角度測定方法及び角度測定システム
【課題】回転角度を高精度且つ短時間で測定すること。
【解決手段】回転が一定範囲とされた支持基準体であるエンコーダ本体２ａと、エンコーダ本体２ａに対し全周回転自在に軸支された駆動する回転体である回転軸３とを有し、エンコーダ本体２ａに対する回転軸３の相対的な回転角度を検出する相対的角度検出手段としてのロータリエンコーダ２と、エンコーダ本体２ａ及び回転軸３から切り離されて、エンコーダ本体２ａの回転角度を光学式角度検出手段としての非接触角度検出手段２０とを備える。これにより、ロータリエンコーダ２が検出した回転角度を、非接触角度検出手段２０で検出した回転角度に基づいて補正することができ、回転角度を高精度且つ短時間で測定することが可能となる。
【解決手段】回転が一定範囲とされた支持基準体であるエンコーダ本体２ａと、エンコーダ本体２ａに対し全周回転自在に軸支された駆動する回転体である回転軸３とを有し、エンコーダ本体２ａに対する回転軸３の相対的な回転角度を検出する相対的角度検出手段としてのロータリエンコーダ２と、エンコーダ本体２ａ及び回転軸３から切り離されて、エンコーダ本体２ａの回転角度を光学式角度検出手段としての非接触角度検出手段２０とを備える。これにより、ロータリエンコーダ２が検出した回転角度を、非接触角度検出手段２０で検出した回転角度に基づいて補正することができ、回転角度を高精度且つ短時間で測定することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
ハースカップリング方式では、ハースカップリングが取り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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表平０６−５０２７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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ことが困難であるため、測定精度の向上にはどうしても限界があった。
【０００８】
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。
【０００９】
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、測定精度を許容範囲内に収めるには被測定物の回転軸に対してロータリエンコーダを精度良く取り付ける必要があり、現実的にはロータリエンコーダの精度良い取り付けがあまり容易でないことから、ロータリエンコーダの利用が阻害されるという課題があった。
【００１０】
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装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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するとともに、非接触で角度を検出する非接触角度検出手段により前記ロータリエンコーダの回転軸の回転角度測定開始時点からの前記ロータリエンコーダの本体部の変化した角度を検出し、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、前記非接触角度検出手段で検出された前記ロータリエンコーダの本体部の変化した角度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角度検出手段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付が大変容易になる。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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、前記ロータリエンコーダの読取部が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するとともに、非接触で角度を検出する非接触角度検出手段により前記ロータリエンコーダの本体部の回転角度測定開始時点からの前記ロータリエンコーダの回転軸の変化した角度を検出し、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、前記非接触角度検出手段で検出された前記ロータリエンコーダの回転軸の変化した角度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角度検出手段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付が大変容易になる。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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、前記ロータリエンコーダの回転軸の回転角度測定開始時点からの前記ロータリエンコーダの本体部の変化した角度を非接触で検出する非接触角度検出手段と、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、前記非接触角度検出手段で検出される前記ロータリエンコーダの本体部の変化した角度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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、前記ロータリエンコーダの本体部の回転角度測定開始時点からの前記ロータリエンコーダの回転軸の変化した角度を非接触で検出する非接触角度検出手段と、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、前記非接触角度検出手段で検出される前記ロータリエンコーダの回転軸の変化した角度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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
本発明の一実施形態では、前記非接触角度検出手段は、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第１及び第２の反射素子と、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第１の反射素子に向かう第１の光束と前記第２の反射素子に向かう第２の光束とに分割し、前記第１の反射素子で反射された第１の反射光束と前記第２の反射素子で反射された第２の反射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の反射光束と前記第２の反射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の反射光束と前記第２の反射光束との位相差と、前記第１の反射素子と前記第２の反射素子との位置の差とに基づいて、前記第１の反射素子と前記第２の反射素子との対応点間を結ぶ直線の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、を有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の一実施形態では、前記補正手段は、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前記回転角度と前記非接触角度検出手段の前記傾斜角度算出手段で算出された前記傾斜角度との和をとることを特徴とする。
【００２５】
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。
【発明の効果】
【００２６】
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付が大変容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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
【図２】回転駆動される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
【図３】回転駆動される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正面図
【図４】非接触角度検出手段の干渉ユニットをコーナキューブプリズムに対して正対して配置した様子を示す側面図
【図５】非接触角度検出手段の干渉ユニットをコーナキューブプリズムに対して正対して配置した様子を示す正面図
【図６】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
【図７】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
【図８】非接触検出手段で検出する角度の説明に用いる説明図
【図９】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
【図１０】回転駆動される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
