変位計測方法及び変位計測装置
【課題】光学素子の傾き精度の影響を受けず、構成が簡単かつ小型化が可能であって、回折格子の面方向の位置ずれに対しても影響が小さく、光学分解能の調整が可能な変位計測を行う。
【解決手段】レーザ光源１２からのレーザ光１３を、コリメータレンズ１４によって平行光１５とし、第１の回折格子１６を通過させて半透過半反射ミラー２２まで進行させ、一部を反射させて第１の回折格子１６を通過する第１の戻り光Ｌrev１とする。平行光１５の残りは全反射ミラー２４まで進行して反射され、半透過半反射ミラー２２と第１の回折格子１６を通過する第２の戻り光Ｌrev２となる。第１の回折格子１６による第１，第２の戻り光Ｌrev１，Ｌrev２の所定次数の回折光を、第１の光センサ２８で光量検出し、半透過半反射ミラー２２に対する全反射ミラー２４の軸方向の相対的移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から変位量を得る。
【解決手段】レーザ光源１２からのレーザ光１３を、コリメータレンズ１４によって平行光１５とし、第１の回折格子１６を通過させて半透過半反射ミラー２２まで進行させ、一部を反射させて第１の回折格子１６を通過する第１の戻り光Ｌrev１とする。平行光１５の残りは全反射ミラー２４まで進行して反射され、半透過半反射ミラー２２と第１の回折格子１６を通過する第２の戻り光Ｌrev２となる。第１の回折格子１６による第１，第２の戻り光Ｌrev１，Ｌrev２の所定次数の回折光を、第１の光センサ２８で光量検出し、半透過半反射ミラー２２に対する全反射ミラー２４の軸方向の相対的移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から変位量を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉を利用した変位計測方法及び変位計測装置に関し、更に具体的には、計測範囲の拡大に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護と健康上の観点から、乗用車で移動していた人たちが、電動アシスト付き自転車に注目するようになってきた。特に、電動アシスト付き自転車でも、一度の充電により長い距離を走行でき、エネルギーの回生充電が行われる自転車が重視されるようになってきている。このような背景から、ブレーキ時の回生充電において、制動が掛ってから対応するものが一般的である。しかしながら、制動が掛ってから回生充電に利用するだけでは利用効率が低いため、ブレーキを掛けようとしてブレーキレバーを引き始めた制動前の状態から回生充電に利用することができれば好都合である。そのためには、ブレーキレバーを引き始めた制動前の状態，すなわち、ブレーキワイヤの張力がかかった状態を検知し、前記ブレーキワイヤの張力に比例したわずかな移動量（変位量）を測定する手段が必要となる。
【０００３】
図１６(A)及び(B)には、電動アシスト車両のブレーキレバー操作量とブレーキ力の関係が示されている。上述した電動アシスト付き自転車などでは、ブレーキレバーを握り始めたときに、図１６(A)に示す遊び区間におけるブレーキワイヤの移動量に対応するブレーキレバーの操作量を測定し、次に、ブレーキパッドが車輪の回転を妨げようとして制動をかけ始めた時点（機械ブレーキ動作点Ｐ１）をブレーキワイヤの伸びで感知することが必要である。これは、制動がかかる前後において、回生制動と機械制動との間で制御がスムースに行われないと、搭乗者を含むドライバが急ブレーキをかけたような違和感を覚えたり、ブレーキ力の不足感を感じたりするためである。
【０００４】
特に、電動アシスト自転車などのブレーキでは、ドライバによるワイヤ交換やワイヤテンション調整により遊び区間が調整され、機械ブレーキが発生するまでのブレーキレバー操作量が、図１６(B)に示すように、前記機械ブレーキ動作点Ｐ１からＰ２にずれるといったことが容易に起こりうる。従来は、ブレーキレバーの操作量のみを検出し、予め設定していた機械ブレーキ開始の操作量に達したときに、機械ブレーキ開始と判断していた。このため、上述したユーザによる調整後の機械ブレーキ動作点Ｐ２に対応できず、回生制動と機械制動との間での制御がスムースに行われなくなってしまうという不都合がある。従って、回生充電の効率を最大限に高めるためには、ブレーキワイヤの移動量とブレーキワイヤの伸び量の双方を、同時又は時系列的に測定することによって、機械ブレーキ開始時点を直接検出できる構造であることが望ましい。
【０００５】
上述したブレーキワイヤの移動量や伸び量などの微小の変位を測定する手法として、従来は、光干渉計が用いられている。図１７(A)に示すマイケルソン干渉計２００は、レーザ光源２０２と、レーザ光を平行光に直すコリメータレンズ２０４と、ビームを２分割して一方を固定ミラー２０８に照射し、もう一方を可動ミラー２１０に照射し、２つの反射光を干渉させるスプリッタ２０６と、光センサ２１２により構成されている。マイケルソン干渉計２００では、固定側ユニット２１４に対して、可動ミラー２１０がビーム方向に１波長動くと、検出器上に光の明暗が２回発生する。この光の明暗は、図１７(B)に示すように干渉縞２１６として観察され、１波長以下の変位は、この明暗の傾斜の電圧値を読み取ることで検出できる。また、１波長以上の変位に対しては、この明暗（干渉縞）が何回発生したかを発生することで変位を計測できる。すなわち、ミラーの移動に対して往復で２倍の行路差が発生することから、図１７(C)に示すように、変位(移動距離)＝１波長×明暗数×２により算出できる（なお、どちらの方向に移動したかを検出する手段は別途必要となる）。このような光干渉を利用した技術としては、例えば、下記特許文献１に示す位相差検出器及び位相差検出方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２７１６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、以上のような光干渉計を用いると次のような不都合がある。
(1)計測範囲が光の波長で決められてしまい、光の波長以上の範囲を計測しようとすると、通過した光の波長を数えるようになり、光の波長以下の分解能が得られない。
(2)光学部品の位置精度が非常に厳しく、角度ずれ（０．０１度オーダ），位置ずれ（サブμｍオーダ）により計測ができなくなることがある。従って、温度変化，湿度変化，外部振動，経時といった使用環境により誤検出を防止するための対策が必要となる。
(3)コリメータレンズ，ミラーの組み合わせ，スプリッタが必須であるため、小型化が困難である。
(4)異なる検出感度・検出位置での変位（例えば、上述した電動アシスト自転車のブレーキワイヤの移動量と伸び量など）を、同時ないし時系列的に測定することができない。
【０００８】
本発明は、以上のような点に着目したもので、光学素子の傾き精度の影響を受けず、構成が簡単かつ小型化が可能であって、位置ずれに対しても強く、光学分解能の調整が可能な変位計測方法及び変位計測装置を提供することを、その目的とする。他の目的は、異なる検出感度・検出位置での変位測定を、同時ないし時系列的に行うことができる変位計測方法及び変位計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光源から発射された光をコリメータレンズにより平行光とし、該平行光を、その光軸上に配置された第１の回折格子を通過させ、更に、前記光軸上に前記第１の回折格子に対向して配置された半透過半反射ミラーまで進行させ、前記半透過半反射ミラーにより、前記平行光の一部を反射させて前記第１の回折格子まで戻る第１の戻り光とし、前記平行光の残りを、前記半透過半反射ミラーに対して同一光軸上で相対的に位置変化可能に配置された全反射ミラーまで進行させ、前記第１の戻り光を、前記第１の回折格子により、前記第１の戻り光と同方向に進行する０次光と、該０次光に対して回折角を有する±ｎ次光（ｎは１以上の自然数）とに分けて進行させ、該±ｎ次光のうちの所定次数の回折光を、第１の光センサで受光して光量検出するとともに、前記半透過半反射ミラーを通過し、前記全反射ミラーまで進行した平行光を、該全反射ミラーで反射させて、前記半透過半反射ミラーを通過して前記第１の回折格子まで戻る第２の戻り光とし、前記第１の回折格子に達した第２の戻り光を、前記第１の回折格子により、０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、該±ｎ次光のうち、前記所定次数の回折光を、前記第１の回折格子で受光して光量検出し、前半透過半反射ミラーに対する前記全反射ミラーの相対的な移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第１の変位量を測定する方法及び装置である。
【００１０】
主要な形態の一つは、前記第１の回折格子と前記半透過半反射ミラーの間であって、前記平行光の光軸上に配置された第２の回折格子によって、前記第１の回折格子を通過した平行光を、該平行光と同方向に進行する０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、前記第２の回折格子と前記半透過半反射ミラーとの間に、前記第２の回折格子に対向して同一光軸上で移動可能に配置されており、前記第２の回折格子と同一の格子ピッチを有する第３の回折格子によって、前記第２の回折格子を経由した０次光を、更に、同方向に進行する０次光と±ｎ次光と、に分けて進行させ、前記第２及び第３の回折格子を経由した±ｎ次光のうち、前記第２の回折格子による所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を、第２の光センサで受光して光量検出するとともに、前記第２の回折格子に対する第３の回折格子の移動量に対応する干渉縞もしくはその進行から、前記平行光の軸方向の第２の変位量を測定する方法及び装置である。
【００１１】
本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭にした。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回折格子の傾き精度の影響を受けず、回折格子の面方向の位置ずれに対しても影響が小さく、構成が簡単かつ小型化が可能であり、光学分解能の調整が可能な変位計測方法及び変位計測装置を提供できる。また、１つの光源で、異なる位置での変位検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１の変位計測装置の基本構造を示す概略図である。
【図２】前記実施例１を示す概略図であり、(A)はワイヤ伸び量検出部の基本構造を示す図，(B-1)及び(B-2)は光路４及び光路５を示す図，(C)及び(D)は光路４及び光路５の干渉の様子を示す図である。
【図３】前記ワイヤ伸び量検出部による変位計測の定性的な動作原理を示す説明図である。
【図４】前記ワイヤ伸び量検出部による変位計測の定量的な動作原理を示す説明図である。
【図５】前記実施例１のワイヤ移動量検出部による変位計測の定性的な動作原理を示す説明図である。
【図６】(A)は前記ワイヤ移動量検出部による変位計測の定量的な動作原理を示す図，(B-1)〜(B-3)は光センサで検出される干渉縞のイメージを示す図である。
【図７】本実施例の変位計測装置を適用した電動アシスト自転車の全体構成を示す図である。
【図８】前記電動アシスト自転車のブレーキ機構を示す概略図である。
【図９】前記電動アシスト自転車のブレーキ動作と前記変位計測装置の作用を示す図である。
【図１０】本実施例の変位計測ユニットの具体例を示す図である。
【図１１】(A)は前記具体例のワイヤ伸び量検出部におけるレーザ光源の回路構成を示す図，(B)はワイヤ伸び量検出部における光検出回路の構成を示す図，(C)は前記光検出回路からの出力１の信号波形を示す図，(D)は前記光検出回路からの出力１の処理手順の概略を示すブロック図である。
【図１２】(A)は前記具体例における遊び区間でのワイヤ移動量検出部の光センサ上の暗点カウント挙動を示す図，(B)は機械ブレーキ区間でのワイヤ伸び量検出部の光センサ上の光量挙動を示す図である。
【図１３】(A)はブレーキレバー操作量とワイヤ張力の関係を示す図，(B)はブレーキレバー操作量とブレーキ力の関係を示す図である。
【図１４】本発明の実施例２を示す図であり、(A)は基本構造を示す図，(B)は光検出回路の構成を示す図である。
【図１５】(A)及び(B)は前記実施例２の光検出回路からの出力Ａ及びＢの信号波形を示す図，(C)は前記出力Ａ及びＢの演算結果を示す信号波形である。
【図１６】(A)は電動アシスト車両におけるブレーキレバー操作量とブレーキ力の関係を示す図である。(B)はブレーキレバー操作量とブレーキ力の関係において、ブレーキ動作点が変わった場合の説明図である。
【図１７】背景技術の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
＜基本構造＞・・・最初に、図１，図７，図８を参照しながら、本発明の実施例１の基本構造を説明する。本実施例は、本発明の変位計測を、電動アシスト自転車のブレーキワイヤの伸び量と移動量の計測に適用した例であって、図１は、本実施例の基本構造を示す概略図，図７は、電動アシスト自転車の全体構成を示す図，図８は、前記電動アシスト自転車のブレーキ機構の概略を示す図である。図１に示すように、本実施例の変位計測装置１０は、レーザダイオードなどのレーザ光源１２と、該レーザ光源１２からのレーザ光１３を直進する平行光１５にするコリメータレンズ１４と、前記平行光１５の光軸上に順に配置された第１の回折格子１６，第２の回折格子１８，第３の回折格子２０，半透過半反射ミラー２２，全反射ミラー２４と、光センサ２６，２８により構成されている。このうち、前記全反射ミラー２４以外の構成要素は、例えば、図６に示すように、変位計測ユニット７０として一体に移動可能に構成されている。一方、図７及び図８に示すように、電動アシスト自転車５０は、ハンドル５２と、ブレーキレバー５４，チューブ５８に覆われたブレーキワイヤ５６，ブレーキパッド６０などを含むブレーキ機構と、コントローラ６４，モータ６６，バッテリー６８などを備えている。前記変位計測ユニット７０は、例えば、図７に示すように、電動アシスト自転車５０のブレーキレバー５４の近傍に設けられている。
【００１６】
