JP2009068841A - Vibration displacement measuring device for micro mechanical-electric structure (mems) - Google Patents

Vibration displacement measuring device for micro mechanical-electric structure (mems) Download PDF

Info

Publication number
JP2009068841A
JP2009068841A JP2007234205A JP2007234205A JP2009068841A JP 2009068841 A JP2009068841 A JP 2009068841A JP 2007234205 A JP2007234205 A JP 2007234205A JP 2007234205 A JP2007234205 A JP 2007234205A JP 2009068841 A JP2009068841 A JP 2009068841A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
vibration
signal
optical
displacement measuring
measuring device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2007234205A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Teppei Konuki
哲平 小貫
Hiroki Kuwano
博喜 桑野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tohoku University NUC
Original Assignee
Tohoku University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tohoku University NUC filed Critical Tohoku University NUC
Priority to JP2007234205A priority Critical patent/JP2009068841A/en
Publication of JP2009068841A publication Critical patent/JP2009068841A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration displacement measuring device suitable for being used in development or maintenance management of a vibration type power generation device constituted of micro mechanical-electric structure. <P>SOLUTION: This device has as components, a probe part 1 by an optical fiber cable using a multimode fiber wherein a condensing function such as a lens is added to the tip, a visco-elastic material is used for vibration buffer, and the maximum group delay difference is below 1 nanosecond/meter; a light source part 2 by a laser light source 2-1 oscillating continuously; a photoelectric conversion part 3 by a photodiode; an optical circulator 10 for transferring an optical interference beat signal; a signal collection part 4 for converting an interference beat signal including a power generation voltage or power generation current value and vibration displacement information into a digital signal; an analysis part 5 by a computer, and a storage part 6. In the device, the principle of an optical homodyne interferometer is used for instantaneous displacement detection of vibration. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、環境に漂う振動ノイズが持つ機械的振動エネルギーを電気的エネルギーに変換して電力として活用する振動型発電装置の設計開発、検査及び保守管理に用いられる振動変位計測装置に関する。   The present invention relates to a vibration displacement measuring apparatus used for design development, inspection, and maintenance management of a vibration power generation apparatus that converts mechanical vibration energy of vibration noise drifting in the environment into electric energy and uses it as electric power.

小型で省電力なセンサー群からなる無線センサーネットワークの各ノードの動力源などとして、振動型発電装置の研究開発が進んでいる(例えば、非特許文献1参照)。公知技術となっている振動型発電装置は、外部環境から振動ノイズを集めて機械的エネルギーを得る振動子と、機械-電気結合素子による電気エネルギー変換器、及び整流・蓄電などの電気回路から構成されている。   As a power source for each node of a wireless sensor network composed of a small and power-saving sensor group, research and development of a vibration power generation apparatus is progressing (for example, see Non-Patent Document 1). A known vibration type power generator is composed of a vibrator that collects vibration noise from the external environment and obtains mechanical energy, an electrical energy converter using a mechanical-electrical coupling element, and an electrical circuit such as rectification and storage. Has been.

電気エネルギー変換器には、コイルと磁石とを用いた電磁誘導効果、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電性材料を用いた圧電効果、あるいはエレクトレット材料を用いた静電誘導効果を用いた機械-電気結合素子が用いられている。   The electrical energy converter uses an electromagnetic induction effect using a coil and a magnet, a piezoelectric effect using a piezoelectric material such as lead zirconate titanate, or a mechanical-electrical device using an electrostatic induction effect using an electret material. A coupling element is used.

エネルギー源となる振動源は、人体や樹木などの生命体や、建造物、乗り物や運搬機器、あるいは空気や水を媒体とした音響振動が持つ機械的振動が挙げられる。   Examples of the vibration source serving as an energy source include a living body such as a human body and a tree, a building, a vehicle, a transport device, or a mechanical vibration of an acoustic vibration using air or water as a medium.

この電力生成の物理的機構として、素子外部の環境中振動と振動子の振動応答との間で機械的エネルギーが移動し、次いで振動子が持つ機械的エネルギーが機械-電気結合素子によって電気的エネルギーに変換され、整流・蓄電等の変換過程を経る事によって利用可能な電力が産み出される。   As a physical mechanism of this power generation, mechanical energy moves between the environmental vibration outside the element and the vibration response of the vibrator, and then the mechanical energy of the vibrator is converted into electrical energy by the mechanical-electric coupling element. After being converted to, and through a conversion process such as rectification and storage, usable electric power is produced.

振動型発電装置の普及・適用範囲拡大のためには、公知・公用技術以上の高効率・高密度な電力生成能力の達成が求められている。そのため、前述のエネルギー変換の物理的機構から、環境中振動と振動子との間の機械的エネルギー結合効率の向上、および、機械-電気結合素子における振動子の機械的振動から電気的エネルギーへの変換効率の向上が根本的な課題である。なお、この振動子は単なる機械的振動子ではなく、機械的及び電気的な作用を持つ振動子であるため、本発明では特別に機械-電気振動子(略称、「ME振動子」)と呼称する。   In order to disseminate and expand the application range of vibration power generators, it is required to achieve high-efficiency and high-density power generation capability that is better than known and public technologies. Therefore, from the above-mentioned physical mechanism of energy conversion, the mechanical energy coupling efficiency between the vibration in the environment and the vibrator is improved, and the mechanical vibration of the vibrator in the mechanical-electric coupling element is changed to electric energy. Improvement of conversion efficiency is a fundamental issue. In addition, since this vibrator is not a mere mechanical vibrator but a vibrator having a mechanical and electrical action, in the present invention, it is specifically called a mechanical-electric vibrator (abbreviated as “ME vibrator”). To do.

環境中の振動ノイズは、振動源や振動波散乱源及び振動伝達媒体が時空間中で不変ではない為に、そのパワー密度スペクトルを見ると、一般に広範な分布を持っており、その各調和振動成分の位相も一定に定まっていない、ランダムな特性を持っている。そのような環境中の機械的振動とME振動子とを強く結合させる為には、ME振動子の固有振動数から離れた非共鳴帯域の振動成分とも相関を持たせるように非線形的な応答機構を加えたり、時々刻々変化する環境振動の変位を測定して、ME振動子の振動応答をそれに適応させる動的制御機構の付加、あるいは連成振動を用いてカバーされる振動数範囲を広げる、などが必要である。そのような機構が付加されたME振動子の振動応答は、環境振動と同様にランダムな非調和的振動応答を示すことになる。   Vibration noise in the environment generally has a wide distribution when looking at its power density spectrum because the vibration source, vibration wave scattering source and vibration transmission medium are not invariant in space and time. The phase of the component is not fixed and has random characteristics. In order to strongly couple the mechanical vibration in such an environment with the ME vibrator, a non-linear response mechanism so as to correlate with the vibration component in the non-resonant band away from the natural frequency of the ME vibrator. Add a dynamic control mechanism that adapts the vibration response of the ME vibrator or adapts the vibration response of the ME vibrator to it, or expands the frequency range covered using coupled vibration, Etc. are necessary. The vibration response of the ME vibrator to which such a mechanism is added will show a random anharmonic vibration response in the same manner as the environmental vibration.

携帯性や経済性から、振動型発電装置は小型軽量であることが求められ、それに伴いME振動子の寸法も、数cmから数mmあるいはそれ以下の寸法となる。また、通常、前述の環境中振動源のうち、電気的伝送損失を考慮して、実用上振幅が凡そ数mmから数10nm、振動数が凡そ1Hzから100kHzの間の振動をエネルギー源として用いる(例えば、非特許文献2参照)。ME振動子の機械的振動振幅も、その環境振動と同程度、あるいは電気エネルギーへの変換で機械的エネルギーが減少するため、環境振動より小さな振幅の振動応答を示す。   From the viewpoint of portability and economy, the vibration power generation apparatus is required to be small and light, and accordingly, the size of the ME vibrator is several cm to several mm or less. Further, among the above-mentioned environmental vibration sources, in consideration of electrical transmission loss, vibrations having an amplitude of about several millimeters to several tens of nm and a frequency of about 1 Hz to 100 kHz are used as energy sources in practice. For example, refer nonpatent literature 2). The mechanical vibration amplitude of the ME vibrator also exhibits a vibration response having an amplitude smaller than that of the environmental vibration because the mechanical energy is reduced to the same degree as that of the environmental vibration or due to conversion to electric energy.

