JP7076683B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転体の回転軸に減速機が接続されている場合に、回転軸の回転角度と減速機の出力軸の回転角度とに基づいて、回転軸の絶対位置を検出する位置検出装置に関する。

従来より、モータ等の回転体を備える電動アクチュエータ等には、回転体の回転軸の絶対位置を検出する位置検出装置が搭載されている。このような位置検出装置は、例えば、特許文献１～６に開示されている。

特許文献１～３には、回転体の回転軸に接続される減速機に遊星歯車を使用した多回転角度検出型の位置検出装置が開示されている。特許文献４及び５には、回転体の回転軸にコード記録媒体を取り付けると共に、回転軸に接続された減速機の出力軸に多回転角度検出器を取り付けた位置検出装置が開示されている。特許文献６には、検出した回転軸の回転角度のデータを、直交座標から極座標に変換した後に絶対位置に変換する位置検出装置が開示されている。

特開２０１３－１６４３１６号公報 特開２０１２－１４５３８０号公報 特開２００７－７８４５９号公報 特表２００２－５１３９２３号公報 特開昭６４－２３１０７号公報 特開２００３－１６１６４１号公報

しかしながら、特許文献１～３の位置検出装置では、複数個の従動歯車のシャフトに磁石を取り付け、相対した位置に複数組の回転角度検出器を取り付けるため、位置検出装置における回転軸の径方向のサイズが大きくなるという欠点がある。

また、特許文献４及び５の位置検出装置において、回転軸に取り付けられるコード記録媒体は、走査可能な特殊なコードが蒸着等によって担持された絶対位置ディスクである。そのため、高い精度が要求され、位置検出装置が高価になる。

さらに、特許文献６の位置検出装置では、絶対位置をリアルタイムで出力可能とするため、高速の演算処理装置が必要となる。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、小型及び低コストであると共に、低速の演算処理装置を用いて絶対位置の演算処理が可能な位置検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、回転体の回転軸に減速機が接続され、前記回転軸の回転角度と前記減速機の出力軸の回転角度とに基づいて、前記回転軸の絶対位置を検出する位置検出装置に関するものである。

そして、上記の目的を達成するため、本発明に係る位置検出装置は、第１～第３回転角度検出器、演算処理部及び現在位置検出部を有する。

前記第１回転角度検出器は、前記回転軸に略同軸に取り付けられた歯車のピッチ間の第１回転角度を検出する。前記第２回転角度検出器は、前記回転軸の１回転内の第２回転角度を検出する。前記第３回転角度検出器は、前記回転軸の多回転に応じた前記出力軸の１回転内の第３回転角度を検出する。

前記演算処理部は、前記位置検出装置の起動時に前記第１～第３回転角度検出器がそれぞれ検出した前記第１～第３回転角度に基づいて、前記起動時における前記回転軸の絶対位置を演算する。前記現在位置検出部は、前記回転体の駆動による前記回転軸の回転中、前記第１回転角度検出器が検出した前記第１回転角度と、前記起動時における前記回転軸の絶対位置とに基づいて、現在の前記回転軸の絶対位置を検出する。

この構成によれば、前記回転軸の軸方向に沿って前記歯車、前記減速機及び前記出力軸を設け、前記回転軸及び前記出力軸の周囲に前記第１～第３回転角度検出器を配置すれば、前記位置検出装置における前記回転軸の径方向のサイズを小さくすることができる。

また、前記第１回転角度検出器は、前記回転軸に取り付けられた前記歯車のピッチ間の前記第１回転角度を検出するため、特許文献４及び５のような特殊コードを担持したコード記録媒体が不要となる。従って、前記位置検出装置の低コスト化を図ることができる。

さらに、前記演算処理部は、前記起動時にのみ、前記第１～第３回転角度に基づいて、該起動時における停止状態の前記回転軸の絶対位置を演算する。この結果、前記現在位置検出部は、前記回転軸の回転中、前記起動時における前記回転軸の絶対位置を基準として、前記第１回転角度検出器が検出した前記第１回転角度から、現在の前記回転軸の絶対位置を擬似的に求めることができる。

すなわち、前記位置検出装置は、前記起動時にのみアブソリュート方式のロータリーエンコーダとして機能し、その後は、インクリメンタル方式のロータリーエンコーダとして機能する。つまり、前記起動時には、停止状態の前記回転軸の絶対位置を検出し、その後の前記回転軸の回転中は、前記起動時の絶対位置に対する前記回転軸の移動量に相当する前記第１回転角度を検出し、前記起動時の絶対位置に対する前記第１回転角度の位置を、現在の前記回転軸の絶対位置として求めればよい。この結果、特許文献６のようにリアルタイムでの絶対位置の演算は不要となり、低速且つ低価格の演算処理装置（ＣＰＵ）が使用可能となる。

また、従来のインクリメンタル方式のロータリーエンコーダでは、電源のオン時及びオフ時には、磁極検出動作と原点復帰動作とを行う必要があった。これに対して、本発明では、前記起動時に停止状態の前記回転軸の絶対位置を検出するので、上記の各動作が不要となる。この結果、前記位置検出装置を電動アクチュエータ等に搭載すれば、タクトタイムの短縮を図ることができる。

このように、本発明によれば、前記位置検出装置の小型化及び低コスト化を実現できると共に、低速の演算処理装置を用いて前記絶対位置の演算処理を行うことが可能となる。

ここで、前記第１～第３回転角度検出器は、下記のように構成されていることが好ましい。

先ず、前記第１回転角度検出器は、前記回転軸に略同軸に取り付けられた磁性体からなる平歯車と、該平歯車の歯先間を１サイクルとした場合、位相を互いに９０°ずらして前記平歯車に対向配置された２個の第１磁気検出素子と、第１バイアス磁石とを備える。この場合、前記各第１磁気検出素子は、前記第１回転角度に対応し且つ位相が互いに９０°ずれた第１アナログ信号をそれぞれ出力する。

従って、前記第１バイアス磁石により前記各第１磁気検出素子を含む領域に発生した磁界が前記平歯車の回転によって変化した場合、前記各第１磁気検出素子は、前記磁界の変化を前記各第１アナログ信号としてそれぞれ出力する。前記各第１アナログ信号は、前記第１回転角度に応じた信号であるため、前記演算処理部は、前記各第１アナログ信号等に基づいて、前記起動時における前記回転軸の絶対位置が、前記歯車の何番目の歯の位置に対応するのかを精度良く求めることができる。また、市販の前記平歯車を使用することが可能であるため、特許文献４及び５と比較して、前記位置検出装置のさらなる低コスト化を実現することができる。

次に、前記第２回転角度検出器は、前記回転軸に略同軸に取り付けられたリング状の第２バイアス磁石と、前記回転軸の１回転を１サイクルとした場合、位相を互いに９０°ずらして前記第２バイアス磁石に対向配置された２個の第２磁気検出素子とを備える。この場合、前記各第２磁気検出素子は、前記第２回転角度に対応し且つ位相が互いに９０°ずれた第２アナログ信号をそれぞれ出力する。

従って、前記第２バイアス磁石の回転により前記各第２磁気検出素子を含む領域に発生した磁界が変化した場合、前記各第２磁気検出素子は、前記磁界の変化を前記各第２アナログ信号としてそれぞれ出力する。前記各第２アナログ信号は、前記第２回転角度に応じた信号であるため、前記演算処理部は、前記各第２アナログ信号等に基づいて、前記起動時における前記回転軸の絶対位置が、前記回転軸の１回転内のどの角度に対応するのかを容易に求めることができる。

また、前記第３回転角度検出器は、前記出力軸に略同軸に取り付けられたリング状の第３バイアス磁石と、前記出力軸の１回転を１サイクルとした場合、位相を互いに９０°ずらして前記第３バイアス磁石に対向配置された２個の第３磁気検出素子とを備える。これにより、前記各第３磁気検出素子は、前記第３回転角度に対応し且つ位相が互いに９０°ずれた第３アナログ信号をそれぞれ出力する。

従って、前記第３バイアス磁石の回転により前記各第３磁気検出素子を含む領域に発生した磁界が変化した場合、前記各第３磁気検出素子は、前記磁界の変化を前記各第３アナログ信号としてそれぞれ出力する。この場合、前記減速機は、前記回転体の回転速度を所定の減速比で減速して前記出力軸を回転させているので、前記演算処理部は、前記各第３アナログ信号等に基づいて、前記起動時における前記回転軸の絶対位置が、前記回転軸の多回転内のどの角度に対応するのかを容易に求めることができる。

