JP2001255202A - 振動計測装置及び方法 - Google Patents
振動計測装置及び方法Info
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- JP2001255202A JP2001255202A JP2000069088A JP2000069088A JP2001255202A JP 2001255202 A JP2001255202 A JP 2001255202A JP 2000069088 A JP2000069088 A JP 2000069088A JP 2000069088 A JP2000069088 A JP 2000069088A JP 2001255202 A JP2001255202 A JP 2001255202A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
Abstract
(57)【要約】
【課題】 レーザ発振波長に依存せずに高精度に測定対
象物の振動状態を計測すること。 【解決手段】 レーザ光を発振すると共に当該発振した
出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受光
時に発振した出射光とを自己混合させることでビート波
を生成するレーザ共振器と、測定対象物の速度に応じて
戻り光に重畳するドップラ周波数と比較して高い周波数
の変調ビート周波数をビート波に生じさせる変調ビート
周波数生成制御手段８と、レーザ共振器内の自己混合に
より生じたビート波を信号処理すると共に処理結果を振
動情報として出力する信号処理手段２１とを備えてい
る。そして、信号処理手段２１は、ビート波の周波数変
化を変調ビート周波数を中心としたドップラ周波数によ
る周波数変化として当該ビート波から振動情報を生成す
る振動情報生成部２２を備えた。
象物の振動状態を計測すること。 【解決手段】 レーザ光を発振すると共に当該発振した
出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受光
時に発振した出射光とを自己混合させることでビート波
を生成するレーザ共振器と、測定対象物の速度に応じて
戻り光に重畳するドップラ周波数と比較して高い周波数
の変調ビート周波数をビート波に生じさせる変調ビート
周波数生成制御手段８と、レーザ共振器内の自己混合に
より生じたビート波を信号処理すると共に処理結果を振
動情報として出力する信号処理手段２１とを備えてい
る。そして、信号処理手段２１は、ビート波の周波数変
化を変調ビート周波数を中心としたドップラ周波数によ
る周波数変化として当該ビート波から振動情報を生成す
る振動情報生成部２２を備えた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、振動測定方法及び
振動数測定装置に係り、特に、測定対象物の振動状態を
自己混合型レーザドップラ振動計を用いて計測する振動
測定方法及び振動数測定装置に関する。本発明は、振動
解析を行う種々の分野に応用できる。具体的には、エン
ジンの振動解析、車体伝搬振動解析、車室内騒音解析、
さらにマフラの振動解析などである。その他の製造分野
での応用は多岐に渡る。モータを使ったプラントの振動
の検出や、水道管、ガス管の漏れ診断などの保守に用い
ることもできる。さらに、西瓜等の大型果実の打音によ
る糖度の判定など、農業分野にも応用可能である。ま
た、本発明では、例えば２００ [nm] といった微少な振
幅の振動周期や振動面の速度変化を測定することができ
るため、振動発生装置の検査及び校正装置、長時間稼働
する動力装置の異常振動検出装置などに応用できる。検
査、校正装置としては、例えば水晶発振子や超音波発振
子の振動数の検査や、ファンクションゼネレータの校正
に利用できる。また、異常振動検出装置としては、高周
波振動を利用した半導体製造装置において共振等、振動
エネルギーが効率よく伝播しないことで発生する不良の
検査装置や、ドリルなどの工具破損検出などに利用でき
る。このため、以下、「測定対象物」というときには、
これらエンジンから工具まで振動測定の対象となる物体
をいう。
振動数測定装置に係り、特に、測定対象物の振動状態を
自己混合型レーザドップラ振動計を用いて計測する振動
測定方法及び振動数測定装置に関する。本発明は、振動
解析を行う種々の分野に応用できる。具体的には、エン
ジンの振動解析、車体伝搬振動解析、車室内騒音解析、
さらにマフラの振動解析などである。その他の製造分野
での応用は多岐に渡る。モータを使ったプラントの振動
の検出や、水道管、ガス管の漏れ診断などの保守に用い
ることもできる。さらに、西瓜等の大型果実の打音によ
る糖度の判定など、農業分野にも応用可能である。ま
た、本発明では、例えば２００ [nm] といった微少な振
幅の振動周期や振動面の速度変化を測定することができ
るため、振動発生装置の検査及び校正装置、長時間稼働
する動力装置の異常振動検出装置などに応用できる。検
査、校正装置としては、例えば水晶発振子や超音波発振
子の振動数の検査や、ファンクションゼネレータの校正
に利用できる。また、異常振動検出装置としては、高周
波振動を利用した半導体製造装置において共振等、振動
エネルギーが効率よく伝播しないことで発生する不良の
検査装置や、ドリルなどの工具破損検出などに利用でき
る。このため、以下、「測定対象物」というときには、
これらエンジンから工具まで振動測定の対象となる物体
をいう。
【０００２】
【従来の技術】従来、振動物体の振動数を非接触で計測
する手段として、例えば三角測量を応用したレーザ変位
計により振動数を求める方法がある。また、レーザドッ
プラ振動計を用いた同一出願人による振動測定装置が、
特開平１１―２８７６９９号公報に開示されている。こ
の公報記載の手法では、出射光の周波数と、測定対象物
の速度に応じたドップラ周波数が重畳した戻り光の周波
数との差によるビート波を検出し、このビート波に基づ
いて測定対象物の変位量や速度変化を検出している。
する手段として、例えば三角測量を応用したレーザ変位
計により振動数を求める方法がある。また、レーザドッ
プラ振動計を用いた同一出願人による振動測定装置が、
特開平１１―２８７６９９号公報に開示されている。こ
の公報記載の手法では、出射光の周波数と、測定対象物
の速度に応じたドップラ周波数が重畳した戻り光の周波
数との差によるビート波を検出し、このビート波に基づ
いて測定対象物の変位量や速度変化を検出している。
【０００３】この公報に記載された手法では、測定対象
物がビート波の発振波長λの半分の長さ（λ／２）だけ
変位したときにビート波が一波生じることを利用して、
ビート波の波数に基づいて変位量を算出していた。そし
て、測定対象物の折り返し部分では測定対象物の変位量
がλ／２に満たないことから、波形が崩れ、ビート波の
波長が長くなることを利用して折り返し位置を判定して
いた。
物がビート波の発振波長λの半分の長さ（λ／２）だけ
変位したときにビート波が一波生じることを利用して、
ビート波の波数に基づいて変位量を算出していた。そし
て、測定対象物の折り返し部分では測定対象物の変位量
がλ／２に満たないことから、波形が崩れ、ビート波の
波長が長くなることを利用して折り返し位置を判定して
いた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、振動計測の精度がレーザの発振波長に依存し
てしまうため、λ／２未満の変位量や振動振幅がλ／２
に満たないような微少高周波数振動の状態を良好に計測
することが難しい、という不都合があった。また、折り
返し位置の判定を行うために種々の信号処理が必要とな
るため、測定対象物の振動数が高い場合に、処理数が膨
大となってしまう、という不都合があった。また、測定
対象物が単振動ではなく複数の振動が複雑に関連しあっ
た振動を行う場合に、折り返し位置の判定処理の手法に
よっては、振動状態を正確に算出することが困難となっ
てしまう、という不都合があった。
来例では、振動計測の精度がレーザの発振波長に依存し
てしまうため、λ／２未満の変位量や振動振幅がλ／２
に満たないような微少高周波数振動の状態を良好に計測
することが難しい、という不都合があった。また、折り
返し位置の判定を行うために種々の信号処理が必要とな
るため、測定対象物の振動数が高い場合に、処理数が膨
大となってしまう、という不都合があった。また、測定
対象物が単振動ではなく複数の振動が複雑に関連しあっ
た振動を行う場合に、折り返し位置の判定処理の手法に
よっては、振動状態を正確に算出することが困難となっ
てしまう、という不都合があった。
【０００５】
【発明の目的】本発明は、係る従来例の有する不都合を
改善し、特に、レーザ発振波長に依存せずに高精度に測
定対象物の振動状態を計測することのできる振動計測装
置及び方法を提供することを、その目的とする。
改善し、特に、レーザ発振波長に依存せずに高精度に測
定対象物の振動状態を計測することのできる振動計測装
置及び方法を提供することを、その目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、レ
ーザ光を発振すると共に当該発振した出射光が測定対象
物で反射した戻り光と当該戻り光受光時に発振した出射
光とを自己混合させることでビート波を生成するレーザ
共振器と、測定対象物の速度に応じて戻り光に重畳する
ドップラ周波数と比較して高い周波数の変調ビート周波
数をビート波に生じさせる変調ビート周波数生成制御手
段と、レーザ共振器内の自己混合により生じたビート波
を信号処理すると共に処理結果を振動情報として出力す
る信号処理手段とを備えている。そして、信号処理手段
は、ビート波の周波数変化を変調ビート周波数を中心と
したドップラ周波数による周波数変化として当該ビート
波から振動情報を生成する振動情報生成部を備えた、と
いう構成を採っている。これにより前述した目的を達成
しようとするものである。
ーザ光を発振すると共に当該発振した出射光が測定対象
物で反射した戻り光と当該戻り光受光時に発振した出射
光とを自己混合させることでビート波を生成するレーザ
共振器と、測定対象物の速度に応じて戻り光に重畳する
ドップラ周波数と比較して高い周波数の変調ビート周波
数をビート波に生じさせる変調ビート周波数生成制御手
段と、レーザ共振器内の自己混合により生じたビート波
を信号処理すると共に処理結果を振動情報として出力す
る信号処理手段とを備えている。そして、信号処理手段
は、ビート波の周波数変化を変調ビート周波数を中心と
したドップラ周波数による周波数変化として当該ビート
波から振動情報を生成する振動情報生成部を備えた、と
いう構成を採っている。これにより前述した目的を達成
しようとするものである。
【０００７】レーザ共振器では、測定対象物の速度に応
じてドップラ周波数分シフトした戻り光と、戻り光受光
時の出射光とが自己混合し、ビート波を生じる。このと
き、変調ビート周波数生成制御手段は、測定対象物の速
度に応じて戻り光に重畳するドップラ周波数と比較して
高い周波数の変調ビート周波数をビート波に生じさせ
る。変調ビート周波数生成制御手段は、例えば、レーザ
共振器の発振周波数を変化させるレーザ駆動電流をレー
ザ共振器に与える構成としても良いし、また、レーザ共
振器を物理的に一定速度で変位させることで測定対象物
の速度に応じた移動速度以外のドップラ周波数を変調ビ
ート周波数として生じさせるようにしても良い。
じてドップラ周波数分シフトした戻り光と、戻り光受光
時の出射光とが自己混合し、ビート波を生じる。このと
き、変調ビート周波数生成制御手段は、測定対象物の速
度に応じて戻り光に重畳するドップラ周波数と比較して
高い周波数の変調ビート周波数をビート波に生じさせ
る。変調ビート周波数生成制御手段は、例えば、レーザ
共振器の発振周波数を変化させるレーザ駆動電流をレー
ザ共振器に与える構成としても良いし、また、レーザ共
振器を物理的に一定速度で変位させることで測定対象物
の速度に応じた移動速度以外のドップラ周波数を変調ビ
ート周波数として生じさせるようにしても良い。
【０００８】変調ビート周波数生成制御手段（または、
レーザ駆動制御手段）が、自己混合によるビート波に変
調ビート周波数を生じさせるため、ビート波の周波数
（ドップラビート周波数又はビート波の実際に観測した
観測周波数）は、変調ビート周波数と測定対象物の速度
に応じたドップラ周波数との和となる。測定対象物が振
動している場合、ドップラ周波数は測定対象物の速度に
応じて変化するため、測定対象物の移動方向が折り返す
位置ではドップラ周波数は「０」となる。このとき、ビ
ート波のドップラビート周波数（観測周波数）は、変調
ビート周波数生成制御手段によって生成される変調ビー
ト周波数である。折り返し位置でのビート波の観測周波
数が変調ビート周波数であるため、折り返し位置でビー
ト波の波形が崩れることがない。
レーザ駆動制御手段）が、自己混合によるビート波に変
調ビート周波数を生じさせるため、ビート波の周波数
（ドップラビート周波数又はビート波の実際に観測した
観測周波数）は、変調ビート周波数と測定対象物の速度
に応じたドップラ周波数との和となる。測定対象物が振
動している場合、ドップラ周波数は測定対象物の速度に
応じて変化するため、測定対象物の移動方向が折り返す
位置ではドップラ周波数は「０」となる。このとき、ビ
ート波のドップラビート周波数（観測周波数）は、変調
ビート周波数生成制御手段によって生成される変調ビー
ト周波数である。折り返し位置でのビート波の観測周波
数が変調ビート周波数であるため、折り返し位置でビー
ト波の波形が崩れることがない。
【０００９】測定対象物が折り返し位置で移動方向が逆
転し、加速していくと、ドップラ周波数はこれに伴って
変化する。正弦振動している場合には、振動の中心位置
で最速となる。従って、ドップラビート周波数は、変調
ビート周波数を中心としてドップラ周波数の変化に応じ
て変化する。このため、ビート波は、変調ビート周波数
