特開 2023-43487 角度検出器および位置測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023043487

(43)【公開日】2023-03-29

(54)【発明の名称】角度検出器および位置測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/245 20060101AFI20230322BHJP

   G01D 5/244 20060101ALI20230322BHJP

【ＦＩ】

G01D5/245 110B

G01D5/244 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021151153

(22)【出願日】2021-09-16

(71)【出願人】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100134511

【弁理士】

【氏名又は名称】八田 俊之

(72)【発明者】

【氏名】田中 駿丞

(72)【発明者】

【氏名】加藤 慶顕

(72)【発明者】

【氏名】水谷 都

【テーマコード（参考）】

2F077

【Ｆターム（参考）】

2F077AA12

2F077NN02

2F077PP06

2F077UU07

(57)【要約】

【課題】高次の誤差を除去した高精度な角度検出を可能としつつ、小型化することができる角度検出器および位置測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】角度検出器は、複数のパターンが周方向に沿って配列されて形成されたスケールパターンを有するロータリースケールと、それぞれ前記スケールパターンから前記パターンを読み取る複数の検出ヘッドと、を備え、前記複数の検出ヘッドは、前記ロータリースケールの周方向に沿ってずらして設置されるとともに、前記ロータリースケールの径方向にずらして設置されたことを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のパターンが周方向に沿って配列されて形成されたスケールパターンを有するロータリースケールと、
それぞれ前記スケールパターンから前記パターンを読み取る複数の検出ヘッドと、を備え、
前記複数の検出ヘッドは、前記ロータリースケールの周方向に沿ってずらされるとともに、前記ロータリースケールの径方向にずらして設置されたことを特徴とする角度検出器。

【請求項2】

前記複数の検出ヘッドは、基準検出ヘッドと、当該基準検出ヘッドが設置された基準位置を０°としたときに、当該基準位置に対して（３６０°／２ｎ）回転させた位置に設置されたｎ次誤差成分検出ヘッドを含むことを特徴とする請求項１に記載の角度検出器。

【請求項3】

前記複数の検出ヘッドは、前記ロータリースケールの全周を周方向に沿ってＮ等分された間隔を保持して設置されたことを特徴とする請求項１に記載の角度検出器。

【請求項4】

前記ロータリースケールは、それぞれ周方向に沿って配列された複数のパターンを有し、それぞれ径方向にずらして設けられた複数のトラックを備え、
前記複数の検出ヘッドは、前記複数のトラックに対応させて設置されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の角度検出器。

【請求項5】

前記複数のトラックは、第１トラックと当該第１トラックよりも周方向内側に設けられた第２トラックと、を含み、
前記複数の検出ヘッドは、周方向に隣接する検出ヘッドを前記第１トラックと前記第２トラックとに振り分けて設置されたことを特徴とする請求項４に記載の角度検出器。

【請求項6】

前記パターンは、それぞれ前記ロータリースケールの径方向に沿って放射状に延びていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の角度検出器。

【請求項7】

複数のパターンが周方向に沿って配列されて形成されたスケールパターンを有するロータリースケールと、
それぞれ前記スケールパターンから前記パターンを読み取る複数の検出ヘッドと、を備え、
前記複数の検出ヘッドは、前記ロータリースケールの周方向に沿ってずらされるとともに、前記ロータリースケールの径方向にずらして設置された角度検出器と、
前記複数の検出ヘッドの角度検出値に基づいて計測誤差を算出する演算部と、を有することを特徴とする位置測定装置。

【請求項8】

前記複数の検出ヘッドは、基準検出ヘッドと、当該基準検出ヘッドが設置された基準位置を０°としたときに、当該基準位置に対して（３６０°／２ｎ）回転させた位置に設置されたｎ次誤差成分検出ヘッドを含み、
前記演算部は、前記ｎ次誤差成分検出ヘッドによって検出された角度検出値に基づいてｎ次誤差成分の算出値を取得し、当該算出値を前記基準検出ヘッドによって検出された角度検出値から減算して補正検出値を取得することを特徴とする請求項７に記載の位置測定装置。

【請求項9】

前記複数の検出ヘッドは、前記ロータリースケールの全周を周方向に沿ってＮ等分された間隔を保持して設置され、
前記演算部は、Ｎ個の検出ヘッドのそれぞれによって検出された角度検出値の平均値を算出して当該平均値を補正検出値とすることを特徴とする請求項７に記載の位置測定装置。

