(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子配列の光学パターンを有するスケールと、
前記スケールの前記光学パターンを検出する受光素子を有し、前記スケールに対して相対回転変位可能な検出ヘッドと、を備え、
前記スケールの前記光学パターンの格子配列および前記受光素子の一方が、前記受光素子全体の受光量に基づいた前記スケールと前記検出ヘッドの第１変位量と、前記受光素子の各々から出力されるインクリメンタル変位信号に基づいた前記スケールと前記検出ヘッドの第２変位量と、を取得可能とするために、前記スケールと前記検出ヘッドの相対回転変位の接線方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とする変位検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の変位検出装置において、前記スケールの前記光学パターンの格子配列および前記受光素子の他方が、前記接線方向に沿って配置されていることを特徴とする変位検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の変位検出装置において、さらに制御装置を備え、
前記制御装置が、前記第１変位量を取得することを特徴とする変位検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の変位検出装置において、前記第１変位量は、所定の取得範囲において単調増加または単調減少するよう変化することを特徴とする変位検出装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の変位検出装置において、前記制御装置が、前記第２変位量を取得し、前記第１変位量と前記第２変位量とを用いて、前記スケールと前記検出ヘッドの相対回転変位量を取得することを特徴とする変位検出装置。
【請求項６】
請求項５に記載の変位検出装置において、前記第１変位量の周期は、前記第２変位量の周期より長いことを特徴とする変位検出装置。
【請求項７】
格子配列の光学パターンを有するスケールと、
前記スケールの前記光学パターンを検出する受光素子を有し、前記スケールに対して相対回転変位可能な検出ヘッドと、前記受光素子の出力変化に基づき前記スケールおよび前記検出ヘッドの相対回転変位量を取得する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記受光素子全体の受光量に基づいて取得される前記スケールおよび前記検出ヘッドの第１変位量と、前記受光素子の各々から出力されるインクリメンタル変位信号に基づいて取得される前記スケールおよび前記検出ヘッドの第２変位量と、を用いて前記スケールおよび前記検出ヘッドの相対回転変位量を取得することを特徴とする変位検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の変位検出装置において、前記第１変位量は、所定の取得範囲において単調増加または単調減少するよう変化することを特徴とする変位検出装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の変位検出装置において、前記第１変位量の周期は、前記第２変位量の周期より長いことを特徴とする変位検出装置。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか１項に記載の変位検出装置において、前記スケールの前記光学パターンの格子配列および前記受光素子の一方が、前記スケールと前記検出ヘッドの相対回転変位の接線方向に対して傾斜していることを特徴とする変位検出装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の変位検出装置において、前記スケールの前記光学パターンの格子配列および前記受光素子の他方が、前記接線方向に対して沿って配置されていることを特徴とする変位検出装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の変位検出装置において、前記スケールと検出ヘッドが相対回転変位する間、あるいは少なくともこの相対回転変位の初期位置において、前記検出ヘッドの受光面上で、前記スケールの２つ以上の前記光学パターンの像が同時に前記格子配列の受光素子の１つの受光素子に交差しないよう、前記光学パターンの格子配列が、前記接線方向に対して傾斜していることを特徴とする変位検出装置。
【請求項１３】
請求項１または７に記載の変位検出装置において、前記インクリメンタル変位信号に生じる周期的な誤差を補正する補正処理部を備えた変位検出装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の変位検出装置において、前記補正処理部が、前記受光素子全体の受光量と前記インクリメンタル変位信号の組合せごとに補正値を格納した補正データテーブルを用いたテーブル演算により、前記インクリメンタル変位信号に生じる周期的な誤差を補正する変位検出装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の変位検出装置において、前記補正処理部が、補正関数演算により、前記インクリメンタル変位信号に生じる周期的な誤差を補正する変位検出装置。
【請求項１６】
請求項１または１０に記載の変位検出装置において、前記光学パターンの格子配列、または前記受光素子の配置方向が、前記相対回転変位の接線方向に対して傾斜する傾斜角度を調整する調整手段を備えたことを特徴とする変位検出装置。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか１項に記載の変位検出装置により、弾性体の変形により生じる前記弾性体に近接して配置された固定部材に対する相対回転変位量を介して前記弾性体を変形させる力を検出するトルク検出装置において、前記スケールまたは前記検出ヘッドの、いずれか一方が前記弾性体に固定され、他方が前記弾性体に固定された前記スケールまたは前記検出ヘッドのいずれか一方に対向するよう前記固定部材に固定され、前記変位検出装置が取得する前記スケールおよび前記検出ヘッドの相対回転変位量を介して前記弾性体に印加される力を検出することを特徴とするトルク検出装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載のトルク検出装置を関節またはロボットハンドの駆動部に備えたロボットアームと、前記トルク検出装置を介して検出した前記駆動部の駆動トルクに基づき、前記ロボットアームの動作を制御するロボット制御を実行する制御部と、を有することを特徴とするロボット装置。
【請求項１９】
前記制御部に請求項１８に記載の前記ロボット制御を実行させることを特徴とするロボット装置の制御プログラム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のロボット装置の制御プログラムを格納したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項２１】
格子配列の光学パターンを有するスケールと、前記スケールの前記光学パターンを検出する受光素子を有する検出ヘッドと、を相対的に回転変位させた際の前記受光素子の出力変化に基づき前記スケールおよび前記検出ヘッドの相対回転変位量を取得する変位検出方法において、
前記検出ヘッドの前記受光素子全体の受光量に基づいた前記スケールおよび前記検出ヘッドの第１変位量を取得する第１の取得工程と、
前記受光素子の各々から出力されるインクリメンタル変位信号に基づいた前記スケールおよび前記検出ヘッドの第２変位量を取得する第２の取得工程と、
前記第１変位量と、前記第２変位量と、を用いて前記スケールおよび前記検出ヘッドの相対回転変位量を取得する変位検出工程と、
を含むことを特徴とする変位検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学パターンを有するスケールと、スケールの光学パターンを検出する検出ヘッドの相対変位量を取得する変位検出装置、その変位検出装置を用いたトルク検出装置、そのトルク検出装置を用いたロボット装置、および変位検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
変位検出装置、例えば光学式のリニアエンコーダは、ｃｍオーダの比較的大きな変位量をスケールと検出ヘッドの相対変位量を介して検出するものの他、弾性体の変形を利用したトルクセンサなどにおけるように微小な変位量を検出するものがある。
【０００３】
この種のトルクセンサでは、円盤ないし円筒状の弾性体に加わるトルクを弾性体の回転方向の変形を検出できるよう、スケールまたは検出ヘッドのいずれかを弾性体に装着し、弾性体に近接して配置された固定部材に検出ヘッドまたはスケールを装着する。このようなトルクセンサの変位検出装置は、例えば下記の特許文献２の図３に示されるような構成である。特許文献２の変位検出装置は、弾性体の回転中心から一定距離離れた円周上に設置した光学式リニアエンコーダにより弾性体の微小な変形量を測定している。
【０００４】
このようなリニアエンコーダでは、スケールには濃淡や反射率の変化などによって構成された格子配列の光学パターンが設けられる。また、検出ヘッドには、スケールの光学パターンを検出する格子配列の受光素子が配置される。また、この種のリニアエンコーダを利用したトルクセンサは、ロボット装置の関節の駆動トルクを検出するために用いられることがある。
【０００５】
その場合、特許文献２に示されるような構成では、スケールおよび検出ヘッドの初期位置を起点として弾性体の変位量を検出するため、クラッシュなどの原因で変位量（トルク）の絶対値を見失うことがある。このような場合、ロボット装置の動作を停止して、場合によっては装置を分解して、初期位置のアライメント（ゼロ点調整）をしなければならなくなることがある。このゼロ点調整を無くし、装置がクラッシュしても装置の停止や分解をせずに稼働できるようにするためには、光学式リニアエンコーダ方式の変位検出装置は絶対量としての変位、即ち絶対変位を検出できる必要がある。
【０００６】
ここでいう「絶対変位を検出する」とは、ゼロ点（スケール〜検出ヘッドの相対初期位置）のキャリブレーションなしに、検出ヘッドの出力を介して、絶対量として、スケール〜検出ヘッドの「相対」変位量を検出することを意味する。例えば、特許文献２のような基本構成では、検出ヘッドからインクリメンタル変位量を取得することができるが、スケール〜検出ヘッドの相対初期位置が正しくなければ、絶対変位を検出することができない。
【０００７】
ここで、特許文献１には、絶対量としてのスケール〜検出ヘッドの「相対」変位量を検出するための構成が開示されている。特許文献１のエンコーダは、スケールに格子配列の間隔が粗い絶対変位トラックと、格子配列の間隔が細かいインクリメンタル変位トラックと、を配置している。また、絶対変位トラックからの反射光を検出する検出ヘッドと、インクリメンタル変位トラックからの反射光を検出する検出ヘッドをそれぞれ設けている。このような構成により、絶対変位トラックの検出ヘッドから得られる絶対変位信号と、インクリメンタル変位トラックの検出用ヘッドから得られるインクリメンタル変位信号とを組み合わせて、高分解能な絶対変位値を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−０１９８７６号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８９５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載された光学式絶対変位エンコーダでは、スケールに粗い格子と微細格子の少なくとも２種類、あるいはそれ以上の異なる格子配列のトラックを配置しなければならない。また、これに対応して、検出ヘッドも少なくとも２種類以上必要となるため、構成が複雑になり、エンコーダ部分が複雑かつ大型化する、という問題がある。
