JPS5856094B2 - 微小振動測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば超音波加工機の加工具先端部のような
振動物体の微小振動振幅や位相を測定する微振動測定装
置に関する。

超音波加工機等の小さな加工具の先端部の振動状態を測
定する場合、工具に測定外乱を与えることなく行う必要
がある。

このような非接触測定手段として、従来より光学系を用
いていた。

例えば熱光源から発せられた光を平行に集束し、その光
路上に振動物体を配置して、上記振動物体による遮光か
ら生じる光量の変化から測定するものがある。

しかしながら熱光源を用いている為に平行光束の寸法を
小さく絞ることができず、その結果振幅感度が悪く、ま
た空間分解能も悪かった。

更には光束断面の光強変分布が不均一で線形性の良い精
度の高い測定を威し得なかった。

また他の手段として振動物体の端面像を結像させ、その
端面位置をイメージデゼクタ等の変換器を用いて測定す
るものがある。

この手段によれば時間分解能良く測定できるが、振幅の
最小分解能が悪い欠点があった。

その上、上記変換器は非常に高価で大型形状の為、超音
波加工機等に組み込むことが困難であった。

更に別の手段として振動物体面の反射光を測定する手段
が考えられたが、上記振動物体と反射光検出器とを近接
させて配置しなければならず、これが為に加工作業性を
妨げ、また空間分解能が悪い等の問題があり実用に適さ
なかった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、振動物体の振動を所定の距離を隔てた
位置で分解能良く測定することができ、例えば超音波加
工機に効果的に供することのできる微小振動測定装置を
提供することにある。

即ち、本発明は、例えば超音波加工機の工具の振動状態
を、工具使用時においても分解能良く測定することがで
き、加工作業の妨げとなることなく、上記工具の振動振
幅や位相を測定し得る微小振動測定装置を提供すること
にある。

そして例えば、分解能の仕様としては、１００ＫＨ２迄
の振動数に対して、振動振幅〜１０μｍ１また最小振幅
分解能が０．１μｍ以下、空間分解能が〜１００μ扉で
あって、更には振動物体とは少くとも２〇二以上離れて
測定することができる装置を提供しようとするものであ
る。

なお上記仕様は単なる代表例であり、従来装置の欠点を
考慮した要求値である。

従って本発明自体は、上記仕様に全くとられれるもので
はない。

以下、図面を参照して本発明装置の一実施例を説明する
。

第１図は同実施例の概略図である。

図中１はレーザ発振器で、例えば１ｍＷの発振出力を有
するガウス分布のＨｅ−Ｈｅレーザ光を出力している。

このレーザ光は、図示しないコリメート光学系などで集
束され、例えば光束径りに設定されている。

この光束径りのレーザ光は焦点距離ｆの長い集光レンズ
２を介して収れんされている。

この収れんレーザ光３は、レーザ発振器１から出力され
たガウス分布のレーザ光と相似のがウス分布を持ったレ
ーザ光となっている。

そして、この収れんレーザ光３の最小収れん位置には、
第２図にその拡大図を示すように測定対象としての振動
物体４が配置されている。

この振動物体４は、前記収れんレーザ光３の光軸３ａに
略直角な方向Ａに振動するもので、その端面４ａは、上
記光軸３ａを基準にして収れんレーザ光３の半径の±１
／１０以内に位置に設定されている。

しかして、前記収れんレーザ光３は、前記振動物体４で
約１／２が遮光されている。

またレーザ光軸３ａ七の前記レーザ発振器１に対向する
位置には例えば太陽電池からなる光検出器、つまり受光
器５が設けられ、収れんレーザ光３を受光している。

この受光器５には、前記振動物体４で遮光されなかった
分の収れんレーザ光３が人力されることになる。

そして、受光器５で受光され、電気信号に変換されたレ
ーザ光強度信号は図示しない信号処理回路へ出力され、
前記振動物体４の振動によるレーザ光強度の変化から振
動振幅や位相が求められている。

このように構成された装置によれば、収れんレーザ光３
はレーザ発振器１から出力されたガウス分布のレーザ光
と相似のガウス分布のレーザ光となっているので、振動
物体４の微小振動振幅がレーザ光の強度変化として略比
例の関係で生じる。

従って、上記レーザ光強度の変化から極めて分解能良く
振動物体４の微小振動振幅や位相を測定することかでき
る。

その上レーザ光の最収れん位置を集光レンズ２及び受光
器５から十分に隔てることができる為に、前記振動物体
４が加工中の超音波加工具であっても作業に支障を招く
ことがない。

