JP3903180B2 - レーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測方法及び計測装置 - Google Patents
レーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測方法及び計測装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、産業上広く用いられているレーザ振動計による動的計測の基礎となる、それら計測機器の動的線形性を評価するための計測方法とその方法を実施するための装置に関し、特に、本発明は新しいDCから必要な周波数までの高速広周波数帯域における微小変位発生装置によって発生させた動的変位、速度を、基準となるレーザ干渉計で計測した結果を基礎にして、その性能評価対象であるレーザ振動計の動的線形性の計測を可能とする計測方法とその方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドップラーシフトや光ヘテロダイン干渉等の光干渉を原理とする動的変位や振動を測定するレーザ振動計及びレーザ変位計は、従来から産業界では広く用いられてきている。レーザ振動計及びレーザ変位計は、非接触で微小な面の微小運動や動的変位を計測出来ることから、マイクロ運動デバイスの開発、マイクロ運動メカニズムの開発における計測で、近年広く用いられるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１MHzをゆうに超える周波数帯域幅の数値がメーカ仕様に示されている一方、実際の計測では注目した周波数での測定結果の信頼性を検証する方法がなく、レーザ振動計、レーザ変位計のデータは未公開のままである。即ち、真実に１MHzをゆうに超える周波数帯域幅をレーザ振動計及びレーザ変位計はもっているのかどうか、また、特定の周波数での感度や位相遅れはどれくらいなのかを、検証する方法がないのが実状である。
【０００４】
そのため、動的計測に今後さらに多用されるであろうレーザ振動計及びレーザ変位計の、動的性能の基礎となるべき動的線形性を評価する計測技術の確立は急務となっている。
【０００５】
したがって本発明は、レーザ振動計による動的変位もしくは速度の測定において、それらの計測装置に動的線形性が成立するかどうかを計測し、また動的線形性が成立する周波数領域、振幅領域を明らかにする計測方法とその方法を実施するための装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一般に、計測器の線形性が成り立たなければ、本来計測はなりたたない。動的計測における線形性、すなわち動的線形性は、『入力信号x(t)に対する出力信号をX(t)とし、入力信号y(t)に対する出力信号をY(t)とするとき、任意定数a、bを用いて、入力信号a・x(t)+b・y(t)に対する出力信号がa・X(t)+b・Y(t)となること。』と一般的には定義される。しかしながら、この定義に基いて、計測機器やセンサの動的線形性を評価することは、一般には容易ではない。したがって本発明は、概略以下に述べるような手段により、レーザ振動計の動的線形性の計測を行うようにしたものである。
【０００７】
即ち、レーザー振動計については、金属棒端面に対して、基準となるレーザ干渉計と動的線形性を測定するレーザ振動計のレーザ光を照射する。棒のもう一方の端面に内側発射管から発射される内側飛翔体を衝突させることによって発生した弾性波パルスがもう一方の照射端面に到達したときに生じる端面の運動速度を、基準となるレーザ干渉計と動的線形性を測定するレーザ振動計で同時に計測する。
【０００８】
基準となるレーザ干渉計で得られた速度振動信号をvn,1(t)とし、その動的線形性を評価するレーザ振動計で得られた速度振動信号をvt,1(t)とする。次に、棒の端面に外側発射管から発射される外側飛翔体を衝突させることによって発生した弾性波パルスがもう一方の端面に到達したときに生じる端面の運動速度を、基準となるレーザ干渉計と動的線形性を測定するレーザ振動計で同時に計測する。基準となるレーザ干渉計で得られた速度振動信号をvn,2(t)とし、その動的線形性を評価するレーザ振動計で得られた速度振動信号をvt,2(t)とする。
【０００９】
最後に、内側飛翔体と外側飛翔体を同時に金属棒に衝突させ、発生した弾性波パルスがもう一方の照射端面に到達したときに生じる端面の運動速度を、基準となるレーザ干渉計と動的線形性を測定するレーザ振動計で同時に計測する。基準となるレーザ干渉計で得られた速度振動をvn,1+2(t)とし、その動的線形性を評価するレーザ振動計で得られた信号をvt,1+2(t)とする。
【００１０】
棒内部に発生している波動が弾性波動であることから、基準となるレーザ干渉計による計測結果に関して、入力信号の加法性、すなわちvn,1+2(t)=vn,1(t)+vn,2(t)が成立する範囲で、vt,1+2(t)=vt,1(t)+vt,2(t)が成立する範囲を、周波数領域、時間領域で求める、もしくは周波数領域、時間領域でvt,1+2(t)とvt,1(t)+vt,2(t)を比較するという手段を用いる。
【００１１】
同時に発射させる時の内側発射管からの飛翔体および外側発射管からの飛翔体は、それぞれ単独で発射される場合と同一形状であり、かつ同一条件（発射圧力、発射管の内部での初期位置など）でなければならない。
【００１２】
内側飛翔体と外側飛翔体の棒への衝突が同時でない場合には、その時間差（Δt）をパラメータにして、両飛翔体を同時に発射した時の信号をもっとも良く表すように、Δtを決める。
【００１３】
