KR102052433B1 - 속도계 및 물품제조 방법 - Google Patents

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캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

이동하는 물체에 의해 도플러 효과로 변조된 광을 검출해서 그 물체의 속도를 계측하는 속도계는, 상기 광을 검출하는 검출부와, 상기 검출부에 의해 얻어진 신호를 2값화 하고, 상기 2값화에 의해 얻어진 신호에 있어서의 소정수의 펄스 간격에 걸친 기간을 계측하여 상기 속도의 계측 값을 얻는 처리부를 구비한다. 상기 처리부는, 상기 기간에 관한 지표의 변화에 근거하여 상기 계측 값을 에러로서 결정하도록 구성된다.

Description

속도계 및 물품제조 방법{VELOCIMETER AND METHOD OF MANUFACTURING ARTICLE}
본 발명은, 이동하는 물체에 의해 도플러 효과로 변조된 광을 검출해서 해당 물체의 속도를 계측하는 속도계, 및 물품 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 이동하는 물체의 속도를 계측하는 장치로서 도플러 속도계(이하, 간단히 "속도계"라고도 한다)이 사용하고 있다. 레이저 도플러 속도계(ＬＤＶ)는, 레이저광을 물체에 조사하고, 도플러 효과를 이용해서 물체의 속도를 계측한다. 도플러 효과는, 물체로부터의 산란 광의 주파수(파장)가 그 물체의 이동 속도에 비례해서 편이하는 효과다. 일반적으로, ＬＤＶ에서 얻어지는 신호는, 신호 대 잡음(S/Ｎ)비가 낮은 것이 알려져 있다. 계측 정밀도에 영향을 주는 요인으로서, 고주파 노이즈의 혼입과, 도플러 신호 레벨이 저하하는, 소위 드롭아웃(dropout)도 알려져 있다.
일본 특개평 8-15436호 공보에서는, 광 검출부로 얻어져서 밴드패스필터로 노이즈를 제거한 도플러 신호가 기준 레벨과 비교되어, 레벨 검출 신호가 출력된다. 또한, 해당 도플러 신호를 2값화 함에 의해 주기적 에러(주기 에러 또는 주기의 에러라고도 함)를 검출하고, 주기 에러 신호가 출력된다. 그리고, 레벨 검출 신호 및 주기 에러 신호에 근거하여, 에러 신호가 검출된다.
그렇지만, 일본 특개평 8-15436호 공보의 에러 신호 검출 방법은, 주파수 변동이 빠른 신호에 대처하기 위해서, 레벨 에러와 주기 에러 양쪽이 발생했을 경우에만 에러라고 결정하고, 이들 중 한쪽만이 발생했을 경우에는 에러라고 결정하지 않는다. 따라서, 드롭아웃이 발생하지 않은 경우의 노이즈의 혼입으로 인해 계측 정밀도가 저하되기도 한다.
본 발명은, 예를 들면, 계측 정밀도에 있어서 유리한 속도계를 제공한다.
본 발명은, 이동하는 물체에 의해 도플러 효과로 변조된 광을 검출하고 상기 물체의 속도를 계측하는 속도계를 제공한다. 이 속도계는, 상기 광을 검출하는 검출부; 및 상기 검출부에 의해 얻어진 신호를 2값화 하고, 해당 2값화에 의해 얻어진 신호에 있어서의 소정수의 펄스 간격에 걸친 기간을 계측하여 상기 속도의 계측 값을 얻는 처리부를 구비한다. 상기 처리부는, 상기 기간에 관한 지표의 변화에 근거하여 상기 계측 값을 에러로서 결정하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 특징들은, 첨부도면을 참조하여 이하의 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 속도계의 헤드부의 구성 예를 나타낸다.
도 2a 내지 2c는 프린지 모델을 설명하기 위한 모식도다.
도 3은 물체의 속도와 도플러 주파수간의 관계를 예시적으로 나타낸다.
도 4는 속도계의 구성 예를 나타낸다.
도 5a 내지 5c는 신호 처리 내용을 예시적으로 나타낸다.
도 6a 및 6b는 처리부에 입력되는 아날로그 신호를 예시적으로 나타낸다.
도 7은 처리부에 있어서의 처리의 흐름을 예시적으로 나타낸다.
도 8a 및 8b는 드롭아웃이 발생했을 경우의 신호를 예시적으로 나타낸다.
도 9a 및 9b는 노이즈가 혼입했을 경우의 신호를 예시적으로 나타낸다.
도 10a 및 10b는 에러로서 결정된 계측 값을 예시적으로 나타낸다.
도 11a 및 11b는 보정전의 계측 값과 보정후의 계측 값을 예시적으로 나타낸다.
도 12는 신호 처리의 흐름을 예시적으로 나타낸다.
도 13은 처리부에 입력되는 아날로그 신호의 다른 예를 나타낸다.
도 14는 S1201(서치)에 있어서의 처리의 흐름의 예를 나타낸다.
