JPH10318827A - レーザ振動変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動被測定体の直流を含む広い測定振動数帯
における高精度な振動変位計測が可能なレーザ振動変位
測定装置を提供する。 【解決手段】 レーザ発振装置２とビームスプリッター
３と音響光学変換器６と音響光学変換器６をドライブす
るビート周波数発振器７と光電変換器６と復調部から構
成されるレーザ振動変位測定装置において、その復調部
６を、直交復調器１２と位相処理回路１３とから構成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は被測定物に照射する
レーザ参照光とこの参照光とは位相差を持つ被測定物か
らの反射光により生じるビート成分を復調することによ
り、振動する被測定物の速度および振動変位を、非接触
の状態で計測する装置に関する。本発明はレーザ測長器
の技術分野の範疇に属するものであり、産業用精密モー
タの偏芯精度を保証するための品質検査をはじめ、微小
な振動の計測を必要とする幅広い分野で利用されてい
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザ振動変位測定装置の構成の
概要と基本的な動作原理を図６を用いて以下に説明す
る。レーザ振動変位測定装置３１において、レーザ発振
装置２により発振されるレーザ光はビームスプリッター
３ａにより２つの光波に分けられる。一つの光波は音響
光学変換器４を経て光ヘテロダインによる周波数シフト
を与える。この時、音響光学変換器４はビート周波数発
振器７の一定周波数の信号により駆動される。周波数シ
フトを付与された光波はビームスプリッター（ハーフミ
ラー）３ｃを経て、光電変換器６に導波される。一方、
ビームスプリッター３ａを通過した光波はビームスプリ
ッター（ハーフミラー）３ｂを経て被測定物８に照射さ
れる。この時、被測定物８が振動している場合、被測定
物８からの反射光はドップラ効果により、被測定物８の
速度に比例した周波数シフトを受ける。ドップラ効果に
より周波数シフトを受けた反射光はビームスプリッター
３ｂ及びミラー５により光電変換器６に導波されるよう
な光学的配置と調整がなされる。光電変換器６では周波
数の異なる２つの光波が重なる結果、光の振幅にビート
成分が生じる。ビート成分はこの光電変換器６により光
から電気信号に変換される。ここで得られたビート成分
を含むの電気信号は一般的に微弱なので、増幅器１１を
用いて増幅している。被測定物８の速度を反映した周波
数は、Ｆ／Ｖ変換器３３を用いることにより、増幅器１
１の出力信号から分離・抽出される。被測定物８の速度
を求める場合は、このＦ／Ｖ変換器３３の出力を速度信
号ｂとして取り出す。一方、被測定物８の変位を求める
場合は、Ｆ／Ｖ変換器３３の出力を積分器３４により積
分し、変位に相当する電圧出力として変位信号ａを取り
出す。なお、被測定物８の速度がゼロの場合のＦ／Ｖ変
換器３３の出力オフセットを検出するため信号切換器３
２を設け、測定時は光電変換器６出力を増幅器１１に送
りオフセット確認時にはビート周波数発振器７出力を増
幅器１１に送っている。

【０００３】一方、三角測量原理による変位計も利用さ
れておりは、この原理は被測定物に斜めにレーザ光を当
て、被測定物により反射された光を受光する位置（発光
ー受光間距離）から被測定物までの距離を求める物であ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ振動変位
測定装置の場合、被測定物の速度に対応した信号をＦ／
Ｖ変換器により得ているので、被測定物の速度が速度検
出レンジに対して極端に小さい場合、あるいは被測定物
の振動周波数がビート周波数発振器の周波数に対してと
極めて低い場合、十分な出力が得られない。例えば、被
測定物の速度が比較的に大きい、１ｋＨｚ以上の周波数
帯域における計測の場合、被測定物の速度を反映した信
号成分が大きく高いＳ／Ｎ比となるため、測定精度の高
い計測が可能である。しかしながら、被測定物の速度が
減少し、１００Ｈｚ以下の周波数帯域の場合、その周波
数の低下と共に被測定物の速度を反映した信号成分が小
さくなり、Ｆ／Ｖ変換器におけるＳ／Ｎ比が著しく低下
するため、その信号を積分して変位を求めても信頼性の
著しく欠如した結果となる。例えば波長６３２．８ｎｍ
の赤色レーザ光を用い、２０Ｈｚの振動体の測定を行う
場合、約１μｍ程度の明らかなノイズが発生した。この
ことは１μｍ程度の振幅を持つ振動体の振幅計測は従来
のレーザ振動変位測定装置では不可能であることを意味
するものである。

