(57)【要約】【課題】環境の変化により光源波長が変化したとしても、受光手段に照射される合成光のオーバーラップ量を安定させつつ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の提供。【解決手段】光学式角度センサ１は、回折手段２と光源３と受光手段４と複数の反射手段５と演算手段６とを備える。回折手段２は、合成光を生成する第１回折部２１と第１光と第２光とを複数回回折する第２回折部２２とを備える。複数の反射手段５は、第１反射手段５１と第２反射手段５２と、第２回折部２２を介した第１光と第２光とを第２回折部２２に向かって反射する第３反射手段と、第４反射手段と第５反射手段とを備える。演算手段６は、回折手段２の回動にともない、受光面４０に生じる合成光による干渉信号の変化に基づき角度の変化量を演算する。【選択図】図１
2020197452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定方向に沿って所定の周期で配置される回折格子を有する回折手段と、前記回折手段に向かって光を照射する光源と、前記回折手段を介した光を受光する受光手段と、前記受光手段が受光した光に基づき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、を備える光学式角度センサであって、
前記光源から照射され、前記回折手段を介した光を前記回折手段に向かって反射する複数の反射手段を備え、
前記回折手段は、
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し、
前記光源からの光を第１光と前記第１光とは異なる第２光とに分割して回折し、前記複数の反射手段を介した前記第１光と前記第２光とを回折して合成し前記受光手段にて受光される合成光とする第１回折部と、
前記複数の反射手段を介した前記第１光と前記第２光とを前記複数の反射手段に回折して出射し、出射したときとは逆方向に入射する前記複数の反射手段を反射した前記第１光と前記第２光とを前記複数の反射手段に回折して出射する第２回折部と、を備え、
前記複数の反射手段は、
前記第１回折部にて分割され回折された第１光を該第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に前記第２回折部に向かって反射する第１反射手段と、
前記第１回折部にて分割され回折された第２光を該第２光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に前記第２回折部に向かって反射する第２反射手段と、
前記第２回折部を介した前記第１光と前記第２光とを前記第２回折部に向かって反射する第３反射手段と、
前記第２回折部にて回折された第１光を該第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に前記第１回折部に向かって反射する第４反射手段と、
前記第２回折部にて回折された第２光を該第２光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に前記第１回折部に向かって反射する第５反射手段と、を備え、
前記受光手段は、前記合成光が照射される受光面を備え、
前記演算手段は、前記回折手段の回動にともない、前記受光面に生じる前記合成光による干渉信号の変化に基づき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反射手段および前記第４反射手段と、前記第２反射手段および前記第５反射手段と、はそれぞれ同一部材であ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、
前記第３反射手段は、前記第１光と前記第２光とを前記第２回折部に向かって反射する単一の部材であ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、
前記複数の反射手段は、
前記光源からの光を前記第１回折部に向かって反射し、前記合成光を前記受光手段に向かって反射する第６反射手段をさらに備え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、
前記第３反射手段は、プリズム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、
前記第１反射手段と前記第２反射手段とは、
前記第１回折部における前記光源からの光の分割点から前記第１反射手段と前記第３反射手段と前記第４反射手段とを介して前記第１回折部における前記合成光を生成する合成点に到達するまでの第１光の光路長と、前記第１回折部における前記光源からの光の分割点から前記第２反射手段と前記第３反射手段と前記第５反射手段とを介して前記第１回折部における前記合成光を生成する合成点に到達するまでの第２光の光路長との差が、光源におけるコヒーレント長の範囲内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７】
請求項１から請求項６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反射手段を介する第１光と前記第２反射手段を介する第２光と前記第４反射手段を介する第１光と前記第５反射手段を介する第２光とのいずれか一つ、または、複数の光路上に配置される第１の１／４波長板を備え、
前記合成光を第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２の１／４波長板と、前記第２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分割光の光路上に配置される第３の１／４波長板と、前記第３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、を備え、
前記受光手段は、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、
前記演算手段は、前記第１受光部と前記第２受光部と前記第３受光部と前記第４受光部とが受光したそれぞれ位相の異なる複数の光に基づいて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８】
請求項１から請求項６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反射手段を介する第１光と前記第２反射手段を介する第２光と前記第４反射手段を介する第１光と前記第５反射手段を介する第２光とのいずれか一つ、または、複数の光路上に配置される１／４波長板を備え、
前記合成光が照射される照射面と、前記合成光を複数の回折光とする所定の方向に沿って設けられる回折格子と、を有する第２回折手段と、
前記照射面において前記第２回折手段の回折格子が設けられる前記所定の方向と直交する方向に沿って設けられる回折格子を有し、前記第２回折手段による複数の回折光をさらに複数の回折光とする第３回折手段と、
前記第３回折手段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それぞれ位相の異なる複数の光に基づいて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。
【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。したがって、２次元角度センサは、ノイズを抑制するために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信号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本のレーザビームの光路長の差が変化し、干渉光（合成光）の明暗、すなわち、干渉信号の強度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、干渉信号の強度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による角度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に検出をするため、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。なお、回転角度検出用偏光ビームスプリッタが回折格子であっても同様の効果が得られる。
