JP2014228490A - 変位計測装置及び変位計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の光学部品を用いることなく、所定方向の変位を計測可能な変位計測装置及び変位計測方法を提供すること。【解決手段】変位計測装置は、光源１２、コリメータレンズ１４、回折格子対２０、光センサとしての第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２を備える。第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２で発生した各回折光のうち、第１の回折格子２１による＋１次回折光２３（−１次回折光２４）の進路に沿う少なくとも一組の回折光の干渉光が、この回折格子対２０から発生する。第１のＰＤ３１は、正の次数側の干渉光２７を検出し、第２のＰＤ３２は、負の次数側の干渉光２８を検出する。演算回路４０は、ＰＤ３１及び３２で得られた信号に基づき所定の演算を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、光干渉を利用した変位計測装置及び変位計測方法に関する。

例えば特許文献１には、光干渉を利用した変位計測装置が開示されている。この変位計測装置は、光源側から順に、レーザ光源、コリメータレンズ、第１の回折格子、第２の回折格子及び光センサを備えている。光センサは、第１の回折格子で回折された回折光（例えば１次）と、第１の回折格子を直進した０次光が第２の回折光で回折されて発生する回折光（例えば１次）との干渉光を検出する。この変位計測装置は、光センサで検出される干渉光の明暗による光量の変化に基づき、第１及び第２の回折格子の距離の変化、つまり計測対象となる変位を計測する（例えば、特許文献１の明細書段落［００２０］、［００２３］、［００２７］、図１〜３等参照）。

特許文献２に記載の光電式エンコーダは、２つの回折格子と、移動格子とを備える。移動格子には、２つの回折格子で回折されて生成された６つの光束（２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ）が入射し、この移動格子５から出射される３つの異なる方向の光束を、３つの受光素子によりそれぞれ受ける。これらの受光素子の出力信号に基づき、エンコーダ処理回路が干渉光強度の位相情報の演算を行うことで、移動格子のｘ及びｚ方向の変位と、ｙ軸周りの傾きであるピッチ角の変位の情報が得られる（例えば、特許文献２の明細書段落［０００８］〜［００１４］、図１等参照）。

国際公開第２０１１／０４３３５４号パンフレット 特開２００５−３２６２３２号公報

特許文献２の光電式エンコーダでは、上記のように直線方向の変位及び軸周りの角度変位を計測するために、光学部品数が多くなり小型化が難しい。

本発明の目的は、多数の光学部品を用いることなく、所定方向の変位を計測可能な変位計測装置及び変位計測方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る変位計測装置は、光源、第１の回折格子、第２の回折格子、第１の光センサ及び第２の光センサを具備する。
前記第１及び第２の回折格子は、前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する。
前記第１の光センサは、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子で発生した回折光のうち、前記第１の回折格子による＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出する。
前記第２の光センサは、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子で発生した回折光のうち、前記第１の回折格子による−ｎ次回折光の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出する。

本発明の一形態に係る変位計測方法は、光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、同じ方向に格子線を有し、回折光をそれぞれ発生する第１の回折格子及び第２の回折格子を用いて、変位を計測する方法である。
前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子で発生した回折光のうち、前記第１の回折格子による＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光が第１の光センサで検出される。
前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子で発生した回折光のうち、前記第１の回折格子による−ｎ次回折光の進路に沿う一組の回折光の干渉光が第２の光センサで検出される。
そして、前記第１の光センサ及び前記第２の光センサにより得られた信号に基づき、前記格子線の方向に沿う軸周りの、前記第１及び前記第２の回折格子の相対的な回転の角度変位が算出される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。 図２は、チルトが発生していない回折格子対の状態を示す。 図３は、チルトが発生している回折格子対の状態を示す。 図４は、チルトが発生していない回折格子対における、正及び負の両方の次数側の干渉光を示す。 図５は、チルトが発生していない回折格子対における、正及び負の両方の次数側の干渉光を示す。 図６は、回折格子間のチルト量と、第１及び第２ののＰＤで得られる信号強度の差との関係を示す実測のグラフである。 図７は、本発明の第２の実施形態に係る変位計測装置の光学系を示す図である。 図８は、回折格子対の相対的なｚ方向の変位と、第１のＰＤで検出される信号との関係を概略的に示すグラフである。 図９は、図８のグラフのうちリニア領域を検出領域として用いた場合の第１のＰＤの受光領域で検出される光量の変化を示す。 図１０は、回折格子間のチルト量に応じて、第１のＰＤの受光領域に入射する干渉光の変化を示す。 図１１は、基本的なチルトの補正処理のフローチャートを示す。 図１２は、チルトを調整する調整機構を示す斜視図である。 図１３は、図１２に示す調整機構の平面図である 図１４は、他の実施形態に係る駆動機構を示す。 図１５は、他のチルト補正方法を説明する図である。 図１６は、他のチルト補正方法に係る処理を示すフローチャートである。 図１７は、変位計測装置の構成を示し、図１及び７に示す光学系及びこれを収容する筐体を示す断面図である。 図１８は、変位計測装置が、計測対象物として例えばフレーム等の構造物に取り付けられた状態を示す。

