WO2018134932A1 - 振幅測定装置、及び、振幅測定装置における振動測定方法 - Google Patents

振幅測定装置、及び、振幅測定装置における振動測定方法 Download PDF

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WO2018134932A1
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WO
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amplitude
vibration
change amount
reflected light
unit
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PCT/JP2017/001656
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English (en)
French (fr)
Inventor
幸宏 陽奥
宮本　晶規
遠藤　康浩
Original Assignee
富士通株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means

Definitions

  • the present invention relates to an amplitude measuring device and a vibration measuring method in the amplitude measuring device.
  • a diaphragm having light permeability a diaphragm having light permeability, a light emitting element that emits light at a fixed inclination angle with respect to a normal line of the diaphragm toward the inside of the diaphragm, and emitted from the light emitting element
  • a vibration detection component characterized by having a light receiving element that receives the light reflected at the interface between the vibration plate and a medium in contact with the vibration plate and outputs an electric signal corresponding to the amount of light received ( For example, see Patent Document 1).
  • the conventional vibration detection component detects the displacement in the amplitude direction of the vibration of the speaker as the acoustic device, it is difficult to detect the amplitude of a minute vibration such as a micrometer order.
  • an object of the present invention to provide an amplitude measuring device capable of detecting the amplitude of minute vibrations and a vibration measuring method in the amplitude measuring device.
  • the amplitude measuring apparatus is reflected by the irradiation unit that irradiates light to the vibration member that generates a vibration waveform by being vibrated at a predetermined period by the vibration element, and the vibration member that is vibrated by the vibration element.
  • a detection unit for detecting reflected light a displacement of the reflected light detected by the detection unit, and a distance from a position at which the light is irradiated to the vibration member to the detection unit.
  • a change amount calculation unit that calculates a change amount of the inclination; and an amplitude calculation unit that calculates the amplitude of the vibration waveform based on the maximum value of the change amount of the inclination calculated by the change amount calculation unit.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an amplitude measuring apparatus 100 according to a first embodiment.
  • 2 is a diagram illustrating a configuration of a processing device 110.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing standing waves of an ultrasonic band generated on the panel 10. It is a figure which shows the positional relationship of the panel 10, the light irradiation device 104, and PSD106. It is a figure which shows the output of the division circuit 107A. It is a figure which shows the output of the RMS-DC converter 107B. It is a flowchart which shows the process which the processing apparatus 110 performs. It is a figure which shows the data of the table format which linked
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an image acquired by the image sensor 206.
  • FIG. It is a figure which shows the data of the table format which linked
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating processing executed by an amplitude calculation unit 114 of the processing device 110 of the amplitude measuring apparatus 200 according to the second embodiment. It is a figure which shows the amplitude measuring apparatus 300 of Embodiment 3. FIG. It is a figure which shows the positional relationship of the stator 30, the light irradiation device 104, and PSD106 of an ultrasonic motor. It is a figure which shows the output of the division circuit 107A of the amplitude measuring apparatus 300 of Embodiment 3. FIG.
  • 10 is a flowchart illustrating processing executed by the processing device 110 of the amplitude measurement apparatus 300 according to the third embodiment. It is a figure which shows the data of the table format which linked
  • FIG. 1 is a diagram showing an amplitude measuring apparatus 100 according to the first embodiment.
  • an XYZ coordinate system is defined as shown.
  • the amplitude measuring apparatus 100 includes a base 101, an XY stage 102, a stage controller 103, a light irradiator 104, an irradiation controller 105, a PSD (Position Sensitive Detector) 106, an output conversion circuit 107, an analog input device 108, And a processing device 110.
  • a base 101 an XY stage 102, a stage controller 103, a light irradiator 104, an irradiation controller 105, a PSD (Position Sensitive Detector) 106, an output conversion circuit 107, an analog input device 108, And a processing device 110.
  • PSD Position Sensitive Detector
  • the amplitude measuring apparatus 100 is connected to the panel drive circuit 20.
  • the panel drive circuit 20 drives the vibration element with a drive signal that causes the panel 10 to generate a standing wave in the ultrasonic band.
  • the amplitude measuring apparatus 100 may include the panel drive circuit 20 as a component, a form not included here will be described. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG. 2 in addition to FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the processing device 110.
  • the base 101 is a base on which each component of the amplitude measuring apparatus 100 is installed.
  • the base 101 is a plate-like member installed in parallel to the XY plane, and has a thickness in the Z-axis direction.
  • the base 101 is made of metal or resin.
  • the XY stage 102 is a stage that is installed on the base 101 (Z-axis positive direction side), is driven and controlled by the stage controller 103, and is movable in two-axis directions.
  • a panel 10 is mounted on the XY stage 102.
  • the XY stage 102 moves the panel 10 in the X-axis direction and the Y-axis direction on the order of micrometers ( ⁇ m).
  • the panel 10 has a rectangular shape in an XY plan view, and is held by the XY stage 102 so that two sets of opposite sides are along the X axis and the Y axis, respectively.
  • the vibration element attached to the lower surface of the panel 10 is vibrated by the panel drive circuit 20, thereby generating a standing wave of an ultrasonic band whose amplitude is displaced along the X-axis direction.
  • the antinodes and nodes of the standing wave are arranged in the X-axis direction.
  • the stage controller 103 performs drive control of the XY stage 102 based on a command input from the processing device 110.
  • the stage controller 103 may be incorporated in the XY stage 102.
  • the stage controller 103 is connected to the processing device 110 by a wired cable such as USB (Universal Serial Bus) or RS (Recommended Standard) 232C, or a wireless transmission path such as WiFi or Bluetooth (registered trademark).
  • the light irradiator 104 is held by an upper end 104B of a stay 104A fixed to the upper surface of the base 101.
  • the light irradiator 104 is an example of an irradiation unit, and is, for example, a semiconductor laser (LD: Laser Diode), and irradiates the upper surface of the panel 10 with laser light 104L.
  • a laser other than a semiconductor such as a He—Ne laser, or a spotted LED (Light-Emitting-Diode) may be used.
  • the light irradiator 104 is attached to the upper end 104B.
  • the irradiation angle of the laser beam 104L applied to the panel 10 is set in advance.
  • the spot diameter of the laser beam 104L at the irradiation position of the panel 10 is desirably equal to or less than the thickness of the panel 10 in order to prevent interference due to light reflection on the upper and lower surfaces of the panel 10.
  • the wavelength of the laser light 104L is preferably short-wavelength light that is easily reflected by a transparent material such as the panel 10, for example, visible light having a wavelength of 780 nm or less. Absent. Further, for example, white light may be combined with a plurality of wavelengths.
  • the irradiation control unit 105 controls on / off of the light irradiator 104 based on a command input from the processing device 110.
  • the irradiation control unit 105 may be incorporated in the light irradiator 104.
  • the irradiation control unit 105 is connected to the processing apparatus 110 via a wired cable such as USB or RS232C, or a wireless transmission path such as WiFi or Bluetooth.
  • the PSD 106 is held by an upper end 106C of a stay 106B fixed to the upper surface of the base 101.
  • the PSD 106 photoelectrically converts incident light and outputs a position signal representing the position of the incident light.
  • the PSD 106 is an example of a detection unit.
  • the PSD 106 is attached to the upper end 106C.
  • the angle of the PSD 106 with respect to the incident light is set in advance.
  • the PSD 106 may be a PSD that performs one-dimensional position detection, but may be a PSD that performs two-dimensional position detection.
  • the output conversion circuit 107 includes a division circuit 107A and an RMS (Root-Mean-Square) -DC (Direct-Current) converter 107B.
  • the division circuit 107A performs processing to normalize the position signal input from the PSD 106. More specifically, the division circuit 107A performs a process of converting into an effective value using a section of one or more periods of the position signal that periodically changes with the vibration of the panel 10. Further, the RMS-DC converter 107B performs a process of converting the normalized position signal into an effective value. Note that the output conversion circuit 107 may be incorporated in the PSD 106.
  • the analog input device 108 is connected between the output conversion circuit 107 and the processing device 110, measures the voltage value output from the output conversion circuit 107, and transmits a signal representing the measured voltage value to the processing device 110.
  • the analog input device 108 is connected to the processing device 110 via a wired cable such as USB or RS232C, or a wireless transmission path such as WiFi or Bluetooth.
  • the analog input device 108 may be incorporated in the PSD 106 together with the output conversion circuit 107.
  • the processing device 110 includes a main control unit 111, a measurement unit 112, a change amount calculation unit 113, an amplitude calculation unit 114, and a memory 115, as shown in FIG.
  • the processing device 110 is realized by a computer including a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and an internal bus.
  • CPU Central Processing Unit
  • RAM Random Access Memory
  • ROM Read Only Memory
  • the main control unit 111 is a control unit that controls the processing device 110, and performs processing other than the processing performed by the measurement unit 112, the change amount calculation unit 113, and the amplitude calculation unit 114.
  • the measurement unit 112 measures (acquires) a voltage value (effective value) measured by the analog input device 108. A method for obtaining the voltage value (effective value) will be described later with reference to FIG.
  • the change amount calculation unit 113 calculates an inclination change amount ⁇ of bending caused by the vibration of the panel 10. A method of calculating the inclination change amount ⁇ will be described later with reference to FIG.
  • the amplitude calculation unit 114 calculates the amplitude A of the standing wave based on the tilt change amount ⁇ and the wavelength ⁇ of the standing wave. A method for calculating the amplitude A will be described later with reference to FIGS.
  • the memory 115 represents the RAM and / or ROM of the processing device 110 as the memory 115.
  • the processing apparatus 110 is connected to the panel drive circuit 20, the stage controller 103, the irradiation controller 105, and the analog input device 108 by a wired cable such as USB or RS232C, or a wireless transmission path such as WiFi or Bluetooth.
  • the processing device 110 transmits a drive signal to the panel drive circuit 20.
  • the drive signal is a signal for driving the vibration element attached to the back surface of the panel 11.
  • the processing device 110 transmits a command indicating the amount of movement of the XY stage 102 to the stage controller 103.
  • the processing device 110 transmits a command to switch the light irradiator 104 on / off to the irradiation control unit 105.
  • a signal representing a voltage value measured by the analog input device 108 is input to the processing device 110.
  • FIG. 3 is a diagram showing the standing wave of the ultrasonic band generated in the panel 10.
  • a part of the panel 10 (a part surrounded by a broken line) is enlarged and shown.
  • two vibration elements 11 are attached to the end of the back surface (surface on the Z-axis negative direction side) of the panel 10 in the X-axis direction.
  • the vibration element 11 is elongated in the Y-axis direction in the XY plan view, and extends from the end on the Y-axis positive direction side of the panel 10 to the end on the negative direction side.
  • the panel 10 is used for a top panel of an electronic device such as a smartphone terminal or a tablet computer.
  • the top panel is provided with a touch panel, which is a part for performing operation input of the electronic device.
  • the vibration element 11 is, for example, a piezoelectric element (PZT).
  • the Young's modulus, weight, and the like of the panel 10 are set so that the panel 10 vibrates at the natural vibration frequency of the ultrasonic band of the panel 10 when the vibration element 11 is driven by the driving signal of the ultrasonic band. That is, when the vibration element 11 is driven by an ultrasonic band drive signal, a standing wave is generated on the panel 10. Further, when the vibration of the ultrasonic band is generated in the top panel 120, an air layer due to the squeeze effect is interposed between the surface of the top panel 120 and the finger, and the dynamic friction when the surface of the top panel 120 is traced with the finger FT. The coefficient decreases.
  • the waveform at the time when the amplitude of the standing wave becomes maximum is shown by a solid line
  • the waveform at a time when the phase is 180 degrees different from the time shown by the solid line is shown by a broken line.
  • the enlarged view shows five nodes and four bellies.
  • FIG. 4 is a diagram showing the positional relationship between the panel 10, the light irradiator 104, and the PSD 106. As shown in FIG. Here, as an example, it is assumed that the panel 10 is driven with a drive signal of 50 kHz, and the panel 10 is vibrated by a standing wave of 50 kHz.
  • the size of the element 106A for detecting the position by the PSD 106 is 4 mm ( ⁇ 2 mm from the center) in the direction indicated by ⁇ S in the XZ sectional view.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a portion where the panel 10 shown in the upper side of FIG. 4 is irradiated with the laser light 104L.
  • the laser beam 104L is irradiated to the standing wave node of the ultrasonic band of the panel 10, the incident angle of the laser beam 104L on the panel 10 is changed between the standing wave indicated by the solid line and the standing wave indicated by the broken line. change.
  • the laser beam 104L irradiated to the standing wave indicated by the solid line is reflected as the laser beam 104R in the direction indicated by the solid line, and the laser beam 104L irradiated to the standing wave indicated by the broken line is the laser beam 104R in the direction indicated by the broken line.
  • the amplitude of the standing wave is exaggerated for easy understanding.
  • the division circuit 107A of the output conversion circuit 107 converts the displacement of the position of the incident light in the direction indicated by ⁇ S of the PSD 106 (the amount of change in the position of the incident light) into a voltage value and normalizes it.
  • the division circuit 107A converts the maximum value ⁇ 2 mm of the displacement of the incident light position into a voltage value of ⁇ 10 V and normalizes it. Since the normalized voltage value represents the amplitude of the sine wave, a sine wave is obtained by arranging the voltage values output from the division circuit 107A along the time axis.