【０００５】Ｓ／Ｎ比を改善するために測定速度レン
ジ、測定振動周波数レンジを狭めるとＦ／Ｖ変換に時間
がかかり不規則な速度変化あるいは変位の検出が難し
い。以上から当然の事として、ほとんど静止状態にある
被測定物の極めてゆっくりとした変位を測定する事は不
可能である。一方、三角測量原理による変位計は、検出
器のサイズと分解能の制限から、測定分解能と測定範囲
の両立が困難であり、さらに、測定装置／検出器と被測
定物との距離の制約もあり使い勝手が悪かった。

【０００６】一般に産業用精密モータの偏芯精度を保証
するための品質検査をはじめ微小な振動の計測を必要と
する場合は、被測定物の振動数が不明であり、広範囲な
振動周波数帯域における計測が要求されることが多い。
測定に際しては低速振動を計測可能な他の装置とレーザ
振動変位測定装置を併用して計測する場合も少なくな
く、多大な測定・検査コスト費用を強いられることが余
義なくされていた。

【０００７】また、精密なアクチュエータの測定では、
高い位置／変位分解能と広い測定範囲が要求され、必要
に応じて測定範囲を分割して、何回もの測定を行わなけ
ればならなかった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ振動変位
測定装置では、従来のレーザ振動変位測定装置における
Ｆ／Ｖ変換器と積分器に代えて、直交復調器と位相処理
回路と加算回路とを設けた回路構成にすることにより、
被測定物が低速で振動している場合における高精度測定
の困難性を解消した。

【０００９】直交復調器は、同期検波を行う事により光
電変換器により得られる信号をビート周波数発振器の信
号と同じ位相の成分と、その位相に対し９０度進んだ位
相の成分の２つの成分に分解して出力する（それぞれ前
者をＩ成分、後者をＱ成分と称す）。即ち、直交復調器
は、時間軸基底の入力信号を位相基底のＩ−Ｑ座標平面
における１点に変換する。直交復調器により得られたＩ
成分／Ｑ成分は位相処理回路により、長さ（変位）に変
換される。ここで、位相処理回路で出力される長さ（変
位）は、直交復調器におけるＱ成分とＩ成分の比の逆正
接に比例し、Ｉ−Ｑ座標平面上における第１象限から第
４象限までの３６０度１回転で使用測定光の波長の半分
であることから容易に長さに換算する事ができる。

【００１０】更に、この位相の回転数を検出し、これに
対応した長さと現在得られている位相角に基づく変位量
とを加算回路により加算する事により波長の半分以上に
広い範囲の変位が測定可能となる。以上の構成での精度
は、復調器の内部ノイズに起因するＩ−Ｑ座標平面上に
おけるばらつきは角度換算で高々５度程度であることを
考え合わせると、例えば波長６３２．８nmの赤色レーザ
光を用いた場合、１０nm（＝３１６．２nm ／３６０°
×5°)以下となる。

【００１１】以上の手段を講ずることにより、静止状態
に近い変位を含む広い測定振動数帯において精度が高
く、しかも広い測定範囲での変位計測が可能となった。

【００１２】

【発明の実施の形態】下、本発明のレーザ振動変位測定
装置の実施の形態を図面を用いて説明する。図１におい
て、本発明のレーザ振動変位測定装置１は、出力２ｍ
Ｗ、波長６３２．８ｎｍの赤色Ｈｅ−Ｎｅレーザ発振装
置２を光源として使用した。Ｈｅ−Ｎｅレーザ発振装置
２から出力された光波は、ビームスプリッター３ａによ
り２方向に分波する。一方は、光弾性効果による屈折率
の変化を利用した音響光学変換器４（Ａ．Ｏ．Ｍ．）に
より、光の周波数がビート周波数発振器７の信号周波
数、例えば１０．５ＭＨｚだけシフトされ、ビームスプ
リッター（ハーフミラー）３ｃ を経て光電変換器６、
具体的にはアバランシェ・フォト・ダイオードに照射さ
れるよう光学的に調整されている。もう一方の光波はビ
ームスプリッター（ハーフミラー）３ｂを経て被測定物
８に照射され、被測定物８で反射し、この反射光はビー
ムスプリッター（ハーフミラー）３ｂからミラー５を経
て、光電変換器６に導かれるよう光学的に設計してい
る。

