JP2012173193A - 速度計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】速度の計測範囲を広げる。
【解決手段】速度計測装置は、測定対象のウェブ１１にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、レーザ１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２と、発振波長が増加する第１の発振期間と発振波長が減少する第２の発振期間とが交互に存在するようにレーザ１を動作させるレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換する電流−電圧変換増幅部５と、電流−電圧変換増幅部５の出力から搬送波を除去するフィルタ部６と、フィルタ部６の出力に含まれる干渉波形の数を求める信号抽出部７と、信号抽出部７の計数結果に基づいてウェブ１１の速度を算出する演算部８を備える。レーザドライバ４は、第１の発振期間と第２の発振期間で時間に対する発振波長変化速度の絶対値が異なるようにレーザ１を動作させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁波の干渉を利用して物体の速度を計測する速度計測装置および方法に関するものである。

従来より、半導体レーザの自己結合効果を用いた波長変調型の速度計測装置が提案されている（特許文献１参照）。この速度計測装置の構成を図１７に示す。図１７の速度計測装置は、物体２１０にレーザ光を放射する半導体レーザ２０１と、半導体レーザ２０１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２０２と、半導体レーザ２０１からの光を集光して物体２１０に照射すると共に、物体２１０からの戻り光を集光して半導体レーザ２０１に入射させるレンズ２０３と、半導体レーザ２０１に発振波長が連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返させるレーザドライバ２０４と、フォトダイオード２０２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅部２０５と、電流−電圧変換増幅部２０５の出力電圧から信号を抽出する信号抽出回路２０６と、信号抽出回路２０６の出力電圧に含まれる、自己結合効果による干渉縞であるモードホップパルス（以下、ＭＨＰとする）の数を数える計数装置２０７と、物体２１０の速度を算出する演算装置２０８と、演算装置２０８の算出結果を表示する表示装置２０９とを有する。

レーザドライバ２０４は、時間に関して一定の変化率で増減を繰り返す三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ２０１に供給する。これにより、半導体レーザ２０１は、発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。図１８は、半導体レーザ２０１の発振波長の時間変化を示す図である。図１８において、Ｐ１は第１の発振期間、Ｐ２は第２の発振期間、λａは各期間における発振波長の最小値、λｂは各期間における発振波長の最大値、Ｔｃａｒは三角波の周期である。

半導体レーザ２０１から出射したレーザ光は、レンズ２０３によって集光され、物体２１０に入射する。物体２１０で反射された光は、レンズ２０３によって集光され、半導体レーザ２０１に入射する。フォトダイオード２０２は、半導体レーザ２０１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅部２０５は、フォトダイオード２０２の出力電流を電圧に変換して増幅し、信号抽出回路２０６は、電流−電圧変換増幅部２０５の出力電圧から半導体レーザ２０１の発振波形（搬送波）を除去する。計数装置２０７は、信号抽出回路２０６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について数える。演算装置２０８は、半導体レーザ２０１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと第１の発振期間Ｐ１におけるＭＨＰの数と第２の発振期間Ｐ２におけるＭＨＰの数に基づいて、物体２１０の速度等の物理量を算出する。

特開２００６−３１３０８０号公報

三角波状の搬送波を用いる従来の速度計測装置では、一般的な鋸波状の搬送波を用いる干渉計と比較して、干渉信号を距離と速度とに分離して算出することができるものの、速度の計測範囲が狭いという問題点があった。以下、この問題点について説明する。
計数装置で計測されるＭＨＰの数は、次式に示すように物体との距離Ｌに比例する項Ｎ０と物体の速度Ｖに比例する項Ａ・Ｖ（Ａは係数）との線形和になる。
Ｎ＝｜Ｎ０±Ａ・Ｖ｜ ・・・（１）

ここで、速度Ｖは半導体レーザに接近する方向を正とする。半導体レーザの発振波長が増加する第１の発振期間では、Ｎ＝｜Ｎ０＋Ａ・Ｖ｜となり、発振波長が減少する第２の発振期間では、Ｎ＝｜Ｎ０−Ａ・Ｖ｜となる。また、式（１）の関係をＭＨＰの周波数ｆｓｉｇで表現すると、次式のようになる。
ｆｓｉｇ＝｜ｆ０±ａ・Ｖ｜ ・・・（２）

