(57)【要約】マグネティックエンコーダ装置（２）は記述され、それは周期的に繰り返す磁気パターンを生み出す関連するマグネティックスケール（４、１０）を読むための複数のマグネティックセンサ要素（例えばホールセンサ）を備える。複数のマグネティックセンサ要素は複数のセンサ信号を生み出し、アナライザー（７）は関連するマグネティックスケール（４、１０）に対するマグネティックセンサ要素の位置の測定を提供するように、複数のセンサ信号を解析するために提供される。アナライザー（７）は、複数のマグネティックセンサ要素によって感知される周期的に繰り返す磁気パターンの周期（６０）を評価するように、複数のセンサ信号を使用するように定められる。このように、センサ要素の周期を関連するマグネティックスケール（４、１０）の周期的に繰り返す磁気パターンに注意深くぴったりと合わせる必要性は回避される。
2015509602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的に繰り返す磁気パターンを生み出す関連するマグネティックスケールを読むための複数のマグネティックセンサ要素であって、該複数のマグネティックセンサ要素は複数のセンサ信号を生み出す、複数のマグネティックセンサ要素と、
前記関連するマグネティックスケールに対する前記マグネティックセンサ要素の位置の測定を提供するように、該複数のセンサ信号を分析するためのアナライザーと
を備え、
該アナライザーは、該複数のマグネティックセンサ要素によって感知される前記周期的に繰り返す磁気パターンの周期を評価するように、前記複数のセンサ信号を使用するように定められている、
マグネティックエンコーダ装置。
【請求項２】
前記アナライザーは、前記複数のマグネティックセンサ要素によって感知される前記周期的に繰り返す磁気パターンの周期の数を決定することによって、前記周期的に繰り返す磁気パターンの周期を評価する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記アナライザーは、前記複数のセンサ信号に基づいてフーリエ解析を行うことによって前記複数のマグネティックセンサ要素によって感知される前記周期的に繰り返す磁気パターンの周期を評価し、基本正弦波成分のおよび／またはその１つ以上の高調波の振幅を計算する、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記アナライザーは、複数の前記高調波の相対的な振幅を計算するように前記複数のセンサ信号に基づいてフーリエ解析を行い、該相対的な振幅は、前記スケールに対する、前記複数のセンサ要素のアライメントの示度を与える、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記アナライザーは少なくとも１つのフーリエ係数を計算し、該少なくとも１つのフーリエ係数から、前記マグネティックセンサ要素と前記マグネティックスケールの相対的な位置における任意の変化を示す増分位置情報が計算される、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記アナライザーは、前記複数のマグネティックセンサ要素により感知される前記周期的に繰り返す磁気パターンの位相を計算し、前記周期的に繰り返す磁気パターンの各周期のために、所定の位相角で前記複数のマグネティックセンサ要素により感知される前記磁気パターンの強さを決定するように、定められている、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記複数のマグネティックセンサ要素は、一連の交互の第１磁化領域と第２磁化領域とを含む関連するマグネティックスケールを読むべく定められ、そこで、異なる磁界の強さを発生する少なくとも第１タイプと第２タイプの第１磁化領域を提供することによって絶対データがコード化され、前記所定の位相角は、第１磁化領域の各々が第１タイプまたは第２タイプであるかどうかを決定し、それにより前記コード化されたデータビットの値を抽出するために、前記磁界の強さが評価されることを可能にする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記複数のマグネティックセンサ要素は関連するスケールの複数の第１磁化領域を同時に読むために定められ、前記アナライザーは、コードワードを形成する複数のデータビットを決定するために定められ、該コードワードは、前記関連するスケールに対して前記複数のマグネティックセンサ要素の前記絶対位置についての情報をコード化する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