【請求項10】

前記ロータリースケールは、それぞれ周方向に沿って配列された複数のパターンを有し、それぞれ径方向にずらして設けられた複数のトラックを備え、
前記複数の検出ヘッドは、前記複数のトラックに対応させて設置されたことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の位置測定装置。

【請求項11】

前記複数のトラックは、第１トラックと当該第１トラックよりも周方向内側に設けられた第２トラックと、を含み、
前記複数の検出ヘッドは、周方向に隣接する検出ヘッドを前記第１トラックと前記第２トラックとに振り分けて設置されたことを特徴とする請求項１０に記載の位置測定装置。

【請求項12】

前記パターンは、それぞれ前記ロータリースケールの径方向に沿って放射状に延びていることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の位置測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本件は、角度検出器および位置測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、高精度に角度の検出を行うために、ロータリエンコーダ等の角度検出器における高次の誤差を検出するための提案が種々行われている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１や、特許文献２では、複数の検出ヘッドを同一円周上において周方向にずらして配置し、これにより角度検出器における高次の誤差の検出を可能としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－２６２５１８号公報

【特許文献2】特開２００６－９８３９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、昨今、角度検出器は、高精度の角度検出性能だけでなく、角度検出器自体の小型化も求められている。しかしながら、特許文献１や、特許文献２で開示された角度検出器を小型化しようとした場合、検出ヘッドの配置が密となり、検出ヘッド同士が干渉する可能性がある。このため、特許文献１や、特許文献２で開示された角度検出器の小型化には限界があり、この点において改良の余地があった。

【0005】

１つの側面では、本発明は、高次の誤差を除去した高精度な角度検出を可能としつつ、小型化することができる角度検出器および位置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】

【0006】

１つの態様では、角度検出器は、複数のパターンが周方向に沿って配列されて形成されたスケールパターンを有するロータリースケールと、それぞれ前記スケールパターンから前記パターンを読み取る複数の検出ヘッドと、を備え、前記複数の検出ヘッドは、前記ロータリースケールの周方向に沿ってずらされるとともに、前記ロータリースケールの径方向にずらして設置されたことを特徴とする。

【0007】

上記角度検出器において、前記複数の検出ヘッドは、基準検出ヘッドと、当該基準検出ヘッドが設置された基準位置を０°としたときに、当該基準位置に対して（３６０°／２ｎ）回転させた位置に設置されたｎ次誤差成分検出ヘッドを含む態様とすることができる。

【0008】

また、上記角度検出器において、前記複数の検出ヘッドは、前記スケールパターンの全周を周方向に沿ってＮ等分された間隔を保持して設置された態様としてもよい。

【0009】

さらに、上記角度検出器において、前記ロータリースケールは、それぞれ周方向に沿って配列された複数のパターンを有し、それぞれ径方向にずらして設けられた複数のトラックを備え、前記複数の検出ヘッドは、前記複数のトラックに対応させて設置された態様とすることができる。

【0010】

また、上記角度検出器において、前記複数のトラックは、第１トラックと当該第１トラックよりも周方向内側に設けられた第２トラックと、を含み、前記複数の検出ヘッドは、周方向に隣接する検出ヘッドを前記第１トラックと前記第２トラックとに振り分けて設置された態様とすることができる。

【0011】

さらに、上記角度検出器において、前記パターンは、それぞれ前記ロータリースケールの径方向に沿って放射状に延びている態様としてもよい。

【0012】

１つの態様では、位置測定装置は、複数のパターンが周方向に沿って配列されて形成されたスケールパターンを有するロータリースケールと、それぞれ前記スケールパターンから前記パターンを読み取る複数の検出ヘッドと、を備え、前記複数の検出ヘッドは、前記ロータリースケールの周方向に沿ってずらされるとともに、前記ロータリースケールの径方向にずらして設置された角度検出器と、前記複数の検出ヘッドの角度検出値に基づいて計測誤差を算出する演算部と、を有することを特徴とする。

【0013】

上記位置測定装置において、前記複数の検出ヘッドは、基準検出ヘッドと、当該基準検出ヘッドが設置された基準位置を０°としたときに、当該基準位置に対して（３６０°／２ｎ）回転させた位置に設置されたｎ次誤差成分検出ヘッドを含み、前記演算部は、前記ｎ次誤差成分検出ヘッドによって検出された角度検出値に基づいてｎ次誤差成分の算出値を取得し、当該算出値を前記基準検出ヘッドによって検出された角度検出値から減算して補正検出値を取得する態様とすることができる。

