JP3680678B2

JP3680678B2 - 振動測定方法及び振動数測定装置

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Publication number: JP3680678B2
Application number: JP2000036568A
Authority: JP
Inventors: 仁北隅; 哲朗丸山; 淳治渡辺; 喜光西村; 博古寺; 正雄角
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-02-15
Also published as: DE10106801A1; US6671638B2; DE10106801B4; JP2001228017A; US20010016799A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動測定方法及び振動数測定装置に係り、特に、測定対象物の振動状態を自己混合型レーザドップラ振動計を用いて計測する振動測定方法及び振動数測定装置に関する。
本発明は、振動発生装置の検査及び校正装置、長時間稼働する動力装置の異常振動検出装置などに応用できる。検査、校正装置としては、例えば水晶発振子や超音波発振子の振動数の検査や、ファンクションゼネレータの校正に利用できる。また、異常振動検出装置としては、高周波振動を利用した半導体製造装置において共振等により周波数がずれることで発生する不良の検査装置や、ドリルなどの工具破損検出などに利用できる。
もちろん、振動解析の目的で応用することもできる。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。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。ここで、「測定対象物」というときには、これら水晶発振子から西瓜まで振動測定の対象となる物体をいう。
【０００２】
【従来の技術】
従来、振動物体の振動数を非接触で計測する手段として、例えば三角測量を応用したレーザ変位計により振動数を求める方法がある。
【０００３】
【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、変位測定装置のサンプリング時間により短時間における変位変化が検出できないため、測定された振動周期にはサンプリング時間分の誤差が発生する、という不都合があった。特に、測定対象物の振動数が大きくなり、振動周期とサンプリング時間の差が小さくなると、その影響は増大する。すなわち、サンプリング周期は振動の最高周期の２倍以上としなければ、エイリアシングの影響による誤差が大きくなる（標本化定理）。また、三角測量を利用するため、センサヘッドが大きくなり、また反射光が遮られないようセンサヘッドの位置・向きを調整しなければならない。従って、狭い場所での測定には向かない。
【０００４】
【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、測定対象物の微少振動を高精度に測定することのできる振動測定方法及び振動数測定装置を提供することを、その目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では、測定対象物へレーザ光を出射するレーザ光出射工程と、前記測定対象物で反射すると共に当該測定対象物の速度に応じた対象物ドップラ周波数を有する戻り光を受光する戻り光受光工程と、この戻り光受光工程での受光時に発振し前記レーザ光を出射した時から当該戻り光を受光するまでの共振器の変化に応じた自己周波数を生じさせる新たな出射光と前記ドップラ周波数を有する戻り光とを自己混合させる自己混合工程と、この自己混合工程で生じ前記対象物ドップラ周波数と自己周波数とが重畳したビート波または当該ビート波を信号処理した情報を前記測定対象物の振動情報として出力する振動情報出力工程とを備えた、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。
【０００６】
本発明による振動計測方法は、自己混合方式のレーザドップラ効果を利用した振動測定装置を用いて振動の状態を計測する。そして、測定対象物の速度変化に応じたドップラ周波数を有する戻り光に、さらに共振器自身の自己周波数を生じさせる出射光を自己混合させている。自己周波数の生成手法としては、例えば、自己周波数と近接した周波数を有する正弦波波形の駆動電流で駆動する手法や、共振器を有するレーザ部を物理的に振動させる手法などがある。正弦波波形の駆動電流で共振器を駆動すると、駆動電流の大きさに応じて発振光の波長が変化するため、出射光と戻り光の周波数に差が生じ、この差による自己周波数のビート波が共振器内で生じる。共振器を有するレーザ部を物理的に振動させると、共振器の速度と測定対象物の速度とによるドップラ周波数となり、これは、共振器側の速度による自己周波数のドップラ周波数と、測定対象物のドップラ周波数とを重畳したものとなる。自己周波数は共振器の仮想速度であると考えることもでき、すると、２種類の速度による２つのドップラ周波数が混合した状態とも言える。ここで、「ある周波数を有する」というときには、基準となる周波数からある周波数分シフトした状態を意味する。例えば、ドップラ周波数を有するというときには、出射光の周波数がドップラ効果によってドップラ周波数分シフトしたとき、そのシフトした成分であるドップラ周波数を有することを意味する。
