JP4882465B2 - エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、回転体の角度および回転位置を検出するエンコーダに関する。
特に本発明は、回転体の絶対角度および回転位置を決定するエンコーダに関する。
また本発明は、たとえば、クランク角度検出用エンコーダ、カム角エンコーダなどに好適なエンコーダに関する。

エンコーダとして、車両のクランク軸の回転位置を検出するクランク角度検出用エンコーダを例示して述べる。
クランク角度検出用エンコーダは、内燃機関（エンジン）の点火タイミングや燃料噴射タイミングを制御するため、クランク軸の回転角度の検出、エンジンの回転数の検出、エンジンの回転方向の検出などに用いられている。
つまり、クランク軸の回転位置から点火タイミング、燃料噴射のタイミングなどを決定するため、上死点（ＴＤＣ）の検出およびクランク軸の回転角度の検出のためにクランク角度検出用エンコーダが用いられている。

エンジンの始動時はエンジンの回転が不安定である。そのため、点火タイミング、燃料噴射タイミングがずれて燃費効率の低下をまねくことがある。そのためには、クランク軸の回転角度の早期検出が望まれる。

特許文献１は、エンジン始動時の回転角度の早期検出を行う発明を開示している。しかしながら、この発明には改善すべき点もあり、さらに種々の提案が行われている。

特許文献２は、センサと歯切盤とを組み合わせた複数のエンコーダの出力を組み合わせてトラックゾーンの判別を行う技術を開示している。
しかしながら、この技術は、センサと歯切盤とを組み合わせて構成する多数のエンコーダを設ける必要があり構造が複雑になるという課題がある。そのため、価格が高騰するし、多数のエンコーダを設ける場所の確保の困難さ、または、多数のエンコーダを設けることによる周囲の空間への悪影響をもたらすことがある。さらに、この技術を用いると演算処理の負担が大きい。

特許文献３は、上死点（ＴＤＣ）起点部を有するエンコーダの技術に関係しており、ＴＤＣ起点部が通常幅の２〜３倍の幅の信号出力部を持ち、この幅広い部分で回転の基準点を示し、その他の部分で回転角度方向の位置および回転角度を示す技術を開示している。
しかしながら、この技術は、基準点を検出するため、幅広い部分を通過しなければならず、たとえば、最大で１回転（３６０度）回転させなければ検出できないという不利益がある。

ところで、クランク角度検出のための回転軸には、歯切盤を設ける方法と、多極磁石を設ける方法とがある。
多極磁石を用いる方法は、歯切盤に対して、機械加工する必要がない、小型になる、検出精度が高い、磨耗による劣化がないなどの利点がある。

特許文献４は、金属を用いた多極磁石のピッチ間隔の組み合わせにより回転体の絶対角度を検出する技術を開示している。
しかしながら、この技術は、ゴム磁石を用いると、極端に広い磁極の形成が、磁力精度の低下につながり、実用性が低いという課題が想定される。

特許第３３９５５１８号 特開平１１−２２９９４８号公報 特開平１１−２９４２１７号公報 特開平５−０４０００４号公報

上述した従来技術はそれぞれ、回転体の絶対角度の検出に課題があり、さらに、検出精度、実用性などの面で改善すべき事項が多々ある。
特に、たとえば、エンジン始動時の回転角度の早期検出といった、回転体の任意の角度検出という点において、改善すべき課題がある。

上記例は、エンコーダとしてクランク角度検出用エンコーダについて述べたが、回転体がクランク軸に限らず、カム角エンコーダ、その他、通常の回転体においてもその絶対角度を精度よく検出することが望まれている。その場合、上記同様の克服すべき問題がある。

本発明は回転体の絶対角度を、回転体の任意の位置で精度よく検出可能なエンコーダを提供することにある。
また本発明の目的は、実用性に富み、製造が容易で、低価格のエンコーダを提供することにある。
さらに本発明は、回転体の回転速度を検出可能なエンコーダを提供することにある。

さらに、本発明の目的は、クランク角度検出用エンコーダとして用いて好適なエンコーダを提供することにある。
また本発明の目的は、カム角エンコーダとして用いて好適なエンコーダを提供することにある。

