JP3795257B2 - 測長装置および測長補正装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工作機械などの対象物の位置検出に用いられ、稼働部分が揺動しても測定誤差を生じさせないような測長装置および測長補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光波の干渉を利用することで長さを測定する干渉計としては、一般的に振幅分割を用いたマイケルソン干渉計が広く知られている。この他、光波の干渉を利用して絶対値の測定を行うことができる測長装置として、特開平１０−１７０２１７号公報に記載のものが知られている。図１４は、当該測長装置の構成を示す説明図である。
【０００３】
この測長装置１５００は、コヒーレントな平行ビームＢを発生する光源１５０１と、平行ビームＢの分波および合波を行うビームスプリッター１５０２と、位置測定対象Ｔに連設されると共に平行ビームＢを光軸を変えずに反射する反射器１５０３、１５０４と、平行ビームＢの光軸を曲げる反射鏡１５０５と、ビームスプリッター１５０２により合波した平行ビームＢの強度を検出する光検出器１５０６とから構成されている。前記位置測定対象Ｔは、たとえば工作機械の加工テーブルや刃物台などである。反射器１５０３、１５０４には、回折格子やコーナーキューブ・プリズムなどを用いる。
【０００４】
光源１５０１から出射した平行ビームＢは、ビームスプリッター１５０２により２方向に分波される。一方の平行ビームＢａは、位置測定対象Ｔの移動方向に対して平行に進行し、他方の平行ビームＢｂは、位置測定対象Ｔの移動方向に直交するように分岐するが、反射鏡１５０５によりその光軸を曲げられて当該位置測定対象Ｔの移動方向に対して所定角度θの方向に進行する。各平行ビームＢは、反射器１５０３、１５０４において光軸を変えることなく反射し、再びビームスプリッター１５０２において合波される。合波された平行ビームＢは、その位相変化により変調を受ける。
【０００５】
この平行ビームＢの強度は、前記光検出器１５０６により検出される。この測長装置１５００において、平行ビームＢａと平行ビームＢｂとの光路差Δは、
Δ＝２（Ｌ−Ｌ・ｃｏｓθ）＝２Ｌ（１−ｃｏｓθ）
となるから、干渉周期を１／（１−ｃｏｓθ）に拡大することが可能になる。このため、傾き角θを変化させることにより、干渉信号１周期に相当する位置測定対象Ｔの移動距離を任意の値に設定することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の測長装置１５００では、反射器１５０３、１５０４を加工テーブルなどの稼働部分に取り付けている。このため、当該稼働部分のＹ軸水平方向およびＺ軸水平方向の揺動により光検出器１５０６に入射する光軸がずれてしまい、測定誤差が生じるという問題点があった。
【０００７】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、稼働部分が揺動しても測定誤差を生じさせないような測長装置および測長補正装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明による測長装置は、コヒーレントな平行ビームを発する光源と、平行ビームの光軸上に位置すると共に稼働部分である位置測定対象に固定した回折格子と、回折格子の回折光を回折次数ごとに反射して回折格子に戻すと共に前記位置測定対象以外の部分に固定した反射手段と、を備え、回折格子による干渉光から測長を行うものである。
【０００９】
光源からの平行ビームは、回折格子に入射して回折光となる。各次数の回折光は、反射手段、たとえば反射ミラーにより反射して再び回折格子に入射し、干渉する。この干渉光の強度を検出し、回折格子までの長さを測定する。回折格子は、位置測定対象に固定されており、反射ミラーは当該位置測定対象ではなく、これ以外のなるべく稼働しない部分に固定する。回折格子は、その特性上、面方向に揺動しても回折光にほとんど影響を及ぼさないから、位置測定対象の揺動による測定誤差を抑制することが可能になる。
【００１０】
つぎの発明による測長装置は、上記測長装置において、さらに、前記所定次数の回折光の光軸上に位相シフト手段を設け、偏光分割手段により位相差を有する偏光成分ごとの干渉信号を取得し、この両干渉信号に基づいて測長を行うものである。
【００１１】
位相シフト手段、たとえば位相板により回折光の偏光を変化させ、位相の異なる干渉信号を得る。この干渉信号を重ね合わせることで現在の角度を特定する。たとえば角度が０°と１８０°とではその出力信号が０になるが、位相シフトした干渉信号の符号を参照することにより０°か１８０°かを特定することができる。なお、前記偏光分割手段は、たとえば偏光ビームスプリッターなどである。
【００１２】
つぎの発明による測長装置は、上記測長装置において、さらに、前記回折格子および反射手段を有する干渉計を複数段設けると共に各干渉計により取得する干渉信号の波長を異なるものにし、当該波長の異なる干渉信号を重ね合わせることにより測長を行うようにしたものである。
【００１３】
１波長を電気的に分解するには限界があるため、波長の異なる干渉信号を重ね合わせるようにする。このようにすれば、測長の分解能を向上することができる。たとえば特定干渉計の１波長を１６分割するような波長を持つ干渉計を設けることにより、測長の分解能を向上させる。干渉信号の波長を異なるものにするには、格子ピッチが異なる回折格子を用いたり、格子ピッチは同じだが異なる次数の回折光を用いることにより取得することができる。なお、干渉計は、２段でもそれ以上であっても構わない。
【００１４】
つぎの発明による測長装置は、上記測長装置において、さらに、前記回折格子および反射手段を有する干渉計を複数段設けると共に各干渉計により取得する干渉信号の波長を僅かに異なるものにしてバーニア波を発生させ、当該バーニア波により測長を行うようにしたものである。
【００１５】
バーニア波を発生させることにより、測定範囲を拡大することができる。バーニア波を発生させるには、異なる格子ピッチを持つ回折格子を用いたり、格子ピッチは同じであるが用いる回折光の次数を異なるものにすればよい。
【００１６】
つぎの発明による測長装置は、上記測長装置において、さらに、前記回折格子および反射手段を有する干渉計を複数段設けると共に一部の干渉計の回折格子を移動させないようにし、当該干渉計から取得した干渉信号によって、その他の干渉計から取得した干渉信号を補正するようにしたものである。
【００１７】
干渉信号には、回折格子の移動距離、屈折率変動および光源の波長変動などに基づく誤差が含まれている。従って、回折格子が移動しないような干渉計を構成すれば、移動距離以外の要因による位相変動（誤差）を得ることができる。この他の干渉計によって取得される干渉信号には、屈折率変動などの誤差要因が含まれているから、当該干渉信号を前記回折格子が移動しない干渉計から取得した干渉信号により補正することで、誤差を除去することができる。かかる構成によれば、空気中の屈折率変動を起こす各種パラメータを測定する各種センサ類が不要になる。なお、補正用の干渉計は、１段構成であっても複数段構成であってもよい。具体的には、１段構成の補正用の干渉計により、複数の測長用の干渉計を補正するようにしてもよい。また、複数段の補正用の干渉計により、一つの測長用の干渉計を補正するようにしてもよい。さらに、各補正用の干渉計と、各測長用の干渉計とを一対一に対応させてもよい。
【００１８】
