(57)【要約】【課題】光源のコヒーレント性による制限を回避しつつ、環境変化による回折光の位相変化を防止し、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の提供。【解決手段】光学式角度センサ１は、光源２と、透過型回折格子３と、第１反射手段４ａと、第２反射手段４ｂと、受光手段５と、を備える。透過型回折格子３は、光を第１光と第２光とに分割する第１回折格子部６と、第１光および第２光を回折する第２回折格子部７と、第１反射手段４ａと第２反射手段４ｂを介した第１光および第２光を回折する第３回折格子部８と、第１光および第２光を合成する第４回折格子部９と、を備える。受光手段５は、第１回折格子部６にて分割され、第２回折格子部７にて回折され、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂにて反射し、第３回折格子部８にて回折され、第４回折格子部９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。【選択図】図１
2020051782.tif 000002
【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回折する複数の格子を有する透過型回折格子と、
前記透過型回折格子を介した光を前記透過型回折格子に向かって反射する第１反射手段と、
前記透過型回折格子を介した前記第１反射手段が反射する光とは異なる光を前記透過型回折格子に向かって反射する第２反射手段と、
前記透過型回折格子を介した光を受光する受光手段と、
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の信号として前記受光手段が受光した光を演算する演算手段と、を備え、
前記透過型回折格子は、
前記光源からの光を第１光と第２光とに分割する第１回折格子部と、
前記第１回折格子部により分割された第１光および第２光を回折する第２回折格子部と、
前記第１反射手段を介した第１光および前記第２反射手段を介した第２光を回折する第３回折格子部と、
前記第３回折格子部を介した第１光および第２光を合成して合成光とする第４回折格子部と、を備え、
前記第１反射手段は、前記第２回折格子部を介して回折された第１光を該第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射し、
前記第２反射手段は、前記第２回折格子部を介して回折された第２光を該第２光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射し、
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、前記第１回折格子部における前記光源からの光の分割点から前記第１反射手段を介して前記第４回折格子部に到達するまでの第１光の光路長と、前記第１回折格子部における前記光源からの光の分割点から前記第２反射手段を介して前記第４回折格子部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し、
前記受光手段は、前記第１回折格子部にて分割され、前記第２回折格子部にて回折され、前記第１反射手段または前記第２反射手段にて反射し、前記第３回折格子部にて回折され、前記第４回折格子部にて合成された第１光および第２光の合成光を受光し、
前記演算手段は、前記受光手段が受光した合成光に基づく前記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２】
請求項１に記載された光学式角度センサにおいて、
１枚の前記透過型回折格子を有し、
前記１枚の透過型回折格子は、前記第１回折格子部と前記第２回折格子部と前記第３回折格子部と前記第４回折格子部とを併設し、
前記第１回折格子部にて分割された第１光と第２光とを前記１枚の透過型回折格子に向かって反射し、前記第３回折格子部にて回折された第１光と第２光とを前記１枚の透過型回折格子に向かって反射するミラーを備え、
前記受光手段は、前記第１回折格子部にて分割され、前記ミラーにて反射し、前記第２回折格子部にて回折され、前記第１反射手段または前記第２反射手段にて反射し、前記第３回折格子部にて回折され、前記ミラーにて反射し、前記第４回折格子部にて合成された第１光および第２光の合成光を受光し、
前記演算手段は、前記受光手段が受光した合成光に基づく前記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３】
請求項１に記載された光学式角度センサにおいて、
複数の前記透過型回折格子を有し、
前記複数の透過型回折格子は、
前記第１回折格子部と前記第４回折格子部とを併設する第１透過型回折格子と、
前記第２回折格子部と前記第３回折格子部とを併設する第２透過型回折格子と、を備え、
前記受光手段は、前記第１透過型回折格子の前記第１回折格子部にて分割され、前記第２透過型回折格子の前記第２回折格子部にて回折され、前記第１反射手段または前記第２反射手段にて反射し、前記第２透過型回折格子の前記第３回折格子部にて回折され、前記第１透過型回折格子の前記第４回折格子部にて合成された第１光および第２光の合成光を受光し、
前記演算手段は、前記受光手段が受光した合成光に基づく前記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５】
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回折格子部は、前記光源からの光が照射される分割面を有し、
前記第４回折格子部は、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回折格子部は、前記光源からの光が照射される分割面を有し、
前記第４回折格子部は、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９】
請求項１から請求項８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４回折格子部は、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１０】
請求項１から請求項８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第１の１／４波長板を備え、
前記第４回折格子部による合成光を第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２の１／４波長板と、
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、
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１１】
請求項１から請求項８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、
前記第４回折格子部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５回折格子部と、
前記第５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５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６回折格子部と、
前記第６回折格子部による前記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。
【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。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、具体的には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に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。
【０００９】
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。このため、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。
【００１０】
しかしながら、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、そのコヒーレント性による制限を回避するために、例えば光源からの光を回折する回折格子などの光学部品を用いて、２本のレーザビームの光路長が互いにほぼ同じ長さになるようにする必要がある。
また、レーザ干渉計は、光源に半導体レーザを用い、２本のレーザビームの光路長が互いにほぼ同じ長さになるようにした場合であっても、温度などの環境変化によって光学部品が膨張や縮小することがある。これにより、半導体レーザからのレーザビームを２本のレーザビームに分割する位置が元の位置から移動してしまうことがある。
【００１１】
図１２は、従来の光学式角度センサを示す概略図である。
図１２に示す光学式角度センサ１００は、例えば光源２と、透過型回折格子３００と、プリズム等の第１反射手段４００ａと第２反射手段４００ｂと、受光手段５００と、を備える。光学式角度センサ１００は、光源２からの２本のレーザビームの光路長が互いにほぼ同じになるように構成されている。
【００１２】
透過型回折格子３００は、例えば環境変化により熱が加わると、熱膨張により破線の透過型回折格子３００ａの位置から実線の透過型回折格子３００ｂの位置まで、図中の矢印方向に移動してしまうことがある。透過型回折格子３００が破線の透過型回折格子３００ａの位置から実線の透過型回折格子３００ｂの位置まで移動してしまうと、透過型回折格子３００ｂを透過した回折光の位相が変化し、測定対象が回動していなかったとしても測定対象が回動したものとして検出されてしまうことがある。
【００１３】
具体的には、透過型回折格子３００により回折された複数の回折光により生じる位相変化をφとした場合、回折次数をｎとし、破線の透過型回折格子３００ａの位置から実線の透過型回折格子３００ｂの位置への透過型回折格子３００の移動量をΔｘとし、透過型回折格子３００が有する複数の格子の周期をｐとして、式（１）にて表すことができる。
【００１４】
φ＝ｎ×Δｘ÷ｐ  ・・・（１）
【００１５】
例えば、図１２に示すように、光源２から照射された光は、透過型回折格子３００にて複数の回折光となる。この際、複数の回折光のうち、検出に使う光を±１次回折光とする。なお、図１２では、受光手段５００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。
そして、＋１次回折光は、第１反射手段４００ａにて透過型回折格子３００に向かって反射され、再び透過型回折格子３００にて＋１次方向に回折され、回折次数が＋２次の回折光として受光手段５００に照射される。また、−１次回折光は、第２反射手段４００ｂにて透過型回折格子３００に向かって反射され、再び透過型回折格子３００にて−１次方向に回折され、回折次数が−２次の回折光として受光手段５００に照射される。なお、図１２では、回折光の回折次数を明確にするため、光を示す矢印付近に回折次数を数字のみで記載している。