【００１０】
本発明の課題は、上記問題に鑑み、変位検出装置において簡易な構成で高分解能かつ絶対量として変位検出を行えるようにし、さらに当該の変位検出装置を利用して高精度で信頼性の高いトルク検出や、ロボット制御を行えるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様は、格子配列の光学パターンを有するスケールと、前記スケールの前記光学パターンを検出する受光素子を有し、前記スケールに対して相対回転変位可能な検出ヘッドと、を備え、前記スケールの前記光学パターンの格子配列および前記受光素子の一方が、前記受光素子全体の受光量に基づいた前記スケールと前記検出ヘッドの第１変位量と、前記受光素子の各々から出力されるインクリメンタル変位信号に基づいた前記スケールと前記検出ヘッドの第２変位量と、を取得可能とするために、前記スケールと前記検出ヘッドの相対回転変位の接線方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とする変位検出装置である。
また、本発明の第２の態様は、格子配列の光学パターンを有するスケールと、前記スケールの前記光学パターンを検出する受光素子を有し、前記スケールに対して相対回転変位可能な検出ヘッドと、前記受光素子の出力変化に基づき前記スケールおよび前記検出ヘッドの相対回転変位量を取得する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記受光素子全体の受光量に基づいて取得される前記スケールおよび前記検出ヘッドの第１変位量と、前記受光素子の各々から出力されるインクリメンタル変位信号に基づいて取得される前記スケールおよび前記検出ヘッドの第２変位量と、を用いて前記スケールおよび前記検出ヘッドの相対回転変位量を取得することを特徴とする変位検出装置である。
また、本発明の第３の態様は、格子配列の光学パターンを有するスケールと、前記スケールの前記光学パターンを検出する受光素子を有する検出ヘッドと、を相対的に回転変位させた際の前記受光素子の出力変化に基づき前記スケールおよび前記検出ヘッドの相対回転変位量を取得する変位検出方法において、前記検出ヘッドの前記受光素子全体の受光量に基づいた前記スケールおよび前記検出ヘッドの第１変位量を取得する第１の取得工程と、前記受光素子の各々から出力されるインクリメンタル変位信号に基づいた前記スケールおよび前記検出ヘッドの第２変位量を取得する第２の取得工程と、前記第１変位量と、前記第２変位量と、を用いて前記スケールおよび前記検出ヘッドの相対回転変位量を取得する変位検出工程と、を含むことを特徴とする変位検出方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、スケールおよび検出ヘッドを用いた光学式リニアエンコーダを用いて高分解能かつ絶対量として回転変位を検出でき、変位検出装置の小型軽量化を図ることができる。即ち、上記構成によれば、受光素子の全光量出力から粗い相対回転変位量を取得し、検出ヘッドの受光素子の各々から出力されるインクリメンタル変位信号から取得したスケールおよび検出ヘッドの微小相対回転変位量と組合せ、これにより、絶対量としてスケールおよび検出ヘッドの相対回転変位を検出する。このため、本発明によれば、絶対量として前記スケールおよび検出ヘッドの相対回転変位量を取得することができ、クラッシュなどの事象の後も、装置の分解、整備などを含むゼロ点調整を必要としない。そして、信頼性の高い変位検出、あるいはそれに基づく信頼性の高いトルク検出やロボット制御が可能となる、という優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１の変位検出装置におけるスケールと検出ヘッドの位置関係を示したもので、（ａ）は同装置の正面図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ線に沿った断面矢視図である。
【図２】本発明の実施例１の変位検出装置の変位時のスケールと検出ヘッドの位置関係を示した説明図である。
【図３】本発明の実施例１の変位検出装置における高分解能な変位信号の処理方法を示したもので、（ａ）はインクリメンタル変位信号を示した線図、（ｂ）は粗い変位信号を示した線図である。
【図４】本発明の実施例１の変位検出装置の制御系の構成を示したブロック図である。
【図５】本発明の実施例１の変位検出装置におけるスケールと検出ヘッドの構成を詳細に示したもので、（ａ）はスケールの正面図、（ｂ）はスケールと検出ヘッドの上面図、（ｃ）はスケールと検出ヘッドの側面図、（ｄ）は検出ヘッドの正面図である。
【図６】本発明の実施例１の変位検出装置におけるスケールと検出ヘッドの位置関係を詳細に示した説明図である。
【図７】本発明の実施例１の変位検出装置の変位時のスケールと検出ヘッドの位置関係を詳細に示した説明図である。
【図８】図４の制御系における高分解能インクリメンタル変位信号の信号処理を示す説明図である。
【図９】図４の制御系における粗回転変位信号の信号処理を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施例２の変位検出装置におけるスケールと検出ヘッドの位置関係を示した正面図である。
【図１１】本発明の実施例２の変位検出装置の構成を示す側面図である。
【図１２】本発明の実施例３の変位検出装置スケールと検出ヘッドの位置関係を示した正面図である。
【図１３】本発明の実施例４の変位検出装置を利用したトルクセンサの構成を示した正面図である。
【図１４】本発明の実施例４の変位検出装置を利用したトルクセンサの制御系の構成を示したブロック図である。
【図１５】本発明の実施例５の変位検出装置を利用したロボット装置の構成を示すもので、（ａ）はロボット装置の斜視図、（ｂ）は同装置の制御系の構成を示したブロック図である。
【図１６】本発明の実施例５である変位検出装置を利用したロボット装置の関節の駆動系の概略構成を示した説明図である。
【図１７】本発明の実施例１のインクリメンタル変位信号で生じる誤差を示すもので、（ａ）はインクリメンタル変位信号、（ｂ）はその際の全光量出力電圧を示すグラフ図である。
【図１８】本発明の実施例１のインクリメンタル回転変位信号の補正処理を含む変位検出装置の制御系の構成を示したブロック図である。
【図１９】本発明の実施例１の補正データテーブルの構成を示した説明図である。
【図２０】本発明の実施例１において、（ａ）はインクリメンタル変位信号Ｉを、（ｂ）はインクリメンタル変位信号の誤差ΔIを、（ｃ）は全光量出力電圧Ｔをそれぞれ示した説明図である。
【図２１】本発明の実施例１の補正関数および、係数βを示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面に示す実施例を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施例はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。
【実施例１】
【００１６】
まず、図１〜図９を参照して、本発明を採用した変位検出装置の概略構成の一例につき説明する。図１（ａ）、（ｂ）は本発明を採用した変位検出装置の概略構成を示す。なお、以下の図面においては、必要に応じて図中の矢印、矢尻、矢羽根などのシンボルによりＸ、Ｙ、Ｚの各座標軸を示す。
【００１７】
本実施例の変位検出装置は、格子配列の光学パターン（格子パターン（１１：図５（ａ）））を有するスケール３（図１（ａ））と、上記光学パターンを検出する格子配列の受光素子アレイ１２（図５（ｄ））を有する検出ヘッド１を回転変位検出に用いる。スケール３と検出ヘッド１は、回転体（例えば弾性体７：図４）によって相対的に回転変位させるよう配置される。
【００１８】
制御装置９００（図４）は、検出ヘッド１の受光素子アレイ１２の出力変化に基づき、絶対量として、スケール３と検出ヘッド１の相対回転変位量を取得する。このスケール３と検出ヘッド１の相対回転変位量は、例えば回転体（例えば弾性体７）の変形量として取り扱うことができる。また、トルク検出装置への適用（後述の実施例４、５）では、トルク検出装置９１０（図１４）は回転体（例えば弾性体７）の変形量と、その弾性係数（剛性）から回転体（弾性体７）に印加されているトルクを検出できる。
【００１９】
本実施例の変位検出装置、特にそのエンコーダ部は、検出ヘッド１（破線）、およびスケール３から成る。例えば、この変位検出装置が力（例えばトルク）センサに用いられる場合、検出ヘッド１またはスケール３の一方を固定部材（６）に、また残りの他方をトルク変形させる弾性体に装着する。
【００２０】
このような構成において、変位検出装置の制御装置９００（図４）によって、検出ヘッド１の出力信号を介して、弾性体が変形した時のスケール３および検出ヘッド１の相対変位量を検出することにより、弾性体の変形量を検出することができる。この時、弾性体の物性、例えば弾性係数が既知であれば、弾性体の変形量から変形量に相当する力（例えばトルク）を検出することができる。
【００２１】
トルクセンサの場合、本実施例では、弾性体（不図示）は、例えば、Ｚ軸に平行な回転軸５を中心として、検出すべきトルクによってねじり変形するように配置される。そして、スケール３は弾性体７の回転軸５から半径Ｒの円周（一点鎖線）上に配置される。また、検出ヘッド１は、図１（ａ）に示すように、回転軸５から同じ半径Ｒの円周（一点鎖線）上の固定部材（固定体：図１（ａ）では不図示）に固定される。なお、検出ヘッド１と、スケール３のいずれを弾性体７と、固定部材（６）に配置するかについては、逆の配置も考えられる。
【００２２】
図１（ｂ）は図１（ａ）のＰーＰ断面を示しており、検出ヘッド１の受光面２は、同図に示すようにＸ軸とＹ軸を含む平面と平行に配置される。また、検出ヘッド１の受光素子アレイ１２（図５（ｄ））は直線上に所定のピッチで格子配列されている。
【００２３】
検出ヘッド１は、例えば後述のように反射型の光センサであり、受光素子アレイ１２とともに発光素子１０（図５（ｃ）、（ｄ））が配置され、発光素子１０上にはインデックス格子パターン１１が配置されている。また、詳細図示は省略しているが、検出ヘッド１の受光素子アレイ１２は、例えば千鳥配置の複数相、例えばＡ、Ｂの２相（列）に配列された受光素子のサブアレイを有する。この受光素子アレイ１２のサブアレイからそれぞれ得られるＡ、Ｂの２相の信号を処理することにより、インクリメンタル変位信号を取得することができる。上記スケール３および検出ヘッド１の詳細な寸法例などについては後でより詳細に説明する。
【００２４】
図５（ａ）〜（ｄ）は、スケールと検出ヘッドの構成を詳細に示している。同図に示すように、スケール３の格子パターン１４は、検出ヘッド１の受光面２に対向するように配置される。スケール３の格子パターン１４は、弾性体（回転体）が回転軸５（図１（ａ））を中心に回転した時に、検出ヘッド１の受光面２とのＺ軸方向に関する距離が一定となるように配置されている。
【００２５】
