JP2020012784A - 光学式角度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光の形状と光の重心とによらずに角度変位の検出ができ、受光手段の大型化を抑制するとともに、補正工程を有さずに高精度な角度変位の検出ができる光学式角度センサの提供。【解決手段】光学式角度センサ１は、光を照射する光源２と、所定の軸にて回動する測定対象Ｗの角度を算出するための信号を光源２から照射された光から検出する検出手段４と、検出手段４にて検出された信号に基づき演算をする演算手段７と、を備える。検出手段４は、光を透過して光を複数の回折光とする透過型回折格子５と、複数の回折光を受光する受光手段６と、を備える。透過型回折格子５および受光手段６は、測定対象Ｗの回動に同期して測定対象Ｗと同軸にて一体に回動し、演算手段７は、受光手段６が受光した信号から測定対象Ｗの回動による角度の変化量を算出する角度算出部７１を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光学式角度センサに関する。

従来、光を照射する光源と、所定の軸にて回動する測定対象の角度を算出するための信号を光源から照射された光から検出する検出手段と、検出手段にて検出された信号に基づき演算をする演算手段と、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（検出手段）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。

また、例えば特許文献２に記載の形状測定装置は、被測定面に対して相対的に略平行移動する測定ヘッド部（検出手段）と、測定ヘッド部の対向位置における被測定面の形状が測定ヘッド部と被測定面との平行移動にともなって変化する量を測定する信号処理部（演算手段）と、を備える。測定ヘッド部は、同位相の多光束からなる光を被測定面に向けて照射させる照射光形成手段（光源）と、被測定面からの反射光を回折させて干渉縞を形成させる干渉縞形成手段と、干渉縞の光を受光して受光信号を出力する受光素子アレイ（受光手段）と、を備える。信号処理部は、受光素子アレイからの受光信号に基づく干渉縞の変位から被測定面の形状変化、すなわち、被測定面の傾斜角度を検出する。

また、例えば特許文献３に記載の変位計測装置は、光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動が可能であり、回折光をそれぞれ発生する第１の回折格子および第２の回折格子と、第１の回折格子および第２の回折格子による回折光を受光する複数の光センサ
（検出手段）と、複数の光センサにより得られた信号の差分値に基づき、第１の回折格子および第２の回折格子のそれぞれの格子線の方向に沿う軸回りの、第１の回折格子および第２の回折格子の相対的な回転の角度変位を算出する処理部（演算手段）と、を備える。変位計測装置は、第１の回折格子および第２の回折格子のそれぞれから発生する回折光を用いて、測定対象の角度の変位を計測する。

特開２００３−１５６３１９号公報 特開２００５−２７４４２９号公報 特開２０１４−２２８４９０号公報

しかしながら、いずれの手法においても以下のような問題がある。例えば特許文献１に記載の２次元角度センサは、検出素子に投光される光の形状と光の重心とから検出対象の傾きを検出する。ここで、光の重心とは、レンズなどを介して検出素子に投光される光の光量が最も大きい部分のことをいう。検出素子に投光される光の形状がレンズなどにより変形した場合、その変形は、ノイズとして検出結果に影響を与える。２次元角度センサは、光の形状と光の重心との変形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系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。

また、特許文献２に記載の形状測定装置は、被測定面が所定の角度以上に傾斜した場合、干渉縞が被測定面にて受光素子アレイのない方向に反射し、受光素子アレイに照射されないことがある。これにより、受光素子アレイは、干渉縞から被測定面の傾斜角度を検出することができないことがある。この場合、受光素子アレイの受光面積を拡大することで干渉縞が受光素子アレイから外れてしまうことを回避することができるが、受光素子アレイが大型化してしまうという問題がある。

さらに、特許文献３に記載の変位計測装置は、第１の回折格子および第２の回折格子の相対角度が大きくなると、干渉縞の数が増加する。干渉縞の数の増加により受光部が得られる信号は減衰する。このため、変位計測装置は、第１の回折格子および第２の回折格子の相対角度による傾きが所定の傾き以上にならないように補正する補正機構を備えなければならないという問題がある。

