JP2015114208A - エンコーダー及び電気機械装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンコーダーを用いて高精度に位置検出を行う。
【解決手段】エンコーダーは、Ｍ極（Ｍは４以上の偶数）の磁石体と、２軸磁気センサー回路と、を備える。２軸磁気センサー回路は、複数のＸ軸ホール素子と複数のＹ軸ホール素子とを含み、これらのホール素子の出力信号に応じて位置信号を生成して出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサーを用いたエンコーダー、及び、それを用いた電気機械装置に関するものである。

磁気センサーを用いたエンコーダーとしては、特許文献１に記載されたロータリーエンコーダーが知られている。ロータリーエンコーダーの回転体には、その中心に第１マグネットが設けられ、外周側には環状の複数の第２マグネットが設けられている。また、回転体に対向する固定体には、第１マグネットの磁場を検出する第１感磁素子と、第２マグネットの磁場を検出する第２感磁素子とが設けられている。第１感磁素子と第２感磁素子のそれぞれは、互いに直交する方向に設けられた２つの磁気抵抗パターンで構成されている。磁気抵抗パターンで磁場を適切に検出するために、第１マグネット及び第２マグネットは、感磁素子に向かう方向（すなわち回転軸に平行な方向）に沿って着磁されており、その着磁面（着磁方向と直交する面）が感磁素子に対向するように配置されている。但し、これらの第１感磁素子と第２感磁素子では、絶対的な回転角度を検出することができない。そこで、絶対的な回転角度を検出するために、固定体の上に、９０度の角度で配置された２つのホール素子が設けられている。

特開２０１２−１１２７０７号公報

しかし、上述した従来のエンコーダーでは、磁気抵抗パターンを用いて磁場を検出しているので、磁気抵抗パターンの抵抗の精度によって回転角度の検出精度が制限される。一般に、磁気抵抗パターンの抵抗の精度を高めることは困難である。そこで、より高精度に回転角度を検出することのできる技術が望まれていた。また、回転角度に限らず、一般に、高精度に位置を検出することのできるエンコーダーが望まれていた。更に、電気機械装置に関しても、エンコーダーを用いて高精度に位置検出を行うことを可能とする技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、第１部材に対して所定の移動方向に沿って移動する第２部材の位置を測定するエンコーダーが提供される。このエンコーダーは、前記第２部材に設けられ、前記移動方向と交差する方向に着磁されたＭ極（Ｍは４以上の偶数）の磁石体と；前記磁石体の表面から一定のギャップを有して、前記第１部材上に配置された２軸磁気センサー回路と；を備える。前記２軸磁気センサー回路は、前記第１部材に対する前記第２部材の位置を示す位置信号を生成して出力する。
このエンコーダーによれば、２軸磁気センサー回路を用いているので、精度良く位置検出を行うことが可能である。

（２）上記エンコーダーにおいて、前記２軸磁気センサー回路は、互いに直交するＸ軸とＹ軸のうちの前記Ｘ軸に沿った磁場を測定するための複数のＸ軸ホール素子と、前記Ｙ軸に沿った磁場を測定するための複数のＹ軸ホール素子と、を含み、前記複数個のＸ軸ホール素子の出力信号と前記複数個のＹ軸ホール素子の出力信号とに応じて、前記第１部材に対する前記第２部材の位置を示す位置信号を生成して出力する、ものとしてもよい。
この構成によれば、２軸磁気センサー回路の複数のホール素子の出力として、磁気歪みの少ない正弦波状の出力を得ることができ、これらの磁気歪みの少ない正弦波状出力に基づいて精度良く位置検出を行うことが可能である。

（３）上記エンコーダーにおいて、前記複数個のＸ軸センサー素子は、前記Ｘ軸に沿って互いに離れた部位に配置された第１組のＸ軸ホール素子と第２組のＸ軸ホール素子とを含んでいてもよい。また、前記複数個のＹ軸センサー素子は、前記Ｙ軸に沿って互いに離れた部位に配置された第１組のＹ軸ホール素子と第２組のＹ軸ホール素子とを含んでいてもよい。前記２軸磁気センサー回路は、（ａ）前記第１組のＸ軸ホール素子の出力信号と前記第２組のＸ軸ホール素子の出力信号との差を取ることによって、正弦波信号を生成し、（ｂ）前記第１組のＹ軸ホール素子の出力信号と前記第２組のＹ軸ホール素子の出力信号との差を取ることによって、余弦波信号を生成し、（ｃ）前記正弦波信号と前記余弦波信号から、前記第１部材に対する前記第２部材の位置を示す前記位置信号を生成する、ようにしてもよい。
この構成によれば、２軸磁気センサー回路の設置位置や磁石の磁束歪みによる磁極位置が多少ずれた場合にも、正確な位置検出を行うことが可能である。

（４）上記エンコーダーにおいて、前記第２部材は、回転体であり、前記磁石体を構成する個々の小磁石は、前記第１部材と前記第２部材の対向方向と垂直な着磁方向であって前記個々の小磁石の中心と前記回転体の回転軸とを結ぶ方向に平行な着磁方向に沿って平行着磁されている、ものとしてもよい。
この構成によれば、平行着磁された磁石の磁場を２軸磁気センサー回路のホール素子で検出することによって、磁気歪みの少ない正弦波状の出力を得ることが可能である。

（５）上記エンコーダーにおいて、前記第２部材は、前記磁石体の内周と外周の少なくとも一方に設けられた環状のヨーク部材を有し、前記２軸磁気センサー回路は、前記第２部材の径方向に沿って測った磁束密度で０となる磁束中心部を外した位置に配置されていることが好ましい。
この構成によれば、２軸磁気センサー回路の位置検出誤差をより低減できる。

（６）上記エンコーダーにおいて、前記磁石体は、複数の分割磁石体を円環状に並べることによって構成されており、各分割磁石体は、直方体形状を有する小磁石と、前記小磁石の周囲の少なくとも一部を被覆することによって前記分割磁石体の全体の形状を等辺台形柱形状とする被覆部材と、を有する、ものとしてもよい。
この構成によれば、極めて多極の磁石体を用いた位置精度の高いエンコーダーを容易に作成することが可能である。

（７）本発明の他の形態によれば、電気機械装置が提供される。この電気機械装置は、駆動又は回生用の磁石体と、駆動又は回生用の電磁コイルと、上記エンコーダーと、前記電気機械装置の動作を制御する制御部と、を備え、前記駆動又は回生用の磁石体が、前記エンコーダーの前記磁石体として共用される。
この電気機械装置によれば、電気機械装置の駆動又は回生用の磁石体と、エンコーダーの磁石体を共用するので、電気機械装置とエンコーダーの全体の構造を簡略化しつつ、高精度に電気機械装置の磁石体の位置検出を行うことが可能である。

（８）上記電気機械装置は、２相の電磁コイルを有するＡＣブラシレスモーターであり、前記制御部は、前記エンコーダーの前記２軸磁気センサー回路から出力される前記正弦波信号及び前記余弦波信号から、前記２相の電磁コイルの駆動信号を生成する駆動信号生成部を有する、ものとしてもよい。
この構成によれば、１つの２軸磁気センサー回路から出力される正弦波信号及び前記余弦波信号から２相の駆動信号を生成するので、磁気センサーの位置ズレなどに起因する駆動信号の位相ズレを防止することが可能である。

（９）本発明の更に他の形態によれば、電気機械装置が提供される。この電気機械装置は、２相のＡＣブラシレスモーターとして動作可能な電気機械装置であって、磁石体と、２相の電磁コイルと、上記エンコーダーと、前記電気機械装置の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記エンコーダーの前記２軸磁気センサー回路から出力される前記正弦波信号及び前記余弦波信号から、前記２相の電磁コイルの駆動信号を生成する駆動信号生成部を有する。
この電気機械装置によれば、１つの２軸磁気センサー回路から出力される正弦波信号及び前記余弦波信号から２相の駆動信号を生成するので、磁気センサーの位置ズレなどに起因する駆動信号の位相ズレを防止することが可能である。

本発明は、装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、エンコーダー、ロータリーエンコーダー、位置検出方法、回転位置検出方法、エンコーダーを備えた電気機械装置、ロボット、鉄道車両、それらの方法又は装置の機能を実現するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体（non-transitory storage medium）等の形態で実現することができる。

