JP2017111159A - 回転角度測定装置及び回転角度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転移動軸の回転角度の割り出し精度を向上させるとともに、回転移動軸に対する取り付け作業を簡単に行うことを可能とする。【解決手段】任意の回転軸方向において、一定範囲内に回転が規制されたエンコーダ本体２６と、エンコーダ本体２６に連結され、エンコーダ本体２６に対し全周回転自在に軸支されたエンコーダ軸２２とを有し、エンコーダ本体２６に対するエンコーダ軸２２の相対的な回転角度を検出するロータリエンコーダ１２と、エンコーダ軸２２及びエンコーダ本体２６に接触しない位置を基準として、エンコーダ本体２６の回転角度を検出するレーザ干渉ユニット４０と、ロータリエンコーダ１２による回転角度の検出とレーザ干渉ユニット４０による回転角度の検出とを同期させる同期制御手段と、を備える。【選択図】図１１

Description

本発明は、回転角度測定装置及び回転角度測定方法に係り、特に、工作機械の回転移動軸の回転角度の割り出し精度を向上させることが可能な回転角度測定装置及び回転角度測定方法に関する。

従来より、工作機械の回転移動軸の回転角度を測定する方法として、例えば、旋盤の主軸やマシニングセンタの回転テーブルなどの回転移動軸に多面鏡を固定し、回転移動軸を多面鏡の分割角度に相当する角度ずつ割り出して、ある一定の方向を向いた反射鏡からの反射光の振れを、例えばオートコリメータなどで計測する方法（以下、「多面鏡を用いる方法」という。）が知られている。

多面鏡を用いる方法では、測定できる角度が多面鏡の分割角度によって決定される。例えば６面鏡であれば６０度毎、８面鏡であれば４５度毎に測定することになる。より細かく設定する場合は面数を増す必要があるが、多面鏡が高価になるという問題があり、実施は難しい。このように多面鏡を用いる方法では測定は比較的容易であるが、細かく設定するには問題がある。

かかる問題に対して、ハースカップリングを用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、ハースカップリングが取り付けられた工作機械の回転移動軸を所定の単位角度で回転し、ハースカップリングの結合を外した後に単位角度の分だけハースカップリングを逆回転し、レーザ干渉計で測定された回転角度の合計が回転移動軸の目標変位角度となるまでハースカップリングの正転及び逆転が繰り返される。

特表平６−５０２７２７号公報

しかしながら、ハースカップリングを用いる方法では、回転移動軸の目標変位角度となるまでハースカップリングの正転及び逆転を繰り返す首振り動作が必要であるため、全体の測定時間が長くなる問題がある。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、測定精度の向上には限界がある。

これに対して、工作機械の回転移動軸の回転角度を測定する手段としてロータリエンコーダを用いる方法が考えられる。ロータリエンコーダは、回転移動軸に取り付けられるエンコーダ軸に同軸状態で固定された目盛板を備える。目盛板の周囲には周方向に沿って等角度間隔で目盛が刻まれており、回転移動軸と共に回転する目盛板の目盛を光学的又は磁気的な手段で読み取り、その回転角度に応じた回転角度データを電気信号に変換して出力する。この方法によれば、目盛板の目盛の分解能を高めることにより、回転移動軸の回転角度を高精度に測定することが可能となる。また、ハースカップリングを用いる方法のような首振り動作が不要であり、全体の測定時間を短縮化することが可能となる。

しかしながら、ロータリエンコーダを用いる方法では、次のような技術的な課題がある。

まず、ロータリエンコーダを用いて回転移動軸の回転角度を測定する場合、回転移動軸の回転開始時ないしは回転停止時に伴う慣性力により微量な角度ずれが生じることがある。これは、回転移動軸に取り付けられるエンコーダ軸の回転につられてエンコーダ本体が共回りしてしまい、目盛板の読取位置（読み取りヘッドが設けられる位置）に微小な位置ずれが生じるためである。この場合、ロータリエンコーダから出力される回転角度データには、回転移動軸の回転開始ないしは回転停止時に起因した角度誤差（以下、「初期オフセット誤差」という。）が発生することになり、測定精度の低下を招く要因となる。

また、回転移動軸とエンコーダ軸との間に軸ずれ（軸偏心）がある状態で測定が行われると、エンコーダ軸と共に回転する目盛板は中心から偏心した位置を回転中心として回転することになる。このため、ロータリエンコーダから出力される回転角度データには、例えば図１３に示すように、回転移動軸の１周分、すなわち、３６０度の範囲にわたってエンコーダ軸の軸偏心に起因した角度誤差（偏心誤差）が発生することになり、測定精度の低下を招く要因となる。

したがって、ロータリエンコーダを用いて回転移動軸の回転角度を高精度に測定するためには、初期オフセット誤差の影響を排除することが必要であるとともに、軸偏心が生じないようにエンコーダ軸を回転移動軸に精密に取り付ける作業が必要となる。しかし、このような取り付け作業は作業者にとって大きな負担となり、作業効率の低下を招く要因となる。このため、実際にはある程度の偏心誤差が含まれた状態でエンコーダ軸を取り付けざるを得ないが、かかる場合には、上述のとおり、ロータリエンコーダから出力される回転角度データには偏心誤差が含まれることになってしまい、高精度な測定を妨げる要因となっている。

また、ロータリエンコーダから出力される回転角度データには、図１３の下段に一部を拡大して示すように、回転移動軸の１周分の周期にわたって発生する偏心誤差だけでなく、それよりも短い周期で発生する内挿誤差が含まれている。このような内挿誤差が発生する要因としては、回転移動軸を回転させるための歯車の形状誤差がある。すなわち、回転移動軸には、モータから出力される回転駆動力を伝達するために歯車が設けられるが、製造上、歯車の各歯には少なからず形状誤差が存在する。このため、歯車の一歯あたりの回転角度（回転ピッチ）を周期とする内挿誤差が発生する要因となる。例えば、３６０歯からなる歯車の場合には、一歯あたりの回転角度（回転ピッチ）は１度となるが、この回転ピッチに相当する周期で内挿誤差が発生する。また、各種要因によって局所的な誤差が発生することもある。このような誤差は、回転移動軸の回転角度の割り出し精度の低下を招く要因となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、回転移動軸の回転角度の割り出し精度を向上させるとともに、回転移動軸に対する取り付け作業を簡単に行うことができる回転角度測定装置及び回転角度測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係る回転角度測定装置は、上記目的を達成するために、支持基準体と、支持基準体に連結され、支持基準体に対し全周回転自在に軸支された回転体とを有し、支持基準体に対する回転体の相対的な回転角度を検出する相対角度検出手段と、回転体及び支持基準体に接触しない位置を基準として、支持基準体の回転角度を検出する絶対角度検出手段と、相対角度検出手段による回転角度の検出と非接触式角度検出手段による回転角度の検出とを同期させる同期制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、相対角度検出手段による回転角度の検出と非接触式角度検出手段によ
る回転角度の検出が同期して行われるので、回転体の回転状態に左右されることなく、例えば回転体を回転させた状態でも測定を行うことができ、計測範囲にわたって連続的に回転角度を検出する動的測定（ダイナミック測定）を行うことが可能となり、これによって局所的に発生する誤差を検出することが可能となる。また、相対角度検出手段によって支持基準体に対する回転体の相対的な回転角度が検出される際、回転体と共に支持基準体が回転してしまう場合でも、非接触式角度検出手段によって支持基準体の回転角度が検出されるので、回転体の回転角度を正確に求めることが可能となる。したがって、回転移動軸の回転角度の割り出し精度が向上するとともに、回転移動軸に対する取り付け作業を簡単に行うことが可能となる。