本発明の目的は、光の形状と光の重心とによらずに角度変位の検出ができ、受光手段の大型化を抑制するとともに、補正工程を有さずに高精度な角度変位の検出ができる光学式角度センサを提供することである。

本発明の光学式角度センサは、光を照射する光源と、所定の軸にて回動する測定対象の角度を算出するための信号を光源から照射された光から検出する検出手段と、検出手段にて検出された信号に基づき演算をする演算手段と、を備える光学式角度センサであって、検出手段は、光を透過して光を複数の回折光とする透過型回折格子と、複数の回折光を受光する受光手段と、を備え、透過型回折格子および受光手段は、測定対象の回動に同期して測定対象と同軸にて一体に回動し、演算手段は、受光手段が受光した信号から測定対象の回動による角度の変化量を算出する角度算出部を備えることを特徴とする。

このような本発明によれば、検出手段は、光を透過して光を複数の回折光とする透過型回折格子と、複数の回折光を受光する受光手段と、を備えるため、受光手段は、透過型回折格子により生じる干渉縞から測定対象の角度を算出するための信号を受光することができる。したがって、光学式角度センサは、光の形状と光の重心とによらずに角度変位の検出ができる。

また、透過型回折格子および受光手段は、測定対象の回動に同期して測定対象と同軸にて一体に回動する。これにより、検出手段が大きく傾斜したとしても、透過型回折格子からの回折光が受光手段から外れることがないため、受光手段は、確実に干渉縞を受光することができる。また、透過型回折格子と受光手段とが相対移動せず、透過型回折格子に照射される光の角度だけが変動するため、透過型回折格子を透過した回折光は、受光手段がない方向には回折しない。したがって、光学式角度センサは、受光手段の大型化を抑制するとともに、透過型回折格子と受光手段とが相対移動することによる傾きを補正する補正工程を有さずに高精度な角度変位の検出をすることができる。

この際、受光手段は、測定対象に取付けられていることが好ましい。

このような構成によれば、受光手段は、測定対象に取付けられていることで、測定対象が大きく傾斜したとしても、測定対象と受光手段との位置は変動しない。したがって、光学式角度センサは、測定対象が大きく傾斜したとしても、検出手段に照射される光が受光手段から外れることがないため、大型化を抑制することができる。

この際、角度算出部は、透過型回折格子に入射する入射光の角度をαとし、透過型回折格子から受光手段までの距離をＬとし、信号をＦとした場合に、
α＝ΔＦ／Ｌ・・・（１）
式（１）に基づいて透過型回折格子に入射する入射光の角度αを算出し、受光手段が受光した信号から測定対象の回動による角度の変化量を算出することが好ましい。

ここで、受光手段に照射される干渉縞から検出される信号の周期は、測定対象が回動したとしても変動しないが、干渉縞から検出される信号の位相は、透過型回折格子に入射する入射光の角度αにより変動する。
したがって、このような構成によれば、角度算出部は、透過型回折格子に入射する入射光の角度αを算出することで、測定対象の角度を算出するための信号から測定対象の回動による角度の変化量を算出することができる。光学式角度センサは、計算により測定対象の回動による角度の変化量を算出することができるため、高精度に角度の検出をすることができる。

この際、光学式角度センサは、光源から検出手段に照射される光から平行光を生成する平行光生成手段を備えることが好ましい。

このような構成によれば、光学式角度センサは、光源から検出手段に照射される光から平行光を生成する平行光生成手段を備えるため、検出誤差が生じにくい光である平行光を検出手段に照射することができる。したがって、光学式角度センサは、検出誤差を抑制することができる。

この際、平行光生成手段は、光源からの光を平行光にするコリメート部を備えることが好ましい。

このような構成によれば、平行光生成手段は、光源からの光を平行光にするコリメート部を備えるため、検出誤差が生じにくい光である平行光を検出手段に照射することができる。したがって、光学式角度センサは、検出誤差を抑制することができる。

