(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、前記振動部材の振動の腹の振幅が正方向側になるときの前記振動部材と前記腹の振幅が負方向側になるときの前記振動部材とがなす角度である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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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、前記振動部材の振動の腹の振幅が正方向側になるときの前記振動部材と前記腹の振幅が負方向側になるときの前記振動部材とがなす角度である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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０７０８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、前記振動部材の振動の腹の振幅が正方向側になるときの前記振動部材と前記腹の振幅が負方向側になるときの前記振動部材とがなす角度である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。
【発明の効果】
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１の振幅測定装置１００を示す図である。
【図２】処理装置１１０の構成を示す図である。
【図３】パネル１０に生じる超音波帯の定在波を示す図である。
【図４】パネル１０、光照射器１０４、及びＰＳＤ１０６の位置関係を示す図である。
【図５】除算回路１０７Ａの出力を示す図である。
【図６】ＲＭＳ−ＤＣコンバータ１０７Ｂの出力を示す図である。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】実施の形態２の振幅測定装置２００を示す図である。
【図１４】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１５】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】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１７】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。
【図１８】実施の形態３の振幅測定装置３００を示す図である。
【図１９】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。
【図２０】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。
【図２１】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。
【図２２】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。
【図２３】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。
【図２４】進行波の波長λの算出方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
＜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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
【数１】
0006791269.tif 000002
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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）。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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）。
【００６０】
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）。
【００６１】
計測部１１２は、カウント数Ｘｃｎｔを＋１にする（ステップＳ１１）。
【００６２】
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）。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
計測部１１２は、計測開始時のＸ位置へ移動する（ステップＳ１５）。
【００６７】
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）。
【００６８】
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。
【００６９】
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）。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
【数２】
0006791269.tif 000003
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。
【００７４】
【数３】
0006791269.tif 000004
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
【数４】
0006791269.tif 000005
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。
【００８０】
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。
【００８１】
【数５】
0006791269.tif 000006
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。
【００８２】
【数６】
0006791269.tif 000007
従って、振幅Aは、次式（７）で求めることができる。
【００８３】
【数７】
0006791269.tif 000008
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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）。
【００８８】
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）。
【００８９】
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。
【００９０】
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）。
【００９１】
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）。
【００９２】
振幅算出部１１４は、一連の処理を終了する（エンド）。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
＜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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
【数８】
0006791269.tif 000009
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。
【０１１７】
【数９】
0006791269.tif 000010
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。
【０１１８】
【数１０】
0006791269.tif 000011
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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）。
【０１２１】
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）。
【０１２２】
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）。
【０１２３】
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）。
【０１２４】
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）。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
＜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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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）。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
計測部１１２は、一連の処理を終了する（エンド）。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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）。
【０１６２】
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。
【０１６３】
【数１１】
0006791269.tif 000012
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。
【０１６４】
【数１２】
0006791269.tif 000013
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）。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
【数１３】
0006791269.tif 000014
【０１７０】
【数１４】
0006791269.tif 000015
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。
【０１７１】
【数１５】
0006791269.tif 000016
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。
【０１７２】
【数１６】
0006791269.tif 000017
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。
【０１７３】
【数１７】
0006791269.tif 000018
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。
【０１７４】
【数１８】
0006791269.tif 000019
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
【数１９】
0006791269.tif 000020
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。
【０１７８】
【数２０】
0006791269.tif 000021
従って、振幅Ａは、以下の式（２１）で求めることができる。
【０１７９】
【数２１】
0006791269.tif 000022
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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。
【符号の説明】
【０１８５】
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
【図１】
0006791269.tif 000023
【図２】
0006791269.tif 000024
【図３】
0006791269.tif 000025
【図４】
0006791269.tif 000026
【図５】
0006791269.tif 000027
【図６】
0006791269.tif 000028
【図７】
0006791269.tif 000029
【図８】
0006791269.tif 000030
【図９】
0006791269.tif 000031
【図１０】
0006791269.tif 000032
【図１１】
0006791269.tif 000033
【図１２】
0006791269.tif 000034
【図１３】
0006791269.tif 000035
【図１４】
0006791269.tif 000036
【図１５】
0006791269.tif 000037
【図１６】
0006791269.tif 000038
【図１７】
0006791269.tif 000039
【図１８】
0006791269.tif 000040
【図１９】
0006791269.tif 000041
【図２０】
0006791269.tif 000042
【図２１】
0006791269.tif 000043
【図２２】
0006791269.tif 000044
【図２３】
0006791269.tif 000045
【図２４】
0006791269.tif 000046