JP2009031290A - ロータリーエンコーダ及びその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、軸（Ａ）の周りを互いに相対的に回転することが可能な形に配置された二つの部品グループ（１，２）を有し、第一の部品グループ（１）がトリガーセンサー（１．１）と複数の磁場センサー（１．３，１．４）を備えたロータリーエンコーダ及びその動作方法に関する。
【解決手段】
第二の部品グループは、第一の磁石（２．１，２．４）、第二の磁石（２．２，２．５）及び第三の磁石（２．３，２．６）を備えている。部品グループ（１，２）は、１回全回転した場合に、磁場センサー（１．３，１．４）が第一の磁石（２．１，２．４）と第三の磁石（２．３，２．６）の磁場を検出することが可能なように構成されている。第二の磁石（２．２，２．５）と第三の磁石（２．３，２．６）が、トリガーセンサー（１．１）によるトリガー信号の発生を可能とする一方、第一の磁石（２．１，２．４）が、トリガーセンサー（１．１）によるトリガー信号の発生を抑制している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１によるロータリーエンコーダ及び請求項１８によるロータリーエンコーダの動作方法に関する。

このようなロータリーエンコーダは、多くの場合互いに相対的に回転可能な二つの機械部分の角度位置を求めるために使用されている。そのようなロータリーエンコーダは、当該の駆動軸の複数回の回転（マルチターン機能）に渡っての絶対的な角度位置を求めるための測定器として頻繁に用いられている。この場合、回転運動は、増分方式又は絶対方式により検知される。ラックと歯車又はねじ山付スピンドルと組み合わせると、角度測定装置を用いて、直線的な動きも測定することが可能である。

多くの場合、標準動作における角度位置の精確な計測を目盛ディスクの光学的な走査によって行う一方、駆動軸の回転回数を計数するのに磁気的な走査原理を使用している。基本的には、ロータリーエコーダが外部電源と接続されていない場合、例えば、電源供給が中断している場合にも、当該の駆動軸の回転回数の計数が行われることが望ましい。このような緊急動作に関する機能を実現するために、ロータリーエンコーダは、多くの場合所謂マルチターン式伝動機構を備えている。そのようなマルチターン式伝動機構は、駆動軸の回転運動を減速させている。その場合、例えば、磁気的な測定原理によって、マルチターン式伝動機構内の歯車の位置を走査することができる。ロータリーエンコーダの電源供給が中断している場合でも、例えば、慣性力によって、駆動軸が動いていれば、明らかに当該の歯車の回転運動が行われている。

特許文献１により、多数の磁極セグメントが軸の周囲に渡って配置されたロータリーエンコーダが周知である。磁極セグメントが集磁器の自由端を通過して行く時に、強磁性部品の急激な磁化反転が起こり、それによって、計数メモリを作動させるのに十分な電気エネルギーが供給されている。

更に、特許文献２により、複数のパルスワイヤを用いるとともに、論理演算を使用することによって、エネルギーを自給する形で角度位置を決定することができる回転角センサーが周知である。

これらの従来技術により周知のロータリーエンコーダは、特に、比較的負担をかけてしか製造することができず、製造費が高いという欠点を有する。
ドイツ特許公開第１０２００４０６２４４８号明細書 欧州特許第０７２４７１２号明細書

本発明の課題は、その構造と動作原理のために比較的安価に製造することが可能なロータリーエンコーダを提供することである。

この課題は、本発明にもとづき、請求項１と１８の特徴によって解決される。

それらによると、本発明のロータリーエンコーダは、第一の部品グループ、例えば、固定子と、第二の部品グループ、例えば、回転子とを有し、これらの部品グループが、軸の周りを互いに相対的に回転可能な形に配置されている。第一の部品グループは、トリガーセンサー、例えば、リセット磁石を備えたパルスワイヤと、軸に関して、円周方向に対してずらして配置された複数の磁場センサーとを有する。第二の部品グループは、第一の磁石、第二の磁石及び第三の磁石をそれぞれ少なくとも一つ有する。更に、これらの部品グループは、両方の部品グループが少なくとも１回全回転する形で相対的に回転した場合に、磁場センサーが、第一の磁石と第三の磁石の各磁場を検出することが可能なように構成されており、そして、第二の磁石と第三の磁石が、それぞれトリガーセンサーからトリガー信号を発生させることが可能である一方、第一の磁石が、トリガーセンサーからのトリガー信号の発生を抑制している。

１回の全回転とは、部品グループの回転位置が３６０°相対的に変化すること、即ち、１回の全回転によって、例えば、回転子の一点が、回転運動の開始時と回転運動の終了時の両方において、固定子の一点と向かい合うことを意味する。第二の部品グループは、中心に穴の有る軸、特に、中空軸を備えることができる。

トリガーセンサーとして、磁場を検知する単極部品、例えば、パルスワイヤ又はホール素子を使用することができる。

磁場の検出は、常に磁石が磁場センサーの近傍に有るか、或いは磁石の有効幅が磁場センサーの範囲内に有る場合に、それぞれ行われる。トリガー信号の発生は、相対的な回転運動のために、好適な磁石が当該のトリガーセンサーに接近するか、或いは磁石とトリガーセンサーが、トリガー範囲内において互いに向かい合う場合に行われる。

本発明の別の実施形態では、これらの部品グループは、両方の部品グループが少なくとも１回全回転する形で相対的に回転した場合に、磁場センサーが、第二の磁石の磁場をも検出することが可能であるように構成することもできる。

有利には、特に、磁気抵抗（ＭＲ）又はホール素子として構成することができる磁場センサーは、極性と関係無く検知する。即ち、この磁場センサーは、当該の磁場の方向と関係無く、磁場に反応する。

