JP2963075B2 - 変位測定装置および変位測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー光を用い
て物体の変位を非接触で測定する変位測定方法および変
位測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザを使用する物体の変位測定方法お
よび変位測定装置の従来例の代表的なものとして、２例
示す。図７は、従来の第１の例として挙げるもので、二
つの光路を使用する変位測定システムを示す。

【０００３】まず、レーザダイオードＬＤからのレーザ
光をビームスプリッタＭａによって二つのビームＬ₁ 、
Ｌ₂ に分ける。Ｌ₁ の光路上には超音波光周波数シフト
装置ＡＯＭが置かれ、一方のビームＬ₁ がＡＯＭ装置を
通過して、その光周波数がｆ _R だけシフトした参照光が
得られる。一方のビームＬ₂ を直接、変位測定対象物体
Ｓの表面に照射すると、物体表面から反射される散乱光
が物体の変位によって光周波数がｆ_s だけドップラシフ
トする。散乱光と参照光をビームスプリッタＭ ₁ によっ
て合波した後、フォトダイオードＰＤで混合すると干渉
光の強度がｆ_R−ｆ_s の周波数で変化する。この場合、
ｆ_R は定数で、干渉光はｆ_s だけの関数となる。ｆ
_s は、変位測定対象物体の運動速度をＶとしたとき、 ｆ_s ＝２・Ｖ／λ・ｃｏｓθ（θは運動速度Ｖの方向と
反射光方向がなす角） で表すことができる。

【０００４】ここで、ｆ_R −ｆ_s がｆ_R より大きいか小
さいかを見て、物体の運動方向を判断し、ｆ_R −ｆ_s が
ｆ_R よりシフトした量｜ｆ_s ｜によって物体の運動速度
をみる。物体の運動速度波形を時間積分することで変位
波形を求められる。図８により、半導体レーザの自己混
合法による変位測定システムを使用した従来の第２の方
法を示す。

【０００５】無変調のレーザダイオードから出射したレ
ーザビームＬ₀ が変位測定対象物体Ｓの表面に照射され
て反射され、一部の散乱光Ｌ₁ が元の光路に沿って、レ
ーザダイオードに戻る。戻った光Ｌ₁ とレーザダイオー
ド共振器中のレーザ光が混合して、干渉現象が起こる。
干渉信号がダイオードパッケージに内蔵されたフォトダ
イオードＰＤで検出される。自己混合によって起きた干
渉信号の特徴としては、図示のように鋸波となることで
ある。鋸波の傾きが物体の変位方向を表し、鋸波の数が
λ／２を単位とした変位の量を表す。このように、鋸波
の傾きと数により変位波形を求めることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の第１の従来の方
法では、二つの光路が必要となり、また、参照光路にＡ
ＯＭ装置も必要となって光学系が複雑となり、装置全体
の体積も大きくなり、コストも高くなる。また、使用環
境が制限されたり、光軸合せに熟練を要したり、光路調
節に手間がかかり変位測定対象物体が制限される等の問
題がある。

【０００７】また、上記第２の従来の方法は光学システ
ムが簡単であるという長所があるが、変位方向判別は、
鋸波の傾きの非対称度に依存し、この非対称度は反射光
の強度に依存するので、鋸波の傾きの非対称度が小さい
とき、測定誤差が大きくなるという欠点がある。したが
って、本願発明は従来の各方法における問題点の改善を
図ると同時に、低コストで小型化、耐環境性に優れた変
位測定方法および変位測定装置を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本願の請求項１に記載の変位測定装置は、周期性上
下同量変動波形によって変調されたレーザ変調電流に応
じたレーザ光を出射するレーザ光出力手段と、前記レー
ザ光出力手段から出射したレーザ光の光路上に設けら
れ、レーザ光出力手段からのレーザ光を一部反射する参
照物体と、変位検出対象物体からの反射光と参照物体か
らの反射光とが干渉した干渉光を受光し、当該干渉光よ
りモードホップ信号を検出し、前記レーザ変調電流１周
期内のレーザ変調電流の上昇期間のモードホップの数と
レーザ変調電流の下降期間のモードホップの数をそれぞ
れ計数し、レーザ変調電流１周期毎に前記レーザ変調電
流の上昇期間と下降期間のモードホップの数の差を求
め、当該モードホップの数の差を出力する変位サンプル
手段と、前記変位サンプル手段で求めたレーザ変調電流
１周期毎の前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間の
モードホップの数の差を時間的にディジタル積分してデ
ィジタル積分信号を求め、該ディジタル積分信号から振
動周波数より低い周波数特性を有する誤差累積信号を除
去した変位波形を出力する変位波形検出手段とから構成
されることを特徴としている。

