(57)【要約】      （修正有）【課題】検出できる角度が高分解能であるとともに、広い範囲の角度の検出が可能であり、スケールを有さず、かつ、基準角度を特定することができる光学式角度センサの提供。【解決手段】光学式角度センサ１は、光を照射する光源２と、所定の軸を測定軸として回動するとともに光源２から照射された光を反射する反射手段３と、光源２から照射された光を受光する受光手段４と、受光手段４が受光した光を信号として演算する演算手段７と、を備える。受光手段４は、反射手段３を介した光源２から照射された光を受光する。演算手段７は、受光手段４が受光した光に基づいて基準角度を特定する特定手段８と、受光手段４が受光した光と特定手段８により特定された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出する角度算出部９と、を備える。【選択図】図４
2020008379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射する光源と、所定の軸を測定軸として回動するとともに前記光源から照射された光を反射する反射手段と、前記光源から照射された光を受光する受光手段と、前記受光手段が受光した光を信号として演算する演算手段と、を備える光学式角度センサであって、
前記受光手段は、
前記反射手段を介した前記光源から照射された光を受光し、
前記演算手段は、
前記受光手段が受光した光に基づいて基準角度を特定する特定手段と、
前記受光手段が受光した光と前記特定手段により特定された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出する角度算出部と、を備えることを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載された光学式角度センサにおいて、
前記光源から照射された光を回折する回折格子を備え、
前記受光手段は、
前記反射手段と前記回折格子とを介した光を受光することを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された光学式角度センサにおいて、
前記受光手段は、
前記光を受光して信号に変換する複数の受光素子と、
複数の前記受光素子を含むとともに前記受光手段の受光面において前記測定軸と直交する直交方向に沿って並設される複数の受光部と、を備え、
前記複数の受光部は、
所定の前記受光素子を第１受光部とし、
前記第１受光部とは異なる他の前記受光素子を第２受光部とし、
前記特定手段は、
前記第１受光部と前記第２受光部とのそれぞれから信号を検出する信号検出部と、
前記信号検出部にて検出された信号に基づいて前記基準角度を判定する基準角度判定部と、を備え、
前記基準角度判定部は、
前記信号検出部が前記第１受光部と前記第２受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したと判定した場合、該信号を検出した位置を前記基準角度として特定すること特徴とする光学式角度センサ。
【請求項４】
請求項３に記載された光学式センサにおいて、
前記基準角度判定部は、
前記信号検出部が前記第１受光部と前記第２受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したと判定した場合、該信号を検出した位置を前記基準角度として特定すること特徴とする光学式角度センサ。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載された光学式角度センサにおいて、
前記受光手段は、
前記光を受光して信号に変換する複数の受光素子と、
複数の前記受光素子を含むとともに前記受光手段の受光面において前記測定軸と直交する直交方向に沿って並設される複数の受光部と、を備え、
前記複数の受光部は、
所定の前記受光素子を第１受光部とし、
前記第１受光部とは異なる他の前記受光素子を第２受光部とし、
前記第１受光部および前記第２受光部とは異なる他の前記受光素子を第３受光部とし、
前記第１受光部および前記第３受光部は隣接して配置され、前記第２受光部および前記第３受光部は隣接して配置され、
前記演算手段は、
前記複数の受光素子により変換された信号に基づいて角度を算出するための信号を検出する角度信号検出部を備え、
前記特定手段は、
前記第１受光部と前記第２受光部と前記第３受光部のそれぞれから信号を検出する信号検出部と、
前記信号検出部により検出された信号に基づき、前記第１受光部と前記第３受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したときには第１基準信号を出力し、前記第２受光部と前記第３受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したときには第２基準信号を出力する基準信号出力部と、
前記基準信号出力部により前記第１基準信号および前記第２基準信号が出力された場合、前記第１基準信号および前記第２基準信号の一方の基準信号が出力され他方の基準信号が出力されるまでの間に前記角度信号検出部により検出された信号に基づいて、演算により前記基準角度を特定する基準角度演算部と、を備え、
前記角度算出部は、前記角度信号検出部が検出した信号と前記基準角度演算部により演算された前記基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出することを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項６】
請求項５に記載された光学式角度センサにおいて、
前記第３受光部は、
前記角度信号検出部が周期的な信号を検出する場合、
前記基準信号出力部から出力される前記第１基準信号および前記第２基準信号までの間の前記角度信号検出部が検出する信号が１周期以内となるように前記受光素子を含んでいることを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載された光学式角度センサにおいて、
前記基準信号出力部は、
前記信号検出部により検出された信号に基づき、前記第１受光部と前記第３受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには前記第１基準信号を出力し、前記第２受光部と前記第３受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには前記第２基準信号を出力することを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項８】
請求項３から請求項７のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記複数の受光素子は、
前記直交方向に沿って並設されることを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項９】
請求項３から請求項７のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記複数の受光素子は、
前記受光手段の受光面において前記測定軸方向と平行な方向である測定軸方向に沿って並設されるとともに前記直交方向に所定の大きさを有し、所定の数ずつ前記直交方向に沿って配置され、
前記受光素子は、
前記受光面において前記直交方向に沿って所定のピッチにて並設される複数のマスク格子を備えることを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載された光学式角度センサにおいて、
前記第１受光部は、前記測定軸方向に並設される２つ以上の前記受光素子を含み、
前記第２受光部は、前記第１受光部とは異なるとともに前記第１受光部の直交方向に並設される他の２つ以上の前記受光素子を含み、
前記複数のマスク格子は、
前記２つ以上の受光素子のそれぞれにおいて、他の前記受光素子とは９０度位相をずらして配置されていることを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載された光学式角度センサにおいて、
前記第１受光部は、前記測定軸方向に並設される４の倍数の数の前記受光素子を含み、
前記第２受光部は、前記第１受光部とは異なるとともに前記第１受光部の直交方向に並設される他の４の倍数の数の前記受光素子を含んでいることを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項１２】
請求項３から請求項１１のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記第１受光部が含む前記受光素子と前記第２受光部が含む前記受光素子とは、
同数であることを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項１３】
請求項１または請求項２に記載された光学式角度センサにおいて、