を搬送周波数としてドップラ周波数で周波数変調された
信号と考えることができる。搬送周波数となる変調ビー
ト周波数を高くしていくことで、微細なドップラ周波数
の変化を捉えることができ、これは、レーザ共振器の発
振波長とは無関係に精度を定めることを意味する。例え
ば、ある周波数で振動している測定対象物の振動を計測
する場合、変調ビート周波数を振動周波数の１０倍とす
ると、測定対象物１周期について１０周期分のビート波
を得ることができ、したがって、１０個のドップラ周波
数情報を得ることができる。
転し、加速していくと、ドップラ周波数はこれに伴って
変化する。正弦振動している場合には、振動の中心位置
で最速となる。従って、ドップラビート周波数は、変調
ビート周波数を中心としてドップラ周波数の変化に応じ
て変化する。このため、ビート波は、変調ビート周波数
を搬送周波数としてドップラ周波数で周波数変調された
信号と考えることができる。搬送周波数となる変調ビー
ト周波数を高くしていくことで、微細なドップラ周波数
の変化を捉えることができ、これは、レーザ共振器の発
振波長とは無関係に精度を定めることを意味する。例え
ば、ある周波数で振動している測定対象物の振動を計測
する場合、変調ビート周波数を振動周波数の１０倍とす
ると、測定対象物１周期について１０周期分のビート波
を得ることができ、したがって、１０個のドップラ周波
数情報を得ることができる。
【００１０】信号処理手段は、ビート波に基づいて振動
情報を生成する。ビート波自体も、測定対象物の速度に
応じて周波数変調された信号であるため、振動情報とし
て有用である。また、ビート波を周波数電圧変換した波
形は、変調ビート周波数を中心とするドップラ周波数の
変化波形であり、これは速度変化波形である。この速度
変化波形を微分することで加速度変化波形を、積分する
ことで変位変化波形を得ることができ、また、速度変化
波形の周期が振動周期となる。さらに、ドップラビート
周波数から変調ビート周波数を減算するとドップラ周波
数となる。このドップラ周波数とレーザ発振波長とから
速さを求めることができる。
情報を生成する。ビート波自体も、測定対象物の速度に
応じて周波数変調された信号であるため、振動情報とし
て有用である。また、ビート波を周波数電圧変換した波
形は、変調ビート周波数を中心とするドップラ周波数の
変化波形であり、これは速度変化波形である。この速度
変化波形を微分することで加速度変化波形を、積分する
ことで変位変化波形を得ることができ、また、速度変化
波形の周期が振動周期となる。さらに、ドップラビート
周波数から変調ビート周波数を減算するとドップラ周波
数となる。このドップラ周波数とレーザ発振波長とから
速さを求めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態の構
成を示すブロック図である。本実施形態による振動計測
装置は、レーザ光を発振すると共に当該発振した出射光
が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受光時に発
振した出射光とを自己混合させることでビート波を生成
するレーザ共振器を有するレーザ部１２を備えている。
振動計測装置はさらに、測定対象物の速度Ｖに応じて戻
り光に重畳するドップラ周波数Δfdと比較して高い周波
数の変調ビート周波数fbをビート波に生じさせる変調ビ
ート周波数生成制御手段８と、レーザ共振器内の自己混
合により生じたビート波を信号処理すると共に処理結果
を振動情報として出力する信号処理手段２１とを備えて
いる。そして、信号処理手段２１は、ビート波の周波数
変化（ドップラビート周波数fdbの変化）を変調ビート
周波数fbを中心としたドップラ周波数Δfdによる周波数
変化として、当該ビート波から振動情報を生成する振動
情報生成部２２を備えている。
を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態の構
成を示すブロック図である。本実施形態による振動計測
装置は、レーザ光を発振すると共に当該発振した出射光
が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受光時に発
振した出射光とを自己混合させることでビート波を生成
するレーザ共振器を有するレーザ部１２を備えている。
振動計測装置はさらに、測定対象物の速度Ｖに応じて戻
り光に重畳するドップラ周波数Δfdと比較して高い周波
数の変調ビート周波数fbをビート波に生じさせる変調ビ
ート周波数生成制御手段８と、レーザ共振器内の自己混
合により生じたビート波を信号処理すると共に処理結果
を振動情報として出力する信号処理手段２１とを備えて
いる。そして、信号処理手段２１は、ビート波の周波数
変化（ドップラビート周波数fdbの変化）を変調ビート
周波数fbを中心としたドップラ周波数Δfdによる周波数
変化として、当該ビート波から振動情報を生成する振動
情報生成部２２を備えている。
【００１２】また、図１に示す例では、変調ビート周波
数生成制御手段８が、レーザ部１２内のレーザ共振器を
予め定められた波形及び周期のレーザ駆動電流で駆動制
御するレーザ駆動制御部２４を備えている。このレーザ
駆動制御部２４は、測定対象物１０までの光路長Ｌと測
定する振動の最高周波数に応じた周期で且つ鋸歯状の波
形を有するレーザ駆動電流（図９（Ｂ）参照）を生成す
る鋸歯状波生成機能２６を備えると良い。また、鋸歯状
波に変えて、三角状の波形を有するレーザ駆動電流（図
９（Ａ）参照）を生成する三角波生成機能２８を備える
ようにしても良い。
数生成制御手段８が、レーザ部１２内のレーザ共振器を
予め定められた波形及び周期のレーザ駆動電流で駆動制
御するレーザ駆動制御部２４を備えている。このレーザ
駆動制御部２４は、測定対象物１０までの光路長Ｌと測
定する振動の最高周波数に応じた周期で且つ鋸歯状の波
形を有するレーザ駆動電流（図９（Ｂ）参照）を生成す
る鋸歯状波生成機能２６を備えると良い。また、鋸歯状
波に変えて、三角状の波形を有するレーザ駆動電流（図
９（Ａ）参照）を生成する三角波生成機能２８を備える
ようにしても良い。
【００１３】図２は図１に示したレーザ部１２の詳細構
成を中心とした振動計測装置の構成を示す説明図であ
る。測定対象物１０は、振動の状態を解析しようとする
対象物であり、レーザ光が反射する位置での速度変化
や、速度変化の周期や、振動周波数や、変位量が計測さ
れる。振動測定装置は、レーザ部１２と、このレーザ部
１２から出射した出射光と、測定対象物で散乱した一部
の戻り光とをそれぞれ集光するレンズ１６と、レーザ部
１２で受光した戻り光と出射光とが自己混合したことで
生じるビート波が入力される信号処理部２１とを備えて
いる。
成を中心とした振動計測装置の構成を示す説明図であ
る。測定対象物１０は、振動の状態を解析しようとする
対象物であり、レーザ光が反射する位置での速度変化
や、速度変化の周期や、振動周波数や、変位量が計測さ
れる。振動測定装置は、レーザ部１２と、このレーザ部
１２から出射した出射光と、測定対象物で散乱した一部
の戻り光とをそれぞれ集光するレンズ１６と、レーザ部
１２で受光した戻り光と出射光とが自己混合したことで
生じるビート波が入力される信号処理部２１とを備えて
いる。
【００１４】レーザ部１２は、レーザ共振器を有するレ
ーザダイオード（ＬＤ）１４と、レーザダイオード中の
レーザ共振器から出力されるビート波を光電変換するフ
ォトダイオード（ＰＤ）２０とを備えている。信号処理
部２１は、例えばパーソナルコンピュータやマイコンや
アナログ回路等のハードウエア資源を有し、ビート波を
対象として信号処理を行う。
ーザダイオード（ＬＤ）１４と、レーザダイオード中の
レーザ共振器から出力されるビート波を光電変換するフ
ォトダイオード（ＰＤ）２０とを備えている。信号処理
部２１は、例えばパーソナルコンピュータやマイコンや
アナログ回路等のハードウエア資源を有し、ビート波を
対象として信号処理を行う。
【００１５】図３は、図１及び図２に示した構成を使用
して振動情報を生成する処理例を示すフローチャートで
ある。図３に示す例では、予め定められた目標変調ビー
ト周波数fbobjに基づいてレーザ共振器への駆動電流の
波形及び周期を設定する（ステップＳ１，駆動電流波形
設定工程）。また、目標変調ビート周波数fbobjに基づ
いて、レーザ部１２から測定対象物までの距離（光路長
Ｌ）を駆動電流波形と共に調整するようにしてもよい。
目標変調ビート周波数fbobjは、測定対象物の単一又は
複数重畳した振動周期の内、測定したい最大周波数に応
じて定めると良い。測定対象物の振動の周波数が１００
[kHz] の場合、目標変調ビート周波数fbobjを８００
[kHz] とすると、測定対象物の振動の１周期あたり８周
期分のビート波を得ることができる。測定対象物の振動
周波数が低い場合で、振幅もレーザ発振波長に対して長
い場合には、従前の手法では測定対象物が一往復する間
に多数のビート波が生じてしまうが、本実施形態では、
目標変調ビート周波数fbob jを低くすることで計測の精
度を可変とすることができる。従って、必要な精度を確
保しつつ、信号処理負担を軽減させることができる。ま
た、目標変調ビート周波数fbobjを高く設定すると、従
前のレーザ発振波長の半分（λ／２）未満の変位量の振
動であっても良好に振動状態を計測することができる。
して振動情報を生成する処理例を示すフローチャートで
ある。図３に示す例では、予め定められた目標変調ビー
ト周波数fbobjに基づいてレーザ共振器への駆動電流の
波形及び周期を設定する（ステップＳ１，駆動電流波形
設定工程）。また、目標変調ビート周波数fbobjに基づ
いて、レーザ部１２から測定対象物までの距離（光路長
Ｌ）を駆動電流波形と共に調整するようにしてもよい。
目標変調ビート周波数fbobjは、測定対象物の単一又は
複数重畳した振動周期の内、測定したい最大周波数に応
じて定めると良い。測定対象物の振動の周波数が１００
[kHz] の場合、目標変調ビート周波数fbobjを８００
[kHz] とすると、測定対象物の振動の１周期あたり８周
期分のビート波を得ることができる。測定対象物の振動
周波数が低い場合で、振幅もレーザ発振波長に対して長
い場合には、従前の手法では測定対象物が一往復する間
に多数のビート波が生じてしまうが、本実施形態では、
目標変調ビート周波数fbob jを低くすることで計測の精
度を可変とすることができる。従って、必要な精度を確
保しつつ、信号処理負担を軽減させることができる。ま
た、目標変調ビート周波数fbobjを高く設定すると、従
前のレーザ発振波長の半分（λ／２）未満の変位量の振
動であっても良好に振動状態を計測することができる。
【００１６】このように、本実施形態では、計測したい
周波数の上限と測定対象物の一周期内にいくつのビート
波（ドップラ周波数の値）を得るかに応じて、目標変調
ビート周波数fbobjを設定する。目標変調ビート周波数f
bobjが定まると、測定対象物までの光路長Ｌを一定とし
た場合、レーザ駆動電流の変化率（df/dt）を調整する
ことで実際の変調ビート周波数fbを変化させることがで
きる。従って、光路長Ｌが定まっていて、目標変調ビー
ト周波数fbobjが与えられた場合には、レーザ駆動電流
の周期（傾き）を変化させるとよい。
周波数の上限と測定対象物の一周期内にいくつのビート
波（ドップラ周波数の値）を得るかに応じて、目標変調
ビート周波数fbobjを設定する。目標変調ビート周波数f
bobjが定まると、測定対象物までの光路長Ｌを一定とし
た場合、レーザ駆動電流の変化率（df/dt）を調整する
ことで実際の変調ビート周波数fbを変化させることがで
きる。従って、光路長Ｌが定まっていて、目標変調ビー
ト周波数fbobjが与えられた場合には、レーザ駆動電流
の周期（傾き）を変化させるとよい。
【００１７】ステップＳ１にて駆動電流波形が設定され
ると、続いて、レーザ光が出射される（ステップＳ２，
レーザ光出射工程）。そして、出射光往復時間τ後に、
戻り光を受光する（ステップＳ３，戻り光受光工程）。
すなわち、戻り光受光工程Ｓ３では、レーザ光出射工程
Ｓ２にて出射され所定の光路長Ｌを介して測定対象部１
０にて錯乱反射した戻り光の一部を受光する。
ると、続いて、レーザ光が出射される（ステップＳ２，
レーザ光出射工程）。そして、出射光往復時間τ後に、
戻り光を受光する（ステップＳ３，戻り光受光工程）。
すなわち、戻り光受光工程Ｓ３では、レーザ光出射工程
Ｓ２にて出射され所定の光路長Ｌを介して測定対象部１
０にて錯乱反射した戻り光の一部を受光する。
【００１８】続いて、この戻り光受光工程Ｓ３にて受光
した戻り光と当該戻り光受光時の出射光との周波数差
（変調ビート周波数：fb）と、測定対象物の移動速度に
応じたドップラ周波数（Δfd）との和であるドップラビ
ート周波数（fdb）を有するビート波を検出する（ステ
ップＳ４，ビート波検出工程）。このビート波検出工程
Ｓ４にて実際に観測されるビート波の観測周波数は、こ
のドップラビート周波数（fdb）であり、ドップラービ
ート周波数fdbは、fdb = ｜±Δfd + fb｜である。
した戻り光と当該戻り光受光時の出射光との周波数差
（変調ビート周波数：fb）と、測定対象物の移動速度に
応じたドップラ周波数（Δfd）との和であるドップラビ
ート周波数（fdb）を有するビート波を検出する（ステ
ップＳ４，ビート波検出工程）。このビート波検出工程
Ｓ４にて実際に観測されるビート波の観測周波数は、こ
のドップラビート周波数（fdb）であり、ドップラービ
ート周波数fdbは、fdb = ｜±Δfd + fb｜である。
【００１９】続いて、ドップラビート周波数fdbを有す
るビート波に基づいて、振動情報を生成する（ステップ
Ｓ５，振動情報生成工程）。
るビート波に基づいて、振動情報を生成する（ステップ
Ｓ５，振動情報生成工程）。
【００２０】以下、これを詳細に説明する。
【００２１】＜測定原理＞本実施形態での動作原理を説
