(57)【要約】【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、Ｍ１極（Ｍ１は４以上の偶数）の第１磁石体と、Ｍ２極（Ｍ２は２以上の偶数）の第２磁石体と、第１の２軸磁気センサー回路と、第２の２軸磁気センサー回路と、位置信号生成部とを備える。各磁石体を構成する個々の小磁石は、２軸磁気センサー回路の感磁面に交差する方向に磁化されている。【選択図】図１
2015175762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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部材に設けられた複数の第１小磁石を含むＭ１極（Ｍ１は４以上の偶数）の第１磁石体と、
前記第２部材に設けられた複数の第２小磁石を含むＭ２極（Ｍ２は２以上の偶数）の第２磁石体と、
前記第１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第１の２軸磁気センサー回路と、
前記第２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第２の２軸磁気センサー回路と、
前記第１の２軸磁気センサー回路と前記第２の２軸磁気センサー回路の出力信号を処理する位置信号生成部と、
を備え、
前記第１の２軸磁気センサー回路と前記第２の２軸磁気センサー回路は、それぞれ２つの感磁軸方向を有し、
前記第１磁石体を構成する個々の第１小磁石は、前記第１の２軸磁気センサー回路の感磁面に交差する方向に磁化されており、
前記第２磁石体を構成する個々の第２小磁石は、前記第２の２軸磁気センサー回路の感磁面に交差する方向に磁化されており、
前記位置信号生成部は、前記第１の２軸磁気センサー回路の第１磁気角出力と、前記第２の２軸磁気センサー回路の第２磁気角出力とに応じて、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する、エンコーダー。
【請求項２】
請求項１に記載のエンコーダーであって、
前記第１の２軸磁気センサー回路と前記第２の２軸磁気センサー回路のそれぞれは、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個のＸ軸センサー素子と、前記Ｙ軸に沿った磁場を測定するための複数個のＹ軸センサー素子と、を含む、エンコーダー。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエンコーダーであって、
前記整数Ｍ１，Ｍ２は、Ｍ１／２とＭ２／２が互いに素となる整数であり、
前記位置信号生成部は、前記第１の２軸磁気センサーの第１磁気角出力と前記第２の２軸磁気センサーの第２磁気角出力から前記位置信号を生成する、エンコーダー。
【請求項４】
請求項３に記載のエンコーダーであって、
前記整数Ｍ１は、２Q+1（Ｑは１以上の整数）に等しく、
前記整数Ｍ２は、２に等しく、
前記第１の２軸磁気センサー回路の第１磁気角出力は、前記第１部材に対する前記第２部材の相対位置を示すＮ１ビット（Ｎ１は２以上の整数）のデジタル信号であり、
前記第２の２軸磁気センサー回路の第２磁気角出力は、前記第１部材に対する前記第２部材の相対位置を示すＮ２ビット（Ｎ２は２以上の整数）のデジタル信号であり、
前記位置信号生成部は、前記第２磁気角出力の最上位Ｑビットを最上位に配置するとともに、前記第１磁気角出力のＮ１ビットを前記第２磁気角出力の前記最上位Ｑビットの下に配置した（Ｎ１＋Ｑ）ビットの信号を前記位置信号として生成する、エンコーダー。
【請求項５】
請求項４に記載のエンコーダーであって、
前記位置信号生成部は、
前記第２の部材の移動に応じて前記第１の２軸磁気センサー回路の前記第１磁気角出力と前記第２の２軸磁気センサー回路の前記第２磁気角出力とがともに増加する際に、前記第１磁気角出力が前記第１磁気角出力の最大値から最小値に戻るタイミングと、前記第２磁気角出力の前記最上位Ｑ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、前記第１磁気角出力に応じて前記第２磁気角出力の前記最上位Ｑビットを補正し、
前記補正後の前記第２磁気角出力の前記最上位Ｑビットを用いて、前記（Ｎ１＋Ｑ）ビットの前記位置信号を生成する、
エンコーダー。
【請求項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、
前記第２部材は、回転体であり、
前記第１磁石体は、互いに逆方向に磁化された２つの第１小磁石によって構成された小磁石ペアを複数組含み、
前記複数組の小磁石ペアは、前記回転体の回転軸廻りの円形の軌道に沿って配置されている、エンコーダー。
【請求項７】
請求項６に記載のエンコーダーであって、
個々の第１小磁石は、直方体形状を有し、
各小磁石ペアは、２つの第１小磁石と、前記２つの第１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小磁石ペア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。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンコーダーであって、
前記第１小磁石と前記第２小磁石の少なくとも一方は、強磁性薄膜によって形成されている、エンコーダー。
【請求項９】
電気機械装置であって、
前記電気機械装置のローターに接続された請求項１〜７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、
を備える、電気機械装置。
【請求項１０】