  • the RMS-DC converter 107B converts the voltage value output from the division circuit 107A into an effective value and outputs it. As shown in FIG. 4, the voltage value (effective value) output from the RMS-DC converter 107B is maximized while the laser beam 104L is irradiated to the node of the standing wave of the ultrasonic band of the panel 10. Become.
  • the output voltage value (effective value) of the RMS-DC converter 107B is the state in which the laser beam 104L is irradiated to the antinode. Be minimized. Between the antinode and the node, the closer to the node, the larger the output voltage value (effective value) of the RMS-DC converter 107B.
  • the amplitude measuring apparatus 100 moves the panel 10 in the XY plane by the XY stage 102 and outputs the output voltage value (effective) of the RMS-DC converter 107B. Find the point where the value is the largest.
  • FIG. 5 is a diagram showing the output of the division circuit 107A.
  • FIG. 6 is a diagram showing an output of the RMS-DC converter 107B.
  • the frequency of the standing wave of the panel 10 is 50 kHz and the positional change amount ⁇ S of incident light to the PSD 106 due to vibration of the standing wave is ⁇ 1 mm.
  • the voltage value that the division circuit 107A normalizes and outputs becomes a sine wave of 50 kHz at ⁇ 5V.
  • the voltage value (effective value) output from the RMS-DC converter 107B is about 3.5V.
  • the positional change amount ⁇ S of the incident light of the PSD 106 due to the vibration of the panel 10 can be expressed by the following equation (1).
  • the sensitivity C is a coefficient representing the sensitivity of the divider circuit 107A, and is 0.2 mm / V here.
  • the sensitivity C is obtained as the reciprocal of the conversion coefficient when converting ⁇ 2 mm to a voltage value of ⁇ 10V.
  • FIG. 7 is a flowchart showing processing executed by the processing device 110.
  • the main control unit 111 starts communication with the panel drive circuit 20 when the process is started (start) (step S1).
  • the main control unit 111 starts communication with the stage controller 103 (step S2). Thereby, communication between the processing apparatus 110 and the stage controller 103 is established.
  • the main control unit 111 starts communication with the analog input device 108 (step S3). As a result, communication between the processing apparatus 110 and the analog input device 108 is established.
  • the main control unit 111 transmits a command for returning the XY stage 102 to the origin to the stage controller 103 (step S4).
  • the main control unit 111 moves the XY stage 102 to the measurement start position (step S5).
  • the measurement start position may be anywhere as long as the panel 10 is irradiated with the laser light 104L.
  • the coordinate value of the measurement start position is set according to the size of the panel 10 so as to be near the center of the panel 10. You only have to decide in advance.
  • the main control unit 111 receives the setting of the stage movement pitch (step S6).
  • the stage movement pitch is represented by step [mm], and here, as an example, is a value common to the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the main control unit 111 sets a value input to the processing device 110 by the user as the stage movement pitch.
  • the stage moving pitch is, for example, 1 mm.
  • the main control unit 111 accepts setting of the number of movements of the XY stage 102 (step S7).
  • the number of movements in the X-axis direction is Xnum
  • the number of movements in the Y-axis direction is Ynum.
  • the number of movements Xnum and Ynum may be set so as to cover the entire X-axis direction and Y-axis direction of the panel 10 according to the lengths of the panel 10 in the X-axis direction and Y-axis direction and the stage movement pitch. .
  • the distance moved in the X-axis direction is longer than the set value of one pitch of the standing wave of the panel 10 (the length of one period in the X-axis direction). This is because if the XY stage 102 is moved by one pitch or more, a voltage value (effective value) by the laser beam 104R reflected somewhere or near the node can be obtained.
  • Measurement unit 112 starts measurement (step S8).
  • the main control unit 111 sets the count numbers Xcnt and Ycnt in the X-axis direction and the Y-axis direction to 0.
  • the measuring unit 112 determines whether or not the count number Xcnt in the X-axis direction is equal to or greater than the number of movements Xnum in the X-axis direction (step S9).
  • the measurement unit 112 determines that the count number Xcnt is not equal to or greater than the number of movements Xnum (S9: NO)
  • the measurement unit 112 moves the XY stage 102 by the movement pitch step [mm] in the X-axis direction (step S10).
  • the measuring unit 112 sets the count number Xcnt to +1 (step S11).
  • the measuring unit 112 communicates with the panel drive circuit 20 and drives the vibration element 11 to vibrate the panel 10 (step S12).
  • the measuring unit 112 acquires the voltage value Va from the analog input device 108 (step S13).
  • the voltage value Va is stored in the memory 115 in association with the measured X coordinate and Y coordinate.
  • the measurement part 112 returns a flow to step S9, after finishing the process of step S13.
  • step S9 the processing of steps S10 to S13 is repeated until it is determined in step S9 that the count number Xcnt is equal to or greater than the number of movements Xnum (S9: YES). Then, the voltage value Va for one pitch of the standing wave of the panel 10 is obtained.
  • the voltage value Va for one pitch is obtained as data in a table format associated with the X coordinate and the Y coordinate.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating data in a table format in which the voltage value Va is associated with the X coordinate and the Y coordinate.
  • the measurement unit 112 determines that the count number Xcnt is equal to or greater than the number of movements Xnum (S9: YES)
  • the measurement unit 112 resets the count number Xcnt to 0 (step S14).
  • the measurement of the voltage value Va for one row along the X-axis direction with the Y coordinate fixed is completed.
  • the measuring unit 112 moves to the X position at the start of measurement (step S15).
  • the measuring unit 112 determines whether or not the count number Ycnt in the Y-axis direction is equal to or greater than the number of movements Ynum in the Y-axis direction (Step S16).
  • the measurement unit 112 determines that the count number Ycnt in the Y-axis direction is not equal to or greater than the number of movements Ynum in the Y-axis direction (S16: NO)
  • the measurement unit 112 moves the XY stage 102 by the movement pitch step [mm] in the Y-axis direction ( Step S17).
  • the measurement part 112 returns a flow to step S9 after finishing the process of step S17. As a result, the processes in steps S10 to S16 are repeatedly executed.
  • the measurement unit 112 determines that the count number Ycnt in the Y-axis direction is equal to or greater than the number of movements Ynum in the Y-axis direction (S16: YES), the measurement unit 112 ends the series of processes (end).
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a method of calculating the amount of change in the inclination of the panel 10 from the voltage value Va.
  • the distance from the surface of the panel 10 to the surface of the element 106A of the PSD 106 in the optical path of the laser beam 104R reflected by the panel 10 is L (mm).
  • the intersection of the straight line indicating the distance L and the element 106A of the PSD 106 is the center of the element 106A of the PSD 106.
  • the change in inclination ⁇ of the bending caused by the vibration of the panel 10 is determined by the panel 10 when the antinode amplitude is on the Z axis positive direction side and the panel 10 when the antinode amplitude is on the Z axis negative direction side. It is an angle to make.
  • the amplitude of the standing wave is represented as A.
  • the inclination change amount ⁇ satisfies the following equation (2).
  • the tilt change amount ⁇ is sufficiently smaller than the wavelength of the standing wave
  • the tilt change amount ⁇ can be approximately expressed by the following equation (3).
  • Such an inclination change amount ⁇ is performed for all voltage values Va (see FIG. 8), and a maximum value in the X-axis direction is obtained.
  • FIG. 10 is a diagram showing an approximate curve fitting to the inclination change amount ⁇ .
  • the maximum value of the voltage value Va is obtained as follows. For example, by fitting a trigonometric function to the slope change amount ⁇ by the least square method, an approximate curve fitting to the slope change amount ⁇ is obtained. Then, the maximum value of the approximate curve is obtained as the maximum value of the inclination change amount ⁇ .
  • the first 10 points of data are used from the data in the table format in which the voltage value Va shown in FIG. 8 is associated with the X coordinate and the Y coordinate.
  • the wavelength ⁇ of the standing wave generated in the panel 10 can be derived from the distance between adjacent nodes. Since the distance X1 between nodes is ⁇ / 2, the following equation (4) is established.
  • FIG. 9 shows the distance between the adjacent belly and the belly (distance between the belly) X1. The distance X1 between the abdomen is equal to the distance X1 between the nodes and is ⁇ / 2.
  • the amplitude A (see FIG. 9) of the standing wave of the panel 10 is obtained using the maximum value of the inclination change amount ⁇ and the wavelength ⁇ derived from the equation (4).
  • the relationship between the amplitude A, the inclination change amount ⁇ , and the wavelength ⁇ is expressed by the following equation (5).
  • the amplitude A can be obtained by the following equation (7).
  • the inclination change amount ⁇ in the predetermined area of the vibration surface of the panel 10 can be measured and the position of the node can be searched, and the amplitude A of the standing wave can be obtained.
  • the accuracy of the amplitude A can be set by setting the measurement interval according to the size of the panel 10 and the designed distance X1 between the standing wave nodes. Further, if the inclination change amount ⁇ is measured at the position where the design node is located using the design node position of the panel 10, the accuracy of the amplitude A can be further improved.
  • FIG. 11 is a flowchart showing processing executed by the change amount calculation unit 113 and the amplitude calculation unit 114.
  • the change amount calculation unit 113 reads data in a table format (see FIG. 8) in which the voltage value Va measured by the measurement unit 112 is associated with the X coordinate and the Y coordinate (see FIG. 8).
  • the change amount calculation unit 113 obtains the inclination change amount ⁇ from the equation (3) using the distance L and the position change amount ⁇ S (step S22).
  • the amplitude calculation unit 114 derives the wavelength ⁇ of the standing wave generated in the panel 10 from the equation (4) using the distance between adjacent nodes (distance X1 between the nodes) (step S24).
  • the amplitude calculation unit 114 obtains the amplitude A from the equation (7) using the wavelength ⁇ and the inclination change amount ⁇ (step S25).
  • the amplitude calculation unit 114 ends a series of processing (end).
  • the slope change amount ⁇ at the node of the panel 10 where the standing wave of the ultrasonic band is generated and the wavelength ⁇ of the standing wave are obtained.
  • the amplitude A of the standing wave generated at 10 can be obtained.
  • an amplitude measuring apparatus 100 that can detect the amplitude of a minute vibration and a vibration measuring method in the amplitude measuring apparatus. Moreover, the amplitude measurement apparatus 100 of Embodiment 1 and the vibration measurement method in the amplitude measurement apparatus can detect the amplitude of minute vibrations in the ultrasonic band.
  • the amplitude measuring apparatus 100 according to the first embodiment and the vibration measuring method in the amplitude measuring apparatus can be used for non-defective inspection of the panel 10, for example.
  • the panel 10 is driven by the vibration element 11 so that the natural vibration of the ultrasonic band is generated.
  • This natural vibration is a natural vibration of the panel 10. Therefore, for example, before the panel 10 is mounted on an electronic device such as a smartphone terminal or a tablet computer, the amplitude is measured by the amplitude measurement device 100 of the first embodiment and the vibration measurement method in the amplitude measurement device. It is possible to easily determine whether or not the product is non-defective.
  • LDV Laser Doppler Vibrometry
  • the amplitude measuring apparatus 100 can measure the amplitude of minute vibrations in the ultrasonic band while significantly reducing the manufacturing cost to 1/10 or less.
  • the light irradiator 104 and the PSD 106 are independent and the reflected light (laser light 104R) of the panel 10 is directly received by the PSD 106.
  • the amplitude measurement apparatus 100A shown in FIG. Such a configuration may be adopted.
  • FIG. 12 is a diagram showing an amplitude measuring apparatus 100A according to a modification of the first embodiment. Here, only differences from the amplitude measuring apparatus 100 shown in FIG. 4 will be described.
  • the light irradiator 104 and the PSD 106 are housed in the housing 109A to form one unit.
  • a hole 109A1 is provided in the housing 109A.
  • a half mirror 109B is provided inside the housing 109A.
  • the laser light 104L emitted from the light irradiator 104 passes through the half mirror 109B and is irradiated to the panel 10 through the hole 109A1, and the reflected light (laser light 104R) passes through the hole 109A1 and passes through the half mirror 109B. The light is totally reflected toward the PSD 106 and received by the PSD 106.
  • the distance L from the position where the panel 10 is irradiated with the laser light 104L to the PSD 106 is L1 + L2.
  • Such an amplitude measuring apparatus 100A may be used.
  • the housing 109 ⁇ / b> A may be fixed to the base 101.
  • the housing 109A is merely used as an example to make the light irradiator 104 and the PSD 106 one unit. For this reason, the light irradiator 104 and the PSD 106 may be made into one unit by using a member other than the casing 109A.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an amplitude measuring apparatus 200 according to the second embodiment.
  • the amplitude measuring apparatus 200 includes an image sensor 206 instead of the PSD 106 of the amplitude measuring apparatus 100 of the first embodiment. Due to such a difference, the amplitude measuring apparatus 200 does not include the output conversion circuit 107 of the amplitude measuring apparatus 100 of the first embodiment, and includes an image input device 208 instead of the analog input device 108.
  • Other configurations are the same as those of the amplitude measuring apparatus 100 according to the first embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • the image sensor 206 is a monochrome CCD (Charge-Coupled Device) camera or CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) camera. A camera that captures a color image or an infrared camera may be used. It is desirable that the exposure time when the image sensor 206 takes an image is a period of one or a plurality of cycles of the standing wave of the panel 10. Note that the distance from the surface of the panel 10 to the image sensor 206 in the optical path of the reflected light (laser light 104R) reflected by the panel 10 is L (mm).
