JP2014052280A - ベルト変動測定方法とその測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザドップラセンサを使用して、ベルトに非接触で、ベルトの縦振れとベルトの回転速度を測定でき、ベルトの横ズレをも測定できるベルト測定方法を実現する。
【解決手段】 回転中のベルトの幅方向同一線上の少なくとも二箇所にレーザ光を照射し、その一つの照射箇所にはビーム幅が平行レーザ光を二方向から同じ交差角で照射して、両レーザ光をベルトの測定面上で交差させ、他の照射箇所には狭幅レーザ光を平行レーザ光と異なる二方向から同じ交差角で照射して、両レーザ光をベルトの測定面上で交差させ、それら二つの照射箇所からの散乱光を別々の差動型ＬＤＶの受光素子で受光して、前記二つの照射箇所の夫々のベルトの回転速度に比例したドップラ信号を抽出し、夫々のドップラ信号を演算処理して、平行レーザ光が照射された箇所のベルト回転速度と、狭幅レーザ光が照射された箇所のベルト回転速度を求め、その二つの回転速度の差を求め、その差分をベルトの縦振れ量として算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は二つのプーリー間に掛けてあるベルトの回転時の上下方向（プーリーの半径方向）の縦振れ量、回転速度、回転方向側方（プーリーの軸方向）への横ズレ量等（以下これらをまとめて「変動」という。）を、レーザドップラ方式で、非接触で測定可能なベルト変動測定方法とその測定装置に関する。

ベルトは動力（回転力）伝達手段として各種分野で使用されている。例えば、自動車では、エンジンに使用されているタイミングベルト、エアコンや発電機を駆動するためのファンベルト、パワーステアリングを駆動するためのパワーステアリングベルト等がある。

図２（ａ）に示すように、ベルトＢはプーリーＰの外周に掛けられて回転し、回転中に回転方向側方（プーリーの軸方向：図２（ａ）のＹ軸方向）に横振れ（横ズレ：蛇行）したり、上下方向（図２（ａ）のＺ軸方向）に縦振れしたりする。これら横ズレや縦振れの量が大きくなると、ベルトがスリップしてベルトの回転速度（図２（ａ）のＸ軸方向への移動速度）が不規則になったり、回転力の伝達が不確実になったりし、ベルトの回転に連動する機器や部品の動作タイミングがずれたり、誤動作したりして、動作不良の一因となる。自動車の場合、このような状況になると交通事故につながり危険が伴う。

前記動作不良を防止して、適正な速度制御位置するためには、ベルトの回転速度、前記横ズレ、縦振れを測定して、測定結果に応じてベルトの回転速度を制御したり、ベルトを位置決めしたり、テンションを制御したりする必要がある。ベルトの回転速度、横ズレを測定する方法は従来からあり、その一つとして、本件出願人が開発したレーザドップラセンサを利用した測定方法が実用化されている。

ベルトの振動測定方法として特許文献１がある。これはレーザ光をベルトの背面に照射し、ベルト背面からの反射光をレーザドップラセンサで受光して、ベルトの回転速度に比例したドップラ信号を抽出し、このドップラ信号を演算処理して、プーリーの半径方向へのベルトの振動を測定する方法である。この測定方法ではプーリーの半径方向への振動は測定できるが、ベルトの回転速度を同時に測定することはできない。

レーザドップラセンサを使用した振動測定方法として特許文献２がある。それは、レーザ光をセラミックス構成体に照射し、セラミックス構成体からの反射光をレーザドップラセンサで受光して、セラミックス構成体の振動に比例したドップラ信号を抽出し、このドップラ信号を演算処理して、セラミックス構成体の振動を測定する方法である。この測定方法はセラミックス構成体の振動を測定することはできるが、ベルトの縦振れとベルトの回転速度を同時に測定することはできない。

特許第４０６７９７８号公報 特許第２８６６７８４号公報

本発明の解決課題は、レーザドップラセンサを使用して、ベルトに非接触で、回転中のベルトの縦振れを測定でき、同時に、ベルトの回転速度も測定でき、更には、必要であれば、ベルトの横ズレをも測定できるベルト変動測定方法とその測定装置を提供することにある。

