(57)【要約】ねじり振動計測装置は、ねじり振動を計測すべき対象回転体（５）の表面に軸方向に所定の距離をおいて配置された複数の反射手段（６、７）と、前記複数の反射手段に照射すべき繰り返しパルス光線を出射するパルス光照射手段（１、２）と、前記出射されたパルス光線を伝送する送信用伝送手段（３、４）と、を有する。さらにねじり振動計測装置は、前記伝送されたパルス光線を前記複数の反射手段に照射し、前記複数の反射手段によって反射された複数の反射パルス光線をそれぞれ受光する複数の送受信手段（８、９）と、前記受光された複数の反射パルス光線を伝送する受信用伝送手段（３、４）と、を備えている。さらにねじり振動計測装置は、前記受信用伝送手段によって伝送された複数の反射パルス光線を検知する複数の検知手段（１２、１３）と、前記複数の検知手段がそれぞれ出力する複数のパルス出力信号を処理して対象回転体のねじり振動周波数を演算する信号処理手段（１４）と、を備えている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじり振動を計測すべき対象回転体の表面に軸方向に所定の距離をおいて配置された複数の反射手段と、
前記複数の反射手段に照射すべき繰返しパルス光線を出射するパルス光照射手段と、
前記出射されたパルス光線を伝送する送信用伝送手段と、
前記伝送されたパルス光線を前記複数の反射手段に照射し、前記複数の反射手段によって反射された複数の反射パルス光線をそれぞれ受光する複数の送受信手段と、
前記受光された複数の反射パルス光線を伝送する受信用伝送手段と、
前記受信用伝送手段によって伝送された複数の反射パルス光線を検知する複数の検知手段と、
前記複数の検知手段がそれぞれ出力する複数のパルス出力信号を処理して対象回転体のねじり振動周波数を演算する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とするねじり振動計測装置。
【請求項２】
前記パルス光照射手段は、パルス繰り返し周波数およびパルス時間幅を変動させてパルス光線を出射できるように構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項３】
前記パルス光照射手段は、前記複数の送受信手段ごとに別個に設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項４】
前記送信用伝送手段は、前記パルス光照射手段から照射されたパルス光を前記複数の送受信手段に分波して伝送するための分波器を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項５】
前記複数の反射手段と、前記複数の送受信手段とはそれぞれ、前記対象回転体の半径方向に並びうる位置に配置され、前記パルス光線が前記複数の反射手段に対してほぼ垂直に照射されうるように向けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項６】
前記送信用伝送手段と前記受信用伝送手段とが少なくとも一つの光分割手段を有し、前記送信用伝送手段と前記受信用伝送手段とが、それぞれ少なくとも部分的に共通の導光路を利用するものであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項７】
前記信号処理手段は、前記複数のパルス出力信号のそれぞれから得られる前記対象回転体の回転周期の差に基いて対象回転体のねじり振動周波数を演算するものであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項８】
前記送受信手鰻は、対象回転体の周方向に複数配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項９】
前記送受信手段および反射手段が、前記対象回転体の軸方向にそれぞれ少なくとも３箇所に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項１０】
前記反射手段は、光線を高反射率で反射する高反射領域と、この高反射領域よりも低い反射率で反射する低反射領域が対象回転体の周方向に分布していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項１１】
前記複数の反射手段は各々、前記対象回転体の周方向に複数取り付けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項１２】
前記信号処理手段は、前記複数の検知手段が出力する前記複数のパルス出力信号を微分処理することによって対象回転体のねじり振動周波数を演算するように構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項１３】
前記信号処理手段は、前記複数の検知手段が出力する前記複数のパルス出力信号をデジタル計数することによって対象回転体のねじり振動周波数を演算するように構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項１４】
前記信号処理手段は、前記複数の反射手段のそれぞれの周方向長さを用いて対象回転体のねじり振動周波数を演算するように構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項１５】
前記パルス光照射手段は、そのパルス光の波長を変えられるように構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項１６】
前記検知手段は、前記反射パルス光線を波長的に選択して検出する波長選択手段を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【請求項１７】
