JP4248229B2 - ２点間寸法調整装置、自律制御端度器、自律長さ維持構造体、および、それらの絶対値再現方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を用いて対向する反射面間の寸法を測定して反射面間の寸法を所定の寸法に可変制御する２点間寸法調整装置、自律制御端度器、自律長さ維持構造体、および、それらの絶対値再現方法である。
【０００２】
【背景技術】
両端面間の寸法を基準とし、実用的な高精度の機械的寸法を実現する端度器としてのゲージブロックや基準器などが知られている。
【０００３】
従来のゲージブロックでは、例えば、温度依存性が大きく熱膨張により寸法が変化するため、高精度の測定を行う場合には、温度をきわめて高い精度で制御することが必要とされ、機械的寸法の実現が煩雑となる。また、ゲージブロックは、自重、支持の仕方のたわみなどによる歪み、あるいは取扱姿勢による歪みなどを生じたり、経時的変化を生じるおそれがある。このため、ゲージブロックは、高精度の測定を実施する際、取扱が限定される上、十分な注意が必要で、機械的寸法の実現が煩雑となる。
【０００４】
そこで、使用環境温度や取扱姿勢、経時変化の影響を受けにくい高精度の端度器として、自律制御端度器（例えば、特許文献１）や自律長さ維持構造体（例えば、特許文献２）などが知られている。
【０００５】
そして、特許文献１に記載の自律制御端度器は、筒状体の一端に設けられた固定部に固定測定部材を設けるとともに、他端に設けられた弾性変位部に変位測定部材を設け、筒状体内に屈折率の影響がない程度の略真空状態に減圧された内部空間を区画形成している。変位測定部材を駆動素子によって変位させ、レーザ光波干渉計から得られた測定値に基づき、対をなす内部反射ミラー間の間隔と、測定光路に対する反射ミラーの測定光軸とを、常に所定の位置に維持させ、測定面間の寸法および姿勢を高精度に維持させる。
【０００６】
また、特許文献２に記載の自律長さ維持構造体は、筒状体の一端部に設けられた固定の基準面を有する基台を設けるとともに、他端に設けられた弾性変位部に変位測定部材を設け、略真空状態に減圧された内部空間を区画形成している。内部に、測定面の基準面に対する測定面の寸法と傾きを測定するレーザ干渉測長計を配設する。変位測定部材を駆動素子によって変位させ、測定面の変位に伴って変化する干渉信号を、目標値に一致するように、駆動部を駆動させて測定面間の寸法や傾きを高精度に維持させる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１８０１４９号公報（第４頁左欄−第６頁右欄）
【特許文献２】
特開２０００−３２９５２８号公報（第４頁左欄−第６頁右欄）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特許文献１や特許文献２に記載のような従来の端度器では、２つの反射面間の変位量を内部に配設した光学的な干渉計により、寸法変化に対し位相が普遍の参照信号出力と、寸法変化に対応した位相が変化する測定信号出力との位相関係を観測して、測定面間の寸法や傾きを高精度に維持している。このため、２つの反射面間の測定範囲は干渉計の光源の波長をλとして±λ／４以内である。
【０００９】
すなわち、特許文献１や特許文献２に記載のような従来の端度器では、図７（ａ）に示すようにして測定面間の寸法を維持する。具体的には、筒状体およびこの筒状体の両端に設けられた測定面部材の合計寸法である機械寸法と、変位測定部材の変位であるオフセット量とを加味した測定面間の寸法を測定し、絶対値（値付け時の値）を目標値に寸法制御したときの寸法としている。
【００１０】
詳細には、まず機械寸法の再現処理をする。この機械寸法の再現処理は、値付け時と同等の温度環境、設置姿勢に設置し、本体を温度的に安定にして測定面部材および筒状体の寸法を含む全体の機械寸法の安定化をする。このとき、図７（ｂ）に示すように、弾性変位部の駆動素子への印加電圧は０Ｖとして縮めた状態とし、寸法制御を実施せず、内部の光学部材の温度制御のみを実施する。
【００１１】
次に、絶対値±λ／４の再現処理をする。この絶対値±λ／４の再現処理は、駆動素子に制御量に対応しないオフセット電圧を印加し、変位測定部材の可変範囲の中心へ移動させる。このことにより、図７（ｃ）に示すように、伸ばした駆動素子のオフセット量と機械寸法とを合わせた本体全長が、絶対値に対して±λ／４に再現される。すなわち、±λ／４に再現するようなオフセット電圧を決めておき、そのオフセット電圧を印加する。なお、この絶対値±λ／４の再現処理の際には、引き続き寸法制御を実施せず、内部の光学部材の温度制御のみ実施する。この後、図７（ｄ）に示すように寸法制御の処理を実施し、最終目的である絶対値に制御でき、端度器として使用できる状態となる。
【００１２】
温度均し時の弾性変位部は、駆動素子にオフセット電圧が印加されておらず、図８に示すように、ばね部材など引張手段７０１により筒状体７０２に変位測定部材７０３が引っ張られて縮んだ状態とする。この縮んだ状態では、筒状体７０２と変位測定部材７０３との間に配設された突き当て部７０４に変位測定部材７０３が当接して、駆動素子７０５と変位測定部材７０３とは離間した状態とする。
【００１３】
このような構造としたのは、駆動素子７０５自体の剛性、寸法の経年変化、印加電圧に対する駆動素子７０５の伸び量の安定性などの寸法変動要因を考慮し、制御せずに温度均しで寸法再現を実施する場合には、できるだけ剛性が強く、経年変化の少ない部材で突き当てて寸法再現を実施し、駆動素子７０５の寸法変動要因を排除している。
【００１４】
しかしながら、制御開始時には目的とする絶対値に対し、±λ／４以内の寸法に収めておく必要がある。また、±λ／４を超える量で伸ばした位置で制御を開始する必要がある場合、制御開始前にオフセット電圧を印加して目的とする寸法に対して±λ／４以内の寸法に収めた後に制御を開始しなければならない。
【００１５】
このため、絶対値±λ／４の再現処理や寸法制御の処理の際に任意のオフセット電圧が印加されると、図９に示すように、駆動素子７０５が伸びて変位測定部材７０３を引張手段７０１の引張力に抗して押し出し、突き当て部７０４から変位測定部材７０３の測定面７０３ａとの間が離間する状態としている。
【００１６】
このように、所定のオフセット電圧を印加して変位測定部材７０３をオフセットさせて制御を開始することにより、印加電圧に対する駆動素子７０５の伸び量の不安定性など、完全に寸法変動要因が排除されたことにはならない。
【００１７】
本発明は、このような点に鑑みて、２点間の高精度な絶対値の再現が容易な２点間寸法調整装置、自律制御端度器、自律長さ維持構造体、および、それらの絶対値再現方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、所定の間隙を介して対向しレーザ光を反射可能な一対の反射面を有しこれら反射面間の寸法測定の前記レーザ光の光路中に設けられたレーザ干渉測長手段と、これら反射面間の寸法を可変する移動手段と、前記レーザ干渉測長手段で測定する前記反射面間の寸法測定の結果に基づいて前記移動手段を適宜駆動させ前記反射面間の寸法を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記レーザ光が適宜位相変調されて生成された参照光と、前記レーザ光が反射面間で反射されて前記反射面間の寸法に対応して位相がずれた測定光との干渉により得られる検出信号と、この検出信号と前記参照光を位相変調させる参照信号との位相差を所定の位相差にする位相補正値を生成し、この位相補正値により前記レーザ光が参照光として変調される位相を補正するとともに、前記位相補正値の累積が所定の値となる前記反射面間の寸法に前記移動手段を駆動させることを特徴とした２点間寸法調整装置である。
【００１９】
この発明では、適宜位相変調したレーザ光の参照光と、レーザ光の光路中に設けたレーザ干渉測長手段の対向する一対の反射面間で反射して反射面間の寸法に対応して位相がずれた測定光との干渉による検出信号を取得するとともに、検出信号と参照光を位相変調させる参照信号とを取得し、これら検出信号と参照信号との位相差を所定の位相差にする位相補正値を生成する。この位相補正値により、レーザ光が参照光として変調される位相を補正するとともに、位相補正値の累積が所定の値となる反射面間の寸法に移動手段を駆動させる。このことにより、レーザ干渉測長手段における干渉による検出範囲となるように参照光が適宜位相変調されることとなり、検出範囲を超える反射面間の寸法を測定しつつ反射面間が所定の寸法に可変設定され、２点間の高精度な寸法設定の範囲が拡大し、利便性および汎用性が向上し、利用の拡大が図れる。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の２点間寸法調整装置において、前記レーザ光は、単一波長レーザ光束であり、前記レーザ干渉測長手段は、前記レーザ光を水平偏光および垂直偏光に偏光して、これら水平偏光および垂直偏光のうちのいずれか一方を位相変調して参照光とし、前記水平偏光および前記垂直偏光のうちのいずれか他方を反射面間で反射させて測定光とすることを特徴とする。