【０００９】請求項２に記載の変位測定装置は、周期性
上下同量変動波形によって変調されたレーザ変調電流に
応じたレーザ光の一部を出射し、変位検出対象物体から
の反射光を検出し、前記レーザ光の別の一部と前記反射
光を自己混合し検出信号を出力するレーザ光出力手段
と、レーザ光出力手段からの検出信号が入力すると、当
該検出信号よりモードホップ信号を検出し、前記レーザ
変調電流１周期内のレーザ変調電流の上昇期間のモード
ホップの数とレーザ変調電流の下降期間のモードホップ
の数をそれぞれ計数し、レーザ変調電流１周期毎に前記
レーザ変調電流の上昇期間と下降期間のモードホップの
数の差を求め、当該モードホップの数の差を出力する変
位サンプル手段と、前記変位サンプル手段で求めたレー
ザ変調電流１周期毎の前記レーザ変調電流の上昇期間と
下降期間のモードホップの数の差を時間的にディジタル
積分してディジタル積分信号を求め、該ディジタル積分
信号から振動周波数より低い周波数特性を有する誤差累
積信号を除去した変位波形を出力する変位波形検出手段
とから構成されることを特徴としている。

【００１０】請求項３に記載の発明では、請求項１また
は２に記載の変位測定装置において、前記周期性上下同
量変動波形が、三角波、正弦波、鋸波、二乗余弦波、ガ
ウス波のいずれか１つであることを特徴としている。請
求項４に記載の変位測定方法は、周期性上下同量変動波
形によって変調されたレーザ変調電流に応じたレーザ光
を出射し、レーザ光の光路上に設けられレーザ光を一部
反射する参照物体からの反射光と変位検出対象物体から
の反射光とが干渉した干渉光よりモードホップ信号を検
出し、前記レーザ変調電流１周期内のレーザ変調電流の
上昇期間のモードホップの数とレーザ変調電流の下降期
間のモードホップの数をそれぞれ計数し、レーザ変調電
流１周期毎に前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間
のモードホップの数の差を求め、レーザ変調電流１周期
毎の前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間のモード
ホップの数の差を時間的にディジタル積分してディジタ
ル積分信号を求め、該ディジタル積分信号から振動周波
数より低い周波数特性を有する誤差累積信号を除去した
変位波形を求めることを特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の振動測定方法及び
振動測定装置を、図１乃至図５を用いて説明する。 〔構 成〕図１は本発明による振動測定装置の構成を示
し、図２は図１の各点における出力波形を示す。

【００１２】図１において、本発明の振動測定装置は、
レーザ光出力手段１、変位サンプル手段２及び変位波形
検出手段３を基本構成としている。レーザ光出力手段１
は、変調電流波形発生部１１、レーザ変調電流源部１
２、半導体レーザダイオード部１３により構成されてい
る。変調電流波形発生部１１は、周期性上下同量変動波
形ａを出力する。

【００１３】レーザ変調電流源部１２は、一定電流基準
値を変調電流波形発生部１１から出力した周期性上下同
量変動波形ａにより変調した上下変動電流ｂを出力す
る。半導体レーザダイオード部１３は、レーザ変調電流
源部１２からの上下変動電流ｂにより駆動され、レーザ
光を出射する。参照物体Ｍは、半導体レーザダイオード
部１３から出射されるレーザ光の光路上に設けられ、半
導体レーザダイオード部１３から出射されるレーザ光を
一部透過するとともに参照反射光として反射し、変位測
定対象物体の表面Ｓからの反射光を透過する。

【００１４】変位サンプル手段２は、信号検出増幅部２
１、モードホップパルス検出分離部２２、レーザ変調電
流１周期内変位検出部２３、フォトダイオード２４とか
ら構成されている。フォトダイオード２４は、変位検出
対象物体および参照物体により反射された反射光が干渉
した干渉光を検出し、検出信号を出力する。