本発明の有利な実施形態では、トリガーセンサーは、パルスワイヤとリセット磁石を有する。リセット磁石は、そのリセット磁石がパルスワイヤの縦方向の延びと平行な方向成分を持つような方向を向いている。そして、更に、これらの部品グループは、第二の磁石と第三の磁石がトリガー信号としてパルスワイヤから電圧パルスを発生させることが可能である一方、第一の磁石がパルスワイヤからの電圧パルスの発生を抑制するように構成されている。

この場合、リセット磁石又はその極性の向きは、そのリセット磁石がパルスワイヤの縦方向の延びと平行な方向成分を持つような方向を向いている。

即ち、リセット磁石は、パルスワイヤの縦方向の延びと平行な方向成分を持つような極性の向きを有する。これに関して、ここにおける「方向を向いている」とは、極性の向きに関し、極性の向きとは、磁極間の接続線の方向を表す。

本発明の別の実施形態では、、パルスワイヤを軸と平行な方向成分を持つ形に配置することができる。それは、第二及び／又は第三の磁石が、ロータリーエンコーダの第二の部品グループの側面側に配置されている場合、特に有利である。そして、この場合、有利には、第二の部品グループは、中央に穴の有る中空軸を備えることができる。

しかし、上記と異なり、本発明には、第二及び第三の磁石が半径方向に対して第二の部品グループの方向を向いたロータリーエンコーダも含まれる。この場合、有利には、パルスワイヤが、半径方向を向くようにすることもできる。この場合、同様に、第一の磁石は、半径方向に対して第二の部品グループ上に固定することもできる。

有利には、第二の磁石と第三の磁石の極性の向きが、軸と平行な方向成分を持つような方向を向く一方、第一の磁石の極性の向きが、軸と逆並列な方向成分を持つような方向を向いている。即ち、第一の磁石は、第二と第三の磁石と比較して、ほぼ逆の極性に磁化させることができる。更に、リセット磁石と第一の磁石は、それらの極性の向きが平行となるような方向に向けることができる。

本発明の有利な改善構成では、ロータリーエンコーダは、それぞれ二つの第一の磁石、二つの第二の磁石及び二つの第三の磁石を有する。この変化形態では、それに対応して、第一、第二及び第三の磁石グループと呼ぶこともできる。有利には、ロータリーエンコーダは、それぞれ四つの第一の磁石、四つの第二の磁石及び四つの第三の磁石を備えることともできる。

それ以外に、第二の部品グループの中の一つの部品、例えば、軸が、それぞれちょうど対応する極性の向きを持つ形に局所的に磁化されているように、即ち、その結果別個の磁石が置かれないように、ロータリーエンコーダを構成することもできる。

本発明の別の実施形態では、ロータリーエンコーダは、電子回路と不揮発性メモリ素子を備えることができる。この場合、四つの遷移状態と一つの計数状態をメモリ素子内に保存することが可能である。トリガー信号が遅れて発生する場合、メモリ素子からメモリ内容を読み出すことが可能であり、その結果電子回路を用いて、部品グループの互いの相対的な回転方向を決定することが可能であるとともに、電子回路によって、計数パルスを発生させることが可能である。従って、回転方向と計数パルスの発生にもとづき、計数状態の変化をメモリ素子内に保存することが可能である。

遷移状態とは、磁場センサーの各状態から導き出される、命題論理部の正当性により定義される状態である。様々なタイプの磁石、即ち、第一、第二及び第三の磁石に対応して、様々なタイプの遷移状態を定義することができる。

有利には、第三の磁石は、第一の磁石又は第二の磁石の各有効幅よりも大きな有効幅を有する。ここで、有効幅とは、弧の長さ又は角度であると解釈する。有効幅の範囲内において、磁石が磁場センサー又はトリガーセンサーと向き合っている場合に、その磁石は、磁場センサー又はトリガーセンサーの反応、即ち、トリガー信号を引き出すことができる。有効幅の外では、当該の磁石は、磁場センサー又はトリガーセンサーの反応を引き出すことはできない。

本発明の別の実施形態では、トリガー範囲は、その周縁が磁場センサーの状態の遷移点に対してずれた形で生じるように構成される。ここで、トリガー範囲とは、同様に弧の長さ又は角度であると解釈する。トリガー範囲内において、磁石がトリガーセンサーと向き合っている場合に、その磁石はトリガーセンサーにおいてトリガー信号を発生させることができる。トリガー範囲の外では、当該の磁石は、トリガーセンサーからトリガー信号を発生させることはできない。

有利には、第二の磁石の有効幅は、そのトリガー範囲と同じ大きさであり、それに代わって、或いはそれに加えて、第三の磁石の有効幅は、そのトリガー範囲と同じ大きさである。

本発明の有利な実施形態では、第一の磁石は、第二の磁石に対して、円周方向に第一の角度だけずらして配置され、第二の磁石は、第三の磁石に対して、円周方向に第二の角度だけずらして配置され、これら両方の角度は、異なる大きさである。

更に、ロータリーエンコーダは、始点及び終点が重なり合うこと無く１回全回転する形で両方の部品グループが相対的に回転した場合に、ｊ個の計数パルスを発生することが可能なように構成することができる。更に、この場合、第一の角度は、９５°／ｊ±２０°／ｊ又は３６０°／ｊ−９５°／ｊ±２０°／ｊであり、有利には、９５°／ｊ±１０°／ｊ又は３６０°／ｊ−９５°／ｊ±１０°／ｊである。第二の角度は、１３３°／ｊ±２０°／ｊ又は３６０°／ｊ−１３３°／ｊ±２０°／ｊ、特に、１３３°／ｊ±１０°／ｊ又は３６０°／ｊ−１３３°／ｊ±１０°／ｊとすることができる。