前記受光手段は、
前記受光手段の受光面における前記光の位置を特定する位置特定センサを備え、
前記特定手段は、
前記位置特定センサからの信号に基づき基準角度を特定することを特徴とする光学式角度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式角度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光を照射する光源と、所定の軸を測定軸として回動するとともに光源から照射された光を反射する反射手段と、光源から照射された光を受光する受光手段と、受光手段が受光した光を信号として演算する演算手段と、を備える光学式角度センサが知られている。
このような光学式角度センサは、検出できる角度が高分解能であり、かつ、１度以上の広い範囲の角度の検出が可能であり、スケールを有さず、基準角度に基づき角度を検知できることが好ましい。ここで、基準角度とは、角度を算出する際に基準となる原点（絶対値）に相当する所定の角度である。
【０００３】
角度の検出方式としては、インクリメンタル方式（ＩＮＣ方式）と、アブソリュート方式（ＡＢＳ方式）と、が知られている。
ＩＮＣ方式は、例えばスケールに設けられた一定ピッチのインクリメンタルパターン（ＩＮＣパターン）を連続的に検出し、通過したＩＮＣパターンの数をカウントアップまたはカウントダウンすることで、測定対象における角度の変位を検出する方式である。
ＡＢＳ方式は、例えば所定の方法にて原点となる基準角度を特定し、ＩＮＣ方式にて検出した角度と基準角度とを組み合わせることで、測定対象における角度の変位の絶対値を検出する方式である。また、他のＡＢＳ方式として、例えばスケールにランダムに設けられたアブソリュートパターン（ＡＢＳパターン）を検出しＡＢＳパターンを解析することで、測定対象における角度の変位の絶対値を検出する方式もある。
【０００４】
例えば特許文献１に記載の光学式ロータリエンコーダでは、回転スリット板（スケール）と、固定スリット板と、複数のＬＥＤと、複数の受光素子と、を備える。回転スリット板は、ＩＮＣ方式にて角度を算出するための角度検出スリットであるＡ相信号用スリットおよびＢ相信号用スリットと、ロータ磁極位置検出のためのスリットであるＣ相信号用スリットと、光学式ロータリエンコーダの光軸１回転中における所定回転角度、すなわち基準角度（原点）検出用スリットであるＺ相信号用スリットと、を備える。光学式ロータリエンコーダは、Ａ相信号用スリットおよびＢ相信号用スリットから検出された信号に基づいて高分解能の角度を算出することができ、回転スリット板の周方向の長さの分だけ角度を算出することができる。また、Ｚ相信号用スリットから検出された信号に基づいて基準角度を特定することができる。光学式ロータリエンコーダは、この基準角度と、Ａ相信号用スリットおよびＢ相信号用スリットから検出された信号と、を組み合わせることで測定対象における角度の変位の絶対値を検出することができる。
【０００５】
また、例えば特許文献２に記載の回転角度検出装置は、単波長レーザー光源（光源）から照射された発散レーザー光をコリメートして生成したコリメート光束を、被測定物（測定対象）に搭載された反射部（反射手段）に入射し、反射部から反射された測定光束を対物レンズにより集光して角度の測定をする測定用受光素子を備える。測定用受光素子は、測定光束を集光して得られた光スポットの中心が、測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置するように配置されているとともに、位置決めステージに搭載されている。回転角度検出装置は、被測定物が回転したとき、光スポットの中心が測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目上に位置し続けるように、位置決めステージにより測定用受光素子の位置制御を行い、当該位置制御の情報に基づき被測定物の回転角度を求める。回転角度検出装置は、測定用受光素子の感応帯と非感応帯との境目を基準角度とし、この基準角度に基づいて、スケールを用いることなく高分解能な角度測定をすることができる。
【０００６】
また、例えば特許文献３に記載の形状測定装置は、被測定面（反射手段）に対して相対的に略平行移動する測定ヘッド部と、測定ヘッド部の対向位置における被測定面の形状が測定ヘッド部と被測定面との平行移動にともなって変化する量を測定する信号処理部（演算手段）と、を備える。測定ヘッド部は、同位相の多光束からなる光を被測定面に向けて照射させる照射光形成手段（光源）と、被測定面からの反射光を回折させて干渉縞を形成させる干渉縞形成手段と、干渉縞の光を受光して受光信号を出力する受光素子アレイ（受光手段）と、を備える。信号処理部は、受光素子アレイからの受光信号に基づく干渉縞の変位から被測定面の形状変化を検出する。これにより、形状測定装置は、広い範囲の角度の検出が可能であり、スケールを用いることなく高分解能な角度測定をすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１１３６２号公報
【特許文献２】特開２０１７−１３３８９２号公報
【特許文献３】特開２００５−２７４４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の光学式ロータリエンコーダは、基準角度を得るために円盤状のスケールである回転スリット板が必要となる。これにより、光学式ロータリエンコーダは、回転スリット板の製造にコストがかかるとともに、回転スリット板をサーボモータの出力軸に取り付ける際にアライメントのミスが発生する可能性があるという問題がある。また、特許文献２に記載の回転角度検出装置は、許容される被測定物の回転角度は１度以内であり、検出できる範囲が非常に狭いという問題がある。さらに、特許文献３に記載の形状測定装置は、被測定面に対する基準角度を検知することができないという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、検出できる角度が高分解能であるとともに、広い範囲の角度の検出が可能であり、スケールを有さず、かつ、基準角度を特定することができる光学式角度センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光学式角度センサは、光を照射する光源と、所定の軸を測定軸として回動するとともに光源から照射された光を反射する反射手段と、光源から照射された光を受光する受光手段と、受光手段が受光した光を信号として演算する演算手段と、を備える光学式角度センサであって、受光手段は、反射手段を介した光源から照射された光を受光し、演算手段は、受光手段が受光した光に基づいて基準角度を特定する特定手段と、受光手段が受光した光と特定手段により特定された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出する角度算出部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
このような本発明によれば、光学式角度センサは、特定手段により基準角度を特定することができ、角度算出部により受光手段が受光した光と特定手段により特定された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出することができる。したがって、光学式角度センサは、検出できる角度が高分解能であるとともに、広い範囲の角度の検出が可能であり、スケールを有さず、かつ、基準角度を特定し、角度の絶対値を検出することができる。
【００１２】
この際、光源から照射された光を回折する回折格子を備え、受光手段は、反射手段と回折格子とを介した光を受光することが好ましい。
【００１３】
ここで、回折格子を介した光源から照射された光は、回折光となり反射手段にて反射し、干渉縞となって受光手段に照射される。受光手段に照射された干渉縞は、反射手段が回動することにより、受光手段上を受光手段の受光面において測定軸と直交する直交方向に沿って移動する。受光手段は、この干渉縞の移動に基づいて基準角度を特定する。
したがって、このような構成によれば、演算手段における特定手段は、受光手段が反射手段と回折格子とを介した光に基づいて基準角度を特定するため、反射手段だけを介した光に基づいて基準角度を特定する場合と比較して、高精度に基準角度を特定することができる。
【００１４】
この際、受光手段は、光を受光して信号に変換する複数の受光素子と、複数の受光素子を含むとともに受光手段の受光面において測定軸と直交する直交方向に沿って並設される複数の受光部と、を備え、複数の受光部は、所定の受光素子を第１受光部とし、第１受光部とは異なる他の受光素子を第２受光部とし、特定手段は、第１受光部と第２受光部とのそれぞれから信号を検出する信号検出部と、信号検出部にて検出された信号に基づいて基準角度を判定する基準角度判定部と、を備え、基準角度判定部は、信号検出部が第１受光部と第２受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したと判定した場合、信号を検出した位置を基準角度として特定することが好ましい。
