JPH1183433A - 変位量計及び変位量測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 可干渉性のある光の光路或いは音の伝搬路中
の外乱に影響されることなく、被測定体の変位量を精度
よく測定し得る変位量計及び変位量測定方法を提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 レーザ干渉計にてレーザダイオード１０
からのレーザ光に基づき形成される参照光と物体光との
干渉光には、非測定物体であるミラー５０の変位量に応
じた光ビート信号が含まれる。フォトデテクタ６０が当
該干渉光を受光すると、この受光信号は、バンドパスフ
ィルタ７０により、フィルタ信号となり、サンプリング
回路９０ａによりサンプリングされる。このサンプリン
グ出力は、ゼロクロス回路８０を介しエンコーダ９０に
より符号化される。この符号化によるコードデータが外
乱のために異常となるとき、レーザ光周波数制御に必要
なフィードバック制御が禁止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光等の可干
渉性のある光或いは超音波や可聴音波等の音波を利用し
て、非測定対象の変位量を測定するに適した変位量計及
び変位量測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の変位量計としては、図１
４にて示すようなフィゾー型干渉計にフェーズロック手
法を導入したレーザ干渉計がある。このレーザ干渉計に
おいては、レーザダイオード１がレーザダイオード駆動
回路８により駆動されてレーザ光を出射する。

【０００３】ここで、レーザダイオード駆動回路８は、
基準電圧に鋸歯状波電圧を加算してなる鋸歯状波駆動電
圧でもってレーザダイオード１を駆動する。このため、
レーザダイオード１の出射レーザ光の周波数は、鋸歯状
波駆動電圧のレベル変化に応じて変化する。上記出射レ
ーザ光はコリメータレンズ２により平行レーザ光に変換
されてビームスプリッタ３により分割されてハーフミラ
ー４に入射する。

【０００４】このとき、ビームスプリッタ３からの平行
レーザ光は、その一部にて、ハーフミラー４により参照
光として反射される。また、当該平行レーザ光の残り
は、ハーフミラー４を通りミラー５により物体光として
反射される。なお、参照光及び物体光は、図１５（ａ）
にて各符号Ｗ１、Ｗ２にて示す鋸歯状波状のレーザ光と
なる。

【０００５】そして、物体光は、ハーフミラー４への入
射時に、参照光と干渉し干渉レーザ光（図１５（ｂ）参
照）となる。この場合、ハーフミラー４とミラー５との
間の光路差ΔＬ及びレーザダイオード１の出射レーザ光
の周波数変化に基づき、上記干渉レーザ光には、ヘテロ
ダイン干渉による正弦波状の光ビート信号が含まれる。

【０００６】ここで、上記光ビート信号に含まれる位相
差Δφは光路差ΔＬに基づき次の数１の式により特定さ
れる。

【０００７】

【数１】Δφ＝２ｎ・２π・ΔＬ／λ 但し、この数１の式において、λはレーザダイオード１
の出射レーザ光の基準波長を表し、また、ｎは屈折率を
表す。この数１の式は、Δφを不変に維持すれば、λに
基づき光路差ΔＬを測定し得ることを示している。

【０００８】しかして、上記干渉レーザ光がビームスプ
リッタ３に入射して分割されると、この分割干渉レーザ
光がフォトデテクタ６により受光され受光信号として出
力される。すると、この受光信号が、フィードバック回
路７により、上記位相差Δφをなくするような制御出力
としてレーザダイオード駆動回路８にフィードバックさ
れる。

【０００９】なお、上記受光信号は、増幅器９により増
幅されて、距離差ΔＬに対応するミラー４の変位量を表
す測定データとして出力される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記レーザ干
渉計においては、上述のごとく、受信信号をレーザダイ
オード駆動回路８にフィードバックしても、当該受信信
号に外乱による信号成分が混入すると、位相差Δφを正
確な位相位置にて精度よく不変に維持することができな
い。このため、光ビート信号を、常に、安定的に発生さ
せることができず、その結果、レーザダイオード駆動回
路８の駆動電圧及びレーザダイオード１の出射レーザ光
を安定状態に維持し得ないという不具合が生ずる。

【００１１】特に、上記レーザ干渉計を、例えば、工場
のライン内で使用しようとすると、このレーザ干渉計に
おけるレーザ光の光路が、大気中のオイルミストや埃、
或いは液中から生ずる泡等の外乱により邪魔される。こ
のため、光ビート信号を、常に、安定的に発生させるこ
とができないのは勿論のこと、レーザ干渉計による変位
量の測定が不安定になるとともに当該測定の精度が大幅
に低下するという不具合が生ずる。

【００１２】この点につき、図１６を用いて、詳述す
る。レーザダイオード１から出射されるレーザ光が、図
１６にて符号ａにて示す正常な位相の鋸歯状波を有する
ものとする。そして、光路差ΔＬの変化はなく、光ビー
ト信号（図１６にて符号ｂ参照）の位相も、正常であっ
て、変化していないものとする。

【００１３】このような状態にてレーザ光の光路に上記
外乱が侵入したために、光ビート信号ｂの正弦波形が、
図１６にて符号ｃにより示す波形に乱れるものとする。
ここでは、光ビート信号の位相が図１６にて示すごとく
Δφ’だけずれるものとする。すると、フィードバック
回路７は、光路差ΔＬの変化ではなく上記外乱による影
響であるにもかかわらず、位相差Δφ’を、本来の光路
差ΔＬに基づく位相差の増加と誤判定する。このため、
フィードバック回路７は、当該位相差Δφ’をなくする
ような制御出力（即ち、−位相差Δφ’を特定する制御
出力）をレーザダイオード駆動回路８にフィードバック
してしまう。