速度の近い２つの波が重ね合わされると群速度を有する新たな波が生成される様に、自己周波数の変化（波）とドップラ周波数の変化とが近接する場合には、この２種類の周波数の差に応じたビート波が生じる。２種類の周波数の差に応じたビート波は、ドップラ周波数の周期と比較して長い周期を有する包絡線を有する。この包絡線を、例えば群周波数という。包絡線又は群周波数の周波数は、２種類の周波数の差であるため、例えば、好ましい実施形態では、この包絡線周波数に基づいて測定対象物の振動数と共振器の仮想速度の周波数の差を求めることができる。そして、包絡線周波数は測定対象物のドップラ周波数よりも低いため、包絡線周波数の値を求める場合の精度は、ドップラ周波数を求める精度よりも高くなる。従って、本発明によると、Ａ／Ｄ変換等の精度を向上させることなく、検出可能な微少振動数差の有効数字を向上させることができる。
【０００７】
レーザ光出射工程では、測定対象物にレーザ光を出射し、このレーザ光は測定対象物表面で散乱反射して、測定対象物の速度に応じて周波数が変化する。戻り光受光工程では、この戻り光を受光する。自己混合工程では、この戻り光と、この戻り光受光時の出射光（発振光）とが共振器内で自己混合する。戻り光受光時の出射光は、レーザ光を出射した時から当該戻り光を受光するまでの共振器の変化に応じた自己周波数を生じさせる。従って、本発明では、自己周波数を生じさせる新たな出射光と測定対象物のドップラ周波数を有する戻り光とが自己混合する。すると、２種類の周波数が重ね合わせられる。振動情報出力工程では、自己混合工程で生じ前記対象物ドップラ周波数と自己周波数とが重畳したビート波または当該ビート波を信号処理した情報を前記測定対象物の振動情報として出力する。
このビート波は測定対象物の振動の状態の変化を検出する際に有用である。特に、自己周波数を測定対象物の振動周波数に近接させておくことで、包絡線の波形に特徴があるビート波を得ることができ、この包絡線周波数から自己周波数と測定対象物の振動数の微少振動数差を算出することができる。
また、包絡線の値の変化が予め定められた大きさ未満となったときに自己周波数と測定対象物の振動数とが有効桁数内で一致したと判定することができるため、自己周波数を順次変化させて包絡線の値変化を検出することによっても、すなわち、自己周波数を測定対象物の振動数に同調させることによっても、測定対象物の振動数を算出することができる。
【０００８】
また、本発明による振動数計測装置は、上記振動計測方法を実施することで測定対象物の微少振動数を測定する。この振動数計測装置は、このレーザ光を発振すると共に当該発振した出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受光時に発振した出射光とを自己混合させるレーザ共振器と、正弦波波形のレーザ駆動電流で当該レーザ部を駆動するレーザ駆動部と、前記レーザ共振器での駆動電流に応じた出射時の波長で発振されたレーザ光を測定対象物に向けて出射すると共に前記測定対象物からの戻り光と当該戻り光受光時の前記レーザ共振器での駆動電流に応じた受光時の波長で発振された出射光とが当該共振器内で自己混合したビート波を出力するレーザ部と、このレーザ部から出力されるビート波を信号処理すると共に処理結果を振動情報として出力する信号処理部とを備えている。そして、信号処理部は、ビート波の周波数の変化に基づいて前記測定対象物の振動周波数を算出する微少振動数差算出機能を備えた、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。
この振動数計測装置では、レーザ駆動部が、正弦波波形のレーザ駆動電流で当該レーザ部を駆動する。すると、共振器では、当該正弦波波形に応じて出射光の波長が変化する。共振器の出射光の波長が時間の関数として変化すると、出射光と戻り光との間に、測定対象物までの光路長に応じたビート周波数が生じる。レーザ駆動電流を例えば単調増加する直線とした場合には、測定対象物が停止している状態でのビート周波数は一定である。本発明では、レーザ駆動電流を正弦波波形の入力としているため、発振波長の変化に応じたビート周波数は、レーザ駆動電流波形の周期で変化する。このビート周波数の変化が自己周波数となる。従って、本発明による振動数計測装置では、出射光（発振光）の波長変化を共振器の仮想的な速度とし、その時のビート周波数を自己周波数とする。また、ドップラ周波数は、測定対象物の速度変化に応じて変化する。測定対象物が振動している場合には、振動面の折り返し位置では速度は０となり、速度の方向が逆向きとなる。正弦波振動を仮定すると、測定対象物の速度変化は正弦波波形で変化し、この場合、ドップラ周波数も正弦波波形で変化する。
