本发明涉及检测旋转体的绝对角度位置的磁式旋转编码器、和磁式旋转编码器的绝对角度位置检测方法。
背景技术：
作为检测旋转体的绝对角度位置的旋转编码器，已知一种磁式旋转编码器，该磁式旋转编码器在旋转体上安装有磁体，用接近旋转体设置的感磁元件(磁传感器)检测由该磁体产生的磁场，基于检测到的磁场的强度根据旋转体的旋转角而变化的情况确定旋转角。作为一个例子，将在周向上逐极磁化有n极和s极的磁体配置于旋转体的旋转轴的端面，在固定体上，将具有与该磁体产生的磁场的大小成比例的输出的感磁元件配置于旋转轴的延长上。作为感磁元件，使用能够检测相对于旋转轴的旋转互相错开45°的两个位置的磁场的强度的元件。或者，在使用像霍尔元件那样能够检测也包含磁场的方向在内的磁场强度的元件的情况下，将感磁元件配置在相对于旋转轴的旋转互相错开90°的位置。这样一来，从感磁元件可获得相对于旋转体的旋转角以正弦函数(sin)和余弦函数(cos)进行变化的输出，因此，通过对他们的输出之比进行基于反正切(tan-1或arctan)运算的角度位置运算，能够求得旋转角即旋转体的绝对角度位置。
在这样的磁式旋转编码器中，为了提高旋转角检测的分辨率，在专利文献1中公开有一种技术，在将上述结构中的磁体和感磁元件分别设为第一磁体及第一感磁元件时，在旋转体上设置围绕其旋转轴呈环状配置的第二磁体，将检测第二磁体产生的磁场的大小的第二感磁元件设置于固定体上。在第二磁体中，沿旋转体的周向交替磁化有多对n极和s极。换言之，多个n极和与n极的个数同数量的s极沿旋转体的周向交替配置。第二感磁元件构成为能够检测以相当于n极或s极的单极的周向长度的四分之一的间隔隔开的位置的各自的磁化的大小、即第二磁体的磁化产生的磁场的大小(在像霍尔元件那样能够检测也包含磁场的方向在内的强度的情况下，将检测位置的间隔设为n极或s极单极的周向长度的二分之一)。在该结构中，在旋转体旋转相当于n极或s极单极的周向长度的角度时，从第二感磁元件输出与在旋转体旋转一周时从第一感磁元件输出的正弦及余弦输出相同的正弦及余弦输出。因此，基于第一感磁元件的输出进行反正切运算，求得当前的旋转角与第二磁体的哪个n极或s极相对应，之后，基于第二感磁元件的输出进行反正切运算，由此，根据第二磁体的n极及s极的极对数进行分辨率提高的旋转角检测。进而，在专利文献1中公开有一种技术，将沿旋转体的周向交替磁化有多对n极和s极的磁体作为磁道，将多列磁道沿旋转体的半径方向平行配置，并且，在相邻的磁道间，相对一磁道的n极只有另一磁道的s极与其相接，通过这样构成，提高了旋转体的角度的检测精度。如果磁道为两列，则可以说在该结构中，第二磁体是将沿旋转体的半径方向配置n极和s极的磁体作为极对，将多个极对呈环状配置，使得在相邻的极对间n极和s极的取向相反。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5666886号公报
技术实现要素：
发明所要解决的技术问题
在专利文献1所示的具有第一磁体及第二磁体的旋转编码器中，能够以高的分辨率求得旋转体的绝对角度位置，但为了求得绝对角度位置，需要对第一感磁元件的输出和第二感磁元件的输出分别进行a/d(模拟·数字)转换及反正切运算，存在处理时间变长且运算处理负荷也增大的技术问题。另外，存在如果在包含第一磁体及第一感磁元件的第一传感器部和包含第二磁体及第二感磁元件的第二传感器部之间产生相对位移，则绝对角度位置的检测精度也降低的技术问题。
本发明的目的在于，提供一种旋转编码器，其不延长处理时间且也不增大运算处理负荷即可高精度地检测绝对角度位置。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明提供一种旋转编码器，其检测旋转体相对于固定体的角度，其中，具备，第一传感器部，其具有磁化有一对n极及s极的第一磁体、和与第一磁体对置而检测a1相的分量和相位与a1相不同的b1相的分量的第一感磁部；第二传感器部，其具有交替磁化有多对n极及s极的第二磁体、和与第二磁体对置而检测a2相的分量和相位与a2不同的b2相的分量的第二感磁部；电路，其根据第二传感器部的输出生成计数用脉冲；计数器，其对脉冲进行计数；第一运算部，其基于第一感磁部的输出，计算第一角度值；第二运算部，其基于第二感磁部的输出，计算第二角度值，第一磁体和第一感磁部的一方设置于固定体上，另一方设置于旋转体上，第二磁体和第二感磁部的一方设置于固定体上，另一方设置于旋转体上，在启动时，在由第一角度值获得的第一多周旋转绝对角度位置数据和第二角度值之间进行使相位对准的第一相位对准，将第一多周旋转绝对角度位置数据和第二角度值连结，由此生成第二多周旋转绝对角度位置数据，以将来自第二传感器部的输出的计数用脉冲进行累计而获得的第三角度值为基准，进行使第二多周旋转绝对位置数据的相位对准的第二相位对准，生成第三多周旋转绝对角度位置数据，启动后，在计数器中进行脉冲的计数作为初始值。
