JP5769879B2 - 多回転エンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、モーター等における回転体の回転方向及び回転数を、外部からの電力供給を受けることなく、検出し保持することができる、多回転エンコーダに関する。

一般に、例えばモーター回転軸の回転角度を検出するためのロータリーエンコーダは、モーター回転軸に連結された、光学或いは磁気パターンを形成した回転ディスクと、上記光学或いは磁気パターンを読み取るための検出素子とで構成されている。この種のロータリーエンコーダには、上記検出素子によって検出されたパルス信号を積算して回転軸の回転角度を検出するインクリメント方式と、上記回転ディスク上の異なる複数のパターンから回転ディスクの絶対角度を検出するアブソリュート方式とが知られている。

また、回転軸における１回転以上の回転数を計数する手段としては、減速ギヤを介して接続された上記アブソリュート方式のエンコーダを用いるものと、上記インクリメント方式のエンコーダを用いて累積値を計数し、電気的にその値を保持するものとがある。

後者のエンコーダにおいては、回転数の計数及び保持を電子化することにより、エンコーダ構造を簡素化できるという利点があるが、外部電源遮断時にも、得られた回転数を電気的に保持しておく必要があるため、バックアップ用電池を搭載する必要がある。よって、バックアップ用電池の定期交換のため、保守性が良くないという課題がある。
一方、前者の方式では、機械式に回転数を計数し保持するため、外部電源の有無に関係なく回転数を保持できるという利点があるが、構造が複雑化し、コスト上昇及び高耐久化が困難であるという課題がある。
そこで、これらの課題を解決するために、電気的に回転数を計数して保持しながら、バックアップ電源を用いないバッテリレス方式の多回転エンコーダが提案されている。

このバッテリレス方式の多回転エンコーダとしては、大バルクハウゼン効果を有する磁性ワイヤを用いた方式が提案されている。この磁性ワイヤは、ワイヤ内部にはハード磁性体を、ワイヤ外側にはソフト磁性体を用いて構成される。上記ソフト磁性体について、外部磁界Ｈに対する磁化Ｍの関係は、図１３に示すように、ある磁界で急激に磁化Ｍが反転する振る舞い（大バルクハウゼン効果）を示す。この反転速度は、外部磁界Ｈの加え方によらず常に一定となる。そこでこれを利用して、モーター回転軸と共に回転する磁石周囲に、上記磁性ワイヤを内包したコイルを設置することにより、モーターの回転速度に依存せずに常に一定の電圧パルスをコイルから出力させることが可能となる。

図１４は、上述のバッテリレス方式の多回転エンコーダにおいて、モーター回転軸の回転数と、回転軸に対応する磁石から磁性ワイヤに加わる磁界、及びコイルから出力される電圧パルスを示す。図１４によれば、モーター回転軸の回転方向ＣＷ（時計回り）、ＣＣＷ（反時計回り）により、電圧パルスの生じる位置は、角度φだけずれるが、同じ回転方向では一定回転ごとに正負の電圧パルスが生じることがわかる。よって、この電圧パルスの電力を利用することにより、バッテリレス方式での多回転のカウントを行うことができる。

このようなバッテリレス方式を利用して、例えば特許文献１には、モーター回転軸と共に回転する２極着磁した磁石の上方に、大バルクハウゼン効果を有する磁性ワイヤを位相角が９０度となるように二つ配置して、これら二つの磁性ワイヤ上にそれぞれ巻いた各コイルから得られる正符号の電圧パルスの電力によって信号処理回路が駆動され、上記電圧パルスによって回転軸の回転数検出を行う、バッテリレス方式の多回転エンコーダが提案されている。

特開２００８−０１４７９９号公報

しかしながら、上記特許文献１の装置は、図１５から図１７を参照して以下に説明するような問題を有する。
図１５には、上記特許文献１の装置において、モーター回転軸の回転中に、上述の二つのコイルＡ、Ｂに加わる磁界と電圧パルスとの関係、並びに、コイルＡ、Ｂの状態を示す信号処理されたＡ相出力及びＢ相出力を図示している。図１５に示すように、コイルＡ、Ｂは、加わる磁界の反転に伴い、正負の異符号の電圧パルスを９０度の位相差で出力する。信号処理回路は、正符号の電圧パルスのみを抽出し、電圧パルスが生じた方のコイルの状態をハイとし、電圧パルスが生じていない方のコイルの状態をローとする。このときのモーター回転軸の回転に対するＡ相出力及びＢ相出力を図１６の（ａ）に示す。図１６の（ａ）に示すように、まず電圧パルスが生じ、このときＡ相がハイ、Ｂ相がローの場合には、回転数は、変化しない。次に電圧パルスが生じ、Ａ相がローでＢ相がハイのとき、回転数を＋１カウントアップする。

