回転速度計
【目的】 慣性モーメントが小さく、しかも、正確な微小回転速度変化を得ることができる回転速度計を提供することを目的としている。
【構成】 偏光面が互いに直交し振動数がわずかに異なる２波長の単色光を回転方向の異なる円偏光単色光に変換する１／４波長板１４と、回転体の回転軸に設置され、回転軸の回転角度に応じて前記２波長の円偏光単色光の位相をシフトさせる１／２波長板１５と、前記１／２波長板１５の透過光を干渉させる検光子１７と、その検光子１７を経た干渉光の強度を電気信号に変換する光電変換器１８と、電気信号に変換された前記干渉光のビート信号の位相変化を検出する位相検出器３３と、前記ビート信号の位相変化から前記回転軸の回転速度を算出する信号処理装置３４とを備えている。
【構成】 偏光面が互いに直交し振動数がわずかに異なる２波長の単色光を回転方向の異なる円偏光単色光に変換する１／４波長板１４と、回転体の回転軸に設置され、回転軸の回転角度に応じて前記２波長の円偏光単色光の位相をシフトさせる１／２波長板１５と、前記１／２波長板１５の透過光を干渉させる検光子１７と、その検光子１７を経た干渉光の強度を電気信号に変換する光電変換器１８と、電気信号に変換された前記干渉光のビート信号の位相変化を検出する位相検出器３３と、前記ビート信号の位相変化から前記回転軸の回転速度を算出する信号処理装置３４とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学式の回転速度計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、回転速度計として、従来から広く用いられているロータリエンコーダ式のものが存在する。この構成を図４に基づいて説明すると、ディスクスケール４１は、薄い円盤に放射状に等間隔の多数のスリットを備え、測定対象回転軸に直接取り付けられている。光を放つＬＥＤ４２と、ＬＥＤ４２の光を電気信号に変換するするディテクタ４３は、ディスクスケール４１のスリット部分を両側から挟む形で向かい合わせに設置されている。
【０００３】測定対象回転軸が回転すると、ディスクスケール４１も同じ回転速度で回転し、ディスクスケール４１に設けた各スリットを透過したＬＥＤ４２の発光をディテクタ４３が連続的に検出し、その検出信号は連続した矩形波となる。
【０００４】信号処理装置４４は、前記矩型波の立ち上がりの時間間隔を計測して回転速度（一分間あたりの回転数（ＲＰＭ））を求めるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記のような回転速度計の精度は、ディスクスケール４１に直接依存する。例えば、同じ加工精度でディスクスケール４１の回転半径を大きくすれば、回転速度の精度は上がる。しかし、ディスクスケール４１の半径の拡大に伴って、慣性モーメントは二乗で大きくなり、正確な微小回転速度変化の計測はできない。
【０００６】また、慣性モーメントを減らすには、ディスクスケール４１の回転半径を小さくすることが考えられる。しかし、ディスクスケール４１を小さくすると、ディスクスケール４１のスリット部の加工精度を向上させねばならず、正確な微小回転速度変化を得るのは非常に困難であるという欠点があった。
【０００７】本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、慣性モーメントが小さく、しかも、正確な微小回転速度変化を得ることができる装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するために、本発明の回転速度計は、偏光面が互いに直交し振動数がわずかに異なる２波長の単色光を回転方向の異なる円偏光単色光に変換する１／４波長板と、回転体の回転軸に設置され、かつ回転軸の回転角度に応じて前記２波長の円偏光単色光の位相をシフトさせる１／２波長板と、前記１／２波長板を透過した透過光を干渉させる干渉手段と、その干渉手段を経た干渉光の強度を電気信号に変換する光電変換手段と、前記電気信号に変換された前記干渉光のビート信号の位相変化を検出する位相検出手段と、その位相検出手段が検出した前記ビート信号の位相変化に基づいて前記回転軸の回転速度を算出する信号処理手段とを備えている。
【０００９】