また、前記位置検出装置は、前記各第１磁気検出素子がそれぞれ出力した前記各第１アナログ信号を二相の第１パルス信号に変換するインタポレータをさらに有してもよい。この場合、前記演算処理部は、前記各第１～第３磁気検出素子がそれぞれ出力した前記各第１～第３アナログ信号に基づいて、前記起動時における前記回転軸の絶対位置を演算し、演算した前記絶対位置に応じた第２パルス信号を出力する。

これにより、前記現在位置検出部は、前記インタポレータから出力された前記各第１パルス信号と、前記演算処理部から出力された前記第２パルス信号とに基づいて、現在の前記回転軸の絶対位置を容易に検出することが可能となる。また、前記回転軸の正転又は逆転に関わりなく、前記減速機のバックラッシュの影響を無視することができる。

この場合、前記演算処理部は、前記第２パルス信号を前記起動時における前記回転軸の絶対位置に応じたパルス数のシリアル信号として前記現在位置検出部に送信すればよい。これにより、比較的低速の演算処理装置を前記演算処理部として使用し、前記シリアル信号をシリアル通信により前記現在位置検出部に送信することで、前記位置検出装置の一層の低コスト化を実現できる。

また、前記位置検出装置は、前記各第１パルス信号を逓倍した逓倍パルス信号を生成して前記現在位置検出部に出力する逓倍回路をさらに有してもよい。この場合、前記現在位置検出部は、前記起動時に前記シリアル信号に応じたパルス数をプリセットし、前記回転軸の回転中、プリセットした前記パルス数から前記逓倍パルス信号に応じたパルス数を計数することにより、現在の前記回転軸の絶対位置を検出する現在位置カウンタであればよい。

このように、前記現在位置カウンタは、プリセットした前記パルス数を基準として、前記逓倍パルス信号に応じたパルス数を計数するので、現在の前記回転軸の絶対位置を容易に且つ効率よく求めることができる。また、前記逓倍回路から前記現在位置カウンタに前記逓倍パルス信号が供給されることにより、前記現在位置カウンタにおける現在の前記回転軸の絶対位置の分解能が向上し、該絶対位置を精度よく求めることができる。

この場合、前記逓倍回路は、前記各第１パルス信号を比較することにより前記回転軸の正転又は逆転を判別し、判別した正転又は逆転の前記逓倍パルス信号を生成すればよい。これにより、前記現在位置カウンタは、現在の前記回転軸の絶対位置を正確に求めることができる。

また、前記位置検出装置は、前記現在位置カウンタに前記シリアル信号に応じたパルス数がプリセットされた場合、前記回転体を駆動させて前記回転軸を回転させる回転体駆動制御部をさらに有してもよい。これにより、プリセット後に前記回転体を動作させ、前記回転軸の回転中における該回転軸の絶対位置を確実に取得することができる。

また、本発明に係る位置検出装置は、上述の構成（以下、基本構成ともいう。）に代えて、下記の構成に変更することも可能である。

すなわち、上記の目的を達成するため、本発明に係る位置検出装置は、他の第１の構成として、第１回転角度検出器、第２回転角度検出器、演算処理部及び現在位置検出部を有する。

前記第１回転角度検出器は、前記回転軸の１回転内の第１回転角度を検出する。前記第２回転角度検出器は、前記回転軸の多回転に応じた前記出力軸の１回転内の第２回転角度を検出する。前記演算処理部は、前記位置検出装置の起動時に、前記第１回転角度検出器及び前記第２回転角度検出器がそれぞれ検出した前記第１回転角度及び前記第２回転角度に基づいて、前記起動時における前記回転軸の絶対位置を演算する。前記現在位置検出部は、前記回転体の駆動による前記回転軸の回転中、前記第１回転角度検出器が検出した前記第１回転角度と、前記起動時における前記回転軸の絶対位置とに基づいて、現在の前記回転軸の絶対位置を検出する。

この場合、前記第１回転角度検出器は、前記回転軸に略同軸に取り付けられた円柱状のバイアス磁石と、前記バイアス磁石に対向配置された磁気検出素子とを備える。前記磁気検出素子は、前記第１回転角度に対応するシリアル信号を前記演算処理部に出力し、一方で、前記第１回転角度に対応し且つ位相が互いに９０°ずれた二相のパルス信号を前記現在位置検出部に出力する。

この第１の構成では、前記シリアル信号を前記演算処理部に出力する機能と、前記二相のパルス信号を前記現在位置検出部に出力するインタポレータ処理の機能とを、前記磁気検出素子が兼ね備えている。また、前記演算処理部は、前記シリアル信号と、前記第２回転角度検出器が検出した前記第２回転角度とに基づいて、前記起動時における前記回転軸の絶対位置を演算する。従って、第１の構成によれば、前記位置検出装置の部品点数が削減されると共に、前記演算処理部での演算負荷が軽減されるので、該位置検出装置の低コスト化を図ることができる。また、前記円柱状のバイアス磁石を採用したことにより、前記第１回転角度の検出精度の向上を図ることができる。

また、第１の構成においても、前述した基本構成を有する位置検出装置の場合と同様に、下記の効果も得られる。

すなわち、前記回転軸の軸方向に沿って前記減速機及び前記出力軸を設け、前記回転軸及び前記出力軸の周囲に前記第１回転角度検出器及び前記第２回転角度検出器を配置することにより、前記回転軸の径方向のサイズを小さくすることができる。

また、前記演算処理部は、前記起動時にのみ、前記第１回転角度及び前記第２回転角度に基づいて、該起動時における停止状態の前記回転軸の絶対位置を演算する。これにより、前記現在位置検出部は、前記回転軸の回転中、前記起動時における前記回転軸の絶対位置を基準として、前記二相のパルス信号から、現在の前記回転軸の絶対位置を擬似的且つ容易に求めることができる。また、前記回転軸の正転又は逆転に関わりなく、前記減速機のバックラッシュの影響を無視することができる。

すなわち、前記位置検出装置は、前記起動時にのみアブソリュート方式のロータリーエンコーダとして機能し、その後は、インクリメンタル方式のロータリーエンコーダとして機能する。これにより、リアルタイムでの絶対位置の演算が不要となり、低速且つ低価格のＣＰＵが使用可能となる。このような位置検出装置を電動アクチュエータ等に搭載すれば、タクトタイムの短縮を図ることができる。

従って、第１の構成においても、前記位置検出装置の小型化及び低コスト化を実現できると共に、低速の演算処理装置を用いて前記絶対位置の演算処理を行うことが可能となる。

また、前記位置検出装置は、前記回転軸の回転力を前記減速機の入力軸に伝達する回転伝達機構をさらに有し、前記回転軸、前記入力軸及び前記出力軸は、略同軸に配置されていればよい。前記回転伝達機構によって、前記位置検出装置は、前記径方向に若干大きくなるが、インタポレータ機能を有する前記第１回転角度検出器を設けることにより、前記位置検出装置の部品点数が少なくなるので、装置全体の低コスト化を実現することができる。なお、前記回転伝達機構としては、例えば、減速比が１の他の減速機や、ベルトを用いた回転伝達手段のような、各種の回転伝達機構を好適に採用することができる。

さらに、上記の目的を達成するため、本発明に係る位置検出装置は、他の第２の構成として、第１～第３回転角度検出器、第１減速機、第２減速機、演算処理部及び現在位置検出部を有する。

前記第１回転角度検出器は、前記回転軸の１回転内の第１回転角度を検出する。前記第１減速機は、前記回転軸の回転速度を減速して出力する。前記第２減速機は、入力軸が前記第１減速機に接続され、該第１減速機で減速された前記回転軸の回転速度をさらに減速して前記出力軸に出力する。前記第２回転角度検出器は、前記回転軸の多回転に応じた前記入力軸の１回転内の第２回転角度を検出する。前記第３回転角度検出器は、前記回転軸の多回転に応じた前記出力軸の１回転内の第３回転角度を検出する。

前記演算処理部は、前記位置検出装置の起動時に前記第１～第３回転角度検出器がそれぞれ検出した前記第１～第３回転角度に基づいて、前記起動時における前記回転軸の絶対位置を演算する。前記現在位置検出部は、前記回転体の駆動による前記回転軸の回転中、前記第１回転角度検出器が検出した前記第１回転角度と、前記起動時における前記回転軸の絶対位置とに基づいて、現在の前記回転軸の絶対位置を検出する。

この場合、前記第１回転角度検出器は、前記回転軸に略同軸に取り付けられた円柱状のバイアス磁石と、前記バイアス磁石に対向配置された磁気検出素子とを備える。また、前記磁気検出素子は、前記第１回転角度に対応するシリアル信号を前記演算処理部に出力し、一方で、前記第１回転角度に対応し且つ位相が互いに９０°ずれた二相のパルス信号を前記現在位置検出部に出力する。

