JP4071688B2 - 振動計測方法および装置 - Google Patents

Description

本願発明は、レーザ光を利用したいわゆる自己混合方式によって振動を計測する振動計測方法および装置、さらに詳しくは、レーザ光のドップラ効果を利用した方法では測定困難な微小振動をも適切に計測することが可能な振動計測方法および装置に関する。

従来、計測対象物の振動計測方法としては、特許文献１，２に記載された方法がある。これらの文献に記載された方法においては、ドップラ効果を利用した自己混合方式を採用しており、まず半導体レーザにより発振させたレーザ光を計測対象物に照射させる。次いで、この計測対象物により反射された戻り光を上記半導体レーザから発振されるレーザ光に混合させてからフォトダイオードに受光させる。戻り光を発振レーザ光と混合させると、上記フォトダイオードから出力される自己混合信号は、ドップラ効果による鋸歯状のビート波となる。このビート波は計測対象物の振動変位に対応するため、このビート波の数をカウントするなどして計測対象物の振動状態を判断することができる。

特許第３２８２７４６号公報 特開平１０−９９４３号公報

しかしながら、上記従来の方法では、ドップラ効果を利用しているために、計測対象物の振幅がλ／２（λはレーザ光の波長）以下になると、もはやドップラ効果によるビート波を得ることができず、計測対象物の振動を計測することができない。その一方、たとえばワイヤボンディングを行なうためのキャピラリにおいては、キャピラリを非常に微小な振幅で超音波振動させる場合があり、キャピラリが正常に動作しているか否かを判断するためには、λ／２以下の振幅の微小振動についても適切かつ確実に検出したいという要請がある。

本願発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、従来のドップラ効果を利用した方法では計測困難な微小振動を適切に計測または検出することが可能な振動計測方法および装置を提供することをその課題としている。

上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

本願発明の第１の側面によって提供される振動計測方法は、レーザ発振手段により発振させたレーザ光を計測対象物に照射し、この計測対象物により反射された戻り光と上記発振レーザ光とが混合した光を光電変換することによって自己混合信号を生成し、この自己混合信号に基づいて上記計測対象物の振動の内容を判断する振動計測ステップを有している、振動計測方法であって、上記レーザ発振手段から上記計測対象物にレーザ光を照射させたときの発振レーザ光量に対する戻り光量の割合に関する所定のパラメータを求めるパラメータ算出ステップを有しており、上記振動計測ステップにおいては、上記計測対象物に照射されるレーザ光の発振周波数を変化させることにより、所定の波形の自己混合信号を得るようにし、この自己混合信号および上記パラメータ算出ステップにおいて求めた上記パラメータに基づいて上記計測対象物の振動の内容を判断することを特徴としている。

本願発明における振動計測理論の詳細については後述するが、本願発明によれば、従来技術とは異なり、ドップラ効果を利用して鋸歯状のビート波を発生させる必要がない。本願発明においては、後述する式１，式２のパラメータＣとΔＰとに相当する値を求め、これらの値に基づいて計測対象物の振幅を求めることが可能である。本願発明によれば、従来技術では困難であったλ／２以下の振幅の微小振動を検出し、また後述するようにλ／４以下の振幅の微小振動の振幅を計測可能である。

さらに、重要な効果として、本願発明によれば、パラメータ算出ステップおよび振動計測ステップのいずれについても短時間で連続して実行可能である。これらの各ステップの実行に長時間を要したのでは、計測対象物の周囲の温度変化などに起因して空気密度やその他の条件が大きく変化する虞れがあるが、本願発明によれば、そのような虞れを少なくした上で振動計測を行なうことが可能である。したがって、計測期間中における空気密度の変化などに起因する計測誤差を少なくし、正確な計測値を得ることもできる。

本願発明の好ましい実施の形態においては、上記パラメータ算出ステップは、上記計測対象物の振動が停止した状態において、発振周波数を変化させながら上記計測対象物にレーザ光を照射し、自己混合信号が所定の波形になったときのこの信号に基づいて上記パラメータを求める処理を含んでいる。このような構成によれば、計測対象物の振動を停止させた状態で上記パラメータを求めるために、上記パラメータとしては、誤差が少ない正確な値を求めることができる。

本願発明の好ましい実施の形態においては、上記パラメータ算出ステップは、上記計測対象物が振動している状態において、発振周波数を変化させながら上記計測対象物にレーザ光を照射し、自己混合信号が所定の波形になったときのこの信号に基づいて上記パラメータを求める処理を含んでいる。上記パラメータを求める処理は、上記自己混合信号から上記計測対象物の振動に基づく高周波分を取り除くことにより、または上記高周波分を含む上記自己混合信号の包絡曲線の波形に基づいて行なうことができる。このような構成によれば、計測対象物を振動させたまま上記パラメータを求めるために、振動を停止させた状態でパラメータを求める場合と比較すると、振動計測の迅速化を図ることが可能である。

