JPH04353785A - 高速度変位測定装置 - 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、高速度で振動する物体
（被測定物）の変位を測定する高速度変位測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年の電子技術の発達は目覚ましく、そ
の技術はあらゆる分野で使われている。電子技術が用い
られる事により、かつては不可能であった計測が可能に
なってきている。半導体位置検出素子（以下、ＰＳＤと
いう）を用いた物体の変位測定方法もその一つであり、
ポジションセンサをもちいて測定する方法である。ＰＳ
Ｄは、簡単に示すと、図６に示すような構造になってお
り、入射光の位置により出力端子の光電流出力に違いが
生ずるという性質がある。ポジションセンサでは、この
光電流出力の違いを利用して、三角測量の原理により物
体の変位が測定される。図７に示すようなＰＳＤでは２
次元の位置検出が可能になり、そのＰＳＤを用いて構成
されたポジションセンサの例が図８に、この図８のポジ
ションセンサの２次元の位置検出の出力例が図９に示さ
れている。また、ポジションセンサを用いた基本的な変
位測定システム（以下、ポジションセンサシステムとい
う）の例が図１０に示されている。このポジションセン
サシステムでは、光源１０１０からの光が、投光レンズ
１４０により、スポット位置１０２０で集められ、散乱
された光が、ポジションセンサ１１０のＰＳＤ１１２の
受光面に集められる。ＰＳＤ１１２及び位置演算回路１
１３でＰＳＤ１１２の受光面の位置が算出され、これを
元に三角測量の原理で被測定物１００の変位が測定され
る。このポジションセンサシステムの測定精度は高く、
例えば、ポジションセンサのＰＳＤの視野を１０ｍｍに
したとき分解能は２，３マイクロメ−タ程度になってい
る。

【０００３】このようなポジションセンサを用い、変位
測定することにより、遠隔で非接触，高精度（位置分解
能１／５０００程度），多点同時計測，３次元位置計測
といった、かつては不可能であった物体の変位測定が可
能になり、衝撃・変形試験，振動・ズレ計測，歩行解析
，スポーツ・作業体位解析などを始め広い分野で応用さ
れるようになってきている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ポジションセンサシス
テムがいろいろな計測分野で用いられるようになり、そ
の利点が理解されるようになったが、図１０に示したポ
ジションセンサシステムでは、ＰＳＤの応答速度から、
システムの応答速度は数百マイクロ秒程度が限界となっ
ている。衝撃・変形試験，振動・ズレ計測において、ポ
ジションセンサシステムでこの応答速度を越えるような
物体（被測定物）の変位を正確に測定できれば、という
強い要求が生じている。例えば、セラミック振動子など
の圧電素子は、高速性，制御性の良さからマイクロアク
チュエータ，エンジンバルブなど幅広い応用が考えてい
るが、圧電素子の変位量が数マイクロメータ，応答速度
が数マイクロ秒以下となっているため、直接、圧電素子
についての振動・ズレ計測をすることができないのであ
る。このように、前に述べたポジションセンサシステム
では、ＰＳＤの応答速度から、その応用に限界が存在し
ている。

【０００５】本発明は、前述した点に鑑み、ＰＳＤの応
答速度を越えるような高速で振動する物体の変位を正確
に測定できる高速度変位測定装置を提供することをその
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、被測定物の振
動に同期しその振動に対し位相のずれた光源駆動出力を
発生する駆動出力発生器と、光源駆動出力に応じて被測
定物の振動の周期よりも十分にパルス幅の短いパルス発
光をするパルス光源と、パルス発光に基づく光を検出す
る位置検出器とを備え、上記パルス光源は、被測定物を
スポット照射するように設けられ、或いは被測定物上に
設けられている。

【０００７】ここで、被測定物を駆動出力発生回路の出
力で振動させてその変位を測定する場合、この駆動出力
発生器は、被測定物を振動させるための振動駆動出力を
発生させる振動駆動回路と、この振動駆動出力の位相を
変化させる移相回路と、この移相回路からの移相出力に
基づき光源駆動出力を発生する光源駆動回路とを含んで
構成されている。別途に設けられた手段により振動して
いる被測定物の変位を測定する場合、駆動出力発生器は
、被測定物の振動を検出する振動検出回路と、この振動
検出回路からの検出出力の位相を変化させる移相回路と
、この移相回路からの移相出力に基づき光源駆動出力を
発生する光源駆動回路とを含んで構成されている。