【作用】前記の構成を有する本発明の回転速度計において、１／４波長板は、偏光面が互いに直交し振動数がわずかに異なる２波長の単色光を回転方向の異なる円偏光単色光に変換する。１／２波長板は、回転体の回転軸に設置され、回転軸の回転角度に応じて前記２波長の円偏光単色光の位相をシフトさせる。干渉手段は、前記１／２波長板を透過した透過光を干渉させる。光電変換手段は、前記干渉手段を経た干渉光の強度を電気信号に変換する。位相検出手段は、電気信号に変換された前記干渉光のビート信号の位相変化を検出する。信号処理手段は、前記位相検出手段が検出した前記ビーイ信号の位相変化に基づいて前記回転軸の回転速度を算出する。
【００１０】
【実施例】以下に、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説明する。
【００１１】図１は本発明を具体化した回転速度計の光学系統の構成を概略的に示したものである。
【００１２】レーザ光源１は、振動数がν１の直線偏光レーザ光を発生するものである。アイソレータ２は、前記レーザ光源１への戻り光を遮断するものであり、出力光が図１のｙ軸方向に進行し、偏光面がｙ−ｚ平面と平行になるように設定されている。無偏光ビームスプリッタ３は、アイソレータ２の出力光を２方向に分割するものである。音響光学変調器４は、分割された一方のレーザ光２１の振動数を+80MHzシフトさせるものである。音響光学変調器５は、音響光学変調器４の出力レーザ光の振動数を-79.9MHzシフトさせるものである。従って、２つの音響光学変調器４，５を透過したレーザ光２１は、振動数ν２が+100kHzシフトしていることになる。以後この出力レーザ光をＳ０波と呼ぶ。反射鏡６は、レーザ光の光路を変えるものである。
【００１３】反射鏡７は、無偏光ビームスプリッタ３により分割されたもう一方のレーザ光２２の光路をｙ軸方向に変えるものである。１／２波長板８は、光軸が図１のｘ軸に対してｚ軸方向に４５度の角度に設置され、レーザ光２２の偏光面をｘ−ｙ平面と平行になるように回転させるものである。以後この出力レーザ光をＰ０波と呼ぶ。
【００１４】偏光ビームスプリッタ９は、前記Ｓ０波及びＰ０波を同一光路上に統合するものである。
【００１５】無偏光ビームスプリッタ１０は、前記Ｓ０波及びＰ０波をそれぞれ分割するものである。以後反射鏡１１方向に分岐したレーザ光をＳ１波及びＰ１波と呼び、直進光をＳ２波及びＰ２波と呼ぶ。
【００１６】反射鏡１１は、Ｓ１波及びＰ１波の光路を変えるものである。検光子１２は、前期Ｓ１波及びＰ１波を干渉させるものである。光電変換器１３は、この干渉光の強度を電気信号に変換するものである。この電気信号は以降に説明する位相差検出時の基準となる信号であり、以後Ｂ信号と呼ぶ。
【００１７】１／４波長板１４は、光軸が図１のｘ軸に対してｚ軸方向に４５度の角度に設置され、前記Ｓ２波及びＰ２波を回転方向の異なる円偏光レーザ光に変換するものである。この様子をＳ２波について図２を用いて詳述する。図２は、図１のｘ−ｚ平面を、１／４波長板１４の光軸（以後、高速軸と呼ぶ）をｘ軸に、光軸に直交する軸（以後、低速軸と呼ぶ）をｙ軸に設定した平面座標系（したがって図１に対して４５度傾いている平面座標系）である。ここで直線偏光である入力のＳ２波をベクトルを用いて｛Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））｝と表現する（ただし、Ａ（ｒ）は光路上の位置ｒでのＳ２波の振幅、ｋ２は波長定数、ω２＝２π・ν２は角振動数）。同様にＰ２波は｛Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ））、−Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ））｝と表現する（ただし、Ｂ（ｒ）は光路上の位置ｒでのＰ２波の振幅、ｋ１は波長定数、ω１＝２π・ν１は角振動数）。
【００１８】１／４波長板１４は、透過光の低速軸（図２R>２、ｙ軸）成分を高速軸（図２、ｘ軸）成分に対してπ／２だけ位相を遅らせる性質を持つため、Ｓ２波は｛Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ−π／２））｝＝｛Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、−ｉ・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））｝に変換され円偏光となる（円偏光の条件は、ｘ成分とｙ成分の振幅が等しく、かつｘ成分とｙ成分の比が±ｉである）。同様にＰ２波は｛Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ））、ｉ・Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ））｝に変換され、Ｓ２波と回転方向の異なる円偏光となる。
