JP4938265B2 - 回転角を正確に測定する方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転角を正確に測定する方法に関し、その方法では、独立請求項の前提部に従って、光検出器が直列配置の複数検出素子を有し、回転ボディがその中心周りに配置された複数パターン要素を有し、又、独立請求項の前提部に従った、回転角を正確に測定する装置に関する。

回転角を正確に測定するその種の方法及び装置は、長年に渡って使用されていて、とりわけ、測定機器では、回転式エンコーダが、特に、測地及び産業における測量に使用されている。それらの方法及び装置により、関連する方策と共に、円を１００万以上の単位に分割して、数秒の角度精度での正確な計測ができる。

その高精度を達成するために、第一に、検出器は、回転ボディがおかれるベアリングに対して、位置的に安定して配置され、検出器の軸周りに回転可能にする必要がある。第二に、回転ボディの寸法・形状の高精度、特に、回転ボディ上に中心の周りに回転方向に列をなして設けられたパターン要素の配置と構成が、基本的に必要である。列として配置された個々のパターン要素間の所定距離のずれにより、及び／又は、パターン要素自体の寸法のずれにより、部分的平坦誤差に加えて、軸とパターン中心との距離、即ち、パターン中心の軸に対する偏心により、必要精度の達成が、実際的には不可能である。製作誤差が常にあるので、回転ボディは、一般的には一定の偏心がある。更に、ベアリングの心ずれが、その偏心に影響する。特に重い測定器の場合に、回転角の計測の間に、力による重い加重が装置の部分に働くと、回転の偏心又は時間関数としての変化が生じ得る。

特許文献１は、特に、回転角を計測する装置を開示していて、その装置は、光パターンを有するロータボディと、単一ＣＣＤ線センサと、そのセンサの出力データから角度データを得るデータ発生手段とを有している。単一ＣＣＤ線センサは、一次元の位置解像領域を有し、ロータボディの径方向に略垂直に向いている。ロータボディは、各１０°の部分に分割され、この部分の形状は、径方向のスリットを有し、そのスリットは、絶対角のためのディジタルコードパタ−ンの形である。複数スリットの同時解像により回転角を測定することは、高精度が達成されるけれども、特に、偏心誤差により、測定精度の達成に限界がある。

特許文献２は、角度測定手段を開示し、その手段は、増分計測スリットパターンと、互いに径方向に相対する二つの検知点とを有し、その検知点には検知ユニットが配置される。その二つの検知点により、二つの周期的検知信号が得られる。計測角度の偏心誤差が、回転ボディの中心が回転軸からずれることにより生じる。その誤差は、その検知信号の互いの位相位置から高精度で計測できる。

特許文献３は、角度位置を調整する配置を記載していて、その配置は、二つ以上の検知点で互いに径方向に相対する少なくとも一対の検知ユニットを有する。４個の周期的検知信号は、４個の検知点で測定されるが、偏心があるので、互いに位相がずれて、アナログ状態で互いに重畳されて、特に、例えばディスク部品の位置による偏心誤差が補正され得る。
米国特許第5,214,426号 米国特許第4,580,047号 DE-A-1811961

これら従来技術の欠点を直すのが、この発明の目的である。その目的のための方法及び装置は、デザインが簡明であり、直列に配列された複数検出器と、回転方向の列として並んだ複数パターン要素を有する回転ボディとを具える。その方法は、回転角を正確に計測できる。又、その装置は、光検出器を有し、その光検出器は、直列に配置された複数検出素子を具え、回転方向に列として配置された複数パターン要素を有する回転ボディを具える。その装置により、その簡明デザインにもかかわらず、回転角を正確に計測できる。

この目的は、請求項の特徴を有する、回転角を正確に測定する方法及び装置により達成される。

本発明による、軸の周りの回転角を正確に計測する方法において、中心の周りに配置された複数パターン要素の少なくとも一部が、回転方向の列として配置され、光検出器の直列配列された複数の検出素子に、少なくとも部分的に光ビームが放射される。パターン要素は回転ボディ上に配置され、その回転ボディは、軸の周りに回転するように、検出器に関連している。照射されたパターン要素の位置は、その検出器の検出素子により解像される。第一ステップでは、回転角を算出する時に、軸に対するパターン中心の偏心の影響が、パターン要素の少なくとも一つの解像位置から算出される。第二ステップでは、回転角は、列として配置されたパターン要素の解像位置から正確に算定され、偏心の影響が考慮される。

本発明による方法の更に別の展開例において、第一ステップでは、列配置されたパターン要素は、少なくとも二つのグループに統合され、少なくとも二つのグループ位置が、各々統合される。回転角の計測における偏心の影響は、少なくとも二つのグループ位置から算出された各解像位置から決められる。この影響は、算定されたグループ位置から、より高精度で決まる。