次に、モーター回転軸の回転が途中で反転した場合について述べる。図１７は、特許文献１の装置において、モーター回転軸の回転方向がＣＷからＣＣＷに反転した場合の、上記二つのコイルＡ、Ｂに加わる磁界と電圧パルスとの関係、並びに、Ａ相出力及びＢ相出力を図示している。図１７の（ａ）は、モーター回転軸の回転角が１７５＋φ／２°回転した後に、ＣＷからＣＣＷ方向に回転軸が反転した場合を示している。また、図１７の（ｂ）は、そのときのモーターの回転数に対するＡ相出力及びＢ相出力を示している。反転前の電圧パルスが生じたとき、Ａ相出力がロー、Ｂ相出力がハイであり、反転後最初に電圧パルスが生じたときのＡ相出力はロー、Ｂ相出力はハイとなる。

このように、前回の電圧パルスが生じたときと、Ａ相及びＢ相の出力状態が同じときには、回転方向が反転したと判定する。反転後、次にＡ相出力がロー、Ｂ相出力がハイになったときに、回転数を−１カウントダウンする。

更に別の角度にてモーター回転軸の回転が途中で反転した場合について述べる。図１７の（ｂ）は、モーター回転軸の回転角が１７５−φ／２°回転した後に、ＣＷからＣＣＷ方向に回転軸が反転した場合を示している。このときのモーターの回転数に対するＡ相出力及びＢ相出力を図１６の（ｃ）に示す。この場合、Ａ相出力及びＢ相出力は、ＣＷからＣＣＷの反転に関わらず、ハイからロー、ローからハイに変化する。そのため、モーター回転の反転を検出できず、回転数をカウントダウンすることができない。

このように、特許文献１の装置にあっては、回転軸の回転方向に関わらず、Ａ相出力がハイ、Ｂ相出力がローの状態から、Ａ相出力がロー、Ｂ相出力がハイの状態へ繰り返し変化するだけであるため、モーター回転軸の回転角によっては、回転軸の回転方向が逆転したときのシグナルを検出できない場合が生じる。よって、特許文献１の装置では、正確にモーター回転数を検出することができないという問題がある。

また、磁性ワイヤは、閾値をわずかに超える印加磁界が与えられて磁化反転したとき、それを更に反転する場合に発生する電圧パルスが低下することがあり、その減少量が大きい場合には信号処理回路が駆動できず、電圧パルスの検出抜けが発生する可能性があるという問題がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、従来に比べてより正確に回転軸の回転数を検出可能な多回転エンコーダを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様におけるバッテリレス多回転エンコーダは、外部からの電力供給を受けることなく、回転軸の回転方向及び回転数を検出し保持するバッテリレス多回転エンコーダであって、上記回転軸と伴に回転する磁石と、この磁石の磁界に対してバルクハウゼン効果を有する磁性ワイヤで構成され上記磁石の回転円周上に位相角をずらして配置されるＬ（≧２）個の検出コイルとを有する回転検出機構と、この回転検出機構と電気的に接続される信号処理回路と、を備える。それぞれの上記検出コイルは、上記回転軸の１回転ごとに、上記磁石の磁極数Ｎに対応してＬＮ回、正、負の異符号の電圧パルスを正、負または負、正の順で発生して上記信号処理回路へ送出する。上記信号処理回路は、それぞれの検出コイルで発生した各電圧パルスの正、負の両方の符号及び電圧パルスが生じていないことを元に、上記検出コイルの状態を又は上記検出コイルの状態とその前の検出コイルの状態をハイ、ローにて定義し、及び電圧パルスが生じていないときにはハイ又はローを維持して、この検出コイルの状態をメモリに記憶するコントローラと、コントローラから各検出コイルの状態が供給され、この状態の変化に対応して上記回転軸の回転数を更新するアダーと、を有し、上記回転軸の回転角を約１／（ＬＮ）回転単位以内で判定することを特徴とする。

本発明の一態様におけるバッテリレス多回転エンコーダによれば、信号処理回路におけるコントローラは、Ｌ個の検出コイルが送出する正、負両方の電圧パルスを用いて、電圧パルスの正負の符号及び電圧パルスが生じていないことを元に、各検出コイルの状態をハイ、ロー、及び電圧パルスが生じていないときにはハイ又はローを維持して、検出コイルの状態をメモリに記憶する。そしてこの記憶した状態を元に回転数を検出することから、回転途中で回転軸が逆転しても、数え落とすことなく回転数をカウントすることができる。よって、回転検出機構に備わる磁石の磁極数をＮとしたとき、回転軸の回転角を約１／（ＬＮ）回転以内で検出することができ、従来に比べてより正確に回転軸の回転数を検出可能となる。