本发明提供一种绝对角度位置检测方法，其为旋转编码器的绝对角度位置检测方法，旋转编码器具备第一传感器部和第二传感器部，第一传感器部具有磁化有一对n极及s极的第一磁体、和与第一磁体对置且检测a1相的分量和相位与a1相不同的b1相的分量的第一感磁部，第二传感器部具有交替磁化有多对n极及s极的第二磁体、和与第二磁体对置且检测a2相的分量和相位与a2不同的b2相的分量的第二感磁部，还具备：电路，其根据第二传感器部的输出生成计数用脉冲；计数器，其对脉冲进行计数；第一运算部，其基于第一感磁部的输出，计算第一角度值；第二运算部，其基于第二感磁部的输出，计算第二角度值，第一磁体和第一感磁部的一方设置于固定体上，另一方设置于旋转体上，第二磁体和第二感磁部的一方设置于固定体上，另一方设置于旋转体上，其中，绝对角度位置检测方法具有以下工序：在启动时，在由第一角度值获得的第一多周旋转绝对角度位置数据和第二角度值之间进行使相位对准的第一相位对准，将第一多周旋转绝对角度位置数据和第二角度值连结，由此生成第二多周旋转绝对角度位置数据，以将来自第二传感器部的输出的计数用脉冲进行累计而获得的第三角度值为基准，进行使第二多周旋转绝对位置数据的相位对准的第二相位对准，生成第三多周旋转绝对角度位置数据的工序作为初始值；在启动之后，对由第二传感器部的输出生成的计数用脉冲开始由计数器进行计数的工序。
根据这样的本发明，在启动时，基于第一传感器部及第二传感器部的输出进行角度位置运算，之后，基于对计数用脉冲进行计数的结果(累计脉冲数)计算移动量。与需要a/d转换和反正切运算的角度位置计算相比，脉冲的计数能够以更短的时间且更小的处理负荷执行，所以，与每一次都实施角度位置计算的情况相比，能够在短时间内求得角度位置。进而，因为进行了第一及第二位置对准，所以关于角度能够高精度地进行数据间的结合，能够高精度地求得角度位置。
本发明中，也可以是，在启动时，将第三多周旋转绝对角度位置数据换算成计数器中的计数值，将该换算所得的值作为初始值存储于计数器中，计数器将存储的值作为开始值进行计数。在这样的结构中，通过参照计数器的值，能够在启动之后粗略或大致精确地知道多周旋转绝对角度位置。
在本发明中，也可以是，在被请求角度位置时，在该请求时间点的计数器的计数值和第二角度值之间进行使相位对准的第三相位对准并将计数值和第二角度值连结，生成第四多周旋转绝对角度位置数据，或者，也可以是，还执行下述工序：在启动时，将第三多周旋转绝对角度位置数据换算成计数器中的计数值，将该换算所得的值作为初始值存储于计数器的工序；在被请求角度位置时，在该请求时间点的计数器中的计数值和第二角度值之间进行使相位对准的第三相位对准，将计数值和第二角度值连结，生成第四多周旋转绝对角度位置数据的工序，在计数器中，将存储的值作为开始值进行计数。在该结构中，为了获得高分辨率的绝对角度位置所需要的角度位置运算，只要在进行了初始值的计算之后，在被请求角度位置时仅对第二传感器部的输出进行即可，能够缩短处理时间，减轻处理负荷。
在本发明中，也可以是，第三多周旋转绝对角度位置数据具有相当于第二传感器部的输出中的一周期长度的四分之一的分辨率。在该结构中，能够提高在短的处理时间内获得的粗精度的多周旋转绝对角度位置的精度。
在本发明中，也可以是，作为第一感磁部，使用由具备与a1相对应的磁阻图案和与b1相对应的磁阻图案的磁阻效应元件、和从旋转体的旋转轴观察时配置于相隔90°的位置的一对霍尔元件构成的部件，在启动时，进行使基于来自一对霍尔元件的信号的极性的组合进行计数的霍尔计数多周旋转数据和第一角度值之间的相位对准的预备相位对准，将霍尔计数多周旋转数据与第一角度值连结，作为第一多周旋转绝对角度位置数据。在该结构中，通过使用霍尔元件，不管用于角度位置运算的传感器的种类如何，都能够容易地获得多周旋转数据，并且能够提高该多周旋转数据的精度。
在本发明中，作为上述的各相位对准，例如可以使用以下的相位对准。霍尔计数多周旋转数据的低位2比特表示旋转体的旋转角的象限，通过操作霍尔计数多周旋转数据的至少最低位比特使其与在第一角度值中表示的旋转角的象限一致，能够进行预备相位对准。作为第一相位对准，也可以是下述处理，该处理将第一多周旋转绝对角度位置数据的比特和第二角度值的比特中关于旋转角重复的范围的比特相互比较，从第一多周旋转绝对角度位置数据去除该重复的范围的比特，根据比较的结果进行对去除比特之后的第一多周旋转绝对角度位置数据的低位比特进行修正。此时，也可以是，在进行了修正之后的第一多周旋转绝对角度位置数据上连结第二角度值，获得第二多周旋转绝对角度位置数据。在第二相位对准中，也可以是，第三角度值的低位2比特表示象限。作为第三相位对准，也可以是下述处理，该处理将第三多周旋转绝对角度位置数据的比特和第二角度值的比特中关于旋转角重复的范围的比特相互比较，从第三多周旋转绝对角度位置数据去除重复的范围的比特，根据比较的结果进行对去除比特之后的第三多周旋转绝对角度位置数据的低位比特进行修正。此时，在进行了修正之后的第三多周旋转绝对角度位置数据上连结第二角度值，获得第四多周旋转绝对角度位置数据。这些相位对准可以仅仅进行对由二进制值表示的各数据的加法、减法、比特的位移及比特的覆盖，所以，与伴随乘法或减法的情况相比，能够以更短的处理时间执行。
发明效果
根据本发明，在旋转编码器中，能够不延长处理时间也不增大运算处理负荷即可高精度地检测绝对角度位置。
附图说明
图1是说明本发明实施一方式的旋转编码器的图。
图2是说明磁体、感磁元件及霍尔元件的布局的俯视图。
图3是感磁元件的等效电路图。
图4是说明旋转编码器的动作原理的图。
图5是说明旋转编码器的动作的流程图。
图6是说明绝对角度位置的确定方法的图。
图7是说明绝对角度位置的确定方法的图。
图8是表示各数据的数据格式和它们之间的关系的图。
图9是说明相位对准运算a的图。
图10是说明相位对准运算b中使用的修正值表的图。
图11是说明相位对准运算c中使用的修正值表的图。
图12是说明相位对准运算d中使用的修正值表的图。
标号说明