도 15는 S1601(캘리브레이션)에 있어서의 처리의 흐름을 예시적으로 나타낸다.
도 16은 S1201(서치)에 있어서의 처리의 흐름의 제2예를 나타낸다.
도 17a 내지 17c는 S1201 및 S1601에 있어서의 신호 처리 내용에 관한 예를 각각 나타낸다.
도 18a 내지 18c는 S1201 및 S1601에 있어서의 신호 처리 내용에 관한 제2예를 각각 나타낸다.
이하, 첨부 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 설명한다. 실시예를 설명하기 위한 모든 도면 전체에 걸쳐, 대략 (달리 언급되지 않으면), 동일한 부재등에는 동일한 참조부호를 부착하고, 반복적인 설명은 생략한다.
제1 실시예
도 1은, 속도계의 헤드부의 구성 예를 나타낸다. 검출부로서의 헤드부(100)는, 물체(계측 대상물)(10)에 광을 조사하고, 물체(10)로부터의 광을 수광하기 위한 광학계를 구비하고, 레이저 도플러 속도계의 헤드부를 구성하고 있다. 레이저 다이오드를 구비하기도 하는 광원(1)으로부터 출사한 광속(9)은, 콜리메이터 렌즈(2)에 의해 시준되어, 회절격자(회절 소자)(3)에 입사한다. 회절격자(3)에 입사한 광속(9)은, ±1차 회절광속(회절각은 θ)으로 분기된다. ±1차 회절광속은, 각각이 렌즈(4)에 의해 집광 광속이 된다. 그 집광 광속은, ＥＯ소자(5a, 5b)를 통해 각각 투과된다. 투과된 2개의 광속은, 렌즈(6a, 6b)에 의해 시준되고, 상기 회절각 θ과 대략 같은 각도로 서로 다른 조사 방향에서 물체(10)를 조사한다. 조사하는 광속은, 물체(10)의 표면(일반적으로, 조면)9+에서 확산 반사된다. 확산 반사된 광속은, 렌즈(6a, 6b)와 집광 렌즈(7)를 통해 집광되고, 포토다이오드를 구비하기도 하는 수광소자(8)에 입사한다. 수광소자(8)에서의 광전변환에 의해 얻어진 신호는, 물체(10)의 속도V에 대응한 주파수F를 갖고 강도가 변조된 아날로그 신호로서, (후술한) 처리부에 입력된다. 해당 주파수F는, 도플러 주파수라고 불리고, 다음식 (1)로 표현된다:
F=2V/P+F_ＥＯ ...(1).
이 식에서, P는, 회절격자(3)의 격자 피치, F_ＥＯ는, ＥＯ소자(5a, 5b)의 구동주파수를 나타낸다. 도플러 효과를 이용한 레이저 도플러 속도계의 동작 원리를 설명하는 모델로서, 프린지(fringe)(간섭 줄무늬) 모델이 알려져 있다. 도 2a 내지 2c는, 프린지 모델을 설명하기 위한 모식도다. 물체(10)를 조사하는 2개의 광속이 물체(10)의 표면상에서 서로 교차함으로써, 도 2a에 나타내는 것 같은 프린지(11)가 형성된다. 이 프린지(11)의 프린지 피치이하의 사이즈의 입자(12)가 속도V로 프린지(11)(의 명부 및 암부)를 통과함으로써, 도 2b에 나타내는 것 같은 주파수F를 갖고 강도가 변조된 확산광이 발생한다. 이 경우의 주파수F는, 다음식(2)와 같이 표현된다:
F=V/P_i ...(2)
이 식에서, P_i는, 프린지 피치를 나타낸다. 회절각 θ는, 관계식ｓｉｎθ=λ/P로부터 도출되고, 여기서 λ는 광원(1)으로부터 출사된 광속(9)의 파장이다. 또한, 물체(10)상에서의 광속의 입사각을 회절각 θ와 동일하도록 구성했을 경우, 프린지 피치P_i는, P_i=λ/2ｓｉｎ(θ)=P/2로서 표현될 수 있다. 이 관계식과 식(2)을 사용하여서, 식(1)의 우변 제1항이 도출된다. 또한, 도 2b의 저주파성분(포락선의 성분)은, 광원(1)으로부터 출사된 광속(9)의 강도분포를 반영하고 있고, 전형적으로는, 가우시안 분포를 반영하기도 한다. 물체(10)의 표면은, 랜덤한 표면 거칠기를 갖고, 복수의 랜덤한 특성을 가진 입자(12)의 집합으로서 생각되어도 된다. 따라서, 복수의 랜덤한 위상과 진폭을 가진 도 2b와 같은 신호의 총합을 얻어서, 도 2c와 같은 신호가 얻어진다. 도 6a 및 6b는, (후술의) 처리부(101)에 입력되는 아날로그 신호를 예시적으로 나타낸다. 프린지 모델에 따라서 얻어진 도 2c의 신호가 도 6a 및 6b의 실제의 신호와 유사하므로, 레이저 도플러 속도계의 동작 원리를 프린지 모델이 설명할 수 있는 것을 안다.
