JPH11337398A - 振動測定の方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ光の発振波長の１／２以下で変位する
微小な振動の状態を測定すること。 【解決手段】 所定の波長のレーザ光を発振させると共
に当該レーザ光を被測定物に照射するレーザ光照射工程
Ｂ１と、被測定物で反射したレーザ光と発振されたレー
ザ光とを混合させてビート波を出力するビート波出力工
程Ｂ２と、ビート波のうち予め定められた値未満の振幅
の微小波は測定対象物の振動を表していると判定する微
小振動判定工程とを備えている。微小振動判定工程は、
ビート波のうち振幅の小さい微小な波を抽出する微小波
抽出光手Ｂ３と、この微小波抽出工程で抽出した微小波
に基づいて測定対象物の振動の周期や周波数等を算出す
る振動算出工程を備えるとよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動測定の方法お
よび装置に係り、特に、測定対象物の微小な振動を測定
する振動測定方法および振動測定装置に関する。

【０００２】この振動測定装置は、自動車の製造技術な
どの実験解析分野に応用できる。具体的には、エンジン
の振動解析、車体伝搬振動解析、車室内騒音解析、さら
にマフラの振動解析などである。その他の製造分野での
応用は多岐に渡るが、非接触で極小領域の振動を精密に
測定できるため、例えばドリルなどの工具破損検出など
に好適に用いられる。さらに、モータを使ったプラント
の振動の検出や、水道管、ガス管の漏れ診断などの保守
に用いることもできる。さらに、西瓜等の大型果実の打
音による糖度の判定など、農業分野にも応用可能であ
る。本発明では特に、測定対象物の微小な振動を計測す
ることができるため、測定対象物の２００ [nm] 程度の
振幅であっても、その振動の周期を求めることができる
ため、半導体の製造の検査や、精密加工での異常の検出
などにも好適に利用される。ここで、「測定対象物」と
いうときには、これらエンジンから西瓜まで振動測定の
対象となる物体をいう。

【０００３】

【従来の技術】従来、自己混合型のレーザドップラ装置
を使用して測定対象物の振動（変位量や振動周期）を測
定する技術が開発されている（例えば、特開平１０−９
９４３号公報）。本願と同一出願人であるこの特開平１
０−９９４３号公報には、鋸歯状波の波長に応じて測定
対象物の変位量を算出する手法が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、測定対象物の振動が微小であって、測定対象
物の振動振幅がレーザドップラ装置のレーザ光の発振波
長λの半分以下である場合には当該測定対象物の振動を
測定することができない、という不都合があった。例え
ば、レーザの発振波長が７８０［ｎｍ］である場合に
は、３９０［ｎｍ］以下の変位量で振動する微小振動に
ついては、測定することができなかった。

【０００５】すると、非接触の利点を生かして、測定対
象物の微小な振動を計測したり、また、測定対象物自体
が微小である場合にも振動を計測する等のことができな
かった。これらのことが実現できると、今まで測定が困
難であった微小な測定対象物の微小な振動の状態を計測
することで、当該測定対象物の異常の検出が可能となる
が、このような微小な物体の異常を振動の状態により検
出する手法は、なんら知られていない。

【０００６】このため、測定対象物の変位がλ／２を下
回ったときのビート波の状態や、さらには、λ／４を下
回ったときのビート波の状態の研究・分析が必要とな
る。しかし、この状態のビート波がどのようになるのか
は、なんら知られていない。

【０００７】

【発明の目的】本発明は、係る従来例の有する不都合を
改善し、特に、レーザ光の発振波長の１／２以下の微小
な振動の状態を測定することのできる振動測定の方法お
よび装置を提供することを、その目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者は、実験
により、測定対象物の変位がλ／２を下回ったときの波
形を観測した。すると、一周期に満たない鋸歯状波が現
れる。さらにλ／４近く又は下回ると、測定対象物の振
動そのものの波形となる。この点を利用して、本発明で
は、ビート波の振幅が鋸歯状波での振幅よりも下回った
場合に、当該ビート波の波形に基づいて直接測定対象物
の振動の状態を計測する。

