(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から発光された光束を偏向手段により移動物体に入射させ、該移動物体の移動速度に応じてドップラーシフトを受けた散乱光を光検出器で検出し、検出された信号の周波数の偏移を検出することにより該移動物体の変位情報を検出する変位情報測定装置において、
該偏向手段は、移動物体に照射される光束を移動物体の変位方向と垂直な方向に集光させるように、同一な双曲線形状の格子を移動物体の変位方向に対して同一ピッチに形成した回折格子を有することを特徴とする変位情報測定装置。
【請求項２】
前記双曲線形状の格子を移動物体の変位方向と垂直な軸に対して線対称に対向して配置したことを特徴とする請求項１の変位情報測定装置。
【請求項３】
前記格子部の回折格子の双曲線形状は、
前記回折格子から前記移動物体の測定物面までの距離をＷＤとし、検出方向をＸ軸、検出不感方向をＹ軸とおいたとき、
【数１】
0003937596.tif 000005
の式により表されることを特徴とする請求項２の変位情報測定装置。
【請求項４】
前記移動物体が回折格子より成るスケールであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項の変位情報測定装置。
【請求項５】
前記回折格子は、ブレーズド型の回折格子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の変位情報測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は変位情報測定装置に関し、例えば移動する物体や流体等（以下「移動物体」と称する。）にレーザー光を照射し、該移動物体の移動速度に応じてドップラーシフトを受けた散乱光の周波数の偏移を検出することにより移動物体の変位に関する情報としての変位量や移動物体の移動速度等を非接触で測定するようにしたドップラー効果を利用した速度計に良好に適用できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より移動物体の移動速度を非接触且つ高精度に測定する装置として、レーザードップラー速度計が使用されている。レーザードップラー速度計は移動物体にレーザー光を照射し、該移動物体からの散乱光の周波数が、移動物体の移動速度に比例して偏移（シフト）する効果（ドップラー効果）を利用して、移動物体の移動速度を測定する装置である。
【０００３】
図７は従来のレーザードップラー速度計の一例を示す説明図である。
【０００４】
同図においてレーザー１から出射されたレーザー光は、コリメーターレンズ２によって平行光束３となり、ビームスプリッター４によって透過光５ａと反射光５ｂの２光束に分割されて反射鏡６ａ，６ｂで反射された後、速度Ｖで移動している移動物体７に異なった方向から入射角θで二光束照射される。移動物体７からの散乱光は、集光レンズ８を介して光検出器９で検出される。このとき二光束による散乱光の周波数は、移動速度Ｖに比例して各々＋Δｆ，−Δｆのドップラーシフトを受ける。ここで、レーザー光の波長をλとすれば周波数変化Δｆは次の（１）式で表わすことができる。
【０００５】
Δｆ＝Ｖ・ｓｉｎ（θ）／λ  ‥‥‥（１）
＋Δｆ，−Δｆのドップラーシフトを受けた散乱光は、互いに干渉しあって光検出器９の受光面での明暗の変化をもたらし、その周波数Ｆは次の（２）式で与えられる。
【０００６】
Ｆ＝２・Δｆ＝２・Ｖ・ｓｉｎ（θ）／λ    ‥‥‥（２）
（２）式から、光検出器９の周波数Ｆ（以下「ドップラー周波数」と呼ぶ）を測定すれば移動物体７の移動速度Ｖが求められる。
【０００７】