【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】
ここで、光学式角度センサにおける光源から照射される光の波長（以降、光源波長と呼ぶことがある。）は、温度や湿度などの環境の変化にともなって変化することがある。そして、特許文献２に記載のレーザ干渉計では、２個のコーナーキューブを回動させることにより生じる２本のレーザビームの光路長の差に基づき角度の変化量を検出している。
具体的には、受光信号処理部は、２本のレーザビームの光路長の差により変化する干渉信号から位相の変化を検出し、この位相の変化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る。干渉信号から検出される位相は、光源波長が基準となっている。このため、光源波長が変化すると、その変化にともない位相も変化してしまうこととなる。
したがって、レーザ干渉計（光学式角度センサ）は、環境の変化にともない光源波長が変化すると、２本のレーザビームにおける光路長の差の変化に基づく干渉信号の変化から角度の変化量を正確に検出することができず、検出誤差を生じてしまうことがある。
また、光源波長が変化すると、次のような問題も生じる。
【０００９】
図１０は、従来の光学式角度センサ１００を示す図である。具体的には、図１０（Ａ）は、光源波長が６６０ｎｍのときに光学式角度センサ１００にて観測される光の光路であり、図１０（Ｂ）は、光源波長が６３０ｎｍのときに光学式角度センサ１００にて観測される光の光路であり、図１０（Ｃ）は、光源波長が６９０ｎｍのときに光学式角度センサ１００にて観測される光の光路である。なお、図１０では、光の光路を実線矢印にて記載する。
【００１０】
図１０（Ａ）に示すように、光学式角度センサ１００は、回折格子２００と、光源３００と、回折格子２００を介した光源３００からの光を受光する受光手段４００と、２個のコーナーキューブ５００と、を備える。
光源波長が６６０ｎｍのとき、光源３００から照射され回折格子２００にて分割された２本の光は、回折角度θで回折する。そして、２本の光は、２個のコーナーキューブ５００を介し、再び回折格子２００に照射され、回折格子２００により回折されて２本の光がオーバーラップした１本の合成光として受光手段４００に照射される。
【００１１】
そして、光源波長が変化すると、図１０（Ｂ），（Ｃ）に示すように、光学式角度センサ１００における実線矢印で示す光の光路も変化する。
具体的には、図１０（Ｂ）に示すように、光源波長が６３０ｎｍのとき、光源３００から照射され回折格子２００にて分割された２本の光は、図１０（Ａ）に示す光源波長が６６０ｎｍのときの回折角度θと比較して小さい回折角度θ１で回折する。回折角度θ１で回折した２本の光は、２個のコーナーキューブ５００を介し、互いにオフセットされ距離Ｓ１を有した状態で受光手段４００に照射される。
また、図１０（Ｃ）に示すように、光源波長が６９０ｎｍのとき、光源３００から照射され回折格子２００にて分割された２本の光は、図１０（Ａ）に示す光源波長が６６０ｎｍのときの回折角度θと比較して大きい回折角度θ２で回折する。回折角度θ２で回折した２本の光は、２個のコーナーキューブ５００を介し、互いにオフセットされ距離Ｓ２を有した状態で受光手段４００に照射される。
【００１２】
この際、図１０（Ｂ），（Ｃ）における受光手段４００に照射される合成光は、２本の光のオーバーラップ量が図１０（Ａ）に示す光源波長が６６０ｎｍのときと比較して小さくなる。すなわち、図１０（Ｂ），（Ｃ）に示す光源波長が６３０ｎｍ，６９０ｎｍのときの光学式角度センサ１００は、図１０（Ａ）に示す光源波長が６６０ｎｍのときの光学式角度センサ１００と比較して、受光手段４００に生成される干渉光が少ないため、取得できる干渉信号の振幅が減衰する。したがって、環境の変化により光源波長が変化すると、受光手段４００に照射される合成光のオーバーラップ量が変化するため、安定した検出をすることができないという問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、環境の変化により光源波長が変化したとしても、受光手段に照射される合成光のオーバーラップ量を安定させつつ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】
【００１４】
本発明の光学式角度センサは、測定方向に沿って所定の周期で配置される回折格子を有する回折手段と、回折手段に向かって光を照射する光源と、回折手段を介した光を受光する受光手段と、受光手段が受光した光に基づき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、を備える。光学式角度センサは、光源から照射され、回折手段を介した光を回折手段に向かって反射する複数の反射手段を備える。回折手段は、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し、光源からの光を第１光と第１光とは異なる第２光とに分割して回折し、複数の反射手段を介した第１光と第２光とを回折して合成し受光手段にて受光される合成光とする第１回折部と、複数の反射手段を介した第１光と第２光とを複数の反射手段に回折して出射し、出射したときとは逆方向に入射する複数の反射手段を反射した第１光と第２光とを複数の反射手段に回折して出射する第２回折部と、を備える。複数の反射手段は、第１回折部にて分割され回折された第１光を第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に第２回折部に向かって反射する第１反射手段と、第１回折部にて分割され回折された第２光を第２光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に第２回折部に向かって反射する第２反射手段と、第２回折部を介した第１光と第２光とを第２回折部に向かって反射する第３反射手段と、第２回折部にて回折された第１光を第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に第１回折部に向かって反射する第４反射手段と、第２回折部にて回折された第２光を第２光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に第１回折部に向かって反射する第５反射手段と、を備える。受光手段は、合成光が照射される受光面を備える。演算手段は、回折手段の回動にともない、受光面に生じる合成光による干渉信号の変化に基づき角度の変化量を演算することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、光学式角度センサは、回折格子を有する回折手段を測定対象の回動にともなって同期させて回動させ、複数の反射手段を固定して備えている。すなわち、従来、複数の反射手段を回動させることで得られる、光源波長を基準とする２本の光の光路長の差に基づく干渉信号の変化を検出していたところ、本発明では、複数の反射手段を固定し、回折手段を回動させることで得られる回折格子の所定の周期（目盛）を基準とする干渉信号の変化を検出し、その変化から角度の変化量を検出している。回折格子の所定の周期は、環境の変化があったとしても、光源波長のように大きく変動しない。したがって、光学式角度センサは、環境の変化により光源波長が変化したとしても、回折格子の所定の周期を基準とする干渉信号の変化から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。
【００１６】