この際、平行光生成手段は、平行光を複数の分割光に分割する分割格子部と、分割格子部により分割された複数の分割光を検出手段に向かって回折する回折格子部と、を備えることが好ましい。

このような構成によれば、平行光生成手段は、平行光を複数の分割光に分割する分割格子部と、分割格子部により分割された複数の分割光を検出手段に向かって回折する回折格子部と、を備えるため、検出手段に照射される光を調節することができる。

この際、平行光生成手段は、光源からの光を複数の光に分割し、一部を回折するとともに一部を透過するビームスプリッタと、ビームスプリッタにて回折された光を検出手段に向かって反射する反射部と、を備えることが好ましい。

このような構成によれば、平行光生成手段は、光源からの光を複数の光に分割し、一部を回折するとともに一部を透過するビームスプリッタと、ビームスプリッタにて回折された光を検出手段に向かって反射する反射部と、を備えるため、検出手段に照射される光を調節することができる。

第１実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図 前記光学式角度センサを示すブロック図 前記光学式角度センサにおける干渉縞の原理図 第２実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図 前記光学式角度センサを示すブロック図 第３実施形態に係る光学式角度センサを示す概略図 前記光学式角度センサを示すブロック図 変形例に係る光学式角度センサを示す斜視図

〔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。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Ｗ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Ｗが所定の方向に回動した状態を示す図である。

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から照射される光から平行光を生成する平行光生成手段３と、所定の軸にて回動する測定対象Ｗの角度を算出するための信号を光源２から照射された光から検出する検出手段４と、を備える。光学式角度センサ１は、回動する物体を測定する測定器の内部に設けられている。本実施形態では、測定対象Ｗは、Ｘ軸を軸として回動する。また、以降の説明においてＸ軸を測定軸として説明することがある。

光源２は、一定の幅を有する光を平行光生成手段３に向かって照射する。光源２は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。なお、光源２はＬＥＤに限らず、任意の光源であってもよい。
平行光生成手段３は、コリメート部３１と、分割格子部３２と、回折格子部３３と、を備える。

コリメート部３１は、光源２からの光を平行光にするレンズである。なお、コリメート部３１は、レンズでなくてもよく、光を平行光にすることができればどのようなものであってもよい。
分割格子部３２は、コリメート部３１による平行光を複数の分割光に分割する。回折格子部３３は、分割格子部３２により分割された複数の分割光を検出手段４に向かって回折する。分割格子部３２および回折格子部３３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を有する。複数の格子は、分割格子部３２および回折格子部３３の光が照射される面においてＸ軸と直交する方向（Ｙ方向）に沿って並設されている。なお、分割格子部３２および回折格子部３３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。

検出手段４は、光を透過して光を複数の回折光とする透過型回折格子５と、複数の回折光を受光する受光手段６と、を備える。
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。
検出手段４は、主に±１次回折光により生成される干渉縞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、干渉縞を生成する光の光路を矢印にて記載している。

透過型回折格子５は、透光性のガラスにて形成され、分割格子部３２および回折格子部３３と同じピッチで配置される複数の格子を有する。なお、透過型回折格子５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。
受光手段６は、受光手段６の受光面においてＸ軸と直交する方向（Ｙ方向）に沿って並設されるとともに、光を受光して信号に変換する図示しない複数の受光素子を備える。また、受光手段６は、測定対象Ｗに取付けられている。複数の受光素子は、分割格子部３２と回折格子部３３と透過型回折格子５の複数の格子の配置ピッチに対応して、所定の配置ピッチにてＹ方向に沿って並設されている。複数の受光素子には、ＰＤＡ(Photo Diode Array)が用いられる。ＰＤＡは、複数の干渉縞を一度に測定することができる性質を持つ受光器である。なお、複数の受光素子は、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。