請求項９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第１の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。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の電気機械装置を備えるロボット。
【請求項１２】
請求項９又は１０に記載の電気機械装置を備える鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサーを用いたエンコーダー、及び、それを用いた各種の装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１１２７０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
（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部材に設けられた複数の第１小磁石を含むＭ１極（Ｍ１は４以上の偶数）の第１磁石体と；前記第２部材に設けられた複数の第２小磁石を含むＭ２極（Ｍ２は２以上の偶数）の第２磁石体と；前記第１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第１の２軸磁気センサー回路と；前記第２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第２の２軸磁気センサー回路と；前記第１の２軸磁気センサー回路と前記第２の２軸磁気センサー回路の出力信号を処理する位置信号生成部と、を備える。前記第１の２軸磁気センサー回路と前記第２の２軸磁気センサー回路は、それぞれ２つの感磁軸方向を有する。前記第１磁石体を構成する個々の第１小磁石は、前記第１の２軸磁気センサー回路の感磁面に交差する方向に磁化されており、前記第２磁石体を構成する個々の第２小磁石は、前記第２の２軸磁気センサー回路の感磁面に交差する方向に磁化されている。前記位置信号生成部は、前記第１の２軸磁気センサー回路の第１磁気角出力と、前記第２の２軸磁気センサー回路の第２磁気角出力とに応じて、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。また、位置信号生成部は、第１の２軸磁気センサー回路の第１磁気角出力と第２の２軸磁気センサー回路の第２磁気角出力とに応じて位置信号を生成するので、１つの２軸磁気センサー回路を用いる場合に比べて更に高精度に位置検出を行うことができる。更に、各磁石体を構成する個々の小磁石は、２軸磁気センサー回路の感磁面に交差する方向に磁化されているので、２軸磁気センサー回路によって小磁石の強い磁場を検出することができ、この結果、高精度な位置検出が可能である。
【０００７】
（２）上記エンコーダーにおいて、前記第１の２軸磁気センサー回路と前記第２の２軸磁気センサー回路のそれぞれは、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個のＸ軸センサー素子と、前記Ｙ軸に沿った磁場を測定するための複数個のＹ軸センサ素子と、を含むものとしてもよい。
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。
【０００８】
（３）上記エンコーダーにおいて、前記整数Ｍ１，Ｍ２は、Ｍ１／２とＭ２／２が互いに素となる整数であり、前記位置信号生成部は、前記第１の２軸磁気センサーの第１磁気角出力と前記第２の２軸磁気センサーの第２磁気角出力から前記位置信号を生成するものとしてもよい。
この構成によれば、第１の２軸磁気センサーの第１磁気角出力と第２の２軸磁気センサーの第２磁気角出力から、第１部材に対する第２部材の位置を高精度に検出可能である。
【０００９】
（４）上記エンコーダーにおいて、前記整数Ｍ１は、２Q+1（Ｑは１以上の整数）に等しく、前記整数Ｍ２は、２に等しく、前記第１の２軸磁気センサー回路の第１磁気角出力は、前記第１部材に対する前記第２部材の相対位置を示すＮ１ビット（Ｎ１は２以上の整数）のデジタル信号であり、前記第２の２軸磁気センサー回路の第２磁気角出力は、前記第１部材に対する前記第２部材の相対位置を示すＮ２ビット（Ｎ２は２以上の整数）のデジタル信号であり、前記位置信号生成部は、前記第２磁気角出力の最上位Ｑビットを最上位に配置するとともに、前記第１磁気角出力のＮ１ビットを前記第２磁気角出力の前記最上位Ｑビットの下に配置した（Ｎ１＋Ｑ）ビットの信号を前記位置信号として生成するものとしてもよい。
この構成によれば、第２磁気角出力の最上位Ｑビットと、第１磁気角出力のＮ１ビットとを組み合わせることによって位置信号のビット数を増加できるので、高精度（高分解能）の位置検出が可能である。
【００１０】
（５）上記エンコーダーにおいて、前記位置信号生成部は、前記第２の部材の移動に応じて前記第１の２軸磁気センサー回路の前記第１磁気角出力と前記第２の２軸磁気センサー回路の前記第２磁気角出力とがともに増加する際に、前記第１磁気角出力が前記第１磁気角出力の最大値から最小値に戻るタイミングと、前記第２磁気角出力の前記最上位Ｑ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、前記第１磁気角出力に応じて前記第２磁気角出力の前記最上位Ｑビットを補正し、前記補正後の前記第２磁気角出力の前記最上位Ｑビットを用いて、前記（Ｎ１＋Ｑ）ビットの前記位置信号を生成するものとしてもよい。
この構成によれば、第２磁気角出力に無視できない程度の誤差が存在する場合にも、第２磁気角出力の最上位Ｑビットと第１磁気角出力のＮ１ビットとを組み合わせることによって、正しい位置信号を得ることが可能である。
【００１１】
（６）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、前記第１磁石体は、互いに逆方向に磁化された２つの第１小磁石によって構成された小磁石ペアを複数組含み、前記複数組の小磁石ペアは、前記回転体の回転軸廻りの円形の軌道に沿って配置されているものとしてもよい。