【０００９】具体的には、レーザ光のドップラ効果を利
用して被測定物の振動の状態を測定する振動測定方法で
あって、所定の波長のレーザ光を発振させると共に当該
レーザ光を被測定物に照射するレーザ光照射工程と、被
測定物で反射したレーザ光と発振されたレーザ光とを混
合させてビート波を出力するビート波出力工程と、ビー
ト波のうち予め定められた値未満の振幅の微小波は測定
対象物の振動を表していると判定する微小振動判定工程
とを備えた、という構成を採っている。これにより前述
した目的を達成しようとするものである。

【００１０】微小振動判定工程が、微小波は測定対象物
の振動を表していると判定するため、ビート波の振幅が
鋸歯状波での振幅よりも下回った場合に、当該ビート波
の波形に基づいて直接測定対象物の振動の状態を計測す
る。

【００１１】また、本発明による振動計測装置は、測定
対象物から反射したレーザ光を観測する光検出手段と、
この光検出手段から出力された波形信号を解析すると共
にビート波を検出するビート波検出手段と、このビート
波検出手段によって検出されたビート波のうち予め定め
られた振幅よりも小さい振幅の微小波を抽出する微小波
抽出手段と、この微小波抽出手段によって抽出された微
小波の状態を測定対象物の微小な振動の状態と判定する
微小振動判定手段とを備えた。微小波抽出手段が、予め
定められた振幅よりも小さい振幅の波を微小波として抽
出し、微小振動測定手段が、この微小波に基づいて測定
対象物の振動の状態、例えば振動周波数や振動周期を判
定する。測定対象物の振動がλ／４近く又は下回ると、
測定対象物の振動の状態がそのままビート波の振幅およ
び周期となるため、微小振動測定手段は、微小波の振幅
又は周期を観測することで、測定対象物の振動の状態を
判定する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１３】図１は、本発明による振動測定方法の構成
を示すフローチャートである。振動測定方法は、レーザ
光のドップラ効果を利用して被測定物の振動の状態を測
定するものであって、所定の波長のレーザ光を発振させ
ると共に当該レーザ光を被測定物に照射するレーザ光照
射工程Ｂ１と、被測定物で反射したレーザ光と発振され
たレーザ光とを混合させてビート波を出力するビート波
出力工程Ｂ２と、ビート波のうち予め定められた値未満
の振幅の微小波は測定対象物の振動を表していると判定
する微小振動判定工程とを備えている。

【００１４】微小振動判定工程は、ビート波のうち振幅
の小さい微小な波を抽出する微小波抽出工程Ｂ３と、こ
の微小波抽出工程で抽出した微小波に基づいて測定対象
物の振動の周期や周波数等を算出する振動算出工程を備
えるとよい。振動算出工程Ｂ４は、例えば、微小波の周
波数を分析して当該周波数スペクトルを測定対象物の振
動スペクトルと判定する。これにより、測定対象物のλ
／２未満の微小な振動を計測することができる。また、
微小振動判定工程は、ビート波のうち当該ビート波が鋸
歯状波である場合の振幅よりも小さい振幅の波を微小波
として抽出するとよい。

【００１５】図２を参照すると、測定対象物の変位が微
小となると、ビート波の波形は２種類の状態のうち、一
方の状態となる。図２（Ａ）に示すＭ字状態は、測定対
象物の変位がλ／２を越えているときの波形であり、図
２（Ｂ）に示すＳ字状態は、測定対象物の変位がλ／２
又はλ／４を下回ったときのビート波（微小波）の波形
である。図２（Ｂ）に示すＳ字状態の波形は、実験によ
り、そのまま測定対象物の振動の状態を示すものである
ことが明らかとなった。このため、ビート波がＳ字状態
となったときには、このＳ字状態の微小波をそのまま解
析することで測定対象物の振動を知ることができる。

