JP5256174B2 - 磁気式アブソリュートエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、回転軸に固定され所定枚の歯を持つ歯車と、歯を通る磁束を検出して歯の位置に関係する電気信号を出力する磁気検出素子とを備えた回転検出器を用いた磁気式アブソリュートエンコーダに関するものである。

特開平１１−２３７２５６号公報（特許文献１）には、磁気式インクリメンタルエンコーダとして利用可能な回転検出装置が開示さている。また特開２００８−１８０６９８号公報（特許文献２）等には、磁気式インクリメンタルエンコーダの基本構造を利用した磁気式アブソリュートエンコーダが開示されている。

特開平１１−２３７２５６号公報 特開２００８−１８０６９８号公報

しかしながら従来の磁気式アブソリュートエンコーダでは、小型にした場合に、分解能を高めることが難しいという問題がある。

本発明の目的は、小型にした場合にも、分解能を高めることができる磁気式アブソリュートエンコーダを提供することにある。

本発明の磁気式アブソリュートエンコーダは、回転軸に固定され所定枚の歯を持つ歯車と、この所定枚の歯を通る磁束を検出する磁気検出素子を備えて、歯車の回転位置を検出する第１乃至第３の回転検出器を備えている。より具体的な第１の回転検出器は、回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたＮ１枚の歯を持つ第１の歯車と、バイアス用マグネットから出てＮ１枚の歯を通る磁束を検出して電気角で９０°の位相差を持つ２つの電気信号を出力する２つの磁気検出素子を備えている。また第２の回転検出器も、回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたＮ２枚の歯を持つ第２の歯車と、バイアス用マグネットから出てＮ２枚の歯を通る磁束を検出して電気角で９０°の位相差を持つ電気信号を出力する２つの磁気検出素子を備えている。更に第３の回転検出器も、回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたＮ３枚の歯を持つ第３の歯車と、バイアス用マグネットから出てＮ３枚の歯を通る磁束を検出して電気角で９０°の位相差を持つ電気信号を出力する２つの磁気検出素子を備えている。

また本発明の磁気式アブソリュートエンコーダは、第１乃至第３の回転検出器から出力される電気信号をデジタル値に変換し、１サイクルが所定のデジタル値で表現され且つ歯車の歯数に相当するサイクル数の第１乃至第３の角度データを出力するＡ／Ｄ変換部と、Ａ／Ｄ変換部の出力に基づいて、回転軸の１回転中の絶対位置を検出する絶対位置演算部とを備えている。より具体的なＡ／Ｄ変換部は、第１乃至第３の回転検出器に対応した第１乃至第３のＡ／Ｄ変換器を備えている。第１のＡ／Ｄ変換器は、第１の回転検出器から出力される２つの電気信号をＭビット（Ｍは２以上の整数）のデジタル値に変換し、回転軸が１回転する間に、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現されるＮ１サイクルの第１の角度データを出力する。また第２のＡ／Ｄ変換器は、第２の回転検出器から出力される２つの電気信号をＭビットのデジタル値に変換し、回転軸が１回転する間に、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現されるＮ２サイクルの第２の角度データを出力する。更に第３のＡ／Ｄ変換器は、第３の回転検出器から出力される２つの電気信号をＭビットのデジタル値に変換し、回転軸が１回転する間に、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現されるＮ３サイクルの第３の角度データを出力する。

なおＮ１はｍ×ｎの整数であり（但しｍ及びｎは２以上の整数）、Ｎ２はＮ１＋１の整数であり、さらにＮ３はｍ×（ｎ―１）の整数である。このような歯の枚数Ｎ１〜Ｎ３にこのような関係を定めた場合、絶対位置演算部は次のように動作する。すなわち、絶対位置演算部は、事前に、Ｎ１サイクルの第１の角度データとＮ３サイクルの前記第３の角度データとの差から、回転軸が１回転する間に、１サイクルが所定のデジタル値で表現されるｍサイクルの第４の角度データを求める。また絶対位置演算部は、Ｎ１サイクルの第１の角度データとＮ２サイクルの第２の角度データとの差から、回転軸が１回転する間に、１サイクルが所定のデジタル値で表現される１サイクルの第５の角度データを演算により求める。絶対位置演算部は、これら第４及び第５の角度データを保存データとして保存する。そして絶対位置演算部は、絶対位置を決定する際には、次のように動作する。まず回転軸が回転して新たに演算された第５の角度データが、第４の角度データのｍサイクルの何サイクル中に発生しているかを決定して第１の決定されたサイクルと定める。次に絶対位置演算部は、新たに演算された第５の角度データが、第１の決定サイクル中に発生するｎサイクルの第１の角度データの何サイクル中に発生しているかを決定して第２の決定されたサイクルと定める。そして絶対位置演算部は、第１の決定サイクルと第２の決定サイクルとに基づいて、第１の角度データが、第１の角度データのＮ１サイクルのどのサイクルにおいて発生しているかを決定して第３の決定されたサイクルと定める。最後に、絶対位置演算部は、第３の決定サイクルと第１の角度データのデジタル値とから絶対位置を決定する。