1a…第一传感器部、1b…第二传感器部、20…第一磁体、30…第二磁体、40…第一感磁元件、51、52…霍尔元件、60…第二感磁元件、70…数据处理部、71、72、81、82…比较器、73、74、83、84…a/d转换器、75、85…运算部、76…初始坐标计算部、77…计数器设定部、86…qep计数器、87…绝对角度位置计算部。
具体实施方式
接着，参照附图对本发明优选的实施方式进行说明。关于本发明实施的一方式的旋转编码器，图1表示为了求得旋转角而使用的结构的整体，图2表示该旋转编码器的磁体、感磁元件以及霍尔元件的配置。如后述，霍尔元件是为了判别旋转角的象限而设置的。本实施方式的旋转编码器在对从感磁元件输出的信号进行处理用于确定绝对角度位置的处理电路方面与专利文献1中记载的编码器不同，关于外观或机械结构，与专利文献1中记载的编码器相同。因此，关于本实施方式的旋转编码器，省略对于外观或向测定对象的安装部分的说明。另外，该旋转编码器构成为能够了解旋转体从规定的原点位置旋转了多少的多周旋转式旋转编码器。
旋转编码器具有与电机等测定对象的旋转轴结合的旋转体2、和以非结合的方式固定于测定对象的旋转轴上的固定体1。在旋转体2上设置有第一磁体20、第二磁体30、设置于第一磁体20和第二磁体30之间并将两者之间磁屏蔽的屏蔽部件70。在图1中，用点划线表示旋转体2的旋转轴l的轴线方向。另外，对各磁体20、30标注的“n”及“s”符号，表示标注该符号的位置为磁化面，且以该符号表示的磁极性被磁化。在固定体1上设置有检测第一磁体20产生的磁场的大小的第一感磁元件40、检测第一磁体20产生的磁场的极性的第一及第二霍尔元件51、52、检测第二磁体30产生的磁场的第二感磁元件60。由第一磁体20、第一感磁元件40以及第一及第二霍尔元件51、52构成第一传感器部1a，由第二磁体30及第二感磁元件60构成第二传感器部1b。由第一感磁元件40和第一及第二霍尔元件51、52构成第一感磁部。第二感磁元件60构成第二感磁部。
在第一传感器部1a，设置于旋转体2上的第一磁体20具有在周向上逐极磁化有n极和s极的磁化面，将n极及s极两者的磁化面对准后的形状为大致圆形，其中心与旋转轴l一致。设置于固定体1上的第一感磁元件40与第一磁体20的磁化面对置设置。第一及第二霍尔元件51、52以从旋转轴观察时相互隔开90°的方式与第一磁体20的磁化面对应设置。第一感磁元件40例如由磁阻效应元件构成，为了能够检测在旋转轴l的旋转相位上相互错开90°电气角的磁场大小的分量，由细长形状的四个磁阻图案41～44构成。关于电气角，后文叙述。磁阻图案41～44以旋转轴为中心各分开45°呈扇形配置。磁阻图案41、43与a1相对应，如图3(a)所示，在电源电压vcc和接地电位gnd之间并联连接，构成桥接电路，从各自的中点获得用±a表示的差分输出。同样，电阻图案42、44与b1相对应，如图3(b)所示，在电源电压vcc和接地电位gnd之间并联连接，构成桥接电路，从各自的中点获得用±b表示的差分输出。这样，在第一传感器部1a，使用具有一对n极和s极的磁体作为第一磁体20，因此，将第一传感器部1a也称为一分割传感器部。
如后述，在该旋转编码器中，在旋转体2实际旋转一周期间，a1相及b1相均以正弦波形变化两个周期。于是，在旋转编码器中，将旋转体2实际的旋转角(几何学或机械上实现的角度)称为机械角，将根据来自感磁元件的信号的相位确定的角度称为电气角。在使用只能检测磁场的大小而不能检测磁场的极性的元件的情况下，电气角表示为机械角的二倍的值。就与a1相对应的磁阻图案41、43和与b1相对应的磁阻图案42、44而言，以如果换算成电气角则产生90°相位差的方式错开，因此，a1相与正弦分量(sin)对应，b1相与余弦分量(cos)对应。磁阻图案41、43分别与以电气角计相互具有180°相位差的(sin-)分量和(sin+)分量对应，磁阻图案42、44分别与以电气角相互具有180°相位差的(cos-)分量和(cos+)分量对应。
在第二传感器部1b，设置于旋转体2上的第二磁体30为与旋转轴l同轴的环状的磁体，设置为相对于第一磁体20在半径方向的外侧分开。第二磁体30包括由在周向上以等间隔交替磁化有n极和s极的多个环状的磁化面构成的两个环状的磁道31、32，这些磁道31、32在半径方向上相互相接。在内侧磁道31和外侧磁道32之间，n极和s极在周向上错开一个极的量。其结果是，将从旋转轴l观察时在半径方向上配置有n极和s极的磁道设为极对，在第二磁体30上，在相邻的极对间，以n极和s极的取向相反的方式呈环状配置有多个极对。对于每个磁道31、32，如果n(n为2以上的整数)个n极和n个s极被设定为磁化面，则极对数为2n。在图1中，为了进行说明，极对数2n为16，但实际上例如为128。设置于固定体1上的第二感磁元件60例如由磁阻效应元件构成，对应于磁道31、32相互相接的位置，并与第二磁体30的磁化面对置配置。第二磁体30产生的磁场的强度在周向上沿着磁道31、32相互相接的位置，以n极或s极的一个极的长度(如果极对数为128，则为360/128＝2.8125，所以以机械角计为2.8125°)为周期呈正弦波状变化。因此，关于第二磁体30，设定为n极或s极一个极的长度对应于电气角的360°。第二传感器部1b设置多对n极和s极作为第二磁体30，所以也将第二传感器部1b称为多分割传感器部。
