专利名称：位移测量方法和位移测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用了光干涉的位移测量方法和位移测量装置，更具体地，涉及测量范围的扩大。
背景技术：
近年来，由于环境保护和健康方面的观点，利用小汽车出行的人们对带电动助力的自行车变得感兴趣。尤其是带电动助力的自行车，采用一次充电能行驶更远的距离、并能进行能量的再生充电的自行车受到了人们的重视。在这样的背景下，在制动时的再生充电时，一般在施加制动后才开始对应。然而，仅在施加制动后才利用再生充电则利用效率低，因此若能从将要制动而开始拉动制动杆的制动前的状态开始就利用再生充电是很合适的。所以，需要如下的装置检测开始拉动制动杆的制动前的状态、即制动钢丝绳的施加了张力的状态，并测量与上述制动钢丝绳的张力成比例的很小的移动量(位移量)。
在图16的(A)和(B)中，示出了电动助力车辆的制动杆操作量与制动力的关系。在上述的带电动助力的自行车等之中，在开始握动制动杆时，需要测量与在图16的(A)中示出的在间隙区间的制动钢丝绳(brake wire)的移动量相对应的制动杆的操作量。接着，需要以制动钢丝绳的延伸来感知制动衬垫将要阻碍车轮的转动、开始施加制动的时间(机械制动动作点Pl)。这是由于在施加制动的前后，若在再生制动与机械制动之间的控制没有顺畅地进行，则包含搭乘者在内的驾驶员会感到施加了紧急制动这样的不适感、制动力的不足感。特别是在电动助力自行车等的制动中，因驾驶员更换钢丝绳、调整钢丝绳的张力而导致间隙区间被调整，并如图16的(B)所示，可能容易产生在机械制动发生之前的制动杆操作量从上述机械制动动作点Pl偏移到P2这样的情况。在以往，仅检测制动杆的操作量，并在达到预先设定的机械制动开始的操作量时，判断为机械制动开始。因此，不能对应上述的由用户调整后的机械制动动作点P2，存在再生制动与机械制动之间的控制不能顺畅地进行这样的缺陷。因此，为了最大限度地提高再生充电的效率，优选的是，利用同时或按时序测量制动钢丝绳的移动量和制动钢丝绳的延伸量这两者，能直接检测机械制动的开始时间点的构造。以往，作为上述的测量制动钢丝绳的移动量、延伸量等微小位移的方法，使用了光干涉仪。在图17的(A)中示出的迈克耳孙干涉仪200包括激光光源202 ;将激光矫正成平行光的准直透镜204 ;分离器206,将光柱(boom)分割成两方,一方照射到固定镜208而另一方照射到可动镜210、并使这两方的反射光干涉；以及光传感器212。在迈克耳孙干涉仪200中，若可动镜210相对于固定侧单兀214在光柱方向上移动一个波长,贝U在检测器上产生两次光的明暗。如图17的(B)所示,该光的明暗作为干涉光带(interference band) 216而被观察。这时的一个波长以下的位移可以依靠读取该明暗的倾斜的电压值来检测。此夕卜，对于一个波长以上的位移，可以依靠测量该明暗(干涉光带)发生了几次而测量位移。即，如图17的(C)所示，由于相对于镜的移动产生往返2倍的路径差，可以利用位移(移动距离)=一个波长X明暗数X2来计算(此外，另外需要检测向哪一个方向移动的检测装置)。作为这样的利用了光干涉的技术，例如有如下述专利文献I所示的相位差检测器和相位差检测方法。在先专利文献专利文献I :日本特开2007-271624号公报
发明内容
然而，若使用以上的光干涉仪，有如下的不良。(I)测量范围由光的波长决定，当要测量光的波长以上的范围时，需要计算通过的光的波长，不能得到光的波长以下的分辨率。(2)对光学部件的位置精度要求非常严格，有时因角度偏移(O. 01度数量级)、位置偏移(ym数量级以下)而变得无法测量。因此，需要用于防止因温度变化、湿度变化、夕卜 部振动、以及经过的时间这样的使用环境导致的误检测的对策。(3)由于必须有准直透镜与镜的组合、分离器，小型化很困难。(4)不能同时或按时序地测量不同的检测灵敏度、在不同的检测位置的位移(例如上述的电动助力自行车的制动钢丝绳的移动量和延伸量等)。本发明着眼于以上各点，其目的在于，提供一种不受光学元件的倾斜精度的影响，结构简单且能小型化，对于位置偏移也能进行良好的光学分辨率的调整的位移测量方法和位移测量装置。本发明其他的目的在于，提供能同时或按时序地进行不同的检测灵敏度、在不同的检测位置的位移测量的位移测量方法和位移测量装置。本发明将以下的构成作为主旨。首先，发明的第一观点为一种方法发明或装置发明，其要旨为利用准直透镜将从光源发射的光变成平行光，并使该平行光通过配置在其光轴上的第一衍射光栅。接着，使平行光行进到在上述光轴上与上述第一衍射光栅相对配置的半透射半反射镜。利用上述半透射半反射镜，使上述平行光的一部分反射而作为返回到上述第一衍射光栅的第一返回光，使上述平行光的剩余的光行进到配置成能够相对于上述半透射半反射镜在同一光轴上变化相对位置的全反射镜。利用上述第一衍射光栅，将上述第一返回光分为与上述第一返回光在相同方向上行进的O级光、以及相对于该O级光具有衍射角的±η级光(η为I以上的自然数)，使该O级光和该±η级光行进。用第一光传感器接受该±η级光内的规定级数的衍射光，进行光量检测，并且使平行光通过上述半透射半反射镜。