この正弦波波形でのレーザ駆動を行いつつ、測定対象物が速度を有すると、戻り光は対象物ドップラ周波数を有し、すると、共振器での自己混合により生ずるビート波は、自己周波数と対象物振動数（ドップラ周波数）とが重畳する。このビート波の周期変化は、自己周波数と対象物振動数との微少振動数差に応じた変化となっているため、このビート波の周期変化を観測することで測定対象物と自己周波数との差や、測定対象物の振動数や、測定対象物の振動周期が変化したことなどを計測できる。
【０００９】
【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。図１は本発明による振動測定方法の構成例を示すフローチャートである。図１に示すように、本実施形態による振動計測方法は、測定対象物へレーザ光を出射するレーザ光出射工程Ｓ１と、前記測定対象物で反射すると共に当該測定対象物の速度に応じた対象物ドップラ周波数を有する戻り光を受光する戻り光受光工程Ｓ２と、この戻り光受光工程Ｓ２での受光時に発振し前記レーザ光を出射した時から当該戻り光を受光するまでの共振器の変化に応じた自己周波数を生じさせる新たな出射光と前記ドップラ周波数を有する戻り光とを自己混合させる自己混合工程Ｓ３と、この自己混合工程Ｓ３で生じ前記対象物ドップラ周波数と自己周波数とが重畳したビート波または当該ビート波を信号処理した情報を前記測定対象物の振動情報として出力する振動情報出力工程Ｓ４とを備えている。
【００１０】
図２はこの振動計測方法の実施に好適な振動測定装置（又は、振動数測定装置）の構成を示す説明図である。測定対象物１０は、振動の状態を解析しようとする対象物であり、レーザ光が反射する位置での速度変化や、速度変化の周期や、振動数が計測される。振動測定装置は、レーザ部１２と、このレーザ部１２からの出射光と測定対象物で散乱した一部の戻り光とをそれぞれ集光するレンズ１６と、レーザ部１２で受光した戻り光と出射光とが自己混合したことで生じるビート波が入力される信号処理部２１とを備えている。
【００１１】
レーザ部１２は、レーザ共振器１４を有するレーザダイオード１４と、レーザ共振器１４から出力されるビート波を光電変換するフォトダイオード２０とを備えている。信号処理部２１は、例えばパーソナルコンピュータやマイコンやアナログ回路等のハードウエア資源を有し、ビート波を対象として信号処理を行う。
【００１２】
再度図１を参照すると、レーザ光出射工程Ｓ１では、所定のレーザ駆動電流で駆動されたレーザ共振器が発振し、そのレーザ光が出射光として測定対象物へ向けて出力される。この出射光は測定対象物１０の表面にて散乱反射し、反射した光の一部がレーザ共振器１４に戻る（Ｓ２）。すると、戻り光受光時の出射光と、戻り光とが自己混合し、出射光と戻り光とに周波数差がある場合には、その周波数差に応じたビート波が生じる。
【００１３】
本発明では、出射光と戻り光との自己混合時に、２種類の周波数変化を重畳させる。２種類の周波数を重畳させることで、その２つの周波数が近い場合には、周波数のうなりが生じる。このうなりが周期的に変化する場合には、２種類の周波数は近接しているものの、同一ではないこととなる。２種類の周波数によるうなり（ビート）の一周期を計測すると、その時間から２種類の周波数の差を求めることができる。このようにうなりの周期から周波数差を求めると、測定精度（有効数字）を向上させることができる。従って、Ａ／Ｄ変換のサンプリングレートが同一であるとすると、１つの周波数を直接計測するよりも、うなりの周期から計測する方が測定精度を向上させることができる。一方、うなりの周期から計測する場合には、より時間を要することとなる。この点は、例えばサンプリングレートと比較して相対的に量子化精度が高い場合には、うなり１周期を待つことなく、近似的に高精度に求めることができる。
【００１４】
このため、本実施形態では、戻り光と出射光とのレーザ共振器１４内での自己混合で、２種類の周波数を混合させる。１つは、測定対象物の速度に応じたドップラ周波数であり、これは戻り光の周波数の変化として現れる。他の１つは、共振器側の自己周波数とする。共振器側で自己周波数を生成するには、共振器自体を物理的に振動させるとよい。すると、共振器の速度に応じて２種類のドップラ周波数が重畳する。
【００１５】
共振器を固定したまま自己周波数を生じさせるために、本実施形態では、出射光と戻り光とに波長差を生じさせる。出射光を第１の周波数（波長）とし、これが停止している測定対象物で散乱反射して戻り光となると、戻り光の周波数は第１の周波数のままである。そして、この出射光が共振器まで戻ってくる間に、出射光の周波数が第２の周波数へと変化しているとする。すると、第１の周波数の戻り光と第２の周波数の戻り光とが自己混合して、第１の周波数と第２の周波数の差に応じたビート波が生じる。一般に、レーザ共振器での発振周波数は、モードホップを生じない範囲内で、レーザ駆動電流の大きさに応じて変化する。このため、レーザ駆動電流を変化させることで、出射光と戻り光との間に周波数差を生成することができる。
【００１６】
レーザ駆動電流を直線で単調増加させると、発振周波数は直線上に単調増加するため、ビート波の周波数は一定である。すなわち、レーザ駆動電流を直線で単調増加させ、測定対象物を停止させているとすると、ビート波の周波数は一定である。一方、測定対象物のドップラ周波数は、測定対象物の速度に応じて変化する。測定対象物が振動しているとすると、振動の中心で最高速度となり、折り返し位置にて速度が０となると共に、速度の方向が逆転する。従って、ドップラ周波数は、測定対象物の速度変化に応じて時間軸にて周期的に変化する。