【００１５】信号増幅検出部２１は、フォトダイオード
２４からの検出信号が入力すると、モードホップ信号ｃ
を出力する。モードホップパルス検出分離部２２は、信
号検出増幅部２１からのモードホップ信号ｃからモード
ホップの数に応じてレーザ変調電流の上昇期間のモード
ホップパルス連ｊとレーザ変調電流の下降期間のモード
ホップパルス連ｋを出力する。

【００１６】レーザ変調電流１周期内変位検出部２３
は、モードホップパルス連ｊおよびｋをもとにレーザ変
調電流の１周期ごとのレーザ変調電流の上昇期間のモー
ドホップパルス数Ｎ₁ とレーザ変調電流の下降期間のモ
ードホップパルス数Ｎ₂ 及び両者の差ΔＮ＝Ｎ₂ −Ｎ₁
を求め、このΔＮの値を量子化変位サンプル値として出
力する。このΔＮの絶対値は、レーザ変調電流１周期内
の半波長λ／２で量子化された物体の変位量であり、Δ
Ｎの符号は物体の変位の方向を示す。

【００１７】変位波形検出手段３は、変位累積演算部３
１とハイパスディジタルフィルタ処理部３２とから構成
されている。変位累積演算部３１は、前記変位サンプル
手段２から得た量子化変位サンプル値ΔＮを加算して変
位量の累積値ΣΔＮを求める。ハイパスディジタルフィ
ルタ処理部３２は、変位累積演算部３１で得られた累積
値ΣΔＮから振動信号周波数より十分に低い周波数成分
を持つΔＮの誤差累積成分を除去して目的とする変位波
形ｍを求める。

【００１８】〔原 理〕次に、本願発明の原理を説明す
る。変調電流波形発生部１１からの周期性上下同量変動
波形ａを三角波形とした場合、レーザ変調電流源部１２
からの上下変動電流ｂは図３（ｂ）に示されるような三
角波電流となる。半導体レーザダイオード部１３はこの
三角波電流に応じたレーザ光を変位測定対象物に対し照
射する。

【００１９】図３（ａ）中、Ｓは変位測定対象物体の表
面を、また、Ｍは参照物体の表面を表す。レーザ光ｌ₁
の一部が参照物体の表面Ｍにより反射され、参照反射光
ｒ₁ が得られる。一方、レーザ光ｌ₁ のうち参照物体を
通過したレーザ光ｌ₂ が変位測定対象物体の表面Ｓで反
射され反射光ｒ₂ が得られる。参照反射光ｒ₁ と反射光
ｒ ₂ が干渉し、この干渉光がフォトダイオードＰＤによ
り検出される。このとき、参照物体の表面Ｍと変位測定
対象物体の表面Ｓで、式 Ｌ＝ｎ×λ／２ ……（１） を満足すれば、干渉の強度が一番強くなる。ここで、Ｌ
は参照物体の表面Ｍから変位測定対象物体の表面Ｓまで
の距離を、λはレーザ光の波長を表す。ｎは整数で、参
照物体の表面Ｍから変位測定対象物体の表面Ｓの間に入
っている半波長の数を表す。

【００２０】（１）式を変形して（２）式が得られる。 ｎ＝２Ｌ・ｆ／ｃ （ｆはレーザ光の周波数、ｃは光速）……（２） （２）式が示すように、ｎは、Ｌ、ｆの関数で、ｎは
Ｌ、ｆの変化に従って変化する。ｎが１だけ変化する
と、干渉光の強度には１つの波が発生し、一つのモード
ホップが発生する。

【００２１】図３（ｂ）の信号ｂはレーザ駆動電流波形
を示し、信号ｃは信号検出増幅部２１で検出した干渉光
の強度変化を示すモードホップ信号を表す。モードホッ
プ信号ｃからわかるように、干渉光の強度は駆動電流の
電流変化に従いながら、小さなステップ波形が重畳して
いる。この小さな波形はｎの変化によりモードホップパ
ルスが発生することを表す。

