JP2021092493A - エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】位置を検出する対象の移動速度が高い場合であっても、単純な構成で、その位置を高い精度で検出する手段を提供する。【解決手段】Ａ相、Ｂ相の信号はそれぞれコンパレータ１２Ａ、１２Ｂにも入力する。コンパレータ１２Ａ、１２Ｂは、Ａ相の信号、Ｂ相の信号を２値化したＡ’相の信号、Ｂ’相の信号をそれぞれ出力する。サイクルカウンタ１３２は、Ａ’相の信号、Ｂ’相の信号に基づき、このように回転角度の変化に伴う象限間の移動が正方向であった場合にはインクリメント、負方向の場合にデクリメントするカウント数として、ＣＣを算出する。演算部２０は、Ａ相の信号とＢ相の信号の比によって、一つ目のサイクルにおける変動量に対応する量を算出すると共に、ＣＣによって、変動量ＣＣ中に含まれる周期２πの整数倍の変化を示すサイクル数を認識することができる。演算部２０は、変動量を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象となる物体の位置あるいは角度等の変動を高速に検出するエンコーダに関する。

モータ等によって駆動される回転体の回転位置（角度）を正確に認識するために、エンコーダが使用されている。エンコーダの構成は、例えば特許文献１に記載されている。ここでは、回転体の外周において磁極が周期的に変化するように磁石が周期的に配置される。回転体に近接して設けられた磁気センサがこの磁石による磁場の変化を検出し、この検出結果（磁気センサの出力）から回転角度が算出される。しかしながら、この磁場は回転体の回転角度θに伴って正弦波（ｓｉｎ）的に変化し、その１周期内においても同一の値をもつ点が複数存在するため、単一の検出結果のみから一義的に回転位置を決定することは困難である。

このため、特許文献１に記載の技術においては、上記の周期を２πとした場合に、位相がπ／２だけずれた２つの検出結果（Ａ相、Ｂ相）が得られるように磁気センサが設定される。これによれば、例えばＡ相の出力とＢ相の出力を同時に認識し、かつθ＝ｔａｎ^−１（（Ａ相の出力）／（Ｂ相の出力））とすることによって、上記のような不定性を排除することができる。これによって、θに対応する回転角度を正確に算出することができる。

ただし、上記のように算出されるθは０〜２πの間の値となり、その周期は２πである一方、実際の回転角度θはこの範囲に限定されない任意の値をとる。このため、上記のように算出されたθは０≦θ＜２πの範囲内のものとして算出されるが、実際にはθとθ＋２πｍ（ｍは整数）の区別はできない。このため、θが０≦θ＜２πの範囲内で変化した場合には正確なθの算出が可能であるが、θが０〜２πの範囲を超えて変化した場合には、その旨を認識する（上記のｍを認識する）ことが必要となり、例えば、前回θが算出されたまでの間におけるθの変化の状況によって、このようにθが１周期分を超えて変化した旨を推定することができる。

特開２０１８−１３２３６０号公報

実際には上記のようなθの算出は一定のサンプリング時間毎に離散的に行われる場合が多いのに対し、回転体の回転速度は様々とされる。この場合、特に回転体の回転速度が高く高分解能の（極数が多く高分解能の）場合には、算出（測定）タイミングの間のθの変化量が大きくなるために、上記のようにθが実際に何サイクル分の変化をしたかを認識することが困難となった。このようなθの１周期分を超えた変化を検出するための機構を前記のようなエンコーダとは別に設けることも可能であるが、その場合には装置の構成が複雑となった。

このため、位置を検出する対象の移動速度が高い場合であっても、単純な構成で、その位置を高い精度で検出できることが望まれた。
とが望まれた。

本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、位置を検出する対象の移動速度が高い場合であっても、単純な構成で、その位置を高い精度で検出できることを目的とする。

本発明に係るエンコーダは、測定対象となる位置に応じて周期的に変化する信号である第１信号と、前記位置に応じて前記第１信号と一定位相だけずれて同一の周期で発せられる第２信号と、を用いて前記位置の変動量を認識するエンコーダであって、前記第１信号、前記第２信号を、それぞれ信号の大小に応じて二値化したパルス信号とした第１パルス信号、第２パルス信号を出力するパルス信号生成部と、前記位置の変動に応じた前記第１パルス信号及び前記第２パルス信号の状態の遷移に応じ、前記周期内が前記周期の１／４毎に区分された領域である４つの象限間の移動が正方向の場合にインクリメント、負方向の場合にデクリメントされるようにカウント数を計数するカウンタと、前記第１信号と前記第２信号によって、一つ目のサイクルにおける前記変動量に対応する量となるθｃを算出し、前記変動量に含まれる前記周期の整数倍の変化を示すサイクル数を前記カウント数から認識し、前記サイクル数と前記θｃによって前記変動量を算出する演算部と、を具備する。