【００１６】図２に示す場合の他、微小波は、Ｍ字状態
の波に重なって現れる場合がある。これは、測定対象物
が、大きい振動をしつつ、例えば中心位置が微小に振動
するなどの場合に生じる。このような場合であっても、
微小な振動については、微小波を抽出してそのまま周波
数解析するなどして振動の状態を知ることができる。こ
のような微小波の抽出又は微小波であるとの判定では、
ビート波の振幅に着目するとよい。すなわち、ビート波
がＭ字状態又は鋸歯状波となっている状態での振幅を記
憶しておき、この予め定められた振幅よりもビート波の
振幅が小さくなったときに、ビート波全体が微小波とな
ったと判定することができる。また、鋸歯状波に加えら
れた微小波についても、波の上端と下端の振幅が連続し
て鋸歯状波全体の振幅を下回っている場合に当該波を微
小波と判定することができる。

【００１７】次に、本発明による振動測定装置の実施形
態を説明する。振動計測装置は、測定対象物から反射し
たレーザ光を観測する光検出手段２と、この光検出手段
２から出力された波形信号を解析すると共にビート波を
検出するビート波検出手段８と、このビート波検出手段
８によって検出されたビート波のうち予め定められた振
幅よりも小さい振幅の微小波を抽出する微小波抽出手段
４６と、この微小波抽出手段によって抽出された微小波
の状態を測定対象物の微小な振動の状態と判定する微小
振動判定手段４８とを備えている。

【００１８】図３に示す例では、この微小波抽出手段４
６および微小振動判定手段４８とは、演算装置１４で実
現している。演算装置は、ワークステーション、マイク
ロコンピュータ又はパーソナルコンピュータなどであ
り、主記憶装置やＣＰＵなどを備える。微小波を抽出す
るためのプログラムがこのＣＰＵで実行されると、演算
装置１４は微小波抽出手段として動作する。また、演算
装置１４によらず、論理回路で実現したり、また、ビー
ト波をオシロスコープで観察するようにしてもよい。

【００１９】そして、微小振動判定手段は、実施の形態
によっては、微小波抽出手段によって抽出された微小波
の周期を測定対象物の微小振動の周期として検出する手
段を備えるとよい。これにより、測定対象物の微小振動
の周期を計測することができる。また、微小振動判定手
段は、微小波抽出手段によって抽出された微小波を周波
数分析すると共に当該周波数スペクトルを測定対象物の
微小振動の振動スペクトルとして検出する手段を備える
ようにしてもよい。

【００２０】図４は図３に示した光検出手段２の構成例
を示す。光検出手段２は、レーザ光を出力するレーザダ
イオード４と、このレーザダイオード４の共振器内で発
振光と戻り光とが自己混合した光を受光するフォトダイ
オード６とを備えている。また、レーザダイオードの共
振器４によって発振されたレーザ光は、レンズ５で集光
されて測定対象物に照射される。

【００２１】図５は微小波を観測するための実験系の構
成を示すブロック図である。ここでは、振動源を振動さ
せるファンクション・ジェネレータ（ＦＧ）の印加電圧
および周波数を変化させたときのビート波の状態をオシ
ロスコープ５２で観測した。図６乃至図８に代表的な実
験結果を示す。

【００２２】図６に示す例では、ＦＧの印加電圧を９０
０ [mV] 、振動周波数を１０ [kHz]とした。すると、測
定対象物１はλ／２を越える変位量で振動した。この場
合、ビート波はＭ字状態となった。図７に示す例では、
ＦＧの印加電圧を１０ [V]、振動周波数を２０ [kHz]
とした。すると、振動源は、λ／２未満λ／４以上の変
位で振動した。この場合、ビート波は、完全な鋸歯状態
を示さない。このとき、ビート波の中心へ向かうピーク
位置は、測定対象物の折返し位置を示す。

