JP2001215149A - 振幅測定装置および振幅測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ある一定の周波数で振動する振動物体の振幅
を、極めて簡単に測定することのできる振幅測定方法、
および構成が簡単であってコストの低減化が図られた振
幅測定装置を提供する。 【解決手段】 光を出射する光源と、光を検出する光セ
ンサと、前記光源から出射した光を二分して二分された
一方の光を測定対象の振動物体に照射し、該振動物体で
反射した光と、二分されたもう一方の光とを重畳させて
前記光センサに導く干渉光学系と、前記光センサで得ら
れる、前記振動物体の振動による変位に応じて変化する
パルス信号の、前記振動物体の振動周期の２分の１の、
１以上の整数倍の時間長を有する時間窓に入るパルス数
を計数するカウンタとを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一定の周波数で微小
周期振動をしている振動物体（一定の周波数で回転しそ
の回転に伴って振動している回転物体を含む）の振幅を
測定する振幅測定装置および振幅測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光の波長オーダーの変位を高
精度に測定する目的でレーザ干渉方式を採用した変位計
（レーザ変位計）が広く用いられている。このレーザ変
位計は、干渉方式により、ホモダイン方式とヘテロダイ
ン方式とに大別される。

【０００３】ホモダイン方式は、一般に偏光を利用して
測定対象とする物体の変位に対して相互に９０°の位相
差を持つＡ，Ｂ２相の信号が得られるように構成する方
式であって、これらＡ，Ｂ２相の信号から、その測定対
象の物体の変位の方向（例えばその変位計に近づいてく
る方向と遠ざかる方向）を判別するとともに、それら
Ａ，Ｂ２相の信号のレベルから内挿を行なうことによ
り、その測定対象の物体の変位を光の波長よりも短い単
位で高精度に求めることができる。

【０００４】また、ヘテロダイン方式は、干渉前の２つ
の光束の波長を相互に異ならせることにより測定対象の
物体が停止しているときでもある特定の周波数の信号が
得られるようにしておき、受光信号を位相が相互に９０
°ずれた２系統の信号に分解して、その２系統の信号か
ら変位の方向の判別と内挿を行なう方式である。

【０００５】このようなホモダイン方式あるいはヘテロ
ダイン方式が採用された変位計を用いて、本発明で測定
対象としている振動物体（回転物体を含む）の振幅を測
定することができる。

【０００６】すなわち、変位計の測定をその測定対象の
振動物体に照射し、この変位計では、上述のように相互
に位相の異なる２系統の信号を用いて変位の方向を判別
することができるため、その測定対象の振動物体の変位
の方向が反転したタイミング（すなわちその振動物体の
振動の振幅がピークとなったタイミング）を検出してそ
のタイミング（第１のタイミング）を、その振動物体の
振幅測定の起点とし、その振動物体の変位の方向が次に
反転したタイミング（すなわちその振動物体の振動の振
幅が別の方向のピークとなったタイミング）を検出して
そのタイミング（第２のタイミング）をその振動物体の
振幅測定の終点とし、上記の第１のタイミングから第２
のタイミングまでの間の、その振動物体の変位を測定す
る。こうすることにより、その振動物体の振幅を高精度
に測定することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の変位
計は、ホモダイン方式にしろヘテロダイン方式にしろ構
造が複雑であり非常に高価であるという問題がある。

【０００８】ホモダイン方式の場合は、偏光を利用して
おり、単に偏光素子が配備されていて複雑かつ高価であ
るというのにとどまらず、その偏光素子として極めて高
精度に調整された素子を必要とし、一般には多数の素子
の中から所望の特性を持った素子を選び出すという作業
が必要となり、このような点からも極めて高価な製品と
なってしまっている。

【０００９】また、ヘテロダイン方式の場合は、光学系
中に光の周波数をシフトさせる周波数シフタを配置する
必要があるとともに、信号処理系においても１系統の受
光信号から相互に位相の異なる２系統の信号を生成する
ための複雑な回路構成を必要とするなど、やはり構成が
複雑であり、かつ高価な製品となっている。