この構成によれば、エンコーダーの位置検出精度をより高めることができる。
【００１２】
（７）上記エンコーダーにおいて、個々の第１小磁石は、直方体形状を有し、各小磁石ペアは、２つの第１小磁石と、前記２つの第１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小磁石ペア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良い。
この構成によれば、複数の小磁石ペアを用いた位置検出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。
【００１３】
（８）上記エンコーダーにおいて、前記第１小磁石と前記第２小磁石の少なくとも一方は、強磁性薄膜によって形成されているものとしてもよい。
この構成によれば、小型で強力な小磁石を利用できるので、位置検出精度を高めつつ、エンコーダー全体をコンパクトにすることができる。
【００１４】
（９）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、前記電気機械装置のローターに接続されたエンコーダーと、前記電気機械装置の動作を制御する制御部と、を備える。
この電気機械装置によれば、高精度に電気機械装置のローターの位置検出を行うことが可能である。
【００１５】
（１０）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第１の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。
【００１６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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。
【図２】２軸磁気センサー回路で得られる各種の検出信号を示すグラフ。
【図３】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。
【図４】２軸磁気センサー回路の回路構成と動作を示す説明図。
【図５】小磁石に対する２軸磁気センサー回路の配置に応じた２軸磁気センサー回路の出力レベルを示す説明図。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】小周期区間値Ｐｘの補正対象範囲を示す説明図。
【図９】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。
【図１０】第１の磁石体の極数を変更した場合の絶対位置出力のビット数を示す説明図。
【図１１】第２実施形態のロータリーエンコーダーの構成を示す説明図。
【図１２】第３実施形態のロータリーエンコーダーの構成を示す説明図。
【図１３】第４実施形態のロータリーエンコーダーの構成を示す説明図。
【図１４】第５実施形態のロータリーエンコーダーの構成を示す説明図。
【図１５】第６実施形態のロータリーコーダーの構成を示す説明図。
【図１６】実施形態のエンコーダーを備える電動機械装置の電気的構成を示すブロック図。
【図１７】主制御回路の内部構成を示すブロック図。
【図１８】回転数算出部の内部構成と動作を示す説明図。
【図１９】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。
【図２０】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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．第１実施形態（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。図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、このエンコーダー１００Ａは、環状の第１の磁石体１１０と、第１の磁石体１１０の内側に配置された第２の磁石体２１０とを有する。また、第１の磁石体１１０の外周に沿って第１の磁石体１１０の表面から一定のギャップを有して設けられた第１の２軸磁気センサー回路１３０と、第２の磁石体２１０の表面から一定のギャップを有して設けられた第２の２軸磁気センサー回路２３０と、を有する。２つの磁石体１１０，２１０は、支持部材１５０を含む略円板状の回転体４００（図１（Ｂ））に設けられており、２つの２軸磁気センサー回路１３０，２３０は、基板１４０（図１（Ａ））に設けられている。なお、２軸磁気センサー回路１３０，２３０は、ＩＣパッケージの形状で描かれている。また、図１（Ｂ）では、第２の２軸磁気センサー回路２３０を透かして第２の磁石体２１０が見える状態を描いている。基板１４０は回転しない固定体（「第１部材」とも呼ぶ）を構成し、回転体４００は回転軸Ｃの廻りに回転する回転体（「第２部材」とも呼ぶ）を構成している。回転体４００の支持部材１５０は、慣性モーメントの少ない軽量剛性な非磁性材料で形成することが好ましく、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ジュラルミン、樹脂、複合樹脂等で形成することが好ましい。第１の磁石体１１０の内周側には、環状の第１のヨーク部材１２０を設けられており、第２の磁石体２１０の裏側には、円板状の第２のヨーク部材２２０が設けられている。更に、２つの磁石体１１０，２１０の間の位置には、磁気遮蔽部材１６０が設けられている。これらの部材１２０，２２０，１６０は不要な磁束の漏れを低減するためのものであり、軟磁性体で形成することが好ましい。但し、これらの部材１２０，２２０，１６０の一部又は全部を省略することも可能である。このエンコーダー１００Ａは、任意の回転体の位置検出に適用可能であり、図１（Ａ）の例では、モーター５００の回転軸５３０に接続されている。