本発明に係る回転角度測定装置では、同期制御手段は、相対角度検出手段による回転角度の検出と非接触式角度検出手段による回転角度の検出を同一タイミングにすることが好ましい。

上記態様によれば、相対角度検出手段による回転角度の検出と非接触式角度検出手段による回転角度の検出を同一タイミングで行うことにより、回転体を回転させながら測定が行われる場合でも、回転体の回転角度を高精度に求めることができる。

本発明に係る回転角度測定装置では、相対角度検出手段が検出した回転角度を、非接触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ることが好ましい。

上記態様によれば、支持基準体の回転に伴って発生する誤差を補正することが可能となる。

本発明に係る回転角度測定装置では、相対角度検出手段は、ロータリエンコーダであることが好ましい。

上記態様によれば、支持基準体に対する回転体の相対的な回転角度を、回転体の回転可能な全範囲にわたって安定して求めることが可能となる。

本発明に係る回転角度測定装置では、非接触角度検出手段は、レーザ干渉を利用したものであることが好ましい。

本発明に係る回転角度測定方法は、上記目的を達成するために、支持基準体と、支持基準体に連結され、支持基準体に対し全周回転自在に軸支された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、回転体及び支持基準体に接触しない位置を基準として、支持基準体の回転角度を検出する絶対角度検出ステップと、相対角度検出ステップによる回転角度の検出と非接触式角度検出ステップによる回転角度の検出とを同期させる同期制御ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、相対角度検出ステップによる回転角度の検出と非接触式角度検出ステップによる回転角度の検出が同期して行われるので、回転体の回転状態に左右されることなく、例えば回転体を回転させた状態でも測定を行うことができ、計測範囲にわたって連続的に回転角度を検出する動的測定（ダイナミック測定）を行うことが可能となり、これによって局所的に発生する誤差を検出することが可能となる。また、相対的角度検出ステップによって支持基準体に対する回転体の相対的な回転角度が検出される際、回転体と共に支持基準体が回転してしまう場合でも、非接触式角度検出ステップによって支持基準体の回転角度が検出されるので、回転体の回転角度を正確に求めることが可能となる。したがって、回転移動軸の回転角度の割り出し精度が向上するとともに、回転移動軸に対する取り付け作業を簡単に行うことが可能となる。

本発明に係る回転角度測定方法では、同期制御ステップは、相対角度検出ステップによる回転角度の検出と非接触式角度検出ステップによる回転角度の検出を同一タイミングにすることが好ましい。

上記態様によれば、相対角度検出ステップによる回転角度の検出と非接触式角度検出ステップによる回転角度の検出を同一タイミングで行うことにより、回転体を回転させながら測定が行われる場合でも、回転体の回転角度を高精度に求めることができる。

本発明に係る回転角度測定方法では、相対角度検出ステップで検出した回転角度を、非接触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が好ましい。

上記態様によれば、支持基準体の回転に伴って発生する誤差を補正することが可能となる。

本発明によれば、回転移動軸の回転角度の割り出し精度が向上するとともに、回転移動軸に対する取り付け作業を簡単に行うことが可能となる。

第１発明の実施形態に係る回転角度測定装置の構成を示した全体構成図 ロータリエンコーダの構成を示した断面図 反射ユニットとレーザ干渉ユニットとの配置関係を示した概略図 エンコーダ本体が回転したときの様子を示した概略図 データ処理装置の構成を示した機能ブロック図 エンコーダ軸とエンコーダ本体との相対的な位置関係を示した概略図 第１発明の実施形態に係る回転測定方法の手順の一例を示したフローチャート図 第２発明の実施形態に係る回転測定方法の手順の一例を示したフローチャート図 内挿誤差の測定処理を示したフローチャート図 各測定点で得られた内挿誤差から内挿誤差補正用の補正データが作成される様子を示した概略図 第３発明の実施形態に係るデータ処理装置の構成を示した機能ブロック図 第３発明の実施形態に係る回転測定方法の手順の一例を示したフローチャート図 ロータリエンコーダから出力される回転角度データに角度誤差が含まれる様子を示した図 第４発明の実施形態に係る回転止治具の先端部分の構成例を示した構成図 第４発明の実施形態に係るデータ処理装置の構成を示したブロック図

＜第１発明＞
以下、添付図面に従って第１発明の好ましい実施の形態について説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１発明に係る回転角度測定装置の構成例を示した全体概略図である。また、図２は、ロータリエンコーダの内部構造を示した断面図である。

図１に示すように、回転角度測定装置１０は、工作機械の回転移動軸２０の回転角度を測定するロータリエンコーダ１２と、ロータリエンコーダ１２上に配置される反射ユニット３８と、ロータリエンコーダ１２とは独立した部分に固定されるレーザ干渉ユニット４０と、ロータリエンコーダ１２及びレーザ干渉ユニット４０が接続されるデータ処理装置１８と、から主に構成される。なお、データ処理装置１８は、回転移動軸２０の回転制御を行う制御装置９０との間で各種データの送受信が行われるようになっている。

図１及び図２に示すように、ロータリエンコーダ１２は、回転移動軸２０に連結されるエンコーダ軸２２と、エンコーダ軸２２を回転自在に軸支するエンコーダ本体２６とから主に構成される。なお、エンコーダ本体２６は、任意の回転軸方向において、一定範囲に回転に回転規制された支持基準体である。また、エンコーダ軸２２は、支持基準体としてのエンコーダ本体２６に連結され、エンコーダ本体２６に対し全周回転自在に軸支された回転体である。

エンコーダ軸２２の一端（図２の左端）には、エンコーダ本体２６の外部に配置された大径部２３が設けられている。大径部２３は、回転移動軸２０をエンコーダ軸２２に連結するための取付部であり、ねじなどの固定手段によって回転移動軸２０が大径部２３に固定される。

エンコーダ軸２２は、エンコーダ本体２６の内部に設けられる軸受２４を介して回転自在に構成されている。すなわち、回転移動軸２０にエンコーダ軸２２が連結された状態で回転移動軸２０が回転すると、エンコーダ軸２２が回転移動軸と一体となって回転する。また、エンコーダ本体２６は、エンコーダ軸２２の周りで回転自在に構成されており、後述するように回転止治具１６によって回転可能範囲が所定範囲に規制されている。

エンコーダ軸２２には、図２に示すように、目盛板３４が同軸状態で固定されている。目盛板３４は、エンコーダ本体２６の内部に配置されており、目盛板３４の周囲には周方向に沿って所定の角度間隔で複数の目盛が刻まれている。また、目盛板３４の外周部には、目盛板３４を挟み込むように配置されたＵ字状の読み取りヘッド３６が設けられている。読み取りヘッド３６は、目盛板３４の目盛を光学的又は磁気的に読み取る検出センサを備え、目盛板３４の回転角度（回転変位量）を示す回転角度データをデータ処理装置１８に対して出力する。なお、読み取りヘッド３６は、エンコーダ本体２６の内部に固定されており、エンコーダ本体２６と一体となって回転する。