【００１０】本発明は、上記事情に鑑み、ある一定の周
波数で振動する振動物体の振幅を、極めて簡単に測定す
ることのできる振幅測定方法、および構成が簡単であっ
てコストの低減化が図られた振幅測定装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の振幅測定装置は、振動物体の振幅を測定する振幅測
定装置において、光を出射する光源と、光を検出する光
センサと、上記光源から出射した光を二分して二分され
た一方の光を測定対象の振動物体に照射し、その振動物
体で反射した光と、二分されたもう一方の光とを重畳さ
せて前記光センサに導く干渉光学系と、上記光センサで
得られる、上記振動物体の振動による変位に応じて変化
するパルス信号の、前記振動物体の振動周期の２分の１
の、１以上の整数倍の時間長を有する時間窓に入るパル
ス数を計数するカウンタとを備えたことを特徴とする。

【００１２】ここで、本発明の振幅測定装置において
は、上記カウンタにおける時間窓は、振動物体の振動の
周期と位相とのうちの周期のみに基づいて定められる時
間窓であってもかまわない。

【００１３】また、上記本発明の振幅測定装置におい
て、上記カウンタにおける時間窓は、振動物体の振動周
期の２分の１の、２以上の整数倍の時間長を有する時間
窓であることが好ましい。

【００１４】また、本発明の振幅測定方法は、振動物体
の振幅を測定する振幅測定方法において、光源から出射
した光を二分して二分された一方の光を測定対象の振動
物体に照射し、振動物体で反射した光と、二分されたも
う一方の光とを重畳させて光センサに導き、その光セン
サで得られる、振動物体の振動による変位に応じて変化
するパルス信号の、振動物体の振動周期の２分の１の、
１以上の整数倍の時間長を有する時間窓に入るパルス数
を計数することを特徴とする。

【００１５】周期振動している振動物体の振幅を計測す
るとき、通常の考え方では、上述したように、その振動
物体の振動のピーク（その振動物体の変位の方向が反転
する点）を何らかの方法でとらえ、そのピークから逆方
向のピーク（ボトム）までの間の変位を測定することに
なる。

【００１６】これに対し、振幅の測定対象として振動
（回転）の周波数があらかじめわかっている振動物体を
測定対象とすることも多く、測定対象物の振動（回転）
の周波数があらかじめわかっている場合、上記のよう
な、その振動物体の振動のピークを検出する必要がない
ことに想到し、本発明の完成に至ったのである。ここ
で、振動の周波数があらかじめわかっているものを測定
対象とする例としては、例えばワイヤボンディングのキ
ャピラリの振動や、ハードディスクの、回転に伴う面振
動等を挙げることができる。今日では、これらの振動測
定はそれ専用の振動測定装置を製品化しても十分に採算
がとれるほどに極めて大きな需要がある。ここで、ワイ
ヤボンディングのキャピラリは、そのメーカによって異
なるが６０ｋＨｚあるいは１００ｋＨｚ等、ある一定の
周波数で振動し、また、ハードディスクは例えば１分間
あたり３６００回転等、正確にある一定の回転数で回転
するように構成されている。

【００１７】振動のピークからピークまでの間の振動物
体の変位を測定しようとすると、その測定窓は、その振
動物体の振動の位相と同期させる必要があるが、一定の
周波数で振動する振動物体の振幅を計測するためには、
時間窓の時間長はきちんと管理する必要があるものの、
位相は、その振動物体の振動の位相とは全くの非同期で
あってもよい。このことに想到したのが、本発明の完成
に至る第１の発想の転換である。

【００１８】すなわち、振動物体のピークからピークま
での変位を測定する必要はなく、その振動物体の振幅の
半周期の時間長と同一の時間長の測定窓を設定して、そ
の間の、その振動物体の変位に伴うパルス数を計測すれ
ばよい。

【００１９】本発明では、振動の周波数があらかじめわ
かっている振動物体を測定対象とすることでその振動の
周波数から時間窓を設定することができ、その時間窓内
のパルス数を計数することによって振幅を知ることがで
きる。

【００２０】ここで、上記では、原理的な説明を行なう
ために、振動物体の振幅の周期の１／２の時間長の時間
窓を設定する旨説明したが、その周期の１／２の整数倍
の時間長の時間窓であればよく、その周期の１／２の２
倍（すなわち一周期）の時間長の時間窓を設定したとき
はその時間窓内のパルスを計数してその計数値を２で割
れば、その周期の１／２の時間長の時間窓を設定した場
合と同じことになる。