【００１９】
第１の磁石体１１０は、回転体４００の外周の全周に亘って設けられた６４組の小磁石ペア１１１ｐｓで構成された６４極の磁石体である。１組の小磁石ペア１１１ｐｓは、第１の磁石体１１０の１つの磁極を構成している。個々の小磁石ペア１１１ｐｓは、回転体４００の回転軸Ｃに平行な方向に沿って並んで配置された２つの小磁石１１１ｓ（図１（Ａ））で構成されている。図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）と同様に正面方向から１組の小磁石ペア１１１ｐｓを見たときの断面の一部を拡大して示しており、図１（Ｄ）は、図１（Ａ）と同様に側面方向から１組の小磁石ペア１１１ｐｓを見たときの断面の一部を拡大して示している。１組の小磁石ペア１１１ｐｓは、直方体形状を有する２つの小磁石１１１ｓ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。すなわち、正面視（図１（Ｃ））において等辺台形形状を有し、側面視（図１（Ｄ））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、外周の幅ＷＤ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。外周の幅ＷＤ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Ｍ１を６４とし、小磁石ペア１１１ｐｓの高さＨを５ｍｍとした場合には、ＷＤ＝１．４７ｍｍとなり、小磁石ペア１１１ｐｓのサイズが極めて小さなものとなる。仮に、このような微小サイズの等辺台形柱形状の全体をすべて磁石で製造しようとすると、そのためのテーパー加工が困難である。そこで、本実施形態では、直方体形状の２つの小磁石１１１ｓを被覆部材１１２で被覆することによって、全体として等辺台形柱形状の小磁石ペア１１１ｐｓを形成している。被覆部材１１２は、直方体形状の２つの小磁石１１１ｓの周囲の少なくとも一部を被覆し、かつ、小磁石ペア１１１ｐｓ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。
【００２０】
図１（Ｄ）に拡大して示すように、個々の小磁石１１１ｓは、回転軸Ｃから個々の小磁石１１１ｓの中心を通る方向（すなわち径方向）に平行な方向に沿って平行着磁されている。また、各小磁石ペア１１１ｐｓを構成する２つの小磁石１１１ｓ同士は、逆向きに磁化されている。図１（Ｅ）に示すように、多数の小磁石ペア１１１ｐｓを回転体４００の外周に並べることによって、多極の第１の磁石体１１０を容易に作成することができる。例えば、６４個の小磁石ペア１１１ｐｓを円環状に並べることによって、６４極の第１の磁石体１１０を構成することが可能である。この構成では、小磁石ペア１１１ｐｓは、回転体４００の回転軸Ｃ廻りの円形の軌道に沿って配置されていることが理解できる。なお、図１（Ａ）に示すように、第１の２軸磁気センサー回路１３０の中心は、各小磁石ペア１１１ｐｓを構成する２つの小磁石１１１ｓの中間を通る直線（すなわち２つの小磁石１１１ｓの境界）が辿る軌跡の上に配置されることが好ましい。
【００２１】
第２の磁石体２１０は、第１の磁石体１１０の内側において、エンコーダー１００Ａの回転軸Ｃの廻りに配置された２個の半円板状の小磁石２１１ｓで形成されており、全体として円板形状を有する２極の磁石体である。第２の磁石体２１０の個々の小磁石２１１ｓの着磁方向は、回転軸Ｃと平行な方向であり、２つの小磁石２１１ｓは逆方向に磁化されている。第２の磁石体２１０の中心は、回転体４００の回転軸Ｃ上の位置に配置することが好ましい。また、第２の２軸磁気センサー回路２３０の中心は、回転体４００の回転軸Ｃ上の位置に配置されている。
【００２２】
なお、小磁石１１１ｓを単に「磁石１１１ｓ」と呼び、小磁石ペア１１１ｐｓを「磁石ペア１１１ｐｓ」と呼び、磁石体１１０を「磁石集合体１１０」と呼ぶことも可能である。小磁石２１１ｓ、小磁石ペア２１１ｐｓ、及び磁石体２１０についても同様である。
【００２３】
図２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。なお、２つの２軸磁気センサー回路１３０，２３０の構成と動作は同一なので、以下では主として第１の２軸磁気センサー回路１３０を対象として説明を行う。図２のグラフの横軸は、エンコーダー１００Ａ（すなわち回転体）の回転角θrである。この回転角θrを、「機械角」とも呼ぶ。第１の磁石体１１０の周方向に沿った磁場は、隣接する２つの小磁石ペア１１１ｐｓ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２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及び余弦波信号である。但し、図２では、図示の便宜上、第１の磁石体１１０が８極の場合の例を示している。図２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、正弦波信号sinθmと余弦波信号cosθmをデコードすることによって生成することができる。
【００２４】
図３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、小磁石１１１ｓ（又は２１１ｓ）の着磁方向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。
【００２５】
図３（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。
【００２６】
