JPH08159710A

JPH08159710A - 光干渉式位置計測装置

Info

Publication number: JPH08159710A
Application number: JP6302279A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nashiki; 政行梨木; Atsushi Yashiro; 淳家城
Original assignee: Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1994-12-06
Filing date: 1994-12-06
Publication date: 1996-06-21
Anticipated expiration: 2017-11-11
Also published as: JP3344637B2

Abstract

(57)【要約】【目的】測定対象の絶対位置を簡単に検出可能な光干
渉式位置計測装置を提供する。【構成】光源２１から発せられる光束ＯＬの波長を変
化させる。この波長変化によって生じる測定長さＬｘお
よび基準長さＬｏの波数の増減値Ｃｘ、Ｃｏを検出す
る。位置データ検出部２５では、波数の増減値Ｃｘ、Ｃ
ｏおよび基準長さＬｏに基づいて、Ｌｘ＝Ｌｏ（Ｃｘ／
Ｃｏ）から測定長さＬｘを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、精密な産業機
械や工作機械で作業ステージが変位したときの位置や回
転軸の角度を計測する際に使用される位置計測装置に関
し、特に、基準面からの基準光および測定面からの測定
光を重ね合わせて干渉させ、この干渉光の光強度に基づ
いて基準光および測定光間の光路長の差を計測し、この
光路長の差から測定対象の位置データを読み取る光干渉
式位置計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１３は、光ヘテロダイン法を利用した
光干渉式位置計測装置の一例であるレーザ測長器を示
す。このレーザ測長器は、測定対象上の移動ミラー１０
と固定ミラー１１とから反射してくる２つのレーザ光を
重ね合わせて干渉光ＭＬを形成し、移動ミラー１０の移
動に伴う干渉光ＭＬの光強度の変化を検出して測定対象
の相対変位Ｘを計測する。

【０００３】光源であるレーザ発振器１２は分離面Ｐ１
に向けて光束ＯＬを発する。レーザ発振器１２はＨｅＮ
ｅレーザを備え、このレーザは、互いに直交する偏光面
で周波数ｆ１、ｆ２の異なる２つのレーザ光（光束Ｏ
Ｌ）を出力する。レーザ光は偏光ビームスプリッタ１３
に入力され、分離面Ｐ１で、周波数ｆ１の測定光Ｌ１お
よび周波数ｆ２の基準光Ｌ２に分離される。

【０００４】測定光Ｌ１は測定対象に固定された移動ミ
ラー１０上の測定面へ照射される。測定面で反射した測
定光Ｌ１は、移動ミラー１０のＸ方向移動速度に比例し
て周波数Δｆのドップラー変調を受け、再び偏光ビーム
スプリッタ１３に入力される。一方、基準光Ｌ２は、固
定ミラー１１上の基準面で反射して、再び偏光ビームス
プリッタ１３に入力される。偏光ビームスプリッタ１３
では、測定光Ｌ１および基準光Ｌ２が重ね合わせられ、
測定干渉光ＭＬが形成される。測定対象の移動に伴って
測定光Ｌ１の分離面Ｐ１から再度偏光ビームスプリッタ
１３上のＰ２へ戻るまでの光路長が増加または減少する
と、その増加または減少の分だけ、Ｐ２において、基準
光Ｌ２に対する測定光Ｌ１の位相がずれる。この位相の
ずれによって測定干渉光ＭＬの光強度が変化する。

【０００５】受光部１４は測定干渉光ＭＬの干渉光強度
を電気的に検出する。すなわち、受光部１４では、測定
干渉光ＭＬが光電変換され、ｆ１±Δｆおよびｆ２の差
周波数を有する測定電気信号Ｆｐ（ビート信号）が得ら
れる。

【０００６】一方、光束ＯＬはビームスプリッタ１５で
分割され、光電変換素子１６に照射される。この光電変
換素子１６では、周波数の異なる前記２つのレーザ光が
光電変換され、ｆ１およびｆ２の差周波数を有する参照
電気信号Ｆｒ（ビート信号）が得られる。

【０００７】ここで、測定電気信号Ｆｐおよび参照電気
信号Ｆｒ間の位相差は、測定光Ｌ１および基準光Ｌ２間
の光路長の差を表す。光路長に変化のない基準光Ｌ２を
表す参照電気信号Ｆｒはその位相が固定されているの
で、この参照電気信号Ｆｒに対する測定電気信号Ｆｐの
位相差は、測定対象すなわち移動ミラー１０の相対変位
Ｘを示すこととなる。この原理に基づき、演算回路１７
は、測定対象の移動中に測定電気信号Ｆｐおよび参照電
気信号Ｆｒ間の位相差を計測し、この位相差から測定対
象の位置データとしての相対変位Ｘを検出する。

【０００８】レーザ光の波長をλとすると、測定対象が
変位Ｘ移動した場合、両信号Ｆｐ、Ｆｒ間の位相差は４
π・（Ｘ／λ）で表される。その結果、測定電気信号Ｆ
ｐの位相は、１周期ごと、すなわち、位相差がλ／２変
化する度に参照電気信号Ｆｒの位相と一致することとな
る。このため、演算回路１７は、０〜λ／２の範囲内で
測定値Δｘを特定する計測器と、特定された計測値Δｘ
に基づいて位相差の周期数Ｘｕをカウントするカウンタ
とを備え、Ｘ＝λ／２・Ｘｕ＋Δｘに基づいて位置デー
タＸを出力する。

【０００９】演算回路１７は、予め設定されたサンプリ
ングタイムに従って両信号Ｆｐ、Ｆｒ間の位相差を計測
する。このサンプリングタイムは、前回計測器で計測さ
れた計測値Δｘ（ｌａｓｔ）から今回計測器で計測され
た計測値Δｘ（ｃｕｒｒ）への変化分が必ず±λ／４の
範囲内に収まるように設定される。このようなサンプリ
ングタイムの設定によれば、前回計測器で計測された計
測値Δｘ（ｌａｓｔ）と今回計測器で計測された計測値
Δｘ（ｃｕｒｒ）とを比較することによって簡単かつ確
実に周期数Ｘｕをカウントすることができる。

【００１０】計測器は、Δｘ（ｃｕｒｒ）−Δｘ（ｌａ
ｓｔ）≦−λ／４のとき、すなわち、今回の計測値が前
回の計測値よりもλ／４以上小さいときは、周期数Ｘｕ
が１周期増加したと判断し、アップパルスを出力してカ
ウンタのカウント値を１つ増やす。例えば、今回の計測
値がΔｘ（ｃｕｒｒ）＝λ／４、前回の計測値Δｘ（ｌ
ａｓｔ）＝（３λ）／４であると仮定すると、Δｘ（ｃ
ｕｒｒ）−Δｘ（ｌａｓｔ）＝−λ／２となってカウン
タのカウント数が１つ増える。計測値λ／４に達するに
は、（３λ）／４から周期が変わった上で増加して達す
る場合と、単純に（３λ）／４から減少して達する場合
とが考えられるが、計測値Δｘ（ｃｕｒｒ）への変化
は、必ず±λ／４の範囲内に収まるようにサンプリング
タイムが設定されているので、周期が変わった上で増加
したことが確定される。同様に、計測器は、Δｘ（ｃｕ
ｒｒ）−Δｘ（ｌａｓｔ）≧λ／４のとき、すなわち、
今回の計測値が前回の計測値よりもλ／４以上大きいと
きは、周期数が１周期減少したと判断し、ダウンパルス
を出力してカウンタのカウント数を１つ減らす。