本願発明の好ましい実施の形態においては、上記レーザ発振手段として、半導体レーザを用い、かつ上記レーザ光の発振周波数の変化は、上記半導体レーザへの注入電流を変化させることにより行なう。このような構成によれば、レーザ光の発振周波数を簡易な手段によって適切かつ迅速に変化させることができる。

本願発明の好ましい実施の形態においては、上記半導体レーザへの注入電流の変化は、上記パラメータ算出ステップにおいては無段階に行なわせ、かつ上記振動計測ステップにおいては段階的に行なわせる。このような構成によれば、パラメータ算出ステップおよび振動計測ステップのそれぞれにおいて、鋸歯状および正弦波状などの波形を含む所定の自己混合信号を迅速にかつ合理的に得ることが可能となる。

本願発明の第２の側面によって提供される振動計測装置は、計測対象物に照射させるためのレーザ光を発振するレーザ発振手段と、この計測対象物により反射された戻り光と上記発振レーザ光とが混合した光を光電変換することにより自己混合信号を出力可能な光電変換手段と、上記自己混合信号を観測するための信号観測手段と、を備えている、振動計測装置であって、 上記レーザ発振手段の発振周波数を変化させることが可能な発振周波数変更手段を備えており、かつ上記信号観測手段は、発振周波数を変更しながら上記計測対象物にレーザ光が照射されたときに得られる自己混合信号が所定の波形になった時点におけるこの信号に基づいて、発振レーザ光量に対する戻り光量の割合に関する所定のパラメータを算出可能に構成されていることを特徴としている。

このような構成の振動計測装置によれば、本願発明の第１の側面により提供される振動計測方法を適切に実施することができる。

本願発明の好ましい実施の形態においては、上記レーザ発振手段はレーザダイオードであるとともに、上記光電変換手段はフォトダイオードであり、かつこれらレーザダイオードとフォトダイオードとは１つの半導体パッケージ内に纏めて造り込まれている。

本願発明の好ましい実施の形態においては、上記発振周波数変更手段は、上記レーザ発振手段への注入電流を変化させることが可能な可変電流供給回路である。

本願発明の好ましい実施の形態においては、パラメータ算出ステップのモードと、振動計測ステップのモードとのモード切り替えが可能な制御手段を有しており、かつ上記制御手段は、上記パラメータ算出ステップのモード時においては、上記レーザ光の発振周波数を変化させることにより自己混合信号が所定の波形になったときのこの信号に基づいて発振レーザ光量に対する戻り光量の割合に関する所定のパラメータを求めるとともに、上記振動計測ステップのモード時においては、上記レーザ光の発振周波数を変化させることにより、所定の波形を含む自己混合信号を得るようにし、かつその自己混合信号および上記パラメータ算出ステップのモードにおいて求めた上記パラメータに基づいて上記計測対象物の振動の内容を判断する処理の制御を行なうように構成されている。このような構成によれば、上記パラメータ算出ステップの開始から振動計測ステップの終了までの必要な処理をいわゆる自動化することが可能となり、より便利となる。

本願発明のその他の特徴および利点については、以下に行う発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

以下、本願発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。

図１は、本願発明に係る振動計測装置の一例を示すブロック図である。本実施形態の振動計測装置Ａは、半導体レーザ素子１、信号発生回路２、可変電流供給回路３、差動増幅器４、オシロスコープ５Ａ、およびパーソナルコンピュータ５Ｂを備えて構成されている。計測対象物９０は、たとえばワイヤボンディングに用いられるキャピラリである。

半導体レーザ素子１は、レーザダイオードＬＤとフォトダイオードＰＤとが１つの半導体パッケージ内に纏めて造り込まれた構成を有している。レーザダイオードＬＤから出力されたレーザ光は、レンズ６０を介して計測対象物９０に照射され、かつこの計測対象物９０によって反射された戻り光は、レンズ６０を通過して半導体レーザ素子１内に戻された後に、発振レーザ光と混合（干渉）した混合光とされてからフォトダイオードＰＤによって受光されるようになっている。フォトダイオードＰＤは、上記混合光を受光すると、その光電変換機能により、その受光量に対応した電圧レベルの信号（自己混合信号）Ｓ１を出力するようになっている。

可変電流供給回路３は、レーザダイオードＬＤへの電流注入を行なう回路であり、信号発生回路２で発生される電圧信号に基づいて注入電流を変更可能である。より具体的には、信号発生回路２は、図１の符号ｎ１で示す連続した三角波状の電圧信号や、符号ｎ２で示す階段状に変化する電圧信号を発生し、かつこれらの電圧信号に対応した波形の電流が可変電流供給回路３からレーザダイオードＬＤに選択的に注入可能となっている。