図３（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３（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３（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３（Ａ）の回路と異なっている。図３（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３（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３（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３（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。なお、２軸磁気センサー回路１３０の中心は、これらの複数のホール素子の間の中央位置に一致している。
【００２７】
図４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３（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４（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４（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。
【００２８】
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。
【００２９】
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２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４（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
ところで、図１でも述べたように、第１の磁石体１１０の個々の小磁石１１１ｓは、回転軸Ｃから個々の小磁石１１１ｓの中心を通る方向に平行な方向に磁化されており、第１の２軸磁気センサー回路１３０は、そのＺ軸（図３）が小磁石１１１ｓの磁化方向と平行となるように配置されている。また、第２の磁石体２１０の個々の小磁石２１１ｓは、回転軸Ｃに平行な方向に磁化されており、第２の２軸磁気センサー回路２３０は、そのＺ軸が小磁石２１１ｓの磁化方向と平行となるように配置されている。このような配置を採用した理由は、以下で説明する実験結果を考慮したものである。
【００３３】
図５は、小磁石に対する２軸磁気センサー回路の配置に応じた２軸磁気センサー回路の出力レベルを示す説明図である。図５（Ａ）に示すように、ここでは、円板状の支持部材１５０の外周に多数の小磁石１１１ｓを設けている。但し、図５（Ａ）では図示の便宜上、全体の１／８に相当する部分（中心角で４５度の部分）のみを示しており、小磁石１１１ｓは８個設けられている。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の断面図であり、１つの小磁石１１１ｓの断面が示されている。個々の小磁石１１１ｓの磁化方向は、回転軸Ｃから個々の小磁石１１１ｓの中心に向かう方向（すなわち径方向）に平行である。この実験では、第１の測定位置ＳＰ１と、第２の測定位置ＳＰ２に２軸磁気センサー回路１３０を配置し、それぞれの位置ＳＰ１，ＳＰ２において磁場をそれぞれ測定した。第１の測定位置ＳＰ１は、複数の小磁石１１１ｓの表面から上方に０．５ｍｍ離れた位置であり、２軸磁気センサー回路１３０の２つの感磁軸方向（図４のＸ，Ｙ軸方向）で規定される平面が、小磁石１１１ｓの着磁方向と平行となるように２軸磁気センサー回路１３０を設置した。なお、「２つの感磁軸方向で規定される表面」は、２軸磁気センサー回路１３０の感磁面に相当する。なお、２軸磁気センサー回路１３０の感磁面は、２軸磁気センサー回路１３０内に設けられた磁性体の表面と平行な面として規定することも可能である。第２の測定位置ＳＰ２は、複数の小磁石１１１ｓの外周から０．５ｍｍ離れた位置であり、２軸磁気センサー回路１３０の感磁面が、小磁石１１１ｓの着磁方向と直交するように２軸磁気センサー回路１３０を設置した。図５（Ｃ）は、これらの２つの測定位置ＳＰ１，ＳＰ２における２軸磁気センサー回路１３０の出力レベルを示している。これから理解できるように、第２の測定位置ＳＰ２で検出される磁場の強度は、第１の測定位置ＳＰ１で検出される磁場の強度よりも極めて高い。従って、２軸磁気センサー回路１３０は、その感磁面が、小磁石１１１ｓの着磁方向と直交するように設置することが好ましい。換言すれば、小磁石１１１ｓは、２軸磁気センサー回路１３０の感磁面に直交する方向に磁化されていることが好ましい。こうすれば、２軸磁気センサー１３０の信号レベルがより大きくなるので、エンコーダーの測定精度をより高めることが可能である。なお、小磁石１１１ｓの磁化方向は、２軸磁気センサー回路１３０の感磁面に直交する必要は無いが、２軸磁気センサー回路１３０の感磁面に交差する方向であることが好ましく、感磁面に直交する方向であることが最も好ましい。
【００３４】
図６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６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。但し、図６では、図示の便宜上、第１の磁石体１１０が８極の例を示している。第１の磁石体１１０が８極の場合には、エンコーダー１００Ａの支持部材１５０の１回転（機械角で３６０度）の間に、第１の磁石体１１０の小周期区間が４つ発生する。ここで、「小周期区間」とは、第１の磁石体１１０の磁気角θmが３６０度（２π）変化する区間を意味する。図６（Ａ）に示す小周期区間値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。なお、第１の磁石体１１０が６４極の場合には、エンコーダー１００Ａの支持部材１５０の１回転の間に、第１の磁石体１１０の小周期区間が３２個発生する。但し、図６において、エンコーダー１００Ａの支持部材１５０の１回転の間に第１の磁石体１１０の小周期区間が３２個発生する図を描くと過度に細かな図となるので、ここでは図示の便宜上、簡略化した図を用いている。