本発明によれば、歯数が１つ違いの第１の回転検出器と第２の回転検出器の出力から、機械角３６０°と１サイクルが一致する第５の角度データを作る。この第５の角度データを元にして絶対位置を決定する。第５の角度データは、使用する演算手段がＭビットの演算手段であれば、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現されることになり、このままでは分解能力が低い。そこで回転軸が回転して新たに演算された第５の角度データが、第４の角度データのｍサイクルの何サイクル中に発生しているかを決定する（決定したサイクルを第１の決定されたサイクルと定める）。すなわち第５の角度データが、機械角３６０°の間にｍサイクル発生する（１サイクルの機械角が機械角３６０°／ｍ）第４の角度データの何番目のサイクル中において発生しているかが決定される。次に絶対位置演算部は、新たに演算された第５の角度データが、第１の決定されたサイクル中に発生するｎサイクル［１サイクルの機械角が機械角３６０°／（ｍ×ｎ）］の第１の角度データの何サイクル中に発生しているかを決定する（決定したサイクルを第２の決定されたサイクルと定める）。そして絶対位置演算部は、第１の決定サイクルと第２の決定されたサイクルとに基づいて、発生している第１の角度データが、第１の角度データのＮ１サイクルのどのサイクルにおいて発生しているかを決定する（決定したサイクルを第３の決定されたサイクルと定める）。１回転でＮ１サイクルの第１の角度データが発生する場合に、どのサイクルの角度データであるかが決定される。その結果、絶対位置演算部は、例えば、決定した第３の決定サイクルがＮ番目のサイクルであり、１サイクルのデジタル値が０〜２^M−１のデジタル値であるとすると、絶対位置を「（Ｎ―１）×２^Mのデジタル値）＋（その時点に第１の回転検出器から出力されている第１の角度データのデジタル値）」として決定する。その結果、本発明によれば、回転軸に固定された３枚の歯車を使用することにより、分解能を高めることができる。なお本発明は、理論的には、４枚以上の歯車を用いる場合にも適用できる。しかし実用上は、本発明のように３枚の歯車を使用する程度に止まるので、本出願では、４枚以上の歯車を用いる場合を含めていないが、出願人は４枚以上の歯車を用いる場合を放棄するものではない。

本実施の形態の構成を概略的に示すブロック図である。 回転軸と歯車の組合せの一例を示す図である。 二つの磁気検出素子が出力する電気角で９０°の位相差を持つ２つの電気信号の例を示す図である。 第１の角度データの一例を示す図である。 第２の角度データの一例を示す図である。 第３の角度データの一例を示す図である。 第１の角度データと第３の角度データとを並べて比較するための図である。 第４の角度データの例を示す図である。 第５の角度データの例を示す図である。

以下図面を参照して本発明の磁気式アブソリュートエンコーダの実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本実施の形態の構成を概略的に示すブロック図である。図２は、回転軸と歯車の組合せの一例を示す図である。図１及び図２において、符号１で示したブロックはモータ等の駆動源によって回転させられる回転軸である。回転軸１に対しては、第１乃至第３の回転検出器３乃至７の一部を構成する第１乃至第３の歯車３Ａ，５Ａ及７Ａが固定されている。第１乃至第３の歯車３Ａ，５Ａ及７Ａは、鉄等の導磁性材料により形成され、外周部にそれぞれ歯を備えている。以下の説明では、第３の歯車３Ａの歯数をＮ１、第２の歯車５Ａの歯数をＮ２、第１の歯車７Ａの歯数をＮ３とする。本実施の形態では、Ｎ１はｍ×ｎの整数であり（但しｍ及びｎは２以上の整数）、Ｎ２はＮ１＋１の整数であり、さらにＮ３はｍ×（ｎ―１）の整数である。なお以下の具体例の説明では、理解を容易にするために、Ｎ１＝１５，Ｎ２＝１６、Ｎ３＝１２、ｍ＝３，ｎ＝５として説明する。

第１乃至第３の回転検出器３乃至７は、それぞれバイアス用マグネットから出てＮ１，Ｎ２，Ｎ３枚の歯を通る磁束を検出して電気角で９０°の位相差を持つ２つの電気信号を出力する２つの磁気検出素子３Ｂ及び３Ｃ，５Ｂ及び５Ｃ並びに７Ｂ及び７Ｃを備えている。図３には、二つの磁気検出素子３Ｂ及び３Ｃ，５Ｂ及び５Ｃ並びに７Ｂ及び７Ｃが出力する電気角で９０°の位相差を持つ２つの電気信号の例を示している。なお第１乃至第３の回転検出器３乃至７として利用可能な回転検出器の一例は、前述の特許文献２等に記載されており、第１乃至第３の回転検出器３乃至７としては、公知の構造のものをそのまま利用することができる。