【００２３】図８に示す例では、ＦＧの印加電圧を１０
０ [mV] 、振動周波数を１０ [kHz]とした。すると、振
動源は、λ／４未満の変位で振動した。この場合、ビー
ト波はＳ字状態となる。図８に示すように、測定対象物
の変位の状態がそのままビート波に現れていることが確
認された。従って、図８に示す例では、このＳ字状態の
ビート波（微小波）をそのまま周波数分析することで、
測定対象物の周波数スペクトルを得ることができる。

【００２４】この微小波の変化の実験結果を詳細に説明
する。

【００２５】図９はファンクション・ジェネレータ（Ｆ
Ｇ）による印加電圧を一定にしたまま、振動の周波数を
変化させた例であり、図１０および図１１は振動周波数
を一定にしたまま、印加電圧を変化させた例を示す。オ
シロスコープ波形に示したように、ＦＧから振動源に与
えた電圧変化と同様にＰＤ出力波形の周波数や振動振幅
が変化していた。図１０に示すビート波を示す線が太く
なっているのは、ホワイト・ノイズの影響である。この
図９乃至図１１に示すように、微小波について、以下の
特徴が見られた。

【００２６】・ＰＤ出力に現れた振動面の周波数とファ
ンクション・ジェネレータ（ＦＧ）から振動源に入力し
た電圧の周波数は等しい値となる。 ・ＦＧからの印加電圧を変えることで、振動の振幅をλ
／２以下で変化させ、正弦波状態の鋸歯状波の振幅変化
を観測したところ、図１２に示すように、比例に近い関
係である。 ・Ｍ字状態の鋸歯状波においても振動変位の連続した二
つの折返し点の電圧幅の和は、図１１に示すように、Ｆ
Ｇ電圧と同様に増減し、連続した二つの折返し点の周期
はＦＧ電圧周期と等しい。ＦＧ印可電圧が１０ [V] の
時には、Va to Vc + Vb to Vd = ２．２４ [V] とな
る。同様に、ＦＧ印可電圧が８ [V] の時には、連続し
た二つの折り返し部分の振幅の合計は１．２８ [V] と
なる。

【００２７】このように、正弦波状態の鋸歯状波は振動
変位に応じた変化をし、その変化の振幅は振動変位に比
例して増減するといえる。また、Ｍ字状態の鋸歯状波で
あっても、周期は振動周期と等しく振動振幅に応じて変
化しているといえる。

【００２８】図１３は通常の鋸歯状波（Ｍ字状態）に微
小波が加わったビート波の一例を示す波形図である。図
１３に示すビート波では、測定対象物がλ／４未満の変
位で振動しつつ、さらに振動の中心がλ／２以上で移動
している状態を示している。また、測定対象物がλ／２
以上の変位で振動しつつ、さらに振動の中心がλ／４未
満で移動している場合も同様となる。このようなビート
波から微小波成分を抽出すると、この中心変動の振動の
状態をそのまま現すものとなる。抽出の手法としては、
ビート波をデジタル信号に変換したのち、振幅が一定未
満の波を抽出する手法などがある。

【００２９】次に、λ／２以上の振幅で振動する測定物
の振動周波数を上記手法を利用して簡易に求める実施形
態を説明する。図１４に示すように、λ／２以上の振幅
で振動する測定対象物のビート波はＭ字状態となる。こ
れを周波数分析すると、図１４（Ｄ）に示す如くとな
る。一方、Ｓ字状態となるとビート波から直接的に周波
数スペクトルを求めることができるため、ここでは、意
図的にレーザ方向の振動変位量をλ／２未満とする。

