JP5656110B2 - 角度測定方法及び角度測定システム - Google Patents

Description

本発明は、回転体の回転角度を精密に測定することが求められる技術分野に好適に利用することができる角度測定方法及び角度測定システムに関する。

従来、工作機械等における回転体の角度割出精度を精密に測定するため、多面鏡とオートコリメータを用いる角度測定方法（以下「多面鏡方式」という）や、ハースカップリングとレーザ干渉計を用いる角度測定方法（以下「ハースカップリング方式」という）が行なわれていた。

多面鏡方式では、多面鏡を載せた被測定物の回転角と多面鏡の角度との差を高精度なオートコリメータで測定する。

ハースカップリング方式では、ハースカップリングが取付けられた被測定物を所定の目標角度変位で回転し、ハースカップリングの結合を外した後に目標角度変位の分だけハースカップリングを逆回転し、その逆角度変位とレーザ干渉計で測定された基準位置からの角度変位との合計を、被測定物の目標角度変位と比較する（特許文献１を参照）。

特表平０６−５０２７２７号公報

しかしながら、従来の角度測定技術では、測定に時間がかかる、測定精度の向上が困難である、という欠点があった。

多面鏡方式では、多面鏡の角度と被測定物の角度との位相角を種々変更して測定を繰り返すが、操作者の手作業によって角度を割出すため、測定者は緊張した測定作業を長時間連続して継続する必要がある。また、分解能が粗く、装置を長時間安定に保つ事が困難であるため、測定精度の向上にはどうしても限界があった。

ハースカップリング方式では、被測定物を目標角度変位で回転した後、その目標角度変位の分だけハースカップリングを逆回転してレーザ干渉計の反射鏡を元の位置に戻す首振動作が必要であるため、全体の測定時間が長くなる。また、角度測定の精度がハースカップリングの歯の分解能に依存するとともに、正回転及び逆回転の繰り返し時にハースカップリングの歯で伝達誤差が発生するので、測定精度向上には限界があった。

また、回転角度を検出するデバイスとしてロータリエンコーダが知られているが、被測定物にロータリエンコーダを取り付ける際に、被測定物の回転軸とロータリエンコーダの回転軸との偏心が生じ、その偏心に因り測定誤差が発生するという課題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、回転角度を高精度且つ短時間で測定することができる角度測定方法及び角度測定システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、本体部と前記本体部に対し回転自在な回転軸と前記回転軸に取り付けられたコード部と前記本体部に固定されて前記コード部のコードを読み取る読取部とを有するロータリエンコーダを用いる角度測定方法であって、回転駆動される被測定物の回転軸に前記ロータリエンコーダの回転軸を取り付けるとともに、前記被測定物の回転軸と前記ロータリエンコーダの回転軸との偏心を許容するように、前記ロータリエンコーダの回転軸に直交する面内における前記ロータリエンコーダの本体部の変位を一定の遊び範囲内に規制し、前記被測定物の回転軸に対する前記ロータリエンコーダの前記回転軸の偏心量を非接触で検出し、前記ロータリエンコーダの読取部の読み取ったコードに基づいて前記ロータリエンコーダの回転軸の回転角度を測定し、前記ロータリエンコーダを用いて測定された回転角度を、少なくとも前記検出された偏心量に基づいて、補正することを特徴とする角度測定方法を提供する。この構成により、ロータリエンコーダの測定値が非接触の測定値で補正されるので、従来の多面鏡方式やハースカップリング方式の角度測定技術と比較して、短時間且つ精度良く回転角度を測定することができる。また、被測定物の回転軸に対するロータリエンコーダの回転軸の偏心量の許容範囲をロータリエンコーダの仕様よりも大きくすることができるので、被測定物に対するロータリエンコーダの取り付けが大変容易になる。即ち、本発明により、ロータリエンコーダを用いて回転角度の測定を高精度且つ短時間で行なえるようになるので、工作機械等の生産能力アップに大きく貢献する。

本発明の一実施形態では、前記ロータリエンコーダの本体部の変位を前記一定の遊び範囲内で許容しつつ前記ロータリエンコーダの本体部を係止する治具を用いることを特徴とする。

本発明の一実施形態では、前記ロータリエンコーダの本体部に錘を取り付け、前記ロータリエンコーダの本体部を重力方向に付勢することを特徴とする。

また、本発明は、本体部と前記本体部に対し回転自在な回転軸と前記回転軸に取り付けられたコード部と前記本体部に固定されて前記コード部のコードを読み取る読取部とを有するロータリエンコーダを用いる角度測定方法であって、回転駆動される被測定物の回転軸に前記ロータリエンコーダの本体部を取り付けるとともに、前記被測定物の回転軸と前記ロータリエンコーダの回転軸との偏心を許容するように、前記ロータリエンコーダの回転軸に直交する面内における前記ロータリエンコーダの回転軸の変位を一定の遊び範囲内に規制し、前記被測定物の回転軸に対する前記ロータリエンコーダの回転軸の偏心量を非接触で検出し、前記ロータリエンコーダの読取部の読み取ったコードに基づいて前記ロータリエンコーダの本体部の回転角度を測定し、前記ロータリエンコーダを用いて測定された回転角度を、少なくとも前記検出された偏心量に基づいて、補正することを特徴とする角度測定方法を提供する。この構成により、ロータリエンコーダの測定値が非接触の測定値で補正されるので、従来の多面鏡方式やハースカップリング方式の角度測定技術と比較して、短時間且つ精度良く回転角度を測定することができる。また、被測定物の回転軸に対するロータリエンコーダの回転軸の偏心量の許容範囲をロータリエンコーダの仕様よりも大きくすることができるので、被測定物に対するロータリエンコーダの取り付けが大変容易になる。即ち、本発明により、ロータリエンコーダを用いて回転角度の測定を高精度且つ短時間で行なえるようになるので、工作機械等の生産能力アップに大きく貢献する。

