JP2000136959A

JP2000136959A - 振動振幅長判定方法

Info

Publication number: JP2000136959A
Application number: JP30962498A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Maruyama; 哲朗丸山; Akiyoshi Ono; 晃義大野
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2000-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】単純な処理で測定対象物の振動の状態を判定
すること。【解決手段】レーザ共振器で発振するレーザ光を測定
対象物に照射する照射工程Ｆ１と、この照射工程Ｆ１に
よって照射されたレーザ光の戻り光を受光する受光工程
Ｆ２と、この受光工程Ｆ２で受光し共振器内で発振した
レーザ光と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変
換工程Ｆ３と、この光電変換工程Ｆ３で変換されて出力
されるビート波の波形の状態を解析する信号処理工程と
を備えている。しかも、この信号処理工程は、ビート波
の波形から鋸歯状波を抽出する抽出工程Ｆ４と、この抽
出工程Ｆ４によって鋸歯状波が抽出された場合にはＦ
５、当該抽出された範囲での測定対象物の振幅はレーザ
光の波長λの半分の長さ（λ／２）以上の長さと判定す
る第１の判定工程Ｆ６と、この第１の判定工程Ｆ６に前
後して抽出工程Ｆ４によって鋸歯状波が抽出されない場
合にはＦ５、当該抽出されない範囲での測定対象物の振
幅はレーザ光の波長の半分（λ／２）よりも短い長さと
判定する第２の判定工程７とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動振幅長判定方
法に係り、特に、レーザ光のドップラ効果を利用して測
定対象物の振動の状態を判定する方法に関する。

【０００２】この振動振幅長判定方法は、自動車の製造
技術などの実験解析分野に応用できる。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が、非接触で極小領域の振動
を精密に測定できるため、例えばドリルなどの工具破損
検出などに好適に用いられる。さらに、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
れらエンジンから西瓜まで振動測定の対象となる物体を
いう。

【０００３】

【従来の技術】従来、測定対象物の振動の状態を解析す
るには、測定対象物に加速度ピックアップを取り付け
て、測定対象物を打撃するなどして振動させ、加速度ピ
ックアップの出力を分析するようにしていた。しかし、
加速度ピックアップの場合、測定対象物と接触するた
め、測定対象物が微小である場合や、高温である場合に
は振動の測定を行うことができない。また、接触式であ
ると、測定対象物の振動に影響を及ぼしてしまう。

【０００４】非接触に振動を計測する方法として、レー
ザを使ってドップラ効果により振動を測定する装置があ
る。例えば、特開平１０―９９４３号公報にて開示した
例では、レーザ光を発振し測定対象物に照射し、反射光
と発振光を混合させることで、振動により発生し反射光
に含まれたドップラ周波数を検出し、振動周波数を測定
する。

【０００５】自己混合方式を除き全ての振動計は、発振
光と反射光との混合を、高級な光学素子を使い外部で行
うため、素子を配置するためのスペースが必要であり、
装置も高価になり質量も重くなってしまう。これに対し
て自己混合方式では、発振光と反射光との混合をレーザ
共振器（レーザダイオード）にて行なうため、光学素子
を殆ど必要とせず安価・小型・軽量にドップラ周波数を
検出でき振動周波数を測定できる。

【０００６】自己混合方式で発生したビート波から振動
情報を検出する手法として、ビート波をカウントして振
動変位に換算し振動情報を得る方法、ビート波を微分し
た振動速度情報から振動面の進行方向反転を判定し振動
変位の方向を得る方法などが提案されてきた。これら
は、振動面の進行方向が反転する間に生じた、いくつか
のビート波を計測することにより処理を行うものであ
る。

【０００７】

【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、ビート波をカウントする手法では、測定対象
物の変位をレーザ光の波長λの半分を単位として算出す
るため、λ／２未満の長さの変位が含まれている場合に
は、測定対象物の振動の状態を誤判定してしまう、とい
う不都合があった。また、Ｓ字状態であればビート波の
状態から簡単に振動状態を判定できるが、従来例では、
入力されるビート波がＳ字状態であるか否かを判定する
ことができない、という不都合があった。