エンコーダ本体２６の外周面には、径方向外側に向かって伸びる棒状のアーム部材２８が設けられている。すなわち、アーム部材２８は、エンコーダ本体２６からエンコーダ軸２２に対して垂直な方向に突設されている。なお、アーム部材２８が設けられる方向は、エンコーダ軸２２に対して垂直な方向な方向に限らず、所定角度斜めに傾いた方向であってもよい。アーム部材２８は、回転止治具１６の先端に所定の間隔をあけて並設される一対の回転規制部材３８Ａ、３８Ｂの間に介挿されており、エンコーダ本体２６の回転可能範囲は所定範囲に規制されている。なお、回転止治具１６は、エンコーダ本体２６とは異なる部分に固定されている。

図３は、反射ユニット３８とレーザ干渉ユニット４０との配置関係を示した概略図である。図３に示すように、エンコーダ本体２６上に固定されている反射ユニット３８には、２個のコーナーキューブ４２Ａ、４２Ｂが並べて配設されている。各コーナーキューブ４２Ａ、４２Ｂは、後述するレーザ干渉ユニット４０の光ヘッド４４から平行に照射された第１及び第２のレーザ光を逆方向に反射する反射部材である。反射ユニット３８は、エンコーダ本体２６と一体となって回転する。すなわち、エンコーダ本体２６の回転角度は反
射ユニット３８の回転角度と等しく、例えば図４に示すように、エンコーダ本体２６が反時計方向にα（但し、α＞０とする。）度回転すると、反射ユニット３８も反時計方向にα度だけ回転する。

図３に示すように、レーザ干渉ユニット４０は、反射ユニット３８に対向する位置に配置される光ヘッド（角度測定干渉ヘッド）４４と、光ヘッド４４に第１の光ファイバ４８Ａを介して接続されるレーザ光源５０と、光ヘッド４４に第２の光ファイバ４８Ｂを介して接続される光検出器４６と備えて構成される。なお、レーザ干渉ユニット４０は、エンコーダ軸２２及びエンコーダ本体２６に接触しない位置を基準として、エンコーダ本体２６の回転角度を検出する非接触式角度検出手段である。

レーザ光源５０としては、波長安定性に優れたＨｅ−Ｎｅレーザ光源が好適であるが、波長安定化が行われなくても、測定精度に大きな影響は大きな影響を与えないことから、他のレーザ光源を用いることも可能である。

光ヘッド４４には偏光ビームスプリッタ５２及び直角プリズム５４が隣接して配置されている。レーザ光源５０から発光されたレーザ光は、第１の光ファイバ４８Ａを介して光ヘッド４４に入射されると、まず始めに、偏光ビームスプリッタ５２に入射され、偏光ビームスプリッタ５２で２つのレーザ光に分割される。分割された一方のレーザ光（第１のレーザ光）は、第１のコーナーキューブ４２Ａに入射して逆方向に戻り、再び偏光ビームスプリッタ５２に入射する。分割されたもう一方のレーザ光（第２のレーザ光）は、直角プリズム５４で反射され、第１のレーザ光の光軸と平行な平行光となって第２のコーナーキューブ４２Ｂに入射して逆方向に戻り、再び直角プリズム５４及び偏光ビームスプリッタ５２で反射されて、第１のコーナーキューブ４２Ａで反射された光と干渉し、干渉したレーザ光（干渉光）は第２の光ファイバ４８Ｂを介して光検出器４６に対して出力される。

光検出器４６は、光ヘッド４４から出力される干渉光に基づき、各コーナーキューブ４２Ａ、４２Ｂで反射されて戻ってきた光（第１及び第２のレーザ光）の光路長差（位相差）を検出し、検出した光路長差を示す光路長差データをデータ処理装置１８に対して出力する。なお、光路長差の検出原理は公知であるため、ここでは詳しい説明を省略するが、エンコーダ本体２６の微小な回転運動に伴って反射ユニット３８の回転角度が変化すると、第１のコーナーキューブ４２Ａで反射されて戻る経路と第２のコーナーキューブ４２Ｂで反射されて戻る経路の光路長が変化する。このとき、干渉光の縞数が変化するので、この干渉光の縞数の変化をカウントすることにより、第１及び第２のレーザ光の光路長差を求めることができる。

また、光路長差の検出方式としては、例えば、マイケルソン干渉計によるフリンジカウント方式やヘテロダイン方式などを用いることが可能である。ヘテロダイン方式の場合、レーザ光源５０は直交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。

図５は、データ処理装置１８の構成を示した機能ブロック図である。図５に示すように、データ処理装置１８は、入出力ＩＦ５６、メモリ５８、制御部６０、及びデータ処理部６２を備えて構成される。

入出力ＩＦ５６は、操作者による入力操作に用いられるキーボードやマウス、タッチパネルなどの入力装置７２や各種情報の表示出力に用いられるモニタやプリンタなどの出力装置７４との間でデータ入出力を行うためのインターフェースである。

メモリ５８は、データ処理装置１８の各部を動作させるためのプログラムや各種データが記憶される記憶部であり、ＲＯＭやＲＡＭなどにより構成される。制御部６０は、データ処理装置１８の各部の制御を行う。

データ処理部６２は、回転移動軸２０の回転角度の補正データを生成するための処理部であり、エンコーダ軸回転角度算出部６４、エンコーダ本体回転角度算出部６６、回転角度補正部６８、及び補正データ生成部７０を備えて構成される。

エンコーダ軸回転角度算出部６４は、ロータリエンコーダ１２（読み取りヘッド３６）から出力された回転角度データを取得し、取得した回転角度データに基づいてエンコーダ軸２２の回転角度θ１を算出する。エンコーダ軸回転角度算出部６４で算出された回転角度θ１は、回転角度補正部６８に対して出力される。

エンコーダ本体回転角度算出部６６は、レーザ干渉ユニット（光検出器４６）から出力された光路長差データを取得し、取得した光路長差データに基づいてエンコーダ本体２６の回転角度θ２を算出する。エンコーダ本体回転角度算出部６６で算出された回転角度θ２は、回転角度補正部６８に対して出力される。

回転角度補正部６８は、エンコーダ本体回転角度算出部６６で算出された回転角度θ２に基づいて、エンコーダ軸回転角度算出部６４で算出された回転角度θ１を補正する。具体的には、回転角度θ１に回転角度θ２を加算することにより、回転角度θ１の補正を行う。回転角度補正部６８で補正された補正後の回転角度（補正回転角度）θ１´は、補正データ生成部７０に対して出力される。

補正データ生成部７０は、回転角度補正部６８から出力された補正回転角度θ１´に基づいて、回転移動軸２０の回転角度（設定角度）と実際の回転角度（補正回転角度θ１´）との誤差が打ち消されるように補正データを生成する。補正データ生成部７０で生成された補正データは、工作機械の制御装置９０又は出力装置７４に対して出力される。

なお、補正データ生成部７０は、制御装置９０から補正データを回転角度の補正量に変換するための換算係数を取得し、取得した換算係数に応じて補正データを生成する。例えば回転角度の補正量が１度である場合、補正データ生成部７０は、制御装置９０から取得した換算係数が０．１のときは補正データとして１０を出力し、換算係数が１のときは補正データとして１を出力する。

