JPH04221722A - 振動物体の変位測定方法及びその装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動物体の変位測定方
法及びその装置に関する。具体的にいうと、本発明は、
振動物体の振動面の各点における振動変位を測定し、こ
れをワイヤーフレームにより表示させるための技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より用いられている非接触式の変位
測定装置としては、半導体位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｌｉｇｈｔ　Ｄｅｔｅｃｔ
ｏｒ　；以下、ＰＳＤ素子という。）を用いた非接触変
位計や、ホログラフィ干渉法、スペックル干渉法等を応
用した干渉式変位測定装置などがある。

【０００３】ＰＳＤ素子を使用した非接触式変位計は、
主にラインでの計測に用いられており、例えば被測定物
上の１点の変位をＰＳＤ素子の受光面に入射する光ビー
ムの入射位置の変位に変換し、前記測定点の変位計測を
行うものである。そして、被測定物もしくは変位計を順
次または連続的に移動させることにより被測定物の振動
面の各点の変位を検出させ、振動分布を測定させること
ができる。

【０００４】しかしながら、これらの変位計では、測定
点を順次あるいは連続的に移動させて変位測定を行って
も、各測定点間の時間的もしくは位相的な関係が不明で
あった。また、このような変位計では、同時に振動面上
の１点または１線（２次元ＰＳＤ素子を用いた場合）の
測定しかできなかった。

【０００５】また、干渉式の変位測定装置によれば、振
動分布を面的に測定することができる。しかしながら、
干渉式のものでは、振動分布が干渉縞として表示される
ので、実際の振動分布を測定するのは困難であり、複雑
な振動になると、干渉縞から振動分布を知ることは極め
て困難であった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、叙上の従来
例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とする
ところは、２次元の振動面における振動分布をワイヤフ
レームモデルを用いて表示することにより、振動物体の
振動の様子を容易に把握できるようにすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の振動物体の変位
測定方法は、振動物体の振動面に設定した各測定点にお
いて、振動物体の駆動信号や振動物体の１点における変
位検出信号等の基準信号に同期させて適当な位相間隔で
前記測定点の振動変位を非接触で測定し、採取された変
位測定デ−タ、測定点の位置データ及び測定時の基準信
号の位相に関する情報に基づいて前記振動面の振動分布
をワイヤフレームにより表示することを特徴としている
。

【０００８】さらに、前記各測定点の変位測定デ−タは
、空間的または位相的に補間して用いてもよい。

【０００９】また、本発明の振動物体の変位測定装置は
、振動物体の振動面における振動変位を測定する非接触
式の変位測定器と、振動物体と前記変位測定器を相対的
に移動させると共に測定点の位置データを出力する機構
と、振動物体の駆動信号や振動物体の１点における変位
測定信号等の基準信号に同期させて適当な位相間隔で各
測定点の変位測定データを変位測定器から取り込み、変
位測定データ、測定点の位置データ及び測定時の基準信
号の位相に関する情報に基づいて振動面の振動分布を演
算する手段と、変位データ及び測定点の位置データを記
憶保持する手段と、前記演算手段により求められた振動
分布をワイヤフレームにより表示させるワイヤーフレー
ム表示処理手段と、前記振動分布をワイヤフレーム表示
する表示装置とからなることを特徴としている。

【００１０】

【作用】本発明にあっては、振動物体の各測定点の変位
を測定すると共に基準信号の各位相における測定点の変
位を測定している。しかも、振動物体の駆動信号や振動
物体の１点における変位検出信号等の基準信号に同期さ
せて適当な位相間隔で測定点の振動変位を測定している
ので、基準信号を基準として各変位測定データの位相的
関係も把握することができる。従って、２次元の振動面
の振動分布及びその時間的変化を計測することができる
。