第１実施形態のロータリーエンコーダーの構成と動作を示す説明図。 ２軸磁気センサー回路内の複数のホール素子の感磁方向を示す説明図。 ２軸磁気センサー回路の回路構成と動作を示す説明図。 第２実施形態のロータリーエンコーダーの構成と動作を示す説明図。 第２実施形態のロータリーエンコーダーの変形例を示す説明図。 磁石体の他の構成例を示す説明図。 ２つの２軸磁気センサー回路から出力される磁気角出力を示す説明図。 ２つの２軸磁気センサー回路の出力を用いて回転体の絶対位置（絶対角度）を決定する位置信号生成部を示す説明図。 小周期区間値Ｐｘの補正対象範囲を示す説明図。 小周期区間値Ｐｘの補正のアルゴリズムを示すフローチャート。 第３実施形態のロータリーエンコーダーの構成と動作を示す説明図。 ２つの２軸磁気センサー回路から出力される磁気角出力を示す説明図。 第４実施形態としてのロータリーエンコーダーの構成を示す説明図。 第５実施形態としてのリニアエンコーダーの構成を示す説明図。 実施形態のエンコーダーを備える電気機械装置を示す説明図。 電動機械装置の電気的構成を示すブロック図。 主制御回路の内部構成を示すブロック図。 回転数算出部の内部構成と動作を示す説明図。 実施形態の電気機械装置を利用したロボットを示す説明図。 実施形態の電気機械装置を利用した鉄道車両を示す説明図。

Ａ．第１実施形態（１つの磁石体を用いたロータリーエンコーダー）
図１は、第１実施形態としてのロータリーエンコーダー１００Ａの構成と動作を示す説明図である。このロータリーエンコーダー１００Ａは、環状の磁石体１１０と、磁石体１１０の表面に対向して設けられた２軸磁気センサー回路１３０とを有している。２軸磁気センサー回路１３０は、基板１４０（図１（Ｂ））上に固定されている。基板１４０は回転しない固定体（「ステータ」又は「第１部材」とも呼ぶ）を構成し、磁石体１１０は回転体（「ロータ」又は「第２部材」とも呼ぶ）を構成している。この回転体は、仮想的な回転軸Ｃの回りに回転する。従って、回転体の移動方向は、磁石体１１０の周方向である。

磁石体１１０は８個の小磁石１１０ｓで構成されており、隣接する小磁石１１０ｓ同士は逆向きに磁化されている。すなわち、磁石体１１０の全体は、８極の磁石体である。個々の小磁石１１０ｓの着磁方向は、磁石体１１０の回転方向（移動方向）に交差する方向である。また、この着磁方向は、磁石体１１０と基板１４０の対向方向（すなわち回転軸Ｃに平行な方向）と垂直な方向に平行であり、かつ、個々の小磁石１１０ｓの中心と磁石体１１０の回転軸Ｃとを結ぶ方向に平行である。小磁石１１０ｓの着磁方法としては、ラジアル着磁（着磁方向が、回転軸Ｃを中心とする放射状の方向である着磁方法）よりも、平行着磁（着磁方向が小磁石の全体に亘って平行である着磁方法）とすることが好ましい。この理由は、平行着磁の方が、２軸磁気センサー回路１３０で検出される磁場がより滑らかな正弦波状の変化を示し、回転角度の解像度が向上するからである。なお、図１（Ａ），（Ｂ）には、図示の便宜上、１つの小磁石１１０ｓの着磁方向のみが矢印で示されている。

磁石体１１０の内周には、環状のヨーク部材１２０が配置されている。このヨーク部材１２０は、また、磁石体１１０の裏面（基板１４０と反対側の面）を覆っている。ヨーク部材１２０は、軟磁性体で形成されており、磁石体１１０の内周側において磁気回路（磁路）を形成することによって、不要な磁束の漏れを低減するためのものである。ヨーク部材１２０は、磁石体１１０の内周と外周の少なくとも一方に設けることが好ましい。但し、ヨーク部材１２０は、省略してもよい。

図１（Ｃ）は、２軸磁気センサー回路１３０で得られる各種の検出信号sinθm，cosθm，Ｄ１を示すグラフである。このグラフの横軸は、磁石体１１０（すなわち回転体）の回転角θrである。この回転角θrは、図１（Ａ）に示すように、１２時の方向から、磁石体１１０上の基準位置ＰＰまでを時計回りに測った角度である。この回転角θrを、「機械角」とも呼ぶ。また、磁石体１１０の周方向に沿った磁場は、隣接する一対の小磁石１１０ｓを１周期とする正弦波状の変化を示す。この磁場の１周期毎の位置は、磁気角θmによって表される。図１（Ｃ）の上部に示した信号sinθm，cosθmは、この磁気角θmに応じた正弦波信号である。また、図１（Ｃ）の下部に示した信号Ｄ１は、磁気角θmの各周期において０から最大値まで直線的に変化する信号であり、２軸磁気センサー回路１３０から外部回路に出力される磁気角出力Ｄ１である。磁気角出力Ｄ１は、例えば、２つの正弦波信号sinθm，cosθmをデコードすることによって生成することができる。

図１（Ｂ）に示すように、２軸磁気センサー回路１３０は、磁石体１１０の表面に対向した位置に一定のギャップを介して配置されている。換言すれば、２軸磁気センサー回路１３０は、磁石体１１０の移動方向と磁石体１１０の着磁方向との両方向に平行な磁石体１１０の表面から、一定のギャップを介して配置されている。２軸磁気センサー回路１３０は、磁石体１１０の径方向に沿った位置のうちで磁束密度が０となる磁束中心部（図１（Ｂ）において破線で示す位置）を外した位置（すなわち、磁石体１１０の磁束中心部に対向する位置）に配置されている。特に、２軸磁気センサー回路１３０の設置位置は、磁石体１１０の径方向に沿って測った幅Ｗ（磁石体１１０とヨーク部材１２０とを合わせた幅Ｗ）の略中央に配置されていることが好ましい。換言すれば、２軸磁気センサー回路１３０は、磁石体１１０の径方向に沿って測った磁石体１１０単独の幅の中央（磁束中心部）よりも、磁石体１１０とヨーク部材１２０とを合わせた幅Ｗの中央に近い位置に配置することが好ましい。この理由は、発明者の実験結果によれば、後者の配置の方が、２軸磁気センサー回路１３０による磁気角出力Ｄ１の誤差がより小さくなり、誤差の低減の観点からより好ましいからである。

図２は、２軸磁気センサー回路１３０の内部に含まれる複数のホール素子の配列例と、それらの感磁方向を示す説明図である。ここでは、２軸磁気センサー回路１３０の表面に平行な方向として、互いに直交するＸ軸方向と、Ｙ軸方向とを描いている。Ｚ軸方向は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交しており、図１（Ａ），１（Ｂ）の回転軸Ｃと平行な方向である。また、ホール素子の感磁方向（磁力線の検出方向）として、Ｓ極からＮ極に向かう方向を矢印で示している。内部に黒丸を含む白丸は、紙面の裏側から表側に向かう方向が感磁方向であることを示す。また、内部に「Ｘ」を含む白丸は、紙面の表側から裏側に向かう方向が感磁方向であることを示す。

図２（Ａ）の２軸磁気センサー回路１３０は、Ｘ軸方向を感磁方向とする２つのＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２と、Ｙ軸方向を感磁方向とする２つのＹ軸ホール素子Ｙ１，Ｙ２とを有している。なお、Ｘ軸ホール素子の個数は、複数とすることが好ましく、２個に限らず３個以上でも良い。これはＹ軸ホール素子も同様である。後述するように、複数のＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２から第１磁気角信号sinθmが生成され、複数のＹ軸ホール素子Ｙ１，Ｙ２から第２磁気角信号cosθmが生成される。この点はさらに後述する。

図２（Ｂ）の２軸磁気センサー回路１３０は、第１組のホール素子ＹＸ１，ＹＸ２と、第２組のホール素子ＸＹ１，ＸＹ２とを有している。これらの２組のホール素子は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に対して４５度傾いた方向を感磁方向としている。図２（Ｃ）の２軸磁気センサー回路１３０は、２つのＹ軸ホール素子Ｙ１，Ｙ２と、２つのＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２とを有している。図２（Ｃ）の回路は、２つのＹ軸ホール素子Ｙ１，Ｙ２と２つのＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２の感磁方向が互いに向き合っている点で、図２（Ａ）の回路と異なっている。図２（Ｄ）の２軸磁気センサー回路１３０は、４つのＹ軸ホール素子Ｙ１ａ，Ｙ１ｂ，Ｙ２ａ，Ｙ２ｂと、４つのＺ軸ホール素子Ｚ１ａ，Ｚ１ｂ，Ｚ２ａ，Ｚ２ｂとを有している。図２（Ｄ）の２軸磁気センサー回路１３０を用いる場合には、上方の２つのＹ軸ホール素子Ｙ１ａ，Ｙ１ｂの出力を加算し、下方の２つのＹ軸ホール素子Ｙ２ａ，Ｙ２ｂを加算すれば、図２（Ａ）の２つのＹ軸ホール素子Ｙ１，Ｙ２の出力と等価な出力を得ることが可能である。Ｚ軸ホール素子Ｚ１ａ，Ｚ１ｂ，Ｚ２ａ，Ｚ２ｂについても同様である。図２（Ｂ）〜（Ｄ）の２軸磁気センサー回路１３０のいずれを使用しても、その複数のホール素子の出力を合成することによって、磁気角信号sinθm，cosθmを生成することが可能である。なお、これらの例から理解できるように、２軸磁気センサー回路１３０は、直交する２つの方向に沿った磁場を検出することが可能な回路である。また、２軸磁気センサー回路１３０において、複数個のＸ軸センサー素子が、Ｘ軸に沿って互いに離れた部位に配置された第１組のＸ軸ホール素子と第２組のＸ軸ホール素子とを含み、同様に、複数個のＹ軸センサー素子が、Ｙ軸に沿って互いに離れた部位に配置された第１組のＹ軸ホール素子と第２組のＹ軸ホール素子とを含むように構成することが可能である。

