoder is widely used for detecting a rotation angle in such a device.
However, with the demand for miniaturization and cost reduction of the device, further miniaturization and cost reduction of the angle detection device are required. Absolute encoders capable of detecting an absolute angle of a robot joint or the like have become large and very expensive in order to increase the accuracy.
A resolver is widely known as a sensor capable of detecting an absolute angle. However, the resolver is very expensive, and it is very difficult to reduce the size of the resolver from the viewpoint of its structure. In view of this, there has been proposed a device that uses a plurality of resolvers that cause magnetic interference with each other to reduce the size of the device (for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-9-257410
However, the apparatus of the above proposal uses a plurality of resolvers and has a complicated structure, so that the apparatus becomes very expensive.
Accordingly, the present applicant has proposed a small, highly accurate and inexpensive rotation angle detection device capable of detecting an absolute angle and shown in FIGS. 7 and 8 (Japanese Patent Application No. 2002-303874). In this method, a magnetic line sensor is arranged on each of four sides of a virtual rectangle, and the output of each magnetic sensor element obtained by the magnet generating means 34 rotating in opposition is subjected to signal processing to detect a rotation angle. Suggested.
[0005]
In the rotation angle detection device shown in FIG. 3, the magnetic field distribution changes in accordance with the rotation angle of the facing magnetism generating means 34, and the output of each sensor element of each magnetic line sensor 35 changes. After this output is converted into a digital value by the A / D converter 36, the rotation angle is calculated by the angle calculation means 37.
The angle calculating means 37 is constituted by a hardware logic circuit in consideration of miniaturization and cost reduction of the device. Therefore, it is desirable that the signal processing algorithm of the angle calculation means 37 can be constituted by hardware logic as simple as possible, the required detection accuracy can be realized, and the influence on factors such as sensor noise is reduced.
[0006]
As a calculation processing method by the angle calculating means 37, a method of detecting a zero cross of a magnetic flux distribution, a method of detecting a phase component of a fundamental wave using Fourier transform, a method of obtaining a principal axis of inertia using two-dimensional coordinates, and the like have been proposed. ing. However, considerations for configuring with hardware logic have not been made sufficiently, and cost reduction has not been sufficient.
That is, in the detection method using the zero cross, since the angle detection is performed using only the zero cross sensor among all the sensor data of the magnetic line sensor 35, there is a drawback that the detection is weak to noise as in the case of the comparator. A high performance pre-filter is required. Further, since information other than the zero-cross information is discarded, the number of data used for angle detection is small, and the detection accuracy cannot be increased beyond the resolution of the magnetic line sensor 35. That is, so-called interpolation cannot be performed.
In the detection method based on the Fourier transform, since the inner product calculation of all data of the magnetic line sensor 35 is performed, the detection accuracy is high and the influence of noise is small. However, since the sensor data sequence is assumed to be periodic data and an odd function, it is easily affected by waveform distortion such as a change in the duty ratio of the sensor data sequence due to an assembly error. In addition, since the inner product with the trigonometric function is calculated, a ROM of SIN and COS and a multiplication circuit are required, and the hardware logic is increased, for example, the number of bits of the calculation data is increased.
In the detection method for obtaining the center of gravity of inertia, since calculation is performed using two-dimensional coordinates, the detection accuracy and the influence of assembly errors are excellent. However, since the algorithm is complicated and many multiplication and division circuits are required, hardware logic becomes large.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an angle detection device that can detect an absolute angle, can be configured with small hardware logic while maintaining sufficient detection accuracy, is not easily affected by noise and assembly accuracy, and can be manufactured at low cost. To provide.
Another object of the present invention is to provide a bearing with an angle detecting device that can obtain a high-precision rotation angle output even if it is miniaturized.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An angle detection device according to the present invention includes a rotatable object to be detected, a plurality of sensor elements arranged so that an output changes according to the rotation angle of the object to be detected, and each of the sensor elements detects the object to be detected. And an angle calculating means for calculating a rotation angle of the object to be detected from the output of the sensor element, wherein the angle calculating means comprises: a sensor data sequence which is a sequence of output data of each sensor element; It has inner product calculation means for calculating an inner product with two orthogonal code functions, and calculates a rotation angle from the inner product. The arrangement of the plurality of sensor elements may be such that the output changes depending on the rotation angle of the object to be detected, but is arranged in a linear or linear shape such as a straight line, a circular shape, a geometrical shape such as a square or the like. Is done.
