(57)【要約】【課題】計測対象物の正確な変位量を計測するための信号を出力可能な光学センサを提供すること。【解決手段】光学センサ１００において、第１回折格子２１には、光源１１からの光が入射する。第２回折格子２２には、第１回折格子２１から出射した光が入射する。検出部１７は、第２回折格子２２から発生する干渉光を検出する。第１支持部としてのスライダ３１は、第１回折格子２１を支持する。第２支持部としての筐体１０は、スライダ３１に相対的に移動可能に設けられ、第２回折格子２２および検出部１７を一体的に支持する。接触部材としてのシャフト３３は、スライダ３１に一体的に設けられ、計測対象物に接触可能である。【選択図】図１
2017067715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光が入射する第１回折格子と、
前記第１回折格子から出射した光が入射する第２回折格子と、
前記第２回折格子から発生する干渉光を検出する検出部と、
前記第１回折格子を支持する第１支持部と、
前記第１支持部に相対的に移動可能に設けられ、前記第２回折格子および前記検出部を一体的に支持する第２支持部と、
前記第１支持部および前記第２支持部のうちいずれか一方に一体的に設けられ、計測対象物に接触可能な接触部材と
を具備する光学センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の光学センサであって、
前記検出部は、前記干渉光を受光することで、前記計測対象物の振動情報のうち、正弦波信号の波数に基づく変位量および前記正弦波信号の周期の変化に基づく振動周波数の情報を含む検出信号を出力する
光学センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の光学センサであって、
前記振動周波数の情報は、前記正弦波信号が最大周期となるタイミングごとの時間間隔の情報を含む
光学センサ。
【請求項４】
請求項２または３に記載の光学センサであって、
前記検出部から出力された前記検出信号に含まれる前記正弦波信号の波数に基づき、変位量を算出し、前記正弦波信号の周期の変化に基づき、前記振動周波数を算出するように構成された演算部
をさらに具備する光学センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の光学センサであって、
前記演算部は、
前記検出信号を規格化する規格化部と、
前記規格化部により規格化された信号の逆三角関数を演算する逆三角関数演算部と、
前記逆三角関数演算部により演算された信号に基づき、変位量を演算する出力演算部とを有する
光学センサ。
【請求項６】
請求項１から５のうちいずれか１項に記載の光学センサであって、
前記第１回折格子および前記第２回折格子は、複数の格子線を有し、
前記第１支持部および前記第２支持部は、前記複数の格子線の配列方向に相対移動可能であり、
前記検出部は、前記相対移動の方向の振動の変位量および振動周波数の情報を含む検出信号を出力する
光学センサ。
【請求項７】
請求項１から６のうちいずれか１項に記載の光学センサであって、
前記第１支持部と前記第２支持部との間に設けられた弾性部材とさらに具備する
光学センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の光学センサであって、
前記接触部材は、前記第１支持部および前記第２支持部のうちいずれか一方に固定されたシャフトであり、
前記弾性部材は、前記シャフトに巻回されたコイルバネである
光学センサ。
【請求項９】
光源と、
相対移動可能に設けられ、前記光源からの光が入射し、干渉光を発生する回折格子対と、
前記回折格子対からの前記干渉光を受光することで、計測対象物の振動情報のうち、正弦波信号の波数に基づく変位量および前記正弦波信号の周期の変化に基づく振動周波数の情報を含む検出信号を出力可能な検出部と
を具備する光学センサ。
【請求項１０】
光源と、
相対移動可能に設けられ、前記光源からの光が入射し、干渉光を発生する回折格子対と、
前記回折格子対からの前記干渉光を受光することで、正弦波信号を出力する検出部と、
前記正弦波信号の所定時間ごとの変位量および前記所定時間の情報に基づき、振動速度を演算する演算部と
を具備する速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子を利用した光学センサおよび速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の振動センサは、ベース、質量部を備え、質量部がベースに対して振動するように構成されている。ベースに固定された基板には、当該光源、インデックススケール、および受光素子アレイが設けられている。質量部は、光源からの光を変調する反射型のメインスケールを有する。メインスケールおよびインデックススケールにより、回折格子の対が構成される。
【０００３】