上記の変位計測装置は、回折格子対、第１の光センサ及び第２の光センサを主に備え、これら第１及び第２の光センサで得られた信号に基づく演算処理によって、所定の方向の変位を計測することができる。すなわち、少ない光学部品で変位を計測することができ、装置の小型化を実現することができる。

前記変位計測装置は、前記第１の光センサ及び前記第２の光センサにより得られた信号に基づき、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子のそれぞれの格子線の方向に沿う軸周りの、前記第１及び前記第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をさらに具備してもよい。この変位計測装置が計測対象物に取り付けられた場合に、計測対象物の当該軸周りの角度変位、つまりチルト量を検出することができる。

前記処理部は、前記第１及び前記第２の光センサで得られた信号の差分値に基づき、前記角度変位を算出してもよい。計測対象である角度変位と各検出値の差分とは相関があるので、この差分を求めることにより、角度変位を求めることができる。

前記処理部は、前記第１及び前記第２の光センサのうちいずれか１つにより得られた信号に基づき、前記第１及び前記第２の回折格子の光軸に沿う方向の変位を検出してもよい。これにより、変位計測装置は、回折格子間の光軸に沿う方向の変位及び上記チルト量の両方を検出することができる。

前記処理部は、前記角度変位を補正する処理を実行してもよい。回折格子間の光軸に沿う方向の変位を計測する場合に、回折格子のチルトを補正することにより、回折格子間の光軸に沿う方向の変位の計測精度を高めることができる。

例えば、前記処理部は、前記算出した角度変位が閾値を超えるか否かを判定し、前記角度変位が前記閾値を超える場合、前記角度変位を補正する処理を実行してもよい。前記処理部は、前記それぞれの検出値の差分が閾値を超える場合、前記角度変位を補正する処理を実行してもよい。

前記変位計測装置は、前記角度変位の方向に前記第１または前記第２の回折格子を回転させる調整機構をさらに具備してもよい。そして、前記処理部は、前記算出した角度変位に基づき、前記調整機構を制御してもよい。調整機構が動作することにより、２つの回折格子のチルトを補正することができる。

前記第１の光センサは、前記第１の回折格子から発生する０次光が前記第２の回折格子に入射することで発生する前記第２の回折格子の＋１次回折光と、前記第１の回折格子から発生する＋１次回折光が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する０次光との干渉光を検出してもよい。また、前記第２の光センサは、前記第１の回折格子から発生する０次光が前記第２の回折格子に入射することで発生する前記第２の回折格子の−１次回折光と、前記第１の回折格子から発生する−１次回折光が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する０次光との干渉光を検出してもよい。

光量の大きい０次光及び±１次回折光が用いられることにより、できるだけ大きい電圧信号を第１及び第２の光センサにより得ることができ、計測精度を高めることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

１．第１の実施形態

（１）変位計測装置の基本的構成
図１は、本発明の第１の実施形態に係る変位計測装置の基本的な光学系の構成を模式的に示す図である。

変位計測装置１００は、光源１２、コリメータレンズ１４、回折格子対２０、光センサとしての第１のＰＤ（Photo Detector）３１及び第２のＰＤ３２を備える。

光源１２は、ＬＤ（Laser Diode）、あるいはＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、図示しないドライバにより駆動される。

コリメータレンズ１４は、光源１２からの出射された光を平行光１５にする。少なくともこれら光源１２及びコリメータレンズ１４により平行光を発生する光学系が構成される。

回折格子対２０には、光源１２及びコリメータレンズ１４からの光が入射され、回折光を出射する。回折格子対２０は、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２によって構成される。第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２は、光源１２及びコリメータレンズ１４からの光線の進路に沿って、ここでは光源１２及びコリメータレンズ１４の光軸に沿って対向して配置されており、後述するように所定方向に相対的に移動可能となっている。