本発明の一実施形態では、前記ロータリエンコーダの回転軸の変位を前記一定の遊び範囲内で許容しつつ前記ロータリエンコーダの回転軸を係止する治具を用いることを特徴とする。

本発明の一実施形態では、前記ロータリエンコーダの回転軸に錘を取り付け、前記ロータリエンコーダの回転軸を重力方向に付勢することを特徴とする。

また、本発明は、本体部と前記本体部に対し回転自在な回転軸と前記回転軸に取り付けられたコード部と前記本体部に固定されて前記コード部のコードを読み取る読取部とを有し、回転駆動される被測定物に前記回転軸が取り付けられるロータリエンコーダと、前記被測定物の回転軸と前記ロータリエンコーダの回転軸との偏心を許容するように、前記ロータリエンコーダの回転軸に直交する面内における前記ロータリエンコーダの本体部の変位を一定の遊び範囲内に規制する規制部材と、前記被測定物の回転軸に対する前記ロータリエンコーダの前記回転軸の偏心量を非接触で検出する非接触偏心量検出手段と、前記ロータリエンコーダの読取部が読み取ったコードに対応する回転角度を、少なくとも前記非接触偏心量検出手段で検出される前記偏心量に基づいて、補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする角度測定システムを提供する。

本発明の一実施形態では、前記規制部材は、前記ロータリエンコーダの本体部の変位を前記一定の遊び範囲内で許容しつつ前記ロータリエンコーダの本体部を係止する治具を含むことを特徴とする。

本発明の一実施形態では、前記規制部材は、前記ロータリエンコーダの本体部に取り付けられ、前記ロータリエンコーダの本体部を重力方向に付勢する錘を含むことを特徴とする。

また、本発明は、本体部と前記本体部に対し回転自在な回転軸と前記回転軸に取り付けられたコード部と前記本体部に固定されて前記コード部のコードを読み取る読取部とを有し、回転駆動される被測定物に前記本体部が取り付けられるロータリエンコーダと、前記被測定物の回転軸と前記ロータリエンコーダの回転軸との偏心を許容するように、前記ロータリエンコーダの回転軸に直交する面内における前記ロータリエンコーダの回転軸の変位を一定の遊び範囲内に規制する規制部材と、前記被測定物の回転軸に対する前記ロータリエンコーダの前記回転軸の偏心量を非接触で検出する非接触偏心量検出手段と、前記ロータリエンコーダの読取部が読み取ったコードに対応する回転角度を、少なくとも前記非接触偏心量検出手段で検出される前記偏心量に基づいて、補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする角度測定システムを提供する。

本発明の一実施形態では、前記規制部材は、前記ロータリエンコーダの回転軸の変位を前記一定の遊び範囲内で許容しつつ前記ロータリエンコーダの回転軸を係止する治具を含むことを特徴とする。

本発明の一実施形態では、前記規制部材は、前記ロータリエンコーダの回転軸に取り付けられ、前記ロータリエンコーダの回転軸を重力方向に付勢する錘を含むことを特徴とする。

本発明の一実施形態では、前記被測定物の回転軸の回転が停止したタイミングで回転角度を検出する静的測定、及び、前記被測定物の回転軸の回転中のタイミングで回転角度を検出する動的測定のうち少なくとも一方の測定を行なうことを特徴とする。

本発明によれば、従来技術と比較して回転角度を高精度且つ短時間で測定することができる。また、被測定物に対するロータリエンコーダの取り付けが大変容易になる。

第１実施形態における角度測定システムの一例の全体構成図 被測定物にロータリエンコーダの回転軸を取り付ける様子を示す側面図 非接触測位手段の干渉ユニットを配置した様子を示す側面図 被測定物の回転軸、ロータリエンコーダの回転軸及びエンコーダ本体の位置関係を示す説明図 （Ａ）はエンコーダの一例を示す平面図、（Ｂ）は測定開始時点のエンコーダを示す平面図、（Ｃ）は現実の回転角度θｒと偏心量Ｂと読取角度θαとの関係の説明に用いる平面図 エンコーダ本体の変位に相当するエンコーダ読取ヘッドの変位を示す平面図 錘によりエンコーダ本体の変位を規制する場合の一例を示す正面図 被測定物を水平方向に沿って配置した場合を示す側面図 第２実施形態における角度測定システムの一例の全体構成図 被測定物にエンコーダ本体を取り付ける様子を示す側面図 第３実施形態における角度測定システムの概略構成図 第３実施形態における角度測定システムの傾斜角度検出系の一例を示す構成図 非接触角度検出手段で検出する角度の説明に用いる説明図 第４実施形態における角度測定システムの傾斜角度検出系の一例を示す構成図

以下、添付図面に従って、本発明の実施形態について、詳細に説明する。

図１は、第１実施形態における角度測定システムの一例の全体構成図である。

図１に示す角度測定システム１００は、回転駆動される被測定物１の回転軸１ａの回転角度をロータリエンコーダ２を用いて測定する。ロータリエンコーダ２は、エンコーダ本体２ａと、エンコーダ本体２ａに対し回転自在な回転軸３とを含んで構成されている。

図２は、被測定物１の回転軸１ａにロータリエンコーダ２の回転軸３を取り付ける様子を示す側面図である。図３は、非接触測位手段２０の干渉ユニット４を配置した様子を示す側面図である。

図２に示すように、エンコーダ本体２ａの内側において、回転軸３に円盤状のエンコーダ１４（コード部）が取り付けられている。エンコーダ１４は、回転軸３を中心とした円周上に全周にわたり目盛（コード）が形成されている。エンコーダ１４は、インクリメンタル型でもアブソリュート型でもよい。また、エンコーダ１４の目盛を読み取るエンコーダ読取ヘッド１３（読取部）がエンコーダ本体２ａに固定されている。エンコーダ読取ヘッド１３は、エンコーダ１４の目盛の読み取りに応じて、パルス信号（回転角度信号）を出力する。即ち、エンコーダ本体２ａと回転軸３との相対的な回転角度の変化量に応じたパルス信号が、ロータリエンコーダ２で生成される。なお、エンコーダ本体２ａは、カップリング内蔵型であってもよい。