一連の交互の第１磁化領域と第２磁化領域とを有するマグネティックスケールをさらに備え、該第１磁化領域は前記第２磁化領域に対して反対の磁極である、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記第１磁化領域の中心は、固定間隔で互いから相隔たり、各第１磁化領域は第１幅または第２幅を有し、それにより、データビットをコード化し、該データビットは、前記第１磁化領域が第１幅を有するならば第１値をとり、該第１磁化領域が第２幅を有するならば第２値をとる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記マグネティックスケールは、交互の第１磁化領域と第２磁化領域とのリニア・アレイを備えるリニアマグネティックスケールである、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記マグネティックスケールは、径方向に一連に延びる第１磁化領域と第２磁化領域とを含むラジアルマグネティックスケールである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記ラジアルマグネティックスケールを読むために用いられる前記複数のマグネティックセンサ要素は、リニア・アレイとして設けられ、前記アナライザーは、前記第１磁化領域と前記第２磁化領域の径方向分布を補償するために、前記センサ信号に補償を適用する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記複数のマグネティックセンサ要素により感知される前記周期的に繰り返す磁気パターンのピッチがマグネティックセンサ要素のピッチと異なる、請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記複数のマグネティックセンサ要素は、ホール・センサ要素のリニア・アレイを含む、請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記複数のマグネティックセンサ要素および前記アナライザーは、読取りヘッド内に設けられる、請求項１から１５のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネティックスケールに対して読取りヘッドの位置を測定するためのマグネティックエンコーダ装置に関する。特に、本発明は、読取りヘッドのマグネティックセンサ要素のピッチ（pitch）にマグネティックスケールのピッチを一致させる必要が回避される改善されたマグネティックエンコーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネティックエンコーダが知られている。特許文献１は、測定スケールを読むために、走査ユニットが多数の走査要素を含むエンコーダ装置を記述する。スケールの１つの周期当たり要求される走査要素の数は、走査信号の帯域幅特性に基づく。例えば、好ましい実施形態はスケールの１つの周期当たり６つの走査要素を提供することを記述する。走査信号は、フーリエ解析にさらされ、周期的なアナログ信号の基本波形成分について記述する１組のフーリエ係数が計算される。これらのフーリエ係数は、増分位置測定値が決定され得る高調波なしの周期的な信号を提供すると言われている。特許文献１に述べられていたタイプのエンコーダは、マグネティックセンサ要素のピッチへマグネティックスケールのピッチを注意深く一致させることが必要とされるという短所を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４５９５９９１号明細書
【発明の概要】
【０００４】
本発明の一態様によれば、
周期的に繰り返す磁気パターンを含む関連するマグネティックスケールを読むための複数のマグネティックセンサ要素であって、該複数のマグネティックセンサ要素は複数のセンサ信号を生み出す、複数のマグネティックセンサ要素と、
前記関連するマグネティックスケールに対する前記マグネティックセンサ要素の位置の測定を提供するように、該複数のセンサ信号を分析するためのアナライザーと
を備え、
該アナライザーは、該複数のマグネティックセンサ要素によって感知される前記周期的に繰り返す磁気パターンの周期を評価するように、前記複数のセンサ信号を使用するように定められている、
マグネティックエンコーダ装置
が提供される。
【０００５】
