(57)【要約】【課題】回転体の振動、変位をより精度よく測定する。【構成】ｆＤを、測定物１００の振動によるドップラシフトとして、光軸モニタ１４は、受光ユニット５から周波数ｆＭ±ｆＤのビート信号を入力し、フーリエ変換などにより、ビート信号のスペクトル分布を求める。そして、所定レベル以上の強さのスペクトルが分布している範囲の中心周波数を求め、求めた中心周波数と音響光学素子３のシフト周波数ｆＭの高低を判定し、高低または一致の比較結果を表示器１５よって表示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、レーザ光源から出射されたビームを二つのビームに分離するビームスプリッタと、分離されたビームの内の一方のビームの周波数を所定のシフト周波数分シフトさせて参照ビームとして出力する周波数シフト手段と、分離されたビームの内の他方のビームを測定物に照射し、測定物で反射した反射ビームと前記参照ビームとを干渉させビート信号を生成するビート信号生成手段と、前記ビート信号を解析し前記測定物の振動を算出する解析手段と、前記ビート信号のスペクトル分布の中心周波数と前記シフト周波数との一致の有無、または、当該一致の有無及び中心周波数と前記シフト周波数との大小関係をユーザに提示する中心周波数変位提示手段とを有することを特徴とするレーザドップラ振動計。
【請求項２】
レーザ光源と、レーザ光源から出射されたビームを二つのビームに分離するビームスプリッタと、分離されたビームの内の一方のビームの周波数を所定のシフト周波数分シフトさせて参照ビームとして出力する周波数シフト手段と、分離されたビームの内の他方のビームを測定物に対して照射し、前記測定物で反射した反射ビームを集光する送受光ヘッドと、前記送受光ヘッドが集光した反射ビームと前記参照ビームとを干渉させビート信号を生成するビート信号生成手段と、前記ビート信号を解析し前記測定物の振動を算出する解析手段と、前記送受光ヘッドを移動するステージと、前記ビート信号のスペクトル分布の中心周波数と前記シフト周波数とが一致するように前記ステージを駆動して前記送受光ヘッドを移動する光軸調整手段とを有することを特徴とするレーザドップラ振動計。
【請求項３】
測定物にレーザビームを照射し、入射される反射ビームに生じたドップラシフト量に基づき、測定物の振動を測定するレーザドップラ振動計の校正装置であって、
反射体と、
前記反射体を振動する加振装置と、
前記レーザドップラ振動計から出射されたビームの光路を変更し前記反射体に導くと共に前記反射体で反射されたビームの光路を変更して測定物に照射し、前記測定物で反射した反射ビームを前記反射体に導くと共に前記反射体で反射された反射ビームの光路を変更して前記レーザドップラ振動計に入射する光路変更手段とを有することを特徴とするレーザドップラ振動計の校正装置。
【請求項４】
請求項２記載のレーザドップラ振動計の校正装置であって、
前記反射体はコーナキューブであることを特徴とするレーザドップラ振動計の校正装置。
【請求項５】
請求項３または４記載の校正装置と、前記レーザドップラ振動計とを有することを特徴とするレーザドップラ振動計ユニット。
【請求項６】
レーザ光源と、レーザ光源から出射されたビームを測定物に対して照射し、前記測定物で反射した反射ビームを集光する送受光ヘッドと、前記送受光ヘッドが集光した反射ビームに生じたドップラシフト量に基づき、測定物の振動を測定する測定手段とを有し、
前記送受光ヘッドは、前記測定物による散乱光の集光をマスクするスペーシャルフィルタまたはアパーチャを有することを特徴とするレーザドップラ振動計。
【請求項７】
レーザ光源と、レーザ光源から出射されたビームを測定物に対して照射し、前記測定物で反射した反射ビームを集光する送受光ヘッドと、前記送受光ヘッドが集光した反射ビームに生じたドップラシフト量に基づき、測定物の振動を測定する測定手段とを有し、
前記送受光ヘッドは、入射した反射ビームに含まれる正反射光成分のモードのみを通過させるように配置したシングルモード光ファイバを用いて構成した、入射した反射ビームから散乱光成分を除去するためのフィルタを有することを特徴とするレーザドップラ振動計。
【請求項８】
レーザ光源と、レーザ光源から出射されたビームを測定物に対して照射し、前記測定物で反射した反射ビームを集光する送受光ヘッドと、前記送受光ヘッドが集光した反射ビームに生じたドップラシフト量に基づき、測定物の振動を測定する測定手段とを有し、
