JP2009198427A - 回転速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンコーダにおける各極の誤差の経時的変化を補償して、常に正確な信号精度が得られる回転速度検出装置を提供する。
【解決手段】この回転速度検出装置は、エンコーダと、回転検出センサと、回転検出センサの出力信号を処理して回転部材の回転速度を検出する演算器１０２とを備え、演算器１０２は、エンコーダが１回転する間の各Ｓ極とＮ極とのピッチの大きさを求める機能と、各Ｓ極とＮ極との他の部分の回転方向に関する位相を、他の部分と大きく異なるピッチを有する部分を基準として求める機能と、各Ｓ極とＮ極とのピッチ誤差を補正して回転部材の回転速度を求める機能と、エンコーダの経時的変化を補償するために定期的に演算を行ない、記憶しているエンコーダの誤差を補正する補正機能とを有している。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば各種車両（自動車、鉄道車両）の車輪の回転速度を検出するため或いは各種産業機械の回転軸の回転速度を検出するための回転速度検出装置に関する。

アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）やトラクションコントロールシステム（ＴＣＳ）を制御するためには、転がり軸受ユニットにより懸架装置に支持された車輪の回転速度を検出する必要がある。また、各種産業機械を適切に運転するために、当該産業機械の回転軸の回転速度を検出する必要がある。このため、従来から、各種回転速度検出装置が提案され、実際に使用されている。例えば、特許文献１には、図６および図７に示すような回転速度検出装置が記載されている。

この回転速度検出装置は、使用時にも回転しない静止部材であるハウジング１の内径側に、使用時に回転する回転部材である回転軸２を、軸受３により回転自在に支持している。また、この回転軸２の外周面とハウジング１の内周面との間の空間４の端部開口を、組み合わせシールリング５により塞いでいる。そして、この組み合わせシールリング５を構成するスリンガ６の外側面に、円輪状のエンコーダ７を添着している。このエンコーダ７は、ゴム磁石等の永久磁石で、軸方向に着磁されている。着磁方向は、円周方向に関して交互に且つ等間隔で変化させている。従って、エンコーダ７の外側面にはＮ極とＳ極とが交互に且つ等間隔で配置されている。これらＮ極とＳ極との組み合わせ数は、全周で２０〜６０としている。従って、エンコーダ７の全周に関して、Ｎ極とＳ極との境界は４０〜１２０個所存在する。

一方、ハウジング１には回転速度検出センサ８を支持し、この回転速度検出センサ８の検出部をエンコーダ７の被検出面である外側面に近接対向させている。回転速度検出センサ８は、ホール素子、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）等、磁束の方向や強さに応じて特性が変化する磁気検出素子を備え、この磁気検出素子の特性変化に対応して出力信号を変化させる。回転軸２が回転すると、回転速度検出センサ８の検知部の端面近傍を、エンコーダ７の外側面に配置されたＳ極とＮ極とが交互に通過する。このため、回転速度検出センサ８に組み込んだ磁気検出素子の特性が変化し、この回転速度検出センサ８の出力が変化する。このようにして回転速度検出センサ８の出力が変化する周波数は、回転軸２の回転速度に比例する。

したがって、この回転速度検出センサ８の出力を図示しない処理回路に送れば、回転軸２の回転速度を求める（或はこの回転速度に見合う信号を得る）ことができる。なお、この処理回路で、回転速度検出センサ８の出力信号に基づいて回転軸２の回転速度を求めるには、この出力信号の変化の周期から求める方法と、単位時間当たり変化の回数（周波数）とから求める方法とがある。回転速度は、前記周期と反比例し、周波数とは比例する。また、図示しないが、特許文献２には、自動車の車輪の回転速度を検出するために使用する、同様の構造を有する回転速度検出装置が記載されている。