在第二感磁元件60中，以周向上的一个极的长度的1/4的间隔沿着周向配置有四个磁阻图案61～64。各磁阻图案61～64具有沿旋转体2的半径方向延伸的细长的形状。第二感磁元件60以其中心位于与磁道31、32相接的位置之上的方式对应第二磁体30而设置。在第二感磁元件60中，与第一感磁元件40的情况同样，由磁阻图案61～64构成相对于第二磁体30的相位以电气角计相互具有90°相位差的a2相(sin)的磁阻图案和b2相(cos)的磁阻图案。a2相的磁阻图案由(sin+)分量的磁阻图案64及(sin-)分量的磁阻图案62构成，b2相的磁阻图案由(cos+)分量的磁阻图案63及(cos-)分量的磁阻图案61构成。与第一感磁元件40的情况相同，a2相的磁阻图案62、64构成图3(a)所示的桥接电路，b2相的磁阻图案61、63构成图3(b)所示的桥接电路。此外，在此，设置有内侧的磁道31和外侧的磁道32，但也可以仅设置任何一个磁道，并对应于磁道的中央位置而配置第二感磁元件60，在这样配置的情况下，也能够直接应用本实施方式的绝对角度位置计算的步骤。
在本实施方式的旋转编码器中，为了检测旋转体2的多周旋转中的绝对角度位置，第一感磁元件40、第二感磁元件60及各霍尔元件51、52的输出被供应给作为处理电路的数据处理部70。在图1中，用一条线表示第一感磁元件40及第二感磁元件60各自的sin分量及cos分量的信号线，但也可以如图3的等效电路图所示，实际上各信号线为差分信号线。在数据处理部70设置有：比较器71、72，其分别输入有第一及第二霍尔元件51、52的输出并以h/l的二进制信号输出由霍尔元件51、52检测到的磁场的方向；a/d转换器73、74，其分别输入有第一感磁元件40的cos分量和sin分量并进行模拟/数字(a/d)转换；比较器81、82，其分别输入有第二感磁元件60的cos分量和sin分量并判别这些分量的正负的极性；a/d转换器83、84，其分别输入有第二感磁元件60的cos分量和sin分量并进行模拟/数字(a/d)转换。进而，在数据处理部70具备：运算部75，其基于a/d转换器73、74的输出进行反正切(tan-1)运算；运算部85，其基于a/d转换器83、84的输出进行反正切(tan-1)运算；初始坐标计算部76，其基于比较器71、72、81、82的输出和运算部75、85的输出，计算该旋转编码器启动时的绝对位置角度；计数器设定部77；qep计数器86，其将比较器81、82的输出作为后述的qep信号并进行基于该qep信号的计数；绝对角度位置计算部87，其在从外部输入角度请求时，基于qep计数器86的计数值和运算部85的运算结果，计算并输出多周旋转的绝对角度位置。计数器设定部77基于初始坐标计算部76的计算结果，对qep计数器86设定计数的初始值。在本实施方式中，为了提高处理速度，理想的是，初始坐标计算部76、计数器设定部77、qep计数器86及绝对角度位置计算部87执行整数运算(或者固定小数点运算)。
在数据处理部70，也可以将上述的比较器71、72、81、82、a/d转换器73、74、83、84、运算部75、85、初始坐标计算部76、计数器设定部77、qep计数器86及绝对角度位置计算部87各自设定为硬件电路零件。或者，也可以将运算部75、85、初始坐标计算部76、计数器设定部77、qep计数器86及绝对角度位置计算部87设定为微处理器或cpu，且将比较器71、72、81、82、a/d转换器73、74、83、84设定为与该微处理器连接的硬件电路。在可以利用具有比较器功能及a/d功能的微处理器(或cpu)的情况下，也可以将数据处理部整体构成为微处理器或cpu。
接着，使用图4对本实施方式的旋转编码器的检测原理进行说明。图4(a)表示关于第一传感器部1a，考虑固定体1上的某一点，相对于旋转体2的机械角的变化，由第一磁体20形成的磁场的极性及强度、来自第一感磁元件40的输出(sin及cos)、第一及第二霍尔元件51、52的输出如何变化。但是，在以下的说明中，由经比较器71、72获得的h或l的二进制信号表示第一及第二霍尔元件51、52的输出。如图所示，当旋转体2旋转且第一磁体20以机械角计旋转一周(360°)时，从第一感磁元件40输出两个周期、即以电气角计为720°的正弦波形的信号sin及cos。如果设电气角为θ，则如图4(b)所示，通过基于这些信号sin及cos并按照θ＝tan-1(sin/cos)进行计算，能够确定旋转体2的角度位置，将其作为电气角θ。但是，由于在这里说明的例子中使用了磁阻元件，在机械角旋转一周期间，电气角旋转两周，因此，仅用该θ无法求出绝对角度位置。于是，利用从第一磁体20的中心观察时相互隔开90°而设置的第一及第二霍尔元件51、52。根据第一及第二霍尔元件51、52，判别第一磁体20产生的磁场的极性，如图4(a)中点划线所示，已知基于机械角的旋转角位于平面坐标系中的哪个象限，因此，能够求得基于旋转体2的机械角的绝对角度位置。另外，因为第一及第二霍尔元件51、52的信号不会同时变化，所以只要在它们的任一个中进行信号每变化一次则加1的计数，就能够获得在机械角的象限(90°)单位内的多周旋转数据。将这样的多周旋转数据称为霍尔计数多周旋转数据。
同样，关于第二传感器部1b，通过将第二磁体30中在周向上相邻的两个极对的长度认为电气角的两周(720°)，与上述的第一传感器部1a的情况相同，能够求得绝对角度位置(在此考虑的周向上相邻的两个极对中的周向的位置)。相对于电气角两周，sin及cos的正弦波形也变化两周。由于第二传感器部1b是多分割传感器部，所以能够以比第一传感器部1a高的分辨率确定绝对角度位置。因此，如果将基于第一传感器部1a的粗略的绝对角度位置和基于第二传感器部1b的精细的绝对角度位置组合，则整体上能够以高的分辨率确定绝对角度位置。此外，由于根据第一传感器部1a的结果了解粗略的绝对角度位置，所以不需要在第二传感器部1b设置相当于第一传感器部1a的第一及第二霍尔元件51、52的部件。