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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り、図３は、その正面図である。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
本実施形態のエンコーダ本体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。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は、後述する非接触角度検出手段２０の取付許容量に依存する。したがって偏心量の許容範囲が本来のロータリエンコーダ２の仕様よりも広くなるので、ロータリエンコーダ２の被測定物１に対する取付が大変容易になる。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。
【００３５】
非接触角度検出手段２０は、干渉ユニット４（直角プリズム５及び偏光ビームスプリッタ６）、コーナキューブプリズム７（７ａ，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。非接触角度検出手段２０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。なお、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。
【００３６】
図４は、干渉ユニット４を配置した様子を示す側面図であり、図５は、その正面図である。
【００３７】
図５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７ａ、７ｂ（反射素子）が設置される。干渉ユニット４（干渉光学系）は、一対のコーナキューブプリズム７ａ、７ｂに正対する位置に配置される。
【００３８】
干渉ユニット４は、図１に示したように、直角プリズム５及び偏光ビームスプリッタ６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。偏光ビームスプリッタ６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７ａに直接的に入射する。この第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）は、偏光ビームスプリッタ６に直接的に戻って来る。偏光ビームスプリッタ６で直角に反射した第２のレーザ光束は、さらに直角プリズム５で直角に反射して、第２のコーナキューブプリズム７ｂに入射する。この第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、直角プリズム５で直角に反射して、偏光ビームスプリッタ６に戻って来る。即ち、干渉ユニット４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７ａ、７ｂに入射させて、第１及び第２のコーナキューブプリズム７ａ、７ｂ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４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。
【００３９】
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、直角プリズム５は、直角プリズム５を経由する第２のレーザ光束が第１のレーザ光束と平行になるように配置される。
【００４０】
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。
【００４１】
なお、干渉ユニット４とコーナキューブプリズム７ａ、７ｂとが正対している場合、コーナキューブプリズム７ａ、７ｂ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１０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７ａ、７ｂ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の取付が大変容易になる。
【００４２】
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、取付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。
【００４３】
データ処理装置１２は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータ装置によって構成されている。
【００４４】
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。回転角度検出部９は、パルス信号を回転角度（以下では「θ１」とする）に変換し、そのθ１をデータ処理装置１２に送る。また、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、ケーブル２１を介してデータ処理装置１２に送られる。データ処理装置１２は、非接触角度検出手段２０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７ａの頂点と第２のコーナキューブプリズム７ｂ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８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（以下では「θ２」とする）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２０によるθ２の方が分解能が高い（分解ピッチが小さい）。
【００４５】
また、データ処理装置１２は、θ１（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、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θ１を、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。本例のデータ処理装置１２は、θ１とθ２との和をとる（θ１＋θ２）ことで、θ１を補正する。
【００４６】
次に、規制部材の、具体例について、説明する。
【００４７】
図１及び図５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２０の測定可能範囲内に規制される。
【００４８】
また、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２０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２０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。
【００４９】
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。
【００５０】
図６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１６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。
【００５１】
図７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。
【００５２】
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７の水平配置の場合には有効である。
【００５３】
なお、図１、図７等に回り止め治具８を用いた場合を示し、図６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。
【００５４】
以上のように、第１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θ１を検出（測定）するとともに、非接触角度検出手段２０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、θ１をθ２に基づいて補正する。
【００５５】
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２０の測定値で補正するので、測定精度をさら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の取付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２０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角度検出手段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。
【００５６】
＜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の一例の全体構成図である。図９にて、図１〜８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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
本実施形態におけるコーナキューブプリズム７（７ａ、７ｂ）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、コーナキューブプリズム７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の回動が非接触で検出される。