明するための関連式は以下の通りである。
明するための関連式は以下の通りである。
【００２２】
【数１】
【００２３】さて、ドップラ周波数Δfdと測定対象物の
振動面の速度Ｖとの関係は、レーザ発振波長をλとし
て、式（１）で表される。Δfdはドップラ周波数であ
り、出射光の周波数fとドップラ効果により変調された
戻り光の周波数fdとの差である。駆動電流を一定にして
連続発振したレーザ光を測定対象物にあてて自己混合方
式でビート波を生じさせたとき、観測されるビート波の
周波数はドップラ周波数Δfdそのものである。式（１）
を積分すると、ビート波の波数νと変位量の関係は式
（２）で表される。従前は、時間経過に対するビート波
の波数を計数することで、発振波長の半分（λ／２）の
長さを最小変位量として、振動面の変位量を算出してい
た。また、ビート波の周波数はドップラ周波数Δfdであ
るため、ビート波の観測周波数を求めることで、式
（３）に基づいて振動速度Ｖを算出することができる。
振動面の速度Ｖとの関係は、レーザ発振波長をλとし
て、式（１）で表される。Δfdはドップラ周波数であ
り、出射光の周波数fとドップラ効果により変調された
戻り光の周波数fdとの差である。駆動電流を一定にして
連続発振したレーザ光を測定対象物にあてて自己混合方
式でビート波を生じさせたとき、観測されるビート波の
周波数はドップラ周波数Δfdそのものである。式（１）
を積分すると、ビート波の波数νと変位量の関係は式
（２）で表される。従前は、時間経過に対するビート波
の波数を計数することで、発振波長の半分（λ／２）の
長さを最小変位量として、振動面の変位量を算出してい
た。また、ビート波の周波数はドップラ周波数Δfdであ
るため、ビート波の観測周波数を求めることで、式
（３）に基づいて振動速度Ｖを算出することができる。
【００２４】測定対象物の振動周波数が低いものであれ
ば振動の振幅も大きく、振動面が往復する間に生じるビ
ート波数は数多い。しかし、振動数が高い場合、振動振
幅は小さくなる傾向にあるため、振動面の移動により観
測されるビート波が一波を下回ることも少なくない。従
って、この場合、ビート波を計数することで振動変位量
を算出することが困難となる。また、振動変位量をλ／
２未満の精度で計測することも難しい。
ば振動の振幅も大きく、振動面が往復する間に生じるビ
ート波数は数多い。しかし、振動数が高い場合、振動振
幅は小さくなる傾向にあるため、振動面の移動により観
測されるビート波が一波を下回ることも少なくない。従
って、この場合、ビート波を計数することで振動変位量
を算出することが困難となる。また、振動変位量をλ／
２未満の精度で計測することも難しい。
【００２５】本実施形態では、ビート波を所定の基準で
生じさせる状態とし、この基準となる変調ビート周波数
fbにドップラ周波数Δfdを重畳させることで、発振波長
による解像度を、基準となる変調ビート周波数での解像
度へと変更する。これにより、発振波長を基準とする計
測と比較して計測の精度を高めることができる。従っ
て、本実施形態ではλ／２未満の変位量を算出したり、
また、周波数の高い振動で振幅が小さい測定対象物の振
動の状態を計測することができる。
生じさせる状態とし、この基準となる変調ビート周波数
fbにドップラ周波数Δfdを重畳させることで、発振波長
による解像度を、基準となる変調ビート周波数での解像
度へと変更する。これにより、発振波長を基準とする計
測と比較して計測の精度を高めることができる。従っ
て、本実施形態ではλ／２未満の変位量を算出したり、
また、周波数の高い振動で振幅が小さい測定対象物の振
動の状態を計測することができる。
【００２６】基準となる変調ビート周波数fbを生じさせ
るためには、出射光と戻り光とに周波数差を生じさせ
る。例えば、共振器１４を一定速度で移動させる場合に
は、測定対象物のドップラ周波数以外に、共振器１４の
速度に応じたドップラ周波数が生じる。また、レーザ共
振器は駆動電流を増加させることで発振波長が変化する
ため、レーザ駆動電流を変化させることで変調ビート周
波数fbを生じさせることができる。この変調ビート周波
数fbは、駆動電流の増加率が一定であれば、一定の周波
数となる。共振器を移動させる場合には、共振器の速度
が一定であれば、変調ビート周波数は一定となる。変調
ビート周波数fbを可変とする場合には、ドップラ周波数
よりも十分高いという条件を満たしつつ、計測されたド
ップラビート周波数fdbから時間変化する変調ビート周
波数成分を取り除けば良い。
るためには、出射光と戻り光とに周波数差を生じさせ
る。例えば、共振器１４を一定速度で移動させる場合に
は、測定対象物のドップラ周波数以外に、共振器１４の
速度に応じたドップラ周波数が生じる。また、レーザ共
振器は駆動電流を増加させることで発振波長が変化する
ため、レーザ駆動電流を変化させることで変調ビート周
波数fbを生じさせることができる。この変調ビート周波
数fbは、駆動電流の増加率が一定であれば、一定の周波
数となる。共振器を移動させる場合には、共振器の速度
が一定であれば、変調ビート周波数は一定となる。変調
ビート周波数fbを可変とする場合には、ドップラ周波数
よりも十分高いという条件を満たしつつ、計測されたド
ップラビート周波数fdbから時間変化する変調ビート周
波数成分を取り除けば良い。
【００２７】半導体レーザの共振器１４には、駆動電流
量によってレーザ波長が変化する特性が見られる。これ
は、レーザ共振器の活性層に注入される電流量が増える
ことによって温度が上昇し、レーザ共振器内の発振波長
が変化することによる。従って、測定対象物表面１０か
らの戻り光をレーザ共振器に帰還させ外部共振器を形成
した状態で、半導体レーザの駆動電流を一定の割合で変
化させると、順次レーザ波長は変化していく。
量によってレーザ波長が変化する特性が見られる。これ
は、レーザ共振器の活性層に注入される電流量が増える
ことによって温度が上昇し、レーザ共振器内の発振波長
が変化することによる。従って、測定対象物表面１０か
らの戻り光をレーザ共振器に帰還させ外部共振器を形成
した状態で、半導体レーザの駆動電流を一定の割合で変
化させると、順次レーザ波長は変化していく。
【００２８】レーザ発振波長を一定割合で変化させ、測
定対象物表面１０で反射散乱した光を共振器１４に帰還
させ戻り光受光時の出射光と混合すると、測定対象物が
停止している状態でビート波fbが生じる。
定対象物表面１０で反射散乱した光を共振器１４に帰還
させ戻り光受光時の出射光と混合すると、測定対象物が
停止している状態でビート波fbが生じる。
【００２９】出射光の周波数をf、レーザ駆動電流を変
化させることによる光周波数変化率をdf/dtとすると、
測定対象物までの距離（外部共振器長）をＬ、測定環境
でのレーザ光の速さをＣとして、測定対象物が静止して
いる場合の変調ビート周波数fbは式（４）で表される。
出射光の周波数fと波長λの関係式の両辺を微分して、
光周波数変化率df/dtを波長変化率で表すと、式（５）
となる。式（５）を式（４）に代入して整理すると、式
（６）となる。出射光往復時間をτ = (2L/C)とし、波
長変化率をレーザ光出射時の波長λ1と戻り光受光時の
出射光の波長λ2の差で近似でき、式（７）が導かれ
る。
化させることによる光周波数変化率をdf/dtとすると、
測定対象物までの距離（外部共振器長）をＬ、測定環境
でのレーザ光の速さをＣとして、測定対象物が静止して
いる場合の変調ビート周波数fbは式（４）で表される。
出射光の周波数fと波長λの関係式の両辺を微分して、
光周波数変化率df/dtを波長変化率で表すと、式（５）
となる。式（５）を式（４）に代入して整理すると、式
（６）となる。出射光往復時間をτ = (2L/C)とし、波
長変化率をレーザ光出射時の波長λ1と戻り光受光時の
出射光の波長λ2の差で近似でき、式（７）が導かれ
る。
【００３０】従って、任意の時刻ｔ1に波長λ1で発振し
ているレーザ共振器から出射したレーザ光が、距離Ｌ離
れたところにある測定対象物表面で反射散乱され、時刻
ｔ2に共振器に帰還したとする。レーザ駆動電流を一定
割合で変化させると、時刻ｔ2で発振しているレーザ波
長はλ2である。共振器では、λ2で発振しているレーザ
光と、帰還したλ1のレーザ光とが自己混合する。この
ときの共振器からの光をフォトダイオードで受光するこ
とでと、λ1とλ2との干渉によって波長差に応じたビー
ト波が光強度変化として検出される。このように、レー
ザ駆動電流の増加率と、光周波数変化率df/dtと、出射
光往復時間τ（または、測定対象物までの距離Ｌ及びレ
ーザ光の速さＣ）とによって定まる変調ビート周波数ｆ
ｂを、測定対象物の静止時（例えば、振動の移動方向の
折り返し時）に生じさせることができる。
ているレーザ共振器から出射したレーザ光が、距離Ｌ離
れたところにある測定対象物表面で反射散乱され、時刻
ｔ2に共振器に帰還したとする。レーザ駆動電流を一定
割合で変化させると、時刻ｔ2で発振しているレーザ波
長はλ2である。共振器では、λ2で発振しているレーザ
光と、帰還したλ1のレーザ光とが自己混合する。この
ときの共振器からの光をフォトダイオードで受光するこ
とでと、λ1とλ2との干渉によって波長差に応じたビー
ト波が光強度変化として検出される。このように、レー
ザ駆動電流の増加率と、光周波数変化率df/dtと、出射
光往復時間τ（または、測定対象物までの距離Ｌ及びレ
ーザ光の速さＣ）とによって定まる変調ビート周波数ｆ
ｂを、測定対象物の静止時（例えば、振動の移動方向の
折り返し時）に生じさせることができる。
【００３１】測定対象物までの距離Ｌは、振動面の移動
によって変化するが、測定対象物が静止しているときの
距離Ｌext（外部共振器長）を約１５０ [mm] とし、振
動変位Xmは１ [μm] とすると、Ｌ≒Ｌextとして変化量
への影響を考える必要がない。
によって変化するが、測定対象物が静止しているときの
距離Ｌext（外部共振器長）を約１５０ [mm] とし、振
動変位Xmは１ [μm] とすると、Ｌ≒Ｌextとして変化量
への影響を考える必要がない。
【００３２】測定対象物が静止している状態でビート波
が変調ビート周波数fbにて生じると、測定対象物表面が
速度を有する場合、ビート波の観測周波数（ドップラビ
ート周波数）fdbは観測ビート周波数fbとドップラ周波
数Δfdとの和となる（式（８））。測定対象物が静止し
ている場合には、ドップラ周波数Δfdが「０」であるた
め、ドップラビート周波数fdb = fbとなる。式（８）の
ように、変調ビート周波数fbを十分に高くとると、その
ドップラビート周波数fdは、変調ビート周波数fbに対し
てドップラ周波数Δfd分推移した周波数となる。
が変調ビート周波数fbにて生じると、測定対象物表面が
速度を有する場合、ビート波の観測周波数（ドップラビ
ート周波数）fdbは観測ビート周波数fbとドップラ周波
数Δfdとの和となる（式（８））。測定対象物が静止し
ている場合には、ドップラ周波数Δfdが「０」であるた
め、ドップラビート周波数fdb = fbとなる。式（８）の
ように、変調ビート周波数fbを十分に高くとると、その
ドップラビート周波数fdは、変調ビート周波数fbに対し
てドップラ周波数Δfd分推移した周波数となる。
【００３３】変調ビート周波数fbを一定とすると、フォ
トダイオード２０で検出されるビート波のドップラビー
ト周波数fdbの変化は、測定対象物１０の速度変化を表
す。例えば、測定対象物１０が単振動している場合に
は、ドップラビート周波数fdbの周期が振動周期であ
る。そして、ドップラビート周波数fdbから変調ビート
周波数fb成分を差し引くと、符号に注意しつつドップラ
周波数dbを求めることができる。このため、振動速度を
算出することができ、さらに、振動速度を時間積分する
ことで変位量を算出することができる。
トダイオード２０で検出されるビート波のドップラビー
ト周波数fdbの変化は、測定対象物１０の速度変化を表
す。例えば、測定対象物１０が単振動している場合に
は、ドップラビート周波数fdbの周期が振動周期であ
る。そして、ドップラビート周波数fdbから変調ビート
周波数fb成分を差し引くと、符号に注意しつつドップラ
周波数dbを求めることができる。このため、振動速度を
算出することができ、さらに、振動速度を時間積分する
ことで変位量を算出することができる。
【００３４】この動作原理を波形を参照して再度説明す
る。図４（Ａ）は振動変位波形の一例を示す波形図であ
る。ここでは、振動変位の増加方向は共振器１４側であ
る。測定対象物１０が振動数ftで振動している場合に
は、対象物の移動によるドップラー効果のため反射光の
周波数が変化し、出射光と戻り光は混合して図４（Ｂ）
で示すようにドップラー周波数Δfdのビート波が生じ
る。図４（Ａ）に示す振動では、ドップラ周波数の最大
値Δfdmaxは測定対象物が近づいているときの測定対象
物の振動の振幅中心付近での最大速さであり、ドップラ
周波数の最小値Δfd minは測定対象物が遠ざかる場合の
最大値速さである。図４（Ｂ）に示すように、ドップラ
周波数の変化波形は振動変位波形を微分した波形であ
り、速度変化波形である。実際、ドップラ周波数に出射
光波長を掛けると速度の次元となる。
る。図４（Ａ）は振動変位波形の一例を示す波形図であ
る。ここでは、振動変位の増加方向は共振器１４側であ
る。測定対象物１０が振動数ftで振動している場合に
は、対象物の移動によるドップラー効果のため反射光の
周波数が変化し、出射光と戻り光は混合して図４（Ｂ）
で示すようにドップラー周波数Δfdのビート波が生じ
る。図４（Ａ）に示す振動では、ドップラ周波数の最大
値Δfdmaxは測定対象物が近づいているときの測定対象
物の振動の振幅中心付近での最大速さであり、ドップラ
周波数の最小値Δfd minは測定対象物が遠ざかる場合の
最大値速さである。図４（Ｂ）に示すように、ドップラ
周波数の変化波形は振動変位波形を微分した波形であ
り、速度変化波形である。実際、ドップラ周波数に出射
光波長を掛けると速度の次元となる。