したがって、本発明は、センサ要素で存在する磁界の強さについて示すセンサ信号を各々出力する複数のマグネティックセンサ要素（例えばホール・センサのアレイ）を備えるエンコーダ装置を提供する。したがって、複数のマグネティックセンサ要素は、周期的に繰り返す磁気パターン（例えば、磁化方向を交互にする領域のアレイ）を含む関連するマグネティックスケールを読むかイメージするために使用されることができる。アナライザーも、関連するマグネティックスケールに対するマグネティックセンサ要素の位置の測定を提供するために複数のセンサ信号を解析するために提供される。関連するマグネティックスケールの１つの周期当たりのある（固定した）数のセンサ要素を仮定する代わりに、本発明の装置のアナライザーは、複数のマグネティックセンサ要素によって感知された周期的に繰り返す磁気パターンの周期を評価するために複数のセンサ信号を使用するように配置される。この評価は周期的に繰り返す磁気パターンの周期を計算すること、および／または、（例えばセンサ要素およびスケールのミスアライメントによる）予期された周期と感知された周期が異なるかどうかを決定することを含んでもよい。有利には、複数のマグネティックセンサ要素により感知された、周期的に繰り返す磁気パターンのピッチは、マグネティックセンサ要素のピッチとは異なる。より詳細に以下で説明されるように、アナライザーは、そのような解析を行なう離散型フーリエ変換に基づいた方法を用いてもよい。
【０００６】
特許文献１に述べられていたタイプの先行技術システムと異なり、本発明の装置はスケール周期あたり、整数の数のマグネティックセンサ要素がそこにあることを必要としない。換言すると、マグネティックセンサ要素のピッチは、マグネティックスケールの周期的に繰り返す磁気パターンのピッチに一致する必要はない。スケール周期あたり、整数の数のマグネティックセンサ要素が提供されれば、本発明の装置が作動するであろうことは注目されるべきであるが、これは必要条件ではない。以下に説明されるように、本発明のその装置は、ロータリー・エンコーダ・システムで使用するには特に有利と分かり、ロータリー・エンコーダ・システムでは、マグネティックスケールは径方向に延びるマグネティックセグメントを含み、それ故、半径で増加する有効ピッチを備えた磁界を生み出す。したがって、磁界パターンのピッチが複数のマグネティックセンサ要素のピッチと一致することを確保するために以前必要とされた厳格な取付許容誤差は回避される。
【０００７】
有利には、アナライザーは、複数のマグネティックセンサ要素によって感知された周期的に繰り返す磁気パターンの周期の数を決定することによって、周期的に繰り返す磁気パターンの周期を評価する。換言すると、複数のセンサ要素の空間範囲に関して生じる、磁気パターンの周期の数は、複数のセンサ信号からアナライザーによって見つけられる。好ましくは、周期の数は、最も近い整数値に見つかる。例えば、センサ要素のリニア・アレイの長さに亘って、Ｎ回周期の磁気パターンが生じることが確立されてもよい。ただし、Ｎは整数である。換言すると、繰り返す磁気パターンの空間周波数は見つけることができる。
【０００８】
アナライザーは、任意の適切な数学的方法を使用して、複数のセンサ信号を分析してよい。アナライザーは必要な技術のインプリメントのためにプロセッサーを含んでよい。有利には、アナライザーは、複数のセンサ信号にフーリエ解析を行う。フーリエ解析は、好ましくは１つ以上の離散型フーリエ変換の使用を含む。フーリエ解析は、好ましくは、複数のマグネティックセンサ要素によって感知された、周期的に繰り返す磁気パターンの周期を評価する。特に、複数のセンサ信号にフーリエ解析を行なうことは、好ましくは、基本正弦波成分および／またはその１つ以上の高調波の振幅の計算を可能にする。
【０００９】
したがって、複数のセンサによって感知される空間的に可変な磁界および複数のセンサ信号を介するアナライザーへの出力は、フーリエに基づく技術を用いて分析されることができる。フーリエに基づいた技術は、基本的な（正弦波の）成分およびその基本成分のより高位の高調波についての、センサ要素により感知された空間的に可変の磁気パターンを示すために使用されることができる。例えば、フーリエ解析は、複数のセンサ要素の空間的広がりの程度と実質的に等しい空間的周期を有する基本正弦波成分を使用して行なわれるかもしれない。そして、基本成分は、複数のセンサ要素の空間的広がりの程度と等しい周期を有する磁気パターンについて示すであろう。例えば、センサ要素がリニア・アレイにおいて提供されるならば、基本正弦波成分は、リニア・アレイの長さに実質的に等しい周期を有し得る。そのような例で、第１高調波（Ｈ１）は、複数のセンサ要素の空間的広がりの程度に関する磁気パターンの２つの周期に相当するであろう、第２高調波（Ｈ２）は３つの周期に相当し、第３高調波（Ｈ３）は４つの周期に相当し、その他同様であろう。もちろん、任意の所望の空間周波数を有する基本成分を定義することができるであろう。また、空間周波数は、単に、便宜上複数のセンサ要素の空間的広がりの程度に一致する。
【００１０】