透過型回折格子５および受光手段６は、互いに距離Ｌだけ離間して配置され、測定対象Ｗの回動に同期して測定対象Ｗと同軸であるＸ軸にて一体に回動する。すなわち、透過型回折格子５および受光手段６は、測定対象ＷがＸ軸を軸として回動すると、測定対象Ｗの回動にともなって同時に測定対象Ｗと同じ方向に回動する。
具体的には、図１（Ｂ）に示すように、測定対象Ｗが＋Ｙ方向（紙面上方向）に回動した場合、透過型回折格子５および受光手段６は、測定対象Ｗの回動にともなって＋Ｙ方向に回動する。そして、受光手段６に照射される干渉縞は、受光手段６の受光面においてＸ軸と平行な方向と直交する直交方向である−Ｙ方向（紙面下方向）に移動する。

また、図１（Ｃ）に示すように、測定対象Ｗが−Ｙ方向に回動した場合、透過型回折格子５および受光手段６は、測定対象Ｗの回動にともなって−Ｙ方向に回動する。そして、受光手段６に照射される干渉縞は、受光手段６の受光面を＋Ｙ方向に移動する。光学式角度センサ１は、この干渉縞の移動である変位から測定対象Ｗの傾斜角度の変位を検出する。
したがって、透過型回折格子５および受光手段６は、測定対象Ｗの回動にともなって回動したとしても距離Ｌが変わらないため、受光手段６の受光面積を大きくしなくとも、光源２から照射された光（干渉縞）を受光することができる。

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、検出手段４にて検出された信号に基づき演算をする演算手段７をさらに備え、演算手段７は角度算出部７１を備える。
角度算出部７１は、受光手段６が受光した信号から測定対象Ｗの回動による角度の変化量を算出する。
具体的には、角度算出部７１は、透過型回折格子５に入射する入射光の角度、すなわち、測定対象Ｗの回動による角度の変化量をαとし、透過型回折格子５から受光手段６までの距離をＬとし、信号をＦとした場合に、式（１）に基づいて受光手段６が受光した信号から測定対象Ｗの回動による角度の変化量を算出する。

α＝ΔＦ／Ｌ・・・（１）

図３は、前記光学式角度センサにおける干渉縞の原理図である。具体的には、図３（Ａ）は測定対象Ｗの回動にともなって検出手段４が回動する前の状態を示す図であり、図３（Ｂ）は測定対象Ｗの回動にともなって検出手段４が回動した後の状態を示す図である。
ここで、受光手段６に照射される干渉縞の周期は、検出手段４が測定対象Ｗの回動にともなって回動したとしても変化しない。
以下、図３を用いて、受光手段６に照射される干渉縞の周期が検出手段４の回動により変化しない原理について説明する。なお、図３（Ｂ）は、説明の都合上、測定対象Ｗの回動にともない、検出手段４が固定され、検出手段４に入射する光が回動した図となっている。

図３（Ａ）に示すように、先ず、光源２から照射された光は、平行光生成手段３のコリメート部３１にて平行光となる。次に、平行光は、分割格子部３２にて複数の光に分割される。続いて、分割された複数の光は、回折格子部３３にて複数の回折光となり透過型回折格子５に照射される。そして、透過型回折格子５を透過した複数の回折光は、さらに回折されることで干渉縞となり受光手段６に照射される。受光手段６に照射された干渉縞は、受光手段６の複数の受光素子により測定対象Ｗの角度を算出するための信号Ｃ１として検出される。