前記反射手段に照射される前記パルス光線の寸法が、前記対象回転体の軸方向および周方向の前記反射手段の寸法よりもはるかに小さくなるように構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のねじり振動計測装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、回転機器や車両等における回転体のねじり振動を高精度に非接触計測するねじり振動計測装置に関する。
背景技術
回転体のねじり振動を計測する従来の技術は、例えば、特開平７−５０５６号公報および米国特許第５，４３８，８８２号公報に開示されている。このシステムは、集束レンズを取り付けた一対の光検出器とこれら光検出器の出力をデジタルデータに変換する制御器と、前記光検出器の出力波形を表示するオシロスコープと、前記デジタルデータを分析するコンピュータと、分析結果を表示するディスプレイと、回転体に取り付けられた反射性のマークバンドとから構成されている。
反射性のマークバンドは、測定対象である回転体の円周一周に巻き付けて取り付けられている。この反射性のマークバンドの構造は、軸方向に平行な線またはマークが周方向に等ピッチｄで並ぶ構造になっている。線またはマークは反射性であり、線またはマーク以外の部分は非反射性である。集束レンズを取り付けた一対の光検出器は、一対の反射性のマークバンドに対し、それぞれ対向する位置に設置されている。
この装置の作用を説明すると、角速度Ωで回転する半径Ｒの回転体を計測すると、反射性のマークバンドで反射した光は、集束レンズによって集束されて光検出器で検知される。この結果、光検出器の出力波形を表示するオシロスコープでは、時間間隔τ＝ｄ／（ＲΩ）のパルス信号を検知することができる。
ねじり振動がない場合、パルス信号の位相差は一定となる。ねじり振動がある場合、パルス信号の位相差は一定ではなくなり、時間的に振動する位相差が発生する。この位相差の変動を求めるため、制御器においてパルス信号をデジタル化する。そして、コンピュータによるデジタル分析を行って位相差の変動を求める。ねじり振動周波数は位相差の変動から求め、ディスプレイにねじり振動周波数を表示する。
ところで上記従来装置では、対象とする回転体に軸振動、すなわち軸のねじり以外の振動が存在する場合、パルス信号の立ち上り時間および立ち下り時間や信号振幅が、この軸振動によって変化する。このため、理想的なパルス信号を得ることが難しく、その結果、ねじり振動および回転速度の正確な計測が困難となるという問題がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、対象回転体の回転軸に軸振動が存在する場合であっても回転体のねじり振動を高精度に計測することが可能なねじり振動計測装置を提供することにある。
発明の開示
上記目的を達成するために、この発明に係るねじり振動計測装置は、ねじり振動を計測すべき対象回転体の表面に軸方向に所定の距離をおいて配置された複数の反射手段と、前記複数の反射手段に照射すべき繰返しパルス光線を出射するパルス光照射手段と、前記出射されたパルス光線を伝送する送信用伝送手段と、前記伝送されたパルス光線を前記複数の反射手段に照射し、前記複数の反射手段によって反射された複数の反射パルス光線をそれぞれ受光する複数の送受信手段と、前記受光された複数の反射パルス光線を伝送する受信用伝送手段と、前記受信用伝送手段によって伝送された複数の反射パルス光線を検知する複数の検知手段と、前記複数の検知手段がそれぞれ出力する複数のパルス出力信号を処理して対象回転体のねじり振動周波数を演算する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
第１図は本発明の第１の実施の形態のねじり振動計測装置の構成図である。図に示すように、本実施の形態のねじり振動計測装置は、第１および第２のパルス光線をそれぞれ出射する第１のパルス光照射装置１および第２のパルス光照射装置２と、出射された第１および第２のパルス光線を伝送する第１の伝送装置３および第２の伝送装置４とを有する。
対象回転体５には、パルス光線を反射する第１の反射板６および第２の反射板７が取り付けられている。ねじり振動計測装置はさらに、伝送された第１および第２のパルス光線を第１の反射板６および第２の反射板７に照射し、第１の反射板６および第２の反射板７による第１および第２の反射パルス光線を受光する第１の送受信装置８および第２の送受信装置９を備えている。
ねじり振動計測装置はさらに、第１の伝送装置３および第２の伝送装置４によって伝送される第１および第２の反射パルス光線を検知する第１の検知装置１２および第２の検知装置１３と、第１の検知装置１２および第２の検知装置１３が出力する第１および第２のパルス出力信号を処理して対象回転体５のねじり振動周波数等を演算する信号処理装置１４とを備えている。
第１のパルス光照射装置１および第２のパルス光照射装置２は、パルス繰り返し周波数ｆｐ［Ｈｚ］およびパルス時間幅ｗｐ［ｓ］が調整可能なパルス光源で構成されている。例えば、半導体レーザ、その他のパルスレーザ、ＬＥＤやフラッシュランプ等を用いることができる。
第１の伝送装置３および第２の伝送装置４は、例えば光ファイバで構成され、第１のパルス光照射装置１および第２のパルス光照射装置２との結合部には結合効率を高めるため、球面レンズ、非球面レンズ、複数枚の張り合わせレンズまたは組み合わせレンズ、屈折率分布型レンズ、ボールレンズ等のレンズ素子を介して結合するように構成されている。
