JP2018132356A - ロータリエンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】感磁素子の温度特性による影響を最小限に抑える。【解決手段】ロータリエンコーダ１０は、回転体に設けられた磁石２０，３０と、固定体に設けられた磁気センサ部４０，５０，６０と、磁気センサ部４０，５０，６０からの出力信号に基づいて、回転体の回転位置を算出する制御部７０とを有している。制御部７０は、温度検出部７４によって予め検出された磁気センサ部４０，５０，６０の温度とオフセット電圧算出部７５によって予め算出された磁気センサ部４０，５０，６０のオフセット電圧との関係から算出され、記憶部７６に記憶された一次近似式の傾きおよび切片に基づいて、現在の温度から磁気センサ部４０，５０，６０のオフセット電圧を推定し、推定されたオフセット電圧に基づいて磁気センサ部４０，５０，６０からの出力信号を補正し、補正された出力信号を用いて回転体の回転位置を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、ロータリエンコーダに関し、特に磁気式のロータリエンコーダに関する。

固定体に対する回転体の回転位置を検出する装置として、磁気抵抗効果（ＭＲ）素子やホール素子などの感磁素子を利用した磁気式のロータリエンコーダが知られている。このようなロータリエンコーダでは、環境温度が変化した場合にも安定した検出精度を維持するために、感磁素子の温度特性、特にオフセット電圧（出力信号の中心電圧）の温度特性による影響を最小限に抑えることが求められている。

特許文献１には、感磁膜（感磁素子）が形成された基板に温度監視用抵抗膜および加熱用抵抗膜を形成し、温度監視用抵抗膜の抵抗値による温度監視結果に基づいて加熱用抵抗膜に給電して感磁素子を設定温度にまで加熱することで、感磁素子の温度を調節する方法が記載されている。この方法によれば、環境温度が変化した場合にも感磁素子の温度が一定に保たれるため、感磁素子の温度特性による影響を最小限に抑え、安定した検出精度を維持することができる。

特開２０１４−１９４３６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法には、通常動作時に比べて温度が低い起動時に感磁素子の温度が一定になるまで時間がかかったり、温度監視用抵抗膜と感磁素子との位置の違いによる基板内での温度分布によって検出誤差が生じやすかったりするという問題がある。また、感磁素子のオフセット電圧については、経年変化に対応するために、起動時のオフセット電圧として前回動作時のオフセット電圧を用いているが、これにはオフセット電圧の温度特性が考慮されていないという問題がある。すなわち、温度が高い通常動作時に記憶されたオフセット電圧を温度が低い起動時に用いた場合、検出誤差が大きくなるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、感磁素子の温度特性による影響を最小限に抑えたロータリエンコーダを提供することである。

上述した目的を達成するために、本発明のロータリエンコーダは、固定体に対する回転体の回転位置を検出するロータリエンコーダであって、固定体および回転体の一方に設けられた磁石と、固定体および回転体の他方で磁石に対向して設けられ、磁石からの磁界変化を検出する磁気センサ部と、回転体の回転に伴って磁気センサ部から出力される出力信号に基づいて、回転体の回転位置を算出する制御部と、を有し、制御部が、磁気センサ部の温度を検出する温度検出部と、磁気センサ部からの出力信号に基づいて、磁気センサ部のオフセット電圧を算出するオフセット電圧算出部と、温度検出部によって予め検出された温度とオフセット電圧算出部によって予め算出されたオフセット電圧との関係から算出された一次近似式の傾きおよび切片を記憶する記憶部と、を有し、制御部は、記憶部に記憶されている傾きおよび切片に基づいて、温度検出部によって検出された磁気センサ部の現在の温度から磁気センサ部のオフセット電圧を推定するオフセット電圧推定処理と、推定されたオフセット電圧に基づいて磁気センサ部からの出力信号を補正する補正処理と、を実行し、補正された出力信号を用いて回転体の回転位置を算出する。

このようなロータリエンコーダによれば、起動時に恒温制御を行う必要がないため、起動直後から適切なオフセット電圧に基づいて出力信号の補正を行うことで、回転体の回転位置を高精度に検出することができる。

本発明の一態様では、予め検出された温度の総和をＡ、予め算出されたオフセット電圧の総和をＢ、予め検出された温度と予め算出されたオフセット電圧との積の総和をＣ、予め検出された温度の２乗の総和をＤとしたとき、傾きが、ａ＝（Ｃ−ＡＢ）／（Ｄ−Ａ^２）で与えられ、切片が、ｂ＝（ＤＢ−ＣＡ）／（Ｄ−Ａ^２）で与えられる。この場合、記憶部に記憶されている傾きおよび切片を更新する必要が生じた場合にも、それらを簡単に求めることができる。