したがって本発明は次に述べるような手段を採用することによって、本発明の上記課題を解決することができる。即ち、請求項１に係る発明は、金属棒の第１端面に第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をもって衝突させて金属棒内部に弾性波パルスを発生させ、前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の前記第１端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端面の運動速度を、レーザ干渉計と、評価対象となるレーザ振動計とで計測し、前記レーザ干渉計の信号と、前記レーザ振動計の信号とを、時間領域または周波数領域で比較することにより、レーザ振動計の動的線形性を計測することを特徴とするレーザ振動計の動的線形性計測方法としたものである。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、金属棒の第１端面に第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をもって衝突させて金属棒内部に弾性波パルスを発生させる発射装置と、前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の前記第１端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端面の運動速度を測定するレーザ干渉計、及び評価対象となるレーザ振動計と、前記レーザ干渉計の信号と、前記レーザ振動計の信号とを、時間領域または周波数領域で比較し、レーザ振動計の動的線形性を計測する計測手段を備えたことを特徴とするレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００１５】
また、請求項３に係る発明は、前記発射装置は二重管からなり、前記第１の飛翔体を内側の管内から、前記第２の飛翔体は内側の管と外側の管の間から発射すること、もしくはその逆に第１の飛翔体は内側の管と外側の管の間から、第２の飛翔体は内側の管内から発射することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００１６】
また、請求項４に係る発明は、前記第１の飛翔体及びそのための発射装置、第２の飛翔体及びそのための発射装置を多重化し、発射の時間差を制御し、金属棒内部に発生する弾性波の周波数帯域を狭帯域化することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００１７】
また、請求項５に係る発明は、飛翔体本体部を異なる材質の積層体で構成し、または飛翔体本体部の先端に該本体部と異なる材質の部材を取り付け、金属棒内部に発生する弾性波パルスの周波数帯域を制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００１８】
また、請求項６に係る発明は、前記計測手段は、前記第１及び第２の両飛翔体を微小時間差をもって衝突させるとき、両飛翔体の金属棒に対する衝突時刻の差を、両飛翔体を各々単独で衝突させたときに発生するレーザ干渉計による計測結果に基づき、両飛翔体が完全には同時衝突が達成できないための微小時間差をもって衝突させたときに発生する基準レーザ干渉計による計測結果が最も適合するパラメータとして求め、 第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに両飛翔体を微小時間差をもって各々衝突させた時に得られる評価対象とするレーザ振動計の出力信号から、それらの動的線形性を計測することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００１９】
また、請求項７に係る発明は、前記金属棒を、軸方向への剛体運動を拘束しないように点接触によって水平に支持したことを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００２０】
また、請求項８に係る発明は、前記金属棒の第１端面に接する金属球を取り付け、前記金属球に発射タイミングを精密に制御した飛翔体を衝突させ、金属棒内部に弾性波パルスを発生させることを特徴とする、請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００２１】
また、請求項９に係る発明は、前記金属棒の第２端面に圧電物質を取り付け、前記圧電物質を前記弾性波パルスの第２端面での反射過程の所定の時期に駆動する圧電物質駆動手段を備え、金属棒単体で発生できる棒端面の速度の周波数帯域幅が不足しているときに、前記圧電物質駆動手段により周波数帯域幅を広帯域化することを特徴とする、請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００２２】
また、請求項１０に係る発明は、上記請求項１〜請求項９のいずれか一つに記載の装置または方法を用いて動的線形性が計測されたレーザ振動計としたものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明によるレーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測方法及び装置は、ほぼ同様の手法によって本発明以外においても種々の態様で実施することができるので、本発明に関連する各種態様を含めて説明する。図１に示す実施例においては、金属棒１の第１端面２に後述するような飛翔体３を衝突させて衝撃を加え、内部に弾性波パルスを発生させるものであり、内側発射管４、外側発射管５の二重の多重発射管７を用い、この多重発射管７から内外２個の多重の飛翔体３を発射させる。図示実施例では内側発射管４の内部から略円柱状の内側飛翔体８を内側発射装置９により、また内側発射管４と外側発射管５との間の環状空間から環状の外側飛翔体１０を外側発射装置１１により各々独立して発射できるようにしている。この発射の状態はレーザ光源２７からのレーザを金属棒１の前方において、２本間隔を設けて照射し、このレーザ光を遮る状態を受光素子２８で検出し、その時間差をカウンタ２９によって計測し、そのデータをパソコン２６に入力して検出することができる。