第１の回折格子２１は、入射した平行光１５を、０次光である直進光３０と、＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数。以下同じ。）２３と、−ｎ次回折光２４とに分けて進行させる。本実施形態では、回折光２３として＋１次回折光が利用され、回折光２４として−１次回折光が利用される。

なお、図において、０次光である直進光３０に対してｘ方向の一方側に発生する回折光の次数を＋ｎ次とし、ｘ方向において他方側に発生する回折光の次数を−ｎ次として、便宜上、説明内容を統一する。

第２の回折格子２２は、第１の回折格子２１から出射して第２の回折格子２２に入射した直進光３０を、さらに直進光３０と、＋ｎ次回折光２５と、−ｎ次回折光２６とに分けて進行させる。本実施形態では、回折光２５として＋１次回折光が利用され、回折光２６として−１次回折光が利用される。

また、第２の回折格子２２は、第１の回折格子２１から出射した±１次回折光２３及び２４を、それらと同方向にそれぞれ進行させる０次光も発生する。ここでは、説明の便宜上、第１の回折格子２１の１次回折光２３（または２４）及びその進路に沿った第２の回折格子２２の０次光を、まとめて１次回折光２３（または２４）と表現する。さらに、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２を経由した後に、平行光１５と同方向に進行する０次光をまとめて直進光３０と表現している。

回折光２３〜２６の構成を以下に列挙する（図４参照）。
回折光２３：回折格子２１の＋１次回折光と回折格子２２の０次光
回折光２４：回折格子２１の−１次回折光と回折格子２２の０次光
回折光２５：回折格子２１の０次光と回折格子２２の＋１次回折光
回折光２６：回折格子２１の０次光と回折格子２２の−１次回折光

第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２で発生した各回折光のうち、第１の回折格子２１による＋１次回折光２３（−１次回折光２４）の進路に沿う少なくとも一組の回折光の干渉光が、この回折格子対２０から発生する。

具体的には、第１の回折格子２１による＋１次回折光２３と、直進光３０が第２の回折格子２２に入射して発生する＋１次回折光２５とが干渉して干渉光２７が発生する。また、第１の回折格子２１による−１次回折光２４と、直進光３０が第２の回折格子２２に入射して発生する−１次回折光２６とが干渉して干渉光２８が発生する。第１のＰＤ３１は、正の次数側の干渉光２７を検出し、第２のＰＤ３２は、負の次数側の干渉光２８を検出する。

なお、本実施形態では、０次光、±１次回折光を利用することとしているが、他の所定次数の回折光を利用して、変位の計測が行われてもよい。また、実際には、図１に示す以外にも多数の回折光が存在するが、以下の説明を容易にするため、図示を省略している。これらのことは、後述する他の実施形態以降の説明についても同様である。

第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２は、実質的に同じ形状及び同じサイズを有する。例えば、これら回折格子２１及び２２は、図１において、ｚ方向に直交するｙ方向に沿った溝である複数の格子線２１ａ及び２２ａを有する。第１の回折格子２１の格子線２１ａのピッチＰと、第２の回折格子２１の格子線２２ａのピッチＰとは実質的に同じに形成されている。格子線２１ａ及び２２ａの例として、ピッチＰが３．３μmであり、溝深さが４７３μmである。もちろん、これらの値に限られない。

本実施形態に係る変位計測装置１００は、格子線２１ａ及び２２ａに沿う軸であるｙ軸の周りの、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２の相対的な回転の角度変位Δθを計測対象とする。すなわち、第１の回折格子２１と第２の回折格子２２と間のチルト量が計測対象とされる。

演算回路４０は、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２で得られる信号に基づいて、所定の演算処理を行うことで、チルトΔθを算出する。この場合、演算回路４０は、処理部として機能する。演算回路４０は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェアを主に備える。演算回路４０は、ＭＰＵに加え、またはＭＰＵに代えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)を備えていてもよいし、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を備えていてもよい。また、演算回路４０は、物理的に分離した複数のチップパッケージや素子等で構成されていてもよい。

光源１２、コリメータレンズ１４、回折格子対２０、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２は、後述するように、筐体等のこれら部品を収容可能な手段や、フレーム等のこれら部品を支持可能な手段によって一体的に保持される。これらフレームまたは筐体は、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２が相対的に動くことができるように、これらを保持する部分を有し、この部分は、他の部分より剛性が低く設定されている。

