(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の位置に応じて位相が変化する複数の第一の信号と、
前記複数の第一の信号のそれぞれに、前記被測定物の位置に応じて位相が変化し前記第一の信号とは周期が異なる複数の第二の信号のそれぞれを重畳させた複数の重畳信号と、
を出力する出力手段と、
前記出力手段が前記複数の第一の信号を出力する第一の期間に前記第一の信号の位相を算出し、前記出力手段が前記複数の重畳信号を出力する第二の期間に前記第二の信号の位相を算出する位相演算器と、
前記第一の期間に前記位相演算器で算出された前記第一の信号の位相の回帰係数を算出する回帰演算器と、
前記回帰係数を用いて算出された第一の信号の位相と前記第二の期間に前記位相演算器で算出された第二の信号の位相との位相差を算出する減算器と、
前記減算器から出力された前記位相差の符号が反転する位置から前記被測定物の原点位置を求める位相差演算手段と、
前記位相差演算手段で求めた前記原点位置から前記被測定物の絶対位置を算出する絶対位置算出手段と、を有することを特徴とする絶対位置の計測装置。
【請求項２】
被測定物の位置に応じて位相が変化する複数の第一の信号と、
前記複数の第一の信号のそれぞれに、前記被測定物の位置に応じて位相が変化し前記第一の信号とは周期が異なる複数の第二の信号のそれぞれを重畳させた複数の重畳信号と、
を出力する出力手段と、
前記出力手段が前記複数の第一の信号を出力する第一の期間に前記第一の信号の位相を算出し、前記出力手段が前記複数の重畳信号を出力する第二の期間に前記第二の信号の位相を算出する位相演算器と、
前記第一の期間に前記位相演算器で算出された前記第一の信号の位相の回帰係数を算出する回帰演算器と、
前記回帰係数を用いて算出された第一の信号の位相と前記第二の期間に前記位相演算器で算出された第二の信号の位相との位相差を算出する減算器と、
前記減算器から出力された前記位相差の符号が反転する位置から前記被測定物の原点位置を求める位相差演算手段と、
前記位相差演算手段で求めた前記原点位置から前記被測定物の絶対位置を算出する絶対位置算出手段と、を有し、
前記回帰演算器は、前記位相演算器で算出された前記第一の信号の位相に、計測時刻からの経過時間に応じた指数関数的重み係数を乗じて前記回帰係数を算出することを特徴とする絶対位置の計測装置。
【請求項３】
前記出力手段にて検出された前記第一の信号及び前記重畳信号は、一つのアナログ／デジタル変換器に入力され、
前記第一の信号は、常時、前記アナログ／デジタル変換器に入力され、
前記重畳信号は、一定期間毎に、前記第一の信号に前記第二の信号を重畳することにより前記アナログ／デジタル変換器に入力され、
前記アナログ／デジタル変換器は、前記第一の信号及び前記重畳信号を時間的に交互に処理し、
前記位相演算器に入力される前記第二の信号は、前記重畳信号から、前記回帰係数を用いて算出した第一の信号を減算することにより算出されることを特徴とする請求項１又は２記載の絶対位置の計測装置。
【請求項４】
前記絶対位置の計測装置は、前記第二の信号の振幅の大きさを検出する振幅検出手段を有し、
前記第一の信号の位相と前記第二の信号の位相との位相差、及び、前記第二の信号の振幅の大きさを利用して、前記被測定物の原点位置を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の絶対位置の計測装置。
【請求項５】
前記位相差演算手段は、前記第一の信号と前記第二の信号の位相差を前記第一の信号の一周期の間で合計又は平均した値を、該第一の信号の周期毎に複数保持し、
前記合計又は平均した値のうち、隣接する周期での値の符号が反転したことを検出して被測定物の原点位置を求めることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の絶対位置の計測装置。
【請求項６】
被測定物の位置に応じて位相が変化する複数の第一の信号と、
前記複数の第一の信号のそれぞれに、前記被測定物の位置に応じて位相が変化し前記第一の信号とは周期が異なる複数の第二の信号のそれぞれを重畳させた複数の重畳信号と、
を出力する出力ステップと、
前記出力ステップにおいて前記複数の第一の信号を出力する第一の期間に前記第一の信号の位相を算出し、前記出力ステップにおいて前記複数の重畳信号を出力する第二の期間に前記第二の信号の位相を算出する位相演算ステップと、
前記第一の期間に前記位相演算ステップで算出された前記第一の信号の位相の回帰係数を算出する回帰演算ステップと、
前記回帰係数を用いて算出された第一の信号の位相と前記第二の期間に前記位相演算ステップで算出された第二の信号の位相との位相差を算出する減算ステップと、
前記減算ステップによって算出された前記位相差の符号が反転する位置から前記被測定物の原点位置を求める位相差演算ステップと、
前記位相差演算ステップで求めた前記原点位置から前記被測定物の絶対位置を算出する絶対位置算出ステップと、を有することを特徴とする絶対位置の計測方法。
【請求項７】
被測定物の位置に応じて位相が変化する複数の第一の信号と、
前記複数の第一の信号のそれぞれに、前記被測定物の位置に応じて位相が変化し前記第一の信号とは周期が異なる複数の第二の信号のそれぞれを重畳させた複数の重畳信号と、
を出力する出力ステップと、
前記出力ステップにおいて前記複数の第一の信号を出力する第一の期間に前記第一の信号の位相を算出し、前記出力ステップにおいて前記複数の重畳信号を出力する第二の期間に前記第二の信号の位相を算出する位相演算ステップと、
前記第一の期間に前記位相演算ステップで算出された前記第一の信号の位相の回帰係数を算出する回帰演算ステップと、
前記回帰係数を用いて算出された第一の信号の位相と前記第二の期間に前記位相演算ステップで算出された第二の信号の位相との位相差を算出する減算ステップと、
前記減算ステップによって算出された前記位相差の符号が反転する位置から前記被測定物の原点位置を求める位相差演算ステップと、
前記位相差演算ステップで求めた前記原点位置から前記被測定物の絶対位置を算出する絶対位置算出ステップとを有し、
