JP3874160B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計を用いて光学的に検出対象の位置を検出する位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
干渉計を用いた位置検出装置は、高精度にしかも非接触で位置検出ができるというメリットがある。図５は干渉計を用いた位置検出装置の従来例の構成図である。
【０００３】
図５において、ターゲットミラー１は位置固定され、光学回路２は検出対象（図示せず）に連動してＣ−Ｃ´方向に移動する。
レーザ光源２１は、紙面に垂直な偏光成分をもつレーザ光を出射する。レンズ２２はレーザ光源２１の出射光を平衡光にする。ハーフミラー２３はレンズ２２を通過した光を透過光と反射光に分岐する。
【０００４】
位置固定されたミラー２４, ２５はハーフミラー２３の透過光を受け、受けた光を反射してハーフミラー２３へ戻す。ミラー２４はレーザ光源２１の光軸と４５゜の角度をなして配置されている。これに対して、ミラー２５はレーザ光源２１の光軸と４５゜＋θａの角度をなして配置されている。
【０００５】
偏光ビームスプリッタ（以下ＰＢＳ）２６は、ハーフミラー２３で反射された光を反射する。反射された光はλ／４板２６１を通り、ターゲットミラー１に進む。
λ／４板２６１を光が２回通過することで、垂直偏光→水平偏光へ、水平偏光→垂直偏光に変換する。λ／４板２６１を設けたことにより、ＰＢＳ２６で透過光と反射光を選択できる。
【０００６】
コーナーキューブ２７は、ターゲットミラー１で反射された後、λ／４板２６１、ＰＢＳ２６を透過した光を反射してＰＢＳ２６へ戻す。
位相検出器２８は、ハーフミラー２３に戻ってきた光により生成された干渉縞を検出する。
ターゲットミラー１とコーナーキューブ２７との距離をＬとする。
【０００７】
図４の位置検出装置で、レーザ光源２１から出射された光は、つぎの経路をとる光がある。
レンズ２２→ハーフミラー２３→ミラー２４→ミラー２５→ハーフミラー２３→位相検出器２８
この経路をとる光を▲１▼の光とする。
レンズ２２→ハーフミラー２３→ＰＢＳ２６→λ／４板２６１→ターゲットミラー１→λ／４板２６１→ＰＢＳ２６→コーナーキューブ２７→ＰＢＳ２６→λ／４板２６１→ターゲットミラー１→λ／４板２６１→ＰＢＳ２６→ハーフミラー２３→位相検出器２８
この経路をとる光を▲２▼の光とする。
【０００８】
ミラー２５の配置角度はミラー２４の配置角度に対してθａだけずらしているため、▲１▼の経路をとって戻ってきた光ａの波面と、▲２▼の経路をとって戻ってきた光ｂの波面がθａだけずれている。波面のずれにより光ａとｂとが干渉して干渉縞Ｓを作る。干渉縞のパターンを図６に示す、干渉縞のピッチＰは次式で与えられる。
Ｐ＝λ／θａ （λはレーザ光の波長）
【０００９】
位相検出器２８は、干渉縞の配列方向に沿ってＰ／４ピッチだけ位相をずらして配置した２つの受光素子により干渉縞を検出する。受光素子は、例えばフォトダイオードである。図６に２つの受光素子２８１と２８２の配置を示す。
２つの受光素子２８１と２８２は受光量に応じた検出信号を出力する。受光素子２８１と２８２の検出信号はｓｉｎθとｃｏｓθ（θは位相）になる。位相θは、光学回路部２の移動量ΔＬに応じて変調される。
【００１０】
θは次式で与えられる。
ｓｉｎθ＝ｓｉｎ（２π・４ΔＬ／λ）
ｃｏｓθ＝ｃｏｓ（２π・４ΔＬ／λ）
これらの式で「４」があるのはターゲットミラー１とコーナーキューブ２７の間を光が２往復していて、光学回路部２がΔＬだけ移動すると、光路長は４ΔＬだけ変わるためである。
【００１１】
コンパレータ２９は、受光素子２８１と２８２の検出信号Ｋ１ｓｉｎθとＫ１ｃｏｓθをパルス信号に変換する。変換されたパルス信号をパルスＡ及びパルスＢとする。
位相カウンタ３０は、パルスＡとパルスＢの固定時間Ｔ内での位相変化Δθ／２πを積算し、位相積算値ｎ＝Σ（Δθ／２π）を求める。
【００１２】
積算開始からの相対距離Ｌ´は、
Ｌ´＝ｎ×λ／４
となる。更に位相カウンタ３０は、パルスＡとパルスＢの位相の先後関係から検出対象の移動方向を判別する。
【００１３】
図７は、図５の装置における各信号の波形図であり、横軸に相対距離Ｌ´を取っている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
温度や電流などの動作条件により、半導体レーザ・ダイオード２４は発信モードが遷移（モードホップ）し、発信波長（λ）が変化することがある。モードホップ点が通常動作点近傍にあった場合に、わずかな条件の変化でモードホップ可能性がある。
