JP2006078178A - エンコーダ装置および測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】分解能が高く、コンパクトで低コストのエンコーダ装置を提供する。
【解決手段】エンコーダ装置１０の回転板１１に、限定された角度範囲をカバーする複数のサブパターンであって、各々異なる幅に設定された複数のサブパターン２１からなる識別パターン２０を設ける。これらのサブパターン２１がライン状のＣＣＤ１３を検出可能範囲として持つ受光部１７を横切るときの幅Ｗからサブパターン２１を特定し、横切る位置Ｐから回転板１１の角度を判断することができる。したがって、回転板１１の面積を、角度を測定するためのパターン２１で有効活用でき、また、ＣＣＤ１３も変位を測定するためのパターン２１で有効活用できる。したがって、分解能が高く、コンパクトで低コストの測定装置１を提供できる。
【選択図】 図３
【解決手段】エンコーダ装置１０の回転板１１に、限定された角度範囲をカバーする複数のサブパターンであって、各々異なる幅に設定された複数のサブパターン２１からなる識別パターン２０を設ける。これらのサブパターン２１がライン状のＣＣＤ１３を検出可能範囲として持つ受光部１７を横切るときの幅Ｗからサブパターン２１を特定し、横切る位置Ｐから回転板１１の角度を判断することができる。したがって、回転板１１の面積を、角度を測定するためのパターン２１で有効活用でき、また、ＣＣＤ１３も変位を測定するためのパターン２１で有効活用できる。したがって、分解能が高く、コンパクトで低コストの測定装置１を提供できる。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、傾斜度や位置検出などに用いられるエンコーダ装置および測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
位置検出や角度検出などにエンコーダ装置が用いられている。特開昭６０−２２５０２４号に角度センサが開示されており、この角度センサは、一本のらせん状のスリットが形成された遮光板と、この遮光板を挟んで配置された発光素子および光点位置検出素子とを有している。この角度センサは、遮光板が回動することによってスリットの位置が変化し、光点位置検出素子に入射する光の位置が変化するため、回動角を検出することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６０−２２５０２４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エンコーダ装置に求められる分解能は、エンコーダ装置が組み込まれるシステムまたは装置に応じて変わるが、コンパクトで分解能の高い装置が常に要望される。しかしながら、上記の角度センサでは、コンパクトで分解能を向上することは困難である。すなわち、分解能を高くするためには、微小な角度の変化による光の検出位置の変化を大きくする必要がある。そのために最も簡単な方法は、スリットを通過した後に検出される光の検出位置の変化を大きくすることであり、スリットが周方向に延びた部分の傾きを大きくする必要がある。スリットの傾きを大きくして角度をカバーしようとすれば、必然的に遮光板のサイズ（半径）が大きくなる。このため、角度の変化を高分解能で測定可能であり、さらに、コンパクトで低コストな測定装置を提供することは難しい。
【０００５】
一方、スリットを透過した光を検出する位置精度を高めることにより、測定角度の分解能を向上することも可能である。たとえば、光の位置を検出する素子として、ＣＣＤなどの撮像素子を用いることができる。そして、理論的には、撮像素子を半径方向に並べた画素数を多くすることにより測定角度の分解能を向上できるので、遮光板のサイズを大きくせずに分解能を上げられる可能性がある。しかしながら、長手方向に１０００画素（面積当たりでは、１００万画素に対応）が配列された撮像素子を用いても、１８０度をカバーしようとすると、１８０度／１０００、すなわち、０．２度程度の分解能しか得られない。したがって、高価な高解像度の画像素子を採用しても、それほど高い分解能が得られるということにはならない。さらに、受光側の解像度を上げて分解能を向上するためにはスリットをできるだけ細くして光が透過する幅を狭くする必要があるが、スリットのエッジで光が回折するのでスリットを狭くするとかえって精度が低下することになる。したがって、受光側の解像度を向上しても、現実には、上述したような精度で角度測定ができるわけではない。逆に、回折光による測定誤差が大きくなる可能性もあり、その判断のために余分なソフトウェアあるいはハードウェアが要求される可能性もある。
【０００６】
そこで、本発明においては、角度などの変位を、コンパクトで低コストなエンコーダ装置あるいは測定装置を用いて、高分解能で測定または検出可能な測定方法、および測定装置を提供することを目的としている。また、高価な高解像度のＣＣＤなどからなる受光部を採用しなくても、精度良く、高い分解能で変位を測定することができるエンコーダ装置、およびエンコーダ装置を備えた測定装置を提供することも本発明の目的である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、光や磁気などを利用して測定ユニットと被測定ユニットとの相対的な変位を測定する際に、１つのパターンにより測定範囲をカバーするのではなく、複数のサブパターンに分けて測定範囲をカバーすると共に、あるサブパターンにより変位を検出することにより、そのサブパターンも特定し、サブパターンを検出するだけで変位を測定できるようにしている。すなわち、本発明においては、識別パターンが付された被測定ユニットと、識別パターンの一部を検出可能な線状の検出可能範囲を備えた測定ユニットであって、識別パターンが当該検出可能範囲を横切る位置および幅を測定可能な測定ユニットとを有するエンコーダ装置を提供する。識別パターンは、被測定ユニットおよび測定ユニットの相対的な変位に伴って検出可能範囲を横切る位置が移動する複数のサブパターンを備えており、各々のサブパターンは、変位の異なる範囲をカバーする部分を具備し、さらに、各々のサブパターンは、検出可能範囲を横切る幅が異なる。
【０００８】
このエンコーダ装置を採用すると、識別パターンの一部が、測定ユニットに設けられた線状の検出可能範囲を横切る位置および幅を検出することにより、被測定ユニットおよび測定ユニットの相対的な変位を測定することができる。すなわち、本発明の測定方法は、測定ユニットの検出可能範囲を横切るサブパターンの幅により、そのサブパターンを特定し、サブパターンが検出可能範囲を横切る位置から変位を導出する工程を有している。また、本発明の測定装置は、エンコーダ装置と、検出可能範囲を横切るサブパターンの幅よりサブパターンを特定し、サブパターンが検出可能範囲を横切る位置から変位を導出する手段を有する。したがって、本発明の測定装置および測定方法においては、変位を測定する範囲を、複数のサブパターンに分けてカバーすることが可能であり、１つのサブパターンにより測定すべき変位の範囲を狭くすることができる。このため、１つのスリットなどから構成された識別パターンで測定すべき変位の範囲をカバーするのに比べて遥かに高い分解能で変位を測定することができる。
【０００９】
たとえば、検出可能範囲が１００画素の撮像素子で構成されたとし、１つの識別パターンで１８０度の角度範囲をカバーすると、分解能は１８０度／１００程度、すなわち、１．８度程度である。これに対し、２０度程度の角度範囲をカバーするサブパターンを複数用いて１８０度の角度範囲をカバーする場合、被測定ユニットでサブパターンが利用できる距離、たとえば半径方向の長さが変わらないとすると、分解能は２０度／１００程度、すなわち、０．２度程度に向上する。したがって、識別パターンを複数のサブパターンで構成することにより被測定ユニットのサイズを変えなくても分解能を向上でき、また、測定ユニット側の解像度を上げなくても分解能を向上できる。
【００１０】
しかしながら、複数のサブパターンのうちのいずれかであることを特定するための新たにパターンが必要になると、そのパターンを被測定ユニットに配置するためにスペースが必要になり、その新たなパターンを識別するために新たな撮像素子などが必要になる。サブパターンを変えないとすると、被測定ユニットのサイズは増加し、撮像素子の画素数も増やす必要がある。一方、被測定ユニットのサイズを変えずに、サブパターンを認識する新たなパターンを設けると、サブパターンが利用できるスペースあるいは距離が減るので、上記のような高分解能を得ることができない。したがって、高分解能のコンパクトな測定装置を低コストで供給することが難しい。
【００１１】