【００３０】Ｍ字状態では、基本周波数である振動の周
波数以外に高調波が出現し、Ｍ字状態でもＳ字状態でも
振動の基本周波数は変化しない。振動面の移動方向とレ
ーザ光の照射角がθであった場合、振動面の移動量の１
／ｃｏｓθが計測されるという特性を利用したものであ
る。図１５に示すように、測定対象物の振動の振幅方向
（変位方向）に対して所定の照射角θを定義し、この照
射角でレーザ光を照射する。すると、振動面の移動量の
１／ｃｏｓθが計測されるため、ビート波はＳ字状態と
なる。このＳ字状態のビート波を周波数分析すると、図
１５（Ｄ）に示すように、振動周波数のみが現れる。

【００３１】上述したように本実施形態によると、λ／
２未満の振動変位変化であっても、鋸歯状波（ビート
波）により測定対象物の振動の状態を測定することがで
きる。さらに、基本的に従来方式の自己混合型レーザ・
ドップラ振動測定装置とおなじ構成の装置を使用するこ
とができる。また、測定対象物が同一である場合には、
測定可能な周波数範囲が高周波側に広がる。λ／２未満
にすることで、鋸歯状波から直接振動の周波数成分を測
定することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、微小振動判定工程が、微小波は測
定対象物の振動を表していると判定するため、例えばビ
ート波の振幅が鋸歯状波での振幅よりも下回った場合
に、当該ビート波の波形に基づいて直接測定対象物の振
動の状態を計測することができ、すると、特別な処理を
行わずにビート波の振幅や周波数の分析をすることで測
定対象物の振動の状態を計測することができ、しかも、
ビート波が微小波となったときには測定対象物の変位は
λ／２未満であるため、従来測定の難しかったλ／２未
満の変位での振動の状態を非接触で正確に測定すること
ができるという従来にない優れた振動測定方法を提供す
ることができる。また、本発明では、微小波抽出手段
が、予め定められた振幅よりも小さい振幅の波を微小波
として抽出し、微小振動測定手段が、この微小波に基づ
いて測定対象物の振動の状態、例えば振動周波数や振動
周期を判定する。測定対象物の振動がλ／２を下回る
と、測定対象物の振動の状態がそのままビート波の振幅
および周期となるため、微小振動測定手段は、微小波の
振幅又は周期を観測することで、測定対象物の振動の状
態を判定することができ、これにより、従来測定の難し
かったλ／２未満の変位での振動の状態を非接触で正確
に測定することができるという従来にない優れた振動測
定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動計測方法の一実施形態の構成
を示すフローチャートである。

【図２】ビート波の状態の変化を示す波形図であり、図
２（Ａ）はＭ字状態の一例を示し、図２（Ｂ）はＳ字状
態の一例を示す図である。

【図３】本発明による振動計測装置の構成を示すブロッ
ク図である。

【図４】図３に示した光検出手段の詳細構成の一例を示
す説明図である。

【図５】測定対象物が微小な振動を行う場合のビート波
の状態を観測するための実験系の構成を示すブロック図
である。

【図６】変位量がλ／２を越える場合の測定対象物の変
位量とこれに対応したビート波の電圧変化を示す波形図
である。

【図７】変位量がλ／２を未満の場合の測定対象物の変
位量とこれに対応したビート波の電圧変化を示す波形図
である。

【図８】変位量がλ／４を未満の場合の測定対象物の変
位量とこれに対応したビート波の電圧変化を示す波形図
である。

【図９】ＦＧ印加電圧を２ [V] で特定し振動周波数を
変化させた場合のビート波の状態を示す波形図であり、
図９（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ２０ [kHz] 〜４０ [kH
z] で振動させた一例を示す図である。

【図１０】振動周波数を１０ [kHz] 特定し、ＦＧ印加
電圧を変化させた場合のビート波の状態を示す波形図で
あり、図１０（Ａ）〜（Ｇ）はそれぞれＦＧ印加電圧が
３[V] 〜 ２０ [mV] である場合のビート波の状態を示
す図である。