【００１１】なお、ビームスプリッタ１５で分割された
光束ＯＬは光電変換素子１８にも入力される。光電変換
素子１８で得られた電気信号はレーザ同調回路１９に入
力され、レーザ同調回路１９はレーザ発振器１２の安定
化を図っている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
光干渉式位置計測装置では、測定光光路長の増加または
減少によって生じる干渉光の光強度の変化を測定してい
るので、測定対象が移動する必要がある。すなわち、上
記装置では、位置計測開始の時点で基準点を設定し、こ
の基準点からの測定対象の相対変位をインクリメンタル
に測定する。このため、計測中に周期数Ｘｕを誤って
カウントすると、その誤りがその後の計測に蓄積されて
しまう、測定光の光路が１度遮られてしまうと、それ
までの位置がわからなくてなってしまい、その時点で測
定対象を基準点に復帰させて原点出しを再度行わなけれ
ばならない、電源オフによって現在位置が消去されて
しまうと、電源オン後、測定開始の度に原点出しを行わ
なければならない、といった問題がある。

【００１３】また、上記装置では、光源として例えば２
周波のＨｅＮｅレーザ発振器が必要であり、大型かつ高
価格という問題がある。そこで、光源に小型な半導体レ
ーザを用いることが考えられるが、半導体レーザは波長
の安定性が充分でないため、例えばマイケルソン干渉計
を構成した場合、波長の誤差や変動が計測精度に影響す
るという問題がある。

【００１４】さらに、上記装置では、計測する周囲環境
や測定対象の動きによって、光路の空気にゆらぎなどが
発生して、計測データが不安定になるという問題があ
る。

【００１５】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
であり、測定対象の絶対位置を簡単に検出可能な光干渉
式位置計測装置を提供することを目的とする。

【００１６】また、本発明は、光源として半導体レーザ
を用いた場合でも、計測精度が半導体レーザの波長変動
に影響されない、小型かつ安価な光干渉式位置計測装置
を提供することを目的とする。

【００１７】さらに、本発明は、計測の周囲環境の変化
にも強い光干渉式位置計測装置を提供することを目的と
する。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１発明は、可干渉性を有する光束を発する光源
と、光束を基準光と測定光に分離する分離面と、基準光
を反射する基準面と、測定対象に取付けられて、測定光
を反射する測定面とを備え、基準光および測定光を重ね
合わせて干渉光を形成し、この干渉光に基づいて測定対
象の位置データを読み取る光干渉式位置計測装置におい
て、光源から発せられる光束の波長を変化させる波長制
御部と、前記基準面および測定面を有し、基準面からの
基準光および測定面からの測定光を重ね合わせて相対変
位用干渉光を送り出す相対変位用干渉部と、前記光束か
ら分離された基準干渉用光束に基づいて、予め決められ
た基準長さに対応した光路長の差を有する２つの光を重
ね合わせて基準長さ用干渉光を送り出す基準長さ用干渉
部と、前記波長制御部が光束の波長を変更した際に前記
相対変位用干渉光および基準長さ用干渉光の光強度の変
化、および前記基準長さに基づいて、測定対象の位置デ
ータを検出する位置データ検出部とを備えることを特徴
とする。

【００１９】また、第２発明によれば、第１発明の特徴
に加え、前記基準長さ用干渉部は、分離面で前記基準干
渉用光束から取り出された基準光を反射する基準面と、
分離面で前記基準干渉用光束から取り出された測定光を
反射する測定面とを備え、基準面からの基準光と、この
基準光に対して前記基準長さに対応した光路長の差を有
する測定面からの測定光とを重ね合わせて干渉光を形成
することを特徴とする。

【００２０】さらに、第３発明によれば、第２発明の特
徴に加え、前記位置データ検出部は、光束の波長を変更
した際に基準長さ用干渉光に生じる波数の増減値Ｃｏを
計測する計数回路と、光束の波長を変更した際に相対変
位用干渉光に生じる波数の増減値Ｃｘを計測する計数回
路と、Ｌｘ＝Ｌｏ（Ｃｘ／Ｃｏ）（ただし、Ｌｏ：基準
長さ用干渉部における分離面から測定面までの基準長
さ）に基づいて、相対変位用干渉部における前記分離面
からの測定対象の位置Ｌｘを算出する絶対位置データ算
出回路とを備えることを特徴とする。

【００２１】さらにまた、第４発明によれば、第１発明
の特徴に加え、前記位置データ検出部は、前記波長制御
部が光束の波長を変更した際に前記相対変位用干渉光お
よび基準長さ用干渉光に生じる光強度の変化、および前
記基準長さに基づいて、測定対象の絶対位置データを算
出する絶対位置データ計算部と、測定対象の移動に伴う
前記相対変位用干渉光の光強度の変化に基づいて測定対
象の絶対位置に対する相対位置データを算出する相対位
置データ計算部と、これらの絶対位置データおよび相対
位置データを合成して測定対象の位置を特定する合成演
算部とを備えることを特徴とする。

【００２２】さらにまた、第５発明によれば、第４発明
の特徴に加え、前記位置データ検出部は、基準長さ用干
渉部からの基準長さ用干渉光に基づいて、光源からの光
束の波長変動を検出する波長変動検出部と、検出した波
長変動に基づいて前記相対位置データを補正する波長補
正部とを備えることを特徴とする。

【００２３】さらにまた、第６発明によれば、光源は半
導体レーザであり、前記波長制御部は、半導体レーザの
温度を変化させることによって光束の波長を変化させる
ことを特徴とする。

【００２４】さらにまた、第７発明によれば、波長制御
部は、光束が通過する媒体に応力を発生させて、媒体の
屈折率を変化させることによって光束の波長を変化させ
ることを特徴とする。

【００２５】さらにまた、第８発明によれば、波長制御
部は、光束に電界または磁界を作用させ、光束の屈折率
を変化させることによって光束の波長を変化させること
を特徴とする。

【００２６】さらにまた、第９発明によれば、波長制御
部は、所定屈折率の回転板を回転させた際のドップラー
効果により光束の波長を変化させることを特徴とする。

【００２７】

【作用】上記第１発明によれば、相対変位用干渉部から
は、光束の波長変更に応じた光強度変化を表す相対変位
用干渉光が送り出される。また、基準長さ用干渉部から
は、同様の波長変更に応じた光強度変化を表す基準長さ
用干渉光が送り出される。位置データ検出部では、相対
変位用干渉光および基準長さ用干渉光における光強度変
化から、測定長さおよび基準長さにおける光波の波数増
加分（または減少分）を計測する。２つの波数増加分
（または減少分）および基準長さから測定対象の位置デ
ータを検出する。

【００２８】また、第２発明によれば、相対変位用干渉
部で計測に使用される光束から分離した基準干渉用光束
に基づいて、基準面から反射する基準光と、測定面から
反射する測定光とを重ね合わせて、基準長さ用干渉光を
形成する。基準長さ用干渉光の光強度変化は、波長を変
更した際に、基準長さに対応した光路長の差に生じる波
数の増加分を反映する。