また、制御部は、所定の温度においてオフセット電圧算出部によって算出されたオフセット電圧と、所定の温度における推定されたオフセット電圧との差が所定値以上である場合、差に基づいて、記憶部に記憶されている切片を更新するようになっていてもよい。これにより、オフセット電圧の温度特性の経年変化に対応することができ、より高精度にオフセット電圧を推定することができる。

また、本発明のロータリエンコーダは、複数の磁石と、複数の磁気センサ部と、を有していてよく、制御部は、複数の磁気センサ部からの複数の出力信号に基づいて回転体の回転位置を算出し、その際に複数の磁気センサ部のそれぞれに対して上記オフセット電圧推定処理と上記補正処理とを実行するようになっていてもよい。この場合、好ましくは、複数の磁石が、回転体の周方向にＮ極とＳ極とが１極ずつ配置された第１の磁石と、前記回転体の周方向にＮ極とＳ極とが交互に複数配置された第２の磁石とを含み、複数の磁気センサ部が、第１の磁石に対応する少なくとも１つの磁気センサ部と、第２の磁石に対応する磁気センサ部とを含み、各磁気センサ部が、磁石の着磁面に対向して配置され、回転体の回転に伴って正弦波状のＡ相信号を出力する第１の感磁素子と、磁石の着磁面に対向して配置され、回転体の回転に伴ってＡ相信号と９０°の位相差を有する正弦波状のＢ相信号を出力する第２の感磁素子と、を有している。このような構成によれば、回転体の回転位置の検出精度を向上させることができる。

また、オフセット電圧算出部が、Ａ相信号およびＢ相信号に基づいて直交座標系上にリサージュ波形を形成し、リサージュ波形の円周を等分割する位置にある複数の点から連続する３点を選択し、選択した３点のうち連続する２点をそれぞれ結ぶ２つの線分の垂直二等分線の交点に基づいて、第１の磁石に対応する少なくとも１つの磁気センサ部のオフセット電圧を算出するようになっていてもよい。これにより、回転体が限られた角度範囲しか回転できない場合にも、オフセット電圧を精度良く算出することができる。

また、オフセット電圧算出部が、Ａ相信号およびＢ相信号に基づいて直交座標系上にリサージュ波形を形成し、リサージュ波形と座標軸との４つの交点のそれぞれの近傍に位置する４点を特定し、特定した４点が座標軸の原点からそれぞれほぼ等距離になるようにＡ相信号およびＢ相信号の少なくとも一方に所定値を加減したときの所定値に基づいて、第２の磁石に対応する磁気センサ部のオフセット電圧を算出するようになっていてもよい。これにより、リサージュ波形の歪みが大きい場合にも、オフセット電圧を精度良く算出することができる。

また、各感磁素子が、磁気抵抗効果素子を有していることが好ましい。これにより、１つの素子からＡ相信号およびＢ相信号を簡単に得ることができる。

また、温度検出部が、制御部を構成するマイクロコンピュータに内蔵された温度センサを用いて、磁気センサ部の温度を算出するようになっていてもよい。これにより、温度監視用の別の素子を用いることなく感磁素子の温度を検出することができる。

本発明によれば、感磁素子の温度特性による影響を最小限に抑えたロータリエンコーダを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るロータリエンコーダの構成を示す概略図である。 本実施形態のロータリエンコーダにおける回転体の絶対角度位置の検出原理を説明するための図である。 本実施形態のロータリエンコーダにおけるオフセット電圧の第１の算出方法を説明するための図である。 本実施形態のロータリエンコーダにおけるオフセット電圧の第２の算出方法を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本発明のロータリエンコーダは、固定体に対する回転体の回転位置を検出するものである。本明細書では、本発明について、回転体に磁石が設けられ、固定体に磁気センサ部（感磁素子）が設けられているロータリエンコーダを例に挙げて説明するが、ロータリエンコーダの構成はこれに限定されるものではなく、その逆であってもよい。すなわち、本発明は、回転体に感磁素子が設けられ、固定体に磁石が設けられたロータリエンコーダにも適用可能である。
図１は、本発明の一実施形態に係るロータリエンコーダの構成を示す概略図である。図１（ａ）は、本実施形態のロータリエンコーダの概略斜視図であり、図１（ｂ）は、本実施形態のロータリエンコーダのブロック図である。

本実施形態のロータリエンコーダ１０は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、第１の磁石２０と、第２の磁石３０と、第１の磁気センサ部４０と、第２の磁気センサ部５０と、第３の磁気センサ部６０と、制御部７０とを有している。第１の磁石２０と第２の磁石３０は、回転軸Ｌを中心として回転する回転体（図示せず）に設けられ、回転体と共に回転可能である。第１の磁気センサ部４０と第２の磁気センサ部５０と第３の磁気センサ部６０は、固定体（図示せず）に設けられている。例えば、回転体は、モータの出力軸に連結され、固定体は、モータのフレームに固定されている。第１から第３の磁気センサ部４０，５０，６０は、それぞれ増幅回路（図示せず）を介して制御部７０に接続されている。