質量部が振動することで、インデックススケールおよびメインスケールにより遮蔽される光量が周期的に変化する。受光素子アレイにより得られる信号は明暗の正弦波信号となり、明暗の数をカウントすることにより、質量部のベースに対する変位量が算出される。また、この振動センサは、質量部が振動することで、検出信号にその振動による低周波の波形が重畳されるため、その振動の周期から加速度を演算することができる（例えば、特許文献１の明細書段落［００２７］、［００２８］、図２、図１６（ｂ）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2003-107104号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の振動センサでは、振動する質量部が、ベース等の筐体に内蔵されているため、筐体を計測対象物に接触させて計測が行われる。この場合、振動センサ全体が振動し、振動する筐体内で質量部が筐体に対して相対的に移動する。したがって、この振動センサでは、質量部が計測対象物の振動を筐体に対して正確に再現できない限り、計測対象物の正確な変位量を計測することは困難である。
【０００６】
本発明の目的は、計測対象物の正確な変位量を計測するための信号を出力可能な光学センサを提供することにある。
【０００７】
本発明の別の目的は、その光学センサの計測原理を利用した速度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る光学センサは、光源と、第１回折格子と、第２回折格子と、検出部と、第１支持部と、第２支持部と、接触部材とを具備する。
前記第１回折格子には、前記光源からの光が入射する。
前記第２回折格子には、前記第１回折格子から出射した光が入射する。
前記検出部は、前記第２回折格子から発生する干渉光を検出する。
前記第１支持部は、前記第１回折格子を支持する。
前記第２支持部は、前記第１支持部に相対的に移動可能に設けられ、前記第２回折格子および前記検出部を一体的に支持する。
前記接触部材は、前記第１支持部および前記第２支持部のうちいずれか一方に一体的に設けられ、計測対象物に接触可能である。
【０００９】
この光学センサは、計測対象物に接触可能な接触部材を備えているので、接触部材を介して、計測対象物の振動が、第１支持部または第２支持部に直接伝達される。これにより、光学センサは、正確な変位量を計測するための信号を出力することができる。
【００１０】
前記検出部は、前記干渉光を受光することで、前記計測対象物の振動情報のうち、正弦波信号の波数に基づく変位量および前記正弦波信号の周期の変化に基づく振動周波数の情報を含む検出信号を出力してもよい。
このように、光学センサは、変位量および振動周波数の情報を含む検出信号を出力することにより、計測対象物の振動の変位量およびその振動周波数を計測可能となる。
【００１１】
前記振動周波数の情報は、前記正弦波信号が最大周期となるタイミングごとの時間間隔の情報を含んでいてもよい。
正弦波信号の最大周期となるタイミングは、すなわち、振動の速度が最も小さくなるタイミングである。このタイミングごとの時間間隔の情報がわかることにより、振動周波数を求めることができる。
【００１２】
前記光学センサは、前記検出部から出力された前記検出信号に含まれる前記正弦波信号の波数に基づき、変位量を算出し、前記正弦波信号の周期の変化に基づき、前記振動周波数を算出するように構成された演算部をさらに具備してもよい。
【００１３】
前記演算部は、規格化部と、逆三角関数演算部と、出力演算部を有していてもよい。前記規格化部は、前記検出信号を規格化する。前記逆三角関数演算部は、前記規格化部により規格化された信号の逆三角関数を演算する。前記出力演算部は、前記逆三角関数演算部により演算された信号に基づき、変位量を演算する。
この光学センサは、検出信号を規格化することにより信号の振幅値に関する演算を単純化し、また、逆三角関数演算によりリニアな領域を含む信号を生成することができる。これにより、光学センサは、より高精度な計測を行うことができる。
【００１４】
前記第１回折格子および前記第２回折格子は、複数の格子線を有する。前記第１支持部および前記第２支持部は、前記複数の格子線の配列方向に相対移動可能であり、前記検出部は、前記相対移動の方向の振動の変位量および振動周波数の情報を含む検出信号を出力してもよい。
【００１５】
前記光学センサは、前記第１支持部と前記第２支持部との間に設けられた弾性部材とさらに具備してもよい。
弾性部材が設けられることにより、接触部材が、計測対象物に常時接触していない場合でも、第１支持部または第２支持部は、計測対象物の振動に追従することができる。
【００１６】
前記接触部材は、前記第１支持部および前記第２支持部のうちいずれか一方に固定されたシャフトであってもよい。前記弾性部材は、前記シャフトに巻回されたコイルバネであってもよい。
【００１７】
本発明の他の形態に係る光学センサは、光源と、回折格子対と、検出部とを具備する。
前記回折格子対には、相対移動可能に設けられ、前記光源からの光が入射し、当該回折格子対は干渉光を発生する。