この構成において、カウント数ＣＣは、第１パルス信号、第２パルス信号によって、位置の変動に際しての象限間の遷移がある毎にカウンタによって計数される。演算部は、第１信号と第２信号からθｃを算出すると共に、サイクル数をＣＣから認識することができる。この際、ＣＣの係数は、第１パルス信号、第２パルス信号のみによって高速かつ容易に行われる。また、ＣＣが適正か否かは、θｃによって認識される象限と、ＣＣによって認識される象限との整合性によって容易に認識できる。このため、高速かつ正確に位置の変動量を算出することができる。

また、初期化動作において、前記演算部は、初期状態において認識された前記θｃが属する前記象限を認識すると共に、前記初期状態において認識された前記第１パルス信号及び前記第２パルス信号の状態に応じても前記象限を認識し、前記θｃが属する前記象限と、前記第１パルス信号及び前記第２パルス信号の状態によって認識された前記象限とが異なる場合に、前記初期状態における前記カウント数を、前記θｃが属する前記象限と整合するように設定してもよい。
この構成においては、初期化動作時において、ＣＣの初期値が、θｃによって認識された象限と整合するように設定される。このため、初期化以降に行われる位置の算出において、ＣＣによってサイクル数を適正に認識することができ、変動量を特に正確に算出することができる。

また、前記演算部は、前記変動量を認識する際に、前記θｃが属する前記象限を認識すると共に、前記カウント数によっても前記象限を認識し、前記θｃが属する前記象限と、前記カウント数によって認識された前記象限とが異なる場合に、前記θｃが属する前記象限と整合するように前記カウント数を±１の範囲で補正し、補正後の前記カウント数を用いて前記変動量を算出してもよい。
この構成においては、第１パルス信号、第２パルス信号における２値化が適正に行われなかった場合において、演算部は、θｃから認識される象限とＣＣから認識される象限の整合性によってこの旨を認識する。この場合において、演算部は、この状況を認識し、変動量算出のために用いるＣＣを±１の範囲で補正することで、適正に変動量を算出することができる。

また、前記パルス信号生成部は、予め設定された基準レベルと前記第１信号、前記第２信号との大小関係に応じて、前記第１パルス信号、前記第２パルス信号をそれぞれ出力するコンパレータを具備してもよい。
この構成によれば、コンパレータを用いて、第１信号、第２信号から第１パルス信号、第２パルス信号を容易に生成することができる。

本発明によれば、位置を検出する対象の移動速度が高い場合であっても、単純な構成で、その位置を高い精度で検出することができる。

実施形態に係るエンコーダの構成を示す図である。 実施形態に係るエンコーダにおいて認識されるリサージュ図の、象限の区分を示す図である。 Ａ相の信号（第１信号）とＡ’相の信号（第１パルス信号）の関係を示す図である。 θの変化に伴うＡ相（第１信号）、Ｂ相（第２信号）、Ａ’相（第１パルス信号）、Ｂ’相（第２パルス信号）の出力、θｃ、ＣＣ及びこれらの関係を示す図である。 実施形態に係るエンコーダにおける各信号の関係及びこれによるθを算出する例を示す図である。 コンパレータの基準レベルの変動によるＡ’相の信号（第１パルス信号）の変化を示す図である。 Ａ’相の信号（第１パルス信号）が適正でなかった第１の例におけるＣＣ（ＣＣ１）の、本来のＣＣ（ＣＣ０）との差を示す図である。 Ａ’相の信号（第１パルス信号）が適正でなかった第２の例におけるＣＣ（ＣＣ２）の、本来のＣＣ（ＣＣ０）との差を示す図である。 実施形態に係るエンコーダにおける初期化動作を示すフローチャートである。 実施形態に係るエンコーダにおける通常動作を示すフローチャートである。 実施形態に係るエンコーダの変形例の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は本実施形態に係るエンコーダ１の構成を示す図である。ここでは、回転体及び信号検出のための磁気センサ、及びこれを用いて位置（変動量）検出のための出力を得るための構成は、特許文献１に記載のものと同様であるため、ここでは、これらの記載については省略されており、本願発明における特徴的な構成要素のみが記載されている。ここで、磁気センサからの信号は前記のように回転角度θに対して周期的に変化し、その周期は適宜設定されるが、ここでは、この周期を２πとする。このため、以下に説明する回転角度は実際の回転角度とは異なるが、実際の回転角度の周期をＴとすると、以下の説明におけるθ→Ｔ／２π×θと換算することによって、実際の回転角度が算出される。

特許文献１に記載の具術と同様に、この場合、磁気センサ（感磁素子）からは、位相がπ／２だけずれたＡ相（正弦波）、Ｂ相（余弦波）の２つの信号が同時に磁気センサ側から出力され、エンコーダ１に入力する。上記の算出を行うために、Ａ相の信号（第１信号）、Ｂ相の信号（第２信号）は、それぞれＡ／Ｄコンバータ１１Ａ、１１Ｂに入力して上記の計算を行う演算部２０で認識可能な形に変換されてから、演算部２０に入力する。図２はθが０〜２πの間におけるθの変化をＡ相の出力を横軸、Ｂ相の出力を縦軸として示すリサージュ図である。このリサージュ図においては、θが属するのは、周期２πの１／４毎に区分された４つの象限（第１象限（０〜π／２の範囲）、第２象限（π／２〜πの範囲）、第３象限（π〜３／２πの範囲）、第４象限（３／２π〜２πの範囲））に区分される。前記のように０≦θ＜２πの範囲内のものとして以下の（１）式で算出される角度を以下ではθｃとする。なお、実際にはＡ相の出力とＢ相の出力の比率だけでなく、更にＡ相の出力とＢ相の出力自身を考慮することによって、θｃを０≦θ＜２πの範囲内のものとして一義的に定めることができる。この点についても特許文献１に記載の技術と同様である。また、以下では、このように定義されたθ＝０の点が位置の原点とされる。このため、以下で算出される変動量は位置自身に対応し、変動量を算出することは位置を算出することと等価である。