前記送受光ヘッドは、測定物に対して照射するビームの波面を、測定物の反射面の形状に揃えるシリンドリカルレンズを有することを特徴とするレーザドップラ振動計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転体の振動や変位を、ドップラ効果によって、回転体で反射させたレーザ光に生じるドップラシフトを利用して測定するレーザドップラ振動計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
測定物の振動や変位を、ドップラ効果によって、回転体で反射させたレーザ光に生じるドップラシフトを利用して測定するレーザドップラ振動計としては、たとえば、図５に構成を示す、ヘテロダイン干渉法を用いたレーザドップラ振動計が知られている（たとえば、特開平７−１２０３０４号公報）。
【０００３】
図中において、レーザ光源１から出射された周波数ｆ０のレーザービームは、第１ビームスプリッタ２で二分され、二分された一方のビームは、音響光学素子３で周波数ｆＭ分、周波数がシフトされ周波数ｆ０＋ｆＭの参照ビームとして、第２ビームスプリッタ４を介して受光ユニット５に入射する。一方、二分された他方のビームは、第３ビームスプリッタ６と送受光ヘッド７を介して測定物１００に照射され、測定物１００で反射された反射ビームは送受光ヘッド７で受光され、第３ビームスプリッタ６、ミラー８、第２ビームスプリッタ４を介して受光ユニット５に入射する。
【０００４】
ここで、反射ビームの周波数には、測定物１００の速度に応じたドップラシフトｆＤが生じており、反射ビームの周波数はｆ０＋ｆＤとなる。したがって、参照ビームと反射ビームとの干渉によりｆＭ±ｆＤのビート周波数が受光ユニット５において観測される。そこで、解析装置９において、ｆＤの周波数成分を抽出し、ＦＭ復調することにより、測定物１００の振動速度に応じた信号が得られ、この振動速度を積分することにより測定物１００の変位が求められる。
【０００５】
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては以下のものがある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１２０３０４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来のレーザドップラ振動計によれば、回転体の回転軸と垂直な方向の振動や変位を測定する場合に以下の問題が生じる。
すなわち、レーザビームの光軸上に、回転体の回転軸が正確に位置していないと、回転体の周速の影響が測定結果に混入し、測定精度が劣化する。また、回転体の反射面で生じた正反射光以外の散乱光成分の受光ユニット５への入射による精度劣化の程度が比較的大きい。
【０００８】
そこで、本発明は、回転体の回転軸と垂直な方向の振動や変位を精度良く測定することのできるレーザドップラ振動計を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題達成のために、本発明は、レーザ光源と、レーザ光源から出射されたビームを二つのビームに分離するビームスプリッタと、分離されたビームの内の一方のビームの周波数を所定のシフト周波数分シフトさせて参照ビームとして出力する周波数シフト手段と、分離されたビームの内の他方のビームを測定物に照射し、測定物で反射した反射ビームと前記参照ビームとを干渉させビート信号を生成するビート信号生成手段と、前記ビート信号を解析し前記測定物の振動を算出する解析手段とを備えたレーザドップラ振動計に、前記ビート信号のスペクトル分布の中心周波数と前記シフト周波数との一致の有無、または、当該一致の有無及び前記中心周波数と前記シフト周波数との大小関係をユーザに提示する中心周波数変位提示手段を設けたものである。
【００１０】
このようなレーザドップラ振動計によれば、測定物が回転体であって、ユーザが回転軸に垂直な方向の振動や変位を測定したい場合に、ユーザは、中心周波数変位提示手段の提示を頼りに、前記中心周波数と前記シフト周波数が一致するように送受光ヘッドの位置等を調整することにより、送受光ヘッド７の光軸を、光軸が正確に測定物の回転中心を通るように調整することができる。そして、これによって、測定物の周速の測定への影響を排除して、レーザドップラ振動計の測定の精度を高めることができる。
【００１１】