回転角の正確な算定のために、本発明による装置は、光検出器を有する。その光検出器は、直列に配置された複数検出素子と、回転ボディとを有する。その回転ボディは、中心の周りに配置された複数のパターン要素を有し、その複数のパターン要素は、回転方向の列として配置される。回転ボディは、軸の周りに回転可能に、検出器に関連して位置する。パターン要素の少なくとも一部は、光ビームにより検出器上に少なくとも部分的に照射される。照射されたパターン要素の位置は、その検出器の検出素子により解像され得る。この装置では、パターン要素と検出素子とは、回転角を算定する時に、軸に対するパターン中心の偏心の影響が、少なくとものパターン要素の解像位置から自動的に算定でき、回転角は、列配置されたパターン要素の解像位置から正確に算定され、回転角の偏心の影響が考慮される。

回転角算定における偏心影響は、検出器により算定されて、軸周りの回転角は正確に算出されるので、本発明による装置は回転角を高解像度で測定し、非常に広い範囲で実現できて有利である。第一に、回転角の正確な算定用の簡明な経済的装置が実現できる。偏心影響が算定され、その影響を考慮して、回転角が、一つの解像域と一つ検出器により算出されるので、その装置の高精度と信頼性が達成される。更に、パターン要素の位置が解像されて、その二つの機能（偏心と回転角算定）に利用可能である。

更に、本発明の置換例、有利な展開例、又は更に別の展開例が、従属請求項に記載されている。

以下に、回転角を正確に計測するための、本発明による装置の実施例、及び、本発明による方法の実施例は、図面を参照して、例示として、より詳細に説明される。図面は、前述の実施例の一部を示している。

図１は、前述装置の一例として、回転角ｗを正確に算定する、本発明による装置の第一実施例を示す。経緯儀の二つの角度エンコーダが、この実施例に対応するように形成され得る。この実施例は回転ボディを有し、そのボディはこの例では、ディスク状のガラス円板３であり、又、光検出器を有し、その検出器は、全ての実施例でＣＣＤ（電荷結合素子）線アレー１の形状である。無論、この発明は、ＣＣＤ線アレーに関して、限定されるものではない。角度計測の精度は、例えば、対応するＣＭＯＳ（相補形金属酸化膜半導体）域アレー検出器により向上され得る。ＣＣＤ線アレー１とベアリング（図１に非図示）とは、基板１９に固定される。シャフト２０が、基板１９とＣＣＤ線アレー１に対して配置され、そのベアリングにより、軸ａの周りに回転可能になるようにする。この実施例では、軸ａ周りのシャフト２０の回転角ｗが、例えば、５秒の角度精度内で、ＣＣＤ線アレー１を使用して計測され得る。

ガラス円板３は環状パターン２２を具え、環状パターン２２は、回転方向でパターン中心４の周りに列をなす複数のパターン要素を有する。その全てのパターン要素はパターン中心４から等距離に離間している。パターン要素は矩形透明スリット５であり、ガラス円板に環状に配置された不透明パターン層１８内のリセスに組込まれている。ここで、透明スリット５は径方向に向いていて、互いに等間隔で配置されている。これにより、回転角ｗの増加分が計測できる。ガラス円板３は、例えば、接着材によりシャフト２０に固定される。ガラス円板を固定する時、軸ａとパターン中心４との間の距離、即ち、パターン中心４の軸ａに対する偏心ｅを無くすのは、実際には不可能である。例えば、直径が７０ｍｍのガラス円板を有する経緯儀の角度エンコーダの場合に、偏心値ｅは、典型的には数μｍの範囲である。解かり易くするために、偏心値ｅは、図では１０００倍以上の大きさで示している。図１に示すガラス円板の位置では、パターン中心４は、軸ａに対して、ＣＣＤ線アレー１が延びる方向にずれている。ガラス円板３のこの位置で、回転角ｗを算定する時に、偏心ｅの影響は最大となる。

光検出器は、複数の光感応性検出素子２を有し、例えば１０００個の検出素子であり、それらは位置解像域２１を形成する。各検出素子２は、例えば、１４μｍの１４倍の寸法である。本発明の更に他の展開例に従って、位置解像域２１は、環状パターン２２の照射部分を越えて、少なくとも片側に延びた寸法である。ＣＣＤ線アレー１では、検出素子２は、略回転方向に沿って直線に直列に配置され、線形位置解像域２１を形成し、位置解像域２１は径方向に垂直に延びている。

ここでは、光源（非図示）により、光ビームが図の面に垂直に、環状パターン２２の領域に放射される。放射されたビームは、不透明パターン層１８により吸収され、又は、透明スリット５を通過することができて、明暗領域としての環状パターン２２の一部が、複数透明スリット５を介して、ＣＣＤ線アレー１の位置解像域２１に照射される。検出素子２により、位置ｐが、照射された透明スリット５の明るい領域と、公知の方法で関係づけられる。ここで、解像された位置ｐは、位置解像域２１の左端と透明スリット５の明るい領域の重心との間の距離に対応する。しかし、暗い領域を基に、パターン要素の位置を知ることも可能である。