【００２４】
上記各飛翔体の発射に際しては、弁開閉制御装置１５により第１弁１６を解放し、第１高圧空気源１７からの高圧空気を内側発射装置９に供給することにより、内側発射管４内の内側飛翔体８を金属棒１の第１端面２に向けて発射させる。内側飛翔体８が金属棒１の第１端面２に衝突すると、金属棒１内には弾性波パルスが発生して金属棒１内を伝播する。また、弁開閉制御装置１５により前記第１弁１６の解放後の所定時間後に第２弁１８を解放し、第２高圧空気源１９からの高圧空気を外側発射装置１１に供給することにより、内側発射管４と外側発射管５との間に配置した環状の外側飛翔体１０を金属棒１の第１端面２に向けて発射させる。外側飛翔体１０が金属棒１の第１端面２に衝突すると、金属棒１内には前記と同様の弾性波パルスが前記第１飛翔体８の衝突による弾性波パルスに対して時間遅れで発生し金属棒１内を伝播する。
【００２５】
このようにして金属棒１内に発生した弾性波パルスにより、金属棒１内には結果として重ね合わせた衝撃加速度を発生させることとなる重ね合わせたパルス波形が生じることとなり、この波形が金属棒１の第２端面２２に対して伝播する。このように、飛翔体を複数用い、各飛翔体の発射時期を任意に設定し発射の位相を制御することにより、重ね合わせの原理により全体として所定の継続時間の衝撃加速度波形を発生することが可能となる。
【００２６】
これらの発射管４、５の各飛翔体８、１０との接触面、または各飛翔体の外周面には潤滑処理、或いは低摩擦係数化する表面処理層を設けることが好ましい。また、個々の飛翔体の発射により金属棒１内部に発生する弾性波パルスの周波数帯域を狭くするために、飛翔体先端部に高分子材料、プラスティックス、木材などを取り付けても良い。その際には、飛翔体本体部が金属、高分子材料、あるいはプラスティックス、木材など異なる材料との積層構造をもつような多重飛翔体を用いても良い。また金属棒１は軸方向への剛体運動を拘束しないようにボールベアリングやころ軸受等の点接触によって水平に支持し、弾性波の伝播への影響を最小限にすることが好ましい。更に、飛翔体が衝突する金属棒の端面には金属球を接触する状態で取り付けてもよい。
【００２７】
上記のような金属棒１の第１端面２において発生した弾性波パルスは、金属棒１内部を伝播してもう一方の第２端面２２に到達して反射する。反射の過程で発生する端面に垂直な方向の衝撃速度、及び衝撃ひずみが、その端面に対してレーザを照射しているレーザ振動計２３への入力となる。また、衝撃速度の精密な測定は歪ゲージ２５、またはレーザ干渉計２４により、更には必要に応じて両方を用いることにより測定し、レーザ振動計２３の計測値と比較を行う。
【００２８】
発生する衝撃速度の検出に際して棒側面に貼り付けた歪ゲージ２５を用いる際には、歪ゲージ２５を単体で実施することができるが、金属棒の軸線方向に一列に複数配置しても良く、この列を更に複数列配置しても良い。図１に示す例においては、第１端面２から１列に、Ｌ１、Ｌ２、・・・ＬＮずつ離れてＮ個配置し、同図の例ではこれを棒の周面において円周方向に２列配置した例を示している。複数個の歪ゲージを用いる際には、各ゲージの出力信号を演算装置としてのパソコン２６に入れ、これを信号処理して代表位置でのゲージ出力の周波数特性を求め、予め求めておいた補正関数を用いてレーザ干渉計２４で計測した結果と同等の結果が得られるようにする。なお、上記実施例においては、レーザ干渉計２４と歪ゲージ２５を用いた例を示しているが、いずれか片方のみでも実施することができる。
【００２９】
本発明は更に図２に示すような装置によってもレーザ振動計の測定を行い、その評価を行うことができる。同図の例においては前記図１に示す例と異なり、金属棒１の第２端面２２に圧電膜もしくは圧電膜駆動のレーザ光反射膜（材）（以下「圧電膜」と称する）３０を設け、図２の例においては歪ゲージの信号を信号入力処理部３１で検出して処理し、圧電膜駆動装置３２を作動してこの圧電膜３０を駆動することができるようにしている。また、評価対象となるレーザ振動計またはレーザ変位計２３のレーザ、及び基準となるレーザ干渉計２４のレーザは、各々鏡３３を介して前記圧電膜３０の表面に照射し、この圧電膜３０が作動する速度等を検出できるようにしている。また、パソコン２６からの指示により、所定の時期に圧電膜を駆動させることもできる。
【００３０】
このような圧電膜を用いることにより丸棒内部を伝播する弾性波パルスの端面での反射により発生する速度、動的変位の周波数帯域が十分広くない場合には、圧電物質を断面に付加して、広帯域化をはかることができる。この圧電物質の利用については後にも述べる。
【００３１】
以下に、本発明のより具体的な実施の態様を説明する。
発射管から発射された飛翔体が、直径に比較して十分に長い金属棒端面に衝突すると、内部に弾性波パルスが発生する。その弾性波パルスが、もう一方の端面に到達して反射するときの端面の運動速度（v(t)）は、金属棒内部の縦波弾性波速度（C）と端面での入射弾性波パルスのひずみ（ε(t)）とによって、以下の式で表される。