使行进到上述全反射镜的平行光用该全反射镜反射后在上述半透射半反射镜通过，从而作为返回到上述第一衍射光栅的光的第二返回光，利用上述第一衍射光栅，将到达上述第一衍射光栅的第二返回光分为O级光和±η级光，使O级光和±η级光行进。接着，用上述第一光传感器接受该±η级光内的上述规定级数的衍射光，进行光量检测，根据上述全反射镜的相对于半透射半反射镜的相对移动量所对应的干涉光带或其信号，测量上述平行光的轴向第一位移量。发明的第二观点为一种方法发明或装置发明，其要旨为利用在上述第一衍射光栅与上述半透射半反射镜之间、且在上述平行光的光轴上配置的第二衍射光栅，将通过上述第一衍射光栅的平行光分为与该平行光在相同方向上行进的O级光和±η级光,使O级光和±η级光行进。利用配置在上述第二衍射光栅与上述半透射半反射镜之间、且与上述第二衍射光栅相对、能在同一光轴上移动的、并具有与上述第二衍射光栅相同的光栅节距的第三衍射光栅，将经过上述第二衍射光栅的O级光进一步分为在相同方向上行进的O级光和±n级光，使O级光和±n级光行进。接着，用第二光传感器接受经过上述第二和第三衍射光栅的±n级光内的、沿着由上述第二衍射光栅衍射的规定级数的衍射光的光轴的衍射光，进行光量检测。与此同时，根据上述第三衍射光栅的相对于上述第二衍射光栅的移动量所对应的干涉光 带或其信号，测量上述平行光的轴向第二位移量。本发明的上述及其他目的、特征、优点将通过以下的详细说明和附图变得明确。根据本发明，能提供一种位移测量方法和位移测量装置，其不受光学元件倾斜精度的影响，受到衍射光栅的平面方向的位置偏移的影响较小，构成简单且能小型化，并能够调整光学分辨率。另外，能够用一个光源在不同位置进行位移检测。
图I是表示本发明实施例I的位移测量装置的基本构造的概略图。图2的各图是表示上述实施例I的概略图，⑷是表示钢丝绳延伸量检测部的基本构造的概略图，(B-1)和(B-2)是表不光路4和光路5的图，(C)和(D)是表不光路4与光路5的干涉情况的图。图3是表示利用上述钢丝绳延伸量检测部进行的位移测量的定性动作原理的说明图。图4是表示利用上述钢丝绳延伸量检测部进行的位移测量的定量动作原理的说明图。图5是表示利用上述实施例I的线移动量检测部进行的位移测量的定性动作原理的说明图。图6的(A)是表示利用上述线移动量检测部进行的位移测量的定量动作原理的图，(B-I) (B-3)是表示采用光传感器检测到的干涉光带图像的图。图7是表示应用了本实施例的位移测量装置的电动助力自行车的整体构成的图。图8的(A) (C)是表示上述电动助力自行车的制动机构的概略图。图9的(A) (C)是表示上述电动助力自行车的制动动作和上述位移测量装置的作用的图。图10是表示本实施例的位移测量单元的具体例子的图。图11的(A)是表示在上述具体例子中的钢丝绳延伸量检测部的激光光源的电路构成的图，(B)是在钢丝绳延伸量检测部的光检测电路的构成的图，(C)是表示从上述光检测电路输出的一个波形的图，(D)是表示从上述光检测电路输出的一个处理顺序的概略的框图。图12的(A)是表示在上述具体例子中在间隙区间的线移动量检测部的光传感器上的暗点计数变化的图，(B)是表示在机械制动区间的钢丝绳延伸量检测部的光传感器上的光量变化的图。图13的(A)是表示制动杆操作量与线的张力的关系的图，(B)是表示制动杆操作量与制动力的关系的图。图14的各图是表示本发明实施例2的图，(A)是表示基本构造的图，(B)是表示光检测电路的构成的图。图15的(A)和⑶是表不从上述实施例2的光检测电路输出的输出A和输出B信号波形的图，(C)是表示上述输出A和输出B的运算结果的信号波形。图16的(A)是表示电动助力车辆的制动杆操作量与制动力的关系的图，(B)是在制动杆操作量与制动力的关系中，制动动作点变化了的情况下的说明图。图17的各图是表示背景技术的一个例子的图。
具体实施方式
下面，基于实施例，详细地说明用于实施本发明的实施方式。实施例I<基本构造 > 首先，参照图I、图6、图7、以及图8，说明本发明实施例I的基本构造。本实施例是将本发明的位移测量应用于电动助力自行车的制动钢丝绳的延伸量和移动量的测量的例子。图I是示出本实施例的基本构造的概略图，图7是示出电动助力自行车的整体构成的图，图8是示出上述电动助力自行车的制动机构的概略的图。如图I所示,本发明的位移测量装置10包括激光二极管等激光光源12 ;将来自该激光光源12的激光13变成直行的平行光15的准直透镜14 ;在上述平行光15的光轴上按顺序配置的第一衍射光栅16、第二衍射光栅18和第三衍射光栅20 ;半透射半反射镜22 ;全反射镜24 ;以及光传感器26、28。其中，如图6所示,上述全反射镜24以外的构成元件例如构成为能够作为位移测量单元70 —体移动。另一方面，如图7和图8所示，电动助力自行车50包括包含把手52、制动杆54、被管58所覆盖的制动钢丝绳56和制动衬垫60等部件的制动机构；控制器64 ;马达66 ;以及电池68等。如图7所示，上述位移测量单元70例如设置于电动助力自行车50的制动杆54附近。如图8的(A)所示,上述制动机构为利用制动杆54的操作对制动钢丝绳56施加张力，并将制动衬垫60推压到轮圈62上的公知的构成。如图8的(B)所示，在开始拉动上述制动杆54的间隙区间中，制动钢丝绳56移动，如图8的(C)所示，制动衬垫60与轮圈62接触，在由机械制动施加制动的状态下，制动钢丝绳56延伸。