しかしながら、回転軸２等の回転部材の回転速度をリアルタイムで求めるためには、この回転速度を、回転速度検出センサ８の出力信号の変化の周期から求めることが好ましい。この変化の周波数から求めるのでは、この周期の数倍乃至は数十倍の所定時間（単位時間）毎にしか、前記回転速度を求めることができない。このため、求めた回転速度とその瞬間の回転速度との間に差が生じ易く、求めた回転速度によりＡＢＳやＴＣＳを適切に制御することができない。これに対して、前記出力信号の変化の周期から回転速度を求めれば、求めた回転速度とその瞬間の回転速度との間の差を殆どなくすことができて、求めた回転速度によりＡＢＳやＴＣＳを適切に制御することができる。

ただし、前記出力信号の変化の周期から回転速度を正確に求めるためには、エンコーダ７の被検出部の特性が円周方向に変化するピッチを正確に規制する必要がある。回転速度が同じとしても、このピッチが設計値よりも長いと前記出力信号の変化の周期が長くなり、このピッチが短いとこの周期が短くなる。このため、エンコーダ７の被検出部の特性が変化するピッチが、回転速度検出センサ８の検出部と対向する部分で全周にわたって等しいことが、前記出力信号の変化の周期から回転速度を正確に求めるために必要になる。

これに対して、前記ピッチは、次の（１）および(２)に示した２通りの理由により、円周方向に関して不同になる可能性がある。
（１）エンコーダ７の製造誤差
（２）エンコーダ７の組み付け誤差
ここで、（１）は、エンコーダ７の着磁方向を変化させるピッチが円周方向に関して不均一になる等で生じる。例えば、図８は、エンコーダ７の着磁面に存在するＳ極とＮ極とのピッチ誤差の一例を模式的に示している。このような図８に示すように、これらＳ極とＮ極とのピッチは、標準値に比べて最大で２％程度ずれる場合がある。

また、(２)は、エンコーダ７の被検出部の幾何中心と回転中心とがずれることで生じる。この被検出部の着磁幅は、径方向外方に向かう程広くなるので、上記両中心がずれると、Ｓ極とＮ極とが変化するピッチが円周方向に関して不均一になる。何れにしても、変化のピッチが円周方向に関して不均一になると、回転速度検出センサ８の出力信号の変化の周期から回転速度を正確に求めることができなくなる。

勿論、エンコーダの加工精度および組み付け精度を向上させれば、前記変化のピッチを円周方向に関して均一にし、回転速度検出センサの出力信号の変化の周期から回転速度を正確に求めることは可能である。ただし、加工および組み付けの両精度を何れも十分に向上させる必要があり、コストが嵩むことが避けられない。

そこで、特許文献３では、回転部材の回転速度をリアルタイムで且つ正確に求められるように、永久磁石製エンコーダの一部に、着磁誤差では生じ得ない程度に大きなピッチ誤差を有する特定領域を設け、この特定領域を利用して、非特定領域部分のＳ極及びＮ極のピッチと、回転方向に関する位相とを関連付け、メモリに記憶させるようにしている。そして、回転速度検出時には、実際のピッチと、回転速度検出センサの出力信号の周期とに基づいて、前記回転速度を算出するようにしている。

特開平８−３３８４３５号公報 特開２００２−１５５９６２号公報 特開２００４−３５４１０１号公報

前記特許文献３は、エンコーダを用いて、原点を検出できる形での回転検出装置を作成し、各極の誤差を記憶して、速度信号の補正を行なうことの有効性を示している。しかしながら、エンコーダは、表面の摩耗や傷の発生、ゴムや接着剤の劣化により、誤差が経時的に変化することがある。したがって、初期の誤差だけを記憶して信号を補正しても、その補正された信号精度は経時的に悪化してしまう虞がある。

