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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5798668
(24)【登録日】2015年8月28日
(45)【発行日】2015年10月21日
(54)【発明の名称】計数装置、物理量センサ、計数方法および物理量計測方法
(51)【国際特許分類】
G01S 17/32 20060101AFI20151001BHJP
G01B 9/02 20060101ALN20151001BHJP
【ＦＩ】
G01S17/32
!G01B9/02
【請求項の数】14
【全頁数】30
(21)【出願番号】特願2014-103204(P2014-103204)
(22)【出願日】2014年5月19日
(62)【分割の表示】特願2009-181442(P2009-181442)の分割
【原出願日】2009年8月4日
(65)【公開番号】特開2014-170010(P2014-170010A)
(43)【公開日】2014年9月18日
【審査請求日】2014年5月28日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006666
【氏名又は名称】アズビル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(72)【発明者】
【氏名】上野 達也
【審査官】
中村 説志
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００９−０４７６７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−０８５９１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
実開平０５−０６６５６０（ＪＰ，Ｕ）
【文献】
特開平０４−３４６０６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−１２１２１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平１０−０３８９０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特許第５６６３１３０（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】
特許第５６５１２８９（ＪＰ，Ｂ２）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｓ ７／００− ７／６４
Ｇ０１Ｓ１３／００−１７／９５
Ｇ０１Ｂ ９／００−１１／３０
Ｇ０１Ｐ １／００−２１／０２
Ｇ０１Ｄ ５／００− ５／６２
Ｈ０３Ｋ ５／００− ５／２６
Ｈ０３Ｋ２１／００−２９／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
特定の物理量と信号の数とが線形の関係を有し、前記特定の物理量が一定の場合は略単一周波数となる前記信号を数える計数装置において、
一定の計数期間における入力信号の半周期の数を数える信号計数手段と、
前記計数期間中の前記入力信号の半周期を信号の半周期分が入力される度に測定する信号半周期測定手段と、
この信号半周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の入力信号の半周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、
前記度数分布から前記入力信号の半周期の分布の代表値を算出する代表値算出手段と、
前記信号半周期測定手段の測定結果から、前記代表値の０．５倍未満である半周期の数の総和Ｎｓと、前記代表値の２ｎ倍以上（２ｎ＋２）倍未満（ｎは１以上の自然数）である半周期の数の総和Ｎｗnとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗnに基づいて前記信号計数手段の計数結果を補正し前記入力信号の数を算出する補正値算出手段とを備えることを特徴とする計数装置。
一定の計数期間における入力信号の半周期の数を数える信号計数手段と、
前記計数期間中の前記入力信号の半周期を信号の半周期分が入力される度に測定する信号半周期測定手段と、
この信号半周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の入力信号の半周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、
前記度数分布から前記入力信号の半周期の分布の代表値を算出する代表値算出手段と、
前記信号半周期測定手段の測定結果から、前記代表値の０．５倍未満である半周期の数の総和Ｎｓと、前記代表値の２ｎ倍以上（２ｎ＋２）倍未満（ｎは１以上の自然数）である半周期の数の総和Ｎｗnとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗnに基づいて前記信号計数手段の計数結果を補正し前記入力信号の数を算出する補正値算出手段とを備えることを特徴とする計数装置。
【請求項2】
請求項１記載の計数装置において、
前記補正値算出手段は、前記信号計数手段の計数結果をＮ、前記代表値をＴ０、前記信号の半周期がとり得る最大値をＴmaxとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、
により求めることを特徴とする計数装置。
前記補正値算出手段は、前記信号計数手段の計数結果をＮ、前記代表値をＴ０、前記信号の半周期がとり得る最大値をＴmaxとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、
【数1】
【請求項3】
請求項１または２記載の計数装置において、
さらに、前記信号半周期測定手段の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期と、その前後に測定された半周期のうち少なくとも一方とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とする信号結合手段を備え、
前記信号計数手段は、前記入力信号の数を数える代わりに、前記計数期間における前記信号結合手段の処理後の信号を数えることを特徴とする計数装置。
さらに、前記信号半周期測定手段の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期と、その前後に測定された半周期のうち少なくとも一方とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とする信号結合手段を備え、
前記信号計数手段は、前記入力信号の数を数える代わりに、前記計数期間における前記信号結合手段の処理後の信号を数えることを特徴とする計数装置。
【請求項4】
請求項３記載の計数装置において、
前記信号結合手段は、前記信号半周期測定手段の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期とその直後に測定された半周期とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とすることを、結合後の半周期が前記代表値の０．５倍以上になるまで行うことを特徴とする計数装置。
前記信号結合手段は、前記信号半周期測定手段の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期とその直後に測定された半周期とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とすることを、結合後の半周期が前記代表値の０．５倍以上になるまで行うことを特徴とする計数装置。
【請求項5】
請求項３記載の計数装置において、
前記信号結合手段は、前記信号半周期測定手段の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期が前記代表値の０．５倍以上の長さのｍ番目の半周期Ｔｍと前記代表値の０．５倍以上の長さのｐ番目の半周期Ｔｐ（ｍ，ｐは自然数）とに挟まれていたとき、（ｍ＋ｐ）が偶数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐまでを合わせた周期を結合後の半周期とし、（ｍ＋ｐ）が奇数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐ-1までを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形をｍ番目の半周期分の波形とすることを特徴とする計数装置。
前記信号結合手段は、前記信号半周期測定手段の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期が前記代表値の０．５倍以上の長さのｍ番目の半周期Ｔｍと前記代表値の０．５倍以上の長さのｐ番目の半周期Ｔｐ（ｍ，ｐは自然数）とに挟まれていたとき、（ｍ＋ｐ）が偶数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐまでを合わせた周期を結合後の半周期とし、（ｍ＋ｐ）が奇数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐ-1までを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形をｍ番目の半周期分の波形とすることを特徴とする計数装置。
【請求項6】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の計数装置において、
前記代表値は、中央値、最頻値、平均値、階級値と度数との積が最大となる階級値のうちのいずれか１つであることを特徴とする計数装置。
前記代表値は、中央値、最頻値、平均値、階級値と度数との積が最大となる階級値のうちのいずれか１つであることを特徴とする計数装置。
【請求項7】
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第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し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を入力とし、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々を計数期間として、前記干渉波形の数を数える、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の計数装置と、
この計数装置の計数結果から前記測定対象の物理量を求める演算手段とを備えることを特徴とする物理量センサ。
発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し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を入力とし、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々を計数期間として、前記干渉波形の数を数える、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の計数装置と、
この計数装置の計数結果から前記測定対象の物理量を求める演算手段とを備えることを特徴とする物理量センサ。
【請求項8】
特定の物理量と信号の数とが線形の関係を有し、前記特定の物理量が一定の場合は略単一周波数となる前記信号を数える計数方法において、
一定の計数期間における入力信号の半周期の数を数える信号計数手順と、