【数１】
(1.1)
【００３２】
そこで、内側発射管から飛翔体が発射される場合に端面に発生する速度と入射弾性波パルスのひずみを、それぞれvin,1(t)、εin,1(t)とする。外側発射管から飛翔体が発射される場合に端面に発生する速度と入射弾性波パルスのひずみを、それぞれvin,2(t)、εin,2(t)とする。以下の式が成立する。
【数２】
(1.2)
【数３】
(1.3)
【００３３】
そこで、記号を以下の表のように定める。
【表１】
【００３４】
(1.4)式が成立する範囲内で、(1.5) 式が成立する周波数範囲、速度範囲を明らかにすることが評価対象であるレーザ振動計の動的線形性の評価となる。
【数４】
(1.4)
【数５】
(1.5)
【００３５】
内側飛翔体と外側飛翔体の衝突が同時でない場合にはその時間差をΔtとすると, (1.6)式が成立する範囲内で、(1.7) 式が成立する周波数範囲、速度範囲を明らかにすることが評価対象であるレーザ振動計の動的線形性の評価となる。
【数６】
(1.6)
【数７】
(1.7)
【００３６】
丸棒内部を伝ぱする弾性波パルスの端面での反射により発生する速度の周波数帯域が十分広くない場合には、圧電物質（圧電膜や圧電スタックなど）を端面に付加して、広帯域化を図る。この場合には、次のようにこの圧電物質を用いる。
【００３７】
上記のように本発明においては、内側発射管のみから飛翔体を発射する場合、もしくは、外側発射管のみから飛翔体を発射する場合のどちらか一方の場合にのみ、金属棒のレーザ光照射端面に取り付けた圧電物質を駆動する。また、内側飛翔体、外側飛翔体を同時に発射する場合には、個別に発射した時とすべて同じ条件で、圧電物質を駆動する。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、レーザ振動計による速度もしくは動的変位の測定において、それらの計測装置に動的線形性が成立するかどうかを計測し、また動的線形性が成立する周波数領域、振幅領域を明らかにする計測方法とその方法を実施するための装置を得ることができる。
【００３９】
それにより、レーザ振動計の一次標準、及び二次標準の確立に貢献し、この分野の国際標準の確立に寄与することができる。また、マイクロデバイス、マイクロメカトロニクスにおける高周波振動計測における計測の信頼性が向上し、更に加速度センサについてもその一次標準校正技術の信頼性を向上させることができ、また国際規格を作成するとも可能となる。
【００４０】
また、企業内での動的機械量センサの校正の基準の信頼性を向上させることから、動的機械量計測の信頼性が向上し、各計測器の使用に際して、ノイズと信号と区別がつかない等の実用上の問題を解決できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実施するシステム概要を示す構成図である。
【図２】 本発明を実施する他のシステム概要を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 金属棒
２ 第１端面
３ 飛翔体
４ 内側発射管
５ 外側発射管
６ 多重発射管
７ 内側飛翔体
８ 内側発射装置
１０ 外側飛翔体
１１ 外側発射装置
１５ 弁開閉制御装置
１６ 第１弁
１７ 第１高圧空気源
１８ 第２弁
１９ 第２高圧空気源
２２ 第２端面
２３ レーザ振動計
２４ レーザ干渉計
２６ パソコン
２７ レーザ光源
２８ 受光素子
２９ カウンタ
３０ 鏡面をもつ圧電物質（圧電膜）
３１ シグナルコンデンショナ
３２ 圧電膜駆動装置
３３ 鏡
【発明の属する技術の分野】
本発明は、産業上広く用いられているレーザ振動計による動的計測の基礎となる、それら計測機器の動的線形性を評価するための計測方法とその方法を実施するための装置に関し、特に、本発明は新しいDCから必要な周波数までの高速広周波数帯域における微小変位発生装置によって発生させた動的変位、速度を、基準となるレーザ干渉計で計測した結果を基礎にして、その性能評価対象であるレーザ振動計の動的線形性の計測を可能とする計測方法とその方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドップラーシフトや光ヘテロダイン干渉等の光干渉を原理とする動的変位や振動を測定するレーザ振動計及びレーザ変位計は、従来から産業界では広く用いられてきている。レーザ振動計及びレーザ変位計は、非接触で微小な面の微小運動や動的変位を計測出来ることから、マイクロ運動デバイスの開発、マイクロ運動メカニズムの開発における計測で、近年広く用いられるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１MHzをゆうに超える周波数帯域幅の数値がメーカ仕様に示されている一方、実際の計測では注目した周波数での測定結果の信頼性を検証する方法がなく、レーザ振動計、レーザ変位計のデータは未公開のままである。即ち、真実に１MHzをゆうに超える周波数帯域幅をレーザ振動計及びレーザ変位計はもっているのかどうか、また、特定の周波数での感度や位相遅れはどれくらいなのかを、検証する方法がないのが実状である。
【０００４】
そのため、動的計測に今後さらに多用されるであろうレーザ振動計及びレーザ変位計の、動的性能の基礎となるべき動的線形性を評価する計測技術の確立は急務となっている。
【０００５】
