JP2013186027A - 状態検知装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークディスタンスが長い場合でも物体の静止状態を検出する。
【解決手段】状態検知装置は、半導体レーザ１と、発振波長が一定となるように半導体レーザ１を動作させるレーザドライバ４と、半導体レーザ１から放射されたレーザ光と物体１０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フォトダイオード２および電流−電圧変換増幅部５と、干渉波形に含まれる干渉縞を数える計数部７と、計数部７の計数結果に基づいて物体１０が静止しているかどうかを判定する判定部８とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザから放射したレーザ光と物体からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉の情報から、物体の静止状態を検出する状態検知装置および方法に関するものである。

従来より、物体の静止状態を検出するセンサとして発振型近接センサが知られている（特許文献１参照）。発振型近接センサは、電気コイルを備えた検出ヘッドと、電気コイルのインピーダンス変動を検知して変位信号を出力するアンプ回路とを備え、電気コイルから発せられる磁力線の作用により物体の金属面に渦電流を発生させ、その磁界の影響により生じる電気コイルのインピーダンス変動を基に、検出ヘッドと物体との距離の変位量を検出するものである。

特開２００３−５８２５４号公報

特許文献１に開示された技術では、距離の変位量を高精度に検出することができるが、適用可能なワークディスタンス（検出ヘッドと物体との距離）が非常に短い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、ワークディスタンスが長い場合でも物体の静止状態を検出することができる状態検知装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の状態検知装置は、レーザ光を放射する半導体レーザと、この半導体レーザから放射されたレーザ光と前記半導体レーザの前方に存在する物体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に含まれる干渉縞を数える計数手段と、この計数手段の計数結果に基づいて前記物体が静止しているかどうかを判定する判定手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の状態検知装置の１構成例は、さらに、発振波長が一定となるように前記半導体レーザを動作させる駆動手段を備え、前記判定手段は、一定時間あたりの干渉波形における干渉縞の計数値が所定の計数閾値以下の場合、または一定時間あたりの干渉波形における干渉縞の計数値の増加分が所定の増分閾値以下の場合、前記物体が静止していると判定することを特徴とするものである。
また、本発明の状態検知装置の１構成例は、さらに、発振波長が一定の変化率で変化するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段を備え、前記判定手段は、一定時間あたりの干渉波形における干渉縞の計数値と設定値との差が所定の差分閾値以下の場合、前記物体が静止していると判定することを特徴とするものである。

また、本発明の状態検知方法は、半導体レーザを発振させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記半導体レーザの前方に存在する物体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検出手順と、この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形に含まれる干渉縞を数える計数手順と、この計数手順の計数結果に基づいて前記物体が静止しているかどうかを判定する判定手順とを備えることを特徴とするものである。

本発明では、半導体レーザから放射されたレーザ光と半導体レーザの前方に存在する物体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し、干渉縞の数（本数）を数え、この計数結果に基づいて物体が静止しているかどうかを判定する。本発明では、レーザ光を利用して物体の静止状態を検出するので、ワークディスタンス（半導体レーザと物体との距離）が長い場合でも物体の静止状態を検出することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る状態検知装置の構成を示すブロック図である。 自己結合信号について説明するための図である。 物体の変位と自己結合信号におけるモードホップパルスの計数値との関係の１例を示す図、および物体の変位と自己結合信号におけるモードホップパルスの計数値の累積値との関係の１例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る状態検知装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化を示す図である。 本発明の第２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２の実施の形態に係るフィルタ部の構成の１例を示す図である。 本発明の第２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他の例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る状態検知装置の構成を示すブロック図である。

［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状態検知装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の状態検知装置は、レーザ光を放射する半導体レーザ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、物体１０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を駆動する駆動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の出力電圧からノイズ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）の数を数える計数部７と、計数部７の計数結果に基づいて物体１０が静止しているかどうかを判定する判定部８と、判定部８の判定結果を出力する出力部９とを有する。

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。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、一定の大きさの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、一定波長のレーザ光を放射する。
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、物体１０に照射する。物体１０で反射された光は、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、ノイズ除去用のローパスフィルタから構成される。計数部７で抽出可能なＭＨＰの最高周波数はローパスフィルタのカットオフ周波数で決まる。
次に、計数部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を数える。計数部７は、論理ゲートからなるカウンタを利用するものでもよいし、フーリエ変換やウェブレット変換などの周波数解析を利用して利用して干渉信号の周波数（すなわち単位時間あたりのＭＨＰの数）を計測するものでもよい。