前記計数期間中の前記入力信号の半周期を信号の半周期分が入力される度に測定する信号半周期測定手順と、
この信号半周期測定手順の測定結果から前記計数期間中の入力信号の半周期の度数分布を作成する度数分布作成手順と、
前記度数分布から前記入力信号の半周期の分布の代表値を算出する代表値算出手順と、
前記信号半周期測定手順の測定結果から、前記代表値の０．５倍未満である半周期の数の総和Ｎｓと、前記代表値の２ｎ倍以上（２ｎ＋２）倍未満（ｎは１以上の自然数）である半周期の数の総和Ｎｗnとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗnに基づいて前記信号計数手順の計数結果を補正し前記入力信号の数を算出する補正値算出手順とを備えることを特徴とする計数方法。
一定の計数期間における入力信号の半周期の数を数える信号計数手順と、
前記計数期間中の前記入力信号の半周期を信号の半周期分が入力される度に測定する信号半周期測定手順と、
この信号半周期測定手順の測定結果から前記計数期間中の入力信号の半周期の度数分布を作成する度数分布作成手順と、
前記度数分布から前記入力信号の半周期の分布の代表値を算出する代表値算出手順と、
前記信号半周期測定手順の測定結果から、前記代表値の０．５倍未満である半周期の数の総和Ｎｓと、前記代表値の２ｎ倍以上（２ｎ＋２）倍未満（ｎは１以上の自然数）である半周期の数の総和Ｎｗnとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗnに基づいて前記信号計数手順の計数結果を補正し前記入力信号の数を算出する補正値算出手順とを備えることを特徴とする計数方法。
【請求項9】
請求項８記載の計数方法において、
前記補正値算出手順は、前記信号計数手順の計数結果をＮ、前記代表値をＴ０、前記信号の半周期がとり得る最大値をＴmaxとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、
により求めることを特徴とする計数方法。
前記補正値算出手順は、前記信号計数手順の計数結果をＮ、前記代表値をＴ０、前記信号の半周期がとり得る最大値をＴmaxとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、
【数2】
【請求項10】
請求項８または９記載の計数方法において、
さらに、前記信号半周期測定手順の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期と、その前後に測定された半周期のうち少なくとも一方とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とする信号結合手順を備え、
前記信号計数手順は、前記入力信号の数を数える代わりに、前記計数期間における前記信号結合手順の処理後の信号を数えることを特徴とする計数方法。
さらに、前記信号半周期測定手順の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期と、その前後に測定された半周期のうち少なくとも一方とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とする信号結合手順を備え、
前記信号計数手順は、前記入力信号の数を数える代わりに、前記計数期間における前記信号結合手順の処理後の信号を数えることを特徴とする計数方法。
【請求項11】
請求項１０記載の計数方法において、
前記信号結合手順は、前記信号半周期測定手順の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期とその直後に測定された半周期とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とすることを、結合後の半周期が前記代表値の０．５倍以上になるまで行うことを特徴とする計数方法。
前記信号結合手順は、前記信号半周期測定手順の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期とその直後に測定された半周期とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とすることを、結合後の半周期が前記代表値の０．５倍以上になるまで行うことを特徴とする計数方法。
【請求項12】
請求項１０記載の計数方法において、
前記信号結合手順は、前記信号半周期測定手順の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期が前記代表値の０．５倍以上の長さのｍ番目の半周期Ｔｍと前記代表値の０．５倍以上の長さのｐ番目の半周期Ｔｐ（ｍ，ｐは自然数）とに挟まれていたとき、（ｍ＋ｐ）が偶数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐまでを合わせた周期を結合後の半周期とし、（ｍ＋ｐ）が奇数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐ-1までを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形をｍ番目の半周期分の波形とすることを特徴とする計数方法。
前記信号結合手順は、前記信号半周期測定手順の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期が前記代表値の０．５倍以上の長さのｍ番目の半周期Ｔｍと前記代表値の０．５倍以上の長さのｐ番目の半周期Ｔｐ（ｍ，ｐは自然数）とに挟まれていたとき、（ｍ＋ｐ）が偶数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐまでを合わせた周期を結合後の半周期とし、（ｍ＋ｐ）が奇数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐ-1までを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形をｍ番目の半周期分の波形とすることを特徴とする計数方法。
【請求項13】
請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の計数方法において、
前記代表値は、中央値、最頻値、平均値、階級値と度数との積が最大となる階級値のうちのいずれか１つであることを特徴とする計数方法。
前記代表値は、中央値、最頻値、平均値、階級値と度数との積が最大となる階級値のうちのいずれか１つであることを特徴とする計数方法。
【請求項14】
発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し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、
この信号抽出手順の計数結果から前記測定対象の物理量を求める演算手順とを備え、
前記信号抽出手順は、前記検出手順で得られた出力信号を入力とし、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々を計数期間として、請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の計数方法を用いることを特徴とする物理量計測方法。
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、
この信号抽出手順の計数結果から前記測定対象の物理量を求める演算手順とを備え、
前記信号抽出手順は、前記検出手順で得られた出力信号を入力とし、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々を計数期間として、請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の計数方法を用いることを特徴とする物理量計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、信号の数を数える計数装置、および計数装置を用いて干渉波形の数を測定し測定対象の物理量を求める干渉型の物理量センサに関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来より、半導体レーザの自己結合効果を用いた波長変調型のレーザ計測器が提案されている（特許文献１参照）。このレーザ計測器の構成を図３２に示す。図３２のレーザ計測器は、物体２１０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物体２１０に照射すると共に、物体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−電圧変換増幅部２０５と、電流−電圧変換増幅部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モードホップパルス（以下、ＭＨＰとする）の数を数える計数装置２０７と、物体２１０との距離および物体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。
【0003】
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３３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３３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。
【0004】
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、物体２１０に入射する。物体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−電圧変換増幅部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−電圧変換増幅部２０５の出力電圧を２回微分する。計数装置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、物体２１０との距離および物体２１０の速度を算出する。このような自己結合型のレーザ計測器の技術を利用して、ＭＨＰの数を測定すれば、このＭＨＰの数から物体の振動周波数を算出することが可能である。
【0005】
以上のようなレーザ計測器では、例えば外乱光などのノイズをＭＨＰとして数えたり、信号の歯抜けのために数えられないＭＨＰがあったりして、計数装置で数えるＭＨＰの数に誤差が生じ、算出した距離や振動周波数等の物理量に誤差が生じるという問題点があった。そこで、発明者は、計数期間中のＭＨＰの周期を測定し、測定結果から計数期間中の周期の度数分布を作成し、度数分布からＭＨＰの周期の代表値を算出し、度数分布から、代表値の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、代表値の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいてＭＨＰの計数結果を補正することにより、計数時の欠落や過剰な計数の影響を除去することができる計数装置を提案した（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００６−３１３０８０号公報
【特許文献2】特開２００９−４７６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献２に開示された計数装置によれば、ＳＮ（Signal to Noise ratio）が極端に低下しない限り、概ね良好な補正を行うことができる。しかしながら、特許文献２に開示された計数装置では、短距離測定で信号強度がヒステリシス幅と比較して極端に強い場合、計数装置に入力される信号に２値化のしきい値付近でＭＨＰよりも高周波のノイズによってチャタリングが生じ、短い周期の信号やＭＨＰの本来の周期の半分程度の周期の信号が多発する場合がある。この場合、ＭＨＰの本来の周期よりも短い周期が周期の分布の代表値になってしまうので、ＭＨＰの計数結果を正しく補正することができず、ＭＨＰの計数結果が本来の値よりも例えば数倍大きくなってしまうという問題点があった。