【００１４】従って、光ビート信号が、図１６にて符号
ｄにて示すような誤った位相の波形となる。これが、変
位量の測定を不安定にし当該測定の精度の低下を招く原
因となる。本発明は、以上のようなことに対処するた
め、可干渉性のある光の光路或いは音の伝搬路中の外乱
に影響されることなく、被測定体の変位量を精度よく測
定し得る変位量計及び変位量測定方法を提供することを
目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の課題の解決にあた
り、請求項１及び２に記載の発明によれば、物体光を参
照光と干渉させて形成する干渉信号に含まれる被測定物
体の変位量に応じた信号成分をサンプリングしてサンプ
リングデータを形成し、このサンプリングデータに基づ
き前記信号成分を符号化データに変換する。そして、こ
の符号化データが所定の符号化データを表す基準データ
と同じである場合に、上記信号成分の位相差を一定とす
るような可干渉光の出力の制御を、当該信号成分に代え
て、上記符号化データに基づき行う。

【００１６】このように、干渉信号に含まれる被測定物
体の変位量に応じた信号成分のサンプリングデータに基
づき当該信号成分を符号化データに変換するので、この
符号化データが上記基準データと同じか否かを容易に精
度よく知ることができる。このことは、上記信号成分の
位相の遅進及び当該信号成分に混入する外乱成分を精度
よく知ることができることを意味する。

【００１７】従って、上記符号化データに基づき上記信
号成分の位相差を一定とするような可干渉光の出力の制
御を行うことで、当該信号成分の位相差を常に安定的に
一定に維持できる。その結果、上記変位量の測定も安定
的に精度よく行える。ここで、請求項２に記載の発明に
よれば、上記符号化データが上記基準データと異なる場
合には、可干渉光の出力の制御を禁止する。

【００１８】これにより、可干渉光の光路中に泡等の外
乱が侵入することで上記符号化データが上記基準データ
と異なることとなる場合には、上記信号成分の位相差を
一定とするような可干渉光の出力の制御を禁止すること
となる。その結果、被測定物体の測定変位量に対する上
記外乱による誤差の混入を確実に防止しつつ当該測定変
位量の精度をより一層向上できる。

【００１９】また、請求項３及び４に記載の発明によれ
ば、物体光を参照光と干渉させて形成した干渉信号に含
まれる被測定物体の変位量に応じた信号成分をサンプリ
ングしてサンプリングデータを形成するサンプリング手
段と、このサンプリング手段のサンプリングデータに基
づき上記信号成分を符号化データに変換する符号化デー
タ変換手段とを備えて、上記符号化データが所定の符号
化データを表す基準データと同じである場合に、上記信
号成分の位相差を一定とするような可干渉光の出力の制
御を、上記符号化データに基づき行うようにした。

【００２０】これにより、請求項１に記載の発明の作用
効果を達成できる変位量計の提供が可能となる。ここ
で、請求項４に記載の発明によれば、制御禁止手段は、
上記符号化データが上記基準データと異なる場合に、可
干渉光の出力の制御を禁止する。これにより、請求項２
に記載の発明の作用効果を達成できる変位量計の提供が
可能となる。

【００２１】請求項５に記載の発明によれば、物体光を
参照光とヘテロダイン干渉させて形成した被測定物体の
変位量に応じた光ビート信号を含む干渉光を受光手段が
受光信号として受光すると、サンプリング手段が、当該
受光信号中の上記光ビート信号に相当するビート信号成
分をサンプリングする。そして変換手段が当該サンプリ
ング手段のサンプリング出力に基づき上記ビート信号成
分をコードデータに変換する。また、制御禁止手段は、
上記変換コードデータが上記所定コードデータと異なる
とき、上記フィードバック制御手段のフィードバック制
御を禁止する。また、フィードバック制御手段は、その
フィードバック制御を、禁止制御手段による非禁止状態
にて、上記受信信号に代えて、上記サンプリングデータ
に基づき行う。

【００２２】これにより、レーザ光の光路中の外乱に影
響されることなく、被測定体の変位量を精度よく測定し
得る。この場合、レーザ光の光路中に外乱が侵入したた
めに光ビート信号に歪みが発生して、変換コードデータ
が所定コードデータとは異なることとなる場合には、上
記制御禁止手段によりフィードバック制御手段のフィー
ドバック制御が禁止される。

【００２３】従って、この禁止のない場合にのみ、フィ
ードバック制御手段のフィードバック制御がなされる。
よって、半導体レーザの出射レーザ光の周波数に上記外
乱による誤差が混入することがない。その結果、光ビー
ト信号が常に正常に維持されることとなり、被測定物体
の変位量が、上記外乱に影響されることなく、精度よく
測定され得る。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態を図面
に基づいて説明する。 （第１実施形態）図１（ａ）は、本発明に係る変位量計
の一実施形態として用いられるフィゾー型レーザ干渉計
を示している。

【００２５】このレーザ干渉計は、レーザダイオード１
０を備えており、このレーザダイオード１０は、その注
入レーザ電流に応じてレーザ光を出射する。このレーザ
光は、後述するごとく、鋸歯状波状の波形を有するとと
もに、当該レーザ光の周波数は、上記注入レーザ電流に
比例する。コリメータレンズ２０は、レーザダイオード
１０からのレーザ光を平行レーザ光に変換する。ビーム
スプリッタ３０は、コリメータレンズ２０からの平行レ
ーザ光を分割してハーフミラー４０に入射させる。

【００２６】ハーフミラー４０は、その半透過ガラス板
４１の裏面（ミラー５０側裏面）にて、コリメータレン
ズ２０からの平行レーザ光の一部を参照光（図３（ａ）
参照）として反射するとともに、残りのレーザ光をミラ
ー５０に入射させる。なお、ハーフミラー４０は、上記
半透過ガラス板４１の表面（ビームスプリッタ３０側表
面）に反射防止膜４２を貼着して構成されている。

【００２７】ミラー５０は、ハーフミラー４０の透過レ
ーザ光を物体光（図３（ａ）参照）としてハーフミラー
４０に向けて反射する。これにより、ミラー５０の反射
レーザ光は、ハーフミラー４０の表面にて上記参照光と
干渉し干渉レーザ光としてビームスプリッタ３０に入射
させる。ここで、ビームスプリッタ３０に入射する干渉
レーザ光は、上記数１の式で特定される位相差Δφの光
ビート信号を含む。