【0014】

また、上記位置測定装置において、前記複数の検出ヘッドは、前記スケールパターンの全周を周方向に沿ってＮ等分された間隔を保持して設置され、前記演算部は、Ｎ個の検出ヘッドのそれぞれによって検出された角度検出値の平均値を算出して当該平均値を補正検出値とする態様としてもよい。

【0015】

さらに、上記位置測定装置において、前記ロータリースケールは、それぞれ周方向に沿って配列された複数のパターンを有し、それぞれ径方向にずらして設けられた複数のトラックを備え、前記複数の検出ヘッドは、前記複数のトラックに対応させて設置された態様とすることができる。

【0016】

また、上記位置測定装置において、前記複数のトラックは、第１トラックと当該第１トラックよりも周方向内側に設けられた第２トラックと、を含み、前記複数の検出ヘッドは、周方向に隣接する検出ヘッドを前記第１トラックと前記第２トラックとに振り分けて設置された態様としてもよい。

【0017】

さらに、上記位置測定装置において、前記パターンは、それぞれ前記ロータリースケールの径方向に沿って放射状に延びている態様とすることができる。

【発明の効果】

【0018】

高次の誤差を除去した高精度な角度検出を可能としつつ、小型化することができる角度検出器および位置測定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は第１実施形態に係る角度検出器の概略構成を示す模式図である。

【図2】図２は第１実施形態に係る位置検出装置の構成を例示するブロック図である。

【図3】図３は第１実施形態において基準検出ヘッドの角度検出値とｎ次誤差成分検出ヘッドによって検出された角度検出値との差分ｔｎと、差分ｔｎを周方向に沿ってＸ°シフトさせたシフト値の推移の一例を示すグラフである。

【図4】図４は第１実施形態において基準検出ヘッドの角度検出値と３次誤差成分検出ヘッドによって検出された角度検出値との差分ｔ３（＝ｓｎ（０°））と、差分ｔ３を周方向に沿って１２０°シフトさせたシフト値ｓｎ（１２０°）と、差分ｔ３を周方向に沿って２４０°シフトさせたシフト値ｓｎ（２４０°）の推移を示すグラフである。

【図5】図５は第１実施形態において３次誤差成分を例示するグラフである。

【図6】図６は第２実施形態に係る角度検出器の概略構成を示す模式図である。

【図7】図７は第３実施形態に係る角度検出器の概略構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。

【0021】

（第１実施形態）
まず、図１から図５を参照して、第１実施形態の角度検出器１と、この角度検出器１を装備した位置検出装置１０００について説明する。図１は第１実施形態に係る角度検出器１の概略構成を示す模式図である。図２は第１実施形態に係る位置検出装置１０００の構成を例示するブロック図である。図３は第１実施形態において基準検出ヘッドの角度検出値とｎ次誤差成分検出ヘッドによって検出された角度検出値との差分ｔｎと、差分ｔｎを周方向に沿ってＸ°シフトさせたシフト値の推移の一例を示すグラフである。図４は第１実施形態において基準検出ヘッド５の角度検出値と３次誤差成分検出ヘッド８によって検出された角度検出値との差分ｔ３（＝ｓｎ（０°））と、差分ｔ３を周方向に沿って１２０°シフトさせたシフト値ｓｎ（１２０°）と、差分ｔ３を周方向に沿って２４０°シフトさせたシフト値ｓｎ（２４０°）の推移を示すグラフである。図５は第１実施形態において３次誤差成分を例示するグラフである。

【0022】

図１を参照すると、第１実施形態の角度検出器１は、電磁誘導式のロータリエンコーダを形成している。角度検出器１は、ロータリースケール２、基準検出ヘッド５、１次誤差成分検出ヘッド６、２次誤差成分検出ヘッド７、３次誤差成分検出ヘッド８、４次誤差成分検出ヘッド９及び８次誤差成分検出ヘッド１０を備えている。また、図２を参照すると、位置検出装置１０００は、演算部１１を備える。演算部１１には、基準検出ヘッド５、１次誤差成分検出ヘッド６、２次誤差成分検出ヘッド７、３次誤差成分検出ヘッド８、４次誤差成分検出ヘッド９及び８次誤差成分検出ヘッド１０が電気的に接続されている。演算部１１には、これらの検出ヘッドから、検出信号が入力される。なお、角度検出器１は、光電式エンコーダとしてもよい。