これに対し、本発明においては、各々のサブパターンに、そのサブパターンを特定するための情報も含めており、サブパターンにより変位を検出するときに、サブパターンも特定できるようにしている。したがって、サブパターンを特定するための余分なパターンや、その余分なパターンを検出するための受光素子などのセンサ、たとえば撮像素子が不要なので、被測定ユニットのサイズアップや、測定ユニットのコストアップ、あるいは分解能の低下という事態を避けることが可能となる。このため、高分解能のコンパクトな測定装置を低コストで提供できる。本発明において、各々のサブパターンを特定するための情報は、各々のサブパターンが検出可能範囲を横切る幅である。各々のサブパターンは、検出可能範囲を横切る位置から変位を導出できるようにデザインされているので、各々のサブパターンが検出可能範囲を横切る幅を同時に検出することは容易であり、各々のサブパターンで検出可能範囲を横切る幅を変えておけば、簡単にサブパターンを特定できる。
【００１２】
したがって、本発明のサブパターンは、ある程度の幅を備えていることが必要となる。このため、光を用いてサブパターンを検出するときに、幅を検出して、その中央値などによりサブパターンが検出可能範囲を横切る位置を決めるようにすれば、エッジ部分の回折光により検出精度が低下することも防止することができる。このため、本発明のエンコーダ装置は、光により識別パターンを認識するものに適している。光を利用する場合は、測定ユニットに光源および測定可能範囲を持つ受光部を設け、光源から照射された光を受光部に向けて反射する識別パターンを被測定ユニットに設ける反射型のエンコーダ装置を提供することが可能である。反射型は同一方向に光源と受光部が並ぶので、迷光などにより精度が低下しやすいことを考えると、識別パターンは、被測定ユニットを貫通する開口パターンであり、測定ユニットは開口パターンに光を照射する光源と、開口パターンを透過した光を受光する受光部とを備えている透過型のエンコーダ装置が簡易な構造で高精度を得るには適している。
【００１３】
さらに、このエンコーダ装置の識別パターンは、サブパターンが特定されて、そのサブパターンが検出可能範囲を横切る位置が決まれば、変位の絶対値が得られる。したがって、複数のパターンをカウントして変位を求める必要はないので、ホームポジションに戻ってカウントをリセットする必要もない。このため、本発明のエンコーダ装置を用いることにより、即座に精度の高い測定値を出力できる測定装置および測定方法を提供できる。
【００１４】
本発明のエンコーダ装置、測定方法および測定装置の検出または測定対象となる変位は、被測定ユニットと測定ユニットとの相対的な位置の変動によりサブパターンが検出可能範囲を横切る位置が変動するものであれば良い。そのような変位としては、距離あるいは角度を挙げることができる。
【００１５】
角度を検出または測定する場合は、被測定ユニットとしては、偏心した位置に重心があり、旋回中心を中心として旋回可能な回転板を採用できる。そして、サブパターンは、異なる角度の範囲をカバーする。そのようなサブパターンの１つは、旋回中心から周方向に向かってらせん状、またはアルキメデスのスパイラルのように延びているものであり、各々のサブパターンの半径方向の幅は一定で、その半径方向の幅はサブパターン毎に異なるようにすれば、検出可能範囲を半径方向に設定することにより角度を簡単に測定することができる。
【００１６】
また、本発明の測定方法は、検出可能範囲を横切るサブパターンの幅により、そのサブパターンを特定し、サブパターンが検出可能範囲を横切る位置から変位を導出する処理を実行可能なプログラムあるいはプログラム製品として適当な記録媒体、たとえばＲＯＭなどに記憶して提供することができ、エンコーダ装置を内蔵した測定装置にインストールして測定値を出力したり、パーソナルコンピュータなどにインストールしてエンコーダ装置からのデータを解析して測定値を出力したりすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。図１（ａ）に本発明に係る測定装置の外観を示してある。本例の測定装置１は、１軸上での動的および静的な傾斜度を測定し表示することができる傾斜計であり、直方体状のハウジング２の内部にエンコーダ装置（角度センサ）１０が内蔵されている。ハウジング２の表面２ａには測定した傾斜度が表示されるＬＣＤ３と、各種の操作スイッチ４ａ、４ｂおよび４ｃが配置されており、電源の投入を行ったり、傾斜度の表示単位を切り替える操作を簡単にできるようになっている。たとえば、操作スイッチ４ａを１秒または数秒押しつづけることにより（長押しすることにより）電源を投入でき、通常モードでは、所定の時間だけ測定されている傾斜を表示した後、自動的に電源をオフする（オートパワーオフモード）。一方、電源が投入された状態で操作スイッチ４ａを瞬間的に押す（一瞬押しする）とオートパワーオフモードを解除できる。また、操作スイッチ４ｂを長押しすることにより、水平時と垂直時にブザーが鳴るモード（ブザーモード）に設定でき、一瞬押しすることにより測定した傾斜度の表示をホールドすることができる。さらに、操作スイッチ４ｃを長押しすることにより、キャリブレーションを行うことができ、一瞬押しすることにより傾斜度の表示単位を切り替えできる。表示単位は、たとえば、「°」、「％」、「ｍｍ／ｍ」および「度分」の４種類から選択できる。
【００１８】
図１（ｂ）に傾斜計１のＬＣＤ３の表示例を示してある。ＬＣＤ３は、測定した傾斜度をデジタル表示すると共に、バッテリーの残量、ブザーモードの選択および未選択、オートパワーオフの選択および未選択、選択されている表示単位なども表示する。
【００１９】
図２に測定装置１の概略の構成を示してある。測定装置１は、傾きを検出するエンコーダ装置１０と、エンコーダ装置１０の出力から傾斜度を導出すると共に、操作および表示を始めとする装置全体を制御する制御部３０とを有している。エンコーダ装置１０は、全体が円盤状で、上半分の半円の部分に識別パターン２０が形成された被測定ユニット１１を備えており、測定装置１のハウジング２に対して円盤１１の中心Ｏを旋回中心として旋回するようにシャフト１４を介して取り付けられている。ディスク状の被測定ユニット（以降では回転板）１１の下半分のほぼ中央にはウェイト１５が取り付けられている。このため、回転板１１の重心は、旋回中心Ｏから下方にシフトしており、測定装置１のハウジング２を傾斜させると、回転板１１は軸１４を中心として回転してウェイト１５と軸１４とが鉛直線に並ぶように動く。したがって、回転板１１は、ハウジング２に対して、ハウジング２が傾けられた角度だけ相対的に旋回する。
【００２０】
回転板１１に設けられた識別パターン２０は、回転板１１を貫通する開口パターンであり、半円を成すように並んで形成された螺旋状、またはアルキメデスのスパイラル（半直線が中心の周りを一定の角速度で回転するとき、その半直線上を一定の速さで運動する点の描く曲線）の複数のサブパターン２１．１〜２１．ｎを備えている。
【００２１】
さらに、エンコーダ装置１０は、ハウジング２に固定された、あるいはハウジング２とともに動くように取り付けられた光源１６と、受光部１７とを備えている。この光源１６と受光部１７とが識別パターン２０の動きを検出する測定ユニット１２となる。受光部１７は、複数の画素により適当な解像度が得られるように列状に配列されたＣＣＤ１３であり、この列状あるいは線状に延びたＣＣＤ１３により検出可能範囲が形成されている。また、光源１６は、ライン状に配置されたＣＣＤ１３に対して回転板１１を挟んで面するように配置されており、ＣＣＤ１３に対して開口パターン（識別パターン）２０を裏面から照明できるようになっている。このため、ＣＣＤ１３には、ＣＣＤ１３と光源１６との間を横切る開口パターン２０の部分が投影あるいは投写される。すなわち、開口パターン２０を構成するサブパターン２１．１〜２１．ｎのいずれかを透過した光がＣＣＤ１３に投影され、ＣＣＤ１３は、サブパターン２１．１〜２１．ｎのいずれかと交差している位置と、そのサブパターンの幅Ｗを検出することができる。
【００２２】
図３（ａ）に、回転板１１に形成された識別パターン２０を示してある。識別パターン２０は、回転板１１の周方向に並んで配置されたｎ個のサブパターン（開口パターンまたはスリット）２１．１〜２１．ｎを備えている。これらのスリット２１（スリットの全体を示すときはスリット２１として示す）は、それぞれが回転板１１と測定部１２の相対的な角度の変位に伴ってライン状のＣＣＤ１３を横切る位置が移動するように、回転板１１の中心Ｏから外側に、半径方向に対して斜めに、またはらせん状に延びた形状となるように形成されている。そして、端に位置するスリットを除き、各々のスリット２１の中心側および周側は、隣接するスリットの周側および中心側とほぼ平行になるように形成されている。
【００２３】
