張力・速度計測装置および方法
【課題】ウェブの種類によらずにウェブの張力を高精度に計測し、同時にウェブの速度を安価に計測する。
【解決手段】張力・速度計測装置は、搬送装置によって搬送中のウェブ１１にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、発振波長が増加する第１の発振期間と発振波長が減少する第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１を動作させるレーザドライバ４と、半導体レーザ１からのレーザ光とウェブ１１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フォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５とフィルタ部６と、フィルタ部６の出力に含まれる干渉波形の周期を計測する信号抽出部７と、信号抽出部７が計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいてウェブ１１の速度および張力を算出する演算部８とを備える。
【解決手段】張力・速度計測装置は、搬送装置によって搬送中のウェブ１１にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、発振波長が増加する第１の発振期間と発振波長が減少する第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１を動作させるレーザドライバ４と、半導体レーザ１からのレーザ光とウェブ１１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フォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５とフィルタ部６と、フィルタ部６の出力に含まれる干渉波形の周期を計測する信号抽出部７と、信号抽出部７が計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいてウェブ１１の速度および張力を算出する演算部８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブの速度と張力を計測する張力・速度計測装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
紙、フィルム、セロファン、金属箔、ゴムなどのロール状に巻き取った物体（以下、ウェブと呼ぶ）を送出部から繰り出して、ウェブに対して所定の処理を行い、処理後のウェブを受取部によって巻き取るウェブ搬送装置では、送出部のロールの巻径と受取部のロールの巻径の変化に伴ってウェブの張力も変化する。したがって、適切な張力制御をおこたると、ウェブのしわやたわみの発生、ウェブの厚さの変化などを引き起こし、最悪の場合はウェブの切断にいたるため、張力制御が必要となる。
【０００３】
従来、ウェブの張力を測定する方法としては、ロール軸に掛かる力から張力を算出する接触式の方法がある。また、別の方法として、ウェブの固有振動から張力を算出する非接触式の方法がある（特許文献１参照）。ただし、ウェブ搬送装置では、ウェブの移動速度を一定に制御し、巻き出し・巻き取りしたウェブの長さを正確に計測する必要があるが、これらの方法では、ウェブの速度を同時に測ることはできない。
【０００４】
ウェブの速度と巻き取ったウェブの長さを計測する方法としては、一般的にはロール軸の回転数からウェブの速度を求め、この速度からウェブの長さを間接的に算出する方法があるが、ウェブの伸び縮みや巻き取りの張力による誤差が大きい。
また、ウェブの速度を計測する別の手段として、非接触式のドップラーレーザ速度計がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平６−６３８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ロール軸に掛かる力からウェブの張力を算出する接触式の方法では、図３７に示すようにロール３００の箇所でウェブ３０１を曲げて、ロール３００の軸にかかる力からウェブ３０１の張力を算出するため、曲げることが難しいウェブ、例えば鋼板などに適用することができないという問題点があった。
【０００７】
一方、ウェブの固有振動から張力を算出する非接触式の方法では、曲げることが難しいウェブにも適用することができる。しかし、この方法では、マイクロフォンを用いて集音し、ウェブの固有振動周波数を求めているため、外乱、すなわち雑音の混入に弱いという問題点があった。
また、ロール軸に掛かる力からウェブの張力を算出する方法やウェブの固有振動から張力を算出する方法では、ウェブの速度を同時に測ることができないという問題点があった。
【０００８】
ロール軸の回転数からウェブの速度を求める方法では、ウェブの伸び縮みや巻き取りの張力による誤差が大きく、その結果として速度から間接的に算出するウェブの長さも誤差が大きくなってしまうという問題点があった。このため、ロール状に巻き取った形で販売されているウェブは規定値よりも長めで売られているものが多く、無駄が生じていた。
また、非接触式のドップラーレーザ速度計には、非常に高価であるという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ウェブの種類によらずにウェブの張力を高精度に計測することができ、ウェブの張力と同時にウェブの速度を安価に計測することができる張力・速度計測装置および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】
【００１０】
本発明の張力・速度計測装置は、搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブ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ウェブ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に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手段と、この信号抽出手段が計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいて、前記ウェブの速度およびウェブの張力の少なくとも一方を算出する演算手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記演算手段は、前記信号抽出手段が計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいて前記ウェブの速度を算出する速度算出手段と、前記基準周期をしきい値として前記干渉波形の周期を２値化する２値化手段と、この２値化手段の出力の周期を測定する周期測定手段と、この周期測定手段が測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する周波数算出手段と、前記ウェブの速度と前記ウェブの振動周波数に基づいて前記ウェブの張力を算出する張力算出手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例は、さらに、前記信号抽出手段の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期の度数と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数とを求める度数分別手段と、前記信号抽出手段の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期とを抽出する周期分別手段と、前記度数分別手段が求めた度数と前記周期分別手段が抽出した周期とに基づいて前記基準周期を補正する基準周期補正手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記基準周期補正手段は、補正前の前記基準周期をＴ０、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期の度数をＮｓ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数をＮ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期に含まれるｊ番目（ｊは１〜Ｎｓの整数）の周期をＴｓｊ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期に含まれるｉ番目（ｉは１〜Ｎの整数）の周期をＴｉとしたとき、（ΣＴｉ−Ｎｓ×Ｔ０＋ΣＴｓｊ）／（Ｎ−Ｎｓ）または（ΣＴｉ＋ΣＴｓｊ）／Ｎにより前記基準周期Ｔ０の補正値を算出することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例は、さらに、前記信号抽出手段が計測した所定数の干渉波形の周期の平均を前記基準周期の初期値とする基準周期算出手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例は、さらに、前記検出手段の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計数手段と、この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記半導体レーザと前記ウェブとの距離を算出する距離算出手段と、この距離算出手段が算出した距離から前記基準周期の初期値を求める基準周期算出手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例は、さらに、前記検出手段の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計数手段と、前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記ウェブとの平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手段と、前記距離比例個数から前記基準周期の初期値を算出する基準周期算出手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記演算手段は、さらに、前記信号抽出手段で計測された補正対象の干渉波形の周期に対して、その直前と直後のうち少なくとも一方において計測された干渉波形の周期の移動平均値を算出する移動平均値算出手段と、前記補正対象の干渉波形の周期と前記移動平均値とを比較することにより前記補正対象の干渉波形の周期を補正する周期補正手段とを備え、前記２値化手段は、前記干渉波形の周期を２値化する代わりに、前記周期補正手段によって補正された周期を、前記基準周期をしきい値として２値化することを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記移動平均値算出手段は、前記補正対象の干渉波形の周期の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と前記補正対象の干渉波形の周期の直後に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを算出し、前記周期補正手段は、前記移動平均値算出手段が算出した２つの移動平均値のうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２とし、Ｔｘ＝Ｔ１＋α・（Ｔ２−Ｔ１）としたとき（０≦α≦１）、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの所定数ｋ倍未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、この補正対象の干渉波形の周期と次に計測された干渉波形の周期とを合わせた周期を補正後の干渉波形の周期とし、周期を合わせた波形を１つの波形とし、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの（ｍ−０．５）倍以上で且つ前記Ｔｘの（ｍ＋０．５）倍未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、前記補正対象の干渉波形の周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、補正後の周期の波形がｍ個あるものとすることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記演算手段は、さらに、前記周期測定手段の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である代表周期を算出する代表周期算出手段と、前記２値化出力周期度数分布作成手段が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記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、前記２値化出力の周期の度数分布から、前記代表周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記代表周期の第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に基づいて前記２値化出力計数手段の計数結果を補正する計測結果補正手段とを備え、前記周波数算出手段は、前記周期測定手段が測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する代わりに、前記計測結果補正手段で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記ウェブの振動周波数を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記代表周期算出手段は、階級値と度数との積が最大となる階級値を前記代表周期とすることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の張力・速度計測方法は、搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブにレーザ光を放射する半導体レーザを、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前記ウェブ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周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手順と、この信号抽出手順で計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいて、前記ウェブの速度およびウェブの張力の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ウェブの種類によらずにウェブの張力を高精度に計測することができ、ウェブの張力と同時にウェブの速度を安価に計測することができる張力・速度計測装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る張力・速度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の実施の形態に係る張力・速度計測装置を適用するウェブ搬送装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。
【図４】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５】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６】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７】本発明の第１の実施の形態における信号抽出部の構成の１例を示すブロック図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態における信号抽出部の動作を説明するための図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における演算部の速度算出処理を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第１の実施の形態における演算部の張力算出処理を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第１の実施の形態における基準周期の補正原理を説明するための図である。
【図１３】モードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図１４】ノイズを含むモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態における距離比例個数算出部の動作を説明するための図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態における符号付与部の動作を説明するための図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態における符号付与部の動作を説明するための図である。
【図２０】本発明の第４の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図２１】本発明の第４の実施の形態における周期補正部の動作を説明するための図である。
【図２２】本発明の第４の実施の形態における信号抽出部の計測結果の補正原理を説明するための図である。
【図２３】２倍の周期になったモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図２４】計数時に欠落したモードホップパルスのうち２分割されたモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図２５】計数時に欠落したモードホップパルスのうち２分割されたモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図２６】ウェブが等速運動している場合のウェブとの距離の変化を示す図である。
【図２７】ウェブが等速運動している場合のモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図２８】ウェブの速度が変化している場合のウェブとの距離の変化およびウェブの速度の変化を示す図である。
【図２９】ウェブの速度が変化している場合のモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図３０】本発明の第６の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図３１】本発明の第６の実施の形態における周期の度数分布の１例を示す図である。
【図３２】本発明の第６の実施の形態において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３３】本発明の第６の実施の形態における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３４】本発明の第７の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化および計数部の計数結果の時間変化を示す図である。
【図３５】本発明の第８の実施の形態に係る張力・速度計測装置の構成を示すブロック図である。
【図３６】張力・速度計測装置のセンサモジュールの別の配置例を示す図である。
【図３７】ロール軸に掛かる力からウェブの張力を算出する方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［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張力・速度計測装置の構成を示すブロック図である。図１の張力・速度計測装置は、測定対象のウェブ１１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、ウェブ１１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（以下、ＭＨＰとする）の周期を計測する信号抽出部７と、信号抽出部７が計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいてウェブ１１の張力と速度とを算出する演算部８と、演算部８の計測結果を表示する表示部９とを有する。
【００１９】
半導体レーザ１とフォトダイオード２とレンズ３とは、センサモジュール１０を構成している。また、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。
【００２０】
図２は本実施の形態の張力・速度計測装置を適用するウェブ搬送装置の構成を示すブロック図である。ウェブ搬送装置は、送出側ガイド軸１００と、受取側ガイド軸１０１と、送出側ガイド軸１００に装着される送出側ロール１０２と、受取側ガイド軸１０１に装着される受取側ロール１０３と、送出側ガイド軸１００を駆動し、送出側ロール１０２を回転させる送出側モータ駆動部（不図示）と、受取側ガイド軸１０１を駆動し、受取側ロール１０３を回転させる受取側モータ駆動部（不図示）と、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御する制御部１０４とを有する。
【００２１】
送出側モータ駆動部が送出側ロール１０２を回転させると、送出側ロール１０２に巻かれたウェブ１１が繰り出される。受取側では、受取側モータ駆動部が受取側ロール１０３を回転させることにより、受取側ロール１０３がウェブ１１を巻き取る。
制御部１０４は、ウェブ１１の張力と速度とがそれぞれ所望の値になるように、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御する。
【００２２】
半導体レーザ１とフォトダイオード２とレンズ３とからなるセンサモジュール１０は、図２に示すように送出側ガイド軸１００と受取側ガイド軸１０１間のウェブ１１上に配置され、ウェブ１１に対してレーザ光を斜方照射する。レーザ光を斜方照射するのは、ウェブ１１の速度を計測するためである。
図１のレーザドライバ４と電流−電圧変換増幅部５とフィルタ部６と信号抽出部７と演算部８と表示部９とは、制御部１０４の内部に設けられる。
【００２３】
次に、本実施の形態の張力・速度計測装置の動作を詳細に説明する。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。
【００２４】
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３は、半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図である。図３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。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂおよ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。
【００２５】
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、ウェブ１１に入射する。ウェブ１１で反射された光の一部は、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。
【００２６】
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４（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４（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４（Ａ）の波形（変調波）から、図３の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図４（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。
【００２７】
次に、信号抽出部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの周期をＭＨＰが発生する度に計測する。ここで、自己結合信号であるＭＨＰについて説明する。図５に示すように、ミラー層１０１３からウェブ１１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、ウェブ１１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、ウェブ１１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。
【００２８】
図６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６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。前記のとおり、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。
【００２９】
図７は信号抽出部７の構成の１例を示すブロック図である。信号抽出部７は、２値化部７０と、周期測定部７１とから構成される。
図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は信号抽出部７の動作を説明するための図であり、図８（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８（Ｂ）は図８（Ａ）に対応する２値化部７０の出力を示す図、図８（Ｃ）は信号抽出部７に入力されるサンプリングクロックＣＬＫを示す図、図８（Ｄ）は図８（Ｂ）に対応する周期測定部７１の測定結果を示す図である。
【００３０】
まず、信号抽出部７の２値化部７０は、図８（Ａ）に示すフィルタ部６の出力電圧が「１」（ハイレベル）か「０」（ローレベル）かを判定して、図８（Ｂ）のような判定結果を出力する。このとき、２値化部７０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２値化出力を「１」とし、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２値化出力を「０」とすることにより、フィルタ部６の出力を２値化する。
【００３１】
周期測定部７１は、２値化部７０の出力の立ち上がりエッジの周期（すなわち、ＭＨＰの周期）を立ち上がりエッジが発生する度に測定する。このとき、周期測定部７１は、図８（Ｃ）に示すサンプリングクロックＣＬＫの周期を１単位としてＭＨＰの周期を測定する。図８（Ｄ）の例では、周期測定部７１は、ＭＨＰの周期としてＴα，Ｔβ，Ｔγを順次測定している。図８（Ｃ）、図８（Ｄ）から明らかなように、周期Ｔα，Ｔβ，Ｔγの大きさは、それぞれ５［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、４［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、２［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］である。サンプリングクロックＣＬＫの周波数は、ＭＨＰの取り得る最高周波数に対して十分に高いものとする。
【００３２】