前記検出部は、前記回折格子対からの前記干渉光を受光することで、計測対象物の振動情報のうち、正弦波信号の波数に基づく変位量および前記正弦波信号の周期の変化に基づく振動周波数の情報を含む検出信号を出力可能である。
【００１８】
これにより、検出部から出力された検出信号に基づき、計測対象物の振動の変位量およびその振動周波数を算出することができる。
【００１９】
本発明の一形態に係る速度センサは、光源と、回折格子対と、検出部と、演算部とを具備する。
前記回折格子対には、相対移動可能に設けられ、前記光源からの光が入射し、当該回折格子対は干渉光を発生する。
前記検出部は、前記回折格子対からの前記干渉光を受光することで、正弦波信号を出力する。
前記演算部は、前記正弦波信号の所定時間ごとの変位量および前記所定時間の情報に基づき、振動速度を演算する。
【００２０】
これにより、回折格子対の相対移動で発生する干渉光を利用して、振動速度を演算可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
以上、本発明によれば、計測対象物の正確な変位量を計測するため信号を出力可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る光学センサの模式的な構成を示す平面図であり、その一部を断面で示す。
【図２】図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図３は、振動源としてホッパーを使用する場合に、本発明者らが実験に用いた器具を模式的に示す。
【図４】図４は、外乱がない場合に、検出部から出力される振動の検出信号を示す。
【図５】図５は、図４のうち、振動源の振動の１周期分の、光学センサの計測結果を示す。
【図６】図６は、外乱がある場合に、検出部から出力される振動の検出信号を示す。
【図７】図７は、計測に用いられた光学センサおよびレーザ変位計による、変位量の計測結果を示すヒストグラムである。
【図８】図８は、振動源として圧電素子を使用する場合に、本発明者らが本実験に用いた器具を模式的に示す。
【図９】図９は、外乱がない場合における、光学センサおよびレーザ変位計で計測された振動周波数ごとの変位量を示す。
【図１０】図１０は、振動源としてのホッパーおよび圧電素子の両方による変位量の計測結果について、光学センサおよびレーザ変位計の相関性を示すグラフである。
【図１１】図１１は、外乱がある場合における、レーザー変位計による振動の変位量の計測結果を示す。
【図１２】図１２は、外乱がある場合における、光学センサによる振動の変位量の計測結果を示す。
【図１３】図１３は、微小な変位量を演算するために用いられる演算部の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、振動源として圧電素子を使用する場合に、検出部から出力される検出信号を示す。
【図１５】図１５は、規格化部により前処理が実行された信号を示す。
【図１６】図１６は、規格化部により規格化が実行された信号を示す。
【図１７】図１７は、逆三角関数演算部で逆三角関数演算が実行された信号を示す。
【図１８】図１８の下は、振動源としてホッパーを使用した場合の、光学センサによる検出信号を示す。図１８の上は、当該検出信号に基づき演算された速度信号を示す。
【図１９】図１９は、図１８の上のグラフの速度値のデータである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
１．光学センサ
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態に係る光学センサの模式的な構成を示す平面図であり、一部を断面で示す。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００２６】
光学センサ１００は、筐体１０、光源１１、コリメータレンズ１３、回折格子対２０、コリメータレンズ１５、および検出部１７を備える。この光学センサ１００は、ここでは図示しない計測対象物の振動の変位量およびその振動周波数の両方の情報を含む信号を出力可能に構成されている。
【００２７】
筐体１０は、コリメータレンズ１３、１５、回折格子対２０を収容する。筐体１０は、フレーム状であってもよい。
【００２８】
光源１１は、ＬＤ（Laser Diode）、あるいはＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。光源１１は、筐体１０の１つの側壁１０ａに設けられ、その側壁１０ａに設けられた開口部１０ｄに取り付けられている。
【００２９】
コリメータレンズ１３は、光源１１から出射された光を平行光にする。コリメータレンズ１３は、例えば筐体１０に固定されたレンズホルダ１４に保持されている。
【００３０】
回折格子対２０は、例えば透過型の、第１回折格子２１および第２回折格子２２によって構成される。第１回折格子２１および第２回折格子２２は、光源１１およびびコリメータレンズ１３からの光線の進路（ｙ方向）に沿って、対向して配置されている。