前記ブレーキ機構は、図８(A)に示すように、ブレーキレバー５４の操作によってブレーキワイヤ５６に張力をかけ、ブレーキパッド６０をリム６２に押し当てる公知の構成となっている。前記ブレーキレバー５４を引き始めた遊び区間では、図８(B)に示すようにブレーキワイヤ５６が移動し、ブレーキパット６０がリム６２に接触して機械ブレーキによる制動がかかっている状態では、図８(C)に示すように、ブレーキワイヤ５６が伸びる。本実施例では、前記変位計測装置１０のレーザ光源１２，コリメータレンズ１４，第２の回折格子１８，第３の回折格子２０，光センサ２６（第２の光センサ）からなるワイヤ伸び量検出部によって、図８(C)に示すブレーキワイヤ５６の伸び量を検出し、該伸び量に対応するブレーキ操作力を計測する。
【００１７】
これと同時に、前記レーザ光源１２，コリメータレンズ１４，第１の回折格子１６，半透過半反射ミラー２２，全反射ミラー２４，光センサ２８（第１の光センサ）からなるワイヤ移動量検出部によって、図８(B)に示すブレーキワイヤ５６の移動量を検出し、ブレーキ操作量を計測することとしている。本実施例では、このように２つの変位量検出部を設けることによって、ブレーキワイヤの伸び量と移動量を一つの光源を利用して同時（ないし時系列的に）計測することにより、図１６に示す機械ブレーキ動作点Ｐ１やＰ２を直接検知し、遊び区間での回生を最大にして、回生充電の効率を高めるものである。
【００１８】
＜ワイヤ伸び量検出部＞・・・先に、上述した２つの変位検出部のうち、前記ワイヤ伸び量検出部について説明する。なお、第１〜第３の回折格子１６〜２０を経由した平行光１５は、実際には、前記平行光１５と同方向に進行する０次光（０次回折光）と、該０次光に対して回折角を有する±ｎ次光（又は±ｎ次回折光と表現し、ｎは１以上の自然数）に分かれて進行するが、ここでは便宜上、第１の回折格子１６，第２の回折格子１８，第３の回折格子２０を経由した後に、前記平行光１５と同方向に進行する０次光をまとめて直進光３０と表現している。
【００１９】
図２(A)は、ワイヤ伸び量検出部の基本構造を示す図，(B-1)及び(B-2)はそれぞれ光路４及び光路５を示す図，(C)及び(D)は光路４及び５の干渉の様子を示す図である。前記ワイヤ伸び量検出部のうち、第２の回折格子１８は、前記第１の回折格子１６を通過した直進光３０を、直進光３０と回折光３２に分けて進行させるものである。前記第３の回折格子２０は、前記第２の回折格子１８と同一の格子ピッチＰを有しており、該第２の回折格子１８と対向し、かつ、前記直進光３０の光軸上で相対移動可能に配設されており、前記第２の回折格子１８を通過した直進光３０を、更に、直進光３０と回折光３４に分けて進行させるものである。前記光センサ２６としては、フォトダイオードなどが利用される。前記回折光３２は、より具体的には、第１の回折格子１６の０次光、かつ、第２の回折格子１８の１次光のうち、第３の回折格子２０を経由した後も同方向に進行する０次光である。更に、前記第１の回折格子１６，第２の回折格子１８を経由した０次光（直進光３０）のうち、第３の回折格子２０を経由した１次光が、前記回折光３４である。なお、本実施例では、１次光を利用することとしたが、他の所定次数の回折光を利用して、以下に説明する変位量の測定を行うようにしてもよい。
【００２０】
第２の回折格子１８と第３の回折格子２０は、同一の所定ピッチ（図１(A)の格子ピッチＰ）で形成された多数の溝１８Ａ，２０Ａを有しており、２枚の回折格子の回折方向が同じになるように設定されている。また、光センサ２６は、第３の回折格子２０により回折する回折光３４を含め、第２の回折格子１８による回折光３２の光軸に沿う回折光のみを受光して、干渉光３６の光量を検出するもので、第２の回折格子１８に対する第３の回折格子２０の相対的な移動量（図２(A)に示す変位量Ｘ）に対応する干渉縞，もしくは、その信号から第２の回折格子１８と第３の回折格子２０間の軸方向の変位量（すなわち、直進する平行光１５の軸方向の変位量）を測定するものである。なお、ここでいう軸方向とは、第２の回折格子１８及び第３の回折格子２０の主面に直交する方向をさすものとする。
【００２１】
図２(B-1)には、光路Ｌ４が第２の回折格子１８で回折される様子が示されており、図２(B-2)には、光路Ｌ５が第３の回折格子２０で回折される様子が示されている。ここで、図２(B-1)に示す光路Ｌ４は、第１の回折格子１６を経由して直進し（０次光）、第２の回折格子１８を経由した回折光（本実施例の場合は１次光）のうち、第３の回折格子２０を経由した後も同じ向きに進む回折光３２のみ（０次光→１次光→０次光）を示している。図２(B-2)に示す光路Ｌ５は、第１の回折格子１６及び第２の回折格子１８を経由した後に直進して（０次光）、第３の回折格子２０に入射した光のうち、前記図２(B-1)に示す回折光３２と同方向に進行する１次回折光３４（０次光→０次光→１次光）のみが示されている。また、図２(C)には、これら光路Ｌ４及びＬ５を重ね合わせた様子が示されている。本発明では、後述するように、第２の回折格子１８に対する第３の回折格子２０の移動前と移動後における干渉光３６の光量測定によって変位量の測定が可能となるが、図１(D)に示すように、光路Ｌ４，Ｌ５が同じ光路を共有し、更に回折格子の透過回折光が回折格子の傾きの影響を受け難い特性を利用しているため、チルト（振動影響）などで第３の回折格子２０が振動したとしても、干渉縞に悪影響を与えることがない。また、上述した背景技術の光学系で最も大きな素子であるスプリッタの削減が可能であるため、装置の小型化及び低コスト化が可能となる。
【００２２】
次に、図３を参照しながら、前記ワイヤ伸び量検出部の動作原理を定性的に説明する。まず、第２の回折格子１８と第３の回折格子２０が、所定の間隔で対向配置されているところに、レーザ光源１２からコリメータレンズ１４を通過して平行光１５となったレーザ光のうち、前記第１の回折格子１６を通過した直進光３０を、第２の回折格子１８に入射させる。入射光は、第２の回折格子１８で回折した光（行路１及び行路３）と直進光（図２(A)の直進光３０）の２つに分かれ、第３の回折格子２０に入射される。前記直進光は、第３の回折格子２０で更に回折され（行路２）、固定側の回折光と可動側の回折光が干渉し、これを光センサ２６で光量検出する。第３の回折格子２０が、図３に実線で示す位置から点線で示す位置まで軸方向に移動すると、行路２の回折光の、回折する光軸上の位置が、位置Ｐ１からＰ２に移動する。移動前は、干渉光１は、行路１と行路２の回折光の干渉で位相差がないが、移動後は、行路２と行路３の回折光の干渉光２となり、図３に示す位相差が発生する。従って、前記移動量に比例した干渉縞が明暗を繰り返し、移動量を検出することができる。
【００２３】
次に、図４を参照しながら、前記ワイヤ伸び量検出部の動作原理を定量的に説明する。図４(A)に示すように、透過型回折格子（図では、第３の回折格子２０）の入射角θと回折角φの関係（入射角θは０度）は、λを波長，Ｐを回折格子ピッチとすると、１次回折光では下記数式１のようになる。
【数１】
【００２４】
一方、図４(B)に示すように、第３の回折格子２０のΔｄの移動に対して、行路２の行路長はΔｄ変化するが、行路３の行路長Δｄ２は、下記の数式２で表わされる通りとなる。
【数２】
ここで、移動前は、可動側の行路２と固定側の行路１は行路差がないとすると、移動後の行路差Δは、下記の数式３で表わされる。
【数３】
【００２５】
ここで、前記定量的動作原理に基づき、具体例を説明する。透過型回折格子の入射角θを０とし、波長λを０．６５μｍ，格子ピッチＰ（ここではＣＤ−Ｒ基板の溝ピッチ）を１．６μｍとすると、前記数式１から、
回折角φ＝ASIN（０．６５／１．６）＝２４．０°
となる。そして、前記ＣＤＲ基板を回折格子に用いたときの回折角φは２４度となることから、移動量Δｄに対する行路２と行路３の行路差Δは、上記数式３から、
Δ＝Δｄ（１／cos（２４°）−１）＝０．０９４
となり、約１１波長の移動で１回の干渉の明暗が発生することとなる。
【００２６】
上述した背景技術の干渉計では、１波長の移動量に対して、干渉の明暗は必ず２回発生するが、本実施例では、干渉縞の発生間隔は回折角φに依存し、該回折角φにより検出範囲の拡大が可能となる。また、回折角φは、格子ピッチＰと波長により決定されるため、干渉縞の発生間隔は、格子ピッチＰに依存すると言い替えることができ、第２の回折格子１８，第３の回折格子２０の格子ピッチＰの微細化により、１波長以下のオーダで変位量の検出が可能となる。このように、検出範囲の拡大により、リニアの部分の検出が可能となり、サブμｍ領域から２０ｍｍ前後までの広範囲の変位検出が可能となる。
【００２７】
下記表１には、一例として、第２及び第３の回折格子１８，２０の格子の本数（本／ｍｍ），格子ピッチＰ（μｍ），回折角φ（度），倍率Ｇ（倍），検出範囲（μｍ）の関係が示されている。第３の回折格子２０がΔｄ移動したときの行路差をΔとすれば、Δは、上述した数式３で示される。倍率Ｇは、Δｄ／Δとなる。Ｇ＝１のときは、検出範囲は光の１波長でＳＩＮ波状となり、Ｇが大きくなると、検出範囲は、波長λ×倍率Ｇとなり、ＳＩＮ波拡大によってリニア検出が可能となる。
【表１】
【００２８】
＜ワイヤ移動量検出部＞・・・次に、図５及び図６を参照しながら、本実施例のワイヤ移動量検出部について説明する。まず、図５を参照して、ワイヤ移動量検出部の構成と定性的な動作原理を説明する。ワイヤ移動量検出部は、前記レーザ光源１２，コリメータレンズ１４，第１の回折格子１６，半透過半反射ミラー２２，全反射ミラー２４，光センサ２８（第１の光センサ）により構成されている。前記第１の回折格子１６は、前記平行光１５の光軸上に配置されており、入射した光を、直進する０次光（０次回折光）と、該０次光に対して回折角を有する±ｎ次光（±ｎ次回折光）に分けて進行させるものである。前記半透過半反射ミラー２２は、前記直進光３０の光軸上に、前記第２及び第３の回折格子１８，２０を間に挟むようにして、前記第１の回折格子１６と対向するように配設されており、前記第１の回折格子１６を通過した直進光（光路Ｌ１）の一部を反射させて、前記第１の回折格子１６まで戻る光路Ｌ２（第１の戻り光Ｌrev１）と、残りの直進する光路Ｌ３に分割するものである。
【００２９】
前記全反射ミラー２４は、前記半透過半反射ミラー２２に対して、同一の光軸上で相対的に位置変化可能に配置されており、前記半透過半反射ミラー２２を通過した直進光３０（光路Ｌ３）を反射させて、前記半透過半反射ミラー２２を通過して前記第１の回折格子１６まで戻る第２の戻り光Ｌrev２とするものである。なお、本実施例では、前記第１の回折格子１６と半透過半反射ミラー２２の間に、上述した第２の回折格子１８及び第３の回折格子２０が配設されているため、図５に示す光路Ｌ１は、第１の回折格子１６，第２の回折格子１８，第３の回折格子２０の０次回折光となる。同様に、前記第１の戻り光Ｌrev１（光路Ｌ２）と第２の戻り光Ｌrev２は、ともに第３の回折格子２０及び第２の回折格子１８の０次回折光、かつ、第１の回折格子１６の１次回折光であり、光センサ２８に照射される。該光センサ２８は、前記第１及び第２の戻り光Ｌrev１，Ｌrev２の回折光を受光して光量検出するもので、半透過半反射ミラー２２に対する全反射ミラー２４の相対的な移動量(図６(A)の変位Ｙ参照)に比例する干渉縞，もしくは、その信号から、半透過半反射ミラー２２と全反射ミラー２４間の変位Ｙを測定することができる。前記光センサ２８としては、フォトダイオードなどが利用される。また、本実施例では、光センサ２８によって、第１の回折格子１６による１次回折光を受光することとしているが、前記ワイヤ伸び量検出部と同様に、他の次数の回折光を受光して変位Ｙを計測してもよい。
【００３０】
次に、図６を参照しながら、前記ワイヤ移動量検出部の動作原理を定量的に説明する。図６(A)は、ワイヤ移動量検出部の動作を示す説明図，図６(B-1)〜(B-3)は、光センサ２８で検出される干渉縞のイメージを示す図である。図６(A)には、本実施例の変位計測装置１０を構成する各部のうち、前記全反射ミラー２４以外の構成要素が、該全反射ミラー２４に対して相対的に移動可能な変位計測ユニット７０として一体化されている様子が示されている。同図６(A)に示すように、半透過半反射ミラー２２に対する全反射ミラー２４の相対的な変位量（ないし、全反射ミラー２４に対する変位計測ユニット７０の変位量）をＹとしたとき、第１の戻り光Ｌrev１と第２の戻り光Ｌrev２の光路差は、２Ｙ増加する。移動前の光センサ２８の明暗状態が「明」（図６(B-1)の枠Ｆ１内参照）であって、レーザ光源１２の発振波長をλとした場合、
Ｙ＝λ／４×（２ｎ＋１）（ｎは任意の整数）
となったときに、光センサ２８上の明暗は「明」から「暗」に変化する（図６(B-3)の枠Ｆ３内参照）。また、「明」から「暗」に変化する途中段階である
０＜Ｙ＜λ／４×（２ｎ＋１）
のとき、光センサ２８上の干渉縞は、明暗の中間状態となる（図６(B-2)の枠Ｆ２内参照）。なお、前記図６(B-1)〜(B-3)において、干渉縞全体を取り込むと、干渉縞は変化しても、光量の変化が微小になり検出感度が低下するため、本実施例では、同図に枠Ｆ１〜Ｆ３で示す一部領域を取り込むことにより、高い検出感度を得ることとしている。
【００３１】
＜具体例＞・・・次に、図９〜図１３も参照しながら、本実施例の具体例を説明する。図９は、前記電動アシスト自転車のブレーキ動作と前記変位計測装置の作用を示す図，図１０は、変位計測ユニットの具体例を示す図である。図１１(A)は、前記具体例におけるレーザ光源の回路構成を示す図，図１１(B)はワイヤ伸び量検出部における光検出回路の構成を示す図，図１１(C)は前記光検出回路からの出力１の信号波形を示す図，(D)は前記光検出回路からの出力１の処理手順の概略を示すブロック図である。図１２(A)は、前記具体例における遊び区間でのワイヤ移動量検出部の光センサ２８上の暗点カウント挙動を示す図，図１２(B)は機械ブレーキ区間でのワイヤ伸び量検出部の光センサ２６上の光量挙動を示す図である。図１３(A)はブレーキレバー操作量とワイヤ張力の関係を示す図，図１３(B)はブレーキレバー操作量とブレーキ力の関係を示す図である。なお、電動アシスト自転車５０及びそのブレーキ機構については、上述した通りである。
【００３２】
前記変位計測ユニット７０は、ブレーキハンドル（自転車ハンドル）５２に固定された筐体１１の中に、ブレーキレバー５４の近傍に、図示しないガイドシャフトなどによってブレーキワイヤ５６に沿って移動可能に設けられている。一方、前記全反射ミラー２４は、前記筐体１１の一方の側面１１Ｂ側に固定されている。前記ブレーキワイヤ５６は、前記筐体１１の側面１１Ａから側面１１Ｂ側の間を貫通している。前記変位計測ユニット７０は、図１０に示すように、透明樹脂成型体７２に、レーザ光源１２，コリメータレンズ１４，第１の回折格子１６〜第３の回折格子２０，半透過半反射ミラー２２，光センサ２６及び２８を収納した構成となっている。前記透明樹脂成型体７２の上部には、側面７２Ａから側面７２Ｂにかけて、ブレーキワイヤ５６が貫通する貫通孔７４が設けられており、前記ブレーキワイヤ５６は、ネジ７６Ａ，７６Ｂにより２箇所で透明樹脂成型体７２に固定されている
