(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定配設された回転中心の回りを回動するように配置されたキャリッジ上に設けられたレーザ干渉計から、被測定体であるレトロリフレクタに向けてレーザビームを照射し、レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用してレトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビームの光軸の位置の変化として検出される、レーザビームの照射方向と直交する方向の追尾偏差を用いてトラッキングを行なうように、キャリッジの回動を制御する追尾式レーザ干渉計において、
キャリッジの相対角変位Θａに変換係数Ｋｍのノミナル値Ｋｍｎを乗じた信号と追尾偏差ΔＬｆを加算して、レトロリフレクタの変位の推定値Ｌｃ*を算出する手段と、
レトロリフレクタの変位の推定値Ｌｃ*に０＜Ｋｆ＜１なる補償ゲインＫｆを乗じ、更
にこれを微分してキャリッジの目標速度の補償信号Ｖｆを生成する手段と、
追尾偏差ΔＬｆに追尾制御系のゲインＫｐを乗じた信号に、補償信号Ｖｆを加算してキャリッジの目標速度Ｖａｒを生成する手段とを持つサーボ機構を備えたことを特徴とする追尾式レーザ干渉計。
【請求項２】
前記レトロリフレクタの変位の推定値Ｌｃ*を算出する手段が、前記キャリッジの相対
角変位Θａに変換係数Ｋｍのノミナル値Ｋｍｎを乗じるための乗算器と、該乗算器の出力信号と前記追尾偏差ΔＬｆを加算する加算器を含むことを特徴とする請求項１に記載の追尾式レーザ干渉計。
【請求項３】
前記キャリッジの目標速度の補償信号Ｖｆを生成する手段が、前記レトロリフレクタの変位の推定値Ｌｃ*に０＜Ｋｆ＜１なる補償ゲインＫｆを乗じるための乗算器と、更にこ
れを微分する微分器を含むことを特徴とする請求項１に記載の追尾式レーザ干渉計。
【請求項４】
前記キャリッジの目標速度Ｖａｒを生成する手段が、前記追尾偏差ΔＬｆに追尾制御系のゲインＫｐを乗じた信号に、補償信号Ｖｆを加算する加算器を含むことを特徴とする請求項１に記載の追尾式レーザ干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体を追尾しながら、その移動体の変位や位置を高精度に測定するための追尾式レーザ干渉計に係り、特に、追尾速度の高速化を実現するサーボ機構を備えた追尾式レーザ干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体を追尾しながら、その移動体の変位や位置を高精度に測定するための追尾式レーザ干渉計が、特許文献１や２に記載されている。
【０００３】
以下、特許文献１に従って、追尾式レーザ干渉計の構成と原理を説明する。なお、特許文献２に示された構成と原理も、特許文献１と類似のものである。
【０００４】
特許文献１に示された光学系の配置を図１に示す。移動する測定対象にレトロリフレクタ１０を取り付け、固定配設された回転中心となる基準球２０の回りを回動するようにキャリッジ２２を配置する。キャリッジ２２上には、レトロリフレクタ１０の変位に応じた変位信号を出力するレーザ干渉計２４が設けられている。更に、レーザ干渉計２４には、レトロリフレクタ１０からレーザ干渉計２４に戻ってくるレーザビーム（測定光と称する）が、その光軸と直交する方向にずれた時、そのずれ量（追尾偏差と称する）に応じて位置信号を出力する位置検出器（図示省略）を備えている。レトロリフレクタ１０が移動する場合には、追尾偏差が０になるように制御装置（図示省略）が、キャリッジ２２の回動を制御して自動追尾を行なう。これにより、３辺測長の原理を用いて、レトロリフレクタ１０の３次元座標値を求めることができる。図１において、２６、２８は、基準球２０に対するキャリッジ２２の測定光方向の変位を検出するための変位計である。
【０００５】
追尾制御系の原理について、ブロック線図を用いて表わすと図２のようになる。図２に使用する記号は次のとおりである。
【０００６】
Ｌｃ：レトロリフレクタ１０の変位（ｍ）