【００３１】
第１回折格子２１には、光源１１（およびコリメータレンズ１３）からの光が入射し、第１回折格子２１は、＋ｎ次回折光および−ｎ次回折光を発生する。それら＋ｎ次回折光および−ｎ次回折光が第２回折格子２２に入射すると、第２回折格子２２は、それら回折光の−ｎ次回折光および＋ｎ次回折光を発生する。第２回折格子２２は、これら−ｎ次回折光と＋ｎ次回折光との干渉光を発生する。
【００３２】
第１回折格子２１は、スライダ３１に取り付けられ、固定されている。スライダ３１は、第１回折格子２１を支持する第１支持部として機能する。スライダ３１は、コリメータレンズ１３およびレンズホルダ１４を覆うように、例えばｘ方向から見てＬ字状に設けられている。第１回折格子２１は、スライダ３１に設けられた垂直部１３ａ（図２参照）に固定されている。スライダ３１については後述する。
【００３３】
第２回折格子２２は、コリメータレンズ１５と一体的にレンズホルダ１６に保持されている。レンズホルダ１６は、筐体１０に固定されている。筐体１０は、少なくとも、第２回折格子２２および検出部１７を一体的に支持する第２支持部として機能する。
【００３４】
第１回折格子２１および第２回折格子２２は、ともに、ｚ方向に沿う長さ方向を有する格子線（複数）を有する。格子線は、例えば溝により形成される。格子線は、第１回折格子２１および第２回折格子２２の相対移動方向であるｘ方向に所定ピッチで配列されている。
【００３５】
検出部１７は、第２回折格子２２で発生してコリメータレンズ１５で集光された干渉光を検出する機能を有する。検出部１７は、典型的にはフォトダイオードで構成される。検出部１７は、筐体１０における、光源１１が設けられる側壁１０ａの反対側の側壁１０ｂに取り付けられている。側壁１０ｂには開口部１０ｅが設けられ、その開口部１０ｅをコリメータレンズ１５からの光が通るようになっている。
【００３６】
上記スライダ３１は、ｘ方向にスライド可能に筐体１０に接続されている。例えば、スライダ３１にはｘ方向に延びるシャフト３３が固定されている。シャフト３３は、計測対象物に接触可能な接触部材として機能する。シャフト３３は、筐体１０における対向する２つの側壁１０ｃに設けられた２つの貫通穴１０ｆ（図１参照）に挿通され、ｘ方向に移動可能となっている。これにより、スライダ３１およびこれに一体的設けられたシャフト３３が、筐体１０に対してｘ方向にスライド可能となっている。
【００３７】
なお、シャフト３３以外にも、筐体１０に設けられた図示しないガイドによって、スライダ３１のｘ方向のスライドがガイドされるようになっている。スライダ３１の形状は、ｘ方向から見てＬ字状でなくてもよく、例えば概略Ｔ字状であってもよい。
【００３８】
このように構成されたスライダ３１により、第１回折格子２１および第２回折格子２２は、ｘ方向に相対的に移動可能となる。この相対移動に応じた、干渉光による干渉縞の明暗の変化を検出部１７が受光し、これにより検出部１７は、その明暗の変化に応じた正弦波の信号を出力する。
【００３９】
シャフト３３には、弾性部材としてのコイルバネ３２が設けられている。コイルバネ３２は、側壁の内面と、スライダ３１の側部との間に介在されている。このような構成により、後述するように、スライダ３１が、計測対象物の振動の動きに追従できる。
【００４０】
コイルバネ３２に付勢力が発生していないフリーの状態（初期状態）で、第１回折格子２１および第２回折格子２２の中心（それらの光軸が通る位置）が一致するように、回折格子対２０およびスライダ３１が位置決めされている。この光学センサ１００はインクリメント方式の変位計測装置として利用され得る場合には、当該初期状態で、第１回折格子２１および第２回折格子２２の光軸同士がずれていても、計測に何ら影響はない。
【００４１】
図１、２に示した光学センサ１００を構成する各部材の形状やサイズは、適宜設計の変更が可能である。また、図１、２に示した１つの部材が、複数の部材の組み合わせで構成されていてもよい。
【００４２】
２．光学センサによる計測実験
【００４３】
２．１）振動源としてホッパーを使用する場合
【００４４】
次に、光学センサ１００を用いて計測対象物の振動のうち、少なくともその振動状態を計測する実験について説明する。図３は、本発明者らが本実験に用いた器具を模式的に示す。
【００４５】
この器具は、金属製のベース４１が、水平な台Ｆの上に設置された三脚４３に固定されて構成されている。そして、ベース４１の側面に、永久磁石４５および取付治具４７を介して、上記した光学センサ１００が取り付けられている。永久磁石４５または取付治具４７の代わりに、ネジや接着剤で、光学センサ１００がベース４１に直接固定されるようにしてもよい。
【００４６】
台の上には振動源５０Ａが置かれている。ここでは、振動源５０Ａが計測対象物となる。振動源５０Ａとしては、微小な部品を振動で搬送するホッパーが使用された。振動源５０Ａは、図中、上下方向に振動可能な振動体を有する。振動源５０Ａの振動体の表面に、シャフト３３の一端部が接触するように、かつ、シャフト３３の長手方向が上下方向に沿うように、光学センサ１００および振動体の相対的な高さが設定される。シャフト３３の長手方向とは、つまり、回折格子対２０の相対移動方向である。コイルバネ３２に付勢力を与えるように、シャフト３３の一端部が振動体に接触するようにしてもよい。