ここで、本実施形態で行われる回転角度の補正原理について説明する。

図６は、エンコーダ軸２２とエンコーダ本体２６との相対的な位置関係を示した概略図である。ここでは、図６に示すように、エンコーダ軸２２の中心Ｏから所定距離離れた位置に回転中心Ｃが配置されるものとする。なお、回転中心Ｃは回転移動軸２０の軸心と一致している。また、図６（ａ）の状態を初期位置とし、そのときの回転移動軸２０の回転角度θを０度とする。回転角度θは、反時計周り方向を正方向、その反対側の時計周り方向を負方向とする。

まず、回転移動軸２０が初期位置から９０度回転したとき、図６（ｂ）に示すように、エンコーダ軸２２の中心Ｏは回転中心Ｃに対して上側に移動する。このとき、エンコーダ本体２６は、アーム部材２８の先端部分が回転止治具１６の一対の回転規制部材３８Ａ、３８Ｂによって（図６における上下方向の）動きが規制されているので、その先端部分を中心として振り子のように時計周り方向に微小角度回転する。これにより、エンコーダ本体２６は中心Ｏの周りを−α度だけ回転した位置に移動する。このため、ロータリエンコ
ーダ１２（読み取りヘッド３６）からは、エンコーダ軸２２が実際に回転した回転角度よりもα度だけ多い回転角度、すなわち、（９０＋α）度を示す回転角度データが出力される。

次に、回転移動軸２０が初期位置から１８０度回転したとき、図６（ｃ）に示すように、エンコーダ軸２２の中心Ｏは回転中心Ｃに対して左側に移動する。この移動に伴って、エンコーダ本体２６は初期位置と同じ状態（図６（ａ）の状態）となる。したがって、ロータリエンコーダ１２からは、エンコーダ軸２２が実際に回転した回転角度、すなわち、１８０度を示す回転角度データが出力される。

次に、回転移動軸２０が初期位置から２７０度回転したとき、図６（ｄ）に示すように、エンコーダ軸２２の中心Ｏは回転中心Ｃに対して下側に移動する。この移動に伴って、エンコーダ本体２６は、アーム部材２８の先端部分を中心として反時計周り方向に微小角度回転する。これにより、エンコーダ本体２６は中心Ｏの周りをα度だけ回転した位置に移動する。このため、ロータリエンコーダ１２からは、エンコーダ軸２２が実際に回転した回転角度よりもα度だけ少ない回転角度、すなわち、（２７０−α）度を示す回転角度データが出力される。

次に、回転移動軸２０が初期位置から３６０度回転したとき、図６（ｅ）に示すように、エンコーダ本体２６は初期位置と同じ状態（図６（ａ）の状態）となる。したがって、ロータリエンコーダ１２からは、エンコーダ軸２２が実際に回転した回転角度、すなわち、３６０度を示す回転角度データが出力される。

すなわち、本実施形態では、回転移動軸２０に対してエンコーダ軸２２が軸ずれした状態で連結されたとき、エンコーダ本体２６は、アーム部材２８の先端部分、すなわち、一対の回転規制部材３８Ａ、３８Ｂによって挟持される部分を支点（中心）として、エンコーダ軸２２の回転角度に応じて振り子のように揺動し、偏心誤差に相当する角度分だけエンコーダ軸２２の周りを回転可能に構成される。このため、ロータリエンコーダ１２から出力される回転角度データに含まれる偏心誤差はエンコーダ本体２６の回転角度から求めることが可能となる。したがって、エンコーダ本体２６の回転角度に基づいてエンコーダ軸２２の回転角度を補正することにより、エンコーダ軸２２の軸偏心に起因する偏心誤差の影響をキャンセルすることができ、エンコーダ軸２２の回転角度を精度良く検出することが可能となる。

次に、本実施形態の回転角度測定装置１０を用いた回転角度測定方法について説明する。図７は、本実施形態の回転角度測定方法の手順の一例を示したフローチャート図である。

まず始めに、回転角度測定装置１０を用いて測定を行うための準備作業を行う（ステップＳ１０）。具体的には、回転移動軸２０に対してエンコーダ軸２２を連結する。また、エンコーダ本体２６上に反射ユニット３８を取り付け、これに対向する位置に光ヘッド４４を固定する。光ヘッド４４には、第１及び第２の光ファイバ４８Ａ、４８Ｂを介してレーザ光源５０及び光検出器４６を接続する。そして、ロータリエンコーダ１２及びレーザ干渉ユニット４０を不図示のケーブルを介してデータ処理装置１８に接続する。また、エンコーダ本体２６の外周面から突設されるアーム部材２８を回転止治具１６の一対の回転規制部材３８Ａ、３８Ｂの間に介挿する。

次に、データ処理装置１８の電源をオンにして、回転角度測定用プログラムを起動する（ステップＳ１２）。その際、データ処理装置１８以外の各部の電源もオンにして、測定を開始できる状態にしておく。

次に、回転角度の測定条件の設定を行う（ステップＳ１４）。具体的には、回転角度の測定条件として、計測開始位置、計測終了位置、計測間隔、データ取得方法などを設定する。例えば、計測開始位置を０度、計測終了位置を３６０度、計測間隔を４５度として設定した場合、回転移動軸２０の１周分、すなわち３６０度の範囲にわたって４５度毎に９個の測定点が計測位置となる。また、計測間隔の代わりに測定点の個数を入力してもよいし、各測定点の位置を示す回転角度を直接入力できるようにしてもよい。データ取得方法としては、各測定点の測定回数や各測定点の移動シーケンス（測定開始位置から測定終了位置に向かう方向選択や繰り返し方法）などが含まれる。これらの測定条件は、データ処理装置１８に接続される入力装置７２から入力される。

次に、回転移動軸２０を計測開始位置まで回転させる（ステップＳ１６）。続いて、回転移動軸２０が停止したか否か判断が行われ（ステップＳ１８）、回転移動軸２０が停止したと判断されるまで待機状態となる。回転移動軸２０が停止したと判断された場合には、次のステップＳ２０及びステップＳ２４に進む。

回転移動軸２０が停止した後、エンコーダ軸回転角度算出部６４は、ロータリエンコーダ１２から出力される回転角度データを取得し（ステップＳ２０）、取得した回転角度データに基づいてエンコーダ軸２２の回転角度θ１を算出する（ステップＳ２２）。

また、ステップＳ２０及びステップＳ２２の各処理と並行して、エンコーダ本体回転角度算出部６６は、光検出器４６から出力される光路長差データを取得し（ステップＳ２４）、取得した光路長差データに基づいてエンコーダ本体２６の回転角度θ２を算出する（ステップＳ２６）。

このとき、エンコーダ本体２６の回転角度θ２の算出方法としては、図４に示すように、２個のコーナーキューブ４２Ａ、４２Ｂの間隔（中心間距離）をＬとし、レーザ干渉ユニット４０（光検出器４６）で検出された光路長差をｘとしたとき、次式（１）によって求められる。

