JP2011106816A - 物理量センサおよび物理量計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】物理量センサは、少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように半導体レーザ1−1を動作させるレーザドライバ4−1と、レーザ1−1と発振波長の増減が逆になるように半導体レーザ1−2を動作させるレーザドライバ4−2と、レーザ1−1,1−2からのレーザ光とその戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出するフォトダイオード2−1,2−2および電流−電圧変換増幅部5−1,5−2と、電流−電圧変換増幅部5−1,5−2の出力信号に含まれる干渉波形の周期を計測する信号抽出部7−1,7−2と、信号抽出部7−1,7−2の計測結果に基づいて物体10との距離および物体10の速度を算出する演算部8とを有する。
【選択図】 図1
Description
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係る物理量センサの構成を示すブロック図である。図1の物理量センサは、測定対象の物体10にレーザ光を放射する第1、第2の半導体レーザ1−1,1−2と、半導体レーザ1−1,1−2の光出力をそれぞれ電気信号に変換するフォトダイオード2−1,2−2と、半導体レーザ1−1,1−2からの光をそれぞれ集光して物体10に照射すると共に、物体10からの戻り光を集光して半導体レーザ1−1,1−2に入射させるレンズ3−1,3−2と、半導体レーザ1−1,1−2を駆動する第1、第2の発振波長変調手段となるレーザドライバ4−1,4−2と、フォトダイオード2−1,2−2の出力電流をそれぞれ電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅部5−1,5−2と、電流−電圧変換増幅部5−1,5−2の出力電圧からそれぞれ搬送波を除去するフィルタ部6−1,6−2と、フィルタ部6−1,6−2の出力電圧に含まれる自己結合信号であるMHPの周期を計測する信号抽出部7−1,7−2と、物体10との距離および物体10の速度を算出する演算部8と、演算部8の算出結果を表示する表示部9とを有する。
L=qλ/2 ・・・(1)
式(1)において、qは整数である。この現象は、物体10からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザ1の共振器内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。なお、図3において、1019はミラーとなる誘電体多層膜である。
周期補正部82−1,82−2は、以上のような補正処理を信号抽出部7−1,7−2から新たな計測結果が出力され記憶部80に格納される度に行う。
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所でのMHPの周期Twは、本来の周期のおよそ2倍になる。つまり、MHPの周期が基準周期T0のおよそ2倍以上の場合には、信号に欠落が生じていると判断できる。そこで、周期Twを2等分することで、信号の欠落を補正することができる。
X=1/TX’ ・・・(2)
Y=1/TY’ ・・・(3)
個数算出部83−1,83−2は、以上のような算出処理を周期補正部82−1,82−2によってMHPの周期が補正される度に行う。個数算出部83−1,83−2の算出結果は、記憶部80に格納される。なお、図8(C)、図8(D)のような例の場合、MHPの周期をm等分する補正が行われるが、この場合はm等分された周期のうちの1個の周期について式(2)または式(3)から単位時間当たりのMHPの数を算出すればよい。
そこで、符号付与部84は、個数算出部83−1の算出結果Xの時間変化に対して個数算出部83−2の算出結果Yの時間変化が逆方向の場合(図7ステップS13においてNO)、算出結果X,Yに折り返しが生じていないことになるので、物体10が微小変位状態であると判定し、個数算出部83−1,83−2の最新の算出結果X,Yにそれぞれ正の符号を付与した符号付き算出結果X’,Y’を出力する(図7ステップS14)。
NV=|X’(t)−{X’(t−j)+Y’(t−j)+・・・+X’(t−1)
+Y’(t−1)}/2j| ・・・(4)
NV=|Y’(t)−{X’(t−j)+Y’(t−j)+・・・+X’(t−1)
+Y’(t−1)}/2j| ・・・(5)
L=λa×λb×(X’+Y’)/(4×(λa−λb)) ・・・(6)
また、物理量算出部86は、次式のように物体10の速度Vを算出する。
V=NV×λ/2 ・・・(7)
表示部9は、物理量算出部86が算出した物体10との距離Lおよび物体10の速度Vを表示する。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図16は本発明の第2の実施の形態に係る物理量センサの演算部8の構成を示すブロック図、図17はこの演算部8の動作を示すフローチャートである。本実施の形態においても、物理量センサ全体の構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1の符号を用いて説明する。
L1=λa×λb×(X+Y)/(4×(λa−λb)) ・・・(8)
L2=λa×λb×(X−Y)/(4×(λa−λb)) ・・・(9)
V1=(X−Y)×(λa+λb)/8 ・・・(10)
V2=(X+Y)×(λa+λb)/8 ・・・(11)