【０００８】

【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、単純な処理で測定対象物の振動の状態を
判定することのできる振動振幅長判定方法を提供するこ
とを、その目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者は、実験
により、測定対象物の変位がλ／２を下回ったときの波
形を観測した。すると、一周期に満たない鋸歯状波が現
れる。測定対象物の振動振幅が、λ／２より大きい場
合、自己混合方式では、ビート波が１波生じる毎にλ／
２変位したと考えることができる。測定対象の振動振幅
がλ／２より小さい場合、振動面の移動によって変化す
る光路長がλに満たないため、発振光と反射光の位相関
係が最初の状態から３６０°以上ずれることがない。結
果、発振光と反射光が混合され生じたビート波が、鋸歯
状波として１周期現れることはなくなり、一部欠けた波
形となる。振動面の進行方向が変わることにより、発振
光に対し進んでいた反射光の位相が遅れるまたは逆に進
むため、進行方向が変わった時間を中心に波形が対称的
に連なる波形となり、あたかもアルファベットのＭ（ま
たはＷ）のように見える。よって、この時の波形をＭ字
状態の波形と呼ぶ。更に振動振幅が小さくなると、レー
ザの光路長変化が少なくなり、位相関係のずれも少なく
なる。したがって、ビート波に現れる鋸歯状波の部分も
少なくなる。これが鋸歯状波の傾き部分である場合、振
動面の進行方向が変わった時間を中心に対称的な波形で
連なるため、正弦波の様なビート波となる。この状態の
波形をＳ字状態の波形という。Ｓ字状態のビート波で
は、周期がまさに振動の周期を表している。また、ビー
ト波の振幅は、反射光量、そして鋸歯状波の現れる部分
と割合に依存する。反射光量が一定の時、鋸歯状波の部
分的に現れる範囲が狭くなるほど、波高値は小さくな
る。部分的に現れる範囲は、振動面の移動によって変化
した光路長によるものであり、Ｓ字状態の波形振幅は測
定対称の振動振幅に比例している。本明細書では、「第
１のＭ字状態」というときには、例えば図７（Ａ）に示
すビート波を意味し、このビート波が第１のＭ字状態で
あるときには、測定対象物の変位量はλ／２を越えてい
る。「第２のＭ字状態」というときには、例えば図８
（Ａ）に示すビート波を意味し、また、「Ｓ字状態」と
いうときには、例えば図９（Ａ）に示すビート波を意味
する。ビート波が「第２のＭ字状態」または「Ｓ字状
態」であるときには、振動変位はλ／２未満となってい
る。「鋸歯状波」というときには、第２のＭ字状態の折
返し部分以外の部分の波形をいうか、または第２のＭ字
状態の波形そのものをいう。ここで、波形のピークとい
うときには、波形のボトムも含む。

【００１０】また、ビート波について、ビート波の上端
から下端までのピークからピークまでの物理量と、振動
の極点（振動の折り返し点）で生ずる一方の極点から中
心へ向かい、再度一方の極点へ至る波のピークからピー
クまでの物理量を振幅というときがある。従って、通常
の正弦波にて波高というものを、ここでは振幅というこ
とがある。

【００１１】本発明は、上記課題を解決するための手段
として、レーザ共振器で発振するレーザ光を測定対象物
に照射する照射工程と、この照射工程によって照射され
たレーザ光の戻り光を受光する受光工程と、この受光工
程で受光し共振器内で発振したレーザ光と自己混合した
レーザ光を光電変換する光電変換工程と、この光電変換
工程で変換されて出力されるビート波の波形の状態を解
析する信号処理工程とを備えている。しかも、信号処理
工程は、ビート波の波形から鋸歯状波を抽出する抽出工
程と、この抽出工程によって鋸歯状波が抽出された場合
には当該抽出された範囲での測定対象物の振幅はレーザ
光の波長の半分の長さ以上の長さと判定する第１の判定
工程と、この第１の判定工程に前後して抽出工程によっ
て鋸歯状波が抽出されない場合には当該抽出されない範
囲での測定対象物の振幅はレーザ光の波長の半分よりも
短い長さと判定する第２の判定工程とを備えた、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。

【００１２】第１の判定工程は、ビート波中に鋸歯状波
が生じていた場合には、測定対象物の振幅はレーザ光の
波長（λ）の半分の長さ（λ／２）以上の長さであると
判定する。一方、第２の判定工程では、ビート波中に鋸
歯状波が生じていない場合には、測定対象物の振幅はλ
／２以下であると判定する。このため、区間の設定を適
宜行うと、ビート波のうちどの区間の振幅がλ／２未満
であるが判明する。すると、鋸歯状波、Ｍ字状態、Ｓ字
状態などの波形に応じた振動の解析処理を選択可能とな
る。

【００１３】

【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。＜第１の実施形態＞図１は本発明の第１の実施形態の構
成を示すフローチャートである。第１の実施形態では、
ビート波の波形に基づいて測定対象物の最大振幅長を判
定する。本実施形態による振動計測方法は、レーザ共振
器で発振するレーザ光を測定対象物に照射する照射工程
（ステップＦ１）と、この照射工程Ｆ１によって照射さ
れたレーザ光の戻り光を受光する受光工程（ステップＦ
２）と、この受光工程Ｆ２で受光し共振器内で発振した
レーザ光と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変
換工程（ステップＦ３）と、この光電変換工程Ｆ３で変
換されて出力されるビート波の波形の状態を解析する信
号処理工程（ステップＦ４からＦ７）とを備えている。

