JP6877170B2 - ロータリエンコーダ及びその絶対角度位置検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転体の絶対角度位置を検出する磁気式のロータリエンコーダと、磁気式のロータリエンコーダにおける絶対角度位置検出方法とに関する。

回転体の絶対角度位置を検出するロータリエンコーダとして、回転体に磁石を取り付けてこの磁石で発生する磁場を回転体に近接して設けられた感磁素子（磁気センサ）で検出し、検出される磁場の強度が回転体の回転角に応じて変化することに基づいて回転角を決定する磁気式のロータリエンコーダが知られている。一例として、Ｎ極とＳ極とが周方向に１極ずつ着磁された磁石を回転体の回転軸の端面に配置し、固定体ではこの磁石による磁界の大きさに比例した出力を有する感磁素子を回転軸の延長上に配置したものがある。感磁素子としては、回転軸の回転に対して相互に４５°ずれた２つの位置における磁界の強度を検出できるものを使用する。または、ホール素子のように磁界の向きも含めて磁界の強度を検出できる素子を用いる場合には、回転軸の回転に対して相互に９０°ずれた位置に感磁素子を配置する。すると、感磁素子からは、回転体の回転角に対して正弦関数（ｓｉｎ）と余弦関数（ｃｏｓ）で変化する出力が得られるから、これらの出力の比に対して逆正接（ｔａｎ^-1またはａｒｃｔａｎ）演算による角度位置演算を行うことにより、回転角すなわち回転体の絶対角度位置を求めることができる。

このような磁気式のロータリエンコーダにおいて回転角検出の分解能を高めるために、特許文献１には、上述の構成での磁石と感磁素子をそれぞれ第１磁石及び第１感磁素子としたときに、回転体にその回転軸の周りに環状に配置された第２磁石を設け、第２磁石による磁界の大きさを検出する第２感磁素子を固定体に設けることが開示されている。第２磁石では、複数対のＮ極とＳ極とが回転体の周方向に交互に沿って着磁されている。言い換えれば、複数個のＮ極とＮ極の個数と同数のＳ極とが回転体の周方向に交互に配置されている。第２感磁素子は、Ｎ極またはＳ極の単極での周方向の長さの４分の１に相当する間隔で隔たった位置のそれぞれにおける着磁の大きさ、すなわち第２磁石の着磁による磁界の大きさを検出できるように構成されている（ホール素子のように磁界の向きも含めて強度を検出できる場合には、検出位置の間隔をＮ極またはＳ極の単極での周方向の長さの半分とする）。この構成では、Ｎ極またはＳ極の単極での周方向の長さに相当する角度だけ回転体が回転したときに、第２感磁素子からは、回転体が１周回転したときに第１感磁素子から出力される正弦及び余弦出力と同様の正弦及び余弦出力が出力される。したがって、第１感磁素子の出力に基づいて逆正接演算を行って現在の回転角が第２磁石のどのＮ極またはＳ極に対応するものかを求めた上で、第２感磁素子の出力に基づいて逆正接演算を行うことにより、第２磁石でのＮ極及びＳ極の対の数に応じて分解能が向上した回転角検出を行えることになる。さらに特許文献１では、複数対のＮ極とＳ極とが回転体の周方向に交互に沿って着磁されたものをトラックとして、複数列のトラックを回転体の半径方向に並列配置し、しかも、隣接するトラック間では一方のトラックのＮ極に対しては他方のトラックのＳ極のみが接するように構成することにより、回転体の角度の検出精度を高めることが開示されている。トラックが２列であるとすればこの構成は、第２磁石は、回転体の半径方向にＮ極とＳ極とを配置したものを極対として、複数の極対を、隣接する極対間でＮ極とＳ極との配向が逆となるように環状に配置したのものであるといえる。

特許第５６６６８８６号公報

特許文献１に示す第１磁石及び第２磁石を有するロータリエンコーダでは、高い分解能で回転体の絶対角度位置を求めることができるが、絶対角度位置を求めるためには、第１感磁素子の出力と第２感磁素子の出力の各々に対し、Ａ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換及び逆正接演算を行う必要があり、処理時間が長くなり、また演算処理負荷も大きくなる、という課題がある。

本発明の目的は、処理時間を長くすることなく、また演算処理負荷も大きくすることなく、絶対角度位置を検出できるロータリエンコーダを提供することにある。

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角度を検出するロータリエンコーダであって、１対のＮ極及びＳ極が着磁された第１磁石と、第１磁石に対向してＡ１相の成分とＡ１相とは位相が異なるＢ１相の成分とを検出する第１感磁部と、を有する第１センサ部と、複数対のＮ極及びＳ極が交互に着磁された第２磁石と、第２磁石に対向しＡ２相の成分とＡ２相とは位相が異なるＢ２相の成分とを検出する第２感磁部と、を有する第２センサ部と、第２センサ部の出力から計数用のパルスを生成する回路と、パルスを計数するカウンタと、第１センサ部の出力に基づいて角度を算出する第１演算部と、第２センサ部の出力に基づいて角度を算出する第２演算部と、を備え、第１磁石と第１感磁部の一方は固定体に設けられて他方は回転体に設けられ、第２磁石と第２感磁部の一方は固定体に設けられて他方は回転体に設けられ、起動時には第１センサ部及び第２センサ部の出力に基づいて回転体の角度位置の演算を行って初期値とし、初期値は、起動時に第１演算部及び第２演算部での演算に基づいて生成された多回転絶対角度位置データであって、起動時において、多回転絶対角度位置データをカウンタでの計数値に換算した値がカウンタにおける計数の開始値としてカウンタに格納され、起動以後はカウンタにおいてパルスの計数を行い、角度位置を要求されたときに、その要求の時点でのカウンタにおける計数値と第２演算部の出力とから多回転絶対角度位置データを算出する。