（２）回折格子間のチルトの検出原理

図２は、チルトが発生していない回折格子対２０の状態を示す。ここでは、正及び負の次数の回折光のうち、正次数側のみが示されている。回折格子２１及び２２間の所期の距離をＤとし、第１の回折格子２１で発生した回折光２３の回折角をθとする。

図２に示すように、第１の回折格子２１を出射した回折光２３及び直進光３０、第２の回折格子２２までの光路長をそれぞれＡ、Ｂとする。それらの光路差Ｂ−Ａは、次の式（１）で表せる。

この光路差Ｂ−Ａが、ｍλ（λは光の波長）を満たす時、干渉光２７は強め合い、ｍ（１＋１／２）λを満たす時、弱め合う。

上記式（１）の導出方法は、次の通りである。

図３は、チルトが発生している回折格子対２０の状態を示す。このようにチルトが発生している状態では、光路差Ｂ１−Ａは、次の式（２）で表される。

図３の右下の図は、図３において線Ａ、線Ｂ１及び第２の回折格子２２で形成される三角形を示す。上記式（２）の導出方法は、下記の通りである。

図４は、チルトが発生していない回折格子対２０における、正及び負の両方の次数側の干渉光２７及び２８を示す。チルトが発生していない場合、図４においてｚ方向の光軸に対して、正次数側の光路と負次数側の光路とが対称配置となり、光路差Ｂ−Ａと、負次数側の光路差Ｂ’−Ａ’とは、同じ値を示す。この時、Ｂ−Ａ（＝Ｂ’−Ａ’）は、式（１）として表される。したがって、この時、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２でそれぞれ検出される干渉光２７及び２８の光量は、実質的に同じとなる。

しかし、図５に示すように、回折格子２１及び２２間にチルトが発生した場合には、正次数側の光路差Ｂ１−Ａは上記次式（２）で表され、負次数側の光路差Ｂ１’−Ａ’は次式（３）で表され、正次数側と負次数側とが異なる値となる。

したがって、この場合、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２による検出値が異なる。

図６は、回折格子２１及び２２間のチルト量と、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２で得られる信号強度の差との関係を示す実測のグラフである。この信号強度の差は、各ＰＤ３１及び３２の受光領域における各干渉光２７及び２８の明度差あるいは光量と等価である。

光源１２の光の波長が６３３nm、回折格子対２０における回折角度が１１degとされた。縦軸の明度差は正規化されており単位は無次元である。このグラフから分かるように、チルト量が増加するにしたがって、明度差が顕著となる。演算回路４０は、この図６の関係をメモリしておくことで、算出された明度差に対応するチルト量を出力することができる。

以上のように、本実施形態では、回折格子対２０、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２を備え、これらＰＤ３１及び３２で得られた信号の差分値を演算することによって、ｙ軸周りの角度変位を計測することができる。すなわち、少ない光学部品で変位を計測することができ、変位計測装置１００の小型化を実現することができる。

本実施形態では、光量の大きい０次光及び１次回折光が用いられることにより、できるだけ大きい電圧信号をＰＤ３１及び３２により得ることができ、計測精度を高めることができる。

２．第２の実施形態

（１）基本的な概念
図７は、本発明の第２の実施形態に係る変位計測装置の光学系を示す図である。本実施形態に係る変位計測装置内の光学部品の構成は、上記第１の実施形態に係る変位計測装置１００の構成と実質的に同じである。異なる点は、演算回路４０による処理である。図７に示すように、演算回路４０は、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２のうちいずれか１つ、ここでは第１のＰＤ３１で得られた信号に基づき、回折格子２１及び２２の相対的なｚ方向の変位Δｚを算出する。

（２）ｚ方向の変位の検出原理
図１を参照して、例えば第１の回折格子２１に対して第２の回折格子２２がｚ方向に変位すると、回折光２３及び２５のそれぞれの行路（光路）差が発生する。したがって、第１の回折格子２１による回折光２３と、第２の回折格子２２による回折光２５との干渉光２７による干渉縞が発生する。第１のＰＤ３１は、この干渉縞の光量の変化を検出する。

図８は、回折格子対２０の相対的なｚ方向の変位と、第１のＰＤ３１で検出される信号（電圧値）との関係を概略的に示すグラフである。なお、図８では、後述するように回折格子対２０間のチルトが発生していない場合（実線で示す）と、所定のチルトが発生した場合（破線で示す）の両方が示されている。このように、第１のＰＤ３１の検出信号は、干渉縞の明暗の繰り返しに応じてサインカーブを描く。このサインカーブは、計測対象となるｚ方向の変位に対応する。演算回路４０は、この干渉縞のサインカーブの光量変化のうち、例えば半波長分の概ねリニアな領域を用いることにより、ｚ方向の所定範囲の変位に応じた信号強度を得ることができる。