第１図に示すように、第１のパルス照射装置１および第２のパルス照射装置４から発した第１および第２のパルス光線は、それぞれ光ファイバ３ｂ、４ｂを通って第１の光線分離装置５０および第２の光線分離装置５１を通り、光ファイバ３ａ、４ａを通して第１の送受信装置８および第２の送受信装置９に導かれる。第１の送受信装置８および第２の送受信装置９から発せられたパルス光線がそれぞれ、第１の反射板６および第２の反射板７に当たると、ここで反射し、第１の送受信装置８および第２の送受信装置９に戻される。第１の送受信装置８および第２の送受信装置９に戻された反射パルス光線は、再び光ファイバ３ａ、４ａを通って第１の光線分離装置５０および第２の光線分離装置５１に戻る。第１の光線分離装置５０および第２の光線分離装置５１に戻ったパルス光線はここで分離され、少なくとも一部は光ファイバ３ｃ、４ｃを通って、第１の検出装置１２および第２の検出装置１３へ導かれる。
第１の光線分離装置５０は、例えば第２図のように構成されている。すなわち、光ファイバ３ｂから入射されるパルス光線は第１のレンズ７０を通った後に半透過反射板７１を透過してさらに第２のレンズ７２を透過し、光ファイバ３ａを通して出て行く。一方、光ファイバ３ａを通して入射される反射パルス光線は、第２のレンズ７２を通った後に半透過反射板７１で反射され、さらに反射板７３で反射され、第３のレンズ７４を通って、光ファイバ３ｃを通して出て行く。第２の光線分離装置５１も同様の構造である。
なお、他の実施の形態として、光ファイバを用いることなく、ミラーなどを用いてパルス光線を空間伝送するようにした第１の伝送装置３および第２の伝送装置４を形成することもできる。
再び第１図において、第１の反射板６および第２の反射板７は、第１および第２のパルス光線を高効率で正反射させる反射領域で構成される。この反射領域は、対象回転体５の周に沿って、半径方向外側に向けて配置されている。
第１の送受信装置８および第２の送受信装置９は、それぞれ、第１の反射板６および第２の反射板７に対して垂直にパルス光線を照射できるように、対象回転体５の回転軸に垂直な方向に向けてパルス光線を出すように配置されている。
第１の反射板６および第２の反射板７の軸方向長さＷ１［ｍ］およびＷ２［ｍ］、周方向長さＬ１［ｍ］およびＬ２［ｍ］は、次の式（１）および式（２）を満足するように構成されている。厚さ方向長さの制限は特にない。
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ただし、Ｖａ［ｍ］は対象回転体５の軸方向の振動振幅であり、Ｖｒ［ｍ］は対象回転体５の周方向（かつ第１および第２のパルス光線の照射と垂直方向）の振動振幅であり、Φ［ｍ］は対象回転体５の表面上における第１および第２のパルス光線のビーム径である。
第１の送受信装置８および第２の送受信装置９は、前述のレンズ素子と同様のものを用いて構成され、第１および第２のパルス光線を平行或いは集光或いは拡散状態にし、対象回転体５の表面上でのビーム径Φ［ｍ］となるようになっている。そして、第１の反射板６および第２の反射板７による第１および第２の反射パルス光線を第１の伝送装置３および第２の伝送装置４と高効率で結合させるように構成されている。
第１の検知装置１２および第２の検知装置１３は、各種フォトダイオード、光電管、光電子増倍管等の光電変換素子で構成されている。また、第１の伝送装置３および第２の伝送装置４によって伝送された第１および第２の反射パルス光線は、必要に応じて前述のレンズ素子と同様のものによって集光され、第１の検知装置１２および第２の検知装置１３に入射するように構成されている。
信号処理装置１４はアナログ・デジタル変換器および計算機で構成され、第１の検知装置１２および第２の検知装置１３の出力のアナログ電気信号を各々デジタル電気信号に変換して取り込み、ねじり振動を求める信号処理を行うようになっている。なお、アナログやデジタルの回路装置によって専用の信号処理装置１４を構成してもよい。
以上のように構成した第１の実施の形態のねじり振動計測装置の作用を以下に説明する。すなわち、第１のパルス光照射装置１から出射された第１第１のパルス光線は、第１の伝送装置３の光ファイバ３ｂ、第１の光分離装置５０、光ファイバ３ａを通して第１の送受信装置８へ伝送される。第１の送受信装置８では、対象回転体５の第１の反射板６に対し、前記式（１）および式（２）を満足するビーム径Φ［ｍ］となるように第１のパルス光線が照射される。第２のパルス光線も第１のパルス光線と同様である。
軸振動を有する対象回転体５が回転周波数ｆｍ［Ｈｚ］で回転する場合、第１のパルス光線が反射領域に照射された場合に限って第１の反射パルス光線が発生する。一方、対象回転体５の軸振動は、（ａ）対象回転体５の軸方向、（ｂ）第１の送受信装置８が照射する第１のパルス光線と同一方向、（ｃ）対象回転体５の周方向（第１のパルス光線が照射される方向と垂直の方向）の３成分に分解できる。第１の反射パルス光線は、前記式（１）によって、対象回転体５の軸方向の振動の影響を受けない。さらに、第１のパルス光線が平行光或いは極めて小さいビーム径であるため、焦点深度が深く、対象回転体５の第１のパルス光線の照射方向と同一方向の振動の影響を受けることがない。
第１の反射パルス光線は、第１の送受信装置８から、第１の受信用伝送装置３の光ファイバ３ａ、第１の光線分離装置５０、光ファイバ３ｃを通って第１の検知装置１２へ伝送される。第１の検知装置１２では、第１の反射パルス光線を検出して光電変換する。第１の反射パルス光線も同様である。
第３図に示すように、ｎ個のパルスからなる第１のパルス出力信号１５が対象回転体５の１回転毎に出力される。ここで、送受信装置８、９の前を一つの反射板６、７が通過する間に反射板６、７に照射され、反射されるパルス光の数をｎ（≧２）とする。この場合、前述のように、対象回転体５の軸方向の振動の影響、および、対象回転体５の第１のパルス光線の照射方向と同一方向の振動の影響を受けることがなく、さらに前記式（２）が作用するため、第１のパルス出力信号１５の立ち上り時間および立ち下り時間は、第１のパルス光線の立ち上り時間および立ち下り時間となる。
他方、同様の作用の結果、第２のパルス出力信号１６の立ち上り時間および立ち下り時間は、第２のパルス光線の立ち上り時間および立ち下り時間となる。