【００１７】
全ての波形を正弦波の重ね合わせとして表現することができるため、測定対象物が単振動している場合を例とすると、ドップラ周波数は、振動周期で増減する。従って、ビート波をＦＶ変換した波形は、正弦波となる。このドップラ周波数変化波形が、第１の波であり、共振器の自己周波数変化波形が、第２の波である。この第１の波と第２の波を重ね合わせることで、速度の場合における群速度と同様な群周波数を示す包絡線を得ることができる。この包絡線はうなりの周期を表すから、ドップラ周波数変化の周期と、自己周波数変化波形の周期との差を精度良く算出することができる。
【００１８】
さて、レーザ共振器１４へのレーザ駆動電流を変化させると、波長が変化する。この波長の変化を時間微分すると、波長変化速度（発振周波数変化速度）となる。レーザ駆動電流を直線で単調増加させると、波長変化速度は一定であり、従って、ビート周波数も一定である。本実施形態では自己周波数の変化波形が必要であるため、レーザ駆動電流を正弦波波形とする。すると、波長変化速度は正弦波波形で表される。この場合、ビート周波数も同一周期の正弦波波形で表される。このレーザ駆動電流を正弦波波形とした場合のビート周波数変化は、自己周波数変化波形となる。
【００１９】
このため、測定対象物の振動周期と近接した周期の正弦波波形でレーザ共振器を駆動すると、波長変化速度を仮想速度とした自己周波数の変化が共振器に生じる。ドップラ周波数の変化と自己周波数の変化とが重畳したことにより生じたビート波を分析すると、自己周波数変化周期とドップラ周波数変化周期との差を求めることができる。
【００２０】
このように、ステップＳ３では、自己周波数を生じさせる新たな出射光とドップラ周波数を有する戻り光とを自己混合させることで、自己周波数の変化とドップラ周波数の変化との差に応じたビート波が生じる。
【００２１】
続いて、ステップＳ４では、自己混合により生じたビート波又はビート波から算出した振動情報を出力する。ビート波に対する信号処理の例として、ステップＳ４は、ビート波の周波数変化波形の包絡線を抽出する包絡線抽出工程と、この包絡線抽出工程にて抽出された包絡線の周波数に基づいて前記対象物ドップラ周波数と自己周波数との振動数差を算出する振動数差算出工程とを備えるようにしても良い。
【００２２】
このビート波の周波数変化波形の包絡線が、自己周波数周期とドップラ周波数周期の差によるうなりを示す波形となり、この包絡線の周期から、自己周波数周期とドップラ周波数周期の差を算出することができる。
【００２３】
図２に示す構成では、信号処理部２１が、図１に示すステップＳ４を実現する微少振動数算出機能２２を備えている。この微少振動数差算出機能２２は、ビート波の周波数の変化に基づいて前記測定対象物の振動周波数を算出する。
【００２４】
上述したように本実施形態によると、例えば半導体レーザと、Ａ／Ｄ変換器やＦＶ変換素子及びデジタル信号処理が可能なマイコン等という安価でコンパクトな構成で、測定対象物の振動数を高精度に測定することができ、これにより、振幅も小さく振動周期も短い微少振動を良好に測定することができる。
【００２５】
また、共振器自体を振動させることで自己周波数の変化を生じさせるようにしても良い。この例では、同一の周波数で振動すべき２つの測定対象物に、なんらかの異常が生じて一方の振動数が微少に変化したことを検出する用途に適している。この場合、前記第１の測定対象物の振動と同一の周波数で振動する第２の測定対象物にレーザ部１２を設置する。そして、信号処理部２１は、前記ビート波の包絡線に基づいて前記第１の測定対象物の振動数と前記第２の測定対象物の振動数の振動数差を算出する微少振動数差算出機能を備える。これにより、２つの振動物体の振動周波数差を高精度に検出することができる。
【００２６】
【実施例】
本実施例では、従来のように振動物体の振動数のみを測定するのではなく、振動物体の振動数と、それに非常に近い既知の振動数を持つ基準とを比較し、その微少振動数差を測定する。本実施例では、振動物体の振動数の測定に多少の誤差が含まれても、基準との微少振動数差の変動周期が時間的に大きな変化となって現れるため、その影響はずっと小さなものとなる。振動物体の振動数が大きい場合でも、基準の振動数を近づけることによりサンプリング時間との差を大きく保てるため、高精度の測定が可能となる。
【００２７】
＜正弦波変調駆動＞
この基準としては、半導体レーザの駆動電流を変化させるとそれに比例して発振波長も変化する特性を利用する。自己混合型レーザードップラー振動計において、半導体レーザの正弦波変調周波数を基準とし、振動物体振動数との微少振動数差を検出することにより、正弦波発生回路の周波数安定度による精度で測定が可能である。
【００２８】
レーザ共振器１４を周波数ｆ_mで正弦波駆動し、対象物が静止している場合、レーザ光がレーザ部１２と対象物との間を往復する間に位相が変化するため、周波数の異なる出射光と戻り光は共振器内部で混合してビート周波数ｆ_bを生じる。図３（Ａ）を参照すると、出射光１８は、レーザ共振器の正弦波変調周波数と同一の周波数を有する。そして、出射光１８が対象物で散乱反射し戻り光１９として共振器へ入射するまでの時間をτとすると、戻り光１８は位相がτ変化した波形となる。図３（Ｂ）に示すように、出射光１８と戻り光１９とが自己混合すると、ビート周波数ｆ_bが周期的に変化する波形となる。