【００１９】１／２波長板１５は、モータ等の回転体（図示せず）の回転軸に設置され、回転軸の回転角度に応じて前記Ｓ２波及びＰ２波の位相をシフトさせるものである。この様子をＳ２波について図２を用いて詳述する。ただし、図２に示すように１／２波長板１５の高速軸と１／４波長板１４の高速軸とのなす角をθとする。ここで１／２波長板１５の高速軸をｘ軸とし、低速軸をｙ軸とする平面座標系にＳ２波を座標変換（角度θの回転座標変換）すると、｛（ｃｏｓθ−ｉ・ｓｉｎθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、（−ｓｉｎθ−ｉ・ｃｏｓθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））｝となる。
【００２０】また、１／２波長板１５は水晶の結晶板であり、その複屈折性により透過光の低速軸成分を高速軸成分に対してπだけ遅らせる性質を持つため、Ｓ２波の透過光は｛（ｃｏｓθ−ｉ・ｓｉｎθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、（−ｓｉｎθ−ｉ・ｃｏｓθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ−π））｝＝｛（ｃｏｓθ−ｉ・ｓｉｎθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、（ｓｉｎθ＋ｉ・ｃｏｓθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））｝となる。
【００２１】そして、これを元の平面座標系に座標変換（角度−θの回転座標変換）をして整理をすると、Ｓ２波は｛（ｃｏｓ２θ−ｉ・ｓｉｎ２θ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、（ｓｉｎ２θ＋ｉ・ｃｏｓ２θ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））｝＝｛Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ−２θ））、ｉ・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ−２θ））｝となり、偏光方向が反転するとともに、位相が２θ遅れる。同様にＰ２波は｛Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ＋２θ））、−ｉ・Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ＋２θ））｝となり、偏光方向が反転するとともに位相が２θ進む。
【００２２】反射鏡１６は、Ｓ２波及びＰ２波の光路を変えるものである。検光子１７は、干渉手段を構成するものであり、前記Ｓ２波及びＰ２波の同一偏光成分を干渉させるものである。説明を簡略化するために、例えば、図２におけるｘ軸成分を干渉させると、干渉光ＩはＡ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ−２θ））＋Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ＋２θ））となる。
【００２３】光電変換器１８は、前記干渉光の強度｜Ｉ｜2＝Ａ（ｒ）2＋Ｂ（ｒ）2＋２Ａ（ｒ）・Ｂ（ｒ）・ｃｏｓ（（ω２−ω１）・ｔ＋４θ＋（ｋ１−ｋ２）・ｒ）を電気信号に変換するものである。第３項はＳ２波とＰ２波の干渉によるビート信号であり、その位相は４θ＋（ｋ１−ｋ２）・ｒとなり、１／２波長板１５の回転角度θと光路上の位置ｒを変数とする項とからなる。ここで光電変換器１８は光路上の位置が固定されているため、このビート信号の位相は４θ＋（定数）となる。この電気信号を以後Ｄ信号を呼ぶ。
【００２４】次に、図３を用いて電気系の構成を説明する。
【００２５】Ｄ信号増幅器３１は、前期Ｄ信号の交流成分（ビート信号）を増幅するものである。上述のように、このビート信号の位相は４θ＋（定数）である。
【００２６】同様にＢ信号増幅器３２は、前期Ｂ信号のビート信号を増幅するものである。このときビート信号の位相は光路上の位置を変数とする項のみからなる。光電変換器１３も光路上の位置が固定されているため、このビート信号の位相は定数となり、以降で説明するＤ信号の位相に対する比較基準とする。
