JP2866784B2 - 振動検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 この発明は例えば粗面のセラミ
ックス構成体の被測定物の振動を検出する振動検出方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】 従来、振動検出装置としてレーザドッ
プラ振動計が実用化されている。この装置はＨｅ−Ｎｅ
レーザ等のレーザ光を被測定物に照射し、被測定物から
の反射光と、音響光学変調器によりレーザ光の周波数を
一定量（例えば８０ＭＨｚ）シフトさせた参照レーザ光
とを干渉させる。そして、干渉レーザ光のビート成分を
光電変換した後、ＦＭ復調して被測定物の振動に比例し
た電気信号を取り出す。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】 一般に、被測定物の
表面をレーザ光の波長レベルで考えると粗面である。こ
のため、被測定物からの反射レーザ光は、明暗、つまり
スペックルパターンを有するものであり、面的な位相差
を含んでいる。

【０００４】又、被測定物の位置やレーザ光の照射位置
を変えると、スペックルパターンは形を変えながら移動
する。被測定物からの反射レーザ光が上記のようなスペ
ックルを含むため、レーザドップラ振動計での振動計測
に以下の問題が生じる。

【０００５】ａ．振動測定条件によっては、面的な位相
差を多く含む反射レーザ光を受光するので、光強度とし
ては、十分な強度を受光しているのにかかわらず計測不
能になることがある。（照射レーザ光の焦点を合わせる
以外に被測定物の位置の微調整を行う必要があり、作業
効率が悪い。） ｂ．被測定物が低振動数でレーザに対して垂直平面内で
数ｍｍ揺れている場合、位相差の大きい反射光が受光素
子に入射し計測不能となることが高頻度で発生する。

【０００６】この発明の目的は、上記の計測不能となる
頻度を低滅することができる振動検出装置を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】 上記目的を達成するた
め、この発明は、レーザ光を被測定物に照射し、その被
測定物からの反射レーザ光と、出力されたレーザ光の周
波数をシフトさせた参照レーザ光とを重ね合わせて光干
渉させ、その干渉レーザ光により被測定物の振動を計測
する振動検出方法において、前記干渉レーザ光を光電変
換機能を備えた複数の受光面により受光し、各受光面か
らの電気信号をＦＭ復調して前記被測定物の振動に比例
した信号に変換するとともに、それら各信号のうち前記
受光面からの出力時における最大振幅の信号を振動検出
のために出力するようにした。

【０００８】

【０００９】

【作用】 この発明においては、受光面が多分割された
光電変換器を使用するので、測定条件により隣接する受
光面の組み合わせを選択でき、スペックルパターンの縦
横比が大きく異なる場合であっても、振幅の最も大きい
電気信号が選択される。このため、雑音の少ない振動検
出を行うことができる。

【００１０】また、この発明においては、レ−ザ光発生
器からレーザ光を被測定物に照射すると、該被測定物の
表面から明暗のスペックルパタ−ンのあるレーザ光が反
射される。前記レーザ光発生器から出力したレーザ光の
周波数を周波数シフタによりシフトさせて得られた参照
レーザ光と、前記の反射レーザ光とを重ね合わせ干渉さ
せる。すると、複数の受光面を有する光電変換器から位
相の異なる複数の電気信号が出力される。そして、各電
気信号はＦＭ復調器により振動速度に比例した電気信号
に復調される。

【００１１】

【実施例】 以下、この発明を粗面のセラミックス構成
体の振動検出方法として具体化した第１実施例を図１〜
図３に基づいて説明する。被測定物としての粗面のセラ
ミックス、すなわち計測対象物Ｓの振動をレーザ光の干
渉を利用して検出するためのレーザドップラ振動検出装
置１は振動体Ｓから所定間隔をおいて設置されている。

【００１２】このレーザドップラ振動検出装置１を図１
により説明すると、その収納ケース２内には、直線偏光
型のＨｅ−Ｎｅレーザ光発生器３が配置されている。該
レーザ光発生器３からは（波長λ＝６３３ｎｍ、出力＝
数ｍＷ）のレーザ光Ｒが出力されるようになっている。
このレーザ光発生器３の前方にはレーザ光Ｒを２つのレ
ーザ光Ｒ１，Ｒ２に分岐させるための第１偏光ビームス
プリッタ４が配置されている。第１偏光ビームスプリッ
タ４の前方には、そのビームスプリッタ４を直進したレ
ーザ光Ｒ１を周波数（８５ＭＨｚ）シフトするための第
１音響光学変調器５が駆動回路６により駆動可能に配設
されている。