物理量候補値算出部87は、以上のような算出処理を、個数算出部83−1,83−2によってMHPの数X,Yが算出される度に行う。
状態判定部88は、以上のような判定処理を、個数算出部83−1,83−2によってMHPの数X,Yが算出される度に行う。
物理量確定部89は、以上のような確定処理を、個数算出部83−1,83−2によってMHPの数X,Yが算出される度に行う。
以上のようにして、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図18は本発明の第3の実施の形態に係る物理量センサの演算部8の構成を示すブロック図、図19はこの演算部8の動作を示すフローチャートである。本実施の形態においても、物理量センサ全体の構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1の符号を用いて説明する。
符号付与部84aは、個数算出部83−1,83−2の最新の算出結果X,Yのうち大きい方の算出結果とこの算出結果よりも過去の算出結果を用いて算出された距離比例個数NLの2倍数2NLとの大小関係を判定し(図19ステップS22)、この大小関係に応じて個数算出部83−1,83−2の最新の算出結果X,Yに正負の符号を付与する(図19ステップS23,S24)。
なお、ステップS22において判定YESとなる条件をZ>2NLにして、ステップS22において判定NOとなる条件をZ≦2NLにしてもよい。
NL=(X’+Y’)/2 ・・・(12)
NL=(X+Y)/2 ・・・(13)
こうして、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。図15で説明したような算出結果の折り返しが生じると、算出結果X,Yの平均値に変化が生じる。そこで、符号付与部84は、算出結果X,Yの平均値の変化に応じて個数算出部83−1,83−2の最新の算出結果に正負の符号を付与するようにしてもよい。本実施の形態においても、物理量センサの構成は第1の実施の形態と同様であるので、図1、図6の符号を用いて説明する。
変位比例個数算出部85と物理量算出部86の動作は、第1の実施の形態と同じである(図20ステップS16,S17)。
こうして、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。第1〜第4の実施の形態では、MHP波形を含む電気信号を検出する検出手段としてフォトダイオード2−1,2−2と電流−電圧変換増幅部5−1,5−2とを用いたが、フォトダイオードを使用することなくMHP波形を抽出することも可能である。図21は本発明の第5の実施の形態に係る物理量センサの構成を示すブロック図であり、図1と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の物理量センサは、第1の実施の形態のフォトダイオード2−1,2−2と電流−電圧変換増幅部5−1,5−2の代わりに、第1、第2の検出手段として電圧検出部11−1,11−2を用いるものである。
Claims (10)
- 測定対象に第1のレーザ光を放射する第1の半導体レーザと、
前記測定対象に前記第1のレーザ光と平行に第2のレーザ光を放射する第2の半導体レーザと、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように前記第1の半導体レーザを動作させる第1の発振波長変調手段と、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように前記第2の半導体レーザを動作させる第2の発振波長変調手段と、
前記第1のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する第1の検出手段と、
前記第2のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する第2の検出手段と、
前記第1、第2の検出手段の出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第1、第2の信号抽出手段と、
この第1、第2の信号抽出手段の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第1、第2の個数算出手段と、
この第1、第2の個数算出手段の算出結果のうち大きい方の算出結果とこの算出結果よりも過去の算出結果を用いて算出された、前記半導体レーザと測定対象との平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数の2倍数との大小関係、前記第1、第2の個数算出手段の算出結果の増減方向の一致不一致、あるいは前記第1、第2の個数算出手段の算出結果の平均値の変化に応じて、前記第1、第2の個数算出手段の算出結果に正負の符号を付与する符号付与手段と、
この符号付与手段によって符号が与えられた最新の符号付き算出結果と過去の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出することにより、前記測定対象の変位に比例した干渉波形の数である変位比例個数を求める変位比例個数算出手段と、
前記符号付与手段によって符号が与えられた符号付き算出結果と前記変位比例個数算出手段が算出した変位比例個数に基づいて前記測定対象の物理量を算出する物理量算出手段とを備えることを特徴とする物理量センサ。 - 測定対象に第1のレーザ光を放射する第1の半導体レーザと、
前記測定対象に前記第1のレーザ光と平行に第2のレーザ光を放射する第2の半導体レーザと、