本発明の実施の形態１におけるバッテリレス多回転エンコーダの構成を示す図である。 図１に示すバッテリレス多回転エンコーダに備わる各検出コイルの配置を示す説明図である。 図１に示すバッテリレス多回転エンコーダに備わる各検出コイルの磁性ワイヤに加わる磁界と各検出コイルから出力される電圧パルスとの関係、及び各検出コイルの状態を示す説明図である。 図１に示すバッテリレス多回転エンコーダにおいて、回転軸の回転に対する各検出コイルの状態を示す説明図である。 図１に示すバッテリレス多回転エンコーダに備わる各検出コイルの磁性ワイヤに加わる磁界と各検出コイルから出力される電圧パルスとのヒステリシスを示す説明図である。 図１に示すバッテリレス多回転エンコーダにおいて、回転軸の回転方向が反転するときの各検出コイルの状態を示す説明図である。 図１に示すバッテリレス多回転エンコーダにおける角検出コイルの状態と回転数を判別する信号処理テーブルとを示す図である。 本発明の実施の形態２におけるバッテリレス多回転エンコーダにおける信号処理ＩＣの構成を示す図である。 本発明の実施の形態３におけるバッテリレス多回転エンコーダにおける信号処理ＩＣの構成を示す図である。 本発明の実施の形態４におけるバッテリレス多回転エンコーダにおける検出コイルの配置を示す図である。 本発明の実施の形態４におけるバッテリレス多回転エンコーダにおける検出コイルの状態と回転数を判別する信号処理テーブルを示す図である。 本発明の実施の形態５における多回転エンコーダの構成を示す図である。 バルクハウゼンジャンプを示す磁性ワイヤの磁界Ｈ−磁化Ｍ曲線である。 磁性ワイヤに加わる磁界と検出コイルから出力される電圧パルスとの関係を示す図である。 従来のバッテリレス多回転エンコーダにおいて、磁性ワイヤに加わる磁界と各検出コイルから出力される電圧パルスとの関係、及び各検出コイルの状態を示す説明図である。 従来のバッテリレス多回転エンコーダにおいて、回転軸の回転に対する各検出コイルの状態を示す説明図である。 従来のバッテリレス多回転エンコーダにおいて、回転軸の回転方向が反転したときの磁性ワイヤに加わる磁界と各検出コイルから出力される電圧パルスとの関係、及び各検出コイルの状態を示す説明図である。

本発明の実施形態であるバッテリレス多回転エンコーダについて、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

実施の形態１．
図１には、本発明の実施の形態１によるバッテリレス多回転エンコーダ１０１の構成が示されている。本実施の形態のバッテリレス多回転エンコーダ１０１は、外部からの電力供給を受けることなく、回転軸の回転方向及び回転数を検出し保持する多回転エンコーダであり、大きく分けて、回転検出機構１１０と、この回転検出機構１１０と電気的に接続される信号処理回路１２０とを備える。

回転検出機構１１０は、図２に示すように、磁石１１１と、検出コイル１１２、１１３とを有し、回転軸１１５の回転を検出する機構である。尚、回転軸１１５は、例えばモーターの出力軸（回転軸）等が相当するが、これに限定されず、軸周り方向に回転可能な回転体が相当する。
磁石１１１は、円板状であり、回転軸１１５と同心上に取り付けられており、回転軸１１５と伴にＣＷ（時計回り）及びＣＣＷ（反時計回り）に回転する。回転軸１１５と磁石１１１とは、本実施形態ではこのように同心状に配置しているが、回転軸１１５の回動に対応して磁石１１１が回動する構成であればよい。また磁石１１１は、本実施形態では半円周ずつ２つの磁極を有するが、これ以上の磁極数を有しても良い。

検出コイル１１２、１１３は、磁石１１１の上方で磁石１１１の回転円周上に配置され、大バルクハウゼン効果を有する磁性ワイヤで形成されている。本実施形態では、２つの検出コイル１１２，１１３が設けられるが、３つ以上の検出コイルを設けても良い。

ここで、２極に着磁された磁石１１１と、検出コイル１１２、１１３との位置関係、及び、回転軸１１５の回転数の検出ロジックについて説明する。
まず、検出コイル１１２と検出コイル１１３との位置関係について説明する。大バルクハウゼン効果を有する磁性ワイヤでは、図１４を参照し説明したように、回転数φだけヒステリシスが生じるため、回転軸１１５の回転方向に関わらず、検出コイル１１２、１１３の出力がオーバーラップするのを避けるため、検出コイル１１３は、検出コイル１１２に対して、位相角がφより大きく且つ１８０−φより小さくなるように設置する。

一般的には、磁石１１１の磁極数をＮとしたとき、ヒステリシス角度φを元に、一つの第１検出コイル（例えば検出コイル１１２）に対して一又は複数の第２検出コイル（例えば検出コイル１１３）は、第１検出コイルと第２検出コイルとの位相角がヒステリシス角度φより大きく、（３６０／Ｎ）−φより小さい角度範囲に配置される。
尚、以下では、説明の簡略化のため、上記位相角を９０°として説明を行う。

図３は、磁石１１１から検出コイル１１２、１１３に加わる磁界と、検出コイル１１２，１１３から得られる電圧パルスとの関係、並びに、検出コイル１１２からの出力をデジタル化したＡ相出力、検出コイル１１３からの出力をデジタル化したＢ相出力、検出コイル１１２のＡ状態、検出コイル１１３のＢ状態を図示している。図３の（ａ）は、回転方向がＣＷ方向での図、図３の（ｂ）は、ＣＣＷ方向での図である。

Ａ相出力及びＢ相出力は、検出コイル１１２、１１３からの出力が、正符号の電圧パルスの場合にはハイ、負符号の電圧パルスの場合にはロー、電圧パルスが生じていない場合には無し（ゼロ）として出力される。