  • the image input device 208 is connected to the processing device 110 and transmits the image acquired from the image sensor 206 to the processing device 110.
  • the image input device 208 is a device that serves as an interface between the image sensor 206 and the processing apparatus 110.
  • the image input device 208 is connected to the processing apparatus 110 via a wired cable such as USB or RS232C, or a wireless transmission path such as WiFi or Bluetooth. Note that the image input device 208 may be incorporated in the image sensor 206.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an image acquired by the image sensor 206.
  • FIG. 14 shows the directions of the X axis and Y axis projected in the image.
  • the image acquired by the image sensor 206 becomes a linear luminance distribution 206A having a length proportional to the position change amount ⁇ S (see FIG. 4).
  • the length of the linear luminance distribution 206A is proportional to the position change amount ⁇ S because the luminance distribution 206A is represented as an image, and thus the size of the image and the size of the pixel. This is because there is a possibility that the actual position change amount ⁇ S differs.
  • the processing executed by the processing device 110 of such an amplitude measuring device 200 is the same as the flowchart shown in FIG. 7, but the processing in step S13 is different.
  • step S13 the measurement unit 112 of the processing device 110 of the amplitude measurement apparatus 200 transmits a command to capture an image to the image sensor 206, and records image data obtained from the image input device 208 in the memory 115 (step S13). . Similar to the voltage value Va in the first embodiment, the image data is stored in the memory 115 in association with the X coordinate and the Y coordinate at which the image is taken. The measurement part 112 returns a flow to step S9, after finishing the process of step S13.
  • the exposure time is a time longer than one period of the standing wave generated in the panel 10.
  • step S9 the processing of steps S10 to S13 is repeated until it is determined in step S9 that the count number Xcnt is equal to or greater than the number of movements Xnum (S9: YES). And the image data obtained by the exposure time for 1 period or more of the standing wave of the panel 10 is obtained.
  • the image file name of the image data is obtained as data in a table format associated with the X coordinate and the Y coordinate.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating table format data in which an image file name is associated with an X coordinate and a Y coordinate.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining a method of calculating the inclination change amount ⁇ of the panel 10 from the linear luminance distribution 206A.
  • FIG. 16 shows the X-axis and Y-axis directions projected into the image, as in FIG.
  • an image including a linear luminance distribution 206A which is an original image is prepared.
  • binarization processing is performed on an image including a linear luminance distribution 206A to obtain a luminance distribution 206A1.
  • the half value of 128 may be set as a threshold value.
  • the positional change amount ⁇ S of incident light to the image input device 208 is obtained.
  • the positional change amount ⁇ S of incident light to the image input device 208 is the same as the positional change amount ⁇ S of incident light to the PSD 106 shown in FIG.
  • the edge of the binarized luminance distribution 206A1 is extracted.
  • Edge extraction may be performed by, for example, differentiation processing.
  • the length SY of the luminance distribution 206A1 is obtained from the difference between the maximum value and the minimum value in the Y direction of the edge image, and the length SY is multiplied by the pixel size ( ⁇ m / pixel), whereby incident light to the image input device 208
  • the position change amount ⁇ S can be obtained. For example, when the pixel size is 20 ⁇ m / pixel, the positional change amount ⁇ S of incident light to the image input device 208 is expressed by the following equation (8).
  • the tilt change amount ⁇ satisfies the following equation (9).
  • the inclination change amount ⁇ due to the bending of the panel 10 is sufficiently smaller than the wavelength ⁇ of the standing wave
  • the inclination change amount ⁇ is expressed by the following equation (10).
  • the approximate curve is fitted to obtain the maximum value of the slope change amount ⁇ in the same manner as the method described in FIG. 10 of the first embodiment, and the position of the node is determined. Find it.
  • FIG. 17 is a flowchart illustrating processing executed by the amplitude calculation unit 114 of the processing device 110 of the amplitude measurement device 200 according to the second embodiment.
  • the amplitude calculation unit 114 reads data in a table format (see FIG. 15) in which the image data measured by the measurement unit 112 is associated with the X coordinate and the Y coordinate (step S31).
  • the amplitude calculation unit 114 obtains the inclination change amount ⁇ from the equation (9) using the distance L and the position change amount ⁇ S (step S32).
  • the amplitude calculation unit 114 obtains the maximum value of the inclination change amount ⁇ and obtains the position of the node (step S33).
  • the amplitude calculation unit 114 derives the wavelength ⁇ of the standing wave generated in the panel 10 from the equation (4) using the distance between adjacent nodes (distance X1 between the nodes) (step S34).
  • the amplitude calculation unit 114 obtains the amplitude A from the equation (7) using the wavelength ⁇ and the tilt change amount ⁇ (step S25).
  • the slope change amount ⁇ at the node of the panel 10 where the standing wave of the ultrasonic band is generated and the wavelength ⁇ of the standing wave are obtained.
  • the amplitude A of the standing wave generated at 10 can be obtained.
  • an amplitude measuring apparatus 100 that can detect the amplitude of minute vibrations, and a vibration measuring method in the amplitude measuring apparatus.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an amplitude measurement apparatus 300 according to the third embodiment.
  • the amplitude measuring apparatus 300 includes a rotary stage 302 and a stage controller 303 instead of the XY stage 102 and the stage controller 103 of the amplitude measuring apparatus 100 of the first embodiment.
  • a stator 30 of an ultrasonic motor is mounted on the rotary stage 302.
  • the amplitude measuring device 300 is connected to the motor controller 31.
  • the motor controller 31 is provided in place of the panel drive circuit 20 of the first embodiment.
  • the motor controller 31 drives the stator 30 with a drive signal that generates a traveling wave of the ultrasonic band in the stator 30 of the ultrasonic motor.
  • the stator 30 of the ultrasonic motor has a configuration in which a piezoelectric element such as a piezoelectric element is attached as a vibration element to the back surface of an annular member.
  • the amplitude measuring apparatus 300 may include the motor controller 31 as a component, but a form not included here will be described.
  • Rotation stage 302 can freely rotate the stage in the XY plane.
  • the rotation stage 302 can set a rotation speed and a rotation angle.
  • the rotation of the rotary stage 302 is controlled by the stage controller 303, and the rotational position can be adjusted on the order of micrometers ( ⁇ m).
  • the stage controller 303 performs rotation control based on a command input from the processing device 110.
  • the stage controller 303 is connected to the processing apparatus 110 via a wired cable such as USB or RS232C, or a wireless transmission path such as WiFi or Bluetooth.
  • the stator 30 of the ultrasonic motor mounted on the rotation stage 302 is an annular member, and the rotation stage 302 is arranged such that the rotation axis parallel to the Z axis of the rotation stage 302 coincides with the center axis of the ring. Mounted on.
  • the vibration frequency of the stator 30 of the ultrasonic motor is several tens of kHz and the amplitude is several ⁇ m or less.
  • a traveling wave that travels counterclockwise in an XY plan view is generated in the stator 30 of the ultrasonic motor.
  • FIG. 19 is a diagram showing the positional relationship among the stator 30 of the ultrasonic motor, the light irradiator 104, and the PSD 106.
  • the stator 30 of the ultrasonic motor is driven by a 50 kHz drive signal, and vibration due to a traveling wave of 50 kHz is generated in the stator 30 of the ultrasonic motor.
  • the size of the element 106A for detecting the position by the PSD 106 is 4 mm ( ⁇ 2 mm from the center) in the direction indicated by ⁇ S in the XZ sectional view. Further, the distance from the surface of the stator 30 of the ultrasonic motor to the PSD 106 is L.
  • FIG. 19 is an enlarged view of a portion where the laser beam 104L is irradiated on the stator 30 of the ultrasonic motor shown in the upper side of FIG.
  • the traveling wave changes from a state indicated by a solid line to a waveform indicated by a one-dot chain line, and further changes to a waveform indicated by a broken line.
  • the inclination change amount of the bending caused by the vibration of the traveling wave of the stator 30 of the ultrasonic motor is ⁇ .
  • the incident angle of the laser light 104L on the stator 30 of the ultrasonic motor changes between the traveling wave indicated by the solid line and the traveling wave indicated by the broken line. .
  • the laser beam 104L irradiated to the traveling wave indicated by the solid line is reflected as the laser beam 104R in the direction indicated by the solid line
  • the laser beam 104L irradiated to the traveling wave indicated by the broken line is reflected as the laser beam 104R in the direction indicated by the broken line.
  • the amplitude of the traveling wave is exaggerated for easy understanding.
  • the division circuit 107A of the output conversion circuit 107 converts the displacement of the position of the incident light in the direction indicated by ⁇ S of the PSD 106 (the amount of change in the position of the incident light) into a voltage value and normalizes it.
  • the division circuit 107A converts the maximum value ⁇ 2 mm of the displacement of the incident light position into a voltage value of ⁇ 10 V and normalizes it. Since the normalized voltage value represents the amplitude of the sine wave, a sine wave is obtained by arranging the voltage values output from the division circuit 107A along the time axis.
  • the RMS-DC converter 107B converts the voltage value output from the division circuit 107A into an effective value Va and outputs it. As shown in FIG. 19, when the traveling wave of the ultrasonic band of the stator 30 of the ultrasonic motor is a waveform indicated by a solid line, the voltage value (the value output by the RMS-DC converter 107B) is irradiated with the laser light 104L ( The effective value Va is maximized.
  • the traveling wave is a waveform indicated by a solid line
  • the reflected light laser beam 104R
  • the optical path LP1 the incident angle of the laser beam 104L with respect to the normal line of the traveling wave wavefront. Because is the maximum.
  • the output voltage value (effective value) Va of the RMS-DC converter 107B becomes maximum even when the laser light 104L is applied when the traveling wave of the stator 30 of the ultrasonic motor has a waveform indicated by a broken line.
  • the traveling wave has a waveform indicated by a broken line and is irradiated at the center of the traveling direction of the traveling wave
  • the reflected light (laser beam 104R) passes through the optical path LP2, and the incident angle of the laser beam 104L with respect to the normal of the traveling wave front Because is the maximum. That is, the incident angle of the laser beam 104L is maximized by entering the opposite side of the center of the element 106A of the PSD 106 with respect to the optical path LP1.
  • the center of the element 106A of the PSD 106 is the intersection of the straight line indicating the distance L and the element 106A of the PSD 106.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating an output of the division circuit 107A of the amplitude measurement apparatus 300 according to the third embodiment.
  • the frequency of the traveling wave generated in the stator 30 of the ultrasonic motor is 50 kHz and the positional change amount ⁇ S of the incident light on the PSD 106 due to the vibration of the traveling wave is ⁇ 1 mm will be described.
  • the voltage value Va that is normalized and output by the divider circuit 107A is a sine wave of ⁇ 5 V and 50 kHz. This is the same as FIG.
  • the voltage value Va becomes + 5V
  • the voltage value Va becomes ⁇ 5V
  • the voltage value (effective value) Va output from the RMS-DC converter 107B is about 3.5V. This is the same as FIG.
  • the positional change amount ⁇ S of incident light of the PSD 106 due to the vibration of the panel 10 is expressed by the equation (1) as in the first embodiment.
  • formula (1) is omitted.
  • FIG. 21 is a flowchart illustrating processing executed by the processing device 110 of the amplitude measurement apparatus 300 according to the third embodiment.
  • the main control unit 111 starts communication with the motor controller 31 when the process is started (start) (step S41).
  • the main control unit 111 starts communication with the stage controller 303 (step S42). As a result, communication between the processing device 110 and the stage controller 303 is established.
  • the main control unit 111 starts communication with the analog input device 108 (step S43). As a result, communication between the processing apparatus 110 and the analog input device 108 is established.
  • the main control unit 111 receives the setting of the stage moving speed (the rotating speed of the rotating stage 302) (step S44).
  • the stage moving speed is represented by an angular speed ⁇ [rad / s].
  • the main control unit 111 sets a value input to the processing device 110 by the user as the stage moving speed.
  • the stage moving speed is, for example, 0.5 [rad / s].
  • the measurement unit 112 starts measurement (step S47).
  • the main control unit 111 sets the count numbers Xcnt and Ycnt in the X-axis direction and the Y-axis direction to 0.
  • the measurement unit 112 starts driving the stator 30 (step S48).
  • a command to start driving is transmitted from the processing device 110 to the motor controller 31, the motor controller 31 outputs a drive signal to the vibration element of the stator 30, and the stator 30 generates a traveling wave in the ultrasonic band.
  • the measuring unit 112 acquires the voltage value Va from the analog input device 108 and records it in the memory 115 (step S49).
  • the voltage value Va is stored in the memory 115 in association with the stage moving speed and the acquisition time at which the measurement is performed.
  • the measurement unit 112 measures the voltage value (effective value) Va continuously for one second.
  • the measuring unit 112 starts the rotational movement of the rotary stage 302 (step S50).
  • the rotary stage 302 is rotated at 0.5 [rad / s] for 2 seconds.
  • the measuring unit 112 acquires the voltage value Va from the analog input device 108 (step S51).
  • the voltage value Va is stored in the memory 115 in association with the stage moving speed and the acquisition time at which the measurement is performed.
  • the measurement unit 112 measures the voltage value (effective value) Va continuously for one second.
  • the measuring unit 112 ends a series of processing (end).