【００３３】
また、側面７２Ａ側に設けられた図示しない円形凹状スペースに、レーザ光源１２が嵌め込まれており、該レーザ光源１２は、透明樹脂成型体７２の外部に設けられたレーザ駆動回路７８に接続されている。また、透明樹脂成型体７２を厚み方向に貫通したスペース（ないし切れ込み）８０Ａにはコリメータレンズ１４が配置され、周縁が接着剤などで固定されている。このほか、スペース８０Ｂには、第１の回折格子１６が配置され、スペース８０Ｃには、第２の回折格子１８及び第３の回折格子２０が配置され、それぞれの背面が、透明接着剤などで固定されている。更に、スペース８０Ｄには、半透過半反射ミラー２２が配置され、スペース８０Ｅには、光センサ２６が配置され、スペース８０Ｆには光センサ２８が配置されている。
【００３４】
このほか、前記透明樹脂成型体７２には、光の通路となる図示しないスペースのほか、第２の回折格子１８側の上方に設けられたスリット８６Ａと、第３の回折格子２０側の上方に設けられたスリット８６Ｂが形成されている。前記スリット８６Ａは、前記スペース８０Ｃと連続している。これらスリット８６Ａ，８６Ｂは、第２の回折格子１８と第３の回折格子２０の境目で、透明樹脂成型体７２がブレーキワイヤ５６とともに軸方向に伸縮（図１０の矢印Ｆ１０参照）するようにバネ性を付与するためのものである。また、本実施例では、２つのスリット８６Ａ，８６Ｂを設けることにより、第３の回折格子２０が第２の回折格子１８に対して平行に移動可能となっており、正確な移動量を測定することができる。なお、透明樹脂成型体７２は、厚み方向に撓みはないものとする。前記光センサ２６，２８は、それぞれ、透明樹脂成型体７２の外部に設けられたＩ／Ｖ変換回路８２，８４に接続されている。
【００３５】
前記透明樹脂成型体７２としては、例えば、アクリルやポリカーボネートなどの透明樹脂であって、１５ｍｍ角で、厚さが５ｍｍ程度のものを利用した。また、レーザ光源１２としては、波長６５０ｎｍ，出力５ｍＷのレーザダイオードＬＤを利用し、光軸は射出角の小さい方を回折格子１８，２０の溝１８Ａ及び２０Ａに平行な方向にとった。コリメータレンズ１４は、ＮＡ０．６５，有効径４ｍｍ，幅１．５ｍｍのものを利用し、第１の回折格子１６としては、格子ピッチが０．７２μｍ，格子の溝深さが２１６ｎｍのものを使用した。また、第２の回折格子１８及び第３の回折格子２０としては、格子ピッチＰが１．６μｍ，溝１６Ａ及び１８Ａの深さが１５０ｎｍ，溝幅が０．５μｍのものを利用した。
【００３６】
第２の回折格子１８と第３の回折格子２０の回折方向は同じ方向に設定し、回折格子間の距離は、レーザ光源１２のコヒーレンス長（１ｍｍ程度）以内に設定する。これは、２つの回折格子１８，２０の間の距離を大きくすると、光の干渉性が悪くなり、干渉の明暗が取れなくなるためと、入射する光ビーム径を大きくする必要があるためである。また、半透過半反射ミラー２２としては、透過率５０％，反射率５０％のものを利用し、全反射ミラー２４としては、反射率１００％のものを利用した。受光素子である光センサ２６としては、干渉光３６の一部を取り込み可能なサイズとし、他方の光センサ２８としては、第１の戻り光Ｌrev１と第２の戻り光Ｌrev２の干渉光の一部を取り込めるサイズのものを使用した。
【００３７】
以上のような構成の変位計測ユニット７０では、ブレーキワイヤ５６の伸びを検出するために、第２の回折格子１８と第３の回折格子２０を境目（図１０の点線部分）にして透明樹脂成型体７２を２つの部分に分けたときに、各々の部分をネジ７６Ａ，７６Ｂでブレーキワイヤ５６に固定するとともに、分かれた２つの部分がスリット８６Ａ，８６Ｂの周囲でつながったバネ性を有する構造となっている。このため、ブレーキワイヤ５６が伸びると、図９(C)に示すように２つの回折格子１８，２０が平行な状態を保ったまま、ブレーキワイヤ５６の伸縮に合わせて間隔Ｉが変化するため、伸び量（変位Ｘ）が検出できる。同時に、変位計測ユニット７０自体が、図９(B)に示すように、ブレーキワイヤ５６とともに移動し、図９(A)に示すブレーキレバー操作開始前と比べて全反射ミラー２４と半透過半反射ミラー２２の間隔が変化するため、ブレーキワイヤ５６の移動量（変位Ｙ）が検出できる。
【００３８】
図１１(A)には、前記レーザ光源１２の回路構成が示されている。本例では、レーザ光源１２としてレーザダイオードＬＤを利用しており、該レーザダイオードＬＤは、電流制限抵抗Ｒ１を介して電源に接続されている。一方、図１１(B)には、本例のワイヤ伸び量検出部の光検出回路が示されている。本例では、光センサ２６としてフォトダイオードＰＤを利用している。フォトダイオードＰＤでは、受光した干渉光の光量に応じて電流が発生し、オペアンプＯＰのマイナス入力端子に入力されて電圧に変換され、出力１として出力される。すなわち、オペアンプＯＰがＩ／Ｖ変換回路８２に相当する。なお、図１１(B)に示す回路では、２つの抵抗Ｒ２及びＲ３が設けられている。一方の抵抗Ｒ２は、オペアンプＯＰの出力の動作点（光信号が０の時の出力電圧）を決定し、両端がオペアンプＯＰに接続されている抵抗Ｒ３は、光センサ２６（フォトダイオードＰＤ）の入射光量に対して出力電圧の利得を決定する抵抗であって、抵抗が大きいほど、同じ光量で出力電圧が大きくなる。
【００３９】
図１１(C)には、オペアンプＯＰから出力された出力１の波形が示されている。同図における横軸は、変位Ｘを示し、縦軸は検出電圧を示している。同図に示すように、本例の検出方式では、検出特性は、ｓｉｎ波状となるため、電気信号の強度から変位Ｘを求めることができる。具体的には、図１１(D)に示すように、前記出力１を、増幅回路９０によって増幅し、スライサ９２で２値化スライスを行う。そして、クロックカウンタ９４でクロックカウントを行い、演算装置９６によって所定の演算ファームによってカウント数×光源の波長λの演算を行い、前記変位Ｘを求める。なお、図１１(C)に示す検出特性のｓｉｎ波は、振幅全体を１００％使用することができるが、光センサ２６の原点位置調整のずれによる検出範囲のずれを想定すると、２０％のマージンを設定し、振幅の±８０％程度の範囲を使用するとよい。なお、ワイヤ移動量検出部の光センサ２８の光検出回路，出力波形，演算処理手順も、前記光センサ２６の場合と同様である。
【００４０】
以上のような構成の変位計測ユニット７０では、図８(A)及び図９(A)に示す状態から、ドライバがブレーキレバー５４を引き始めると、図８(B)に示すように、ブレーキワイヤ５６が移動するとともに、図９(B)に示すように前記ブレーキワイヤ５６とともに変位計測ユニット７０が移動して、変位Ｙが生じる。そして、半透過半反射ミラー２２に対する全反射ミラー２４の相対的な変位Ｙから、ブレーキワイヤ５６の移動量，すなわち、該移動量に対応するブレーキレバー５４の操作量をｍｍオーダで計測することができる。また、変位計測ユニット７０は、図９に示す第２の回折格子１８と第３の回折格子２０間の間隔Ｉの変化から、図８(C)に示すブレーキレバー５４の操作によるブレーキワイヤ５６の伸び（変位Ｘ）をμｍオーダで検出し、電動アシスト自転車５０の遊び区間から機械ブレーキ区間への移行を感知する。一方、前記電動アシスト自転車５０のコントローラ６４では、変位計測ユニット７０からの出力に応じた最適な回生ブレーキ力を決定し、最適な回生ブレーキ制御が働くようにモータ６６を制御する。すると、モータ６６が発電機として機能し、発生した電気をバッテリー６８に充電する。また、コントローラ６４は、バッテリー６８の電池性能や状況を検知している。
【００４１】
このような変位計測装置１０を搭載した電動アシスト自転車５０では、ブレーキワイヤ５６の張力による微小変形を検知することが可能になるため、図１３(A)に示す従来ブレーキの遊びの部分で、モータ６６を発電機にしてバッテリー６８に充電を行う回生ブレーキをかけることができる。更に、図１３(B)に示すように、機械ブレーキ時（ブレーキパッドがタイヤに接触する領域）も、回生ブレーキを並列に制御して動作させるため、利用効率を高めることができる。本実施例によれば、ドライバによるブレーキ調整により機械ブレーキ動作点がずれた場合、例えば、図１６(B)のブレーキ動作点Ｐ１からＰ２へのずれなどでも、調整後の機械ブレーキ動作点を直接感知できるため、高い回生効率を常に維持できる。
【００４２】
前記遊び区間から機械ブレーキ区間への移行の感知を具体的に示すと、前記遊び区間では、ワイヤ移動量検出部の光センサ２８上の干渉縞のみが変化し、ワイヤ伸び量検出部の光センサ２６の干渉縞は不変である。図１２(A)には、前記遊び区間における光センサ２８上の暗点カウント挙動が示されている。同図中、横軸は変位計測ユニット７０の移動距離（変位Ｙ）（ｎｍ），縦軸は暗点カウント数である。同図に示すように、光センサ２８上の暗点カウントを行うことで、μｍ，ｍｍオーダでの移動量（変位Ｙ）を感知できる。一方、前記機械ブレーキ区間では、ワイヤ伸び量検出部の光センサ２６上の干渉縞にも変化が発生する。図１３(B)は、横軸がワイヤ伸び量検出部の移動量（変位Ｘ），縦軸が光量であって、機械ブレーキ区間における光センサ２６上の光量変化を示している。同図(B)に示す光量変化から、上述した定量原理に基づいて、機械ブレーキ開始を感知することができる。
【００４３】
このように、実施例１によれば、次のような効果が得られる。
(1)レーザ光源１２からの平行な直進光の光軸上に、第１の回折格子１６，半透過半反射ミラー２２，全反射ミラー２４を順に配置し、そして、前記直進光を、前記第１の回折格子１６を通過させて半透過半反射ミラー２２まで進行させ、全反射ミラー２４まで進行する直進光３０と、第１の回折格子１６まで戻る第１の戻り光Ｌrev１に分割する。全反射ミラー２４まで達した光は、反射されて半透過半反射ミラー２２を通過し、第１の回折格子１６に戻る第２の戻り光Ｌrev２となる。前記第１の戻り光Ｌrev１と第２の戻り光Ｌrev２の第１の回折格子１６による所定次数の回折光を光センサ２８で受光して光量検出することとしたので、半透過半反射ミラー２２と全反射ミラー２４間の相対的な位置変化に対応するブレーキワイヤ５６の移動量（変位量）を検出できる。
(2)前記変位量の検出が、光路共有方式であるため、チルト影響がキャンセルされ、外乱（振動）による誤検出を防止することができる。
(3)スプリッタを利用しないため、部品点数を削減して小型化・低コスト化を図ることができる。また、構成が簡単なため、位置ずれに対しても強い。
(4)計測範囲を１波長以上に広げ、１波長以下の変位から１波長以上の変位までを連続的に計測でき、回折格子のピッチにより光学分解能の調整が可能である。
【００４４】
(5)前記第１の回折格子１６と半透過半反射ミラー２２の間に、同一の格子ピッチＰを有する第２の回折格子１８と第３の回折格子２０を、同一軸上で相対的に移動可能に配置し、前記第２の回折格子１８及び第３の回折格子２０による回折光のうち、前記第２の回折格子１８による所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を、光センサ２６で受光して光量検出する。そして、第２の回折格子１８に対する第３の回折格子２０の移動量（変位Ｘ）に応じた干渉縞もしくはその信号から、軸方向の移動量に対応する変位量を検出し、ブレーキワイヤ５６の伸び量を計測するため、同一光源を利用して、同一光軸上での異なる位置での変位量の計測が同時または時系列的に可能となる。本実施例では、これら２つの変位量の計測結果から、機械ブレーキ開始点を直接感知できるため、回生充電の効率向上を図ることができる。
【実施例２】
【００４５】
次に、図１４及び図１５を参照しながら本発明の実施例２を説明する。なお、上述した実施例１と同一ないし対応する構成要素には同一の符号を用いることとする。本実施例は、上述した実施例におけるワイヤ伸び量検出部の変形例を示す図であり、図１４(A)は、本実施例のワイヤ伸び量検出部の基本構造を示す図，図１４(B)は光検出回路の構成を示す図である。また、図１４(A)及び(B)は、前記光検出回路からの出力Ａ及びＢの信号波形を示す図，(C)は前記出力Ａ及びＢの演算結果を示す信号波形である。本実施例は、第３の回折格子側に段差を設けて、２分割光センサの出力を割り算することで、レーザ光源の光量の変動があっても、検出位置が変化しないようにするとともに、ｓｉｎ状の検出特性を直線状にする例である。
【００４６】
図１４(A)に示すように、変位計測装置１００は、第３の回折格子１０２に位相板１０４を設けて段差を付けるとともに、前記実施例１の光センサ２６の代わりに、２分割光センサ１０６を使用したほかは、上述した実施例１と同様の構成となっている。前記位相板１０４は、例えば３μｍ程度の厚みｄを有し、第３の回折格子１０２と同じ材料によって、段差の加工または成型の金型などによって形成される。レーザ光源１２からコリメータレンズ１４を通過して平行光となった直進光は、第１の回折格子１６を通過し、固定側の第２の回折格子１８によって回折光と直進光に分かれ、更にその直進光は、可動側の第３の回折格子１０２に入射して位相板１０４がない部分の表面で回折される（図１４(A)の太線）とともに、位相板１０４がある部分では、該位相板１０４を通って第３の回折格子１０２の表面でも回折される（図１４(A)の一点鎖線）。前記２分割光センサ１０６は、本実施例では、図１４(B)に示すように２つのフォトダイオードＰＤ１及びＰＤ２からなる２分割フォトダイオードを利用している。
【００４７】
２相シフト法を用いる場合は、行路差Δがλ／４＊（１／ｃｏｓ（φ）−１）異なる２つの干渉縞を作成し、演算により変位に換算する。この場合、段差の深さｄは、ｎを基板の屈曲率とすると、下記数式４で表される。
【数４】
例えば、波長λを０．６５μｍ，基板の屈曲率ｎを１．５８として、前記数式４に代入すると、段差の深さｄは、
ｄ＝λ／（１／ｃｏｓ（φ）−１）／（ｎ−１）／４
＝０．６５／０．０９４／（１．５８−１）＊１／４→２．９８μｍ
と決定される。
【００４８】
以上のようにして厚み（段差の深さｄ）が決定された位相板１０４が設けられた第３の１０２を通過した光は、各々の２分割光センサ１０６に入射される。ここで、図１４(B)に示すように、２分割光センサ１０６の一方のフォトダイオードＰＤ１で受光した干渉光の光量に応じて電流が発生し、オペアンプＯＰ１のマイナス入力端子に入力され、電圧に変換されて出力信号Ａとして出力される。出力信号Ａは、図１５(A)に示すようにｓｉｎ波としてオペアンプＯＰ１から出力される。一方、他方のフォトダイオードＰＤ２で干渉光を受光すると、その光量に応じて電流が発生し、オペアンプＯＰ２のマイナス入力端子に入力され、電圧に変換されて出力信号Ｂとして出力される。出力信号Ｂは、変位Ｘに対して、出力信号Ａと９０度位相がずれたｓｉｎ波，すなわち、図１５(B)に示すようなｃｏｓ波として出力される。なお、図中の抵抗Ｒ４〜７の作用は、上述した実施例１の抵抗Ｒ２及びＲ３と同様である。