本発明の別の実施形態では、トリガーセンサーは、一方の磁場センサーに対して、円周方向に１３３°／ｊ±２０°／ｊ又は３６０°／ｊ−１３３°／ｊ±２０°／ｊの角度だけ、有利には、１３３°／ｊ±１０°／ｊ又は３６０°／ｊ−１３３°／ｊ±１０°／ｊの角度だけずらして配置することができる。更に、磁場センサーは、トリガーセンサーに対して、円周方向に（３８°±１０°）／ｊ又は３６０°／ｊ−（３８°±１０°）／ｊの更に別の角度だけずらして配置することができる。

更に、本発明には、第一の部品グループと第二の部品グループを有し、これらの部品グループが軸の周りを互いに相対的に回転可能な形に配置されたロータリーエンコーダの動作方法が含まれる。この場合、第一の部品グループは、トリガーセンサー、例えば、リセット磁石を備えたパルスワイヤと、軸に関して、円周方向に対してずらして配置された複数の磁場センサーとを有する。第二の部品グループは、第一の磁石、第二の磁石及び第三の磁石をそれぞれ少なくとも一つ有する。更に、これらの部品グループは、両方の部品グループが少なくとも１回全回転する形で相対的に回転した場合に、磁場センサーが、第一の磁石と第三の磁石の磁場を検出するように構成される。更に、第二の磁石と第三の磁石が、トリガーセンサーからトリガー信号を発生させる、例えば、パルスワイヤから電圧パルスを発生させる一方、第一の磁石が、トリガーセンサーによるトリガー信号の発生を抑制している。

本発明による方法の別の実施形態では、先ずは四つの遷移状態と一つの計数状態を不揮発性メモリ素子内に保存する。電圧パルス又はトリガー信号が遅れて発生する場合、これらのメモリ内容、特に、遷移状態をメモリ素子から読み出す。その後、それ（メモリ内容）にもとづき、電子回路を用いて、部品グループの互いの相対的な回転方向を決定する。それに続いて、電子回路内に計数パルスを発生させて、回転方向と計数パルスにもとづき、計数状態の変化をメモリ素子内に保存する。

有利には、両方の部品グループが互いに１回転すると、即ち、始点と終点が重なり合うこと無く、つまり開始位置に到達する直前に終了する形で１回転すると、二つの計数パルスを発生させる。

まさにロータリーエンコーダの緊急動作において本発明を使用するには、電圧パルスのエネルギー量を計数パルスの発生と不揮発性メモリ素子への計数状態の保存のために使用するのが有利である。有利には、この関連において、強磁性のクリスタルをベースとして構成されたメモリ素子を使用することができる。そのようなメモリ素子は、比較的少ない電気エネルギーしか必要とせず、多くの場合ＦｅＲＡＭ又はＦＲＡＭと呼ばれている。それに代わって、そのような目的のために、所謂ＭＲＡＭを用いることもできる。如何なる場合でも、任意の頻度で書き込むことが可能なメモリ素子を使用するのが特に有利である。

それに代わって、或いはそれに加えて、電源、例えば、バッテリーを起動するために、パルスワイヤの電圧パルスを使用することもできる。

本発明の有利な実施構成は、従属請求項に記載されている。

本発明によるロータリーエンコーダ及び方法の更なる詳細及び利点は、以下における添付図面にもとづく実施例の記述から明らかとなる。

図１には、第一の実施例によるロータリーエンコーダの一部が図示されている。この実施例では、ロータリーエンコーダは、固定子１としての役割を果たす第一の部品グループを備えている。第二の部品グループとしては、回転子２が、軸Ａの周りを固定子１に対して回転可能な形に配置されている。

固定子１は、トリガーセンサーとして、パルスワイヤ１．１又はウィーガンドセンサーを有する。固定子は、外殻部としての磁気的に硬い金属とコア部としての磁気的に柔らかい金属の特殊な合金から構成されている。外部磁場が所定の磁界の強さを上回ると直ぐに、コア部が急激な磁化反転を起こし、それによって、パルスワイヤ１．１のコイル内に電圧パルスが誘導されるか、或いはパルスワイヤ１．１が電圧パルスを発生する。

パルスワイヤ１．１の縦方向の延びと平行に、リセット磁石１．２が配置されている。この場合、リセット磁石１．２の大きさは、相応の極性の外部磁場がパルスワイヤ１．１から再び取り除かれると直ぐに、リセット磁石１．２の存在によって、パルスワイヤ１．１のリセットが起動されるような大きさである。

更に、固定子１は、ＭＲ（磁気抵抗）素子１．３，１．４として構成された二つの磁場センサーを有する。これらのＭＲ素子１．３，１．４は、極性と関係無く検知する、即ち、これらの磁場センサーは、磁場の方向と関係無く、磁場に反応する。

ＭＲ素子１．３，１．４の各状態Ｓ１．３，Ｓ１．４は、回路、ここではＡＳＩＣモジュール１．５に供給されて、それによって評価される。ＡＳＩＣモジュール１．５は、回転してずれない形で固定子と接続された基板１．７上に搭載されている。更に、基板１．７上には、特に、図示されている実施例でＦｅＲＡＭ１．６として構成された不揮発性メモリ素子が有る。

実施例によるロータリーエンコーダは、標準動作において、光学式原理にもとづき動作する。その理由から、固定子１には、特に、光源と光検出器を備えた光電式センサーユニット１．８が配置されている。

標準動作では、回転してずれない形で回転子２の中空軸２．７と接続され、そのため固定子１に対して相対的に回転することが可能な目盛ディスク２．８を光電式センサーユニット１．８によって反射光方式で走査して、固定子１と回転子２の間の正確な相対的角度位置を求めることができる。中空軸２．７は、ロータリーエンコーダによって回転運動を検出すべきモーター軸を回転してずれない形で収容する役割を果たしている。