少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように前記第1の半導体レーザを動作させる第1の発振波長変調手段と、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように前記第2の半導体レーザを動作させる第2の発振波長変調手段と、
前記第1のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する第1の検出手段と、
前記第2のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する第2の検出手段と、
前記第1、第2の検出手段の出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第1、第2の信号抽出手段と、
この第1、第2の信号抽出手段の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第1、第2の個数算出手段と、
この第1、第2の個数算出手段の算出結果に基づいて前記測定対象の物理量の候補値を算出する物理量候補値算出手段と、
前記第1、第2の個数算出手段の算出結果の増減方向の一致不一致に基づいて前記測定対象の状態を判定する状態判定手段と、
前記状態判定手段の判定結果に基づいて前記候補値の選定を行い、前記測定対象の物理量を確定する物理量確定手段とを備えることを特徴とする物理量センサ。 - 請求項1記載の物理量センサにおいて、
前記符号付与手段は、前記第1、第2の個数算出手段の算出結果のうち大きい方の算出結果が前記距離比例個数の2倍数よりも小さい場合、前記第1の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第2の個数算出手段の算出結果の時間変化が逆方向の場合、あるいは前記第1、第2の個数算出手段の算出結果の平均値に変化が無い場合、前記第1、第2の個数算出手段の算出結果にそれぞれ正の符号を付与した符号付き算出結果を出力し、前記第1、第2の個数算出手段の算出結果のうち大きい方の算出結果が前記距離比例個数の2倍数以上の場合、前記第1の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第2の個数算出手段の算出結果の時間変化が同方向の場合、あるいは前記第1、第2の個数算出手段の算出結果の平均値が変化した場合、前記第1、第2の個数算出手段の算出結果のうち大きい方の算出結果に正の符号を付与し、小さい方の算出結果に負の符号を付与した符号付き算出結果を出力し、
前記物理量算出手段は、前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長および最大発振波長と前記符号付与手段によって符号が与えられた符号付き算出結果に基づいて前記測定対象との距離を算出し、前記第1、第2の半導体レーザの平均発振波長と前記変位比例個数算出手段が算出した変位比例個数に基づいて前記測定対象の速度を算出することを特徴とする物理量センサ。 - 請求項2記載の物理量センサにおいて、
前記物理量候補値算出手段は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、前記測定対象が微小変位状態と仮定した場合と変位状態と仮定した場合の各々について、前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長および最大発振波長と前記第1、第2の個数算出手段の算出結果から前記測定対象との距離の候補値と前記測定対象の速度の候補値を算出し、
前記状態判定手段は、前記第1の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第2の個数算出手段の算出結果の時間変化が逆方向の場合、前記測定対象が微小変位状態にあると判定し、前記第1の個数算出手段の算出結果の時間変化に対して前記第2の個数算出手段の算出結果の時間変化が同方向の場合、前記測定対象が変位状態にあると判定し、
前記物理量確定手段は、前記測定対象が微小変位状態と判定された場合、前記測定対象が微小変位状態と仮定して算出された前記距離および速度の候補値を前記測定対象の物理量として確定し、前記測定対象が変位状態と判定された場合、前記測定対象が変位状態と仮定して算出された前記距離および速度の候補値を前記測定対象の物理量として確定することを特徴とする物理量センサ。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の物理量センサにおいて、
さらに、前記第1、第2の信号抽出手段の計測結果を記憶する記憶手段と、
前記第1の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直前に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と、前記第1の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直後に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを前記第1の信号抽出手段の計測結果について算出する第1の移動平均値算出手段と、
