JP5421568B2 - Physical quantity sensor and physical quantity measuring method - Google Patents

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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、物体との距離や物体の速度等の物理量を計測する物理量センサおよび物理量計測方法に関するものである。   The present invention relates to a physical quantity sensor and a physical quantity measurement method for measuring a physical quantity such as a distance to an object and a speed of an object from information on interference caused by a self-coupling effect between laser light emitted from a semiconductor laser and return light from the object. Is.

従来より、レーザによる光の干渉を利用した距離計として、レーザの出力光と測定対象からの戻り光との半導体レーザ内部での干渉(自己結合効果)を利用したレーザ計測器が提案されている(例えば、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3参照)。FP型(ファブリペロー型)半導体レーザの複合共振器モデルを図11に示す。図11において、101は半導体レーザ、102は半導体結晶の壁開面、103はフォトダイオード、104は測定対象である。   Conventionally, as a distance meter using light interference by a laser, a laser measuring device using interference (self-coupling effect) inside a semiconductor laser between laser output light and return light from a measurement object has been proposed. (For example, refer nonpatent literature 1, nonpatent literature 2, nonpatent literature 3). FIG. 11 shows a composite resonator model of an FP type (Fabry-Perot type) semiconductor laser. In FIG. 11, 101 is a semiconductor laser, 102 is a wall opening of a semiconductor crystal, 103 is a photodiode, and 104 is an object to be measured.

レーザの発振波長をλ、測定対象104に近い方の壁開面102から測定対象104までの距離をLとすると、以下の共振条件を満足するとき、測定対象104からの戻り光と共振器101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、測定対象104からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザの共振器101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。
When the oscillation wavelength of the laser is λ and the distance from the wall open surface 102 closer to the measurement target 104 to the measurement target 104 is L, the return light from the measurement target 104 and the resonator 101 are satisfied when the following resonance condition is satisfied. The inner laser beams strengthen each other, and the laser output increases slightly.
L = qλ / 2 (1)
In Formula (1), q is an integer. This phenomenon can be sufficiently observed even if the scattered light from the measurement object 104 is very weak, because the apparent reflectance in the resonator 101 of the semiconductor laser increases, causing an amplification effect.

半導体レーザは、注入電流の大きさに応じて周波数の異なるレーザ光を放射するので、発振周波数を変調する際に、外部変調器を必要とせず、注入電流によって直接変調が可能である。図12は、半導体レーザ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103の出力波形との関係を示す図である。式(1)に示したL=qλ/2を満足したときに、戻り光と共振器101内のレーザ光の位相差が0°(同位相)になって、戻り光と共振器101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、戻り光と共振器101内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザ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共振器101に設けられたフォトダイオード103で検出すると、図12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。   Since the semiconductor laser emits laser beams having different frequencies according to the magnitude of the injection current, an external modulator is not required when modulating the oscillation frequency, and direct modulation is possible by the injection current. FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the oscillation wavelength and the output waveform of the photodiode 103 when the oscillation wavelength of the semiconductor laser is changed at a certain rate. When L = qλ / 2 shown in Expression (1) is satisfied, the phase difference between the return light and the laser light in the resonator 101 becomes 0 ° (the same phase), and the return light and the resonator 101 When L = qλ / 2 + λ / 4, the phase difference becomes 180 ° (opposite phase), and the return light and the laser light in the resonator 101 are the weakest. Therefore, when the oscillation wavelength of the semiconductor laser is changed, a place where the laser output becomes strong and a place where the laser output becomes weak appear alternately, and the laser output at this time is detected by the photodiode 103 provided in the resonator 101. As shown in FIG. 12, a step-like waveform having a constant period is obtained. Such a waveform is generally called an interference fringe.

この階段状の波形、すなわち干渉縞の1つ1つをモードポップパルス(以下、MHP)と呼ぶ。MHPはモードホッピング現象とは異なる現象である。例えば、測定対象104までの距離がL1のとき、MHPの数が10個であったとすれば、半分の距離L2では、MHPの数は5個になる。すなわち、ある一定時間において半導体レーザの発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してMHPの数は変わる。したがって、MHPをフォトダイオード103で検出し、MHPの周波数を測定すれば、容易に距離計測が可能となる。
ただし、自己結合型を含め従来の干渉型計測器では、静止した測定対象との距離を計測することはできても、速度を持つ測定対象の距離を計測することはできないという問題点があった。
Each stepped waveform, that is, each interference fringe is called a mode pop pulse (hereinafter referred to as MHP). MHP is a phenomenon different from the mode hopping phenomenon. For example, if the number of MHPs is 10 when the distance to the measurement object 104 is L1, the number of MHPs is 5 at half the distance L2. That is, when the oscillation wavelength of the semiconductor laser is changed for a certain time, the number of MHPs changes in proportion to the measurement distance. Therefore, if the MHP is detected by the photodiode 103 and the frequency of the MHP is measured, the distance can be easily measured.
However, conventional interferometric instruments, including self-coupled instruments, have the problem that they can measure the distance to a stationary measurement object, but cannot measure the distance of a measurement object with speed. .

そこで、発明者は、静止した測定対象との距離だけでなく、測定対象の速度も計測することができる距離・速度計を提案した(特許文献1参照)。この距離・速度計の構成を図13に示す。図13の距離・速度計は、測定対象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測定対象210に照射すると共に、測定対象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−電圧変換増幅器205と、電流−電圧変換増幅器205の出力電圧を2回微分する信号抽出回路206と、信号抽出回路206の出力電圧に含まれるMHPの数を数える計数回路207と、測定対象210との距離及び測定対象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。   In view of this, the inventor has proposed a distance / speed meter that can measure not only the distance to a stationary measurement object but also the speed of the measurement object (see Patent Document 1). The configuration of this distance / speed meter is shown in FIG. The distance / velocity meter of FIG. 13 condenses the light from the semiconductor laser 201 that emits laser light to the object to be measured, the photodiode 202 that converts the optical output of the semiconductor laser 201 into an electrical signal, and the light from the semiconductor laser 201. A lens 203 that irradiates the measurement target 210 and collects return light from the measurement target 210 and makes it incident on the semiconductor laser 201. A first oscillation period and an oscillation wavelength in which the oscillation wavelength continuously increases in the semiconductor laser 201. A laser driver 204 that alternately repeats a second oscillation period in which the current continuously decreases, a current-voltage conversion amplifier 205 that converts and amplifies the output current of the photodiode 202 into a voltage, and a current-voltage conversion amplifier 205 Signal extraction circuit 206 that differentiates the output voltage of the signal twice and a counting circuit that counts the number of MHPs included in the output voltage of the signal extraction circuit 206 With a 07, a calculation unit 208 for calculating the distance and speed of the measurement target 210 to the measurement target 210, and a display device 209 for displaying the calculation result of the arithmetic unit 208.

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14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14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。   The laser driver 204 supplies a triangular wave drive current that repeatedly increases and decreases at a constant change rate with respect to time to the semiconductor laser 201 as an injection current. Accordingly, the semiconductor laser 201 alternately repeats the first oscillation period in which the oscillation wavelength continuously increases at a constant change rate and the second oscillation period in which the oscillation wavelength continuously decreases at a constant change rate. To be driven. FIG. 14 is a diagram showing the change over time of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 201. In FIG. 14, P1 is the first oscillation period, P2 is the second oscillation period, λa is the minimum value of the oscillation wavelength in each period, λb is the maximum value of the oscillation wavelength in each period, and Tt is the period of the triangular wave.

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、測定対象210に入射する。測定対象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−電圧変換増幅器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−電圧変換増幅器205の出力電圧を2回微分する。計数回路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1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、測定対象210との距離及び測定対象210の速度を算出する。   Laser light emitted from the semiconductor laser 201 is collected by the lens 203 and enters the measurement object 210. The light reflected by the measurement object 210 is collected by the lens 203 and enters the semiconductor laser 201. The photodiode 202 converts the optical output of the semiconductor laser 201 into a current. The current-voltage conversion amplifier 205 converts the output current of the photodiode 202 into a voltage and amplifies it, and the signal extraction circuit 206 differentiates the output voltage of the current-voltage conversion amplifier 205 twice. The counting circuit 207 counts the number of MHPs included in the output voltage of the signal extraction circuit 206 for each of the first oscillation period P1 and the second oscillation period P2. The arithmetic unit 208 determines the distance from the measurement object 210 based on the minimum oscillation wavelength λa and the maximum oscillation wavelength λb of the semiconductor laser 1, the number of MHPs in the first oscillation period P1, and the number of MHPs in the second oscillation period P2. And the speed of the measuring object 210 is calculated.