【0023】

第１実施形態の角度検出器１は、基準検出ヘッド５で検出された角度検出値から、各ｎ次誤差成分検出ヘッド６～１０によって検出された角度検出値に基づく高次誤差成分を減算することで高精度な角度検出を行う。

【0024】

なお、図１に描かれている基準検出ヘッド５、１次誤差成分検出ヘッド６、２次誤差成分検出ヘッド７、３次誤差成分検出ヘッド８、４次誤差成分検出ヘッド９及び８次誤差成分検出ヘッド１０は、実際の寸法を表していない。つまり、図１は、これらの検出ヘッドのロータリースケール２に対する位置関係及び検出ヘッド間の位置関係を示すものであり、各検出ヘッド間の距離や、各検出ヘッドの寸法及びロータリースケール２の寸法を正確に表すものではない。

【0025】

ロータリースケール２は、円盤状の部材であり、図示しない角度検出の対象物の回転軸と回転中心Ｃとを一致させてその対象物に装着される。ロータリースケール２には、第１トラック３と第２トラック４とが設けられている。第１トラック３は、ロータリースケール２の周方向に沿って配列された複数のパターン３ａ１を含むスケールパターン３ａを有している。第２トラック４は、ロータリースケール２の周方向に沿って配列された複数のパターン４ａ１を含むスケールパターン４ａを有している。第１トラック３と第２トラック４は、いずれも円形に設けられているが、第１トラック３の直径は、第２トラック４の直径よりも大きい。つまり、第２トラック４は、第１トラック３よりも周方向内側に設けられ、これにより、第１トラック３と第２トラック４は、径方向にずらして設置されている。なお、図１は、第１トラック３と第２トラック４との位置関係を示しているが、両者間の距離を正確に表すものではない。

【0026】

図１に示すように、θ＝０°の位置を基準位置としたときに、基準検出ヘッド５は、この基準位置に合わせて設置されている。基準検出ヘッド５は、θ＝０°、かつ、第１トラック３に合わせて設置されている。

【0027】

１次誤差成分検出ヘッド６～８次誤差成分検出ヘッド１０は、ｎが誤差成分の次数を表すときに、（３６０°／２ｎ）回転させた位置に設置されている。また、基準検出ヘッド５と１次誤差成分検出ヘッド６から８次誤差成分検出ヘッド１０は、周方向に隣接する検出ヘッドを第１トラック３と第２トラック４とに振り分けて設置されている。

【0028】

１次誤差成分検出ヘッド６は、θ＝１８０°、かつ、第２トラック４に合わせて設置されている。２次誤差成分検出ヘッド７は、θ＝９０°、かつ、第１トラック３に合わせて設置されている。３次誤差成分検出ヘッド８は、θ＝６０°、かつ、第２トラック４に合わせて設置されている。４次誤差成分検出ヘッド９は、θ＝４５°、かつ、第１トラック３に合わせて設置されている。８次誤差成分検出ヘッド１０は、θ＝２２．５°、かつ、第２トラック４に合わせて設置されている。

【0029】

８次誤差成分検出ヘッド１０が第２トラック４に合わせて設置されているのは、８次誤差成分検出ヘッド１０と周方向に隣接する基準検出ヘッド５が第１トラック３に設置されているからである。４次誤差成分検出ヘッド９が第１トラック３に合わせて設置されているのは、４次誤差成分検出ヘッド９と周方向に隣接する８次誤差成分検出ヘッド１０が第２トラック４に設置されているからである。３次誤差成分検出ヘッド８が第２トラック４に合わせて設置されているのは、３次誤差成分検出ヘッド８と周方向に隣接する４次誤差成分検出ヘッド９が第１トラック３に設置されているからである。２次誤差成分検出ヘッド７が第１トラック３に合わせて設置されているのは、２次誤差成分検出ヘッド７と周方向に隣接する３次誤差成分検出ヘッド８が第２トラック４に設置されているからである。１次誤差成分検出ヘッド６が第２トラック４に合わせて設置されているのは、１次誤差成分検出ヘッド６と周方向に隣接する２次誤差成分検出ヘッド７が第１トラック３に設置されているからである。