【００４７】
コイルバネ３２は、サスペンションとして機能し、振動源５０Ａによる振動にスライダ３１が追従する。つまり、コイルバネ３２が、計測環境で発生する計測対象物以外の振動を吸収する機能を有し、後述するように測定系（少なくとも光学センサ１００）に外乱が抑えられた場合にも、高精度な計測が可能となる。
【００４８】
なお、振動源５０Ａによる、三脚４３およびベース４１への伝達が抑制されるような手段が設けられる。例えば三脚４３または振動源５０Ａの底部に弾性体等が設けられていればよい。
【００４９】
２．１．１）計測例１（外乱がない場合）
【００５０】
図４は、計測の結果、検出部１７から出力される検出信号を示す。本実験では、光学センサ１００による振動源５０Ａの振動状態の計測と同時に、その比較例として、レーザ変位計および圧電素子を用いて、振動状態が計測された。そのレーザ変位計および圧電素子による計測結果も、図４に示されている。圧電素子は、振動源５０Ａの振動体に固定された。
【００５１】
図４において、横軸は時間、縦軸は電圧を示す。なお、出力された電圧信号から、図示しない演算部によって、変位量が演算可能である。演算部は、例えばＭＰＵ（Micro Processing Unit）やメモリ等のハードウェアを主に備える。演算部は、ＭＰＵに加え、またはＭＰＵに代えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)を備えていてもよいし、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等を備えていてもよい。演算部として、オシロスコープが用いられてもよい。
【００５２】
なお、圧電素子により出力される電圧信号は、加速度に対応する。加速度を変位量に変換するためには、加速度信号を２階積分する必要がある。
【００５３】
振動源５０Ａによる振動周波数は、100Hzに設定された。図４に示すように、振動状態に応じて、光学センサ１００、レーザ変位計、圧電素子による、正弦波の周期的な検出信号が得られる。
【００５４】
図５は、図４のうち、振動源５０Ａの振動の１周期分の、光学センサ１００から出力される検出信号を示す。タイミングｔ１からｔ３までが、振動の１周期であり、その半分のタイミングｔ２が、振動変位の折り返し点となる。この正弦波信号は、タイミングｔ２を中心として、横軸方向に対称形状をなす。
【００５５】
この光学センサ１００では、正弦波信号の１つの波が、格子線のピッチに相当する。したがって、格子線のピッチは設計上、予めわかっているので、繰り返しの波数をカウントすることにより、変位量が求められる。本実験で用いた第１回折格子２１および第２回折格子２２の格子線のピッチは、2.4μmであるので、2.4μmに波数を乗算することにより、変位量（μm）がわかる。演算部は、そのような演算を実行するように構成されていればよい。
【００５６】
タイミングｔ１からｔ２（または、タイミングｔ２からｔ３まで）の変位が振動の振幅を意味する。この計測では、図５に示すように、波数が15あるので、振動による振幅は、2.4×15=36.0μmであることが特定された。すなわち、振動による全体の変位量（タイミングｔ１〜ｔ３までの変位量）は、72.0μmである。
【００５７】
レーザ変位計での計測値としては、波形のpeak to peakの電圧を計測することにより、それを変位量に換算したところ、平均で34.6μmとして特定された。したがって、光学センサ１００は、レーザ変位計に対して同等な計測結果を出力することができることが確認された。
【００５８】
以上のように、本実施形態に係る光学センサ１００は、計測対象物に接触可能な接触部材としてシャフト３３を備えているので、そのシャフト３３を介して、計測対象物の振動が、スライダ３１に直接伝達される。これにより、光学センサ１００は、特許文献１に開示された振動センサに比べ、正確な変位量を計測するための検出信号（図５参照）を出力することができる。
【００５９】
さらに、本実施形態に係る光学センサ１００が出力する信号は、上記のように正弦波信号の波数に基づく変位量だけでなく、振動情報のうち、正弦波信号の周期の変化に基づく振動周波数の情報を含む。すなわち、演算部は、正弦波信号の１つ１つの波（図５の例では波数は15）の周期の変化により、振動の開始のタイミングｔ１、折り返しのタイミングｔ２、または、終了のタイミングｔ３を監視できる。
【００６０】
具体的には、図５に示すように、正弦波信号の情報は、正弦波信号が最大周期となるタイミングごとの時間間隔の情報を含む。例えば、タイミングｔ１、ｔ２、およびｔ３で、最も周期が大きくなり、それらの間の中央のタイミングで、最も周期が小さくなる。そして、正弦波信号が最大周期となるタイミングｔ１と、同様に最大周期となるタイミングｔ２（またはｔ３）との間の時間間隔が、振動の半周期（または１周期）であるとわかる。したがって、演算部は、タイミングｔ１〜ｔ２（またはｔ２〜ｔ３）の時間間隔を認識することで、結果的に、振動源５０Ａの振動周波数を求めることができる。