つぎの発明による測長装置は、上記測長装置において、さらに、前記反射手段を、回折格子および反射手段を有する一つの干渉計にて、少なくとも二つ設けたものである。
【００１９】
回折格子で回折光を干渉させるには、回折光を二つ用いる必要があるから、当該回折光を反射する反射手段を少なくとも二つ設けるようにした。このようにすれば、測長装置の構成を簡略化することができる。
【００２０】
つぎの発明による測長装置は、上記測長装置において、さらに、前記干渉光を光電変換して得た干渉信号をコンパレータにて所定のしきい値と比較し、その結果をカウンタに出力することで位置データを生成するにあたり、前記回折格子を通過した測定光の強度を検出する測定光強度検出手段を設け、この測定光強度検出手段の測定光強度信号から平均強度信号を求め、この平均強度信号により前記しきい値を調整するようにしたものである。
【００２１】
測定光の強度が変動するとコンパレータにおける比較動作が不安定になるため、測定光の強度を取得して当該測定光強度に基づいてコンパレータのしきい値を調整するようにした。このようにすれば、コンパレータにおいて安定した比較動作を行うことができる。
【００２２】
つぎの発明による測長装置は、上記測長装置において、さらに、前記干渉光を光電変換して得た干渉信号をコンパレータにて所定のしきい値と比較し、その結果をカウンタに出力することで位置データを生成するにあたり、干渉信号を入力するローパスフィルタを設け、当該ローパスフィルタの出力値に基づいて前記しきい値を調整するようにしたものである。
【００２３】
干渉光の強度が変動するとコンパレータにおける比較動作が不安定になるため、ローパスフィルタに干渉信号を入力し、当該ローパスフィルタの出力信号に基づいてコンパレータのしきい値を調整するようにした。このようにすれば、コンパレータにおいて安定した比較動作を行うことができる。
【００２４】
つぎの発明による測長装置は、上記測長装置において、さらに、前記干渉光を光電変換して得た干渉信号をコンパレータにて所定のしきい値と比較し、その結果をカウンタに出力することで位置データを生成するにあたり、前記しきい値に関するデータを格納する記憶手段と、当該しきい値に関するデータに基づいて前記コンパレータのしきい値を調整する制御手段とを備えたものである。
【００２５】
測長装置は、個々の製品についてしきい値にバラツキが生じるため、出荷前などに調整工程が必要になるが、記憶手段に格納したしきい値に関するデータを用いてコンパレータのしきい値を調整するようにすれば、調整工程を簡単にすることができる。
【００２６】
つぎの発明による測長装置は、上記測長装置において、さらに、干渉光の光強度検出手段を設け、当該光強度検出手段の検出信号から平均光強度を求め、当該平均光強度に基づいて前記記憶手段に格納したしきい値に関するデータを書き換え、当該記憶装置のデータに基づいてコンパレータのしきい値を調整するようにしたものである。
【００２７】
干渉光の強度が変動するとコンパレータにおける比較動作が不安定になるため、光強度検出手段により光強度を取得して平均光強度を求め、これに基づいてしきい値に関するデータを書き換える。制御手段は、このデータに基づいてコンパレータのしきい値を調整する。このようにすれば、急激な干渉光の変化にも追従することが可能であり、コンパレータにおいて安定した比較動作を行うことができる。
【００２８】
つぎの発明による測長装置は、上記測長装置において、さらに、前記干渉光を光電変換して得た干渉信号をコンパレータにて所定のしきい値と比較し、その結果をカウンタに出力することで位置データを生成するにあたり、光学部品の経時変化に対応したしきい値に関するデータを格納する記憶手段と、当該しきい値に関するデータに基づいて前記コンパレータのしきい値を調整する制御手段とを備えたものである。
【００２９】
制御手段は、たとえば測長装置の使用開始から使用時間を加算し、この使用時間にかかるしきい値のデータを記憶手段から取り出す。そして、このしきい値のデータに基づいてコンパレータのしきい値を調整する。このようにすれば、光学部品の経時変化によってもコンパレータの比較動作を安定して行うことができる。
【００３０】
つぎの発明による測長装置は、上記測長装置において、さらに、前記干渉光を光電変換して得た干渉信号をコンパレータにて所定のしきい値と比較し、その結果をカウンタに出力することで位置データを生成するにあたり、前記しきい値に関するデータを格納する記憶手段と、干渉信号を入力するローパスフィルタと、前記記憶手段に格納しているしきい値に関するデータとローパスフィルタの出力信号に関するデータとを選択し、当該選択したデータに基づいて前記コンパレータのしきい値を調整する制御手段とを備えたものである。
【００３１】
回折格子が低速移動または停止している場合は、記憶手段のデータを取り出してしきい値を調整するのが適しており、一方、回折格子が高速移動している場合は、ローパスフィルタによりしきい値を調整するのが適している。このため、制御手段により両者を選択できるような構成にした。このようにすれば、コンパレータの比較動作を確実に行うことができる。
【００３２】
つぎの発明による測長補正装置は、光源から発したコヒーレントな平行ビームを分割し、この分割した平行ビームの光軸上に回折格子を配置すると共に当該回折格子を稼働部分である位置測定対象以外に固定し、同じく、当該位置測定対象以外の部分に固定した反射手段により、回折格子の回折光を回折次数ごとに反射して回折格子に戻し、回折格子による干渉光を光電変換して得た干渉信号に基づいて、測長用の干渉信号の補正を行うようにしたものである。
【００３３】
通常、測定用の干渉計により得た干渉信号には、屈折率変動などに起因した誤差が含まれる。このため、位置測定対象以外の部分に回折格子を固定して当該誤差を取得し、他の干渉計により測長した干渉信号を補正するようにした。このようにすれば、測長の精度を向上させることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる測長装置および測長補正装置につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３５】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１にかかる測長装置を示す構成図である。この測長装置１００は、半導体レーザーなどのコヒーレントな平行ビームを発生する光源１０１と、光源１０１からの光を入射させて０次と±ｐ次（ｐは整数）の回折光を発生させる回折格子１０２と、回折格子１０２により回折した０次と±ｐ次の回折光を反射し、再び回折格子１０２上で各回折光を干渉させる３枚の反射ミラー１０３〜１０５と、回折格子１０２で干渉した干渉光を取り出すハーフミラー１０６と、ハーフミラー１０６から取り出した干渉光の強度を検出する受光素子１０７とを備えている。前記回折格子１０２は、工作機械の加工テーブルや刃物台などの位置測定対象Ｔに取り付けられている。反射ミラー１０３〜１０５は、位置測定対象Ｔ以外の部分、たとえば工作機械のベッドなどに取り付けられている。回折格子１０２は、位置測定対象Ｔと共にＸ軸方向に移動する。
【００３６】
つぎに、この測長装置１００の動作について説明する。光源１０１から出射した平行ビームＢが回折格子１０２に入射すると、０次と±ｐ次（ｐは整数）との回折光が発生する。ここで、回折格子１０２は、その特性上、Ｙ軸水平方向およびＺ軸水平方向に揺動しても回折角が変化しない。このため、当該回折格子１０２が揺動しても、０次光は、反射ミラー１０３により反射して回折格子１０２に戻るし、ｐ次光も、反射ミラー１０４と反射ミラー１０５により２回反射して回折格子１０２に戻ることになる。