したがって本発明は、レーザ振動計による動的変位もしくは速度の測定において、それらの計測装置に動的線形性が成立するかどうかを計測し、また動的線形性が成立する周波数領域、振幅領域を明らかにする計測方法とその方法を実施するための装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一般に、計測器の線形性が成り立たなければ、本来計測はなりたたない。動的計測における線形性、すなわち動的線形性は、『入力信号x(t)に対する出力信号をX(t)とし、入力信号y(t)に対する出力信号をY(t)とするとき、任意定数a、bを用いて、入力信号a・x(t)+b・y(t)に対する出力信号がa・X(t)+b・Y(t)となること。』と一般的には定義される。しかしながら、この定義に基いて、計測機器やセンサの動的線形性を評価することは、一般には容易ではない。したがって本発明は、概略以下に述べるような手段により、レーザ振動計の動的線形性の計測を行うようにしたものである。
【０００７】
即ち、レーザー振動計については、金属棒端面に対して、基準となるレーザ干渉計と動的線形性を測定するレーザ振動計のレーザ光を照射する。棒のもう一方の端面に内側発射管から発射される内側飛翔体を衝突させることによって発生した弾性波パルスがもう一方の照射端面に到達したときに生じる端面の運動速度を、基準となるレーザ干渉計と動的線形性を測定するレーザ振動計で同時に計測する。
【０００８】
基準となるレーザ干渉計で得られた速度振動信号をvn,1(t)とし、その動的線形性を評価するレーザ振動計で得られた速度振動信号をvt,1(t)とする。次に、棒の端面に外側発射管から発射される外側飛翔体を衝突させることによって発生した弾性波パルスがもう一方の端面に到達したときに生じる端面の運動速度を、基準となるレーザ干渉計と動的線形性を測定するレーザ振動計で同時に計測する。基準となるレーザ干渉計で得られた速度振動信号をvn,2(t)とし、その動的線形性を評価するレーザ振動計で得られた速度振動信号をvt,2(t)とする。
【０００９】
最後に、内側飛翔体と外側飛翔体を同時に金属棒に衝突させ、発生した弾性波パルスがもう一方の照射端面に到達したときに生じる端面の運動速度を、基準となるレーザ干渉計と動的線形性を測定するレーザ振動計で同時に計測する。基準となるレーザ干渉計で得られた速度振動をvn,1+2(t)とし、その動的線形性を評価するレーザ振動計で得られた信号をvt,1+2(t)とする。
【００１０】
棒内部に発生している波動が弾性波動であることから、基準となるレーザ干渉計による計測結果に関して、入力信号の加法性、すなわちvn,1+2(t)=vn,1(t)+vn,2(t)が成立する範囲で、vt,1+2(t)=vt,1(t)+vt,2(t)が成立する範囲を、周波数領域、時間領域で求める、もしくは周波数領域、時間領域でvt,1+2(t)とvt,1(t)+vt,2(t)を比較するという手段を用いる。
【００１１】
同時に発射させる時の内側発射管からの飛翔体および外側発射管からの飛翔体は、それぞれ単独で発射される場合と同一形状であり、かつ同一条件（発射圧力、発射管の内部での初期位置など）でなければならない。
【００１２】
内側飛翔体と外側飛翔体の棒への衝突が同時でない場合には、その時間差（Δt）をパラメータにして、両飛翔体を同時に発射した時の信号をもっとも良く表すように、Δtを決める。
【００１３】
したがって本発明は次に述べるような手段を採用することによって、本発明の上記課題を解決することができる。即ち、請求項１に係る発明は、金属棒の第１端面に第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をもって衝突させて金属棒内部に弾性波パルスを発生させ、前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の前記第１端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端面の運動速度を、レーザ干渉計と、評価対象となるレーザ振動計とで計測し、前記レーザ干渉計の信号と、前記レーザ振動計の信号とを、時間領域または周波数領域で比較することにより、レーザ振動計の動的線形性を計測することを特徴とするレーザ振動計の動的線形性計測方法としたものである。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、金属棒の第１端面に第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をもって衝突させて金属棒内部に弾性波パルスを発生させる発射装置と、前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の前記第１端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端面の運動速度を測定するレーザ干渉計、及び評価対象となるレーザ振動計と、前記レーザ干渉計の信号と、前記レーザ振動計の信号とを、時間領域または周波数領域で比較し、レーザ振動計の動的線形性を計測する計測手段を備えたことを特徴とするレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００１５】
また、請求項３に係る発明は、前記発射装置は二重管からなり、前記第１の飛翔体を内側の管内から、前記第２の飛翔体は内側の管と外側の管の間から発射すること、もしくはその逆に第１の飛翔体は内側の管と外側の管の間から、第２の飛翔体は内側の管内から発射することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００１６】
また、請求項４に係る発明は、前記第１の飛翔体及びそのための発射装置、第２の飛翔体及びそのための発射装置を多重化し、発射の時間差を制御し、金属棒内部に発生する弾性波の周波数帯域を狭帯域化することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００１７】