図９は、そのリニア領域を検出領域として用いた場合の第１のＰＤ３１の受光領域で検出される光量（あるいは明度）の変化を示す。このように、第１のＰＤ３１の受光領域全体で一様な明度を持つ光が入射し、ｚ方向の回折格子間の距離ごとにその明度が変化する。

第１のＰＤ３１は、干渉光２７の干渉縞による光量変化に対応する電流を、出力信号として演算回路４０に出力する。演算回路４０は、光量変化に対応して第１のＰＤ３１から出力される電流を電圧に変換する。これにより、演算回路４０は、ｚ方向の回折格子間の変位を高精度に出力することができる。

（３）チルトの発生による計測精度への影響
図１０は、回折格子２１及び２２間のチルト量Δθ（図１参照）に応じて、第１のＰＤ３１の受光領域に入射する干渉光２７の変化を示す。チルト量が大きくなるにしたがって、干渉縞の発生が顕著になりその干渉縞の数が多くなる。図１０の最も左の図では、チルトが発生しておらず、第１のＰＤ３１は、上述したように一様な光量の干渉光２７を受けることができ、これによりｚ方向の回折格子２１及び２２間の変位の計測精度を一定に維持できる。しかし、例えば図１０の右側２つの図のように、所定量以上のチルトが発生すると、第１のＰＤ３１の受光領域で受ける光量は安定せず、ｚ方向の回折格子２１及び２２間の変位の計測精度が低下する。

図８は、そのことを説明するグラフである。回折格子２１及び２２間にチルトが発生していない状態で、検出信号の振幅を最大とする。図８に示したグラフからわかるように、所定量のチルトが発生していると、第１のＰＤ３１は、実際の変位量に対応する電圧値とは異なる電圧値を出力し、検出精度が低下する。また、チルトが発生している場合、信号の振幅が小さくなるので、検出領域として用いることができる上述のリニア領域のレンジが狭くなる。

そこで、本実施形態に係る変位計測装置は、このチルト量による検出値の誤差を減らすため、以下のようにしてこのチルトを補正する。

（４）チルトの補正
図１１は、基本的なチルトの補正処理のフローチャートを示す。この変位計測装置の電源ＯＮとされると（ステップ１０１）、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２でそれぞれ干渉光２７及び２８が受光さることにより、演算回路４０は、それらの電圧値を得る（ステップ１０２）。演算回路４０は、それらの差分値を算出し（ステップ１０３）、その差分値が閾値Ｔ（図６参照）以下であるか否かを判定する（ステップ１０４）。差分値が閾値Ｔ以下である場合、チルト量が許容範囲内であるとして、演算回路４０は、ｚ方向の変位を計測する（ステップ１０７）。

一方、ステップ１０４の判定処理で、差分値が閾値Ｔを超えた場合、演算回路４０は、そのチルト量をメモリに保存し（ステップ１０５）、そのチルト量を補正するための処理を実行する（ステップ１０６）。以下、具体的なチルトの補正方法について説明する。

（Ａ）チルトの補正方法１
図１２は、回折格子対２０のうち第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２のうちいずれか１つを駆動することによりチルトを調整する調整機構を示す斜視図である。図１３は、その平面図である。これらの図の例では、第１の回折格子２１は固定であり、第２の回折格子２２を調整機構６０が駆動する構成となっている。

調整機構６０は、第２の回折格子２２を支持する回転体６３と、回転体６３をｙ軸周りに回転させる駆動部６５とを備える。回転体６３は、例えば平面部６３ｂを含む半円柱状を有している。第２の回折格子２２は、その回転体６３の平面部６３ｂに取り付けられて固定されている。回転体６３は、ｙ軸方向に沿って設けられた駆動軸６４を有し、駆動軸６４は、駆動部６５によって駆動される。駆動軸６４には例えばギア状に形成されている。

駆動部６５は、例えばステッピングモータ６２及びこれに接続されたネジ部６６等を有する。例えばウォームギアのように、ネジ部６６は駆動軸６４に係合しており、ネジ部６６の回転によって、回転体６３がｙ軸周りに回転することができる。