【０００８】また、被測定物の２次元的な振動を手軽に
測定したいときは、被測定物をパルス光の光軸と交差す
る面に平行に移動させる手段を更に備えている。

【０００９】

【作用】駆動出力発生器で被測定物の振動に同期しその
振動に対し位相のずれた光源駆動出力が発生し、その光
源駆動出力に応じてパルス光源がパルス発光し、そのパ
ルス光が被測定物にスポット照射されたときの反射，散
乱光、或いは被測定物上に設けられたパルス光源からの
パルス光が位置検出器に届く。ここで、パルス光源は被
測定物の振動に同期し、その振動に対し位相のずれた発
光をしているので、その位相のずれに応じた大きさだけ
振動の中心からずれた位置で反射，散乱或いは発光して
いる。それゆえ、等価的に静止した位置から届くのと同
じことになる。位置検出器で反射光からそのスポット照
射された位置が検出され、検出された位置の違いから被
測定物の変位が測定される。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を図１ないし図５を用いて説
明する。前述した従来例と同一ないし同等なものについ
ては、同一の符号を用いるとともに、その説明を簡略し
もしくは省略するものとする。図１には、本発明の第一
実施例である高速度変位測定装置の一例が示されている
。

【００１１】この図１に示す高速度変位測定装置は、被
測定物を電気的な手段で振動させてその変位を測定する
ものである。この装置は、被測定物１００を振動させか
つその振動に同期し位相のずれた光源駆動出力を発生す
る駆動出力発生器１３０と、光源駆動出力に応じてパル
ス光を被測定物１００にスポット照射するパルス光源１
２０と、被測定物１００からの反射光を検出する位置検
出器としてのポジションセンサ１１０とを備えている。 符号１４０は、パルス光を収束させるレンズであり、符
号１０１は、パルス光源１２０からのパルス光がスポッ
ト照射された被測定物１００上の位置（以下、スポット
位置という）である。

【００１２】被測定物１００は、セラミック振動子でで
きており、駆動出力発生器１３０からの出力により高速
に振動する。駆動出力発生器１３０は、被測定物１００
を振動させる振動駆動回路１３１と、この振動駆動回路
１３１からの振動出力の位相を移相信号入力１３４に応
じて変化させる移相回路１３２と、この移相回路１３２
からの移相出力からパルス光源を駆動する光源駆動回路
１３３とを含んで構成され、図２に示すように、被測定
物１００の振動に対し位相のずれた光源駆動出力を発生
し、パルス光源１２０の発光のタイミングを制御するも
のである。パルス光源１２０は、レーザダイオード，発
光ダイオードなどで構成され、被測定物１００の振動の
周期よりも十分にパルス幅の短いパルス光（パルス幅マ
イクロ秒オーダからナノ秒程度）を発生するものである
。

【００１３】つぎに、この装置の動作について説明する
。

【００１４】駆動出力発生器１３０の振動駆動回路１３
１により被測定物１００は所定の周期で高速に振動する
。振動駆動回路１３１の被測定物１００を駆動する出力
は、移相回路１３２で移相信号入力１３４に応じた量だ
け位相がずらされ、それに基づきパルス光源１２０の発
光のタイミングを制御するように光源駆動出力を発生す
る。この駆動出力によりパルス光源１２０が発光する。 被測定物１００の振動とパルス光源１２０の発光のタイ
ミングとの関係は、図２に示すように、移相回路１３２
での移相量をθとすると被測定物１００がその振動の中
心からｄにきたときに、パルス光源１２０が発光するよ
うになる。パルス光源１２０からのパルス光は、測定点
であるスポット位置１０１に集光され、被測定物１００
で散乱される。スポット位置１０１は、パルス光源１２
０の発光のタイミングにより、被測定物１００の振動の
中心から所定の距離だけ離れた一定の位置になっている
。散乱されたパルス光は、ポジションセンサ１１０のＰ
ＳＤ１１２の受光面に集められる。ＰＳＤ１１２及び位
置演算回路１１３でＰＳＤ１１２の受光面の位置が算出
され、これを元に三角測量の原理でスポット位置１０１
が求まり、被測定物１００の変位が測定される。