【００１５】
このような構成によれば、受光手段は、第１受光部と、第２受光部と、を備え、基準角度判定部は、信号検出部が第１受光部と第２受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したと判定した場合、その信号を検出した位置を基準角度として特定することができる。したがって、光学式角度センサは、検出できる角度が高分解能であるとともに、広い範囲の角度の検出が可能であり、スケールを有さず、かつ、基準角度を特定し、角度の絶対値を検出することができる。
【００１６】
この際、基準角度判定部は、信号検出部が第１受光部と第２受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したと判定した場合、信号を検出した位置を基準角度として特定することが好ましい。
【００１７】
ここで、例えば信号検出部が第１受光部と第２受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出する場合とは、第１受光部と第２受光部との境界に光が照射されているときである。したがって、このような構成によれば、基準角度判定部は、信号検出部が第１受光部と第２受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したと判定した場合、信号を検出した位置を基準角度として特定するため、光学式角度センサは、基準角度判定部により容易に基準角度を特定することができる。
【００１８】
また、受光手段は、光を受光して信号に変換する複数の受光素子と、複数の受光素子を含むとともに受光手段の受光面において測定軸と直交する直交方向に沿って並設される複数の受光部と、を備え、複数の受光部は、所定の受光素子を第１受光部とし、第１受光部とは異なる他の受光素子を第２受光部とし、第１受光部および第２受光部とは異なる他の受光素子を第３受光部とし、第１受光部および第３受光部は隣接して配置され、第２受光部および第３受光部は隣接して配置され、演算手段は、複数の受光素子により変換された信号に基づいて角度を算出するための信号を検出する角度信号検出部を備え、特定手段は、第１受光部と第２受光部と第３受光部のそれぞれから信号を検出する信号検出部と、信号検出部により検出された信号に基づき、第１受光部と第３受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したときには第１基準信号を出力し、第２受光部と第３受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したときには第２基準信号を出力する基準信号出力部と、基準信号出力部により第１基準信号および第２基準信号が出力された場合、第１基準信号および第２基準信号の一方の基準信号が出力され他方の基準信号が出力されるまでの間に角度信号検出部により検出された信号に基づいて、演算により基準角度を特定する基準角度演算部と、を備え、角度算出部は、角度信号検出部が検出した信号と基準角度演算部により演算された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出することが好ましい。
【００１９】
このような構成によれば、受光手段は、第１受光部と、第２受光部と、第３受光部と、を備える。そして、特定手段における基準角度演算部は、基準信号出力部により出力された第１基準信号および第２基準信号に基づいて、第１基準信号および第２基準信号の一方の基準信号が検出され他方の基準信号が検出されるまでの間に角度信号検出部により検出された角度を算出するための信号から、演算により基準角度を特定することができる。したがって、光学式角度センサは、演算をせずに基準角度を特定する場合と比較して、高精度に基準角度を特定することができる。
【００２０】
この際、第３受光部は、角度信号検出部が周期的な信号を検出する場合、基準信号出力部から出力される第１基準信号および第２基準信号までの間の角度信号検出部が検出する信号が１周期以内となるように受光素子を含んでいることが好ましい。
【００２１】
このような構成によれば、第３受光部は、角度信号検出部が周期的な信号を検出する場合、基準信号出力部から出力される第１基準信号および第２基準信号までの間の角度信号検出部が検出する信号が１周期以内となるように受光素子を含んでいることで、特定手段における基準角度演算部は、確実に基準角度を特定することができる。
【００２２】
この際、基準信号出力部は、信号検出部により検出された信号に基づき、第１受光部と第３受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには第１基準信号を出力し、第２受光部と第３受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには第２基準信号を出力することが好ましい。
【００２３】
ここで、例えば信号検出部により検出された信号に基づき、第１受光部と第３受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出し、第２受光部と第３受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときとは、第１受光部と第３受光部、または、第２受光部と第３受光部、それぞれの境界に光が照射されているときである。したがって、このような構成によれば、基準信号出力部は、信号検出部により検出された信号に基づき、第１受光部と第３受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには第１基準信号を出力し、第２受光部と第３受光部とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには第２基準信号を出力するため、容易に第１基準信号と第２基準信号とを出力するタイミングを計ることができる。
【００２４】
この際、複数の受光素子は、直交方向に沿って並設されることが好ましい。
【００２５】
このような構成によれば、受光手段における複数の受光素子は、直交方向に沿って並設されているため、例えばＰＤＡ(Photo Diode Array)を直交方向に沿って並設することで容易に製造することができる。また、複数の受光素子は、直交方向に沿って並設されることで例えば受光手段に照射される干渉縞から角度を算出するための信号を読み取ることができる。
【００２６】
また、複数の受光素子は、受光手段の受光面において測定軸方向と平行な方向である測定軸方向に沿って並設されるとともに直交方向に所定の大きさを有し、所定の数ずつ直交方向に沿って配置され、受光素子は、受光面において直交方向に沿って所定のピッチにて並設される複数のマスク格子を備えることが好ましい。
【００２７】
ここで、複数の受光素子としてＰＤＡを直交方向に沿って並設した場合、高分解能の測定結果を得るためにはＰＤＡ自体の大きさを小さくする必要がある。
しかしながら、このような構成によれば、受光素子は、測定軸方向に沿って並設されるとともに直交方向に所定の大きさを有し、受光面において直交方向に沿って所定のピッチにて並設される複数のマスク格子を備えることで、ＰＤＡ自体の大きさを小さくしなくとも、マスク格子とマスク格子との間の受光素子の領域が個別のＰＤＡと同様に作用するため、光学式角度センサは、高分解能の測定結果を得ることができる。
【００２８】
この際、第１受光部は、測定軸方向に並設される２つ以上の受光素子を含み、第２受光部は、第１受光部とは異なるとともに第１受光部の直交方向に並設される他の２つ以上の受光素子を含み、複数のマスク格子は、２つ以上の受光素子のそれぞれにおいて、他の受光素子とは９０度位相をずらして配置されていることが好ましい。
【００２９】
このような構成によれば、測定軸方向に並設される第１受光部の２つ以上の受光素子と、第１受光部とは異なるとともに第１受光部の直交方向に並設される第２受光部の２つ以上の受光素子のそれぞれにおいて、複数のマスク格子は、９０度ずつ位相がずれた位置に配置される。そして、演算手段は、受光素子が２つであった場合は、２つの受光素子から２相信号を検出することができる。２相信号からは角度を算出するための信号を検出することができる。これにより、光学式角度センサは、角度を算出するための信号と特定手段により特定された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出することができる。
【００３０】
この際、第１受光部は、測定軸方向に並設される４の倍数の数の受光素子を含み、第２受光部は、第１受光部とは異なるとともに第１受光部の直交方向に並設される他の４の倍数の数の受光素子を含んでいることが好ましい。
【００３１】