前記第2の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直前に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と、前記第2の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期の直後に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを前記第2の信号抽出手段の計測結果について算出する第2の移動平均値算出手段と、
前記第1の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期と前記第1の移動平均値算出手段によって算出された移動平均値とを比較することにより、前記第1の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期を補正し、この補正の結果に従って前記記憶手段に記憶された周期を更新する第1の周期補正手段と、
前記第2の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期と前記第2の移動平均値算出手段によって算出された移動平均値とを比較することにより、前記第2の信号抽出手段によって計測された補正対象の干渉波形の周期を補正し、この補正の結果に従って前記記憶手段に記憶された周期を更新する第2の周期補正手段とを備え、
前記第1、第2の個数算出手段は、前記第1、第2の信号抽出手段の計測結果から単位時間当たりの干渉波形の数を算出する代わりに、前記第1、第2の周期補正手段によって補正された干渉波形の周期からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出することを特徴とする物理量センサ。 - 少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように第1の半導体レーザを動作させる第1の発振手順と、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように第2の半導体レーザを動作させる第2の発振手順と、
前記第1の半導体レーザから放射された第1のレーザ光とこのレーザ光の測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する第1の検出手順と、
前記第2の半導体レーザから放射された第2のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する第2の検出手順と、
前記第1、第2の検出手順で得られた出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第1、第2の信号抽出手順と、
この第1、第2の信号抽出手順の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第1、第2の個数算出手順と、
この第1、第2の個数算出手順の算出結果のうち大きい方の算出結果とこの算出結果よりも過去の算出結果を用いて算出された、前記半導体レーザと測定対象との平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数の2倍数との大小関係、前記第1、第2の個数算出手順の算出結果の増減方向の一致不一致、あるいは前記第1、第2の個数算出手順の算出結果の平均値の変化に応じて、前記第1、第2の個数算出手順の算出結果に正負の符号を付与する符号付与手順と、
この符号付与手順によって符号が与えられた最新の符号付き算出結果と過去の符号付き算出結果の平均値との差の絶対値を算出することにより、前記測定対象の変位に比例した干渉波形の数である変位比例個数を求める変位比例個数算出手順と、
前記符号付与手順によって符号が与えられた符号付き算出結果と前記変位比例個数算出手順で算出した変位比例個数に基づいて前記測定対象の物理量を算出する物理量算出手順とを備えることを特徴とする物理量計測方法。 - 少なくとも発振波長が連続的に単調増加する発振期間が繰り返し存在するように第1の半導体レーザを動作させる第1の発振手順と、
前記第1の半導体レーザと発振波長の増減が逆になるように第2の半導体レーザを動作させる第2の発振手順と、
前記第1の半導体レーザから放射された第1のレーザ光とこのレーザ光の測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する第1の検出手順と、
前記第2の半導体レーザから放射された第2のレーザ光とこのレーザ光の前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する第2の検出手順と、
前記第1、第2の検出手順で得られた出力信号に含まれる干渉波形の周期をそれぞれ干渉波形が入力される度に計測する第1、第2の信号抽出手順と、
この第1、第2の信号抽出手順の計測結果からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出する第1、第2の個数算出手順と、
この第1、第2の個数算出手順の算出結果に基づいて前記測定対象の物理量の候補値を算出する物理量候補値算出手順と、
前記第1、第2の個数算出手順の算出結果の増減方向の一致不一致に基づいて前記測定対象の状態を判定する状態判定手順と、
前記状態判定手順の判定結果に基づいて前記候補値の選定を行い、前記測定対象の物理量を確定する物理量確定手順とを備えることを特徴とする物理量計測方法。 - 請求項6記載の物理量計測方法において、