本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、エンコーダにおける各極の誤差の経時的変化を補償して、常に正確な信号精度が得られる回転速度検出装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の回転速度検出装置は、回転部材にこの回転部材の回転中心と同心に支持された永久磁石製エンコーダと、前記永久磁石製エンコーダの被検出面に検出部を対向させた回転検出センサと、前記回転検出センサの出力信号を処理して前記回転部材の回転速度を検出する演算器とを備え、前記永久磁石製エンコーダは、永久磁石により全体を円環状に造られ、回転中心をその中心とする単一円弧上にＳ極とＮ極とを交互に且つ所定のピッチで配置するとともに、円周方向に関して少なくとも１個所のピッチを他の部分のピッチに対し誤差に基づいて生じ得る差よりも大きく異ならせて成り、前記演算器は、前記永久磁石製エンコーダが１回転する間の各Ｓ極とＮ極とのピッチの大きさを求める機能と、これら各Ｓ極とＮ極との他の部分の回転方向に関する位相を、他の部分と大きく異なるピッチを有する部分を基準として求める機能と、前記各Ｓ極とＮ極とのピッチ誤差を補正して上記回転部材の回転速度を求める機能と、エンコーダの経時的変化を補償するために定期的に演算を行ない、記憶しているエンコーダの誤差を補正する補正機能とを有していることを特徴とする。

本発明によれば、エンコーダの被検出面に配置したＳ極とＮ極とのピッチ誤差を補正できる。すなわち、このエンコーダの被検出面のうちでＳ極とＮ極との境界部が回転速度検出センサの検出部を通過する毎に、前記エンコーダの回転速度を算出もしくはこの回転速度に対応する信号を出力して、この回転速度をほぼリアルタイムで求めても、前記エンコーダの被検出面に存在するＳ極とＮ極とのピッチ誤差に拘らず、このピッチ誤差を補正した信号を得られる。このため、エンコーダの製造誤差や組み付け誤差に関係なく、前記回転速度を正確に求められる。また、これに加え、エンコーダの経時的変化を補償するために定期的に演算を行ない、記憶しているエンコーダの誤差を補正するようにしているので、常に正確な信号精度が得られる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の回転速度検出装置を構成する永久磁石製エンコーダの一実施形態として、エンコーダ７ａの着磁面に存在するＳ極とＮ極とのピッチ誤差を、模式的に示している。本実施形態の場合、円周方向に関して１個所部分である特定領域９（斜格子部分）のピッチを、標準値（前記Ｓ極とＮ極とのピッチが総て等しいと仮定した場合のピッチ）よりも５％程度大きくしている。これに対して他の部分である非特定領域１０部分でのピッチは、製造コストが徒に嵩まない範囲で、できるだけ等しくなる様に着磁している。ただし、非特定領域１０部分での各Ｓ極およびＮ極ピッチと前記標準値との誤差は、０．２〜２．０％程度存在する。また、この非特定領域１０の部分での誤差の方向（＋であるか、或は−であるか）は様々である。ただし、この非特定領域１０部分での誤差の大きさが、特定領域９部分の誤差よりも大きくなることはない。従って、エンコーダ７ａの回転方向に関して、特定領域９部分の位置は確実に特定できる。なお、この特定領域９のピッチ誤差は、非特定領域１０との区別を確実に行なえる限り、小さくすることが好ましい。従って、特定領域９のピッチ誤差は、最大でも１０％程度に抑えることが現実的である。ただし、非特定領域１０のピッチ誤差が大きくなる可能性があれば、特定領域９のピッチ誤差も、それ以上に大きくする。

前述したように構成する本実施形態の永久磁石製のエンコーダ７ａを使用すれば、このエンコーダ７ａの被検出面に検出部を対向させた回転速度検出センサから、この被検出面に配置したＳ極とＮ極とのピッチ誤差分を補正した信号を得られる。すなわち、この被検出面の着磁ピッチに、実際には図１の（ａ）に示すように誤差が存在するにも拘らず、前記回転速度検出センサからの信号に基づいて得られる回転速度の測定値を、図１の（ｂ）に示すように誤差が存在しない場合と同様の値に補正できる。従って、このエンコーダ７ａを支持した回転部材の回転速度を、ほぼリアルタイムで、しかも正確に測定できる。