다음에, 식(1)의 우변 제2항에 대해서 설명한다. 도 2c의 신호는, 물체의 속도를 반영한 고주파성분과, 물체(10)의 표면의 특성을 반영한 저주파성분을 갖는다. 따라서, 속도V가 0에 근접하면, 그 신호로부터 속도를 얻는 것이 보다 곤란할 수도 있다. 또한, 속도V의 방향을 검출할 수 없다. 이 때문에, 도 1에 있어서 ＥＯ소자가 구성되어 있다. 여기에서, ＥＯ소자(5a, 5b)는, 예를 들면, 전기광학결정(예를 들면, ＬｉＮｂＯ3결정을 포함한다)을 포함하여도 되고, 각각 전기광학적 위상변조소자이어도 된다. 이러한 소자를 구비하므로, 물체가 정지될 때에도 그 물체의 속도가 얻어지고, 또한, 속도의 방향이 얻어진다. ＥＯ소자(5a, 5b)는, 인가전압에 의해, 그것을 투과하는 광속의 위상을 변화시킬 수 있다. ＥＯ소자(5a, 5b)가, 그것들을 각각 투과하는 2개의 광속을, 일정한 주파수F_ＥＯ로 서로 역방향으로 위상이 변화되도록 변조하면, 프린지(11)는 그 1피치씩 주파수F_ＥＯ로 이동하게 된다. 예를 들면, ＥＯ소자(5a, 5b)에의 인가전압을 톱니형상으로 변화시킴에 따라서, 외견상의 위상변화는 일정하여도 된다. 이렇게, 프린지(11)가 주파수F_ＥＯ로 이동하고 있는 중에 정지한 입자(12)가 두어졌다고 하면, 주파수F_ＥＯ로 강도가 변조된 확산 반사광이 발생한다. 이것은, 어떤 방향으로 속도가 오프셋되었을 경우와 등가가 된다. 따라서, 이렇게 ＥＯ소자(5a, 5b)를 구비하는 레이저 도플러 속도계를 구성함으로써, 정지 상태(제로 속도) 및 속도의 방향이 검출될 수 있다. 예를 들면, 회절격자(3)의 격자 피치P=5[μm], F_ＥＯ=200[kHz]의 경우에 속도V와 도플러 주파수F간의 관계를 도 3에 나타낸다. 도 3은, 물체의 속도와 도플러 주파수간의 관계를 예시적으로 나타낸다. (후술의) 처리부에서 처리될 수 있는 신호의 주파수의 하한이 100[kHz]이고, 상한이 4.2[MHz]일 때, 측정 가능한 속도범위는, -250 [mm/s] 또는 10[m/s]의 범위가 된다. 격자 피치P와 위상변조 주파수F_ＥＯ의 값은, 레이저 도플러 속도계의 사양에 따라, 적절하게 선택될 수 있다. 여기에서는, ＥＯ소자로 위상변조를 행하는 예를 설명하였지만, 음향광학소자와 같은 다른 소자로 위상변조를 행하여도 좋다.
도 4는, 속도계의 구성 예를 나타낸다. 상기한 바와 같이 헤드부(100)에서 얻어진 주파수F를 갖는 강도 변조 신호는, 처리부(101)에 입력된다. 입력 단자(401)를 통해 상기 처리부에 입력된 아날로그 신호는, 게인 증폭기(402)에서 증폭된 후, 밴드패스필터(ＢＰＦ)(403)로 필터링되어, 콤퍼레이터(404)로 2값화된다. 2값화에 의해 얻어진 신호에 근거하여, 연산부(405)에 의해 속도(의 정보)가 얻어지고, 이 얻어진 속도(의 정보)가 출력 단자(406)로부터 출력된다.
도 5a 내지 5c는, 신호 처리 내용을 예시적으로 나타낸다. 물체(10)의 속도 V=9500[mm/s], 도플러 주파수 F=4[MHz]일 경우에, 도 5a는 입력 신호를 나타내고, 도 5b는 콤퍼레이터에서의 2값화에 의해 얻어진 신호를 나타낸다. 도 5c는, 처리부(101)에 있어서의 (기준)클록 신호를 나타낸다. 해당 클록 신호를 주는 (도시되지 않은) 기준 클록은, 처리부의 내부 또는 외부에 위치되어도 좋다. 이 경우에, 기준 클록 주파수는 40[MHz]이다. 본 실시예에서는, 2값화에 의해 얻어진 신호에 있어서의 연속한 Ｎ개의 상승 간격을 기준 클록으로 계시(계수)한다. 1개의 상승 간격은, 인접하는 2개의 펄스에 있어서의 2개의 상승 타이밍(타이밍은 시간이라고도 함)의 사이의 시간간격이다. 그리고, 계시에 의해 얻어진 시간(기간D)에 근거하여, 도플러주파수F를 얻고, 식(1)에 근거하여 물체(10)의 속도V(의 정보)를 취득한다. 이 경우, N=4이라고 한다. 도 5b 및 5c의 경우, 2값화에 의해 얻어진 신호에 있어서의 4개분 상승 간격의 계수값은 40(카운트)이다. 기준 클록의 주파수가 기지이므로, 계수값(계시값)으로부터 도플러 주파수F를 얻을 수 있다. 속도V는, 식(1)에 근거하는 계산에 의해 얻어져도 좋거나, 계수값(계시값)과 속도와의 관계를 나타내는 준비된 테이블을 참조하여 얻어져도 좋다. 기준 클록의 주파수는, 이 경우에 40MHz이지만, 필요한 도플러 주파수에 따라 적절하게 선택되어도 된다.