【００２９】さらに、第３発明によれば、計数回路が、
光束の波長を変更した際に基準長さ用干渉光および相対
変位用干渉光に生じる波数の増加、減少をＣｏ、Ｃｘと
して計測する。計測された波数に関するデータＣｏ、Ｃ
ｘを用いて、位置データ検出部の絶対位置データ算出回
路が、数式Ｌｘ＝Ｌｏ（Ｃｘ／Ｃｏ）に基づいて相対変
位用干渉部における分離面からの測定対象の位置Ｌｘを
算出する。

【００３０】さらにまた、第４発明によれば、計測開始
の時点では、絶対位置データ計算部が測定対象の絶対位
置を計測する。その後の測定対象の変位については、相
対位置データ計算部が絶対位置に対する相対位置データ
を算出する。絶対位置データ計算部の絶対位置と、相対
位置データ計算部の相対位置データとを合成することに
よって、測定対象の位置を絶対位置で特定する。

【００３１】さらにまた、第５発明によれば、光源から
の光束の波長変動が補正された相対位置データを用い、
測定対象の絶対位置に対する相対位置データを算出す
る。

【００３２】さらにまた、第６発明によれば、半導体レ
ーザの温度を変化させることによって光源からの光束の
波長を変化させる。

【００３３】さらにまた、第７発明によれば、光源から
の通過する媒体に応力を発生させて、媒体の屈折率を変
化させることによって光束の波長を変化させる。

【００３４】さらにまた、第８発明によれば、光源から
の光束に電界または磁界を作用させ、光束の屈折率を変
化させることによって光束の波長を変化させる。

【００３５】さらにまた、第９発明によれば、所定屈折
率の回転板を回転させた際のドップラー効果により光源
からの光束の波長を変化させる。

【００３６】

【実施例】以下、添付図面を参照しつつ本発明の好適な
実施例を説明する。図１は、本発明の第１実施例に係る
光干渉式位置計測装置の概略構成図を示す。この光干渉
式位置計測装置２０は、光束ＯＬを発する光源２１を備
える。光束ＯＬの波長は、波長制御部２２によって随時
変更される。相対変位用干渉部２３は、光源２１から発
せられる光束ＯＬに基づいて、測定対象までの距離に対
応した光路長の差を有する基準光および測定光を重ね合
わせて相対変位用干渉光Ｌ３を送り出す。基準長さ用干
渉部２４は、前記光束ＯＬから分離された基準干渉用光
束ＳＯＬに基づいて、予め決められた基準長さに対応し
た光路長の差を有する２つの光を重ね合わせて基準長さ
用干渉光Ｌ４を送り出す。位置データ検出部２５は、相
対変位用干渉光Ｌ３の光強度の変化と、基準長さ用干渉
光Ｌ４の光強度の変化と、基準長さとに基づいて測定対
象の位置データを検出する。この光干渉式位置計測装置
２０では、測定対象の位置を変化させることなく、光源
２１から発せられる光束ＯＬの波長を変化させることに
よって相対変位用干渉光Ｌ３および基準長さ用干渉光Ｌ
４の光強度の変化を生じさせている。

【００３７】図２に示すように、光源２１はＧａＡｓ型
等の半導体レーザ３０を備える。この半導体レーザ３０
は、半導体レーザ駆動回路３１によって駆動され、特定
波長のレーザ光の光束ＯＬを出力する。出力されたレー
ザ光の光束ＯＬは、２つのビームスプリッタ３２、３３
を介して、相対変位用干渉部２３の分離面Ｐ３に向けら
れる。

【００３８】相対変位用干渉部２３は、相対変位用干渉
部２３に照射された光束ＯＬを、直交する偏光面を持っ
た２つの光束、すなわち、基準光Ｌ５および測定光Ｌ６
に分離する干渉装置３４を備える。基準光Ｌ５は、基準
面たる固定の偏光ミラー３５で反射することによって、
分離面Ｐ３で光束ＯＬから取り出される。測定光Ｌ６
は、偏光ミラー３５を透過することによって分離面Ｐ３
で光束ＯＬから取り出され、測定面として測定対象に固
定された反射ミラー３６で反射する。偏光ミラー３５か
らの基準光Ｌ５および反射ミラー３６からの測定光Ｌ６
は分離面Ｐ３で互いに重ね合わされ、相対変位用干渉光
Ｌ３が形成される。基準光Ｌ５および測定光Ｌ６間の光
路長の差は、偏光ミラー３５から測定対象すなわち反射
ミラー３６までの長さＬｘの２倍に等しくなる。図３に
示されるように、この光路長の差２Ｌｘに存在する光波
によって、測定光Ｌ６および基準光Ｌ５間には波数で表
される位相差θが生じ、この位相差θによる位相のずれ
により相対変位用干渉光Ｌ３の干渉縞を形成する。

【００３９】基準長さ用干渉部２４は、基準長さ用干渉
部２４に照射された光束ＳＯＬを、直交する偏光面を持
った２つの光束、すなわち、基準光Ｌ７および測定光Ｌ
８に分ける干渉装置３７を備える。基準光Ｌ７は、基準
面たる固定の偏光ミラー３８で反射することによって、
分離面Ｐ４で基準干渉用光束ＳＯＬから取り出される。
測定光Ｌ８は、偏光ミラー３８を透過することによって
分離面Ｐ４で基準干渉用光束ＳＯＬから取り出され、測
定面たる固定の反射ミラー３９で反射する。偏光ミラー
３８からの基準光Ｌ７および反射ミラー３９からの測定
光Ｌ８は分離面Ｐ４で互いに重ね合わされ、基準長さ用
干渉光Ｌ４が形成される。偏光ミラー３８および反射ミ
ラー３９は基準長さＬｏの間隔をおいて配置され、その
結果、基準光Ｌ７および測定光Ｌ８間の光路長の差は基
準長さの２倍に等しくなる。この光路長の差２Ｌｏに存
在する光波によって、測定光Ｌ７および基準光Ｌ８間に
は波数で表される位相差θが生じ、この位相差θによる
位相のずれが基準長さ用干渉光Ｌ４の干渉縞を形成す
る。

【００４０】なお、相対変位用干渉部２３および基準長
さ用干渉部２４では、図１３に示されるような光束に対
して４５度の角度面を持ったビームスプリッタ１３で偏
光ミラー３５、３８を構成してもよい。この場合、ビー
ムスプリッタに照射される光束は、直進するものと、そ
れと直角に進むものとに分割され、分割された２つの光
束は基準面および測定面で反射した後、ビームスプリッ
タで重ね合わされて干渉光Ｌ３、Ｌ４として送り出され
る。

【００４１】位置データ検出部２５は、相対変位用干渉
光Ｌ３に生じる波数の増加、減少をＣｘとして計測する
第１計数回路４０と、基準長さ用干渉光Ｌ４に生じる波
数の増加、減少をＣｏとして計測する第２計数回路４１
とを備える。第１および第２計数回路４０、４１で計測
された波数の増減値Ｃｘ、Ｃｏは絶対位置データ算出回
路４２に入力され、この絶対位置データ算出回路４２
で、後述する原理に基づいて、Ｌｘ＝Ｌｏ（Ｃｘ／Ｃ
ｏ）（ただし、Ｌｏ＝基準長さ用干渉部２４における分
離面Ｐ４から測定面３９までの基準長さ）から相対変位
用干渉部２５における分離面Ｐ３からの測定対象の位置
Ｌｘが算出される。この値Ｌｘは、測定対象の位置デー
タＰｏｕｔとして出力される。