在本实施例中，利用由上述位移测量装置10的激光光源12、准直透镜14、第二衍射光栅18、第三衍射光栅20、以及光传感器26 (第二光传感器)构成的钢丝绳延伸量检测部，检测在图8的(C)中示出的制动钢丝绳56的延伸量,并测量与该延伸量相对应的制动操作力。与此同时，利用由上述激光光源12、准直透镜14、第一衍射光栅16、半透射半反射镜22、全反射镜24、以及光传感器28 (第一光传感器)构成的线移动量检测部，检测在图8的(B)中示出的制动钢丝绳56的移动量，并测量制动操作量。在本实施例中，依靠这样设置两个位移量检测部，利用一个光源同时(或者按时序)测量制动钢丝绳的延伸量和移动量，从而直接检测在图16中示出的机械制动动作点P1、P2，并使在间隙区间的再生最大化，提高再生充电的效率。<钢丝绳延伸量检测部 > 首先，对上述的两个位移检测部内的上述钢丝绳延伸量检测部进行说明。此外，经过第一 第三衍射光栅16、18、20的平行光15实际上被分为与上述平行光15在相同方向上行进的O级光(O级衍射光)和与该O级光具有衍射角的±n级光(或者表示为土η级衍射光，η为I以上的自然数)，使O级光和±η级光行进。此外，在此为方便起见，经过第一衍射光栅16、第二衍射光栅18、第三衍射光栅20后，上述平行光15和在相同方向上行进的O级光一起表不为直行光30。图2的(A)是表示钢丝绳延伸量检测部的基本构造的图，(B-I)和(B-2)是分别表示光路4和光路5的图，(C)和(D)是表示光路4与5的干涉情况的图。在上述钢丝绳延伸量检测部内，第二衍射光栅18将已通过第一衍射光栅16的直行光30分为直行光30和衍射光32,使直行光30和衍射光32行进。上述第三衍射光栅20具有与上述第二衍射光栅18相同的光栅节距P，其被配设成与该第二衍射光栅18相对、且能在上述直行光30的光轴上相对移动,将已通过上述第二衍射光栅18的直行光30进一步分为直行光30和衍射光34，使直行光30和衍射光34行进。利用光电二极管等作为上述光传感器26。更加具体地，上述衍射光32为第一衍射光栅16的O级光及第二衍射光栅18的I级光内的经过第三衍射光栅20后也在相同方向上行进的O级光。而且，经过上述第一衍射光栅16、第二衍射光栅18的O级光(直 行光30)内的经过第三衍射光栅20的I级光为上述衍射光34。此外，虽然在本实施例中利用了 I级光，但是也可以利用其它规定级数的衍射光来进行以下说明的位移量的测量。第二衍射光栅18和第三衍射光栅20具有以相同规定节距(图I的(A)的光栅节距P)形成的多个槽18A、20A,并设定成两枚衍射光栅的衍射方向相同。此外,光传感器26仅接受包含由第三衍射光栅20衍射的衍射光34在内的、沿着第二衍射光栅18的衍射光32的光轴的衍射光，检测干涉光36的光量。根据与第三衍射光栅20相对于该第二衍射光栅18的相对移动量(在图2的(A)中示出的位移量X)相对应的干涉光带或其信号，测量第二衍射光栅18与第三衍射光栅20之间在轴向上的位移量,即直行的平行光15的轴向位移量。此外，在此所说的轴向是指与第二衍射光栅18和第三衍射光栅20的主平面正交的方向。在图2的(B-I)中，示出了光路L4由第二衍射光栅18衍射的情况，在图2的(B_2)中，示出了光路L5由第三衍射光栅20衍射的情况。在这里，图2的(B-I)示出的光路L4仅示出了经过第一衍射光栅16直行(O级光)、并经过第二衍射光栅18后的衍射光(本实施例的情况下为I级光)内的、经过第三衍射光栅20后也以同样方向前进的衍射光32(0级光一I级光一O级光)。图2的(B-2)所示的光路L5仅示出了经过第一衍射光栅16和第二衍射光栅18后直行(O级光)，射入第三衍射光栅20的光内的、以与上述图2的(B-I)不出的衍射光32相同方向上行进的I级衍射光34(0级光一O级光一I级光)。另外，在图2的(C)中，示出了光路L4与L5相重叠的情况。如后所述，在本发明中，利用对第三衍射光栅20相对于第二衍射光栅18的移动前和移动后的干涉光36的光量测量，能进行位移量的测量，如图2的(D)所示，光路L4、L5共有相同的光路，并进一步利用了衍射光栅的透射衍射光难以受到衍射光栅的倾斜的影响的特性。因此，即使由于倾斜(振动影响)等原因第三衍射光栅20发生了振动，也不会给干涉光带带来坏的影响。此外，由于能够削减掉上述背景技术的光学系统中最大的元件分离器，能使装置小型化及低成本化。接着，参照图3，定性地说明上述钢丝绳延伸量检测部的动作原理。首先，第二衍射光栅18与第三衍射光栅20以规定的间隔相对配置，使来自激光光源12、通过准直透镜14而成为平行光15的激光内的、通过上述第一衍射光栅16的直行光30射入第二衍射光栅18。入射光被分为由第二衍射光栅18衍射的光(路径I和路径3)和直行光(图2的