次に、演算部８は、信号抽出部７の計測結果に基づいて、ＭＨＰの周期の変化からウェブ１１の速度と張力とを算出する。図９は演算部８の構成の１例を示すブロック図である。演算部８は、信号抽出部７の計測結果等を記憶する記憶部８０と、基準周期の初期値を算出する基準周期算出部８１と、信号抽出部７が計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいてウェブ１１の速度を算出する速度算出部８２と、信号抽出部７の計測結果を２値化する２値化部８３と、２値化部８３の出力の周期を測定する周期測定部８４と、周期測定部８４が測定した周期からウェブ１１の振動周波数を算出する周波数算出部８５と、ウェブ１１の速度と振動周波数に基づいてウェブ１１の張力を算出する張力算出部８６と、信号抽出部７の計測結果から、基準周期の第１の所定数倍未満の周期の度数と基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数とを求める度数分別部８７と、信号抽出部７の計測結果から、基準周期の第１の所定数倍未満の周期と基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期とを抽出する周期分別部８８と、度数分別部８７が求めた度数と周期分別部８８が抽出した周期とに基づいて基準周期を補正する基準周期補正部８９とから構成される。
【００３３】
まず、演算部８の速度算出処理について説明する。図１０は演算部８の速度算出処理を示すフローチャートである。
信号抽出部７の計測結果は、演算部８の記憶部８０に格納される。基準周期算出部８１は、基準周期Ｔ０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］の初期値を予め算出して記憶部８０に格納する。具体的には、基準周期算出部８１は、ウェブ搬送装置によってウェブ１１の搬送が開始された搬送初期時に信号抽出部７によって計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値を基準周期Ｔ０の初期値とする。
【００３４】
サンプリングクロックＣＬＫの周波数をｆａｄ［Ｈｚ］、半導体レーザ１の発振平均波長をλ［ｍ］とし、演算対象のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０からｎ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］長くなったとすると、この演算対象のＭＨＰの周期におけるウェブ１１の進行方向の変位Ｄ［ｍ］は次式のようになる。
Ｄ＝ｎ×λ／（２×Ｔ０） ・・・（２）
【００３５】
演算対象のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０からｎ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］短くなった場合には、式（２）の周期変化量ｎの符号を負にすればよい。半導体レーザ１の発振波長が増加する第１の発振期間Ｐ１において、変位Ｄが正の場合、ウェブ１１の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向であり、変位Ｄが負の場合、ウェブ１１の移動方向は半導体レーザ１に接近する方向である。また、発振波長が減少する第２の発振期間Ｐ２において、変位Ｄが正の場合、ウェブ１１の移動方向は半導体レーザ１に接近する方向であり、変位Ｄが負の場合、ウェブ１１の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向である。
【００３６】
また、演算対象のＭＨＰの周期は（Ｔ０＋ｎ）／ｆａｄなので、演算対象のＭＨＰの周期におけるウェブ１１の速度Ｖ［ｍ／ｓ］は次式のようになる。
Ｖ＝ｎ×λ／（２×Ｔ０）×ｆａｄ／（Ｔ０＋ｎ） ・・・（３）
【００３７】
速度算出部８２は、信号抽出部７によって計測され記憶部８０に記憶されたＭＨＰの周期の基準周期Ｔ０に対する周期変化量ｎを求め（図１０ステップＳ１００）、式（３）によりウェブ１１の速度Ｖを算出する（ステップＳ１０１）。速度算出部８２は、以上のような速度算出処理をＭＨＰが発生する度に行う。
【００３８】
次に、速度算出処理と平行して行われる張力算出処理について説明する。図１１は演算部８の張力算出処理を示すフローチャートである。
２値化部８３は、基準周期Ｔ０をしきい値として信号抽出部７の計測結果を２値化する（図１１ステップＳ２００）。具体的には、２値化部８３は、信号抽出部７によって計測され記憶部８０に記憶されたＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０以上であれば２値化出力を「１」（ハイレベル）とし、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０未満であれば２値化出力を「０」（ローレベル）とする。２値化部８３の出力は記憶部８０に格納される。２値化部８３は、このような２値化処理をＭＨＰが発生する度に行う。
【００３９】
続いて、周期測定部８４は、２値化部８３の出力の立ち上がりエッジの周期を立ち上がりエッジが発生する度に測定する（図１１ステップＳ２０１）。このとき、周期測定部８４は、上記のサンプリングクロックＣＬＫの周期を１単位として２値化出力の周期を測定する。周期測定部８４の測定結果は記憶部８０に格納される。
【００４０】
ウェブ１１に張力が掛かっていると、ウェブ１１は張力に応じた固有の振動周波数で振動している。周期測定部８４がＭＨＰの周期を２値化した２値化出力の周期を求めることは、鉛直方向（図２の上下方向）に沿って振動しているウェブ１１の振動周期を求めることを意味する。この振動周期からウェブ１１の振動周波数を求めることが可能である。周波数算出部８５は、周期測定部８４が測定した周期Ｔｓｉｇからウェブ１１の振動周波数ｆｓｉｇ［Ｈｚ］を次式のように算出する（図１１ステップＳ２０２）。
ｆｓｉｇ＝ｆａｄ／Ｔｓｉｇ ・・・（４）
【００４１】
上記のとおり、ｆａｄはサンプリングクロックＣＬＫの周波数である。周波数算出部８５の算出結果は、記憶部８０に格納される。周波数算出部８５は、周波数算出処理を周期測定部８４によって周期Ｔｓｉｇが測定される度に行う。
張力算出部８６は、速度算出部８２が算出したウェブ１１の速度Ｖと周波数算出部８５が算出したウェブ１１の振動周波数ｆｓｉｇとからウェブ１１の張力Ｆ［Ｎ］を次式のように算出する（図１１ステップＳ２０３）。
Ｆ＝Ｍ×Ｗ×（２×Ｓ×ｆｓｉｇ−Ｖ）2×１０-9 ・・・（５）
【００４２】
式（５）において、Ｍはウェブ１１の１ｍｍ幅あたりの単位質量［ｇ／ｍ］、Ｗはウェブ１１の幅［ｍｍ］、Ｓはウェブ１１のスパン［ｍｍ］、すなわち図２の送出側ガイド軸１００と受取側ガイド軸１０１間の距離である。なお、式（５）では、ウェブ１１の速度Ｖをｍｍ／ｓの単位で用いている。張力算出部８６は、張力算出処理を周波数算出部８５によって振動周波数ｆｓｉｇが算出される度に行う。
【００４３】
以上で、演算部８の速度算出処理と張力算出処理とが終了する。表示部９は、演算部８が算出したウェブ１１の速度Ｖと張力Ｆとを表示する。
ウェブ搬送装置の制御部１０４は、演算部８の算出結果に基づいて、ウェブ１１の速度と張力とがそれぞれ所望の値になるように、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御する。
【００４４】
次に、基準周期Ｔ０の補正について説明する。本実施の形態によれば、高分解能の計測を実現することができるが、半面、基準周期Ｔ０の分解能が低く精度が低下する傾向にあり、速度Ｖや張力Ｆの絶対精度が低下する可能性がある。そこで、本実施の形態では、基準周期Ｔ０を補正し、速度Ｖや張力Ｆの計測精度の低下を回避する。
【００４５】
度数分別部８７は、信号抽出部７によって計測され記憶部８０に記憶されたＭＨＰの周期の度数を、現在の基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期の度数Ｎｓと、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期の度数Ｎと、これら以外の周期の度数の３つに分別する。
【００４６】
周期分別部８８は、信号抽出部７によって計測され記憶部８０に記憶されたＭＨＰの周期を、現在の基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期Ｔｓ（０．５Ｔ０＞Ｔｓ）と、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期Ｔ（０．５Ｔ０≦Ｔ≦１．５Ｔ０）と、これら以外の周期の３つに分別する。
度数分別部８７と周期分別部８８とは、以上の分別処理を所定の測定期間毎に行う。第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々を測定期間として設定してもよいし、これらの発振期間Ｐ１，Ｐ２とは別の長さで測定期間を設定してもよい。
【００４７】
続いて、基準周期補正部８９は、現在の基準周期Ｔ０と、基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期の度数Ｎｓと、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期の度数Ｎと、基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期Ｔｓと、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期Ｔとから、以下の式のように基準周期Ｔ０の補正値Ｔ０’を算出する。
Ｔ０’＝（ΣＴｉ−Ｎｓ×Ｔ０＋ΣＴｓｊ）／（Ｎ−Ｎｓ） ・・・（６）
【００４８】
式（６）において、Ｔｉは基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期Ｔに含まれるｉ番目（ｉは１〜Ｎの整数）の周期を意味し、Ｔｓｊは基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期Ｔｓに含まれるｊ番目（ｊは１〜Ｎｓの整数）の周期を意味する。
また、基準周期補正部８９は、次式により基準周期Ｔ０の補正値Ｔ０’を算出してもよい。
Ｔ０’＝（ΣＴｉ＋ΣＴｓｊ）／Ｎ ・・・（７）
【００４９】
そして、基準周期補正部８９は、式（６）または式（７）によって算出した補正値Ｔ０’を新たな基準周期Ｔ０として記憶部８０に設定する。基準周期補正部８９は、以上のような基準周期Ｔ０の補正を上記測定期間毎に行う。
【００５０】
図１２は基準周期Ｔ０の補正原理を説明するための図であり、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である。本来、ＭＨＰの周期は半導体レーザ１とウェブ１１との距離によって異なるが、ウェブ１１との距離が不変であれば、ＭＨＰ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、ＭＨＰの周期に誤差が生じる。
【００５１】
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所でのＭＨＰの周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０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。また、ノイズをカウントした箇所でのＭＨＰの周期Ｔｓは、本来の周期のおよそ０．５倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０のおよそ０．５倍未満の場合には、信号を過剰に数えていると判断できる。以上の考え方により、ノイズをカウントしたと見なす周期Ｔｓと信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを分別できることになる。
【００５２】
半導体レーザ１の発振波長変化が線形である場合、ＭＨＰの周期は基準周期Ｔ０を中心にして正規分布する（図１３）。
ＭＨＰの波形に欠落が生じた場合を考えると、計測時に欠落が生じたとしても、元々の正規分布は変化しないため、基準周期Ｔ０の１．５倍よりも長い周期の度数は無視してもよく、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下のＭＨＰの周期とその度数から基準周期Ｔ０の補正値Ｔ０’を算出すればよいことになる。
【００５３】
また、ノイズによって２分割されたＭＨＰの周期を考えると、ノイズを過剰に数えた結果として２分割されたＭＨＰの周期は、ランダムな割合で２分割されるが、分割される前の周期がＴ０を中心とした正規分布であるために、０．５Ｔ０に対して対称な度数分布になる（図１４のａ）。
【００５４】
そこで、２分割されたＭＨＰの周期のうち基準周期Ｔ０の０．５倍以上の周期の度数は無視し、基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期の度数Ｎｓを減算して、基準周期Ｔ０の補正値Ｔ０’を算出すればよいことになる。この考え方に基づく算出方法が式（６）による算出方法である。また、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期Ｔに、基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期Ｔｓも加算して、基準周期Ｔ０の補正値Ｔ０’を算出してもよい。この考え方に基づく算出方法が式（７）による算出方法である。
【００５５】
以上が、基準周期Ｔ０の補正原理である。なお、信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを決めるためのしきい値を基準周期Ｔ０の１．５倍の値とした理由は、ノイズをカウントしたと見なす周期Ｔｓを決めるためのしきい値（基準周期Ｔ０の０．５倍の値）との対称性を考慮したためである。つまり、正規分布は、平均値を中心に対称な分布である。正規分布の平均値を算出する母集団として、周期が短い側の値を基準周期Ｔ０の０．５倍としたため、周期が長い側については周期が短い側との対称性を考慮して基準周期Ｔ０の１．５倍にしている。
【００５６】
以上のように、本実施の形態では、ウェブ１１の張力を非接触式で計測できることから、鋼板のような曲げることが難しいウェブ１１にも適用することができ、ウェブ１１の種類によらずにウェブの張力を計測することができる。
【００５７】
また、本実施の形態では、外乱光に強いという利点を有する自己結合型レーザ計測器を用いてウェブ１１の張力を計測するので、マイクロフォンを用いてウェブの振動周波数を求める従来の方法に比べて、外乱に対する耐性を向上させることができる。また、本実施の形態では、ウェブの張力と同時に、ウェブの速度を計測することができる。本実施の形態の張力・速度計測装置は、ドップラーレーザ速度計に比べて安価に実現することができる。また、本実施の形態では、基準周期Ｔ０を補正することにより、ウェブ１１の速度や張力の計測精度の低下を回避することができる。
【００５８】
［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。本実施の形態は基準周期Ｔ０の初期値の他の求め方を説明するものである。図１５は本実施の形態の演算部８ａの構成の１例を示すブロック図である。演算部８ａは、記憶部８０と、速度算出部８２と、２値化部８３と、周期測定部８４と、周波数算出部８５と、張力算出部８６と、度数分別部８７と、周期分別部８８と、基準周期補正部８９と、フィルタ部６の出力信号に含まれるＭＨＰの数を数える計数部９０と、計数部９０によってＭＨＰの数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と計数部９０の計数結果とから半導体レーザ１とウェブ１１との距離を算出する距離算出部９１と、距離算出部９１が算出した距離から基準周期Ｔ０の初期値を求める基準周期算出部９２とから構成される。
【００５９】
本実施の形態では、半導体レーザ１の発振波長の変化速度が一定で、かつ発振波長の最大値λｂおよび発振波長の最小値λａがそれぞれ一定で、それらの差λｂ−λａも一定である必要がある。
【００６０】
半導体レーザ１、フォトダイオード２、レーザドライバ４、電流−電圧変換増幅部５、フィルタ部６、信号抽出部７、速度算出部８２、２値化部８３、周期測定部８４、周波数算出部８５、張力算出部８６、度数分別部８７、周期分別部８８および基準周期補正部８９の動作は、第１の実施の形態と同じであるので、計数部９０と距離算出部９１と基準周期算出部９２による基準周期Ｔ０の初期値の算出処理について説明する。
【００６１】
計数部９０は、フィルタ部６の出力に含まれる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。計数部９０は、論理ゲートからなるカウンタを利用するものでもよいし、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を利用してＭＨＰの周波数（すなわち単位時間あたりのＭＨＰの数）を計測するものでもよい。計数部９０の計数結果は記憶部８０に格納される。
【００６２】
次に、距離算出部９１は、半導体レーザ１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと計数部９０が数えたＭＨＰの数に基づいて、半導体レーザ１とウェブ１１との距離を算出する。本実施の形態では、ウェブ１１の状態を所定の条件を満たす微小変位状態、あるいは微小変位状態よりも動きが大きい変位状態のいずれかであるとする。発振期間Ｐ１と発振期間Ｐ２の１期間あたりのウェブ１１の平均変位をＶとしたとき、微小変位状態とは（λｂ−λａ）／λｂ＞Ｖ／Ｌｂを満たす状態であり（ただし、Ｌｂは時刻ｔのときの距離）、変位状態とは（λｂ−λａ）／λｂ≦Ｖ／Ｌｂを満たす状態である。
【００６３】
まず、距離算出部９１は、現時刻ｔにおける距離の候補値Ｌα（ｔ），Ｌβ（ｔ）と速度の候補値Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）を次式のように算出する。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（８）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ）｜）
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（９）
Ｖα（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（１０）
Ｖβ（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（１１）
【００６４】
式（８）〜式（１１）において、ＭＨＰ（ｔ）は現時刻ｔにおいて算出されたＭＨＰの数、ＭＨＰ（ｔ−１）はＭＨＰ（ｔ）の１回前に算出されたＭＨＰの数である。例えば、ＭＨＰ（ｔ）が第１の発振期間Ｐ１の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第２の発振期間Ｐ２の計数結果であり、逆にＭＨＰ（ｔ）が第２の発振期間Ｐ２の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第１の発振期間Ｐ１の計数結果である。
【００６５】
候補値Ｌα（ｔ），Ｖα（ｔ）はウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、候補値Ｌβ（ｔ），Ｖβ（ｔ）はウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した値である。距離算出部９１は、式（８）〜式（１１）の計算を計数部９０によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
【００６６】
続いて、距離算出部９１は、微小変位状態と変位状態の各々について、現時刻ｔにおける距離の候補値と、直前の時刻における距離の候補値との差である履歴変位を次式のように算出する。なお、式（１２）、式（１３）では、現時刻ｔの１回前に算出された距離の候補値をＬα（ｔ−１），Ｌβ（ｔ−１）としている。
Ｖｃａｌα（ｔ）＝Ｌα（ｔ）−Ｌα（ｔ−１） ・・・（１２）
Ｖｃａｌβ（ｔ）＝Ｌβ（ｔ）−Ｌβ（ｔ−１） ・・・（１３）
【００６７】
履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）はウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）はウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した値である。距離算出部９１は、式（１２）〜式（１３）の計算を計数部９０によってＭＨＰの数が測定される時刻毎に行う。なお、式（１０）〜式（１３）においては、ウェブ１１が本実施の形態の張力・速度計測装置に近づく方向を正の速度、遠ざかる方向を負の速度と定めている。
次に、距離算出部９１は、式（８）〜式（１３）の算出結果を用いて、ウェブ１１の状態を判定する。
【００６８】
特開２００６−３１３０８０号公報（以下、参考文献と呼ぶ）に記載されているように、距離算出部９１は、ウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号が一定で、かつウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが等しい場合、ウェブ１１が微小変位状態で等速度運動していると判定する。
【００６９】
また、参考文献に記載されているように、距離算出部９１は、ウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号が一定で、かつウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが等しい場合、ウェブ１１が変位状態で等速度運動していると判定する。
【００７０】
また、参考文献に記載されているように、距離算出部９１は、ウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号がＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、かつウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、ウェブ１１が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定する。
【００７１】
なお、速度の候補値Ｖβ（ｔ）に着目すると、Ｖβ（ｔ）の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ１の波長変化率（λｂ−λａ）／λｂと等しい。そこで、距離算出部９１は、ウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、かつウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、ウェブ１１が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定してもよい。
【００７２】
また、参考文献に記載されているように、距離算出部９１は、ウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号がＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、かつウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、ウェブ１１が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定する。
【００７３】
なお、速度の候補値Ｖα（ｔ）に着目すると、Ｖα（ｔ）の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ１の波長変化率（λｂ−λａ）／λｂと等しい。したがって、距離算出部９１は、ウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、かつウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、ウェブ１１が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定してもよい。
【００７４】
距離算出部９１は、上記の判定結果に基づいて半導体レーザ１とウェブ１１との距離を確定する。すなわち、距離算出部９１は、ウェブ１１が微小変位状態で等速度運動していると判定された場合、距離の候補値Ｌα（ｔ）を半導体レーザ１とウェブ１１との距離とし、ウェブ１１が変位状態で等速度運動していると判定された場合、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を半導体レーザ１とウェブ１１との距離とする。
【００７５】
また、距離算出部９１は、ウェブ１１が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定された場合、距離の候補値Ｌα（ｔ）を半導体レーザ１とウェブ１１との距離とする。ただし、実際の距離は、距離の候補値Ｌα（ｔ）の平均値となる。また、距離算出部９１は、ウェブ１１が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定された場合、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を半導体レーザ１とウェブ１１との距離とする。ただし、実際の距離は、距離の候補値Ｌβ（ｔ）の平均値となる。
【００７６】
次に、基準周期算出部９２は、距離算出部９１が算出した距離からＭＨＰの周期を求め、この周期を基準周期Ｔ０の初期値として記憶部８０に格納する。ＭＨＰの周波数は測定距離に比例し、ＭＨＰの周期は測定距離に反比例する。そこで、ＭＨＰの周期と距離との関係を予め求めて基準周期算出部９２のデータベース（不図示）に登録しておけば、基準周期算出部９２は、距離算出部９１によって算出された距離に対応するＭＨＰの周期をデータベースから取得することにより、ＭＨＰの周期を求めることができる。あるいは、ＭＨＰの周期と距離との関係を示す数式を予め求めて設定しておけば、基準周期算出部９２は、距離算出部９１によって算出された距離を数式に代入することにより、ＭＨＰの周期を算出することができる。以上のようにして、本実施の形態では、基準周期Ｔ０の初期値を求めることができる。
【００７７】
［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。本実施の形態は、基準周期Ｔ０の初期値の他の求め方を説明するものである。図１６は本実施の形態の演算部８ｂの構成の１例を示すブロック図である。演算部８ｂは、記憶部８０と、速度算出部８２と、２値化部８３と、周期測定部８４と、周波数算出部８５と、張力算出部８６と、度数分別部８７と、周期分別部８８と、基準周期補正部８９と、計数部９０と、半導体レーザ１とウェブ１１との平均距離に比例したＭＨＰの数（以下、距離比例個数とする）ＮＬを求める距離比例個数算出部９３と、計数部９０の計数結果の増減方向の一致不一致あるいは計数結果の平均値の変化に応じて、計数部９０の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与部９４と、距離比例個数ＮＬからＭＨＰの周期を算出する基準周期算出部９５とから構成される。
【００７８】
半導体レーザ１、フォトダイオード２、レーザドライバ４、電流−電圧変換増幅部５、フィルタ部６、信号抽出部７、速度算出部８２、２値化部８３、周期測定部８４、周波数算出部８５、張力算出部８６、度数分別部８７、周期分別部８８および基準周期補正部８９の動作は、第１の実施の形態と同じであるので、計数部９０と距離比例個数算出部９３と符号付与部９４と基準周期算出部９５による基準周期Ｔ０の初期値の算出処理について説明する。
【００７９】
計数部９０の動作は第２の実施の形態で説明したとおりである。距離比例個数算出部９３は、記憶部８０に格納された、計数部９０の計数結果から距離比例個数ＮＬを求める。図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）は距離比例個数算出部９３の動作を説明するための図であり、図１７（Ａ）は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図、図１７（Ｂ）は計数部９０の計数結果の時間変化を示す図である。図１７（Ｂ）において、Ｎｕは第１の発振期間Ｐ１の計数結果、Ｎｄは第２の発振期間Ｐ２の計数結果である。
【００８０】