すなわち、エンコーダ７ａの被検出面に回転速度検出センサの検出面を対向させた状態で、前記回転部材と共にエンコーダ７ａを回転させれば、前記回転速度検出センサの出力信号が、前記被検出面に存在するＳ極とＮ極とのピッチに応じて変化する。この変化の周期は、ピッチに応じて異なる。一方、特定領域９部分を基準とする、非特定領域１０に存在するＳ極或はＮ極の回転方向に関する位相も、前記作業により知ることができる。従って、特定領域９部分から前記回転速度検出センサの出力信号がｋ回変化した場合にこの回転速度検出センサの検出部が対向している部分のピッチが標準値に対してどの程度ずれているかを、全て特定することができる。そして、全ての部分（特定領域９および非特定領域１０）に関して、Ｓ極とＮ極とのピッチの誤差を勘案して、前記回転部材の回転速度を算出できる。

このように本実施形態によれば、エンコーダ７ａの被検出面のうちでＳ極とＮ極との境界部が回転速度検出センサの検出部を通過する毎（着磁領域の１ピッチ毎）に、エンコーダ７ａを支持した回転部材の回転速度を算出もしくはこの回転速度に対応する信号を出力して、この回転速度をほぼリアルタイムで求めても、エンコーダ７ａの被検出面に存在するＳ極とＮ極とのピッチ誤差に拘らず、このピッチ誤差を修正した信号を得られる。このため、エンコーダ７ａの製造誤差や、前記回転部材に対するこのエンコーダ７ａの組み付け誤差に関係なく、前記回転速度を正確に求められる。なお、特定領域９は、円周方向に関して１個所のみ設ければ十分であるが、２個所以上設けることもできる。ただし、この場合には、各特定領域を円周方向に関して不等間隔に配置する等、各特定領域を識別できるようにする。

なお、全てのＳ極およびＮ極に関する、前記中心角ピッチと位相との記憶動作は、エンコーダ７ａの被検出面に回転速度検出センサの検出部を対向させた状態で、このエンコーダ７ａを支持した回転部材を一定速度で１回転以上回転させることにより行なう。このようにして、エンコーダ７ａの被検出面に配置した多数の（それぞれ２０〜６０ずつの）Ｓ極とＮ極との中心角ピッチを、回転方向に関する位相と関連付けてメモリ（記憶装置・・・図５参照）１００に記憶させる。この作業は、より具体的には、例えば図２に示すようにして行なう。すなわち、エンコーダ７ａを支持した回転部材を一定速度で１回転以上回転させつつ、前記回転速度検出センサの出力信号が変化する周期ｔ_ｋ、および、エンコーダ７ａが１回転するのに要する時間ｔ_０を観察する。Ｓ極とＮ極との境界の数で、特定領域９から数えてｋ（＝１〜ｎ）番目の境界から始まるＳ極或はＮ極に対応する、これらＳ極或はＮ極の中心角ピッチθ_ｋは、θ_ｋ＝２π・ｔ_ｋ／ｔ_０で表される。そこで、これらＳ極或はＮ極の中心角ピッチθ_ｋに関する情報を、それぞれｎ／２個ずつ、合計ｎ個のＳ極及びＮ極の全てにおいて、特定領域９を基準とする回転方向に関する位相（ｋ番目である事）の情報と共に、メモリ１００に記憶させる。

エンコーダ７ａを支持した回転部材の回転速度を検出する場合には、このエンコーダ７ａの被検出面にその検出部を対向させた、前記回転速度検出センサの出力信号が変化する周期を観察する。この回転速度検出センサの出力信号は、例えば図３に示すように変化する。この場合に、Ｓ極とＮ極との境界の数で、特定領域９から数えてｋ（＝１〜ｎ）番目の境界から始まるＳ極或はＮ極に対応する周期がＴ_ｋ
であり、当該Ｓ極或はＮ極の中心角ピッチがθ_ｋであるとした場合、前記回転部材の回転速度Ｓは「Ｓ∝θ_ｋ／Ｔ_ｋ」で表される。この中心角ピッチθ_ｋは前述したように、各Ｓ極およびＮ極毎に全て分かっているので、前記回転速度を正確に求められる。また、前記周期Ｔ_ｋは、エンコーダ７ａが１回転する間に４０〜１２０回測定できるので、前記回転速度をほぼリアルタイムで求めることができる。