アナライザーは、基本正弦波成分あるいは任意の１つ以上の高調波の振幅をモニターし得る。基本正弦波成分または任意の１つ以上の高調波の振幅における変化は、複数のマグネティックセンサ要素によって感知された、周期的に繰り返す磁気パターンの周期において変化があったことを示すために使用されてもよい。換言すると、アナライザーは、基本正弦波成分の振幅、あるいは任意の１つ以上の高調波の振幅を測定することにより、複数のマグネティックセンサ要素によって感知された、周期的に繰り返す磁気パターンの期間を評価してよい。
【００１１】
好ましく実施形態において、アナライザーは、複数の高調波の相対的な振幅を計算するように複数のセンサ信号に基づいてフーリエ解析を行う。そして、異なる高調波の相対的な振幅は、スケールに対する、複数のセンサ要素のアライメントの示度を与え得る。例えば、センサ要素がスケールに対して正確に整列するとき、複数のセンサ要素の空間的広がりの程度に関して、磁気パターンの８つの周期が形成されることができる。そのような例において、第７高調波（Ｈ７）の振幅は、他の高調波（Ｈ５、Ｈ６、Ｈ８、Ｈ９など）の振幅よりも実質的に大きいであろう。何らかのミスアライメントが生じていれば、Ｈ７成分の振幅は縮小し、他の成分の振幅は増加するであろう。特に、近隣の高調波（例えばＨ６またはＨ８）のうちの１つの振幅は増加するであろう。したがって、複数の高調波の相対的な振幅（例えばＨ６／Ｈ７およびＨ７／Ｈ８振幅比）は、周期的に繰り返す磁気パターンの周期が評価されることを可能にする。そして、修正が適用され得（例えばフーリエ解析に使用される周期的に繰り返す磁気パターンの周期の再計算）、あるいは、センサ要素および関連するスケールの機械的な再調整があり得る。
【００１２】
本発明の装置は、増分位置情報（incremental position information）のみをコード化するマグネティックスケールを読むために使用されてもよい。特に、アナライザーは、複数のセンサ信号から位相情報を抽出するために使用されてもよい。この位相情報は、マグネティックスケールに対する複数のマグネティックセンサ要素のあらゆる増分移動（incremental movement）を計算するために使用されてもよい。例えば、アナライザーは、増分位置情報を抽出するために分析することができる（例えば、挿入された）位相直交信号（phase quadrature signals）（例えばサイン信号およびコサイン信号）を生成してもよい。アナライザーは、増分位置データを提供するためにそのような挿入を行なうかもしれないし、あるいは、それは挿入のために１つ以上の信号（例えば位相直交信号）をまさに出力してもよい。フーリエ技術を使用して、アナライザーが複数のセンサ信号を分析する場合、複数のマグネティックセンサ要素によって感知された、周期的に繰り返す磁気パターンの位相につて示す少なくとも１つのフーリエ係数が計算されるとよい。アナライザーによって計算された少なくとも１つのフーリエ係数は、マグネティックセンサ要素とマグネティックスケールの相対的な位置における任意の変化を示す、位相直交信号のような増分位置情報を計算するために用いられるとよい。
【００１３】
本発明の装置は、さらに絶対位置情報をコード化する関連するマグネティックスケールを読むために好ましくは使用される。例えば、関連するマグネティックスケールは、周期的に繰り返す磁気パターンの一部として、異なるデータビットをコード化するために使用される異なる磁気強さを有するある特定のスケール標識を含んでよい。したがって、アナライザーは、周期的に繰り返す磁気パターンの位相を計算し、かつ所定の位相角での複数のマグネティックセンサ要素によって感知される磁気パターンの強さを、そのパターンの各周期に対して、決定するために整えられることができる。したがって、マグネティックスケールに沿ったあるポイントでの磁界の強さは確立されることができ、それによって、関係のあるデータビットが抽出されることを可能にする。好ましい実施形態では、複数の信号の磁場の強さは、磁気パターンの振幅最大に相当する位相角で見つかり得る。換言すると、アナライザーは、磁界パターンの周期およびピッチを確立することができ、各第１磁化領域の中心に関係している、磁界のピーク（最大値）の位置を決定する。そして、各最大値での磁界の強さは、マグネティックスケールにおいてコード化されたパターンを決定し、それ故にコード化されたデータビットを抽出するために、分析される（例えばしきい値と比較される）ことができる。
【００１４】
複数のマグネティックセンサ要素が、便利なように、一連の交互の第１磁化領域と第２磁化領域とを含む、関連するマグネティックスケールを読むために配置される。好ましくは、絶対データは、異なる磁界の強さを発生する少なくとも第１タイプ（例えば第１幅）および第２タイプ（例えば第２幅）の第１磁化領域を与えることによってマグネティックスケールにおいてコード化される。適切なマグネティックスケールのさらなる詳細は以下で概説される。有利には、アナライザーによって使用される所定の位相角は、各第１磁化領域の磁界の強さが評価されることを可能にする。これは、好ましくは、第１タイプまたは第２タイプの第１磁化領域の存在を決定することをアナライザーに可能にする。したがって、コード化されたデータビットの値は、アナライザーによって抽出されることができる。