도 6a 및 6b는, 상술한 것 같이, 처리부(101)에 입력되는 아날로그 신호를 예시적으로 나타낸다. 도 6b는, 도 6a의 일부를 확대해서 나타낸다. 상술한 것 같이, 헤드부(100)로부터 출력된 신호는, 도플러 신호에 이론상으로 생성된 진폭의 변화가 큰 신호다. 또한, 전기 회로에서 생성된 노이즈(예를 들면, 전원의 스위칭 노이즈, 또는 ＥＯ소자의 구동에 따르는 노이즈)가 광원(1)을 구동하는 전류에 중첩한다. 따라서, 헤드부(100)로부터 출력된 신호에는, 도플러 신호이외에, 저주파 노이즈와 고주파의 노이즈가 혼입하고 있다. 도 6b에 있어서 화살표로 지시된 신호의 상태는, 저주파성분의 진폭이 작은 상태다. 콤퍼레이터에 의한 2값화의 역치보다 낮은 상태(부분)에서는, 해당 2값화에 의해 얻어진 신호는 제로가 된다(결핍한다). 이러한 상태는, 드롭아웃이라고도 부른다. 또한, 고주파 노이즈 성분에 의해 해당 역치보다 높은 상태(부분)에서는, 2값화에 의해 얻어진 신호에 도플러 신호와는 다른 신호가 포함되어도 된다.
도 7은, 처리부에 있어서의 연산부에서의 처리의 흐름을 예시적으로 나타낸다. 도 4의 처리부(101)에 있어서, 콤퍼레이터에서의 2값화에 의해 얻어진 신호는, 연산부(405)에 입력된다. 우선, 단계S701에 있어서, 연산부(405)는, 2값화에 의해 얻어진 신호에 있어서의 연속한(일련의) Ｎ개의 상승 간격(펄스 간격)의 시간(소정수의 펄스에 걸치는 기간)을 도 5a 내지 5c에 도시한 바와 같이 기준 클록을 사용하여 계시(계수)한다. 계속되는 단계S702에 있어서, 해당 기간(계시값)에 관한 지표의 변화가 역치를 초과하는지를 판정한다. 해당 지표는, 상기한 기간D, 해당 기간D에 대응하는 도플러 주파수F, 해당 도플러 주파수F에 대응하는 물체(10)의 속도V, 또는 이것들 값에 상관하는 다른 값이어도 좋다. 도 8a 및 8b는, 드롭아웃이 발생했을 경우의 신호를 예시적으로 나타낸다. 도 8a에 나타낸 바와 같이, 시간 100μsec의 부근에서 도플러 신호를 포함하는 아날로그 신호에 드롭아웃이 발생했을 경우, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 2값화에 의해 얻어진 신호에 있어서 펄스가 빠진다. 또한, 도 9a 및 9b는, 노이즈가 혼입했을 경우의 신호를 예시적으로 나타낸다. 도 9a에 나타낸 바와 같이, 시간 3μsec의 부근에서 도플러 신호를 포함하는 아날로그 신호에 노이즈가 혼입했을 경우, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 2값화에 의해 얻어진 신호에 있어서 펄스가 깨진다.
도 10a 및 10b는, 에러로서 판정된 계측 값을 예시적으로 나타낸다. 도 10a는, 도 8b에 나타낸 것 같은 드롭아웃이 있을 경우에 얻어진 속도(계측 값)를 예시적으로 나타낸다. N=4개마다의 상승 간격을 계시하면, 드롭아웃에 기인하는 펄스 빠짐이 생긴 결과, 기준 클록의 계수값이 50카운트이어도 된다. 이러한 계시값에 근거해서 속도를 얻으면, 그 속도는 도 10a의 우측의 그래프와 같다. 드롭아웃에 의한 펄스 빠짐의 수가 증대하면, 계측 값의 오차 수도 증대한다. 도 10b는, 도9a 및 9b에 나타낸 것 같은 노이즈가 혼입했을 경우에 얻어진 속도(계측 값)을 예시적으로 나타낸다. 이 경우도, N=4개마다의 상승 간격을 계시하면, 노이즈 혼입에 기인하는 펄스 깨어짐이 생긴 결과, 기준 클록의 계수값이 30카운트이어도 된다. 이것들의 계시값에 근거하여 속도를 얻으면, 그 속도는 도 10b의 우측의 그래프와 같다. 노이즈 혼입에 의한 펄스 깨어짐의 수가 증대하면 계측 값의 에러의 수도 증대한다.