Ａ状態及びＢ状態は、それぞれ、Ａ相出力、Ｂ相出力がハイの場合には各状態をハイとし、ローの場合には状態をローとし、また、無し（ゼロ）の場合には状態を変更しない。このＡ状態及びＢ状態の回転数に対する遷移を図４に示す。図４の（ａ）は、回転軸１１５の回転方向がＣＷの場合であり、図４の（ｂ）は、回転方向がＣＣＷの場合を示す。Ａ状態及びＢ状態のそれぞれのハイ、ローの状態により、回転軸１１５の回転角は、９０°あるいはφ°から１８０°−φ°の範囲で区別することができることがわかる。そこで、Ａ状態がローからハイ、Ｂ状態がローで変更無しのとき、＋１カウントアップし、Ａ状態がハイからロー、Ｂ状態がローで変更無しのとき、−１カウントダウンとすることにより、回転方向に関係なく回転数を検出することができる。

次に、回転軸１１５の回転方向が途中で反転した場合における、回転角に対するＡ状態、Ｂ状態、及びカウント数を図６に示す。回転軸１１５の回転に伴い、検出コイル１１２，１１３から発生するそれぞれの電圧パルスにより、１回転内を領域分けすると、図５の（ａ）、（ｂ）に示すように領域Ａから領域Ｈまで８領域に分類することができる（図５の（ａ）はＣＷ方向に回転した場合、図５の（ｂ）はＣＣＷ方向に回転した場合を示す）。そのため、図６では、各領域において、回転方向がＣＷからＣＣＷに反転した場合の全てについて示している。図６におけるカウント数の項目を参照すると、どの領域で回転軸１１５が反転した場合でも、カウント数にずれが生じていないことがわかる。
尚、検出コイルを３以上、又は磁石１１１の着磁数を３以上として、１回転内の分解能を９０°あるいはφ°から１８０°−φ°の範囲より小さくしても問題はない。

次に検出コイル１１２、１１３からそれぞれ電圧パルスが生じたときの、信号処理ＩＣ（上述の信号処理回路に同じ）１２０の動作について説明する。
信号処理ＩＣ１２０は、本実施形態では図１に示すように、全波整流回路１２１、定電圧回路１２２、Ｅｎａｂｌｅ回路１２３、パルス波形符号判定回路１２４、コントローラ１２５、アダー１２６、不揮発メモリ１２７、外部回路インターフェイス１２８、及び電源切替１２９を有する。信号処理ＩＣ１２０の基本的構成部分としては、コントローラ１２５及びアダー１２６が相当する。

このような構成において、検出コイル１１２，１１３で発生したそれぞれの電圧パルスは、全波整流回路１２１、１２１でそれぞれ整流された後、定電圧回路１２２によって一定電圧にされる。この一定電圧は、Ｅｎａｂｌｅ回路１２３、パルス波形符号判定回路１２４、コントローラ１２５、アダー１２６、及び不揮発メモリ１２７に電力として供給される。なお、電源切替１２９は、定電圧回路１２２と外部からの電力供給とを切り替えて出力する機能を有し、コントローラ１２５、不揮発メモリ１２７には、電源切替１２９を介して一定電圧が供給される。また、外部電源はバックアップ電源に相当せず主電源であるので、電源切替１２９を設けたことはバッテリレス多回転エンコーダの構成に反するものではない。

次にＥｎａｂｌｅ回路１２３は、定電圧回路１２２からの電圧が十分安定したのを確認した後、パルス波形符号判定回路１２４、コントローラ１２５、アダー１２６、及び不揮発メモリ１２７へ動作開始トリガーを送信する。

動作開始トリガーを受け取ったパルス波形符号判定回路１２４は、検出コイル１１２、１１３からの各電圧パルスからＡ相出力及びＢ相出力を判定し、コントローラ１２５に送信する。
コントローラ１２５は、不揮発メモリ１２７から、前回に電圧パルスが生じたときの回転軸１１５の回転数と、Ａ状態及びＢ状態とを読み取り、これをアダー１２６に送信する。

アダー１２６は、受け取った情報（回転数、Ａ相出力Ｂ相出力、Ａ状態、Ｂ状態の値）から、図７の変換テーブルを用いて、状態Ａ、状態Ｂ及び回転数の更新を行い、最新のＡ状態、Ｂ状態、及び回転数をコントローラ１２５に送信する。
コントローラ１２５は、アダー１２６からの情報を再度不揮発メモリ１２７にアクセスし、これらの書き込みを実施する。

信号処理ＩＣ１２０は、これら一連の動作を、検出コイル１１２、１１３からの各電圧パルスによって全波整流回路１２１、及び定電圧回路１２２で発生させた電力のみで行い、且つ次の電圧パルスが生じる前に動作を終了する。