本発明のロータリエンコーダの絶対角度位置検出方法は、第１センサ部と第２センサ部とを備え、第１センサ部は、１対のＮ極及びＳ極が着磁された第１磁石と、第１磁石に対向してＡ１相の成分とＡ１相とは位相が異なるＢ１相の成分とを検出する第１感磁部と、を有し、第２センサ部は、複数対のＮ極及びＳ極が交互に着磁された第２磁石と、第２磁石に対向しＡ２相の成分とＡ２相とは位相が異なるＢ２相の成分とを検出する第２感磁部とを有する第２センサ部と、を有し、第１磁石と第１感磁部の一方は固定体に設けられて他方は回転体に設けられ、第２磁石と第２感磁部の一方は固定体に設けられて他方は回転体に設けられているロータリエンコーダにおける絶対角度位置検出方法であって、起動の時には第１センサ部及び第２センサ部の出力に基づいて回転体の角度位置の演算を行って初期値とする工程と、起動の時に、初期値をカウンタでの計数値に換算した値をカウンタを前記カウンタにおける計数の開始値として前記カウンタに格納する工程と、起動の後に、第２センサ部の出力から生成される計数用のパルスについてカウンタによる計数を開始する工程と、角度位置を要求されたときに第２センサ部の出力に基づいて回転体の角度位置の演算を行う工程と、演算を行う工程で得られた結果と角度位置が要求された時点でのパルスの計数値とから多回転絶対角度位置データを算出する工程と、を有する。

このような本発明によれば、起動時に第１センサ部及び第２センサ部の出力に基づいて角度位置演算を行い、その後は、計数用のパルスを計数した結果（累算パルス数）に基づいて移動量を算出する。Ａ／Ｄ変換と逆正接演算を必要とする角度位置計算に比べ、パルスの計数ははるかに短時間かつ小さな処理負荷で実行することができるので、都度に角度位置計算を実施する場合と比較して、短時間で角度位置を求めることができる。また、角度要求があったときに第２センサ部の出力から演算された角度位置または第２演算部の出力とカウンタの計数値とから多回転絶対角度位置データを算出することにより、高分解能の絶対角度位置を得るために必要な角度位置演算は、初期値の計算を行った後は、角度位置を要求されたときに第２センサ部の出力に対してのみ行えばよく、処理時間の短縮、処理負荷の軽減を図ることができる。

本発明のロータリエンコーダにおいては、起動時には第１演算部及び第２演算部での演算に基づいて多回転絶対角度位置データを生成して初期値とし、多回転絶対角度位置データをカウンタでの計数値に換算した値をカウンタに格納し、カウンタが、その格納された値を開始値として計数を行うので、カウンタの値を参照することで、概略すなわち精度が粗いものの起動以後の多回転絶対角度位置を知ることができる。

本発明では、パルスとして、第２センサ部の出力における１周期の長さを４分割したタイミングの各々に対応するものを用いることができる。実際には、Ａ２相とＢ２相との移相がずれていることにより、これらの相の各々での極性の反転が起こるタイミングからパルスを生成することができる。第２磁石において周方向にｎ個のＮ極とｎ個のＳ極とが１列に配置しているとすれば、パルスによる分解能は回転体の１回転あたり８ｎとなり、概略角度位置の分解能を高めることができる。

本発明では、第１感磁部として、Ａ１相に対応する磁気抵抗パターンとＢ１相に対応する磁気抵抗パターンとを備える磁気抵抗効果素子と、回転体の回転軸にからみて９０°相隔たった位置に配置された１対のホール素子とからなるものを用い、１対のホール素子からの信号の極性の組み合わせに基づいて計数を行ってホールカウント多回転データを生成するようにしてもよい。この構成では、ホール素子を用いることにより、角度位置演算に用いるセンサの種類によらず、多回転データを容易に得ることができるようになる。

本発明では、Ａ１相の成分とＢ１相の成分とが第１センサ部から出力される正弦波の信号の４分の１周期に対応する位相で相互にずれるようにし、Ａ２相の成分とＢ２相の成分とが第２センサ部から出力される正弦波の信号の４分の１周期に対応する位相で相互にずれるようにしてもよい。このような位相のずれのある成分を用いることにより、それぞれの成分が正弦関数（ｓｉｎ）及び余弦関数（ｃｏｓ）によって表されるようになり、逆正接演算によって容易に回転角を算出できるようになる。