【0008】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、計数装置に入力される信号に高周波のノイズが連続して発生している場合であっても、計数誤差を補正することができる計数装置および計数方法、ＭＨＰの計数誤差を補正して物理量の測定精度を向上させ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。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、特定の物理量と信号の数とが線形の関係を有し、前記特定の物理量が一定の場合は略単一周波数となる前記信号を数える計数装置において、一定の計数期間における入力信号の半周期の数を数える信号計数手段と、前記計数期間中の前記入力信号の半周期を信号の半周期分が入力される度に測定する信号半周期測定手段と、この信号半周期測定手段の測定結果から前記計数期間中の入力信号の半周期の度数分布を作成する度数分布作成手段と、前記度数分布から前記入力信号の半周期の分布の代表値を算出する代表値算出手段と、前記信号半周期測定手段の測定結果から、前記代表値の０．５倍未満である半周期の数の総和Ｎｓと、前記代表値の２ｎ倍以上（２ｎ＋２）倍未満（ｎは１以上の自然数）である半周期の数の総和Ｎｗnとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗnに基づいて前記信号計数手段の計数結果を補正し前記入力信号の数を算出する補正値算出手段とを備えることを特徴とするものである。また、本発明の計数装置の１構成例において、前記補正値算出手段は、前記信号計数手段の計数結果をＮ、前記代表値をＴ０、前記信号の半周期がとり得る最大値をＴmaxとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、
【数1】
【0010】
また、本発明の計数装置の１構成例は、さらに、前記信号半周期測定手段の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期と、その前後に測定された半周期のうち少なくとも一方とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とする信号結合手段を備え、前記信号計数手段は、前記入力信号の数を数える代わりに、前記計数期間における前記信号結合手段の処理後の信号を数えることを特徴とするものである。また、本発明の計数装置の１構成例において、前記信号結合手段は、前記信号半周期測定手段の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期とその直後に測定された半周期とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とすることを、結合後の半周期が前記代表値の０．５倍以上になるまで行うことを特徴とするものである。
また、本発明の計数装置の１構成例において、前記信号結合手段は、前記信号半周期測定手段の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期が前記代表値の０．５倍以上の長さのｍ番目の半周期Ｔｍと前記代表値の０．５倍以上の長さのｐ番目の半周期Ｔｐ（ｍ，ｐは自然数）とに挟まれていたとき、（ｍ＋ｐ）が偶数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐまでを合わせた周期を結合後の半周期とし、（ｍ＋ｐ）が奇数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐ-1までを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形をｍ番目の半周期分の波形とすることを特徴とするものである。
また、本発明の計数装置の１構成例において、前記代表値は、中央値、最頻値、平均値、階級値と度数との積が最大となる階級値のうちのいずれか１つである。
【0012】
また、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第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し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を入力とし、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々を計数期間として、前記干渉波形の数を数える計数装置と、この計数装置の計数結果から前記測定対象の物理量を求める演算手段とを備えることを特徴とするものである。
【0013】
また、本発明は、特定の物理量と信号の数とが線形の関係を有し、前記特定の物理量が一定の場合は略単一周波数となる前記信号を数える計数方法において、一定の計数期間における入力信号の半周期の数を数える信号計数手順と、前記計数期間中の前記入力信号の半周期を信号の半周期分が入力される度に測定する信号半周期測定手順と、この信号半周期測定手順の測定結果から前記計数期間中の入力信号の半周期の度数分布を作成する度数分布作成手順と、前記度数分布から前記入力信号の半周期の分布の代表値を算出する代表値算出手順と、前記信号半周期測定手順の測定結果から、前記代表値の０．５倍未満である半周期の数の総和Ｎｓと、前記代表値の２ｎ倍以上（２ｎ＋２）倍未満（ｎは１以上の自然数）である半周期の数の総和Ｎｗnとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗnに基づいて前記信号計数手順の計数結果を補正し前記入力信号の数を算出する補正値算出手順とを備えることを特徴とするものである。また、本発明の計数方法の１構成例において、前記補正値算出手順は、前記信号計数手順の計数結果をＮ、前記代表値をＴ０、前記信号の半周期がとり得る最大値をＴmaxとしたとき、補正後の計数結果Ｎ’を、
【数2】
【0014】
また、本発明の計数方法の１構成例は、さらに、前記信号半周期測定手順の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期と、その前後に測定された半周期のうち少なくとも一方とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とする信号結合手順を備え、前記信号計数手順は、前記入力信号の数を数える代わりに、前記計数期間における前記信号結合手順の処理後の信号を数えることを特徴とするものである。また、本発明の計数方法の１構成例において、前記信号結合手順は、前記信号半周期測定手順の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期とその直後に測定された半周期とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とすることを、結合後の半周期が前記代表値の０．５倍以上になるまで行うことを特徴とするものである。
また、本発明の計数方法の１構成例において、前記信号結合手順は、前記信号半周期測定手順の測定結果について、前記代表値の０．５倍未満の長さの半周期が前記代表値の０．５倍以上の長さのｍ番目の半周期Ｔｍと前記代表値の０．５倍以上の長さのｐ番目の半周期Ｔｐ（ｍ，ｐは自然数）とに挟まれていたとき、（ｍ＋ｐ）が偶数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐまでを合わせた周期を結合後の半周期とし、（ｍ＋ｐ）が奇数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐ-1までを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形をｍ番目の半周期分の波形とすることを特徴とするものである。
また、本発明の計数方法の１構成例において、前記代表値は、中央値、最頻値、平均値、階級値と度数との積が最大となる階級値のうちのいずれか１つである。
【0016】
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第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間のうち少なくとも一方が繰り返し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、この信号抽出手順の計数結果から前記測定対象の物理量を求める演算手順とを備え、前記信号抽出手順は、前記検出手順で得られた出力信号を入力とし、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々を計数期間として、前記の計数方法を用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、計数期間中の入力信号の半周期の数を数え、計数期間中の入力信号の半周期を測定し、この測定結果から計数期間中の入力信号の半周期の度数分布を作成し、この度数分布から入力信号の半周期の分布の代表値を算出し、代表値の０．５倍未満である半周期の数の総和Ｎｓと、代表値の２ｎ倍以上（２ｎ＋２）倍未満である半周期の数の総和Ｎｗnとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗnに基づいて信号計数手段の計数結果を補正することにより、計数装置に入力される信号に高周波のノイズが連続して発生している場合であっても、計数誤差を高精度に補正することができる。
【0018】
また、本発明では、信号半周期測定手段の測定結果について、代表値の０．５倍未満の長さの半周期と、その前後に測定された半周期のうち少なくとも一方とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とする信号結合手段を設け、信号計数手段が、入力信号の数を数える代わりに、計数期間における信号結合手段の処理後の信号を数えることにより、計数誤差を更に少なくすることができる。
【0019】
また、本発明では、信号結合手段が、信号半周期測定手段の測定結果について、代表値の０．５倍未満の長さの半周期とその直後に測定された半周期とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形を１つの信号の半周期分の波形とすることを、結合後の半周期が代表値の０．５倍以上になるまで行うことにより、計数誤差を更に少なくすることができる。
【0020】
また、本発明では、信号結合手段が、信号半周期測定手段の測定結果について、代表値の０．５倍未満の長さの半周期が代表値の０．５倍以上の長さのｍ番目の半周期Ｔｍと代表値の０．５倍以上の長さのｐ番目の半周期Ｔｐ（ｍ，ｐは自然数）とに挟まれていたとき、（ｍ＋ｐ）が偶数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐまでを合わせた周期を結合後の半周期とし、（ｍ＋ｐ）が奇数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐ-1までを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた信号波形をｍ番目の半周期分の波形とすることにより、計数装置に入力される信号に測定対象の信号の１／４周期以上のバーストノイズやポップコーンノイズが混入した場合でも、計数誤差を少なくすることができる。