第１乃至第３の回転検出器３〜７から出力される電気信号をデジタル値に変換し、１サイクルが所定のデジタル値で表現され且つ歯の枚数（Ｎ１〜Ｎ３）に相当するサイクル数の第１乃至第３の角度データを出力するＡ／Ｄ変換部１０を備えている。Ａ／Ｄ変換部１０は、第１乃至第３の回転検出器３乃至７に対応した第１乃至第３のＡ／Ｄ変換器９乃至１３を備えている。第１のＡ／Ｄ変換器９は、第１の回転検出器３から出力される２つの電気信号をＭビット（Ｍは２以上の整数）のデジタル値に変換し、回転軸１が１回転する間に、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現されるＮ１サイクルの第１の角度データを出力する。また第２のＡ／Ｄ変換器１１は、第２の回転検出器５から出力される２つの電気信号をＭビットのデジタル値に変換し、回転軸１が１回転する間に、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現されるＮ２サイクルの第２の角度データを出力する。更に第３のＡ／Ｄ変換器１３は、第３の回転検出器７から出力される２つの電気信号をＭビットのデジタル値に変換し、回転軸１が１回転する間に、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現されるＮ３サイクルの第３の角度データを出力する。

ここでＮ１を１５、Ｎ２を１６、Ｎ３を１２とし、Ｍ＝１０とした場合において、第１乃至第３の角度データを得る場合について説明する。

まず図３に示した二つの電気信号ＶＡとＶＢは以下のように表すことができる。

ＶＡ＝ｋ・ｓｉｎ（θ）
ＶＢ＝ｋ・ｃｏｓ（θ）
但しθ＝０度−３６０度；回転軸の回転角度
二つの値からθを計算で求めると以下のようになる。

θ＝ａｒｃ ｔａｎ（ＶＡ／ＶＢ）
＝ａｒｃ ｔａｎ（ｋ・ｓｉｎ（θ）／ｋ・ｃｏｓ（θ））
＝ａｒｃ ｔａｎ（ｓｉｎ（θ）／ｃｏｓ（θ））
Ａ／Ｄ変換部１０を構成する第１乃至第３のＡ／Ｄ変換器９〜１３は、具体的には、第１乃至第３の回転検出器３乃至７から出力される電気信号ＶＡ、ＶＢを、デジタル値（１０ｂｉｔ、０−１０２３）に変換する。この数値から演算装置（ＣＰＵなど）によりθを計算する。回転軸１が１回転する間の角度データＰＳは、ＰＳ＝０−１０２３、１０ｂｉｔの値を取る。但し、ＰＳ＝θ／３６０×１０２４となる。

第１乃至第３のＡ／Ｄ変換器９乃至１３からは、第１乃至第３の角度データＰＳ１５〜ＰＳ１６が得られる。第１の角度データＰＳ１５、第２の角度データＰＳ１６及び第３の角度データＰＳ１２は、それぞれ１サイクルが０−１０２３のデジタル値を取る。すなわち第１の角度データＰＳ１５は、歯車一回転、すなわち機械角３６０度でＮ１サイクル（具体的例では１５サイクル）出現する。これを図に示すと図４の通りである。また第２の角度データＰＳ１６は、歯車一回転、すなわち機械角３６０度でＮ２サイクル（具体例では１６サイクル）出現する。これを図に示すと図５の通りである。そして第３の角度データＰＳ１２は、歯車一回転、すなわち機械角３６０度でＮ３サイクル（具体例では１２サイクル）出現する。これを図に示すと図６の通りである。

次に絶対位置演算部１４について説明する。絶対位置演算部１４に含まれる第１の差分演算部１５は、Ｎ１サイクル（具体例では１５サイクル）の第１の角度データとＮ２サイクル（具体例では１６サイクル）の第２の角度データとの差から、回転軸が１回転する間に、１サイクルが所定のデジタル値（具体例では２¹⁰）で表現される１サイクルの第５の角度データを演算により求める。また第２の差分演算部１７は、Ｎ１サイクル（具体例では、１５サイクル）の第１の角度データとＮ３サイクル（具体例では１２サイクル）の第３の角度データとの差から、回転軸１が１回転する間に、１サイクルが所定のデジタル値（具体例では２¹⁰）で表現されるｍサイクル（具体例では３サイクル）の第４の角度データを求める。事前に回転軸１を少なくとも１回転させて求められた第４及び第５の角度データは、それぞれ第４の角度データ保存部２３と第５の角度データ保存部２１とに保存される。またこのときに得る第１の角度データも第１の角度データ保存部１９に保存される。これらのデータは、絶対位置の決定の際に利用される。

具体的に第２の差分演算部１７の動作と、第１の角度データＰＳ１５と第３の角度データＰＳ１２の関係について以下に説明する。図４に示した第１の角度データＰＳ１５と図６に示した第３の角度データＰＳ１２とを比較する。図４に示すように、第１の角度データＰＳ１５は、歯車が一回転する間に０−１０２３の変化を１５回繰り返す。一方図６に示すように、第３の角度データＰＳ１２は、歯車が一回転する間に０−１０２３の変化を１２回繰り返す。ここで１５と１２の公約数を計算すると、１５＝３×５、１２＝３×４であるため、公約数は３になる。このことから、第１の角度データＰＳ１５の５回の繰り返しと、第３の角度データＰＳ１２の繰り返し４回は、３６０度／３＝１２０度（機械角）で同じ角度になる。図７は、第１の角度データＰＳ１５と第３の角度データＰＳ１２とが１２０度毎に一致する状態を示す。そしてこの一致は三回繰り返される。