第１のパルス出力信号１５および第２のパルス出力信号１６は、アナログ信号からデジタル信号へ変換された後、信号処理装置１４に取り込まれる。信号処理装置１４では、第１のパルス出力信号１５を構成する第ｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）のパルスにおいて、第３図に示すように立ち上りパルスに対してパルス振幅の相対レベルＶｓ［％］（１≦Ｖｓ≦１００）の閾値を設定し、第ｉ番目のパルスのトリガ時間ｔｒｉ［ｓ］を計測する。
同様に、１回転後の第ｉ番目のパルスに対し、相対レベルＶｓ［％］を用いてトリガ時間ｔｒｉ’［ｓ］を計測する。そして、このトリガ時間ｔｒｉ［ｓ］およびｔｒｉ’［ｓ］を、第１のパルス出力信号１５を構成する全てのパルスに対して計測し、下記の式（３）を用いて構成パルスで平均化して第１のパルス出力信号１５の回転周期Ｔ１［ｓ］を求める。
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このように構成パルス数ｎで平均して回転周期Ｔ１［ｓ］を求めることによって、回転周期Ｔ１［ｓ］の計測精度を高めることができる。
同様にして、第２のパルス出力信号１６の回転周期Ｔ２［ｓ］を求め、下記の式（４）によって回転周期の時間差Ｔｔ［ｓ］を時間とともに順次求め、その周波数解析を行うことによってねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を求める。なお、対象回転体５の周方向の振動の影響はＴ１［ｓ］，Ｔ２［ｓ］に重畳するが同量であるため、式（４）によってキャンセルされ、除去される。
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上述したように、第１のパルス出力信号１５および第２のパルス出力信号１６は、対象回転体５の軸方向の振動、周方向の振動や第１および第２のパルス光線が照射される方向と同一方向の振動による影響を受けないことになる。その結果、対象回転体５が軸振動を有する場合であっても、回転周期Ｔ１［ｓ］およびＴ２［ｓ］を計測し、式（４）によって回転周期の時間差Ｔｔを時間とともに順次求め、その周波数解析を行うことによってねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を高精度に計測することが可能となる。
次に、上記第１の実施の形態のねじり振動計測装置の上記と異なる作用を第４図によって説明する。例えば、第１の検知装置１２および第２の検知装置１３において、ノイズが多い場合、第１のパルス出力信号１７および第２のパルス出力信号１８は、第４図に示すようにパルス振幅が不安定で変動することになる。
この場合、信号処理装置１４のトリガ時間計測は前述の第３図によって説明した手法ではなく、第１のパルス出力信号１７を構成するｎ個のパルスのうち第ｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）のパルスにおいて、立ち上りパルスに対する微分処理を行い、第４図に示すようにその最大値を第ｉ番目のパルスのトリガ時間ｔｒｉ［ｓ］とする。同様に、１回転後の第ｉ番目のパルスに対して微分処理を行い、トリガ時間ｔｒｉ’［ｓ］を求める。そして、このトリガ時間ｔｒｉ［ｓ］およびｔｒｉ’［ｓ］を、第１のパルス出力信号１７を構成する全てのパルスに対して計測し、前記の式（３）を用いて構成パルスで平均化して第１のパルス出力信号１７の回転周期Ｔ１［ｓ］を求める。同様にして、第２のパルス出力信号１８の回転周期Ｔ２［ｓ］を求め、ねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を求める。
このように、第１のパルス出力信号１７および第２のパルス出力信号１８の各構成パルスの振幅が不安定で変動する場合であっても、第１のパルス出力信号１７および第２のパルス出力信号１８の各構成パルスのトリガ時間ｔｒｉ［ｓ］およびｔｒｉ’［ｓ］を求めることができ、ねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を高精度に計測することが可能となる。
また、第１の実施の形態のねじり振動計測装置のさらに異なる作用を第５図によって説明する。例えば、第１の検知装置１２および第２の検知装置１３においてノイズが更に多い場合、第１のパルス出力信号１９および第２のパルス出力信号２０は、第５図に示すようにパルス形状やパルス振幅が不安定で変動することになる。
この場合、信号処理装置１４のトリガ時間計測は前述の第３図或いは第４図によって説明した手法ではなく、第１のパルス出力信号１９を構成する第ｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）のパルスを計測した時刻における第１のパルス光照射装置１のパルスカウントｐｃｉを計測する。ここで、パルスカウントとは、任意の基準時刻を基点とした計数パルス数である。また、パルスの認識は、ハイレベル或いはローレベル出力を一定時間以上計測した場合、或いは出力の積算値が規定値以上になる場合などの方法による。
続いて、１回転後の第ｉ番目のパルスを検知した時刻のパルスカウントｐｃｉ’を計測する。そして、このパルスカウントｐｃｉおよびｐｃｉ’を第１のパルス出力信号１９を構成する全てのパルスに対して計測し、下記の式（５）に示すように構成パルスで平均化して第１のパルス出力信号１９の回転周期Ｔ１［ｓ］を求める。
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同様に、第２のパルス出力信号２０についても回転周期Ｔ２［ｓ］を求め、ねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を求める。
