JP6154401B2 - 高分解能アブソリュート・エンコーダ - Google Patents

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本出願は、２０１１年１２月２８日に出願された米国仮出願第６１／５８０，６６８号の利益を主張する非仮実用特許出願であり、その開示を参照により本明細書に援用する。

本発明は、可動体の変位量および位置を決定するためのデバイスに関し、特に、エンコーダ・デバイス（エンコーダ）に関する。

エンコーダは、回転エレメントの角度位置または摺動エレメントの相対的変位を測定するために使用される。エンコーダは、通常、モーション・コントローラが可動エレメントに精密な所望の経路を追従させるために使用されるサーボ・システムと呼ばれることが多い制御システムにおいて使用される。その目的のために、エンコーダ・デバイスは、モーション・コントローラに対するエンコーダ・デバイスの接続を可能にする電子インタフェースを含む。

エンコーダは、２つのタイプ、すなわち、ロータリとリニアでありうる。ロータリ・エンコーダは、モータまたは任意の回転デバイスのシャフトのような、回転エレメントの角度位置を測定するように設計される。リニア・エンコーダは、２つの摺動エレメント、たとえば、静止ベースに対するリニア軸受上に搭載される摺動キャリッジの相対的移動を測定するように設計される。

一般的な用途では、ロータリ・エンコーダは、後端において電気モータ・シャフト上に搭載され、シャフト回転角度に関する位置情報を電気モータ・コントローラに提供する。モータ・コントローラは、その後、適切な電流をモータに出力して、所望の位置に向かってモータを回転させることになる。

別の一般的な用途では、リニア・エンコーダは、リニア・モータの可動エレメント上に搭載され、リニア・モータ・モーション・コントローラに接続される。

本特許出願全体を通して、用語「エンコーダ・デバイス（encoder device）」は、ロータリ・エンコーダとリニア・エンコーダの両方を指すものとする。

自動機械では、可動エレメントが、非常に高い精度でかつ高速度で経路に追従することが必要とされることが多い。これを達成するために、エンコーダ・デバイスは、高い精度を有するべきであり、また、高いレートで位置情報を転送できるべきである。例として、市販のロータリ・エンコーダは、モーション・コントローラへの回転角度データの転送レートが、通常、８,０００〜３０,０００データ転送／秒であるときに０.０１°より良好な精度を提供しうる。

エンコーダ・デバイスから要求される別の品質はその分解能である。分解能は、エンコーダ・デバイスが１回転でまたは１単位長で測定できる位置の数を示す。分解能は、通常、精度より高く、出力される位置の値が、ある誤差だけ実際の位置と異なる場合でも、精度について要求されるよりも多くの有意デジットを有する位置データをエンコーダ・デバイスが提供できることを意味しており、この誤差は、エンコーダに特有の精度によって規定される誤差より劣る。高分解能は、サーボ・コントローラとも呼ばれるモーション・コントローラが、厳格でかつスムーズな可動エレメントの制御を達成することを可能にする。

エンコーダ・デバイスは、アブソリュートまたはインクリメンタルでありうる。アブソリュート・エンコーダ・デバイスは、固定基準位置に対する角度位置またはリニア位置を測定することができ、一方、インクリメンタル・エンコーダ・デバイスは、その動作の開始からの角度変位またはリニア変位を測定することが可能である。そのため、インクリメンタル・エンコーダ・デバイスが自動機械において使用されるとき、機械の動作のそれぞれの開始時に、基準位置についての探索を実行することが一般的である。この探索は、基準位置に設置されたリミット・スイッチまたは他のデバイスが作動されるまで、所定の方向にゆっくりした速度で行われる。この探索プロシージャは、システムに複雑さを追加し、機械の最初の動作を遅延させる。この欠点があるにもかかわらず、インクリメンタル・エンコーダは、その単純さおよびその低コストのために一般に使用される。多くの場合、機械メーカは、アブソリュート・エンコーダを使用することを好むが、現在のところ入手可能なアブソリュート・エンコーダの高いコストのために、インクリメンタル・エンコーダを利用する。

アブソリュート・エンコーダ・デバイスの絶対分解能は、センサの数によって制限される。ｎ個のセンサを使用するエンコーダは、２^ｎの最大絶対分解能を有しうる。たとえば、８センサ・ロータリ・エンコーダは、２５６の絶対分解能を提供できない。より高い分解能を得るため、アブソリュート・エンコーダ・デバイスは、通常、高分解能インクリメンタル・エンコーダ・デバイスと組み合わされて、高い絶対分解能エンコーダ・デバイスを提供する。これは、デバイスのより高い複雑さ、より大きなサイズ、およびより高いコストをもたらす。