第１の磁石２０は、回転体の回転軸Ｌ上に配置され、その中心が回転軸Ｌに一致する円盤状の永久磁石（例えばボンド磁石）からなり、周方向にＮ極とＳ極とが１極ずつ配置された着磁面２１を有している。一方、第２の磁石３０は、第１の磁石２０の半径方向外側を囲うように配置され、その中心が回転軸Ｌに一致する円筒状の永久磁石（例えばボンド磁石）からなり、周方向にＮ極とＳ極とが交互に複数配置された環状の着磁面３１を有している。第２の磁石３０の着磁面３１には、回転体の半径方向に並列して配置された複数（図示した実施形態では２つ）のトラック３２ａ，３２ｂが形成されている。各トラック３２ａ，３２ｂには、それぞれＮ極とＳ極からなる合計ｎ個（ｎは２以上の整数、例えばＮ＝６４）の磁極対が形成されている。半径方向に隣接する２つのトラック３２ａ，３２ｂは、周方向にずれて配置され、本実施形態では、周方向に１極分ずれて配置されている。

第１の磁気センサ部４０と第２の磁気センサ部５０とは、第１の磁石２０からの磁界変化を検出するものであり、それぞれ第１の磁石２０の着磁面２１に対向して配置されている。第３の磁気センサ部６０は、第２の磁石３０からの磁界変化を検出するものであり、第２の磁石３０の着磁面３１に対向して配置されている。

第１の磁気センサ部４０は、それぞれが２つの磁気抵抗効果（ＭＲ）素子からなる４つの磁気抵抗パターン４１〜４４から構成された２つのセンサ（感磁素子）を備えている。具体的には、第１の磁気センサ部４０は、回転体の回転に伴って正弦波状のＡ相信号（ｓｉｎ）を出力するＡ相センサと、回転体の回転に伴ってＡ相信号と９０°の位相差を有する正弦波状のＢ相信号（ｃｏｓ）を出力するＢ相センサとを備えている。Ａ相センサは、正弦波状の＋ａ相信号（ｓｉｎ＋）を出力する磁気抵抗パターン４３と、＋ａ相信号と１８０°の位相差を有する正弦波状の−ａ相信号（ｓｉｎ−）を出力する磁気抵抗パターン４１とを有している。各磁気抵抗パターン４３，４１は、直列に接続された２つのＭＲ素子からなり、これら２つの磁気抵抗パターン４３，４１が並列に接続されてブリッジ回路を構成している。Ｂ相センサは、正弦波状の＋ｂ相信号（ｃｏｓ＋）を出力する磁気抵抗パターン４４と、＋ｂ相信号と１８０°の位相差を有する正弦波状の−ｂ相信号（ｃｏｓ−）を出力する磁気抵抗パターン４２とを有している。各磁気抵抗パターン４４，４２は、直列に接続された２つのＭＲ素子からなり、Ａ相センサと同様に、これら２つの磁気抵抗パターン４４，４２が並列に接続されてブリッジ回路を構成している。

第２の磁気センサ部５０は、第１のホール素子５１と、回転軸Ｌを中心として第１のホール素子５１に対して９０°離れた位置に配置された第２のホール素子５２とを有している。

第３の磁気センサ部６０は、それぞれが２つのＭＲ素子からなる４つの磁気抵抗パターン６１〜６４から構成された２つのセンサ（感磁素子）を備えている。具体的には、第３の磁気センサ部６０は、回転体の回転に伴って正弦波状のＡ相信号（ｓｉｎ）を出力するＡ相センサと、回転体の回転に伴ってＡ相信号と９０°の位相差を有する正弦波状のＢ相信号（ｃｏｓ）を出力するＢ相センサとを備えている。Ａ相センサは、正弦波状の＋ａ相信号（ｓｉｎ＋）を出力する磁気抵抗パターン６４と、＋ａ相信号と１８０°の位相差を有する正弦波状の−ａ相信号（ｓｉｎ−）を出力する磁気抵抗パターン６２とを有している。各磁気抵抗パターン６４，６２は、直列に接続された２つのＭＲ素子からなり、これら２つの磁気抵抗パターン６４，６２が並列に接続されてブリッジ回路を構成している。Ｂ相センサは、正弦波状の＋ｂ相信号（ｃｏｓ＋）を出力する磁気抵抗パターン６３と、＋ｂ相信号と１８０°の位相差を有する正弦波状の−ｂ相信号（ｃｏｓ−）を出力する磁気抵抗パターン６１とを有している。各磁気抵抗パターン６３，６１は、直列に接続された２つのＭＲ素子からなり、これら２つの磁気抵抗パターン６３，６１が並列に接続されてブリッジ回路を構成している。

制御部７０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）などを備えたマイクロコンピュータから構成され、第１から第３の磁気センサ部４０，５０，６０から出力される出力信号に基づいて、回転体の回転位置（絶対角度位置）を算出するものである。