本発明のエンコーダは、回転体の円周に沿って複数の磁極部を設ける。
各磁極部を、第１磁極（たとえば、Ｎ極）と第２磁極（たとえば、Ｓ極）とで構成し、かつ、第１磁極の領域が第２磁極の領域より広い（占有比率が高い）第１磁極タイプと、第１磁極の領域が第２磁極の領域より狭い（占有比率が低い）第２磁極タイプとのいずれかで構成する。
さらに、回転体の円周に沿った任意の異なる領域における複数の磁極部を、第１磁極タイプと第２磁極タイプとの順序列の組み合わせが異なるように構成する。すなわち、ある領域の複数の磁極部の磁極タイプの組み合わせが、他の領域の複数の磁極部の磁極タイプの組み合わせと異なるように、回転体、１周にわたって磁極部を配置する。その結果、複数の磁極タイプの磁化検出データの組み合わせから、そのときの回転体の絶対角度が一義的に決定できる。
なお、上記ある領域と上記他の領域とは、部分的に重複してもよいし、全く離隔した領域であってもよい。
磁気検出センサが、回転する回転体に配置された上記複数の磁極部の磁化状態を検出し、回転体の回転に応じた時系列のパルス信号を出力する。
角度検出回路は、磁気検出センサから出力される、上記第１磁極タイプと第２磁極タイプとの組み合わせに基づいて規定される、対応する角度信号を出力する。

なお、磁気検出センサと、複数の磁極部とは、相対的な位置関係にあればよい。たとえば、上述したように、回転体に複数の磁極部が配設されていて、固定部に磁気検出センサが配設されていてもよく、逆に、回転体に磁気検出センサが配設されていて、固定部に複数の磁極部が配設されていてもよい。
さらに、磁極部は、上述した第１および第２磁極タイプに着磁された磁石を有する磁極部を事前に製造しておき、回転体に固定して配設することもできるし、あるいは、回転体に磁気材料で磁化形成部を形成しておき、その磁化形成部に回転体の円周に沿って上述した第１および第２磁極タイプに着磁していくこともできる。

本発明においては、１磁極部が占める角度の整数倍の角度（上記順序列の組み合わせを規定する複数の磁極部の占める角度）の精度で、回転体の絶対角度が一義的に決定できる。その結果、回転体の任意の絶対角度を早期に検出できる。
また本発明によれば、上記角度検出を利用して回転体の回転速度を求めることもできる。

本発明のエンコーダは、簡単な構成で実現できる。その結果、実用性に富み、製造が容易で、低価格のエンコーダを提供できる。

各磁極部を、第１磁極（たとえば、Ｎ極）の領域が、第２磁極（たとえば、Ｓ極）の領域より広い（占有比率が高い）第１磁極タイプと、第１磁極の領域が第２磁極の領域より狭い（占有比率が低い）第２磁極タイプとのいずれかで構成し、ある領域が第１磁極タイプと第２磁極タイプとの磁極部を複数個、適宜組み合わせて構成できるので、種々の組み合わせをとることができ、角度の識別性が高い。
高い識別性を利用して、角度の分解能を高めることができる。その結果、精度が高くなる、さらに角度の早期検出が可能となる。

本発明のエンコーダは、クランク角度検出用エンコーダ、カム角エンコーダなどに好適である。
たとえば、このエンコーダをクランク角度検出用エンコーダとして用いれば、エンジンの回転角度を、エンジンの回転開始から、所定の磁極部が回転する早期のタイミングで迅速に検出できる。
カム角度検出用エンコーダについても同様である。

第１実施の形態
本発明のエンコーダの１実施の形態としてクランク角度検出用エンコーダを例示して述べる。
図１〜図５を参照して本発明の第１実施の形態としてのクランク角度検出用エンコーダについて述べる。

図１は本発明のエンコーダ装置の構成を示す図である。図１（Ａ）はエンコーダ装置の概略構成図である。図１（Ｂ）は図１（Ａ）に図解した回転軸１０に設けられた磁極部１２と、第１および２磁気検出センサとの位置関係を示す断面図である。
回転軸１０は、たとえば、車両のクランク軸であり、エンジンの回転に応じて回転する。
回転軸１０にはその円周に沿って磁極部１２が設けられている。
磁極部１２の磁化状態を検出可能なように、磁極部１２に接近して、第１磁気検出センサ（以下、第１検出センサ）１と、第２磁気検出センサ（以下、第２検出センサ）２とが、磁極部１２の磁化を検出可能に配置されている。
第１センサ１の検出信号Ｓ１から求めた第１センサ検出パルスＰＬＳ１と、第２センサ２の検出信号Ｓ２から求めた第２センサ検出パルスＰＬＳ２とを用いて、角度検出回路１００において回転軸１０の絶対角度を検出する。その詳細は後述する。

