(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオード(1)から出力されるＦＭ変調による光信号を光ファイバ(3)を経て箱状の光センサ本体(41)内の移動ミラー(8)に入射させると共に、前記移動ミラー(8)で反射した移動ミラー反射光(21)と、前記光ファイバ(3)の端面(3a)で反射した光ファイバ端面戻り光(20)又は固定ミラー(7)からの戻り光(7a)と、を重畳して干渉波(9)を得ると共に、前記移動ミラー(8)は箱状の光センサ本体(41)内で所定量のストロークで移動するようにしたロッド(40)の先端部材(40a)に設けられ、前記ロッド(40)の後端(40b)は前記光センサ本体(41)の後部(41b)から外方へ突出し、前記光センサ本体(41)の前部(41a)側には前記光ファイバ(3)に接続され前記移動ミラー(8)と対向するコリメートレンズ(30)が設けられ、少なくとも前記レーザダイオード(1)、光ファイバ(3)及びコリメートレンズ(30)は３重冗長系で構成され、前記ロッド(40)の先端側にラッパ状保持部(200)を介して設けられた前記先端部材(40a)に形成された取付孔(201)と、前記移動ミラー(8)の凹部(202)を貫通して前記取付孔(201)に挿入された取付ボルト(203)と、前記ロッド(40)に設けられ前記後部(41b)の内側及び前記ラッパ状保持部(200)の内側で互いに離間して位置する第１、第２フランジ(204、205)と、を備え、前記移動ミラー(8)は前記取付ボルト(203)により固定され、前記移動ミラー(8)の外面(8A)は前記光センサ本体(41)の内壁(41A)に非接触で、前記先端部材(40a)の周面(40aA)は前記内壁(41A)に摺接するように構成されるようにしたリニア型光位置・速度センサにおいて、前記各レーザダイオード(1)に注入された電流の電流変調を台形波とし、この台形波の斜線部分で位置と速度の信号を検出し、前記台形波の上底部分で速度信号のみを検出すること、
を特徴とする３重冗長系リニア型光位置・速度センサの信号出力方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３重冗長系リニア型光位置・速度センサの信号出力方法に関し、特に、変調波として台形波を用い、光ファイバを経て得られた移動ミラー反射光と、光ファイバ端面戻り光又は固定ミラーからの戻り光と、を重畳して干渉波を得ることにより、位置と速度及び速度のみの検出を行うための新規な改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、用いられていたこの種のリニア型光位置センサとしては、図８に示す構成が一般に採用されていた。
すなわち、図８において符号１で示されるものはレーザダイオードであり、このレーザダイオードで注入電流を三角波変調して得たＦＭ変調による光信号は、第１光カプラ２、光ファイバ３、第２光カプラ４及び第１分岐光ファイバ５を経て固定ミラー７で反射し、他の第２分岐光ファイバ６を経た光信号は移動ミラー８で反射する。
前記各ミラー７，８で反射した各反射光が第２光カプラ４で重畳されて干渉波９が発生し、この干渉波９を受光素子１０により電気信号１０ａに変換し、この時の干渉波９のビート周波数ｆｂは、次の式により与えられる。
ｆｂ＝４・ｆｍ・Δν・Ｌ／Ｃ  ・・・（１）
但し、ｆｍ＝三角波変調周波数
Δν＝レーザダイオードの周波数変移量
Ｌ＝固定及び移動ミラー間の光路差長
Ｃ＝光速
ＬはＴ（１／２・ｆｍ）中に生じるビート波数Ｎを測定することにより、（２）式のように求めることができる。
Ｌ＝ＣＮ／２・Δν  ・・・（２）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のリニア型光位置センサは、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、三角波変調を用いているため、位置・速度信号を得ることはできたが、速度信号のみを得ることは困難であり、この種のリニア型光位置センサの出力から速度信号のみを取出すためには、追加の処理回路を必要としていた。また、位置信号は、位置・速度信号より上部で得た速度信号分を差し引き演算することにより得ることができる。