【００６１】
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７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。
【００６２】
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の回転角度を検出（測定）するとともに、非接触角度検出手段２０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ロータリエンコーダ２の回転軸３の変化した傾斜角度を検出し、ロータリエンコーダ２を用いて検出（測定）された回転角度θ１を、非接触角度検出手段２０で検出されたロータリエンコーダ２の回転軸３の変化した傾斜角度θ２に基づいて補正する。
【００６３】
なお、前述の第１及び第２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。
【００６４】
また、前述の第１及び第２実施形態では、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非接触角度検出手段であれば、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。
【００６５】
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角度検出手段２０の出力のリアルタイム性が必要である。
【００６６】
また、本発明を簡略に説明するために、回転角度θ１を傾斜角度θ２のみ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、少なくとも傾斜角度θ２に基づいて、回転角度θ１を補正する構成である。例えば、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との偏心量を検出し、その検出された偏心量と傾斜角度θ２とに基づいて回転角度θ１を補正する。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【符号の説明】
【００６９】
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、５…直角プリズム、６…偏光ビームスプリッタ、７（７ａ、７ｂ）…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…非接触角度検出手段
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
ハースカップリング方式では、ハースカップリングが取り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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表平０６−５０２７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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ことが困難であるため、測定精度の向上にはどうしても限界があった。
【０００８】
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。
【０００９】
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、測定精度を許容範囲内に収めるには被測定物の回転軸に対してロータリエンコーダを精度良く取り付ける必要があり、現実的にはロータリエンコーダの精度良い取り付けがあまり容易でないことから、ロータリエンコーダの利用が阻害されるという課題があった。
【００１０】
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装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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するとともに、非接触で角度を検出する非接触角度検出手段により前記ロータリエンコーダの回転軸の回転角度測定開始時点からの前記ロータリエンコーダの本体部の変化した角度を検出し、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、前記非接触角度検出手段で検出された前記ロータリエンコーダの本体部の変化した角度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角度検出手段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付が大変容易になる。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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、前記ロータリエンコーダの読取部が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するとともに、非接触で角度を検出する非接触角度検出手段により前記ロータリエンコーダの本体部の回転角度測定開始時点からの前記ロータリエンコーダの回転軸の変化した角度を検出し、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、前記非接触角度検出手段で検出された前記ロータリエンコーダの回転軸の変化した角度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角度検出手段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付が大変容易になる。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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、前記ロータリエンコーダの回転軸の回転角度測定開始時点からの前記ロータリエンコーダの本体部の変化した角度を非接触で検出する非接触角度検出手段と、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、前記非接触角度検出手段で検出される前記ロータリエンコーダの本体部の変化した角度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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、前記ロータリエンコーダの本体部の回転角度測定開始時点からの前記ロータリエンコーダの回転軸の変化した角度を非接触で検出する非接触角度検出手段と、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、前記非接触角度検出手段で検出される前記ロータリエンコーダの回転軸の変化した角度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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
本発明の一実施形態では、前記非接触角度検出手段は、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第１及び第２の反射素子と、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第１の反射素子に向かう第１の光束と前記第２の反射素子に向かう第２の光束とに分割し、前記第１の反射素子で反射された第１の反射光束と前記第２の反射素子で反射された第２の反射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の反射光束と前記第２の反射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の反射光束と前記第２の反射光束との位相差と、前記第１の反射素子と前記第２の反射素子との位置の差とに基づいて、前記第１の反射素子と前記第２の反射素子との対応点間を結ぶ直線の傾斜角度を算出する傾斜角度算出手段と、を有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の一実施形態では、前記補正手段は、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前記回転角度と前記非接触角度検出手段の前記傾斜角度算出手段で算出された前記傾斜角度との和をとることを特徴とする。
【００２５】
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。
【発明の効果】
【００２６】
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付が大変容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】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
【図２】回転駆動される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
【図３】回転駆動される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正面図