フォトダイオードＰＤから出力された自己混合信号Ｓ１は、増幅器６１により一定の増幅率で増幅された後に差動増幅器４に入力される。この差動増幅器４には、信号発生回路２で発生された信号も同時に入力され、これら２つの入力信号の差分が増幅されてオシロスコープ５Ａとパーソナルコンピュータ５Ｂとに入力されるようになっている。図示説明を省略しているが、パーソナルコンピュータ５Ｂへの信号入力は、アナログ／デジタル変換されてからなされる。これらオシロスコープ５Ａやパーソナルコンピュータ５Ｂには、所定の演算処理を行なわせることが可能であるが、これについては後述する。また、パーソナルコンピュータ５Ｂは、本願発明でいう制御手段の一例として機能させることが可能であるが、この点についても後述する。

次に、本願発明に係る振動計測方法の一例について説明する。ただし、これに先立ち、本実施形態の振動計測方法に利用される理論式について説明する。

計測対象物に所定波長のレーザ光を照射させて自己混合信号を得る場合には、次の式１、式２が成立することが知られている。

本実施形態の振動計測方法は、計測対象物９０の振動を実際に計測するステップの前段階において、上記式１のパラメータＣを求めるパラメータ算出ステップを有している。このパラメータ算出ステップは、計測対象物９０を振動させていない状態において、計測対象物９０にレーザ光を照射させることにより行なう（なお、計測対象物９０を振動させながらパラメータＣを求める方法については後述する）。計測対象物９０にレーザ光を照射する際には、可変電流供給回路３からレーザダイオードＬＤに注入される電流を変化させる。この場合、図１の符号ｎ１で示した電圧波形に対応した状態に電流を変化させる。レーザダイオードＬＤへの注入電流が連続的に変化すると、レーザ光の発振周波数もそれに伴って連続的に変化することとなり、これに対応して正弦波としての発振レーザ光およびその戻り光の位相も変化する。したがって、自己混合信号Ｓ１の波形も変化する。

戻り光がない場合の自己混合信号Ｓ１は、一定の大きな平均値（直流分）に重畳した小振幅の三角波で表わすことができる。戻り光があるときの自己混合信号Ｓ１は、発振レーザ光と混合された戻り光に対応するものであるから、それら２つの光の位相がずれて、互いに抑圧するような関係にある場合には、戻り光が発振レーザ光の出力パワーを減少させる。これに対し、半導体レーザ素子１内において２つの光の位相が助長する関係にあれば、戻り光は発振レーザ光を増大するように働く。この戻り光は、フォトダイオードＰＤによって適切に受光される。したがって、自己混合信号Ｓ１の微小変動分が所定の鋸歯状となって、その振幅（最大値と最小値との差）が最大になったときが、フォトダイオードＰＤによって戻り光を最も効果的に受光していることとなる。また、レーザダイオードＬＤへの注入電流を無段階状に連続的に変化させることによって、レーザ光の発振周波数および位相についても無段階状に変化させているために、発振レーザ光と戻り光との位相が正確に一致した状態を周期的につくりだすことが可能である。したがって、数個以上の鋸歯状波を上記三角波に重ねて発生させることができる。自己混合信号Ｓ１が三角波に重畳した鋸歯状となれば、差動増幅器４からオシロスコープ５Ａに入力される信号は、三角波が除去された鋸歯状となる。ここで発生させた鋸歯状波は、計測対象物９０が静止しているときに得られたものであり、ドップラ効果による鋸歯状波ではない。

オシロスコープ５Ａは、差動増幅器４からの入力信号をモニタリングしており、入力信号が所定の鋸歯状であるか否かを判断している。ただし、この判断に際しては、上記入力信号の波形を分析する必要はなく、上記信号の振幅が適切な大きさであり、所定の鋸歯状波の繰り返しであると判断すれば足りる。

オシロスコープ５Ａは、上記信号が所定の鋸歯状になったときには、その時点での信号に基づいて、パラメータＣの値を算出する。パラメータＣは、レーザダイオードＬＤからの出射光量に対する戻り光量の割合の値であり、Ｃ＝κ・（τ（１＋α² )^1/2 ）／τ_L の式により定義されるが、一般的にはこの式により理論値を求めることは困難である。そこで、オシロスコープ５Ａの表示画面に自己混合信号の波形を映し出した場合、図２に示すように、その波形の電圧が最小値から最大値になるまでの時間をｔ_r 、最大値から最小値になるまでの時間をｔ_f とすると、Ｃ＝π｜（ｔ_f −ｔ_r ）｜／２（ｔ_f ＋ｔ_r ）の式によって、パラメータＣを近似的に求めることが可能である。