【００６１】
ちなみに、後述するように、図５に示す正弦波信号の１つ１つの波の周期が、振動源５０Ａの振動情報のうち速度（の逆数）に対応する。最大周期のタイミングｔ１、ｔ２、およびｔ３で、速度が最小となる（図１８参照）。
【００６２】
以上のように、本実施形態に係る光学センサ１００は、計測対象物の振動情報のうち、正弦波信号の周期の変化に基づく振動周波数の情報を含む信号を出力することができる。つまり、この光学センサ１００で検出される検出信号から、振動の変位量および振動周波数が計測可能となる。
【００６３】
２．１．２）計測例２（外乱がある場合）
【００６４】
以上の計測例１において、図４に示した計測結果は、計測環境が安定し、計測対象物のみが振動する場合、つまり、外乱が与えられていない場合を示すものであった。計測例２では、測定系に外乱が与えられた例を説明する。
【００６５】
図６は、その計測結果を示し、図４と同様に、比較例としてレーザ変位計および圧電素子による同時の計測結果も示している。発明者の手により台Ｆに衝撃が加えられる（叩かれる）ことにより、測定系に外乱が与えられた。この外乱の周期は、約25Hzであった。
【００６６】
外乱による影響として、レーザ変位計による検出信号（電圧信号）の乱れとして、大きなゆらぎが発生しているのがわかる。レーザ変位計は、周知のとおり、電圧値から変位量を換算する方式を採用するため、電圧信号の振幅が乱れると、変位量の計測は不可能となる。
【００６７】
これに対し、光学センサ１００の計測結果を見ると、電圧信号の振幅は外乱の影響を受けにくく、波形は乱れていないのがわかる。これは、光学センサ１００では、接触部材としてのシャフト３３が計測対象物（振動源５０Ａ）に接触しており、振動源５０Ａの振動を直接検出できるからである。また、特に、コイルバネ３２により、その外乱による振動を吸収できるからである。
【００６８】
光学センサ１００が、シャフト３３の端部を計測対象物に固定する構造を備えていれば、コイルバネ３２を備えていなくても、外乱の影響を受けにくくすることができる。この固定構造としては、例えば機械的結合（ネジ止め、係合構造、永久磁石）、または、化学的結合（接着剤、溶接など）が挙げられる。
【００６９】
圧電素子も、光学センサ１００と同様に接触方式であるため、電圧信号への外乱への影響は少ない。しかし、圧電素子は、変位量を計測するためには加速度を２階積分する必要があるので、演算上、積分誤差が生じる点がデメリットとなる。
【００７０】
２．１．３）光学センサおよびレーザ変位計の計測結果の比較
【００７１】
図７は、計測に用いられた光学センサ１００およびレーザ変位計による、変位量の計測結果を示すヒストグラムである。ここでは、外乱ありおよび外乱なしの両方の場合が示されている。
【００７２】
外乱なしの場合、レーザ変位計で計測された上記振動源５０Ａによる振動の変位量は、最小33.5μm、平均34.6μm、最大35.4であった。一方、外乱なしの場合、光学センサ１００で計測された上記振動源５０Ａによる振動の変位量は、最小36.0μm、平均36.0μm、最大36.0μmであった。
【００７３】
外乱ありの場合、レーザ変位計で計測された上記振動源５０Ａによる振動の変位量は、最小6.0μm、平均33.4μm、最大47.9μmであった。一方、外乱なしの場合、光学センサ１００で計測された上記振動源５０Ａによる振動の変位量は、最小36.0μm、平均37.0μm、最大38.4μmであった。
【００７４】
以上のように、外乱が発生すると、レーザ変位計では計測誤差が大きくなるが、接触式の光学センサ１００は、精度をほとんど損なうことなく変位量を計測することができた。特に、光学センサ１００は、コイルバネ３２等の弾性部材を備えることで、外乱の影響を極力小さくすることができる。
【００７５】
また、レーザ変位計では、半導体レーザが用いられるため、温度ドリフトにより、出力電圧にばらつきが生じるおそれがある。これに対し、光学センサ１００によれば、光源が１１が半導体を含み、温度ドリフトが起こり得る構成であっても、上記のように計測値が出力電圧の大きさには影響されない。したがって、光学センサ１００は、温度ドリフトが起こったとしても正確な計測が可能となる。
【００７６】
さらに、レーザ変位計を利用する場合、計測対象物は、レーザ光を適切に反射する材質や構造の表面を持つ必要がある。しかし、光学センサ１００は接触式であるため、そのような制限はない。
【００７７】
２．２）振動源として圧電素子を使用する場合
【００７８】
以上説明した実験では、周波数を一定（例えば100Hz）とした。以下に説明する実験では、本発明者らは、振動源による振動周波数を変え、それぞれ異なる周波数で光学センサ１００により変位量の計測を行った。
【００７９】
