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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6294840
(24)【登録日】2018年2月23日
(45)【発行日】2018年3月14日
(54)【発明の名称】振動計測装置
(51)【国際特許分類】
G01N 29/12 20060101AFI20180305BHJP
G01N 29/36 20060101ALI20180305BHJP
G01N 29/34 20060101ALI20180305BHJP
G01N 29/26 20060101ALI20180305BHJP
【ＦＩ】
G01N29/12
G01N29/36
G01N29/34
G01N29/26
【請求項の数】2
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2015-4958(P2015-4958)
(22)【出願日】2015年1月14日
(65)【公開番号】特開2016-130683(P2016-130683A)
(43)【公開日】2016年7月21日
【審査請求日】2016年9月14日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003562
【氏名又は名称】東芝テック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087398
【弁理士】
【氏名又は名称】水野 勝文
(74)【代理人】
【識別番号】100128473
【弁理士】
【氏名又は名称】須澤 洋
(74)【代理人】
【識別番号】100128783
【弁理士】
【氏名又は名称】井出 真
(72)【発明者】
【氏名】石川 大介
(72)【発明者】
【氏名】小宮 研一
【審査官】
佐藤 仁美
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１４−１０６１０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−１２７８９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−３１５７９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１０／００１９１５３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｎ ２９／００−２９／５２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
測定対象物に向けてパラメトリックスピーカーから出力した音波により前記測定対象物を加振する送波部と、
前記測定対象物に向けてレーザ光を照射し、前記測定対象物から反射したレーザ光を受光し、受光光に基づいて前記測定対象物の振動を計測する光学計測部と、を有し、
前記送波部と前記光学計測部とを一体的に取り付け、前記光学計測部は、前記パラメトリックスピーカーから出力される音波の中心軸に、前記測定対象物に対するレーザ光の投受光光軸を一致させ、
前記パラメトリックスピーカーから出力される音波の中心部分に、前記光学計測部からのレーザ光を前記測定対象物に向けて反射させ、前記測定対象物で反射したレーザ光を前記光学計測部に向けて反射させるミラーを配置し、
前記ミラーは、二次元走査ミラーである振動計測装置。
前記測定対象物に向けてレーザ光を照射し、前記測定対象物から反射したレーザ光を受光し、受光光に基づいて前記測定対象物の振動を計測する光学計測部と、を有し、
前記送波部と前記光学計測部とを一体的に取り付け、前記光学計測部は、前記パラメトリックスピーカーから出力される音波の中心軸に、前記測定対象物に対するレーザ光の投受光光軸を一致させ、
前記パラメトリックスピーカーから出力される音波の中心部分に、前記光学計測部からのレーザ光を前記測定対象物に向けて反射させ、前記測定対象物で反射したレーザ光を前記光学計測部に向けて反射させるミラーを配置し、
前記ミラーは、二次元走査ミラーである振動計測装置。
【請求項2】