したがって、製作が簡単で、かつ、より低いコストで高い精度および分解能を依然として提供するアブソリュート・エンコーダ・デバイスを提供することが望ましい。

Villaret（特許文献１）において、絶対位置情報を提供できる単純な構造のアブソリュート・エンコーダ・デバイスが記載されている。デバイスは、静止部品の外周上に均等に分配された複数のセンサを利用する。環状トラック上の交互の特性のセクションを有する回転ディスクは、センサが、近接するトラックのセクションの特性を検知するように配置される。ディスク回転中、回転ディスクの異なるセクションは各センサに近接するようになる。各センサの電気信号はデジタル化されて、ビット値１または０を提供する。全てのセンサのビット値は、その後、１デジタル・ワードになるよう組み合わされて、各回転ディスク角度範囲位置について一意のコード値を生成する。Villaretの利点は、デバイスの単純さである。センサが円形ライン上に均等に分配されるため、センサ間の距離が比較的大きく、通常サイズの市販のセンサが使用されうる。

本明細書の特許出願では、絶対分解能またはＮは、エンコーダ・ディスクを１回転だけ回転させる間に生成されるコード値の数である。「セクタ（Sector）」は、エンコーダ回転ディスク円形トラックの同じサイズの角度部分であるとして規定される。セクタの数は、Ｎ、つまり、エンコーダ絶対分解能に等しい。前記トラックの各セクタは、予め規定されたパターンに従って第１の特性または第２の特性を有する材料で作られる。

エンコーダは、ディスク円形トラックに近接して配置され、トラックの最も近いセクタの特性に敏感であるセンサを含む。たとえば、多くの光学エンコーダは、透明セクタおよび不透明セクタを含む円形トラックを有する。光エミッタが回転ディスクの一方の面上に配置され、光センサが他の面上に配置され、それにより、透明セクタを通過する光が光センサによって検知される。光がセンサによって検知されるときはいつでも、このセンサは、透明セクタを示すデジタル値１によって表される信号を出力し、検知される光が存在しないときはいつでも、センサは、デジタル値０によって表される信号を出力することになる。

従来技術を理解するために、比較的低い分解能を有する従来技術のエンコーダ実施形態を述べる。これらの説明のために、セクタの数Ｎおよびセンサの数Ｓの特定の値が使用される。ＮおよびＳの他の値が使用されうることが理解されなければならない。

Ohno（特許文献２）は、増分位置を測定するための第１のパターン化トラックおよび絶対位置を測定するための第２のパターン化トラックを使用するアブソリュート・エンコーダを述べる。

本明細書の図１では、３２の絶対位置分解能を提供する第１の従来技術の実施形態に従って構築されたエンコーダが示される。回転ディスク１０１は、回転シャフト１０２上に搭載され、破線１０７で示す円形トラックを含む。円形トラック１０７は、全て同じサイズである数Ｎ＝３２のセクタ、たとえば１０３からなる。各セクタは、規定されたパターンに従って第１の特性または第２の特性を有する。たとえば、第１の特性のセクタは透明であるとすることができ、第２の特性のセクタは不透明であるとすることができる。

数Ｓ＝５のセンサ、１０５ａ〜１０５ｅは、固定され、回転ディスク円形トラックに近接して円形経路上に配設され、それにより、センサ１０５ａ〜１０５ｅは、最も近いセクタの特性を検知し、最も近いセクタ特性に従って値０または１を示すＳ個のデジタル信号ｂ０〜ｂ４を出力する。これらのＳ個のデジタル信号は、その後、１つのデジタル・ワード１０６になるよう組み合わされ、その値は、回転ディスク１０１の角度位置に特有である。

本特許出願によれば、回転ディスクの角度位置を示すために、用語「セクタ位置（sector position）」が使用される。回転ディスクが、回転ディスク円形トラック１０１のセクタ番号ｐが基準センサ、たとえばセンサ１０５ａに最も近くなるような角度位置になるとき、回転ディスクはセクタ位置ｐにある。したがって、回転ディスクについて、Ｎ個の考えられるセクタ位置が存在する。

セクタの特性のパターンは、所定のセクタ位置で取得されるワード１０６の各値が、回転ディスクの異なるセクタ位置で決して取得されないように設計される。Nagase（特許文献３）は、こうしたパターンを設計する方法を述べる。

この従来技術の実施形態の第１の欠点は、絶対位置を測定するために使用されるセンサが、セクタの角度サイズに等しい角度距離に配置されなければならないという要件である。これは、センサがセクタより小さなサイズであるべきであることを要求する。たとえば、回転ディスク径が３０ｍｍであり、必要とされる絶対分解能が２５６である場合、各センサは０.３６ｍｍより小さくあるべきである。その場合、市販のセンサは使用されることができず、１チップ上に集積されたカスタム・センサが使用されなければならない。

通常、これは、光学検知デバイスを使用して行われることができ、いくつかのセンサが１つの半導体デバイス上に実装される。この実装は、高いコストおよびモジュール性の欠如のために実用的でない。各エンコーダのサイズについて、異なる集積デバイスが設計されるべきである。磁気センサが考えられる場合、小さなサイズの集積デバイスの設計は、さらに複雑でかつ費用がかかる。