【００２８】フォトデテクタ６０は、ビームスプリッタ
３０からの分割干渉レーザ光を受光して受光信号を発生
する。バンドパスフィルタ７０は、フォトデテクタ６０
からの受光信号の直流成分を除去して正弦波形のフィル
タ信号（図３（ｂ）参照）を発生する。このフィルタ信
号は、上記光ビート信号の位相差Δφを特定する。ゼロ
クロス回路８０は、バンドパスフィルタ７０からのフィ
ルタ信号のゼロレベルを基準として、このフィルタ信号
のレベルが正のときハイレベルと判定し、逆にフィルタ
信号のレベルが負のときローレベルと判定する。このこ
とは、ゼロクロス回路８０は、その判定結果に基づき、
フィルタ信号をディジタル化してゼロクロス信号（図３
（ｃ）参照）を発生することを意味する。

【００２９】サンプリング回路９０ａは、ゼロクロス回
路８０のゼロクロス信号を、干渉レーザ光の干渉周期Ｔ
ｓ（光ビート信号の周期Ｔｓ）の（１／４）にて、干渉
周期毎に４回ずつ、サンプリングする。エンコーダ９０
ｂは、タイミングコントローラ１１０により制御され
て、サンプリング回路９０ａのサンプリング出力をエン
コードして符号化し、これをコード信号（例えば、図３
（ｄ）参照）として発生し、マイクロコンピュータ１０
０に出力する。

【００３０】マイクロコンピュータ１００は、コンピュ
ータプログラムを図５のフローチャートに従い実行し、
この実行中において、エンコーダ９０ｂの出力に基づき
レーザダイオード駆動回路１４０の駆動制御に必要な演
算処理を行ってＤ−Ａ変換器１３０に処理データを出力
する。関数発生器１２０は、タイミングコントローラ１
１０により制御されて、鋸歯状波電圧（図２（ａ）参
照）を発生する。Ｄ−Ａ変換器１３０は、マイクロコン
ピュータ１００から後述のごとく発生する制御出力をア
ナログ変換して基準電圧（図２（ｂ）参照）としてレー
ザダイオード駆動回路１４０に出力する。

【００３１】レーザダイオード駆動回路１４０は、関数
発生器１２０からの鋸歯状波電圧にに上記基準電圧を加
算して鋸歯状波駆動電圧を（図２（ｃ）参照）を発生す
る。これにより、レーザダイオード１０には、レーザダ
イオード駆動回路１４０からの鋸歯状波駆動電圧に応じ
た注入レーザ電流が流れる。このように構成した本第１
実施形態において、マイクロコンピュータ１００が図５
のフローチャートに従いコンピュータプログラムの実行
を開始すると、ステップ２００において、マイクロコン
ピュータ１００の内部が初期化される。

【００３２】ついで、ステップ２０１にて、計測開始指
令がタイミングコントローラ１１０に出力される。この
とき、レーザダイオード１０への基準電圧に対応する初
期の制御出力が、マイクロコンピュータ１００からＤ−
Ａ変換器１３０に対し出力される。これに伴い、Ｄ−Ａ
変換器１３０が上記基準電圧をレーザダイオード駆動回
路１４０に出力する。

【００３３】また、関数発生器１２０が、タイミングコ
ントローラ１１０により制御されて、鋸歯状波電圧をレ
ーザダイオード駆動回路１４０に出力する。このため、
レーザダイオード駆動回路１４０が、関数発生器１２０
からの鋸歯状波電圧及びＤ−Ａ変換器１３０からの基準
電圧に基づき鋸歯状波状駆動電圧（図２（ｃ）参照）を
レーザダイオード１０に出力する。これにより、レーザ
ダイオード１０は、上記鋸歯状波状駆動電圧に基づき鋸
歯状波状レーザ光を出射する。

【００３４】すると、レーザダイオード１０からの出射
レーザ光は、コリメータレンズ２０により平行レーザ光
に変換されて、ビームスプリッタ３０を通りハーフミラ
ー４０に入射する。このとき、ビームスプリッタ３０か
らの平行レーザ光の一部は、ハーフミラー４０の半透過
ガラス４２の裏面にて参照光としてビームスプリッタ３
０に向け反射される。また、ビームスプリッタ３０から
の平行レーザ光の残りは、ハーフミラー４０を通りミラ
ー５０に入射しこのミラー５０により物体光としてハー
フミラー４０に向け反射される。

【００３５】このように反射された物体光は、ハーフミ
ラー４０の半透過ガラス板４２の裏面にて、上記参照光
と干渉し、干渉レーザ光としてビームスプリッタ３０に
入射する。この場合、当該干渉レーザ光には、ハーフミ
ラー４０とミラー５０との間の距離差ΔＬ、即ちミラー
５０の変位量（図１４による場合と同様）に基づく位相
差Δφの光ビート信号が含まれている。

【００３６】その後、ビームスプリッタ３０が上記干渉
レーザ光を分割してフォトデテクタ６０に入射すると、
このフォトデテクタ６０がその入射干渉レーザ光を受光
して受光信号をバンドパスフィルタ７０に出力する。こ
れに伴い、バンドパスフィルタ７０が、当該受光信号か
ら直流成分を除去して、位相差Δφを表すフィルタ信号
を発生する。

【００３７】すると、ゼロクロス回路８０において、上
記フィルタ信号のレベルがその零レベルを基準に正のと
きハイレベルとしてディジタル化され負のときローレベ
ルとしてディジタル化される（例えば、図３（ｃ）参
照）。そして、ゼロクロス回路８０が当該ディジタル化
した結果をゼロクロス信号としてサンプリング回路９０
ａに付与する。

【００３８】このため、サンプリング回路９０ａは、レ
ーザダイオード１０のレーザ光の周波数に対応する周期
の初期から一定のマスク時間をとった後、上記干渉レー
ザ光の干渉周期Ｔｓの（４／１）にて、干渉周期毎に４
回ずつ、ゼロクロス回路８０のゼロクロス信号をサンプ
リングする。すると、エンコーダ９０ｂが、タイミング
コントローラ１１０による制御のもと、サンプリング回
路９０ａからのサンプリング出力をエンコードして符号
化する。