次に、前記永久磁石製エンコーダが設置された転がり軸受ユニットの一例を図４を参照しながら説明する。本例は、自動車の車輪用の転がり軸受ユニットに本発明を適用して、車輪の回転速度検出を行なえるようにしたものである。この転がり軸受ユニットは、回転側軌道輪であるハブ１１の外周面に形成した、それぞれが回転側軌道である複列の内輪軌道１２、１２と、静止側軌道輪である外輪１３の内周面に形成した、それぞれが静止側軌道である複列の外輪軌道１４、１４との間に、それぞれが転動体である玉１５、１５を複数個ずつ、転動自在に設けている。ハブ１１は、ハブ本体１６の端部に内輪１７を外嵌固定して成る。図示の例は、駆動輪用の転がり軸受ユニットであるため、ハブ本体１６の中心部に設けたスプライン孔１８内に、等速ジョイント１９に付属のスプライン軸２０を挿入している。

前述のような転がり軸受ユニットに本発明を適用するために、内輪１７の端部外周面にエンコーダ７ａを支持したスリンガ６に外嵌固定し、外輪１３の端部に外嵌固定したケース２１に回転速度検出センサ２２を保持している。このケース２１は、金属板を曲げ形成することにより全体を円環状に造られたもので、回転速度検出センサ２２を保持する部分のみを軸方向に膨らませて、当該部分を保持部２３としている。回転速度検出センサ２２およびエンコーダ７ａの構造及び作用は、前述の図１〜図３により説明した通りである。

また、本実施形態では、エンコーダ７ａにおける各極の誤差の経時的変化を補償して、常に正確な信号精度が得られるようにするため、演算器（ＣＰＵ・・・図５参照）１０２は、エンコーダ７ａの経時的変化を補償するために定期的に演算を行ない、記憶しているエンコーダ７ａの誤差を補正する補正機能を有している。なお、演算器１０２は、前述した機能、すなわち、永久磁石製エンコーダが１回転する間の各Ｓ極とＮ極とのピッチの大きさを求める機能、これら各Ｓ極とＮ極との他の部分の回転方向に関する位相を、他の部分と大きく異なるピッチを有する部分を基準として求める機能、前記各Ｓ極とＮ極とのピッチ誤差を補正して上記回転部材の回転速度を求める機能も有している。

具体的に、演算器１０２の前記補正機能は、定期的に補正計算して、エンコーダの誤差を修正するものであるが、ここで、定期というのは、時間でも良いし、マイレージでも良く、両者を併合した方法でも良い。補正方法としては、Ｇセンサ１０４やステアリングの舵角（舵角センサ１０６）から直進且つほぼ一定速度であることを検知した上で、較正対象の１輪の信号（較正対象車輪回転センサ１１０からの信号）を他の３輪の回転速度または駆動軸の回転速度（他の車輪回転センサ１１２からの回転速度信号および他の速度センサ１０８からの信号）と比較して補正計算を行うなどの方法が考えられる（図５参照）。