当該バッテリレス多回転エンコーダ１０１の外部から、回転軸１１５の回転数を読み取る場合には、外部回路インターフェイス１２８、コントローラ１２５の順に、これらを介して不揮発メモリ１２７にアクセスして、回転数の読み取りを行う。このとき、回転数検出の一連の動作と、外部からの読み取り動作とがバッティングしないように、コントローラ１２５が、外部からの不揮発メモリ１２７へのアクセスを制限する。また、外部からアクセスするときには、コントローラ１２５、不揮発メモリ１２７には電源切替１２９を介して外部から、外部回路インターフェイス１２８には直接外部から電力供給を行うため、検出コイル１１２，１１３の電圧パルスからの電力によらず、回転数の読み取りが可能である。

以上説明したように、バッテリレス多回転エンコーダ１０１では、二つ検出コイル１１２、１１３から生じる電圧パルスの正、負の両方の符号を用いて、検出コイル１１２、１１３の状態をＡ状態、Ｂ状態として不揮発メモリ１２７に保持することによって、途中で回転軸１１５が逆回転した場合でも、回転数を数え落とすことなく検出することができ、且つ上述の動作を、検出コイル１１２、１１３からの電圧パルスの電力のみで実行することができる。

なお、バッテリレス多回転エンコーダ１０１の組み立てるとき、または一度分解後に再度組み立てたときには、不揮発メモリ１２７にある前回電圧パルスが生じたときの状態Ａ及び状態Ｂから推定される磁石１１１と検出コイル１１２、１１３との位置関係と、実際の磁石１１１と検出コイル１１２、１１３との位置関係とは、必ずしも一致しない。そのため、初期設定モードでは、不揮発メモリ１２７にある、前回電圧パルスが生じたときの状態Ａ及び状態Ｂが実際の磁石１１１と検出コイル１１２、１１３との位置関係を反映する少なくとも電圧パルスが２回以上生じるまで、コントローラ１２５、及びアダー１２６は、回転数の更新を行わず、不揮発メモリ１２７にある状態Ａ及び状態Ｂを更新し続ける動作を行う。

実施の形態２．
図８を参照して、本発明の実施の形態２におけるバッテリレス多回転エンコーダ１０２について説明する。
本実施形態のバッテリレス多回転エンコーダ１０２も、上述のバッテリレス多回転エンコーダ１０１と同様に、回転検出機構１１０と、この回転検出機構１１０と電気的に接続される信号処理回路とを備える。本実施形態のバッテリレス多回転エンコーダ１０２では、信号処理回路１２０に代えて信号処理回路１３１を有する点で、上述のバッテリレス多回転エンコーダ１０１と相違する。また、信号処理回路１２０と信号処理回路１３１との違いは、不揮発メモリ１２７を信号処理回路の外部へ配置した点である。信号処理回路１３１におけるその他の構成は、信号処理回路１２０と同じである。

このように構成することで、バッテリレス多回転エンコーダ１０２によれば、バッテリレス多回転エンコーダ１０１と同じ効果が得られるとともに、さらに、信号処理ＩＣの製造時に、不揮発メモリ１２７用のプロセスが不要となる。よって、バッテリレス多回転エンコーダ１０２によれば、バッテリレス多回転エンコーダ１０１に比べて、信号処理ＩＣのコスト低減、製造先を増やすことが可能となり、また、不揮発メモリ１２７として汎用品を使用することが出来るため、入手性、コストの改善が可能となる。

実施の形態３．
図９を参照して、本発明の実施の形態３におけるバッテリレス多回転エンコーダ１０３について説明する。
本実施形態のバッテリレス多回転エンコーダ１０３も、上述のバッテリレス多回転エンコーダ１０１と同様に、回転検出機構１１０と、この回転検出機構１１０と電気的に接続される信号処理回路とを備える。本実施形態のバッテリレス多回転エンコーダ１０３では、信号処理回路１２０に代えて信号処理回路１３２を有する点で、上述のバッテリレス多回転エンコーダ１０１と相違する。また、信号処理回路１２０と信号処理回路１３２との違いは、全波整流回路１２１及び定電圧回路１２２を、信号処理回路の外部で、回転検出機構１１０と信号処理回路１３２との間に配置した点である。信号処理回路１３２におけるその他の構成は、信号処理回路１２０と同じである。

このように構成することで、バッテリレス多回転エンコーダ１０３によれば、バッテリレス多回転エンコーダ１０１と同じ効果が得られるとともに、さらに、信号処理回路１３２に入力される電圧値を制限することが出来る。よって、バッテリレス多回転エンコーダ１０３によれば、バッテリレス多回転エンコーダ１０１に比べて、信号処理回路１３２の入力電圧耐性を下げることができ、コスト低減を図ることができる。

実施の形態４．
図１０及び図１１を用いて実施の形態４におけるバッテリレス多回転エンコーダ１０４について説明する。
本実施形態のバッテリレス多回転エンコーダ１０４においても、上述のバッテリレス多回転エンコーダ１０１と同様に、回転検出機構と、この回転検出機構と電気的に接続される信号処理回路１２０とを備える。本実施形態のバッテリレス多回転エンコーダ１０４では、回転検出機構１１０に代えて回転検出機構１１０−４を有する点で上述のバッテリレス多回転エンコーダ１０１と相違する。図１０に、回転検出機構１１０−４の構成を図示する。