ロータリエンコーダ２の回転軸３は、ボールベアリングからなる軸受１５を介して、エンコーダ本体２ａに取り付けられている。本実施形態では、ロータリエンコーダ２の回転軸３を、被測定物１の回転軸１ａに、取り外し可能に取り付ける。取り付け後、回転軸３は、エンコーダ本体２ａに対し軸受１５を介して自由に回転できる状態にある。このため、被測定物１の回転軸１ａが回転しても、ロータリエンコーダ本体２ａに接続されているケーブル（図１の１６）が絡みつくことがない。

本例の回転軸３は、被測定物１の回転軸１ａに取り付けるための取付部３ａを有する。特別なアタッチメントを介して、被測定物１の回転軸１ａに取り付けてもよい。

エンコーダ本体２ａは、後述のように、被測定物１の回転軸１ａとロータリエンコーダ２の回転軸３との偏心を許容するように、回転軸３に直交する面（以下「直交面」と称する）内における動き（変位）が一定の遊び範囲内で許容された状態で配置される。被測定物１の軸振れは存在しても測定誤差にならないが、面振れは測定誤差になるので、目標測定精度に合わせて計算される規定値以内に抑える。

図１に示すように、非接触測位手段２０は、第１のコーナキューブプリズム７ａ、干渉ユニット４（偏光ビームスプリッタ６及び第２のコーナキューブプリズム７ｂ）、レーザ光源１０、位相差検出ヘッド１１、及びデータ処理装置１２を含んで構成されている。非接触測位手段２０は、エンコーダ本体２ａに固定された第１のコーナキューブプリズム７ａの変化した位置（即ちエンコーダ本体２ａの変位）を非接触で検出し、その検出された変位に基づいて、被測定物１の回転軸１ａに対するロータリエンコーダ２の回転軸３の偏心量を算出する。

図１に示したように、エンコーダ本体２ａの回転軸３に直交する直交面に第１のコーナキューブプリズム７ａ（反射素子）が設置される。干渉ユニット４（干渉光学系）は、第１のコーナキューブプリズム７ａに正対して配置される。干渉ユニット４は、偏光ビームスプリッタ６及び第２のコーナキューブプリズム７ｂを含んで構成されている。干渉ユニット４は、レーザ光源１０から発光されたレーザ光束を、第１のコーナキューブプリズム７ａに向かう第１のレーザ光束と、第２のコーナキューブプリズム７ｂに向かう第２のレーザ光束とに、分割する。第１のコーナキューブプリズム７ａで反射された第１のレーザ光束（第１の反射光束）、及び、第２のコーナキューブプリズム７ｂで反射された第２のレーザ光束（第２の反射光束）は、偏光ビームスプリッタ６に戻って来る。このように、干渉ユニット４は、光路長が異なる第１及び第２のレーザ光束を干渉させる。即ち、第１及び第２の反射光束の干渉縞が発生する。

偏光ビームスプリッタ６は、レーザ光源１０で発光されたレーザ光束のうち一部（第１のレーザ光束）が偏光ビームスプリッタ６を通過して第１のコーナキューブプリズム７ａの入射面に垂直に入射するように配置される。また、第２のコーナキューブプリズム７ｂは、第２のレーザ光束が基準長の光路で偏光ビームスプリッタ６に戻るように配置される。

位相差検出ヘッド１１（位相差検出手段）は、光路長の異なる第１の反射光束と第２の反射光束とからなる干渉光を受光して、第１及び第２のコーナキューブプリズム７ａ、７ｂの反射光束（第１及び第２の反射光束）の位相差を検出する。本例では、干渉縞をカウントすることにより、第１のレーザ光束の光路（図１の実線）と第２のレーザ光束の光路（図１の点線）との光路長差（位相差）を検出する。

レーザ光源１０は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザを使用する。波長安定化は行なわなくても、測定精度に大きな影響は与えない。レーザ光源１０と干渉ユニット４との間は、光ファイバで結合すると、取り付けが非常に容易になる。位相差検出ヘッド１１は、マイケルソン干渉計によるフリンジカウント方式でも、ヘテロダイン方式でも、かまわない。ヘテロダイン方式の場合、レーザ光源１０は直交偏光２周波の必要があり、例えばゼーマンレーザやＡＯＭ（音響光学素子）が使われる。

データ処理装置１２は、コンピュータ装置によって構成されている。コンピュータ装置は、メモリ等からなる記憶手段、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等からなる制御手段、表示手段、及びキーボード等からなる入力手段を含む。

被測定物１の回転軸１ａは、図示省略の駆動手段（例えばモータ）を用いて回転駆動される。

ロータリエンコーダ２から出力されたパルス信号（回転角度信号）は、ケーブル１６を介して回転角度検出部９に送られる。本例では、エンコーダ１４として、複数の原点コード付き（例えば１０度間隔）のインクリメンタル型エンコーダを用いており、エンコーダ読取ヘッド１３から、パルス信号と共に、位相（以下では「θｐ」とする）を取得するための原点信号が出力される。本例の回転角度検出部９は、パルス信号に基づいて測定開始時点からの回転角度（以下では「θｒ」とする）を検出するとともに、パルス信号及び原点信号に基づいて位相θｐ（「読取角度」ともいう）を検出し、θｒ及びθｐをデータ処理装置１２に送る。位相θｐは、エンコーダ読取ヘッド１３で読み取ったエンコーダ１４のコードの円周上における位置を角度で示す。

また、非接触測位手段２０の位相差検出ヘッド１１から出力された、第１のレーザ光束と第２のレーザ光束との位相差（光路長差）を示す位相差信号は、データ処理装置１２に送られる。データ処理装置１２は、非接触測位手段２０の一部（偏心量算出手段）を構成しており、位相差検出ヘッド１１から出力された光路差を示す位相差信号に基づいて、被測定物１の回転軸１ａに対するロータリエンコーダ２の回転軸３の偏心量（以下では「Ｂ」とする）を算出する。