【００１１】さらに、本発明にあっては、変位測定デ−
タ、測定点の位置データ及び測定時の基準信号の位相に
関する情報に基づいて前記振動面の振動分布をワイヤフ
レームにより表示しているので、振動分布を数値データ
で表示するのと異なり、一目で振動面の振動分布を把握
することができる。さらに、動画として表示することに
より、その時間的変化も容易に理解することができる。

【００１２】また、各測定点の変位測定デ−タを、空間
的または位相的に補間して用いることにより、空間的に
滑らかなワイヤフレームで表示することができ、また時
間的に滑らかな動画表示を得ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図に基づいて詳
述する。図１に本発明の変位測定装置の一実施例の構成
を示す。この変位測定装置は、振動物体移動機構２、変
位測定器３、振動子駆動信号源４、制御部５、演算部６
、ワイヤフレーム表示処理部７及び表示装置８などから
構成されている。

【００１４】振動物体移動機構２は、ＸＹステージ９を
Ｘ軸駆動モータ１０及びＹ軸駆動モータ１１とねじ軸の
ような送り機構（図示せず）によってＸ軸方向及びＹ軸
方向に精密に移動させるようにしたものであり、ＸＹス
テージ９は原点Ｏを有しており、図２に示すようにＸＹ
ステージ９の上面の定位置に振動子１を位置決め固定で
きるようになっている。Ｘ軸駆動モータ１０及びＹ軸駆
動モータ１１を駆動するＸ軸駆動モータドライバ１２及
びＹ軸駆動モータドライバ１３は、ＸＹステージ駆動回
路１４によって制御されており、またＸＹステージ９に
取り付けられたリミットセンサ１５の検出信号はＸＹス
テージ駆動回路１４に入力されている。

【００１５】しかして、振動子１をＸＹステージ９の定
位置に固定すると、リミットセンサ１５によって原点出
しされた後、制御部５からステージ制御コマンド１０１
を入力されると、ＸＹステージ駆動回路１４はＸ及びＹ
軸モータドライバ１２，１３によってＸ及びＹ軸モータ
１０，１１を駆動してＸＹステージ９を所定の間隔ごと
にＸ方向及びＹ方向に移動させ、振動面１ａの各測定点
を変位測定器３の測定位置に順次位置合わせする。一方
、ＸＹステージ駆動回路１４は原点Ｏを基準とするステ
ージ位置情報（測定点の位置データ）１０２を制御部５
へ出力する。

【００１６】変位測定器３は、三角測量の原理によって
振動面１ａの変位を測定するものであり、図１に示すよ
うに検出ヘッド１６と変位信号出力回路１７とレーザ駆
動回路１８とから構成されており、振動物体移動機構２
のＸＹステージ９の上面と対向させて配置された検出ヘ
ッド１６内には半導体レーザ素子１９、ＰＳＤ素子２０
及びレンズ系２１，２２が納められている。

【００１７】レーザ駆動回路１８は、検出ヘッド１６内
の半導体レーザ素子１９を駆動し、半導体レーザ素子１
９からレーザ光を出射させる。しかも、レーザ駆動回路
１８は、半導体レーザ素子１９の後方出射光のパワーを
モニターしており、半導体レーザ素子１９からの出射光
強度が一定となるよう半導体レーザ素子１９を制御して
いる。

【００１８】半導体レーザ素子１９から出射されたレー
ザ光は、出射レンズ２１によってコリメート光又は集束
光に変換された後、振動物体の振動面１ａに垂直に照射
される。振動面１ａで反射された反射光は、集光レンズ
２２で集光され、振動面１ａ上のレーザ光スポットはＰ
ＳＤ素子２０の受光面に結像される。しかして、振動子
１が振動して振動面１ａが変位すると、図１に実線及び
破線で示すように、ＰＳＤ素子２０の受光面におけるレ
ーザ光の結像点が変化するので、振動面１ａの変位に応
じてＰＳＤ素子２０の両端のリード２３，２４に流れる
電流値ｉ１，ｉ２が変化する。