特開2006−313080号公報JP 2006-31080 A 上田正,山田諄,紫藤進,「半導体レーザの自己結合効果を利用した距離計」,1994年度電気関係学会東海支部連合大会講演論文集,1994年Tadashi Ueda, Satoshi Yamada, Susumu Shito, “Distance Meter Using Self-Coupling Effect of Semiconductor Laser”, Proceedings of the 1994 Tokai Branch Joint Conference of Electrical Engineering Society, 1994 山田諄,紫藤進,津田紀生,上田正,「半導体レーザの自己結合効果を利用した小型距離計に関する研究」,愛知工業大学研究報告,第31号B,p.35−42,1996年Satoshi Yamada, Susumu Shito, Norio Tsuda, Tadashi Ueda, “Study on a small rangefinder using the self-coupling effect of a semiconductor laser”, Aichi Institute of Technology research report, No. 31 B, p. 35-42, 1996 Guido Giuliani,Michele Norgia,Silvano Donati and Thierry Bosch,「Laser diode self-mixing technique for sensing applications」,JOURNAL OF OPTICS A:PURE AND APPLIED OPTICS,p.283−294,2002年Guido Giuliani, Michele Norgia, Silvano Donati and Thierry Bosch, “Laser diode self-mixing technique for sensing applications”, JOURNAL OF OPTICS A: PURE AND APPLIED OPTICS, p. 283-294, 2002

図11に示した自己結合型の距離計によれば測定対象との距離を計測することができ、図13に示した距離・速度計によれば、測定対象との距離と測定対象の速度を同時に計測することができる。
しかしながら、図11、図13に示した従来の自己結合型のレーザ計測器では、以下のような問題点があった。図15は従来の自己結合型のレーザ計測器の問題点を説明するための図であり、計数回路207の計数結果の時間変化を示す図である。図15において、Nuは第1の発振期間P1の計数結果、Ndは第2の発振期間P2の計数結果である。
The self-coupled distance meter shown in FIG. 11 can measure the distance to the measurement object, and the distance / velocity meter shown in FIG. 13 determines the distance to the measurement object and the speed of the measurement object. It can be measured simultaneously.
However, the conventional self-coupled laser measuring instrument shown in FIGS. 11 and 13 has the following problems. FIG. 15 is a diagram for explaining a problem of the conventional self-coupled laser measuring instrument, and is a diagram showing a change over time in the counting result of the counting circuit 207. In FIG. 15, Nu is the counting result of the first oscillation period P1, and Nd is the counting result of the second oscillation period P2.

測定対象の距離変化率が半導体レーザの発振波長変化率よりも大きい場合、計数結果Nuの時間変化は、図15の150で示す負側の波形が正側に折り返された形になり、同様に計数結果Ndの時間変化は、図15の151で示す負側の波形が正側に折り返された形になる。このような計数結果の折り返しが生じると、計数結果に誤りが生じる可能性があり、距離や速度等の物理量を誤算出する可能性があった。   When the distance change rate of the object to be measured is larger than the oscillation wavelength change rate of the semiconductor laser, the time change of the counting result Nu becomes a shape in which the negative waveform shown by 150 in FIG. The time change of the counting result Nd takes a form in which the negative waveform indicated by 151 in FIG. 15 is folded back to the positive side. When the counting result is turned back, an error may occur in the counting result, and a physical quantity such as a distance or a speed may be erroneously calculated.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、物理量の誤算出の可能性を低減することができる物理量センサおよび物理量計測方法を提供することを目的とする。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to provide a physical quantity sensor and a physical quantity measuring method capable of reducing the possibility of erroneous calculation of physical quantities.

本発明の物理量センサは、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在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と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と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情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段と、前記測定対象が静止しているときの前記干渉波形の周期または調整の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の平均が、予め規定された周期になるように、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整する調整手段とを備え、前記計測手段は、前記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数える信号抽出手段と、この信号抽出手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記信号抽出手段の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなることを特徴とするものである。 The physical quantity sensor of the present invention includes at least a semiconductor laser that emits laser light to a measurement target, a first oscillation period that includes at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonously, and a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously. Oscillation wavelength modulation means for operating the semiconductor laser so that the second oscillation period including it alternately exists, and a self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement target When detecting means for detecting an electrical signal including an interference waveform, measuring means for measuring a physical quantity of the measuring object from information on the interference waveform contained in the output signal of the detecting means, and when the measuring object is stationary average, so that the predefined period, the semiconductor laser of the period of the cycle or a predetermined number of interference waveforms measured immediately before the adjustment of the interference waveform A that adjustment means to adjust the amplitude or frequency of the carrier wave of the oscillation wavelength modulation, before Symbol measuring means, the number of the interference waveforms contained in an output signal of said detecting means, the said first oscillation period The signal extraction means for counting each of the second oscillation periods, the minimum oscillation wavelength and the maximum oscillation wavelength in the period for counting the number of interference waveforms by this signal extraction means, and the distance to the measurement object from the counting result of the signal extraction means And an arithmetic means for calculating at least one of the speeds of the measurement object.

また、本発明の物理量センサの1構成例において、前記調整手段は、前記第1の発振期間における前記干渉波形の数と前記第2の発振期間における前記干渉波形の数とが略同一のとき、このときの干渉波形の周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整することを特徴とするものである。
また、本発明の物理量センサの1構成例において、前記調整手段は、前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記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を求める距離比例個数算出手段と、前記距離比例個数から前記干渉波形の周期を算出する周期算出手段と、この周期算出手段が算出した周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整する搬送波調整手段とからなることを特徴とするものである。
また、本発明の物理量センサの1構成例において、前記予め規定された周期は、物理量センサが処理することの可能な干渉波形の最高周波数の1/2の値に対応する周期であることを特徴とするものである。
Further , in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the adjusting unit may be configured such that the number of the interference waveforms in the first oscillation period is substantially the same as the number of the interference waveforms in the second oscillation period. The amplitude or frequency of the carrier wave is adjusted so that the period of the interference waveform at this time becomes a predetermined period.
Further, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the adjusting means calculates the average value of the number of interference waveforms, thereby calculating the number of interference waveforms proportional to the average distance between the semiconductor laser and the measurement target. A distance proportional number calculating means for obtaining a certain distance proportional number, a period calculating means for calculating the period of the interference waveform from the distance proportional number, and a period calculated by the period calculating means to be a predetermined period. It comprises carrier wave adjusting means for adjusting the amplitude or frequency of the carrier wave.
Further, in one configuration example of the physical quantity sensor of the present invention, the predetermined period is a period corresponding to a half value of a maximum frequency of an interference waveform that can be processed by the physical quantity sensor. It is what.

また、本発明の物理量計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、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の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手順と、前記測定対象が静止しているときの前記干渉波形の周期または調整の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の平均が、予め規定された周期になるように、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整する調整手順とを備え、前記計測手順は、前記検出手順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数える信号抽出手順と、この信号抽出手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記信号抽出手順の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とからなることを特徴とするものである。 In the physical quantity measuring method of the present invention, the first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonously and the second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonically are alternated. An oscillation procedure for operating the semiconductor laser to exist in a detection procedure, and a detection procedure for detecting an electrical signal including an interference waveform caused by a self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object, From the interference waveform information included in the output signal obtained by this detection procedure, a measurement procedure for measuring the physical quantity of the measurement object, and immediately before the period or adjustment of the interference waveform when the measurement object is stationary the average period of the measured predetermined number of interference waveforms is such that the predefined period, adjusts the amplitude or frequency of the oscillation wavelength modulation of a carrier of the semiconductor laser A that adjustment procedures, the measurement procedure, the signal count for each number of the second oscillation interval and the first oscillation period of the interference waveform that is included in the output signal obtained in the detection procedure From the extraction procedure, the minimum oscillation wavelength and the maximum oscillation wavelength in the period of counting the number of interference waveforms by this signal extraction procedure, and the counting result of the signal extraction procedure, at least one of the distance to the measurement target and the speed of the measurement target is determined. It consists of a calculation procedure to calculate .

本発明によれば、半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整することが可能な調整手段を設けることにより、干渉波形の計数結果に折り返しが生じる可能性を低減することができ、距離や速度等の物理量を誤算出する可能性を低減することができる。   According to the present invention, by providing an adjustment means capable of adjusting the amplitude or frequency of the carrier wave of the oscillation wavelength modulation of the semiconductor laser, it is possible to reduce the possibility that the interference waveform count result will be folded, The possibility of miscalculating physical quantities such as distance and speed can be reduced.

[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モードホップパルス(以下、MHPとする)の数を数える信号抽出部7と、MHPの数から物体10との距離及び物体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、半導体レーザ1の発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整することが可能な調整部11とを有する。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a physical quantity sensor according to the first embodiment of the present invention.
The physical quantity sensor in FIG. 1 condenses the light from the semiconductor laser 1 that emits laser light to the object 10 to be measured, the photodiode 2 that converts the light output of the semiconductor laser 1 into an electrical signal, and the light from the semiconductor laser 1. The lens 3 that collects the return light from the object 10 and makes it incident on the semiconductor laser 1, the laser driver 4 that serves as an oscillation wavelength modulation means for driving the semiconductor laser 1, and the output current of the photodiode 2 A current-voltage conversion amplification unit 5 that converts and amplifies the voltage, a filter unit 6 that removes a carrier wave from the output voltage of the current-voltage conversion amplification unit 5, and a self-coupled signal included in the output voltage of the filter unit 6. A signal extraction unit 7 that counts the number of mode hop pulses (hereinafter referred to as MHP), a calculation unit 8 that calculates the distance to the object 10 and the speed of the object 10 from the number of MHPs, and a calculation unit 8 A calculation result display unit 9 for displaying, and an adjustment section 11 capable of adjusting the amplitude or frequency of the oscillation wavelength modulation of a carrier of the semiconductor laser 1.