前記回帰演算ステップは、前記位相演算ステップで算出された前記第一の信号の位相に、計測時刻からの経過時間に応じた指数関数的重み係数を乗じて前記回帰係数を算出することを特徴とする絶対位置の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は絶対位置の計測装置に係り、特に、エンコーダやレーザ干渉計など、位置もしくは角度の変動に伴って位相が変化する信号を出力する絶対位置の計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンコーダは、一般的に、一定のピッチで光の透過部と遮光部が設けられたスケールを透過する光量を計測するものである。また、レーザ干渉計は、一般的に、レーザ光線を二つの光束に分岐し、一方は可動部に設けられた鏡にて反射させ、他方は固定部に設けられた鏡にて反射させ、これらの干渉光の強度を計測するものである。
【０００３】
エンコーダ及びレーザ干渉計のいずれの装置においても、被測定物の位置もしくは角度の変動に従い、正弦波状の出力信号の位相が変化する。これらには、正弦波関数及び余弦波関数で近似される、位相が互いに９０°異なる二相信号を出力する計測装置や、位相が１２０°毎に異なる三相信号を出力する計測装置などが知られている。このように、エンコーダ及びレーザ干渉計は、一般的に、位相が異なる複数の信号を出力する。
【０００４】
また、エンコーダ及びレーザ干渉計に用いられる信号処理装置は、位相が異なる複数の出力信号に対して、例えばアークタンジェント演算などの処理を施すことにより、出力信号の位相を求める。このような演算処理により、被測定物の微細な位置情報を得て、出力信号の波数を求め、粗い位置信号を得る。
【０００５】
エンコーダやレーザ干渉計などの計測装置では、被測定物の粗い位置もしくは角度は、信号の波数を求めることにより計測される。しかしながら、いずれの点が原点であるか、すなわち絶対的な位置もしくは角度は、一般的なエンコーダやレーダ干渉計の出力信号からだけでは求めることができない。
【０００６】
このため、エンコーダでは、一般的に、原点信号を出力する手段が別途設けられている。特に、スケールピッチの狭いエンコーダにおいては、狭い範囲でのみ信号を出力する原点信号を形成することは困難である。
【０００７】
また、レーザ干渉計においては、原点信号を得るため、リミットスイッチなどの他の手段を用いて粗々の原点を設定する手法が採られている。しかし、干渉信号の１周期に対応する狭い範囲で再現性の高い原点信号を出力することは、技術的に困難な課題であり、仮にそれができたところで、高価な装置となる。
【０００８】
ところで、特開２００７−３３３１８号公報（特許文献１）には、原点計測可能なレーザ干渉計が開示されている。本文献では、波長と干渉性の異なる二つの光源を用いてレーザ干渉計が構成されている。また本文献には、干渉性の低い方の干渉信号が充分な強度を有し、かつ、双方の干渉信号の位相差がゼロとなった点を原点と判定するレーザ干渉計が開示されている。
【特許文献１】特開２００７−３３３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示される方法で原点を計測する装置の場合、その装置の構成が極めて複雑になる。また、干渉性の低い光源から得られる干渉信号は、一般的に大きな歪みを有する。このため、干渉信号の位相差がゼロとなる点は一点に定まらない。したがって、この方式に基づいて絶対位置の計測装置を実際に構成することは困難である。
【００１０】
本発明は、簡易な構成で信頼性の高い絶対位置の計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面としての絶対位置の計測装置は、被測定物の位置に応じて位相が変化する複数の第一の信号と、前記複数の第一の信号のそれぞれに、前記被測定物の位置に応じて位相が変化し前記第一の信号とは周期が異なる複数の第二の信号のそれぞれを重畳させた複数の重畳信号と、を出力する出力手段と、前記出力手段が前記複数の第一の信号を出力する第一の期間に前記第一の信号の位相を算出し、前記出力手段が前記複数の重畳信号を出力する第二の期間に前記第二の信号の位相を算出する位相演算器と、前記第一の期間に前記位相演算器で算出された前記第一の信号の位相の回帰係数を算出する回帰演算器と、前記回帰係数を用いて算出された第一の信号の位相と前記第二の期間に前記位相演算器で算出された第二の信号の位相との位相差を算出する減算器と、前記減算器から出力された前記位相差の符号が反転する位置から前記被測定物の原点位置を求める位相差演算手段と、前記位相差演算手段で求めた前記原点位置から前記被測定物の絶対位置を算出する絶対位置算出手段とを有する。
本発明の別の側面としての絶対位置の計測装置は、被測定物の位置に応じて位相が変化する複数の第一の信号と、前記複数の第一の信号のそれぞれに、前記被測定物の位置に応じて位相が変化し前記第一の信号とは周期が異なる複数の第二の信号のそれぞれを重畳させた複数の重畳信号と、を出力する出力手段と、前記出力手段が前記複数の第一の信号を出力する第一の期間に前記第一の信号の位相を算出し、前記出力手段が前記複数の重畳信号を出力する第二の期間に前記第二の信号の位相を算出する位相演算器と、前記第一の期間に前記位相演算器で算出された前記第一の信号の位相の回帰係数を算出する回帰演算器と、前記回帰係数を用いて算出された第一の信号の位相と前記第二の期間に前記位相演算器で算出された第二の信号の位相との位相差を算出する減算器と、前記減算器から出力された前記位相差の符号が反転する位置から前記被測定物の原点位置を求める位相差演算手段と、前記位相差演算手段で求めた前記原点位置から前記被測定物の絶対位置を算出する絶対位置算出手段と、を有し、前記回帰演算器は、前記位相演算器で算出された前記第一の信号の位相に、計測時刻からの経過時間に応じた指数関数的重み係数を乗じて前記回帰係数を算出する。
本発明の更に別の側面としての絶対値の計測方法は、被測定物の位置に応じて位相が変化する複数の第一の信号と、前記複数の第一の信号のそれぞれに、前記被測定物の位置に応じて位相が変化し前記第一の信号とは周期が異なる複数の第二の信号のそれぞれを重畳させた複数の重畳信号と、を出力する出力ステップと、前記出力ステップにおいて前記複数の第一の信号を出力する第一の期間に前記第一の信号の位相を算出し、前記出力ステップにおいて前記複数の重畳信号を出力する第二の期間に前記第二の信号の位相を算出する位相演算ステップと、前記第一の期間に前記位相演算ステップで算出された前記第一の信号の位相の回帰係数を算出する回帰演算ステップと、前記回帰係数を用いて算出された第一の信号の位相と前記第二の期間に前記位相演算ステップで算出された第二の信号の位相との位相差を算出する減算ステップと、前記減算ステップによって算出された前記位相差の符号が反転する位置から前記被測定物の原点位置を求める位相差演算ステップと、前記位相差演算ステップで求めた前記原点位置から前記被測定物の絶対位置を算出する絶対位置算出ステップと、を有する。