【００３７】
そして、これら反射光（０次光、±ｐ次光）を回折格子１０２にて再び回折させ、０次光による０次光、＋ｐ次光による−ｐ次光、および−ｐ次光による＋ｐ次光を重ね合わせ、干渉させる。続いて、当該干渉光をハーフミラー１０６で入射光から分離し、受光素子１０７で光電変換する。受光素子１０７で光電変換した干渉信号は、処理部１０８に送信される。
【００３８】
干渉信号の位相は、回折格子１０２のＸ軸方向の移動距離に比例して変動する。処理部１０８は、この干渉信号に基づいて回折格子１０２のＸ軸方向の移動距離を演算する。移動距離に対する位相変化の感度は、光源１０１の平行ビームＢの波長と回折格子１０２の格子ピッチ、および回折次数によって決定される。たとえば、光源１０１からの平行ビームの波長をλ、波長λと格子ピッチおよび回折次数によって決定される回折角をθ、空気中の屈折率をｎとし、この屈折率ｎを一定とした場合、干渉信号１周期の変化量に相当する回折格子１０２の移動距離ｄは、
ｄ＝λ／（２ｎ（１−ｃｏｓθ））
で表される。
【００３９】
一般に、この回折格子１０２の移動距離ｄが回折格子１０２の移動範囲として設定される。かかる設定によれば、干渉光の強度から回折格子１０２が移動した距離の絶対値を求めることができる。また、平行ビームＢの波長λ、回折格子１０２の格子ピッチおよび回折次数ｐを適切に組み合わせれば、干渉信号１周期に相当する回折格子１０２の移動距離ｄを任意の値に設定できる。
【００４０】
以上、この測長装置１００によれば、回折格子１０２を稼働部分である位置測定対象Ｔに取り付ける一方、反射ミラー１０３〜１０５は当該位置測定対象Ｔとは別の部分に取り付けるようにしているため、まず、当該回折格子１０２の特性上からＹ軸水平方向およびＺ軸水平方向の揺動による測定誤差が生じないという効果を得ることができる。また、回折格子１０２のみを稼働部分に取り付けるようにしているから、稼働部分への負担が非常に小さくなり、測長装置１００を単純かつ小型にすることができる。
【００４１】
つぎに、上式にて示したように、干渉信号１周期に対する回折格子１０２の移動距離ｄは、平行ビームＢの波長λ、回折格子１０２の格子ピッチおよび回折次数ｐにより設定することができるから、位置測定対象Ｔの移動可能範囲が大幅に異なる製品にも容易に適用させることができる。なお、回折格子１０２の絶対値測定だけではなく、パルスカウント等によりインクリメンタルな測定も行うことができる。たとえば干渉信号１周期に対する回折格子１０２の移動距離を当該回折格子１０２の全移動可能距離の１／１０に設定し、この周波数カウントを行うことにより回折格子１０２の移動距離を求めるようにしてもよい。また、電気内挿等の手段を用いて、１周期を電気的に分解するようにすれば、さらに高分解能化も可能になる。
【００４２】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２にかかる測長装置を示す構成図である。この測長装置２００は、半導体レーザーなどのコヒーレントな平行ビームＢを発生する光源２０１と、光源２０１からの平行ビームＢを入射させて０次と±ｐ次（ｐは整数）の回折光を発生させる回折格子２０２と、回折格子２０２により回折した０次と±ｐ次の回折光を反射し、再び回折格子２０２上で各回折光を干渉させる３枚の反射ミラー２０３〜２０５と、０次回折光の光軸上に設けた位相板２０６と、回折格子２０２で干渉した干渉光を取り出すハーフミラー２０７と、位相差の異なる干渉光を分割して取り出す偏光ビームスプリッター２０８と、各位相ごとに干渉光の強度を検出する受光素子２０９、２１０とを備えている。
【００４３】
前記回折格子２０２は、工作機械の加工テーブルや刃物台などの位置測定対象Ｔに取り付けられている。反射ミラー２０３〜２０５は、位置測定対象以外の部分、たとえば工作機械のベッドなどに取り付けられている。回折格子２０２は、位置測定対象Ｔと共にＸ軸方向に移動する。
【００４４】
つぎに、この測長装置２００の動作について説明する。光源２０１から出射した平行ビームＢが回折格子２０２に入射すると、０次と±ｐ次との回折光が発生する。０次光は、反射ミラー２０３により反射して回折格子２０２に戻るが、光軸上に配置したλ／８位相板２０６を往復で２回通過して、その偏光が変化させられる。一方、ｐ次光は、反射ミラー２０４と反射ミラー２０５により２回反射して再び回折格子２０２に戻る。
【００４５】
そして、これら反射光（０次光、±ｐ次光）を回折格子２０２にて再び合波し、ハーフミラー２０７により取り出す。続いて、偏光ビームスプリッター２０８により、それぞれの偏光成分に分けて干渉させる。各位相の干渉光は受光素子２０９、２１０により受光され、光電変換される。受光素子２０９、２１０からの干渉信号は、処理部２１１に送信される。
【００４６】
各受光素子２０９、２１０により光電変換された干渉光は、λ／４だけ位相がシフトしており、回折格子２０２の移動距離と位相とが比例関係にあるから、各受光素子２０９、２１０による干渉信号の時間的位相関係は、回折格子２０２の任意位置においてπ／２だけずれることになる。このため、両干渉信号を比較することにより、現在の角度を特定することができる。なお、干渉信号の位相差は、光学的配置の調整、たとえば光源２０１もしくは位相板２０６を回転させること、または偏光ビームスプリッター２０８を傾けることなどにより決定する。
【００４７】
ここで、偏光を変化させるのは、上記０次光、±ｐ次光のどちらでもよく、また偏光を変化させる手段は、電気光学変調器や補償板などの偏光を制御できるものであれば位相板２０６に限られない。さらに、偏光の異なる二つの光を重ね合わせて、偏光分割素子により分割するような方法であれば、上記構成に限定されない。前記偏光分割素子としては、上記偏光ビームスプリッター２０８のほか、たとえばハーフミラーと偏光板との組み合わせなどを用いることができる。
【００４８】
以上、この測長装置２００によれば、回折格子２０２を稼働部分である位置測定対象Ｔに取り付ける一方、反射ミラー２０３〜２０５は当該位置測定対象Ｔとは別の部分に取り付けるようにしているので、まず、当該回折格子２０２の特性上からＹ軸水平方向およびＺ軸水平方向の揺動による測定誤差が生じないという効果を得ることができる。また、回折格子２０２の揺動は、干渉信号間の位相差に全く影響を及ぼさないため、安定した位相差を維持し続けることが可能である。さらに、回折格子２０２のみを稼働部分に取り付けるようにしているから、当該稼働部分への負担が非常に小さくなり、測長装置２００を単純かつ小型にすることができる。特に、この構成によれば、回折格子２０２の揺動による測定誤差をなくしつつ、現在の角度を特定することができる。
【００４９】
実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３にかかる測長装置を示す構成図である。この測長装置３００は、半導体レーザーなどのコヒーレントな平行ビームＢを発生する光源３０１と、光源３０１からの平行ビームＢを２分割するハーフミラー３０２と、分割した一方の平行ビームＢａの光軸上に位置し、０次と±ｐ次（ｐは整数）の回折光を発生させる回折格子３０３と、回折格子３０３により回折した０次と±ｐ次の回折光を反射し、再び回折格子３０３上で各回折光を干渉させる３枚の反射ミラー３０４〜３０６と、回折格子３０３で干渉した干渉光を取り出すハーフミラー３０７と、このハーフミラー３０７により取り出した干渉光の強度を検出する受光素子３０８とを有する。