この発明に従って、解像された位置ｐは、良く知られた演算・推算ユニット（非図示）に送られて、偏心ｅの影響と引き続く回転角ｗの正確な算定を実施する。

以下に説明する図では、簡明のために、検出素子２を有する位置解像域２１と、この発明による装置の種々実施例の各パターン要素を有する各パターンの一部とだけが、各ケースについて図示している。

図２は、二つの部分図を示し、第一実施例に対応する装置であり、半回転における3個の異なった位置を示している。上側の部分図は、回転角ｗ’、ｗ’”の開始・終了位置の各々を示し、その角度は、０°と１８０°である。下側の部分図は、回転角ｗ”が略９０°の中間位置にある装置を図示している。回転角を正確に測る本発明による実施例は、例示として添付図を参照して説明される。これらの方法では、回転角を決めるときに、偏心ｅの影響が、回転方向に並んだパターン要素を利用して、演算により算定される。

その二つの図は、図１の直線の位置解像域２１を示し、３個の線パターン２３’、２３”、２３’”を示す。３個の線パターン２３’、２３”、２３’”は、各ケースにおいて、３つの位置の線パターン部分である。簡明のために単純化した延長した線パターンは、ここでは、１２個の線パターンからなり、それらは各ケースで等間隔に離間して、各ケースで３個だけが図示されている。

３個の線パターン２３’、２３”、２３’”の線パターンは、各パターン中心４’、４”、４’”から同じ距離だけ離れていて、回転方向に、各ケースで列として並んでいる。第一実施例では、３個のパターン中心４’、４”、４’”は、各々軸ａに対して偏心ｅを有する。

本発明による方法の第一実施例では、任意の回転角が、線パターン２３’、２３’”の各左、中央、右パターン要素の解像位置Ｐ１’、Ｐ１’”、Ｐ２、Ｐ３’、Ｐ３’”により、装置の幾何特性を考慮して、正確に算定される。これは、以下に記載する二つのステップにより実施される

第一ステップで、図２の上側の部分図に示すように、半回転の開始・終了位置の回転角ｗ’、ｗ’”は、位置ｐ２、ｐ１’と位置ｐ３’、ｐ２との間の二つの距離ｄ’と、位置ｐ２、ｐ１’”と位置ｐ３’”、ｐ２との間の二つの距離ｄ’”は、各ケースで、各々同一である。二つのパターン中心４’、４’”は平面ｎ内にあり、その平面ｎは位置解像域２１と垂直であり、軸ａは平面ｎ内にある。パターン中心４’は、位置解像域２１と軸aとの間にあり、一方、半回転後の終了位置では、軸ａが位置解像域２１とパターン中心４’”との間にある。従って、偏心ｅは回転角ｗ’の決定及び回転角ｗ’”の決定のいずれにも影響がない。終了位置では、線パターン２３’”は、位置解像域２１から垂直方向に、開始位置の線パターン２３’からずれている。

各中央パターン要素のｐ２は、平面ｎ内にあり、それ故、そのままであり、一方、各左右のパターン要素の場合には、位置ｐ１’、ｐ３’が位置ｐ１’”、 ｐ３’”に変化し、位置解像域２１に垂直ではない。

左及び／又は右パターン要素の位置ｐ１’、ｐ１’”及び／又はｐ３’、ｐ３’”を比較することにより、偏心ｅの大きさは、算定される。ここに示す幾何学的状況に基づいて、偏心ｅの大きさは、各位置ｐ１’、ｐ１’”に６０°正接値を乗じた値の差の１／２である。その６０°は、左パターン要素の半径方向の延長線と位置解像域２１との角度である。右パターン要素の場合も、ここでは同様であり、ｐ３’、ｐ３’”の間の差を考慮に加えて演算すると、偏心ｅに精度は向上する。更に別のパターン要素が位置解像域に照射された場合には、算定精度は更に、向上することは明らかである。

任意回転角における偏心ｅの影響は、基準角に対して任意回転角の正弦値に偏心ｅを乗じた値に比例することは明らかである。その基準角は、回転角の算定に影響がない位置である。開始位置と終了位置と偏心ｅの大きさが分かれば、任意回転角での偏心ｅの影響を算定することができる。

第二ステップでは、その算定された影響を考慮して、位置解像域２１上の基準位置ｐ０に対する、左・中央・右線形パターン要素の解像位置から、任意回転角が正確に算定される。基準位置ｐ０は、同様に平面ｎ内にあり、ｐ２と一致する。基準位置ｐ０に対して、照射パターン要素の解像位置を正確に求める場合に、検出素子の線形配置と、各中心４’、４’”の周りに列として並んだパターン要素の非線形配置により、解像位置が非線形に歪んでいる。この歪みについて、基準位置ｐ０に対して、自明な方法で、均等化演算がなされる。

本発明の方法の第二実施例では、例えば、各右パターン要素の解像位置について、上部分図（図２）に示す各左パターン要素の予め定めた位置ｐ１’”を解像してから、算定されて、その装置の幾何形状を考慮した均衡化計算によって、偏心ｅの大きさと、対応する基準角とが決められる。これら二つの算定値を使用して、偏心ｅの影響を考慮して、各回転角が正確に算定される。