【００４２】位置データ検出部２５に照射された相対変
位用干渉光Ｌ３は、受光部４３で位相の異なる２つの光
強度信号に光電変換された後、増幅回路４４で電圧増幅
される。増幅された電気信号は計数回路４０に入力さ
れ、計数回路４０では、２つの光強度信号に基づいて、
波数の増加、減少をＣｘとして計数する。

【００４３】受光部４３に照射される相対変位用干渉光
Ｌ３は、図４に示すように、λ／４波長板４５によって
円偏光に偏光変換され、ビームスプリッタ４６で２つの
光束に分割される。分割された光束は、互いに偏光角が
π／４だけ異なる第１および第２偏光板４７、４８を通
過する。これら２つの光束はそれぞれ第１および第２光
電変換素子で電気信号Ｓ１、Ｓ２に変換される。図５に
示されるように、これらの電気信号Ｓ１、Ｓ２は互いに
π／２の位相差を持った正弦波となり、それらの１周期
は、測定対象がＸ＝λ／２変位したときに相当する。な
お、このように、λ／４波長板と２つの偏光板を用いて
２相信号を取り出す方法は干渉計測において一般的であ
る。また、互いに偏光角をπ／２や（３π）／４ずらし
た２枚の偏光板を配置して、πまたは（３π）／２の位
相差を持った電気信号を得るようにしてもよい。

【００４４】増幅回路４４は、電流−電圧回路を用い
て、電気信号Ｓ１、Ｓ２を電流から電圧に変換する。こ
の電圧は、増幅器によって十分な電圧に増幅される。

【００４５】計数回路４０は、図６に示すように、２つ
の電気信号Ｓ１、Ｓ２をパルス化するコンパレータ５１
と、コンパレータ５１からのパルス信号に基づいて各電
気信号Ｓ１、Ｓ２の周期単位の計数を行って周期数Ｎを
出力するＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ５２とを備える。コン
パレータ５１では、図５に示すように、予め設定された
基準レベル、例えば、正弦波の振幅の中央値と電気信号
Ｓ１、Ｓ２のレベルとがそれぞれ比較され、電気信号Ｓ
１、Ｓ２のレベルが基準レベルよりも大きいときにＨ信
号が出力される。このコンパレータ５１によれば、各信
号Ｓ１、Ｓ２に基づく２つのパルス信号によって、光強
度信号の１周期を第１〜第４領域に特定することができ
る。ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ５２は、第１〜第４領域で
の変化から周期数Ｎおよび変化の方向を計測する。

【００４６】計数回路４０の内挿回路は、電気信号Ｓ
１、Ｓ２が周期内のどこにあるかを特定する。ここで、
電気信号Ｓ１、Ｓ２は、

【数１】Ｓ１＝Ａ１・ｃｏｓ（θ）＋Ｂ１Ｓ２＝Ａ２・ｓｉｎ（θ）＋Ｂ２で表される。定数Ａ１、Ａ２、Ｂ１およびＢ２を予め測
定して消去すると、

【数２】Ｓ１＝ｃｏｓ（θ）Ｓ２＝ｓｉｎ（θ）が得られる。従って、電気信号Ｓ１、Ｓ２の電気角θ
は、

【数３】となり、これによって１周期λ／２の範囲内での位相差
に相当する電気角θが算出される。

【００４７】計数回路４０の合成回路５３では、周期数
Ｎと電気角θから

【数４】に基づいて、Ｃｘを波数として算出する。この計測可能
な波数を発生させる方法については後述する。

【００４８】２つの反射ミラー５５、５６を介して位置
データ検出部２５に照射された基準長さ用干渉光Ｌ４
は、受光部５７で電気信号に変換された後、増幅回路５
８で電圧増幅され、増幅された電気信号が計数回路４１
に入力される。受光部５７、増幅回路５８および計数回
路４１の機能は前述の受光部４３、増幅回路４４および
計数回路４０と同様であるので、ここではその説明を繰
り返さない。

【００４９】絶対位置データ算出回路４２は、光源２１
からの光束ＯＬおよび基準干渉用光束ＳＯＬの波長の連
続的な変化（アナログ的のものだけでなくデジタル的な
ものも含む）によって生じる相対変位用干渉光Ｌ３およ
び基準長さ用干渉光Ｌ４の波数の変化Ｃｘ、Ｃｏと基準
長さＬｏとから、分離面Ｐ３から測定対象までの長さＬ
ｘを算出する。

【００５０】いま、測定対象が変位Ｘ移動する代わり
に、波長制御部２２によって光源２１からの光束ＯＬの
波長がλ１からλ２に連続的に増加されたと仮定する。
波長が短くなってλ１からλ２に変化し、相対変位用干
渉部２３において分離面Ｐ３から往復する測定光Ｌ６の
光路２Ｌｘでは、そこに存在する光波の波数がｎ１から
ｎ２に増加する。このとき、波数がλ／２分だけ増加す
ると、測定対象が変位Ｘ＝λ／２移動した場合と同様に
１回の明暗がカウントされる。図７に示すように、分離
面Ｐ３まで測定光Ｌ６および基準光Ｌ５間には位相差は
存在しない。周波数ｆ１の測定光Ｌ６が分離面Ｐ３で分
離されると、測定光Ｌ６だけが２Ｌｘ分の光路を余計に
通過する。再び分離面Ｐ３に測定光Ｌ６が達したとき、
その間に存在する波数によって基準光Ｌ５との間で位相
差θ１が発生する。この位相差θ１は、相対変位用干渉
光Ｌ３の光強度として示される。波長が増加されると、
光波の波数ｎが徐々に増加する。波数ｎの増加に伴って
Ｐ３での基準光Ｌ５に対する測定光Ｌ６の位相はθ１か
らθ１２を経てθ２へと徐々に変化する。波長の変化に
伴う光強度の変化は、受光部４３で光電変換され、電気
信号Ｓ１、Ｓ２が得られる。この原理によると、測定対
象が位置Ｘにあって、光束ＯＬの波長λが変化して波数
ｎが±１／２個変わると、電気信号Ｓ１、Ｓ２は正弦波
で１周期分変化することになる。

【００５１】計数回路４０で計測された波数についての
データＣｘは、波長変更の前後における測定長さＬｘの
光波の波数増加分ΔＣｘ＝ｎ２−ｎ１に相当する。ここ
で、測定長さＬｘは、波長変更前では、

【数５】で示される。ただし、Ｃ：光速；Ｃ／ｆ１：光波の波長
である。同様に、波長変更後の測定長さＬｘは、

【数６】で示される。これらの２式から、

【数７】が得られ、従って、計測される波数の変化分ΔＣｘが測
定長さＬｘに比例することがわかる。

【００５２】また、計数回路４１で計測された波数の変
化Ｃｏは、同様に、波長変更の前後における基準長さＬ
ｏの光波の波数増加分ΔＣｏ＝ｎ４−ｎ３（ここで、ｎ
３：基準長さＬｏにおける変更前の光波の波数；ｎ４：
基準長さＬｏにおける変更後の光波の波数）に相当す
る。この波数増加分ΔＣｏは、