本発明の更に別の側面としての絶対値の計測方法は、被測定物の位置に応じて位相が変化する複数の第一の信号と、前記複数の第一の信号のそれぞれに、前記被測定物の位置に応じて位相が変化し前記第一の信号とは周期が異なる複数の第二の信号のそれぞれを重畳させた複数の重畳信号と、を出力する出力ステップと、前記出力ステップにおいて前記複数の第一の信号を出力する第一の期間に前記第一の信号の位相を算出し、前記出力ステップにおいて前記複数の重畳信号を出力する第二の期間に前記第二の信号の位相を算出する位相演算ステップと、前記第一の期間に前記位相演算ステップで算出された前記第一の信号の位相の回帰係数を算出する回帰演算ステップと、前記回帰係数を用いて算出された第一の信号の位相と前記第二の期間に前記位相演算ステップで算出された第二の信号の位相との位相差を算出する減算ステップと、前記減算ステップによって算出された前記位相差の符号が反転する位置から前記被測定物の原点位置を求める位相差演算ステップと、前記位相差演算ステップで求めた前記原点位置から前記被測定物の絶対位置を算出する絶対位置算出ステップとを有し、前記回帰演算ステップは、前記位相演算ステップで算出された前記第一の信号の位相に、計測時刻からの経過時間に応じた指数関数的重み係数を乗じて前記回帰係数を算出する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡易な構成で信頼性の高い絶対位置の計測装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
本実施例における絶対位置の計測装置は、位置又は角度の変化に対応して位相が変化する二つの信号の組を用いる。それぞれの信号の組は、従来のエンコーダ又はレーザ干渉計と同様の二相信号、又は、三相信号からなる。二つの信号の組は、位置又は角度の変化に対する位相の変化速度すなわち周期がわずかに異なる。また、第二の信号は、被測定物の原点付近で振幅が大きく、原点から離れるに従い振幅が減少する。
【００１５】
このような計測装置の基本的なハード構成部分は、公知の技術を用いて容易に構成される。例えば、光学式のエンコーダであれば、ピッチがわずかに異なる二つのスケールを用いることにより達成される。第二のスケールは、原点付近において正常な開口を有する一方、原点から離れるに従い開口度又は幅を縮小することにより所望の信号が出力される。
【００１６】
レーザ干渉計においては、波長のわずかに異なる二つの光源を用い、第二の光源に干渉性の低い低可干渉性の光源を選択すればよい。
（エンコーダ２００の構成）
本発明の計測装置の一例として用いられるエンコーダについて、図４を参照しながら説明する。図４は、エンコーダの構成の概略図である。
【００１７】
エンコーダ２００は、光学式のリニアエンコーダであり、直線的な機械変位量を測定するものである。エンコーダ２００は、可動スケール９０、固定スケール１２０、発光素子（発光ダイオード）１４０−１、１４０−２、及び、受光素子（フォトダイオード）１５０からなる。
【００１８】
可動スケール９０は被測定物とともに直線的に移動可能に構成されている。一方、固定スケール１２０は固定されている。エンコーダ２００は、発光素子１４０−１、１４０−２と受光素子１５０の間に可動スケール９０及び固定スケール１２０を配置した構成となっている。
【００１９】
可動スケール９０には、移動した距離を計測するために、一定幅のスリット１００が設けられている。また、可動スケール９０には、被測定物の原点を計測するために、原点付近で幅が拡大するスリット１１０が設けられている。
【００２０】
固定スケール１２０は、可動スケール９０に対向して配置されており、同一ピッチの固定スリット１３０を有する。固定スケール１２０の右半分と左半分は、位相が９０°異なる位置、すなわちスケールピッチの１／４だけ異なる位置に開口が設けられている。固定スケール１２０の裏面、すなわち可動スケール９０が配置されている側の面とは反対の面には、受光素子１５０が設けられている。受光素子１５０は、固定スケールの右半分と左半分の位置に対応する、二つの受光部を有し、それぞれＡ相信号およびＢ相信号を出力する。
【００２１】
可動スケール９０の裏面、すなわち固定スケール１２０が配置されている側の面とは反対の面には、二つの発光素子１４０−１、１４０−２が設けられている。被測定物の変位長さを計測するために、一定幅のスリット１００の裏面に設けられた発光素子１４０−１は常時点灯する。一方、被測定物の原点を計測するために、原点付近で幅が拡大するスリット１１０の裏面に設けられた発光素子１４０−２は、原点計測時において点滅させて用いられる。
【００２２】
発光素子１４０−１、１４０−２の光は、可動スケール９０が移動することにより、透過又は遮断する。
【００２３】
スリット１００に基づくＡ相、Ｂ相の出力信号は、互いに位相が９０°異なり、後述の第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）として扱われる。また、スリット１１０に基づくＡ’相、Ｂ’相の出力信号は、互いに位相が９０°異なり、後述の第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）として扱われる。
【００２４】
受光素子の出力信号（Ａ相、Ｂ相）は、後述のように、図１に示される計測部により処理される。被測定物の原点位置では、固定スケール１２０に対向するスリット１１０の幅が最大の点で第二の信号（Ｃ２、Ｓ２）の強度が最大となる。この結果、被測定物の原点を正確に計測することが可能になる。
【００２５】
なお、エンコーダ２００には、受光素子の出力信号を処理するため、後述の位置計測部４００が設けられている。
（レーザ干渉計３００の構成）
次に、本発明の計測装置の一例として用いられるレーザ干渉計の構成について、図５を参照しながら説明する。図５（Ａ）はレーザ干渉計の側面図、図５（Ｂ）はレーザ干渉計の正面図である。
【００２６】