When the detected object rotates, a detection signal corresponding to the rotation angle is output from each sensor element due to the relative rotation between the detected object and the sensor element. The angle calculation means calculates the rotation angle from the output of each sensor element. That is, the rotation changes the corresponding arrangement pattern of the detected object detected by the plurality of sensor elements, and the angle is calculated based on the change. In this case, the calculation is performed by calculating an inner product of all data strings of each sensor element and two orthogonal code functions. The two orthogonal code functions are, for example, two functions whose values are only +1 and −1, and whose phases are shifted from each other by 90 °. As described above, since the rotation angle is calculated from the inner product of the entire data sequence and two orthogonal sign functions, the multiplication circuit and the ROM data of the trigonometric function required in the case of the Fourier transform can be omitted, and the calculation can be performed. The inner product operation can be performed while suppressing the number of bits, and the hardware logic can be simplified. In addition, since angle information can be obtained by a change in the relative arrangement pattern of the detected object with respect to the arrangement of the plurality of sensor elements, axis alignment is not required, assembly is easy, and even a slight difference in rotation angle can be detected. it can. Further, the angle information is hardly affected by temperature fluctuations and power supply voltage fluctuations. For these reasons, a low-cost angle detection device that can detect absolute angles, can be configured with small hardware logic while maintaining sufficient detection accuracy, and is not easily affected by noise or assembly accuracy. Can be.
[0009]
The angle calculating means includes encoding means for converting the entire sensor data sequence into a sign function, and the inner product calculating means includes an inner product of the sign function-converted entire sensor data sequence and the two orthogonal sign functions. May be calculated.
In the case of this configuration, since the entire sensor data sequence is converted into a sign function, the hardware logic of the angle calculation means can be further reduced.
[0010]
The detected object may be a magnetic generating means having a circumferential anisotropy around the rotation center. In that case, the sensor element is a magnetic sensor element.
The change in the corresponding arrangement pattern of the object to be detected appears as a change in the magnetic field pattern, and the angle is calculated by detecting the change. Magnetic sensor elements are of small dimensions and can be arranged at high density. Therefore, high-resolution angle detection is possible even if the magnetism generating means is not a subdivided one such as a magnetic encoder. Since the magnetism generating means does not need to be subdivided, high-precision rotation angle detection is possible even if the size is reduced, and thus it can be incorporated into a small device. In addition, the fact that the magnetic generating means has circumferential anisotropy around the center of rotation means that the rotating position of the generated magnetic field in the N magnetic pole range and the S magnetic pole range is It is a shape that changes. The entire outer shape of the magnetism generating means does not matter.
[0011]
The sensor element may constitute a line sensor. Since detection is performed by a plurality of sensor elements arranged in a line, even a slight difference in rotation angle can be detected.
[0012]
The line sensors may be arranged along each of the four sides of the virtual rectangle, and the number of line sensors on each side may be at least one.
[0013]
A bearing with an angle detecting device according to the present invention is one in which the angle detecting device according to any one of the above structures according to the present invention is built in a rolling bearing. In that case, the magnetism generating means is arranged on the rotating raceway which is the rotating member. The sensor element is disposed on a stationary raceway, which is a non-rotating member.
In this way, by integrating the angle detecting device into the rolling bearing, the number of parts and the number of assembling steps of the equipment using the bearing can be reduced, and the size can be reduced. In this case, since the angle detection device can output a rotation angle with high accuracy and small size as described above, a satisfactory rotation angle output can be obtained even with a small bearing such as a small-diameter bearing.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the principle configuration of the angle detection device of this embodiment. The rotating member 1 and the non-rotating member 2 are members on the rotating and non-rotating sides that rotate relatively. The angle detection device 3 includes a detection target 4 disposed on the rotating member 1, a sensor element group 5 disposed on the non-rotational member 2, and rotation of the detection target 4 based on the output of the sensor element group 5. And an angle calculating means 6 for calculating an angle. The sensor element group 5 is configured by arranging a plurality of sensor elements 5a for detecting the detection target 4 in a predetermined geometric arrangement, and is disposed with a small gap from the detection target 4.