【００２９】
レーザ共振器１４の変調電流をＩ_m、半導体レーザと対象物との距離をＬ、光速をｃ、半導体レーザの周波数変調効率をdf/diとすると、ビート周波数ｆ_bは次式（１）で表される。
【００３０】
また、レーザ共振器１４を定電流で駆動し、図３（Ｃ）に示すように対象物が振動数ｆ_tで振動している場合には、対象物の移動によるドップラー効果のため反射光の周波数が変化し、出射光と戻り光は混合して図３（Ｄ）で示すようにドップラー周波数ｆ_dを生じる。レーザ共振器１４の発振波長をλ、対象物の振動振幅をｘ_mとすると、ドップラー周波数ｆ_dは、次式（２）で表される。そして、レーザ共振器１４を周波数ｆ_mで正弦波変調し、対象物が振動数ｆ_tで振動している場合には、これらの和に相当したドップラービート周波数ｆ_dbが発生する（次式（３））。
【００３１】
【数１】

【００３２】
ここで、図４（Ａ）に示すように、ｆ_mとｆ_tが非常に近い場合には、ｆ_dbにはｆ_tとの微少振動数差ｆ_aに相当した変化が、図４（Ｂ）に示すように、波形の包絡線として現れる。この包絡線の包絡線周波数ｆ_dbenvを測定することで、微少振動数差ｆ_aを求めることができる。
【００３３】
図４（Ｄ）に示すように、周期Ｔ₁の波を、周期Ｔ₂で観測すると、図中黒丸の推移となるビートが生じる。このビートの周期をＴ₃とすると、上記式（４）で示す関係となる。
【００３４】
このように、周期Ｔ₂での観測に代えて、周期Ｔ₂の波を重ね合わせると、図４（Ｃ）に示すような包絡線を有する波形となる。周波数に波長を掛けると波の速さＶとなるため、図４（Ａ）に示す２つの波は、対象物の速度変化波形と、共振器の仮想的な速度（例えば、発振周波数変化速度）の変化波形と認められる。このため、図４（Ｃ）に示す包絡線は、測定対象物の速度と共振器の仮想的な速度の相対速度の変化を示している。従って、相対速度の差が最小であるときから、相対速度の差が最大であるときまでの変化が繰り返されている。この包絡線の周期（２つのビート）は、図４（Ｄ）に示すビートと同様に扱うことができ、従って、包絡線周波数と自己周波数波形の周波数とから、測定対象物の振動数を算出することができる。
【００３５】
この包絡線の波形は、ドップラ周波数変化波形の振幅（ｆ_dmax）と、自己周波数変化波形の振幅（ｆ_bmax）の差（ｆ_bmax-ｆ_dmax）に応じて変化する。ドップラ周波数変化波形の振幅（ｆ_dmax）は、最大周波数からドップラ周波数が無い場合の周波数の差であり、自己周波数変化波形の振幅は、例えば、発振周波数変化率が最大値の時の最大自己周波数と基準周波数との差である。
【００３６】
図５は、本実施例での一般的な動作例を示すフローチャートである。レーザ共振器は、正弦波変調された駆動電流で駆動されているとする。まず、この駆動電流の値に応じた発振波長である第１の波長で、レーザ光が出射される（ステップＳ１１）。続いて、測定対象物の速度に応じた対象物ドップラ周波数を有する戻り光を受光する（ステップＳ１２）。続いて、レーザ光往復時間τによって変化した駆動電流の値に応じた発振波長である第２の波長である出射光と、戻り光との自己混合によるビート波を出力する（ステップＳ１３）。続いて、このビート波の周波数を電圧値へ変換する（ステップＳ１４）。すると、周波数変化（波長を掛けることで、速度変化）波形が得られる。この周波数変化波形の包絡線を抽出する（ステップＳ１５）。この包絡線は、例えば図４（Ｃ）に示す波形となる。
【００３７】
包絡線が抽出されると、続いて、包絡線周波数から微少振動数差を算出する（ステップＳ１６）。この微少振動数差又は測定対象物の振動数を、振動情報として出力する（ステップＳ１７）。
【００３８】
次に、振動数測定装置の詳細構成を図面を参照して説明する。図５は、微少振動を計測する構成例を示すブロック図である。図６に示すように、振動数検出装置は、一定の振動数で振動する振動物体表面に照射する光を発する半導体レーザ部１２と、このレーザ光を集光するレンズ１６と、半導体レーザ部から出力されるビート波を信号処理する信号処理部２１と、半導体レーザ部１２を駆動するレーザ駆動回路２２と、このレーザ駆動回路２２にて使用する正弦波を発生させる正弦波発生手段２４とを備えている。光学系はレーザ光を対象物に集光するレンズのみの構成で、高価な光学部品を必要とせず、小型・低コストを実現する。
【００３９】
半導体レーザ部１２は、レーザ発振すると共に出射光と戻り光とを自己混合させる共振器を有するレーザダイオード（ＬＤ）１４と、このレーザダイオード１４の背面からの放射光を検出するフォトダイオード（ＰＤ）２０とを備えている。
【００４０】
信号処理手段２０は、ＰＤ２０から出力されるビート波の増幅等を行うビート信号処理部２１Ａと、このビート信号処理部２１Ａから入力されるビート波に基づいて微少振動数差を算出する微少振動数差検出手段２０Ｂとを備えている。
【００４１】