【００２２】（２）式を時間ｔで微分すると次式（３）
が得られる。 ｄｎ／ｄｔ＝２Ｌ／ｃ・ｄｆ／ｄｔ＋２ｆ／ｃ・ｄＬ／ｄｔ ……（３） ここで、ｄｆ／ｄｔは光周波数の変調率で、電流変化率
ｄｉ／ｄｔに比例する。すなわち、ｄｆ／ｄｔ＝−Ｇ・
ｄｉ／ｄｔ（Ｇは正数で、単位電流変化当たりの周波数
の変化量で、単位はＨｚ／ｍＡ）となる。

【００２３】ｄＬ／ｄｔは参照物体の表面Ｍが固定の時
の変位測定対象物体の表面Ｓの運動速度であり、変調電
流周期内ではほぼ一定であると考えることができる。ｄ
ｎ／ｄｔはモードホップ周波数で、変調電流による光周
波数シフトと変位測定対象物体の表面Ｓの運動速度の両
方に関係している。（３）式より次式（４）式が得られ
る。

【００２４】 ｄｎ／ｄｔ＝−２ＬＧ／ｃ・ｄｉ／ｄｔ＋２ｆ／ｃ・ｄＬ／ｄｔ ……（４） ｄｎ／ｄｔが０になる時の変位測定対象物体の表面Ｓの
運動速度を臨海速度Ｖ _c と呼び、 Ｖ_c ＝ＬＧ／ｆ・ｄｉ／ｄｔ ……（５） で与えられている。

【００２５】いま、変位測定対象物体の表面Ｓの運動速
度が臨海速度より常に小さい場合を考える。この時、｜
２ＬＧ／ｃ・ｄｉ／ｄｔ｜＞｜２ｆ／ｃ・ｄＬ／ｄｔ｜
が成立するので、ｄｎ／ｄｔの符号は、２ＬＧ／ｃ・ｄ
ｉ／ｄｔにより決まる。レーザ変調電流の上昇期間（０
からＴ／２まで）内のモードホップ数Ｎ₁ は、次式
（６）により表わされる。

【００２６】

【数１】

【００２７】レーザ変調電流の下降期間（Ｔ／２からＴ
まで）内のモードホップの数Ｎ₂ は、次式（７）とな
る。

【００２８】

【数２】

【００２９】（７）式−（６）式から、

【００３０】

【数３】

【００３１】ここで、ΔＬ₁ ’＝Ｌ₃ −Ｌ₁ であり、１
周期内の微小変位であり、一般的には、１周期ごとに変
化する。（８）式は次式（９）式となる。 ΔＬ₁ ’＝λ／２・（Ｎ₂ −Ｎ₁ ）＝λ／２・（ΔＮ）₁ ……（９） ここで、（ΔＮ）_i はｉ番目の三角波電流１周期内の微
小変位に対応したΔＮである。

【００３２】（９）式からわかるように、レーザ変調電
流の１周期内の変位測定対象物体の表面Ｓの変位は（Ｎ
₂ −Ｎ₁ ）に比例する。（Ｎ₂ −Ｎ₁ ）はλ／２で量子
化されたレーザ変調電流の１周期内の変位量のディジタ
ル値を示す。そして（Ｎ₂ −Ｎ₁ ）の符号は変位測定対
象物体の表面Ｓの運動方向を表し、変位測定対象物体の
表面Ｓが遠ざかるときは正である。

【００３３】なお、以上の結論は、変位測定対象物体の
表面Ｓの運動速度が臨海速度より小さいという条件で得
られたものであるが、この条件は電流変化率ｄｉ／ｄｔ
を調節すれば、容易に実現できる。ところで、時刻０か
ら時刻ｔまでの間に、変位測定対象物体の表面Ｓが移動
することによる変位をΔＬとすると、

【００３４】

【数４】

【００３５】で与えられる。ここに、ｎは１以上の整数
であり、測定に用いられた三角波の数であり、 ｎＴ＝ｔ ……（１１） である。従って、（１０）式は、

【００３６】

【数５】

【００３７】（９）式を用いると、

【００３８】

【数６】

【００３９】従って、三角波電流の１周期ごとに実測し
たΔＮ＝Ｎ₂ −Ｎ₁ を代数的に加算した値は、λ／２で
量子化された変位を与える。なお、（６）乃至（８）式
からわかるように、Ｎ₂ −Ｎ₁ の値は、変位Ｌ₃ −Ｌ₁
と光波長λのみによって決定される。すなわち、変調電
流波形としては、１周期内で上昇部と下降部を各１回有
する飛びのない単調連続周期波形であれば、どのような
形でもよいことがわかる。