図３は、２軸磁気センサー回路１３０の回路構成と動作を示す説明図である。ここでは、図２（Ａ）に示したホール素子の構成を使用している。２軸磁気センサー回路１３０は、Ｘ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２及びＹ軸ホール素子Ｙ１，Ｙ２の他に、増幅回路１３１，１３２と、ＡＤ変換回路１３３，１３４と、信号処理回路１３５とを有している。第１の増幅回路１３１には２つのＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２の出力が入力され、第２の増幅回路１３２には２つのＹ軸ホール素子Ｙ１，Ｙ２の出力が入力されている。図３（Ｂ）に示すように、２つのＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２の出力は、それぞれ第１の正弦波状の信号である。また、２つのＹ軸ホール素子Ｙ１，Ｙ２の出力は、第１の正弦波から９０度位相がずれた第２の正弦波状（余弦波状）の信号である。第１の増幅回路１３１は、２つのＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２の出力の差分（Ｘ１−Ｘ２）を取る差動増幅器として構成されている。この理由は、第１の増幅回路１３１に入力される２つのＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２の出力の正負の符号が逆となるように、ホール素子Ｘ１，Ｘ２の回路や配線が構成されているからである。図３（Ｂ）の例では、２つのＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２の出力は、符号が逆で絶対値が等しい信号として描かれている。但し、２軸磁気センサー回路１３０の設置位置や磁石の磁束歪みによる磁極位置によっては、これらの２つのＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２の出力の絶対値が互いに異なる場合もある。しかし、この場合にも、第１の増幅回路１３１で２つのＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２の出力の差分（Ｘ１−Ｘ２）を取ることによって、２軸磁気センサー回路１３０の設置位置や磁石の磁束歪みによる磁極位置のずれに関わらず、磁気角θmに応じた正しい正弦波出力を得ることが可能である。これらの点は、Ｙ軸ホール素子Ｙ１，Ｙ２及び第２の増幅回路１３２に関しても同様である。このように、複数のＸ軸ホール素子の出力信号の差を取ることによって正弦波信号（Ｘ１−Ｘ２）を生成し、複数のＹ軸ホール素子の出力信号の差を取ることによって正弦波信号（Ｘ１−Ｘ２）とは位相が９０度異なる余弦波信号（Ｙ１−Ｙ２）を生成することができる。また、正弦波信号（Ｘ１−Ｘ２）と余弦波信号（Ｙ１−Ｙ２）に基づいて、回転体の位置（回転位置）を示す磁気角出力Ｄ１を生成することができる。

なお、第１の増幅回路１３１に入力される２つのＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２の出力は、正負符号が同一の信号としてもよい。この場合には、第１の増幅回路１３１は、加算増幅器として構成される。但し、第１の増幅回路１３１を差動増幅器として構成すれば、２つの出力信号Ｘ１，Ｘ２に共通のノイズ（例えば、電磁コイルのＰＷＭ制御に伴う高周波ノイズ）が含まれている場合にも、それらの差分（Ｘ−Ｘ２）を取ることによってノイズを軽減できる点で好ましい。これらの点は、第２の増幅回路１３２も同様である。

これらの増幅回路１３１，１３２の出力（Ｘ１−Ｘ２），（Ｙ１−Ｙ２）は、ＡＤ変換回路１３３，１３４でそれぞれデジタル信号に変換されて、磁気角信号sinθm，cosθmとなる。信号処理回路１３５は、これらの磁気角信号sinθm，cosθmに基づいたデコード演算を行うことによって、図１（Ｃ）に示した磁気角出力Ｄ１を生成する。信号処理回路１３５は、更に、磁気角出力Ｄ１を利用して、図３（Ｃ）に示す２相パルス信号Ｐａ，Ｐｂと、周期信号Ｚとを生成する。

２相パルス信号Ｐａ，Ｐｂと、周期信号Ｚは、例えば以下のように生成される。磁気角出力Ｄ１は、磁気角θmを複数のビットで表した信号である。例えば、磁気角出力Ｄ１が１２ビット信号として構成されている場合には、磁気角θmが０から２πまで変化する間に、磁気角出力Ｄ１の値は０から４０９５（＝２¹²−１）まで直線的に変化する。２相パルス信号Ｐａ，Ｐｂは、位相が互いに９０度ずれた信号であり、光学式のインクリメンタルエンコーダーのＡ相出力及びＢ相出力に相当する信号である。周期信号Ｚは、磁気角θmが２π変化するたびに１パルス発生する信号であり、光学式のインクリメンタルエンコーダーのＺ相信号に相当する信号である。例えば、Ａ相パルス信号Ｐａは、磁気角出力Ｄ１の最下位から２番目のビットの変化を示す信号として生成される。また、Ｂ相パルス信号Ｐｂは、角度信号Ｄ１の最下位の２ビットの排他的論理和（ＸＯＲ）を取った信号として生成される。周期信号Ｚは、角度信号Ｄ１の全ビットの否定論理和（ＮＯＲ）を取った信号として生成される。角度信号Ｄ１が１２ビットの信号の場合には、２相パルス信号Ｐａ，Ｐｂのパルスは、磁気角θmが２π変化する間に１０２４個発生する。

信号処理回路１３５は、角度信号Ｄ１と、正弦波信号sinθmと、余弦波信号cosθmと、２相パルス信号Ｐａ，Ｐｂと、周期信号Ｚとを外部に出力することが可能である。ロータリーエンコーダー１００Ａを使用する装置は、これらの信号のうちのいくつかを用いて位置制御や速度制御を実行することが可能である。

このように、第１実施形態のロータリーエンコーダー１００Ａは、磁石体１１０の移動方向（周方向）と交差する方向に着磁されており、また、２軸磁気センサー回路１３０は、磁石体１１０の移動方向と磁石体１１０の着磁方向との両方向に平行な磁石体の表面から一定のギャップを介して配置されているので、２軸磁気センサー回路１３０の複数のホール素子の出力として、磁気歪みの少ない正弦波状の出力を得ることができる。従って、その磁気歪みの少ない正弦波状出力から、解像度の高い磁気角出力を得ることが可能である。また、２軸磁気センサー回路１３０は、複数のＸ軸ホール素子Ｘ１，Ｘ２と複数のＹ軸ホール素子Ｙ１，Ｙ２とを有しており、それらのホール素子の出力信号に応じて磁気角出力Ｄ１を生成するので、磁石体１１０に対して２軸磁気センサー回路１３０の設置位置が多少ずれた場合にも、正確な磁気角出力Ｄ１を得ることが可能である。

なお、磁石体１１０の極数Ｍは、第１実施形態では８であるが、極数Ｍは４以上の偶数とすることが好ましい。この理由は、極数Ｍが奇数の場合には機械角θrの２πの範囲が磁気角θmの２πの整数倍にならないので、角度検出が不便だからである。また、極数Ｍが２では、磁気角出力Ｄ１の解像度を十分に大きくできない可能性があるからである。

Ｂ．第２実施形態（２つの磁石体を用いたロータリーエンコーダー、その１）
図４は、第２実施形態としてのロータリーエンコーダー１００Ｂの構成と動作を示す説明図である。第２実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｂは、図１に示した第１実施形態のロータリーエンコーダー１００Ａに、第２の磁石体２１０と、第２のヨーク部材２２０と、第２の２軸磁気センサー回路２３０とを追加した構成を有している。第２の２軸磁気センサー回路２３０の構成及び動作は、第１実施形態で説明した２軸磁気センサー回路１３０の構成及び動作と同じである。

第２の磁石体２１０は、第１の磁石体１１０の内側に配置されており、第１の磁石体１１０と同心円状の２極の環状磁石である。第２の磁石体２１０の着磁方法としては、ラジアル着磁よりも、平行着磁とすることが好ましい。この理由は、第１実施形態において説明した理由（第１の磁石体１１０の個々の小磁石１１０ｓの着磁方法として平行着磁が好ましい理由）と同じである。第２の磁石体２１０の平行着磁の着磁方向は、回転体の回転軸Ｃを通る方向（すなわち、磁石体２１０の径方向）に平行な方向とすることが好ましい。