【0030】

このように、周方向に隣接する検出ヘッドを第１トラック３と第２トラック４とに振り分けて設置することで、検出ヘッド同士の干渉を回避することができる。つまり、各検出ヘッドを接近させて設置することができるため、角度検出器１を小型化することができる。特に、θ＝６０°からθ＝９０°の間には５つの検出ヘッドが設置されている。仮にこれらの検出ヘッドをひとつの円周上に設置すると、設置に要する周方向距離が長くなってしまい、角度検出器１の小型化が困難となる。これに対し、第１実施形態のように検出ヘッドを径方向にずらして配置することで、検出ヘッド同士の干渉を回避することができる。

【0031】

ここで、第１実施形態の位置検出装置１０００による角度検出方法の一例について説明する。初めに、第１実施形態における角度検出方法の方針について説明する。この方針は、特開２００３－２６２５１８号公報に開示された角度検出器によって行われる処理と一致している。位置検出装置１０００によって角度検出をするためには、まず、（１）予めｎ次誤差成分検出ヘッド毎に角度検出値を取得し、これに基づいて各高次誤差成分を求めておく。そして、（２）これらの各高次誤差成分を基準検出ヘッド５によって取得された角度検出値から減算する。以下、この方針に従って、角度検出方法について説明する。なお、減算等の演算は演算部１１によって実行される。

【0032】

まず、ｎ次の高次誤差成分の取得について説明する。ｎ次の高次誤差成分を求めるために、角度θ＝０°に設置された基準検出ヘッド５により取得した角度検出値と、角度θ＝３６０°／２に設置されたｎ次誤差成分検出ヘッド６～１０により取得した角度検出値との差分ｔｎを求める。ここで、角度θに設置した検出ヘッドによって検出された角度検出値をＧＳ（θ）と表記することとすると、基準検出ヘッド５により検出した角度検出値はＧＳ（０°）と表される。同様に、ｎ次誤差成分検出ヘッドによって検出した角度検出値はＧＳ（３６０°／２ｎ）と表記される。

【数1】

【0033】

そして、式（１）で表される差分ｔｎを一周に亘って求める。ここで、差分ｔｎをθ＝０°から角度Ｘ°シフトした値をシフト値ｓｎ（Ｘ°）と定義する。シフト値ｓｎ（Ｘ°）を例示すると、図３に示すグラフのように表される。

【0034】

このように定義されるシフト値ｓｎ（Ｘ°）を合算した値が、ｎ次誤差成分の合計値Ｇｎとなる。つまり合計値Ｇｎは以下の式（２）により求めることができる。

【数2】

【0035】

式（２）を用いてｎ次誤差成分毎にその合計値Ｇｎを算出し、それらを基準検出ヘッド５により取得した角度検出値から減算すれば、高次の誤差を除去した高精度な角度検出を行うことができる。なお、式（２）において、ｋは０≦ｋ＜ｎを満たす整数である。

【0036】

ここで、ｎ次の高次誤差成分の算出例を示すため、ｎ＝３、つまり、3次誤差成分の合計値Ｇ３の算出について説明する。

【0037】

３次誤差成分の合計値Ｇ３を算出するためには、まず、以下の式（３）を用いて差分ｔ３を算出する。差分ｔ３は、θ＝０°の位置に設置された基準検出ヘッド５の角度検出値ＧＳ（０°）と、θ＝６０°の位置に設置された３次誤差成分検出ヘッド８の角度検出値ＧＳ（６０°）の差である。θ＝６０°は、（３６０°／２ｎ）にｎ＝３を代入することで得られる。

【数3】

【0038】

つぎに、式（３）で表される差分ｔ３を一周に亘って求める。ここでは、差分ｔ３を０°シフトしたシフト値ｓｎ（０°）、差分ｔ３を１２０°シフトしたシフト値ｓｎ（１２０°）及び差分ｔ３を２４０°シフトしたシフト値ｓｎ（２４０°）を求める。シフト値ｓｎ（０°）は式(２)においてｋ＝０としたときの値、シフト値ｓｎ（１２０°）は式（２）においてｋ＝１としたときの値、シフト値ｓｎ（２４０°）は式（２）においてｋ＝２としたときの値である。なお、シフト値ｓｎ（０°）は差分ｔ３を全くシフトしていない値であるため、差分ｔ３そのものである。

【0039】

シフト値ｓｎ（０°）、シフト値ｓｎ（１２０°）及びシフト値ｓｎ（２４０°）は、図４に示すグラフのように描くことができる。これらのシフト値を、式（４）を用いて合計することで、図５に示すグラフに描かれた３次誤差成分の合計値Ｇ３を得ることができる。