θ２＝ｓｉｎ^-1（ｘ／２Ｌ） ・・・（１）
なお、光路長差ｘは２Ｌに比べて十分に小さいことから、次式（２）を用いてもよい。

θ２≒ｘ／２Ｌ ・・・（２）
次に、回転角度補正部６８は、エンコーダ本体２６の回転角度θ２が閾値εよりも大きいか否かの判断を行う（ステップＳ２８）。そして、エンコーダ本体２６の回転角度θ２が閾値εよりも大きい場合には、ステップＳ２６で算出されたエンコーダ本体２６の回転角度θ２に基づき、ステップＳ２２で算出されたエンコーダ軸２２の回転角度θ１を補正する（ステップＳ３０）。具体的には、エンコーダ軸２２の回転角度θ１にエンコーダ本体２６の回転角度θ２を加算することにより、エンコーダ軸２２の軸偏心に起因する偏心誤差が取り除かれた補正後の回転角度θ１’を算出し、現在の測定点（計測位置）における割り出し角度を補正後の回転角度θ１’とし、次のステップＳ３２に進む。

一方、エンコーダ本体２６の回転角度θ２が閾値ε以下の場合には、エンコーダ軸２２の回転角度θ１の補正は行わずに、現在の測定点における割り出し角度を回転角度θ１とし、次のステップＳ３２に進む。

なお、図７に示した方法では、エンコーダ本体２６の回転角度θ２の大きさに応じてエンコーダ軸２２の回転角度θ１の補正は行わないようにしているが、これに限らず、エンコーダ本体２６の回転角度θ２の大きさにかかわらず、全ての測定点についてエンコーダ
軸２２の回転角度を補正するようにしてもよい。ただし、図７に示した方法によれば、全ての測定点についてエンコーダ軸２２の回転角度θ１を補正しなくてもすむので、全ての測定点についてエンコーダ軸２２の回転角度を補正する態様に比べて、回転角度の割り出し精度の測定に伴う処理を簡略化することが可能となる。特に、エンコーダ本体２６の回転角度θ２が測定範囲の全体にわたって十分に小さく無視できる場合には、全ての測定点についてエンコーダ軸２２の回転角度θ１を補正することが不要となり、各測定点におけるエンコーダ軸２２の回転角度θ１をそのまま割り出し角度として利用することが可能となる。

次に、全ての測定点の測定が指定回数行われたか否かが判断される（ステップＳ３２）。全ての測定点の測定が指定回数行われていない場合には、ステップＳ１４で設定されたデータ取得条件に従って回転移動軸２０を次の測定点まで回転させる（ステップＳ３４）。そして、全ての測定点の測定が指定回数行われるまでステップＳ１８以降の処理を繰り返す。ステップＳ３２にて全ての測定点の測定が指定回数行われたと判断された場合には、次のステップＳ３６に進む。

次に、補正データ生成部７０は、各測定点の回転角度（設定角度）と割り出し角度（すなわち、ステップＳ３０で算出された補正回転角度θ１’）との誤差を算出し、この誤差が打ち消されるように回転角度の補正量を示す補正データを生成し（ステップＳ３６）、工作機械の制御装置９０又は出力装置７４に補正データを出力する（ステップＳ３８）。

以上のとおり、本実施形態によれば、回転移動軸２０に対してエンコーダ軸２２が軸ずれした状態で取り付けられた場合でも、エンコーダ本体２６のエンコーダ軸２２周りにおける絶対的な回転角度を検出し、その検出された回転角度に基づいてロータリエンコーダ１２によって検出された回転角度が補正される。これにより、ロータリエンコーダ１２によって検出された回転角度、すなわち、エンコーダ軸２２の回転角度に含まれる偏心誤差を取り除くことが可能となる。

特に本実施形態では、レーザ干渉ユニット４０を用いてエンコーダ本体２６の回転角度が検出されるため、回転移動軸２０に対するエンコーダ軸２２の軸ずれが微量である場合でも、エンコーダ本体２６の微小な回転角度を高精度に検出することができる。したがって、エンコーダ軸２２の回転角度に含まれる偏心誤差を確実に取り除くことができる。その結果、回転移動軸２０の回転角度の割り出し精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、エンコーダ軸２２が軸ずれした状態で取り付けられた場合でも偏心誤差による影響を取り除くことができるため、ロータリエンコーダ単独で測定が行われる場合に比べて、回転移動軸２０に対するエンコーダ軸２２の許容偏心量（最大偏心量）を拡大することができる。このため、ロータリエンコーダ１２の取り付け作業が簡単となり、作業者の負担が大幅に軽減し、作業効率が向上する。

また、本実施形態では、エンコーダ本体２６の回転可能範囲は、レーザ干渉ユニット４０によってエンコーダ本体２６の回転角度を精度良く検出できる範囲（例えば±１０度前後）に制限されていることが好ましい。なお、エンコーダ本体２６の回転可能範囲は、回転止治具１６に設けられる一対の回転規制部材３８Ａ、３８Ｂの間隔を調整することによって変化させることができる。これにより、エンコーダ本体２６の回転角度を高精度に検出することができ、偏心誤差を確実に取り除くことが可能となる。

また、本実施形態によれば、回転移動軸２０の回転開始時ないしは回転停止時に伴う慣性力により、エンコーダ軸２２の回転につられてエンコーダ本体２６が共回りすることによって、ロータリエンコーダ１２によって検出された回転角度に微小な角度ずれ（以下、
「初期オフセット誤差」という。）が生じた場合でも、上記補正を行うことにより、偏心誤差と初期オフセット誤差の影響を同時にキャンセルすることができる。

なお、本実施形態では、エンコーダ本体２６の絶対的な回転角度を検出する手段として、レーザ干渉ユニット４０を用いているが、これに限定されず、補正対象となる誤差の大きさ（オーダ）に応じて各種方式（例えば、水準器やオートコリメータなど）を適宜採用することができる。但し、本実施形態の如く、レーザ干渉ユニット４０を用いてエンコーダ本体２６の回転角度を検出する態様が好ましく、偏心誤差や初期オフセット誤差の影響を受けることなく、回転移動軸２０の回転角度の割り出し精度を向上させることができる。

＜第２発明＞
次に、第２発明の実施形態について説明する。以下、上述した実施形態と共通する部分については説明を省略し、本実施形態の特徴的部分を中心に説明する。

図８は、第２発明の実施形態に係る回転角度測定方法の手順の一例を示したフローチャート図である。図８中、図７と共通する処理には同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、図８に示したフローチャートは、第１発明の実施形態で示した回転角度測定装置１０を用いて行われる。

図８に示すように、本実施形態では、ステップＳ２６で算出されたエンコーダ本体２６の回転角度θ２の大きさに応じて、ステップＳ２２で算出されたエンコーダ軸２２の回転角度θ１を補正した後（ステップＳ２８、Ｓ３０）、現在の測定点の周辺部を計測対象とした内挿誤差測定が行われる（ステップＳ４０）。

ここで、ステップＳ４０で行われる内挿誤差測定について説明する。図９は、内挿誤差測定で行われる処理内容を示したフローチャート図である。

まず始めに、内挿誤差の測定処理が開始されると、回転移動軸２０を微小角度回転させる（ステップＳ４２）。ここでは、回転移動軸２０を回転させることが可能な最小単位角度だけ回転させる。なお、ステップＳ４２で回転させる微小角度は、最小単位角度に限定されず、少なくとも内挿誤差の周期、すなわち、回転移動軸２０に設けられている歯車の一歯あたりの回転角度（回転ピッチ）よりも小さい角度であればよく、内挿誤差の周期の４分の１以下の角度であることが好ましい。