データ処理装置１２は、ロータリエンコーダ２を用いて測定された回転角度θｒ（エンコーダ本体２ａと回転軸３との相対的な回転角度の測定値である）を、少なくとも偏心量Ｂに基づいて、補正する。

以下では、データ処理装置１２の制御手段により行なう補正処理例を説明する。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、被測定物１の回転軸１ａを回転した場合における被測定物１の回転軸１ａとロータリエンコーダ２との位置関係を示す説明図である。図４（Ａ）〜（Ｄ）では本発明の理解のために偏心量Ｂを大きく誇張して描いたが、実際には非接触測位手段２０で測定可能な程度に小さく規制されている（例えば１ｍｍ以下）。データ処理装置１２は、非接触測位手段２０により検出されたエンコーダ本体２ａの変位に基づいて、偏心量Ｂを算出する。なお、θｐ＝０度及び１８０度では、エンコーダ読取ヘッド１３の読取位置と回転軸３の中心３ｂとを結ぶ直線上に、回転中心０（被測定物１の回転軸１ａの中心）が存在する。

図５（Ａ）はエンコーダ１４の一例を示し、図５（Ｂ）はその測定開始時点の一例を示し、図５（Ｃ）は測定終了時点の一例を示す。本例では、図５（Ｂ）に示す測定開始時点では位相θｐ＝０である。図５（Ｃ）に示す測定終了時点では測定値θｒ＝θｐであり、その測定値θｒは、次式で表される。

［数１］
θｒ＝θｐ＝ｔａｎ^−１｛（Ａ／２×ｓｉｎθ）／（Ａ／２×ｃｏｓθ＋Ｂ）｝
数１にて、Ａはエンコーダ読取ヘッド１３によるエンコーダ１４の読取位置を示す円の直径、Ｂは非接触測位手段２０により測定された偏心量、θは被測定物１の回転軸１ａの回転角度である。

図６は、非接触測位手段２０により測定されるエンコーダ読取ヘッド１３の変位Ｌ（エンコーダ本体２ａの変位に相当する）を示す。偏心量Ｂは、図６の変位Ｌを用いて次式で表される。

［数２］
Ｂ＝Ｌ／ｓｉｎθ
偏心量Ｂは、図６に示したように、回転角度の測定開始から測定終了までにおける変位Ｌを、エンコーダ本体２ａの変位として非接触測位手段２０により測定し、その変位Ｌに基づいて数２により算出することが可能である。例えばθ＝θｐとして求める。

ただし、偏心量Ｂを精度良く検出するためには、例えば、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示したように、予め被測定物１の回転軸１ａを１周期（３６０度）以上回転させながら、非接触測位手段２０を用いてエンコーダ本体２ａ上の特定点の一直線方向における動きの振幅Ｗを非接触で検出し、その振幅Ｗを偏心量Ｂに変換することが、好ましい。

直径Ａは仕様から既知なので、回転角度の測定値θｒと実際の回転角度θとの対応関係は予め判っている。

偏心量Ｂに因る角度誤差Δθｒは、次式で示される。

［数３］
Δθｒ＝θｒ−θ
したがって、回転角度の測定値θｒを偏心量Ｂを用いて補正することで、Δθｒをゼロに設定する。前述の数１をθについて解けばよい。

ただし、図５を用いて位相θｐ＝０で測定開始した場合を説明したが、位相θｐ≠０で測定開始することも可能である。この場合、データ処理装置１２は、非接触測位手段２０から出力される偏心量Ｂと、回転角度検出部９から出力される位相θｐとを用いて、測定値θｒを補正する。

回転角度測定は、被測定物１の回転軸１ａの回転が停止したタイミングで回転角度を検出する静的（スタティック）測定でも、被測定物１の回転軸１ａの回転中のタイミングで回転角度を検出する動的（ダイナミック）測定でもよい。静的測定では、例えば回転開始時点が回転角度測定開始時点となる。動的測定では、回転中の任意のタイミングを回転角度測定開始時点とすることができる。

次に、規制部材の、具体例について、説明する。

図１に示した例では、回り止め治具８により、エンコーダ本体２ａの動きを規制している。回り止め治具８は、エンコーダ本体２ａに延設された棒２ｂを係止爪８ａ、８ｂにより係止する。二つの係止爪８ａ、８ｂの空隙の幅は、偏心量の許容範囲に対応する。これにより、エンコーダ本体２ａの動きが少なくとも非接触角度検出手段４０の測定可能範囲内に規制される。

なお、軸受１５の性能が優れ、被測定物１の回転に合わせエンコーダ本体２ａが回転しない場合には、回り止め治具８を省略してもよい。即ち、軸受１５の性能に依っては、軸受１５自体を、エンコーダ本体２ａの動きを規制する規制部材として機能させることも可能である。

図７は、錘１７によりエンコーダ本体２ａの動きを規制する場合を示す正面図である。図７に示すように、錘１７は、エンコーダ本体２ａに取り付けられ、重力方向に下げられる。この錘１７により、エンコーダ本体２ａは、重力方向に付勢され、動きが一定の遊び範囲内に規制される。

なお、図１に回り止め治具８を用いた場合を示し、図７に錘１７を用いた場合を示したが、これら両方を規制部材として用いてもよい。他の規制部材（例えば磁力により動きを規制する磁性体）を用いてもよい。