【数８】から、基準長さＬｏに比例する。これら２式から、

【数９】が成立する。絶対位置データ算出回路４２では、この式
に基づいて測定長さＬｘを算出し、測定対象の位置デー
タＰｏｕｔとして出力する。

【００５３】この光干渉式位置計測装置２０では、測定
対象の位置、つまり、測定長さＬｘを測定点（分離面）
Ｐ３からの絶対位置で求めることができる。従って、測
定対象を基準位置に戻して原点出しを行う必要がなく、
迅速な位置検出が達成される。また、光束ＯＬおよび基
準干渉用光束ＳＯＬは、波長変更の前後において測定長
さＬｘおよび基準長さＬｏにおける光波の波数ｎが変動
し、波数の増減値Ｃｘ、Ｃｏが計測できれば十分であ
り、波長を安定させる必要がない。従って、光束の波長
の変動にも影響されず、変動しても安定して変位を検出
することができる。さらに、周囲の計測環境に対して
は、測定長さＬｘおよび基準長さＬｏを同一環境におけ
ば、波数についてのデータＣｘ、Ｃｏが同時に同じゆら
ぎの影響を受け、数式９にて求めるＬｘにおいて両者の
ゆらぎが相殺され、耐環境性に強い測定が行なえる。

【００５４】また、上述の第１実施例では、偏光を用い
て２光束を分離したり、位相の異なる複数の信号を出力
する例を示したが、偏光を用いない基本的なフィゾー干
渉計やマイケルソン干渉計を構成してもよい。この場合
には、偏光ミラーは単なる部分透過面でよく、受光部は
２光束の干渉光を受光する。また、局部透過面でもよ
い。計数回路は、発生する干渉光の明暗をカウントする
ようにすればよい。その際、基準面において、λ／８の
段差を設けて各々の面の干渉光をそれぞれ受光するよう
にしておけば、移動方向および２分の１波長内の細かな
位置も検出できる。

【００５５】本発明の第２実施例に係る光干渉式位置計
測装置は、図８に示すように、位置データ検出部６０の
構成にその特徴を有する。その他の構成は、前述の第１
実施例に係る光干渉式位置計測装置２０と同様であっ
て、その詳細な説明を省略する。

【００５６】この位置データ検出部６０は、波長制御部
２２が光束ＯＬの波長を変更した際に相対変位用干渉光
Ｌ３および基準長さ用干渉光Ｌ４に生じる波数の増減値
Ｃｘ、Ｃｏと、基準長さＬｏとに基づいて、測定対象の
絶対位置データＰａｂｓを算出する絶対位置データ計算
部６１と、測定対象の移動に伴って相対変位用干渉光Ｌ
６に生じる波数の増減Ｃｘに基づいて、測定対象の絶対
位置からの変位、すなわち、絶対位置に対する相対位置
データＰｉｎｃを算出する相対位置データ計算部６２と
を備える。測定対象の絶対位置データＰａｂｓおよび相
対位置データＰｉｎｃは、合成演算部６３で合成され
て、測定対象の位置を示す位置データＰｏｕｔとして出
力される。

【００５７】絶対位置データ計算部６１は、前述の原理
を用いて第１実施例における絶対位置データ算出回路４
２と同様に、例えば、電源オン時の初期シーケンスにお
いて光束ＯＬ等の波長を変更して初期位置Ｌｉｎｉを測
定する。

【００５８】相対位置データ計算部６２は、周知のよう
に、

【数１０】に基づいて初期位置Ｌｉｎｉからの相対変位Ｐｉｎｃを
算出する。

【００５９】この第２実施例に係る光干渉式位置計測装
置によれば、電源オン時の初期シーケンスにおいて応答
時間が必要とされる波長変更による位置データの検出を
行い、その後は相対位置データを検出すればよいので、
波長変更による位置データ検出を極力省いて、電源オン
時の初期シーケンス以後の位置データ検出の応答性を向
上させることができる。また、インクリメンタルな位置
データの検出のみの場合と異なり、計測中のカウントミ
スや、光路の遮断などにより元の位置がわからなくなっ
たり、さらには、電源の入切をしても、絶対位置データ
計算部６１での再検出により簡単に絶対位置が検出で
き、原点出しの再実行の必要がないという利点を有す
る。

【００６０】第２実施例に係る光干渉式位置計測装置で
は、時間経過とともにレーザ光の発振周波数が変動する
と、相対変位Ｐｉｎｃの値が検出開始時点に比べて非線
形な傾向を示すようになってしまう。これを解消するた
めに、本発明の第３実施例に係る光干渉式位置計測装置
は、発振周波数ｆつまりは波長λの変動を求め、波長λ
の変動分を補正する。その他の構成は、前述の第２実施
例と同様である。

【００６１】図９は第３実施例に係る位置データ検出部
７０を示す。この位置データ検出部７０は、基準長さ用
干渉部２４からの基準長さ用干渉光Ｌ４に基づいて、光
源２１からの光束ＯＬの波長変動を検出する波長変動検
出部７１と、検出した波長変動に基づいて相対位置デー
タＰｉｎｃを補正する波長補正部７２とを備える。

【００６２】波長変動検出部７１は、相対位置データＰ
ｉｎｃの検出を開始した検出開始時点において、まず、
計数回路４１からの波数の増減値Ｃｏをラッチして初期
データＣｏＬとして格納し、所定時間経過後の波長の変
動分Δλをその時点で計測されたデータＣｏを用いて以
下の式により求める。

【００６３】

【数１１】続いて、得られた変動分Δλを用いて、波長補正部７２
にて、

【数１２】λｃ＝λ＋Δλ に基づいて波長λｃを求める。この波長λｃを用いて数
式１０と同様に演算を行なうことにより、波長の変動分
Δλを補正したＰｉｎｃが求められ、結果として十分な
線形性を有する位置データＰｏｕｔが得られる。

【００６４】ここで、本発明による光干渉式位置計測装
置を、相対位置測長器として使用する場合は、波長の変
動分Δλを補正したＰｉｎｃを出力すればよく、その場
合は絶対位置データ計算部は不要である。

【００６５】なお、レーザ光の絶対波長を求める場合に
は、次のような方法を用いることができる。

【００６６】λ＝７８０ｎｍ帯の半導体レーザを用いる
場合を考える。基準長さ用干渉部２４において、偏光ミ
ラー３８に関する光路長をｙ、反射ミラー３９に関する
光路長をｙ＋βとし、その光路差をβとする。理想的な
波長λによる波数の増減値ＣｏがＣｏｉであるのに対し
て、実際に半導体レーザを用いて得られる波数の増減値
ＣｏがＣｏｒとする。理想的な波長λが入射された際
に、偏光ミラー３８に関する光路と、反射ミラー３９に
関する光路とに存在する波数差Δｎは下式で示される。

【００６７】

【数１３】ここで、理想的な半導体レーザの波長λ、理想的な波長
λによるデータＣｏの値Ｃｏｉ並びに光路差βは既知で
ある。

【００６８】これに対して、（λ＋α）の波長を有する
半導体レーザの光束を実際に入射させた際に、偏光ミラ
ー３８に関する光路と、反射ミラー３９に関する光路に
存在する波数の差Δｎ’は下式で示される。