また、請求項５に係る発明は、飛翔体本体部を異なる材質の積層体で構成し、または飛翔体本体部の先端に該本体部と異なる材質の部材を取り付け、金属棒内部に発生する弾性波パルスの周波数帯域を制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００１８】
また、請求項６に係る発明は、前記計測手段は、前記第１及び第２の両飛翔体を微小時間差をもって衝突させるとき、両飛翔体の金属棒に対する衝突時刻の差を、両飛翔体を各々単独で衝突させたときに発生するレーザ干渉計による計測結果に基づき、両飛翔体が完全には同時衝突が達成できないための微小時間差をもって衝突させたときに発生する基準レーザ干渉計による計測結果が最も適合するパラメータとして求め、 第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに両飛翔体を微小時間差をもって各々衝突させた時に得られる評価対象とするレーザ振動計の出力信号から、それらの動的線形性を計測することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００１９】
また、請求項７に係る発明は、前記金属棒を、軸方向への剛体運動を拘束しないように点接触によって水平に支持したことを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００２０】
また、請求項８に係る発明は、前記金属棒の第１端面に接する金属球を取り付け、前記金属球に発射タイミングを精密に制御した飛翔体を衝突させ、金属棒内部に弾性波パルスを発生させることを特徴とする、請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００２１】
また、請求項９に係る発明は、前記金属棒の第２端面に圧電物質を取り付け、前記圧電物質を前記弾性波パルスの第２端面での反射過程の所定の時期に駆動する圧電物質駆動手段を備え、金属棒単体で発生できる棒端面の速度の周波数帯域幅が不足しているときに、前記圧電物質駆動手段により周波数帯域幅を広帯域化することを特徴とする、請求項２に記載のレーザ振動計の動的線形性計測装置としたものである。
【００２２】
また、請求項１０に係る発明は、上記請求項１〜請求項９のいずれか一つに記載の装置または方法を用いて動的線形性が計測されたレーザ振動計としたものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明によるレーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測方法及び装置は、ほぼ同様の手法によって本発明以外においても種々の態様で実施することができるので、本発明に関連する各種態様を含めて説明する。図１に示す実施例においては、金属棒１の第１端面２に後述するような飛翔体３を衝突させて衝撃を加え、内部に弾性波パルスを発生させるものであり、内側発射管４、外側発射管５の二重の多重発射管７を用い、この多重発射管７から内外２個の多重の飛翔体３を発射させる。図示実施例では内側発射管４の内部から略円柱状の内側飛翔体８を内側発射装置９により、また内側発射管４と外側発射管５との間の環状空間から環状の外側飛翔体１０を外側発射装置１１により各々独立して発射できるようにしている。この発射の状態はレーザ光源２７からのレーザを金属棒１の前方において、２本間隔を設けて照射し、このレーザ光を遮る状態を受光素子２８で検出し、その時間差をカウンタ２９によって計測し、そのデータをパソコン２６に入力して検出することができる。
【００２４】
上記各飛翔体の発射に際しては、弁開閉制御装置１５により第１弁１６を解放し、第１高圧空気源１７からの高圧空気を内側発射装置９に供給することにより、内側発射管４内の内側飛翔体８を金属棒１の第１端面２に向けて発射させる。内側飛翔体８が金属棒１の第１端面２に衝突すると、金属棒１内には弾性波パルスが発生して金属棒１内を伝播する。また、弁開閉制御装置１５により前記第１弁１６の解放後の所定時間後に第２弁１８を解放し、第２高圧空気源１９からの高圧空気を外側発射装置１１に供給することにより、内側発射管４と外側発射管５との間に配置した環状の外側飛翔体１０を金属棒１の第１端面２に向けて発射させる。外側飛翔体１０が金属棒１の第１端面２に衝突すると、金属棒１内には前記と同様の弾性波パルスが前記第１飛翔体８の衝突による弾性波パルスに対して時間遅れで発生し金属棒１内を伝播する。
【００２５】
このようにして金属棒１内に発生した弾性波パルスにより、金属棒１内には結果として重ね合わせた衝撃加速度を発生させることとなる重ね合わせたパルス波形が生じることとなり、この波形が金属棒１の第２端面２２に対して伝播する。このように、飛翔体を複数用い、各飛翔体の発射時期を任意に設定し発射の位相を制御することにより、重ね合わせの原理により全体として所定の継続時間の衝撃加速度波形を発生することが可能となる。
【００２６】
これらの発射管４、５の各飛翔体８、１０との接触面、または各飛翔体の外周面には潤滑処理、或いは低摩擦係数化する表面処理層を設けることが好ましい。また、個々の飛翔体の発射により金属棒１内部に発生する弾性波パルスの周波数帯域を狭くするために、飛翔体先端部に高分子材料、プラスティックス、木材などを取り付けても良い。その際には、飛翔体本体部が金属、高分子材料、あるいはプラスティックス、木材など異なる材料との積層構造をもつような多重飛翔体を用いても良い。また金属棒１は軸方向への剛体運動を拘束しないようにボールベアリングやころ軸受等の点接触によって水平に支持し、弾性波の伝播への影響を最小限にすることが好ましい。更に、飛翔体が衝突する金属棒の端面には金属球を接触する状態で取り付けてもよい。