本発明によれば、ロータリエンコーダにおいて、処理時間を長くすることなく、また演算処理負荷も大きくすることなく、絶対角度位置を検出できるようになる。

本発明の実施の一形態のロータリエンコーダを説明する図である。 磁石、感磁素子及びホール素子のレイアウトを説明する平面図である。 感磁素子の等価回路図である。 ロータリエンコーダの動作原理を説明する図である。 ロータリエンコーダの動作を説明するフローチャートである。 絶対角度位置の決定方法を説明する図である。 絶対角度位置の決定方法を説明する図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照する。図１は、本発明の実施の一形態のロータリエンコーダについて、回転角を求めるために用いられる構成の全体を示しており、図２は、このロータリエンコーダでの磁石と感磁素子とホール素子の配置を示している。後述するようにホール素子は回転角の象限を判別するために設けられている。本実施形態のロータリエンコーダは、感磁素子から出力される信号を処理して絶対角度位置を決定するための処理回路において特許文献１に記載されたものと異なっており、外観や機械的構造に関しては特許文献１に記載されたものと同様である。したがって、本実施形態のロータリエンコーダに関し、外観や測定対象への取り付け部分についての説明は省略する。またこのロータリエンコーダは、所定の原点位置から回転体が何回転したかを知ることができる多回転ロータリエンコーダとして構成されている。

ロータリエンコーダは、モータなどの測定対象の回転軸に結合する回転体と、測定対象の回転軸には結合せずに固定している固定体とを有する。回転体には、第１磁石２０と、第２磁石３０と、第１磁石２０と第２磁石３０との間に設けられて両者の間を磁気的に遮蔽するシールド部材７０とが設けられている。図１において、回転体の回転軸Ｌの軸線方向が一点鎖線で示されている。また、各磁石１０，２０に対して付された「Ｎ」及び「Ｓ」の符号は、その符号が付された位置が着磁面であり、その符号で示される磁気極性で着磁されていることを示している。固定体には、第１磁石２０が発生する磁界の大きさを検出する第１感磁素子４０と、第１磁石２０が発生する磁界の極性を検出する第１及び第２ホール素子５１，５２と、第２磁石３０が発生する磁界を検出する第２感磁素子６０とが設けられている。第１磁石２０と第１感磁素子４０と第１及び第２ホール素子５１，５２とにより第１センサ部１ａが構成され、第２磁石３０及び第２感磁素子６０により第２センサ部１ｂが構成されている。第１感磁素子４０と第１及び第２ホール素子５１，５２によって第１感磁部が構成される。第２感磁素子６０は第２感磁部を構成する。

第１センサ部１ａにおいて、回転体に設けられる第１磁石２０は、Ｎ極とＳ極とが周方向において１極ずつ着磁された着磁面を有し、Ｎ極及びＳ極の両方の着磁面を合わせた形状は略円形であって、その中心は回転軸Ｌと一致している。固定体に設けられる第１感磁素子４０は、第１磁石２０の着磁面に対向して設けられている。第１及び第２ホール素子５１，５２は、回転軸からみて相互に９０°隔たるようにして、第１磁石２０の着磁面に対応して設けられている。第１感磁素子４０は、例えば磁気抵抗効果素子により構成されたものであり、回転軸Ｌの回転の位相において相互に電気角で９０°ずれた磁界の大きさの成分を検出できるように、細長い形状の４個の磁気抵抗パターン４１〜４４から構成されている。電気角については後述する。磁気抵抗パターン４１〜４４は回転軸を中心として、４５°ずつ分離して扇形に配置されている。磁気抵抗パターン４１，４３は、Ａ１相に対応するものであって、図３（ａ）に示すように、電源電圧Ｖｃｃと接地電位ＧＮＤとの間に並列に接続されてブリッジ回路を構成し、それぞれの中点から±ａで表される差動出力が得られるようになっている。同様に、抵抗パターン４２，４４は、Ｂ１相に対応するものであって、図３（ｂ）に示すように、電源電圧Ｖｃｃと接地電位ＧＮＤとの間に並列に接続されてブリッジ回路を構成し、それぞれの中点から±ｂで表される差動出力が得られるようになっている。このように第１センサ部１ａでは、第１磁石２０として１対のＮ極とＳ極とを有するものが使用されるから、第１センサ部１ａを１分割センサ部とも呼ぶ。

後述するようにこのロータリエンコーダでは、回転体が実際に１回転する間に、Ａ１相及びＢ１相は、いずれも正弦波形で２周期分変化する。そこで、ロータリエンコーダにおいて回転体の実際の回転角（幾何学的あるいは機械的に図られる角度）を機械角と呼び、感磁素子からの信号の位相から定まる角度を電気角と呼ぶ。磁界の大きさだけを検出でき磁界の極性を検出できない素子を用いる場合には、電気角は、機械角の２倍の値として表される。Ａ１相に対応する磁気抵抗パターン４１，４３とＢ１相に対応する磁気抵抗パターン４２，４４とは電気角に換算すれば９０°の位相差を発生するようにずれているから、Ａ１相は正弦成分（ｓｉｎ）に対応し、Ｂ１相は余弦成分（ｃｏｓ）に対応する。磁気抵抗パターン４１，４３は、それぞれ、電気角で相互に１８０°の位相差を有する（ｓｉｎ−）成分と（ｓｉｎ＋）成分に対応し、磁気抵抗パターン４２，４４は、それぞれ、電気角で相互に１８０°の位相差を有する（ｃｏｓ−）成分と（ｃｏｓ＋）成分に対応することになる。