ステップＳ４４からステップＳ５４までの処理については、図７及び図８に示したステップＳ１８からステップＳ３０までの処理と同様にして行われる。すなわち、回転移動軸２０が停止した後、ロータリエンコーダ１２及びレーザ干渉ユニット４０から取得した回転角度データ及び光路長差データに基づいてエンコーダ軸２２の回転角度θ１及びエンコーダ本体２６の回転角度θ２を算出し、エンコーダ本体２６の回転角度θ２の大きさに応じてエンコーダ軸２２の回転角度θ１の補正を行う（ステップＳ４４〜Ｓ５６）。なお、上述した実施形態と同様に、エンコーダ本体２６の回転角度θ２の大きさにかかわらず、エンコーダ本体２６の回転角度θ２に基づいてエンコーダ軸２２の回転角度θ１を補正するようにしてもよい。

次に、内挿誤差測定が終了したか否かが判断される（ステップＳ５８）。ここでは、内挿誤差測定が開始された位置（測定点）から現在の位置までの回転範囲が所定の閾値を超えているか否かを判断することにより、内挿誤差測定が終了したか否かを判断する。このとき、判断の基準となる閾値（角度範囲）は、検出対象とする内挿誤差の周期と等しいか、それよりも広い範囲とする。なお、閾値を大きく設定しすぎると内挿誤差の測定に要す
る時間が長くなることから、内挿誤差の周期に応じて適正な範囲に設定することが望ましい。

内挿誤差測定が終了していないと判断される場合には、ステップＳ４２に戻って回転移動軸２０を微小角度回転させた後、ステップＳ４４以降の処理を繰り返す。一方、内挿誤差測定が終了したと判断される場合には、図８のステップＳ３２に戻る。

図８のステップＳ３２では、全ての測定点の測定が指定回数行われるまでステップＳ１８からステップＳ４０までの処理が繰り返される（ステップＳ３２）。これにより、例えば図１０の上段に示すように、各測定点毎に測定された内挿誤差が得られる。なお、図１０では、４５度毎に設定された複数の測定点（０度、４５度、９０度、１３５度）の周辺部で測定された内挿誤差を一例として示している。

次に、補正データ生成部７０は、第１の実施形態と同様にして各測定点の回転角度（設定角度）と割り出し角度（ステップＳ３０で算出された補正回転角度θ１’、又は、補正前の回転角度θ１）との誤差を算出し、この誤差が打ち消されるように回転角度の補正量を示す補正データを生成する（ステップＳ３４）。

その際、補正データ生成部７０は、各測定点で得られた内挿誤差に基づいて、内挿誤差がキャンセルされるように補正データを生成する。具体的には、例えば図１０の下段に示すように、各測定点で得られた内挿誤差の平均値を内挿誤差補正値として内挿誤差の周期毎に補正データに反映させる。

そして最後に、工作機械の制御装置９０又は出力装置７４に補正データを出力する（ステップＳ３６）。

以上のとおり、本実施形態によれば、回転移動軸２０に対してエンコーダ軸２２が軸ずれした状態で連結される場合でも、軸ずれに起因する偏心誤差の影響を受けることなく、回転移動軸２０に設けられる歯車に起因する内挿誤差を精度良く測定することができる。これにより、内挿誤差を補正するための補正データを生成することが可能となり、この補正データを用いて回転移動軸２０の回転角度を補正することにより、内挿誤差の影響を受けることなく、回転移動軸２０の回転角度の割り出し精度を向上させることが可能となる。また、ロータリエンコーダ１２の簡単な取り付けが可能となる。

なお、本実施形態では、ステップＳ１４で設定された全ての測定点を対象にして内挿誤差の測定が行われているが、これに限らず、これらの測定点のうち一部の測定点を対象にして内挿誤差を測定するようにしてもよい。

＜第３発明＞
次に、第３発明の実施形態について説明する。以下、上述した各実施形態と共通する部分については説明を省略し、本実施形態の特徴的部分を中心に説明する。

第１及び第２発明の実施形態では、回転移動軸２０の回転が停止してから回転角度を測定する静的測定（スタッティック測定）が行われるのに対し、第３発明の実施形態では、回転移動軸２０を一定の回転速度で等速回転させながら所定の時間間隔毎に回転角度を検出する動的測定（ダイナミック測定）が行われる。

図１１は、第３発明の実施形態に係るデータ処理装置１８の構成を示した機能ブロック図である。図１１中、図５と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１１に示すように、データ処理装置１８は、同期信号を生成する同期信号を生成する同期信号生成部７６を備えている。同期信号生成部７６の同期信号の発生回数、発生間隔などは制御部６０により制御される。同期信号生成部７６で生成された同期信号は、ロータリエンコーダ１２及びレーザ干渉ユニット４０に対して出力される。

図１２は、第３発明の実施形態に係る回転角度測定方法の手順の一例を示したフローチャート図である。図１２中、図７又は図８と共通する処理には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１２に示すように、回転移動軸２０を計測開始位置まで回転させた後（ステップＳ１６）、回転移動軸２０の回転を開始する（ステップＳ５０）。このとき、回転移動軸２０を一定の回転速度で等速回転させる。また、同期信号生成部７６は、ロータリエンコーダ１２及びレーザ干渉ユニット４０に対して同期信号を出力する。なお、同期信号生成部７６では、所定の時間間隔毎に検出タイミングを示す同期信号が生成される。

次に、ロータリエンコーダ１２及びレーザ干渉ユニット４０は、同期信号生成部７６から出力された同期信号に基づいて、所定時間が経過するまで待機した後（ステップＳ５２）、同一タイミングで回転角度及び光路長差の検出を行い、これらに対応する回転角度データ及び光路長差データを出力する。

ステップＳ２０からステップＳ３０までの処理については、上述した実施形態と同様であり、エンコーダ軸回転角度算出部６４及びエンコーダ本体回転角度算出部６６は、ロータリエンコーダ１２及びレーザ干渉ユニット４０から計測時間間隔毎に出力される回転角度データ及び光路長差データを取得すると、取得した回転角度データ及び光路長差データに基づいてエンコーダ軸２２の回転角度θ１及びエンコーダ本体２６の回転角度θ２を算出する。そして、回転角度補正部６８は、エンコーダ本体２６の回転角度θ２の大きさに応じてエンコーダ軸２２の回転角度θ１の補正を行う。なお、上述した実施形態と同様に、エンコーダ本体２６の回転角度θ２の大きさにかかわらず、エンコーダ本体２６の回転角度θ２に基づいてエンコーダ軸２２の回転角度θ１を補正するようにしてもよい。

次に、全ての測定が終了したか否かが判断される（ステップＳ３２）。ここでは、回転移動軸２０が計測終了位置まで移動したか否かの判断が行われる。回転移動軸２０が計測終了位置まで移動していない場合には、ステップＳ２０からからステップＳ２８までの処理が繰り返される。回転移動軸２０が計測終了位置まで移動した場合には、次のステップＳ３６に進む。

ステップＳ３６で行われる補正データの生成処理は上述した実施形態と同様であり、計測が行われた各位置における回転角度（設定角度）と割り出し角度との誤差を算出し、この誤差が打ち消されるように回転角度の補正量を示す補正データを生成する（ステップＳ３６）。そして、ステップＳ３６で生成した補正データを工作機械の制御装置９０又は出力装置７４に出力する（ステップＳ３８）。