本発明のベルト変動測定方法は、回転ベルトの縦振れを測定する方法であり、プーリーの回転に伴って回転するベルトの外面にレーザビームを照射し、ベルトからの散乱光を差動型レーザドップラ速度計（差動型ＬＤＶ：Laser Doppler Velocimeter）で受けて、ドップラ効果に基づいてベルトの回転速度を計測し、その回転速度に基づいてベルトの縦振れを測定する方法において、回転中のベルトの幅方向同一線上の少なくとも二つの箇所にレーザ光を照射し、一つの照射箇所にはビーム幅が平行なレーザ光（以下「平行レーザ光」という：明細書及び特許請求の範囲において同じ。）を二方向から同じ交差角φ（図５）で照射して、両レーザ光をベルトの測定面上で交差させ、他の照射箇所にはビーム幅が照射方向又は逆方向に幅が狭くなるレーザ光（以下「狭幅レーザ光」という：明細書及び特許請求の範囲において同じ。）を二方向から同じ交差角φで照射して、両レーザ光をベルトの測定面上で交差させ、それら二つの照射箇所からの散乱光（反射光）を別々の差動型ＬＤＶの受光素子（光電変換素子：ＡＰＤ：Avalanche Photo Diode）で受光して、前記二つの照射箇所の夫々のベルトの回転速度に比例したドップラ信号を抽出し、夫々のドップラ信号を演算処理して、平行レーザ光が照射された箇所のベルト回転速度と、狭幅レーザ光が照射された箇所のベルト回転速度を求め、その二つの回転速度の差を求めてその差分をベルトの縦振れとして算出する方法である。

本発明では、ベルトのうち、前記縦振れ測定時にベルトに照射する平行レーザ光及び狭幅レーザ光の照射位置と異なる箇所に横ズレ測定用レーザ光を照射し、その照射箇所からの散乱光（反射光）を、平行レーザ光、狭幅レーザ光を受光した差動型ＬＤＶとは別の差動型ＬＤＶの受光素子で受光して、ベルトの横ズレ速度に比例したドップラ信号を抽出し、このドップラ信号を演算処理してベルトの横ズレ速度を求め、その横ズレ速度からベルトの横ズレを算出することもできる。この場合、前記横ズレ測定用レーザ光としてビーム幅が平行なレーザ光を使用し、そのレーザ光を、ビーム幅方向がベルトの幅方向と同じ向きになるように照射することが望ましい。

本発明のベルト変動測定装置は、少なくとも二つの差動型ＬＤＶと、夫々の差動型ＬＤＶに対応する信号処理部と、演算処理部を備え、一方の差動型ＬＤＶはレーザ光源からのレーザビームを平行ビームにして異なる二方向から所定の交差角でベルトに照射して、両レーザ光をベルトの測定面上で交差させる平行光照射部と、ベルトからの平行光の散乱光を集光する光学系と、光学系で集光された散乱光を光電変換する受光部と、前記照射箇所のベルトの回転速度に比例したドップラ信号を抽出してそのドップラ信号からベルトの回転速度を算出する信号処理部を備え、他方の差動型ＬＤＶは、レーザ光源からのレーザビームを照射方向先方に向けて又は逆方向に狭幅にしてベルトに照射する狭幅レーザ光照射部と、ベルトからの狭幅レーザ光の散乱光を集光する光学系と、光学系で集光された散乱光を光電変換する受光部と、前記照射箇所のベルトの回転速度に比例したドップラ信号を抽出してそのドップラ信号からベルトの回転速度を算出する信号処理部を備え、前記演算処理部は前記平行光に基づくドップラ信号を処理して得られたベルト回転速度と、前記狭幅光に基づくドップラ信号を処理して得られたベルト回転速度との差を求めてベルトの縦振れを算出可能なものである。