【数4】

【0040】

3次誤差成分以外のｎ次誤差成分についても同様の要領で算出することができる。演算部１１は、このようにして算出した各合計値Ｇｎを基準検出ヘッド５により取得した角度検出値から減算して最終的に検出した角度の値とする。

【0041】

第１実施形態の角度検出器１は、複数の検出ヘッドがロータリースケール２の周方向に沿ってずらされて設置されているため、高次の誤差を除去した高精度な角度検出が可能である。また、複数の検出ヘッドがロータリースケール２の径方向にずらして配置されているため、角度検出器１を小型化することができる。

【0042】

第１実施形態の角度検出器１は、基準検出ヘッド５と、基準検出ヘッド５が配置された基準位置を０°としたときに、この基準位置に対して（３６０°／２ｎ）回転させた位置に設置されたｎ次誤差成分検出ヘッドを備えている。これにより、高次の誤差を除去した高精度な角度検出が可能である。

【0043】

第１実施形態の角度検出器１によれば、ロータリースケール２は、径方向にずらして配置された複数のトラックを備え、複数の検出ヘッドを複数のトラックに対応させて配置させているので角度検出器１を小型化することができる。

【0044】

また、第１実施形態の角度検出器１によれば、第１トラック３と第１トラック３よりも周方向内側に設けられた第２トラック４を有し、周方向に隣接する検出ヘッドを第１トラック３と第２トラック４とに振り分けて配置している。これにより、検出ヘッド同士の干渉を回避することができ、角度検出器１を小型化することができる。

【0045】

（第２実施形態）
つぎに、図６を参照して、第２実施形態の角度検出器５０について説明する。図６は第２実施形態に係る角度検出器５０の概略構成を示す模式図である。

【0046】

図６を参照すると、第２実施形態の角度検出器５０は、電磁誘導式のロータリエンコーダを形成している。角度検出器５０は、ロータリースケール２、第１検出ヘッド５１～第８検出ヘッド５８を備えている。ロータリースケール２は、第１実施形態で採用されているものと共通するため、ここでは、その詳細な説明は省略する。

【0047】

第１検出ヘッド５１～第８検出ヘッド５８は、第１実施形態における基準検出ヘッド５、１次誤差成分検出ヘッド６～８次誤差成分検出ヘッド１０に替えて装備されている。このため、第１検出ヘッド５１～第８検出ヘッド５８は、第１実施形態における基準検出ヘッド５、１次誤差成分検出ヘッド６～８次誤差成分検出ヘッド１０と同様に、演算部１１（図２参照）に電気的に接続されている。演算部１１には、これらの検出ヘッドから、検出信号が入力される。なお、角度検出器１は、光電式エンコーダとしてもよい。

【0048】

第１検出ヘッド５１～第８検出ヘッド５８は、ロータリースケール２の全周を周方向に沿ってＮ＝８等分された間隔を保持して設置されている。具体的に、第１検出ヘッド５１はθ＝０°の位置、第２検出ヘッド５２はθ＝４５°の位置、第３検出ヘッド５３はθ＝９０°の位置、第４検出ヘッド５４はθ＝１３５°の位置に設置されている。また、第５検出ヘッド５５はθ＝１８０°の位置、第６検出ヘッド５６はθ＝２２５°の位置、第７検出ヘッド５７はθ＝２７０度の位置、第８検出ヘッド５８はθ＝３１５°の位置に設置されている。

【0049】

これらの第１検出ヘッド５１～第８検出ヘッド５８は、ロータリースケール２の径方向にずらして設置されている。具体的に、第１検出ヘッド５１～第８検出ヘッド５８は、周方向に隣接する検出ヘッドを第１トラック３と第２トラック４とに振り分けて設置されている。つまり、第１検出ヘッド５１～第８検出ヘッド５８のうち、第１検出ヘッド５１、第３検出ヘッド５３、第５検出ヘッド５５及び第７検出ヘッド５７は、第１トラック３に合わせて設置されている。そして、第２検出ヘッド５２、第４検出ヘッド５４、第６検出ヘッド５６及び第８検出ヘッド５８は、第２トラック４に合わせて設置されている。

【0050】

このように、周方向に隣接する検出ヘッドを第１トラック３と第２トラック４とに振り分けて設置することで、検出ヘッド同士の干渉を回避することができる。つまり、各検出ヘッドを接近させて設置することができるため、角度検出器５０を小型化することができる。