図１７（Ａ）から明らかなように、第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２は交互に訪れるので、計数結果Ｎｕと計数結果Ｎｄも交互に現れる。計数結果Ｎｕ，Ｎｄは、距離比例個数ＮＬとウェブ１１の変位に比例したＭＨＰの数（以下、変位比例個数とする）ＮＶとの和もしくは差である。距離比例個数ＮＬは、計数結果ＮｕとＮｄの平均値に相当する。また、計数結果ＮｕまたはＮｄと距離比例個数ＮＬとの差が、変位比例個数ＮＶに相当する。
【００８１】
距離比例個数算出部９３は、次式に示すように現時刻ｔ以前の計数結果ＮｕとＮｄとを用いて、距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝（Ｎｕ＋Ｎｄ）／２ ・・・（１４）
【００８２】
ただし、距離比例個数算出部９３は、ウェブ１１の速度および張力の計測開始初期には、式（１４）を用いて距離比例個数ＮＬを算出するが、途中からは式（１４）の代わりに後述する符号付き計数結果を用いる次式により距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝（Ｎｕ’＋Ｎｄ’）／２ ・・・（１５）
【００８３】
式（１５）において、Ｎｕ’は計数結果Ｎｕに後述する符号付与処理を施した後の符号付き計数結果、Ｎｄ’は計数結果Ｎｄに符号付与処理を施した後の符号付き計数結果である。式（１５）が使用されるのは、符号付与部９４が符号付き計数結果を出力したとき以降である。
距離比例個数ＮＬは、記憶部８０に格納される。距離比例個数算出部９３は、以上のような距離比例個数ＮＬの算出処理を、計数部９０によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
【００８４】
次に、符号付与部９４は、計数部９０の計数結果Ｎｕ，Ｎｄの増減方向の一致不一致、あるいは計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値の変化に基づいて、計数部９０の最新の計数結果に正負の符号を付与する。図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）は符号付与部９４の動作を説明するための図であり、図１８（Ａ）、図１９（Ｂ）は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図、図１８（Ｂ）、図１９（Ｂ）は計数部９０の計数結果の時間変化を示す図である。なお、図１８（Ｂ）、図１９（Ｂ）の例では、計数結果Ｎｕが、半導体レーザ１の発振波長の伸び縮み方向がウェブ１１の速度方向と対向しているときの計数結果Ｎαである場合を示している。
【００８５】
ウェブ１１の振動に伴う半導体レーザ１とウェブ１１との距離変化率が半導体レーザ１の発振波長変化率よりも小さく、ウェブ１１が鉛直方向に沿って単振動している場合、第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕの時間変化と第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄの時間変化は、図１８（Ｂ）に示すように互いの位相差が１８０度の正弦波形となる。参考文献では、このときのウェブ１１の状態を微小変位状態としている。
【００８６】
一方、半導体レーザ１とウェブ１１との距離変化率が半導体レーザ１の発振波長変化率よりも大きい場合、計数結果Ｎｄの時間変化は、図１９（Ｂ）の負側の波形２５０が正側の波形２５１に折り返された形になる。参考文献では、この計数結果の折り返しが生じている部分におけるウェブ１１の状態を変位状態としている。一方、計数結果の折り返しが生じていない部分におけるウェブ１１の状態は、上記の微小変位状態である。
【００８７】
計数結果の折り返しが生じている部分において、計数結果をそのまま用いて距離比例個数ＮＬを算出すると、距離比例個数ＮＬが本来の値と異なる値になる。
つまり、距離比例個数ＮＬを正しく求めるためには、ウェブ１１が変位状態であるか微小変位状態であるかを判定し、ウェブ１１が変位状態である場合には、正側に折り返されている計数結果に負の符号を付与する補正を行う必要がある。
【００８８】
符号付与部９４は、図１８（Ｂ）に示すように計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化が同相でない場合、計数部９０の現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に正の符号を付与した符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）を出力し、図１９（Ｂ）に示すように計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化が同相である場合、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に負の符号を付与した符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）を出力する。
【００８９】
現時刻ｔの計数結果がＮｕであれば、計数結果Ｎｕの増減は、現時刻ｔの計数結果Ｎｕ（ｔ）と２回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−２）との差Ｎｕ（ｔ）−Ｎｕ（ｔ−２）の符号で判別することができ、計数結果Ｎｄの増減は、１回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−１）と３回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−３）との差Ｎｄ（ｔ−１）−Ｎｄ（ｔ−３）の符号で判別することができる。一方、現時刻ｔの計数結果がＮｄであれば、計数結果Ｎｕの増減は、１回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−１）と３回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−３）との差Ｎｕ（ｔ−１）−Ｎｕ（ｔ−３）の符号で判別することができ、計数結果Ｎｄの増減は、現時刻ｔの計数結果Ｎｄ（ｔ）と２回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−２）との差Ｎｄ（ｔ）−Ｎｄ（ｔ−２）の符号で判別することができる。
【００９０】
このような増減の判別の結果、計数結果Ｎｕ，Ｎｄが共に増加している場合あるいは共に減少している場合は、計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化が同相であり、ウェブ１１が変位状態であると判断することができる。また、計数結果Ｎｕ，Ｎｄのどちらか一方が増加していて他方が減少している場合は、計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化が同相でなく、ウェブ１１が変位状態でないと判断することができる。
【００９１】
また、図１９（Ｂ）で説明したような計数結果の折り返しが生じると、計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値に変化が生じる。そこで、符号付与部９４は、計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値の変化に応じて計数部９０の最新の計数結果に正負の符号を付与するようにしてもよい。
【００９２】
この場合、符号付与部９４は、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｕの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値以内であり、かつ現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｄの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値以内である場合、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に正の符号を付与した符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）を出力する。また、符号付与部９４は、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｕの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値を超えて変化したり、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｄの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値を超えて変化したりした場合、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に負の符号を付与した符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）を出力する。
【００９３】
符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）は、記憶部８０に格納される。符号付与部９４は、以上のような符号付与処理を、計数部９０によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
【００９４】
次に、基準周期算出部９５は、距離比例個数ＮＬから基準周期Ｔ０を次式のように算出する。
Ｔ０＝Ｃ／（２×ｆ×ＮＬ） ・・・（１６）
ここで、ｆは三角波の周波数、Ｃは光速である。基準周期算出部９５は、式（１６）によって算出した周期を基準周期Ｔ０の初期値として記憶部８０に格納すればよい。以上のようにして、本実施の形態では、基準周期Ｔ０の初期値を求めることができる。
【００９５】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、２値化部８３が基準周期Ｔ０をしきい値として信号抽出部７の計測結果を２値化し、周期測定部８４が２値化部８３の出力の周期を測定しているが、２値化する前にノイズ除去のために信号抽出部７の計測結果を補正してもよい。
【００９６】
図２０は本実施の形態の演算部８の構成の１例を示すブロック図である。本実施の形態の演算部８は、記憶部８０と、基準周期算出部８１と、速度算出部８２と、後述する周期補正部９７の出力を２値化する２値化部８３ａと、周期測定部８４と、周波数算出部８５と、張力算出部８６と、度数分別部８７と、周期分別部８８と、基準周期補正部８９と、移動平均値算出部９６と、周期補正部９７とから構成される。
【００９７】
第１の実施の形態で説明したとおり、記憶部８０は、信号抽出部７の計測結果を記憶する。移動平均値算出部９６は、補正対象のＭＨＰの周期の直前に計測された所定数のＭＨＰの周期と補正対象のＭＨＰの周期の直後に計測された所定数のＭＨＰの周期との移動平均値Ｔａｖｅを算出する。ここで、補正対象のＭＨＰの周期をＴｉ、補正対象のＭＨＰの前後からそれぞれ所定数ｋ個のＭＨＰの周期を算出に用いるとすると、移動平均値Ｔａｖｅは次式のようになる。
【００９８】
【数１】
【００９９】
周期補正部９７は、移動平均値算出部９６が算出した移動平均値Ｔａｖｅと補正対象のＭＨＰの周期Ｔとを比較することにより、補正対象のＭＨＰの周期Ｔを補正する。図２１（Ａ）〜図２１（Ｆ）は周期補正部９７の動作を説明するための図である。
【０１００】
周期補正部９７は、図２１（Ａ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔが０．５Ｔａｖｅ未満の場合、図２１（Ｂ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔと次に計測されたＭＨＰの周期Ｔｎｅｘｔとを合わせた周期を補正後のＭＨＰの周期Ｔ’とする。
周期補正部９７は、補正対象のＭＨＰの周期Ｔが０．５Ｔａｖｅ以上１．５Ｔａｖｅ未満の場合、補正対象のＭＨＰの周期Ｔを補正しない。
【０１０１】
また、周期補正部９７は、図２１（Ｃ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔが１．５Ｔａｖｅ以上２．５Ｔａｖｅ未満の場合、図２１（Ｄ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔを２等分した周期をそれぞれ補正後の周期Ｔ１’，Ｔ２’とする。
また、周期補正部９７は、図２１（Ｅ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔが２．５Ｔａｖｅ以上３．５Ｔａｖｅ未満の場合、図２１（Ｆ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔを３等分した周期をそれぞれ補正後の周期Ｔ１’，Ｔ２’，Ｔ３’とする。３．５Ｔａｖｅ以上についても同様である。すなわち、周期補正部９７は、補正対象のＭＨＰの周期Ｔが（ｍ−０．５）Ｔａｖｅ以上で（ｍ＋０．５）Ｔａｖｅ未満の場合（ｍは２以上の自然数）、補正対象のＭＨＰの周期Ｔをｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とする。周期補正部９７は、以上のような補正処理を信号抽出部７から計測結果が出力される度に行う。
【０１０２】
図２２は信号抽出部７の計測結果の補正原理を説明するための図であり、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である。ただし、説明を簡単にするため、ここでの原理はウェブ１１が静止している場合もしくはウェブ１１の振動の中心が変化しない場合を説明しており、補正対象のＭＨＰの周期の比較対象として移動平均値Ｔａｖｅの代わりに、基準周期Ｔ０を用いている。基準周期Ｔ０は、ウェブ１１が静止していたときのＭＨＰの周期、算出された距離におけるＭＨＰの周期、もしくは周期補正部９７による周期補正の直前に計測された一定数のＭＨＰの周期の移動平均値のいずれかである。ウェブ１１の振動の中心が変化する場合の周期補正の原理については後述する。
【０１０３】
ＭＨＰの周期はウェブ１１との距離によって異なるが、ウェブ１１との距離が不変であれば、ＭＨＰ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、ＭＨＰの周期に誤差が生じる。
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所でのＭＨＰの周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０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を２等分することで、信号の欠落を補正することができる。
【０１０４】
また、ノイズをカウントした箇所でのＭＨＰの周期Ｔｓは、本来の周期のおよそ０．５倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０のおよそ０．５倍未満の場合には、信号を過剰に数えていると判断できる。そこで、周期Ｔｓと次に計測される周期Ｔnextとを加算することで、誤って数えたノイズを補正することができる。
【０１０５】
以上が、ＭＨＰの周期補正の基本原理である。次に、信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを決めるためのしきい値を基準周期Ｔ０（実際に用いるのは移動平均値Ｔａｖｅ）の２倍の値とせずに、１．５倍とする理由について説明する。半導体レーザ１の発振波長変化が線形である場合、ＭＨＰの周期は基準周期Ｔ０を中心にして正規分布する。
【０１０６】
ここで、ＭＨＰの波形に欠落が生じた場合を考える。ＭＨＰの強度が小さいために計測時に欠落が生じた場合のＭＨＰの周期は、本来のＭＨＰの周期がＴ０を中心とした正規分布であるために、平均値が２Ｔ０、標準偏差２σの正規分布（図２３のｆ）になる。ｊ［％］のＭＨＰが欠落したときに、第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２のいずれかにおいて信号抽出部７がＭＨＰの数を数えた結果、ＭＨＰの数がＮであったとすると、この欠落によって周期が２倍になったＭＨＰの周期の度数はＮｗ（＝ｊ［％］・Ｎ）である。また、計測時の欠落によって減少した後のおおよそＴ０の周期の度数は、図２３に示すｇであり、図２３のｈに示す度数の減少分は２Ｎｗ（＝２ｊ［％］）である。したがって、第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２のいずれかにおいて、ＭＨＰの欠落が生じなかった場合の本来のＭＨＰの数Ｎ’は以下の式で表すことができる。
Ｎ’＝Ｎ＋ｊ［％］＝Ｎ＋Ｎｗ ・・・（１８）
【０１０７】
次に、ＭＨＰの周期の計測結果を補正するためのしきい値について考える。ここで、計測時の欠落によって周期が２倍になったＭＨＰの周期の度数Ｎｗのうちノイズによってｐ［％］が２分割された場合を仮定する。欠落したＭＨＰのうち２分割されたＭＨＰの周期の度数は、Ｎｗ’（＝ｊ・ｐ［％］・Ｎ）である。再度２分割されたＭＨＰの周期の度数分布は、図２４のようになる。Ｎｗとみなす周期のしきい値を１．５Ｔ０にすると、周期が０．５Ｔ０以下のＭＨＰの周期の度数は０．５Ｎｗ’（＝０．５ｐ［％］・Ｎｗ）、周期が０．５Ｔ０から１．５Ｔ０までのＭＨＰの周期の度数はＮｗ’（＝ｐ［％］・Ｎｗ）、周期が１．５Ｔ０以上のＭＨＰの周期の度数は０．５Ｎｗ’（＝０．５ｐ［％］・Ｎｗ）となる。
【０１０８】
よって、全てのＭＨＰの周期の度数分布は図２５のようになり、上記のＴｓに対応する周期の度数Ｎｓのしきい値を０．５Ｔ０、上記のＴｗに対応する周期の度数Ｎｗのしきい値を１．５Ｔ０にすると、計数結果Ｎは以下の式で表すことができる。
Ｎ＝（Ｎ’−２Ｎｗ）＋（Ｎｗ−Ｎｗ’）＋２Ｎｗ’＝Ｎ’−Ｎｗ＋Ｎｗ’
・・・（１９）
【０１０９】
式（１９）より、補正された結果は以下のようになり、計数時にＭＨＰの欠落が生じなかった場合の本来のＭＨＰの数Ｎ’が算出されることが分かる。
Ｎ−０．５Ｎｗ’＋（０．５Ｎｗ’＋（Ｎｗ−Ｎｗ’））
＝（Ｎ−Ｎｗ＋Ｎｗ’）＋（０．５Ｎｗ’＋（Ｎｗ−Ｎｗ’））
＝Ｎ’ ・・・（２０）
【０１１０】
以上のことから、度数Ｎｗを求める際の周期のしきい値を基準周期Ｔ０の１．５倍とすれば、計数結果Ｎを補正できることが分かる。ＭＨＰの周期Ｔと計数結果Ｎとは、三角波の半周期あたりのサンプリングクロック数をＭとすると、Ｔ＝Ｍ／Ｎの関係にあり、Ｍは一定値であるから、信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを決めるためのしきい値は、計数結果Ｎの場合と同様に、基準周期Ｔ０の１．５倍とすればよいことが分かる。
【０１１１】
次に、ウェブ１１の振動の中心が変化する場合の周期補正の原理について説明する。ＭＨＰの周波数は、ウェブ１１との距離に比例した周波数（このときの周期が基準周期Ｔ０）とウェブ１１の速度に比例する周波数との和で表すことができる。ウェブ１１がある状態でＭＨＰの周期がＴの場合、個々のＭＨＰの周期の確率分布はノイズなどによってばらつきが生じ、Ｔを中心とした概ね正規分布になる。よって、ウェブ１１が静止している場合、個々のＭＨＰの周期の確率分布も基準周期Ｔ０を中心とした正規分布になり、静止している期間のＭＨＰの周期の度数分布は、前記のように基準周期Ｔ０を中心とした正規分布になる。
【０１１２】
ここで、図２６に示すようにウェブ１１が等速運動している場合を考える。自己結合型のレーザセンサでは、ウェブ１１の速度の変化によるＭＨＰの周波数の変化割合と比較すると、ウェブ１１との距離の変化によるＭＨＰの周期の変化は非常に小さい。このため、個々のＭＨＰの周期の確率分布は、図２６のＡ点でもＢ点でも、ウェブ１１との平均距離に相当するＴ０から速度の大きさの分だけ周期が変化した値Ｔを中心とした正規分布になるため、Ａ点からＢ点の期間のＭＨＰの周期の度数分布も、Ｔを中心とした正規分布になる（図２７）。
【０１１３】
次に、図２８（Ａ）、図２８（Ｂ）に示すようにウェブ１１の速度が変化している場合を考える。ここでは、簡略化するために、折れ線運動を考える。すなわち、ウェブ１１との距離Ｌを期間Ａにおける距離ＬＡと期間Ｂにおける距離ＬＢに簡略化し、同様にウェブ１１の速度Ｖを期間Ａにおける速度ＶＡと期間Ｂにおける速度ＶＢに簡略化する。このようにウェブ１１の運動を簡略化すると、ＭＨＰの周期の度数分布は図２９のようになる。図２９においてＴＡは期間Ａにおけるウェブ１１の平均速度に対応するＭＨＰの周期、ＴＢは期間Ｂにおけるウェブ１１の平均速度に対応するＭＨＰの周期である。
【０１１４】
ウェブ１１の速度変化がなだらかに変化しているとしたら、図２８（Ａ）、図２８（Ｂ）の時刻ｔでのウェブ１１の速度は速度ＶＡとＶＢとの間にあるので、ＭＨＰの周期も周期ＴＡとＴＢとの間にある。このときのＭＨＰの周期をＴＸとすると、信号に欠落が生じて２つのＭＨＰが１つになった場合のＭＨＰの周期の確率分布は、２ＴＸを中心とした正規分布になると考えられる。また、周期ＴＸのＭＨＰがノイズで２分割された場合のＭＨＰの２つの確率分布は、０．５ＴＸを軸にした対称の形になる。したがって、ＴＡからＴＢの間の値と考えられるＴＸの周期補正を考える場合、基準周期Ｔ０の代わりに、ＴＡとＴＢの移動平均値Ｔａｖｅを基準として周期補正を行うことが妥当である。以上が、ウェブ１１の振動の中心が変化する場合のＭＨＰの周期補正の原理である。
【０１１５】
２値化部８３ａは、周期補正部９７によって補正されたＭＨＰの周期を、基準周期Ｔ０をしきい値として２値化する。
基準周期算出部８１、速度算出部８２、周期測定部８４、周波数算出部８５、張力算出部８６、度数分別部８７、周期分別部８８および基準周期補正部８９の動作は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
こうして、本実施の形態では、ＭＨＰの周期の誤差を補正することができるので、ウェブ１１の速度や張力の計測精度を向上させることができる。
【０１１６】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、補正対象のＭＨＰの周期の比較対象として移動平均値Ｔａｖｅを用いる代わりに、補正対象のＭＨＰの周期の直前に計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＡと補正対象のＭＨＰの周期の直後に計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＢとを用いるものである。本実施の形態においても、張力・速度計測装置の構成および演算部の構成は第４の実施の形態と同様であるので、図１、図２０の符号を用いて説明する。
【０１１７】
本実施の形態の移動平均値算出部９６は、補正対象のＭＨＰの周期の直前に計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＡと補正対象のＭＨＰの周期の直後に計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＢとを算出する。移動平均値算出部９６は、このような算出処理を信号抽出部７から計測結果が出力される度に行う。
【０１１８】
周期補正部９７は、移動平均値算出部９６が算出した移動平均値ＴＡ，ＴＢと補正対象のＭＨＰの周期とを比較することにより、補正対象のＭＨＰの周期を補正する。すなわち、周期補正部９７は、ＴＡ＜ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が０．５ＴＡ未満の場合、図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）の場合と同様に補正対象のＭＨＰの周期と次に計測されたＭＨＰの周期とを合わせた周期を補正後のＭＨＰの周期とする。周期補正部９７は、ＴＡ＜ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が０．５ＴＡ以上１．５ＴＢ未満の場合、補正対象のＭＨＰの周期を補正しない。周期補正部９７は、ＴＡ＜ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が（ｍ−０．５）ＴＢ以上で（ｍ＋０．５）ＴＢ未満の場合（ｍは２以上の自然数）、図２１（Ｃ）、図２１（Ｄ）、図２１（Ｅ）、図２１（Ｆ）の場合と同様に補正対象のＭＨＰの周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とする。
【０１１９】
また、周期補正部９７は、ＴＡ＞ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が０．５ＴＢ未満の場合、補正対象のＭＨＰの周期と次に計測されたＭＨＰの周期とを合わせた周期を補正後のＭＨＰの周期とする。周期補正部９７は、ＴＡ＞ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が０．５ＴＢ以上１．５ＴＡ未満の場合、補正対象のＭＨＰの周期を補正しない。周期補正部９７は、ＴＡ＞ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が（ｍ−０．５）ＴＡ以上で（ｍ＋０．５）ＴＡ未満の場合、補正対象のＭＨＰの周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とする。
【０１２０】
移動平均値算出部９６と周期補正部９７以外の動作は、第４の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態では、第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第４の実施の形態と第５の実施の形態とを統一した思想で表現すると、周期補正部９７の動作は以下のようになる。すなわち、周期補正部９７は、移動平均値算出部９６が算出した２つの移動平均値のうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２とし、Ｔｘ＝Ｔ１＋α・（Ｔ２−Ｔ１）としたとき（０≦α≦１）、補正対象のＭＨＰの周期がｋ・Ｔｘ未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、補正対象のＭＨＰの周期と次に計測されたＭＨＰの周期とを合わせた周期を補正後のＭＨＰの周期とし、周期を合わせた波形を１つの波形とする。また、周期補正部９７は、補正対象のＭＨＰの周期が（ｍ−０．５）・Ｔｘ以上で（ｍ＋０．５）・Ｔｘ未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、補正対象のＭＨＰの周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、補正後の周期の波形がｍ個あるものとする。
【０１２１】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、２値化部８３が基準周期Ｔ０をしきい値として信号抽出部７の計測結果を２値化し、周期測定部８４が２値化部８３の出力の周期を測定しているが、２値化した後にノイズ除去のために２値化部８３の出力を補正してもよい。
【０１２２】
図３０は本実施の形態の演算部８の構成の１例を示すブロック図である。演算部８は、記憶部８０と、基準周期算出部８１と、速度算出部８２と、２値化部８３と、周期測定部８４と、後述する計測結果補正部１１１によって補正された計数結果に基づいてウェブ１１の振動周波数を算出する周波数算出部８５ａと、張力算出部８６と、度数分別部８７と、周期分別部８８と、基準周期補正部８９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９８と、２値化出力の周期の分布の代表値である代表周期を算出する代表周期算出部９９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１１０と、カウンタ１１０の計数結果を補正する計測結果補正部１１１とから構成される。
【０１２３】
周期測定部８４は、第１の実施の形態で説明したとおり、２値化部８３の出力の周期を測定する。周期測定部８４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９８は、周期測定部８４の測定結果から、一定時間ＴＤ（ＴＤは例えばＭＨＰ１００個分の時間）における周期の度数分布を作成する。図３１は度数分布の１例を示す図である。度数分布作成部９８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９８は、このような度数分布の作成をＴＤ時間毎に行う。