(A)中的直行光30),并被射入第三衍射光栅20。上述直行光由第三衍射光栅20进一步衍射(路径2)，固定侧的衍射光与可动侧的衍射光发生干涉，并采用光传感器26对此进行光量检测。若第三衍射光栅20在轴向上从图3中实线示出的位置移动到虚线示出的位置，则路径2的衍射光的衍射的光轴上的位置从位置Pl移动到P2。在移动前，由于路径I与路径2的衍射光的 干涉，干涉光I没有相位差；而在移动后，成为路径2与路径3的衍射光的干涉光2，并产生在图3示出的相位差。因此，与上述移动量成比例的干涉光带的明暗重复，能检测移动量。接着，参照图4，定量地说明上述钢丝绳延伸量检测部的动作原理。如图4的(A)所示，若假设波长为λ、衍射光栅节距为P，则在I级衍射光的情况下，透射型衍射光栅(在图中为第三衍射光栅20)的入射角Θ与衍射角φ的关系(入射角为O度)如下述的式⑴。sin Φ+sin θ = λ /P ......... (I)另一方面，如图4的(B)所示，相对于第三衍射光栅20的移动Ad，路径2的路径长变化了 △(!，路径3的路径长Λ(12可由下述的式⑵表示。Δ d2 = ( Δ d/cos ( Φ))......... (2)这里，若假设在移动前可动侧的路径2与固定侧的路径I之间没有路径差，则移动后的路径差Λ可由下述的式(3)表示。Δ = Ad2-Ad= Δ d (1/cos ( Φ)—I)......... (3)在此，基于上述定量动作原理说明具体例子，假设透射型衍射光栅的入射角Θ为O、波长λ为O. 65 μ m、光栅节距P为I. 6 μ m，则从上述数学式I可以得到衍射角Φ = ASIN(0. 65/1. 6) = 24.0。。并且，由于将上述基板用作衍射光栅时衍射角Φ为24度，相对于移动量Ad的路径2与路径3的路径差Λ从上述式3可以得到Δ = Ad (1/cos (24。)_1) = 0.094,则约11个波长的移动产生I次干涉的明暗。在上述的背景技术的干涉仪中，相对于一个波长的移动量，干涉的明暗必定产生两次，而在本实施例中，干涉光带的产生间隔取决于衍射角Φ，利用该衍射角Φ能扩大检测范围。此外，由于衍射角Φ由光栅节距P和波长决定，可以换句话说，干涉光带的产生间隔取决于光栅节距P，利用第二衍射光栅18、第三衍射光栅20的光栅节距P的微细化，能以I个波长以下的数量级检测位移量。由此，由于检测范围的扩大，能检测线性的部分，能进行从μ m以下区域到20mm左右的大范围的位移检测。作为一个例子，在下述表I中示出了第二和第三衍射光栅18、20的光栅的条数(条/mm)、光栅节距Ρ(μπι)、衍射角Φ (度)、倍率G(倍)、以及检测范围(μ m)的关系。如果假设第三衍射光栅20移动了 Ad时路径差为Λ，Δ由上述数学式3表示。倍率G为Λ d/ Λ。当G = I时，检测范围为光的一个波长，成为正弦波状；当G变大，检测范围为波长λ X倍率G，依靠扩大正弦波能够进行线性检测。[表 I]
μηι传感器mm传感器
条数(条/mm) 1350 I 62530020. 51110
光栅节距 Ρ( μηι)— O. 74 ~ I. 603.3348. 75100. 00~
衍射角 Φ (度)一61· 34224 13. 9694811. 24472O. 763898O. 37242 "
倍率(倍)G O. 921513 θ. 59581TI. 09213^1250. 547335. 78
检测范围(μιη) O. 299492 3· 44363916. 604943656. 41215384.TT<线移动量检测部 > 接着，参照图5和图6，对本实施例的线移动量检测部进行说明。首先，参照图5，说明线移动量检测部的构成和定性的动作原理。线移动量检测部包括上述激光光源12、准直透镜14、第一衍射光栅16、半透射半反射镜22、全反射镜24、以及光传感器28 (第一光传感器)。上述第一衍射光栅16配置在上述平行光15的光轴上,将射入的光分为直行的O级光(O级衍射光)和与该O级光形成有衍射角的±η级光(土η级衍射光)，使O级光和±η级光行进。上述半透射半反射镜22配设成在上述直行光30的光轴上与上述第一衍射光栅16相对，将上述第二和第三衍射光栅18、20夹在中间，使通过上述第一衍射光栅16的直行光(光路LI)的一部分反射,将光分割为返回到上述第一衍射光栅 16的光路L2 (第一返回光L revl)和剩余的直行的光路L3。上述全反射镜24配置成能相对于上述半透射半反射镜22在同一光轴上变化相对位置，并使通过上述半透射半反射镜22的直行光30 (光路L3)反射，通过上述半透射半反射镜22，作为返回到上述第一衍射光栅16的第二返回光L rev20此外，在本实施例中，在上述第一衍射光栅16与半透射半反射镜22之间，配设有上述第二衍射光栅18和第三衍射光栅20。因此，在图5中示出的光路LI是第一衍射光栅16、第二衍射光栅18、以及第三衍射光栅20的O级衍射光。同样地,上述第一返回光L revl (光路L2)和第二返回光L rev2均为第三衍射光栅20和第二衍射光栅18的O级衍射光、且均为第一衍射光栅16的I级衍射光，并照射到光传感器28上。该光传感器28接受上述第一和第二返回光L revUL rev2的衍射光，进行光量检测，因此根据与全反射镜24相对于半透射半反射镜22的相对移动量(参照图6的(A)的位移Y)成比例的干涉光带或其信号，能测量半透射半反射镜22与全反射镜24之间的位移Y。利用光电二极管等作为上述光传感器28。此外，在本实施例中，利用光传感器28，接受由第一衍射光栅16衍射的I级衍射光，与上述钢丝绳延伸量检测部同样地,也可以接受其他级数的衍射光,测量位移Y。