(57)【要約】      （修正有）【課題】光源のコヒーレント性による制限を回避し、測定対象の回動による角度の変化量を高精度に検出することができる光学式角度センサを提供する。【解決手段】光学式角度センサ１は、光源２と、光を第１光１０と第２光２０とに分割する分割手段７と、第１光１０を反射する第１反射手段４と、第２光２０を反射する第２反射手段５と、第１光１０と第２光２０を合成する合成手段８と、合成光を受光する受光手段６と、信号から測定対象の回動による角度の変化量を演算する演算手段と、を備える。第１反射手段４および第２反射手段５は、測定対象の測定範囲内において、分割手段７における光源２からの光の分割点Ｐ１から第１反射手段４を介して合成手段８に到達するまでの第１光１０の光路長と、分割手段７における光源２からの光の分割点Ｐ１から第２反射手段５を介して合成手段８に到達するまでの第２光２０の光路長と、が同じ長さとなる角度を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射する光源と、
前記光源からの光を第１光と第２光とに分割する分割手段と、
前記分割手段により分割された第１光を該第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射する第１反射手段と、
前記分割手段により分割された光のうち前記第１反射手段が反射する第１光とは異なる第２光を該第２光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射する第２反射手段と、
前記第１反射手段で反射された第１光と前記第２反射手段で反射された第２光とを合成して合成光とする合成手段と、
前記合成手段により合成された合成光を信号として受光する受光手段と、
前記受光手段が受光した合成光に基づく前記信号から、所定の軸を回動軸として回動する測定対象における角度の変化量を演算する演算手段と、を備え、
前記第１反射手段と前記第２反射手段との少なくとも一方は、前記所定の軸を回動軸として回動する前記測定対象に取付けられ、前記測定対象の回動にともなって同期して回動し、
前記第１反射手段および前記第２反射手段は、前記測定対象の測定範囲内において、前記分割手段における前記光源からの光の分割点から前記第１反射手段を介して前記合成手段に到達するまでの第１光の光路長と、前記分割手段における前記光源からの光の分割点から前記第２反射手段を介して前記合成手段に到達するまでの第２光の光路長と、が同じ長さとなる角度を有す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、
前記第１反射手段または前記第２反射手段の一方は、固定して設けられ、
前記第１反射手段または前記第２反射手段の他方は、前記測定対象に取付けられ、前記測定対象の回動にともなって同期して回動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に記載された光学式角度センサにおいて、
前記第１反射手段および前記第２反射手段は、前記測定対象に取付けられ、前記測定対象の回動にともなって同期して回動することを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項４】
請求項１から請求項３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反射手段および前記第２反射手段は、前記第１反射手段または前記第２反射手段の回動軸と、前記光源からの光の光軸と平行な軸と、のそれぞれの軸に対して互いに線対称となる位置に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５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記分割手段は、前記光源からの光が照射される分割面を有し、
前記分割手段と前記合成手段との少なくとも一方は、前記分割面において前記第１反射手段または前記第２反射手段の回動軸と直交する方向に沿って並設される複数の格子を有する透過型回折格子であ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、
前記分割手段および前記合成手段は、１枚の透過型回折格子に併設されて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１から請求項５のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記分割手段と前記合成手段との少なくとも一方は、ビームスプリッタであることを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項８】
請求項７に記載された光学式角度センサにおいて、
前記分割手段および前記合成手段は、１個のビームスプリッタであることを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項９】
請求項１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、
前記分割手段は、前記光源からの光が照射される分割面を有し、
前記合成手段は、前記分割面において前記第１反射手段または前記第２反射手段の回動軸と直交する直交方向に沿って並設される複数の格子を有し、
前記受光手段は、前記直交方向に沿って並設される複数の受光素子を備え、前記複数の格子を介した複数の回折光を受光し、
前記演算手段は、前記複数の受光素子が受光した前記複数の回折光に基づく複数の信号から前記測定対象の回動による角度の変化量を演算することを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項１０】
請求項１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、
前記分割手段は、前記光源からの光が照射される分割面を有し、
前記合成手段は、前記分割面において前記第１反射手段または前記第２反射手段の回動軸と直交する直交方向に沿って並設され、前記光源からの光の光軸に対して所定の傾斜角度を有して配置される複数の傾斜格子を有し、
前記受光手段は、前記第１反射手段または前記第２反射手段の回動軸と平行な方向に沿って並設される複数の受光素子を備え、前記複数の傾斜格子を介した複数の回折光を受光し、
前記演算手段は、前記受光手段が受光した前記複数の回折光に基づく複数の信号から前記測定対象の回動による角度の変化量を演算することを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項１１】
請求項１から請求項７と、請求項９と、請求項１０と、のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記合成手段は、それぞれ位相が異なる複数の合成部を備え、
前記受光手段は、前記複数の合成部のそれぞれに対応する複数の受光部を備え、
前記演算手段は、前記複数の受光部が受光した光に基づくそれぞれ位相の異なる複数の信号から前記測定対象の回動の方向および前記測定対象の回動による角度の変化量を演算することを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項１２】
請求項１から請求項７と、請求項９から請求項１１と、のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記分割手段は、前記複数の格子を有する回折格子であり、
前記第１反射手段を介する第１光または前記第２反射手段を介する第２光の光路上に配置される１／４波長板を備え、
前記合成手段による合成光を第１分割光と第２分割光とに分割する分割ビームスプリッタと、
前記分割ビームスプリッタにより分割された第１分割光と第２分割光との光路上に配置される第１の１／４波長板と、
前記第１の１／４波長板を介した第２分割光の光路上に配置される第２の１／４波長板と、
前記第１の１／４波長板を介した第１分割光を第１偏光と第２偏光とに分割する第１分割光偏光ビームスプリッタと、
前記第２の１／４波長板を介した第２分割光を第３偏光と第４偏光とに分割する第２分割光偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光から位相が０度の光を受光する第１受光部と、前記第２偏光から位相が１８０度の光を受光する第２受光部と、前記第３偏光から位相が９０度の光を受光する第３受光部と、前記第４偏光から位相が２７０度の光を受光する第４受光部と、を備えることを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項１３】
請求項１から請求項７と、請求項９から請求項１１と、のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記分割手段は、前記複数の格子を有する回折格子であり、
前記第１反射手段を介する第１光または前記第２反射手段を介する第２光の光路上に配置される１／４波長板を備え、
前記合成手段による合成光を複数の回折光とする複数の格子が並設される照射面を有する第１回折格子部と、
前記第１回折格子部の前記複数の格子が並設される方向と前記照射面において直交する方向に並設される複数の格子を有し、前記第１回折格子部による複数の回折光をさらに複数の回折光とする第２回折格子部と、
前記第２回折格子部による複数の回折光の光路上に配置され、該複数の回折光をそれぞれ位相の異なる複数の偏光にする複数の偏光子と、を備え、
前記受光手段は、前記複数の偏光子のそれぞれに対応する複数の受光部を備え、
前記演算手段は、前記複数の受光部が受光した光に基づくそれぞれ位相の異なる複数の信号から前記測定対象の回動の方向および前記測定対象の回動による角度の変化量を演算することを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項１４】
請求項１から請求項５と、請求項７と、請求項８と、のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記分割手段は、偏光ビームスプリッタであり、
前記合成手段による合成光を第１分割光と第２分割光とに分割する分割ビームスプリッタと、
前記分割ビームスプリッタにより分割された第１分割光と第２分割光との光路上に配置される第１の１／４波長板と、
前記第１の１／４波長板を介した第２分割光の光路上に配置される第２の１／４波長板と、
前記第１の１／４波長板を介した第１分割光を第１偏光と第２偏光とに分割する第１分割光偏光ビームスプリッタと、
前記第２の１／４波長板を介した第２分割光を第３偏光と第４偏光とに分割する第２分割光偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光から位相が０度の光を受光する第１受光部と、前記第２偏光から位相が１８０度の光を受光する第２受光部と、前記第３偏光から位相が９０度の光を受光する第３受光部と、前記第４偏光から位相が２７０度の光を受光する第４受光部と、を備えることを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項１５】
請求項１から請求項５と、請求項７と、請求項８と、のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記分割手段は、偏光ビームスプリッタであり、
前記合成手段による合成光を複数の回折光とする複数の格子が並設される照射面を有する第１回折格子部と、
前記第１回折格子部の前記複数の格子が並設される方向と前記照射面において直交する方向に並設される複数の格子を有し、前記第１回折格子部による複数の回折光をさらに複数の回折光とする第２回折格子部と、
前記第２回折格子部による複数の回折光の光路上に配置され、該複数の回折光をそれぞれ位相の異なる複数の偏光にする複数の偏光子と、を備え、
前記受光手段は、前記複数の偏光子のそれぞれに対応する複数の受光部を備え、
前記演算手段は、前記複数の受光部が受光した光に基づくそれぞれ位相の異なる複数の信号から前記測定対象の回動の方向および前記測定対象の回動による角度の変化量を演算することを特徴とする光学式角度センサ。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれかに記載された光学式角度センサにおいて、