【０１２４】
続いて、代表周期算出部９９は、度数分布作成部９８が作成した度数分布から、２値化部８３の出力の周期の代表値である代表周期ＴＥを算出する。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、代表周期算出部９９は、階級値と度数との積が最大となる階級値を代表周期ＴＥとする。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。
【０１２５】
【表１】
【０１２６】
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周期ＴＥとする理由については後述する。算出された代表周期ＴＥの値は、記憶部８０に格納される。代表周期算出部９９は、このような代表周期ＴＥの算出を、度数分布作成部９８によって度数分布が作成される度に行う。
【０１２７】
一方、カウンタ１１０は、周期測定部８４および度数分布作成部９８と並行して動作し、度数分布作成部９８が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間ＴＤの期間において、２値化部８３の出力の立ち上がりエッジの数Ｎ（すなわち、２値化部８３の出力の「１」のパルスの数）を数える。カウンタ１１０の計数結果Ｎは、記憶部８０に格納される。カウンタ１１０は、このような２値化部８３の出力の計数をＴＤ時間毎に行う。
【０１２８】
計測結果補正部１１１は、度数分布作成部９８が作成した度数分布から、代表周期ＴＥの０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、代表周期ＴＥの１．５倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、カウンタ１１０の計数結果Ｎを次式のように補正する。
Ｎ’＝Ｎ−Ｎｓ＋Ｎｗ ・・・（２１）
式（２１）において、Ｎ’は補正後の計数結果である。この補正後の計数結果Ｎ’は、記憶部８０に格納される。計測結果補正部１１１は、このような補正をＴＤ時間毎に行う。
【０１２９】
図３２は度数の総和ＮｓとＮｗを模式的に表す図である。図３２において、Ｔｓは代表周期ＴＥの０．５倍の階級値、Ｔｗは代表周期ＴＥの１．５倍の階級値である。図３２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３２では記載を簡略化するため、代表周期ＴＥとＴｓとの間、及び代表周期ＴＥとＴｗとの間の度数分布を省略している。
【０１３０】
図３３はカウンタ１１０の計数結果の補正原理を説明するための図であり、図３３（Ａ）は２値化部８３の出力を示す図、図３３（Ｂ）は図３３（Ａ）に対応するカウンタ１１０の計数結果を示す図である。
本来、２値化部８３の出力の周期はウェブ１１の振動周波数によって異なるが、ウェブ１１の振動周波数が不変であれば、２値化部８３の出力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値化部８３の出力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値化部８３の出力のパルスの計数結果に誤差が生じる。
【０１３１】
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所での２値化部８３の出力の周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、２値化部８３の出力の周期が代表周期ＴＥ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Ｎｗを信号が欠落した回数と見なし、このＮｗをカウンタ１１０の計数結果Ｎに加算することで、信号の欠落を補正することができる。
【０１３２】
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値化部８３の出力の周期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値化部８３の出力の周期が代表周期ＴＥ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Ｎｓを信号を過剰に数えた回数と見なし、このＮｓをカウンタ１１０の計数結果Ｎ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（２１）に示した計数結果の補正原理である。
【０１３３】
周波数算出部８５ａは、計測結果補正部１１１が計算した補正後の計数結果Ｎ’に基づいて、ウェブ１１の振動周波数ｆｓｉｇを次式のように算出する。
ｆｓｉｇ＝Ｎ’／ＴＤ ・・・（２２）
【０１３４】
基準周期算出部８１、速度算出部８２、張力算出部８６、度数分別部８７、周期分別部８８および基準周期補正部８９の動作は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
以上のように、本実施の形態では、２値化部８３の出力の周期を測定して一定時間ＴＤ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値化部８３の出力の周期の分布の代表値である代表周期ＴＥを算出し、一定時間ＴＤの期間において２値化部８３の出力のパルスの数を数え、度数分布から、代表周期ＴＥの０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと代表周期ＴＥの１．５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２値化部８３の出力のパルスの計数結果を補正することにより、２値化部８３の出力の計数誤差を補正することができるので、ウェブ１１の振動周波数の測定精度を向上させることができる。その結果、本実施の形態では、ウェブ１１の速度や張力の計測精度を向上させることができる。
【０１３５】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。第１〜第６の実施の形態では、半導体レーザ１を三角波状に発振させていたが、これに限るものではなく、図３４（Ａ）に示すように半導体レーザ１を鋸波状に発振させてもよい。すなわち、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のいずれか一方が繰り返し存在するように半導体レーザ１を動作させればよい。
【０１３６】
本実施の形態のように半導体レーザ１を鋸波状に発振させる場合においても、半導体レーザ１の発振波長の変化速度が一定であることが必要である。第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２における動作は、三角波発振の場合と同様である。図３４（Ａ）に示すように第１の発振期間Ｐ１のみが繰り返し存在する鋸波状の発振の場合は第１の発振期間Ｐ１の処理を繰り返し行えばよく、第２の発振期間Ｐ２のみが繰り返し存在する鋸波状の発振の場合は第２の発振期間Ｐ２の処理を繰り返し行えばよいことは言うまでもない。
【０１３７】
ただし、計数部９０の計数結果を示す図３４（Ｂ）からも明らかなように、本実施の形態では、計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値を求めることはできない。したがって、半導体レーザ１を鋸波状に発振させる構成を、第３の実施の形態に適用することはできない。
【０１３８】
［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。第１〜第７の実施の形態では、ＭＨＰ波形を含む電気信号を検出する検出手段としてフォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５とを用いたが、フォトダイオードを使用することなくＭＨＰ波形を抽出することも可能である。図３５は本発明の第８の実施の形態に係る張力・速度計測装置の構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の張力・速度計測装置は、第１〜第７の実施の形態のフォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５の代わりに、検出手段として電圧検出部１２を用いるものである。
【０１３９】
電圧検出部１２は、半導体レーザ１の端子間電圧、すなわちアノード−カソード間電圧を検出して増幅する。半導体レーザ１から放射されたレーザ光とウェブ１１からの戻り光とによって干渉が生じるとき、半導体レーザ１の端子間電圧には、ＭＨＰ波形が現れる。したがって、半導体レーザ１の端子間電圧からＭＨＰ波形を抽出することが可能である。
【０１４０】
フィルタ部６は、電圧検出部１２の出力電圧から搬送波を除去する。張力・速度計測装置のその他の構成は、第１〜第７の実施の形態と同じである。
こうして、本実施の形態では、フォトダイオードを使用することなくＭＨＰ波形を抽出することができ、第１〜第７の実施の形態と比較して張力・速度計測装置の部品を削減することができ、張力・速度計測装置のコストを低減することができる。また、本実施の形態では、フォトダイオードを使用しないので、外乱光による影響を除去することができる。
【０１４１】
本実施の形態では、レーザドライバ４から半導体レーザ１に供給する駆動電流をレーザ発振のしきい値電流付近に制御することが好ましい。これにより、半導体レーザ１の端子間電圧からＭＨＰを抽出することが容易になる。
【０１４２】
なお、第１〜第８の実施の形態において少なくとも信号抽出部７と演算部８，８ａ，８ｂと制御部１０４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８の実施の形態で説明した処理を実行する。
【０１４３】
また、第１〜第８の実施の形態では、センサモジュール１０を図２に示すように配置したが、これに限るものではない。例えば図３６に示すように、半導体レーザ１からのレーザ光が送出側ロール１０２の箇所または受取側ロール１０３の箇所でウェブ１１に入射するようにしてもよい。この場合、測定可能な物理量は、ウェブ１１の速度と、半導体レーザ１とウェブ１１との距離であり、ウェブ１１の張力を測定することはできない。ウェブ１１との距離を測定すれば、ロールの半径を間接的に算出することができ、ロール半径のモニタリングが実現できる。なお、自己結合型のレーザ計測器において、物体との距離を測定することは周知技術である。また、送出側ロール１０２の箇所または受取側ロール１０３の箇所で、レーザ光をウェブ１１に対して垂直に照射した場合には、ウェブ１１との距離のみを測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明は、搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブの速度と張力を測定する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【０１４５】
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…信号抽出部、８，８ａ，８ｂ…演算部、９…表示部、１０…センサモジュール、１１…ウェブ、１２…電圧検出部、８０…記憶部、８１…基準周期算出部、８２…速度算出部、８３…２値化部、８４…周期測定部、８５…周波数算出部、８６…張力算出部、８７…度数分別部、８８…周期分別部、８９…基準周期補正部、９０…計数部、９１…距離算出部、９２…基準周期算出部、９３…距離比例個数算出部、９４…符号付与部、９５…基準周期算出部、９６…移動平均値算出部、９７…周期補正部、９８…度数分布作成部、９９…代表周期算出部、１００…送出側ガイド軸、１０１…受取側ガイド軸、１０２…送出側ロール、１０３…受取側ロール、１０４…制御部、１１０…カウンタ、１１１…計測結果補正部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブの速度と張力を計測する張力・速度計測装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
紙、フィルム、セロファン、金属箔、ゴムなどのロール状に巻き取った物体（以下、ウェブと呼ぶ）を送出部から繰り出して、ウェブに対して所定の処理を行い、処理後のウェブを受取部によって巻き取るウェブ搬送装置では、送出部のロールの巻径と受取部のロールの巻径の変化に伴ってウェブの張力も変化する。したがって、適切な張力制御をおこたると、ウェブのしわやたわみの発生、ウェブの厚さの変化などを引き起こし、最悪の場合はウェブの切断にいたるため、張力制御が必要となる。
【０００３】
従来、ウェブの張力を測定する方法としては、ロール軸に掛かる力から張力を算出する接触式の方法がある。また、別の方法として、ウェブの固有振動から張力を算出する非接触式の方法がある（特許文献１参照）。ただし、ウェブ搬送装置では、ウェブの移動速度を一定に制御し、巻き出し・巻き取りしたウェブの長さを正確に計測する必要があるが、これらの方法では、ウェブの速度を同時に測ることはできない。
【０００４】
ウェブの速度と巻き取ったウェブの長さを計測する方法としては、一般的にはロール軸の回転数からウェブの速度を求め、この速度からウェブの長さを間接的に算出する方法があるが、ウェブの伸び縮みや巻き取りの張力による誤差が大きい。
また、ウェブの速度を計測する別の手段として、非接触式のドップラーレーザ速度計がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平６−６３８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ロール軸に掛かる力からウェブの張力を算出する接触式の方法では、図３７に示すようにロール３００の箇所でウェブ３０１を曲げて、ロール３００の軸にかかる力からウェブ３０１の張力を算出するため、曲げることが難しいウェブ、例えば鋼板などに適用することができないという問題点があった。
【０００７】
一方、ウェブの固有振動から張力を算出する非接触式の方法では、曲げることが難しいウェブにも適用することができる。しかし、この方法では、マイクロフォンを用いて集音し、ウェブの固有振動周波数を求めているため、外乱、すなわち雑音の混入に弱いという問題点があった。
また、ロール軸に掛かる力からウェブの張力を算出する方法やウェブの固有振動から張力を算出する方法では、ウェブの速度を同時に測ることができないという問題点があった。
【０００８】
ロール軸の回転数からウェブの速度を求める方法では、ウェブの伸び縮みや巻き取りの張力による誤差が大きく、その結果として速度から間接的に算出するウェブの長さも誤差が大きくなってしまうという問題点があった。このため、ロール状に巻き取った形で販売されているウェブは規定値よりも長めで売られているものが多く、無駄が生じていた。
また、非接触式のドップラーレーザ速度計には、非常に高価であるという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ウェブの種類によらずにウェブの張力を高精度に計測することができ、ウェブの張力と同時にウェブの速度を安価に計測することができる張力・速度計測装置および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】
【００１０】
本発明の張力・速度計測装置は、搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブ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ウェブ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に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手段と、この信号抽出手段が計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいて、前記ウェブの速度およびウェブの張力の少なくとも一方を算出する演算手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記演算手段は、前記信号抽出手段が計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいて前記ウェブの速度を算出する速度算出手段と、前記基準周期をしきい値として前記干渉波形の周期を２値化する２値化手段と、この２値化手段の出力の周期を測定する周期測定手段と、この周期測定手段が測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する周波数算出手段と、前記ウェブの速度と前記ウェブの振動周波数に基づいて前記ウェブの張力を算出する張力算出手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例は、さらに、前記信号抽出手段の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期の度数と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数とを求める度数分別手段と、前記信号抽出手段の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期とを抽出する周期分別手段と、前記度数分別手段が求めた度数と前記周期分別手段が抽出した周期とに基づいて前記基準周期を補正する基準周期補正手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記基準周期補正手段は、補正前の前記基準周期をＴ０、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期の度数をＮｓ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数をＮ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期に含まれるｊ番目（ｊは１〜Ｎｓの整数）の周期をＴｓｊ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期に含まれるｉ番目（ｉは１〜Ｎの整数）の周期をＴｉとしたとき、（ΣＴｉ−Ｎｓ×Ｔ０＋ΣＴｓｊ）／（Ｎ−Ｎｓ）または（ΣＴｉ＋ΣＴｓｊ）／Ｎにより前記基準周期Ｔ０の補正値を算出することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例は、さらに、前記信号抽出手段が計測した所定数の干渉波形の周期の平均を前記基準周期の初期値とする基準周期算出手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例は、さらに、前記検出手段の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計数手段と、この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記半導体レーザと前記ウェブとの距離を算出する距離算出手段と、この距離算出手段が算出した距離から前記基準周期の初期値を求める基準周期算出手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例は、さらに、前記検出手段の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計数手段と、前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記ウェブとの平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手段と、前記距離比例個数から前記基準周期の初期値を算出する基準周期算出手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記演算手段は、さらに、前記信号抽出手段で計測された補正対象の干渉波形の周期に対して、その直前と直後のうち少なくとも一方において計測された干渉波形の周期の移動平均値を算出する移動平均値算出手段と、前記補正対象の干渉波形の周期と前記移動平均値とを比較することにより前記補正対象の干渉波形の周期を補正する周期補正手段とを備え、前記２値化手段は、前記干渉波形の周期を２値化する代わりに、前記周期補正手段によって補正された周期を、前記基準周期をしきい値として２値化することを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記移動平均値算出手段は、前記補正対象の干渉波形の周期の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と前記補正対象の干渉波形の周期の直後に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを算出し、前記周期補正手段は、前記移動平均値算出手段が算出した２つの移動平均値のうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２とし、Ｔｘ＝Ｔ１＋α・（Ｔ２−Ｔ１）としたとき（０≦α≦１）、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの所定数ｋ倍未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、この補正対象の干渉波形の周期と次に計測された干渉波形の周期とを合わせた周期を補正後の干渉波形の周期とし、周期を合わせた波形を１つの波形とし、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの（ｍ−０．５）倍以上で且つ前記Ｔｘの（ｍ＋０．５）倍未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、前記補正対象の干渉波形の周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、補正後の周期の波形がｍ個あるものとすることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記演算手段は、さらに、前記周期測定手段の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である代表周期を算出する代表周期算出手段と、前記２値化出力周期度数分布作成手段が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記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、前記２値化出力の周期の度数分布から、前記代表周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記代表周期の第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に基づいて前記２値化出力計数手段の計数結果を補正する計測結果補正手段とを備え、前記周波数算出手段は、前記周期測定手段が測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する代わりに、前記計測結果補正手段で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記ウェブの振動周波数を算出することを特徴とするものである。
また、本発明の張力・速度計測装置の１構成例において、前記代表周期算出手段は、階級値と度数との積が最大となる階級値を前記代表周期とすることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の張力・速度計測方法は、搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブにレーザ光を放射する半導体レーザを、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前記ウェブ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周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手順と、この信号抽出手順で計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいて、前記ウェブの速度およびウェブの張力の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ウェブの種類によらずにウェブの張力を高精度に計測することができ、ウェブの張力と同時にウェブの速度を安価に計測することができる張力・速度計測装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る張力・速度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の実施の形態に係る張力・速度計測装置を適用するウェブ搬送装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。
【図４】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５】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６】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７】本発明の第１の実施の形態における信号抽出部の構成の１例を示すブロック図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態における信号抽出部の動作を説明するための図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における演算部の速度算出処理を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第１の実施の形態における演算部の張力算出処理を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第１の実施の形態における基準周期の補正原理を説明するための図である。
【図１３】モードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図１４】ノイズを含むモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態における距離比例個数算出部の動作を説明するための図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態における符号付与部の動作を説明するための図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態における符号付与部の動作を説明するための図である。
【図２０】本発明の第４の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図２１】本発明の第４の実施の形態における周期補正部の動作を説明するための図である。
【図２２】本発明の第４の実施の形態における信号抽出部の計測結果の補正原理を説明するための図である。
【図２３】２倍の周期になったモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図２４】計数時に欠落したモードホップパルスのうち２分割されたモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図２５】計数時に欠落したモードホップパルスのうち２分割されたモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図２６】ウェブが等速運動している場合のウェブとの距離の変化を示す図である。
【図２７】ウェブが等速運動している場合のモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図２８】ウェブの速度が変化している場合のウェブとの距離の変化およびウェブの速度の変化を示す図である。