【００２１】
この発明では、レーザ光として単一波長レーザ光束のものを用い、レーザ干渉側長手段により、レーザ光を水平偏光および垂直偏光に偏光し、水平偏光および垂直偏光のうちのいずれか一方を位相変調して参照光とし、いずれか他方を反射面間で反射させて測定光とする。このことにより、簡単な構成で、レーザ干渉測長手段における干渉による検出範囲を超える反射面間の寸法を測定しつつ反射面間を所定の寸法に可変設定する構成が容易に得られる。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の２点間寸法調整装置において、前記制御手段は、前記検出信号および前記参照信号の位相差と所定の位相差との差分を、所定のタイミングクロック信号に基づく時間間隔に換算して位相補正値とすることを特徴とする。
【００２３】
この発明では、検出信号および参照信号の位相差と所定の位相差との差分を、所定のタイミングクロック信号に基づく時間間隔に換算して位相補正値を取得する。このことにより、あらかじめ所定の位相差を設定しておき、この所定の位相差との差分を時間間隔に換算するので、レーザ干渉測長手段における干渉による検出範囲を超える反射面間の寸法でも干渉による検出範囲を逸脱しないようにするための制御が容易に得られ、広範囲で反射面間を所定の寸法に設定する構成が容易に得られる。
【００２４】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の２点間寸法調整装置において、前記制御手段は、前記参照光および前記測定光の干渉による前記検出信号のオフセット成分を除去し矩形波化して生成した矩形検出信号と、前記参照信号を矩形波化して生成した矩形参照信号との位相差に基づいて位相補正値を生成することを特徴とする。
【００２５】
この発明では、参照光および測定光の干渉による検出信号のオフセット成分を除去し矩形波化して生成した矩形波検出信号と、参照信号を矩形波化して生成した矩形参照信号との位相差に基づいて位相補正値を取得する。このことにより、レーザ干渉測長手段における干渉による検出範囲を超える反射面間の寸法でも干渉による検出範囲を逸脱しないようにするための制御がパルスを計数するデジタル制御可能となり、広範囲で反射面間を所定の寸法に設定する構成が容易に得られる。
【００２６】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の２点間寸法調整装置において、前記レーザ干渉測長手段は、電気光学変調素子を用いてレーザ光を位相変調して参照光を生成することを特徴とする。
【００２７】
この発明では、レーザ干渉測長手段にて、電気光学変調素子を用いてレーザ光を位相変調して参照光を生成させる。このことにより、簡単な構成でレーザ光を適宜位相変調することが容易に得られ、レーザ干渉測長手段における干渉による検出範囲を超える反射面間の寸法でも干渉による検出範囲を逸脱しないようにするための制御が容易に得られる。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の２点間寸法調整装置において、前記制御手段は、前記移動手段による前記反射面間の寸法の可変により、前記検出信号および前記参照信号との位相差における位相の進みまたは遅れに基づいて、所定の位相差との進み分または遅れ分を位相補正値として生成することを特徴とする。
【００２９】
この発明では、移動手段にて反射面間の寸法を可変することにより、検出信号および参照信号との位相差における位相の進みまたは遅れが生じ、所定の位相差との位相の進み分または遅れ分を位相補正値として取得する。このことにより、位相補正値が容易に得られ、レーザ干渉測長手段における干渉による検出範囲を超える反射面間の寸法でも干渉による検出範囲を逸脱しないようにするための制御が容易に得られる。
【００３０】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の２点間寸法調整装置において、少なくとも前記レーザ干渉測長手段を所定の温度に設定する恒温手段を具備したことを特徴とする。
【００３１】
この発明では、恒温手段により少なくともレーザ干渉測長手段を所定の温度に設定する。このことにより、レーザ干渉測長手段の各信号は温度による位相の変化を生じず、高精度の２点間の寸法の確実な設定が容易に得られる。
【００３２】
請求項８に記載の発明は、軸方向の両端に測定面を有し内部が大気圧に対して減圧された内部空間を区画する筒状体と、この筒状体の内部空間内に面し前記測定面にそれぞれ対応して反射面が設けられる請求項１ないし７のいずれかに記載の２点間寸法調整装置と、を具備したことを特徴とした自律制御端度器である。
【００３３】
この発明では、軸方向の両端に測定面を有した筒状体内に区画形成され大気圧に対して減圧された内部空間内に面して測定面にそれぞれ対応して、請求項１ないし７のいずれかに記載の２点間寸法調整装置の反射面を設ける。このことにより、レーザ干渉測長手段における干渉による検出範囲となるように参照光を適宜位相変調して検出範囲を超える反射面間の寸法を測定しつつ反射面間を所定の寸法に可変設定し、２点間の高精度な寸法設定の範囲が拡大する請求項１ないし７のいずれかに記載の２点間寸法調整装置を屈折率の影響が抑制される環境で用いるので、測定面間の高精度の寸法設定の範囲が拡大し、利便性および汎用性が向上し、利用の拡大が図れる。
【００３４】
請求項９に記載の発明は、基準面上に構築され、前記基準面に対向し対向寸法が変化可能な測定面を有する構造体と、前記基準面および前記測定面にそれぞれ対応して反射面が設けられる請求項１ないし７のいずれかに記載の２点間寸法調整装置と、を具備したことを特徴とした自律長さ維持構造体である。
【００３５】
この発明では、基準面と、この基準面上に構築される構造体の基準面に対向して対向寸法が変化可能な測定面と、にそれぞれ対向して請求項１ないし７のいずれかに記載の２点間寸法調整装置の反射面を設ける。このことにより、レーザ干渉測長手段における干渉による検出範囲となるように参照光を適宜位相変調して検出範囲を超える反射面間の寸法を測定しつつ反射面間を所定の寸法に可変設定し、２点間の高精度な寸法設定の範囲が拡大する請求項１ないし７のいずれかに記載の２点間寸法調整装置を用いるので、基準面および測定面間の高精度の寸法設定の範囲が拡大し、利便性および汎用性が向上し、利用の拡大が図れる。
【００３６】
請求項１０に記載の発明は、レーザ光を適宜位相変調して参照光を生成するとともに、対向寸法が変化可能に所定の間隙を介して対向しレーザ光を反射可能な一対の反射面間で前記レーザ光を反射させて前記反射面間の寸法に対応して位相がずれた測定光を前記参照光と干渉させて検出信号を取得し、前記レーザ光を前記参照光として位相変調させる参照信号を取得し、前記検出信号および前記参照信号との位相差を所定の位相差にする位相補正値を生成し、この生成した位相補正値を用いて前記レーザ光が前記参照光として変調される位相を補正するとともに、前記反射面間を前記位相補正値の累積が所定の値となる寸法に可変することを特徴とする２点間寸法調整装置の絶対値再現方法である。
【００３７】
この発明は、請求項１に記載の２点間寸法調整装置の２点間の寸法を調整する方法に展開したもので、レーザ光を適宜位相変調して参照光を生成するとともに、対向寸法が変化可能に所定の間隙を介して対向しレーザ光を反射可能な一対の反射面間でレーザ光を反射させて反射面間の寸法に対応して位相がずれた測定光を参照光と干渉させて検出信号を取得し、レーザ光を参照光として位相変調させる参照信号を取得し、検出信号および参照信号との位相差を所定の位相差にする位相補正値を生成し、この生成した位相補正値を用いてレーザ光が参照光として変調される位相を補正するとともに、反射面間を位相補正値の累積が所定の値となる寸法に可変することを特徴とする２点間寸法調整装置の絶対値再現方法である。このことにより、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を享受する。
【００３８】
請求項１１ないし１６に記載の発明は、請求項１０に記載の２点間寸法調整装置の絶対値再現方法において、請求項２ないし７に記載の２点間寸法調整装置に対応する２点間の寸法を調整する方法で、請求項２ないし７に記載の発明と同様の作用効果を享受する。
【００３９】