また、本発明によれば、光を入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射する第１反射手段と第２反射手段と第４反射手段と第５反射手段と、回折手段における第２回折部を介した第１光と第２光とを反射し、再び第２回折部に照射させる第３反射手段と、を備えるため、光源波長の変化により生じる回折角度の変動による回折光の進行角度の変動を相殺することができる。具体的には、第３反射手段を介することで、回折手段は、光源からの光を分割および合成する際に２回と、第２回折部にて２回と、合計４回回折することができる。光学式角度センサは、光源からの光を４回回折することで光源波長の変化による回折光の進行角度の変動を相殺している。これにより、光学式角度センサは、受光手段に照射される合成光を構成する第１光と第２光とがオフセットし、そのオーバーラップ量が減少することを抑制することができる。
したがって、光学式角度センサは、環境の変化により光源波長が変化したとしても、受光手段に照射される合成光のオーバーラップ量を安定させることができる。
【００１７】
この際、第１反射手段および第４反射手段と、第２反射手段および第５反射手段と、はそれぞれ同一部材であることが好ましい。
【００１８】
このような構成によれば、第１反射手段および第４反射手段と、第２反射手段および第５反射手段と、はそれぞれ同一部材であるため、それぞれの部材を用意し、個別に配置を調整する必要がないため、コスト削減を図るとともに、光学式角度センサの小型化を図ることができる。
【００１９】
この際、第３反射手段は、第１光と第２光とを第２回折部に向かって反射する単一の部材であることが好ましい。
【００２０】
このような構成によれば、第３反射手段は、単一の部材であるため、第１光と第２光とに対応して個別に複数の部材として第３反射手段を設ける必要がないため、コスト削減を図るとともに、小型化を図ることができる。
【００２１】
この際、複数の反射手段は、光源からの光を第１回折部に向かって反射し、合成光を受光手段に向かって反射する第６反射手段をさらに備えることが好ましい。
【００２２】
このような構成によれば、複数の反射手段は、光源からの光を第１回折部に向かって反射し、合成光を受光手段に向かって反射する第６反射手段をさらに備えるため、光学式角度センサ内の光の光路を自由に設計することができる。また、第６反射手段の配置によっては光学式角度センサの小型化を図ることができる。
【００２３】
この際、第３反射手段は、プリズムであることが好ましい。
【００２４】
ここで、第３反射手段は、光源からの光を回折手段で４回回折させて環境の変化により生じる光の進行角度の変動を相殺させるためのものであるため、第３反射手段により、光の進行角度に更なる変動が生じないことが好ましい。また、例えば第３反射手段がミラーであり、オフセットさせることなく回折手段から入射した光をその光と逆方向に反射すると、入射する光と出射する光とが干渉したり、光源と受光手段とを同じ位置に配置しなければならなくなる等の問題が生じることがある。
【００２５】
一方、プリズムは、ミラーとは異なり、光をその光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に再帰性反射させる光学部品である。この際、プリズムに入射した光は、特定方向においては進行角度を保持したままプリズム内で２回反射し、所定の方向にオフセットされて入射時の光と平行、かつ、逆方向に出射される。
したがって、このような構成によれば、第３反射手段は、プリズムであることで、光の進行角度に新たな変動を生じさせることなく、回折手段から入射した光を所定の方向にオフセットして回折手段に照射させることができるため、受光手段にて受光される合成光を安定させるとともに、光学式角度センサの設計の自由度を向上させることができる。
【００２６】
この際、第１反射手段と第２反射手段とは、第１回折部における光源からの光の分割点から第１反射手段と第３反射手段と第４反射手段とを介して第１回折部における合成光を生成する合成点に到達するまでの第１光の光路長と、第１回折部における光源からの光の分割点から第２反射手段と第３反射手段と第５反射手段とを介して第１回折部における合成光を生成する合成点に到達するまでの第２光の光路長との差が、光源におけるコヒーレント長の範囲内となる位置に配置されていることが好ましい。
【００２７】
ここで、特許文献２に記載のレーザ干渉計において、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本のレーザビームの光路長の差は、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（可干渉領域）は数ｍであるため、２本のレーザビームの光路長の差が大きく異なったとしても、受光信号処理部の照射面に干渉光を生じさせることができる。
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の差が数ｃｍ以上であると、受光信号処理部の照射面に干渉光は生じない。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、測定対象の測定ができないことがある。また、Ｈｅ−Ｎｅレーザは高価であるため、コストがかかる。
【００２８】
しかしながら、このような構成によれば、光源のコヒーレント性の制限内で確実に干渉光を生じさせることができる。そして、例えば回折手段が所定の位置にあるときに、第１光の光路長と第２光の光路長とが同じ長さとなるように第１反射手段と第２反射手段を配置することで、半導体レーザを用いたとしても、そのコヒーレント長である数ｃｍ以内に各光の光路長との差を収め、干渉光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つつ、高価なＨｅ−Ｎｅレーザの代わりに例えばＨｅ−Ｎｅレーザと比較して低廉でコヒーレント性の制限が大きい半導体レーザなどを光源として用いることができ、コスト削減を図ることができる。
【００２９】
この際、第１反射手段を介する第１光と第２反射手段を介する第２光と第４反射手段を介する第１光と第５反射手段を介する第２光とのいずれか一つ、または、複数の光路上に配置される第１の１／４波長板を備え、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２の１／４波長板と、第２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分割光の光路上に配置される第３の１／４波長板と、第３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、を備え、受光手段は、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、演算手段は、第１受光部と第２受光部と第３受光部と第４受光部とが受光したそれぞれ位相の異なる複数の光に基づいて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。
【００３０】
このような構成によれば、光学式角度センサは、複数の反射手段を介する第１光と第２光とのいずれか一つ、または、複数の光路上に配置される第１の１／４波長板を備え、受光手段は、位相が０度の光を受光する第１受光部と、位相が１８０度の光を受光する第２受光部と、位相が９０度の光を受光する第３受光部と、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、複数の回折光から例えば４相信号を取得し、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。
【００３１】
または、第１反射手段を介する第１光と第２反射手段を介する第２光と第４反射手段を介する第１光と第５反射手段を介する第２光とのいずれか一つ、または、複数の光路上に配置される１／４波長板を備え、合成光が照射される照射面と、合成光を複数の回折光とする所定の方向に沿って設けられる回折格子と、を有する第２回折手段と、照射面において第２回折手段の回折格子が設けられる所定の方向と直交する方向に沿って設けられる回折格子を有し、第２回折手段による複数の回折光をさらに複数の回折光とする第３回折手段と、第３回折手段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それぞれ位相の異なる複数の光に基づいて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、複数の反射手段を介する第１光と第２光とのいずれか一つ、または、複数の光路上に配置される１／４波長板を備え、第２回折手段および第３回折手段により回折された複数の回折光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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【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における光の光路を示す概略図