この状況を利用して、第２の差分演算部１７は、第１の角度データＰＳ１５における５歯の判別をするために、第２の角度データＰＳ１２と第１の角度データＰＳ１５との差分を計算する。ここで回転軸の回転角度θを、θｅ：電気角、θｍ：機械角、と表すことにする。

第１の歯車３Ａ（歯数１５）の電気角θｅ15は、θｅ15 ＝１５×θｍと表すことができる。同様にして、第３の歯車７Ａ（歯数１２）の電気角θｅ12は、θｅ12＝１２×θｍと表すことができる。よって、第１の角度データＰＳ１５及び第３の角度データＰＳ１２はそれぞれ、
ＰＳ１５＝θｅ15／３６０×１０２４
＝１５×θｍ／３６０×１０２４ 、
ＰＳ１２＝θｅ12／３６０×１０２４
＝１２×θｍ／３６０×１０２４ 、
となる。

この二つから差を計算すると、第４の角度データΔＰＳ1512は以下のようになる。

ΔＰＳ1512＝ＰＳ１５−ＰＳ１２
＝１５×θｍ／３６０×１０２４−１２×θｍ／３６０×１０２４
＝３×θｍ／３６０×１０２４
＝θｍ／１２０×１０２４
となる。

すなわち、第１の角度データＰＳ１５と第３の角度データＰＳ１２との差、即ち第４の角度データΔＰＳ1512は、歯車が１２０度回転する毎に、０−１０２３まで変化して、歯車が一回転３６０度回転するとこの変化が三回繰り返されることになる。これを図示すると、図８に示すようになる。第４の角度データΔＰＳ1512は、第４の角度データ保存部２３に保存される。

次に第１の差分演算部１５の動作について説明する。１５枚の歯を備えた歯車３Ａの電気角θｅ15は、θｅ15＝１５×θｍと表すことができる。

そして、第１の角度データＰＳ１５は、ＰＳ１５＝θｅ15／３６０×１０２４＝１５×θｍ／３６０×１０２４となる。同様にして、歯車１６枚の電気角θｅ16は、θｅ16＝１６×θｍと表わすことができる。そして、第２の角度データＰＳ１６＝θｅ16／３６０×１０２４＝１６×θｍ／３６０×１０２４となる。

第１の差分演算部１５は、第１の角度データＰＳ１５と第２の角度データＰＳ１６の差ＰＳ１６−ＰＳ１５を計算する。

すなわちＰＳ１６−ＰＳ１５
＝１６×θｍ／３６０×１０２４−１５×θｍ ／３６０×１０２４
＝１×θｍ／３６０×１０２４
＝θｍ／３６０×１０２４
となる。第２の角度データＰＳ１６と第１の角度データＰＳ１５との差、すなわち第５の角度データΔＰＳ1615（ＰＳ１６−ＰＳ１５）は、歯車が３６０度回転する毎に、デジタル値で０−１０２３まで変化し、歯車が一回転３６０度回転する度にこの変化が繰り返される。これを図示すると、図９のようになる。第５の角度データΔＰＳ1615は、第５の角度データ保存部２１に保存される。

絶対位置演算部１４は、決定手段２５を備えている。決定手段２５は、第１のサイクル決定部２７と、第２のサイクル決定部２９と第３のサイクル決定部３１と絶対位置決定部３３を備えている。第１のサイクル決定部２７は、回転軸１が回転して新たに演算された第５の角度データΔＰＳ1615′（その時点のデータ）が、第４の角度データ保存部２３に保存されている第４の角度データのｍサイクルの何サイクル中に発生しているかを決定して第１の決定されたサイクルと定める。

第１のサイクル決定部２７は、図９に示す第５の角度データΔＰＳ1615の一山と図８に示す第４の角度データΔＰＳ1512の三山とは、機械角３６０度で一致するため、第５の角度データΔＰＳ1615の値を三等分したデジタル値から、第４の角度ΔＰＳ1512の三山がそれぞれ何番目かが判別できる。すなわち、１０２４／３＝３４１．３である そこで第５の角度データΔＰＳ1615のデジタル値が、０から３４１ならば、第４の角度データΔＰＳ1512は一つ目の山（サイクル）であることが判る。また第５の角度データΔＰＳ1615のデジタル値が、３４２から６８２ならば、第４の角度データΔＰＳ1512は二つ目の山（サイクル）であることが判る。そして第５の角度データΔＰＳ1615のデジタル値が、６８３から１０２３ならば、第４の角度データΔＰＳ1512は三つ目の山（サイクル）であることが判る。第１のサイクル決定部２７は、新たに演算された第５の角度データＰＳ1615′（その時点のデータ）が、第５の角度データΔＰＳ1615の１サイクル中に発生するｍ山またはｍサイクル（具体的には図８に示す３サイクル）の第４の角度データΔＰＳ1512の何サイクル中に発生しているかを決定し、決定したサイクルを第１の決定されたサイクルと定める。