【００１４】この信号処理工程は、ビート波の波形から
鋸歯状波を抽出する抽出工程（ステップＦ４）と、この
抽出工程Ｆ４によって鋸歯状波が抽出された場合には
（ステップＦ５）、当該抽出された範囲での測定対象物
の振幅はレーザ光の波長λの半分の長さ（λ／２）以上
の長さと判定する第１の判定工程（ステップＦ６）と、
この第１の判定工程Ｆ６に前後して抽出工程Ｆ４によっ
て鋸歯状波が抽出されない場合には（ステップＦ５）、
当該抽出されない範囲での測定対象物の振幅はレーザ光
の波長の半分（λ／２）よりも短い長さと判定する第２
の判定工程（ステップ７）とを備えている。

【００１５】ビート波中の鋸歯状波を抽出する具体的な
手法としては、ビート波のピークと折返し位置の関係を
調べるものや、また、ピークの前後の波形を観察する手
法などがある。

【００１６】ビート波中に鋸歯状波が存在すると、測定
対象物の振動振幅はλ／２以上であり、測定対象物の振
動振幅がλ／２未満であると、ビート波中に鋸歯状波が
現れなくなるため、この現象を利用して測定対象物の振
動振幅がλ／２以上であるか又は未満であるかを判定す
る。この測定対象物の振動振幅がλ／２以上であるか否
かによって、測定対象物の振動の状態の解析手法が異な
るため、例えば減衰していく状態を解析する場合など測
定対象物の振動振幅がλ／２以上の状態から未満となる
状態まで推移するビート波であっても、振動の状態を良
好に解析することができる。

【００１７】図２に振動振幅長判定方法の実施に好適な
振動計測装置の構成を示す。振動計測装置は、測定対象
物１から反射したレーザ光を観測する光検出手段２と、
この光検出手段２から出力された波形信号を解析すると
共にビート波を検出するビート波検出手段８と、ビート
波のうち予め定められた帯域の周波数成分のみを通過さ
せるフィルタ１３と、このフィルタ１３を通過したビー
ト波をから鋸歯状波を抽出する鋸歯状波抽出手段６２
と、この鋸歯状波抽出手段によって鋸歯状波が抽出され
た場合には当該振動振幅はλ／２以上であると判定し、
一方、鋸歯状波が抽出されない場合にはλ／２未満であ
ると判定する振幅長判定手段６４とを備えている。

【００１８】図２に示す例では、この鋸歯状波抽出手段
６２および振幅長判定手段６４とは、演算装置１４で実
現している。演算装置は、ワークステーション、マイク
ロプロセッサ又はパーソナルコンピュータなどであり、
主記憶装置やＣＰＵなどを備える。振動振幅長を判定す
るためのプログラムがこのＣＰＵで実行されると、演算
装置１４は鋸歯状波抽出手段６２として動作する。ま
た、演算装置１４によらず、論理回路や、ＦＦＴアナラ
イザーなどにより実現してもよい。

【００１９】図３は図２に示した光検出手段２の構成例
を示す。光検出手段２は、レーザ光を出力するレーザダ
イオード４と、このレーザダイオード４の共振器内で発
振光と戻り光とが自己混合した光を受光するフォトダイ
オード６とを備えている。また、レーザダイオードの共
振器４によって発振されたレーザ光は、レンズ５で集光
されて測定対象物に照射される。

【００２０】図４に振動変位とビート波の関係を示す。
図４に示すように、振動変位がλ／２を越えると、鋸歯
状波が一波生じる。振動変位が小さくなり、約λ／４未
満となると、図４の右側に示すように、ビート波は測定
対象物の振動の状態をそのまま表す波形となる。図４の
ビート波のうち左側と中央をＭ字状態と呼び、右側の状
態をＳ字状態と呼ぶ。

【００２１】自己混合方式で反射光に含まれるドップラ
周波数成分をビート波として検出すると、ドップラ周波
数ｆｄと振動面の移動速度ｖとの関係は次式（１）で示
される。そして、式（１）より、振動速度のレーザ方向
成分は式（２）で表すことができる。よって、鋸歯状波
一周期での振動面の移動量はλ／２となる。また、振動
面がλ／２移動したときに、鋸歯状波１波発生すると考
えることが出来る。

【００２２】

【数１】

【００２３】次に、鋸歯状波の抽出処理の例を説明す
る。図５は、折返し位置と次の折返し位置との間のビー
ト波のピークの数に基づいて当該折返し区間内での測定
対象物の振動振幅の長さを判定する処理例を示すフロー
チャートである。図１に示した抽出工程Ｆ４は、ここで
は、ビート波の波形から測定対象物の振動の折返し時点
を判定する折返し判定工程Ｇ３と、ビート波の波形のピ
ークを検出するとピーク検出工程Ｇ２と、折返し判定工
程Ｇ３によって判定される折返し区間内に存在するピー
ク検出工程２によって検出されたピークの数に基づいて
当該折返し区間内の鋸歯状波の有無を認識する鋸歯状波
認識工程Ｇ５?Ｇ１１とを備えている。鋸歯状波から振
動面の折返し位置を検出する方法としては、鋸歯状波波
長をそれぞれ算出してその波長分布から検出する方法
や、鋸歯状波を微分し波形の傾き情報から検出する方法
などがある。