【0051】

ここで、各検出ヘッドの寸法とロータリースケール２の寸法の関係の一例について説明する。各検出ヘッドのロータリ－スケール２の周方向に沿った寸法が４０ｍｍ程度であるとする。そして、ロータリースケール２の直径が６０ｍｍであるとする。この場合、ロータリースケールの周方向長さは６０πｍｍであるため、複数の検出ヘッドをひとつの円周上に設置しようとすると、検出ヘッドの数は４個が限界であり、５個以上の検出ヘッドを設置することはできない。これに対し、本実施形態のように複数の検出ヘッドをロータリースケール２の径方向にずらして設置するようにすれば、５個以上の検出ヘッドを設置する余地が生じる。このように検出ヘッドの設置に余裕が生じることで、角度検出器５０を小型化することができるようになる。

【0052】

第２実施形態では、８個の検出ヘッドが設置されているが、これらの検出ヘッドをロータリースケール２の径方向にずらして設置することで、検出ヘッドの周方向の並びを維持しつつ、角度検出器５０の小型化を図ることができる。なお、第２実施形態の角度検出器５０では、Ｎ＝８として、３６０°（＝２π）が８等分された間隔を保持して検出ヘッドが設置されているが等分する数は、これに限定されず、Ｎは１以外の他の自然数とすることができる。

【0053】

このように、ロータリースケール２の全周を周方向にＮ等分された間隔を保持して複数の検出ヘッドを設置した場合、「等分割平均法」を用いて角度検出を行うことができる。「等分割平均法」は、複数の検出ヘッドを用いて高精度に角度検出を行う際に用いられる手法であり、第２実施形態においても、この「等分割平均法」の基本方針を踏襲した演算を行う。以下、第２実施形態における角度検出の一例につき説明する。なお、以下の説明では、θ＝０°を基準位置として設定して説明する。

【0054】

ここで、２πをＮ等分割した位置に設置した検出ヘッドをそれぞれｋ＝０，１，…，Ｎ－１と番号付けし、各検出ヘッドの角度検出値をＬ_ｋとすると、等分割平均法によって求められる角度検出値Ｍは、式（５）に示す一般式で表される。本実施形態では、基準位置であるθ＝０°に合わせて第１検出ヘッド５１が設置されており、この第１検出ヘッド５１がｋ＝０の検出ヘッドに相当する。そして、第２検出ヘッド５２がｋ＝１の検出ヘッドに相当し、第３検出ヘッド５３以下の検出ヘッドについても同様の要領でその対応関係が設定されることになる。

【数5】

【0055】

式（５）を用いた演算を行うことで、高精度の角度検出を行うことができるが、ここで、式（５）を用いることで高精度の角度検出を行うことができる理由について角度検出値等を一般化して説明する。

【0056】

一般に、ロータリーエンコーダの基準位置に対する位置θの検出ヘッドの検出値Ｈ（θ）は以下の式（６）のように表される。

【数6】

【0057】

式（６）において、θは基準位置から０～２πの範囲で表される角度位置、ε(θ)は誤差項である。２πをＮ等分割の位置に配置した検出ヘッドをそれぞれ、ｋ＝０，１，…，Ｎ－１と番号付けする。０番目の検出ヘッドを設置したθ＝０°を基準位置とすると、ｋ番目の検出ヘッドでは、誤差項の位相が２πｋ／Ｎだけずれるため、検出値Ｈ_ｎ，ｋ(θ)は以下の式（７）で表される。

【数7】

【0058】

ロータリーエンコーダでは1回転すると元の位置に戻るため、誤差項は閉じた周期曲線になる。このため、誤差項は以下の式（８）のように表される。

【数8】

【0059】

式（８）において、Ｃｎは誤差のｎ次成分の振幅であり、αｎは誤差のｎ次成分の移相である。

【0060】

ここで、Ｎ個の検出ヘッドの角度検出値の平均値Ａ_Ｎ，ｋ（θ）を考えると、以下の式（９）のように表すことができる。

【数9】

【0061】

そして、この式（９）を整理すると、以下の式（１０）が得られる。

【数10】

【0062】

さらに、εに関する式（８）を式（１０）に代入することで、以下の式（１１）が得られる。

【数11】

【0063】

ここで、ｊを任意の自然数とすると、以下の式（１２）と式（１３）が成り立つ。
ｎ＝ｊＮのとき

【数12】

ｎ≠ｊＮのとき

【数13】

【0064】

式（１２）及び式（１３）は、等間隔に配置した検出ヘッドの角度検出値の平均値Ａ_Ｎ，ｋ（θ）には、Ｎの倍数次の誤差だけが残留し、その他の成分は0になるということを示している。