ｆ０は物体との距離Ｌに比例する項、ａは係数である。図１９にＭＨＰの周波数ｆｓｉｇと物体の速度Ｖとの関係を示す。図１９において、ｆｕは半導体レーザの発振波長が増加する第１の発振期間における周波数ｆｉｇの変化を示し、ｆｄは発振波長が減少する第２の発振期間における周波数ｆｉｇの変化を示している。ｆｍａｘは信号抽出回路２０６で抽出可能なＭＨＰの最高周波数、ｆｍｉｎは信号抽出回路２０６で抽出可能なＭＨＰの最低周波数である。ｆｍａｘとｆｍｉｎとの差が回路帯域幅となる。

以上のように、三角波状の搬送波を用いる速度計測装置では、第１の発振期間と第２の発振期間で物体の速度Ｖに係る係数の符号が異なる。このため、図２０に示すように半導体レーザを鋸波状に発振させる場合に比べて、ＭＨＰの計数に使用可能な回路帯域が半分になり、結果として速度計測に使用可能な回路帯域が半分になる。なお、以上の問題は、自己結合型の速度計測装置に限らず、三角波状の搬送波を用いる速度計測装置であれば、同様に発生する。

一方、図２０に示した鋸波状の搬送波を用いる速度計測装置では、三角波状の搬送波を用いる速度計測装置に比べて速度の計測範囲を約２倍にすることができる。しかし、計数装置で計数されたＭＨＰのうち、対象物との距離によるＭＨＰと対象物の速度によるＭＨＰとの分離ができない。その結果、演算装置で算出する速度に誤差が生じるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、三角波状の搬送波を用いる速度計測装置の利点を維持しつつ、速度の計測範囲を広げることができる速度計測装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の速度計測装置は、測定対象に電磁波または弾性波を放射する放射器と、発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記放射器を動作させる発振波長変調手段と、前記放射器から放射された電磁波または弾性波と前記測定対象から戻る反射波とによって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について求める信号抽出手段と、前記干渉波形の数に基づいて前記測定対象の速度を算出する演算手段とを備え、前記発振波長変調手段は、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間で時間に対する発振波長変化速度の絶対値が異なるように前記放射器を動作させ、信号抽出手段で抽出可能な干渉波形の最高周波数をｆｍａｘ、計測可能な干渉波形の最低周波数をｆｍｉｎ、前記第１の発振期間の時間長をＴ１、前記第２の発振期間Ｐ２の時間長をＴ２としたとき、前記測定対象が前記放射器に近づく方向に移動する場合には、（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≧（Ｔ２／Ｔ１）とし、前記測定対象が前記放射器から遠ざかる方向に移動する場合には、（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≧（Ｔ１／Ｔ２）とすることを特徴とするものである。

また、本発明の速度計測装置の１構成例は、さらに、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について前記干渉波形の平均周波数を測定する周波数測定手段と、前記第１の発振期間における干渉波形の平均周波数と前記第２の発振期間における干渉波形の平均周波数との平均値と、信号抽出手段で抽出可能な干渉波形の最高周波数と計測可能な干渉波形の最低周波数との平均値が等しくなるように、前記放射器の発振波長変調の搬送波を調整する搬送波調整手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の速度計測装置の１構成例は、さらに、前記測定対象の速度が０のときの第１の発振期間における干渉波形の周波数が前記信号抽出手段で抽出可能な干渉波形の最低周波数を下回らない範囲で前記最低周波数に近づき、前記測定対象の速度が０のときの第２の発振期間における干渉波形の周波数が前記信号抽出手段で抽出可能な干渉波形の最高周波数を上回らない範囲で最高周波数に近づくように、前記放射器の発振波長変調の搬送波を調整する搬送波調整手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の速度計測装置の１構成例において、前記放射器は、半導体レーザであり、前記検出手段は、前記半導体レーザから放射された電磁波であるレーザ光と前記測定対象から戻る反射波である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ことを特徴とするものである。

また、本発明の速度計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように放射器を動作させる発振ステップと、前記放射器から放射された電磁波または弾性波と測定対象から戻る反射波とによって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出ステップと、この検出ステップで得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について求める信号抽出ステップと、前記干渉波形の数に基づいて前記測定対象の速度を算出する演算ステップとを備え、前記発振波長変調ステップは、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間で時間に対する発振波長変化速度の絶対値が異なるように前記放射器を動作させ、計測可能な干渉波形の最高周波数をｆｍａｘ、計測可能な干渉波形の最低周波数をｆｍｉｎ、前記第１の発振期間の時間長をＴ１、前記第２の発振期間Ｐ２の時間長をＴ２としたとき、前記測定対象が前記放射器に近づく方向に移動する場合には、（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≧（Ｔ２／Ｔ１）とし、前記測定対象が前記放射器から遠ざかる方向に移動する場合には、（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≧（Ｔ１／Ｔ２）とすることを特徴とするものである。