本発明では、前記ベルト変動測定装置において、前記縦振れ測定用の差動型ＬＤＶ、信号処理部、演算処理部の他に、横ズレ測定用のレーザ光照射部、差動型ＬＤＶ、信号処理部、演算処理部を備え、レーザ光照射部はベルトのうち縦振れ測定時の平行レーザ光及び狭幅レーザ光の照射位置と異なる箇所に横振れ測定用レーザ光を照射し、差動型ＬＤＶはその照射箇所からの散乱光（反射光）を光学系を通して受光して光電変換し、信号処理部は前記光電変換された電気信号からベルトの横ズレ速度に比例したドップラ信号を抽出し、演算処理部は前記ドップラ信号を演算処理してベルトの横ズレ速度を求め、その横ズレ速度からベルトの横ズレ量を算出することができるものである。前記レーザ光照射部は、そのビーム幅方向をベルトの幅方向と同じ向きにして照射することができるものである。

本発明のベルト変動測定方法及び測定装置は次の効果がある。
１．ベルトの縦振れを測定できるので、ベルトの伸び、たるみ、ベルトの回転速度等の確認ができ、ベルトの回転速度の制御、ベルトの位置決め、テンション調整等に利用することができる。
２．ベルトの上下方向への縦振れ、左右の横ズレを測定することができ、振れや、ズレの方向を知ることもできる。

一般的な差動型ＬＤＶの動作説明図。 （ａ）は本発明のベルト変動測定方法の一例を示す説明図、（ｂ）はベルトの縦振れ状態の説明図。 （ａ）はベルトへのレーザビームの照射説明図、（ｂ）はベルトに照射したレーザビームの幅方向の説明図。 本発明のベルト変動測定装置における速度測定装置の一例を示す説明図。 本発明のベルト変動測定方法における平行ビームの照射説明図。 本発明のベルト変動測定方法における狭幅ビームの照射説明図。 （ａ）は本発明のベルト変動測定方法における平行ビームの振動説明図、（ｂ）は（ａ）の二方向からの平行ビーム交差領域における輝度のプロット説明図。 （ａ）は本発明のベルト変動測定方法における狭幅ビームの振動説明図、（ｂ）は（ａ）の狭幅ビーム交差領域における周波数説明図。 本発明のベルト変動方法で実測した説明図であり、エンジンに負荷をかけずにプーリーを回転させた場合のＺ軸方向の振れ量の実測図。 本発明のベルト変動方法で実測した説明図であり、（ａ）はエンジンに負荷をかけてプーリーを回転させた場合のＺ軸方向の振れ量の実測図、（ｂ）はエンジンに負荷をかけてプーリーを逆回転させた場合のＺ軸方向の振れ量の実測図。 本発明のベルト変動方法で実測した説明図であり、（ａ）は測定箇所を変えてエンジンに負荷をかけてプーリーを回転させた場合のＺ軸方向の振れ量の実測図、（ｂ）は起動時のＺ軸方向の振れ量の実測図。 本発明において、ドップラ周波数ｆｄ₁、ｆｄ₂をＦ／Ｖ変換する場合のブロック説明図。 （ａ）はベルトに縦振れが無いときのドップラ周波数の波形図、（ｂ）は（ａ）のドップラ周波数をＦ／Ｖ変換したときの電圧の波形図。

（差動型ＬＤＶの動作原理）
本発明のベルト変動測定方法とそれに使用されるベルト変動測定装置の説明に先立って、差動型ＬＤＶを用いた速度計測方法の原理を図１に基づいて以下に説明する。図１は差動型ＬＤＶを用いた速度計測装置の一般的な構成である。図１ではレーザ光源１から出射されるレーザビームを無偏光ビームスプリッタ６で二方向に分割し、一方のレーザビーム（照射光１）はそのまま直進して測定物（移動体）に照射され、他方のレーザビーム（照射光２）はミラー７で直角に反射されて交差角φでベルトＢに照射され、ベルトＢからの散乱光（２本の照射光に対応した散乱光）が受光素子に受光される。２本の散乱光は正負同じ量のドップラシフトを起こす。この２本の散乱光が受光素子において重ね合わせて、ドップラ周波数ｆｄを検出する。これが差動型ＬＤＶである。散乱光はレンズで集光して受光素子で受光することもできる。

散乱光１、２のドップラ周波数（受光素子面で受光したドップラ周波数）ｆｄ₁、ｆｄ₂は、
ｆｄ₁＝２／λ ｓｉｎ（４／φ）・Ｖ・ｃｏｓ（θ−φ／４）・・・（１）
ｆｄ₂＝２／λ ｓｉｎ（４／φ）・Ｖ・ｃｏｓ（θ＋φ／４）・・・（２）
であらわされる。
λ：レーザ波長
φ：２本のレーザ光のなす角度
Ｖ：ベルトＢの回転速度
θ：２本のレーザ光の接線からの傾き角