この従来技術の実施形態の第２の欠点は、分解能が制限されることである。センサのサイズおよびセクタのサイズに関する実際の考慮事項によって、セクタの数、したがって同様に、エンコーダ分解能が制限される。高分解能が必要とされるときはいつでも、たとえばImai（特許文献４）において述べられるように、アブソリュート・エンコーダは、通常、インクリメンタル・エンコーダと組み合わされる。これは、エンコーダの複雑さおよびコストの増加をもたらす。

Villaret（特許文献１）は、第１の上述した欠点をなくす改良を提供する。本明細書の図２を参照すると、Villaretによれば、回転シャフト２０３に固定された回転ディスク２０１は、２０２ａおよび２０２ｂのような、数Ｎ＝２０のセクタに分割された円形トラックを含む。各セクタは、第１の特性または第２の特性を有する。図２では、黒セクタ２０２ａは第１の特性を表し、白セクタ２０２ｂは第２の特性を表す。数Ｓ＝５のセンサ２０５ａ〜２０５ｅは、円形トラックの上で近接して固定エレメント上に配置され、デジタル信号（ビット）Ｂ０〜Ｂ４を出力する。Ｓ＝５ビットは、Ｎ＝２０のデジタル値の中から１つの値を選択する１デジタル・ワード２０６になるよう組み合わされる。Ｓ個のセンサは、外周上に均等に分配されるため、市販のデバイスの通常サイズであることができ、したがって、エンコーダ設計を単純にし、そのコストを低減する。

しかし、Villaretは、上述した第１の欠点をなくすが、セクタのサイズにおける実用上の制限によって分解能の制限を依然として受ける。セクタが小さくなるときはいつでも、センサが最も近いセクタだけに敏感であるように回転ディスクの円形トラックから非常に短い距離にセンサを配置することが必要である。大き過ぎるＮ個のセクタが使用された場合、この距離が、エンコーダ部品の機械公差より小さくなり、したがって、エンコーダ部品を動作不能にする。

したがって、より単純な構造で、サイズがより小さく、より低コストのアブソリュート・エンコーダ・デバイスを提供することが望ましい。市販のセンサが使用され、さらなるパターン化トラックが必要とされない、高い絶対分解能を有するアブソリュート・エンコーダを提供することが望ましいであろう。

米国特許出願公開第２０１０／０１４０４６３号 米国特許第５,０６８,５２９号 米国特許第５,１１７,１０５号 米国特許第５,２５２,８２５号

したがって、より単純な構造で、サイズがより小さく、より低コストであるが、高い絶対分解能を有し、市販のセンサが使用されることができ、さらなるパターン化トラックが必要とされない、アブソリュート・エンコーダ・デバイスを提供することが本発明の目的である。

本発明の目的は、市販のセンサが使用されるように、円形ライン上に均等に分配されたセンサを有する高分解能エンコーダ・デバイスを提供することである。新しいエンコーダ・デバイスは、アナログ出力を提供するセンサを利用し、センサの数によって制限されない高い絶対分解能を取得するためにメモリおよび処理手段を含む。

本発明は、好ましくは外周上に均等に分配された複数のセンサを利用する。環状トラック上の２つの異なる特性のいくつかのセクションを有する回転ディスクは、これら複数のセンサがこれらセンサに近接するトラックのセクションの特性を検知するように配置される。ディスク回転中、回転ディスクの異なるセクションが各センサに近接するようになる。本発明によれば、センサの信号は、第１の特性の回転ディスク・セクションに近接しているときの最小値から第２の特性の回転ディスク・セクションに近接しているときの最大値まで変動するアナログ値であって、回転ディスク上の遷移位置に近接しているときには中間値である、アナログ値を連続してとる。

エンコーダの初期動作の前に、前処理ステップにおいて、エンコーダの特性が、計算され、測定され、エンコーダ・メモリに格納される。これらの特性は、回転ディスク・トラック特性に対するセンサの応答を規定する、値および予め規定されたコードの表の形態である。

第１の処理ステップにおいて、各センサ信号のアナログ値が正規化される。Ａｎはセンサ番号ｎのアナログ信号値を示し、Ｈｎはセンサ信号ｎの最大値を示し、Ｌｎはセンサ信号ｎの最小値を示す。正規化信号ＮＡｎは、たとえば、以下の式によって計算される。
ＮＡｎ＝［Ａｎ−（Ｈｎ＋Ｌｎ）／２］／（Ｈｎ−Ｌｎ）
この正規化プロシージャが使用されて、特定のセンサ特性の変動の影響を最小にする。