このように、第１のパルス出力信号１９および第２のパルス出力信号２０の各構成パルスのパルス形状やパルス振幅が不安定で変動する場合であっても、パルス計数によって第１のパルス出力信号１９および第２のパルス出力信号２０の回転周期Ｔ１［ｓ］およびＴ２［ｓ］を求めることができ、ねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を高精度に計測することが可能となる。
つぎに、第１の実施の形態のねじり振動計測装置のさらに異なる作用について説明する。例えば、第１の検知装置１２および第２の検知装置１３においてノイズが更に多い場合、第１のパルス出力信号１９および第２のパルス出力信号２０は、パルス形状やパルス振幅が不安定で変動することに加え、反射領域以外においてもノイズが発生するようになる。そして、この反射領域以外のノイズのため、１回転後の第１のパルス出力信号１９および第２のパルス出力信号２０の計測が困難になる場合がある。
この場合、信号処理装置１４のトリガ時間計測では、第１のパルス出力信号１９を構成するｎ個のパルスのうちの第１番目と第ｎ番目のパルスの時間間隔（ｔｒｎ−ｔｒ１）［ｓ］、或いは計測パルス数（ｐｃｎ−ｐｃ１）を計測する。そして、第１の反射板６の周方向長さＬ１［ｍ］を用い、下記の式（６）を計算することによって、第１のパルス出力信号１９の回転周期Ｔ１［ｓ］を求める。
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但し、ｆｐは第１のパルス光線のパルス繰り返し周波数［Ｈｚ］であり、Ｒは対象回転体５の回転半径［ｍ］である。
同様に、第２のパルス出力信号２０についても回転周期Ｔ２［ｓ］を求め、ねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を求める。
このように、第１のパルス出力信号１９および第２のパルス出力信号２０の各構成パルスのパルス形状やパルス振幅が不安定で変動し、さらに反射領域以外においてもノイズが発生する場合であっても、第１のパルス出力信号１９および第２のパルス出力信号２０の構成パルスを用いるため、反射領域以外に発生するノイズの影響を受けることなく、第１のパルス出力信号１９および第２のパルス出力信号２０の回転周期Ｔ１［ｓ］およびＴ２［ｓ］を求めることができ、ねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を高精度に計測することが可能となる。
次に、第１の実施の形態のねじり振動計測装置のさらに異なる作用について説明する。例えば、第１のパルス出力信号１５および第２のパルス出力信号１６にノイズが重畳し、回転周期Ｔ１［ｓ］およびＴ２［ｓ］の計測精度が低下する場合がある。
この場合、第１のパルス光照射装置１および第２のパルス光照射装置２において、パルス繰り返し周波数ｆｐ［Ｈｚ］を高くする。また、必要に応じてパルス時間幅ｗｐ［ｓ］を短くする。この結果、信号処理装置１４では、構成パルス数ｎ’（ｎ’＞ｎ）の第１のパルス出力信号１５および第２のパルス出力信号１６が取り込まれる。
信号処理装置１４では、式（３）、式（５）或いは式（６）のいずれかによって第１および第２のパルス出力信号の回転周期Ｔ１［ｓ］およびＴ２［ｓ］を求める。その際、いずれの場合も構成パルス数ｎより大きい構成パルス数ｎ’で平均化することになるため、回転周期に対する計測精度の低下を防ぐことが可能となる。この結果、ねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を高精度に求めることができる。
このように、第１のパルス出力信号１５および第２のパルス出力信号１６にノイズが重畳する場合であっても、第１のパルス光照射装置１および第２のパルス光照射装置２のパルス繰り返し周波数ｆｐ［Ｈｚ］を高くすることによって、第１および第２のパルス出力信号の構成パルス数ｎを増加させることができ、式（３）、式（５）或いは式（６）によって計測精度を低下させることなく第１のパルス出力信号１５および第２のパルス出力信号１６の回転周期Ｔ１［ｓ］およびＴ２［ｓ］を計測することができ、対象回転体５のねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を高精度に求めることが可能となる。
次に、第６図および第７図を参照して本発明の第２の実施の形態のねじり振動計測装置を説明する。ここで、第１の実施の形態と共通または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
第６図に示すように、本実施の形態のねじり振動計測装置は、第１および第２のパルス光線を出射する第１の波長可変パルス照射装置６１および第２の波長可変パルス照射装置６２と、出射された第１および第２のパルス光線を伝送する第１の伝送装置３および第２の伝送装置４とを有する。対象回転体５には、光線を反射する第１の多重化反射板２３および第２の多重化反射板２４が取り付けられている。ねじり振動計測装置はさらに、伝送された第１および第２のパルス光線を第１の多重化反射板２３および第２の多重化反射板２４に照射し、第１の多重化反射板２３および第２の多重化反射板２４による第１および第２の反射パルス光線を受光する第１の送受信装置８および第２の送受信装置９を備えている。
また、ねじり振動計測装置はさらに、前記受光された第１および第２の反射光線を伝送する第１の伝送装置３および第２の伝送装置４と、伝送された第１および第２の反射光線を第１および第２の反射パルス光線と分離する第１の光線分離装置５０および第２の光線分離装置５１を有する。ねじり振動計測装置はさらに、第１の光線分離装置５０および第２の光線分離装置５１によって分離された第１および第２の反射パルス光線を波長的に選択する第１の波長選択素子５５および第２の波長選択素子５６と、波長的に選択された第１および第２の反射パルス光線を検知する第１の光検知装置１２および第２の光検知装置１３と、第１の光検知装置１２および第２の光検知装置１３が出力する第１および第２のパルス出力信号を信号処理する信号処理装置１４とを備えている。