このような構成によれば、第１受光部は、測定軸方向に並設される４の倍数の数の受光素子を含み、第２受光部は、第１受光部とは異なるとともに第１受光部の直交方向に並設される他の４の倍数の数の受光素子を含んでいるため、演算手段は、例えば４つの受光素子を備えていた場合、４つの受光素子から４相信号を検出することができる。４相信号から検出された角度を算出するための信号は、２相信号から検出された角度を検出するための信号よりも高感度であるため、光学式角度センサは、より精度の高い角度を取得することができる。また、第１受光部と第２受光部とがそれぞれ４の倍数の数の受光素子を含むことで、各相の信号をバランスよく検出することができる。
【００３２】
この際、第１受光部が含む受光素子と第２受光部が含む受光素子とは、同数であることが好ましい。
【００３３】
このような構成によれば、第１受光部が含む受光素子と第２受光部が含む受光素子とは、同数であることで、演算手段は、第１受光部および第２受光部から同じ強度の信号を得ることができる。
【００３４】
また、受光手段は、受光手段の受光面における光の位置を特定する位置特定センサを備え、特定手段は、位置特定センサからの信号に基づき基準角度を特定することが好ましい。
【００３５】
このような構成によれば、特定手段は、位置特定センサからの信号に基づき、演算をしなくとも容易に基準角度を特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１実施形態に係る光学式角度センサを示す斜視図
【図２】前記光学式角度センサを示す断面図
【図３】前記光学式角度センサにおける受光手段を示す図
【図４】前記光学式角度センサにおける演算手段を示すブロック図
【図５】前記光学式角度センサにおける基準角度を特定する方法を示す図
【図６】第２実施形態に係る光学式角度センサを示すブロック図
【図７】前記光学式角度センサにおける基準角度を特定する方法を示す図
【図８】前記光学式角度センサにおける基準角度を特定する方法を示すフローチャート
【図９】第３実施形態に係る光学式角度センサにおける受光手段を示す図
【図１０】第４実施形態に係る光学式角度センサにおける受光手段を示す図
【図１１】第１変形例に係る光学式角度センサを示す断面図
【図１２】第２変形例に係る光学式角度センサを示す斜視図
【図１３】第２変形例に係る光学式角度センサを示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００３７】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図１から図５に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る光学式角度センサを示す斜視図である。
光学式角度センサ１は、図１に示すように、光を照射する光源２と、所定の軸を測定軸として回動するとともに光源２から照射された光を反射する反射手段３と、光源２から照射された光を受光する受光手段４と、光源２から照射された光を回折する回折格子５，６と、を備える。回折格子５，６は、所定の配置ピッチにて配置される複数の格子５１を有する第１回折格子５と、所定の配置ピッチにて配置される複数の格子６１を有する第２回折格子６と、を備える。光学式角度センサ１は、回動する物体を測定する測定器の内部に設けられている。
【００３８】
光源２は、一定の幅を有する平行光を第１回折格子５の一面に向かって照射する。光源２は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。なお、光源２はＬＥＤに限らず、任意の光源であってもよい。
反射手段３は、回動する測定対象に取付けられている。反射手段３は、受光手段４と第１回折格子５と第２回折格子６と対向する反射面３１を有する。反射手段３は、測定軸をＹ軸として、基準角度（原点）から±１５度回動可能に設けられている。なお、以下の説明において、測定軸（Ｙ軸）と平行な方向である測定軸方向をＹ方向として説明し、反射手段３の反射面３１においてＹ軸と直交する方向をＸ軸とし、Ｘ軸と平行な方向を直交方向とする場合がある。
【００３９】
図２は、前記光学式角度センサを示す断面図である。
光源２と反射手段３とは、図２に示すように、第１回折格子５を挟んで互いに向かい合せて設置されている。反射手段３と第２回折格子６および受光手段４とは、互いに向かい合せて設置されている。受光手段４は、第１回折格子５と第２回折格子６と反射手段３とを介した光源２からの光を受光し、その光によって受光手段４上に生成された干渉縞Ｃを受光する。
【００４０】
第１回折格子５および第２回折格子６は、透光性のガラスにて形成される。第１回折格子５および第２回折格子６は、Ｘ方向に沿って長尺状に形成された１つの板状体に設けられ、光源２側を第１回折格子５とし、受光手段４側を第２回折格子６としている。なお、第１回折格子５および第２回折格子６は、ガラスに限らず、任意の透光性の部材により形成されていてもよい。また、第１回折格子５と第２回折格子６とは、１つの板状体に設けられていなくてもよく、第１回折格子５と第２回折格子６とは、個別に設けられていてもよい。
【００４１】
光源２が第１回折格子５に照射した平行光は、第１回折格子５により回折されるとともに回折光となって反射手段３に照射され、反射手段３にて反射し反射光となる。反射光は、第２回折格子６によりさらに複数の回折光に回折される。第２回折格子６にて回折された複数の回折光は、再び反射手段３に照射され反射光となり、受光手段４に照射される。第１回折格子５と、第２回折格子６と、反射手段３とを介した反射光は、受光手段４において干渉することにより、受光手段４の受光面において測定軸と直交する直交方向（Ｘ方向）に沿って複数の格子５１，６１の配置ピッチに対応した周期で明暗を繰り返す干渉縞Ｃを生成する。なお、図２において、複数の回折光は、説明の都合上、光源２から照射されて受光手段４に到達する光のみを矢印にて記載している。また、以下の説明において、「位相」とは、特に言及がない限り、第１回折格子５および第２回折格子６によって生成される干渉縞Ｃの周期についての位相を意味するものとする。
【００４２】
光源２から照射された平行光は、反射手段３が回動し傾斜角が変化すると、第２回折格子６へ反射する反射光の方向が変化する。これにより、光源２から照射された平行光の到達点は、第２回折格子６および受光手段４において変化する。到達点が変化することで、第１回折格子５から受光手段４までの光学距離が変化するため、受光手段４の受光面上での干渉縞Ｃは変位する。すなわち、受光手段４に照射された干渉縞Ｃは、反射手段３が回動することにより、受光手段４上を反射手段３の直交方向であるＸ方向に沿って、図２の矢印（紙面左右方向）のように移動する。光学式角度センサ１は、この干渉縞Ｃの移動である変位から反射手段３の傾斜角の変化を検出する。
【００４３】
図３は、前記光学式角度センサにおける受光手段を示す図である。
受光手段４は、光源２から照射された平行光の幅よりも広い受光面を有し、図３に示すように、複数の受光素子４０を備える。複数の受光素子４０は、直交方向（Ｘ方向）に沿って並設されるとともに、光を受光して信号に変換する。また、複数の受光素子４０は、複数の格子５１，６１（図１，２参照）の配置ピッチに対応して、Ｘ方向に沿って配置ピッチＰにて並設されている。複数の受光素子４０には、ＰＤＡが用いられる。ＰＤＡは、複数の干渉縞Ｃ（図２参照）を一度に測定することができる性質を持つ受光器である。なお、複数の受光素子４０は、ＰＤＡに限らず、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）やＣＣＤ（Charge-Coupled Device）等の任意の受光器を用いてもよい。
【００４４】
また、受光手段４は、複数の受光素子４０を含むとともに直交方向（Ｘ方向）に沿って並設される複数の受光部を備える。複数の受光部は、第１受光部４１と、第２受光部４２と、を備える。
第１受光部４１は、所定の受光素子４０を含み、第２受光部４２は、第１受光部４１とは異なる他の受光素子４０を含んで構成される。第１受光部４１および第２受光部４２は、隣接して配置されている。
複数の受光素子４０は、直交方向であるＸ方向に沿って並設され、それぞれ９０度位相がずれた位置に配置されている。そして、第１受光部４１が含む受光素子４０と第２受光部４２が含む受光素子４０とは、同数となるように配置されている。
【００４５】
図４は、前記光学式角度センサにおける演算手段を示すブロック図である。
図４に示すように、光学式角度センサ１は、受光手段４が受光した光を信号として演算する演算手段７をさらに備える。
演算手段７は、角度信号検出部７０と、基準角度を特定する特定手段８と、反射手段３の傾斜角度を算出する角度算出部９と、を備える。
角度信号検出部７０は、受光手段４に照射された光に基づき角度を算出するための周期的な信号を干渉縞から検出する。
【００４６】
特定手段８は、信号検出部８１と、基準角度判定部８２と、を備え、受光手段４が受光した光に基づいて基準角度を特定する。