前記分割手段による前記第１光を前記第１反射手段に反射し、前記第１反射手段からの光を前記合成手段に向かって反射する第１反射部と、
前記分割手段による前記第２光を前記第２反射手段に反射し、前記第２反射手段からの光を前記合成手段に向かって反射する第２反射部と、を備え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、光源からの光を受光する受光手段と、測定対象の回動による角度の変化量を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。
例えば特許文献１に記載の２次元角度センサは、検出対象に光ビームを投光するための光源と、光ビームによる検出対象からの反射光の光路中に設けたレンズと、レンズの焦点付近に設けられたフォトダイオードによる検出素子（受光手段）と、を備える。２次元角度センサは、検出素子で検出した光電流を計算することで検出対象の角度を検出する。
【０００３】
具体的には、２次元角度センサは、検出素子に投光される光の形状とその光の光量の大きさから検出対象の傾きを検出する。検出素子に投光される光の形状とその光の光量の大きさがレンズなどにより変化した場合、その変化は、ノイズとして検出結果に影響を与えることがある。このため、２次元角度センサは、光の形状とその光の光量の大きさの変化によるノイズを抑制するため、高品質かつ高価なレンズなどの光学部品を備えなければならず、コストがかかるという問題がある。
【０００４】
このような問題に対して、例えば特許文献２では、レーザ干渉計を用いている。レーザ干渉計は、レーザ光の干渉を利用して測定対象の回動による角度の変化量を測定するものであり、レーザビームを照射するレーザ光源（光源）と、レーザ光源から照射されたレーザビームを伝達する第１光ファイバと、第１光ファイバからのレーザビームを平行にする第１レンズと、第１レンズにより平行になったレーザビームを分割し、２個のコーナーキューブを介した後、分割したレーザビームを合成する回転角度検出用偏光ビームスプリッタと、回転角度検出用偏光ビームスプリッタから照射されたレーザビームを偏光する偏光板と、偏光板を介したレーザビームを伝達する第２光ファイバの端面にレーザビームを収束させる第２レンズと、第２光ファイバを介したレーザビームを電気信号に変換する受光信号処理部（受光手段および演算手段）と、を備える。
【０００５】
レーザ光源は、受光信号処理部にて検出される電気信号の可干渉性（コヒーレント性）が良好なレーザビームを照射するＨｅ−Ｎｅレーザである。そして、回転角度検出用偏光ビームスプリッタを介して受光信号処理部に照射されるレーザビームは、受光信号処理部においてレーザビームが照射される照射面で干渉を生じさせる。レーザ干渉計は、回動に起因する光路長の変化で生じる干渉光の強度変化を受光信号処理部にて電気信号に変換し演算することで、測定対象の回動による角度の変化量を測定することができる。
【０００６】
具体的には、レーザ干渉計が備える２個のコーナーキューブが回動すると、回転角度検出用偏光ビームスプリッタにて分割された２つのレーザビームの光路長の差が変化し、干渉光の強度、すなわち、干渉光の明暗の変化が観測される。この際、光路長の差の変化は、２個のコーナーキューブの配列距離に回転角を乗じた長さの２倍となる。レーザ干渉計は、干渉光の明暗の変化量を検出することで２個のコーナーキューブの回動角を測定することができる。したがって、レーザ干渉計は、光の形状とその光の光量の大きさとによらず、干渉光の明暗の変化から回転角度を検出するため、高品質かつ高価なレンズなどの光学部品を備えなくとも、測定対象の回転角度を検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１５６３１９号公報
【特許文献２】特開平１１−２３７２０７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２に記載のレーザ干渉計は次のような問題がある。
回転角度検出用偏光ビームスプリッタにて分割される例えば２本のレーザビームは、回転角度検出用偏光ビームスプリッタにおけるレーザビームの分割点から、それぞれのレーザビームに対応したコーナーキューブを介し、回転角度検出用偏光ビームスプリッタにおけるレーザビームの合成点までの光路長が、それぞれ異なる。
具体的には、分割された一方のレーザビームの光路長をＬとした場合、分割された他方のレーザビームの光路長は、一方のレーザビームの光路長Ｌの２倍の光路長２Ｌとなる。レーザ干渉計が備えるレーザ光源はＨｅ−Ｎｅレーザであり、そのコヒーレント長は数ｍであるため、２本のレーザビームの光路長が互いに大きく異なったとしても、干渉は生じる。
【０００９】
しかし、光源として、例えばコヒーレント長が数ｃｍと非常に短い半導体レーザを用いた場合、分割された２本のレーザビームの光路長が互いに２倍程の差があると、受光信号処理部における照射面で干渉は生じない。したがって、レーザ干渉計は、光源に半導体レーザを用いた場合、非常に短いコヒーレント長であることによるコヒーレント性の制限によって干渉が生じないため、測定対象の測定ができないという問題がある。また、Ｈｅ−Ｎｅレーザは高価であるため、コストがかかるという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、光源のコヒーレント性による制限を回避し、測定対象の回動による角度の変化量を高精度に検出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】
【００１１】
本発明の光学式角度センサは、光を照射する光源と、光源からの光を第１光と第２光とに分割する分割手段と、分割手段により分割された第１光を第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射する第１反射手段と、分割手段により分割された光のうち第１反射手段が反射する第１光とは異なる第２光を第２光と平行、かつ、逆方向に反射する第２反射手段と、第１反射手段で反射された第１光と第２反射手段で反射された第２光とを合成して合成光とする合成手段と、合成手段により合成された合成光を信号として受光する受光手段と、受光手段が受光した合成光に基づく信号から、所定の軸を回動軸として回動する測定対象における角度の変化量を演算する演算手段と、を備え、第１反射手段と第２反射手段との少なくとも一方は、所定の軸を回動軸として回動する測定対象に取付けられ、測定対象の回動にともなって同期して回動し、第１反射手段および第２反射手段は、測定対象の測定範囲内において、分割手段における光源からの光の分割点から第１反射手段を介して合成手段に到達するまでの第１光の光路長と、分割手段における光源からの光の分割点から第２反射手段を介して合成手段に到達するまでの第２光の光路長と、が同じ長さとなる角度を有することを特徴とする。
【００１２】
このような本発明によれば、光学式角度センサにおいて、第１反射手段および第２反射手段は、測定対象の測定範囲内において、分割手段における光の分割点から第１反射手段を介して合成手段に到達するまでの第１光の光路長と、分割手段における光の分割点から第２反射手段を介して合成手段に到達するまでの第２光の光路長と同じ長さとなる角度を有するため、測定対象の回動により変化する第１光の光路長と第２光の光路長との差を、数ｃｍ以内に収めることができる。すなわち、例えば光源にコヒーレント長が非常に短い半導体レーザを用いたとしても、受光手段の受光面で干渉を生じさせることができる。
したがって、光学式角度センサは、光源のコヒーレント性による制限を回避し、測定対象の回動による角度の変化量を高精度に検出することができる。
また、光学式角度センサは、高価なＨｅ−Ｎｅレーザを用いずに、例えばＨｅ−Ｎｅレーザと比較して低廉な半導体レーザなどを光源として生じる干渉光から、測定対象の角度変位を検出することができるため、コスト削減を図ることができる。
【００１３】
この際、第１反射手段または第２反射手段の一方は、固定して設けられ、第１反射手段または第２反射手段の他方は、測定対象に取付けられ、測定対象の回動にともなって同期して回動することが好ましい。
【００１４】
ここで、第１反射手段および第２反射手段が測定対象に取付けられている場合、第１反射手段および第２反射手段の重量により測定対象の回動が鈍くなり、測定結果に影響を及ぼすことがある。
しかしながら、このような構成によれば、第１反射手段または第２反射手段の一方は、光学式角度センサ内に固定して設けられ、第１反射手段または第２反射手段の他方は、所定の回動軸にて回動する測定対象に取付けられているため、第１反射手段および第２反射手段が測定対象に取付けられている場合と比較して測定対象の重量が軽くなる。したがって、光学式角度センサは、重量による測定結果への影響を抑制し、高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出することができる。
【００１５】
この際、第１反射手段および第２反射手段は、測定対象に取付けられ、測定対象の回動にともなって同期して回動することが好ましい。
【００１６】
このような構成によれば、第１反射手段および第２反射手段は、所定の回動軸にて回動する測定対象に取付けられ、測定対象の回動にともなって同期して回動するため、第１反射手段および第２反射手段は同時に同じ角度だけ回動することになる。これにより、第１反射手段および第２反射手段の回動による総合した角度の変化量は、第１反射手段または第２反射手段の一方を固定し、他方を測定対象に取付けた場合と比較して２倍となる。これにより、第１反射手段または第２反射手段の一方を固定し、他方を測定対象に取付けた場合と比較して、合成手段にて合成される合成光の強度が２倍となる。このため、受光手段の感度が２倍となる。したがって、光学式角度センサは、第１反射手段または第２反射手段の一方を固定し、他方を測定対象に取付けた場合と比較して、高感度の信号から高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出することができる。
【００１７】
この際、第１反射手段および第２反射手段は、第１反射手段または第２反射手段の回動軸と、光源からの光の光軸と平行な軸と、のそれぞれの軸に対して互いに線対称となる位置に配置されていることが好ましい。
【００１８】
このような構成によれば、第１反射手段および第２反射手段は、第１反射手段または第２反射手段の回動軸と、光源からの光の光軸と平行な軸と、のそれぞれの軸に対して互いに線対称となる位置に配置される。このため、第１反射手段および第２反射手段を非対称となる位置に配置する場合と比較して、第１反射手段および第２反射手段が、測定対象の測定範囲内において、分割手段における光源からの光の分割点から第１反射手段を介して合成手段に到達するまでの第１光の光路長と、分割手段における光源からの光の分割点から第２反射手段を介して合成手段に到達するまでの第２光の光路長と、について同じ長さとなる角度を有するように容易に設計することができる。
【００１９】
本発明の光学式角度センサにおける分割手段は、光源からの光が照射される分割面を有し、分割手段と合成手段との少なくとも一方は、分割面において第１反射手段または第２反射手段の回動軸と直交する方向に沿って並設される複数の格子を有する透過型回折格子であることを特徴とする。
【００２０】
このような構成によれば、分割手段と合成手段との少なくとも一方は、分割面において第１反射手段または第２反射手段の回動軸と直交する方向に沿って並設される複数の格子を有する透過型回折格子であることで、容易に光源からの光を分割、または、合成することができる。したがって、光学式角度センサは、レンズや偏光板などの複雑な光学部品を用いなくともよいため、コスト削減を図ることができる。
【００２１】
この際、分割手段および合成手段は、１枚の透過型回折格子に併設されていることが好ましい。
【００２２】
このような構成によれば、分割手段および合成手段が１枚の透過型回折格子に併設されていることで、単一の透過型回折格子だけで光の分割および合成をすることができる。したがって、光学式角度センサは、複数の光学部品を用いた場合と比較して加工や組み立てを省略できるため、コスト削減を図ることができる。
【００２３】