ここでは、Ａ相、Ｂ相の信号はそれぞれコンパレータ（パルス信号生成部）１２Ａ、１２Ｂにも入力し、コンパレータ１２Ａ、１２Ｂは、Ａ相の信号、Ｂ相の信号を２値化したＡ’相の信号、Ｂ’相の信号をそれぞれ出力する。このため、コンパレータ１２Ａ、１２Ｂでは、各信号と基準レベル（ここでは零レベル）との大小関係を判定し、各信号が基準レベルよりも大きければＨｉｇｈ（１）を出力し、小さければＬｏｗ（０）を出力する。このため、コンパレータ１２Ａ、１２Ｂの出力は、Ａ相、Ｂ相の出力（正弦波、余弦波）に応じた矩形波となる。Ａ相の出力（正弦波）とこれに応じたコンパレータ１２Ａの出力（Ａ’相の出力：第１パルス信号）を重複させて図３に示す。図３においては、横軸は動作角度θであり、ここではθ＞２πの部分も示されているため、各信号は２πの周期で周期的に変化する。また、Ａ相の出力とＡ’相の出力の絶対値はそれぞれ適宜設定されるが、ここでは便宜上これらのピーク値は一致して示されている。Ｂ相の出力に応じて、コンパレータ１２Ｂによって同様にＢ’相の出力（第２パルス信号）も生成される。

また、Ａ相、Ｂ相、Ａ’相、Ｂ’相の出力を時間的に整合させ、単純化してそれぞれ図４に示す。ここでは、上記のように算出されるθｃの遷移も同時に示されている。前記のように、θｃは０〜２πの値をとり、２πの周期で変動する。このため、１サイクル目においてはθｃ=θとなる。

図１において、Ａ’相の出力とＢ’相の出力は、アップダウンカウンタ１３１に入力する。アップダウンカウンタ１３１は、Ａ’相の出力、Ｂ’相の出力における遷移（Ｌｏｗ（”０”）→Ｈｉｇｈ（”１”）の場合：ＵＰ、Ｈｉｇｈ（”１”）→Ｌｏｗ（”０”）の場合：ＤＯＷＮ）を認識する。ここで、図４のＡ相の初めの１周期内において、図２における第１象限〜第４象限の区分が示されている。これに対応したＡ’相、Ｂ’相の状況は、（Ａ’相、Ｂ’相）と記載した場合、第１象限：（１、１）、第２象限：（１、０）、第３象限：（０、０）、第４象限（０、１）となる。このため、例えば（Ａ’相、Ｂ’相）が（１、０）から（０、０）に変化した場合には、θが第２象限から第３象限に変化した場合に対応し、（１、０）から（１、１）に変化した場合にはθが第４象限から次のサイクルの第１象限に変化した場合に対応する。これらの場合にはθが図２における正方向に変化した（増大した）と認識することができる。また、（Ａ’相、Ｂ’相）が（０、１）から（０、０）に変化した場合には、θが第４象限から第３象限に変化した場合に対応し、（１、１）から（０、１）に変化した場合にはθが第１象限から前のサイクルの第４象限に変化した場合に対応する。これらの場合にはθが負方向に変化した（減少した）と認識することができる。

このため、図１におけるサイクルカウンタ１３２は、Ａ’相の信号、Ｂ’相の信号に基づき、このようにθの変化に伴う象限間の移動が正方向であった場合にはインクリメント、負方向の場合にデクリメントするカウント数として、ＣＣを算出する。すなわち、アップダウンカウンタ１３１、サイクルカウンタ１３２は、このようなＣＣを算出するカウンタ１３として機能する。図４においては、このＣＣの変化も同時に示されている。θの増大に際して図４におけるＣＣ以外は周期的な変化をするのに対して、ＣＣはθの増大に際して単調増加をする。ここで、ＣＣの初期値は、θ＝０の時（（１サイクル目の第１象限の場合）に０となるように設定とされる。