【００３９】ここで、バンドパスフィルタ７０のフィル
タ信号或いはゼロクロス回路８０のゼロクロス信号に対
するサンプリング及びコード化の関係について説明す
る。フィルタ信号（図４の左欄参照）が各破線で示すサ
ンプリング時期にてサンプリングされると、フィルタ信
号が、零レベルを基準に正或いは負であるかによって、
２進数に符号化される。

【００４０】なお、この符号化によるコードは、図４の
右欄に示す。また、上記図３（ｄ）の符号化によるコー
ドは、図４の最下欄の符号化の場合に相当する。また、
図４において、例えば、コード「００１１」に対応する
フィルタ信号はコード「０１１０」に対応するフィルタ
信号よりも進み位相の波形を有する。逆に、コード「１
１００」に対応するフィルタ信号はコード「０１１０」
に対応するフィルタ信号よりも進み位相の波形を有す
る。

【００４１】このようにして、サンプリング回路９０ａ
のサンプリング出力は、エンコーダ９０ｂにより、光路
差ΔＬに応じ、４種類の２進数のコード（図４のコード
参照）のいずれかに符号化され、サンプリングコードＰ
Ｃｏｄｅとして、ステップ２１０にて、マイクロコンピ
ュータ１００に入力される。なお、前回のサンプリング
コードＰＣｏｄｅがサンプリングコードＢＣｏｄｅとセ
ットされる。

【００４２】次のコードチェックルーチン２２０（図５
及び図６参照）においては、ステップ２２１にて、今回
のサンプリングコードＰＣｏｄｅが前回のサンプリング
コードＢＣｏｄｅと一致するか否かが判定される。ここ
で、両サンプリングコードＰＣｏｄｅ、ＢＣｏｄｅが一
致しておれば、エンコーダ９０ｂのコード出力に変化が
生じていないため、ステップ２２１における判定がＹＥ
Ｓとなり、コンピュータプログラムがステップ２１０
（図５参照）に戻る。

【００４３】一方、ステップ２２１にてＮＯとの判定が
なされた場合には、ステップ２２２乃至２２９の処理に
て、ビットシフトをする回数（以下、ビットシフト回数
ＢｉｔＳｈｉｆｔという）が決定される。まず、サンプ
リングコードＰＣｏｄｅ＝１００１の場合には、ステッ
プ２２２にてＹＥＳとの判定のもと、ステップ２２６に
てビットシフト回数ＢｉｔＳｈｉｆｔ＝３と決定され
る。また、サンプリングコードＰＣｏｄｅ＝１１００で
ある場合には、ステップ２２２におけるＮＯとの判定の
もとステップ２２３にてＹＥＳとの判定がなされ、ステ
ップ２２７にて、ビットシフト回数ＢｉｔＳｈｉｆｔ＝
２と決定される。

【００４４】また、サンプリングコードＰＣｏｄｅ＝０
１１０の場合には、ステップ２２３にてＮＯとの判定の
もと、ステップ２２４にてＹＥＳと判定され、ステップ
２２８にてビットシフト回数ＢｉｔＳｈｉｆｔ＝１と決
定される。また、サンプリングコードＰＣｏｄｅ＝００
１１である場合には、ステップ２２４におけるＮＯとの
判定のもとステップ２２５にてＹＥＳとの判定がなさ
れ、ステップ２２９にて、ビットシフト回数ＢｉｔＳｈ
ｉｆｔ＝０と決定される。

【００４５】また、ステップ２２２乃至２２５にてすべ
てＮＯとの判定がなされる場合には、バンドパスフィル
タ７０のフィルタ信号に波形歪みがあってエンコーダ９
０ｂのコード出力のコードに異常があると認められる。
即ち、レーザ干渉計におけるレーザ光の光路中に塵や泡
等の外乱が侵入したために、上記フィルタ信号に波形歪
みがあり、これによって、上記コード出力のコードに異
常があるものと認められる。

【００４６】このため、コンピュータプログラムが、次
のビットシフトチェックルーチン２３０に進むことな
く、ステップ２１０に戻る。これにより、レーザ干渉光
に上記外乱が侵入した場合には、当該外乱の侵入がなく
なるまで、マイクロコンピュータ１００からＤ−Ａ変換
器１３０への制御出力処理が禁止されることとなる。そ
の結果、レーザダイオード１０の出射レーザ光の周波数
に上記外乱による誤差が混入することがない。

【００４７】また、上述のごとく、各ステップ２２６乃
至２２９のいずれかの処理の終了後には、コンピュータ
プログラムは、ビットシフトチェックルーチン２３０
（図５及び図７参照）に進む。このビットシフトチェッ
クルーチン２３０は、レーザ光の光路中に塵や泡等の外
乱の侵入がない状態において、レーザダイオード１０の
出射レーザ光の周波数を常に安定的に維持するための処
理内容を有する。

【００４８】このビットシフトチェックルーチン２３０
では、ステップ２３１において、両サンプリングコード
ＰＣｏｄｅ、ＢＣｏｄｅの論理積が算出され４ビットの
変数Ｓｈｉｆｔとしてセットされる。例えば、ＰＣｏｄ
ｅ＝００１１でＢＣｏｄｅ＝０１１０のときＳｈｉｆｔ
＝００１０となる。また、ＰＣｏｄｅ＝１１００でＢＣ
ｏｄｅ＝０１１０のときＳｈｉｆｔ＝０００１となる。

【００４９】現段階にて、ビットシフト回数ＢｉｔＳｈ
ｉｆｔ＝０でなければ、ステップ２３２にてＮＯと判定
される。そして、変数Ｓｈｉｆｔが、ステップ２３２ａ
にて、１ビットだけフィルタ信号の位相進み方向へビッ
トシフトされ、ステップ２３２ｂにて、ビットシフト回
数ＢｉｔＳｈｉｆｔがＢｉｔＳｈｉｆｔ＝ＢｉｔＳｈｉ
ｆｔ−１と更新される。以後、ステップ２３２乃至２３
２ｂの処理が、ステップ２３２ｂにおけるビットシフト
回数がＢｉｔＳｈｉｆｔ＝０となるまで繰り返される。