【0065】

このため、第２実施形態のように、8個の検出ヘッドを等間隔に設置した場合に、等間隔平均法を用いると、残留する誤差成分は、８次、１６次、２４次、…となる。すなわち、１－７次、９－１５次,１７－２３次、…次の誤差を排除することができ、この結果、高精度に角度検出を行うことができる。

【0066】

第２実施形態の角度検出器５０は、複数の検出ヘッドがロータリースケール２の周方向に沿ってずらされて設置されているため、高次の誤差を除去した高精度な角度検出が可能である。また、複数の検出ヘッドがロータリースケール２の径方向にずらして配置されているため、角度検出器１を小型化することができる。

【0067】

第２実施形態の角度検出器５０は、ロータリースケール２の全周を周方向に沿ってＮ等分された間隔を保持して設置された複数の検出ヘッドを備える。これにより、等間隔平均法を用いて高精度に角度検出を行うことができる。

【0068】

第２実施形態の角度検出器５０によれば、ロータリースケール２は、径方向にずらして配置された複数のトラックを備え、複数の検出ヘッドを複数のトラックに対応させて配置させているので角度検出器５０を小型化することができる。

【0069】

また、第２実施形態の角度検出器５０によれば、第１トラック３と第１トラック３よりも周方向内側に設けられた第２トラック４を有し、周方向に隣接する検出ヘッドを第１トラック３と第２トラック４とに振り分けて配置している。これにより、検出ヘッド同士の干渉を回避することができ、角度検出器５０を小型化することができる。

【0070】

（第３実施形態）
つぎに、図７を参照して、第３実施形態の角度検出器１００について説明する。図７は第３実施形態に係る角度検出器１００の概略構成を示す模式図である。

【0071】

第３実施形態の角度検出器１００は、第２実施形態の角度検出器５０が備えるロータリースケール２に替えて、ロータリースケール１０２を備えている。その他の点は、第２実施形態の角度検出器５０と異なるところがないため、共通する構成要件については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0072】

ロータリースケール１０２は、その径方向にそって放射状に延びているパターン１０３を備えている。つまり、ロータリースケール１０２は、第１実施形態や第２実施形態におけるロータリースケール２が備える第１トラック３及び第２トラック４に替えてパターン１０３を備えている。

【0073】

角度検出器１００は、第２実施形態の角度検出器５０と同様にロータリースケール１０２の全周を周方向に沿ってＮ＝８等分された間隔を保持して設置された第１検出ヘッド５１～第８検出ヘッド５８を備えている。このため、角度検出器１００は、角度検出器５０と同様に、等間隔平均法を用いて高精度に角度検出を行うことができる。また、これらの第１検出ヘッド５１～第８検出ヘッド５８は、パターン１０３が設けられているロータリースケール１０２の径方向の範囲内で、その径方向にずらして設置されているため、角度検出器１００を小型化することができる。

【0074】

なお、角度検出器１００は、第１検出ヘッド５１～第８検出ヘッド５８に替えて、第１実施形態における基準検出ヘッド５、１次誤差成分検出ヘッド６～８次誤差成分検出ヘッド１０を採用してもよい。この場合、第１実施形態で説明した要領で、高精度の角度検出を行うことができる。

【0075】

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0076】

１、５０ 角度検出器
２、１０２ ロータリースケール
３ 第１トラック
３ａ、４ａ スケールパターン
３ａ１、４ａ１、１０３ パターン
４ 第２トラック
５ 基準検出ヘッド
６ １次誤差成分検出ヘッド
７ ２次誤差成分検出ヘッド
８ ３次誤差成分検出ヘッド
９ ４次誤差成分検出ヘッド
１０ ８次誤差成分検出ヘッド
１１ 演算部
５１ 第１検出ヘッド
５２ 第２検出ヘッド
５３ 第３検出ヘッド
５４ 第４検出ヘッド
５５ 第５検出ヘッド
５６ 第６検出ヘッド
５７ 第７検出ヘッド
５８ 第８検出ヘッド

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】