この際、回折格子部３３を回折した２本の回折光（±１次回折光）のうち、＋１次回折光と透過型回折格子５から受光手段６に向かって照射される＋１次回折光との角度差をβ１とし、−１次回折光と透過型回折格子５から受光手段６に向かって照射される−１次回折光との角度差をβ２とする。そして、光源２から照射される光の波長をλとし、分割格子部３２と回折格子部３３と透過型回折格子５とが備える複数の格子の配置ピッチ（格子の周期）をｇとした場合、受光手段６にて検出される＋１次回折光による信号Ｃ１は式（２）にて表され、−１次回折光による信号Ｃ１は式（３）にて表される。
干渉縞の周期をΛとした場合、測定対象Ｗの回動にともなって検出手段４が回動する前の状態では、式（４）に表すように、干渉縞の周期は分割格子部３２と回折格子部３３と透過型回折格子５とが備える複数の格子の周期ｇの半分の周期ｇ／２として検出される。

sinβ１＝＋λ／ｇ ・・・（２）
sinβ２＝−λ／ｇ ・・・（３）
Λ＝λ／（sinβ１−sinβ２）＝ｇ／２ ・・・（４）

続いて、測定対象Ｗの回動にともなって検出手段４が回動した場合、図３（Ｂ）に示すように、受光手段６に照射された干渉縞は、測定対象Ｗが回動した分だけ受光手段６の受光面をＹ方向に移動し、受光手段６の複数の受光素子により測定対象Ｗの角度を算出するための信号Ｃ２として検出される。
そして、受光手段６にて検出される＋１次回折光による信号Ｃ２は式（５）にて表され、−１次回折光による信号Ｃ２は式（６）にて表される。

sinβ１＋sinα＝＋λ／ｇ ・・・（５）
sinβ２＋sinα＝−λ／ｇ ・・・（６）

測定対象Ｗの回動による角度の変化量であり透過型回折格子５に入射する入射光の角度であるαの有無に関わらず、式（５）は式（２）と同様の結果となり、式（６）は式（３）と同様の結果となる。このため、測定対象Ｗの回動にともなって検出手段４が回動した場合であっても、式（４）にて表される干渉縞の周期と同様の周期にて信号Ｃ１，Ｃ２は検出される。したがって、角度算出部７１は、式（１）に基づき測定対象Ｗの角度の変化量であり透過型回折格子５に入射する入射光の角度であるαを算出することで、受光手段６が受光した信号から測定対象Ｗの回動による角度の変化量を算出することができる。

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）検出手段４は、光を透過して光を複数の回折光とする透過型回折格子５と、複数の回折光を受光する受光手段６と、を備えるため、受光手段６は、透過型回折格子５により生じる干渉縞から測定対象Ｗの角度を算出するための信号を受光することができる。したがって、光学式角度センサ１は、光の形状と光の重心とによらずに角度変位の検出ができる。

（２）透過型回折格子５および受光手段６は、測定対象Ｗの回動に同期して測定対象Ｗと同軸にて一体に回動する。これにより、検出手段４が大きく傾斜したとしても、透過型回折格子５からの回折光が受光手段６から外れることがないため、受光手段６は、確実に干渉縞を受光することができる。また、透過型回折格子５と受光手段６とが相対移動せず、透過型回折格子５に照射される光の角度だけが変動するため、透過型回折格子５を透過した回折光は、受光手段６がない方向には回折しない。したがって、光学式角度センサ１は、受光手段６の大型化を抑制するとともに、透過型回折格子５と受光手段６とが相対移動することによる傾きを補正する補正工程を有さずに高精度な角度変位の検出をすることができる。

（３）受光手段６は、測定対象Ｗに取付けられていることで、測定対象Ｗが大きく傾斜したとしても、測定対象Ｗと受光手段６との位置は変動しない。したがって、光学式角度センサ１は、測定対象Ｗが大きく傾斜したとしても、検出手段４に照射される光が受光手段６から外れることがないため、大型化を抑制することができる。
（４）角度算出部７１は、透過型回折格子５に入射する入射光の角度αを算出することで、測定対象Ｗの角度を算出するための信号から測定対象Ｗの回動による角度の変化量を算出することができる。したがって、光学式角度センサ１は、計算により測定対象Ｗの回動による角度の変化量を算出することができるため、高精度に角度の検出をすることができる。