接着，参照图6，定量地说明上述线移动量检测部的动作原理。图6的(A)是说明线移动量检测部的动作的说明图。图6的(B-I) (B-3)是表示采用光传感器28检测到的干涉光带的图像的图。在图6的(A)中示出了构成本实施例的位移测量装置10的各部件中，除了上述全反射镜24，其他构成元件作为相对于该全反射镜24能相对移动的位移测量单元70被一体化的情况。如图6的(A)所示，当全反射镜24相对于半透射半反射镜22的相对位移量(或者位移测量单元70相对于全反射镜24的位移量)为Y时，第一返回光Lrevl和第二返回光Lrev2的光路差增加Ti。移动前的光传感器28的明暗状态为“明”(参照图6的(B-I)的框Fl内)，当激光光源12的振动波长为λ的情况下，Y= λ /4 X (2n+1) (η 为任意的整数)时，光传感器28上的明暗从“明”变化为“暗”(参照图6的(Β-3)的框F3内)。此外，当从“明”变化到“暗”的过程中，即O < Y < λ/4X (2n+l)时，光传感器28上的干涉光带成为明暗的中间状态(参照图6的(B-2)的框F2内)。此外，在上述图6的(B-I) (B-3)中，若输入干涉光带的整体，即使干涉光带发生变化，光量的变化也很微小，检测灵敏度下降，而在本实施例中，利用输入在图6的(B-I) (B-3)中的框Fl F3示出的一部分区域，得到高的检测灵敏度。〈具体例子〉接着,参照图9 图13,说明本发明的具体例子。图9是表示上述电动助力自行车的制动动作和上述位移测量装置的作用的图，图10是表示位移测量单元的具体例子的图。图11的(A)是表示在上述具体例中的激光光源的电路构成的图，图11的(B)是在钢丝绳延伸量检测部处的光检测电路的构成的图， 图11的(C)是表示从上述光检测电路输出I的一个信号波形的图，图11的(D)是表不来自上述光检测电路的输出I的一个处理顺序的概略的框图。图12的(A)是表示在上述具体例子中在间隙区间的线移动量检测部的光传感器28上的暗点计数变化的图，图12的(B)是表示在机械制动区间的钢丝绳延伸量检测部的光传感器26上的光量变化的图。图13的(A)是表示制动杆操作量与线张力的关系的图，图13的⑶是表示制动杆操作量与制动力的关系的图。此外，电动助力自行车50及其制动机构如上所述。上述位移测量单元70设置成在固定于制动把手(自行车把手)52上的壳体11之中，利用未图示的导轴等能在制动杆54附近沿着制动钢丝绳56移动。另一方面，上述全反射镜24被固定在上述壳体11的一个侧面IlB侧上。上述制动钢丝绳56在上述壳体11的侧面IlA到侧面IlB侧之间贯通。如图10所示,上述位移测量单元70构成为在透明树脂成型体72内收纳有激光光源12、准直透镜14、第一衍射光栅16 第三衍射光栅20、半透射半反射镜22、以及光传感器26和28。在上述透明树脂成型体72的上部，从侧面72A到侧面72B，设有制动钢丝绳56贯通的贯穿孔74，上述制动钢丝绳56用螺钉76A、76B在两个位置固定在透明树脂成型体72上。此外，激光光源12嵌入在侧面72A侧设置的未图示的圆形凹状空间中，该激光光源12与设置在透明树脂成型体72的外部的激光驱动电路78相连接。此外，准直透镜14配置于在厚度方向上贯通透明树脂成型体72的空间80A之中，边缘用粘接剂等固定。空间80A可以是利用切入加工制成的空间。此外，第一衍射光栅16被配置在空间80B中，第二衍射光栅18和第三衍射光栅20被配置在空间80C中，各自的背面用透明粘接剂等固定。而且，半透射半反射镜22被配置在空间80D中，光传感器26被配置在空间80E中，光传感器28被配置在空间80F中。此外，在上述透明树脂成型体72中，除了成为光的通道的未图示的空间以外，还形成有设置在第二衍射光栅18侧的上方的狭缝86A、以及设置在第三衍射光栅20侧的上方的狭缝86B。上述狭缝86A与上述空间80C相连接。这些狭缝86A、86B用于赋予在第二衍射光栅18和第三衍射光栅20的边界处、透明树脂成型体72与制动钢丝绳56 —起在轴向上伸缩(参照图10的箭头FlO)的弹性。此外，在本实施例中，由于设置了两个狭缝86A、86B，第三衍射光栅20能相对于第二衍射光栅18平行移动，并能测量正确的移动量。此外，透明树脂成型体72在厚度方向视为没有挠曲。上述光传感器26、28分别与设置在透明树脂成型体72外部的I/V变换电路82、84相连接。作为上述透明树脂成型体72，例如利用丙烯或聚碳酸酯等透明树脂制成，长、宽为15_左右，厚度为5_左右。此外，作为激光光源12，利用波长为650nm、输出功率为5mW的激光二极管LD，光轴的较小的出射角选择为与衍射光栅18、20的槽18A和20A平行的方向。准直透镜14利用NA (Numerical Aperture :数值孔径)为O. 65、有效直径为4mm、宽度为I. 5mm的准直透镜。作为第一衍射光栅16，使用光栅节距为O. 72 μ m、光栅槽的深度为216nm的衍射光栅。此外，作为第二衍射光栅18和第三衍射光栅20，利用光栅节距P为1.6 μ m、槽16A和18A的深度为150nm、槽的宽度为O. 5 μ m的衍射光栅。第二衍射光栅18与第三衍射光栅20的衍射方向设定为相同方向，衍射光栅之间的距离设定为在激光光源12的相干长度(Imm左右)以内。