本発明によれば、第１の発振期間と第２の発振期間で時間に対する発振波長変化速度の絶対値が異なるように放射器を動作させることにより、第１の発振期間と第２の発振期間の各々において速度計測装置の回路帯域のほぼ全てを使用して干渉波形の計数を行うことができるので、従来よりも有効に回路帯域を使用することができ、速度の計測範囲を広げることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る速度計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る速度計測装置を適用するウェブ搬送装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における電流−電圧変換増幅部の出力電圧波形およびフィルタ部の出力電圧波形を模式的に示す波形図である。 本発明の第１の実施の形態に係る速度計測装置のフィルタ部の構成の１例を示す図である。 モードホップパルスについて説明するための図である。 半導体レーザの発振波長とフォトダイオードの出力波形との関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る速度計測装置の演算部の構成の１例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る速度計測装置の演算部の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化および信号抽出部によって導出されたモードホップパルスの数の時間変化を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における信号周波数と物体の速度との関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における信号抽出部によって導出されたモードホップパルスの数と物体の速度との関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る速度計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る速度計測装置の調整部の構成の１例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る速度計測装置の調整部の構成の１例を示すブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る速度計測装置の構成を示すブロック図である。 従来の速度計測装置の構成を示すブロック図である。 図１７の速度計測装置における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。 信号周波数と物体の速度との関係を示す図である。 半導体レーザを鋸波状に発振させる場合の発振波長の時間変化を示す図である。

［第１の実施の形態］
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速度計測装置の構成を示すブロック図である。図１の速度計測装置は、紙、フィルム、セロファン、金属箔、ゴムなどのロール状に巻き取った物体（以下、ウェブと呼ぶ）１１にレーザ光を放射する放射器となる半導体レーザ１と、半導体レーザ１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２と、半導体レーザ１からの光を集光して放射すると共に、ウェブ１１からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１を駆動する発振波長変調手段となるレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅部５と、電流−電圧変換増幅部５の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ部６と、フィルタ部６の出力電圧に含まれる自己結合信号であるＭＨＰの数を求める信号抽出部７と、信号抽出部７によって導出されたＭＨＰの数に基づいてウェブ１１の速度を算出する演算部８と、演算部８の計測結果を表示する表示部９とを有する。

半導体レーザ１とフォトダイオード２とレンズ３とは、センサモジュール１０を構成している。また、フォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５とは、検出手段を構成している。

図２は本実施の形態の速度計測装置を適用するウェブ搬送装置の構成を示すブロック図である。ウェブ搬送装置は、送出側ガイド軸１００と、受取側ガイド軸１０１と、送出側ガイド軸１００に装着される送出側ロール１０２と、受取側ガイド軸１０１に装着される受取側ロール１０３と、送出側ガイド軸１００を駆動し、送出側ロール１０２を回転させる送出側モータ駆動部（不図示）と、受取側ガイド軸１０１を駆動し、受取側ロール１０３を回転させる受取側モータ駆動部（不図示）と、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御する制御部１０４とを有する。

送出側モータ駆動部が送出側ロール１０２を回転させると、送出側ロール１０２に巻かれたウェブ１１が繰り出される。受取側では、受取側モータ駆動部が受取側ロール１０３を回転させることにより、受取側ロール１０３がウェブ１１を巻き取る。
制御部１０４は、ウェブ１１の速度が所望の値になるように、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御する。

半導体レーザ１とフォトダイオード２とレンズ３とからなるセンサモジュール１０は、図２に示すように送出側ガイド軸１００と受取側ガイド軸１０１間のウェブ１１上に配置され、ウェブ１１に対してレーザ光を斜方照射する。レーザ光を斜方照射するのは、ウェブ１１の速度を計測するためである。
図１のレーザドライバ４と電流−電圧変換増幅部５とフィルタ部６と信号抽出部７と演算部８と表示部９とは、制御部１０４の内部に設けられる。

次に、本実施の形態の速度計測装置の動作を詳細に説明する。以下、説明容易にするために、半導体レーザ１には、モードホッピング現象を持たない型（ＶＣＳＥＬ型、ＤＦＢレーザ型）のものが用いられているものと想定する。