（５）光学式角度センサ１は、光源２から検出手段４に照射される光から平行光を生成する平行光生成手段３を備えるため、検出誤差が生じにくい光である平行光を検出手段４に照射することができる。したがって、光学式角度センサ１は、検出誤差を抑制することができる。
（６）平行光生成手段３は、光源２からの光を平行光にするコリメート部３１を備えるため、検出誤差が生じにくい光である平行光を検出手段４に照射することができる。したがって、光学式角度センサ１は、検出誤差を抑制することができる。
（７）平行光生成手段３は、平行光を複数の分割光に分割する分割格子部３２と、分割格子部３２により分割された複数の分割光を検出手段４に向かって回折する回折格子部３３と、を備えるため、検出手段４に照射される光を調節することができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図４と図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。

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り、図５は、前記光学式角度センサを示すブロック図である。具体的には、図４（Ａ）は光学式角度センサ１Ａにおいて測定対象Ｗが回動する前の状態を示す図であり、図４（Ｂ），（Ｃ）は光学式角度センサ１Ａにおいて測定対象Ｗが所定の方向に回動した状態を示す図である。

前記第１実施形態では、平行光生成手段３は、コリメート部３１と、分割格子部３２と、回折格子部３３と、を備えていた。
本実施形態では、図４（Ａ）と図５に示すように、光学式角度センサ１Ａにおける平行光生成手段３Ａは、分割格子部３２と、回折格子部３３と、を備えず、ビームスプリッタ３４と、反射部３５と、を備える点で前記第１実施形態と異なる。

ビームスプリッタ３４は、コリメート部３１により平行光となった光源２からの光を複数の光に分割し、一部を回折するとともに一部を透過する。
反射部３５は、ビームスプリッタ３４にて回折された光を検出手段４に向かって反射するミラーである。なお、反射部３５は、光を反射することができれば、ミラーでなくてもよく、どのようなものであってもよい。
反射部３５は、ビームスプリッタ３４からの光を、ビームスプリッタ３４を透過して検出手段４に照射される光と平行になるように反射する角度にて配置されている。

光学式角度センサ１Ａにおいて光源２から照射された光は、先ず、平行光生成手段３Ａのコリメート部３１にて平行光となる。次に、平行光は、ビームスプリッタ３４にて複数の光に分割される。続いて、分割された複数の光の一部はビームスプリッタ３４を透過して検出手段４に照射され、一部は反射部３５にて反射し検出手段４に照射される。
そして、図４（Ｂ）に示すように、測定対象Ｗが＋Ｙ方向に回動した場合、透過型回折格子５および受光手段６は、測定対象Ｗの回動にともなって＋Ｙ方向に回動し、受光手段６に照射される干渉縞は、受光手段６の受光面を−Ｙ方向に移動する。
また、図４（Ｃ）に示すように、測定対象Ｗが−Ｙ方向に回動した場合、透過型回折格子５および受光手段６は、測定対象Ｗの回動にともなって−Ｙ方向に回動し、受光手段６に照射される干渉縞は、受光手段６の受光面を＋Ｙ方向に移動する。

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）平行光生成手段３Ｂは、光源２からの光を複数の光に分割し、一部を回折するとともに一部を透過するビームスプリッタ３４と、ビームスプリッタ３４にて回折された光を検出手段４に向かって反射する反射部３５と、を備えるため、検出手段４に照射される光を調節することができる。
（９）光学式角度センサ１Ａは、分割格子部３２と回折格子部３３とを備えず、複数の格子により回折される光の方向を考慮する必要がないため、第１実施形態の光学式角度センサ１と比較して光源２から照射される光の径を大きくしなくとも、測定対象Ｗの回動による角度の変化量を検出することができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図６と図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。

図６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り、図７は、前記光学式角度センサを示すブロック図である。具体的には、図６（Ａ）は光学式角度センサ１Ｂにおいて測定対象Ｗが回動する前の状態を示す図であり、図６（Ｂ），（Ｃ）は光学式角度センサ１Ｂにおいて測定対象Ｗが所定の方向に回動した状態を示す図である。