磁極部
図２は図１に図解した磁極部１２のパターンとその判定結果を示す図である。
図２（Ａ）は、図１に示した磁極部１２を平坦に延ばして図解した図である。
本例では、回転軸１０の１周に３６個の磁極部を設けている。よって、本例では、１磁極部の分解能は１０度である。
各磁極部は、１対の磁石、すなわち、第１検出センサ１、第２検出センサ２に対向する面が、Ｎ極（第１磁極）の磁石とＳ極（第２磁極）の磁石とで構成している。
ただし、各磁極部のＮ極とＳ極との占有比率が異なる。図２（Ａ）に「Ａ」、「Ｂ」として図解し、その詳細を図２（Ｃ）に図解したように、Ｎ極とＳ極との占有比率を２種設定した。その磁極タイプを、Ａ磁極タイプとＢ磁極タイプという。
なお、Ａ磁極タイプが本発明の第２磁極タイプに対応し、Ｂ磁極タイプが本発明の第１磁極タイプに対応している。

Ａ磁極タイプは、１磁極部内のＳ極の占有面積がＮ極の占有面積より広い。よって、第１検出センサ１または第２検出センサ２でこの磁極部の磁化状態を検出すると、Ｓ極を検出する期間が長く、Ｎ極を検出する期間が短い。このように、Ｓ極とＮ極との占有比率の相違が、第１検出センサ１または第２検出センサ２で検出する信号のデューティ比の相違となる。
他方、Ｂ磁極タイプは、１磁極部内のＮ極の占有面積がＳ極の占有面積より広い。よって、第１検出センサ１または第２検出センサ２でこの磁極部の磁化状態を検出すると、Ｎ極を検出する期間が長く、Ｓ極を検出する期間が短い。上記同様、Ｓ極とＮ極との占有比率の相違が、第１検出センサ１または第２検出センサ２で検出する信号のデューティ比の相違となる。

磁極部の形成方法について述べる。
第１の方法は、上述した第１および第２磁極タイプに着磁された磁石を有する磁極部を事前に製造しておき、回転体に固定して配設することもできる。
第２の方法としては、回転体に磁気材料で磁化形成部を形成しておき、その磁化形成部に回転体の円周に沿って上述した第１および第２磁極タイプに着磁していくこともできる。

占有比率の例を述べる。
Ａ磁極タイプは、たとえば、Ｎ極の占有比率が１磁極部の３０〜４０％、Ｓ極の占有比率が１磁極部の７０〜６０％である。他方、Ｂ磁極タイプは、たとえば、Ｎ極の占有比率が１磁極部の６０〜７０％、Ｓ極の占有比率が１磁極部の４０〜３０％である。
１磁極内のＮ極とＳ極との占有比率（デューティ比）は、一方が他方より大きくなっていれば、占有比率は任意に決定することができる。ただし、第１磁気検出センサ１と第２磁気検出センサ２との離隔間隔（ピッチ）、高速で回転する回転軸１０の回転速度、回転軸１０に対して第１磁気検出センサ１および第２磁気検出センサ２の検出の限界などを考慮して、ある程度裕度を持って決定する。
以下、本実施の形態では、Ａ磁極タイプは、Ｎ極の占有比率が１磁極部の４０％、Ｓ極の占有比率が１磁極部の６０％、Ｂ磁極タイプは、Ｎ極の占有比率が１磁極部の６０％、Ｓ極の占有比率が１磁極部の４０％である場合を例示して述べる。

本実施の形態では、６個の連続する磁極部について、Ａ磁極タイプとＢ磁極タイプの磁極部との組み合わせと、その順序が、回転体１周のいたる至る所で、同じパターンがないように設計している。
たとえば、６個の磁極部の磁極タイプとその順序を下記に例示する。

［表１］
（１）０度〜６０度の範囲、「ＡＡＡＡＡＡ」
（２）１０〜７０度の範囲、「ＡＡＡＡＡＢ」
（３）２０〜８０度の範囲、「ＡＡＡＡＢＡ」
（４）３０〜９０度の範囲、「ＡＡＡＢＡＡ」
（５）４０〜１００度の範囲、「ＡＡＢＡＡＡ」
（６）５０〜１１０度の範囲、「ＡＢＡＡＡＡ」
（７）６０〜１２０度の範囲、「ＢＡＡＡＡＢ」
（８）１２０〜１８０度の範囲、「ＢＡＡＡＢＡ」
（９）１８０〜２４０度の範囲、「ＢＡＡＡＢＢ」
（１０）２４０〜３００度の範囲、「ＢＡＡＢＡＡ」
（１１）３００〜３６０度の範囲、「ＢＢＢＢＢＢ」
（１２）３３０〜０３０度の範囲、「ＢＢＢＡＡＡ」