ここで、このような中心周波数変位提示手段を設けることにより、ユーザの、送受光ヘッドの光軸調整を支援する代わりに、前記送受光ヘッドを移動するステージと、前記ビート信号のスペクトル分布の中心周波数と前記シフト周波数とが一致するように前記ステージを駆動して前記送受光ヘッドを移動する光軸調整手段とを設け、送受光ヘッドの光軸調整を自動化することも好ましい。
【００１２】
また、前記課題達成のために、本発明は、測定物にレーザビームを照射し、入射される反射ビームに生じたドップラシフト量に基づき、測定物の振動を測定するレーザドップラ振動計の校正装置として、反射体と、前記反射体を振動する加振装置と、前記レーザドップラ振動計から出射されたビームの光路を変更し前記反射体に導くと共に前記反射体で反射されたビームの光路を変更して測定物に照射し、前記測定物で反射した反射ビームを前記反射体に導くと共に前記反射体で反射された反射ビームの光路を変更して前記レーザドップラ振動計に入射する光路変更手段とを備えた校正装置を提供する。ここで、このような校正装置に用いる反射体としては、たとえば、コーナキューブが適している。また、校正装置と、レーザドップラ振動計ユニットとして、前記レーザドップラ振動計とセット化してもよい。
【００１３】
このような校正装置によれば、加振装置の振動によるドップラシフトをレーザドップラ振動計に入射する反射光に与えることができる。したがって、この既知の振動によるドップラシフトを評価することにより、レーザドップラ振動計の校正を行うことができる。すなわち、このような校正装置によれば、簡易に、実測定系において、レーザドップラ振動計の校正を行うことができるようになる。
【００１４】
また、前記課題達成のために、本発明は、レーザ光源と、レーザ光源から出射されたビームを測定物に対して照射し、前記測定物で反射した反射ビームを集光する送受光ヘッドと、前記送受光ヘッドが集光した反射ビームに生じたドップラシフト量に基づき、測定物の振動を測定する測定手段とを有するレーザドップラ装置において、前記送受光ヘッドに、前記測定物による散乱光の集光をマスクするスペーシャルフィルタまたはアパーチャを設けたものである。または、このような送受光ヘッドに、入射した反射ビームに含まれる正反射光成分のモードのみを通過させるように配置したシングルモード光ファイバを用いて構成した、入射した反射ビームから、当該反射ビームに含まれる散乱光成分を除去するためのフィルタを設けたものである。
【００１５】
これらの送受光ヘッドの構成によれば、測定物で反射する正反射光成分と共に散乱光成分が集光されてしまうことを抑制して、より精度の良い測定を行うことができるようになる。
ここで、前記送受光ヘッドには、測定物に対して照射するビームの波面を、測定物の反射面の形状に揃えるシリンドリカルレンズを設けることも、正反射光を効率良く集光する上で好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に、本実施形態に係るレーザドップラ振動計の構成を示す。
図示するように、レーザドップラ振動計は、レーザ光源１、第１ビームスプリッタ２、音響光学素子３、第２ビームスプリッタ４、受光ユニット５、第３ビームスプリッタ６、送受光ヘッド７、ミラー８、解析装置９、校正用ミラー１０、コーナキューブ１１、加振装置１２、送受光ヘッド７の位置の調整を行うためのステージ１３、光軸モニタ１４、表示器１５、第３ビームスプリッタ６と送受光ヘッダとの間のビームの導路となる光ファイバユニット１６とを備えている。
【００１７】
このような構成において、レーザ光源１から出射された周波数ｆ０のレーザービームは、第１ビームスプリッタ２で二分され、二分された一方のビームは、音響光学素子３で周波数ｆＭ分の周波数がシフトされ周波数ｆ０＋ｆＭの参照ビームとして、第２ビームスプリッタ４を介して受光ユニット５に入射する。一方、二分された他方のビームは、第３ビームスプリッタ６と光ファイバユニット１６と送受光ヘッド７を介して校正用ミラー１０に出射される。校正用ミラー１０に出射されたビームは、校正用ミラー１０、コーナキューブ１１、校正用ミラー１０の順に反射し測定物１００に照射される。そして、測定物１００で反射された反射ビームは、以上の経路を逆に辿り、校正用ミラー１０、コーナキューブ１１、校正用ミラー１０の順に反射し送受光ヘッド７で受光される。そして、送受光ヘッド７で受光された反射ビームは、光ファイバユニット１６、第３ビームスプリッタ６、ミラー８、第２ビームスプリッタ４を介して受光ユニット５に入射する。
【００１８】