【００１９】ＰＳＤ素子２０のリード２３，２４に流れ
る電流値ｉ１，ｉ２は変位信号出力回路１７により、振
動面１ａの変位を表す変位信号に変換される。すなわち
、電流値ｉ１，ｉ２は増幅器２５，２６によって電圧信
号Ｖ１，Ｖ２に変換されると同時に増幅された後、加算
器２７によって受光パワーＶ１＋Ｖ２に変換され、同時
に減算器２８によって差Ｖ１−Ｖ２に変換された後、除
算器２９から振動面１ａの変位を表す（Ｖ１−Ｖ２）／
（Ｖ１＋Ｖ２）が変位測定信号１０３として出力される
。

【００２０】上述のようにして変位測定器３からアナロ
グ信号として出力された変位測定信号１０３は、Ａ／Ｄ
コンバータ３０に入力され、Ａ／Ｄコンバータ３０によ
りデジタル信号に変換された後、変位測定データ１０４
として制御部５へ送られる。このＡ／Ｄコンバータ３０
は、制御部５からの変換信号１０５を受信した時にのみ
アナログ信号をデジタル信号に変換して変位測定データ
１０４を出力するものであり、制御部５は所定のタイミ
ング（後述）で変換信号１０５を出力する。

【００２１】ＸＹステージ９の上に固定された振動子１
は、振動子駆動信号源４から出力する一定周期の駆動信
号１０６によって強制的に振動させられる。この振動子
駆動信号源４は、振動子１に駆動信号１０６を印加する
と同時に駆動信号１０６と同期した同期信号１０７を制
御部５へ出力しており、制御部５はこの同期信号１０７
の位相に対して所定の位相だけ遅れを持たせてＡ／Ｄコ
ンバータ３０へトリガ状の変換信号１０５を出力してい
る。この結果、制御部５は、振動子１の駆動信号１０６
と同期したタイミングで変位測定データ１０４を取り込
むことができる。制御部５へ取り込まれた変位測定デー
タ１０４は、測定点の位置データ（ステージ位置情報１
０２）と共にメモリ３１に蓄積される。

【００２２】なお、振動子駆動信号源４から制御部５へ
同期信号１０７を出力するのでなく、制御部５によって
振動子駆動信号源４を駆動させるようにし、制御部５で
駆動信号１０６と変換信号１０５の出力タイミングを同
期させるように制御してもよい。

【００２３】制御部５はメモリ３１を備えており、前記
のように各測定点の位置データ（ステージ位置情報１０
２）、変位測定データ１０４及び測定時の駆動信号との
位相差等の情報はメモリ３１内に保存される。さらに、
演算部６は、所定の補間方法に基づきメモリ３１内に蓄
積されている離散データ（変位測定データ１０４）を空
間的及び位相的（あるいは時間的）に補間し、振動子１
の振動面１ａにおける滑らかな振動分布を求めると同時
にその時間的な変化を求める。ついで、演算部６で求め
られた振動分布は、ワイヤフレーム表示処理部７でワイ
ヤフレーム表示用のデータに変換され、３次元の滑らか
なワイヤフレームモデルとしてディスプレイ装置のよう
な表示装置８に動画表示される。従って、振動面１ａに
おける振動のようすを一目で理解することができるので
ある。

【００２４】また、制御部５は、キーボードのような入
力装置３２を備えており、この入力装置３２から測定の
開始や中止、振動物体移動機構２による単位移動距離の
変更や測定タイミングの選択等を行なうことができる。

【００２５】次に、上記変位測定装置を用いた振動子１
の振動面１ａにおける変位測定方法を説明する。まず、
図２のように振動子１が振動物体移動機構２のＸＹステ
ージ９の定位置に固定され、原点出しが終了すると、振
動子駆動信号源４から出力された一定周期の正弦波形を
した図６（ａ）のような駆動信号１０６が振動子１の電
極に印加され、振動子１が強制的に振動させられる。同
時に、振動子駆動信号源４から制御部５へ駆動信号１０
６と同じ周期の矩形波形をした図６（ｂ）のような同期
信号１０７が出力される。制御部５は、例えば同期信号
１０７の立ち上がり時（駆動信号１０６のゼロクロス点
）を基準として、図６（ｃ）に示すように位相遅れτ（
０≦τ≦π／２）をもったトリガ状の変換信号１０５を
出力し、Ａ／Ｄコンバータ３０を作動させて変位測定デ
ータ１０４を読み込み、これをメモリ３１に蓄積する。