レーザ干渉計３００には、高可干渉性のシングルモード半導体レーザＬＤ（半導体レーザＬＤ）として、レーザ波長λが安定な０．８５μｍの面発光（ＶＣＳＥＬ）レーザが用いられる。また、低可干渉性のレーザＳＬＤとして、スペクトル半値幅ΔΛが約１５ｎｍで中心波長λ’が約０．８２μｍのスーパールミネッセントダイオードＳＬＤ（ダイオードＳＬＤ）が用いられる。
【００２７】
半導体レーザＬＤからの光ＬＤのパワースペクトルは０．８５μｍの輝線である。ダイオードＳＬＤからの光ＳＬＤのパワースペクトルは中心波長０．８２μｍで半値幅が１５ｎｍのローレンツ型のパワースペクトルに近似したものである。光ＳＬＤの中心波長（０．８２μｍ）からの波長ずれΔλに対するパワースペクトルＳ（Δλ）は次式よる。
【００２８】
Ｓ（Δλ）＝（ΔΛ/２）２／{Δλ２＋(ΔΛ/２)２} ・・・（１式）：ΔΛは半値幅を示し、ここでは１５ｎｍである。
【００２９】
半導体レーザＬＤとダイオードＳＬＤからの光束は、それぞれコリメータレンズＣＯＬ１、ＣＯＬ２によりコリメート光（平行光）になる。そして、ダイクロイックミラーＤＭ１で同一光軸上に合波し、レンズＬＮＳ１にハーフミラーＮＢＳを介し、レンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ１に集光照明する。
【００３０】
半導体レーザＬＤとダイオードＳＬＤのスペクトルは、上述のとおりとおりである。このため、ダイクロイックミラーＤＭ１は波長０．８４μｍ近傍に透過、反射特性の境界を持つことにより、これらの光束はダイクロイックミラーＤＭ１で合波される。
【００３１】
位置Ｐ１からの光束を、レンズＬＮＳ２より、光軸がわずかに斜めの平行光束を射出させ、偏光ビームスプリッタ（光分割手段）ＰＢＳにて偏光成分にて２光束に分離する。偏光ビームスプリッタＰＢＳからの反射光（Ｓ偏光）を参照ミラー（参照面）Ｍ１に入射させ、偏光ビームスプリッタＰＢＳからの透過光（Ｐ偏光）を被測定対象面としての測定（ミラー（測定面））Ｍ２に入射させる。
【００３２】
そして、それぞれの反射光を、偏光ビームスプリッタＰＢＳを介して合成し、レンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ２に集光照明し、その近傍に設けられた反射膜Ｍ０により、元の光路に戻す。位置Ｐ２からの反射光は、レンズＬＮＳ２より平行光束として射出させ、偏光ビームスプリッタＰＢＳにて２光束に分離し、反射光（Ｓ偏光）で参照ミラーＭ１を照明し、透過光（Ｐ偏光）で被測定面（ミラー）Ｍ２を照明する。
【００３３】
それぞれの反射光は、偏光ビームスプリッタＰＢＳを介して、レンズＬＮＳ２の焦点面の位置Ｐ１を集光照明する。
【００３４】
そこから光源側に光束を取り出す。（Ｓ偏光は、参照面Ｍ１とビームスプリッタＰＢＳの間を２往復し、Ｐ偏光は、被測定面Ｍ２とビームスプリッタＰＢＳの間を２往復する）。これらの光束は、非偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）ＮＢＳにより、受光系側に取り出し、１／４波長板ＱＷＰを透過させて、位相差の変化に応じて偏光方位回転する直線偏光に変換する。
【００３５】
この光束を集光レンズＣＯＮ、アパーチャーＡＰを介してビーム分割素子ＧＢＳにて３光束に分割する。この３光束は、互いに６０°ずつ透過軸をずらして配置した偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬに入射する。偏光素子アレイ３ＣＨ−ＰＯＬを通過した光は、３分割受光素子ＰＤＡの受光部に入射する。これにより、被測定対象面（ミラー）Ｍ２の面外変位に基づく位相が１２０度ずつずれたそれぞれ３つの干渉信号ＵＶＷが検出される。
【００３６】
レーザ干渉計３００は、二つの光源からの干渉信号を用いている。しかし、干渉計本体及びアナログデジタル変換部は、双方の光源で共用される。このため、干渉計本体には第二の光源を導入する手段のみを設ければよい。したがって、原点検出機能の追加が低コストで実現され、調整などの手間もほとんど不要である。ただし、その一方で、信号処理装置ＳＰＣにおいて、これら二つの干渉信号を分離する手続きが必要となる。
【００３７】
二つの干渉信号の分離は、（１）第二の光源を点滅させること、（２）第二の光源が点灯中の第一の光源による干渉信号を、第二の光源が消灯中の第一の光源による干渉信号の位相を時間回帰して予想すること、によって行われる。
【００３８】
第二の光源が点灯している期間には、第一の光源を消灯する手法もありえる。しかし、本実施例のように、光源に半導体レーザが用いられる場合、光源を点滅させると、温度が変化して波長安定性が悪化する。このため、通常の計測にも用いられる第一の光源（半導体レーザＬＤ）は常時点灯させ、第二の光源（ダイオードＳＬＤ）は点滅させることが好ましい。
【００３９】
この場合、第一の光源（半導体レーザＬＤ）による信号が出力される期間と、双方の光源による信号が重畳されて出力される期間が存在することになる。このため、重畳信号から第一の光源（半導体レーザＬＤ）による信号分を減算して、第二の光源（ダイオードＳＬＤ）による信号を算出する必要がある。第一の光源による信号分は、第一の光源のみが点灯していたときの位相と、後述するように、位相と時間との間の回帰係数を用いて第一の光源による信号位相を求め、これに三角関数の演算処理を施すことによって予想される。
【００４０】
レーザ干渉計３００の演算手段ＳＰＣには、後述の位置計測部４００が設けられている。位置計測部４００は、第一の光源（半導体レーザＬＤ）のみが点灯している第一の期間には、第一の光源による第一の干渉信号（Ｃ１、Ｓ１）の位相を計測する。第二の光源（ダイオードＳＬＤ）も点灯している第二の期間には、受光素子は、第一の干渉信号（Ｃ１、Ｓ１）と第二の光源による第二の干渉信号（Ｃ２、Ｓ２）とが重畳された重畳信号を検出する。位置計測部４００は、第二の期間には、重畳信号から第一の干渉信号を差し引くことにより第二の干渉信号を得て、その第二の干渉信号の位相を計測する。
【００４１】
原点は、第二の信号の振幅が充分に大きく、かつ、第一の信号の位相と第二の信号の位相の差の符号が反転するときの位置として検出される。
【００４２】
しかしながら、第一の信号の位相変化と第二の信号の位相変化が近い場合は、その差の精度は劣化し、位相差の符号の反転位置を再現性よく検出することは困難となる。