後述するように、角度検出回路１００において、第１センサの検出信号Ｓ１と、第２センサの検出信号Ｓ２とから、たとえば、Ｂ磁極タイプの場合を論理１としＡ磁極タイプの場合を論理０として判定すると、図２（Ｂ）に図解したような時系列のパルス信号が、回転体１０の回転に応じて得られる。
上述した例について述べると、たとえば、「０，０，０，０，０，０」の６個のパルス列が得られた場合、回転軸１０の角度が６０度であることが判る。同様に、「０，０，０，０，０，１」の６個のパルス列が得られた場合、回転軸１０の角度が７０度であることが判る。
このように、最小分解能が１磁極部の幅に対応する角度、本例では、最小角度である１０度の分解能で、連続する複数の、本例では６個の磁極部が占める範囲の角度を一義的に検出できる。つまり、連続する６個の磁極部の磁極タイプを検出すると、そのときの回転体１０の角度を検出することができる。
この角度検出は、回転体１０の絶対角度を一義的（ユニークに）かつ瞬時にできることを意味する。

なお、本実施の形態は、回転軸１０の１回転の終わりは始まりとが明瞭に区別されるように、０〜６０度の領域の磁極タイプと、３００〜３６０度の領域の磁極タイプを、「ＡＡＡＡＡＡ」と、「ＢＢＢＢＢＢ」とに設定している。
たとえば、このように着磁しておくと、保守点検などを行う場合に、磁極タイプの順序列を判定が容易であるから、回転体１０の基準位置、たとえば、上死点などの位置の検出に便利である。

図３（Ａ）、ａ〜ｅは、Ａ磁極タイプの磁極部を第１検出センサ１と第２検出センサ２とで検出したときの磁極部内の一部のＮ極とＳ極との位置関係、磁束変化、第１センサ検出パルスＰＬＳ１と第２センサ検出パルスＰＬＳ２の波形を示す図である。
図３（Ｂ）、ａ〜ｅは、Ｂ磁極タイプの磁極部を第１検出センサ１と第２検出センサ２とで検出したときの磁極部内の一部のＮ極とＳ極との位置関係、磁束変化、第１センサ検出パルスＰＬＳ１と第２センサ検出パルスＰＬＳ２の波形を示す図である。
第１センサ検出パルスＰＬＳ１と第２センサ検出パルスＰＬＳ２は、角度検出回路１００において、第１センサの検出信号Ｓ１および第２センサの検出信号Ｓ２について、基準レベルＲＥＦを磁束の０クロス位置として、基準レベルＲＥＦ以上の磁束検出値を「ハイレベル」として、基準レベルＲＥＦ未満の磁束検出値を「ローレベル」として図解したものである。

第１検出センサ１と第２検出センサ２とは、たとえば、１磁極部の幅（ピッチ）ｐの半分の幅ｐ／２で、磁化領域（Ｎ極、Ｓ極）を検出可能に配置されている。なお、第１検出センサ１と第２検出センサ２の間隔は、各磁極部内の広い磁極領域を検出可能な間隔で配置されていればよい。
具体的には、第１検出センサ１と第２検出センサ２とは、理論上、１磁極部の幅（ピッチ）ｐに第２磁極タイプ（本例のＡ磁極タイプ）の第１磁極部（本例のＮ極）の占有比率を乗じた幅より広く、かつ、ピッチｐに第１磁極タイプ（本例のＢ磁極タイプ）の第１磁極部（本例のＮ極）の占有比率を乗じた幅より狭い範囲に設置すればよい。たとえば、本例のＡ磁極タイプのＮ極の占有比率が１磁極部の幅の４０％、Ｂ磁極タイプのＮ極の占有比率が１磁極部の幅の６０％の場合では、理論上の２つ検出センサ１、２の間隔ｄは、〔０．４ｐ＜（２つのセンサの間隔ｄ）＜０．６ｐ〕となる。ただし、２つのセンサの間隔ｄがこの理論上の臨界値に近づくと、第１検出センサ１の後に位置する第２検出センサ２での磁束検出に基づく判定に誤差をまねき易くなるので、センサの間隔ｄは１磁極部の幅（ピッチ）ｐの半分の幅ｐ／２±２％程度が好ましく、本例では２つのセンサの間隔ｄをｐ／２とした。
なお、本発明においては、２つのセンサの間隔ｄを１磁極部内でのセンサ幅ｐの任意の倍数分を加算した値に設定してもよい。具体的には、本例の場合、〔（０．４ｐ＋ｎ×ｐ）＜（センサ間隔ｄ）＜（０．６ｐ＋ｎ×ｐ）、ただし、ｎは全磁極部の数未満の任意の整数とする。〕とすることができる。この場合、１磁極部の幅の中で２つのセンサ１、２を配置することがないので、たとえば、センサ素子の寸法に比べて１磁極部の幅が狭くなる場合でも、寸法の制約を受けずに、本発明の実施が可能であり、磁極部の設計および使用するセンサ素子の融通性（自由度）に優れるという利点を有する。