【００２１】ここで、本発明では測定対象の振動物体の
振動の位相（振幅のピークのタイミング）を知る必要が
ない（すなわち変位の方向を知る必要がない）ことか
ら、前述の変位計と比べた場合、相互に位相の異なる２
系統の信号を得るための工夫が不要となる。すなわち、
ホモダイン方式における偏光素子等が不要となり、ある
いはヘテロダイン方式における周波数シフタや１系統の
受光信号から位相の異なる２系統の信号を生成するため
の回路構成等が不要となる。従来、変位計を複雑かつ高
価格にしている原因の主な要因は、上述したように、相
互に位相の異なる２系統の信号を得るための工夫にあ
り、本発明によれば、この工夫そのものが不要となるこ
とにより、装置として構成する場合に極めて簡単なかつ
低コストの装置を構成することができる。

【００２２】次に、振幅測定精度について説明する。

【００２３】従来の変位計における、相互に位相の異な
る２系統の信号を生成する目的は、上述したとおり、変
位の方向を知ることのほか、補間により、高精度な測定
を行なうという点にもある。

【００２４】これに対し、本発明では、１系統の信号を
そのまま単純にパルス信号とし、そのパルス信号のパル
ス数を計数するだけであり、一見したところでは、パル
ス信号の繰返し周波数で決まる変位の単位よりも細かい
単位での高精度な測定は行なうことができないように考
えられる。

【００２５】ところが実際は、本発明により、従来の変
位計を用いた振幅測定と同程度に高精度の測定が可能な
のである。この点が、本発明の完成に至る第２の発想の
転換である。

【００２６】様々な測定において測定精度を向上させる
手法の１つとして測定を長時間行ない、その測定の間の
平均値を求めるという手法が使われる。この手法は、短
時間ごとに区切った測定を何回も行なったときに測定値
がばらつき、長時間の測定を行なうとその測定値のばら
つきが平均化され測定精度が向上するという原理に基づ
いている。ここでは、この手法を本発明に適用すること
を考えてみる。

【００２７】本発明において、振動物体の振動の周期の
１／２の時間長の時間窓を設定すると、振動物体の振動
とその時間窓との間の位相によらずその時間窓内のパル
ス信号のパルス数は常に一定である旨説明した。これが
厳密に成り立つ場合、パルス数が測定ごとにばらつく訳
ではなく、時間窓を振動の周期の１／２のｎ倍（ｎは２
以上の正の整数）とし、その間に計数したパルス数をｎ
で割り算しても精度は向上しないことになる。

【００２８】この長時間測定によって精度を向上させる
手法の１つとして、干渉のための参照光（振動物体に照
射する光とは別の、その振動物体から反射してきた光と
重畳される光）の光路に、その参照光の光路長を、測定
対象の振動物体の振動とは非同期に、周期的あるいはラ
ンダムに変更するための素子を配置することが考えられ
る。そうすれば、振動物体の振動の１／２周期で区切っ
たときの各時間窓内のパルス信号のパルス数が変動し、
時間窓を振動周期の１／２のｎ倍としてその計数値をｎ
で割り算することにより測定精度を向上させることがで
きる。

【００２９】ところが、本発明では、そのような、光路
長を変更させるための素子は不要である。この素子で変
更する必要のある光路長は、光の波長程度（例えば１μ
ｍ程度）であり、通常の環境においては、その程度の振
動（光学系あるいは装置側の振動）は、それを押えるこ
とはほとんど不可能である程度に存在し、したがって本
発明においては、光学系あるいは装置機能上は積極的に
は何らの工夫もなしに、長時間測定を行なって平均をと
ることにより、従来の変位計による測定と同レベルに高
精度の測定を行なうことができる。

【００３０】このように、本発明は一見したところは単
純ではあるが、上記のような発想の転換を伴って完成し
たものであり、測定対象は、あらかじめわかっているあ
る一定の周波数で振動（あるいは回転）している物体に
限られるものの、その条件が満たされる場合、極めて簡
単にかつ高精度に振幅を測定することができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００３２】図１は、本発明の振幅測定装置の一実施形
態の概略構成図である。