【図２９】ウェブの速度が変化している場合のモードホップパルスの周期の度数分布を示す図である。
【図３０】本発明の第６の実施の形態における演算部の構成の１例を示すブロック図である。
【図３１】本発明の第６の実施の形態における周期の度数分布の１例を示す図である。
【図３２】本発明の第６の実施の形態において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３３】本発明の第６の実施の形態における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３４】本発明の第７の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化および計数部の計数結果の時間変化を示す図である。
【図３５】本発明の第８の実施の形態に係る張力・速度計測装置の構成を示すブロック図である。
【図３６】張力・速度計測装置のセンサモジュールの別の配置例を示す図である。
【図３７】ロール軸に掛かる力からウェブの張力を算出する方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［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張力・速度計測装置の構成を示すブロック図である。図１の張力・速度計測装置は、測定対象のウェブ１１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、ウェブ１１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（以下、ＭＨＰとする）の周期を計測する信号抽出部７と、信号抽出部７が計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいてウェブ１１の張力と速度とを算出する演算部８と、演算部８の計測結果を表示する表示部９とを有する。
【００１９】
半導体レーザ１とフォトダイオード２とレンズ３とは、センサモジュール１０を構成している。また、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。
【００２０】
図２は本実施の形態の張力・速度計測装置を適用するウェブ搬送装置の構成を示すブロック図である。ウェブ搬送装置は、送出側ガイド軸１００と、受取側ガイド軸１０１と、送出側ガイド軸１００に装着される送出側ロール１０２と、受取側ガイド軸１０１に装着される受取側ロール１０３と、送出側ガイド軸１００を駆動し、送出側ロール１０２を回転させる送出側モータ駆動部（不図示）と、受取側ガイド軸１０１を駆動し、受取側ロール１０３を回転させる受取側モータ駆動部（不図示）と、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御する制御部１０４とを有する。
【００２１】
送出側モータ駆動部が送出側ロール１０２を回転させると、送出側ロール１０２に巻かれたウェブ１１が繰り出される。受取側では、受取側モータ駆動部が受取側ロール１０３を回転させることにより、受取側ロール１０３がウェブ１１を巻き取る。
制御部１０４は、ウェブ１１の張力と速度とがそれぞれ所望の値になるように、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御する。
【００２２】
半導体レーザ１とフォトダイオード２とレンズ３とからなるセンサモジュール１０は、図２に示すように送出側ガイド軸１００と受取側ガイド軸１０１間のウェブ１１上に配置され、ウェブ１１に対してレーザ光を斜方照射する。レーザ光を斜方照射するのは、ウェブ１１の速度を計測するためである。
図１のレーザドライバ４と電流−電圧変換増幅部５とフィルタ部６と信号抽出部７と演算部８と表示部９とは、制御部１０４の内部に設けられる。
【００２３】
次に、本実施の形態の張力・速度計測装置の動作を詳細に説明する。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。
【００２４】
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３は、半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図である。図３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。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂおよ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。
【００２５】
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、ウェブ１１に入射する。ウェブ１１で反射された光の一部は、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。
【００２６】
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４（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４（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４（Ａ）の波形（変調波）から、図３の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図４（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。
【００２７】
次に、信号抽出部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの周期をＭＨＰが発生する度に計測する。ここで、自己結合信号であるＭＨＰについて説明する。図５に示すように、ミラー層１０１３からウェブ１１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、ウェブ１１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、ウェブ１１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。
【００２８】
図６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６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。前記のとおり、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。
【００２９】
図７は信号抽出部７の構成の１例を示すブロック図である。信号抽出部７は、２値化部７０と、周期測定部７１とから構成される。
図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は信号抽出部７の動作を説明するための図であり、図８（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８（Ｂ）は図８（Ａ）に対応する２値化部７０の出力を示す図、図８（Ｃ）は信号抽出部７に入力されるサンプリングクロックＣＬＫを示す図、図８（Ｄ）は図８（Ｂ）に対応する周期測定部７１の測定結果を示す図である。
【００３０】
まず、信号抽出部７の２値化部７０は、図８（Ａ）に示すフィルタ部６の出力電圧が「１」（ハイレベル）か「０」（ローレベル）かを判定して、図８（Ｂ）のような判定結果を出力する。このとき、２値化部７０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２値化出力を「１」とし、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２値化出力を「０」とすることにより、フィルタ部６の出力を２値化する。
【００３１】
周期測定部７１は、２値化部７０の出力の立ち上がりエッジの周期（すなわち、ＭＨＰの周期）を立ち上がりエッジが発生する度に測定する。このとき、周期測定部７１は、図８（Ｃ）に示すサンプリングクロックＣＬＫの周期を１単位としてＭＨＰの周期を測定する。図８（Ｄ）の例では、周期測定部７１は、ＭＨＰの周期としてＴα，Ｔβ，Ｔγを順次測定している。図８（Ｃ）、図８（Ｄ）から明らかなように、周期Ｔα，Ｔβ，Ｔγの大きさは、それぞれ５［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、４［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、２［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］である。サンプリングクロックＣＬＫの周波数は、ＭＨＰの取り得る最高周波数に対して十分に高いものとする。
【００３２】
次に、演算部８は、信号抽出部７の計測結果に基づいて、ＭＨＰの周期の変化からウェブ１１の速度と張力とを算出する。図９は演算部８の構成の１例を示すブロック図である。演算部８は、信号抽出部７の計測結果等を記憶する記憶部８０と、基準周期の初期値を算出する基準周期算出部８１と、信号抽出部７が計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいてウェブ１１の速度を算出する速度算出部８２と、信号抽出部７の計測結果を２値化する２値化部８３と、２値化部８３の出力の周期を測定する周期測定部８４と、周期測定部８４が測定した周期からウェブ１１の振動周波数を算出する周波数算出部８５と、ウェブ１１の速度と振動周波数に基づいてウェブ１１の張力を算出する張力算出部８６と、信号抽出部７の計測結果から、基準周期の第１の所定数倍未満の周期の度数と基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数とを求める度数分別部８７と、信号抽出部７の計測結果から、基準周期の第１の所定数倍未満の周期と基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期とを抽出する周期分別部８８と、度数分別部８７が求めた度数と周期分別部８８が抽出した周期とに基づいて基準周期を補正する基準周期補正部８９とから構成される。
【００３３】
まず、演算部８の速度算出処理について説明する。図１０は演算部８の速度算出処理を示すフローチャートである。
信号抽出部７の計測結果は、演算部８の記憶部８０に格納される。基準周期算出部８１は、基準周期Ｔ０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］の初期値を予め算出して記憶部８０に格納する。具体的には、基準周期算出部８１は、ウェブ搬送装置によってウェブ１１の搬送が開始された搬送初期時に信号抽出部７によって計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値を基準周期Ｔ０の初期値とする。
【００３４】
サンプリングクロックＣＬＫの周波数をｆａｄ［Ｈｚ］、半導体レーザ１の発振平均波長をλ［ｍ］とし、演算対象のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０からｎ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］長くなったとすると、この演算対象のＭＨＰの周期におけるウェブ１１の進行方向の変位Ｄ［ｍ］は次式のようになる。
Ｄ＝ｎ×λ／（２×Ｔ０） ・・・（２）
【００３５】
演算対象のＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０からｎ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］短くなった場合には、式（２）の周期変化量ｎの符号を負にすればよい。半導体レーザ１の発振波長が増加する第１の発振期間Ｐ１において、変位Ｄが正の場合、ウェブ１１の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向であり、変位Ｄが負の場合、ウェブ１１の移動方向は半導体レーザ１に接近する方向である。また、発振波長が減少する第２の発振期間Ｐ２において、変位Ｄが正の場合、ウェブ１１の移動方向は半導体レーザ１に接近する方向であり、変位Ｄが負の場合、ウェブ１１の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向である。
【００３６】
また、演算対象のＭＨＰの周期は（Ｔ０＋ｎ）／ｆａｄなので、演算対象のＭＨＰの周期におけるウェブ１１の速度Ｖ［ｍ／ｓ］は次式のようになる。
Ｖ＝ｎ×λ／（２×Ｔ０）×ｆａｄ／（Ｔ０＋ｎ） ・・・（３）
【００３７】
速度算出部８２は、信号抽出部７によって計測され記憶部８０に記憶されたＭＨＰの周期の基準周期Ｔ０に対する周期変化量ｎを求め（図１０ステップＳ１００）、式（３）によりウェブ１１の速度Ｖを算出する（ステップＳ１０１）。速度算出部８２は、以上のような速度算出処理をＭＨＰが発生する度に行う。
【００３８】
次に、速度算出処理と平行して行われる張力算出処理について説明する。図１１は演算部８の張力算出処理を示すフローチャートである。
２値化部８３は、基準周期Ｔ０をしきい値として信号抽出部７の計測結果を２値化する（図１１ステップＳ２００）。具体的には、２値化部８３は、信号抽出部７によって計測され記憶部８０に記憶されたＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０以上であれば２値化出力を「１」（ハイレベル）とし、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０未満であれば２値化出力を「０」（ローレベル）とする。２値化部８３の出力は記憶部８０に格納される。２値化部８３は、このような２値化処理をＭＨＰが発生する度に行う。
【００３９】
続いて、周期測定部８４は、２値化部８３の出力の立ち上がりエッジの周期を立ち上がりエッジが発生する度に測定する（図１１ステップＳ２０１）。このとき、周期測定部８４は、上記のサンプリングクロックＣＬＫの周期を１単位として２値化出力の周期を測定する。周期測定部８４の測定結果は記憶部８０に格納される。
【００４０】
ウェブ１１に張力が掛かっていると、ウェブ１１は張力に応じた固有の振動周波数で振動している。周期測定部８４がＭＨＰの周期を２値化した２値化出力の周期を求めることは、鉛直方向（図２の上下方向）に沿って振動しているウェブ１１の振動周期を求めることを意味する。この振動周期からウェブ１１の振動周波数を求めることが可能である。周波数算出部８５は、周期測定部８４が測定した周期Ｔｓｉｇからウェブ１１の振動周波数ｆｓｉｇ［Ｈｚ］を次式のように算出する（図１１ステップＳ２０２）。
ｆｓｉｇ＝ｆａｄ／Ｔｓｉｇ ・・・（４）
【００４１】
上記のとおり、ｆａｄはサンプリングクロックＣＬＫの周波数である。周波数算出部８５の算出結果は、記憶部８０に格納される。周波数算出部８５は、周波数算出処理を周期測定部８４によって周期Ｔｓｉｇが測定される度に行う。
張力算出部８６は、速度算出部８２が算出したウェブ１１の速度Ｖと周波数算出部８５が算出したウェブ１１の振動周波数ｆｓｉｇとからウェブ１１の張力Ｆ［Ｎ］を次式のように算出する（図１１ステップＳ２０３）。
Ｆ＝Ｍ×Ｗ×（２×Ｓ×ｆｓｉｇ−Ｖ）2×１０-9 ・・・（５）
【００４２】
式（５）において、Ｍはウェブ１１の１ｍｍ幅あたりの単位質量［ｇ／ｍ］、Ｗはウェブ１１の幅［ｍｍ］、Ｓはウェブ１１のスパン［ｍｍ］、すなわち図２の送出側ガイド軸１００と受取側ガイド軸１０１間の距離である。なお、式（５）では、ウェブ１１の速度Ｖをｍｍ／ｓの単位で用いている。張力算出部８６は、張力算出処理を周波数算出部８５によって振動周波数ｆｓｉｇが算出される度に行う。
【００４３】
以上で、演算部８の速度算出処理と張力算出処理とが終了する。表示部９は、演算部８が算出したウェブ１１の速度Ｖと張力Ｆとを表示する。
ウェブ搬送装置の制御部１０４は、演算部８の算出結果に基づいて、ウェブ１１の速度と張力とがそれぞれ所望の値になるように、送出側モータ駆動部と受取側モータ駆動部とを制御する。
【００４４】
次に、基準周期Ｔ０の補正について説明する。本実施の形態によれば、高分解能の計測を実現することができるが、半面、基準周期Ｔ０の分解能が低く精度が低下する傾向にあり、速度Ｖや張力Ｆの絶対精度が低下する可能性がある。そこで、本実施の形態では、基準周期Ｔ０を補正し、速度Ｖや張力Ｆの計測精度の低下を回避する。
【００４５】
度数分別部８７は、信号抽出部７によって計測され記憶部８０に記憶されたＭＨＰの周期の度数を、現在の基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期の度数Ｎｓと、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期の度数Ｎと、これら以外の周期の度数の３つに分別する。
【００４６】
周期分別部８８は、信号抽出部７によって計測され記憶部８０に記憶されたＭＨＰの周期を、現在の基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期Ｔｓ（０．５Ｔ０＞Ｔｓ）と、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期Ｔ（０．５Ｔ０≦Ｔ≦１．５Ｔ０）と、これら以外の周期の３つに分別する。
度数分別部８７と周期分別部８８とは、以上の分別処理を所定の測定期間毎に行う。第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々を測定期間として設定してもよいし、これらの発振期間Ｐ１，Ｐ２とは別の長さで測定期間を設定してもよい。
【００４７】
続いて、基準周期補正部８９は、現在の基準周期Ｔ０と、基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期の度数Ｎｓと、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期の度数Ｎと、基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期Ｔｓと、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期Ｔとから、以下の式のように基準周期Ｔ０の補正値Ｔ０’を算出する。
Ｔ０’＝（ΣＴｉ−Ｎｓ×Ｔ０＋ΣＴｓｊ）／（Ｎ−Ｎｓ） ・・・（６）
【００４８】
式（６）において、Ｔｉは基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期Ｔに含まれるｉ番目（ｉは１〜Ｎの整数）の周期を意味し、Ｔｓｊは基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期Ｔｓに含まれるｊ番目（ｊは１〜Ｎｓの整数）の周期を意味する。
また、基準周期補正部８９は、次式により基準周期Ｔ０の補正値Ｔ０’を算出してもよい。
Ｔ０’＝（ΣＴｉ＋ΣＴｓｊ）／Ｎ ・・・（７）
【００４９】
そして、基準周期補正部８９は、式（６）または式（７）によって算出した補正値Ｔ０’を新たな基準周期Ｔ０として記憶部８０に設定する。基準周期補正部８９は、以上のような基準周期Ｔ０の補正を上記測定期間毎に行う。
【００５０】
図１２は基準周期Ｔ０の補正原理を説明するための図であり、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である。本来、ＭＨＰの周期は半導体レーザ１とウェブ１１との距離によって異なるが、ウェブ１１との距離が不変であれば、ＭＨＰ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、ＭＨＰの周期に誤差が生じる。
【００５１】
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所でのＭＨＰの周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０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。また、ノイズをカウントした箇所でのＭＨＰの周期Ｔｓは、本来の周期のおよそ０．５倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０のおよそ０．５倍未満の場合には、信号を過剰に数えていると判断できる。以上の考え方により、ノイズをカウントしたと見なす周期Ｔｓと信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを分別できることになる。
【００５２】
半導体レーザ１の発振波長変化が線形である場合、ＭＨＰの周期は基準周期Ｔ０を中心にして正規分布する（図１３）。
ＭＨＰの波形に欠落が生じた場合を考えると、計測時に欠落が生じたとしても、元々の正規分布は変化しないため、基準周期Ｔ０の１．５倍よりも長い周期の度数は無視してもよく、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下のＭＨＰの周期とその度数から基準周期Ｔ０の補正値Ｔ０’を算出すればよいことになる。
【００５３】
また、ノイズによって２分割されたＭＨＰの周期を考えると、ノイズを過剰に数えた結果として２分割されたＭＨＰの周期は、ランダムな割合で２分割されるが、分割される前の周期がＴ０を中心とした正規分布であるために、０．５Ｔ０に対して対称な度数分布になる（図１４のａ）。
【００５４】
そこで、２分割されたＭＨＰの周期のうち基準周期Ｔ０の０．５倍以上の周期の度数は無視し、基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期の度数Ｎｓを減算して、基準周期Ｔ０の補正値Ｔ０’を算出すればよいことになる。この考え方に基づく算出方法が式（６）による算出方法である。また、基準周期Ｔ０の０．５倍以上１．５倍以下の周期Ｔに、基準周期Ｔ０の０．５倍未満の周期Ｔｓも加算して、基準周期Ｔ０の補正値Ｔ０’を算出してもよい。この考え方に基づく算出方法が式（７）による算出方法である。
【００５５】
以上が、基準周期Ｔ０の補正原理である。なお、信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを決めるためのしきい値を基準周期Ｔ０の１．５倍の値とした理由は、ノイズをカウントしたと見なす周期Ｔｓを決めるためのしきい値（基準周期Ｔ０の０．５倍の値）との対称性を考慮したためである。つまり、正規分布は、平均値を中心に対称な分布である。正規分布の平均値を算出する母集団として、周期が短い側の値を基準周期Ｔ０の０．５倍としたため、周期が長い側については周期が短い側との対称性を考慮して基準周期Ｔ０の１．５倍にしている。
【００５６】
以上のように、本実施の形態では、ウェブ１１の張力を非接触式で計測できることから、鋼板のような曲げることが難しいウェブ１１にも適用することができ、ウェブ１１の種類によらずにウェブの張力を計測することができる。
【００５７】
また、本実施の形態では、外乱光に強いという利点を有する自己結合型レーザ計測器を用いてウェブ１１の張力を計測するので、マイクロフォンを用いてウェブの振動周波数を求める従来の方法に比べて、外乱に対する耐性を向上させることができる。また、本実施の形態では、ウェブの張力と同時に、ウェブの速度を計測することができる。本実施の形態の張力・速度計測装置は、ドップラーレーザ速度計に比べて安価に実現することができる。また、本実施の形態では、基準周期Ｔ０を補正することにより、ウェブ１１の速度や張力の計測精度の低下を回避することができる。
【００５８】
［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。本実施の形態は基準周期Ｔ０の初期値の他の求め方を説明するものである。図１５は本実施の形態の演算部８ａの構成の１例を示すブロック図である。演算部８ａは、記憶部８０と、速度算出部８２と、２値化部８３と、周期測定部８４と、周波数算出部８５と、張力算出部８６と、度数分別部８７と、周期分別部８８と、基準周期補正部８９と、フィルタ部６の出力信号に含まれるＭＨＰの数を数える計数部９０と、計数部９０によってＭＨＰの数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と計数部９０の計数結果とから半導体レーザ１とウェブ１１との距離を算出する距離算出部９１と、距離算出部９１が算出した距離から基準周期Ｔ０の初期値を求める基準周期算出部９２とから構成される。
【００５９】
本実施の形態では、半導体レーザ１の発振波長の変化速度が一定で、かつ発振波長の最大値λｂおよび発振波長の最小値λａがそれぞれ一定で、それらの差λｂ−λａも一定である必要がある。
【００６０】
半導体レーザ１、フォトダイオード２、レーザドライバ４、電流−電圧変換増幅部５、フィルタ部６、信号抽出部７、速度算出部８２、２値化部８３、周期測定部８４、周波数算出部８５、張力算出部８６、度数分別部８７、周期分別部８８および基準周期補正部８９の動作は、第１の実施の形態と同じであるので、計数部９０と距離算出部９１と基準周期算出部９２による基準周期Ｔ０の初期値の算出処理について説明する。
【００６１】
計数部９０は、フィルタ部６の出力に含まれる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。計数部９０は、論理ゲートからなるカウンタを利用するものでもよいし、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を利用してＭＨＰの周波数（すなわち単位時間あたりのＭＨＰの数）を計測するものでもよい。計数部９０の計数結果は記憶部８０に格納される。
【００６２】
次に、距離算出部９１は、半導体レーザ１の最小発振波長λａと最大発振波長λｂと計数部９０が数えたＭＨＰの数に基づいて、半導体レーザ１とウェブ１１との距離を算出する。本実施の形態では、ウェブ１１の状態を所定の条件を満たす微小変位状態、あるいは微小変位状態よりも動きが大きい変位状態のいずれかであるとする。発振期間Ｐ１と発振期間Ｐ２の１期間あたりのウェブ１１の平均変位をＶとしたとき、微小変位状態とは（λｂ−λａ）／λｂ＞Ｖ／Ｌｂを満たす状態であり（ただし、Ｌｂは時刻ｔのときの距離）、変位状態とは（λｂ−λａ）／λｂ≦Ｖ／Ｌｂを満たす状態である。
【００６３】
まず、距離算出部９１は、現時刻ｔにおける距離の候補値Ｌα（ｔ），Ｌβ（ｔ）と速度の候補値Ｖα（ｔ），Ｖβ（ｔ）を次式のように算出する。
Ｌα（ｔ）＝λａ×λｂ×（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（８）
Ｌβ（ｔ）＝λａ×λｂ×（｜ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ）｜）
／｛４×（λｂ−λａ）｝ ・・・（９）
Ｖα（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）−ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（１０）
Ｖβ（ｔ）＝（ＭＨＰ（ｔ−１）＋ＭＨＰ（ｔ））×λｂ／４ ・・・（１１）
【００６４】
式（８）〜式（１１）において、ＭＨＰ（ｔ）は現時刻ｔにおいて算出されたＭＨＰの数、ＭＨＰ（ｔ−１）はＭＨＰ（ｔ）の１回前に算出されたＭＨＰの数である。例えば、ＭＨＰ（ｔ）が第１の発振期間Ｐ１の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第２の発振期間Ｐ２の計数結果であり、逆にＭＨＰ（ｔ）が第２の発振期間Ｐ２の計数結果であるとすれば、ＭＨＰ（ｔ−１）は第１の発振期間Ｐ１の計数結果である。
【００６５】
候補値Ｌα（ｔ），Ｖα（ｔ）はウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、候補値Ｌβ（ｔ），Ｖβ（ｔ）はウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した値である。距離算出部９１は、式（８）〜式（１１）の計算を計数部９０によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