レーザドライバ４は、半導体レーザの発振波長が増加する第１の発振期間と発振波長が減少する第２の発振期間で時間に対する発振波長変化速度の絶対値が異なる三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ１に供給する。これにより、半導体レーザ１は、第１の発振期間と第２の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。図３は、半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図である。図３において、Ｐ１は第１の発振期間、Ｐ２は第２の発振期間、λａは各期間における発振波長の最小値、λｂは各期間における発振波長の最大値である。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂおよび発振波長の最小値λａはそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ−λａも常に一定になされている。

図２に示すようにウェブ１１が水平方向に沿って半導体レーザ１に近づく方向に移動している場合、信号抽出部７で抽出可能なＭＨＰの最高周波数をｆｍａｘ、計測可能なＭＨＰの最低周波数をｆｍｉｎ、第１の発振期間Ｐ１の時間長をＴ１、第２の発振期間Ｐ２の時間長をＴ２とすると、次式が成立する。
（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≧（Ｔ２／Ｔ１） ・・・（３）

第１の発振期間Ｐ１の発振波長の傾きをＳ１、第２の発振期間Ｐ２の発振波長の傾きをＳ２とし、式（３）を発振波長の傾きで表現すると、次式となる。
（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≦（Ｓ１／Ｓ２） ・・・（４）

また、図２の場合と反対に、ウェブ１１が水平方向に沿って半導体レーザ１から遠ざかる方向に移動している場合、次式が成立する。
（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≧（Ｔ１／Ｔ２） ・・・（５）
式（５）を発振波長の傾きで表現すると、次式となる。
（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≦（Ｓ２／Ｓ１） ・・・（６）

こうして、レーザドライバ４は、式（３）〜式（６）のいずれかで定義される三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ１に供給する。
半導体レーザ１から出射したレーザ光は、レンズ３によって集光され、ウェブ１１に入射する。ウェブ１１で反射された光の一部は、レンズ３によって集光され、半導体レーザ１に入射する。ただし、レンズ３による集光は必須ではない。フォトダイオード２は、半導体レーザ１の内部又はその近傍に配置され、半導体レーザ１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅部５は、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する。

フィルタ部６は、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものである。図４（Ａ）は電流−電圧変換増幅部５の出力電圧波形を模式的に示す図、図４（Ｂ）はフィルタ部６の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらの図は、フォトダイオード２の出力に相当する図４（Ａ）の波形（変調波）から、図３の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図４（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。

ここで、フィルタ部６の構成について説明する。フィルタ部６は、図５に示すように、搬送波除去用のハイパスフィルタ６０と、ノイズ除去用のローパスフィルタ６１とから構成される。信号抽出部７で抽出可能なＭＨＰの最高周波数ｆｍａｘはローパスフィルタ６１のカットオフ周波数で決まり、信号抽出部７で抽出可能なＭＨＰの最低周波数ｆｍｉｎはハイパスフィルタ６０のカットオフ周波数で決まる。

次に、信号抽出部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について求める。信号抽出部７としては、論理ゲートからなるカウンタを利用すればよい。また、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）などの周波数解析手法を用いてＭＨＰの周波数（すなわち単位時間あたりのＭＨＰの数）を求め、信号抽出時間中のＭＨＰの数を算出するようにしてもよい。

ここで、自己結合信号であるＭＨＰについて説明する。図６に示すように、ミラー層１３からウェブ１１までの距離をＬ、レーザの発振波長をλとすると、以下の共振条件を満足するとき、ウェブ１１からの戻り光と半導体レーザ１の光共振器内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｑλ／２ ・・・（７）
式（７）において、ｑは整数である。この現象は、ウェブ１１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６において、１４はミラーとなる誘電体多層膜である。

図７は、半導体レーザ１の発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード２の出力波形との関係を示す図である。式（７）に示したＬ＝ｑλ／２を満足したときに、戻り光と光共振器内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と光共振器内のレーザ光とが最も強め合い、Ｌ＝ｑλ／２＋λ／４のときに、位相差が１８０°（逆位相）になって、戻り光と光共振器内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザ１の発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力をフォトダイオード２で検出すると、図７に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。この階段状の波形、すなわち干渉縞の１つ１つがＭＨＰである。前記のとおり、ある一定時間において半導体レーザ１の発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してＭＨＰの数は変化する。さらに、ウェブ１１が速度を持つ場合、ドップラー効果成分によって速度に比例したＭＨＰの数だけ増減する。