【００６９】

【数１４】この式によれば、波長がλから（λ＋α）へ変化した時
の波数を計数したことと同じであり、下式の関係が満た
される。

【００７０】

【数１５】これにより、実際に使用中の半導体レーザの波長λ’
は、

【数１６】λ’＝λ＋α で示される。

【００７１】つまり、既知の光路差βを設定した上で、
基準となる既知の波長λを有する安定化レーザを使用し
て、波数の増減値Ｃｏを測定しておけば、これらのデー
タと実際の半導体レーザを用いたときの波数の増減値Ｃ
ｏとで使用中の半導体レーザの波長λ’が測定できる。
よって、波長の変動による誤差を受けずに精度の高い検
出が可能となる。

【００７２】続いて、波長制御部２２の具体例について
詳述する。図８に示す波長制御部２２は、半導体レーザ
３０の温度を感知する温度センサ７３と、この感知され
た温度に基づいて半導体レーザ３０の温度を調整する温
度調整器７４とを備え、半導体レーザ３０の温度を変化
させることによって光束ＯＬの波長を変化させる。

【００７３】温度調整器７４は、半導体レーザ３０に取
付けられたヒータ７５と、このヒータ７５に対して加熱
または冷却の指令を出力する温度制御装置７６とを備え
る。温度制御装置７６は、位置データ検出部２５から、
位置データＰｏｕｔを求めるための要求信号ＲＱａｂｓ
が入力されると、半導体レーザ３０の温度が予め設定さ
れた目標温度に達するまでヒータ７５に対して加熱また
は冷却指令を出力し、温度センサ７３が半導体レーザ３
０の温度として目標温度を感知すると、位置データ検出
部２５に対して検出指令Ｏａｂｓを出力する。この検出
指令Ｏａｂｓを出力した後、半導体レーザ３０の波長を
常温時に戻すために、加熱または冷却指令を出力しても
よい。半導体レーザ３０の波長の温度依存性としては、
基本波長や製品にもよるが、例えばλ＝７８０ｎｍのも
のにおいて、２．４ｎｍ／１０℃のレベルのものがあ
る。なお、本発明においては、波長λを大まかに変更さ
せれば十分であり、変更させる変更量に精度は必要でな
い。そのため、半導体レーザ３０の温度制御も精密さを
要求されず、温度センサ７３による温度のフィードバッ
ク制御をする必要がない。

【００７４】また、波長制御部２２としては、半導体レ
ーザ３０の励起電流による半導体接合部の温度変化を通
じて、出力されるレーザ光の発振波長を変化させるもの
がある。励起電流は半導体レーザ駆動回路３１により制
御され、電流の増加に伴い、発振波長は長波長側に変動
する。

【００７５】かかる波長制御部２２によれば、位置デー
タＰｏｕｔを求めるための要求信号ＲＱａｂｓが波長制
御部２２に入力されると、半導体レーザ駆動回路３１に
駆動電流制御信号が出力される。駆動回路３１は半導体
レーザ４１の駆動電流を変化させ光出力を変化させる。
駆動電流が所望の値に達し温度が変化した時に、位置デ
ータ検出部２５に対して検出指令Ｏａｂｓを出力する。
この検出指令Ｏａｂｓを出力した後、半導体レーザ３１
の波長を変化前の通常電流時に戻すために、もとの駆動
電流を流すようにすればよい。半導体レーザ３０の波長
の温度依存性としては、基本波長や製品にもよるが、例
えばλ＝７８０ｎｍのものにおいて、４ｎｍ／Δ７ｍＷ
のレベルのものがある。

【００７６】さらに、波長制御部２２では、光束ＯＬが
通過する媒体に応力を発生させ、媒体の屈折率を変化さ
せることによって光束ＯＬの波長を変化させてもよい。

【００７７】さらにまた、波長制御部２２では、いわゆ
る電気光学変調を用いて、光束ＯＬに電界を作用させ、
光束ＯＬの屈折率を変化させることによって光束ＯＬの
波長を変化させてもよい。この現象をポッケルス効果と
いい、この場合、この現象が顕著な物質を光路に使用す
ればよい。

【００７８】さらにまた、波長制御部２２では、いわゆ
る磁気光学変調を用いて、光束ＯＬに磁界を作用させ、
光束ＯＬの屈折率の変化を変化させることによって光束
ＯＬの波長を変更してもよい。この現象をファラデー効
果といい、この場合、この現象が顕著な物質を光路に使
用することでより大きな波長の変化を取り出すことがで
きる。

【００７９】さらにまた、波長制御部２２では、所定屈
折率の回転板を高速回転させて、回転板を透過する光束
ＯＬのドップラー効果によって光束ＯＬの波長を変更し
てもよい。

【００８０】次に、基準長さ用干渉部２４において基準
長さＬｏを設定するための他の具体例を詳細に説明す
る。

【００８１】図１１（ａ）は、干渉装置をガラス平板７
７で実現した例である。このガラス平板７７は、入射面
としての偏光ミラー７８と、この偏光ミラー７８から基
準長さＬｏの間隔離れた反射ミラー７９とを備える。こ
のガラス平板７７によれば、直交する偏光面を持つ２つ
の光束ＳＯＬのうち、基準光Ｌ７は偏光ミラー７８で反
射する。測定光Ｌ８は偏光ミラー７８を透過して進み、
反射ミラー７９で反射してガラス平板７７から出射す
る。反射した測定光Ｌ８および基準光Ｌ７は、互いに重
なって基準長さ用干渉光Ｌ４を形成して受光部５７へ向
かう。かかる構成によれば、基準面および測定面を干渉
装置３７に一体化させ、構成を簡素化することができ
る。また、偏光を用いない計測の場合は、偏光ミラー７
７を単なる部分透過面もしくは局部透過面としたり、ミ
ラー面７７、７８をともに通常のガラス面の反射や透過
を利用してもよい。また、反射ミラー７９はキュービッ
ク形でもよい。図１１（ｂ）は、干渉装置を光ファイバ
ー８０で実現した例である。この光ファイバー８０は、
その一端に入射面としての偏光ミラー８１を備え、その
他端は反射処理を施されミラー８２として機能する。こ
の光ファイバー８０によれば、直交する偏光面を持つ２
つの光束ＳＯＬのうち、基準光Ｌ７は偏光ミラー８１で
反射する。測定光Ｌ８は偏光ミラー８１を透過して光フ
ァイバー８０内を進み、ミラー８２で反射して光ファイ
バー８０を戻り、光ファイバー８０の入射面から出射す
る。反射した測定光Ｌ８および基準光Ｌ７は、互いに重
なって基準長さ用干渉光Ｌ４を形成して受光部５７に向
かう。基準長さＬｏを長くとりたい場合、図２に記載の
ような干渉装置３７を用いて実現することは困難な場合
がある。光ファイバーを採用することで、基準長さＬｏ
を長くとってもスペースをとらずに簡単に構成できる。
また、前述と同様に、偏光ミラー８１を単なる部分透過
面としたり、ミラー面８１、８２をともに通常の光ファ
イバーの反射や透過を利用するようにしてもよい。