【図４】非接触角度検出手段の干渉ユニットをコーナキューブプリズムに対して正対して配置した様子を示す側面図
【図５】非接触角度検出手段の干渉ユニットをコーナキューブプリズムに対して正対して配置した様子を示す正面図
【図６】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
【図７】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
【図８】非接触検出手段で検出する角度の説明に用いる説明図
【図９】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
【図１０】回転駆動される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
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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り、図３は、その正面図である。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
本実施形態のエンコーダ本体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。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は、後述する非接触角度検出手段２０の取付許容量に依存する。したがって偏心量の許容範囲が本来のロータリエンコーダ２の仕様よりも広くなるので、ロータリエンコーダ２の被測定物１に対する取付が大変容易になる。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。
【００３５】
非接触角度検出手段２０は、干渉ユニット４（直角プリズム５及び偏光ビームスプリッタ６）、コーナキューブプリズム７（７ａ，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。非接触角度検出手段２０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。なお、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。
【００３６】
図４は、干渉ユニット４を配置した様子を示す側面図であり、図５は、その正面図である。
【００３７】
図５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７ａ、７ｂ（反射素子）が設置される。干渉ユニット４（干渉光学系）は、一対のコーナキューブプリズム７ａ、７ｂに正対する位置に配置される。
【００３８】
干渉ユニット４は、図１に示したように、直角プリズム５及び偏光ビームスプリッタ６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。偏光ビームスプリッタ６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７ａに直接的に入射する。この第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）は、偏光ビームスプリッタ６に直接的に戻って来る。偏光ビームスプリッタ６で直角に反射した第２のレーザ光束は、さらに直角プリズム５で直角に反射して、第２のコーナキューブプリズム７ｂに入射する。この第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、直角プリズム５で直角に反射して、偏光ビームスプリッタ６に戻って来る。即ち、干渉ユニット４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７ａ、７ｂに入射させて、第１及び第２のコーナキューブプリズム７ａ、７ｂ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４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。
【００３９】
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、直角プリズム５は、直角プリズム５を経由する第２のレーザ光束が第１のレーザ光束と平行になるように配置される。
【００４０】
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。
【００４１】
なお、干渉ユニット４とコーナキューブプリズム７ａ、７ｂとが正対している場合、コーナキューブプリズム７ａ、７ｂ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１０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７ａ、７ｂ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の取付が大変容易になる。
【００４２】
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、取付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。
【００４３】
データ処理装置１２は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータ装置によって構成されている。
【００４４】
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。回転角度検出部９は、パルス信号を回転角度（以下では「θ１」とする）に変換し、そのθ１をデータ処理装置１２に送る。また、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、ケーブル２１を介してデータ処理装置１２に送られる。データ処理装置１２は、非接触角度検出手段２０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７ａの頂点と第２のコーナキューブプリズム７ｂ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８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（以下では「θ２」とする）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２０によるθ２の方が分解能が高い（分解ピッチが小さい）。
【００４５】
また、データ処理装置１２は、θ１（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、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θ１を、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。本例のデータ処理装置１２は、θ１とθ２との和をとる（θ１＋θ２）ことで、θ１を補正する。
【００４６】
次に、規制部材の、具体例について、説明する。
【００４７】
図１及び図５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２０の測定可能範囲内に規制される。
【００４８】
また、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２０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２０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。
【００４９】
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。
【００５０】
図６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１６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。
【００５１】
図７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。
【００５２】
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７の水平配置の場合には有効である。
【００５３】
なお、図１、図７等に回り止め治具８を用いた場合を示し、図６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。
【００５４】
以上のように、第１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θ１を検出（測定）するとともに、非接触角度検出手段２０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、θ１をθ２に基づいて補正する。
【００５５】
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２０の測定値で補正するので、測定精度をさら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の取付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２０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角度検出手段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。