上記したパラメータ算出ステップを終えた後には、計測対象物９０の振動を実際に計測するための振動計測ステップを開始する。この振動計測ステップにおいては、まず、計測対象物９０が超音波振動を生じるように計測対象物９０を稼働状態にしてから、この計測対象物９０にレーザ光を再度照射する。この際にも、パラメータ算出ステップの場合と同様に、可変電流供給回路３からレーザダイオードＬＤへの注入電流を変化させることにより、レーザ光の発振周波数および位相を変化させる。ただし、この際には、図１の符号ｎ２で示した電圧波形に対応した状態に上記注入電流を段階的に変化させる。この注入電流の変化により、戻り光と発振レーザ光との位相差が変化し、自己混合信号Ｓ１の波形が変化する。また、この振動計測ステップにおいては、計測対象物９０の振動にも起因して戻り光の位相が変化するために、このことによっても自己混合信号Ｓ１の波形が変化する。この振動計測ステップにおいては、上記の式２で示したΔＰの最大振幅をまず求める。ΔＰの最大振幅は、自己混合信号Ｓ１から階段状に変化する光出力パワーに相当した信号を減算した信号（差動増幅器出力）が所定の正弦波状となった時点の振幅であり、この値もオシロスコープ５Ａにより求めることができる。

上記した振動計測ステップにおいて得られる自己混合信号の波形の具体例を説明する。なお、ω₀ ・τを出射光位相角と称し、ω_s ・τを戻り光位相角と称する。また、理解の容易のためにα＝０とする。α＝０としても、理論の本質に変更はない。式１において、α＝０とおくと、次の式３が得られる。また、レーザダイオードＬＤから計測対象物９０までの距離Ｌは、式４で表わされる。

式３において、Ｃは、微小振動を測定している限り一定値であると見做すことができる。また、上記の式４をτ＝（２Ｌ）／ｃの式に代入すると、次の式５が求められる。

式５においては、τ₀ ＝（２Ｌ₀ ）／ｃ、ω₀ ＝２πｆ₀ 、ｃ＝ｆ₀ ・λの関係を用いた。これらのことにより、戻り光が無いときに出射光がレーザダイオードから計測対象物９０までの長さＬを１往復することによる出射光位相角ω₀ ・τは、ω₀ ・τ₀ を平均値として、振幅（２π／λ）・ΔＬ_P-P ［ラジアン］、周波数ｆで、正弦波振動することが判る。ω₀ ・τ₀ を以下、静止時出射光位相角と称する。なお、式３において、τ＝τ₀ としたときのω_s の値をω_s0と書くと、ω_s0・τ₀ は、静止時戻り光位相角となり、ΔＰを理論計算するときの重要なパラメータとなる。

一方、式３は、計測対象物９０が静止、すなわちτが一定の場合における出射光位相角ω₀ ・τと戻り光位相角ω_s ・τとの関係を示す曲線を表示する。また、式３は、下記式６のように変形することができる。

この式６を表わす曲線は、図３（ａ）となる。ｎとして適切な大きな正整数を選ぶと、ω₀ ・τ−２ｎπが横軸であり、ω_s ・τ−２ｎπが縦軸となり、その交点を原点（０，０）とすることができる。Ｃ＝０の場合には、式６は、原点を通る４５°の傾きをもった直線となる。０＜Ｃ＜１の場合には、（０，０）、（π，π）、（２π，２π）、（−π，−π）・・・・などにおいて、４５°線と交差する波状の１価関数としての曲線となる。

次に、正弦波状の自己混合信号波形となる場合を考える。一例として、（π／４）＜（ω₀ ・τ₀ −２ｎπ）＜（３π／４）の条件であるとともに、０＜ΔＬ_p-p ＜（λ／８）の条件の場合には、周波数ｆ［Ｈｚ］で正弦波振動する計測対象物９０に対する出射光位相角ω₀ ・τは、図３（ａ）に示すように、（ω₀ ・τ₀ −２ｎπ）を平均値として正弦波で時間変化する。（ω₀ ・τ−２ｎπ）の時間変化は、初期平均値Ａ０、最大値Ａ１、最小値Ａ２、最大値Ａ３、最小値Ａ４、平均値Ａ５の順番となる。このとき、計測対象物９０からの戻り光位相角ω_s ・τは、同図に示すように、Ｂ０，Ｂ１，・・・Ｂ５の順番で時間変化する。

一方、式２のΔＰをグラフにすると、図３（ｂ）に示すようになる。（ω_s ・τ−２ｎπ）を横軸に取ると、ΔＰは、０、２π，４π，・・・のときに最大値１となり、π／２，３π／２，５π／２・・・のときに０となる。（ω_s ・τ−２ｎπ）の平均値としては、π／２付近を選ぶことができるので、図３（ｂ）の下図に示した（ω_s ・τ−２ｎπ）の時間変化に対して、ΔＰは、図３（ｃ）に示すように、Ｃ０，Ｃ１，・・・Ｃ５の順番で正弦波状の時間変化をする。なお、図３（ｃ）〜図６（ｃ）に付されている符号Ｃは、パラメータの符号Ｃとは別異である。