本発明の光学式角度センサは、分割手段と合成手段との少なくとも一方は、ビームスプリッタであることを特徴とする。
【００２４】
ここで、透過型回折格子の複数の格子を透過した光は複数の回折光となる。複数の回折光は、測定対象の回動による角度の変化量を検出するための信号回折光と、ノイズや誤差の原因となるノイズ回折光と、を有する。受光手段にノイズ回折光が照射された場合、検出結果に誤差が生じることがあるため、受光手段にはノイズ回折光が照射されないようにすることが好ましい。
しかしながら、このような構成によれば、分割手段と合成手段との少なくとも一方をビームスプリッタとすることで、透過型回折格子の複数の格子による複数の回折光が生じない。すなわち、ビームスプリッタを用いることで、ノイズ回折光が生じなくなる。また、透過型回折格子と比較して、ビームスプリッタにて分割または合成される光は、ロスが生じにくい。したがって、光学式角度センサは、分割手段および合成手段に透過型回折格子を用いる場合と比較して、ロスが少ない光を用いた高感度の信号から高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出することができる。
【００２５】
この際、分割手段および合成手段は、１個のビームスプリッタであることが好ましい。
【００２６】
このような構成によれば、分割手段および合成手段が透過型回折格子である場合の複数の格子を形成する必要がなく、さらに１個のビームスプリッタにて光源からの光を分割し、合成することができるため、ノイズ回折光の発生と光のロスを抑制し、高感度の信号から高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出するとともに、光学式角度センサにおける部品点数を減らし、コスト削減を図ることができる。
【００２７】
この際、分割手段は、光源からの光が照射される分割面を有し、合成手段は、分割面において第１反射手段または第２反射手段の回動軸と直交する直交方向に沿って並設される複数の格子を有し、受光手段は、直交方向に沿って並設される複数の受光素子を備え、複数の格子を介した複数の回折光を受光し、演算手段は、複数の受光素子が受光した複数の回折光に基づく複数の信号から測定対象の回動による角度の変化量を演算することが好ましい。
【００２８】
このような構成によれば、合成手段は、分割面において第１反射手段または第２反射手段の回動軸と直交する直交方向に沿って並設される複数の格子を有し、受光手段は、直交方向に沿って並設される複数の受光素子を備え、複数の格子を介した複数の回折光を受光する。複数の回折光は、受光手段の受光面上に、第１反射手段または第２反射手段の回動軸と平行な方向に沿って干渉縞を生成する。このため、受光手段の複数の受光素子は、干渉縞から例えば４相信号を検出することができる。演算手段は、例えばこの４相信号から測定対象の回動方向と、回動による角度の変化量を演算することができる。したがって、光学式角度センサは、干渉光から測定対象の回動による角度の変化量を演算する場合と比較して、干渉縞から高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出することができる。
【００２９】
この際、分割手段は、光源からの光が照射される分割面を有し、合成手段は、分割面において第１反射手段または第２反射手段の回動軸と直交する直交方向に沿って並設され、光源からの光の光軸に対して所定の傾斜角度を有して配置される複数の傾斜格子を有し、受光手段は、第１反射手段または第２反射手段の回動軸と平行な方向に沿って並設される複数の受光素子を備え、複数の傾斜格子を介した複数の回折光を受光し、演算手段は、受光手段が受光した複数の回折光に基づく複数の信号から測定対象の回動による角度の変化量を演算することが好ましい。
【００３０】
このような構成によれば、合成手段は、光源からの光の光軸に対して所定の傾斜角度を有して配置される複数の傾斜格子を有し、受光手段は、所定の傾斜角度を有する複数の格子を介した複数の回折光を受光する。複数の回折光は、受光手段の受光面上に、第１反射手段または第２反射手段の回動軸と直交する直交方向に沿って干渉縞を生成する。このため、受光手段の複数の受光素子は、干渉縞から例えば４相信号を検出することができる。演算手段は、例えばこの４相信号から測定対象の回動方向と、回動による角度の変化量を演算することができる。したがって、光学式角度センサは、干渉光から測定対象の回動による角度の変化量を演算する場合と比較して、干渉縞から高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出することができる。
【００３１】
この際、合成手段は、それぞれ位相が異なる複数の合成部を備え、受光手段は、複数の合成部のそれぞれに対応する複数の受光部を備え、演算手段は、複数の受光部が受光した光に基づくそれぞれ位相の異なる複数の信号から測定対象の回動の方向および測定対象の回動による角度の変化量を演算することが好ましい。
【００３２】
このような構成によれば、光学式角度センサは、複数の合成部により複数の合成光を生成し、例えば４相信号を検出することができる。したがって、光学式角度センサは、例えば４相信号を用いて高精度に測定対象の回動により角度の変位を検出することができる。
【００３３】
この際、分割手段は、複数の格子を有する回折格子であり、光学式角度センサは、第１反射手段を介する第１光または第２反射手段を介する第２光の光路上に配置される１／４波長板を備え、合成手段による合成光を第１分割光と第２分割光とに分割する分割ビームスプリッタと、分割ビームスプリッタにより分割された第１分割光と第２分割光との光路上に配置される第１の１／４波長板と、第１の１／４波長板を介した第２分割光の光路上に配置される第２の１／４波長板と、第１の１／４波長板を介した第１分割光を第１偏光と第２偏光とに分割する第１分割光偏光ビームスプリッタと、第２の１／４波長板を介した第２分割光を第３偏光と第４偏光とに分割する第２分割光偏光ビームスプリッタと、第１偏光から位相が０度の光を受光する第１受光部と、第２偏光から位相が１８０度の光を受光する第２受光部と、第３偏光から位相が９０度の光を受光する第３受光部と、第４偏光から位相が２７０度の光を受光する第４受光部と、を備えることが好ましい。
【００３４】
このような構成によれば、分割手段は、複数の格子を有する回折格子であり、光学式角度センサは、第１反射手段を介する第１光または第２反射手段を介する第２光の光路上に配置される１／４波長板を備え、受光手段は、複数の受光部として、第１偏光から位相が０度の光を受光する第１受光部と、第２偏光から位相が１８０度の光を受光する第２受光部と、第３偏光から位相が９０度の光を受光する第３受光部と、第４偏光から位相が２７０度の光を受光する第４受光部と、を備えるため、合成光から例えば４相信号を検出することができる。したがって、光学式角度センサは、複数の回折光から取得することができる、例えば４相信号を用いて高精度に測定対象の回動による角度の変位を検出することができる。
【００３５】
この際、分割手段は、複数の格子を有する回折格子であり、光学式角度センサは、第１反射手段を介する第１光または第２反射手段を介する第２光の光路上に配置される１／４波長板を備え、合成手段による合成光を複数の回折光とする複数の格子が並設される照射面を有する第１回折格子部と、第１回折格子部の複数の格子が並設される方向と照射面において直交する方向に並設される複数の格子を有し、第１回折格子部による複数の回折光をさらに複数の回折光とする第２回折格子部と、第２回折格子部による複数の回折光の光路上に配置され、複数の回折光をそれぞれ位相の異なる複数の偏光にする複数の偏光子と、を備え、受光手段は、複数の偏光子のそれぞれに対応する複数の受光部を備え、演算手段は、複数の受光部が受光した光に基づくそれぞれ位相の異なる複数の信号から測定対象の回動の方向および測定対象の回動による角度の変化量を演算することが好ましい。
【００３６】
このような構成によれば、分割手段は、複数の格子を有する回折格子であり、光学式角度センサは、第１反射手段を介する第１光または第２反射手段を介する第２光の光路上に配置される１／４波長板を備え、第１回折格子および第２回折格子により回折された複数の回折格子に対応する複数の偏光子と、複数の偏光子のそれぞれに対応する複数の受光部を備えるため、前述の分割ビームスプリッタと、第１分割光偏光ビームスプリッタと、第２分割光偏光ビームスプリッタと、を備える場合と比較して、これらの光学部品を用いなくとも複数の回折格子から例えば４相信号を取得することができる。したがって、光学式角度センサは、前述の光学式角度センサと比較して、高精度化を図りつつ省スペース化やコスト削減を図ることができる。
【００３７】
この際、分割手段は、偏光ビームスプリッタであり、光学式角度センサは、合成手段による合成光を第１分割光と第２分割光とに分割する分割ビームスプリッタと、分割ビームスプリッタにより分割された第１分割光と第２分割光との光路上に配置される第１の１／４波長板と、第１の１／４波長板を介した第２分割光の光路上に配置される第２の１／４波長板と、第１の１／４波長板を介した第１分割光を第１偏光と第２偏光とに分割する第１分割光偏光ビームスプリッタと、第２の１／４波長板を介した第２分割光を第３偏光と第４偏光とに分割する第２分割光偏光ビームスプリッタと、第１偏光から位相が０度の光を受光する第１受光部と、第２偏光から位相が１８０度の光を受光する第２受光部と、第３偏光から位相が９０度の光を受光する第３受光部と、第４偏光から位相が２７０度の光を受光する第４受光部と、を備えることが好ましい。
【００３８】
このような構成によれば、分割手段は、偏光ビームスプリッタであり、複数の受光部として、第１偏光から位相が０度の光を受光する第１受光部と、第２偏光から位相が１８０度の光を受光する第２受光部と、第３偏光から位相が９０度の光を受光する第３受光部と、第４偏光から位相が２７０度の光を受光する第４受光部と、を備えるため、受光手段は、合成光から例えば４相信号を検出することができる。したがって、光学式角度センサは、ビームスプリッタを用いた場合であっても、例えば４相信号を用いて高精度に測定対象の回動による角度の変位を検出することができる。
【００３９】
この際、分割手段は、偏光ビームスプリッタであり、光学式角度センサは、合成手段による合成光を複数の回折光とする複数の格子が並設される照射面を有する第１回折格子部と、第１回折格子部の複数の格子が並設される方向と照射面において直交する方向に並設される複数の格子を有し、第１回折格子部による複数の回折光をさらに複数の回折光とする第２回折格子部と、第２回折格子部による複数の回折光の光路上に配置され、複数の回折光をそれぞれ位相の異なる複数の偏光にする複数の偏光子と、を備え、受光手段は、複数の偏光子のそれぞれに対応する複数の受光部を備え、演算手段は、複数の受光部が受光した光に基づくそれぞれ位相の異なる複数の信号から測定対象の回動の方向および測定対象の回動による角度の変化量を演算することが好ましい。
【００４０】
このような構成によれば、分割手段は、偏光ビームスプリッタであり、光学式角度センサは、第１回折格子および第２回折格子により回折された複数の回折格子に対応する複数の偏光子と、複数の偏光子のそれぞれに対応する複数の受光部を備えるため、前述の分割ビームスプリッタと、第１分割光偏光ビームスプリッタと、第２分割光偏光ビームスプリッタと、を備える場合と比較して、これらの光学部品を用いなくとも例えば４相信号を取得することができる。したがって、光学式角度センサは、前述の光学式角度センサと比較して、高精度化を図りつつ省スペース化やコスト削減を図ることができる。
【００４１】
この際、分割手段による第１光を第１反射手段に反射し、第１反射手段からの光を合成手段に向かって反射する第１反射部と、分割手段による第２光を第２反射手段に反射し、第２反射手段からの光を合成手段に向かって反射する第２反射部と、を備えることが好ましい。
【００４２】
このような構成によれば、光学式角度センサは、第１反射部と第２反射部とを備えることで分割手段から第１反射手段および第２反射手段までの第１光および第２光の光路を短縮し、第１反射手段および第２反射手段から合成手段までの第１光および第２光の光路を短縮することができる。したがって、分割手段または合成手段に対する第１反射手段および第２反射手段の配置を自由に設計することができる。また、光学式角度センサは、第１反射部と第２反射部とにより、分割手段から合成手段までの光路を形成する構成要素を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図２】前記光学式角度センサを示すブロック図