【００１５】
有利には、複数のマグネティックセンサ要素は、関連するスケールの複数の第１磁化領域を同時に読むために整えられる。アナライザーも、コードワードを形成する複数のデータビット（すなわち読まれた第１磁化領域から）を決定するために整えられ得る。コードワードは、関連するスケールに対して複数のマグネティックセンサ要素の絶対位置についての情報をコード化するとよい。
【００１６】
装置はさらにマグネティックスケールを含んでもよい。上に記述されるように、マグネティックスケールは、好ましくは、一連の交互の第１磁化領域と第２磁化領域とを含む。換言すると、好ましくは、第１磁化領域と第２磁化領域とは互いに交互になる。第１磁化領域と第２磁化領域とは、異なる方向に磁化され得る。有利には、第１磁化領域は、第２磁化領域に対して反対の磁極である。例えば、第１磁化領域はＮ極（Ｎ）を含み得、第２磁化領域はＳ極（Ｓ）を含み得、あるいは、逆の場合も同様である。このように、マグネティックセンサ要素によって測定することができ、増分位置情報を生成するために使用することができる周期的に繰り返す磁界パターンは生成される。
【００１７】
好ましくは、第１磁化領域の中心は、固定間隔で互いから相隔たる。固定間隔は、リニアスケールの場合には固定距離間隔を含み得、ラジアルスケールの場合には固定角間隔を含み得る。マグネティックスケールは、少なくとも第１タイプおよび第２タイプの第１磁化領域を含むことによってデータビットをコード化するとよい。第１磁化領域の第１タイプおよび第２タイプは、異なる磁界の強さを生成し得る。したがって、各第１磁化領域に関連した磁界の強さは、コード化された位置情報を抽出するために使用されてもよい。
【００１８】
第１磁化領域の第１タイプと第２タイプは、同じ物理的なサイズかもしれないが、違った風に磁化されるとよい。有利には、第１タイプの第１磁化領域は、第１幅の磁化領域を含む。好ましくは、第２タイプの第１磁化領域は、第２幅の磁化領域を含む。この例において、第１幅は第２幅とは異なる。（材料の磁化の強さを制御するよりもむしろ）幅を変えることは好ましく、なぜなら、材料の部分的な磁化部分と比べて、スケール材料を飽和へ磁化し、磁化標識の大きさを制御することがより容易であるからである。第１タイプの（例えば第１幅の）第１磁化領域は、第１強さの磁界を生成し、それ故に第１データビット値をコード化するとよい。第２タイプの（例えば第２幅の）第１磁化領域は、第２強さの磁界を生成し、それ故に第２データビット値をコード化するとよい。このように、第１磁化領域の幅はデータビットをコード化し、データビットは、第１磁化領域が第１幅を有している場合には第１値をとり、第１磁化領域が第２幅を有している場合には第２値をとる。上に説明されるように、アナライザーは、第１タイプ（例えば第１幅）または第２タイプ（例えば第２幅）の第１磁化領域の存在を決定するために、各第１磁化領域の磁界の強さを評価し得る。
【００１９】
ここに提供される例は２進法を示すけれども（例えば、第１データビット値と第２データビット値は「０」または「１」として定義され得る）、第１磁化領域は、より高い進数の進法に情報をコード化する３以上の異なるタイプとして提供されてもよいことが注目されるべきである。
【００２０】
好ましくは、マグネティックスケールは、交互の第１磁化領域と第２磁化領域とのリニア・アレイを備えるリニアマグネティックスケールを含む。好ましくは、スケールの第１磁化領域と第２磁化領域とは、矩形セグメントである。
【００２１】
マグネティックスケールは、径方向に一連に延びる第１磁化領域と第２磁化領域とを含むラジアルマグネティックスケールを含んでもよい。換言すると、マグネティックスケールはディスクまたはリングとして提供され得、そのディスクまたはリングは、その表面の上にまたはその面に、第１磁化領域と第２磁化領域を有するとよい。磁化領域は、実質的に楔形状であるとよい。有利には、第１磁化領域の中心は、実質的に一定の角度間隔で位置付けられる。
【００２２】
