(57)【要約】【課題】光学系及び信号処理系を簡略化し、小型軽量化した半導体レーザデジタル振動計測装置で発生するミスカウントを抑止して正確な振動測定を提供し、かつ振動の特性を抽出することを目的とする。【解決手段】レーザ発振周波数が固定された半導体レーザと、該半導体レーザダイオードの射出光を振動体表面に照射し、その戻り光が該半導体レーザに結合すべく配置された光学素子と、該振動体変位に関係して生じる半導体レーザ出力を検出する受光素子とを有する光学ヘッド部分と、該半導体レーザに電流を供給する働きと、該受光素子出力から信号成分を検出する回路と、該検出部出力を変換するＡ／Ｄ変換器と、ドップラビート波数を計数する働きと、該検出部出力から変位方向を判別しカウントする働きと、該カウンタ部の計数値を演算し計測する回路と、比較回路を制御しかつ振動波形の特徴を抽出するプログラムとから構成した。【選択図】図１
2008014695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザを用いて振動する物体の変位を測定する半導体レーザデジタル振動計測装置であって、レーザ発振周波数が固定された半導体レーザと、前記半導体レーザから出射された光をコリメート化して被測定物体の表面に照射し、反射された光の一部が戻り光を集光して前記半導体レーザに入射するように配置された光学素子と、前記被測定物体の振動変位に関係して生じる半導体レーザの出力の変化を検出する受光素子とを有する光学ヘッド部分と、前記半導体レーザに電流を供給して安定した固定周波数で発振発光させる駆動回路と、前記受光素子出力から振動変位を含む微弱信号成分を取り出す増幅回路と、当該増幅部の信号をＡＤ変換するＡＤ変換回路と、自己混合効果により発生する振動変位ドップラビート波の波数を計測するカウンタ回路と、前記カウンタ部の計数値を処理して前記振動変位を計算する演算回路とから構成される半導体レーザデジタル振動計測装置に特有の無振動時と振動変位折り返し点におけるミスカウントを解消し、かつ振動の基本周波数成分を明確にして振動の特徴を抽出し正確に振動挙動推定をすることのできる半導体レーザデジタル振動計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザを用いて振動する物体の変位を測定する半導体レーザデジタル振動計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘリウムネオンレーザを用いたものと比べて光学系がごく簡単な構成で実現できる半導体レーザドップラ速度計を用いた振動計測装置が、速度方向判別回路を用いて発明され出願されている。振動計測のメカニズムは自己混合効果により発生するドップラービート波をカウント計測するものであり、レーザ発振波長λの半分（λ／２）が測定分解能で例えば６８０ｎｍの場合３３５ｎｍとなる。
【０００３】
前記出願にかかわる半導体レーザデジタル振動計測装置では、カウント判定単位時間における振動の変位が測定分解能以下の場合、コンパレート回路の自動閾値調整機能によりノイズとドップラービート波の弁別が出来なくなりミスカウントをしてしまう（図ＸＸ）。また、振動の方向が反転する場合には、測定分解能分を越えた変位をするかしないかでも同様な理由によりミスカウントをしてしまうことがある（図ＸＸ）。
【０００４】
前記の半導体レーザデジタル振動計測装置の構成と動作をまず初めに機能説明する。図１は当該半導体レーザデジタル振動変位計測装置のブロック図、図２はその基本的な振動波形の本装置での再現メカニズムを波形的に示している。図１において、波長を固定して発振する半導体レーザダイオード（ＬＤ）１ａは、駆動回路１ｃからの注入電流でコントロールされるものであり、注入電流は制御された一定の直流電流として与えられる。この回路はＡＰＣ（ＡｕｔｏＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌ）されてＬＤ出力を一定にしている。半導体レーザダイオード（ＬＤ）１ａの射出光は、前方へ光学素子（ＬＥＮ）１ｎを通して対象物（Ｏｂ）１ｏに照射され、そこからのドップラー周波数偏移した反射光の一部が半導体レーザダイオード（ＬＤ）１ａに戻り光として入射して、半導体レーザダイオードの出力には鋸波が重畳する。このことを自己混合効果という。半導体レーザダイオード（ＬＤ）１ａの後方への出射光は、鋸波＝ドップラービート信号なる出力変動として、受光素子（ＰＤ）１ｂで電気信号に変換され、検出回路１ｄにより増幅して検出される。このドップラービート信号は、図２の（ａ）に示すような波形となる。この時測定された（ａ）波形は自己混合効果の特徴を端的に表している。半導体レーザダイオードと振動体を結ぶ軸に対して振動体が近づくか離れるかの変位方向の違いによりドップラビート波は傾きが違ってくる。検出されたドップラービート波は比較回路１ｆによりコンパレートされ、そのドップラービート波の傾きを検知する方向判別回路（ＤＤＣ：Ｄｉｒｅｃｔ−ｉｏｎ
Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ）１ｇにより符号化された後、計数回路１ｉでカウントされた結果としての出力電圧は、図２の（ｂ）に示すように積分計数値が得られる。
【０００５】
積分計数値ｎと変位ｘとの関係式は、λをレーザの発振波長とすると、ｘ＝（λ／２）・ｎと表される。この計数積分値（ｎ）は、それを取り込んだ演算処理回路１ｋからさらにＵＳＢ回路を介してパソコンに通信されたあとアプリケーションソフトにより変位波形として出力される。あるいは、ＵＳＢ以降はＤ／Ａ変換回路を用いてアナログ波形として出力すればオシロスコープなどで観測が可能となる。図２については、対象物が単振動変位している場合を例にとって振動波形を観測したものである。
【０００６】
前述したミスカウントのメカニズムについて説明する。前記関係式のようにドップラービート波はλ／２の変位ごとに１個発生するのが自己混合効果の特徴である。コンパレート回路を用いた場合、原理的にミスカウントが発生するのは速度がゼロとなるドップラービート波の挙動にある。これは、コンパレート閾値との関係により３つに大別される。いずれも図３に測定例を示す。まず、図３ａの場合は次第に速度が遅くなり、やがてゼロとなって反対方向に動き出す変位の折り返し点が、コンパレート閾値の外側にある場合。このときコンパレータはゼロクロス付近で閾値が設定されているので、カウントロジックに入っていかなくてカウント自体がされる状況になくミスカウントはされない場合である。図３ｂは折り返し点がコンパレート閾値の内側に入っている場合。この時、自動閾値調整機能が働いてコンパレート閾値電圧を下げるのでノイズ波高値がコンパレートレベルに修正されてしまい、ノイズとドップラービート波の区別は出来なくなりノイズを変位としてミスカウントされてしまう。図３ａとは反対側に折り返し点が位置している場合についてもコンパレートの外側にあるのでミスカウントはされない。問題となるのはミスカウントが多発してしまう図３ｂの場合である。ミスカウントの影響を受けた振動波形を含めてを図６に示してある。それぞれにドリフトの発生具合に特徴があるがこれは対象物がスピーカであるために物理的に折り返し点が安定しているため、および、ミスカウントとなるノイズに規則性があるために単調増加、ランダムドリフトが発生しているものである。これらは折り返し点がどこに発生するかにより左右されてしまうことは容易に予測できる。
【特許文献１】特開平６−２９４６８０号公報
【特許文献２】特開平７−２４４１６０号公報
【特許文献３】特開２００４−２７１４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記出願にかかわる半導体レーザデジタル振動計測装置では、カウントが行われた次のカウント判定内における振動の変位が測定分解能以下の場合、および振動体が静止している場合、コンパレート回路の自動閾値調整機能が働くのでノイズとドップラービート波の弁別が出来なくなりミスカウントをしてしまう。また、振動の方向が反転する場合には一度速度がゼロになるので単位時間の変位が小さくなり、測定分解能分を越えた変位をするかしないかの振動挙動が発生した場合でもミスカウントをしてしまうことがある。これらのミスカウントは、低周波振動振幅を助長して見かけ上大きな最大振幅をして測定してしまったりして測定誤差となってしまう。本発明ではこれら振動変位折り返し点の問題を解消することにあり、かつ振動の基本周波数成分を明確にして振動の特徴を抽出し正確に振動挙動推定をすることのできる半導体レーザデジタル振動計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置は、レーザ発振周波数が固定された半導体レーザと、前記半導体レーザから出射された光をコリメート化して被測定物体の表面に照射し、反射された光の一部が戻り光を集光して前記半導体レーザに入射するように配置された光学素子と、前記被測定物体の振動変位に関係して生じる半導体レーザの出力の変化を検出する受光素子とを有する光学ヘッド部分と、前記半導体レーザに電流を供給して安定した固定周波数で発振発光させる駆動回路と、前記受光素子出力から振動変位を含む微弱信号成分を取り出す検出増幅回路と、当該増幅部の信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、自己混合効果により発生する振動変位ドップラビート波の波数を比較するコンパレート回路と、前記比較回路の出力を見ながら変位方向を判別し後段にある計数回路カウンタ部の加算と減算を切り替える信号を取り出す方向判別の働きと、前記カウンタ部の計数値を記憶し前記振動変位を演算する働きを併せ持つ回路と、比較回路の閾値を制御し、かつ振動波形の特徴を抽出するプログラムとから構成した。