【００５０】
また、この測長装置３００は、分割した他方の平行ビームＢｂを曲げる固定反射ミラー３０９と、平行ビームＢｂの入射により０次と±ｑ次（ｑは整数）の回折光を発生させると共に前記回折格子３０３とは異なる格子ピッチを持つ回折格子３１０と、回折格子３１０により回折した０次と±ｑ次の回折光を反射し、再び回折格子３１０上で各回折光を干渉させる３枚の反射ミラー３１１〜３１３と、回折格子３１０で干渉した干渉光を取り出すハーフミラー３１４と、このハーフミラー３１４により取り出した干渉光の強度を検出する受光素子３１５とを備えている。前記回折格子３０３と回折格子３１０とは、工作機械の加工テーブルや刃物台などの位置測定対象Ｔに連結して取り付けられ、位置測定対象Ｔと共にＸ軸方向に移動する。反射ミラー３０４〜３０６、３１１〜３１３は、位置測定対象Ｔ以外の部分、たとえば工作機械のベッドなどに取り付けられている。
【００５１】
つぎに、この測長装置３００の動作について説明する。光源３０１から出射した平行ビームＢは、ハーフミラー３０２によって透過光Ｂａと反射光Ｂｂとに２分割され、その透過した平行ビームＢａが回折格子３０３に入射すると、０次と±ｐ次との回折光が発生する。０次光は、反射ミラー３０４により反射して回折格子３０３に戻り、ｐ次光は、反射ミラー３０５と反射ミラー３０６により２回反射して回折格子３０３に戻る。そして、これら反射光（０次光、±ｐ次光）を回折格子３０３にて再び回折させ、０次光による０次光、＋ｐ次光による−ｐ次光、および−ｐ次光による＋ｐ次光を重ね合わせることで、干渉させる。続いて、当該干渉光をハーフミラー３０７で入射光から分離し、受光素子３０８で光電変換する。
【００５２】
これと並行して、ハーフミラー３０２にて反射した平行ビームＢｂは、固定反射ミラー３０９により光軸が直角に曲げられて、回折格子３１０に入射する。この回折格子３１０によって０次と±ｑ次との回折光が発生する。０次光は、反射ミラー３１１により反射して回折格子３１０に戻り、ｑ次光は、反射ミラー３１２と反射ミラー３１３により２回反射して回折格子３１０に戻る。そして、これら反射光（０次光、±ｑ次光）を回折格子３１０にて再び回折させ、０次光による０次光、＋ｑ次光による−ｑ次光、および−ｑ次光による＋ｑ次光を重ね合わせることで、干渉させる。続いて、当該干渉光をハーフミラー３１４で入射光から分離し、受光素子３１５で光電変換する。各受光素子３０８、３１５で光電変換した干渉信号は、処理部３１６に送信される。
【００５３】
通常、干渉信号の１周期分は、回折格子３０３の移動距離ｄに相当するように設定されており、回折格子３０３の所定位置における干渉信号出力から回折格子３０３の移動距離ｄを求めるようにしている。しかしながら、１周期３６０°を電気的に分解するには限界があるため、かかる構成のみでは測長の分解能を上げることは困難である。そこで、この測長装置３００では、波長の異なる二つの干渉信号を重ね合わせて分解能の向上を図っている。
【００５４】
すなわち、この測長装置３００において、回折格子３０３、３１０間の格子ピッチが異っているため、透過光Ｂａ側の干渉信号１周期に相当する回折格子３０３の移動距離と、反射光Ｂｂ側の干渉信号１周期に相当する回折格子３１０の移動距離とが、異なるものになる。このため、二つの干渉信号を電気内挿し、それらの内挿データを重ね合わせることによって透過光側干渉信号の１周期内にて絶対値検出を行うことができる。
【００５５】
図４は、二つの干渉信号の内挿データを重ね合わせる場合の一例を示すグラフ図である。詳しくは、透過光Ｂａ側の干渉信号の１周期に相当する移動距離を、反射光Ｂｂ側の干渉信号の１周期に相当する移動距離の８倍に設定した場合を示す。移動距離の絶対値は、透過光干渉信号Ｓａを基準とし、当該干渉信号Ｓａを、反射光干渉信号Ｓｂの波長により電気的に分割して求める。以上、この測長装置３００によれば、実施の形態１の測長装置１００と同様の効果が得られると共に、干渉計を２段構成にして異なる波長の干渉信号を重ね合わせるようにしたので、測長の分解能を高めることができる。
【００５６】
なお、この実施の形態３では、干渉計を２段に構成しているが、受光素子３１５において光電変換できる光強度が確保できれば特に上限はない。このため、複数段の干渉計を構成することによりさらに広いダイナミックレンジを得ることができると共にさらに高分解能の絶対値測定を行うことができる。また、上位実施の形態３の変形例として、両回折格子３０３、３１０の格子ピッチを一致させ、異なる次数の回折光を用いるようにしてもよい。このようにしても、干渉信号の波長を異ならしめることができるので、上記同様の電気内挿を行うことにより、測長の分解能を高めることができる。
【００５７】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４にかかる測長装置を示す構成図である。この測長装置４００は、実施の形態３の測長装置３００と略同様の構成であるが、反射光Ｂｂ側の回折格子４０１の格子ピッチが、透過光Ｂａ側の回折格子４０２の格子ピッチに対して僅かに異なるように設定した点が異なる。その他の構成は実施の形態３と同様であるので説明を省略し、同様の構成要素には同一の符号を付する。格子ピッチを僅かに異ならせることにより、二つの干渉信号からバーニア波を生成することができる。
【００５８】
従来型の測長装置においてバーニア波を生成するには、稼動部分の反射ミラーを精度よく一定角度に維持し続けなければならなかったが、当該実施の形態４にかかる測長装置４００では、稼動部分に回折格子４０１、４０２のみ取り付け、反射ミラー３０４〜３０６、３１１〜３１３は別部分に固定されていることから、バーニア波を容易に生成でき、測定範囲を拡大することが可能になる。
【００５９】
また、上記実施の形態４では、２段の干渉計によりバーニア波を生成するようにしているが、受光素子により光電変換可能な程度の光強度が得られるようであれば、バーニア波以外の干渉計を追加することもできる。たとえば、図６に示すように、上記固定反射ミラー３０９をハーフミラー４０３に変え、当該ハーフミラー４０３の透過光Ｂｃを格子ピッチが異なる回折格子４０４に入射させる。この回折格子４０４により発生した０次と±ｒ次（ｒは整数）との回折光は、三つの反射ミラー４０５〜４０７により反射して再び回折格子４０４に入射する。
【００６０】
これにより発生した干渉光は、ハーフミラー４０８により取り出されて、受光素子４０９にて受光される。このような構成にすれば、広ダイナミックレンジで高分解能の絶対値測定が可能となる。なお、上記干渉計は４段以上設けるにようにしてもよい。また、回折格子３０３、３１０、４０４の格子ピッチを同じにして、異なる次数の回折光を用いるようにしてもよい。
【００６１】
具体的には、同図に示すように、波長が１．３μｍの光源３０１と、格子ピッチが２６３μｍ、２６１μｍ、４６μｍの回折格子３０３、３１０、４０４とを用いて３段の干渉計を構成した場合、それぞれの干渉信号１周期に相当する回折格子３０３、３１０、４０４の移動量は、それぞれ５３．２ｍｍ、５２．４ｍｍ、１．６４ｍｍとなり、３．３５ｍを６３分割、６４分割、２０４８分割する干渉信号を生成することができる。そして、この６４分割と６３分割する干渉信号からバーニア波を生成し、当該バーニア波を用いて１波長をより高精度に測定すると共に、この測定した干渉信号と６４分割および２０４８分割の干渉信号とを重ね合わせる。このようにすれば、測定範囲３．３５ｍに渡って高分解能の絶対値測定を行うことができる。なお、測定した干渉信号に２０４８分割の干渉信号のみを重ね合わせるようにしてもよい。