시계열로 연속해서 취득된 계수값의 변화는, 소정 시간내에서의 물체(10)의 속도변화에 관해서는 소정의 범위내에 있다고 생각되어도 된다. 예를 들면, 물체(10)의 속도V가, 현재 9.5[m/s]이며, 10[m/s2]의 가속도로 변화될 경우, N=4개마다의 기간D에 있어서의 속도변화는 10[μm/s]일 뿐이다. 이 속도변화의 속도에 대한 비율은, 속도에 반비례하지만, V=0.1[m/s]의 경우이여도, 속도변화는 0.17[mm/s]정도이며 충분히 작다(비율은 0.17%정도). 그러므로, 상기 지표의 변화가, 미리 얻어진 지표의 Ｌ[％]를 초과할 경우, 드롭아웃 또는 노이즈 혼입이 생겼다고 판정할 수도 있다. L은, 다음식 (3)으로 표현된다.
L=((N+1)/N-1)×100 ...(3)
따라서, 도 7의 단계S702에 있어서의 역치는, (미리 얻어진) 지표의 Ｌ[％]로서 얻어질 수 있다. 그리고, 지표의 변화가 역치(지표의 Ｌ[％]）이하일 경우는, 단계S703에서, 계시값에 근거해서 속도(계측 값)를 얻는다. 한편, 지표의 변화가 역치(지표의 Ｌ[％])를 초과할 경우는, 단계S704에서, 거기에 대응하는 속도는 에러로서 판정하고, 미리 얻어진 속도는 계측 값으로서 사용된다. 계속되는 단계S705에 있어서, 처리부(101)는, 속도의 정보를 필요로 하는 다른 장치에 속도(계측 값)를 출력한다. 또한, 역치는, 지표의 ａ×L[％](계수a는 0 <a <1을 충족시키는 실수)이어도 좋다.
도 11a 및 11b는, 보정전의 계측 값과 보정후의 계측 값을 예시적으로 나타낸다. 도 11a 및 11b는, 물체(10)가 속도V≒0.5[m/s]에서 이동했을 경우의 속도의 계측 결과를 나타낸다. 도 11a는, 본 실시예에 따른 보정(단계S702 내지 S704)을 행하지 않았을 경우의 계측 결과를 나타낸다. 도 11b는, 해당 보정을 행했을 경우의 계측 결과를 나타낸다. 도 11a 및 11b를 참조하여, 본 실시예에 의하면, 도 11b에 나타낸 것과 같은 고정밀도(고재현성)의 계측 결과를 얻어질 수 있는 것을 안다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의해, 드롭아웃과 노이즈의 혼입에 대하여 로버스트(robust) 계측을 행할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 계측 정밀도의 점에서 유리한 속도계를 제공할 수 있다.
다음에, 처리부(101)의 다른 측면에 대해서 설명한다. 도 4에 나타낸 처리부(101)의 밴드패스필터(ＢＰＦ)(403)는, 도플러 주파수이외의 주파수를 갖는 노이즈를 감소하기 위해서 준비되어 있다. 이 경우에, ＢＰＦ(403)의 Ｑ값은, Ｑ값이 6에는 한정되지 않지만, 6정도로 설정된다. 도플러 주파수가 광대역에 확장되어 있으므로, 공진주파수(중심주파수)가 가변인 ＢＰＦ를 채용하고 있다. 해당 ＢＰＦ는, ＲＬＣ필터의 Ｒ, L, C 중 적어도 1개를 가변으로 해서 실현되어도 된다. 도 12는, 신호 처리의 흐름을 예시적으로 나타낸다. 우선, 단계S1201에 있어서, (후술의) 서치에 의해 ＢＰＦ의 공진주파수를 결정한다. 계속되는 단계S1202에서, ＢＰＦ의 공진주파수를 설정한다. 단계S1203에 있어서, 처리부(101)에 입력된 아날로그 신호가 ＢＰＦ에 의해 필터링되어, 콤퍼레이터에 입력된다. 이 단계에서, 상기 필터링에 의해 얻어진 신호에 대하여 레벨을 판정한다. 도 6a 및 6b에 나타낸 것 같은 아날로그 신호의 경우, ＢＰＦ에서의 필터링에 의해 신호 처리가 행해질 수 있다. 그러나, 물체(10)의 표면 조건에 따라서는, 상기 아날로그 신호는 도 13에 나타낸 아날로그 신호가 되고, 장기간에 걸쳐 드롭아웃이 발생할 수도 있다. 이 경우에, 도 13은, 처리부에 입력되는 아날로그 신호의 다른 예를 나타낸다. 이러한 신호에서는, 정확한 속도계측을 실시하는 것은 곤란하다. 따라서, 단계S1203에 있어서는, ＢＰＦ에서 필터링 되어서 얻어진 신호의 진폭에 대하여, 피크 홀드 처리를 행하고, 홀드된 피크가 미리 설정한 시간에 미리 설정한 역치이하인가를 판정한다. 상기 피크가 역치이하일 경우(YES), 그 신호는 에러로서 판정되고(단계S1204), 단계S1201(서치)에 처리가 되돌아간다. 한편, 상기 피크가 역치이하가 아닐 경우(NO), ＢＰＦ에서의 필터링에 의해 얻어진 신호는, 콤퍼레이터(404)로 2값화되고, 한층 더 상기 연산부(405)로 처리된다. 계속되는 단계S1205에 있어서, 연산부(405)는, 물체(10)의 속도를 얻는다. 계속되는 단계S1205에 있어서, 처리부(101)는, 출력 단자(406)로부터 속도(정보)를 다른 장치에 출력한다.