【００５０】ステップ２３２における判定がＹＥＳとな
ったときステップ２３２ａにおける最新の変数Ｓｈｉｆ
ｔがＳｈｉｆｔ＝００１０であれば、ステップ２３４に
おける判定がＹＥＳとなる。このことは、光ビート信
号、即ち、バンドパスフィルタ７０のフィルタ信号中の
位相差Δφ成分が位相の進む方向へ動いていることを意
味する。

【００５１】従って、上記光ビート信号の位相をもとの
位相の位置まで遅らせるためには、レーザダイオード１
０の出射レーザ光の周波数を上げる必要がある。このた
め、ステップ２３４ａにて、Ｄ−Ａ変換器１３０の制御
出力（以下、制御出力ＤＡＶａｌｕｅという）がＤＡＶ
ａｌｕｅ＝ＤＡＶａｌｕｅ＋１と加算更新される。一
方、変数ＳｈｉｆｔがＳｈｉｆｔ＝０００１であれば、
上記フィルタ信号中の位相差Δφ成分がフィルタ信号の
位相の遅れ方向へ動いている。このため、ステップ２３
４でのＮＯとの判定のもと、ステップ２３５にてＹＥＳ
と判定される。そして、ステップ２３５ａにおいて、Ｄ
−Ａ変換器１３０の制御出力ＤＡＶａｌｕｅがＤＡＶａ
ｌｕｅ＝ＤＡＶａｌｕｅ−１と減算更新される。これに
より、上記光ビート信号の位相をもとの位相の位置まで
進めたこととなる。

【００５２】ついで、ステップ２３６において、ステッ
プ２３４ａ又はステップ２３５ａの処理に基づきサンプ
リングコードＰＣｏｄｅがサンプリングコードＢＣｏｄ
ｅとセットされる。このことは、後述のように、上記光
ビート信号の位相差を常に一定に固定し得ることを意味
する。以上のようなビットシフトチェックルーチン２３
０における処理の終了後、ステップ２４０（図５参照）
において、ステップ２３４ａ又は２３５ａでの制御出力
ＤＡＶａｌｕｅがデータとしてＤ−Ａ変換器１３０に出
力される。

【００５３】すると、Ｄ−Ａ変換器１３０が、基準電圧
を制御出力ＤＡＶａｌｕｅに応じて上昇側又は降下側へ
レベルシフト調整し、この調整基準電圧をレーザダイオ
ード駆動回路１４０に出力する。この場合、制御出力Ｄ
ＡＶａｌｕｅには、上記外乱が混入していないので、制
御出力ＤＡＶａｌｕｅの値は、本来の距離差ΔＬの変動
のみにより特定され得る。

【００５４】ついで、レーザダイオード駆動回路１４０
が当該調整基準電圧だけ関数発生器１２０からの鋸歯状
波電圧に加算によるレベルシフト制御してレーザダイオ
ード１０に出力する。これにより、レーザダイオード１
０の出射レーザ光の周波数が、上記調整基準電圧に応じ
て、初期の基準電圧に基づく周波数に向け制御される。
従って、干渉レーザ光中の光ビート信号の位相差Δφが
初期の値から変化しないように維持され得る。

【００５５】ステップ２５０では、光路差ΔＬが次の数
２の式に基づき算出される。

【００５６】

【数２】ΔＬ＝（Ｌｏ／λｏ）（ｄλ／ｄＶ）ｉΔＶ ここで、Ｌｏは初期距離差である。λｏはレーザ光の初
期波長である。λが現段階でのレーザダイオード１０の
レーザ光の波長である。ｉは、制御出力ＤＡＶａｌｕｅ
の変化分である。ΔＶは、Ｄ−Ａ変換器１３０からの制
御出力の量子化値である。

【００５７】なお、数２の式は、次のようにして導出さ
れている。基準電圧Ｖと波長λとの間の関係は次の数３
の式により近似的に表される。

【００５８】

【数３】λ＝（ｄλ／ｄＶ）＋λｏ この数３の式は変化分ｉを用いて次の数４の式が得られ
る。

【００５９】

【数４】Δλ＝（ｄλ／ｄＶ）ｉΔＶ この数４の式に基づきＬｏ、λｏを用いて数２の式が得
られる。しかして、上記数２の式で得られた光路差ΔＬ
が、被測定物体の変位量に対応する。

【００６０】この数２の式で得た光路差ΔＬ、即ち、被
測定物体（ハーフミラー４０に対応する）の変位量は、
上述のごとく、Ｄ−Ａ変換器１３０の制御出力には上記
外乱による誤差が混入していないため、精度のよい値と
して得られる。次に、上記第１実施形態の変形例につき
図８乃至図１０を参照して説明する。

【００６１】この変形例では、上記第１実施形態とは異
なり、バンドパスフィルタ７０からのフィルタ信号、即
ち光ビート信号の１周期のサンプリング回路９０ａによ
るサンプリング回数が６回となっている（図８参照）。
このため、本変形例では、上記第１実施形態にて述べた
コードチェックルーチン２２０及びビットシフトチェッ
クルーチン２３０が、図９及び図１０にて示すコードチ
ェックルーチン２６０及びビットシフトチェックルーチ
ン２３０Ａに変更されている。その他の構成は上記第１
実施形態と同様である。

【００６２】このように構成した本変形例では、バンド
パスフィルタ７０からのフィルタ信号に対するサンプリ
ング回路９０ａによるサンプリング回数を、上記第１実
施形態とは異なり、６回とすることで、当該フィルタ信
号をエンコーダ９０ｂにより６桁の２進数に符号化する
点を除き、コードチェックルーチン２６０及びビットシ
フトチェックルーチン２３０Ａの処理が、上記第１実施
形態にて述べたコードチェックルーチン２２０及びビッ
トシフトチェックルーチン２３０と実質的に同様になさ
れる。