この場合、象限番号（１〜４）は、ＣＣの値において、周期４毎に同一となり、図４のＡ相の初めの１周期内において、図２における第１象限〜第４象限の区分が示されている。このため、演算部２０は、θを認識しなくとも、現在のＣＣを認識することによって現在のθが属する象限を認識することができる。図４におけるＣＣの遷移においては、この場合におけるＣＣの値（初期値０から始まる整数）と、これに対応した象限番号として第１象限：１、第２象限：２、第３象限：３、第４象限：４の数字が括弧内に記載されている。象限番号としては１〜４がサイクリックに変動する。この場合、一般式としては、θがｎサイクル目の第ｋ象限（ｋ：１〜４）にある場合は、初期値を零とした場合には、ＣＣ＝（ｎ−１）×４＋（ｋ−１）となる。演算部２０は、このＣＣの値及びこれに対応した象限番号を認識する。ＣＣを用いることによって、前記のように、第４象限から第１象限、あるいは第１象限から第４象限のように、θがサイクル間にわたる変化をした場合でも、その旨を適切に認識することができる。

図５は、この場合において演算部２０がある時点におけるθの値を算出する動作を悦明する図である。ここで、算出すべきθは図５におけるθ１であるものとする。演算部２０は、Ａ相の信号とＢ相の信号の比によって、一つ目のサイクルにおける変動量θ１に対応する量となるθｃ１を算出すると共に、ＣＣによって、変動量ＣＣ中に含まれる周期２πの整数倍の変化を示すサイクル数ｎを認識することができる。演算部２０は、θｃ１とｎを用いてθ１を算出する。

図５において、θ１は実際には原点から５サイクル目における値であり、これによって演算部２０によってθｃ１は（１）式で算出され、θｃ１は前記のように０〜２πの間の値となるため、１サイクル目において対応する値となる（θｃ算出工程）。

θ１がｎサイクル目に属する場合、θ１＝（ｎ−１）×２π＋θｃ１となる。一方、サイクル数ｎは、θ１の時点のＣＣ（＝１７）より、ＩＮＴ（ＣＣ／４）＋１＝５として認識することができる。ここで、ＩＮＴは小数点以下を切り捨てて整数化する関数である。このため、θｃが（１）式で与えられる場合に、θ１は、（２）式で定まる（位置算出工程）。

上記のようなθ１の算出は、各時点でＡ相、Ｂ相の出力が認識でき、かつ各時点におけるＣＣの値を演算部２０が認識できる限りにおいて、実行することができる。この際、カウンタ１３によるＣＣの認識は、単純な矩形波を用いた演算動作であるため、適正かつ高速で行うことができる。このため、上記の動作は、回転速度が大きい（θの時間的変化が大きい）場合であっても、適切に行うことができる。この際、Ａ’相、Ｂ’相の出力は、コンパレータ１２Ａ、１２Ｂを用いて得られ、新たな機械的機構等は不要である。なお、θ１はθ＝０の点からの変動量であるが、演算部２０は、原点の位置を認識すれば、θ１により、実際の位置（角度）を認識することができる。

次に、θ１の算出精度を更に向上させるための動作について説明する。この動作には、電源オン時（初期状態）における動作と、通常の動作時（回転体の回転時）における動作がある。どちらの場合においても、この動作においては、算出されたθｃと、ＣＣとの間の整合が行われる。

このような動作が必要となる理由について以下に説明する。まず、図５の例で（１）（２）式によってθを定める場合において、前記の例においては、１サイクル目の第１象限の場合にＣＣの初期値が零となるように設定された。このため、エンコーダ１あるいはこれが用いられた回転体の起動時において、このように適切な設定がなされていることが要求される。起動時において正確にθ＝０となっているとは限らないが、θ１を適正に算出するためには、少なくとも起動時のθにおいてθとＣＣの関係が前記の整合されている必要がある。また、動作時においても、この関係は適切であることが維持される必要があるが、この関係を適切に維持することは実際には容易ではない。

前記の通り、Ａ’相、Ｂ’相の出力は、Ａ相、Ｂ相の出力をコンパレータ１２Ａ、１２Ｂに通過させることによって得られる。コンパレータ１２Ａ、１２Ｂにおいては、入力信号と基準レベルとの比較によって、その出力の”０”レベルと”１”レベルが設定される。この際、コンパレータ１２Ａ、１２Ｂにおける基準レベルは安定しているとは限らない。この基準レベルがずれた場合には、このずれに応じてＡ’相、Ｂ’相における”０”→”１”、”１”→”０”の遷移のタイミングがずれる場合がある。図６は、このような場合におけるＡ相の出力とＡ’相の出力の関係を示す。ここで、Ａ相の出力（破線）に対してコンパレータ１２Ａにおける適正な基準レベルＯを用いて生成された場合のＡ’相の出力（Ａ’０）点線）に対して、下方にずれた基準レベルＯ’を用いて生成された場合のＡ’相の出力Ａ’１が実線で示されている。Ａ’０とＡ’１における周期は変わらないが、Ａ’０における”１”と”０”のデューティ比は５０％（１：１）であるのに対し、Ａ’１においては、”１”の時間が長く、その分”０”の時間が短くなる。こうした状況はＢ相、Ｂ’相においても同様に発生する。