  • FIG. 22 is a diagram showing data in a table format in which the voltage value Va is associated with the stage moving speed and the acquisition time.
  • the acquisition time is an elapsed time since the acquisition of the voltage value Va is started.
  • step S49 of FIG. 22 data representing the voltage value Va and the acquisition time is acquired.
  • the stage moving speed is 0.5 [rad / s].
  • FIG. 23 is a flowchart illustrating processing executed by the processing device 110 of the amplitude measurement apparatus 300 according to the third embodiment.
  • the amplitude calculation unit 114 reads the stage moving speed, the acquisition time, and the voltage value Va recorded in the memory 115 (step S61).
  • the amplitude calculation unit 114 obtains the inclination change amount ⁇ from the voltage value Va acquired when the rotary stage 302 is not rotated (step S62).
  • the inclination change amount ⁇ satisfies the following equation (11).
  • the tilt change amount ⁇ due to the deflection of the stator 30 is sufficiently smaller than the wavelength ⁇ of the traveling wave
  • the tilt change amount ⁇ is expressed by the following equation (12).
  • the amplitude calculator 114 calculates the wavelength ⁇ of the traveling wave from the read stage moving speed, acquisition time, and voltage value Va (step S63).
  • FIG. 24 is a diagram illustrating a method of calculating the traveling wave wavelength ⁇ .
  • the voltage value Va when the stage moving speed ⁇ is 0 [rad / s] is indicated by a solid line
  • the voltage value Va when the stage moving speed ⁇ is 0.5 [rad / s] is indicated by an ash line.
  • the stage moving speed ⁇ is greater than the period T0 when the stage moving speed ⁇ is 0 [rad / s] due to the Doppler effect, as shown in FIG.
  • the period T ⁇ in the case of 0.5 [rad / s] is shortened.
  • the traveling speed U in the traveling direction of the traveling wave of the stator 30 is expressed by the following equation (15) using ⁇ . Is done.
  • the frequency F ⁇ is the frequency F0 changed by the Doppler effect due to the moving speed of the rotary stage 302
  • the relationship between the frequency F0 and F ⁇ is The traveling speed Vp of the traveling wave and the traveling speed U of the stage 30 are expressed by the following equation (16).
  • the traveling wave velocity Vp is expressed by the following equation (17) using the frequency F0 and the wavelength ⁇ .
  • the traveling speed U, the frequency F ⁇ , and the frequency F0 in the traveling direction of the traveling wave of the stator 30 are values that can be calculated from the moving speed, the acquisition time, and the voltage value Va of the rotary stage 302 recorded in the memory 115.
  • the wavelength ⁇ of the traveling wave can be calculated as described above.
  • the amplitude calculation unit 114 obtains the amplitude A of the ultrasonic vibration of the stator 30 from the inclination change amount ⁇ and the wavelength ⁇ of the traveling wave (step S64).
  • the inclination change amount ⁇ used here is the maximum value of the inclination change amount ⁇ . This is because, as shown in the lower diagram of FIG. 19, the largest amplitude A is obtained when the inclination change amount ⁇ is maximized.
  • the inclination change amount ⁇ due to the deflection of the stator 30 is sufficiently smaller than the wavelength ⁇ of the traveling wave
  • the inclination change amount ⁇ is expressed by the following equation (20).
  • the amplitude A can be obtained by the following equation (21).
  • the stator 30 of the third embodiment by obtaining the inclination change amount ⁇ at the center of the amplitude of the stator 30 where the traveling wave of the ultrasonic band is generated and the wavelength ⁇ of the traveling wave, the stator The amplitude A of the traveling wave generated at 30 can be obtained.
  • an amplitude measuring apparatus 300 that can detect the amplitude of minute vibrations and a vibration measuring method in the amplitude measuring apparatus. Further, the amplitude measurement device 300 according to the third embodiment and the vibration measurement method in the amplitude measurement device can detect the amplitude of minute vibrations in the ultrasonic band.
  • the amplitude measurement device 300 according to the third embodiment and the vibration measurement method in the amplitude measurement device can be used for non-defective inspection of the stator 30, for example.
  • the amplitude measuring apparatus 300 has a lower manufacturing cost. It is possible to measure the amplitude of minute vibrations in the ultrasonic band while greatly reducing to 1/10 or less.
  • LDV laser Doppler vibrometer
  • SYMBOLS 10 Panel 20 Panel drive circuit 30 Stator of ultrasonic motor 31 Motor controller 100 Amplitude measuring device 101 Base 102 XY stage 103 Stage controller 104 Light irradiator 105 Irradiation control part 106 PSD DESCRIPTION OF SYMBOLS 107 Output conversion circuit 107A Division circuit 107B RMS-DC converter 108 Analog input device 110 Processing apparatus 111 Main control part 112 Measurement part 113 Change amount calculation part 114 Amplitude calculation part 115 Memory

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Abstract

微小な振動の振幅を検出することができる振幅測定装置、及び、振幅測定装置における振動測定方法を提供する。　振幅測定装置は、振動素子によって所定の周期で振動されて振動波形が生じる振動部材に光を照射する照射部と、前記振動素子によって振動される前記振動部材によって反射される反射光を検出する検出部と、前記検出部によって検出される反射光の変位と、前記振動部材に前記光が照射される位置から前記検出部までの距離とに基づいて、前記振動波形の傾斜の変化量を算出する変化量算出部と、前記変化量算出部によって算出される前記傾斜の変化量の極大値に基づいて、前記振動波形の振幅を算出する振幅算出部とを含む。

Description

振幅測定装置、及び、振幅測定装置における振動測定方法
　本発明は、振幅測定装置、及び、振幅測定装置における振動測定方法に関する。
　従来より、光透過性を有する振動板と、前記振動板の内部に向けて前記振動板の法線に対して一定の傾斜角度で光を照射する発光素子と、前記発光素子から出射され、前記振動板と当該振動板が接する媒質との界面で反射された前記光を受光して、受光量に応じた電気信号を出力する受光素子と、を有することを特徴とする振動検出部品がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１６－０７０８２３号公報
　ところで、従来の振動検出部品は、音響装置としてのスピーカの振動の振幅方向の変位を検出しているので、例えば、マイクロメートルオーダのような微小な振動の振幅を検出することは困難である。
　そこで、微小な振動の振幅を検出することができる振幅測定装置、及び、振幅測定装置における振動測定方法を提供することを目的とする。
　本発明の実施の形態の振幅測定装置は、振動素子によって所定の周期で振動されて振動波形が生じる振動部材に光を照射する照射部と、前記振動素子によって振動される前記振動部材によって反射される反射光を検出する検出部と、前記検出部によって検出される反射光の変位と、前記振動部材に前記光が照射される位置から前記検出部までの距離とに基づいて、前記振動波形の傾斜の変化量を算出する変化量算出部と、前記変化量算出部によって算出される前記傾斜の変化量の極大値に基づいて、前記振動波形の振幅を算出する振幅算出部とを含む。
　微小な振動の振幅を検出することができる振幅測定装置、及び、振幅測定装置における振動測定方法を提供することができる。