このようなME振動子の動作を計測するため、測定部位の識別の為100μm以下の空間分解能を持ち、振動数が凡そ10Hzから100kHz、変位振幅が凡そ100nmから100μmの範囲の振動を計測できる振動変位計が要求される。   In order to measure the operation of such an ME vibrator, a vibration having a spatial resolution of 100 μm or less for identifying a measurement site, and capable of measuring vibrations having a frequency of about 10 Hz to 100 kHz and a displacement amplitude of about 100 nm to 100 μm. A displacement meter is required.

また、ME振動子は、外環境からの保護や空洞の共鳴効果による機械的インピダンス整合を高める目的のために、容器中に収められて用いられる。容器から取り出されたME振動子や、実働箇所から移された振動型発電装置の発電・振動応答特性は、実働条件と異なってしまうため、発電・振動応答特性をその場で測定できる低侵襲性を持つ振動変位計測装置が要求されている。   In addition, the ME vibrator is housed in a container for the purpose of enhancing the mechanical impedance matching due to the protection from the external environment and the resonance effect of the cavity. The power generation / vibration response characteristics of ME vibrators taken out of containers and vibration-type power generators moved from actual working locations differ from actual operating conditions. There is a demand for a vibration displacement measuring device having

また、前述のような容器内のME振動子の測定となる条件下でも、測定装置が周囲の振動に影響されないように振動を絶縁して設置できる設置方法も要求されている。   There is also a need for an installation method in which the measurement apparatus can be installed with the vibrations insulated so as not to be affected by the surrounding vibrations even under the conditions for measuring the ME vibrator in the container as described above.

また、実働下にある振動型発電装置の保守管理のために、装置設置や測定データ解析などで、なるべく少ない労力で測定ができる振動変位計測器が要求されている。   In addition, in order to maintain and manage a vibration power generator in actual operation, there is a demand for a vibration displacement measuring instrument that can perform measurement with as little effort as possible by installing the apparatus and analyzing measurement data.

光学的な方法による変位計測法は、機械的・電気的な作用を与える事が無いため、振動型発電装置の計測に適している。光学的な変位計測法には、三角測量方式、光ファイバー束を用いた反射光強度変化を測定する方式、そして光干渉計測の3方式が挙げられる。その中で、光干渉計測の方式で光ファイバープローブを用いた装置では、前述の各方式が抱える技術的問題の回避が可能であり、後述の理由から実働環境下での振動型発電装置の測定に最も適している。   The displacement measurement method using an optical method is suitable for measurement of a vibration power generator because it does not give mechanical or electrical action. The optical displacement measurement method includes a triangulation method, a method of measuring a change in reflected light intensity using an optical fiber bundle, and an optical interference measurement method. Among them, the optical interferometry method using an optical fiber probe can avoid the technical problems of the above-mentioned methods, and it can be used for measurement of vibration power generators in a working environment for the reasons described later. Most suitable.

光干渉計では、干渉ビート信号の位相に振動変位の情報を搬送させるため、外乱による信号光の強度変動に影響されない。また、周波数が異なる信号成分(一般にノイズ)の影響を受けない。測定に用いた光線の波長を尺度基準とした変位量の絶対的計測が出来るため、校正を不要として、測定毎の値のばらつきもなくす事が出来る。   In the optical interferometer, since the information on the vibration displacement is conveyed to the phase of the interference beat signal, it is not affected by fluctuations in the intensity of the signal light due to disturbance. Further, it is not affected by signal components (generally noise) having different frequencies. Since the absolute amount of displacement can be measured based on the wavelength of the light beam used for the measurement, calibration is not required, and variations in values for each measurement can be eliminated.

光干渉計の公知例としては、光ホモダイン検波の方式(例えば、特許文献1参照)や、光ヘテロダイン検波の方法(例えば、特許文献2参照)が挙げられる。一般に光ホモダイン検波の方法では、少ない部品構成で簡単な光学部品の配置を用いる事ができ、干渉ビート信号からの変位値の導出も簡単である利点を持つが、変位の方向を判別できないという欠点を持つ。光ヘテロダイン検波の方法では、変位の方向も含めて導出が可能である利点はあるものの、光源に高い周波数安定性が求められ、更に光変調器を付加する必要があるため高価であり、複雑な光学構成や複雑な復調のための演算を用いる必要がある欠点を持つ。   Known examples of optical interferometers include optical homodyne detection methods (see, for example, Patent Document 1) and optical heterodyne detection methods (see, for example, Patent Document 2). In general, the optical homodyne detection method has the advantage that a simple arrangement of optical components can be used with a small number of components, and that the displacement value can be easily derived from the interference beat signal, but the displacement direction cannot be determined. have. Although the optical heterodyne detection method has the advantage that it can be derived including the direction of displacement, it requires high frequency stability to the light source and is expensive because it requires the addition of an optical modulator. It has the disadvantage that it is necessary to use operations for optical configuration and complex demodulation.

光干渉計に光ファイバープローブを用いる事で、任意に非直線的な光路を確保して光干渉計測が可能となるため、容器内の狭い空間や遠隔な場所など、他の方法では測定が困難な場所の測定にも対応する事ができるようになる。この場合の公用例としては、走査型プローブ顕微鏡の探針位置制御に用いたりすることがある(例えば、特許文献3参照)。   By using an optical fiber probe for the optical interferometer, optical interference measurement can be performed by arbitrarily securing a non-linear optical path, making measurement difficult by other methods such as a narrow space in a container or a remote place. It becomes possible to correspond to the measurement of the place. As a public example in this case, it may be used for probe position control of a scanning probe microscope (for example, see Patent Document 3).

S.P.Beeby, R.N.Torah, M.J.Tudor, P.Glynne-Jones, T.O’Donnell, C.R.Saha, S.Roy, “A Micro Electromagnetic Generator For Vibration Energy Harvesting”, Journal of Micromechanics and MicroEngineering, 2007, 17, p.1257-1265SPBeeby, RNTorah, MJTudor, P.Glynne-Jones, T.O'Donnell, CRSaha, S.Roy, “A Micro Electromagnetic Generator For Vibration Energy Harvesting”, Journal of Micromechanics and MicroEngineering, 2007, 17, p .1257-1265 Shad Roundy, Paul k. Wright, Jan Rabaey, “a study of low level vibrations as A power source for wireless sensor nodes”, Computer Communications, 2003, 6, p.1131-1144Shad Roundy, Paul k. Wright, Jan Rabaey, “a study of low level vibrations as A power source for wireless sensor nodes”, Computer Communications, 2003, 6, p.1131-1144 特開平7−83608号公報JP-A-7-83608 特開2003−90704号公報JP 2003-90704 A 特開平11−44693号公報JP-A-11-44693

前記のように振動型発電装置の設計開発、検査及び保守管理に用いられる変位計測装置について、振動外乱による測定精度の劣化を防ぎ、操作時の労力を低減するためのハードウエア及びソフトウエアなど全体に渡る新規的・進歩的な技術改善が必要である。   As for the displacement measuring device used for design development, inspection and maintenance management of the vibration power generator as described above, the hardware and software etc. to prevent the measurement accuracy from being deteriorated due to vibration disturbance and reduce the labor during operation New and progressive technological improvements are needed.