図８は、被測定物１を水平方向に沿って配置した場合を示す側面図である。

また、回り止め治具８が弱い磁力を帯びていると、エンコーダ本体２ａの位置が定まり易くなり、測定し易い、特に、図８の水平配置の場合には有効である。

第１実施形態では、回転駆動される被測定物１の回転軸１ａにロータリエンコーダ２の回転軸３を取り付けるとともに、被測定物１の回転軸１ａとロータリエンコーダ２の回転軸３との偏心を許容するように、ロータリエンコーダ２の回転軸３に直交する面内におけるエンコーダ本体２ａの変位を一定の遊び範囲内に規制し、被測定物１の回転軸１ａに対するロータリエンコーダ２の回転軸３の偏心量Ｂを非接触で検出し、ロータリエンコーダ２のエンコーダ読取ヘッド１３の読み取ったコードに基づいてロータリエンコーダ２の回転軸３の回転角度を測定し、ロータリエンコーダ２を用いて測定された回転角度θｒを、少なくとも偏心量Ｂに基づいて、補正する。

この構成により、ロータリエンコーダ２の測定値が偏心量の測定値Ｂで補正されるので、従来の多面鏡方式やハースカップリング方式の角度測定技術と比較して、短時間且つ精度良く回転角度を測定することができる。また、被測定物１の回転軸１ａに対するロータリエンコーダ２の回転軸３の偏心量の許容範囲をロータリエンコーダ２の仕様よりも大きくすることができるので、被測定物１に対するロータリエンコーダ２の取り付けが大変容易になる。即ち、本発明により、ロータリエンコーダ２を用いて回転角度の測定を高精度且つ短時間で行なえるようになるので、工作機械等の生産能力アップに大きく貢献する。

＜第２実施形態＞
図９は、第２実施形態における角度測定システム２００の一例の全体構成図である。図９にて、図１〜３に示した第１実施形態と同じ構成要素には、同じ符号を付した。以下では、第１実施形態で説明した内容については説明を省略し、主として第１実施形態と異なる点を説明する。

第１実施形態では図２に示したように被測定物１の回転軸１ａにロータリエンコーダ２の回転軸３を取り付けたのに対し、第２実施形態では図１０に示すように被測定物１の回転軸１ａにエンコーダ本体２ａを取り付ける。

図１０において、取付アタッチメント１８は、被測定物１の回転軸１ａにエンコーダ本体２ａを取り付けるための介装部材であり、ロータリエンコーダ２の回転軸３が被測定物１の回転軸１ａの回転の影響をあまり受けないようにロータリエンコーダ２の回転軸３を保護する。

本実施形態における回り止め治具８は、ロータリエンコーダ２の回転軸３に直交する直交面内におけるロータリエンコーダ２の回転軸３の動き（変位）を一定の遊び範囲内で許容しつつ、ロータリエンコーダ２の回転軸３を係止する。ロータリエンコーダ２の回転軸３に錘を取り付けて、回転軸３を重力方向に付勢してもよい。

本実施形態における第１のコーナキューブプリズム７ａは、ロータリエンコーダ２の回転軸３に取り付けられる。第１実施形態と同様、第１のコーナキューブプリズム７ａは、干渉ユニット４と正対させて配置される。干渉ユニット４及び位相差検出ヘッド１１を用いて、ロータリエンコーダ２の回転軸３の変位が非接触で検出される。

本実施形態では、第１実施形態と異なり、回転軸３にエンコーダ本体２ａの荷重が掛からず、比較的軽量なコーナキューブプリズム７ａの荷重で済むので、回転軸３及び軸受１５が小型で済み、軽量化が図れる。よって、被測定物１の回転軸１ａの可搭載重量に依っては、こちらの方式が向いている。反面、エンコーダ本体２ａに接続されたケーブルが、エンコーダ本体２ａの回転に伴いロータリエンコーダ２に巻き付かないように注意を要する。

第２実施形態では、回転駆動される被測定物１の回転軸１ａにエンコーダ本体２ａを取り付けるとともに、被測定物１の回転軸１ａとロータリエンコーダ２の回転軸３との偏心を許容するように、ロータリエンコーダ２の回転軸３に直交する面内におけるロータリエンコーダ２の回転軸３の動き（変位）を一定の遊び範囲内に規制し、被測定物１の回転軸１ａに対するロータリエンコーダ２の回転軸３の偏心量Ｂを非接触で検出し、ロータリエンコーダ２のエンコーダ読取ヘッド１３の読み取ったコードに基づいてエンコーダ本体２ａの回転角度θｒを測定し、測定された回転角度θｒを、少なくとも偏心量Ｂに基づいて、補正する。これにより、第１実施形態と同様な効果を得られる。

＜第３実施形態＞
図１１に示すように、第３実施形態に係る角度測定システム３００は、非接触測位手段２０及び非接触角度検出手段４０を含んで構成されている。図１１にて、回転角度補正手段５０は、ロータリエンコーダ２を用いて測定した回転角度θｒを、非接触測位手段２０により検出した偏心量Ｂ、及び、非接触角度検出手段４０で検出された傾斜角度（以下「θ２」とする）に基づいて、補正する。ロータリエンコーダ２、回転角度検出部９、及び非接触測位手段２０は、第１実施形態にて説明したものと同じであり、説明を省略する。回転角度補正手段５０は、図１に示したデータ処理装置１２によって構成されている。

図１２は、主として非接触角度検出手段４０を示す全体構成図であり、図示の便宜上、図１に示した非接触測位手段２０を省略してある。なお、図１１及び図１２にて、図１〜３に示した第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付した。以下では、第１実施形態で説明した内容については説明を省略し、主として第１実施形態と異なる点を説明する。

非接触角度検出手段４０は、レーザ光源１０、位相差検出ヘッド１１、干渉ユニット３４（直角プリズム３５及び偏光ビームスプリッタ３６）、一対のコーナキューブプリズム３７（３７ａ、３７ｂ）、及びデータ処理装置１２を含んで構成されている。非接触角度検出手段４０は、ロータリエンコーダ２を用いた回転軸３の回転角度測定開始時点からのエンコーダ本体２ａの変化した傾斜角度を、非接触で検出する。

図１２に示すように、エンコーダ本体２ａの直交面（回転軸３に直交する面である）に一対のコーナキューブプリズム３７ａ、３７ｂ（反射素子）が設置される。干渉ユニット３４（干渉光学系）は、一対のコーナキューブプリズム３７ａ、３７ｂに正対して配置される。