【００２７】
上記のような金属棒１の第１端面２において発生した弾性波パルスは、金属棒１内部を伝播してもう一方の第２端面２２に到達して反射する。反射の過程で発生する端面に垂直な方向の衝撃速度、及び衝撃ひずみが、その端面に対してレーザを照射しているレーザ振動計２３への入力となる。また、衝撃速度の精密な測定は歪ゲージ２５、またはレーザ干渉計２４により、更には必要に応じて両方を用いることにより測定し、レーザ振動計２３の計測値と比較を行う。
【００２８】
発生する衝撃速度の検出に際して棒側面に貼り付けた歪ゲージ２５を用いる際には、歪ゲージ２５を単体で実施することができるが、金属棒の軸線方向に一列に複数配置しても良く、この列を更に複数列配置しても良い。図１に示す例においては、第１端面２から１列に、Ｌ１、Ｌ２、・・・ＬＮずつ離れてＮ個配置し、同図の例ではこれを棒の周面において円周方向に２列配置した例を示している。複数個の歪ゲージを用いる際には、各ゲージの出力信号を演算装置としてのパソコン２６に入れ、これを信号処理して代表位置でのゲージ出力の周波数特性を求め、予め求めておいた補正関数を用いてレーザ干渉計２４で計測した結果と同等の結果が得られるようにする。なお、上記実施例においては、レーザ干渉計２４と歪ゲージ２５を用いた例を示しているが、いずれか片方のみでも実施することができる。
【００２９】
本発明は更に図２に示すような装置によってもレーザ振動計の測定を行い、その評価を行うことができる。同図の例においては前記図１に示す例と異なり、金属棒１の第２端面２２に圧電膜もしくは圧電膜駆動のレーザ光反射膜（材）（以下「圧電膜」と称する）３０を設け、図２の例においては歪ゲージの信号を信号入力処理部３１で検出して処理し、圧電膜駆動装置３２を作動してこの圧電膜３０を駆動することができるようにしている。また、評価対象となるレーザ振動計またはレーザ変位計２３のレーザ、及び基準となるレーザ干渉計２４のレーザは、各々鏡３３を介して前記圧電膜３０の表面に照射し、この圧電膜３０が作動する速度等を検出できるようにしている。また、パソコン２６からの指示により、所定の時期に圧電膜を駆動させることもできる。
【００３０】
このような圧電膜を用いることにより丸棒内部を伝播する弾性波パルスの端面での反射により発生する速度、動的変位の周波数帯域が十分広くない場合には、圧電物質を断面に付加して、広帯域化をはかることができる。この圧電物質の利用については後にも述べる。
【００３１】
以下に、本発明のより具体的な実施の態様を説明する。
発射管から発射された飛翔体が、直径に比較して十分に長い金属棒端面に衝突すると、内部に弾性波パルスが発生する。その弾性波パルスが、もう一方の端面に到達して反射するときの端面の運動速度（v(t)）は、金属棒内部の縦波弾性波速度（C）と端面での入射弾性波パルスのひずみ（ε(t)）とによって、以下の式で表される。
【数１】
【００３２】
そこで、内側発射管から飛翔体が発射される場合に端面に発生する速度と入射弾性波パルスのひずみを、それぞれvin,1(t)、εin,1(t)とする。外側発射管から飛翔体が発射される場合に端面に発生する速度と入射弾性波パルスのひずみを、それぞれvin,2(t)、εin,2(t)とする。以下の式が成立する。
【数２】
【数３】
【００３３】
そこで、記号を以下の表のように定める。
【表１】
(1.4)式が成立する範囲内で、(1.5) 式が成立する周波数範囲、速度範囲を明らかにすることが評価対象であるレーザ振動計の動的線形性の評価となる。
【数４】
【数５】
【００３５】
内側飛翔体と外側飛翔体の衝突が同時でない場合にはその時間差をΔtとすると, (1.6)式が成立する範囲内で、(1.7) 式が成立する周波数範囲、速度範囲を明らかにすることが評価対象であるレーザ振動計の動的線形性の評価となる。
【数６】
【数７】
【００３６】
丸棒内部を伝ぱする弾性波パルスの端面での反射により発生する速度の周波数帯域が十分広くない場合には、圧電物質（圧電膜や圧電スタックなど）を端面に付加して、広帯域化を図る。この場合には、次のようにこの圧電物質を用いる。
【００３７】
上記のように本発明においては、内側発射管のみから飛翔体を発射する場合、もしくは、外側発射管のみから飛翔体を発射する場合のどちらか一方の場合にのみ、金属棒のレーザ光照射端面に取り付けた圧電物質を駆動する。また、内側飛翔体、外側飛翔体を同時に発射する場合には、個別に発射した時とすべて同じ条件で、圧電物質を駆動する。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、レーザ振動計による速度もしくは動的変位の測定において、それらの計測装置に動的線形性が成立するかどうかを計測し、また動的線形性が成立する周波数領域、振幅領域を明らかにする計測方法とその方法を実施するための装置を得ることができる。
【００３９】
それにより、レーザ振動計の一次標準、及び二次標準の確立に貢献し、この分野の国際標準の確立に寄与することができる。また、マイクロデバイス、マイクロメカトロニクスにおける高周波振動計測における計測の信頼性が向上し、更に加速度センサについてもその一次標準校正技術の信頼性を向上させることができ、また国際規格を作成するとも可能となる。
【００４０】
