JPH03248061A - レーザドップラ回転計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、Ｓ／Ｎ比及び回転速度分解能の高い測定を可
能にしたレーザドツプラ回転計に関する。

［従来の技術］ 第２図は、従来のレーザドツプラ回転計の基本構成を示
す図である。

第２図に示されるように、この装置は、角速度ωで回転
している円板２１の中心Ｏから距離ｒの点Ｐに垂直方向
からレーザ装置２２より射出されるレーザ光ｒｇを照射
し、その散乱光ｒ１と元のレーザ光ｒｏとを、ハーフミ
ラ−２３及び２４によって混合し、光検出器２５によっ
て受光することによりドツプラービート信号を測定する
ものである。なお、ここで、ドツプラービートが表して
いるのは、円板２１の点Ｐにおける接線速度Ｖであるが
、ｖ＝ｒ・ωであるから、ドツプラービートを測定する
ことにより、角速度ωを求めることができる。

いま、照射レーザ光ｒ。の周波数をｆ。、散乱光ｒ１の
照射レーザ光ｒ□に対してなす角度をθ、光の速度をＣ
とすると、周知のように、ドツプラービート周波数ｆ、
は、 ｆＤ＝　（ｒ　・ω／ｃ）ｆ□　Ｓｉｎθ　・・中）で
ある。

この（１）式から、 ω＝Ｃ−ｆＤ／ｆｏ−ｒ・Ｓ団θ　・（２）である。（
２）式において、ｃ、ｆ□　、ｒ、θは既知であるから
、ｆ、を測定することにより、角速度ωを求めることが
できる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上述の従来のレーザドツプラ回転計は、要す
るに、散乱光のドツプラーシフト量を、照射レーザ光と
散乱光とで得られるビート信号から求めているものであ
る。

ところが、通常、照射レーザ光の強度に比較して散乱光
の強度が著しく弱いことから、Ｓ／Ｎ比の高いビート信
号を得ることが困難であるという欠点があった。

さらに、ドツプラーシフト量が必ずしも十分大きくない
ため、回転速度の分解能を高めるにも限界があった。

本発明は上述の背景のもとでなされたものであり、極め
てＳ／Ｎ比及び回転速度分解能の高い測定を可能とする
レーザドツプラ回転計を提供することを目的としたもの
である。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、以下の構成とすることにより上述の課題を解
決している。

回転体の表面にレーザ光を照射してその散乱光のドツプ
ラーシフト量を観測することにより、回転体の回転速度
を測定するレーザドツプラ回転計において、 前記回転体に反射面を設けるとともに、この反射面と対
向する部位に外部固定反射手段を設け、前記回転体の反
射面と外部固定反射手段とでレーザ光を複数回反射させ
たときに受けるドツプラーシフト量を観測して、回転体
の回転速度を測定することを特徴とした構成。

［作用］ 上述の構成によれば、観測されるドツプラーシフト量が
回転体の反射面による反射回数に比例して増えるから、
この反射回数を増やすことにより、Ｓ／Ｎ比及び回転速
度分解能を高めることができる。

［実施例］ 第ユｌｆＬ倒 第１図は本発明の第１実施例にかかるレーザドツプラ回
転計の構成を示す斜視図、第３図は第１実施例の側面図
である。以下、これらの図面を参照しながら第１実施例
を詳述する。

これら図において、符号１は多面鏡、符号２は回転軸、
符号３は反射鏡、符号４はレーザ装置、符号５は音響光
学素子（ＡＯＭ）　、符号６はハーフミラ−１符号７は
光検出器である。

多面鏡１は、図に示されるように、例えば、正八角柱の
外周部の爪面が鏡面に形成され、反射面ｌａ、ｌｂ、ｌ
ｃ、ｌｄ、ｌｅ、ｉｆ、Ｉｇ、１ｈを構成しているもの
で、回転軸２に軸線を共通にして固定されている。

回転軸２は、図示しない被測定回転体に結合されている
。

反射鏡３は、略円筒形状をなしたもので、その内周面が
鏡面とされ、反射面３１を構成している。

この反射鏡３はその中心軸線が回転軸２の軸線に一致す
るように外部に固定されている。また、円筒の一部、す
なわち、図中左方部の一部が除去されて窓部３２が形成
されている。

この窓部３２の近傍にはＡＯＭ５が配置されている。こ
のＡＯＭ５は、図中このＡＯＭ５の左方に配置されたレ
ーザ装置４から射出された周波数Ｆｏ　（波長λ）のレ
ーザ光Ｒ８を入射して、僅かに周波数が異なるともに僅
かに角度分離された２つの光Ｒ１及びＲ２の２つの光（
周波数：Ｆｌ。