前記光学計測部は、前記パラメトリックスピーカーから出力される音波の中心部分に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の振動計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この明細書に記載の実施形態は、レーザドップラーの原理を用いて振動を測定する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、レーザドップラーの原理を用いて非接触で微小な振動振幅の測定が可能になってきている。この原理は振動する物体にレーザ光を照射すると散乱光にドップラーシフトが起こる。この散乱光と参照光との光のうなり（干渉）を観測することで、前記物体に生じる振動振幅等の情報を得ることが出来る。
【0003】
この原理を応用し能動的に検査対象物へ振動を与え、その振動を観測することにより対象物の状態を把握する検査方法が提案されている（特許文献１）。
【0004】
一方、対象物を非接触で加振させる手段としてパラメトリックスピーカーのような超音波を使うことで鋭い指向性を持たせた音波で対象物を加振させる技術が提案されている（特許文献２）。
【0005】
特許文献２に開示の技術は、対象物に向けて音波を出力する送波部と、振動を光学的に計測する光学計測部とを有する。前記送波部と前記光学計測部とは、任意の位置に設置して用いられる（物理的な位置が異なる）。このため、前記光学計測部と測定対象物との距離や角度に応じて、前記送波部の角度を再調整する必要がある。また、多くのデータを取得して正規化する必要が生じ手間を要していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１２−２３７５６１号公報
【特許文献2】特開２０１４−１０６１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
この明細書に記載に実施形態の目的は、複雑な調整を要することなく測定対象物に生じる振動を光学的に計測できる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】
この明細書に記載の実施形態の目的を実現する振動計測装置は、測定対象物に向けてパラメトリックスピーカーから出力した音波により前記測定対象物を加振する送波部と、前記測定対象物に向けてレーザ光を照射し、前記測定対象物から反射したレーザ光を受光し、受光光に基づいて前記想定対象物の振動を計測する光学計測部と、を有し、前記送波部と前記光学計測部とを一体的に取り付け、前記光学計測部は、前記パラメトリックスピーカーから出力される音波の中心軸に、前記測定対象物に対するレーザ光の投受光光軸を一致させた。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】第１実施形態の振動計測装置を示す概略正面図。
【図3】不具合となる振動計測方法を示す図。
【図4】振動測定装置の回路ブロック図。
【図8】第２実施形態の振動計測装置を示す概略正面図。
【図10】第３実施形態の振動計測装置を示す概略正面図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、実施形態の画像形成装置を図面に基づいて説明する。
【0011】
第１実施形態図１は第１実施形態の振動計測装置を示す概略正面図、図２は図１に示す振動計測装置による第１振動計測方法を示す図、図３は図１に示す振動計測装置による第２振動計測方法を示す図である。図４は振動計測装置に設けられる駆動部の回路ブロック図、図５は図４の送波部の回路ブロック図、図６は図４の光学計測部の回路ブロック図、図７は図４の振動測定装置の動作の流れを説明するフローチャートである。
【0013】
送波部３は、パラメトリックスピーカー３１を有し、パラメットリックスピーカー３１より超音波を高い指向性を持って前方に送波する。送波部３のパラメットリックスピーカー３１は、複数の超音波振動子３２を例えば正六角形の平面に密集状態に配置して構成される。なお、正六角形に限定されるものではなく、他の多角形、真円状あるいは楕円状等の円状等であっても良い。
【0014】
光学計測部５は、レーザドップラーの原理を用いて測定対象物に生じる微小な振動振幅を非接触で測定する。レーザドップラーの原理は、振動する測定対象物体にレーザ光を照射すると、測定対象物体から反射する散乱光にドップラーシフトが起こる。この散乱光と参照光との光のうなり（干渉）を観測することで、測定対象物体に生じる振動振幅等の情報を得る。
【0015】
振動する測定対象物から反射した光の波を測定するとき、測定した波の周波数シフトは、振動する測定対象物体に生じる振動の速度をＶ、照射された光の波長をλとすると、（２・Ｖ）/λで表される。
【0016】