【図３】第２実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図４】第３実施形態に係る光学式角度センサにおける透過型回折格子と受光手段を示す概略図
【図５】第４実施形態に係る光学式角度センサにおける透過型回折格子と受光手段を示す概略図
【図６】第５実施形態に係る光学式角度センサにおける透過型回折格子と受光手段を示す概略図
【図７】第６実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図８】前記光学式角度センサを示すブロック図
【図９】第７実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図１０】第８実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図１１】第９実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図１２】第１０実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図１３】第１１実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図１４】変形例に係る光学式角度センサを示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００４４】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図１と図２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概略図である。具体的には、図１（Ａ）は光学式角度センサ１において測定対象が回動する前の状態を示す図であり、図１（Ｂ），（Ｃ）は光学式角度センサ１において測定対象が所定の方向に回動した状態を示す図である。
【００４５】
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、光を透過する透過型回折格子３と、透過型回折格子３を介した光源２からの光を反射する第１反射手段４と、第２反射手段５と、第１反射手段４および第２反射手段５を反射し透過型回折格子３を介した光を受光する受光手段６と、を備える。
光学式角度センサ１は、回動する測定対象を測定する測定器の内部に設けられている。本実施形態では、測定対象と、第１反射手段４および第２反射手段５は、Ｘ軸を軸として回動する。また、以降の説明においてＸ軸を測定対象の回動軸として説明することがある。
【００４６】
光源２は、一定の幅を有する光を透過型回折格子３に向かって照射する。光源２は、例えば半導体レーザである。なお、光源２は半導体レーザに限らず、数ｃｍのコヒーレント長を有する光源であれば任意の光源であってもよい。
透過型回折格子３は、透光性のガラスにて形成され、所定のピッチで配置される複数の格子７０，８０を有する。複数の格子７０，８０は、透過型回折格子３において光源２と対向して設けられている。なお、透過型回折格子３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。
透過型回折格子３の複数の格子７０，８０を介した光源２からの光は、複数の回折光となる。
【００４７】
ここで、複数の回折光は、光源２から照射された光の光軸と同じ方向に進行する回折光と、光軸の両側を所定の回折角度で進行する回折光と、光軸の両側を所定の回折角度よりも大きな回折角度で進行する回折光と、を有する。
複数の回折光は、光軸と同じ方向に進行する回折光を０次回折光とすると、０次回折光を基準として回折角度が大きくなる方向に向かって±１次回折光、±２次回折光と順序づけることができる。
受光手段６は、主に±１次回折光により生成される干渉光から信号を検出する。
なお、以下の説明および図面において、受光手段６にて干渉光を生成する光の光路を矢印にて記載している。
【００４８】
透過型回折格子３は、光源２からの光を第１光１０と第２光２０とに分割する分割手段７と、第１反射手段４で反射された第１光１０と第２反射手段５で反射された第２光２０とを合成して合成光とする合成手段８と、を備える。
分割手段７および合成手段８は、１枚の透過型回折格子３に併設されている。
【００４９】
分割手段７は、光源２からの光が照射される分割面７１を有する。分割手段７は、分割面７１において第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸であるＸ軸と直交する方向であるＹ方向に沿って並設される複数の格子７０を有する。合成手段８も同様に、分割面７１において第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸であるＸ軸と直交する方向であるＹ方向に沿って並設される複数の格子８０を有する。
すなわち、分割手段７および合成手段８は、分割面７１において第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸であるＸ軸と直交する方向であるＹ方向に沿って並設される複数の格子７０，８０を有する透過型回折格子３である。
【００５０】
第１反射手段４は、直交する２面の反射面を有するプリズムであり、分割手段７により分割された第１光１０を第１光１０が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射する。具体的には、第１反射手段４は、第１光１０が入射した方向と平行に合成手段８に向かって反射する。
第２反射手段５は、直交する２面の反射面を有するプリズムであり、分割手段７により分割された光のうち第１反射手段４が反射する第１光１０とは異なる第２光２０を第２光２０が入射した方向と平行、かつ、逆方向に反射する。具体的には、第２反射手段５は、第２光２０が入射した方向と平行に合成手段８に向かって反射する。
【００５１】
また、第１反射手段４および第２反射手段５は、回動軸であるＸ軸にて回動する測定対象に取付けられ、測定対象の回動にともなって同期して回動する。第１反射手段４および第２反射手段５は、第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸と、光源２からの光の光軸と平行な軸ＡＸと、のそれぞれの軸に対して互いに線対称となる位置に配置されている。すなわち、第１反射手段４および第２反射手段５は、Ｘ軸と、光源２からの光の光軸と平行な軸ＡＸであるＺ軸と、により形成される面において対称となる位置に配置されている。
【００５２】
この際、測定対象の回動軸と第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸とは一致するように構成されていることが好ましい。これにより、受光手段６に照射される第１反射手段４および第２反射手段５を介した光源２からの光は、第１反射手段４および第２反射手段５の回動により照射位置がぶれることはない。第１反射手段４および第２反射手段５が回動したとしても、合成手段８による第１光１０および第２光２０の合成光は、受光手段６の同じ位置に照射される。
【００５３】
受光手段６は、合成手段８により合成された合成光を、所定の軸であるＸ軸を回動軸として回動する測定対象における角度の変化の信号として受光する。受光手段６には、ＰＤＡ(Photo Diode Array)が用いられる。ＰＤＡは、その受光面に照射された干渉光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、受光手段６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。
光源２と、透過型回折格子３と、第１反射手段４と、第２反射手段５と、受光手段６とは、光学式角度センサ１において、同じ高さに配置されている。
【００５４】
図２は、前記光学式角度センサを示すブロック図である。
光学式角度センサ１は、図２に示すように、受光手段６が受光した合成光に基づく信号から測定対象の回動による角度の変化量を演算する演算手段９をさらに備える。
第１反射手段４および第２反射手段５は、測定対象の回動にともなって同期して回動するため、それにともない、第１光１０および第２光２０のそれぞれの光路長も変化する。演算手段９は、第１反射手段４および第２反射手段５の回動により変化する第１光１０および第２光２０からなる合成光から生成される干渉光に基づく信号から、測定対象の回動による角度の変化量を演算する。
【００５５】
ここで、光学式角度センサ１における光の光路について図１に基づいて説明する。
光学式角度センサ１において、分割手段７にて分割された第１光１０は、図１（Ａ）に示すように、分割手段７における分割点Ｐ１から第１反射手段４を介して合成手段８に照射される。分割手段７にて分割された第２光２０は、分割手段７における分割点Ｐ１から第２反射手段５を介して合成手段８に照射される。第１光１０と第２光２０は合成手段８の合成点Ｐ２にて合成される。
【００５６】
そして、第１反射手段４および第２反射手段５は、測定対象の測定範囲内において、分割手段７における光源２からの光の分割点Ｐ１から第１反射手段４を介して合成手段８に到達するまでの第１光１０の光路長と、分割手段７における光源２からの光の分割点Ｐ１から第２反射手段を介して合成手段８の合成点Ｐ２に到達するまでの第２光２０の光路長と、が同じ長さとなる角度を有する。
【００５７】
具体的には、図１（Ａ）に示すように、第１反射手段４および第２反射手段５が光源２からの光の光軸と平行な軸ＡＸに対して線対称に配置されている場合、第１光１０および第２光２０の光路長は同じ長さとなる。この際、受光手段６は、第１光１０と第２光２０との光路長の差の変化に対する明暗の変化の感度が最も高い干渉光を受光することができる。
そして、図１（Ｂ）に示すように、測定対象がθ方向に回動した場合、第１反射手段４および第２反射手段５は、測定対象の回動にともなってθ方向に回動する。また、図１（Ｃ）に示すように、測定対象が−θ方向に回動した場合、第１反射手段４および第２反射手段５は、測定対象の回動にともなって−θ方向に回動する。この際、受光手段６に照射される干渉光は、第１反射手段４および第２反射手段５の回動方向にしたがって第１光１０と第２光２０とのそれぞれの光路長が変化し、図１（Ａ）のときに生じる干渉光から変化する。演算手段９は、この干渉光の明暗の変化に基づく信号から測定対象が元の位置からどのくらい回動したのかについての角度の変化量を演算する。
なお、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）では、図１（Ａ）における測定対象が回動する前の第１反射手段４および第２反射手段５の位置を破線にて表している。
【００５８】
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）第１反射手段４および第２反射手段５は、測定対象の測定範囲内において、分割手段７における光の分割点Ｐ１から第１反射手段４を介して合成手段８の合成点Ｐ２に到達するまでの第１光１０の光路長と、分割手段７における光の分割点Ｐ１から第２反射手段５を介して合成手段８の合成点Ｐ２に到達するまでの第２光２０の光路長と同じ長さとなる角度を有するため、測定対象の回動により変化する第１光１０の光路長と第２光２０の光路長との差を数ｃｍ以内に収めることができる。したがって、光学式角度センサ１は、光源２のコヒーレント性による制限を回避し、測定対象の回動による角度の変化量を高精度に検出することができる。
（２）光学式角度センサ１は、高価なＨｅ−Ｎｅレーザを用いずに、Ｈｅ−Ｎｅレーザと比較して低廉な半導体レーザを光源２とし、生じた干渉光から測定対象の角度変位を検出することができるため、コスト削減を図ることができる。
【００５９】
（３）光学式角度センサ１は、第１反射手段４または第２反射手段５の一方を固定し、他方を測定対象に取付けた場合と比較して、高感度の信号から高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出することができる。
【００６０】