発振周波数を変化させてレーザ光の位相をずらせていくと、図３（ｃ）に示したような正弦波状の信号が得られることとなる。発振周波数を段階状に変化させるために、上記した波形の信号を効率良く得ることが可能である。同図においては、既述したとおり、計測対象物９０の振幅がλ／８よりも小さい場合であり、このような微小振動の場合であっても、ΔＰの最大振幅を正確に求めることが可能である。このことは、λ／８以下の振幅の微小振動の計測が可能であることを意味する。

次に、信号下部で飽和する臨界正弦波状となる場合を考える。一例として、（３π／４）＜（ω₀ ・τ₀ −２ｎπ）＜πの条件であるとともに、（λ／８）＜ΔＬ_p-p ＜（λ／４）の条件である場合には、周波数ｆ「Ｈｚ］で正弦波振動する計測対象物９０に対する出射光位相角ω₀ ・τは、図４（ａ）に示すように、（ω₀ ・τ₀ −２ｎπ）を平均値として、正弦波的に時間変化する。この時間変化Ａ０，Ａ１，・・・Ａ５に対応して、計測対象物９０からの戻り光位相角ω_s ・τは、同図に示すように、Ｂ０，Ｂ１，・・・Ｂ５の順番で時間変化する。

（ω_s ・τ−２ｎπ）の時間変化をΔＰ＝ｃｏｓ（ω_s ・τ）のグラフ (図４（ｂ））に書き込むと、図４（ｃ）に示すようなΔＰの時間変化が得られる。すなわち、Ｂ０に対応してＣ０が得られる。（ω_s ・τ−２ｎπ）がＢ０から増加して、最大値のＢ１に到達する前にπになるので、この時刻にΔＰは最小値（−１）となる。（ω_s ・τ−２ｎπ）がＢ１に達すると、ΔＰは極大値Ｃ１になるが、Ｂ１から減少する過程で再びπになるので、最小値（−１）となる。（ω_s ・τ−２ｎπ）がさらに減少すると、ΔＰは増加に転じ、Ｂ２のときに極大値Ｃ２となる。（ω_s ・τ−２ｎπ）がＢ２からＢ３に向かって増加する過程では、ΔＰは減少し、ΔＰの値は最小値（−１），極大値Ｃ３，最小値（−１）を順番に経験する。図４（ｃ）に示した場合には、自己混合信号波形の下部は飽和している一方、上部では正弦波状になっている。

さらに、信号上部が飽和する臨界正弦波状となる場合を考える。一例として、０＜（ω₀ ・τ₀ −２ｎπ）＜（π／４）の条件であるとともに、（λ／８）＜ΔＬ_p-p ＜（３λ／８）の条件である場合には、周波数ｆ［Ｈｚ］で正弦波振動する計測対象物９０に対する出射光位相角ω₀ ・τは、図５（ａ）に示すように、Ａ０，Ａ１，・・・Ａ５の順番に時間変化する。このとき、戻り光位相角ω_s ・τは同図に示すように、Ｂ０，Ｂ１，・・・Ｂ５の順番で時間変化する。したがって、ΔＰ＝ｃｏｓ（ω_s ・τ）と（ω_s ・τ−２ｎπ）の時間変化のグラフを示した図５（ｂ）から判るように、ΔＰの時間変化は、図５（ｃ）に示すとおりになる。すなわち、Ｂ０，Ｂ１に対応して、ΔＰはＣ０，Ｃ１となる。

（ω_s ・τ−２ｎπ）がＢ１からＢ２に減少する過程で、ΔＰは増加する。（ω_s ・τ−２ｎπ）が０になった時刻に、ΔＰは最大値１となる。Ｂ２になった時は、ΔＰは極小値Ｃ２となる。（ω_s ・τ−２ｎπ）がＢ２から増加に転じると、再び０になるので、このとき最大値１となる。その後、（ω_s ・τ−２ｎπ）がＢ３に達するまで、ΔＰは減少し続け、Ｂ３のときに最小値Ｃ３となる。これ以後は、前述のことを繰り返すので省略する。したがって、この場合は、信号の上部が飽和状態となった臨界正弦波状である。