一方、スケール３は、Ｚ軸方向から見て、検出ヘッド１と重なるように配置されているが、本実施例ではスケール３は、検出ヘッド１とスケール３の相対移動方向に対して傾斜して配置する。このスケール３の傾斜は、スケール３と検出ヘッド１を相対移動させた時に、検出ヘッド１から粗い相対回転変位量に相当する全体光量変化を検出できるようにするためのものである。従って、同じ目的を達成するには、スケール３ではなく、検出ヘッド１をスケール３と検出ヘッド１の相対移動方向に対して傾斜して配置する構成も考えられる。
【００２６】
一般的には、検出ヘッド１から粗い相対変位量に相当する全体光量変化を検出できるようにするには、例えば、スケール３、および検出ヘッド１の少なくともいずれか一方を中央の初期位置において、両者の相対回転変位の接線方向に対して傾斜して配置する。なお、スケール３、および検出ヘッド１の双方とも傾斜させるのであれば、好ましくはこれらの傾斜角度はＺ軸（と平行な軸）廻りにそれぞれ逆方向に取る。スケール３、および検出ヘッド１の細部の寸法や、上記の傾斜角度の実例については、後述する。
【００２７】
ただし、このスケール３または（および）検出ヘッド１を、両者の相対移動方向に対して傾斜して配置する構成は、本実施例のように回転変位を検出する構成においては、粗い相対変位量に相当する全体光量変化を検出するために必ずしも必須の要件ではない。例えば、検出ヘッド１とスケール３の各格子配列の構造が中央の初期位置において正対し、両者が平行となっている配置を考える。この初期位置から弾性体７が回転して検出ヘッド１とスケール３が相対的に回転変位する場合、両者の格子配列の構造は弾性体７の回転に応じて傾斜していく。ここで、検出ヘッド１の受光素子アレイ１２からスケール３の反射像が見切れていくような寸法設定となっていれば、検出ヘッド１から出力される全光量信号（後述のＴ）は、両者の相対回転変位量に応じて変化することになる。即ち、この場合でも、検出ヘッド１の全光量信号を粗い相対回転変位量として利用することができる。
【００２８】
スケール３の格子パターン１４は直線上に所定のピッチで格子配列される。格子パターン１４は、例えば反射率の高低など、後述の検出ヘッド１によって光学的に検出可能な光学パターンによって形成される。格子パターン１４は、例えば塗装や印刷、エッチング、各種の成膜技術などを利用して、金属や樹脂などの適当な基材から成るスケール３上に形成することができる。なお、スケール３上の格子パターン１４を除く（囲む）領域、あるいは、回転体である弾性体７表面のスケール３の周囲の領域は、後述のような全光量信号（Ｔ）を生成する関係上、低い反射率（例えば黒色）の領域で構成する。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、検出ヘッド１の座標は、受光面２の受光素子アレイ１２の配列方向をＸｋ軸とし、受光面２内でＸｋ軸と垂直な方向をＹｋ軸とする。また、スケール３の座標は、スケール３の格子パターン１４の配列方向をＸs軸とし、スケール３の格子パターン１４面内でＸｓ軸に垂直な方向をＹｓ軸とする。
【００３０】
上記のようにスケール３を傾斜させる場合、より具体的には、次のような配置を行う。例えば、スケール３は、Ｘ軸とＹ軸とを含む平面上で、スケール３のＸｓ軸と、スケール３の中心Ｏｓを通り回転軸５を中心とし半径Ｒの円Ｏの、スケール３の中心Ｏｓにおける接線Ｌとが、角度θｚ１をなすように配置する。また、検出ヘッド１のＸｋ軸は、接線Ｌと平行になるように配置する。
【００３１】
以上により、スケール３のＸｓ軸は、検出ヘッド１のＸｋ軸に対して、角度θｚ１をなすように配置されることになる。一方、弾性体７に近接して配置された固定部材（図４の固定部材６）に固定される検出ヘッド１のＸｋ軸は、接線Ｌと平行である。従って、この構成は、スケール３を検出ヘッド１およびスケール３の相対移動方向に対して傾斜させた構成である。
【００３２】
上記のような構成において、弾性体（不図示）が回転軸５を中心にねじり変形するような力を受けると、図２に示すように検出ヘッド１に対してスケール３が変位する。図２は、弾性体（回転体）が力を受け、Δθｚだけ回転した際の検出ヘッド１（固定）に対するスケール３（回転）の位置関係の変化を示している。
【００３３】
図２のように、検出ヘッド１が固定されている固定部材（６）に対して弾性体（回転体）が回転軸５を中心にΔθｚだけ回転すると、スケール３は検出ヘッド１に対して、円Ｏの接線Ｌ方向すなわちＸ軸方向にΔＸ変位する。このようにスケール３と検出ヘッド１を相対変位させた時、検出ヘッド１の受光素子アレイ１２から得られるインクリメンタル変位信号（図３（ａ））と、全光量出力信号（図３（ｂ））から、スケール３と検出ヘッド１の相対変位を絶対量として取得できる。
【００３４】
図１〜図２のようにスケール３と検出ヘッド１を相対回転変位させると、検出ヘッド１に対してスケール３の格子パターン１４の配列がＸ方向に移動する。これにより、検出ヘッド１の受光素子アレイ１２のＡ、Ｂ２相の出力を処理（後述）することにより、図３（ａ）のようなインクリメンタル変位信号が得られる。図３（ａ）のインクリメンタル変位信号（Ｉ）は、受光素子アレイ１２の格子配列の寸法、スケール３の格子パターン１４の格子配列の寸法、上記のスケール３が回動する半径Ｒなどに応じて定まるほぼ一定の周期α（°）を有する。また、インクリメンタル変位信号（Ｉ）の検出範囲Ｄは、上記各格子配列の（配列方向の）長さなどに応じた周期α（°）の複数（図示の例では２０個）の変位信号によって構成されている。
【００３５】
なお、図３（ａ）（あるいは後述の図８右側）に示したインクリメンタル変位信号（Ｉ）の波形は、各々の周期（α）において直線で図示され、また、周期αもほぼ検出範囲Ｄに渡って等しく図示してあるが、これらはいずれも近似的な簡略図示である。本実施例のように、リニアエンコーダ（検出ヘッド１およびスケール３）を相対回転変位させる場合（あるいはさらにスケール３を傾斜させる場合）、インクリメンタル変位信号（Ｉ）の各波形および周期αは、相対回転変位量に従って微小な範囲で変化する。しかしながら、検出範囲Ｄの角度範囲が小さい、あるいはスケール３の傾斜が小さい（例えば±０．５°以下）場合、インクリメンタル変位信号（Ｉ）の各波形および周期αは一定であるものとして扱ってよい。
【００３６】
以下、本明細書では、理解を容易にするため、インクリメンタル変位信号（Ｉ）の各波形および周期αは、各々一定波形、一定周期であるものとして説明する。ただし、厳密な測定制御が必要な（あるいは仕様上の検出範囲Ｄが比較的大きな相対回転変位に相当する）場合、インクリメンタル変位信号（Ｉ）の波形および周期αの変化に応じて同信号から得る微小相対回転変位量の検出値を補正する制御を行ってもよい。スケール３および格子パターン１４の光学パターンの相対回転変位に伴いインクリメンタル変位信号に生じる周期的な誤差を補正する補正処理例に関しては、本実施例の最後の部分で図１７以降を参照して説明する。
【００３７】
図３（ａ）のように、受光素子アレイ１２から得られるインクリメンタル変位信号の信号変化は、検出範囲Ｄの全体に渡り、ほぼ鋸歯状の周期的な変化であり、スケール３の回転変位に対して周期的な値をとる。即ち、このインクリメンタル変位信号は、微小な回転変位を検出できるが、１つのインクリメンタル信号の値に対して数点の回転変位を示す。例えば、単にインクリメンタル変位信号の周期α（°）波高を検出するだけではスケール３と検出ヘッド１の相対変位を絶対量として取得することができない。少なくとも、例えばインクリメンタル変位信号の検出範囲Ｄ中の何番目の周期α（°）に相当する波高を測定しているかを特定できなければ、スケール３と検出ヘッド１の相対変位を絶対量として取得することができない。
【００３８】
従来では、例えばインクリメンタル変位信号の検出範囲Ｄが特定のスケール３と検出ヘッド１の位置関係が特定の状態となる初期位置（ゼロ点）が正しく校正されていることを条件として、何番目の周期α（°）に相当する波高を測定しているかを特定していた。このため、クラッシュなどによって初期位置（ゼロ点）の校正がずれてしまった場合には、正常な相対変位出力を得ることができなかった。
【００３９】
これに対して、本実施例ではスケール３を上記のようにスケール３と検出ヘッド１の相対移動方向に対して傾斜させることによって、受光素子アレイ１２の全光量出力信号から図３（ｂ）に示すように変化する粗い相対変位信号を得ることができる。
【００４０】
この受光素子アレイ１２の全光量出力信号は、例えば、後述の全光量増幅器（例えば図４の全光量ＩーＶ変換部９０３）を用いて、受光素子アレイ１２の全素子から得られる受光量に相当する電圧を加算することにより得ることができる。
【００４１】
上記のように、本実施例ではスケール３を検出ヘッド１とスケール３の相対移動方向に対して傾斜させているため、受光素子アレイ１２の全素子から全光量信号（Ｔ）を取り出すと、この全光量信号（Ｔ）は図３（ｂ）に示すような変化を示すことになる。
【００４２】
ここで、より詳細には、図１（ａ）に示すようにスケール３を、検出ヘッド１が正対する中央の位置において図中反時計廻りに傾斜させた場合を考える。この場合、スケール３の反時計廻りの回転では、スケール３および検出ヘッド１の受光素子アレイ１２（の格子配列）の傾斜角度がより大きくなるとともに、スケール３（の格子パターン１４）からの反射光が受光素子アレイ１２の検出範囲から見切れていく。また、スケール３の時計廻りの回転では、逆にスケール３および検出ヘッド１の受光素子アレイ１２（の格子配列）が平行に近づき、スケール３（の格子配列）からの反射光が受光素子アレイ１２の検出範囲内に収まる状態に近づく。
【００４３】
このため、受光素子アレイ１２の全素子から取得した全光量信号（Ｔ）は、図３（ｂ）に示すように検出範囲Ｄの一端から他端にかけてほぼ単調に増加または減少するよう変化する。即ち、スケール３の回転変位（Δθｚ）に伴い、検出ヘッド１に対してスケール３が角度Δθｚ傾くことによって、受光素子アレイ１２の全素子から取得した全光量信号（Ｔ）は検出範囲Ｄにおいてほぼ単調に増加（または減少）するよう変化する（変化幅β）。
【００４４】
即ち、全光量信号（Ｔ）は、スケール３の回転変位との対応は粗くはあるが、検出範囲Ｄにおいて、回転変位に対して、一対一で値が決定する。従って、この受光素子アレイ１２の全素子から取得した全光量信号（Ｔ）は、検出ヘッド１に対するスケール３の粗い回転変位量として取り扱ってよい。
【００４５】
従って、図３（ｂ）の粗い相対回転変位量と図３（ａ）の微小相対回転変位量を組合せる、即ち、図３（ｂ）の粗回転変位に図３（ａ）の微小回転変位を内挿することにより、検出ヘッド１とスケール３の相対回転変位量を絶対量として検出できる。これにより、ゼロ点調整に依拠することなく、検出ヘッド１とスケール３の相対回転変位量を検出することができる。即ち、広い範囲の粗回転変位と、微小な範囲かつ高分解能の微小回転変位とを組み合わせることで、ゼロ点調整を必要とせず、常に絶対回転変位を検出することができる。以上に概略を説明した検出原理により、一組の検出ヘッド１とスケール３を用いるだけで、常に絶対回転変位を検出することが可能となる。
【００４６】
ここで、図１（ａ）、図２に示すようなスケール３と検出ヘッド１の配置において、スケール３は検出ヘッド１とスケール３の相対移動方向に対して傾斜させない場合についても考えてみる。即ち、この配置は、検出ヘッド１とスケール３の各格子配列の構造が中央の初期位置において平行となっている配置である。この場合、全光量信号（Ｔ）の変化は、後述の図９に破線で示したような変化を示す。即ち、全光量信号（Ｔ）は、検出ヘッド１とスケール３が中央の初期位置で対向している場合に最も大きな光量値を取り、スケール３を反時計廻り、および時計廻りで回転変位させるといずれの場合もほぼ同等の変化率で漸減する。
【００４７】