回転軸１０の回転に応じて磁束は変化するが、その磁束変化は、図３（Ａ）ｂにおいては、第１センサの検出信号Ｓ１のレベルがマイナスからプラスに向かい（ローレベルからハイレベルに向かい）基準レベルＲＥＦを越えた時（０クロスしたとき）、第２センサの検出信号Ｓ２が基準レベルＲＥＦ以下（ローレベル）であることを示している。
他方、図３（Ｂ）ｂにおいては、第１センサの検出信号Ｓ１のレベルがマイナスからプラスに向かい（ローレベルからハイレベルに向かい）基準レベルＲＥＦを越えた時（０クロスしたとき）、第２センサの検出信号Ｓ２も基準レベルＲＥＦを越えている、ハイレベルであることを示している。

本実施の形態では、角度検出回路１００は、第１センサの検出信号Ｓ１のレベルがマイナスからプラスに向かい（ローレベルからハイレベルに向かい）基準レベルＲＥＦを越えたことを検出したとき（第１センサの検出信号Ｓ１のレベルが０クロスしたことを検出したとき）、第２センサの検出信号Ｓ２のレベルをチェックし、第２センサの検出信号Ｓ２のレベルが基準レベルＲＥＦを越えている場合、Ｎ極（ハイレベル）を検出したと判定する。この場合、本実施の形態では、第１論理として論理１としている。他方、角度検出回路１００は、第１センサの検出信号Ｓ１のレベルがマイナスからプラスに向かい（ローレベルからハイレベルに向かい）基準レベルＲＥＦを越えたことを検出したとき、第２センサの検出信号Ｓ２のレベルが基準レベルＲＥＦ以下の場合は、Ｓ極（ローレベル）を検出したと判定する。この場合、本実施の形態では、第２論理として論理０としている。
図２（Ｂ）は、このようにして角度検出回路１００において判定して得られた論理状態を示している。

なお、第１検出センサと第２検出センサとして、デジタル信号出力タイプのセンサものを使用した場合には、角度検出回路１００への第１センサの検出信号Ｓ１および第２センサの検出信号Ｓ２は、たとえば、図３（Ａ）ｃ，ｄに例示したデジタル型のパルスとして送られるので、角度検出回路１００における第１センサの検出信号Ｓ１がマイナスからプラス（ローレベルからハイレベル）に向かい基準レベルＲＥＦを越える時点の認識、および、第２検出センサの検出信号の判定が容易になるから、第１検出センサと第２検出センサとしてデジタル信号出力タイプのセンサを用いることが好ましい。

角度検出回路
角度検出回路１００の処理内容を述べる。
（１）論理判定
角度検出回路１００は、上述したように、たとえば、第１センサの検出信号Ｓ１のレベルがマイナスからプラス（ローレベルからハイレベル）に向かい、基準レベルＲＥＦを越えたことを検出したことを認識したとき、第２センサの検出信号Ｓ２が基準レベルＲＥＦを越えているか否かを判定する。角度検出回路１００は、第２センサの検出信号Ｓ２が基準レベルＲＥＦを越えているときは（ハイレベルのときは）、論理１のパルスを生成する。他方、第２センサの検出信号Ｓ２が基準レベルＲＥＦ以下のときは（ローレベルのときは）、論理０のパルスを生成する。