一般に、演算処理により位相を算出する場合、信号に含まれる歪み成分、すなわち正弦波からの偏倚が誤差要因となる。このような誤差は、信号一周期毎に同じ誤差が繰り返される。このため、位相差を信号一周期にわたって平均すれば、信号歪みによる誤差を効率よく除去することができる。すなわち、信号一周期にわたる位相差の平均値を求め、この符号が反転する位置を被測定物の原点とすればよい。
【００４３】
ところで、ここで参照しているのは平均値の符号である。しかし、平均値の符号は合計値の符号と同一である。したがって、信号一周期にわたる位相差の合計の符号の反転する位置を原点とすることで、同一の結果を得ることができる。このように構成することで、平均値を求めるための除算演算処理を省略することができる。
（位置計測部４００の構成）
次に、絶対位置の計測装置における位置計測部４００について、詳細に説明する。図１は、位置計測部のブロック図である。
【００４４】
図１における加算器８−１、８−２は、重畳信号を分かり易く示すために概念的に表示したものである。実際の測定装置においては、エンコーダ本体もしくは干渉計本体でこのような加算処理が行なわれている。
【００４５】
エンコーダ２００又はレーザ干渉計３００の出力信号において、Ａ相はコサイン信号Ｃ１、Ｂ相はサイン信号Ｓ１、Ａ’相はコサイン信号Ｃ２、Ｂ’相はサイン信号Ｓ２として表される。また、コサイン信号Ｃ１及びサイン信号Ｓ１は第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）として表される。同様に、コサイン信号Ｃ２及びサイン信号Ｓ２は第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）として表される。
【００４６】
１５−１は仮想的な第一の出力手段であり、上述のエンコーダ２００又はレーザ干渉計３００からの第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）を出力する。１５−２は仮想的な第二の出力手段であり、エンコーダ２００又はレーザ干渉計３００からの第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）を出力する。
【００４７】
第一の信号の位相及び第二の信号の位相を求めるには、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器１−１、１−２が用いられる。しかし、アナログ／デジタル変換器は一般に高価である。このため、第一の信号及び第二の信号を同一のアナログ／デジタル変換器でデジタル化の処理を行うことが好ましい。これは、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）と第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）を、時間的に交互に計測することで実現される。本実施例において、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）が計測される期間を第一の期間と定義し、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の計測される期間を第二の期間と定義する。
【００４８】
コサイン信号Ｃ１とコサイン信号Ｃ２は加算器８−１にて重畳されることにより、アナログ／デジタル変換器１−１に入力され、デジタル信号へ変換される。また、サイン信号Ｓ１とサイン信号Ｓ２は加算器８−２にて重畳されることにより、アナログ／デジタル変換器１−２に入力され、デジタル信号へ変換される。
【００４９】
ここで、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）は、短い周期でオン／オフ制御される。本実施例では、オン／オフ制御の周期を１０ｋＨｚに設定されている。ただし、特にこの周期に限定されるものではなく、他の周期でオン／オフ制御するものでもよい。また、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）は、被測定物の原点位置に相当する基準点において振幅が最大となる。
【００５０】
なお、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）は、通常の位置検出を行う際に用いられる信号である。一方、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）は、被測定物の原点位置を検出する際に特別に用いられる信号である。
【００５１】
仮想的に表示されているアナログスイッチ７−１、７−２は、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）に第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）を重畳させる場合には、導通状態（オン状態）に制御される。この期間は第二の期間であり、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）及び第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の重畳信号がアナログ／デジタル変換器１−１、１−２に入力される。一方、アナログスイッチ７−１、７−２は、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の出力を遮断させる場合には、遮断状態（オフ状態）に制御される。この期間は第一の期間であり、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）のみがアナログ／デジタル変換器１−１、１−２に入力される。このように、第二の信号は、一定期間毎に、第一の信号に重畳されることによりアナログ／デジタル変換器１−１、１−２に入力される。
【００５２】
上記のとおり、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の出力のオン／オフ制御は、図１ではアナログスイッチ７−１、７−２を用いる形に表示している。実際には、アナログスイッチ７−１、７−２に代えて、例えば、出力信号の元となる光源をオン／オフ制御することで同様の効果が実現されている。