第１の波長可変パルス光照射装置６１および第２の波長可変パルス光照射装置および６２は、波長を変えて光線を照射する光源で構成されている。このような光源の例としては、液体、固体、半導体等の波長可変レーザ、非線形光学結晶を用いたレーザ、波長選択素子を用いたＬＥＤやランプが挙げられる。また、発振波長が異なる複数個のレーザ、ＬＥＤ、ランプで構成することもできる。
第１のパルス光照射装置６１および第２のパルス光照射装置６２から発した第１および第２のパルス光線は、それぞれ光ファイバ３ｂ、４ｂを通って第１の光線分離装置５０および第２の光線分離装置５１を介して光ファイバ３ａ、４ａを通して第１の送受信装置８および第２の送受信装置９に導かれる。
第１の送受信装置８および第２の送受信装置９から発せられたパルス光線がそれぞれ、第１の多重化反射板２３および第２の多重化反射板２４に当たると、ここで反射し、第１の送受信装置８および第２の送受信装置９に戻される。第１の送受信装置８および第２の送受信装置９に戻された反射パルス光線は、再び光ファイバ３ａ、４ａを通って第１の光線分離装置５０および第２の光線分離装置５１に戻る。第１の光線分離装置５０および第２の光線分離装置５１に戻ったパルス光線はここで分離され、少なくとも一部は光ファイバ３ｃ、４ｃを通って、第１の検出装置１２および第２の検出装置１３へ導かれる。
第１の多重化反射板２３および第２の多重化反射板２４は、第１および第２のパルス光線を高効率で反射する各ｍ個の反射領域と、これらの反射領域を隔てる低反射領域から構成されている。低反射領域は、第１および第２のパルス光線を吸収（または散乱）するように構成されている。
一方、第１の多重化反射板２３および第２の多重化反射板２４の各反射領域の軸方向長さＷ１［ｍ］およびＷ２［ｍ］、周方向長さＬ１［ｍ］およびＬ２［ｍ］に関しては、前記の式（１）および式（２）を満足するように構成されている。反射領域と反射領域の間隔は均等でも不均等でもよい。また、反射領域の数には制限がない。
第１の波長選択素子５５および第２の波長選択素子５６の例としては、光学フィルタ、回折素子、プリズムなどがある。
第２の実施の形態のねじり振動計測装置の作用を第６図によって説明する。例えば、第１の送受信装置８および第２の送受信装置９が照明環境にあり、照明光の波長が第１および第２のパルス光線の波長と重なるためノイズ光となり、第１のパルス出力信号２５および第２のパルス出力信号２６のＳＮ比（信号／ノイズ比）が低下する場合がある。この場合、第１および第２のパルス光線の波長をノイズ光となる照明の波長と重ならない波長に変え、第１の検知装置１２および第２の検知装置１３においてこの波長を選択的に検知するようにする。これにより、高ＳＮ比の第１のパルス出力信号２５および第２のパルス出力信号２６を得ることができる。
このように、第１および第２のパルス光線の波長とノイズ光の波長が重なる場合であっても、第１および第２のパルス光線の波長をノイズ光と重ならない波長に変えることにより、高ＳＮ比の第１のパルス出力信号２５および第２のパルス出力信号２６を得ることができる。
さらに、第２の実施の形態のねじり振動計測装置の上記と異なる作用を第６図によって説明する。第１の送受信装置８および第２の送受信装置９が照明環境にあり、さらに第１および第２のパルス光線の波長をノイズ光となる照明の波長と重ならない波長に変えることが困難であるため、第１のパルス出力信号２５および第２のパルス出力信号２６のＳＮ比が低下する場合がある。この場合、第１の波長選択素子５５および第２の波長選択素子５６によって第１および第２の反射パルス光線を波長的に選択し、第１の検知装置１２および第２の検知装置１３において検知するようにする。これにより、第１および第２の反射パルス光線の波長以外のノイズ光を除去できるため、高ＳＮ比の第１のパルス出力信号２５および第２のパルス出力信号２６を得ることができる。
このように、第１および第２のパルス光線の波長をノイズ光の波長と重ならない波長に変えることが困難な場合であっても、第１および第２の反射パルス光線を波長的に選択してノイズ光を除去し、第１の検知装置１２および第２の検知装置１３において検知することにより、高ＳＮ比の第１のパルス出力信号２５および第２のパルス出力信号２６を得ることができる。
さらに、第２の実施の形態のねじり振動計測装置のさらに異なる作用について説明する。例えば、第１の多重反射板２３および第２の多重反射板２４の反射領域における反射率が低下し、第１のパルス出力信号２５および第２のパルス出力信号２６のＳＮ比が低下する場合がある。このような状態は、反射板の損傷、劣化、変質、さらには反射板表面へ物質が付着することによって発生する。そして、経年と共に発生確率が増加し、その度合も大きくなる。
このため、第１の送受信装置８から照射される第１のパルス光線が第１の多重反射板２３の反射領域に照射された場合、光強度が小さい第１の反射パルス光線となる。しかし、第１の多重反射板２３の反射領域以外に照射された場合には正反射率が低いため、第１の検知装置１２においてはパルス光線が検知されない。したがって、構成パルスの各振幅は小さくなるが第１の多重反射板２３の反射領域以外でパルス光線を検知することがないため、第１のパルス出力信号２５を得ることができる。
なお、第２のパルス出力信号２６についても同様の作用により、構成パルスの各振幅は小さくなるが、その振幅に比べて極めて小さいノイズで構成される高ＳＮ比の第２のパルス出力信号２６を得ることができる。
このように、第１の多重反射板２３および第２の多重反射板２４における反射領域の反射率が低下した場合であっても、他の領域すなわち低反射領域（散乱領域または吸収領域）において第１および第２のパルス光線が正反射方向以外に散乱（または吸収）されるため、構成パルスの各振幅は小さくなるが、その振幅に比べて極めて小さいノイズで構成される高ＳＮ比の第１のパルス出力信号２５および第２のパルス出力信号２６を得ることが可能となる。