【図１１】振動周波数を２０ [kHz] 特定し、ＦＧ印加
電圧を変化させた場合のビート波の状態を示す波形図で
あり、図１１（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれＦＧ印加電圧が
１０ [V] 〜 ８ [V] である場合のビート波の状態を示
す図である。

【図１２】ＦＧ電圧と測定対象物の変位を換算したグラ
フである。

【図１３】鋸歯状波に微小波が加わった場合のビート波
の一例を示す波形図である。

【図１４】Ｍ字状態のビート波を周波数分析した場合の
例を示す説明図であり、図１４（Ａ）は光検出手段と測
定対象物の位置関係を示す図で、図１４（Ｂ）は振動変
位の状態を示す図で、図１４（Ｃ）は図１４（Ａ）に示
した位置関係でのビート波の状態を示す図で、図１４
（Ｄ）は図１４（Ｃ）に示すＭ字状態のビート波の周波
数スペクトルを示す図である。

【図１５】Ｓ字状態のビート波を周波数分析した場合の
例を示す説明図であり、図１５（Ａ）は光検出手段と測
定対象物の位置関係を示す図で、図１５（Ｂ）は振動変
位の状態を示す図で、図１５（Ｃ）は図１５（Ａ）に示
した位置関係でのビート波の状態を示す図で、図１５
（Ｄ）は図１５（Ｃ）に示すＳ字状態のビート波の周波
数スペクトルを示す図である。

【符号の説明】

１ 測定対象物 ２ レーザ素子 ４ レーザダイオード（共振器） ６ フォトダイオード ８ ビート波検出手段 １０ 増幅器 １２ Ａ／Ｄ変換器 １４ 演算装置 ４６ 微小波抽出手段 ４８ 微小振動判定

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光のドップラ効果を利用して被測
   定物の振動の状態を測定する振動測定方法であって、 所定の波長のレーザ光を発振させると共に当該レーザ光
   を被測定物に照射するレーザ光照射工程と、 前記被測定物で反射したレーザ光と前記発振されたレー
   ザ光とを混合させてビート波を出力するビート波出力工
   程と、 前記ビート波のうち予め定められた値未満の振幅の微小
   波は測定対象物の振動を表していると判定する微小振動
   判定工程とを備えたことを特徴とする振動測定方法。
2. 【請求項２】 前記微小振動判定工程は、前記ビート波
   のうち予め定められた振幅未満の波を抽出する工程と、
   この工程で抽出した微小波の周波数を分析して当該周波
   数スペクトルを前記測定対象物の振動スペクトルと判定
   する工程とを備えたことを特徴とする請求項１記載の振
   動測定方法。
3. 【請求項３】 前記微小振動判定工程は、前記ビート波
   のうち当該ビート波が鋸歯状波である場合の振幅よりも
   小さい振幅の波を微小波として抽出する工程を備えたこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の振動測定方法。
4. 【請求項４】 測定対象物から反射したレーザ光を観測
   する光検出手段と、この光検出手段から出力された波形
   信号を解析すると共にビート波を検出するビート波検出
   手段と、このビート波検出手段によって検出されたビー
   ト波のうち予め定められた振幅よりも小さい振幅の微小
   波を抽出する微小波抽出手段と、この微小波抽出手段に
   よって抽出された微小波の状態を前記測定対象物の微小
   な振動の状態と判定する微小振動判定手段とを備えたこ
   とを特徴とする振動測定装置。
5. 【請求項５】 前記微小振動判定手段が、前記微小波抽
   出手段によって抽出された微小波の周期を前記測定対象
   物の微小振動の周期として検出する手段を備えたことを
   特徴とする請求項４記載の振動測定装置。
6. 【請求項６】 前記微小振動判定手段が、前記微小波抽
   出手段によって抽出された微小波を周波数分析すると共
   に当該周波数スペクトルを前記測定対象物の微小振動の
   振動スペクトルとして検出する手段を備えたことを特徴
   とする請求項４記載の振動測定装置。