第２センサ部１ｂにおいて、回転体に設けられる第２磁石３０は、回転軸Ｌと同軸の環状のものであって、第１磁石２０に対しては半径方向の外側で離間するように設けられている。第２磁石３０は、Ｎ極とＳ極とが周方向において等間隔で交互に複数着磁された環状の着磁面からなる２つの環状のトラック３１，３２からなり、これらのトラック３１，３２は半径方向に相互に接している。内側のトラック３１と外側のトラック３２との間で、Ｎ極とＳ極とは周方向に１極分ずれている。その結果、回転軸Ｌからみて半径方向にＮ極とＳ極とを配置したものを極対として、第２磁石３０では、隣接する極対間ではＮ極とＳ極との配向が逆となるように複数の極対が環状に配置されていることになる。トラック３１，３２の各々ごとに、ｎ（ｎは２以上の整数）個のＮ極とｎ個のＳ極が着磁面として設けられているとすると、極対の数は２ｎである。極対の数２ｎは、図１では説明のために１６となっているが、実際には例えば１２８である。固定体に設けられる第２感磁素子６０は、例えば磁気抵抗効果素子により構成されたものであって、トラック３１，３２が相互に接する位置に対応して、第２磁石３０の着磁面に対向するように配置されている。第２磁石３０による磁界の強さは、周方向にトラック３１，３２が相互に接する位置に沿って、Ｎ極あるいはＳ極の１極分の長さ（極対数が１２８であれば、３６０／１２８＝２．８１２５であるので機械角で２．８１２５°）を周期として正弦波状に変化する。そこで、第２磁石３０については、Ｎ極あるいはＳ極の１極分の長さが電気角における３６０°に対応するものとする。第２センサ部１ｂは、第２磁石３０としてＮ極とＳ極とを複数対設けているから、第２センサ部１ｂを多分割センサ部とも呼ぶ。

第２感磁素子６０では、周方向での１極分の長さの１／４の間隔で４個の磁気抵抗パターン６１〜６４が周方向に沿って配置されている。各磁気抵抗パターン６１〜６４は、回転体の半径方向に延びる細長い形状を有する。第２感磁素子６０は、その中心がトラック３１，３２とが接する位置の上にくるように、第２磁石３０に対応して設けられている。第２感磁素子６０では、磁気抵抗パターン６１〜６４によって、第１感磁素子４０の場合と同様に、第２磁石３０の位相に対し、電気角で相互に９０°の位相差を有するＡ２相（ｓｉｎ）の磁気抵抗パターンとＢ２相（ｃｏｓ）の磁気抵抗パターンが構成されている。Ａ２相の磁気抵抗パターンは、（ｓｉｎ＋）成分の磁気抵抗パターン６４及び（ｓｉｎ−）成分の磁気抵抗パターン６２からなり、Ｂ２相の磁気抵抗パターンは、（ｃｏｓ＋）成分の磁気抵抗パターン６３及び（ｃｏｓ−）成分の磁気抵抗パターン６１からなっている。第１感磁素子４０の場合と同様に、Ａ２相の磁気抵抗パターン６２，６４は、図３（ａ）に示すブリッジ回路を構成しており、Ｂ２相の磁気抵抗パターン６１，６３は、図３（ｂ）に示すブリッジ回路を構成している。なお、ここでは内側のトラック３１と外側のトラック３２とを設けているが、いずれか一方のトラックのみとし、そのトラックの中央位置に対応して第２感磁素子６０が配置されるようにしてもよく、そのように配置した場合においても本実施形態での絶対角度位置算出の手順をそのまま適用することができる。

本実施形態のロータリエンコーダでは、回転体の多回転での絶対角度位置を検出するために、第１感磁素子４０、第２感磁素子６０及び各ホール素子５１，５２の出力が、処理回路であるデータ処理部７０に供給されている。図１では、第１感磁素子４０及び第２感磁素子６０の各々のｓｉｎ成分及びｃｏｓ成分の信号線は１本の線で示されているが、図３の等価回路図からも明らかなように、実際にはそれぞれの信号線は差動信号線である。データ処理部７０には、第１及び第２ホール素子５１，５２の出力がそれぞれ入力してホール素子５１，５２で検出した磁界の向きをＨ／Ｌの二値信号で出力するコンパレータ７１，７２と、第１感磁素子４０のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分がそれぞれ入力してアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換を行うＡ／Ｄコンバータ７３，７４と、第２感磁素子６０のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分がそれぞれ入力してそれらの成分の正負の極性を判別するコンパレータ８１，８２と、第２感磁素子６０のｃｏｓ成分とｓｉｎ成分がそれぞれ入力してアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換を行うＡ／Ｄコンバータ８３，８４と、が設けられている。さらにデータ処理部７０には、Ａ／Ｄコンバータ７３，７４の出力に基づいて逆正接（ｔａｎ^-1）演算を行う演算部７５と、Ａ／Ｄコンバータ８３，８４の出力に基づいて逆正接（ｔａｎ^-1）演算を行う演算部８５と、コンパレータ７１，７２，８１，８２の出力と演算部７５，８５の出力とに基づいてこのロータリエンコーダの起動時における絶対位置角度を算出する初期座標計算部７６と、カウンタ設定部７７と、コンパレータ８１，８２の出力を後述するＱＥＰ信号としてこのＱＥＰ信号に基づく計数を行うＱＥＰカウンタ８６と、外部から角度要求が入力したときに、ＱＥＰカウンタ８６での計数値と演算部８５での演算結果とに基づいて多回転での絶対角度位置を計算して出力する絶対角度位置計算部８７とを備えている。カウンタ設定部７７は、初期座標計算部７６での計算結果に基づき、ＱＥＰカウンタ８６に計数の初期値を設定する。

