JP2503293B2 - 微小変位量計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば転炉、連続鋳造モールド等の微小変
位量を正確に測定することができる微小変位量測定装置
に関する。

〔従来の技術〕

一般に、転炉では、吹錬時の反応状態によって種々の
振動を生じ、この振動を解析することにより、反応状態
を推定することができると共に、異常状態の発生も検出
することができることから、変位量測定を高精度で行う
ことが要望されている。

また、連続鋳造モールドでも、モールドの横振れ又は
振動によって鋳片の状態を検出することができると共
に、異常状態の発生も検出することができることから変
位量測定を高精度で行うことが要望されている。

このような転炉、連続鋳造モールド等の微小変位量を
測定するために、従来、差動トランスや加速度計を使用
した変位量及び周波数測定器が使用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来の微小変位量計測装置にあっ
ては、ミクロンオーダーの微小変位を計測することがで
きないと共に、高周波数の振動に対しては追従すること
ができないという未解決の課題があった。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目
してなされたものであり、ミクロンオーダーの微小変位
を正確に測定することができると共に高周波数の振動に
対しても追従することができる微小変位量計測装置を提
供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る微小変位測
定装置は、微小変位計測対象に、予め同心円状の１トラ
ック毎にトラックピッチに対応した変位量データを記録
した光ディスクを装着した回転駆動装置を配置すると共
に、固定部に前記光ディスクに記録された変位量データ
を読取る光学読取装置を固定配置し、該光学読取装置
は、レーザ発光装置と、該レーザ発光装置からのレーザ
ビームを微小スポットで前記光ディスクに照射するビー
ムスプリッタ及び対物レンズを有する光学系と、前記ビ
ームスプリッタから出力される前記光ディスクからの反
射光を光電変換する光電変換素子とを有する光学式ピッ
クアップと、前記光電変換素子から出力される光電変換
出力に基づいて変位量データを再生処理するデータ再生
処理装置とを備えていることを特徴としている。

〔作用〕

本発明においては、連続鋳造モールド、転炉の炉体等
の微小変位計測対象に設けた高速回転駆動される光ディ
スクに記録された変位量データを、固定部に固定配置さ
れたレーザ発光装置、光学系、光電変換素子及びデータ
再生処理装置を有する通常のコンパクトディスク再生装
置と同様の構成を有する光学読取装置で読取って、再生
することにより、再生データから直ちに微小変位量を得
ることができ、この微小変位量の変化から振動周波数を
測定することができる。ここで、光ディスクのトラック
ピッチは、最小で0.8μｍとすることができることか
ら、分解能をミクロンオーダーで正確に測定することが
できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図である。

図中、１は微小変位計測対象となる転炉の炉体であっ
て、この炉体１に光ディスク２を装着してこれを回転駆
動する回転駆動装置３が一体に取付けられている。ま
た、光ディスク２に対向する固定部には、光ディスク２
に記録された変位量データを読出す光学読取装置４が固
定配置されている。

光ディスク２は、第２図（ａ）及び（ｂ）に示すよう
に、通常のコンパクトディスクと同様のセンターホール
2aを有する直径12cmのディスクの表面に33mm程度の記録
領域2bが形成されている。この記録領域2bには、内周側
から例えば1.6μｍのトラックピッチL_Pでフロッピィデ
ィスクと同様の同心円状の多数のトラックＴが形成さ
れ、これら各トラックＴには、内周側の記録開始端から
1.6μｍを順次積算した値でなる変位量データが高さL_H
（＝0.1μ）、幅L_W（＝0.4μｍ）、長さL_L（＝0.9〜3.2
μｍ）の長円形状のピットＰとして所定数記録されてい
る。この変位量データの記録は、通常のコンパクトディ
スクと同様に、変位量データの後にクロス・インターリ
ーブ・リードソロモン符号（CIRC）を使用した誤り訂正
信号を夫々付加したフォーマットを有するフレームを構
成し、これをEMF（Eight to Fouteen Modulation）変調
した後、各フレームにフレーム同期信号を付加し、この
フレームに対応するピットが各トラックＴにおける周速
を一定として、トラックＴの記録データ容量分連続して
記録されている。