前記のように、周波数が異なる２種類の散乱光がヘテロダイン検波されて、ビート周波数ｆｄが次のようにして検出される。
ｆｄ＝｜ｆｄ₁−ｆｄ₂｜＝２／λ・Ｖ・ｓｉｎ（φ／２）・ｃｏｓθ・・・（３）
この式から分かるように、移動体の速度Ｖに比例した周波数が検出される。また、式中に受光位置の角度成分がないため、受光面に対する位置の制約がなく、ベルトＢからの散乱光をどの位置で受光しても良く、レンズなどで散乱光を集光しても速度を正確に捉えることができる。

（ベルト変動測定方法）
本発明のベルト変動測定方法とそれに使用される測定装置は、前記差動型ＬＤＶの原理を応用したものであり、それを図２以下の図に基づいて説明する。

本発明のベルト変動測定方法は、図２（ａ）に示すように測定するベルトＢに対して速度測定用の光源１ａからのレーザビームＬ１と、縦振れ測定用の光源１ｂからのレーザビームＬ２を照射する。この場合、両レーザビームＬ１、Ｌ２をベルトＢの横幅方向に離して、ベルトＢの軸線と交差する線Ｎ−Ｎ（図２（ａ））上に照射する。速度測定用のレーザビームＬ１はベルトの回転速度を測定するためのレーザビームであり、縦振れ測定用のレーザビームＬ２はベルトの縦振れを測定するためのレーザビームである。縦振れ測定時にベルトＢの横ズレをも測定する必要がある場合は、横ズレ測定用の光源１ｃからのレーザビームＬ３を、前記レーザビームＬ１、Ｌ２の照射時にベルトＢに照射する。照射箇所は、前記レーザビームＬ１、Ｌ２の照射箇所と異なる箇所とする。

速度測定用のレーザビームＬ１は図３（ａ）、図５に示すような平行光であり、異なる二方向から交差角αで照射する。縦振れ測定用のレーザビームＬ２は照射方向先方又は逆方向に向けて狭幅になる狭幅光（図６）であり、異なる二方向から交差角αで照射する。この場合、図３（ｂ）に示すように、平行光であるレーザビームＬ１、狭幅光であるレーザビームＬ２は、夫々の横幅方向をベルトＢの軸方向（Ｘ−Ｘ方向）に向けて照射し、平行光であるレーザビームＬ３はその横幅方向をベルトＢの横幅方向（Ｙ−Ｙ方向）に向けて照射すると、ベルトの縦振れ、横ズレを検知することができる。

本発明のベルト変動測定方法では、前記のようにベルトＢに照射した速度測定用のレーザビームＬ１、縦振れ測定用のレーザビームＬ２の夫々の、ベルトＢからの散乱光を受光して光電変換し、夫々の電気信号を処理して、速度測定用のレーザビームＬ１の散乱光に基づくベルトＢの回転速度Ｖ１と、縦振れ測定用のレーザビームＬ２の散乱光に基づくベルトＢの回転速度Ｖ２を求め、両回転速度の差を求める。この速度差はベルトＢの縦振れに起因する速度差となる。