複数のマグネティックセンサ要素は、好ましくは、リニア・アレイとして提供される。リニア・アレイの線形軸はスケールの長軸と揃えられるかもしれない。そのようなアライメントが十分に維持されると仮定すると、マグネティックセンサ要素のリニア・アレイの長さに沿って実質的に変化しないであろう。しかし、マグネティックセンサ要素リニア・アレイがラジアルスケールを読むために使用されるならば、マグネティックスケールによって発生する磁界パターンのピッチはリニア・アレイの径方向位置のファンクションとして変化するであろう、そして、そのアレイの長さに沿って（特により小さな半径のスケールにとっては）変化するかもしれない。上に説明されるように、アナライザーは、好ましくは、複数のマグネティックセンサ要素によって感知された、周期的に繰り返す磁気パターンの周期を計算するために、複数のセンサ信号を使用するように整えられる。これは、マグネティックセンサ要素のリニア・アレイが異なる径方向位置に置かれることを可能にし、なぜならば、周期的に繰り返す磁気パターンの周期が確立されることができるからである。さらに、アナライザーは、第１磁化領域と第２磁化領域の径方向分布を補うために、さらに、センサ信号へ補償因子を適用し、あるいは、それに補償付加を適用するとよい。
【００２３】
複数のマグネティックセンサ要素は、好ましくは、多くのホール・センサ要素を含む。ホール・センサ要素は基板の表面に直角な磁界の成分を測定するとように整えられてもよい。マグネティックセンサ要素間の間隔は好ましくは知られている。複数のマグネティックセンサ要素（例えばホール・センサ要素）は、好ましくは、互いから等距離で間隔を置かれる。複数のマグネティックセンサ要素は、共通の基板上（例えばチップ上）に提供されることができる。好ましくは、少なくとも４つのセンサ要素は、（これに対して整数値である必要はないけれども）スケール周期につき提供される。
【００２４】
装置は任意の適切な方法で形成されことができる。例えば、複数のマグネティックセンサ要素は、読取りヘッド内に提供されてもよい。読取りヘッドはさらにアナライザーを含んでもよい。アナライザーはマイクロプロセッサーを含んでもよい。アナライザーは、マグネティックセンサ要素と同じチップあるいは基板上に提供されてもよい。あるいは、アナライザーは個別のインターフェースで提供されてもよい。インターフェースは、インタフェース・ケーブルによって読取りヘッドに接続されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明は添付の図面を参照して、一例としてのみ、これから説明される。
【図１】エンコーダ読取ヘッドとラジアルマグネティックスケールを示す。
【図２】図１に示されるエンコーダ読取ヘッドを示し、ラジアルマグネティックスケールを通しての切欠図を有する。
【図３】エンコーダ読取ヘッドとリニアマグネティックスケールとを示す。
【図４】図３のリニアマグネティックスケールの断面図を示す。
【図５】図３のリニアマグネティックスケールにより生じる磁界プロファイルを示す。
【図６】図３のリニアマグネティックスケールの一部の上に配置されるとき、エンコーダ読取ヘッドにより計測される磁界の強さを示す。
【図７】図６に示される磁気パターンの周期がフーリエ解析を用いてどのように決定され得るのかを示す。
【図８】マグネティックスケールにおいてコード化された絶対データがどのように引き抜かれるのかを示す。
【図９ａ】ラジアルスケールのミスアラインメントから生じるフーリエ要素の相対的な振幅における変化を示す。
【図９ｂ】ラジアルスケールのミスアラインメントから生じるフーリエ要素の相対的な振幅における変化を示す。
【図９ｃ】ラジアルスケールのミスアラインメントから生じるフーリエ要素の相対的な振幅における変化を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１および２を参照して、本発明の角度エンコーダ装置は説明される。この装置は読取りヘッド２と、スチールリング５に取り付けられたラジアルマグネティックスケール４を含む。読取りヘッド２は、５３個のホール・センサ要素のリニア・アレイを含むセンサチップ６を含む。処理エレクトロニクス７も読取りヘッドに提供される。ラジアルマグネティックスケール４は、異なる方向に磁化される交互領域を含み、これらはＮ極（Ｎ）領域とＳ極（Ｓ）領域と称されるであろう。より詳細に以下で説明されるように、Ｎ極領域の中心は互いから等しく離れて配置され、したがってマグネティックスケールは、増分位置データを提供するために分析されることができる周期的に変わる磁界プロファイルを提供する。Ｎ極領域は、さらに絶対位置データがコード化されることを可能にするために２つの異なる幅で提供される。第１幅は、論理「０」をコード化し、第２幅は論理「１」をコード化する。このように、増分および絶対位置情報の両方はマグネティックスケールにおいてコード化され得、そのマグネティックスケールから抽出される。
【００２７】
図３は、その読取ヘッド２とリニアマグネティックスケール１０とを含む本発明の角度エンコーダ装置を示す。
【００２８】