本発明の方法の第三実施例では、回転角は、平面ｎの位置を知ることから始めて、次のように、正確に算定される。図２の下側部分図に見られるように、略９０°の中間位置の回転角ｗ”が選択されて、３個のパターン要素の中央位置ｐ２が基準位置ｐ０により解像されると、左右パターン要素の位置ｐ１”、ｐ３”は、各々、検出素子２により解像される。

列をなすパターン要素の幾何状況を基に、回転角ｗ”の算定における偏心ｅの影響は、ここでは、位置ｐ２、ｐ１”又は位置ｐ３”、ｐ２との間の距離ｄｌ、ｄｒの比から直接算定され得る。このように算定された偏心ｅの影響を考慮して、基準位置ｐ０に対して、解像位置ｐ１”、ｐ２、ｐ３”を基に、回転角ｗ”を正確に算定できる。平面ｎを把握して、この実施例の方法は、基準位置ｐ０の反対側にある中央パターン要素の位置の算定に使用され得る。又、位置解像領域で照射されるより細かいパターンである、別のパターン要素により、更に算定精度が向上できる。

図１の第一実施例による経緯儀の角度エンコーダに関しては、図２に対応する１／２回転の時は、パターン要素５の二つの解像位置ｐの間の差は、２μｍである。最左パターン要素５の延長線と位置解像域２１の延長線との角度は７５°の時には、軸ａに対するパターン中心４の偏心ｅは、４μｍ程の大きさである。位置解像域２１上の他のパターン要素５は、無論、偏心ｅの算定の精度を向上させるために付加的に使用できる。幾何形状により、各解像位置の間の差がより小さいと、各パターン要素の延長線方向と位置解像域２１の方向との角度は、９０°により近くなる。

図３は、第一実施例の、検出素子２を有する位置解像域２１と、スリット５を有する環状パターン２２の一部とを図示している。本発明による方法の第四実施例を、この図を参照して説明する。

回転角を決める時に、偏心の影響を算定するために、この方法では、第一ステップで、複数スリット５は、ここでは、左右のグループ１４、１５に統合され、各グループは約１０個のスリットを有する。第二ステップでは、各ケースで、中央グループ位置ｐ１４又はｐ１５は各々、互いに境界線がある二つのグループに属し、その計算において、検出素子２の線形配置と、パターン中心周りの列であるスリット５の非線形配置とが考慮される。第三ステップでは、回転角を算定する時に、偏心ｅの影響は、二つの解像グループ位置ｐ１４、ｐ１５から算出され得て、例えば、本発明による方法の第二実施例と同様である。回転角の算定は、前述のように、算定された偏心の影響を考慮して決められる。

しかし、例えば、グループの中央位置ではなく、グループの端の部分を使用することも考えられ、又、３個以上のグループ位置を算定することも考えられる。列をなすパターン要素をグループに分けて、各グループ位置を算出することは、それらの影響算定の精度を達成するのに有利である。

図４は、本発明による装置の第二実施例を示し、位置解像域２１以外は第一実施例と同一である。ここでは、検出素子２で形成された位置解像域２１は、第一実施例に比較して、図１の軸ａからより近くにある。

列として配置されたパターン要素のグループ１６、１７を正確に算定する方法の第四実施例が、図３と比較して、図４を参照して、説明される。

軸aからの距離が短いので、位置解像域２１のスリット５を有する環状パターン２２は、不透明パターン層１８の内側線１０と交叉する。複数スリット５が、位置解像域２１の二つの分けた部分に照射される。その二つの部分の間に、照射されない複数の検出素子２がある。それにより、離れている二つのグループ１６、１７が、照射されない列のパターン要素５により、両側に分けられる。

図３の第一実施例と比較して、図１の軸ａにより近くに位置する検出素子２によって、更に離れてスリット５のグループ位置ｐ１６、ｐ１７を解像することができる。これにより、回転角を算定する時に、偏心影響をより正確に算定できる。

図５は、本発明による装置の第三実施例を示し、環状不透明パターン層１８内のスリット５の配置以外は、第一実施例と同一である。先行する実施例とは相違して、パターン要素５は間隔が異なって配置されている。この配置は弦長を利用して、各ケースで、列をなす複数スリット５の間の距離により、回転角が、その装置の各位置で確実に対応が可能であり、従って、回転角を絶対的に計測できる。無論、他のコードの方法、例えば、スリット５の幅を変化させること等が考えられる。各スリット５の間の異なった距離が分っているので、検出素子２に関連して、複数スリット５の一つを絶対的に照射することにより、各回転角が計測できる。回転角の正確な算定のための、本発明による装置及び方法の実施例の全てにおいて、検出素子２に少なくとも部分的に関連するパターンは、原理的には、コード形である。