従来技術の光ファイバープローブを用いた光干渉計測の方式では、静穏な環境下での測定を前提とした構成であり、積極的に振動ノイズを拾う振動型発電装置のME振動子の振動変位を測るためには、プローブの設置時に振動ノイズによる外乱を抑える対策の付加を行う事が課題となる。   The optical interference measurement method using the optical fiber probe of the prior art is based on the premise that the measurement is performed in a quiet environment, and measures the vibration displacement of the ME vibrator of the vibration power generator that actively picks up vibration noise. Therefore, it is a problem to add a measure for suppressing disturbance due to vibration noise when the probe is installed.

また余分な容積を取ることが望ましくない振動型発電装置の容器内のME振動子の振動変位を測定する際に、マイクロメータのような微動機構を用いる事ができない状況でも、素手による操作等で測定部位の位置合わせや光軸角度合わせが行えるような操作の簡易化が課題となる。   In addition, when measuring the vibration displacement of the ME vibrator in the container of the vibration power generator where it is not desirable to take up an extra volume, even if it is not possible to use a fine movement mechanism such as a micrometer, it can be operated with bare hands. The problem is how to simplify the operation so that the measurement part can be aligned and the optical axis angle can be aligned.

また、ランダムに振動するME振動子の光干渉計測で得られた干渉ビート信号から、瞬時変位を算出する際の演算処理におけるパラメータ設定など、操作者の労力を減らす方法を付加することが課題となる。   Another problem is to add a method to reduce the labor of the operator, such as parameter setting in calculation processing when calculating instantaneous displacement from the interference beat signal obtained by optical interference measurement of the ME vibrator that vibrates randomly. Become.

また、光ホモダイン検波の方式を用いた場合、変位の方向に関する情報が得られない欠点を補う為、変位方向に関する情報を付加することが課題となる。   In addition, when the optical homodyne detection method is used, it becomes a problem to add information on the displacement direction in order to compensate for the disadvantage that information on the direction of displacement cannot be obtained.

前述の課題を解決する手段である本発明の特徴を以下に挙げる。
本発明に係る振動変位計測装置は、微小機械-電気構造を用いた振動型発電装置を検査するための振動変位計測装置であって、先端にレンズなどの集光機能が付加され、振動緩衝のため粘弾性材料が使用されている、最大群遅延差が1ナノ秒/メートル以下のマルチモードファイバーを用いた光ファイバーケーブルによるプローブ部と、連続発振するレーザー光源による光源部と、フォトダイオードによる光電変換部と、光干渉ビート信号を配送する光サーキュレータと、発電電圧又は発電電流値、及び振動変位情報を含む干渉ビート信号をディジタル信号に変換する信号収集部と、電子計算機による解析部と、記憶部とを構成要素として有し、振動の瞬時変位量検出に光ホモダイン干渉計の原理を用いていることを、特徴とする。
The features of the present invention, which is a means for solving the above-described problems, are listed below.
A vibration displacement measuring device according to the present invention is a vibration displacement measuring device for inspecting a vibration type power generation device using a micromechanical-electric structure, and a condensing function such as a lens is added to a tip, and a vibration buffering device is provided. Because of this, viscoelastic materials are used, the probe part is a fiber optic cable using a multimode fiber with a maximum group delay difference of 1 nanosecond / meter or less, the light source part is a laser light source that oscillates continuously, and the photoelectric conversion is performed by a photodiode. , An optical circulator that delivers an optical interference beat signal, a signal collection unit that converts an interference beat signal including a generated voltage or generated current value, and vibration displacement information into a digital signal, an analysis unit using a computer, and a storage unit And using the principle of an optical homodyne interferometer for detecting the instantaneous displacement of vibration.

振動変位計の計測原理には、光ホモダイン検波による干渉計測法を用いている。
密閉空間内のME振動子の機械的動作を計測する為に、振動型発電装置内での光路を低侵襲に確保できる外径1mm以下の光ファイバーケーブルによるプローブを用いている。また、このプローブとなるファイバー先端は、レンズのように光集束性を持つ機能が付加されている。また、振動子や外部の振動から振動的な絶縁の為に、前記光ファイバーケーブルの設置及び固定で使用する前記粘弾性材料として、高分子シリコン、ウレタン高分子、ブチルゴム、ポリイソプレン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ハネナイトゴムのいずれか一種又は複数の混合物を素材として用いていることが好ましい。
As the measurement principle of the vibration displacement meter, an interference measurement method using optical homodyne detection is used.
In order to measure the mechanical operation of the ME vibrator in the sealed space, a probe using an optical fiber cable having an outer diameter of 1 mm or less that can ensure an optical path in the vibration type power generation apparatus with minimal invasiveness is used. In addition, the tip of the fiber serving as the probe has a function of focusing light like a lens. In addition, for the purpose of vibrational insulation from vibrators and external vibrations, the viscoelastic material used in the installation and fixing of the optical fiber cable is polymer silicon, urethane polymer, butyl rubber, polyisoprene, polyester, polyethylene, It is preferable to use any one or a mixture of polyvinyl chloride and honeynite rubber as a raw material.

干渉計測用の光照射及び測定部位からの反射・散乱光の受光は、同一の光ファイバープローブを用いて行い、プローブから照射される光線の光軸に平行な方位の振動変位を測定する。本発明では、ME振動子に照射され、振動によって位相変調を受けた反射・散乱光と、変調を受けていない参照光との間の干渉による光ホモダイン検波によってME振動子の変位情報を位相に含む干渉ビート信号を得る。   Light irradiation for interference measurement and reception of reflected / scattered light from the measurement site are performed using the same optical fiber probe, and vibration displacement in a direction parallel to the optical axis of the light beam irradiated from the probe is measured. In the present invention, the displacement information of the ME vibrator is made into a phase by optical homodyne detection by interference between the reflected / scattered light irradiated to the ME vibrator and subjected to phase modulation by vibration and the reference light not subjected to modulation. An interfering beat signal is obtained.

光ファイバーは、各導波モード間の最大群遅延差が1×10−9秒/メートル以下のマルチモードファイバーを用いている。特に、2乗分布で近似できる屈折率分布を持つ屈折率分布(GI)型のマルチモードファイバーは、最大群遅延差が小さい為適している。群遅延差δτについては、真空中の光速c、コア屈折率n、比屈折率差Δから、段差型屈折率分布の光ファイバーで、δτ≒nΔ÷c、2乗分布屈折率分布の光ファイバーで、δτ≒nΔ÷2c の関係として近似的に求める事ができる。 As the optical fiber, a multi-mode fiber having a maximum group delay difference between the waveguide modes of 1 × 10 −9 seconds / meter or less is used. In particular, a refractive index distribution (GI) type multimode fiber having a refractive index distribution that can be approximated by a square distribution is suitable because the maximum group delay difference is small. Regarding the group delay difference δτ g , from the light velocity c in the vacuum, the core refractive index n 1 , and the relative refractive index difference Δ, δτ g ≈n 1 Δ ÷ c, the square distribution refractive index in the step-type refractive index distribution optical fiber. With a distributed optical fiber, it can be approximately obtained as a relationship of δτ g ≈n 1 Δ 2 ÷ 2c.

光源部には、狭帯域で強度や偏光状態、周波数、及び位相の安定した連続発振のレーザー光源を用いる。波長をλとして可干渉距離Lと波長幅dとの関係は、L≒λ÷dの関係として近似的に求める事ができる。裸眼による光線照射位置の視認のため、λは400nmから720nmのものが望ましい。そして、充分な可干渉距離、数mmから数cmを確保する為、波長幅は0.05nm以下のものが望ましい。例えば、安定化He−Neレーザーや分布帰還型(DFB)レーザーダイオード、あるいは気体原子や分子の狭帯域吸収線を利用した、外部共振器制御による周波数安定化が付加されたレーザーなどが、当発明の光源部に用いられる。 As the light source unit, a continuous wave laser light source having a narrow band, stable intensity, polarization state, frequency, and phase is used. The relationship between the coherence distance L and the wavelength width d when the wavelength is λ can be approximately obtained as a relationship of L≈λ 2 ÷ d. In order to visually recognize the light irradiation position by the naked eye, λ is preferably 400 nm to 720 nm. In order to secure a sufficient coherence distance and several mm to several cm, the wavelength width is desirably 0.05 nm or less. For example, a stabilized He-Ne laser, a distributed feedback (DFB) laser diode, or a laser to which frequency stabilization by external resonator control using a narrow-band absorption line of a gas atom or molecule is added. Used in the light source section.