【００１５】
半導体レーザを干渉計に使用し、位置検出を行った場合、測長中にモードホップが発生すると、モードホップ前の波長をλ０、モードホップ後の波長をλ１、モードホップ後の位相積算値ｎとして、
ΔＬ＝ｎ×（λ０−λ１）／４
の測定誤差を生じることになる。
従って本発明が解決しようとする課題は、モードホップする可能性を予見し、これを事前に回避することができる位置検出装置を実現することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
検出対象の移動に連動して移動する一定ピッチの干渉縞を光の干渉を利用して生成する光学回路部と、
干渉縞の配列方向に沿ってずらして配置した複数の受光素子により干渉縞を検出し、検出対象の移動量に応じて変調される２種の変調信号を生成する位相検出器と、
この位相検出器出力の位相差を積算して前記移動量を計算する位相カウンタとを備えた位置検出装置において、
前記光学回路部の光源として設けられた半導体レーザ・ダイオードと、
制御入力電圧で規定される動作電流により半導体レーザ・ダイオードを駆動する電流源と、
前記制御入力電圧により動作電流を可変にするモードホップ制御手段とを具備し、
前記モードホップ制御手段は、前記制御入力電圧により前記動作電流を変更させた時の前記位相カウンタ出力の変化に基づいて前記光源のモードホップを検出することを特徴とする位置検出装置である。
【００１７】
請求項２記載の発明は、
前記モードホップ制御手段は、前記光学回路部を固定した状態で前記制御入力電圧を一定振幅で変化させて動作電流を変更させた時の前記位相カウンタ出力の変化に基づいて前記光源のモードホップを検出することを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の発明は、
前記モードホップ制御手段は、前記光学回路部を固定した状態で前記位相カウンタ出力を記録し、前記制御入力電圧を一定振幅で複数回変化させて動作電流を変更させた後に元に戻した時の前記位相カウンタ出力と前記記録出力とを比較し、同一であれば現在の制御入力電圧を維持し、同一でなければモードホップ点近傍と判断して前記制御入力電圧を変更することを特徴とする。
【００１９】
請求項４記載の発明は、
現在の動作点に対してモードホップ間隔の略１／２離れた動作点を変更動作点とする切り替え手段を設けたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面により詳細に説明する。図１は本発明に係る位置検出装置の一実施例を示す構成ブロック図であり、図５で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付して示す。
【００２２】
本発明の特徴部は、モードホップ制御手段３１を設け、半導体レーザ・ダイオード２４の動作電流を規定する制御入力電圧Ｖを変化せしめ、位相カウンタ３０の積算出力ｎの変化を監視する構成にある。
【００２３】
レーザーの波長をλ０とすると、ｓｉｎθ、ｃｏｓθは、前述のように、
ｓｉｎθ＝ｓｉｎ（２π×４Ｌ／λ０）
ｃｏｓθ＝ｃｏｓ（２×４Ｌ／λ０）
となる。光学回路部２を固定状態にして制御入力電圧Ｖにより電流Ｉを変化させると、λ０は電流に応じて僅かに変化する。
【００２４】
図２は、電流Ｉの変化に対応したｓｉｎθ、ｃｏｓθの波形変化を示す。動作点が正常でモードホップをおこさない範囲▲１▼では、電流を元に戻すと、波長はλ０に戻るため、位相も電流変化前と同じ位相状態に戻り、位相カウンタ３０の積算値ｎも変化しない。
【００２５】
これに対してモードホップが発生する電流値では、波長はλ０からλ１へ瞬時に変化するため、▲２▼及び▲３▼に示すように、波形は不連続に変化する。この時の位相の変化δθは、
δθ＝２π×４Ｌ（１／λ０‐１／λ１）
となる。この時の位相変化はＬが十分大きければ２πを超えて、位相カウンタ３０は正常な位相積算ができない。
４Ｌ＞δθ／｛２π（１／λ０‐１／λ１）｝
よって電流を元の状態に戻してもｎは元の位相積算値には戻らない。これにより動作点近傍のモードホップの有無を検出することが可能である。
【００２６】
図３はモードホップ制御手段３１の動作の手順を示すフローチャートであり、処理は定周期又はオンデマンドで実行される。まず指令Ｒにより光学回路部２が固定され、そのときの位相カウンタ出力ｎがＸ１として記録される。
【００２７】