この第２の構成では、前述の第１回転角度検出器及び第２回転角度検出器を備えた位置検出装置と比較して、３つの回転角度検出器（第１～第３回転角度検出器）や２つの減速機（第１減速機、第２減速機）が備わっている。そのため、第１の構成と比較して、部品点数が多くなると共に、前記演算処理部での演算負荷が大きくなるので、コストがかかる。

しかしながら、前記第２回転角度検出器及び前記第３回転角度検出器が前記回転軸の多回転に応じた前記第２回転角度及び前記第３回転角度をそれぞれ検出し、検出された前記第２回転角度及び前記第３回転角度等を用いて前記演算処理部が前記起動時における前記回転軸の絶対位置を高精度に演算することができる。この結果、従来の位置検出装置と比較して、前記絶対位置を高精度に演算することができると共に、コストを削減することが可能となる。また、前記円柱状のバイアス磁石を採用したことにより、前記第１回転角度の検出精度の向上を図ることができる。

また、第２の構成においても、前記第１～第３回転角度検出器を備えることにより、前述した基本構成を有する位置検出装置と同様の効果が得られる。

本発明によれば、位置検出装置の小型化及び低コスト化を実現できると共に、低速の演算処理装置を用いて絶対位置の演算処理を行うことが可能となる。

本実施形態に係る位置検出装置のブロック図である。 図１の回転角度検出機構の概略構成図である。 図１及び図２の第１回転角度検出器の説明図である。 図４Ａは、第１磁気検出素子から出力された出力電圧波形の波形図であり、図４Ｂは、インタポレータにより出力電圧波形から変換された二相の第１パルス信号の波形図である。 図５Ａは、第２及び第３磁気検出素子から出力された出力電圧波形の波形図であり、図５Ｂは、１回転内の位相の変化を示す図である。 第１パルス信号及び正転パルスの波形図である。 第１パルス信号及び逆転パルスの波形図である。 図１の位置検出装置の動作を説明するためのシーケンス図である。 図１の位置検出装置の動作を説明するためのシーケンス図である。 第１変形例に係る位置検出装置のブロック図である。 図１０の回転角度検出機構の概略構成図である。 図１２Ａは、磁気検出素子から出力された二相の第１パルス信号の波形図であり、図１２Ｂは、磁気検出素子から出力されたシリアル信号の波形図である。 第２変形例に係る位置検出装置のブロック図である。 図１３の回転角度検出機構の概略構成図である。

本発明に係る位置検出装置の好適な実施形態について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。

［本実施形態の構成］
図１は、本実施形態に係る位置検出装置１０のブロック図である。

位置検出装置１０は、モータ等の回転体１２の回転軸１４の回転角度を検出する回転角度検出機構１６と、回転体１２を駆動制御するコントローラ１８とを有する。

回転軸１４には減速機２０が接続されている。減速機２０は、回転軸１４の回転速度を１／Ｎに減速して、出力軸２２を回転させる。なお、Ｎは、減速機２０の減速比である。

回転角度検出機構１６は、第１～第３回転角度検出器２４～２８、演算処理部３０及びインタポレータ３２を備える。

図１～図３に示すように、第１回転角度検出器２４は、回転軸１４に略同軸に取り付けられた平歯車３４と、平歯車３４に対向配置された２個の第１磁気検出素子３６ａ、３６ｂと、各第１磁気検出素子３６ａ、３６ｂの背後（平歯車３４の径方向外側）に配置された第１バイアス磁石３８とから構成される平歯車用角度検出器である。

平歯車３４は、回転軸１４に取り付け可能な市販の平歯車を用いることができる。２個の第１磁気検出素子３６ａ、３６ｂは、磁気抵抗素子であり、平歯車３４の歯先間（ピッチ間）を１サイクル（３６０°）とした場合、平歯車３４の周方向に、位相を互いに９０°ずらした状態で平歯車３４に対向配置されている。第１バイアス磁石３８は、各第１磁気検出素子３６ａ、３６ｂの背後において、Ｎ極を平歯車３４の径方向内側、Ｓ極を径方向外側とした状態で配置されている。

そして、第１回転角度検出器２４では、第１バイアス磁石３８により各第１磁気検出素子３６ａ、３６ｂを含む領域に磁界が発生しているときに、回転軸１４の回転動作に伴って、磁性体である平歯車３４が回転すると、該磁界が変化する。各第１磁気検出素子３６ａ、３６ｂは、この磁界の変化を電圧の変化として検出し、検出した電圧を第１アナログ信号として出力する。

図４Ａは、第１磁気検出素子３６ａ、３６ｂから出力される第１アナログ信号（出力電圧波形）の波形図である。図４Ａにおいて、Ａ相は、一方の第１磁気検出素子３６ａから出力された第１アナログ信号（正弦波信号）を示し、Ｂ相は、他方の第１磁気検出素子３６ｂから出力された第１アナログ信号（余弦波信号）を示す。また、図４Ａにおいて、横軸は、時間変化に応じた平歯車３４の回転角度である点に留意する。

前述のように、９０°位相をずらして２個の第１磁気検出素子３６ａ、３６ｂが配置されているため、Ａ相とＢ相との間には９０°の位相差が発生する。また、Ａ相及びＢ相において、３６０°の回転角度は平歯車３４の歯先間の１サイクルに相当する。すなわち、１サイクルは３６０°の電気角に対応する。従って、第１回転角度検出器２４は、平歯車３４の歯先間を１サイクルとした場合に、１サイクル内の平歯車３４の任意の位置（第１回転角度）を検出し、第１アナログ信号として演算処理部３０及びインタポレータ３２に出力する。

インタポレータ３２は、抵抗回路網を利用したアナログ電圧比較方式の位相補間回路であり、図４Ａの各第１アナログ信号について、所定の分割数Ｓで補間することにより、図４Ｂに示す９０°の位相差を有する二相の第１パルス信号に変換して、コントローラ１８に出力する。なお、後述する演算処理部３０からコントローラ１８へのシリアル通信による第２パルス信号の送信と比較して、インタポレータ３２からコントローラ１８への二相の第１パルス信号の送信は高速である。

図１及び図２に示すように、第２回転角度検出器２６は、回転軸１４に略同軸に取り付けられたリング状の第２バイアス磁石４０と、第２バイアス磁石４０に対向配置された２個の第２磁気検出素子４２ａ、４２ｂとから構成される１回転角度検出器である。

第２バイアス磁石４０は、回転軸１４における平歯車３４と減速機２０との間の箇所に取り付けられている。この場合、リング状の第２バイアス磁石４０のうち、一方の半円部分がＮ極、他方の半円部分がＳ極に割り当てられている。２個の第２磁気検出素子４２ａ、４２ｂは、ホール素子であり、回転軸１４及び第２バイアス磁石４０の１回転を１サイクル（３６０°）とした場合、回転軸１４及び第２バイアス磁石４０の周方向に、位相を互いに９０°ずらした状態で第２バイアス磁石４０に対向配置されている。

そして、第２回転角度検出器２６では、第２バイアス磁石４０により各第２磁気検出素子４２ａ、４２ｂを含む領域に磁界が発生しているときに、回転軸１４の回転動作に伴って、第２バイアス磁石４０が回転すると、該磁界が変化する。各第２磁気検出素子４２ａ、４２ｂは、この磁界の変化を電圧の変化として検出し、検出した電圧を第２アナログ信号として出力する。

図５Ａは、第２磁気検出素子４２ａ、４２ｂから出力される第２アナログ信号の波形図である。図５Ａにおいて、「Ａ」は、一方の第２磁気検出素子４２ａから出力される第２アナログ信号（余弦波信号）を示し、「Ｂ」は、他方の第２磁気検出素子４２ｂから出力される第２アナログ信号（正弦波信号）を示す。また、図５Ａにおいて、横軸は、時間変化に応じた回転軸１４及び第２バイアス磁石４０の回転角度である。

図５Ｂは、回転軸１４及び第２バイアス磁石４０の１回転内の回転角度の変化を示す。ここでは、０°に対して反時計回りの回転（Ａの位相に対してＢの位相が遅れている場合）を正転、時計回りの回転（Ｂの位相に対してＡの位相が遅れている場合）を逆転と定義する。

前述のように、９０°位相をずらして２個の第２磁気検出素子４２ａ、４２ｂが配置されているので、ＡとＢとの間には９０°の位相差がある。また、Ａ及びＢにおいて、３６０°は回転軸１４及び第２バイアス磁石４０の１サイクルに相当する。つまり、１サイクルは３６０°の電気角に相当する。従って、第２回転角度検出器２６は、回転軸１４及び第２バイアス磁石４０の１回転を１サイクルとした場合に、１サイクル内の回転軸１４及び第２バイアス磁石４０の任意の位置（第２回転角度）を検出し、第２アナログ信号として演算処理部３０に出力する。