データ処理部７０では、上述したコンパレータ７１，７２，８１，８２、Ａ／Ｄコンバータ７３，７４，８３，８４、演算部７５，８５、初期座標計算部７６、カウンタ設定部７７、ＱＥＰカウンタ８６及び絶対角度位置計算部８７の各々をハードウエア回路部品として設けるようにしてもよい。あるいは、演算部７５，８５、初期座標計算部７６、カウンタ設定部７７、ＱＥＰカウンタ８６及び絶対角度位置計算部８７をマイクロプロセッサあるいはＣＰＵとして設け、コンパレータ７１，７２，８１，８２、Ａ／Ｄコンバータ７３，７４，８３，８４をこのマイクロプロセッサに接続するハードウエア回路として設けてもよい。コンパレータ機能及びＡ／Ｄ機能を有するマイクロプロセッサ（あるいはＣＰＵ）が利用できる場合には、データ処理部の全体をマイクロプロセッサあるいはＣＰＵとして構成してもよい。

次に、本実施形態のロータリエンコーダの検出原理について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、第１センサ部１ａに関し、固定体におけるある１点を考えて、回転体の機械角の変化に対し、第１磁石２０によって形成される磁界の極性及び強度と、第１感磁素子４０からの出力（ｓｉｎ及びｃｏｓ）と、第１及び第２ホール素子５１，５２の出力とがどのように変化するかを示している。ただし、以下の説明においては、コンパレータ７１，７２を介して得られるＨまたはＬの二値信号によって、第１及び第２ホール素子５１，５２の出力を示している。図に示されるように、回転体が回転し機械角で第１磁石２０が１回転（３６０°）すると、第１感磁素子４０からは正弦波形の信号ｓｉｎ及びｃｏｓが２周期分、すなわち電気角で７２０°分、出力される。電気角をθとすれば、図４（ｂ）に示すように、これらの信号ｓｉｎ及びｃｏｓに基づいてθ＝ｔａｎ^-1（ｓｉｎ／ｃｏｓ）をしたがって計算を行うことにより、回転体の角度位置を電気角θとして定めることができる。ただし、ここで説明する例では磁気抵抗素子を使用しており機械角が１周する間に電気角は２周するから、このθだけでは絶対角度位置を求めることはできない。そこで、第１磁石２０の中心からみて相互に９０°隔てて設けられた第１及び第２ホール素子５１，５２を利用する。第１及び第２ホール素子５１，５２によれば第１磁石２０が発生する磁界の極性が判別され、図４（ａ）において一点鎖線で示すように、機械角による回転角が平面座標系におけるどの象限に位置しているかがわかるから、回転体の機械角による絶対角度位置を求めることができる。また、第１及び第２ホール素子５１，５２の信号が同時に変化することはないので、これらのいずれかにおいて信号が変化するごとに１を加算する計数を行えば、機械角での象限（９０°）単位での多回転データを得ることができる。このような多回転データをホールカウント多回転データと呼ぶ。

第２センサ部１ｂについても、周方向において第２磁石３０における隣接する２つの極対分の長さを電気角における２周分（７２０°）と考えることによって、上述した第１センサ部１ａの場合と同様にして、絶対角度位置（ここでは考えている周方向で隣接する２極対の中での周方向の位置）を求めることができる。電気角２周分に対して、ｓｉｎ及びｃｏｓの正弦波形も２周分変化する。第２センサ部１ｂは多分割センサ部であるので、第１センサ部１ａよりも高い分解能で絶対角度位置を決定できる。そこで、第１センサ部１ａによる大まかな絶対角度位置と第２センサ部１ｂによる細かい絶対角度位置とを組み合わせれば、全体として高い分解能での絶対角度位置の決定が可能になる。なお、第１センサ部１ａでの結果により大まかな絶対角度位置が分かるので、第２センサ部１ｂでは、第１センサ部１ａでの第１及び第２ホール素子５１，５２に相当するものを設ける必要はない。

以上の説明において、演算部７５，８５は逆正接演算（ｔａｎ^-1（ｓｉｎ／ｃｏｓ））を行っている。ここでの逆正接演算は、ｃｏｓ成分が０であるとゼロ除算となって実行できず、またｃｏｓ成分が０に近いと演算誤差が大きくなるが、そのような場合には、周知なように、逆余接（ｃｏｔ^-1またはａｒｃｃｏｔ）演算を行い、その値を９０°から差し引けば、回転角θを求めることができる。また、逆正接関数（ｃｏｔ）の値域は一般に−９０°＜θ＜＋９０°とされているが、本実施形態では、ｓｉｎ及びｃｏｓの正負を考慮して、０°≦θ＜３６０°の範囲で回転角θを求めるようにする。本明細書において逆正接演算というときは、このようにｃｏｓ成分が０に近い場合に行うべき逆余接演算も含め、０°≦θ＜３６０°の範囲でθを求めることをいう。また、機械角の１周が電気角の２周に対応するのは、磁界の強さを検出することができるが磁界の極性を判別することができないセンサを使用しているからである。第１感磁素子４０において、磁界の強さと同時にその磁界の極性を検出でき、磁界の極性に応じて出力の正負が決定する例えばホール素子などの素子を使用する場合には、上記の説明は、当業者には明らかなように、機械角の１周が電気角の１周に対応するものと変更される必要がある。この場合、回転角の象限を決定するために別途設けられている第１及び第２ホール素子５１，５２を設ける必要はない。また、第２感磁素子６０においてホール素子などを用いる場合には、周方向で隣接する２つの極対分の長さを電気角における１周分（３６０°）と考えることになる。