請求項１７に記載の発明は、請求項８に記載の自律制御端度器の自律制御の方法に展開したもので、軸方向の両端に測定面を有し内部に大気圧に対して減圧された内部空間を区画する筒状体に、内部空間に面し測定面にそれぞれ対応して互いに対向し対向寸法が変化可能に対をなす反射面を設け、これら反射面間でレーザ光を反射させ、反射面間を所定の寸法に可変制御して測定面間の寸法を所定の寸法に設定する自律制御端度器の絶対値再現方法であって、レーザ光を適宜位相変調して参照光を生成するとともに、反射面間で反射させて反射面間の寸法に対応して位相がずれた測定光を参照光と干渉させて検出信号を取得し、レーザ光を参照光として位相変調させる参照信号を取得し、検出信号および参照信号との位相差を所定の位相差にする位相補正値を生成し、この生成した位相補正値を用いてレーザ光が参照光として変調される位相を補正するとともに、反射面間を位相補正値の累積が所定の値となる寸法に可変することを特徴とする自律制御端度器の絶対値再現方法である。このことにより、請求項８に記載の発明と同様の作用効果を享受する。
【００４０】
請求項１８に記載の発明は、請求項９に記載の発明の自律長さ維持構造体の自律長さ維持方法に展開したもので、基準面上に構築され基準面に対向して対向寸法が変化可能な測定面を有する構造体に、基準面および測定面にそれぞれ対応して互いに対向し対向寸法を変化可能にする対をなす反射面を設け、これら反射面間でレーザ光を反射させ、反射面間を所定の寸法に可変制御して基準面および測定面間の寸法を所定の寸法に設定する自律長さ維持構造体の絶対値再現方法であって、レーザ光を適宜位相変調して参照光を生成するとともに、反射面間で反射させて反射面間の寸法に対応して位相がずれた測定光を参照光と干渉させて検出信号を取得し、レーザ光を参照光として位相変調させる参照信号を取得し、検出信号および参照信号との位相差を所定の位相差にする位相補正値を生成し、この生成した位相補正値を用いてレーザ光が参照光として変調される位相を補正するとともに、反射面間を位相補正値の累積が所定の値となる寸法に可変することを特徴とする自律長さ維持構造体の絶対値再現方法である。このことにより、請求項９に記載の発明と同様の作用効果を享受する。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る一実施の形態として、自律制御端度器を例示した第１の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、自律制御端度器を示す断面図である。図２は、自律制御端度器の回路構成を示すブロック図である。
【００４２】
（自律制御端度器の構成）
図１において、１００は自律制御端度器で、この自律制御端度器１００は、ゲージブロックの高精度タイプの基準器であり、波長安定化レーザ光を使用して高精度の機械的長さを実現し、端面間の寸法を常に一定に維持するものである。そして、自律制御端度器１００は、略筒状の構造体である筒状体としての外筒１０１を備えている。この外筒１０１は、例えば鉄などと比較して熱膨張係数が小さい材質である低膨張合金であるスーパーインバー（Super Invar：例えば組成比がNi31,Co4,Mn0.3,Fe bal）材にて形成されている。
【００４３】
なお、スーパーインバー材は、熱膨張係数が小さいことから（約３×１０-7／℃）、自律制御端度器１００の寸法が、例えば１ｍの場合、初期の制御開始環境温度を０．５℃以内で再現することにより、測定面間の寸法は約０．１５μｍ以内で再現されることになる。さらに、この条件で制御を開始し、後述するレーザ干渉手段としてのレーザ光波干渉計４００の検出位相を初期設定値に保てば、このレーザ光波干渉計４００のもつ精度に近い値で測定面間の寸法を再現できる。そして、この後に使用環境が変化しても、測定面間を常に一定に保つ制御が働くため、この寸法を高精度に維持できる。
【００４４】
そして、外筒１０１の一端部には、固定部２００が設けられている。固定部２００は、固定部材２１０と、測定部材取付部２２０と、固定測定部材２３０と、支持部材２４０と、を備えている。
【００４５】
固定部材２１０は、外筒１０１の一端側に嵌合可能な外径で中心軸に位置して略同軸上に内径部２１１が設けられ、略円筒状に形成されている。そして、固定部材２１０には、軸方向の一端外周面には、鍔状にフランジ部２１２が突設されている。このフランジ部２１２は、取付部材としての例えばねじ２１３にて、外筒１０１の一端面に当接する状態に取り付けられて固定される。また、固定部材２１０には、軸方向の一端面に周方向に沿って凹溝状に形成された吸着溝２１４が設けられている。さらに、固定部材２１０には、内径部２１１から外周面に連通するとともに吸着溝２１４に連通する通路２１５が設けられている。
【００４６】
測定部材取付部２２０は、中心軸に位置して略同軸上に略円形の収容部２２１が設けられた略環状に形成されている。そして、測定部材取付部２２０は、固定部材２１０のフランジ部２１２に例えばねじなどの取付部材２２２にて取り付けられ、固定部材２１０を介して外筒１０１に一体的に固定される。
【００４７】
固定測定部材２３０は、熱膨張係数が小さく、かつ、経時的変化の少ない材質の石英などにて、測定部材取付部２２０の収容部２２１に嵌合可能な略円板状に形成されている。そして、固定測定部材２３０の軸方向の一面には、測定面２３１が設けられている。また、固定測定部材２３０の軸方向の他面には、高い反射率を持つ反射面としての第１の反射ミラー２３２が設けられている。そして、固定測定部材２３０は、第１の反射ミラー２３２が設けられた面が固定部材２１０の端面に当接して吸着溝２１４を閉塞する状態に、測定部材取付部２２０にて固定部材２１０に一体的に取り付けられる。この取り付けられた固定測定部材２３０は、通路２１５を介して略真空状態となる内径部２１１に連通する吸着溝２１４により、第１の反射ミラー２３２が設けられた面が固定部材２１０に密着する状態となる。
【００４８】
支持部材２４０は、外周面が外筒１０１の内周面に間隙を介して対向する外径で内径が固定部材２１０の内径部２１１と略同径の略円筒状に形成されている。この支持部材２４０の軸方向の一端外周面には、外筒１０１に嵌合する鍔状に突設された取付フランジ部２４１が設けられている。この取付フランジ部２４１には、固定部材２１０の軸方向の他端面にねじなどの取付部材２４２にて取付固定された略リング状の受け台２４５にねじなどの取付部材２４６にて取り付けられる。
【００４９】
一方、外筒１０１の他端部には、移動手段としての弾性変位部３００が設けられている。この弾性変位部３００には、変位測定部材３１０が設けられている。この変位測定部材３１０は、弾性変位部３００により外筒１０１の軸線方向に沿って移動可能に設けられている。
【００５０】
この移動可能な変位測定部材３１０により、自律制御端度器１００は寸法調整および姿勢調整可能、すなわち軸線方向に移動可能、かつ、軸線方向に対して揺動可能となっている。より具体的には、光路を通る光軸と固定測定部材２３０の第１の反射ミラー２３２および後述する変位測定部材３１０の反射面としての第２の反射ミラー３１２の平面とが垂直で、かつ、第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２の平面が平行となる姿勢に調整可能となっている。
【００５１】
すなわち、変位測定部材３１０は、固定測定部材２３０と同様に、同材質で略円板状に形成され、軸方向の一面に測定面３１１が設けられ、他面に第２の反射ミラー３１２が設けられている。この第２の反射ミラー３１２が、固定測定部材２３０の第１の反射ミラー２３２とにより、対向する間隙間の寸法、変位を検出するための後述するレーザ光波干渉計４００の反射面として用いられる。ここで、変位とは、変位測定部材３１０が外筒１０１の軸線方向に移動すること、軸線に対して揺動して姿勢が変わること、および移動しかつ揺動して姿勢が変わることをも含む。
【００５２】
また、弾性変位部３００は、駆動素子取付体３２０、駆動部材である駆動素子３２５、変位部材３３０、真空用金属ベローズ３４０、測定部材取付部２２０などを備えている。
【００５３】
駆動素子取付体３２０は、外径が外筒１０１と略同寸法のリング状に形成されている。そして、駆動素子取付体３２０には、中心軸が軸方向に沿った略円筒状に開口する素子収容部３２１が、円周方向に略等間隔で複数、例えば３つ設けられている。
【００５４】
駆動素子３２５は、例えば柱状に形成されたジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電素子である。そして、駆動素子３２５は、駆動素子取付体３２０の素子収容部３２１内にガイドされつつ外筒１０１の軸線方向に沿って伸縮可能に、駆動素子取付体３２０の円周上に略均等に３つ配設されている。これらの駆動素子３２５は、電圧を印加しない状態では、変位測定部材３１０とは離間した状態であり、後で詳述するレーザ光波干渉計４００から得られた変位、姿勢変化の誤差信号に応じてそれぞれを独立に制御することにより変位測定部材３１０を変位、姿勢変化させ、常に両端面の測定面の位置関係を一定に保つようになっている。
【００５５】