【００２７】位相比較器３３は、位相検出手段を構成するものであって、前記Ｄ信号とＢ信号のビート信号の位相差Θを検出するものであり、位相差Θは上述のように１／２波長板１５の回転角度θとの間に、Θ＝４θ＋（定数）の関係を持つ。
【００２８】信号処理装置３４は、信号処理手段を構成するものであって、回転角速度ｄθ／ｄｔ＝１／４・ｄΘ／ｄｔの関係を用いて回転角速度を求める。
【００２９】以上詳述したように、位相差Θを検出することにより、回転角度θを高精度で検出することができ、しかも、１／２波長板１５は水晶の結晶板である為に、回転軸の負荷となる慣性モーメントを小さくすることができ回転速度を正確に計測することができる。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本発明の回転速度計は、前記実施例で詳述したような構成及び作用を有する１／４波長板と、１／２波長板と、干渉手段と、光電変換手段と、位相検出手段と、信号処理手段とを備えたことにより、回転軸の負荷となる慣性モーメントが小さく、しかも、正確な微小回転速度変化を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本実施例の光学系の概略構成図である。
【図２】図２は実施例の波長板の光軸等の位置関係の説明図である。
【図３】図３は本実施例の電気的制御構成を示すブロック図である。
【図４】図４は従来例の回転速度計の構成図である。
【符号の説明】
１４ １／４波長板
１５ １／２波長板
１７ 検光子
１８ 光電変換器
３３ 位相比較器
３４ 信号処理装置
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学式の回転速度計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、回転速度計として、従来から広く用いられているロータリエンコーダ式のものが存在する。この構成を図４に基づいて説明すると、ディスクスケール４１は、薄い円盤に放射状に等間隔の多数のスリットを備え、測定対象回転軸に直接取り付けられている。光を放つＬＥＤ４２と、ＬＥＤ４２の光を電気信号に変換するするディテクタ４３は、ディスクスケール４１のスリット部分を両側から挟む形で向かい合わせに設置されている。
【０００３】測定対象回転軸が回転すると、ディスクスケール４１も同じ回転速度で回転し、ディスクスケール４１に設けた各スリットを透過したＬＥＤ４２の発光をディテクタ４３が連続的に検出し、その検出信号は連続した矩形波となる。
【０００４】信号処理装置４４は、前記矩型波の立ち上がりの時間間隔を計測して回転速度（一分間あたりの回転数（ＲＰＭ））を求めるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記のような回転速度計の精度は、ディスクスケール４１に直接依存する。例えば、同じ加工精度でディスクスケール４１の回転半径を大きくすれば、回転速度の精度は上がる。しかし、ディスクスケール４１の半径の拡大に伴って、慣性モーメントは二乗で大きくなり、正確な微小回転速度変化の計測はできない。
【０００６】また、慣性モーメントを減らすには、ディスクスケール４１の回転半径を小さくすることが考えられる。しかし、ディスクスケール４１を小さくすると、ディスクスケール４１のスリット部の加工精度を向上させねばならず、正確な微小回転速度変化を得るのは非常に困難であるという欠点があった。
【０００７】本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、慣性モーメントが小さく、しかも、正確な微小回転速度変化を得ることができる装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するために、本発明の回転速度計は、偏光面が互いに直交し振動数がわずかに異なる２波長の単色光を回転方向の異なる円偏光単色光に変換する１／４波長板と、回転体の回転軸に設置され、かつ回転軸の回転角度に応じて前記２波長の円偏光単色光の位相をシフトさせる１／２波長板と、前記１／２波長板を透過した透過光を干渉させる干渉手段と、その干渉手段を経た干渉光の強度を電気信号に変換する光電変換手段と、前記電気信号に変換された前記干渉光のビート信号の位相変化を検出する位相検出手段と、その位相検出手段が検出した前記ビート信号の位相変化に基づいて前記回転軸の回転速度を算出する信号処理手段とを備えている。