次に、本実施形態のロータリエンコーダでの処理について説明する。このロータリエンコーダでは、Ａ／Ｄコンバータ７３，７４及び演算部７５によって第１センサ部１ａに基づく絶対角度位置を決定し、この決定された絶対角度位置とＡ／Ｄコンバータ８３，８４及び演算部８５によって求められた結果とに基づいて、高分解能での最終的な絶対角度位置を求めることができる。しかしながら、Ａ／Ｄ変換の処理と各演算部７５，８５での逆正接演算は、処理時間を要したり処理負荷が大きいので、できるだけ行わないようにすることが好ましい。そこで本実施形態のロータリエンコーダでは、起動時（あるいは指定されたとき）に高分解能での絶対角度位置を算出した後は、第２センサ部１ｂの第２感磁素子６０からのｃｏｓ及びｓｉｎの成分をそれぞれコンパレータ８１，８２で処理してＱＥＰ（直交エンコーダパルス；Quadrature Encoder Pulse）信号を生成してこのＱＥＰ信号の計数のみを行うようにする。そして、外部から角度要求があったときに、第２センサ部１ｂのみに基づく絶対角度位置の計算を行い、これとＱＥＰ信号の計数値とを組み合わせて、最終的な多回転絶対角度位置データを得る。このような動作では、第１センサ部１ａに関連するＡ／Ｄコンバータ７３，７４及び演算部７５は起動時にしか使用されないこととなる。

図５は、本実施形態での動作を説明するフローチャートである。ロータリエンコーダが起動すると、まず、Ｓ１１において、Ａ／Ｄコンバータ７３，７４，８３，８４と演算部７５，８５を動作させ、第１センサ部１ａ及び第２センサ部１ｂの各々からのｃｏｓ成分及びｓｉｎ成分の信号に基づいて角度位置演算を行い、これらから得られた結果と第１及び第２ホール素子５１，５２による結果とに基づき、初期座標計算部７６が、多回転絶対角度位置の初期値を決定する。次に、Ｓ１２において、カウンタ設定部７７は、求めた多回転絶対角度位置をＱＥＰカウンタ８６での計数値に換算し、換算により得られた値をＱＥＰカウンタ８６に計数の開始値である初期値として設定する。その後、Ｓ１３において、ＱＥＰカウンタ８６における第２センサ部１ｂの出力（ｃｏｓ及びｓｉｎ）に基づくＱＥＰ信号による計数を開始する。

ここでＱＥＰ信号について説明する。ＱＥＰ信号は、第２センサ部１ｂの出力から生成される計数用のパルスである。第２センサ部１ｂの第２感磁素子６０から得られるｃｏｓ及びｓｉｎの成分は、いずれも、第２センサ部１ｂでの電気角が１８０°変化するごとに符号が反転し、かつ両者の位相は電気角で９０°ずれている。ｃｏｓまたはｓｉｎのいずれかの符号が反転するごとにＱＥＰカウンタ８６の計数値に１を加算もしく減算することとすると、電気角の３６０°ごとに計数値が４変化する。加算を行うか減算を行うかは、回転体が正方向に回転したか逆方向に回転したかに依存する。コンパレータ８１，８２が出力する二値信号（ＨまたはＬの信号）をそれぞれＱｃ，Ｑｓとすれば、ＱＥＰ信号を（Ｑｃ，Ｑｓ）として表すことができる。回転体が正方向に回転していれば、（Ｑｃ，Ｑｓ）は、（Ｈ，Ｌ）→（Ｈ，Ｈ）→（Ｌ，Ｈ）→（Ｌ，Ｌ）→（Ｈ，Ｌ）→…のように変化する。一方、逆方向に回転してれば、（Ｑｃ，Ｑｓ）は、（Ｈ，Ｌ）→（Ｌ，Ｌ）→（Ｌ，Ｈ）→（Ｈ，Ｈ）→（Ｈ，Ｌ）→…のように変化する。したがって、ある時点からＱＥＰ信号がどのように変化したかを検出することにより、回転体の回転方向を知ることができる。例えば、（Ｑｃ，Ｑｓ）が（Ｈ，Ｈ）であるとして、この状態から（Ｌ，Ｈ）に変化すれば正転であり、（Ｈ，Ｌ）に変化すれば逆転である、と判別することができる。正転か逆転に応じて１を加算するか減算するかが選択されるので、正方向への回転を続けている途中で逆方向に回転しさらに正方向に回転するような場合であっても、回転の絶対角度位置を正しく求めることができるようになる。ここで極対の数２ｎが１２８であるとすれば、機械角の１周でＱＥＰカウンタ８６の計数値は５１２（＝４×１２８）変化することになる。ＱＥＰカウンタ８６の値を５１２で除した剰余は、その時点での機械角が、第２磁石３０のどの極対に対応するものかを極対あたり２ビットで示していることになる。ＱＥＰカウンタ８６での計数を続けることにより、多回転データの取得もできることになる。この多回転データは、回転の方向を考慮した絶対角度回転位置を示すデータである。