前記第１実施形態では、平行光生成手段３は、コリメート部３１と、分割格子部３２と、回折格子部３３と、を備え、前記第２実施形態では、平行光生成手段３Ａは、ビームスプリッタ３４と、反射部３５と、を備えていた。
本実施形態では、図６（Ａ）と図７に示すように、光学式角度センサ１Ｂにおける平行光生成手段３Ｂは、分割格子部３２や回折格子部３３、ビームスプリッタ３４、反射部３５を備えず、コリメート部３１のみを備える点で前記第１実施形態および前記第２実施形態と異なる。

光学式角度センサ１Ｂにおいて光源２から照射された光は、平行光生成手段３Ｂのコリメート部３１にて平行光となり検出手段４に照射される。
そして、図６（Ｂ）に示すように、測定対象Ｗが＋Ｙ方向に回動した場合、透過型回折格子５および受光手段６は、測定対象Ｗの回動にともなって＋Ｙ方向に回動し、受光手段６に照射される干渉縞は、受光手段６の受光面の−Ｙ方向に移動する。
また、図６（Ｃ）に示すように、測定対象Ｗが−Ｙ方向に回動した場合、透過型回折格子５および受光手段６は、測定対象Ｗの回動にともなって−Ｙ方向に回動し、受光手段６に照射される干渉縞は、受光手段６の受光面の＋Ｙ方向に移動する。

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１Ｂは、光源２からの光を分割することなく、その光から角度の変化量を検出することができるため、例えば第１実施形態における分割格子部３２や回折格子部３３、第２実施形態におけるビームスプリッタ３４や反射部３５などの複雑な光学系を用いることなく、角度の変化量を検出することができる。

〔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。

前記各実施形態では、光学式角度センサ１，１Ａ，１Ｂは、平行光生成手段３，３Ａ，３Ｂを備えていたが、光学式角度センサは、平行光生成手段を備えていなくてもよい。すなわち、第１実施形態における分割格子部３２や回折格子部３３、第２実施形態におけるビームスプリッタ３４や反射部３５、第３実施形態におけるコリメート部３１を備えていなくてもよい。
前記各実施形態では、受光手段６は測定対象Ｗに取付けられていたが、受光手段は測定対象に取付けられていなくてもよい。要するに、透過型回折格子および受光手段は、測定対象の回動に同期して測定対象と同軸にて一体に回動することができれば、受光手段はどのような位置に配置されていてもよい。

前記各実施形態では、角度算出部７１は、式（１）に基づいて透過型回折格子５に入射する入射光の角度αを算出し、受光手段６が受光した信号から測定対象Ｗの回動による角度の変化量を算出していたが、角度算出部は、受光手段が受光した信号から測定対象の回動による角度の変化量を算出することができれば、どのように測定対象の回動による角度の変化量を算出してもよい。

図８は、変形例に係る光学式角度センサを示す斜視図である。
前記各実施形態では、光学式角度センサ１，１Ａ，１Ｂは、Ｘ軸を軸として回動する測定対象Ｗの角度の変化量を検出していたが、図８に示すように、測定対象はＸ軸だけでなくＹ軸も軸として回動し、光学式角度センサ１Ｃは、２軸を測定軸として角度の変化量を検出してもよい。
この際、光学式角度センサ１Ｃは、光源２から照射される光を４つの光に分割する分割部８と、分割部８にて分割された光を平行光に回折する平行光生成手段３Ｃに向かって反射する反射部９と、をさらに備える。そして、受光手段６Ｃは、検出手段４Ｃの透過型回折格子５１，５２による２次元の干渉縞を受光するために、Ｘ方向とＹ方向、双方に沿って略矩形状のＰＤＡを配置している。

測定対象ＷがＸ軸を測定軸として回動した場合、平行光生成手段３Ｃにおける回折格子部３６は、反射部９からの光を検出手段４Ｃに向かって平行となるように回折する。回折格子部３６にて平行光に回折された回折光は、透過型回折格子５１により受光手段６Ｃに向かってさらに回折され、干渉縞となって受光手段６Ｃに照射される。
回折格子部３６および透過型回折格子５１は、所定のピッチにてＹ方向に沿って並設される複数の格子を有している。この際、回折格子部３６および透過型回折格子５１の複数の格子は、同じピッチである。