【0022】
また、本発明では、計数誤差を高精度に補正可能な計数装置を用いることにより、計数装置に入力される信号に干渉波形よりも高周波のノイズが連続して発生している場合であっても、測定対象の物理量を高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本発明の第１の実施の形態に係る振動周波数計測装置の構成を示すブロック図である。
【図2】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。
【図3】モードホップパルスについて説明するための図である。
【図4】半導体レーザの発振波長とフォトダイオードの出力波形との関係を示す図である。
【図5】本発明の第１の実施の形態における計数装置と演算装置の動作を示すフローチャートである。
【図6】本発明の第１の実施の形態における計数装置の構成の１例を示すブロック図である。
【図7】本発明の第１の実施の形態における計数装置の動作を示すフローチャートである。
【図8】本発明の第１の実施の形態における計数装置の計数結果補正部の構成の１例を示すブロック図である。
【図9】本発明の第１の実施の形態における計数装置のカウンタの動作を説明するための図である。
【図10】本発明の第１の実施の形態における計数装置の半周期測定部の動作を説明するための図である。
【図11】本発明の第１の実施の形態における計数装置の代表値算出部が代表値を算出する期間と補正対象の計数期間との関係を説明するための図である。
【図12】本発明の第１の実施の形態における演算装置の構成の１例を示すブロック図である。
【図13】本発明の第１の実施の形態における演算装置の２値化部の動作を説明するための図である。
【図14】本発明の第１の実施の形態における演算装置の周期測定部の動作を説明するための図である。
【図15】本発明の第１の実施の形態における計数装置の計数結果を２値化した２値化出力の周期の度数分布の１例を示す図である。
【図16】本発明の第１の実施の形態における演算装置のカウンタの計数結果の補正に用いる度数を模式的に表す図である。
【図17】本発明の第１の実施の形態における演算装置のカウンタの計数結果の補正原理を説明するための図である。
【図18】従来の計数装置の問題点を説明するための図である。
【図19】計数装置に入力される信号に高周波のノイズが混入した場合のモードホップパルスの周期の度数分布の１例を示す図である。
【図20】モードホップパルスの半周期の度数分布の１例を示す図である。
【図22】物体の振動の最大速度と物体との距離の比が半導体レーザの波長変化率よりも大きい場合に、本発明の第１の実施の形態に係る振動周波数計測装置で得られる信号を説明するための図である。
【図23】本発明の第２の実施の形態における計数装置の構成の１例を示すブロック図である。
【図24】本発明の第２の実施の形態における計数装置の計数結果補正部の構成の１例を示すブロック図である。
【図25】本発明の第２の実施の形態における計数装置の動作を示すフローチャートである。
【図26】本発明の第２の実施の形態における計数装置の信号結合部の動作を説明するための図である。
【図27】本発明の第３の実施の形態における計数装置の信号結合部の動作を説明するための図である。
【図28】本発明の参考例における計数装置の構成の１例を示すブロック図である。
【図29】本発明の参考例における計数装置の計数結果補正部の構成の１例を示すブロック図である。
【図30】本発明の参考例における計数装置の動作を示すフローチャートである。
【図31】本発明の参考例における計数装置の信号結合部の動作を説明するための図である。
【図32】従来のレーザ計測器の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
［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振動周波数計測装置の構成を示すブロック図である。
図１の振動周波数計測装置は、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（ＭＨＰ）の数を数える計数装置７と、計数装置７の計数結果に基づいて物体１０の振動周波数を求める演算装置８と、演算装置８の計測結果を表示する表示装置９とを有する。
【0025】
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。
【0026】
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３３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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
ここで、自己結合信号であるＭＨＰについて説明する。図３に示すように、ミラー層１０１３から物体１０までの距離をＬ、レーザの発振波長をλとすると、以下の共振条件を満足するとき、物体１０からの戻り光と半導体レーザ１の光共振器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、物体１０からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザ１の共振器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。
【0030】
図４は、半導体レーザ１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２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、戻り光と光共振器内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と光共振器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、戻り光と光共振器内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザ１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フォトダイオード２で検出すると、図４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。この階段状の波形、すなわち干渉縞の１つ１つがＭＨＰである。ある一定時間において半導体レーザ１の発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してＭＨＰの数は変化する。
【0031】
次に、計数装置７と演算装置８の動作について説明する。図５は計数装置７と演算装置８の動作を示すフローチャートである。計数装置７は、フィルタ部６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（図５ステップＳ１）。図６は計数装置７の構成の１例を示すブロック図である。計数装置７は、２値化部７１と、論理積演算部（ＡＮＤ）７２と、カウンタ７３と、計数結果補正部７４と、記憶部７５とから構成される。電流−電圧変換増幅部５とフィルタ部６と計数装置７の２値化部７１とＡＮＤ７２とカウンタ７３とは、信号計数手段を構成している。
【0032】
図７は計数装置７の動作を示すフローチャート、図８は計数結果補正部７４の構成の１例を示すブロック図である。計数結果補正部７４は、半周期測定部７４０と、度数分布作成部７４１と、代表値算出部７４２と、補正値算出部７４３とから構成される。
【0033】
図９（Ａ）〜図９（Ｄ）はカウンタ７３の動作を説明するための図であり、図９（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９（Ｂ）は図９（Ａ）に対応する２値化部７１の出力を示す図、図９（Ｃ）は計数装置７に入力されるゲート信号ＧＳを示す図、図９（Ｄ）は図９（Ｂ）に対応するカウンタ７３の計数結果を示す図である。
【0034】
まず、計数装置７の２値化部７１は、図９（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９（Ｂ）のような判定結果を出力する。このとき、２値化部７１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。
【0035】
ＡＮＤ７２は、２値化部７１の出力と図９（Ｃ）のようなゲート信号ＧＳとの論理積演算の結果を出力し、カウンタ７３は、ＡＮＤ７２の出力の立ち上がりと立ち下がりをカウントする（図９（Ｄ））。ここで、ゲート信号ＧＳは、計数期間（本実施の形態では第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２）の先頭で立ち上がり、計数期間の終わりで立ち下がる信号である。したがって、カウンタ７３は、計数期間中のＡＮＤ７２の出力の立ち上がりエッジの数と立ち下がりエッジの数（すなわち、ＭＨＰの半周期の数）を数えることになる（図７ステップＳ１００）。
【0036】
図１０は計数結果補正部７４の半周期測定部７４０の動作を説明するための図である。半周期測定部７４０は、計数期間中のＭＨＰの半周期を測定する（図７ステップＳ１０１）。すなわち、半周期測定部７４０は、計数期間中のＡＮＤ７２の出力をしきい値ＴＨ３と比較することにより、ＡＮＤ７２の出力の立ち上がりを検出すると共に、ＡＮＤ７２の出力をしきい値ＴＨ４と比較することにより、ＡＮＤ７２の出力の立ち下がりを検出する。そして、半周期測定部７４０は、ＡＮＤ７２の出力の立ち上がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｕｄを測定し、またＡＮＤ７２の出力の立ち下がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｄｕを測定することにより、計数期間中のＡＮＤ７２の出力の半周期（すなわち、ＭＨＰの半周期）を測定する。このように、ＭＨＰの半周期とは、時間ｔｕｄまたはｔｄｕのことである。半周期測定部７４０は、以上のような測定をＡＮＤ７２の出力の立ち上がりまたは立ち下がりのどちらかが検出される度に行う。記憶部７５は、カウンタ７３の計数結果と半周期測定部７４０の測定結果を記憶する。
【0037】
ゲート信号ＧＳが立ち下がり、計数期間が終了した後、計数結果補正部７４の度数分布作成部７４１は、記憶部７５に記憶された半周期測定部７４０の測定結果から計数期間中のＭＨＰの半周期の度数分布を作成する（図７ステップＳ１０２）。
【0038】
続いて、計数結果補正部７４の代表値算出部７４２は、度数分布作成部７４１が作成した度数分布から、ＭＨＰの半周期の代表値Ｔ０を算出する（図７ステップＳ１０３）。ここでは、ＭＨＰの半周期の最頻値や中央値、あるいは平均値を代表値Ｔ０とすればよい。また、代表値算出部７４２は、階級値と度数との積が最大となる階級値を代表値Ｔ０としてもよい。表１に、度数分布の数値例およびこの数値例における階級値と度数との積を示す。
【0039】
【表1】
【0040】
表１の例では、度数が最大である最頻値（階級値）は１である。これに対して、階級値と度数との積が最大となる階級値は６であり、最頻値とは異なる値になっている。階級値と度数との積が最大となる階級値を代表値Ｔ０とする理由については後述する。代表値算出部７４２が算出した代表値Ｔ０は、記憶部７５に格納される。代表値算出部７４２は、このような代表値Ｔ０の算出を、度数分布作成部７４１によって度数分布が作成される度に行う。
【0041】
計数結果補正部７４の補正値算出部７４３は、半周期測定部７４０の測定結果から、代表値Ｔ０の０．５倍未満である半周期の数の総和Ｎｓと、代表値Ｔ０の２ｎ倍以上（２ｎ＋２）倍未満（ｎは１以上ｎmax以下の自然数）である半周期の数の総和Ｎｗnとを求め、カウンタ７３の計数結果を次式のように補正する（図７ステップＳ１０４）。