【００６６】
続いて、距離算出部９１は、微小変位状態と変位状態の各々について、現時刻ｔにおける距離の候補値と、直前の時刻における距離の候補値との差である履歴変位を次式のように算出する。なお、式（１２）、式（１３）では、現時刻ｔの１回前に算出された距離の候補値をＬα（ｔ−１），Ｌβ（ｔ−１）としている。
Ｖｃａｌα（ｔ）＝Ｌα（ｔ）−Ｌα（ｔ−１） ・・・（１２）
Ｖｃａｌβ（ｔ）＝Ｌβ（ｔ）−Ｌβ（ｔ−１） ・・・（１３）
【００６７】
履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）はウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した値であり、履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）はウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した値である。距離算出部９１は、式（１２）〜式（１３）の計算を計数部９０によってＭＨＰの数が測定される時刻毎に行う。なお、式（１０）〜式（１３）においては、ウェブ１１が本実施の形態の張力・速度計測装置に近づく方向を正の速度、遠ざかる方向を負の速度と定めている。
次に、距離算出部９１は、式（８）〜式（１３）の算出結果を用いて、ウェブ１１の状態を判定する。
【００６８】
特開２００６−３１３０８０号公報（以下、参考文献と呼ぶ）に記載されているように、距離算出部９１は、ウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号が一定で、かつウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが等しい場合、ウェブ１１が微小変位状態で等速度運動していると判定する。
【００６９】
また、参考文献に記載されているように、距離算出部９１は、ウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号が一定で、かつウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが等しい場合、ウェブ１１が変位状態で等速度運動していると判定する。
【００７０】
また、参考文献に記載されているように、距離算出部９１は、ウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の符号がＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、かつウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、ウェブ１１が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定する。
【００７１】
なお、速度の候補値Ｖβ（ｔ）に着目すると、Ｖβ（ｔ）の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ１の波長変化率（λｂ−λａ）／λｂと等しい。そこで、距離算出部９１は、ウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、かつウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌα（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、ウェブ１１が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定してもよい。
【００７２】
また、参考文献に記載されているように、距離算出部９１は、ウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の符号がＭＨＰの数が測定される時刻毎に反転し、かつウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、ウェブ１１が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定する。
【００７３】
なお、速度の候補値Ｖα（ｔ）に着目すると、Ｖα（ｔ）の絶対値は定数となり、この値は半導体レーザ１の波長変化率（λｂ−λａ）／λｂと等しい。したがって、距離算出部９１は、ウェブ１１が微小変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖα（ｔ）の絶対値が波長変化率と等しく、かつウェブ１１が変位状態にあると仮定して計算した速度の候補値Ｖβ（ｔ）と履歴変位Ｖｃａｌβ（ｔ）の絶対値の平均値とが一致しない場合、ウェブ１１が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定してもよい。
【００７４】
距離算出部９１は、上記の判定結果に基づいて半導体レーザ１とウェブ１１との距離を確定する。すなわち、距離算出部９１は、ウェブ１１が微小変位状態で等速度運動していると判定された場合、距離の候補値Ｌα（ｔ）を半導体レーザ１とウェブ１１との距離とし、ウェブ１１が変位状態で等速度運動していると判定された場合、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を半導体レーザ１とウェブ１１との距離とする。
【００７５】
また、距離算出部９１は、ウェブ１１が微小変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定された場合、距離の候補値Ｌα（ｔ）を半導体レーザ１とウェブ１１との距離とする。ただし、実際の距離は、距離の候補値Ｌα（ｔ）の平均値となる。また、距離算出部９１は、ウェブ１１が変位状態で等速度運動以外の運動をしていると判定された場合、距離の候補値Ｌβ（ｔ）を半導体レーザ１とウェブ１１との距離とする。ただし、実際の距離は、距離の候補値Ｌβ（ｔ）の平均値となる。
【００７６】
次に、基準周期算出部９２は、距離算出部９１が算出した距離からＭＨＰの周期を求め、この周期を基準周期Ｔ０の初期値として記憶部８０に格納する。ＭＨＰの周波数は測定距離に比例し、ＭＨＰの周期は測定距離に反比例する。そこで、ＭＨＰの周期と距離との関係を予め求めて基準周期算出部９２のデータベース（不図示）に登録しておけば、基準周期算出部９２は、距離算出部９１によって算出された距離に対応するＭＨＰの周期をデータベースから取得することにより、ＭＨＰの周期を求めることができる。あるいは、ＭＨＰの周期と距離との関係を示す数式を予め求めて設定しておけば、基準周期算出部９２は、距離算出部９１によって算出された距離を数式に代入することにより、ＭＨＰの周期を算出することができる。以上のようにして、本実施の形態では、基準周期Ｔ０の初期値を求めることができる。
【００７７】
［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。本実施の形態は、基準周期Ｔ０の初期値の他の求め方を説明するものである。図１６は本実施の形態の演算部８ｂの構成の１例を示すブロック図である。演算部８ｂは、記憶部８０と、速度算出部８２と、２値化部８３と、周期測定部８４と、周波数算出部８５と、張力算出部８６と、度数分別部８７と、周期分別部８８と、基準周期補正部８９と、計数部９０と、半導体レーザ１とウェブ１１との平均距離に比例したＭＨＰの数（以下、距離比例個数とする）ＮＬを求める距離比例個数算出部９３と、計数部９０の計数結果の増減方向の一致不一致あるいは計数結果の平均値の変化に応じて、計数部９０の最新の計数結果に正負の符号を付与する符号付与部９４と、距離比例個数ＮＬからＭＨＰの周期を算出する基準周期算出部９５とから構成される。
【００７８】
半導体レーザ１、フォトダイオード２、レーザドライバ４、電流−電圧変換増幅部５、フィルタ部６、信号抽出部７、速度算出部８２、２値化部８３、周期測定部８４、周波数算出部８５、張力算出部８６、度数分別部８７、周期分別部８８および基準周期補正部８９の動作は、第１の実施の形態と同じであるので、計数部９０と距離比例個数算出部９３と符号付与部９４と基準周期算出部９５による基準周期Ｔ０の初期値の算出処理について説明する。
【００７９】
計数部９０の動作は第２の実施の形態で説明したとおりである。距離比例個数算出部９３は、記憶部８０に格納された、計数部９０の計数結果から距離比例個数ＮＬを求める。図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）は距離比例個数算出部９３の動作を説明するための図であり、図１７（Ａ）は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図、図１７（Ｂ）は計数部９０の計数結果の時間変化を示す図である。図１７（Ｂ）において、Ｎｕは第１の発振期間Ｐ１の計数結果、Ｎｄは第２の発振期間Ｐ２の計数結果である。
【００８０】
図１７（Ａ）から明らかなように、第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２は交互に訪れるので、計数結果Ｎｕと計数結果Ｎｄも交互に現れる。計数結果Ｎｕ，Ｎｄは、距離比例個数ＮＬとウェブ１１の変位に比例したＭＨＰの数（以下、変位比例個数とする）ＮＶとの和もしくは差である。距離比例個数ＮＬは、計数結果ＮｕとＮｄの平均値に相当する。また、計数結果ＮｕまたはＮｄと距離比例個数ＮＬとの差が、変位比例個数ＮＶに相当する。
【００８１】
距離比例個数算出部９３は、次式に示すように現時刻ｔ以前の計数結果ＮｕとＮｄとを用いて、距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝（Ｎｕ＋Ｎｄ）／２ ・・・（１４）
【００８２】
ただし、距離比例個数算出部９３は、ウェブ１１の速度および張力の計測開始初期には、式（１４）を用いて距離比例個数ＮＬを算出するが、途中からは式（１４）の代わりに後述する符号付き計数結果を用いる次式により距離比例個数ＮＬを算出する。
ＮＬ＝（Ｎｕ’＋Ｎｄ’）／２ ・・・（１５）
【００８３】
式（１５）において、Ｎｕ’は計数結果Ｎｕに後述する符号付与処理を施した後の符号付き計数結果、Ｎｄ’は計数結果Ｎｄに符号付与処理を施した後の符号付き計数結果である。式（１５）が使用されるのは、符号付与部９４が符号付き計数結果を出力したとき以降である。
距離比例個数ＮＬは、記憶部８０に格納される。距離比例個数算出部９３は、以上のような距離比例個数ＮＬの算出処理を、計数部９０によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
【００８４】
次に、符号付与部９４は、計数部９０の計数結果Ｎｕ，Ｎｄの増減方向の一致不一致、あるいは計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値の変化に基づいて、計数部９０の最新の計数結果に正負の符号を付与する。図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）は符号付与部９４の動作を説明するための図であり、図１８（Ａ）、図１９（Ｂ）は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図、図１８（Ｂ）、図１９（Ｂ）は計数部９０の計数結果の時間変化を示す図である。なお、図１８（Ｂ）、図１９（Ｂ）の例では、計数結果Ｎｕが、半導体レーザ１の発振波長の伸び縮み方向がウェブ１１の速度方向と対向しているときの計数結果Ｎαである場合を示している。
【００８５】
ウェブ１１の振動に伴う半導体レーザ１とウェブ１１との距離変化率が半導体レーザ１の発振波長変化率よりも小さく、ウェブ１１が鉛直方向に沿って単振動している場合、第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕの時間変化と第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄの時間変化は、図１８（Ｂ）に示すように互いの位相差が１８０度の正弦波形となる。参考文献では、このときのウェブ１１の状態を微小変位状態としている。
【００８６】
一方、半導体レーザ１とウェブ１１との距離変化率が半導体レーザ１の発振波長変化率よりも大きい場合、計数結果Ｎｄの時間変化は、図１９（Ｂ）の負側の波形２５０が正側の波形２５１に折り返された形になる。参考文献では、この計数結果の折り返しが生じている部分におけるウェブ１１の状態を変位状態としている。一方、計数結果の折り返しが生じていない部分におけるウェブ１１の状態は、上記の微小変位状態である。
【００８７】
計数結果の折り返しが生じている部分において、計数結果をそのまま用いて距離比例個数ＮＬを算出すると、距離比例個数ＮＬが本来の値と異なる値になる。
つまり、距離比例個数ＮＬを正しく求めるためには、ウェブ１１が変位状態であるか微小変位状態であるかを判定し、ウェブ１１が変位状態である場合には、正側に折り返されている計数結果に負の符号を付与する補正を行う必要がある。
【００８８】
符号付与部９４は、図１８（Ｂ）に示すように計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化が同相でない場合、計数部９０の現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に正の符号を付与した符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）を出力し、図１９（Ｂ）に示すように計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化が同相である場合、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に負の符号を付与した符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）を出力する。
【００８９】
現時刻ｔの計数結果がＮｕであれば、計数結果Ｎｕの増減は、現時刻ｔの計数結果Ｎｕ（ｔ）と２回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−２）との差Ｎｕ（ｔ）−Ｎｕ（ｔ−２）の符号で判別することができ、計数結果Ｎｄの増減は、１回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−１）と３回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−３）との差Ｎｄ（ｔ−１）−Ｎｄ（ｔ−３）の符号で判別することができる。一方、現時刻ｔの計数結果がＮｄであれば、計数結果Ｎｕの増減は、１回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−１）と３回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−３）との差Ｎｕ（ｔ−１）−Ｎｕ（ｔ−３）の符号で判別することができ、計数結果Ｎｄの増減は、現時刻ｔの計数結果Ｎｄ（ｔ）と２回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−２）との差Ｎｄ（ｔ）−Ｎｄ（ｔ−２）の符号で判別することができる。
【００９０】
このような増減の判別の結果、計数結果Ｎｕ，Ｎｄが共に増加している場合あるいは共に減少している場合は、計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化が同相であり、ウェブ１１が変位状態であると判断することができる。また、計数結果Ｎｕ，Ｎｄのどちらか一方が増加していて他方が減少している場合は、計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化が同相でなく、ウェブ１１が変位状態でないと判断することができる。
【００９１】
また、図１９（Ｂ）で説明したような計数結果の折り返しが生じると、計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値に変化が生じる。そこで、符号付与部９４は、計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値の変化に応じて計数部９０の最新の計数結果に正負の符号を付与するようにしてもよい。
【００９２】
この場合、符号付与部９４は、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｕの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値以内であり、かつ現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｄの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値以内である場合、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に正の符号を付与した符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）を出力する。また、符号付与部９４は、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｕの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値を超えて変化したり、現時刻ｔ以前に求めた計数結果Ｎｄの最新の平均値がこの値よりも前に求めた計数結果Ｎｕの平均値に対して所定のしきい値を超えて変化したりした場合、現時刻ｔの計数結果Ｎ（ｔ）に負の符号を付与した符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）を出力する。
【００９３】
符号付き計数結果Ｎ’（ｔ）は、記憶部８０に格納される。符号付与部９４は、以上のような符号付与処理を、計数部９０によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
【００９４】
次に、基準周期算出部９５は、距離比例個数ＮＬから基準周期Ｔ０を次式のように算出する。
Ｔ０＝Ｃ／（２×ｆ×ＮＬ） ・・・（１６）
ここで、ｆは三角波の周波数、Ｃは光速である。基準周期算出部９５は、式（１６）によって算出した周期を基準周期Ｔ０の初期値として記憶部８０に格納すればよい。以上のようにして、本実施の形態では、基準周期Ｔ０の初期値を求めることができる。
【００９５】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、２値化部８３が基準周期Ｔ０をしきい値として信号抽出部７の計測結果を２値化し、周期測定部８４が２値化部８３の出力の周期を測定しているが、２値化する前にノイズ除去のために信号抽出部７の計測結果を補正してもよい。
【００９６】
図２０は本実施の形態の演算部８の構成の１例を示すブロック図である。本実施の形態の演算部８は、記憶部８０と、基準周期算出部８１と、速度算出部８２と、後述する周期補正部９７の出力を２値化する２値化部８３ａと、周期測定部８４と、周波数算出部８５と、張力算出部８６と、度数分別部８７と、周期分別部８８と、基準周期補正部８９と、移動平均値算出部９６と、周期補正部９７とから構成される。
【００９７】
第１の実施の形態で説明したとおり、記憶部８０は、信号抽出部７の計測結果を記憶する。移動平均値算出部９６は、補正対象のＭＨＰの周期の直前に計測された所定数のＭＨＰの周期と補正対象のＭＨＰの周期の直後に計測された所定数のＭＨＰの周期との移動平均値Ｔａｖｅを算出する。ここで、補正対象のＭＨＰの周期をＴｉ、補正対象のＭＨＰの前後からそれぞれ所定数ｋ個のＭＨＰの周期を算出に用いるとすると、移動平均値Ｔａｖｅは次式のようになる。
【００９８】
【数１】
【００９９】
周期補正部９７は、移動平均値算出部９６が算出した移動平均値Ｔａｖｅと補正対象のＭＨＰの周期Ｔとを比較することにより、補正対象のＭＨＰの周期Ｔを補正する。図２１（Ａ）〜図２１（Ｆ）は周期補正部９７の動作を説明するための図である。
【０１００】
周期補正部９７は、図２１（Ａ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔが０．５Ｔａｖｅ未満の場合、図２１（Ｂ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔと次に計測されたＭＨＰの周期Ｔｎｅｘｔとを合わせた周期を補正後のＭＨＰの周期Ｔ’とする。
周期補正部９７は、補正対象のＭＨＰの周期Ｔが０．５Ｔａｖｅ以上１．５Ｔａｖｅ未満の場合、補正対象のＭＨＰの周期Ｔを補正しない。
【０１０１】
また、周期補正部９７は、図２１（Ｃ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔが１．５Ｔａｖｅ以上２．５Ｔａｖｅ未満の場合、図２１（Ｄ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔを２等分した周期をそれぞれ補正後の周期Ｔ１’，Ｔ２’とする。
また、周期補正部９７は、図２１（Ｅ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔが２．５Ｔａｖｅ以上３．５Ｔａｖｅ未満の場合、図２１（Ｆ）に示すように補正対象のＭＨＰの周期Ｔを３等分した周期をそれぞれ補正後の周期Ｔ１’，Ｔ２’，Ｔ３’とする。３．５Ｔａｖｅ以上についても同様である。すなわち、周期補正部９７は、補正対象のＭＨＰの周期Ｔが（ｍ−０．５）Ｔａｖｅ以上で（ｍ＋０．５）Ｔａｖｅ未満の場合（ｍは２以上の自然数）、補正対象のＭＨＰの周期Ｔをｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とする。周期補正部９７は、以上のような補正処理を信号抽出部７から計測結果が出力される度に行う。
【０１０２】
図２２は信号抽出部７の計測結果の補正原理を説明するための図であり、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である。ただし、説明を簡単にするため、ここでの原理はウェブ１１が静止している場合もしくはウェブ１１の振動の中心が変化しない場合を説明しており、補正対象のＭＨＰの周期の比較対象として移動平均値Ｔａｖｅの代わりに、基準周期Ｔ０を用いている。基準周期Ｔ０は、ウェブ１１が静止していたときのＭＨＰの周期、算出された距離におけるＭＨＰの周期、もしくは周期補正部９７による周期補正の直前に計測された一定数のＭＨＰの周期の移動平均値のいずれかである。ウェブ１１の振動の中心が変化する場合の周期補正の原理については後述する。
【０１０３】
ＭＨＰの周期はウェブ１１との距離によって異なるが、ウェブ１１との距離が不変であれば、ＭＨＰ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、ＭＨＰの周期に誤差が生じる。
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所でのＭＨＰの周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０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を２等分することで、信号の欠落を補正することができる。
【０１０４】
また、ノイズをカウントした箇所でのＭＨＰの周期Ｔｓは、本来の周期のおよそ０．５倍になる。つまり、ＭＨＰの周期が基準周期Ｔ０のおよそ０．５倍未満の場合には、信号を過剰に数えていると判断できる。そこで、周期Ｔｓと次に計測される周期Ｔnextとを加算することで、誤って数えたノイズを補正することができる。
【０１０５】
以上が、ＭＨＰの周期補正の基本原理である。次に、信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを決めるためのしきい値を基準周期Ｔ０（実際に用いるのは移動平均値Ｔａｖｅ）の２倍の値とせずに、１．５倍とする理由について説明する。半導体レーザ１の発振波長変化が線形である場合、ＭＨＰの周期は基準周期Ｔ０を中心にして正規分布する。
【０１０６】
ここで、ＭＨＰの波形に欠落が生じた場合を考える。ＭＨＰの強度が小さいために計測時に欠落が生じた場合のＭＨＰの周期は、本来のＭＨＰの周期がＴ０を中心とした正規分布であるために、平均値が２Ｔ０、標準偏差２σの正規分布（図２３のｆ）になる。ｊ［％］のＭＨＰが欠落したときに、第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２のいずれかにおいて信号抽出部７がＭＨＰの数を数えた結果、ＭＨＰの数がＮであったとすると、この欠落によって周期が２倍になったＭＨＰの周期の度数はＮｗ（＝ｊ［％］・Ｎ）である。また、計測時の欠落によって減少した後のおおよそＴ０の周期の度数は、図２３に示すｇであり、図２３のｈに示す度数の減少分は２Ｎｗ（＝２ｊ［％］）である。したがって、第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２のいずれかにおいて、ＭＨＰの欠落が生じなかった場合の本来のＭＨＰの数Ｎ’は以下の式で表すことができる。
Ｎ’＝Ｎ＋ｊ［％］＝Ｎ＋Ｎｗ ・・・（１８）
【０１０７】
次に、ＭＨＰの周期の計測結果を補正するためのしきい値について考える。ここで、計測時の欠落によって周期が２倍になったＭＨＰの周期の度数Ｎｗのうちノイズによってｐ［％］が２分割された場合を仮定する。欠落したＭＨＰのうち２分割されたＭＨＰの周期の度数は、Ｎｗ’（＝ｊ・ｐ［％］・Ｎ）である。再度２分割されたＭＨＰの周期の度数分布は、図２４のようになる。Ｎｗとみなす周期のしきい値を１．５Ｔ０にすると、周期が０．５Ｔ０以下のＭＨＰの周期の度数は０．５Ｎｗ’（＝０．５ｐ［％］・Ｎｗ）、周期が０．５Ｔ０から１．５Ｔ０までのＭＨＰの周期の度数はＮｗ’（＝ｐ［％］・Ｎｗ）、周期が１．５Ｔ０以上のＭＨＰの周期の度数は０．５Ｎｗ’（＝０．５ｐ［％］・Ｎｗ）となる。
【０１０８】
よって、全てのＭＨＰの周期の度数分布は図２５のようになり、上記のＴｓに対応する周期の度数Ｎｓのしきい値を０．５Ｔ０、上記のＴｗに対応する周期の度数Ｎｗのしきい値を１．５Ｔ０にすると、計数結果Ｎは以下の式で表すことができる。
Ｎ＝（Ｎ’−２Ｎｗ）＋（Ｎｗ−Ｎｗ’）＋２Ｎｗ’＝Ｎ’−Ｎｗ＋Ｎｗ’
・・・（１９）
【０１０９】
式（１９）より、補正された結果は以下のようになり、計数時にＭＨＰの欠落が生じなかった場合の本来のＭＨＰの数Ｎ’が算出されることが分かる。
Ｎ−０．５Ｎｗ’＋（０．５Ｎｗ’＋（Ｎｗ−Ｎｗ’））
＝（Ｎ−Ｎｗ＋Ｎｗ’）＋（０．５Ｎｗ’＋（Ｎｗ−Ｎｗ’））
＝Ｎ’ ・・・（２０）
【０１１０】
以上のことから、度数Ｎｗを求める際の周期のしきい値を基準周期Ｔ０の１．５倍とすれば、計数結果Ｎを補正できることが分かる。ＭＨＰの周期Ｔと計数結果Ｎとは、三角波の半周期あたりのサンプリングクロック数をＭとすると、Ｔ＝Ｍ／Ｎの関係にあり、Ｍは一定値であるから、信号に欠落が生じたと見なす周期Ｔｗを決めるためのしきい値は、計数結果Ｎの場合と同様に、基準周期Ｔ０の１．５倍とすればよいことが分かる。
【０１１１】
次に、ウェブ１１の振動の中心が変化する場合の周期補正の原理について説明する。ＭＨＰの周波数は、ウェブ１１との距離に比例した周波数（このときの周期が基準周期Ｔ０）とウェブ１１の速度に比例する周波数との和で表すことができる。ウェブ１１がある状態でＭＨＰの周期がＴの場合、個々のＭＨＰの周期の確率分布はノイズなどによってばらつきが生じ、Ｔを中心とした概ね正規分布になる。よって、ウェブ１１が静止している場合、個々のＭＨＰの周期の確率分布も基準周期Ｔ０を中心とした正規分布になり、静止している期間のＭＨＰの周期の度数分布は、前記のように基準周期Ｔ０を中心とした正規分布になる。
【０１１２】
ここで、図２６に示すようにウェブ１１が等速運動している場合を考える。自己結合型のレーザセンサでは、ウェブ１１の速度の変化によるＭＨＰの周波数の変化割合と比較すると、ウェブ１１との距離の変化によるＭＨＰの周期の変化は非常に小さい。このため、個々のＭＨＰの周期の確率分布は、図２６のＡ点でもＢ点でも、ウェブ１１との平均距離に相当するＴ０から速度の大きさの分だけ周期が変化した値Ｔを中心とした正規分布になるため、Ａ点からＢ点の期間のＭＨＰの周期の度数分布も、Ｔを中心とした正規分布になる（図２７）。