【００１３】この時、被測定物８は２０Ｈｚの振動数、
振幅レベルは約０．５μｍであった。反射光は光源であ
る赤色Ｈｅ−Ｎｅレーザ発振装置２からの参照光と光路
差（一定の光路差＋被測定物の変位の２倍）を持つた
め、それに対応した位相差を持つことになる。この位相
差には被測定物８の位置／変位に関する情報が含まれて
いる。光電変換器６では、被測定物８での反射光と周波
数シフトされた参照光とが重なる結果、干渉を起してビ
ートを発生する。しかも、上記反射光の位相差と、この
ビート成分とビート周波数発振器7の信号との位相差と
は対応しており、このビート成分を光電変換器６により
電気信号に変換し、ビート周波数発振器７の信号との位
相差を求めることにより被測定物８の変位を算出するこ
とができる。以下、復調部分について詳細に述べる。

【００１４】光電変換器６の出力は信号切換器９に加え
られる。信号切換器９の他方の入力にはビート周波数発
振器７の周波数と多少ずれた周波数を発振する校正発振
器１０が接続され、測定の前の調整時にこの校正発振器
１０の信号が後段に送られる。信号切換器９の出力は、
光電変換器６の出力レベルが一般的に微弱であるため、
増幅器１１により復調が可能なレベルまで増幅する。増
幅器１１の出力は直交復調器１２に接続される。直交復
調器１２の構成を図２に示す。直交復調器１２は、特性
バラツキが小さい２つの周波数ミキサ１５ａ ， １５
ｂ 、同相分配器１６および９０度分配器１７ から構
成される。ビート周波数発振器７からの参照信号ｃを９
０度分配器１７に入力し、９０度分配器１７からの一方
の出力は周波数ミキサ１５ａに加え、前記出力と比べて
位相が９０度進むよう調整した他方の出力は周波数ミキ
サ １５ｂに加える。光電変換器６の出力を増幅器１１
で増幅したビート信号ｄは同相分配器１６に加え、ふた
つに分配して周波数ミキサ１５ａ ， １５ｂに加え
る。これらの構成により直交復調を行った。ここで、周
波数ミキサ１５ａから得られるＩ成分信号ｅはビート信
号ｄの位相成分のうちＩ−Ｑ座標平面上における実軸へ
の内積に比例した値であり、周波数ミキサ１５ｂから得
られるＱ成分信号ｆは９０度分配器１７から周波数ミキ
サ１５ａに加えられる信号に対して９０゜位相が進んだ
信号を用いることからビート信号ｄの位相成分のうちＩ
−Ｑ座標平面上における虚軸への内積に比例した値とな
る。直交復調器１２の出力は位相処理回路１３に加える
が、位相処理回路１３の構成とその動作を図３を用いて
説明する。

【００１５】位相処理回路１３は、まずＩ成分信号ｅお
よびＱ成分信号ｆがアナログ信号電圧であり、以降の処
理を安定に行う目的から各々の信号をＡ／Ｄ変換器１８
ａ，１８ｂを用いてデジタル信号に変換し、以後デジタ
ル処理を行う。Ｉ成分信号ｅおよびＱ成分信号ｆには残
留直流オフセット電圧が含まれているのでこのオフセッ
トをキャンセルするためＡ／Ｄ変換器１８ａ，１８ｂの
出力はそれぞれ加算器１９ａ，１９ｂに接続し、マイク
ロコンピュータ１４から供給されるオフセットキャンセ
ルデータと加算する。これにより加算器１９ａ，１９ｂ
の出力からはオフセットが取り除かれる。次に加算器１
９ａ，１９ｂの出力は乗算器２０ａ，２０ｂによりＩ信
号データおよびＱ信号データのレベル調整、バランス調
整を行う。

【００１６】これらの調整について図４のＩ−Ｑ平面図
を用いて説明する。図４（ａ）は調整が終了した状態を
示すもので、Ｉ成分、Ｑ成分の軌跡は真円で円の中心が
原点に一致している。図４（ｂ）は調整前の状態を示す
もので、Ｉ成分、Ｑ成分の軌跡の中心がＩ軸のプラス方
向にずれており、Ｑ軸方向はマイナスにずれている。こ
れらのずれを加算器１９ａ，１９ｂにより補正する。ま
た、軌跡が楕円でＩ軸方向の直径とＱ軸方向の直径に差
がある場合、乗算器２０ａ，２０ｂにより補正を行う。
具体的にオフセットキャンセルデータを算出するために
は、マイクロコンピュータ１４の信号により増幅器１１
の動作を停止して同相分配器１６への入力信号であるビ
ート信号ｄをゼロとし、乗算器２０ａ，２０ｂの乗算係
数としてマイクロコンピュータ１４により１倍を指定
し、乗算器２０ａ，２０ｂの出力をマイクロコンピュー
タ１４が取り込み、この値の補数を計算してオフセット
キャンセルデータを得る。次に、乗算器２０ａ，２０ｂ
の乗算係数の算出については、測定前の調整モード状態
で被測定物８を少し移動してこの時の乗算器２０ａ，２
０ｂの出力軌跡を分析しＩ成分、Ｑ成分変化のそれぞれ
のＰＰ（ピーク・トゥ・ピーク）値が規定値内かどうか
判定し、規定値内でない場合はマイクロコンピュータ１
４により増幅器１１のゲインを変化させて規定値内にな
るように調整する。