（２）パルス列の処理
角度検出回路１００には、たとえば、シリアルレジスタが設けられており、角度検出回路１００が１磁極部ごとに、上記の判定を行うたびに、判定結果の論理１または論理０のパルスをシリアルレジスタに入力する。
シリアルレジスタは、最新の連続する６パルスを保持している。すなわち、磁極部１２内の連続する６個の磁極部の磁極検出結果を保持している。

（３）角度算出
角度検出回路１００はメモリを有しており、そのメモリには、６個の時系列パルスとそのときの角度とが格納されている。
たとえば、上述した、表１の例について例示すると、下記のパルス列と、それに対応する角度データがメモリに格納されている。

［表２］
（１）０度〜６０度の範囲、「００００００」のとき、６０度
（２）１０〜７０度の範囲、「０００００１」のとき、７０度
（３）２０〜８０度の範囲、「００００１０」のとき、８０度
（４）３０〜９０度の範囲、「０００１００」のとき、９０度
（５）４０〜１００度の範囲、「００１０００」のとき、１００度
（６）５０〜１１０度の範囲、「０１００００」のとき、１１０度
（７）６０〜１２０度の範囲、「１００００１」のとき、１２０度
（８）１２０〜１８０度の範囲、「１０００１０」のとき、１８０度
（９）１８０〜２４０度の範囲、「１０００１１」のとき、２４０度
（１０）２４０〜３００度の範囲、「１００１００」のとき、３００度
（１１）３００〜３６０度の範囲、「１１１１１１」のとき、３６０度
（１２）３３０〜０３０度の範囲、「１１１０００」のとき、３０度

角度検出回路１００は、上記シリアルレジスタの６ビットの保持データを、すなわち、６ビットのパルス列データを、たとえば、上記メモリのアドレスとして用いて、上記メモリから対応する角度を読みだす。
たとえば、２進数「００００００」は１０進数で０のアドレスデータであり、２進数「１１１１１１」は１０進数６３のアドレスデータである。メモリには、本例では、０〜６４個の角度データを格納しておく。

以上により、角度検出回路１００により回転体１０の絶対角度が検出できた。
すなわち、本実施の形態では、１磁極部が占める角度の整数倍の角度（上記順序列の組み合わせを規定する複数の磁極部の占める角度）の精度で、任意の位置にある回転体の絶対角度が一義的に決定できる。その結果、回転体の任意の絶対角度を早期に検出できる。したがって、本実施の形態のクランク角度検出エンコーダは、たとえば、クランク軸の任意の位置、たとえば、上死点起点を迅速に検出できる。
角度検出回路１００は、論理判定は簡単であり、シリアルレジスタという簡単な回路を用い、さらに、メモリ容量が少なく、全体として簡単に構成できる。

回転速度検出への応用
上述した本実施の形態のエンコーダを用いて回転体１０の回転速度を検出することもできる。本実施の形態のエンコーダを用いて回転体１０の回転速度を検出する場合を述べる。
本例では、等配で形成される１センサの検出信号Ｓ１がマイナスからプラス（ローレベルからハイレベル）に向かい、基準レベルＲＥＦを越えた時点（第１磁極部の開始位置）を逐次検出し、そのら検出点の時間間隔から、回転体１０の回転速度を求めることができる。

実験例
クランク角度検出用エンコーダとして使用するために行った実験例を述べる。
エンコーダ回転軸１０に形成された磁極部１２は第１磁気検出センサ１、第２磁気検出センサ２とは、通常、１〜２ｍｍ程度のギャップ（空隙）で離間している。
本実施の形態では、１磁極部内のＮ極とＳ極との占有比率が異なるため、１磁極部内のＮ極とＳ極との磁化分布は不均一となる。したがって、たとえば、上記ギャップのもとで、各磁極部の磁束を検出可能な磁極パターンが必要となる。
図４（Ａ）、（Ｂ）は、ギャップを１．５ｍｍとした時と、２．０ｍｍとした時との磁極部１２の磁場をＥＭＦ解析し、磁力と磁極部のピッチの精度を算出したことを示すグラフである。