第２の磁石体２１０の内周には、環状の第２のヨーク部材２２０が配置されている。但し、ヨーク部材１２０は、省略してもよい。なお、第１の磁石体１１０と第２の磁石体２１０の中間には、なんらかの磁性体製のヨーク部材を設けることが好ましい。この理由は、２つの磁石体１１０，２１０が、それぞれの２軸磁気センサー回路１３０，２３０に磁場干渉を起こさないようにするためである。

第２の２軸磁気センサー２３０は、第２の磁石体２１０の表面に対向した位置に一定のギャップを介して配置されている。換言すれば、第２の２軸磁気センサー回路２３０は、第２の磁石体２１０の移動方向（すなわち周方向）と、第２の磁石体２１０の着磁方向との両方向に平行な第２の磁石体２１０の表面から、一定のギャップを介して配置されている。また、第２の２軸磁気センサー回路２３０の設置位置は、第２の磁石体２１０の径方向に沿って測った第２の磁石体２１０の幅の中央よりも、第２の磁石体２１０と第２のヨーク部材２２０とを合わせた幅の中央に近い位置に配置することが好ましい。この点は、第１実施形態において説明した第１の２軸磁気センサー回路１３０の好ましい設置位置と同じである。

図４（Ｃ）は、第２実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｂにおいて利用される小周期区間の区分の例を示している。ここでは、ロータリーエンコーダー１００Ｂの回転体（第１の磁石体１１０と第２の磁石体２１０）の基準位置ＰＰが１２時の方向にある向きを基準として、９０度毎に区分された４つの小周期区間が示されている。１つの小周期区間は、第１の磁石体１１０の磁気角θmが３６０度（２π）変化する区間（すなわち、２つの小磁石の区間）に相当する。小周期区間値Ｐｘは、これらの４つの小周期区間を区別するための値であり、０〜３までの４つの値を取る。後述するように、この小周期区間値Ｐｘは、第２の２軸磁気センサー回路２３０の磁気角出力から生成される。

図７は、第１の２軸磁気センサー回路１３０から出力される第１磁気角出力Ｄ１と、第２の２軸磁気センサー回路２３０から出力される第２磁気角出力Ｄ２と、の例を示す説明図である。図７の横軸は機械角θrであり、縦軸は２つの２軸磁気センサー回路１３０，２３０の磁気角出力Ｄ１，Ｄ２である。本実施形態では、２軸磁気センサー回路１３０，２３０の磁気角出力Ｄ１，Ｄ２は、いずれも１２ビットで構成されている。但し、一般には、第１の２軸磁気センサー回路１３０の第１磁気角出力Ｄ１をＮ１ビット（Ｎ１は２以上の整数）のデジタル信号とし、第２の２軸磁気センサー回路２３０の第２磁気角出力Ｄ２をＮ２ビット（Ｎ２は２以上の整数）のデジタル信号とすることができる。ここで、ビット数Ｎ１，Ｎ２は、同じ値としても良く、異なる値としても良い。

図７（Ｂ）に示す第１磁気角出力Ｄ１は、第１の磁石体１１０（図４）の回転に伴う磁気角の変化を示しており、機械角θrが３６０度変化する間に、０から４０９５までの値が４回繰り返し発生する鋸刃状の変化を示す。すなわち、第１磁気角出力Ｄ１は、個々の小周期期間の間に、０から４０９５まで増加する直線的な変化を示す。一方、図７（Ａ）に示す第２磁気角出力Ｄ２は、第２の磁石体２１０の回転に伴う磁気角の変化を示しており、機械角θrが３６０度変化する間に０から４０９５までの値が１回だけ発生する直線的な変化を示す。第２磁気角出力Ｄ２の最上位２ビットは、図４（Ｃ）で説明した小周期区間値Ｐｘとして使用可能である。

小周期区間値Ｐｘは、機械角θrの絶対位置を高精度に決定するために使用される。機械角θrは、第２磁気角出力Ｄ２のみから１２ビットの精度で検出可能である。しかし、小周期区間値Ｐｘと第１磁気角出力Ｄ１との両方を使用すれば、更に高精度（高分解能）に機械角θrの絶対位置を決定することができる。具体的には、図７の例において、小周期区間値Ｐｘが２ビットであり、第１磁気角出力Ｄ１が１２ビットなので、これらの両方を使用して１４ビットの精度（分解能）で機械角θrを検出可能である。

図８は、２つの２軸磁気センサー回路１３０，２３０の出力を用いて回転体の絶対位置（絶対角度）を決定する位置信号生成部３００を示す説明図である。位置信号生成部３００は、２つの２軸磁気センサー回路１３０，２３０の磁気角出力Ｄ１，Ｄ２を合成して、絶対位置出力Ｄabsを生成する。図８（Ｂ）は、位置信号生成部３００の処理内容を示している。この例では、第１磁気角出力Ｄ１は、最下位ビットＭ０から最上位ビットＭ１１までの１２ビットの信号であり、第２磁気角出力Ｄ２も、最下位ビットＳ０から最上位ビットＳ１１までの１２ビットの信号である。第２磁気角出力Ｄ２の最上位２ビットＳ１１，Ｓ１０は、小周期区間値Ｐｘとして使用される。絶対位置出力Ｄabsは、その最上位２ビットが小周期区間値Ｐｘであり、下位１２ビットが第１磁気角出力Ｄ１である。この絶対位置出力Ｄabsは、１４ビットの精度で機械角θrの値を表す信号である。

なお、本実施形態において、２軸磁気センサー回路１３０，２３０のそれぞれは、複数のホール素子（図２の例参照）を用いている。従って、２軸磁気センサー回路１３０，２３０の電源がオンとなったときに、その時点における回転体の絶対位置（機械角θr）に応じて、図７に示した磁気角出力Ｄ１，Ｄ２を得ることができ、これらの磁気角出力Ｄ１，Ｄ２に応じて回転体の絶対位置（機械角θr）を決定することが可能である。従って、２軸磁気センサー回路１３０，２３０の電源オフ時に、その時点における回転体の絶対位置（機械角θrの値）を記憶しておく必要が無く、電源オン時に得られる２つの磁気角出力Ｄ１，Ｄ２のみから、電源オフ時の回転体の絶対位置を知ることができるという利点がある。

ところで、図７の例では、第１磁気角出力Ｄ１の小周期区間の境界と、第２磁気角出力Ｄ２から得られる小周期区間値Ｐｘの値の変化位置とが一致している。しかしなら、実際の回路では、何らかの誤差によって両者が食い違う不具合が発生する可能性がある。このような不具合を防止するために、位置信号生成部３００は、機械角θｒの増大に応じて第１磁気角出力Ｄ１が最大値Ｄ１maxから最小値０に戻るタイミングと、小周期区間値Ｐｘ（すなわち第２磁気角出力Ｄ２の最上位２ビット）がインクリメントするタイミングとが一致するように、小周期区間値Ｐｘの補正を行うことが好ましい。

図９は、位置信号生成部３００によって行われる小周期区間値Ｐｘの補正対象範囲を示す説明図である。図の下方には、第１磁気角出力Ｄ１の鋸刃状の変化が示されており、上方には第２磁気角出力Ｄ２の誤差の幅（上下方向の幅）がハッチングで示されている。第１磁気角出力Ｄ１は、その最小値０から最大値Ｄ１maxの範囲で変化しており、最大値Ｄ１maxに到達したあとに、最小値０に戻る。第１磁気角出力Ｄ１が最大値Ｄ１maxから最小値０に戻るタイミングと、第２磁気角出力Ｄ２の最上位２ビットがインクリメントするタイミングとが一致していれば、図８（Ｂ）で示したように、第２磁気角出力Ｄ２の最上位２ビットを小周期区間値Ｐｘとしてそのまま使用できる。一方、両者のタイミングがずれている場合には、小周期区間値Ｐｘの補正を行う。小周期区間値Ｐｘの補正が必要となるのは、第１磁気角出力Ｄ１が最大値Ｄ１maxから最小値０に戻るタイミングの直後の範囲Ｒ１と、そのタイミングの直前の範囲Ｒ３である。これらの２つの範囲Ｒ１，Ｒ３の中間の範囲Ｒ２では、第２磁気角出力Ｄ２の最上位２ビットの値が、小周期区間値Ｐｘとして正しい値を示すので、補正の必要は無い。

図１０は、小周期区間値Ｐｘの補正のアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。この補正は、位置信号生成部３００（図８）によって行われる。ステップＳ１００では、第１磁気角出力Ｄ１のビット数Ｎ１と、第２磁気角出力Ｄ２のビット数Ｎ２と、小周期区間値Ｐｘのビット数Ｎｘと、が設定される。また、パラメータＮss（＝Ｎ２−Ｎｘ）、Ｄ１max（＝２^N1−１）も設定される。本実施形態では、Ｎ１＝Ｎ２＝１２，Ｎｘ＝２，Ｎss＝１０，Ｄ１max＝４０９５である。