変位部材３３０は、外径が外筒１０１と略同寸法で、固定部材２１０の内径部２１１と略同寸法の変位内径部３１１ａを有したリング状に形成されている。そして、変位部材３３０の軸方向の一端内周面には、内径が駆動素子取付体３２０と略同寸法の段差内径部３３１ｂが設けられている。この変位部材３３０の軸方向の一端面は、駆動素子取付体３２０に当接して、伸張する駆動素子３２５にて押される状態に配設されている。また、変位部材３３０には、変位測定部材３１０の第２の反射ミラー３１２が当接する面となる軸方向の他端面に、周方向に沿って凹溝状に形成され、変位測定部材３１０にて閉塞される吸着溝３３２が設けられている。さらに、変位部材３３０には、内周側から外周側に連通するとともに吸着溝３３２に連通する通路３３３が設けられている。
【００５６】
そして、変位測定部材３１０は、固定測定部材２３０と同様に、通路３３３を介して略真空状態となる変位部材３３０の内周側の変位内径部３３１ａに連通する吸着溝３３２により、第２の反射ミラー３１２が設けられた面が変位部材３３０に密着する状態となる。また、変位測定部材３１０は、固定測定部材２３０と同様に、測定部材取付部２２０により変位部材３３０に一体的に固定される。
【００５７】
真空用金属ベローズ３４０は、外筒１０１における変位測定部材３１０側の端面と、変位部材３３０の段差内径部３３１との間に取り付けられている。この真空用金属ベローズ３４０は、一端が外筒１０１の端面に取り付けられ、他端が変位部材３３０の段差内径部３３１に固定されて取り付けられている。また、真空用金属ベローズ３４０の内部は外筒１０１の内部に連通しており、さらに変位部材３３０の段差内径部３３１にも連通している。
【００５８】
このように、自律制御端度器１００は、外筒１０１の軸方向の両端部に、固定測定部材２３０が取り付けられた固定部２００および変位測定部材３１０が取り付けられた弾性変位部３００が一体的に取り付けられ、内部に内部空間である密閉中空部１１０を内部に区画形成する。この密閉中空部１１０は、測定面間の寸法、変位を高精度に測定するため、屈折率の影響がない程度に大気圧に対して負圧状態、例えばほぼ真空状態に減圧されている。すなわち、駆動素子３２５が伸びて変位部材３３０が移動しても、その移動に連れて真空用金属ベローズ３４０が伸びるので、自律制御端度器１００内の密閉中空部１１０の真空状態は維持され、また、真空用金属ベローズ３４０によって、弾性変位部３００の変位部材３３０、変位測定部材３１０などが動き、フリーの状態で支持されていることになる。
【００５９】
一方、外筒１０１には、レーザ光波干渉計４００が設けられている。また、外筒１０１の外部には、制御手段としての制御装置であるコントローラ５００と、自律制御端度器１００に例えば単一波長レーザ光束のレーザ光を供給する波長安定化レーザ光源６００が設けられている。
【００６０】
レーザ光波干渉計４００は、例えば単一波長レーザ光束の干渉を利用したレーザ光波干渉計である。このレーザ光波干渉計４００は、入り側干渉計部４１０、内部干渉計部４２０、固定測定部材２３０の第１の反射ミラー２３２、変位測定部材３１０の第２の反射ミラー３１２、検出部４３０、第１の取付部４４０および第２の取付部４５０を備えている。
【００６１】
入り側干渉計部４１０は、外筒１０１の外周に固定された第１の取付部４４０の内部に配設されている。第１の取付部４４０には、外筒１０１に対向する面にガラス窓４４１が設けられている。入り側干渉計部４１０には、例えば偏波面保存型の光ファイバ６１０を介して波長安定化レーザ光源６００が接続され、波長安定化レーザ光源６００からの安定化単一周波の直線偏光のレーザ光が入射される。
【００６２】
入り側干渉計部４１０は、図２にも示すように、コリメータレンズ４１１、λ／２板４１２、第１の偏光ビームスプリッタ（polarizing beam splitter：ＰＢＳ）４１３、電気光学変調素子（electrooptical modulator：ＥＯＭ）４１４、第２のＰＢＳ４１５、第１の反射面部４１６、第２の反射面部４１７、いわゆるビームエキスパンダである光拡縮部４１８を有し、光学的に位相を変調する光学的位相変調部として機能する。
【００６３】
コリメータレンズ４１１は、光ファイバ６１０を通じて伝送される波長安定化レーザ光源６００からのレーザ光を、平行光線にする。λ／２板４１２は、コリメータレンズ４１１を通過したレーザ光を偏光面が第１のＰＢＳ４１３の光軸に対して４５°になるように偏光面を回転させる。第１のＰＢＳ４１３は、λ／２板４１２を通過した水平偏光のレーザ光を通過させ、垂直偏光は反射する。ＥＯＭ４１４は、第１のＰＢＳ４１３で通過した水平偏光を光学的に位相を変調する。なお、ＥＯＭ４１４は、水平偏光を変調する場合に限らず、第１のＰＢＳ４１３により生成された水平偏光および垂直偏光のうちのいずれか一方を変調すればよい。第１の反射面部４１６は、ＥＯＭ４１４により変調されたレーザ光を第２のＰＢＳ４１５へ入射させるために反射して光路を変更させる。第２の反射面部４１７は、第１のＰＢＳ４１３で反射された垂直偏光を第２のＰＢＳ４１５へ入射させるために反射して光路を変更させる。第２のＰＢＳ４１５は、ＥＯＭ４１３で位相変調された水平偏光と、垂直偏光とを適宜通過・反射して同一光軸上にする。光拡縮部４１８は、第２のＰＢＳ４１５で同一光軸となったレーザ光のビーム径を適宜必要な径に拡縮し、外筒１０１内に入射させる。
【００６４】
内部干渉計部４２０は、固定部２００の支持部材２４０に配設されている。この内部干渉計部４２０は、第３のＰＢＳ４２１、第１のλ／４板４２２および第２のλ／４板４２３を有している。
【００６５】
第３のＰＢＳ４２１は、支持部材２４０の内周側の一部に配設されている。この第３のＰＢＳ４２１は、入り側干渉計部４１０の光拡縮部４１８で拡縮され第１の取付部４４０のガラス窓４４１を介して入射されたレーザ光の垂直偏光および変調された水平偏光のうち一方のレーザ光を透過させるとともに、他方のレーザ光を反射させる。具体的には、変調した水平偏光を透過させ、垂直偏光を反射する。通過した水平偏光は、外筒１０１における入り側干渉計部４１０と反対側に至り、参照光となる。反射された垂直偏光のレーザ光は、固定測定部材２３０の内側の第１の反射ミラー２３２から変位測定部材３１０の内側の第２の反射ミラー３１２を経由し、入り側干渉計部４１０と反対側に反射され、測定光となる。第１のλ／４板４２２および第２のλ／４板４２３は、第３のＰＢＳ４２１の外筒１０１の軸線方向の両側に第３のＰＢＳ４２１に対向して配設されている。
【００６６】
そして、内部干渉計部４２０は、第３のＰＢＳ４２１、第１のλ／４板４２２および第２のλ／４板４２３により、レーザ光の偏光面を変化させ、レーザ光を図２に示す進路以外に進まないようにコントロールする。例えば、レーザ光が第１のλ／４板４２２などを往復することによりその偏光面が９０度回転するように配置されている。
【００６７】
検出部４３０は、入り側干渉計部４１０と内部干渉計部４２０とを結ぶ線上に配設され、外筒１０１の外周に固定された第２の取付部４５０に配設されている。第２の取付部４５０には、第１の取付部４４０と同様に、外筒１０１に対向する面にガラス窓４５１が設けられている。そして、検出部４３０は、内部干渉計部４２０で反射されたレーザ光がガラス窓４５１を介して入射される。
【００６８】
検出部４３０は、偏光板４３１と、例えばフォトダイオードなどの検出器４３２とを備えている。偏光板４３１は、内部干渉計部４２０の第３のＰＢＳ４２１を透過した参照光である水平偏光のレーザ光と、第３のＰＢＳ４２１から第１のλ／４板４２２、第１の反射ミラー２３２、第２のλ／４板４２３および第２の反射ミラー３１２を経由して再度第３のＰＢＳ４２１に戻り、そこから反射されて送られる測定光である垂直偏光のレーザ光とを干渉させる。検出器４３２は、検出領域が複数に分割され、偏光板４３１にて干渉されたレーザ光を例えば３つの干渉信号として検出する。これら干渉信号は、第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２の変位量に対応した位相変化を発生する。これら３つの検出する干渉信号は、１つの寸法制御用干渉信号と、２つの姿勢制御用干渉信号である。
【００６９】
そして、検出器４３２は、コントローラ５００に接続されている。なお、コントローラ５００は、駆動素子３２５も接続されている。すなわち、コントローラ５００は、レーザ光波干渉計４００の検出部４３０で検出した干渉信号を適宜処理するとともに、駆動素子３２５の駆動を制御する。
【００７０】
このように、レーザ光波干渉計４００は、波長安定化レーザ光源６００からのレーザ光を、光ファイバ６１０を介して入り側干渉計部４１０にて垂直偏光と変調した水平偏光とに偏光し、内部干渉計部４２０の第３のＰＢＳ４２１を透過させるものおよび第３のＰＢＳ４２１から第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２を反射して経由したものに分け、それぞれを干渉させて検出器４３２で３つの干渉信号として検出し、これら３つの干渉信号を演算することにより、変位だけでなく反射面の傾きをも検出できるようになっている。
【００７１】