在以上的说明中，运算部75、85进行反正切运算(tan-1(sin/cos))。在这里的反正切运算中，如果cos分量为0，则成为被零除，所以不能执行，另外，如果cos分量接近0，则运算误差变大，但是在这种情况下，众所周知，如果进行反余切(cot-1或arccot)运算，并从90°减去该值，则能够求出旋转角θ。另外，通常，反正切函数(cot)的取值范围被设定为-90°＜θ＜+90°，但在本实施方式中，考虑到sin及cos的正负，在0°≦θ＜360°的范围求取旋转角θ。在本说明书中，反正切运算是指是指在0°≦θ＜360°的范围求θ，也包含像这样在cos分量接近0时应进行的反余切运算。另外，机械角的一周对应于电气角的两周，是因为使用了能够检测磁场的强度但不能判别磁场的极性的传感器。在第一感磁元件40中，在使用可以与磁场的强度同时检测该磁场的极性，根据磁场的极性确定输出的正负的例如霍尔元件等元件的情况下，对于本领域人员来说，上述的说明需要变更为机械角的一周对应于电气角的一周。在这种情况下，不需要另外设置用于确定旋转角的象限的第一及第二霍尔元件51、52。另外，在第二感磁元件60中使用霍尔元件等的情况下，认为在周向上相邻的两个极对的长度为电气角的一周(360°)。
接着，对本实施方式的旋转编码器中的处理进行说明。在该旋转编码器中，由a/d转换器73、74及运算部75确定基于第一传感器部1a的绝对角度位置，基于该确定的绝对角度位置和由a/d转换器83、84及运算部85求出的结果，能够求得具有高分辨率的最终绝对角度位置。但是，由于a/d转换的处理和各运算部75、85进行的反正切运算需要处理时间且处理负荷大，所以优选尽可能不进行这种运算。因此，在本实施方式的旋转编码器中，在启动时(或指定时)计算高分辨率的绝对角度位置，之后，对来自第二传感器部1b的第二感磁元件60的cos及sin分量分别由比较器81、82进行处理，生成qep(正交编码脉冲；quadratureencoderpulse)信号，仅进行该qep信号的计数。而且，当存在来自外部的角度请求时，进行仅基于第二传感器部1b的绝对角度位置的计算，将该绝对角度位置数据与qep信号的计数值组合，获得最终的多周旋转绝对角度位置数据。在这样的动作中，仅在启动时使用与第一传感器部1a关联的a/d转换器73、74及运算部75。在以下的说明中，设定极对数2n为128进行说明，关于极对数为128以外时的处理，从以下的说明中，本领域技术人员将能够理解。
图5是说明本实施方式的动作的流程图。当旋转编码器启动时，首先，在s11，使a/d转换器73、74、83、84和运算部75、85动作，基于来自第一传感器部1a及第二传感器部1b各自的cos分量及sin分量的信号进行角度位置运算，初始坐标计算部76基于由此获得的结果和通过第一及第二霍尔元件51、52获得的结果，确定多周旋转绝对角度位置的初始值。接着，在s12，计数器设定部77将求出的多周旋转绝对角度位置换算成qep计数器86的计数值，将通过换算获得的值设定为qep计数器86中计数的开始值即初始值。之后，在s13，开始qep计数器86中的基于第二传感器部1b的输出(cos及sin)的qep信号的计数。
在此，对qep信号进行说明。qep信号是由第二传感器部1b的输出生成的计数用脉冲。从第二传感器部1b的第二感磁元件60获得的cos及sin分量均是在第二传感器部1b的电气角每次变化180°时符号反转，且两者的相位以电气角计错开90°。如果cos或sin的任一符号每次反转时将qep计数器86的计数值加1或减1，则计数值每360°电气角改变4。是进行加法运算还是进行减法运算取决于旋转体是向正方向旋转还是向反方向旋转。如果设比较器81、82输出的二进制信号(h或l的信号)分别为qc、qs，则可以将qep信号表示为(qc、qs)。如果旋转体2向正方向旋转，则(qc、qs)按(h、l)→(h、h)→(l、h)→(l、l)→(h、l)→…变化。另一方面，如果旋转体2向反方向旋转，则(qc、qs)按(h、l)→(l、l)→(l、h)→(h、h)→(h、l)→…变化。因此，通过检测qep信号从某时间点起如何变化，能够了解旋转体2的旋转方向。例如，设定(qc、qs)为(h、h)，如果从该状态起变化为(l、h)，则可以判别是正转，如果变化为(h、l)，则可以判别是反转。根据是正转还是反转而选择是加1还是减1，所以即使是在继续向正方向的旋转的中途向反方向旋转然后再向正方向旋转的情况，也能够正确地求出旋转的绝对角度位置。由于极对数2n为128，所以在机械角的一周中，qep计数器86的计数值变化512(＝4×128)。将qep计数器86的值除以512所得的余数成为，用每极对2比特表示该时间点的机械角对应于第二磁体30的哪个极对。通过持续进行qep计数器86的计数，也能够取得多周旋转数据。该多周旋转数据是表示考虑到旋转的方向的绝对角度旋转位置的数据。