【００１７】一方、Ｉ成分、Ｑ成分ＰＰ（ピーク・トゥ
・ピーク）値が規定値内である場合は、Ｉ成分、Ｑ成分
のバランスをとるためにどちらか値の低い方の信号ライ
ンのゲインを大きくする。今、Ｉ成分が低い場合、（補
正後のＩ成分の乗算係数）＝（補正前のＩ成分の乗算係
数）×（Ｑ成分のＰＰ値）／（Ｉ成分のＰＰ値）の演算
を行い、この補正乗算係数値を乗算器２０ａに送り込
む。なお、調整モード状態で被測定物８を少し移動した
場合、オフセットキャンセルがなされていなくても、図
４（ｂ）で説明したように、出力の最大値と最小値のバ
ランス（プラス・マイナスのバランス）から補正値を算
出することが可能である。乗算器２０ａ，２０ｂの乗算
係数を求めるための実用的な手段として、図１の実施例
では信号切換器９および校正発振器１０を用意してい
る。調整時にはマイクロコンピュータ１４の指示により
信号切換器９の出力を校正発振器１０側に切り換え、増
幅器１１により増幅した後同相分配器１６へ入力する。
これによりＩ成分信号ｅおよびＱ成分信号ｆはビート周
波数発振器７と校正発振器１０との周波数差の周期で変
化することになり、図４（ｂ）の軌跡が得られ、補正値
を算出することができる。

【００１８】次に乗算器２０ａ，２０ｂの出力をｘｙ−
θ変換器２１に加える。ここでは前述のようにＱ成分と
Ｉ成分の比の逆正接を求めるわけであるが、ここではあ
らかじめ計算した変換テーブルを書き込んだＲＯＭを用
いて、入力データとして乗算器２０ａ，２０ｂからのデ
ータをアドレスとして用い、ＲＯＭ出力データが長さ／
変位となるように構成している。なお、ｘｙ−θ変換器
２１は粗いＲＯＭテーブルと補間演算器との組み合わせ
としても良い。ｘｙ−θ変換器２１の出力は乗算器２２
に加えられ、マイクロコンピュータ１４の指定により測
定レンジの設定に対応した乗算係数が掛けられる。この
乗算器２２は完全な乗算器でなくてもシフト動作のみで
も対応可能である。乗算器２２の出力には加算器２３が
接続され測定範囲の拡大を行う。マイクロコンピュータ
１４内のサブＣＰＵがｘｙ−θ変換器２１の出力を監視
し、位相が０゜付近から３６０゜付近に変化する様子を
解析し、３６０゜から０゜に位相が変化する度に変位加
算値として１／２波長に相当する長さを積算していく。
逆に位相が０゜から３６０゜に変化した場合は１／２波
長分減算する。こうして得られた変位加算値はマイクロ
コンピュータ１４から加算器２３に送られｘｙ−θ変換
器２１の出力と加算されて最終的な変位信号ａとして取
り出される。以上の動作により高精度の変位測定が可能
になる。

【００１９】次に図５のブロック図を用いて本発明の他
の実施の形態例であるレーザ振動変位測定装置２４の構
成を説明する。これまで説明したブロックと同一の機能
を有するブロックには同じ番号を付けている。図１の実
施例と異なる点についてのみ説明する。ビート周波数発
振器７と同様の目的で用いる第一局部発振器２５（例え
ば１０ＭＨｚ）の出力に周波数変換器２６を設け、その
もう一方の入力に第二局部発振器２７（例えば３ＭＨ
ｚ）を接続し、周波数変換器２６の出力に接続したＢＰ
Ｆ（バンドパスフィルタ）から１３ＭＨｚの信号を取り
出す。周波数変換器２９にはこの１３ＭＨｚの信号と増
幅器１１からの信号を加え、３ＭＨｚ付近の測定信号を
得る。周波数変換器２９の出力には第二の増幅器３０を
接続し、この出力を直交復調器１２に接続する。直交復
調器１２のもう一方の参照入力としては第二局部発振器
２７の３ＭＨｚの信号を用いる。