光信号を電気的信号に変換する光電変換部には、広範な振動周波数、振動変位を計測できるように、1MHz以上の干渉ビート信号を検出できる高速応答性のフォトダイオードなどの光検出器を用いる。   The photoelectric conversion unit that converts an optical signal into an electrical signal uses a photodetector such as a high-speed responsive photodiode that can detect an interference beat signal of 1 MHz or more so that a wide range of vibration frequencies and vibration displacements can be measured. .

光干渉計本体は、光サーキュレータによって構成される。本発明において、この光サーキュレータは、3ポート以上の光入出力端子をもち、サーキュレータとして機能するものであれば、偏光ビームスプリッタと波長板とを用いたものや、光ファイバーカプラと磁気光学効果素子とを用いたものなど、その方式・形態は問わない。   The optical interferometer body is constituted by an optical circulator. In the present invention, this optical circulator has a light input / output terminal of 3 ports or more and functions as a circulator, as long as it uses a polarizing beam splitter and a wave plate, or an optical fiber coupler and a magneto-optical effect element. Any method or form may be used.

光電変換部によって電気的信号に変換された干渉ビート信号は、信号収集部によってディジタル信号に変換され、電子計算機による解析部に渡される。   The interference beat signal converted into an electrical signal by the photoelectric conversion unit is converted into a digital signal by the signal collection unit and passed to the analysis unit by the electronic computer.

解析部で行われる、ME振動子の瞬時変位導出のための信号処理アルゴリズムを説明する。干渉ビート信号は、雑音排除のための平滑処理を行った後、干渉ビート信号データの最大値及び最小値を規準とした規格化を行い、次いでHilbert変換による解析信号の算出、その解析信号からの瞬時位相φ(t)(rad)を算出する。解析信号から瞬時位相を算出する式は、
φ(t)=符号×tan−1(解析信号虚部÷解析信号実部) (1)式
として表される。ここで(1)式内の符号は、正又は負の符号であり、振動変位の方向に対応するものである。この符号は、光ホモダイン検波のみでは決定できないので、後述の方法によって正又は負の決定を行う。
A signal processing algorithm for deriving the instantaneous displacement of the ME vibrator, which is performed in the analysis unit, will be described. The interference beat signal is subjected to smoothing processing for noise elimination, then standardized based on the maximum and minimum values of the interference beat signal data, and then the analysis signal is calculated by the Hilbert transform, The instantaneous phase φ (t) (rad) is calculated. The equation for calculating the instantaneous phase from the analytic signal is
φ (t) = sign × tan −1 (analysis signal imaginary part ÷ analysis signal real part) It is expressed as equation (1). Here, the sign in the expression (1) is a positive or negative sign and corresponds to the direction of vibration displacement. Since this sign cannot be determined only by optical homodyne detection, positive or negative determination is performed by the method described later.

(1)式で得られた位相は、-πからπ(rad)に畳み込まれているため、位相つなぎ合わせ処理を施し、連続した瞬時位相φ(t)(rad)を得る。(2)式による変換を経て、各サンプリング時間に対応した瞬時変位x(t)を求める。
x(t)=φ(t)×λ÷4π×cosθ (2)式
ここで、λは、測定に用いたレーザー光の波長である。θは、プローブから照射されたレーザー光線の光軸とME振動子上の測定面との間の角度であり、プローブの受光角より小さな値で、通常π/16(rad)以下である。
Since the phase obtained by the equation (1) is convolved from −π to π (rad), a phase stitching process is performed to obtain a continuous instantaneous phase φ (t) (rad). An instantaneous displacement x (t) corresponding to each sampling time is obtained through conversion according to equation (2).
x (t) = φ (t) × λ ÷ 4π × cos θ (2) where λ is the wavelength of the laser beam used for measurement. θ is an angle between the optical axis of the laser beam irradiated from the probe and the measurement surface on the ME vibrator, and is smaller than the light receiving angle of the probe and is usually π / 16 (rad) or less.

ここで得られた各信号データは、記憶部に、各サンプリング時間のデータと共に蓄積される。また、同時に産出された瞬時電力は、電圧値として信号収集部に送られ、ディジタル信号に変換され、瞬時変位量と共に記憶部に記憶される。   Each signal data obtained here is stored in the storage unit together with data of each sampling time. Moreover, the instantaneous power produced simultaneously is sent as a voltage value to the signal collecting unit, converted into a digital signal, and stored in the storage unit together with the instantaneous displacement amount.

前述の基本アルゴリズムに次の改善を加える。非調和的振動を測定する場合に、特定期間の干渉ビート信号のデータ配列から位相歪みを伴わずに、適切な振動数帯域の信号からその位相を抽出するため、干渉ビート信号内のビート回数を計測するカウンター機能を付加させる。特定期間の規格化された干渉ビート信号の符号が変化した回数を、ビート回数として求める。バンドパスフィルター処理のカットオフ下限を、ビート回数÷データ配列数÷サンプリング時間、及び上限を、2÷サンプリング時間÷ビート回数、として自動的に割り当てて、周波数上限及び下限が定められた信号に対して、位相誤差の小さな解析信号が得られるHilbert変換を行う。   The following improvements are added to the above basic algorithm. When measuring anharmonic vibration, the number of beats in the interference beat signal is extracted in order to extract the phase from the signal in the appropriate frequency band without phase distortion from the data array of the interference beat signal for a specific period. Add a counter function to measure. The number of times that the code of the standardized interference beat signal for a specific period has changed is obtained as the number of beats. Automatically assigns the bandpass filter cut-off lower limit as beat count ÷ number of data arrays ÷ sampling time and upper limit as 2 ÷ sampling time ÷ beat count, for signals with upper and lower frequency limits Thus, Hilbert conversion is performed to obtain an analysis signal with a small phase error.

本発明に係る振動変位計測装置は、前記干渉ビート信号から前記瞬時変位を求める演算処理過程に、微分あるいは差分演算で近似されたHilbert変換を用いて解析信号を導出してもよい。すなわち、本発明では、Hilbert変換の近似演算として、干渉ビート信号データ配列の微分又は差分演算を用いてその解の配列を解析信号虚部として用いる手法を用いてもよい。   The vibration displacement measuring apparatus according to the present invention may derive an analysis signal using a Hilbert transform approximated by differentiation or difference calculation in an arithmetic processing process for obtaining the instantaneous displacement from the interference beat signal. That is, in the present invention, as an approximation calculation of the Hilbert transform, a method may be used in which an array of solutions is used as an imaginary part of the analysis signal by using a differential or differential calculation of the interference beat signal data array.