図７は、Ａ’相の出力において、このように”１”のデューティ比が高くなるずれが生じた場合におけるＣＣの状況を示す。ここでは、このようなＡ’相の出力（ずれのある場合の出力）と、ずれのないＢ’相の出力とが用いられた場合に、前記のようにこれらの出力を用いて算出されたＣＣがＣＣ１として示されている。一方、ＣＣ０は、このようなずれのない場合の本来のＣＣを示す。ここで、Ｘはサイクルの切り替わり時であり、Ｘの前ではｎサイクルの信号が存在するものとし、本来はＸの前（図中左側）では象限番号はＸから左に向かい順に４、３、２となるように変化し、Ｘの後（図中右側）では象限番号はＸから右に向かい順に１、２、３となるように変化する。このため、本来のＣＣ（ＣＣ０）においては、ｎサイクル目の第４象限（ＣＣ＝４ｎ−１）は図中の領域Ｃとなり、ｎ＋１サイクル目の第１象限（ＣＣ＝４ｎ）は領域Ｄとなる。これに対して、Ａ’相に上記のようなずれが生じた場合のＣＣ１においては、ｎサイクル目の第４象限と認識されるのは図中の領域Ｅとなり、ｎ＋１サイクル目の第１象限と認識されるのは領域Ｆとなる。

特に、ｎ＋１サイクル目の第１象限と認識された領域Ｆが始まるのは、本来の領域である領域Ｄよりも前になる。このため、θ１が図中の領域Ｇ内にある場合には、本来はｎサイクル目の第４象限（ＣＣ＝４ｎ−１）となるのに対して、ＣＣ１を用いた判定によれば、ｎ＋１サイクル目の第１象限（ＣＣ＝４ｎ）であるとみなされる。このため、前記のＩＮＴ（ＣＣ１／４）を用いた算出方式では、サイクル数が１だけ大きくなり、θｃは同一であるが、算出されるθは１サイクル（２π）分だけ大きくなる。

この状況は、上記のようなサイクルの切り替わり時以外でも同様である。例えば図７における領域Ｈは、ＣＣで示されるように本来はｎサイクル目の第３象限であるが、ＣＣ１によれば第２象限であるとみなされる。

図８は、図７とは逆にＡ’相の出力において、”０”のデューティ比が高くなるずれが生じた場合におけるＣＣの状況を図７と同様に示す。ここでは、このようなずれが生じたＡ’相の出力と、ずれのないＢ’相の出力とが用いられた場合に、前記のようにこれらの出力を用いて算出されたＣＣがＣＣ２として示されている。ＣＣ０、領域Ｃ、Ｄについては図７と同様である。これに対して、ＣＣ２においては、ｎサイクル目の第４象限（ＣＣ＝４ｎ−１）は図中の領域Ｉとなり、ｎ＋１サイクル目の第１象限（ＣＣ＝４ｎ）は領域Ｊとなる。

この場合、ｎ＋１サイクル目の第１象限と認識された領域Ｊが始まるのは、本来の領域である領域Ｄよりも後になる。このため、θ１が図中の領域Ｋ内にある場合には、本来はｎ＋１サイクル目の第１象限となるのに対して、ＣＣ２を用いた判定によれば、ｎサイクル目の第４象限であるとみなされる。このため、前記の（２）式による算出では、サイクル数が１だけ小さくなり、θｃは同一であるが、算出されるθ１は１サイクル（２π）分だけ小さくなる。また、図７における領域Ｌは、ＣＣで示されるように本来はｎサイクル目の第２象限であるが、ＣＣ２によれば第３象限であるとみなされる。

図７、８においては、Ａ’相の出力が適正でない場合が示されたが、Ｂ’相の出力が適正でない場合、あるいはＡ’相、Ｂ’相の出力が共に適正でない場合においても、同様である。すなわち、Ａ’相、Ｂ’相の出力が適正でない場合には、サイクルの切り替わり時、象限の切り替わり時の前後で、サイクル、象限番号の認識が不適正となる場合が生ずる。ただし、Ａ’相、Ｂ’相の出力はそれぞれＡ相、Ｂ相の出力からコンパレータ１２Ａ、１２Ｂによって直接作成されるため、このようなずれが発生しても、Ａ’相、Ｂ’相の出力の周期はＡ相、Ｂ相の周期と等しい。また、上記のようにＡ’相、Ｂ’相の出力が基準レベルとの比較で設定される限りにおいて、ＣＣ（あるいはサイクル、象限番号）の誤差は±１の範囲内であり、これらに２以上のずれが生ずることはない。

図９は、上記の点を考慮して、電源オン時（初期状態）においてＣＣの初期値を自動的に適正に設定するための演算部２０の動作を示すフローチャートである。ここでは、予め図４に示されたようにθ＝０で第１象限にあるという設定がなされている場合を対象とし、この状況が、例えば前記のようなコンパレータ１２Ａ、１２Ｂの変動によって図７、８に示されたように変化した場合を想定している。

ここでは、まず、電源オン（Ｓ１）とされた後で、この時点におけるＡ相、Ａ’相、Ｂ相、Ｂ’相の出力が認識される（Ｓ２）。次に、演算部２０は、Ａ相、Ｂ相の出力によって、（１）式によりθｃを算出する（Ｓ３）ことによって、θｃに応じた象限番号ｋを認識すると共に、Ａ’相、Ｂ’相の出力（”１”、”０”の状態）によっても象限番号ｋを認識する（Ｓ４）。演算部２０は、この結果に応じて、ＣＣのこの時点での値（初期値）を、この時点での実際の象限番号ｋと整合するように設定する（初期化工程）。