図１及び図２に示すように、第３回転角度検出器２８は、出力軸２２に略同軸に取り付けられたリング状の第３バイアス磁石４４と、第３バイアス磁石４４に対向配置された２個の第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄとから構成される多回転角度検出器である。リング状の第３バイアス磁石４４において、一方の半円部分はＮ極、他方の半円部分はＳ極に割り当てられている。２個の第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄは、ホール素子であり、出力軸２２の１回転を１サイクル（３６０°）とした場合、出力軸２２及び第３バイアス磁石４４の周方向に、位相を互いに９０°ずらした状態で第３バイアス磁石４４に対向配置されている。

そして、第３回転角度検出器２８では、第３バイアス磁石４４により各第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄを含む領域に磁界が発生しているときに、出力軸２２の回転動作に伴って、第３バイアス磁石４４が回転すると、該磁界が変化する。各第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄは、この磁界の変化を電圧の変化として検出し、検出した電圧を第３アナログ信号として出力する。

従って、第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄから出力される第３アナログ信号の波形は、図５Ａに示すように、第２アナログ信号と同様の波形になる。なお、図５Ａにおいて、「Ｃ」は、一方の第３磁気検出素子４６ｃから出力される第３アナログ信号（余弦波信号）を示し、「Ｄ」は、他方の第３磁気検出素子４６ｄから出力される第３アナログ信号（正弦波信号）を示す。また、９０°位相をずらして２個の第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄが配置されているので、ＣとＤとの間には９０°の位相差が発生する。さらに、Ｃ及びＤにおいて、３６０°の電気角は出力軸２２及び第３バイアス磁石４４の１サイクルに相当する。

但し、減速機２０は、回転軸１４の回転速度を１／Ｎに減速して出力軸２２を回転させている。従って、第３回転角度検出器２８は、出力軸２２及び第３バイアス磁石４４の１回転を１サイクルとした場合に、多回転の回転軸１４に応じた出力軸２２及び第３バイアス磁石４４の任意の位置（第３回転角度）を検出し、第３アナログ信号として演算処理部３０に出力する。従って、回転軸１４の最大回転量は、出力軸２２の１回転以内に対応する。

演算処理部３０は、比較的低速且つ小型の演算処理装置（ＣＰＵ）から構成される。演算処理部３０は、位置検出装置１０の起動時に、第１～第３回転角度検出器２４～２８からの第１～第３アナログ信号に基づいて、起動時における停止状態の回転軸１４の絶対位置を演算する。そして、コントローラ１８から絶対位置の転送要求があった場合、演算処理部３０は、シリアル通信により、該絶対位置に応じたシリアル信号をコントローラ１８に転送する。

ここで、演算処理部３０の処理を具体的に説明する。先ず、演算処理部３０は、第１～第３アナログ信号の出力電圧を直交座標から極座標に変換する。

この場合、第１アナログ信号については、平歯車３４の歯先間を１サイクル（３６０°）とし、１サイクルをＳ個に分割する。また、第２アナログ信号については、回転軸１４及び第２バイアス磁石４０の１回転を１サイクル（３６０°）とし、１サイクルをＴ個に分割する。第３アナログ信号については、出力軸２２の１回転を１サイクル（３６０°）とし、１サイクルをＮ個に分割する。さらに、回転軸１４の最大回転量を、出力軸２２の１サイクル以内に対応させる。なお、直交座標から極座標への変換処理（分割処理）は、例えば、特許文献４に開示されている公知の補間方法を適用すればよい。

ここで、平歯車３４の位置をＰ１（第１回転角度）、平歯車３４での分割数をＳ、第２バイアス磁石４０の位置をＰ２（第２回転角度）、第２バイアス磁石４０での分割数をＴ、第３バイアス磁石４４の位置をＰ３（第３回転角度）、第３バイアス磁石４４での分割数をＮとした場合、回転軸１４の回転量ＴＡは、下記の（１）式で表わすことができる。
ＴＡ＝（Ｐ１÷Ｔ）＋ＩＮＴ（Ｐ２×Ｔ÷３６０）
×（３６０÷Ｔ）＋（Ｐ３×Ｎ） （１）

なお、ＩＮＴ（Ｐ２×Ｔ÷３６０）は、Ｐ２×Ｔ÷３６０の算出結果の小数点以下を切り捨てて整数化することを意味する。また、分割数Ｔは、平歯車３４の歯数Ｔであり、分割数Ｎは、減速比Ｎである。

そして、演算処理部３０からコントローラ１８に絶対位置をシリアル通信で転送する場合、回転軸１４を１回転させたときのパルス数をＰＰとすれば、回転量ＴＡに応じたパルス数（トータルパルス数）ＴＰは、下記の（２）式となる。
ＴＰ＝ＴＡ÷（３６０÷ＰＰ） （２）

従って、トータルパルス数ＴＰの算出結果について、小数点以下を切り捨てて整数化する場合には、下記の（３）式となる。
ＴＰ＝ＩＮＴ（ＴＡ×ＰＰ÷３６０） （３）
演算処理部３０は、（１）及び（３）式を用いて、起動時における停止状態の回転軸１４の絶対位置に応じたトータルパルス数ＴＰを算出し、算出後のトータルパルス数ＴＰに応じたシリアル信号（第２パルス信号）をコントローラ１８に転送する。

ここで、例えば、Ｔ＝２５、Ｎ＝１５０、Ｐ１＝５５°、Ｐ２＝１７５°、Ｐ３＝１５６°、ＰＰ＝２００、Ｓ＝８の場合、ＴＡ＝２３５７５°、ＴＰ＝１３０９７となる。

コントローラ１８は、シリアル通信部５０、逓倍回路５２、現在位置カウンタ（現在位置検出部）５４及び回転体駆動制御部５６を有する。

シリアル通信部５０は、演算処理部３０との間でシリアル通信を行う。例えば、演算処理部３０に対してトータルパルス数ＴＰの転送要求を送信し、転送要求に応じたシリアル信号（トータルパルス数ＴＰの第２パルス信号）を受信する。

逓倍回路５２は、インタポレータ３２から受信した第１パルス信号を逓倍し、逓倍後の第１パルス信号（逓倍パルス信号）を現在位置カウンタ５４に出力する。この場合、逓倍回路５２は、図６及び図７に示すように、例えば、Ａ相の立ち上がり時におけるＢ相の電圧レベルを調べることにより、二相の第１パルス信号（に応じた回転軸１４）の正転又は逆転を判別し、判別した正転又は逆転の逓倍パルス信号を生成する。

図６の場合、Ａ相の立ち上がり時にＢ相の電圧レベルが低レベル（Ｌレベル）であるため、逓倍回路５２は、二相の第１パルス信号は正転であると判別し、正転で４逓倍の逓倍パルス信号（正転パルス信号）を生成する。図７の場合、Ａ相の立ち上がり時にＢ相の電圧レベルが高レベル（Ｈレベル）であるため、逓倍回路５２は、二相の第１パルス信号は逆転であると判別し、逆転で４逓倍の逓倍パルス信号（逆転パルス信号）を生成する。

なお、図６及び図７は、一例であり、逓倍回路５２は、二相の第１パルス信号から１逓倍（×１）、２逓倍（×２）又は４逓倍（×４）の逓倍パルス信号を生成することが可能である。また、逓倍回路５２は、高倍率の逓倍パルス信号から低倍率の逓倍パルス信号に変更して出力することも可能である（４逓倍→２逓倍→１逓倍）。

現在位置カウンタ５４は、位置検出装置１０の起動時に、シリアル通信部５０が取得したトータルパルス数ＴＰをプリセットする。また、現在位置カウンタ５４には、回転軸１４の回転中、逓倍回路５２から逓倍パルス信号が入力される。そこで、現在位置カウンタ５４は、プリセットしたトータルパルス数ＴＰを基準として、逓倍パルス信号に応じたパルス数を計数することにより、現在の回転軸１４の絶対位置を擬似的に検出する。

回転体駆動制御部５６は、現在位置カウンタ５４にトータルパルス数ＴＰがプリセットされた場合、回転体１２に回転体動作信号を供給することにより、回転体１２を駆動させて回転軸１４を回転させる。

［本実施形態の動作］
次に、本実施形態に係る位置検出装置１０の動作について、図８及び図９のシーケンス図を参照しながら説明する。なお、この動作説明では、必要に応じて、図１～図７も参照しながら説明する。