这是由于若增大衍射光栅18、20之间的距离，则光的干扰性变差，不能获取干涉的明暗，并且还需要增大射入的光柱直 径。此外，作为半透射半反射镜22，利用透射率为50%、反射率为50%的半透射半反射镜，作为全反射镜24，利用反射率为100%的全反射镜。作为受光元件的光传感器26，尺寸定为能输入干涉光36的一部分,作为另一个光传感器28,使用了能输入第一返回光L revl和第二返回光L rev2的干涉光的一部分的尺寸。在以上构成的位移测量单元70中，为了检测制动钢丝绳56的延伸，以第二衍射光栅18和第三衍射光栅20作为边界(图10的虚线部分)、将透明树脂成型体72分为两个部分时，各部分用螺钉76A、76B固定在制动钢丝绳56上，并且分成的两个部分构造成在狭缝86A、86B的周围具有相连的弹性。因此，如图9的(C)所示，若制动钢丝绳56延伸，则保持两个衍射光栅18、20处于平行的状态，由于间隔I与制动钢丝绳56的伸缩相匹配地产生变化，能检测延伸量(位移X)。同时，如图9的(B)所示，位移测量单元70本身与制动钢丝绳56 一起移动，并与在图9的(A)示出的制动杆操作开始前相比，全反射镜24与半透射半反射镜22的间隔发生变化，因此能检测制动钢丝绳56的移动量(位移Y)。在图11的⑷中，示出了上述激光光源12的电路构成。在本例中，利用激光二极管LD作为激光光源12，该激光二极管LD通过电流限制电阻Rl连接到电源。另一方面，在图11的⑶中，示出了本例的钢丝绳延伸量检测部的光检测电路。在本例中，利用光电二极管F1D作为光传感器26。在光电二极管F1D中，根据接受的干涉光的光量产生电流,并输入运算放大器OP的反相输入端，变换成电压，作为输出I输出。即运算放大器OP相当于I/V变换电路82。此外，在图11的⑶示出的电路中，设有电阻R2和R3这两个电阻。电阻R2决定运算放大器OP输出的动作点(光信号为O时的输出电压)，两端连接在运算放大器OP上的电阻R3是相对于光传感器26 (光电二极管PD)的射入光量确定输出电压增益的电阻，在相同光量下，电阻越大，输出电压越大。在图11的(C)中，示出了从运算放大器OP输出的输出I的波形。该图的横轴示出了位移X，纵轴示出了检测电压。如该图所示，在本例的检测方式中，由于检测特性为正弦波状，能根据电信号的强度求出位移X。具体地，如图11的⑶所示，利用放大电路90将上述输出I放大，并由限幅器92进行二值化限幅。并且，由时钟计数器94进行时钟计数，并利用运算装置96的规定运算固件进行计数值X光源的波长λ的运算，求出上述位移X。此外，可使用在图11的(C)中示出的检测特性的正弦波的振幅整体的100%，但是若假定由于光传感器26的原点位置调整的偏移而导致检测范围的偏移，优选的是，设定20%的裕量，使用振幅的±80%左右的范围。此外，线移动量检测部的光传感器28的光检测电路、输出波形、运算处理顺序也与光传感器26的情况相同。
在以上构成的位移测量单元70中，若从图8的㈧和图9的㈧示出的状态开始，驾驶员开始拉动制动杆54,则如图8的(B)所示,制动钢丝绳56移动，同时,如图9的
(B)所示，上述制动钢丝绳56与位移测量单元70 —起移动，产生位移Y。并且，根据全反射镜24相对于半透射半反射镜22的相对位移Y，能以mm数量级测量出制动钢丝绳56的移动量，即与该移动量相对应的制动杆54的操作量。此外，位移测量单元70根据在图9中示出的第二衍射光栅18与第三衍射光栅20之间的间隔I的变化，以μ m数量级检测由于在图8的(C)中示出的制动杆54的操作而导致的制动钢丝绳56的延伸(位移X)，并感知电动助力自行车50的从间隙区间到机械制动区间的转移。另一方面，在上述电动助力自行车50的控制器64中，确定与位移测量单元70的输出相应的最佳再生制动力，将马达66控制为最佳再生制动控制起作用。于是，马达66作为发电机发挥功能，并将产生的电充电到电池68中。另外，控制器64检测电池68的电池功能、状况。在装载了这样的位移测量装置10的电动助力自行车50中，由于能够检测因制动钢丝绳56的张力导致的微小变形，在图13的(A)中示出的以往制动的间隙部分，能施加将马达66作为发电机、向电池68进行充电的再生制动。而且，如图13的(B)所示，在机械制动时(制动衬垫与轮胎接触的区域)也并列地控制再生制动使其工作，能提高利用效率。根据本实施例，在由于驾驶员制动调整而导致的机械制动动作点偏移了的情况下，例如即使从图16的(B)的制动动作点Pl偏移到P2，由于能直接感知调整后的机械制动动作点，能始终维持较高的再生效率。若具体地表示从上述间隙区间转移到机械制动区间的感知，则在上述间隙区间，只有线移动量检测部的光传感器28上的干涉光带发生变化，而钢丝绳延伸量检测部的光传感器26的干涉光带不变。在图12的(A)中示出了在上述间隙区间，光传感器28上的暗点计数发生变化。在该图中，横轴为位移测量单元70的移动距离(位移Y) (nm)，纵轴为暗点计数。如该图所示，依靠进行光传感器28上的暗点计数,能以μ m、mm数量级感知移动量(位移Y) O另一方面，在上述机械制动区间，钢丝绳延伸量检测部的光传感器26上的干涉光带也发生变化。图12的(B)示出了在机械制动区间光传感器26上的光量变化，横轴是钢丝绳延伸量检测部的移动量(位移X)，纵轴是光量。