【００２４】具体的には、図５に示すように、ビート波
が入力されると、まず、当該ビート波形を微分する（ス
テップＧ１）。次いで、微分波形の傾きの極性が変化す
る時間軸ポイントｔａを検出する（ステップＧ２）。ま
た、振動面の折返し位置のビート波での時間軸ポイント
ｔｂを検出する（ステップＧ３）。さらに、ビート波の
傾きの変化点ｔａのなかから、折返し位置ｔｂと重なる
点を削除し、残った点をｔｄとする（ステップＧ４）。
そして、折返しの１区間内（ｔｎからｔｎ+1）でのｔｄ
の数ｔｃをカウントする（ステップＧ５）。

【００２５】続いて、ｔｃを所定区間で平均化し（ステ
ップＧ６）、このｔｃの値を検討する（ステップＧ７，
Ｇ９）。この結果、折返しの１区間内のピークの数ｔｃ
が１以下であれば、当該区間内はＳ字状態であると判定
する（ステップＧ８，Ｓ字状態判定工程）。一方、折返
し１区間内のピークの数ｔｃが２を越えているならば、
測定対象物の振動振幅長はλ／２以上のＭ字状態（第１
のＭ字状態）であると判定する（ステップＧ１０）。ま
た、ｔｃの値が２以下１以上であれば、振動振幅長λ／
２未満のＭ字状態（第２のＭ字状態）にあると判定する
（ステップ１１，Ｍ字状態判定工程）。

【００２６】図５に示す例では、Ｍ字状態を二種類に分
類したが、単にＳ字状態であるか否かを判定するには、
例えば図６に示す手法を用いる。鋸歯状波であればビー
ト波の傾きの値が大きくなり、一方、Ｓ字状態であれば
傾きの値が小さくなる。従って、この現象を利用してビ
ート波がＭ字状態であるかまたはＳ字状態であるかを判
定することができる。具体的には、図６に示すように、
まずビート波形を微分し（ステップＧ１２）、次いで、
この微分波形の値のうち、予め定められたしきい値ｄre
fよりも大きい値となっている点があるか否かを判定す
る（ステップＧ１３）。そして、しきい値ｄrefよりも
急な傾きを有するビート波は、Ｍ字状態と判定する（ス
テップＧ１４）。一方、しきい値ｄrefよりも急な傾き
を有さないビート波は、Ｓ字状態であると判定する（ス
テップＧ１５）。この図６に示す手法は、第２のＭ字状
態とＳ字状態の判別が難しいときに適用しても良い。こ
の場合、しきい値ｄrefよりも急な傾きを有さないビー
ト波はＳ字状態である。

【００２７】図７乃至図９を参照して図５又は図６で示
した処理の一例を説明する。図７（Ａ）は振動振幅がλ
／２以上のＭ字状態のビート波を示し、図８（Ａ）は振
動振幅がλ／２未満のＭ字状態のビート波を示し、図９
（Ａ）は振動振幅がλ／２未満又はλ／４以下のＳ字状
態のビート波を示す。図７（Ｂ）に示すように、折返し
点ｔｂ１およびｔｂ２を抽出し、さらに図７（Ｃ）に示
すようにこのｔｂ１からｔｂ２までの折返し区間内のピ
ークの数ｔｄをカウントすると５つとなる。このよう
に、振動振幅がλ／２以上のＭ字状態のビート波（鋸歯
状波）では、折返し区間内のピーク数が多い。

【００２８】図８に示すように、ビート波が鏡像的に現
れるＭ字状態のビート波では、折返し区間内のビート波
のピーク数は２となる。そして、図９に示すように、Ｓ
字状態のビート波では折返し区間内には他のピークが存
在しない。従って、図５で示したステップＧ６にてｔｃ
の値を平均化すると、図５に示すようにＭ字状態とＳ字
状態とを区分けすることができ、さらに、Ｍ字状態につ
いても振動振幅がλ／２以上であるか又は未満であるか
を判定することができる。

【００２９】そして、図７および図８に示すように、Ｍ
字状態であれば、ビート波の傾きは大きくなる。そし
て、図９に示すように、Ｓ字状態のビート波の傾きはこ
れと比較して小さい。従って、図６に示す処理を行う
と、ビート波の微分波形に基づいてＭ字状態とＳ字状態
とを区分けすることができる。

【００３０】次に、ビート波の各ピーク前後の波形の傾
きに基づいて振動振幅長の判定を行う例を説明する。こ
の例では、図１に示した抽出工程Ｆ４は、ビート波の波
形のピークを検出すると共に当該ピークの数をカウント
するピーク数計数工程と、このピーク数計数工程によっ
て検出されるピークについて当該ピークの前後の波形が
対称である対称波ピークを抽出すると共に当該対称波ピ
ークの数を計数する対称波ピーク計数工程と、この対称
波ピーク計数工程によって計数された対称波の数とピー
ク数計数工程によって計数されたピークの数とに基づい
て当該ビート波形内の鋸歯状波の有無を認識する鋸歯状
波認識工程とを備える。対称波は、測定対象物の移動方
向が折返すときに現れる。従って、対称波の数とこの対
称波を含めたピークの総数とを比較すると、測定対象物
の振動振幅長を判定することができる。