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、信号抽出部7と演算部8とは計測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。   The photodiode 2 and the current-voltage conversion amplification unit 5 constitute a detection unit, and the signal extraction unit 7 and the calculation unit 8 constitute a measurement unit. Hereinafter, for ease of explanation, it is assumed that a semiconductor laser 1 of a type that does not have a mode hopping phenomenon (VCSEL type, DFB laser type) is used.

レーザドライバ4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P1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P2とを交互に繰り返すように駆動される。このときの半導体レーザ1の発振波長の時間変化は、図14に示したとおりである。本実施の形態では、発振波長の最大値λb及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。   The laser driver 4 supplies a triangular wave drive current that repeatedly increases and decreases at a constant change rate with respect to time to the semiconductor laser 1 as an injection current. As a result, the semiconductor laser 1 has a first oscillation period P1 in which the oscillation wavelength continuously increases at a constant change rate in proportion to the magnitude of the injection current, and the oscillation wavelength continuously decreases at a constant change rate. It is driven to alternately repeat the second oscillation period P2. The time change of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 at this time is as shown in FIG. In the present embodiment, the maximum value λb of the oscillation wavelength and the minimum value λa of the oscillation wavelength are always constant, and the difference λb−λa is also always constant.

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に入射する。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。   Laser light emitted from the semiconductor laser 1 is collected by the lens 3 and enters the object 10. The light reflected by the object 10 is collected by the lens 3 and enters the semiconductor laser 1. However, condensing by the lens 3 is not essential. The photodiode 2 is disposed in the semiconductor laser 1 or in the vicinity thereof, and converts the optical output of the semiconductor laser 1 into a current. The current-voltage conversion amplification unit 5 converts the output current of the photodiode 2 into a voltage and amplifies it.

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2(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2(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2(A)の波形(変調波)から、図2の半導体レーザ1の発振波形(搬送波)を除去して、図2(B)のMHP波形(干渉波形)を抽出する過程を表している。   The filter unit 6 has a function of extracting a superimposed signal from the modulated wave. FIG. 2A is a diagram schematically showing the output voltage waveform of the current-voltage conversion amplification unit 5, and FIG. 2B is a diagram schematically showing the output voltage waveform of the filter unit 6. These figures are obtained by removing the oscillation waveform (carrier wave) of the semiconductor laser 1 of FIG. 2 from the waveform (modulated wave) of FIG. 2A corresponding to the output of the photodiode 2, and the MHP of FIG. A process of extracting a waveform (interference waveform) is shown.

信号抽出部7は、フィルタ部6の出力に含まれる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。信号抽出部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、FFT(Fast Fourier Transform)を利用してMHP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。   The signal extraction unit 7 counts the number of MHPs included in the output of the filter unit 6 for each of the first oscillation period P1 and the second oscillation period P2. The signal extraction unit 7 may use a counter composed of logic gates, or may measure the frequency of MHP (that is, the number of MHPs per unit time) using FFT (Fast Fourier Transform).

次に、演算部8は、半導体レーザ1の最小発振波長λaと最大発振波長λbと信号抽出部7が数えたMHPの数に基づいて、物体10との距離および物体10の速度を算出する。図3は演算部8の構成の1例を示すブロック図、図4は演算部8の動作を示すフローチャートである。演算部8は、半導体レーザ1の最小発振波長λaと最大発振波長λbとMHPの数に基づいて物体10との距離の候補値と物体10の速度の候補値とを算出する距離・速度算出部80と、距離・速度算出部80で算出された距離の候補値と直前に算出された距離の候補値との差である履歴変位を算出する履歴変位算出部81と、距離・速度算出部80と履歴変位算出部81の算出結果を記憶する記憶部82と、距離・速度算出部80と履歴変位算出部81の算出結果に基づいて物体10の状態を判定する状態判定部83と、状態判定部83の判定結果に基づいて物体10との距離及び物体10の速度を確定する距離・速度確定部84とから構成される。   Next, the calculation unit 8 calculates the distance to the object 10 and the speed of the object 10 based on the minimum oscillation wavelength λa and the maximum oscillation wavelength λb of the semiconductor laser 1 and the number of MHPs counted by the signal extraction unit 7. FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of the calculation unit 8, and FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the calculation unit 8. The computing unit 8 calculates a distance / velocity calculating unit that calculates a candidate value for the distance to the object 10 and a candidate value for the speed of the object 10 based on the minimum oscillation wavelength λa, the maximum oscillation wavelength λb, and the number of MHPs of the semiconductor laser 1. 80, a history displacement calculation unit 81 that calculates a history displacement that is a difference between the distance candidate value calculated by the distance / speed calculation unit 80 and the distance candidate value calculated immediately before, and a distance / speed calculation unit 80 A storage unit 82 that stores the calculation results of the history displacement calculation unit 81, a state determination unit 83 that determines the state of the object 10 based on the calculation results of the distance / speed calculation unit 80 and the history displacement calculation unit 81, and a state determination The distance / speed determination unit 84 determines the distance to the object 10 and the speed of the object 10 based on the determination result of the unit 83.

本実施の形態では、物体10の状態を所定の条件を満たす微小変位状態、あるいは微小変位状態よりも動きが大きい変位状態のいずれかであるとする。発振期間P1と発振期間P2の1期間あたりの物体10の平均変位をVとしたとき、微小変位状態とは(λb−λa)/λb>V/Lbを満たす状態であり(ただし、Lbは時刻tのときの距離)、変位状態とは(λb−λa)/λb≦V/Lbを満たす状態である。   In the present embodiment, it is assumed that the state of the object 10 is either a minute displacement state that satisfies a predetermined condition or a displacement state in which the movement is larger than the minute displacement state. When the average displacement of the object 10 per oscillation period P1 and oscillation period P2 is V, the minute displacement state is a state satisfying (λb−λa) / λb> V / Lb (where Lb is time (distance at time t), the displacement state is a state satisfying (λb−λa) / λb ≦ V / Lb.

まず、演算部8の距離・速度算出部80は、現時刻tにおける距離の候補値Lα(t),Lβ(t)と速度の候補値Vα(t),Vβ(t)を次式のように算出して、記憶部82に格納する(図4ステップS10)。
Lα(t)=λa×λb×(MHP(t−1)+MHP(t))
/{4×(λb−λa)} ・・・(2)
Lβ(t)=λa×λb×(|MHP(t−1)−MHP(t)|)
/{4×(λb−λa)} ・・・(3)
Vα(t)=(MHP(t−1)−MHP(t))×λb/4 ・・・(4)
Vβ(t)=(MHP(t−1)+MHP(t))×λb/4 ・・・(5)
First, the distance / speed calculation unit 80 of the calculation unit 8 calculates the distance candidate values Lα (t) and Lβ (t) and the speed candidate values Vα (t) and Vβ (t) at the current time t as follows: And stored in the storage unit 82 (step S10 in FIG. 4).
Lα (t) = λa × λb × (MHP (t−1) + MHP (t))
/ {4 × (λb−λa)} (2)
Lβ (t) = λa × λb × (| MHP (t−1) −MHP (t) |)
/ {4 × (λb−λa)} (3)
Vα (t) = (MHP (t−1) −MHP (t)) × λb / 4 (4)
Vβ (t) = (MHP (t−1) + MHP (t)) × λb / 4 (5)

式(2)〜式(5)において、MHP(t)は現時刻tにおいて算出されたMHPの数、MHP(t−1)はMHP(t)の1回前に算出されたMHPの数である。例えば、MHP(t)が第1の発振期間P1の計数結果であるとすれば、MHP(t−1)は第2の発振期間P2の計数結果であり、逆にMHP(t)が第2の発振期間P2の計数結果であるとすれば、MHP(t−1)は第1の発振期間P1の計数結果である。   In Expressions (2) to (5), MHP (t) is the number of MHPs calculated at the current time t, and MHP (t−1) is the number of MHPs calculated one time before MHP (t). is there. For example, if MHP (t) is the counting result of the first oscillation period P1, MHP (t-1) is the counting result of the second oscillation period P2, and conversely, MHP (t) is the second counting period. If it is the counting result of the oscillation period P2, the MHP (t−1) is the counting result of the first oscillation period P1.

候補値Lα(t),Vα(t)は物体10が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、候補値Lβ(t),Vβ(t)は物体10が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算部8は、式(2)〜式(5)の計算を信号抽出部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。   The candidate values Lα (t) and Vα (t) are values calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state, and the candidate values Lβ (t) and Vβ (t) are obtained when the object 10 is in a displacement state. This is a calculated value. The calculation unit 8 performs the calculations of Expressions (2) to (5) at each time (every oscillation period) when the number of MHPs is measured by the signal extraction unit 7.