【０１１３】
次に、図２８（Ａ）、図２８（Ｂ）に示すようにウェブ１１の速度が変化している場合を考える。ここでは、簡略化するために、折れ線運動を考える。すなわち、ウェブ１１との距離Ｌを期間Ａにおける距離ＬＡと期間Ｂにおける距離ＬＢに簡略化し、同様にウェブ１１の速度Ｖを期間Ａにおける速度ＶＡと期間Ｂにおける速度ＶＢに簡略化する。このようにウェブ１１の運動を簡略化すると、ＭＨＰの周期の度数分布は図２９のようになる。図２９においてＴＡは期間Ａにおけるウェブ１１の平均速度に対応するＭＨＰの周期、ＴＢは期間Ｂにおけるウェブ１１の平均速度に対応するＭＨＰの周期である。
【０１１４】
ウェブ１１の速度変化がなだらかに変化しているとしたら、図２８（Ａ）、図２８（Ｂ）の時刻ｔでのウェブ１１の速度は速度ＶＡとＶＢとの間にあるので、ＭＨＰの周期も周期ＴＡとＴＢとの間にある。このときのＭＨＰの周期をＴＸとすると、信号に欠落が生じて２つのＭＨＰが１つになった場合のＭＨＰの周期の確率分布は、２ＴＸを中心とした正規分布になると考えられる。また、周期ＴＸのＭＨＰがノイズで２分割された場合のＭＨＰの２つの確率分布は、０．５ＴＸを軸にした対称の形になる。したがって、ＴＡからＴＢの間の値と考えられるＴＸの周期補正を考える場合、基準周期Ｔ０の代わりに、ＴＡとＴＢの移動平均値Ｔａｖｅを基準として周期補正を行うことが妥当である。以上が、ウェブ１１の振動の中心が変化する場合のＭＨＰの周期補正の原理である。
【０１１５】
２値化部８３ａは、周期補正部９７によって補正されたＭＨＰの周期を、基準周期Ｔ０をしきい値として２値化する。
基準周期算出部８１、速度算出部８２、周期測定部８４、周波数算出部８５、張力算出部８６、度数分別部８７、周期分別部８８および基準周期補正部８９の動作は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
こうして、本実施の形態では、ＭＨＰの周期の誤差を補正することができるので、ウェブ１１の速度や張力の計測精度を向上させることができる。
【０１１６】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、補正対象のＭＨＰの周期の比較対象として移動平均値Ｔａｖｅを用いる代わりに、補正対象のＭＨＰの周期の直前に計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＡと補正対象のＭＨＰの周期の直後に計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＢとを用いるものである。本実施の形態においても、張力・速度計測装置の構成および演算部の構成は第４の実施の形態と同様であるので、図１、図２０の符号を用いて説明する。
【０１１７】
本実施の形態の移動平均値算出部９６は、補正対象のＭＨＰの周期の直前に計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＡと補正対象のＭＨＰの周期の直後に計測された所定数のＭＨＰの周期の移動平均値ＴＢとを算出する。移動平均値算出部９６は、このような算出処理を信号抽出部７から計測結果が出力される度に行う。
【０１１８】
周期補正部９７は、移動平均値算出部９６が算出した移動平均値ＴＡ，ＴＢと補正対象のＭＨＰの周期とを比較することにより、補正対象のＭＨＰの周期を補正する。すなわち、周期補正部９７は、ＴＡ＜ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が０．５ＴＡ未満の場合、図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）の場合と同様に補正対象のＭＨＰの周期と次に計測されたＭＨＰの周期とを合わせた周期を補正後のＭＨＰの周期とする。周期補正部９７は、ＴＡ＜ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が０．５ＴＡ以上１．５ＴＢ未満の場合、補正対象のＭＨＰの周期を補正しない。周期補正部９７は、ＴＡ＜ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が（ｍ−０．５）ＴＢ以上で（ｍ＋０．５）ＴＢ未満の場合（ｍは２以上の自然数）、図２１（Ｃ）、図２１（Ｄ）、図２１（Ｅ）、図２１（Ｆ）の場合と同様に補正対象のＭＨＰの周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とする。
【０１１９】
また、周期補正部９７は、ＴＡ＞ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が０．５ＴＢ未満の場合、補正対象のＭＨＰの周期と次に計測されたＭＨＰの周期とを合わせた周期を補正後のＭＨＰの周期とする。周期補正部９７は、ＴＡ＞ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が０．５ＴＢ以上１．５ＴＡ未満の場合、補正対象のＭＨＰの周期を補正しない。周期補正部９７は、ＴＡ＞ＴＢで、補正対象のＭＨＰの周期が（ｍ−０．５）ＴＡ以上で（ｍ＋０．５）ＴＡ未満の場合、補正対象のＭＨＰの周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とする。
【０１２０】
移動平均値算出部９６と周期補正部９７以外の動作は、第４の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態では、第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第４の実施の形態と第５の実施の形態とを統一した思想で表現すると、周期補正部９７の動作は以下のようになる。すなわち、周期補正部９７は、移動平均値算出部９６が算出した２つの移動平均値のうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２とし、Ｔｘ＝Ｔ１＋α・（Ｔ２−Ｔ１）としたとき（０≦α≦１）、補正対象のＭＨＰの周期がｋ・Ｔｘ未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、補正対象のＭＨＰの周期と次に計測されたＭＨＰの周期とを合わせた周期を補正後のＭＨＰの周期とし、周期を合わせた波形を１つの波形とする。また、周期補正部９７は、補正対象のＭＨＰの周期が（ｍ−０．５）・Ｔｘ以上で（ｍ＋０．５）・Ｔｘ未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、補正対象のＭＨＰの周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、補正後の周期の波形がｍ個あるものとする。
【０１２１】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、２値化部８３が基準周期Ｔ０をしきい値として信号抽出部７の計測結果を２値化し、周期測定部８４が２値化部８３の出力の周期を測定しているが、２値化した後にノイズ除去のために２値化部８３の出力を補正してもよい。
【０１２２】
図３０は本実施の形態の演算部８の構成の１例を示すブロック図である。演算部８は、記憶部８０と、基準周期算出部８１と、速度算出部８２と、２値化部８３と、周期測定部８４と、後述する計測結果補正部１１１によって補正された計数結果に基づいてウェブ１１の振動周波数を算出する周波数算出部８５ａと、張力算出部８６と、度数分別部８７と、周期分別部８８と、基準周期補正部８９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９８と、２値化出力の周期の分布の代表値である代表周期を算出する代表周期算出部９９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１１０と、カウンタ１１０の計数結果を補正する計測結果補正部１１１とから構成される。
【０１２３】
周期測定部８４は、第１の実施の形態で説明したとおり、２値化部８３の出力の周期を測定する。周期測定部８４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９８は、周期測定部８４の測定結果から、一定時間ＴＤ（ＴＤは例えばＭＨＰ１００個分の時間）における周期の度数分布を作成する。図３１は度数分布の１例を示す図である。度数分布作成部９８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９８は、このような度数分布の作成をＴＤ時間毎に行う。
【０１２４】
続いて、代表周期算出部９９は、度数分布作成部９８が作成した度数分布から、２値化部８３の出力の周期の代表値である代表周期ＴＥを算出する。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、代表周期算出部９９は、階級値と度数との積が最大となる階級値を代表周期ＴＥとする。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。
【０１２５】
【表１】
【０１２６】
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周期ＴＥとする理由については後述する。算出された代表周期ＴＥの値は、記憶部８０に格納される。代表周期算出部９９は、このような代表周期ＴＥの算出を、度数分布作成部９８によって度数分布が作成される度に行う。
【０１２７】
一方、カウンタ１１０は、周期測定部８４および度数分布作成部９８と並行して動作し、度数分布作成部９８が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間ＴＤの期間において、２値化部８３の出力の立ち上がりエッジの数Ｎ（すなわち、２値化部８３の出力の「１」のパルスの数）を数える。カウンタ１１０の計数結果Ｎは、記憶部８０に格納される。カウンタ１１０は、このような２値化部８３の出力の計数をＴＤ時間毎に行う。
【０１２８】
計測結果補正部１１１は、度数分布作成部９８が作成した度数分布から、代表周期ＴＥの０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、代表周期ＴＥの１．５倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、カウンタ１１０の計数結果Ｎを次式のように補正する。
Ｎ’＝Ｎ−Ｎｓ＋Ｎｗ ・・・（２１）
式（２１）において、Ｎ’は補正後の計数結果である。この補正後の計数結果Ｎ’は、記憶部８０に格納される。計測結果補正部１１１は、このような補正をＴＤ時間毎に行う。
【０１２９】
図３２は度数の総和ＮｓとＮｗを模式的に表す図である。図３２において、Ｔｓは代表周期ＴＥの０．５倍の階級値、Ｔｗは代表周期ＴＥの１．５倍の階級値である。図３２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３２では記載を簡略化するため、代表周期ＴＥとＴｓとの間、及び代表周期ＴＥとＴｗとの間の度数分布を省略している。
【０１３０】
図３３はカウンタ１１０の計数結果の補正原理を説明するための図であり、図３３（Ａ）は２値化部８３の出力を示す図、図３３（Ｂ）は図３３（Ａ）に対応するカウンタ１１０の計数結果を示す図である。
本来、２値化部８３の出力の周期はウェブ１１の振動周波数によって異なるが、ウェブ１１の振動周波数が不変であれば、２値化部８３の出力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値化部８３の出力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値化部８３の出力のパルスの計数結果に誤差が生じる。
【０１３１】
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所での２値化部８３の出力の周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、２値化部８３の出力の周期が代表周期ＴＥ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Ｎｗを信号が欠落した回数と見なし、このＮｗをカウンタ１１０の計数結果Ｎに加算することで、信号の欠落を補正することができる。
【０１３２】
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値化部８３の出力の周期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値化部８３の出力の周期が代表周期ＴＥ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Ｎｓを信号を過剰に数えた回数と見なし、このＮｓをカウンタ１１０の計数結果Ｎ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（２１）に示した計数結果の補正原理である。
【０１３３】
周波数算出部８５ａは、計測結果補正部１１１が計算した補正後の計数結果Ｎ’に基づいて、ウェブ１１の振動周波数ｆｓｉｇを次式のように算出する。
ｆｓｉｇ＝Ｎ’／ＴＤ ・・・（２２）
【０１３４】
基準周期算出部８１、速度算出部８２、張力算出部８６、度数分別部８７、周期分別部８８および基準周期補正部８９の動作は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
以上のように、本実施の形態では、２値化部８３の出力の周期を測定して一定時間ＴＤ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値化部８３の出力の周期の分布の代表値である代表周期ＴＥを算出し、一定時間ＴＤの期間において２値化部８３の出力のパルスの数を数え、度数分布から、代表周期ＴＥの０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと代表周期ＴＥの１．５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２値化部８３の出力のパルスの計数結果を補正することにより、２値化部８３の出力の計数誤差を補正することができるので、ウェブ１１の振動周波数の測定精度を向上させることができる。その結果、本実施の形態では、ウェブ１１の速度や張力の計測精度を向上させることができる。
【０１３５】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。第１〜第６の実施の形態では、半導体レーザ１を三角波状に発振させていたが、これに限るものではなく、図３４（Ａ）に示すように半導体レーザ１を鋸波状に発振させてもよい。すなわち、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のいずれか一方が繰り返し存在するように半導体レーザ１を動作させればよい。
【０１３６】
本実施の形態のように半導体レーザ１を鋸波状に発振させる場合においても、半導体レーザ１の発振波長の変化速度が一定であることが必要である。第１の発振期間Ｐ１または第２の発振期間Ｐ２における動作は、三角波発振の場合と同様である。図３４（Ａ）に示すように第１の発振期間Ｐ１のみが繰り返し存在する鋸波状の発振の場合は第１の発振期間Ｐ１の処理を繰り返し行えばよく、第２の発振期間Ｐ２のみが繰り返し存在する鋸波状の発振の場合は第２の発振期間Ｐ２の処理を繰り返し行えばよいことは言うまでもない。
【０１３７】
ただし、計数部９０の計数結果を示す図３４（Ｂ）からも明らかなように、本実施の形態では、計数結果Ｎｕ，Ｎｄの平均値を求めることはできない。したがって、半導体レーザ１を鋸波状に発振させる構成を、第３の実施の形態に適用することはできない。
【０１３８】
［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。第１〜第７の実施の形態では、ＭＨＰ波形を含む電気信号を検出する検出手段としてフォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５とを用いたが、フォトダイオードを使用することなくＭＨＰ波形を抽出することも可能である。図３５は本発明の第８の実施の形態に係る張力・速度計測装置の構成を示すブロック図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の張力・速度計測装置は、第１〜第７の実施の形態のフォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５の代わりに、検出手段として電圧検出部１２を用いるものである。
【０１３９】
電圧検出部１２は、半導体レーザ１の端子間電圧、すなわちアノード−カソード間電圧を検出して増幅する。半導体レーザ１から放射されたレーザ光とウェブ１１からの戻り光とによって干渉が生じるとき、半導体レーザ１の端子間電圧には、ＭＨＰ波形が現れる。したがって、半導体レーザ１の端子間電圧からＭＨＰ波形を抽出することが可能である。
【０１４０】
フィルタ部６は、電圧検出部１２の出力電圧から搬送波を除去する。張力・速度計測装置のその他の構成は、第１〜第７の実施の形態と同じである。
こうして、本実施の形態では、フォトダイオードを使用することなくＭＨＰ波形を抽出することができ、第１〜第７の実施の形態と比較して張力・速度計測装置の部品を削減することができ、張力・速度計測装置のコストを低減することができる。また、本実施の形態では、フォトダイオードを使用しないので、外乱光による影響を除去することができる。
【０１４１】
本実施の形態では、レーザドライバ４から半導体レーザ１に供給する駆動電流をレーザ発振のしきい値電流付近に制御することが好ましい。これにより、半導体レーザ１の端子間電圧からＭＨＰを抽出することが容易になる。
【０１４２】
なお、第１〜第８の実施の形態において少なくとも信号抽出部７と演算部８，８ａ，８ｂと制御部１０４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８の実施の形態で説明した処理を実行する。
【０１４３】
また、第１〜第８の実施の形態では、センサモジュール１０を図２に示すように配置したが、これに限るものではない。例えば図３６に示すように、半導体レーザ１からのレーザ光が送出側ロール１０２の箇所または受取側ロール１０３の箇所でウェブ１１に入射するようにしてもよい。この場合、測定可能な物理量は、ウェブ１１の速度と、半導体レーザ１とウェブ１１との距離であり、ウェブ１１の張力を測定することはできない。ウェブ１１との距離を測定すれば、ロールの半径を間接的に算出することができ、ロール半径のモニタリングが実現できる。なお、自己結合型のレーザ計測器において、物体との距離を測定することは周知技術である。また、送出側ロール１０２の箇所または受取側ロール１０３の箇所で、レーザ光をウェブ１１に対して垂直に照射した場合には、ウェブ１１との距離のみを測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明は、搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブの速度と張力を測定する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【０１４５】
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…信号抽出部、８，８ａ，８ｂ…演算部、９…表示部、１０…センサモジュール、１１…ウェブ、１２…電圧検出部、８０…記憶部、８１…基準周期算出部、８２…速度算出部、８３…２値化部、８４…周期測定部、８５…周波数算出部、８６…張力算出部、８７…度数分別部、８８…周期分別部、８９…基準周期補正部、９０…計数部、９１…距離算出部、９２…基準周期算出部、９３…距離比例個数算出部、９４…符号付与部、９５…基準周期算出部、９６…移動平均値算出部、９７…周期補正部、９８…度数分布作成部、９９…代表周期算出部、１００…送出側ガイド軸、１０１…受取側ガイド軸、１０２…送出側ロール、１０３…受取側ロール、１０４…制御部、１１０…カウンタ、１１１…計測結果補正部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブ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ウェブ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に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手段と、
この信号抽出手段が計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいて、前記ウェブの速度およびウェブの張力の少なくとも一方を算出する演算手段とを備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の張力・速度計測装置において、
前記演算手段は、
前記信号抽出手段が計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいて前記ウェブの速度を算出する速度算出手段と、
前記基準周期をしきい値として前記干渉波形の周期を２値化する２値化手段と、
この２値化手段の出力の周期を測定する周期測定手段と、
この周期測定手段が測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する周波数算出手段と、
前記ウェブの速度と前記ウェブの振動周波数に基づいて前記ウェブの張力を算出する張力算出手段とを備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の張力・速度計測装置において、
さらに、前記信号抽出手段の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期の度数と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数とを求める度数分別手段と、
前記信号抽出手段の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期とを抽出する周期分別手段と、
前記度数分別手段が求めた度数と前記周期分別手段が抽出した周期とに基づいて前記基準周期を補正する基準周期補正手段とを備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項４】
請求項３記載の張力・速度計測装置において、
前記基準周期補正手段は、補正前の前記基準周期をＴ０、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期の度数をＮｓ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数をＮ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期に含まれるｊ番目（ｊは１〜Ｎｓの整数）の周期をＴｓｊ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期に含まれるｉ番目（ｉは１〜Ｎの整数）の周期をＴｉとしたとき、（ΣＴｉ−Ｎｓ×Ｔ０＋ΣＴｓｊ）／（Ｎ−Ｎｓ）または（ΣＴｉ＋ΣＴｓｊ）／Ｎにより前記基準周期Ｔ０の補正値を算出することを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の張力・速度計測装置において、
さらに、前記信号抽出手段が計測した所定数の干渉波形の周期の平均を前記基準周期の初期値とする基準周期算出手段を備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の張力・速度計測装置において、
さらに、前記検出手段の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計数手段と、
この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記半導体レーザと前記ウェブとの距離を算出する距離算出手段と、
この距離算出手段が算出した距離から前記基準周期の初期値を求める基準周期算出手段とを備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の張力・速度計測装置において、
さらに、前記検出手段の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計数手段と、
前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記ウェブとの平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手段と、
前記距離比例個数から前記基準周期の初期値を算出する基準周期算出手段とを備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項８】
請求項２記載の張力・速度計測装置において、
前記演算手段は、さらに、前記信号抽出手段で計測された補正対象の干渉波形の周期に対して、その直前と直後のうち少なくとも一方において計測された干渉波形の周期の移動平均値を算出する移動平均値算出手段と、
前記補正対象の干渉波形の周期と前記移動平均値とを比較することにより前記補正対象の干渉波形の周期を補正する周期補正手段とを備え、
前記２値化手段は、前記干渉波形の周期を２値化する代わりに、前記周期補正手段によって補正された周期を、前記基準周期をしきい値として２値化することを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項９】
請求項８記載の張力・速度計測装置において、
前記移動平均値算出手段は、前記補正対象の干渉波形の周期の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と前記補正対象の干渉波形の周期の直後に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを算出し、
前記周期補正手段は、前記移動平均値算出手段が算出した２つの移動平均値のうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２とし、Ｔｘ＝Ｔ１＋α・（Ｔ２−Ｔ１）としたとき（０≦α≦１）、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの所定数ｋ倍未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、この補正対象の干渉波形の周期と次に計測された干渉波形の周期とを合わせた周期を補正後の干渉波形の周期とし、周期を合わせた波形を１つの波形とし、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの（ｍ−０．５）倍以上で且つ前記Ｔｘの（ｍ＋０．５）倍未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、前記補正対象の干渉波形の周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、補正後の周期の波形がｍ個あるものとすることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項１０】
請求項２記載の張力・速度計測装置において、
前記演算手段は、さらに、前記周期測定手段の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である代表周期を算出する代表周期算出手段と、
前記２値化出力周期度数分布作成手段が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記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、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記代表周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記代表周期の第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に基づいて前記２値化出力計数手段の計数結果を補正する計測結果補正手段とを備え、