回転子２は、目盛ディスク２．８の他に、複数の磁石を有し、これらの磁石は、その機能に応じて、三つのグループに分けることができる。第一のグループは、二つの受動的な磁石２．１，２．４である（図２ａ〜２ｃも参照）。これらの受動的な磁石２．１，２．４は、軸Ａと平行に回転子２の側面側に固定されており、それらの磁極は、軸Ａに関してずらして配置されている、或いは磁極の接続線は、軸Ａと平行の方向を向いている。この場合、受動的な磁石２．１，２．４のＮ極は、図１では上側に配置されており、それは、リセット磁石１．２でも同様である。そのため、リセット磁石１．２と受動的な磁石２．１，２．４は、それらの極性の向きが平行となるような方向を向いている。

磁石の第二のグループとしては、所謂計数磁石２．２，２．５が回転子２上に有る。更に、磁石の第三のグループとして、補助磁石２．３，２．６が回転子２上に固定されている。計数磁石２．２，２．５と補助磁石２．３，２．６の極性の向きは、同じであり、受動的な磁石２．１，２．４とは磁気的に逆並列である、或いは極性の向きが逆である。計数磁石２．２，２．５と補助磁石２．３，２．６は、それらの極性の向きに応じて、パルスワイヤ１．１から電圧パルスを発生させることが可能である一方、受動的な磁石２．１，２．４は、その極性の向きが、リセット磁石１．２によってリセットされたパルスワイヤ１．１を活性化させて、パルスワイヤが電圧パルスを発生すのに適していないので、パルスワイヤ１．１からの電圧パルスの発生を抑制している。

他方、極性と関係無く検知するＭＲ素子１．３，１．４が、受動的な磁石２．１，２．４、計数磁石２．２，２．５及び補助磁石２．３，２．６の磁場を全て検出することが可能である。言い換えると、これらの磁場は、ＭＲ素子１．３，１．４の状態Ｓ１．３，Ｓ１．４を変化させることが可能である。

ここで、ロータリーエンコーダは、例えば、電流の欠落により、標準動作から逸脱していると看做された場合、自動的に緊急動作モードに移行する。この緊急動作モードでは、標準動作が再開した場合に、緊急動作モードで行われた回転回数を考慮して、中空軸２．７の正確な回転位置を直ぐに求めることができるように、個々の回転回数を計数して、保存することだけが重要である。ここで示している実施例では、緊急動作モードにおいて、中空軸２．７が１回転する毎に二つの計数パルスが発生し、その結果この場合擬似的に半回転を計数していることとなる。

図２ａ〜２ｃ及び表１〜３にもとづき、緊急動作モードにおけるロータリーエンコーダの動作手法を説明する。この場合、回転子２が、固定子１に対して相対的に絶えず反時計回りに回転していることを出発点とする。図２ａ〜２ｃの図面は、ほぼ図１の断面図に対応しており、上から見た断面図である。それに対応して、計数磁石２．２，２．５と補助磁石２．３，２．６のＳ極は、図の面内に有る一方、受動的な磁石２．１，２．４では、Ｎ極が図の面内に有る。

図２ａでは、回転子２が、角度ν＝０°の第一の回転位置で図示されており、その位置では、補助磁石２．６がパルスワイヤ１．１の近傍に有り、補助磁石２．６が近いこととその極性の向きによって、パルスワイヤ１．１から電圧パルスが発生している。以下において、この事象には、序数１を割り当てる、即ち、本発明による定義にもとづき、図２ａでは、第一の電圧パルスが発生しており、そのため通しの係数ｎを１に設定する。更に、図２ａの回転位置では、受動的な磁石２．１が第二の磁場センサー１．４と向き合う一方、第一の磁場センサー１．３が磁場を検出していない。磁場センサー１．３，１．４は、極性と関係無く検知するので、基本的に受動的な磁石２．１，２．４の磁場にも反応する。従って、ここに示している回転位置では、磁場センサー１．４は、次の通り信号を供給する。

Ｓ１．３_n ＝Ｓ１．３₁ ＝０及びＳ１．４_n ＝Ｓ１．４₁ ＝１
回転子２が角度ν＝０°の回転位置に到達した後では、計数パルスＰは発生せず、その結果次の通りとなる。

Ｐ₁ ＝０
更に、所謂補助磁石の遷移状態Ｆ１_n ，Ｆ２_n の値は、次の通り設定される。

Ｆ１₁ ＝０及びＦ２₁ ＝１
更に、所謂計数磁石の遷移状態Ｚ１_n ，Ｚ２_n は、次の値を取る。

Ｚ１₁ ＝０及びＺ２₁ ＝１
計数パルスＰ₁ 、補助磁石の遷移状態Ｆ１_n ，Ｆ２_n 及び計数磁石の遷移状態Ｚ１_n ，Ｚ２_n に関する値は、以下において更に詳しく説明する通り、その前の状態ｎ−１から得られる。

Ｆ１₁ ，Ｆ２₁ ，Ｚ１₁ ，Ｚ２₁ の値は、ＡＳＩＣモジュール１．５内で演算されて、次にＦｅＲＡＭメモリ素子１．６内に保存される。位置ｎ＝１（ν≒０°）において、計数パルスの状態Ｐ₁ ＝０であるので、計数状態は、メモリ素子内で変化しないままである。ＦｅＲＡＭメモリ素子１．６への保存を含むプロセス全体に関して、外部から電気エネルギーは供給されていない。ここで、電圧パルスのエネルギー量は、電子部品への電源供給のために使用され、その結果ロータリーエンコーダは、緊急動作において、エネルギーを自給する形で動作することとなる。異なるタイプの磁石、即ち、ここでは計数磁石２．２，２．５と補助磁石２．３，２．６に対応して、異なるタイプの遷移状態、ここでは計数磁石の遷移状態Ｚ１_n ，Ｚ２_n と補助磁石の遷移状態Ｆ１_n ，Ｆ２_n を定義することができる。

ここで、回転子２が反時計回りに更に回転すると、補助磁石２．６は、パルスワイヤ１．１から遠ざかり、その占有域は、リセット磁石１．２によって完全にリセットされ、その結果その次の電圧パルスの発生は、基本的に計数磁石２．２，２．５の一方又は補助磁石２．３，２．６の一方によってのみ可能となる。