ここで、自己結合効果による干渉縞であるＭＨＰについて説明する。図２に示すように、ミラー層１３から物体１０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、物体１０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 ・・・（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２において、１４はミラーとなる誘電体多層膜である。

式（１）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。物体１０が変位すると、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、干渉波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。この干渉縞の１本１本がＭＨＰである。半導体レーザ１を基準として物体１０が（λ／２）変位する度にＭＨＰが１つ発生する。物体１０の速度の絶対値に比例した頻度でＭＨＰが発生するため、物体１０の振動１周期あたりのＭＨＰの数は物体１０の振動振幅に比例する。

判定部８は、計数部７の計数結果に基づいて物体１０が静止しているかどうかを判定する。図３（Ａ）は物体１０の変位と一定時間あたりのＭＨＰの計数値との関係の１例を示す図、図３（Ｂ）は物体１０の変位とＭＨＰの計数値の累積値との関係の１例を示す図である。図３（Ａ）、図３（Ｂ）において、３０は物体１０の変位を示し、３１は一定時間あたりのＭＨＰの計数値を示し、３２はＭＨＰの計数値の累積値を示している。

半導体レーザ１の発振波長が固定の場合、一定時間あたりのＭＨＰの計数値の最低値は０である。つまり、物体１０が動いている状態から静止状態に近づくと、図３（Ａ）に示すようにＭＨＰの計数値の極大値は０に近づき、図３（Ｂ）に示すようにＭＨＰの計数値の累積値は収束する。
そこで、判定部８は、一定時間あたりのＭＨＰの計数値が所定の計数閾値以下の場合、物体１０が静止していると判定する。また、判定部８は、一定時間あたりのＭＨＰの計数値の増加分（図３（Ｂ）の累積値の傾き）が所定の増分閾値以下の場合、物体１０が静止していると判定してもよい。

出力部９は、判定部８の判定結果を出力する。判定結果の出力方法としては、判定結果を表示する方法や、ランプやブザーで判定結果を知らせる方法、判定結果を示す判定結果信号を出力する方法などがある。

本実施の形態では、レーザ光を利用して物体１０の静止状態を検出するので、ワークディスタンス（半導体レーザ１と物体１０との距離）が長い場合でも物体１０の静止状態を検出することができる。

［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４は本発明の第２の実施の形態に係る状態検知装置の構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の状態検知装置は、半導体レーザ１と、フォトダイオード２と、レンズ３と、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の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し存在するように半導体レーザ１を動作させる発振波長変調手段となるレーザドライバ４ａと、電流−電圧変換増幅部５と、電流−電圧変換増幅部５の出力電圧からノイズと搬送波を除去するフィルタ部６ａと、計数部７と、判定部８ａと、出力部９とを有する。

本実施の形態のレーザドライバ４ａ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１に供給する。これにより、半導体レーザ１は、注入電流の大きさに比例して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５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５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、Ｔｔは三角波の周期である。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。

レンズ３、フォトダイオード２および電流−電圧変換増幅部５の動作は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
本実施の形態のフィルタ部６ａ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６（Ａ）は本実施の形態の電流−電圧変換増幅部５の出力電圧波形を模式的に示す図、図６（Ｂ）は本実施の形態のフィルタ部６ａ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６（Ａ）の波形（変調波）から、図５の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図６（Ｂ）の自己結合効果による干渉縞（ＭＨＰ）を抽出する過程を表している。

ここで、フィルタ部６ａの構成について説明する。フィルタ部６ａは、図７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。計数部７で抽出可能なＭＨＰの最高周波数はローパスフィルタ６１のカットオフ周波数で決まり、計数部７で抽出可能なＭＨＰの最低周波数はハイパスフィルタ６０のカットオフ周波数で決まる。
第１の実施の形態と同様に、計数部７は、フィルタ部６ａの出力電圧波形に含まれるＭＨＰの数を数える。

次に、判定部８ａは、計数部７の計数結果に基づいて物体１０が静止しているかどうかを判定する。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場合、ＭＨＰの計数値の最低値は半導体レーザ１と物体１０との距離に比例した値Ｎ０になる。つまり、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場合、ＭＨＰの数は、物体１０の速度の絶対値に比例したＭＨＰの数と物体１０が静止した状態でも生じるＭＨＰの数Ｎ０との和または差となるため、ＭＨＰの数とＮ０との、物体１０の振動１周期あたりの差は物体１０の振動振幅に比例する。
そこで、判定部８ａは、一定時間あたりのＭＨＰの計数値と設定値（例えばＮ０）との差の極大値が所定の差分閾値以下の場合、物体１０が静止していると判定する。