第２の処理ステップにおいて、各センサの正規化信号が閾値と比較される。閾値は、たとえば、正規化信号の最大値と最小値との間の中央値であり、各センサについてビット値「０」または「１」が、比較結果に従って設定される。その後、全てのビットが１デジタル・ワードになるよう組み合わされて、回転ディスクの位置に特有のコード番号を生成する。その後、取得される絶対分解能は、エンコーダ回転ディスクの１回転について生成されるコードの数によって規定される。たとえば、Villaretによって記載される配置構成では、９８個のコードが、７個のセンサによって取得されうる。

回転ディスク・セクションの特性のパターンは、生成される一連のコードが、隣接するセクタの２つのコードがそれについてわずかに１ビットだけ異なるグレイ・コードを形成するように設計される。これは、ディスク回転中に、１つのコードから次のコードへの移行が、わずかに１つのセンサを必要とする、すなわち、１つのセンサの正規化信号だけが、閾値より大きい／小さい値から閾値より小さい／大きい値に移行することを意味する。このよく知られているグレイ・コード技法は、ディスク回転中の測定位置の誤差および不連続性を回避する。

所定の位置で取得される各コードに対して、その所定の位置から時計方向へのまた反時計方向へのディスク回転についての最初の変化ビットの２つの番号が関連付けられる。各ビット値がセンサのアナログ値と予め規定された閾値との比較によって決定されるため、関連付けられるビット番号はまた、２つの関連するセンサを規定する。

用語「ゼロ交差（zero crossing）」位置は、アナログ信号が、閾値より小さいかまたは大きい値から閾値よりそれぞれ大きいかまたは小さい値へ移行する回転ディスク位置を指す。

前処理ステップ中、同様に、回転ディスク位置の関数として、関連するセンサの正規化信号値の、ゼロ交差位置の周りの変動を表す２つの関数が各コードについて記録される。用語「センサ関数（sensor function）」は、この記録される関数を指す。

エンコーダ・センサおよび回転ディスク・セクション特性は、正規化信号の最小値から最大値への移行が、１セクタより大きい回転ディスク位置の範囲にわたって延在するように設計される。したがって、１セクタ・サイズ以内で、センサ関数は、単調であり、したがって可逆的である。すなわち、絶対回転ディスク位置が、正規化信号のアナログ値から決定されうる。センサ関数は、理論またはシミュレーションによって計算されるかまたは基準エンコーダによって測定される、高分解能の値の表の形態で記録されうる。これらの関数はまた、正規化信号値を近似するパラメトリック数学関数によって表されることができ、またこの場合、これらの数学関数のパラメータは、値の表内に記録される。

最後の処理ステップでは、見出されたコードに関連付けられる２つのセンサの２つの正規化信号値が比較され、閾値に最も近い値を有する正規化信号が選択される。したがって、選択された正規化値に適用される逆センサ関数は、回転ディスクの高い絶対分解能の位置の値を提供する。

したがって、単純な配置構成の高分解能絶対エンコーダが得られる。エンコーダが、さらなるインクリメンタル・エンコーダと組み合わされる必要がなく、また、カスタム半導体チップを設計する必要なしで、既製の低コスト・コンポーネントによって実装されうるからである。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、図面および特許請求の範囲と連携して以下の詳細な説明を読むと明らかになるであろう。

本発明、その動作、およびそのユーザによって得られる特定の目的をよりよく理解するために、本発明の好ましい実施形態を示す添付図面および説明的事項を参照すべきである。

本発明は、本発明がより完全に理解されるように、以下の例証的な図を参照して、ある好ましい実施形態に関連して述べられる。

隣接するセクタを覆う１つの集積デバイス内にセンサが配設される第１の従来技術のアブソリュート・エンコーダを示す図である。 センサが、円形経路上に均等に分配され、デジタル信号を提供するVillaret（特許文献１）による第２の従来技術のアブソリュート・エンコーダを示す図である。 本発明による好ましい実施形態を示す図であり、センサは、円形経路上に均等に分配され、アナログ信号を出力し、高分解能絶対位置を計算する処理手段が設けられる。 アナログ信号Ａｎおよび対応する正規化信号Ｎａｎの変動を示すグラフである。 ５個のセンサが使用される本発明によるアブソリュート・エンコーダについての正規化信号の、回転ディスクの１回転についての変動を示すグラフである。 図５の拡大図である。 高分解能回転ディスク絶対位置を計算するために使用される処理ステップのシーケンスを示し要約するブロック図である。 本発明によるエンコーダの特性をエンコーダ・メモリに格納するために使用されうる表の例を示す図である。 永久磁石と磁気センサを使用する、本発明によるエンコーダの好ましい実施形態を示す図である。

以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が述べられる。しかし、本発明がこれらの特定の詳細なしで実施されることができることが当業者によって理解されるであろう。他の事例では、よく知られている方法、プロシージャ、およびコンポーネントは、本発明を曖昧にしないために詳細に述べられていない。