先ず、ステップＳ１において、作業者は、位置検出装置１０のコントローラ１８の電源をオンにする。これにより、ステップＳ２において、コントローラ１８は、回転角度検出機構１６に対する電力供給を開始する。この結果、ステップＳ３において、回転角度検出機構１６は、コントローラ１８からの電力供給を受けて起動する。この場合、回転角度検出機構１６は、第１～第３回転角度検出器２４～２８及び演算処理部３０のみ起動させる。

次のステップＳ４において、第１～第３回転角度検出器２４～２８は、現時点（位置検出装置１０の起動時）における第１～第３回転角度を検出し、第１～第３回転角度に応じた第１～第３アナログ信号を演算処理部３０に出力する。

次のステップＳ５において、演算処理部３０は、入力された第１～第３アナログ信号に基づいて、上記の（１）式及び（３）式から、位置検出装置１０の起動時における停止状態の回転軸１４の絶対位置に応じたトータルパルス数ＴＰを算出する。ステップＳ６において、演算処理部３０は、トータルパルス数ＴＰをシリアル信号（第２パルス信号）に変換する。

次のステップＳ７において、演算処理部３０は、コントローラ１８からシリアル信号の転送要求があったか否かを確認する。転送要求がない場合、ステップＳ４に戻り、ステップＳ４～Ｓ７の処理が再度実行される。従って、コントローラ１８からの転送要求の通知を受けるまで、回転角度検出機構１６は、停止状態の回転軸１４の絶対位置の検出処理を逐次実行する。

一方、ステップＳ８においてコントローラ１８のシリアル通信部５０が演算処理部３０に対してシリアル信号の転送要求を行った場合、演算処理部３０は、転送要求の通知を受け取ると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、シリアル通信部５０へのシリアル信号の送信を開始する（ステップＳ９）。演算処理部３０は、シリアル通信部５０からシリアル信号の受信完了の通知を受けるまで、シリアル信号の送信処理を継続する（ステップＳ９、ステップＳ１０：ＮＯ）。

シリアル通信部５０は、シリアル信号の受信を開始すると、ステップＳ１１において、シリアル信号の受信を完了したか否かの判定処理を行う。シリアル信号の受信が完了していない場合（ステップＳ１１：ＮＯ）には、ステップＳ８を再度実行し、演算処理部３０に対してシリアル信号の転送要求を行う。

一方、シリアル信号の受信が完了した場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、シリアル通信部５０は、シリアル信号を現在位置カウンタ５４に出力し、ステップＳ１２において、現在位置カウンタ５４は、入力されたシリアル信号に応じたトータルパルス数ＴＰをプリセットする。

ステップＳ１３において、シリアル通信部５０は、トータルパルス数ＴＰのプリセットを確認すると、受信完了通知を演算処理部３０に送信する。演算処理部３０は、受信完了通知を受信すると、シリアル信号の送信が完了したと判断し（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、回転体１２を回転駆動させる動作モードに移行する（図９のステップＳ１４）。なお、動作モードにおいて、回転角度検出機構１６は、第１回転角度検出器２４及びインタポレータ３２のみ動作させる。

ステップＳ１５において、回転体駆動制御部５６は、トータルパルス数ＴＰのプリセットを確認すると、回転体１２を回転駆動させるための回転体動作信号を回転体１２に供給する。回転体１２は、回転体動作信号の供給に基づき駆動し、回転軸１４を回転させる（ステップＳ１６）。

ステップＳ１７において、第１回転角度検出器２４の第１磁気検出素子３６ａ、３６ｂは、回転中の回転軸１４の第１回転角度に応じた第１アナログ信号をインタポレータ３２にそれぞれ出力する。なお、この第１回転角度は、停止状態の回転軸１４の絶対位置に対する回転軸１４の移動量（回転量）を示す回転角度であり、各第１アナログ信号は、当該移動量に応じたアナログ信号である。インタポレータ３２は、各第１アナログ信号を二相の第１パルス信号に変換し、変換した各第１パルス信号をコントローラ１８の逓倍回路５２に出力する。

次のステップＳ１８において、回転角度検出機構１６は、コントローラ１８からの電力供給が停止したか否かを判定する。電力供給が停止していない場合（ステップＳ１８：ＮＯ）には、ステップＳ１６～Ｓ１８の処理が再度実行される。すなわち、回転角度検出機構１６は、コントローラ１８からの電力供給が停止するまで（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、第１回転角度の検出動作と、二相の第１パルス信号の出力動作とを、繰り返し実行する。

一方、ステップＳ１９において、逓倍回路５２に各第１パルス信号が入力された場合、逓倍回路５２は、二相の第１パルス信号を比較して、二相の第１パルス信号が正転又は逆転のどちらであるのかを判定する。逓倍回路５２は、判定結果に基づいて、第１パルス信号を逓倍した正転の逓倍パルス信号（正転パルス）又は逆転の逓倍パルス信号（逆転パルス）を生成し、生成した正転パルス又は逆転パルスを現在位置カウンタ５４に出力する。

現在位置カウンタ５４は、プリセットされたトータルパルス数ＴＰを基準として、トータルパルス数ＴＰからの正転パルス又は逆転パルスのパルス数を計数する。すなわち、現在位置カウンタ５４は、トータルパルス数ＴＰに応じた起動時における停止状態の回転軸１４の絶対位置を原点として、回転中の回転軸１４の回転角度（移動量、回転量）に応じた絶対位置を擬似的に検出する。

次のステップＳ２０において、コントローラ１８は、該コントローラ１８の電源がオフされたか否かを確認する。電源がオフされていない場合（ステップＳ２０：ＮＯ）、コントローラ１８は、ステップＳ１５、Ｓ１９、Ｓ２０の処理を再度実行する。すなわち、位置検出装置１０では、コントローラ１８の電源がオフになるまで、回転軸１４の絶対位置の検出処理が逐次実行される。

ステップＳ２０において、作業者がコントローラ１８の電源をオフにすると（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、コントローラ１８内の各部が停止する（ステップＳ２１）と共に、回転角度検出機構１６への電力供給も停止する（ステップＳ１８：ＹＥＳ）。この結果、回転角度検出機構１６内の各部も停止する（ステップＳ２２）。

［本実施形態の効果］
以上説明したように、本実施形態に係る位置検出装置１０によれば、回転軸１４の軸方向に沿って平歯車３４、減速機２０及び出力軸２２を設け、回転軸１４及び出力軸２２の周囲に第１～第３回転角度検出器２４～２８を配置することにより、位置検出装置１０における回転軸１４の径方向のサイズを小さくすることができる。

また、第１回転角度検出器２４は、回転軸１４に取り付けられた平歯車３４のピッチ間の第１回転角度を検出するため、特許文献４及び５のような特殊コードを担持したコード記録媒体が不要となる。従って、位置検出装置１０の低コスト化を図ることができる。

さらに、演算処理部３０は、位置検出装置１０の起動時にのみ、第１～第３回転角度に基づいて、該起動時における停止状態の回転軸１４の絶対位置を演算する。この結果、現在位置カウンタ５４は、回転軸１４の回転中、起動時における停止状態の回転軸１４の絶対位置を基準として、第１回転角度検出器２４が検出した第１回転角度から、現在の回転軸１４の絶対位置を擬似的に求めることができる。

すなわち、位置検出装置１０は、起動時にのみアブソリュート方式のロータリーエンコーダとして機能し、その後は、インクリメンタル方式のロータリーエンコーダとして機能する。つまり、位置検出装置１０では、起動時には、停止状態の回転軸１４の絶対位置を検出し、その後の回転軸１４の回転中は、起動時の絶対位置に対する回転軸１４の移動量（回転量）に相当する第１回転角度を検出し、起動時の絶対位置に対する第１回転角度の位置を、現在の回転軸１４の絶対位置として求める。この結果、特許文献６のようにリアルタイムでの絶対位置の演算は不要となり、低速且つ低価格の演算処理装置（ＣＰＵ）を演算処理部３０として使用可能となる。

また、従来のインクリメンタル方式のロータリーエンコーダでは、電源のオン時及びオフ時には、磁極検出動作と原点復帰動作とを行う必要があった。これに対して、位置検出装置１０では、起動時に回転軸１４の絶対位置を検出することができるので、これらの動作が不要となる。この結果、位置検出装置１０を電動アクチュエータ等に搭載すれば、タクトタイムの短縮を図ることができる。

このように、本実施形態に係る位置検出装置１０によれば、位置検出装置１０の小型化及び低コスト化を実現できると共に、低速の演算処理装置を用いて絶対位置の演算処理を行うことが可能となる。

