JP2002513923A - 多回転エンコーダ - Google Patents

多回転エンコーダ

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JP2002513923A JP2000547438A JP2000547438A JP2002513923A JP 2002513923 A JP2002513923 A JP 2002513923A JP 2000547438 A JP2000547438 A JP 2000547438A JP 2000547438 A JP2000547438 A JP 2000547438A JP 2002513923 A JP2002513923 A JP 2002513923A
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Abstract

(57)【要約】 多回転エンコーダでは、１本の入力軸（２）の回転運動を検出するコード記録媒体（５．１，５．２）が、減速して駆動されている。これらのコード記録媒体（５．１，５．２）は、それぞれＮ極とＳ極を１つだけ有する。そして、各コード記録媒体（５．１，５．２）は、多数の磁界を感知するセンサ素子（８，９）によって走査される。これらのセンサ素子（８，９）は、１枚の共通の半導体基板（７）内に組込まれている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 多くの場合、回転運動中の軸の位置、及び回転数を絶対的に検出することが必
要である。この目的のために、例えばヨーロッパ特許発明第 0 715 151号明細書
及びドイツ連邦共和国特許発明第 42 20 502号明細書中に記載されているような
多回転エンコーダが使用される。
【０００２】 ヨーロッパ特許発明第 0 715 151号明細書による多回転エンコーダは、ＨＥＩ
ＤＥＮＨＡＩＮの社内報：回転エンコーダ，１９９７年４月号の第９頁中に説明
されている。軸の多数の回転を検出して識別するため、多数のコードディスクが
１つの歯車装置を介して互いに連結されている。各コードディスクは、交互に配
置された複数のＮ極とＳ極を有する多数のコードトラックから構成される。これ
らのコードトラックは、異なって区分されている。すなわち、粗いコードトラッ
クは、Ｎ極とＳ極を１つだけずつ有し、次に細かいコードトラックは、Ｎ極とＳ
極を２つずつ有し、そして一番細かいコードトラックは、Ｎ極とＳ極を８つずつ
有する。これらのコードトラックは、複数のホールセンサによって走査される。
絶対的な２桁以上の１つのコードワードが、全てのホールセンサの走査信号を結
合させることによって生成される。このコードワードは、コードディスクの絶対
角度位置を示す。
【０００３】 ２桁以上の１つのコードワードを生成するために多数のコードトラックを有す
るコードディスクが使用されなければならない点が、この多回転エンコーダの欠
点である。
【０００４】 ドイツ連邦共和国特許発明第 42 20 502号明細書による多回転エンコーダでは
、同様に、多数のコードディスクが、それぞれ１つの減速歯車装置を介して互い
に連結されている。各コードディスクは、Ｎ極とＳ極を１つだけ有する１つの磁
気ドラムから構成される。互いに90°だけずれて配置された２つのホールセンサ
が、この磁気ドラムの周囲に設けられている。これらのホールセンサを貫通する
磁気ドラムの磁界が、放射状に指向されている。アナログ式のサイン信号とコサ
イン信号が、この磁気ドラムの回転運動時に生成される。全てのコードディスク
のこれらのアナログサイン信号とコサイン信号は、１つの評価ユニットに入力さ
れる。この評価ユニットは、この２桁以上のコードワードを生成する。さらに、
このコードワードは、何回もの回転運動に関するコードディスクの絶対角度位置
を示す。
【０００５】 これらのホールセンサが１枚のプレート上に別々に取付けられなければならな
い点が、この場合の欠点である。
【０００６】 本発明の課題は、単純に構成されていて、かつ廉価に製造可能である多回転エ
ンコーダを提供することにある。
【０００７】 この課題は、請求項１の特徴に記載の配置によって解決される。
【０００８】 本発明の有利な効果は、１つの又は多数のコード記録媒体を走査する全てのセ