【００６３】これにより、レーザ干渉計におけるレーザ
光の光路中への塵や泡等の外乱の侵入がない場合には、
上記第１実施形態と同様に光ビート信号の位相差を変動
しないように維持し得る。また、レーザ光の光路中への
塵や泡等の外乱の侵入がある場合には、この侵入による
位相差Δφの変動を、上記第１実施形態よりもきめ細か
く判定することとなる。その結果、上記第１実施形態の
作用効果を、光ビート信号の１周期に亘り、よりきめ細
かく達成できる。

【００６４】なお、上記第１実施形態においては、フイ
ゾー型レーザ干渉計に本発明を適用して例について説明
したが、これに限ることなく、マイケルソン型、マッハ
−ツエンダー型、トライマン−グリーン型等の干渉計や
ヘテロダイン干渉法を用いた干渉計に対し、フェーズロ
ック法を導入することを前提に、本発明を適用して実施
してもよい。

【００６５】また、上記第１実施形態において、レーザ
ダイオード駆動回路１４０の駆動電圧は、鋸歯状波状電
圧に限ることなく、レーザダイオード１０のレーザ光に
干渉による光ビート信号を発生させ得る電圧であればよ
い。また、上記第１実施形態において、レーザダイオー
ド１０は、一般に単一モードの半導体レーザであればよ
い。

【００６６】また、上記第１実施形態では、レーザ光を
用いた例について説明したが、これに限らず、一般に、
干渉性を有する光、即ち、可干渉光を用いても実施して
もよい。図１１乃至１３は、本発明の第２実施形態を示
している。この第２実施形態においては、超音波を用い
る変位量計が、上記第１実施形態にて述べたレーザ干渉
計に代えて、図１１にて示すごとく、採用されている。

【００６７】この変位量計は、超音波素子２６０を備え
ており、この超音波素子２６０は、超音波素子駆動回路
２８０により駆動されて、交流波形にて超音波を反射板
２７０に向けて送信する。また、この超音波素子２６０
は、反射板２７０からの反射超音波を受信して受信信号
（図１２（ｂ）参照）を発生する。超音波素子駆動回路
２８０は、タイミングコントローラ２９０からの各タイ
ミング信号に順次応答して、所定周波数（例えば、２０
０ｋＨｚ）にて矩形波状の駆動信号（図１２（ａ）参
照）を超音波素子２６０に出力する。これにより、超音
波素子２６０は、超音波を送信するように超音波素子駆
動回路２８０からの各駆動信号により駆動される。な
お、超音波素子駆動回路２８０は、６個の駆動信号を、
所定時間間隔毎に出力するようになっており、当該所定
時間間隔は、超音波素子２６０が反射板２７０の反射超
音波を受信するに要する時間に相当する。

【００６８】タイミングコントローラ２９０は、上記第
１実施形態にて述べたマイクロコンピュータ１００によ
る制御のもと、タイミング信号を順次超音波素子駆動回
路２８０に出力するとともに、サンプリング回路９０Ａ
から後述のように生ずるサンプリング信号のうち最初の
信号部分をマスクするマスク信号を出力する。なお、こ
のマスク信号は、超音波素子２６０から送信超音波を直
接受信したときに生ずる受信信号をもマスクする。

【００６９】上記第１実施形態にて述べたゼロクロス回
路８０は、バンドパスフィルタ７０からのフィルタ信号
の零レベルに代えて、超音波素子２６０の受信信号の零
レベルを基準として、当該受信のレベルが正のときハイ
レベルと判定し、逆に受信信号のレベルが負のときロー
レベルと判定する。このことは、ゼロクロス回路８０
は、その判定結果に基づき、超音波素子２６０の受信信
号をディジタル化してゼロクロス信号（図１２（ｃ）参
照）を発生することを意味する。

【００７０】サンプリング回路９０Ａは、上記第１実施
形態にて述べたサンプリング回路９０ａと同様に、ゼロ
クロス回路８０のゼロクロス信号をサンプリングしサン
プリング信号（図１２（ｅ）参照）を出力する。上記第
１実施形態にて述べたエンコーダ９０ｂは、タイミング
コントローラ２９０からのマスク信号によりマスクされ
ないサンプリング回路９０Ａからのサンプリング信号の
信号部分をエンコードして符号化し、これをコード信号
（例えば、図１２（ｆ）参照）として発生し、マイクロ
コンピュータ１００に出力する。

【００７１】マイクロコンピュータ１００は、コンピュ
ータプログラムを図５のフローチャートに代えて、図１
３にて示すフローチャートに従い実行し、この実行中に
おいて、エンコーダ９０ｂの出力に基づき反射板２７０
の変位量ΔＬ（上記第１実施形態にて述べた光路差ΔＬ
に相当する）の演算処理等を行う。Ｄ−Ａ変換器１３０
Ａは、マイクロコンピュータ１００の制御データをアナ
ログ電圧に変換して、電圧−周波数変換器（以下、Ｖ−
Ｆ変換器１３０Ｂという）に出力する。

【００７２】Ｖ−Ｆ変換器１３０Ｂは、Ｄ−Ａ変換器８
０Ａからのアナログ電圧をこれに比例する周波数に変換
し超音波素子駆動回路２８０に出力する。これにより、
超音波素子駆動回路２８０は、受信超音波の位相の変化
を無くするように、Ｖ−Ｆ変換器１３０Ｂの出力により
制御される。その他の構成は上記第１実施形態と同様で
ある。

【００７３】このように構成した本第２実施形態におい
て、マイクロコンピュータ１００が図１３のフローチャ
ートに従いコンピュータプログラムの実行を開始する
と、ステップ２００において、マイクロコンピュータ１
００の内部が初期化される。ついで、ステップ２０１に
おいて、計測開始指令がタイミングコントローラ２９０
に出力される。すると、超音波素子駆動回路２８０がタ
イミングコントローラ２９０からのタイミング信号を受
けて駆動信号を超音波素子２６０に出力する。