【００１６】
透過型回折格子３００が破線の透過型回折格子３００ａの位置から移動しなければ、移動量Δｘは０となるため、回折光により生じる位相変化φは０となる。すなわち、受光手段５００に照射される回折光の回折次数ｎが±２次であったとしても、移動量Δｘにより相殺されるため、回折光に位相変化φは生じない。
しかし、透過型回折格子３００が破線の透過型回折格子３００ａの位置から実線の透過型回折格子３００ｂの位置まで移動量Δｘの分だけ移動してしまうと、回折光により生じる位相変化φは、±２Δｘ／ｐとなる。このため、光学式角度センサ１００は、透過型回折格子３００の移動により位相変化した回折光が受光手段に照射されると、測定対象が回動していなくとも、測定対象が回動したものとして検出することがある。
【００１７】
したがって、特許文献２に記載のレーザ干渉計が、例えば光の分割または合成のために回折格子を用いた場合、環境変化による回折格子の移動により回折光に位相変化が起こり、測定対象が回動していなくても、角度変位を有した干渉が生じ、検出結果に誤差が生じてしまうことがあるという問題がある。
【００１８】
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つつ、環境変化による回折光の位相変化を防止し、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】
【００１９】
本発明の光学式角度センサは、光を照射する光源と、光源からの光を回折する複数の格子を有する透過型回折格子と、透過型回折格子を介した光を透過型回折格子に向かって反射する第１反射手段と、透過型回折格子を介した第１反射手段が反射する光とは異なる光を透過型回折格子に向かって反射する第２反射手段と、透過型回折格子を介した光を受光する受光手段と、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の信号として受光手段が受光した光を演算する演算手段と、を備え、透過型回折格子は、光源からの光を第１光と第２光とに分割する第１回折格子部と、第１回折格子部により分割された第１光および第２光を回折する第２回折格子部と、第１反射手段を介した第１光および第２反射手段を介した第２光を回折する第３回折格子部と、第３回折格子部を介した第１光および第２光を合成して合成光とする第４回折格子部と、を備え、第１反射手段は、第２回折格子部を介して回折された第１光を第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射し、第２反射手段は、第２回折格子部を介して回折された第２光を第２光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射し、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、第１回折格子部における光源からの光の分割点から第１反射手段を介して第４回折格子部に到達するまでの第１光の光路長と、第１回折格子部における光源からの光の分割点から第２反射手段を介して第４回折格子部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し、受光手段は、第１回折格子部にて分割され、第２回折格子部にて回折され、第１反射手段または第２反射手段にて反射し、第３回折格子部にて回折され、第４回折格子部にて合成された第１光および第２光の合成光を受光し、演算手段は、受光手段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ことを特徴とする。
【００２０】
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、第１回折格子部における光の分割点から第１反射手段を介して第４回折格子部に到達するまでの第１光の光路長と、第１回折格子部における光の分割点から第２反射手段を介して第４回折格子部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光の光路長との長さの差を数ｃｍ以内に収めることができる。すなわち、光学式角度センサは、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。
【００２１】
そして、光学式角度センサは、第１光および第２光を回折する第２回折格子部と、第１反射手段を介した第１光および第２反射手段を介した第２光を回折する第３回折格子部と、を備えることで、第１光および第２光を複数回、回折させることができる。これにより、光学式角度センサは、第１光および第２光の回折次数を相殺し、式（１）における回折次数ｎを０にすることができるため、環境変化による膨張や縮小により透過型回折格子の位置が元の位置から移動してしまったとしても、回折光の位相変化による角度変位を有した干渉光が生じ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、光源のコヒーレント性による制限を回避しつつ、環境変化による回折光の位相変化を防止し、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。
【００２２】
この際、光学式角度センサは、１枚の透過型回折格子を有し、１枚の透過型回折格子は、第１回折格子部と第２回折格子部と第３回折格子部と第４回折格子部とを併設し、第１回折格子部にて分割された第１光と第２光とを１枚の透過型回折格子に向かって反射し、第３回折格子部にて回折された第１光と第２光とを１枚の透過型回折格子に向かって反射するミラーを備え、受光手段は、第１回折格子部にて分割され、ミラーにて反射し、第２回折格子部にて回折され、第１反射手段または第２反射手段にて反射し、第３回折格子部にて回折され、ミラーにて反射し、第４回折格子部にて合成された第１光および第２光の合成光を受光し、演算手段は、受光手段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ことが好ましい。
【００２３】
このような構成によれば、光学式角度センサは、１枚の透過型回折格子を有し、１枚の透過型回折格子は、第１回折格子部と第２回折格子部と第３回折格子部と第４回折格子部とを併設することで、部品点数を減らすことができる。したがって、光学式角度センサは、コスト削減を図ることができる。
【００２４】
ここで、光学式角度センサは、複数の透過型回折格子を用いた場合、光源からの光を回折させるために、複数の透過型回折格子を所定の距離だけ離間させて配置させる必要がある。これにより、光学式角度センサは、大型化してしまうことがある。
しかしながら、第１回折格子部にて分割された第１光と第２光とを１枚の透過型回折格子に向かって反射し、第３回折格子部にて回折された第１光と第２光とを１枚の透過型回折格子に向かって反射するミラーを備えるため、光学式角度センサの大型化を抑制することができる。
【００２５】
または、光学式角度センサは、複数の透過型回折格子を有し、複数の透過型回折格子は、第１回折格子部と第４回折格子部とを併設する第１透過型回折格子と、第２回折格子部と第３回折格子部とを併設する第２透過型回折格子と、を備え、受光手段は、第１透過型回折格子の第１回折格子部にて分割され、第２透過型回折格子の第２回折格子部にて回折され、第１反射手段または第２反射手段にて反射し、第２透過型回折格子の第３回折格子部にて回折され、第１透過型回折格子の第４回折格子部にて合成された第１光および第２光の合成光を受光し、演算手段は、受光手段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ことが好ましい。
【００２６】
このような構成によれば、光学式角度センサは、複数の透過型回折格子を有し、複数の透過型回折格子は、第１回折格子部と第４回折格子部とを併設する第１透過型回折格子と、第２回折格子部と第３回折格子部とを併設する第２透過型回折格子と、を備えるため、第１回折格子部および第４回折格子部と、第２回折格子部および第３回折格子部と、のそれぞれの配置を自由に設計することができる。したがって、光学式角度センサは、設計の自由度を向上させることができる。
【００２７】
ここで、光学式角度センサは、１枚の透過型回折格子を用いた場合、１枚の透過型回折格子に合わせた大きさのミラーを用いる必要がある。１枚の透過型回折格子が長尺状である場合、ミラーも長尺状となり、長尺方向に光学式角度センサが大型化してしまうことがある。
しかしながら、光学式角度センサは、第１透過型回折格子と、第２透過型回折格子と、を備え、ミラーを備えなくともよいため、１枚の透過型回折格子を用いる場合と比較して、部品点数を減らしつつ、長尺方向への大型化を抑制することができる。
【００２８】
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。
【００２９】
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、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。
【００３０】
または、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。
【００３１】
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。すなわち、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、第４回折格子部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。
【００３２】
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線対称となる位置に配置されていることが好ましい。
【００３３】
このような構成によれば、光学式角度センサにおける第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、第１回折格子部における光源からの光の分割点から第１反射手段を介して第４回折格子部に到達するまでの第１光の光路長と、第１回折格子部における光源からの光の分割点から第２反射手段を介して第４回折格子部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。
【００３４】
この際、第１回折格子部は、光源からの光が照射される分割面を有し、第４回折格子部は、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。
【００３５】
このような構成によれば、第４回折格子部は、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。
【００３６】