続いて、演算部8の履歴変位算出部81は、微小変位状態と変位状態の各々について、現時刻tにおける距離の候補値と、記憶部82に格納された、直前の時刻における距離の候補値との差である履歴変位を次式のように算出して、記憶部82に格納する(図4ステップS11)。なお、式(6)、式(7)では、現時刻tの1回前に算出された距離の候補値をLα(t−1),Lβ(t−1)としている。
Vcalα(t)=Lα(t)−Lα(t−1) ・・・(6)
Vcalβ(t)=Lβ(t)−Lβ(t−1) ・・・(7)
Subsequently, the history displacement calculation unit 81 of the calculation unit 8 for each of the minute displacement state and the displacement state, the distance candidate value at the current time t and the distance candidate value at the previous time stored in the storage unit 82. The historical displacement, which is the difference between the two, is calculated as follows and stored in the storage unit 82 (step S11 in FIG. 4). In the equations (6) and (7), the distance candidate values calculated one time before the current time t are Lα (t−1) and Lβ (t−1).
Vcalα (t) = Lα (t) −Lα (t−1) (6)
Vcalβ (t) = Lβ (t) −Lβ (t−1) (7)

履歴変位Vcalα(t)は物体10が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、履歴変位Vcalβ(t)は物体10が変位状態にあると仮定して計算した値である。演算部8は、式(6)〜式(7)の計算を信号抽出部7によってMHPの数が測定される時刻毎に行う。なお、式(4)〜式(7)においては、物体10が本実施の形態の距離・速度計に近づく方向を正の速度、遠ざかる方向を負の速度と定めている。
次に、演算部8の状態判定部83は、記憶部82に格納された式(2)〜式(7)の算出結果を用いて、物体10の状態を判定する(図4ステップS12)。
The history displacement Vcalα (t) is a value calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state, and the history displacement Vcalβ (t) is a value calculated on the assumption that the object 10 is in a displacement state. The calculation unit 8 performs the calculations of Expressions (6) to (7) at each time when the number of MHPs is measured by the signal extraction unit 7. In the equations (4) to (7), the direction in which the object 10 approaches the distance / velocity meter of the present embodiment is defined as a positive velocity, and the direction in which the object 10 moves away is defined as a negative velocity.
Next, the state determination unit 83 of the calculation unit 8 determines the state of the object 10 using the calculation results of the expressions (2) to (7) stored in the storage unit 82 (step S12 in FIG. 4).

特許文献1に記載されているように、状態判定部83は、物体10が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の符号が一定で、かつ物体10が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Vα(t)と履歴変位Vcalα(t)の絶対値の平均値とが等しい場合、物体10が微小変位状態で等速度運動していると判定する。   As described in Patent Document 1, the state determination unit 83 has a constant sign of the history displacement Vcalα (t) calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state, and the object 10 is in a minute displacement state. If the velocity candidate value Vα (t) calculated on the assumption that the velocity is equal to the average value of the absolute values of the history displacement Vcalα (t) is equal, it is determined that the object 10 is moving at a constant velocity in a minute displacement state. .

また、特許文献1に記載されているように、状態判定部83は、物体10が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の符号が一定で、かつ物体10が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Vβ(t)と履歴変位Vcalβ(t)の絶対値の平均値とが等しい場合、物体10が変位状態で等速度運動していると判定する。   Further, as described in Patent Document 1, the state determination unit 83 has a constant sign of the history displacement Vcalβ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state, and the object 10 is in the displacement state. If the velocity candidate value Vβ (t) calculated on the assumption that the average displacement is equal to the absolute value of the absolute value of the history displacement Vcalβ (t), it is determined that the object 10 is moving at a constant velocity in the displacement state.

また、特許文献1に記載されているように、状態判定部83は、物体10が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Vcalα(t)の符号がMHPの数が測定される時刻毎に反転し、かつ物体10が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Vα(t)と履歴変位Vcalα(t)の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体10が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定する。   Further, as described in Patent Document 1, the state determination unit 83 measures the number of MHPs with the sign of the history displacement Vcalα (t) calculated on the assumption that the object 10 is in a minute displacement state. When the velocity 10 calculated by assuming that the object 10 is in a minute displacement state and the average value of the absolute values of the history displacement Vcalα (t) do not coincide with each other, the object 10 is It is determined that a movement other than a constant speed movement is performed in a minute displacement state.

なお、速度の候補値Vβ(t)に着目すると、Vβ(t)の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ1の波長変化率(λb−λa)/λbと等しい。そこで、状態判定部83は、物体10が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Vβ(t)の絶対値が波長変化率と等しく、かつ物体10が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Vα(t)と履歴変位Vcalα(t)の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体10が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定してもよい。   Focusing on the velocity candidate value Vβ (t), the absolute value of Vβ (t) is a constant, and this value is equal to the wavelength change rate (λb−λa) / λb of the semiconductor laser 1. Therefore, the state determination unit 83 assumes that the absolute value of the velocity candidate value Vβ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state is equal to the wavelength change rate, and that the object 10 is in the minute displacement state. If the velocity candidate value Vα (t) calculated in this way and the average value of the absolute values of the history displacement Vcalα (t) do not match, it is determined that the object 10 is moving in a minute displacement state other than the constant velocity motion. May be.

また、特許文献1に記載されているように、状態判定部83は、物体10が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Vcalβ(t)の符号がMHPの数が測定される時刻毎に反転し、かつ物体10が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Vβ(t)と履歴変位Vcalβ(t)の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体10が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定する。   Further, as described in Patent Document 1, the state determination unit 83 calculates the number of MHPs at which the sign of the history displacement Vcalβ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state is measured. When the velocity candidate value Vβ (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the displacement state does not match the average value of the absolute values of the history displacement Vcalβ (t), the object 10 is in the displacement state. It is determined that the person is exercising other than the uniform speed movement.

なお、速度の候補値Vα(t)に着目すると、Vα(t)の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ1の波長変化率(λb−λa)/λbと等しい。したがって、状態判定部83は、物体10が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Vα(t)の絶対値が波長変化率と等しく、かつ物体10が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Vβ(t)と履歴変位Vcalβ(t)の絶対値の平均値とが一致しない場合、物体10が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定してもよい。   When attention is paid to the velocity candidate value Vα (t), the absolute value of Vα (t) is a constant, and this value is equal to the wavelength change rate (λb−λa) / λb of the semiconductor laser 1. Therefore, the state determination unit 83 assumes that the absolute value of the velocity candidate value Vα (t) calculated on the assumption that the object 10 is in the minute displacement state is equal to the wavelength change rate, and that the object 10 is in the displacement state. If the calculated velocity candidate value Vβ (t) and the average value of the history displacement Vcalβ (t) do not coincide with each other, it is determined that the object 10 is moving in a displaced state other than the uniform velocity motion. May be.

演算部8の距離・速度確定部84は、状態判定部83の判定結果に基づいて物体10の速度及び物体10との距離を確定する(図4ステップS13)。
すなわち、距離・速度確定部84は、物体10が微小変位状態で等速度運動していると判定された場合、速度の候補値Vα(t)を物体10の速度とし、距離の候補値Lα(t)を物体10との距離とし、物体10が変位状態で等速度運動していると判定された場合、速度の候補値Vβ(t)を物体10の速度とし、距離の候補値Lβ(t)を物体10との距離とする。
The distance / speed determination unit 84 of the calculation unit 8 determines the speed of the object 10 and the distance to the object 10 based on the determination result of the state determination unit 83 (step S13 in FIG. 4).
That is, when it is determined that the object 10 is moving at a constant speed in a minute displacement state, the distance / speed determining unit 84 sets the speed candidate value Vα (t) as the speed of the object 10 and uses the distance candidate value Lα ( t) is a distance from the object 10, and when it is determined that the object 10 is moving at a constant speed in a displaced state, the velocity candidate value Vβ (t) is the velocity of the object 10, and the distance candidate value Lβ (t ) Is the distance to the object 10.

また、距離・速度確定部84は、物体10が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定された場合、速度の候補値Vα(t)を物体10の速度とし、距離の候補値Lα(t)を物体10との距離とする。ただし、実際の距離は、距離の候補値Lα(t)の平均値となる。また、距離・速度確定部84は、物体10が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定された場合、速度の候補値Vβ(t)を物体10の速度とし、距離の候補値Lβ(t)を物体10との距離とする。ただし、実際の距離は、距離の候補値Lβ(t)の平均値となる。   Further, when it is determined that the object 10 is moving in a minute displacement state other than the constant velocity motion, the distance / speed determination unit 84 sets the speed candidate value Vα (t) as the speed of the object 10 and sets the distance The candidate value Lα (t) is set as the distance from the object 10. However, the actual distance is an average value of the distance candidate values Lα (t). In addition, when it is determined that the object 10 is moving in a state of displacement other than the constant velocity motion, the distance / speed determination unit 84 sets the speed candidate value Vβ (t) as the speed of the object 10 and uses the distance candidate. The value Lβ (t) is the distance from the object 10. However, the actual distance is an average value of the distance candidate values Lβ (t).