【００６２】
実施の形態５．
図７は、この発明の実施の形態５にかかる測長装置を示す構成図である。この測長装置５００は、測長用干渉計に隣接して、補正用干渉計を設けた点に特徴がある。この測長装置５００は、半導体レーザーなどのコヒーレントな平行ビームを発生する光源５０１と、光源５０１からの平行ビームＢを２分割するハーフミラー５０２と、分割した一方の平行ビームＢａの光軸上に位置し、０次と±ｐ次（ｐは整数）の回折光を発生させる測長用の回折格子５０３と、回折格子５０３により回折した０次と±ｐ次の回折光を反射し、再び回折格子５０３上で各回折光を干渉させる３枚の反射ミラー５０４〜５０６と、回折格子５０３で干渉した干渉光を取り出すハーフミラー５０７と、このハーフミラー５０７により取り出した干渉光の強度を検出する受光素子５０８とを有する。
【００６３】
また、この測長装置５００は、分割した他方の平行ビームＢｂを曲げる固定反射ミラー５０９と、平行ビームＢｂの入射により０次と±ｑ次（ｑは整数）の回折光を発生させる補正用の回折格子５１０と、回折格子５１０により回折した０次と±ｑ次の回折光を反射し、再び回折格子５１０上で各回折光を干渉させる３枚の反射ミラー５１１〜５１３と、回折格子５１０で干渉した干渉光を取り出すハーフミラー５１４と、このハーフミラー５１４により取り出した干渉光の強度を検出する受光素子５１５とを備えている。
【００６４】
前記測長用の回折格子５０３は、工作機械の加工テーブルや刃物台などの位置測定対象Ｔに連結して取り付けられ、位置測定対象Ｔと共にＸ軸方向に移動する。補正用の回折格子５１０および反射ミラー５０４〜５０６、５１１〜５１３は、位置測定対象Ｔ以外の部分、たとえば工作機械のベッドなどに取り付けられている。
【００６５】
この測長装置５００の動作について説明する。測長用干渉計の動作については、実施の形態１と同様である。すなわち、回折格子５０３にて回折した０次光と±ｐ次光とがそれぞれ反射ミラー５０４〜５０６で反射し、再び回折格子５０３に入射することで干渉光が発生する。この干渉光をハーフミラー５０７で取り出し、受光素子５０８にて光電変換し干渉信号を得る。
【００６６】
ハーフミラー５０２にて反射した平行ビームＢｂは、固定反射ミラー５０９により光軸が直角に曲げられて、補正用の回折格子５１０に入射する。この回折格子５１０によって０次と±ｑ次（ｑは整数）との回折光が発生する。０次光は、反射ミラー５１１により反射して回折格子５１０に戻り、ｑ次光は、反射ミラー５１２と反射ミラー５１３により２回反射して回折格子５１０に戻る。そして、これら反射光（０次光、±ｑ次光）を回折格子５１０にて合波し、干渉させる。この干渉光はハーフミラー５１４で分離され、受光素子５１５にて光電変換される。受光素子５０８、５１５の干渉信号は、処理部５１６に送られる。
【００６７】
ここで、前記測長用の干渉計により得られた干渉信号の位相は、回折格子５０３の移動距離と屈折率変化に応じて変動している。一方、補正用の回折格子５１０は、固定されているから、空気中の屈折率変化の影響を受けて変動している。このため、補正用の干渉計で屈折率変化による変動を求め、測長用の干渉計の干渉信号に補正を施すようにすれば、当該屈折率変動による測定誤差を除去することができる。
【００６８】
具体的には、回折次数を±１、測長用回折格子５０３と補正用回折格子５１０の格子ピッチを同一とした場合、干渉信号１周期に相当する回折格子の移動距離ｄを表した上式、
ｄ＝λ／（２ｎ（１−ｃｏｓθ））
を参考すると、測長用の干渉信号では回折格子５０３の移動距離ｄと屈折率ｎとが変動するのに対し、干渉信号では移動距離ｄが一定で屈折率ｎが変動することから、補正用干渉信号の位相変動に基づいて干渉信号の位相情報を補正して、空気中の屈折率変動による測定誤差を除去する。
【００６９】
さらに、上記補正用の干渉計では、平行ビームＢｂの波長と回折格子５１０の格子ピッチを適切に選択することにより、屈折率変動に対する干渉信号の位相感度を任意の値に設定できる。このため、補正用干渉計を複数段構成すれば、一般的なマイケルソン干渉計で補正干渉計を構成する場合に比べ、補正の分解能を高めることができると共に補正範囲を拡大することができる。
【００７０】
この結果、測長装置のダイナミックレンジを向上させることができる。また、測長用干渉計に一般的なマイケルソン干渉計を用い、補正用干渉計に上記回折格子５１０を用いた干渉計を用いるようにすることもできる。すなわち、実施の形態５にかかる補正用干渉計は、一般的なマイケルソン干渉計で構成した補正用干渉計に比べて、その補正分解能が高いため、当該構成を補正用干渉計にのみ適用してもダイナミックレンジを改善することが可能になる。
【００７１】
なお、補正用の干渉計と測長用の干渉計との組み合わせは自由である。たとえば複数の測長用干渉計それぞれに１段の補正用干渉計を設けるようにしてもよいし、複数段の測長用干渉計に１段の補正用干渉計を設けるようにしてもよい。また、補正用干渉計を構成するにあたり、回折格子５１０の、たとえば１次光および２次光を重ね合わせることにより補正分解能を高めるようにすることもできる。さらに、異なる格子ピッチを持つ回折格子５１０を用いて複数の補正用干渉計を構成し、補正分解能を向上させるようにしてもよい。
【００７２】
また、光源５０１の波長が変動することにより、測定誤差が発生する場合がある。そこで、補正用干渉計により光源５０１の波長変動を求め（屈折率変化は一定とする）、当該干渉信号を用いて、光源５０１の波長変動による測定誤差を補正するようにしてもよい。
【００７３】
実施の形態６．
図８は、この発明の実施の形態６にかかる測長装置を示す構成図である。この測長装置６００は、実施の形態１の測長装置１００と略同様の構成であるが、反射ミラーを２枚にした点が異なる。その他の構成は、実施の形態１と同様であるからその説明を省略し、同一の構成要素については同一の符号を付する。反射ミラー１０３は０次光の光を反射し、反射ミラー１０４はｐ次光（ｐは整数）の光を反射する。回折格子１０２は、工作機械の加工テーブルや刃物台などの位置測定対象Ｔに取り付けられている。反射ミラー１０３、１０４は、位置測定対象Ｔ以外の部分、たとえば工作機械のベッドなどに取り付けられている。回折格子１０２は、位置測定対象Ｔと共にＸ軸方向に移動する。
【００７４】
つぎに、この測長装置６００の動作について説明する。光源１０１から出射した平行ビームＢが回折格子１０２に入射すると、０次と＋ｐ次との回折光が発生する。０次光は、反射ミラー１０３により反射して回折格子１０２に戻る。一方、ｐ次光は、反射ミラー１０４により反射して回折格子１０２に戻る。そして、これら反射光（０次光、＋ｐ次光）を回折格子１０２にて再び回折させ、干渉させる。続いて、当該干渉光をハーフミラー１０６で入射光から分離し、受光素子１０７で光電変換する。
【００７５】
受光素子１０７で光電変換した干渉信号は、処理部１０８に送信される。なお、この実施の形態６では、＋ｐ次光を用いたが、−ｐ次光を反射ミラーで反射して干渉光を得るようにしてもよい。以上、この測長装置６００によれば、２枚の反射ミラー１０３、１０４で構成したので、部品点数を少なくできる。また、光路断面積が約半分になるから、測長装置全体を小型にすることができる。
【００７６】
実施の形態７．
図９は、この発明の実施の形態７にかかる測長装置を示す構成図である。この測長装置７００の基本構成は、実施の形態２の測長装置２００と同じであるが、この測長装置２００に対して測定光の平均強度を得、当該平均強度信号に基づいて干渉信号のしきい値を変動するようにした点に特徴がある。