次に、演算部８は、信号抽出部７が数えたＭＨＰの数に基づいてウェブ１１の速度を算出する。図８は演算部８の構成の１例を示すブロック図である。演算部８は、信号抽出部７によって導出されたＭＨＰの数等を記憶する記憶部８０と、半導体レーザ１とウェブ１１との平均距離に比例したＭＨＰの数（以下、距離比例個数とする）ＮＬを求める距離比例個数算出部８１と、距離比例個数ＮＬからウェブ１１の速度を算出する速度算出部８２とから構成される。

図９は演算部８の動作を示すフローチャートである。信号抽出部７によって導出されたＭＨＰの数は、演算部８の記憶部８０に格納される。
図１０（Ａ）は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図、図１０（Ｂ）は信号抽出部７によって導出されたＭＨＰの数の時間変化を示す図である。図１０（Ｂ）において、Ｎｕは第１の発振期間Ｐ１におけるＭＨＰの数、Ｎｄは第２の発振期間Ｐ２におけるＭＨＰの数、ＮＬは距離比例個数である。図３から明らかなように、第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２は交互に訪れるので、ＭＨＰの数ＮｕとＮｄも交互に現れる。

演算部８の距離比例個数算出部８１は、記憶部８０に格納されたＭＨＰの数から距離比例個数ＮＬを求める（図９ステップＳ１００）。

図１０（Ａ）から明らかなように、第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２は交互に訪れるので、ＭＨＰの数ＮｕとＮｄも交互に現れる。ＭＨＰの数Ｎｕ，Ｎｄは、距離比例個数ＮＬと各測定期間Ｔ１もしくはＴ２間のウェブ１１の変位に比例したＭＨＰの数との和もしくは差である。

距離比例個数算出部８１は、次式に示すように距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝（Ｔ１×Ｎｄ＋Ｔ２×Ｎｕ）／（Ｔ１＋Ｔ２） ・・・（８）
式（８）において、Ｔ１は第１の発振期間Ｐ１の時間長、Ｔ２は第２の発振期間Ｐ２の時間長である。距離比例個数算出部８１が算出した距離比例個数ＮＬは、記憶部８０に格納される。距離比例個数算出部８１は、以上のような距離比例個数ＮＬの算出処理を、信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。なお、距離比例個数ＮＬの算出処理は、発振期間毎に加えて、式（８）のＮｄ，Ｎｕの代わりに、ある期間のＮｄおよびＮｕの値のそれぞれの平均値を用いても良い。

次に、演算部８の速度算出部８２は、距離比例個数ＮＬからウェブ１１の速度Ｖを算出する（図９ステップＳ１０１）。信号抽出部７によって導出されたＭＨＰの数Ｎ（すなわち、ＮｕまたはＮｄ）と距離比例個数ＮＬとの差が測定期間における変位に比例するため、第１の発振期間Ｐ１の時間長Ｔ１または第２の発振期間Ｐ２の時間長Ｔ２あたりのウェブ１１の進行方向の変位Ｄは次式で算出できる。
Ｄ＝λ／２×｜Ｎ−ＮＬ｜×ｃｏｓθ ・・・（９）

式（９）において、λは半導体レーザ１の発振平均波長、θは図２に示すように半導体レーザ１からのレーザ光の光軸がウェブ１１に対してなす角度である。式（９）より第１の発振期間Ｐ１におけるウェブ１１の速度Ｖは次式で算出できる。
Ｖ＝Ｄ／Ｔ１ ・・・（１０）
また、第２の発振期間Ｐ２におけるウェブ１１の速度Ｖは次式で算出できる。
Ｖ＝Ｄ／Ｔ２ ・・・（１１）

速度算出部８２は、式（１０）、式（１１）による速度Ｖの算出処理を、信号抽出部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。なお、式（１０）の変位Ｄは式（９）のＭＨＰの数ＮとしてＮｕを用いて求めた値であり、式（１１）の変位Ｄは式（９）のＭＨＰの数ＮとしてＮｄを用いて求めた値である。また、速度Ｖと変位Ｄはともに半導体レーザに接近する方向が正である。表示部９は、速度算出部８２が算出したウェブ１１の速度Ｖを表示する。