本例の識別パターン２０は、１０個のサブパターン２１．１〜２１．１０を備えており、個々のサブパターン２１は所定の角度範囲θをカバーし、これらのサブパターン２１の全体によりほぼ−９０度〜＋９０度の角度範囲をカバーする。このため、本例では、個々のサブパターン２１は約２０度の角度範囲をカバーすることになる。これらのサブパターン２１．１から２１．１０は、半径方向の幅Ｗが一定になった形状であり、さらに、各々のサブパターン２１で幅Ｗが異なるように形成されている。本例では、一番左側に位置し、傾斜角が−９０度近傍を検出するスリット２１．１の幅Ｗが一番広い。他のスリット２１については、右側、すなわち＋方向に並んだスリット２１の幅Ｗが徐々に狭くなっており、傾斜角が＋９０度近傍を検出するスリット２１．１０の幅が一番狭くなっている。たとえば、最も幅の広いサブパターン２１・１の幅が約４．２ｍｍで、最も幅の狭いサブパターン２１・１０の幅が約２．８ｍｍである。
【００２４】
このようなサブパターン２１を備えた識別パターン２０を用いて、ＣＣＤ１３を横切ったサブパターン２１の幅Ｗと、横切った位置とを検出することができる。横切った位置を代表する値は、サブパターン２１の幅Ｗの上下の端のいずれでも良いが、幅Ｗの端の部分は、サブパターン２１のエッジにより形成されるので、エッジの回折光の影響があり精度が低下しやすい。このため、本例では、幅Ｗの中心の位置Ｐを横切った位置を示す値としている。サブパターン２１がＣＣＤ１３を横切った部分の幅は、光を検出したＣＣＤの画素数で示すことが可能であり、それら光を検出した画素列の中心の画素の位置を横切った位置として使うことができる。
【００２５】
各々のサブパターン２１は幅Ｗが異なるので、ＣＣＤ１３を横切った幅Ｗが検出されることにより、その幅ＷからＣＣＤ１３を横切っているサブパターン２１が一義的に決まる。サブパターン２１が特定されると、そのサブパターン２１により測定可能な角度範囲は決まっているので、その角度範囲にあることが分かる。たとえば、最も幅の広いサブパターン２１．１であることがわかれば、測定装置１は、水平な位置から−９０度〜−７０度の範囲に傾いていることが分かる。
【００２６】
さらに、個々のサブパターン２１は、傾斜角度によりＣＣＤ１３を横切る位置Ｐが変わるようにデザインされているから、位置Ｐが特定されれば、回転板１１とハウジング２との相対的な傾斜φは一義的に決まる。したがって、図３（ｂ）に示すようにハウジング２が傾いたとすると、その傾きφは、ハウジング２に固定された測定ユニット１２の受光部、すなわちＣＣＤ１３と、回転板１１との相対的な角度変化φとして反映される。本例の測定装置１においては、ＣＣＤ１３により、ＣＣＤ１３を横切るスリット２１の幅Ｗと位置Ｐを検出し、図３（ｂ）の状態のときにＣＣＤ１３に面する回転板１１の位置（角度）を知ることができるので、図３（ａ）の状態のときにＣＣＤ１３に面した回転板１１の位置（角度）との差から、回転板１１が旋回した角度φを求めることができ、その角度φが測定装置１で測定した傾斜となる。
【００２７】
図４に、本例の回転板１１に設けられたサブパターン２１．１〜２１．１０がＣＣＤ１３で検出される位置ＰをＹ軸に示し、位置Ｐにより決まる回転板１１の角度をＸ軸に示してある。本図４に示した角度は傾斜φで示してあり、ハウジング２が水平に置かれたときの回転板１１の位置あるいは角度φを０としている。本例の回転板１１においては、１８０度の角度範囲を１０本のスリット２１．１〜２１．１０に分割して（一部は重複しているが）カバーする。このため、角度φの変化に対して、サブパターン２１がＣＣＤ１３を横切る位置Ｐの変化は非常に大きく、直線Ｂで示すようになる。したがって、ＣＣＤ１３の解像度を増やさなくても測定される傾斜φの分解能を高めることができる。これに対し、１８０度の範囲を１本のスリットでカバーしようとすれば、図中に示した直線Ａのように、角度φの変化に対して、サブパターン２１がＣＣＤ１３を横切る位置Ｐの変化は小さい。したがって、測定される傾斜φの分解能は低い。ＣＣＤ１３の画素数が１０００画素とすると、１８０度の範囲を１つのスリットで検出しようとすると、１８０／１０００（０．１８）度の分解能しか得られない。これに対し、本例のエンコーダ装置１０では、２０／１０００（０．０２）度と一桁高い分解能が得られる。
【００２８】
そして、本例の測定装置１においては、位置Ｐを決めるときにスリット２１がＣＣＤ１３を横切る幅Ｗを検出し、それによりスリット２１を特定することができる。したがって、スリット２１．１〜２１．１０のいずれかであることを判別するために、新たなスリットは不要であり、また、その新たなスリットを検出するためのＣＣＤも不要である。このため、回転板１１の面積を、直に角度を検出するためのスリット（サブパターン）２１を配置するために利用することができる。たとえば、識別パターン２０を複数のサブパターン２１で構成したとしても、そのサブパターン２１を特定するために新たなパターンが必要になると、その新たなパターンによりＹ方向の距離が消費される。このため、サブパターン２１が占める面積が小さくなってしまい分解能が低下することになる。しかしながら、本発明においては、サブパターン２１の形状に、サブパターン２１を特定するための情報が組み込まれているので、新たなパターンは不要であり、回転板１１の面積を最大限に利用してコンパクトで分解能の高い測定装置１を提供できる。
【００２９】
また、サブパターン２１を特定するために新たなパターンが要求されると、そのパターンを検出するためにＣＣＤ１３の上半分などが使われることになる。したがって、サブパターン２１を検出するためのＣＣＤ１３が減るので、この点でも、傾斜計の分解能が低下する。しかしながら、本発明においては、新たなパターンは不要であり、ＣＣＤ１３のすべてを、サブパターン２１により角度を検出するために利用できる。したがって、この点でも、コンパクトで、分解能の高い、高精度の測定装置１を低コストで提供できる。
【００３０】
図２に示した測定装置１の制御ユニット３０はマイクロコンピュータなどにより構成することが可能であり、制御ユニット３０は、光源１６を駆動する光源制御部３１と、受光部１７のＣＣＤ１３の出力から傾斜度を導出する導出部３２と、ＬＣＤ３を制御する表示制御部３３と、操作スイッチ４ａ、４ｂおよび４ｃの操作により傾斜計１の動作モードや表示モードを設定する設定部３４とを備えている。導出部３２は、ＣＣＤ１３の出力からＣＣＤ１３を横切っているサブパターン２１の幅Ｗを求めて、そのサブパターン２１を特定する特定部３５と、同時に求められるＣＣＤ１３を横切っているサブパターン２１の位置Ｐにより回転板１１の角度φを求める変換部３６とを有している。特定部３５においては、スリット２１の幅Ｗにより決まるスリット２１は予め分かっているので、ルックアップテーブルや簡易な関数を用いるなどの簡易な仕様で構成できる。また、変換部３６においても、スリット２１が決まれば、サブパターン２１が横切る位置Ｐと角度φとの関係は予め分かるので、ルックアップテーブルや適当な関数を用いて位置Ｐから角度φに変換することができる。したがって、傾斜φを求めるために必要なハードウェアも少なくて済み、この点でも、コンパクトで、分解能の高い傾斜計を低コストで提供できる。
【００３１】
図５に、測定装置１におけて傾斜を求める処理を、フローチャートを用いて示してある。まず、ステップ４１において、ＣＣＤ１３をスキャンし、ステップ４２において、導出部３２にデータが送られ、ＣＣＤ１３の光が照射されている位置と光が照射されていない影の位置が求められる。そして、ステップ４３において、ＣＣＤ１３を横切っているサブパターン（またはスリット）２１が２つある場合は、ステップ４４において、一方のスリット２１を選択する。たとえば、いずれか一方のスリット２１の位置Ｐから、２つのスリット２１のいずれでも測定できる角度範囲の中心よりどちらのスリットに近いかを判断し、近い方のスリットをステップ４４において選択する。隣接する２つのスリット２１のいずれでもカバーできる範囲を設けておくことにより、ＣＣＤ１３は、必ず１つ以上のスリット２１を検出するので、ＣＣＤ１３でスリットが測定できなくなるような不安定な条件を排除することができ、信頼性の高い傾斜計を提供できる。
【００３２】
次に、ステップ４５において、特定部３５により、ＣＣＤ１３から得られた光の幅Ｗに基づいてスリット２１を特定し、変換部３６により、光幅Ｗの中心の位置（スリットの位置）Ｐから、選定されたスリット２１がカバーしている角度範囲内の詳細な角度φを導出する。
【００３３】
これらのステップ４１〜ステップ４５の処理を予め設定されたｍ回繰り返して行い、ステップ４６で得られた角度φの平均を算出することにより表示する角度を求める。これにより、測定装置１を傾けて設置したときに、回転板１１の旋回が収束するまえに、測定装置１の角度φを求めることが可能となり、短時間に精度のよい測定結果を表示することが可能となる。そして、ステップ４７において、上記の工程により得られた角度φを選択されている単位でＬＣＤ３に表示する。
【００３４】