図２ｂには、そのような場合が図示されており、ここでは、回転子２が、図２ａの回転位置に対して約６０°回転している。極性の向きが補助磁石２．６の極性の向きと平行の方向を向いている計数磁石２．５が、パルスワイヤ１．１から第二の電圧パルスを発生させ、その結果即ち、ｎ＝２と設定することができる。ここで、それに対応して、ＡＳＩＣモジュール１．５において、再び論理的な照会が開始される。ここで、二つの磁場センサー１．３，１．４が、補助磁石２．６と向き合っているので、磁場センサー１．３と磁場センサー１．４は、次の状態に設定される。

Ｓ１．３₂ ＝１及びＳ１．４₂ ＝１
先ずは、表３を用いて、計数パルスを発生させなければならないか否か、並びにこの状態において、回転方向の決定が可能か否かを調べることができる。磁場センサー１．３，１．４の状態Ｓ１．３₂ ＝１及びＳ１．４₂ ＝１が分かり、更に、Ｚ１₁ ＝０，Ｚ２₁ ＝１及びＦ１₁ ＝０，Ｆ２₁ ＝１が分かった後では、Ｐ₂ ＝１が得られる。即ち、ここに示している例では、表３の下から１１番目の行が当てはまり、その結果即ち、回転子２が反時計回りに回転しており（欄Ｒ＝ｃｃｗ：反時計回り）、計数パルスを発生させなければならない（欄Ｐ＝１）ことが一義的に決定される。計数パルスは、ＡＳＩＣモジュール１．５内で係数回路に転送される。それに続いて、その時点の計数状態が、ＡＳＩＣモジュール１．５からＦｅＲＡＭメモリ素子１．６に転送されて、そこに保存される。

その他、条件Ｐ＝１の場合、決定された回転方向に対応して、計数状態を１つの増分だけ増大又は減少する。

ここで、Ｐ₂ ＝１であることが分かると、電圧パルスの次の発生事象を処理するために、表１から、補助磁石の遷移状態Ｆ１₂ ，Ｆ２₂ に関するその時点の値を算出することができる（楕円で協調した部分を参照）。

Ｐ₂ ＝１；Ｓ１．３₂ ＝１，Ｓ１．４₂ ＝１；Ｆ１₁ ＝０，Ｆ２₁ ＝１ ＝＞ Ｆ１₂ ＝０，Ｆ２₂ ＝０
同様に、表２を用いて、計数磁石の遷移状態Ｚ１₂ ，Ｚ２₂ のその時点の値を決定することができる（楕円で協調した部分を参照）。

Ｓ１．３₂ ＝１，Ｓ１．４₂ ＝１；Ｚ１₁ ＝０，Ｚ２₁ ＝１ ＝＞ Ｚ１₂ ＝０，Ｚ２₂ ＝１
全体として一般的に、全ての回転位置及び回転方向に関して、ＡＳＩＣモジュール１．５において、命題論理部による制御にもとづき、次の条件を調べることによって、Ｆ１_n ，Ｆ２_n ，Ｚ１_n ，Ｚ２_n の値の決定が行われる。

回転子２が、反時計回りに更に回転すると、先ずは受動的な磁石２．４がパルスワイヤ１．１を通過する。しかし、受動的な磁石２．４は、計数磁石２．２，２．５及び補助磁石２．３，２．６と逆並列に磁化されているので、電圧パルスを発生させない。電圧パルスが発生しないと、論理的な照会が開始されず、ＦｅＲＡＭメモリ素子１．６内に既に保存されている値は変わらないままである。

ν＝１８０°の図２ｃによる回転位置で初めて、次の電圧パルスが発生し、その結果ここでｎ＝３となる。そこで、ＡＳＩＣモジュール１．５の論理部が、磁場センサー１．３，１．４のその時点の状態を照会し、その場合ｎ＝３において、次の通りとなる。

Ｓ１．３₃ ＝０，Ｓ１．４₃ ＝１
ここで、先ずは再び表３にもとづき、計数パルスを発生させるか否かを調べる、即ち、Ｐ₃ に関する値を決定する。

Ｚ１₂ ＝０，Ｚ２₂ ＝１及びＦ１₂ ＝０，Ｆ２₂ ＝０であるので、命題論理部の条件にもとづき、或いは表３から、次の通りとなる。

Ｐ₃ ＝０
それに対応して、計数パルスは発生されず、そのためこの場合回転方向の問い合わせは無用となる。従って、ＦｅＲＡＭメモリ素子１．６内の計数状態は、変わらないままである。

それに続いて、表１にもとづき、次の通り設定される。

Ｆ１₃ ＝０，Ｆ２₃ ＝１
最終的に、表２を用いて、次の通り決定される。

Ｚ１₃ ＝０，Ｚ２₃ ＝１
即ち、ＦｅＲＡＭメモリ素子１．６は、Ｆ１_n ，Ｆ２_n ，Ｚ１_n ，Ｚ２_n 及びその時点の状態を保存していることとなる。

ここに示している実施例では、絶えず一様な動きを観測している。ロータリーエンコーダの使用開始時において、既に計数磁石の遷移状態Ｚ１_n-1 ，Ｚ２_n-1 及び補助磁石の遷移状態Ｆ１_n-1 ，Ｆ２_n-1 に関する好適な値が利用可能であるように、ＦｅＲＡＭメモリ素子１．６内には、スタート値として相応のデフォルト値が保存されている。

本発明によるロータリーエンコーダの動作方法によって、回転方向が変わるか、或いは周期的な運動が中空軸２．７に起こった場合でも、回転回数の一義的な計数を行うことができる。