ステップＳ１１０では、位置信号生成部３００が、２つの２軸磁気センサー回路１３０，２３０（図４）から磁気角出力Ｄ１，Ｄ２を受信する。ステップＳ１２０では、第１磁気角出力Ｄ１が、図９に示した３つの範囲Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のいずれにあるかが判定される。図１０の例では、第１の範囲Ｒ１を０≦Ｄ１≦（Ｄ１max／４）とし、第２の範囲Ｒ２を（Ｄ１max／４）＜Ｄ１＜（Ｄ１max＊３／４）とし、第３の範囲Ｒ３を（Ｄ１max＊３／４）≦Ｄ１≦Ｄ１maxとしている。第１の範囲Ｒ１と第３の範囲Ｒ３では、小周期区間値Ｐｘを補正するために、第２磁気角出力Ｄ２の補正を実行する。

補正の実行工程であるステップＳ１３０〜Ｓ１５０は、以下の考えに基づいて実施される。
（１）第１磁気角出力Ｄ１が第１の範囲Ｒ１にある場合には、第２磁気角出力Ｄ２の上位２ビットで表される小周期区間値Ｐｘが、誤って１つ小さな値になっている可能性がある。そこで、この可能性を排除するために、第２磁気角出力Ｄ２の下位Ｎssビットで表される最大値（＝２^Nss）の半分の値を第２磁気角出力Ｄ２に加算して、その上位Ｎｘビットを小周期区間値Ｐｘとして使用する（ステップＳ１３０，Ｓ１５０）。
（２）第１磁気角出力Ｄ１が第２の範囲Ｒ２にある場合には、第２磁気角出力Ｄ２の最上位２ビットをそのまま小周期区間値Ｐｘとして使用する（ステップＳ１５０）。
（３）第１磁気角出力Ｄ１が第３の範囲Ｒ３にある場合には、第２磁気角出力Ｄ２の上位２ビットで表される小周期区間値Ｐｘが、誤って１つ大きな値になっている可能性がある。そこで、この可能性を排除するため、第２磁気角出力Ｄ２の下位Ｎssビットで表される最大値（＝２^Nss）の半分の値を第２磁気角出力Ｄ２から減算して、その上位Ｎｘビットを小周期区間値Ｐｘとして使用する（ステップＳ１４０，Ｓ１５０）。

このような補正を行うことによって、第１磁気角出力Ｄ１の小周期区間の境界と、小周期区間値Ｐｘの変化時点とが常に一致するように、小周期区間値Ｐｘを決定することが可能である。発明者の計算によれば、第２磁気角出力Ｄ２の磁気角誤差が±２^N1-Nx-2以下であれば、上記の補正によって正しい小周期区間値Ｐｘを得ることが可能である。例えば、Ｎ１＝１２，Ｎｘ＝２の場合には、許容誤差は±２⁸＝±２５６である。この許容誤差はかなり大きいので、誤差に対する耐性が非常に大きく、実用上極めて有効な補正であることが理解できる。但し、磁気角出力Ｄ１，Ｄ２の誤差が無視できる程度のものであれば、小周期区間値Ｐｘの補正は不要である。

なお、補正を要する範囲Ｒ１，Ｒ３の最小幅は、磁気角出力Ｄ１，Ｄ２の誤差の大きさに応じて変わる。従って、これらの３つの範囲Ｒ１〜Ｒ３を、上述とは異なる所定の範囲にそれぞれ設定することが可能である。但し、３つの範囲Ｒ１〜Ｒ３のそれぞれは、幅がゼロでない範囲とすることが好ましい。また、小周期区間の境界の両側にある範囲Ｒ１，Ｒ３は、同じ幅とすることが好ましい。

このように、第２実施形態では、位置信号生成部３００は、第１の２軸磁気センサー回路１３０の第１磁気角出力Ｄ１と、第２の２軸磁気センサー回路２３０の第２磁気角出力Ｄ２とに応じて、回転体の絶対位置（機械角θr）を示す位置信号（絶対位置出力Ｄabs）を生成する。この位置信号Ｄabsを使用すれば、１つの２軸磁気センサー回路１３０（又は２３０）よりも高精度（高解像度）で位置を決定することが可能である。また、上述したように、本実施形態では、２軸磁気センサー回路１３０，２３０が複数のホール素子を用いているので、２軸磁気センサー回路１３０，２３０の電源オン時に得られる２つの磁気角出力Ｄ１，Ｄ２のみから、電源オフ時の回転体の絶対位置を直読で知ることができる。

なお、第１の磁石体１１０の極数をＭ１とし、第２の磁石体２１０の極数をＭ２とした場合に、Ｍ１，Ｍ２をそれぞれ偶数とすることが好ましく、特に、Ｍ１を４以上の偶数とし、Ｍ２を２以上の偶数とすることが好ましい。こうすれば、１つの磁石体を用いる場合に比べて、より高精度に位置検出を行うことが可能である。

また、第１の磁石体１１０の極数Ｍ１と、第２の磁石体２１０の極数Ｍ２は、Ｍ１／２とＭ２／２が互いに素である整数であることが好ましい。ここで、２つの整数が「互いに素」とは、両者が１以外の共通の約数を持たないことを意味する。Ｍ１／２とＭ２／２が互いに素となる整数であれば、第１の磁石体１１０の磁気角２πの区間（図７の小周期区間）の境界と、第２の磁石体２１０の磁気角２πの区間の境界とが一致する位置が、機械角θr＝０の位置だけになるので、２つの磁気角出力Ｄ１，Ｄ２から機械角θrの絶対値を決定することができる。なお、第２実施形態では、Ｍ１＝８，Ｍ２＝２である。すなわち、第１の磁石体１１０の極数Ｍ１は、２³に等しい。

ところで、第２磁気角出力Ｄ２の最上位の数ビットを小周期区間値Ｐｘとして利用するためには、第１の磁石体１１０の極数Ｍ１を２^Q+1（Ｑは１以上の整数）に設定し、第２の磁石体２１０の極数Ｍ２を２に設定することが好ましい。このとき、位置信号生成部３００は、第２磁気角出力Ｄ２の最上位Ｑビットを最上位に配置するとともに、その下に、第１磁気角出力Ｄ１の全ビット（Ｎ１ビット）を配置した（Ｎ１＋Ｑ）ビットの信号を、絶対位置出力Ｄabsとして生成することが好ましい。例えば、第２実施形態では、Ｎ１＝１２，Ｑ＝２なので、絶対位置出力Ｄabsは１４ビットの信号となる。

図５は、第２実施形態のロータリーエンコーダーの変形例を示す説明図である。図４のロータリーエンコーダーと異なる点は、第２の小磁石２１０を中実円盤状の形状とした点、第２の磁石体２１０用の第２のヨーク部材２２０を省略した点、及び、第２の２軸磁気センサー回路２３０を、第２の磁石体２１０の中心に向かい合う位置に配置した点、の３点だけである。図５のロータリーエンコーダーも、図４のロータリーエンコーダーとほとんど同じ性能を有する。

図６（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の磁石体１１０の他の構成例を示す説明図である。図６（Ａ）は、第１の磁石体１１０用の小磁石１１０ｓを示す平面図及び側面図である。この小磁石１１０ｓは、等辺台形柱形状を有している。すなわち、平面視（図６（Ａ）の左側）において等辺台形形状を有し、側面視（図６（Ａ）の右側）において矩形形状を有している。平面視における等辺台形形状は、高さＨと、底辺の幅ＷＤ１，ＷＤ２とを有する。また、側面視の矩形形状は、奥行きＤＰ及び高さＨを有する。この奥行きＤＰは、図１，図４，図５等に示す第１の磁石体１１０の厚み（紙面に垂直な方向の寸法）に相当する。台形の底辺の幅ＷＤ１，ＷＤ２は、第１の磁石体１１０の直径の寸法と、第１の磁石体１１０の極数Ｍ１とに応じて決められる。例えば、第１の磁石体１１０の直径を３０ｍｍとし、その極数を６４とし、小磁石１１０ｓの高さＨを５ｍｍとした場合には、ＷＤ１＝１．４７ｍｍ，ＷＤ２＝０．９８ｍｍとなり、小磁石１１０ｓのサイズが極めて小さなものとなる。このような微小サイズの台形形状の小磁石１１０ｓを製造しようとすると、その側面ＴＰを形成するためのテーパー加工が困難である。