実施の形態１の振幅測定装置１００を示す図である。 処理装置１１０の構成を示す図である。 パネル１０に生じる超音波帯の定在波を示す図である。 パネル１０、光照射器１０４、及びＰＳＤ１０６の位置関係を示す図である。 除算回路１０７Ａの出力を示す図である。 ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂの出力を示す図である。 処理装置１１０が実行する処理を示すフローチャートである。 電圧値ＶａとＸ座標及びＹ座標とを関連付けたテーブル形式のデータを示す図である。 電圧値Ｖａからパネル１０の傾斜変化量を算出する方法を説明する図である。 傾斜変化量Δθにフィッティングする近似曲線を示す図である。 振幅算出部１１４が実行する処理を示すフローチャートである。 実施の形態１の変形例の振幅測定装置１００Ａを示す図である。 実施の形態２の振幅測定装置２００を示す図である。 画像センサ２０６によって取得される画像の一例を示す図である。 画像ファイル名とＸ座標及びＹ座標とを関連付けたテーブル形式のデータを示す図である。 直線状の輝度分布２０６Ａからパネル１０の傾斜変化量Δθを算出する方法を説明する図である。 実施の形態２の振幅測定装置２００の処理装置１１０の振幅算出部１１４が実行する処理を示すフローチャートである。 実施の形態３の振幅測定装置３００を示す図である。 超音波モータのステータ３０、光照射器１０４、及びＰＳＤ１０６の位置関係を示す図である。 実施の形態３の振幅測定装置３００の除算回路１０７Ａの出力を示す図である。 実施の形態３の振幅測定装置３００の処理装置１１０が実行する処理を示すフローチャートである。 電圧値Ｖａとステージ移動速度及び取得時間とを関連付けたテーブル形式のデータを示す図である。 実施の形態３の振幅測定装置３００の処理装置１１０が実行する処理を示すフローチャートである。 進行波の波長λの算出方法を示す図である。
　以下、本発明の振幅測定装置、及び、振幅測定装置における振動測定方法を適用した実施の形態について説明する。
　＜実施の形態１＞
　図１は、実施の形態１の振幅測定装置１００を示す図である。以下では、図示するようにＸＹＺ座標系を定義する。
　振幅測定装置１００は、基台１０１、ＸＹステージ１０２、ステージコントローラ１０３、光照射器１０４、照射制御部１０５、ＰＳＤ(Position Sensitive Detector：光位置センサ)１０６、出力変換回路１０７、アナログ入力デバイス１０８、及び処理装置１１０を含む。
　また、振幅測定装置１００は、パネル駆動回路２０に接続される。パネル駆動回路２０は、超音波帯の定在波をパネル１０に発生させる駆動信号で振動素子を駆動する。振幅測定装置１００は、パネル駆動回路２０を構成要素として含んでもよいが、ここでは含まない形態について説明する。以下では、図１に加えて図２を用いて説明する。図２は、処理装置１１０の構成を示す図である。
　基台１０１は、振幅測定装置１００の各構成要素を設置する台である。基台１０１は、ＸＹ平面に平行に設置される板状の部材であり、Ｚ軸方向の厚さを有する。基台１０１は、金属製又は樹脂製である。
　ＸＹステージ１０２は、基台１０１の上（Ｚ軸正方向側）に設置され、ステージコントローラ１０３によって駆動制御が行われ、２軸方向に移動可能なステージである。ＸＹステージ１０２の上には、パネル１０が搭載される。ＸＹステージ１０２は、パネル１０をＸ軸方向及びＹ軸方向に、マイクロメートル（μｍ）オーダで移動する。
　なお、パネル１０はＸＹ平面視で矩形状であり、２組の対辺がＸ軸及びＹ軸にそれぞれ沿うようにＸＹステージ１０２によって保持される。パネル１０は、パネル１０の下面に貼り付けられる振動素子がパネル駆動回路２０によって振動されることにより、Ｘ軸方向に沿って振幅が変位する超音波帯の定在波が生じる。定在波の腹と節は、Ｘ軸方向に配列される。
　ステージコントローラ１０３は、処理装置１１０から入力される指令に基づいて、ＸＹステージ１０２の駆動制御を行う。ステージコントローラ１０３は、ＸＹステージ１０２に組み込まれていてもよい。ステージコントローラ１０３は、ＵＳＢ(Universal Serial Bus)若しくはＲＳ(Recommended Standard)２３２Ｃ等の有線ケーブル、又は、Ｗｉｆｉ若しくはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線の伝送路によって処理装置１１０に接続される。
　光照射器１０４は、基台１０１の上面に固定されるステー１０４Ａの上端１０４Ｂによって保持されている。光照射器１０４は、照射部の一例であり、例えば、半導体レーザ（LD: Laser Diode）であり、パネル１０の上面にレーザ光１０４Ｌを照射する。ただし、Ｈｅ－Ｎｅレーザなどの半導体以外のレーザ、又は、スポットを絞ったＬＥＤ(Light Emitting Diode)等を使用してもよい。光照射器１０４は、上端１０４Ｂに取り付けられている。パネル１０に照射するレーザ光１０４Ｌの照射角は、予め設定されている。
　なお、パネル１０の上面と下面での光の反射による干渉を防止するため、パネル１０の照射位置におけるレーザ光１０４Ｌのスポット径は、パネル１０の厚さ以下であることが望ましい。レーザ光１０４Ｌの波長は、パネル１０のような透明材質製の部材に対して反射しやすい波長の短い光、例えば可視光のうちの波長が７８０ｎｍ以下の光であることが望ましいが、その限りではない。また、複数の波長を複合した、例えば白色光であってもよい。
　照射制御部１０５は、処理装置１１０から入力される指令に基づいて、光照射器１０４のオン／オフの制御を行う。照射制御部１０５は、光照射器１０４に組み込まれていてもよい。照射制御部１０５は、ＵＳＢ若しくはＲＳ２３２Ｃ等の有線ケーブル、又は、Ｗｉｆｉ若しくはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ等の無線の伝送路によって処理装置１１０に接続される。
　ＰＳＤ１０６は、基台１０１の上面に固定されるステー１０６Ｂの上端１０６Ｃによって保持されている。ＰＳＤ１０６には、光照射器１０４から照射され、パネル１０によって反射されたレーザ光１０４Ｒが入射する。ＰＳＤ１０６は、入射光を光電変換し、入射光の位置を表す位置信号を出力する。ＰＳＤ１０６は、検出部の一例である。
　ＰＳＤ１０６は、上端１０６Ｃに取り付けられている。ＰＳＤ１０６の入射光に対する角度は予め設定されている。ＰＳＤ１０６は、一次元位置検出を行うＰＳＤでよいが、二次元の位置検出を行うＰＳＤであってもよい。
　出力変換回路１０７は、除算回路１０７Ａ及びＲＭＳ(Root Mean Square)－ＤＣ(Direct Current)コンバータ１０７Ｂを有する。除算回路１０７Ａは、ＰＳＤ１０６から入力される位置信号を正規化する処理を行う。より具体的には、除算回路１０７Ａは、パネル１０の振動に伴って周期的に変化する位置信号の一周期分以上の区間を用いて、実効値に変換する処理を行う。また、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Bは、正規化された位置信号を実効値に変換する処理を行う。なお、出力変換回路１０７は、ＰＳＤ１０６に組み込まれていてもよい。
　アナログ入力デバイス１０８は、出力変換回路１０７と処理装置１１０との間に接続され、出力変換回路１０７から出力される電圧値を計測し、計測した電圧値を表す信号を処理装置１１０に伝送する。アナログ入力デバイス１０８は、ＵＳＢ若しくはＲＳ２３２Ｃ等の有線ケーブル、又は、Ｗｉｆｉ若しくはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ等の無線の伝送路によって処理装置１１０に接続される。なお、アナログ入力デバイス１０８は、出力変換回路１０７とともに、ＰＳＤ１０６に組み込まれていてもよい。
　処理装置１１０は、図２に示すように、主制御部１１１、計測部１１２、変化量算出部１１３、振幅算出部１１４、メモリ１１５を有する。処理装置１１０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、及び内部バス等を含むコンピュータによって実現される。
　主制御部１１１は、処理装置１１０を統括する制御部であり、計測部１１２、変化量算出部１１３、振幅算出部１１４が行う処理以外の処理を行う。
　計測部１１２は、アナログ入力デバイス１０８によって計測される電圧値（実効値）を計測（取得）する。電圧値（実効値）のい取得方法については、図７を用いて後述する。
　変化量算出部１１３は、パネル１０の振動によって生じる撓みの傾斜変化量Δθを算出する。傾斜変化量Δθの算出方法については、図９を用いて後述する。
　振幅算出部１１４は、傾斜変化量Δθと、定在波の波長λとに基づいて定在波の振幅Ａを算出する。振幅Ａの算出方法については、図９及び図１０を用いて後述する。
　メモリ１１５は、処理装置１１０のＲＡＭ及び／又はＲＯＭをメモリ１１５として表したものである。
　処理装置１１０は、ＵＳＢ若しくはＲＳ２３２Ｃ等の有線ケーブル、又は、Ｗｉｆｉ若しくはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ等の無線の伝送路によって、パネル駆動回路２０、ステージコントローラ１０３、照射制御部１０５、及びアナログ入力デバイス１０８に接続される。
　処理装置１１０は、パネル駆動回路２０に駆動信号を伝送する。駆動信号は、パネル１１の裏面に貼り付けられた振動素子を駆動する信号である。処理装置１１０は、ＸＹステージ１０２の移動量を表す指令をステージコントローラ１０３に伝送する。処理装置１１０は、光照射器１０４のオン／オフを切り替える指令を照射制御部１０５に伝送する。処理装置１１０には、アナログ入力デバイス１０８によって計測された電圧値を表す信号が入力される。
　図３は、パネル１０に生じる超音波帯の定在波を示す図である。図３の下側には、パネル１０の一部（破線で囲む部分）を拡大して示す。
　図３に示すように、パネル１０の裏面（Ｚ軸負方向側の面）のＸ軸方向における端部には、２つの振動素子１１が貼り付けられている。振動素子１１は、ＸＹ平面視でＹ軸方向に細長く、パネル１０のＹ軸正方向側の端部から負方向側の端部まで伸延している。
　パネル１０は、例えば、スマートフォン端末機又はタブレットコンピュータ等のような電子機器のトップパネルに用いられる。トップパネルには、タッチパネルが設けられ、電子機器の操作入力を行う部分になる。また、振動素子１１は、例えば、圧電素子（PZT）である。
　パネル１０のヤング率及び重量等は、振動素子１１を超音波帯の駆動信号で駆動すると、パネル１０がパネル１０の超音波帯の固有振動周波数で振動するように設定されている。すなわち、振動素子１１を超音波帯の駆動信号で駆動すると、パネル１０には定在波が発生する。また、トップパネル１２０に超音波帯の振動を生じさせると、トップパネル１２０の表面と指との間にスクイーズ効果による空気層が介在し、指ＦＴでトップパネル１２０の表面をなぞったときの動摩擦係数が低下する。
　図３の下側の拡大図には、定在波の振幅が最大になる時点での波形を実線で示し、実線で示す時点とは位相が１８０度異なる時点での波形を破線で示す。拡大図には、５つの節と４つの腹を示す。
　図４は、パネル１０、光照射器１０４、及びＰＳＤ１０６の位置関係を示す図である。ここで、一例として、パネル１０を５０ｋＨｚの駆動信号で駆動し、パネル１０には５０ｋＨｚの定在波による振動が発生することとする。ＰＳＤ１０６が位置を検出する素子１０６Ａのサイズは、ＸＺ断面視でΔＳで示す方向に４ｍｍ（中心から±２ｍｍ）である。
　図４の下側には、図４の上側に示すパネル１０にレーザ光１０４Ｌが照射されている部分を拡大して示す。パネル１０の超音波帯の定在波の節の部分にレーザ光１０４Ｌを照射すると、実線で示す定在波と、破線で示す定在波とで、レーザ光１０４Ｌのパネル１０への入射角が変わる。
　実線で示す定在波に照射されたレーザ光１０４Ｌは、実線で示す方向にレーザ光１０４Ｒとして反射し、破線で示す定在波に照射されたレーザ光１０４Ｌは、破線で示す方向にレーザ光１０４Ｒとして反射する。なお、図４の下側の拡大図では、理解し易くするために定在波の振幅を誇張して示す。
　出力変換回路１０７の除算回路１０７Ａは、ＰＳＤ１０６のΔＳで示す方向の入射光の位置の変位（入射光の位置変化量）を電圧値に変換して正規化する。一例として、除算回路１０７Ａは、入射光の位置の変位の最大値±２ｍｍを±１０Ｖの電圧値に変換して正規化する。正規化された電圧値は、正弦波の振幅を表すため、除算回路１０７Ａが出力する電圧値を時間軸に沿って並べると、正弦波が得られる。
　また、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂは、除算回路１０７Ａが出力する電圧値を実効値に変換して出力する。図４に示すように、パネル１０の超音波帯の定在波の節の部分にレーザ光１０４Ｌを照射している状態で、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂが出力する電圧値（実効値）は最大になる。
　また、パネル１０の定在波の腹は、節に比べると角度の変化が少ないため、腹にレーザ光１０４Ｌを照射している状態では、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂの出力電圧値（実効値）は最小になる。腹と節の間では、節に近いほど、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂの出力電圧値（実効値）は大きくなる。
　実際には、定在波の節がどこにあるかは分からないため、振幅測定装置１００は、ＸＹステージ１０２でパネル１０をＸＹ平面内で移動させて、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂの出力電圧値（実効値）が最大になる点を求める。
　図５は、除算回路１０７Ａの出力を示す図である。図６は、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂの出力を示す図である。ここでは、一例として、パネル１０の定在波の周波数が５０ｋＨｚで、かつ、定在波の振動によるＰＳＤ１０６への入射光の位置変化量ΔＳが±１ｍｍの場合について説明する。
　図５に示すように、除算回路１０７Ａが正規化して出力する電圧値は、±５Ｖで５０ｋＨｚの正弦波になる。また、図６に示すように、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂが出力する電圧値（実効値）は、約３．５Ｖとなる。
　ここで、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂが出力する電圧値（実効値）をＶａとすると、パネル１０の振動に伴うＰＳＤ１０６の入射光の位置変化量ΔＳは、次式（１）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　Ｃは、除算回路１０７Ａの感度を表す係数であり、ここでは０．２ｍｍ／Ｖである。感度Ｃは、±２ｍｍを±１０Ｖの電圧値に変換する際の変換係数の逆数として求められる。
　図７は、処理装置１１０が実行する処理を示すフローチャートである。
　主制御部１１１は、処理を開始すると（スタート）、パネル駆動回路２０との通信を開始する（ステップＳ１）。
　主制御部１１１は、ステージコントローラ１０３との通信を開始する（ステップＳ２）。これにより、処理装置１１０とステージコントローラ１０３の通信が確立する。
　主制御部１１１は、アナログ入力デバイス１０８との通信開始する（ステップＳ３）。これにより、処理装置１１０とアナログ入力デバイス１０８の通信が確立する。
　主制御部１１１は、ＸＹステージ１０２を原点に復帰させる指令をステージコントローラ１０３に伝送する（ステップＳ４）。これにより、ＸＹステージ１０２は、ステージコントローラ１０３によって、（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）の原点に移動される。