【0042】
【数3】
【0043】
式（２）において、Ｎはカウンタ７３の計数結果であるＭＨＰの半周期の数、Ｎ’は補正後に得られるＭＨＰの数、ＴmaxはＭＨＰの半周期がとり得る最大値である。このカウンタ７３の計数結果の補正原理については後述する。計数装置７は、以上のような処理を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について行う。
【0044】
なお、補正値算出部７４３が用いる代表値Ｔ０は、補正対象の計数期間よりも搬送波（三角波）の１周期分前の計数期間における半周期測定部７４０の測定結果から算出された値を用いてもよいし、補正対象の計数期間における半周期測定部７４０の測定結果から算出された値を用いてもよい。図１１は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図であり、代表値算出部７４２が代表値Ｔ０を算出する期間と補正対象の計数期間との関係を説明するための図である。
【0045】
補正対象の計数期間よりも搬送波の１周期分前の測定結果から算出された代表値Ｔ０を用いる場合、補正値算出部７４３は、例えば図１１に示す第１の発振期間Ｐ１−１で算出された代表値Ｔ０を用いて第１の発振期間Ｐ１−２の計数結果を補正し、第２の発振期間Ｐ２−１で算出された代表値Ｔ０を用いて第２の発振期間Ｐ２−２の計数結果を補正することになる。また、補正対象の計数期間の測定結果から算出された代表値Ｔ０を用いる場合、補正値算出部７４３は、例えば図１１に示す第１の発振期間Ｐ１−１で算出された代表値Ｔ０を用いて第１の発振期間Ｐ１−１の計数結果を補正し、第２の発振期間Ｐ２−１で算出された代表値Ｔ０を用いて第２の発振期間Ｐ２−１の計数結果を補正することになる。
【0046】
ただし、補正対象の計数期間よりも搬送波の１周期分前の測定結果から算出された代表値Ｔ０を用いる場合においても、最初の処理においては代表値Ｔ０の初期値が存在しないため、補正対象の計数期間における半周期測定部７４０の測定結果から代表値Ｔ０を求めて計数結果を補正することになる。
【0047】
次に、演算装置８は、計数装置７が数えたＭＨＰの数に基づいて物体１０の振動周波数を算出する。図１２は演算装置８の構成の１例を示すブロック図である。演算装置８は、計数装置７の計数結果等を記憶する記憶部８０と、計数装置７の計数結果を２値化する２値化部８１と、２値化部８１から出力された２値化出力の周期を測定する周期測定部８２と、２値化出力の周期の度数分布を作成する度数分布作成部８３と、２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出部８４と、２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手段となるカウンタ８５と、カウンタ８５の計数結果を補正する補正部８６と、補正された計数結果に基づいて物体１０の振動周波数を算出する周波数算出部８７とから構成される。
【0048】
計数装置７の計数結果は、演算装置８の記憶部８０に格納される。演算装置８の２値化部８１は、記憶部８０に格納された、計数装置７の計数結果を２値化する（図５ステップＳ２）。図１３は２値化部８１の動作を説明するための図であり、図１３（Ａ）は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図、図１３（Ｂ）は計数装置７の計数結果の時間変化を示す図、図１３（Ｃ）は２値化部８１の出力Ｄ（ｔ）を示す図である。図１３（Ｂ）において、Ｎ’ｕは第１の発振期間Ｐ１の計数結果、Ｎ’ｄは第２の発振期間Ｐ２の計数結果である。
【0049】
２値化部８１は、時間的に隣接する２つの発振期間Ｐ１，Ｐ２の計数結果Ｎ’ｕとＮ’ｄの大小を比較して、これらの計数結果を２値化する。２値化部８１は、具体的には以下の式を実行する。Ｉｆ Ｎ’ｕ（ｔ）≧Ｎ’ｄ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝１ ・・・（３）
Ｉｆ Ｎ’ｕ（ｔ）＜Ｎ’ｄ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝０ ・・・（４）
Ｉｆ Ｎ’ｄ（ｔ）≦Ｎ’ｕ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝１ ・・・（５）
Ｉｆ Ｎ’ｄ（ｔ）＞Ｎ’ｕ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝０ ・・・（６）
【0050】
式（３）〜式（６）において、（ｔ）は現時刻ｔにおいて計測されたＭＨＰの数であることを表し、（ｔ−１）は現時刻ｔの１回前に計測されたＭＨＰの数であることを表している。式（３）、式（４）は、現時刻ｔの計数結果が第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎ’ｕで、１回前の計数結果が第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎ’ｄの場合である。この場合、２値化部８１は、現時刻ｔの計数結果Ｎ’ｕ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎ’ｄ（ｔ−１）以上であれば、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「１」（ハイレベル）とし、現時刻ｔの計数結果Ｎ’ｕ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎ’ｄ（ｔ−１）より小さい場合は、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「０」（ローレベル）とする。
【0051】
式（５）、式（６）は、現時刻ｔの計数結果が第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎ’ｄで、１回前の計数結果が第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎ’ｕの場合である。この場合、２値化部８１は、現時刻ｔの計数結果Ｎ’ｄ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎ’ｕ（ｔ−１）以下であれば、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「１」とし、現時刻ｔの計数結果Ｎ’ｄ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎ’ｕ（ｔ−１）より大きい場合は、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「０」とする。
【0052】
こうして、計数装置７の計数結果は２値化される。２値化部８１の出力Ｄ（ｔ）は記憶部８０に格納される。２値化部８１は、以上のような２値化処理を、計数装置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。
【0053】
計数装置７の計数結果を２値化することは、物体１０の変位の方向を判別することを意味する。つまり、半導体レーザ１の発振波長が増加しているときの計数結果Ｎ’ｕが、発振波長が減少しているときの計数結果Ｎ’ｄ以上の場合（Ｄ（ｔ）＝１）、物体１０の移動方向は半導体レーザ１に接近する方向であり、計数結果Ｎ’ｕが計数結果Ｎ’ｄより小さい場合（Ｄ（ｔ）＝０）、物体１０の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向である。したがって、基本的には図１３（Ｃ）に示した２値化出力の周期を求めることができれば、物体１０の振動周波数を算出することができる。
【0054】
周期測定部８２は、記憶部８０に格納された２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定する（図５ステップＳ３）。図１４は周期測定部８２の動作を説明するための図である。図１４において、Ｈ１は２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりを検出するためのしきい値、Ｈ２は２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち下がりを検出するためのしきい値である。
【0055】
周期測定部８２は、記憶部８０に格納された２値化出力Ｄ（ｔ）をしきい値Ｈ１と比較することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりを検出し、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間ｔｕｕを測定することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定する。周期測定部８２は、このような測定を２値化出力Ｄ（ｔ）に立ち上がりエッジが発生する度に行う。
【0056】
あるいは、周期測定部８２は、記憶部８０に格納された２値化出力Ｄ（ｔ）をしきい値Ｈ２と比較することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち下がりを検出し、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間ｔｄｄを測定することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定してもよい。周期測定部８２は、このような測定を２値化出力Ｄ（ｔ）に立ち下がりエッジが発生する度に行う。
【0057】
周期測定部８２の測定結果は記憶部８０に格納される。次に、度数分布作成部８３は、周期測定部８２の測定結果から、一定時間Ｔ（Ｔ＞Ｔｔであり、例えば１００×Ｔｔ、すなわち三角波１００個分の時間）における周期の度数分布を作成する（図５ステップＳ４）。図１５は度数分布の１例を示す図である。度数分布作成部８３が作成した度数分布は、記憶部８０に格納される。度数分布作成部８３は、このような度数分布の作成をＴ時間毎に行う。
【0058】
続いて、基準周期算出部８４は、度数分布作成部８３が作成した度数分布から、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の代表値である基準周期Ｔｒを算出する（図５ステップＳ５）。一般に、周期の代表値は最頻値や中央値であるが、本実施の形態においては、最頻値や中央値が周期の代表値として適していない。そこで、基準周期算出部８４は、階級値と度数との積が最大となる階級値を基準周期Ｔｒとする。階級値と度数との積が最大となる階級値を基準周期Ｔｒとする理由については後述する。算出された基準周期Ｔｒの値は、記憶部８０に格納される。基準周期算出部８４は、このような基準周期Ｔｒの算出を、度数分布作成部８３によって度数分布が作成される度に行う。
【0059】
一方、カウンタ８５は、周期測定部８２および度数分布作成部８３と並行して動作し、度数分布作成部８３が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間Ｔの期間において、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりエッジの数Ｎａ（すなわち、２値化出力Ｄ（ｔ）の「１」のパルスの数）を数える（図５ステップＳ６）。カウンタ８５の計数結果Ｎａは、記憶部８０に格納される。カウンタ８５は、このような２値化出力Ｄ（ｔ）の計数をＴ時間毎に行う。
【0060】