【００７４】これに伴い、超音波素子２６０が超音波を
反射板２７０に向けて送信する。そして、この反射板２
７０が当該超音波を反射すると、この反射超音波が超音
波素子２６０により受信されて受信信号として出力され
る。すると、ゼロクロス回路８０が、上記第１実施形態
と同様に、超音波素子２６０の受信信号に基づきゼロク
ロス信号を発生し、エンコーダ９０ｂが、上記第１実施
形態にて述べたサンプリング回路９０ａに代えて、サン
プリング回路９０Ａからのサンプリング信号を（１／
４）波長毎にエンコードして符号化して符号化信号をス
テップ２１０にてマイクロコンピュータ１００に出力す
る。

【００７５】これに伴い、マイクロコンピュータ１００
は、上記第１実施形態にて述べたと同様にコードチェッ
クルーチン２２０（図６参照）及びビットシフトチェッ
クルーチン２３０（図７参照）の処理を行う。これによ
り、本第２実施形態のように、レーザ光に代えて、超音
波を用いれば、光干渉現象に依存することなく、上記第
１実施形態にて述べたコードチェックルーチン２２０及
びビットシフトチェックルーチン２３０の各処理のもと
に達成される作用効果と同様の作用効果を達成できる。

【００７６】ビットシフトチェックルーチン２３０が終
了すると、ステップ２５０において、変位量ΔＬが演算
される。なお、上記第２実施形態においては、超音波に
限ることなく、例えば、可聴周波数の音波を用いても、
上述と同様の作用効果を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明に係るレーザ干渉計の第１実
施形態を示す概略構成図、（ｂ）は、（ａ）の部分拡大
図である。

【図２】（ａ）は、図１の関数発生器１２０の出力波形
を示す図であり、（ｂ）は、レーザダイオード駆動回路
１４０における基準電圧の波形を示す図であり、（ｃ）
は、レーザダイオード駆動回路１４０の出力である駆動
電圧の波形を示す図である。

【図３】（ａ）は、図１のハーフミラー４０からの参照
光及びミラー５０からの物体光の各波形を示す図であ
り、（ｂ）は、図１のバンドパスフィルタ７０の出力波
形を示す図であり、（ｃ）は、ゼロクロス回路８０の出
力波形を示す図であり、（ｄ）は、エンコーダ９０のコ
ード出力のコード化データを示す図である。

【図４】バンドパスフィルタ７０の出力とエンコーダ９
０のコード出力との関係を説明する図表である。

【図５】図１のマイクロコンピュータの作用を示すフロ
ーチャートである。

【図６】図５のコードチェックルーチンの詳細を示すフ
ローチャートである。

【図７】図５のビットシフトチェックルーチンの詳細を
示すフローチャートである。

【図８】上記変形例においてバンドパスフィルタの出力
とエンコーダのコード出力との関係を説明する図表であ
る。

【図９】上記実施形態の変形例においてコードチェック
ルーチンの詳細を示すフローチャートである。

【図１０】上記変形例においてビットシフトチェックル
ーチンの詳細を示すフローチャートである。

【図１１】本発明の第２実施形態を示すブロック図であ
る。

【図１２】図１１の主要な構成素子の出力波形を示すタ
イミングチャートである。

【図１３】図１１のマイクロコンピュータの作用を示す
フローチャートである。

【図１４】従来のレーザ干渉計の概略構成を示す図であ
る。

【図１５】（ａ）は、ハーフミラー４及びミラー５の各
反射レーザ光の波形を示す図であり、（ｂ）は、ハーフ
ミラー４における参照光と物体光との干渉波形を示す図
である。

【図１６】（ａ）はレーザダイオード駆動回路の出力波
形を示す図であり、（ｂ）は、ビート信号の波形図であ
り、（ｃ）は、外乱により乱れた波形を示す図であり、
（ｄ）は、誤判定に基づく誤ったフィードバック量に応
じたビート信号の波形を示す図である。