在继续进行qep计数器86的累积的计数的同时，在s14判定是否发生了角度请求的中断，如果没有中断，则返回到s14，等待该中断发生。如果发生角度请求的中断，则在s15中使第二传感器部1b侧的a/d转换器83、84和运算部85动作，对第二传感器部1b的第二感磁元件60的输出执行反正切运算，求得旋转角。在s16，绝对角度位置计算部87基于求出的旋转角和该时间点的qep计数器86的计数值，求得多周旋转绝对角度位置，在s17中输出绝对角度位置数据。由于该绝对角度位置数据是基于第二传感器部1b的检测结果而求出的，所以具有足够的分辨率。另外，由于在继续进行qep计数器86的累积，所以也可以是多周旋转数据。之后，为了准备下一个角度请求，处理返回到s14。
在图5所示的处理中，在s11中，将从霍尔元件51、52获得的关于旋转角的象限的结果、从运算部75获得的关于第一传感器部1a的角度计算的结果、从运算部85获得的关于第二传感器部1b的角度计算的结果组合，生成多周旋转绝对角度位置数据。此时，如果根据来自霍尔元件51、52的结果判定为旋转角的象限切换的定时和在关于第一传感器部1a的角度计算的结果中角度为0°、90°、180°或270°的定时不一致，则不能生成正确的多周旋转绝对角度位置数据。同样，要获得正确的多周旋转绝对角度位置数据，在关于第一传感器部1a的角度计算的结果中角度为0°、90°、180°或270°的定时，关于第二传感器部1b的角度计算的结果必须为0°。但是，因为霍尔元件51、52、第一感磁元件40及第二感磁元件60的安装精度等，这些定时的一致不一定能保证。
因此，在本实施方式中，关于第一传感器部1a，执行补偿来自霍尔元件51、52的结果和来自第一感磁元件40的结果之间的相移的相位对准运算(称为相位对准a)，进而，执行通过该相位对准获得的数据和基于第二传感器部1b的输出的角度计算的结果之间的相位对准运算(称为相位对准b)。同样，在s12中，将基于qep信号的计数值和基于第二传感器部1b的输出的角度计算的结果组合。qep信号也基于第二传感器部1b的输出，但在用于求得qep信号的比较器81、82的处理速度和用于获得角度计算结果的a/d转换器83、84及运算部85的处理速度之间存在差，这些元件中的零点电位等也有可能存在误差，因此，由于这种差异，可能产生相移。于是，在基于qep信号的计数值和基于第二传感器部1b的输出的角度计算之间也执行相位对准运算(称为相位对准c)。在s16，也将qep计数器86的计数值和基于第二传感器部1b的输出的角度计算的结果组合，但在此也有可能产生相移，所以，执行相位对准运算(称为相位对准d)。
使用图6～图12，也包含相位对准运算在内对以上的动作更详细地进行说明。图6及图7表示相对于机械角的变化的各数据、各信号的变化，图8中，设定为处理从图的上向下进行，表示各数据的格式和这些数据相互间的关系。图8中，用点划线表示各数据中、与多周旋转数据对应的部分和与旋转一周的绝对值数据对应的部分的边界。在此，极对数2n为128(＝27)，目标是获得将msb(最高位比特)侧的24比特设为多周旋转数据、将lsb(最低位)侧的24比特设为旋转一周绝对角度位置数据的、总共48比特长度的多周旋转绝对角度位置数据。在以下的说明中，各数据通过无符号的整数型的运算来获得，设lsb为第0比特、msb为第47比特，运算部75、85的输出均为16比特宽。但是，在求数据间的差值时，用带符号的整数型表示差值。
在图6中，[1]表示第一及第二霍尔元件51、52的输出的变化，霍尔元件51、52的输出均为每机械角180°变化一次，且相互具有90°相位差。如果设霍尔元件51、52的输出分别为hc、hs，则(hc、hs)的变化方式与上述qep信号(qc、qs)同样，根据旋转体2的旋转方向而不同。于是，通过基于霍尔元件51、52的输出，在任何一个霍尔元件51、52的输出发生变化时，根据旋转方向进行加1或减1的计数，获得[2]所示的霍尔计数多周旋转数据。霍尔计数多周旋转数据也是与旋转的绝对旋转位置对应的数据。图6中，作为多周旋转数据，示出了第m次旋转(旋转m周)的数据的变化。如图8所示，霍尔计数多周旋转数据[2]的数据长度为26比特，其中，高位24比特是由霍尔元件51、52计数的多周旋转数据，低位2比特(图8中带阴影的部分)是表示旋转角的象限的霍尔计数。另一方面，利用运算部75对第一传感器部1a的第一感磁元件40的输出进行反正切运算，由此获得[3]所示的16比特长度的电气角旋转一周数据。电气角旋转一周数据是指表示旋转角的数据，是如果电气角旋转一周就会还原的数据(不含旋转的累计次数的数据)。在此，机械角的一周对应于电气角的两周，所以，可以说，电气角旋转一周数据是相对于机械角旋转一周为两个周期的增量角度数据。在本实施方式中，通过将霍尔计数多周旋转数据[2]和电气角旋转一周数据[3]组合，获得以第一传感器部1a(即一分割传感器部)为基准的、[4]所示的41比特长度的多周旋转绝对角度位置数据(也称为第一多周旋转绝对角度位置数据)。此时，如上所述，进行相位对准a的运算。
使用图9对作为预备相位对准的相位对准a的运算进行说明。图9(a)是通过表示伴随机械角的变化的各数据的变化而说明相位对准a的原理的图，图9(b)表示用于相位对准a的修正值表的内容。该修正值表设置于初始坐标计算部76内。如图9(a)所示，在基于来自霍尔元件51、52的输出生成霍尔计数多周旋转数据[2]时，该数据[2]的低位2比特在机械角旋转一周的期间内从“00”变为“01”→“10”→“11”。另一方面，从运算部75输出的第一传感器部1a的电气角旋转一周数据[3]在机械角旋转一周期间旋转两周，因此，其最高位比特在机械角旋转一周的期间内从“0”变为“1”→“0”→“1”。在此，对霍尔计数多周旋转数据[2]和电气角旋转一周数据[3]进行比较时，如果两者的定时一致，则霍尔计数多周旋转数据[2]的最低位比特(图9中带有下划线的比特)和电气角旋转一周数据[3]的最高位比特(图9中带下划线的比特)总是一致。反过来说，如果霍尔计数多周旋转数据[2]的最低位比特和电气角旋转一周数据[3]的最高位比特不一致，则需要在它们之间进行相位对准运算。
