振動振幅計測装置および振動振幅計測方法
【課題】物体の振動振幅を精度良く求める。
【解決手段】振動振幅計測装置は、物体１２にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、発振波長が増加する期間と発振波長が減少する期間とが交互に存在するように半導体レーザ１を動作させるレーザドライバ４と、半導体レーザ１から放射されたレーザ光と物体１２からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出するフォトダイオード２および電流−電圧変換増幅部５と、電流−電圧変換増幅部５の出力信号に含まれる干渉波形を数える計数部７と、計数結果に基づいて物体１２の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出部８と、計数結果に基づいて物体１２の振動周波数を算出する振動周波数算出部９と、振動最大速度と振動周波数とから物体１２の振動振幅を算出する振動振幅算出部１０とを備える。
【解決手段】振動振幅計測装置は、物体１２にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、発振波長が増加する期間と発振波長が減少する期間とが交互に存在するように半導体レーザ１を動作させるレーザドライバ４と、半導体レーザ１から放射されたレーザ光と物体１２からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出するフォトダイオード２および電流−電圧変換増幅部５と、電流−電圧変換増幅部５の出力信号に含まれる干渉波形を数える計数部７と、計数結果に基づいて物体１２の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出部８と、計数結果に基づいて物体１２の振動周波数を算出する振動周波数算出部９と、振動最大速度と振動周波数とから物体１２の振動振幅を算出する振動振幅算出部１０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動する物体の振動振幅を計測する振動振幅計測装置および振動振幅計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ変位測定器は、振動する対象物の位置を測定することができる。その位置の最大値と最小値の差が対象物の振動運動の振幅になるので、位置の最大値と最小値を求めることができれば、振幅を求めることができる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】「レーザ変位計用途別測定ガイド ｖｏｌ．３ 振動測定」，ｐ．２，株式会社キーエンス，＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｅｙｅｎｃｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｒｅｑ／ｈ／ａｖｈｃ３ｗ５／ｓｈｏｗ．ｊｓｐ？ｄｏｎｅ＝／ｈｅｎｎｉ／ｉｎｄｅｘ．ｊｓｐ＆ｍｏｔｉｖｅ＝ＴＯＰ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
対象物の振動の中心から変位の最大値または最小値までの片振幅（波高値）を正規化した場合、変位Ｘの確率分布関数は、図３５に示すように１／ｃｏｓ｛ａｓｉｎ（Ｘ）｝になる。その結果、理想的な状態では、離散時間で対象物の位置情報をサンプリングした場合、サンプリング数が十分大きい場合は、対象物の位置の最大値と最小値とから対象物の振幅の情報を正しく測定することができる。
【０００５】
ここで、変位Ｘの確率分布関数の求め方について説明する。図３６（Ａ）、図３６（Ｂ）は変位Ｘの確率分布関数の求め方を説明するための図である。正弦波ｓｉｎ（θ・ｔ）がＸをとりうる確率は、Ｘ＝ｓｉｎ（θ）になるので、ｓｉｎ（θ）の傾きの逆数である１／ｃｏｓ（θ）に比例する。図３６（Ａ）の正弦波の一部を図３６（Ｂ）に示す。この図３６（Ｂ）において、変位ＸがｄＸに含まれる時間はｄθであり、ｄＸ／ｄθはｃｏｓ（θ）であるから、ｓｉｎ（θ）がｄＸになるθの値は、ｄθ／ｄＸ、すなわち１／ｃｏｓ（θ）である。さらに、ｓｉｎ（θ）＝Ｘなので、θ＝ａｓｉｎ（Ｘ）である。１／ｃｏｓ（θ）にθ＝ａｓｉｎ（Ｘ）を代入すると、ｓｉｎ（θ）がＸになる確率密度関数は、１／ｃｏｓ｛ａｓｉｎ（Ｘ）｝に比例すると導出される。以上が、変位Ｘの確率分布関数を求める方法である。
【０００６】
図３７に、平均位置（中心）が４００で振幅が２００で振動する対象物の位置を乱数的に発生させたときの度数分布を示すが、中心４００から最大値５００までの度数分布は図３５に示した確率密度関数と良く一致していることが分かる。
【０００７】
ところが、対象物の個々の位置情報の値には誤差が含まれ、その誤差分布は正規分布とみなすことができる。したがって、誤差を含んだ位置の度数分布は図３８のようになる。図３８の例の場合、ノイズによる誤差（標準偏差５）によって、位置の最大値が本来の値５００に対して５１０という誤った値となり、位置の最小値が本来の値３００に対して２９０という誤った値となるので、振幅（最大値−最小値）の値も本来の値２００に対して２２０という大きな値となり、１０％も大きくなってしまう。
【０００８】
以上のように、位置の最大値と最小値を用いて振動の振幅を求める従来の方法では、ノイズを除去することができず、振幅が大きく見積もられがちであり、誤差も予測することができないという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、物体の振動振幅を精度良く求めることができる振動振幅計測装置および振動振幅計測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】
【００１０】
本発明の振動振幅計測装置は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手段と、前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段と、前記振動最大速度算出手段が算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手段が算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記計数手段の計数結果の分布の平均値または中央値を算出する平均値または中央値算出手段と、前記計数手段の計数結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、前記平均値または中央値と前記最頻値との差を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記計数手段の計数結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手段と、前記標準偏差値を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記計数手段の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記計数手段の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、前記計数手段の計数結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の振動振幅計測装置は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手段と、この信号抽出手段の計測結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手段と、前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段と、前記振動最大速度算出手段が算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手段が算