以上のとおり、本実施形態では、回転移動軸２０を一定の回転速度で等速回転させながら、ロータリエンコーダ１２及びレーザ干渉ユニット４０は、同期信号生成部７６から出力される同期信号に従って、所定の時間間隔毎に同一タイミングで回転角度及び光路長差を検出する動的測定（ダイナミック測定）が行われる。したがって、計測範囲にわたって連続的に回転角度の測定を行うことができるため、局所的に発生する角度誤差を確実に検出することが可能となる。これにより、回転移動軸２０の回転角度の割り出し精度を向上させることができる。

＜第４発明＞
次に、第４発明の実施形態について説明する。以下、上述した各実施形態と共通する部分については説明を省略し、本実施形態の特徴的部分を中心に説明する。

図１４は、第４発明の実施形態に係る回転止治具の先端部分の構成例を示した構成図である。図１４中、図３と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１４に示すように、回転止治具１６の先端に配置される回転規制部材３８Ａ又は３８Ｂには、アーム部材２８の変位を検出する変位センサ１４０が設けられている。変位センサ１４０は、アーム部材２８の変位を検出すると、その検出結果をデータ処理装置１８に対して出力する。

変位センサ１４０としては、アーム部材２８の変位を検出することができるものであれば各種公知のセンサを適用することが可能であり、例えば、静電容量式、渦電流式、光学式（３角測距式、反射光量式）、レーザ式、接触式（差動トランス式、プランジャ式、歪ゲージを用いた方式）を使用することができる。また、光学スケールを用いてアーム部材２８の変位を検出してもよい。これらの方式については公知の構成が適用されるため、ここでは説明を省略する。

図１５は、第４発明の実施形態に係るデータ処理装置の構成を示したブロック図である。図１５中、図５と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１５に示すように、変位センサ１４０で検出されたアーム部材２８の変位は、エンコーダ本体回転角度算出部６６に入力される。エンコーダ本体回転角度算出部６６は、変位センサ１４０で検出されたアーム部材２８の変位に基づき、エンコーダ本体２６の回転角度を算出する。

ここで、エンコーダ本体２６の回転角度をα、アーム部材２８の変位をｄ、エンコーダ本体２６の回転中心からアーム部材２８の先端部分（変位計測位置）までの距離をｌとしたとき、エンコーダ本体２６の回転角度αは、次式α＝ｓｉｎ^−１（ｄ／ｌ）により求めることができる。他の処理については、上述した各実施形態と同様に行われる。

以上のとおり、本実施形態によれば、エンコーダ本体２６のアーム部材２８の変位を検出する変位センサ１４０を備えたので、変位センサ１４０によって検出されるアーム部材２８の変位からエンコーダ本体２６の回転角度を求めることができる。したがって、回転移動軸２０の回転開始時ないしは回転停止時に伴う慣性力により、エンコーダ軸２２の回転につられてエンコーダ本体２６が共回りしてしまう場合でも、上述した各実施形態に比べてより簡易な構成で、エンコーダ本体２６の回転角度に基づいてロータリエンコーダ１２によって検出された回転角度を補正することができ、初期オフセット誤差による影響をキャンセルすることができる。これにより、回転移動軸２０の回転角度の割り出し精度を向上させることができる。

なお、上述した各実施形態では、ロータリエンコーダ１２の出力方式は特に限定されず、測定開始位置からの回転変位量（回転角度）に応じたパルス信号（相対角度信号）を出力するインクリメンタル方式でもよいし、基準点に対して絶対的な角度位置に対応したコード信号（絶対角度信号）を出力するアブソリュート方式でもよい。

また、ロータリエンコーダ１２の検出方式は特に限定されず、光学式、磁気式、レーザ式、機械式、光ファイバ式、静電容量式などの各種方式のものを採用することができる。

また、ロータリエンコーダ１２には、エンコーダ軸２２と回転移動軸２０を機械的に連結するカップリング部材が設けられていてもよい。カップリング部材としては、回転移動軸２０と回転移動軸２０との間の軸ずれを吸収可能なフレキシブルカップリングが好ましい。その際、フレキシブルカップリングの種類に応じて、吸収可能な偏心量が異なることから、測定精度に応じて使用するフレキシブルカップリングを選定する必要がある。

また、上述した各実施形態では、相対角度検出手段としてロータリエンコーダ１２が用いられた構成を一例として示したが、本発明はこれに限らず、例えば、レゾルバを用いた角度センサを用いてもよい。なお、レゾルバを用いた角度センサについては公知のものが適用されるため、ここでは説明を省略する。

以上、本発明の回転角度測定装置及び回転角度測定方法について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

最後に、本発明の課題の１つとして、回転体の回転角度をリアルタイムに精度良く検出することもある。その上で、必要な前提としては、回転体の精度を精度良く検出する上では、次の前提条件を踏まえて検出する必要がある。本検出するステップが一つでも欠けると全体として意味のないものになってしまう。

回転体の回転角度を精度良く測定する上では、回転体の外側から回転体の回転角度を検出することは不可能である。なぜならば、回転体は回転に伴う回転系全体の微小変位や回転系の振動などが発生するため、外部から検出しようとしても、それが微小変位や振動によるものか、真の回転による角度変化であるかの見分けがつかないからである。

例えば、レーザ光で角度検出する方法の場合、レーザ光を照射し、回転角度を測定する対象が回転規制されておらず、まさに回転体に対して、回転体の軸ないしは軸受け部分より離れた点から回転体に向けて測定しているため、回転体自身の振動や微小平行変位など、回転以外の運動による誤差も回転とみなしてしまうことがある。よって、回転系以外の地点から回転体へ光を投射して検出する機構は、高精度に回転角を検出する機構として意味をなさないものになる。

よって、回転系の回転角度を測定するためには、まず、基準となる支持体（支持基準体）が回転体と同じ回転系に属する必要がある。すなわち、回転体が支持基準体に対して軸支された状態、つまり、軸と軸受けによって結合された状態で回転角度を測定しなくてはならない。同じ軸によって結合された状態で回転を測定する場合、すなわち、同一の回転系に属しながら回転角度を検出する場合は、支持基準体と回転体は同じ回転系であるため、回転体の回転に伴う振動や回転系の変位はキャンセルされ、相対的に精度良く回転角度のみを測定することが可能となる。

さらに、回転体の回転角度を求めるためには、微小ピッチで連続したエンコードを等間隔で刻んでいる必要がある。等間隔で刻まれたエンコードからパルスが発せられ、それぞれの回転角度を読み取ることができる。例えば、エンコードピッチは直径５０ｍｍの部分に２０μｍピッチ程度で刻まれているものなどがある。これは全周で刻まれている必要がある。

全周を等間隔で微小ピッチでエンコードを刻むことによって、多少偏心があったとしても、パルスの等間隔性とパルスの連続性から一周させることで校正（較正）することが可能となる。すなわち、エンコーダが中心からずれて固定されていたとしても、角度のずれ
方はサインカーブを描くようにずれて一周させることで元の位置に戻るので、パルスの等間隔性と微小パルスの連続性から回転角を正確に修正することが可能となる。