【００４０】〔動 作〕次に、本発明による振動測定装
置の実施例について図４および図５を参照して説明す
る。図４は図１に示す振動測定装置の構成図をさらに細
かく分けたものである。図５は図４の各点における出力
波形を示したものである。図４に示す振動測定装置は、
変調電流波形発生部１１とレーザ変調電流源部１２と半
導体レーザダイオード部１３とから構成されるレーザ光
出力手段１と、信号検出増幅部２１とモードホップパル
ス検出分離部２２とレーザ変調電流１周期内変位検出部
２３とフォトダイオード２４とから構成される変位サン
プル手段２と、変位累積演算部３１とハイパスディジタ
ルフィルタ処理部３２とから構成される振動変位波形検
出手段３により構成されている。

【００４１】本実施例においては、変調電流波形発生部
１１は三角波を発生する三角波発生回路を用いている
が、これに限らず正弦波等、他の周期性上下同量変動波
形の発生回路とすることも可能である。変調電流波形発
生部である三角波発生回路１１は、三角波形ａを出力す
る。レーザ変調電流源部１２は、一定電流基準値を三角
波発生回路１１から出力した三角波形ａにより変調した
上下変動電流ｂを出力する。

【００４２】半導体レーザダイオード部１３は、レーザ
変調電流源部１２からの上下変動電流ｂにより駆動さ
れ、これに応じたレーザ光を出射する。参照物体は、半
導体レーザダイオード部１３から出射されるレーザ光の
光路上に設けられ、半導体レーザダイオード部１３から
出射されるレーザ光を一部透過するとともに参照反射光
として反射し、変位測定対象物体の表面Ｓからの反射光
を透過する。

【００４３】変位測定対象物体および参照物体からの反
射光が干渉した干渉光は、フォトダイオード２４により
検出され、干渉光を検出したフォトダイオード２４は、
干渉光の受光強度に応じて検出信号を出力する。フォト
ダイオード２４からの検出信号は、信号検出増幅部２１
の検出回路２１１に入力し、検出信号が入力した検出回
路２１１はモードホップ信号ｃを出力する。

【００４４】検出回路２１１からのモードホップ信号ｃ
が入力した信号レベル調整回路２１２は、モードホップ
信号ｃのレベルを調整して出力する。信号検出部２１の
信号レベル調整回路２１２からのモードホップ信号ｃは
二つに分けられ、モードホップパルス検出分離部２２に
入力される。モードホップパルス検出分離部２２では、
一方のモードホップ信号ｃはローパス回路２２１を経て
信号ｄとなって微分回路２２２に入力される。微分回路
２２２から出力した信号ｅは比較成形回路２２３により
レーザ変調電流の上昇期間をハイレベルと対応させた矩
形波ｆを得る。

【００４５】他方のモードホップ信号ｃはハイパス回路
２２４に入力され、ハイパス回路２２４の出力する信号
ｈは比較成形回路２２５を経てモードホップ矩形パルス
ｉを得る。そして、信号ｆと信号ｉとをＡＮＤ回路２２
６に入力して、レーザ変調電流の上昇期間のモードホッ
プ矩形パルス信号ｊを得て、レーザ変調電流１周期内変
位検出部２３に出力される。

【００４６】一方、比較成形回路２２３を経た信号ｆは
反転回路２２７に入力されてレーザ変調電流の下降期間
をハイレベルと対応させた対応させた矩形波ｇを得る。
そして信号ｇと信号ｉとをＡＮＤ回路２２８に入力し
て、レーザ変調電流の下降期間のモードホップ矩形パル
ス信号ｋを得て、レーザ変調電流１周期内変位検出部２
３に出力される。