このような速度計において信号のＳ／Ｎ比を向上させる方法が、例えば特許公開昭６０−２４３５８３号公報で提案されている。同公報では移動物体に照射されるレーザー光束を検出不感方向に集光させる方法が示されている。特に、レーザー光束を検出不感方向に集光させる手段として、シリンドリカルレンズが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の速度計においてシリンドリカルレンズを用いて、レーザー光束を検出不感方向に集光させる場合、２つの光束の光軸とシリンドリカルレンズの母線光軸を合わせ込まなければならず、組立てを厳密に行わなければならない。また、当然ながら部品もシリンドリカルレンズを用いた分、増えることになり、装置全体が複雑になってくる。
【０００９】
図８は装置全体の小型化を図った光学系を用いたレーザードップラー速度計の一例である。
【００１０】
同図において、レーザー１から出射されたレーザー光は、コリメーターレンズ２によって平行光束３となり、格子ピッチがｄの回折格子Ｇに入射される。そして回折格子Ｇにより±１次の回折光Ｒ１，Ｒ２が生じ、それぞれｄ・ｓｉｎ（θ）＝λの関係を満たす回折角θにて出射される。それぞれ速度Ｖで移動している被測定物７に入射角で二光束照射されると、そこからの散乱光は、集光レンズ８を介して、光検出器９で検出され、そのビート周波数Ｆ（２）式同様、
Ｆ＝２・Ｖ・ｓｉｎ（θ）／λ
となる。ここで、この入射角θは回折角θと等しいため、
ｄ・ｓｉｎ（θ）＝λ      ‥‥‥（３）
（ここでｄは回折格子のピッチである）
の関係が成立する。
【００１１】
（２）式，（３）式から、以下のような波長λ依存性のない式が導出される。
【００１２】
Ｆ＝２・Ｖ／ｄ      ‥‥‥（４）
これより移動速度Ｖを求めている。
【００１３】
以上のような構成により、今までになく小型で、レーザー光の波長依存性がない構成、つまりはセンサーの温度依存性をなくす構成を可能としている。
【００１４】
しかしながら、図７のような構成でも、小型化、低価格化が図られているが、例えば回折格子の段差加工誤差等により所望の±１次回折光だけでなく、不要な０次回折光を多く発生する特性になると、±１次同士の干渉ではなく、０次も含んだ干渉信号となり、（４）式で示すドップラー信号のＳ／Ｎを良好に維持することができずに、検出精度を悪化させる場合があった。
【００１５】
本発明は、シリンドリカルレンズ等の光学部品を増やすこともなく、簡易な構成でＳ／Ｎの良い信号が得られ、高精度の変位情報が得られる変位情報測定装置の提供を目的とする。
【００１６】
請求項１の発明の変位情報測定装置は、
光源から発光された光束を偏向手段により移動物体に入射させ、該移動物体の移動速度に応じてドップラーシフトを受けた散乱光を光検出器で検出し、検出された信号の周波数の偏移を検出することにより該移動物体の変位情報を検出する変位情報測定装置において、
該偏向手段は、移動物体に照射される光束を移動物体の変位方向と垂直な方向に集光させるように、同一な双曲線形状の格子を移動物体の変位方向に対して同一ピッチに形成した回折格子を有することを特徴としている。
【００１７】
請求項２の発明は請求項１の発明において、
前記双曲線形状の格子を移動物体の変位方向と垂直な軸に対して線対称に対向して配置したことを特徴としている。
【００１８】
請求項３の発明は請求項２の発明において、
前記格子部の回折格子の双曲線形状は、
前記回折格子から前記移動物体の測定物面までの距離をＷＤとし、検出方向をＸ軸、検出不感方向をＹ軸とおいたとき、
【数２】
0003937596.tif 000002
の式により表されることを特徴としている。
【００１９】
請求項４の発明は請求項１から３のいずれか１項の発明において、
前記移動物体が回折格子より成るスケールであることを特徴としている。
【００２０】
請求項５の発明は請求項１から４のいずれか１項の発明において、
前記回折格子は、ブレーズド型の回折格子であることを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の要部斜視図、図２（Ａ），（Ｂ）は図１のＸ軸に沿って見た光線図、Ｙ軸に沿って見た光線図である。
【００２３】