【００７７】
かかる測長装置７００は、半導体レーザーなどのコヒーレントな平行ビームを発生する光源７０１と、光源７０１からの光を入射させて０次と±ｐ次（ｐは整数）の回折光を発生させる回折格子７０２と、回折格子７０２により回折した０次と±ｐ次の回折光を反射し、再び回折格子７０２に入射させる３枚の反射ミラー７０３〜７０５と、０次回折光の光軸上に設けた位相板７０６と、回折格子７０２にて合波した測定光を取り出すハーフミラー７０７と、測定光を分割して取り出すハーフミラー７０８と、ハーフミラー７０８により取り出した測定光の強度を検出する受光素子７０９と、透過測定光を異なる位相ごとに分離して取り出す偏光ビームスプリッター７１０と、各位相ごとに干渉光の強度を検出する受光素子７１１、７１２とを備えている。
【００７８】
また、各受光素子７１１、７１２の干渉信号は、処理部７１３に送信される。処理部７１３は、位相ごとに分割して取り出した干渉信号を平均強度信号と比較して出力信号を取り出すコンパレータ７１４、７１５と、各コンパレータ７１４、７１５の出力をカウントするカウンタ７１６、７１７とから構成されている。また、前記回折格子７０２は、工作機械の加工テーブルや刃物台などの位置測定対象Ｔに取り付けられ、位置測定対象Ｔと共にＸ軸方向に移動する。反射ミラー７０３〜７０５は、位置測定対象Ｔ以外の部分、たとえば工作機械のベッドなどに取り付けられている。
【００７９】
つぎに、この測長装置７００の動作について説明する。平行ビームＢが回折格子７０２に入射することにより、０次と±ｐ次の回折光が発生する。０次光は、光軸上に配置したλ／８位相板７０６を往復で２回通過し、その偏光が変化させられる。一方、ｐ次光は、反射ミラー７０４、７０５により２回反射して回折格子７０２に戻る。なお、位相板７０６により偏光を変化させるのは、０次光でなく±ｐ次光であってもよい（この場合は、位相板７０６を±ｐ次光の光軸上に配置する）。
【００８０】
そして、これら反射光（０次光、±ｐ次光）を回折格子７０２にて再び合波し、ハーフミラー７０７により取り出す。この測定光は、ハーフミラー７０８により分離されて受光素子７０９により光電変換される。この測定光強度信号は、処理部７１３に送信される。処理部７１３では、この測定光強度信号から平均強度信号を生成する。一方、透過した測定光は、偏光ビームスプリッター７１０により、それぞれの偏光成分に分けられる。各干渉光は受光素子７１１、７１２により受光され、光電変換される。受光素子７１１、７１２で光電変換した干渉信号は、処理部７１３に送信される。
【００８１】
処理部７１３のコンパレータ７１４、７１５は、各受光素子７１１、７１２からの干渉信号を受けて、しきい値と比較する。また、干渉信号をしきい値と比較するにあたり、前記平均強度信号を受け取り、当該しきい値を平均強度信号に基づいて変動させる。比較した結果は、カウンタ７１６、７１７に出力されて位置データとなる。
【００８２】
以上、この測長装置７００によれば、しきい値を平均強度信号に基づいて変動させるようにしたので、測定光のパワーが変動しても安定した比較動作を行うことができる。このため、測長装置７００の信頼性が向上する。また、実施の形態２と同様、位相板７０６の作用により各受光素子７１１、７１２の干渉信号の位相がπ／２だけずれることになる。このため、両干渉信号を比較することにより、現在の角度を特定することができる。
【００８３】
実施の形態８．
図１０は、この発明の実施の形態８にかかる測長装置を示す構成図である。この測長装置８００は、干渉光を光電変換するための受光素子８０１と、干渉信号をしきい値と比較するコンパレータ８０２と、干渉信号の平均値を検出するローパスフィルタ８０３と、比較した干渉信号をカウントするカウンタ８０４とを備えている。また、受光素子８０１までの干渉計は、実施の形態１に記載したものと同様であり（図示省略）、前記ローパスフィルタ８０３、コンパレータ８０２およびカウンタ８０４は、同図に示した処理部１０８に含まれる。
【００８４】
受光素子８０１は、干渉光の強度を検出して、干渉信号を処理部に送る。この干渉信号は２分割され、その一方はそのままコンパレータ８０２に入力され、他方はローパスフィルタ８０３に入力される。ローパスフィルタ８０３は、干渉光の平均強度信号を検出する。コンパレータ８０２は、ローパスフィルタ８０３からの出力に基づいてしきい値を変動させ、当該しきい値との比較結果をカウンタ８０４に出力する。カウンタ８０４は、当該コンパレータ８０２の出力に基づいて位置データを作成する。
【００８５】
この測長装置８００では、ローパスフィルタ８０３により干渉光の平均強度を検出し、このローパスフィルタ８０３の出力に基づいてしきい値を変動するようにしたので、干渉光の強度変化に依存しない安定した比較動作を行うことができ、装置の信頼性が向上する。また、干渉信号の平均レベルを、しきい値付近にあわせる調整工程も不要になる。
【００８６】
実施の形態９．
図１１は、この発明の実施の形態９にかかる測長装置を示す構成図である。この測長装置９００は、干渉光を光電変換するための受光素子９０１と、干渉信号をしきい値と比較するコンパレータ９０２と、コンパレータ９０２のしきい値を制御する制御装置９０３と、しきい値に関するデータを格納している記憶装置９０４と、コンパレータ９０２の比較した干渉信号をカウントするカウンタ９０５とを備えている。また、受光素子９０１までの干渉計は、実施の形態１に記載したものと同様であり（図示省略）、前記制御装置９０３、記憶装置９０４、コンパレータ９０２およびカウンタ９０５は、同図に示した処理部１０８に含まれる。
【００８７】
受光素子９０１は、干渉光の強度を検出して、干渉信号を処理部に送る。この干渉信号はコンパレータ９０２に入力される。制御装置９０３は、記憶装置９０４のしきい値に関する情報に基づいて、コンパレータ９０２のしきい値を調整する。コンパレータ９０２は、当該しきい値と干渉信号とを比較し、その結果をカウンタ９０５に出力する。カウンタ９０５は、当該コンパレータ９０２の出力に基づいて位置データを作成する。
【００８８】
測長装置９００では、製品によって干渉光の強度にバラツキが生じるが、このような場合であっても、干渉光の強度に応じてしきい値を設定できる。具体的には、工場出荷前または出荷後の調整過程において、制御装置９０３により記憶装置９０４に格納したしきい値のデータを選択し、最適な値に設定する。このようにすれば、測長装置９００の信頼性および品質が向上すると共に、しきい値の調整工程が簡略化できる。
【００８９】
実施の形態１０．
図１２は、この発明の実施の形態１０にかかる測長装置を示す構成図である。この測長装置１０００は、干渉光を光電変換するための受光素子１００１と、干渉信号をしきい値と比較するコンパレータ１００２と、コンパレータ１００２のしきい値を制御する制御装置１００３と、しきい値に関するデータを格納している記憶装置１００４と、干渉光の平均強度レベルを検出する光強度検出部１００５と、コンパレータ１００２の比較した干渉信号をカウントするカウンタ１００６とを備えている。
【００９０】
また、受光素子１００１までの干渉計は、実施の形態１に記載したものと同様であり（図示省略）、前記制御装置１００３、記憶装置１００４、コンパレータ１００２およびカウンタ１００６は、同図に示した処理部１０８に含まれる。また、光強度検出部１００５は、光学的なものでも電気的なものであってもよく、たとえば受光素子やフィルタを介する方式、Ａ／Ｄ変換し演算することで求める方式などであってもよい。