【００４９】
前記２つの出力信号ＡとＢを割り算すると、ＴａｎＸとなることから、下記数式５に示すように、２つの信号を割り算した結果のＡＴＡＮ（すなわち、Ｔａｎ−１）の計算をすることで、変位Ｘが求められる。
【数５】
このような演算は、出力信号Ａ及びＢを、図１４(B)に示す演算装置１０８に入力し、ＡＤ変換によるデジタル処理によって行われる。図１５(C)には、その結果が示されている。この場合も、振幅の±８０％を検出範囲とすると好都合であることは、上述した実施例１の検出方式の場合と同様である。このように、実施例２によれば、位相板１０４によって可動側の第３の回折格子１０２に深さｄの段差を設け、干渉光を２分割光センサ１０６で受光することとしたので、位相シフトにより特性をリニア化することができるという効果がある。
【００５０】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。
(1)前記実施例で示した形状，寸法，材質は一例であり、同様の効果を奏するものであれば、必要に応じて適宜変更してよい。例えば、前記実施例１の変位計測ユニット７０では、第２の回折格子１８側に設けたスリット８６Ａと、第３の回折格子２０側に設けたスリット８６Ｂにより、透明樹脂成型体７２にバネ性を付与することとしたが、これも一例であり、２つ回折格子１８，２０の中間部付近に図示しないスリットを設けてバネ性を付与するなど、同様の効果を奏する範囲内で、適宜設計変更可能である。
(2)前記実施例１では、０次回折光と１次回折光を利用して変位測定を行うこととしたが、これも一例であり、１次回折光以外の任意の次数の回折光（例えば、２次光など）を利用してもよい。
【００５１】
(3)上述した実施例では、光源としてレーザ光源１２を用いることとしたが、これも一例であり、安価なＬＥＤ（低コヒーレンス）光源を利用してもよい。このとき、半導体レーザ（可干渉距離１ｍｍ）以外の低コストの光源，例えば、可干渉距離が概略１０μｍ以下であるＬＥＤを利用する場合は、図４(A)及び(B)に示す回折角φを小さくすることで対応可能となる。図４(B)に示す行路差は、上述した数式３で示す通りであるから、例えば、検出範囲３．６ｍｍのセンサを構成する場合には、Δｄ＝３．６ｍｍ，回折角φ＝０．７６°の条件とすると、光路差Δ＝０．３６μｍとなる。すなわち、干渉する２つの行路差が、可干渉距離（空間的コヒーレンス長）の１０μｍよりも小さくなるため、測定限界内に入り、測定が可能となる。なお、前記回折角φは、上述したように、格子ピッチＰの変更によって任意に対応可能である。
【００５２】
(4)前記実施例１では、応用例として電動アシスト自転車５０のブレーキワイヤの伸び（張力）による変位量を測定することで、ブレーキ力を検出することとしたが、ブレーキワイヤ５６を支えているチューブ５８の間に変位計測ユニット７０を挟み、変位計測ユニット７０へのブレーキワイヤ５６の長さ方向の応力からブレーキ力を検出してもよい。
(5)前記実施例１では、第１の回折格子１６，半透過半反射ミラー２２，全反射ミラー２４，光センサ２８からなる第１の変位量検出部（ワイヤ移動量検出部）と、第２の回折格子１８，第３の回折格子２０，光センサ２６からなる第２の変位検出部（ワイヤ伸び量検出部）の双方を設けることとしたが、これは一例であり、第２の変位検出部は、必要に応じて設けるようにすればよい。
【００５３】
(6)上述した実施例１では、電動アシスト自転車５０で回生ブレーキを効率良くかけるためにブレーキワイヤ５６の伸び量と移動量の双方を検出する装置を具体例として挙げたが、これは一例であり、本発明は、機械系の歪測定などのように、微小変位の計測全般や、微小長さの計測器の校正などに適用可能である。例えば、カメラのズームやフォーカス機能は、現状では、メカＳＷアレーで位置検出を行っているが、本発明を適用することにより、位置検出装置の小型化とフレキレスの要求に応えることが可能となる。また、検出範囲の拡大により、波長以上の移動に対してリニアな検出が可能となることから、光マイクロホンなどへの応用も可能である。更に、微小振動などの検出も可能であり、振動センサなどへの応用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明によれば、光源から発射されコリメータレンズを経由した平行光を、その光軸上に配置された第１の回折格子を通過させて、更に、前記光軸上に配置された半透過半反射ミラーまで進行させ、前記平行光の一部を反射させて前記第１の回折格子まで戻る第１の戻り光とし、残りの平行光を、前記半透過半反射ミラーに対して前記光軸上で移動可能に配置された全反射ミラーまで進行させて反射させ、前記半透過半反射ミラーを通過して前記第１の回折格子まで戻る第２の戻り光とする。そして、前記第１及び第２の戻り光が、前記第１の回折格子によって０次光と±ｎ次光に分けられたときの所定次数の回折光を、第１の光センサで受光して光量検出する。そして、前記半透過半反射ミラーに対する前記全反射ミラーの相対的な移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光軸方向の第１の変位量をサブμｍから２０ｍｍ前後までの広範囲で測定可能としたので、微小変位を測定するための変位計測装置の用途に適用できる。特に、温度や環境の補正なしに正確に計測できるため、機械系の歪やねじれなどを測定したり、電動アシスト自転車のブレーキワイヤの移動量（や伸び量）を検出したりする用途に好適である。
【００５５】
また必要に応じて、前記第１の回折格子と前記半透過半反射ミラーとの間であって、前記平行光の光軸上に、前記第１の回折格子を通過した平行光を、該平行光と同方向に進行する０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、更に、前記第２の回折格子と前記半透過半反射ミラーとの間に、前記第２の回折格子に対向して前記平行光の光軸上で移動可能に配置されており、前記第２の回折格子と同一の格子ピッチを有する第３の回折格子によって、前記第２の回折格子を経由した０次光を、更に同方向に直進する０次光と、±ｎ次光とに分けて進行させる。そして、前記第２及び第３の回折格子を経由した回折光のうち、前記第２の回折格子による所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を、第２の光センサで受光する。そして、第２の回折格子に対する第３の回折格子の移動量に比例する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第２の変位量を測定することで、１つの光源で、前記第１及び第２の回折格子間とは異なる位置・異なる検出感度での変位測定が、同時または時系列的に可能となる。このため、変位測定の検出対象が複数ある場合（例えば、電動アシスト自転車のブレーキワイヤの伸び量と移動量など）のセンサとして好適である。
【符号の説明】
【００５６】
１０：変位計測装置
１１：筐体
１１Ａ，１１Ｂ：側面
１２：レーザ光源
１３：レーザ光
１４：コリメータレンズ
１５：平行光
１６：第１の回折格子
１８：第２の回折格子
１８Ａ，１８Ｂ：溝
２０：第３の回折格子
２２：半透過半反射ミラー
２４：全反射ミラー
２６，２８：光センサ
３０：直進光
３２，３４：回折光
３６：干渉光
５０：電動アシスト自転車
５２：ハンドル
５４：ブレーキレバー
５６：ブレーキワイヤ
５８：チューブ
６０：ブレーキパッド
６２：リム
６４：コントローラ
６６：モータ
６８：バッテリー
７０：変位計測ユニット
７２：透明樹脂成型体
７２Ａ，７２Ｂ：側面
７４：貫通孔
７６Ａ，７６Ｂ：ネジ
７８：レーザ駆動回路
８０Ａ〜８０Ｆ：スペース
８０Ｆ：通路
８２：Ｉ／Ｖ変換回路
８４：ネジ
８６Ａ，８６Ｂ：スリット
９０：増幅回路
９２：スライサ
９４：クロックカウンタ
９６：演算装置
１００：変位計測装置
１０２：第３の回折格子
１０４：位相板
１０６：２分割光センサ
１０８：演算装置
２００：マイケルソン干渉計
２０２：レーザ光源
２０４：コリメータレンズ
２０６：スプリッタ
２０８：固定ミラー
２１０：可動ミラー
２１２：光センサ
２１４：固定側ユニット
２１６：干渉縞
Ｆ１〜Ｆ３：枠
Ｌ１〜Ｌ５：光路
Ｌrev１，Ｌrev２：戻り光
ＬＤ：レーザダイオード
ＯＰ，ＯＰ１，ＯＰ２：オペアンプ
ＰＤ，ＰＤ１，ＰＤ２：フォトダイオード
Ｒ１：電流制限抵抗
Ｒ２〜Ｒ７：抵抗
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉を利用した変位計測方法及び変位計測装置に関し、更に具体的には、計測範囲の拡大に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護と健康上の観点から、乗用車で移動していた人たちが、電動アシスト付き自転車に注目するようになってきた。特に、電動アシスト付き自転車でも、一度の充電により長い距離を走行でき、エネルギーの回生充電が行われる自転車が重視されるようになってきている。このような背景から、ブレーキ時の回生充電において、制動が掛ってから対応するものが一般的である。しかしながら、制動が掛ってから回生充電に利用するだけでは利用効率が低いため、ブレーキを掛けようとしてブレーキレバーを引き始めた制動前の状態から回生充電に利用することができれば好都合である。そのためには、ブレーキレバーを引き始めた制動前の状態，すなわち、ブレーキワイヤの張力がかかった状態を検知し、前記ブレーキワイヤの張力に比例したわずかな移動量（変位量）を測定する手段が必要となる。
【０００３】
図１６(A)及び(B)には、電動アシスト車両のブレーキレバー操作量とブレーキ力の関係が示されている。上述した電動アシスト付き自転車などでは、ブレーキレバーを握り始めたときに、図１６(A)に示す遊び区間におけるブレーキワイヤの移動量に対応するブレーキレバーの操作量を測定し、次に、ブレーキパッドが車輪の回転を妨げようとして制動をかけ始めた時点（機械ブレーキ動作点Ｐ１）をブレーキワイヤの伸びで感知することが必要である。これは、制動がかかる前後において、回生制動と機械制動との間で制御がスムースに行われないと、搭乗者を含むドライバが急ブレーキをかけたような違和感を覚えたり、ブレーキ力の不足感を感じたりするためである。
【０００４】
特に、電動アシスト自転車などのブレーキでは、ドライバによるワイヤ交換やワイヤテンション調整により遊び区間が調整され、機械ブレーキが発生するまでのブレーキレバー操作量が、図１６(B)に示すように、前記機械ブレーキ動作点Ｐ１からＰ２にずれるといったことが容易に起こりうる。従来は、ブレーキレバーの操作量のみを検出し、予め設定していた機械ブレーキ開始の操作量に達したときに、機械ブレーキ開始と判断していた。このため、上述したユーザによる調整後の機械ブレーキ動作点Ｐ２に対応できず、回生制動と機械制動との間での制御がスムースに行われなくなってしまうという不都合がある。従って、回生充電の効率を最大限に高めるためには、ブレーキワイヤの移動量とブレーキワイヤの伸び量の双方を、同時又は時系列的に測定することによって、機械ブレーキ開始時点を直接検出できる構造であることが望ましい。
【０００５】
上述したブレーキワイヤの移動量や伸び量などの微小の変位を測定する手法として、従来は、光干渉計が用いられている。図１７(A)に示すマイケルソン干渉計２００は、レーザ光源２０２と、レーザ光を平行光に直すコリメータレンズ２０４と、ビームを２分割して一方を固定ミラー２０８に照射し、もう一方を可動ミラー２１０に照射し、２つの反射光を干渉させるスプリッタ２０６と、光センサ２１２により構成されている。マイケルソン干渉計２００では、固定側ユニット２１４に対して、可動ミラー２１０がビーム方向に１波長動くと、検出器上に光の明暗が２回発生する。この光の明暗は、図１７(B)に示すように干渉縞２１６として観察され、１波長以下の変位は、この明暗の傾斜の電圧値を読み取ることで検出できる。また、１波長以上の変位に対しては、この明暗（干渉縞）が何回発生したかを発生することで変位を計測できる。すなわち、ミラーの移動に対して往復で２倍の行路差が発生することから、図１７(C)に示すように、変位(移動距離)＝１波長×明暗数×２により算出できる（なお、どちらの方向に移動したかを検出する手段は別途必要となる）。このような光干渉を利用した技術としては、例えば、下記特許文献１に示す位相差検出器及び位相差検出方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２７１６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、以上のような光干渉計を用いると次のような不都合がある。
(1)計測範囲が光の波長で決められてしまい、光の波長以上の範囲を計測しようとすると、通過した光の波長を数えるようになり、光の波長以下の分解能が得られない。
(2)光学部品の位置精度が非常に厳しく、角度ずれ（０．０１度オーダ），位置ずれ（サブμｍオーダ）により計測ができなくなることがある。従って、温度変化，湿度変化，外部振動，経時といった使用環境により誤検出を防止するための対策が必要となる。
(3)コリメータレンズ，ミラーの組み合わせ，スプリッタが必須であるため、小型化が困難である。
(4)異なる検出感度・検出位置での変位（例えば、上述した電動アシスト自転車のブレーキワイヤの移動量と伸び量など）を、同時ないし時系列的に測定することができない。
【０００８】