図６は、回転角ｗ’、ｗ”、ｗ’”の３箇所についての、図２の装置の二つの図を示し、線パターンは、パターン中心の周りに列をなす１２個のパターン要素を有し、ここではそのパターン要素とパターン中心に対して対称位置にあるパターン要素が配置されている。パターン中心に対して対称位置にあるパターン要素は、円上にある。３個の円弧８’、８”、８’”は、各ケースで、各位置で、円の部分である。円弧の半径ｒは、位置解像域２１が余弦の形でその円と交叉するように、選択される。その二つの図を基にして、回転角を正確に算定するための本発明による方法の置換実施例が、例として説明される。これらの方法では、先行する方法とは相違して、偏心ｅの影響は、対称パターン要素により、算定される。

本発明による方法の第五実施例では、任意回転角が以下のように正確に算定され、円弧８’、８”の解像位置ｐ４’、ｐ４’”、ｐ５’、ｐ５’”に関し、装置の幾何状況を使用している。

図６の上側図に見られるように、半回転の開始・終了位置の回転角ｗ’、ｗ’”が選択されて、位置ｐ４’、ｐ５’の間の弦長ｓ’が最大値であり、位置ｐ４’”、ｐ５’”の間の弦長ｓ’”が、最小値となるようにする。二つのパターン中心４’、４’”は、軸ａを含んで位置解像域２１に垂直な面ｎ内にある。ここで、偏心ｅは、回転角ｗ’の算定、回転角ｗ’”の算定のいずれにも影響がない。

二つの位置の円弧８’、８’”の弦長ｓ’、ｓ’”を比較することにより、偏心ｅの大きさが、既知の半径ｒとピタグラスの定理により算定できる。パターン中心に関して対称の位置解像域２１に対応する更に別のパターン要素を使用した、より複雑な例では、算定精度は更に向上する。

本発明による方法の第六実施例では、各ケースで、第二実施例と同様に、円の少なくとも一つの解像位置又は弦長が記録され、それは、全回転の複数回転角で、例えば６個又は１２個の回転角で実施される。その位置又は弦長と偏心ｅとの間の特別な関数関係にり、偏心ｅの大きさと回転角のための基準角とは、平均化計算により算定され、任意回転角が偏心ｅの影響を考慮して正確に算定できる。

本発明による方法の第七実施例では、任意回転角が、以下のように、位置解像域２１に関連する円の部分を基に、偏心ｅを考慮して正確に算定され得る。

約９０°の回転角ｗ”を有する中間位置で、図６の下側図に見られるように、検出素子２により、円弧８”の二つの位置ｐ４”、ｐ５”が解像される。二つの解像位置ｐ４”、ｐ５”の平均値を計算することにより、対応する基準位置ｐ０”が、列として並んだ線パターン要素の解像点ｐ１”、ｐ２、ｐ３”のために算定されて、回転角ｗ”が正確に算定される。

パターン中心４”は、平面ｍ内にあり、平面ｍは、位置解像域２１に垂直であり、基準位置ｐ０”もその平面ｍ内にあり、偏心ｅは回転角ｗ”の算定に影響がない。偏心ｅの大きさと対応する基準角は、この場合は、算定の必要がない。

図７は、図１に示す位置で、第一実施例の環状パターン２２と位置解像域２１とを図示している。ここでは図示していないが、パターン中心４は、位置解像域２１の延長方向に軸ａに対してずれている。この位置で、回転角を算定する時に、偏心ｅの影響は最大である。

これらの影響は、本発明の方法の第七実施例により、ここでは算定され、列をなすスリット５の解像位置ではなく、パターン中心に対して対称の円パターン要素の解像位置ｐ４、ｐ５により算定される。ここでは円パターン要素は、環状パターン２２の不透明パターン層１８の鋭く曲がった外側線９により提供される。

外側線９の二つの暗い位置ｐ４、ｐ５は、検出素子２により解像され、その時の基準位置ｐ０は平均値計算により算定される。ここでは、その基準位置ｐ０とパターン要素の中心（非図示）位置とは、解像域２１に垂直の平面ｍ内にあるので、偏心ｅの影響は、その瞬時の回転角を算定する時に、対応スリット５の解像位置については、その瞬時の基準位置ｐ０により既に考慮されている。従って、偏心ｅ又は対応する基準角を別に算定することは、もはや不必要である。これは、例えば、装置の機械的加重が時間の関数として変わり、偏心が時間の関数で変わる場合に、特に重要な事項である。

図８は、図４の第二実施例の環状パターン２２と位置解像域２１とを、図１に示す位置について、示す。そこでは、検出素子２を有する位置解像域２１は、第一実施例に比較して、軸からより近い距離にある。その結果、図７のように、外側線９の二つの位置ｐ４、ｐ５だけでなく、環状パターン２２の不透明パターン層１８の鋭く曲がった内側線１０のｐ６、ｐ７が、解像されて、偏心影響の算定に使用され得る。これにより、その影響算定精度は、向上する。

図９は、本発明による装置の第四実施例を示し、別のパターンであり、検出素子２を有する位置解像域２１は、第二実施例と比較して、軸（非図示）に更に近い距離にある。そのパターンは、第一に、パターン中心の周りに回転方向に配置された不透明バー６の形態のパターン要素を有し、第二に、パターン中心に対して対称であり不透明同心リング１１、１２、１３の形態のパターン要素を有する。そのリングのパターン要素は互いに離間している。