信号検出部８１は、第１受光部４１と第２受光部４２とのそれぞれから信号を検出する。
基準角度判定部８２は、信号検出部８１にて検出された信号に基づいて基準角度を判定する。基準角度判定部８２は、信号検出部８１が第１受光部４１と第２受光部４２とのそれぞれから所定の信号を検出したと判定した場合、信号を検出した位置を基準角度として特定する。本実施形態では、所定の信号を検出した場合とは、信号検出部８１が第１受光部４１と第２受光部４２とのそれぞれから同じ強度の信号を検出した場合である。
【００４７】
具体的には、信号検出部８１が第１受光部４１と第２受光部４２とのそれぞれから検出する信号は、複数の受光素子４０に照射された光の光量に基づく信号である。基準角度判定部８２は、受光手段４に照射された光の光量に基づく信号から、第１受光部４１と第２受光部４２とにおいて、どこに光が照射されているかを判定する。そして、基準角度判定部８２は、第１受光部４１および第２受光部４２の双方の受光素子４０に光が照射され、第１受光部４１および第２受光部４２の境界に光が照射されているとき、すなわち、第１受光部４１と第２受光部４２とのそれぞれに同じ光量の光が照射され、信号検出部８１により同じ受光強度の信号が検出されたとき、その位置を基準角度として特定する。
【００４８】
図５は、前記光学式角度センサにおける基準角度を特定する方法を示す図である。
具体的には、図５（Ａ）は、受光手段４の概略図であり、角度信号検出部７０と信号検出部８１が受光手段４から検出する信号を示している。図５（Ｂ）は、基準角度判定部８２が信号検出部８１による信号に基づいて基準角度を特定する方法を示す図である。図５（Ｂ）（１）は、信号検出部８１が検出した受光手段４に照射された光の受光強度を示し、図５（Ｂ）（２）は、角度信号検出部７０が検出した反射手段３の傾斜角度を算出するための信号を示す。以下、図５に基づいて光学式角度センサ１における基準角度を特定する方法を説明する。
【００４９】
先ず、光学式角度センサ１が設けられた測定器は、電源が投入されると、反射手段３（図１，２参照）を傾ける動作を実行する。この際、測定器は、反射手段３をフルストロークで傾ける。そして、光学式角度センサ１は、測定器による反射手段３を傾ける動作とともに、基準角度を特定するための平行光を光源２から照射する。これにより、反射手段３の傾きに応じて受光手段４に光が照射される。
【００５０】
次に、特定手段８における信号検出部８１は、反射手段３を介して照射された光の光量に基づく信号を検出する。
図５（Ａ）に示すように、信号検出部８１は、第１受光部４１に光が照射された場合は第１信号Ｔを検出し、第２受光部４２に光が照射された場合は第２信号Ｓを検出する。また、角度信号検出部７０は、複数の受光素子４０から反射手段３の傾斜角度を算出するための信号を検出する。
ここで、複数の受光素子４０は、Ｘ方向に沿って１／４ずつずらして配置されている。このため、角度信号検出部７０は、複数の受光素子４０から１／４周期ずつ位相がずれた信号を検出する。
【００５１】
具体的には、角度信号検出部７０は、例えば所定の受光素子４０からＡ相信号を検出する場合、Ａ相信号を検出する受光素子４０から１／２周期位相がずれた受光素子４０からＡ相信号とは１８０度位相がずれたａ相信号を検出する。また、信号検出部８１は、Ａ相信号を検出する受光素子４０から１／４周期ずれた受光素子４０からＡ相信号とは９０度位相がずれたＢ相信号を検出し、Ｂ相信号を検出する受光素子４０から１／２周期位相がずれた受光素子４０からＢ相信号とは１８０度位相がずれたｂ相信号を検出する。角度信号検出部７０により検出されたＡ相信号，ａ相信号，Ｂ相信号，ｂ相信号は、後述する角度算出部９により角度を算出する際に用いられる。なお、角度信号検出部７０がどの受光素子４０からＡ相信号を検出するかは任意であり、どの受光素子４０からどの信号を検出するかについては設計事項である。
【００５２】
続いて、基準角度判定部８２は、第１信号Ｔおよび第２信号Ｓに基づき、反射手段３を反射した光が受光手段４の受光面上のどの位置にあるかを判定する。
反射手段３を反射した反射光は、反射手段３の傾きに応じて受光手段４の受光面上を測定軸方向（Ｘ方向）に沿って移動する。すなわち、反射手段３を反射した光は、反射手段３の傾きに応じて第１受光部４１と第２受光部４２との受光面上を移動する。
【００５３】
図５（Ｂ）の縦軸は、受光手段４に照射された光の受光強度であり、横軸は、反射手段３の傾斜角度である。この際、第１信号Ｔは、図５（Ｂ）（１）に示すように、光が第１受光部４１に照射されている場合は受光強度が大きく、第２受光部４２に向かうにしたがって徐々に減衰して変動し、第２受光部４２では検出されなくなる。第２信号Ｓは、光が第２受光部４２に照射されている場合は受光強度が大きく、第１受光部４１に向かうにしたがって徐々に減衰して変動し、第１受光部４１では検出されなくなる。
【００５４】
第１信号Ｔと第２信号Ｓとの受光強度が変動する際、図５（Ｂ）（１）における交点Ｏに示すように、第１信号Ｔと第２信号Ｓとの受光強度が同じ受光強度となるときがある。したがって、基準角度判定部８２は、信号検出部８１による第１信号Ｔと第２信号Ｓとの受光強度が同じ受光強度であると判定した場合、交点Ｏの位置を基準角度として特定する。基準角度が特定されると、光学式角度センサ１は、例えば予め備えているメモリに基準角度を記憶し、角度検出を開始する。なお、基準角度はメモリに記憶されなくてもよく、光学式角度センサ１が基準角度に基づき角度検出をすることができれば、どのようにしてもよい。
【００５５】
角度算出部９は、図５（Ｂ）（２）に示すように、角度信号検出部７０が検出したＡ相信号，ａ相信号，Ｂ相信号，ｂ相信号と、基準角度と、に基づいて反射手段３の傾斜角度を算出する。具体的には、角度算出部９は、Ａ相信号とａ相信号から振幅を有する第１測定信号を算出し、Ｂ相信号とｂ相信号から第１測定信号とは位相がずれた振幅を有する第２測定信号を算出し、第１測定信号と第２測定信号から差動演算により反射手段３の傾斜角度を算出する。角度算出部９は、差動演算により反射手段３の傾斜角度を算出するため、差動演算を用いずに角度を算出した場合と比較して、光学式角度センサ１は、高精度な角度検出をすることができる。
【００５６】
このような本実施形態によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
（１）光学式角度センサ１は、特定手段８により基準角度を特定することができ、角度算出部９により受光手段４が受光した光と特定手段８により特定された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出することができる。したがって、光学式角度センサ１は、検出できる角度が高分解能であるとともに、広い範囲の角度の検出が可能であり、スケールを有さず、かつ、基準角度を特定し、角度の絶対値を検出することができる。
【００５７】
（２）演算手段７における特定手段８は、受光手段４が反射手段３と第１回折格子５と第２回折格子６とを介した光に基づいて基準角度を特定するため、反射手段３だけを介した光に基づいて基準角度を特定する場合と比較して、干渉縞Ｃを介して算出するため、高精度に基準角度を特定することができる。
（３）受光手段４は、第１受光部４１と、第２受光部４２と、を備え、基準角度判定部８２は、信号検出部８１が第１受光部４１と第２受光部４２とのそれぞれから所定の信号を検出したと判定した場合、その信号を検出した位置を基準角度として特定することができる。したがって、光学式角度センサ１は、検出できる角度が高分解能であるとともに、広い範囲の角度の検出が可能であり、スケールを有さず、かつ、基準角度を特定し、角度の絶対値を検出することができる。
【００５８】
（４）基準角度判定部８２は、信号検出部８１が第１受光部４１と第２受光部４２とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したと判定した場合、信号を検出した位置を基準角度として特定するため、光学式角度センサは、基準角度判定部８２により容易に基準角度を特定することができる。
（５）受光手段４における複数の受光素子４０は、Ｘ方向に沿って並設されているため、ＰＤＡをＸ方向に沿って並設することで容易に製造することができる。また、複数の受光素子４０は、Ｘ方向に沿って並設されることで受光手段４に照射される干渉縞Ｃから角度を算出するための信号を読み取ることができる。
（６）第１受光部４１が含む受光素子４０と第２受光部４２が含む受光素子４０とは、同数であることで、演算手段７は、第１受光部４１および第２受光部４２から同じ強度の信号を得ることができる。
【００５９】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図６から図８に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００６０】
図６は、第２実施形態に係る光学式角度センサを示すブロック図である。