本発明は、以上のような点に着目したもので、光学素子の傾き精度の影響を受けず、構成が簡単かつ小型化が可能であって、位置ずれに対しても強く、光学分解能の調整が可能な変位計測方法及び変位計測装置を提供することを、その目的とする。他の目的は、異なる検出感度・検出位置での変位測定を、同時ないし時系列的に行うことができる変位計測方法及び変位計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、光源から発射された光をコリメータレンズにより平行光とし、該平行光を、その光軸上に配置された第１の回折格子を通過させ、更に、前記光軸上に前記第１の回折格子に対向して配置された半透過半反射ミラーまで進行させ、前記半透過半反射ミラーにより、前記平行光の一部を反射させて前記第１の回折格子まで戻る第１の戻り光とし、前記平行光の残りを、前記半透過半反射ミラーに対して同一光軸上で相対的に位置変化可能に配置された全反射ミラーまで進行させ、前記第１の戻り光を、前記第１の回折格子により、前記第１の戻り光と同方向に進行する０次光と、該０次光に対して回折角を有する±ｎ次光（ｎは１以上の自然数）とに分けて進行させ、該±ｎ次光のうちの所定次数の回折光を、第１の光センサで受光して光量検出するとともに、前記半透過半反射ミラーを通過し、前記全反射ミラーまで進行した平行光を、該全反射ミラーで反射させて、前記半透過半反射ミラーを通過して前記第１の回折格子まで戻る第２の戻り光とし、前記第１の回折格子に達した第２の戻り光を、前記第１の回折格子により、０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、該±ｎ次光のうち、前記所定次数の回折光を、前記第１の回折格子で受光して光量検出し、前半透過半反射ミラーに対する前記全反射ミラーの相対的な移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第１の変位量を測定する方法及び装置である。
【００１０】
主要な形態の一つは、前記第１の回折格子と前記半透過半反射ミラーの間であって、前記平行光の光軸上に配置された第２の回折格子によって、前記第１の回折格子を通過した平行光を、該平行光と同方向に進行する０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、前記第２の回折格子と前記半透過半反射ミラーとの間に、前記第２の回折格子に対向して同一光軸上で移動可能に配置されており、前記第２の回折格子と同一の格子ピッチを有する第３の回折格子によって、前記第２の回折格子を経由した０次光を、更に、同方向に進行する０次光と±ｎ次光と、に分けて進行させ、前記第２及び第３の回折格子を経由した±ｎ次光のうち、前記第２の回折格子による所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を、第２の光センサで受光して光量検出するとともに、前記第２の回折格子に対する第３の回折格子の移動量に対応する干渉縞もしくはその進行から、前記平行光の軸方向の第２の変位量を測定する方法及び装置である。
【００１１】
本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭にした。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回折格子の傾き精度の影響を受けず、回折格子の面方向の位置ずれに対しても影響が小さく、構成が簡単かつ小型化が可能であり、光学分解能の調整が可能な変位計測方法及び変位計測装置を提供できる。また、１つの光源で、異なる位置での変位検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１の変位計測装置の基本構造を示す概略図である。
【図２】前記実施例１を示す概略図であり、(A)はワイヤ伸び量検出部の基本構造を示す図，(B-1)及び(B-2)は光路４及び光路５を示す図，(C)及び(D)は光路４及び光路５の干渉の様子を示す図である。
【図３】前記ワイヤ伸び量検出部による変位計測の定性的な動作原理を示す説明図である。
【図４】前記ワイヤ伸び量検出部による変位計測の定量的な動作原理を示す説明図である。
【図５】前記実施例１のワイヤ移動量検出部による変位計測の定性的な動作原理を示す説明図である。
【図６】(A)は前記ワイヤ移動量検出部による変位計測の定量的な動作原理を示す図，(B-1)〜(B-3)は光センサで検出される干渉縞のイメージを示す図である。
【図７】本実施例の変位計測装置を適用した電動アシスト自転車の全体構成を示す図である。
【図８】前記電動アシスト自転車のブレーキ機構を示す概略図である。
【図９】前記電動アシスト自転車のブレーキ動作と前記変位計測装置の作用を示す図である。
【図１０】本実施例の変位計測ユニットの具体例を示す図である。
【図１１】(A)は前記具体例のワイヤ伸び量検出部におけるレーザ光源の回路構成を示す図，(B)はワイヤ伸び量検出部における光検出回路の構成を示す図，(C)は前記光検出回路からの出力１の信号波形を示す図，(D)は前記光検出回路からの出力１の処理手順の概略を示すブロック図である。
【図１２】(A)は前記具体例における遊び区間でのワイヤ移動量検出部の光センサ上の暗点カウント挙動を示す図，(B)は機械ブレーキ区間でのワイヤ伸び量検出部の光センサ上の光量挙動を示す図である。
【図１３】(A)はブレーキレバー操作量とワイヤ張力の関係を示す図，(B)はブレーキレバー操作量とブレーキ力の関係を示す図である。
【図１４】本発明の実施例２を示す図であり、(A)は基本構造を示す図，(B)は光検出回路の構成を示す図である。
【図１５】(A)及び(B)は前記実施例２の光検出回路からの出力Ａ及びＢの信号波形を示す図，(C)は前記出力Ａ及びＢの演算結果を示す信号波形である。
【図１６】(A)は電動アシスト車両におけるブレーキレバー操作量とブレーキ力の関係を示す図である。(B)はブレーキレバー操作量とブレーキ力の関係において、ブレーキ動作点が変わった場合の説明図である。
【図１７】背景技術の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
＜基本構造＞・・・最初に、図１，図７，図８を参照しながら、本発明の実施例１の基本構造を説明する。本実施例は、本発明の変位計測を、電動アシスト自転車のブレーキワイヤの伸び量と移動量の計測に適用した例であって、図１は、本実施例の基本構造を示す概略図，図７は、電動アシスト自転車の全体構成を示す図，図８は、前記電動アシスト自転車のブレーキ機構の概略を示す図である。図１に示すように、本実施例の変位計測装置１０は、レーザダイオードなどのレーザ光源１２と、該レーザ光源１２からのレーザ光１３を直進する平行光１５にするコリメータレンズ１４と、前記平行光１５の光軸上に順に配置された第１の回折格子１６，第２の回折格子１８，第３の回折格子２０，半透過半反射ミラー２２，全反射ミラー２４と、光センサ２６，２８により構成されている。このうち、前記全反射ミラー２４以外の構成要素は、例えば、図６に示すように、変位計測ユニット７０として一体に移動可能に構成されている。一方、図７及び図８に示すように、電動アシスト自転車５０は、ハンドル５２と、ブレーキレバー５４，チューブ５８に覆われたブレーキワイヤ５６，ブレーキパッド６０などを含むブレーキ機構と、コントローラ６４，モータ６６，バッテリー６８などを備えている。前記変位計測ユニット７０は、例えば、図７に示すように、電動アシスト自転車５０のブレーキレバー５４の近傍に設けられている。
【００１６】
前記ブレーキ機構は、図８(A)に示すように、ブレーキレバー５４の操作によってブレーキワイヤ５６に張力をかけ、ブレーキパッド６０をリム６２に押し当てる公知の構成となっている。前記ブレーキレバー５４を引き始めた遊び区間では、図８(B)に示すようにブレーキワイヤ５６が移動し、ブレーキパット６０がリム６２に接触して機械ブレーキによる制動がかかっている状態では、図８(C)に示すように、ブレーキワイヤ５６が伸びる。本実施例では、前記変位計測装置１０のレーザ光源１２，コリメータレンズ１４，第２の回折格子１８，第３の回折格子２０，光センサ２６（第２の光センサ）からなるワイヤ伸び量検出部によって、図８(C)に示すブレーキワイヤ５６の伸び量を検出し、該伸び量に対応するブレーキ操作力を計測する。
【００１７】
これと同時に、前記レーザ光源１２，コリメータレンズ１４，第１の回折格子１６，半透過半反射ミラー２２，全反射ミラー２４，光センサ２８（第１の光センサ）からなるワイヤ移動量検出部によって、図８(B)に示すブレーキワイヤ５６の移動量を検出し、ブレーキ操作量を計測することとしている。本実施例では、このように２つの変位量検出部を設けることによって、ブレーキワイヤの伸び量と移動量を一つの光源を利用して同時（ないし時系列的に）計測することにより、図１６に示す機械ブレーキ動作点Ｐ１やＰ２を直接検知し、遊び区間での回生を最大にして、回生充電の効率を高めるものである。
【００１８】
＜ワイヤ伸び量検出部＞・・・先に、上述した２つの変位検出部のうち、前記ワイヤ伸び量検出部について説明する。なお、第１〜第３の回折格子１６〜２０を経由した平行光１５は、実際には、前記平行光１５と同方向に進行する０次光（０次回折光）と、該０次光に対して回折角を有する±ｎ次光（又は±ｎ次回折光と表現し、ｎは１以上の自然数）に分かれて進行するが、ここでは便宜上、第１の回折格子１６，第２の回折格子１８，第３の回折格子２０を経由した後に、前記平行光１５と同方向に進行する０次光をまとめて直進光３０と表現している。
【００１９】
図２(A)は、ワイヤ伸び量検出部の基本構造を示す図，(B-1)及び(B-2)はそれぞれ光路４及び光路５を示す図，(C)及び(D)は光路４及び５の干渉の様子を示す図である。前記ワイヤ伸び量検出部のうち、第２の回折格子１８は、前記第１の回折格子１６を通過した直進光３０を、直進光３０と回折光３２に分けて進行させるものである。前記第３の回折格子２０は、前記第２の回折格子１８と同一の格子ピッチＰを有しており、該第２の回折格子１８と対向し、かつ、前記直進光３０の光軸上で相対移動可能に配設されており、前記第２の回折格子１８を通過した直進光３０を、更に、直進光３０と回折光３４に分けて進行させるものである。前記光センサ２６としては、フォトダイオードなどが利用される。前記回折光３２は、より具体的には、第１の回折格子１６の０次光、かつ、第２の回折格子１８の１次光のうち、第３の回折格子２０を経由した後も同方向に進行する０次光である。更に、前記第１の回折格子１６，第２の回折格子１８を経由した０次光（直進光３０）のうち、第３の回折格子２０を経由した１次光が、前記回折光３４である。なお、本実施例では、１次光を利用することとしたが、他の所定次数の回折光を利用して、以下に説明する変位量の測定を行うようにしてもよい。
【００２０】
第２の回折格子１８と第３の回折格子２０は、同一の所定ピッチ（図１(A)の格子ピッチＰ）で形成された多数の溝１８Ａ，２０Ａを有しており、２枚の回折格子の回折方向が同じになるように設定されている。また、光センサ２６は、第３の回折格子２０により回折する回折光３４を含め、第２の回折格子１８による回折光３２の光軸に沿う回折光のみを受光して、干渉光３６の光量を検出するもので、第２の回折格子１８に対する第３の回折格子２０の相対的な移動量（図２(A)に示す変位量Ｘ）に対応する干渉縞，もしくは、その信号から第２の回折格子１８と第３の回折格子２０間の軸方向の変位量（すなわち、直進する平行光１５の軸方向の変位量）を測定するものである。なお、ここでいう軸方向とは、第２の回折格子１８及び第３の回折格子２０の主面に直交する方向をさすものとする。
【００２１】
図２(B-1)には、光路Ｌ４が第２の回折格子１８で回折される様子が示されており、図２(B-2)には、光路Ｌ５が第３の回折格子２０で回折される様子が示されている。ここで、図２(B-1)に示す光路Ｌ４は、第１の回折格子１６を経由して直進し（０次光）、第２の回折格子１８を経由した回折光（本実施例の場合は１次光）のうち、第３の回折格子２０を経由した後も同じ向きに進む回折光３２のみ（０次光→１次光→０次光）を示している。図２(B-2)に示す光路Ｌ５は、第１の回折格子１６及び第２の回折格子１８を経由した後に直進して（０次光）、第３の回折格子２０に入射した光のうち、前記図２(B-1)に示す回折光３２と同方向に進行する１次回折光３４（０次光→０次光→１次光）のみが示されている。また、図２(C)には、これら光路Ｌ４及びＬ５を重ね合わせた様子が示されている。本発明では、後述するように、第２の回折格子１８に対する第３の回折格子２０の移動前と移動後における干渉光３６の光量測定によって変位量の測定が可能となるが、図１(D)に示すように、光路Ｌ４，Ｌ５が同じ光路を共有し、更に回折格子の透過回折光が回折格子の傾きの影響を受け難い特性を利用しているため、チルト（振動影響）などで第３の回折格子２０が振動したとしても、干渉縞に悪影響を与えることがない。また、上述した背景技術の光学系で最も大きな素子であるスプリッタの削減が可能であるため、装置の小型化及び低コスト化が可能となる。
【００２２】
次に、図３を参照しながら、前記ワイヤ伸び量検出部の動作原理を定性的に説明する。まず、第２の回折格子１８と第３の回折格子２０が、所定の間隔で対向配置されているところに、レーザ光源１２からコリメータレンズ１４を通過して平行光１５となったレーザ光のうち、前記第１の回折格子１６を通過した直進光３０を、第２の回折格子１８に入射させる。入射光は、第２の回折格子１８で回折した光（行路１及び行路３）と直進光（図２(A)の直進光３０）の２つに分かれ、第３の回折格子２０に入射される。前記直進光は、第３の回折格子２０で更に回折され（行路２）、固定側の回折光と可動側の回折光が干渉し、これを光センサ２６で光量検出する。第３の回折格子２０が、図３に実線で示す位置から点線で示す位置まで軸方向に移動すると、行路２の回折光の、回折する光軸上の位置が、位置Ｐ１からＰ２に移動する。移動前は、干渉光１は、行路１と行路２の回折光の干渉で位相差がないが、移動後は、行路２と行路３の回折光の干渉光２となり、図３に示す位相差が発生する。従って、前記移動量に比例した干渉縞が明暗を繰り返し、移動量を検出することができる。
【００２３】
次に、図４を参照しながら、前記ワイヤ伸び量検出部の動作原理を定量的に説明する。図４(A)に示すように、透過型回折格子（図では、第３の回折格子２０）の入射角θと回折角φの関係（入射角θは０度）は、λを波長，Ｐを回折格子ピッチとすると、１次回折光では下記数式１のようになる。
【数１】
【００２４】
一方、図４(B)に示すように、第３の回折格子２０のΔｄの移動に対して、行路２の行路長はΔｄ変化するが、行路３の行路長Δｄ２は、下記の数式２で表わされる通りとなる。
【数２】
ここで、移動前は、可動側の行路２と固定側の行路１は行路差がないとすると、移動後の行路差Δは、下記の数式３で表わされる。
【数３】
【００２５】
ここで、前記定量的動作原理に基づき、具体例を説明する。透過型回折格子の入射角θを０とし、波長λを０．６５μｍ，格子ピッチＰ（ここではＣＤ−Ｒ基板の溝ピッチ）を１．６μｍとすると、前記数式１から、
回折角φ＝ASIN（０．６５／１．６）＝２４．０°
となる。そして、前記ＣＤＲ基板を回折格子に用いたときの回折角φは２４度となることから、移動量Δｄに対する行路２と行路３の行路差Δは、上記数式３から、
Δ＝Δｄ（１／cos（２４°）−１）＝０．０９４
となり、約１１波長の移動で１回の干渉の明暗が発生することとなる。
【００２６】