【０００４】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、変調波として台形波を用い、光ファイバを経て得られた移動ミラー反射光と、光ファイバ端面戻り光又は固定ミラーからの戻り光と、を重畳して干渉波を得ることにより、位置と速度及び速度のみの検出を行うようにした３重冗長系リニア型光位置・速度センサの信号出力方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による３重冗長系リニア型光位置・速度センサの信号出力方法は、レーザダイオードから出力されるＦＭ変調による光信号を光ファイバを経て移動ミラーに入射させると共に、前記移動ミラーで反射した移動ミラー反射光と、前記光ファイバの端面で反射した光ファイバ端面戻り光又は固定ミラーからの戻り光と、を重畳して干渉波を得ると共に、前記移動ミラーは箱状の光センサ本体内で所定量のストロークで移動するようにしたロッドの先端に設けられ、前記ロッドの後端は前記光センサ本体の後部から外方へ突出し、前記光センサ本体の前部側には前記光ファイバに接続され前記移動ミラーと対向するコリメートレンズが設けられ、少なくとも前記レーザダイオード、光ファイバ及びコリメートレンズは３重冗長系で構成され、前記ロッドの先端側にラッパ状保持部を介して設けられた前記先端部材に形成された取付孔と、前記移動ミラーの凹部を貫通して前記取付孔に挿入された取付ボルトと、前記ロッドに設けられ前記後部の内側及び前記ラッパ状保持部の内側で互いに離間して位置する第１、第２フランジと、を備え、前記移動ミラーは前記取付ボルトにより固定され、前記移動ミラーの外面は前記光センサ本体の内壁に非接触で、前記先端部材の周面は前記内壁に摺接するように構成されるようにしたリニア型光位置・速度センサにおいて、前記レーザダイオードに注入された電流の電流変調を台形波とし、この台形波の斜線部分で位置と速度の信号を検出し、前記台形波の上底部分で速度信号のみを検出するようにした方法である。
【０００６】
【作用】
本発明による３重冗長系リニア型光位置・速度センサの信号出力方法においては、レーザダイオードは、注入電流を台形波変調して光ファイバに入射し、移動ミラーで反射した移動ミラー反射光と、光ファイバの端面で反射した光ファイバ端面戻り光又は固定ミラーからの戻り光と、を重畳して干渉波を得ていると共に、変調波が台形波であるため、斜線部分で位置・速度信号を得ると共に、上底部分で速度信号のみを検出でき、３重冗長系において速度信号のみの出力を希望するユーザーの要求に応えることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による３重冗長系リニア型光位置速度センサの信号出力方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、従来例と同一又は同等部分には同一符号を付して説明する。まず、センサの一例として、光ファイバ端面戻り光を用いた場合の構成を示すが、図８にて示す固定ミラーからの戻り光を用いる場合の構成も同様に適用できるものである。
図１及び図２において符号１で示されるものはレーザダイオードであり、このレーザダイオード１で注入電流を台形波変調して得たＦＭヘテロダイン変調による光信号は、コリメートレンズ３０で集光され、光カプラ２、光ファイバ３及び端面３ａで反射した光ファイバ端面戻り光２０（約４％）と、この端面３ａから出射して移動ミラー８にて反射した移動ミラーを反射光２１と、が干渉波９として受光素子１０に入射し、この受光素子１０で電気信号に変換される。
【０００８】
前記移動ミラー８は、ロッド４０を有し、このロッド４０は箱状の光センサ本体４１内で所定量のストロークで移動することができるように構成され、前述と同じレーザダイオード１及び光ファイバ３を有するチャンネル５０が３重冗長性を持たせるために複数個設けられている。なお、図２の構成は、実際の断面構成にて示すと図３の通りであり、同一部分には同一符号を付し、説明は省略する。従って、前記移動ミラー８はロッド４０の先端部材４０ａに設けられ、前記ロッド４０の後端４０ｂは光センサ本体４１の後部４１ｂから外方へ突出し、センサ本体４１の前部４１ａ側には前記光ファイバ３に接続され前記移動ミラー８と対向するコリメートレンズ３０が設けられ、少なくとも前記レーザダイオード１、光ファイバ３及びコリメートレンズ３０は３重冗長系で構成されている。
【０００９】
前記ロッド４０の先端側には、ラッパ状保持部２００を介して前記先端部材４０ａが設けられ、この先端部材４０ａには軸方向に延設された取付孔２０１が形成されている。
前記移動ミラー８は、その凹部２０２を貫通する取付ボルト２０３が前記取付孔２０１に挿入されていることにより、前記先端部材４０ａの先端面に固定されている。
【００１０】
前記ロッド４０上の前記後部４１ｂの内側及び前記ラッパ状保持部２００の内側には、互いに離間して位置する第１、第２フランジ２０４、２０５が配設され、図３の点線にて示されるように、ロッド４０が往復移動する際のストッパの作用をなすように構成されている。
【００１１】
前記先端部材４０ａに固定された移動ミラー８の外面８Ａは、前記光センサ本体４１内を移動する時はその内壁４１Ａと非接触に保たれており、前記先端部材４０ａの周面４０ａＡは、図３の点線にて示されるように、前記光センサ本体４１の内壁４１Ａと摺接しつつ摺動するように構成されている。