Ｌａ：レトロリフレクタ１０の追尾変位（ｍ）（レーザ光路とレトロリフレクタ１０の交点を照射部としたときに、キャリッジ２２が角変位Θａ回動したときに生じる照射部の変位（ｍ）を追尾変位とする）
Θａ：追尾変位Ｌａが零の場合のキャリッジ２２の角変位に対する相対角変位（ｒａｄ）
ΔＬ：従来技術の追尾偏差（ｍ）（レトロリフレクタ１０の変位Ｌｃと追尾変位Ｌａの差）
Ｋｐ：追尾制御系のゲイン（ｓ−１）
Ｖａｒ：キャリッジ２２の目標速度（ｍ／ｓ）
ｄΘａｒ／ｄｔ：キャリッジ２２の目標角速度（ｒａｄ／ｓ）
Ｄ：レーザ干渉計２４により測定される、レーザ干渉計２４とレトロリフレクタ１０までの距離（ｍ）
Ｋｍ：キャリッジ２２の角変位Θａをレトロリフレクタ１０の追尾変位Ｌａに変換する変換係数１（ｍ／ｒａｄ）
Ｋｒｎ：追尾制御系に設定するパラメータであり、レトロリフレクタ１０の追尾変位Ｌａをキャリッジ２２の角変位Θａに変換する変換係数２（ｒａｄ／ｍ）（Ｋｒｎ＝１／（ＤｓｉｎΘａ）と設定）
Ｇｖｒ：キャリッジ回動速度の制御装置の特性
Ｇｍｅｃｈ：キャリッジ２２の回動機構部の特性
【０００７】
ここで、キャリッジの回動機構部の特性Ｇｍｅｃｈは、通常、次式のように表わされる。
【０００８】
Ｇｍｅｃｈ＝ωｎ２／（ｓ２＋２ζωｎｓ＋ωｎ２）      …（１）
【０００９】
ωｎ及びζは、それぞれ機構部の特性Ｇｍｅｃｈが持つ振動モードの固有角周波数（ｒａｄ／ｓ）及び減衰比である。
【００１０】
図において、３０は加算器、３２は変換係数２（Ｋｒｎ）の変換器、３４は変換係数１（Ｋｍ）の変換器である。
【００１１】
なお、図２において、追尾偏差ΔＬは、位置検出器によって観測することができるが、レトロリフレクタ１０の変位Ｌｃ及びレトロリフレクタ１０の追尾変位Ｌａの信号は観測することができない（該当する信号を破線で示す）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−５７５２２号公報
【特許文献２】特開２００２−９８５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１や２に記載された従来技術では、次のような問題があった。
【００１４】
（１）移動体に取り付けられたレトロリフレクタ１０の移動速度が高速になるに従い、追尾偏差ΔＬが増大し、追尾偏差を検出する位置検出器の検出範囲を超えると、正常な追尾制御を行なうことができなくなる。
【００１５】
（２）追尾偏差ΔＬを低減するためには、追尾制御系のゲインＫｐを高める必要があるが、追尾制御系内にある機構部の振動モードのためにゲインを高めるには制約があり、追尾速度の高速化に問題がある。
【００１６】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、追尾制御系のゲインに依存しない追尾偏差を低減するサーボ機構を提供して、追尾式レーザ干渉計の追尾速度を高速化することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、固定配設された回転中心の回りを回動するように配置されたキャリッジ上に設けられたレーザ干渉計から、被測定体であるレトロリフレクタに向けてレーザビームを照射し、レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用してレトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビームの光軸の位置の変化として検出される、レーザビームの照射方向と直交する方向の追尾偏差を用いてトラッキングを行なうように、キャリッジの回動を制御する追尾式レーザ干渉計において、キャリッジの相対角変位Θａに変換係数Ｋｍのノミナル値Ｋｍｎを乗じた信号と追尾偏差ΔＬｆを加算して、レトロリフレクタの変位の推定値Ｌｃ*を算出する手段と、レトロリフレクタの変位の推定値Ｌｃ*に０＜Ｋｆ＜１なる補償ゲインＫｆを乗じ、更にこれを微分してキャリッジの目標速度の補償信号Ｖｆを生成する手段と、追尾偏差ΔＬｆに追尾制御系のゲインＫｐを乗じた信号に、補償信号Ｖｆを加算してキャリッジの目標速度Ｖａｒを生成する手段とを持つサーボ機構を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１８】