ここで、演算部２０は、各象限番号が一致している場合（Ｓ５：Ｙｅｓ）には、現在のθは図７における領域Ｇ、Ｈ、図８における領域Ｋ、Ｌ以外の領域（θｃによる象限番号とＡ’相、Ｂ’相の出力による象限番号とが一致している領域）にあると推定され、この時点において用いられたＣＣ（初期値）は適正であると認識される。このため、ＣＣ（初期値）はそのまま維持される（Ｓ６）。一方、各象限番号が一致しなかった場合（Ｓ５：Ｎｏ）には、象限番号の相違（絶対値）が２以上であるか否かが判定される（Ｓ７）。ただし、ここでの差分は、図２の状況を考慮し、第４象限と第１象限の差分は１として換算する。

この相違が２未満（±１）であった場合（Ｓ７：Ｎｏ）には、θは図７における領域Ｇ、Ｈ、図８における領域Ｋ、Ｌのいずれか（θｃによる象限番号とＡ’相、Ｂ’相の出力による象限番号とが一致しない領域）にあると推定される。この場合においては、結果に応じて、ＣＣ（初期値）の値が、＋１、又は−１とされる（Ｓ８）。例えば、現在のθが図７における領域Ｇ（θｃによってｋ＝４、Ａ’相、Ｂ’相によってｋ＝１）の場合には、実際の値よりも象限番号が１だけ多く換算されているため、ＣＣ（初期値）は１だけ減算される。また、現在のθが図８における領域Ｋ（θｃによってｋ＝３、Ａ’相、Ｂ’相によってｋ＝２）の場合には、実際の値よりも象限番号が１だけ少なく換算されているため、ＣＣ（初期値）は１だけ加算される。

一方、象限番号の相違が２であった場合（Ｓ７：Ｙｅｓ）には、θとＣＣ（初期値）における図７、８に示された関係が成立していないと認識することができる。このため、演算部２０は、この場合には、異常が発生した旨の表示（エラー表示）が行われる（Ｓ９）。これは、ＣＣ（初期値）の自動調整ができない場合に対応するため、各部を確認、調整する作業が必要となる。

少なくとも初期状態におけるθの値が零近傍であれば、以降の動作においては、（２）式によってその後のθ１を正確に算出することができる。

次に、初期化後においてθ１を算出する動作について説明する。この場合にも、図７、８のような状況を考慮することによって、θ１をより正確に算出することができる。図１０は、この場合における演算部２０の動作を示すフローチャートである。

まず、演算部２０は、この時点におけるＡ相、Ｂ相の出力と、サイクルカウンタ１３２によってＣＣを認識する（Ｓ１１）。次に、演算部２０は、初期化動作におけるＳ３と同様に、Ａ相、Ｂ相の出力によって、（１）式によりθ１に対応するθｃ（θｃ１）を算出することによって、θｃ１が属する象限番号ｋを認識する（Ｓ１２）。次に、制御部２０は、ＣＣによっても象限番号ｋを認識する（Ｓ１３）。

演算部２０は、各象限番号が一致している場合（Ｓ１４：Ｙｅｓ）には、現在のθは図７における領域Ｇ、Ｈ、図８における領域Ｋ、Ｌ以外の領域（θｃ１による象限番号とＡ’相、Ｂ’相の出力による象限番号とが一致している領域）にあると推定されるため、θｃ１とＣＣに応じて（２）式によってθ１を算出する（Ｓ１５）。

一方、演算部２０は、各象限番号が一致しなかった場合（Ｓ１４：Ｎｏ）には、この差が２以上であるか否か（あるいは１であるか否か）を判定する（Ｓ１６）。この差が１であった場合には、θ１は図７における領域Ｇ、Ｈ、図８における領域Ｋ、Ｌのいずれか（θｃ１による象限番号とＡ’相、Ｂ’相の出力による象限番号とが一致しない領域）にあると推定される。この場合においては、θｃ１による象限番号に応じてＣＣの値が±１の範囲で補正される（Ｓ１７：補正工程）。この補正の内容は、θ１が図７、８におけるＣＣ１、ＣＣ２におけるどの領域にあるかに応じて定まる。どの領域にあるかは、初期化の場合と同様に、θｃ１が属する象限番号とＣＣによって認識された象限番号の関係によって認識することができる。

まず、θ１が図７における領域Ｈ、図８における領域Ｌにあると認識された場合（認識された象限番号ｋが２、３である場合）には、サイクル数ｎはどちらにおいても同じ値となるため、補正値は零となる。すなわち、この場合には実質的には補正は行われない。