従って、スケール３（あるいは検出ヘッド１）を傾斜させない場合でも、粗回転変位と微小回転変位を組合せる信号処理は必ずしも不可能ではない。例えば、スケール３と検出ヘッド１が中央の初期位置で正対するようこの位置で両者を相対傾斜なしに配置する場合、検出範囲Ｄの中央から右側と左側では全光量信号（Ｔ）を介して検出される粗回転変位は対称的な変化を示すことになる。従って、少なくともスケール３が検出範囲Ｄの中央から右側、または左側のいずれにあるのかを特定する手段（ないし過程）が必要になる可能性がある。また、この構成では、例えば従来技術で問題になっているゼロ点調整をなくすことができない可能性がある。
【００４８】
しかしながら、例えば後述のロボット装置の関節の駆動トルクを検出するトルクセンサなどについては、通常、制御装置は関節の回転駆動方向を常に明確に認識可能である。このような用途であれば、スケール３（あるいは検出ヘッド１）を傾斜させない場合でも、受光素子アレイ１２の全光量信号（Ｔ）に回転方向の情報を組み合わせれば、粗回転変位に相当する情報を検出できる。そして、粗回転変位と微小回転変位を組合せることによって変位検出を行うことができ、ゼロ点調整を必要としない。このような事情は、例えば、弾性体７を一定の方向にしか回転させないような用途に用いられるトルクセンサなどでも同様である。
【００４９】
スケール３（あるいは検出ヘッド１）を傾斜させない場合は、例えば、スケール３と検出ヘッド１が中央の初期位置で正対するようこの位置で両者を相対傾斜なしに配置する。この場合には、粗回転変位として利用する全光量信号（Ｔ）は図９の破線のような変化であって、その他の構成や信号処理はスケール３（あるいは検出ヘッド１）を傾斜させる場合と同様である。
【００５０】
一方、本実施例のようにスケール３を傾斜させる構成では、全光量信号（Ｔ）を介して検出される粗回転変位は、検出範囲Ｄの一端から他端に渡りほぼ単調に漸増（または漸減）するよう変化させることができる。また、検出範囲Ｄに渡る全光量信号（Ｔ）の変化の幅（図３（ｂ）のβ）は、スケール３を傾斜させない構成に比してより大きく、精度よく粗回転変位に相当する信号を取り出すことができる。
【００５１】
以下、本実施例の変位検出装置の構成および動作につき、図１〜図９に基づきより詳細に説明する。図４は、変位検出装置の全体構成例を制御系の構成も含めて示している。
【００５２】
図４の変位検出装置は、弾性体７（回転体）、弾性体７に近接して配置された固定部材６、回転案内部材８、スケール３、検出ヘッド１、処理回路９を備えている。
【００５３】
弾性体７は円柱形状で、固定部材６と回転案内部材８を介して接続され、Ｚ軸に平行な回転軸５を中心に回転する。この弾性体７の回転面は、Ｘ軸とＹ軸を含む平面と平行に配置される。固定部材６は例えば円形の板状であって、固定部材６の円の中心と回転軸５が一致するように配置されている。固定部材６は、Ｘ軸とＹ軸を含む平面と平行に配置される。本実施例では、スケール３は弾性体７における固定部材６と対向する面に固定される。また、スケール３は、弾性体７の外周縁近傍に配置されている。なお、図１（ａ）（図２、後述の図６および図７も同様）は、図４のＺ軸正方向からの矢視に相当する。
【００５４】
スケール３には、図５（ａ）に示したように長手方向に向かって格子パターン１４が形成される。スケール３の格子パターン１４は、Ｘ軸とＹ軸とを含む平面と平行に配置されている。また、スケール３の格子パターン１４は、固定部材６と向かい合うように配置される。
【００５５】
スケール３は、図６に示すように、Ｘ軸とＹ軸とを含む平面上で、スケール３の長手方向に延びる第一の線Ｘｓとスケール３の中心Ｏｓを通り回転軸５を中心とする円Ｏのスケール３の中心Ｏｓにおける接線Ｌとが、角度θｚ１をなすように配置される。本実施例では、スケール３を円周上に配置する円Ｏの半径はＲ＝３０ｍｍ、スケール３の傾斜角度であるθｚ１はθｚ１＝０．２°（程度）とする。
【００５６】
検出ヘッド１は、検出ヘッド１は固定部材６の外周縁近傍の、弾性体７と対向する面に固定される。検出ヘッド１は、弾性体７が固定部材６に対して回転軸５を中心に相対的に回転する間も、スケール３の格子パターン１４との距離Ｚｋｓが一定に維持されるよう配置される。そして、検出ヘッド１は、Ｚ軸方向から見てスケール３と重なるように、スケール３の格子パターン１４と向かい合うように配置される。
【００５７】
図５は、変位検出装置において、スケール３の格子パターン１４と、検出ヘッド１の発光素子１０および受光素子アレイ１２を詳細に示している。
【００５８】
検出ヘッド１は、発光素子１０とインデックス格子パターン１１と受光素子アレイ１２を備えている。検出ヘッド１の発光素子１０とインデックス格子パターン１１および受光素子アレイ１２を含む面は、Ｘ軸とＹ軸とを含む平面と平行に配置されている。
【００５９】
また、受光素子アレイ１２は、複数の受光素子が平行に一列に並べられて構成されている。Ｘ軸とＹ軸とを含む平面上で、インデックス格子パターン１１の方向と、受光素子アレイ１２の配列方向は、スケール３の中心Ｏｓを通り回転軸５を中心とする円Ｏのスケール３中心Ｏｓにおける接線Ｌと平行になるように配置される。また、検出ヘッド１の外形は、インデックス格子パターン１１の方向、および受光素子アレイ１２の配列方向と、平行になるように配置される。また、検出ヘッド１の発光素子１０とインデックス格子パターン１１および受光素子を含む面は、スケール３の格子パターン１４と向かい合うように配置されている。
【００６０】
上記のようなスケール３と検出ヘッド１の配置において、発光素子１０から照射される光束１３は、インデックス格子パターン１１を透過して、スケール３の格子パターン１４に到達する。スケール３の格子パターン１４で反射した光束１３は受光素子アレイ１２に到達する。本実施例では、検出ヘッド１のインデックス格子パターン１１のピッチＰｉｎ＝４μｍとする。また、スケール３の格子パターン１４のピッチＰｓはＰｓ＝４μｍとする。また、検出ヘッド１の発光素子１０とインデックス格子パターン１１および受光素子アレイ１２を含む面と、スケール３の格子パターン１４との距離ＺｋｓはＺｋｓ＝１ｍｍとする。
【００６１】
なお、図３（ｂ）ないし図９の右側のように変化する全光量信号（Ｔ）を生成するためには、スケール３と、検出ヘッド１に関して次のような寸法設定が必要である。即ち、スケール３と、検出ヘッド１の受光素子アレイ１２の格子構造が平行になっている状態において、発光素子１０で照明され、受光素子アレイ１２上へと反射されるスケール３の像の（Ｙ軸方向の）幅が受光素子アレイ１２の幅とほぼ一致している必要がある。このようなスケール３の像と、受光素子アレイ１２の（Ｙ軸方向の）幅（下記のＹｊ）の寸法関係は、スケール３の（Ｙ軸方向の）幅、検出ヘッド１とスケール３の距離ないしは発光素子１０の照明光の反射角度などを適宜設定することにより実現される。
【００６２】
ここで、スケール３と、検出ヘッド１の受光素子アレイ１２の格子構造が平行になるよう正対する状態において、スケール３の像の（Ｙ軸方向の）幅が受光素子アレイ１２の幅とほぼ一致して状態を考える。上述のように、スケール３を傾斜させて配置する場合、この時、受光素子アレイ１２から出力される全光量信号（Ｔ）は、例えば図３（ｂ）ないし図９の右端側の値を取る。また、この状態は、図１（ａ）でいえば、弾性体７が時計廻りに回転してスケール３が受光素子アレイ１２と平行になるように近づいた状態に相当する。即ち、上記のようなスケール３の像と、受光素子アレイ１２の（Ｙ軸方向の）幅に係る寸法設定においては、スケール３から反射される照明光がほぼ受光素子アレイ１２の全体に照射される。そして、この時、全光量信号（Ｔ）は最大の値となる。
【００６３】
一方、スケール３と、検出ヘッド１の受光素子アレイ１２の格子構造が平行になるよう正対する状態から、スケール３が回転して受光素子アレイ１２に対して傾斜する程、スケール３の像（からの反射光）が、受光素子アレイ１２の受光域から見切れていく。これにより、受光素子アレイ１２から出力される全光量信号（Ｔ）は、例えば図３（ｂ）ないし図９の右端側の（最大）値から漸減していくことになる。この過程は、図３（ｂ）ないし図９の右端から左端へと全光量信号（Ｔ）の信号値が漸減していく過程に相当する。また、この過程は、図１（ａ）でいえば、弾性体７が反時計廻りに回転してスケール３の受光素子アレイ１２に対する傾斜角度が増大していく過程に相当する。
【００６４】
次に、本実施例の変位検出装置において、弾性体７が回転する前後の、スケール３と検出ヘッド１の相対位置および姿勢を図６と図７を用いて説明する。
【００６５】
図６は、変位検出装置をＺ軸方向から見た、回転中心とスケール３と検出ヘッド１の相対位置および姿勢を詳細に示している。また、図７は、変位検出装置の弾性体７が回転した後の、回転中心とスケール３と検出ヘッド１の相対位置および姿勢を詳細に示している。また、図６、図７は、それぞれ図１（ａ）と図２の拡大詳細図示、と考えてもよい。
【００６６】
図６において、スケール３の座標は、スケール３の長手方向に形成される格子パターン１４の配列方向をＸｓ軸とし、スケール３の格子パターン１４の面内でＸｓ軸に垂直な方向をＹｓ軸とする。スケール３は、Ｘ軸とＹ軸とを含む平面上で、スケール３のＸｓ軸と、スケール３の中心Ｏｓを通り回転軸５を中心とする円Ｏの、スケール３中心Ｏｓにおける接線Ｌとが、角度θｚ１をなすように配置される。この角度θｚ１は本実施例ではθｚ１＝０．２°程度とする。
【００６７】
また、検出ヘッド１の座標は、インデックス格子パターン１１の方向および、受光素子アレイ１２の配列方向をＸｋ軸とし、インデックス格子パターン１１および受光素子アレイ１２を含む面内で、Ｘｋ軸と垂直な方向をＹｋ軸とする。
【００６８】
以上のように、図６の中央（初期）位置において、スケール３のＸｓ軸は、検出ヘッド１のＸｋ軸に対して、角度θｚ１（＝０．２°）をなすように配置されている。また、検出ヘッド１の受光素子アレイ１２のＹｋ軸方向の幅Ｙｊは、Ｙｊ＝０．４ｍｍ程度とする。
【００６９】
次に、弾性体７をねじり変形させる外力が弾性体７に印加されると、図７に示すように固定部材６と弾性体７とが回転軸５を中心に相対的にΔθｚ回転する。この時、スケール３は半径Ｒ（＝３０ｍｍ）上で回動し、検出ヘッド１上を移動する。即ち、スケール３は検出ヘッド１に対して、Ｘ軸方向にΔＸおよびＹ軸方向にΔＹ移動するとともに、Ｚ軸周りの回転方向すなわちθｚ方向にΔθｚ回転する。ここで、スケール３が検出ヘッド１に対してＸ軸方向にΔＸおよびＹ軸方向にΔＹ移動した際のスケール３の座標はＸｓ’軸、Ｙｓ’軸とする。また、スケール３がＸｓ‘−Ｙｓ’座標から、θｚ方向にΔθｚ回転した後のスケール３の座標はＸｓ“軸、Ｙｓ”軸とする。
【００７０】
図６〜図７のように、スケール３が検出ヘッド１に対して回転変位すると、図４の制御系は受光素子アレイ１２から微小回転変位に相当するインクリメンタル変位信号（Ｉ）、および粗回転変位に相当する全光量信号（Ｔ）を取得する。後述のようにして、これらインクリメンタル変位信号（Ｉ）、全光量信号（Ｔ）を組合せることにより、スケール３と検出ヘッド１の相対回転変位を介して弾性体７（回転体）の回転量を絶対量として検出することができる。
【００７１】