本実施形態において、測定対象物を非接触で加振させる手段として送波部３が用いられる。送波部３はパラメトリックスピーカー３１より超音波領域の音波を鋭い指向性を持たせて測定対象物を加振させる。そして、同時に加振させた測定対象物に対して光学計測部５を用いて光学的に振動を計測する。なお、送波部３のパラメトリックスピーカー３１から出力する音波は、超音波領域の周波数に例えば可聴域の周波数の音波を加える。可聴域の周波数の音波は大きなエネルギーを有しているため、測定対象物を加振することができる。
【0017】
本実施形態において、送波部３のパラメトリックスピーカー３１一側面３３に光学計測部５を一体的に固定配置する。一体型にすることにより測定対象物や対象箇所が異なっても送波部３と光学計測部５の位置調整を行うことなく、簡便に測定を行うことが出来る。
【0018】
図２（ａ）（ｂ）と、図３（ａ）（ｂ）とは、測定対象物２と、振動計測装置１との距離が異なる。なお、図２（ａ）（ｂ）、図３（ａ）（ｂ）は、送波部３のパラメトリックスピーカー３１のスピーカー面を示すために上面を向いた図を示しているが、実際には測定対象物２側に向いている。また、光学計測部５のレーザ射出面と、測定対象物２から反射したレーザ光を受光する受光面も実際には測定対象物２側に向いている。
【0019】
図２（ａ）（ｂ）は光学計測部５からのレーザ光が測定対象物２に対して直角に照射される場合を示す。図２（ａ）と図２（ｂ）において、送波部３から出力される超音波が届く指向性の範囲は、破線Ｄ１，Ｄ２の範囲内である。図２（ａ）のように振動計測装置１と測定対象物２との対向距離が短いと、光学計測部５から測定対象物２に照射されるレーザ光は、超音波が届く指向性の端にある。図２（ｂ）のように、振動計測装置１と測定対象物２との対向距離が長いと、光学計測部５から測定対象物２に照射されるレーザ光は、超音波が届く指向性の範囲内に存在する。
【0020】
したがって、図２（ａ）と図２（ｂ）では、測定対象物２に対し、計測部５からのレーザ光は同じ位置に照射される。しかし、レーザ光の照射位置に対する送波部３から出力される超音波の当たる当たり具合、つまり加振具合が異なってしまい、安定した再現性を得ることが難しい。
【0021】
これに対し、図３（ａ）（ｂ）のように、図２（ａ）（ｂ）と同様に、送波部３から測定対象物２に向けて超音波を出力した場合、光学計測部５のレーザ光の出射光軸Ｌ１と、受光部の入射光軸Ｌ２とを角度ａ、角度ｂのように変更する。また、送波部３から測定対象物２に向けて出力される音波の中心をＬ０とする。
【0022】
角度ａ、角度ｂは、共にレーザ光の出射光軸Ｌ１と入射光軸Ｌ２が、音波の中心Ｌ０が測定対象物２に当たる中心点Ｏに一致する。光学計測部３のレーザ光の出射光軸Ｌ１と、受光部の入射光軸Ｌ２とを角度ａ、角度ｂのように変更する手段として、光学計測部３のレーザ光の出射光軸Ｌ１と、受光部の入射光軸Ｌ２との角度を二次元走査ミラーにより調節する機構を例示できる。
【0023】
なお、レーザ光の出射光軸Ｌ１を音波の中心Ｌ０が測定対象物２に当たる中心点Ｏに一致させる方法として、レーザポインタを前記中心点Ｏに照射する方法を提示できる。この方法では、レーザポインタで示された位置にレーザ光の出射光軸Ｌ１を位置合わせする。
【0024】
したがって、振動計測装置１と測定対象物２との距離が長くてもまた短くても、測定対象物２に当たる音波の中心Ｏに光学計測部５の出射光軸Ｌ１と入射光軸Ｌ２を一致させることができる。このため、測定対象物２に発生する振動を安定して計測することができる。
【0025】
振動計測装置１の駆動部７は、図４に示すように、音声信号入力部７１、制御信号入力部７２、制御部及び演算部７３、表示部７４を有する。音声信号入力部７１は、送波部３に例えば可聴域の周波数の信号（音声信号）を出力する。制御信号入力部７２に入力された制御信号を基に、制御部及び演算部７３で送波部３や光学計測部５の制御や演算を行い、結果を表示部７４で表示する。
【0026】
送波部３は、図５に示すように、音声信号入力部７１からの可聴域周波数の音声信号を処理する音声処理部３０１と、超音波発信機３０５からの超音波周波数に音声処理部３０１からの音声信号を加えて変調する変調部３０２と、音声処理部３０１と超音波発信機３０５の出力タイミング等を制御する制御部３０４と、変調部３０２の出力を増幅する信号増幅器３０３と、信号増幅器３０３で増幅された超音波信号が入力するパラメトリックスピーカー３１を有する。音声信号入力部７１には、音声入力部８０から音声（可聴域周波数）信号が入力する。すなわち、変調部３０２から出力される変調信号は、高い指向性を有すると共に大きな振幅を有する。
【0027】