図７は、レーザ駆動回路と正弦波発生手段の構成例を示すブロック図である。図７（Ａ）に示す例では、直流成分と交流成分の電流を加えてレーザに供給する。この場合図６に示した正弦波発生手段２４は交流電流供給回路である。この例では、レーザ駆動回路２２は、直流電流（バイアス）供給回路３０と、交流電流供給回路から供給される交流電流と直流電流とを混合させる混合回路３４と、この混合回路から出力される電流を安定化する電流安定化回路２６とを備えている。
【００４２】
図７（Ｂ）に示す例では、直流電圧と交流電圧を加算し、電流に変換した後にレーザに供給する。この場合、正弦波発生手段２４は交流電圧供給回路３８である。図７（Ｂ）に示す例では、レーザ駆動回路２２は、直流電圧（バイアス）供給回路３６と、このバイアスと交流電圧とを加算する加算回路４０と、加算回路にて加算された電圧値を電流値に変換する電圧-電流変換回路４２と、この電圧-電流変換回路４２から出力される電流変化を安定させる電流安定化回路２６とを備えている。
【００４３】
駆動電流の交流成分を作り出す正弦波発生手段２４は周波数が可変であり、駆動電流交流成分の周期を測定対象物の振動周期と非常に近い値に設定し、測定を行う。本実施例での測定精度は、レーザー駆動電流の周波数確度によるため、正弦波発生装置にはできるだけ高精度のものを使用すると良い。
【００４４】
信号処理系の構成を図８に示す。ビート信号処理手段２０Ａは、フォトダイオード１２から出力されるビート波形の電流値変化を電圧値変化へ変換する電流-電圧変換回路４６と、この電流-電圧変換回路から入力される電圧波形のうち振動による信号のみを取り出すフィルタ４８と、このフィルタ４８によってフィルタリングされたビート波を増幅する増幅回路５０とを備えている。
【００４５】
微少振動数差検出手段２０Ｂは、図８に示すように、ビート波のビート周波数を電圧値へ変換する周波数-電圧変換回路（ＦＶ変換素子）５２と、この周波数変化波形の波形を解析する周波数・波形解析部５４とを備えている。周波数・波形解析部５４は、このＦＶ変換素子によって変換された電圧値のピークを保持すると共に当該ピーク値を前記ビート波の包絡線波形として出力するピークホールド部とを備えると良い。また、このピークホールド処理はデジタル的に行うことができる。
【００４６】
図９は、周波数・波形解析部５４による処理例を示す説明図である。まず、ＦＶ変換素子５２からの出力６０は、図４（Ｃ）に示すような包絡線を有する。そして、周波数・波形解析部５４は、ピークホールド処理６２を行うことで、包絡線を検出する（符号６４）。そして、この包絡線周期Ｔから、微少振動数差を算出する。すなわち、図２に示す構成との関係では、微少振動数差算出機能２２は、前記ピークホールド部から出力される包絡線波形の周期に基づいて前記振動数差を算出する機能を備える。
【００４７】
図９に示す例では、周波数-電圧変換回路６０から出力される信号は正弦波の高さが周期的に変動する波形で、またこの変動周期が微少振動数差の周期である。そこで、この信号をピークホールド処理し、信号検出範囲を限定することにより包絡線を得る。そしてこの包絡線の周期を求め、微少振動数差が求まる。さらに、この値を基準にして測定対象物の振動数が測定できる。
【００４８】
変調周波数ｆm、対象物の振動数ｆtともに１k [Hz] に設定した場合における包絡線周波数ｆdbenvの時間推移を図１０（Ａ）に示す。この変動の周期から算出した微少振動数差ｆaは、０．７２５m [Hz] となった。また、対象物の振動数ｆtを１m [Hz] 増加させて先と同様の測定を行った結果（図１０（Ｂ））、算出された微少振動数差ｆaは１．９２３m [Hz] となり、ほぼ１m [Hz] の増加が確認された。この結果から、設定周波数１k [Hz] に対し、１０^-6 程度の周波数を測定できたことになる。従来の変位計による測定方法で同様の精度を得るには、１G [Hz] のサンプリング周波数が必要となる。
【００４９】
また、レーザの変調周波数と対象物の振動数が等しい場合には、この包絡線が一定値を示すため、同様にして包絡線を得る処理を行い、変動が見られる場合は、レーザの変調周波数を除々に変化させ、包絡線が変動しなくなったときのレーザ変調周波数を測定する方法で、これによると対象物の振動数を直接測定することができる。
【００５０】
図１１は、正弦波駆動電流の周期を変化させて測定対象物の振動周期に同調させることで、測定対象物の振動周期を計測する手法の例を示すフローチャートである。この例では、信号処理部２１は、前記包絡線の値が一定に至るまで前記レーザ駆動部での駆動電流周波数を変化させる同調制御機能と、この同調制御機能によって前記包絡線の値が一定に至った際の駆動電流周波数を前記測定対象物の振動数として出力する振動数判定機能とを備えている。
【００５１】
図１１に示す例では、まず、測定対象物の振動周波数よりも低い周波数の駆動電流でレーザを駆動する（ステップＳ３１）。続いて、戻り光と出射光とがレーザ共振器１４にて自己混合し、このビート波をフォトダイオード２０が出力する（ステップＳ３２）。このビート波を信号処理し（ステップＳ３３）、微少振動数差を検出する（ステップＳ３４）。そして、微少振動数差が０（又はしきい値以下）であるか否かをを判定し（ステップＳ３５）、０でなければレーザ駆動周波数を増加させる（ステップＳ３６）。一方、微少振動数差が０であれば、レーザ駆動周波数を振動数として出力する。