さらに続いて、第２の実施の形態のねじり振動計測装置の上記と異なる作用を第７図について説明する。例えば、対象回転体５のねじり振動数が、対象回転体５の回転周波数ｆｍ／２［Ｈｚ］より高い場合がある。
この場合、信号処理装置１４では、第ｊ番目（１≦ｊ≦ｍ）の反射領域からの第１のパルス出力信号において、第７図に示すように立ち上りパルスに対して電圧値Ｖｔｈ［Ｖ］の閾値を設定し、第｛ｊ＋（ｕ−１）ｋ｝番目の反射領域からの第１のパルス出力信号のうちの第ｉ番目の反射パルス光のトリガ時間ｔｒｊ，ｉ［ｓ］を計測する。続いて、第（ｊ＋ｕｋ）番目（１≦ｋ≦ｍ）の反射領域から対となる第ｉ番目の反射パルス光のトリガ時間ｔｒｊ＋ｕｋ，ｉ［ｓ］を計測する。同様に、各ｉに対してｔｒｊ＋ｕｋ，ｉ，ｔｒｊ＋（ｕ−１）ｋ，ｉを求め、式（７）から、第１のパルス出力信号２５の回転周期Ｔ１［ｓ］を求める。
2003083416.tif 000008
ただし、ｋは計測する反射板の間隔（個数）である。ｍ／ｋは、第ｊ＋（ｕ−１）ｋ番目と第（ｊ＋ｕｋ）番目の反射領域の間隔が、対象回転体５の円周に占める割合の逆数を示している。反射領域の間隔が不均等の場合は、第｛ｊ＋（ｕ−１）ｋ｝番目と第（ｊ＋ｕｋ）番目の反射領域の間隔の実際の長さからｍ／ｋを求めるようにする。
同様に、第２のパルス出力信号２６についても、回転周期Ｔ２［ｓ］を求める。そして、式（４）によって各ｕにおける回転周期の時間差Ｔｔ［ｓ］を順次求めて、その周波数解析を行うことによってねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を求めることができる。
このように、対象回転体５のねじり振動数が対象回転体５の回転周波数ｆｍ／２［Ｈｚ］より高い場合であっても、第｛ｊ＋（ｕ−１）ｋ｝番目の反射領域と、第（ｊ＋ｕｋ）番目の反射領域を用い、式（７）から回転周期Ｔ１［ｓ］およびＴ２［ｓ］を計測し、式（４）から回転周期の時間差差Ｔｔ［ｓ］を時間とともに順次求め、その周波数解析を行うことによってねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を高精度に求めることが可能となる。
以上説明した第１および第２の実施の形態（第１図、第６図）では、第１および第２の伝送手段３、４の各一部の光ファイバ３ａ、４ａはそれぞれ、送信用伝送手段と受信用伝送手段の機能を兼ねている。変形例として、これらを送信用伝送手段と受信用伝送手段で別個のものとしても良い。
さらに、以上説明した第１および第２の実施の形態では、第１と第２のパルス光照射装置１、２または６１、６２をそれぞれ別個のものとしたが、変形例として、これらのパルス光照射装置を一つのパルス照射装置として、光分離装置を用いてパルス光を分離することも可能である。
次に、第８図〜第１２図を参照して本発明の第３の実施の形態のねじり振動計測装置を説明する。ここで、第１または第２の実施の形態と共通または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
第８図に示すように、本実施の形態のねじり振動計測装置は、パルス光線を出射する第１のパルス光照射装置１と、出射されたパルス光線を分波器８０によって第１から第６までのパルス光線に分岐して伝送する多重送信用伝送装置２７とを有する。対象回転体５には、パルス光線を反射する第１から第４までの反射板６、７および２８、２９が取り付けられている。
このねじり振動計測装置はさらに、伝送された第１から第６のパルス光線を第１から第４の反射板６、７および２８、２９に照射し、第１から第６の反射パルス光線を受光する第１から第６の送受信装置８、９および３０、３１、３２、３３と、受光された第１から第６の反射パルス光線を各々独立に伝送する多重受信用伝送装置３４とを有する。このねじり振動計測装置はさらに、伝送された第１から第６の反射パルス光線を検知する第１から第６の検知装置を備えた多重検知装置３５と、多重検知装置３５が出力する第１から第６のパルス出力信号を処理して対象回転体５のねじり振動周波数を演算する信号処理装置１４とを有する。
多重送信用伝送装置２７は、パルス光線を伝送する光ファイバまたは空間伝送路、およびパルス光線を分割する分波器８０によって構成されている。分波器８０は、プリズム、ミラー、ビームスプリッタ等の光線を分割する素子で構成される。本実施の形態の分波器８０では１入力２出力であるが、任意の数の入力・出力が可能であり、例えば、１入力６出力の分波器を適用して一度に６分割することもできる。
第１から第４までの反射板６、７および２８、２９は、対象回転体５の周方向にｍ個取り付けられている。
第１の送受信装置８と第３の送受信装置３０の対象回転体５の周方向に対する取付間隔は任意であり、また取り付ける送受信装置の個数にも制限はない。この場合、送受信装置を対象回転体５にｍ個取り付ける場合の作用は、反射板をｍ個取り付けた場合の作用と等価になっている。また、第２の送受信装置９と第４の送受信装置３１についても同様である。
他方、対象回転体５の軸方向に関しても、任意の軸位置に任意の個数（ただし２個以上）を取り付けることができる。
多重受信用伝送装置３４は、例えば、６本のファイバ束または空間伝送路になっており、第１から第６の反射パルス光線を各々独立に伝送するようになっている。多重検知装置３５は、各々独立に伝送された第１から第６の反射パルス光線を個別に検知する第１から第６の検知装置で構成されている。
以上のように構成した第３の実施の形態のねじり振動計測装置の作用は以下のようになる。
第１のパルス光照射装置１から出射したパルス光線は、多重送信用伝送装置２７によって伝送されると共に途中の分波器８０によって分波され、第１、第２、第３および第４の送受信装置８、９、３０、３１へ伝送される。第１の送受信装置８および第３の送受信装置３０では、対象回転体５に取り付けられた第１の反射板６に対し、ビーム径Φ［ｍ］となるようにパルス光線がそれぞれ照射される。そして、それぞれの反射パルス光線が、多重受信用伝送装置３４によって個別に多重検知装置３５へ伝送され、各検知装置で検知される。