図４は、リニアマグネティックスケール１０の断面を示す。スケール１０は、スチール基板１４によって支持されたラバーマグネティックバンド１２を含む。上向き矢印１６および下向き矢印１８は、バンド１２の交互領域の磁化の方向を示す。便宜上、異なる風に磁化された領域はＮ極（Ｎ）領域およびＳ極（Ｓ）領域にここでは参照されるであろう。磁化された領域は異なる幅であるが、近くのＮ極領域の中心の間の距離は実質的に一定の距離Ｐである。付加的に、Ｎ極領域は２つの幅で提供され、すなわち幅Ｌ０の狭い領域２０と、幅Ｌ１の広い領域２２である。狭い領域２０は論理「０」の状態を示し、広い領域２２は論理「１」を示す。Ｓ極領域の幅は、Ｎ極領域の２つの近隣の中心の間に実質的に一定の距離を提供するための必要条件に従う。
【００２９】
図５を参照して、テスラでの磁界密度の垂直成分Ｂｎは、リニアスケールの長さ以上の０．３ｍｍの距離で示される。この例において、近隣のＮ極領域の中心間の距離（Ｐ）は、０．９ｍｍである。Ｎ極領域の異なる幅に関連する異なる磁界の強さは、図に示されるような最大値の異なる高さから見られることができる。
【００３０】
図６は、リニアマグネティックスケールのセクション上に置かれたとき、上記読取りヘッド２の５３個のホール・センサによって測定されるような磁界の強さを示す。
【００３１】
図７は、離散型フーリエ変換に基づいたプロセスを使用して、磁界の強さから計算された磁界パターンの正弦波の形で変化する成分６０を示す。特に、周期的に繰り返す信号６２の正弦波の形で変わる成分６０の振幅および位相は、より詳細に以下で説明されるように、計算される。
【００３２】
この例において、読取りヘッドの５３個のホール・センサを横切って空間に分布された磁界パターンの８つの周期があることが分かる。したがって、磁気パターンの１つの周期当たり６．６２５個のセンサが提供される。フーリエ解析の点では、ホール・センサのアレイの長さをカバーする、８つの周期の磁気パターンは、基本正弦波の第７高調波（Ｈ７）と称され得、その基本正弦波はホール・センサのアレイに亘って単一周期を含む。
【００３３】
したがって、磁気パターンに対応する信号の振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）および位相（ｐｈａｓｅ）は、以下の式によって計算され得る。
【００３４】
【数１】
2015509602.tif 000003
【００３５】
ただし、Ｓｉは、ｉ番目のホール・センサによって生み出されるセンサ信号である。
【００３６】
係数Ｓｉｎ（ｉ・２π・８／５３）とＣｏｓ（ｉ・２π・８／５３）とは、前もって計算されることができる。それ故、定数ｋｓｉ、ｋｃｉとして書かれ得る。したがって、Ｓｓｉｎの式とＳｃｏｓの式とは以下のようになる。
【００３７】
【数２】
2015509602.tif 000004
【００３８】
そして、振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）と位相（ｐｈａｓｅ）とは、以下の式を用いて見出すことができる。
【００３９】
【数３】
2015509602.tif 000005
【００４０】
図８は、一旦、基本成分６０の周期および位相が見つかったならば、基本成分６０の各最大値で感知される磁界の強さ６２がどのように抽出され得るのかを示す。感知される磁界６２の各最大値の大きさは、スケール１０の各Ｎ極領域の幅と関係がある。図８に示されるように、広いＮ極領域がより高い最大値７２を生み出す一方、狭いＮ極領域は低い最大値７０を生み出す。
【００４１】
そして、図８のデータはデコードされることができる。この例において、抽出されたコード化された言語は「００１１１１１１」である。そして、このコードワードは参照テーブル（ＬＵＴ）で見つけられ、粗い絶対位置に変換される。式４からの位相情報も、粗い位置に加えられる細かな位置を提供するために分析され得る。そして、正確な絶対位置の測定値は生成され得る。
【００４２】
図９ａは、図７に示されるタイプの周期的に繰り返す信号６２のフーリエ解析からの出力を示す。特に、基本振幅およびその第１の１９の高調波が描かれる。第７高調波（Ｈ７）が最も高い振幅を有することが理解され得る。このＨ７信号は、さらに増分位置が計算されるサインとコサインの信号の計算の中で使用される図７に示される信号６０である。
【００４３】
読取りヘッドが環状スケールを読んでいるならば、読取りヘッドがスケールリングに対して径方向に前後に移動されるとともに、感知される磁気パターンの周期は変わるであろう。
【００４４】
図９ｂは、読取りヘッドを径方向内側へ（つまりスケールリングの中心の方へ）移動させる結果を示す。この例において、読取りヘッドによって感知された磁気周期は減少する（つまり、より多くの周期が５３個のホール・センサに偶然遭遇する）。したがって、第８高調波成分（Ｈ８）の振幅は、Ｈ６およびＨ７の振幅が減少する一方で増加する。