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、前記平均値と前記最頻値との差を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記信号抽出手段の計測結果の分布の中央値を算出する中央値算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、前記中央値と前記最頻値との差を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記信号抽出手段の計測結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手段と、前記標準偏差値を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、この平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記信号抽出手段の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、この平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記信号抽出手段の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動周波数算出手段は、時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手段と、この２値化手段から出力された２値化出力の周期を測定する２値化出力周期測定手段と、この２値化出力周期測定手段の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手段と、前記２値化出力周期度数分布作成手段が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手段と、前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記２値化出力計数手段の計数結果を補正する補正手段と、この補正手段で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例は、前記振動周波数算出手段の代わりに、前記測定対象の加速度を計測する加速度計と、この加速度計が計測した加速度から前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の振動振幅計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手順と、前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手順と、前記振動最大速度算出手順で算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手順で算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手順とを備えることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の振動振幅計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、前記検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手順と、この信号抽出手順の計測結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手順と、前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手順と、前記振動最大速度算出手順で算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手順で算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手順とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、測定対象にレーザ光を放射し、検出手段の出力信号に含まれる干渉波形の数を、第１の発振期間と第２の発振期間の各々について数え、計数結果に基づいて測定対象の振動の最大速度を算出すると共に、計数結果に基づいて測定対象の振動周波数を算出し、振動最大速度と振動周波数とから測定対象の振動振幅を算出することにより、測定対象の位置の最大値と最小値との差を振動振幅とする従来の方法に比べて、測定対象の振動振幅を精度良く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における電流−電圧変換増幅部の出力電圧波形およびフィルタ部の出力電圧波形を模式的に示す波形図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における計数部と振動最大速度算出部と振動周波数算出部と振動振幅算出部の動作を示すフローチャートである。
【図５】モードホップパルスについて説明するための図である。
【図６】半導体レーザの発振波長とフォトダイオードの出力波形との関係を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態における計数部の計数結果の時間変化の１例を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における振動周波数算出部の構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態における振動周波数算出部の動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第１の実施の形態における振動周波数算出部の２値化部の動作を説明するための図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態における周期の度数分布の１例を示す図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態においてカウンタの計数結果の補正に用いる度数を模式的に表す図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態におけるカウンタの計数結果の補正原理を説明するための図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第３の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図２０】本発明の第４の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明の第４の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図２２】本発明の第５の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２３】本発明の第６の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２４】本発明の第６の実施の形態における計数部と信号抽出部と振動最大速度算出部と振動周波数算出部と振動振幅算出部の動作を示すフローチャートである。
【図２５】本発明の第６の実施の形態における信号抽出部の動作を説明するための図である。
【図２６】本発明の第６の実施の形態における振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図２７】本発明の第６の実施の形態における信号抽出部の計測結果の時間変化の１例を示す図である。