ここで、図２を参照して、本実施形態における回転体の絶対角度位置の検出原理について説明する。図２（ａ）は、特定の基準位置からの回転体の機械角の変化に対して、第１の磁石の磁極および強度、第１の磁気センサ部からの出力信号、第１のホール素子からの出力信号、および第２のホール素子からの出力信号を示している。図２（ｂ）は、その出力信号と電気角θとの関係を示している。ここで、機械角とは、幾何学的または機械的に定められる角度を指し、電気角とは、感磁素子からの出力信号の位相から定められる角度を指す。なお、図２（ａ）では、第１および第２のホール素子からの出力信号は、コンパレータを介して得られるＨまたはＬの二値信号で示されている。

回転体が１回転すると、第１の磁石２０も１回転（機械角で３６０°回転）する。そのため、第１の磁気センサ部４０からは、図２（ａ）に示すように、それぞれ２周期分、すなわち電気角（出力信号の位相によって定まる角度）で７２０°分のＡ相信号（ｓｉｎ）およびＢ相信号（ｃｏｓ）が出力される。これらＡ相信号およびＢ相信号から、電気角θは、図２（ｂ）に示すように、θ＝ｔａｎ^−１（ｓｉｎ／ｃｏｓ）という関係式を用いて算出される。ただし、回転体が機械角で３６０°回転する間、電気角では７２０°回転するため、電気角θが算出されただけでは、回転体の絶対角度位置を求めることができない。そこで、回転軸Ｌを中心として互いに９０°離れた位置に配置された２つのホール素子５１，５２が利用される。すなわち、２つのホール素子５１，５２から出力される出力信号から、第１の磁石２０が発生する磁界の極性が判別され、そこから、図２（ａ）の一点鎖線で示すように、機械角による回転位置が平面座標系のどの象限に位置しているのかが判別される。こうして、回転体の絶対角度位置を算出することができる。

一方で、第３の磁気センサ部６０からは、回転体が第２の磁石３０における１対の磁極分だけ回転する度に、図２（ａ）に示したものと同様に、それぞれ２周期分（すなわち電気角で７２０°分）のＡ相信号（ｓｉｎ）およびＢ相信号（ｃｏｓ）が出力される。したがって、第３の磁気センサ部６０から出力されるＡ相信号およびＢ相信号からも、上述した第１の磁気センサ部４０と同様の原理で、第２の磁石３０の１対の磁極に相当する角度内での回転体の絶対角度位置が算出される。第３の磁気センサ部６０による絶対角度位置の検出分解能は第１の磁気センサ部４０によるそれよりも高いため、これらを組み合わせることで、高い分解能で回転体の絶対角度位置を算出することができる。

ところで、複数のＭＲ素子からなるブリッジ回路を備えた磁気センサでは、ＭＲ素子を構成する磁気抵抗効果膜の温度特性がそれぞれ等しい場合には、磁気センサの出力に温度変化は生じないはずである。しかしながら、実際には、様々な要因によって出力に温度変化が生じ、それにより検出誤差が発生することが知られている。そのため、環境温度が変化した場合にも安定した検出精度を維持するためには、特に、ＭＲ素子のばらつきなどによって生じるオフセット電圧（出力信号の中心電圧）の温度特性を正確に把握し、適切なオフセット電圧によって出力を補正することが必要になる。

そこで、本実施形態では、制御部７０が、現在の温度から各磁気センサ部４０，５０，６０のオフセット電圧を推定するオフセット電圧推定処理と、推定されたオフセット電圧に基づいて各磁気センサ部４０，５０，６０からの出力信号を補正する補正処理とを実行する機能を有している。これにより、例えば通常動作時に比べて温度が低い起動直後においても、適切なオフセット電圧に基づいて出力信号を補正し、これら補正された出力信号を用いて回転体の回転位置を算出することで、高い検出精度を維持することができる。

以下では、再び図１（ｂ）を参照しながら、主にこのオフセット電圧推定処理に関する機能に着目して、制御部７０の機能的な構成について説明する。

制御部７０は、Ａ／Ｄ変換部（ＡＤＣ）７１と、角度算出部７２と、オフセット電圧推定部７３とを有し、オフセット電圧推定部７３は、温度検出部７４と、オフセット電圧算出部７５と、記憶部７６とを有している。

ＡＤＣ７１は、第１から第３の磁気センサ部４０，５０，６０から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して角度算出部７２およびオフセット電圧推定部７３へ出力する。角度算出部７２は、ＡＤＣ７１でデジタル変換された第１から第３の磁気センサ部４０，５０，６０からの出力信号に基づいて、上述した回転体の回転位置を算出する。このとき、角度算出部７２は、オフセット電圧推定部７３から第１から第３の磁気センサ部４０，５０，６０の現在の温度でのオフセット電圧の推定値を取得し、取得したオフセット電圧の推定値に基づいて上記出力信号を補正し、上述の算出方法により、補正された出力信号を用いて回転体の回転位置を算出する。