干渉ユニット３４は、図１２に示したように、直角プリズム３５及び偏光ビームスプリッタ３６を含んで構成されている。干渉ユニット３４は、レーザ光源３０から発光されたレーザ光束を、非接触角度検出手段４０の第１のコーナキューブプリズム３７ａに向かう第１のレーザ光束と、第２のコーナキューブプリズム３７ｂに向かう第２のレーザ光束とに、分割する。偏光ビームスプリッタ３６を透過した第１のレーザ光束は、第１のコーナキューブプリズム３７ａで反射されて、偏光ビームスプリッタ３６に戻って来る。偏光ビームスプリッタ３６で直角に反射した第２のレーザ光束は、直角プリズム３５を介して、第２のコーナキューブプリズム３７ｂで反射され、再び直角プリズム３５で直角に反射して、偏光ビームスプリッタ３６に戻って来る。即ち、干渉ユニット３４は、互いに平行な第１及び第２のレーザ光束をそれぞれ第１及び第２のコーナキューブプリズム３７ａ、３７ｂに入射させて、第１及び第２のコーナキューブプリズム３７ａ、３７ｂで反射されて再帰する第１及び第２の反射光束を干渉させる。したがって、干渉ユニット３４により、光路長が異なる第１及び第２の反射光束の干渉縞が発生する。

位相差検出ヘッド１１（位相差検出手段）は、光路長の異なる第１の反射光束と第２の反射光束とからなる干渉光を受光して、第１及び第２のコーナキューブプリズム３７ａ、３７ｂの反射光束（第１及び第２の反射光束）の位相差を検出する。本例では、干渉縞をカウントすることにより、第１のレーザ光束の光路（図１２の実線）と第２のレーザ光束の光路（図１２の点線）との光路長差（位相差）を検出する。

なお、干渉ユニット３４とコーナキューブプリズム３７ａ、３７ｂとが正対している場合、コーナキューブプリズム３７ａ、３７ｂはレーザ光束に対し直交方向全てについて概ね１ｍｍ前後動いても、位相差検出ヘッド１１で測定される干渉信号の振幅低下を許容範囲内にすることが可能である。この位置ズレ量の許容範囲は、レーザ光源３０のビーム径や、位相差検出ヘッド１１等の性能に左右される。このようなコーナキューブプリズム３７ａ、３７ｂの位置ズレ量の許容範囲は、回転軸１ａ、３間の偏心量の許容範囲になるので、ロータリエンコーダ２の取り付けが大変容易になる。

傾斜角度検出系のレーザ光源１０は、図１に示したレーザ光源１０を用いればよい。二つのレーザ光源を設けてもよい。

位相差検出ヘッド３１から出力された、第１のレーザ光束と第２のレーザ光束との位相差（光路長差）を示す位相差信号は、データ処理装置１２に送られる。データ処理装置１２は、非接触角度検出手段４０の一部（傾斜角度算出手段）を構成しており、位相差検出ヘッド１１から出力された位相差信号と、第１のコーナキューブプリズム３７ａの頂点と第２のコーナキューブプリズム３７ｂの頂点との位置の差（間隔）とに基づいて、三角関数を用い、図１３に示すように第１のコーナキューブプリズム７ａの頂点７０ａと第２のコーナキューブプリズム７ｂの頂点７０ｂとを結ぶ直線７０の傾斜角度（θ２）を算出する。ロータリエンコーダ２及び回転角度検出部９によるθ１よりも非接触角度検出手段４０によるθ２の方が分解能が高い（分解ピッチが小さい）。

また、データ処理装置１２は、θｒ（エンコーダ本体２ａと回転軸３との相対的な回転角度である）を、少なくとも偏心量Ｂ及びθ２（ロータリエンコーダ２のうち動きを規制された部分の傾斜角度である）に基づいて、補正する。即ち、ロータリエンコーダ２を用いて測定されたθｒを、図１の非接触測位手段２０により検出された偏心量Ｂと、コーナキューブプリズム７ａ、７ｂの対応点間を結ぶ直線の傾斜角度θ２に基づいて補正する。

測定点での静的測定に際し、目標とする測定精度より十分に小さい程度に、ロータリエンコーダ２及び非接触角度検出手段４０の測定値のバラつきが収まることが求められる。角度割出精度測定の実施にあたっては、静的測定で行なわれることが多く、その場合、被測定物１の回転及び停止を一定の角度毎に繰り返して測定していく。測定値取り込みにおいては、各測定値が目標測定精度に対し、十分に安定しているものとする。被測定物１の回転速度は、特に、ロータリエンコーダ２及び非接触角度検出手段４０の性能に依存し、一般的に、高速回転で測定可能である。測定分解能も同様で、一般的に、多面鏡とオートコリメータを用いる方式（多面鏡方式）や、ハースカップリングとレーザ干渉計を用いる方式（ハースカップリング方式）等よりも、優れている。

以上のように、第３実施形態における角度測定方法では、回転駆動される被測定物１の回転軸１ａにロータリエンコーダ２の回転軸３を取り付けるとともに、被測定物１の回転軸１ａとロータリエンコーダ２の回転軸３との偏心を許容するように、ロータリエンコーダ２の回転軸３に直交する直交面内におけるロータリエンコーダ本体２ａの動き（変位）を一定の遊び範囲内に規制し、エンコーダ読取ヘッド１３の読み取ったコードに基づいてロータリエンコーダ２の回転軸３の回転角度θｒを検出（測定）するとともに、非接触角度検出手段４０によりロータリエンコーダ２の回転軸３の回転角度測定開始時点からのエンコーダ本体２ａの変化した傾斜角度θ２を検出し、θｒをθ２にも基づいて補正する。