速度測定用の平行光のレーザビームＬ１も、縦振れ測定用の狭幅光のレーザビームＬ２も共に波長変化がある。この波長変化は図７（ａ）、図８（ａ）のように光の明暗（レベルの高低）として捉えることができる。このため、前記のように、異なる二方向から照射される平行光のレーザビームＬ１の交差領域（菱型部分）ｄ（図７（ａ）、図８（ａ））における明るい部分をプロットすると図７（ｂ）のように複数本の線状配列（以下「プロット配列」という。）になり、狭幅光のレーザビームＬ２の交差部における明るい部分をプロットすると図７（ｂ）のように複数本の線状配列（プロット配列）になって干渉縞ができる。この場合、レーザビームＬ１のプロット配列は平行な線状になり、レーザビームＬ２のプロット配列は図８（ａ）のように狭幅（レーザビーム照射側が幅広）な線状になる。プロット配列の間隔が広い方は明暗の繰返し間隔（干渉縞の間隔）が広く（周波数が低く）、プロット配列の間隔が狭い方は明暗の繰返し間隔（干渉縞の間隔）が狭く（周波数が高く）なる。ベルトＢの縦振れが大きくなると前記交差領域ｄの上方部分（広幅部分）を通過するため、その時の散乱光は周波数が低く、ベルトＢの縦振れが小さくなると前記交差領域ｄの下方部分（狭幅部分）を通過するため、その時の散乱光は周波数が高くなる。従って、前記のように、速度測定用のレーザビームＬ１に基づいて求めた回転速度と、縦振れ測定用のレーザビームＬ２に基づいて求めた回転速度との差を求めると、その回転速度差はベルトＢの縦振れの大きさに起因する速度差（周波数差）となる。この一例として図９に示すグラフは本発明のベルト変動測定方法で実測した説明図であり、エンジンに負荷をかけずにプーリーを回転させた場合のＺ軸方向の振れ量の実測図であって、図９のＶ１は縦振れ測定用レーザビームＬ２の散乱光に基づく速度波形、Ｖ２は回転速度定用レーザビームＬ１の散乱光に基づく速度波形であり、Ｖ３はＶ１−Ｖ２の速度波形である。図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）のＶ１、Ｖ２、Ｖ３は図９のＶ１、Ｖ２、Ｖ３と同じ関係にある。

回転速度を測定したドップラ周波数ｆｄ₁、ベルトの縦振れを含んだドップラ周波数ｆｄ₂のとき、ベルトの縦振れに起因する速度差周波数はｆｄ₂−ｆｄ₁となる。
ｆｄ₁＝２・Ｖ／λ ｓｉｎ（φ／２）
ｆｄ₂＝２・Ｖ／λ ｓｉｎ｛（φ±Δφ）／２｝
Ｖ：回転速度
λ：波長
φ：交差角
Δφ：図８（ａ）、（ｂ）に示す交差領域ｄ（測定領域）の干渉縞間隔が、ベルトの高さにより変化していることにより発生するものである。

本発明では、図１２に示すように、前記ドップラ周波数ｆｄ₁をＦ／Ｖ変換して電圧出力（回転速度出力：Ｖｆ₁）、ドップラ周波数ｆｄ₂をＦ／Ｖ変換して電圧出力（縦振れを含んだ出力：Ｖｆ₂）に変える。
縦振れ出力は
Ｖ₀ ＝Ｋ・Ｖｆ₂−Ｖｆ₁
＝Ｋ・２・Ｖ／λ ｓｉｎ｛（φ±Δφ）／２｝−２・Ｖ／λ ｓｉｎ（φ／２）
また、ＡＯＭ使用機（図４）においては、
Ｖ₀ ＝ｆ_m[Ｋ・２・Ｖ／λ ｓｉｎ｛（φ±Δφ）／２｝−２・Ｖ／λ ｓｉｎ（φ／２）］

縦振れがないときのドップラ周波数は図１３（ａ）のようになる。これをＦ／Ｖ変換すると、図１３（ｂ）のようになる。縦振れがないときにＶｆ₂、Ｖｆ₁を等しくするためには、Ｖｆ₂に係数が必要になる。これは干渉縞の交差角（狭幅光）を作るときに発生する。この係数をＫとする。
Ｖｆ₁＝Ｋ・Ｖｆ₂とすることが必要となる。

（ベルト変動測定装置）
本発明のベルト変動測定装置は、速度測定装置と、縦振れ測定装置を備える。必要であれば、横ズレ測定装置を備えることもできる。速度測定装置は図２（ａ）に示す速度測定用のレーザビームＬ１（平行光）をベルトＢに照射し、ベルトＢからの散乱光を処理して速度を測定する装置であり、縦振れ測定装置は図２（ａ）に示す縦振れ測定用のレーザビームＬ２（狭幅光）をベルトＢに照射し、ベルトＢからの散乱光を処理して縦振れを測定する装置であり、横ズレ測定装置は図２（ａ）に示す横ズレ測定用のレーザビームＬ３（平行光）をベルトＢに照射し、ベルトＢからの散乱光を処理して速度を測定する装置である。