なお、後述の信号処理から明らかなように、図６〜図７の動作において、好ましくは受光素子アレイ１２から出力されるインクリメンタル変位信号は弾性体７が回動した時の検出範囲（Ｄ）全体において、一貫性を有している必要がある。例えば、ある弾性体７の回動領域では、弾性体７が微小回転する間に受光素子アレイ１２の受光素子の１つに１本のスケール３の格子（の像）が交差するとする。この動作態様は、検出ヘッド１とスケール３をリニアエンコーダとして用いる場合の所期の動作である。ところが、検出ヘッド１とスケール３を本実施例のように回転変位の検出に用いる場合には、弾性体７の回転角度がより大きければ、弾性体７のその回動領域では２本、ないしはそれ以上の数のスケール３の格子（の像）が交差する、という状況が生じ得る。この場合には、上記のように受光素子アレイ１２の受光素子の１つが、１本のスケール３の格子（の像）を検出するのではなく、同時に複数のスケール３の格子（の像）を検出することになる。その場合、得られるインクリメンタル変位信号は、受光素子アレイ１２とスケール３が平行である場合とは異なる分解能に相当する信号となっている可能性がある。
【００７２】
そこで、少なくとも、まず図６の中央（初期）位置においては、スケール３のＸｓ軸と検出ヘッド１のＸｋ軸の角度θｚ１は、次のような条件を満足している必要がある。即ち、上記の角度θｚ１は、検出ヘッド１の受光素子アレイ１２のＹｋ軸方向の長さＹｊと、スケール３の格子パターン１４のピッチＰｓによって、次式（１）の範囲内に収まるよう設定すべきである。
【００７３】
ａｒｃｔａｎ（ーＰｓ／Ｙｊ）  ＜  θｚ１  ＜  ａｒｃｔａｎ（Ｐｓ／Ｙｊ）  …（１）
この式（１）の角度範囲は、検出ヘッド１の受光面上で、スケール３の２つ以上の光学パターンの像が同時に受光素子アレイ１２の１つの受光素子に交差しないような角度範囲に相当する。そしてこのθｚ１に関する式（１）は、少なくともこの相対回転変位の初期位置において、スケール３の光学パターンの格子配列（または前記受光素子の格子配列の方向）が、相対回転変位の接線方向に対して傾斜する傾斜角度θｚ１の範囲を示す。
【００７４】
また、上記の式（１）のθｚ１を、弾性体７の回転中にスケール３のＸｓ軸が取り得る検出ヘッド１のＸｋ軸に対する傾斜角度θｚに置き替えて考える。この傾斜角度θｚに関する式は、受光素子アレイ１２から一意な分解能に相当するインクリメンタル変位信号を出力できる角度範囲を示すことになる。同時にこの傾斜角度θｚに関する式は、本実施例の変位検出装置の変位検出可能範囲（ないしトルクセンサのトルク検出範囲）と考えてもよい。即ち、このθｚ１をθｚに置き換えた式は、検出ヘッド１の受光面上で、スケール３の２つ以上の光学パターンの像が同時に受光素子アレイ１２の１つの受光素子に交差しないような角度範囲に相当する。そして、この式は、上記のようなθｚを満足する検出ヘッド１およびスケール３の相対回転変位の範囲が、変位測定装置の好適な相対回転変位の検出（可能）範囲に相当することを示している。
【００７５】
いずれにしても、中央の初期位置における、あるいは弾性体７の回転中のスケール３の傾斜角度（θｚ１、θｚ）が上記の範囲内であれば、受光素子アレイ１２のＡ，Ｂ相からほぼ一意な周期αを有する出力信号を取得できる。これにより、一意な分解能に相当するインクリメンタル変位信号Ｉを取得でき、確実かつ正確に変位検出を行え、またそれに基づき確実かつ正確なトルク検出が可能となる。
【００７６】
ここで本実施例の変位検出装置の制御系の詳細な構成例につき、図４を参照して説明する。図４は、変位検出装置の制御系を構成する処理回路９の構成例を示している。
【００７７】
図４において、処理回路９は、Ａ相Ｉ−Ｖ変換部９０１、Ｂ相Ｉ−Ｖ変換部９０２、全光量Ｉ−Ｖ変換部９０３、微小回転変位信号変換処理部９０４、粗回転変位信号変換処理部９０５、絶対回転変位処理部９０６を備えている。これら処理回路９を構成する各処理部のうち、ＡＤ変換に係る部分はＡＤ変換器などのハードウェア回路から構成することができる。また、デジタル信号の入出力や変換に係る部分はＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）などのハードウェア回路から構成することができる。あるいは、デジタル信号処理には、汎用マイクロプロセッサなどから成るＣＰＵ（後述の実施例５参照）に信号処理用のプログラムを実行させることによっても実現できる。
【００７８】
特に、ＣＰＵに信号処理用の制御プログラムを実行することにより、本実施例の変位検出を実現する場合、上記の各部９０１〜９０６により実現される変位検出処理は以下のような各過程（工程）を実行させる制御プログラムによって実現できる。
【００７９】
・検出ヘッド１の受光素子アレイ１２の各々から出力される全光量出力から取得したスケール３および検出ヘッド１の粗い相対回転変位量を取得する第１の取得工程。
・検出ヘッド１の受光素子アレイ１２の各々から出力されるインクリメンタル変位信号から取得したスケール３および検出ヘッド１の微小相対回転変位量を取得する第２の取得工程。
・第１の取得工程で取得した粗い相対回転変位量と、第２の取得工程で取得し微小相対回転変位量と、を組み合わせてスケール３および検出ヘッド１の相対回転変位量を取得する変位検出工程。
【００８０】
一方、図４のＡ相ＩーＶ変換部９０１は、受光素子アレイ１２のＡ相受光素子が、スケール３からの反射光の受光量に比例して発生する電流信号を電圧信号に変換し、Ａ相電圧信号を生成する。同様に、Ｂ相ＩーＶ変換部は、受光素子アレイ１２のＢ相受光素子が、スケール３からの反射光の受光量に比例して発生する電流信号を電圧信号に変換し、Ｂ相電圧信号を生成する。
【００８１】
また、全光量ＩーＶ変換部９０３は、受光素子アレイ１２の全ての受光素子がスケール３から出力される反射光の受光量に比例して発生する電流信号に対応する電圧信号に変換し、全光量信号Ｔ（全光量電圧信号）を生成する。即ち、全光量ＩーＶ変換部９０３は、Ａ相受光素子およびＢ相受光素子の光量を全加算する。
【００８２】
微小回転変位信号変換処理部９０４は、Ａ相電圧信号とＢ相電圧信号と全光量電圧信号（Ｔ）をＡＤ変換し、微小回転変位に相当するデジタル信号を生成する。図８は、微小回転変位信号変換処理部９０４の信号処理を示している。微小回転変位信号変換処理部９０４は、例えばＡＤ変換器および信号処理プロセッサなどのハードウェアを用いて構成することができる。
【００８３】
図８において、微小回転変位信号変換処理部９０４は、Ａ相のデジタル正弦波信号Ａ（周期α）を全光量電圧のデジタル信号（Ｔ’）で除算して、正規化Ａ相信号（Ａ’）を生成する。また、Ｂ相のデジタル正弦波信号Ｂ（周期α）を全光量電圧のデジタル信号（Ｔ’）で除算して、正規化Ｂ相信号（Ｂ’）を生成する。さらに、微小回転変位信号変換処理部９０４は、正規化Ａ相信号（Ａ’）と正規化Ｂ相信号（Ｂ’）のアークタンジェント演算を行い、弾性体７の回転変位（ΔＸ）に対しリニアな出力値である、インクリメンタル変位信号Ｉを生成する。このインクリメンタル変位信号Ｉは、スケール３が検出ヘッド１に対してＸ軸方向に移動した際の、変位ΔＸを示す。特に、１つの周期αの内側などのように回転変位が微小な場合は、この範囲の変位ΔＸを回転変位Δθｚに対応する検出量とみなすことができる。以上のようにして微小回転変位信号変換処理部９０４は、微小回転変位信号Ｉを生成する。
【００８４】
一般的に、高分解能インクリメンタルエンコーダは、Ａ相およびＢ相の電圧信号をデジタル信号に変換する際に、ＡＤ変換器のビット数と周波数帯域の制限を受ける。そのため、例えば弾性体７が衝突などによって高速に変位すると、ＡＤ変換器の変換可能周波数を超えてしまい、現在の変位を見失ってしまうことがある。
【００８５】
そこで、本実施例では、図４のように粗回転変位信号変換処理部９０５、および絶対回転変位処理部９０６を設けて、微小回転変位信号Ｉと全光量信号Ｔを組合せることにより、絶対量として変位を検出することができる。
【００８６】
本実施例では、検出ヘッド１のインデックス格子パターン１１の方向、および受光素子アレイ１２の配列方向に対して、スケール３の格子パターン１４の方向がθｚ方向にΔθｚに傾くと、図９の左側に示すように全光量信号Ｔが変化する。
【００８７】
本実施例の変位検出装置では、固定部材６と弾性体７とが回転軸５を中心に相対的に回転する際、スケール３は検出ヘッド１に対して、Ｘ軸方向にΔＸ移動するとともに、Ｚ軸周りの回転方向すなわちθｚ方向にΔθｚ回転する。この際、スケール３は検出ヘッド１に対して、Δθｚ傾くことによって、全光量信号Ｔが変化する。これはスケール３の回転によって、スケール３（の像）が受光素子アレイ１２から見切れていくことに起因する。なお、図１（ａ）や図６のように中央の初期位置においてスケール３を傾斜させない場合には、全光量信号Ｔは図９の右側に破線で示したように変化する。
【００８８】
この全光量信号Ｔは、インクリメンタル変位信号Ｉよりも、検出感度が低いが、大きな（粗い）回転変位を検出することができる。また、全光量信号Ｔの値が小さくなれば、これに応じてインクリメンタル変位信号の検出分解能は低下することになる。
【００８９】
従って、粗回転変位の検出範囲全体（スケール３の回転範囲全体）に渡って全光量信号Ｔの出力電圧が大きくなるように、また、スケール３と検出ヘッド１の相対角度θｚに対する全光量信号Ｔの傾きが大きくなるような構成が望ましい。
【００９０】
また、粗回転変位の検出範囲全体（スケール３の回転範囲全体）の一端から他端にかけて、全光量信号Ｔは（ほぼ単調に）増加（ないし減少）するよう変化する構成が望ましい。例えば、図１（ａ）や図６のように中央の初期位置においてスケール３を傾斜させなければ、全光量信号Ｔは図９の右側に破線で示したように中央の初期位置を中心としてほぼ左右対称に変化する。このため、スケール３を初期位置で傾斜させない場合には、全光量信号Ｔの電圧値からは直接、絶対量として粗回転変位を読み取ることができない。
【００９１】
そこで、本実施例では、図６に詳細に示したように、中央の初期位置において、検出ヘッド１に対してスケール３が上述の角度θｚ１だけ、傾斜して配置している。これにより、図６〜図７のようにスケール３が反時計廻りに回転した場合は、スケール３（の像）が受光素子アレイ１２から見切れていくために全光量信号Ｔは漸減していく（図９右側の実線左半分）。一方、図６の初期位置からスケール３が時計廻りに回転した場合は、この変化はスケール３（の像）と受光素子アレイ１２の格子配列の方向が整合する方向への変化に相当する。このため、全光量信号Ｔは漸増していく（図９右側の実線右半分）。
【００９２】
即ち、本実施例によれば、中央の初期位置において、検出ヘッド１に対してスケール３を傾斜させている。この配置によって、図９の右側の実線で示すように、粗回転変位の検出範囲全体（スケール３の回転範囲全体）の一端から他端にかけて、全光量信号Ｔは（ほぼ単調に）増加（ないし減少）するよう変化する。また、スケール３の回動量に対する全光量信号Ｔの電圧変化は、破線で示したスケール３を傾斜させない場合の変化よりも大きくなる。即ち、スケール３と検出ヘッド１の相対角度θｚに対する全光量信号Ｔの傾きが大きくなる。
【００９３】
本実施例によれば、図９の右側に示したように、変位検出範囲の全体に渡り、（ほぼ単調に）増加（ないし減少）するよう大きく変化する全光量信号Ｔを生成することができる。このような全光量信号Ｔにインクリメンタル変位信号Ｉと組合せる（内挿する）ことによって、精度よく絶対量としての回転変位に相当する測定値を出力することができる。
【００９４】
図４の粗回転変位信号変換処理部９０５は、上述のような全光量信号Ｔから検出範囲Ｄにおける粗回転変位信号を生成する。一方、微小回転変位信号変換処理部９０４の出力するインクリメンタル変位信号Ｉは、図３（図８）の検出範囲において、回転変位に対して周期的な値をとる。このインクリメンタル変位信号Ｉは、微小な回転変位を検出できるが、その周期性から当然ながら、インクリメンタル変位信号Ｉのある値に対して複数点の回転変位が対応することになる。一方、全光量信号Ｔは、図９の検出範囲において、上記のようなスケール３の傾斜配置によって、回転変位に対して、一対一で値が決定する。そのため、全光量信号Ｔは、広い範囲で粗い回転変位を検出することができる。