[0015]
The detected object 4 is composed of a magnet generating means, and the generated magnet has a circumferential anisotropy around the rotation center O of the rotating member 1. The detection target 4 may be a single permanent magnet or a composite of a permanent magnet and a magnetic material. Here, the detection target 4 is formed by integrating one permanent magnet 7 with two magnetic yokes 8, 8, and has a forked fork shape, and one magnetic yoke. One end of the magnetic pole 8 is an N magnetic pole, and one end of the other magnetic yoke 8 is an S magnetic pole. With the detection target 4 having such a structure, a simple and robust configuration can be achieved. The detection object 4 is attached to the rotation side member 1 such that the rotation center O of the rotation side member 1 coincides with the center of the detection object 4, and the rotation of the rotation side member 1 causes the rotation around the rotation center O to be N. The magnetic pole and the S magnetic pole pivot.
[0016]
The sensor element group 5 is disposed on the non-rotational side member 2 so as to face the detection target 4 in the axial direction of the rotation center O of the rotation side member 1. Here, the sensor element group 5 is a magnetic line sensor in which the sensor elements 5a formed of magnetic sensor elements are arranged.
The sensor element group 5 is arranged along each side of the four sides of the virtual rectangle as shown in FIG. 2, and the number of sensor elements 5a in the sensor rows 5A to 5D of each side is at least one or more. . In this case, the center of the rectangle coincides with the rotation center O of the rotating member 1. In order to increase the detection accuracy of the sensor element group 5, the larger the number of the sensor rows 5A to 5D, the better. The sensor element group 5 configured as described above is formed on a surface of one semiconductor chip 9 attached to the non-rotating side member 2, which faces the detection target 4. The semiconductor chip 9 is made of, for example, a silicon chip.
[0017]
The angle calculating means 6 is formed of an integrated circuit, and is integrated on the semiconductor chip 9 together with the sensor element group 5. The angle calculation means 6 is arranged inside the rectangular arrangement of the sensor element group 5. Thereby, the sensor element group 5 and the angle calculation means 6 can be arranged compactly.
FIG. 3 is a conceptual configuration example in which the angle calculation means 6 obtains an absolute output. The angle calculating means 6 includes an inner product calculating means 11, a dividing means 12, and an arctangent calculating means 13. The inner product calculating means 11 is a means for calculating an inner product of all sensor data strings, which are strings of output data of the sensor elements 5a of the sensor element group 5, and two orthogonal code functions.
[0018]
The inner product calculation means 11 performs an inner product operation on the output data strings of the sensor element 5a for one round of the sensor element group 5, and calculates the phase of the fundamental wave component. The inner product calculating method used by the inner product calculating means 11 has the same basic concept as the method of performing the Fourier transform to obtain the phase of the fundamental wave. However, the two orthogonal code functions used for the inner product operation are not orthogonal trigonometric functions of SIN (wt) and COS (wt), but have a 1/4 cycle phase as shown in the following equations (1) and (2). Adopt two shifted sign functions.
[0019]
(Equation 1)
[0020]
In the equations (1) and (2), the following equations (3), (4) and (5) hold. <·> Represents an inner product.
[0021]
(Equation 2)
[0022]
That is, since g (t) and h (t) have a norm of 1 and are orthogonal, they are orthonormal bases. Whereas the Fourier transform calculates an inner product using orthogonal trigonometric functions of SIN (wt) and COS (wt), in the present embodiment, an inner product operation is performed using the sign function of the above equations (1) and (2). I do.
Now, when the entire output data sequence is N sensor data f (k), (k = 0 to N−1), the rotation angle θ is expressed by the following equations (6), (7), and (8). Given.