【００３３】レーザ光源１１から出射したレーザ光は、
プリズム１２を透過し、光ファイバ１３を経由してその
光ファイバ１３の端面１３ａから出射し、振幅測定対象
の振動物体２０を照射する。この振動物体２０は、駆動
部２１により、その駆動部２１に入力される周期信号に
応じた周波数で振動する。ただし、駆動部２１の内部に
おける信号上の位相のずれや振動物体２０の慣性等によ
り、その駆動部２１に入力される周期信号と振動物体２
０の振動との間の位相は不明であり、あるいは少なくと
もその間の位相は保証されたものではない。

【００３４】振動物体２０で反射した光は、光ファイバ
１３の端面１３ａからその光ファイバ１３に再び入射
し、その光ファイバ１３を経由してその光ファイバ１３
から出射し、プリズム１２で反射して光センサ１４に入
射する。

【００３５】ここで、光ファイバ１３の端面１３ａに
は、光ファイバ１３を経由してきた光を一部反射するよ
うにその反射率が調整されたコーティングが施されてお
り、その端面１３ａでは光が二分され、その二分された
一方は光ファイバ１３から出射して振動物体２０に達し
振動物体で反射して再び光ファイバ１３に入射し、もう
一方は光ファイバ１３の端面１３ａでそのまま反射す
る。したがって、光センサ１４上では、それら二分され
た光が重畳されたことによる干渉が発生し、光センサ１
４からは、振動物体２０の振動に伴って振幅が変化する
信号が出力される。この信号は、波形整形回路１５に入
力されて二値のパルス信号に波形整形され、そのパルス
信号はカウンタ１６に入力されてカウントされる。ここ
で、カウンタ１６には、振動物体２０を振動させるため
に用いた周期信号と同じ周期信号が入力され、カウンタ
１６では、その周期信号から振動物体２０の振動周波数
（振動周期）を知ってその振動周期の１／２、あるいは
その整数倍の時間窓が設定され、波形整形回路１５で波
形整形されたパルス信号のうち、その設定された時間窓
内のパルス信号が計数される。

【００３６】ここで、カウンタ１６に入力される周期信
号は、振動物体２０の振動の基になる信号であってその
振動物体２０の振動と同期はしているもの、上述したよ
うに、その周期信号と振動物体２０の実際の振動との間
の位相は不明であり、あるいはその位相が明らかな場合
であってもそれを知る必要はない。すなわち、この周期
信号は振動物体２０の振動の周波数（周期）を表わして
いる信号ではあるが、位相を表わしているものである必
要はない。

【００３７】カウンタ１６による計数値は振幅演算部１
７に入力され、この振幅演算部１７では、その計数値に
基づいて振動物体２０の振動の振幅が求められる。

【００３８】図２は、図１に示す振幅測定装置の各部の
信号波形を示した図である。

【００３９】カウンタ１５に入力される周期信号は、例
えば図２（ａ）に示すようなパルス信号であり、このパ
ルス信号の周期の逆数が振動物体２０の振動周波数を表
わしている。

【００４０】カウンタ１１内では、図２（ａ）の周期信
号に基づいて図２（ｂ）に示すような、周期信号の立ち
上がりのタイミングを捉えたゲート信号が生成され干渉
信号を波形整形して得たパルス信号（図２（ｄ））が、
ゲート信号のあるパルスからそのゲート信号の別のパル
スまで（すなわち振動の１周期分（位相は不明）あるい
はあらかじめ定めた複数周期分）、カウントされる。

【００４１】光センサ１４で得られる干渉信号は例えば
図２（ｃ）に示すようなものであり、振動物体２０の変
位に対応しており、したがってこの干渉信号波形は、変
位の方向が反転するタイミングで折り返すと重なる線対
称の波形となる。ただし前述したように、完全に線対称
となるのは、図１に示す振幅測定装置が完全に静止して
おり振動が一切存在しないと仮定したときの話であり、
実際には光の波長程度の振動は常に存在し、その分は不
安定な波形となっている。

【００４２】波形整形回路１５ではその干渉信号から、
図２（ｄ）に示すようなパルス信号が生成される。この
波形整形回路１５では、図２（ｃ）の干渉信号のＤＣ成
分をカット（ハイパスフィルタを通す）してゼロクロス
で波形を整形すればよく、レベル調整の必要もなく、極
めて簡単な回路で構成することができる。