ンサ素子が、１つのチップ内に組込まれていると同時に、互いに高精度に指向さ
れていて、かつ同一の特性を呈するという点にある。
【０００９】 好適な構成は、従属請求項中に記載されている。
【００１０】 本発明の実施の形態は、図中に示されている。
【００１１】 図１中には、多回転エンコーダの原理が示されている。この多回転エンコーダ
は、１つの単一式回転部材と１つの多重式回転部材から構成される。この単一式
回転部材は、１つのコードディスク１から構成される。このコードディスク１は
、測定すべき入力軸２に直接連結されている。この入力軸２の回転運動を識別可
能な多数のセクタに分割するため、このコードディスク１は、光電的に若しくは
磁気的に又は容量性に若しくは誘導性に走査可能なコード部３を担持する。通常
、このコード部３は、マルチトラック式のグレイコードであるが、このコード部
３は、シングルトラック式の連鎖コードによっても構成され得る。このコード部
３は、走査装置４によって走査される。その結果、２桁以上の１つのコードワー
ドＣ１が、この単一式回転部材の出力部で待機している。このコードワードＣ１
は、ただ１回の回転中の入力軸２の絶対位置しか示さない。
【００１２】 多重式回転部材が、入力軸２の回転数を検出するために設けられている。この
多重式回転部材は、少なくとも１つのコード記録媒体５．１から構成される。こ
のコード記録媒体５．１は、１つの減速歯車装置６を介して入力軸２に連結され
ている。この示された実施の形態では、８段減速が選択されている。
【００１３】 図１中に示すように、１つの又は多数のさらなる減速歯車装置１１がコード記
録媒体５．１に後続連結されていることが、非常に好ましい。１つの又は多数の
さらなるコード記録媒体５．２が、この１つの又は多数のさらなる減速歯車装置
１１によって減速して駆動される。多重式回転部材の全てのコード記録媒体５が
同様に構成されていることが、非常に好ましい。そのため、それに対応する走査
装置７．１，７．２も同様に構成され得る。このことは、支承部を単純化し、か
つ仕入れ価格を著しく低減させる。
【００１４】 各コード記録媒体５は、双極子を１つだけ、すなわち１つのＮ極とＳ極を有す
る。１つのコード記録媒体５のこれらの極が、１つの走査装置７によって走査さ
れる。この走査装置７は、１枚の半導体基板である。磁界を感知する多数のセン
サ素子８，９が、この半導体基板内に組込まれている。この半導体基板７は、図
２中に拡大して示されている。最も単純な実施の形態では、２つのセンサ素子８
，９がホールセンサとして組込まれている。この実施の形態では、それらのセン
サ感知面が、半導体基板面に対して垂直に存在し、かつ互いに角度αだけ回転し
て配置されている。ホールセンサ８，９は、例えば２重矢印によって示された方
向で最大に敏感である一方で、これらのホールセンサ８，９に対して示されたよ
り長い側面に平行な磁界に対しては鈍感である。磁石５が回転軸線Ｄの周りを回
転することによって、回転磁界が生成する。この磁界の磁力線は、これらのホー
ルセンサ８，９の領域内で半導体基板面に対して平行に保持されるが、その方向
は、この半導体基板面内で角度に依存して変化する。したがって、これらのホー
ルセンサ８，９の各々は、磁石５の１回転あたりに１つのアナログサイン走査信
号を出力する。角度がα＝90°に達すると、これらの走査信号の位相が、互いに
90°だけずれる。このことから、多数の絶対位置を公知の補間法によって磁石５
の回転運動中に識別することができる。同様に、このために必要な評価回路１０
が、半導体基板７内に組込まれている。例えばグレイコードを生成する異なる周
期の多数のパラレルなデジタル信号がその出力部で待機しているか、又は２桁以
上のデジタル式のコードワードＣ２が既に直接その出力部でシリアルに待機して
いるように、この評価回路１０はホールセンサ８，９のこれらのアナログ走査信
号を結合させる。
【００１５】 しかし、ホールセンサ８，９の配置は、図３にしたがっても選択され得る。こ
れらのホールセンサ８，９の感知面は、半導体基板７の表面に対して平行に存在
し、かつ、磁石５に発生する磁界は、この半導体基板の表面に垂直に存在する。
この配置には、ホールセンサ８，９がこの半導体基板７の最も外側の周囲面に沿