前記第１実施形態では、受光手段４は、第１受光部４１と、第２受光部４２と、を備えていた。
本実施形態では、図６に示すように、光学式角度センサ１Ａにおける受光手段４Ａは、複数の受光部として、第１受光部４１Ａと、第２受光部４２Ａと、第３受光部４３Ａと、を備える点で前記第１実施形態と異なる。
また、前記第１実施形態では、特定手段８は基準角度判定部８２を備えていた。
本実施形態では、演算手段７Ａにおける特定手段８Ａは、基準角度判定部８２を備えず、基準信号出力部８３Ａと、基準角度演算部８４Ａと、を備える点で前記第１実施形態と異なる。
【００６１】
第１受光部４１Ａは、所定の受光素子４０を含み、第２受光部４２Ａは、第１受光部４１Ａとは異なる他の受光素子４０を含んで構成される。そして、第３受光部４３Ａは、第１受光部４１Ａおよび第２受光部４２Ｂの間の受光素子４０であり、第１受光部４１Ａおよび第２受光部４１Ｂとは異なる他の受光素子４０を含んで構成される。そして、第１受光部４１Ａと第３受光部４３Ａとは隣接して設けられ、第２受光部４２Ａと第３受光部４３Ａとは隣接して設けられている。
【００６２】
信号検出部８１Ａは、第１受光部４１Ａと第２受光部４２Ａと第３受光部４３Ａのそれぞれから信号を検出する。基準信号出力部８３Ａは、信号検出部８１Ａにより検出された信号に基づき、第１受光部４１Ａと第３受光部４３Ａとのそれぞれから所定の信号を検出したときには第１基準信号として検出し、第２受光部４２Ａと第３受光部４３Ａとのそれぞれから所定の信号を検出したときには第２基準信号として検出する。本実施形態では、所定の信号を検出したときとは、信号検出部８１Ａにより検出された信号に基づき、第１受光部４１Ａと第３受光部４３Ａとのそれぞれから同じ強度の信号を検出したとき、または、第２受光部４２Ａと第３受光部４３Ａとのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときである。
【００６３】
基準角度演算部８４Ａは、基準信号出力部８３Ａにより第１基準信号および第２基準信号が検出された場合、第１基準信号および第２基準信号の一方の基準信号が検出され他方の基準信号が検出されるまでの間に角度信号検出部７０により検出された角度を算出するための信号に基づいて、演算により基準角度を特定する。
【００６４】
図７は、前記光学式角度センサにおける基準角度を特定する方法を示す図である。
具体的には、図７（Ａ）は、受光手段４Ａの概略図であり、角度信号検出部７０と信号検出部８１Ａとが受光手段４Ａから検出する信号を示している。図７（Ｂ）は、基準信号出力部８３Ａと基準角度演算部８４Ａとが角度信号検出部７０と信号検出部８１Ａとによる信号に基づいて基準角度を特定する方法を示す図である。図７（Ｂ）（１）は、信号検出部８１Ａが検出した受光手段４Ａに照射された光の受光強度を示し、図７（Ｂ）（２）は、角度信号検出部７０が検出した反射手段３の傾斜角度を算出するための信号を示す。また、図８は、前記光学式角度センサにおける基準角度を特定する方法を示すフローチャートである。
以下、図７と図８を用いて光学式角度センサ１Ａにおける基準角度を特定する方法を説明する。
【００６５】
先ず、光学式角度センサ１Ａが設けられた測定器は、電源が投入されると、反射手段３（図１，２参照）を傾ける動作を実行する。この際、測定器は、反射手段３をフルストロークで傾ける。そして、光学式角度センサ１Ａは、測定器による反射手段３を傾ける動作とともに、基準角度を特定するための平行光を光源２から照射する。これにより、反射手段３の傾きに応じて受光手段４Ａに光が照射される。
【００６６】
次に、特定手段８Ａにおける信号検出部８１Ａは、図８に示すように、反射手段３を介して照射された光の光量に基づく信号を検出する信号検出工程を実行する（ステップＳＴ０１）。図７（Ａ）に示すように、信号検出部８１Ａは、第１受光部４１Ａに光が照射された場合は第１信号Ｔを検出し、第２受光部４２に光が照射された場合は第２信号Ｓを検出し、第３受光部４３Ａに光が照射された場合は第３信号Ｕを検出する。また、角度信号検出部７０は、複数の受光素子４０から反射手段３の傾斜角度を算出するための信号を検出する。
【００６７】
続いて、基準信号出力部８３Ａは、信号検出部８１による第１信号Ｔと、第２信号Ｓと、第３信号Ｕと、に基づき受光手段４Ａの第１受光部４１Ａと第３受光部４３Ａ、および第２受光部４２Ａと第３受光部４３Ａとの双方に光が照射されたか否かを判定する基準信号判定工程を実行する（ステップＳＴ０２）。
反射手段３を反射した光は、反射手段３の傾きに応じて受光手段４Ａの受光面上を測定軸方向（Ｘ方向）に沿って移動する。すなわち、反射手段３を反射した光は、反射手段３の傾きに応じて第１受光部４１Ａと第２受光部４２Ａと第３受光部４３Ａの受光面上を移動する。
【００６８】
図７（Ｂ）の縦軸は、受光手段４Ａに照射された光の受光強度であり、横軸は、反射手段３の傾きを示す角度である。この際、第１信号Ｔは、図７（Ｂ）（１）に示すように、光が第１受光部４１Ａに照射されている場合は受光強度が大きく、第３受光部４３Ａに向かうにしたがって徐々に減衰して変動し、第２受光部４２Ａおよび第３受光部４３Ａでは検出されなくなる。第２信号Ｓは、光が第２受光部４２Ａに照射されている場合は受光強度が大きく、第３受光部４３Ａに向かうにしたがって徐々に減衰して変動し、第１受光部４１Ａおよび第３受光部４３Ａでは検出されなくなる。第３信号Ｕは、光が第３受光部４３Ａに照射されている場合は受光強度が大きく、第１受光部４１Ａまたは第２受光部４２Ａに向かうにしたがって徐々に減衰して変動し、第１受光部４１Ａおよび第２受光部４２Ａでは検出されなくなる。
【００６９】
第１信号Ｔと第３信号Ｕとの受光強度が変動する際、図７（Ｂ）（１）における交点Ｏ１に示すように、第１信号Ｔと第３信号Ｕとの受光強度が同じ受光強度となるときがある。基準信号出力部８３Ａは、信号検出部８１Ａによる第１信号Ｔと第３信号Ｕとの受光強度が同じ受光強度であると判定した場合（ステップＳＴ０２）、交点Ｏ１を第１基準信号Ｏ１として出力する。すなわち、基準信号出力部８３Ａは、第１受光部４１Ａと第３受光部４３Ａとの境界に光が照射されたとき、第１基準信号Ｏ１を出力する。
【００７０】
また、第２信号Ｓと第３信号Ｕとの受光強度が変動する際、図７（Ｂ）（１）における交点Ｏ２に示すように、第２信号Ｓと第３信号Ｕとの受光強度が同じ受光強度となるときがある。基準信号出力部８３Ａは、第２信号Ｓと第３信号Ｕとの受光強度が同じ受光強度であると判定した場合（ステップＳＴ０２）、交点Ｏ２を第２基準信号Ｏ２として出力する。すなわち、基準信号出力部８３Ａは、第２受光部４２Ａと第３受光部４３Ａとの境界に光が照射されたとき、第２基準信号Ｏ２を出力する。
【００７１】
そして、基準角度演算部８４Ａは、基準信号出力部８３Ａにより第１基準信号Ｏ１および第２基準信号Ｏ２の双方の信号が出力された場合（ステップＳＴ０２でＹＥＳ）、図７（Ｂ）（２）に示すように、第１基準信号Ｏ１から第２基準信号Ｏ２の一方の基準信号が出力され他方の基準信号が出力されるまでの間に角度信号検出部７０により検出された反射手段３の傾斜角度を算出するための信号に基づいて、演算により基準角度を特定する基準角度特定工程を実行する（ステップＳＴ０３）。
【００７２】
この際、第３受光部４３Ａは、信号検出部８１Ａにて検出される第１基準信号Ｏ１から第２基準信号Ｏ２までの間の信号が１周期以内となるように受光素子４０を含んで構成されている。基準角度演算部８４Ａは、例えば第１基準信号Ｏ１から第２基準信号Ｏ２の間に検出された第１測定信号（Ａ相信号−ａ相信号）および第２測定信号（Ｂ相信号−ｂ相信号）である２つの正弦波信号を差動演算する。そして、基準角度演算部８４Ａは、予め基準角度として定めた所定の角度と演算結果とを照合し、基準角度を特定する。ここで、第１基準信号Ｏ１から第２基準信号Ｏ２までの間の２つの正弦波信号を１周期以上とした場合、２つの正弦波信号を差動演算することで、予め基準角度として定めた所定の値と同じ値が、２以上算出される場合がある。
【００７３】
したがって、一意に基準角度を特定し、２以上の基準角度と同じ値が算出されないようにするために、第３受光部４３Ａは、信号検出部８１Ａにて検出される第１基準信号Ｏ１から第２基準信号Ｏ２までの間の信号が１周期以内となるように受光素子４０を含んで構成されている。これにより、基準角度演算部８４Ａは、１周期以内の信号を用いることで重複した基準角度を算出することなく、演算により基準角度を算出し、特定することができる。
【００７４】
基準信号出力部８３Ａにより第１基準信号Ｏ１および第２基準信号Ｏ２の双方の信号が出力されなかった場合（ステップＳＴ０２でＮＯ）、第１基準信号Ｏ１および第２基準信号Ｏ２の双方の信号を出力するまで基準信号判定工程を実行する（ステップＳＴ０２）。ここで、第１基準信号Ｏ１および第２基準信号Ｏ２の双方の信号が出力されない場合とは、第１基準信号Ｏ１のみ、あるいは、第２基準信号Ｏ２のみ信号を出力した場合や、第１基準信号Ｏ１および第２基準信号Ｏ２の双方の信号を出力しない場合である。
【００７５】