ここで、ロータリーエンコーダを前述の通り構成するとともに、特殊な評価論理部を使用することによって、緊急動作時にエネルギーを自給する形で動作することができるとともに、一つのパルスワイヤ１．１だけを配備することができるロータリーエンコーダを実現することが可能である。そのようなパルスワイヤ１．１は、比較的高価であり、そのため本発明によって、安価な構造を実現することが可能となるので、そのことは大きな利点である。

図３ａ〜３ｃには、基本的に、受動的な磁石２．１，２．４、計数磁石２．２，２．５、補助磁石２．３，２．６及びパルスワイヤ１．１の互いの相対的な配置が異なるという点が第一の例と相違する第二の実施例が図示されている。この手法では、寸法公差、例えば、製造誤差に対する装置の堅牢性が向上している。以下における角度の数値内容は、それぞれ小数点以下一位に丸められている。図３ａでは、受動的な磁石２．１，２．４が、それぞれ隣接する計数磁石２．２，２．５に対して、円周方向に４７．４°の角度γだけずらして配置されている。角度γを決定する場合、それぞれ各磁石の中心線を基準とする。計数磁石２．２，２．５は、それぞれ隣接する補助磁石２．３，２．６に対して、円周方向に６６．３°の角度αだけずらして配置されている。更に、補助磁石２．３，２．６も、それぞれ隣接する受動的な磁石２．１，２．４に対して、円周方向に６６．３°の角度βだけずらして配置されている。

図３ｂでは、パルスワイヤ１．１は、一方のＭＲ素子１．３に対して、円周方向に６６．３°の角度αだけずらして配置されている。当該のＭＲ素子１．３とパルスワイヤ１．１の間には、一方のＭＲ素子１．３に対して、１８．９°の角度φだけずらして配置されてた他方のＭＲ素子１．４が有る。

図３ａと３ｃでは、受動的な磁石２．１，２．４、計数磁石２．２，２．５及び補助磁石２．３，２．６が、有効幅δ２．１，δ２．４，δ２．２，δ２．５，δ２．３，δ２．６を有する。ここに示している実施例では、有効幅δ２．１，δ２．４，δ２．２，δ２．５が１８．９°である一方、補助磁石２．３，２．６の有効幅δ２．３，δ２．６が３７．９°である。組み上がった状態において、回転子２と固定子１の間には、大きさＧの空隙が有る。

回転子２の回転によって、ＭＲ素子１．３，１．４の中心線が、有効幅δ２．１，δ２．４，δ２．２，δ２．５，δ２．３，δ２．６の中の一つと半径方向に一直線に並んだ場合、直ぐに当該のＭＲ素子１．３，１．４が反応する。

パルスワイヤ１．１、計数磁石２．２，２．５及び補助磁石２．３，２．６に関して、トリガー範囲Ｔ２．２，Ｔ２．５，Ｔ２．３，Ｔ２．６を定義することができ（図４）、トリガー範囲内では、パルスワイヤ１．１から電圧パルスを発生させることが可能である。特に、トリガー範囲Ｔ２．２，Ｔ２．５，Ｔ２．３，Ｔ２．６の周縁部において、回転方向に応じて、電圧パルスが発生する。ここに示している実施例では、ロータリーエンコーダは、トリガー範囲Ｔ２．２，Ｔ２．５，Ｔ２．３，Ｔ２．６がそれに対応する有効幅δ２．２，δ２．５，δ２．３，δ２．６と精確に同じ大きさとなるように構成されている。

図３ｃには、ロータリーエンコーダの断面が図示されており、回転子２は、時計回りに動いており、そのため計数磁石２．２の磁場が、ちょうど一つの電圧パルスをパルスワイヤ１．１に発生させている。この瞬間的な図面では、ＭＲ素子１．３は、それが有効幅δ２．３内に有るため、ちょうど状態１となっている。それに対して、ＭＲ素子１．４は、状態０に有る。図４には、ＭＲ素子１．３，１．４の状態とトリガー状態に応じた回転子２の回転位置が、電圧パルスにもとづき図示されている。従って、図３ｃによる回転位置を図４の角度値７１．１°に対応付けることができる。

このような受動的な磁石２．１，２．４、計数磁石２．２，２．５及び補助磁石２．３，２．６の特別な配置、並びにＭＲ素子１．３，１．４及びパルスワイヤ１．１の特別な配置によって、電圧パルスの遷移点に関して、それぞれ信号Ｓ１．３とＳ１．４の遷移点間の間隔がちょうど±４．７°となっている。従って、ロータリーエンコーダは、それに対応して±４．７°までの偏差を許容するので、回転方向の検知に関する極めて高い確度が得られる。同じ考察が、回転角度の検知を行うその他の範囲に対しても当てはまる。

この実施例では、本発明を簡単に説明するために、受動的な磁石２．１，２．４、計数磁石２．２，２．５及び補助磁石２．３，２．６がそれぞれ二つ有るロータリーエンコーダを想定した。しかし、本発明には、受動的な磁石２．１，２．４、計数磁石２．２，２．５及び補助磁石２．３，２．６がそれぞれ二つより多く有るロータリーエンコーダも含まれる。特に、受動的な磁石２．１，２．４、計数磁石２．２，２．５及び補助磁石２．３，２．６をそれぞれ四つ配置するのが有利であることが分かっている。

第一の実施例によるロータリーエンコーダの部分側面図 第一の回転位置における第一の実施例によるロータリーエンコーダの部分横断面図 第二の回転位置における第一の実施例によるロータリーエンコーダの部分横断面図 第三の回転位置における第一の実施例によるロータリーエンコーダの部分横断面図 第二の実施例によるロータリーエンコーダの部分側面図 第二の実施例によるロータリーエンコーダの部分側面図 第二の実施例によるロータリーエンコーダの部分側面図 磁場センサーとパルスワイヤの信号フロー図