【００１２】
また、図７は、前述のレーザダイオード１の駆動及び干渉波９の処理系の概略をブロック図として示すもので、本発明において特に採用された台形波変調を示すものであり、以下にその信号出力方法について述べる。
図７において、前記レーザダイオード１の駆動信号１Ａは、１ＫＨＺの周波数作成回路７０、三角波作成回路７１、台形波作成回路７２及び台形タイミング波作成回路７３からなる台形波変調用回路７３からの台形変調信号７２ａにより台形波変調されている。
【００１３】
前記受光素子１０に入力された干渉波９は、増巾された後に波形整形回路８０で直流分がカット（波形ＡからＢからＣに示すように）された後に、このパルス状となった干渉波９（波形Ｃで示す）は、書換可能型メモリ回路（イレーザブル・プログラマブル・ロジック・デバイス）１００のメインカウンタ１００ａ、第１サブカウンタ１００ｂ及び第２サブカウンタ１００ｃでカウントされ、１２ビットのパラレル信号として位置・速度信号１０１が同時に出力される。
【００１４】
また、前述の干渉波９のビート周波数は、以下の（１）式により得られる。
ｆｂ＝４・ｆｍ・Δν・Ｌ／Ｃ  ・・・（１）
ｆｍ：台形波変調周波数
Δν：ＬＤの周波数変移量
Ｌ：光路差長
Ｃ：光速
ここで、Ｌが測定する長さは、（１）式より、
Ｌ＝Ｃ・Ｎ／４・Δν  ・・・（２）
（Ｎ＝ｆｂ／ｆｍ：ビート波数）
となる。
次に移動ミラー８が高速で移動した場合、光のドップラシフトが発生し、（１）式ビート周波数に対し、加減算される。
移動ミラー速度νで発生するドップラシフトｆｄは、
ｆｄ＝２・ν／λ−COSθ  ・・・（３）
λ：光の波長
θ：光源に対する移動方向のなす角
本センサではCOSθ＝±１
従って、νの速度の時の最終ビート周波数Ｆｂは、
Ｆｂ＝｜ｆｂ±ｆｄ｜  ・・・（４）
で発生する。
図４〜図６に移動ミラー停止時、及び伸び縮み方向移動時のビート波を示す。この波形で判る通り、
ｆａｍ−ｆｄあるいはｆｂｍ−ｆｄ  ・・・（５）
（Ｆｂ＝ｆａｍ，ｆｂｍ）
の演算をすることで、動作時の位置データを検出できる。
又、同時に計測している台形波上底部ビート波ｆｄは、速度信号そのものであるから、本構成によるリニアセンサは、位置と速度の相方の同時検出機能を備えていると言える。
【００１５】
従って、このビート信号９ａのビート周波数は、光路差長Ｌにより変化するものであるが、前述の台形波の斜線部分で位置と速度信号を得ると共に、上底部分で速度信号のみを得ることができる。
従って、従来は不可能であった速度信号のみの検出も同時に行うことができ、速度信号を独立して用いるユーザー側の要求を満たすことができる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明による３重冗長系リニア型光位置・速度センサの信号出力方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。すなわち、変調用として台形波を用いているため、この台形波の斜線部分で位置・速度信号を得、上底部分で速度信号のみを得ることができ、ロッドの移動及び停止時においても正確な位置信号及び速度信号を得ることができる。
また、１個のセンサで位置と速度の信号を同時に得ることができると共に、外部からの電磁波ノイズの影響を受けることがなく、ロッドに対して移動ミラーが安定的に取付けられているため、３重冗長系の安定した精度の信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明において用いた３重冗長系リニア型光位置・速度センサの一例を示す構成図である。
【図２】  図１を詳細に示す構成図である。
【図３】  図２の要部を示す構成図である。
【図４】  停止時の波形図である。
【図５】  増加方向作動時の波形図である。
【図６】  減少方向作動時の波形図である。
【図７】  ブロック図である。
【図８】  従来のセンサを示す構成図である。
【符号の説明】
１    レーザダイオード
３    光ファイバ
３ａ    端面
８    移動ミラー
９    干渉波
２０    光ファイバ端面戻り光
２１    移動ミラー反射光
３０    コリメートレンズ
４１    光センサ本体
４０    ロッド
４０ａ    先端
４０ｂ    後端
４１ａ    前部
４１ｂ    後部
２００    ラッパ状保持部
２０１    取付孔
２０２    凹部
２０３    取付ボルト
２０４    第１フランジ
２０５    第２フランジ
８Ａ    外面
４１Ａ    内壁
４０ａＡ    周面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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