ここで、反射ビームの周波数には、測定物１００の速度に応じたドップラシフトｆＤと、往復２回生じるコーナキューブ１１の速度に応じたドップラシフトの和ｆＲが生じており、反射ビームの周波数はｆ０＋（ｆＤ＋ｆＲ）となる。したがって、参照ビームと反射ビームとの干渉によりｆＭ±（ｆＤ＋ｆＲ）のビート周波数を持つビート信号が受光ユニット５において観測される。
【００１９】
ここで、加振装置１２によるコーナキューブ１１の加振を行わない場合、上記ビート周波数は、ｆＭ±ｆＤとなり、従来同様に、解析装置９において、ビート信号より、ｆＤの周波数成分を抽出し、ＦＭ復調することにより、測定物１００の振動速度に応じた信号が得られ、この振動速度を積分することにより測定物１００の変位が求められる。
【００２０】
一方、加振装置１２によって、コーナキューブ１１の加振を行っている場合、上記ビート信号には、加振装置１２によってコーナキューブ１１に与えている振動に応じた成分が含まれることになる。
次に、本レーザドップラの送受光ヘッド７について説明する。
本送受光ヘッド７は、照射するビームを測定物１００の反射面にフォーカスし、測定物１００で反射した反射ビームを受光ユニット５方向に導入するための光学系を含み、測定物１００で反射する反射光に含まれる散乱光成分の受光ユニット５方向への導入量を抑制するために、図２ａ、ｂ、ｃに示す３つの構成のいずれかを単独で、または、複数の構成を組み合わせて備えている。
【００２１】
図２ａに示した構成は、スペーシャルフィルタ２１を、ビームを測定物１００の反射面にフォーカスさせるためのレンズ系２０と第３ビームスプリッタ６の間に配置したものである。
また、図２ｂは、アパーチャ２２を、ビームを測定物１００の反射面にフォーカスさせるためのレンズ系２０と測定物１００の間に配置したものである
次に、図２ｃは、測定物１００からの正反射光成分のみを導波するシングルモード光ファイバ２４を、反射ビームの光路を形成するように、送受光ヘッド７の光学系２３に組み込んだものである。
【００２２】
これらいずれの構成によっても、実質的に、レンズ系の開口数Ｎａを小さくし、正反射光成分に比べ光軸に対する大きな入射角をもつ散乱光成分の、受光ユニット５方向への導入を抑制することができる。
また、このようにレンズ系の開口数Ｎａを小さくする構成としては、以上の構成の他、レンズ系と測定物１００の距離を大きくとることも同様に有効である。
ここで、以上の図２の各構成やレンズ系と測定物１００の距離を大きくとる構成をとった場合、受光ユニット５方向への導入光に含まれる正反射光成分も幾分抑制されることになる。そこで、正反射光成分をより効率良く集めるために、図３に示す構成を合わせて採用することも有意義である。
【００２３】
すなわち、図３は、測定物１００が回転軸を中心とした円盤状の物体である場合に、測定物１００に照射するビームの波面形状を、測定物１００の反射面の形状に合わせるシリンドリカルレンズ群３１を、送受光ヘッド７の光学系３２に含めたものである。このようなシリンドリカルレンズ群３１を設けることにより効率的に正反射光成分を集め、受光器ユニット方向に導入することができるようになる。なお、図３は、散乱光を抑制するための構成として、スペーシャルフィルタ２１を設けた場合についての例である。
【００２４】
次に、このようなレーザドップラ振動計の調整、校正について説明する。
まず、レーザドップラ振動計の、測定物１００への射出レーザビームの光軸の調整について説明する。ただし、ここでは測定物１００が回転軸を中心とした円盤状の物体である場合を例にとり説明する。
さて、光軸モニタ１４は、受光ユニット５から周波数ｆＭ±ｆＤのビート信号を入力し、フーリエ変換などにより、ビート信号のスペクトル分布を求める。そして、所定レベル以上の強さのスペクトルが分布している範囲の中心周波数を求め、求めた中心周波数と音響光学素子３のシフト周波数ｆＭとを比較し、中心周波数がシフト周波数ｆＭと一致している場合には、表示器１５に一列に配置して設けた３つのランプのうちの中央のランプを点灯し、中心周波数がシフト周波数ｆＭより大きい場合には、表示器１５の一方の端のランプを点灯し、中心周波数がシフト周波数ｆＭより大きい場合には、表示器１５の他方の端のランプを点灯する。
【００２５】