なお、MHP(t−1)とMHP(t)の大小関係によって、Vβ(t)は必ず正の値となり、Vα(t)は正又は負の値のいずれかとなるが、これらの符号は物体10の速度の向きを表現したものではない。発振波長が増加している方の半導体レーザのMHPの数が、発振波長が減少している方の半導体レーザのMHPの数よりも大きいとき、物体10の速度は正方向(レーザに接近する方向)となる。   Note that Vβ (t) is always a positive value and Vα (t) is either a positive or negative value due to the magnitude relationship between MHP (t−1) and MHP (t). It is not a representation of 10 speed directions. When the number of MHPs of the semiconductor laser whose oscillation wavelength is increasing is larger than the number of MHPs of the semiconductor laser whose oscillation wavelength is decreasing, the speed of the object 10 is positive (direction approaching the laser). )

演算部8は、ステップS10〜S13の処理を、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。
表示部9は、演算部8によって算出された物体10との距離及び物体10の速度をリアルタイムで表示する。
The calculation unit 8 performs the processing of steps S10 to S13 for each time (every oscillation period) when the number of MHPs is measured by the signal extraction unit 7.
The display unit 9 displays the distance to the object 10 and the speed of the object 10 calculated by the calculation unit 8 in real time.

次に、調整部11は、物体10が静止している初期設定時において、例えばオペレータによって搬送波調整指示信号が入力されたとき、レーザドライバ4を通じて三角波駆動電流の振幅(搬送波の振幅)を調整する。
図5は調整部11の構成例を示すブロック図である。調整部11は、2値化部110と、周期測定部111と、搬送波調整部112とから構成される。
Next, the adjusting unit 11 adjusts the amplitude of the triangular wave drive current (carrier wave amplitude) through the laser driver 4 when, for example, a carrier wave adjustment instruction signal is input by the operator at the initial setting when the object 10 is stationary. .
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of the adjustment unit 11. The adjustment unit 11 includes a binarization unit 110, a period measurement unit 111, and a carrier wave adjustment unit 112.

図6(A)〜図6(D)は調整部11の動作を説明するための図であり、図6(A)はフィルタ部6の出力電圧の波形、すなわちMHPの波形を模式的に示す図、図6(B)は図6(A)に対応する2値化部110の出力を示す図、図6(C)は調整部11に入力されるサンプリングクロックCLKを示す図、図6(D)は図6(B)に対応する周期測定部111の測定結果を示す図である。   6 (A) to 6 (D) are diagrams for explaining the operation of the adjusting unit 11, and FIG. 6 (A) schematically shows the waveform of the output voltage of the filter unit 6, that is, the waveform of MHP. 6B is a diagram illustrating an output of the binarization unit 110 corresponding to FIG. 6A, FIG. 6C is a diagram illustrating a sampling clock CLK input to the adjustment unit 11, and FIG. FIG. 6D is a diagram illustrating a measurement result of the period measurement unit 111 corresponding to FIG.

まず、調整部11の2値化部110は、図6(A)に示すフィルタ部6の出力電圧がハイレベル(H)かローレベル(L)かを判定して、図6(B)のような判定結果を出力する。このとき、2値化部110は、フィルタ部6の出力電圧が上昇してしきい値TH1以上になったときにハイレベルと判定し、フィルタ部6の出力電圧が下降してしきい値TH2(TH2<TH1)以下になったときにローレベルと判定することにより、フィルタ部6の出力を2値化する。   First, the binarization unit 110 of the adjustment unit 11 determines whether the output voltage of the filter unit 6 illustrated in FIG. 6A is a high level (H) or a low level (L), and the binarization unit 110 illustrated in FIG. Such a determination result is output. At this time, the binarizing unit 110 determines that the output voltage of the filter unit 6 is high level when the output voltage of the filter unit 6 increases to be equal to or higher than the threshold value TH1, and the output voltage of the filter unit 6 decreases to decrease the threshold value TH2. By determining that the level is low when (TH2 <TH1) or less, the output of the filter unit 6 is binarized.

周期測定部111は、2値化部110の出力の立ち上がりエッジの周期(すなわち、MHPの周期)を立ち上がりエッジが発生する度に測定する。このとき、周期測定部111は、図6(C)に示すサンプリングクロックCLKの周期を1単位としてMHPの周期を測定する。図6(D)の例では、周期測定部111は、MHPの周期としてTα,Tβ,Tγを順次測定している。図6(C)、図6(D)から明らかなように、周期Tα,Tβ,Tγの大きさは、それぞれ5[samplings]、4[samplings]、2[samplings]である。サンプリングクロックCLKの周波数は、MHPの取り得る最高周波数に対して十分に高いものとする。   The period measuring unit 111 measures the period of the rising edge of the output of the binarizing unit 110 (that is, the MHP period) every time a rising edge occurs. At this time, the period measuring unit 111 measures the MHP period with the period of the sampling clock CLK shown in FIG. 6C as one unit. In the example of FIG. 6D, the period measurement unit 111 sequentially measures Tα, Tβ, and Tγ as the MHP period. As is apparent from FIGS. 6C and 6D, the sizes of the periods Tα, Tβ, and Tγ are 5 [samplings], 4 [samplings], and 2 [samplings], respectively. The frequency of the sampling clock CLK is assumed to be sufficiently higher than the highest frequency that the MHP can take.

搬送波調整部112は、物体10が静止している初期設定時において、例えばオペレータから入力される搬送波調整指示信号に応じて、周期測定部111が計測したMHPの周期Tが予め規定された周期T0になるように、レーザドライバ4を通じて三角波駆動電流の振幅(搬送波の振幅)を調整する。ここで、予め規定された周期T0は、物理量センサが処理することのできるMHPの最高周波数fmaxの1/2の値に対応する周期である(T0=2/fmax)。物理量センサが処理することのできるMHPの最高周波数fmaxは、物理量センサの回路(例えば電流−電圧変換増幅部5に含まれるオペアンプ)によって決まる。   The carrier wave adjustment unit 112, at the time of initial setting when the object 10 is stationary, for example, according to a carrier wave adjustment instruction signal input from an operator, the period T0 in which the MHP cycle T measured by the cycle measurement unit 111 is defined in advance. Thus, the amplitude of the triangular wave drive current (the amplitude of the carrier wave) is adjusted through the laser driver 4. Here, the predetermined cycle T0 is a cycle corresponding to a value of 1/2 of the maximum frequency fmax of MHP that can be processed by the physical quantity sensor (T0 = 2 / fmax). The maximum frequency fmax of the MHP that can be processed by the physical quantity sensor is determined by a circuit of the physical quantity sensor (for example, an operational amplifier included in the current-voltage conversion amplification unit 5).

図7はレーザドライバ4から半導体レーザ1に供給される三角波駆動電流の振幅の調整方法を説明するための図である。搬送波調整部112からの指示に応じて、レーザドライバ4は、駆動電流の最大値を一定値(図7の例では半導体レーザ1によって規定される駆動電流の上限値CL)に固定したまま、駆動電流の最小値を大きくするか或いは小さくすることで、駆動電流の振幅AMPを調整する。こうして、駆動電流の振幅を調整することができる。   FIG. 7 is a diagram for explaining a method of adjusting the amplitude of the triangular wave drive current supplied from the laser driver 4 to the semiconductor laser 1. In response to the instruction from the carrier wave adjustment unit 112, the laser driver 4 drives the maximum drive current while fixing the maximum value to a constant value (in the example of FIG. 7, the upper limit CL of the drive current defined by the semiconductor laser 1). The amplitude AMP of the drive current is adjusted by increasing or decreasing the minimum value of the current. In this way, the amplitude of the drive current can be adjusted.

以上のように、本実施の形態では、計測したMHPの周期を予め規定された周期T0に設定することにより、物体10の速度に関する計測のダイナミックレンジを最大にすることができ、信号抽出部7の計数結果に折り返しが生じる可能性を低減することができ、距離や速度等の物理量を誤算出する可能性を低減することができる。   As described above, in the present embodiment, the measurement dynamic range related to the speed of the object 10 can be maximized by setting the cycle of the measured MHP to a predetermined cycle T0, and the signal extraction unit 7 The possibility that aliasing will occur in the counting result can be reduced, and the possibility of miscalculating physical quantities such as distance and speed can be reduced.

なお、搬送波調整部112は、周期測定部111が計測したMHPの周期Tが予め規定された周期T0になるように、レーザドライバ4を通じて三角波駆動電流の周波数(搬送波の周波数)を調整してもよい。
また、本実施の形態では、調整に用いるMHPの周期Tを物体10が静止している状態での周期としたが、これに限るものではなく、調整の直前に計測された所定数のMHPの周期の移動平均を周期Tとして、搬送波の振幅または周波数を調整してもよい。この方法によれば、静止させることができない物体10の場合であっても、搬送波の振幅または周波数を調整することができる。
The carrier wave adjustment unit 112 adjusts the frequency of the triangular wave drive current (carrier wave frequency) through the laser driver 4 so that the MHP cycle T measured by the cycle measurement unit 111 becomes a predetermined cycle T0. Good.
In this embodiment, the period T of the MHP used for adjustment is the period when the object 10 is stationary. However, the present invention is not limited to this, and a predetermined number of MHPs measured immediately before the adjustment are used. The amplitude or frequency of the carrier wave may be adjusted using the moving average of the period as the period T. According to this method, even in the case of the object 10 that cannot be stationary, the amplitude or frequency of the carrier wave can be adjusted.