って配置でき、結果として高い角度分解能がこの周囲面から得られるという有利
な効果がある。この半導体基板７の中心の空間は、評価回路１０に対して最適に
利用され得る。
【００１６】 個々の走査装置４，７．１，７．２中でその都度生成された２桁以上のコード
ワードＣ１，Ｃ２，Ｃ３、又は、その都度生成された異なる周期のデジタル信号
が、１つの結合論理部１４に入力される。この結合論理部１４は、ここから結果
として発生する２桁以上の１つのコードワードＣＲを生成し、電子系へ出力する
。
【００１７】 ２つだけのセンサ素子８，９の代わりに、多数のセンサ素子８．０〜９．５も
、半導体基板７内に適切に組込まれ得る。これらのセンサ素子８．０〜９．５は
、それぞれ互いに90°より小さい角度αをなして周設されている。これに対して
、一実施の形態が図４中に示されている。この半導体基板は、ここでは７．４で
示されていて、ホールセンサの形態のセンサ素子は、８．０〜９．５で示されて
いる。同様に、コード記録媒体５は、Ｎ極とＳ極を１つだけ有する双極子として
形成されている。コード記録媒体５が回転軸線Ｄの周りを回転するときの偏心度
を補整するため、センサ素子８．０〜９．５が、この回転軸線Ｄに対して対称に
配置されている。これらのセンサ素子８．０〜９．５の各々は、磁石５の１回転
あたりに或る周期の１つのアナログサイン走査信号を出力する。
【００１８】 空間的に対向するセンサ素子８．０〜９．５の走査信号がそれぞれ互いに減算
されるという手法で、補間のために必要な互いに90°だけ位相のずらされた２つ
の走査信号が、これらのセンサ素子８．０〜９．５のこれらの走査信号を結合す
ることによって得られる。
【００１９】 図４による一実施の形態では、複数のアナログ走査信号が、180 °内にあるセ
ンサ素子８．０〜８．７から成る第１セクタ内で１つの第１合成信号に合成され
る。そして、これらのセンサ素子８．０〜８．７に対向するセンサ素子８．８〜
９．５のアナログセンサ信号が、１つの第２合成信号に合成される。両合成信号
の差が求められる。この場合、その結果として生成された０°信号が、差動回路
の出力部に待機している。
【００２０】 センサ素子８．４〜９．１のアナログ走査信号が１つの第３合成信号に合成さ
れ、対向するセンサ素子９．２〜８．３のアナログ走査信号が１つの第４合成信
号に合成される手法で、結果として上記の走査信号に対して90°だけ位相のずら
された走査信号が、180 °内にあるセンサ素子８．４〜９．１から成る第２セク
タ内で複数の走査信号を合成することによって同様に生成される。両合成信号の
差が求められる。この場合、その結果として生成された０°信号が、差動回路の
出力部に待機している。この第２セクタは、第１セクタに対して空間的に90°だ
けずらされている。
【００２１】 こうして生成された互いに90°だけ位相のずらされた（これらの２つの）走査
信号は、同様に磁石５の１回転あたりに或る周期を有する。この場合、高調波と
偏心度誤差が、これらの走査信号を結合することによって十分に補償されている
。したがって、非常に精確な絶対位置測定が、この磁石５．４の回転運動中のこ
れらの両走査信号の補間によって可能である。
【００２２】 補間は、抵抗回路網，アークタンジェント計算(arctan-Berechnung) 又はテー
ブル評価(Tabellenauswertung)によって公知の方法で実行できる。補間ユニット
が、或る周期内の１つの一義的な絶対位置を、結果として生成される両アナログ
走査信号の各々の振幅の結合（合成値）に対応させる。したがって、例えば２5 = 32分割が実行できる。
【００２３】 説明した評価と２桁以上のコードワードＣ２，Ｃ３の生成に必要な複数の回路
要素が、半導体基板７．４内に組込まれている点が本発明に関して重要である。
この評価回路は、図４，５中に符号１０で示されている。
【００２４】 図４による実施の形態では、磁石５がディスク状の又はドラム状の物体である
。ホールセンサ８．０〜９．５が、外周面に沿って空間的に分散して配置されて
いる。その結果、これらのホールセンサの感知面が、半導体基板７．４の表面に
対して平行に指向されている。そして、これらの感知面は、この半導体基板の表
面に対して垂直に指向している磁石５の磁界の影響を受ける。これらの個々のセ