【００２６】制御部５から変換信号１０５を出力して時
間的に変化する変位測定データ１０４を読み込むタイミ
ング（測定タイミング）としては、例えば駆動信号１０
６の０〜π／２の位相区間をＮ等分し、Ｎ等分された各
位相で変換信号１０５を出力し、測定点の変位を求めれ
ばよい。π／２〜２πの間における変位は、０〜π／２
の区間の変位と対称もしくは反対称であることより求め
られる。

【００２７】このトリガ状の変換信号１０５の生成タイ
ミングとしては、駆動信号１０６の０〜π／２の区間を
Ｎ等分し、■図４（ａ）（ｂ）…（ｆ）に示すように駆
動信号１０６の１サイクルに１回変換信号１０５を出力
し、各サイクル毎の変換信号１０５の出力される位相を
π／２Ｎづつずらせる方式と、■図５（ａ）（ｂ）に示
すように駆動信号１０６の１サイクルにおいてπ／２Ｎ
の間隔で連続してＮ回変換信号１０５を出力し、１サイ
クルでその測定点の変位測定を終了する方式とがあり、
いずれの方法を採用するかは、制御部５の処理速度等を
考慮して選択することができる。

【００２８】以上のようにして１点で変位の時間的変化
が計測されると、ＸＹステージ９を動かして次の測定点
を検出ヘッド１６の下へ移動させ、振動物体移動機構２
から制御部５へステージ位置情報１０２が出力され、メ
モリ３１に保存される。そして、上記の動作を繰り返し
てこの測定点で変位の時間的変化を計測する。

【００２９】こうして全測定点での変位計測が終了する
と、制御部５はメモリ３１内のデータを用いて振動分布
を求め、その結果はワイヤフレーム表示処理部７によっ
て表示装置８にワイヤフレームモデルによる３次元の動
画として表示される。例えば、図７の振動面１ａ上の点
Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓの振動がそれぞれ図６の（ｄ），（ｅ）
，（ｆ），（ｇ）であれば、図６の位相τにおける振動
分布は図７のワイヤフレームＷのように表示される。

【００３０】なお、各測定点の変位量の測定データは、
数値として得られるので、振動解析にも有効である。例
えば、有限要素法による計算値を実際の振動分布の測定
値と照合することもできる。

【００３１】図３は振動物体移動機構２及び変位測定器
３の別な構成であって、振動物体移動機構２のＸＹステ
ージ９で振動子１の外周部を保持させるようにし、振動
子１の上面及び下面を露出させている。ＸＹステージ９
の上面側及び下面側には、それぞれ変位測定器３の検出
ヘッド１６が配置されており、両検出ヘッド１６により
振動子１の表面側の振動面１ａの振動分布と裏面側の振
動面１ａの振動分布を同時に測定できるようになってい
る。

【００３２】本発明の変位測定装置は、上記実施例以外
にも種々のものが可能である。例えば、図示しないが、
振動物体移動機構２においてｒθステージを用いてもよ
い。また、振動子１を移動させるのでなく、振動子１を
固定し、変位検出器３を検出器移動機構によって移動さ
せるようにしてもよい。

【００３３】さらに、振動子の駆動信号を基準信号とせ
ず、振動子の振動面における任意の１点の振動変位を基
準信号とし、この基準信号と同期させて他の測定点の変
位を測定するようにしてもよい。この場合も基準点の振
動を基準として各測定点の振動のようすを知ることがで
き、振動面の振動分布をワイヤフレームで３次元の動画
表示が可能になる。