本実施形態のバッテリレス多回転エンコーダ１０４は、３個以上の検出コイル１１２，１１３，１１４を磁石１１１の回転円周上に位相角をずらせて配置し、信号処理回路１２０における不揮発性メモリ１２７は、磁石１１１の回転に伴い設定された上記検出コイルの前回と前々回とにおける状態を保持し、信号処理回路１２０は、上記検出コイルの何れかより電圧パルスが発生したことで、前回発生した電圧パルスにより設定されたコイル状態と比較し、前回のコイル状態で指定される磁石１１１の回転位置からの移動として想定される電圧パルスと上記発生した電圧パルスとが異なる状態では、上記前回及び前々回のパルス状態と上記発生電圧パルスとにより、回転軸の回転数の値を補正する、或いはエラー出力を発生するものである。

このように構成されるバッテリレス多回転エンコーダ１０４によれば、３個以上の検出コイルと前々回の検出コイルの状態の情報を用いてパルス検出が抜けた場合の訂正位置を特定できることから、回転途中で回転軸が逆転しても、数え落とすことなく回転数をカウントすることができるのみならず、一回のパルス抜けを許容した信頼性の高い回転数の検出が可能となる。

次に、本実施形態のバッテリレス多回転エンコーダ１０４の構成及び動作について、さらに詳しく説明する。
バルクハウゼン効果を有する磁性ワイヤは、図１３を用いて先に説明したように、特定の磁界により急激に磁化が反転し、コイルから一定の電圧パルスを発生する。しかしながら、印加される磁界が磁化反転の閾値より十分に大きくならない場合、つまり印加磁界が上記閾値を僅かに上回って電圧パルスを発生させた直後に磁石１１１の回転が反転するような場合には、磁石１１１の回転によって上記電圧パルスを発生させた印加磁界とは逆方向の印加磁界方向で、たとえ印加される磁界が閾値を上回ったときでも、発生する電圧パルスの強度が小さくなるという現象がある。この発生電圧パルスの低下が激しい場合には、信号処理回路１２０が動作できず、回転する磁石１１１の実際の位置と、検出した電圧パルスに保持された状態により指定される磁石１１１の想定位置とが異なる現象が発生する。

そこで本実施の形態のバッテリレス多回転エンコーダ１０４の回転検出機構１１０−４では、図１０に示すように、回転する磁石１１１に対して所定の位相にてずれた位置に、Ａ相の検出コイル１１２、Ｂ相の検出コイル１１３、Ｃ相の検出コイル１１４の３個の検出コイルを配置する。各検出コイルの配置は、本実施の形態では、磁石１１１の中心角において、検出コイル１１３に対してＣＷ方向及びＣＣＷ方向にそれぞれ６０度の位置に検出コイル１１２、１１４を配置している。しかしながら、各検出コイルの配置位置は、これに限定するものではない。また、検出コイルの数も３個以上であればよい。
また、各検出コイル１１２、１１３、１１４によって、「原点位置」から６個の角度領域に分割し、その各々を原点位置よりＣＷ方向に「領域１」から「領域６」とする。また、ＣＷ方向にＳよりＮに変化する回転磁石１１１の角度位置を「磁石基準」とする。

今、原点位置にＢ相の検出コイル１１３が配置され、磁石基準が原点位置にある状況から、磁石基準がＣＷ方向へ領域６側から領域１に移動し、これによりＢ相の検出コイル１１３において磁化反転の閾値を超えたとする。このとき、Ｂ相検出コイル１１３から電圧パルスが発生する。ここで、この電圧パルスが発生した位置から磁石１１１の回転が反転して、磁石基準が領域１から領域６に戻った場合、バッテリレス多回転エンコーダ１０４の信号処理回路１２０は、次のように動作する。即ち、上述したように、磁石１１１がＣＣＷ方向に回転することで、Ｂ相検出コイル１１３に対して逆側の磁界方向で磁石１１１からの磁界が閾値を超えて作用する。しかしながら、Ｂ相の検出コイル１１３で発生する電圧パルスが小さく信号処理回路１２０が動作しないことから、信号処理回路１２０は、磁石１１１の磁石基準の位置が領域１であることを指示するＢ相の検出コイル１１３の状態を維持する。さらに回転磁石１１１がＣＣＷ方向に進むとき、Ａ相検出コイル１１２の閾値を超えて電圧パルスが発生する。しかしながら、信号処理回路１２０は、磁石基準の位置が領域１であることを保持しており、領域１から領域６又は領域２への移動で電圧パルスが発生するのはＢ相検出コイル１１３又はＣ相検出コイル１１４だけであるので、誤動作が発生したことが検知できる。尚、以下の説明上、この動作を「先の例」と記す。