【００３５】
図６の例では、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おり、磁気角出力Ｄ１，Ｄ２は０〜４０９５の間の値を取る。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。
【００３６】
図６（Ｂ）に示す第１磁気角出力Ｄ１は、第１の磁石体１１０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、個々の小周期区間の間に、０から４０９５まで増加する直線的な変化を示す。一方、図６（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６（Ａ）に示す小周期区間値Ｐｘとして使用可能である。
【００３７】
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６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。
【００３８】
図７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７（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。
【００３９】
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３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６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。
【００４０】
ところで、図６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。
【００４１】
図８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７（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。
【００４２】
図９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７）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（＝２N1−１）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。
【００４３】
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７）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８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９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。
【００４４】
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（＝２Nss）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（＝２Nss）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）。
【００４５】
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±２N1-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。
【００４６】
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。
【００４７】
このように、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。
【００４８】
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。
【００４９】
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６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、図６及び図７の例では、Ｍ１＝８＝２3，Ｍ２＝２である。また、図１に示すエンコーダー１００Ａでは、Ｍ１＝６４＝２6，Ｍ２＝２である。
【００５０】
一般に、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２Q+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、図６，図７の例では、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。
【００５１】
図１０は、第１の磁石体１１０の極数Ｍ１を変更した場合の絶対位置出力Ｄabsのビット数を示す説明図である。この例では、２つの磁気角出力Ｄ１，Ｄ２のビット数はいずれも１２ビットと仮定している。第１の磁石体１１０の極数Ｍ１が変わると、これに応じてエンコーダー１００Ａの回転体４００の一回転当たりの小周期区間の発生個数が変化するので、小周期区間値Ｐｘのビット数Ｑもこれに応じて変化する。絶対位置出力Ｄabsのビット数は、上述したように、第１磁気角出力Ｄ１のビット数Ｎ１と、小周期区間値Ｐｘのビット数Ｑとを足した値（Ｎ１＋Ｑ）となる。