前記測定装置のうち、速度測定装置と横ズレ測定装置はベルトＢに対して平行なレーザビームを照射し、ベルトＢからの散乱光を処理することにおいて同じ構成であり、縦振れ測定装置はベルトＢに対して狭幅のレーザビームを照射することにおいて前記二つの測定装置と異なる。

（速度測定装置）
前記三つの測定装置のうちの速度測定装置の一例を図４に示す。図４の速度測定装置は、レーザ光源（ＬＤ；レーザダイオード）１、平行部（コリメータレンズ）２、周波数シフト素子（例えば、ＡＯＭ）３、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４、λ／２波長板５、ミラー７、レンズ８、受光素子（ＡＰＤ）９を備えた差動型ＬＤＶと、増幅器１０、水晶発振器（例えば、発振周波数８０ＭＨｚ）１１、ＰＬＬ発振器１２、ミキサー１３、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４、Ａ／Ｄコンバータ１５、デジタル演算器（ＤＳＰ）１６、デジタル信号発生器（ＤＤＳ）１７、Ｄ／Ａコンバータ１８、カウンタ１９、ＣＰＵ２０を備えた信号処理部を備えている。ＣＰＵ２０はこれらのシステム全体に指令等を与える。

（差動型ＬＤＶの動作）
図４の速度測定装置では、レーザ光源１から出射されるレーザビームは、コリメータレンズ２で平行ビームに調整される（横方向のみ平行にする）。この平行レーザビームが偏光ビームスプリッタ４に入射されてＰ偏光ビームとＳ偏光ビームに二分される。

Ｐ偏光ビームはそのまま透過側に直進してベルトＢに照射される。ミラー７で反射されてベルトＢに交差角φで照射する。この場合、夫々のビームを干渉させる(偏波の波面を揃える)ために、Ｐ偏光ビームとＳ偏光ビームのどちらかのビームにλ／２波長板５を入れて偏波面を合わせる（揃える）。

（信号処理部の動作）
図４のベルトＢからの散乱光（２本の照射光に対応した散乱光）は、受光レンズ８等の光学系で集光されて受光素子９に受光される。この２本の散乱光は正負同じ量だけドップラシフトしており、受光素子９において重ね合わされてドップラ周波数が検出される。

受光素子９で検出されたドップラ周波数ｆｄ₁、ｆｄ₂は前記（１）、（２）式のようになり、ＡＯＭの駆動周波数ｆｍを中心に物体の速度Ｖに比例した周波数が検出される。

図４では、ＡＯＭでｆｍだけ周波数シフトされているため、ドップラ周波数ｆｄは、
ｆｄ＝ｆｍ±２／λ・Ｖ・ｓｉｎ（φ／２）
＝ｆｍ±Ｋ・Ｖ・・・・（４）
（Ｋ＝２／λ・ｓｉｎ（φ／２））
となる。

式（４）より、ドップラ周波数ｆｄはＡＯＭ３の駆動周波数ｆｍを中心にベルトＢの速度Ｖに比例した周波数が検出される。このため、ある時間におけるドップラ周波数の波数（パルス数）を積算すれば、その時間におけるベルトＢの回転を求めることができる。前記パルス間隔はビ−ム交差角φとレーザ光の波長λとにより定まる。

式（４）の中には受光位置の角度成分がないため、ドップラ周波数ｆｄには受光素子９の受光面に対する位置の制約がなく、どの位置で受光しても、また、レンズ８で集光しても速度を正確に捉えることができる。

ここで得られたドップラ周波数ｆｄは４０ＭＨｚを中心した信号であるが、ベルトの回転速度Ｖによるドップラ周波数の変化はその１／１０程度の±４ＭＨｚであることと、以降の演算処理周波数の使い易さから、４０ＭＨｚを５ＭＨｚ程度にビートダウンさせるのが望ましい。このためミキサー１３（図４）に３５ＭＨｚを入力する。３５ＭＨｚのローカル信号は水晶発振器１１と、ＰＬＬ発振器１２を用いて作った信号であり、それ以降の動作クロックにも流用する。これにより、クロックによる温度ドリフト等をキャンセルすることができる。