上述の、領域１の状態を保持してＡ相の検出コイル１１２に電圧パルスが発生する状況は、磁石基準がＣＣＷ方向に領域２より領域１に移動し、その後、回転の反転により領域１から領域２へ切り替わるが、電圧パルスが抜け、さらにＣＷ方向に回転して領域３に移動した場合にも同様に発生する。この場合においても先の例と同様に領域１からＡ相検出コイル１１２に電圧パルスの発生する領域移動は存在しないので誤動作の発生が検知できる。尚、説明上、この動作を「後の例」と記す。
先の例と後の例は、何れも検出コイルの前回の状態で指定される磁石１１１の磁石基準の位置が領域１で同一あり、このままでは誤動作を検知できるが補正をすることは出来ない。一方、信号処理回路１２０で保持されている検出コイルの前々回の状態で指定される磁石１１１の磁石基準の位置は先の例で領域６であり後の例では領域２であるので、両者は異なっており区別することができる。先の実施例では、領域１から領域６に移動する際の電圧パルスが抜けて領域６から領域５に移動する際のＡ相検出コイルの電圧パルスが発生したものと特定出来て、信号処理回路１２０の保持状態を領域１から１領域跳んだ領域５に補正すると共に回転数の値を−１カウント補正することが出来る。また、後の例でも同様に補正することができる。このように、前回及び前々回のパルス状態と上記発生電圧パルスとにより、パルス状態の保持状態と回転軸の回転数の値を補正することができる。
そして信号処理回路１２０は、上述のように検出パルスの状態を信号処理回路１２０の不揮発メモリ１２７に保持する。上述の状態の遷移を表にしたものが図１１である。図１１において、上述の状態に符合するものがＮｏ．６（上記「先の例」に相当）及びＮｏ．４（上記「後の例」に相当）である。前回の検出コイル状態により現領域が決定され、前々回の検出コイル状態によって前領域が決定される。上述の図１１の状態遷移表で表されない状態遷移が現れた場合は、想定されるパルス抜けと異なる事象が発生しており信号処理回路１２０ではエラーを出力する。

尚、前領域は、現領域に対し前領域からＣＷかＣＣＷかいずれの方向で遷移したかの情報を有することで一意に決定できるので、この遷移方向情報を用いて記憶する情報量を削減してもよい。
また、図１１の表中の「前領域」において「ｏｒ」で記載されているものは、正しく領域の判定が行われている場合で、前領域として現領域と隣接するいずれの領域でも、次の領域への遷移は同一となることを意味する。例えば、Ｎｏ．１の場合、前領域として「１ｏｒ３」のいずれの領域でも、次領域は「３」で、同一になる。

尚、実施の形態４におけるバッテリレス多回転エンコーダ１０４において、実施の形態２又は３で説明した構成を採ることも可能である。
また、上述の各実施の形態を適宜組み合わせた構成を採ることもできる。そのような構成では、組み合わした実施形態が奏する各効果を得ることができる。

実施の形態５．
図１２を参照して、本発明の実施の形態５における多回転エンコーダ１０５について説明する。
本実施形態の多回転エンコーダ１０５も、上述のバッテリレス多回転エンコーダ１０１〜１０３と同様に、回転検出機構１１０と、この回転検出機構１１０と電気的に接続される信号処理回路とを備える。本実施形態の多回転エンコーダ１０５では、信号処理回路１２０、１３１、１３２に代えて信号処理回路１４０を有する点で、上述のバッテリレス多回転エンコーダ１０１〜１０３と相違する。また、信号処理回路１２０と信号処理回路１４０との違いは、半波整流回路１４１を設け、バッテリ１４２を内蔵し、メモリ１４３を信号処理回路内に配置した点である。このように本実施の形態５における多回転エンコーダ１０５は、バッテリ１４２を内蔵することからバッテリレスタイプではない点で、実施の形態１〜４における多回転エンコーダとは相違する。

また、本実施の形態５における多回転エンコーダ１０５の信号処理回路１４０では、半波整流回路１４１は、検出コイル１１２，１１３で発生したそれぞれの電圧パルスの半サイクル分で整流を行い、これをパルス波形符号判定回路１２４へ出力する。また、バッテリ１４２は、電源切替１２９に接続され、定電圧回路１２２は、Ｅｎａｂｌｅ回路１２３にのみ定電圧を供給する。その他の、アダー１２１、パルス波形符号判定回路１２４、コントローラ１２５、外部回路インターフェイス１２８、メモリ１４３は、電源切替１２９を介して外部又はバッテリ１４２から電力供給を受ける。これに伴い、メモリ１４３は、不揮発性メモリである必要はなく、揮発性メモリでもよい。本実施形態では揮発性メモリを採る。
尚、信号処理回路１４０におけるその他の構成は、信号処理回路１２０と同じである。

このように構成することで、信号処理回路１４０は、常にバッテリ１４２から電力供給を受けられるため、多回転エンコーダ１０５によれば、多回転エンコーダ１０１と同じ効果が得られるとともに、さらに、集積回路で構成する信号処理回路１４０の製造時に、不揮発メモリ１２７用のプロセスが不要であり、且つ、信号処理回路１４０の低消費電力での駆動が不要となる。よって、本実施の形態５における多回転エンコーダ１０５によれば、バッテリレス多回転エンコーダ１０１に比べて、信号処理回路１４０の製造コスト低減、製造先を増やすことが可能となり、また、メモリ１４３として汎用品を使用することができるため、その入手性、コストの改善が可能となる。