また、調整部11は、信号抽出部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ようにしてもよい。すなわち、搬送波調整部112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P1におけるMHPの数と発振波長が減少する第2の発振期間P2におけるMHPの数とが略同一のとき、物体10が静止していると判定し、このとき周期測定部111が計測したMHPの周期Tが予め規定された周期T0になるように、レーザドライバ4を通じて三角波駆動電流の振幅または周波数を調整してもよい。
また、本実施の形態では、物体10との距離及び物体10の速度の両方を計測しているが、どちらか一方だけを計測してもよいことは言うまでもない。
Further, the adjustment unit 11 may determine whether the object 10 is stationary based on the count result of the signal extraction unit 7. That is, the carrier wave adjustment unit 112 is configured such that the number of MHPs in the first oscillation period P1 in which the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 increases is substantially the same as the number of MHPs in the second oscillation period P2 in which the oscillation wavelength decreases. It is determined that the object 10 is stationary, and the amplitude or frequency of the triangular wave drive current is adjusted through the laser driver 4 so that the MHP period T measured by the period measurement unit 111 at this time becomes a predetermined period T0. May be.
Moreover, in this Embodiment, although both the distance with the object 10 and the speed of the object 10 are measured, it cannot be overemphasized that either one may be measured.

[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8は本実施の形態の調整部11の構成例を示すブロック図である。調整部11は、搬送波調整部112aと、信号抽出部7の計数結果等を記憶する記憶部113と、信号抽出部7の計数結果の平均値を算出することにより、半導体レーザ1と物体10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114と、信号抽出部7の1回前の計数結果とこの計数結果よりも過去の計数結果を用いて算出された距離比例個数NLの2倍数との大小関係に応じて信号抽出部7の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与部115と、距離比例個数NLからMHPの周期を算出する周期算出部116とから構成される。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration example of the adjustment unit 11 according to the present embodiment. The adjustment unit 11 calculates the average value of the count results of the carrier extraction unit 112a, the count result of the signal extraction unit 7, and the count result of the signal extraction unit 7, so that the semiconductor laser 1 and the object 10 The distance proportional number calculation unit 114 for obtaining the number of MHPs proportional to the average distance (hereinafter referred to as distance proportional number) NL, the count result of the signal extraction unit 7 one time before, and the past count result from this count result The sign adding unit 115 for adding a positive or negative sign to the latest count result of the signal extraction unit 7 in accordance with the magnitude relationship with the double of the distance proportional number NL calculated by using the distance proportional number NL and the period of MHP from the distance proportional number NL It is comprised from the period calculation part 116 which calculates.

信号抽出部7の計数結果は、調整部11の記憶部113に格納される。調整部11の距離比例個数算出部114は、信号抽出部7の計数結果から距離比例個数NLを求める。図9は距離比例個数算出部114の動作を説明するための図であり、信号抽出部7の計数結果の時間変化を示す図である。図9において、Nuは第1の発振期間P1の計数結果、Ndは第2の発振期間P2の計数結果である。   The counting result of the signal extraction unit 7 is stored in the storage unit 113 of the adjustment unit 11. The distance proportional number calculation unit 114 of the adjustment unit 11 obtains the distance proportional number NL from the count result of the signal extraction unit 7. FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the distance proportional number calculation unit 114, and is a diagram illustrating the time change of the counting result of the signal extraction unit 7. In FIG. 9, Nu is the counting result of the first oscillation period P1, and Nd is the counting result of the second oscillation period P2.

物体10の距離変化率が半導体レーザ1の発振波長変化率よりも小さく、物体10が単振動している場合、計数結果Nuの時間変化と計数結果Ndの時間変化は、図9に示すように互いの位相差が180度の正弦波形となる。特許文献1では、このときの物体10の状態を微小変位状態としている。   When the rate of change of the distance of the object 10 is smaller than the rate of change of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 and the object 10 is oscillating simply, the time change of the count result Nu and the time change of the count result Nd are as shown in FIG. A sine waveform with a phase difference of 180 degrees is obtained. In Patent Document 1, the state of the object 10 at this time is a minute displacement state.

図14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、計数結果Nuと計数結果Ndも交互に現れる。計数結果Nu,Ndは、距離比例個数NLと物体10の変位に比例したMHPの数(以下、変位比例個数とする)NVとの和もしくは差である。距離比例個数NLは、図9に示した正弦波形の平均値に相当する。また、計数結果NuまたはNdと距離比例個数NLとの差が、変位比例個数NVに相当する。   As apparent from FIG. 14, the first oscillation period P1 and the second oscillation period P2 are alternately visited, so that the count result Nu and the count result Nd also appear alternately. The counting results Nu and Nd are the sum or difference of the distance proportional number NL and the number of MHPs proportional to the displacement of the object 10 (hereinafter referred to as the displacement proportional number) NV. The distance proportional number NL corresponds to the average value of the sine waveform shown in FIG. The difference between the counting result Nu or Nd and the distance proportional number NL corresponds to the displacement proportional number NV.

距離比例個数算出部114は、次式に示すように現時刻tの2回前までに計測された偶数回分の計数結果の平均値を算出することにより、距離比例個数NLを算出する。
NL={N(t−2)+N(t−3)}/2 ・・・(8)
The distance proportional number calculation unit 114 calculates the distance proportional number NL by calculating the average value of the counting results for the even number of times measured up to two times before the current time t as shown in the following equation.
NL = {N (t−2) + N (t−3)} / 2 (8)

式(8)において、N(t−2)は現時刻tの2回前に計測されたMHPの数Nであることを表し、N(t−3)は現時刻tの3回前に計測されたMHPの数Nであることを表している。現時刻tの計数結果N(t)が第1の発振期間P1の計数結果Nuであれば、2回前の計数結果N(t−2)も第1の発振期間P1の計数結果Nuであり、3回前の計数結果N(t−3)は第2の発振期間P2の計数結果Ndである。反対に、現時刻tの計数結果N(t)が第2の発振期間P2の計数結果Ndであれば、2回前の計数結果N(t−2)も第2の発振期間P2の計数結果Ndであり、3回前の計数結果N(t−3)は第1の発振期間P1の計数結果Nuである。   In equation (8), N (t−2) represents the number N of MHPs measured two times before the current time t, and N (t−3) is measured three times before the current time t. This indicates that the number of MHPs is N. If the count result N (t) at the current time t is the count result Nu of the first oscillation period P1, the count result N (t-2) two times before is also the count result Nu of the first oscillation period P1. The count result N (t−3) three times before is the count result Nd in the second oscillation period P2. On the other hand, if the count result N (t) at the current time t is the count result Nd of the second oscillation period P2, the count result N (t-2) two times before is also the count result of the second oscillation period P2. Nd, and the count result N (t−3) three times before is the count result Nu in the first oscillation period P1.

式(8)は2回分の計数結果で距離比例個数NLを求める場合の式であるが、2m(mは正の整数)回の計数結果を用いる場合、距離比例個数算出部114は、次式のように距離比例個数NLを算出する。
NL={N(t−2m−1)+N(t−2m)+・・・+N(t−2)}/2m
・・・(9)
Expression (8) is an expression when the distance proportional number NL is obtained from the count results for two times. However, when the count result of 2m (m is a positive integer) is used, the distance proportional number calculation unit 114 uses the following formula. The distance proportional number NL is calculated as follows.
NL = {N (t−2m−1) + N (t−2m) +... + N (t−2)} / 2m
... (9)

ただし、式(8)、式(9)は物体10との距離及び物体10の速度の計測開始初期に用いる式で、途中からは式(8)の代わりに後述する符号付き計数結果を用いる次式により距離比例個数NLを算出する。
NL={N’(t−2)+N’(t−3)}/2 ・・・(10)
N’(t−2)は2回前の計数結果N(t−2)に後述する符号付与処理を施した後の符号付き計数結果、N’(t−3)は3回前の計数結果N(t−3)に符号付与処理を施した後の符号付き計数結果である。式(10)が使用されるのは、現時刻tの計数結果N(t)がMHPの数の計測開始から7回目の計数結果になったとき以降である。
However, Expressions (8) and (9) are expressions used at the beginning of measurement of the distance to the object 10 and the speed of the object 10, and from the middle, a signed count result described later is used instead of Expression (8). The distance proportional number NL is calculated from the equation.
NL = {N ′ (t−2) + N ′ (t−3)} / 2 (10)
N ′ (t−2) is a count result with a sign after performing a later-described code addition process on the count result N (t−2) two times before, and N ′ (t−3) is a count result three times before. It is a count result with a code | symbol after performing a code provision process to N (t-3). Expression (10) is used after the count result N (t) at the current time t becomes the seventh count result from the start of the measurement of the number of MHPs.

また、計測開始初期に式(9)を用いる場合には、途中からは式(9)の代わりに符号付き計数結果を用いる次式により距離比例個数NLを算出する。
NL={N’(t−2m−1)+N’(t−2m)+・・・+N’(t−2)}/2m
・・・(11)
式(11)が使用されるのは、現時刻tの計数結果N(t)がMHPの数の計測開始から(2m×2+3)回目の計数結果になったとき以降である。
Further, in the case where the equation (9) is used at the beginning of measurement, the distance proportional number NL is calculated by the following equation using a signed count result instead of the equation (9) from the middle.
NL = {N ′ (t−2m−1) + N ′ (t−2m) +... + N ′ (t−2)} / 2m
(11)
Expression (11) is used after the count result N (t) at the current time t becomes the (2m × 2 + 3) th count result from the start of the measurement of the number of MHPs.