【００４３】カウンタ１６は、この図２（ｄ）のような
パルス信号をカウントするのであるが、上述の振幅測定
装置の振動により、振動物体２０の振動の１周期内の計
数値はかならずしも一定とはならずある程度ふらつく。
そこで、カウンタ１６で例えば振動物体２０の振動の１
０周期分、あるいは１００周期分等、ある程度長い時間
窓を設定してパルス数を計数することにより、高精度の
振幅計測を行なうことができる。

【００４４】ここで、カウンタ１６で振動物体２０の振
動の１周期分の時間窓を設定してその間のパルス信号の
パルス数を計数したとし、その計数値をＮ、この振動測
定装置で測定のために採用した、光の波長をλ［ｍ］、
振動物体２０の振幅をＸ［ｍ］とすると、振幅演算部１
７では、 Ｘ＝（λ／２）×Ｎ …（１） の演算により、振幅Ｘが求められる。

【００４５】カウンタ１６で１０周期分の時間窓を設定
してその間のパルス信号のパルス数を計数した場合は、
そのときの計数値をＮ₁₀とすると、（１）式より、 １０Ｘ＝（λ／２）×Ｎ₁₀ …（２） となる。

【００４６】ここで前述したように、振幅測定装置ある
いはその光学系の構成部品が光の波長レベルで常に振動
していることを避けることはできず、ここではこれが幸
いして、１０周期分計数した場合、（２）式により
（１）式と比べ１０倍の精度な振幅測定が可能となる。
さらに長い時間長の時間窓を設定すればさらに高精度の
振幅測定が可能となる。

【００４７】尚、ここでは、光ファイバの端面での反射
光を、振動物体で反射した光と重畳される光として用い
たが、本発明において干渉光学系は特定のタイプのもの
に限られるものではなく、どのようなタイプの干渉光学
系を用いて干渉信号を生成してもよい。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ある一定の周波数で振動（回転）する物体の振幅を極め
て簡単な構成で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振幅測定装置の一実施形態の概略構成
図である。

【図２】図１に示す振幅測定装置の各部の信号波形を示
した図である。

【符号の説明】

１１ レーザ光源 １２ プリズム １３ 光ファイバ １３ａ 端面 １４ 光センサ １５ 波形整形回路 １６ カウンタ １７ 振幅演算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 則武 佳伸 神奈川県横浜市緑区白山１丁目16番１号 株式会社小野測器内 (72)発明者 井上 由香 神奈川県横浜市緑区白山１丁目16番１号 株式会社小野測器内 Ｆターム(参考） 2F064 AA01 FF01 GG02 GG22 HH01 JJ11 2F065 AA09 BB16 DD02 FF52 GG04 JJ15 LL00 LL02 LL46 QQ04 QQ42 QQ51 2G064 AB02 BC06 CC28

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定の周波数で周期振動する振動物体の
   振幅を測定する振幅測定装置において、 光を出射する光源と、 光を検出する光センサと、 前記光源から出射した光を二分して二分された一方の光
   を測定対象の振動物体に照射し、該振動物体で反射した
   光と、二分されたもう一方の光とを重畳させて前記光セ
   ンサに導く干渉光学系と、 前記光センサで得られる、前記振動物体の振動による変
   位に応じて変化するパルス信号の、前記振動物体の振動
   周期の２分の１の、１以上の整数倍の時間長を有する時
   間窓に入るパルス数を計数するカウンタとを備えたこと
   を特徴とする振幅測定装置。
2. 【請求項２】 前記カウンタにおける時間窓は、前記振
   動物体の振動の周期と位相とのうちの周期のみに基づい
   て定められる時間窓であることを特徴とする請求項１記
   載の振幅測定装置。
3. 【請求項３】 前記カウンタにおける時間窓は、前記振
   動物体の振動周期の２分の１の、２以上の整数倍の時間
   長を有する時間窓であることを特徴とする請求項１又は
   ２記載の振幅測定装置。
4. 【請求項４】 振動物体の振幅を測定する振幅測定方法
   において、 光源から出射した光を二分して二分された一方の光を測
   定対象の振動物体に照射し、該振動物体で反射した光
   と、二分されたもう一方の光とを重畳させて光センサに
   導き、該光センサで得られる、前記振動物体の振動によ
   る変位に応じて変化するパルス信号の、前記振動物体の
   振動周期の２分の１の、１以上の整数倍の時間長を有す
   る時間窓に入るパルス数を計数することを特徴とする振
   幅測定方法。