偏心ｅの大きさの算定は、異なった回転角で異なった位置にあるリング１１、１２、１３の余弦である弦長における変化を測定することにより、ここでは実施される。その弦長は、検出素子２により解像される。弦長ｓ１、ｓ２、ｓ３と偏心ｅとの間の特別な関数関係があるので、較正工程で、回転角の関数として、角弦長ｓ１、ｓ２、ｓ３を知ることにより、各回転角について、本発明による方法の第六実施例に従って、偏心ｅは算出される。

リング１１、１２、１３の各場合に、計測精度がより高ければ、パターン中心に対して対称のパターン要素の縁による余弦の距離はより小さくて良い。例えば、約３５ｍｍの半径を有する薄いリングと、そこから２．５ｍｍの離間距離にある位置解像域２１との場合には、弦長は、偏心１μｍに対して±５μｍの変化であり、０．１ｍｍの離間距離では、偏心１ｍｍ毎に±２６μｍの変化である。

図９に示すように、複数の余弦の弦長は、３個のリング１１、１２、１３により計測される。リング１１、１２、１３の二つの外側線と内側線とその余弦との交点は、弦長の算定に使用され得る。それ故、偏心ｅの大きさは、複数値を基にして算定される。無論、回転角を決める時に、偏心及び／又はその影響の算定において、この不透明バー６の場合に、回転方向に並んだパターン要素の解像位置からの情報を考慮にいれることがまた可能である。

図１０は、第五実施例を図示し、照射されるパターンであるバーパターン２４だけが、図４の第四実施例から相違している。ここで、バーパターン２４は、同様に、パターン中心周りに回転方向に等間隔で並んだ同一のパターン要素を有するが、それらは、不透明の径方向に向いたバー６の形である。バーパターン２４の一部が、光に感応する検出素子２上の明暗領域として、不透明バー６の間を通るビームにより照射される。

又、不透明バー６の外端と内端は、二つの同心離間線を形成し、これらの線はパターン中心に対して対称のパターン要素を提供する。検出素子２により、特に各バー６が位置解像域２１に入る又は出る位置ｐ４、ｐ５、ｐ６、ｐ７を解像することができる。このように解像された位置ｐ４、ｐ５、ｐ６、ｐ７を使用して、回転角を決める時の、偏心の影響が算定できる。

回転角を計測する時に、照射されたバー６は、明暗の移行点により解像でき、又は、そのバー間の空間が、バー６間の明るい部分により解像できる。

図１１は、第六実施例を図示し、パターンの形が異なることだけが、第一実施例から相違していて、特に、そのパターン要素は、パターン中心の径方向に向いていて、列として並んでいる。ここでは、パターンは、図１に示す透明ガラス円板３上に不透明三角形７により形成されている。しかし、軸の周りに回転可能の回転ボディは、例えば、薄い金属ディスクでも良く、その場合には、複数の三角形切欠を設けて、回転方向に並んだパターン要素を形成する。

パターン要素が三角形デザインであると、隣合うパターン要素の辺は、径方向に関して傾斜している。この径方向に対する付加傾斜により、位置解像域２１により偏心を算定する時に、感度が向上する。一つの三角形７の幅の解像により偏心偏心ｅを計測することも理論的には可能である。無論、三角形７間の距離から偏心を計測することもできる。パターン中心に向いたパターン要素のこの三角形状により、先行する実施例の矩形パターン要素に比較して、並んだパターン要素を少なくできて、より小型の解像装置が可能となる。

本発明の更に別の展開例では、少なくとも一つの径方向に配置された検出器が考えられる。この検出器の解像位置の付加的情報から、偏心以外の誤差源、例えば、軸の不平衡誤差が除かれ得る。勿論、偏心の影響も、この検出器の付加情報により、より正確に算定される。

本発明による装置の第一実施例を示す。 本発明による方法の実施例を説明するための、装置の二つの図である。 第一実施例のパターン要素と検出素子とを図示している。 第二実施例を図示し、検出素子は余弦形状のパターン要素と交叉している。 第三実施例を図示し、パターン要素は回転角を絶対的に計測できる。 本発明による方法の他実施例を説明するための、他装置の二つの図である。 第一実施例のパターン要素を示し、そのパターン要素はその中心に関して対称である。 第二実施例の二つのパターン要素を示し、そのパターン要素はその中心に関して対称である。 第四実施例を示し、不透明パターン要素を有し、その三個のパターン要素はその中心に関して対称である。 第五実施例を示し、不透明パターン要素を有する。 第六実施例を示し、三角形パターン要素を有する。