第２のサイクル決定部２９は、図７及び図８に示す波形を対比すると判るように、図８に示す第４の角度データΔＰＳ1512の一山（１サイクル）と図７に示す第１の角度データＰＳ１５の五山（５サイクルまたは五歯）とは、機械角１２０度で一致する。したがって第４の角度データΔＰＳ1512の１つの山（サイクル）のデジタル値を五等分することにより、第１の角度データＰＳ１５の五山（五サイクル）が何番目のサイクルかが判別できる。すなわち、１０２４／５＝２０４．８であるため、第４の角度データΔＰＳ1512が、０から２０４のデジタル値ならば、第１の角度データＰＳ１５は一つ目の山（サイクルまたは歯）であることが判る。また第４の角度データΔＰＳ1512が、２０５から４０９のデジタル値ならば、第１の角度データＰＳ１５は二つ目の山（サイクルまたは歯）であることが判る。更に第４の角度データΔＰＳ1512が、４１０から６１４のデジタル値ならば、第１の角度データＰＳ１５は三つ目の山（サイクルまたは歯）であることが判る。また第４の角度データΔＰＳ1512が、６１５から８１９のデジタル値ならば、第１の角度データＰＳ１５は四つ目の山（サイクルまたは歯）であることが判る。さらに第４の角度データΔＰＳ1512が、８２０から１０２３のデジタル値ならば、ＰＳ１５は五つ目の山（サイクルまたは歯）であることが判る。このようにして第２のサイクル決定部２９は、新たに演算された第５の角度データＰＳ1615′（その時点のデータ）が、第１の決定サイクル［図８の３つの山（サイクル）のいずれか１つの山（サイクル）］中に発生するｎ山またはｎサイクル（具体的には図７に示す５サイクル）の第１の角度データＰＳ１５の何サイクル中に発生しているかを決定し、決定したサイクルを第２の決定されたサイクルと定める。

第３のサイクル決定部３１は、第１のサイクル決定部２７が決定した第１の決定サイクルと第２のサイクル決定部２９が決定した第２の決定サイクルとに基づいて、新たに第１のＡ／Ｄ変換器９から出力された第１の角度データＰＳ１５′が、第１の角度データＰＳ１５のＮ１サイクル（１５サイクル）のどのサイクルにおいて発生しているかを決定して第３の決定されたサイクルと定める。最後に、絶対位置決定部３３は、第３の決定されたサイクル［Ｎ１サイクル（１５サイクル）の何番目のサイクルであるかという情報］と、そのときに第１のＡ／Ｄ変換器９から出力されている第１の角度データＰＳ１５′のデジタル値とから一回転内の絶対位置を決定する。

本実施の形態の動作を一般的に説明すれば、第１の差分演算部１５は、歯数が１つ違いの第１の回転検出器３と第２の回転検出器５の出力を第１及び第２のＡ／Ｄ変換器９及び１１でＡ／Ｄ変換した値から、機械角３６０°と１サイクルが一致する第５の角度データを作る。この第５の角度データを元にして絶対位置を決定する。第５の角度データは、使用する演算手段がＭビットの演算手段であれば、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現される。第１のサイクル決定部２７は、第４の角度データ保存部２３に保存されたデータを利用して、回転軸１が回転して新たに演算された第５の角度データが、第４の角度データのｍサイクルの何サイクル中に発生しているかを決定する（決定したサイクルを第１の決定されたサイクルと定める）。すなわち第５の角度データが、機械角３６０°の間にｍサイクル発生する（１サイクルの機械角が機械角３６０°／ｍ）第４の角度データの何番目のサイクル中において発生しているかが決定される。次に第２のサイクル決定部２９は、新たに演算された第５の角度データが、第１の決定されたサイクル中に発生するｎサイクル［１サイクルの機械角が機械角３６０°／（ｍ×ｎ）］の第１の角度データの何サイクル中に発生しているかを決定する（決定したサイクルを第２の決定されたサイクルと定める）。そして第３のサイクル決定部３１は、第１の決定されたサイクルと第２の決定されたサイクルとに基づいて、その時点で発生している第１の角度データが、第１の角度データのＮ１サイクルのどのサイクルにおいて発生しているかを決定する（決定したサイクルを第３の決定されたサイクルと定める）。最後に絶対位置決定部３３は、例えば、決定した第３の決定サイクルがＮ番目のサイクルであり、１サイクルのデジタル値が０〜２^M−１のデジタル値であるとすると、絶対位置を「（Ｎ−１）×２^Mのデジタル値）＋（その時点に第１の回転検出器から出力されている第１の角度データのデジタル値）」として決定する。