また、本発明に係る振動変位計測装置は、前記干渉ビート信号の位相符号を求める為に、前記干渉ビート信号とは別の経路で反射光強度を検出してその強度変化から前記位相符号を求める機構が付与されていてもよい。すなわち、振動変位の方向の情報も含めた解析を行う場合に、瞬時位相の符号の決定方法として、前述の反射光強度の変化から相対的変位応答を求める方法を応用して、干渉ビート信号とは別の経路でME振動子からの反射・散乱光を検出して、その強度変化から符号判定を行う方法を採用してもよい。本発明では、ME振動子が静止している初期状態の反射光強度を規準として、拡散的な照射光線が測定部位に照射されている場合に、規準より強度が弱い期間の変位はプローブから遠ざかる方向への変位であり、規準より強い期間では近づいていく方向の変位であると定義する。   In addition, the vibration displacement measuring apparatus according to the present invention detects the reflected light intensity through a path different from the interference beat signal and obtains the phase code from the intensity change in order to obtain the phase code of the interference beat signal. A mechanism may be provided. In other words, when performing analysis including information on the direction of vibration displacement, the method for determining the relative displacement response from the change in reflected light intensity described above is applied as a method for determining the sign of the instantaneous phase, and the interference beat signal and May employ a method in which reflected / scattered light from the ME vibrator is detected by another path and the sign is determined from the intensity change. In the present invention, when the measurement site is irradiated with a diffused irradiation light beam with the reflected light intensity in the initial state where the ME vibrator is stationary as a reference, the displacement during a period in which the intensity is weaker than the reference is moved away from the probe. It is a displacement in a direction, and is defined as a displacement in a direction approaching in a period stronger than the standard.

また、もう一つの位相符号の決定方法として、本発明に係る振動変位計測装置は、前記干渉ビート信号の位相符号を求める為に、前記発電電圧信号または前記発電電流信号の符号を前記位相符号として用いてもよい。すなわち、同時に測定している整流前の発電出力の電圧値や電流値から、位相符号を求める方法を採用してもよい。機械−電気結合素子によって、ME振動子の振動変位速度と有効発電電圧または有効発電電流応答とは概ね同期して変動しており、有効発電電圧又は電流信号の符号、あるいはそれらの差分値の符号を振動変位の符号と対応させる事ができる。いずれの符号を用いるかは機械-電気結合素子の構成に依存するため、予め機械-電気結合特性を求めておき、構成毎に適切なものを用いる。この方法は、機械-電気結合が充分に強い場合に効果的である。   As another phase code determination method, the vibration displacement measuring apparatus according to the present invention uses the code of the generated voltage signal or the generated current signal as the phase code in order to obtain the phase code of the interference beat signal. It may be used. That is, a method of obtaining the phase code from the voltage value or current value of the power generation output before rectification that is simultaneously measured may be employed. Due to the mechanical-electrical coupling element, the vibration displacement speed of the ME vibrator and the effective generated voltage or the effective generated current response fluctuate substantially synchronously, and the sign of the effective generated voltage or current signal, or the sign of the difference between them. Can correspond to the sign of the vibration displacement. Since which code is used depends on the configuration of the mechanical-electrical coupling element, the mechanical-electrical coupling characteristics are obtained in advance, and an appropriate one is used for each configuration. This method is effective when the mechanical-electrical coupling is sufficiently strong.

それら記憶部に蓄積された信号データは、付加機能として、パソコン等で利用できるデータ形式での各信号データの保存や、各信号値のグラフ表示などのインターフェースを介して用いられる。   The signal data stored in these storage units is used as an additional function through an interface such as storage of each signal data in a data format that can be used by a personal computer or the like, or a graph display of each signal value.

本発明では、光干渉計測の原理を採用しており、そのため機械的・電磁的な影響を及ぼさずに振動子の瞬時変位の絶対計測を行う効果が得られる。   In the present invention, the principle of optical interference measurement is adopted, so that an effect of performing absolute measurement of the instantaneous displacement of the vibrator can be obtained without exerting mechanical and electromagnetic influences.

また、干渉ビート信号の位相に振動変位情報を搬送させるため、振幅雑音に強く、測定波長の半分以下の位置精度で瞬時変位値を測定できる効果が得られる。   Further, since the vibration displacement information is conveyed to the phase of the interference beat signal, the effect of being able to measure the instantaneous displacement value with position accuracy less than half of the measurement wavelength is strong against amplitude noise.

また、光ファイバーケーブルを用いる事で、容器内に収められた振動子など直線的に光路を確保し難い場合でも、低侵襲に光路を確保して測定できる効果が得られる。群遅延差が10−9秒/メートルより小さなマルチモードファイバーを用いる事で、モード分散を抑え、干渉ビート信号の測定帯域を実用上充分広く確保でき、かつ測定部からの反射・散乱光を受光する際の接続損を減らして、干渉ビート信号のスループットを高くすることができる効果が得られる。 In addition, by using an optical fiber cable, even when it is difficult to ensure an optical path linearly, such as a vibrator housed in a container, an effect can be obtained in which the optical path can be secured and measured in a minimally invasive manner. By using a multimode fiber with a group delay difference smaller than 10-9 seconds / meter, mode dispersion can be suppressed, the measurement band of interference beat signals can be secured sufficiently wide in practice, and reflected / scattered light from the measurement unit is received. The effect of reducing the connection loss at the time of increasing the throughput of the interference beat signal can be obtained.

また、容器内の入り込んだ配置の振動子でも測定ができるように、ファイバーの曲げで生じる付加的な群遅延や曲げ損失に伴う信号レベルの低下に対する耐性も考慮して、充分な帯域余裕及び信号レベル余裕を持たせる効果も得られる。   In addition, sufficient band margin and signal are taken into account, considering the tolerance to the additional group delay caused by bending of the fiber and the decrease in signal level due to bending loss so that measurement can be performed even with the vibrator placed in the container. The effect of giving a level margin is also obtained.

また、マルチモードファイバーによる接続損軽減と、狭帯域レーザーを用いる事による10mm以上の可干渉距離とによって、測定部からの反射・散乱光の受光のための光軸角度合わせが簡単に行える効果が得られる。   In addition, the effect of easily adjusting the angle of the optical axis for receiving reflected / scattered light from the measurement unit is achieved by reducing the connection loss due to the multimode fiber and the coherence distance of 10 mm or more by using a narrow-band laser. can get.

また、プローブ先端部のレンズの光集束効果によって測定部位の空間分解能を高められ、振動子の振動と周囲の振動とを分離して測定できる効果が得られる。振動吸収性高分子を振動緩衝材として用いることで、閉空間内への光ファイバープローブの固定時の振動絶縁ができる効果が得られる。   Further, the spatial resolution of the measurement site can be increased by the light focusing effect of the lens at the probe tip, and an effect can be obtained in which the vibration of the vibrator and the surrounding vibration can be separated and measured. By using the vibration-absorbing polymer as a vibration buffer material, it is possible to obtain an effect of vibration isolation when the optical fiber probe is fixed in the closed space.

また、本発明では、光ホモダイン検波による1系統の干渉ビート信号からディジタル信号処理によってソフトウエア的に解析信号を求めるため、構成部品数が少ない簡素なハードウエア構成とすることができる。それにより、測定時の操作や装置の維持管理の簡易性に優れる効果、及び装置の経済化を計る効果が得られる。   In the present invention, since an analysis signal is obtained by software from digital interference signal processing from one system of interference beat signals by optical homodyne detection, a simple hardware configuration with a small number of components can be achieved. As a result, it is possible to obtain an effect that the operation at the time of measurement and the ease of maintenance and management of the apparatus are excellent and an effect of measuring the economy of the apparatus.

また、本発明では、前述のようにHilbert変換の近似演算として、干渉ビート信号データ配列の微分又は差分演算を用いて、その解の配列を解析信号虚部として用いる手法でも解析可能であるが、この近似演算によると、通常のHilbert変換演算よりも、低振動数の振動成分を含む際の解析において、不確定性原理に起因した位相誤差が生じ難くなり、また電子計算機の演算負担も少なくできる効果が得られる。   Further, in the present invention, as described above, as an approximation calculation of the Hilbert transform, it is possible to analyze by using a method of using the differential or difference calculation of the interference beat signal data array and the solution array as an imaginary part of the analysis signal. According to this approximate calculation, a phase error due to the uncertainty principle is less likely to occur in an analysis when a vibration component having a low frequency is included than in a normal Hilbert transform calculation, and the calculation burden on an electronic computer can be reduced. An effect is obtained.