本実施形態は、ドップラー信号のＳ／Ｎ比の向上を光学部品を増やすことなく達成させるもので、所定の入射角θで所定の位置で移動物体に入射させる偏向手段として、回折格子を用いること、移動物体に照射されるレーザー光束が、検出不感方向に対して集光するように回折格子の形状を形成することを特徴としている。
【００２４】
具体的な形状として、同一双曲線形状の格子が同一ピッチに形成することにより、光学的に検出信号のＳ／Ｎ比を向上させている。
【００２５】
また、平行光束を偏向する偏向手段として、同一双曲線の格子が測定検知方向（Ｘ方向）に同一ピッチに形成された回折格子を対向して配置することにより、光学部品を追加する必要がなく、小型化を実現しながら光学的に検出信号のＳ／Ｎ比を向上させている。
【００２６】
図１，図２においてレーザー１から出射されたレーザー光は、コリメーターレンズ２によって平行光束３となり、双曲線形状の格子がピッチｄで配列された回折格子Ｇ１とＹ軸に対して線対称に配置された回折格子Ｇ２とからなるブレーズド型の回折格子（格子部）Ｇに垂直入射され、回折格子Ｇ１，Ｇ２によりそれぞれ＋１次の回折光Ｒ１，回折光Ｒ２が生じる。これらの回折光は、速度検出方向（Ｘ軸）には平行光束を保っているが、速度検出不感方向（Ｙ軸）には測定位置にて収束するように出射される。
【００２７】
ここで回折格子Ｇ１，Ｇ２はレーザー光を移動物体７に所定方向から入射される偏向手段の一要素を構成している。
【００２８】
図２は図１の回折格子Ｇの回折格子形状を示す説明図である。ここで双曲線形状の回折格子Ｇ１の形状について説明する。回折格子Ｇ１から測定物面７までの距離をＷＤとおくと、双曲線形状は、次の式により表される。
【００２９】
【数３】
0003937596.tif 000003
平行光束が回折格子Ｇ１に入射されると、回折光はＸ軸方向にはｄ・ｓｉｎ（θ）＝λの関係を満たす回折角θにて出射される。一方Ｙ軸方向には、回折格子Ｇ１から測定物面までの距離ＷＤにて光束が収束される。尚、ｄは回折格子のピッチである。
【００３０】
この回折格子Ｇ１に対向配置された回折格子Ｇ２の両方（回折格子Ｇ）に、レーザー１からの平行光束入射すると、図１，図２に示すように、測定面７でレーザー光束を検出不感方向（Ｙ方向）に集光させることが可能となる。
【００３１】
速度Ｖで移動している被測定物７に上記の２光束Ｒ１，Ｒ２が入射角θで照射されると、そこからの散乱光は、集光レンズ８を介して、光検出器９で検出され、そのビート周波数Ｆは（４）式同様、
Ｆ＝２・Ｖ／ｄ      ‥‥‥（４）
の関係が成立し、レーザー光の波長依存性のない式が導出される。
【００３２】
図３では回折格子Ｇへのレーザー光束の入射角を垂直にした例を示したが、レーザー光束の入射角が変わると最適な双曲線形状が変わってくる。入射角をつける場合には、測定面でレーザー光束を検出不感方向に集光させるように、双曲線形状を最適化設計すればよい。
【００３３】
図４は回折格子Ｇ１に平行光束を照射したときの測定物面７での各次数の回折光の広がりを説明する図である。図からわかるように、速度検出に必要な＋１次回折光３１は検知不感方向（Ｙ軸）に対し収束しており、０次回折光３０はＹ軸方向に対して平行光束のままとなり、−１次回折光３２は検知不感方向（Ｙ軸）に対し発散の状態となる。
【００３４】
一般に回折格子は０次光が出ないように設計されているが、仮に出た場合でもＹ軸への光束の幅の比率分だけ光密度が小さいため、ノイズ成分となる不要干渉成分の比率は最終的に無視できるようになる。
【００３５】
本実施形態では以上のような構成により、部品点数を増やすこともなく、小型でＳ／Ｎ比を向上させた信号を得ている。またシリンドリカルレンズを用いていない為に２光束の光軸とシリンドリカルの母線を組立て時に合わせ込む必要もなく、投げ込み組立てを可能としている。
【００３６】
また、回折格子の加工の出来具合に起因する不要干渉光の影響度を大幅に削減したことにより性能のばらつきも大幅に削減することができる。
【００３７】