また、一周にわたって円板ないしはリング状のエンコーダを形成することで、軸周りにおいて摩擦熱の影響があったとしても、熱は軸と軸受けの間で発生するため、軸に対して円対称、半径方向に分布するため、エンコーダ内で熱応力におけるせん断的な熱応力は働かない。すなわち、熱応力によって変形する際に、ポアソン比の影響を受けることなく、円周方向は同じ角度を維持することが可能となる。

一方、同じ回転系で測定する場合、回転体内で測定すれば全て精度良く検出できるかといえば、そうではない。それは、回転体内で測定する場合、回転規制している部分に対して、少なからず軸と軸受けの間で発生する摩擦力、また、急に回転するないしは急に静止することによって生まれる慣性力などの力が加わるからである。こうした力が加わる系においては、回転の基準になる基準部分が、摩擦力、慣性力などによって変位してしまう。そのため、回転の基準位置がどの程度角度が変化したかを検出しておかなければならない。

これは同じ回転系にいる状態では測定することはできない。なぜなら、同一回転系の中ではどうしても摩擦力、慣性力が作用してしまうからである。

例えば、水準器を用いて回転体の回転角度を検出しようとすると、その水準器は同じ回転系に取り付けなければならない。このような場合、水準器は回転体の摩擦力や慣性力を受けることになる。例えば、回転体が急激に回転駆動する場合、又は回転体が急激に静止する場合、その摩擦力・慣性力の影響をまともに受ける。

その結果、リアルタイムに、かつ即座に角度を検出することは不可能となる。なぜならば、回転体に接触して測定する場合、多かれ少なかれ、摩擦力、慣性力の影響を受けるためである。また、水準器は、位置を即座に検知するのではなく、重力によって静止する部分を基準に水準を定義する。すなわち、重力のみが作用する力学系のバランスで位置が決まることになる。こうした場合、回転体が回転することに伴う摩擦力や慣性力が働く系において、重力で基準を設定しても、リアルタイムに、すなわち即座に角度を検出できないことは自明である。

また、仮にリアルタイムに、かつ即座に角度を検出できなかったとして、リアルタイムではなくても水準器の場合、正確な角度を検出することはできない。

なぜならば、回転体の回転によって摩擦力や慣性力が作用し、その結果、理想的な水準位置でない位置で止まった場合において、理想的な水準位置に戻すために、逆回転させる必要があるからである。逆回転させて戻した場合、正回転した際の角度ずれの量と逆回転させて補正するとした場合の角度戻しの量は、厳密には異なる。これは回転体を駆動させるためのギアの影響があるからであり、ギアのバックラッシの影響やギア一つ一つのかみ合わせによって生じる内挿誤差の影響により、回転角度は行きと帰りで微小に変化するからである。そうしたことから、水準器のような重力のバランスで位置が決まる方式では、逆戻りする工程を必要とするため、本発明の課題である、即座に角度検出することや、精度よく角度検出するという目的を到底達成することはできない。

また、水準器の場合、本発明のような任意の回転軸方向に対応することはできず、例えば回転軸が鉛直方向の場合においては、重力が作用しないため、動作すらしない。よって、本質的な観点で本発明とは解決すべき課題の点で相容れるものではない。

したがって、同じ回転系の回転角度を正確に検出するためには、まずは、回転系全体の変位や振動をキャンセルしながら正確に測定するために、同一回転系に軸支された状態で測定する必要がある。

しかし、同じ回転系で測定する場合は、軸と軸受け間の摩擦力、慣性力などの力が加わる。そのため、回転における支持基準となる側に対し、回転系とは接触しない位置から非接触で回転変位を測定するとよい。そうすれば、回転運動の影響を受けることなく、非接触で精度良く回転変位を測定することが可能となる。

なお、回転系に組み込む軸支した状態で測定する相対的な回転角度測定手段と、回転系とは接触しない位置からの非接触での回転角度測定手段とは、互いに独立した基準を基に、独立して測定することが可能なものであって、互いの測定結果が互いに干渉するものではない。

また、相互の測定結果をつなぎあわせる上で、例えば逆回転しなくてはならなかったり、機構的に嵌めこまなくてはならなかったりなど、別の機構的な外乱要素が入り込む余地も存在しない。

その結果、トータルとして回転運動による回転角度を簡便かつ精度良く検出し、測定することが可能となる。

以上より、本発明の構成、すなわち、支持基準体と、支持基準体に連結され、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、支持基準体に対する回転体の相対的な回転角度を検出する相対角度検出手段と、回転体及び支持基準体に接触しない位置を基準として、支持基準体の回転角度を検出する非接触式角度検出手段と、相対角度検出手段による回転角度の検出と非接触式角度検出手段による回転角度の検出とを同期させる同期制御手段を備えることは、当業者が容易に想到し得るものではない。

１０…回転角度測定装置、１２…ロータリエンコーダ、１６…回転止治具、１８…データ処理装置、２０…回転移動軸、２２…エンコーダ軸、２３…大径部、２４…軸受、２６…エンコーダ本体、２８…アーム部材、３４…目盛板、３６…読み取りヘッド、４０…レーザ干渉ユニット、４４…光ヘッド、４６…光検出器、５０…レーザ光源、５２…偏光ビームスプリッタ、５４…直角プリズム、５６…入出力ＩＦ、５８…メモリ、６０…制御部、６２…データ処理部、６４…エンコーダ軸回転角度算出部、６６…エンコーダ本体回転角度算出部、６８…回転角度補正部、７０…補正データ生成部、７２…入力装置、７４…出力装置、７６…同期信号生成部、１３８…水準器ユニット、１４０…変位センサ

Claims (8)

1. 支持基準体と、前記支持基準体に連結され、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検出する相対角度検出手段と、
   前記回転体及び前記支持基準体に接触しない位置を基準として、前記支持基準体の回転角度を検出する非接触式角度検出手段と、
   前記相対角度検出手段による回転角度の検出と前記非接触式角度検出手段による回転角度の検出とを同期させる同期制御手段と、
   を備えたことを特徴とする回転角度測定装置。
2. 前記同期制御手段は、前記相対角度検出手段による回転角度の検出と前記非接触式角度検出手段による回転角度の検出を同一タイミングにすることを特徴とする請求項１に記載の回転角度測定装置。
3. 前記相対角度検出手段が検出した回転角度を、前記非接触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又は２に記載の回転角度測定装置。
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項に記載の回転角度測定装置。
5. 前記非接触式角度検出手段は、レーザ干渉を利用し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項に記載の回転角度測定装置。
6. 支持基準体と、前記支持基準体に連結され、前記支持基準体に対し全周回転自在に軸支された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、
   前記回転体及び前記支持基準体に接触しない位置を基準として、前記支持基準体の回転角度を検出する非接触式角度検出ステップと、
   前記相対角度検出ステップによる回転角度の検出と前記非接触式角度検出ステップによる回転角度の検出とを同期させる同期制御ステップと、
   を含むことを特徴とする回転角度測定方法。
7. 前記同期制御ステップは、前記相対角度検出ステップによる回転角度の検出と前記非接触式角度検出ステップによる回転角度の検出を同一タイミングにすることを特徴とする請求項６に記載の回転角度測定方法。
8. 前記相対角度検出ステップで検出した回転角度を、前記非接触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６又は７に記載の回転角度測定方法。

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