なお、レーザ光波干渉計４００を高精度に使用するため、上述したように、空気屈折率の波長への影響を避けるように干渉光路となる密閉中空部１１０を略真空に保っている。なお、この真空光路の干渉光路内の第３のＰＢＳ４２１、第１のλ／４板４２２および第２のλ／４板４２３の温度による干渉光路への影響が精度劣化をもたらすことから、本実施形態では、干渉光路内の干渉部分を温度コントロールしている。すなわち、支持部材２４０は、その一部あるいは全部が恒温手段としての電気的ヒータとして構成されている。
【００７２】
（自律制御端度器の回路構成）
次に、上記自律制御端度器の回路構成について、図面を参照して詳細に説明する。図３は、検出信号Ｓ₀を処理して処理信号Ｓ_mを生成する状態を示す波形図である。図４は、処理信号Ｓ_mを処理して矩形検出信号［Ｓ_m］を生成する状態を示す波形図である。図５は、参照信号Ｒ_tを処理して矩形参照信号［Ｒ_t］を生成する状態を示す波形図である。図６は、位相補正値算出部におけるパルスによる位相差の測定状況を示す説明図である。
【００７３】
コントローラ５００は、図２に示すように、レーザ光波干渉計４００のＥＯＭ４１４を駆動制御する参照信号追従器５１０を有している。この参照信号追従器５１０には、ＥＯＭ４１４を駆動させるＥＯＭドライバ５２０が接続されている。そして、参照信号追従器５１０は、別途生成されるタイミングクロック信号に基づいて適宜参照信号を生成し、この参照信号をＥＯＭドライバ５２０に出力し、ＥＯＭドライバ５２０にてＥＯＭ４１４を適宜駆動させ、レーザ光の位相を変調させる。
【００７４】
また、コントローラ５００は、位相補正値算出部５３０を有している。この位相補正値算出部５３０は、レーザ光波干渉計４００の検出部４３０にて検出した寸法制御用干渉信号の位相φ₁と、参照信号追従器５１０から出力される参照信号の位相φ_EOMとを取得し、タイミングクロック信号に基づいてパルスによる位相差を計数する。そして、位相補正値算出部５３０は、計数した位相差に基づいて、常に所定の位相関係、すなわち、目的とする絶対値により決定され、あらかじめ設定された基準の位相φ_Aとなるように位相補正値を算出する。この算出した位相補正値に基づいて、位相補正値算出部５３０は、参照信号追従器５１０に適宜信号を出力し、参照信号追従器５１０で生成する参照信号の位相を補正する制御をする。
【００７５】
具体的には、まずレーザ光波干渉計４００の検出部４３０から出力される検出信号Ｓ₀を、図示しないバンドパスフィルタ（Band-Pass Filter：ＢＰＦ）で取得する。この検出信号Ｓ₀は、以下の数１で示すように、ＥＯＭ４１４により光学的に位相変調させた参照光と、固定測定部材２３０および変位測定部材３１０の間の寸法変化に応じて位相変化する測定光とが干渉して得られた信号である。
【００７６】
【数１】

【００７７】
そして、ＢＰＦは、図３に示すように、検出信号Ｓ₀に含まれるオフセット成分Ｂ_Sを除去して、以下の数２で示す処理信号Ｓ_mを生成する。
【００７８】
【数２】

【００７９】
この後、ＢＰＦで生成した処理信号Ｓ_mを、図示しない第１のコンパレータで取得する。この第１のコンパレータは、図４に示すように、矩形検出信号［Ｓ_m］を生成する。この矩形検出信号［Ｓ_m］に基づいて、位相補正値算出部５３０は寸法制御用干渉信号の位相φ₁を取得する。
【００８０】
また、位相補正値算出部５３０で取得する位相φ_EOMは、参照信号追従器５１０から出力される参照信号Ｒ_tを、図示しない第２のコンパレータで取得する。そして、第２のコンパレータは、図５に示すように、第１のコンパレータと同様にして、参照信号Ｒ_tを矩形波化して矩形参照信号［Ｒ_t］を生成する。この矩形参照信号［Ｒ_t］に基づいて、位相補正値算出部５３０は参照信号Ｒ_tの位相φ_EOMを取得する。
【００８１】
そして、位相補正値算出部５３０のパルスによる位相差の測定は、図６に示すように、矩形検出信号［Ｓ_m］および矩形参照信号［Ｒ_t］の位相差と、基準の位相差φ_Aとの差分として測定する。すなわち、基準の位相差φ_Aとの差分がない場合、位相シフトの遅れや進みがないと判断する。また、基準の位相差φ_Aに対する位相差の測定値φ₁−φ_EOMとの差を時間で測定した時間換算分Δが、位相シフトの進みや遅れとして測定する。この測定した位相差である時間換算分Δを位相補正値として参照信号追従器５１０に出力して位相の補正をする。
【００８２】
さらに、コントローラ５００は、補正値累積および変位制御部５４０を有している。この補正値累積および変位制御部５４０には、駆動素子３２５を駆動させる第１のＰＺＴドライバ５５０が接続されている。そして、補正値累積および変位制御部５４０は、位相補正値算出部５３０で算出された位相補正値を累積し、位相補正値の累積したカウントがあらかじめ設定された目標カウント量Ｎになるように、変位測定部材３１０を所定量移動させるための駆動素子３２５を駆動させる素子駆動信号を生成する。この生成した素子駆動信号を第１のＰＺＴドライバ５５０へ出力することにより、第１のＰＺＴドライバ５５０が駆動素子３２５を適宜伸縮させ、変位測定部材３１０を所定量移動させる制御をする。
【００８３】
また、コントローラ５００は、第１の位相比較および姿勢制御部５６０と、第２の位相比較および姿勢制御部５７０と、を有している。第１の位相比較および姿勢制御部５６０には第２のＰＺＴドライバ５８０が接続され、第２の位相比較および姿勢制御部５７０には第３のＰＺＴドライバ５９０が接続されている。
【００８４】
そして、第１の位相比較および姿勢制御部５６０は、レーザ光波干渉計４００の検出部４３０にて検出した一方の姿勢制御用干渉信号の位相φ₂と、寸法制御用干渉信号の位相φ₁とを取得し、位相比較をする。位相比較の結果が、あらかじめ設定された所定の目標値（φ₁−φ₂）となるように、駆動素子３２５を駆動させる素子駆動信号を生成する。この生成した素子駆動信号を第２のＰＺＴドライバ５８０へ出力することにより、第２のＰＺＴドライバ５８０が所定の駆動素子３２５を適宜伸縮させ、変位測定部材３１０が所定の姿勢となるように制御をする。
【００８５】
同様に、第２の位相比較および姿勢制御部５７０は、レーザ光波干渉計４００の検出部４３０にて検出した他方の姿勢制御用干渉信号の位相φ₃と、寸法制御用干渉信号の位相φ₁とを取得し、位相比較をする。位相比較の結果が、あらかじめ設定された所定の目標値（φ₁−φ₃）となるように、駆動素子３２５を駆動させる素子駆動信号を生成する。この生成した素子駆動信号を第３のＰＺＴドライバ５９０へ出力することにより、第３のＰＺＴドライバ５９０が所定の駆動素子３２５を適宜伸縮させ、変位測定部材３１０が所定の姿勢となるように制御をする。
【００８６】
ここで、補正値累積および変位制御部５４０で用いる目標カウント量Ｎと、第１の位相比較および姿勢制御部５６０で用いる目標値（φ₁−φ₂）と、第２の位相比較および姿勢制御部５７０で用いる目標値（φ₁−φ₃）とは、例えば実測した測定値が用いられる。この測定値は、例えば安定化Ｈｅ（ヘリウム）−Ｎｅ（ネオン）レーザを用いた光波干渉計の原理を利用した測定器などの他の高精度な基準器を用いて、寸法と、固定測定部材２３０の測定面２３１および変位測定部材３１０の測定面３１１の平行度とを測定し、駆動素子３２５をそれぞれ独立に駆動させて目的の寸法と、平行度とが得られた時の測定した値である。すなわち、自律制御端度器１００は、あらかじめ他の高精度な基準器により値付けしておく。
【００８７】
なお、第１の位相比較および姿勢制御部５６０および第２の位相比較および姿勢制御部５７０では、姿勢の検出する範囲が干渉可能な範囲の極めて狭い範囲であることから、位相比較のみでよく、位相補正および累積については、補正値累積および変位制御部５４０で実施する変位制御に対してのみでよい。
【００８８】
（自律制御端度器の動作）
次に、上記自律制御端度器の動作について、説明する。
【００８９】
波長安定化レーザ光源６００からのレーザ光を、光ファイバ６１０を介してレーザ光波干渉計４００の入り側干渉計部４１０に入射させる。この入射したレーザ光は、入り側干渉計部４１０のコリメータレンズ４１１で平行光線にされた後、λ／２板４１２で偏光面が回転され、第１のＰＢＳ４１３に至る。
【００９０】
そして、第１のＰＢＳ４１３に入射したレーザ光の水平偏光はそのまま通過し、参照信号追従器５１０で生成する参照信号に基づいてＥＯＭドライバ５２０により適宜駆動するＥＯＭ４１４で光学的に位相が変調される。このＥＯＭ４１４における電気的な位相の変調により、レーザ光の光路長が連続的に変化されたことと等価になる。この後、変調されたレーザ光の水平偏光は、第１の反射面部４１６で反射されて第２のＰＢＳ４１５に入射する。
【００９１】
また、第１のＰＢＳ４１３に入射したレーザ光の垂直偏光は反射され、第２の反射面部４１７でさらに反射され、第２のＰＢＳ４１５に入射する。そして、第２のＰＢＳ４１５により、水平偏光はそのまま通過し、垂直偏光は反射され、同一光軸上となる。この同一光軸となったレーザ光は、光拡縮部４１８でビーム径が適宜必要な径に拡縮され、第１の取付部４４０のガラス窓４４１を介して外筒１０１内へ入射される。
【００９２】