【００１３】さらに、前記第１音響光学変調器５の前方
には、前記レーザ光Ｒ１を直進させ、かつ計測対象物Ｓ
からの反射レーザ光Ｒ３を直角方向へ反射させるための
第２偏光ビームスプリッタ７が配置されている。このビ
ームスプリッタ７の前方には前記レーザ光Ｒ１のビーム
径を拡大するための例えば焦点距離が１０ｍｍ程度の凹
レンズ８が配置され、対物レンズ１０によりレ−ザ光Ｒ
１のビーム径を例えば数十μｍ程度に集光して計測対象
物Ｓに照射するようにしている。対物レンズ１０として
は、例えば、口径５０ｍｍ、焦点距離１００ｍｍ程度の
ものが使用される。さらに、前記凹レンズ８の前方には
光の偏波面を直線偏光から円偏光にするλ／４板９が配
置されている。

【００１４】この第１実施例では前記第１偏光ビームス
プリッタ４、第１音響光学変調器５、第２偏光ビームス
プリッタ７、凹レンズ８、λ／４板９及び対物レンズ１
０等により振動検出用レーザ光Ｒ１の照射光学系Ｋ１が
構成されている。そして、第１音響光学変調器５を透過
した振動検出用レーザ光Ｒ１は、凹レンズ８、第２偏光
ビームスプリッタ７、及びλ／４板９を透過して対物レ
ンズ１０を通り、計測対象物Ｓに照射される。その後、
振動検出用レーザ光Ｒ１は反射レーザ光Ｒ３として再び
対物レンズ１０に入り、第２偏光ビームスプリッタ７ま
では照射光軸と同一位置を通り、該第２偏光ビームスプ
リッタ７により直角方向へ反射されて、後述する無偏光
ビームスプリッタ１４に入射される。この第１実施例で
は前記第２偏光ビームスプリッタ７、凹レンズ８、λ／
４板９、対物レンズ１０及び無偏光ビームスプリッタ１
４等により振動検出用反射レーザ光Ｒ３の受光学系Ｋ２
が構成されている。

【００１５】又、前記第１偏光ビームスプリッタ４によ
り分岐された参照レーザ光Ｒ２の光軸上には、レーザ光
Ｒ２を一定の周波数（７４．３ＭＨｚ）シフトさせるた
めの第２音響光学変調器（ＡＯＭ）１１が配置され、該
音響光学変調器１１には駆動回路１２が接続されてい
る。そして、参照レーザ光Ｒ２は、音響光学変調器１１
を介して第５ミラー１３により直角に反射された後、無
偏光ビームスプリッタ１４に入射され、ここで計測対象
物Ｓからの反射レーザ光Ｒ３と参照レーザ光Ｒ２とが合
成されて干渉レーザ光Ｒ４となる。

【００１６】さらに、前記ビームスプリッタ１４の近傍
にはピンホールプレート１５が配置され、不要光が遮断
される。このプレート１５の光軸上には、二つの受光面
１６Ａ，１６Ｂを有する２素子型シリコンフォトダイオ
ードよりなる受光素子１６が配置されている（図２参
照）。受光素子１６には、二つの受光面１６Ａ，１６Ｂ
に対してそれぞれ独立して増幅器１７，１７が接続さ
れ、これらにより光電変換器１８が構成されている。こ
の光電変換器１８により干渉レーザ光Ｒ４は電気信号に
変換される。

【００１７】又、前記光電気変換器１８にはケーブル１
９，２０を介して復調装置２１が接続されている。この
復調装置２１は、第１ＦＭ復調器２２及び第２ＦＭ復調
器２３を備えている。なお、復調器２２，２３には光電
変換器１８の出力をその振幅に比例した信号に変換する
ための図示しないＡＭ検波器が内蔵されている。（以
後、光電変換器１８出力の振幅に比例した信号のレベル
をＲＦレベルと略す）。前記両復調器２２，２３には復
調器２２，２３から出力されるＲＦレベルを比較するた
めの比較手段としての比較器２４が接続されている。さ
らに、前記両復調器２２，２３には、比較器２４の比較
結果に基づいてＲＦレベルが高い方の復調器２２又は２
３の振動データを出力する選択出力手段としての出力回
路２５が接続されている。