そこで、図６（Ｂ），（Ｃ）に示した例では、台形柱形状でなく、直方体形状を有する小磁石１１０ｓを用いて、図６（Ａ）と実質的に等価な外形形状を有する小磁石体１００ｄ（以下、「分割磁石体１１０ｐ」と呼ぶ）を構成している。すなわち、この分割磁石体１１０ｐは、直方体形状の小磁石１１０ｓと、被覆部材１１２とで構成されており、全体として等辺台形柱形状を有する。被覆部材１１２は、直方体形状の小磁石１１０ｓの周囲の少なくとも一部を被覆し、かつ、分割磁石体１１０ｐの全体の形状を等辺台形形状とするために設けられている部材である。被覆部材１１２の材料としては、加工のし易さ及び耐久性を考慮して、アルミ材や樹脂などの非磁性体材料を利用することが可能である。図６（Ｃ）は、多数の分割磁石体１１０ｐを並べることによって、多極の第１の磁石体１１０を構成した様子を示している。例えば、６４個の分割磁石体１１０ｐを互いに接した状態で円環状に並べることによって、６４極や３２極の第１の小磁石体１１０を構成することが可能である。また、分割磁石体１１０ｐで構成された小磁石体１１０の内周側には、複数の分割磁石体１１０ｐを支持するための支持部材１５０を設けてもよい。この支持部材１５０としては、十分な剛性を有する材料で形成することが好ましく、例えば、ＳＫ５などの炭素工具鋼で形成することが好ましい。但し、支持部材１５０の代わりに、図１，図４，図５に示したヨーク部材１２０を用いて、複数の分割磁石体１１０ｐを支持するようにしてもよい。

このような分割磁石体１１０ｐを利用すれば、３２極や６４極等の極めて大きな極数の小磁石体１１０を容易に製造することができる。また、このような小磁石体１１０を用いて、位置精度の高いエンコーダーを容易に構成することが可能である。なお、図６（Ｂ）の例では、被覆部材１１２は直方体形状の小磁石１１０ｓの短辺の１つ（台形の底辺の幅ＷＤ２に相当する部分）を被覆していないが、被覆部材１１２が小磁石１１０ｓの全体を被覆するようにしてもよい。

Ｃ．第３実施形態（２つの磁石体を用いたロータリーエンコーダー、その２）
図１１は、第３実施形態としてのロータリーエンコーダー１００Ｃの構成と動作を示す説明図である。第３実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｃが第２実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｂ（図４）と異なる点は、２つの磁石体１１０，２１０の極数である。すなわち、第３実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｃの第１の磁石体１１０の極数Ｍ１は１０であり、第２の磁石体２１０の極数Ｍ２は４である。第３実施形態の他の構成は、第２実施形態と同じである。

図１２は、第３実施形態における磁気角出力Ｄ１，Ｄ２の例を示す説明図であり、第２実施形態の図７に相当する図である。第１の磁石体１１０の極数は１０なので、第１磁気角出力Ｄ１は、機械角θrが０〜３６０度変化する間に、５つの小周期で変化する。一方、第２の磁石体２１０の極数は４なので、第２磁気角出力Ｄ２は、機械角θrが０〜３６０度変化する間に、２つの小周期で変化する。従って、位置信号生成部３００（図８）は、これらの２つの磁気角出力Ｄ１，Ｄ２に基づいて、機械角θrを高精度に決定することが可能である。但し、第３実施形態では、第２磁気角出力Ｄ２の上位ビットをそのまま利用して絶対位置出力Ｄabsを得ることはできず、２つの磁気角出力Ｄ１，Ｄ２をデコードすることによって、絶対位置出力Ｄabsを生成する。このようなデコードを行うために、例えば、２つの磁気角出力Ｄ１，Ｄ２を入力とし、絶対位置出力Ｄabsを出力とするルックアップテーブルを使用することが可能である。或いは、算術的な演算によって、デコードを実施してもよい。なお、第３実施形態において、第１の磁石体１１０の極数Ｍ１（＝１０）と、第２の磁石体２１０の極数Ｍ２（＝４）とは、Ｍ１／２（＝５）とＭ２／２（＝２）が互いに素となる整数である。

この第３実施形態においても、第２実施形態と同様に、２つの磁石体１１０，２１０と２つの２軸磁気センサー回路１３０，２３０とを用いて、高精度に位置検出が可能である。但し、上述した第２実施形態では、第３実施形態で説明したデコードを行わずに済む点で、第３実施形態よりも好ましい。

Ｄ．第４実施形態（２つの磁石体を用いたロータリーエンコーダー、その３）
図１３は、第４実施形態としてのロータリーエンコーダー１００Ｄの構成を示す説明図である。このロータリーエンコーダー１００Ｄは、中空円筒状のヨーク部材１２０の廻りに、同径の環状の第１の磁石体１１０ｄと第２の磁石体２１０ｄが、回転軸Ｃに平行な方向に沿って並列に配置された構成を有している。基板１４０には、２つの磁石体１１０ｄ，２１０ｄの外周面に対して所定のギャップを介した位置に２軸磁気センサー回路１３０，２３０が設けられている。

第１の磁石体１１０ｄは８つの小磁石で構成されており、その極数Ｍ１は８である。第２の磁石体２１０ｄは２つの小磁石で構成されており、その極数Ｍ２は２である。但し、これらの極数Ｍ１，Ｍ２は、第２実施形態や第３実施形態で説明した種々の整数に設定することが可能である。

２つの磁石体１１０ｄ、２１０ｄの個々の小磁石の着磁方向は、図１３（Ｂ）の左右方向であり、図１３（Ａ），（Ｃ）では紙面に垂直な方向である。この着磁方向は、磁石体１１０ｄ（２１０ｄ）の回転方向（移動方向）に交差する方向に平行である。また、この着磁方向は、磁石体１１０ｄ（２１０ｄ）と基板１４０の対向方向と垂直な方向に平行で、かつ、磁石体１１０ｄ（２１０ｄ）の回転軸Ｃに平行な方向である。小磁石の着磁方法は、平行着磁とすることが好ましい。他の構成や動作は、第１〜第３実施形態で説明したものと同様である。

第４実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｄも、第２実施形態や第３実施形態と同様の効果を有する。第２実施形態や第３実施形態のように同心円状の２つの磁石体１１０，２１０を使用するか、あるいは、第４実施形態のように同径の２つの磁石体１１０ｄ、２１０ｄを使用するかは、エンコーダーの用途や空間的制約によって適宜選択可能である。例えば、より外径の小さな空間にエンコーダーを配置したい場合には、第４実施形態の方が第２実施形態や第３実施形態よりも有利である。

Ｅ．第５実施形態（２つの磁石体を用いたリニアエンコーダー）
図１４は、第５実施形態としてのリニアエンコーダー１００Ｅの構成を示す説明図である。このリニアエンコーダー１００Ｅは、直線的な棒状２つの磁石体１１０ｅ，２１０ｅを有している。これらの磁石体１１０ｅ，２１０ｅには、それぞれヨーク部材１２０，２２０が設けられている。なお、第１のヨーク部材１２０は、第１の磁石体１１０ｅの両側面（図１４では、磁石体１１０ｅの上側の面と下側の面）の少なくとも一方に設けるようにしても良く、あるいは省略してもよい。第２のヨーク部材２２０も同様である。基板１４０には、２つの磁石体１１０ｅ，２１０ｅの表面に対して所定のギャップを介した位置に２軸磁気センサー回路１３０，２３０が設けられている。

第１の磁石体１１０ｅは８つの小磁石で構成されており、その極数Ｍ１は８である。第２の磁石体２１０ｅは２つの小磁石で構成されており、その極数Ｍ２は２である。但し、これらの極数Ｍ１，Ｍ２は、第２実施形態や第３実施形態で説明した種々の整数に設定することが可能である。小磁石の着磁方法は、平行着磁を利用することが好ましい。図１４では、一例として、第１の磁石体１１０ｅの１つの小磁石のみに着磁方向が描かれている。この着磁方向は、磁石体１１０ｅの移動方向（図の左右方向）に交差する方向に平行である。また、この着磁方向は、磁石体１１０ｅと基板１４０の対向方向と垂直な方向に平行で、かつ、磁石体１１０ｅの移動方向に垂直な方向である。他の構成や動作は、第１〜第４実施形態で説明したものと同様である。

第５実施形態のリニアエンコーダー１００Ｅも、第２〜第４実施形態と同様の効果を有する。なお、このリニアエンコーダー１００Ｅの構成から、第２の磁石体２１０ｅと、それに関連する部材２２０，２３０とを省略してもよい。この場合には、第１実施形態で説明した１つの磁石体１１０を用いたロータリーエンコーダー１００Ａと同様な効果を奏するリニアエンコーダーを得ることができる。

Ｆ．第６実施形態（エンコーダーを備える電気機械装置）
図１５は、上述した実施形態のエンコーダーを備える電気機械装置を示す説明図である。電気機械装置としての電動モーター５００は、コアレスの２相ブラシレスＤＣモーターとして構成されている。電動モーター５００は、回転軸５３０の廻りに固定されたローター５１０と、ローター５１０の周囲に設けられたステーター５２０とを有する。