基準角度が特定されると、光学式角度センサ１Ａは、例えば予め備えているメモリに基準角度を記憶し設定する基準角度設定工程を実行し（ステップＳＴ０４）、角度検出を開始する。
角度算出部９は、図７（Ｂ）（２）に示すように、角度信号算出部７０が検出したＡ相信号，ａ相信号，Ｂ相信号，ｂ相信号と、基準角度と、に基づいて反射手段３の傾斜角度を算出する。
【００７６】
このような本実施形態においても、前記第１実施形態における（１）〜（６）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（７）特定手段８Ａにおける基準角度演算部８４Ａは、基準信号出力部８３Ａにより出力された第１基準信号Ｏ１および第２基準信号Ｏ２に基づいて、第１基準信号Ｏ１および第２基準信号Ｏ２の一方の基準信号が検出され他方の基準信号が検出されるまでの間に角度信号検出部７０により検出された角度を算出するための信号から、演算により基準角度を特定することができる。したがって、光学式角度センサ１Ａは、第１実施形態のように演算をせずに基準角度を特定する場合と比較して、高精度に基準角度を特定することができる。
【００７７】
（８）第３受光部４３Ａは、角度信号検出部７０が周期的な信号を検出するため、基準信号出力部８３Ａから出力される第１基準信号Ｏ１および第２基準信号Ｏ２までの間の角度信号検出部７０が検出する信号が１周期以内となるように受光素子４０を含んでいることで、特定手段８Ａにおける基準角度演算部８４Ａは、確実に基準角度を特定することができる。
【００７８】
（９）基準信号出力部８３Ａは、信号検出部８１Ａにより検出された信号に基づき、第１受光部４１Ａと第３受光部４３Ａとのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには第１基準信号Ｏ１を出力し、第２受光部４２Ａと第３受光部４３Ａとのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには第２基準信号Ｏ２を出力するため、容易に第１基準信号Ｏ１と第２基準信号Ｏ２とを出力するタイミングを計ることができる。
【００７９】
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図９に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
図９は、第３実施形態に係る光学式角度センサにおける受光手段を示す図である。
具体的には、図９は、受光手段４Ｂの概略図であり、信号検出部８１が受光手段４Ｂから検出する信号を示している。
【００８０】
前記第１実施形態では、複数の受光素子４０は、直交方向（Ｘ方向）に沿って並設されていた。
本実施形態では、図９に示すように、光学式角度センサ１Ｂにおける複数の受光素子４０Ｂは、受光手段４Ｂの受光面において測定軸方向と平行な方向である測定軸方向に沿って並設されるとともに直交方向に所定の大きさを有し、所定の数ずつ直交方向に沿って配置され、受光素子４０Ｂは、受光面において直交方向に沿って所定のピッチにて並設される複数のマスク格子Ｍを備える点で、前記第１実施形態と異なる。
【００８１】
図９（Ａ）に示すように、第１受光部４１Ｂは、測定軸方向に並設される２つ以上であり４の倍数の数である４つの受光素子４０Ｂを含み、第２受光部４２Ｂは、第１受光部４１Ｂとは異なるとともに第１受光部４１Ｂの直交方向に並設される他の２つ以上であり４の倍数の数である４つの受光素子を含んで構成されている。
複数のマスク格子Ｍは、４つの受光素子４０Ｂのそれぞれにおいて、他の受光素子４０Ｂとは９０度位相をずらして配置されている。このように複数のマスク格子Ｍを配置することで、マスク格子Ｍとマスク格子Ｍの間の受光素子４０Ｂの各領域は、前記第１実施形態における測定軸方向に沿って並設された複数の受光素子４０と同様に信号を取得し、基準角度を特定することができる。
【００８２】
具体的には、光学式角度センサ１Ｂは、図９（Ｂ）（１）に示すように、角度信号検出部７０（図４参照）により検出されたＡ１相信号，ａ１相信号，Ａ２相信号，ａ２相信号，Ｂ１相信号，ｂ１相信号，Ｂ２相信号，ｂ２相信号，の８つの信号を演算することにより交点Ｏを特定し、交点Ｏを基準角度として特定する。そして、光学式角度センサ１Ｂは、図９（Ｂ）（２）に示すように、角度信号検出部７０により検出されたＡ１相信号，ａ１相信号，Ａ２相信号，ａ２相信号，Ｂ１相信号，ｂ１相信号，Ｂ２相信号，ｂ２相信号，の８つの信号と、基準角度と、に基づいて角度算出部９にて演算することにより反射手段３の傾斜角度を算出する。
【００８３】
また、マスク格子Ｍは回折格子と同様に機能し、受光素子４０Ｂ上で回折を生じさせることができる。したがって、回折格子を設けるための空間を要することなく受光素子４０Ｂ上で回折を生じさせることができるため、省スペース化を図ることができる。さらに、マスク格子Ｍを受光素子４０Ｂ上に配置することで、受光素子４０自体を小型化した場合よりも小さな受光素子を擬似的に受光素子４０Ｂ上に形成することができるため、高分解能の信号を取得し、高精度化を図ることができる。
【００８４】
このような本実施形態においても、前記第１実施形態における（１）〜（６）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（１０）受光素子４０Ｂは、測定軸方向（Ｙ方向）に沿って並設されるとともに直交方向に所定の大きさを有し、受光面において直交方向に沿って所定のピッチにて並設される複数のマスク格子Ｍを備えることで、ＰＤＡ自体の大きさを小さくしなくとも、マスク格子Ｍとマスク格子Ｍとの間の受光素子４０Ｂの領域が個別のＰＤＡと同様に作用するため、光学式角度センサ１Ｂは、高分解能の角度を算出することができる。
【００８５】
（１１）第１受光部４１Ｂは、測定軸方向に並設される４の倍数の数の受光素子４０Ｂを含み、第２受光部４２Ｂは、第１受光部４１Ｂとは異なるとともに第１受光部４１Ｂの直交方向に並設される他の４の倍数の数の受光素子を含んでいるため、演算手段７は、４つの受光素子４０Ｂから４相信号を検出することができる。４相信号から検出された角度を算出するための信号は、２相信号から検出された角度を検出するための信号よりも高感度である。したがって、光学式角度センサ１Ｂは、より精度の高い角度を取得することができる。また、第１受光部４１Ｂと第２受光部４２Ｂとがそれぞれ４の倍数の数である４つの受光素子４０Ｂを含むことで、各相の信号をバランスよく検出することができる。
【００８６】
〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態を図１０に基づいて説明する。なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
図１０は、第４実施形態に係る光学式角度センサにおける受光手段を示す図である。
前記第１実施形態から前記第３実施形態では、特定手段８，８Ａ，８Ｂは、角度信号検出部７０からの信号と信号検出部８１，８１Ａからの信号とに基づき基準角度を特定していた。
【００８７】
本実施形態では、図１０に示すように、光学式角度センサ１Ｃにおける特定手段は、受光手段４Ｃの受光面における光の位置を特定する位置特定センサ８Ｃを備え、位置特定センサ８Ｃからの信号に基づき基準角度を特定する点で、前記第１実施形態から前記第３実施形態と異なる。位置特定センサ８Ｃは、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ、ＰＳＤであり、受光手段４Ｃの受光面に照射された光スポットから絶対位置である基準角度を特定する。
【００８８】
特定手段は、位置特定センサ８Ｃを用いることで、演算によらずに基準角度を特定することができる。このため、前記第１実施形態から前記第３実施形態では、基準角度を特定するために、光学式角度センサ１Ｃが設けられた測定器は、電源が投入されると、反射手段３（図１，２参照）を傾ける動作を実行するが、本実施形態では、このような動作をしなくとも、基準角度を特定することができる。したがって、他の実施形態の特定手段８，８Ａ，８Ｂと比較して、効率的に基準角度を特定することができる。
【００８９】
このような本実施形態においても、前記第１実施形態における（１）〜（６）と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（１２）特定手段は、位置特定センサ８Ｃからの信号に基づき、演算をしなくとも容易に基準角度を特定することができる。
【００９０】
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、光学式角度センサ１，１Ａ〜１Ｃは測定器に設けられていたが、測定器ではなく、その他のものに設けられていてもよく、どのようなものに設けられるかは特に限定されるものではない。
【００９１】
図１１は、第１変形例に係る光学式角度センサを示す断面図である。