ウェブ搬送装置の制御部１０４は、速度算出部８２の算出結果に基づいて、ウェブ１１の速度Ｖが所望の値になるように、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御する。なお、ウェブ１１の張力を求める手段は本発明の構成要件でないため記載していないが、周知の技術によりウェブ１１の張力を計測し、ウェブ１１の張力が所望の値になるように、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御してもよいことは言うまでもない。

図１１は本実施の形態におけるＭＨＰの周波数ｆｓｉｇとウェブ１１の速度Ｖとの関係を示す図、図１２は信号抽出部７によって導出されたＭＨＰの数Ｎとウェブ１１の速度Ｖとの関係を示す図である。図１１において、ｆｕは半導体レーザ１の発振波長が増加する第１の発振期間における周波数ｆｉｇの変化を示し、ｆｄは発振波長が減少する第２の発振期間における周波数ｆｉｇの変化を示している。

図１９に示したように、従来の速度計測装置では、第１の発振期間と第２の発振期間の各々においてＭＨＰの計数に使用可能な帯域は速度計測装置の回路帯域の１／２である。これに対して、本実施の形態では、第１の発振期間と第２の発振期間で時間に対する発振波長変化速度の絶対値が異なる搬送波を用いる。これにより、本実施の形態では、図１１に示すように、第１の発振期間と第２の発振期間の各々において速度計測装置の回路帯域のほぼ全てを使用してＭＨＰの計数を行うことができるので、従来よりも有効に回路帯域を使用することができ、速度の計測範囲を広げることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１３は本発明の第２の実施の形態に係る速度計測装置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。本実施の形態の速度計測装置は、半導体レーザ１と、フォトダイオード２と、レンズ３と、レーザドライバ４と、電流−電圧変換増幅部５と、フィルタ部６と、信号抽出部７と、演算部８と、表示部９と、搬送波を調整する調整部１２とを有する。

図１４は調整部１２の構成の１例を示すブロック図である。調整部１２は、周波数測定部１２０と、搬送波調整部１２１とから構成される。
周波数測定部１２０は、半導体レーザ１の発振波長が増加する第１の発振期間と発振波長が減少する第２の発振期間の各々についてＭＨＰの平均周波数ｆａｖを測定する。周波数測定部１２０は、信号抽出部７によって導出されたＭＨＰの数Ｎと信号抽出部７がＭＨＰの数を数える信号抽出時間ＴとからＭＨＰの平均周波数ｆａｖを次式のように算出する。なお、ＦＦＴなどの周波数解析手段を用いてＭＨＰの平均周波数ｆａｖを求めるようにしてもよい。
ｆａｖ＝Ｎ／Ｔ ・・・（１２）

搬送波調整部１２１は、第１の発振期間におけるＭＨＰの平均周波数ｆｕと第２の発振期間におけるＭＨＰの平均周波数ｆｄとの平均値と、信号抽出部７で抽出可能なＭＨＰの最高周波数ｆｍａｘと計測可能なＭＨＰの最低周波数ｆｍｉｎとの平均値が等しくなるように、レーザドライバ４を通じて搬送波を調整する。すなわち、搬送波調整部１２１は、以下の式が成立するように搬送波を調整する。
（ｆｕ＋ｆｄ）／２＝（ｆｍａｘ＋ｆｍｉｎ）／２ ・・・（１３）

搬送波調整部１２１は、具体的には、搬送波の周波数、時間に対する発振波長の変化率、最大発振波長λｂと最小発振波長λａとの差Δλのうち、少なくとも１つを変化させることにより、搬送波を調整する。これらの調整は、いずれもレーザドライバ４から半導体レーザ１に供給する三角波駆動電流の調整によって実現できる。
以上のような搬送波の調整は、ウェブ１１が動いていない初期設定時に行ってもよいし、ウェブ１１の速度の計測中に常時行うようにしてもよい。速度計測装置のその他の構成は、第１の実施の形態と同じである。

第１の実施の形態において、速度計測装置の回路帯域を最も有効に使用するには、式（１３）が成立することが望ましい。本実施の形態では、搬送波を調整することにより、速度計測装置の回路帯域を有効に使用することができ、速度の計測範囲を広げることができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第２の実施の形態の調整部１２の別の構成例を示すものである。図１５は本実施の形態の調整部１２の構成の１例を示すブロック図である。本実施の形態の調整部１２は、搬送波調整部１２１ａから構成される。