【００１５】ポジションセンサ１１０のＰＳＤ１１２の
応答速度は良くないのであるが、スポット位置１０１は
、移相回路１３２の移相量により一定の位置になってい
るので、静止したものを測定するのと同じことになるた
め、ＰＳＤ１１２の応答速度に関係なく、高速に振動す
る被測定物１００の振動の変位の測定がなされる。移相
回路１３２の移相量をθ変化させることで、スポット位
置１０１が変化し、振動の変位の最大値や被測定物の振
動波形などが得られる。

【００１６】つぎに、その他の実施例について説明する
。

【００１７】図３に示す第２実施例の実施例では、振動
駆動回路１３１にかえて、装置外部に被測定物３００を
駆動する駆動手段３５０が設けられ、この駆動手段３５
０により被測定物３００を振動させている。この高速度
変位測定装置は、被測定物３００の振動を検出する振動
検出回路３３１が設けられている点に特徴を有し、移相
回路１３２へ振動検出回路３３１の検出出力が出力され
ている。この装置の動作は、前述した第１実施例の装置
の駆動出力発生器の動作において、振動駆動回路１３１
の振動出力のかわりに振動検出回路３３１の検出出力と
したものと同等である。振動検出回路３３１の検出出力
即ち被測定物の振動波形が移相回路１３２に出力される
ようになっているので、被測定物１００の振動とパルス
光源１２０の発光のタイミングとの関係は、前述した第
１実施例と同様、図２のようになる。そのため、ポジシ
ョンセンサ１１０におけるスポット位置検出などこの装
置の動作原理は同じものになっている。この装置では、
図に示すように振動検出回路の応答周波数が遅い場合で
も、高速度の振動解析が可能である。

【００１８】図４に示す第３実施例の高速度変位測定装
置は、振動している被測定物上にパルス光源４２０が設
けられている点に特徴を有している。これは、パルス光
源１２０に用いられる素子が非常に小型であることを利
用したものである。前述した第１実施例の装置と比較す
ると、パルス光が被測定物上で散乱せずに直接ポジショ
ンセンサ１１０に入射することにより、外乱に強くまた
比較的弱い光源を用いうる、という利点がある。この図
において、振動センサ１３１ａは振動検出回路３３１の
なかに含まれているのであるが、図面では別々にしてあ
る。また、図４の実施例では第２実施例と同じ構成であ
るが、第１実施例と同様に、振動検出回路３３１の代わ
りに被測定物を振動させる振動駆動回路を設ける、とい
う構成にしても良い。パルス光源は、光ファイバーなど
で外部から導入されたものでも良い。

【００１９】図５に示す第４実施例の高速度変位測定装
置は、ＸＹステージ５１０上に被測定物１１０が置かれ
、測定点であるスポット位置１０１が被測定物１１０の
表面上を動かせる点に特徴を有している。高速で振動す
る物体は、その表面上に副次共振を伴なうことがあり、
被測定物１００の表面上にスポット位置１０１を動かす
ことでその副次共振などの１または２次元の振動パター
ンを測定しようとするものである。ＸＹステージ５１０
の動きとポジションセンサ１１０のスポット位置検出を
連動させることで、容易に１または２次元の振動パター
ンがえられている。この場合も、第２実施例のようにパ
ルス光源を被測定物上に設けてもよい。つぎに、本発明
の変形例について説明する。

【００２０】被測定物については、セラミック振動子に
よる場合の例について示したが、このような圧電素子だ
けでなく、この装置の原理から振動するものならば測定
対象になる。振動駆動回路については、この装置内部に
ある必要はなく、装置外部で、被測定物を振動させ駆動
する装置があればその装置に変えても良い。この場合は
、その装置が振動駆動回路の代わりになる。また、被測
定物の振動波形は正弦波に限らず方形波，ランプ波など
のパルス波で測定することで様々な応答の測定ができる
。