図５は本発明の実施形態２の要部斜視図である。図５において、レーザー１からのレーザー光をコリメータレンズ２で平行光束として格子ピッチｄの第一のリニア回折格子Ｇ１０に入射させている。そしてリニア回折格子Ｇ１０により、入射光を２光束にビームスプリットしている。双曲線形状を格子ピッチｄ／２で配列した第２の回折格子Ｇ２１，Ｇ２２は互いに双曲線形状を対向させて配置し、測定物面７では、検知不感方向（Ｙ方向）に収束するようになっている。
【００３８】
尚、第一の回折格子Ｇ１０と第二の回折格子Ｇ２１，Ｇ２２は偏向手段の一要素を構成している。
【００３９】
本実施形態において第二の回折格子２１，２２からの測定物面７までの距離をＷＤとすると、第二の回折格子Ｇ２１，Ｇ２２の双曲線形状は、次式で表される。
【００４０】
【数４】
0003937596.tif 000004
回折格子Ｇ２１，Ｇ２２からの１，−１次回折光は被測定物７で散乱され、この散乱光を集光レンズ８を介して光検出器９で検出している。
【００４１】
そして実施形態１と同様に（４）式により変位情報Ｖを得ている。
【００４２】
この実施形態ではビームスプリットとして回折格子Ｇ１０を用いた例を挙げたが、ハーフミラーやプリズムを組み合わせた光学系でも本発明の効果を得ることができる。
【００４３】
図６は本発明の実施形態３の要部斜視図である。本実施形態はリニアエンコーダを示している。レーザー１からの光束をコリメーターレンズ２で平行光束とし、第一の回折格子Ｇ１０、第二の回折格子Ｇ２１，Ｇ２２により被測定物７に入射する構成は図４の実施形態２と同じである。
【００４４】
本実施形態では測定物面に格子ピッチｄの反射型の回折格子からなるスケール７０を用いている。本構成は取り付け許容度を上げるための光学系となっており、シリンドリカルレンズを配置することなく、スケール面７０で光束を平行光束とすることができ、小型化，組立て性に優位となっている。
【００４５】
本実施形態では、レーザー光束を検出不感方向（Ｙ方向）に集光させる回折格子の形状として、具体的に同一双曲線形状の格子が同一ピッチに形成した場合を示したが、双曲線形状のＹ軸中心部分はほぼ円形に一致するため、有効光束径が小さい場合では双曲線形状は円弧形状も包含する。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光を移動物体に入射させる偏向手段として、回折格子を用い、該回折格子の形状を移動物体に照射される光束が検出不感方向に集光するように形成することによって、シリンドリカルレンズ等の光学部品を増やすこともなく、簡易な構成でＳ／Ｎの良い信号が得られ、高精度の変位情報が得られる変位情報測定装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部斜視図
【図２】図１の一部分の説明図
【図３】図１の一部分の説明図
【図４】回折格子からの各次数の回折光の広がりを説明する図
【図５】本発明の実施形態２の要部斜視図
【図６】本発明の実施形態３の要部斜視図
【図７】従来のレーザードップラー速度計の説明図
【図８】従来のレーザードップラー速度計の説明図
【符号の説明】
１    レーザーダイオード
２    コリメーターレンズ
３    レーザー光束
５ａ，５ｂ    レーザー光束
６    ミラー
７    測定物
８    集光レンズ
９    光検出器
３０，３１，３２    回折光スポット
７０    スケール
Ｇ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ１０    回折格子
Ｒ（Ｒ１，Ｒ２）    回折光
【図１】
0003937596.tif 000006
【図２】
0003937596.tif 000007
【図３】
0003937596.tif 000008
【図４】
0003937596.tif 000009
【図５】
0003937596.tif 000010
【図６】
0003937596.tif 000011
【図７】
0003937596.tif 000012
【図８】
0003937596.tif 000013