　主制御部１１１は、計測開始位置へＸＹステージ１０２を移動させる（ステップＳ５）。計測開始位置は、パネル１０にレーザ光１０４Ｌが照射される位置であればどこでもよいが、例えば、パネル１０の中央付近になるように、パネル１０のサイズに応じて、計測開始位置の座標値を予め決めておけばよい。
　主制御部１１１は、ステージ移動ピッチの設定を受け付ける（ステップＳ６）。ステージ移動ピッチは、ｓｔｅｐ［ｍｍ］で表され、ここでは一例として、Ｘ軸方向及びＹ軸方向で共通の値である。主制御部１１１は、利用者によって処理装置１１０に入力される値をステージ移動ピッチとして設定する。ステージ移動ピッチは、例えば、１ｍｍである。
　主制御部１１１は、ＸＹステージ１０２の移動回数の設定を受け付ける（ステップＳ７）。Ｘ軸方向への移動回数はＸｎｕｍであり、Ｙ軸方向への移動回数はＹｎｕｍである。移動回数Ｘｎｕｍ、Ｙｎｕｍは、パネル１０のＸ軸方向及びＹ軸方向の長さと、ステージ移動ピッチとに応じて、パネル１０のＸ軸方向及びＹ軸方向の全体をカバーできるように設定すればよい。
　ここで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向ともに、１回目はＸＹステージ１０２を移動させないこととする。このため、例えば、ステージ移動ピッチが１ｍｍであり、Ｘｎｕｍ＝２１、Ｙｎｕｍ＝２１である場合には、Ｘ軸方向には１ｍｍ×（２１－１）＝２０ｍｍ移動され、Ｙ軸方向には１ｍｍ×（２１－１）＝２０ｍｍ移動されることになる。
　このように、Ｘ軸方向に移動する距離は、パネル１０の定在波の１ピッチ（１周期のＸ軸方向の長さ）の設定値よりも長くしておくことが望ましい。ＸＹステージ１０２を１ピッチ以上移動させれば、どこかで節又は節の近傍で反射されたレーザ光１０４Ｒによる電圧値（実効値）が得られるからである。
　計測部１１２は、計測を開始する（ステップＳ８）。主制御部１１１は、計測を開始する際に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向におけるカウント数Ｘｃｎｔ、Ｙｃｎｔを０に設定する。これにより、Ｘｃｎｔ＝Ｙｃｎｔ＝０となる。
　計測部１１２は、Ｘ軸方向のカウント数ＸｃｎｔがＸ軸方向の移動回数Ｘｎｕｍ以上であるかどうかを判定する（ステップＳ９）。
　計測部１１２は、カウント数Ｘｃｎｔが移動回数Ｘｎｕｍ以上ではない（Ｓ９：ＮＯ）と判定すると、Ｘ軸方向に移動ピッチｓｔｅｐ［ｍｍ］だけＸＹステージ１０２を移動させる（ステップＳ１０）。
　計測部１１２は、カウント数Ｘｃｎｔを＋１にする（ステップＳ１１）。
　計測部１１２は、パネル駆動回路２０と通信し、振動素子１１を駆動させてパネル１０を振動させる（ステップＳ１２）。
　計測部１１２は、アナログ入力デバイス１０８から電圧値Ｖａを取得する（ステップＳ１３）。電圧値Ｖａは、計測が行われたＸ座標及びＹ座標と関連付けてメモリ１１５に格納される。計測部１１２は、ステップＳ１３の処理を終えると、フローをステップＳ９にリターンする。
　この結果、ステップＳ９において、カウント数Ｘｃｎｔが移動回数Ｘｎｕｍ以上である（Ｓ９：ＹＥＳ）と判定するまで、ステップＳ１０～Ｓ１３の処理が繰り返し行われる。そして、パネル１０の定在波の１ピッチ分の電圧値Ｖａが得られる。例えば、図８に示すように、１ピッチ分の電圧値ＶａがＸ座標及びＹ座標と関連付けられたテーブル形式のデータとして得られる。図８は、電圧値ＶａとＸ座標及びＹ座標とを関連付けたテーブル形式のデータを示す図である。
　計測部１１２は、カウント数Ｘｃｎｔが移動回数Ｘｎｕｍ以上である（Ｓ９：ＹＥＳ）と判定すると、カウント数Ｘｃｎｔを０にリセットする（ステップＳ１４）。これにより、Ｙ座標を固定したＸ軸方向に沿った１行分の電圧値Ｖａの計測が終了したことになる。
　計測部１１２は、計測開始時のＸ位置へ移動する（ステップＳ１５）。
　計測部１１２は、Ｙ軸方向のカウント数ＹｃｎｔがＹ軸方向の移動回数Ｙｎｕｍ以上であるかどうかを判定する（ステップＳ１６）。
　計測部１１２は、Ｙ軸方向のカウント数ＹｃｎｔがＹ軸方向の移動回数Ｙｎｕｍ以上ではない（Ｓ１６：ＮＯ）と判定すると、Ｙ軸方向に移動ピッチｓｔｅｐ［ｍｍ］だけＸＹステージ１０２を移動させる（ステップＳ１７）。計測部１１２は、ステップＳ１７の処理を終えるとフローをステップＳ９にリターンする。この結果、ステップＳ１０～Ｓ１６の処理が繰り返し実行される。
　計測部１１２は、Ｙ軸方向のカウント数ＹｃｎｔがＹ軸方向の移動回数Ｙｎｕｍ以上である（Ｓ１６：ＹＥＳ）と判定すると、一連の処理を終了する（エンド）。
　図９は、電圧値Ｖａからパネル１０の傾斜変化量を算出する方法を説明する図である。図９において、パネル１０で反射されるレーザ光１０４Ｒの光路におけるパネル１０の表面からＰＳＤ１０６の素子１０６Ａの表面までの距離をＬ（ｍｍ）とする。なお、距離Ｌを示す直線とＰＳＤ１０６の素子１０６Ａとの交点は、ＰＳＤ１０６の素子１０６Ａの中心である。
　また、パネル１０の振動によって生じる撓みの傾斜変化量Δθは、腹の振幅がＺ軸正方向側になるときのパネル１０と、腹の振幅がＺ軸負方向側になるときのパネル１０とがなす角度である。なお、定在波の振幅をＡと表す。
　距離Ｌ、及び、ＰＳＤ１０６で検出される入射光の位置変化量ΔＳを用いると、傾斜変化量Δθは次式（２）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　傾斜変化量Δθが定在波の波長に比べて十分に小さいと仮定すると、傾斜変化量Δθは、近似的に次式（３）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　このような傾斜変化量Δθをすべての電圧値Ｖａ（図８参照）に対して行い、Ｘ軸方向における極大値を求める。
　図１０は、傾斜変化量Δθにフィッティングする近似曲線を示す図である。電圧値Ｖａの極大値は、次のように求める。例えば、最小二乗法により傾斜変化量Δθに三角関数をフィッティングすることで、傾斜変化量Δθにフィッティングする近似曲線を求める。そして、近似曲線の最大値を傾斜変化量Δθの極大値として求める。
　例えば、図８に示す電圧値ＶａとＸ座標及びＹ座標とが関連付けられたテーブル形式のデータから、最初の１０点のデータを用いる。最初の１０点のデータは、Ｙ軸方向の移動量をＹ＝０ｍｍに固定して、Ｘ軸方向に移動させて得た電圧値Ｖａである。
　感度Ｃを０．２ｍｍ／Ｖ、距離Ｌを１００ｍｍとすると、式（３）から傾斜変化量Δθが求まり、傾斜変化量Δθと三角関数の近似曲線は図１０のようになる。図１０に示す近似曲線から、傾斜変化量Δθの極大値は約０．０００２８ｒａｄであり、極大値の位置はＸ＝１ｍｍ及び６ｍｍとなる。従って、（Ｘ，Ｙ）＝（１，０）と（Ｘ，Ｙ）＝（６，０）に節が存在すると考えられる。
　隣り合う節と節の間の距離から、パネル１０に生じる定在波の波長λを導出することができる。節間の距離Ｘ１はλ／２となるため、次式（４）が成り立つ。なお、図９には、隣合う腹と腹の距離（腹間の距離）Ｘ１を示す。腹間の距離Ｘ１は、節間の距離Ｘ１と等しく、λ／２である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　上述のように（Ｘ，Ｙ）＝（１，０）と（Ｘ，Ｙ）＝（６，０）に節が存在する場合には、節間の距離Ｘ１は５ｍｍ、波長λは１０ｍｍとなる。このような節の位置は、近似曲線から読み取ればよい。
　そして、傾斜変化量Δθの極大値と、式（４）で導出した波長λとを用いて、パネル１０の定在波の振幅Ａ（図９参照）を求める。振幅Ａ、傾斜変化量Δθ、波長λの関係は次式（５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　パネル１０の撓みによる傾斜変化量Δθが波長λに比べて十分に小さいと仮定すると、近似的に次式（６）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　従って、振幅Aは、次式（７）で求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　以上により、パネル１０の振動面の所定のエリアにおける傾斜変化量Δθの計測と、節の位置の探索とを行うことができ、定在波の振幅Ａを求めることができる。
　なお、ここでは、Ｘ軸方向において１ｍｍ間隔で測定した傾斜変化量Δθの極大値を与えるＸＹ座標に節が存在することとして振幅Ａを求める場合について説明した。１ｍｍ間隔で測定しているため、実際の節の位置とは１ｍｍ未満の誤差が含まれる可能性がある。しかしながら、誤差が含まれていても、Ｘ軸方向における１ｍｍ未満の範囲内に極大値が存在することは明らかである。
　このため、パネル１０の大きさ、及び、設計上の定在波の節間の距離Ｘ１等に応じて、測定する間隔を設定すれば、振幅Ａの精度を設定することができる。また、パネル１０の設計上の節の位置を用いて、設計上の節がある位置で傾斜変化量Δθを測定するようにすれば、振幅Ａの精度をさらに改善することができる。
　図１１は、変化量算出部１１３及び振幅算出部１１４が実行する処理を示すフローチャートである。
　変化量算出部１１３は、計測部１１２が計測した電圧値ＶａとＸ座標及びＹ座標とを関連付けたテーブル形式のデータ（図８参照）を読み出す（ステップＳ２１）。
　変化量算出部１１３は、距離Ｌと位置変化量ΔＳを用いて式（３）から傾斜変化量Δθを求める（ステップＳ２２）。
　振幅算出部１１４は、傾斜変化量Δθの極大値を求め、節の位置を求める（ステップＳ２３）。例えば、図１０に示すような近似曲線が求まっている場合には、（Ｘ，Ｙ）＝（１，０）と（Ｘ，Ｙ）＝（６，０）を節の位置として求める。
　振幅算出部１１４は、隣り合う節と節の間の距離（節間の距離Ｘ１）を用いて式（４）からパネル１０に生じる定在波の波長λを導出する（ステップＳ２４）。
　振幅算出部１１４は、波長λと傾斜変化量Δθを用いて式（７）から振幅Aを求める（ステップＳ２５）。
　振幅算出部１１４は、一連の処理を終了する（エンド）。
　以上のように、実施の形態１の振幅測定装置１００によれば、超音波帯の定在波が生じるパネル１０の節における傾斜変化量Δθと定在波の波長λとを求めることにより、パネル１０に生じる定在波の振幅Ａを求めることができる。
　従って、実施の形態１によれば、微小な振動の振幅を検出することができる振幅測定装置１００、及び、振幅測定装置における振動測定方法を提供することができる。また、実施の形態１の振幅測定装置１００、及び、振幅測定装置における振動測定方法は、超音波帯の微小な振動の振幅を検出することができる。
　実施の形態１の振幅測定装置１００、及び、振幅測定装置における振動測定方法は、例えば、パネル１０の良品検査に用いることができる。パネル１０は、振動素子１１によって超音波帯の固有振動が生じるように駆動される。この固有振動は、パネル１０の固有振動である。従って、例えば、スマートフォン端末機又はタブレットコンピュータ等のような電子機器にパネル１０を装着する前に、実施の形態１の振幅測定装置１００、及び、振幅測定装置における振動測定方法によって振幅を測定すれば、良品であるかどうかの判定を容易に行うことができる。
　また、従来は、高速で（周波数が高く）、マイクロメートルオーダのような微小な振動を測定するには、レーザドップラ振動計（ＬＤＶ:Laser Doppler Vibrometry）があるが、例えば、数千万円クラスと非常に高価である。
　これに対して、実施の形態１の振幅測定装置１００は、製造コストを１／１０以下に大幅に低減しつつ、超音波帯の微小な振動の振幅を測定することができる。
　なお、以上では、光照射器１０４とＰＳＤ１０６が独立しており、パネル１０の反射光（レーザ光１０４Ｒ）をＰＳＤ１０６で直接的に受光する形態について説明したが、図１２に示す振幅測定装置１００Ａのような構成にしてもよい。
　図１２は、実施の形態１の変形例の振幅測定装置１００Ａを示す図である。ここでは、図４に示す振幅測定装置１００との相違点についてのみ説明する。
　振幅測定装置１００Ａでは、光照射器１０４とＰＳＤ１０６が筐体１０９Ａの中に収納されて１ユニットになっている。筐体１０９Ａには孔部１０９Ａ１が設けられている。また、筐体１０９Ａの内部には、光照射器１０４とＰＳＤ１０６に加えてハーフミラー１０９Ｂが設けられている。
　光照射器１０４から照射されたレーザ光１０４Ｌは、ハーフミラー１０９Ｂを透過して孔部１０９Ａ１を通ってパネル１０に照射され、反射光（レーザ光１０４Ｒ）は孔部１０９Ａ１を通ってハーフミラー１０９ＢでＰＳＤ１０６に向かって全反射され、ＰＳＤ１０６によって受光される。
　ここで、パネル１０からハーフミラー１０９Ｂまでの距離をＬ１、ハーフミラー１０９ＢからＰＳＤ１０６の素子１０６Ａまでの距離をＬ２とすると、パネル１０にレーザ光１０４Ｌを照射する位置から、ＰＳＤ１０６までの距離Ｌは、Ｌ１＋Ｌ２となる。このような振幅測定装置１００Ａを用いてもよい。なお、筐体１０９Ａは、基台１０１に固定すればよい。また、筐体１０９Ａは、光照射器１０４とＰＳＤ１０６を１ユニットにするために一例として用いているものに過ぎない。このため、筐体１０９Ａ以外の部材を用いて光照射器１０４とＰＳＤ１０６を１ユニットにしてもよい。
　＜実施の形態２＞
　図１３は、実施の形態２の振幅測定装置２００を示す図である。振幅測定装置２００は、実施の形態１の振幅測定装置１００のＰＳＤ１０６の代わりに画像センサ２０６を含む。このような違いにより、振幅測定装置２００は、実施の形態１の振幅測定装置１００の出力変換回路１０７を含まず、アナログ入力デバイス１０８の代わりに画像入力デバイス２０８を含む。その他の構成は、実施の形態１の振幅測定装置１００と同様であり、同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
　画像センサ２０６は、モノクロのＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラ又はＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)カメラである。また、カラー画像を撮像するカメラ又は赤外線カメラを用いてもよい。画像センサ２０６が撮影する際の露光時間は、パネル１０の定在波の１又は複数の周期の期間であることが望ましい。なお、パネル１０で反射される反射光（レーザ光１０４Ｒ）の光路におけるパネル１０の表面から画像センサ２０６までの距離をＬ（ｍｍ）とする。
　画像入力デバイス２０８は、処理装置１１０と接続され、画像センサ２０６から取得した画像を処理装置１１０に伝送する。画像入力デバイス２０８は、画像センサ２０６と処理装置１１０との間のインターフェイスになるデバイスである。
　画像入力デバイス２０８は、ＵＳＢ若しくはＲＳ２３２Ｃ等の有線ケーブル、又は、Ｗｉｆｉ若しくはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ等の無線の伝送路によって処理装置１１０に接続される。なお、画像入力デバイス２０８は、画像センサ２０６に組み込まれていてもよい。