前記各実施形態では、光源２の光は、第１回折格子５に照射され、第１回折格子５を介した回折光を反射手段３は反射していたが、図１１に示す光学式角度センサ１Ｄのように、反射手段３は、光源２からの光を反射し、第１回折格子５は、反射手段３を反射した反射光を回折してもよい。
【００９２】
また、前記各実施形態では、回折格子として第１回折格子５と第２回折格子６とを備えていたが、光学式角度センサは、２以上の回折格子を備えていてもよいし、図１１に示すように、回折格子を１つだけ備えていてもよいし、回折格子を備えていなくてもよい。
要するに、受光手段は、反射手段を介した光源から照射された光を受光し、演算手段における特定手段は、受光手段が受光した光に基づいて基準角度を特定することができれば、受光手段に照射される光の経路は、どのようなものであってもよい。
【００９３】
図１２は、第２変形例に係る光学式角度センサを示す斜視図であり、図１３は、第２変形例に係る光学式角度センサを示す断面図である。
前記各実施形態では、光学式角度センサ１，１Ａ〜１Ｄは、Ｙ軸を測定軸としていたが、図１２に示す光学式角度センサ１Ｅのように、Ｙ軸だけではなくＸ軸も測定軸とし、２軸の光学式角度センサであってもよい。
【００９４】
この場合、光学式角度センサ１Ｅは、光源２から照射された光を少なくとも２方向への光に分割し回折する回折格子１０を備える。そして、測定軸であるＸ軸と直交する方向に並設される複数の格子５１Ｅを有する第３回折格子５Ｅと、測定軸であるＸ軸と直交する方向に並設される複数の格子６１Ｅを有する第４回折格子６Ｅと、第３回折格子５Ｅと第４回折格子６Ｅを介した光を受光するとともに、測定軸であるＸ軸と直交する方向に並設される複数の受光素子を有する受光手段４Ｅと、を備える点で前記各実施形態と異なる。
【００９５】
図１３に示すように、光源２から照射された平行光は、回折格子１０にて分割されるとともに第３回折格子５Ｅの方向に向かって回折する。そして第３回折格子５ＥにてＸ方向に回折した回折光は、反射手段３にて反射し、第２回折格子６Ｅにて回折し、再び反射手段３にて反射した後、受光手段４Ｅにて受光される。これにより、光学式角度センサ１Ｅは、Ｙ軸だけでなくＸ軸も測定軸とすることができるため、１つの光学式角度センサ１Ｅで複数軸の角度検出を可能にすることができる。
【００９６】
前記各実施形態では、反射手段３は、基準角度から±１５度回動可能に設けられていたが、±１５度でなくてもよく、例えば±１度や±１８０度であってもよい。
また、前記第２実施形態では、受光手段４Ａの第３受光部４３Ａは、角度信号検出部７０にて検出される信号が１周期以内となるように受光素子４０を含んでいたが、１周期以上となるように受光素子４０を含んでいてもよい。
【００９７】
前記第１実施形態および前記第２実施形態では、受光手段４，４Ａ〜４Ｅは、第１受光部４１，４１Ａが含む受光素子４０と第２受光部４２，４２Ａが含む受光素子４０とは、同数であったが、同数の受光素子を有していなくてもよい。要するに、特定手段における基準角度判定部が信号検出部による信号から基準角度を特定することができ、基準信号出力部が信号検出部による信号から第１基準信号および第２基準信号を検出することができれば、第１受光部と第２受光部とが含む受光素子の数はそれぞれ異なっていてもよい。
【００９８】
前記第２実施形態では、第１受光部４１Ａと、第２受光部４２Ａと、第３受光部４３Ａと、において複数の受光素子４０は、測定軸方向に沿って並設されていたが、前記第３実施形態のように複数のマスク格子Ｍを備える複数の受光素子４０Ｂであってもよい。要するに、受光手段は、複数の受光素子を備えていればよい。
【００９９】
前記各実施形態では、角度算出部９は、角度信号検出部７０が検出する角度を算出するための信号に基づき、差動演算により反射手段３の傾斜角度を算出していたが、角度算出部は差動演算を用いずに反射手段の傾斜角度を算出してもよい。要するに、角度算出部は、複数の受光素子により変換された信号に基づいて角度を算出することができれば、どのような手法にて角度を算出してもよい。
【０１００】
前記第１実施形態では、第１受光部４１と第２受光部４２とは隣接して設けられ、前記第２実施形態では、第１受光部４１Ａと第３受光部４３Ａとは隣接して設けられるとともに、第２受光部４２Ａと第３受光部４３Ａとは隣接して設けられていたが、複数の受光部は、それぞれ隣接して設けられていなくてもよい。
また、前記第１実施形態の基準角度判定部８２は、信号検出部８１が第１受光部４１と第２受光部４２とのそれぞれから同じ強度の信号を検出したと判定した場合、信号を検出した位置を基準角度として特定していたが、信号検出部が第１受光部と第２受光部とのそれぞれから異なる所定の信号を検出したと判定した場合であってもよい。要するに、基準角度判定部は、信号検出部が第１受光部と第２受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したと判定した場合、信号を検出した位置を基準角度として特定することができればよい。
【０１０１】
前記第２実施形態では、基準信号出力部８３Ａは、信号検出部８１Ａにより検出された信号に基づき、第１受光部４１Ａと第３受光部４３Ａとのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには第１基準信号を出力し、第２受光部４２Ａと第３受光部４３Ａとのそれぞれから同じ強度の信号を検出したときには第２基準信号を出力していたが、第１受光部と第３受光部とのそれぞれから異なる所定の信号を検出したときには第１基準信号を出力し、第２受光部と第３受光部とのそれぞれから異なる所定の信号を検出したときには第２基準信号を出力してもよい。要するに、基準信号出力部は、信号検出部により検出された信号に基づき、第１受光部と第３受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したときには第１基準信号を出力し、第２受光部と第３受光部とのそれぞれから所定の信号を検出したときには第２基準信号を出力することができればよい。
【０１０２】
前記第３実施形態では、第１受光部４１Ｂは、測定軸方向に並設される４つの受光素子４０Ｂを含み、第２受光部４２Ｂは、第１受光部４１Ｂとは異なるとともに第１受光部４１Ｂの直交方向に並設される他の４つの受光素子を含んでいたが、第１受光部と第２受光部とのそれぞれが含む受光素子の数は、２つであってもよいし、４の倍数の数である８つ等であってもよく、２つ以上であればよい。例えば、第１受光部と第２受光部とのそれぞれが２つの受光素子を含む場合、光学式角度センサは、２つの受光素子から２相信号を検出することができる。光学式角度センサは、角度を算出するための信号と特定手段により特定された基準角度とに基づいて角度の絶対値を算出することができる。
要するに、第１受光部は、測定軸方向に並設される２つ以上の受光素子を含み、第２受光部は、第１受光部とは異なるとともに第１受光部の直交方向に並設される他の２つ以上の受光素子を含んでいればよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
以上のように、本発明は、光学式角度センサに好適に利用できる。
【符号の説明】
【０１０４】
１，１Ａ〜１Ｄ        光学式角度センサ
２                    光源
３                    反射手段
４，４Ａ〜４Ｂ        受光手段
４０，４０Ｂ          受光素子
４１，４１Ａ          第１受光部
４２，４２Ａ          第２受光部
４３Ａ                第３受光部
５                    第１回折格子（回折格子）
６                    第２回折格子（回折格子）
７，７Ａ              演算手段
７０                  角度信号検出部
８，８Ａ              特定手段
８１，８１Ａ          信号検出部
８２                  基準角度判定部
８３Ａ                基準信号出力部
８４Ａ                基準角度演算部
９                    角度算出部
【図１】
2020008379.tif 000003
【図２】
2020008379.tif 000004
【図３】
2020008379.tif 000005
【図４】
2020008379.tif 000006
【図５】
2020008379.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020008379.tif 000009
【図８】
2020008379.tif 000010
【図９】
2020008379.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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