この構成により、回転角度を短時間且つ精度良く測定することができる。即ち、第１に、ロータリエンコーダ２を用いて角度測定を行なうことで、従来の多面鏡方式で必要であった操作者の手作業を省略でき、またハースカップリング方式のような逆回転を伴う首振り動作を省略できるので、高精度の測定が可能になるだけでなく、全体の測定時間を短縮できる。第２に、ロータリエンコーダ２の測定値を非接触角度検出手段４０の測定値で補正するので、測定精度を更に向上させることが可能となる。第３に、被測定物１の回転軸１ａに対するロータリエンコーダ２の回転軸３の偏心量の許容範囲をロータリエンコーダ２自体の仕様よりも大きくとることが可能になるので、被測定物１に対するロータリエンコーダ２の取り付けが大変容易になり短時間で済む。例えば、非接触角度検出手段４０を併用しなかった場合には１００μｍ前後の取付精度が必要であったが、レーザ干渉測長方式の非接触測位手段２０を併用した場合には１ｍｍ前後の取付精度とすることができ、これに応じて偏心量の許容範囲が広くなった。

＜第４実施形態＞
第４実施形態における角度測定システムの概要は、図１１に示した第３実施形態における角度測定システム３００と同様である。

図１４は、第４実施形態における非接触角度検出手段４０を示す全体構成図である。

第３実施形態では被測定物１の回転軸１ａにロータリエンコーダ２の回転軸３を取り付けたのに対し、第４実施形態では被測定物１の回転軸１ａにエンコーダ本体２ａを取り付ける。回り止め治具８は、第２実施形態と同様である。

第４実施形態における角度測定方法では、回転駆動される被測定物１の回転軸１ａにエンコーダ本体２ａを取り付けるとともに、被測定物１の回転軸１ａとロータリエンコーダ２の回転軸３との偏心を許容するように、ロータリエンコーダ２の回転軸３に直交する直交面内におけるロータリエンコーダ２の回転軸３の動き（変位）を一定の遊び範囲内に規制し、エンコーダ読取ヘッド１３の読み取ったコードに基づいてエンコーダ本体２ａの回転角度θｒを検出（測定）するとともに、非接触角度検出手段４０によりエンコーダ本体２aの回転角度測定開始時点からの回転軸３の変化した傾斜角度θ２を検出し、θｒを偏心量Ｂ及びθ２に基づいて補正する。

なお、前述の第１〜第４実施形態では、ロータリエンコーダとして光学式のロータリエンコーダを用いた場合を例に説明したが、磁気式等の他のロータリエンコーダを用いてもよいことは、言うまでもない。

また、前述の第１〜第４実施形態では、非接触測位手段及び非接触角度検出手段として、いわゆるレーザ干渉測長器を用いた場合を例に説明したが、非接触で高精度に角度測定が可能な検出手段であれば、他のものを使用できる。例えば、オートコリメータや水準器などを用いてもよい。

回転角度の測定は、動的測定でもよい。本発明に係る角度測定方法及び角度測定システムでは、被測定物１の回転軸１ａの回転が停止したタイミングで回転角度を検出する静的測定、及び、被測定物１の回転軸１ａの回転中のタイミングで回転角度を検出する動的測定のうち少なくとも一方の測定を行なう。動的測定では、ロータリエンコーダ２と共に使用する非接触測位手段２０の出力のリアルタイム性が必要である。

また、本発明を簡略に説明するために、回転角度θｒを偏心量Ｂや傾斜角度θ２を用いて補正する場合を例に説明したが、他の測定値にも基づいて補正してもよいことは言うまでもない。即ち、本発明では、少なくとも偏心量Ｂに基づいて、回転角度θｒを補正する構成である。第１、第２実施形態にて説明したように角度誤差Δθｒの位相θｐにも基づいて補正することが、好ましい。また、第３、第４実施形態にて説明したように傾斜角度θ２にも基づいて補正することが、好ましい。

また、被測定物は、図に示した形状には限定されない。例えば、円盤状でもよい。また、ロータリエンコーダ２の取付対象である被測定物の回転軸は、特別に形成された軸形状のものである必要はなく、例えば被測定物の回転中心を被測定物の回転軸とし、これにロータリエンコーダを取り付ければよい。

本発明は、本明細書において説明した例や図面に図示された例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の設計変更や改良を行なってよいのはもちろんである。

１…被測定物、１ａ…被測定物の回転軸、２…ロータリエンコーダ、２ａ…エンコーダ本体、３…ロータリエンコーダの回転軸、４…干渉ユニット、６、３６…偏光ビームスプリッタ、７（７ａ、７ｂ）、３７（３７ａ、３７ｂ）…コーナキューブプリズム（反射素子）、８…回り止め治具、９…回転角度検出部、１０…レーザ光源、１１…位相差検出ヘッド、１２…データ処理装置、１３…エンコーダ読取ヘッド（読取部）、１４…エンコーダ（コード部）、１５…軸受、１７…錘、１８…取付アタッチメント、２０…非接触測位手段、３５…直角プリズム、４０…非接触角度検出手段、５０…回転角度補正手段

Claims (15)