補正部８６は、度数分布作成部８３が作成した度数分布から、基準周期Ｔｒの０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓａと、基準周期Ｔｒの１．５倍以上である階級の度数の総和Ｎｗａとを求め、カウンタ８５の計数結果Ｎａを次式のように補正する（図５ステップＳ７）。Ｎａ’＝Ｎａ−Ｎｓａ＋Ｎｗａ ・・・（７）
式（７）において、Ｎａ’は補正後の計数結果である。この補正後の計数結果Ｎａ’は、記憶部８０に格納される。補正部８６は、このような補正をＴ時間毎に行う。
【0061】
図１６は度数の総和ＮｓａとＮｗａを模式的に表す図である。図１６において、Ｔｓは基準周期Ｔｒの０．５倍の階級値、Ｔｗは基準周期Ｔｒの１．５倍の階級値である。図１６における階級が、周期の代表値であることは言うまでもない。なお、図１６では記載を簡略化するため、基準周期ＴｒとＴｓとの間、及び基準周期ＴｒとＴｗとの間の度数分布を省略している。
【0062】
図１７はカウンタ８５の計数結果の補正原理を説明するための図であり、図１７（Ａ）は２値化出力Ｄ（ｔ）を示す図、図１７（Ｂ）は図１７（Ａ）に対応するカウンタ８５の計数結果を示す図である。本来、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期は物体１０の振動周波数によって異なるが、物体１０の振動周波数が不変であれば、２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスは同じ周期で出現する。しかし、ノイズのために、ＭＨＰの波形には欠落が生じたり、信号として数えるべきでない波形が生じたりして、結果として２値化出力Ｄ（ｔ）の波形にも欠落や信号として数えるべきでない波形が生じ、２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの計数結果に誤差が生じる。
【0063】
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所での２値化出力Ｄ（ｔ）の周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期が基準周期Ｔｒのおよそ２倍以上の場合には、信号に欠落が生じていると判断できる。そこで、周期Ｔｗ以上の階級の度数の総和Ｎｗａを信号が欠落した回数と見なし、このＮｗａをカウンタ８５の計数結果Ｎａに加算することで、信号の欠落を補正することができる。
【0064】
また、スパイクノイズなどによって本来の信号が分割された箇所での２値化出力Ｄ（ｔ）の周期Ｔｓは、本来の周期と比較して０．５倍よりも短い信号と０．５倍よりも長い信号の２つになる。つまり、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期が基準周期Ｔｒのおよそ０．５倍以下の場合には、信号を過剰に数えていると判断できる。そこで、周期Ｔｓ以下の階級の度数の総和Ｎｓａを信号を過剰に数えた回数と見なし、このＮｓａをカウンタ８５の計数結果Ｎａから減算することで、誤って数えたノイズを補正することができる。以上が、式（７）に示した計数結果の補正原理である。
【0065】
周波数算出部８７は、補正部８６が計算した補正後の計数結果Ｎａ’に基づいて、物体１０の振動周波数ｆｓｉｇを次式のように算出する（図５ステップＳ８）。ｆｓｉｇ＝Ｎａ’／Ｔ ・・・（８）
表示装置９は、演算装置８が算出した振動周波数ｆｓｉｇの値を表示する。
【0066】
ここで、計数装置７のカウンタ７３の計数結果の補正原理を説明する。式（２）に示した計数結果の補正の基本原理は、特許文献２に開示された計数結果の補正原理や、式（７）に示した計数結果の補正原理と同じである。しかしながら、特許文献２に開示された補正原理によると、計数装置に入力される信号にＭＨＰよりも高周波のバーストノイズが混入した場合、カウンタ７３の計数結果を正しく補正できない場合がある。特に、振動周波数計測におけるサンプリング数は振動周波数の数倍程度の時間しか取れない場合があり、わずかな計数誤差は大きな周波数誤差になる可能性がある。以下に、振動周波数計測を例にして従来の問題を説明する。
【0067】
図１８（Ａ）〜図１８（Ｄ）は特許文献２に開示された従来の計数装置の問題点を説明するための図であり、図１８（Ａ）は物体１０との距離の時間変化を示す図、図１８（Ｂ）は物体１０の速度の時間変化を示す図、図１８（Ｃ）は計数装置の計数結果の時間変化を示す図、図１８（Ｄ）は計数装置の計数結果を２値化した２値化出力Ｄ（ｔ）を示す図である。図１８（Ｂ）において，１６０は速度が小さい箇所を示し、１６１は物体１０の移動方向が半導体レーザ１に接近する方向であることを示し、１６２は物体１０の移動方向が半導体レーザ１から遠ざかる方向であることを示している。なお、図１８（Ａ）〜図１８（Ｄ）は本実施の形態において物体１０の振動の最大速度と物体１０との距離の比が、半導体レーザ１の波長変化率よりも小さい場合を示しているが、従来の計数装置においても信号波形は同様であるので、図１８（Ａ）〜図１８（Ｄ）を用いて従来の計数装置の問題点を説明する。
【0068】
図１８（Ｃ）に示すように物体１０の速度が小さい箇所１６３において、ＭＨＰよりも高周波のノイズが加わると、計数結果Ｎ’ｕとＮ’ｄの大小関係が本来の関係と反転する場合がある。その結果、図１８（Ｄ）に示すように、２値化出力Ｄ（ｔ）の符号が切り替わる箇所１６４において、２値化出力Ｄ（ｔ）の符号が本来の値と逆の値になることがある。
【0069】
ＭＨＰをあるしきい値で２値化する場合、ＭＨＰがしきい値に近い値をとるところで高周波のノイズのために符号が反転しやすく、このように符号が反転し易い箇所はＭＨＰの１／２周期毎に存在するため、ＭＨＰの周期の度数分布は、図１９に示すように、ＭＨＰの本来の周期Ｔａに度数の極大値を持つ分布１７０に加え、周期Ｔａのおよそ半分の周期に度数の極大値を持つ分布１７１やノイズの短い周期１７２が現れる。そして、混入した高周波のノイズのためにこれらの度数の極大値はやや時間が短い方へとシフトする傾向にある。さらに、高周波のノイズは、連続で混入することがある。特許文献２に開示された従来の計数装置では、このような高周波の連続したノイズが混入すると、ＭＨＰの計数結果を十分に補正することができない。
【0070】
そこで、本実施の形態では、ＭＨＰの周期の代表値Ｔａではなく、半周期の代表値Ｔ０を用いて計数結果を補正するようにした。ＭＨＰの半周期の度数分布の例を図２０に示す。図２０から明らかなように、ＭＨＰの半周期の度数分布を求めると、計数装置７に入力される信号に高周波のノイズが混入している場合であっても、０．５Ｔ０付近に度数の極大値が現れることがなくなる。つまり、代表値Ｔ０の０．５倍未満である半周期の数の総和Ｎｓを求めるしきい値付近の度数の極大値が消えたことになるので、上記のＮｓを正しく求めることができ、補正の誤差を抑制することができる。以上が、式（２）に示した計数結果の補正原理である。なお、式（２）の右辺を１／２倍している理由は、ＭＨＰの半周期の数をＭＨＰの数に変換するためである。
【0071】
以上のように、本実施の形態では、計数期間中のＭＨＰの半周期の数をカウンタ７３で数え、計数期間中のＭＨＰの半周期を測定し、この測定結果から計数期間中のＭＨＰの半周期の度数分布を作成し、度数分布からＭＨＰの半周期の代表値Ｔ０を算出し、代表値Ｔ０の０．５倍未満である半周期の数の総和Ｎｓと、代表値Ｔ０の２ｎ倍以上（２ｎ＋２）倍未満である半周期の数の総和Ｎｗnとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗnに基づいてカウンタ７３の計数結果を補正することにより、計数装置に入力される信号にＭＨＰよりも高周波のノイズが連続して発生している場合であっても、ＭＨＰの計数誤差を高精度に補正することができるので、物体１０の振動周波数の計測精度を向上させることができる。
【0072】
さらに、本実施の形態では、時間的に隣接する第１、第２の発振期間Ｐ１，Ｐ２の計数結果の大小を比較してＭＨＰの計数結果を２値化し、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定して一定時間Ｔにおける周期の度数分布を作成し、周期の度数分布から２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の分布の代表値である基準周期Ｔｒを算出し、一定時間Ｔの期間において２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの数を数え、度数分布から、基準周期Ｔｒの０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓａと基準周期Ｔｒの１．５倍以上である階級の度数の総和Ｎｗａとを求め、これらの度数ＮｓａとＮｗａに基づいて２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの計数結果を補正することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の計数誤差を補正することができるので、物体１０の振動周波数の測定精度を向上させることができる。
【0073】
次に、基準周期算出部８４が、階級値と度数との積が最大となる階級値を基準周期Ｔｒとする理由について説明する。波長変調（本実施の形態では三角波変調）を用いた自己結合型のレーザ計測装置においては、各計数期間におけるＭＨＰの数は、物体１０との距離に比例したＭＨＰの数と計数期間における物体１０の変位（速度）に比例したＭＨＰの数との和もしくは差になる。物体１０の振動の最大速度と物体１０との距離の比と、半導体レーザ１の波長変化率の大小関係によって、計測装置で得られる信号の状況を以下の２通りに分けることができる。
【0074】
まず、物体１０の振動の最大速度と物体１０との距離の比が、半導体レーザ１の波長変化率よりも小さい場合を図１８（Ａ）〜図１８（Ｄ）を用いて説明する。物体１０の振動の最大速度と物体１０との距離の比が半導体レーザ１の波長変化率よりも小さい場合は、物体１０との距離に比例したＭＨＰの数が、計数期間における物体１０の変位（速度）に比例したＭＨＰの数よりも常に大きいため、半導体レーザ１の発振波長が増加しているときの計数結果Ｎ’ｕと発振波長が減少しているときの計数結果Ｎ’ｄとの差の絶対値が２つの計数期間（本実施の形態では発振期間Ｐ１とＰ２）における物体１０の変位に常に比例することになる。この場合、Ｎ’ｕ−Ｎ’ｄを時系列でプロットすると、半導体レーザ１への接近方向を正とした振動の速度を示す。そのため、Ｎ’ｕ−Ｎ’ｄの符号が物体１０の運動方向を示すことになり、この符号によって物体１０の変位を２値化することができる。
【0075】
このとき、度数分布作成部８３によって作成される周期の度数分布は、図２１のようになる。図１８（Ｃ）に示すように物体１０の速度が小さい箇所１６３において、例えば外乱光などに起因するホワイトノイズが加わると、２値化出力Ｄ（ｔ）の符号が切り替わる箇所１６４において、２値化出力Ｄ（ｔ）の符号が本来の値と逆の値になることがある。また、例えば外乱光などに起因するスパイクノイズが加わると、図１８（Ｄ）に示すように箇所１６５において２値化出力Ｄ（ｔ）の符号が局所的に反転する。
【0076】
その結果、度数分布作成部８３によって作成される周期の度数分布は、図２１に示すように、基準周期Ｔｒを中心とした正規分布１９０と、スパイクノイズに起因する符号反転による度数１９１と、ホワイトノイズに起因する符号逆転による度数１９２との和になる。また、２値化を実施したときの信号の欠落の度数１９３は、大きな速度を持った低周波ノイズが混入しない限り生じないことが多い。
【0077】