【００３１】対称波の数とピークの総数とに基づいて振
動振幅長を判定する具体的な処理例を図１０に示す。図
１０に示す例では、まず、ビート波形を微分する（ステ
ップＨ１）。続いて、必要に応じて波形の整形を行う。
さらに、微分波形の傾きの極性が変る時間軸ポイントｔ
ａを検出する（ステップＨ２，ピーク検出工程）。さら
に、各ｔａ前後の傾きｄｆｒ，ｄｒｅを算出する（ステ
ップＨ３）。

【００３２】続いて、各ｔａ前後の波形の傾きが等しい
か否かを確認することで、当該ｔａの前後が対称波であ
るか否かを判定するため、ｄｆｒ＋ｄｒｅの絶対値が略
０であるか否かを確認する（ステップＨ４，対称波ピー
ク検出工程）。対称波である場合には、当該ピークの属
性ｓｃｓ（ｔａ）の値を１とする（ステップＨ５）。一
方、対称波でなければ、当該ピークの属性ｓｃｓ（ｔ
ａ）の値を０とする（ステップＨ５６）。図１１乃至図
１３に各ピークの属性ｓｃｓ（ｔａ）の値（１又は０）
を付した状態を示す。図１４に傾きとｔａの属性の関係
を示す。

【００３３】ビート波のピークの属性の算出を、すべて
のピークについて行う（ステップＨ７、Ｈ８）。すべて
のｔａについて属性を算出したら、ｓｃｓ（ｔａ）の値
を積算し、この積算した値をｓｃｓｔｏｔａｌとする
（ステップＨ９）。また、ピークの総数をｔａｔｏｔａ
ｌとする。このピークの総数と対称波となったピークの
総数の比率を算出し、予め定められたしきい値ｓｃｓｒ
ｅｆ（例えば、１／３）と比較する（ステップＨ１
０）。この比率が、しきい値ｓｃｓｒｅｆよりも小さい
場合には、ピークの総数に対して対称波のピークの数が
少ないため、鋸歯状波であると判定することができる。
このため、ステップＨ１０にてイエスの場合には、振動
振幅がλ／２以上でＭ字状態にあると判定する（ステッ
プ１１，第１のＭ字状態判定工程）。

【００３４】一方、対称波となったピークの総数ｓｃｓ
ｔｏｔａｌとすべてのピークの総数ｔａｔｏｔａｌとが
略等しい場合には（ステップＨ１３）、Ｓ字状態と判定
する（ステップＨ１３，Ｓ字状態判定工程）。ステップ
Ｈ１１，１３以外の場合には、λ／２未満のＭ字状態で
あると判定する（ステップＨ１４，第二のＭ字状態判定
工程）。

【００３５】図１１（Ｃ）に示すように、鋸歯状波の場
合には、折返し位置となる「１」を付した対称波のピー
クの総数ｓｃｓｔｏｔａｌの数は２個であるのに対し
て、ピークの総数ｔａｔｏｔａｌは１７個となる。２／
１７は１／３よりも小さいため、図１０に示したステッ
プＳ１０でイエスとなり、λ／２以上のＭ字状態と判定
する。図１２に示す例では、対称波のピークの総数ｓｃ
ｓｔｏｔａｌの数は７個であるのに対して、ピークの総
数ｔａｔｏｔａｌは１６個となる。７／１６は１／３よ
りも大きいため、また、７＝１６ではないため、図１２
に示す例ではλ／２未満のＭ字状態と判定される。そし
て、図１３に示す例では、ｓｃｓｔｏｔａｌ＝ｔａｔｏ
ｔａｌ＝５であるため、Ｓ字状態と判定される。

【００３６】上述したように第１の実施形態によると、
ビート波での折返し位置とこの折返し位置間のピークの
数に基づいてビート波がＭ字状態であるかＳ字状態であ
るかを判定するため、ビート波を解析することで振動振
幅や振動周期などを算出する場合の前提となるビート波
の状態を簡単かつ確実に算出することができる。

【００３７】＜第２の実施形態＞次に、ビート波の波形
ではなく、ビート波を周波数分析した周波数スペクトル
に基づいて測定対象物の振動振幅長を判定する実施形態
を説明する。図１５は本実施形態による処理例を示すフ
ローチャートである。ここでは、レーザ共振器で発振す
るレーザ光を測定対象物に照射する照射工程（ステップ
Ｊ１）と、この照射工程Ｊ１によって照射されたレーザ
光の戻り光を受光する受光工程（ステップ２）と、この
受光工程Ｊ２受光し共振器内で発振したレーザ光と自己
混合したレーザ光を光電変換する光電変換工程（ステッ
プＪ３）と、この光電変換工程Ｊ３で変換されて出力さ
れるビート波の波形の状態を解析する信号処理工程とを
備えている。