上述した背景技術の干渉計では、１波長の移動量に対して、干渉の明暗は必ず２回発生するが、本実施例では、干渉縞の発生間隔は回折角φに依存し、該回折角φにより検出範囲の拡大が可能となる。また、回折角φは、格子ピッチＰと波長により決定されるため、干渉縞の発生間隔は、格子ピッチＰに依存すると言い替えることができ、第２の回折格子１８，第３の回折格子２０の格子ピッチＰの微細化により、１波長以下のオーダで変位量の検出が可能となる。このように、検出範囲の拡大により、リニアの部分の検出が可能となり、サブμｍ領域から２０ｍｍ前後までの広範囲の変位検出が可能となる。
【００２７】
下記表１には、一例として、第２及び第３の回折格子１８，２０の格子の本数（本／ｍｍ），格子ピッチＰ（μｍ），回折角φ（度），倍率Ｇ（倍），検出範囲（μｍ）の関係が示されている。第３の回折格子２０がΔｄ移動したときの行路差をΔとすれば、Δは、上述した数式３で示される。倍率Ｇは、Δｄ／Δとなる。Ｇ＝１のときは、検出範囲は光の１波長でＳＩＮ波状となり、Ｇが大きくなると、検出範囲は、波長λ×倍率Ｇとなり、ＳＩＮ波拡大によってリニア検出が可能となる。
【表１】
【００２８】
＜ワイヤ移動量検出部＞・・・次に、図５及び図６を参照しながら、本実施例のワイヤ移動量検出部について説明する。まず、図５を参照して、ワイヤ移動量検出部の構成と定性的な動作原理を説明する。ワイヤ移動量検出部は、前記レーザ光源１２，コリメータレンズ１４，第１の回折格子１６，半透過半反射ミラー２２，全反射ミラー２４，光センサ２８（第１の光センサ）により構成されている。前記第１の回折格子１６は、前記平行光１５の光軸上に配置されており、入射した光を、直進する０次光（０次回折光）と、該０次光に対して回折角を有する±ｎ次光（±ｎ次回折光）に分けて進行させるものである。前記半透過半反射ミラー２２は、前記直進光３０の光軸上に、前記第２及び第３の回折格子１８，２０を間に挟むようにして、前記第１の回折格子１６と対向するように配設されており、前記第１の回折格子１６を通過した直進光（光路Ｌ１）の一部を反射させて、前記第１の回折格子１６まで戻る光路Ｌ２（第１の戻り光Ｌrev１）と、残りの直進する光路Ｌ３に分割するものである。
【００２９】
前記全反射ミラー２４は、前記半透過半反射ミラー２２に対して、同一の光軸上で相対的に位置変化可能に配置されており、前記半透過半反射ミラー２２を通過した直進光３０（光路Ｌ３）を反射させて、前記半透過半反射ミラー２２を通過して前記第１の回折格子１６まで戻る第２の戻り光Ｌrev２とするものである。なお、本実施例では、前記第１の回折格子１６と半透過半反射ミラー２２の間に、上述した第２の回折格子１８及び第３の回折格子２０が配設されているため、図５に示す光路Ｌ１は、第１の回折格子１６，第２の回折格子１８，第３の回折格子２０の０次回折光となる。同様に、前記第１の戻り光Ｌrev１（光路Ｌ２）と第２の戻り光Ｌrev２は、ともに第３の回折格子２０及び第２の回折格子１８の０次回折光、かつ、第１の回折格子１６の１次回折光であり、光センサ２８に照射される。該光センサ２８は、前記第１及び第２の戻り光Ｌrev１，Ｌrev２の回折光を受光して光量検出するもので、半透過半反射ミラー２２に対する全反射ミラー２４の相対的な移動量(図６(A)の変位Ｙ参照)に比例する干渉縞，もしくは、その信号から、半透過半反射ミラー２２と全反射ミラー２４間の変位Ｙを測定することができる。前記光センサ２８としては、フォトダイオードなどが利用される。また、本実施例では、光センサ２８によって、第１の回折格子１６による１次回折光を受光することとしているが、前記ワイヤ伸び量検出部と同様に、他の次数の回折光を受光して変位Ｙを計測してもよい。
【００３０】
次に、図６を参照しながら、前記ワイヤ移動量検出部の動作原理を定量的に説明する。図６(A)は、ワイヤ移動量検出部の動作を示す説明図，図６(B-1)〜(B-3)は、光センサ２８で検出される干渉縞のイメージを示す図である。図６(A)には、本実施例の変位計測装置１０を構成する各部のうち、前記全反射ミラー２４以外の構成要素が、該全反射ミラー２４に対して相対的に移動可能な変位計測ユニット７０として一体化されている様子が示されている。同図６(A)に示すように、半透過半反射ミラー２２に対する全反射ミラー２４の相対的な変位量（ないし、全反射ミラー２４に対する変位計測ユニット７０の変位量）をＹとしたとき、第１の戻り光Ｌrev１と第２の戻り光Ｌrev２の光路差は、２Ｙ増加する。移動前の光センサ２８の明暗状態が「明」（図６(B-1)の枠Ｆ１内参照）であって、レーザ光源１２の発振波長をλとした場合、
Ｙ＝λ／４×（２ｎ＋１）（ｎは任意の整数）
となったときに、光センサ２８上の明暗は「明」から「暗」に変化する（図６(B-3)の枠Ｆ３内参照）。また、「明」から「暗」に変化する途中段階である
０＜Ｙ＜λ／４×（２ｎ＋１）
のとき、光センサ２８上の干渉縞は、明暗の中間状態となる（図６(B-2)の枠Ｆ２内参照）。なお、前記図６(B-1)〜(B-3)において、干渉縞全体を取り込むと、干渉縞は変化しても、光量の変化が微小になり検出感度が低下するため、本実施例では、同図に枠Ｆ１〜Ｆ３で示す一部領域を取り込むことにより、高い検出感度を得ることとしている。
【００３１】
＜具体例＞・・・次に、図９〜図１３も参照しながら、本実施例の具体例を説明する。図９は、前記電動アシスト自転車のブレーキ動作と前記変位計測装置の作用を示す図，図１０は、変位計測ユニットの具体例を示す図である。図１１(A)は、前記具体例におけるレーザ光源の回路構成を示す図，図１１(B)はワイヤ伸び量検出部における光検出回路の構成を示す図，図１１(C)は前記光検出回路からの出力１の信号波形を示す図，(D)は前記光検出回路からの出力１の処理手順の概略を示すブロック図である。図１２(A)は、前記具体例における遊び区間でのワイヤ移動量検出部の光センサ２８上の暗点カウント挙動を示す図，図１２(B)は機械ブレーキ区間でのワイヤ伸び量検出部の光センサ２６上の光量挙動を示す図である。図１３(A)はブレーキレバー操作量とワイヤ張力の関係を示す図，図１３(B)はブレーキレバー操作量とブレーキ力の関係を示す図である。なお、電動アシスト自転車５０及びそのブレーキ機構については、上述した通りである。
【００３２】
前記変位計測ユニット７０は、ブレーキハンドル（自転車ハンドル）５２に固定された筐体１１の中に、ブレーキレバー５４の近傍に、図示しないガイドシャフトなどによってブレーキワイヤ５６に沿って移動可能に設けられている。一方、前記全反射ミラー２４は、前記筐体１１の一方の側面１１Ｂ側に固定されている。前記ブレーキワイヤ５６は、前記筐体１１の側面１１Ａから側面１１Ｂ側の間を貫通している。前記変位計測ユニット７０は、図１０に示すように、透明樹脂成型体７２に、レーザ光源１２，コリメータレンズ１４，第１の回折格子１６〜第３の回折格子２０，半透過半反射ミラー２２，光センサ２６及び２８を収納した構成となっている。前記透明樹脂成型体７２の上部には、側面７２Ａから側面７２Ｂにかけて、ブレーキワイヤ５６が貫通する貫通孔７４が設けられており、前記ブレーキワイヤ５６は、ネジ７６Ａ，７６Ｂにより２箇所で透明樹脂成型体７２に固定されている
【００３３】
また、側面７２Ａ側に設けられた図示しない円形凹状スペースに、レーザ光源１２が嵌め込まれており、該レーザ光源１２は、透明樹脂成型体７２の外部に設けられたレーザ駆動回路７８に接続されている。また、透明樹脂成型体７２を厚み方向に貫通したスペース（ないし切れ込み）８０Ａにはコリメータレンズ１４が配置され、周縁が接着剤などで固定されている。このほか、スペース８０Ｂには、第１の回折格子１６が配置され、スペース８０Ｃには、第２の回折格子１８及び第３の回折格子２０が配置され、それぞれの背面が、透明接着剤などで固定されている。更に、スペース８０Ｄには、半透過半反射ミラー２２が配置され、スペース８０Ｅには、光センサ２６が配置され、スペース８０Ｆには光センサ２８が配置されている。
【００３４】
このほか、前記透明樹脂成型体７２には、光の通路となる図示しないスペースのほか、第２の回折格子１８側の上方に設けられたスリット８６Ａと、第３の回折格子２０側の上方に設けられたスリット８６Ｂが形成されている。前記スリット８６Ａは、前記スペース８０Ｃと連続している。これらスリット８６Ａ，８６Ｂは、第２の回折格子１８と第３の回折格子２０の境目で、透明樹脂成型体７２がブレーキワイヤ５６とともに軸方向に伸縮（図１０の矢印Ｆ１０参照）するようにバネ性を付与するためのものである。また、本実施例では、２つのスリット８６Ａ，８６Ｂを設けることにより、第３の回折格子２０が第２の回折格子１８に対して平行に移動可能となっており、正確な移動量を測定することができる。なお、透明樹脂成型体７２は、厚み方向に撓みはないものとする。前記光センサ２６，２８は、それぞれ、透明樹脂成型体７２の外部に設けられたＩ／Ｖ変換回路８２，８４に接続されている。
【００３５】
前記透明樹脂成型体７２としては、例えば、アクリルやポリカーボネートなどの透明樹脂であって、１５ｍｍ角で、厚さが５ｍｍ程度のものを利用した。また、レーザ光源１２としては、波長６５０ｎｍ，出力５ｍＷのレーザダイオードＬＤを利用し、光軸は射出角の小さい方を回折格子１８，２０の溝１８Ａ及び２０Ａに平行な方向にとった。コリメータレンズ１４は、ＮＡ０．６５，有効径４ｍｍ，幅１．５ｍｍのものを利用し、第１の回折格子１６としては、格子ピッチが０．７２μｍ，格子の溝深さが２１６ｎｍのものを使用した。また、第２の回折格子１８及び第３の回折格子２０としては、格子ピッチＰが１．６μｍ，溝１６Ａ及び１８Ａの深さが１５０ｎｍ，溝幅が０．５μｍのものを利用した。
【００３６】
第２の回折格子１８と第３の回折格子２０の回折方向は同じ方向に設定し、回折格子間の距離は、レーザ光源１２のコヒーレンス長（１ｍｍ程度）以内に設定する。これは、２つの回折格子１８，２０の間の距離を大きくすると、光の干渉性が悪くなり、干渉の明暗が取れなくなるためと、入射する光ビーム径を大きくする必要があるためである。また、半透過半反射ミラー２２としては、透過率５０％，反射率５０％のものを利用し、全反射ミラー２４としては、反射率１００％のものを利用した。受光素子である光センサ２６としては、干渉光３６の一部を取り込み可能なサイズとし、他方の光センサ２８としては、第１の戻り光Ｌrev１と第２の戻り光Ｌrev２の干渉光の一部を取り込めるサイズのものを使用した。
【００３７】
以上のような構成の変位計測ユニット７０では、ブレーキワイヤ５６の伸びを検出するために、第２の回折格子１８と第３の回折格子２０を境目（図１０の点線部分）にして透明樹脂成型体７２を２つの部分に分けたときに、各々の部分をネジ７６Ａ，７６Ｂでブレーキワイヤ５６に固定するとともに、分かれた２つの部分がスリット８６Ａ，８６Ｂの周囲でつながったバネ性を有する構造となっている。このため、ブレーキワイヤ５６が伸びると、図９(C)に示すように２つの回折格子１８，２０が平行な状態を保ったまま、ブレーキワイヤ５６の伸縮に合わせて間隔Ｉが変化するため、伸び量（変位Ｘ）が検出できる。同時に、変位計測ユニット７０自体が、図９(B)に示すように、ブレーキワイヤ５６とともに移動し、図９(A)に示すブレーキレバー操作開始前と比べて全反射ミラー２４と半透過半反射ミラー２２の間隔が変化するため、ブレーキワイヤ５６の移動量（変位Ｙ）が検出できる。
【００３８】
図１１(A)には、前記レーザ光源１２の回路構成が示されている。本例では、レーザ光源１２としてレーザダイオードＬＤを利用しており、該レーザダイオードＬＤは、電流制限抵抗Ｒ１を介して電源に接続されている。一方、図１１(B)には、本例のワイヤ伸び量検出部の光検出回路が示されている。本例では、光センサ２６としてフォトダイオードＰＤを利用している。フォトダイオードＰＤでは、受光した干渉光の光量に応じて電流が発生し、オペアンプＯＰのマイナス入力端子に入力されて電圧に変換され、出力１として出力される。すなわち、オペアンプＯＰがＩ／Ｖ変換回路８２に相当する。なお、図１１(B)に示す回路では、２つの抵抗Ｒ２及びＲ３が設けられている。一方の抵抗Ｒ２は、オペアンプＯＰの出力の動作点（光信号が０の時の出力電圧）を決定し、両端がオペアンプＯＰに接続されている抵抗Ｒ３は、光センサ２６（フォトダイオードＰＤ）の入射光量に対して出力電圧の利得を決定する抵抗であって、抵抗が大きいほど、同じ光量で出力電圧が大きくなる。
【００３９】
図１１(C)には、オペアンプＯＰから出力された出力１の波形が示されている。同図における横軸は、変位Ｘを示し、縦軸は検出電圧を示している。同図に示すように、本例の検出方式では、検出特性は、ｓｉｎ波状となるため、電気信号の強度から変位Ｘを求めることができる。具体的には、図１１(D)に示すように、前記出力１を、増幅回路９０によって増幅し、スライサ９２で２値化スライスを行う。そして、クロックカウンタ９４でクロックカウントを行い、演算装置９６によって所定の演算ファームによってカウント数×光源の波長λの演算を行い、前記変位Ｘを求める。なお、図１１(C)に示す検出特性のｓｉｎ波は、振幅全体を１００％使用することができるが、光センサ２６の原点位置調整のずれによる検出範囲のずれを想定すると、２０％のマージンを設定し、振幅の±８０％程度の範囲を使用するとよい。なお、ワイヤ移動量検出部の光センサ２８の光検出回路，出力波形，演算処理手順も、前記光センサ２６の場合と同様である。
【００４０】
以上のような構成の変位計測ユニット７０では、図８(A)及び図９(A)に示す状態から、ドライバがブレーキレバー５４を引き始めると、図８(B)に示すように、ブレーキワイヤ５６が移動するとともに、図９(B)に示すように前記ブレーキワイヤ５６とともに変位計測ユニット７０が移動して、変位Ｙが生じる。そして、半透過半反射ミラー２２に対する全反射ミラー２４の相対的な変位Ｙから、ブレーキワイヤ５６の移動量，すなわち、該移動量に対応するブレーキレバー５４の操作量をｍｍオーダで計測することができる。また、変位計測ユニット７０は、図９に示す第２の回折格子１８と第３の回折格子２０間の間隔Ｉの変化から、図８(C)に示すブレーキレバー５４の操作によるブレーキワイヤ５６の伸び（変位Ｘ）をμｍオーダで検出し、電動アシスト自転車５０の遊び区間から機械ブレーキ区間への移行を感知する。一方、前記電動アシスト自転車５０のコントローラ６４では、変位計測ユニット７０からの出力に応じた最適な回生ブレーキ力を決定し、最適な回生ブレーキ制御が働くようにモータ６６を制御する。すると、モータ６６が発電機として機能し、発生した電気をバッテリー６８に充電する。また、コントローラ６４は、バッテリー６８の電池性能や状況を検知している。
【００４１】