ＱＥＰカウンタ８６での累算の計数を続けながら、Ｓ１４において角度要求の割込発生の有無を判定し、割込がなければＳ１４に戻ることにより、この割込発生を待ち受ける。角度要求の割込の発生があれば、Ｓ１５において、第２センサ部１ｂ側のＡ／Ｄコンバータ８３，８４と演算部８５を作動させ、第２センサ部１ｂの第２感磁素子６０の出力に対して逆正接演算を実行し、回転角を求める。Ｓ１６において、絶対角度位置計算部８７は、求められた回転角とこの時点でのＱＥＰカウンタ８６の計数値とに基づいて、多回転絶対角度位置を求め、Ｓ１７において、絶対角度位置データを出力する。この絶対角度位置データは、第２センサ部１ｂによる検出結果に基づいているので、十分な分解能を有するものである。また、ＱＥＰカウンタ８６による累算を継続してきているから、多回転データでもある。その後、次の角度要求に備えるために、処理はＳ１４に戻る。

以上の動作について、図６及び図７を用い、機械角の変化に対する各データ、各信号の変化を示すことにより、さらに詳しく説明する。図６において［１］は、第１及び第２ホール素子５１，５２の出力の変化を示しており、ホール素子５１，５２の出力は、それぞれ、機械角の１８０°ごとに変化しており、かつ、相互に９０°の位相差を有している。ホール素子５１，５２の出力をそれぞれＨｃ，Ｈｓとすると、（Ｈｃ，Ｈｓ）の変化の形態は、上述のＱＥＰ信号（Ｑｃ，Ｑｓ）と同様に回転体の回転方向に応じて異なる。そこで、ホール素子５１，５２の出力に基づき、いずれかのホール素子５１，５２の出力が変化したときに回転方向に応じて１を加算もしくは減算する計数を行うことによって、［２］に示すホールカウント多回転データが得られる。ホールカウント多回転データも回転の絶対回転位置に対応するデータである。図６では、多回転データとして、第ｍ回目の回転（ｍ回転）におけるデータの変化が示されている。また、第１センサ部１ａの第１感磁素子４０の出力に対して演算部７５により逆正接演算を行うことにより、［３］に示す電気角１回転データが得られる。電気角１回転データとは、回転角を示すデータであって、電気角が１回転すればもとに戻るデータ（回転の累積回数を含まないデータ）である。ここでは、機械角の１周が電気角の２周に対応するので、電気角１回転データは、機械角１回転に対して２周期となるインクリメンタル角度データであるといえる。［２］に示すホールカウント多回転データと［３］に示す電気角１回転データとを組み合わせることにより、第１センサ部１ａ（すなわち１分割センサ部）を基準とした、［４］に示す多回転絶対角度位置データが得られる。

一方、第２センサ部１ｂの第２感磁素子６０の出力に対して演算部８５により逆正接演算を行うことにより、１つの極対の周方向の長さにおいて１回転する、［５］に示す電気角１回転データが得られる。極対の数が１２８であれば、機械角１回転の範囲内で［５］に示す電気角１回転データは１２８周期を有することになる。［５］に示す第２センサ部１ｂの電気角１回転データと［４］に示す第１センサ部１ａ基準での多回転絶対角度位置データとを組み合わせることにより、［６］に示す第２センサ部１ｂ基準での多回転絶対角度位置データが得られる。［６］に示す多回転絶対角度位置データは、［４］の多回転絶対角度位置データよりも分解能が高い。［６］の多回転絶対角度位置データを求めるまでの処理が、図５に示したＳ１１での処理である。

［７］は、第２センサ部１ｂの第２感磁素子６０からのｃｏｓ成分及びｓｉｎ成分の極性をコンパレータ８１，８２判別することによって得られるＱＥＰ信号を示している。このＱＥＰ信号は、第２センサ部１ｂの電気角で表したとき、相互に９０°位相がずれてそれぞれが１８０°ごとに反転する１対の信号であり、［８］に示すように、第２センサ部１ｂの電気角での象限を示している。ここで［６］の多回転絶対角度位置データと［８］のＱＥＰ信号での象限を組み合わせることにより、第２センサ部１ｂでの電気角９０°ごとに階段状に変化する、［９］に示す多回転絶対角度位置データが得られる。［９］の多回転絶対角度位置データは、ＱＥＰカウンタ８６の計数値に１が加算または減算されるごとに変化するデータであるので、ＱＥＰカウンタ８６基準の多回転絶対角度位置データと呼ばれる。Ｓ１２（図５）においてカウンタ設定部７７は、初期値としてのＱＥＰカウンタ８６基準の多回転絶対角度位置データをＱＥＰカウンタ８６に設定する。その後、ＱＥＰカウンタ８６は、ＱＥＰ信号に基づく計数を開始（図５のＳ１３）する。以上が本実施形態のロータリエンコーダにおける起動時の動作である。［９］のＱＥＰカウンタ８６基準の多回転絶対角度位置データは、ＱＥＰカウンタ８６の計数動作によって次第に大きくなる。