1. 本体部と前記本体部に対し回転自在な回転軸と前記回転軸に取り付けられたコード部と前記本体部に固定されて前記コード部のコードを読み取る読取部とを有するロータリエンコーダを用いる角度測定方法であって、
   回転駆動される被測定物の回転軸に前記ロータリエンコーダの回転軸を取り付けるとともに、前記被測定物の回転軸と前記ロータリエンコーダの回転軸との偏心を許容するように、前記ロータリエンコーダの回転軸に直交する面内における前記ロータリエンコーダの本体部の変位を、規制部材により一定の遊び範囲内に規制し、
   前記被測定物の回転軸に対する前記ロータリエンコーダの前記回転軸の偏心量を非接触で検出し、
   前記ロータリエンコーダの読取部の読み取ったコードに基づいて前記ロータリエンコーダの回転軸の回転角度を測定し、
   前記ロータリエンコーダを用いて測定された回転角度を、少なくとも前記検出された偏心量に基づいて、補正することを特徴とする角度測定方法。
2. 前記規制部材として、前記ロータリエンコーダの本体部の変位を前記一定の遊び範囲内で許容しつつ前記ロータリエンコーダの本体部を係止する治具を用いることを特徴とする請求項１に記載の角度測定方法。
3. 前記規制部材として前記ロータリエンコーダの本体部に錘を取り付け、前記ロータリエンコーダの本体部を重力方向に付勢することを特徴とする請求項１または２に記載の角度測定方法。
4. 本体部と前記本体部に対し回転自在な回転軸と前記回転軸に取り付けられたコード部と前記本体部に固定されて前記コード部のコードを読み取る読取部とを有するロータリエンコーダを用いる角度測定方法であって、
   回転駆動される被測定物の回転軸に前記ロータリエンコーダの本体部を取り付けるとともに、前記被測定物の回転軸と前記ロータリエンコーダの回転軸との偏心を許容するように、前記ロータリエンコーダの回転軸に直交する面内における前記ロータリエンコーダの回転軸の変位を、規制部材により一定の遊び範囲内に規制し、
   前記被測定物の回転軸に対する前記ロータリエンコーダの回転軸の偏心量を非接触で検出し、
   前記ロータリエンコーダの読取部の読み取ったコードに基づいて前記ロータリエンコーダの本体部の回転角度を測定し、
   前記ロータリエンコーダを用いて測定された回転角度を、少なくとも前記検出された偏心量に基づいて、補正することを特徴とする角度測定方法。
5. 前記規制部材として、前記ロータリエンコーダの回転軸の変位を前記一定の遊び範囲内で許容しつつ前記ロータリエンコーダの回転軸を係止する治具を用いることを特徴とする請求項４に記載の角度測定方法。
6. 前記規制部材として前記ロータリエンコーダの回転軸に錘を取り付け、前記ロータリエンコーダの回転軸を重力方向に付勢することを特徴とする請求項４または５に記載の角度測定方法。
7. 前記被測定物の回転軸の回転が停止したタイミングで回転角度を検出する静的測定、及び、前記被測定物の回転軸の回転中のタイミングで回転角度を検出する動的測定のうち少なくとも一方の測定を行なうことを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項に記載の角度測定方法。
8. 本体部と前記本体部に対し回転自在な回転軸と前記回転軸に取り付けられたコード部と前記本体部に固定されて前記コード部のコードを読み取る読取部とを有し、回転駆動される被測定物に前記回転軸が取り付けられるロータリエンコーダと、
   前記被測定物の回転軸と前記ロータリエンコーダの回転軸との偏心を許容するように、前記ロータリエンコーダの回転軸に直交する面内における前記ロータリエンコーダの本体部の変位を一定の遊び範囲内に規制する規制部材と、
   前記被測定物の回転軸に対する前記ロータリエンコーダの前記回転軸の偏心量を非接触で検出する非接触偏心量検出手段と、
   前記ロータリエンコーダの読取部が読み取ったコードに対応する回転角度を、少なくとも前記非接触偏心量検出手段で検出される前記偏心量に基づいて、補正する補正手段と、
   を備えたことを特徴とする角度測定システム。
9. 前記規制部材は、前記ロータリエンコーダの本体部の変位を前記一定の遊び範囲内で許容しつつ前記ロータリエンコーダの本体部を係止する治具を含むことを特徴とする請求項８に記載の角度測定システム。
10. 前記規制部材は、前記ロータリエンコーダの本体部に取り付けられ、前記ロータリエンコーダの本体部を重力方向に付勢する錘を含むことを特徴とする請求項８または９に記載の角度測定システム。
11. 本体部と前記本体部に対し回転自在な回転軸と前記回転軸に取り付けられたコード部と前記本体部に固定されて前記コード部のコードを読み取る読取部とを有し、回転駆動される被測定物に前記本体部が取り付けられるロータリエンコーダと、
    前記被測定物の回転軸と前記ロータリエンコーダの回転軸との偏心を許容するように、前記ロータリエンコーダの回転軸に直交する面内における前記ロータリエンコーダの回転軸の変位を一定の遊び範囲内に規制する規制部材と、
    前記被測定物の回転軸に対する前記ロータリエンコーダの前記回転軸の偏心量を非接触で検出する非接触偏心量検出手段と、
    前記ロータリエンコーダの読取部が読み取ったコードに対応する回転角度を、少なくとも前記非接触偏心量検出手段で検出される前記偏心量に基づいて、補正する補正手段と、
    を備えたことを特徴とする角度測定システム。
12. 前記規制部材は、前記ロータリエンコーダの回転軸の変位を前記一定の遊び範囲内で許容しつつ前記ロータリエンコーダの回転軸を係止する治具を含むことを特徴とする請求項１１に記載の角度測定システム。
13. 前記規制部材は、前記ロータリエンコーダの回転軸に取り付けられ、前記ロータリエンコーダの回転軸を重力方向に付勢する錘を含むことを特徴とする請求項１１または１２に記載の角度測定システム。
14. 前記非接触偏心量検出手段は、
    前記ロータリエンコーダのうち前記規制部材により規制された部分の前記回転軸に直交する面に設置される反射素子と、
    レーザ光源と、
    前記レーザ光源から発光された光束を前記反射素子に向かう第１の光束と第２の光束とに分割し、前記反射素子で反射された第１の光束と基準の光路長の前記第２の光束とを干渉させる干渉光学系と、
    前記干渉光学系により干渉した前記第１の光束と前記第２の光束との位相差を検出する位相差検出手段と、
    前記位相差検出手段で検出される前記第１の光束と前記第２の光束との位相差に基づいて、前記偏心量を算出する算出手段と、
    を有することを特徴とする請求項８から１３のうちいずれか１項に記載の角度測定システム。
15. 前記被測定物の回転軸の回転が停止したタイミングで回転角度を検出する静的測定、及び、前記被測定物の回転軸の回転中のタイミングで回転角度を検出する動的測定のうち少なくとも一方の測定を行なうことを特徴とする請求項８から１４のうちいずれか１項に記載の角度測定システム。
    

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