さらに、信号の上部と下部が飽和した方形波状となる場合を考える。一例として（π／４）＜（ω₀ ・τ₀ −２ｎπ）＜（３π／４）の条件であるとともに、（３λ／８）＜ΔＬ_p-p ＜（５λ／８）の条件である場合には、周波数ｆ［Ｈｚ］で正弦波振動する計測対象物９０に対する出射光位相角ω₀ ・τは、図６（ａ）に示すように、Ａ０，Ａ１，・・・Ａ５の順番に時間変化する。このとき戻り光位相角ω_s ・τは同図に示すように、Ｂ０，Ｂ１，・・・Ｂ５の順番で時間変化する。図６（ｂ）に示したΔＰ＝ｃｏｓ（ω_s ・τ）のグラフに、（ω_s ・τ−２ｎπ）の時間変化を書き込んで作図すると、図６（ｃ）に示すようなΔＰの時間波形を得ることができる。

Ｂ０に対応してＣ０が得られる。Ｂ０からＢ１への増加の過程で、ΔＰはＣ０から最小値（−１）まで減少した後、極大値Ｃ１に達する。（ω_s ・τ−２ｎπ）がＢ１からＢ２まで減少する過程で、ΔＰは最小値（−１）を通過した後、増加し続けて最大値１を通過して極小値Ｃ２に達する。（ω_s ・τ−２ｎπ）がＢ２から平均値（ω₀ ・τ₀ −２ｎπ（＝Ｂ０))に達するまでは、＋１の最大値を通過した後、Ｃ０と同じ値になる。これ以後は前述の変化を繰り返すので省略する。したがって、この場合は、自己混合信号の上部と下部で飽和した方形波状となる。

上記した説明から理解されるように、本実施形態の測定方法によれば、λ／４を限界点として正弦波状のΔＰの信号を得ることが可能であり、λ／４以下の振幅の微小振動については、ΔＰの最大振幅（自己混合信号の正規化振幅）を適正に求めることが可能である。振幅がλ／４を超えると、正弦波状の信号が得られなくなるが、ΔＰの振幅を検出することによって、振動の有無の判断、すなわち振動の検出が可能である。

図７は、自己混合信号の正規化振幅（ΔＰの最大振幅）、パラメータＣ、および計測対象物９０の振幅との関係の具体例を示すグラフである。このグラフは、静止時戻り光位相角ω_s0・τ₀ をπ／２ラジアン、すなわち９０°、Ｌ₀ ＝１０［ｃｍ］、λ＝７８５［ｎｍ］とした場合の具体例である。このようなグラフに示す関係は、式１，式２，式４，およびτ＝（２Ｌ）／Ｃを用いてコンピュータシミュレーションすることにより求めることができる。

この関係から理解されるように、ΔＰの最大振幅とパラメータＣとが判明すれば、計測対象物９０の振幅も判明することとなる。同グラフから明らかなように、パラメータＣの値が小さいほど、自己混合信号の正規化振幅の変化量に対する計測対象物９０の振幅の変化の割合が大きいために、理論的には、パラメータＣを小さくするほど、計測精度が高まることとなる。ただし、パラメータＣを小さくするほど、自己混合信号そのものが小さくなり、ノイズに起因する誤差を生じ易くなるため、実際には、ノイズに起因する計測誤差を生じ難い範囲内においてパラメータＣを小さくすることが望ましい。

以上説明したように、本実施形態の振動計測装置Ａおよびこれを用いた振動計測方法によれば、ドップラ効果を利用して鋸歯状のビート波を発生させる必要がなく、上記した式１，式２のパラメータＣとΔＰの最大振幅とに基づいて計測対象物９０の振幅を求めることができる。したがって、従来では困難とされていたλ／２以下の振幅の微小振動の検出が可能であり、またλ／４以下の微小振動の振幅を計測可能である。

また、計測対象物９０の振動計測に長時間を要したのでは、計測対象物９０の周囲の温度変化に起因して空気密度が変化するなど、計測条件が一定でなくなる虞れが大きい。これに対し、本実施形態によれば、パラメータ算出ステップおよび振動計測ステップのいずれについてもレーザダイオードＬＤの発振周波数を変化させながらレーザ光を計測対象物９０に照射させるだけであり、かつその照射時間は短時間でよいために、パラメータ算出ステップの開始時から振動計測ステップを終えるまでの所要時間は非常に短時間で済む。したがって、計測条件の変化に起因する計測誤差も少なくすることができる。

本願発明におけるパラメータ算出ステップは、計測対象物９０を振動させたまま実行することも可能である。図８に示すように、この場合に得られる自己混合信号Ｓ1ａは、計測対象物９０の振動に基づく高周波分を含むものとなる。この高周波分を含む信号Ｓ1ａに基づいて、計測対象物９０の振動を停止させた状態で得られた先の自己混合信号Ｓ１と同様な信号を得ることが可能である。その具体的な手段を、以下に説明する。