外筒１０１内に入射されたレーザ光は、外筒１０１内の密閉中空部１１０内に配設された内部干渉計部４２０の第３のＰＢＳ４２１に入射する。そして、レーザ光の変調された水平偏光は、外筒１０１の入り側干渉計部４１０と反対方向へそのまま通過する。
【００９３】
また、レーザ光の垂直偏光は、第３のＰＢＳ４２１で固定測定部材２３０に向けて反射される。この反射された垂直偏光は、第１のλ／４板４２２にて偏光面が回転され、固定測定部材２３０の第１の反射ミラー２３２で反射され、再び第１のλ／４板４２２を通過し、偏光面が回転されて第３のＰＢＳ４２１に入射する。そして、この入射した垂直偏光は、第１のλ／４板４２２を２回通過する際に偏光面が９０°回転されているため、第３のＰＢＳ４２１を通過する。
【００９４】
さらに、第３のＰＢＳ４２１を通過した垂直偏光は、第２のλ／４板４２３にて偏光面が回転され、変位測定部材３１０の第２の反射ミラー３１２で反射され、再び第２のλ／４板４２３を通過し、偏光面が回転されて第３のＰＢＳ４２１に入射する。この入射した垂直偏光は、第２のλ／４板４２２でさらに偏光面が９０°回転されているため、第３のＰＢＳ４２１で入り側干渉計部４１０と反対側へ反射され、再び第３のＰＢＳ４２１を通過する水平偏光と同一光軸となる。
【００９５】
内部干渉計部４２０を通過したレーザ光は、外筒１０１から第２の取付部４５０のガラス窓を介して検出部４３０に入射する。そして、検出部４３０に入射したレーザ光は、水平偏光が参照光として偏光板に受光され、垂直偏光が測定光として偏光板に受光される。この偏光板では、水平偏光と垂直偏光とが干渉される。この干渉されたレーザ光を、検出器４３２により、１つの寸法制御用干渉信号と、２つの姿勢制御用干渉信号として検出する。
【００９６】
そして、検出器４３２で検出した３つの干渉信号のうち、寸法制御用干渉信号に相当する検出信号Ｓ₀をコントローラ５００のＢＰＦでオフセット成分Ｂ_Sを除去し、処理信号Ｓ_mを生成する。さらに、コントローラ５００の第１のコンパレータで振幅成分Ａ_Sを除去し、矩形検出信号［Ｓ_m］を生成する。また、参照信号追従器５１０から出力される参照信号Ｒ_tを第２のコンパレータで矩形波化して矩形参照信号［Ｒ_t］を生成する。そして、コントローラ５００の位相補正値算出部５３０で、タイミングクロック信号に基づいて、矩形検出信号［Ｓ_m］および矩形参照信号［Ｒ_t］のパルスによる位相差を測定し、基準の位相差φ_Aとの差分を時間換算分Δとして測定する。この時間換算分Δを位相補正値として参照信号追従器５１０に出力し、参照信号追従器５１０で生成する参照信号Ｒ_tの位相を補正する。
【００９７】
ここで、位相補正値算出部５３０による参照信号追従器５１０で生成する参照信号Ｒ_tの位相補正値により、素子駆動信号を生成して変位測定部材３１０を移動させる。この変位測定部材３１０の移動により、第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間で反射される垂直偏光の光路長が変動するので、検出信号Ｓ₀と参照信号Ｒ_tとの位相に遅れや進みのずれが生じる。したがって、位相補正値算出部５３０は、この遅れや進み分の位相のシフト分を排除して、基準の位相差φ_Aに基づいて一定とするように補正する。このことにより、位相補正値算出部５３０は、参照信号追従器５１０から出力される位相シフトが補正された参照信号Ｒ_tに基づいて、ＥＯＭ４１４で参照光となる水平偏光の位相の変調を調整する。
【００９８】
このように、検出信号Ｓ₀と参照信号Ｒ_tとの位相関係を一定に保とうとすると、変位測定部材３１０の移動に応じて位相補正量が順次発生するので、コントローラ５００の補正値累積および変位制御部５４０により、位相補正値を累積し、あらかじめ設定された目標カウント量Ｎになるように変位測定部材３１０の移動を制御する。このため、レーザ光波干渉計４００によるレーザ光の検出範囲は、変位測定部材３１０を±λ／４を超える量で移動させても±λ／４以内に保たれる。よって、変位測定部材３１０を±λ／４を超える量で移動することができる。
【００９９】
さらに、コントローラ５００の第１の位相比較および姿勢制御部５６０および第２の位相比較および姿勢制御部５７０により、レーザ光波干渉計４００の検出部４３０にて検出した姿勢制御用干渉信号の位相φ₂および位相φ₃と、寸法制御用干渉信号の位相φ₁とをそれぞれ位相比較する。そして、位相比較の結果が、あらかじめ設定された所定の目標値（φ₁−φ₂）および（φ₁−φ₃）となるように、所定の素子駆動信号をそれぞれ生成させる。これら素子駆動信号を第２のＰＺＴドライバ５８０および第３のＰＺＴドライバ５９０へそれぞれ出力し、所定の駆動素子３２５を適宜伸縮させ、変位測定部材３１０を所定の姿勢に制御する。
【０１００】
（自律制御端度器の効果）
上述したように、上記実施の形態では、レーザ光波干渉計４００における干渉による検出範囲である±λ／４となるように参照光が適宜位相変調されることとなり、検出範囲の±λ／４を超える第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間の寸法を測定しつつ、第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間が絶対値としての所定の寸法に高精度に可変設定でき、２点である自律制御端度器１００の両端の測定面２３１，３１１間の高精度な寸法設定の範囲を拡大でき、利便性および汎用性を向上でき、利用の拡大を図ることができる。
【０１０１】
すなわち、位相補正値算出部５３０により、検出信号Ｓ₀と参照信号Ｒ_tとの位相に遅れや進みのずれを排除して、基準の位相差φ_Aに基づいて一定とするように補正するので、変位測定部材３１０を±λ／４を超える量で移動させても±λ／４以内となり、図７を用いて上述したように、従来の端度器のような制御開始前に駆動素子にオフセット電圧を印加し、絶対値±λ／４の寸法に収めておくことを必要としない。図８を用いて上述した従来の端度器と同様に、駆動素子３２５と変位測定部材３１０とは離間した状態、すなわち、駆動素子３２５の伸び量の不安定性など、寸法変動要因を排除した状態で、温度均しで寸法再現を実施する場合には、できるだけ剛性が強く、経年変化の少ない、温度に対する寸法再現性がよい部材で突き当てて寸法を再現している。この寸法が所定の±λ／４以内に再現できれば、ここから絶対値再現を実施することは、変位測定部材３１０を±λ／４を超える量で移動することができるために容易である。このため、自律制御端度器１００の高精度な絶対値の再現が容易にできる。また、目標を変更し、絶対値を変えることが自律制御端度器１００では可能であるが、現在の絶対値から±λ／４を超える量で絶対値を変更して制御することができる。
【０１０２】
したがって、例えばトレーサビリティシステムのトランスファーゲージとして用いることにより、高い精度での技術能力の確認ができ、特に温度などの影響の大きな長い寸法の領域（５００〜１０００ｍｍ）でより有効に使用できる。
【０１０３】
また、単一波長レーザ光束のレーザ光を用いることが可能となり、構成の簡略化を容易に図ることができる。
【０１０４】
そして、レーザ光波干渉計４００により、単一波長レーザ光束のレーザ光を水平偏光および垂直偏光に偏光し、水平偏光および垂直偏光のうちのいずれか一方を位相変調して参照光とし、いずれか他方を第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間で反射させて測定光としている。このため、簡単な構成で、レーザ光波干渉計４００における干渉による検出範囲を超える第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間の寸法を測定しつつ、第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間を所定の寸法に可変設定する構成を容易に得ることができる。
【０１０５】
また、あらかじめ所定の位相差である基準の位相差φ_Aを設定しておき、この基準の位相差φ_Aとの差分を、所定のタイミングクロック信号に基づく時間間隔に換算して位相補正値を生成している。このため、レーザ光波干渉計４００における干渉による検出範囲を超える第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間の寸法でも干渉による検出範囲を逸脱しないようにするための制御が容易に得られる。
【０１０６】
すなわち、上述したように、検出信号Ｓ₀と参照信号Ｒ_tとの位相に遅れや進みのずれを排除して、基準の位相差φ_Aに基づいて一定とするように補正するので、変位測定部材３１０を±λ／４を超える量で移動させても±λ／４以内となり、干渉による検出範囲を逸脱しない。したがって、広範囲で第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間を所定の寸法に設定する構成を容易に得ることができる。
【０１０７】