磁力の最大値は７０度の位置でＡ磁極タイプのパターンからＢ磁極タイプのパターンに移行する際にＮ極側に遷移する。その際のピッチ精度はその前後で悪化する。
上記例から、本実験例では、ギャップが２．０ｍｍでもピッチ精度が保たれていることが判る。この例では、Ｎ極とＳ極との占有比率をそれぞれ４０％、６０％としているためである。
たとえば、Ｎ極とＳ極との占有比率をそれぞれ３０％、７０％にすると、精度は低下することが判った。他方、Ｎ極とＳ極との占有比率が小さいと、ギャップとピッチ精度は有利になる。しかしながら、たとえば、占有比率を４５％、５５％にすると、Ｓ極とＮ極とはほぼ半分の占有比率となり、第１検出センサ１、第２検出センサ２の位置精度、角度検出精度のバラツキが発生する可能性がある。
上述して例では、ギャップが１〜２ｍｍ、占有比率が４０±３％、６０±３％が好適であった。

なお、回転軸１０の寸法、磁極数、ギャップなどの条件が異なれば、上述した占有比率と異なる最適値があることは勿論である。したがって、上記実験例は１例に過ぎない。

第２実施の形態
第１実施の形態は、図１に図解したように、２個の磁気検出センサ１、２を用いた場合について述べた。
しかしながら、１個の磁気検出センサでも、上記回転軸１０の絶対角度を検出することができる。その例を第２実施の形態として述べる。
回転軸１０に設けられた磁極部１２の磁極部の数、各磁極部内の磁極タイプ、すなわち、Ａ磁極タイプとＢ磁極タイプとは、図２（Ａ）と同じとする。
角度検出回路１００において、１個の磁気検出センサによる検出信号から、Ｎ極の検出の立ち上がりから立ち下がりまでの時間を測定する。この測定時間が、第１実施の形態における第１センサ検出パルスＰＬＳ１のデューティ比と同じ、磁極部のＮ極とＳ極とのデューティ比を示す。
角度検出回路１００は、デューティ比が大きい場合を、たとえば、Ｂ磁極タイプの磁極部として処理し、たとえば、論理１とする。
以下、角度検出回路１００において、第１実施の形態と同様の処理によって回転軸１０の角度を検出することができる。

なお、１個の磁気検出センサを用いる場合は、回転体１０が一定の速度で回転していることを想定しているから、回転軸１０が回転を開始し始めた回転速度が安定しない場合に、回転開始当初の１〜２パルス程度を無効にして、それ以降の回転体１０の回転が安定した状態の連続する複数のパルス、たとえば、６パルスを用いて角度を検出することが、正確な角度検出のためる好適である。

第３実施の形態
図５を参照して本発明のエンコーダの第４実施の形態としてカム角エンコーダについて述べる。
図５（Ａ）は、クランク角度検出用エンコーダに用いる磁極部１２の着磁パターンの１例を示す図であり、図５（Ｂ）は、カム角エンコーダに用いる磁極部１２の着磁パターンの１例を示す図である。図５（Ａ）のクランク角度検出用エンコーダはカム角エンコーダとの対比を示すため、例示的に示した。

エンジンの燃焼制御は、気筒ごとのピストンの位置、すなわち、クランクの角度に応じて行う。たとえば、４サイクルのエンジンでは、気筒の燃焼はクランクの２周ごとに行っており、たとえば、４気筒ならばクランク角度が０〜７２０度の間で１８０度ごとに燃焼させている。このため、４気筒全てを燃焼させるには、クランクが２周回転する必要があるが、１周目なのか２周目なのか区別を、クランクの１／２周期で同期回転するカムの角度に基づいて判定している。

そのようなカムの角度を検出するカム角エンコーダとして、第１〜第２実施の形態として述べた、クランク角度検出用エンコーダと同じ本発明の技術思想に基づいて、構成することができる。すなわち、以下のようにする。
（１）１磁極部内を占有比率が異なる２つの磁極分布パターン、すなわち、Ａ磁極タイプとＢ磁極タイプの磁極で磁極部を構成する。
（２）回転軸１０の１周について、図５（Ｂ）に図解したように、図５（Ａ）に図解したクランク角度検出用エンコーダの半分ずつに磁極部を配置させる。図５（Ａ）は、図１（Ａ）に図解したものと実質的に同じである。
（３）磁気検出センサは、第１実施の形態のように、２個、すなわち、第１磁気検出センサ１と第２検出センサ２とを用いてもよいし、第２実施の形態のように、１個の磁気検出センサを用いてもよい。
（４）角度検出回路１００は上述した処理を行うものを用いることができる。

このようなカム角エンコーダより、回転軸１０の１周の半分ずつ、すなわち、２分割の領域を検出することができる。

本発明のエンコーダは、上述したクランク角度検出用エンコーダ、カム角エンコーダに限らず、回転体の絶対角度を検出する各種のエンコーダとして利用できる。分解能、Ａ磁極タイプ、Ｂ磁極タイプの占有比率などは適宜、用途に応じて設定する。