前記符号付与手順は、前記第1、第2の個数算出手順の算出結果のうち大きい方の算出結果が前記距離比例個数の2倍数よりも小さい場合、前記第1の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第2の個数算出手順の算出結果の時間変化が逆方向の場合、あるいは前記第1、第2の個数算出手順の算出結果の平均値に変化が無い場合、前記第1、第2の個数算出手順の算出結果にそれぞれ正の符号を付与した符号付き算出結果を出力し、前記第1、第2の個数算出手順の算出結果のうち大きい方の算出結果が前記距離比例個数の2倍数以上の場合、前記第1の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第2の個数算出手順の算出結果の時間変化が同方向の場合、あるいは前記第1、第2の個数算出手順の算出結果の平均値が変化した場合、前記第1、第2の個数算出手順の算出結果のうち大きい方の算出結果に正の符号を付与し、小さい方の算出結果に負の符号を付与した符号付き算出結果を出力し、
前記物理量算出手順は、前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長および最大発振波長と前記符号付与手順によって符号が与えられた符号付き算出結果に基づいて前記測定対象との距離を算出し、前記第1、第2の半導体レーザの平均発振波長と前記変位比例個数算出手順で算出した変位比例個数に基づいて前記測定対象の速度を算出することを特徴とする物理量計測方法。 - 請求項7記載の物理量計測方法において、
前記物理量候補値算出手順は、前記測定対象の状態を微小変位状態あるいは前記微小変位状態よりも動きが急な変位状態のいずれかであるとし、前記測定対象が微小変位状態と仮定した場合と変位状態と仮定した場合の各々について、前記第1、第2の半導体レーザの最小発振波長および最大発振波長と前記第1、第2の個数算出手順の算出結果から前記測定対象との距離の候補値と前記測定対象の速度の候補値を算出し、
前記状態判定手順は、前記第1の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第2の個数算出手順の算出結果の時間変化が逆方向の場合、前記測定対象が微小変位状態にあると判定し、前記第1の個数算出手順の算出結果の時間変化に対して前記第2の個数算出手順の算出結果の時間変化が同方向の場合、前記測定対象が変位状態にあると判定し、
前記物理量確定手順は、前記測定対象が微小変位状態と判定した場合、前記測定対象が微小変位状態と仮定して算出した前記距離および速度の候補値を前記測定対象の物理量として確定し、前記測定対象が変位状態と判定した場合、前記測定対象が変位状態と仮定して算出した前記距離および速度の候補値を前記測定対象の物理量として確定することを特徴とする物理量計測方法。 - 請求項6乃至9のいずれか1項に記載の物理量計測方法において、
さらに、前記第1、第2の信号抽出手順の計測結果を記憶手段に記憶させる記憶手順と、
前記第1の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期の直前に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と、前記第1の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期の直後に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを前記第1の信号抽出手順の計測結果について算出する第1の移動平均値算出手順と、
前記第2の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期の直前に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と、前記第2の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期の直後に計測され前記記憶手段に記憶された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを前記第2の信号抽出手順の計測結果について算出する第2の移動平均値算出手順と、
前記第1の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期と前記第1の移動平均値算出手順で算出した移動平均値とを比較することにより、前記第1の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期を補正し、この補正の結果に従って前記記憶手段に記憶された周期を更新する第1の周期補正手順と、
前記第2の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期と前記第2の移動平均値算出手順で算出した移動平均値とを比較することにより、前記第2の信号抽出手順で計測した補正対象の干渉波形の周期を補正し、この補正の結果に従って前記記憶手段に記憶された周期を更新する第2の周期補正手順とを備え、
前記第1、第2の個数算出手順は、前記第1、第2の信号抽出手順の計測結果から単位時間当たりの干渉波形の数を算出する代わりに、前記第1、第2の周期補正手順で補正された干渉波形の周期からそれぞれ単位時間当たりの干渉波形の数を算出することを特徴とする物理量計測方法。
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2009
- 2009-11-12 JP JP2009258771A patent/JP5541773B2/ja not_active Expired - Fee Related
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