図３では、Villaretに対する改良を提供する、本発明によるエンコーダ配置構成が示され、デジタル信号を提供する図２のＳ＝５のセンサ２０５ａ〜２０５ｅは、Ｓ＝５のアナログ・センサ３０５ａ〜３０５ｅによって置換され、Ｓ＝５のアナログ・センサはアナログ信号Ａ０〜Ａ４を生成する。これらのアナログ信号は、その後、アナログ−デジタル変換器ユニット３０６によってデジタル化され、その後、プロセッサ・ユニット３０７に転送される。この新しい配置構成が、さらなるインクリメンタル・エンコーダの必要なしで高分解能を提供することが示される。

図４では、回転ディスクの角度位置の関数としてセンサ番号ｎによって出力される、連続ライン曲線Ａｎとして示される、図３のセンサ３０５ａ〜３０５ｅの１つのセンサによって生成される１つのアナログ信号の変動を示すグラフが示される。水平軸は、セクタ角度サイズのセクタ単位で測定される回転角度である。図面に示す特定の構成では、回転ディスク角度位置が、セクタ角度サイズ単位で測定される０〜２０に延在するように２０個のセクタが存在する。アナログ信号Ａｎは、第１の特性のセクタに近接しているときに最大値Ｈｎを、また、第２の特性のセクタに近接しているときに最小値Ｌｎを有する。回転ディスクの回転中に、異なる特性のセクタは、センサに近づくかまたはセンサから離れ、それにより、センサによって生成されるアナログ出力は、異なる回転ディスク・セクタからのその距離に応じて、また、良好な近似では、２つの最も近いセクタからのその距離に応じて中間値をとる。

センサが円形トラック上に均等に分配されるため、全てのセンサの全ての信号Ｓｎは、同様の形状を有し、円形トラック上のセンサの相対位置を示す値だけ水平軸上で偏移（shift）される。これは、図５に示され、矢印５０１〜５０５で示す５つのセンサ正規化信号ＮＡ１〜ＮＡ５が、同じグラフ上にプロットされる。

図６は、図５の拡大図を示す。

図７は、回転ディスクの高分解能絶対位置を計算するために使用される処理ステップのシーケンスを示す。

ブロックに示す第１のステップ７０１では、センサによって発せられるＮ個の電気信号が測定され、それらのアナログ値が、図３のアナログ−デジタル変換器３０６によってＣＰＵ（図３の３０７）に転送される。

ステップ（７０２）では、これらのアナログ信号が、それらの最大値Ｈｎおよび最小値Ｌｎを参照して正規化される。図４を参照すると、１つのアナログ信号のアナログ値は、セクタ単位で測定され、水平軸（４１１）に沿ってプロットされた回転ディスク位置の関数として垂直軸（４１０）に沿ってプロットされた。図４に示す特定の例の場合、正規化信号ＮＡｎ（破線）は、以下の式によってアナログ信号Ａｎ（実線）から計算された。
ＮＡｎ＝［Ａｎ−（Ｈｎ＋Ｌｎ）／２］／（Ｈｎ−Ｌｎ）
最大値Ｈｎおよび最小値Ｌｎは、前処理ステップにおいて、たとえばエンコーダ製造中にエンコーダ・メモリ（図３の３０８）に記録されている。正規化信号の目的は、センサの感度に無関係であると共に、設計の公称値からのセンサの距離のわずかな偏差をもたらすエンコーダ作製における公差に無関係に、信号値を取得することである。そして、この特定の正規化式による正規化信号ＮＡｎは、値［−１，＋１］の範囲にある。信号ＮＡｎは、ここで、セクタの特性に対するセンサの感度の物理的法則だけに依存して、非常に良好な近似状態にある。

種々の正規化公式が使用されることができ、ここで述べる特定の関数が一例に過ぎないことが理解されなければならない。

再び図４を参照して、正規化信号ＮＡｎ（破線）の変動を表す関数は、複数のゼロ交差値を有する。ここで述べる特定の実施形態では、ラベル４０５〜４０８で図４に示すセクタ位置１、３、１０、および１６において４つのゼロ交差が存在する。ここで、ゼロ交差回転ディスク位置から１セクタ角度サイズ内の回転ディスク位置の値の全ての範囲について回転ディスク位置に関する信号変動を表す関数を考える。さらに以下で、用語「関心範囲（range of interest））」（または「ＲＯＩ」）は、回転ディスク位置の値の範囲を指すものとする。そのため、ＲＯＩは、セクタのサイズの少なくとも２倍である角度サイズを有する。

例証のために、図４に示す正規化信号によって規定されるＲＯＩは、マーク付けされ、破線の長方形内に含まれ、４０１〜４０４でラベル付けされる。ここで、ＮＡｎのゼロ交差位置を囲むＲＯＩ内の正規化信号Ｎａｎを表す関数を考えると、この関数が、単調である、すなわち連続的に増加するかまたは減少することが見てわかる。これは、図６を見るとより詳細にわかり、センサ番号４の信号ＮＡ４（５０４）が、セクタＳ１０およびＳ１１にわたって延在するＲＯＩ６０１内で単調であることが見てわかる。この特性は、設計によって保証され、センサを、回転ディスクから十分な距離にセットする。