ミキサー１３から出力されたドップラ信号（５±４ＭＨｚ）は、ＬＰＦ１４で不要高周波成分をカットし、Ａ／Ｄコンバータ１５でデジタルデータに変換し、デジタル演算器（ＤＳＰ）１６にて高速速度演算を行う。高速速度演算はドップラ信号が不要なノイズ成分を含んだビート信号であることから、ＦＦＴ演算を基本とした演算処理で、ドップラ周波数を正しく特定し、前記（４）式より速度を求めることができる。

（周波数シフト素子）
本発明では図４のように照射光の一方に周波数シフト素子（例えば、ＡＯＭ）３を入れることで、予めシフトした周波数を零速度とし、この零速度を中心に回転方向及び零速度の計測を正しく行うことができ、回転数も正確に求めることができる。周波数シフト素子３を入れない場合は、V＝０のとき、ｆ＝０となって回転速度及び回転方向の判別ができない。

（縦振れ測定装置）
本発明の縦振れ測定装置は、基本的には図３の速度測定装置と同じ構成であり、異なるのは、縦振れ測定用のレーザビームＬ２を狭幅光にすることである。

ドップラ周波数は次式（前記式（４））のとおりである。
ｆｄ＝２／λ・Ｖ・ｓｉｎ（φ／２）＋ｆｍ

図５のように、レーザビーム交差領域ｄでは、２本のビーム交点での交差角はφ１〜φ２と変化する。この変化は交差領域の交差位置に比例（ほぼ比例）する。従って、前記式のφが奥行き方向で比例的に変化する。従って、本発明では図２のコリメータレンズ２でレーザビームを絞って先狭幅光にすることができる。コリメータレンズ２はレーザビームを拡げて逆方向に狭くすることもできる。

横ズレ測定装置の構成及び動作は図４の速度測定装置と同じ構成である。

（焦点深度を深くする）
ベルトＢは縦振れするとレーザ光源１からの距離が変化する。差動型ＬＤＶは焦点を結ぶ構成であるため、ベルトＢに照射されるレーザ光の焦点が差動型ＬＤＶの受光素子９の測定許容範囲内の焦点深度でなければ（焦点深度が深くなければ）正確な計測ができない。

差動型ＬＤＶの場合、ベルトＢの移動方向に対してt（図５）の幅をもつ平行なレーザビームになるようにコリメータレンズ２で調整することにより、交差角φはレーザ光の交差領域ｄ（図４）のどの位置においても一定になり、ベルトＢの回転速度Ｖを正確に計測することができる。つまりベルトＢに照射するレーザ光が平行であれはその領域が焦点となって、正確な計測ができる。

本発明のベルト変動測定方法は、ベルトと同様なもの、例えば、磁気テープやチェーンの回転時、長尺物等の搬送時等の変動測定にも利用可能である。

１ レーザ光源（ＬＤ）
１ａ 速度測定用の光源
１ｂ 縦振れ測定用の光源
１ｃ 横ズレ測定用の光源
２ コリメータレンズ
３ 周波数シフト素子（例えば音響光学素子：ＡＯＭ）
４ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
５ λ／２波長板
６ 無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）
７ ミラー
８ レンズ
９ 受光素子（ＡＰＤ）
１０ 増幅器
１１ 水晶発振器
１２ ＰＬＬ発振器
１３ ミキサー
１４ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１５ Ａ／Ｄコンバータ
１６ デジタル演算器（ＤＳＰ）
１７ デジタル信号発生器（ＤＤＳ）
１８ Ｄ／Ａコンバータ
１９ カウンタ
２０ ＣＰＵ
３０、３０ａ、３０ｂ アナモルフィックプリズム
Ｂ ベルト
Ｐ プーリー

Claims (6)