ここで、前記レトロリフレクタの変位の推定値Ｌｃ*を算出する手段が、前記キャリッジの相対角変位Θａに変換係数Ｋｍのノミナル値Ｋｍｎを乗じるための乗算器（あるいは定倍器）と、該乗算器の出力信号と前記追尾偏差ΔＬｆを加算する加算器を含むことができる。
【００１９】
又、前記キャリッジの目標速度の補償信号Ｖｆを生成する手段が、前記レトロリフレクタの変位の推定値Ｌｃ*に０＜Ｋｆ＜１なる補償ゲインＫｆを乗じるための乗算器（あるいは定倍器）と、更にこれを微分する微分器を含むことができる。
【００２０】
又、前記キャリッジの目標速度Ｖａｒを生成する手段が、前記追尾偏差ΔＬｆに追尾制御系のゲインＫｐを乗じた信号に、補償信号Ｖｆを加算する加算器を含むことができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、追尾制御系のゲインに依存しない追尾偏差を低減するサーボ機構を提供して、追尾式レーザ干渉計の追尾速度を高速化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】特許文献１で出願人が提案した光学系の配置を示す図
【図２】図１の追尾制御系のブロック線図
【図３】本発明の第１実施形態の追尾制御系のブロック線図
【図４】同じく第２実施形態の追尾制御系のブロック線図
【図５】本発明の効果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
本発明の第１実施形態は、図２に示した従来のサーボ機構に対して、図３に示す如く、キャリッジ２２の相対角変位Θａに変換係数Ｋｍのノミナル値Ｋｍｎを乗じるための乗算器（あるいは定倍器）４０と、該乗算器４０の出力信号と加算器３０から出力される追尾偏差ΔＬｆを加算して、レトロリフレクタ１０の変位の推定値Ｌｃ*を算出するための加算器４２と、算出されたレトロリフレクタ１０の変位の推定値Ｌｃ*に０＜Ｋ＜１なる補償ゲインＫｆを乗じるための乗算器（あるいは定倍器）４４と、更にこれを微分してキャリッジ２２の目標速度の補償信号Ｖｆを生成する微分器４６と、追尾偏差ΔＬｆに追尾制御系のゲインＫｐを乗じた信号に、補償信号Ｖｆを加算してキャリッジ２２の目標速度Ｖａｒを生成するための加算器４８とを付加したものである。
【００２８】
図３で新たに定義した記号を次に示す。
【００２９】
ΔＬｆ：本願発明のサーボ機構を適用した場合の追尾偏差（ｍ）
Ｋｍｎ：変換係数１（Ｋｍ）のノミナル値（Ｋｍｎ＝１／Ｋｒｎ＝ＤｓｉｎΘａと設定）
Ｌｃ*：レトロリフレクタ１０の変位の推定値（ｍ）
Ｋｆ：追尾偏差ΔＬｆを補償する補償ゲイン（０＜Ｋ＜１）
Ｖｆ：キャリッジ２２の目標速度の補償信号
【００３０】
この第１実施形態における追尾偏差ΔＬｆに関して、次式が成り立つ。
【００３１】
Ｌｃ*＝ΔＬｆ＋ＫｍｎΘａ                           …（２）
ｄΘａｒ／ｄｔ＝Ｋｒｎ（ＫｐΔＬｆ＋ＫｆＬｃ*ｓ）      …（３）
Θａ＝（ＧｖｒＧｍｅｃｈ）／ｓ・（ｄΘａｒ／ｄｔ）      …（４）
ΔＬｆ＝ΔＬｃ−ＫｍΘａ                           …（５）
【００３２】
これより追尾偏差ΔＬｆは、次のようになる。
【００３３】
【数１】
0005635741.tif 000002
【００３４】
更に、レトロリフレクタ１０が一定速度で移動する場合の追尾偏差ΔＬｆは、（６）式においてΔＬｃを
ΔＬｃ＝Ｖ／ｓ２          …（７）
のようにおいて、制御工学におけるラプラス変換の最終値の定理を用いて、次のように求めることができる。
【００３５】
【数２】
0005635741.tif 000003
【００３６】
ここで、Ｇｍｅｃｈは（１）式により表わされることを考慮すると、ΔＬｆは、次式のようになる。
【００３７】
【数３】
0005635741.tif 000004
【００３８】
一方、図２に示した従来技術における追尾偏差ΔＬは、（９）式において、Ｋｆ＝０とおいて、次のように求めることができる。
【００３９】
ΔＬ＝１／（ＫｐＫｍＫｒｎＧｖｒ）・Ｖ          …（１０）