なお、図１において、参照符号「＊」は、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の重畳の有無を示す選択信号を表している。この選択信号に基づいて、各部の動作は制御される。
【００５３】
アナログスイッチ７−１、７−２が遮断状態で、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の出力が遮断されている場合には、アナログ／デジタル変換器１−１、１−２には第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）のみが入力される。このとき、アナログ／デジタル変換器１−１、１−２から出力される第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）のデジタル信号は、そのまま位相演算器３に入力される。
【００５４】
一方、アナログスイッチ７−１、７−２が導通状態の場合、アナログ／デジタル変換器１−１、１−２には第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）及び第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の重畳信号が入力される。このため、アナログ／デジタル変換器１−１、１−２が出力するデジタル信号は、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）及び第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の重畳信号を示す。
【００５５】
ここで、後述のように、前回更新された第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の位相を用いて、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の現在の値を予想する。第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の予想値は、予想器２−１、２−２にて算出される。
【００５６】
マルチプレクサ１１−１、１１−２は、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）及び第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）が重畳されている場合、予想器２−１、２−２の信号を選択して減算器９−１、９−２に出力する。一方、マルチプレクサ１１−１、１１−２は、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の出力が遮断されている場合、ゼロ信号を選択して減算器９−１、９−２に出力する。
【００５７】
第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）及び第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）を重畳した重畳信号の値は、予想器２−１、２−２にて算出された第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の予想値を用いて、減算器９−１、９−２にて減算される。このような演算処理を行うことにより、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）及び第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）が重畳されている期間には、位相演算器３に対して第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）のデジタル信号が入力される。
【００５８】
以上のとおり、アナログスイッチ７−１、７−２が遮断状態で、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の出力が遮断されている場合には、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）のデジタル信号が位相演算器３に入力される。一方、アナログスイッチ７−１、７−２が導通状態で、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）が重畳されている場合には、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）のデジタル信号が位相演算器３に入力される。位相演算器３は、第一の信号又は第二の信号の位相を算出する。
【００５９】
位相演算器３において算出された第一の信号の位相は、回帰演算器５に入力される。回帰演算器５は、位相演算器３で算出された第一の信号の位相に基づいて、第一の信号の位相の計測時刻に対する回帰係数を算出する。回帰係数は、計測値である第一の信号の位相に、計測時刻からの経過時間に応じた指数関数的重み係数を乗じて算出される。回帰演算器５にて算出された回帰係数は、予想器２−１、２−２に入力される。予想器２−１、２−２は、上述のとおり、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）及び第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）が重畳されているときに、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の現在の予想値を算出する。このように、重畳期間における第一の信号の位相は、第一の信号の回帰係数を用いて算出される。
【００６０】
また、位相演算器３において算出された第一の信号の位相は、マルチプレクサ１２を介して、内部レジスタ４に入力される。内部レジスタ４に入力された第一の信号の位相は、内部レジスタ４に保持される。第一の信号の位相は、位相演算器３により第一の信号の位相が算出されるたびに更新される。なお、内部レジスタ４は、第一の信号の位相情報を保持するのに必要なビット長より長いビット長を備えている。内部レジスタ４の上位ビットには、第一の信号の波数（周期）が保持される。
【００６１】
第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）が位相演算器３に入力されている場合には、減算器１０において、位相演算器３の出力値から内部レジスタ４の保持値を減算する。減算した値は、内部レジスタ４の保持値に加算される。