根据在图12的(B)示出的光量变化，基于上述的定量原理，能感知机械制动的开始。由此，根据实施例1，能得到以下的效果。(I)在来自激光光源12的平行的直行光的光轴上，依次配置第一衍射光栅16、半透射半反射镜22、以及全反射镜24，而且，使上述直行光通过上述第一衍射光栅16，使其行进到半透射半反射镜22，并将其分割为行进到全反射镜24的直行光30、以及返回到第一衍射光栅16的第一返回光L revl。到达全反射镜24的光被反射，通过半透射半反射镜22，成为返回到第一衍射光栅16的第二返回光L rev20将上述第一返回光L revl和第二返回光L rev2的、由第一衍射光栅16所衍射的规定级数的衍射光用光传感器28受光，进行光量检测，所以能检测出与半透射半反射镜22、全反射镜24之间的相对位置变化相对应的制动钢丝绳56的移动量(位移量)。(2)由于上述位移量的检测为光路共有方式，倾斜影响被消除，能防止由于干扰(振动)引起的误检测。(3)由于未利用分离器，能减少部件数量，实现小型化、低成本化。另外，由于构成简单，也能很好地抵抗位置偏移。(4)将测量范围扩大到一个波长以上，并能连续地测量从一个波长以下的位移到一个波长以上的位移，能调整取决于衍射光栅的节距的光学分辨率。(5)在上述第一衍射光栅16与半透射半反射镜22之间，在同一轴上能相对移动地配置具有相同的光栅节距P的第二衍射光栅18和第三衍射光栅20，利用光传感器26接受 由上述第二衍射光栅18和第三衍射光栅20衍射的衍射光内的、沿着上述第二衍射光栅18衍射的规定级数的衍射光的光轴的衍射光，并进行光量检测。并且，根据第三衍射光栅20相对于第二衍射光栅18的移动量(位移X)所对应的干涉光带或其信号，检测与轴向的移动量相对应的位移量，并检测制动钢丝绳56的延伸量，所以利用同一光源，能同时或按时序测量在同一光轴上的不同位置的位移量。在本实施例中，根据这两个位移量的检测结果，能直接感知机械制动开始点，因此能实现再生充电效率的提高。实施例2接着，参照图14和图15，说明本发明的实施例2。此外，与上述的实施例I相同或对应的构成元件采用相同的标号。图14是表示上述实施例的钢丝绳延伸量检测部的变形例的图，图14的(A)是表示本实施例的钢丝绳延伸量检测部的基本构造的图，图14的(B)是表示光检测电路的构成的图。此外，图15的(A)和(B)是表示来自上述光检测电路的输出A和输出B的信号波形的图，(C)是上述输出A和输出B的运算结果的信号波形。本实施例在第三衍射光栅侧设置层差，依靠将2分割光传感器的输出相除，即使激光光源的光量有变动，检测位置也不变化，并且将正弦状的检测特性变成直线状。如图14的(A)所示，位移测量装置100在第三衍射光栅102上设有相位板104来形成层差，并且使用了 2分割光传感器106来代替上述实施例I的光传感器26，其他的构成与上述实施例I相同。上述相位板104例如具有3 μ m左右的厚度d，并采用与第三衍射光栅102相同的材料利用层差的加工或成型模具等形成。来自激光光源12、通过准直透镜14而变成平行光的直行光通过第一衍射光栅16，并利用固定侧的第二衍射光栅18分为衍射光和直行光，此直行光进一步射入可动侧的第三衍射光栅102,在没有相位板104的部分的表面被衍射(图14的(A)的粗线)。与此同时，在有相位板的部分，直行光通过该相位板104，在第三衍射光栅102的表面被衍射(图14的(A)的单点划线)。在本实施例中，如图14的⑶所不，上述2分割光传感器106利用由两个光电二极管PDl和PD2构成的2分割光电二极管。在使用2相移法的情况下，形成路径差△为λ/4*(1/(08(Φ)-1)的不同的两个干涉光带，并利用运算来换算成位移。在该情况下，若将η作为基板的折射率，层差的深度d由下述的式(4)表示。
d = λ / (1/cos ( Φ)-I) * (n_l)......... (4)例如，波长λ为0.65 μ m，基板的折射率η为I. 58，代入上述数学式4，层差的深度d确定为
权利要求
1.一种位移测量方法， 利用准直透镜将从光源发射出的光变成平行光， 使该平行光通过配置在其光轴上的第一衍射光栅，进一步行进到在上述光轴上与上述第一衍射光栅相对配置的半透射半反射镜， 使上述平行光的一部分利用上述半透射半反射镜反射而作为返回到上述第一衍射光栅的第一返回光，使上述平行光的剩余的光行进到全反射镜，该全反射镜配置成能相对于上述半透射半反射镜在同一光轴上相对地进行位置变化， 利用上述第一衍射光栅，将上述第一返回光分为与上述第一返回光在相同方向上行进的O级光、以及相对于该O级光具有衍射角的±n级光，使O级光和±n级光行进，将该±n级光内的规定级数的衍射光用第一光传感器受光，进行光量检测，其中η为I以上的自然数，并且， 使通过上述半透射半反射镜并行进到上述全反射镜的平行光由该全反射镜反射后在上述半透射半反射镜中通过，从而作为返回到上述第一衍射光栅的第二返回光， 利用上述第一衍射光栅，将到达上述第一衍射光栅的第二返回光分为O级光和±η级光，使该O级光和该±η级光行进,并用上述第一光传感器接受该±η级光内的上述规定级数的衍射光，进行光量检测， 根据上述全反射镜的相对于半透射半反射镜的相对移动量所对应的干涉光带或其信号，测量上述平行光的轴向第一位移量。