このような変位計測装置１０を搭載した電動アシスト自転車５０では、ブレーキワイヤ５６の張力による微小変形を検知することが可能になるため、図１３(A)に示す従来ブレーキの遊びの部分で、モータ６６を発電機にしてバッテリー６８に充電を行う回生ブレーキをかけることができる。更に、図１３(B)に示すように、機械ブレーキ時（ブレーキパッドがタイヤに接触する領域）も、回生ブレーキを並列に制御して動作させるため、利用効率を高めることができる。本実施例によれば、ドライバによるブレーキ調整により機械ブレーキ動作点がずれた場合、例えば、図１６(B)のブレーキ動作点Ｐ１からＰ２へのずれなどでも、調整後の機械ブレーキ動作点を直接感知できるため、高い回生効率を常に維持できる。
【００４２】
前記遊び区間から機械ブレーキ区間への移行の感知を具体的に示すと、前記遊び区間では、ワイヤ移動量検出部の光センサ２８上の干渉縞のみが変化し、ワイヤ伸び量検出部の光センサ２６の干渉縞は不変である。図１２(A)には、前記遊び区間における光センサ２８上の暗点カウント挙動が示されている。同図中、横軸は変位計測ユニット７０の移動距離（変位Ｙ）（ｎｍ），縦軸は暗点カウント数である。同図に示すように、光センサ２８上の暗点カウントを行うことで、μｍ，ｍｍオーダでの移動量（変位Ｙ）を感知できる。一方、前記機械ブレーキ区間では、ワイヤ伸び量検出部の光センサ２６上の干渉縞にも変化が発生する。図１３(B)は、横軸がワイヤ伸び量検出部の移動量（変位Ｘ），縦軸が光量であって、機械ブレーキ区間における光センサ２６上の光量変化を示している。同図(B)に示す光量変化から、上述した定量原理に基づいて、機械ブレーキ開始を感知することができる。
【００４３】
このように、実施例１によれば、次のような効果が得られる。
(1)レーザ光源１２からの平行な直進光の光軸上に、第１の回折格子１６，半透過半反射ミラー２２，全反射ミラー２４を順に配置し、そして、前記直進光を、前記第１の回折格子１６を通過させて半透過半反射ミラー２２まで進行させ、全反射ミラー２４まで進行する直進光３０と、第１の回折格子１６まで戻る第１の戻り光Ｌrev１に分割する。全反射ミラー２４まで達した光は、反射されて半透過半反射ミラー２２を通過し、第１の回折格子１６に戻る第２の戻り光Ｌrev２となる。前記第１の戻り光Ｌrev１と第２の戻り光Ｌrev２の第１の回折格子１６による所定次数の回折光を光センサ２８で受光して光量検出することとしたので、半透過半反射ミラー２２と全反射ミラー２４間の相対的な位置変化に対応するブレーキワイヤ５６の移動量（変位量）を検出できる。
(2)前記変位量の検出が、光路共有方式であるため、チルト影響がキャンセルされ、外乱（振動）による誤検出を防止することができる。
(3)スプリッタを利用しないため、部品点数を削減して小型化・低コスト化を図ることができる。また、構成が簡単なため、位置ずれに対しても強い。
(4)計測範囲を１波長以上に広げ、１波長以下の変位から１波長以上の変位までを連続的に計測でき、回折格子のピッチにより光学分解能の調整が可能である。
【００４４】
(5)前記第１の回折格子１６と半透過半反射ミラー２２の間に、同一の格子ピッチＰを有する第２の回折格子１８と第３の回折格子２０を、同一軸上で相対的に移動可能に配置し、前記第２の回折格子１８及び第３の回折格子２０による回折光のうち、前記第２の回折格子１８による所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を、光センサ２６で受光して光量検出する。そして、第２の回折格子１８に対する第３の回折格子２０の移動量（変位Ｘ）に応じた干渉縞もしくはその信号から、軸方向の移動量に対応する変位量を検出し、ブレーキワイヤ５６の伸び量を計測するため、同一光源を利用して、同一光軸上での異なる位置での変位量の計測が同時または時系列的に可能となる。本実施例では、これら２つの変位量の計測結果から、機械ブレーキ開始点を直接感知できるため、回生充電の効率向上を図ることができる。
【実施例２】
【００４５】
次に、図１４及び図１５を参照しながら本発明の実施例２を説明する。なお、上述した実施例１と同一ないし対応する構成要素には同一の符号を用いることとする。本実施例は、上述した実施例におけるワイヤ伸び量検出部の変形例を示す図であり、図１４(A)は、本実施例のワイヤ伸び量検出部の基本構造を示す図，図１４(B)は光検出回路の構成を示す図である。また、図１４(A)及び(B)は、前記光検出回路からの出力Ａ及びＢの信号波形を示す図，(C)は前記出力Ａ及びＢの演算結果を示す信号波形である。本実施例は、第３の回折格子側に段差を設けて、２分割光センサの出力を割り算することで、レーザ光源の光量の変動があっても、検出位置が変化しないようにするとともに、ｓｉｎ状の検出特性を直線状にする例である。
【００４６】
図１４(A)に示すように、変位計測装置１００は、第３の回折格子１０２に位相板１０４を設けて段差を付けるとともに、前記実施例１の光センサ２６の代わりに、２分割光センサ１０６を使用したほかは、上述した実施例１と同様の構成となっている。前記位相板１０４は、例えば３μｍ程度の厚みｄを有し、第３の回折格子１０２と同じ材料によって、段差の加工または成型の金型などによって形成される。レーザ光源１２からコリメータレンズ１４を通過して平行光となった直進光は、第１の回折格子１６を通過し、固定側の第２の回折格子１８によって回折光と直進光に分かれ、更にその直進光は、可動側の第３の回折格子１０２に入射して位相板１０４がない部分の表面で回折される（図１４(A)の太線）とともに、位相板１０４がある部分では、該位相板１０４を通って第３の回折格子１０２の表面でも回折される（図１４(A)の一点鎖線）。前記２分割光センサ１０６は、本実施例では、図１４(B)に示すように２つのフォトダイオードＰＤ１及びＰＤ２からなる２分割フォトダイオードを利用している。
【００４７】
２相シフト法を用いる場合は、行路差Δがλ／４＊（１／ｃｏｓ（φ）−１）異なる２つの干渉縞を作成し、演算により変位に換算する。この場合、段差の深さｄは、ｎを基板の屈曲率とすると、下記数式４で表される。
【数４】
例えば、波長λを０．６５μｍ，基板の屈曲率ｎを１．５８として、前記数式４に代入すると、段差の深さｄは、
ｄ＝λ／（１／ｃｏｓ（φ）−１）／（ｎ−１）／４
＝０．６５／０．０９４／（１．５８−１）＊１／４→２．９８μｍ
と決定される。
【００４８】
以上のようにして厚み（段差の深さｄ）が決定された位相板１０４が設けられた第３の１０２を通過した光は、各々の２分割光センサ１０６に入射される。ここで、図１４(B)に示すように、２分割光センサ１０６の一方のフォトダイオードＰＤ１で受光した干渉光の光量に応じて電流が発生し、オペアンプＯＰ１のマイナス入力端子に入力され、電圧に変換されて出力信号Ａとして出力される。出力信号Ａは、図１５(A)に示すようにｓｉｎ波としてオペアンプＯＰ１から出力される。一方、他方のフォトダイオードＰＤ２で干渉光を受光すると、その光量に応じて電流が発生し、オペアンプＯＰ２のマイナス入力端子に入力され、電圧に変換されて出力信号Ｂとして出力される。出力信号Ｂは、変位Ｘに対して、出力信号Ａと９０度位相がずれたｓｉｎ波，すなわち、図１５(B)に示すようなｃｏｓ波として出力される。なお、図中の抵抗Ｒ４〜７の作用は、上述した実施例１の抵抗Ｒ２及びＲ３と同様である。
【００４９】
前記２つの出力信号ＡとＢを割り算すると、ＴａｎＸとなることから、下記数式５に示すように、２つの信号を割り算した結果のＡＴＡＮ（すなわち、Ｔａｎ−１）の計算をすることで、変位Ｘが求められる。
【数５】
このような演算は、出力信号Ａ及びＢを、図１４(B)に示す演算装置１０８に入力し、ＡＤ変換によるデジタル処理によって行われる。図１５(C)には、その結果が示されている。この場合も、振幅の±８０％を検出範囲とすると好都合であることは、上述した実施例１の検出方式の場合と同様である。このように、実施例２によれば、位相板１０４によって可動側の第３の回折格子１０２に深さｄの段差を設け、干渉光を２分割光センサ１０６で受光することとしたので、位相シフトにより特性をリニア化することができるという効果がある。
【００５０】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。
(1)前記実施例で示した形状，寸法，材質は一例であり、同様の効果を奏するものであれば、必要に応じて適宜変更してよい。例えば、前記実施例１の変位計測ユニット７０では、第２の回折格子１８側に設けたスリット８６Ａと、第３の回折格子２０側に設けたスリット８６Ｂにより、透明樹脂成型体７２にバネ性を付与することとしたが、これも一例であり、２つ回折格子１８，２０の中間部付近に図示しないスリットを設けてバネ性を付与するなど、同様の効果を奏する範囲内で、適宜設計変更可能である。
(2)前記実施例１では、０次回折光と１次回折光を利用して変位測定を行うこととしたが、これも一例であり、１次回折光以外の任意の次数の回折光（例えば、２次光など）を利用してもよい。
【００５１】
(3)上述した実施例では、光源としてレーザ光源１２を用いることとしたが、これも一例であり、安価なＬＥＤ（低コヒーレンス）光源を利用してもよい。このとき、半導体レーザ（可干渉距離１ｍｍ）以外の低コストの光源，例えば、可干渉距離が概略１０μｍ以下であるＬＥＤを利用する場合は、図４(A)及び(B)に示す回折角φを小さくすることで対応可能となる。図４(B)に示す行路差は、上述した数式３で示す通りであるから、例えば、検出範囲３．６ｍｍのセンサを構成する場合には、Δｄ＝３．６ｍｍ，回折角φ＝０．７６°の条件とすると、光路差Δ＝０．３６μｍとなる。すなわち、干渉する２つの行路差が、可干渉距離（空間的コヒーレンス長）の１０μｍよりも小さくなるため、測定限界内に入り、測定が可能となる。なお、前記回折角φは、上述したように、格子ピッチＰの変更によって任意に対応可能である。
【００５２】
(4)前記実施例１では、応用例として電動アシスト自転車５０のブレーキワイヤの伸び（張力）による変位量を測定することで、ブレーキ力を検出することとしたが、ブレーキワイヤ５６を支えているチューブ５８の間に変位計測ユニット７０を挟み、変位計測ユニット７０へのブレーキワイヤ５６の長さ方向の応力からブレーキ力を検出してもよい。
(5)前記実施例１では、第１の回折格子１６，半透過半反射ミラー２２，全反射ミラー２４，光センサ２８からなる第１の変位量検出部（ワイヤ移動量検出部）と、第２の回折格子１８，第３の回折格子２０，光センサ２６からなる第２の変位検出部（ワイヤ伸び量検出部）の双方を設けることとしたが、これは一例であり、第２の変位検出部は、必要に応じて設けるようにすればよい。
【００５３】
(6)上述した実施例１では、電動アシスト自転車５０で回生ブレーキを効率良くかけるためにブレーキワイヤ５６の伸び量と移動量の双方を検出する装置を具体例として挙げたが、これは一例であり、本発明は、機械系の歪測定などのように、微小変位の計測全般や、微小長さの計測器の校正などに適用可能である。例えば、カメラのズームやフォーカス機能は、現状では、メカＳＷアレーで位置検出を行っているが、本発明を適用することにより、位置検出装置の小型化とフレキレスの要求に応えることが可能となる。また、検出範囲の拡大により、波長以上の移動に対してリニアな検出が可能となることから、光マイクロホンなどへの応用も可能である。更に、微小振動などの検出も可能であり、振動センサなどへの応用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明によれば、光源から発射されコリメータレンズを経由した平行光を、その光軸上に配置された第１の回折格子を通過させて、更に、前記光軸上に配置された半透過半反射ミラーまで進行させ、前記平行光の一部を反射させて前記第１の回折格子まで戻る第１の戻り光とし、残りの平行光を、前記半透過半反射ミラーに対して前記光軸上で移動可能に配置された全反射ミラーまで進行させて反射させ、前記半透過半反射ミラーを通過して前記第１の回折格子まで戻る第２の戻り光とする。そして、前記第１及び第２の戻り光が、前記第１の回折格子によって０次光と±ｎ次光に分けられたときの所定次数の回折光を、第１の光センサで受光して光量検出する。そして、前記半透過半反射ミラーに対する前記全反射ミラーの相対的な移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光軸方向の第１の変位量をサブμｍから２０ｍｍ前後までの広範囲で測定可能としたので、微小変位を測定するための変位計測装置の用途に適用できる。特に、温度や環境の補正なしに正確に計測できるため、機械系の歪やねじれなどを測定したり、電動アシスト自転車のブレーキワイヤの移動量（や伸び量）を検出したりする用途に好適である。
【００５５】
また必要に応じて、前記第１の回折格子と前記半透過半反射ミラーとの間であって、前記平行光の光軸上に、前記第１の回折格子を通過した平行光を、該平行光と同方向に進行する０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、更に、前記第２の回折格子と前記半透過半反射ミラーとの間に、前記第２の回折格子に対向して前記平行光の光軸上で移動可能に配置されており、前記第２の回折格子と同一の格子ピッチを有する第３の回折格子によって、前記第２の回折格子を経由した０次光を、更に同方向に直進する０次光と、±ｎ次光とに分けて進行させる。そして、前記第２及び第３の回折格子を経由した回折光のうち、前記第２の回折格子による所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を、第２の光センサで受光する。そして、第２の回折格子に対する第３の回折格子の移動量に比例する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第２の変位量を測定することで、１つの光源で、前記第１及び第２の回折格子間とは異なる位置・異なる検出感度での変位測定が、同時または時系列的に可能となる。このため、変位測定の検出対象が複数ある場合（例えば、電動アシスト自転車のブレーキワイヤの伸び量と移動量など）のセンサとして好適である。
【符号の説明】
【００５６】
１０：変位計測装置
１１：筐体
１１Ａ，１１Ｂ：側面
１２：レーザ光源
１３：レーザ光
１４：コリメータレンズ
１５：平行光
１６：第１の回折格子
１８：第２の回折格子
１８Ａ，１８Ｂ：溝
２０：第３の回折格子
２２：半透過半反射ミラー
２４：全反射ミラー
２６，２８：光センサ
３０：直進光
３２，３４：回折光
３６：干渉光
５０：電動アシスト自転車
５２：ハンドル
５４：ブレーキレバー
５６：ブレーキワイヤ
５８：チューブ
６０：ブレーキパッド
６２：リム
６４：コントローラ
６６：モータ
６８：バッテリー
７０：変位計測ユニット