　図１４は、画像センサ２０６によって取得される画像の一例を示す図である。図１４には、画像の中に投影されるＸ軸及びＹ軸の方向を示す。図１４に示すように、画像センサ２０６によって取得される画像は、位置変化量ΔＳ（図４参照）に比例した長さを有する直線状の輝度分布２０６Ａになる。なお、直線状の輝度分布２０６Ａの長さが位置変化量ΔＳに比例した長さであるとしているのは、輝度分布２０６Ａは画像として表されているため、画像の大きさ、及び、ピクセルのサイズによって、実際の位置変化量ΔＳとは異なる可能性があるからである。
　このような振幅測定装置２００の処理装置１１０が実行する処理は、図７に示すフローチャートと同様であるが、ステップＳ１３の処理が異なる。
　ステップＳ１３において、振幅測定装置２００の処理装置１１０の計測部１１２は、画像センサ２０６に画像を撮影する指令を伝送し、画像入力デバイス２０８から得られる画像データをメモリ１１５に記録する（ステップＳ１３）。画像データは、実施の形態１の電圧値Ｖａと同様に、撮影が行われたＸ座標及びＹ座標と関連付けてメモリ１１５に格納される。計測部１１２は、ステップＳ１３の処理を終えると、フローをステップＳ９にリターンする。なお、露光時間は、パネル１０に発生する定在波の１周期の期間以上の時間である。
　この結果、ステップＳ９において、カウント数Ｘｃｎｔが移動回数Ｘｎｕｍ以上である（Ｓ９：ＹＥＳ）と判定するまで、ステップＳ１０～Ｓ１３の処理が繰り返し行われる。そして、パネル１０の定在波の１周期分以上の露光時間で得られる画像データが得られる。
　例えば、図１５に示すように、画像データの画像ファイル名がＸ座標及びＹ座標と関連付けられたテーブル形式のデータとして得られる。図１５は、画像ファイル名とＸ座標及びＹ座標とを関連付けたテーブル形式のデータを示す図である。
　図１６は、直線状の輝度分布２０６Ａからパネル１０の傾斜変化量Δθを算出する方法を説明する図である。図１６には、図１４と同様に、画像の中に投影されるＸ軸及びＹ軸の方向を示す。
　まず、図１６の左に示すように、元画像である直線状の輝度分布２０６Ａを含む画像を準備する。次に、図１６の中央に示すように、直線状の輝度分布２０６Ａを含む画像に対して２値化処理を行い、輝度分布２０６Ａ１を得る。２値化処理は、一例として、反射光（レーザ光１０４Ｒ）が十分に強く、８ｂｉｔのモノクロカメラを使用した場合には、半値となる１２８を閾値とすればよい。
　次に、画像入力デバイス２０８への入射光の位置変化量ΔＳを求める。画像入力デバイス２０８への入射光の位置変化量ΔＳは、図４に示すＰＳＤ１０６への入射光の位置変化量ΔＳと同様である。
　次に、図１６の右に示すように、２値化した輝度分布２０６Ａ１のエッジを抽出する。エッジ抽出は、例えば、微分処理によって行えばよい。エッジ画像のＹ方向の最大値と最小値の差から輝度分布２０６Ａ１の長さＳＹを求め、長さＳＹにピクセルサイズ（μｍ／ｐｉｘｅｌ）を乗算することで、画像入力デバイス２０８への入射光の位置変化量ΔＳを求めることができる。例えば、ピクセルサイズを２０μｍ／ｐｉｘｅｌとすると、画像入力デバイス２０８への入射光の位置変化量ΔＳは、次式（８）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　位置変化量ΔＳと距離Ｌを用いると、傾斜変化量Δθは、次式（９）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　パネル１０の撓みによる傾斜変化量Δθが、定在波の波長λに比べて十分に小さいと仮定すると、傾斜変化量Δθは次式（１０）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　このようにして傾斜変化量Δθが求まった後は、実施の形態１の図１０で説明した方法と同様にして、近似曲線をフィッティングし、傾斜変化量Δθの極大値を求め、節の位置を求めればよい。
　図１７は、実施の形態２の振幅測定装置２００の処理装置１１０の振幅算出部１１４が実行する処理を示すフローチャートである。
　振幅算出部１１４は、計測部１１２が計測した画像データとＸ座標及びＹ座標とを関連付けたテーブル形式のデータ（図１５参照）を読み出す（ステップＳ３１）。
　振幅算出部１１４は、距離Ｌと位置変化量ΔＳを用いて式（９）から傾斜変化量Δθを求める（ステップＳ３２）。
　振幅算出部１１４は、傾斜変化量Δθの極大値を求め、節の位置を求める（ステップＳ３３）。
　振幅算出部１１４は、隣り合う節と節の間の距離（節間の距離Ｘ１）を用いて式（４）からパネル１０に生じる定在波の波長λを導出する（ステップＳ３４）。
　振幅算出部１１４は、波長λと傾斜変化量Δθを用いて式（７）から振幅Ａを求める（ステップＳ２５）。
　以上のように、実施の形態２の振幅測定装置２００によれば、超音波帯の定在波が生じるパネル１０の節における傾斜変化量Δθと定在波の波長λとを求めることにより、パネル１０に生じる定在波の振幅Ａを求めることができる。
　従って、実施の形態２によれば、微小な振動の振幅を検出することができる振幅測定装置１００、及び、振幅測定装置における振動測定方法を提供することができる。
　＜実施の形態３＞
　図１８は、実施の形態３の振幅測定装置３００を示す図である。以下では、図示するようにＸＹＺ座標系を定義する。振幅測定装置３００は、実施の形態１の振幅測定装置１００のＸＹステージ１０２及びステージコントローラ１０３の代わりに、回転ステージ３０２及びステージコントローラ３０３を含む。回転ステージ３０２には、超音波モータのステータ３０が搭載される。
　振幅測定装置３００は、モータコントローラ３１に接続される。モータコントローラ３１は、実施の形態１のパネル駆動回路２０の代わりに設けられている。モータコントローラ３１は、超音波帯の進行波を超音波モータのステータ３０に発生させる駆動信号でステータ３０を駆動する。超音波モータのステータ３０は、円環状の部材の裏面に、ピエゾ素子等の圧電素子を振動素子として取り付けた構成を有する。振幅測定装置３００は、モータコントローラ３１を構成要素として含んでもよいが、ここでは含まない形態について説明する。
　回転ステージ３０２は、ＸＹ平面内でステージを自在に回転させることができる。回転ステージ３０２は、回転速度及び回転角度を設定することができる。回転ステージ３０２は、ステージコントローラ３０３によって回転制御が行われ、マイクロメートル（μｍ）オーダで回転位置を調整することができる。
　ステージコントローラ３０３は、処理装置１１０から入力される指令に基づいて、回転制御を行う。ステージコントローラ３０３は、ＵＳＢ若しくはＲＳ２３２Ｃ等の有線ケーブル、又は、Ｗｉｆｉ若しくはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ等の無線の伝送路によって処理装置１１０に接続される。
　回転ステージ３０２に搭載される超音波モータのステータ３０は、円環状の部材であり、回転ステージ３０２のＺ軸に平行な回転軸と、円環の中心軸とが一致するように、回転ステージ３０２に搭載される。
　超音波モータのステータ３０の振動周波数は、数１０ｋＨｚ、振幅は数μｍ以下である。超音波モータのステータ３０には、一例として、ＸＹ平面視で反時計回りの方向に進行する進行波が発生する。
　図１９は、超音波モータのステータ３０、光照射器１０４、及びＰＳＤ１０６の位置関係を示す図である。ここで、一例として、超音波モータのステータ３０を５０ｋＨｚの駆動信号で駆動し、超音波モータのステータ３０には５０ｋＨｚの進行波による振動が発生することとする。ＰＳＤ１０６が位置を検出する素子１０６Ａのサイズは、ＸＺ断面視でΔＳで示す方向に４ｍｍ（中心から±２ｍｍ）である。また、超音波モータのステータ３０の表面からＰＳＤ１０６までの距離をＬとする。
　図１９の下側には、図１９の上側に示す超音波モータのステータ３０にレーザ光１０４Ｌが照射されている部分を拡大して示す。進行波は、実線で示す状態から一点鎖線で示す波形に変化し、さらに破線で示す波形に変化する。ここで、超音波モータのステータ３０の進行波の振動によって生じる撓みの傾斜変化量をΔθとする。
　このような状態で超音波モータのステータ３０にレーザ光１０４Ｌを照射すると、実線で示す進行波と、破線で示す進行波とで、レーザ光１０４Ｌの超音波モータのステータ３０への入射角が変わる。
　実線で示す進行波に照射されたレーザ光１０４Ｌは、実線で示す方向にレーザ光１０４Ｒとして反射し、破線で示す進行波に照射されたレーザ光１０４Ｌは、破線で示す方向にレーザ光１０４Ｒとして反射する。なお、図１９の下側の拡大図では、理解し易くするために進行波の振幅を誇張して示す。
　出力変換回路１０７の除算回路１０７Ａは、ＰＳＤ１０６のΔＳで示す方向の入射光の位置の変位（入射光の位置変化量）を電圧値に変換して正規化する。一例として、除算回路１０７Ａは、入射光の位置の変位の最大値±２ｍｍを±１０Ｖの電圧値に変換して正規化する。正規化された電圧値は、正弦波の振幅を表すため、除算回路１０７Ａが出力する電圧値を時間軸に沿って並べると、正弦波が得られる。
　また、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂは、除算回路１０７Ａが出力する電圧値を実効値Ｖａに変換して出力する。図１９に示すように、超音波モータのステータ３０の超音波帯の進行波が実線で示す波形のときにレーザ光１０４Ｌを照射している状態で、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂが出力する電圧値（実効値）Ｖａは最大になる。
　進行波が実線で示す波形のときに進行波の振動方向の中心に照射されると、反射光（レーザ光１０４Ｒ）は光路ＬＰ１を通り、進行波の波面の法線に対するレーザ光１０４Ｌの入射角が最大になるからである。
　また、超音波モータのステータ３０の進行波が破線で示す波形のときにレーザ光１０４Ｌを照射している状態においても、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂの出力電圧値（実効値）Ｖａは最大になる。
　進行波が破線で示す波形のときに進行波の振動方向の中心に照射されると、反射光（レーザ光１０４Ｒ）は光路ＬＰ２を通り、進行波の波面の法線に対するレーザ光１０４Ｌの入射角が最大になるからである。すなわち、光路ＬＰ１のときとはＰＳＤ１０６の素子１０６Ａの中心に対して反対側に入射してレーザ光１０４Ｌの入射角が最大になる。なお、ＰＳＤ１０６の素子１０６Ａの中心は、距離Ｌを示す直線とＰＳＤ１０６の素子１０６Ａとの交点である。
　図２０は、実施の形態３の振幅測定装置３００の除算回路１０７Ａの出力を示す図である。ここでは、一例として、超音波モータのステータ３０に生じる進行波の周波数が５０ｋＨｚで、かつ、進行波の振動によるＰＳＤ１０６への入射光の位置変化量ΔＳが±１ｍｍの場合について説明する。
　図２０に示すように、除算回路１０７Ａが正規化して出力する電圧値Ｖａは、±５Ｖで５０ｋＨｚの正弦波になる。これは、図５と同様である。例えば、反射光（レーザ光１０４Ｒ）が光路ＬＰ１を通るときに、電圧値Ｖａは＋５Ｖになり、反射光（レーザ光１０４Ｒ）が光路ＬＰ２を通るときに、電圧値Ｖａは－５Ｖになる。また、ＲＭＳ－ＤＣコンバータ１０７Ｂが出力する電圧値（実効値）Ｖａは、約３．５Ｖとなる。これは、図６と同様である。
　パネル１０の振動に伴うＰＳＤ１０６の入射光の位置変化量ΔＳは、実施の形態１と同様に式（１）で表される。ここでは式（１）を省略する。
　図２１は、実施の形態３の振幅測定装置３００の処理装置１１０が実行する処理を示すフローチャートである。
　主制御部１１１は、処理を開始すると（スタート）、モータコントローラ３１との通信を開始する（ステップＳ４１）。
　主制御部１１１は、ステージコントローラ３０３との通信を開始する（ステップＳ４２）。これにより、処理装置１１０とステージコントローラ３０３の通信が確立する。
　主制御部１１１は、アナログ入力デバイス１０８との通信開始する（ステップＳ４３）。これにより、処理装置１１０とアナログ入力デバイス１０８の通信が確立する。
　主制御部１１１は、ステージ移動速度（回転ステージ３０２の回転速度）の設定を受け付ける（ステップＳ４４）。ステージ移動速度は、角速度ω［ｒａｄ／ｓ］で表される。主制御部１１１は、利用者によって処理装置１１０に入力される値をステージ移動速度として設定する。ステージ移動速度は、例えば、０．５［ｒａｄ／ｓ］である。
　主制御部１１１は、ＸＹステージ１０２の移動時間Ｔｒの設定を受け付ける（ステップＳ４５）。例えばＴｒ＝２［ｓ］とした場合に、ステージ移動速度が０．５［ｒａｄ／ｓ］であれば、０．５［ｒａｄ／ｓ］で２秒間ステータ３０を回転させる設定となる。
　主制御部１１１は、計測時間Ｔｍの設定を受け付ける（ステップＳ４６）。例えばＴｍ＝１［ｓ］とした場合に、１秒間連続して電圧値（実効値）Ｖａを計測する設定となる。なお、計測時間Ｔｍは、少なくとも進行波の振動の１周期以上の区間にわたって電圧値（実効値）Ｖａを計測する時間とする。
　計測部１１２は、計測を開始する（ステップＳ４７）。主制御部１１１は、計測を開始する際に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向におけるカウント数Ｘｃｎｔ、Ｙｃｎｔを０に設定する。これにより、Ｘｃｎｔ＝Ｙｃｎｔ＝０となる。
　計測部１１２は、ステータ３０の駆動を開始する（ステップＳ４８）。これにより、処理装置１１０からモータコントローラ３１に駆動を開始する指令が伝送され、モータコントローラ３１が駆動信号をステータ３０の振動素子に出力し、ステータ３０が超音波帯の進行波を発生する。
　計測部１１２は、アナログ入力デバイス１０８から電圧値Ｖａを取得し、メモリ１１５に記録する（ステップＳ４９）。電圧値Ｖａは、計測が行われたステージ移動速度及び取得時刻と関連付けてメモリ１１５に格納される。計測部１１２は、１秒間連続して電圧値（実効値）Ｖａを計測する。
　計測部１１２は、回転ステージ３０２の回転移動を開始する（ステップＳ５０）。回転ステージ３０２は、０．５［ｒａｄ／ｓ］で２秒間回転される。
　計測部１１２は、アナログ入力デバイス１０８から電圧値Ｖａを取得する（ステップＳ５１）。電圧値Ｖａは、計測が行われたステージ移動速度及び取得時間と関連付けてメモリ１１５に格納される。計測部１１２は、１秒間連続して電圧値（実効値）Ｖａを計測する。
　計測部１１２は、一連の処理を終了する（エンド）。
　図２２は、電圧値Ｖａとステージ移動速度及び取得時間とを関連付けたテーブル形式のデータを示す図である。取得時間は、電圧値Ｖａの取得を開始してからの経過時間である。
　例えば、図２２に示すように、ステージ移動速度が０［ｒａｄ／ｓ］の場合に、電圧値Ｖａ及び取得時間を表すデータが取得される。このようなデータは、図２１のステップＳ４９で取得される。また、ステップＳ５１で取得されるデータでは、ステージ移動速度が０．５［ｒａｄ／ｓ］になる。
　図２３は、実施の形態３の振幅測定装置３００の処理装置１１０が実行する処理を示すフローチャートである。
　振幅算出部１１４は、メモリ１１５に記録されたステージ移動速度、取得時間、電圧値Ｖａを読み出す（ステップＳ６１）。