【００９５】
ここで、本実施例において、例えば粗回転変位の検出範囲Ｄ＝０．０８°とし、その際の全光量信号Ｔの範囲β（図９）はβ＝０．２Ｖ程度に相当するものとする。また、微小回転変位の検出範囲α＝０．００４°とし、その際のインクリメンタル変位信号Ｉの範囲は０．８Ｖとする。また、この時の微小回転変位の検出分解能は、例えば０．０００００１°程度とする。
【００９６】
絶対回転変位処理部９０６は、上記の粗回転変位信号に微小回転変位信号を内挿する信号処理を行い、絶対回転変位を生成し、出力する。このようにして本実施例によれば、広い範囲の粗回転変位と、微小な範囲かつ高分解能の微小回転変位とを組み合わせることで、クラッシュなどが生じた場合でも、ゼロ点調整を必要とせず、絶対回転変位を常に検出可能となる。
【００９７】
以上のようにして、本実施例によれば、ゼロ点調整を必要とせず、常に一組の検出ヘッド１とスケール３で常に絶対回転変位を検出することができる。即ち、本実施例の変位検出装置は、検出ヘッド１とスケール３により構成した光学式リニアエンコーダを用いた簡易な構成で、高分解能かつ絶対変位を常に検出することができる。なお、以上では、スケール３（の格子パターン１４の格子配列）の方向を、スケール３と検出ヘッド１の相対回転変位の接線方向に対して傾斜させる構成を主に示した。しかしながら、図９の右側に示したような全光量信号Ｔを出力させるには、先に触れたように、スケール３の格子配列ではなく、受光素子アレイ１２の格子配列を上記相対回転変位の接線方向に傾斜させてもよい。あるいはこれらスケール３、および検出ヘッド１の格子配列を双方とも傾斜させてもよく、これらを双方とも傾斜させるのであれば、好ましくはこれらの傾斜角度はＺ軸（図１、図５）廻りにそれぞれ逆方向に取る。
【００９８】
また、上記の図５では、反射型の光学式リニアエンコーダを示したが、この構成は透過型の光学式リニアエンコーダに置換してもよい。その場合照明光源の配置や、スケールの光学パターンを反射光ではなく透過光を変化させるようなパターンに変更することにより、透過型の光学式リニアエンコーダを用いた構成に変更できる。また、本実施例では、Ａ相、Ｂ相（ないし３相以上）の微細な千鳥配置の受光素子アレイによって、干渉光を利用して変位を検出する光学式リニアエンコーダを想定したが、非干渉光を用いる光学式リニアエンコーダの場合でも、上記同様の配置を実施できる。
【００９９】
ここで、前述の図３（ａ）のように、本実施例のインクリメンタル変位信号は検出範囲Ｄの全体に渡りほぼ鋸歯状の周期的な変化を呈し、検出ヘッド１とスケール３との相対回転変位θｚに対して周期的な値をとる。そして、以上では、説明を容易にするため、インクリメンタル変位信号は、周期α（°）の範囲内において検出ヘッド１とスケール３との相対回転変位θｚと（ほぼ）一次関数の関係になっているものとして説明した。特に、検出範囲Ｄにある複数（図示の例では２０個）のインクリメンタル変位信号波形についても、同様に周期α（°）の範囲内では、回転変位θｚと一次関数の関係になっているものとして説明した。
【０１００】
しかし、図１のような配置では、検出ヘッド１とスケール３の変位の態様は平行な直線変位ではなく、回転変位である。このため、厳密には周期α（°）の範囲内でも、インクリメンタル変位信号は回転変位θｚと一次関数の関係にならない場合がある。
【０１０１】
例えば、図１７（ｂ）に示すように、検出ヘッド１とスケール３が相対的に傾斜するに従って、全光量出力電圧はＴｍからＴ１へと低下する。また、検出ヘッド１とスケール３が相対的に傾斜するに従って、検出ヘッド１とスケール３の交差する角度が変化する。このため、インクリメンタル変位信号には図１７（ａ）に示すように、検出ヘッド１とスケール３との相対回転変位θｚに応じて大きさの異なる周期的な変動（誤差）が生じる。
【０１０２】
即ち、全光量出力電圧がＴｍからＴ１へと低下する過程では、図１７（ａ）中の実線の波形に示すように、インクリメンタル変位信号は回転変位θｚに対して厳密な一次関数の関係（同図中の点線）から徐々に離れていく。従って、インクリメンタル変位信号を回転変位θｚに変換する際に単なる線形係数を用いると、全光量出力電圧が低くなるほど、変換時の誤差は大きくなる。
【０１０３】
従って、より厳密なトルク検出処理においては、図１のような検出ヘッド１／スケール３の配置においては、上記の検出ヘッド１とスケール３との相対回転変位θｚに応じて異なる大きさで生じる周期的な変動（誤差）を補正する必要がある。
【０１０４】
このために、図１８のように、絶対回転変位処理部９０６に補正処理部９０７ａを配置する。あるいはさらに、下記のテーブル演算による補正を行う場合には、微小回転変位信号変換処理部９０４で生成したインクリメンタル変位信号Ｉを補正するため、補正処理部９０７ａの内部に補正データテーブル９０８（図１９）を配置する。具体的には、補正データテーブル９０８（あるいは後述のテーブルメモリ９０８１）は、例えばＲＯＭ６０２の記憶領域などに配置することができる。
【０１０５】
この補正処理部９０７ａが実行する補正処理は、実際には制御装置２００のＣＰＵ６０１に、下記の補正データテーブル９０８を用いたテーブル演算、あるいは補正関数演算を行わせることにより実現される。
【０１０６】
補正データテーブル９０８を用いた補正処理では、図１８の絶対回転変位処理部９０６内の補正処理部９０７ａは、微小回転変位信号変換処理部９０４が生成したインクリメンタル変位信号Ｉを補正データテーブル９０８を参照して絶対回転変位に変換する。
【０１０７】
補正データテーブル９０８は、後述する補正関数演算と同等のデータ変換を行うよう構成する。即ち、補正データテーブル９０８には、リニアエンコーダ（検出ヘッド１およびスケール３）の粗回転変位量（あるいはスケール３の傾斜角）もしくは全光量出力電圧（Ｔ）に対応した、インクリメンタル変位信号（Ｉ）の補正値の組合せを格納しておく。
【０１０８】
例えば、図１９に示す補正データテーブル９０８のように、全光量出力電圧Ｔｍとインクリメンタル変位信号Ｉｎの組合せごとに補正出力値としてθＺＴｍ（ｎ）を格納する。図１９の補正データテーブル９０８は、全光量出力電圧Ｔ１〜Ｔｍ、インクリメンタル変位信号Ｉ０〜Ｉｎに関する２次元のデータテーブルとして構成されている。このようなテーブルデータ（θＺＴｍ（ｎ））は、例えば、予め、全光量出力電圧Ｔｍとインクリメンタル変位信号Ｉｎの組合せごとに変位角（θＺ）を他の測定系などを用いて実測することなどにより生成することができる。
【０１０９】
ここで、例えば、インクリメンタル信号がＩ４で、全光量出力電圧がＴ１の組合せで補正データテーブル９０８を参照した場合、補正された絶対回転変位はθＺＴ１（４）となる（図１７（ａ）参照）。以上のように、補正データテーブル９０８によってインクリメンタル信号を補正することによって、厳密な絶対回転変位を生成することができる。
【０１１０】
また、補正処理部９０７ａの補正関数演算による補正処理では、補正データテーブル９０８を用いない。図２０（ａ）に示すように、インクリメンタル変位信号Ｉは、リニアエンコーダのＡ相信号とＢ相信号の一周期を一山とする、鋸歯状の波形である。しかし、実際には検出ヘッド１とスケール３が相対的に傾斜すると、インクリメンタル変位信号（Ｉ）は、図２０（ｂ）に示すように一山の鋸歯状波を２周期分とするｃｏｓ波に相当する周期的な誤差ΔＩを生じる。
【０１１１】
そこで、例えば次式（２）のような補正関数演算によってインクリメンタル変位信号（Ｉ）を補正することができる。
【０１１２】
θＺＴｘ＝Ｉ  −  βＴｍ×｛ｃｏｓ（２×Ｉ×３６０／α）＋１｝ …（２）
なお、上式（２）において、Ｉはインクリメンタル変位信号、θＺは絶対回転変位、αはリニアエンコーダのＡ相信号とＢ相信号の一周期を絶対回転変位に換算した角度、βＴｍは全光量出力電圧Ｔｍの値ごとに予め定めた係数である。この係数βＴｍは、全光量出力電圧Ｔｍの値に応じて、図２１に示すような例えばテーブルメモリ９０８１のような形式で、あらかじめＲＯＭ６０２などに格納しておくことができる。係数βＴｍは、例えば上記同様に他の測定系を用いて変位角（θＺ）を実測するなどして、上式（２）の逆算により全光量出力電圧Ｔｍｘごとに定めることができる。
【０１１３】
以上のように、補正関数演算を用いることによっても、検出ヘッド１とスケール３の相対回転変位に伴ないインクリメンタル変位信号に生じる周期的な誤差ΔＩを補正することができる。そのため、より正確な絶対回転変位を生成し、生成した絶対回転変位に基づき、正確なトルク検出が可能となる。
【実施例２】
【０１１４】
以上では、相対回転変位の初期位置において、スケール３（の格子パターン１４の格子配列）の方向、または、受光素子アレイ１２（の格子配列）を、スケール３と検出ヘッド１の相対回転変位の接線方向に対して傾斜させる構成について述べた。
【０１１５】
このスケール３（の格子パターン１４の格子配列）の方向、または、受光素子アレイ１２（の格子配列）の傾斜角度は、変位検出装置の設計仕様、例えば微小回転変位ないし粗回転変位の検出範囲の設定などに応じて調節できるようにしておくと好適である。即ち、スケール３の光学パターン、または受光素子アレイ１２の格子配列の方向が、両者の相対回転変位の接線方向に対して傾斜する傾斜角度を調整する調整手段を設ける。
【０１１６】
この調整手段は、例えば以下のような回転機構１９により構成する。この回転機構１９は、例えば、回動軸上にスケール３（または受光素子アレイ１２）の中心を回動支持する回動支持機構（不図示）を含む。さらに、回転機構１９は、ストッパビスやラチェット爪などを用いてスケール３（受光素子アレイ１２）の回動位置を固定するような回動位置固定手段（不図示）を含む。
【０１１７】
なお、回転機構１９は、スケール３（または受光素子アレイ１２）の中心に結合された回動軸を備え、この回動軸をモータおよび減速用のギアボックスなどを介して能動的に回転させるような構成であってもよい。モータなどにより能動的に傾斜角度を制御可能な回転機構１９は、制御装置（例えば後述のロボット装置の制御部のＣＰＵなど）によって制御することができる。その場合、変位測定仕様や、装置の全体の駆動条件に応じて回転機構１９によってスケール３（または受光素子アレイ１２）の傾斜角度を決定することができる。
【０１１８】
回転機構１９を有する変位検出装置は、図１０および図１１のように構成することができる。図１０は、本実施例の変位検出装置（トルクセンサ）において、弾性体７の回転中心とスケール３と検出ヘッド１の位置関係をＺ軸方向から示している。図１１は、本実施例の変位検出装置（トルクセンサ）のエンコーダ部分（図４のエンコーダ部分に相当）の構成を側方から示している。変位検出装置の図１０、および図１１に示した構造以外は、上述の実施例１と同様に構成することができる。
【０１１９】
図１１に示すように、スケール３は、回転機構１９を介して、弾性体７に固定され、回転機構１９によって、スケール３と検出ヘッド１の相対回転変位の接線方向に対して傾斜させる角度（θｚ）を調整することができる。回転機構１９は、例えば上記の回動軸およびストッパビスやラチェット爪などを用いた調整手段であるものとする。本実施例では、この回転機構１９は、スケール３のＸｓ軸と検出ヘッド１のＸｋ軸との角度θｚ２を±０．５°以内で調整可能であるものとする。
【０１２０】