７２：透明樹脂成型体
７２Ａ，７２Ｂ：側面
７４：貫通孔
７６Ａ，７６Ｂ：ネジ
７８：レーザ駆動回路
８０Ａ〜８０Ｆ：スペース
８０Ｆ：通路
８２：Ｉ／Ｖ変換回路
８４：ネジ
８６Ａ，８６Ｂ：スリット
９０：増幅回路
９２：スライサ
９４：クロックカウンタ
９６：演算装置
１００：変位計測装置
１０２：第３の回折格子
１０４：位相板
１０６：２分割光センサ
１０８：演算装置
２００：マイケルソン干渉計
２０２：レーザ光源
２０４：コリメータレンズ
２０６：スプリッタ
２０８：固定ミラー
２１０：可動ミラー
２１２：光センサ
２１４：固定側ユニット
２１６：干渉縞
Ｆ１〜Ｆ３：枠
Ｌ１〜Ｌ５：光路
Ｌrev１，Ｌrev２：戻り光
ＬＤ：レーザダイオード
ＯＰ，ＯＰ１，ＯＰ２：オペアンプ
ＰＤ，ＰＤ１，ＰＤ２：フォトダイオード
Ｒ１：電流制限抵抗
Ｒ２〜Ｒ７：抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から発射された光をコリメータレンズにより平行光とし、
該平行光を、その光軸上に配置された第１の回折格子を通過させ、更に、前記光軸上に前記第１の回折格子に対向して配置された半透過半反射ミラーまで進行させ、
前記半透過半反射ミラーにより、前記平行光の一部を反射させて前記第１の回折格子まで戻る第１の戻り光とし、前記平行光の残りを、前記半透過半反射ミラーに対して同一光軸上で相対的に位置変化可能に配置された全反射ミラーまで進行させ、
前記第１の戻り光を、前記第１の回折格子により、前記第１の戻り光と同方向に進行する０次光と、該０次光に対して回折角を有する±ｎ次光（ｎは１以上の自然数）とに分けて進行させ、該±ｎ次光のうちの所定次数の回折光を、第１の光センサで受光して光量検出するとともに、
前記半透過半反射ミラーを通過し、前記全反射ミラーまで進行した平行光を、該全反射ミラーで反射させて、前記半透過半反射ミラーを通過して前記第１の回折格子まで戻る第２の戻り光とし、
前記第１の回折格子に達した第２の戻り光を、前記第１の回折格子により、０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、該±ｎ次光のうち、前記所定次数の回折光を、前記第１の回折格子で受光して光量検出し、
前半透過半反射ミラーに対する前記全反射ミラーの相対的な移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第１の変位量を測定することを特徴とする変位計測方法。
【請求項２】
前記第１の回折格子と前記半透過半反射ミラーの間であって、前記平行光の光軸上に配置された第２の回折格子によって、前記第１の回折格子を通過した平行光を、該平行光と同方向に進行する０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、
前記第２の回折格子と前記半透過半反射ミラーとの間に、前記第２の回折格子に対向して同一光軸上で移動可能に配置されており、前記第２の回折格子と同一の格子ピッチを有する第３の回折格子によって、前記第２の回折格子を経由した０次光を、更に、同方向に進行する０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、
前記第２及び第３の回折格子を経由した±ｎ次光のうち、前記第２の回折格子による所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を、第２の光センサで受光して光量検出するとともに、
前記第２の回折格子に対する第３の回折格子の移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第２の変位量を測定することを特徴とする請求項１記載の変位計測方法。
【請求項３】
光源と、
前記光源から発射された光を平行光にするためのコリメータレンズと、
前記平行光の光軸上に配置されており、前記平行光を、同方向に進行する０次光と、±ｎ次光とに分けて進行させる第１の回折格子と、
前記平行光の光軸上に、前記第１の回折格子と対向して配置されており、前記第１の回折格子を通過した平行光の一部を反射させて前記第１の回折格子まで戻る第１の戻り光とし、前記平行光の残りを通過させる半透過半反射ミラーと、
該半透過半反射ミラーに対して、同一光軸上で相対的に位置変化可能に配置されており、前記半透過半反射ミラーを通過した平行光を反射させて、前記半透過半反射ミラーを通過して前記第１の回折格子まで戻る第２の戻り光とする全反射ミラーと、
前記第１の回折格子によって回折された前記第１及び第２の戻り光の±ｎ次光のうち、第１の戻り光の所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を受光して光量検出する第１の光センサと、
を備えており、
前記半透過半反射ミラーに対する前記全反射ミラーの相対的な移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第１の変位量を測定することを特徴とする変位計測装置。
【請求項４】
前記第１の回折格子と前記半透過半反射ミラーの間であって、前記平行光の光軸上に配置されており、前記第１の回折格子を通過した平行光を、該平行光と同方向に進行する０次光と、±ｎ次光とに分けて進行させる第２の回折格子と、
該第２の回折格子と前記半透過半反射ミラーとの間に、前記第２の回折格子に対して同一光軸上で移動可能に配置されており、前記第２の回折格子と同一の格子ピッチを有するとともに、前記第２の回折格子を経由した０次光を、更に同方向に直進する０次光と、±ｎ次光とに分けて進行させる第３の回折格子と、
前記第２及び第３の回折格子を経由した±ｎ次光のうち、前記第２の回折格子による所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を受光して光量検出する第２の光センサと、
を備えるとともに、
前記第２の回折格子に対する第３の回折格子の移動量に比例する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第２の変位量を測定することを特徴とする請求項３記載の変位計測装置。
【請求項５】
前記第３の回折格子が前記第２の回折格子と対向する面に段差を有する位相板を設け、前記第２の光センサとして、２分割光センサを用いるとともに、
前記２分割光センサから出力される２つの信号を合成する演算手段，
を備えたことを特徴とする請求項４記載の変位計測装置。
【請求項６】
前記光源，コリメータレンズ，第１の回折格子，半透過半反射ミラー，第１の光センサが、透明樹脂成型体内に設けられた空間に設置されるとともに、
前記全反射ミラーが、前記透明樹脂成型体の外部に配置されており、
前記透明樹脂成型体と前記全反射ミラーが相対移動可能となるように、いずれか一方が軸に沿って移動可能に取り付けられたことを特徴とする請求項３記載の変位計測装置。
【請求項７】
前記光源，コリメータレンズ，第１の回折格子，第２の回折格子，第３の回折格子，半透過半反射ミラー，第１の光センサ，第２の光センサが、透明樹脂成型体内に設けられた空間に配置され、
前記全反射ミラーが、前記透明樹脂成型体の外部に配置されており、
前記透明樹脂成型体と前記全反射ミラーが相対移動可能となるように、いずれか一方が軸に沿って移動可能に取り付けられるとともに、
前記透明樹脂成型体が、前記第２の回折格子と第３の回折格子が平行状態を保つように、これら２つの回折格子を境目に伸縮可能なバネ性を示すことを特徴とする請求項４又は５記載の変位計測装置。
【請求項１】
光源から発射された光をコリメータレンズにより平行光とし、
該平行光を、その光軸上に配置された第１の回折格子を通過させ、更に、前記光軸上に前記第１の回折格子に対向して配置された半透過半反射ミラーまで進行させ、
前記半透過半反射ミラーにより、前記平行光の一部を反射させて前記第１の回折格子まで戻る第１の戻り光とし、前記平行光の残りを、前記半透過半反射ミラーに対して同一光軸上で相対的に位置変化可能に配置された全反射ミラーまで進行させ、
前記第１の戻り光を、前記第１の回折格子により、前記第１の戻り光と同方向に進行する０次光と、該０次光に対して回折角を有する±ｎ次光（ｎは１以上の自然数）とに分けて進行させ、該±ｎ次光のうちの所定次数の回折光を、第１の光センサで受光して光量検出するとともに、
前記半透過半反射ミラーを通過し、前記全反射ミラーまで進行した平行光を、該全反射ミラーで反射させて、前記半透過半反射ミラーを通過して前記第１の回折格子まで戻る第２の戻り光とし、
前記第１の回折格子に達した第２の戻り光を、前記第１の回折格子により、０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、該±ｎ次光のうち、前記所定次数の回折光を、前記第１の回折格子で受光して光量検出し、
前半透過半反射ミラーに対する前記全反射ミラーの相対的な移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第１の変位量を測定することを特徴とする変位計測方法。
【請求項２】
前記第１の回折格子と前記半透過半反射ミラーの間であって、前記平行光の光軸上に配置された第２の回折格子によって、前記第１の回折格子を通過した平行光を、該平行光と同方向に進行する０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、
前記第２の回折格子と前記半透過半反射ミラーとの間に、前記第２の回折格子に対向して同一光軸上で移動可能に配置されており、前記第２の回折格子と同一の格子ピッチを有する第３の回折格子によって、前記第２の回折格子を経由した０次光を、更に、同方向に進行する０次光と±ｎ次光とに分けて進行させ、
前記第２及び第３の回折格子を経由した±ｎ次光のうち、前記第２の回折格子による所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を、第２の光センサで受光して光量検出するとともに、
前記第２の回折格子に対する第３の回折格子の移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第２の変位量を測定することを特徴とする請求項１記載の変位計測方法。
【請求項３】
光源と、
前記光源から発射された光を平行光にするためのコリメータレンズと、
前記平行光の光軸上に配置されており、前記平行光を、同方向に進行する０次光と、±ｎ次光とに分けて進行させる第１の回折格子と、
前記平行光の光軸上に、前記第１の回折格子と対向して配置されており、前記第１の回折格子を通過した平行光の一部を反射させて前記第１の回折格子まで戻る第１の戻り光とし、前記平行光の残りを通過させる半透過半反射ミラーと、
該半透過半反射ミラーに対して、同一光軸上で相対的に位置変化可能に配置されており、前記半透過半反射ミラーを通過した平行光を反射させて、前記半透過半反射ミラーを通過して前記第１の回折格子まで戻る第２の戻り光とする全反射ミラーと、
前記第１の回折格子によって回折された前記第１及び第２の戻り光の±ｎ次光のうち、第１の戻り光の所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を受光して光量検出する第１の光センサと、
を備えており、
前記半透過半反射ミラーに対する前記全反射ミラーの相対的な移動量に対応する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第１の変位量を測定することを特徴とする変位計測装置。
【請求項４】
前記第１の回折格子と前記半透過半反射ミラーの間であって、前記平行光の光軸上に配置されており、前記第１の回折格子を通過した平行光を、該平行光と同方向に進行する０次光と、±ｎ次光とに分けて進行させる第２の回折格子と、
該第２の回折格子と前記半透過半反射ミラーとの間に、前記第２の回折格子に対して同一光軸上で移動可能に配置されており、前記第２の回折格子と同一の格子ピッチを有するとともに、前記第２の回折格子を経由した０次光を、更に同方向に直進する０次光と、±ｎ次光とに分けて進行させる第３の回折格子と、
前記第２及び第３の回折格子を経由した±ｎ次光のうち、前記第２の回折格子による所定次数の回折光の光軸に沿う回折光を受光して光量検出する第２の光センサと、
を備えるとともに、
前記第２の回折格子に対する第３の回折格子の移動量に比例する干渉縞もしくはその信号から、前記平行光の軸方向の第２の変位量を測定することを特徴とする請求項３記載の変位計測装置。
【請求項５】
前記第３の回折格子が前記第２の回折格子と対向する面に段差を有する位相板を設け、前記第２の光センサとして、２分割光センサを用いるとともに、
前記２分割光センサから出力される２つの信号を合成する演算手段，
を備えたことを特徴とする請求項４記載の変位計測装置。
【請求項６】
前記光源，コリメータレンズ，第１の回折格子，半透過半反射ミラー，第１の光センサが、透明樹脂成型体内に設けられた空間に設置されるとともに、
前記全反射ミラーが、前記透明樹脂成型体の外部に配置されており、
前記透明樹脂成型体と前記全反射ミラーが相対移動可能となるように、いずれか一方が軸に沿って移動可能に取り付けられたことを特徴とする請求項３記載の変位計測装置。
【請求項７】
前記光源，コリメータレンズ，第１の回折格子，第２の回折格子，第３の回折格子，半透過半反射ミラー，第１の光センサ，第２の光センサが、透明樹脂成型体内に設けられた空間に配置され、
前記全反射ミラーが、前記透明樹脂成型体の外部に配置されており、
前記透明樹脂成型体と前記全反射ミラーが相対移動可能となるように、いずれか一方が軸に沿って移動可能に取り付けられるとともに、
前記透明樹脂成型体が、前記第２の回折格子と第３の回折格子が平行状態を保つように、これら２つの回折格子を境目に伸縮可能なバネ性を示すことを特徴とする請求項４又は５記載の変位計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２１５００４（Ｐ２０１１−２１５００４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８３５３７（Ｐ２０１０−８３５３７）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００２０４２８４）太陽誘電株式会社 (964)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００２０４２８４）太陽誘電株式会社 (964)
【Ｆターム（参考）】
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