【発明の効果】
【０００９】
以上、詳しく説明したように本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置は、レーザ発振周波数が固定された半導体レーザと、前記半導体レーザから出射された光をコリメート化して被測定物体の表面に照射し、反射された光の一部が戻り光を集光して前記半導体レーザに入射するように配置された光学素子と、前記被測定物体の振動変位に関係して生じる半導体レーザの出力の変化を検出する受光素子とを有する光学ヘッド部分と、前記半導体レーザに電流を供給して安定した固定周波数で発振発光させる駆動回路と、前記受光素子出力から振動変位を含む微弱信号成分を取り出す検出回路と、該検出部の信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、自己混合効果により発生する振動変位ドップラビート波の波数を比較するコンパレート回路と、前記比較回路の出力を見ながら変位方向を判別し後段にある計数回路カウンタ部の加算と減算を切り替える信号を取り出す方向判別の働きと、前記カウンタ部の計数値を記憶し前記振動変位を演算する働きを併せ持つ回路と、比較回路の閾値を制御し、かつ振動波形の特徴を抽出するプログラムとから構成したので、従来と比べて振動変位折り返し点の問題を解消した振動測定が可能となる。かつ、振動の基本周波数成分を明確にして振動の特徴を抽出し正確に振動挙動推定をすることもできる。従って、本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置を利用することで振動面の振動モードの解析やその周波数特性の測定などに振動解析に広く利用できる。
【実施例】
【００１０】
以下において、本発明を図解する。図１は当該半導体レーザデジタル振動変位計測装置のブロック図、図２はその基本的な振動波形の本装置での再現メカニズムを波形的に示している。図１において、波長を固定して発振する半導体レーザダイオード（ＬＤ）１ａは、駆動回路１ｃからの注入電流でコントロールされるものであり、注入電流は一定の直流電流として与えられる。この回路はＡＰＣ（ＡｕｔｏＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌ）されている。半導体レーザダイオード（ＬＤ）１ａの射出光は、前方へ光学素子（ＬＥＮ）１ｎを通して対象物（Ｏｂ）１ｏに照射され、そこからのドップラー周波数偏移した反射光の一部が半導体レーザダイオード（ＬＤ）１ａに戻り光として入射して、半導体レーザダイオードの出力には鋸波が重畳する。このことを自己混合効果という。半導体レーザダイオード（ＬＤ）１ａの後方への出射光は、鋸波＝ドップラービート信号なる出力変動として、受光素子（ＰＤ）１ｂで電気信号に変換され、検出回路１ｄにより増幅して検出される。比較回路１ｆは、対象物（Ｏｂ）１ｏによって条件がさまざまな反射状態により変化する出射ＬＤの戻り光強度変化に対応して、受光素子（ＰＤ）１ｂの出力が変化した場合にその大きさによって閾値を変えられるようにＡ／Ｄ変換回路を介して演算回路１ｋに供給される。演算回路１ｋでは、ドップラービート波出力を適正に方向判別できるように閾値が計算され、Ｄ／Ａ回路１ｊを介して演算回路１ｋから閾値が比較回路１ｆに送られ、ドップラービート波の波高値によらず自動的に制御されカウンタが正確に動作するように構成されている。計数回路１ｉは、方向判別回路１ｇの出力を積分してカウントする機能を持ち、ドップラービート波の１つの波数ごとに計数して振動体の変位波形と相似な波形が得られている。
【００１１】
マイナスの変位、すなわち振動体１ｏの表面が半導体レーザ１ａから遠ざかる場合には、方向判別回路１ｇからドップラービート波１波ごとに１個のダウンパルスが出力される。同様に、プラスの変位、すなわち振動体１ｏの表面が半導体レーザ１ａに近づいてくる場合には、方向判別回路１ｇの出力端子からドップラービート波１波ごとに１個のアップカウントパルスが出力される。計数回路１ｉは、上記のアップカウント信号パルスを加算し、ダウンカウントパルスを減算して計数値積分信号を出力する。演算回路１ｋは計数回路１ｉの計数値をメモリ上に保持し積分することで対象物（Ｏｂ）１ｏの振動変位を演算するものである。