各セクタ位置について、２つの最も近いゼロ交差を囲む２つのＲＯＩおよびゼロ交差がそれについて起こる２つの正規化信号を関連付けることが可能である。これは、図５を見るとわかり、Ｎ＝５の正規化信号が同じグラフ上にプロットされる。信号の振幅は、水平軸（５１２）に沿ってプロットされるセクタ位置の関数として垂直軸（５１１）の方向にプロットされる。たとえば、セクタ位置が破線およびラベル５１０で示される場合、センサ番号５および３の信号から計算される正規化信号ＮＡ５（５０５）およびＮＡ３（５０３）のゼロ交差を囲む２つのＲＯＩ５０８および５０９が関連付けられる。

図７の処理ステップ（７０３）では、所定の回転ディスク位置について、回転ディスクのセクタ位置に特有のコード番号（またはコード）が計算される。このコード番号を生成するために、Ｎ＝５の正規化信号が、好ましくはこれらの信号の最大値と最小値との間の中央値である閾値と比較される。図５に示す正規化信号５０１〜５０５の場合、この閾値はゼロ値に設定されている。信号値ＮＡｎが閾値より大きいときはいつでも、値１がビットＢｎに設定され、そうでなければ、値０が設定される。その後、Ｎ個のビットＢｎが１ワードになるよう組み合わされ、回転ディスクのセクタ位置に特有のコードを生成する。これは、以下に表に示され、破線およびラベル５１０で示す回転ディスク位置についてのコードが計算される。

回転ディスク・セクタ特性のパターンは、各コードが１つの一意のセクタに特有であるように設計される。そのパターンは、Villaret特許出願に従って見出されうる。コード値は、ビット値が変化するたびに、したがって、正規化信号のゼロ交差が起こるたびに変化し、それにより、各セクタは、正規化信号のゼロ交差が起こる２つの位置によって境界指定される（delimit）回転ディスク位置の範囲内に延在する。これらのセクタは、Ｓ１〜Ｓ２０ラベルによって図５に示される。各回転ディスク位置について、ビット値Ｂ１〜Ｂｎが評価され、対応するコードが計算される。

先に述べたように、回転ディスク位置に対するセンサの応答の特性は、エンコーダ・メモリ（図３の３０８）に記録される。これらの特性は、エンコーダ設計中に実行される前処理ステップで計算または測定され、エンコーダ製造中に較正されることができる。

これらの特性は、各コードに関連するＲＯＩ内の２つのセンサ番号および２つのセンサ関数を含む。センサ関数は、対応するセクタに関連する２つのＲＯＩ内の回転ディスク位置の関数としてのセンサの正規化アナログ信号の変動を表す。好ましくは、センサ関数は、逆数をとる形態で格納され、それにより、逆数をとったセンサ関数は、回転ディスク位置を正規化信号値の各値に関連付けることになる。

逆数をとったセンサ関数は、値の表内に記録されることができ、正規化信号値と回転ディスク位置との間の対応が、知られている補間技法によって計算されうる。

逆数をとったセンサ関数はまた、数学関数によって近似されることができ、この場合、この関数のパラメータが、実際の値の代わりに前処理ステップにおいて記録される。

さらに、各センサの最大値Ｈｎおよび最小値Ｌｎが、前処理ステップ中にエンコーダ・メモリ（図３の３０８）に記録される。

図８では、本発明による、エンコーダの特性をエンコーダ・メモリに格納するために使用されうる表の例が示される。

表８０１は、各アナログ信号の最大値および最小値のレコードである。この表は、図７のステップ７０３における正規化信号の計算のために使用される。

表８０２は、２つのセンサおよび２つのセンサ関数を各コードに関連付ける表である。ＣＣＷまたはＣＷゼロ交差センサは、回転ディスクが反時計方向または時計方向にそれぞれ回転した場合に、正規化信号のゼロ交差がそれについて起こる第１のセンサの番号を指す。ＣＣＷまたはＣＷセンサ関数は、対応するセンサ関数について記録される値の表に対するポインタを指す。見てわかるように、５個のセンサと２０個のセクタを有する図３の実施形態の場合、逆数をとったセンサ関数を表す４０個の表が、前記前処理ステップにおいて記録され、エンコーダ・メモリ３０８に格納される。