【図３】前記光学式角度センサを示すブロック図
【図４】前記光学式角度センサにおける光の光路を示す概略図
【図５】第２実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図６】第３実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図７】第１変形例に係る光学式角度センサを示す概略図
【図８】第２変形例および第３変形例に係る光学式角度センサにおける第２回折部および受光手段を示す概略図
【図９】第４変形例に係る光学式角度センサにおける第２回折部および受光手段を示す概略図
【図１０】従来の光学式角度センサを示す図
【発明を実施するための形態】
【００３４】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図１から図４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１を示す斜視図であり、図２は、光学式角度センサ１における光の光路を示す概略図である。具体的には、図２（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２（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。
【００３５】
光学式角度センサ１は、図１および図２に示すように、回折格子Ｍを有する回折手段２と、回折手段２に向かって光を照射する光源３と、回折手段２を介した光を受光する受光手段４と、光源３から照射され、回折手段２を介した光を回折手段２に向かって反射する複数の反射手段５と、を備える。
光学式角度センサ１は、回動する図示しない測定対象を測定する測定機器の内部に設けられている。本実施形態では、測定対象は、Ｘ軸を回動軸ＡＸ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ＡＸとして説明することがある。また、図１では、説明の都合上、回折格子Ｍを省略し図２に記載している。
【００３６】
回折手段２は、透過型回折格子であり、透光性を有するガラスにて形成されている。なお、回折手段２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。回折手段２は、所定の軸であるＸ軸を回動軸ＡＸ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する。
回折格子Ｍは、本実施形態では、測定方向としてＹ方向に沿って所定の周期ｍで配置される。回折格子Ｍを介した光源３からの光は、複数の回折光となる。
【００３７】
ここで、複数の回折光は、光源３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４は、主に±１次回折光により生成される合成光から干渉信号を検出する。
なお、以下の説明および図面において、受光手段４にて合成光を生成する光の光路を実線矢印にて表すことがある。
【００３８】
回折手段２は、光源３からの光を第１光と第１光とは異なる第２光とに分割して回折し、複数の反射手段５を介した第１光と第２光とを回折して合成し受光手段４にて受光される合成光とする第１回折部２１と、複数の反射手段５を介した第１光と第２光とを複数の反射手段５に回折して出射し、出射したときとは逆方向に入射する複数の反射手段５を反射した第１光と第２光とを複数の反射手段５に回折して出射する第２回折部２２と、を備える。
【００３９】
第１回折部２１および第２回折部２２は、１枚の回折手段２に併設されている。具体的には、第１回折部２１は、１枚の回折手段２に設けられた回折格子Ｍのうち、光源３からの光が照射されるとともに、複数の反射手段５と第２回折部２２とを介した第１光と第２光が照射される領域内に設けられた回折格子Ｍである。また、第２回折部２２は、１枚の回折手段２に設けられた回折格子Ｍのうち、複数の反射手段５を介した第１光と第２光とが照射される領域内に設けられた回折格子Ｍである。なお、回折手段２は、１枚でなくてもよく複数枚であってもよい。この際、第１回折部２１および第２回折部２２は、複数の回折手段のそれぞれに分離させて設けられていてもよい。
【００４０】
光源３は、一定の幅を有する光を回折手段２に向かって照射する。光源３は、例えば半導体レーザである。なお、光源３は半導体レーザに限らず、光学式角度センサにおいて干渉光を生じさせることができる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。
受光手段４は、合成光が照射される受光面４０を有する。受光手段４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合成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４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。
【００４１】
複数の反射手段５は、回動することなく光学式角度センサ１内に固定されて設けられる、第１反射手段５１と、第２反射手段５２と、第３反射手段５３と、第４反射手段５４と、第５反射手段５５と、第６反射手段１０と、を備える。
第３反射手段５３と第６反射手段１０とを除く複数の反射手段５は、直交する２面の反射面を有するプリズムであり、２面の反射面を直交させることで生じる直線状の直交部５０が、測定対象と回折手段２の回動軸ＡＸであるＸ軸と平行になるように配置されている。なお、第３反射手段５３と第６反射手段１０を除く複数の反射手段５は、プリズムでなくてもよく、光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に光を反射させることができれば、例えば光を反射する３枚の板状体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や球状のビーズを用いたキャッツアイなどであってもよい。
【００４２】
第１反射手段５１は、第１回折部２１にて分割され回折された第１光を第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に第２回折部２２に向かって反射する。
第２反射手段５２は、第１回折部２１にて分割され回折された第２光を第２光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に第２回折部２２に向かって反射する。
第３反射手段５３は、第２回折部２２を介した第１光と第２光とを第２回折部２２に向かって反射する。
第４反射手段５４は、第２回折部２２にて回折された第１光を第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に第１回折部２１に向かって反射する。
第５反射手段５５は、第２回折部２２にて回折された第２光を第２光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に第１回折部２１に向かって反射する。
【００４３】
第１反射手段５１および第４反射手段５４と、第２反射手段５２および第５反射手段５５と、はそれぞれ同一部材である。すなわち、第１反射手段５１および第４反射手段５４は、同じプリズムに設けられ、第２反射手段５２および第５反射手段５５も同様に、同じプリズムに設けられている。なお、第１反射手段５１および第４反射手段５４と、第２反射手段５２および第５反射手段５５と、はそれぞれ同一部材でなくともよく、それぞれ個別に光学式角度センサ１内に設けられていてもよい。