また、第１回転角度検出器２４において、第１バイアス磁石３８により各第１磁気検出素子３６ａ、３６ｂを含む領域に発生した磁界が平歯車３４の回転によって変化した場合、各第１磁気検出素子３６ａ、３６ｂは、磁界の変化を各第１アナログ信号としてそれぞれ出力する。各第１アナログ信号は、第１回転角度に応じた信号であるため、演算処理部３０は、各第１アナログ信号等に基づいて、起動時における回転軸１４の絶対位置が、平歯車３４の何番目の歯の位置に対応するのかを精度良く求めることができる。また、市販の平歯車３４を使用することが可能であるため、特許文献４及び５と比較して、位置検出装置１０のさらなる低コスト化を実現することができる。

さらに、第２回転角度検出器２６において、第２バイアス磁石４０の回転により各第２磁気検出素子４２ａ、４２ｂを含む領域に発生した磁界が変化した場合、各第２磁気検出素子４２ａ、４２ｂは、磁界の変化を各第２アナログ信号としてそれぞれ出力する。各第２アナログ信号は、第２回転角度に応じた信号であるため、演算処理部３０は、各第２アナログ信号等に基づいて、起動時における回転軸１４の絶対位置が、回転軸１４の１回転内のどの角度に対応するのかを容易に求めることができる。

また、第３回転角度検出器２８において、第３バイアス磁石４４の回転により各第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄを含む領域に発生した磁界が変化した場合、各第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄは、磁界の変化を各第３アナログ信号としてそれぞれ出力する。この場合、減速機２０は、回転体１２の回転速度を所定の減速比Ｎで減速して出力軸２２を回転させているので、演算処理部３０は、各第３アナログ信号等に基づいて、起動時における回転軸１４の絶対位置が、回転軸１４の多回転内のどの角度に対応するのかを容易に求めることができる。

なお、第２バイアス磁石４０に回転軸１４が貫通し、第３バイアス磁石４４に出力軸２２が貫通しているため、第２回転角度検出器２６及び第３回転角度検出器２８における第２回転角度及び第３回転角度の検出精度が低下する可能性がある。しかしながら、位置検出装置１０では、第１回転角度検出器２４で平歯車３４を用いて第１回転角度を高精度に検出している。この結果、第２回転角度及び第３回転角度の検出精度の低下は、第１回転角度の検出精度によって補償されるので、演算処理部３０での絶対位置の演算処理に及ぼす影響を抑えることができる。

また、インタポレータ３２は、各第１アナログ信号を二相の第１パルス信号に変換し、演算処理部３０は、各第１～第３アナログ信号に基づいて起動時における回転軸１４の絶対位置を演算し、演算した絶対位置に応じた第２パルス信号を出力する。これにより、現在位置カウンタ５４は、インタポレータ３２から出力された各第１パルス信号と、演算処理部３０から出力された第２パルス信号とに基づいて、現在の回転軸１４の絶対位置を容易に検出することが可能となる。また、回転軸１４の正転又は逆転に関わりなく、減速機２０のバックラッシュの影響を無視することができる。

なお、減速機２０のバックラッシュは、３６０°／（２×Ｎ）以内に収めることが好ましい。また、バックラッシュの補正は、上記のように、インタポレータ３２及び現在位置カウンタ５４等によるソフトウェア処理によって可能である。本実施形態では、減速機２０の出力軸２２に対して一定方向にトルクがかかるようなゼンマイバネ等の機構を設けることにより、ソフトウェアによる補正処理を不要にすることができる。

また、位置検出装置１０において、演算処理部３０は、第２パルス信号を起動時における回転軸１４の絶対位置に応じたトータルパルス数ＴＰのシリアル信号として、シリアル通信部５０を介して現在位置カウンタ５４に送信するので、位置検出装置１０の一層の低コスト化を実現できる。

さらに、現在位置カウンタ５４は、位置検出装置１０の起動時にトータルパルス数ＴＰをプリセットする。また、回転軸１４の回転中、逓倍回路５２は、第１パルス信号に基づいて逓倍パルス信号を生成する。現在位置カウンタ５４は、プリセットしたトータルパルス数ＴＰを基準として、逓倍パルス信号に応じたパルス数を計数することにより、現在の回転軸１４の絶対位置を検出する。この結果、現在の回転軸１４の絶対位置を容易に且つ効率よく求めることができる。また、逓倍回路５２から現在位置カウンタ５４に逓倍パルス信号が供給されることにより、現在位置カウンタ５４における現在の回転軸１４の絶対位置の分解能が向上し、該絶対位置を精度よく求めることができる。

また、逓倍回路５２は、二相の第１パルス信号を比較することにより回転軸１４の正転又は逆転を判別し、判別した正転又は逆転の逓倍パルス信号を生成するので、現在位置カウンタ５４は、現在の回転軸１４の絶対位置を正確に求めることができる。

さらに、回転体駆動制御部５６は、現在位置カウンタ５４にトータルパルス数ＴＰがプリセットされた場合、回転体１２を駆動させて回転軸１４を回転させるので、回転中の回転軸１４の絶対位置を確実に取得することができる。

［本実施形態の変形例］
次に、本実施形態に係る位置検出装置１０の変形例（第１変形例に係る位置検出装置１０Ａ、第２変形例に係る位置検出装置１０Ｂ）について、図１０～図１４を参照しながら説明する。なお、位置検出装置１０Ａ、１０Ｂにおいて、図１～図９で説明した位置検出装置１０と同じ構成要素については、同じ参照符号を付けて、その詳細な説明を省略する。

＜第１変形例＞
先ず、第１の構成としての第１変形例に係る位置検出装置１０Ａについて、図１０～図１２Ｂを参照しながら説明する。

位置検出装置１０Ａは、回転角度検出機構１６が第１減速機６０、第２減速機６２、第１回転角度検出器６４及び第２回転角度検出器６６を有する点で、図１～図９に示す基本構成としての位置検出装置１０とは異なる。

第１減速機６０は、回転体１２の回転軸１４の回転速度を減速させ、減速後の回転速度を第１減速機６０の出力軸である第２減速機６２の入力軸６８に伝達可能な回転伝達機構である。なお、第１変形例では、第１減速機６０の減速比は１であり、回転軸１４の回転速度（回転力）が入力軸６８にそのまま出力されることに留意する。

第１減速機６０は、回転軸１４側に設けられた第１減速部６０ａと、回転軸１４、入力軸６８及び出力軸２２に対して略平行に延び、一端が第１減速部６０ａに連結される中間軸６０ｂと、入力軸６８側に設けられ且つ中間軸６０ｂの他端に連結される第２減速部６０ｃとを備える。

第１減速部６０ａは、回転軸１４に略同軸に取り付けられた入力側の第１歯車７０ａと、中間軸６０ｂの一端側に略同軸に取り付けられ且つ第１歯車７０ａに噛み合う出力側の第２歯車７２ａとから構成される。第２減速部６０ｃは、中間軸６０ｂの他端側に略同軸に取り付けられた入力側の第３歯車７０ｂと、入力軸６８に略同軸に取り付けられ且つ第３歯車７０ｂに噛み合う出力側の第４歯車７２ｂとから構成される。なお、前述のように、第１減速機６０の減速比が１であるため、第１減速部６０ａ及び第２減速部６０ｃの各減速比ｎは、ｎ＝１に設定されている。

第２減速機６２は、位置検出装置１０の減速機２０と略同じ構成であり、回転軸１４と略同軸に配置され、且つ、回転軸１４の回転力が第１減速機６０を介して伝達される入力軸６８と、回転軸１４及び入力軸６８と略同軸に配置され、且つ、入力軸６８の回転速度から減速比Ｎで減速された回転速度で回転する出力軸２２とを備える。従って、第１変形例において、第１減速機６０及び第２減速機６２全体の減速比は、Ｎ（＝１×Ｎ）となる。

第１回転角度検出器６４は、回転軸１４の先端側に略同軸に取り付けられた円柱状のバイアス磁石７４と、バイアス磁石７４の中心に対向して配置された磁気検出素子７６とから構成される。バイアス磁石７４は、一方の半円部分がＮ極、他方の半円部分がＳ極に割り当てられている。従って、第１回転角度検出器６４は、回転軸１４の１回転内の第１回転角度を検出する１回転角度検出器である。磁気検出素子７６は、第１回転角度に対応するシリアル信号（図１２Ｂに示す回転角度データの信号）をシリアル通信により演算処理部３０に出力し、一方で、第１回転角度に対応し且つ位相が互いに９０°ずれた二相のデジタルパルス信号（図１２Ａに示すＡ相及びＢ相の第１パルス信号）を逓倍回路５２に出力する。