また、前述の手順で、ソフトウエアによって測定した干渉ビート信号から、自動的に瞬時変位を導出する事ができるアルゴリズムが採用できる為、信号解析における操作者の負担を減らす効果が得られる。   In addition, an algorithm that can automatically derive the instantaneous displacement from the interference beat signal measured by software in the above-described procedure can be adopted, so that an effect of reducing the burden on the operator in signal analysis can be obtained.

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は、特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正は、この特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明は、この発明における最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that it is easy for a person skilled in the art to make other embodiments by changing or correcting the present invention within the scope of the claims, and these changes and modifications are included in the scope of the claims. Therefore, the following description is an example of the best mode of the present invention, and does not limit the scope of the claims.

図1は、本発明の実施の形態の振動変位計測装置の模式図である。本発明の実施の形態の振動変位計測装置は、光ファイバーケーブルによるプローブ部1と、光源部2と、光電変換部3と、信号収集部4と、解析部5と、記憶部6とを基本的な構成としている。   FIG. 1 is a schematic diagram of a vibration displacement measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. The vibration displacement measuring apparatus according to the embodiment of the present invention basically includes a probe unit 1 using an optical fiber cable, a light source unit 2, a photoelectric conversion unit 3, a signal collection unit 4, an analysis unit 5, and a storage unit 6. It has a simple structure.

プローブ部を振動型発電装置19内に挿入して固定するための振動吸収性高分子材7を緩衝材として用いている。プローブ部1には偏光コントローラ8が取り付けられ、光源部2とプローブ部1との結合部は、光源部2への戻り光をカットするために光アイソレータ9が付属され、干渉計本体は光サーキュレータ10によって構成されている。   The vibration-absorbing polymer material 7 for inserting and fixing the probe portion in the vibration power generator 19 is used as a buffer material. A polarization controller 8 is attached to the probe unit 1, and a coupling part between the light source unit 2 and the probe unit 1 is attached with an optical isolator 9 for cutting the return light to the light source unit 2, and the interferometer body is an optical circulator. 10.

光源部2には、裸眼で視認可能な可視帯域の単一縦・横モードの周波数安定化レーザーから成るレーザー光源2−1を用いている。プローブ部1からのレーザー光出力パワーは、100μW以下に抑えており、ME振動子19−1への熱的な影響も極力抑えつつ、且つ必要な信号レベルを得ている。   As the light source unit 2, a laser light source 2-1 composed of a frequency stabilized laser in a single longitudinal / transverse mode in a visible band that can be viewed with the naked eye is used. The laser beam output power from the probe unit 1 is suppressed to 100 μW or less, and a necessary signal level is obtained while suppressing the thermal influence on the ME vibrator 19-1.

光電変換部3−1には、アバランシェフォトダイオードを用いて、高速応答および低雑音な干渉ビート信号の検出を行う。本構成では、プローブ部1の先端のファイバー端面からの反射光を参照光として用いる。   The photoelectric conversion unit 3-1 uses an avalanche photodiode to detect a high-speed response and low-noise interference beat signal. In this configuration, the reflected light from the fiber end face at the tip of the probe unit 1 is used as the reference light.

干渉ビート信号の位相符号を求める為、干渉信号検出用とは別の光ファイバー11が2穴フェルールによってプローブ先端に取り付けられており、波長合波器12によって、プローブ部1の経路で干渉ビート信号とは異なる波長帯域の低干渉性の白色光源13による光を伝送及び照射し、その測定部からの反射・散乱光の強度変化信号を光ファイバー11によって受光及び伝送し、光電変換部3−3を介して電気信号として測定する。   In order to obtain the phase code of the interference beat signal, an optical fiber 11 different from that for detecting the interference signal is attached to the tip of the probe by a two-hole ferrule. Transmits and irradiates light from a low-coherence white light source 13 in different wavelength bands, receives and transmits an intensity change signal of reflected / scattered light from the measurement unit by the optical fiber 11, and passes through the photoelectric conversion unit 3-3. Measured as an electrical signal.

また、光源部2の強度揺らぎを光路分岐14から取り出し、光電変換部3−2によって検出された光強度で差動計測することで、光電変換部3−1で計測される干渉ビート信号中の揺らぎを省いて低振動数域の測定帯域を拡張する。   Further, the intensity fluctuation of the light source unit 2 is taken out from the optical path branch 14, and differential measurement is performed with the light intensity detected by the photoelectric conversion unit 3-2. Thus, in the interference beat signal measured by the photoelectric conversion unit 3-1. Extend the measurement band in the low frequency range by eliminating fluctuations.

光電変換部3−1に白色光源13の光が混入しないように光学濃度が大きい干渉光学フィルター15が配置され、光電変換部3−3に光源部2の光が混入せず且つ反射して迷光とならないように吸収性の光学カラーフィルター16を配置する。   The interference optical filter 15 having a large optical density is arranged so that the light from the white light source 13 is not mixed into the photoelectric conversion unit 3-1, and the light from the light source unit 2 is not mixed into the photoelectric conversion unit 3-3 and reflected to stray light. An absorptive optical color filter 16 is arranged so as not to become.

信号収集部4及び解析部5には、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)またはフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)を用いたアナログ−デジタル変換器および電子計算機、あるいはアナログ−デジタル信号変換器を付加した一般的なパーソナルコンピュータが用いられる。記憶部6には、半導体記憶素子やハードディスクを単独あるいは複合して用いる。解析部5での信号処理は、前述のアルゴリズムに沿って行う。   The signal collecting unit 4 and the analyzing unit 5 are generally provided with an analog-digital converter and an electronic computer using a digital signal processor (DSP) or a field programmable gate array (FPGA), or an analog-digital signal converter. A personal computer is used. For the storage unit 6, a semiconductor storage element or a hard disk is used alone or in combination. The signal processing in the analysis unit 5 is performed according to the algorithm described above.

発電電力信号伝送路17によって、振動変位と同時に産出された発電の電圧あるいは電流信号を伝送し測定する。必要に応じて、表示部18で測定結果を表示する。   A generated voltage or current signal generated simultaneously with the vibration displacement is transmitted and measured by the generated power signal transmission path 17. If necessary, the measurement result is displayed on the display unit 18.

以下に、本発明によって開発された振動変位計測装置を用いて振動型発電装置の診断を行った例を示す。
この時に用いた振動変位計測装置の基本構成は、図1に基づいている。ファイバーケーブルにはコア径62.5μm、開口数0.275、外径0.9mmの市販GI型光ファイバーケーブルを用い、光源には波長632.8nmで連続発振する安定化He−Neレーザーを用いた。振動吸収性高分子には厚さ5mmのウレタンエラストマー素材の板に溝を加工し、その溝に光ファイバーケーブルを埋め込んで固定した。この場合の容器内振動の計測実験から、プローブファイバーは曲率半径10mmの曲げ損でも変位測定が可能であった。プローブ先端にはマイクロレンズが取り付けられ、焦点距離10mm、スポットサイズ10μmに調整して用いた。可干渉距離は100mmであり、焦点近傍で信号対雑音比が8bit以上の良好な干渉ビート信号が検出された。測定位置合わせ及び光軸角度合わせは、精密ステージなどを用いずに素手で調整した。
Hereinafter, an example in which a vibration type power generation apparatus is diagnosed using the vibration displacement measuring apparatus developed according to the present invention will be described.
The basic configuration of the vibration displacement measuring apparatus used at this time is based on FIG. A commercially available GI optical fiber cable having a core diameter of 62.5 μm, a numerical aperture of 0.275, and an outer diameter of 0.9 mm was used as the fiber cable, and a stabilized He-Ne laser that continuously oscillates at a wavelength of 632.8 nm was used as the light source. . In the vibration-absorbing polymer, a groove was formed in a 5 mm thick urethane elastomer plate, and an optical fiber cable was embedded in the groove and fixed. From the measurement experiment of the vibration in the container in this case, the probe fiber was able to measure the displacement even with a bending loss having a curvature radius of 10 mm. A microlens was attached to the probe tip, and the focal length was adjusted to 10 mm and the spot size was 10 μm. The coherence distance was 100 mm, and a good interference beat signal with a signal-to-noise ratio of 8 bits or more was detected near the focal point. Measurement position alignment and optical axis angle alignment were adjusted with bare hands without using a precision stage.