도 12에 있어서의 단계S1201(서치)은, 상기 처리부(101)에 입력하는 아날로그 신호에 있어서의 도플러 주파수에 따라 ＢＰＦ의 공진주파수를 결정하는 단계다. 도 14는, S1201(서치)에 있어서의 처리의 흐름의 예를 나타낸다. i=1, 2, ..., q에 관해서, 단계S1401 및 단계S1402를 반복한다(루프). 단계S1401에서는, ＢＰＦ의 공진주파수 F(i)를 설정한다. 계속되는 단계S1402에서는, 필터링에 의해 얻어진 신호의 진폭값 A(i)를 취득한다. 상기 루프로부터 벗어난 단계S1403에서는, A(i)가 최대가 되는 ｉ=i_ｍａｘ를 얻는다. 계속되는 단계S1404에서는, F(i_ｍａｘ)를 ＢＰＦ의 공진주파수로서 결정한다. 도 17a 내지 17c는, S1201(서치) 및 S1601(캘리브레이션)에 있어서의 신호 처리 내용에 관련되는 예를 각각 나타낸다. 캘리브레이션에 대해서는 후술한다. 이 예에서는, 필터링에 의해 얻어진 신호의 진폭이 약 700[kHz]로 최대로 되어 있다. 따라서, 도플러 주파수는 약 700[kHz]인 것을 나타낸다고 생각하여도 된다. 이 생각에 의거하여, S1201(서치)에서는, ＢＰＦ의 공진주파수를 결정하여도 된다.
그러나, 도플러 신호의 S/Ｎ비가 낮을 경우, S1201(서치)에 있어서, 도플러 주파수와 동떨어진 주파수를 ＢＰＦ의 공진주파수로서 결정하여도 된다. 도 18a 내지 18c는, S1201(서치) 및 S1601(캘리브레이션)에 있어서의 신호 처리 내용에 관련되는 제2예를 각각 나타낸다. 도 18a는, 도플러 신호의 S/Ｎ비가 낮을 경우에 필터링에 의해 얻어진 신호의 진폭값A(i)를 나타낸다. 이 예에서는, 도플러 주파수가 약 150[kHz]이다. 그렇지만, 헤드부(100)에 의해 생성된 노이즈의 영향으로 인해, 진폭이 약 3[MHz]로 최대로 되어 있다. 헤드부(100)에 구비된 노이즈 성분은, 각 헤드부에 고유한 것이며, 도플러 주파수에 따르지 않는다. 따라서, 이 노이즈의 정보를 미리 취득하여서 속도계는 캘리브레이션이 가능하다.
도 15는, 도 16에 있어서의 S1601(캘리브레이션)에 있어서의 처리의 흐름을 예시적으로 나타낸다. S1601(캘리브레이션)은, 헤드부 고유의 노이즈 성분의 정보를 미리 취득하는 단계이며, 물체(10) 없이 행해진다. i=1, 2, ..., q에 관해서, 단계S1501 및 단계S1502를 반복한다(루프). 우선, 단계S1501에서는, ＢＰＦ의 공진주파수 F(i)를 설정한다. 계속되는 단계S1502에서는, 필터링에 의해 얻어진 신호의 진폭값 C(i)를 취득한다. 상기 루프로부터 벗어난 단계S1503에서는, C(i)를 오프셋 값(캘리브레이션 값)으로서, 예를 들면 처리부(101)내의 메모리에 기억시킨다. 도 17b 및 도 18b는, 물체(10)가 설치되어 있지 않은 동안에 기억된 오프셋 값 C(i)의 예다.