さらに、参照光および測定光の干渉によるオフセット成分Ｂ_Sを除去し矩形波化して生成した矩形波検出信号［Ｓ_m］と、参照信号Ｒ_tを矩形波化して生成した矩形参照信号［Ｒ_t］との位相差に基づいて位相補正値を取得している。このため、レーザ光波干渉計４００における干渉による検出範囲を超える第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間の寸法でも干渉による検出範囲を逸脱しないようにするための制御を、パルスを計数するデジタル制御とすることができ、広範囲で第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間を所定の寸法に設定する構成を容易に得ることができる。
【０１０８】
また、レーザ光波干渉計４００にて、ＥＯＭ４１４を用いてレーザ光の位相を変調して参照光を生成させる。このため、簡単な構成でレーザ光の位相の適宜変調が容易に得られ、レーザ光波干渉計４００における干渉による検出範囲を超える第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間の寸法でも干渉による検出範囲を逸脱しないようにするための制御を容易に得ることができる。
【０１０９】
そして、弾性変位部３００の駆動素子３２５にて第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間の寸法を可変することにより、検出信号Ｓ₀および参照信号Ｒ_tとの位相差における位相の進みまたは遅れが生じ、基準の位相差φ_Aとの位相の進み分または遅れ分を位相補正値として取得している。このため、位相補正値を容易に得ることができ、レーザ光波干渉計４００における干渉による検出範囲を超える第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間の寸法でも干渉による検出範囲を逸脱しないようにするための制御を容易に得ることができる。
【０１１０】
また、恒温手段として機能する支持部材２４０によりレーザ光波干渉計４００、すなわち干渉光路内の干渉部分を所定の温度に温度調整している。このため、測定光路の光軸が内部の温度上昇などの温度変化に影響されず、温度による寸法変化を生じず、高精度の２点間の寸法の確実な設定を容易に得ることができる。
【０１１１】
また、外筒１０１を鉄などと比較して熱膨張係数が小さな材質のスーパーインバー材で形成しているので、温度変化に影響されにくく、初期の制御開始環境温度を、例えば１℃以内で再現させれば、測定面２３１，３１１間の寸法を極めて高精度に再現できる。したがって、再現した温度で制御を開始し、レーザ光波干渉計４００の検出位相を初期設定値に保てば、このレーザ光波干渉計４００のもつ精度に近い値で自律制御端度器１００の両端の測定面２３１，３１１間を所定の寸法に再現でき、使用環境が変化しても、測定面２３１，３１１間を常に一定に保つ制御が働くので、高精度を容易に維持できる。
【０１１２】
そして、固定測定部材２３０および変位測定部材３１０は、経時的に安定した石英材で形成したため、自律制御端度器１００を経時変化のない高精度の基準器とすることができる。
【０１１３】
また、固定部材２１０および変位部材３３０に、外筒１０１の内部に通路２１５,３３３を介して連通する吸着溝２１４，３３２をそれぞれ形成している。このため、外筒１０１内の真空により、固定測定部材２３０および変位測定部材３１０が吸着されて取り付けられ、固定が確実となり、高精度の制御を簡単な構造で容易に得ることができる。
【０１１４】
そして、外筒１０１の内部に外筒１０１と弾性変位部３００とに接続して真空用金属ベローズ３４０を設けている。このため、駆動素子３２５が伸縮して弾性変位部３００の変位部材３３０が移動しても、その移動に連れて真空用金属ベローズ３４０が伸縮するので、自律制御端度器１００内の真空状態を容易に維持でき、高精度の制御を容易に得ることができる。
【０１１５】
また、外筒１０１の外部空間に配設した波長安定化レーザ光源から光ファイバ６１０を介してレーザ光束をレーザ光波干渉計に入射している。このため、小型化が容易に得られるとともに、効率よくレーザ光を入射できる。
【０１１６】
さらに、駆動素子３２５を例えば複数の柱状圧電素子として、それぞれを独立に制御して寸法を可変制御している。このため、簡単な構造で微妙な姿勢の変化でも高精度に補正することができ、常に測定面２３１，３１１の位置関係を一定に保つことができる。
【０１１７】
（他の実施の形態）
なお、本発明は、前記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ものであれば、次に示すような変位形態でもよい。
【０１１８】
例えば、前記実施形態では、レーザ光波干渉計４００を高精度に使用するため、空気屈折率の波長への影響を避けるように外筒１０１の密閉中空部内をほぼ真空に減圧したが、屈折率の影響がない程度に大気圧に対して減圧していればよい。また、空気より約１桁屈折率の小さいヘリウムガスを充填するなどしてもよい。
【０１１９】
また、検出器４３２を受光面が３つあるタイプのものとし、１つの検出器４３２で３つの信号を検出できるようにしたが、これに限定されず、信号数に対応する検出器を設けてもよい。
【０１２０】
さらに、それぞれ単独で制御できる柱状圧電素子などの駆動素子３２５を３個設けてあるが、設置数はこれに限定されず、それ以下でも、あるいはそれ以上でもよく、また柱状に限らずいずれの形状でもよく、さらには圧電素子に限らず、変位測定部材３１０を移動して第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２間の関係を可変させるいずれの構成でもできる。
【０１２１】
また、真空用金属ベローズ３４０を用いたが、例えば樹脂製のベローズを用いるなどいずれの材質でもよく、またベローズ構造に限らず、弾性変位部３００の変位部材３３０を移動しても真空状態を維持させるいずれの構成のものでもできる。
【０１２２】
そして、外筒１０１を熱膨張係数の小さなスーパーインバー材で形成し、固定測定部材２３０および変位測定部材３１０を経時的に安定した材質の石英材で形成したが、これに限らず、外筒１０１、固定測定部材２３０および変位測定部材３１０の要求する性能を満たせるものであれば、それらに変わるいずれの材料を用いることができる。
【０１２３】
また、自律制御端度器１００の構成に限らず、例えば基準面上に構築される自律長さ維持構造体などに適用することもできる。さらには、端度器や基準器の他、所定の２点にそれぞれ第１の反射ミラー２３２および第２の反射ミラー３１２を対応させることにより、所定の２点の寸法を所定の寸法に調整する２点間寸法調整装置として利用することもできる。
【０１２４】
【発明の効果】
本発明によれば、適宜位相変調したレーザ光の参照光と、対向する一対の反射面間で反射して反射面間の寸法に対応して位相がずれた測定光との干渉による検出信号と、レーザ光を参照光として位相変調させる参照信号との位相差を所定の位相差にする位相補正値により、レーザ光が参照光として変調される位相を補正するとともに、位相補正値の累積が所定の値となる反射面間の寸法に設定するため、干渉による検出範囲となるように参照光が適宜位相変調され、検出範囲を超える反射面間の寸法を測定しつつ反射面間が所定の寸法に可変設定でき、２点間の高精度な寸法設定の範囲が拡大し、利便性および汎用性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自律制御端度器の一実施の形態を示す全体断面図である。
【図２】前記実施の形態における自律制御端度器の回路構成を示すブロック図である。
【図３】前記実施の形態における検出信号Ｓ₀を処理して処理信号Ｓ_mを生成する状態を示す波形図である。
（ａ）検出信号Ｓ₀の波形図
（ｂ）処理信号Ｓ_mの波形図
【図４】前記実施の形態における処理信号Ｓ_mを処理して矩形検出信号［Ｓ_m］を生成する状態を示す波形図である。
（ａ）処理信号Ｓ_mの波形図
（ｂ）矩形検出信号［Ｓ_m］の波形図
【図５】前記実施の形態における参照信号Ｒ_tを処理して矩形参照信号［Ｒ_t］を生成する状態を示す波形図である。
（ａ）参照信号Ｒ_tの波形図
（ｂ）矩形参照信号［Ｒ_t］の波形図
【図６】前記実施の形態における位相補正値算出部におけるパルスによる位相差の測定状況を示す説明図である。
【図７】従来例の端度器における絶対値の再現を説明するための説明図である。
（ａ）機械寸法の表現状況の説明図
（ｂ）機械寸法の再現状況の説明図
（ｃ）絶対値±λ／４の再現状況の説明図
（ｄ）自律制御状況の説明図
【図８】同上の端度器における測定面の位置関係の調整を説明するための説明図である。
【図９】同上の端度器における測定面の位置関係の調整を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１００ 自律制御端度器
１０１ 筒状体として外筒
２３０ 固定測定部材
２３２ 反射面としての第１の反射ミラー
２４０ 恒温手段の機能を備えた支持部材
３００ 移動手段としての弾性変位部