【００４７】レーザ変調電流１周期内変位検出部２３で
は、モードホップパルス検出分離部２２から出力したモ
ードホップ矩形パルス信号ｊおよびｋの矩形波の数、つ
まり、モードホップ数がそれぞれカウンタ２３１、２３
２でカウントされ、レーザ変調電流の１周期ごとにコン
ピュータ或いはＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッ
サ）等の変位検出演算部２３３に矩形波のカウント数が
出力される。つまり、レーザ変調電流の１周期ごとにカ
ウンタから出力した変調電流上昇期間と下降期間に対応
するモードホップ数Ｎ₁ 、Ｎ₂ をサンプルすることにな
る。

【００４８】カウンタ２３１、２３２は、１周期ごとに
クリアされる。変位検出演算部２３３では、ΔＮ＝Ｎ₂
−Ｎ₁ を計算し、このΔＮの値（量子化変位サンプル
値）を変位波形検出手段３に出力する。振動変位波形検
出手段３の変位累積演算部３１では、前記変位サンプル
手段２から得た変調電流１周期内の量子化変位サンプル
値ΔＮを加算して変位量の累積値ΣΔＮを計算し積分デ
ィジタル信号ｌを求める。

【００４９】そして、ハイパスディジタルフィルタ処理
部３２にて、変位累積演算部３１で得られた積分ディジ
タル信号ｌのうち、振動周波数より十分に低い周波数成
分を持つ誤差累積差分を除去し、変位波形のディジタル
信号ｍを求める。尚、変位サンプル手段２および振動変
位波形検出手段３を共通のコンピュータあるいはＤＳＰ
で行わせるようにしてもよい。

【００５０】また、図９に本発明の他の実施例に係る変
位測定装置を示す。この変位測定装置は、図１に示した
ように、半導体レーザＦＭ変調手段１ａ、変位サンプル
手段２ａ及び振動変位波形検出手段３からなり、図１お
よび図４に示した前述の実施例と同一機能を有する構成
については、説明の便宜上、同一の符号を付している。

【００５１】図９に示す変位測定装置において、半導体
レーザダイオード部１３ａは、フォトダイオード内蔵半
導体レーザダイオード或いは出力端にファイバ付きのフ
ォトダイオード内蔵半導体レーザダイオード等、半導体
レーザダイオードとフォトダイオードが一体化されてい
るものである。半導体レーザダイオードは、変位測定対
象物体および内蔵しているフォトダイオードにレーザ光
を出射する。フォトダイオードは、変位測定対象物体か
らの反射光と半導体レーザダイオードから供給されるレ
ーザ光を検出し、すなわち、この２つのレーザ光を自己
混合し検出信号として信号検出増幅部２１ａに出力す
る。信号検出増幅部２１ａでは、このフォトダイオード
からの検出信号が入力すると、モードホップ信号ｃを出
力する。

【００５２】ここで、半導体レーザダイオードから内蔵
フォトダイオードに対して供給されるレーザ光は上記実
施例における参照物体からの反射光と同じ作用をする。
したがって、前記半導体レーザダイオード部１３をフォ
トダイオード内蔵半導体レーザダイオード等により構成
すれば、参照物体を設ける必要はなくなる。以上のよう
に、本発明による変位測定装置は、周期性上下同量変動
波形により変調されるレーザ変調電流源により駆動され
る半導体レーザダイオードから出射されるレーザ光を変
位測定対象物体に照射し、その反射光を検出するととも
に、レーザダイオードから内蔵フォトダイオードに供給
されるレーザ光を参照光として使用してモードホップ信
号を検出し、このモードホップ信号をディジタル処理し
て変位波形を得るようにしている。これにより、簡単な
光学系のシステムで、装置を小型化できるとともに、光
軸も一つであるため、光学調整が簡単であり、複雑な設
定を必要としない変位測定装置が得られる。

【００５３】図６は、本発明の他の実施例に係る変位測
定装置を示す。この変位測定装置も、図１に示したよう
に、半導体レーザＦＭ変調手段１、変位サンプル手段２
及び振動変位波形検出手段３からなり、これらの具体的
な構成は、図１および図４に示したものと同様である。
したがって、上記実施例と同一機能を有する構成につい
ては、説明の便宜上、同一の符号を付している。

【００５４】変位波形検出手段３で得られた変位波形ｍ
を、ＣＲＴ等の波形表示手段４に表示することができ
る。また、変位スペクトル分析手段５において、変位波
形検出手段３で得られた変位波形ｍを解析して、振動周
波数成分を求める。さらに、この振動数とすでに得た振
動波形をもとに振動の特性を解析し、振動体の特定や振
動原因等の調査に利用することができる。