符号の説明

１ 固定子
１．１ パルスワイヤ
１．２ リセット磁石
１．３，１．４ 磁気抵抗（ＭＲ）素子
１．５ ＡＳＩＣモジュール
１．６ ＦｅＲＡＭメモリ素子（不揮発性メモリ素子）
１．７ 基板
１．８ 光電式センサーユニット
２ 回転子
２．１，２．４ 受動的な磁石（第一の磁石）
２．２，２．５ 計数磁石（第二の磁石）
２．３，２．６ 補助磁石（第三の磁石）
２．７ 中空軸
２．８ 目盛ディスク
ｃｗ 時計回り
ｃｃｗ 反時計回り
Ａ 回転軸
Ｇ 空隙の大きさ
Ｎ Ｎ極
Ｓ Ｓ極
Ｓ１．３，Ｓ１．４ ＭＲ素子１．３，１．４の状態
Ｔ２．２，Ｔ２．５ 第二の磁石２．２，２．５のトリガー範囲
Ｔ２．３，Ｔ２．６ 第三の磁石２．３，２．６のトリガー範囲
α パルスワイヤ１．１とＭＲ素子１．３の間の角度
β 受動的な磁石２．１，２．４と補助磁石２．３，２．６の間の角度
γ 受動的な磁石２．１，２．４と計数磁石２．２，２．５の間の角度
δ２．１，δ２．４ 第一の磁石２．１，２．４の有効幅
δ２．２，δ２．５ 第二の磁石２．２，２．５の有効幅
δ２．３，δ２．６ 第三の磁石２．３，２．６の有効幅
φ ＭＲ素子１．３とＭＲ素子１．４の間の角度

Claims (22)