３１０ 変位測定部材
３１２ 反射面としての第２の反射ミラー
４００ レーザ干渉測長手段としてのレーザ光波干渉計
５００ 制御手段としてのコントローラ

Claims (18)

1. 所定の間隙を介して対向しレーザ光を反射可能な一対の反射面を有しこれら反射面間の寸法測定の前記レーザ光の光路中に設けられたレーザ干渉測長手段と、
   これら反射面間の寸法を可変する移動手段と、
   前記レーザ干渉測長手段で測定する前記反射面間の寸法測定の結果に基づいて前記移動手段を適宜駆動させ前記反射面間の寸法を制御する制御手段とを具備し、
   前記制御手段は、前記レーザ光が適宜位相変調されて生成された参照光と、前記レーザ光が反射面間で反射されて前記反射面間の寸法に対応して位相がずれた測定光との干渉により得られる検出信号と、この検出信号と前記参照光を位相変調させる参照信号との位相差を所定の位相差にする位相補正値を生成し、この位相補正値により前記レーザ光が参照光として変調される位相を補正するとともに、前記位相補正値の累積が所定の値となる前記反射面間の寸法に前記移動手段を駆動させる
   ことを特徴とした２点間寸法調整装置。
2. 請求項１に記載の２点間寸法調整装置において、
   前記レーザ光は、単一波長レーザ光束であり、
   前記レーザ干渉測長手段は、前記レーザ光を水平偏光および垂直偏光に偏光して、これら水平偏光および垂直偏光のうちのいずれか一方を位相変調して参照光とし、前記水平偏光および前記垂直偏光のうちのいずれか他方を反射面間で反射させて測定光とする
   ことを特徴とした２点間寸法調整装置。
3. 請求項１または２に記載の２点間寸法調整装置において、
   前記制御手段は、前記検出信号および前記参照信号の位相差と所定の位相差との差分を、所定のタイミングクロック信号に基づく時間間隔に換算して位相補正値とする
   ことを特徴とした２点間寸法調整装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の２点間寸法調整装置において、
   前記制御手段は、前記参照光および前記測定光の干渉による前記検出信号のオフセット成分を除去し矩形波化して生成した矩形検出信号と、前記参照信号を矩形波化して生成した矩形参照信号との位相差に基づいて位相補正値を生成する
   ことを特徴とした２点間寸法調整装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の２点間寸法調整装置において、
   前記レーザ干渉測長手段は、電気光学変調素子を用いてレーザ光を位相変調して参照光を生成する
   ことを特徴とした２点間寸法調整装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の２点間寸法調整装置において、
   前記制御手段は、前記移動手段による前記反射面間の寸法の可変により、前記検出信号および前記参照信号との位相差における位相の進みまたは遅れに基づいて、所定の位相差との進み分または遅れ分を位相補正値として生成する
   ことを特徴とした２点間寸法調整装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の２点間寸法調整装置において、
   少なくとも前記レーザ干渉測長手段を所定の温度に設定する恒温手段を具備した
   ことを特徴とした２点間寸法調整装置。
8. 軸方向の両端に測定面を有し内部が大気圧に対して減圧された内部空間を区画する筒状体と、
   この筒状体の内部空間内に面し前記測定面にそれぞれ対応して反射面が設けられる請求項１ないし７のいずれかに記載の２点間寸法調整装置と、
   を具備したことを特徴とした自律制御端度器。
9. 基準面上に構築され、前記基準面に対向し対向寸法が変化可能な測定面を有する構造体と、
   前記基準面および前記測定面にそれぞれ対応して反射面が設けられる請求項１ないし７のいずれかに記載の２点間寸法調整装置と、
   を具備したことを特徴とした自律長さ維持構造体。
10. レーザ光を適宜位相変調して参照光を生成するとともに、対向寸法が変化可能に所定の間隙を介して対向しレーザ光を反射可能な一対の反射面間で前記レーザ光を反射させて前記反射面間の寸法に対応して位相がずれた測定光を前記参照光と干渉させて検出信号を取得し、
    前記レーザ光を前記参照光として位相変調させる参照信号を取得し、
    前記検出信号および前記参照信号との位相差を所定の位相差にする位相補正値を生成し、
    この生成した位相補正値を用いて前記レーザ光が前記参照光として変調される位相を補正するとともに、前記反射面間を前記位相補正値の累積が所定の値となる寸法に可変する
    ことを特徴とする２点間寸法調整装置の絶対値再現方法。
11. 請求項１０に記載の２点間寸法調整装置の絶対値再現方法において、
    前記レーザ光として単一波長レーザ光束を用い、
    前記レーザ光を水平偏光および垂直偏光に偏光し、
    これら偏光した水平偏光および垂直偏光のうちのいずれか一方を位相変調して参照光を生成し、前記水平偏光および前記垂直偏光のうちのいずれか他方を反射面間で反射させて測定光を生成する
    ことを特徴とする２点間寸法調整装置の絶対値再現方法。
12. 請求項１０または１１に記載の２点間寸法調整装置の絶対値再現方法において、
    位相補正値は、前記検出信号および前記参照信号の位相差と所定の位相差との差分を、所定のタイミングクロック信号に基づく時間間隔に換算して生成する
    ことを特徴とする２点間寸法調整装置の絶対値再現方法。
13. 請求項１０ないし１２のいずれかに記載の２点間寸法調整装置の絶対値再現方法において、
    位相補正値は、前記検出信号のオフセット成分を除去して矩形波化した矩形検出信号と、前記参照信号を矩形波化した矩形参照信号との位相差に基づいて生成する
    ことを特徴とする２点間寸法調整装置の絶対値再現方法。
14. 請求項１０ないし１３のいずれかに記載の２点間寸法調整装置の絶対値再現方法において、
    参照光は、電気光学変調素子を用いてレーザ光を位相変調して生成する
    ことを特徴とする２点間寸法調整装置の絶対値再現方法。
15. 請求項１０ないし１４のいずれかに記載の２点間寸法調整装置の絶対値再現方法において、
    位相補正値は、前記移動手段による前記反射面間の寸法の可変により、前記検出信号および前記参照信号との位相差における位相の進み分または遅れ分に基づいて生成する
    ことを特徴とする２点間寸法調整装置の絶対値再現方法。
16. 請求項１０ないし１５のいずれかに記載の２点間寸法調整装置の絶対値再現方法において、
    所定の温度に恒温した後に位相補正値を生成する
    ことを特徴とする２点間寸法調整装置の絶対値再現方法。
17. 軸方向の両端に測定面を有し内部に大気圧に対して減圧された内部空間を区画する筒状体に、前記内部空間に面し前記測定面にそれぞれ対応して互いに対向し対向寸法が変化可能に対をなす反射面を設け、これら反射面間でレーザ光を反射させ、前記反射面間を所定の寸法に可変制御して前記測定面間の寸法を所定の寸法に設定する自律制御端度器の絶対値再現方法であって、
    前記レーザ光を適宜位相変調して参照光を生成するとともに、前記反射面間で反射させて前記反射面間の寸法に対応して位相がずれた測定光を前記参照光と干渉させて検出信号を取得し、
    前記レーザ光を前記参照光として位相変調させる参照信号を取得し、
    前記検出信号および前記参照信号との位相差を所定の位相差にする位相補正値を生成し、
    この生成した位相補正値を用いて前記レーザ光が前記参照光として変調される位相を補正するとともに、前記反射面間を前記位相補正値の累積が所定の値となる寸法に可変する
    ことを特徴とする自律制御端度器の絶対値再現方法。
18. 基準面上に構築され前記基準面に対向して対向寸法が変化可能な測定面を有する構造体に、前記基準面および前記測定面にそれぞれ対応して互いに対向し対向寸法を変化可能にする対をなす反射面を設け、これら反射面間でレーザ光を反射させ、前記反射面間を所定の寸法に可変制御して前記基準面および前記測定面間の寸法を所定の寸法に設定する自律長さ維持構造体の絶対値再現方法であって、
    前記レーザ光を適宜位相変調して参照光を生成するとともに、前記反射面間で反射させて前記反射面間の寸法に対応して位相がずれた測定光を前記参照光と干渉させて検出信号を取得し、
    前記レーザ光を前記参照光として位相変調させる参照信号を取得し、
    前記検出信号および前記参照信号との位相差を所定の位相差にする位相補正値を生成し、
    この生成した位相補正値を用いて前記レーザ光が前記参照光として変調される位相を補正するとともに、前記反射面間を前記位相補正値の累積が所定の値となる寸法に可変する
    ことを特徴とする自律長さ維持構造体の絶対値再現方法。

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