【００５６】
＜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の一例の全体構成図である。図９にて、図１〜８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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
本実施形態におけるコーナキューブプリズム７（７ａ、７ｂ）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、コーナキューブプリズム７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の回動が非接触で検出される。
【００６１】
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７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。
【００６２】
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の回転角度を検出（測定）するとともに、非接触角度検出手段２０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ロータリエンコーダ２の回転軸３の変化した傾斜角度を検出し、ロータリエンコーダ２を用いて検出（測定）された回転角度θ１を、非接触角度検出手段２０で検出されたロータリエンコーダ２の回転軸３の変化した傾斜角度θ２に基づいて補正する。
【００６３】
なお、前述の第１及び第２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。
【００６４】
また、前述の第１及び第２実施形態では、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非接触角度検出手段であれば、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。
【００６５】
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角度検出手段２０の出力のリアルタイム性が必要である。
【００６６】
また、本発明を簡略に説明するために、回転角度θ１を傾斜角度θ２のみ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、少なくとも傾斜角度θ２に基づいて、回転角度θ１を補正する構成である。例えば、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との偏心量を検出し、その検出された偏心量と傾斜角度θ２とに基づいて回転角度θ１を補正する。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【符号の説明】
【００６９】
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、５…直角プリズム、６…偏光ビームスプリッタ、７（７ａ、７ｂ）…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…非接触角度検出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転が一定範囲内とされた支持基準体と、前記支持基準体に対し全周回転自在に軸支された駆動する回転体とを有し、前記支持基準体に対する前記回転体の相対的な回転角度を連続的に検出する相対角度検出手段と、
前記回転体および前記支持基準体から切り離されて、前記支持基準体の回転角度を光学的に検出する光学式角度検出手段と、
を備えたことを特徴とする角度測定システム。
【請求項２】
前記光学式角度検出手段は、前記相対角度検出手段による相対的な回転角度の検出と同時に前記支持基準体の回転角度を検出する請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項３】
前記相対角度検出手段が検出した回転角度を、前記光学式角度検出手段で検出した回転角度に基づいて補正する補正手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の角度測定システム。
【請求項４】
前記相対角度検出手段は、ロータリエンコーダであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の角度測定システム。
【請求項５】
前記光学式角度検出手段は、レーザ干渉計を用いたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の角度測定システム。
【請求項６】
前記支持基準体の回転角度を一定範囲内に規制する規制部材を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の角度測定システム。
【請求項７】
前記規制部材は、前記支持基準体の基準位置を鉛直下方に付勢する錘部材からなることを特徴とする請求項６に記載の角度測定システム。
【請求項８】
回転が一定範囲内とされた支持基準体と、前記支持基準体に対し全周回転自在に軸支された駆動する回転体との相対的な回転角度を検出する相対角度検出ステップと、
前記回転体および前記支持基準体から切り離されて、前記支持基準体の回転角度を光学的に検出する光学式角度検出ステップと、
を含むことを特徴とする角度測定方法。
【請求項９】
前記光学式角度検出ステップは、前記相対角度検出ステップにおける相対的な回転角度の検出と同時に前記支持基準体の回転角度を検出する請求項８に記載の角度測定方法。
【請求項１０】
前記相対角度検出ステップで検出した回転角度を、前記光学式角度検出ステップで検出した回転角度に基づいて補正する補正ステップを含むことを特徴とする請求項８または９に記載の角度測定方法。
【請求項１】
回転が一定範囲内とされた支持基準体と、前記支持基準体に対し全周回転自在に軸支された駆動する回転体とを有し、前記支持基準体に対する前記回転体の相対的な回転角度を連続的に検出する相対角度検出手段と、
前記回転体および前記支持基準体から切り離されて、前記支持基準体の回転角度を光学的に検出する光学式角度検出手段と、
を備えたことを特徴とする角度測定システム。
【請求項２】
前記光学式角度検出手段は、前記相対角度検出手段による相対的な回転角度の検出と同時に前記支持基準体の回転角度を検出する請求項１に記載の角度測定システム。
【請求項３】
前記相対角度検出手段が検出した回転角度を、前記光学式角度検出手段で検出した回転角度に基づいて補正する補正手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の角度測定システム。
【請求項４】
前記相対角度検出手段は、ロータリエンコーダであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の角度測定システム。
【請求項５】
前記光学式角度検出手段は、レーザ干渉計を用いたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の角度測定システム。
【請求項６】
前記支持基準体の回転角度を一定範囲内に規制する規制部材を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の角度測定システム。
【請求項７】
前記規制部材は、前記支持基準体の基準位置を鉛直下方に付勢する錘部材からなることを特徴とする請求項６に記載の角度測定システム。
【請求項８】
回転が一定範囲内とされた支持基準体と、前記支持基準体に対し全周回転自在に軸支された駆動する回転体との相対的な回転角度を検出する相対角度検出ステップと、
前記回転体および前記支持基準体から切り離されて、前記支持基準体の回転角度を光学的に検出する光学式角度検出ステップと、
を含むことを特徴とする角度測定方法。
【請求項９】
前記光学式角度検出ステップは、前記相対角度検出ステップにおける相対的な回転角度の検出と同時に前記支持基準体の回転角度を検出する請求項８に記載の角度測定方法。
【請求項１０】
前記相対角度検出ステップで検出した回転角度を、前記光学式角度検出ステップで検出した回転角度に基づいて補正する補正ステップを含むことを特徴とする請求項８または９に記載の角度測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−７９９７８（Ｐ２０１３−７９９７８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−１００６２（Ｐ２０１３−１００６２）
【出願日】平成２５年１月２３日（２０１３．１．２３）
【分割の表示】特願２０１２−２３０８４７（Ｐ２０１２−２３０８４７）の分割
【原出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月２３日（２０１３．１．２３）
【分割の表示】特願２０１２−２３０８４７（Ｐ２０１２−２３０８４７）の分割
【原出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
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