【００５２】
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、第１の磁石体１１０に含まれる個々の小磁石１１１ｓが、２軸磁気センサー回路１３０の感磁面に交差する方向に磁化されているので、２軸磁気センサー回路１３０が強い磁場を検出することができ、この結果、解像度の高い磁気角出力Ｄ１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、第１の磁石体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。これらの特徴点は、第２の磁石体２１０及び第２の２軸磁気センサー回路２３０についても同様である。
【００５３】
更に、第１実施形態では、位置信号生成部３００が、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とに応じて位置信号Ｄabsを生成するので、１つの２軸磁気センサー回路のみを用いる場合に比べて更に高精度に位置検出を行うことが可能である。
【００５４】
Ｂ．第２〜６実施形態（ロータリーエンコーダー）
図１１は、第２実施形態としてのロータリーエンコーダー１００Ｂの構成を示す説明図である。このロータリーエンコーダー１００Ｂが第１実施形態のロータリーエンコーダー１００Ａ（図１）と異なる点は、第１の磁石体１１０が回転体４００の外周では無く、回転体４００の表面に設けられている点、及び、第１の２軸磁気センサー回路１３０の配置が第１の磁石体１１０の位置に応じて変更されている点である。すなわち、第２実施形態のエンコーダー１００Ｂでは、第１の磁石体１１０の小磁石ペア１１１ｐｓを構成する２つの小磁石１１１ｓは、回転体４００の径方向に沿って配列されている。また、個々の小磁石１１１ｓは、回転体４００の回転軸Ｃに平行な方向に磁化されている。また、第１の２軸磁気センサー回路１３０は、そのＺ軸方向が、これらの小磁石１１１ｓの磁化方向と一致するように配置されている。なお、第２実施形態は、複数組の小磁石ペア１１１ｐｓが、回転体４００の回転軸Ｃ廻りの円形の軌道に沿って配置されている点で、第１実施形態と共通していることが理解できる。また、第１の２軸磁気センサー回路１３０の中心が、各小磁石ペア１１１ｐｓを構成する２つの小磁石１１１ｓの間の中間を通る直線が辿る軌跡の上に配置されている点でも第１実施形態と共通している。なお、第２の磁石体２１０と第２の２軸磁気センサー回路２３０の配置は第１実施形態と同じである。第２実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｂでは、２つの２軸磁気センサー回路１３０，２３０を同一平面上に並べて配置できるので、２軸磁気センサー回路１３０，２３０の設置や配線の引き回しが第１実施形態に比べて容易である。
【００５５】
図１２は、第３実施形態としてのロータリーエンコーダー１００Ｃの構成を示す説明図である。こ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１１）と異なる点は、第２の磁石体２１０が円板状では無く、直方体状である点だけであり、第１の磁石体１１０を含む回転体４００のその他の構成は第２実施形態と同じである。第３実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｃでは、第２の磁石体２１０が直方体状なので、その製造がより容易であるという利点がある。
【００５６】
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が第２実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｂ（図１１）と異なる点は、第１の磁石体１１０の小磁石ペア１１１ｐｓを構成する２つの小磁石１１１ｓが互いに密着（又は接触）しておらず、離間している点だけであり、第２の磁石体２１０を含む回転体４００のその他の構成は第２実施形態と同じである。第４実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｄでは、２つの小磁石１１１ｓの間の距離と、２つの小磁石１１１ｓの間に設ける部材の材質と、の少なくとも一方を調整することによって、第１の２軸磁気センサー回路１３０の検出信号sinθm，cosθm（図２）の形状を、より正弦波に近いものに調整することが可能である。
【００５７】
図１４は、第５実施形態としてのロータリーエンコーダー１００Ｅ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１００Ｅが第２実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｂ（図１１）と異なる点は、第２の磁石体２１０が、２組の小磁石ペア２１１ｐｓで構成されている点だけであり、第１の磁石体１１０を含む回転体４００のその他の構成は第２実施形態と同じである。第２の磁石体２１０の全体は、中空円筒状であり、各組の小磁石ペア２１１ｐｓは半円筒状である。また、小磁石ペア２１１ｐｓを構成する２つの小磁石２１１ｓも、半円筒状である。個々の小磁石２１１ｓの磁化方向は、回転体４００の回転軸Ｃに平行な方向であり、２つの小磁石２１１ｓは互いに逆向きに磁化されている。この第２の磁石体２１０の極数は２である。但し、小磁石ペア２１１ｐｓの円弧の角度をより小さくして、中空円筒状の第２の磁石体２１０を構成する小磁石ペア２１１ｐｓの数を増加すれば、第２の磁石体２１０の極数を任意に変更することが可能である。
【００５８】