すなわち、第１変形例では、磁気検出素子７６が、シリアル信号を演算処理部３０に出力する機能と、二相の第１パルス信号を逓倍回路５２に出力するインタポレータ処理の機能とを兼ね備えている。つまり、第１変形例に係る位置検出装置１０Ａでは、位置検出装置１０の第１回転角度検出器２４及び第２回転角度検出器２６を、第１回転角度検出器６４に置き換えている。なお、図１２Ｂでは、所定の期間（シリアル転送期間）において、磁気検出素子７６から演算処理部３０にシリアル信号を送信する場合を図示している。

第２回転角度検出器６６は、位置検出装置１０の第３回転角度検出器２８（図１及び図２参照）と同様の構成を有し、回転軸１４の多回転に応じた出力軸２２の１回転内の第２回転角度を第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄで検出し、検出した第２回転角度に応じたアナログ信号（第３アナログ信号と同様の信号）を演算処理部３０に出力する。

演算処理部３０は、磁気検出素子７６からのシリアル信号を図１２Ｂに示す所定のサンプリング間隔でサンプリングする。また、演算処理部３０は、第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄからのアナログ信号の出力電圧を直交座標から極座標に変換する。そして、演算処理部３０は、サンプリング後のシリアル信号と、極座標に変換された出力電圧とに基づいて、起動時における回転軸１４の絶対位置を演算する。

この場合、演算処理部３０は、下記の（４）式に基づいて、回転軸１４の回転量ＴＡを算出する。
ＴＡ＝Ｐ１＋（Ｐ３×Ｎ） （４）

なお、第１変形例では、平歯車３４が存在しないため、（４）式において、Ｐ１は、回転軸１４の角度（第１回転角度）であることに留意する。

また、第１変形例において、トータルパルス数ＴＰは、下記の（５）式で算出される。
ＴＰ＝ＩＮＴ（ＴＡ×ＰＰ÷３６０） （５）

なお、第１変形例に係る位置検出装置１０Ａにおいても、図８及び図９のシーケンス図に従って動作することが可能である。この場合、ステップＳ４、Ｓ５、Ｓ１７に関して、磁気検出素子７６から逓倍回路５２に二相の第１パルス信号が直接出力され、磁気検出素子７６から演算処理部３０にシリアル信号が出力され、第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄから演算処理部３０にアナログ信号が出力され、演算処理部３０において（４）式及び（５）式に基づきトータルパルス数ＴＰを算出する点以外は、位置検出装置１０と同様の動作である。従って、詳細な動作については、説明を省略する。

以上説明したように、第１変形例に係る位置検出装置１０Ａでは、シリアル信号を演算処理部３０に出力する機能と、二相の第１パルス信号をコントローラ１８の逓倍回路５２に出力するインタポレータ処理の機能とを、第１回転角度検出器６４の磁気検出素子７６が兼ね備えている。また、演算処理部３０は、シリアル信号と、第２回転角度検出器６６（の第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄ）が検出した第２回転角度とに基づいて、起動時における回転軸１４の絶対位置を演算する。従って、第１変形例では、位置検出装置１０Ａの部品点数が削減されると共に、演算処理部３０での演算負荷が軽減されるので、該位置検出装置１０Ａの低コスト化を図ることができる。また、円柱状のバイアス磁石７４を採用したことにより、リング状の磁石と比較して、磁束密度の低下が抑えられ、第１回転角度の検出精度の向上を図ることができる。

また、第１変形例に係る位置検出装置１０Ａにおいても、位置検出装置１０の場合と同様に、下記の効果も得られる。

すなわち、回転軸１４の軸方向に沿って第２減速機６２及び出力軸２２を設け、回転軸１４及び出力軸２２の周囲に第１回転角度検出器６４及び第２回転角度検出器６６を配置することにより、回転軸１４の径方向のサイズを小さくすることができる。

また、演算処理部３０は、起動時にのみ、第１回転角度及び第２回転角度に基づいて、該起動時における停止状態の回転軸１４の絶対位置を演算する。これにより、コントローラ１８（の現在位置カウンタ５４）は、回転軸１４の回転中、起動時における回転軸１４の絶対位置を基準として、二相の第１パルス信号から、現在の回転軸１４の絶対位置を擬似的且つ容易に求めることができる。

すなわち、位置検出装置１０Ａは、起動時にのみアブソリュート方式のロータリーエンコーダとして機能し、その後は、インクリメンタル方式のロータリーエンコーダとして機能する。これにより、リアルタイムでの絶対位置の演算が不要となり、低速且つ低価格のＣＰＵが使用可能となる。このような位置検出装置１０Ａを電動アクチュエータ等に搭載すれば、タクトタイムの短縮を図ることができる。

従って、第１変形例においても、位置検出装置１０Ａの小型化及び低コスト化を実現できると共に、低速の演算処理装置を用いて絶対位置の演算処理を行うことが可能となる。

また、第１変形例においても、回転軸１４の正転又は逆転に関わりなく、第１減速機６０及び第２減速機６２のバックラッシュの影響を無視することができる。この場合、第１減速機６０のバックラッシュは、３６０°／（４×ｎ×ｎ）以内に収めることが好ましい。なお、第１変形例では、ｎ＝１であるため、バックラッシュは、９０°以内に収めることが好ましい。

また、位置検出装置１０Ａでは、回転軸１４の回転力を第２減速機６２の入力軸６８に伝達する第１減速機６０をさらに有し、回転軸１４、入力軸６８及び出力軸２２は、略同軸に配置されている。第１減速機６０によって、位置検出装置１０Ａは、径方向に若干大きくなるが、インタポレータ機能を有する第１回転角度検出器６４を設けることにより、位置検出装置１０Ａの部品点数が少なくなるので、装置全体の低コスト化を実現することができる。なお、上記の説明では、減速比が１の第１減速機６０を用いた場合について説明したが、第１減速機６０に代えて、ベルトを用いた回転伝達手段のような各種の回転伝達機構を好適に採用することができる。

＜第２変形例＞
次に、第２の構成としての第２変形例に係る位置検出装置１０Ｂについて、図１３及び図１４を参照しながら説明する。

位置検出装置１０Ｂは、回転角度検出機構１６が第１～第３回転角度検出器６４、７８、８０を有すると共に、第１減速機６０の第１減速部６０ａ及び第２減速部６０ｃの各減速比ｎが１より大きい点で、第１変形例に係る位置検出装置１０Ａの構成（図１０及び図１１参照）とは異なる。従って、第１減速機６０及び第２減速機６２全体の減速比は、ｎ×ｎ×Ｎ（第１減速部６０ａ：ｎ、第２減速部６０ｃ：ｎ、第２減速機６２：Ｎ）となり、出力軸２２の回転速度は、回転軸１４の回転速度を（１／ｎ）×（１／ｎ）×（１／Ｎ）倍だけ減速させた回転速度となる。

第２回転角度検出器７８は、位置検出装置１０の第２回転角度検出器２６（図１及び図２参照）と略同様の構成を有する。但し、第２回転角度検出器７８は、回転軸１４ではなく、入力軸６８に設けられている。すなわち、第２変形例では、ｎ×ｎの減速比の第１減速機６０を、回転軸１４と入力軸６８との間に設けることにより、第２回転角度検出器７８の第２磁気検出素子４２ａ、４２ｂは、回転軸１４の多回転に応じた入力軸６８の１回転内の第２回転角度を検出することができる。

第３回転角度検出器８０は、位置検出装置１０Ａの第２回転角度検出器６６（図１０及び図１１参照）と同様の構成を有しており、第３回転角度検出器８０の第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄは、回転軸１４の多回転に応じた出力軸２２の１回転内の第３回転角度を検出する。

演算処理部３０は、磁気検出素子７６からのシリアル信号を図１２Ｂに示す所定のサンプリング間隔でサンプリングする。また、演算処理部３０は、第２磁気検出素子４２ａ、４２ｂからの第２回転角度に応じたアナログ信号（第２アナログ信号と同様の信号）と、第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄからの第３回転角度に応じたアナログ信号（第３アナログ信号と同様の信号）とについて、各アナログ信号の出力電圧を直交座標から極座標に変換する。そして、演算処理部３０は、サンプリング後のシリアル信号と、極座標に変換された各出力電圧とに基づいて、起動時における回転軸１４の絶対位置を演算する。