回転駆動装置３は、第３図に示すように、光ディスク
２をその表裏が垂直面となるように保持するターンテー
ブル3aと、このターンテーブル3aを回転駆動する駆動モ
ータ3bとから構成され、駆動モータ3bの回転数が光学読
取装置４からの読出位置信号によって内周側で200rpm、
外周側で500rpmとなるように順次回転数が連続的に変化
されて、光ディスク２の各トラックの周速が一定値とな
るように制御される。

光学読取装置４は、第３図に示すように、光ディスク
２にレーザービームを照射すると共に、その反射光を光
電変換素子に入射する光学式ピックアップ９と、この光
学式ピックアップ９を光ディスク２の中心を通る垂直線
上に上下方向に移動させる送り機構10と、光学式ピック
アップ９の光電変換素子から出力される光電変換出力が
入力されるデータ再生処理装置20とで構成されている。

光学式ピックアップ９は、第４図に示すように、レー
ザーダイオード11と、このレーザーダイオード11からの
レーザービームが入射されるビームスプリッタ12と、こ
のビームスプリッタ12から出射されるレーザービームを
平行光に変換するコリメーションレンズ13と、このコリ
メーションレンズ13の出射光の偏波面を90度回転させる
1/4波長板14と、この1/4波長板14の出射光を0.8μｍの
スポットとして光ディスク２に照射する対物レンズ15
と、ビームスプリッタ12から出射される光ディスク２か
らの反射光が入射されるシリンドリカルレンズ16と、こ
のシリンドリカルレンズ16から出射される反射光を受け
る光電変換素子17とで構成されている。ここで、対物レ
ンズ15は、フォーカス調整機構18によって光軸方向に移
動可能に保持されている。また、光電変換素子17は、第
５図に示すように、格子状に配列された４つのフォトダ
イオードD₁〜D₄で構成され、これらフォトダイオードD₁
〜D₄中の対角線上のフォトダイオードD₁,D₃及びD₂,D₄の
出力が加算されて出力される。

送り機構10は、案内レールによって上下方向に案内さ
れるスライダ10aと、このスライダ10aを上下方向に駆動
する駆動モータ10bによって回転駆動されるボールねじ1
0cとで構成され、駆動モータ10bが再生信号取付装置20
からの駆動信号によって回転駆動される。

データ再生処理装置20は、第３図に示すように、ピッ
クアップ光学系10のフォトダイオードD₁〜D₄の加算出力
を高周波増幅するRF増幅回路21と、このRF増幅回路21の
増幅出力が供給されるEFM復調回路22と、このEFM復調回
路22の復調出力が入力される誤り訂正及びデインタリー
ブ回路23と、この誤り訂正及びデインターリーブ回路23
から出力される再生変位量データが入力されるマイクロ
コンピュータ24と、このマイクロコンピュータ24から出
力される変位量データ及び周波数データが入力される表
示器25及びXYプロッタ等の記録計26と、前記RF増幅回路
21からの増幅出力に基づいてフォーカス誤差を算出し
て、前記フォーカス機構18を駆動するフォーカスサーボ
回路27と、前記RF増幅回路21からの増幅出力に基づいて
送り機構10の駆動モータ10bを制御する送り制御回路28
と、前記EFM復調回路22からの同期信号に基づいて前記
回転駆動装置３の駆動モータ3bの回転速度制御を行う回
転速度サーボ回路29とを備えている。

ここで、マイクロコンピュータ24は、誤り訂正及びデ
インターリーブ回路23から出力される再生変位量データ
を順次読込んで、これを現在変位量データとして更新記
憶すると共に、この現在変位量データから基準位置を表
す基準変位量データを減算して、基準点からの変位量を
算出し、これを記憶装置の所定記憶領域に更新記憶する
と共に、表示器25及び記録計26に出力し、さらに変位量
の最大値又は最小値を検出して、単位時間当たりの最大
値又は最小値を数或いは最大値又は最小値間の時間を計
測することにより周波数を算出し、これを記憶装置の所
定記憶領域に更新記憶すると共に、表示器25に出力す
る。