【００９１】
受光素子１００１は、干渉光の強度を検出して、干渉信号を処理部に送る。この干渉信号はコンパレータ１００２に入力される。制御装置１００３は、光強度検出部１００５からの信号から平均光強度を求め、これに基づいて記憶装置１００４のしきい値に関するデータを書き換え続ける。制御装置１００３は、書き換えた最新のしきい値に関する情報に基づき、コンパレータ１００２のしきい値を調整する。コンパレータ１００２は、当該しきい値と干渉信号とを比較し、その結果をカウンタ１００６に出力する。カウンタ１００６は、当該コンパレータ１００２の出力に基づいて位置データを作成する。
【００９２】
この測長装置１０００によれば、常に最新の干渉光の強度に基づいてコンパレータ１００２のしきい値を調整するようにしたので、干渉光の強度が急激に変動した場合であっても、自動的に追従することができる。このため、安定した比較動作を行うことができ、測長装置１０００の信頼性が向上する。
【００９３】
実施の形態１１．
また、図１１に示した記憶装置９０４に、光源その他の光学部品に関する経時変化に対応したしきい値データを格納し、経時変化に伴いコンパレータ９０２のしきい値を調整するようにしてもよい。たとえば、タイマーにより電源投入時間を加算し、この使用時間に対応するしきい値データを記憶装置９０４から取り出し、当該しきい値データに基づいてコンパレータ９０２のしきい値を調整するようにする。また、光源などの光学系が安定するまで、しきい値を調整しながら比較動作を行うようにしてもよい。この場合、タイマーを用いて測長装置の電源投入時から時間を計測し、時間経過ごとにしきい値を調整するようにする。かかる構成によっても、コンパレータ９０２の比較動作を安定して行うことができる。
【００９４】
実施の形態１２．
図１３は、この発明の実施の形態１２にかかる測長装置を示す構成図である。この測長装置１１００は、干渉光を光電変換するための受光素子１１０１と、干渉信号をしきい値と比較するコンパレータ１１０２と、コンパレータ１１０２のしきい値を制御する制御装置１１０３と、しきい値に関するデータを格納している記憶装置１１０４と、干渉信号の平均値を検出するローパスフィルタ１１０５と、干渉信号の周波数を検出する周波数カウンタ１１０６と、コンパレータ１１０２の比較した干渉信号をカウントするカウンタ１１０７とを備えている。また、受光素子１１０１までの干渉計は、実施の形態１に記載したものと同様であり（図示省略）、前記制御装置１１０３などの構成要素は、同図に示した処理部１０８に含まれる。
【００９５】
受光素子１１０１は、干渉光の強度を検出して、干渉信号を処理部に送る。この干渉信号は３分割され、一つはそのままコンパレータ１１０２に入力され、残りはローパスフィルタ１１０５および周波数カウンタ１１０６に入力される。ローパスフィルタ１１０５は、干渉光の平均強度信号を検出する。制御装置１１０３は、回折格子が高速で移動している場合、ローパスフィルタ１１０５からの出力に基づいてしきい値を調整する。
【００９６】
一方、ローパスフィルタ１１０５の信号は回折格子が低速移動または停止している場合はローパスフィルタ１１０５を用いることが困難であるから、記憶装置１１０４のしきい値に関する情報に基づいて、コンパレータ１１０２のしきい値を調整する。コンパレータ１１０２は、当該しきい値と干渉信号とを比較し、その結果をカウンタ１１０７に出力する。カウンタ１１０７は、当該コンパレータ１１０２の出力に基づいて位置データを作成する。
【００９７】
以上の測長装置１１００によれば、ローパスフィルタ１１０５と記憶装置１１０４とを組み合わせて使用するので、ミスカウントを防止でき、安定した比較動作を行うことができる。また、干渉信号の平均レベルをしきい値付近にあわせる調整工程の難易度を軽減できる。
【００９８】
なお、この実施の形態１２の変形例として、図１２に示したような干渉光の平均強度レベルを検出する光強度検出部１００５を設け（図示省略）、当該光強度検出部１００５の検出信号により、記憶装置１１０４のしきい値に関するデータを書き換え続けるようにしてもよい。このようにすれば、常に最新の干渉光の平均強度に基づいてコンパレータ１１０２のしきい値を調整できるから、干渉光の平均強度が急激に変動した場合であっても、自動的に追従することができる。このため、安定した比較動作を行うことができ、測長装置の信頼性が向上する。
【００９９】
なお、上記高速移動時における干渉光平均強度の検出は、ローパスフィルタ１１０５に限定されず、たとえばモニター用の受光素子などを用いることもできる。また、低速移動時または停止時においては、干渉光平均強度を、たとえばＡ／Ｄ変換してソフト的に求めるようにしてもよい。
【０１００】
以上、実施の形態１から１２について説明したが、これら実施の形態１から１２の測長装置を適宜組み合わせて測長装置を構成することも可能であり、さらに、各構成要素については当業者にとって置換可能かつ容易な範囲において変更使用することができる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明にかかる測長装置によれば、位置測定対象に回折格子を固定し、この回折格子で発生した各次数の回折光を位置測定対象以外の部分に固定した反射手段で反射することで回折格子に入射させ、この干渉光から測長を行うようにしたので、位置測定対象の揺動に起因した測長誤差を抑制することができる。
【０１０２】
つぎの発明にかかる測長装置によれば、位相をシフトした干渉信号を取得し、この干渉信号を重ね合わせることにより測長を行うようにしたので、現在の角度を測定できる。
【０１０３】
つぎの発明にかかる測長装置によれば、波長の異なる干渉信号を取得してこれらを重ね合わせるようにしたので、測長の分解能を向上することができる。
【０１０４】
つぎの発明にかかる測長装置によれば、バーニア波を用いて測長するので、測長範囲を拡大することができる。
【０１０５】
つぎの発明にかかる測長装置によれば、複数段のうち一部の干渉計の回折格子を移動させないようにし、当該干渉計から取得した干渉信号によって、その他の干渉計から取得した干渉信号を補正するようにしたので、測定誤差を除去することができる。このため、測長を正確に行うことができる。
【０１０６】
つぎの発明にかかる測長装置によれば、前記反射手段を、回折格子および反射手段を有する一つの干渉計にて、少なくとも二つ設けるようにしたので、測長装置の構成を簡略化することができる。
【０１０７】
つぎの発明にかかる測長装置によれば、測定光の強度を検出することによりコンパレータのしきい値を変動させるようにしたので、安定した比較動作を行うことができる。このため、測長装置の信頼性が向上する。
【０１０８】
つぎの発明にかかる測長装置によれば、干渉信号を入力するローパスフィルタを設け、このローパスフィルタの出力信号に基づいてコンパレータのしきい値を調整するようにした。このため、安定した比較動作を行うことができるから、測長装置の信頼性が向上する。
【０１０９】
つぎの発明にかかる測長装置によれば、しきい値に関するデータを格納する記憶手段と、当該しきい値に関するデータに基づいて前記コンパレータのしきい値を調整する制御手段とを備えたので、しきい値の調整工程を簡略化することができる。
【０１１０】
つぎの発明にかかる測長装置によれば、光強度検出手段の検出信号から求めた平均光強度よりコンパレータのしきい値を調整するようにしたので、干渉光の強度変化に追従することができる。このため、安定した比較動作を行うことが可能になる。