[0023]
[Equation 3]
[0024]
(X / Y) in the expression (8) is performed by the division unit 12 at the subsequent stage of the inner product calculation unit 11 in the angle calculation unit 6, and the operation of the expression (8) itself is further performed by the arc tangent calculation unit 13 at the subsequent stage.
As described above, since g (t) and h (t) are sign functions, the product-sum operation of the equations (6) and (7) can be represented only by addition and subtraction. That is, when the inner product calculation means 11 is formed of a digital circuit, the hardware logic can be simplified because the multiplication circuit and the ROM data of the trigonometric function required for the Fourier transform can be omitted. For example, if the data number N = 1024 (10 bits) and the sensor and trigonometric function data length are 8 bits, a Fourier transform requires an 8 × 8-bit multiplication circuit, and the addition / subtraction circuit requires (8 + 8 + 10) bits = 26 bits are required. Therefore, the circuit of the dividing means 12 at the subsequent stage needs to have a 26-bit input. On the other hand, the sign function does not require a multiplication circuit or a ROM, but includes only an addition / subtraction circuit of (8 + 10) bits = 18 bits, so that hardware logic can be significantly reduced.
[0025]
Since the angle detection device 3 having this configuration basically obtains angle information by detecting a change in the relative arrangement pattern of the detection target 4 with respect to the arrangement of the plurality of sensor elements 5a, the axis alignment can be performed. It is unnecessary, the assembly is easy, and even a slight difference in rotation angle can be detected, and an absolute angle can be detected. Further, the angle information is hardly affected by temperature fluctuations and power supply voltage fluctuations. In this case, since the inner product is calculated using the sign function and the rotation angle is calculated as described above, the hardware logic can be reduced. For these reasons, the angle detection device is small, very inexpensive, and capable of detecting an absolute angle.
[0026]
In this embodiment, the detected object 4 is a magnetic generating means. A change in the corresponding arrangement pattern of the detection target 4 appears as a change in the magnetic field pattern, and an angle is calculated by detecting a change in the magnetic field pattern due to rotation. Therefore, the rotation angle can be accurately detected. The sensor element 5a is made of a magnetic sensor element. Some of the magnetic sensor elements have a small size, and can be arranged at a high density. Therefore, high-resolution angle detection is possible even if the detection target 4 is not a subdivided one such as a magnetic encoder. Since the detection target 4 does not need to be subdivided, a high-precision rotation angle output is possible even if the size is reduced, so that it can be incorporated into a small device. The sensor element 5a constitutes a line sensor, and the detection is performed by the plurality of sensor elements 5a arranged in a line, so that a slight difference in the rotation angle can be detected.
[0027]
FIG. 4 shows an example in which the angle detection device 3 of this embodiment is incorporated in a rolling bearing.
The rolling bearing 20 has a rolling element 24 held by a retainer 23 interposed between rolling surfaces of an inner ring 21 and an outer ring 22. The rolling element 24 is formed of a ball, and the rolling bearing 20 is a deep groove ball bearing. Further, a seal 25 covering one end of the bearing space is attached to the outer ring 22.
The inner race 21 to which the rotating shaft 10 fits is supported by the outer race 23 via a rolling element 24. The outer ring 23 is installed in a housing (not shown) of the equipment using the bearing.
[0028]
The detected object attachment member 26 is attached to the inner ring 21, and the detected object 4 is attached to the detected object attachment member 26. The detected object mounting member 26 is provided so as to cover the inner diameter hole at one end of the inner ring 21, and the cylindrical portion 26 a provided on the outer peripheral edge is fitted to the shoulder outer peripheral surface of the inner ring 21, so that Installed. Further, the side plate near the cylindrical portion 26a is engaged with the width surface of the inner race 21 to perform axial positioning.