【００１２】
方向判別回路とカウントする回路についてはいろんなロジックが考えられるが基本的な考え方について図４、図５を参照しながら説明する。図４は図１に示す実施例の動作を説明するための波形図である。図４において比較回路１ｆの閾値電圧については、ドップラービート波形の振幅を演算回路１ｋが監視し、自動的に振幅の大きさに対する相対値として制御しているので、この図を用いることですべてのドップラービート波の判定ロジックが説明できる。自己混合効果の結果として得らる特徴として、振動変位が正の場合にはドップラービート波（図示鋸波）の立ち上がりが急であり、立ち下がりは緩やかな検出回路１ｄの出力が現れている。一方、振動変位が負の場合にはドップラービート波の立ち下がりが急であり、立ち上がりが緩やかな波形として現れる。
【００１３】
図５に示すカウントロジック処理用信号発生回路５ａの２個のコンパレータ５１，５２の基準レベルＶref をそれぞれＶh，Ｖl と設定する。また、コンパレータ共通のＧＮＤレベルをＶgとする。図４に示したドップラービート波形がどのように処理されるのかを説明する。つまり、正方向振動変位をしている振動体のドップラービート波のアップカウントロジックについて図解する。ドップラービート波の一山（ａ）のレベルがＶref ＝Ｖl に達するとコンパレータ５２がオンしてネガティブ論理処理されてネガティブゲートＱｎを開きクロックに応じてバイナリカウント（５６）して結果を正負計数比較コンパレータ５７に渡す。前記ネガティブコンパレータ５２が開いている間にドップラービート波がＶref ＝Ｖｈを越えてポジティブコンパレータ５１が開かれる。同様にして、ポジティブ論理処理されてポジティブゲートＱｎを開き、クロックに応じてバイナリカウント（５５）して結果を正負計数比較コンパレータ５７に渡す。両ゲート出力値がそろったところでコンパレータ５７が働いてカウントの正負を決定する。この場合図４におけるＴｐよりもＴｎのほうがクロックカウント数が多いので、クロックアップカウントが発生（５８）する。
【００１４】
負方向振動振動変位している場合もＴｐとＴｎのクロックカウント数の大小が異なるようにロジックが組み立てられるだけで、基本的な論理処理は同様に行われる。
【００１５】
前記半導体レーザデジタル振動計測装置（図１）の測定実施例について説明する。測定対象振動物には単振動電圧を印加したラウドスピーカを使用している。ラウドスピーカはパーソナルコンピュータにつなげて自在に周波数と印加電圧を制御している。その振動面にＬＤから出射されたコリメート化されたレーザ光をスポット照射しており、反射して検出されたドップラービート波形を図３に並示した。さらに後段演算回路にて算出された積分値である計数積分結果を図６に示す。図６の計数積分結果を微分すれば速度波形が、さらにもう一回微分すれば加速度波形が得られる。さらに振動の周波数成分を知りたい場合は、それぞれの結果に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を施せば、変位波形とともに速度波形、加速度波形の周波数スペクトルが得られる。物理的には、ラウドスピーカ表面の変位振動波形（ｘ）は、ラウドスピーカへの印加電圧波形に比例している。図６ｃでは振動波形を再現したと一目して判断できる波形が観測されている。一方、図６ｂにおいてはドリフトしてしまい物理的にはラウドスピーカが単振動とともに一方向に移動しているような結果を示している。これは、ラウドスピーカが単振動しながら、一方向に定速度で移動していることを示しているがスピーカはネジで完全固定しているのでこのようにドリフト移動することはない。図６ａにおいてはラウドスピーカには印加していない低周波数の振動が観測された結果が測定されている。こちらも、ラウドスピーカに低周波数の振動となる電圧は加えていない。
【００１６】