図１１の周波数ｆｕの傾きをａ、周波数ｆｄの傾きを−ａ、周波数ｆｕの切片をｆ０ｕ、周波数ｆｄの切片をｆ０ｄ、図１２の個数Ｎｕの傾きをＡｕ、個数Ｎｄの傾きをＡｄとすると、次式が成立する。
ｆｕ＝ｆ０ｕ＋ａ×Ｖ ・・・（１４）
ｆｄ＝ｆ０ｄ−ａ×Ｖ ・・・（１５）
Ｎｕ＝ＮＬ＋Ａｕ×Ｖ ・・・（１６）
Ｎｄ＝ＮＬ＋Ａｄ×Ｖ ・・・（１７）

搬送波調整部１２１ａは、切片ｆ０ｕ、すなわちウェブ１１の速度Ｖが０のときの第１の発振期間におけるＭＨＰの周波数が最低周波数ｆｍｉｎを下回らない範囲でｆｍｉｎに近づき、切片ｆ０ｄ、すなわちウェブ１１の速度Ｖが０のときの第２の発振期間におけるＭＨＰの周波数が最高周波数ｆｍａｘを上回らない範囲でｆｍａｘに近づくように、レーザドライバ４を通じて搬送波を調整する。これにより、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。第１〜第３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と電流−電圧変換増幅部５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１６は本発明の第４の実施の形態に係る速度計測装置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。本実施の形態の速度計測装置は、第１〜第３の実施の形態のフォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５の代わりに、検出手段として電圧検出部１３を用いるものである。

電圧検出部１３は、半導体レーザ１の端子間電圧、すなわちアノード−カソード間電圧を検出して増幅する。半導体レーザ１から放射されたレーザ光とウェブ１１からの戻り光とによって干渉が生じるとき、半導体レーザ１の端子間電圧には、ＭＨＰ波形が現れる。したがって、半導体レーザ１の端子間電圧からＭＨＰ波形を抽出することが可能である。

フィルタ部６は、電圧検出部１３の出力電圧から搬送波を除去する。速度計測装置のその他の構成は、第１〜第３の実施の形態と同じである。
こうして、本実施の形態では、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ができ、第１〜第３の実施の形態と比較して速度計測装置の部品を削減することができ、速度計測装置のコストを低減することができる。また、本実施の形態では、フォトダイオードを使用しないので、外乱光による影響を除去することができる。

本実施の形態では、レーザドライバ４から半導体レーザ１に供給する駆動電流をレーザ発振のしきい値電流付近に制御することが好ましい。これにより、半導体レーザ１の端子間電圧からＭＨＰを抽出することが容易になる。

なお、第１〜第４の実施の形態において、少なくとも信号抽出部７と演算部８と調整部１２と制御部１０４とは、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１〜第４の実施の形態で説明した処理を実行する。

また、第１〜第４の実施の形態では、搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブ１１を測定対象としているが、これに限るものではない。ただし、測定対象は、図２に示したウェブ１１の例のように半導体レーザ１と測定対象との距離Ｌが略一定であることが好ましい。

第１〜第４の実施の形態では、自己結合型の速度計測装置に本発明を適用する場合について説明したが、自己結合型以外の速度計測装置、例えばレーザドップラーや弾性波（音波、超音波など）などを用いる速度計測装置にも本発明を適用することができる。第１〜第４の実施の形態を自己結合型以外の速度計測装置に適用する場合には、例えば半導体レーザから放射されるレーザ光と戻り光とを例えばビームスプリッタ等により分離して、戻り光をフォトダイオードで検出することにより、戻り光のうち速度に依存して変化するパラメータを得るようにしたり、超音波発信器および受信器を用いて、同様に受信波形に基づく処理を行うようにすればよい。

本発明は、電磁波の干渉を利用して物体の速度を計測する技術に適用することができる。

１…半導体レーザ、２…フォトダイオード、３…レンズ、４…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅部、６…フィルタ部、７…信号抽出部、８…演算部、９…表示部、１０…センサモジュール、１１…ウェブ、１２…調整部、１３…電圧検出部、８０…記憶部、８１…距離比例個数算出部、８２…速度算出部、１２０…周波数測定部、１２１，１２１ａ…搬送波調整部。

Claims (8)