ンサ素子８．０〜９．５への磁界の影響は、この磁石５のその瞬間の回転位置に
依存する。− 例えばこれらのセンサ素子８．０〜９．５によって包囲される
− この半導体基板の表面内に配置された評価ユニット１０が、この磁界の分布
から絶対位置を求める。この目的のために、１つの記憶器が設けられている。角
度値に対するセンサ素子８．０〜９．５の割当てが、この記憶器中に記憶されて
いる。例えば、センサ素子８．１，８．２が最大磁界の範囲内に存在しているこ
とが確認されると、20°分に相当する角度値が出力される。瞬時の最大磁界の場
所を特定するため、２つのセンサ素子の間も補間され得る。瞬時の磁界の位置を
評価する場合は、これらのセンサ素子８．１，８．２が検出され得る。これらの
センサ素子８．１，８．２は、複数の最大信号を出力するか、又は位置も検出さ
れ得る。最大信号から最少信号への遷移が、この位置で現れる。この実施の形態
では、このことは、センサ素子９．３，９．４にも適合されうる。
【００２５】 図５中には、もう１つ別の実施の形態が示されている。図４とは違って、セン
サ素子８．０〜９．５が磁石５の下側に配置されている。その磁界は、Ｎ極とＳ
極の境界線の領域内で作用する。
【００２６】 多重式回転部材の多数の走査装置７のセンサ素子８，９は、１枚の共通の半導
体基板７．１３内にも組込まれ得る。これに関する実施の形態が、図６〜８中に
示されている。
【００２７】 １つの減速歯車装置６，１１によってそれぞれ駆動される図１のコード記録媒
体５．１，５．２は、図６では１つの共通の平面に沿って存在する。走査装置７
．１，７．２が、１枚の共通の半導体基板７．１３内に組込まれている。この目
的のために、磁界を感知する複数のセンサ素子８，９から成る１枚の２次元セン
サアレイが、この半導体基板７．１３内に形成されている。この実施の形態では
、このセンサアレイは、４行８列の複数の個別素子から構成される。見やすさの
理由から、複数のセンサ素子８，９のうちの２つだけが符号で示されている。各
磁石５．１，５．２の絶対角度位置が、図２〜５に対して説明したように測定さ
れ得る。このような測定とは別に、絶対位置が、論理評価部によってこのセンサ
アレイ７．１３上の両コード記録媒体５．１，５．２のその瞬間の磁界の分布か
ら連動的に測定する可能性がある。
【００２８】 下側に設置された両コード記録媒体５．１，５．２間の運動動力部は、回転子
的な運動に限定されない。
【００２９】 図１中に示された減速歯車装置６，１１は、共通の減速歯車装置としても統合
され得る。その結果、このコード記録媒体５は、回転軸線Ｄの周りの回転運動だ
けではなくて、この回転運動に重なった移動運動又はセンサアレイ７．１３に対
するさらなる回転運動が実行される。この実施の形態は、図７と図８中に概略的
に示されている。コード記録媒体５は、このコード記録媒体５の回転後に図７中
に示された位置から図８中に示された位置へ移動する。この重なった運動は、第
２の減速歯車装置１１とみなされる。この重なった運動は、線形的でも回転子的
でも又は渦巻き状でもよい。この重なった運動は、連続的に又はステップごとに
実行され得る。
【００３０】 図４〜図８による実施の形態では、コード目盛が、複数のセンサ素子の空間的
な分散によって形成される。これらのセンサ素子の空間的な分散は、磁石体の位
置情報として使用される。この場合、１つのアドレスが各センサ素子に割当てら
れている。このアドレスは、他のセンサ素子に対するそのセンサ素子の位置情報
と共に、半導体基板上の場所的な分散を特定する。
【００３１】 インターフェース素子や出力ドライバも、半導体基板７，７．４，７．１３内
に組込まれ得る。
【００３２】 これらの図は、原理図であり、原寸大で示されていない。１つのセンサ素子の
面は、実際には約 0,2×0,4 mmである。
【００３３】 ホールセンサの代わりに、例えば磁気抵抗効果的な素子やフラックスゲートの
ようなその他の磁界を感知するセンサ素子も、使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 多回転エンコーダの原理を示す。
【図２】 走査装置を有する回転可能なコード記録媒体の第１の実施の形態
を示す。
【図３】 走査装置を有する回転可能なコード記録媒体の第２の実施の形態
を示す。