図１５（Ｂ）に示すように、ステーター５２０には、Ａ相コイル５２２Ａと、Ｂ相コイル５２２Ｂとがそれぞれ配置されている。これらのコイル５２２Ａ，５２２Ｂは、図１５（Ｂ）において、各コイルの中心を通る放射方向をそれぞれ中心として巻かれた集中巻きコイルである。

ローター５１０の外周面には、駆動力発生用の円筒状の磁石体１１０が設けられている。この磁石体１１０は８つの小磁石で構成されており、その極数Ｍ１は８である。この磁石体１１０は、ロータリーエンコーダー用の第１の磁石体としても機能する。ローター５１０の一方の端面には、ロータリーエンコーダー用の第２の磁石体２１０が設けられている。第１の磁石体１１０と第２の磁石体２１０の内周面には、ヨーク部材１２０，２２０がそれぞれ設けられている。第２の磁石体２１０が設けられている側のローター５１０の端面には、２つの磁石体１１０，２１０とそれらのヨーク部材１２０，２２０とを覆う磁力調整板５１２が設けられている。この磁力調整板５１２は、軟磁性体製であり、磁石体１１０、２１０の磁場を弱めることによって、磁気センサー回路の出力が飽和しないようにするためである。

２つの磁石体１１０，２１０の側面に対向する位置には、基板１４０が設けられている。基板１４０上には、第１の磁石体１１０の磁場を検出するための第１の２軸磁気センサー回路１３０と、第２の磁石体２１０の磁場を検出するための第２の２軸磁気センサー回路２３０と、制御部６００とが設けられている。２軸磁気センサー回路１３０，２３０の構成及び動作は、図２及び図３で説明したものと同じである。図３で説明したように、１つの２軸磁気センサー回路１３０から、正弦波信号sinθmと余弦波信号cosθmの両方を出力することが可能である。従って、これらの２つの信号sinθm，cosθmを用いて、位相が９０度異なる２相コイル用の駆動信号を生成することが可能である。但し、２相コイル用の駆動信号の生成に利用するために、２つの２軸磁気センサー回路１３０を、磁気角で９０度位相がずれた位置に設けるようにしてもよい。但し、１つの２軸磁気センサー回路１３０から出力される正弦波信号sinθmと余弦波信号cosθmを用いて２相コイル用の駆動信号を生成するようにすれば、２つの磁気センサー回路を設ける場合に比べて、磁気センサー回路の実装位置のズレなどに起因する位相ズレが駆動信号に生じない点で好ましい。なお、２相コイル用の駆動信号の生成方法については後述する。

２つの磁石体１１０，２１０と２つの２軸磁気センサー回路１３０，２３０は、第２実施形態（図４〜図１０）で説明したロータリーエンコーダー１００Ｂと同様の構成、動作、及び効果を有するロータリーエンコーダーとして機能する。第１の磁石体１１０を構成する個々の小磁石は、ローター５１０の回転方向に交差する方向に着磁されている。その着磁方法は、平行着磁とすることが好ましい。これは、第２の磁石体２１０も同様である。

図１６は、電動モーター５００の電気的構成を示すブロック図である。電動モーター５００のモーター部として、ローター５１０と、２相分の電磁コイル５２２Ａ，５２２Ｂと、２つの２軸磁気センサー回路１３０，２３０とが描かれている。制御部６００は、主制御回路６１０と、２相分の駆動信号生成部６２０Ａ，６２０Ｂと、２相分の駆動回路６３０Ａ，６３０Ｂとを有している。主制御回路６１０には、第１の２軸磁気センサー回路１３０の出力信号Ｄ１，Ｐａ，Ｐｂ，Ｚ（図３参照）と、第２の２軸磁気センサー回路２３０の出力信号Ｄ２とが供給されており、これらの信号に基づいて、位置制御や速度制御を実行する。主制御回路６１０の内部構成については後述する。２相分の駆動信号生成部６２０Ａ，６２０Ｂは、１つの２軸磁気センサー回路１３０から、正弦波と余弦波を示すデジタル信号sinθm，cosθmを受け取り、これらのデジタル信号sinθm，cosθmに基づくＰＷＭ制御を実行することによって２相分の駆動信号を生成する。これらの駆動信号は、駆動回路６３０Ａ，６３０Ｂにそれぞれ供給される。駆動回路６３０Ａ，６３０Ｂは、いわゆるブリッジドライバー回路である。正弦波状のデジタル信号sinθm，cosθmに基づくＰＷＭ制御によって２相分の駆動信号を生成する方法や、その回路構成については、例えば、本出願人により開示された特開２００８−１７６７８号公報の図１０に示された回路（ＡＤ変換部を除く）を利用することが可能である。なお、本実施形態では、１つの２軸磁気センサー回路１３０から出力される正弦波信号sinθmと余弦波信号cosθmとを用いて２相分の駆動信号を生成するので、２つの磁気センサーを用いる場合に比べて、２つのセンサー位置相互のズレに起因する駆動信号の位相ズレが発生しない点で好ましい。この結果、モータの効率を高めることが可能である。

図１７は、主制御回路６１０の内部構成を示すブロック図である。主制御回路６１０の通信インターフェイス７１０は、第１の２軸磁気センサー回路１３０から第１磁気角出力Ｄ１を受信し、第２の２軸磁気センサー回路２３０から第２磁気角出力Ｄ２を受信する。これらの磁気角出力Ｄ１，Ｄ２は、図７に示したものと同じである。受信された磁気角出力Ｄ１，Ｄ２は、データ受信部７２０を介して位置信号生成部７３０に供給される。この位置信号生成部７３０は、図８〜図１０で説明した位置信号生成部３００と同じ機能を有する。位置信号生成部７３０で得られた絶対位置出力Ｄabsは、角速度算出部７４０に供給され、ローター５１０の角速度（回転速度）が算出される。また、この角速度は、角加速度算出部７５０に供給され、ローター５１０の角加速度が算出される。第１の２軸磁気センサー回路１３０の出力信号Ｐａ，Ｐｂ，Ｚ（図３）は、回転数算出部７６０に供給される。

図１８は、回転数算出部７６０の内部構成と動作を示す説明図である。Ｂ相パルス信号Ｐｂは、Ｄフリップフロップ７６１のデータ入力端子に供給され、Ａ相パルス信号Ｐａはクロック端子に供給される。Ｄフリップフロップ７６１の出力であるアップダウン信号Ｕａ／Ｄａは、アップダウンカウンター７６２の入力端子に供給される。アップダウン信号Ｕａ／Ｄａのハイレベルは、ローター５１０の回転方向が正方向（順方向）であることを示し、ローレベルは逆方向であることを示す。アップダウンカウンター７６２のクロック端子には、周期信号Ｚが供給されており、周期信号の立ち上がりエッジに応じてカウント値を変更する。すなわち、アップダウン信号Ｕａ／Ｄａがハイレベルの場合にはカウント値が１つインクリメントされ、アップダウン信号Ｕａ／Ｄａがローレベルの場合にはカウント値が１つデクリメントされる。アップダウンカウンター７６２のカウント値は、ラッチ７６３に供給される。ラッチ７６３のクロック端子には、周期信号Ｚが供給されており、周期信号Ｚの立ち下がりエッジに応じてカウント値Ｄｎがラッチ７６３に保持される。ラッチ７６３の出力は、ローター５１０の回転数Ｎｒとして外部に出力される。この回転数Ｎｒは、電動モーター５００によって駆動される部材（例えばロボットの関節）に関して、その所定の基準位置からの電動モーター５００の回転数を示している。この回転数Ｎｒは、回転数記憶部７７０（図１７）に供給されて記憶される。

図１７の主制御回路６１０は、更に、入出力インターフェイス７８０と、レジスター７９０と、ＭＰＵ７９５とを有している。入出力インターフェイス７８０は、上述した回路７３０，７４０，７５０，７６０，７９０，７９５に接続されており、必要に応じてこれらの回路からの出力を外部に供給する。レジスター７９０は、第１の磁石体１１０の極数や、ローター５１０の絶対位置（機械角θｒ）等のデータを一次的に格納している。回転数記憶部７７０やレジスター７９０は、制御部６００の電源オフ時においてそれぞれの記憶内容を保持するために、電池８００でバックアップされていることが好ましい。こうすれば、例えば、電動モーターがロボットの関節の駆動源として使用されている場合に、ロボットの電源オフ時の関節の位置を回転数記憶部７７０やレジスター７９０内の記憶内容に基づいて、次の電源オンの際に、関節の位置を正しく認識して制御を行うことが可能となる。ＭＰＵ（Micro Processing Unit)７９５は、電動モーター５００に関する各種の制御（例えばサーボ制御）を実行する。なお、ＭＰＵ７９５が実行する制御処理は、図示しないメモリー内に格納されたコンピュータープログラムをＭＰＵ７９５が実行することによって実現される。