この調整機構６０には、Ｖ溝形状の壁面６８ａを有する壁部材６８が設けられている。図１３に示すように、回転体６３の円筒面状に形成された側面部６３ａが、その壁面６８ａに２箇所で接している。このように、回転体６３がＶ溝形状の壁面６８ａに支持されることにより、その壁面６８ａに接しながら安定して回転することができる。したがって、第２の回折格子２２のｚ軸に沿う方向以外及びｙ軸周りの方向以外の動きを確実に規制することができる。回折格子対２０のｚ方向の動きは、例えば後述する筐体の構造によって保証される。

なお、この回転体６３及び壁部材６８には、回折格子対２０から出射された干渉光２７及び２８（図１及び７参照）のそれぞれの少なくとも一部を通過させる通路６３ｃ及び６８ｃが設けられている。これらの通路６３ｃ及び６８ｃは、回転体６３及び壁部材６８を貫通して形成されている。

演算回路４０は、ステップ１０６において、図１１に示したステップ１０３で得られた差分値に基づき、調整機構６０の駆動部６５を駆動するための制御信号を発生する。駆動部６５の図示しないドライバは、演算回路４０から出力された制御信号に基づいて、その差分値に応じた回転体６３の駆動量を駆動部６５が出力するように、駆動信号を発生する。具体的には、その回転体６３の駆動量は、発生しているチルト量が上記閾値Ｔ以下となるような駆動量である。

以上のように、調整機構６０によってチルトが補正され、ｚ方向の変位検出への影響を減らし、ｚ方向の変位の計測精度が向上する。

図１４は、他の実施形態に係る調整機構を示す。この調整機構７０は、駆動部として、例えば支持体６９に支持された圧電アクチュエータ６７を備えている。この圧電アクチュエータ６７は回転体６３の駆動軸６１に接触している。圧電アクチュエータ６７が矢印方向に可動することによってその動力が駆動軸６１に伝達され、回転体６３が回転する。

調整機構としては、図１２〜１４に示した形態に限られない。例えば、上記回転体６３等の部材がなく、第２の回折格子２２に回転軸が設けられ、その回転軸が駆動されてもよい。このような微細な構造の回折格子は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により実現され得る。

（Ｂ）チルトの補正方法２
上記調整機構を用いる形態に限られず、演算回路４０はソフトウェアによりチルトを補正してもよい。図１６は、この補正処理を示すフローチャートである。例えば、演算回路４０は、図８に示したように、チルトが発生していない状態の第１のＰＤ３１の検出信号Ｓと変位量との関係をメモリしておく（ステップ２００）。このステップ２００は、装置の設計段階や製造段階で行われればよい。ステップ２０１〜２０５は、上記ステップ１０１〜１０５と同様である。

演算回路４０は、ステップ２０６では、図１５に示すように検出信号について、第１のＰＤ３１の破線で示すような、チルトが発生している時のｚ方向の変位量の検出信号Ｓ’を、上記メモリした検出信号Ｓに置き換える処理を行う。すなわち、演算回路４０は、許容範囲を超えたチルト量によってｚ方向で検出される変位量の誤差を補償する処理を行う（ステップ２０６）。例えば、使用対象の半波長分の領域分の検出値について当該置換処理を行えばよい。

具体的には、例えばこの装置の設計段階あるいは製造段階で、演算回路４０は、チルト量に応じた、検出信号Ｓと検出信号Ｓ’とのレベルの差分値を予め記憶しておけばよい。これにより、演算回路４０は、ステップ２０６では、ステップ２０５で保存されたチルト量に応じて、上記記憶されたチルト量及びレベル差分値の関係を示すテーブルを参照して、検出信号Ｓ’から信号Ｓへの置換処理を行うことができる。

演算回路４０は、以上のように置換された後の検出値に対応する、上記メモリされた変位量を、実際の変位量であるとして出力する（ステップ２０７）。

なお、上記チルトの補正方法１及び２は、この変位計測装置としての製品の出荷後に行われる処理であってもよいし、製品出荷前（製造段階）において行われる処理であってもよいし、これらの両方で行われる処理であってもよい。

本実施形態に係る変位計測装置は、回折格子２１及び２２間のｚ方向の変位Δｚを計測対象としたが、このΔｚに加え、上記第１の実施形態と同様にチルト量Δθを計測対象としてもよい。