도 16은, S1201(서치)에 있어서의 처리의 흐름의 제2예를 나타낸다. 도 14의 처리의 흐름에 있어서의 단계와는 같은 단계에는, 동일 또는 유사한 참조부호를 부착하고, 중복된 설명은 생략된다. 우선, 단계S1601(캘리브레이션)은, 도 15를 참조하여 설명한 처리다. 단계S1602에 있어서는, 물체(10)를 설치하는 동안에 취득한 Ｆ(i)의 진폭값 A(i)로부터 단계S1601에서 얻어진 오프셋 값 C(i)를 감산하고, 헤드부(100)에 고유한 노이즈 성분의 영향을 감소한 진폭값 A'(i)를 취득한다. 도 17c 및 도 18c는, 진폭값 A'(i)의 예다. 도 16에 따른 처리를 실행함으로써, 도플러 신호의 S/Ｎ비가 낮을 경우라도, ＢＰＦ의 공진주파수를 한층 더 정확하게 결정할 수 있다. 또한, 도 12에 따른 처리에 있어서의 단계S1203(피크 판정)에서 에러로서 판정되었을 경우에 다시 단계S1201(서치)의 처리를 행하면, 도 13에 나타낸 신호가 도 6a 및 6b에 나타낸 신호로 변화되었을 경우에 즉시 계측을 시작할 수 있다.
이상과 같이, 도 12 내지 도 18c를 참조해서 설명한 처리를 행하면, 속도계에 있어서 속도를 취득하는 로버스트 처리가 행해질 수 있다. 밴드패스필터(ＢＰＦ)(403)의 공진주파수의 설정은, 예를 들면, 속도계가 속도계측을 시작할 경우(예를 들면, 시작의 직전)나, 속도계측에 에러가 일어나는(소정의 조건을 충족시켜서 에러가 계속되는) 경우에 행해져도 된다. 또한, 속도계측을 행하는 동안, 속도의 계측 값에 근거해서 공진주파수를 설정(변경)할 수 있다.
제2 실시예
상기 제1 실시예에서는, 지표의 변화가, 연산부(405)(단계S702)에 의해 이전에(미리) 얻어진 지표에 의거한 역치에 근거하여 역치를 초과하는지를 판정한다. 그렇지만, 해당 역치는, 이전에(미리) 얻어진 Ｍ개의 지표(예를 들면, 그것들의 평균값)에 근거하는 역치이어도 좋다. 또한, 해당 평균값은, 단순한 평균값이 아니어도 되고, 가중평균값, 상승 평균값 또는 그 밖의 평균값이어도 된다. 또한, 제1 실시예에서는, 단계S704에서, 상기 얻어진 속도가 에러인 가정에 의거하여 미리 얻어진 속도를 계측 값으로서 사용한다. 그렇지만, 이 대신에, 미리 얻어진 복수의 계측 값(예를 들면, 그것들의 평균값)에 근거하는 속도를 계측 값으로서 사용하여도 좋다. 또한, 해당 평균값은, 단순한 평균값이 아니어도 되고, 가중평균값, 상승 평균값 또는 그 밖의 평균값이어도 된다. 예를 들면, 물체(10)의 속도변동이 작은 것을 미리 알고 있으면, M의 값을 증가시켜서 안정한 계측이 행해질 수 있다. 또한, 속도변동의 크기가 대략 미리 예상되는 경우, 해당 크기에 근거해서 M의 값을 가능한 한 감소한다. 이에 따라, 에러 판정에 대한 역치의 추종성(타당성)을 개선할 수 있다. 발명자들의 검토에 의해, 물체(10)의 가속도가 1[Ｇ]정도의 경우, M=16이하로 설정하여서 추종성이 개선하는 것을 안다.
물품 제조 방법에 따른 실시예
이상으로 설명한 실시예에 따른 속도계는, 물품 제조 방법에 사용되어도 된다. 해당 물품 제조 방법은, 해당 속도계를 사용해서 물체의 속도를 계측하는 단계와, 상기 단계에서 속도를 계측한 물체를 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 해당 처리는, 예를 들면, 가공, 절단, 검사, 조립, 및 선별 중 적어도 하나를 포함하여도 된다. 보다 구체적으로는, 예를 들면, 압출 성형기에 의한 성형물의 압출 속도를 계측하여 해당 성형물의 압출 속도를 제어하여도 된다. 또한, 반송계에 의해 반송된 (긴) 물체의 속도를 계측하고, 해당 계측에 의해 얻어진 속도를 적분해서 물체에 대해 길이 계측을 행하고, 해당 길이 계측에 근거하여 목표 길이를 갖도록 물체를 절단하여도(잘라내어도) 된다. 본 실시예에 따른 물품 제조 방법은, 속도계를 사용하여 비접촉으로 고정밀도로 물체의 속도를 계측할 수 있다. 종래의 방법과 비교하여, 그 방법은 성능, 품질, 생산성 및 생산비용 중 적어도 1개에 있어서 유리하다.
이상, 본 발명의 실시예에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이것들의 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 범위내에서 여러 가지 방식으로 변형 또는 변경되어도 된다.
본 발명은, 예를 들면, 계측 정밀도의 점에서 유리한 속도계를 제공할 수 있다.