一方、演算部２０は、θ１が図７における領域Ｇ（θｃによってｋ＝４、ＣＣによってｋ＝１）の場合には、図７においてはＣＣは本来４ｎ−１であるところ、ＣＣが４ｎとされているため、θ１の算出に用いるＣＣとして、この時点のＣＣを１だけ減算したものを用いる。θ１が図８における領域Ｋ（θｃによってｋ＝１、ＣＣによってｋ＝４）の場合には、図８においてはＣＣは本来４ｎであるところ、ＣＣが４ｎ−１とされているため、θ１の算出に用いるＣＣとして、この時点のＣＣを１だけ加算したものを用いる。

このように状況に応じて±１の範囲で補正されたＣＣを用いて、前記と同様にθ１が算出される（Ｓ１５：位置算出工程）。これによって、θ１が図７、８におけるどの範囲にあっても、θ１が正確に算出される。

一方、前記の通り、図７、８に示された場合には、θｃ１による象限番号とＣＣによる象限番号の差（Ｓ１４）は、±１の範囲内である。このため、この差が２以上であった場合（Ｓ１６：Ｙｅｓ）には、θ１を算出する代わりに、異常が発生した旨の表示（エラー表示）が行われる（Ｓ１８）。

このように、上記のエンコーダ１においては、コンパレータ１２Ａ、１２Ｂの基準レベルに変動が生じた場合でも、正確にθ１を算出することができる。Ａ’相、Ｂ’相の出力（第１パルス信号、第２パルス信号）がコンパレータ以外の構成要素によって作成される場合においても、Ａ相、Ｂ相、Ａ’相、Ｂ’相の間で同一の周期性が維持されている場合においては、同様である。

また、上記のような動作をするエンコーダとしては、図１以外の構成のものを用いることができる。図１１は、このような変形例となるエンコーダ２の構成を示す図である。ここで、Ａ／Ｄコンバータ１１Ａ、１１Ｂ、カウンタ１３、演算部２０については、前記のエンコーダ１におけるものと同様であり、入力の態様がエンコーダ１とは異なる。

前記のようなＡ相、Ｂ相の出力は、磁気センサから得られるが、この際に、各出力として、同時に出力される極性の逆転した２信号を用いることもでき、ここでは、Ａ相に対応して正側のＡ＋相、この反転成分のＡ−相を、Ｂ相に対応して正側のＢ＋相、この反転成分のＢ−相が出力される。この場合、Ａ＋相とＡ−相の信号を計装アンプ３１Ａに、Ｂ＋相とＢ−相の信号を計装アンプ３１Ｂに入力させることによって、より高精度の信号となるＡ相の信号（第１信号）、Ｂ相の信号（第２信号）を得ることができる。同様に、このように極性の逆転した２信号を同時に用い、Ａ相の信号（第１信号）、Ｂ相の信号（第２信号）をそれぞれ２値化するコンパレータ（パルス信号生成部）３２Ａ、３２Ｂを用いることによって、Ａ’相の信号（第１パルス信号）、Ｂ’相の信号（第２パルス信号）の精度を高めることもできる。これによって、演算部２０は、θｃ、ＣＣをより高精度で算出することができる。

上記の例においては、θが回転体の回転角度に対応するものとした。前記の通り、この際にＡ相、Ｂ相の信号の周期を２πとしたため、上記のように算出されるθ１はＡ相、Ｂ相の信号の周期を２πとした場合に回転角度として換算される角度である。このため、実際の回転角度とθ１は定数倍の関係となり、この関係を用いて実際の回転角度が算出される。

更に、上記の例では回転体の回転角度が算出されるものとしたが、上記と同様に位置の変化に際して周期的な変動をするＡ相、Ｂ相の信号（第１信号、第２信号）が用いられる限りにおいて、直線的な位置の変化をする場合等、任意の形態における位置検出に上記の構成を用いることができる。

（本形態の主な特徴）
本実施形態の特徴を簡単に纏めると次の通りである。
（１）このエンコーダ１は、測定対象となる位置に応じて周期２πで周期的に変化する信号であるＡ相の信号（第１信号）と、位置に応じてＡ相の信号と一定位相（π／２）だけずれて同一の周期で発せられるＢ相の信号（第２信号）と、を用いて位置の変動量θ１を認識し、Ａ相の信号、Ｂ相の信号を、それぞれ信号の大小に応じて二値化したパルス信号としたＡ’相の信号（第１パルス信号）、Ｂ’相の信号（第２パルス信号）を出力するパルス信号生成部１２Ａ、１２Ｂと、位置の変動に応じたＡ’相の信号及びＢ’相の信号の状態の遷移に応じ、周期内が周期の１／４（π／２）毎に区分された領域である４つの象限間の移動が正方向の場合にインクリメント、負方向の場合にデクリメントされるようにカウント数ＣＣを計数するカウンタ１３と、Ａ相の信号とＢ相の信号の比によって、一つ目のサイクルにおける変動量θ１に対応する量となるθｃ１を算出し、変動量θ１に含まれる周期２πの整数倍の変化を示すサイクル数ｎをカウント数ＣＣから認識し、サイクル数ｎとθｃ１によって変動量θ１を算出する演算部２０と、を具備する。