【００３４】また、上記実施例では、ワイヤフレームに
より動画表示する実施例について説明したが、この動画
を所望位置で静止させる機能を付加してもよい。あるい
は、動画表示とせず、各位相（時間）毎の振動分布を静
止画像によりワイヤフレーム表示させるようにしてもよ
い。これらの静止画像表示によれば、有限要素法によっ
て計算した振動分布との対比も容易に行なえる。

【００３５】さらに、上記実施例では、振動面と垂直な
方向の変位を検出し、この振動分布を３次元ワイヤフレ
ームモデルにより表示させたが、また、振動面と平行な
方向の変位を変位検出器で検出し、この変位（振動分布
）をワイヤフレームの歪みないし曲がりとして２次元ワ
イヤフレームモデルにより表示させてもよい。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、振動面内の各点におけ
る振動変位を基準信号との位相差を含めて測定すること
ができるので、各測定点間における振動変位の時間的関
係も明らかとなる。このため、振動面全体の振動分布を
ワイヤフレームにより表示することができる。さらに、
動画として表示させれば振動分布の時間的変化も表示す
ることができ、振動物体の振動分布を一目で理解するこ
とができる。

【００３７】さらに、中間段階において各点の変位測定
データを数値として得ることもできるので、振動解析に
も利用することができる。また、静止画像表示としても
、有限要素法によって計算した変位量との対比を容易に
行なえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変位測定装置の一実施例を示す概略構
成図である。

【図２】同上のＸＹステージ及び変位測定器の検出ヘッ
ドの配置を示す一部破断した正面図である。

【図３】ＸＹステージ及び変位検出器の検出検出ヘッド
の別な配置を示す一部破断した正面図である。

【図４】駆動信号と測定タイミングとの関係を示す図で
ある。

【図５】駆動信号と測定タイミングとの別な関係を示す
図である。

【図６】駆動電圧、同期信号、変換信号及び各測定点に
おける変位測定信号の関係を示す図である。

【図７】振動子と図６のような変位測定信号に基づいて
求められた振動分布を表わすワイヤフレームを示す図で
ある。

【符号の説明】

１　　振動子 ２　　振動物体移動機構 ３　　変位検出器 ４　　振動子駆動信号源 ５　　制御部 ６　　演算部 ７　　ワイヤフレーム表示処理部 ８　　表示装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　振動物体の振動面に設定した各測定点
   において、振動物体の駆動信号や振動物体の１点におけ
   る変位測定信号等の基準信号に同期させて適当な位相間
   隔で前記測定点の振動変位を非接触で測定し、採取した
   変位測定デ−タ、測定点の位置データ及び測定時の基準
   信号の位相に関する情報に基づいて前記振動面の振動分
   布をワイヤフレームにより表示することを特徴とする振
   動物体の変位測定方法。
2. 【請求項２】　　前記各測定点の変位測定デ−タを空間
   的または位相的に補間し、この補間デ−タを用いて振動
   面の振動分布をワイヤフレームにより動画表示すること
   を特徴とする請求項１に記載の振動物体の変位測定方法
   。
3. 【請求項３】　　振動物体の振動面における振動変位を
   測定する非接触式の変位測定器と、振動物体と前記変位
   測定器を相対的に移動させると共に測定点の位置データ
   を出力する機構と、振動物体の駆動信号や振動物体の１
   点における変位測定信号等の基準信号に同期させて適当
   な位相間隔で各測定点の変位測定データを変位測定器か
   ら取り込み、変位測定データ、測定点の位置データ及び
   測定時の基準信号の位相に関する情報に基づいて振動面
   の振動分布を演算する手段と、変位測定データ及び測定
   点の位置データを記憶保持する手段と、前記演算手段に
   より求められた振動分布をワイヤフレームにより表示さ
   せるワイヤーフレーム表示処理手段と、前記振動分布を
   ワイヤフレーム表示する表示装置とからなる振動物体の
   変位測定装置。