次に、物体１０の振動の最大速度と物体１０との距離の比が、半導体レーザ１の波長変化率よりも大きい場合について説明する。図２２は、この場合に本実施の形態の振動周波数計測装置で得られる信号を説明するための図であり、図２２（Ａ）は物体１０との距離の時間変化を示す図、図２２（Ｂ）は物体１０の速度の時間変化を示す図、図２２（Ｃ）は計数装置７の計数結果の時間変化を示す図、図２２（Ｄ）は２値化部８１による２値化出力Ｄ（ｔ）を示す図である。図２２（Ｂ）において，２２０は速度が小さい箇所を示し、２２１は物体１０の移動方向が半導体レーザ１に接近する方向であることを示し、２２２は物体１０の移動方向が半導体レーザ１から遠ざかる方向であることを示している。
【0078】
物体１０の振動の最大速度と物体１０との距離の比が、半導体レーザ１の波長変化率よりも大きい場合は、物体１０の最大速度付近で、物体１０との距離に比例したＭＨＰの数が、計数期間における物体１０の変位（速度）に比例したＭＨＰの数よりも小さくなるため、半導体レーザ１の発振波長が増加しているときの計数結果Ｎ’ｕと発振波長が減少しているときの計数結果Ｎ’ｄとの差が２つの計数期間（本実施の形態では発振期間Ｐ１とＰ２）における物体１０の変位に比例する期間と、計数結果Ｎ’ｕと計数結果Ｎ’ｄとの和が２つの計数期間における物体１０の変位に比例する期間とが存在する。
【0079】
この場合、物体１０の振動の速度は、図２２（Ｂ）のようにＮ’ｕ−Ｎ’ｄとＮ’ｕ＋Ｎ’ｄを時系列でプロットしたグラフの合成で表現することができる。ただし、速度の方向は常にＮ’ｕとＮ’ｄとの大小関係と一致するため、Ｎ’ｕ−Ｎ’ｄの符号が物体１０の運動方向を示すことになり、この符号によって物体１０の変位を２値化することができる。
【0080】
物体１０の振動の最大速度と物体１０との距離の比が、半導体レーザ１の波長変化率よりも小さい場合と同様に、物体１０の速度が小さい箇所２２３において、例えば外乱光などに起因するホワイトノイズが加わると、２値化出力Ｄ（ｔ）の符号が切り替わる箇所２２４において、２値化出力Ｄ（ｔ）の符号が本来の値と逆の値になることがある。また、例えば外乱光などに起因するスパイクノイズが加わると、図２２（Ｄ）に示すように箇所２２５において２値化出力Ｄ（ｔ）の符号が局所的に反転する。このとき、度数分布作成部８３によって作成される周期の度数分布は、図２１と同様である。
【0081】
本実施の形態のように物体１０の変位を２値化した２値化出力Ｄ（ｔ）を補正する場合においては、高周波ノイズの補正が重要になる。高周波ノイズによる短い周期での符号の変化は物体１０の本来の振動の周期の度数を上回ることがあり、周期の代表値として最頻値や中央値などを用いた場合、誤って振動周期よりも短いノイズの周期を基準として補正を掛けてしまう懸念がある。そのため、振動周波数を算出するための一定時間Ｔの期間において、ある階級の信号が占める割合、つまり階級値と度数との積が最も大きい階級値を基準周期Ｔｒとして、カウンタ８５の計数結果の補正を実施する。以上が、階級値と度数との積が最大となる階級値を基準周期Ｔｒとする理由である。代表値算出部７４２が、階級値と度数との積が最大となる階級値を代表値Ｔ０とする理由も同様である。つまり、代表値Ｔ０として最頻値や中央値を用いるよりも、計数期間において、ある階級の信号が占める割合が最も大きい階級値を代表値Ｔ０とした方が、高周波ノイズが存在する場合にはより好ましい。
【0082】
なお、本実施の形態の他の例として、カウンタ８５の計数結果を補正する技術に、カウンタ７３の計数結果を補正する技術を適用してもよい。
【0083】
［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２３は本実施の形態の計数装置の構成の１例を示す図である。本実施の形態は、第１の実施の形態の計数装置７の代わりに計数装置７ａを用いるものである。計数装置７ａは、２値化部７１と、ＡＮＤ７２と、カウンタ７３ａと、計数結果補正部７４ａと、記憶部７５とから構成される。
図２４は本実施の形態の計数結果補正部７４ａの構成の１例を示すブロック図である。計数結果補正部７４ａは、半周期測定部７４０と、度数分布作成部７４１ａと、代表値算出部７４２ａと、補正値算出部７４３ａと、信号結合部７４４とから構成される。
【0084】
図２５は本実施の形態の計数装置７ａの動作を示すフローチャートである。第１の実施の形態で説明したとおり、半周期測定部７４０は、計数期間中のＭＨＰの半周期を測定する（図２５ステップＳ１０１）。第１の実施の形態と同様に、度数分布作成部７４１ａは、記憶部７５に記憶された半周期測定部７４０の測定結果から計数期間中のＭＨＰの半周期の度数分布を作成する（図２５ステップＳ１０２）。
【0085】
第１の実施の形態と同様に、代表値算出部７４２ａは、度数分布作成部７４１ａがステップＳ１０２で作成した度数分布から、ＭＨＰの半周期の代表値Ｔ０を算出する（図２５ステップＳ１０３）。第１の実施の形態と同様に、ＭＨＰの半周期の最頻値や中央値、あるいは平均値を代表値Ｔ０としてもよいし、階級値と度数との積が最大となる階級値を代表値Ｔ０としてもよい。代表値算出部７４２ａが算出した代表値Ｔ０は、記憶部７５に格納される。
【0086】
次に、信号結合部７４４は、半周期測定部７４０の測定結果について、代表値Ｔ０の０．５倍未満の長さの半周期とその直後に測定された半周期とを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた波形を１つのＭＨＰの半周期分の波形とすることを、結合後の半周期が代表値Ｔ０の０．５倍以上になるまで行う（図２５ステップＳ１０５）。図２６（Ａ）〜図２６（Ｃ）は信号結合部７４４の動作を説明するための図であり、図２６（Ａ）はＭＨＰの波形を模式的に示す図、図２６（Ｂ）は半周期測定部７４０の測定結果を示す図、図２６（Ｃ）は信号結合部７４４の処理結果を示す図である。
【0087】
半周期測定部７４０が図２６（Ａ）に示すＭＨＰの半周期を測定すると、図２６（Ｂ）に示すように半周期Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８，Ｔ９，Ｔ１０，Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１４，Ｔ１５，Ｔ１６という測定結果が得られる。このうち、半周期Ｔ２，Ｔ３，Ｔ６〜Ｔ９，Ｔ１１〜Ｔ１４は高周波ノイズ等の原因により生じたものである。この場合、半周期Ｔ２，Ｔ３，Ｔ６〜Ｔ１４は代表値Ｔ０の０．５倍未満の長さであるため、第１の実施の形態の計数装置７においてはＴ１０がＭＨＰの半周期として認識されず、計数結果に誤差が生じる。
【0088】
これに対して、本実施の形態では、信号結合部７４４が上記のような信号の結合処理を行うことにより、図２６（Ｃ）に示すように半周期Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６という処理結果が得られる。例えば半周期Ｔ２〜Ｔ４を合わせた周期が結合後の半周期Ｔ２となり、Ｔ２〜Ｔ４の波形が１つのＭＨＰの半周期分の波形として結合される。同様に、半周期Ｔ６〜Ｔ１０を合わせた周期が結合後の半周期Ｔ４となり、Ｔ６〜Ｔ１０の波形が１つのＭＨＰの半周期分の波形として結合される。信号結合部７４４の処理結果は、記憶部７５に格納される。
【0089】
次に、度数分布作成部７４１ａは、記憶部７５に記憶された信号結合部７４４の処理結果から計数期間中のＭＨＰの半周期の度数分布を作成する（図２５ステップＳ１０６）。続いて、代表値算出部７４２ａは、度数分布作成部７４１ａがステップＳ１０６で作成した度数分布から、ＭＨＰの半周期の代表値Ｔ０を算出する（図２５ステップＳ１０７）。これにより、記憶部７５に格納されている代表値Ｔ０は、ステップＳ１０７で算出された最新の値に更新される。第１の実施の形態と同様に、ＭＨＰの半周期の最頻値や中央値、あるいは平均値を代表値Ｔ０としてもよいし、階級値と度数との積が最大となる階級値を代表値Ｔ０としてもよい。
【0090】
一方、カウンタ７３ａは、信号結合部７４４の処理後のＭＨＰについて、ＭＨＰの半周期の数を数える（図２５ステップＳ１０８）。最後に、補正値算出部７４３ａは、信号結合部７４４の処理結果から、代表値Ｔ０の０．５倍未満である半周期の数の総和Ｎｓと、代表値Ｔ０の２ｎ倍以上（２ｎ＋２）倍未満（ｎは１以上ｎmax以下の自然数）である半周期の数の総和Ｎｗnとを求め、カウンタ７３ａの計数結果Ｎを式（２）のように補正する（図２５ステップＳ１０９）。
計数装置７ａは、以上のような処理を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について行う。
【0091】
その他の構成は、第１の実施の形態と同じである。第１の実施の形態では、ＭＨＰの信号強度低下と計数装置７に入力される信号へのバーストノイズの混入とが同時に発生した場合、ＭＨＰが少なく計数されることがあるが、本実施の形態によれば、このような計数誤差を少なくすることができる。
【0092】
なお、本実施の形態では、ステップＳ１０２において計数期間中のＭＨＰの半周期の度数分布を作成し、ステップＳ１０３において度数分布からＭＨＰの半周期の代表値Ｔ０を算出しているが、これに限るものではなく、ステップＳ１０２において度数分布を作成することなく、代表値算出部７４２ａが、ステップＳ１０３において半周期測定部７４０の測定結果から計数期間中のＭＨＰの半周期の平均値を代表値Ｔ０として算出してもよい。
【0093】
［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。本実施の形態においても、計数装置の構成および処理の流れは第２の実施の形態と同様であるので、図２３〜図２５の符号を用いて本実施の形態について説明する。
図２５のステップＳ１０１〜Ｓ１０３の処理は、第２の実施の形態と同じである。
【0094】
次に、本実施の形態の信号結合部７４４は、半周期測定部７４０の測定結果について、代表値Ｔ０の０．５倍未満の長さの半周期が代表値Ｔ０の０．５倍以上の長さのｍ番目の半周期Ｔｍと代表値Ｔ０の０．５倍以上の長さのｐ番目の半周期Ｔｐ（ｍ，ｐは自然数）とに挟まれていたとき、（ｍ＋ｐ）が偶数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐまでを合わせた周期を結合後の半周期とし、（ｍ＋ｐ）が奇数の場合は半周期Ｔｍから半周期Ｔｐ-1までを合わせた周期を結合後の半周期とし、周期を合わせた波形をｍ番目の半周期分の波形とする（図２５ステップＳ１０５）。
【0095】
図２７（Ａ）〜図２７（Ｃ）は本実施の形態の信号結合部７４４の動作を説明するための図であり、図２７（Ａ）はＭＨＰの波形を模式的に示す図、図２７（Ｂ）は半周期測定部７４０の測定結果を示す図、図２７（Ｃ）は信号結合部７４４の処理結果を示す図である。半周期測定部７４０が図２７（Ａ）に示すＭＨＰの半周期を測定すると、図２７（Ｂ）に示すように半周期Ｔ１〜Ｔ２０という測定結果が得られる。この場合、半周期Ｔ２，Ｔ３，Ｔ６〜Ｔ１４，Ｔ１６〜Ｔ１９は代表値Ｔ０の０．５倍未満の長さであるため、第１の実施の形態の計数装置７においてはＴ１０がＭＨＰの半周期として認識されず、計数結果に補正誤差が生じる。
【0096】
これに対して、本実施の形態では、信号結合部７４４が上記のような信号の結合処理を行うことにより、図２７（Ｃ）に示すように半周期Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４という処理結果が得られる。例えば半周期Ｔ２，Ｔ３は代表値Ｔ０の０．５倍以上の長さの半周期Ｔ１とＴ４に挟まれており、ｍ＋ｐは１＋４＝５で奇数である。したがって、Ｔ１〜Ｔ３の波形が１つのＭＨＰの半周期分の波形として結合され、半周期Ｔ１〜Ｔ３を合わせた周期が結合後の半周期Ｔ１となる。
【0097】
同様に、半周期Ｔ６〜Ｔ１４は代表値Ｔ０の０．５倍以上の長さの半周期Ｔ５とＴ１５に挟まれており、ｍ＋ｐは５＋１５＝２０で偶数である。したがって、Ｔ５〜Ｔ１５の波形が１つのＭＨＰの半周期分の波形として結合され、半周期Ｔ５〜Ｔ１５を合わせた周期が結合後の半周期Ｔ３となる。さらに、半周期Ｔ１６〜Ｔ１９は結合後の半周期Ｔ３と代表値Ｔ０の０．５倍以上の長さの半周期Ｔ２０に挟まれており、ｍ＋ｐは３＋２０＝２３で奇数である。したがって、半周期Ｔ３，Ｔ１６〜Ｔ１９の波形が１つのＭＨＰの半周期分の波形として結合され、半周期Ｔ３，Ｔ１６〜Ｔ１９を合わせた周期が結合後の半周期Ｔ３となる。信号結合部７４４の処理結果は、記憶部７５に格納される。