距離比例個数NLは、記憶部113に格納される。距離比例個数算出部114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の算出に用いる計数結果が十分に多いときは、奇数回分の計数結果で距離比例個数NLを算出してもよい。
The distance proportional number NL is stored in the storage unit 113. The distance proportional number calculation unit 114 performs the calculation process of the distance proportional number NL as described above at each time (every oscillation period) when the number of MHPs is measured by the signal extraction unit 7.
When the count results used for calculating the distance proportional number NL are sufficiently large, the distance proportional number NL may be calculated from the odd number of count results.

次に、符号付与部115は、現時刻tの1回前に計測された計数結果N(t−1)と距離比例個数NLの2倍数2NLとの大小関係に応じて信号抽出部7の計数結果N(t)に正負の符号を付与する。符号付与部115は、具体的には以下の式を実行する。
If N(t−1)≧2NL Then N’(t)→−N(t) ・・・(12)
If N(t−1)<2NL Then N’(t)→+N(t) ・・・(13)
Next, the code assigning unit 115 counts the signal extraction unit 7 according to the magnitude relationship between the count result N (t−1) measured one time before the current time t and the multiple 2NL of the distance proportional number NL. A positive or negative sign is assigned to the result N (t). Specifically, the code assigning unit 115 executes the following expression.
If N (t−1) ≧ 2NL Then N ′ (t) → −N (t) (12)
If N (t−1) <2NL Then N ′ (t) → + N (t) (13)

図15に示したように、物体10の距離変化率が半導体レーザ1の発振波長変化率よりも大きい場合、計数結果Nuの時間変化は、図15の150で示す負側の波形が正側に折り返された形になり、同様に計数結果Ndの時間変化は、図15の151で示す負側の波形が正側に折り返された形になる。特許文献1では、この計数結果の折り返しが生じている部分における物体10の状態を変位状態としている。一方、計数結果の折り返しが生じていない部分における物体10の状態は、上記の微小変位状態である。   As shown in FIG. 15, when the rate of change of the distance of the object 10 is larger than the rate of change of the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1, the time change of the counting result Nu is that the negative waveform indicated by 150 in FIG. Similarly, the time change of the counting result Nd becomes a shape in which the negative waveform indicated by 151 in FIG. 15 is folded back to the positive side. In Patent Document 1, the state of the object 10 in the portion where the counting result is folded is defined as the displacement state. On the other hand, the state of the object 10 in the portion where the counting result is not folded is the above-described minute displacement state.

変位状態を含む振動における物体10の物理量を求めるためには、物体10が変位状態であるか微小変位状態であるかを判定し、物体10が変位状態である場合には、正側に折り返されている計数結果が図15の150,151で示した軌跡を描くように補正する必要がある。式(12)、式(13)は、物体10が変位状態であるか微小変位状態であるかを判定するための式である。図15において計数結果の折り返しが生じている変位状態では、N(t−1)≧2NLが成立する。したがって、式(12)に示すように、N(t−1)≧2NLが成立する場合には、信号抽出部7の現時刻tの計数結果N(t)に負の符号を与えたものを符号付き計数結果N’(t)とする。   In order to obtain the physical quantity of the object 10 in vibration including the displacement state, it is determined whether the object 10 is in the displacement state or the minute displacement state. If the object 10 is in the displacement state, the object 10 is folded back to the positive side. It is necessary to correct the counting result so as to draw the locus indicated by 150 and 151 in FIG. Expressions (12) and (13) are expressions for determining whether the object 10 is in a displacement state or a minute displacement state. In FIG. 15, N (t−1) ≧ 2NL is established in the displacement state where the counting result is folded. Therefore, as shown in the equation (12), when N (t−1) ≧ 2NL is satisfied, the count result N (t) at the current time t of the signal extraction unit 7 is given a negative sign. The signed count result is N ′ (t).

一方、図9および図15において計数結果の折り返しが生じていない微小変位状態では、N(t−1)<2NLが成立する。したがって、式(13)に示すように、N(t−1)<2NLが成立する場合には、信号抽出部7の現時刻tの計数結果N(t)に正の符号を与えたものを符号付き計数結果N’(t)とする。   On the other hand, N (t−1) <2NL is established in the minute displacement state in which the counting result is not folded in FIGS. Therefore, as shown in the equation (13), when N (t−1) <2NL is satisfied, the count result N (t) at the current time t of the signal extraction unit 7 is given a positive sign. The signed count result is N ′ (t).

符号付き計数結果N’(t)は、記憶部113に格納される。符号付与部115は、以上のような符号付与処理を、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(12)の成立条件をN(t−1)>2NLにして、式(13)の成立条件をN(t−1)≦2NLにしてもよい。
The signed count result N ′ (t) is stored in the storage unit 113. The code assigning unit 115 performs the above-described code assigning process at each time (every oscillation period) when the number of MHPs is measured by the signal extracting unit 7.
Note that the condition for establishing equation (12) may be N (t−1)> 2NL, and the condition for establishing equation (13) may be N (t−1) ≦ 2NL.

次に、周期算出部116は、距離比例個数NLからMHPの周期Tを次式のように算出する。
T=C/(2×f×NL) ・・・(14)
ここで、fは三角波の周波数、Cは光速である。
Next, the period calculation unit 116 calculates the MHP period T from the distance proportional number NL as in the following equation.
T = C / (2 × f × NL) (14)
Here, f is the frequency of the triangular wave, and C is the speed of light.

搬送波調整部112aは、周期算出部116が算出したMHPの周期Tが予め規定された周期T0になるように、レーザドライバ4を通じて三角波駆動電流の振幅または周波数を調整すればよい。
本実施の形態では、静止させることができない物体10の場合であっても、搬送波の振幅または周波数を調整することができる。ただし、本実施の形態の場合、振動している物体10の振動周期が搬送波の周波数と比較して十分に遅い場合(例えば1/10)に有効である。
The carrier wave adjustment unit 112a may adjust the amplitude or frequency of the triangular wave drive current through the laser driver 4 so that the MHP cycle T calculated by the cycle calculation unit 116 becomes a predetermined cycle T0.
In the present embodiment, the amplitude or frequency of the carrier wave can be adjusted even in the case of the object 10 that cannot be stationary. However, the present embodiment is effective when the vibration period of the vibrating object 10 is sufficiently slower than the frequency of the carrier wave (for example, 1/10).

[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。第1、第2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10は本発明の第3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、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、検出手段として電圧検出部12を用いるものである。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the first and second embodiments, the photodiode 2 and the current-voltage conversion amplifying unit 5 are used as detection means for detecting an electrical signal including an MHP waveform. However, the MHP waveform is not used without using a photodiode. It is also possible to extract. FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a physical quantity sensor according to the third embodiment of the present invention. The same reference numerals are given to the same configurations as those in FIG. The physical quantity sensor of the present embodiment uses a voltage detection unit 12 as detection means instead of the photodiode 2 and the current-voltage conversion amplification unit 5 of the first and second embodiments.

電圧検出部12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、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。   The voltage detector 12 detects and amplifies the voltage between the terminals of the semiconductor laser 1, that is, the anode-cathode voltage. When interference occurs between the laser light emitted from the semiconductor laser 1 and the return light from the object 10, an MHP waveform appears in the voltage between the terminals of the semiconductor laser 1. Therefore, it is possible to extract the MHP waveform from the voltage between the terminals of the semiconductor laser 1.

フィルタ部6は、電圧検出部12の出力電圧から搬送波を除去する。物理量センサのその他の構成は、第1、第2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2の実施の形態と比較して物理量センサの部品を削減することができ、物理量センサ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。
The filter unit 6 removes the carrier wave from the output voltage of the voltage detection unit 12. Other configurations of the physical quantity sensor are the same as those in the first and second embodiments.
Thus, in this embodiment, an MHP waveform can be extracted without using a photodiode, and the physical quantity sensor components can be reduced as compared with the first and second embodiments. The cost can be reduced. In this embodiment, since no photodiode is used, the influence of disturbance light can be eliminated.

なお、第1〜第3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11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。   In the first to third embodiments, at least the signal extraction unit 7, the calculation unit 8, and the adjustment unit 11 are realized by, for example, a computer having a CPU, a memory, and an interface, and a program for controlling these hardware resources. can do. The CPU executes the processes described in the first to third embodiments according to the program stored in the memory.

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、物体の物理量を計測する技術に適用することができる。   The present invention can be applied to a technique for measuring a physical quantity of an object from information on interference caused by a self-coupling effect between laser light emitted from a semiconductor laser and return light from the object.