【００６２】
一方、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）が位相演算器３に入力されている場合には、加算器１６を用いて、回帰演算器５から出力される変化速度（回帰係数）を内部レジスタ４の値に加算する。このとき、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の位相及び波数情報は更新される。なお、内部レジスタ４への加算時には、内部レジスタ４のビット長に適合するように符号拡張が行われる。
【００６３】
重畳期間（第二の期間）において、位相演算器３から出力された第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の位相は、減算器１０において、内部レジスタ４に保持又は更新された第一の信号の位相により減算される。この減算値は、第二の信号と第一の信号の位相差に相当する。すなわち、減算器１０は、回帰係数を用いて算出された第一の信号の位相と第二の期間において位相演算器３で算出された第二の信号の位相との位相差を算出する。減算器１０にて算出された位相差は、位相差加算処理装置６に入力される。以下、位相差加算処理装置６について詳細に説明する。
【００６４】
図２は、位相差加算処理装置６のブロック図を示したものである。位相差加算処理装置６は、減算器１０から出力された位相差の符号が反転する位置から被測定物の原点位置を求める位相差演算手段である。
【００６５】
位相差加算処理装置６は、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）と第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）とが重畳されている重畳期間にのみ動作する。
【００６６】
第二の信号と第一の信号の位相差は、加算器２０を介して五個の領域を有するシフトレジスタ６−１に保持され、シフトレジスタ６−１の略中央の領域において積算される。第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の位相を保持する内部レジスタ４の上位ビットには、第一の信号の組の波数（周期）が保持されている。
【００６７】
内部レジスタ４に保持されている第一の信号の位相及び波数（周期）は、更新前に、レジスタ６−４に保持される。レジスタ６−４に保持された更新前の第一の信号の周期は、比較器６−５において、内部レジスタ４に保持された更新後の第一の信号の周期と比較される。比較器６−５での比較結果は、シフトレジスタ６−１及びＲＳフリップフロップ６−２へ伝達される。
【００６８】
シフトレジスタ６−１に保持された値は、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の周期が正に変化した場合、下方へシフトされる。一方、シフトレジスタ６−１に保持された値は、第一の信号の組の周期が負に変化した場合、上方へシフトされる。
【００６９】
シフトレジスタ６−１が下方にシフトされると、シフトレジスタ６−１の最上部にゼロ値がシフトインされる。一方、シフトレジスタ６−１が上方にシフトされると、シフトレジスタ６−１の最下部にゼロ値がシフトインされる。
【００７０】
シフトレジスタ６−１が最後に上方にシフトされたのか、又は、下方にシフトされたのかという情報は、ＲＳフリップフロップ６−２に入力され保持される。ＲＳフリップフロップ６−２が、シフトレジスタ６−１が最後に上方にシフトされたことを示している場合には、シフトレジスタ６−１の上方の二つの領域に保持された値の符号が比較される。一方、ＲＳフリップフロップ６−２が、シフトレジスタ６−１が最後に下方にシフトされたことを示している場合には、シフトレジスタ６−１の下方の二つの領域に保持された値の符号が比較される。
【００７１】
シフトレジスタ６−１において、選択した二つの領域に保持された値の符号が異なる場合には、次のように判断される。
【００７２】
シフトレジスタ６−１の上方の二つの領域で比較された場合は、現在の積算位置より２周期上の位置に原点があることを意味する。また、シフトレジスタ６−１の下方の二つの領域で比較された場合は、積算位置より一周期下の位置に原点があることを意味する。現在の信号の周期は、第一の信号位相を保持する内部レジスタ４の上位拡張部分である上位ビットに保持されている。このため、内部レジスタ４の上位ビットに２を加えた値又は１を減じた値を、マルチプレクサ１３及び加算器１１７を介して、バイアスレジスタ６−３に保持する。加算器１１７は、位相差加算処理装置６で求めた原点位置から被測定物の絶対位置を算出する絶対位置算出手段である。
【００７３】
バイアスレジスタ６−３は、比較値の符号が異なる場合、論理回路１９−１、１９−２、マルチプレクサ１８を介して入力された信号に基づいて、上記値を保持する。この値を減算器１７で内部レジスタ４に保持された波数（周期）から減じた値が、被測定物の絶対位置を表すことになる。
【００７４】
また、位相差加算処理装置６は、位相演算器３により算出された第一の信号と第二の信号の位相差を、第一の信号の一周期にわたって合計又は平均するように構成してもよい。この合計値又は平均値は、第一の信号の周期毎に複数保持される。そして、隣接する周期における蓄積値の符号が反転したことを検出することにより、被測定物の原点位置を求める。このような構成により、符号の反転位置を再現性よく検出することが可能になる。
【００７５】
次に、回帰演算器５について詳細に説明する。回帰演算器５は第一の信号の位相の回帰係数を算出するものである。回帰係数は、各計測値に計測時刻からの経過時間に対応した指数関数的重み係数を乗じて算出される。
【００７６】
図３は、回帰演算器５の内部ブロック図を示したものである。図３に示される構成は、一般にカルマンフィルタとして知られている。ここでは、その原理の説明を省略し、構成の一例のみを示す。回帰演算器５のレジスタ群は、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）のみが入力されているときに更新される。
【００７７】