本実施例では、以上のような構成により、変位検出装置の粗回転変位の検出範囲Ｄ（図９）を変更することができる。これにより、変位（トルク）測定条件や仕様に応じて、適当な検出条件を選択、決定することができる。例えば、弾性体７の微小回転変位の検出分解能を上げて、粗回転変位の検出範囲を狭めても良い場合は、θｚ２を０．１°付近に設定する、といった調整を行うことができる。また、微小回転変位の検出分解能を下げて、粗回転変位の検出範囲を広くする場合は、θｚ２を０．２°以上に設定する、といった調整を行うことができる。このようにして、変位検出装置に要求される測定条件に応じて、例えば粗回転変位の検出範囲や、全光量信号（Ｔ）が変化する範囲を選択することができ、所望の変位測定（ないしトルク検出）条件を設定することができる。
【実施例３】
【０１２１】
上記の実施例１（実施例２も同様）では、スケール３および検出ヘッド１の受光素子アレイ１２は、図１（ａ）、図６、図７中のＸＹ平面と平行に配置している。また、スケール３を装着する回転体である弾性体７の面もＸＹ平面と平行になっている。しかしながら、回転変位を検出するためには、スケール３および検出ヘッド１の受光素子アレイ（１２）は、相対的に回転変位させれば足り、これら部材は必ずしもＸＹ平面（ないし回転体である弾性体７）と平行に配置されていなくてもよい。
【０１２２】
例えば、図１（ａ）、図６、図７と同様の図示である図１２に示すように、検出ヘッド１（受光素子アレイ１２）はＸＹ平面と直角（ないし交差）するよう配置し、これに対向して回転体である弾性体７にスケール３を配置して両者を相対的に回転変位させる。ここで、スケール３および（または）検出ヘッド１の個々の構造は、本実施例においても（配置方向に関する図示を除いて）図４と同様であるものとする。
【０１２３】
このような構造によっても、受光素子アレイ（１２）のスケール３および検出ヘッド１を相対的に回転変位させ、回転体（弾性体７）の回転変位を検出することができる。そして、この場合も、スケール３および（または）検出ヘッド１（の受光素子アレイ１２の格子配列）を、両者の相対回転変位の接線方向に対して傾斜させないのが基本構成である。この基本構成においても、スケール３および検出ヘッド１の距離の変動によって本発明において利用する全光量信号（Ｔ）が変化するため、この全光量信号（Ｔ）を粗回転変位量として利用することができる。
【０１２４】
しかしながら、図１２のスケール３および検出ヘッド１の配置で中央の初期位置においてスケール３の傾斜のない基本構成においては、全光量信号（Ｔ）は単調増加（ないし減少）ではなく、中央の初期位置を中心として左右対称になる。このため、何らかの方法で、例えば、スケール３と検出ヘッド１の相対回転変位が中央の初期位置から時計廻りか反時計廻りかを識別する必要がある。
【０１２５】
なお、図１２のスケール３および検出ヘッド１の配置では、全光量信号（Ｔ）の変化は、スケール３（の格子パターン１４の像）が受光素子アレイ（１２）の受光面から見切れることによって生じるのではない。即ち、図１２のスケール３および検出ヘッド１の配置では、検出ヘッド１の発光素子１０の照明光の照射距離の変動によって生じる。特に、この照射距離の変動は、中央の初期位置においてスケール３および検出ヘッド１の受光素子アレイ（１２）が平行である基本構成においては、スケール３の一端では増加し、他端では同じ距離減少する。全光量信号（Ｔ）が、単調増加（ないし減少）ではなく、中央の初期位置を中心として左右対称になるのはこのためである。
【０１２６】
そこで、図１２のようにＸＹ平面と交差するようにスケール３および検出ヘッド１を配置する構成においても、好適な全光量信号（Ｔ）を取得するには、スケール３または（および）検出ヘッド１の傾斜配置が有効である。例えば、スケール３、および検出ヘッド１の少なくともいずれか一方を両者のスケール３、および検出ヘッド１の少なくともいずれか一方を中央の初期位置において、両者の相対回転変位の接線方向に対して傾斜して配置する。また、スケール３、および検出ヘッド１の双方とも傾斜させるのであれば、好ましくはこれらの傾斜角度はＺ軸（と平行な軸）廻りにそれぞれ逆方向に取る。
【０１２７】
図１２は、上記の傾斜配置のうち、中央の初期位置において、スケール３を上記の相対回転変位の接線方向に対して傾斜して配置した例である。即ち、中央の初期位置において、スケール３の光学パターン（格子パターン１４）のＸｓ軸は、スケール３と検出ヘッド１の相対回転変位の接線（Ｌ）方向に対して角度θｚ１だけ傾斜させてある。あるいは、スケール３の光学パターン（格子パターン１４）のＸｓ軸およびＹｓ軸は、検出ヘッドのＸｋ軸およびＹｋ軸に対して角度θｚ１だけ傾斜させてある。
【０１２８】
このような配置によれば、スケール３の反時計廻りの回転では、スケール３および検出ヘッド１の受光素子アレイ１２（の格子配列）の傾斜角度がより大きくなり、スケール３（の格子パターン１４）に対する照明光およびその反射光の照射距離が大きくなる。また、スケール３の時計廻りの回転では、逆にスケール３および検出ヘッド１の受光素子アレイ（１２の格子配列）が平行に近づき、スケール３（の格子パターン１４）に対する照明光およびその反射光の照射距離が小さくなる。
【０１２９】
このため、検出ヘッド１（の受光素子アレイ１２の全素子）から取得した全光量信号（Ｔ）は、（図３（ｂ）ないし図９の右側に示したように）検出範囲の一端から他端にかけてほぼ単調に増加（または減少）するよう変化させることができる。以上のようにして、回転変位の検出範囲全体に渡り、一端から他端にかけてほぼ単調に増加（または減少）するよう変化させることができる。
【０１３０】
一方、インクリメンタル変位信号（Ｉ）は、スケール３と検出ヘッド１の格子配列が平行であることを除けば、上述の実施例１と同等の信号（例えば図８）を得られる。このインクリメンタル変位信号（Ｉ）は、上述の実施例同様に微小回転変位量に対応させることができる。また、上記のように回転変位の検出範囲全体に渡り、一端から他端にかけて単調に増加（または減少）するよう変化する全光量信号（Ｔ）を粗回転変位量に対応させることができる。そして、これら粗回転変位量と微小回転変位量を組合せる、即ち、粗回転変位量に微小回転変位量を内挿することにより、ゼロ点調整に依拠することなく、検出ヘッド１とスケール３の相対変位量を絶対量として検出することができる。即ち、上述の実施例同様に、広い範囲の粗回転変位と、微小な範囲かつ高分解能の微小回転変位とを組み合わせることで、絶対回転変位を常に検出することが可能となる。
【実施例４】
【０１３１】
既に、上記各実施例、特に実施例１においては、スケール３を装着する回転体が弾性体７であるトルクセンサの構成について触れている。本実施例では、さらに図１３、図１４を参照して、本発明を採用した変位検出装置を用いたトルクセンサのより詳細な構成例につき説明する。
【０１３２】
図１３は、スケール３の中心（Ｏｓ）は回転体としての弾性体１５（上述の弾性体７に相当）の一点鎖線で示した円周上に装着される。そして、スケール３のＸｓ軸は上記同様に、中央の初期位置においてスケール３と検出ヘッド１の相対回転変位の接線（Ｌ）方向に対して角度θｚ１だけ傾斜させてある。この傾斜配置は、図１（ａ）、図６などに示したものと同様である。
【０１３３】
弾性体１５は、弾性体内輪１６、弾性体外輪１７と、これらの内外輪を円周を８等分する位置で結合するスポーク状の弾性ヒンジ１８によって構成されている。弾性体１５は、例えばトルク検出範囲にみあった弾性係数（ねじり剛性）を有する樹脂や金属などの材料から、弾性体内輪１６、弾性体外輪１７、弾性ヒンジ１８の各部を有する形状に一体成形することにより製造される。弾性体１５の弾性体外輪１７は、弾性体内輪１６と弾性ヒンジ１８を介して結合されており、外部から弾性体外輪１７をねじり変形させるトルクが印加されると弾性体内輪１６に対して回転軸５を中心にθｚ方向に微小回転する。即ち、弾性体外輪１７が外部からｚ軸周りのトルクを受けると、弾性ヒンジ１８が回転軸５を中心にθｚ回転方向に弾性変形する。この時、検出ヘッド１およびスケール３の相対回転変位を介して測定した弾性体外輪１７の回転量と、特に弾性ヒンジ１８の部分の弾性係数に基づき、弾性体１５に印加されているトルクを検出することができる。
【０１３４】
図１４は、本実施例の変位検出装置を利用したトルク検出装置９１０の構成を制御系の構成を含め、図４と同等の様式で図示している。図１４においては、図４と同一ないし相当する部材には同一符号を用いており、その詳細な説明はここでは省略するものとする。
【０１３５】
図１４において、図４と異なる点は、図４の弾性体７が図１３の弾性体１５に置換されていること、および、絶対回転変位処理部９０６の後段に、トルク算出処理部９０７を配置してある点である。トルク算出処理部９０７は、例えば汎用マイクロプロセッサなどから成るＣＰＵに、例えば後述の式（３）に対応する演算を実行させるプログラムを実行させる構成によって実現できる。
【０１３６】
また、図１４のトルク検出装置９１０のＡ相ＩーＶ変換部９０１、Ｂ相ＩーＶ変換部９０２、全光量ＩーＶ変換部９０３から絶対回転変位処理部９０６までの構成は図４のものと同様である。図１４の絶対回転変位処理部９０６は、実施例１で説明したのと同様に弾性体１５のスケール３の配置された円周上の回転変位を絶対量（絶対回転変位（Δθｚ））として出力する。
【０１３７】
トルク算出処理部９０７は、絶対回転変位処理部９０６が出力する絶対回転変位（Δθｚ）と、弾性体の回転方向のねじり剛性ｋｚから、次の式（３）に示すような演算を行うことにより、トルク値Ｔｚを算出することができる。
【０１３８】
Ｔｚ＝ｋｚ  ×  Δθｚ  …（３）
以上のようにして、本実施例のトルク検出装置９１０（図１３、図１４）は、高分解能でトルクの絶対値を常に検出することができる。本実施例においても、上述のように中央の初期位置において、スケール３をスケール３と検出ヘッド１の相対回転変位の接線方向に対して傾斜させている。このため、検出ヘッド１（の受光素子アレイ１２の全素子）から取得した全光量信号（Ｔ）は、（図３（ｂ）ないし図９の右側に示したように）検出範囲の一端から他端にかけてほぼ単調に増加（または減少）するよう変化させることができる。この全光量信号（Ｔ）は、粗回転変位量に対応させることができる。また、上述の実施例同様にインクリメンタル変位信号（Ｉ）は、上述の実施例同様に微小回転変位量に対応させることができる。そして、これら粗回転変位量と微小回転変位量を組合せる、即ち、粗回転変位量に微小回転変位量を内挿することにより、ゼロ点調整に依拠することなく、検出ヘッド１とスケール３の相対変位量を絶対量として検出することができる。即ち、上述の実施例同様に、広い範囲の粗回転変位と、微小な範囲かつ高分解能の微小回転変位とを組み合わせることで、絶対回転変位を常に検出することが可能となる。
【０１３９】
そして、上述のように、本実施例のトルク検出装置９１０は、設置された装置がクラッシュしても弾性体１５の絶対回転変位、トルクの絶対値を見失わない、という優れた効果がある。このため、配置された装置がクラッシュしても、トルク検出装置９１０のゼロ点調整の必要がなくなり、装置の停止や分解を必要とせずに再稼働することができる、という優れた効果がある。
【実施例５】
【０１４０】
実施例１〜４を通じて説明したトルク検出装置、例えば実施例４（図１３、図１４）のトルク検出装置９１０は、ロボット装置の関節駆動機構とともに配置して、その関節の駆動トルクを検出するために利用することができる。
【０１４１】
本発明の変位検出装置を用いたトルクセンサを搭載したロボット装置の構成について、図１５（ａ）、（ｂ）、図１６に基づいて詳細に説明する。図１５（ａ）は、上述の実施例４で説明した変位検出装置を用いたトルクセンサを搭載したロボット装置の概略構成を示している。
【０１４２】