このように、上述した実施形態のエンコーダーを用いて電気機械装置を構成すれば、高精度に位置検出を行いつつ電気機械装置を制御することが可能である。特に、図１５に示した電動モーター５００では、電動モーター５００の駆動力発生用の磁石体１１０を、エンコーダーの第１の磁石体としても利用しているので、少ない部材と単純な構造で高精度なエンコーダーを実現することができるという利点がある。

なお、エンコーダーは、駆動力を発生する電気機械装置に限らず、発電を行う（すなわち、回生を行う）電気機械装置や、駆動と回生の両方を行うことが可能な電気機械装置に適用可能である。このような電気機械装置としては、例えば、２相ＡＣブラシレスモーター、３相ＡＣブラシレスモーター、３相同期モーターなどの各種のモーターや、ジェネレーター、モーター／ジェネレーターが存在する。これらの電気機械装置に用いるエンコーダーとしては、上述した第１〜第５実施形態で説明した各種のエンコーダーを使用可能である。これらの各種のエンコーダーを利用した電気機械装置においても、電気機械装置における駆動又は回生用の磁石体を、エンコーダーの第１の磁石体としても利用することが好ましい。但し、磁石体を共用せずに、電気機械装置の外部にエンコーダーを接続するようにしてもよい。

Ｇ．エンコーダーを備える電気機械装置を利用した各種装置
図１９は、上記実施形態の電気機械装置を利用した双腕７軸ロボットの一例を示す説明図である。双腕７軸ロボット３４５０は、関節モーター３４６０と、把持部モーター３４７０と、アーム３４８０と、把持部３４９０と、を備える。関節モーター３４６０は、肩、肘、手首等の各関節部に相当する位置に配置されている。関節モーター３４６０は、アーム３４８０と把持部３４９０とを、３次元的に動作させるため、各関節につき２つのモーターを備えている。また、把持部モーター３４７０は、把持部３４９０を開閉し、把持部３４９０に物を掴ませる。双腕７軸ロボット３４５０において、関節モーター３４６０あるいは把持部モーター３４７０としては、上記実施形態で説明した電気機械装置を用いても良い。

図２０は、上記実施形態の電気機械装置を利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両３５００は、変速装置付モーター３５１０と、車輪３５２０とを有している。この変速装置付モーター３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、変速装置付モーター３５１０は、鉄道車両３５００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。なお、変速装置付モーター３５１０としては、上記実施形態で説明した電気機械装置を用いても良い。

図１９及び図２０の例から理解できるように、実施形態のエンコーダーを有する電気機械装置は、ロボットや、車両などの移動体を含む各種の装置に利用可能である。

Ｈ．変形例：
上記実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１００Ａ〜１００Ｄ…ロータリーエンコーダー
１００Ｅ…リニアエンコーダー
１１０，１１０ｄ，１１０ｅ…第１の磁石体
１１０ｐ…分割磁石体
１１０ｓ…小磁石
１１２…被覆部材
１２０…第１のヨーク部材
１３０…第１の２軸磁気センサー回路
１３１，１３２…増幅回路
１３５…信号処理回路
１４０…基板
１５０…支持部材
２１０，２１０ｄ，２１０ｅ…第２の磁石体
２２０…第２のヨーク部材
２３０…第２の２軸磁気センサー回路
３００…位置信号生成部
５００…電動モーター
５１０…ローター
５１２…磁力調整板
５２０…ステーター
５２２Ａ，５２２Ｂ…電磁コイル
５３０…回転軸
６００…制御部
６１０…主制御回路
６２０Ａ，６２０Ｂ…駆動信号生成部
６３０Ａ、６３０Ｂ…駆動回路
７１０…通信インターフェイス
７２０…データ受信部
７３０…位置信号生成部
７４０…角速度算出部
７５０…角加速度算出部
７６０…回転数算出部
７６２…アップダウンカウンター
７６３…ラッチ
７７０…回転数記憶部
７８０…入出力インターフェイス
７９０…レジスター
７９５…ＭＰＵ
８００…電池
３４６０…関節モーター
３４７０…把持部モーター
３４８０…アーム
３４９０…把持部
３５００…鉄道車両
３５１０…変速装置付モーター
３５２０…車輪

Claims (11)

1. 第１部材に対して所定の移動方向に沿って移動する第２部材の位置を測定するエンコーダーであって、
   前記第２部材に設けられ、前記移動方向と交差する方向に着磁されたＭ極（Ｍは４以上の偶数）の磁石体と、
   前記磁石体の表面から一定のギャップを有して、前記第１部材上に配置された２軸磁気センサー回路と、
   を備え、
   前記２軸磁気センサー回路は、前記第１部材に対する前記第２部材の位置を示す位置信号を生成して出力する、エンコーダー。
2. 請求項１に記載のエンコーダーであって、
   前記２軸磁気センサー回路は、互いに直交するＸ軸とＹ軸のうちの前記Ｘ軸に沿った磁場を測定するための複数のＸ軸ホール素子と、前記Ｙ軸に沿った磁場を測定するための複数のＹ軸ホール素子と、を含み、前記複数個のＸ軸ホール素子の出力信号と前記複数個のＹ軸ホール素子の出力信号とに応じて、前記第１部材に対する前記第２部材の位置を示す位置信号を生成して出力する、エンコーダー。
3. 請求項１又は２に記載のエンコーダーであって、
   前記複数個のＸ軸センサー素子は、前記Ｘ軸に沿って互いに離れた部位に配置された第１組のＸ軸ホール素子と第２組のＸ軸ホール素子とを含み、
   前記複数個のＹ軸センサー素子は、前記Ｙ軸に沿って互いに離れた部位に配置された第１組のＹ軸ホール素子と第２組のＹ軸ホール素子とを含み、
   前記２軸磁気センサー回路は、
   （ａ）前記第１組のＸ軸ホール素子の出力信号と前記第２組のＸ軸ホール素子の出力信号との差を取ることによって、正弦波信号を生成し、
   （ｂ）前記第１組のＹ軸ホール素子の出力信号と前記第２組のＹ軸ホール素子の出力信号との差を取ることによって、余弦波信号を生成し、
   （ｃ）前記正弦波信号と前記余弦波信号から、前記第１部材に対する前記第２部材の位置を示す前記位置信号を生成する、
   エンコーダー。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエンコーダーであって、
   前記第２部材は、回転体であり、
   前記磁石体を構成する個々の小磁石は、前記第１部材と前記第２部材の対向方向と垂直な着磁方向であって前記個々の小磁石の中心と前記回転体の回転軸とを結ぶ方向に平行な着磁方向に沿って平行着磁されている、エンコーダー。
5. 請求項４に記載のエンコーダーであって、
   前記第２部材は、前記磁石体の内周と外周の少なくとも一方に設けられた環状のヨーク部材を有し、
   前記２軸磁気センサー回路は、前記第２部材の径方向に沿って測った磁束密度で０となる磁束中心部を外した位置に配置されている、エンコーダー。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のエンコーダーであって、
   前記磁石体は、複数の分割磁石体を円環状に並べることによって構成されており、
   各分割磁石体は、直方体形状を有する小磁石と、前記小磁石の周囲の少なくとも一部を被覆することによって前記分割磁石体の全体の形状を等辺台形柱形状とする被覆部材と、を有する、エンコーダー。
7. 電気機械装置であって、
   駆動又は回生用の磁石体と、
   駆動又は回生用の電磁コイルと、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダーと、
   前記電気機械装置の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記駆動又は回生用の磁石体が、前記エンコーダーの前記磁石体として共用されている、
   電気機械装置。
8. 請求項７に記載の電気機械装置であって、
   前記電気機械装置は、２相の電磁コイルを有する２相ＡＣブラシレスモーターであり、
   前記制御部は、前記エンコーダーの前記２軸磁気センサー回路から出力される前記正弦波信号及び前記余弦波信号から、前記２相の電磁コイルの駆動信号を生成する駆動信号生成部を有する、電気機械装置。
9. ２相の電磁コイルを有する２相ＡＣブラシレスモーターとして動作可能な電気機械装置であって、
   磁石体と、
   ２相の電磁コイルと、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダーと、
   前記電気機械装置の動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記エンコーダーの前記２軸磁気センサー回路から出力される前記正弦波信号及び前記余弦波信号から、前記２相の電磁コイルの駆動信号を生成する駆動信号生成部を有する、電気機械装置。
10. ロボットであって、
    駆動又は回生用の磁石体と、
    駆動又は回生用の電磁コイルと、
    請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダーと、
    を備え、
    前記駆動又は回生用の磁石体が、前記エンコーダーの前記磁石体として共用されている電気機械装置を有するロボット。
11. 鉄道車両であって、
    駆動又は回生用の磁石体と、
    駆動又は回生用の電磁コイルと、
    請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダーと、
    を備え、
    前記駆動又は回生用の磁石体が、前記エンコーダーの前記磁石体として共用されてい
    電気機械装置を有する鉄道車両。

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