【００３８】しかも、信号処理工程は、ビート波の周波
数を分析する周波数分析工程（ステップＪ４）と、この
周波数分析工程Ｊ４で分析された周波数のうちピークと
して現れる周波数を抽出するピーク周波数抽出工程（ス
テップＪ５）と、このピーク周波数抽出工程Ｊ５によっ
て抽出されたピークの周波数軸での分布および強度に基
づいてビート波中の鋸歯状波の有無を認識する認識工程
（ステップＪ６）と、この認識工程によって鋸歯状波が
有ると認識された場合には当該認識された範囲での測定
対象物の振幅はレーザ光の波長の半分の長さ以上の長さ
と判定する第１の判定工程（ステップＪ８）と、この第
１の判定工程Ｊ８に前後して認識工程によって鋸歯状波
の存在が認識されない場合には当該認識されない範囲で
の測定対象物の振幅はレーザ光の波長の半分よりも短い
長さと判定する第２の判定工程（ステップＪ９）とを備
えている。

【００３９】図１６および図１７にビート波中に鋸歯状
波が存在しない例を示し、図１８及び図１９はビート波
中に鋸歯状波が存在する例を示す。図１６および図１７
に示すように、振動変位がλ／２よりも小さい場合のＭ
字状態のビート波を周波数分析すると、その周波数スペ
クトルは階段状となる。これは、測定対象物の折返しの
周期のピークがもっとも低帯域にて大きく現れ、中帯域
および高帯域ではピークが現れない。

【００４０】一方、図１８および図１９に示すように、
測定対象物の振動変位がλ／２以上である場合には、λ
／２変位するごとに鋸歯状波が一波生じる。この鋸歯状
波の波長は測定対象物の振動の速度が高いほど短くな
る。この図１８（Ａ）および図１９（Ａ）に示すビート
波を周波数分析すると、それぞれ図１８（Ｂ）および図
１９（Ｂ）に示すスペクトルが得られる。図１８および
図１９に示すように、ビート波中に鋸歯状波がある場合
には、低帯域にて現れる測定対象物の基本振動周期より
も値の大きいピークが中帯域に現れる。

【００４１】また、測定対象物の振動振幅がＳ字状態で
ある場合には、測定対象物の振動周波数がそのまま周波
数スペクトルとなる。この場合も、測定対象物の基本振
動周期が低帯域に現れる。このため、周波数スペクトル
の最も低い又はその次に低いピークよりも大きいピーク
が中帯域又は高帯域に存在するか否かを確認すること
で、周波数分析による鋸歯状波の有無の確認を行うこと
ができ、そして、鋸歯状波の有無に従って測定対象物の
振動振幅がλ／２を越えたか否かを判定することができ
る。すなわち、中帯域に大きいピークが現れている場合
には、当該ビート波で示される測定対象物の振動振幅長
はλ／２を越えていると判定することができる。

【００４２】

【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、第１の判定工程が、ビート波中に
鋸歯状波が生じていた場合には、測定対象物の振幅はレ
ーザ光の波長（λ）の半分の長さ（λ／２）以上の長さ
であると判定し、一方、第２の判定工程では、ビート波
中に鋸歯状波が生じていない場合には、測定対象物の振
幅はλ／２以下であると判定するため、区間の設定を適
宜行うと、ビート波のうちどの区間の振幅がλ／２未満
であるかを決定することができ、すると、鋸歯状波、Ｍ
字状態、Ｓ字状態などの波形に応じた振動の解析処理を
選択可能となり、しかも、測定対象物の振動が減衰振動
である場合に、λ／２未満の変位の振動まで現象して
も、このビート波をλ／２以上の部分と未満の部分とに
区分けし、それぞれに応じた解析処理を選択すること
で、減衰振動の状態を良好に判定することができるとい
う従来にない優れた振動を計測する方法および装置を提
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】本実施形態による振動計測装置の実施形態の構
成を示すブロック図である。

【図３】図２に示した光検出手段の詳細構成を示す説明
図である。

【図４】測定対象物の振動変位とビート波の関係を示す
波形図であり、図４（Ａ）は振動変位の例を示す図で、
図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示したそれぞれの振動変位に
対応するビート波の状態を示す図である。

【図５】本発明の第１実施形態での折返し区間内のピー
クの数に応じて波形の状態を判定する処理の一例を示す
フローチャートである。

【図６】本発明の第１の実施形態でのビート波形の傾き
により波形の状態を判定する処理の一例を示すフローチ
ャートである。

【図７】図５に示した処理を第１のＭ字状波（鋸歯状
波）に適用した例を示す波形図であり、図７（Ａ）はビ
ート波の一例を示す図で、図７（Ｂ）は折返し位置を抽
出した例を示す図で、図７（Ｃ）は折返し区間内のピー
ク数の一例を示す図である。