または、第４回折格子部は、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。
【００３７】
このような構成によれば、第４回折格子部は、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。
【００３８】
この際、第４回折格子部は、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。
【００３９】
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することができるため、例えば４つの合成部と４つの受光部を備える場合、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相信号などの複数の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。
【００４０】
または、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第１の１／４波長板を備え、第４回折格子部による合成光を第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２の１／４波長板と、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、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。
【００４１】
このような構成によれば、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第１の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。
【００４２】
または、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４回折格子部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５回折格子部と、第５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５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６回折格子部と、第６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。
【００４３】
このような構成によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【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】前記光学式角度センサにおける反射手段の回動を示す模式図
【図４】第２実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図５】第３実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図
【図６】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７】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８】第６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】変形例に係る光学式角度センサを示す概略図
【図１２】従来の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】
【００４５】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図１から図３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。
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、光源２からの光を回折する複数の格子６０，７０，８０，９０を有する透過型回折格子３と、透過型回折格子３を介した光を透過型回折格子３に向かって反射する第１反射手段４ａと、透過型回折格子３を介した第１反射手段４ａが反射する光とは異なる光を透過型回折格子３に向かって反射する第２反射手段４ｂと、透過型回折格子３を介した光を受光する受光手段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器の内部に設けられている。第１実施形態では、測定対象は、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長尺状に形成され、所定のピッチで配置される複数の格子６０，７０，８０，９０を有する。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６０，７０，８０，９０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５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５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光と第２光とに分割する第１回折格子部６と、第１回折格子部６により分割された第１光および第２光を回折する第２回折格子部７と、第１反射手段４ａを介した第１光および第２反射手段４ｂを介した第２光を回折する第３回折格子部８と、第３回折格子部８を介した第１光および第２光を合成して合成光とする第４回折格子部９と、を備える。第１回折格子部６と、第２回折格子部７と、第３回折格子部８と、第４回折格子部９と、は１枚の透過型回折格子３に併設されている。
また、光学式角度センサ１は、第１回折格子部６にて分割された第１光と第２光とを１枚の透過型回折格子３に向かって反射し、第３回折格子部８にて回折された第１光と第２光とを１枚の透過型回折格子３に向かって反射するミラー１０を備える。
【００４９】
第１反射手段４ａは、直交する２面の反射面を有するプリズムであり、第２回折格子部７を介して回折された第１光を第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射する。具体的には、第１反射手段４ａは、透過型回折格子３の第２回折格子部７を介して入射した第１光を透過型回折格子３の第３回折格子部８に向かって出射する。
第２反射手段４ｂは、直交する２面の反射面を有するプリズムであり、第２回折格子部７を介して回折された第２光を第２光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射する。具体的には、第２反射手段４ｂは、透過型回折格子３の第２回折格子部７を介して入射した第２光を透過型回折格子３の第３回折格子部８に向かって出射する。
【００５０】
第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂ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。また、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂは、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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４ａおよび第２反射手段４ｂは、Ｘ軸と、光源２からの光の光軸と平行な軸である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。
【００５１】
この際、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂの回動軸は、測定対象の回動軸と一致していることが好ましい。これにより、受光手段５に照射される第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂを介した第１光および第２光は、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂが回動したとしても照射位置がぶれることがなく、受光手段５の同じ位置に照射される。
【００５２】
第１回折格子部６は、光源２からの光が照射される分割面６１を有する。第１回折格子部６は、分割面６１において第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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６０を有する。第２回折格子部７と第３回折格子部８と第４回折格子部９も同様に、分割面６１において第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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７０，８０，９０を有する。
【００５３】
第２回折格子部７は、第１回折格子部６にて分割された第１光を回折する第２回折格子部７ａと、第１回折格子部６にて分割された第２光を回折する第２回折格子部７ｂと、を有する。第２回折格子部７は、第１回折格子部６にて分割された複数の光が有するそれぞれの回折次数と対となる逆符号の回折光へと回折する。具体的には、第２回折格子部７ａは、第１光が＋１次回折光である場合は−１次回折光となるよう回折する。第２回折格子部７ｂは、第２光が−１次回折光である場合は＋１次回折光となるように回折する。なお、以下の説明や図において、第１光や第２光などの回折光の回折次数を明確にするために、光を示す矢印付近に回折次数を数字のみで記載して説明する場合がある。
【００５４】
第３回折格子部８は、第２回折格子部７ａにて回折された第１光をさらに回折する第３回折格子部８ａと、第２回折格子部７ｂにて回折された第２光をさらに回折する第３回折格子部８ｂと、を有する。具体的には、第３回折格子部８ａは、第２回折格子部７ａが回折することで−１次回折光となった第１光をさらに−１次方向へ回折する。第３回折格子部８ｂは、第２回折格子部７ｂが回折することで＋１次回折光となった第２光をさらに＋１次方向へ回折する。
【００５５】
第４回折格子部９は、第２回折格子部７と、第１反射手段４ａと、第２反射手段４ｂと、第３回折格子部８と、ミラー１０と、を介した第１光および第２光を回折することで合成した合成光を受光手段５に照射する。具体的には、第４回折格子部９は、第３回折格子部８ａが回折することでさらに−１次方向へ回折した第１光を＋１次方向へ回折する。また、第４回折格子部９は、第３回折格子部８ｂが回折することでさらに＋１次方向へ回折した第２光を−１次方向へ回折する。第４回折格子部９は、回折された第１光および第２光を合成光として受光手段５方向へ照射する。
【００５６】