符号の説明

１ 光検出器（ＣＣＤ線アレー）
２ 検出素子
３ 回転ボディ（ガラス円板）
４、４’、４”、４’” パターン中心
５ パターン要素（スリット）
６ 不透明バー
７ 三角形
８’、８”、８’” 円弧
９ 外側線
１０ 内側線
１１、１２、１３ 不透明同心リング
１４、１５、１６、１７ パターン要素グループ
１８ 不透明パターン層
１９ 基板
２０ シャフト
２１ 位置解像域
２２ 環状パターン
２３’、２３”、２３’” 線パターン
２４ バーパターン
ａ 軸
ｅ 偏心（偏心値）
ｓ’、ｓ’” 弦長
ｗ、ｗ’、ｗ”、ｗ’” 回転角

Claims (26)

1. 光検出器（１）と回転ボディ（３）とにより回転角（ｗ）を正確に計測する方法であって、該光検出器（１）は直線の位置解像域（２１）を有する直列に配列された複数検出素子（２）を有し、該回転ボディ（３）はパターン中心（４）周りに回転方向の列として配置された複数パターン要素（５〜１３）を有し、該複数パターン要素（５〜１３）は総て、前記パターン中心（４）から等間隔に離間しており、かつ、径方向に配向され、かつ、相互に等間隔に配置されており、該回転ボディ（３）は軸（ａ）の周りに回転可能であり該光検出器（１）に関連づけられ、該方法は、
   少なくとも幾つかの該パターン要素（５〜１３）は、少なくとも部分的に該検出素子（２）上で、光ビームで照射され、
   照射された該パターン要素（５〜１３）の位置（ｐ）が、該光検出器（１）の該検出素子（２）により解像され、
   回転角を測定する時に、該軸（ａ）に対する該パターン中心（４）の偏心（ｅ）の影響が、少なくとも一つの該パターン要素（５〜１３）の、直線の位置解像域（２１）において解像された位置（ｐ）の間の距離に基づいて算定され、
   該算定された影響を考慮にいれて、該回転角（ｗ）が、列として配置された複数パターン要素（５、６、７）の解像位置（ｐ１、ｐ２、ｐ３）から正確に算定される、上記方法。
2. 列として配置された複数パターン要素（５）が少なくとも二つのグループ（１４〜１７）に統合され、
   該統合されたパターン要素（５）から少なくとも二つのグループ位置（ｐ１４〜ｐ１７）が算定され、
   回転角を測定する時に、前記偏心（ｅ）の影響が、該少なくとも二つのグループ位置（ｐ１４〜ｐ１７）から算定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも二つのグループ位置（１６、１７）は、該グループの間に配置されたパターン要素（５）により分けられた、請求項２に記載の方法。
4. 前記パターン要素の（８〜１３）の少なくとも二つは、前記パターン中心（４）に対して対称に形成されて、前記方法は、
   前記少なくとも二つの照射された対称パターン要素（８〜１３）の位置（ｐ４〜ｐ７）が解像され、
   回転角を測定する時に、前記偏心（ｅ）の影響が、前記少なくとも二つの照射された対称パターン要素（８〜１３）の解像位置（ｐ４〜ｐ７）から算定される、請求項１乃至３の何れかに記載の方法。
5. 前記パターン要素の（８〜１３）の少なくとも二つは円上にある、請求項４に記載の方法。
6. 光検出器（１）と回転ボディ（３）とにより回転角（ｗ）を正確に計測する方法であって、該光検出器（１）は直線の位置解像域（２１）を有する直列に配列された複数検出素子（２）を有し、該回転ボディ（３）はパターン中心（４）周りに回転方向の列として配置された複数パターン要素（５〜１３）を有し、該複数パターン要素（５〜１３）は総て、前記パターン中心（４）から等間隔に離間しており、かつ、径方向に配向され、かつ、相互に等間隔に配置されており、列として配置された前記複数パターン要素（７）の隣り合うパターン要素の相対する辺の線が、径方向の方に傾斜していて、該回転ボディ（３）は軸（ａ）の周りに回転可能であり該光検出器（１）に関連づけられ、該方法は、
   少なくとも幾つかの該パターン要素（５〜１３）は、少なくとも部分的に該検出素子（２）上で、光ビームで照射され、
   照射された前記複数パターン要素（７）の寸法が前記光検出器（１）の前記検出素子（２）により解像され、
   回転角を測定する時に、該軸（ａ）に対する該パターン中心（４）の偏心（ｅ）の影響が、前記複数パターン要素（７）の該解像寸法から算定され、
   該算定された影響を考慮にいれて、該回転角（ｗ）が、列として配置された複数パターン要素（５、６、７）の解像寸法から正確に算定される、上記方法。
7. 前記回転方向において列として配置された前記複数パターン要素（５）は、径方向を向いていて、略矩形スリットであり、
   少なくとも二つのグループ（１４〜１７）の照射されたパターン要素（５）により、少なくとも二つのグループ位置（ｐ１４〜ｐ１７）が算定され、該パターン要素は列として配置され、
   回転角を測定する時に、前記偏心（ｅ）の影響が、該少なくとも二つのグループ位置（ｐ１４〜ｐ１７）から算定され、