上記の具体例の歯数は、理解を容易にするためのものであり、実際上は、例えば、Ｎ１＝３８４、Ｎ２＝３８５、Ｎ３＝３６８等の歯数の組合せを用いることができる。３８４と３８５とは、一つ違いで互いに素の関係なので、二つの差分を計算することにより、３８４の歯の区別が分かる。一方、３８４＝２４×１６、３６８＝２３×１６であるから、二つの値の間には公約数１６が存在する。すなわち、第一の歯が２４番目まで来た時、第三の歯が２３番目まで来て０点が一致する。これを１６回繰り返す。よって第一歯と第三歯の出力値の差分を計算することにより、２４歯の区別が分かる。次に１６回繰り返しの判別は、第一歯と第二歯の差分の一山と第一歯と第三歯の差分の１６山の比較で計算する。

本発明は、３つの歯車を利用する場合であるが、理論的には４個の歯車を持つ場合も可能である。この場合には、第１乃至第４の歯車の歯数Ｎ１乃至Ｎ４は次のように歯数を定める。

第１の歯数Ｎ１ （Ｎ１＝ ｍ１×ｍ２×ｎ ）
（ｍ１は、２以上の整数）
（ｍ２は、２以上の整数）
（ｎは、２以上の整数）
第２の歯数Ｎ２ （Ｎ２＝ Ｎ１＋１ ）
第３の歯数Ｎ３ （Ｎ３＝ｍ１× ｍ２ ×（ｎ−１））
第４の歯数Ｎ４ （Ｎ４＝ｍ１×（（ｍ２×ｎ）−１））
Ｎ１とＮ２とは、歯数が一つ違いで互いに素の関係なので、二つの差分を計算することにより、Ｎ１個の歯の区別が分かる。但し精度は、３６０／Ｎ１（電気角）が必要となり、機械加工、電気回路の負担が大きい。

一方、Ｎ１＝ｍ１×ｍ２×ｎ、
Ｎ３＝ｍ１× ｍ２×（ｎ−１）、
二つの間には公約数（ｍ１×ｍ２）が存在する。

すなわち、第一の歯が（ｎ）番目まで来た時、第三の歯が（ｎ−１）番目まで来て０点が一致する。これを（ｍ１×ｍ２）回繰り返す。

よって第一歯車と第三歯車の出力値の差分を計算することにより、（ｎ）歯内の区別が分かる。このときの必要精度は、３６０／（ｎ）（電気角）となる。

また、Ｎ１＝ｍ１×ｍ２×ｎ、
Ｎ４＝ｍ１×（（ｍ２×ｎ）−１ ）
二つの間には公約数（ｍ１）が存在する。

すなわち、第一の歯が（ｍ２×ｎ）番目まで来た時、第４の歯が（（ｍ２×ｎ）−１）番目まで来て０点が一致する。これを（ｍ１）回繰り返す。

よって第１歯車と第４歯車の出力値の差分（（ｍ１）山ある）を計算して、第１歯車と第３歯車の出力値の差分（（ｍ１×ｍ２）山ある）の計算値と比較することにより、（ｍ１）回内のｍ２（２、３、、、ｍ２）山の区別が分かる。このときの必要精度は、３６０／（ｍ２）（電気角）となる。

さらに、（ｍ１）回繰り返しの判別は、第１歯と第２歯の差分の一山と、第１歯と第４歯の差分の（ｍ１） 山の比較で計算する。このときの必要精度は、３６０／（ｍ１）（電気角）となる。

次に一般化した場合について説明する。ここではＳ個の歯車を持つものとする。

第１の歯数Ｎ１は下記のように表現できる。
Ｎ１＝ ｍ１ × ｍ２ ×・・・・・・ ×ｍ（ｓ−２）×ｎ
（ｍ１は、２以上の整数）
（ｍ２は、２以上の整数）
・・・
（ｍ（ｓ−２）は、２以上の整数）
（ｎは、２以上の整数）
第２の歯数Ｎ２；Ｎ２＝ Ｎ１＋１
第３の歯数Ｎ３は以下のように表される；
Ｎ３＝ ｍ１× ｍ２ ×・・・・・・ ×ｍ（ｓ−２）×（ｎ−１）
第四の歯数Ｎ４は、以下のように表される；
Ｎ４＝ｍ１×ｍ２× ・・・・・・×ｍ（ｓ−３）×（（ｍ（ｓ−２）×ｎ）−１）
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第ｋ個目の歯数Ｎｋは以下のように表される；
Nk=m1×m2×…× m(s-k+1) × ( m(s-k+2) × m(s-k+3) ×…× m(s-3) × m(s-2) ×n-1 )
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ｓ個目の歯数Ｎｓは以下のように表される。
Ns= m1 × ( m2 × m3 ×…× m(s-3) × m(s-2) ×n-1 )
Ｎ１とＮ２とは、歯数が一つ違いで互いに素の関係なので、二つの差分を計算することにより、Ｎ１個の歯の区別が分かる。

一方、Ｎ１＝ｍ１× ｍ２ × ・・・・・・ × ｍ（ｓ−２）× ｎ 、
Ｎ３＝ｍ１× ｍ２ × ・・・・・・ × ｍ（ｓ−２）×（ｎ−１） 、
二つの間には公約数（ｍ１×ｍ２・・・ ×ｍ（ｓ−２））が存在する。