【００５５】また、本発明による変位測定は、変位測定
対象物体の運動速度が臨海速度Ｖｃより小さいという条
件を前提にしている。このため、電流変化率ｄｉ／ｄｔ
を調節する必要がある。そこで、図６に示すように、変
位スペクトル分析手段５において、変位波形ｍの周波数
成分分布を求め、この周波数成分分布での最高周波数を
最高周波数検出手段７で求める。 周波数比較手段８で
は、最高周波数検出手段７で求めた最高周波数と変調電
流波形発生部（上記実施例においては三角波発生部）１
１で出力している周期性上下同量変動波形ａの周波数を
比較する。

【００５６】このとき、最高周波数検出手段７で求めた
最高周波数が変調電流波形発生部１１で出力している周
期性上下同量変動波形ａの周波数よりも小さ（例えば１
／１０以下）ければ、周期性上下同量変動波形ａの周波
数はそのままにしておく。もし、最高周波数検出手段７
で求めた最高周波数が変調電流波形発生部１１で出力し
ている周期性上下同量変動波形ａの周波数よりも大き
（例えば１／１０以上）ければ、変調周波数コントロー
ル手段９に信号を出力する。

【００５７】変調周波数コントロール手段９は、周波数
比較手段８からの信号が入力すると、周期性上下同量変
動波形ａの周波数を変更（例えば、それまでの値の２倍
に）する。これにより、ｄｉ／ｄｔが所定の値となるよ
うに調節し、高い精度を維持することができる。なお、
変調電流波形発生部１１の周波数のコントロールは、一
定時間間隔或いは所定の時刻に行うようにしてもよい。

【００５８】

【発明の効果】上述のように、本発明は、駆動電流変調
と物体変位によるレーザ外部共振器のモードホップ現象
を利用してモードホップ数を検出、解析することで物体
の振動変位を測定するようにしたもので、これにより、
光学系を含む装置の構造が簡素化され、光軸も一つであ
るため、光学調整が簡単であり、装置を低コストとする
ことができる。

【００５９】また、装置の使用環境に対する条件が厳し
くなく、精度の高い振動測定を可能とすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動測定装置の基本構成を示すブ
ロック図である。

【図２】本発明の各構成ブロックにより得られる信号波
形を示す図である。

【図３】本発明の振動測定の測定原理を説明する図であ
る。（ａ）は光学装置と光路の概略を示す図、（ｂ）は
振動体の変位（上図）、駆動電流波形（中図）、モード
ホップ信号（下図）とし、それぞれの時間変化を示す図
である。