【０００９】
【作用】前記の構成を有する本発明の回転速度計において、１／４波長板は、偏光面が互いに直交し振動数がわずかに異なる２波長の単色光を回転方向の異なる円偏光単色光に変換する。１／２波長板は、回転体の回転軸に設置され、回転軸の回転角度に応じて前記２波長の円偏光単色光の位相をシフトさせる。干渉手段は、前記１／２波長板を透過した透過光を干渉させる。光電変換手段は、前記干渉手段を経た干渉光の強度を電気信号に変換する。位相検出手段は、電気信号に変換された前記干渉光のビート信号の位相変化を検出する。信号処理手段は、前記位相検出手段が検出した前記ビーイ信号の位相変化に基づいて前記回転軸の回転速度を算出する。
【００１０】
【実施例】以下に、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説明する。
【００１１】図１は本発明を具体化した回転速度計の光学系統の構成を概略的に示したものである。
【００１２】レーザ光源１は、振動数がν１の直線偏光レーザ光を発生するものである。アイソレータ２は、前記レーザ光源１への戻り光を遮断するものであり、出力光が図１のｙ軸方向に進行し、偏光面がｙ−ｚ平面と平行になるように設定されている。無偏光ビームスプリッタ３は、アイソレータ２の出力光を２方向に分割するものである。音響光学変調器４は、分割された一方のレーザ光２１の振動数を+80MHzシフトさせるものである。音響光学変調器５は、音響光学変調器４の出力レーザ光の振動数を-79.9MHzシフトさせるものである。従って、２つの音響光学変調器４，５を透過したレーザ光２１は、振動数ν２が+100kHzシフトしていることになる。以後この出力レーザ光をＳ０波と呼ぶ。反射鏡６は、レーザ光の光路を変えるものである。
【００１３】反射鏡７は、無偏光ビームスプリッタ３により分割されたもう一方のレーザ光２２の光路をｙ軸方向に変えるものである。１／２波長板８は、光軸が図１のｘ軸に対してｚ軸方向に４５度の角度に設置され、レーザ光２２の偏光面をｘ−ｙ平面と平行になるように回転させるものである。以後この出力レーザ光をＰ０波と呼ぶ。
【００１４】偏光ビームスプリッタ９は、前記Ｓ０波及びＰ０波を同一光路上に統合するものである。
【００１５】無偏光ビームスプリッタ１０は、前記Ｓ０波及びＰ０波をそれぞれ分割するものである。以後反射鏡１１方向に分岐したレーザ光をＳ１波及びＰ１波と呼び、直進光をＳ２波及びＰ２波と呼ぶ。
【００１６】反射鏡１１は、Ｓ１波及びＰ１波の光路を変えるものである。検光子１２は、前期Ｓ１波及びＰ１波を干渉させるものである。光電変換器１３は、この干渉光の強度を電気信号に変換するものである。この電気信号は以降に説明する位相差検出時の基準となる信号であり、以後Ｂ信号と呼ぶ。
【００１７】１／４波長板１４は、光軸が図１のｘ軸に対してｚ軸方向に４５度の角度に設置され、前記Ｓ２波及びＰ２波を回転方向の異なる円偏光レーザ光に変換するものである。この様子をＳ２波について図２を用いて詳述する。図２は、図１のｘ−ｚ平面を、１／４波長板１４の光軸（以後、高速軸と呼ぶ）をｘ軸に、光軸に直交する軸（以後、低速軸と呼ぶ）をｙ軸に設定した平面座標系（したがって図１に対して４５度傾いている平面座標系）である。ここで直線偏光である入力のＳ２波をベクトルを用いて｛Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））｝と表現する（ただし、Ａ（ｒ）は光路上の位置ｒでのＳ２波の振幅、ｋ２は波長定数、ω２＝２π・ν２は角振動数）。同様にＰ２波は｛Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ））、−Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ））｝と表現する（ただし、Ｂ（ｒ）は光路上の位置ｒでのＰ２波の振幅、ｋ１は波長定数、ω１＝２π・ν１は角振動数）。