測定装置１に内蔵されたエンコーダ装置１０を用いて傾斜φを求める処理は、測定装置１の制御ユニット３０を構成するマイクロコンピュータなどに図５に示した処理を実行させる命令を備えたプログラム（ファームウェア、プログラム製品）として提供することが可能である。また、エンコーダ装置１０だけをロボットの関節などに取り付けて旋回角度を集中して管理するようなシステムも可能であり、そのときは、管理側のホストコンピュータに、図５に示した処理を実行可能なプログラムをインストールすることにより、旋回角度を簡単に、そして迅速に求めることができる。
【００３５】
このように本例のエンコーダ装置１０では、複数のサブパターン２１を設けることによりカバーする角度範囲を分割して分解能を向上すると共に、各々のサブパターン２１の幅Ｗを変えることでサブパターン２１を検出するだけでサブパターン２１を特定できるようにしている。したがって、サブパターンを特定するための余分なパターンや、その余分なあるいは追加のパターンを認識するためのＣＣＤは不要であり、シンプルな構成で分解能の高い測定結果が得られるコンパクトなエンコーダ装置を提供することができる。
【００３６】
図６（ａ）および（ｂ）に、上記と異なる識別パターンを備えたエンコーダ装置１０と、それを内蔵した測定装置１を示してある。本例の識別パターン５０は、回転板１１の旋回中心Ｏから半径方向に直線状に延びる４本のサブパターン５１．１〜５１．４を備えており、これらのサブパターン５１がほぼ９０度間隔で配置されている。すなわち、個々のサブパターン５１．１〜５１．４によりほぼ９０度の角度範囲がカバーされ、全体として３６０度の範囲を測定することができる。一方、受光部１７は、ライン状のＣＣＤ１３がハウジング２を水平にしたときに水平方向に延びるように配置されている。各々のサブパターン５１．１〜５１．４は、回転板１１の角度φが変わったときにＣＣＤ１３を横切る幅Ｗも変わる形状であるが、各々のサブパターン５１．１〜５１．４がＣＣＤ１３を横切る幅Ｗは一致することがないような形状になっている。たとえば、サブパターン５１．１〜５１．４は、２の平方根（√２）倍以上の幅Ｗの差があるように設計されている。このような識別パターン５０を回転板１１に付すことによっても、サブパターン５１がＣＣＤ１３を横切る幅Ｗを検出することにより、その幅Ｗが所定の範囲に入ることからサブパターン５１を特定することが可能である。このため、上記と同様の手順、すなわち、検出可能範囲であるＣＣＤ１３を横切るサブパターン５１を光の幅Ｗから特定すると共に、特定したサブパターン５１の位置Ｐから詳細な角度φを導出することができる。
【００３７】
このように、本例の測定装置１では、回転板１１の面積を、角度を測定するためのパターン２１または５１で有効活用でき、また、ＣＣＤ１３の全長を、変位を測定するためのパターン２１また５１で有効活用できる。したがって、分解能が高く、コンパクトで低コストの測定装置１を提供できる。
【００３８】
本発明の測定方法は、サブパターン２１または５１を特定し、そのサブパターン２１または５１がＣＣＤ１３を横切る位置から被測定ユニット（上記では回転板）と測定ユニットとの相対的な変位の絶対値を求めることができる。したがって、測定を開始する前に被測定ユニットと測定ユニットとの条件をリセットしたり、ホームポジションを設けたりする必要がない。このため、いったん校正した測定装置であれば、基準となる条件をその都度設定しなくても測定を開始することが可能であり、角度や距離などの変位を迅速に、そして精度良く測定できる。
【００３９】
また、３６０度の範囲を測定する方法としては、図３に詳細に示した回転板１１のウェイト１５を回転板１１の外側あるいはそれ以外の部分に取り付け、残りの半分の領域にもサブパターンを追加することによっても実現できる。たとえば、回転板１１の中心軸に繋がったシャフトにウェイトを取り付けることにより回転板１１に対し直にウェイトを取り付けずに済む。さらに、３６０度の範囲を測定しようとすると、幅の異なるサブパターンの数を増やす必要が生じ、幅が細すぎたり、太すぎると測定誤差の要因となる可能性がある。したがって、上下のいずれの領域（１８０度単位）であるかを識別するためのパターンを追加することにより、上下の領域で同じ上記にて開示したようなサブパターンを使用することが可能になる。上下の領域を特定するパターンはいずれの領域であるかを識別できる程度の簡易なパターンで良いので、回転板に占める面積としては少なくて済む。したがって、回転板をほとんどサイズアップすることなく、その程度のパターンを追加することは可能である。
【００４０】
さらに、光源１６と受光部１７とからなる測定ユニット１２に拡大光学系を採用することも有効である。拡大光学系とすることにより、ＣＣＤ１３を長くでき、分解能を向上できる。あるいは逆に、回転板１１をさらにコンパクトにすることも可能である。そのような拡大光学系の一例は、光源であるＬＥＤの前方にピンホールを配置し、回転板を挟んである程度の距離を開けて逆側のＣＣＤを配置したものであり、ＣＣＤの上にサブパターンの像が拡大して投影されるので、検出可能な範囲を延長することができる。もちろん、レンズなどの光学素子を用いて拡大光学系を構成することも可能である。
【００４１】
なお、上記では、回転板とハウジングとの相対的な角度を変位として検出するエンコーダ装置に基づき本発明を説明したが、本発明は、被測定ユニットと測定ユニットとの間の移動距離や、角度や長さで表される相対的な位置を検出するエンコーダ装置にも適用可能である。たとえば、幅Ｗの異なるサブパターン２１を図４に示したように配置することによりリニアエンコーダを構成することができる。
【００４２】
また、上記では、回転板１１を貫通する識別パターンを備えた例を示しているが、識別パターンを反射型とし、光源１６と同じ側に受光部１７を設けることも可能である。さらに、上記の例では受光部の線状の検出可能範囲をＣＣＤにより構成しているが、フォトトランジスタやその他の受光素子をライン状に並べることにより構成することも可能である。また、識別パターンを認識する手段は、光に限らず、磁気を用いてサブパターンが横切る部分の幅を検出したり、圧力センサなどの機械的なセンサでサブパターンが前面を横切る幅を検出するような構成のエンコーダ装置も本発明により提供可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、被測定ユニットに複数のサブパターンからなる識別パターンを設けることにより、識別パターン全体がカバーする変位の範囲を分割して、測定精度と分解能の向上を図ると共に、各々のサブパターンが検出可能範囲を横切る幅が異なるようにしてサブパターン自身によりサブパターンが特定できるようにしている。したがって、検出または測定可能な範囲を横切っているサブパターンを検出するだけで、サブパターンを特定し、横切っている位置から被測定ユニットと測定ユニットとの変位を測定できる。このため、被測定ユニットの面積を、変位を測定するためのパターンで占有し、有効活用することができ、また、ＣＣＤなどのパターンを検出する手段も変位を測定するためのパターンで占有し、有効活用できる。したがって、本発明により、分解能が高く、コンパクトで低コストの測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明に係るエンコーダ装置が搭載された測定装置の外観を示す図であり、図１（ｂ）は測定装置の表示部を拡大して示す平面図である。
【図２】図１に示す測定装置の概略構成を示す図である。
【図３】エンコーダ装置の動作を示す図であり、図３（ａ）は水平状態を示し、図３（ｂ）は傾斜した状態を示す。
【図４】本発明の測定方法を示す図である。
【図５】測定装置の制御を示すフローチャートである。
【図６】異なる識別パターンが付されたエンコーダ装置の動作を示す図であり、図６（ａ）は水平状態を示し、図６（ｂ）は傾斜した状態を示す。
【符号の説明】
１ 測定装置
１０ エンコーダ装置
１１ 回転板（被測定ユニット）
１２ 測定ユニット
１３ ＣＣＤ（検出可能範囲）
２０、５０ 識別パターン
２１．ｎ、５１．ｎ サブパターン
３０ 制御部
３２ 導出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、傾斜度や位置検出などに用いられるエンコーダ装置および測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