上記特許文献２に記載された光電式エンコーダは、直交２軸方向の変位及び１軸の周りの角度変位、つまり合計３つの変位を計測する。このため、この光電式エンコーダは、レーザのドップラーシフトの原理を応用し、３つの回折格子及び３つの受光素子を用いて位相情報を演算しているので、処理回路は複雑な計算を行う必要がある。これに対して本実施形態に係る変位計測装置は、２つの回折格子及び２つの光センサを備える。本変位計測装置が上記のようにΔｚ及びΔθの両方の変位を計測する場合、特許文献２の光電式エンコーダの計測対象より１つ少ないものの、その光電式エンコーダに比べ、回折格子及び光センサを１つずつ減らすことができる。したがって、小型化を実現することができる。

以上説明した第２の実施形態では、第１のＰＤ３１で得られた信号が、回折格子２１及び２２間のｚ方向の変位の検出に用いられたが、もちろん第２のＰＤ３２で得られた信号がそのために用いられてもよい。

３．変位計測装置の光学部品を支持する筐体

図１７は、上述の変位計測装置１００の構成を示し、図１及び７に示す光学系及びこれを収容する筐体５０を示す断面図である。

筐体５０は、光路が配置される孔部５５を有する。孔部５５は、光源１２から回折格子対２０までの第１の孔部５５ａと、回折格子対２０から第１のＰＤ３１までの第２の孔部５５ｂと、回折格子対２０から第２のＰＤ３２までの第３の孔部５５ｃとを含む。第２の孔部５５ｂ及び第３の孔部５５ｃは、±ｎ次、ここでは±１次回折光の進路に沿う干渉光２７及び２８をそれぞれ通すような角度で形成されている。

第１の孔部５５ａの長手方向に沿ったｚ軸を、以下では便宜的に主軸という。この主軸の方向は、回折格子対２０の光軸と平行となっている。

主軸方向における筐体５０の両端部には、実装基板５１及び５２がそれぞれ装着されている。実装基板５１には光源１２が実装され、実装基板５２の基板には第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２が実装されている。

筐体５０は、光源側部材５０ａと、センサ側部材５０ｂと、これらの間に設けられたバネ部５０ｃとを有する。バネ部５０ｃは、筐体５０の、対向する２つの側面にそれぞれ２つずつ切り欠き５３が設けられ、かつ、内部にスリット５４が設けられることにより形成されている。回折格子対２０は、そのスリット５４を挟むように筐体５０に保持されている。バネ部５０ｃによって、筐体５０が主軸方向及びｙ軸周りに伸縮可能となるため、第１の回折格子２１及び第２の回折格子２２の相対移動が可能となり、Δｚ及びΔθの変位計測が可能となる。

筐体５０の材質としては、金属や樹脂が用いられる。金属の場合、例えばステンレス、アルミニウム等が挙げられる。光源側部材５０ａ及びセンサ側部材５０ｂが第１の材料で形成され、バネ部５０ｃが、第１の材料のヤング率より低いヤング率を有する第２の材料で形成されていてもよい。この場合、第１の材料は金属であり、第２の材料が樹脂とされる。もちろん、第１及び第２の材料として共に異なる種類の金属が用いられもよいし、異なる種類の樹脂が用いられてもよい。

図１８は、この変位計測装置１００が、計測対象物として例えばフレーム等の構造物に取り付けられた状態を示す。構造物１５０は、例えば住宅のフレーム（柱や梁）があるが、これに限られず、任意のフレームでよい。また、構造物１５０としてフレームに限られず、比較的高い剛性を持つ対象物であれば何でもよい。

４．その他の実施形態

本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

上記第２の実施形態に係る演算回路４０は、第１のＰＤ３１及び第２のＰＤ３２の検出値の差分が閾値を超えるか否かを判定し、その判定結果に基づいてチルト補正を行った。しかし、演算回路４０は、ＰＤ３１及び３２の検出値の差分からチルト量を求め、このチルト量が閾値を超えるか否かを判定し、その判定結果に基づいてチルト補正を行ってもよい。

上記各実施形態では、ＰＤ３１及び３２の両方が、０次光及び１次回折光の干渉光を検出する例、つまり、ｚ軸に対して対称な干渉光を検出する例を示した。しかし、ＰＤ３１及び３２は、ｚ軸に対して非対象な干渉光を検出してもよい。例えば。第１のＰＤ３１が０次及び１次回折光の干渉光を検出し、第２のＰＤ３２が２次光及び１次回折光の干渉光を検出する等である。