図７の処理ステップ７０４では、処理ステップ７０３で見出されたコードに関連付けられる、２つのセンサ番号ｎ１およびｎ２ならびに２つの関連する逆数をとったセンサ関数ＩＦ１およびＩＦ２が、前もって記録された特性を使用して、たとえば図８の表８０２を使用して見出される。たとえば、見出されるコードが６である場合、関連する２つのセンサは、値ｎ１＝３、ｎ２＝５を有するＣＣＷゼロ交差センサ番号およびＣＣＷゼロ交差センサ番号の縦列において見出され、２つの逆数をとった関数ＩＦ１およびＩＦ２は、ＣＣＷセンサ関数ポインタおよびＣＷセンサ関数ポインタの縦列において見出されるポインタＰｔ１＿６およびＰｔ２＿６によって指示される。

図７の処理ステップ７０５では、センサｎ１およびｎ２の正規化信号の２つの値ＮＡｎ１およびＮＡｎ２が閾値と比較される。閾値に最も近い値を有する信号ＮＡｎ（ｎ＝ｎ１またはｎ＝ｎ２）が、比較結果に応じて選択される。ＣＣＷまたはＣＷゼロ交差センサ番号がそれぞれ選択された場合、ＣＣＷまたはＣＷセンサ関数縦列のポインタによって指示される逆数をとった１つのセンサ関数ＩＦｎ（ＩＦｎ１またはＩＦｎ２）が選択される。

最終処理ステップ７０６において、高分解能回転ディスク位置アルファは、その後、記録された逆数をとったセンサ関数ＩＦｎを正規化信号ＮＡｎに適用することによって見出される。すなわち、アルファ＝ＩＦｎ（ＮＡｎ）である。

見出された高分解能回転ディスク位置は、その後、外部コントローラによって使用されるために送信されうる。

処理ステップ７０１〜７０６は、矢印ライン７０７で示すように無限ループにおいて高レートで実行される。

本発明の高分解能アブソリュート・エンコーダは、センサのタイプおよび回転ディスク材料特性に依存しない。高分解能アブソリュート・エンコーダは、エンコーダ特性が透明または不透明である光学エンコーダとして実装されうる、または、高分解能アブソリュート・エンコーダは、異なる配向の永久磁石が回転ディスクに固定され、ホール効果センサなどの磁界センサが使用される磁気エンコーダとして実装されうる。

磁気特性および磁気センサ（ホール効果センサ）を使用する好ましい実施形態の断面が図９に示される。この実施形態は、回転ディスクの搭載精度に対して低感度を有する特性を有する。その断面は、回転軸を含む平面内にある。

エンコーダは、シャフト９０４を回転させるモータ（図示せず）のフランジ９０８上に搭載される。

回転ディスクは、構造ディスク９０７および構造ディスク９０７に固定された永久磁石の２つの環状リング９０１ａおよび９０１ｂを含む。永久磁石の２つの磁石リング９０１ａ、９０１ｂは、磁石リング９０１ａと９０１ｂとの間に半径方向磁界を生成する。これらの磁石リングの種々の角度セクションは、予め規定されたパターンに従って、内側または外側の異なる磁界方向を生成する。回転ディスクは、その構造ディスク９０７によってシャフト９０４に固定される。

９０９および９１０のようなＮ個のホール効果センサは、静止し、２つの磁石リングの間の円形ライン上に配置される。この円形ラインは、２つの磁石リングの間の厳密な中央線であるように設計される。同様に、この円形ラインの軸方向位置は、磁石リングの中間高さに厳密にセットされる。Ｎ個のホール効果センサが、この円形ライン上で等角度距離に分配され、プリント回路基板９０５に固定される。プリント回路基板９０５は、円柱部品９０６によってモータ・フランジ９０８に固定される。ＣＰＵチップ９０２およびメモリ・チップ９０３が、プリント回路基板９０５上にはんだ付けされているのが示される。エンコーダの電子機能に必要な他の電子コンポーネントもまた、プリント回路基板にはんだ付けされる。

この配置構成では、ホール効果センサは、磁界の振幅に比例し、磁界の内側または外側の配向に応じた符号を有する電気信号を出力する。回転ディスクが回転すると、内側／外側に配向したリング・セクションから外側／内側に配向したセクションへ回転ディスクが移動するにつれて、磁界が、徐々に方向を変化させる。変化レートは、設計、磁石リングの幾何学的寸法を設定することによって較正されうる。先に説明したように、このレートは、ホール・センサ信号が、１セクタより大きい角度範囲にわたって最小値／最大値から最大値／最小値まで徐々に変化するように設定される。

ここで述べる好ましい実施形態は、エンコーダの搭載精度に敏感でないという利点を有する。これは、ホール・センサの中央位置のせいであり、ホール・センサの中央位置について、空間座標の関数として磁界強度を表す関数は、局所的極値（最大または最小）、したがって、ゼロ勾配を有する。

本発明が、先の例証的な実施形態の詳細に限定されないこと、および、本発明が、本発明の精神および本質的な属性から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化されることができることが当業者に明らかである。したがって、本実施形態は、全ての点で、例証的であり制限的でないとして考えられ、本発明の範囲は、先の説明によってではなく添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の均等性の意味および範囲内に入る全ての変更が、したがって、特許請求の範囲に包含されることが意図される。