角度要求の割込があったときは、Ｓ１５（図５）において、割込時点での［５］に示す第２センサ部１ｂの電気角１回転データを求め、Ｓ１６（図５）においてこの電気角１回転データと割込時点での［９］に示すＱＥＰカウンタ８６基準での多回転絶対角度位置データとを組み合わせることにより、［１０］に示す出力されるべき多回転絶対角度位置データを生成する。この多回転絶対角度位置データは、Ｓ１７（図５）において、角度要求に対する応答として、外部に出力される。ここでは、［１０］の多回転絶対角度位置データは、機械角に対して滑らかに変化するデータとして示されているが、実際には、割込時点での多回転絶対角度位置データが算出されるだけである。また、［１０］の多回転絶対角度位置データの精度は、［６］に示す第２センサ部１ｂ基準での多回転絶対角度位置データと同等のものである。

１ａ…第１センサ部、１ｂ…第２センサ部、２０…第１磁石、３０…第２磁石、４０…第１感磁素子、５１，５２…ホール素子、６０…第２感磁素子、７０…データ処理部、７１，７２，８１，８２…コンパレータ、７３，７４，８３，８４…Ａ／Ｄコンバータ、７５，８５…演算部、７６…初期座標計算部、７７…カウンタ設定部、８６…ＱＥＰカウンタ、８７…絶対角度位置計算部。

Claims (5)

1. 固定体に対する回転体の角度を検出するロータリエンコーダであって、
   １対のＮ極及びＳ極が着磁された第１磁石と、前記第１磁石に対向してＡ１相の成分と前記Ａ１相とは位相が異なるＢ１相の成分とを検出する第１感磁部と、を有する第１センサ部と、
   複数対のＮ極及びＳ極が交互に着磁された第２磁石と、前記第２磁石に対向しＡ２相の成分と前記Ａ２相とは位相が異なるＢ２相の成分とを検出する第２感磁部と、を有する第２センサ部と、
   前記第２センサ部の出力から計数用のパルスを生成する回路と、
   前記パルスを計数するカウンタと、
   前記第１センサ部の出力に基づいて角度を算出する第１演算部と、
   前記第２センサ部の出力に基づいて角度を算出する第２演算部と、
   を備え、
   前記第１磁石と前記第１感磁部の一方は前記固定体に設けられて他方は前記回転体に設けられ、前記第２磁石と前記第２感磁部の一方は前記固定体に設けられて他方は前記回転体に設けられ、
   起動時には前記第１センサ部及び前記第２センサ部の出力に基づいて前記回転体の角度位置の演算を行って初期値とし、
   前記初期値は、前記第１演算部及び前記第２演算部での演算に基づいて生成された多回転絶対角度位置データであり、前記起動時において、前記多回転絶対角度位置データを前記カウンタでの計数値に換算した値が前記カウンタにおける計数の開始値として前記カウンタに格納され、
   起動以後は前記カウンタにおいて前記パルスの計数を行い、
   角度位置を要求されたときに、その要求の時点での前記カウンタにおける計数値と前記第２演算部の出力とから多回転絶対角度位置データを算出する、ロータリエンコーダ。
2. 前記パルスは、前記第２センサ部の出力における１周期の長さを４分割したタイミングの各々に対応する、請求項１に記載のロータリエンコーダ。
3. 前記第１感磁部は、前記Ａ１相に対応する磁気抵抗パターンと前記Ｂ１相に対応する磁気抵抗パターンとを備える磁気抵抗効果素子と、前記回転体の回転軸にからみて９０°相隔たった位置に配置された１対のホール素子とからなり、
   前記１対のホール素子からの信号の極性の組み合わせに基づいて計数を行うことにより、ホールカウント多回転データが生成される、請求項１または２に記載のロータリエンコーダ。
4. 前記Ａ１相の成分と前記Ｂ１相の成分は、前記第１センサ部から出力される正弦波の信号の４分の１周期に対応する位相で相互にずれており、前記Ａ２相の成分と前記Ｂ２相の成分は、前記第２センサ部から出力される正弦波の信号の４分の１周期に対応する位相で相互にずれている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のロータリエンコーダ。
5. 第１センサ部と第２センサ部とを備え、前記第１センサ部は、１対のＮ極及びＳ極が着磁された第１磁石と、前記第１磁石に対向してＡ１相の成分と前記Ａ１相とは位相が異なるＢ１相の成分とを検出する第１感磁部と、を有し、前記第２センサ部は、複数対のＮ極及びＳ極が交互に着磁された第２磁石と、前記第２磁石に対向しＡ２相の成分と前記Ａ２相とは位相が異なるＢ２相の成分とを検出する第２感磁部とを有する第２センサ部と、を有し、前記第１磁石と前記第１感磁部の一方は固定体に設けられて他方は回転体に設けられ、前記第２磁石と前記第２感磁部の一方は前記固定体に設けられて他方は前記回転体に設けられているロータリエンコーダにおける絶対角度位置検出方法であって、
   起動の時には前記第１センサ部及び前記第２センサ部の出力に基づいて前記回転体の角度位置の演算を行って初期値とする工程と、
   前記起動の時に、前記初期値をカウンタでの計数値に換算した値を前記カウンタにおける計数の開始値として前記カウンタに格納する工程と、
   前記起動の後に、前記第２センサ部の出力から生成される計数用のパルスについて前記カウンタによる計数を開始する工程と、
   角度位置を要求されたときに前記第２センサ部の出力に基づいて前記回転体の角度位置の演算を行う工程と、
   前記演算を行う工程で得られた結果と前記角度位置が要求された時点での前記パルスの計数値とから多回転絶対角度位置データを算出する工程と、
   を有する絶対角度位置検出方法。

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