【００５２】
次に、図２に示す微少振動算出機能２２が、前記包絡線の波形を予め想定した場合の近似式に基づいて前記包絡線の値の変化を用いて前記振動数差を算出する機能を備えた例を説明する。すなわち、測定時間を短縮するための手法を説明する。
【００５３】
半導体レーザの変調周波数ｆ_mと、対象物の振動数ｆ_tとの微少振動数差ｆ_aを包絡線の周期からではなく、２点の測定値の差から算出することにより、測定時間の大幅な短縮が可能である。近似式として、第１に、包絡線が正弦波変動すると仮定する方法や、第２に、包絡線が正弦波の絶対値をとった波形で変動すると仮定する方法とがある。
【００５４】
（近似１）．包絡線周波数ｆ_dbenvが正弦波変動すると仮定すると、次式（５）が成り立つ。ここで、時間ｔ_aはｆ_mとｆ_tとの位相のずれを表す定数である。ある時間ｔ1，ｔ1＋Δｔにおける包絡線周波数をそれぞれｆ_dbenv1，ｆ_devnv2とすると、式（５）は次式（６）及び（７）で表される。この式（６）及び（７）にて時間ｔ_a＋ｔ₁を消去し、微少振動数差ｆ_aについて変形すると、次式（８）となる。
【００５５】
（近似２）．包絡線周波数ｆ_dbenvが図・に示す変動をすると仮定すると、次式（９）が成立する。上記（近似１）の場合と同様にしてｆ_aについて変形すると、次式（１０）となる。この式（１０）より、ｆ_aを求めることができる。
【００５６】
【数２】

【００５７】
式（３）において、ｆ_{b max}とｆ_{d max}の差が小さい場合の包絡線周波数ｆ_dbenvの変動は図１２（Ｂ）に示す曲線に近く、その差が大きくなるにつれて図１０（Ａ）に示す正弦波変動に近づく。従って、ｆ_{b max}とｆ_{d max}の差が大きい場合には式（８）を、差が小さい場合には式（１０）を用いると精度を高く保つことができる。
【００５８】
（近似３）．式３において、ｆ_{b max}とｆ_{d max}の差が無ければ、式（１０）の精度が高くなる。このため、レーザの周波数変調効率df/diを予め記録しておき、次に、レーザ変調せずに対象物の振動を測定し、このときのフォトダイオード２０の出力からｆ_{d max}を記録する。そして、式（１）に基づいてｆ_{b max}がｆ_{d max}と等しくなるように駆動電流の振幅を設定する。そして、式（１０）にて近似を実行する。
【００５９】
図１３（Ａ）に示す微少振動数差の測定結果について、式（８）及び式（１０）により微少振動数差を求めた。この結果を図１３（Ｂ）に示す。この場合、ｆb maxとｆd maxとの差が小さいため、式（１０）による算出値の方が誤差が少ない。このことは、式（１０）による算出値がほぼ一定値を示すのに対して、式（８）による算出値は除々に減少し飽和する傾向が見られないことからも判る。
【００６０】
【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、自己混合工程にて、測定対象物からの戻り光と、この戻り光受光時の出射光（発振光）とが共振器内で自己混合し、振動情報出力工程では、自己混合工程で生じた前記対象物ドップラ周波数と自己周波数とが重畳したビート波または当該ビート波を信号処理した情報を前記測定対象物の振動情報として出力するため、共振器の仮想速度による自己周波数と測定対象物の速度によるドップラ周波数との差に応じた包絡線（群周波数）が、ビート波に現れ、共振器の仮想速度を一定とした場合には、この包絡線の変化を検出することで測定対象物の振動周期の変化を得ることができ、他方、共振器の仮想速度を順次変化させることで測定対象物の振動数を検出することができ、さらに、包絡線周波数又は包絡線の周期を算出すると、測定対象物の振動数を信号処理部のハードウエア資源の精度を同等としたままドップラ周波数を直接検出する場合と比較して高精度に計測することができる、という従来にない優れた振動計測方法を提供することができる。
また、本発明による振動数差測定装置では、レーザ駆動部が、正弦波波形のレーザ駆動電流で当該レーザ部を駆動するため、レーザ共振器での発振波長は、この駆動電流の大きさに応じて変化し、この発振波長の変化速度を共振器の仮想速度とする自己周波数が生じ、一方、戻り光には、測定対象物の速度に応じてドップラ周波数が加わり、そして、出射光と戻り光とが共振器内にて自己混合すると、自己周波数とドップラ周波数とが重畳したビート波が生じる。このビート波の周期変化は自己周波数とドップラ周波数との差に応じた変化となるため、このビート波の周波数を観測することで測定対象物の振動数や振動数の変化を計測することができる、という従来にない優れた振動数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】本発明の第一の実施形態の構成を示すフローチャートである。
【図２】第１実施形態でのハードウエア資源の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の動作原理を説明するための波形図であり、図３（Ａ）はレーザ光周波数の変化を示す図で、図３（Ｂ）はそのビート周波数変化を示す図で、図３（Ｃ）は振動変位を示す図で、図３（Ｄ）はそのドップラ周波数変化を示す図である。