【００２１】移相回路については、図２に示すようなタ
イミングでパルス光源を制御できるものであれば良く、
遅延線，シフトレジスタ，コンパレータなどの素子を用
いて構成可能である。又、２つの発振器を用いて、一方
を光源駆動に用い他方を振動駆動に用いて、２つの発振
器の発振周波数を少しずらして、そのビート周波数によ
り位相が連続的に変化する様にしても良い。位置検出器
としては、ポジションセンサなどＰＳＤを用いたものが
高精度だが、それほど精度の必要のない時はこれに限ら
ず、自己走査型イメージセンサなど固体素子を用いても
構成しうる。固体素子を用いた場合は小形軽量化するに
は有利だが、このような必要もないときは、その他の撮
像素子，撮像管を用いうる。更に、図１２のように移相
回路の移相変化により、求められた振動波形をアナログ
、又はディジタル信号に変えてモニタ上に表示する機能
を付加するものも含む。

【００２２】

【発明の効果】以上、本発明によると、等価的に被測定
物のスポット位置が静止したものを測定するのと同じこ
とになり、応答速度の良くない位置検出器を用いて、高
速に振動している物体においても、その変位を非常に高
い精度で測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の構成図

【図２】被測定物の振動とパルス光源の発光のタイミン
グとの関係をあらわす図

【図３】第２実施例の構成図

【図４】第３実施例の構成図

【図５】第４実施例の説明図

【図６】ＰＳＤの構造図

【図７】２次元ＰＳＤの構造図

【図８】ポジションセンサの構成例を示す図

【図９】ポ
ジションセンサの出力例を示す図

【図１０】従来例の構
成図

【図１１】被測定物の振動とパルス光源の発光のタイミ
ングとの関係をあらわす図

【図１２】モニタに表示する機能を付加する例

【符号の説明】

１００…被測定物 １１０…ポジションセンサ １２０…パルス光源 １１２…ＰＳＤ １３０…駆動出力発生器 １３１…振動駆動回路 １３２…移相回路 １３３…光源駆動回路 ３３１…振動検出回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被測定物の振動に同期しその振動に対
   し位相のずれた光源駆動出力を発生する駆動出力発生器
   と、前記光源駆動出力に応じて前記被測定物の振動の周
   期よりも十分にパルス幅の短いパルス光を前記被測定物
   にスポット照射するパルス光源と、前記被測定物からの
   反射光を検出する位置検出器とを備えたことを特徴とし
   た高速度変位測定装置。
2. 【請求項２】　　被測定物の振動に同期しその振動に対
   し位相のずれた光源駆動出力を発生する駆動出力発生器
   と、前記被測定物に設けられかつ前記光源駆動出力に応
   じて前記被測定物の振動の周期よりも十分にパルス幅の
   短いパルス光を発生するパルス光源と、前記パルス光を
   検出する位置検出器とを備えたことを特徴とした高速度
   変位測定装置。
3. 【請求項３】　　前記駆動出力発生器が、前記被測定物
   を振動させるための振動駆動出力を発生させる振動駆動
   回路と、前記振動駆動出力の位相を変化させる移相手段
   と、この移相手段からの移相出力に基づき前記光源駆動
   出力を発生する光源駆動回路とを含んで構成されている
   ことを特徴とした請求項１又は２記載の高速度変位測定
   装置。
4. 【請求項４】　　前記駆動出力発生器が、前記被測定物
   の振動を検出する振動検出手段と、この振動検出手段か
   らの検出出力の位相を変化させる移相手段と、この移相
   手段からの移相出力に基づき前記光源駆動出力を発生す
   る光源駆動回路とを含んで構成されていることを特徴と
   した請求項１又は２記載の高速度変位測定装置。
5. 【請求項５】　　前記被測定物を前記パルス光の光軸と
   交差する面に平行に移動させる手段を更に備えたことを
   特徴とした請求項１又は２記載の高速度変位測定装置。