在本实施方式中，设定电气角旋转一周数据[3]是正确的，通过修正霍尔计数多周旋转数据[2]而执行相位对准a。因此，判断霍尔计数多周旋转数据[2]相对于电气角旋转一周数据[3]是超前还是滞后。如果霍尔计数多周旋转数据[2]的最低位比特比旋转一周数据[3]更早地从“0”变为“1”，则如图9(b)所示，旋转一周数据[3]的高位2比特在该时间点为“01”。相反，如果比旋转一周数据[3]更晚地从“0”变为“1”，则旋转一周数据[3]的高位2比特为“10”。关于霍尔计数多周旋转数据[2]的最低位比特从“1”变为“0”时也进行同样的考察，在霍尔计数多周旋转数据[2]的最低位比特和电气角旋转一周数据[3]的最高位比特不一致的情况下，只要按照图9(b)所示的修正值表在霍尔计数多周旋转数据[2]上加1或减1即可。实际上，如果从电气角旋转一周数据[3]的最高位数第2比特为“0”，只要加“1”即可，如果为“1”，只要减“1”即可。这样进行相位对准a之后，去除霍尔计数多周旋转数据[2]的最低位比特，之后，在剩余的25比特的霍尔计数多周旋转数据[2]的低位比特侧连接电气角旋转一周数据[3]，由此，以41比特长度获得第一传感器部1a基准的多周旋转绝对角度位置数据[4]。
另一方面，通过利用运算部85对第二传感器部1b的第二感磁元件60的输出进行反正切运算，获得在一个极对的周向的长度上旋转一周的、16比特长度的电气角旋转一周数据[5]。由于极对的数量为128，所以在机械角旋转一周的范围内，电气角旋转一周数据[5]具有128周期。通过在进行相位对准b的运算的同时将电气角旋转一周数据[5]和第一传感器部1a基准下的多周旋转绝对角度位置数据[4]组合，获得[6]所示的47比特长度的第二传感器部1b基准下的多周旋转绝对角度位置数据(第二多周旋转绝对角度位置数据。此时，首先，为了进行相位对准b的运算，将41比特长度的多周旋转绝对角度位置数据[4]右移1比特，作为40比特长度的多周旋转绝对角度位置数据[4a]。将多周旋转绝对角度位置数据[4a]乘以128倍(实际上左移7比特)，作为多周旋转绝对角度位置数据[4b]，以使有关机械角的刻度一致，在该状态下进行相位对准b，并且将多周旋转绝对角度位置数据[4b]和电气角旋转一周数据[5]组合。
对作为第一相位对准的相位对准b进行说明。图10表示存储于初始坐标计算部76内并用于相位对准b的修正值表。这里的相位对准的目的是以作为第二传感器部1b基准的电气角旋转一周数据[5]为基准，在来自第一传感器部1a的数据和来自第二传感器部1b的数据之间取得一致。首先，从多周旋转绝对角度位置数据[4b]的低位9比特减去电气角旋转一周数据[5]的高位9比特，获得差值。该9比特是关于旋转体2的角度在多周旋转绝对角度位置数据[4b]和电气角旋转一周数据[5]之间重复的比特。用10进制表示发表示时，差值处于-511～+511之间。而且，如图10的修正值表所示，差值为-223～+223时，将修正值设为0，差值为-511～-289时，将修正值设为-1，在差值为+289～+511的情况下，将修正值设为+1。而且，在差值为其以外的值的情况下，即为-288～-224或为+224～+228的情况下，设为错误。在错误的情况下，结束处理。第二传感器部1b中的电气角旋转一周如果换算成机械角则为约2.8°，可能的相位差的范围为±约1.4°，但在此，容许相位差±1°，将其以上设为错误。+1修正值表示第一传感器部1a基准的多周旋转绝对角度位置数据[4b]相对于第二传感器部1b的电气角旋转一周数据[5]滞后的情况，-1修正值表示第一传感器部1a基准的多周旋转绝对角度位置数据[4b]相对于第二传感器部1b的电气角旋转一周数据[5]超前的情况。之后，将多周旋转绝对角度位置数据[4b]的低位9比特用0覆盖，加上电气角旋转一周数据[5]，使该低位9比特与电气角对应于旋转一周数据[5]的高位9比特，进而，如果修正值为+1，则加上65536(＝216)，如果修正值为-1，则减去65536，以便补偿源自旋转绝对角度位置数据[4b]的相移，获得第二传感器部1b基准的多周旋转绝对角度位置数据[6]。在此，将有9比特的重复的多周旋转绝对角度位置数据[4b]和电气角旋转一周数据[5]连接。相比第一传感器部1b基准的多周旋转绝对角度位置数据[4]，多周旋转绝对角度位置数据[6]的分辨率更高。直至求得多周旋转绝对角度位置数据[6]的处理是图5的s11的处理。
在图7中，[7]表示通过由比较器81、82判别来自第二传感器部1b的第二感磁元件60的cos分量及sin分量的极性而获得的qep信号。如上所述，该qep信号在用第二传感器部1b的电气角表示时，为相互错开90°相位且各自每180°反转的一对信号。如果在qep信号中的cos分量及sin分量的任一个的符号发生改变的定时，以根据旋转方向逐一进行加法或减法的方式进行计数，则其低位2比特(图8中，用阴影表示的部分)如[8]所示，表示第二传感器部1b的电气角的象限。将来自qep信号的计数值中的表示象限的低位2比特[8]和第二传感器部1b基准的多周旋转绝对角度位置数据[6]组合，进行相位对准c的运算，求得第二传感器部1b中的每一电气角90阶梯状变化的、[9]所示的多周旋转绝对角度位置数据(第三多周旋转绝对角度位置数据)。该多周旋转绝对角度位置数据[9]是qep计数器86的计数值每次被加1或减1时改变的数据，因此，被称为qep计数器86基准的多周旋转绝对角度位置数据。