また、企業内での動的機械量センサの校正の基準の信頼性を向上させることから、動的機械量計測の信頼性が向上し、各計測器の使用に際して、ノイズと信号と区別がつかない等の実用上の問題を解決できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を実施するシステム概要を示す構成図である。
【図２】 本発明を実施する他のシステム概要を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 金属棒
２ 第１端面
３ 飛翔体
４ 内側発射管
５ 外側発射管
６ 多重発射管
７ 内側飛翔体
８ 内側発射装置
１０ 外側飛翔体
１１ 外側発射装置
１５ 弁開閉制御装置
１６ 第１弁
１７ 第１高圧空気源
１８ 第２弁
１９ 第２高圧空気源
２２ 第２端面
２３ レーザ振動計
２４ レーザ干渉計
２６ パソコン
２７ レーザ光源
２８ 受光素子
２９ カウンタ
３０ 鏡面をもつ圧電物質（圧電膜）
３１ シグナルコンデンショナ
３２ 圧電膜駆動装置
３３ 鏡
Claims (10)
- 金属棒の第１端面に第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をもって衝突させて金属棒内部に弾性波パルスを発生させ、
前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の前記第１端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端面の運動速度を、レーザ干渉計と、評価対象となるレーザ振動計とで計測し、
前記レーザ干渉計の信号と、前記レーザ振動計の信号とを、時間領域または周波数領域で比較することにより、レーザ振動計の動的線形性を計測することを特徴とするレーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測方法。 - 金属棒の第１端面に第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに前記第１及び第２の両飛翔体を同時に或いは微小時間差をもって衝突させて金属棒内部に弾性波パルスを発生させる発射装置と、
前記各衝突により発生した弾性波パルスが金属棒の前記第１端面の反対側の第２端面に到達したときに生じる第２端面の運動速度を測定するレーザ干渉計、及び評価対象となるレーザ振動計と、
前記レーザ干渉計の信号と、前記レーザ振動計の信号とを、時間領域または周波数領域で比較し、レーザ振動計の動的線形性を計測する計測手段を備えたことを特徴とするレーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測装置。 - 前記発射装置は二重管からなり、前記第１の飛翔体を内側の管内から、前記第２の飛翔体は内側の管と外側の管の間から発射すること、もしくはその逆に第１の飛翔体は内側の管と外側の管の間から、第２の飛翔体は内側の管内から発射することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測装置。
- 前記第１の飛翔体及びそのための発射装置、第２の飛翔体及びそのための発射装置を多重化し、発射の時間差を制御し、金属棒内部に発生する弾性波の周波数帯域を狭帯域化することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測装置。
- 飛翔体本体部を異なる材質の積層体で構成し、または飛翔体本体部の先端に該本体部と異なる材質の部材を取り付け、金属棒内部に発生する弾性波パルスの周波数帯域を制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測装置。
- 前記計測手段は、前記第１及び第２の両飛翔体を微小時間差をもって衝突させるとき、両飛翔体の金属棒に対する衝突時刻の差を、両飛翔体を各々単独で衝突させたときに発生するレーザ干渉計による計測結果に基づき、両飛翔体が完全には同時衝突が達成できないための微小時間差をもって衝突させたときに発生する基準レーザ干渉計による計測結果が最も適合するパラメータとして求め、 第１の飛翔体のみ、及び第２の飛翔体のみ、並びに両飛翔体を微小時間差をもって各々衝突させた時に得られる評価対象とするレーザ振動計の出力信号から、それらの動的線形性を計測することを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測装置。
- 前記金属棒を、軸方向への剛体運動を拘束しないように点接触によって水平に支持したことを特徴とする請求項２に記載のレーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測装置。
- 前記金属棒の第１端面に接する金属球を取り付け、
前記金属球に発射タイミングを精密に制御した飛翔体を衝突させ、金属棒内部に弾性波パルスを発生させることを特徴とする、請求項２に記載のレーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測装置。 - 前記金属棒の第２端面に圧電物質を取り付け、
前記圧電物質を前記弾性波パルスの第２端面での反射過程の所定の時期に駆動する圧電物質駆動手段を備え、
金属棒単体で発生できる棒端面の速度の周波数帯域幅が不足しているときに、前記圧電物質駆動手段により周波数帯域幅を広帯域化することを特徴とする、請求項２に記載のレーザ振動計のレーザ干渉計を用いた動的線形性計測装置。 - 上記請求項１〜請求項９のいずれか一つに記載の装置または方法を用いて動的線形性が計測されたレーザ振動計。
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