次に、上記実施例の動作を説明する。先ず、転炉炉体
１における変位量の計測を開始する前に、基準位置の設
定を行う。この基準位置の設定は、炉体１を静止状態と
し、この状態で、回転駆動装置３を回転駆動すると共
に、送り機構10によって光学式ピックアップ９を光ディ
スク２の中心側の記録開始位置に移動させて零点調整及
び回転駆動装置３の回転速度調整を行い、この状態から
送り機構10を、予め設定された変位量データが記録され
ている中央部の所定トラックを再生する位置まで下方に
移動させる。このときの移動は、各トラックを順次再生
しながら、目的とする中央部のトラックに記録されてい
る変位量データを再生したときに送り機構10の移動を停
止させるか、又は予め中央部のトラックに制御信号を記
録しておき、この制御信号を再生するまで早送りするこ
とにより行う。この間に、光学式ピックアップ９の下降
に伴って、回転駆動装置３の駆動モータ3bの回転速度が
徐々に低下されて、光学式ピックアップ９による各トラ
ックの読取速度が常に一定値となるように制御される。

このようにして、光学式ピックアップ９の基準位置へ
の移動が完了すると、光学式ピックアップ９によって再
生される変位量データが基準変位量データに一致するこ
とから、マイクロコンピュータ24で算出される変位量は
零となり、これが表示器25に表示されると共に、記録計
26に記録され、且つRF増幅回路で増幅された、フォトダ
イオードD₁,D₃及びD₂,D₄の出力電流の差値がフォーカス
サーボ回路27で演算され、その差値が零となるように、
フォーカス機構18が駆動される。このフォーカス調整
は、通常のコンパクトディスク装置と同様に、光ディス
ク２でのレーザビームの反射ビームがビームスプリッタ
を介し、さらにシリンドリカルレンズ16を介して光電変
換素子17に入射されることにより、対物レンズ15の焦点
が光ディスク２に近づき過ぎると、シリンドリカルレン
ズ16の出射ビームが第５図で破線図示のように縦長の楕
円光となり、逆に遠過ぎると鎖線図示のように横長の楕
円光となり、焦点が合った状態では、実線図示のように
円形光となることを利用しているもので、シリンドリカ
ルレンズ16の出射光の形状を、光電変換素子17を構成す
る各フォトダイオードD₁,D₃及びD₂,D₄の出力電流の差値
を算出することにより検出し、この差値に応じて常に合
焦点となるようにフォーカス機構18によって対物レンズ
15の光軸方向位置が制御される。

以上のようにして基準位置の設定が完了すると、微小
変位量の計測状態となる。このとき、転炉炉体１の変位
量が零であるときには、光学式ピックアップ９のスポッ
トが常に基準変位量データに相当する変位量データが記
録されたトラックを走査することから、マイクロコンピ
ュータ24で算出される変位量は零を維持する。

この状態から、転炉を吹錬状態として、炉体１が上下
に振動する状態とすると、その振動に応じて光ディスク
２も上下に振動することになり、光学式ピックアップ９
の対物レンズ15から出射されるスポットによって走査さ
れるトラック位置が変動することになる。このため、光
ディスク２が１トラックピッチ分だけ変位する毎に、そ
の光ディスク２に記録されているトラックピッチに応じ
て増減する変位量データが順次光学式ピックアップ９に
よって読取られ、その光電変換素子17によって光電変換
される。この光電変換出力は、データ再生処理装置20に
入力されることにより、そのRF増幅回路21で増幅され、
EFM復調回路22で復調された後、誤り訂正及びデインタ
ーリーブ回路23で正規のデータ配列に変換されると共
に、誤り訂正が行われてマイクロコンピュータ24に入力
される。このため、マイクロコンピュータ24では、時々
刻々入力される変位量データから基準変位量データを減
算して変位量を算出し、この変位量の変化を更新記憶す
ると共に、その最大値又は最小値を検出し、単位時間当
たりの最大値又は最小値の数或いは最大値又は最小値間
の時間を計測することにより、振動周波数を算出し、変
位量及び振動周波数を表示器25に出力して表示すると共
に、変位量を記録計26に出力して記録する。

このように、上記実施例によると、予め同心円状の多
数のトラックに変位量データを記録した光ディスク２を
転炉等の微小振動測定対象に装着し、測定対象と共に光
ディスク２を振動させることにより、固定部に配置した
光学読取装置４で、光ディスクの各トラックに記録され
た変位量データを再生するようにしているので、再生さ
れた変位量データから測定対象の変位方向を加味した変
位量を測定することができると共に、この変位量測定値
から振動周波数を算出することができる。このとき、光
ディスク２に記録された変位量データは、トラックピッ
チの1.6μｍを積算したデータであることから、変位量
を1.6μｍオーダーで計測することができ、微小変位量
を高精度で計測することができ、しかも変位量データの
高速読取りが可能であるので、高周波数の振動であって
も正確に計測することができる。