【００４０】
（９）式と（１０）式から、ΔＬｆとΔＬの関係は、次のようになる。
【００４１】
ΔＬｆ＝（１−ＫｆＫｍｎＫｒｎＧｖｒ）ΔＬ        …（１１）
【００４２】
ここで、前記のように次の関係がある。
【００４３】
Ｋｍｎ＝１／Ｋｒｎ                            …（１２）
【００４４】
又、通常、キャリッジ２２の回動速度を制御する制御装置の特性Ｇｖｒの応答は、他の要素の応答と比較して充分に速く、Ｇｖｒ≒１と考えることができる。これらのことから、（１１）式は、次のように近似することができる。
【００４５】
ΔＬｆ≒（１−Ｋｆ）ΔＬ                      …（１３）
【００４６】
補償ゲインＫｆは、前記のように０＜Ｋｆ＜１であるから、（１−Ｋｆ）＜１となり、本願発明は、従来技術の追尾偏差を（１−Ｋｆ）倍に低減する効果がある。
【００４７】
第１実施形態に対して、追尾制御系内の回動機構部の特性Ｇｍｅｃｈが持つ振動モードを抑制するための制振補償器５０を付加した第２実施形態を図４に示す。図４で新たに定義した記号は次のとおりである。
【００４８】
Ｇｃ：追尾制御系内のキャリッジ２２の回動機構部の特性Ｇｍｅｃｈが持つ振動モードを抑制するための制振補償器
【００４９】
前記制振補償器５０としては、ローパスフィルタあるいは位相進み遅れ特性を持つ補償器を用いることができる。ローパスフィルタの例を（１４）（１５）式に、位相進み遅れ特性を持つ補償器の例を（１６）（１７）式に示す。
【００５０】
【数４】
0005635741.tif 000005
【００５１】
ここで、Ｔｃはローパスフィルタの時定数（time constant）、Ｔｚは位相進み遅れ特性を持つ補償器の零点（zero）を指定する時定数（time constant）、Ｔｐは位相進み遅れ特性を持つ補償器の極（pole）を指定する時定数（time constant）である。
【００５２】
以下、第１実施形態及び第２実施形態の具体的な効果について、シミュレーション結果を示す。キャリッジ２２の回動機構部の特性Ｇｍｅｃｈは（１）式によって表わされるものとし、振動モードの固有角周波数（ｒａｄ／ｓ）及び減衰比は、それぞれωｎ＝２π×５０、ζ＝０．１とする。
【００５３】
レーザ干渉計２４とレトロリフレクタ１０までの距離をＤ＝１ｍとして、レトロリフレクタ１０が一定速度Ｖ＝０．５ｍ／ｓで移動する場合の追尾偏差ΔＬｆのシミュレーション結果を図５に示す。
【００５４】
従来技術の追尾偏差を図５中の実線Ａに示す。実線Ａは、追尾偏差が振動的挙動を示さない値として、追尾制御系のゲインをＫｐ＝５０ｓ−１と設定した場合の応答である。このときの追尾偏差はΔＬ＝１０ｍｍである。追尾制御系のゲインをＫｐ＝６７ｓ−１とした場合の結果を図５の実線Ｂに示す。実線Ｂでは、追尾偏差がΔＬ＝７．５ｍｍと低減されるが、応答が振動的になり、これ以上ゲインを高めることはできない。
【００５５】
図５の実線Ｃは、第１実施形態の場合の追尾偏差である。追尾制御系のゲインは、実線Ａの場合と同一のＫｐ＝５０ｓ−１と設定し、補償ゲインについては、Ｋｆ＝０．８と設定した場合の応答である。追尾偏差は、従来技術の場合の（１−Ｋｆ）倍、即ち０．２倍であるΔＬｆ＝２ｍｍに低減することができる。
【００５６】
図５の実線Ｄは、第２実施形態の場合の追尾偏差である。制振補償器５０として（１４）式を適用して、Ｔｃ＝１／（２π×５０）と設定した場合の応答である。実線Ｃの場合に若干生じていた振動的挙動を抑制することができる。
【００５７】
本願発明は、追尾制御系のゲインに依存しない追尾偏差を低減するサーボ機構を提供するものであることが分かる。
【符号の説明】
【００５８】
１０…レトロリフレクタ
２０…基準球
２２…キャリッジ
２４…レーザ干渉計
２６、２８…変位計
４６…微分器
５０…制振補償器
【図１】
0005635741.tif 000006
【図２】
0005635741.tif 000007
【図３】
0005635741.tif 000008
【図４】
0005635741.tif 000009
【図５】
0005635741.tif 000010