第３反射手段５３は、第１光と第２光とを第２回折部２２に向かって反射する単一の部材である。また、第３反射手段５３は、直交する２面の反射面を有するプリズムであるが、ミラーであってもよい。第３反射手段５３がプリズムであることが好ましい理由は、後述する。
【００４４】
第６反射手段１０は、光源３からの光を第１回折部２１に向かって反射し、合成光を受光手段４に向かって反射する。第６反射手段１０は、２枚のミラーを組み合わせた一つの部材である。なお、第６反射手段１０は、ミラーでなくてもよく、光源３からの光を第１回折部２１に向かって反射し、合成光を受光手段４に向かって反射することができれば、ハーフミラーやビームスプリッタ等、任意の部材を用いてもよい。また、第６反射手段１０は、一つの部材でなくてもよく、複数の部材であってもよい。
【００４５】
第１反射手段５１と第２反射手段５２とは、第１回折部２１における光源３からの光の分割点Ｐ１から第１反射手段５１と第３反射手段５３と第４反射手段５４とを介して第１回折部２１における合成光を生成する合成点Ｐ２に到達するまでの第１光の光路長と、第１回折部２１における光源３からの光の分割点Ｐ１から第２反射手段５２と第３反射手段５３と第５反射手段５５とを介して第１回折部２１における合成光を生成する合成点Ｐ２に到達するまでの第２光の光路長との差が、光源３におけるコヒーレント長の範囲内となる位置に配置されている。
【００４６】
具体的には、本実施形態では、半導体レーザである光源３のコヒーレント長は数ｃｍであるため、第１反射手段５１および第２反射手段５２は、回折手段２が所定の位置にあるときに、第１回折部２１における光源３からの光の分割点Ｐ１から複数の反射手段５と第２回折部２２とを介して合成点Ｐ２に到達するまでの第１光の光路長と、第１回折部２１における光源３からの光の分割点Ｐ１から複数の反射手段５と第２回折部２２とを介して合成点Ｐ２に到達するまでの第２光の光路長と、が同じ長さとなる位置に配置されている。
【００４７】
ここで、回折手段２の所定の位置とは、例えば図２（Ａ）に示すように、光源３から照射された光と回折手段２の回折格子Ｍが設けられる面とが直交する位置である。なお、回折手段２の所定の位置は、回折手段２の端部でもよく、任意の位置であってよい。
また、本実施形態では、第１反射手段５１および第４反射手段５４と第２反射手段５２および第５反射手段５５は、回折手段２の回動軸ＡＸと平行なＸ方向と、図１（Ａ）に示す位置にある際の回折手段２の回折格子Ｍが設けられる面と直交する方向であるＺ方向とにより成されるＸＺ平面と面対称となる位置に配置されている。なお、第１反射手段５１および第４反射手段５４と第２反射手段５２および第５反射手段５５は、互いにＸＺ平面と面対称となる位置に配置されていなくてもよい。
【００４８】
図３は、光学式角度センサ１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４が受光した光に基づき所定の軸を回動軸ＡＸ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６をさらに備える。
演算手段６は、回折手段２の回動にともない、受光面４０に生じる合成光による干渉信号の変化に基づき角度の変化量を演算する。具体的には、演算手段６は、回折手段２の回動にともない、受光面４０に生じる合成光による干渉信号から検出される位相の変化に基づき角度の変化量を演算する。
【００４９】
以下、光学式角度センサ１における光の光路について図２に基づいて説明する。
先ず、図２（Ａ）に示すように、第１光は、第１回折部２１にて分割されて回折し、第１回折部２１の分割点Ｐ１から第１反射手段５１に照射される。第２光は、第１回折部２１にて分割されて回折し、第１回折部２１の分割点Ｐ１から第２反射手段５２に照射される。この際、図２（Ｂ）に示すように、測定対象がα方向に回動すると、回折手段２も同期してα方向に回動し、第１光および第２光の進行角度も、回折手段２のα方向への回動に応じて変動する。また、図２（Ｃ）に示すように、測定対象が−α方向に回動すると、回折手段２も同期して−α方向に回動し、第１光および第２光の進行角度も、回折手段２の−α方向への回動に応じて変動する。
【００５０】
次に、第１反射手段５１および第２反射手段５２は、第１光および第２光を平行、かつ、逆方向に第２回折部２２に向かって反射する。
第２回折部２２にて回折された第１光と第２光は、第３反射手段５３に向かって出射される。第３反射手段５３に照射された第１光と第２光は、Ｘ方向にオフセットされて第２回折部２２に向かって反射され、再び第２回折部２２にて回折される。続いて、第１光は、第２回折部２２から第４反射手段５４に照射され、第２光は、第２回折部２２から第５反射手段５５に照射される。そして、第４反射手段５４に照射された第１光と第５反射手段５５に照射された第２光は、第１回折部２１に向かって反射し、第１回折部２１の合成点Ｐ２にて回折し合成光となる。
なお、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）では、図２（Ａ）における測定対象が回動する前の回折手段２の位置を破線にて表している。
【００５１】
図４は、光学式角度センサ１における光の光路を示す概略図である。具体的には、図４（Ａ）は、光源３の光源波長が６６０ｎｍのときの光学式角度センサ１を示す図であり、図４（Ｂ）は、光源３の光源波長が６３０ｎｍのときの光学式角度センサ１を示す図であり、図４（Ｃ）は、光源３の光源波長が６９０ｎｍのときの光学式角度センサ１を示す図でもある。
【００５２】
図４（Ａ）に示すように、６６０ｎｍが最適の光源波長である場合、第１光と第２光は、第３反射手段５３において、距離Ｓを有して照射される。そして、環境の変化により光源波長が変動すると、図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、第１光と第２光は、第３反射手段５３にてオフセットし、距離Ｓとは異なる距離Ｓ１，Ｓ２を有して照射される。光学式角度センサ１は、第３反射手段５３に到達したオフセットした距離Ｓ１，Ｓ２を有する第１光と第２光とを再び回折手段２にて回折させることで、このオフセットした距離Ｓ１，Ｓ２による影響であるオーバーラップ量の減少を相殺している。
【００５３】
具体的には、光学式角度センサ１は、第３反射手段５３を介して、第１光および第２光に第１光および第２光の光路と同じ光路を逆方向に辿らせ、回折手段２で合計４回回折させることで、光源波長の変化による回折光の進行角度の変動を相殺している。
第３反射手段５３は、第２回折部２２にて回折された第１光と第２光とを、平行、かつ逆方向に再び第２回折部２２に照射されるように反射する。第１光と第２光とは、第４反射手段５４および第２反射手段５５で入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射され、第１光および第２光の光路と同じ光路を逆方向に辿らせて、第１回折部２１にて合成光となる。第１回折部２１にて回折され合成された合成光は、光源３から照射される光と同軸上を進行する。すなわち、光学式角度センサ１は、複数の反射手段５にて反射させて回折手段２で４回回折させることで、光源波長の変動による影響を相殺し、合成光を構成する第１光と第２光にオフセットが生じることを抑制し、オーバーラップ量を安定させて干渉信号の振幅の減衰を防ぎ、高い効率を維持することができる。
【００５４】
しかしながら、第３反射手段５３をミラーとして、例えば第１光と第２光とをＸ方向にオフセットすることなく反射すると、合成光は光源３と同軸上を進行するため、受光手段４は、合成光を受光することができない。
このため、図１に示すように、第３反射手段５３をプリズムとしてＸ方向にオフセットして反射させることで、受光手段４は、光源波長の変動による影響が相殺されたオーバーラップ量が安定した合成光を受光することができる。なお、第３反射手段は、第１光と第２光とをＸ方向にオフセットしなくともよく、受光手段が合成光を受光できれば、どの方向にオフセットしてもよい。このため、第３反射手段は、プリズムではなくミラーであってもよく、第２回折部２２を介する第１光と第２光を反射できれば、どのようなものであってもよい。
【００５５】