より具体的には、本案のように、エンコーダのピッチ毎の速度制御を考え、車載制御で較正する場合、以下の４つの誤差要因を考える必要がある。
（１）エンコーダのピッチ毎の誤差の較正は、直進状態で実施する必要がある。直進状態であっても各タイヤの摩耗状態や空気圧の違いによる各タイヤ半径の違いにより、直進の判断は主としてＧセンサと舵角センサを用いる。直進状態で、各車輪の回転速度差を測定することで、まず、車輪毎に持っている誤差の把握をする。
（２）次に、エンジンの１回転毎に発生する速度の増減の要素は、駆動軸回転センサや他の車輪速センサにも同様に発生するので、その平均的な増減の幅を使い、較正対象車輪速度信号の平均化補正を行う。平均化補正を行った信号を用いて（その車輪が一定回転した場合の仮想信号を作り出すことで）、エンコーダ自体の劣化や磁性粉の付着した時の各ピッチ誤差を求め、記憶装置に記憶する。この時、一気にデータを書き換えるのではなく、旧データとの補間値を記憶してもよい。
（３）実際に車両制御を行う時は、上記（２）の方法でエンジン1回転毎に発生する速度の増減を補正した仮想信号を用い、上記（１）で求めた各タイヤの摩耗状態や空気圧の違いによるタイヤ間の誤差の補正を行い、記憶装置に記憶されたエンコーダ自体の劣化や磁性粉の付着によるピッチ誤差を差し引くことで、実際の回転速度を評価する。
（４）タイヤの取り付け偏心により１周毎に発生する速度の増減については、タイヤ１周を周期として発生するので無理に補正することなく、エンコーダのピッチ誤差に加味して考えてもよいが、比較的他に比べて補正し易いので、補正を行えばなおよい。

以上説明したように、本実施形態の回転速度検出装置によれば、エンコーダの経時的変化を補償するために定期的に演算を行ない、記憶しているエンコーダの誤差を補正するようにしているので、常に正確な信号精度が得られる。

本発明の回転速度検出装置を構成する永久磁石製エンコーダの一実施形態を示す被検出面の模式図である。 エンコーダのＳ極とＮ極との中心角ピッチを回転方向に関する位相と関連付けてメモリに記憶させる方法を説明するための線図である。 回転速度検出センサの出力信号が変化する周期を示す線図である。 永久磁石製エンコーダ付転がり軸受ユニットの一例を示す断面図である。 エンコーダの経時的変化を補償するために定期的に演算を行ない、記憶しているエンコーダの誤差を補正する手段の一例を示す概略図である。 従来構造の一例を示す部分断面図である。 図６を右方から見た図である。 永久磁石製エンコーダの着磁面に存在するＳ極とＮ極とのピッチ誤差の一例を示す模式図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 回転軸
７，７ａ エンコーダ
８ 回転速度検出センサ
９ 特定領域
１０ 非特定領域
１１，１１ａ ハブ
１２ 内輪軌道
１３ 外輪
１４ 外輪軌道
１６，１６ａ ハブ本体
１７ 内輪
２２ 回転速度センサ
１００ メモリ（記憶装置）
１０２ ＣＰＵ（演算器）

Claims (2)

1. 回転部材にこの回転部材の回転中心と同心に支持された永久磁石製エンコーダと、
   前記永久磁石製エンコーダの被検出面に検出部を対向させた回転検出センサと、
   前記回転検出センサの出力信号を処理して前記回転部材の回転速度を検出する演算器と、
   を備え、
   前記永久磁石製エンコーダは、永久磁石により全体を円環状に造られ、回転中心をその中心とする単一円弧上にＳ極とＮ極とを交互に且つ所定のピッチで配置するとともに、円周方向に関して少なくとも１個所のピッチを他の部分のピッチに対し誤差に基づいて生じ得る差よりも大きく異ならせて成り、
   前記演算器は、前記永久磁石製エンコーダが１回転する間の各Ｓ極とＮ極とのピッチの大きさを求める機能と、これら各Ｓ極とＮ極との他の部分の回転方向に関する位相を、他の部分と大きく異なるピッチを有する部分を基準として求める機能と、前記各Ｓ極とＮ極とのピッチ誤差を補正して上記回転部材の回転速度を求める機能と、エンコーダの経時的変化を補償するために定期的に演算を行ない、記憶しているエンコーダの誤差を補正する補正機能とを有していることを特徴とする回転速度検出装置。
2. 前記永久磁石製エンコーダは、円周方向に関して少なくとも１個所のピッチを他の部分のピッチよりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の回転速度検出装置。

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