（４）第１反射手段４および第２反射手段５は、第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸と、光源２からの光の光軸と平行な軸と、のそれぞれの軸に対して互いに線対称となる位置に配置されているため、第１反射手段４および第２反射手段５を非対称となる位置に配置する場合と比較して、第１反射手段４および第２反射手段５が、測定対象の測定範囲内において、分割手段７における光源２からの光の分割点Ｐ１から第１反射手段４を介して合成手段８の合成点Ｐ２に到達するまでの第１光１０の光路長と、分割手段７における光源２からの光の分割点Ｐ１から第２反射手段５を介して合成手段８の合成点Ｐ２に到達するまでの第２光２０の光路長と、について同じ長さとなる角度を有するように容易に設計することができる。
【００６１】
（５）分割手段７と合成手段８との少なくとも一方は、分割面７１において第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸と直交する方向に沿って並設される複数の格子７０，８０を有する透過型回折格子３であることで、容易に光源からの光を分割、または、合成することができる。したがって、光学式角度センサ１は、レンズや偏光板などの複雑な光学部品を用いなくともよいため、コスト削減を図ることができる。
【００６２】
（６）分割手段７および合成手段８が１枚の透過型回折格子３に併設されていることで、単一の回折格子だけで光の分割および合成をすることができる。したがって、光学式角度センサ１は、複数の光学部品を用いた場合と比較して加工や組み立てを省略できるため、コスト削減を図ることができる。
【００６３】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図３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。
【００６４】
図３は、第２実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図である。
前記第１実施形態では、第１反射手段４および第２反射手段５は、Ｘ軸にて回動する測定対象に取付けられ、測定対象の回動にともなって同期して回動していた。
本実施形態では、図３に示すように、光学式角度センサ１Ａにおける第１反射手段４Ａは、Ｘ軸を回動軸として回動する測定対象に取付けられ、第２反射手段５Ａは光学式角度センサ１Ａ内に固定されて設けられ、第１反射手段４Ａは、測定対象の回動にともなって同期して回動する点で前記第１実施形態と異なる。
【００６５】
また、前記第１実施形態では、第１反射手段４および第２反射手段５は、第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸であるＸ軸と、光源２からの光の光軸と平行な軸ＡＸと、のそれぞれの軸に対して互いに線対称となる位置に配置されていた。これにより第１反射手段４および第２反射手段５は、同時に回動し、その配置は回動したとしても、線対称となる位置に配置されていた。
本実施形態では、第１反射手段４Ａと第２反射手段５Ａとは、回動することにより非対称になるように配置されている点で前記第１実施形態と異なる。
なお、図３では、測定対象の回動により変化する第１反射手段４Ａの位置を破線にて表している。
【００６６】
第１反射手段４Ａと第２反射手段５Ａとは非対称になるように配置されているが、光学式角度センサ１Ａにおいても、第１反射手段４Ａは、測定対象の測定範囲内において、分割手段７における光源２からの光の分割点Ｐ１から第１反射手段４を介して合成手段８の合成点Ｐ２に到達するまでの第１光１０の光路長と、分割手段７における光源２からの光の分割点Ｐ１から第２反射手段を介して合成手段８の合成点Ｐ２に到達するまでの第２光２０の光路長と、が同じ長さとなる角度を有する。本実施形態においても、演算手段９（図２参照）は、第１反射手段４Ａの回動により変化する第１光１０および第２光２０からなる合成光から生成される干渉光に基づく信号から、測定対象の回動による角度の変化量を演算する。
【００６７】
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），（２），（４）〜（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）第２反射手段５Ａは、光学式角度センサ１Ａ内に固定されて設けられ、第１反射手段４Ａは、測定対象に取付けられているため、第１実施形態における第１反射手段４および第２反射手段５を測定対象に取付けた場合と比較して測定対象の重量が軽くなる。したがって、光学式角度センサ１Ａは、重量による測定結果への影響を抑制し、高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出することができる。
【００６８】
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図４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。
【００６９】
図４は、第３実施形態に係る光学式角度センサにおける透過型回折格子と受光手段を示す概略図である。
前記第１実施形態では、演算手段９（図２参照）は、受光手段６が受光する干渉光に基づいて測定対象の回動による角度の変化量を検出していた。
本実施形態では、図４に示すように、光学式角度センサ１Ｂにおける合成手段８Ｂは、分割面７１（図１参照）において第１反射手段４または第２反射手段５の回動軸と直交する直交方向に沿って並設される複数の格子８０Ｂを有し、受光手段６Ｂは、直交方向に沿って並設される複数の受光素子６１Ｂ〜６４Ｂを備え、複数の格子８０Ｂを介した複数の回折光を受光し、演算手段９は、複数の受光素子６１Ｂ〜６４Ｂが受光した複数の回折光に基づく複数の信号から測定対象の回動による角度の変化量を演算する点で前記第１実施形態と異なる。
なお、図４では、説明の都合上、図１における光源２と、第１反射手段４と、第２反射手段５と、透過型回折格子３上の分割手段７と、を省略している。
【００７０】
複数の格子８０Ｂを透過する第１光１０の進行方向は、−Ｙ方向側に回折され、複数の傾斜格子８０Ｂを透過する第２光２０の進行方向は、＋Ｙ方向側に回折される。ここで、第１光１０は例えば＋１次回折光であり、第２光２０は例えば−１次回折光である場合、他の回折次数の光（例えば±２次回折光）は、第１光１０および第２光２０とは異なる離間する方向に回折され、受光手段６Ｂには照射されない。そして、第１光１０（＋１次回折光）および第２光２０（−１次回折光）は、受光手段６Ｂ（複数の受光素子６１Ｂ〜６４Ｂ）の受光面上に、第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸と平行な方向であるＸ方向に沿って干渉縞を生成する。
【００７１】
光学式角度センサ１Ｂは、測定対象の回動方向を特定するために、位相差を有する４相信号（複数の正弦波信号）を用いることが好ましい。そのため、複数の受光素子６１Ｂ〜６４Ｂは、干渉縞の周期に合わせて４相信号を取得できるように設計されている。
例えば分割手段７（図１参照）の複数の格子７０が１μｍの周期となるように設計されている場合、合成手段８Ｂの複数の格子８０Ｂは、１．００５μｍの周期となるように、分割手段７の複数の格子７０の周期に対して少しずらして設計される。そして、複数の受光素子６１Ｂ〜６４Ｂは、合成手段８Ｂの複数の格子８０Ｂと同じ周期となるように１．００５μｍに設計される。
【００７２】
具体的には、複数の受光素子６１Ｂ〜６４Ｂは、第１受光素子６１Ｂと、第２受光素子６２Ｂと、第３受光素子６３Ｂと、第４受光素子６４Ｂと、を備える。
第１受光素子６１Ｂは、複数の傾斜格子８０Ｂを介して受光面上に生成された干渉縞から位相が０度の光を受光する。第２受光素子６２Ｂは、複数の傾斜格子８０Ｂを介して受光面上に生成された干渉縞から位相が９０度の光を受光する。第３受光素子６３Ｂは、複数の傾斜格子８０Ｂを介して受光面上に生成された干渉縞から位相が１８０度の光を受光する。第４受光素子６４Ｂは、複数の傾斜格子８０Ｂを介して受光面上に生成された干渉縞から位相が１８０度の光を受光する。
【００７３】
そして、複数の受光素子６１Ｂ〜６４Ｂは、Ｘ軸と直交するＹ方向に沿って、第１受光素子６１Ｂ、第２受光素子６２Ｂ、第３受光素子６３Ｂ、第４受光素子６４Ｂの順に繰り返し配置されている。光学式角度センサ１Ｂは、この複数の受光素子６１Ｂ〜６４Ｂにて受光された信号から４相信号を検出し、演算手段９は、測定対象の回動方向と測定対象の回動による角度の変化量を演算することができる。
【００７４】
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。
（８）合成手段８Ｂは、複数の格子８０Ｂを有し、受光手段６Ｂは、複数の受光素子６１Ｂ〜６４Ｂを備え、複数の格子８０Ｂを介した複数の回折光を受光する。複数の回折光は、受光手段６Ｂの受光面上に、第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸と平行な方向に沿って干渉縞を生成し、複数の受光素子６１Ｂ〜６４Ｂは、干渉縞から４相信号を検出することができる。演算手段９は、この４相信号から測定対象の回動方向と、回動による角度の変化量を演算することができる。したがって、光学式角度センサ１Ｂは、干渉光から測定対象の回動による角度の変化量を演算する場合と比較して、干渉縞から高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出することができる。
【００７５】
〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態を図５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。
【００７６】
図５は、第４実施形態に係る光学式角度センサにおける透過型回折格子と受光手段を示す概略図である。
前記第１実施形態では、演算手段９（図２参照）は、受光手段６が受光する干渉光に基づいて測定対象の回動による角度の変化量を検出し、合成手段８は、分割面７１において第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸であるＸ軸と直交する方向であるＹ方向に沿って並設される複数の格子８０を備えていた。
本実施形態では、図５に示すように、光学式角度センサ１Ｃにおける合成手段８Ｃは、分割面７１（図１参照）において第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸と直交する直交方向に沿って並設され、光源２からの光の光軸に対して所定の傾斜角度θを有して配置される複数の傾斜格子８０Ｃを有し、受光手段６Ｃは、第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸と平行な方向に沿って並設される複数の受光素子６１Ｃ〜６４Ｃを備え、複数の傾斜格子８０Ｃを介した複数の回折光を受光し、演算手段９は、受光手段６Ｃが受光した複数の回折光に基づく複数の信号から測定対象の回動による角度の変化量を演算する点で前記第１実施形態と異なる。
なお、図５では、説明の都合上、図１における光源２と、第１反射手段４と、第２反射手段５と、透過型回折格子３上の分割手段７と、を省略している。
【００７７】
複数の傾斜格子８０Ｃを透過する第１光１０の進行方向は、＋Ｘ方向側に回折され、複数の傾斜格子８０Ｃを透過する第２光２０の進行方向は、−Ｘ方向側に回折される。ここで、第１光１０は例えば＋１次回折光であり、第２光２０は例えば−１次回折光である場合、他の回折次数の光（例えば±２次回折光）は、第１光１０および第２光２０とは異なる離間する方向に回折され、受光手段６Ｃには照射されない。そして、第１光１０（＋１次回折光）および第２光２０（−１次回折光）は、受光手段６Ｃ（複数の受光素子６１Ｃ〜６４Ｃ）の受光面上に、第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸と直交する直交方向であるＹ方向に沿って干渉縞を生成する。
光学式角度センサ１Ｃは、測定対象の回動方向を特定するために、位相差を有する４相信号（複数の正弦波信号）を用いることが好ましい。そのため、複数の受光素子６１Ｃ〜６４Ｃは、複数の受光素子６１Ｃ〜６４Ｃの受光面に生成される干渉縞の周期に合わせて４相信号を取得できるように設計されている。