【図８】図５に示した処理を第２のＭ字状波（変位がλ
／２未満）に適用した例を示す波形図であり、図８
（Ａ）はビート波の一例を示す図で、図８（Ｂ）は折返
し位置を抽出した例を示す図で、図８（Ｃ）は折返し区
間内のピーク数の一例を示す図である。

【図９】図５に示した処理をＳ字状波（変位がλ／２未
満）に適用した例を示す波形図であり、図９（Ａ）はビ
ート波の一例を示す図で、図９（Ｂ）は折返し位置を抽
出した例を示す図で、図９（Ｃ）は折返し区間内のピー
ク数（０個）の一例を示す図である。

【図１０】本発明の第１の実施形態での対称波となるピ
ークの数とピークの総数との比率に応じてビート波の状
態を判定する処理例を示すフローチャートである。

【図１１】図１０に示した処理を第１のＭ字状波（鋸歯
状波）に適用した例を示す波形図であり、図１１（Ａ）
はビート波の一例を示す図で、図１１（Ｂ）はビート波
を整形した例を示す図で、図１１（Ｃ）は各ピークが対
象であるか否かを算出した例を示す図である。

【図１２】図１０に示した処理を第２のＭ字状波（変位
がλ／２未満）に適用した例を示す波形図であり、図１
２（Ａ）はビート波の一例を示す図で、図１２（Ｂ）は
ビート波を整形した例を示す図で、図１２（Ｃ）は各ピ
ークが対象であるか否かを算出した例を示す図である。

【図１３】図１０に示した処理をＳ字状波（変位がλ／
２未満）に適用した例を示す波形図であり、図１３
（Ａ）はビート波の一例を示す図で、図１３（Ｂ）はビ
ート波を整形した例を示す図で、図１３（Ｃ）は各ピー
クが対象であるか否かを算出した例を示す図である。

【図１４】図１０に示した処理で付する各ピークｔａの
属性の一例を示す図表である。

【図１５】本発明の第二実施例の構成を示すフローチャ
ートである。

【図１６】第２のＭ字状波の一例を示す図で、図１６
（Ａ）はビート波の例を示す波形図で、図１６（Ｂ）は
その周波数スペクトルを示すスペクトル図である。

【図１７】第２のＭ字状波の他の例を示す図で、図１７
（Ａ）はビート波の例を示す波形図で、図１７（Ｂ）は
その周波数スペクトルを示すスペクトル図である。

【図１８】第１のＭ字状波（鋸歯状波）の一例を示す図
で、図１８（Ａ）はビート波の例を示す波形図で、図１
８（Ｂ）はその周波数スペクトルを示すスペクトル図で
ある。

【図１９】第１のＭ字状波（鋸歯状波）の他の例を示す
図で、図１９（Ａ）はビート波の例を示す波形図で、図
１９（Ｂ）はその周波数スペクトルを示すスペクトル図
である。

【符号の説明】

１測定対象物２レーザ素子４レーザダイオード（共振器）６フォトダイオード８ビート波検出手段１０増幅器１２Ａ／Ｄ変換器１４演算装置

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA00 BB05 BB08 CC00 CC11 FF00 FF31 FF51 GG04 GG06 GG22 JJ01 QQ02 QQ13 QQ23 QQ25 QQ28 QQ31 QQ33 QQ44 QQ51 2G064 AA04 AA13 AA15 AB02 AB15 AB22 AB23 BA02 BC05 BC06 BC24 BC26 BC32 CC28 CC34 CC42 CC54 CC61