しかもレーザ光を用いている為に収れんレーザ光３の光
束寸法を非常に小さくすることができる。

このことは光源にレーザ光を用いたことによるレーザ光
の特性に他ならないが、本装置に極めて良好に作用し、
特徴ある効果を奏するものである。

次に第３図及び第４図を参照して、本発明装置の特徴あ
る測定原理を説明する。

第３図はレーザ光３の収れん部の断面形状と、振動物体
４の関係を示したものである。

第３図において、振動物体４の振動方向Ａをｙ軸とし、
その直角方向をｙ軸として光強度分布を考えると、レー
ザ光３は収れんされている為にガウス分布となる。

従って位置（Ｘ、ｙ）でのレーザ光強度１ （ｘ 、
ｙ ）は次式で与えられる。

・・・・・・（１） 但し、ＩＯは光軸３ ａ （ｘ＝ｙ＝０ ）の強度で、
ｒ□は強度分布１ （ｘ 、 ｙ ）がｉ。

／。′に減少する光束断面半径を示している。

従って振動物体４によって遮光されることなく、受光器
５で受光されるレーザ光３の強度Ｉ （ｘｏ ）は次式
のように示される。

但し、Ｘｏは振動物体４の端面４ａの光軸３ａからの距
離を示し、■ｏは遮光されないときの全レーザ光強度を
示している。

またＫ（２−）は誤差関数である。

上記第（２）式より、木登４置の特徴ある光強度変化と
振動振幅との線形関係が導かれる。

即ち、第（２）式において、Ｘｏ＝Ｏにおける光強”Ｉ
（ＸＯ）の変化の度合、つまり傾きは、次式で示される
。

そこで、上記第（３）式を用いて前記第（２）式を直線
近似すると近似強ｖＪ（ｘｏ）を次のように得ることが
できる。

達せられる。

第４図はレーザ光３の収れん光束断面寸法と、測定値の
直線領域幅及び振幅最小分解能を示すグラフである。

即ち、このグラフは、例えば光束断面寸法が１００μ扉
のとき、収れん光束の中心から±１０μ扉の範囲におけ
る直線近似度が９８％以上であることを示すものである
。

なお当然のことであるが光束断面寸法は、振動振幅ａを
十分に含むように設定されている。

また第４図中特性Ｂは収れん光束の全強度に対して１０
”の強度変化を検出した場合の一例を示すもので、例え
ば収れん光束断面寸法が１００μｍの場合、その振幅最
小分解能が略０．１μｍ程度と極めて高い分解能で測定
することができる。

そして、直線領域幅と最小分解能とは略比例関係を有す
ることになる。

かくして、本装置によれば極めて高い分解能で直線近似
窒良く、微小振動を測定することが可能となる。

また作業環境の悪い条件下において外乱による低い周波
数の振動成分が考えられる場合には、上記振動分と振幅
との和が収れん光束断面寸法より小さくなるように設定
しておき、低周波ガツトフィルタを用いることによって
外乱振動下でも測定できる。

ところで、振動物体４の設置位置はレーザ光路上の任意
の位置に設定可能であるが、レーザ光の最収れん位置と
することが望ましい。

即ち、波長λのレーザ光の直径をＤとし、レンズ２の焦
点距離をｆとした場合の最収れん光束断面寸法ｄは次式
で示される。

従って、レーザ光の直径り及び焦点距離ｆを適宜設定す
ることによって、容易に所望とする光束断面寸法ｄを得
ることができる。

また焦点位置近傍での光束断面寸法ｄは、前記第２図に
示すように変化度が少い。

例えばＤ＝ １ ｍｖｔ、ｆ ＝ ２００ｍｍでｄ＝１
００μｍの最収れん部分は、焦点位置近傍で約１０ｍｒ
ｎに亘って均一に存在する。

この最収れん部分は、所謂くびれ部と称されるものであ
り、従って振動物体４を配置するに、非常に好適である
。

即ち、振動物体４が光軸３ａ方向に振動を有したとして
も光軸３ａに交差する方向への振動振幅を正確に測定す
ることができる。

しかも、レーザ光３の強度の密度が高い為に微小な振動
に対してもＳ／Ｎ良く変化分を検出することが可能とな
る。

かくして、従来装置では期待することのできなかったＳ
／Ｎの良い高分解な測定を行い得る。

しかも、レーザ光３の焦点を長くすることによっても、
その検出感度の低下を招くことがなく、また強度分布の
不均一もない為に、振動物体から十分に離れた位置で測
定できる利点がある。

このような本装置による効果を勲記すると次のようにな
る。

ｌ）振動物体４、例えば超音波加工機の工具先端の微小
振動で、その振動周波数が１００ＫＨｚ１振動振幅振動
−１０μｍであっても、最小振幅分解能が０．１μｍ以
下の精度で測定することができる。