1. 測定対象に電磁波または弾性波を放射する放射器と、
   発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記放射器を動作させる発振波長変調手段と、
   前記放射器から放射された電磁波または弾性波と前記測定対象から戻る反射波とによって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、
   この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について求める信号抽出手段と、
   前記干渉波形の数に基づいて前記測定対象の速度を算出する演算手段とを備え、
   前記発振波長変調手段は、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間で時間に対する発振波長変化速度の絶対値が異なるように前記放射器を動作させ、信号抽出手段で抽出可能な干渉波形の最高周波数をｆｍａｘ、計測可能な干渉波形の最低周波数をｆｍｉｎ、前記第１の発振期間の時間長をＴ１、前記第２の発振期間Ｐ２の時間長をＴ２としたとき、前記測定対象が前記放射器に近づく方向に移動する場合には、（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≧（Ｔ２／Ｔ１）とし、前記測定対象が前記放射器から遠ざかる方向に移動する場合には、（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≧（Ｔ１／Ｔ２）とすることを特徴とする速度計測装置。
2. 請求項１記載の速度計測装置において、
   さらに、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について前記干渉波形の平均周波数を測定する周波数測定手段と、
   前記第１の発振期間における干渉波形の平均周波数と前記第２の発振期間における干渉波形の平均周波数との平均値と、信号抽出手段で抽出可能な干渉波形の最高周波数と計測可能な干渉波形の最低周波数との平均値が等しくなるように、前記放射器の発振波長変調の搬送波を調整する搬送波調整手段とを備えることを特徴とする速度計測装置。
3. 請求項１記載の速度計測装置において、
   さらに、前記測定対象の速度が０のときの第１の発振期間における干渉波形の周波数が前記信号抽出手段で抽出可能な干渉波形の最低周波数を下回らない範囲で前記最低周波数に近づき、前記測定対象の速度が０のときの第２の発振期間における干渉波形の周波数が前記信号抽出手段で抽出可能な干渉波形の最高周波数を上回らない範囲で最高周波数に近づくように、前記放射器の発振波長変調の搬送波を調整する搬送波調整手段を備えることを特徴とする速度計測装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の速度計測装置において、
   前記放射器は、半導体レーザであり、
   前記検出手段は、前記半導体レーザから放射された電磁波であるレーザ光と前記測定対象から戻る反射波である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ことを特徴とする速度計測装置。
5. 発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように放射器を動作させる発振ステップと、
   前記放射器から放射された電磁波または弾性波と測定対象から戻る反射波とによって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出ステップと、
   この検出ステップで得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について求める信号抽出ステップと、
   前記干渉波形の数に基づいて前記測定対象の速度を算出する演算ステップとを備え、
   前記発振波長変調ステップは、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間で時間に対する発振波長変化速度の絶対値が異なるように前記放射器を動作させ、計測可能な干渉波形の最高周波数をｆｍａｘ、計測可能な干渉波形の最低周波数をｆｍｉｎ、前記第１の発振期間の時間長をＴ１、前記第２の発振期間Ｐ２の時間長をＴ２としたとき、前記測定対象が前記放射器に近づく方向に移動する場合には、（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≧（Ｔ２／Ｔ１）とし、前記測定対象が前記放射器から遠ざかる方向に移動する場合には、（ｆｍｉｎ／ｆｍａｘ）≧（Ｔ１／Ｔ２）とすることを特徴とする速度計測方法。
6. 請求項５記載の速度計測方法において、
   さらに、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について前記干渉波形の平均周波数を測定する周波数測定ステップと、
   前記第１の発振期間における干渉波形の平均周波数と前記第２の発振期間における干渉波形の平均周波数との平均値と、計測可能な干渉波形の最高周波数と計測可能な干渉波形の最低周波数との平均値が等しくなるように、前記放射器の発振波長変調の搬送波を調整する搬送波調整ステップとを備えることを特徴とする速度計測方法。
7. 請求項５記載の速度計測方法において、
   さらに、前記測定対象の速度が０のときの第１の発振期間における干渉波形の周波数が計測可能な干渉波形の最低周波数を下回らない範囲で前記最低周波数に近づき、前記測定対象の速度が０のときの第２の発振期間における干渉波形の周波数が計測可能な干渉波形の最高周波数を上回らない範囲で最高周波数に近づくように、前記放射器の発振波長変調の搬送波を調整する搬送波調整ステップを備えることを特徴とする速度計測方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の速度計測方法において、
   前記放射器は、半導体レーザであり、
   前記検出ステップは、前記半導体レーザから放射された電磁波であるレーザ光と前記測定対象から戻る反射波である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ことを特徴とする速度計測方法。

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