JPS62240802A - 光学式変位測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、モータのロータシャフトなどの回転体の回転
中の軸方向の変位量、変動を計測する変位測定装置に関
する。

（従来の技術） 現在、高速モータや主軸モータなどにおいて、できるだ
けロスの少ない高性能のモータの研究が進められている
。このため、摩擦ロスの大きなベアリング軸受の代りに
磁気軸受、エア軸受などを使用してロータ軸を浮かせ、
摩擦ロスをなくそうという試みがなされている。しかし
ながら、磁気軸受の場合、回転数、負荷などによフてロ
ータは軸方向に変位する恐れがあり、最悪の場合、フレ
ームやコイルにロータが接触し、摩擦が増大する。この
ため、左右のコイル電流をコントロールして最適な位置
にロータを保持する必要があり、したがって軸方向の変
動・変位を計測する必要がある。

従来、変位測定装置としては光学式、電磁式など種々の
ものが考案されているが、被測定物が上述したような回
転体であり、しかも光の波長オーダの微小な変位量を非
接触で測定するには光の干４方式を用いた装置しかなか
った。この先１−渉を用いた方式には単一周波数レーザ
を用いたＤＣ型ト渉変位計と２周波レーザを用いたＡＣ
型干渉変位計などがある。

〔発明が解決しようと１−る問題点〕 １−述した従来の光学式変位？ｌ１ｌｆ定装置のうち、
＋ｉｒｒ者は比較的安価に構成できるが、光のパワー変
動や振動等のノイズに弱く、実用には難しいという欠点
があり、ｔ＆者は、（ｊ１号が八ｃ（３号となるため、
前述のようなノイズの影響は受けにくいものの、２周波
レーザを用いるため、装置が大がかりになり、高価なも
のとなるため、装置組込み測定器などとしては使えない
という欠点がある。

本発明の目的は、回転体の軸方向の変位を、安価な構成
で、しかもノイズ等の影響が少なく、非接触で測定出来
る光学式変位測定装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明の光学式変位測定装置は、回転軸端面に取り付け
られ、回転軸とともに回転する波長板およびミラーと、
これらを通過および反射してきた測定光と一定光路長を
伝搬してきた基準光をミキシングするための光学系装置
と、ミキシングした光から正弦波電気信号を検出する手
段と、回転体の１回転につき１または複数パルスを出力
するインデックス手段と、インデックス手段の出力パル
スをトリガにして前記電気信号の位相を検出する手段と
、検出された位相の変化から回転体の軸方向の変位量を
演算する手段を有する。

〔作　用〕

回転している波長板に円偏光した光を通すと、光の周波
数が回転数に比例した分シフトする。ミラーによる反射
光と元の光をミキシングして、変位量情報を持ち、かつ
上記回転数に比例した周波数の正弦波電気信号を得、こ
の正弦波電気信号の位相をインデックス手段の出力パル
スをトリガにして検出すれば、位相変化量と変位量が比
例することにより変位量が求められる。

（実施例〕 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の光学式変位測定装置の一実施例を示す
構成図である。

モータ１３の回転軸の端面には、回転属波長板５とミラ
ー６が円筒ケースに収容されて取付けられている。レー
ザ１、ビームスプリッタ２．３、固定イ波長板４は回転
属波長板５、ミラー６が同一光軸上に配置されている。

また、ミラー８、ビームスプリッタ７、フォトディテク
タ９が図示のように前記光軸と直交して配置されている
。したがって、レーザｌから出た単一周波数の光はビー
ムスプリッタ２によフて２つに分けられ、一方の光はミ
ラー８、ビームスプリッタフを通り基準光としてフォト
ディテクタ９に達し、ビームスプリッタ２を通る残りの
光は測定光としてビームスプリッタ３、固定属波長板４
を通り、モータ回転軸に取り付けられ回転する回転属波
長板５を通りミラー６で反射される。反射光は回転属波
長板５、固定属波長板４を通りビームスプリッタ３で方
向が９０°曲げられ、ビームスプリッタ７を通り、前記
基準光とミキシングされてフォトディテクタ９に達し、
後述するような電気信号が検出される。インデックス装
置】２は回転軸の１回転に付き１パルスまたは複数の、
回転に同期したインデックスパルスを出力する。位相検
出回路１０にはフォトディテクタ９で検出されたＡＣ電
気信号とインデックス装置１２からインデックスパルス
とが送られ、インデックスパルス発生時の位相が検出さ
れる。変位演算回路１１は、位相検出回路ＩＯからの検
出位相により、回転軸の軸方向の変位ｋを演算する。