본 발명을 실시예들을 참조하여 기재하였지만, 본 발명은 상기 개시된 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형예와, 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 폭 넓게 해석해야 한다.

Claims (22)

  1. 이동하는 물체에 의해 도플러 효과로 변조된 광을 검출해서 상기 물체의 속도를 계측하는 속도계로서,
    상기 광을 검출하는 검출부; 및
    상기 검출부로부터 신호를 얻고, 밴드패스필터에 의해 상기 검출부로부터 얻어진 신호의 필터링을 행하고, 상기 밴드패스필터에 의해 얻어진 신호를 2값화 하고, 상기 2값화에 의해 얻어진 신호에 있어서의 소정수의 펄스 간격에 걸친 기간을 계측하여 상기 속도의 계측 값을 얻는 처리부를 구비하고,
    상기 처리부는,
    캘리브레이션해서 상기 검출부로부터 얻어진 상기 신호의 복수의 주파수에서 제1 진폭을, 오프셋 값으로서, 얻고,
    상기 이동하는 물체에 의해 변조된 광을 검출해서 상기 검출부로부터 얻어진 신호의 상기 복수의 주파수에서 제2 진폭을 얻고,
    상기 오프셋 값에 근거하여 상기 제2 진폭을 보정하고,
    상기 보정된 제2 진폭에 근거하여 상기 밴드패스필터의 필터링 밴드의 주파수를 판정하고,
    상기 필터링 밴드의 상기 판정된 주파수를 갖는 상기 밴드패스필터에 의해 상기 검출부로부터 얻어진 상기 신호를 필터링함으로써 상기 속도의 상기 계측 값을 얻는, 속도계.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    서로 조사 방향이 다르고, 또한 서로 역방향으로 위상이 변화되는 2개의 광을 상기 물체에 조사하는 광학계를 더 구비하고,
    상기 2개의 광은, 상기 물체에 의해 반사되어서 상기 검출부에 의해 검출되는, 속도계.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 속도계를 사용해서 물체의 속도를 계측하는 단계;
    상기 속도가 계측된 상기 물체의 처리를 행하는 단계; 및
    상기 처리된 물체로부터 물품을 제조하는 단계를 포함하는, 물품 제조 방법으로서,
    상기 속도계는, 이동하고 있는 상기 물체에 의해 도플러 효과로 변조된 광을 검출해서 상기 물체의 속도를 계측하고,
    상기 광을 검출하는 검출부; 및
    상기 검출부로부터 신호를 얻고, 밴드패스필터에 의해 상기 검출부로부터 얻어진 신호의 필터링을 행하고, 상기 밴드패스필터에 의해 얻어진 신호를 2값화 하고, 상기 2값화에 의해 얻어진 신호에 있어서의 소정수의 펄스 간격에 걸친 기간을 계측하여 상기 속도의 계측 값을 얻는 처리부를 구비하고,
    상기 처리부는,
    캘리브레이션해서 상기 검출부로부터 얻어진 상기 신호의 복수의 주파수에서 제1 진폭을, 오프셋 값으로서, 얻고,
    상기 이동하는 물체에 의해 변조된 광을 검출해서 상기 검출부로부터 얻어진 신호의 상기 복수의 주파수에서 제2 진폭을 얻고,
    상기 오프셋 값에 근거하여 상기 제2 진폭을 보정하고,
    상기 보정된 제2 진폭에 근거하여 상기 밴드패스필터의 필터링 밴드의 주파수를 판정하고,
    상기 필터링 밴드의 상기 판정된 주파수를 갖는 상기 밴드패스필터에 의해 상기 검출부로부터 얻어진 상기 신호를 필터링함으로써 상기 속도의 상기 계측 값을 얻는, 물품 제조 방법.
  18. 삭제
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 밴드패스필터의 상기 필터링 밴드의 상기 주파수를 판정하여 상기 밴드패스필터의 공진주파수를 판정하는, 속도계.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리부는, 상기 물체가 상기 검출부의 검출 영역에 존재하지 않은 경우 상기 검출부로부터 얻어진 상기 신호의 상기 복수의 주파수에서 상기 제1 진폭을, 오프셋 값으로서, 얻는, 속도계.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 밴드패스필터의 상기 필터링 밴드의 상기 주파수는 가변적이고,
    상기 처리부는, 상기 처리부가 상기 밴드패스필터의 상기 필터링 밴드의 상기 주파수를 변경하는 경우, 상기 밴드패스필터에 의해 상기 검출부로부터 얻어진 상기 신호를 필터링하여 상기 제1 진폭을 얻는, 속도계.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 밴드패스필터의 상기 필터링 밴드의 상기 주파수는 가변적이고,
    상기 처리부는, 상기 처리부가 상기 밴드패스필터의 상기 필터링 밴드의 상기 주파수를 변경하는 경우, 상기 밴드패스필터에 의해 상기 검출부로부터 얻어진 상기 신호를 필터링하여 상기 제2 진폭을 얻는, 속도계.
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