【００３５】図４（Ｃ）乃至（Ｅ）は変調ビート周波数
fbの生成を説明するための波形図である。ここでは、測
定対象物は静止しているとする。図４（Ｃ）の符号３２
で示す波形は、出射光の波長変化（又は、周波数変化）
であり、符号３３で示す波形は、出射光往復時間τ経過
後の戻り光の波長変化（又は、周波数変化）である。時
刻t1に波長λ1で出射した出射光３２は、出射光往復時
間τ経過後の時刻t2に共振器へ戻る。このときの出射光
３２の波長はλ2となっている。この波長差又は周波数
差に応じて、図４（Ｄ）の符号３４で示す変調周波数fb
のビート波が生じる。波長変化率が一定である場合に
は、この変調ビート周波数fbも図４（Ｅ）の符号３５で
示すように一定である。
fbの生成を説明するための波形図である。ここでは、測
定対象物は静止しているとする。図４（Ｃ）の符号３２
で示す波形は、出射光の波長変化（又は、周波数変化）
であり、符号３３で示す波形は、出射光往復時間τ経過
後の戻り光の波長変化（又は、周波数変化）である。時
刻t1に波長λ1で出射した出射光３２は、出射光往復時
間τ経過後の時刻t2に共振器へ戻る。このときの出射光
３２の波長はλ2となっている。この波長差又は周波数
差に応じて、図４（Ｄ）の符号３４で示す変調周波数fb
のビート波が生じる。波長変化率が一定である場合に
は、この変調ビート周波数fbも図４（Ｅ）の符号３５で
示すように一定である。
【００３６】図４（Ｃ）に示すように、出射光周波数と
戻り光周波数の関係は、レーザ駆動電流のピーク及びボ
トムにて逆転する。また、レーザ駆動電流のピークの後
には、出射光周波数と戻り光周波数の差がない状態とな
ってしまい、変調ビート周波数が「０」であるか、又は
逆転してしまい、一定ではなくなる。本明細書では、こ
の変調ビート周波数が一定ではなくなる期間を、不定期
間３７という。図４（Ｃ）に示すように、レーザ駆動電
流波形との関係で、不定期間３７を除いた変調ビート周
波数一定期間３６内にてビート波を取り扱うと、信号処
理が容易となる。
戻り光周波数の関係は、レーザ駆動電流のピーク及びボ
トムにて逆転する。また、レーザ駆動電流のピークの後
には、出射光周波数と戻り光周波数の差がない状態とな
ってしまい、変調ビート周波数が「０」であるか、又は
逆転してしまい、一定ではなくなる。本明細書では、こ
の変調ビート周波数が一定ではなくなる期間を、不定期
間３７という。図４（Ｃ）に示すように、レーザ駆動電
流波形との関係で、不定期間３７を除いた変調ビート周
波数一定期間３６内にてビート波を取り扱うと、信号処
理が容易となる。
【００３７】図５を参照して、ドップラ周波数成分と変
調ビート周波数成分とが重畳するビート波の生成過程を
説明する。図５は、各周波数の関係を定性的に説明する
ための図であり、周波数の大きさの関係を正確に示すも
のではない。測定対象物が遠ざかっていて、ドップラ周
波数Δfdがマイナス、f1 > fd、fdb > fbの場合であ
る。時刻t1に周波数f1の出射光３２がレーザ部１２から
出射される。速度Ｖを有する測定対象物１０にて反射す
ると、ドップラ効果により出射光周波数f1は戻り光周波
数fdへ変化する。このf1とfdとの差が、ドップラ周波数
Δfdであり、測定対象物の速度（移動方向）が共振器側
の場合にΔfdがプラスとなる。理想的な状態で周波数分
析を行うとすると、出射光周波数f1がΔfd分シフトし
て、戻り光の周波数がfdとなったと考えられる。
調ビート周波数成分とが重畳するビート波の生成過程を
説明する。図５は、各周波数の関係を定性的に説明する
ための図であり、周波数の大きさの関係を正確に示すも
のではない。測定対象物が遠ざかっていて、ドップラ周
波数Δfdがマイナス、f1 > fd、fdb > fbの場合であ
る。時刻t1に周波数f1の出射光３２がレーザ部１２から
出射される。速度Ｖを有する測定対象物１０にて反射す
ると、ドップラ効果により出射光周波数f1は戻り光周波
数fdへ変化する。このf1とfdとの差が、ドップラ周波数
Δfdであり、測定対象物の速度（移動方向）が共振器側
の場合にΔfdがプラスとなる。理想的な状態で周波数分
析を行うとすると、出射光周波数f1がΔfd分シフトし
て、戻り光の周波数がfdとなったと考えられる。
【００３８】また、レーザ駆動電流を変化させているた
め、時刻t2での出射光周波数はf2へ変化している。戻り
光受光時の出射光周波数f2と、出射光周波数f1との差
が、変調ビート周波数fbであり、この変調ビート周波数
は式（４），（７）等で定義される。
め、時刻t2での出射光周波数はf2へ変化している。戻り
光受光時の出射光周波数f2と、出射光周波数f1との差
が、変調ビート周波数fbであり、この変調ビート周波数
は式（４），（７）等で定義される。
【００３９】実際に共振器１４内で自己混合する２つの
波は、周波数fdを有する戻り光と、戻り光受光時の周波
数f2を有する出射光とである。このf2とfdの差は、出射
光周波数f1がキャンセルされ、ドップラビート周波数fd
bとなる。従って、自己混合により生じたビート波の観
測周波数は、変調ビート周波数fbとドップラ周波数Δfd
との和である。変調ビート周波数fbの符号はレーザ駆動
電流が上昇しているか又は下降しているかに依存する。
レーザ駆動電流を増加すると、レーザの波長は長くな
る。駆動電流が増加している時の電流変調により生じた
周波数を正の周波数とすると、変調ビート周波数fbと観
測したビート波のドップラビート周波数fdbとの差の絶
対値が、ドップラ周波数の大きさであり、これに基づい
て測定対象物の移動の速さを算出することができる。
波は、周波数fdを有する戻り光と、戻り光受光時の周波
数f2を有する出射光とである。このf2とfdの差は、出射
光周波数f1がキャンセルされ、ドップラビート周波数fd
bとなる。従って、自己混合により生じたビート波の観
測周波数は、変調ビート周波数fbとドップラ周波数Δfd
との和である。変調ビート周波数fbの符号はレーザ駆動
電流が上昇しているか又は下降しているかに依存する。
レーザ駆動電流を増加すると、レーザの波長は長くな
る。駆動電流が増加している時の電流変調により生じた
周波数を正の周波数とすると、変調ビート周波数fbと観
測したビート波のドップラビート周波数fdbとの差の絶
対値が、ドップラ周波数の大きさであり、これに基づい
て測定対象物の移動の速さを算出することができる。
【００４０】また、振動の方向よりも振動周期や振動速
度が重要な場合には、ドップラビート周波数変化波形に
ついて測定対象物振動面の移動方向を問わずに速度変化
波形として扱うようにしても良い。
度が重要な場合には、ドップラビート周波数変化波形に
ついて測定対象物振動面の移動方向を問わずに速度変化
波形として扱うようにしても良い。
【００４１】このように、ドップラ周波数Δfdそのもの
をビート波とするのではなく、変調ビート周波数をドッ
プラ周波数分シフトさせたドップラビート周波数fdbを
有するビート波を生じさせることで、従来と比較して格
段に精度良くドップラ周波数Δfdを得ることができ、従
って、振動速度や振動周期を精度良く計測することがで
きる。そして、変調ビート周波数fbをドップラ周波数Δ
fdの搬送周波数と考え、測定対象物の振動周期や測定し
たい上限の周波数などに応じて変調ビート周波数fbを設
定することで、信号処理手段２１の性能に応じて検出す
るビート波の波数を調整することができ、従って、計測
精度と計測に必要なデータ量とを任意に選択することが
可能となる。
をビート波とするのではなく、変調ビート周波数をドッ
プラ周波数分シフトさせたドップラビート周波数fdbを
有するビート波を生じさせることで、従来と比較して格
段に精度良くドップラ周波数Δfdを得ることができ、従
って、振動速度や振動周期を精度良く計測することがで
きる。そして、変調ビート周波数fbをドップラ周波数Δ
fdの搬送周波数と考え、測定対象物の振動周期や測定し
たい上限の周波数などに応じて変調ビート周波数fbを設
定することで、信号処理手段２１の性能に応じて検出す
るビート波の波数を調整することができ、従って、計測
精度と計測に必要なデータ量とを任意に選択することが
可能となる。
【００４２】図６は、本実施形態での光路長設定手段の
構成例を示す説明図であり、図６（Ａ）は光路長設定手
段として複数のミラーを用いる例を示す図で、図６
（Ｂ）は光路長設定手段として光ファイバを用いた例を
示す図である。式（４）に示すように、変調ビート周波
数fbは光路長Ｌに依存する。一方、駆動電流変調により
生じる変調ビート周波数fbは、ドップラ周波数Δfdより
も十分高くする設定する必要があるため、光路長Ｌを伸
ばしたい場合が生じる。測定対象物までの距離が無い場
合には、図６（Ａ）に示すようにミラー６０で光路長Ｌ
を調整することができる。また、図６（Ｂ）に示すよう
に、光ファイバ６１を介して測定対象物に出射光を照射
し、また戻り光を測定対象物１０からレーザ共振器まで
導くようにしても良い。
構成例を示す説明図であり、図６（Ａ）は光路長設定手
段として複数のミラーを用いる例を示す図で、図６
（Ｂ）は光路長設定手段として光ファイバを用いた例を
示す図である。式（４）に示すように、変調ビート周波
数fbは光路長Ｌに依存する。一方、駆動電流変調により
生じる変調ビート周波数fbは、ドップラ周波数Δfdより
も十分高くする設定する必要があるため、光路長Ｌを伸
ばしたい場合が生じる。測定対象物までの距離が無い場
合には、図６（Ａ）に示すようにミラー６０で光路長Ｌ
を調整することができる。また、図６（Ｂ）に示すよう
に、光ファイバ６１を介して測定対象物に出射光を照射
し、また戻り光を測定対象物１０からレーザ共振器まで
導くようにしても良い。
【００４３】図７は、本実施形態による振動計測例を示
す波形図であり、図７（Ａ）は振動変位波形の一例を示
す図で、図７（Ｂ）はこの場合のビート波の波形例を示
す図である。図７（Ａ）に示す例では、変位の増加方向
を共振器側としている。このため、符号３ｃで示す部分
にて測定対象物は遠ざかっており、ドップラ周波数Δfd
がマイナスであることから、変調ビート周波数fbをプラ
スとして差を求めるとドップラビート周波数fdbの値は
小さくなり、従って、周期は長くなる。変調ビート周波
数fbがマイナスの場合には、この振動面動き方向とビー
ト波の周期の関係は逆転する。符号３ｂで示す位置に
て、測定対象物は折り返すため、速度が「０」となる。
このとき、計測によるドップラビート周波数fdbはレー
ザ駆動電流変調により生じさせた変調ビート周波数fbと
等しい。この振動の折り返し点でビート波が崩れないこ
とにより、種々の利点が生じる。まず、測定対象物の振
動に複数の振動周期が重畳し、複雑な変位を行ったとし
ても、変調ビート周波数を中心としてドップラ周波数に
より周波数変調されるのみであるため、振動の状態を良
好に計測することができ、さらに、測定対象物の振動の
減衰を計測したい場合であっても、減衰により測定対象
物の変位量が「０」となった場合には、ビート波を観測
した周波数であるドップラビート周波数が変調ビート周
波数になるだけで、ビート波の波形が崩れることがない
ため、減衰の過程を精度良く計測することができる。
す波形図であり、図７（Ａ）は振動変位波形の一例を示
す図で、図７（Ｂ）はこの場合のビート波の波形例を示
す図である。図７（Ａ）に示す例では、変位の増加方向
を共振器側としている。このため、符号３ｃで示す部分
にて測定対象物は遠ざかっており、ドップラ周波数Δfd
がマイナスであることから、変調ビート周波数fbをプラ
スとして差を求めるとドップラビート周波数fdbの値は
小さくなり、従って、周期は長くなる。変調ビート周波
数fbがマイナスの場合には、この振動面動き方向とビー
ト波の周期の関係は逆転する。符号３ｂで示す位置に
て、測定対象物は折り返すため、速度が「０」となる。
このとき、計測によるドップラビート周波数fdbはレー
ザ駆動電流変調により生じさせた変調ビート周波数fbと
等しい。この振動の折り返し点でビート波が崩れないこ
とにより、種々の利点が生じる。まず、測定対象物の振
動に複数の振動周期が重畳し、複雑な変位を行ったとし
ても、変調ビート周波数を中心としてドップラ周波数に
より周波数変調されるのみであるため、振動の状態を良
好に計測することができ、さらに、測定対象物の振動の
減衰を計測したい場合であっても、減衰により測定対象
物の変位量が「０」となった場合には、ビート波を観測
した周波数であるドップラビート周波数が変調ビート周
波数になるだけで、ビート波の波形が崩れることがない
ため、減衰の過程を精度良く計測することができる。
【００４４】図７に示すように、本実施形態による振動
計測装置にて測定対象物の振動を計測すると、変調ビー
ト周波数を中心周波数としてドップラ周波数で変調され
たビート波を得ることができる。このビート波をＦ／Ｖ
変換すると図７（Ｃ）に示す速度変化波形を得ることが
でき、また、ドップラビート周波数から変調ビート周波
数を差し引いて符号を反転させることでドップラ周波数
を得ることができるため、速度の方向及び速さを算出す
ることができる。
計測装置にて測定対象物の振動を計測すると、変調ビー
ト周波数を中心周波数としてドップラ周波数で変調され
たビート波を得ることができる。このビート波をＦ／Ｖ
変換すると図７（Ｃ）に示す速度変化波形を得ることが
でき、また、ドップラビート周波数から変調ビート周波
数を差し引いて符号を反転させることでドップラ周波数
を得ることができるため、速度の方向及び速さを算出す
ることができる。
【００４５】
【第１実施例】＜信号補正処理＞図８は、本発明の各実
施例に共通する振動計測装置の概略構成例を示すブロッ
ク図である。図８に示す例では、振動計測装置は、レー
ザ光を発振すると共に当該発振した出射光が測定対象物
で反射した戻り光と当該戻り光受光時に発振した出射光
とを自己混合させるレーザ共振器（レーザダイオード）
１４と、このレーザ共振器の自己混合により生じたビー
ト波を光電変換するフォトダイオード２０とをを有する