第１の実施の形態と同様に、出力部９は、判定部８ａの判定結果を出力する。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。
なお、本実施の形態では、半導体レーザ１を三角波状に発振させていたが、これに限るものではなく、図８に示すように半導体レーザ１を鋸波状に発振させてもよい。すなわち、第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２のいずれか一方が繰り返し存在するように半導体レーザ１を動作させればよい。半導体レーザ１を鋸波状に発振させる場合においても、半導体レーザ１の発振波長の変化速度が一定であることが必要である。

［第３の実施の形態］
第１、第２の実施の形態では、受光器であるフォトダイオードの出力信号から干渉波形を抽出していたが、フォトダイオードを使用することなく干渉波形を抽出することも可能である。図９は本発明の第３の実施の形態に係る状態検知装置の構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の状態検知装置は、第１、第２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、電圧検出部１１を用いるものである。

電圧検出部１１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物体１０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、干渉波形が現れる。したがって、半導体レーザ１の端子間電圧から干渉波形を抽出することが可能である。

フィルタ部６は、第１の実施の形態と同様に、信号を抽出する機能を有するものであり、電圧検出部１１の出力電圧から干渉波形を抽出する。
半導体レーザ１、レーザドライバ４、計数部７、判定部８および出力部９の動作は、第１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干渉波形を抽出することができ、第１の実施の形態と比較して状態検知装置の部品を削減することができ、状態検知装置のコストを低減することができる。
なお、図９では、電圧検出部１１を第１の実施の形態に適用する例を示しているが、第２の実施の形態に適用してもよいことは言うまでもない。

本発明における物体の静止状態とは、物体が実質的に静止しているとユーザが判断できる状態であり、必ずしも物体の完全な静止状態（速度が０の状態）である必要はない。
第１〜第３の実施の形態において少なくとも計数部７と判定部８，８ａとは、例えばＣＰＵ、メモリ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、メモリに格納されたプログラムに従って第１〜第３の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、物体の静止状態を検出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、４，４ａ…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅部、６，６ａ…フィルタ部、７…計数部、８，８ａ…判定部、９…出力部、１０…物体、１１…電圧検出部。

Claims (6)

1. レーザ光を放射する半導体レーザと、
   この半導体レーザから放射されたレーザ光と前記半導体レーザの前方に存在する物体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に含まれる干渉縞を数える計数手段と、
   この計数手段の計数結果に基づいて前記物体が静止しているかどうかを判定する判定手段とを備えることを特徴とする状態検知装置。
2. 請求項１記載の状態検知装置において、
   さらに、発振波長が一定となるように前記半導体レーザを動作させる駆動手段を備え、
   前記判定手段は、一定時間あたりの干渉波形における干渉縞の計数値が所定の計数閾値以下の場合、または一定時間あたりの干渉波形における干渉縞の計数値の増加分が所定の増分閾値以下の場合、前記物体が静止していると判定することを特徴とする状態検知装置。
3. 請求項１記載の状態検知装置において、
   さらに、発振波長が一定の変化率で変化するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段を備え、
   前記判定手段は、一定時間あたりの干渉波形における干渉縞の計数値と設定値との差が所定の差分閾値以下の場合、前記物体が静止していると判定することを特徴とする状態検知装置。
4. 半導体レーザを発振させる発振手順と、
   前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記半導体レーザの前方に存在する物体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検出手順と、
   この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形に含まれる干渉縞を数える計数手順と、
   この計数手順の計数結果に基づいて前記物体が静止しているかどうかを判定する判定手順とを備えることを特徴とする状態検知方法。
5. 請求項４記載の状態検知方法において、
   前記発振手順は、発振波長が一定となるように前記半導体レーザを動作させ、
   前記判定手順は、一定時間あたりの干渉波形における干渉縞の計数値が所定の計数閾値以下の場合、または一定時間あたりの干渉波形における干渉縞の計数値の増加分が所定の増分閾値以下の場合、前記物体が静止していると判定することを特徴とする状態検知方法。
6. 請求項４記載の状態検知方法において、
   前記発振手順は、発振波長が一定の変化率で変化するように前記半導体レーザを動作させ、
   前記判定手順は、一定時間あたりの干渉波形における干渉縞の計数値と設定値との差が所定の差分閾値以下の場合、前記物体が静止していると判定することを特徴とする状態検知方法。

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