このような第１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、複数の反射手段５を固定し、回折手段２を回動させることで得られる回折格子Ｍの所定の周期ｍを基準とする干渉信号の変化を検出し、その変化から角度の変化量を検出している。したがって、光学式角度センサ１は、環境の変化により光源波長が変化したとしても、回折格子Ｍの所定の周期ｍを基準とする干渉信号の変化から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。
【００５６】
（２）回折手段２は、第３反射手段５３を介することで、光源３からの光を分割および合成する際に２回と、第２回折部２２にて２回と、合計４回回折することができる。光学式角度センサ１は、光源３からの光を４回回折することで光源波長の変化による回折光の進行角度の変動を相殺している。これにより、光学式角度センサ１は、受光手段４に照射される合成光を構成する第１光と第２光とがオフセットし、そのオーバーラップ量が減少することを抑制することができる。したがって、光学式角度センサ１は、環境の変化により光源波長が変化したとしても、受光手段４に照射される合成光のオーバーラップ量を安定させることができる。
【００５７】
（３）第１反射手段５１および第４反射手段５４と、第２反射手段５２および第５反射手段５５と、はそれぞれ同一部材であるため、それぞれの部材を用意し、個別に配置を調整する必要がないことから、コスト削減を図るとともに、光学式角度センサ１の小型化を図ることができる。
（４）第３反射手段５３は、単一の部材であるため、第１光と第２光とに対応して個別に複数の部材を設ける必要がないため、コスト削減を図るとともに、小型化を図ることができる。
【００５８】
（５）複数の反射手段５は、光源３からの光を第１回折部２１に向かって反射し、合成光を受光手段４に向かって反射する第６反射手段５６をさらに備えるため、光学式角度センサ１内の光の光路を自由に設計することができる。また、第６反射手段５６の配置により光学式角度センサ１の小型化を図ることができる。
（６）第３反射手段５３は、プリズムであることで、光の進行角度に新たな変動を生じさせることなく、回折手段２から入射した光をＸ方向にオフセットして回折手段２に照射させることができるため、受光手段４にて受光される合成光を安定させるとともに、光学式角度センサ１の設計の自由度を向上させることができる。
【００５９】
（７）光学式角度センサ１は、回折手段２が所定の位置にあるときに、第１光の光路長と第２光の光路長とが同じ長さとなるように第１反射手段５１と第２反射手段５２と第４反射手段５４と第５反射手段５５とを配置することで、光源３が半導体レーザであったとしても、そのコヒーレント長である数ｃｍ以内に各光の光路長の差を収め、光源３のコヒーレント性の制限内で確実に干渉光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１は、光源３のコヒーレント性による制限を回避しつつ、高価なＨｅ−Ｎｅレーザの代わりに低廉でコヒーレント性の制限が大きい半導体レーザを光源３として用いることができ、コスト削減を図ることができる。
【００６０】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２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。
【００６１】
図５は、第２実施形態に係る光学式角度センサ１Ａを示す概略図である。
前記第１実施形態では、受光手段４は、合成光を受光し、演算手段６は、受光手段４が受光した合成光による干渉信号に基づいて測定対象の回動による角度の変化量を演算していた。
第２実施形態では、光学式角度センサ１Ａは、受光手段４Ａを除き、第１実施形態における光学式角度センサ１と略同様の構成を有する。
【００６２】
そして、第２実施形態では、第１反射手段５１を介する第１光と第２反射手段５２を介する第２光と第４反射手段５４を介する第１光と第５反射手段５５を介する第２光とのいずれか一つ、または、複数の光路上に配置される第１の１／４波長板１１を備え、合成光を第１分割光３１ａと第２分割光３１ｂとに分割する分割ビームスプリッタ３１と、分割ビームスプリッタ３１により分割された第１分割光３１ａと第２分割光３１ｂとの光路上に配置される第２の１／４波長板１２と、第２の１／４波長板１２を介した第１分割光３１ａを第１偏光３２ａと第２偏光３２ｂとに分割する第１分割光偏光ビームスプリッタ３２と、第２の１／４波長板１２を介した第２分割光３１ｂの光路上に配置される第３の１／４波長板１３と、第３の１／４波長板１３を介した第２分割光３１ｂを第３偏光３３ａと第４偏光３３ｂとに分割する第２分割光偏光ビームスプリッタ３３と、を備え、受光手段４Ａは、複数の受光部４１〜４４を備え、演算手段６は、複数の受光部４１〜４４が受光した位相の異なる複数の光に基づいて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実施形態と異なる。なお、第６反射手段１０は、受光手段４Ａを図示する便宜上、一つの部材ではなく、二つの部材として図示している。
【００６３】
第１の１／４波長板１１は、第２反射手段５２および第５反射手段５５を介する第２光の光路上に設けられている。なお、第１の１／４波長板１１は、第１反射手段５１を介する第１光と第２反射手段５２を介する第２光と第４反射手段５４を介する第１光と第５反射手段５５を介する第２光とのいずれか一つ、または、複数の光路上であれば、どこに設けられていてもよい。
分割ビームスプリッタ３１は、非偏光ビームスプリッタであり、平均した非偏光の光として、第２回折部２２からの合成光を第１分割光３１ａと第２分割光３１ｂとに分割する。
第１分割光偏光ビームスプリッタ３２と第２分割光偏光ビームスプリッタ３３とは、分割ビームスプリッタ３１からの分割光３１ａ，３１ｂ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光学部品である。
【００６４】
具体的には、第１分割光偏光ビームスプリッタ３２は、Ｐ偏光である第１偏光３２ａを透過し、Ｓ偏光である第２偏光３２ｂを反射する。また、第２分割光偏光ビームスプリッタ３３は、Ｐ偏光である第３偏光３３ａを透過し、Ｓ偏光である第４偏光３３ｂを反射する。本実施形態では、Ｓ偏光を第２偏光３２ｂと第４偏光３３ｂとし、Ｐ偏光を第１偏光３２ａと第３偏光３３ａとして説明するが、どの偏光がＳ偏光かＰ偏光であるかは任意である。
【００６５】
受光手段４Ａは、第１偏光３２ａから位相が０度の光を受光する第１受光部４１と、第２偏光３２ｂから位相が１８０度の光を受光する第２受光部４２と、第３偏光３３ａから位相が９０度の光を受光する第３受光部４３と、第４偏光３３ｂから位相が２７０度の光を受光する第４受光部４４と、を備える。
演算手段６は、第１受光部４１と第２受光部４２と第３受光部４３と第４受光部４４とが受光したそれぞれ位相の異なる複数の光に基づいて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。
【００６６】
以下、分割ビームスプリッタ３１以降の光の光路について説明する。
第１分割光３１ａは、第２の１／４波長板１２を介することで第１分割光３１ａ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３２に照射される。第１分割光偏光ビームスプリッタ３２に照射された第１分割光３１ａは、Ｓ偏光である第１偏光３２ａと、Ｐ偏光である第２偏光３２ｂと、に偏光され分割される。そして、第１受光部４１は、第１偏光３２ａ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４２は、第２偏光３２ｂを受光して位相が１８０度の光である干渉光を受光する。
【００６７】
第２分割光３１ｂは、第２の１／４波長板１２および第３の１／４波長板１３を介することで第２分割光３１ｂとは１８０度位相がズレた光となり第２分割光偏光ビームスプリッタ３３に照射される。第２分割光偏光ビームスプリッタ３３に照射された第２分割光３１ｂは、Ｓ偏光である第３偏光３３ａと、Ｐ偏光である第４偏光３３ｂと、に偏光され分割される。そして、第３受光部４３は、第３偏光３３ａ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４４は、第４偏光３３ｂ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６（図２参照）は、複数の受光部４１〜４４から４相信号を取得することができる。演算手段６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。