位置検出や角度検出などにエンコーダ装置が用いられている。特開昭６０−２２５０２４号に角度センサが開示されており、この角度センサは、一本のらせん状のスリットが形成された遮光板と、この遮光板を挟んで配置された発光素子および光点位置検出素子とを有している。この角度センサは、遮光板が回動することによってスリットの位置が変化し、光点位置検出素子に入射する光の位置が変化するため、回動角を検出することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６０−２２５０２４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エンコーダ装置に求められる分解能は、エンコーダ装置が組み込まれるシステムまたは装置に応じて変わるが、コンパクトで分解能の高い装置が常に要望される。しかしながら、上記の角度センサでは、コンパクトで分解能を向上することは困難である。すなわち、分解能を高くするためには、微小な角度の変化による光の検出位置の変化を大きくする必要がある。そのために最も簡単な方法は、スリットを通過した後に検出される光の検出位置の変化を大きくすることであり、スリットが周方向に延びた部分の傾きを大きくする必要がある。スリットの傾きを大きくして角度をカバーしようとすれば、必然的に遮光板のサイズ（半径）が大きくなる。このため、角度の変化を高分解能で測定可能であり、さらに、コンパクトで低コストな測定装置を提供することは難しい。
【０００５】
一方、スリットを透過した光を検出する位置精度を高めることにより、測定角度の分解能を向上することも可能である。たとえば、光の位置を検出する素子として、ＣＣＤなどの撮像素子を用いることができる。そして、理論的には、撮像素子を半径方向に並べた画素数を多くすることにより測定角度の分解能を向上できるので、遮光板のサイズを大きくせずに分解能を上げられる可能性がある。しかしながら、長手方向に１０００画素（面積当たりでは、１００万画素に対応）が配列された撮像素子を用いても、１８０度をカバーしようとすると、１８０度／１０００、すなわち、０．２度程度の分解能しか得られない。したがって、高価な高解像度の画像素子を採用しても、それほど高い分解能が得られるということにはならない。さらに、受光側の解像度を上げて分解能を向上するためにはスリットをできるだけ細くして光が透過する幅を狭くする必要があるが、スリットのエッジで光が回折するのでスリットを狭くするとかえって精度が低下することになる。したがって、受光側の解像度を向上しても、現実には、上述したような精度で角度測定ができるわけではない。逆に、回折光による測定誤差が大きくなる可能性もあり、その判断のために余分なソフトウェアあるいはハードウェアが要求される可能性もある。
【０００６】
そこで、本発明においては、角度などの変位を、コンパクトで低コストなエンコーダ装置あるいは測定装置を用いて、高分解能で測定または検出可能な測定方法、および測定装置を提供することを目的としている。また、高価な高解像度のＣＣＤなどからなる受光部を採用しなくても、精度良く、高い分解能で変位を測定することができるエンコーダ装置、およびエンコーダ装置を備えた測定装置を提供することも本発明の目的である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、光や磁気などを利用して測定ユニットと被測定ユニットとの相対的な変位を測定する際に、１つのパターンにより測定範囲をカバーするのではなく、複数のサブパターンに分けて測定範囲をカバーすると共に、あるサブパターンにより変位を検出することにより、そのサブパターンも特定し、サブパターンを検出するだけで変位を測定できるようにしている。すなわち、本発明においては、識別パターンが付された被測定ユニットと、識別パターンの一部を検出可能な線状の検出可能範囲を備えた測定ユニットであって、識別パターンが当該検出可能範囲を横切る位置および幅を測定可能な測定ユニットとを有するエンコーダ装置を提供する。識別パターンは、被測定ユニットおよび測定ユニットの相対的な変位に伴って検出可能範囲を横切る位置が移動する複数のサブパターンを備えており、各々のサブパターンは、変位の異なる範囲をカバーする部分を具備し、さらに、各々のサブパターンは、検出可能範囲を横切る幅が異なる。
【０００８】
このエンコーダ装置を採用すると、識別パターンの一部が、測定ユニットに設けられた線状の検出可能範囲を横切る位置および幅を検出することにより、被測定ユニットおよび測定ユニットの相対的な変位を測定することができる。すなわち、本発明の測定方法は、測定ユニットの検出可能範囲を横切るサブパターンの幅により、そのサブパターンを特定し、サブパターンが検出可能範囲を横切る位置から変位を導出する工程を有している。また、本発明の測定装置は、エンコーダ装置と、検出可能範囲を横切るサブパターンの幅よりサブパターンを特定し、サブパターンが検出可能範囲を横切る位置から変位を導出する手段を有する。したがって、本発明の測定装置および測定方法においては、変位を測定する範囲を、複数のサブパターンに分けてカバーすることが可能であり、１つのサブパターンにより測定すべき変位の範囲を狭くすることができる。このため、１つのスリットなどから構成された識別パターンで測定すべき変位の範囲をカバーするのに比べて遥かに高い分解能で変位を測定することができる。
【０００９】
たとえば、検出可能範囲が１００画素の撮像素子で構成されたとし、１つの識別パターンで１８０度の角度範囲をカバーすると、分解能は１８０度／１００程度、すなわち、１．８度程度である。これに対し、２０度程度の角度範囲をカバーするサブパターンを複数用いて１８０度の角度範囲をカバーする場合、被測定ユニットでサブパターンが利用できる距離、たとえば半径方向の長さが変わらないとすると、分解能は２０度／１００程度、すなわち、０．２度程度に向上する。したがって、識別パターンを複数のサブパターンで構成することにより被測定ユニットのサイズを変えなくても分解能を向上でき、また、測定ユニット側の解像度を上げなくても分解能を向上できる。
【００１０】
しかしながら、複数のサブパターンのうちのいずれかであることを特定するための新たにパターンが必要になると、そのパターンを被測定ユニットに配置するためにスペースが必要になり、その新たなパターンを識別するために新たな撮像素子などが必要になる。サブパターンを変えないとすると、被測定ユニットのサイズは増加し、撮像素子の画素数も増やす必要がある。一方、被測定ユニットのサイズを変えずに、サブパターンを認識する新たなパターンを設けると、サブパターンが利用できるスペースあるいは距離が減るので、上記のような高分解能を得ることができない。したがって、高分解能のコンパクトな測定装置を低コストで供給することが難しい。
【００１１】
これに対し、本発明においては、各々のサブパターンに、そのサブパターンを特定するための情報も含めており、サブパターンにより変位を検出するときに、サブパターンも特定できるようにしている。したがって、サブパターンを特定するための余分なパターンや、その余分なパターンを検出するための受光素子などのセンサ、たとえば撮像素子が不要なので、被測定ユニットのサイズアップや、測定ユニットのコストアップ、あるいは分解能の低下という事態を避けることが可能となる。このため、高分解能のコンパクトな測定装置を低コストで提供できる。本発明において、各々のサブパターンを特定するための情報は、各々のサブパターンが検出可能範囲を横切る幅である。各々のサブパターンは、検出可能範囲を横切る位置から変位を導出できるようにデザインされているので、各々のサブパターンが検出可能範囲を横切る幅を同時に検出することは容易であり、各々のサブパターンで検出可能範囲を横切る幅を変えておけば、簡単にサブパターンを特定できる。
【００１２】
したがって、本発明のサブパターンは、ある程度の幅を備えていることが必要となる。このため、光を用いてサブパターンを検出するときに、幅を検出して、その中央値などによりサブパターンが検出可能範囲を横切る位置を決めるようにすれば、エッジ部分の回折光により検出精度が低下することも防止することができる。このため、本発明のエンコーダ装置は、光により識別パターンを認識するものに適している。光を利用する場合は、測定ユニットに光源および測定可能範囲を持つ受光部を設け、光源から照射された光を受光部に向けて反射する識別パターンを被測定ユニットに設ける反射型のエンコーダ装置を提供することが可能である。反射型は同一方向に光源と受光部が並ぶので、迷光などにより精度が低下しやすいことを考えると、識別パターンは、被測定ユニットを貫通する開口パターンであり、測定ユニットは開口パターンに光を照射する光源と、開口パターンを透過した光を受光する受光部とを備えている透過型のエンコーダ装置が簡易な構造で高精度を得るには適している。
【００１３】
さらに、このエンコーダ装置の識別パターンは、サブパターンが特定されて、そのサブパターンが検出可能範囲を横切る位置が決まれば、変位の絶対値が得られる。したがって、複数のパターンをカウントして変位を求める必要はないので、ホームポジションに戻ってカウントをリセットする必要もない。このため、本発明のエンコーダ装置を用いることにより、即座に精度の高い測定値を出力できる測定装置および測定方法を提供できる。
【００１４】