まず、ハードウェアを用いた処理方法として、高周波成分を除去可能なフィルタを用いる手段を用いることができる。このようなフィルタを用いて上記した信号Ｓ1ａの高周波分のフィルタリングを行えば、図８の符号Ｓ２で示すような信号が得られる。この信号Ｓ２は、先の実施形態で得られた自己混合信号Ｓ１に相当するものである。その後は、この信号Ｓ２に基づいてパラメータＣを適切に求めることが可能である。
ソフト処理による手段としては、上記した信号Ｓ1ａの移動平均処理を行なう手段がある。この移動平均処理法によっても、信号Ｓ２と同様な自己混合信号を得ることができ、実質的には、上記したフィルタリングによって高周波分を除去したのと同様な結果が得られる。

さらに、ソフト処理による他の手段として、包絡線の谷と頂上とに基づく方法がある。この方法においては、まず上記信号Ｓ1ａの最大値部分と最小値部分とのそれぞれに対応する信号Ｓａ、Ｓｂを求める。これらの信号Ｓａ、Ｓｂは、たとえば図９に示すような波形であり、信号Ｓ1ａの包絡線に相当する。次に、これらの信号Ｓａ、Ｓｂの移動平均処理を行なう。すると、たとえば図１０に示すような滑らかな波形の信号Ｓa'、Ｓb'が得られる。ここで、最大値の包絡線の信号Ｓa'が最小になった位置Ｐａと、最小値の包絡線の信号Ｓb'が最大になった位置Ｐｂとを、立ち上がりと立ち下がりとの分岐点と判断する。これにより、図２を参照して説明したｔ_f 、ｔ_rの値が求まり、この値に基づいてパラメータＣを算出することができる。

さらに、包絡線の平坦部の中心点を利用する方法もある。この方法においては、図１１に示すように、上記前者と同様な手法によりに信号Ｓa'、Ｓb'を得る。次いで、最大値の包絡線に相当する信号Ｓa'の平坦部分の中心点Ｐｃを求め、また最小値の包絡線に相当する信号Ｓb'の平坦部分の中心点Ｐｄを求める。これらの中心点Ｐｃ、Ｐｄを信号Ｓa'、Ｓb'の傾きが逆転している位置と判断し、立ち上がりと立ち下がりとの分岐点とする。これにより、ｔ_f 、ｔ_rの値が求まり、この値に基づいてパラメータＣを算出することができる。

上記した説明から理解されるように、本願発明においては、振動計測対象物を振動させながらレーザ光を照射することによってパラメータＣを求めることもできる。このようにすれば、振動計測対象物の振動を停止させる必要がないため、振動計測の迅速性に優れることとなる。この場合、振動装置の構成としては、図１に示したものと同様な装置構成とした上で、オシロスコープ５Ａとパーソナルコンピュータ５Ｂとの少なくとも一方に上記したソフト処理機能を具備させればよい。また、このような構成に代えて、自己混合信号に含まれる高周波分を除去するための上記したようなローパスフィルタを追加して設けた構成としてもかまわない。もちろん、高周波分を含む自己混合信号からパラメータＣを求める手法は、上記した例に限定されるものではない。

本願発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本願発明に係る振動計測方法の各ステップの具体的な構成は、種々に変更自在である。また、本願発明に係る振動計測装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

たとえば、図１に仮想線で示すように、レンズ６０と計測対象物９０との間にビームスプリッタ９５を配置し、計測対象物９０からの戻り光の一部をフォトダイオード９６で受光することによって、自己混合信号を得るようにしてもかまわない。

また、図１に示した構成において、パーソナルコンピュータ５Ｂを振動計測装置の各部を制御する制御手段として利用し、このパーソナルコンピュータ５Ｂの制御によって、上記したパラメータ算出ステップや振動計測ステップが人手を要することなく実行されるように構成することもできる。この場合、図７に示したデータなどもパーソナルコンピュータ５Ｂに記憶させておき、パラメータＣの値や計測対象物９０の振幅の値を、パーソナルコンピュータ５Ｂによって算出させる構成とすることもできる。

本願発明に係る振動計測装置は、振動の振幅などの計測用途に利用するのに代えて、単なる振動の有無の判断を行なうための装置として利用してもかまわず、その具体的な用途は問わない。また、計測対象物は、キャピラリに限らないことは言うまでもない。

本願発明に係る振動計測装置の一例を示すブロック図である。 所定のパラメータを求めるときの信号波形の一例を示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ΔＰに関する信号波形の説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ΔＰに関する信号波形の説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ΔＰに関する信号波形の説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、ΔＰに関する信号波形の説明図である。 所定のパラメータと自己混合信号の正規化振幅と計測対象物の振幅との関係を示すグラフである。 計測対象物を振動させながらパラメータ算出ステップを実行した場合に得られる自己混合信号の波形の一例を示す説明図である。 図８に示した信号の波形処理の一例を示す説明図である。 図９に示した信号の波形処理の一例を示す説明図である。 図９に示した信号の波形処理の他の例を示す説明図である。