【００４５】
図９ｃは、読取りヘッドを径方向外側へ（つまりスケールリングの中心から遠方に）移動させる結果を示す。この例において、読取りヘッドによって感知された磁気周期は増加する（つまり、より少ない周期が５３個のホール・センサに偶然遭遇する）。したがって、第６高調波成分（Ｈ６）の振幅は、Ｈ７およびＨ８の振幅が減少する一方で増加する。
【００４６】
したがって、Ｈ７／Ｈ６の比率およびＨ７／Ｈ８の比率の観察により、スケールに対する読取りヘッドのアライメントを測定することができることは理解され得る。特に、磁界パターンの所望の８つの周期が読取りヘッドの５３個のホール・センサに亘って分配されるように、Ｈ７の振幅が最大化されるまで、読取りヘッドは径方向に前後に動かされることができる。そして、そのような正確なアライメントは、Ｈ７信号から生成されたサインとコサインの信号が信頼できる増分位置情報を提供することを保証する。
【００４７】
物理的に読取りヘッドを移動させる代わりに、ホール・アレイによって検知された磁気パターンの周期の数を再計算し、式１ａ、１ｂ、および２において用いられる係数を調整することが可能であろうということが注目されるべきである。さらに、ホール・センサのアレイの長さに亘る磁気パターンの整数の数の周期を提供する必要がないということが記憶に留められるべきである。
【００４８】
ラジアルスケールを読むためにホール・センサのリニア・アレイを使用することが、そのアレイの終わりで波形の径方向ひずみを生み出すということがさらに分かっている。
【００４９】
サインとコサインの信号を生じるために使用されるｋｓｉとｋｃｉの係数が径方向ひずみを補償するために修正されることができるということが分かっている。特に、修正済みｋｓ´ｉ係数と修正済みｋｃ´ｉ係数とが以下の式を用いて、第１磁気領域と第２磁気領域の径方向分布を考慮に入れて計算されることができる。
【００５０】
【数４】
2015509602.tif 000006
【００５１】
ただし、Ｐはスケールの周期であり、ｒは読取りヘッドの理想位置であり、ｘｉはｉ番目のセンサのチップの中心からの距離である。現在の例において、ホール・センサは、互い０．１５ｍｍ離れて、
【００５２】
【数５】
2015509602.tif 000007
【００５３】
である。（ただし、２６はチップの中心のセンサのインデックスであり、ｉは０から２５まで変動する。）ｋｓ´ｉとｋｃ´ｉの値は、前もっと計算され得る。
【００５４】
式５ａおよび５ｂの修正を考慮して、サインとコサインの表現は次のようになる。
【００５５】
【数６】
2015509602.tif 000008
【００５６】
さらに、式６ａおよび６ｂに（ｗｉ係数を使用して）所謂ウインドウファンクションを適用することは、さらに振幅および位相情報を改善することができ、それらの信号を挿入するときエラーを低減させることができる。
【００５７】
【数７】
2015509602.tif 000009
【００５８】
適用することができた多数のウインドウファンクションがある。例えば、Ｈａｎｎ、Ｇａｕｓｓ、Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ、Ｈａｍｍｉｎｇファンクションなどである。
【００５９】
ｗｉの値は、さらに前もって計算されることができ、故に、両係数ｗｉおよび（リニアスケールのための）ｋｃｉまたはｗｉおよび（角度スケールのための）ｋｃ´ｉ係数は、１つの一連の係数ｗｉ´に１つにまとめられることができる。そして、上で提供された式３および４は、修正済み振幅および位相情報を生じさせるために用いられることができる。
【００６０】
当業者は、上記の例が本発明を実行する特定の方法について記述し、様々な代替が可能であろうということを認識するであろう。
【図１】
2015509602.tif 000010
【図２】
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【図３】
2015509602.tif 000012
【図４】
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【図５】
2015509602.tif 000014
【図６】
2015509602.tif 000015
【図７】
2015509602.tif 000016
【図８】
2015509602.tif 000017
【図９ａ】
2015509602.tif 000018
【図９ｂ】
2015509602.tif 000019
【図９ｃ】
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【国際調査報告】
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