オフセット電圧推定部７３は、記憶部７６に記憶されている各磁気センサ部４０，５０，６０のオフセット電圧の温度特性に関する情報に基づいて、温度検出部７４によって検出された現在の温度から、各磁気センサ部４０，５０，６０のオフセット電圧を推定する。温度特性に関する具体的な情報については後述する。

温度検出部７４は、制御部７０を構成するマイクロコンピュータのＣＰＵに内蔵された温度センサ（サーマルダイオード）を用い、その出力値を各磁気センサ部４０，５０，６０の温度として算出する。温度検出（温度演算処理）は、例えば、ロータリエンコーダ１０を制御する上位の制御装置との通信周期（例えば、回転速度算出のための通信周期）毎に１回のタイミングで実行される。温度演算処理は数１０μｓで終了するため、それよりも十分に長い通信周期内に処理を確実に完了することができる。通信周期毎に温度検出を行うことで、割り込み処理などで非定期的に行うよりも、処理を簡潔にすることができる。なお、温度検出部７４は、感磁素子自体の抵抗値に基づいて、各磁気センサ部４０，５０，６０の温度を直接検出するようになっていてもよい。また、磁気センサ部４０，５０，６０が形成された基板上にそれぞれ温度監視用の別の抵抗膜（磁気抵抗効果を示さない導電膜）が設けられていてもよく、温度検出部７４は、その抵抗値に基づいて、各磁気センサ部４０，５０，６０の温度を検出するようになっていてもよい。

オフセット電圧算出部７５は、各磁気センサ部４０，５０，６０からの出力信号に基づいて、各磁気センサ部４０，５０，６０のオフセット電圧を算出する。オフセット電圧の算出は、上述した温度特性に関する情報を得るためにロータリエンコーダ１０が工場から出荷される前に行われる他、その情報を更新するためにロータリエンコーダ１０の動作中にも行われる。オフセット電圧算出部７５によるオフセット電圧の算出方法の具体例については後述する。

記憶部７６は、上述したように、各磁気センサ部４０，５０，６０のオフセット電圧の温度特性に関する情報を記憶する。具体的には、温度検出部７４によって予め検出された温度と、オフセット電圧算出部７５によって予め算出されたオフセット電圧との関係から算出された一次近似式の傾きおよび切片を記憶する。

この一次近似式の算出は、上述したように、ロータリエンコーダ１０が工場から出荷される前に行われる。具体的には、ロータリエンコーダ１０を動作させたときのモータの発熱によって各磁気センサ部４０，５０，６０の温度が所定の温度（例えば３０℃）だけ上昇する間、上述の温度センサの最小分解能（０．５℃）ごとに２５６回、オフセット電圧の算出が行なわれる。そして、それらを平均化したものが当該温度におけるオフセット電圧の算出値として収集される。こうして収集された温度およびオフセット電圧のデータから一次近似式が算出され、そのときの傾きおよび切片が記憶部７６に記憶される。収集されたデータは、一次近似式が算出された後で破棄される。

したがって、本実施形態では、特定の磁気センサ部において現在の温度からオフセット電圧を推定するために、記憶部７６には２つの情報（一次近似式の傾きおよび切片）だけが記憶されていればよい。そのため、記憶部７６の容量を大幅に節約することができる。また、この情報は、ロータリエンコーダ１０が工場から出荷する前に収集されて蓄積されたデータに基づいて得られたものである。そのため、出荷直後から高精度でオフセット電圧を推定することができ、高い検出精度を維持することができる。

なお、一次近似式の算出は最小二乗法を用いて行われる。具体的には、予め検出された温度の総和をＡ、予め算出されたオフセット電圧の総和をＢ、予め検出された温度と予め算出されたオフセット電圧との積の総和をＣ、予め検出された温度の２乗の総和をＤとしたとき、傾きａおよび切片ｂは、それぞれ、
ａ＝（Ｃ−ＡＢ）／（Ｄ−Ａ^２）
ｂ＝（ＤＢ−ＣＡ）／（Ｄ−Ａ^２）
で与えられる。

ロータリエンコーダ１０を長期間にわたって使用すると、各磁気センサ部４０，５０，６０のオフセット電圧やその温度特性に経年変化が生じることがある。その場合には、その経年変化に応じて、記憶部７６に記憶されている傾きおよび切片の少なくとも一方を更新するようになっていてもよい。例えば、ロータリエンコーダ１０の動作中に、所定の温度において、実際の出力信号からオフセット電圧算出部７５によってオフセット電圧を算出し、この算出値と、その温度でのオフセット電圧推定部７２によるオフセット電圧の推定値とを比較する。そして、この差が所定値以上である場合、一次近似式を平行移動させるように、その差を記憶部７６に記憶されている切片に加算または減算したものを、新たな切片として記憶部７６に記憶するようになっていてもよい。一方で、出荷前に行ったデータの収集と一次近似式の算出とを再び行い、傾きおよび切片の両方を更新するようになっていてもよい。あるいは、出荷前に収集したデータを破棄せずに記憶部７６に記憶させておき、新たなデータを取得するごとに、上述の関係式を用いて傾きおよび切片を算出することようになっていてもよい。この場合、直近のデータに重み付けしたものを上述の関係式に適用することで、最新のオフセット電圧の温度特性を反映した傾きおよび切片を得ることもできる。