【図４】本発明の実施例に係る振動測定装置のブロック
構成図である。

【図５】図４の各ブロックで得られる信号波形を示す図
である。

【図６】本発明の振動測定の他の実施例を示す図であ
る。

【図７】従来のレーザ光を利用した振動測定装置の一例
を示す図である。

【図８】従来のレーザ光を利用した振動測定装置の他の
例を示す図である。

【図９】本発明の振動測定の他の実施例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ レーザ光出力手段 １ａ レーザ光出力手段 ２ 変位サンプル手段 ２ａ 変位サンプル手段 ３ 変位波形検出手段 ４ 波形表示手段 ５ 変位スペクトル分析手段 ６ 変位スペクトル表示手段 ７ 最高周波数検出手段 ８ 周波数比較手段 ９ 変調周波数コントロール手段 １１ 変調電流波形発生部 １２ レーザ変調電流源部 １３ 半導体レーザダイオード部 １３ａ 半導体レーザダイオード部 ２１ 信号検出増幅部 ２１ａ 信号検出増幅部 ２２ モードホップパルス検出分離部 ２３ レーザ変調電流１周期内変位検出部 ２４ フォトダイオード ３１ 変位累積演算部 ３２ ハイパスディジタルフィルタ処理部 ２１１ 信号検出回路 ２１２ 信号レベル調整回路 ２２１ ローパス回路 ２２２ 微分回路 ２２３ 比較成形回路 ２２４ ハイパス回路 ２２５ 比較成形回路 ２２６ ＡＮＤ回路 ２２７ 反転回路 ２２８ ＡＮＤ回路 ２３１ カウンタ１ ２３２ カウンタ２ ２３３ 変位検出演算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武藤 範雄 東京都港区元赤坂１丁目６番６号 綜合 警備保障株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−323810（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−174511（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 9/00 - 11/30 102 G01H 9/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を用いて変位検出対象物体の変
   位を測定する変位測定装置であって、 周期性上下同量変動波形によって変調されたレーザ変調
   電流に応じたレーザ光を出射するレーザ光出力手段と、 前記レーザ光出力手段から出射したレーザ光の光路上に
   設けられ、レーザ光出力手段からのレーザ光を一部反射
   する参照物体と、 変位検出対象物体からの反射光と参照物体からの反射光
   とが干渉した干渉光を受光し、当該干渉光よりモードホ
   ップ信号を検出し、前記レーザ変調電流１周期内のレー
   ザ変調電流の上昇期間のモードホップの数とレーザ変調
   電流の下降期間のモードホップの数をそれぞれ計数し、
   レーザ変調電流１周期毎に前記レーザ変調電流の上昇期
   間と下降期間のモードホップの数の差を求め、当該モー
   ドホップの数の差を出力する変位サンプル手段と、 前記変位サンプル手段で求めたレーザ変調電流１周期毎
   の前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間のモードホ
   ップの数の差を時間的にディジタル積分してディジタル
   積分信号を求め、該ディジタル積分信号から振動周波数
   より低い周波数特性を有する誤差累積信号を除去した変
   位波形を出力する変位波形検出手段とから構成されるこ
   とを特徴とする変位測定装置。
2. 【請求項２】 レーザ光を用いて変位検出対象物体の変
   位を測定する変位測定装置であって、 周期性上下同量変動波形によって変調されたレーザ変調
   電流に応じたレーザ光の一部を出射し、変位検出対象物
   体からの反射光を検出し、前記レーザ光の別の一部と前
   記反射光を自己混合し検出信号を出力するレーザ光出力
   手段と、 レーザ光出力手段からの検出信号が入力すると、当該検
   出信号よりモードホップ信号を検出し、前記レーザ変調
   電流１周期内のレーザ変調電流の上昇期間のモードホッ
   プの数とレーザ変調電流の下降期間のモードホップの数
   をそれぞれ計数し、レーザ変調電流１周期毎に前記レー
   ザ変調電流の上昇期間と下降期間のモードホップの数の
   差を求め、当該モードホップの数の差を出力する変位サ
   ンプル手段と、 前記変位サンプル手段で求めたレーザ変調電流１周期毎
   の前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間のモードホ
   ップの数の差を時間的にディジタル積分してディジタル
   積分信号を求め、該ディジタル積分信号から振動周波数
   より低い周波数特性を有する誤差累積信号を除去した変
   位波形を出力する変位波形検出手段とから構成されるこ
   とを特徴とする変位測定装置。
3. 【請求項３】 前記周期性上下同量変動波形が、三角
   波、正弦波、鋸波、二乗余弦波、ガウス波のいずれか１
   つであることを特徴とする請求項１または２に記載の振
   動測定装置。
4. 【請求項４】 レーザ光を用いて変位検出対象物体の変
   位を測定する変位測定方法であって、 周期性上下同量変動波形によって変調されたレーザ変調
   電流に応じたレーザ光を出射し、 レーザ光の光路上に設けられレーザ光を一部反射する参
   照物体からの反射光と変位検出対象物体からの反射光と
   が干渉した干渉光よりモードホップ信号を検出し、 前記レーザ変調電流１周期内のレーザ変調電流の上昇期
   間のモードホップの数とレーザ変調電流の下降期間のモ
   ードホップの数をそれぞれ計数し、レーザ変調電流１周
   期毎に前記レーザ変調電流の上昇期間と下降期間のモー
   ドホップの数の差を求め、 レーザ変調電流１周期毎の前記レーザ変調電流の上昇期
   間と下降期間のモードホップの数の差を時間的にディジ
   タル積分してディジタル積分信号を求め、該ディジタル
   積分信号から振動周波数より低い周波数特性を有する誤
   差累積信号を除去した変位波形を求めることを特徴とす
   る変位測定方法。