【0098】
図２５のステップＳ１０６〜Ｓ１０９の処理は、第２の実施の形態と同じである。第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態に比べて計数誤差を少なくすることができるが、計数装置７ａに入力される信号にＭＨＰの１／４周期以上のバーストノイズやポップコーンノイズが混入した場合、バーストノイズやポップコーンノイズが計数されてしまい、計数誤差が生じることがある。これに対して、本実施の形態では、このようなノイズの混入がある場合でも、計数誤差を少なくすることができる。
【0099】
なお、第２の実施の形態と同様に、ステップＳ１０２において度数分布を作成することなく、代表値算出部７４２ａが、ステップＳ１０３において半周期測定部７４０の測定結果から計数期間中のＭＨＰの半周期の平均値を代表値Ｔ０として算出してもよい。
【0100】
また、第２の実施の形態、第３の実施の形態において、ステップＳ１０６，Ｓ１０７の処理は必須の構成要件ではない。その理由は、結合前の代表値は度数分布を用いて精度良く求められているため、必ずしも再度代表値を求める必要はないからである。ステップＳ１０６，Ｓ１０７の処理を実行しない場合、補正値算出部７４３ａは、ステップＳ１０３で算出された代表値Ｔ０を使用すればよい。ただし、ステップＳ１０３で算出する代表値Ｔ０の精度が低いと考えられる場合には、ステップＳ１０６，Ｓ１０７の処理を実行するようにしてもよい。
【0101】
［参考例］次に、本発明の参考例について説明する。図２８は本参考例の計数装置の構成の１例を示す図である。本参考例は、第１の実施の形態の計数装置７の代わりに計数装置７ｂを用いるものである。計数装置７ｂは、２値化部７１と、ＡＮＤ７２と、カウンタ７３ｂと、計数結果補正部７４ｂと、記憶部７５とから構成される。
図２９は本参考例の計数結果補正部７４ｂの構成の１例を示すブロック図である。計数結果補正部７４ｂは、周期測定部７４５と、度数分布作成部７４１ｂと、代表値算出部７４２ｂと、補正値算出部７４３ｂと、信号結合部７４４ｂとから構成される。
【0102】
図３０は本参考例の計数装置７ｂの動作を示すフローチャートである。周期測定部７４５は、計数期間中のＭＨＰの周期を測定する（図３０ステップＳ２０１）。すなわち、周期測定部７４５は、ＡＮＤ７２の出力の立ち上がりを検出すると共に、ＡＮＤ７２の出力の立ち下がりを検出する。そして、周期測定部７４５は、ＡＮＤ７２の出力の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間を測定することにより、計数期間中のＡＮＤ７２の出力の周期（すなわち、ＭＨＰの周期）を測定する。周期測定部７４５は、このような測定をＡＮＤ７２の出力に立ち上がりエッジが発生する度に行う。あるいは、周期測定部７４５は、ＡＮＤ７２の出力の立ち下がりから次の立ち下がりまでの時間を測定することにより、ＭＨＰの周期を測定してもよい。記憶部７５は、周期測定部７４５の測定結果を記憶する。
【0103】
ゲート信号ＧＳが立ち下がり、計数期間が終了した後、度数分布作成部７４１ｂは、記憶部７５に記憶された周期測定部７４５の測定結果から計数期間中のＭＨＰの周期の度数分布を作成する（図３０ステップＳ２０２）。
【0104】
続いて、代表値算出部７４２ｂは、度数分布作成部７４１ｂが作成した度数分布から、ＭＨＰの周期の代表値Ｔ０を算出する（図３０ステップＳ２０３）。ここでは、ＭＨＰの周期の最頻値や中央値、あるいは平均値を代表値Ｔ０とすればよい。また、代表値算出部７４２ｂは、階級値と度数との積が最大となる階級値を代表値Ｔ０としてもよい。
【0105】
次に、信号結合部７４４ｂは、周期測定部７４５の測定結果について、代表値Ｔ０の０．５倍未満の長さの周期とその直後に測定された周期とを合わせた周期を結合後の周期とし、周期を合わせた波形を１つのＭＨＰの１周期分の波形とすることを、結合後の周期が代表値Ｔ０の０．５倍以上になるまで行う（図３０ステップＳ２０４）。図３１（Ａ）〜図３１（Ｃ）は信号結合部７４４ｂの動作を説明するための図であり、図３１（Ａ）はＭＨＰの波形を模式的に示す図、図３１（Ｂ）は周期測定部７４５の測定結果を示す図、図３１（Ｃ）は信号結合部７４４ｂの処理結果を示す図である。
【0106】
周期測定部７４５が図３１（Ａ）に示すＭＨＰの周期を測定すると、図３１（Ｂ）に示すように周期Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７という測定結果が得られる。このうち、周期Ｔ１，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ６，Ｔ７は高周波ノイズ等の原因により生じたものである。この場合、周期Ｔ１，Ｔ３〜Ｔ６は代表値Ｔ０の０．５倍未満の長さであるため、第１の実施の形態の計数装置７においてはＴ３〜Ｔ７の箇所で計数結果に誤差が生じる。
【0107】
これに対して、本参考例では、信号結合部７４４ｂが上記のような信号の結合処理を行うことにより、図３１（Ｃ）に示すように周期Ｔ１，Ｔ２という処理結果が得られる。例えば周期Ｔ１，Ｔ２を合わせた周期が結合後の周期Ｔ１となり、Ｔ１，Ｔ２の波形が１つのＭＨＰの１周期分の波形として結合される。ここでは、結合後の周期が代表値Ｔ０の０．５倍以上になるように結合される。同様に、図３１（Ｂ）の周期Ｔ３〜Ｔ７を合わせた周期が図３１（Ｃ）に示すように結合後の周期Ｔ２となり、Ｔ３〜Ｔ７の波形が１つのＭＨＰの１周期分の波形として結合される。信号結合部７４４ｂの処理結果は、記憶部７５に格納される。
【0108】
次に、度数分布作成部７４１ｂは、記憶部７５に記憶された信号結合部７４４ｂの処理結果から計数期間中のＭＨＰの周期の度数分布を作成する（図３０ステップＳ２０５）。続いて、代表値算出部７４２ｂは、度数分布作成部７４１ｂがステップＳ２０５で作成した度数分布から、ＭＨＰの周期の代表値Ｔ０を算出する（図３０ステップＳ２０６）。これにより、記憶部７５に格納されている代表値Ｔ０は、ステップＳ２０６で算出された最新の値に更新される。ステップＳ２０３と同様に、ＭＨＰの周期の最頻値や中央値、あるいは平均値を代表値Ｔ０としてもよいし、階級値と度数との積が最大となる階級値を代表値Ｔ０としてもよい。
【0109】
一方、カウンタ７３ｂは、信号結合部７４４ｂの処理後のＭＨＰについて、ＭＨＰの数を数える（図３０ステップＳ２０７）。第１の実施の形態のカウンタ７３は、ＭＨＰの立ち上がりと立ち下がりの両方を数えたが、カウンタ７３ｂは、ＭＨＰの立ち上がりと立ち下がりのうちどちらか一方のみを数えればよい。
【0110】
最後に、補正値算出部７４３ｂは、信号結合部７４４ｂの処理結果から、代表値Ｔ０の０．５倍未満である周期の数の総和Ｎｓと、代表値Ｔ０の（ｎ＋０．５）倍以上（ｎ＋１．５）倍未満（ｎは１以上ｎmax以下の自然数）である周期の数の総和Ｎｗnとを求め、カウンタ７３ｂの計数結果を次式のように補正する（図３０ステップＳ２０８）。
【0111】
【数4】
【0112】
式（９）において、Ｎはカウンタ７３ｂの計数結果であるＭＨＰの数、Ｎ’は補正後の計数結果、ＴmaxはＭＨＰの周期がとり得る最大値である。計数装置７ｂは、以上のような処理を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について行う。
【0113】
その他の構成は、第１の実施の形態と同じである。本参考例では、第１の実施の形態のように半周期の代表値を用いて計数結果を補正する効果を得ることはできないが、第２の実施の形態で説明したように、ＭＨＰの信号強度低下と計数装置７ｂに入力される信号へのバーストノイズの混入とが同時に発生した場合であっても、計数誤差を少なくすることができる。
【0114】
なお、本参考例では、ステップＳ２０２において計数期間中のＭＨＰの周期の度数分布を作成し、ステップＳ２０３において度数分布からＭＨＰの周期の代表値Ｔ０を算出しているが、これに限るものではなく、ステップＳ２０２において度数分布を作成することなく、代表値算出部７４２ｂが、ステップＳ２０３において周期測定部７４５の測定結果から計数期間中のＭＨＰの周期の平均値を代表値Ｔ０として算出してもよい。
【0115】
また、本参考例において、ステップＳ２０５，Ｓ２０６の処理は必須の構成要件ではない。その理由は、結合前の代表値は度数分布を用いて精度良く求められているため、必ずしも再度代表値を求める必要はないからである。ステップＳ２０５，Ｓ２０６の処理を実行しない場合、補正値算出部７４３ｂは、ステップＳ２０３で算出された代表値Ｔ０を使用すればよい。ただし、ステップＳ２０３で算出する代表値Ｔ０の精度が低いと考えられる場合には、ステップＳ２０５，Ｓ２０６の処理を実行するようにしてもよい。
【0116】
なお、第１〜第３の実施の形態および参考例において少なくとも計数装置７，７ａ，７ｂと演算装置８とは、例えばＣＰＵ、記憶装置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。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。ＣＰＵは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って第１〜第３の実施の形態および参考例で説明した処理を実行する。
【0117】
また、第１〜第３の実施の形態および参考例では、本発明の計数装置を振動周波数計測装置に適用した場合について説明したが、これに限るものではなく、本発明の計数装置は他の分野にも適用することができる。本発明の計数装置が有効な場合は、計数の対象となる信号の数が特定の物理量（第１〜第３の実施の形態および参考例の場合は半導体レーザ１と物体１０との距離、および物体１０の変位）と線形の関係を有し、特定の物理量が一定の場合は信号が略単一周波数となる場合である。また、信号が単一周波数でなくても、特定の物理量が計数期間と比較して十分低い周波数で、例えば１／１０以下の周波数で振動している対象物の速度のように周期分布の広がりが小さい場合も略単一周波数として本発明の計数装置は有効である。
【0118】
また、第１〜第３の実施の形態および参考例では、物理量センサの例として振動周波数計測装置を挙げて説明したが、これに限るものではなく、本発明を他の物理量センサに適用してもよい。すなわち、計数装置の計数結果から物体の張力を算出してもよいし、特許文献１に開示されているように、計数装置の計数結果から物体との距離および物体の速度を算出するようにしてもよい。物理量センサが算出する物理量が様々なことから明らかなように、上記の特定の物理量と、物理量センサが算出する物理量とは同じ場合もあるが、異なる場合もある。
【産業上の利用可能性】
【0119】
本発明は、信号の数を数える計数装置や、計数装置を用いて干渉波形の数を測定し測定対象の物理量を求める干渉型の物理量センサに適用することができる。
【符号の説明】
【0120】
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、７，７ａ，７ｂ…計数装置、８…演算装置、９…表示装置、１０…物体、７１…２値化部、７２…論理積演算部、７３，７３ａ，７３ｂ…カウンタ、７４，７４ａ，７４ｂ…計数結果補正部、７５…記憶部、８０…記憶部、８１…２値化部、８２…周期測定部、８３…度数分布作成部、８４…基準周期算出部、８５…カウンタ、８６…補正部、８７…周波数算出部、８８…周期和算出部、７４０…半周期測定部、７４１，７４１ａ，７４１ｂ…度数分布作成部、７４２，７４２ａ，７４２ｂ…代表値算出部、７４３，７４３ａ，７４３ｂ…補正値算出部、７４４，７４４ｂ…信号結合部、７４５…周期測定部。