Ｆ２）を出射してそれぞれ多面鏡１の反射面１ａ及び１
ｈに入射させる。

また、ハーフミラ−６は、ＡＯＭ５と多面鏡１との間に
所定の角度関係で配置され、ＡＯＭ５から・射出される
２つの光Ｒ１及びＲ２を透過させるとともに、多面鏡１
の反射面１ａ及び１ｈによって反射されてそれぞれ前記
光Ｒ及びＲ２の進行方向に対し逆向きに進行してくる２
つの光Ｒ３及びＲ４を反射して光検出器７に導き、この
光検出器７の検出面で混合する。

光検出器７は、２つの光Ｒ３及びＲ４の混合によって得
られた干渉光を検出し、そのビート信号を得るものであ
る。なお、この光検出器７には図示しない信号処理回路
等が接続されている。

ここで、ＡＯＭ５から射出される２つの光Ｒ１及びＲ２
が、それぞれ多面鏡１の反射面１ａ及び１ｈに入射角α
で入射すると、その反射光は反射鏡３の反射面３１に入
射角βで入射する。そして、この反射面３１で再度反射
されて多面鏡１の反射面１ｂ及び１ｇにそれぞれ入射す
る。このときの入射角をγとした場合、α−γが成立す
るように、α（＝γ）及びβを選定すれば、２つの光Ｒ
１及びＲ２は、多面鏡１の反射面１ａ〜１ｈと反射鏡３
の反射面３１との間で反射を繰り返し、同一の光路を逆
向きに進行して、それぞれ反射面１ｈ及び１ａから射出
される。このとき、光Ｒ１とＲ２どのなす角度は２βで
ある。本実施例は、このような条件が成立するように、
ＡＯＭ５の特性及びその配置関係並びに多面鏡１及び反
射鏡３の寸法・配置関係等を選定しである。

なお、この実施例のように、多面鏡１が正八角柱の場合
には、 ・π／２−α＋β＝７π／１６　・・・（３）が成立す
るように、α、βを選定すれば、上記条件を満たすこと
ができる。

（３）式を整理すると、 α−β＝π／１６　・・・（４） である。

また、多面鏡１が、仮に正Ｎ角柱の場合には、α−β＝
π／２−　（（Ｎ−１）／２Ｎ）π＝π／２Ｎ　　・・
・（５） が成立するように、α、βを選定すればよい。

また、反射鏡３は、必ずしも円筒形状のものでなくても
よく、例えば、内周面が正八角形状の鏡面をなした筒状
体であってもよいし、さらには、このような筒状体を用
いることなく、所定の反射部に独立の平板状の反射鏡を
配置してもよい。

さて、上述の構成において、ＡＯＭ５から射出された光
Ｒ１とＲ２とは多面鏡１と反射鏡３との間で反射を繰り
返して出射後、Ｒ３、’Ｒ４となって混合され、光検出
器７で検出される。この光検出器７では、光Ｒ３とＲ４
とによって生ずるビート信号が観測される。このビート
信号の周波数は、多面鏡１が静止している場合には、Ａ
ＯＭ５の変調周波数へＦｏに等しい。

一方、多面鏡１が角速度ωで回転している場合を考える
と、′光Ｒ１とＲ２とは、多面鏡１で反射する毎にそれ
ぞれドツプラーシフトを受ける。

それぞれの周波数シフト量をΔＦとすると、２つの光Ｒ
１とＲ２とによるトータルのシフト量は２ΔＦになる。

ここで、ΔＦは、はぼ下記（６）式で表せる。

ΔＦ＝Ｎ　（２ωＲ／λ）　ｓｉｎ　ａ−（６）ただし
、 Ｎ；多面鏡１での反射回数（＝８） Ｒ；多面鏡１の反射点と回転中心Ｏとのなす距離 λ；レーザ光Ｒ８の波長（＝Ｆｏ／ｃ）α；多面鏡１に
対する光の入射角 とする。

（６）式から、角速度ωは、 ω＝（λΔＦ）／（２ＮωＲ５１ｒｚｚ）　　・−・（
７）である。

ところで、このとき光検出器７によって観測されるビー
ト信号の周波数ＦＤは、Ｆ、＝２ΔＦ＋ΔＦｏであり、
多面鏡１が静止しているときのビート信号の周波数（Δ
Ｆｏ）との差の周波数をΔＦＤとすると、 八ＦＤ”ＦＤ−ΔＦ。

＝２ΔＦ＋ΔＦｏ−ΔＦ　ｏ　”　２ΔＦ・・・（９） である。（９）式から、 ΔＦ＝ΔＦ　Ｄ　／　２　　　・・・（１０）である。

（１０）式を（７）式にいれると、ω＝（λΔＦＯ）／
　（４ＮωＲ５１ｔｌ　α）”（１１）である。

（１１）式の右辺において、λ、Ｎ　（＝８＞、Ｒ。

αは既知であるから、ΔＦ、がわがればωを算出するこ
とができる。ここにおいて、ΔＦＤは、光検出器７によ
って観測できる。したがって、多面鏡１の角速度ωを求
めることができる。