【００１８】１／４波長板１４は、透過光の低速軸（図２R>２、ｙ軸）成分を高速軸（図２、ｘ軸）成分に対してπ／２だけ位相を遅らせる性質を持つため、Ｓ２波は｛Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ−π／２））｝＝｛Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、−ｉ・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））｝に変換され円偏光となる（円偏光の条件は、ｘ成分とｙ成分の振幅が等しく、かつｘ成分とｙ成分の比が±ｉである）。同様にＰ２波は｛Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ））、ｉ・Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ））｝に変換され、Ｓ２波と回転方向の異なる円偏光となる。
【００１９】１／２波長板１５は、モータ等の回転体（図示せず）の回転軸に設置され、回転軸の回転角度に応じて前記Ｓ２波及びＰ２波の位相をシフトさせるものである。この様子をＳ２波について図２を用いて詳述する。ただし、図２に示すように１／２波長板１５の高速軸と１／４波長板１４の高速軸とのなす角をθとする。ここで１／２波長板１５の高速軸をｘ軸とし、低速軸をｙ軸とする平面座標系にＳ２波を座標変換（角度θの回転座標変換）すると、｛（ｃｏｓθ−ｉ・ｓｉｎθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、（−ｓｉｎθ−ｉ・ｃｏｓθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））｝となる。
【００２０】また、１／２波長板１５は水晶の結晶板であり、その複屈折性により透過光の低速軸成分を高速軸成分に対してπだけ遅らせる性質を持つため、Ｓ２波の透過光は｛（ｃｏｓθ−ｉ・ｓｉｎθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、（−ｓｉｎθ−ｉ・ｃｏｓθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ−π））｝＝｛（ｃｏｓθ−ｉ・ｓｉｎθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、（ｓｉｎθ＋ｉ・ｃｏｓθ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））｝となる。
【００２１】そして、これを元の平面座標系に座標変換（角度−θの回転座標変換）をして整理をすると、Ｓ２波は｛（ｃｏｓ２θ−ｉ・ｓｉｎ２θ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））、（ｓｉｎ２θ＋ｉ・ｃｏｓ２θ）・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ））｝＝｛Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ−２θ））、ｉ・Ａ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ−２θ））｝となり、偏光方向が反転するとともに、位相が２θ遅れる。同様にＰ２波は｛Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ＋２θ））、−ｉ・Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ＋２θ））｝となり、偏光方向が反転するとともに位相が２θ進む。
【００２２】反射鏡１６は、Ｓ２波及びＰ２波の光路を変えるものである。検光子１７は、干渉手段を構成するものであり、前記Ｓ２波及びＰ２波の同一偏光成分を干渉させるものである。説明を簡略化するために、例えば、図２におけるｘ軸成分を干渉させると、干渉光ＩはＡ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ２・ｒ−ω２・ｔ−２θ））＋Ｂ（ｒ）・ｅｘｐ（ｉ（ｋ１・ｒ−ω１・ｔ＋２θ））となる。
【００２３】光電変換器１８は、前記干渉光の強度｜Ｉ｜2＝Ａ（ｒ）2＋Ｂ（ｒ）2＋２Ａ（ｒ）・Ｂ（ｒ）・ｃｏｓ（（ω２−ω１）・ｔ＋４θ＋（ｋ１−ｋ２）・ｒ）を電気信号に変換するものである。第３項はＳ２波とＰ２波の干渉によるビート信号であり、その位相は４θ＋（ｋ１−ｋ２）・ｒとなり、１／２波長板１５の回転角度θと光路上の位置ｒを変数とする項とからなる。ここで光電変換器１８は光路上の位置が固定されているため、このビート信号の位相は４θ＋（定数）となる。この電気信号を以後Ｄ信号を呼ぶ。
【００２４】次に、図３を用いて電気系の構成を説明する。
【００２５】Ｄ信号増幅器３１は、前期Ｄ信号の交流成分（ビート信号）を増幅するものである。上述のように、このビート信号の位相は４θ＋（定数）である。