上記実施形態では、光源１２から出射された光がコリメータレンズ１４に入射し、コリメータレンズ１４が平行光１５を発生した。しかし、必ずしも平行光１５を形成しなくてもよく、例えば所定の光の配向角を持つ拡散光または収束光を、光源、または光源を含む光学系が発生し、これら拡散光または収束光が回折格子対２０に入射してもよい。この場合、回折格子対２０の光軸は、典型的には、その光源または光学系の光軸と一致するように構成されるが、それらは必ずしも一致しないように構成されてもよい。

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。

１２…光源
２０…回折格子対
２１…第１の回折格子
２１ａ、２２ａ…格子線
２２…第２の回折格子
２２ａ…格子線
２３、２５…＋ｎ次（＋１次）回折光
２４、２６…−ｎ次（−１次）回折光
２７、２８…干渉光
３０…直進光
３１…第１のＰＤ
３２…第２のＰＤ
４０…演算回路
５１、５２…実装基板
５４…スリット
５５（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ）…孔部
６０、７０…調整機構
６５…駆動部
６７…圧電アクチュエータ
１００…変位計測装置

Claims (10)

1. 光源と、
   前記光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、回折光をそれぞれ発生する第１の回折格子及び第２の回折格子と、
   前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子で発生した回折光のうち、前記第１の回折格子による＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出する第１の光センサと、
   前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子で発生した回折光のうち、前記第１の回折格子による−ｎ次回折光の進路に沿う一組の回折光の干渉光を検出する第２の光センサと
   を具備する変位計測装置。
2. 請求項１に記載の変位計測装置であって、
   前記第１の光センサ及び前記第２の光センサにより得られた信号に基づき、前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子のそれぞれの格子線の方向に沿う軸周りの、前記第１及び前記第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をさらに具備する
   変位計測装置。
3. 請求項２に記載の変位計測装置であって、
   前記処理部は、前記第１及び前記第２の光センサで得られた信号の差分値に基づき、前記角度変位を算出する
   変位計測装置。
4. 請求項２または３に記載の変位計測装置であって、
   前記処理部は、前記第１及び前記第２の光センサのうちいずれか１つにより得られた信号に基づき、前記第１及び前記第２の回折格子の光軸に沿う方向の変位を検出する
   変位計測装置。
5. 請求項４に記載の変位計測装置であって、
   前記処理部は、前記角度変位を補正する処理を実行する
   変位計測装置。
6. 請求項５に記載の変位計測装置であって、
   前記処理部は、前記算出した角度変位が閾値を超えるか否かを判定し、前記角度変位が前記閾値を超える場合、前記角度変位を補正する処理を実行する
   変位計測装置。
7. 請求項５に記載の変位計測装置であって、
   前記処理部は、前記それぞれの検出値の差分が閾値を超える場合、前記角度変位を補正する処理を実行する
   変位計測装置。
8. 請求項５から７のうちいずれか１項に記載の変位計測装置であって、
   前記角度変位の方向に前記第１または前記第２の回折格子を回転させる調整機構をさらに具備し、
   前記処理部は、前記算出した角度変位に基づき、前記調整機構を制御する
   変位計測装置。
9. 請求項１から８のうちいずれか１項に記載の変位計測装置であって、
   前記第１の光センサは、前記第１の回折格子から発生する０次光が前記第２の回折格子に入射することで発生する前記第２の回折格子の＋１次回折光と、前記第１の回折格子から発生する＋１次回折光が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する０次光との干渉光を検出し、
   前記第２の光センサは、前記第１の回折格子から発生する０次光が前記第２の回折格子に入射することで発生する前記第２の回折格子の−１次回折光と、前記第１の回折格子から発生する−１次回折光が前記第２の回折格子に入射して前記第２の回折格子から発生する０次光との干渉光を検出する
   変位計測装置。
10. 光源からの光線の進路に沿って配置され、相対移動可能であり、同じ方向に格子線を有し、回折光をそれぞれ発生する第１の回折格子及び第２の回折格子を用いて、変位を計測する方法であって、
    前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子で発生した回折光のうち、前記第１の回折格子による＋ｎ次回折光（ｎは１以上の自然数）の進路に沿う一組の回折光の干渉光を第１の光センサで検出し、
    前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子で発生した回折光のうち、前記第１の回折格子による−ｎ次回折光の進路に沿う一組の回折光の干渉光を第２の光センサで検出し、
    前記第１の光センサ及び前記第２の光センサにより得られた信号に基づき、前記格子線の方向に沿う軸周りの、前記第１及び前記第２の回折格子の相対的な回転の角度変位を算出する
    変位計測方法。