図１５（ａ）に示す、ロボット装置５００は例えば産業用ロボットである。図１５（ａ）のロボット装置５００は、ワークＷの組み立て等の作業を行うロボット１００（ロボット本体）、ロボット１００を制御する制御装置２００、制御装置２００に接続されたティーチングペンダント３００と、を含む。ロボット１００は、多関節ロボットアーム（以下「ロボットアーム」という）１０１と、ロボットアーム１０１の先端に接続されたエンドエフェクタであるロボットハンド１０２と、を有する。
【０１４３】
図１５（ａ）のロボットアーム１０１は、垂直多関節型のロボットアームであり、作業台に固定されるベース部（基端リンク）１０３と、変位や力を伝達する複数のリンク１２１〜１２６と、を有している。ベース部１０３及び複数のリンク１２１〜１２６は、複数の関節Ｊ１〜Ｊ６で旋回または回転可能に互いに連結されている。ロボットアーム１０１は、各関節Ｊ１〜Ｊ６に設けられた回転軸の回転角度を検出する不図示のエンコーダと、関節Ｊ１〜Ｊ６を駆動する駆動部１１０を備えている。
【０１４４】
各関節Ｊ１〜Ｊ６に配置された駆動部１１０は、必要なトルクの大きさに合わせて適切な出力のものが用いられる。関節Ｊ１〜Ｊ６（ないしロボットハンド１０２）の駆動部１１０には、例えば実施例４（図１３、図１４）に示すようなトルク検出装置（９１０）を配置することができる。そして、トルク検出装置（９１０）によりその関節（ないしロボットハンド１０２把持爪）の駆動トルクを検出し、例えば検出したトルクを駆動部１１０の駆動信号にフィードバックするトルク制御を行うことができる。
【０１４５】
ロボットハンド１０２は、ワークＷを把持する把持爪１０４と、把持爪１０４を駆動する駆動部１１０と、駆動部１１０の回転角度を検出する不図示のエンコーダと、回転を把持動作に変換する不図示の機構とを有している。この不図示の機構は、カム機構やリンク機構などで必要な把持動作に合わせて設計される。なお、ロボットハンド１０２に用いる駆動部１１０に必要なトルクは、ロボットアーム１０１の関節用と異なる場合があるが、駆動部１１０の基本構成は同じである。また、ロボットハンド１０２には、把持爪１０４等に作用する応力（反力）を検出可能な不図示の力覚センサが設けられる場合がある。
【０１４６】
ティーチングペンダント３００は制御装置２００に接続可能に構成され、制御装置２００に接続された際に、ロボットアーム１０１やロボットハンド１０２を駆動制御する指令を制御装置２００に送信できるよう構成されている。
【０１４７】
制御装置２００は、図１５（ｂ）に示すように、例えば汎用マイクロプロセッサなどから成るＣＰＵ６０１を中心として構成される。図１５（ｂ）において、制御装置２００は、例えばＣＰＵ６０１と、データを一時的に記憶するＲＡＭ６０３と、各部を制御するためのロボット制御プログラムを記憶するＲＯＭ６０２と、インターフェース６０４、６０５から構成することができる。
【０１４８】
ＲＯＭ６０２は、後述のようなトルク制御を含むロボット制御プログラムを記憶するコンピュータ（ＣＰＵ６０１）により読み取り可能な記録媒体に相当する。ＣＰＵ６０１は、例えばＲＯＭ６０２に格納されたロボット制御プログラムを実行することにより、後述のようなトルク制御を含むロボット制御を実行する。なお、ＲＯＭ６０２の一部は、Ｅ（Ｅ）ＰＲＯＭのような書き換え可能な不揮発領域により構成できる。その場合、不図示のフラッシュメモリや光ディスクのようなコンピュータ読み取り可能な記録媒体や、ネットワークなどを介して取得したロボット制御プログラムを新たに上記書き換え可能な不揮発領域にインストールすることができる。また、上記書き換え可能な不揮発領域に格納されているロボット制御プログラムは、上記コンピュータ読み取り可能な記録媒体や、ネットワークなどを介して取得したデータによって更新することもできる。
【０１４９】
制御装置２００は、上記の各駆動部１１０の動作に要求される要求電力を、不図示の電源から駆動部１１０に供給することにより、ロボット装置５００の各部、特にロボットアーム１０１やロボットハンド１０２の位置、姿勢を制御するロボット制御を実行する。その場合、制御信号の入出力には、インターフェース６０５が用いられる。なお、図１５（ｂ）では、駆動部１１０の構成部材として、モータ１１２（図１６）およびトルク検出装置９１０を図示してある。
【０１５０】
上記のロボット制御において、ＣＰＵ６０１は、インターフェース６０４を介してティーチングペンダント３００からの指令を入力し、この指令に応じて上記各部の動作を制御する。あるいは、他のプログラム端末などから供給され、ＲＡＭ６０３などに記憶されているロボット制御プログラムの内容に応じて上記各部の動作を制御することもできる。ロボット装置５００は、入力された設定等に従って、制御装置２００がロボットアーム１０１の各関節Ｊ１〜Ｊ６の駆動部１１０を動作させることにより、ロボットハンド１０２を任意の位置及び姿勢に移動させる。例えば、任意の位置及び姿勢で、把持爪１０４に作用する応力を力覚センサで検出しながら駆動部１１０の駆動を制御し、ロボットハンド１０２にワークＷを把持させて、ワークＷの組み立て等の作業を行うことができる。
【０１５１】
特に、関節Ｊ１〜Ｊ６やロボットハンド１０２を駆動する駆動部１１０には、下記のようにトルク検出装置９１０を配置することができる。そして、ＣＰＵ６０１は、トルク検出装置９１０を介して検出した駆動部１１０の駆動トルクに基づき、ロボットアーム１０１、ロボットハンド１０２などの各部から成るロボット装置のロボット制御を実行する。
【０１５２】
上記の関節Ｊ１，Ｊ２…（ないしロボットハンド１０２）を駆動する駆動部１１０の構成例を図１６に示す。ただし、図１６に示した駆動部１１０は、ロボットアーム１０１のリンク１２２を駆動する関節Ｊ２のものとして図示してあるが、他の関節（ないしロボットハンド１０２）に設けられる駆動部１１０も図１６とほぼ同様に構成される。
【０１５３】
図１６において、駆動部１１０は、モータ１１２、モータ１１２の回転子（回転軸）の回転を減速して出力する波動歯車装置１１１を含む。モータ１１２は、ＡＣモータやブラシレスＤＣモータなどから成る、例えばサーボモータである。波動歯車装置１１１の減速出力によって、リンク１２２を回動させ、リンク１２２の回転角度が決定される。駆動部１１０の駆動トルクを検出するトルク検出装置９１０の配置する位置にはいくつかの選択肢があるが、図１６の構成では、トルク検出装置９１０のエンコーダ部分に相当するトルクセンサ１１３は波動歯車装置１１１〜リンク１２２の間に配置してある。
【０１５４】
図１６のトルクセンサ１１３は、上述の弾性体内輪１６、弾性体外輪１７から成る回転体としての弾性体７と、固定部材６から成る。この弾性体７の構造は図１３（実施例４）に示したものと同様で、弾性体内輪１６および弾性体外輪１７はスポーク状の弾性ヒンジ１８（不図示）により結合される。モータ１１２、波動歯車装置１１１、弾性体７、リンク１２２の回転軸５はほぼ一直線上に整合するよう配置されている。
【０１５５】
スケール３および検出ヘッド１（いずれも図１６では不図示）は、上述同様に、それぞれ弾性体７、および弾性体７に近接して配置された固定部材６に対向するよう装着される。その場合、スケール３および検出ヘッド１は、実施例１（図１（ａ））のように配置してもよく、また、実施例３（図１２）のように配置してもよい。このため、スケール３および検出ヘッド１は図１６の配置位置や姿勢の図示を省略している。
【０１５６】
弾性体７の弾性体外輪１７は、ロボットアームのリンク１２２に接続される。弾性体内輪１６は波動歯車装置１１１の出力軸にリジッドに結合されている。また、波動歯車装置１１１の出力軸には、例えば円盤状の固定部材６は出力軸に同軸かつリジッドに結合されている。
【０１５７】
以上の構成により、波動歯車装置１１１の出力軸により弾性体７の弾性体内輪１６に駆動トルクを印加すると、弾性体外輪１７を介してリンク１２２が回転駆動される。この時、弾性体内輪１６、弾性ヒンジ１８（不図示）、弾性体外輪１７が駆動トルクの反力に応じたねじり変形を生じ、弾性体７に装着したスケール３と固定部材６に装着した検出ヘッド１の相対（回転）変位が起きる。
【０１５８】
トルク検出装置９１０は、例えば図１４に示すように構成されており、スケール３と検出ヘッド１の相対（回転）変位を介して、駆動部１１０の駆動トルク（の反力）を検出することができる。制御装置２００（図１５（ｂ））のＣＰＵ６０１は、トルク検出装置９１０の出力する駆動トルクの検出量をインターフェース６０５を介して取得することができる。また、ＣＰＵ６０１は、他の関節Ｊ１，Ｊ２…（ないしロボットハンド１０２）の駆動部１１０の駆動トルクの検出量も、同様にインターフェース６０５を介して取得することができる。
【０１５９】
制御装置２００のＣＰＵ６０１は、上記のようにして検出した（各）関節の駆動トルクを用いて、ロボット装置各部の動作を制御するロボット制御を実行することができる。例えば、（各）関節で検出した駆動トルクをモータ１１２の駆動量にフィードバックするトルク（サーボ）制御を行うことができる。これにより、関節Ｊ１、Ｊ２…（ないしロボットハンド１０２）を駆動するモータ１１２を高精度に制御しつつ、各部の位置姿勢を所望の状態に制御することができる。
【０１６０】
上述の各実施例で説明した変位検出装置を利用したトルク検出装置９１０を本実施例のロボット装置５００に用いることによって、各関節のトルクを広範囲かつ高分解能で検出し、高精度なトルク制御を行うことができる。また、ロボットアーム１０１を障害物に衝突（クラッシュ）させるような事象が生じても、上述の通り、トルク検出装置９１０は各部の分解、校正などを含むゼロ点調整を必要とせず、常にトルクの絶対値を検出することができる。即ち、本実施例のロボット装置５００はロボットアーム１０１がクラッシュしても各関節のトルクセンサ１１３がトルク絶対値を常に検出して、見失うことが無い。このため、ロボットアーム１０１のクラッシュなどの事象が生じても、ゼロ点調整を行うことなく、ロボットアームの停止や分解を必要とせず、即時に再稼働でき、当該事象が生じる前と同様に高精度なトルク制御に基づくロボット制御を行える。
【０１６１】
上述の各実施例で説明した変位検出装置の構成は、上述したトルク検出装置や、ロボットアームに限らず、角度測定器、スキャナ軸、材料のねじれ測定等、さまざまな微小回転変位の検出に用いることができる。また、上述の変位検出装置を利用したトルク検出装置は、上述のロボット装置に限らず、搬送装置や工作機械等、様々な装置における駆動部のトルク検出に利用することができる。
【０１６２】
なお、上述の実施例の１以上の機能を実現するプログラムは、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステムまたは装置の対応部材に供給することができる。そして、本発明は、そのシステムまたは装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【符号の説明】
【０１６３】
１…検出ヘッド、２…受光面、３…スケール、４…格子パターン面、５…回転軸、６…固定部材、７…弾性体、９…処理回路、１０…発光素子、１１…インデックス格子パターン、１２…受光素子アレイ、１３…光束、１４…格子パターン、１５…弾性体、１６…弾性体内輪、１７…弾性体外輪、１８…弾性ヒンジ、１９…回転機構、１０１…ロボットアーム、１１０…駆動部、１１１…波動歯車装置 、１１２…モータ、１１３…トルクセンサ、６０１…ＣＰＵ、６０２…ＲＯＭ、６０３…ＲＡＭ、９０７…トルク算出処理部、９０７ａ…補正処理部、９０８…補正データテーブル、９１０…トルク検出装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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