本発明のエンコーダ装置、測定方法および測定装置の検出または測定対象となる変位は、被測定ユニットと測定ユニットとの相対的な位置の変動によりサブパターンが検出可能範囲を横切る位置が変動するものであれば良い。そのような変位としては、距離あるいは角度を挙げることができる。
【００１５】
角度を検出または測定する場合は、被測定ユニットとしては、偏心した位置に重心があり、旋回中心を中心として旋回可能な回転板を採用できる。そして、サブパターンは、異なる角度の範囲をカバーする。そのようなサブパターンの１つは、旋回中心から周方向に向かってらせん状、またはアルキメデスのスパイラルのように延びているものであり、各々のサブパターンの半径方向の幅は一定で、その半径方向の幅はサブパターン毎に異なるようにすれば、検出可能範囲を半径方向に設定することにより角度を簡単に測定することができる。
【００１６】
また、本発明の測定方法は、検出可能範囲を横切るサブパターンの幅により、そのサブパターンを特定し、サブパターンが検出可能範囲を横切る位置から変位を導出する処理を実行可能なプログラムあるいはプログラム製品として適当な記録媒体、たとえばＲＯＭなどに記憶して提供することができ、エンコーダ装置を内蔵した測定装置にインストールして測定値を出力したり、パーソナルコンピュータなどにインストールしてエンコーダ装置からのデータを解析して測定値を出力したりすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をさらに詳しく説明する。図１（ａ）に本発明に係る測定装置の外観を示してある。本例の測定装置１は、１軸上での動的および静的な傾斜度を測定し表示することができる傾斜計であり、直方体状のハウジング２の内部にエンコーダ装置（角度センサ）１０が内蔵されている。ハウジング２の表面２ａには測定した傾斜度が表示されるＬＣＤ３と、各種の操作スイッチ４ａ、４ｂおよび４ｃが配置されており、電源の投入を行ったり、傾斜度の表示単位を切り替える操作を簡単にできるようになっている。たとえば、操作スイッチ４ａを１秒または数秒押しつづけることにより（長押しすることにより）電源を投入でき、通常モードでは、所定の時間だけ測定されている傾斜を表示した後、自動的に電源をオフする（オートパワーオフモード）。一方、電源が投入された状態で操作スイッチ４ａを瞬間的に押す（一瞬押しする）とオートパワーオフモードを解除できる。また、操作スイッチ４ｂを長押しすることにより、水平時と垂直時にブザーが鳴るモード（ブザーモード）に設定でき、一瞬押しすることにより測定した傾斜度の表示をホールドすることができる。さらに、操作スイッチ４ｃを長押しすることにより、キャリブレーションを行うことができ、一瞬押しすることにより傾斜度の表示単位を切り替えできる。表示単位は、たとえば、「°」、「％」、「ｍｍ／ｍ」および「度分」の４種類から選択できる。
【００１８】
図１（ｂ）に傾斜計１のＬＣＤ３の表示例を示してある。ＬＣＤ３は、測定した傾斜度をデジタル表示すると共に、バッテリーの残量、ブザーモードの選択および未選択、オートパワーオフの選択および未選択、選択されている表示単位なども表示する。
【００１９】
図２に測定装置１の概略の構成を示してある。測定装置１は、傾きを検出するエンコーダ装置１０と、エンコーダ装置１０の出力から傾斜度を導出すると共に、操作および表示を始めとする装置全体を制御する制御部３０とを有している。エンコーダ装置１０は、全体が円盤状で、上半分の半円の部分に識別パターン２０が形成された被測定ユニット１１を備えており、測定装置１のハウジング２に対して円盤１１の中心Ｏを旋回中心として旋回するようにシャフト１４を介して取り付けられている。ディスク状の被測定ユニット（以降では回転板）１１の下半分のほぼ中央にはウェイト１５が取り付けられている。このため、回転板１１の重心は、旋回中心Ｏから下方にシフトしており、測定装置１のハウジング２を傾斜させると、回転板１１は軸１４を中心として回転してウェイト１５と軸１４とが鉛直線に並ぶように動く。したがって、回転板１１は、ハウジング２に対して、ハウジング２が傾けられた角度だけ相対的に旋回する。
【００２０】
回転板１１に設けられた識別パターン２０は、回転板１１を貫通する開口パターンであり、半円を成すように並んで形成された螺旋状、またはアルキメデスのスパイラル（半直線が中心の周りを一定の角速度で回転するとき、その半直線上を一定の速さで運動する点の描く曲線）の複数のサブパターン２１．１〜２１．ｎを備えている。
【００２１】
さらに、エンコーダ装置１０は、ハウジング２に固定された、あるいはハウジング２とともに動くように取り付けられた光源１６と、受光部１７とを備えている。この光源１６と受光部１７とが識別パターン２０の動きを検出する測定ユニット１２となる。受光部１７は、複数の画素により適当な解像度が得られるように列状に配列されたＣＣＤ１３であり、この列状あるいは線状に延びたＣＣＤ１３により検出可能範囲が形成されている。また、光源１６は、ライン状に配置されたＣＣＤ１３に対して回転板１１を挟んで面するように配置されており、ＣＣＤ１３に対して開口パターン（識別パターン）２０を裏面から照明できるようになっている。このため、ＣＣＤ１３には、ＣＣＤ１３と光源１６との間を横切る開口パターン２０の部分が投影あるいは投写される。すなわち、開口パターン２０を構成するサブパターン２１．１〜２１．ｎのいずれかを透過した光がＣＣＤ１３に投影され、ＣＣＤ１３は、サブパターン２１．１〜２１．ｎのいずれかと交差している位置と、そのサブパターンの幅Ｗを検出することができる。
【００２２】
図３（ａ）に、回転板１１に形成された識別パターン２０を示してある。識別パターン２０は、回転板１１の周方向に並んで配置されたｎ個のサブパターン（開口パターンまたはスリット）２１．１〜２１．ｎを備えている。これらのスリット２１（スリットの全体を示すときはスリット２１として示す）は、それぞれが回転板１１と測定部１２の相対的な角度の変位に伴ってライン状のＣＣＤ１３を横切る位置が移動するように、回転板１１の中心Ｏから外側に、半径方向に対して斜めに、またはらせん状に延びた形状となるように形成されている。そして、端に位置するスリットを除き、各々のスリット２１の中心側および周側は、隣接するスリットの周側および中心側とほぼ平行になるように形成されている。
【００２３】
本例の識別パターン２０は、１０個のサブパターン２１．１〜２１．１０を備えており、個々のサブパターン２１は所定の角度範囲θをカバーし、これらのサブパターン２１の全体によりほぼ−９０度〜＋９０度の角度範囲をカバーする。このため、本例では、個々のサブパターン２１は約２０度の角度範囲をカバーすることになる。これらのサブパターン２１．１から２１．１０は、半径方向の幅Ｗが一定になった形状であり、さらに、各々のサブパターン２１で幅Ｗが異なるように形成されている。本例では、一番左側に位置し、傾斜角が−９０度近傍を検出するスリット２１．１の幅Ｗが一番広い。他のスリット２１については、右側、すなわち＋方向に並んだスリット２１の幅Ｗが徐々に狭くなっており、傾斜角が＋９０度近傍を検出するスリット２１．１０の幅が一番狭くなっている。たとえば、最も幅の広いサブパターン２１・１の幅が約４．２ｍｍで、最も幅の狭いサブパターン２１・１０の幅が約２．８ｍｍである。
【００２４】
このようなサブパターン２１を備えた識別パターン２０を用いて、ＣＣＤ１３を横切ったサブパターン２１の幅Ｗと、横切った位置とを検出することができる。横切った位置を代表する値は、サブパターン２１の幅Ｗの上下の端のいずれでも良いが、幅Ｗの端の部分は、サブパターン２１のエッジにより形成されるので、エッジの回折光の影響があり精度が低下しやすい。このため、本例では、幅Ｗの中心の位置Ｐを横切った位置を示す値としている。サブパターン２１がＣＣＤ１３を横切った部分の幅は、光を検出したＣＣＤの画素数で示すことが可能であり、それら光を検出した画素列の中心の画素の位置を横切った位置として使うことができる。
【００２５】
各々のサブパターン２１は幅Ｗが異なるので、ＣＣＤ１３を横切った幅Ｗが検出されることにより、その幅ＷからＣＣＤ１３を横切っているサブパターン２１が一義的に決まる。サブパターン２１が特定されると、そのサブパターン２１により測定可能な角度範囲は決まっているので、その角度範囲にあることが分かる。たとえば、最も幅の広いサブパターン２１．１であることがわかれば、測定装置１は、水平な位置から−９０度〜−７０度の範囲に傾いていることが分かる。
【００２６】
さらに、個々のサブパターン２１は、傾斜角度によりＣＣＤ１３を横切る位置Ｐが変わるようにデザインされているから、位置Ｐが特定されれば、回転板１１とハウジング２との相対的な傾斜φは一義的に決まる。したがって、図３（ｂ）に示すようにハウジング２が傾いたとすると、その傾きφは、ハウジング２に固定された測定ユニット１２の受光部、すなわちＣＣＤ１３と、回転板１１との相対的な角度変化φとして反映される。本例の測定装置１においては、ＣＣＤ１３により、ＣＣＤ１３を横切るスリット２１の幅Ｗと位置Ｐを検出し、図３（ｂ）の状態のときにＣＣＤ１３に面する回転板１１の位置（角度）を知ることができるので、図３（ａ）の状態のときにＣＣＤ１３に面した回転板１１の位置（角度）との差から、回転板１１が旋回した角度φを求めることができ、その角度φが測定装置１で測定した傾斜となる。