【符号の号の説明】

１０…レーザダイオード、２０…コリメータレンズ、３
０…ビームスプリッタ、４０…ハーフミラー、５０…ミ
ラー、６０…フォトデテクタ、７０…バンドパスフィル
タ、８０…ゼロクロス回路、９０ａ…サンプリング回
路、９０Ａ…サンプリング回路、９０ｂ…エンコーダ、
１００…マイクロコンピュータ、１１０、２９０…タイ
ミングコントローラ、１２０…関数発生器、１３０、１
３０Ａ…Ｄ−Ａ変換器、１３０Ｂ…Ｆ−Ｖ変換器、１４
０…レーザダイオード駆動回路、２６０…超音波素子、
２７０…反射板、２８０…超音波素子駆動回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉本 雅裕 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 横山 敦子 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可干渉光の光路中に置かれた被測定物体
   （５０）がその変位量に応じて前記可干渉光を物体光と
   して反射したとき、この物体光を、前記可干渉光に基づ
   き形成される参照光と干渉させて干渉信号を形成し、こ
   の干渉信号に含まれる前記変位量に応じた信号成分の位
   相差を一定とするように前記可干渉光の出力を制御し
   て、この制御出力に基づき前記変位量を測定する変位量
   測定方法において、 前記信号成分をサンプリングしてサンプリングデータを
   形成し、 このサンプリングデータに基づき前記信号成分を符号化
   データに変換し、 この符号化データが所定の符号化データを表す基準デー
   タと同じである場合に、前記可干渉光の出力の制御を、
   前記信号成分に代えて、前記符号化データに基づき行う
   ようにしたことを特徴とする変位量測定方法。
2. 【請求項２】 前記符号化データが前記基準データと異
   なる場合には、前記可干渉光の出力の制御を禁止するこ
   とを特徴とする請求項１に記載の変位量測定方法。
3. 【請求項３】 可干渉光の光路中に置かれた被測定物体
   （５０）がその変位量に応じて前記可干渉光を物体光と
   して反射したとき、この物体光を、前記可干渉光に基づ
   き形成される参照光と干渉させて干渉信号を形成し、こ
   の干渉信号に含まれる前記変位量に応じた信号成分の位
   相差を一定とするように前記可干渉光の出力を制御し
   て、この制御出力に基づき前記変位量を測定する変位量
   計において、 前記信号成分をサンプリングしてサンプリングデータを
   形成するサンプリング手段（８０、９０ａ）と、 このサンプリング手段のサンプリングデータに基づき前
   記信号成分を符号化データに変換する符号化データ変換
   手段（９０ｂ）とを備えて、 前記符号化データが所定の符号化データを表す基準デー
   タと同じである場合に、前記可干渉光の出力の制御を、
   前記信号成分に代えて、前記符号化データに基づき行う
   ようにしたことを特徴とする変位量計。
4. 【請求項４】 前記符号化データが前記基準データと異
   なる場合に、前記可干渉光の出力の制御を禁止する制御
   禁止手段（２２１乃至２２５）を備えることを特徴とす
   る請求項３に記載の変位量計。
5. 【請求項５】 レーザ光を出射する半導体レーザ（１
   ０）と、 前記レーザ光の周波数が変化するように制御出力に応じ
   て前記半導体レーザを駆動する駆動手段（１１０、１２
   ０、１４０）と、 前記レーザ光の光路中に置かれた被測定物体（５０）か
   ら当該レーザ光に基づき生ずる物体光を、前記レーザ光
   に基づき形成される参照光とヘテロダイン干渉させて、
   前記被測定物体の変位量に応じた光ビート信号を含む干
   渉光を形成する干渉光形成手段（２０乃至４０）と、 前記干渉光を受光して受光信号を発生する受光手段（６
   ０）と、 前記制御出力が前記光ビート信号の位相差をなくするよ
   うな値となるように前記受光信号に基づき前記駆動手段
   をフィードバック制御するフィードバック制御手段（１
   ００、１３０）と、 前記受光信号に基づき前記被測定物体の変位量を測定す
   る変位量計であって、 前記受光信号中の前記光ビート信号に相当するビート信
   号成分をサンプリングするサンプリング手段（８０、９
   ０ａ）と、 このサンプリング手段のサンプリング出力に基づき前記
   ビート信号成分をコードデータに変換する変換手段（９
   ０ｂ）と、 前記変換コードデータが前記所定コードデータと異なる
   とき前記フィードバック制御手段のフィードバック制御
   を禁止する制御禁止手段（２２１乃至２２５）とを備
   え、 前記フィードバック制御手段が、そのフィードバック制
   御を、前記禁止制御手段による非禁止状態にて、前記受
   光信号に代えて、前記サンプリングデータに基づき行う
   ことを特徴とする変位量計。
6. 【請求項６】 送信音波の伝搬路中に置かれた被測定物
   体（２７０）がその変位量に応じて前記送信音波を反射
   したとき、この反射音波を受信して受信信号を形成し、
   この受信信号に含まれる前記変位量に応じた信号成分の
   位相差を一定とするように前記送信音波の出力を制御し
   て、この制御出力に基づき前記変位量を測定する変位量
   測定方法において、 前記信号成分をサンプリングしてサンプリングデータを
   形成し、 このサンプリングデータに基づき前記信号成分を符号化
   データに変換し、 この符号化データが所定の符号化データを表す基準デー
   タと同じである場合に、前記送信音波の出力の制御を、
   前記信号成分に代えて、前記符号化データに基づき行う
   ようにしたことを特徴とする変位量測定方法。
7. 【請求項７】 前記符号化データが前記基準データと異
   なる場合には、前記送信音波の出力の制御を禁止するこ
   とを特徴とする請求項６に記載の変位量測定方法。
8. 【請求項８】 送信音波の伝搬路中に置かれた被測定物
   体（２７０）がその変位量に応じて前記送信音波を反射
   したとき、この反射音波を受信して受信信号を形成し、
   この受信信号に含まれる前記変位量に応じた信号成分の
   位相差を一定とするように前記送信音波の出力を制御し
   て、この制御出力に基づき前記変位量を測定する変位量
   計において、 前記信号成分をサンプリングしてサンプリングデータを
   形成するサンプリング手段（８０、９０Ａ）と、 このサンプリング手段のサンプリングデータに基づき前
   記信号成分を符号化データに変換する符号化データ変換
   手段（９０ｂ）とを備えて、 前記符号化データが所定の符号化データを表す基準デー
   タと同じである場合に、前記送信音波の出力の制御を、
   前記信号成分に代えて、前記符号化データに基づき行う
   ようにしたことを特徴とする変位量計。
9. 【請求項９】 前記符号化データが前記基準データと異
   なる場合に、前記送信音波の出力の制御を禁止する制御
   禁止手段（２２１乃至２２５）を備えることを特徴とす
   る請求項８に記載の変位量計。
10. 【請求項１０】 超音波をその伝搬路中に置かれた被測
    定物体（２７０）に向けて送信する超音波素子であって
    前記被測定物体によりその変位量に応じて反射される反
    射超音波を受信して受信信号を発生する超音波素子（２
    ６０）と、 前記超音波の周波数が変化するように制御出力に応じて
    前記超音波素子を駆動する駆動手段（２８０、２９０）
    と、 前記制御出力が前記受信信号に含まれる前記変位量に応
    じた信号成分の位相差をなくするような値となるように
    前記受光信号に基づき前記駆動手段をフィードバック制
    御するフィードバック制御手段（１００、１３０Ａ）
    と、 前記受光信号に基づき前記被測定物体の変位量を測定す
    る変位量計であって、 前記信号成分をサンプリングするサンプリング手段（８
    ０、９０Ａ）と、 このサンプリング手段のサンプリング出力に基づき前記
    信号成分をコードデータに変換する変換手段（９０ｂ）
    と、 前記変換コードデータが前記所定コードデータと異なる
    とき前記フィードバック制御手段のフィードバック制御
    を禁止する制御禁止手段（２２１乃至２２５）とを備
    え、 前記フィードバック制御手段が、そのフィードバック制
    御を、前記禁止制御手段による非禁止状態にて、前記受
    信信号に代えて、前記サンプリングデータに基づき行う
    ことを特徴とする変位量計。