1. 第一の部品グループ（１）と第二の部品グループ（２）を有するロータリーエンコーダであって、
   これらの部品グループ（１，２）が、軸（Ａ）の周りを互いに相対的に回転することが可能な形に配置されており、
   第一の部品グループ（１）が、
   トリガーセンサー（１．１）と、
   軸（Ａ）に関して、円周方向に対してずらして配置された複数の磁場センサー（１．３，１．４）と、
   を備えており、
   第二の部品グループ（２）が、
   第一の磁石（２．１，２．４）と、
   第二の磁石（２．２，２．５）と、
   第三の磁石（２．３，２．６）と、
   を備えており、
   更に、これらの部品グループ（１，２）は、両方の部品グループ（１，２）が少なくとも１回全回転する形で相対的に回転した場合に、磁場センサー（１．３，１．４）が第一の磁石（２．１，２．４）と第三の磁石（２．３，２．６）の磁場を検出することが可能なように構成されており、
   第二の磁石（２．２，２．５）と第三の磁石（２．３，２．６）が、トリガーセンサー（１．１）からトリガー信号を発生させることが可能である一方、第一の磁石（２．１，２．４）が、トリガーセンサー（１．１）からのトリガー信号の発生を抑制している、
   ロータリーエンコーダ。
2. 磁場センサー（１．３，１．４）が、極性と関係無く検知することが可能である請求項１に記載のロータリーエンコーダ。
3. トリガーセンサー（１．１）は、パルスワイヤとリセット磁石（１．２）を備えており、リセット磁石（１．２）は、そのリセット磁石がパルスワイヤの縦方向の延びと平行な方向成分を有するように構成されており、
   部品グループ（１，２）は、第二の磁石（２．２，２．５）と第三の磁石（２．３，２．６）がトリガー信号としてパルスワイヤから電圧パルスを発生させることが可能である一方、第一の磁石（２．１，２．４）がパルスワイヤからの電圧パルスの発生を抑制するように構成されている、
   請求項１又は２に記載のロータリーエンコーダ。
4. 当該のパルスワイヤが、軸（Ａ）に平行な方向成分を持つ形に配置されている請求項３に記載のロータリーエンコーダ。
5. リセット磁石（１．２）と第一の磁石（２．１，２．４）は、それらの極性の向きが平行となるような方向を向いている請求項３又は４に記載のロータリーエンコーダ。
6. 磁場センサー（１．３，１．４）が磁気抵抗素子又はホール素子として構成されている請求項１から５までのいずれか一つに記載のロータリーエンコーダ。
7. 第二の磁石（２．２，２．５）と第三の磁石（２．３，２．６）の極性の向きが、軸（Ａ）と平行な方向成分を持つ方向を向いている一方、第一の磁石（２．１，２．４）の極性の向きが、軸（Ａ）と逆並列な方向成分を持つ方向を向いている請求項１から６までのいずれか一つに記載のロータリーエンコーダ。
8. 第二の部品グループ（２）が中空軸（２．７）を備えている請求項１から７までのいずれか一つに記載のロータリーエンコーダ。
9. ロータリーエンコーダが、電子回路（１．５）と不揮発性メモリ素子（１．６）を備えており、
   メモリ素子（１．６）内には、
   四つの遷移状態（Ｆ１，Ｆ２，Ｚ１，Ｚ２）と、
   一つの計数状態と、
   を保存することが可能であり、トリガー信号が遅れて発生する場合には、メモリ素子（１．６）から遷移状態（Ｆ１，Ｆ２，Ｚ１，Ｚ２）を読み出すことが可能であり、それにより、電子回路（１．５）を用いて、
   部品グループ（１，２）の互いに相対的な回転方向（ｃｗ，ｃｃｗ）を決定することが可能であるとともに、
   電子回路（１．５）によって、計数パルス（Ｐ）を発生させることが可能であり、
   回転方向（ｃｗ，ｃｃｗ）と計数パルス（Ｐ）の発生にもとづき、計数状態の変化をメモリ素子（１．６）内に保存することが可能である、
   請求項１から８までのいずれか一つに記載のロータリーエンコーダ。
10. 電子回路（１．５）が、集積回路、特に、ＡＳＩＣモジュールとして構成されている請求項９に記載のロータリーエンコーダ。
11. 第三の磁石（２．３，２．６）が、第一の磁石（２．１，２．４）又は第二の磁石（２．２，２．５）の各有効幅（δ２．１，δ２．４；δ２．２，δ２．５）よりも大きな有効幅（δ２．３，δ２．６）を有する請求項１から１０までのいずれか一つに記載のロータリーエンコーダ。
12. トリガー範囲（Ｔ２．２，Ｔ２．３，Ｔ２．５，Ｔ２．６）は、その周縁部が磁場センサー（１．３，１．４）の状態（Ｓ１．３，Ｓ１．４）の遷移点に対してずらして配置されるように構成されている請求項１から１１までのいずれか一つに記載のロータリーエンコーダ。
13. 第二の磁石（２．２，２．５）の有効幅（δ２．２，δ２．５）が、それらのトリガー範囲（Ｔ２．２，Ｔ２．５）と同じ大きさであるか、第三の磁石（２．３，２．６）の有効幅（δ２．３，δ２．６）が、それらのトリガー範囲（Ｔ２．３，Ｔ２．６）と同じ大きさであるか、或いはその両方である請求項１から１２までのいずれか一つに記載のロータリーエンコーダ。
14. 第一の磁石（２．１，２．４）が、第二の磁石（２．２，２．５）に対して、一定の角度（γ）だけ円周方向にずらして配置されており、第二の磁石（２．２，２．５）が、第三の磁石（２．３，２．６）に対して、一定の角度（α）だけ円周方向にずらして配置されており、これら両方の角度（α，γ）の大きさが異なる請求項１から１３までのいずれか一つに記載のロータリーエンコーダ。
15. 両方の部品グループ（１，２）が、始点と終点が重なり合うこと無く１回全回転する形で相対的に回転した場合に、ｊ個の計数パルス（Ｐ）を発生させることが可能であり、
    当該の角度（γ）が、９５°／ｊ±２０°／ｊ又は３６０°／ｊ−９５°／ｊ±２０°／ｊであり、
    当該の角度（α）が、１３３°／ｊ±２０°／ｊ又は３６０°／ｊ−１３３°／ｊ±２０°／ｊである、
    請求項１４に記載のロータリーエンコーダ。
16. トリガーセンサー（１．１）は、一方の磁場センサー（１．３）に対して、１３３°／ｊ±２０°／ｊ又は３６０°／ｊ−１３３°／ｊ±２０°／ｊの角度（α）だけ円周方向にずらして配置されている請求項１から１５までのいずれか一つに記載のロータリーエンコーダ。
17. 磁場センサー（１．３，１．４）は、（３８°±１０°）／ｊ又は３６０°／ｊ−（３８°±１０°）／ｊの角度（φ）だけ円周方向にずらして配置されている請求項１から１６までのいずれか一つに記載のロータリーエンコーダ。
18. 第一の部品グループ（１）と第二の部品グループ（２）を有するロータリーエンコーダの動作方法であって、
    これらの部品グループ（１，２）が、軸（Ａ）の周りを互いに相対的に回転することが可能な形に配置されており、
    第一の部品グループ（１）が、
    トリガーセンサー（１．１）と、
    軸（Ａ）に関して、円周方向にずらして配置された複数の磁場センサー（１．３，１．４）と、
    を備えており、
    第二の部品グループ（２）が、
    第一の磁石（２．１，２．４）と、
    第二の磁石（２．２，２．５）と、
    第三の磁石（２．３，２．６）と、
    を備えており、
    これらの部品グループ（１，２）が少なくとも１回全回転する形で相対的に回転した場合に、
    磁場センサー（１．３，１．４）が、第一の磁石（２．１，２．４）と第三の磁石（２．３，２．６）の磁場を検出し、
    第二の磁石（２．２，２．５）と第三の磁石（２．３，２．６）が、トリガーセンサー（１．１）からトリガー信号を発生させる一方、第一の磁石（２．１，２．４）が、トリガーセンサー（１．１）からのトリガー信号の発生を抑制している、
    ロータリーエンコーダの動作方法。
19. 不揮発性メモリ素子（１．６）内に、
    四つの遷移状態（Ｆ１，Ｆ２，Ｚ１，Ｚ２）と、
    一つの計数状態と、
    を保存し、
    トリガー信号が遅れて発生する場合には、メモリ素子（１．６）から遷移状態（Ｆ１，Ｆ２，Ｚ１，Ｚ２）を読み出し、
    それらの遷移状態にもとづき、電子回路（１．５）を用いて、部品グループ（１，２）の互いに相対的な回転方向（ｃｗ，ｃｃｗ）を決定して、
    電子回路（１．５）内で計数パルス（Ｐ）を発生させ、それによって、
    回転方向（ｃｗ，ｃｃｗ）と計数パルス（Ｐ）にもとづき、計数状態の変化をメモリ素子（１．６）内に保存する、
    請求項１８に記載のロータリーエンコーダの動作方法。
20. 両方の部品グループ（１，２）が、始点と終点が重なり合うこと無く１回全回転する形で相対的に回転した場合に、二つ又は四つの計数パルス（Ｐ）を発生させる請求項１８又は１９に記載のロータリーエンコーダの動作方法。
21. トリガーセンサー（１．１）は、パルスワイヤとリセット磁石（１．２）を有し、リセット磁石（１．２）は、そのリセット磁石がパルスワイヤの縦方向の延びと平行な方向成分を有する方向を向くように構成されており、第二の磁石（２．２，２．５）と第三の磁石（２．３，２．６）が、パルスワイヤから電圧パルスを発生させる一方、第一の磁石（２．１，２．４）が、パルスワイヤからの電圧パルスの発生を抑制している請求項１８から２０までのいずれか一つに記載のロータリーエンコーダの動作方法。
22. 当該の電圧パルスのエネルギー量が、計数パルス（Ｐ）の発生と不揮発性メモリ素子（１．６）への計数状態の保存のために使用される請求項２１に記載のロータリーエンコーダの動作方法。

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