【００２７】
図４に、本例の回転板１１に設けられたサブパターン２１．１〜２１．１０がＣＣＤ１３で検出される位置ＰをＹ軸に示し、位置Ｐにより決まる回転板１１の角度をＸ軸に示してある。本図４に示した角度は傾斜φで示してあり、ハウジング２が水平に置かれたときの回転板１１の位置あるいは角度φを０としている。本例の回転板１１においては、１８０度の角度範囲を１０本のスリット２１．１〜２１．１０に分割して（一部は重複しているが）カバーする。このため、角度φの変化に対して、サブパターン２１がＣＣＤ１３を横切る位置Ｐの変化は非常に大きく、直線Ｂで示すようになる。したがって、ＣＣＤ１３の解像度を増やさなくても測定される傾斜φの分解能を高めることができる。これに対し、１８０度の範囲を１本のスリットでカバーしようとすれば、図中に示した直線Ａのように、角度φの変化に対して、サブパターン２１がＣＣＤ１３を横切る位置Ｐの変化は小さい。したがって、測定される傾斜φの分解能は低い。ＣＣＤ１３の画素数が１０００画素とすると、１８０度の範囲を１つのスリットで検出しようとすると、１８０／１０００（０．１８）度の分解能しか得られない。これに対し、本例のエンコーダ装置１０では、２０／１０００（０．０２）度と一桁高い分解能が得られる。
【００２８】
そして、本例の測定装置１においては、位置Ｐを決めるときにスリット２１がＣＣＤ１３を横切る幅Ｗを検出し、それによりスリット２１を特定することができる。したがって、スリット２１．１〜２１．１０のいずれかであることを判別するために、新たなスリットは不要であり、また、その新たなスリットを検出するためのＣＣＤも不要である。このため、回転板１１の面積を、直に角度を検出するためのスリット（サブパターン）２１を配置するために利用することができる。たとえば、識別パターン２０を複数のサブパターン２１で構成したとしても、そのサブパターン２１を特定するために新たなパターンが必要になると、その新たなパターンによりＹ方向の距離が消費される。このため、サブパターン２１が占める面積が小さくなってしまい分解能が低下することになる。しかしながら、本発明においては、サブパターン２１の形状に、サブパターン２１を特定するための情報が組み込まれているので、新たなパターンは不要であり、回転板１１の面積を最大限に利用してコンパクトで分解能の高い測定装置１を提供できる。
【００２９】
また、サブパターン２１を特定するために新たなパターンが要求されると、そのパターンを検出するためにＣＣＤ１３の上半分などが使われることになる。したがって、サブパターン２１を検出するためのＣＣＤ１３が減るので、この点でも、傾斜計の分解能が低下する。しかしながら、本発明においては、新たなパターンは不要であり、ＣＣＤ１３のすべてを、サブパターン２１により角度を検出するために利用できる。したがって、この点でも、コンパクトで、分解能の高い、高精度の測定装置１を低コストで提供できる。
【００３０】
図２に示した測定装置１の制御ユニット３０はマイクロコンピュータなどにより構成することが可能であり、制御ユニット３０は、光源１６を駆動する光源制御部３１と、受光部１７のＣＣＤ１３の出力から傾斜度を導出する導出部３２と、ＬＣＤ３を制御する表示制御部３３と、操作スイッチ４ａ、４ｂおよび４ｃの操作により傾斜計１の動作モードや表示モードを設定する設定部３４とを備えている。導出部３２は、ＣＣＤ１３の出力からＣＣＤ１３を横切っているサブパターン２１の幅Ｗを求めて、そのサブパターン２１を特定する特定部３５と、同時に求められるＣＣＤ１３を横切っているサブパターン２１の位置Ｐにより回転板１１の角度φを求める変換部３６とを有している。特定部３５においては、スリット２１の幅Ｗにより決まるスリット２１は予め分かっているので、ルックアップテーブルや簡易な関数を用いるなどの簡易な仕様で構成できる。また、変換部３６においても、スリット２１が決まれば、サブパターン２１が横切る位置Ｐと角度φとの関係は予め分かるので、ルックアップテーブルや適当な関数を用いて位置Ｐから角度φに変換することができる。したがって、傾斜φを求めるために必要なハードウェアも少なくて済み、この点でも、コンパクトで、分解能の高い傾斜計を低コストで提供できる。
【００３１】
図５に、測定装置１におけて傾斜を求める処理を、フローチャートを用いて示してある。まず、ステップ４１において、ＣＣＤ１３をスキャンし、ステップ４２において、導出部３２にデータが送られ、ＣＣＤ１３の光が照射されている位置と光が照射されていない影の位置が求められる。そして、ステップ４３において、ＣＣＤ１３を横切っているサブパターン（またはスリット）２１が２つある場合は、ステップ４４において、一方のスリット２１を選択する。たとえば、いずれか一方のスリット２１の位置Ｐから、２つのスリット２１のいずれでも測定できる角度範囲の中心よりどちらのスリットに近いかを判断し、近い方のスリットをステップ４４において選択する。隣接する２つのスリット２１のいずれでもカバーできる範囲を設けておくことにより、ＣＣＤ１３は、必ず１つ以上のスリット２１を検出するので、ＣＣＤ１３でスリットが測定できなくなるような不安定な条件を排除することができ、信頼性の高い傾斜計を提供できる。
【００３２】
次に、ステップ４５において、特定部３５により、ＣＣＤ１３から得られた光の幅Ｗに基づいてスリット２１を特定し、変換部３６により、光幅Ｗの中心の位置（スリットの位置）Ｐから、選定されたスリット２１がカバーしている角度範囲内の詳細な角度φを導出する。
【００３３】
これらのステップ４１〜ステップ４５の処理を予め設定されたｍ回繰り返して行い、ステップ４６で得られた角度φの平均を算出することにより表示する角度を求める。これにより、測定装置１を傾けて設置したときに、回転板１１の旋回が収束するまえに、測定装置１の角度φを求めることが可能となり、短時間に精度のよい測定結果を表示することが可能となる。そして、ステップ４７において、上記の工程により得られた角度φを選択されている単位でＬＣＤ３に表示する。
【００３４】
測定装置１に内蔵されたエンコーダ装置１０を用いて傾斜φを求める処理は、測定装置１の制御ユニット３０を構成するマイクロコンピュータなどに図５に示した処理を実行させる命令を備えたプログラム（ファームウェア、プログラム製品）として提供することが可能である。また、エンコーダ装置１０だけをロボットの関節などに取り付けて旋回角度を集中して管理するようなシステムも可能であり、そのときは、管理側のホストコンピュータに、図５に示した処理を実行可能なプログラムをインストールすることにより、旋回角度を簡単に、そして迅速に求めることができる。
【００３５】
このように本例のエンコーダ装置１０では、複数のサブパターン２１を設けることによりカバーする角度範囲を分割して分解能を向上すると共に、各々のサブパターン２１の幅Ｗを変えることでサブパターン２１を検出するだけでサブパターン２１を特定できるようにしている。したがって、サブパターンを特定するための余分なパターンや、その余分なあるいは追加のパターンを認識するためのＣＣＤは不要であり、シンプルな構成で分解能の高い測定結果が得られるコンパクトなエンコーダ装置を提供することができる。
【００３６】
図６（ａ）および（ｂ）に、上記と異なる識別パターンを備えたエンコーダ装置１０と、それを内蔵した測定装置１を示してある。本例の識別パターン５０は、回転板１１の旋回中心Ｏから半径方向に直線状に延びる４本のサブパターン５１．１〜５１．４を備えており、これらのサブパターン５１がほぼ９０度間隔で配置されている。すなわち、個々のサブパターン５１．１〜５１．４によりほぼ９０度の角度範囲がカバーされ、全体として３６０度の範囲を測定することができる。一方、受光部１７は、ライン状のＣＣＤ１３がハウジング２を水平にしたときに水平方向に延びるように配置されている。各々のサブパターン５１．１〜５１．４は、回転板１１の角度φが変わったときにＣＣＤ１３を横切る幅Ｗも変わる形状であるが、各々のサブパターン５１．１〜５１．４がＣＣＤ１３を横切る幅Ｗは一致することがないような形状になっている。たとえば、サブパターン５１．１〜５１．４は、２の平方根（√２）倍以上の幅Ｗの差があるように設計されている。このような識別パターン５０を回転板１１に付すことによっても、サブパターン５１がＣＣＤ１３を横切る幅Ｗを検出することにより、その幅Ｗが所定の範囲に入ることからサブパターン５１を特定することが可能である。このため、上記と同様の手順、すなわち、検出可能範囲であるＣＣＤ１３を横切るサブパターン５１を光の幅Ｗから特定すると共に、特定したサブパターン５１の位置Ｐから詳細な角度φを導出することができる。