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。It is a block diagram which shows the structure of the physical quantity sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a wave form diagram showing typically the output voltage waveform of the current-voltage conversion amplification part in the 1st embodiment of the present invention, and the output voltage waveform of a filter part. 本発明の第1の実施の形態における演算部の構成の1例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the calculating part in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における演算部の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the calculating part in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における調整部の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the adjustment part in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における調整部の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the adjustment part in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態においてレーザドライバから半導体レーザに供給される三角波駆動電流の振幅の調整方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the adjustment method of the amplitude of the triangular wave drive current supplied to a semiconductor laser from a laser driver in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態における調整部の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the adjustment part in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態における信号抽出部の計数結果の時間変化の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the time change of the count result of the signal extraction part in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3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。It is a block diagram which shows the structure of the physical quantity sensor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 従来のレーザ計測器における半導体レーザの複合共振器モデルを示す図である。It is a figure which shows the compound resonator model of the semiconductor laser in the conventional laser measuring device. 半導体レーザの発振波長と内蔵フォトダイオードの出力波形との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the oscillation wavelength of a semiconductor laser, and the output waveform of a built-in photodiode. 従来の距離・速度計の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional distance and speedometer. 図13の距離・速度計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。It is a figure which shows one example of the time change of the oscillation wavelength of a semiconductor laser in the distance and speedometer of FIG. 従来の自己結合型のレーザ計測器の問題点を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the problem of the conventional self-coupling type laser measuring device.

符号の説明Explanation of symbols

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…物体、11…調整部、12…電圧検出部、80…距離・速度算出部、81…履歴変位算出部、82…記憶部、83…状態判定部、84…距離・速度確定部、110…2値化部、111…周期測定部、112,112a…搬送波調整部、113…記憶部、114…距離比例個数算出部、115…符号付与部、116…周期算出部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor laser, 2 ... Photodiode, 3 ... Lens, 4 ... Laser driver, 5 ... Current-voltage conversion amplification part, 6 ... Filter part, 7 ... Signal extraction part, 8 ... Calculation part, 9 ... Display part, 10 ... object, 11 ... adjustment part, 12 ... voltage detection part, 80 ... distance / speed calculation part, 81 ... history displacement calculation part, 82 ... storage part, 83 ... state determination part, 84 ... distance / speed determination part, 110 ... Binarization unit, 111... Period measurement unit, 112, 112a ... carrier wave adjustment unit, 113 ... storage unit, 114 ... distance proportional number calculation unit, 115 ... sign addition unit, 116 ... cycle calculation unit.

Claims (8)

測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在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と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と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情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手段と、
前記測定対象が静止しているときの前記干渉波形の周期または調整の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の平均が、予め規定された周期になるように、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整する調整手段とを備え
前記計測手段は、
前記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数える信号抽出手段と、
この信号抽出手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記信号抽出手段の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
A semiconductor laser that emits laser light to the object to be measured;
The semiconductor laser is operated so that a first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically and a second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exist. Oscillation wavelength modulation means
Detection means for detecting an electrical signal including an interference waveform generated by a self-coupling effect between the laser light emitted from the semiconductor laser and the return light from the measurement object;
From the information of the interference waveform included in the output signal of the detection means, measurement means for measuring the physical quantity of the measurement object,
The oscillation wavelength of the semiconductor laser is such that the period of the interference waveform when the measurement object is stationary or the average of the period of the predetermined number of interference waveforms measured immediately before adjustment is a predetermined period. a that adjustment means to adjust the amplitude or frequency of the modulation of a carrier,
The measuring means includes
Signal extraction means for counting the number of interference waveforms included in the output signal of the detection means for each of the first oscillation period and the second oscillation period;
Calculation means for calculating at least one of the distance to the measurement object and the velocity of the measurement object from the minimum oscillation wavelength and the maximum oscillation wavelength in the period for counting the number of interference waveforms by the signal extraction means and the counting result of the signal extraction means. a physical quantity sensor, characterized by comprising a.
請求項記載の物理量センサにおいて、
前記調整手段は、前記第1の発振期間における前記干渉波形の数と前記第2の発振期間における前記干渉波形の数とが略同一のとき、このときの干渉波形の周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整することを特徴とする物理量センサ。
The physical quantity sensor according to claim 1 ,
When the number of the interference waveforms in the first oscillation period and the number of the interference waveforms in the second oscillation period are substantially the same, the adjusting means has a cycle in which the period of the interference waveform is defined in advance. The physical quantity sensor is characterized in that the amplitude or frequency of the carrier wave is adjusted so that
請求項記載の物理量センサにおいて、
前記調整手段は、
前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記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を求める距離比例個数算出手段と、
前記距離比例個数から前記干渉波形の周期を算出する周期算出手段と、
この周期算出手段が算出した周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整する搬送波調整手段とからなることを特徴とする物理量センサ。
The physical quantity sensor according to claim 1 ,
The adjusting means includes
A distance proportional number calculating means for calculating a distance proportional number which is the number of interference waveforms proportional to an average distance between the semiconductor laser and the measurement object by calculating an average value of the number of the interference waveforms;
A period calculating means for calculating a period of the interference waveform from the distance proportional number;
A physical quantity sensor comprising: a carrier wave adjusting unit that adjusts the amplitude or frequency of the carrier wave so that the cycle calculated by the cycle calculating unit is a predetermined cycle.
請求項乃至のいずれか1項に記載の物理量センサにおいて、
前記予め規定された周期は、物理量センサが処理することの可能な干渉波形の最高周波数の1/2の値に対応する周期であることを特徴とする物理量センサ。
The physical quantity sensor according to any one of claims 1 to 3 ,
The physical period sensor is characterized in that the predetermined period is a period corresponding to a half value of a maximum frequency of an interference waveform that can be processed by the physical quantity sensor.
発振波長が連続的に単調増加する期間を少なくとも含む第1の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する期間を少なくとも含む第2の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、
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の情報から、前記測定対象の物理量を計測する計測手順と、
前記測定対象が静止しているときの前記干渉波形の周期または調整の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の平均が、予め規定された周期になるように、前記半導体レーザの発振波長変調の搬送波の振幅または周波数を調整する調整手順とを備え
前記計測手順は、
前記検出手順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数える信号抽出手順と、
この信号抽出手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記信号抽出手順の計数結果とから前記測定対象との距離及び前記測定対象の速度の少なくとも一方を算出する演算手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。
The semiconductor laser is operated such that a first oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously increases monotonically and a second oscillation period including at least a period in which the oscillation wavelength continuously decreases monotonously exist. Oscillation procedure and
A detection procedure for detecting an electrical signal including an interference waveform caused by a self-coupling effect between laser light emitted from the semiconductor laser and return light from a measurement object;
From the information of the interference waveform included in the output signal obtained by this detection procedure, a measurement procedure for measuring the physical quantity of the measurement target,
The oscillation wavelength of the semiconductor laser is such that the period of the interference waveform when the measurement object is stationary or the average of the period of the predetermined number of interference waveforms measured immediately before adjustment is a predetermined period. and a to that adjustment procedure adjusting the amplitude or frequency of the modulation of a carrier,
The measurement procedure is as follows:
A signal extraction procedure for counting the number of the interference waveforms included in the output signal obtained by the detection procedure for each of the first oscillation period and the second oscillation period;
Arithmetic procedure for calculating at least one of the distance to the measurement object and the velocity of the measurement object from the minimum oscillation wavelength and the maximum oscillation wavelength in the period of counting the number of interference waveforms by this signal extraction procedure and the counting result of the signal extraction procedure physical quantity measuring method characterized by comprising a.
請求項記載の物理量計測方法において、
前記調整手順は、前記第1の発振期間における前記干渉波形の数と前記第2の発振期間における前記干渉波形の数とが略同一のとき、このときの干渉波形の周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整することを特徴とする物理量計測方法。
The physical quantity measuring method according to claim 5 ,
In the adjustment procedure, when the number of the interference waveforms in the first oscillation period and the number of the interference waveforms in the second oscillation period are substantially the same, the period of the interference waveform at this time is a predetermined period. The physical quantity measurement method is characterized by adjusting the amplitude or frequency of the carrier wave so that
請求項記載の物理量計測方法において、
前記調整手順は、
前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記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を求める距離比例個数算出手順と、
前記距離比例個数から前記干渉波形の周期を算出する周期算出手順と、
この周期算出手順で算出した周期が予め規定された周期になるように、前記搬送波の振幅または周波数を調整する搬送波調整手順とからなることを特徴とする物理量計測方法。
The physical quantity measuring method according to claim 5 ,
The adjustment procedure includes:
A distance proportional number calculation procedure for obtaining a distance proportional number that is the number of interference waveforms proportional to the average distance between the semiconductor laser and the measurement object by calculating an average value of the number of the interference waveforms;
A cycle calculation procedure for calculating a cycle of the interference waveform from the distance proportional number;
A physical quantity measuring method comprising: a carrier wave adjusting procedure for adjusting an amplitude or a frequency of the carrier wave so that a cycle calculated by the cycle calculating procedure is a predetermined cycle.
請求項乃至のいずれか1項に記載の物理量計測方法において、
前記予め規定された周期は、物理量計測方法が処理することの可能な干渉波形の最高周波数の1/2の値に対応する周期であることを特徴とする物理量計測方法。
In the physical-quantity measuring method of any one of Claims 5 thru | or 7 ,
2. The physical quantity measuring method according to claim 1, wherein the predetermined period is a period corresponding to a half value of a maximum frequency of an interference waveform that can be processed by the physical quantity measuring method.
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