すなわち、第一の歯が（ｎ）番目まで来た時、第三の歯が（ｎ−１）番目まで来て０点が一致する。これを（ｍ１×ｍ２×・・・ ×ｍ（ｓ−２））回繰り返す。

よって第一歯車と第三歯車の出力値の差分を計算することにより、（ｎ）歯内の区別が分かる。このときの必要精度は、３６０／（ｎ）（電気角）となる。

また、Ｎ１＝ ｍ１×ｍ２×・・・×ｍ（ｓ−３）× ｍ（ｓ−２）× ｎ 、
Ｎ４＝ ｍ１×ｍ２×・・・×ｍ（ｓ−３）×（（ｍ（ｓ−２）×ｎ）−１）
二つの間には公約数（ｍ１×ｍ２×・・・・・・×ｍ（ｓ−３））が存在する。

すなわち、第一の歯が（ｍ（ｓ−２）×ｎ）番目まで来た時、第四の歯が（（ｍ（ｓ−２）×ｎ）−１）番目まで来て０点が一致する。これを（ｍ１×ｍ２×・・・・・・×ｍ（ｓ−３））回繰り返す。

よって第一歯車と第四歯車の出力値の差分（ｍ１×ｍ２×・・・・・・×ｍ（ｓ−３）山ある）を計算して、第一歯車と第三歯車の出力値の差分（ｍ１×ｍ２×・・・・・・×ｍ（ｓ−３）×ｍ（ｓ−２）山ある）の計算値と比較することにより、（ｍ１×ｍ２× ・・・・×ｍ（ｓ−３））回内のｍ（ｓ−２）（２、３、、、（ｍ（ｓ−２））山の区別が分かる。このときの必要精度は、３６０／（ｍ（ｓ−２））（電気角）となる。

さらに、Ｎ１＝ｍ１× ｍ２ ×・・・・・×ｍ（ｓ−３）× ｍ（ｓ−２）× ｎ 、
Nk= m1×m2×…× m(s-k+1)×(m(s-k+2)×m(s-k+3)×…×m(s-3)×m(s-2)×n-1)との間には公約数（m1×m2×…× m(s-k+1)）が存在する。

すなわち、第一の歯が（m(s-k+2) × m(s-k+3) ×…× m(s-3) × m(s-2) × n）番目まで来た時、第ｋ番目の歯が（m(s-k+2) × m(s-k+3) ×…× m(s-3) × m(s-2) ×n-1）番目まで来て０点が一致する。これを（m1×m2×…× m(s-k+1)）回繰り返す。

よって、第一歯車と第ｋ番目歯車の出力値の差分（m1×m2×…× m(s-k+1) 山ある）を計算して、第一歯車と第（ｋ−１）番目歯車の出力値の差分（m1×m2×…× m(s-k+1) ×m(s-k+2) 山ある）の計算値を比較することにより、（m1×m2×…× m(s-k+1)）回内のm(s-k+2) （２，３，，（ｍ(s-k+2)）山の区別が分かる。このときの必要精度は、３６０／m(s-k+2)（電気角）となる。

最後に、（ｍ１）回繰り返しの判別は、第１歯と第２歯の差分の一山と、第１歯と第ｓ番目歯車の差分の（ｍ１）山の比較で計算をする。このときの必要精度は、３６０／（ｍ１）（電気角）となる。

本実施の形態によれば、バッテリレスで利用できる１回転アブソリュートエンコーダを構成することができる。

本発明によれば、小型にした場合にも、分解能を高めることができる磁気式アブソリュートエンコーダを提供できるので、産業上の利用可能性が高い。

１ 回転軸
３ 第１の回転検出器
５ 第２の回転検出器
７ 第３の回転検出器
９ 第１のＡ／Ｄ変換器
１１ 第２のＡ／Ｄ変換器
１３ 第３のＡ／Ｄ変換器
１５ 第１の差分演算部
１７ 第２の差分演算部
１９ 第１の角度データ保存部
２１ 第５の角度データ保存部
２３ 第４の角度データ保存部
２５ 絶対位置演算部
２７ 第１のサイクル決定部
２９ 第２のサイクル決定部
３１ 第３のサイクル決定部
３３ 絶対位置決定部

Claims (3)