对作为第二相位对准的相位对准c的运算进行说明。图11表示存储于计数器设定部77并用于相位对准c的修正值表。相位对准c是使第二传感器部1b基准的多周旋转绝对角度位置数据[6]的相位相对于基于qep信号而确定的象限数据[8]对准的处理。从表示象限的2比特数据[8]减去多周旋转绝对角度位置数据[6]的低位2比特，如图11的修正值表所示，如果差值为-1～+1，则将修正值设为0，如果差值为+3，则将修正值设为-1，如果差值为-3，则将修正值设为+1。当差值为+2或-2时，是两者的相位以接近正相反的状态错位时，因此设为错误。在错误的情况下，结束处理。+1的修正值表示来自qep信号的象限的数据[8]超前，-1的修正值表示多周旋转绝对角度位置数据[6]的相位超前。求得修正值之后，对多周旋转绝对角度位置数据[6]加上修正值，作为qep计数器基准86的多周旋转绝对角度位置数据[9]。
接着，在s12(图5)，计数器设定部77对qep计数器86设定作为初始值的qep计数器86基准的多周旋转绝对角度位置数据[9]。之后，qep计数器86开始基于qep信号的计数(图5的s13)。以上是本实施方式的旋转编码器的启动时的动作。
qep计数器86基准的多周旋转绝对角度位置数据[9]在旋转体2向正方向旋转的通常的情况下，因qep计数器86的计数动作而逐渐增大。在这里所示的例子中，多周旋转绝对角度位置数据[9]被预约33比特的数据宽度，在高的频率下可产生的qep信号的计数中使用该数据宽度的情况下，处理负荷有可能变高。因此，在本实施方式中，在qep计数器86上设置有进行实际的计数动作的16比特宽的寄存器(图8中记载为qep计数器值[8a])、以16比特宽保持上次的计数值[8b]的寄存器、存储qep计数器基准下的移动量[8c]的存储器。在qep计数器值[8a]的溢出带来的影响不会波及到的适当的定时，计算qep计数器值[8a]和上次值[8b]的差值，将该差值作为qep计数器基准下的移动量[9]进行累计。在有角度请求中断时，也计算qep计数器值[8a]和上次值[8b]之间的差值。每次进行求差值的计算时，上次值[8b]由此时的qep计数器值[8a]更新。在该结构中，通过在启动时将qep计数器86中所设定的多周旋转绝对角度位置数据[9]和qep计数器基准的移动量[8c]相加，能够获得该时间点的多周旋转绝对角度位置数据[9]。当然，当不需要考虑计数所需的处理负荷时，在qep计数器86中，也可以执行计数处理，即，在每次qep信号有变化时则对启动处理时所设定的多周旋转绝对角度位置数据[9]直接加1或减1。
有角度请求中断时，在s15(图5)中，使a/d转换器83、84及运算部85动作，求得中断时间点的第二传感器部1b的电气角旋转一周数据[5]，在s16(图5)中，执行相位对准d的运算，通过将该电气角旋转一周数据[5]和中断时间点的qep计数器86基准下的多周旋转绝对角度位置数据[9]组合，生成应输出的48比特长度的多周旋转绝对角度位置数据[10](第四多周旋转绝对角度位置数据)。在s17(图5)中，作为对角度请求的响应，多周旋转绝对角度位置数据[10]被输出到外部。在此，[10]的多周旋转绝对角度位置数据作为相对于机械角平滑地变化的数据来表示，但实际上仅仅计算中断时间点的多周旋转绝对角度位置数据。另外，[10]的多周旋转绝对角度位置数据的精度与[6]所示的第二传感器部1b基准下的多周旋转绝对角度位置数据为同等精度。
在此，对相位对准d的运算进行说明。图12表示存储于绝对角度位置计算部87且在相位对准d使用的修正值表。相位对准d是相对于第二传感器部1b基准下的电气角旋转一周数据[5]，使qep计数器基准的多周旋转绝对角度位置数据[9]的相位对准。如上所述，多周旋转绝对角度位置数据[9]的低位2比特和电气角旋转一周数据[5]的高位2比特均表示由第二传感器部1b检测的旋转角的象限。在相位对准d中，从取自多周旋转绝对角度位置数据[9]的低位2比特减去取自电气角旋转一周数据[5]的高位2比特，如图12的修正值表所示，如果差值为-1～+1，则将修正值设为0，如果差值为+3，则将修正值设为+1，如果差值为-3，则将修正值设为-1。差值为+2或-2时是两者的相位以接近正相反的状态错位时，因此设为错误。在错误的情况下，结束处理。+1修正值表示电气角旋转一周数据[5]的相位超前，-1修正值表示多周旋转绝对角度位置数据[9]超前。之后，将多周旋转绝对角度位置数据[9]的低位2比特用0覆盖，加上电气角旋转一周数据[5]，进而，如果修正值为+1，则加上65536，如果修正值为-1，则减去65536。在此，有2比特的重复的多周旋转绝对角度位置数据[9]和电气角旋转一周数据[5]被连接。使通过这样的运算而获得的数据向左移1比特，由此，生成应输出的多周旋转绝对角度位置数据[10]。
如以上说明，在本实施方式中，因安装精度等而在霍尔元件51、52、第一传感器部1a的第一感磁元件40和第二传感器部1b的第二感磁元件60之间产生相移，另外，即使在来自第二传感器部1b的qep信号和电气角旋转一周数据之间产生相移的情况下，通过进行相位对准a～d也可以消除这些相移，能够使a/d转换和反正切运算的执行次数最小化，并且能够高精度地求得旋转体2的绝对角度位置。