第１光および第２光は、第２回折格子部７および第３回折格子部８により複数回、回折されることで、透過型回折格子３の位置が熱膨張等により変動したとしても、その影響が打ち消される。このため、干渉光には影響が生じない。
具体的には、回折次数をｎとし、透過型回折格子３のもとの位置からの移動量をΔｘとし、透過型回折格子３が有する複数の格子６０，７０，８０，９０の周期をｐとし、回折光である第１光および第２光により生じる位相変化をφとした場合、式（１）にて表すことができる。
【００５７】
φ＝ｎ×Δｘ÷ｐ  ・・・（１）
【００５８】
式（１）より、例えば第１回折格子部６にて＋１次回折光として回折された第１光は、第２回折格子部７ａと、第３回折格子部８ａと、第４回折格子部９と、を介すことで回折次数が対となる逆符号の回折次数に回折されるため、回折次数ｎは０になる。また、第１回折格子部６にて−１次回折光として回折された第２光は、第２回折格子部７ｂと、第３回折格子部８ｂと、第４回折格子部９と、を介すことで回折次数が対となる逆符号の回折次数に回折されるため、第１光と同様に、回折次数ｎは０になる。
【００５９】
これにより、第１光および第２光は、第２回折格子部７と、第３回折格子部８と、第４回折格子部９と、を介することで回折次数が対となる逆符号の回折次数となってそれぞれの影響を相殺するため、第１光および第２光である回折光により生じる位相変化であるφの値も０となる。したがって、透過型回折格子３がもとの位置からＹ方向への移動量Δｘだけ移動したとしても、透過型回折格子３の移動による影響は生じない。
【００６０】
受光手段５は、第４回折格子部９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５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５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。
光学式角度センサ１において、光源２と、透過型回折格子３と、第１反射手段４ａと、第２反射手段４ｂと、ミラー１０と、受光手段５とは、同じ高さになる様に配置されている。
【００６１】
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５が受光した光を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の信号として演算する演算手段２０をさらに備える。
第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂは、測定対象の回動にともなって同期して回動する。それにともない、第１光および第２光のそれぞれの光路長も変化する。演算手段２０は、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂの回動により変化する第１光および第２光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。
【００６２】
図３は、前記光学式角度センサにおける反射手段の回動を示す模式図である。
具体的には、図３（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３（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。
以下、光学式角度センサ１における光の光路について図１および図３に基づいて説明する。
【００６３】
光学式角度センサ１において、第１回折格子部６にて分割された第１光は、図１および図３（Ａ）に示すように、第１回折格子部６における分割点Ｐ１からミラー１０にて第２回折格子部７ａに向かって反射される。この際、第１光が＋１次回折光であった場合は、第２回折格子部７ａにより−１次回折方向に回折される。第２回折格子部７ａを介した第１光は、第１反射手段４ａに入射し、第１反射手段４ａにて第３回折格子部８ａに向かって出射される。この際、第１光は、第３回折格子部８ａによりさらに−１次回折方向に回折されて第４回折格子部９に入射する。第３回折格子部８ａを介した第１光は、ミラー１０を介して第４回折格子部９に向かって反射される。第４回折格子部９に入射した第１光は、＋１次回折方向に回折されて受光手段５に照射される。したがって、受光手段５に入射する第１光（＋１次回折光）は、第２回折格子部７ａを介して−１次回折方向に回折され、第３回折格子部８ａを介して−１次回折方向に回折され、第４回折格子部９を介して＋１次回折方向に回折されるため、通算して回折次数ｎは０となる。
【００６４】
第１回折格子部６にて分割された第２光は、第１回折格子部６における分割点Ｐ１からミラー１０にて第２回折格子部７ｂに向かって反射される。この際、第１光が−１次回折光であった場合は、第２回折格子部７ｂにより＋１次回折方向に回折される。第２回折格子部７ｂを介した第２光は、第２反射手段４ｂに入射し、第２反射手段４ｂにて第３回折格子部８ｂに向かって出射される。この際、第２光は、第３回折格子部８ｂによりさらに＋１次回折方向に回折されて第４回折格子部９に入射する。第３回折格子部８ｂを介した第２光は、ミラー１０を介して第４回折格子部９に向かって反射される。第４回折格子部９に入射した第２光は、−１次回折方向に回折されて受光手段５に照射される。したがって、受光手段５に入射する第２光（−１次回折光）は、第２回折格子部７ａを介して＋１次回折方向に回折され、第３回折格子部８ａを介して＋１次回折方向に回折され、第４回折格子部９を介して−１次回折方向に回折されるため、通算して回折次数ｎは０となる。
【００６５】
受光手段５は、第１回折格子部６にて分割され、ミラー１０にて反射し、第２回折格子部７ａ，７ｂにて回折され、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂにて反射し、第３回折格子部８ａ，８ｂにて回折され、ミラー１０にて反射し、第４回折格子部９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。そして、演算手段２０は、受光手段５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。
【００６６】
また、光学式角度センサ１において、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂは、測定対象の測定範囲内において、第１回折格子部６における光源２からの光の分割点Ｐ１から第１反射手段４ａを介して第４回折格子部９に到達するまでの第１光の光路長と、第１回折格子部６における光源２からの光の分割点Ｐ１から第２反射手段４ｂを介して第４回折格子部９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。
【００６７】
具体的には、図３（Ａ）に示すように、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂが光源２からの光の光軸と平行な軸に対して線対称に配置されている場合、第１光および第２光の光路長は同じ長さとなる。この際、受光手段５は、最も第１光と第２光との光路長の差の変化に対する明暗の変化の感度が高い干渉光を受光することができる。
そして、図３（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４ａおよび第２反射手段４ｂ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３（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４ａおよび第２反射手段４ｂ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５に照射される干渉光は、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂの回動方向にしたがって第１光と第２光とのそれぞれの光路長が変化し、図３（Ａ）のときに生じる干渉光から変化する。演算手段２０は、この干渉光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。
【００６８】
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において、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂは、測定対象の測定範囲内において、第１回折格子部６における光の分割点Ｐ１から第１反射手段４ａを介して第４回折格子部９に到達するまでの第１光の光路長と、第１回折格子部６における光の分割点Ｐ１から第２反射手段４ｂを介して第４回折格子部９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光の光路長との長さの差を数ｃｍ以内に収めることができる。すなわち、光学式角度センサ１は、光源２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５の受光面で干渉を生じさせることができる。
【００６９】
（２）光学式角度センサ１は、第１光および第２光を回折する第２回折格子部７と、第１反射手段４ａを介した第１光および第２反射手段４ｂを介した第２光を回折する第３回折格子部８と、を備えることで、第１光および第２光を複数回、回折させることができる。これにより、光学式角度センサ１は、第１光および第２光の回折次数を相殺し、式（１）における回折次数ｎを０にすることができるため、環境変化による膨張や縮小により透過型回折格子の位置が元の位置から移動してしまったとしても、回折光の位相変化による角度変位を有した干渉光が生じ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、光源２のコヒーレント性による制限を回避しつつ、環境変化による回折光の位相変化を防止し、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。
【００７０】
（３）光学式角度センサ１は、１枚の透過型回折格子３を有し、１枚の透過型回折格子３は、第１回折格子部６と第２回折格子部７と第３回折格子部８と第４回折格子部９とを併設することで、部品点数を減らすことができる。したがって、光学式角度センサ１は、コスト削減を図ることができる。
（４）光学式角度センサ１は、第１回折格子部６にて分割された第１光と第２光とを１枚の透過型回折格子３に向かって反射し、第３回折格子部８にて回折された第１光と第２光とを１枚の透過型回折格子３に向かって反射するミラーを備えるため、光学式角度センサ１の大型化を抑制することができる。
【００７１】