【００１８】次に、前記のように構成した振動検出装置
について、その作用を説明する。最初に計測対象物、す
なわちセラミックス構成体Ｓに電圧を印加してその計測
対象物Ｓを振動させる。そして、その状態で、レーザ光
発生器３からレーザ光Ｒを出力すると、このレーザ光Ｒ
は第１偏光ビームスプリッタ４により、直進レーザ光Ｒ
１と、直角に反射した参照レーザ光Ｒ２とに分岐され
る。直進レーザ光Ｒ１は第１音響光学変調器５により、
周波数が８５ＭＨｚにシフトされて対物レンズ１０から
計測対象物Ｓに照射される。この計測対象物Ｓの表面で
反射したレーザ光は反射レーザ光Ｒ３として再び対物レ
ンズ１０に帰還して、第２偏光ビームスプリッタ７で直
角に反射され、無偏光ビームスプリッタ１４により参照
レーザ光Ｒ２と重ね合わされ、干渉レーザ光Ｒ４とな
る。その後、干渉レーザ光Ｒ４は、ピンホールプレート
１５を透過した後、２素子型の受光素子１６の受光面１
６Ａ，１６Ｂに入射される。

【００１９】ここで、計測対象物Ｓの表面は、光学研磨
したものではないので、光の波長オーダで考えると粗面
となっている。従って、計測対象物Ｓからの反射光Ｒ３
は、例えばスペックルＰ１〜Ｐ５のあるパターンとなる
（図２参照）。この場合、隣のスペックルとの位相の相
関関係がランダムであるため、図２のように受光素子１
６の二つの受光面１６Ａ，１６Ｂに異なるパターンが入
射した場合には、図３のようなチャンネル１（受光面１
６Ａと対応）とチャンネル２（受光面１６Ｂと対応）で
位相差が大きい電気信号が光電変換器１８から出力され
ることになる。

【００２０】光電変換器１８からの電気信号は、ＦＭ復
調器２２、２３により計測対象物Ｓの振動に比例した振
動データに変換される。又、両復調器２２，２３から出
力された両ＲＦレベルは比較器２４により比較され、出
力回路２５からはＲＦレベルの高い復調器２２又は２３
の低雑音振動データが出力される。

【００２１】仮に受光素子、すなわち受光面を２個設け
ずに、１つの受光素子の受光面積を大きくしただけの場
合には、図３において電気信号が位相差により山と谷で
打ち消されてキャンセルされる状態が生じる。又、受光
面積を小さくするとスペックルの谷間の微弱光の部分の
みが入射される頻度が高く、高振幅の電気信号が得られ
る確率が低い。

【００２２】一方、この実施例のように受光面を二個に
すると光電変換器１８の片方のチャンネル１又は２に大
振幅の電気信号が得られる確率が高くなり、振動の検出
精度が向上する。

【００２３】なお、一般に多素子型フォトダイオードの
周波数特性は２０ＭＨｚ程度が限度であり、音響光学変
調器の代表的な周波数シフト量である８０ＭＨｚを変換
することが難しい。このため、音響光学変調器を二個使
用してＦＭ用の代表的なＩＦ周波数である１０．７ＭＨ
ｚとしている。

【００２４】以上のようにして、粗面のセラミックス構
成体の計測対象物Ｓの振動を検出して、計測対象物Ｓの
振動特性等を計測できる。次に、この発明の第２実施例
を図４〜図６について説明する。

【００２５】この実施例では、四つの受光面１６Ａ〜１
６Ｄを有する四素子型シリコンフォトダイオードよりな
る受光素子１６を使用している。又、受光面１６Ａ〜１
６Ｄにはそれぞれ独立して増幅器１７〜１７が接続さ
れ、これらにより光電変換器１８が構成されている。

【００２６】本実施例では、高速スイッチ３１で光電変
換器１８の受光面１６Ａ〜１６Ｄと対応するチャンネル
１〜４を切り換えて第１信号合成器３２及び第２信号合
成器３３に導き、両合成器３２，３３の電気信号を復調
装置２１に導く構成としている。

【００２７】なお、前記第１音響光学変調器５と第２偏
光ビームスプリッタ７との間及びビームスプリッタ７と
１４との間には、レーザ光のビーム径を調整するレンズ
３５，３６が介在されている。

【００２８】計測対象物の形状が軸方向と円周方向で大
きく異なるものであって、その振動計測を考えた場合、
計測対象物Ｓの曲率が軸方向と円周方向で大きく異なる
ため、反射光のパターンは縦横比が大きく異なる。又、
スペックルパターンが縦方向になるか横方向になるか
は、計測対象物の置きかたに依存する。