【００８２】図１１（ｃ）に示される干渉装置は、ハウ
ジング８３に取付けられた入射面としての偏光ミラー８
４と、ハウジング８３の内部に入射した光束を繰り返し
反射させて、最終的に入射面から送り出すための反射ミ
ラー８５とを備える。この干渉装置によれば、直交する
偏光面を持つ２つの光束ＳＯＬのうち、基準光Ｌ７は偏
光ミラー８４で反射する。測定光Ｌ８は偏光ミラー８４
を透過して、ハウジング８３内で反射ミラー８５によっ
て反射を繰り返した後、入射面から送り出される。反射
した測定光Ｌ８および基準光Ｌ７は、互いに重なって基
準長さ用干渉光Ｌ４を形成して受光部５７に向かう。図
１１（ｂ）と同様にしてスペースをとらずに基準長さＬ
ｏを簡単に構成できる。

【００８３】また、上述の図１１の（ａ）〜（ｃ）で
は、偏光ミラー７８、８１、８４と反射ミラー７９、８
２、８５の反射光を重ね合わせて送り出しているが、こ
れを透過光として送り出すようにしてもよい。この場
合、偏光ミラー７８、８１、８４や、反射ミラー７９、
８２、８５は、単なる部分透過面（＝部分反射面）とす
ればよい。図１１（ａ）の構成で説明する。光源２１か
らの基準干渉用光束ＳＯＬは、偏光ミラー７８で一部透
過し、部分透過面である反射ミラー７９に向かう。反射
ミラー７９では、光束ＳＯＬの一部は透過して外へ送り
出される。反射ミラー７９で反射した光束ＳＯＬの一部
は偏光ミラー７８で反射して、反射ミラー７９で透過し
送り出される。この光束と、最初から反射ミラー７９を
透過した光束が重なり合って干渉光を形成し、受光器５
７へ向かう。このように透過光どうしを干渉させる場
合、反射光の場合と異なって光束が光源２１の方向へ戻
らないので、ビームスプリッタ５５が必要でなく構成が
簡略化できる。また、受光部５７と、干渉装置３７とを
一体構造とすることも可能となり、装置の小型化も可能
となる。

【００８４】図１２は、本発明の第４実施例に係る光干
渉式位置計測装置を示す。この第４実施例では、２周波
の光源を使用した光ヘテロダインの原理を採用してい
る。この光ヘテロダイン法については図１３に基づいて
詳述したので、本実施例においては詳述せず、本実施例
での適用についてのみ述べる。また、前述の第１実施例
と同様の構成については、同一の参照符号を付してその
詳細な説明を省略する。

【００８５】この第４実施例では、光源２１が、半導体
レーザ３０から発せられた光束ＯＬを周波数変調する音
響光学変調素子１００を備える。この音響光学変調素子
１００は光束ＯＬに変調を施し、周波数差ｆ０を有する
互いに直交した偏光面を持つｆ１、ｆ２の光束ＯＬを送
り出す。

【００８６】送り出された光束ＯＬは、相対変位用干渉
部２３に供給される他、ビームスプリッタ１０１を介し
て位置データ検出部２５の光電変換素子１０２に照射さ
れる。相対変位用干渉部２３に供給された光束ＯＬは、
周波数ｆ１を有する測定光Ｌ６と、周波数ｆ２を有する
基準光Ｌ５とに分割され、各ミラー３５、３６で反射さ
れて重ね合わされる。反射ミラー３６が相対変位する
と、測定光Ｌ６はドップラー変調を受け、その周波数は
ｆ１±Δｆに変化する。重ね合わされた光束によって形
成された相対変位用干渉光Ｌ３は、位置データ検出部２
５の受光部４３で光電変換され、ビート周波数ｆ２−
（ｆ１±Δｆ）の電気信号Ｆｐ１が出力される。従来例
で述べたように、この電気信号Ｆｐ１と、光電変換素子
１０２で得られるビート周波数ｆ２−ｆ１の参照信号Ｆ
ｒとから位相差を計測し、変位量を算出する。波長制御
部２２によって半導体レーザ３０の波長をΔλだけ変化
させると、偏光ミラー３５（分離面Ｐ３）と反射ミラー
３６との間の光路に存在する測定光Ｌ６の波数が変化し
て、見かけ上変位Ｘが生じたことと同じとなり、測定対
象の位置データとして波数の増減値Ｃｘが得られる。

【００８７】光束ＯＬから分離された基準干渉用光束Ｓ
ＯＬは、基準長さ用干渉部２４に供給され、相対変位用
干渉部２３と同様に、基準長さＬｏに対応した位相差を
有する基準長さ用干渉光Ｌ４が形成される。基準長さ用
干渉光Ｌ４は、位置データ検出部２５の受光部４７で光
電変換され、ビート周波数ｆ２−ｆ１の電気信号Ｆｐ２
が出力される。従来例で述べたように、この電気信号Ｆ
ｐ２と、光電変換素子１０２で得られるビート周波数ｆ
２−ｆ１の参照信号Ｆｒとから位相差を計測し、変位量
を算出する。半導体レーザ３０の周波数を変化させると
波数の増減値Ｃｏが得られる。

【００８８】計測された波数の増減値Ｃｏ、Ｃｘは基準
長さＬｏおよび測定長さＬｘに比例し、数式９により測
定長さＬｘが算出され、絶対位置データＰｏｕｔとして
出力される。

【００８９】この第４実施例では、第１実施例に比べて
波数の増減値Ｃｏ、Ｃｘの算出を交流信号であるＦｒ、
Ｆｐ１、Ｆｐ２から算出するようにしているので、ＤＣ
レベルの変動などによる影響を受けない、また、ノイズ
に対しても不要な周波数を遮断することが可能なので安
定した検出が可能となる。

【００９０】なお、図１３の従来例で示したように、光
束ＯＬをレーザ同調回路に入力して発振周波数を制御す
るようにしてもよい。また、図示しないが、光源２１に
ついては半導体レーザ３０の代わりに、従来例で記載の
ようなＨｅＮｅレーザを使用してもよい。その場合、周
波数を２周波にする方法として、ゼーマン効果を利用し
てもよい。これは、スペクトラムが強力な磁場により分
裂することを利用する公知なもので、レーザ管を電圧の
印加されたコイル内に配置し、その磁界内に置くことに
より実現される。２周波の光束の生成は上述の方法に限
定されず他の方法を用いてもよい。

【００９１】

【発明の効果】以上のように、第１発明によれば、波長
制御部が光束の波長を変更した際に相対変位用干渉光お
よび基準干渉光に生じる光強度の変化、および基準長さ
に基づいて、測定対象の位置データを検出することがで
きるので、測定対象の絶対位置を簡単かつ確実に検出す
ることとなる。従って、計測中にカウントミスの蓄積
や、光路の遮断、電源の入切などがあっても、現在位置
が絶対位置で知ることができる。原点出しの必要性がな
くなり、工数の短縮や信頼性の向上が図れる。

【００９２】また、波長の変更に精度は必要なく、波数
の増減値が計測できる程度に変更されればよいので、発
振周波数の不安定な半導体レーザを光源に用いても、精
度の高い計測を実現することができる。従って、高精度
な計測を実現しながら、小型でかつ安価な光干渉式位置
計測装置を提供することが可能である。