ここで、オフセット電圧算出部７５によるオフセット電圧の算出方法の２つの例について簡単に説明する。第１の算出方法は、第１の磁気センサ部４０に好適に適用され、第２の算出方法は、第３の磁気センサ部６０に好適に適用される。図３は、第１の算出方法を説明するための図であり、図４は、第２の算出方法を説明するための図である。

いずれの算出方法においても、まず、図２（ａ）に示す出力信号（Ａ相信号およびＢ相信号）に基づいて、直交座標上にリサージュ波形を算出する（図２（ｂ）の破線参照）。リサージュ波形は、Ｂ相信号（ｃｏｓ）を直交座標系のｘ軸上にプロットし、Ａ相信号（ｓｉｎ）を直交座標系のｙ軸上にプロットして得られる波形である。Ａ相信号およびＢ相信号が理想的な正弦波であると仮定すると、リサージュ波形は、中心ずれや歪みのない円形であり、オフセット電圧はゼロである。しかしながら、実際には、ＭＲ素子のばらつきや幾何学的な要因により、リサージュ波形は、中心ずれや歪みのある円形となり、オフセット電圧は有限になる。

第１の算出方法では、リサージュ波形を算出した後、リサージュ波形の円周を等分割する複数の点を特定し、それら複数の点から連続する３点を選択する。そして、選択した３点のうち連続する２点をそれぞれ結ぶ２つの線分の垂直二等分線を求め、その交点をオフセット電圧として算出する。図３（ａ）および図３（ｂ）は、この算出方法を説明するための図であり、図３（ａ）は、リサージュ波形を４等分する複数の点から、図３（ｂ）は、８等分する複数の点からそれぞれオフセット電圧を算出する例を示している。

図３（ａ）に示す例では、リサージュ波形を４等分する複数の点として、座標軸（ｘ軸およびｙ軸）との４つの交点Ｐ１〜Ｐ４が特定され、そのうち連続する３点として、Ｐ１〜Ｐ３が選択される。そして、線分Ｐ１Ｐ２の中点Ｐｍ１を通る垂直二等分線Ｌ１と、線分Ｐ２Ｐ３の中点Ｐｍ２を通る垂直二等分線Ｌ２との交点Ｐ０がオフセット電圧として算出される。一般に、リサージュ波形は、座標軸との交点では歪みが少ない。この例では、オフセット電圧を非常に正確な値として算出することができ、さらに、リサージュ波形に歪みが生じている場合でも、その補正を行うことなく、十分な精度でオフセット電圧を算出することができる。また、この例では、電気角で１８０°、すなわち、第１の磁石２０を機械角で９０°回転させただけでオフセット電圧の算出が可能となる。

一方、図３（ｂ）に示す例では、リサージュ波形を８等分する複数の点として、座標軸との４つの交点とそれらの間をさらに２等分する４つの点との８つの点Ｐ１〜Ｐ８が特定され、そのうち連続する３点として、Ｐ３〜Ｐ５が選択される。そして、線分Ｐ３Ｐ４の中点Ｐｍ１を通る垂直二等分線Ｌ１と、線分Ｐ３Ｐ４の中点Ｐｍ２を通る垂直二等分線Ｌ２との交点Ｐ０がオフセット電圧として算出される。ここで、８つの点Ｐ１〜Ｐ８から連続する３点を選択する場合、少なくとも１点はリサージュ波形と座標軸との交点であるが、それ以外の点は、原点に対して±４５度の位置にあり、Ａ相信号とＢ相信号との交点に対応する。この位置では、リサージュ波形の歪みが大きいため、理想円になるように歪みを補正した後の値が用いられることが好ましい。これにより、交点Ｐ０で与えられるオフセット電圧を非常に正確な値として算出することができる。また、この例では、電気角で９０°、すなわち、第１の磁石２０を機械角で４５°回転させただけでオフセット電圧の算出が可能となる。

以上のように、第１の算出方法によれば、回転体が限られた角度範囲しか回転できない場合にも、オフセット電圧を精度良く算出することができる。第１の磁気センサ部４０では、得られるリサージュ波形の歪みが少ないため、第１の算出方法を用いることで、回転体を小さい角度だけ回転させただけでオフセット電圧を精度良く算出することができる。なお、この算出方法では、処理の簡単化のために、リサージュ波形と座標軸との交点を、Ａ相信号およびＢ相信号の一方がゼロになるときの値と、他方の値との組み合わせから算出することもできる。