１１）振動測定部、例えば工具先端部から少くとも２０
Ｃｒｒｔ以上離れた位置において、高精度に測定できる
。

従って超音波加工機に組み込んで用いても作業に悪影響
を与えることがない。

１１ｉ）空間分解能を略１００μｍと極めて高くするこ
とができ、また加工中における工具先端部近傍の略０．
２關の振動をも測定することができる。

以上の利点を始めとして、本発明装置によれば、振動物
体４に近傍しない位置において振幅分解能、空中分解能
を極めて高くして、精度の良い測定を行うことができる
。

その上、上記したように測定系の構成が非常に簡単であ
り、安価に実現することができる。

なお本発明は上記実症例に限定されるものではない。

本発明装置の他の実施例を第５図から第８図をそれぞれ
参照して説明する。

第５図はレーザ光路中に所定の傾きを有した平行透光板
１１を設けたものである。

この平行透光板１１を用いることによってレーザ光３の
光軸３ａを偏位させることができ、従って振動物体４の
端面４ａと光軸３ａとの位置合せが簡単になる。

従って、実用化される装置としては極めて効果的に機能
する。

第６図は、振動物体４によって遮光されなかった分のレ
ーザ光３をプリズム１２を介して折り返し、レーザ発振
器１側に設けた受光器１３によって受光するようにした
ものである。

従ってレーザ光出力部（レーザ発振器１、集光レンズ２
）と受光部（受光器１３、信号処理回路）とを一体構造
とすることができ、製作Ｅ好適である。

また検出器１３の位置合せが簡単化され、取り扱いが容
易となる。

第７図はハーフミラ−１４を介してレーザ光３を分光し
、受光器１５でレーザ出力の変化を監視するものである
。

即ち、レーザ発振器１のレーザ出力は常に安定化されて
いることが望ましいが、一般に±５％程度の変動、つま
りゆらぎを有するものが多い。

そこで、受光器１５で検出されたレーザ発振出力の変化
分を以って、受光器５で検出された信号の誤差を補償す
るようにしたものである。

この場合、特に図示しないが、例えば受光器５．１５の
各検出値を差動増幅して誤差変動分を相殺するとか、信
号の割り算を行って正規化することによって誤差変動分
を除去することによって補償がなされる。

第８図は本発明原理を２方向の微振動測定に適用したも
のである。

この場合、レーザ光Ｘ、Ｙは各々独立したレーザ発振器
を用いて生成してもよいが、例えば、１つのレーザ光を
ハーフミラ−を介して分光して得るようにしてもよい。

更に本発明装置はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施することができる。

例えば振動分の監視手段として、２方向の振動をオシロ
スコープで合或し、リサージュ波形として監視すること
ができる。

また振動物体４の振動方向は、特に光軸３ａと直交する
必要もなく、交差するだけによって十分に測定し得る。

更には適用される装置として回転軸の偏心変の測定装置
に用いることができ、また小型モータ等の負荷時・無負
荷時の回転特性の測定や、負荷調整手段として応用する
こともできる。

要するに本発明は上記各実施例のみに限られるものでは
ない。

以上詳述したように本発明によれば、従来装置の問題点
を解消し、分解能よく微小振動を測定できる等の種々格
別の優れた効果を発揮することのできる微小振動測定装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を示す概略構成図、第２
図はレーザ光の収れん部と振動物体との位置関係を示す
拡大図、第３図は収れん断面形状と振動物体との関係を
示す図、第４図は収れん光束断面寸法と直線領域幅及び
振幅最小分解能との関係を示す図、第５図から第８図は
それぞれ本発明装置の別の実施例を示す概略図である。 １・・・・・・レーザ発振器、２・・・・・・集光レン
ズ、３・・・・・・レーザ光、４・・・・・・振動物体
、５・・・・・・受光器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ発振器と、このレーザ発振器から出力された
   ガウス分布のレーザ光を相似のガウス分布をもった微小
   スポットに収れんする焦点距離の長い光学系と、振動物
   体の振動方向を上記レーザ光の光軸と交差するように設
   定し、その端面を上記光軸を基準にして前記収れんされ
   た微小スポット半径の±１／１ｏ以内の位置に配置する
   手段と、前記光学系に対向する位置に設けられ、前記振
   動物体によってその一部が遮光されたレーザ光を受光し
   て強度を検出する受光器と、この受光器で検出されたレ
   ーザ光の強度の光量成分に□Ｅ０（但し、■０ ■ｏは振動物体のない場合の光量、ｒｏは収れんされた
   微小スポットの半径）を乗算し、前記振動物体の振動振
   幅若しくは位相を求める信号処理回路とを具備し、特に
   振動物体から離れた位置で上記振動物体の端面の微小振
   動を測定するようにしたことを特徴とする微小振動測定
   装置。