前記周波数算出手段は、前記周期測定手段が測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する代わりに、前記計測結果補正手段で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記ウェブの振動周波数を算出することを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の張力・速度計測装置において、
前記代表周期算出手段は、階級値と度数との積が最大となる階級値を前記代表周期とすることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項１２】
搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブにレーザ光を放射する半導体レーザを、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前記ウェブ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周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手順と、
この信号抽出手順で計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいて、前記ウェブの速度およびウェブの張力の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の張力・速度計測方法において、
前記演算手順は、
前記信号抽出手順で計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいて前記ウェブの速度を算出する速度算出手順と、
前記基準周期をしきい値として前記干渉波形の周期を２値化する２値化手順と、
この２値化手順で得られた出力の周期を測定する周期測定手順と、
この周期測定手順で測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する周波数算出手順と、
前記ウェブの速度と前記ウェブの振動周波数に基づいて前記ウェブの張力を算出する張力算出手順とを含むことを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１４】
請求項１２記載の張力・速度計測方法において、
さらに、前記信号抽出手順の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期の度数と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数とを求める度数分別手順と、
前記信号抽出手順の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期とを抽出する周期分別手順と、
前記度数分別手順で求めた度数と前記周期分別手順で抽出した周期とに基づいて前記基準周期を補正する基準周期補正手順とを備えることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の張力・速度計測方法において、
前記基準周期補正手順は、補正前の前記基準周期をＴ０、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期の度数をＮｓ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数をＮ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期に含まれるｊ番目（ｊは１〜Ｎｓの整数）の周期をＴｓｊ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期に含まれるｉ番目（ｉは１〜Ｎの整数）の周期をＴｉとしたとき、（ΣＴｉ−Ｎｓ×Ｔ０＋ΣＴｓｊ）／（Ｎ−Ｎｓ）または（ΣＴｉ＋ΣＴｓｊ）／Ｎにより前記基準周期Ｔ０の補正値を算出することを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１６】
請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の張力・速度計測方法において、
さらに、前記信号抽出手順で計測した所定数の干渉波形の周期の平均を前記基準周期の初期値とする基準周期算出手順を備えることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１７】
請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の張力・速度計測方法において、
さらに、前記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計数手順と、
この計数手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手順の計数結果とから前記半導体レーザと前記ウェブとの距離を算出する距離算出手順と、
この距離算出手順で算出した距離から前記基準周期の初期値を求める基準周期算出手順とを備えることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１８】
請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の張力・速度計測方法において、
さらに、前記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計数手順と、
前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記ウェブとの平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手順と、
前記距離比例個数から前記基準周期の初期値を算出する基準周期算出手順とを備えることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１９】
請求項１３記載の張力・速度計測方法において、
前記演算手順は、さらに、前記信号抽出手順で計測された補正対象の干渉波形の周期に対して、その直前と直後のうち少なくとも一方において計測された干渉波形の周期の移動平均値を算出する移動平均値算出手順と、
前記補正対象の干渉波形の周期と前記移動平均値とを比較することにより前記補正対象の干渉波形の周期を補正する周期補正手順とを備え、
前記２値化手順は、前記干渉波形の周期を２値化する代わりに、前記周期補正手順によって補正された周期を、前記基準周期をしきい値として２値化することを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の張力・速度計測方法において、
前記移動平均値算出手順は、前記補正対象の干渉波形の周期の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と前記補正対象の干渉波形の周期の直後に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを算出し、
前記周期補正手順は、前記移動平均値算出手順で算出した２つの移動平均値のうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２とし、Ｔｘ＝Ｔ１＋α・（Ｔ２−Ｔ１）としたとき（０≦α≦１）、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの所定数ｋ倍未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、この補正対象の干渉波形の周期と次に計測された干渉波形の周期とを合わせた周期を補正後の干渉波形の周期とし、周期を合わせた波形を１つの波形とし、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの（ｍ−０．５）倍以上で且つ前記Ｔｘの（ｍ＋０．５）倍未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、前記補正対象の干渉波形の周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、補正後の周期の波形がｍ個あるものとすることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項２１】
請求項１３記載の張力・速度計測方法において、
前記演算手順は、さらに、前記周期測定手順の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である代表周期を算出する代表周期算出手順と、
前記２値化出力周期度数分布作成手順が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記代表周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記代表周期の第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に基づいて前記２値化出力計数手順の計数結果を補正する計測結果補正手順とを備え、
前記周波数算出手順は、前記周期測定手順で測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する代わりに、前記計測結果補正手順で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記ウェブの振動周波数を算出することを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の張力・速度計測方法において、
前記代表周期算出手順は、階級値と度数との積が最大となる階級値を前記代表周期とすることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１】
搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブ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ウェブ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に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手段と、
この信号抽出手段が計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいて、前記ウェブの速度およびウェブの張力の少なくとも一方を算出する演算手段とを備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の張力・速度計測装置において、
前記演算手段は、
前記信号抽出手段が計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいて前記ウェブの速度を算出する速度算出手段と、
前記基準周期をしきい値として前記干渉波形の周期を２値化する２値化手段と、
この２値化手段の出力の周期を測定する周期測定手段と、
この周期測定手段が測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する周波数算出手段と、
前記ウェブの速度と前記ウェブの振動周波数に基づいて前記ウェブの張力を算出する張力算出手段とを備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の張力・速度計測装置において、
さらに、前記信号抽出手段の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期の度数と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数とを求める度数分別手段と、
前記信号抽出手段の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期とを抽出する周期分別手段と、
前記度数分別手段が求めた度数と前記周期分別手段が抽出した周期とに基づいて前記基準周期を補正する基準周期補正手段とを備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項４】
請求項３記載の張力・速度計測装置において、
前記基準周期補正手段は、補正前の前記基準周期をＴ０、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期の度数をＮｓ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数をＮ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期に含まれるｊ番目（ｊは１〜Ｎｓの整数）の周期をＴｓｊ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期に含まれるｉ番目（ｉは１〜Ｎの整数）の周期をＴｉとしたとき、（ΣＴｉ−Ｎｓ×Ｔ０＋ΣＴｓｊ）／（Ｎ−Ｎｓ）または（ΣＴｉ＋ΣＴｓｊ）／Ｎにより前記基準周期Ｔ０の補正値を算出することを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の張力・速度計測装置において、
さらに、前記信号抽出手段が計測した所定数の干渉波形の周期の平均を前記基準周期の初期値とする基準周期算出手段を備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の張力・速度計測装置において、
さらに、前記検出手段の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計数手段と、
この計数手段によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手段の計数結果とから前記半導体レーザと前記ウェブとの距離を算出する距離算出手段と、
この距離算出手段が算出した距離から前記基準周期の初期値を求める基準周期算出手段とを備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の張力・速度計測装置において、
さらに、前記検出手段の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計数手段と、
前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記ウェブとの平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手段と、
前記距離比例個数から前記基準周期の初期値を算出する基準周期算出手段とを備えることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項８】
請求項２記載の張力・速度計測装置において、
前記演算手段は、さらに、前記信号抽出手段で計測された補正対象の干渉波形の周期に対して、その直前と直後のうち少なくとも一方において計測された干渉波形の周期の移動平均値を算出する移動平均値算出手段と、
前記補正対象の干渉波形の周期と前記移動平均値とを比較することにより前記補正対象の干渉波形の周期を補正する周期補正手段とを備え、
前記２値化手段は、前記干渉波形の周期を２値化する代わりに、前記周期補正手段によって補正された周期を、前記基準周期をしきい値として２値化することを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項９】
請求項８記載の張力・速度計測装置において、
前記移動平均値算出手段は、前記補正対象の干渉波形の周期の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と前記補正対象の干渉波形の周期の直後に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを算出し、
前記周期補正手段は、前記移動平均値算出手段が算出した２つの移動平均値のうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２とし、Ｔｘ＝Ｔ１＋α・（Ｔ２−Ｔ１）としたとき（０≦α≦１）、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの所定数ｋ倍未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、この補正対象の干渉波形の周期と次に計測された干渉波形の周期とを合わせた周期を補正後の干渉波形の周期とし、周期を合わせた波形を１つの波形とし、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの（ｍ−０．５）倍以上で且つ前記Ｔｘの（ｍ＋０．５）倍未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、前記補正対象の干渉波形の周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、補正後の周期の波形がｍ個あるものとすることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項１０】
請求項２記載の張力・速度計測装置において、
前記演算手段は、さらに、前記周期測定手段の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である代表周期を算出する代表周期算出手段と、
前記２値化出力周期度数分布作成手段が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記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、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記代表周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記代表周期の第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に基づいて前記２値化出力計数手段の計数結果を補正する計測結果補正手段とを備え、
前記周波数算出手段は、前記周期測定手段が測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する代わりに、前記計測結果補正手段で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記ウェブの振動周波数を算出することを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の張力・速度計測装置において、
前記代表周期算出手段は、階級値と度数との積が最大となる階級値を前記代表周期とすることを特徴とする張力・速度計測装置。
【請求項１２】
搬送装置によって送出側から受取側まで搬送中の物体であるウェブにレーザ光を放射する半導体レーザを、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前記ウェブ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周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手順と、
この信号抽出手順で計測した個々の周期の基準周期に対する変化に基づいて、前記ウェブの速度およびウェブの張力の少なくとも一方を算出する演算手順とを備えることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の張力・速度計測方法において、
前記演算手順は、
前記信号抽出手順で計測した個々の周期の基準周期に対する変化量に基づいて前記ウェブの速度を算出する速度算出手順と、
前記基準周期をしきい値として前記干渉波形の周期を２値化する２値化手順と、
この２値化手順で得られた出力の周期を測定する周期測定手順と、
この周期測定手順で測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する周波数算出手順と、
前記ウェブの速度と前記ウェブの振動周波数に基づいて前記ウェブの張力を算出する張力算出手順とを含むことを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１４】
請求項１２記載の張力・速度計測方法において、
さらに、前記信号抽出手順の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期の度数と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数とを求める度数分別手順と、
前記信号抽出手順の計測結果から、前記基準周期の第１の所定数倍未満の周期と前記基準周期の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期とを抽出する周期分別手順と、
前記度数分別手順で求めた度数と前記周期分別手順で抽出した周期とに基づいて前記基準周期を補正する基準周期補正手順とを備えることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の張力・速度計測方法において、
前記基準周期補正手順は、補正前の前記基準周期をＴ０、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期の度数をＮｓ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期の度数をＮ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍未満の周期に含まれるｊ番目（ｊは１〜Ｎｓの整数）の周期をＴｓｊ、前記基準周期Ｔ０の第１の所定数倍以上第２の所定数倍以下の周期に含まれるｉ番目（ｉは１〜Ｎの整数）の周期をＴｉとしたとき、（ΣＴｉ−Ｎｓ×Ｔ０＋ΣＴｓｊ）／（Ｎ−Ｎｓ）または（ΣＴｉ＋ΣＴｓｊ）／Ｎにより前記基準周期Ｔ０の補正値を算出することを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１６】
請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の張力・速度計測方法において、
さらに、前記信号抽出手順で計測した所定数の干渉波形の周期の平均を前記基準周期の初期値とする基準周期算出手順を備えることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１７】
請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の張力・速度計測方法において、
さらに、前記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計数手順と、
この計数手順によって干渉波形の数を数える期間における最小発振波長と最大発振波長と前記計数手順の計数結果とから前記半導体レーザと前記ウェブとの距離を算出する距離算出手順と、
この距離算出手順で算出した距離から前記基準周期の初期値を求める基準周期算出手順とを備えることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１８】
請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の張力・速度計測方法において、
さらに、前記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計数手順と、
前記干渉波形の数の平均値を算出することにより前記半導体レーザと前記ウェブとの平均距離に比例した干渉波形の数である距離比例個数を求める距離比例個数算出手順と、
前記距離比例個数から前記基準周期の初期値を算出する基準周期算出手順とを備えることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項１９】
請求項１３記載の張力・速度計測方法において、
前記演算手順は、さらに、前記信号抽出手順で計測された補正対象の干渉波形の周期に対して、その直前と直後のうち少なくとも一方において計測された干渉波形の周期の移動平均値を算出する移動平均値算出手順と、
前記補正対象の干渉波形の周期と前記移動平均値とを比較することにより前記補正対象の干渉波形の周期を補正する周期補正手順とを備え、
前記２値化手順は、前記干渉波形の周期を２値化する代わりに、前記周期補正手順によって補正された周期を、前記基準周期をしきい値として２値化することを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の張力・速度計測方法において、
前記移動平均値算出手順は、前記補正対象の干渉波形の周期の直前に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値と前記補正対象の干渉波形の周期の直後に計測された所定数の干渉波形の周期の移動平均値とを算出し、
前記周期補正手順は、前記移動平均値算出手順で算出した２つの移動平均値のうち小さい方をＴ１、大きい方をＴ２とし、Ｔｘ＝Ｔ１＋α・（Ｔ２−Ｔ１）としたとき（０≦α≦１）、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの所定数ｋ倍未満の場合は（ｋは１未満の正の値）、この補正対象の干渉波形の周期と次に計測された干渉波形の周期とを合わせた周期を補正後の干渉波形の周期とし、周期を合わせた波形を１つの波形とし、前記補正対象の干渉波形の周期が前記Ｔｘの（ｍ−０．５）倍以上で且つ前記Ｔｘの（ｍ＋０．５）倍未満の場合は（ｍは２以上の自然数）、前記補正対象の干渉波形の周期をｍ等分した周期をそれぞれ補正後の周期とし、補正後の周期の波形がｍ個あるものとすることを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項２１】
請求項１３記載の張力・速度計測方法において、
前記演算手順は、さらに、前記周期測定手順の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である代表周期を算出する代表周期算出手順と、
前記２値化出力周期度数分布作成手順が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記代表周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記代表周期の第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に基づいて前記２値化出力計数手順の計数結果を補正する計測結果補正手順とを備え、
前記周波数算出手順は、前記周期測定手順で測定した周期から前記ウェブの振動周波数を算出する代わりに、前記計測結果補正手順で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記ウェブの振動周波数を算出することを特徴とする張力・速度計測方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の張力・速度計測方法において、
前記代表周期算出手順は、階級値と度数との積が最大となる階級値を前記代表周期とすることを特徴とする張力・速度計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【公開番号】特開２０１０−２１０３８２（Ｐ２０１０−２１０３８２Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５６１６８（Ｐ２００９−５６１６８）
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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