（５）第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂ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４ａおよび第２反射手段４ｂは同時に同じ角度だけ回動する。これにより、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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、第４回折格子部９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５の感度が２倍となる。したがって、光学式角度センサ１は、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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。
【００７２】
（６）光学式角度センサ１における第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂは、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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線対称となる位置に配置される。このため、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂ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４ａおよび第２反射手段４ｂが、測定対象の測定範囲内において、第１回折格子部６における光源２からの光の分割点Ｐ１から第１反射手段４ａを介して第４回折格子部９に到達するまでの第１光の光路長と、第１回折格子部６における光源２からの光の分割点Ｐ１から第２反射手段４ｂを介して第４回折格子部９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。
【００７３】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２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。
【００７４】
図４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回折格子部６と、第２回折格子部７と、第３回折格子部８と、第４回折格子部９とは１枚の透過型回折格子３に併設されていた。
第２実施形態では、図４に示すように、光学式角度センサ１Ａは、複数の透過型回折格子３Ａを有し、複数の透過型回折格子３Ａは、第１回折格子部６Ａと第４回折格子部９Ａとを併設する第１透過型回折格子３Ａａと、第２回折格子部７Ａと第３回折格子部８Ａとを併設する第２透過型回折格子３Ａｂと、を備える点で、前記第１実施形態と異なる。
【００７５】
また、前記第１実施形態では、光学式角度センサ１は、第１回折格子部６にて分割された第１光と第２光とを１枚の透過型回折格子３に向かって反射し、第３回折格子部８にて回折された第１光と第２光とを１枚の透過型回折格子３に向かって反射するミラー１０を備えていた。
第２実施形態では、光学式角度センサ１Ａはミラー１０を備えず、受光手段５は、第１透過型回折格子３Ａａの第１回折格子部６Ａにて分割され、第２透過型回折格子３Ａｂの第２回折格子部７Ａにて回折され、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂにて反射し、第２透過型回折格子３Ａｂの第３回折格子部８Ａにて回折され、第１透過型回折格子３Ａａの第４回折格子部９Ａにて合成された第１光および第２光の合成光を受光し、演算手段２０（図２参照）は、受光手段５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点で前記第１実施形態と異なる。
以下、光学式角度センサ１Ａにおける光の光路について図４に基づいて説明する。
【００７６】
図４に示すように、第１透過型回折格子３Ａａの第１回折格子部６Ａにて分割された第１光は、第１回折格子部６Ａにおける分割点Ｐ１から第２透過型回折格子３Ａｂの第２回折格子部７Ａａに向かって出射される。この際、第１光が＋１次回折光であった場合は、第２回折格子部７Ａａにより−１次回折方向に回折される。第２回折格子部７Ａａを介した第１光は、第１反射手段４ａに入射し、第１反射手段４ａにて第２透過型回折格子３Ａｂの第３回折格子部８Ａａに向かって出射される。この際、第１光は、第３回折格子部８Ａａによりさらに−１次回折方向に回折されて第１透過型回折格子３Ａａの第４回折格子部９Ａに入射する。第３回折格子部８Ａａを介して第４回折格子部９Ａに入射した第１光は、＋１次回折方向に回折されて受光手段５に照射される。したがって、受光手段５に入射する第１光（＋１次回折光）は、第２回折格子部７Ａａを介して−１次回折方向に回折され、第３回折格子部８Ａａを介して−１次回折方向に回折され、第４回折格子部９Ａを介して＋１次回折方向に回折されるため、通算して回折次数ｎは０となる。
【００７７】
第１透過型回折格子３Ａａの第１回折格子部６Ａにて分割された第２光は、第１回折格子部６Ａにおける分割点Ｐ１から第２透過型回折格子３Ａｂの第２回折格子部７Ａｂに向かって出射される。この際、第２光が−１次回折光であった場合は、第２回折格子部７Ａｂにより＋１次回折方向に回折される。第２回折格子部７Ａｂを介した第２光は、第２反射手段４ｂに入射し、第２反射手段４ｂにて第２透過型回折格子３Ａｂの第３回折格子部８Ａｂに向かって出射される。この際、第２光は、第３回折格子部８Ａｂによりさらに＋１次回折方向に回折されて第１透過型回折格子３Ａａの第４回折格子部９Ａに入射する。第３回折格子部８Ａｂを介して第４回折格子部９Ａに入射した第２光は、−１次回折方向に回折されて受光手段５に照射される。したがって、受光手段５に入射する第２光（−１次回折光）は、第２回折格子部７Ａｂを介して＋１次回折方向に回折され、第３回折格子部８Ａｂを介して＋１次回折方向に回折され、第４回折格子部９Ａを介して−１次回折方向に回折されるため、通算して回折次数ｎは０となる。
【００７８】
光学式角度センサ１Ａにおいても、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂは、測定対象の測定範囲内において、第１回折格子部６Ａにおける光源２からの光の分割点Ｐ１から第１反射手段４ａを介して第４回折格子部９Ａに到達するまでの第１光の光路長と、第１回折格子部６Ａにおける光源２からの光の分割点Ｐ１から第２反射手段４ｂを介して第４回折格子部９Ａ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。
【００７９】
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），（２），（５），（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）光学式角度センサ１Ａは、複数の透過型回折格子３Ａを有し、複数の透過型回折格子３Ａは、第１回折格子部６Ａと第４回折格子部９Ａとを併設する第１透過型回折格子３Ａａと、第２回折格子部７Ａと第３回折格子部８Ａとを併設する第２透過型回折格子３Ａｂと、を備えるため、第１回折格子部６Ａおよび第４回折格子部９Ａと、第２回折格子部７Ａおよび第３回折格子部８Ａと、のそれぞれの配置を自由に設計することができる。したがって、光学式角度センサ１Ａは、設計の自由度を向上させることができる。
（８）光学式角度センサ１Ａは、第１透過型回折格子３Ａａと、第２透過型回折格子３Ａｂと、を備え、前記第１実施形態におけるミラー１０を備えないため、１枚の透過型回折格子３を用いる場合と比較して、部品点数を減らしつつ、長尺方向への大型化を抑制することができる。
【００８０】
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３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。
【００８１】
図５は、第３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４ａおよび第２反射手段４ｂ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ていた。
第３実施形態では、図５に示すように、光学式角度センサ１Ｂにおける第１反射手段４Ｂａは、測定対象に取付けられ、第２反射手段４Ｂｂは光学式角度センサ１Ｂ内に固定して設けられ、第１反射手段４Ｂａ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実施形と異なる。
【００８２】
また、前記第１実施形態では、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂは、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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と、のそれぞれの軸に対して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４ａおよび第２反射手段４ｂ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。
第３実施形態では、第１反射手段４Ｂａと第２反射手段４Ｂｂ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。
【００８３】
第１反射手段４Ｂａと第２反射手段４Ｂｂ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１Ｂにおいても、第１反射手段４Ｂａは、測定対象の測定範囲内において、第１回折格子部６における光源２からの光の分割点Ｐ１から第１反射手段４Ｂａを介して第４回折格子部９に到達するまでの第１光の光路長と、第１回折格子部６における光源２からの光の分割点Ｐ１から第２反射手段４Ｂｂを介して第４回折格子部９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。第３実施形態においても、演算手段２０（図２参照）は、第１反射手段４Ｂａの回動により変化する第１光および第２光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。
【００８４】
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）〜（４）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）第２反射手段４Ｂｂは、光学式角度センサ１Ｂ内に固定して設けられ、第１反射手段４Ｂａは、測定対象に取付けられているため、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂを測定対象に取付ける前記第１実施形態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１Ｂ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。