また、たとえば、１磁極部内のＮ極とＳ極との間に、磁化されていない部分を設けることができる。このようにすると、Ｎ極とＳ極とのに無磁化部分が現れ、２つの磁化領域の識別が明瞭になる。

なお、磁気検出センサと、複数の磁極部とは、相対的な位置にあればよい。
たとえば、上述したように、回転体１０に複数の磁極部が配設されていて、固定部に磁気検出センサ１、２が配設されていてもよく、逆に、回転体１０に磁気検出センサ１、２が配設されていて、固定部に複数の磁極部１２が配設されていてもよい。

上述した実施の形態および例示は１例示であり、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明のエンコーダ装置の実施の形態としてクランク角度検出用エンコーダの構成を示す図であり、図１（Ａ）はエンコーダ装置の概略構成図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）に図解した回転軸に設けられた磁極部と、第１、２磁気検出センサとの位置関係を示す図である。 図２は、図１に図解した磁極部のパターンとその判定結果を示す図であり、図２（Ａ）は図１に示した磁極部の磁極パターンを示し、図２（Ｂ）は論理判定結果を示し、図２（Ｃ）は磁極タイプを示す図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）は、磁化状態の検出と論理判定結果を示す図である。 図４（Ａ）、（Ｂ）は、ギャップを１．５ｍｍとした時と、２．０ｍｍとした時との磁極部の磁場をＥＭＦ解析し、磁力と磁極部のピッチの精度を算出したことを示すグラフである。 図５（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第４実施の形態としてカム角エンコーダを示す図である。

符号の説明

１…第１磁気検出センサ、２…第２磁気検出センサ
１０…回転軸、１２…磁極部
１００…角度検出回路

Claims (3)

1. 回転体の円周に沿って、配設されたまたは形成された、複数の磁極部と、
   該磁極部から磁化信号を検出する磁気検出センサと、
   角度検出回路と
   を具備し、
   前記複数の磁極部の各々は、第１磁極の領域が第２磁極の領域より広い第１磁極タイプと、第１磁極の領域が第２磁極の領域より狭い第２磁極タイプとのいずれかで構成されており、
   前記複数の磁極部は、複数の磁極部の前記第１磁極タイプと前記第２磁極タイプとの順序列の組み合わせが、前記回転体の円周に沿った、いたる所で異なるように構成されており、
   前記角度検出回路は、前記第１磁極タイプと前記第２磁極タイプとの順序列の組み合わせと、その時の前記回転体の角度との対応を示すデータを保持しており、前記磁気検出センサで検出した信号の前記順序列の組み合わせに基づいて前記回転体の角度を決定することを特徴とする、
   エンコーダ。
2. 回転体に設けられた磁気検出センサと、
   前記回転体に設けられた磁気検出センサの回転位置と相対し、前記回転体の回転に応じた位置に、配設されたまたは形成された、複数の磁極部と、
   角度検出回路と
   を具備し、
   前記複数の磁極部の各々は、第１磁極の領域が第２磁極の領域より広い第１磁極タイプと、第１磁極の領域が第２磁極の領域より狭い第２磁極タイプとのいずれかで構成されており、
   前記複数の磁極部は、複数の磁極部の前記第１磁極タイプと前記第２磁極タイプとの順序列の組み合わせが、前記回転体の円周に沿った、いたる所で異なるように構成されており、
   前記角度検出回路は、前記第１磁極タイプと前記第２磁極タイプとの順序列の組み合わせと、その時の前記回転体の角度との対応を示すデータを保持しており、前記磁気検出センサで検出した信号の前記順序列の組み合わせに基づいて前記回転体の角度を決定することを特徴とする、
   エンコーダ。
3. 前記磁気検出センサは、前記各磁極部内の広い磁極領域を検出可能な間隔で配置された第１磁気検出センサと、第２磁気検出センサとを有し、
   前記角度検出回路は、前記第１磁気検出センサと第２磁気検出センサとの検出信号に基づいて各磁極部が前記第１磁極タイプまたは前記第２の磁極タイプかを示す第１論理のパルス信号を生成し、それ以外は第２論理のパルス信号を生成し、これらパルス信号の列に基づいて前記回転体の角度を検出する、
   請求項１または２に記載のエンコーダ。
   

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