【００２０】このような構成により図１の実施例と同様
に同期検波が可能になり、変位出力を得ることができ
る。図１の実施例では反射光が極端に弱い場合に増幅器
１１の増幅度を大きくする必要が生じ、発振が起き易く
不安定になる。図５の実施例においては、周波数変換器
２９の前後に適切な増幅度を持つ増幅器１１と第二の増
幅器３０を持ち、それぞれの増幅器間の結合はあまり問
題とならないのでトータルの増幅度を大きくでき、反射
光が極端に弱い場合の測定精度を確保できる。また、周
波数ミキサ２９の出力は低い周波数に設定でき、これに
よりデジタル処理の直交復調器を採用することができ、
より安定な出力を得ることができる。

【００２１】なお、これまで説明した構成で、各ブロッ
クの詳細回路、あるいは、アナログ処理とデジタル処理
の切りわけは上記内容に限定されるものではなく、他の
構成も考えられるがそれらも本発明に含まれものであ
る。

【００２２】

【発明の効果】本発明のレーザ振動変位測定装置は、上
記の構成とすることにより、ほとんど静止状態の被測定
物の極めてゆっくりとした変位を含む広い測定振動数帯
における精度の高い変位計測が可能となり、しかも、広
い測定範囲にわたって測定が可能になった。また、周波
数変換器を有する構成ではこのような効果に加えて、反
射光が極端に弱い場合にも安定な測定を行うことが可能
になった。このため、測定に際しては従来の低速振動を
計測可能な他の装置とレーザ振動変位測定装置を併用し
て計測する場合が少なくなり、測定・検査費用を低減す
ることが可能となった。本発明の工業的な意義、社会的
な貢献性は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ振動変位測定装置の実施の形態
を示すブロック図である。

【図２】本発明のレーザ振動変位測定装置における直交
復調器のブロック図である。

【図３】本発明のレーザ振動変位測定装置における位相
処理回路のブロック図である。

【図４】本発明における位相処理回路の調整法を説明す
るためのＩ−Ｑ平面図である。

【図５】本発明のレーザ振動変位測定装置の他の実施の
形態を示すブロック図である。

【図６】従来のレーザ振動変位測定装置のブロック図で
ある。

【符号の説明】

１ 本発明のレーザ振動変位測定装置 ２ レーザ発振装置 ３ａ、３ｂ、３ｃ ビームスプリッター ４ 音響光学変換器 ５ ミラー ６ 光電変換器 ７ ビート周波数発振器 ８ 被測定物 ９ 信号切換器 Ｆ／Ｖ変換器 １０ 校正発振器 積分器 １１ 増幅器 １２ 直交復調器 １３ 位相処理回路 １４ マイコロコンピュータ １５ａ、１５ｂ 周波数ミキサ １６ 同相分配器 １７ ９０度分配器 １８ａ、１８ｂ Ａ／Ｄ変換器 １９ａ、１９ｂ 加算器 ２０ａ、２０ｂ 乗算器 ２１ ＸＹーθ変換器 ２２ 乗算器 ２３ 加算器 ２４ 本発明のレーザ振動変位測定装置 ２５ 第一局部発振器 ２６、２９ 周波数変換器 ２７ 第二局部発振器 ２８ ＢＰＦ（バンドパスフィルタ） ３０ 第二の増幅器 ３１ 従来のレーザ振動変位測定装置 ３２ 信号切換器 ３３ Ｆ／Ｖ変換器 ３４ 積分器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 猪越 良夫 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 株 式会社エスアイアイ・アールディセンター 内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の振動変位を測定するための測
   定媒体であるレーザ光を発振するためのレーザ発振装置
   と、参照光および被測定物からの反射光を分光するため
   のビームスプリッターと、参照光の周波数をシフトする
   ための音響光学変換器と、音響光学変換器に一定の周波
   数を加えるためのビート周波数発振器と、これらの光を
   合成した光の振幅と対応する電圧を取り出す光電変換器
   と、光電変換により得られた信号から速度あるいは変位
   情報を取り出すための復調部を備えたレーザ振動変位測
   定装置において、前記復調部が少なくとも前記光電変換
   器により得られた信号を増幅するための増幅器と、増幅
   した後の信号を同期検波により直交成分に分解する直交
   復調器と、直交復調器から出力される直交成分を変位に
   換算するための位相処理回路とから構成されることを特
   徴とするレーザ振動変位測定装置。
2. 【請求項２】 前記位相処理回路の後に測定範囲を拡大
   するための加算器を設けたことを特徴とする特許請求項
   １記載のレーザ振動変位測定装置。
3. 【請求項３】 前記直交復調器の前に第二の増幅器を設
   け、更にその前に周波数変換器を設けたことを特徴とす
   る請求項１または２記載のレーザ振動変位測定装置。