【０１１１】
つぎの発明にかかる測長装置によれば、光学部品の経時変化に応じてコンパレータのしきい値を調整するようにしたので、コンパレータの比較動作を安定して行うことができる。
【０１１２】
つぎの発明にかかる測長装置によれば、記憶手段に格納しているしきい値に関するデータとローパスフィルタの出力信号に関するデータとを選択し、当該選択したデータに基づいて前記コンパレータのしきい値を調整するので、コンパレータの比較動作を確実に行うことができる。
【０１１３】
つぎの発明にかかる測長補正装置によれば、位置測定対象以外の部分に固定した回折格子を用いて干渉光を得、この干渉光を光電変換して得た干渉信号に基づいて測長用の干渉信号の補正を行うようにしたので、測長の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１にかかる測長装置を示す構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態２にかかる測長装置を示す構成図である。
【図３】 この発明の実施の形態３にかかる測長装置を示す構成図である。
【図４】 二つの干渉信号の内挿データを重ね合わせる場合の一例を示すグラフ図である。
【図５】 この発明の実施の形態４にかかる測長装置を示す構成図である。
【図６】 実施の形態４にかかる測長装置の変形例を示す構成図である。
【図７】 この発明の実施の形態５にかかる測長装置を示す構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態６にかかる測長装置を示す構成図である。
【図９】 この発明の実施の形態７にかかる測長装置を示す構成図である。
【図１０】 この発明の実施の形態８にかかる測長装置を示す構成図である。
【図１１】 この発明の実施の形態９にかかる測長装置を示す構成図である。
【図１２】 この発明の実施の形態１０にかかる測長装置を示す構成図である。
【図１３】 この発明の実施の形態１２にかかる測長装置を示す構成図である。
【図１４】 特開平１０−１７０２１７号公報に記載の測長装置の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１００ 測長装置、１０１ 光源、１０２ 回折格子、１０３〜１０５ 反射ミラー、１０６ ハーフミラー、１０７ 受光素子、１０８ 処理部。

Claims (12)

1. コヒーレントな平行ビームを発する光源と、
   前記平行ビームの光軸上に位置して前記平行ビームに沿う一方向からの光を入射して複数の回折光をそれぞれ異なる方向に出射すると共に前記平行ビームの入射方向に沿って移動する位置測定対象に固定した回折格子と、
   前記回折格子の前記回折光を回折次数ごとに反射して前記回折格子に戻すと共に前記位置測定対象以外の部分に固定した反射手段と、
   を備え、
   前記回折格子による干渉光から測長を行うことを特徴とする測長装置。
2. さらに、前記所定次数の回折光の光軸上に位相シフト手段を設け、偏光分割手段により位相差を有する偏光成分ごとの干渉信号を取得し、この両干渉信号に基づいて測長を行うことを特徴とする請求項１に記載の測長装置。
3. さらに、前記回折格子および反射手段を有する干渉計を複数段設けると共に各干渉計により取得する干渉信号の波長を異なるものにし、当該波長の異なる干渉信号を重ね合わせることにより測長を行うようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の測長装置。
4. さらに、前記回折格子および反射手段を有する干渉計を複数段設けると共に各干渉計により取得する干渉信号の波長を僅かに異なるものにしてバーニア波を発生させ、当該バーニア波により測長を行うようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の測長装置。
5. さらに、前記回折格子および反射手段を有する干渉計を複数段設けると共に一部の干渉計の回折格子を移動させないようにし、当該干渉計から取得した干渉信号によって、その他の干渉計から取得した干渉信号を補正するようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の測長装置。
6. さらに、前記反射手段を、回折格子および反射手段を有する一つの干渉計にて、少なくとも二つ設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の測長装置。
7. さらに、前記干渉光を光電変換して得た干渉信号をコンパレータにて所定のしきい値と比較し、その結果をカウンタに出力することで位置データを生成するにあたり、前記回折格子を通過した測定光の強度を検出する測定光強度検出手段を設け、この測定光強度検出手段の測定光強度信号から平均強度信号を求め、この平均強度信号により前記しきい値を調整するようにしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の測長装置。
8. さらに、前記干渉光を光電変換して得た干渉信号をコンパレータにて所定のしきい値と比較し、その結果をカウンタに出力することで位置データを生成するにあたり、干渉信号を入力するローパスフィルタを設け、当該ローパスフィルタの出力値に基づいて前記しきい値を調整するようにしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の測長装置。
9. さらに、前記干渉光を光電変換して得た干渉信号をコンパレータにて所定のしきい値と比較し、その結果をカウンタに出力することで位置データを生成するにあたり、前記しきい値に関するデータを格納する記憶手段と、当該しきい値に関するデータに基づいて前記コンパレータのしきい値を調整する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の測長装置。
10. さらに、干渉光の光強度検出手段を設け、当該光強度検出手段の検出信号から平均光強度を求め、当該平均光強度に基づいて前記記憶手段に格納したしきい値に関するデータを書き換え、当該記憶装置のデータに基づいてコンパレータのしきい値を調整するようにしたことを特徴とする請求項９に記載の測長装置。
11. さらに、前記干渉光を光電変換して得た干渉信号をコンパレータにて所定のしきい値と比較し、その結果をカウンタに出力することで位置データを生成するにあたり、光学部品の経時変化に対応したしきい値に関するデータを格納する記憶手段と、当該しきい値に関するデータに基づいて前記コンパレータのしきい値を調整する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の測長装置。
12. さらに、前記干渉光を光電変換して得た干渉信号をコンパレータにて所定のしきい値と比較し、その結果をカウンタに出力することで位置データを生成するにあたり、前記しきい値に関するデータを格納する記憶手段と、干渉信号を入力するローパスフィルタと、前記記憶手段に格納しているしきい値に関するデータと前記ローパスフィルタの出力信号に関するデータとを選択し、当該選択したデータに基づいて前記コンパレータのしきい値を調整する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の測長装置。

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