レーザ部１２を備えている。
施例に共通する振動計測装置の概略構成例を示すブロッ
ク図である。図８に示す例では、振動計測装置は、レー
ザ光を発振すると共に当該発振した出射光が測定対象物
で反射した戻り光と当該戻り光受光時に発振した出射光
とを自己混合させるレーザ共振器（レーザダイオード）
１４と、このレーザ共振器の自己混合により生じたビー
ト波を光電変換するフォトダイオード２０とをを有する
レーザ部１２を備えている。
【００４６】また、振動計測装置は、このレーザ共振器
を予め定められた波形及び周期のレーザ駆動電流で駆動
制御するレーザ駆動制御部２４と、レーザ駆動電流の時
間変化によるレーザ光の発振周波数fの変化（df/dt）と
出射光の出射から戻り光の受光までの期間τとに応じて
共振器１４内に生じる出射光と戻り光の周波数差を変調
ビート周波数fbとするビート波を検出する信号処理手段
２１とを備えている。
を予め定められた波形及び周期のレーザ駆動電流で駆動
制御するレーザ駆動制御部２４と、レーザ駆動電流の時
間変化によるレーザ光の発振周波数fの変化（df/dt）と
出射光の出射から戻り光の受光までの期間τとに応じて
共振器１４内に生じる出射光と戻り光の周波数差を変調
ビート周波数fbとするビート波を検出する信号処理手段
２１とを備えている。
【００４７】しかも、信号処理手段２１が、ビート波の
変調ビート周波数fbに重畳する測定対象物の速度に応じ
たドップラ周波数Δfdの変化を周波数変化波形として生
成する周波数変化波形生成部２２Ａを備えている。ま
た、信号処理手段２１は、ＰＤ出力信号からビート波を
検出するビート波検出回路５１と、このビート波検出回
路によって検出されたＰＤ出力信号のうちレーザ駆動電
流と同様に変化する大きな光強度変化成分を除去する任
意波形除去回路５２と、この任意波形除去回路５２によ
って変調成分が取り除かれた後に信号を増幅する信号増
幅回路５３とを備えている。信号増幅回路５３によって
増幅された信号は、上述したビート波として周波数変化
波形生成部２２Ａに入力される。
変調ビート周波数fbに重畳する測定対象物の速度に応じ
たドップラ周波数Δfdの変化を周波数変化波形として生
成する周波数変化波形生成部２２Ａを備えている。ま
た、信号処理手段２１は、ＰＤ出力信号からビート波を
検出するビート波検出回路５１と、このビート波検出回
路によって検出されたＰＤ出力信号のうちレーザ駆動電
流と同様に変化する大きな光強度変化成分を除去する任
意波形除去回路５２と、この任意波形除去回路５２によ
って変調成分が取り除かれた後に信号を増幅する信号増
幅回路５３とを備えている。信号増幅回路５３によって
増幅された信号は、上述したビート波として周波数変化
波形生成部２２Ａに入力される。
【００４８】図９は、第１実施例による駆動電流波形の
一例を示す波形図であり、図９（Ａ）はレーザ駆動電流
を三角波とした場合の例を示す図で、図９（Ｂ）は鋸歯
状波とした例を示す図である。レーザ駆動電流の変化量
が一定であれば、駆動電流による変調で発生する周波数
は一定となるため、測定したビート波のドップラビート
周波数fdbが変化すると、測定対象物の速度に応じたド
ップラ周波数Δfdが変化したことが即座に判り、振動状
態の判定が容易となる。従って、駆動電流の波形（時間
的変化）は図９（Ａ）又は（Ｂ）に示すように一定の傾
きを有する直線が周期的に繰り返される波形が好まし
い。レーザ駆動電流の除去や、変調ビート周波数fbの算
出などの観点から、図９（Ｂ）に示す鋸歯状波状の駆動
電流波形が扱いやすいが、図９（Ａ）に示す対称的な傾
きを有する三角波でもよい。三角波による場合、波形の
直線部分の傾きの正負によって、変調ビート周波数の増
減も変わるため、ドップラ速度を算出する過程で所定の
信号処理が必要となる。従って、信号処理を簡略化する
ためには、できるだけ１つの傾きで、かつその範囲の長
い図９（Ｂ）の鋸歯状波が好ましい。
一例を示す波形図であり、図９（Ａ）はレーザ駆動電流
を三角波とした場合の例を示す図で、図９（Ｂ）は鋸歯
状波とした例を示す図である。レーザ駆動電流の変化量
が一定であれば、駆動電流による変調で発生する周波数
は一定となるため、測定したビート波のドップラビート
周波数fdbが変化すると、測定対象物の速度に応じたド
ップラ周波数Δfdが変化したことが即座に判り、振動状
態の判定が容易となる。従って、駆動電流の波形（時間
的変化）は図９（Ａ）又は（Ｂ）に示すように一定の傾
きを有する直線が周期的に繰り返される波形が好まし
い。レーザ駆動電流の除去や、変調ビート周波数fbの算
出などの観点から、図９（Ｂ）に示す鋸歯状波状の駆動
電流波形が扱いやすいが、図９（Ａ）に示す対称的な傾
きを有する三角波でもよい。三角波による場合、波形の
直線部分の傾きの正負によって、変調ビート周波数の増
減も変わるため、ドップラ速度を算出する過程で所定の
信号処理が必要となる。従って、信号処理を簡略化する
ためには、できるだけ１つの傾きで、かつその範囲の長
い図９（Ｂ）の鋸歯状波が好ましい。
【００４９】図９（Ａ）の三角波を駆動電流とすると
き、傾きを正負両方で測定する場合には、波形の傾きの
正負に応じて周波数処理を選択する必要がある。図１０
はこの三角波をレーザ駆動電流波形とする場合の振動情
報生成部の構成例を示すブロック図である。例えば、図
９（Ｃ）に示すように駆動電流の上昇期間又は下降期間
に応じてセレクト期間を定める。その時測定したドップ
ラ周波数をセレクト期間に応じた演算器を通すことで一
様に処理することができる。
き、傾きを正負両方で測定する場合には、波形の傾きの
正負に応じて周波数処理を選択する必要がある。図１０
はこの三角波をレーザ駆動電流波形とする場合の振動情
報生成部の構成例を示すブロック図である。例えば、図
９（Ｃ）に示すように駆動電流の上昇期間又は下降期間
に応じてセレクト期間を定める。その時測定したドップ
ラ周波数をセレクト期間に応じた演算器を通すことで一
様に処理することができる。
【００５０】図１０に示す例では、信号処理手段２１
は、ビート波信号３の周波数（ドップラビート周波数）
fdbを算出する周波数算出部５４と、レーザ駆動電流の
電流変調による変調ビート周波数fbの値を用いてドップ
ラ周波数Δfdを算出する演算部５５と、レーザ駆動電流
の波形が三角波である場合には当該三角波の立ち上がり
期間と立ち下がり期間とに分けてビート波からドップラ
周波数を抽出する期間別信号処理部２２Ｂとを備えてい
る。図１０に示す例では、期間別信号処理部２２Ｂは、
演算部によって算出されたドップラ周波数Δfdの極性
（符号）を反転させる極性反転部５６と、図９（Ｃ）に
示すタイミングに応じてドップラ周波数又は極性が反転
されたドップラ周波数を選択するセレクタ５７とを備え
ている。ドップラ周波数Δfdを時系列で出力すること
で、周波数変化波形を出力する。
は、ビート波信号３の周波数（ドップラビート周波数）
fdbを算出する周波数算出部５４と、レーザ駆動電流の
電流変調による変調ビート周波数fbの値を用いてドップ
ラ周波数Δfdを算出する演算部５５と、レーザ駆動電流
の波形が三角波である場合には当該三角波の立ち上がり
期間と立ち下がり期間とに分けてビート波からドップラ
周波数を抽出する期間別信号処理部２２Ｂとを備えてい
る。図１０に示す例では、期間別信号処理部２２Ｂは、
演算部によって算出されたドップラ周波数Δfdの極性
（符号）を反転させる極性反転部５６と、図９（Ｃ）に
示すタイミングに応じてドップラ周波数又は極性が反転
されたドップラ周波数を選択するセレクタ５７とを備え
ている。ドップラ周波数Δfdを時系列で出力すること
で、周波数変化波形を出力する。
【００５１】図１１は、本実施例での任意波形除去回路
の構成例を示すブロック図であり、図１１（Ａ）は概略
構成を示す図で、図１１（Ｂ）はレーザ駆動電圧に基づ
いてビート波から三角波成分を除去する構成例を示す図
である。図１１（Ａ）に示す例では、図８に示す任意波
形除去回路５２は、周波数の高い成分を通過させ直流成
分を除去するハイパス・フィルタ６３と、このハイパス
・フィルタ６３を通過した信号のうちレーザ駆動電流と
同様に変化する光強度変化成分を除去する三角波成分除
去部（駆動電流成分除去部）６４とを備えている。三角
波成分除去部６４は、駆動電流波形が鋸歯状波である場
合には鋸歯状波成分除去部として機能する。
の構成例を示すブロック図であり、図１１（Ａ）は概略
構成を示す図で、図１１（Ｂ）はレーザ駆動電圧に基づ
いてビート波から三角波成分を除去する構成例を示す図
である。図１１（Ａ）に示す例では、図８に示す任意波
形除去回路５２は、周波数の高い成分を通過させ直流成
分を除去するハイパス・フィルタ６３と、このハイパス
・フィルタ６３を通過した信号のうちレーザ駆動電流と
同様に変化する光強度変化成分を除去する三角波成分除
去部（駆動電流成分除去部）６４とを備えている。三角
波成分除去部６４は、駆動電流波形が鋸歯状波である場
合には鋸歯状波成分除去部として機能する。
【００５２】フォトダイオード２０で検出されたレーザ
の光強度変化（ＰＤ出力信号）に伴う電気信号をフィル
タ６３に通して交流成分のみを取り出す。このときの抽
出された信号には駆動電流変化に合わせてレーザの光強
度が強弱するため、駆動電流波形に比例した三角波成分
が含まれている。ビート波に比べてこの三角波成分が非
常に大きいため、信号を増幅する前に三角波成分（鋸歯
状波成分）を除去する必要がある。
の光強度変化（ＰＤ出力信号）に伴う電気信号をフィル
タ６３に通して交流成分のみを取り出す。このときの抽
出された信号には駆動電流変化に合わせてレーザの光強
度が強弱するため、駆動電流波形に比例した三角波成分
が含まれている。ビート波に比べてこの三角波成分が非
常に大きいため、信号を増幅する前に三角波成分（鋸歯
状波成分）を除去する必要がある。
【００５３】具体的には、駆動電流の三角波や鋸歯状波
に相当する三角波電圧を用意し、増幅等により振幅を調
整した後、ＰＤ出力信号に同期させて差し引くことで、
駆動電流成分を除去することができる。図１１（Ｂ）に
示す例では、レーザ駆動制御部２４にて生成される三角
波電圧波形の電圧をＰＤ出力信号の三角波成分の電圧と
略同一となるように調整する電圧調整部６５と、ＰＤ出
力信号の位相を検出すると共に当該検出した位相と電圧
調整部６５で振幅を調整された信号の位相とを同期させ
る位相検出・同期合わせ部６６と、ハイパス・フィルタ
を通過したＰＤ出力信号から、位相検出・同期合わせ部
にて位相が調整された三角波信号を差し引くことでドッ
プラビート周波数を有するビート波のみを抽出する演算
回路６７とを備えている。
に相当する三角波電圧を用意し、増幅等により振幅を調
整した後、ＰＤ出力信号に同期させて差し引くことで、
駆動電流成分を除去することができる。図１１（Ｂ）に
示す例では、レーザ駆動制御部２４にて生成される三角
波電圧波形の電圧をＰＤ出力信号の三角波成分の電圧と
略同一となるように調整する電圧調整部６５と、ＰＤ出
力信号の位相を検出すると共に当該検出した位相と電圧
調整部６５で振幅を調整された信号の位相とを同期させ
る位相検出・同期合わせ部６６と、ハイパス・フィルタ
を通過したＰＤ出力信号から、位相検出・同期合わせ部
にて位相が調整された三角波信号を差し引くことでドッ
プラビート周波数を有するビート波のみを抽出する演算
回路６７とを備えている。
【００５４】図１２は、任意波形除去回路５２の他の例
を示すブロック図である。図１２に示す例では、ＰＤ出
力信号から三角波成分だけを抽出し、電圧調整及び位相
調整を行った後に、信号から三角波成分を差し引いてい
る。図１２に示す例では、三角波成分除去部６４は、ハ
イパス・フィルタ６３を通過したＰＤ出力信号のうち三
角波成分を抽出する三角波抽出部６８と、この三角波抽
出部６８によって抽出された三角波波形の位相及び電圧
を調整する位相・電圧調整部６９と、ハイパス・フィル
タ６３を通過したＰＤ出力信号から、位相・電圧調整部
６９から出力される信号成分を差し引く演算回路６７と
を備えている。
を示すブロック図である。図１２に示す例では、ＰＤ出
力信号から三角波成分だけを抽出し、電圧調整及び位相
調整を行った後に、信号から三角波成分を差し引いてい
る。図１２に示す例では、三角波成分除去部６４は、ハ
イパス・フィルタ６３を通過したＰＤ出力信号のうち三
角波成分を抽出する三角波抽出部６８と、この三角波抽
出部６８によって抽出された三角波波形の位相及び電圧
を調整する位相・電圧調整部６９と、ハイパス・フィル
タ６３を通過したＰＤ出力信号から、位相・電圧調整部
６９から出力される信号成分を差し引く演算回路６７と
を備えている。
【００５５】また、ハイパス・フィルタ６３の遮断周波
数を駆動電流波形の周期に応じて設定することで、ＰＤ
出力信号から三角波成分を除去することもできる。すな
わち、ビート波と駆動電流変化の周波数に差があり、ビ
ート波の方が高い周波数を持つため、ハイパスフィルタ
６３を用いて信号中の駆動電流変化による三角波成分を
除去することができる。
数を駆動電流波形の周期に応じて設定することで、ＰＤ
出力信号から三角波成分を除去することもできる。すな
わち、ビート波と駆動電流変化の周波数に差があり、ビ
ート波の方が高い周波数を持つため、ハイパスフィルタ
６３を用いて信号中の駆動電流変化による三角波成分を
除去することができる。
【００５６】図１１及び図１２に示す例では、ＰＤ出力
信号に含まれる駆動電流の三角波成分を除去した後、増
幅する。このため、ビート波成分のみを広い帯域にて扱
うことが可能となる。例えば、デジタル信号に変換する
場合には、Ａ／Ｄ変換器の分解能を最大限活用すること
ができる。
信号に含まれる駆動電流の三角波成分を除去した後、増
幅する。このため、ビート波成分のみを広い帯域にて扱
うことが可能となる。例えば、デジタル信号に変換する
場合には、Ａ／Ｄ変換器の分解能を最大限活用すること
ができる。
【００５７】
【第２実施例】＜周波数変化算出＞第２実施例では、ビ
ート波から周波数変化波形を算出する構成を詳細に説明