ここで、図４ａに示すように、測定物１００が時計廻りに回転し、送受光ヘッド７の照射ビームの光軸が、送受光ヘッド７のビーム射出点と測定物１００の回転中心を結ぶ線より上方にずれている場合、以上のようにして求められる中心周波数は、測定物１００の周速によるドップラシフトのためシフト周波数ｆＭより小さくなる。また、図４ｂに示すように、測定物１００が時計廻りに回転し、送受光ヘッド７の照射ビームの光軸が、送受光ヘッド７のビーム射出点と測定物１００の回転中心を結ぶ線より下方にずれている場合、以上のようにして求められる中心周波数は、測定物１００の周速によるドップラシフトのためシフト周波数ｆＭより大きくなる。そして、図４ｃに示すように、測定物１００が時計廻りに回転し、送受光ヘッド７の照射ビームの光軸が、測定物１００の回転中心を通る場合、周速の影響は現れず、以上のようにして求められる中心周波数はシフト周波数ｆＭと一致する。
【００２６】
したがって、ユーザは、表示器１５の３つのランプの点灯状態を頼りにステージ１３を操作して、送受光ヘッド７の光軸を光軸が測定物１００の回転中心を通るように調整することができる。
なお、このような手動による光軸調整に代えて、光軸モニタ１４において算出させた中心周波数と音響光学素子３のシフト周波数ｆＭとの差分をフィードバック信号として入力し、当該差分が最小となるようにステージ１３を移動するアクチュエータを用いたフィードバック機構を備えるようにしてもよい。
【００２７】
さて、このようにして、光軸を調整したならば、次に、解析装置９の調整を行う。
すなわち、上述のように、受光ユニット５で観測されるビート信号には、加振装置１２によってコーナキューブ１１に与えている振動に応じた成分が含まれる。すなわち、反射ビームが往復２回のドップラシフトをコーナキューブ１１によって受けていることより、加振装置１２によってコーナキューブ１１に与えている変位や速度の２倍の値を持つ変位や速度として解析装置９によって算出されるべき成分がビート信号には含まれる。そこで、たとえば、加振装置１２によって、Ｚ＝Ａｓｉｎ（ｗｔ）の振動をコーナキューブ１１に与え、周波数ｗの変位成分として、解析装置９が、ピーク値で変位２Ａを算出するように前記ＦＭ復調のゲイン（速度出力のゲイン）等を調整することにより、実測定系上で、解析装置９の校正を行うことができる。
【００２８】
なお、このような校正は、測定物１００を回転させた状態において行うことが好ましいが、回転体の回転を停止させた状態において行うこともできる。
さて、以上のような光軸の調整、解析装置９の校正の後の、実測定は、加振装置１２によるコーナキューブ１１の振動を停止して行う。これにより上記ビート周波数は、ｆＭ±ｆＤとなり、従来同様に、解析装置９において、ｆＤの周波数成分を抽出し、ＦＭ復調することにより、測定物１００の振動速度に応じた信号が得られ、この振動速度を積分することにより測定物１００の変位が求められる。
【００２９】
なお、本レーザドップラ振動計においては、校正用ミラー１０を光路外に移動可能に構成し、実測定中には、送受光ヘッド７から測定物１００に直接ビームを照射すると共に送受光ヘッド７で測定物１００の反射ビームを直接受光するようにしてもよい。
【００３０】
以上、本発明の実施形態について説明した。
なお、本実施形態に係るレーザドップラ振動系は、たとえば、ハードディスクを測定物１００として、その芯ブレ、偏心などを評価するためなどに適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、回転体の回転軸と垂直な方向の振動や変位を精度良く測定することのできるレーザドップラ振動計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザドップラ振動計の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る送受光ヘッドの散乱光抑制のための構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る送受光ヘッドの散乱光抑制のための構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る光軸調整の原理を示す図である。
【図５】従来のレーザドップラ振動計の構成を示す図である。
【符号の説明】
１：レーザ光源、２：第１ビームスプリッタ、３：音響光学素子、４：第２ビームスプリッタ、５：受光ユニット、６：第３ビームスプリッタ、７：送受光ヘッド、８：ミラー、９：解析装置、１０：校正用ミラー、１１：コーナキューブ、１２：加振装置、１３：ステージ、１４：光軸モニタ、１５：表示器、１６：光ファイバユニット、１００：測定物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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