2.根据权利要求I所述的位移测量方法， 利用在上述第一衍射光栅与上述半透射半反射镜之间、在上述平行光的光轴上配置的第二衍射光栅，将通过上述第一衍射光栅的平行光分为与该平行光在相同方向上行进的O级光和±η级光，使该O级光和该±η级光行进， 利用配置成在上述第二衍射光栅与上述半透射半反射镜之间、且与上述第二衍射光栅相对、能在同一光轴上移动，并具有与上述第二衍射光栅相同的光栅节距的第三衍射光栅，将经过上述第二衍射光栅的O级光进一步分为在相同方向上行进的O级光和±η级光，使O级光和±η级光行进， 用第二光传感器接受经过上述第二衍射光栅和上述第三衍射光栅的±η级光内的、沿着由上述第二衍射光栅衍射的规定级数的衍射光的光轴的衍射光，进行光量检测，并且， 根据第三衍射光栅的相对于上述第二衍射光栅的移动量所对应的干涉光带或其信号，测量上述平行光的轴向第二位移量。
3.一种位移测量装置，包括 光源； 用于将从上述光源发射出的光变成平行光的准直透镜； 第一衍射光栅，其配置在上述平行光的光轴上，并将上述平行光分为在相同方向上行进O级光和±η级光，使该O级光和该±η级光行进； 半透射半反射镜，其在上述平行光的光轴上与上述第一衍射光栅相对配置，使通过上述第一衍射光栅的平行光的一部分反射而作为返回到上述第一衍射光栅的第一返回光，并使上述平行光的剩余的光通过； 全反射镜，其配置成能相对于该半透射半反射镜在同一光轴上相对地进行位置变化，使通过上述半透射半反射镜的平行光反射而在上述半透射半反射镜中通过，作为返回到上述第一衍射光栅的第二返回光；以及 第一光传感器，其接受利用上述第一衍射光栅衍射的上述第一返回光和上述第二返回光的土η级光内的、沿着第一返回光的规定级数的衍射光的光轴的衍射光，进行光量检测，根据上述全反射镜的相对于半透射半反射镜的相对移动量所对应的干涉光带或其信号，测量上述平行光的轴向第一位移量。
4.根据权利要求3所述的位移测量装置，该位移测量装置还包括 第二衍射光栅，其配置在上述第一衍射光栅与上述半透射半反射镜之间、且在上述平行光的光轴上，将通过上述第一衍射光栅的平行光分为与该平行光在相同方向上行进的O级光和±η级光，使O级光和±η级光行进； 第三衍射光栅，其配置成能在该第二衍射光栅与上述半透射半反射镜之间相对于上述第二衍射光栅在同一光轴上移动，并具有与上述第二衍射光栅相同的光栅节距，并且将经过上述第二衍射光栅的O级光进一步分为在相同方向上直行的O级光和±η级光,使该O级光和该土η级光行进；以及 第二光传感器，其接受经过上述第二衍射光栅和上述第三衍射光栅的±η级光内的、沿着由上述第二衍射光栅衍射的规定级数的衍射光的光轴的衍射光，进行光量检测， 根据与第三衍射光栅的相对于上述第二衍射光栅的移动量成比例的干涉光带或其信号，测量上述平行光的轴向第二位移量。
5.根据权利要求4所述的位移测量装置， 在上述第三衍射光栅的与上述第二衍射光栅相对的面上设置具有层差的相位板，并使用2分割光传感器作为上述第二光传感器，并且 该位移测量装置还具有合成从上述2分割光传感器输出的两个信号的运算装置。
6.根据权利要求3所述的位移测量装置， 上述光源、上述准直透镜、上述第一衍射光栅、上述半透射半反射镜、以及上述第一光传感器设置在设于透明树脂成型体内的空间中，并且， 上述全反射镜配置在上述透明树脂成型体的外部， 上述透明树脂成型体与上述全反射镜中的某一个安装成能沿着轴移动，以使上述透明树脂成型体与上述全反射镜能相对移动。
7.根据权利要求4或5所述的位移测量装置， 上述光源、上述准直透镜、上述第一衍射光栅、上述第二衍射光栅、上述第三衍射光栅、上述半透射半反射镜、上述第一光传感器、以及上述第二光传感器配置在设于透明树脂成型体内的空间内， 上述全反射镜配置在上述透明树脂成型体的外部， 上述透明树脂成型体与上述全反射镜中的某一个安装成能沿着轴移动，以使上述透明树脂成型体与上述全反射镜能相对移动，并且， 上述透明树脂成型体在上述第二衍射光栅与上述第三衍射光栅的边界处具有能伸缩的弹性，以保持上述第二衍射光栅与第三衍射光栅处于平行状态。
全文摘要
本发明提供一种位移测量方法和位移测量装置，不受光学元件倾斜精度的影响，构成简单且能小型化，受到衍射光栅的平面方向的位置偏移的影响较小，进行光学分辨率调整的位移测量。利用准直透镜(14)将来自激光光源(12)的激光(13)变成平行光15，使平行光通过第一衍射光栅(16)行进到半透射半反射镜(22)，使一部分反射，作为通过第一衍射光栅(16)的第一返回光(L rev1)。使平行光(15)的剩余的光行进到全反射镜(24)并被反射，作为通过半透射半反射镜(22)和第一衍射光栅(16)的第二返回光(L rev2)。用第一光传感器(28)对利用第一衍射光栅(16)衍射的第一、第二返回光(L rev1、L rev2)的规定级数的衍射光进行光量检测，根据与全反射镜(24)的相对于半透射半反射镜(22)的轴向的相对移动量相对应的干涉光带或其信号得出位移量。
文档编号G01B11/00GK102834690SQ201180017720
公开日2012年12月19日 申请日期2011年3月28日 优先权日2010年3月31日
发明者小山胜弘, 池田正人 申请人:太阳诱电株式会社