【図４】 走査装置を有する回転可能なコード記録媒体の第３の実施の形態
を示す。
【図５】 走査装置を有する回転可能なコード記録媒体の第４の実施の形態
を示す。
【図６】 多数のコード記録媒体用の共通の１つの走査装置を示す。
【図７】 １つの走査装置に対して回転可能で移動可能である１つのコード
記録媒体を示す。
【図８】 別の位置にある図７のコード記録媒体を示す。
【符号の説明】
１ コード記録媒体 ２ 入力軸 ３ コード部 ４ 走査装置 ５ コード記録媒体 ６ 減速歯車装置 ７ 半導体基板 ８ センサ素子 ９ センサ素子 １０ 評価回路 １１ 減速歯車装置 １４ 結合論理部 Ｃ１ コードワード Ｃ２ コードワード Ｃ３ コードワード ＣＲ コードワード Ｎ Ｎ極 Ｓ Ｓ極 Ｄ 回転軸線
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年５月１１日（２０００．５．１１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００２】 ヨーロッパ特許発明第 0 715 151号明細書による多回転エンコーダは、ＨＥＩ
ＤＥＮＨＡＩＮの社内報：回転エンコーダ，１９９７年４月号の第９頁中に説明
されている。軸の多数の回転を検出して識別するため、多数のコードディスクが
１つの歯車装置を介して互いに連結されている。各コードディスクは、交互に配
置された複数のＮ極とＳ極を有する多数のコードトラックから構成される。これ
らのコードトラックは、異なって区分されている。すなわち、粗いコードトラッ
クは、Ｎ極とＳ極を１つだけずつ有し、次に細かいコードトラックは、Ｎ極とＳ
極を２つずつ有し、そして一番細かいコードトラックは、Ｎ極とＳ極を８つずつ
有する。これらのコードトラックは、複数のホールセンサによって走査される。
絶対的な２桁以上の１つのコードワードが、全てのホールセンサの走査信号を結
合させることによって生成される。このコードワードは、コードディスクの絶対
角度位置を示す。 類似の多回転エンコーダが、雑誌 Elektronik,第70巻(1988)，１２月１６日
no.22, 第３８頁と第４２頁中に説明されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００５】 これらのホールセンサが１枚のプレート上に別々に取付けられなければならな
い点が、この場合の欠点である。 複数のホールセンサを有する回転エンコーダが、ドイツ連邦共和国特許出願公
開第 44 40 214号明細書中に説明されている。この回転エンコーダでは、１つの
磁石板を走査するこれらのホールセンサが、角度値を生成する評価回路を含めて
１つの共通のＩＣ内に組込まれている。何回もの回転にわたる測定は、記載され
ていない。 複数のホール素子によって部材を走査して計数パルスを生成するインクリメン
ト式の回転エンコーダが、英国特許公開第 2 176 616号明細書中に開示されてい
る。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビールスキ・シュテフェン ドイツ連邦共和国、84518 ガルヒング、 フターカーストラーセ、24 (72)発明者 ファイヒティンガー・クルト ドイツ連邦共和国、83349 パリング、カ ッツヴァルヒェン、26 (72)発明者 シュピース・アルフォンス ドイツ連邦共和国、83358 ゼーブルック、 ヴォプフナーストラーセ、２ (72)発明者 シュトラーサー・エーリヒ ドイツ連邦共和国、83308 トローストベ ルク、ゾネンライテ、17 (72)発明者 ミッターライター・ヨハン ドイツ連邦共和国、83339 キーミング、 フェーリング、10 (72)発明者 マイヤー・ヘルマン ドイツ連邦共和国、83458 ヴァイスバッ ハ、イム・マウトナーフェルト、15 (72)発明者 シュローター・アンドレーアス ドイツ連邦共和国、83278 トラウンシュ タイン、ヌスバウマーストラーセ、11アー Ｆターム(参考） 2F063 AA35 CA34 DA01 DB01 DB07 DC03 DD03 DD06 EA03 GA52 GA67 GA72 GA73 HA05 HA08 KA03 LA23 ZA01 2F077 AA43 DD05 JJ02 NN02 NN04 NN14 NN17 NN24 NN27 PP12 RR15 TT42 TT43 TT52