上述の実施例において、測定対象物理量であるΔＦ、に
は、多面鏡１での２Ｎ回反射による２Ｎ回のドツプラー
シフトの効果が含まれている。これに対し、従来の方式
は、いわば１回のドツプラーシフトの効果を測定してい
るに過ぎない。すなわち、本実施例の装置によれば、従
来に比較してほぼ２Ｎ倍のＳ／Ｎ比及び回転速度分解能
を確保することができる。

しかも、検出光Ｒ３，Ｒ４は、従来の場合のように散乱
光でなく多面鏡１及び反射鏡３によって反射される反射
光であるから、十分な強度を有している。また、従来の
ように、散乱というような大きな減衰要素がないから、
ＡＯＭ５等による減衰も問題にならない。したがって、
精度のよい測定が容易になるとともに、ビート信号の処
理等も極めて容易になる。さらに、レーザ装置として比
較的小出力のものを用いることも可能となる。

免λ犬１舅 第４図は本発明の第２実施例にかかるレーザドツプラ回
転計の一部省略側面図である。

この実施例は、第１実施例における多面鏡１の代わりに
、円柱鏡４０を用いた外の構成は、第１実施例と同一で
ある。したがって、第４図は、円柱鏡４０と反射鏡３の
みを示し、その外の構成は省略しである。

円柱鏡４０は、外周面を鏡面にして反射面４１としたも
のである。

いま、ＡＯＭ５から射出される２つの光Ｒ１及びＲ２が
、それぞれ円柱鏡４０の反射面４１に入射角αで入射す
ると、その反射光は反射鏡３の反射面３１に入射角βで
入射する。そして、この反射面３１で再度反射されて円
柱鏡４０の反射面４１に再び入射する。以後、同様にし
て円柱鏡４０の反射面４１と反射鏡３の反射面３１との
間で反射を繰り返し、同一の光路を逆向きに進行して、
射出光Ｒ及びＲ４となって光検出器７で検出される。こ
の場合、反射回数は、ＡＯＭ５の特性及びその配置関係
並びに円柱鏡４０及び反射鏡３の寸法・配置関係等を適
宜選定することにより、任意に選定することができる。

この実施例においても、光Ｒ３及びＲ４によるビート信
号を観測することにより、上述の第１実施例と同様に角
速度ωを求めることができる。

この実施例では、第１実施例と同一の利点が得られる外
に、光Ｒ１，Ｒ２の入射角等を変えることにより比較的
簡単に反射回数を変えることができる等、装置の設計の
自由度が大きく、かつ、製作調整が比較的容易であると
いう利点がある。

なお、上述の各実施例では、同一の光路を逆向きに進行
する２つの光Ｒ１，Ｒ２を用いてこれらのビートをとる
例を掲げたが、これは、上述の従来例のように、どちら
か一方の光を用いてこれとレーザ光Ｒ８どのビートをと
るようにしてもよい。

また、上述の各実施例では、回転体の外周面に反射面を
設けた例を掲げたが、これは、回転体の側面その他に反
射面を形成し、この反射面に対向する部位に外部固定反
射手段を設けてもよい。ただし、その場合には、外部固
定反射手段の配置関係等の設計が煩雑になることは否め
ない。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明は、要するに、回転体に反
射面を設けるとともに、この反射面と対向する部位に外
部固定反射手段を設け、前記回転体の反射面と外部固定
反射手段とでレーザ光を複数回反射させたときに受ける
ドツプラーシフト量を観測して、回転体の回転速度を測
定することを特徴としたもので、これにより、観測され
るドツプラーシフト量を回転体の反射面による反射回数
に比例して増やし、Ｓ／Ｎ比及び回転速度分解能の高い
測定が可能なレーザドツプラ回転計を得ているものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例にかかるレーザドツプラ回
転計の構成を示す斜視図、第２図は従来例の基本構成を
示す図、第３図は第１実施例の側面図、第４図は第２実
施例の一部省略側面図である。 １・・・多面鏡、 ｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄ、ｌｅ、ｉｆ、Ｉｇ、１ｈ・・
・反射面、 ２・・・回転軸、 ３・・・反射鏡、 ４・・・レーザ装置、 ５・・・ＡＯＭ、 ６・・・ハーフミラ− ７・・・光検出器、 ４０・・・円柱鏡、 ４１・・・反射面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 回転体の表面にレーザ光を照射してその散乱光のドップ
   ラーシフト量を観測することにより、回転体の回転速度
   を測定するレーザドップラ回転計において、 前記回転体に反射面を設けるとともに、この反射面と対
   向する部位に外部固定反射手段を設け、前記回転体の反
   射面と外部固定反射手段とでレーザ光を複数回反射させ
   たときに受けるドップラーシフト量を観測して、回転体
   の回転速度を測定することを特徴としたレーザドップラ
   回転計。