【００９３】さらに、光路の空気に発生するゆらぎなど
周囲環境の変動などがあっても安定して計測が可能であ
り、高精度な計測が周囲環境によらず実現できる。

【００９４】また、第２発明によれば、基準長さ用干渉
部を簡単な構成で実現することができる。

【００９５】さらに、第３発明によれば、簡単な構成で
位置データ検出部を実現することができる。

【００９６】さらにまた、第４発明によれば、電源オン
時の初期シーケンス等において応答時間が必要とされる
波長変更による位置データの検出を行い、その後は相対
位置データを検出すればよいので、波長変更による位置
データ検出を極力省いて、電源オン時の初期シーケンス
以後の位置データ検出の応答性を向上させることができ
る。また、インクリメンタルな位置データの検出のみの
場合と異なり、計測中のカウントミスや、光路の遮断な
どにより元の位置がわからなくなったり、さらには、電
源の入切をしても、絶対位置データ計算部での再検出に
より簡単に絶対位置が検出でき、原点出しの再実行の必
要がないという利点を有する。

【００９７】さらにまた、第５発明によれば、光源から
の光束の波長が時間経過とともに変動することによっ
て、相対位置データの値が検出開始時点に比べて非線形
な傾向を示しても、波長変動を補正することによってこ
の傾向を相殺することができる。従って、波長変動に拘
わらず、精度の高い絶対位置データを検出することがで
きる。

【００９８】さらにまた、第６発明によれば、簡単な構
成で光源からの光束の波長を変化させることができる。

【００９９】さらにまた、第７発明によれば、簡単な構
成で光源からの光束の波長を変化させることができる。

【０１００】さらにまた、第８発明によれば、簡単な構
成で光源からの光束の波長を変化させることができる。

【０１０１】さらにまた、第９発明によれば、簡単な構
成で光源からの光束の波長を変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光干渉式位置計測装置の概略構成
図である。

【図２】第１実施例に係る光干渉式位置計測装置の具体
的構成を示す図である。

【図３】測定光および基準光による干渉光形成を説明す
る図である。

【図４】受光部の詳細な構成図である。

【図５】受光部からの電気信号と、計数回路のコンパレ
ータとの関係を示すグラフである。

【図６】計数回路の詳細な構成図である。

【図７】光束の波長変更による干渉縞計測の原理を説明
するための図である。

【図８】第２実施例に係る位置データ検出部の詳細な構
成図である。

【図９】第３実施例に係る位置データ検出部の詳細な構
成図である。

【図１０】波長制御部の具体例を示す構成図である。

【図１１】基準長さ用干渉部における干渉装置の具体例
を示す図である。

【図１２】第４実施例に係る光干渉式位置計測装置の具
体的構成を示す図である。

【図１３】光ヘテロダイン法を用いた従来例に係る光干
渉式位置計測装置の具体的構成を示す図である。

【符号の説明】

２０光干渉式位置計測装置、２１光源、２２波長
制御部、２３相対変位用干渉部、２４基準長さ用干
渉部、２５位置データ検出部、３５基準面としての
偏光ミラー、３６測定面としての反射ミラー、Ｌ３
相対変位用干渉光、Ｌ４基準長さ用干渉光、Ｌ５基
準光、Ｌ６測定光、Ｌｏ基準長さ、Ｌｘ測定長
さ、ＯＬ光束、Ｐ３分離面、Ｐｏｕｔ位置データ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可干渉性を有する光束を発する光源と、
光束を基準光と測定光に分離する分離面と、基準光を反
射する基準面と、測定対象に取付けられて、測定光を反
射する測定面とを備え、基準光および測定光を重ね合わ
せて干渉光を形成し、この干渉光に基づいて測定対象の
位置データを読み取る光干渉式位置計測装置において、光源から発せられる光束の波長を変化させる波長制御部
と、前記基準面および測定面を有し、基準面からの基準光お
よび測定面からの測定光を重ね合わせて相対変位用干渉
光を送り出す相対変位用干渉部と、前記光束から分離された基準干渉用光束に基づいて、予
め決められた基準長さに対応した光路長の差を有する光
を重ね合わせて基準長さ用干渉光を送り出す基準長さ用
干渉部と、前記波長制御部が光束の波長を変更した際に生じる前記
相対変位用干渉光および基準長さ用干渉光の光強度の変
化、および前記基準長さに基づいて、測定対象の位置デ
ータを検出する位置データ検出部と、を備えることを特
徴とする光干渉式位置計測装置。
【請求項２】請求項１に記載の光干渉式位置計測装置
において、前記基準長さ用干渉部は、分離面で前記基準干渉用光束から取り出された基準光を
反射する基準面と、分離面で前記基準干渉用光束から取り出された測定光を
反射する測定面とを備え、基準面からの基準光と、この基準光に対して前記基準長
さに対応した光路長の差を有する測定面からの測定光と
を重ね合わせて干渉光を形成することを特徴とする光干
渉式位置計測装置。
【請求項３】請求項２に記載の光干渉式位置計測装置
において、前記位置データ検出部は、光束の波長を変更した際に基準長さ用干渉光に生じる波
数の増減値Ｃｏを計測する計数回路と、光束の波長を変更した際に相対変位用干渉光に生じる波
数の増減値Ｃｘを計測する計数回路と、Ｌｘ＝Ｌｏ（Ｃｘ／Ｃｏ）（ただし、Ｌｏ：基準長さ用
干渉部における分離面から測定面までの基準長さ）に基
づいて、相対変位用干渉部における前記分離面からの測
定対象の位置Ｌｘを算出する絶対位置データ算出回路
と、を備えることを特徴とする光干渉式位置計測装置。
【請求項４】請求項１に記載の光干渉式位置計測装置
において、前記位置データ検出部は、前記波長制御部が光束の波長を変更した際に生じる前記
相対変位用干渉光および基準長さ用干渉光の光強度の変
化、および前記基準長さに基づいて、測定対象の絶対位
置データを算出する絶対位置データ計算部と、測定対象の移動に伴う前記相対変位用干渉光の光強度の
変化に基づいて測定対象の絶対位置に対する相対位置デ
ータを算出する相対位置データ計算部と、これらの絶対位置データおよび相対位置データを合成し
て測定対象の位置を特定する合成演算部と、を備えるこ
とを特徴とする光干渉式位置計測装置。
【請求項５】請求項４に記載の干渉式位置計測装置に
おいて、前記位置データ検出部は、基準長さ用干渉部か
らの基準長さ用干渉光に基づいて、光源からの光束の波
長変動を検出する波長変動検出部と、検出した波長変動
に基づいて前記相対位置データを補正する波長補正部と
を備えることを特徴とする光干渉式位置計測装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の光干渉
式位置計測装置において、前記光源は半導体レーザであ
り、前記波長制御部は、半導体レーザの温度を変化させ
ることによって光束の波長を変化させることを特徴とす
る光干渉式位置計測装置。
【請求項７】請求項１〜５のいずれかに記載の光干渉
式位置計測装置において、前記波長制御部は、光束が通
過する媒体に応力を発生させて、媒体の屈折率を変化さ
せることによって光束の波長を変化させることを特徴と
する光干渉式位置計測装置。
【請求項８】請求項１〜５のいずれかに記載の光干渉
式位置計測装置において、前記波長制御部は、光束に電
界または磁界を作用させ、光束の屈折率を変化させるこ
とによって光束の波長を変化させることを特徴とする光
干渉式位置計測装置。
【請求項９】請求項１〜５のいずれかに記載の光干渉
式位置計測装置において、前記波長制御部は、所定屈折
率の回転板を回転させた際のドップラー効果により光束
の波長を変化させることを特徴とする光干渉式位置計測
装置。