符号の説明

Ａ 振動計測装置
ＬＤ レーザダイオード
ＰＤ フォトダイオード
１ 半導体レーザ素子
２ 信号発生回路
３ 可変電流供給回路
４ 差動増幅器
５Ａ オシロスコープ（信号観測手段）
５Ｂ パーソナルコンピュータ
９０ 計測対象物

Claims (10)

1. レーザ発振手段により発振させたレーザ光を計測対象物に照射し、この計測対象物により反射された戻り光と上記発振レーザ光とが混合した光を光電変換することによって自己混合信号を生成し、この自己混合信号に基づいて上記計測対象物の振動の内容を判断する振動計測ステップを有している、振動計測方法であって、
   上記レーザ発振手段から上記計測対象物にレーザ光を照射させたときの発振レーザ光量に対する戻り光量の割合に関する所定のパラメータを求めるパラメータ算出ステップを有しており、
   上記振動計測ステップにおいては、上記計測対象物に照射されるレーザ光の発振周波数を変化させることにより、所定の波形の自己混合信号を得るようにし、この自己混合信号および上記パラメータ算出ステップにおいて求めた上記パラメータに基づいて上記計測対象物の振動の内容を判断することを特徴とする、振動計測方法。
2. 上記パラメータ算出ステップは、上記計測対象物の振動が停止した状態において、発振周波数を変化させながら上記計測対象物にレーザ光を照射し、自己混合信号が所定の波形になったときのこの信号に基づいて上記パラメータを求める処理を含んでいる、請求項１に記載の振動計測方法。
3. 上記パラメータ算出ステップは、上記計測対象物が振動している状態において、発振周波数を変化させながら上記計測対象物にレーザ光を照射し、自己混合信号が所定の波形になったときのこの信号に基づいて上記パラメータを求める処理を含んでいる、請求項１に記載の振動計測方法。
4. 上記パラメータを求める処理は、上記自己混合信号から上記計測対象物の振動に基づく高周波分を取り除くことにより、または上記高周波分を含む上記自己混合信号の包絡曲線の波形に基づいて行なう、請求項３に記載の振動計測方法。
5. 上記レーザ発振手段として、半導体レーザを用い、かつ上記レーザ光の発振周波数の変化は、上記半導体レーザへの注入電流を変化させることにより行なう、請求項１ないし４のいずれかに記載の振動計測方法。
6. 上記半導体レーザへの注入電流の変化は、上記パラメータ算出ステップにおいては無段階に行なわせ、かつ上記振動計測ステップにおいては段階的に行なわせる、請求項５に記載の振動計測方法。
7. 計測対象物に照射させるためのレーザ光を発振するレーザ発振手段と、
   この計測対象物により反射された戻り光と上記発振レーザ光とが混合した光を光電変換することにより自己混合信号を出力可能な光電変換手段と、
   上記自己混合信号を観測するための信号観測手段と、
   を備えている、振動計測装置であって、
   上記レーザ発振手段の発振周波数を変化させることが可能な発振周波数変更手段を備えており、かつ、
   上記信号観測手段は、発振周波数を変更しながら上記計測対象物にレーザ光が照射されたときに得られる自己混合信号が所定の波形になった時点におけるこの信号に基づいて、発振レーザ光量に対する戻り光量の割合に関する所定のパラメータを算出可能に構成されていることを特徴とする、振動計測装置。
8. 上記レーザ発振手段はレーザダイオードであるとともに、上記光電変換手段はフォトダイオードであり、かつこれらレーザダイオードとフォトダイオードとは１つの半導体パッケージ内に纏めて造り込まれている、請求項７に記載の振動計測装置。
9. 上記発振周波数変更手段は、上記レーザ発振手段への注入電流を変化させることが可能な可変電流供給回路である、請求項７または８に記載の振動計測装置。
10. パラメータ算出ステップのモードと、振動計測ステップのモードとのモード切り替えが可能な制御手段を有しており、かつ、
    上記制御手段は、上記パラメータ算出ステップのモード時においては、上記レーザ光の発振周波数を変化させることにより自己混合信号が所定の波形になったときのこの信号に基づいて発振レーザ光量に対する戻り光量の割合に関する所定のパラメータを求めるとともに、上記振動計測ステップのモード時においては、上記レーザ光の発振周波数を変化させることにより、所定の波形を含む自己混合信号を得るようにし、かつその自己混合信号および上記パラメータ算出ステップのモードにおいて求めた上記パラメータに基づいて上記計測対象物の振動の内容を判断する処理の制御を行なうように構成されている、請求項７ないし９のいずれかに記載の振動計測装置。

Images