【００８５】
〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４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。
【００８６】
図６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２０は、受光手段５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。
第４実施形態では、図６に示すように、光学式角度センサ１Ｃにおける第４回折格子部９Ｃは、分割面６１（図１参照）において第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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９０Ｃを有し、受光手段５Ｃは、直交方向に沿って並設される複数の受光素子５１Ｃ〜５４Ｃを備え、複数の格子９０Ｃを介した複数の回折光を受光し、演算手段２０は、複数の受光素子５１Ｃ〜５４Ｃ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６では、説明の都合上、図１における光源２と、第１反射手段４ａと、第２反射手段４ｂと、透過型回折格子３上の第１回折格子部６と第２回折格子部７と第３回折格子部８と、ミラー１０と、を省略している。
【００８７】
複数の格子９０Ｃを透過する第１光の進行方向は、−Ｙ方向側に回折され、複数の傾斜格子９０Ｃを透過する第２光の進行方向は、＋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５Ｃ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５Ｃ（複数の受光素子５１Ｃ〜５４Ｃ）の受光面上に、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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。
【００８８】
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５１Ｃ〜５４Ｃ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。
例えば第１回折格子部６（図１参照）の複数の格子６０が１μｍの周期となるように設計されている場合、第４回折格子部９Ｃの複数の格子９０Ｃは、１．００５μｍの周期となるように、第１回折格子部の複数の格子６０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５１Ｃ〜５４Ｃは、第４回折格子部９Ｃの複数の格子９０Ｃと同じ周期となるように１．００５μｍに設計される。
【００８９】
具体的には、複数の受光素子５１Ｃ〜５４Ｃは、第１受光素子５１Ｃと、第２受光素子５２Ｃと、第３受光素子５３Ｃと、第４受光素子５４Ｃと、を備える。
第１受光素子５１Ｃは、複数の傾斜格子９０Ｃ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５２Ｃは、複数の傾斜格子９０Ｃ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５３Ｃは、複数の傾斜格子９０Ｃ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５４Ｃは、複数の傾斜格子９０Ｃ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。
【００９０】
そして、複数の受光素子５１Ｃ〜５４Ｃは、Ｘ軸と直交するＹ方向に沿って、第１受光素子５１Ｃ、第２受光素子５２Ｃ、第３受光素子５３Ｃ、第４受光素子５４Ｃ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５１Ｃ〜５４Ｃにて受光された信号から４相信号を検出し、演算手段２０（図２参照）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。
【００９１】
このような第４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）第４回折格子部９Ｃは、複数の格子９０Ｃを有し、受光手段５Ｃは、複数の受光素子５１Ｃ〜５４Ｃを備え、複数の格子９０Ｃ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５Ｃの受光面上に、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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５１Ｃ〜５４Ｃ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２０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。
【００９２】
〔第５実施形態〕
以下、本発明の第５実施形態を図７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。
【００９３】
図７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。
前記第１実施形態では、第４回折格子部９は、分割面６１において第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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９０を備え、演算手段２０は、受光手段５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。
第５実施形態では、図７に示すように、光学式角度センサ１Ｄにおける第４回折格子部９Ｄは、分割面６１（図１参照）において第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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９０Ｄを有し、受光手段５Ｄは、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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５１Ｄ〜５４Ｄを備え、複数の傾斜格子９０Ｄを介した複数の回折光を受光し、演算手段２０（図２参照）は、受光手段５Ｄ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７では、説明の都合上、図１における光源２と、第１反射手段４ａと、第２反射手段４ｂと、透過型回折格子３上の第１回折格子部６と第２回折格子部７と第３回折格子部８と、ミラー１０と、を省略している。
【００９４】
複数の傾斜格子９０Ｄを透過する第１光の進行方向は、＋Ｘ方向側に回折され、複数の傾斜格子９０Ｄを透過する第２光の進行方向は、−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５Ｄ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５Ｄ（複数の受光素子５１Ｄ〜５４Ｄ）の受光面上に、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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１Ｄ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５１Ｄ〜５４Ｄは、複数の受光素子５１Ｄ〜５４Ｄ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。
【００９５】
具体的には、複数の受光素子５１Ｄ〜５４Ｄは、第１受光素子５１Ｄと、第２受光素子５２Ｄと、第３受光素子５３Ｄと、第４受光素子５４Ｄと、を備える。第１受光素子５１Ｄは、複数の傾斜格子９０Ｄ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５２Ｄは、複数の傾斜格子９０Ｄ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５３Ｄは、複数の傾斜格子９０Ｄ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５４Ｄは、複数の傾斜格子９０Ｄ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５１Ｄ〜５４Ｄは、Ｘ軸と平行な方向に沿って、第１受光素子５１Ｄ、第２受光素子５２Ｄ、第３受光素子５３Ｄ、第４受光素子５４Ｄの順に繰り返し配置されている。光学式角度センサ１Ｄは、この複数の受光素子５１Ｄ〜５４Ｄにて受光された信号から４相信号を検出し、演算手段２０（図２参照）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。
【００９６】
このような第５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。
（１１）第４回折格子部９Ｄは、複数の傾斜格子９０Ｄを有し、受光手段５Ｄは、複数の傾斜格子９０Ｄ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５Ｄの受光面上に、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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５Ｄの複数の受光素子５１Ｄ〜５４Ｄ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２０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、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。
【００９７】
〔第６実施形態〕
以下、本発明の第６実施形態を図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。
【００９８】
図８は、第６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８（Ａ）は、光学式角度センサ１Ｅにおける第４回折格子部９Ｅと受光手段５Ｅとの配置を示す概略図であり、図８（Ｂ）は、第４回折格子部９Ｅが有する複数の合成部９１Ｅ〜９４Ｅが有する複数の格子９０Ｅの具体的な位相差を示す図である。