1. 回転軸に固定され所定枚の歯を持つ歯車と、前記所定枚の歯を通る磁束を検出する磁気検出素子を備えて、前記歯車の回転位置を検出する第１乃至第３の回転検出器と、
   前記第１乃至第３の回転検出器から出力される電気信号をデジタル値に変換し、１サイクルが所定のデジタル値で表現される前記歯車の歯数に相当するサイクル数の第１乃至第３の角度データを出力するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部の出力に基づいて、前記回転軸の１回転中の絶対位置を検出する絶対位置演算部とを備え、
   前記第１乃至第３の回転検出器はＮ１乃至Ｎ３枚の歯をそれぞれ備え、
   前記Ｎ１はｍ×ｎの整数であり、但しｍ及びｎは２以上の整数、
   前記Ｎ２はＮ１＋１の整数であり、
   前記Ｎ３はｍ×（ｎ―１）の整数であり、
   前記絶対位置演算部は、
   事前に、Ｎ１サイクルの前記第１の角度データとＮ３サイクルの前記第３の角度データとの差から、前記回転軸が１回転する間に、１サイクルが所定のデジタル値で表現されるｍサイクルの第４の角度データを求め、またＮ１サイクルの前記第１の角度データとＮ２サイクルの前記第２の角度データとの差から、前記回転軸が１回転する間に、１サイクルが所定のデジタル値で表現される１サイクルの第５の角度データを演算により求めて保存し、
   新たに演算された前記第５の角度データが、前記第４の角度データの前記ｍサイクルの何サイクル中に発生しているかを決定して第１の決定されたサイクルと定め、前記新たに演算された第５の角度データが、前記第１の決定サイクル中に発生するｎサイクルの前記第１の角度データの何サイクル中に発生しているかを決定して第２の決定されたサイクルと定め、
   前記第１の決定サイクルと前記第２の決定サイクルとに基づいて、前記第１の角度データが、前記第１の角度データの前記Ｎ１サイクルのどのサイクルにおいて発生しているかを決定して第３の決定されたサイクルと定め、
   前記第３の決定されたサイクルと前記第１の角度データの前記デジタル値とから前記絶対位置を決定することを特徴とする磁気式アブソリュートエンコーダ。
2. 前記回転検出器は、導磁性材料により形成された所定枚の歯を持つ前記歯車と、バイアス用マグネットと、前記バイアス用マグネットから出て前記Ｎ１枚の歯を通る磁束を検出して電気角で９０°の位相差を持つ２つの電気信号を出力する前記２つの磁気検出素子とを備えている請求項１に記載の磁気式アブソリュートエンコーダ。
3. 回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたＮ１枚の歯を持つ第１の歯車と、バイアス用マグネットから出て前記Ｎ１枚の歯を通る磁束を検出して電気角で９０°の位相差を持つ２つの電気信号を出力する２つの磁気検出素子を備えた第１の回転検出器と、
   前記回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたＮ２枚の歯を持つ第２の歯車と、バイアス用マグネットから出て前記Ｎ２枚の歯を通る磁束を検出して電気角で９０°の位相差を持つ電気信号を出力する２つの磁気検出素子を備えた第２の回転検出器と、
   前記回転軸に固定され、導磁性材料により形成されたＮ３枚の歯を持つ第３の歯車と、バイアス用マグネットから出て前記Ｎ３枚の歯を通る磁束を検出して電気角で９０°の位相差を持つ電気信号を出力する２つの磁気検出素子を備えた第３の回転検出器と、
   前記第１の回転検出器から出力される前記２つの電気信号をＭビット（Ｍは２以上の整数）のデジタル値に変換し、前記回転軸が１回転する間に、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現されるＮ１サイクルの第１の角度データを出力する第１のＡ／Ｄ変換器と、
   前記第２の回転検出器から出力される前記２つの電気信号をＭビットのデジタル値に変換し、前記回転軸が１回転する間に、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現されるＮ２サイクルの第２の角度データを出力する第２のＡ／Ｄ変換器と、
   前記第３の回転検出器から出力される前記２つの電気信号をＭビットのデジタル値に変換し、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現されるＮ３サイクルの第３の角度データを出力する第３のＡ／Ｄ変換器と、
   前記第１乃至第３のＡ／Ｄ変換器の出力に基づいて、前記回転軸の１回転中の絶対位置を検出する絶対位置演算部とを備え、
   前記Ｎ１はｍ×ｎの整数であり、但しｍ及びｎは２以上の整数、
   前記Ｎ２はＮ１＋１の整数であり、
   前記Ｎ３はｍ×（ｎ―１）の整数であり、
   前記絶対位置演算部は、
   事前に、Ｎ１サイクルの前記第１の角度データとＮ３サイクルの前記第３の角度データとの差から、前記回転軸が１回転する間に、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現されるｍサイクルの第４の角度データを求め、更にＮ１サイクルの前記第１の角度データとＮ２サイクルの前記第２の角度データとの差から、前記回転軸が１回転する間に、１サイクルが０〜２^M−１のデジタル値で表現される１サイクルの第５の角度データを演算により求めて保存データとして保存しておき、
   新たに演算された前記第５の角度データが、前記第４の角度データの前記ｍサイクルの何サイクル中に発生するかを前記保存データを利用して決定して第１の決定されたサイクルと定め、前記新たに演算された第５の角度データが、前記第１の決定されたサイクル中に発生するｎサイクルの前記第１の角度データの何サイクル中に発生するかを、前記保存データを利用して決定して第２の決定されたサイクルと定め、
   前記第１の決定サイクルと前記第２の決定されたサイクルとに基づいて、前記第１の角度データが、前記第１の角度データの前記Ｎ１サイクルのどのサイクルにおいて発生しているかを決定して第３の決定されたサイクルと定め、
   前記第３の決定されたサイクルと前記第１の角度データの前記デジタル値とから前記絶対位置を決定することを特徴とする磁気式アブソリュートエンコーダ。

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