この場合、演算処理部３０は、下記の（６）式に基づいて、回転軸１４の回転量ＴＡを算出する。
ＴＡ＝Ｐ１＋（Ｐ２×ｎ×ｎ）＋（Ｐ３×Ｎ×ｎ×ｎ） （６）

なお、第２変形例では、平歯車３４が存在せず、且つ、入力軸６８に第２回転角度検出器７８が配置されているので、（６）式において、Ｐ１は、回転軸１４の角度（第１回転角度）であり、Ｐ２は、入力軸６８の角度（第２回転角度）であることに留意する。また、第２変形例において、トータルパルス数ＴＰは、前述の（５）式で算出される。

なお、第２変形例に係る位置検出装置１０Ｂにおいても、位置検出装置１０Ａと同様に、図８及び図９のシーケンス図に従って動作することが可能である。この場合も、ステップＳ４、Ｓ５、Ｓ１７に関して、磁気検出素子７６から逓倍回路５２に二相の第１パルス信号が直接出力され、磁気検出素子７６から演算処理部３０にシリアル信号が出力され、第２磁気検出素子４２ａ、４２ｂ及び第３磁気検出素子４６ｃ、４６ｄから演算処理部３０にアナログ信号がそれぞれ出力され、演算処理部３０において（５）式及び（６）式に基づきトータルパルス数ＴＰを算出する点以外は、位置検出装置１０と同様の動作である。従って、詳細な動作については、説明を省略する。

以上説明したように、第２変形例に係る位置検出装置１０Ｂでは、第１変形例に係る位置検出装置１０Ａと比較して、３つの回転角度検出器（第１～第３回転角度検出器６４、７８、８０）や、減速比ｎ、Ｎが１を超える２つの減速機（第１減速機６０、第２減速機６２）が備わっている。そのため、位置検出装置１０Ａと比較して、部品点数が多くなると共に、演算処理部３０での演算負荷が大きくなるので、コストがかかる。

しかしながら、第２変形例では、第２回転角度検出器７８及び第３回転角度検出器８０が回転軸１４の多回転に応じた第２回転角度及び第３回転角度をそれぞれ検出し、検出された第２回転角度及び第３回転角度等を用いて演算処理部３０が起動時における回転軸１４の絶対位置を高精度に演算することができる。この結果、従来の位置検出装置と比較して、絶対位置を高精度に演算することができると共に、コストを削減することが可能となる。また、第２変形例でも、円柱状のバイアス磁石７４を採用しているので、リング状の磁石と比較して、磁束密度の低下が抑えられ、第１回転角度の検出精度の向上を図ることができる。

また、第２変形例に係る位置検出装置１０Ｂにおいても、第１～第３回転角度検出器６４、７８、８０を備えることにより、位置検出装置１０と同様の効果が得られる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。

１０、１０Ａ、１０Ｂ…位置検出装置 １２…回転体
１４…回転軸 １６…回転角度検出機構
１８…コントローラ ２０…減速機
２２…出力軸 ２４、６４…第１回転角度検出器
２６、６６、７８…第２回転角度検出器 ２８、８０…第３回転角度検出器
３０…演算処理部 ３２…インタポレータ
３４…平歯車 ３６ａ、３６ｂ…第１磁気検出素子
３８…第１バイアス磁石 ４０…第２バイアス磁石
４２ａ、４２ｂ…第２磁気検出素子 ４４…第３バイアス磁石
４６ｃ、４６ｄ…第３磁気検出素子 ５０…シリアル通信部
５２…逓倍回路 ５４…現在位置カウンタ
５６…回転体駆動制御部 ６０…第１減速機
６０ａ…第１減速部 ６０ｂ…中間軸
６０ｃ…第２減速部 ６２…第２減速機
６８…入力軸 ７４…バイアス磁石
７６…磁気検出素子

Claims (9)

1. 回転体の回転軸に減速機が接続され、前記回転軸の回転角度と前記減速機の出力軸の回転角度とに基づいて、前記回転軸の絶対位置を検出する位置検出装置において、
   前記回転軸に略同軸に取り付けられた歯車の歯先間を１サイクルとした場合に、前記１サイクル内の前記歯車の任意の位置を第１回転角度として検出する第１回転角度検出器と、
   前記回転軸の１回転内の第２回転角度を検出する第２回転角度検出器と、
   前記回転軸の多回転に応じた前記出力軸の１回転内の第３回転角度を検出する第３回転角度検出器と、
   前記位置検出装置の起動時に前記第１～第３回転角度検出器がそれぞれ検出した前記第１～第３回転角度に基づいて、前記起動時における前記回転軸の絶対位置を演算する演算処理部と、
   前記回転体の駆動による前記回転軸の回転中、前記第１回転角度検出器が検出した前記第１回転角度と、前記起動時における前記回転軸の絶対位置とに基づいて、現在の前記回転軸の絶対位置を検出する現在位置検出部と、
   を有し、
   前記第１回転角度検出器は、前記回転軸に略同軸に取り付けられた磁性体からなる平歯車を備え、
   前記第２回転角度検出器は、前記平歯車から離間した状態で、前記回転軸に略同軸に取り付けられたリング状の第２バイアス磁石を備え、
   前記第２バイアス磁石のうち、一方の半円部分がＮ極に割り当てられ、他方の半円部分がＳ極に割り当てられ、
   前記第３回転角度検出器は、前記出力軸に略同軸に取り付けられたリング状の第３バイアス磁石を備え、
   前記第３バイアス磁石のうち、一方の半円部分がＮ極に割り当てられ、他方の半円部分がＳ極に割り当てられていることを特徴とする位置検出装置。
2. 請求項１記載の位置検出装置において、
   前記第１回転角度検出器は、前記平歯車の歯先間を１サイクルとした場合、位相を互いに９０°ずらして前記平歯車に対向配置された２個の第１磁気検出素子と、第１バイアス磁石とをさらに備え、
   前記各第１磁気検出素子は、前記第１回転角度に対応し且つ位相が互いに９０°ずれた第１アナログ信号をそれぞれ出力することを特徴とする位置検出装置。
3. 請求項２記載の位置検出装置において、
   前記第２回転角度検出器は、前記回転軸の１回転を１サイクルとした場合、位相を互いに９０°ずらして前記第２バイアス磁石に対向配置された２個の第２磁気検出素子をさらに備え、
   前記各第２磁気検出素子は、前記第２回転角度に対応し且つ位相が互いに９０°ずれた第２アナログ信号をそれぞれ出力することを特徴とする位置検出装置。
4. 請求項３記載の位置検出装置において、
   前記第３回転角度検出器は、前記出力軸の１回転を１サイクルとした場合、位相を互いに９０°ずらして前記第３バイアス磁石に対向配置された２個の第３磁気検出素子をさらに備え、
   前記各第３磁気検出素子は、前記第３回転角度に対応し且つ位相が互いに９０°ずれた第３アナログ信号をそれぞれ出力することを特徴とする位置検出装置。
5. 請求項４記載の位置検出装置において、
   前記各第１磁気検出素子がそれぞれ出力した前記各第１アナログ信号を二相の第１パルス信号に変換するインタポレータをさらに有し、
   前記演算処理部は、前記各第１～第３磁気検出素子がそれぞれ出力した前記各第１～第３アナログ信号に基づいて、前記起動時における前記回転軸の絶対位置を演算し、演算した前記絶対位置に応じた第２パルス信号を出力し、
   前記現在位置検出部は、前記インタポレータから出力された前記各第１パルス信号と、前記演算処理部から出力された前記第２パルス信号とに基づいて、現在の前記回転軸の絶対位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
6. 請求項５記載の位置検出装置において、
   前記演算処理部は、前記第２パルス信号を前記起動時における前記回転軸の絶対位置に応じたパルス数のシリアル信号として前記現在位置検出部に送信することを特徴とする位置検出装置。
7. 請求項６記載の位置検出装置において、
   前記各第１パルス信号を逓倍した逓倍パルス信号を生成して前記現在位置検出部に出力する逓倍回路をさらに有し、
   前記現在位置検出部は、前記起動時に前記シリアル信号に応じたパルス数をプリセットし、前記回転軸の回転中、プリセットした前記パルス数から前記逓倍パルス信号に応じたパルス数を計数することにより、現在の前記回転軸の絶対位置を検出する現在位置カウンタであることを特徴とする位置検出装置。
8. 請求項７記載の位置検出装置において、
   前記逓倍回路は、前記各第１パルス信号を比較することにより前記回転軸の正転又は逆転を判別し、判別した正転又は逆転の前記逓倍パルス信号を生成することを特徴とする位置検出装置。
9. 請求項７又は８記載の位置検出装置において、
   前記現在位置カウンタに前記シリアル信号に応じたパルス数がプリセットされた場合、前記回転体を駆動させて前記回転軸を回転させる回転体駆動制御部をさらに有することを特徴とする位置検出装置。

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