【００６８】
このような第２実施形態においても、前記第１実施形態における（１）〜（７）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）光学式角度センサ１Ａは、第２光の光路上に配置される第１の１／４波長板１１を備え、受光手段４Ａは、位相が０度の光を受光する第１受光部４１と、位相が１８０度の光を受光する第２受光部４２と、位相が９０度の光を受光する第３受光部４３と、位相が２７０度の光を受光する第４受光部４４と、を備えるため、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１Ａは、複数の回折光から４相信号を取得し、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。
【００６９】
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３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。
【００７０】
図６は、第３実施形態に係る光学式角度センサ１Ｂを示す概略図である。
前記第２実施形態では、光学式角度センサ１Ａは、分割ビームスプリッタ３１と、第２の１／４波長板１２と、第３の１／４波長板１３と、第１分割光偏光ビームスプリッタ３２と、第２分割光偏光ビームスプリッタ３３と、複数の受光部４１〜４４と、を備えていた。
【００７１】
第３実施形態では、図６に示すように、第１反射手段５１を介する第１光と第２反射手段５２を介する第２光と第４反射手段５４を介する第１光と第５反射手段５５を介する第２光とのいずれか一つ、または、複数の光路上に配置される１／４波長板１１を備え、合成光が照射される照射面７０と、合成光を複数の回折光とする所定の方向に沿って設けられる回折格子７１１と、を有する第２回折手段７１と、照射面７０において第２回折手段７１の回折格子７１１が設けられる所定の方向と直交する方向に沿って設けられる回折格子７２２を有し、第２回折手段７１による複数の回折光をさらに複数の回折光とする第３回折手段７２と、第３回折手段７２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８１〜８４と、を備え、受光手段４Ｂは、複数の偏光子８１〜８４のそれぞれに対応する複数の受光部４１Ｂ〜４４Ｂを備え、演算手段６は、複数の受光部４１Ｂ〜４４Ｂが受光したそれぞれ位相の異なる複数の光に基づいて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２実施形態と異なる。なお、第６反射手段１０は、受光手段４Ａを図示する便宜上、一つの部材ではなく、二つの部材として図示している。
【００７２】
第２回折手段７１および第３回折手段７２は、第２回折部２２からの合成光を平均した非偏光の光として４つの回折光に分割する。
複数の偏光子８１〜８４は、偏光レンズであり、第１偏光子８１と、第２偏光子８２と、第３偏光子８３と、第４偏光子８４と、を備える。なお、複数の偏光子８１〜８４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。
【００７３】
受光手段４Ｂは、複数の偏光子８１〜８４に対向して同一面上に設けられている。また、受光手段４Ｂは、第１受光部４１Ｂと、第２受光部４２Ｂと、第３受光部４３Ｂと、第４受光部４４Ｂと、を備える。
第２回折手段７１および第３回折手段７２により分割された複数の回折光は、複数の偏光子８１〜８４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４１Ｂは、第１偏光子８１を介した位相が０度の光を受光する。第２受光部４２Ｂは、第２偏光子８２を介した位相が９０度の光を受光する。第３受光部４３Ｂは、第３偏光子８３を介した位相が１８０度の光を受光する。第４受光部４４Ｂは、第４偏光子８４を介した位相が２７０度の光を受光する。
【００７４】
これにより、演算手段６は、受光手段４Ｂから４相信号を取得することができ、４相信号から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、受光手段４Ｂは、複数の偏光子８１〜８４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。したがって、光学式角度センサ１Ｂは、前記第２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４１Ｂ〜４４Ｂを備える必要がなく、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。
【００７５】
このような第３実施形態においても、前記第１実施形態における（１）〜（７）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）光学式角度センサ１Ｂは、第２光の光路上に配置される１／４波長板１１を備え、第２回折手段７１および第３回折手段７２により回折された複数の回折光に対応する複数の偏光子８１〜８４と、複数の偏光子８１〜８４のそれぞれに対応する複数の受光部４１Ｂ〜４４Ｂを備えるため、第２実施形態の分割ビームスプリッタ３１と、第１分割光偏光ビームスプリッタ３２と、第２分割光偏光ビームスプリッタ３３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１Ｂは、第２実施形態の光学式角度センサ１Ａ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。
（１０）受光手段４Ｂは、複数の偏光子８１〜８４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８１〜８４のそれぞれに対応する複数の受光部４１Ｂ〜４４Ｂを備えるため、モジュール化することで光学式角度センサ１Ｂの小型化を図ることができる。
【００７６】
〔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〜１Ｂは測定機器に設けられていたが、測定機器ではなく、その他のものに設けられていてもよい。すなわち、光学式角度センサが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。
【００７７】
前記各実施形態では、光学式角度センサ１，１Ａ〜１Ｂ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。要するに、演算手段は、回折手段の回動にともない、合成光による干渉信号の変化に基づき角度の変化量を演算することができればよい。
【００７８】
前記各実施形態では、第３反射手段５３は、第１光と第２光とを第２回折部に向かって反射する単一の部材であったが、第３反射手段は、第１光と第２光とのそれぞれに対応して個別に設けられる複数の部材であってもよい。要するに、第３反射手段は、第２回折部を介した第１光と第２光とを第２回折部に向かって反射することができれば、単一であっても複数であってもよく、また、どのような形状で形成されていてもよい。
【００７９】
図７は、第１変形例に係る光学式角度センサ１Ｃを示す概略図である。
前記各実施形態では、光学式角度センサ１，１Ａ〜１Ｂは、第６反射手段１０を備えていた。
本変形例における光学式角度センサ１Ｃは、第６反射手段を備えていない点で前記各実施形態と異なる。第６反射手段を備えていない場合であっても、図７に示すように、受光手段４は、測定対象と同期して回動する回折手段２を介した合成光を受光することができる。
【００８０】
図８は、第２変形例および第３変形例に係る光学式角度センサ１Ｄ，１Ｅにおける第２回折部２２Ｄ，２２Ｅおよび受光手段４Ｄ，４Ｅを示す概略図である。具体的には、図８（Ａ）は、第２変形例を示す図であり、図８（Ｂ）は、第３変形例を示す図である。また、図９は、第４変形例に係る光学式角度センサ１Ｆにおける第２回折部２２Ｆおよび受光手段４Ｆを示す概略図である。