図８は、本発明者らが本実験に用いた器具を模式的に示す。上記実験と同様に、永久磁石４５および取付治具４７を介して、ベース４１に光学センサ１００が取り付けられている。上記実験では、振動源５０Ａとして、ホッパーが用いられたが、本実験では振動源５０Ｂとして圧電素子が用いられた。図８に示すように、圧電素子の一端部が振動の自由端になるように、他端部が台５６に固定される。
【００８０】
振動源５０Ｂには、周波数を変化させる機能を有するパルスジェネレータ５５が接続されている。圧電素子として、6mm（縦）×24mm（横）×1mm（厚さ）のサイズの素子が用いられた。
【００８１】
パルスジェネレータ５５の出力波形は正弦波信号に設定され、出力ゲインは、AMP:10V、OFFSET:+5Vに設定された。また、その周波数は200Hz〜10kHzに設定された。
【００８２】
２．２．１）計測例１（外乱がない場合）
【００８３】
図９は、外乱がない場合において、周波数ごとの変位量を示す。ここでは、レーザ変位計による計測も行われた。圧電素子を用いたため、変位量は小さく、上記ホッパーの1/10程度あるいはそれより小さい。図９に示すように、変位量が小さいため、光学センサ１００およびレーザ変位計による計測値間に若干の隔たりは見られるが、両者ともに周波数ごとの計測値はほぼ一致していることがわかる。
【００８４】
図１０は、上記計測例１で用いられた振動源５０Ａとしてのホッパーおよび今回の圧電素子の両方による変位量の計測結果について、光学センサ１００およびレーザ変位計の相関性を示すグラフである。結果、99%以上の相関が認められた。ただし、振動源５０Ａとして圧電素子を使用した場合、振動源５０Ａがホッパーである場合に比べ、その微小な変位量の領域では、上記したようにレーザ変位計の計測値が、光学センサ１００の計測値に比べ、若干小さい値として計測された。
【００８５】
２．２．２）計測例２（外乱がある場合）
【００８６】
図１１は、外乱がある場合のレーザー変位計による振動の変位量の計測結果を示す。図１１では、レーザ変位計による、外乱がない計測結果も示されている。一方、図１２は、外乱がある場合の光学センサ１００による変位量の計測結果を示す。図１２でも、光学センサ１００による、外乱がない計測結果も示されている。振動源５０Ａ（圧電素子）の振動周波数が5kHz、周期が0.2msに設定された。外乱としては、ホッパーが振動源５０Ａとして使用される場合と同様に、台Ｆに対して約25Hzの周波数の衝撃が加えられた。
【００８７】
図１１に示すように、外乱ありの場合、レーザ変位計では、出力信号が適切な波形とならず、計測が不可能であった。これに対し、図１２に示すように、光学センサ１００によれば、外乱がある場合とない場合とでほとんど差が見られなかった。このように変位量が微小であるほど、レーザ変位計の計測結果には悪影響を与え、レーザ変位計による計測結果と光学センサ１００との計測結果と間に大きな差が生まれる。
【００８８】
２．２．３）変位量が微小である場合の計測例
【００８９】
ここで、本実験のように変位量が微小である場合に、より高精度に変位量を求めるための演算例を説明する。
【００９０】
正弦波信号の波数をカウントする方式では、光学センサ１００による変位量計測の分解能は、上述したように、回折格子の格子線のピッチ（例えば2.4μm）に相当する。しかし、本実験例のように、変位量が、その分解能付近またはそれより小さい場合は、以下に説明するように、演算によりその変位量が算出されることにより、高精度な計測が可能となる。
【００９１】
図１３は、微小な変位量を演算するために用いられる演算部の構成を示すブロック図である。演算部６０は、主に、ＡＤ変換部６１、規格化部６３、逆三角関数演算部６５、出力演算部６７を備える。なお、演算部６０の上記各機能部のうち、少なくともＡＤ変換部６１、または演算部６０全体が、光学センサ１００（例えば検出部１７と一体的）に設けられていてもよい。
【００９２】
図１４は、本実験で検出部１７から出力される検出信号を示す。ＡＤ変換部６１は、そのアナログの検出信号をデジタル信号に変換する。振動源５０Ｂの振動周波数は、2kHzに設定された。本発明者らは、複数回の計測を行い、それらの計測結果のうち、振動の開始のタイミングｔ１、折り返しのタイミングｔ２、終了のタイミングｔ３が、本明細書の説明のためにわかりやすいものを選んだ。
【００９３】
図１５、１６は、図１４で示した検出信号のデジタル信号を規格化部６３で規格化した信号を示す。規格化部６３は、図１２で示された検出信号に前処理を実行する。前処理では、振幅の最小値を求め、［すべての信号値］−［最小値］の演算が行われる。図１５は、その前処理の結果を示す。
【００９４】
そして、規格化部６３は、図１６に示すように、前処理された信号値のうち最大の信号値の振幅が、例えば±1.00になるように、規格化演算を実行する。この規格化により、信号の振幅値に関する演算を単純化することができる。
【００９５】
逆三角関数演算部６５は、規格化された信号Vnの逆三角関数（arcsin）を演算する。具体的には、(180/π)*arcsin(Vn)の演算が実行される。「*」は乗算を表す。これにより、図１７に示すように、正弦波信号がリニアな信号に変換される。逆三角関数の演算により、グラフの縦軸の単位は角度(deg)となる。つまり、信号Vnが角度単位の変位量に変換される。