信号処理装置１４では、第１の送受信装置８と第３の送受信装置３０の出力信号、第２の送受信装置９と第４の送受信装置３１の出力信号を各々重ね合わせるため、第９図に示すように出力信号を検知することができる。両出力信号は、送受信装置の個数だけ反射板を取り付けた場合の結果と同じになっている。そこで、送受信装置が円周方向に等間隔配置されている場合は、送受信装置の取付個数：ｍ、計測する送受信装置の間隔：ｋからｍ／ｋを求め、不等間隔配置の場合は、実際の送受信装置の間隔からｍ／ｋを求め、式（７）に従って回転周期Ｔ１［ｓ］およびＴ２［ｓ］を各々ｕに対して順次求める。そして、式（４）によって回転周期の時間差：Ｔ１［ｓ］を順次求め、その周波数解析を行うことによって、ねじり振動周波数：ｆｔ［Ｈｚ］を求めることができる。
このように、送受信装置を対象回転体５の周方向に各々ｍ個備えることによって、反射板をｍ個備えた場合と同じ効果を得ることができ、ねじり振動周波数：ｆｔ［Ｈｚ］を高精度に計測することが可能になる。
つぎに、第３の実施の形態のねじり振動計測装置の上記と異なる作用について説明する。
第１のパルス光照射装置１から出射したパルス光線は、多重送信用伝送装置２７によって伝送されると共に途中の分波器８０によって分波され、第３から第６の送受信装置３０〜３３へ伝送される。第３の送受信装置３０では第１の反射板６、第４の送受信装置３１では第２の反射板７、第５の送受信装置３２では第３の反射板２８、第６の送受信装置３３では第４の反射板２９に対し、それぞれパルス光線が照射される。そして、それらの反射パルス光線が、多重受信用伝送装置３４によって個別に多重検知装置３５へ伝送され、各検知装置で検知される。多重検知装置３５の出力信号は、信号処理装置１４へ伝送される。
信号処理装置１４では、第１０図に示すように第３の送受信装置３０による第３のパルス出力信号３８、第４の送受信装置３１による第４のパルス出力信号３９、第５の送受信装置３２による第５のパルス出力信号４０、第６の送受信装置３３による第６のパルス出力信号４１を検知する。そして、各出力信号からその回転周期Ｔ３［Ｈｚ］、Ｔ４［Ｈｚ］、Ｔ５［Ｈｚ］、Ｔ６［Ｈｚ］を各ｕに対して順次求め、それらのうちの２個ずつの組み合せについて、式（４）によって回転周期の時間差：Ｔｔ［ｓ］を順次求め、その周波数解析を行うことにより、ねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を軸方向の多点で求めることができる。求めたねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］の値を平均することによって、計測精度を向上させることができる。
なお、本実施の形態における送受信装置の個数は４個であるが、送受信装置の個数が多いほどねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を多点で計測することができる。
上述したように、送受信装置を対象回転体５の軸方向に３個以上備えることにより、ねじり振動周波数ｆｔ［Ｈｚ］を軸方向の多点で計測することができ、平均化することによって高精度に計測することが可能となる。
なお、第８図では、多重送信用伝送装置２７と多重受信用伝送装置３４とを別個の伝送路（例えば光ファイバ）としたが、これらを合わせて１本の多重伝送装置とすることも可能である。
本発明によれば、対象回転体の回転軸に軸振動が存在する場合であっても、回転体のねじり振動および回転速度を高精度に計測することが可能なねじり振動計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第１の実施の形態のねじり振動計測装置の構成を示す模式図である。
第２図は、第１図の第１の光線分離装置の具体例を示す詳細構成図である。
第３図は、第１の実施の形態のねじり振動計測装置における第１および第２のパルス出力信号の例を示す図である。
第４図は、上記第１の実施の形態のねじり振動計測装置において、パルス振幅が不安定な場合の第１および第２のパルス出力信号を示す図である。
第５図は、第１の実施の形態のねじり振動計測装置において、パルス形状およびパルス振幅が不安定な場合の第１および第２のパルス出力信号を示す図である。
第６図は、本発明の第２の実施の形態のねじり振動計測装置の構成を示す模式図である。
第７図は、第２の実施の形態のねじり振動計測装置における第１および第２のパルス出力信号の例を示す図である。
第８図は、本発明の第３の実施の形態のねじり振動計測装置の構成を示す模式図である。
第９図は、第３の実施の形態のねじり振動計測装置における第１および第２のパルス出力信号の例を示す図である。
第１０図は、上記第３の実施の形態のねじり振動計測装置における第３から第６のパルス出力信号の例を示す図である。
【図１】
2003083416.tif 000009
【図２】
2003083416.tif 000010
【図３】
2003083416.tif 000011
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2003083416.tif 000016
【図９】
2003083416.tif 000017
【図１０】
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【国際調査報告】
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2003083416.tif 000021
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