する。図１３（Ａ）はドップラビート周波数の変化を振
動速度変化として出力する構成例を示す図である。ビー
ト波の観測周波数は、ドップラ周波数Δfdと変調ビート
周波数fbとの差であるため、変調ビート周波数fbが一定
の場合には、ドップラビート周波数の変化は、変調ビー
ト周波数で速度を「０」とする速度変化波形として利用
することができる。図１３（Ａ）に示す例では、周波数
変化波形生成部２２Ａは、信号増幅回路５３にて増幅さ
れたビート波のうち、不定期間等について補正を行う信
号補正回路７２と、この信号補正回路から出力されるビ
ート波の周波数を電圧に変換するＦ／Ｖ変換素子７３と
を備えている。図１３（Ａ）に示す構成は、アナログ回
路にて実現することができるため、測定対象物の振動の
異常等をリアルタイムで計測する用途に適している。
ート波から周波数変化波形を算出する構成を詳細に説明
する。図１３（Ａ）はドップラビート周波数の変化を振
動速度変化として出力する構成例を示す図である。ビー
ト波の観測周波数は、ドップラ周波数Δfdと変調ビート
周波数fbとの差であるため、変調ビート周波数fbが一定
の場合には、ドップラビート周波数の変化は、変調ビー
ト周波数で速度を「０」とする速度変化波形として利用
することができる。図１３（Ａ）に示す例では、周波数
変化波形生成部２２Ａは、信号増幅回路５３にて増幅さ
れたビート波のうち、不定期間等について補正を行う信
号補正回路７２と、この信号補正回路から出力されるビ
ート波の周波数を電圧に変換するＦ／Ｖ変換素子７３と
を備えている。図１３（Ａ）に示す構成は、アナログ回
路にて実現することができるため、測定対象物の振動の
異常等をリアルタイムで計測する用途に適している。
【００５８】図１３（Ｂ）はドップラ周波数Δfdの変化
を振動速度変化として出力する例を示す図である。図１
３（Ｂ）に示す例では、ドップラビート周波数fdbの変
化ではなく、変調ビート周波数成分fbを取り除いて、ド
ップラ周波数成分Δfdのみを要素とする周波数変化波形
を生成する。図１３（Ｂ）に示す例では、周波数変化波
形生成部２２Ａは、図１３（Ａ）に示す構成に加えて、
Ｆ／Ｖ変換素子７３から出力されるドップラビート周波
数fdbの変化波形から変調ビート周波数fb分を取り除く
演算回路７５を備えている。演算回路７５は、ドップラ
周波数の変化波形や、波長を掛けた速度変化波形や、速
度変化波形を積分した変位変化波形等を振動情報として
出力する。
を振動速度変化として出力する例を示す図である。図１
３（Ｂ）に示す例では、ドップラビート周波数fdbの変
化ではなく、変調ビート周波数成分fbを取り除いて、ド
ップラ周波数成分Δfdのみを要素とする周波数変化波形
を生成する。図１３（Ｂ）に示す例では、周波数変化波
形生成部２２Ａは、図１３（Ａ）に示す構成に加えて、
Ｆ／Ｖ変換素子７３から出力されるドップラビート周波
数fdbの変化波形から変調ビート周波数fb分を取り除く
演算回路７５を備えている。演算回路７５は、ドップラ
周波数の変化波形や、波長を掛けた速度変化波形や、速
度変化波形を積分した変位変化波形等を振動情報として
出力する。
【００５９】場合によっては、あらかじめ得られた電流
変調による変調ビート周波数を、増幅した信号（ビート
波）に掛け合わせ、そのエンベローブを測定することで
ドップラ周波数を算出しても良い。
変調による変調ビート周波数を、増幅した信号（ビート
波）に掛け合わせ、そのエンベローブを測定することで
ドップラ周波数を算出しても良い。
【００６０】図１４は、本発明の第２実施例での信号処
理手段の構成例を示すブロック図である。図１４及び図
１５に示す例では、デジタル信号処理により周波数変化
波形を出力する。具体的には、数値化されたビート波の
周期をビート波形データから時間的に求める。例えば、
ビート波を微分することで波形のピークを判定してピー
ク間の時間を観測して波形の周期を求める方法や、ビー
ト波そのものが任意の電圧を横切る区間を計測すること
で波形の周期を求めることができる。
理手段の構成例を示すブロック図である。図１４及び図
１５に示す例では、デジタル信号処理により周波数変化
波形を出力する。具体的には、数値化されたビート波の
周期をビート波形データから時間的に求める。例えば、
ビート波を微分することで波形のピークを判定してピー
ク間の時間を観測して波形の周期を求める方法や、ビー
ト波そのものが任意の電圧を横切る区間を計測すること
で波形の周期を求めることができる。
【００６１】ピーク間での周期計測は、中心電圧変動に
強い一方、ノイズの影響を受けやすい。ビート波が任意
の電圧を横切る区間を計測する例では、中心電圧変動に
は弱いが、比較的ノイズの影響を受けない。このため、
信号の状態によって各手法を選択することで波形の周期
を正確に算出することができる。
強い一方、ノイズの影響を受けやすい。ビート波が任意
の電圧を横切る区間を計測する例では、中心電圧変動に
は弱いが、比較的ノイズの影響を受けない。このため、
信号の状態によって各手法を選択することで波形の周期
を正確に算出することができる。
【００６２】ビート波の微分処理を行う例では、ノイズ
の影響をなくすため、予め波形を平均化したほうが良
い。波形のピークを求める方法は、平均化してノイズを
除去した信号を微分し、微分値がゼロラインを正から負
へ横切った点をピークとするようにしても良い。場合に
よっては、微分値がゼロラインを負から正へ横切った点
をピークとしてもよい。
の影響をなくすため、予め波形を平均化したほうが良
い。波形のピークを求める方法は、平均化してノイズを
除去した信号を微分し、微分値がゼロラインを正から負
へ横切った点をピークとするようにしても良い。場合に
よっては、微分値がゼロラインを負から正へ横切った点
をピークとしてもよい。
【００６３】ノイズ対策としては、微分値がゼロライン
を正から負へ横切った点の間隔が、予想しうるビート波
の波長よりも短かった場合、次の点までの間隔を累積し
て周期として計算する方法も有効である。また、微分値
がゼロラインを正から負へ横切ったときの傾きが、予想
しうる傾きよりも急峻だった場合にノイズと判定してこ
れを無視するようにしても良い。
を正から負へ横切った点の間隔が、予想しうるビート波
の波長よりも短かった場合、次の点までの間隔を累積し
て周期として計算する方法も有効である。また、微分値
がゼロラインを正から負へ横切ったときの傾きが、予想
しうる傾きよりも急峻だった場合にノイズと判定してこ
れを無視するようにしても良い。
【００６４】ビート波の周期を直接求める例では、信号
を大きく平均化するなどの手段で信号の中心電圧を求
め、その電圧ラインをビート波が正から負（又は、負か
ら正）へ横切った点の間隔を測定する。
を大きく平均化するなどの手段で信号の中心電圧を求
め、その電圧ラインをビート波が正から負（又は、負か
ら正）へ横切った点の間隔を測定する。
【００６５】ビート波を微分した微分ビート波を用いて
周波数変化波形を生成する例では、図１４に示すよう
に、周波数変化波形生成部２２Ａが、ビート波を微分す
る微分機能７７と、この微分機能７７によって微分され
た微分ビート波がゼロクロスする周期の変化を周波数変
化波形として算出するゼロクロス周期算出機能７８とを
備える。さらに、ゼロクロス周期算出機能７８によって
検出された周期の値の逆数を時系列で連続的なデータへ
整形する機能を備えると、周波数変化波形（測定対象物
の速度変化波形）を生成することができる。
周波数変化波形を生成する例では、図１４に示すよう
に、周波数変化波形生成部２２Ａが、ビート波を微分す
る微分機能７７と、この微分機能７７によって微分され
た微分ビート波がゼロクロスする周期の変化を周波数変
化波形として算出するゼロクロス周期算出機能７８とを
備える。さらに、ゼロクロス周期算出機能７８によって
検出された周期の値の逆数を時系列で連続的なデータへ
整形する機能を備えると、周波数変化波形（測定対象物
の速度変化波形）を生成することができる。
【００６６】図１５（Ａ）はビート波の周期を直接求め
る例を示す図で、図１５（Ｂ）は微分したビート波の周
期を求める例を示す図である。図１５（Ａ）に示す例で
は、ビート波が負から正へゼロクロスする位置を検出す
ることで周期Ｔを求めている。図１５（Ｂ）に示す例で
は、図１４に示した構成により、ビート波を微分してそ
の微分ビート波が負から正へゼロクロスする位置を検出
することで、ビート波のピークからピークまでの周期Ｔ
を求めている。
る例を示す図で、図１５（Ｂ）は微分したビート波の周
期を求める例を示す図である。図１５（Ａ）に示す例で
は、ビート波が負から正へゼロクロスする位置を検出す
ることで周期Ｔを求めている。図１５（Ｂ）に示す例で
は、図１４に示した構成により、ビート波を微分してそ
の微分ビート波が負から正へゼロクロスする位置を検出
することで、ビート波のピークからピークまでの周期Ｔ
を求めている。
【００６７】
【第３実施例】＜周波数スペクトル算出＞第３実施例で
は、ビート波を周波数分析する例を中心に説明する。図
１６は、本発明の第３実施例の構成例を示すブロック図
である。図１６に示す例では、信号処理手段２１が、ビ
ート波のノイズを除去する信号補正部７２と、ビート波
の周波数スペクトルを求めるフーリエ解析機能８１と、
このフーリエ解析機能８１によって生成された周波数ス
ペクトルのうちビート周波数を中心としたスペクトラム
幅に基づいて測定対象物の速度に応じたドップラ周波数
の最大値又は最小値を算出するドップラ周波数算出機能
８２とを備えている。
は、ビート波を周波数分析する例を中心に説明する。図
１６は、本発明の第３実施例の構成例を示すブロック図
である。図１６に示す例では、信号処理手段２１が、ビ
ート波のノイズを除去する信号補正部７２と、ビート波
の周波数スペクトルを求めるフーリエ解析機能８１と、
このフーリエ解析機能８１によって生成された周波数ス
ペクトルのうちビート周波数を中心としたスペクトラム
幅に基づいて測定対象物の速度に応じたドップラ周波数
の最大値又は最小値を算出するドップラ周波数算出機能
８２とを備えている。
【００６８】図１７は、第３実施例で使用するビート波
の周波数スペクトルの例を示すスペクトル図である。理
想的な状態におけるビート波の周波数分布は、電流変調
によって発生する変調ビート周波数fbを中心として、ド
ップラ周波数Δfd分シフトした形で観測される。従っ
て、信号をフーリエ解析した時のスペクトラム幅の中心
が駆動電流変調による変調ビート周波数fbであり、スペ
クトラム幅の最小周波数fdbminあるいは最大周波数fdb
maxから変調ビート周波数fbを差し引いた周波数の絶対
値が最小ドップラ周波数Δfdminまたは最大ドップラ周
波数Δfdmaxである。
の周波数スペクトルの例を示すスペクトル図である。理
想的な状態におけるビート波の周波数分布は、電流変調
によって発生する変調ビート周波数fbを中心として、ド
ップラ周波数Δfd分シフトした形で観測される。従っ
て、信号をフーリエ解析した時のスペクトラム幅の中心
が駆動電流変調による変調ビート周波数fbであり、スペ
クトラム幅の最小周波数fdbminあるいは最大周波数fdb
maxから変調ビート周波数fbを差し引いた周波数の絶対
値が最小ドップラ周波数Δfdminまたは最大ドップラ周
波数Δfdmaxである。
【００６９】このため、ＦＦＴなどの手法を用いてビー
ト波３をフーリエ解析することで、計測したビート波か
ら変調ビート周波数fbと最大ドップラ周波数Δfdmaxと
を特定することができる。最大ドップラ周波数Δfdmax
が判明すると、式（３）を用いて測定対象物の最大移動
速度を算出することができる。
ト波３をフーリエ解析することで、計測したビート波か
ら変調ビート周波数fbと最大ドップラ周波数Δfdmaxと
を特定することができる。最大ドップラ周波数Δfdmax
が判明すると、式（３）を用いて測定対象物の最大移動
速度を算出することができる。
【００７０】再度図１６を参照すると、信号処理手段
は、ビート波の観測周波数fdbと中心変調ビート周波数f
bとの差の絶対値を測定対象物の速度に応じたドップラ
周波数Δfdとして算出するドップラ周波数算出部８０
と、このドップラ周波数算出部８０によって算出された
ドップラ周波数Δfdに基づいて測定対象物の速度を算出
する移動速度算出部８３とを備えている。ドップラ周波
数算出部８０は、図１６に示す例ではＦＦＴを用いるこ
ととしているが、予め算出又は計測した変調ビート周波
数をビート波の観測周波数から取り除くことでドップラ
周波数を抽出するようにしても良い。
は、ビート波の観測周波数fdbと中心変調ビート周波数f
bとの差の絶対値を測定対象物の速度に応じたドップラ
周波数Δfdとして算出するドップラ周波数算出部８０
と、このドップラ周波数算出部８０によって算出された
ドップラ周波数Δfdに基づいて測定対象物の速度を算出
する移動速度算出部８３とを備えている。ドップラ周波
数算出部８０は、図１６に示す例ではＦＦＴを用いるこ
ととしているが、予め算出又は計測した変調ビート周波
数をビート波の観測周波数から取り除くことでドップラ
周波数を抽出するようにしても良い。
【００７１】
【第４実施例】＜複数共振器＞第４実施例では、複数の
レーザ共振器を用いることで、レーザ駆動電流波形に応
じて生じてしまう不定期間のビート波を用いずに連続し
た振動計測を可能とする。図１８は、本発明の第４実施
例の構成例を示すブロック図である。本実施形態による
振動計測装置は、レーザ光を発振すると共に当該発振し
た出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受
光時に発振した出射光とを自己混合させる複数のレーザ
共振器９０，９１と、これら複数のレーザ共振器９０，
９１をそれぞれ予め定められた波形及びそれぞれの位相
のレーザ駆動電流で駆動制御するレーザ駆動制御部９２
と、複数の共振器内に生じる出射光と戻り光の周波数差
を変調ビート周波数fbとして測定対象物の移動速度に応