次のステップで制御入力電圧Ｖによりレーザー電流Ｉを所定の振幅で繰り返し変化させた後に元の値に戻す。この時の位相カウンタ出力ｎがＸ２として記録される。
次のステップでＸ１＝Ｘ２？が判断され、Ｘ１＝Ｘ２であれば動作点は正常と判断され、電流の変更は行われない。Ｘ１≠Ｘ２であれば動作点はモードホップ点近傍と判断され、次のステップで動作電流の変更が実行される。
【００２８】
動作電流の変更方法は、あらかじめ１回の変更幅ΔＩをセットしておき、図３のループＰに示すようにＸ１＝Ｘ２が成立するまでステップ状に電流値を変更して行く方法のほか、事前の測定で適正な変更電流値を測定しておき、この電流に切り替える手段を採用してもよい。
【００２９】
図４は切り替え手段を採用する場合の説明図である。電流Ｉに対するレーザー波長λの関係を見るとモードホップ点には周期性あることが分かる。（Ａ）はモードホップの中央近傍に動作点Ｉａがある場合を示している。
【００３０】
Ｉｂはモードホップの危険が検出されたときに移すための動作点であり、モードホップ発生の電流幅ΔＩｍｈの略１／２離れたΔＩｍｈ／２の位置に設定されている。
【００３１】
（Ｂ）はモードホップ発生の危険が検出された場合の動作点がＩｂにシフトされた場合を示しており、このような設定によりモードホップ発生点より最も離れた電流値を新たな動作点とすることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば光学回路部を固定してレーザ電流を変化させたときの位相カウンタ出力の変化を監視することにより、特別なレーザ光の測定系を用意することなく、モードホップ発生を容易にチェックでき、事前に安全な動作点にシフトできる位置検出装置を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る位置検出装置の実施例を示す構成図である。
【図２】レーザ・ダイオード電流を変化させた時のモードホップ発生の波形図である。
【図３】本発明装置におけるモードホップ制御手段の動作を説明するフローチャート図である。
【図４】本発明装置において、モードホップ発生時の動作点切り替えに関する説明図である。
【図５】従来の位置検出装置の構成図である。
【図６】図５における干渉縞のパターンを示した図である。
【図７】図５における各信号の波形図である。
【符号の説明】
１ ターゲットミラー
２ 光学回路部
２４ レーザ光源
２８ 位相検出器
２９ コンパレータ
３０ 位相カウンタ
３１ モードホップ制御手段

Claims (4)

1. 検出対象の移動に連動して移動する一定ピッチの干渉縞を光の干渉を利用して生成する光学回路部と、
   干渉縞の配列方向に沿ってずらして配置した複数の受光素子により干渉縞を検出し、検出対象の移動量に応じて変調される２種の変調信号を生成する位相検出器と、
   この位相検出器出力の位相差を積算して前記移動量を計算する位相カウンタとを備えた位置検出装置において、
   前記光学回路部の光源として設けられた半導体レーザ・ダイオードと、
   制御入力電圧で規定される動作電流により半導体レーザ・ダイオードを駆動する電流源と、
   前記制御入力電圧により動作電流を可変にするモードホップ制御手段とを具備し、
   前記モードホップ制御手段は、前記制御入力電圧により前記動作電流を変更させた時の前記位相カウンタ出力の変化に基づいて前記光源のモードホップを検出することを特徴とする位置検出装置。
2. 前記モードホップ制御手段は、前記光学回路部を固定した状態で前記制御入力電圧を一定振幅で変化させて動作電流を変更させた時の前記位相カウンタ出力の変化に基づいて前記光源のモードホップを検出することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
3. 前記モードホップ制御手段は、前記光学回路部を固定した状態で前記位相カウンタ出力を記録し、前記制御入力電圧を一定振幅で複数回変化させて動作電流を変更させた後に元に戻した時の前記位相カウンタ出力と前記記録出力とを比較し、同一であれば現在の制御入力電圧を維持し、同一でなければモードホップ点近傍と判断して前記制御入力電圧を変更することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
4. 現在の動作点に対してモードホップ間隔の略１／２離れた動作点を変更動作点とする切り替え手段を設けたことを特徴とする請求項３記載の位置検出装置。

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