【００７８】
具体的には、複数の受光素子６１Ｃ〜６４Ｃは、第１受光素子６１Ｃと、第２受光素子６２Ｃと、第３受光素子６３Ｃと、第４受光素子６４Ｃと、を備える。第１受光素子６１Ｃは、複数の傾斜格子８０Ｃを介して受光面上に生成された干渉縞から位相が０度の光を受光する。第２受光素子６２Ｃは、複数の傾斜格子８０Ｃを介して受光面上に生成された干渉縞から位相が９０度の光を受光する。第３受光素子６３Ｃは、複数の傾斜格子８０Ｃを介して受光面上に生成された干渉縞から位相が１８０度の光を受光する。第４受光素子６４Ｃは、複数の傾斜格子８０Ｃを介して受光面上に生成された干渉縞から位相が１８０度の光を受光する。そして、複数の受光素子６１Ｃ〜６４Ｃは、Ｘ軸と平行な方向に沿って、第１受光素子６１Ｃ、第２受光素子６２Ｃ、第３受光素子６３Ｃ、第４受光素子６４Ｃの順に繰り返し配置されている。光学式角度センサ１Ｃは、この複数の受光素子６１Ｃ〜６４Ｃにて受光された信号から４相信号を検出し、演算手段９は、測定対象の回動方向と測定対象の回動による角度の変化量を演算することができる。
【００７９】
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。
（９）合成手段８Ｃは、複数の傾斜格子８０Ｃを有し、受光手段６Ｃは、複数の傾斜格子８０Ｃを介した複数の回折光を受光し、複数の回折光は、受光手段６Ｃの受光面上に、第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸と直交する直交方向に沿って干渉縞を生成する。このため、受光手段６Ｃの複数の受光素子６１Ｃ〜６４Ｃは、干渉縞から４相信号を検出することができる。演算手段９は、４相信号から測定対象の回動方向と、回動による角度の変化量を演算することができる。したがって、光学式角度センサ１Ｃは、干渉光から測定対象の回動による角度の変化量を演算する場合と比較して、干渉縞から高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出することができる。
【００８０】
〔第５実施形態〕
以下、本発明の第５実施形態を図６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。
【００８１】
図６は、第５実施形態に係る光学式角度センサにおける透過型回折格子と受光手段を示す概略図である。具体的には図６（Ａ）は、光学式角度センサ１Ｄにおける合成手段８Ｄと受光手段６Ｄとの配置を示す概略図であり、図６（Ｂ）は、合成手段８Ｄの複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄが有する複数の格子８０Ｄの具体的な位相差を示す図である。
【００８２】
前記第１実施形態から前記第３実施形態では、合成手段８は、分割面７１において第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸であるＸ軸と直交するＹ方向に沿って並設される複数の格子８０を備えていた。
本実施形態では、図６（Ａ）に示すように、光学式角度センサ１Ｄにおける合成手段８Ｄは、それぞれ位相が異なる複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄを備え、受光手段６Ｄは、複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄのそれぞれに対応する複数の受光部６１Ｄ〜６４Ｄを備え、演算手段９（図２参照）は、複数の受光部６１Ｄ〜６４Ｄが受光した光に基づくそれぞれ位相の異なる複数の信号から測定対象の回動の方向および測定対象の回動による角度の変化量を演算する点で前記第１実施形態から前記第３実施形態と異なる。
なお、図６（Ａ）では、説明の都合上、図１における光源２と、第１反射手段４と、第２反射手段５と、透過型回折格子３上の分割手段７と、を省略している。
【００８３】
合成手段８Ｄは、複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄとして、第１合成部８１Ｄと、第２合成部８２Ｄと、第３合成部８３Ｄと、第４合成部８４Ｄと、を備える。
第１合成部８１Ｄは、位相が０度に配置される複数の格子８０Ｄを有する。第２合成部８２Ｄは、位相が９０度に配置される複数の格子８０Ｄを有する。第３合成部８３Ｄは、位相が１８０度に配置される複数の格子８０Ｄを有する。第４合成部８４Ｄは、位相が２７０度に配置される複数の格子８０Ｄを有する。
【００８４】
受光手段６Ｄは、複数の受光部６１Ｄ〜６４Ｄとして、第１受光部６１Ｄと、第２受光部６２Ｄと、第３受光部６３Ｄと、第４受光部６４Ｄと、を備える。
第１受光部６１Ｄは、第１合成部８１Ｄを介した位相が０度の光を受光する。第２受光部６２Ｄは、第２合成部８２Ｄを介した位相が９０度の光を受光する。第３受光部６３Ｄは、第３合成部８３Ｄを介した位相が１８０度の光を受光する。第４受光部６４Ｄは、第４合成部８４Ｄを介した位相が２７０度の光を受光する。
【００８５】
第１反射手段４および第２反射手段５（図１参照）を介した第１光１０および第２光２０は、重なるようにして複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄ全体に照射される。複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄ全体に照射された光は、それぞれの位相の干渉光として同時に複数の受光部６１Ｄ〜６４Ｄのそれぞれに照射される。複数の受光部６１Ｄ〜６４Ｄは、照射された干渉光から、それぞれに対応する位相の信号として４相信号を検出する。演算手段９は、４相信号から測定対象の回動方向と、回動による角度の変化量を演算することができる。したがって、光学式角度センサ１Ｄは、複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄおよび複数の受光部６１Ｄ〜６４Ｄを備えない場合と比較して、高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出することができる。
【００８６】
合成手段８Ｄの複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄは、図６（Ｂ）に示すように、複数の格子８０Ｄの周期をｐとし、整数をｎとし、オフセットをｋとした場合に、Ｙ方向に並設された複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄは、互いに式（１）のような関係で配置されている。
【００８７】
ｋ１＝ｎ×ｐ＋ｐ÷８  ・・・（１）
【００８８】
具体的には、第２合成部８２Ｄは、第１合成部８１Ｄに対し、式（１）で求められるｋ１の値だけオフセットされて配置されている。第３合成部８３Ｄは、第１合成部８１Ｄに対し、ｐ÷４にて求められるｋ２の値だけＹ方向にオフセットされて配置されている。第４合成部８４Ｄは、第３合成部８３Ｄに対し、式（１）で求められるｋ１の値だけオフセットされて配置されている。したがって、複数の受光部６１Ｄ〜６４Ｄは、複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄからそれぞれ位相の異なる干渉光を受光することができる。
【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。
（１０）光学式角度センサ１Ｄは、複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄにより複数の合成光を生成し、４相信号を検出することができる。したがって、光学式角度センサ１Ｄは、４相信号を用いて高精度に測定対象の回動により角度の変位を検出することができる。
【００９０】
〔第６実施形態〕
以下、本発明の第６実施形態を図７と図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。
【００９１】
図７は、第６実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図であり、図８は、前記光学式角度センサを示すブロック図である。
前記第１実施形態から前記第５実施形態では、分割手段７および合成手段８，８Ａ〜８Ｄは、１枚の透過型回折格子３に併設されていた。
本実施形態では、図７および図８に示すように、光学式角度センサ１Ｅにおける分割手段７Ｅおよび合成手段８Ｅは、ビームスプリッタ３Ｅであり、分割手段７Ｅおよび合成手段８Ｅは、１個のビームスプリッタ３Ｅである点で、前記第１実施形態から前記第５実施形態と異なる。
【００９２】
ビームスプリッタ３Ｅは、光源２からの光を第１光１０および第２光２０の２つの光に分割する分割手段７Ｅと、第１光１０および第２光２０を合成する合成手段８Ｅと、を備えるプレート型の光学部品である。
第１反射手段４は、ビームスプリッタ３Ｅにより分割された第１光１０をビームスプリッタ３Ｅの合成手段８Ｅに向かって反射する。第２反射手段５は、ビームスプリッタ３Ｅにより分割された第２光２０をビームスプリッタ３Ｅの合成手段８Ｅに向かって反射する。
合成手段８Ｅは、第１光１０および第２光２０を合成した合成光を受光手段６に照射する。受光手段６は、合成手段８Ｅによる合成光から信号を検出し、演算手段９は、その信号から測定対象の回動による角度変位を演算する。
【００９３】
この際、前記第１実施形態と同様に、第１反射手段４および第２反射手段５の回動軸は、測定対象の回動軸と一致している、あるいは、測定対象の回動軸からＹ方向にずれた位置に配置されていることが好ましい。そして、光学式角度センサ１Ｅにおいて、第１反射手段４および第２反射手段５は、測定対象の測定範囲内において、分割手段７Ｅにおける光源２からの光の分割点Ｐ１から第１反射手段４を介して合成手段８Ｅに到達するまでの第１光１０の光路長と、分割手段７Ｅにおける光源２からの光の分割点Ｐ１から第２反射手段を介して合成手段８Ｅに到達するまでの第２光２０の光路長と、が同じ長さとなる角度を有する。
なお、図７では、測定対象の回動により変化する第１反射手段４および第２反射手段５の位置を破線にて表している。
【００９４】
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）〜（５）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。
（１１）光学式角度センサ１Ｅは、分割手段７Ｅおよび合成手段８Ｅをビームスプリッタ３Ｅとすることで、例えば第１実施形態における透過型回折格子３の複数の格子７０，８０による複数の回折光が生じないため、透過型回折格子３と比較して、分割または合成される光にロスが生じにくい。したがって、光学式角度センサ１Ｅは、分割手段７Ｅおよび合成手段８Ｅに透過型回折格子３を用いる場合と比較して、ロスが少ない光を用いた高感度の信号から高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出することができる。
【００９５】
（１２）光学式角度センサ１Ｅは、分割手段７Ｅおよび合成手段８Ｅが例えば第１実施形態における透過型回折格子３である場合の複数の格子７０，８０を形成する必要がなく、さらに１個のビームスプリッタ３Ｅにて光源２からの光を分割し、合成することができるため、光のロスを低減して高感度の信号から高精度に測定対象の回動による角度の変化量を検出するとともに、光学式角度センサ１Ｅにおける部品点数を減らし、コスト削減を図ることができる。
【００９６】
〔第７実施形態〕
以下、本発明の第７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。
【００９７】
図９は、第７実施形態に係る光学式角度センサを示す概図である。
前記第６実施形態では、受光手段６Ｅは、合成手段８Ｅを介した合成光を受光していた。