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 − １つの第１コード記録媒体（１）を有し、この第１コー
    ド記録媒体（１）は、１本の入力軸（２）に連結されていて、絶対位置を生成す
    るために１回転中に１つの走査装置（４）によって走査され、 − この入力軸（２) の何回もの回転を測定する少なくとも１つのその他のコー
    ド記録媒体（５）を有し、この場合、１つの減速歯車装置（６，１１）がこの第
    １コード記録媒体（１）とこのその他のコード記録媒体（５）との間に配置され
    ていて、 − このその他のコード記録媒体（５）は、少なくとも１つのＮ極とＳ極を有す
    る１つの磁石体であり、 − 磁界を感知する多数のセンサ素子（８，９）から成る組込まれた空間的な配
    置を有する１枚の半導体基板（７）が、この磁石体（５）に敷設されている多回
    転エンコーダ。
  2. 【請求項２】 その他のコード記録媒体（５) は、Ｎ極とＳ極（Ｎ，Ｓ）を
    １つだけ有する１つの磁石体であり、その結果、各センサ素子（８，９）は、こ
    の磁石体（５）の１回転あたりに１つの周期的なサイン走査信号を生成すること
    、１つの評価回路（１０) が、この半導体基板（７）内に組込まれていて、互い
    に位相のずらされたこれらの走査信号が、これらのセンサ素子（８，９）のこの
    評価回路（１０) に入力されること、及び、多数のビットを有する１つのデジタ
    ル式のコードワード（Ｃ２，Ｃ３）が出力部でシリアルに又はパラレルに待機し
    ているように、この評価回路（１０) はこれらの評価信号を結合させることを特
    徴とする請求項１に記載の多回転エンコーダ。
  3. 【請求項３】 多数のコード記録媒体（５．１，５．２）は、入力軸（２）
    によって異なる減速度で駆動され、各コード記録媒体（５．１，５．２）は、１
    枚の半導体基板（７．１，７．２）によって走査され、この場合、これらの半導
    体基板（７．１，７．２）は、同様に構成されていることを特徴とする請求項１
    又は２に記載の多回転エンコーダ。
  4. 【請求項４】 半導体基板（７．１，７．２）及び走査装置（４）の出力信
    号（Ｃ２，Ｃ３）は、１つの結合論理部（１４）に入力され、この結合論理部(
    １４) は、結果として１つのコードワード（ＣＲ）を生成することを特徴とする
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の多回転エンコーダ。
  5. 【請求項５】 センサ素子は、ホールセンサ（８，９，８．０〜９．５）で
    あり、かつｎ個かｎ個より多いか又は４個に等しいセンサ素子を有するアレイ配
    置を構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の多回転エン
    コーダ。
  6. 【請求項６】 多数のその他のコード記録媒体（５．１，５．２）が設けら
    れていること、各コード記録媒体（５．１，５．２）は、Ｎ極とＳ極を１つだけ
    有する１つの磁石体であること、及び、センサ素子（８，９）は、多数のコード
    記録媒体（５．１，５．２）を走査するために１つの共通の半導体基板（７．１
    ３）内に組込まれていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の
    多回転エンコーダ。
  7. 【請求項７】 入力軸（２）とその他のコード記録媒体（５）との間の減速
    歯車装置は、このコード記録媒体（５）の回転運動とこの回転運動に重なった移
    動運動を引き起こすこと、及び、これらのセンサ要素（８，９）は、回転方向と
    移動方向に相並んで２次元的に１枚の半導体基板（７．１３）内に組込まれてい
    ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の多回転エンコーダ。
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