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ共振器で発振するレーザ光を測定
対象物に照射する照射工程と、この照射工程によって照
射されたレーザ光の戻り光を受光する受光工程と、この
受光工程で受光し前記共振器内で前記発振したレーザ光
と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変換工程
と、この光電変換工程で変換されて出力されるビート波
の波形の状態を解析する信号処理工程とを備え、前記信号処理工程は、前記ビート波の波形から鋸歯状波
を抽出する抽出工程と、この抽出工程によって鋸歯状波
が抽出された場合には当該抽出された範囲での前記測定
対象物の振幅は前記レーザ光の波長の半分の長さ以上の
長さと判定する第１の判定工程と、この第１の判定工程
に前後して前記抽出工程によって鋸歯状波が抽出されな
い場合には当該抽出されない範囲での前記測定対象物の
振幅は前記レーザ光の波長の半分よりも短い長さと判定
する第２の判定工程とを備えたことを特徴とする振動振
幅長判定方法。
【請求項２】前記抽出工程は、前記ビート波の波形か
ら前記測定対象物の振動の折返し時点を判定する折返し
判定工程と、前記ビート波の波形のピークを検出すると
ピーク検出工程と、前記折返し判定工程によって判定さ
れる折返し区間内に存在する前記ピーク検出工程によっ
て検出されたピークの数に基づいて当該折返し区間内の
鋸歯状波の有無を認識する鋸歯状波認識工程とを備えた
ことを特徴とする請求項１記載の振動振幅長判定方法。
【請求項３】前記抽出工程は、前記ビート波の波形の
ピークを検出すると共に当該ピークの数をカウントする
ピーク数計数工程と、このピーク数計数工程によって検
出されるピークについて当該ピークの前後の波形が対称
である対称波ピークを抽出すると共に当該対称波ピーク
の数を計数する対称波ピーク計数工程と、この対称波ピ
ーク計数工程によって計数された対称波の数と前記ピー
ク数計数工程によって計数されたピークの数とに基づい
て当該ビート波形内の鋸歯状波の有無を認識する鋸歯状
波認識工程とを備えたことを特徴とする請求項１記載の
振動振幅長判定方法。
【請求項４】レーザ共振器で発振するレーザ光を測定
対象物に照射する照射工程と、この照射工程によって照
射されたレーザ光の戻り光を受光する受光工程と、この
受光工程で受光し前記共振器内で前記発振したレーザ光
と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変換工程
と、この光電変換工程で変換されて出力されるビート波
の波形の状態を解析する信号処理工程とを備え、前記信号処理工程は、前記ビート波の波形から前記測定
対象物の振動の折返し時点を判定する折返し判定工程
と、前記ビート波の波形のピークを検出するとピーク検
出工程と、前記折返し判定工程によって判定される折返
し区間内に存在する前記ピーク検出工程によって検出さ
れたピークの数が１以下の場合には当該ビート波形は測
定対象物の振動の状態をそのまま表すＳ字状態であると
判定するＳ字状態判定工程とを備えたことを特徴とする
振動振幅長判定方法。
【請求項５】前記信号処理工程は、前記Ｓ字状態判定
工程に前後して前記折返し区間内のピークの数が２を越
えている場合には当該ビート波形は鋸歯状波を有する第
１のＭ字状態と判定すると共に当該ピークの数が１以上
２以下である場合には当該ビート波形は鋸歯状波の一部
が鏡像的に重なった第２のＭ字状態であると判定するＭ
字状態判定工程を備えたことを特徴とする請求項４記載
の振動振幅長判定方法。
【請求項６】レーザ共振器で発振するレーザ光を測定
対象物に照射する照射工程と、この照射工程によって照
射されたレーザ光の戻り光を受光する受光工程と、この
受光工程で受光し前記共振器内で前記発振したレーザ光
と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変換工程
と、この光電変換工程で変換されて出力されるビート波
の波形の状態を解析する信号処理工程とを備え、前記信号処理工程は、前記ビート波の波形のピークを検
出するピーク検出工程と、このピーク検出工程によって
検出された複数のピークのうち当該ピークの前後の波形
の傾きが対称である対称波ピークを検出する対称波ピー
ク検出工程と、この対称波ピーク検出工程によって検出
された対称波ピークの総数と前記ピーク検出工程によっ
て検出されたピークの総数との比率が予め定められた比
率よりも当該ピークの総数が多い比率である場合には当
該ビート波は鋸歯状波を有する第１のＭ字状態であると
判定する第１のＭ字状態判定工程を備えたことを特徴と
する振動振幅長判定方法。
【請求項７】前記信号処理工程は、前記第１のＭ字状
態判定工程に続いて、前記対称波ピークの総数と前記ピ
ークの総数とが略等しい場合にはビート波形は測定対象
物の振動の状態をそのまま表すＳ字状態であると判定す
るＳ字状態判定工程と、前記ピークの総数が多い比率で
はなくかつ略等しくもない場合には当該ビート波形は鋸
歯状波の一部が鏡像的に重なった第２のＭ字状態である
と判定する第２のＭ字状態判定工程を備えたことを特徴
とする請求項６記載の振動振幅長判定方法。
【請求項８】レーザ共振器で発振するレーザ光を測定
対象物に照射する照射工程と、この照射工程によって照
射されたレーザ光の戻り光を受光する受光工程と、この
受光工程で受光し前記共振器内で前記発振したレーザ光
と自己混合したレーザ光を光電変換する光電変換工程
と、この光電変換工程で変換されて出力されるビート波
の波形の状態を解析する信号処理工程とを備え、前記信号処理工程は、前記ビート波の周波数を分析する
周波数分析工程と、この周波数分析工程で分析された周
波数のうちピークとして現れる周波数を抽出するピーク
周波数抽出工程と、このピーク周波数抽出工程によって
抽出されたピークの周波数軸での分布および強度に基づ
いて前記ビート波中の鋸歯状波の有無を認識する認識工
程と、この認識工程によって鋸歯状波が有ると認識され
た場合には当該認識された範囲での前記測定対象物の振
幅は前記レーザ光の波長の半分の長さ以上の長さと判定
する第１の判定工程と、この第１の判定工程に前後して
前記抽出工程によって鋸歯状波の存在が認識されない場
合には当該認識されない範囲での前記測定対象物の振幅
は前記レーザ光の波長の半分よりも短い長さと判定する
第２の判定工程とを備えたことを特徴とする振動振幅長
判定方法。