Claims (14)

1. 回転エレメントの角度位置を測定する高分解能アブソリュート・エンコーダ・デバイスであって、
   ａ）前記回転エレメントに固定された回転ディスクであって、所定のパターンに従って第１の特性のセクションおよび第２の特性のセクションを有する円形トラックを含む、回転ディスクと、
   ｂ）前記円形トラックに近接して配置される複数の固定センサであって、各センサは、前記第１の特性の前記円形トラックのセクションに近接しているときに最大値を有し、また、前記第２の特性の前記円形トラックのセクションに近接しているときに最小値を有し、また、前記第１または前記第２の特性のセクションに前記センサが近接している位置から他の特性のセクションに前記センサが近接している位置まで前記回転ディスクが回転するとき、前記最大値と前記最小値の間で連続的かつ単調に変化する中間値をとる電気信号を出力する、固定センサと、
   ｃ）予め記録されるエンコーダ特性を格納するメモリと、
   ｄ）前記センサの前記電気信号の値を処理する処理手段と、
   を備え、
   第１の処理ステップにおいて、それぞれのセンサの前記電気信号と前記メモリに格納された予め規定された閾値との比較の結果として各センサについて１つのビットが設定され、全てのセンサの全てのビットが、１ワードになるよう組み合わされ、前記ワードの値がコードを規定し、前記コードは、各回転方向が、変化する前記ワードの１つのビットを規定することにより、２つのビットおよびそれぞれの電気信号を、各回転方向につき１つずつ、各コード値に関連付けたグレイ・コードであり、
   第２の処理ステップにおいて、前記コード値に関連付けられた前記２つの電気信号が比較され、前記２つの選択された電気信号のうちの、前記閾値に近い方の値を有する１つの電気信号が選択され、
   第３の処理ステップにおいて、前記回転ディスクの高分解能角度位置が、現在のコード値および前記選択された電気信号から推測される、
   前記デバイス。
2. 前記第１および第２の特性セクタのセクションは、２つの異なる方向に磁界を発生させる永久磁石を含み、前記センサは磁界方向に敏感である、請求項１に記載のデバイス。
3. 回転ディスクの前記円形トラックは、内側および外側の半径方向に磁界を生成する永久磁石の２つの同心列を含み、前記センサは、前記２つの同心列の間の中央線に配置される、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記センサは、静止部品の外周上に均等に分配され、前記回転ディスクは、前記複数のセンサが、前記複数のセンサに近接する前記トラックのセクションの前記特性を検知するように配置され、前記センサは、アナログ出力を提供し、前記メモリは、前記エンコーダ・デバイスの特性を格納し、前記処理手段は、各センサのアナログ出力信号を処理する、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記センサからの前記アナログ出力の信号をデジタル化し、次に、前記デジタル化されたアナログ出力信号を前記処理手段に転送するアナログ−デジタル変換器ユニット、をさらに備える、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記センサからの前記アナログ出力信号をデジタル化し、次に、前記デジタル化されたアナログ出力信号を前記処理手段に転送するアナログ−デジタル変換器ユニット、をさらに備える、請求項４に記載のデバイス。
7. 前記センサは、前記環状トラック上に均等に分配される、請求項４に記載のデバイス。
8. 前記センサの異なるセンサの出力信号は、それぞれ、前記環状トラック上の前記センサの相対的位置を示す値だけ偏移した類似の形状を有する、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記センサの異なるセンサの出力信号は、それぞれ、前記環状トラック上の前記センサの相対的位置を示す値だけ偏移した類似の形状を有する、請求項５に記載のデバイス。
10. 前記センサの異なるセンサの出力信号は、それぞれ、前記環状トラック上の前記センサの相対的位置を示す値だけ偏移した類似の形状を有する、請求項６に記載のデバイス。
11. 前記回転ディスクは、永久磁石の環状リング間で半径方向磁界を発生する、永久磁石の環状リングを備え、前記センサは、永久磁石の前記環状リング間の円形ライン上に配置されるホール効果センサを備える、請求項４に記載のデバイス。
12. 前記回転ディスクは、永久磁石の環状リング間で半径方向磁界を発生する、永久磁石の環状リングを備え、前記センサは、永久磁石の前記環状リング間の円形ライン上に配置されるホール効果センサを備える、請求項５に記載のデバイス。
13. 前記回転ディスクは、永久磁石の環状リング間で半径方向磁界を発生する、永久磁石の環状リングを備え、前記センサは、永久磁石の前記環状リング間の円形ライン上に配置されるホール効果センサを備える、請求項６に記載のデバイス。
14. 前記回転ディスクは、永久磁石の環状リング間で半径方向磁界を発生する、永久磁石の環状リングを備え、前記センサは、永久磁石の前記環状リング間の円形ライン上に配置されるホール効果センサを備える、請求項９に記載のデバイス。
    

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