光学計測部５は、図９に示すように、制御信号５１が入力するレーザドライバー５２と、レーザドライバー５２により駆動されてレーザ光ＬＡを測定対象物に向けて出射するレーザダイオード５３と、測定対象物から反射した反射光ＬＢを受光するフォトダイオード５４と、フォトダイオード５４で受光した受信信号増幅する信号増幅器５５と、信号増幅器５５で増幅した信号が入力されるドップラー周波数検出部５６と、ドップラー周波数検出部５６で検出した振動成分に基づいて振動データ、速度データ、変位データを演算する演算部５７とを有する。演算部５７で求めた各種のデータは表示部７４に表示される。
【0028】
振動計測装置１の動作を図７に示すフローチャートに基づいて説明する。
【0029】
本処理が開始されると、Ａｃｔ１において、送波部３のパラメトリックスピーカー３１から音波を測定対象物２に向けて照射し、測定対象物２を加振させ、Ａｃｔ２に進む。
【0030】
Ａｃｔ２において、光学計測部５の測定用のレーザダイオード５３を駆動し、定電流モードでレーザを発光させ、測定対象物２に照射し、Ａｃｔ３に進む。
【0031】
Ａｃｔ３において、測定対象物２からの反射光ＬＢをフォトダイオード５４で受光し、Ａｃｔ４に進む。
【0032】
Ａｃｔ４において、フォトダイオード５４に流れる微量な電流信号を電圧信号に変換した後に信号増幅器５５で増幅させ、Ａｃｔ５に進む。
【0033】
Ａｃｔ５において、信号増幅器５５で増幅された信号をドップラー周波数検出部５６でフーリエ解析により検出し、さらに演算部５７で演算処理を行って振動成分を抽出して、振動データ、速度データ、変位データを演算し、Ａｃｔ６に進む。
【0034】
Ａｃｔ６において、振動データ、速度データ、変位データを表示部７４に表示する。
【0036】
第２実施形態の振動計測装置１は、送波部３のパラメトリックスピーカー３５の中央部分に設けた空所部３６に光学計測部５を配置した構成としている。本実施形態のパラメトリックスピーカー３５は、六角形の平面の中央部分に設けた空所部３６を除いて複数の超音波振動子３２を密に配置する。また、光学計測部５は空所部３６に振動吸収部３７を介して保持され、パラメトリックスピーカー３５で発生する振動を吸収する。したがって、光学計測部５にはパラメトリックスピーカー３５で発生した振動が伝達されず、振動を高精度に計測することができる。
【0037】
本実施形態では、送波部３の出力の中心と光学計測部５のレーザ光の出射。入射光軸を同一軸線上に配置した一体型としている。すなわち、パラメトリックスピーカー３５から出力される音声が測定対象物２に照射される中心点Ｏに、光学計測部５の出射光軸Ｌ１が一致する。
【0038】
したがって、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、測定対象物２と振動計測装置１との対向距離が短くても、また長くても、常に送波部３の中心Ｏでレーザの出力と受光の軸Ｌ１、Ｌ２を揃えて対象物の振動を測定することが出来る。
【0040】
本実施形態は、第２の実施形態の変形例である。
【0041】
図８の第２の実施形態では、送波部３のパラメトリックスピーカー３５の中央部分に設けた空所部３６に光学計測部５を配置している。これに対し、本実施形態では、空所部３６に二次元走査ミラー５８を配置する。
【0042】
二次元走査ミラー５８は、支点軸５９を中心に矢印Ｂ，Ｃ方向に回転可能で、任意の回転角度θに保持可能としている。二次元走査ミラー５８に向けてレーザダイオード５３からレーザ光が照射される。図１１は、二次元走査ミラー５８の回転角度θが４５度の場合を示し、二次元走査ミラー５８で反射したレーザ光の出射光軸Ｌ１は、パラメトリックスピーカー３５の中心線Ｌ０と一致する。
【0043】
また、二次元走査ミラー５８の回転角度θを変更しながらレーザ光の送受信を行うことで、測定対象物２に対し、パラメトリックスピーカー３５による加振範囲内での振動を計測することができる。
【0044】
すなわち、送波部３のパラメトリックスピーカー３５の中心に光学計測部内の走査機構である１次元、もしくは2次元の走査ミラー５８の中心が来るように配置しているので、測定対象物２を二次元状に計測する場合においても、送波部３の中心を起点として走査するため、測定対象物２に対する音源の距離や方向に限らず、安定した計測を行うことが可能となる。
【0045】
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施できる。そのため、前述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、すべて本発明の範囲内のものである。
【符号の説明】
【0046】
１ 振動計測装置２ 測定対象物
３ 送波部
３１ パラメトリックスピーカー
５ 光学計測部
７ 駆動部