振動型発電装置のME振動子は、シリコン製の片持ち梁構造で、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜が電極と共に片持ち梁の一側面に取り付けられている圧電効果による発電の振動型発電装置の開発、および、フッ素系高分子によるエレクトレット膜が電極と共に片持ち梁の一側面に取り付けられた静電効果による発電の振動型発電装置の開発に本発明を用いた。   The ME vibrator of the vibration power generator has a silicon cantilever structure, and a lead zirconate titanate (PZT) film is attached to one side of the cantilever with an electrode. The present invention was used for the development of a device and the development of a vibration type power generation device for generating electricity by electrostatic effect in which an electret film made of a fluorine-based polymer is attached to one side surface of a cantilever together with an electrode.

発電試験として、加振ステージに振動型発電装置を取り付け、人工的に誘発された振動に対して平行な振動応答による発電試験を行った。励振の振動方向が一方向であるため、振動変位計測装置も1系統分準備した。ME振動子に対して焦点、光軸を調整してプローブを取り付け、その振動子の瞬時変位値と瞬時発電起電力値(1MΩの負荷)とを測定した。   As a power generation test, a vibration type power generation device was attached to the vibration stage, and a power generation test was performed with a vibration response parallel to the artificially induced vibration. Since the vibration direction of excitation is one direction, a vibration displacement measuring device for one system was also prepared. A probe was attached to the ME vibrator by adjusting the focal point and optical axis, and the instantaneous displacement value and instantaneous generated electromotive force value (1 MΩ load) of the vibrator were measured.

図2は、本発明の一実施例による振動子の変位の測定結果である。圧電効果による機械-電気結合機構を用いた振動型発電装置において、ME振動子の固有振動数19.3kHzよりも低振動数の3.05kHzの調和振動で励振を行った時のME振動子の瞬時変位である。この波形が調和振動より歪んだ形状を示しており、非調和的なエネルギー分配過程を示唆している。   FIG. 2 is a measurement result of the displacement of the vibrator according to one embodiment of the present invention. In a vibration type power generator using a mechanical-electrical coupling mechanism based on the piezoelectric effect, the ME vibrator when excited by a harmonic vibration of 3.05 kHz, which is a lower frequency than the natural frequency of the ME vibrator, is 19.3 kHz. Instantaneous displacement. This waveform shows a shape distorted from harmonic vibration, suggesting an anharmonic energy distribution process.

図3は、本発明の一実施例による起電力の測定結果である。機械-電気結合が生じ、電力が生成されていることが確認される。この整流前の瞬時起電力信号と負荷抵抗値とから、有効出力電力量の評価を行う事もできる。   FIG. 3 is a measurement result of electromotive force according to an embodiment of the present invention. A mechanical-electrical coupling occurs, confirming that power is being generated. The effective output power can be evaluated from the instantaneous electromotive force signal before rectification and the load resistance value.

図4は、本発明の一実施例による振動子の変位の測定結果である。静電誘導効果による機械-電気結合機構を用いた振動型発電装置において、ME振動子の固有振動数17.8kHzで励振を行った時のME振動子の瞬時変位である。   FIG. 4 is a measurement result of the displacement of the vibrator according to one embodiment of the present invention. This is an instantaneous displacement of the ME vibrator when the vibration is generated at a natural frequency of 17.8 kHz of the ME vibrator in the vibration power generation apparatus using the mechanical-electrical coupling mechanism based on the electrostatic induction effect.

図5は、生産された瞬時起電力信号である。図4及び図5のように、波形歪みが見られ、ME振動子の機械系-電気系いずれか又は双方の損失や、非調和的エネルギー変換の過程を反映した出力波形が見られる。   FIG. 5 shows the produced instantaneous electromotive force signal. As shown in FIGS. 4 and 5, waveform distortion is observed, and an output waveform reflecting the loss of one or both of the mechanical system and electrical system of the ME vibrator and the process of anharmonic energy conversion is observed.

本発明に係る振動変位計測装置は、振動型発電装置の開発時における動作評価、量産工程における品質検査及び、実働場所での使用時における保守管理時に用いる事ができる。その他、測定対象とプローブとの間の光路を直線的に取り難い配置のMEMS機器の動作計測に用いる事ができる。   The vibration displacement measuring apparatus according to the present invention can be used for operation evaluation at the time of development of a vibration power generation apparatus, quality inspection in a mass production process, and maintenance management at the time of use in a production place. In addition, the optical path between the measurement target and the probe can be used for measuring the operation of a MEMS device that is difficult to linearly take.

本発明の実施の形態の振動変位計測装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the vibration displacement measuring device of embodiment of this invention. 図1に示す振動変位計測装置による、圧電効果による機械-電気結合機構を用いた振動型発電装置における振動子の変位の測定結果を示すグラフである。3 is a graph showing measurement results of displacement of a vibrator in a vibration type power generation apparatus using a mechanical-electric coupling mechanism based on a piezoelectric effect by the vibration displacement measuring apparatus shown in FIG. 1. 図1に示す振動変位計測装置による、圧電効果による機械-電気結合機構を用いた振動型発電装置における発電起電力の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the generated electromotive force in the vibration type power generating device using the mechanical-electrical coupling mechanism by the piezoelectric effect by the vibration displacement measuring device shown in FIG. 図1に示す振動変位計測装置による、静電誘導効果による機械-電気結合機構を用いた振動型発電装置における振動子の変位の測定結果を示すグラフである。3 is a graph showing measurement results of displacement of a vibrator in a vibration power generation apparatus using a mechanical-electric coupling mechanism based on electrostatic induction effect by the vibration displacement measuring apparatus shown in FIG. 1. 図1に示す振動変位計測装置による、静電誘導効果による機械-電気結合機構を用いた振動型発電装置における発電起電力の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the generated electromotive force in the vibration type power generating device using the mechanical-electrical coupling mechanism by the electrostatic induction effect by the vibration displacement measuring device shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 プローブ部
2 光源部
2−1 レーザー光源
3 光電変換部
3−1 (干渉ビート信号用)光電変換部
3−2 (差動計測用)光電変換部
3−3 (位相符号判定用)光電変換部
4 信号収集部
5 解析部
6 記憶部
7 振動吸収性高分子材
8 偏光コントローラ
9 光アイソレータ
10 光サーキュレータ
11 (位相符号判定用)光ファイバー
12 波長合波器
13 白色光源
14 光路分岐
15 干渉光学フィルター
16 光学カラーフィルター
17 発電電力信号伝送路
18 表示部
19 振動型発電装置
19−1 ME振動子

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Probe part 2 Light source part 2-1 Laser light source 3 Photoelectric conversion part 3-1 (For interference beat signal) Photoelectric conversion part 3-2 (For differential measurement) Photoelectric conversion part 3-3 (For phase code determination) Photoelectric conversion Unit 4 signal collection unit 5 analysis unit 6 storage unit 7 vibration absorbing polymer material 8 polarization controller 9 optical isolator 10 optical circulator 11 (for phase code determination) optical fiber 12 wavelength multiplexer 13 white light source 14 optical path branch 15 interference optical filter Reference Signs List 16 Optical color filter 17 Generated power signal transmission line 18 Display unit 19 Vibrating power generator 19-1 ME vibrator

Claims (5)