【００３７】
このように、本例の測定装置１では、回転板１１の面積を、角度を測定するためのパターン２１または５１で有効活用でき、また、ＣＣＤ１３の全長を、変位を測定するためのパターン２１また５１で有効活用できる。したがって、分解能が高く、コンパクトで低コストの測定装置１を提供できる。
【００３８】
本発明の測定方法は、サブパターン２１または５１を特定し、そのサブパターン２１または５１がＣＣＤ１３を横切る位置から被測定ユニット（上記では回転板）と測定ユニットとの相対的な変位の絶対値を求めることができる。したがって、測定を開始する前に被測定ユニットと測定ユニットとの条件をリセットしたり、ホームポジションを設けたりする必要がない。このため、いったん校正した測定装置であれば、基準となる条件をその都度設定しなくても測定を開始することが可能であり、角度や距離などの変位を迅速に、そして精度良く測定できる。
【００３９】
また、３６０度の範囲を測定する方法としては、図３に詳細に示した回転板１１のウェイト１５を回転板１１の外側あるいはそれ以外の部分に取り付け、残りの半分の領域にもサブパターンを追加することによっても実現できる。たとえば、回転板１１の中心軸に繋がったシャフトにウェイトを取り付けることにより回転板１１に対し直にウェイトを取り付けずに済む。さらに、３６０度の範囲を測定しようとすると、幅の異なるサブパターンの数を増やす必要が生じ、幅が細すぎたり、太すぎると測定誤差の要因となる可能性がある。したがって、上下のいずれの領域（１８０度単位）であるかを識別するためのパターンを追加することにより、上下の領域で同じ上記にて開示したようなサブパターンを使用することが可能になる。上下の領域を特定するパターンはいずれの領域であるかを識別できる程度の簡易なパターンで良いので、回転板に占める面積としては少なくて済む。したがって、回転板をほとんどサイズアップすることなく、その程度のパターンを追加することは可能である。
【００４０】
さらに、光源１６と受光部１７とからなる測定ユニット１２に拡大光学系を採用することも有効である。拡大光学系とすることにより、ＣＣＤ１３を長くでき、分解能を向上できる。あるいは逆に、回転板１１をさらにコンパクトにすることも可能である。そのような拡大光学系の一例は、光源であるＬＥＤの前方にピンホールを配置し、回転板を挟んである程度の距離を開けて逆側のＣＣＤを配置したものであり、ＣＣＤの上にサブパターンの像が拡大して投影されるので、検出可能な範囲を延長することができる。もちろん、レンズなどの光学素子を用いて拡大光学系を構成することも可能である。
【００４１】
なお、上記では、回転板とハウジングとの相対的な角度を変位として検出するエンコーダ装置に基づき本発明を説明したが、本発明は、被測定ユニットと測定ユニットとの間の移動距離や、角度や長さで表される相対的な位置を検出するエンコーダ装置にも適用可能である。たとえば、幅Ｗの異なるサブパターン２１を図４に示したように配置することによりリニアエンコーダを構成することができる。
【００４２】
また、上記では、回転板１１を貫通する識別パターンを備えた例を示しているが、識別パターンを反射型とし、光源１６と同じ側に受光部１７を設けることも可能である。さらに、上記の例では受光部の線状の検出可能範囲をＣＣＤにより構成しているが、フォトトランジスタやその他の受光素子をライン状に並べることにより構成することも可能である。また、識別パターンを認識する手段は、光に限らず、磁気を用いてサブパターンが横切る部分の幅を検出したり、圧力センサなどの機械的なセンサでサブパターンが前面を横切る幅を検出するような構成のエンコーダ装置も本発明により提供可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、被測定ユニットに複数のサブパターンからなる識別パターンを設けることにより、識別パターン全体がカバーする変位の範囲を分割して、測定精度と分解能の向上を図ると共に、各々のサブパターンが検出可能範囲を横切る幅が異なるようにしてサブパターン自身によりサブパターンが特定できるようにしている。したがって、検出または測定可能な範囲を横切っているサブパターンを検出するだけで、サブパターンを特定し、横切っている位置から被測定ユニットと測定ユニットとの変位を測定できる。このため、被測定ユニットの面積を、変位を測定するためのパターンで占有し、有効活用することができ、また、ＣＣＤなどのパターンを検出する手段も変位を測定するためのパターンで占有し、有効活用できる。したがって、本発明により、分解能が高く、コンパクトで低コストの測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明に係るエンコーダ装置が搭載された測定装置の外観を示す図であり、図１（ｂ）は測定装置の表示部を拡大して示す平面図である。
【図２】図１に示す測定装置の概略構成を示す図である。
【図３】エンコーダ装置の動作を示す図であり、図３（ａ）は水平状態を示し、図３（ｂ）は傾斜した状態を示す。
【図４】本発明の測定方法を示す図である。
【図５】測定装置の制御を示すフローチャートである。
【図６】異なる識別パターンが付されたエンコーダ装置の動作を示す図であり、図６（ａ）は水平状態を示し、図６（ｂ）は傾斜した状態を示す。
【符号の説明】
１ 測定装置
１０ エンコーダ装置
１１ 回転板（被測定ユニット）
１２ 測定ユニット
１３ ＣＣＤ（検出可能範囲）
２０、５０ 識別パターン
２１．ｎ、５１．ｎ サブパターン
３０ 制御部
３２ 導出部
Claims (9)
- 識別パターンが付された被測定ユニットと、
前記識別パターンの一部を検出可能な線状の検出可能範囲を備えた測定ユニットであって、前記識別パターンが当該検出可能範囲を横切る位置および幅を測定可能な測定ユニットとを有し、
前記識別パターンは、前記被測定ユニットおよび測定ユニットの相対的な変位に伴って前記検出可能範囲を横切る位置が移動する複数のサブパターンを備えており、
各々の前記サブパターンは、前記変位の異なる範囲をカバーする部分を具備し、前記検出可能範囲を横切る幅が異なるエンコーダ装置。 - 請求項１において、前記識別パターンは、前記被測定ユニットを貫通する開口パターンであり、前記測定ユニットは前記開口パターンに光を照射する光源と、前記開口パターンを透過した光を受光する受光部とを備えているエンコーダ装置。
- 請求項１において、前記被測定ユニットは、偏心した位置に重心があり、旋回中心を中心として旋回可能な回転板であり、前記変位は角度であり、前記サブパターンは、異なる角度の範囲をカバーするエンコーダ装置。
- 請求項３において、前記サブパターンは、前記旋回中心から周方向に向かってらせん状に延びているエンコーダ装置。
- 請求項４において、各々のサブパターンの半径方向の幅は一定で、その半径方向の幅がサブパターン毎に異なるエンコーダ装置。
- 請求項１ないし５のいずれかに記載のエンコーダ装置と、
前記検出可能範囲を横切るサブパターンの幅よりサブパターンを特定し、サブパターンが前記検出可能範囲を横切る位置から前記変位を導出する手段を有する測定装置。 - 請求項６において、当該測定装置は、前記導出する手段により前記変位として角度を導出する傾斜計である測定装置。
- 被測定ユニットに付された識別パターンの一部を測定ユニットにより検出し、前記被測定ユニットおよび測定ユニットの相対的な変位を導出する測定方法であって、
前記測定ユニットは、前記識別パターンの一部を検出可能な線状の検出可能範囲を備えており、前記識別パターンは、前記相対的な変位に伴って前記検出可能範囲を横切る位置が移動する複数のサブパターンを備えており、各々の前記サブパターンは前記変位の異なる範囲をカバーする部分を具備し、前記検出可能範囲を横切る幅が異なり、さらに、
前記検出可能範囲を横切る前記サブパターンの幅により、そのサブパターンを特定し、前記サブパターンが前記検出可能範囲を横切る位置から前記変位を導出する工程を有する測定方法。 - 被測定ユニットに付された識別パターンの一部を測定ユニットにより検出し、前記被測定ユニットおよび測定ユニットの相対的な変位を導出する測定装置の制御プログラムであって、
前記測定ユニットは、前記識別パターンの一部を検出可能な線状の検出可能範囲を備えており、前記識別パターンは、前記相対的な変位に伴って前記検出可能範囲を横切る位置が移動する複数のサブパターンを備えており、各々の前記サブパターンは前記変位の異なる範囲をカバーする部分を具備し、各々の前記サブパターンが前記検出可能範囲を横切る幅は異なり、さらに、
前記検出可能範囲を横切るサブパターンの幅により、そのサブパターンを特定し、前記サブパターンが前記検出可能範囲を横切る位置から前記変位を導出する処理を実行可能な制御プログラム。
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