【００９６】
出力演算部６７は、上記逆三角関数の信号Vaに基づき、変位量を出力する。例えば、図１７に示すグラフでは、次のように、変位量が演算される。
【００９７】
開始点（１）から終了点（４）までの角度の絶対値の和が、振動の変位量（振幅×２）を表している。
（１）から（２）までの角度の和：21.7deg+90deg=117.7deg、
（２）から（３）までの角度の和：90deg+90deg=180.0deg、
（３）から（４）までの角度の和：90deg+82.5deg=172.5deg
であるので、角度の合計は、464.2degとなる。
したがって、変位量は、2.4(μm)*464.2(deg)/360(deg)=3.09μmと算出される。
【００９８】
なお、以上のような逆三角関数を利用した変位量の演算方法は、変位量が微小でない場合にも適用可能である。この場合、演算部６０は、例えば正弦波の波数をカウントし、かつ、逆三角関数を利用することにより、単に波数をカウントする方法に比べ、高精度に変位量を求めることができる。
【００９９】
３．速度の計測例
【０１００】
上記実施形態に係る光学センサ１００は、振動速度の情報を含む検出信号を出力する。すなわち、検出部１７により出力された検出信号から振動速度を演算可能であり、光学センサ１００は、速度センサとしても機能する。
【０１０１】
図１８の下は、図５に示したように、振動源５０Ａ（図３参照）としてホッパーを使用した場合の、光学センサ１００により出力される検出信号を示す。振動周波数は100Hzとされた。図１８の上は、当該検出信号に基づき演算された速度信号を示す。速度の演算方法としては、所定時間（所定期間）ごとの変位量を求め、その変位量をその所定時間で除するものである。
【０１０２】
例えば、この信号波形の最大値、最小値を求め、中間レベル（例えば平均値）を基準としてその上下の速度（半周期分の速度）を演算する。具体的には、中間レベルを基準としてその上下の半周期中のドット（データ値）の個数がカウントされ、計測時間分解能（μs）で乗算すると、半周期の間に移動した時間（μs）が算出される。そして計測分解能（例えば2.4μm）の半周期分である1.2μmを、算出された半周期の間に移動した時間で除すると、速度が算出される。以上のような演算機能を、演算部６０に持たせればよい。
【０１０３】
なお、半周期ごとの速度演算でなく、例えば１周期ごとに速度が演算されるようにしてもよい。半周期、１周期に限られず、要は所定時間（所定期間）ごとに速度が演算されるようにすればよい。
【０１０４】
図１９は、図５に示した検出信号のデータから、上記速度演算方法により求めた速度値のデータを示す。この速度データを表したグラフが、図１８の上のグラフになる。
【０１０５】
最も速い移動速度を持つ振動領域で10.9mm/s〜12.0mm/sとなり、最も遅い移動速度を持つ振動領域で1.7mm/sという演算結果が得られた。さらに時間分解能が高くすれば、最も遅い移動速度を持つ開始点、折り返し点、および終了点では、演算速度を0に近づけることができる。
【０１０６】
４．他の種々の実施形態
【０１０７】
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
【０１０８】
接触部材として、シャフト３３を例に挙げたが、板状部材、その他の立体形状の部材であってもよい。また、弾性部材として、コイルバネ３２に限られず、板バネ、空気バネ（例えばベローズ）、ゴム等であってもよい。
【０１０９】
上記実施形態では、スライダ３１（第１支持部）に接触部材としてのシャフト３３が設けられていたが、筐体１０（第２支持部）に接触部材が設けられていてもよい。
【０１１０】
上記実施形態では、光源１１は、筐体１０に一体的に設けられていたが、第１支持部（例えばスライダ３１）と一体的に設けられていてもよい。
【０１１１】
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１０…筐体
１１…光源
１３、１５…コリメータレンズ
１７…検出部
２０…回折格子対
２１…第１回折格子
２２…第２回折格子
３１…スライダ
３２…コイルバネ
３３…シャフト
５０Ａ、５０Ｂ…  振動源
６０…演算部
６１…ＡＤ変換部
６３…規格化部
６５…逆三角関数演算部
６７…出力演算部
１００…光学センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2017067715.tif 000018
【図１９】
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【図４】
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【図６】
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