1. プーリーの回転に伴って回転するベルトの外面にレーザビームを照射し、ベルトからの散乱光を差動型レーザドップラ速度計（差動型ＬＤＶ）で受けて、ドップラ効果に基づいてベルトの回転速度を計測しその回転速度に基づいてベルトの変動を測定する方法において、回転中のベルトの幅方向同一線上の少なくとも二つの箇所にレーザ光を照射し、一つの照射箇所にはビーム幅が平行な平行レーザ光を二方向から所定の交差角で照射して、両レーザ光をベルトの測定面上で交差させ、他の照射箇所にはビーム幅が照射方向先方又は逆方向に向けて狭くなる狭幅レーザ光を二方向から所定の交差角で照射して、両レーザ光をベルトの測定面上で交差させ、それら二つの照射箇所からの散乱光を別々の差動型ＬＤＶの受光素子で受光して、前記二つの照射箇所の夫々のベルトの回転速度に比例したドップラ信号を抽出し、夫々のドップラ信号を演算処理して、平行レーザ光が照射された箇所のベルト回転速度と、狭幅レーザ光が照射された箇所のベルト回転速度を求め、その二つの回転速度の差を求めてその差分をベルトの縦振れとして算出することを特徴とするベルト変動測定方法。
2. 請求項１記載のベルト変動測定方法において、
   ベルトのうち、前記縦振れ測定時にベルトに照射する平行レーザ光及び狭幅レーザ光の照射位置と異なる箇所に横ズレ測定用レーザ光を照射し、その照射箇所からの散乱光を、平行レーザ光、狭幅レーザ光を受光した差動型ＬＤＶとは別の差動型ＬＤＶの受光素子で受光して、ベルトの横ズレ速度に比例したドップラ信号を抽出し、このドップラ信号を演算処理してベルトの横ズレ速度を求め、その横ズレ速度からベルトの横ズレを算出することを特徴とするベルト変動測定方法。
3. 請求項１又は請求項２記載のベルト変動測定方法において、横ズレ測定用レーザ光としてビーム幅が平行なレーザ光を使用し、そのレーザ光を、ビーム幅方向がベルトの幅方向と同じ向きにして照射することを特徴とするベルト変動測定方法。
4. 少なくとも二つの差動型ＬＤＶと、夫々の差動型ＬＤＶに対応する信号処理部と、演算処理部を備え、一方の差動型ＬＤＶは、レーザ光源からのレーザビームを平行ビームにして二方向から同じ交差角でベルトに照射して、両レーザ光をベルトの測定面上で交差させる平行光照射部と、ベルトからの平行光の散乱光を集光する光学系と、光学系で集光された散乱光を光電変換する受光部と、前記照射箇所のベルトの回転速度に比例したドップラ信号を抽出してそのドップラ信号からベルトの回転速度を算出する信号処理部を備え、他方の差動型ＬＤＶは、レーザ光源からのレーザビームを照射方向先方又は逆方向に向けて狭幅にしてベルトに照射する狭幅光照射部と、ベルトからの狭幅光の散乱光を集光する光学系と、光学系で集光された散乱光を光電変換する受光部と、前記照射箇所のベルトの回転速度に比例したドップラ信号を抽出してそのドップラ信号からベルトの回転速度を算出する信号処理部を備え、前記演算処理部は前記平行光に基づくドップラ信号を処理して得られたベルト回転速度と、前記狭幅光に基づくドップラ信号を処理して得られたベルト回転速度との差を求めてベルトの縦振れを算出可能なことを特徴とするベルト変動測定装置。
5. 請求項４記載のベルト変動測定装置において、
   縦振れ測定用の差動型ＬＤＶ、信号処理部、演算処理部の他に、横ズレ測定用のレーザ光照射部、差動型ＬＤＶ、信号処理部、演算処理部を備え、レーザ光照射部はベルトであって縦振れ測定時の平行レーザ光及び狭幅レーザ光の照射位置と異なる箇所に横振れ測定用レーザ光を照射し、差動型ＬＤＶはその照射箇所からの散乱光（反射光）を光学系を通して受光して光電変換し、信号処理部は前記光電変換された電気信号からベルトの横振れ速度に比例したドップラ信号を抽出し、演算処理部は前記ドップラ信号を演算処理してベルトの横ズレ速度を求め、その横ズレ速度からベルトの横ズレ量を算出することができるようにしたことを特徴とするベルト変動測定装置。
6. 請求項４又は請求項５記載のベルト変動測定装置において、
   レーザ光照射部は、そのビーム幅方向をベルトの幅方向と同じ向きにして照射することができることを特徴とするベルトのベルト変動測定装置。

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