また、第２の算出方法では、リサージュ波形を算出した後、リサージュ波形と座標軸（ｘ軸およびｙ軸）との４つの交点のそれぞれの近傍に位置する４点を特定する。そして、特定した４点が座標軸の原点からそれぞれほぼ等距離になるようにＡ相信号およびＢ相信号の少なくとも一方に所定値を加減したときの所定値をオフセット電圧として算出する。以下、図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して、この算出方法について具体的に説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、リサージュ波形とｙ軸との２つの交点のそれぞれの近傍に位置する２点ａ１，ａ２を特定する。リサージュ波形とｘ軸との２つの交点のそれぞれの近傍に位置する２点ｂ１，ｂ２との合計４点を特定する。このとき、４点ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は、それぞれリサージュ波形の円周上に位置しており、オフセット電圧が有限である場合、座標軸の原点Ｄからの距離は、点ａ１と点ａ２で異なり、点ｂ１と点ｂ２で異なっている。なお、図面には、４点ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は、それぞれリサージュ波形と座標軸との交点上に示されているが、実際には、必ずしも交点と一致しているわけではない。これら４点を特定する方法としては、例えば、上述したように、Ａ相信号およびＢ相信号の一方がゼロ（あるいは所定の範囲内）になるときの値と、他方の値との組み合わせから求める方法を用いることができる。

次に、点ａ１と原点Ｄとの距離と、点ａ２と原点Ｄとの距離とがほぼ等距離になるように、Ａ相信号（ｓｉｎ）に所定値を加減する。具体的には、ａ１＋ａ２の値が所定範囲内にあるか否かを判断し、所定範囲内にない場合には、ａ１＋ａ２の値が所定範囲内に収まるようにＡ相信号に所定値を加減する。同様に、点ｂ１と原点Ｄとの距離と、点ｂ２と原点Ｄとの距離とがほぼ等距離になるように、Ｂ相信号（ｃｏｓ）に所定値を加減する。具体的には、ｂ１＋ｂ２の値が所定範囲内にあるか否かを判断し、所定範囲内にない場合には、ｂ１＋ｂ２の値が所定範囲内に収まるようにＢ相信号に所定値を加減する。図４（ａ）に示す例では、ａ１＋ａ２の値が所定の範囲の下限値以下であるため、リサージュ波形がｙ軸の正方向に移動するように、Ａ相信号に所定値を加算し、ｂ１＋ｂ２の値が所定の範囲の上限値以上であるため、リサージュ波形がｘ軸の負方向に移動するように、Ｂ相信号から所定値を減算する。こうして、図４（ｂ）の破線で示すように、特定した４点ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２が原点Ｄからそれぞれほぼ等距離になり、そのときのそれぞれの所定値からオフセット電圧を算出する。

なお、Ａ相信号およびＢ相信号のそれぞれに加減される所定値を微小値（例えば１未満の小数値）として、４点ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２と原点Ｄとの距離が徐々に等距離になるように、リサージュ波形の算出、４点の特定、および所定値の加減という一連のステップを繰り返し行うようになっていてもよい。これにより、オフセット電圧の算出精度を向上させることができる。また、明らかなように、Ａ相信号およびＢ相信号の一方のみに所定値を加減してリサージュ波形の補正を行うようになっていてもよい。さらに、演算処理の負荷を軽減するために、Ａ相信号についてはｓｉｎθ１＝θ１の近似式を利用し、Ｂ相信号についてはｃｏｓθ２＝ｃｏｓ（θ１＋π／２）＝−ｓｉｎθ２＝−θ２の近似式を利用することもできる。

以上のように、第２の算出方法によれば、得られるリサージュ波形の歪みが比較的大きい場合でも、オフセット電圧の算出精度を向上させることができる。したがって、第２の算出方法は、第１の磁気センサ部４０と比べて得られるリサージュ波形の歪みが大きい第３の磁気センサ部６０において好適に用いられる。

１０ ロータリエンコーダ
２０ 第１の磁石
２１ 着磁面
３０ 第２の磁石
３１ 着磁面
３２ａ，３２ｂ トラック
４０ 第１の磁気センサ部
４１〜４４ 磁気抵抗パターン
５０ 第２の磁気センサ部
５１ 第１のホール素子
５２ 第２のホール素子
６０ 第３の磁気センサ部
６１〜６４ 磁気抵抗パターン
７０ 制御部
７１ Ａ／Ｄ変換部（ＡＤＣ）
７２ 角度算出部
７３ オフセット電圧推定部
７４ 温度検出部
７５ オフセット電圧算出部
７６ 記憶部

Claims (9)