なお、上記実施例においては、光ディスク２のトラッ
クピッチを1.6μｍに設定した場合について説明した
が、これに限定されるものではなく、所望とされる分解
能に応じて、２μｍ、１μｍ、0.8μｍ等の任意のトラ
ックピッチとすることができ、この場合には各トラック
に記録される変位量データをトラックピッチの積算値と
すればよい。

また、上記実施例においては、光ディスク２の内周側
の記録開始点から順次変位量データを1.6μｍ毎に増加
させる場合について説明したが、これに限定されるもの
ではなく、零点調整を行う基準位置での変位量データを
“0"とし、この基準位置から内側に向かう毎に順次1.6
μｍ単位で変位量データを正方向に増加させ、逆に外側
に向かう毎に順次1.6μｍ単位で変位量データを負方向
に増加させるようにしてもよく、この場合には、変位量
測定データから直ちに変位量を算出することができる利
点がある。

さらに、上記実施例においては、転炉炉体１の上下動
を測定する場合について説明したが、これに限定される
ものではなく、光ディスク２の中心を通る水平線上に光
学式ピックアップ９を配置することにより、水平方向の
変位量及び振動周波数を測定することができ、光ディス
ク２の中心を通る垂直線上及び水平線上に夫々光学式ピ
ックアップを配置することにより、垂直方向及び水平方
向はもとより、斜め方向の変位量及び振動周波数を検出
することができる。

またさらに、上記実施例においては、微小変位測定対
象として転炉の炉体１を適用した場合について説明した
が、これに限定されるものではなく、連続鋳造モール
ド、圧延ロール軸受部、その他の微小変位量計測に適用
することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る微小変位測定装置
によれば、微小変位測定対象に一体配置した回転駆動装
置に予め同心円状の多数のトラックに変位量データを記
録した光ディスクを装着し、この光ディスクの変位量デ
ータを固定部に配置した光学系及びデータ再生処理部を
有する光学読取装置によって再生することにより、変位
量及び振動周波数を測定するようにしているので、光デ
ィスクのトラックピッチに応じたミクロンオーダーの変
位量を高精度で測定することができると共に、振動周波
数を容易に測定することができ、しかも光ディスクに予
め記録された変位量データを再生するので、変位方向を
加味した変位量を直ちに得ることができ、さらに、変位
量データを高速読取りが可能であるので、高周波数の振
動でも確実に計測することができるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を転炉炉体に適用した場合の一実施例を
示す概略構成図、第２図は光ディスクを示す説明図、第
３図は光学読取装置の一例を示すブロック図、第４図は
光学式ピックアップを示す概略構成図、第５図は光電変
換素子を示す説明図でる。 図中、１は転炉炉体（計測対象）、２は光ディスク、３
は回転駆動装置、４は光学読取装置、９は光学式ピック
アップ、11はレーザーダイオード、12はビームスプリッ
タ、13はコリメーションレンズ、14は1/4波長板、15は
対物レンズ、16はシリンドリカルレンズ、17は光電変換
素子、20はデータ再生処理装置、21はRF増幅回路、22は
EFM復調回路、23はデインターリーブ回路、24はマイク
ロコンピュータ、27はフォーカスサーボ回路、29は回転
速度サーボ回路である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】微小変位計測対象に、予め同心円状の１ト
   ラック毎にトラックピッチに対応した変位量データを記
   録した光ディスクを装着した回転駆動装置を配置すると
   共に、固定部に前記光ディスクに記録された変位量デー
   タを読取る光学読取装置を固定配置し、該光学読取装置
   は、レーザ発光装置と、該レーザ発光装置からのレーザ
   ビームを微小スポットで前記光ディスクに照射するビー
   ムスプリッタ及び対物レンズを有する光学系と、前記ビ
   ームスプリッタから出力される前記光ディスクからの反
   射光を光電変換する光電変換素子とを有する光学式ピッ
   クアップと、前記光電変換素子から出力される光電変換
   出力に基づいて変位量データを再生処理するデータ再生
   処理装置とを備えていることを特徴とする微小変位量計
   測装置。