A sensor mounting member 27 is mounted on the outer race 22, and the semiconductor chip 9 in which the sensor element group 5 and the angle calculating means 6 of FIG. 1 are integrated is mounted on the sensor mounting member 27. An output cable 29 for extracting the output of the angle calculation means 6 is also attached to the sensor attachment member 27. The sensor mounting member 27 fits the distal end cylindrical portion 27a of the outer peripheral portion to the inner diameter surface of the outer ring 22 and engages the flange portion 27b formed in the vicinity of the distal end cylindrical portion 27a with the width surface of the outer ring 22 so that the axial direction is Positioning has been done.
[0029]
FIG. 5 is a block diagram showing another configuration example of the angle calculation means 6 in the angle detection device 3. The angle detecting means 6 is provided with a coding means 14 for converting the sensor data f (k) from the sensor element group 5 into a code function at a stage preceding the inner product calculating means 11 in the angle calculating means 6 in FIG. The encoded sensor data S (k) is represented by the following equation (9).
[0030]
(Equation 4)
[0031]
In this case, the addition / subtraction circuit in the inner product calculation means 11 can be realized with (1 + 10) = 11 bits. When the sensor data is encoded, it becomes susceptible to noise as in the case of the zero cross detection method described above. However, for example, even if chattering occurs near the zero cross, the influence of noise is greatly reduced because the inner product calculation is performed by the inner product calculation means 11 in the subsequent stage.
[0032]
In this way, the logic of the angle calculation means 6 can be further reduced by converting the sensor data f (k) from the sensor element group 5 into a code function by the coding means 14 before being input to the inner product calculation means 11.
[0033]
In each of the above embodiments, the sensor element group 5 is configured by arranging the sensor elements 5a in one line along each side of the virtual rectangle. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. Alternatively, the sensor elements 5a may be arranged in a plurality of parallel rows along each side of the rectangle to increase the detection accuracy. Further, since the angle calculating means 6 calculates the angle without using the zero-cross detection method, it is not always necessary to arrange the sensor elements 5a in a rectangular shape. For example, as shown in FIG. The sensor element group 5 may be arranged in a row, and even if the sensor elements 5a are arranged in a ring as shown in FIG. 6C, the sensor elements 5 may be arranged in a rectangular area as shown in FIG. The sensor elements 5a may be filled and arranged.
[0034]
In the above-described embodiment, the sensor elements 5a for detecting magnetism are arranged to form the sensor element group 5. In addition, for example, a line sensor is configured using an optical sensor as the sensor element 5a, In addition, a light generating means having circumferential anisotropy is installed in place of the object 4 to be detected, and the angle detection is performed by similarly performing the arithmetic processing on the light detection data from each sensor element 5a of the line sensor. good.
[0035]
【The invention's effect】
An angle detection device according to the present invention includes a plurality of sensor elements arranged so that outputs change according to a rotation angle of a detection target, and an angle calculation unit that calculates a rotation angle of the detection target from outputs of the sensor elements. An angle detection device comprising: an inner product calculation unit configured to calculate an inner product of all sensor data strings, which are output data strings of the respective sensor elements, and two orthogonal code functions. Therefore, it is possible to detect the absolute angle, to configure with a small hardware logic while maintaining sufficient detection accuracy, and to reduce the cost by being less affected by noise and assembly accuracy.
Since the bearing with the angle detecting device of the present invention incorporates the angle detecting device of the present invention, a highly accurate rotation angle output can be obtained even if the bearing is downsized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a conceptual configuration of an angle detection device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing an example of the arrangement of a magnetic line sensor and an angle calculation unit on a semiconductor chip in the angle detection device.
FIG. 3 is a block diagram showing an angle calculating means in the angle detecting device.
FIG. 4 is a sectional view showing an example of a rolling bearing provided with the angle detection device.
FIG. 5 is a block diagram showing an angle calculating unit according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan view showing another arrangement example of the sensor elements constituting the magnetic line sensor.
FIG. 7 is a perspective view showing a conceptual configuration of an angle detection device according to a proposal example.
FIG. 8 is a block diagram showing an angle calculating means in the proposal example.
[Explanation of symbols]
3 ... Angle detection device 4 ... Detected object (magnetic generation means)
5 Sensor element group 5a Sensor element 6 Angle calculating means 11 Inner product calculating means 14 Encoding means 20 Rolling bearing