図１５は、第６実施形態としてのロータリーエンコーダー１００Ｆ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１００Ｆは、中空円筒状の支持部材１５０の廻りに、同径の環状の２つの磁石体１１０，２１０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。２つの磁石体１１０，２１０の内周には、ヨーク部材１２０，２２０がそれぞれ設けられている。また、２つの磁石体１１０，２１０の間には、磁気遮蔽部材１６０が設けられている。基板１４０には、２つの磁石体１１０，２１０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。
【００５９】
第１の磁石体１１０は８組の小磁石ペア１１１ｐｓで構成されており、その極数Ｍ１は８である。第２の磁石体２１０は２組の小磁石ペア２１１ｐｓ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、図１０で説明したように、種々の整数に設定することが可能である。２つの磁石体１１０，２１０の個々の小磁石１１１ｓ，２１１ｓの着磁方向は、回転軸Ｃから各小磁石１１１ｓ，２１１ｓの中心を通る方向（径方向）に平行な方向である。この着磁方向は、２軸磁気センサー回路１３０，２３０のＺ軸方向に平行である。他の構成や動作は、第１〜第５実施形態で説明したものと同様である。
【００６０】
第２〜第６実施形態のロータリーエンコーダー１００Ｂ〜１００Ｆも、第１実施形態と同様の効果を有する。第１〜第５実施形態のように円板状の回転体４００に設けられた２つの磁石体１１０，２１０を使用するか、あるいは、第６実施形態のように円筒状の回転体（支持部材１５０）に設けられた同径の２つの磁石体１１０、２１０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６実施形態の方が第１〜第５実施形態よりも有利である。
【００６１】
Ｃ．第７実施形態（エンコーダーを備える電気機械装置）
図１６は、本発明の実施形態としてのロータリーエンコーダーを備える電動モーター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が描かれている。電磁コイル５２２Ａ，５２２Ｂは、図示しないステーターに設けられている。電動モーター５００の回転軸５３０には、２つの２軸磁気センサー回路１３０，２３０を含むロータリーエンコーダー１００が接続されている。このロータリーエンコーダー１００としては、上述した第１〜第６実施形態のエンコーダーを利用可能である。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４参照）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。
【００６２】
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。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７〜図９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４）は、回転数算出部７６０に供給される。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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６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。
【００６６】
Ｄ．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、上述したエンコーダー付きの電気機械装置を用いても良い。
【００６７】
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、上述したエンコーダー付きの電気機械装置を用いても良い。
【００６８】
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。
【００６９】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７０】
・変形例１：
上述した各種の実施形態では、エンコーダーに第１の磁石体と第２の磁石体の２つの磁石体を設けるものとしたが、いずれか一方の磁石体のみを設けるようにしてもよい。エンコーダーに１つの磁石体のみを設ける場合には、その磁石体の極数Ｍは偶数（２の倍数）とすることが好ましい。但し、２つの磁石体を設けるようにすれば、エンコーダーの回転体の絶対位置を検出できる点でより好ましい。
【００７１】
・変形例２：
上述した各種の実施形態では、直方体形状の小磁石１１１ｓ，２１１ｓを利用していたが、この代わりに、強磁性薄膜を用いて小磁石１１１ｓ，２１１ｓの少なくとも一方を形成してもよい。すなわち、強磁性薄膜をその厚みに磁化することによって、薄くて強力な磁石を形成することが可能である。強磁性薄膜を使用すれば、エンコーダーのサイズをよりコンパクトにすることが可能である。
【００７２】
・変形例３：
本願発明は、ロータリーエンコーダーのみに限らず、リニアエンコーダーにも適用可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１００Ａ〜１００Ｆ…ロータリーエンコーダー
１１０…第１の磁石体
１１１ｓ…小磁石
１１１ｐｓ…小磁石ペア
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
１６０…磁気遮蔽部材
２１０…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
４００…回転体
５００…電動モーター
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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