本実施形態では、光学式角度センサ１Ｆにおける分割手段７Ｆは、偏光ビームスプリッタ３Ｆであり、合成手段８Ｅによる合成光を第１分割光１１Ｆと第２分割光２１Ｆとに分割する分割ビームスプリッタ３０Ｆと、分割ビームスプリッタ３０Ｆにより分割された第１分割光１１Ｆと第２分割光２１Ｆとの光路上に配置される第１の１／４波長板４５ａと、第１の１／４波長板４５ａを介した第２分割光２１Ｆの光路上に配置される第２の１／４波長板４５ｂと、第１の１／４波長板４５ａを介した第１分割光１１Ｆを第１偏光１２Ｆと第２偏光１３Ｆとに分割する第１分割光偏光ビームスプリッタ３１Ｆと、第２の１／４波長板４５ｂを介した第２分割光２１Ｆを第３偏光２２と第４偏光２３Ｆとに分割する第２分割光偏光ビームスプリッタ３２Ｆと、第１偏光１２から位相が０度の光を受光する第１受光部６１Ｆと、第２偏光１３Ｆから位相が１８０度の光を受光する第２受光部６２Ｆと、第３偏光２２Ｆから位相が９０度の光を受光する第３受光部６３Ｆと、第４偏光２３Ｆから位相が２７０度の光を受光する第４受光部６４Ｆと、を備える点で前記第６実施形態と異なる。
【００９８】
偏光ビームスプリッタ３Ｆである分割手段７Ｆは、光源２からの光を、Ｓランダム偏光の光であるＳ偏光と、Ｐランダム偏光の光であるＰ偏光と、の２つの偏光成分に分離するプレート型の光学部品である。偏光ビームスプリッタ３Ｆは、Ｓ偏光である第１光１０Ｆを反射し、Ｐ偏光である第２光２０Ｆを透過する。本実施形態では、Ｓ偏光を第１光１０Ｆとし、Ｐ偏光を第２光２０Ｆとして説明する。
ビームスプリッタ３０Ｆは非偏光ビームスプリッタである。第１分割光偏光ビームスプリッタ３１Ｆおよび第２分割光偏光ビームスプリッタ３２Ｆは偏光ビームスプリッタである。
非偏光ビームスプリッタであるビームスプリッタ３０Ｆは、合成手段８Ｆから照射される合成光をＳ偏光とＰ偏光には分割せず、平均して非偏光の光を分割するのと同様に、分割手段７Ｆを介した合成手段８Ｆからの合成光を第１分割光１１Ｆと第２分割光２１Ｆとに分割する。
【００９９】
第１分割光１１Ｆは、第１の１／４波長板４５ａを介することで第１分割光１１Ｆとは９０度位相がずれた光となり第１分割光偏光ビームスプリッタ３１Ｆに照射される。第１分割光偏光ビームスプリッタ３１Ｆに照射された第１分割光１１Ｆは、Ｓ偏光である第１偏光１２Ｆと、Ｐ偏光である第２偏光１３Ｆと、に偏光されるとともに分割される。そして、第１受光部６１Ｆは、第１偏光１２Ｆを受光して位相が０度の光である干渉光を受光し、第２受光部６２Ｆは、第２偏光１３Ｆを受光して位相が１８０度の光である干渉光を受光する。
【０１００】
第２分割光２１Ｆは、第１の１／４波長板４５ａおよび第２の１／４波長板４５ｂを介することで第２分割光２１Ｆとは１８０度位相がずれた光となり第２分割光偏光ビームスプリッタ３２Ｆに照射される。第２分割光偏光ビームスプリッタ３２Ｆに照射された第２分割光２１Ｆは、Ｓ偏光である第３偏光２２Ｆと、Ｐ偏光である第４偏光２３Ｆと、に偏光されるとともに分割される。そして、第３受光部６３Ｆは、第３偏光２２Ｆを受光して位相が９０度の光である干渉光を受光し、第４受光部６４Ｆは、第４偏光２３Ｆを受光して位相が２７０度の光である干渉光を受光する。これにより、演算手段９（図８参照）は、複数の受光部６１Ｆ〜６４Ｆから４相信号を取得することができる。演算手段９は、この４相信号を演算することにより、測定対象の回動の方向と、測定対象の回動による角度の変化量を演算し検出する。なお、図９では、測定対象の回動により変化する第１反射手段４および第２反射手段５の位置を破線にて表している。
【０１０１】
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）〜（５）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。
（１３）分割手段７Ｆは、偏光ビームスプリッタ３Ｆであり、複数の受光部６１Ｆ〜６４Ｆとして、第１偏光１２Ｆから位相が０度の光を受光する第１受光部６１Ｆと、第２偏光１３Ｆから位相が１８０度の光を受光する第２受光部６２Ｆと、第３偏光２２Ｆから位相が９０度の光を受光する第３受光部６３Ｆと、第４偏光２３Ｆから位相が２７０度の光を受光する第４受光部６４Ｆと、を備えるため、受光手段６Ｆは、合成光から４相信号を検出することができる。したがって、光学式角度センサ１Ｆは、例えば第５実施形態におけるビームスプリッタ３Ｅを用いた場合であっても、４相信号を用いて高精度に測定対象の回動による角度の変位を検出することができる。
【０１０２】
〔第８実施形態〕
以下、本発明の第８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。
【０１０３】
図１０は、第８実施形態に係る光学式角度センサを示す概図である。
前記第７実施形態では、光学式角度センサ１Ｆにおける分割手段７Ｆは、偏光ビームスプリッタ３Ｆであった。
本実施形態では、図１０に示すように、分割手段７は、前記第１実施形態の分割手段７と同様に複数の格子７０を有する回折格子であり、光学式角度センサ１Ｇは、第１反射手段４を介する第１光１０Ｇの光路上に配置される１／４波長板４０Ｇを備える点で前記第７実施形態と異なる。
光学式角度センサ１Ｇは、１／４波長板４０Ｇを備えることで、前記第７実施形態における受光手段６Ｆを用いて４相信号を検出し、４相信号より測定対象の回動による角度の変位を検出することができる。
なお、図１０では、測定対象の回動により変化する第１反射手段４および第２反射手段５の位置を破線にて表している。
【０１０４】
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。
（１４）分割手段７は、複数の格子７０を有する回折格子であり、光学式角度センサ１Ｇは、第１反射手段４を介する第１光１０Ｇの光路上に配置される１／４波長板４０Ｇを備え、受光手段６Ｆは、複数の受光部６１Ｆ〜６４Ｆとして、第１偏光１２Ｆから位相が０度の光を受光する第１受光部６１Ｆと、第２偏光１３Ｆから位相が１８０度の光を受光する第２受光部６２Ｆと、第３偏光２２Ｆから位相が９０度の光を受光する第３受光部６３Ｆと、第４偏光２３Ｆから位相が２７０度の光を受光する第４受光部６４Ｆと、を備えるため、受光手段６Ｆは、合成光から４相信号を検出することができる。したがって、光学式角度センサ１Ｇは、第７実施形態と同様の受光手段６Ｆを用いて、４相信号から高精度に測定対象の回動による角度の変位を検出することができる。
【０１０５】
〔第９実施形態〕
以下、本発明の第９実施形態を図１１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。
【０１０６】
図１１は、第９実施形態に係る光学式角度センサを示す概図である。
前記第７実施形態では、分割手段７Ｆは、偏光ビームスプリッタ３Ｆであり、光学式角度センサ１Ｆは、分割ビームスプリッタ３０Ｆと、第１の１／４波長板４５ａと、第２の１／４波長板４５ｂと、第１分割光偏光ビームスプリッタ３１Ｆと、第２分割光偏光ビームスプリッタ３２Ｆと、複数の受光部６１Ｆ〜６４Ｆと、を備えていた。
【０１０７】
本実施形態では、図１１に示すように、光学式角度センサ１Ｈは、合成手段８Ｆによる合成光を複数の回折光とする複数の格子３１１Ｈが並設される照射面３０Ｈを有する第１回折格子部３１Ｈと、第１回折格子部３１Ｈの複数の格子３１１Ｈが並設される方向と照射面３０Ｈにおいて直交する方向に並設される複数の格子３２２Ｈを有し、第１回折格子部３１Ｈによる複数の回折光をさらに複数の回折光とする第２回折格子部３２Ｈと、第２回折格子部３２Ｈによる複数の回折光の光路上に配置され、複数の回折光をそれぞれ位相の異なる複数の偏光にする複数の偏光子４６ａ〜４６ｄと、を備え、受光手段６Ｈは、複数の偏光子４６ａ〜４６ｄのそれぞれに対応する複数の受光部６１Ｈ〜６４Ｈを備え、演算手段９（図８参照）は、複数の受光部６１Ｈ〜６４Ｈが受光した光に基づくそれぞれ位相の異なる複数の信号から測定対象の回動の方向および測定対象の回動による角度の変化量を演算する点で前記第７実施形態と異なる。
【０１０８】
回折格子である第１回折格子部３１Ｈおよび第２回折格子部３２Ｈは、合成手段８Ｆから照射される合成光をＳ偏光とＰ偏光には分割せず、平均して非偏光の光を分割するのと同様に、４つの回折光に分割する。
複数の偏光子４６ａ〜４６ｄは、偏光レンズであり、第１偏光子４６ａと、第２偏光子４６ｂと、第３偏光子４６ｃと、第４偏光子４６ｄと、を備える。なお、複数の偏光子４６ａ〜４６ｄは、入射した光を偏光することができればよく、どのようなものを用いて偏光してもよい。
【０１０９】
受光手段６Ｈは、複数の偏光子４６ａ〜４６ｄに対向して同一面上に設けられている。また、受光手段６Ｈは、複数の受光部６１Ｈ〜６４Ｈとして、第１受光部６１Ｈと、第２受光部６２Ｈと、第３受光部６３Ｈと、第４受光部６４Ｈと、を備える。
第１回折格子部３１Ｈおよび第２回折格子部３２Ｈにより分割された複数の光は、複数の偏光子４６ａ〜４６ｄを透過すると、それぞれ位相の異なる偏光となる。
第１受光部６１Ｈは、第１偏光子４６ａを介した位相が０度の光を受光する。第２受光部６２Ｈは、第２偏光子４６ｂを介した位相が９０度の光を受光する。第３受光部６３Ｈは、第３偏光子４６ｃを介した位相が１８０度の光を受光する。第４受光部６４Ｈは、第４偏光子４６ｄを介した位相が２７０度の光を受光する。
【０１１０】
これにより、演算手段９は、複数の受光部６１Ｈ〜６４Ｈから４相信号を取得することができる。演算手段９は、この４相信号を演算することにより、測定対象の回動の方向と、測定対象の回動による角度の変化量を演算し検出する。
また、複数の受光部６１Ｈ〜６４Ｈは、複数の偏光子４６ａ〜４６ｄに対向する同一面上に設けられているため、モジュール化することができる。このため、光学式角度センサ１Ｈは、前記第７実施形態のように光が照射される位置ごとに複数の受光部６１Ｆ〜６４Ｆを備える必要がないため、コスト削減を図るとともに省スペース化を図ることができる。
なお、図１１では、測定対象の回動により変化する第１反射手段４および第２反射手段５の位置を破線にて表している。
【０１１１】
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）〜（５）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。
（１５）光学式角度センサ１Ｈは、第１回折格子３１Ｈおよび第２回折格子３２Ｈにより回折された複数の回折格子に対応する複数の偏光子４６ａ〜４６ｄと、複数の偏光子４６ａ〜４６ｄのそれぞれに対応する複数の受光部６１Ｈ〜６４Ｈを備えるため、前記第７実施形態の分割ビームスプリッタ３０Ｆと、第１分割光偏光ビームスプリッタ３１Ｆと、第２分割光偏光ビームスプリッタ３２Ｆと、を備える場合と比較して、これらの光学部品を用いなくとも４相信号を取得することができる。したがって、光学式角度センサ１Ｈは、光学式角度センサ１Ｆと比較して、高精度化を図りつつ省スペース化やコスト削減を図ることができる。
（１６）受光手段６Ｈは、複数の偏光子４６ａ〜４６ｄに対向して同一面上に設けられるとともに、複数の偏光子４６ａ〜４６ｄのそれぞれに対応する複数の受光部６１Ｈ〜６４Ｈを備えるため、複数の受光部６１Ｈ〜６４Ｈをモジュール化することで小型化をすることができる。
【０１１２】
〔第１０実施形態〕
以下、本発明の第１０実施形態を図１２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。
【０１１３】
図１２は、第１０実施形態に係る光学式角度センサを示す概図である。
前記第９実施形態では、光学式角度センサ１Ｈにおける分割手段７Ｆは、偏光ビームスプリッタ３Ｆであった。本実施形態では、図１２に示すように、分割手段７は、前記第１実施形態の分割手段７と同様に複数の格子７０を有する回折格子であり、光学式角度センサ１Ｉは、第１反射手段４を介する第１光１０Ｇの光路上に配置される１／４波長板４０Ｇを備える点で前記第９実施形態と異なる。
光学式角度センサ１Ｇは、１／４波長板４０Ｇを備えることで、前記第９実施形態における受光手段６Ｈを用いて４相信号を検出し、４相信号より測定対象の回動による角度の変位を検出することができる。
なお、図１２では、測定対象の回動により変化する第１反射手段４および第２反射手段５の位置を破線にて表している。
【０１１４】
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。