尚、実施の形態５における多回転エンコーダ１０５において、実施の形態２、３又は４で説明した構成を採ることも可能である。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
又、２０１２年４月１７日に出願された、日本国特許出願Ｎｏ．特願２０１２−９４０８８号、及び２０１２年９月１１日に出願された、日本国特許出願Ｎｏ．特願２０１２−１９９１６４号における、それぞれの明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書の開示内容の全ては、参考として本明細書中に編入されるものである。

１０１〜１０３ バッテリレス多回転エンコーダ、
１０５ 多回転エンコーダ
１１０ 回転検出機構、１１１ 磁石、１１２，１１３ 検出コイル、
１１５ 回転軸、１２０ 信号処理回路、１２１ 全波整流回路、
１２２ 定電圧回路、１２４ パルス波形符号判定回路、１２５ コントローラ、
１２６ アダー、１２７ 不揮発メモリ、１３１，１３２、１４０ 信号処理回路、
１４２ バッテリ。

Claims (6)

1. 外部からの電力供給を受けることなく、回転軸の回転方向及び回転数を検出し保持するバッテリレス多回転エンコーダであって、
   上記回転軸と伴に回転する回転軸円周方向の磁極数がＮ個の磁石と、この磁石の磁界に対してバルクハウゼン効果を有する磁性ワイヤで構成され上記磁石の回転円周上に位相角をずらして配置されるＬ個、ここでＬは２以上、の検出コイルとを有する回転検出機構と、
   回転検出機構と電気的に接続される信号処理回路と、を備え、
   上記信号処理回路は、
   それぞれの検出コイルの状態と回転軸の回転数を保持する不揮発メモリ回路と、
   それぞれの検出コイルからの電圧パルスの有無及び、電圧パルス波高の正負の符号の４要素と、上記保持した状態と回転数から、今回の状態と回転軸の回転方向、回転数を判別し、新しいそれぞれの検出コイルの状態と回転数を上記不揮発メモリ回路に書き込む回路と、を備え、
   それぞれの上記検出コイルで発生した電圧パルスから上記信号処理回路を駆動するための電圧を発生する電圧回路をさらに備え、
   上記回転軸の回転角を１／（ＬＮ）回転単位以内で判定する、
   ことを特徴とするバッテリレス多回転エンコーダ。
2. 上記検出コイルは、位相角９０°で２個配置される、請求項１記載のバッテリレス多回転エンコーダ。
3. 上記不揮発メモリは、上記信号処理回路とは別設される、請求項１記載のバッテリレス多回転エンコーダ。
4. 上記回転検出機構において、上記回転軸の回転方向の違いによって上記磁性ワイヤにおいてバルクハイゼン効果が発生する回転角度のヒステリシス角度θを元に、一つの第１検出コイルに対して一又は複数の第２検出コイルは、第１検出コイルと第２検出コイルとの位相角がヒステリシス角度θより大きく、（３６０／Ｎ）−θより小さい角度範囲に配置される、請求項１から３のいずれか１項に記載のバッテリレス多回転エンコーダ。
5. ３個以上の上記検出コイルを上記磁石の回転円周上に位相角をずらせて配置し、上記信号処理回路における上記不揮発性メモリは、上記磁石の回転に伴い設定された上記検出コイルの前回と前々回とにおける状態を保持し、上記信号処理回路は、上記検出コイルの何れかより電圧パルスが発生したことで、前回発生した電圧パルスにより設定されたコイル状態と比較し、前回のコイル状態で指定される磁石の回転位置からの移動として想定される電圧パルスと上記発生した電圧パルスとが異なる状態では、上記前回及び前々回のパルス状態と上記発生電圧パルスとにより、上記回転数の値を補正する、或いはエラー出力を発生する、請求項１に記載のバッテリレス多回転エンコーダ。
6. 回転軸の回転方向及び回転数を検出し保持する多回転エンコーダであって、
   上記回転軸と伴に回転する回転軸円周方向の磁極数がＮ個の磁石と、この磁石の磁界に対してバルクハウゼン効果を有する磁性ワイヤで構成され上記磁石の回転円周上に位相角をずらして配置されるＬ個、ここでＬは２以上、の検出コイルとを有する回転検出機構と、
   回転検出機構と電気的に接続される信号処理回路と、を備え、
   上記信号処理回路は、
   それぞれの検出コイルの状態と回転軸の回転数を保持するメモリと、
   それぞれの検出コイルからの電圧パルスの有無及び、電圧パルス波高の正負の符号の４要素と、上記保持した状態と回転数から、今回の状態と回転軸の回転方向、回転数を判別し、新しいそれぞれの検出コイルの状態と回転数を上記メモリに書き込む回路と、を備え、
   それぞれの上記検出コイルで発生した電圧パルスから上記信号処理回路を駆動するための電圧を発生する電圧回路をさらに備え、
   上記回転軸の回転角を１／（ＬＮ）回転単位以内で判定する、
   ことを特徴とする多回転エンコーダ。

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