【図４】本発明の動作原理を説明するための波形図であり、図４（Ａ）はドップラ周波数変化とビート周波数変化とを示す図で、図４（Ｂ）は両者の重ね合わせの状態を示す図で、図４（Ｃ）はドップラビート周波数変化の包絡線の一例を示す図で、図４（Ｄ）はうなりの効果を説明するための図である。
【図５】本発明の実施形態の動作例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態の構成例を示すブロック図である。
【図７】図６に示したレーザ駆動系の詳細構成を示すブロック図であり、図７（Ａ）は交流電流により正弦波を発生させる例を示す図で、図７（Ｂ）は電圧による例を示す図である。
【図８】図６に示した信号処理系の詳細構成を示すブロック図である。
【図９】図８に示した信号処理系の動作例及び波形例を示す説明図である。
【図１０】時間経過に対するドップラビート周波数の測定結果を示す波形図であり、図１０（Ａ）は測定対象物を１ k[Hz] で駆動した例を示す図で、図１０（Ｂ）は１ m[Hz]増加させた場合の例を示す図である。
【図１１】同調により測定対象物の振動数を判定する実施例の構成を示すフローチャートである。
【図１２】包絡線の近似により測定時間を短縮する実施例で使用する包絡線近似波形の例を示す波形図であり、図１２（Ａ）は近似１で使用する波形例を示す図で、図１２（Ｂ）は近似２及び近似３で使用する波形例を示す図である。
【図１３】近似による算出結果の一例を示す波形図であり、図１３（Ａ）は経過時間に対する最大ドップラ周波数の特性を示す図で、図１３（Ｂ）は測定時間間隔に対する微少周波数差の算出例を示す波形図である。
【符号の説明】
１０測定対象物
１２レーザ部（半導体レーザ部）
１４レーザ共振器（または、レーザダイオード）
１６レンズ
２０フォトダイオード
２１信号処理部
２２微少振動数差算出機能

Claims

測定対象物へレーザ光を出射するレーザ光出射工程と、前記測定対象物で反射すると共に当該測定対象物の速度に応じた対象物ドップラ周波数を有する戻り光を受光する戻り光受光工程と、この戻り光受光工程での受光時に発振し前記レーザ光を出射した時から当該戻り光を受光するまでの共振器の変化に応じた自己周波数を生じさせる新たな出射光と前記ドップラ周波数を有する戻り光とを自己混合させる自己混合工程と、この自己混合工程で生じ前記対象物ドップラ周波数と自己周波数とが重畳したビート波の周波数の変化波形の包絡線を抽出する包絡線抽出工程と、この包絡線抽出工程にて抽出された包絡線の周波数に基づいて前記対象物ドップラ周波数と自己周波数との振動数差を算出する振動数差算出工程を備えたことを特徴とする振動測定方法。
レーザ光を発振すると共に当該発振した出射光が測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受光時に発振した出射光とを自己混合させるレーザ共振器と、正弦波波形のレーザ駆動電流で当該レーザ部を駆動するレーザ駆動部と、前記レーザ共振器での駆動電流に応じた出射時の波長で発振されたレーザ光を測定対象物に向けて出射すると共に前記測定対象物からの戻り光と当該戻り光受光時の前記レーザ共振器での駆動電流に応じた波長で発振された出射光とが当該共振器内で自己混合したビート波を出力するレーザ部と、このレーザ部から出力されるビート波を信号処理すると共に処理結果を振動情報として出力する信号処理部とを備えると共に、
前記信号処理部は、前記ビート波の周波数の変化に基づいて前記測定対象物の振動周波数を算出する微少振動数差算出機能を備えたことを特徴とする振動数計測装置。
前記信号処理部が、前記ビート波の周波数を電圧に変換するＦＶ変換素子と、このＦＶ変換素子によって変換された電圧値のピークを保持すると共に当該ピーク値を前記ビート波の包絡線波形として出力するピークホールド部とを備え、
前記微少振動数差算出機能は、前記ピークホールド部から出力される包絡線波形の周期に基づいて前記測定対象物の振動周波数を算出する機能を備えたことを特徴とする請求項２記載の振動数計測装置。
前記微少振動算出機能は、前記包絡線の波形を予め想定した場合の近似式に基づいて前記包絡線の値の変化を用いて前記測定対象物の振動周波数を算出する機能を備えたことを特徴とする請求項２記載の振動数計測装置。
前記信号処理部は、前記包絡線の値が一定に至るまで前記レーザ駆動部での駆動電流周波数を変化させる同調制御機能を備えたことを特徴とする請求項２，３又は４記載の振動数計測装置。
レーザ光を発振すると共に当該発振した出射光が第１の測定対象物で反射した戻り光と当該戻り光受光時に発振した出射光とを自己混合させるレーザ共振器と、前記第１の測定対象物の振動と同期して振動する第２の測定対象物に設置され前記レーザ共振器を保持するレーザ部と、このレーザ部から出力されるビート波を信号処理すると共に処理結果を振動情報として出力する信号処理部とを備えると共に、
前記信号処理部は、前記ビート波の包絡線に基づいて前記第１の測定対象物の振動数と前記第２の測定対象物の振動数の振動数差を算出する微少振動数差算出機能を備えたことを特徴とする振動数計測装置。