（１７）分割手段７は、複数の格子７０を有する回折格子であり、光学式角度センサ１Ｉは、第１反射手段４を介する第１光１０Ｇの光路上に配置される１／４波長板４０Ｇを備え、第１回折格子３１Ｈおよび第２回折格子３２Ｈにより回折された複数の回折格子に対応する複数の偏光子４６ａ〜４６ｄと、複数の偏光子４６ａ〜４６ｄのそれぞれに対応する複数の受光部６１Ｈ〜６４Ｈを備えるため、分割手段７が複数の格子７０を備えていても、前記第８実施形態の分割ビームスプリッタ３０Ｆと、第１分割光偏光ビームスプリッタ３１Ｆと、第２分割光偏光ビームスプリッタ３２Ｆと、を備える場合と比較して、これらの光学部品を用いなくとも４相信号を取得することができる。したがって、光学式角度センサ１Ｉは、光学式角度センサ１Ｇと比較して、高精度化を図りつつ省スペース化やコスト削減を図ることができる。
【０１１５】
〔第１１実施形態〕
以下、本発明の第１１実施形態を図１３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。
【０１１６】
図１３は、第１１実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図である。
前記第６実施形態と、前記第７実施形態と、前記第９実施形態とでは、第１反射手段４および第２反射手段５はビームスプリッタ３Ｅ，３Ｆの分割手段７Ｅ，７Ｆからの光を合成手段８Ｅ，８Ｆに反射していた。
本実施形態では、図１３に示すように、光学式角度センサ１Ｊにおけるビームスプリッタ３Ｊの分割手段７Ｊによる第１光１０を第１反射手段４Ｊに反射し、第１反射手段４Ｊからの光を合成手段８Ｊに向かって反射する第１反射部４７ａと、分割手段７Ｊによる第２光２０を第２反射手段５Ｊに反射し、第２反射手段５Ｊからの光を合成手段８Ｊに向かって反射する第２反射部４７ｂと、を備える点で、前記第６実施形態と、前記第７実施形態と、前記第９実施形態と異なる。
第１反射部４７ａおよび第２反射部４７ｂは、ミラーである。なお、第１反射部４７ａおよび第２反射部４７ｂは、ミラーでなくてもよく、第１光１０および第２光２０を反射することができればどのようなものでもよい。
なお、図１３では、測定対象の回動により変化する第１反射手段４Ｊおよび第２反射手段５Ｊの位置を破線にて表している。
【０１１７】
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）〜（５）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。
（１８）光学式角度センサ１Ｊは、第１反射部４７ａと第２反射部４７ｂとを備えることで分割手段７Ｊから第１反射手段４Ｊおよび第２反射手段５Ｊまでの第１光１０および第２光２０の光路を短縮し、第１反射手段４Ｊおよび第２反射手段５Ｊから合成手段８Ｊまでの第１光１０および第２光２０の光路を短縮するため、分割手段７Ｊまたは合成手段８Ｊに対する第１反射手段４Ｊおよび第２反射手段５Ｊの配置を自由に設計することができる。
（１９）光学式角度センサ１Ｊは、第１反射部４７ａおよび第２反射部４７ｂにより分割手段７Ｊから合成手段８Ｊまでの光路を形成する構成要素を小型化することができる。
【０１１８】
〔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〜１Ｊ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。
【０１１９】
前記各実施形態では、光学式角度センサ１，１Ａ〜１Ｊは、±１次回折光から角度の変化量を検出していたが、光学式角度センサがどの光に基づき角度の変化量を検出するかについては設計事項である。
前記各実施形態では、第１反射手段４，４Ａ，４Ｊおよび第２反射手段５，５Ａ，５Ｊはプリズムであったが、プリズムではなく、光を反射する性質を持つ３枚の平面の板を互いに直角に組み合わせて略立方体状にしたコーナーキューブであってもよい。要するに、第１反射手段および第２反射手段は、分割手段により分割された光をその光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射することができればよい。
【０１２０】
図１４は、変形例に係る光学式角度センサを示す概略図である。
前記各実施形態では、光源２と、透過型回折格子３またはビームスプリッタ３Ｅ，３Ｆ，３Ｊと、第１反射手段４，４Ａ，４Ｊと、第２反射手段５，５Ａ，５Ｊと、受光手段６，６Ｂ〜６Ｄ，６Ｆ，６Ｈとは、光学式角度センサ１，１Ａ〜１Ｊにおいて、同じ高さになるように配置されていた。本変形例における光学式角度センサ１Ｋは、図１４に示すように、光源２Ｋは透過型回折格子３に向かって上方（紙面上方向）から光を照射し、受光手段６Ｋは、第１反射手段４および第２反射手段５（図１参照）を反射した光を下方（紙面下方向）から受光し、光源２Ｋおよび受光手段６Ｋは、同じ高さになるように配置されていない点で前記各実施形態と異なる。すなわち、受光手段は、分割手段にて分割され、第１反射手段と第２反射手段とを反射し、合成手段にて合成された第１光および第２光の合成光を受光することができればよく、どのような高さに配置されていてもよい。光源や受光手段は、例えばＹ方向からみた状態において、Ｘ方向にそれぞれずれて配置されていてもよい。
【０１２１】
前記第１実施形態から前記第５実施形態では、分割手段７および合成手段８，８Ｂ〜８Ｄは、１枚の透過型回折格子３に併設されていたが、分割手段および合成手段は、１枚の透過型回折格子に併設されていなくてもよく、それぞれ個別の透過型回折格子として設けられていてもよい。
前記第１実施形態では、第１反射手段４および第２反射手段５は、第１反射手段４または第２反射手段５の回動軸であるＸ軸と、光源２からの光の光軸と平行な軸ＡＸと、のそれぞれの軸に対して互いに線対称となる位置に配置されていたが、第１反射手段および第２反射手段は線対称にて配置されていなくてもよく、前記第２実施形態のように、非対称に配置されていてもよい。
【０１２２】
前記第１実施形態では、第１反射手段４および第２反射手段５は、回動軸にて回動する測定対象に取付けられ、測定対象の回動にともなって同期して回動していたが、前記第２実施形態のように、第１反射手段４Ａのみが測定対象に取付けられていてもよい。また、前記第２実施形態では、第１反射手段４Ａのみが測定対象に取付けられていたが、第１反射手段４Ａではなく第２反射手段５Ａのみが測定対象に取付けられていてもよい。要するに、第１反射手段と第２反射手段との少なくとも一方は、回動軸にて回動する測定対象に取付けられて、測定対象の回動にともなって同期して回動すればよい。
【０１２３】
前記第１実施形態から第４実施形態では、透過型回折格子３における複数の格子７０，８０は、光源２と対向して設けられていたが、透過型回折格子において光源と対向している面とは反対側の面に複数の格子が設けられていてもよい。また、複数の格子７０，８０は、透過型回折格子の全長にわたって設けられていたが、光源からの光を分割することができ、第１反射手段と第２反射手段とを介した第１光と第２光を合成することができれば、一部にのみ設けられていてもよい。
【０１２４】
前記各実施形態では、測定対象の回動軸と第１反射手段４，４Ａ，４Ｊおよび第２反射手段５，５Ａ，５Ｊの回動軸とは一致するように構成されていたが、測定対象の回動軸と第１反射手段および第２反射手段の回動軸は、一致していなくてもよい。
前記第６実施形態と、前記第７実施形態と、前記第９実施形態と、前記第１１実施形態とでは、ビームスプリッタ３Ｅ，３Ｆ，３Ｊはプレート型であったが、光源２からの光を偏光し分割することができればどのようなものであってもよく、例えばキューブ型であってもよい。
前記第１１実施形態では、第１反射部４７ａおよび第２反射部４７ｂはビームスプリッタ３Ｊからの光を反射し、第１反射手段４Ｊと第２反射手段５Ｊからの光をビームスプリッタ３Ｊに反射していたが、第１反射部および第２反射部は、ビームスプリッタではなく、分割手段７および合成手段８を備えた前記第１実施形態から前記第５実施形態の透過型回折格子３に光を反射してもよい。
【０１２５】
前記第５実施形態では、複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄと、複数の受光部６１Ｄ〜６４Ｄはそれぞれ４つずつ設けられていたが、４つではなく、２つずつでもよいし４つ以上それぞれ設けられていてもよい。また、複数の合成部８１Ｄ〜８４Ｄの複数の格子８０Ｄは傾斜を有していなかったが、前記第４実施形態のように、複数の合成部の複数の格子は、所定の角度に傾斜した複数の傾斜格子であってもよい。
【０１２６】
前記第１実施形態から前記第５実施形態と、前記第８実施形態と、前記第１０実施形態とでは、分割手段７および合成手段８，８Ｂ〜８Ｄは透過型回折格子３であり、前記第６実施形態と、前記第７実施形態と、前記第９実施形態と、前記第１１実施形態とでは、分割手段７Ｅ，７Ｆ，７Ｊおよび合成手段８Ｅ，８Ｆ，８Ｊはビームスプリッタ３Ｅ，３Ｊまたは偏光ビームスプリッタ３Ｆであったが、透過型回折格子の分割手段とビームスプリッタの合成手段とを組み合わせてもよいし、ビームスプリッタの分割手段と透過型回折格子の合成手段とを組み合わせてもよい。さらに、前記第４実施形態の傾斜回折格子と前記第５実施形態の複数の合成部とを組み合わせて複数の傾斜格子を有する複数の合成部から干渉光を読み取り、測定対象の角度を検出してもよい。
【０１２７】
要するに、分割手段は、光源からの光が照射される分割面を有し、分割手段と合成手段との少なくとも一方は、分割面において第１反射手段または第２反射手段の回動軸と直交する方向に沿って並設される複数の格子を有する透過型回折格子であればよく、分割手段と合成手段との少なくとも一方は、ビームスプリッタであればよい。
【０１２８】
前記第８実施形態および前記第１０実施形態における１／４波長板４０Ｇは、第１反射手段４を介する第１光１０Ｇの光路上に配置されていたが、第１光の光路上ではなく、第２反射手段５を介する第２光の光路上に配置されていてもよい。要するに、分割手段が回折格子である場合、１／４波長板は、第１反射手段を介する第１光または第２反射手段を介する第２光の光路上に配置されていればどちらに配置されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
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】
【０１３０】
１，１Ａ〜１Ｋ                          光学式角度センサ
２，２Ｋ                                光源
３                                      透過型回折格子
３Ｅ，３Ｆ，３Ｊ                        ビームスプリッタ
４，４Ａ，４Ｊ                          第１反射手段
５，５Ａ，５Ｊ                          第２反射手段
６，６Ｂ〜６Ｄ，６Ｆ，６Ｈ，６Ｋ        受光手段
７，７Ｅ，７Ｆ，７Ｊ                    分割手段
８，８Ｂ〜８Ｆ，６Ｊ                    合成手段
９                                      演算手段
１０，１０Ｆ                            第１光
２０，２０Ｆ                            第２光
４７ａ                第１反射部
４７ｂ                第２反射部
Ｐ１                  分割点
【図１】
2020046311.tif 000003
【図２】
2020046311.tif 000004
【図３】
2020046311.tif 000005
【図４】
2020046311.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2020046311.tif 000009
【図８】
2020046311.tif 000010
【図９】
2020046311.tif 000011
【図１０】
2020046311.tif 000012
【図１１】
2020046311.tif 000013
【図１２】
2020046311.tif 000014
【図１３】
2020046311.tif 000015
【図１４】
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