【００９９】
前記第１実施形態では、第４回折格子部９は、分割面６１において第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂの回動軸であるＸ軸と直交する方向に沿って並設される複数の格子６０を備えていた。
第６実施形態では、図８（Ａ）に示すように、光学式角度センサ１Ｅにおける第４回折格子部９Ｅは、それぞれ位相が異なる複数の合成部９１Ｅ〜９４Ｅを備え、受光手段５Ｅは、複数の合成部９１Ｅ〜９４Ｅのそれぞれに対応する複数の受光部５１Ｅ〜５４Ｅを備え、演算手段２０（図２参照）は、複数の受光部５１Ｅ〜５４Ｅ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実施形態と異なる。
なお、図８（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４ａと、第２反射手段４ｂと、透過型回折格子３上の第１回折格子部６と第２回折格子部７と第３回折格子部８と、ミラー１０と、を省略している。
【０１００】
第４回折格子部９Ｅは、複数の合成部９１Ｅ〜９４Ｅとして、第１合成部９１Ｅと、第２合成部９２Ｅと、第３合成部９３Ｅと、第４合成部９４Ｅと、を備える。
第１合成部９１Ｅは、位相が０度に配置される複数の格子９０Ｅを有する。第２合成部９２Ｅは、位相が９０度に配置される複数の格子９０Ｅを有する。第３合成部９３Ｅは、位相が１８０度に配置される複数の格子９０Ｅを有する。第４合成部９４Ｅは、位相が２７０度に配置される複数の格子９０Ｅを有する。
【０１０１】
受光手段５Ｅは、複数の受光部５１Ｅ〜５４Ｅとして、第１受光部５１Ｅと、第２受光部５２Ｅと、第３受光部５３Ｅと、第４受光部５４Ｅと、を備える。
第１受光部５１Ｅは、第１合成部９１Ｅを介した位相が０度の光を受光する。第２受光部５２Ｅは、第２合成部９２Ｅを介した位相が９０度の光を受光する。第３受光部５３Ｅは、第３合成部９３Ｅを介した位相が１８０度の光を受光する。第４受光部５４Ｅは、第４合成部９４Ｅを介した位相が２７０度の光を受光する。
【０１０２】
第１実施形態における第３回折格子部８からの光を反射するミラー１０や第２実施形態における第３回折格子部８Ａを介した第１光および第２光は、重なるようにして複数の合成部９１Ｅ〜９４Ｅ全体（第４回折格子部９Ｅ）に照射される。複数の合成部９１Ｅ〜９４Ｅ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５１Ｅ〜５４Ｅのそれぞれに照射される。複数の受光部５１Ｅ〜５４Ｅ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２０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１Ｅは、複数の合成部９１Ｅ〜９４Ｅおよび複数の受光部５１Ｅ〜５４Ｅ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。
【０１０３】
第４回折格子部９Ｅの複数の合成部９１Ｅ〜９４Ｅは、図８（Ｂ）に示すように、複数の格子９０Ｅの周期をｑとし、整数をｍとし、オフセットをｋとした場合に、第１合成部９１Ｅおよび第２合成部９２Ｅと、第３合成部９３Ｅおよび第４合成部９４Ｅは、それぞれ式（２）のような関係で配置されている。
【０１０４】
ｋ１＝ｍ×ｑ＋ｑ÷８  ・・・（２）
【０１０５】
具体的には、第２合成部９２Ｅは、第１合成部９１Ｅに対し、式（２）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９３Ｅは、第１合成部９１Ｅに対し、ｑ÷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９４Ｅは、第３合成部９３Ｅに対し、式（２）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５１Ｅ〜５４Ｅは、複数の合成部９１Ｅ〜９４Ｅ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。
【０１０６】
このような第６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）光学式角度センサ１Ｅは、４つの合成部９１Ｅ〜９４Ｅと４つの受光部５１Ｅ〜５４Ｅを備えるため、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１Ｅは、４相信号などの複数の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。
【０１０７】
〔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。
【０１０８】
図９は、第７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４回折格子部９は、分割面６１において第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂの回動軸であるＸ軸と直交する方向に沿って並設される複数の格子９０を備え、受光手段５は、複数の格子９０を介した光を受光していた。
第７実施形態では、光学式角度センサ１Ｆは、第１反射手段４ａを介する第１光または第２反射手段４ｂを介する第２光の光路上に配置される第１の１／４波長板４５ａを備え、第４回折格子部９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２の１／４波長板４５ｂと、第２の１／４波長板４５ｂを介した第２分割光２１Ｆの光路上に配置される第３の１／４波長板４５ｃと、第２の１／４波長板４５ｂ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３の１／４波長板４５ｃを介した第２分割光２１Ｆを第３偏光２２Ｆ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、を備え、受光手段５Ｆは複数の受光部５１Ｆ〜５４Ｆを有し、複数の受光部５１Ｆ〜５４Ｆは、第１偏光１２Ｆから位相が０度の光を受光する第１受光部５１Ｆ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５２Ｆ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５３Ｆ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５４Ｆと、を備える点で前記第１実施形態と異なる。
【０１０９】
光学式角度センサ１Ｆは、第１の１／４波長板４５ａを備えることで、前記第１実施形態における第４回折格子部９による合成光から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。
また、光学式角度センサ１Ｆは、第４回折格子部９からの合成光を受光手段５Ｆに向かって反射する反射部１０ａをさらに備える。反射部１０ａは、ミラーである。なお、反射部１０ａは、合成光を受光手段５Ｆに向かって反射させることができればよく、ビームスプリッタやハーフミラー等であってもよい。
【０１１０】
分割ビームスプリッタ３０Ｆは、非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、第４回折格子部９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、第４回折格子部９を介した合成光を第１分割光１１Ｆと第２分割光２１Ｆとに分割する。
【０１１１】
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。
偏光ビームスプリッタは、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。
第１分割光偏光ビームスプリッタ３１Ｆは、分割ビームスプリッタ３０Ｆからの第１分割光１１Ｆを分割し、第１偏光１２Ｆを反射し、第２偏光１３Ｆを透過する。第２分割光偏光ビームスプリッタ３２Ｆは、分割ビームスプリッタ３０Ｆからの第２分割光２１Ｆを分割し、第３偏光２２Ｆを反射し、第４偏光２３Ｆを透過する。
第７実施形態では、第１偏光１２Ｆと第３偏光２２ＦをＳ偏光とし、第２偏光１３Ｆと第４偏光２３ＦをＰ偏光として説明する。
【０１１２】
第１分割光１１Ｆは、第２の１／４波長板４５ｂ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５１Ｆ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５２Ｆ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。
【０１１３】
第２分割光２１Ｆは、第２の１／４波長板４５ｂおよび第３の１／４波長板４５ｃ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５３Ｆ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５４Ｆ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２０（図２参照）は、複数の受光部５１Ｆ〜５４Ｆから４相信号を取得することができる。演算手段２０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。
【０１１４】
このような第７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。
（１３）光学式角度センサ１Ｆは、第１反射手段４ａを介する第１光または第２反射手段４ｂを介する第２光の光路上に配置される第１の１／４波長板４５ａを備え、受光手段５Ｆは、複数の受光部５１Ｆ〜５４Ｆ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５１Ｆ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５２Ｆ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５３Ｆ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５４Ｆ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１Ｆは、複数の回折光から取得することができる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。
【０１１５】
〔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。
【０１１６】
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は、分割ビームスプリッタ３０Ｆと、第１の波長板４５ａと、第２の１／４波長板４５ｂと、第３の１／４波長板４５ｃ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５１Ｆ〜５４Ｆと、を備えていた。