【００２９】今、計測対象物からの反射光が図５のＰ
１，Ｐ２のパターンで入射されたとすると、受光面１６
Ａと１６Ｂの信号に位相差が少なく、又、受光面１６Ｃ
と１６Ｄの信号についても位相差が少ない。又、計測対
象物がレーザに対し垂直平面内で揺れている場合の各素
子の受光面のＲＦレベルは、図６に示すように受光面１
６Ａと１６Ｂが高い場合に、受光面１６Ｃと１６Ｄが低
い。逆に、受光面１６Ａと１６Ｂが低い場合に、受光面
１６Ｃと１６Ｄが高くなる。従って、第１合成器３２に
より受光面１６Ａと１６Ｂの信号を、第２合成器３３に
より受光面１６Ｃと１６Ｄの信号をそれぞれ単純に合成
すればよい。従って、低雑音の信号のみを抽出して振動
検出を行うことができる。

【００３０】一方、前記とは逆に計測対象物からの反射
光が図５のＰ３，Ｐ４のパターンで入射した場合、受光
面１６Ａと１６Ｃの信号を第１合成器３２で合成し、受
光面１６Ｂと１６Ｄの信号を第２合成器３３で合成する
ことができるように、モード切換スイッチ（図示略）を
切り換える。

【００３１】又、四つのチャンネル１〜４の電気信号の
位相を判断する位相判別回路（図示略）を設け、その検
出位相がほぼ同じとなるチャンネルどうしをチャンネル
選択回路（図示略）により選択して、選択された各一対
のチャンネルの信号同士を両合成器３２，３３により合
成するようにしてもよい。この場合には、中央演算処理
装置、リード・オンリー・メモリー及びランダム・アク
セス・メモリー等を有する制御装置を使用して前記位相
判別回路、チャンネル選択回路及び信号合成器３２，３
３等を制御する。

【００３２】なお、この発明は前記各実施例に限定され
るものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で各
部の構成を任意に変更して具体化することができる。 （１）計測対象物Ｓとして粗面セラミックス構成体以外
のもの、例えば、ファンベルト等のゴム製品、あるいは
塗装体等の振動の検出を行うこと。なお、ファンベルト
の振動検出は、ファンベルトを回転させて行い、塗装体
の振動検出は塗装体を機械的に振動させて行う。

【００３３】（２）４素子以上の多素子型の受光素子を
用いること。 （３）２回路以上のＦＭ復調器で振動速度に復調するこ
と。 （４）ＲＦレベルの信号を光電変換器１８又は両合成器
３２，３３から比較器２４に入力すること。

【００３４】

【発明の効果】 以上詳述したように、この発明におい
ては、高Ｓ／Ｎ比の復調信号が振動検出用として出力さ
れ、大きな振幅の低雑音信号を有効に抽出して被測定物
の振動の測定を正確に、かつ効率よく行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示す略体ブロック図で
ある。

【図２】レーザ光の受光状態を示す正面図である。

【図３】振動データを示す説明図である。

【図４】この発明の第２実施例を示す略体ブロック図で
ある。

【図５】レーザ光の受光状態を示す正面図である。

【図６】振動データを示す説明図である。

【符号の説明】

１…レーザドップラー振動検出装置、２…収納ケース、
３…Ｈｅ−Ｎｅレーザ発生器、４…第１偏光ビームスプ
リッタ、５…第１音響光学変調器、１０…対物レンズ、
１１…周波数シフタとしての第２音響光学変調器、１４
…無偏光ビームスプリッタ、１６…受光素子、１６Ａ〜
１６Ｄ…受光面、１８…光電変換器、２２，２３…復調
器、２４…比較手段としての比較器、２５…選択出力手
段としての出力回路、３１…高速切換スイッチ、３２，
３３…信号合成器、Ｒ１…振動検出用レーザ光、Ｒ２…
参照レーザ光、Ｒ３…振動検出用反射レーザ光、Ｒ４…
干渉レーザ光、Ｋ１…振動検出用レーザ光照射系、Ｋ２
…振動検出用レーザ光受光系、Ｓ…被測定物としてのセ
ラミックス構成体。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を被測定物に照射し、その被測
   定物からの反射レーザ光と、出力されたレーザ光の周波
   数をシフトさせた参照レーザ光とを重ね合わせて光干渉
   させ、その干渉レーザ光により被測定物の振動を計測す
   る振動検出方法において、 前記干渉レーザ光を光電変換機能を備えた複数の受光面
   により受光し、各受光面からの電気信号をＦＭ復調して
   前記被測定物の振動に比例した信号に変換するととも
   に、それら各信号のうち前記受光面からの出力時におけ
   る最大振幅の信号を振動検出のために出力するようにし
   た振動検出方法。