本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置を利用することにより、ロジック回路だけでは解消できない自己混合効果を利用した振動計測メカニズムのミスカウントを抑止できるシステムを構成することができることを説明する。図３のドップラービート波形を比較しながら変位振動波形の誤測定について説明する。図３ａのドップラービート波の折り返し点３ａ−ｎでは波形がＶｇ付近に設定されたコンパレータ閾値に入ってこないのでカウントシーケンスには移行せずミスカウントが発生する余地は無い。図３ｂに示すドップラービート波では３ｂ−ｎに示す部分が、Ｖｇ付近に設定されたコンパレータ閾値に入ってきているのでコンパレータの閾値自動化機能が働きノイズレベルにまでＶｈ，Ｖｌを下げてカウントを始めてしまう。図３ｃにノイズ波形、図３ｄにその電圧軸拡大波形を示す。電気的にはノイズもドップラービート波も弁別できないので図３ｄの波形はドップラービート波として認識されカウントしてしまった結果、図６ａ、図６ｃのようなミスカウントを含む変位波形を発生させてしまう。本来のコンパレート閾値自動化機能は、図３ｅのようなドップラービート波の周波数特性による高周波成分の減衰についてもカウンタ処理できるように従来の装置では設計、装備されている。基本的には効果を示すものであるが、折り返し点挙動に対しては逆効果となってしまう例である。
【００１７】
本発明による半導体レーザデジタル振動計測装置においては、前述した実施例のコンパレート回路の閾値自動化について制御方法を演算回路にて可変的に抑止することに特徴がある。本発明ではこれを演算回路に組み込んだＦＦＴ解析により実現している。図７にドップラービート波のＦＦＴ結果を示す。図７ａは図３ｃにしめしたノイズをＦＦＴした結果である。ノイズ出力は振動していない振動体の検出増幅出力である。図７ｂ、図７ｃ、図７ｄ、図７ｅの順番で振動体であるラウドスピーカに印加する電圧を増加させている。つまり、振動変位振幅を徐々に大きくしていった場合のドップラービート波のＦＦＴ結果の推移を図７ｂ〜図７ｄで示していることになる。自己混合効果の特徴として、速度に比例してドップラービート波の周波数があがっていく。ノイズだけのＦＦＴ結果図（７ａ）と比べて、振動しているＦＦＴ結果についてはいずれも速度に比例したドップラービート波周波数のパワースペクトルが発生し、オーバーオール値を計算するとノイズだけと比べて大きくなってきていることが読み取れる。オーバーオール値による判定で振動の有無を判断し、折り返し点にあることを判断してコンパレート閾値自動化を抑止すればカウントシーケンスに移行することはなくなり問題とするミスカウントは発生しなくなる。したがって、ドリフトや見かけの低周波振動検出といったミス測定がなくなる。同じＦＦＴ解析ロジックに入力する信号をドップラービート波から物理値（変位、速度、加速度）に変えることにより振動の基本周波数成分がとりだせるので、ＩＦＦＴ変換して物理値に戻すことにより多周波数成分の振動波形を周波数抽出した振動波形とし、視覚的にわかりやすい波形として表現することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る半導体レーザデジタル振動計測装置の実施例を示したブロック図である。
【図２】図１に示した実施例の動作を説明するための波形図である。
【図３】振動体の変位方向変換点である折り返し点のドップラービート波を測定した例である。
【図４】図１に示した計数発生回路の実施例の動作を説明するためのドップラービート波形とロジック波形図である。
【図５】図４を実現するロジック回路である（ａ）。
【図６】図４を実現するロジック回路である（ｂ）。
【図７】図３に示したドップラ−ビート波形の計数結果を示す振動変位である。
【図８】図３に示したドップラ−ビート波形のＦＦＴ結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
１ａ  半導体レーザ（ＬＤ）
１ｂ  受光素子（ＰＤ）
１ｃ  半導体レーザ駆動回路
１ｄ  ドップラービート波検出回路
１ｆ  ドップラービート波比較回路
１ｇ  振動変位方向判別回路
１ｈ  ドップラービート波Ａ／Ｄ変換回路
１ｉ  ドップラービート波計数回路
１ｋ  演算回路
１ｌ  ＵＳＢ回路
１ｍ  波形表示回路
１ｎ  光学素子
１ｏ  振動体
Ｖｇ  コンパレートＧＮＤ
Ｖｈ  コンパレート閾値ハイレベル
Ｖｌ  コンパレート閾値ロウレベル
５１  コンパレータ（Ｖｈ）
５２  コンパレータ（Ｖｌ）
５３  ゲート
５４  ゲート
５５  カウンタ
５６  カウンタ
５７  カウンタ値コンパレータ
５８  カウンタ
【図１】
2008014695.tif 000003
【図２】
2008014695.tif 000004
【図３】
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【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】
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