【００８１】
本発明における光学式角度センサの回折手段の合成光を生成する第１回折部および受光手段は、第２実施形態および第３実施形態に示したものの他に、第２変形例から第４変形例に示すような第１回折部および受光手段であってもよい。
また、本発明では、光源からの光と合成光との光路を第３反射手段によりオフセットすることができるため、第１回折部は、光源からの光を分割する領域と、合成光を生成する領域と、を分離して備えていてもよい。
なお、図８および図９において、説明の都合上、光源からの光を分割する第１回折部の領域は図示せず、変形例に係る合成光を生成する第１回折部の領域のみを図示する。
【００８２】
例えば、第２変形例に係る受光手段４Ｄは、図８（Ａ）に示すように、回折格子Ｍが設けられる方向と同じ方向であるＹ方向に沿って並設される複数の受光素子４５を備える。第２変形例では、回折格子Ｍを介した第１光は−Ｙ方向側に回折され、第２光は＋Ｙ方向側に回折される。ここで、第１光は例えば＋１次回折光であり、第２光は例えば−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光および第２光とは異なる離間する方向に回折され、受光手段４Ｄには照射されない。そして、第１光（＋１次回折光）および第２光（−１次回折光）は、受光手段４Ｄの受光面４０Ｄ上に、回折手段２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。
【００８３】
複数の受光素子４５は、位相差を有する４相信号（複数の正弦波信号）を取得するため、干渉縞の周期に合わせて配置される。この際、合成光を生成する第１回折部２１Ｄの回折格子Ｍは、例えば光源３からの光を分割する第１回折部２１（図１参照）の回折格子Ｍが１μｍの周期となるように設計されている場合、１．００５μｍの周期となるように、第１回折部２１の回折格子Ｍ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４５は、第１回折部２１Ｄの回折格子Ｍと同じ周期となるように１．００５μｍに設計される。
【００８４】
また、複数の受光素子４５は、位相が０度の光を受光する素子と、位相が９０度の光を受光する素子と、位相が１８０度の光を受光する素子と、位相が２７０度の光を受光する素子と、を備え、Ｙ方向に沿って順に繰り返し配置されている。演算手段６は、受光手段４Ｄが受光した干渉縞に基づいて、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。
【００８５】
また、第３変形例に係る受光手段４Ｅは、図８（Ｂ）に示すように、回折手段２の回動軸ＡＸであるＸ方向と平行な方向に沿って並設される複数の受光素子４５Ｅを備える。この際、第１回折部２１Ｅは、所定の傾斜角度βを有して配置される傾斜回折格子ＭＥを備える。傾斜回折格子ＭＥを透過する第１光は＋Ｘ方向側に回折され、第２光は−Ｘ方向側に回折される。
ここで、第１光は例えば＋１次回折光であり、第２光は例えば−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光および第２光とは異なる離間する方向に回折され、受光手段４Ｅには照射されない。そして、第１光（＋１次回折光）および第２光（−１次回折光）は、受光手段４Ｅの受光面４０Ｅ上に、回折手段２の回動軸ＡＸと直交するＹ方向に沿って干渉縞を生成する。
【００８６】
複数の受光素子４５Ｅは、受光面４０Ｅ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配置される。この際、複数の受光素子４５Ｅは、第２変形例と同様に、位相が０度の光を受光する素子と、位相が９０度の光を受光する素子と、位相が１８０度の光を受光する素子と、位相が２７０度の光を受光する素子と、を備え、Ｘ方向に沿って順に繰り返し配置されている。演算手段６は、受光手段４Ｅが受光した干渉縞に基づいて、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。
【００８７】
また、第４変形例では、図９（Ａ）に示すように、第１回折部２１Ｆは、それぞれ位相が異なる複数の回折部２１Ｆａ〜２１Ｆｄを備え、受光手段４Ｆは、複数の回折部２１Ｆａ〜２１Ｆｄのそれぞれに対応する複数の受光部４１Ｆ〜４４Ｆを備える。
図９（Ｂ）に示すように、回折格子ＭＦ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回折部２１Ｆａ〜２１Ｆｄは、互いに式（１）のような関係で配置されている。
【００８８】
ｋ１＝ｎ×ｐ＋ｐ÷８  ・・・（１）
【００８９】
具体的には、回折部２１Ｆｂは、回折部２１Ｆａ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。回折部２１Ｆｃは、回折部２１Ｆａ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。回折部２１Ｆｄは、回折部２１Ｆｃ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。
複数の受光部４１Ｆ〜４４Ｆは、複数の回折部２１Ｆａ〜２１Ｆｄからそれぞれ位相の異なる干渉光を受光する。
演算手段６は、複数の受光部４１Ｆ〜４４Ｆが受光した光に基づき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できる。
【００９０】
したがって、光学式角度センサは、第２実施形態や第３実施形態、前述の第２変形例から第４変形例を含め、どのような第１回折部および受光手段を用いて測定対象の角度の変化量を検出してもよい。要するに、光学式角度センサにおける回折手段は、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、演算手段は、受光手段が受光した合成光に基づき、回折手段の回動による干渉信号の変化から角度の変化量を演算することができればよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
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】
【００９２】
１，１Ａ〜１Ｆ                          光学式角度センサ
２                                      回折手段
２１，２１Ｄ〜２１Ｆ                    第１回折部
２２                                    第２回折部
３                                      光源
４，４Ａ〜４Ｂ，４Ｄ〜４Ｆ              受光手段
４０，４０Ｄ〜４０Ｅ                    受光面
５                                      複数の反射手段
５１                                    第１反射手段
５２                                    第２反射手段
５３                                    第３反射手段
５４                                    第４反射手段
５５                                    第５反射手段
６                                      演算手段
Ｍ，ＭＥ，ＭＦ                          回折格子
【図１】
2020197452.tif 000003
【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】
2020197452.tif 000009
【図８】
2020197452.tif 000010
【図９】
2020197452.tif 000011
【図１０】
2020197452.tif 000012