この構成において、カウント数ＣＣは、Ａ’相の信号、Ｂ’相の信号によって、位置の変動に際しての象限間の遷移がある毎にカウンタ１３によって計数される。演算部２０は、Ａ相の信号とＢ相の信号からθｃを算出すると共に、サイクル数ｎをＣＣから認識することができる。この際、ＣＣの係数は、Ａ’相の信号、Ｂ’相の信号のみによって高速かつ容易に行われる。また、ＣＣが適正か否かは、θｃ１によって認識される象限と、ＣＣによって認識される象限との整合性によって容易に認識できる。このため、高速かつ正確に位置の変動量θ１を算出することができる。

（２）初期化動作において、演算部２０は、初期状態において認識されたθｃが属する象限を認識すると共に、初期状態において認識されたＡ’相の信号、Ｂ’相の信号の状態に応じても象限を認識し、θｃが属する象限と、Ａ’相の信号、Ｂ’相の信号の状態によって認識された象限とが異なる場合に、初期状態におけるカウント数ＣＣを、θｃが属する象限と整合するように設定する。
この構成においては、初期化動作時において、ＣＣの初期値が、θｃによって認識された象限と整合するように設定される。このため、初期化以降に行われる位置の算出において、ＣＣによってサイクル数ｎを適正に認識することができ、変動量θ１を特に正確に算出することができる。

（３）演算部２０は、変動量θ１を認識する際に、これに対応するθｃであるθｃ１が属する象限を認識すると共に、カウント数ＣＣによっても象限を認識し、θｃ１が属する象限と、カウント数ＣＣによって認識された象限とが異なる場合に、θｃ１が属する象限と整合するようにカウント数ＣＣを±１の範囲で補正し、補正後のカウント数ＣＣを用いて変動量θ１を算出する。
この構成においては、、Ａ’相の信号、Ｂ’相の信号における２値化が適正に行われなかった場合において、演算部２０は、θｃ１から認識される象限とＣＣから認識される象限の整合性によってこの旨を認識する。この場合において、演算部２０は、この状況を認識し、変動量θ１算出のために用いるＣＣを±１の範囲で補正することで、適正に変動量θ１を算出することができる。

（４）パルス信号生成部１２Ａ、１２Ｂは、予め設定された基準レベルとＡ相の信号、Ｂ相の信号との大小関係に応じて、Ａ’相の信号、Ｂ’相の信号をそれぞれ出力するコンパレータである。
この構成によれば、コンパレータ１２Ａ、１２Ｂを用いて、Ａ相の信号、Ｂ相の信号からＡ’相の信号、Ｂ’相の信号を容易に生成することができる。

本発明を、実施形態及びその変形例をもとに説明したが、この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１、２ エンコーダ
１１Ａ、１１Ｂ Ａ／Ｄコンバータ
１２Ａ、１２Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ コンパレータ（パルス信号生成部）
１３ カウンタ
２０ 演算部
３１Ａ、３１Ｂ 計装アンプ
１３１ アップダウンカウンタ
１３２ サイクルカウンタ

Claims (4)

1. 測定対象となる位置に応じて周期的に変化する信号である第１信号と、前記位置に応じて前記第１信号と一定位相だけずれて同一の周期で発せられる第２信号と、を用いて前記位置の変動量を認識するエンコーダであって、
   前記第１信号、前記第２信号を、それぞれ信号の大小に応じて二値化したパルス信号とした第１パルス信号、第２パルス信号を出力するパルス信号生成部と、
   前記位置の変動に応じた前記第１パルス信号及び前記第２パルス信号の状態の遷移に応じ、前記周期内が前記周期の１／４毎に区分された領域である４つの象限間の移動が正方向の場合にインクリメント、負方向の場合にデクリメントされるようにカウント数を計数するカウンタと、
   前記第１信号と前記第２信号によって、一つ目のサイクルにおける前記変動量に対応する量となるθｃを算出し、
   前記変動量に含まれる前記周期の整数倍の変化を示すサイクル数を前記カウント数から認識し、前記サイクル数と前記θｃによって前記変動量を算出する演算部と、
   を具備することを特徴とするエンコーダ。
2. 初期化動作において、前記演算部は、
   初期状態において認識された前記θｃが属する前記象限を認識すると共に、
   前記初期状態において認識された前記第１パルス信号及び前記第２パルス信号の状態に応じても前記象限を認識し、
   前記θｃが属する前記象限と、前記第１パルス信号及び前記第２パルス信号の状態によって認識された前記象限とが異なる場合に、前記初期状態における前記カウント数を、前記θｃが属する前記象限と整合するように設定することを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記演算部は、前記変動量を認識する際に、
   前記θｃが属する前記象限を認識すると共に、前記カウント数によっても前記象限を認識し、
   前記θｃが属する前記象限と、前記カウント数によって認識された前記象限とが異なる場合に、前記θｃが属する前記象限と整合するように前記カウント数を±１の範囲で補正し、補正後の前記カウント数を用いて前記変動量を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンコーダ。
4. 前記パルス信号生成部は、予め設定された基準レベルと前記第１信号、前記第２信号との大小関係に応じて、前記第１パルス信号、前記第２パルス信号をそれぞれ出力するコンパレータを具備することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエンコーダ。

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