ＤＰは、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の最新の位相と前回の位相との差である。ＰＤＰは位相の差ＤＰを格納するためのレジスタである。レジスタＰＤＰは、所定のＰビットだけ右シフトして、位相の差ＤＰを格納する。
【００７８】
レジスタＰＤＰの値からレジスタＦＸの値を減算した値は、レジスタＱに格納される。次に、レジスタＱの値をＰビットだけ右シフトした値をレジスタＰＱに格納する。また、レジスタＱの値からレジスタＰＱの値を減算した値がレジスタＦＸに格納される。
【００７９】
レジスタＰＱの値にレジスタＶＸの値を加算した値は、レジスタＢに格納される。レジスタＢは第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の位相の変化速度に対応する値である。第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）に第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）が重畳されているとき、第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の位相を更新するために用いられる。
【００８０】
レジスタＢの値をＰビットだけ右シフトした値は、レジスタＰＢに格納される。次に、レジスタＢの値からレジスタＰＢの内容を減算した値が、レジスタＶＸに格納される。
【００８１】
レジスタＦＸの値からレジスタＶＸの値を減算した値Ｃは、回帰演算における回帰式の定数項となる。この定数項は、計測された第一の信号の組（Ｃ１、Ｓ１）の位相に含まれるノイズを除去する目的にも利用できる。
【００８２】
被測定物の原点は、第一の信号と第二の信号の位相差に基づいて決定される。このため、第一の信号及び第二の信号の一方の信号の計測中に、他方の信号の位相を予想する必要がある。本実施例では、第一の信号の位相の計測時刻に対する回帰係数を算出し、第二の信号の位相の計測時刻における第一の信号の位相を、回帰係数を用いて算出する。このとき、回帰係数は各計測値に計測時刻からの経過時間に対応した指数関数的重み係数を乗じて算出される。
【００８３】
従来の一般的な回帰演算は、数十ないし数百のデータの組を用い、これらのデータに等しい重みを与えて行われる。しかし、このような演算方法は多数の記憶領域が必要であり、演算も複雑である。
【００８４】
これに対し、本実施例のように、経過時間に対応して指数関数的に減少する重み係数を乗じる回帰演算は、最新の積算値のみを記憶し、新しい値が得られる毎にこれを更新する。このため、記憶領域の量及び演算手段の負荷を大幅に減少することが可能である。
【００８５】
第一の干渉信号と第二の干渉信号の位相差は、位置の変化に伴って概ね直線的に変化する。この周期は、第一の干渉信号の周期λ１で位置を表示するとき、λ１／（λ１−λ２）となる。ここで、λ２は第二の干渉信号の周期である。
【００８６】
第一の光源及び第二の光源の波長が極めて接近している場合は、位相差変動の周期は極めて長くなる。しかし、この場合は、位置の変化に対する位相差の変化が小さく、符号の反転する位置の検出に際してノイズや波形歪の影響を受け易くなる。一方、双方の光源の波長差が大きい場合は、位置の変化に対する位相差の変化が大きく、符号の反転する位置の検出は容易となる。ただし、位相差変動の周期が短くなり、第二の光源が干渉信号を出力する位置範囲内において、位相差がゼロとなる点が複数存在するようになる。
【００８７】
ところで、本実施例の計測装置では、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）は、被測定物の原点に相当する基準点において振幅が最大となる。このため、第二の信号の組（Ｃ２、Ｓ２）の振幅が所定値を超えた場合に被測定物の原点であることの条件にすることができる。このとき、本実施例の計測装置には、第二の信号の振幅の大きさ、すなわち振幅が所定値を超えているか否かを検出するための振幅検出手段が設けられる。計測装置は、第一の信号の位相と第二の信号の位相との位相差、及び、第二の信号の振幅の大きさを利用して、被測定物の原点位置を求めることができる。このように、第一の信号と第二の信号の位相差の条件とともに、第一の信号の振幅の大きさの条件を加えることにより、より信頼性の高い計測装置を提供することができる。
【００８８】
以上詳細に説明したように、本発明の絶対位置の計測装置によれば、簡素なハードウエア構成で、正確な被測定物の原点計測が可能となる。このため、安価で高精度の絶対位置の計測装置を提供することができる。
【００８９】
また、位置計測部（論理演算部）はＬＳＩ化が容易である。このため、速度が要求されない計測装置の場合には、マイクロプロセッサ又はＤＳＰを用いてソフトウエアにより実現することも可能である。このような構成を採用する場合には、さらに安価で高精度な計測装置を構成することができる。
【００９０】
以上のとおり、本発明を実施例に基づいて具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例にて説明した具体的構成に限定されるものではなく、技術思想の同一性の範囲内で適宜変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明における位置計測部のブロック図である。
【図２】本発明における位相差加算処理装置のブロック図である。
【図３】本発明における回帰演算器のブロック図である。
【図４】本発明に適用されるエンコーダの概略図である。
【図５】（Ａ）本発明に適用されるレーザ干渉計の側面図、（Ｂ）レーザ干渉計の正面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１−１、１−２  アナログ／デジタル変換器
２−１、２−２  予想器
３  位相演算器
４  内部レジスタ
５  回帰演算器
６  位相差加算処理装置
６−１  シフトレジスタ
６−２  ＲＳフリップフロップ
６−３  バイアスレジスタ
１５−１  第一の出力手段
１５−２  第二の出力手段
２００  エンコーダ
３００  レーザ干渉計
４００  位置計測部
【図１】
0004995016.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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