微小機械-電気構造を用いた振動型発電装置を検査するための振動変位計測装置であって、
先端にレンズなどの集光機能が付加され、振動緩衝のため粘弾性材料が使用されている、最大群遅延差が1ナノ秒/メートル以下のマルチモードファイバーを用いた光ファイバーケーブルによるプローブ部と、
連続発振するレーザー光源による光源部と、
フォトダイオードによる光電変換部と、
光干渉ビート信号を配送する光サーキュレータと、
発電電圧又は発電電流値、及び振動変位情報を含む干渉ビート信号をディジタル信号に変換する信号収集部と、
電子計算機による解析部と、
記憶部とを構成要素として有し、
振動の瞬時変位量検出に光ホモダイン干渉計の原理を用いていることを、
特徴とする振動変位計測装置。
A vibration displacement measuring device for inspecting a vibration power generator using a micromechanical-electrical structure,
A probe unit with an optical fiber cable using a multimode fiber with a maximum group delay difference of 1 nanosecond / meter or less, in which a condensing function such as a lens is added to the tip and a viscoelastic material is used for vibration damping,
A light source unit by a continuous oscillation laser light source;
A photoelectric conversion unit by a photodiode;
An optical circulator delivering an optical interference beat signal;
A signal collecting unit for converting an interference beat signal including a generated voltage or generated current value and vibration displacement information into a digital signal;
An electronic computer analysis unit;
A storage unit as a component,
The principle of optical homodyne interferometer is used to detect the instantaneous displacement of vibration.
Characteristic vibration displacement measuring device.
前記干渉ビート信号の位相符号を求める為に、前記干渉ビート信号とは別の経路で反射光強度を検出してその強度変化から前記位相符号を求める機構が付与されている事を特徴とする請求項1記載の振動変位計測装置。   In order to obtain the phase code of the interference beat signal, a mechanism for detecting the reflected light intensity through a path different from the interference beat signal and obtaining the phase code from the intensity change is provided. Item 2. The vibration displacement measuring device according to Item 1. 前記干渉ビート信号の位相符号を求める為に、前記発電電圧信号または前記発電電流信号の符号を前記位相符号として用いる事を特徴とする請求項1記載の振動変位計測装置。   2. The vibration displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein a sign of the generated voltage signal or the generated current signal is used as the phase code in order to obtain a phase code of the interference beat signal. 前記干渉ビート信号から前記瞬時変位を求める演算処理過程に、微分あるいは差分演算で近似されたHilbert変換を用いて解析信号を導出していることを特徴とする請求項1、2または3記載の振動変位計測装置。   The vibration signal according to claim 1, 2, or 3, wherein an analytical signal is derived by using a Hilbert transform approximated by a differential or differential operation in an arithmetic processing step for obtaining the instantaneous displacement from the interference beat signal. Displacement measuring device. 前記光ファイバーケーブルの設置及び固定で使用する前記粘弾性材料として、高分子シリコン、ウレタン高分子、ブチルゴム、ポリイソプレン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ハネナイトゴムのいずれか一種又は複数の混合物を素材として用いていることを特徴とする請求項1、2、3または4記載の振動変位計測装置。
As the viscoelastic material used for installation and fixing of the optical fiber cable, any one or a mixture of polymer silicon, urethane polymer, butyl rubber, polyisoprene, polyester, polyethylene, polyvinyl chloride, and honeynite rubber is used as a material. 5. The vibration displacement measuring device according to claim 1, wherein the vibration displacement measuring device is used.
JP2007234205A 2007-09-10 2007-09-10 Vibration displacement measuring device for micro mechanical-electric structure (mems) Pending JP2009068841A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007234205A JP2009068841A (en) 2007-09-10 2007-09-10 Vibration displacement measuring device for micro mechanical-electric structure (mems)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007234205A JP2009068841A (en) 2007-09-10 2007-09-10 Vibration displacement measuring device for micro mechanical-electric structure (mems)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009068841A true JP2009068841A (en) 2009-04-02

Family

ID=40605280

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007234205A Pending JP2009068841A (en) 2007-09-10 2007-09-10 Vibration displacement measuring device for micro mechanical-electric structure (mems)

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009068841A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012103068A (en) * 2010-11-09 2012-05-31 Fukuoka Univ Mems measurement method
CN111397877A (en) * 2020-04-02 2020-07-10 西安建筑科技大学 Rotary machine beat vibration fault detection and diagnosis method
JP2021063674A (en) * 2019-10-11 2021-04-22 株式会社鷺宮製作所 Apparatus for testing vibration device having mems structure and method for presenting driving performance
WO2023228805A1 (en) * 2022-05-23 2023-11-30 株式会社デンソー Frequency sweep characteristic measurement device, lidar device, and frequency sweep characteristic measurement method

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012103068A (en) * 2010-11-09 2012-05-31 Fukuoka Univ Mems measurement method
JP2021063674A (en) * 2019-10-11 2021-04-22 株式会社鷺宮製作所 Apparatus for testing vibration device having mems structure and method for presenting driving performance
CN111397877A (en) * 2020-04-02 2020-07-10 西安建筑科技大学 Rotary machine beat vibration fault detection and diagnosis method
CN111397877B (en) * 2020-04-02 2021-07-27 西安建筑科技大学 Rotary machine beat vibration fault detection and diagnosis method
WO2023228805A1 (en) * 2022-05-23 2023-11-30 株式会社デンソー Frequency sweep characteristic measurement device, lidar device, and frequency sweep characteristic measurement method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5624271B2 (en) Piping thickness measurement method and apparatus
CN105277271B (en) A kind of the phase-shifted fiber grating sensor measuring system and its application of ultrasonic vibration
Rong et al. Ultrasonic imaging of seismic physical models using fiber Bragg grating Fabry–Perot probe
Sun et al. Multimode interference-based fiber-optic ultrasonic sensor for non-contact displacement measurement
JP2019184321A (en) Environment characteristic measuring device and environment characteristic measuring method
CN104360254A (en) Ultrasonic detection system and method for fiber bragg grating for local discharge detection on electrical equipment in power grid
Chen et al. Response bandwidth design of Fabry‐Perot sensors for partial discharge detection based on frequency analysis
Chen et al. A high-frequency hydrophone using an optical fiber microknot resonator
Wang et al. Tip-sensitive all-silica fiber-optic Fabry–Perot ultrasonic hydrophone for charactering high intensity focused ultrasound fields
Bao Prospects on ultrasound measurement techniques with optical fibers
Nishino et al. Power modulation-based optical sensor for high-sensitivity vibration measurements
CN102680073A (en) Novel optical fiber vibration measurement instrument
JP2009068841A (en) Vibration displacement measuring device for micro mechanical-electric structure (mems)
Tanaka et al. Data compensation and fiber optic probe for dynamic displacement measurement system with sinusoidally phase modulated reference light
CN104819769B (en) A kind of vibration measurement device based on polarization singular point beam laser speckle
Zhang et al. Optical heterodyne microvibration detection based on all-fiber acousto-optic superlattice modulation
Liu et al. Time-multiplexed laser self-mixing sensor for measurement of multiple material elastic moduli
GB2482908A (en) Rheometer with optical interferometer
Neumann et al. Identification and Avoidance of Systematic Measurement Errors in Lamb Wave Observation With One‐Dimensional Scanning Laser Vibrometry
Liang et al. Novel fiber Bragg grating sensing method based on the sidelobe modulation for ultrasound detection
CN110940941A (en) Magnetic field sensing measurement device and method based on multi-longitudinal-mode self-mixing effect
Takei et al. Measurement of intense ultrasound field in air using fiber optic probe
Guo et al. Non-contact fiber vibration sensor based on intracavity modulation of an extrinsic Fabry–Perot interferometer
Soman et al. Application of ellipse and hyperbola methods for guided waves based structural health monitoring using fiber Bragg grating sensors
Lima et al. Extrinsic and intrinsic fiber optic interferometric sensors for acoustic detection in high-voltage environments