　振幅算出部１１４は、回転ステージ３０２の回転移動させていないときに取得された電圧値Ｖａから傾斜変化量Δθを求める（ステップＳ６２）。超音波モータのステータ３０の表面からＰＳＤ１０６までの距離Ｌと位置変化量ΔＳを用いると、傾斜変化量Δθは、次式（１１）を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 　ステータ３０の撓みによる傾斜変化量Δθが進行波の波長λに比べて十分に小さいと仮定すると、傾斜変化量Δθは、次式（１２）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 　振幅算出部１１４は、読み出したステージ移動速度、取得時間、電圧値Ｖａから進行波の波長λを算出する（ステップＳ６３）。
　ここで、進行波の波長λの算出方法を図２４を用いて説明する。図２４は、進行波の波長λの算出方法を示す図である。
　図２４では、ステージ移動速度ωが０［ｒａｄ／ｓ］の場合の電圧値Ｖａを実線で示し、ステージ移動速度ωが０．５［ｒａｄ／ｓ］の場合の電圧値Ｖａを灰線で示す。
　ステージ移動速度ωを進行波の進行方向と同一方向とすると、図２４に示す通り、ドップラ効果により、ステージ移動速度ωが０［ｒａｄ／ｓ］の場合の周期Ｔ０よりも、ステージ移動速度ωが０．５［ｒａｄ／ｓ］の場合の周期Ｔωは、短くなる。
　周期Ｔ０の電圧値Ｖａの周波数をＦ０、周期Ｔωの電圧値Ｖａの周波数をＦωとすると、Ｆ０、Ｆωは、それぞれ、式（１３）、（１４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　ここで、ステータ３０にレーザ光１０４Ｌが照射される位置におけるステータ３０の回転半径をＲとすると、ステータ３０の進行波の進行方向の進行速度Ｕは、ωを用いて次式（１５）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 　周波数Ｆωは、回転ステージ３０２の移動速度によるドップラ効果によって周波数Ｆ０が変化したものであるため、例えば、進行波の進行方向とステージ３０の移動方向が同じ場合には、周波数Ｆ０とＦωの関係は、進行波の進行速度Ｖｐと、ステージ３０の進行速度Ｕを用いて次式（１６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 　また、進行波の速度Ｖｐは、周波数Ｆ０と波長λを用いて次式（１７）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 　式（１７）を式（１６）に代入すると、進行波の波長λは、次式（１８）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 　ステータ３０の進行波の進行方向の進行速度Ｕ、周波数Ｆω、周波数Ｆ０は、メモリ１１５に記録された回転ステージ３０２の移動速度、取得時間、電圧値Ｖａから計算できる値であるため、ステータ３０の進行波の波長λを上述のように算出することができる。
　振幅算出部１１４は、傾斜変化量Δθと進行波の波長λからステータ３０の超音波振動の振幅Ａを求める（ステップＳ６４）。ここで用いる傾斜変化量Δθは、傾斜変化量Δθの極大値である。図１９の下の図に示すように、傾斜変化量Δθが極大になるときに、最も大きい振幅Ａが求まるからである。
　図１９に示すように、ステータ３０に生じる進行波の振幅をＡとすると、振幅Ａ、傾斜変化量Δθ、進行波の波長λの関係は次式（１９）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 　ステータ３０の撓みによる傾斜変化量Δθが進行波の波長λに比べて十分に小さいと仮定すると、傾斜変化量Δθが次式（２０）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 　従って、振幅Ａは、以下の式（２１）で求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
 　以上により、進行波を形成する振動面の傾斜変化量Δθの計測と、進行波の波長λの計測を行うことが可能となり、進行波の振動の振幅Ａを求めることができる。
　以上のように、実施の形態３の振幅測定装置３００によれば、超音波帯の進行波が生じるステータ３０の振幅の中心における傾斜変化量Δθと進行波の波長λとを求めることにより、ステータ３０に生じる進行波の振幅Ａを求めることができる。
　従って、実施の形態３によれば、微小な振動の振幅を検出することができる振幅測定装置３００、及び、振幅測定装置における振動測定方法を提供することができる。また、実施の形態３の振幅測定装置３００、及び、振幅測定装置における振動測定方法は、超音波帯の微小な振動の振幅を検出することができる。
　実施の形態３の振幅測定装置３００、及び、振幅測定装置における振動測定方法は、例えば、ステータ３０の良品検査に用いることができる。
　また、従来、高速で（周波数が高く）、マイクロメートルオーダのような微小な振動を測定する際に用いられていたレーザドップラ振動計（ＬＤＶ）に比べると、振幅測定装置３００は、製造コストを１／１０以下に大幅に低減しつつ、超音波帯の微小な振動の振幅を測定することができる。
　以上、本発明の例示的な実施の形態の振幅測定装置、及び、振幅測定装置における振動測定方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
　１０　パネル
　２０　パネル駆動回路
　３０　超音波モータのステータ
　３１　モータコントローラ
　１００　振幅測定装置
　１０１　基台
　１０２　ＸＹステージ
　１０３　ステージコントローラ
　１０４　光照射器
　１０５　照射制御部
　１０６　ＰＳＤ
　１０７　出力変換回路
　１０７Ａ　除算回路
　１０７Ｂ　ＲＭＳ－ＤＣコンバータ
　１０８　アナログ入力デバイス
　１１０　処理装置
　１１１　主制御部
　１１２　計測部
　１１３　変化量算出部
　１１４　振幅算出部
　１１５　メモリ

Claims (9)

  1. 　振動素子によって所定の周期で振動されて振動波形が生じる振動部材に光を照射する照射部と、
    　前記振動素子によって振動される前記振動部材によって反射される反射光を検出する検出部と、
    　前記検出部によって検出される反射光の変位と、前記振動部材に前記光が照射される位置から前記検出部までの距離とに基づいて、前記振動波形の傾斜の変化量を算出する変化量算出部と、
    　前記変化量算出部によって算出される前記傾斜の変化量の極大値に基づいて、前記振動波形の振幅を算出する振幅算出部と
    　を含む、振幅測定装置。
  2. 　前記振動波形は、前記振動部材に生じる定在波の振動波形であり、
    　前記照射部は、前記定在波の波面に前記光を照射する、請求項１記載の振幅測定装置。
  3. 　前記振幅算出部は、前記振動波形の傾斜の変化量と、前記定在波の波長とに基づいて、前記定在波の振幅を算出する、請求項２記載の振幅測定装置。
  4. 　前記振動部材を前記振動部材の表面と平行な２軸方向に移動させる２軸移動部をさらに含み、
    　前記検出部は、前記定在波の振幅が変化する方向に前記２軸移動部によって前記振動部材が前記振動波形の１周期以上の区間にわたって移動される際に、前記振動素子によって振動される前記振動部材によって反射される反射光を検出し、
    　前記変化量算出部は、前記１周期以上の区間にわたって検出される反射光の変位と、前記振動部材に前記光が照射される位置から前記検出部までの距離とに基づいて、前記振動波形の傾斜の変化量を算出し、
    　前記振幅算出部は、前記１周期以上の区間にわたって検出される反射光の変位と前記距離とに基づいて前記変化量算出部によって算出される前記傾斜の変化量の極大値と、２つの極大値から求まる前記定在波の波長とに基づいて、前記定在波の振幅を算出する、請求項２又は３記載の振幅測定装置。
  5. 　前記振動波形は、前記振動部材に生じる進行波の振動波形であり、
    　前記照射部は、前記進行波の波面に前記光を照射し、
    　前記検出部は、前記進行波の１周期以上の期間にわたって前記反射光を検出し、
    　前記変化量算出部は、前記進行波の１周期以上の期間にわたって検出される反射光の変位と、前記距離とに基づいて、前記進行波の振動波形の傾斜の変化量を算出し、
    　前記振幅算出部は、前記進行波の１周期以上の期間にわたって検出される反射光の変位と前記距離とに基づいて算出される傾斜の変化量の極大値に基づいて、前記振動波形の振幅を算出する、請求項１記載の振幅測定装置。
  6. 　前記振動部材を前記進行波の進行方向と同一又は反対の方向に回転移動させる回転移動部をさらに含み、
    　前記検出部は、前記回転移動部によって前記振動部材が回転移動されている状態と、前記回転移動部によって前記振動部材が回転移動されていない状態とにおいて、前記反射光を検出し、
    　前記変化量算出部は、前記回転移動部によって前記振動部材が回転移動されていない状態で、前記進行波の１周期以上の期間にわたって検出される反射光の変位と、前記距離とに基づいて、前記進行波の振動波形の傾斜の変化量を算出し、
    　前記振幅算出部は、前記振動部材が回転移動されている状態で検出される前記反射光と、前記振動部材が回転移動されていない状態で検出される前記反射光とに基づいて前記進行波の波長を求めるとともに、前記波長と、前記傾斜の変化量の極大値とに基づいて、前記進行波の振幅を算出する、請求項５記載の振幅測定装置。
  7. 　前記検出部は、前記検出部によって検出される反射光の変位を検出する光位置センサであり、
    　前記変化量算出部は、前記光位置センサによって前記振動波形の１周期以上の期間において検出される前記反射光の位置の最小値と最大値の差を前記反射光の変位として用いて、前記振動波形の傾斜の変化量を算出する、請求項１乃至６のいずれか一項記載の振幅測定装置。
  8. 　前記検出部は、前記検出部によって検出される反射光を受光し、前記振動波形の１周期以上の期間において受光した反射光に基づく画像を出力する画像センサであり、
    　前記変化量算出部は、前記画像センサによって出力される画像に含まれる反射光の軌跡から反射光の変位を求め、求めた反射光の変位と、前記距離とに基づいて、前記振動波形の傾斜の変化量を算出する、請求項１乃至６のいずれか一項記載の振幅測定装置。
  9. 　振動素子によって所定の周期で振動されて振動波形が生じる振動部材に光を照射する照射部と、
    　前記振動素子によって振動される前記振動部材によって反射される反射光を検出する検出部と
    　を含む振幅測定装置における振動測定方法であって、
    　前記検出部によって検出される反射光の変位と、前記振動部材に前記光が照射される位置から前記検出部までの距離とに基づいて、前記振動波形の傾斜の変化量を算出し、
    　前記算出される前記傾斜の変化量の極大値に基づいて、前記振動波形の振幅を算出する、振幅測定装置における振動測定方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112291687A (zh) * 2020-11-18 2021-01-29 广东长虹电子有限公司 一种扬声器检测系统及检测设备
WO2021017828A1 (zh) * 2019-07-27 2021-02-04 复旦大学 一种高频驻波振幅分布的高精度测量方法
US20210041231A1 (en) * 2019-08-06 2021-02-11 Keyence Corporation Three-dimensional shape measuring apparatus, three-dimensional shape measuring method, three-dimensional shape measuring computer-readable storage medium, and three-dimensional shape measuring computer-readable storage device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5926019A (ja) * 1982-08-04 1984-02-10 Clarion Co Ltd 光プロ−ブ装置
JP2001108519A (ja) * 1999-10-05 2001-04-20 F Techno:Kk 振動振幅計測法及び装置
JP2001311658A (ja) * 2000-04-28 2001-11-09 Akinaga Matsumoto 固体中の縦振動を可視化する方法、及び固体中の縦振動を可視化する装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5926019A (ja) * 1982-08-04 1984-02-10 Clarion Co Ltd 光プロ−ブ装置
JP2001108519A (ja) * 1999-10-05 2001-04-20 F Techno:Kk 振動振幅計測法及び装置
JP2001311658A (ja) * 2000-04-28 2001-11-09 Akinaga Matsumoto 固体中の縦振動を可視化する方法、及び固体中の縦振動を可視化する装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021017828A1 (zh) * 2019-07-27 2021-02-04 复旦大学 一种高频驻波振幅分布的高精度测量方法
US20210041231A1 (en) * 2019-08-06 2021-02-11 Keyence Corporation Three-dimensional shape measuring apparatus, three-dimensional shape measuring method, three-dimensional shape measuring computer-readable storage medium, and three-dimensional shape measuring computer-readable storage device
US11493331B2 (en) * 2019-08-06 2022-11-08 Keyence Corporation Three-dimensional shape measuring apparatus, three-dimensional shape measuring method, three-dimensional shape measuring computer-readable storage medium, and three-dimensional shape measuring computer-readable storage device
CN112291687A (zh) * 2020-11-18 2021-01-29 广东长虹电子有限公司 一种扬声器检测系统及检测设备

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