次に１本実施例の作用について述べる。

今、モータ１３は角速度ω°で回転しており、静止また
は低速回転時など変位が零の時に比ベロータシャフトは
第１図に示す矢印方向にΔＩだけ変位しているものとす
る。また、変位量の状態における基準光および測定光の
光路長をそれぞれＩＬ、　、　ｊＺ、とする。さらに、
第１図に示すように光の進行方向に対して垂直な而を直
交するＸ輪、Ｙ軸で定義し、これらの軸の光の強度成分
を■から出た光を次式（１）で示されるリニア偏光（Ｖ
工＝０．Ｖ、ｙ＝１）の光とする。

ただし、ωは光の角速度、ｔは時間 ｉ１ｔ、　Ｈ＝光、すなわち、レーザ１、ビームスプリ
ッタ２、ミラー８、ビームスプリッタ７を通りフォトデ
ィテクタ９に至る光は次式（２）で表わされる。

ただし、τ１は伝搬遅れ＝ｌＩ／ｃ、 Ｃは光束、 θ１＝ωτ１＝２π１１／λ、 λは波長、に１は定数 また、測定光、すなわちレーザ１からビームスプリッタ
２．３を通り固定属波長板４を通過する光はリニア偏光
の光から７５円偏光となりさらに回転属波長板５、ミラ
ー６を往復することによフて光の角速度はωからω＋２
ω°に変化する。そして固定属波長板４を通過すること
によってリニア偏光の光に再変換されビームスプリッタ
３，７を通りフォトディテクタ９に達するが、固定およ
び回転の属波長板４，５間がΔＩ短かくなっていること
を注意すれば測定光の光は次式（３）で表わされる。

θ２＋　４π・ΔＩ／λ）］ 一一−（３） ただし、θ２＝２π２２／λ、に２は定数フォトディテ
クタ９では上記（２）　、　（３）式で示される光のミ
キシングした信号が検出され、次式（４）で示されるＡ
Ｃの電気信号を得ることができる。

Ｖ３　＝に３　　ｃｏｓ（２ω゛Ｌ＋θＣ＋４π・Δ工
／λ）　　−−−（４） ただし、に３＝に１　・Ｋ２．θＣ＝θ、−θ２ずなわ
ち、角周波数２ω゛であり、Δ工が０からλ／２変化し
た時に位相は２π変化する。

第２図（ａ）はインデックス装置１２のインデックスパ
ルスを示し、１回転に付き１パルスの信号が出力される
。同図（ｂ）はフォトディテクタ９の出力（（４）式）
を示し、実線はΔｘ＝０の状態、また破線はΔχ＝λ／
８の時の波形を示す（ただし、モータ１３の回転の角速
度は一定として示している）。

今、インデックスパルス発生時（ｔ＝０とする）のフォ
トディテクタ９の出力の位相θを検出すれば次式（５）
で示される関係がある。

θ＝θｃ＋４π・ΔＩ／λ　　−（５）したがって、変
位量の時の位相θＣを測定しておき、変位演算回路１１
において、上記（５）式を変形した次式（６）を用いる
と、変位量ΔＩを求めることができる。

上記のように位相測定を行なえば回転角速度ω゛は変位
量の測定には影響しない。

本実施例において回転＠端面の面積度が波長以下の面積
度の場合はミラー６を省略し、端面でミラーを代用する
ことができ、部品を減らずことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、回転軸端面に波長板とミ
ラーを取り付け、このミラーによる反射光と元の光をミ
キシングして正弦波電気信号を取出し、この正弦波電気
信号の位相を回転体の回転に応じたインデックスパルス
をトリガにして検出することにより、安価な構成（単一
周波レーザを用いるため）で、ノイズ等の影響が少なく
、したがって、装置に組込むことができる光学式変位測
定装置を提供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学式変位測定装置の一実施例を示す
構成図、第２図（ａ）　、　（ｂ）はそれぞれインデッ
クス装置１２の出力、フォトディテクタ９の出力を示す
図である。 １・・・レーザ、 ２．３．７・・・ビームスプリッタ、 ４．５・・・属波長板、 ６．８・・・ミラー、 ９・・・フォトディテクタ、 １０−・・位相検出回路、 ＩＩ・・・変位４１ｉ算回路。 Ｉ２・・・インデックス装置、 １３・・・モータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 回転体の軸方向の変位を測定する光学式変位測定装置で
   あって、 回転軸端面に取り付けられ、回転軸とともに回転する波
   長板およびミラーと、これらを通過および反射してきた
   測定光と一定光路長を伝搬してきた基準光をミキシング
   するための光学系装置と、ミキシングした光から正弦波
   電気信号を検出する手段と、回転体の１回転につき１ま
   たは複数パルスを出力するインデックス手段と、インデ
   ックス手段の出力パルスをトリガにして前記電気信号の
   位相を検出する手段と、検出された位相の変化から回転
   体の軸方向の変位量を演算する手段を有する光学式変位
   測定装置。