【０１１７】
第８実施形態では、図１０に示すように、光学式角度センサ１Ｇは、第１反射手段４ａを介する第１光または第２反射手段４ｂを介する第２光の光路上に配置される１／４波長板４５ａを備え、第４回折格子部９による合成光を複数の回折光とする複数の格子３１１Ｇが並設される照射面３０Ｇを有する第５回折格子部３１Ｇと、第５回折格子部３１Ｇの複数の格子３１１Ｇが並設される方向と照射面３０Ｇにおいて直交する方向に並設される複数の格子３２２Ｇを有し、第５回折格子部３１Ｇによる複数の回折光をさらに複数の回折光とする第６回折格子部３２Ｇと、第６回折格子部３２Ｇ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５Ｇ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５１Ｇ〜５４Ｇを備え、演算手段２０（図２参照）は、複数の受光部５１Ｇ〜５４Ｇ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前記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。
【０１１８】
また、光学式角度センサ１Ｇは、第４回折格子部９からの合成光を受光手段５Ｇに向かって反射する反射部１０ａをさらに備える。反射部１０ａは、ミラーである。なお、反射部１０ａは、合成光を受光手段５Ｇに向かって反射させることができればよく、ビームスプリッタやハーフミラー等であってもよい。
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。
【０１１９】
受光手段５Ｇは、複数の偏光子４６ａ〜４６ｄに対向して設けられている。また、受光手段５Ｇは、複数の受光部５１Ｇ〜５４Ｇとして、第１受光部５１Ｇと、第２受光部５２Ｇと、第３受光部５３Ｇと、第４受光部５４Ｇと、を備える。複数の受光部５１Ｇ〜５４Ｇは、同一面上に設けられている。
第５回折格子部３１Ｇおよび第６回折格子部３２Ｇ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５１Ｇ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５２Ｇ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５３Ｇ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５４Ｇは、第４偏光子４６ｄを介した位相が２７０度の光を受光する。
【０１２０】
これにより、演算手段２０は、複数の受光部５１Ｇ〜５４Ｇから４相信号を取得することができる。演算手段２０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５１Ｇ〜５４Ｇ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１Ｇ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５１Ｇ〜５４Ｇ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。
【０１２１】
このような第８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）光学式角度センサ１Ｇは、第５回折格子部３１Ｇおよび第６回折格子部３２Ｇ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５１Ｇ〜５４Ｇ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１Ｇ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。
（１５）受光手段５Ｇ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５１Ｇ〜５４Ｇを備えるため、複数の受光部５１Ｇ〜５４Ｇをモジュール化することで小型化をすることができる。
【０１２２】
〔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〜１Ｇ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。
【０１２３】
前記各実施形態では、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂ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、立方体の頂点型にしたコーナーキューブであってもよい。要するに、第１反射手段は、第２回折格子部を介して回折された第１光を第１光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射し、第２反射手段は、第２回折格子部を介して回折された第２光を第２光が入射してきた方向と平行、かつ、逆方向に反射することができれば、どのようなものであってもよい。
【０１２４】
図１１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３，３Ａと、第１反射手段４ａ，４Ｂａと、第２反射手段４ｂ，４Ｂｂと、受光手段５，５Ｃ〜５Ｇとは、光学式角度センサ１，１Ａ〜１Ｇ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１Ｈは、図１１に示すように、光源２Ｈ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５Ｈは、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂを反射し、さらにミラー１０を反射した光を下方（紙面下方向）から受光し、光源２Ｈおよび受光手段５Ｈ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、第１回折格子部にて分割され、第１反射手段と第２反射手段とを反射し、第４回折格子部にて合成された第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。
【０１２５】
前記各実施形態では、第１回折格子部６，６Ａおよび第４回折格子部９，９Ａ，９Ｃ〜９Ｅは、１枚の透過型回折格子３（第１透過型回折格子３Ａａ）に併設されていたが、第１回折格子部および第４回折格子部は、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４ａおよび第２反射手段４ｂは、第１反射手段４ａまたは第２反射手段４ｂ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と、のそれぞれの軸に対して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３実施形態のように、非対称に配置されていてもよい。
【０１２６】
前記第１実施形態では、第１反射手段４ａおよび第２反射手段４ｂは、回動軸にて回動する測定対象に接続され、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３実施形態のように、第１反射手段４Ｂａのみが測定対象に接続され取付けられていてもよい。また、前記第３実施形態では、第１反射手段４Ｂａのみが測定対象に取付けられていたが、第１反射手段４Ｂａではなく第２反射手段４Ｂｂ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、測定対象に接続され、測定対象の回動にともなって同期して回動すればよい。
【０１２７】
前記各実施形態では、第４回折格子部９，９Ａ，９Ｃ〜９Ｅは透過型回折格子であったが、例えばビームスプリッタであってもよい。すなわち、第４回折格子部は、第１光および第２光を合成することができればどのようなものであってもよい。
前記第４実施形態では、第１回折格子部６の複数の格子６０は１μｍの周期になるように設計され、第４回折格子部９Ｃの複数の格子９０Ｃと複数の受光素子５１Ｃ〜５４Ｃは１．００５μｍの周期となるように設計されていたが、第１回折格子部の複数の格子や、第１回折格子部の複数の格子、複数の受光手段は、受光手段の受光面に干渉縞が形成され、その干渉縞から測定対象の回動による角度の変化量を取得することができれば、どのように設計されていてもよい。
【０１２８】
前記第７実施形態および前記第８実施形態では、光学式角度センサ１Ｆ，１Ｇは、第４回折格子部９からの合成光を受光手段５Ｆ，５Ｇに向かって反射する反射部１０ａを備えていたが、光学式角度センサは、反射部を備えていなくてもよい。光学式角度センサは、反射部を備えていない場合は、第４回折格子部からの合成光が照射される位置に受光手段を配置することで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。
【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〜１Ｈ          光学式角度センサ
２，２Ｈ                光源
３，３Ａ                透過型回折格子
４ａ，４Ｂａ            第１反射手段
４ｂ，４Ｂｂ            第２反射手段
５，５Ｃ〜５Ｈ          受光手段
６，６Ａ                第１回折格子部
７，７Ａ                第２回折格子部
８，８Ａ                第３回折格子部
９，９Ａ，９Ｃ〜９Ｅ    第４回折格子部
１０                    ミラー
１０ａ                  反射部
２０                    演算手段
６１                    分割面
Ｐ１                    分割点
【図１】
2020051782.tif 000003
【図２】
2020051782.tif 000004
【図３】
2020051782.tif 000005
【図４】
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【図５】
2020051782.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020051782.tif 000009
【図８】
2020051782.tif 000010
【図９】
2020051782.tif 000011
【図１０】
2020051782.tif 000012
【図１１】
2020051782.tif 000013
【図１２】
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