   前記少なくとも二つのグループ位置（１６、１７）は、前記グループの間に配置されたパターン要素（５）により分けられ、該パターン要素（５）は前記検出素子上で照射されない、請求項１に記載の方法。
8. 回転角（ｗ）を正確に計測する装置であって、
   直線の位置解像域（２１）を有する直列に配列された複数検出素子（２）を有する光検出器（１）を具備し、
   回転ボディ（３）を具備し、該回転ボディ（３）は、パターン中心（４）周りに回転方向の列として配置された複数パターン要素（５〜１３）を有し、該複数パターン要素（５〜１３）は総て、前記パターン中心（４）から等間隔に離間しており、かつ、径方向に配向され、かつ、相互に等間隔に配置されており、該回転ボディ（３）は軸（ａ）周りに回転可能であり該光検出器に関連づけられ、
   少なくとも幾つかの該パターン要素（５〜１３）が、少なくとも部分的に該検出素子（２）上で、光ビームにより照射され、
   照射された該パターン要素（５〜１３）の位置（ｐ）が、該光検出器（１）の該検出素子（２）により解像され、
   該検出素子（２）と該パターン要素（５〜１３）とが互いに関連して構成・配置され、
   回転角を測定する時に、該軸（ａ）に対するパターン中心（４）の偏心（ｅ）の影響が、少なくとも一つの該パターン要素（５〜１３）の、直線の位置解像域（２１）において解像された位置（ｐ）の間の距離に基づいて算定され、
   該算定された影響を考慮にいれて、該回転角（ｗ）が、列として配置された複数パターン要素（５、６、７）の解像位置（ｐ１、ｐ２、ｐ３）から正確に算定される、上記装置。
9. 前記回転方向において列として配置された前記複数パターン要素（５）は、径方向を向いていて、略矩形スリットである、請求項８に記載の装置。
10. 少なくとも二つのグループ（１４〜１７）の照射されたパターン要素（５）により、少なくとも二つのグループ位置（ｐ１４〜ｐ１７）が算定され、該パターン要素は列として配置され、
    回転角を測定する時に、前記偏心（ｅ）の影響が、該少なくとも二つのグループ位置（ｐ１４〜ｐ１７）から算定される、請求項９に記載の装置。
11. 前記少なくとも二つのグループ位置（１６、１７）は、前記グループの間に配置されたパターン要素（５）により分けられ、該パターン要素（５）は前記検出素子上で照射されない、請求項１０に記載の装置。
12. 列として配置された前記複数パターン要素（７）の隣り合うパターン要素の相対する辺の線が、径方向の方に傾斜していて、曲線の場合もある、請求項８に記載の装置。
13. 列として配置された前記パターン要素（７）が前記径方向に向いていて、前記パターン中心に向いている場合もあり、前記パターン要素は三角形又は台形である、請求項１２に記載の装置。
14. 前記パターン要素の（８〜１３）の少なくとも二つは、前記パターン中心（４）に対して対称に形成されて、前記方法は、
    前記少なくとも二つの照射された対称パターン要素（８〜１３）の位置（ｐ４〜ｐ７）が解像され、
    回転角を測定する時に、前記偏心（ｅ）の影響が、前記少なくとも二つの照射された対称パターン要素（８〜１３）の解像位置（ｐ４〜ｐ７）から算定される、請求項８乃至１３の何れかに記載の装置。
15. 前記パターン要素の（８〜１３）の少なくとも二つは円上にある、請求項１４に記載の装置。
16. 前記回転角が増分として又は絶対的に算定できるように、前記パターン要素（５、６、７）が構成され配置された、請求項８乃至１５の何れかに記載の装置。
17. 前記パターン要素（５）が透明切欠により形成され、不透明パターン層（１８）内に形成された、請求項８乃至１６の何れかに記載の装置。
18. 前記パターン要素（５）が、環状不透明パターン層（１８）内に形成された、請求項１７に記載の装置。
19. 前記回転ボディ（３）の光回折構造は前記パターン要素と調和した、請求項８乃至１６の何れかに記載の装置。
20. 前記回転ボディ（３）はディスク形状であり、ガラス、金属、又はプラスチック材により形成された、請求項８乃至１９の何れかに記載の装置。
21. 前記検出素子（２）は、単一の線に沿って、略前記回転方向に直列に配置された、請求項８乃至２０の何れかに記載の装置。
22. 前記検出素子（２）は、単一の直線に沿って配置された、請求項２１に記載の装置。
23. 少なくとも二つの照射されるパターン要素（８〜１３）が前記パターン中心に関して対称に形成され、該パターン要素が、直列に配列された前記検出素子（２）の単一線と交叉して、弦長を形成する、請求項１４に記載の装置。
24. 前記検出素子（２）がマトリックス行列形態に配置された請求項８乃至２０の何れかに記載の装置。
25. 前記検出素子（２）が、少なくとも一方向において、照射される前記パターン要素（５〜１３）より長く延設された、請求項８乃至２４の何れかに記載の装置。
26. 前記光検出器（１）は一つだけ設けられた請求項８乃至２４の何れかに記載の装置。

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