測定対象ＷがＹ軸を測定軸として回動した場合、平行光生成手段３Ｃにおける回折格子部３７は、反射部９からの光を検出手段４Ｃに向かって平行となるように回折する。回折格子部３７にて平行光に回折された回折光は、透過型回折格子５２により受光手段６Ｃに向かってさらに回折され、干渉縞となって受光手段６Ｃに照射される。
回折格子部３７および透過型回折格子５２は、所定のピッチにてＸ方向に沿って並設される複数の格子を有している。この際、回折格子部３７および透過型回折格子５２の複数の格子は、同じピッチである。

このような構成によれば、光学式角度センサ１Ｃは、反射部９を備えることで、反射部９を備えない場合と比較して、２軸を測定軸として検出できる光学式角度センサ１Ｃの小型化を図ることができる。なお、光学式角度センサ１Ｃは反射部９を備えていなくてもよく、分割部８にて分割した光が平行光生成手段３Ｃに照射される位置に配置することで、２軸を測定軸とする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。

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。

１，１Ａ〜１Ｃ 光学式角度センサ
２ 光源
３，３Ａ〜３Ｃ 平行光生成手段
３１ コリメート部
３２ 分割格子部
３３，３６，３７ 回折格子部
３４ ビームスプリッタ
３５ 反射部
４，４Ｃ 検出手段
５，５１，５２ 透過型回折格子
６，６Ｃ 受光手段
７ 演算手段
７１ 角度算出部

Claims (7)

1. 光を照射する光源と、所定の軸にて回動する測定対象の角度を算出するための信号を前記光源から照射された光から検出する検出手段と、前記検出手段にて検出された前記信号に基づき演算をする演算手段と、を備える光学式角度センサであって、
   前記検出手段は、
   前記光を透過して前記光を複数の回折光とする透過型回折格子と、
   前記複数の回折光を受光する受光手段と、を備え、
   前記透過型回折格子および前記受光手段は、
   前記測定対象の回動に同期して前記測定対象と同軸にて一体に回動し、
   前記演算手段は、
   前記受光手段が受光した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算出する角度算出部を備えることを特徴とする光学式角度センサ。
2. 請求項１に記載された光学式角度センサにおいて、
   前記受光手段は、
   前記測定対象に取付けられていることを特徴とする光学式角度センサ。
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、
   前記角度算出部は、
   前記透過型回折格子に入射する入射光の角度をαとし、前記透過型回折格子から前記受光手段までの距離をＬとし、前記信号をＦとした場合に、
   α＝ΔＦ／Ｌ・・・（１）
   式（１）に基づいて前記透過型回折格子に入射する入射光の角度αを算出し、前記受光手段が受光した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算出することを特徴とする光学式角度センサ。
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、
   前記光源から前記検出手段に照射される光から平行光を生成する平行光生成手段を備えることを特徴とする光学式角度センサ。
5. 請求項４に記載された光学式角度センサにおいて、
   前記平行光生成手段は、
   前記光源からの光を平行光にするコリメート部を備えることを特徴とする光学式角度センサ。
6. 請求項４または請求項５に記載された光学式角度センサにおいて、
   前記平行光生成手段は、
   前記平行光を複数の分割光に分割する分割格子部と、
   前記分割格子部により分割された複数の分割光を前記検出手段に向かって回折する回折格子部と、を備えることを特徴とする光学式角度センサ。
7. 請求項４または請求項５に記載された光学式角度センサにおいて、
   前記平行光生成手段は、
   前記光源からの光を複数の光に分割し、一部を回折するとともに一部を透過するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタにて回折された光を前記検出手段に向かって反射する反射部と、を備えることを特徴とする光学式角度センサ。

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