じたドップラ周波数Δfdが重畳したビート波をそれぞれ
検出する信号処理手段９５とを備えている。
レーザ共振器を用いることで、レーザ駆動電流波形に応
じて生じてしまう不定期間のビート波を用いずに連続し
た振動計測を可能とする。図１８は、本発明の第４実施
例の構成例を示すブロック図である。本実施形態による
振動計測装置は、レーザ光を発振すると共に当該発振し
た出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受
光時に発振した出射光とを自己混合させる複数のレーザ
共振器９０，９１と、これら複数のレーザ共振器９０，
９１をそれぞれ予め定められた波形及びそれぞれの位相
のレーザ駆動電流で駆動制御するレーザ駆動制御部９２
と、複数の共振器内に生じる出射光と戻り光の周波数差
を変調ビート周波数fbとして測定対象物の移動速度に応
じたドップラ周波数Δfdが重畳したビート波をそれぞれ
検出する信号処理手段９５とを備えている。
【００７２】この信号処理手段９５は、複数の共振器９
０，９１でそれぞれ生じるビート波のうちレーザ駆動電
流の位相及び周期と関係して変調ビート周波数fdbが不
定となる不定期間３７となっていない共振器９０のビー
ト波を選択するビート波選択部９３と、このビート波選
択部９３によって選択されたビート波に基づいて測定対
象物の振動情報を生成する振動情報生成部９４とを備え
ている。
０，９１でそれぞれ生じるビート波のうちレーザ駆動電
流の位相及び周期と関係して変調ビート周波数fdbが不
定となる不定期間３７となっていない共振器９０のビー
ト波を選択するビート波選択部９３と、このビート波選
択部９３によって選択されたビート波に基づいて測定対
象物の振動情報を生成する振動情報生成部９４とを備え
ている。
【００７３】図１９は、第４実施例での２つのレーザ駆
動電流の位相関係を示す波形図である。レーザ駆動電流
波形の傾きが変わる部分、すなわち、駆動電流波形のピ
ークでは、電流変化がなくなるため、駆動電流変調によ
るビート波が発生しない。さらに、実際に三角波又は鋸
歯状波波形を生成する場合、波形のピークで瞬時に波形
の傾きを変えることは難しいため、ピークの前後で直線
性が失われて曲線に近くなる。このため、駆動電流波形
のピーク近辺では変調ビート周波数fbが生じないか、ま
たは不安定となる。このため、図１９に示すように、レ
ーザ駆動電流の位相をずらして測定を行うと、変調ビー
ト周波数fbの不定期間３７が重ならず、従って、両方の
変調ビート周波数安定期間のビート波を利用すること
で、連続した振動計測を安定して行うことができる。
動電流の位相関係を示す波形図である。レーザ駆動電流
波形の傾きが変わる部分、すなわち、駆動電流波形のピ
ークでは、電流変化がなくなるため、駆動電流変調によ
るビート波が発生しない。さらに、実際に三角波又は鋸
歯状波波形を生成する場合、波形のピークで瞬時に波形
の傾きを変えることは難しいため、ピークの前後で直線
性が失われて曲線に近くなる。このため、駆動電流波形
のピーク近辺では変調ビート周波数fbが生じないか、ま
たは不安定となる。このため、図１９に示すように、レ
ーザ駆動電流の位相をずらして測定を行うと、変調ビー
ト周波数fbの不定期間３７が重ならず、従って、両方の
変調ビート周波数安定期間のビート波を利用すること
で、連続した振動計測を安定して行うことができる。
【００７４】図２０は、第４実施例の詳細構成例を示す
ブロック図である。図２０に示す例では、符号９０で示
す第１のレーザＡと、符号９１で示す第２のレーザＢと
でそれぞれＦ／Ｖ変換を行い、セレクタ９３にてビート
波の不定期間３７を除くようにレーザＡ，Ｂを選択して
いる。具体的には、レーザＡ側では、ビート波のノイズ
を除去する信号補正回路７２Ａと、ノイズ除去されたビ
ート波の周期変化を電圧変化に変換するＦ／Ｖ変換素子
７３Ａと、このＦ／Ｖ変換素子７３Ａから出力される速
度変化波形の電圧値を規格化する電圧調整回路６５Ａと
を備えている。レーザＢ側も同様の構成となっており、
それぞれの電圧調整回路６５Ａ，Ｂにより速度変化波形
の振幅を同一へと整形している。
ブロック図である。図２０に示す例では、符号９０で示
す第１のレーザＡと、符号９１で示す第２のレーザＢと
でそれぞれＦ／Ｖ変換を行い、セレクタ９３にてビート
波の不定期間３７を除くようにレーザＡ，Ｂを選択して
いる。具体的には、レーザＡ側では、ビート波のノイズ
を除去する信号補正回路７２Ａと、ノイズ除去されたビ
ート波の周期変化を電圧変化に変換するＦ／Ｖ変換素子
７３Ａと、このＦ／Ｖ変換素子７３Ａから出力される速
度変化波形の電圧値を規格化する電圧調整回路６５Ａと
を備えている。レーザＢ側も同様の構成となっており、
それぞれの電圧調整回路６５Ａ，Ｂにより速度変化波形
の振幅を同一へと整形している。
【００７５】
【第５実施例】＜不定期間＞第５実施例では、レーザを
１つとしつつ、不定期間の波形を除去して間欠的に振動
を計測する。振動の最大速度の監視を行うような場合に
有用である。図２１は、本発明の第５実施例の構成例を
示すブロック図である。図２１に示す例では、信号処理
手段２１が、ビート波のうちレーザ駆動電流の位相及び
周期と関係して変調ビート周波数が不定となる不定期間
の不定ビート波を除去する不定期間補正部９５と、この
不定期間補正部９５で補正されたビート波に基づいて測
定対象物の振動情報を生成する振動情報生成部９４とを
備えている。不定期間補正部９５は、レーザ駆動電流波
形の周期及び位相に応じて不定期間とされているビート
波を補正する。例えば、ビート波の値を「０」や、十分
に低い周期の波形と置き換える。ビート波の値を「０」
とすることで、振動情報生成部９４の構成を変更するこ
となく、不定期間でのビート波の変動を除去することが
できる。
１つとしつつ、不定期間の波形を除去して間欠的に振動
を計測する。振動の最大速度の監視を行うような場合に
有用である。図２１は、本発明の第５実施例の構成例を
示すブロック図である。図２１に示す例では、信号処理
手段２１が、ビート波のうちレーザ駆動電流の位相及び
周期と関係して変調ビート周波数が不定となる不定期間
の不定ビート波を除去する不定期間補正部９５と、この
不定期間補正部９５で補正されたビート波に基づいて測
定対象物の振動情報を生成する振動情報生成部９４とを
備えている。不定期間補正部９５は、レーザ駆動電流波
形の周期及び位相に応じて不定期間とされているビート
波を補正する。例えば、ビート波の値を「０」や、十分
に低い周期の波形と置き換える。ビート波の値を「０」
とすることで、振動情報生成部９４の構成を変更するこ
となく、不定期間でのビート波の変動を除去することが
できる。
【００７６】図２２は、第５実施例での安定期間内のビ
ート波の一例を示す波形図であり、図２２（Ａ）は測定
対象物が停止している場合のビート波を示す図で、図２
２（Ｂ）は測定対象物が振動している場合のビート波の
例を示す図である。図２２に示すビート波を連続させる
と、第４実施例等他の実施例で扱うビート波と同様とな
る。図２２（Ａ）に示す例では、ビート波の振幅が若干
変動しているものの、周期は略一定であり、この周期に
応じた周波数が変調ビート周波数fdbである。図２２
（Ｂ）に示す例では、この変調ビート周波数がドップラ
周波数Δfdで変調されている。長い周期から除々に周期
が短くなり、続いて周期が長くなっている。この周波数
変化が測定対象物のドップラ周波数成分である。廉価な
部品を用いても、変調ビート周波数としてメガヘルツオ
ーダーの高周波数を実現できるため、測定対象物の振動
変位や祖速度計測の分解能が大幅に向上する。
ート波の一例を示す波形図であり、図２２（Ａ）は測定
対象物が停止している場合のビート波を示す図で、図２
２（Ｂ）は測定対象物が振動している場合のビート波の
例を示す図である。図２２に示すビート波を連続させる
と、第４実施例等他の実施例で扱うビート波と同様とな
る。図２２（Ａ）に示す例では、ビート波の振幅が若干
変動しているものの、周期は略一定であり、この周期に
応じた周波数が変調ビート周波数fdbである。図２２
（Ｂ）に示す例では、この変調ビート周波数がドップラ
周波数Δfdで変調されている。長い周期から除々に周期
が短くなり、続いて周期が長くなっている。この周波数
変化が測定対象物のドップラ周波数成分である。廉価な
部品を用いても、変調ビート周波数としてメガヘルツオ
ーダーの高周波数を実現できるため、測定対象物の振動
変位や祖速度計測の分解能が大幅に向上する。
【００７７】
【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、変調ビート周波数生成制御手段
が、測定対象物の速度に応じて戻り光に重畳するドップ
ラ周波数Δfdと比較して高い周波数の変調ビート周波数
fbをビート波に含ませるため、測定対象物が静止してい
る状態でも変調ビート周波数fbのビート波を生じさせる
ことができ、そして、測定対象物のドップラ周波数Δfd
が、変調ビート周波数fbとの和としてビート波に重畳す
るため、変調ビート周波数を一定とする場合にはビート
波の観測周波数（ドップラビート周波数fdb）の変化が
ドップラ周波数Δfdの変化を表し、従って、ビート波の
観測によるドップラビート周波数fdbの変化波形を速度
変化波形として扱うことができ、さらに、ビート波の数
だけドップラ周波数Δfdを計測することができるため、
変調ビート周波数fbを高く設定することで振動計測の分
解能を向上させることができ、特に、従前の発振周波数
の半分の長さ（λ／２）を単位とする変位量や速度の算
出と比較して大幅に解像度を向上させることができ、従
って、従来安定した測定が困難であった微少周期の振動
や変位量の微少な変化を精度良く計測することができ、
一方、λ／２の長さと比較して変位量が大きく測定対象
物の振動周期に対して多すぎるビート波が生じていた場
合に対しては、変調ビート周波数fbを低く設定すること
により測定対象物の振動周期に対するビート波の数を調
整することができ、このように、変調ビート周波数fbを
可変とすることで計測精度の向上とデータ量の削減を必
要な範囲で調整することができ、さらに、測定対象物が
静止している状態でも変調ビート周波数のビート波が生
じることから、測定対象物が、複数の振動周期が重畳し
た複雑な振動をしている場合であっても移動方向の折り
返しや速度をビート波の観測周波数（ドップラビート周
波数）の変化から計測することができ、また、測定対象
物が静止してもビート波が崩れないため、振動の減衰の
状態を良好に計測することができ、このようにレーザ発
振波長に依存せずに高精度に測定対象物の振動状態を計
測することができる、という従来にない優れた振動計測
装置及び方法を提供することができる。
ので、これによると、変調ビート周波数生成制御手段
が、測定対象物の速度に応じて戻り光に重畳するドップ
ラ周波数Δfdと比較して高い周波数の変調ビート周波数
fbをビート波に含ませるため、測定対象物が静止してい
る状態でも変調ビート周波数fbのビート波を生じさせる
ことができ、そして、測定対象物のドップラ周波数Δfd
が、変調ビート周波数fbとの和としてビート波に重畳す
るため、変調ビート周波数を一定とする場合にはビート
波の観測周波数（ドップラビート周波数fdb）の変化が
ドップラ周波数Δfdの変化を表し、従って、ビート波の
観測によるドップラビート周波数fdbの変化波形を速度
変化波形として扱うことができ、さらに、ビート波の数
だけドップラ周波数Δfdを計測することができるため、
変調ビート周波数fbを高く設定することで振動計測の分
解能を向上させることができ、特に、従前の発振周波数
の半分の長さ（λ／２）を単位とする変位量や速度の算
出と比較して大幅に解像度を向上させることができ、従
って、従来安定した測定が困難であった微少周期の振動
や変位量の微少な変化を精度良く計測することができ、
一方、λ／２の長さと比較して変位量が大きく測定対象
物の振動周期に対して多すぎるビート波が生じていた場
合に対しては、変調ビート周波数fbを低く設定すること
により測定対象物の振動周期に対するビート波の数を調
整することができ、このように、変調ビート周波数fbを
可変とすることで計測精度の向上とデータ量の削減を必
要な範囲で調整することができ、さらに、測定対象物が
静止している状態でも変調ビート周波数のビート波が生
じることから、測定対象物が、複数の振動周期が重畳し
た複雑な振動をしている場合であっても移動方向の折り
返しや速度をビート波の観測周波数（ドップラビート周
波数）の変化から計測することができ、また、測定対象
物が静止してもビート波が崩れないため、振動の減衰の
状態を良好に計測することができ、このようにレーザ発
振波長に依存せずに高精度に測定対象物の振動状態を計
測することができる、という従来にない優れた振動計測
装置及び方法を提供することができる。
【図１】本発明の一実施形態の構成を示すブロック図で
ある。
ある。
【図２】図１に示した構成のレーザ部の詳細構成を示す
説明図である。
説明図である。
【図３】図１に示した構成を使用して振動情報を生成す
る工程例を示すフローチャートである。
る工程例を示すフローチャートである。
【図４】本実施形態の動作原理を説明するための波形図
であり、図４（Ａ）は振動変位波形の一例を示す図で、
図４（Ｂ）はドップラ周波数変化波形（速度変化波形）
の一例を示す図で、図４（Ｃ）は出射光と戻り光の位相
差を例示する図で、図４（Ｄ）は図４（Ｃ）に示す位相
差に応じて生じたレーザ光の周波数差を変調ビート周波
数とするビート波の一例を示す図で、図４（Ｅ）は測定
対象物が停止している場合のビート波の周波数を例示す
る図である。
であり、図４（Ａ）は振動変位波形の一例を示す図で、
図４（Ｂ）はドップラ周波数変化波形（速度変化波形）
の一例を示す図で、図４（Ｃ）は出射光と戻り光の位相
差を例示する図で、図４（Ｄ）は図４（Ｃ）に示す位相
差に応じて生じたレーザ光の周波数差を変調ビート周波
数とするビート波の一例を示す図で、図４（Ｅ）は測定