【００２６】同様にＢ信号増幅器３２は、前期Ｂ信号のビート信号を増幅するものである。このときビート信号の位相は光路上の位置を変数とする項のみからなる。光電変換器１３も光路上の位置が固定されているため、このビート信号の位相は定数となり、以降で説明するＤ信号の位相に対する比較基準とする。
【００２７】位相比較器３３は、位相検出手段を構成するものであって、前記Ｄ信号とＢ信号のビート信号の位相差Θを検出するものであり、位相差Θは上述のように１／２波長板１５の回転角度θとの間に、Θ＝４θ＋（定数）の関係を持つ。
【００２８】信号処理装置３４は、信号処理手段を構成するものであって、回転角速度ｄθ／ｄｔ＝１／４・ｄΘ／ｄｔの関係を用いて回転角速度を求める。
【００２９】以上詳述したように、位相差Θを検出することにより、回転角度θを高精度で検出することができ、しかも、１／２波長板１５は水晶の結晶板である為に、回転軸の負荷となる慣性モーメントを小さくすることができ回転速度を正確に計測することができる。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本発明の回転速度計は、前記実施例で詳述したような構成及び作用を有する１／４波長板と、１／２波長板と、干渉手段と、光電変換手段と、位相検出手段と、信号処理手段とを備えたことにより、回転軸の負荷となる慣性モーメントが小さく、しかも、正確な微小回転速度変化を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本実施例の光学系の概略構成図である。
【図２】図２は実施例の波長板の光軸等の位置関係の説明図である。
【図３】図３は本実施例の電気的制御構成を示すブロック図である。
【図４】図４は従来例の回転速度計の構成図である。
【符号の説明】
１４ １／４波長板
１５ １／２波長板
１７ 検光子
１８ 光電変換器
３３ 位相比較器
３４ 信号処理装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】 偏光面が互いに直交し振動数がわずかに異なる２波長の単色光を回転方向の異なる円偏光単色光に変換する１／４波長板と、回転体の回転軸に設置され、かつ回転軸の回転角度に応じて前記２波長の円偏光単色光の位相をシフトさせる１／２波長板と、前記１／２波長板を透過した透過光を干渉させる干渉手段と、その干渉手段を経た干渉光の強度を電気信号に変換する光電変換手段と、前記電気信号に変換された前記干渉光のビート信号の位相変化を検出する位相検出手段と、その位相検出手段が検出した前記ビート信号の位相変化に基づいて前記回転軸の回転速度を算出する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする回転速度計。
【請求項１】 偏光面が互いに直交し振動数がわずかに異なる２波長の単色光を回転方向の異なる円偏光単色光に変換する１／４波長板と、回転体の回転軸に設置され、かつ回転軸の回転角度に応じて前記２波長の円偏光単色光の位相をシフトさせる１／２波長板と、前記１／２波長板を透過した透過光を干渉させる干渉手段と、その干渉手段を経た干渉光の強度を電気信号に変換する光電変換手段と、前記電気信号に変換された前記干渉光のビート信号の位相変化を検出する位相検出手段と、その位相検出手段が検出した前記ビート信号の位相変化に基づいて前記回転軸の回転速度を算出する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする回転速度計。
【図１】
【図３】
【図２】
【図４】
【図３】
【図２】
【図４】
【公開番号】特開平７−３５５７７
【公開日】平成７年（１９９５）２月７日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−１８１２０９
【出願日】平成５年（１９９３）７月２２日
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【公開日】平成７年（１９９５）２月７日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）７月２２日
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
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