1. 固定体に対する回転体の回転位置を検出するロータリエンコーダであって、
   前記固定体および前記回転体の一方に設けられた磁石と、
   前記固定体および前記回転体の他方で前記磁石に対向して設けられ、前記磁石からの磁界変化を検出する磁気センサ部と、
   前記回転体の回転に伴って前記磁気センサ部から出力される出力信号に基づいて、前記回転体の回転位置を算出する制御部と、を有し、
   前記制御部が、
   前記磁気センサ部の温度を検出する温度検出部と、
   前記磁気センサ部からの前記出力信号に基づいて、前記磁気センサ部のオフセット電圧を算出するオフセット電圧算出部と、
   前記温度検出部によって予め検出された前記温度と前記オフセット電圧算出部によって予め算出された前記オフセット電圧との関係から算出された一次近似式の傾きおよび切片を記憶する記憶部と、を有し、
   前記制御部は、前記記憶部に記憶されている前記傾きおよび前記切片に基づいて、前記温度検出部によって検出された前記磁気センサ部の現在の温度から前記磁気センサ部のオフセット電圧を推定するオフセット電圧推定処理と、該推定されたオフセット電圧に基づいて前記磁気センサ部からの前記出力信号を補正する補正処理と、を実行し、該補正された出力信号を用いて前記回転体の回転位置を算出する、ロータリエンコーダ。
2. 前記予め検出された温度の総和をＡ、前記予め算出されたオフセット電圧の総和をＢ、前記予め検出された温度と前記予め算出されたオフセット電圧との積の総和をＣ、前記予め検出された温度の２乗の総和をＤとしたとき、前記傾きが、
   ａ＝（Ｃ−ＡＢ）／（Ｄ−Ａ^２）
   で与えられ、前記切片が、
   ｂ＝（ＤＢ−ＣＡ）／（Ｄ−Ａ^２）
   で与えられる、請求項１に記載のロータリエンコーダ。
3. 前記制御部は、所定の温度において前記オフセット電圧算出部によって算出された前記オフセット電圧と、前記所定の温度における前記推定されたオフセット電圧との差が所定値以上である場合、前記差に基づいて、前記記憶部に記憶されている前記切片を更新する、請求項１または２に記載のロータリエンコーダ。
4. 複数の前記磁石と、複数の前記磁気センサ部と、を有し、
   前記制御部は、前記複数の磁気センサ部からの複数の前記出力信号に基づいて前記回転体の回転位置を算出し、その際に前記複数の磁気センサ部のそれぞれに対して前記オフセット電圧推定処理と前記補正処理とを実行する、請求項１から３のいずれか１項に記載のロータリエンコーダ。
5. 前記複数の磁石が、前記回転体の周方向にＮ極とＳ極とが１極ずつ配置された第１の磁石と、前記回転体の周方向にＮ極とＳ極とが交互に複数配置された第２の磁石とを含み、
   前記複数の磁気センサ部が、前記第１の磁石に対応する少なくとも１つの磁気センサ部と、前記第２の磁石に対応する磁気センサ部とを含み、
   前記各磁気センサ部が、前記磁石の着磁面に対向して配置され、前記回転体の回転に伴って正弦波状のＡ相信号を出力する第１の感磁素子と、前記磁石の着磁面に対向して配置され、前記回転体の回転に伴って前記Ａ相信号と９０°の位相差を有する正弦波状のＢ相信号を出力する第２の感磁素子と、を有する、請求項４に記載のロータリエンコーダ。
6. 前記オフセット電圧算出部が、前記Ａ相信号および前記Ｂ相信号に基づいて直交座標系上にリサージュ波形を形成し、該リサージュ波形の円周を等分割する位置にある複数の点から連続する３点を選択し、該選択した３点のうち連続する２点をそれぞれ結ぶ２つの線分の垂直二等分線の交点に基づいて、前記第１の磁石に対応する少なくとも１つの磁気センサ部の前記オフセット電圧を算出する、請求項５に記載のロータリエンコーダ。
7. 前記オフセット電圧算出部が、前記Ａ相信号および前記Ｂ相信号に基づいて直交座標系上にリサージュ波形を形成し、該リサージュ波形と座標軸との４つの交点のそれぞれの近傍に位置する４点を特定し、該特定した４点が前記座標軸の原点からそれぞれほぼ等距離になるように前記Ａ相信号および前記Ｂ相信号の少なくとも一方に所定値を加減したときの該所定値に基づいて、前記第２の磁石に対応する磁気センサ部の前記オフセット電圧を算出する、請求項５または６に記載のロータリエンコーダ。
8. 前記各感磁素子が、磁気抵抗効果素子を有する、請求項５から７のいずれか１項に記載のロータリエンコーダ。
9. 前記温度検出部が、前記制御部を構成するマイクロコンピュータに内蔵された温度センサを用いて、前記磁気センサ部の温度を算出する、請求項１から８のいずれか１項に記載のロータリエンコーダ。

Images