対象物が停止している場合のビート波の周波数を例示す
る図である。
【図５】図１に示す構成での各種周波数を例示する説明
図である。
図である。
【図６】本実施形態での光路長設定手段の構成例を示す
説明図であり、図６（Ａ）は光路長設定手段として複数
のミラーを用いる例を示す図で、図６（Ｂ）は光路長設
定手段として光ファイバを用いた例を示す図である。
説明図であり、図６（Ａ）は光路長設定手段として複数
のミラーを用いる例を示す図で、図６（Ｂ）は光路長設
定手段として光ファイバを用いた例を示す図である。
【図７】本実施形態による振動計測例を示す波形図であ
り、図７（Ａ）は振動変位波形の一例を示す図で、図７
（Ｂ）はこの場合のビート波の波形例を示す図で、図７
（Ｃ）はこのビート波をＦＶ変換した周波数変化波形
（速度変化波形）の一例を示す図である。
り、図７（Ａ）は振動変位波形の一例を示す図で、図７
（Ｂ）はこの場合のビート波の波形例を示す図で、図７
（Ｃ）はこのビート波をＦＶ変換した周波数変化波形
（速度変化波形）の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施例の概略構成例を示すブロック図
である。
である。
【図９】第１実施例による駆動電流波形の一例を示す波
形図であり、図９（Ａ）はレーザ駆動電流を三角波とし
た場合の例を示す図で、図９（Ｂ）は鋸歯状波とした例
を示す図で、図９（Ｃ）は三角波を選択的に処理する例
を示す図である。
形図であり、図９（Ａ）はレーザ駆動電流を三角波とし
た場合の例を示す図で、図９（Ｂ）は鋸歯状波とした例
を示す図で、図９（Ｃ）は三角波を選択的に処理する例
を示す図である。
【図１０】本実施例での振動情報生成部の構成の一例を
示すブロック図である。
示すブロック図である。
【図１１】本実施例での任意波形除去回路の構成例を示
すブロック図であり、図１１（Ａ）は概略構成を示す図
で、図１１（Ｂ）はレーザ駆動電圧に基づいてビート波
から三角波成分を除去する構成例を示す図である。
すブロック図であり、図１１（Ａ）は概略構成を示す図
で、図１１（Ｂ）はレーザ駆動電圧に基づいてビート波
から三角波成分を除去する構成例を示す図である。
【図１２】本実施例での任意波形除去回路の他の例を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図１３】本実施例でのビート波から振動速度波形を生
成する構成例を示すブロック図であり、図１３（Ａ）は
ドップラビート周波数の変化を振動速度変化として出力
する構成例を示す図で、図１３（Ｂ）はドップラ周波数
の変化を振動速度変化として出力する例を示す図であ
る。
成する構成例を示すブロック図であり、図１３（Ａ）は
ドップラビート周波数の変化を振動速度変化として出力
する構成例を示す図で、図１３（Ｂ）はドップラ周波数
の変化を振動速度変化として出力する例を示す図であ
る。
【図１４】本発明の第２実施例での信号処理手段の構成
例を示すブロック図である。
例を示すブロック図である。
【図１５】第２実施例での処理を説明するための波形図
であり、図１５（Ａ）はビート波の周期を直接求める例
を示す図で、図１５（Ｂ）は微分したビート波の周期を
求める例を示す図である。
であり、図１５（Ａ）はビート波の周期を直接求める例
を示す図で、図１５（Ｂ）は微分したビート波の周期を
求める例を示す図である。
【図１６】本発明の第３実施例の構成例を示すブロック
図である。
図である。
【図１７】第３実施例で使用するビート波の周波数スペ
クトルの例を示すスペクトル図である。
クトルの例を示すスペクトル図である。
【図１８】本発明の第４実施例の構成例を示すブロック
図である。
図である。
【図１９】第４実施例での２つのレーザ駆動電流の位相
関係を示す波形図である。
関係を示す波形図である。
【図２０】第４実施例の詳細構成例を示すブロック図で
ある。
ある。
【図２１】本発明の第５実施例の構成例を示すブロック
図である。
図である。
【図２２】第５実施例での安定期間内のビート波の一例
を示す波形図であり、図２２（Ａ）は測定対象物が停止
している場合のビート波を示す図で、図２２（Ｂ）は測
定対象物が振動している場合のビート波の例を示す図で
ある。
を示す波形図であり、図２２（Ａ）は測定対象物が停止
している場合のビート波を示す図で、図２２（Ｂ）は測
定対象物が振動している場合のビート波の例を示す図で
ある。
８ 変調ビート周波数生成制御手段 １０ 測定対象物 １２ レーザ部 １４ レーザダイオード（ＬＤ） ２０ フォトダイオード（ＰＤ） ２１ 信号処理手段 ２２ 振動情報生成部 ２２Ａ 周波数変化波形生成部（又は、振動速度波形生
成部） ２２Ｂ 期間別信号処理部 ２４ レーザ駆動制御部 ２６ 鋸歯状波生成機能 ２８ 三角波生成機能
成部） ２２Ｂ 期間別信号処理部 ２４ レーザ駆動制御部 ２６ 鋸歯状波生成機能 ２８ 三角波生成機能
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G064 AA13 AA15 AB01 BA12 BC05 CC41 CC42 5J084 AA07 AB01 AB17 AD04 BA04 BA36 BA43 BA44 BA45 BA47 BB21 BB31 CA04 CA08 CA17 CA26 CA33 CA43 CA80 DA01 DA07 DA08 EA04 EA07 FA03
Claims (15)
- 【請求項１】 レーザ光を発振すると共に当該発振した
出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受光
時に発振した出射光とを自己混合させることでビート波
を生成するレーザ共振器と、前記測定対象物の速度に応
じて前記戻り光に重畳するドップラ周波数と比較して高
い周波数の変調ビート周波数を前記ビート波に生じさせ
る変調ビート周波数生成制御手段と、前記レーザ共振器
内の自己混合により生じたビート波を信号処理すると共
に処理結果を振動情報として出力する信号処理手段とを
備え、 前記信号処理手段は、前記ビート波の周波数変化を前記
変調ビート周波数を中心とした前記ドップラ周波数によ
る周波数変化として当該ビート波から振動情報を生成す
る振動情報生成部を備えたことを特徴とする振動計測装
置。 - 【請求項２】 前記変調ビート周波数生成制御手段が、
前記レーザ共振器を予め定められた波形及び周期のレー
ザ駆動電流で駆動制御するレーザ駆動制御部を備えたこ
とを特徴とする請求項１記載の振動計測装置。 - 【請求項３】 前記レーザ駆動制御部は、前記測定対象
物までの光路長と測定する振動の最高周波数に応じた周
期で且つ鋸歯状の波形を有するレーザ駆動電流を生成す
る鋸歯状波生成機能を備えたことを特徴とする請求項２
記載の振動計測装置。 - 【請求項４】 前記レーザ駆動制御部は、前記測定対象
物までの光路長と測定する振動の最高周波数に応じた周
期で且つ三角状の波形を有するレーザ駆動電流を生成す
る三角波生成機能を備えたことを特徴とする請求項２記
載の振動計測装置。 - 【請求項５】 前記光路長を予め定められた長さに設定
する光路長設定手段を備えたことを特徴とする請求項３
又は４記載の振動計測装置。 - 【請求項６】 レーザ光を発振すると共に当該発振した
出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受光
時に発振した出射光とを自己混合させるレーザ共振器
と、このレーザ共振器を予め定められた波形及び周期の
レーザ駆動電流で駆動制御するレーザ駆動制御部と、前
記レーザ駆動電流の時間変化による前記レーザ光の発振
周波数の変化と前記出射光の出射から前記戻り光の受光
までの出射光往復時間とに応じて前記共振器内に生じる
出射光と戻り光の周波数差を変調ビート周波数とするビ
ート波を検出する信号処理手段とを備え、 前記信号処理手段が、前記ビート波に基づいて、前記変
調ビート周波数に重畳する前記測定対象物の速度に応じ
たドップラ周波数の変化を周波数変化波形として生成す
る周波数変化波形生成部を備えたことを特徴とする振動
計測装置。 - 【請求項７】 前記信号処理手段が、前記レーザ駆動電
流の波形が三角波である場合には当該三角波の立ち上が
り期間と立ち下がり期間とに分けて前記ビート波からド
ップラ周波数を抽出する期間別信号処理部を備えたこと
を特徴とする請求項６記載の振動計測装置。 - 【請求項８】 前記信号処理手段が、前記ビート波から
前記レーザ駆動電流の波形に応じた光強度変化成分を除
去する駆動電流成分除去部を備えたことを特徴とする請
求項６記載の振動計測装置。 - 【請求項９】 前記周波数変化波形生成部が、前記ビー
ト波を微分する微分機能と、この微分機能によって微分
された微分ビート波がゼロクロスする周期の変化を前記
周波数変化波形として算出するピーク間周期算出機能と
を備えたことを特徴とする請求項６記載の振動計測装
置。 - 【請求項１０】 レーザ光を発振すると共に当該発振し
た出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受
光時に発振した出射光とを自己混合させるレーザ共振器
と、このレーザ共振器を予め定められた波形及び周期の
レーザ駆動電流で駆動制御するレーザ駆動制御部と、前
記レーザ駆動電流の時間変化による前記レーザ光の発振
周波数の変化と前記出射光の出射から前記戻り光の受光
までの出射光往復時間とに応じて前記共振器内に生じる
出射光と戻り光の周波数差を変調ビート周波数とするビ
ート波を検出する信号処理手段とを備え、 前記信号処理手段が、前記ビート波の周波数スペクトル
を求めるフーリエ解析機能と、このフーリエ解析機能に
よって生成された周波数スペクトルのうち前記変調ビー
ト周波数を中心としたスペクトラム幅に基づいて前記測
定対象物の速度に応じたドップラ周波数の最大値又は最
小値を算出するドップラ周波数算出機能とを備えたこと
を特徴とする振動計測装置。 - 【請求項１１】 レーザ光を発振すると共に当該発振し
た出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受
光時に発振した出射光とを自己混合させるレーザ共振器
と、このレーザ共振器を予め定められた波形及び周期の
レーザ駆動電流で駆動制御するレーザ駆動制御部と、前
記レーザ駆動電流の時間変化による前記レーザ光の発振
周波数の変化と前記出射光の出射から前記戻り光の受光
までの出射光往復時間とに応じて前記共振器内に生じる
出射光と戻り光との周波数差を変調ビート周波数とする
ビート波を検出する信号処理手段とを備え、 前記信号処理手段が、前記ビート波の周波数と前記変調
ビート周波数との差を前記測定対象物の速度に応じたド
ップラ周波数として算出するドップラ周波数算出部と、
このドップラ周波数算出部によって算出されたドップラ
周波数に基づいて前記測定対象物の速度を算出する移動
速度算出部とを備えたことを特徴とする振動計測装置。 - 【請求項１２】 レーザ光を発振すると共に当該発振し
た出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受
光時に発振した出射光とを自己混合させる複数のレーザ
共振器と、これら複数のレーザ共振器をそれぞれ予め定
められた波形及びそれぞれの位相のレーザ駆動電流で駆
動制御するレーザ駆動制御部と、前記複数の共振器内に
生じる出射光と戻り光の周波数差を変調ビート周波数と
して前記測定対象物の移動速度に応じたドップラ周波数
が重畳したビート波をそれぞれ検出する信号処理手段と
を備え、 前記信号処理手段が、前記複数の共振器でそれぞれ生じ
るビート波のうち前記レーザ駆動電流の位相及び周期と
関係して変調ビート周波数が不定となる不定期間となっ
ていない共振器のビート波を選択するビート波選択部
と、このビート波選択部によって選択されたビート波に
基づいて前記測定対象物の振動情報を生成する振動情報
生成部とを備えたことを特徴とする振動計測装置。 - 【請求項１３】 レーザ光を発振すると共に当該発振し
た出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受
光時に発振した出射光とを自己混合させるレーザ共振器
と、このレーザ共振器を予め定められた波形及び周期の
レーザ駆動電流で駆動制御するレーザ駆動制御部と、前
記共振器内に生じる出射光と戻り光の周波数差を変調ビ
ート周波数として前記測定対象物の移動速度に応じたド
ップラ周波数が重畳したビート波を検出する信号処理手
段とを備え、 前記信号処理手段が、前記ビート波のうち前記レーザ駆
動電流の位相及び周期と関係して変調ビート周波数が不
定となる不定期間の不定ビート波を除去する不定期間補
正部と、この不定期間補正部で補正されたビート波に基
づいて前記測定対象物の振動情報を生成する振動情報生
成部とを備えたことを特徴とする振動計測装置。 - 【請求項１４】 レーザ共振器を使用して測定対象物に
レーザ光を出射するレーザ光出射工程と、このレーザ光
出射工程にて出射され所定の光路長を介して前記測定対
象物にて錯乱反射した戻り光の一部を受光する戻り光受
光工程と、この戻り光受光工程にて受光した戻り光と当
該戻り光受光時の出射光との周波数差である変調ビート
周波数と、前記測定対象物の移動速度に応じたドップラ
周波数とを含んだドップラビート周波数を有するビート
波を検出するビート波検出工程とを備えると共に、 このビート波検出工程に続いて、前記変調ビート周波数
と前記ドップラビート周波数との差に基づいて前記測定
対象物の振動情報を生成する振動情報生成工程とを備え
たことを特徴とする振動計測方法。 - 【請求項１５】 前記レーザ光出射工程に前後して、予
め定められた目標変調ビート周波数と前記光路長とに応
じて前記レーザ共振器への駆動電流の波形及び周期を設
定する駆動電流波形設定工程を備えたことを特徴とする
請求項１４記載の振動計測方法。
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