【図２８】本発明の第６の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図２９】本発明の第７の実施の形態における振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図３０】本発明の第７の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図３１】本発明の第８の実施の形態における振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図３２】本発明の第８の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図３３】本発明の第９の実施の形態における振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図３４】本発明の第９の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図３５】変位の確率分布関数を示す図である。
【図３６】変位の確率分布関数の求め方を説明するための図である。
【図３７】対象物の位置を乱数的に発生させたときの度数分布を示す図である。
【図３８】誤差を含む位置の度数分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。図１の振動振幅計測装置は、測定対象の物体１２にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２と、半導体レーザ１からの光を集光して放射すると共に、物体１２からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１を駆動する発振波長変調手段となるレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅部５と、電流−電圧変換増幅部５の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ部６と、フィルタ部６の出力電圧に含まれる自己結合信号であるモードホップパルス（以下、ＭＨＰとする）の数を数える計数部７と、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出部８と、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動周波数を算出する振動周波数算出部９と、振動最大速度と振動周波数とから物体１２の振動振幅を算出する振動振幅算出部１０と、振動振幅算出部１０の算出結果を表示する表示部１１とを有する。
【００２２】
フォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５とは、検出手段を構成している。以下、説明容易にするために、半導体レーザ１には、モードホッピング現象を持たない型（ＶＣＳＥＬ型、ＤＦＢレーザ型）のものが用いられているものと想定する。
【００２３】
レーザドライバ４は、時間に関して一定の変化率で増減を繰り返す三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ１に供給する。これにより、半導体レーザ１は、注入電流の大きさに比例して発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。図２は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図である。図２において、Ｐ１は第１の発振期間、Ｐ２は第２の発振期間、λａは各期間における発振波長の最小値、λｂは各期間における発振波長の最大値、Ｔｃａｒは三角波の周期である。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂ及び発振波長の最小値λａはそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ−λａも常に一定になされている。
【００２４】
半導体レーザ１から出射したレーザ光は、レンズ３によって集光され、物体１２に入射する。物体１２で反射された光は、レンズ３によって集光され、半導体レーザ１に入射する。ただし、レンズ３による集光は必須ではない。フォトダイオード２は、半導体レーザ１の内部又はその近傍に配置され、半導体レーザ１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅部５は、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する。
【００２５】
フィルタ部６は、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものである。図３（Ａ）は電流−電圧変換増幅部５の出力電圧波形を模式的に示す図、図３（Ｂ）はフィルタ部６の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらの図は、フォトダイオード２の出力に相当する図３（Ａ）の波形（変調波）から、図２の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図３（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。
【００２６】
次に、計数部７と振動最大速度算出部８と振動周波数算出部９と振動振幅算出部１０の動作について説明する。図４は計数部７と振動最大速度算出部８と振動周波数算出部９と振動振幅算出部１０の動作を示すフローチャートである。
【００２７】
計数部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について数える（図４ステップＳ１）。計数部７は、論理ゲートからなるカウンタを利用するものでもよいし、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を利用してＭＨＰの周波数（すなわち単位時間あたりのＭＨＰの数）を計測するものでもよい。
【００２８】
ここで、自己結合信号であるＭＨＰについて説明する。図５に示すように、ミラー層１０１３から物体１２までの距離をＬ、レーザの発振波長をλとすると、以下の共振条件を満足するとき、物体１２からの戻り光と半導体レーザ１の光共振器内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｑλ／２ ・・・（１）
式（１）において、ｑは整数である。この現象は、物体１２からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザ１の共振器内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。なお、図５において、１０１９はミラーとなる誘電体多層膜である。
【００２９】
図６は、半導体レーザ１の発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード２の出力波形との関係を示す図である。式（１）に示したＬ＝ｑλ／２を満足したときに、戻り光と光共振器内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と光共振器内のレーザ光とが最も強め合い、Ｌ＝ｑλ／２＋λ／４のときに、位相差が１８０°（逆位相）になって、戻り光と光共振器内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザ１の発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力をフォトダイオード２で検出すると、図６に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。この階段状の波形、すなわち干渉縞の１つ１つがＭＨＰである。ある一定時間において半導体レーザ１の発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してＭＨＰの数は変化する。
【００３０】
次に、振動最大速度算出部８は、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動の最大速度を算出する（図４ステップＳ２）。図７は振動最大速度算出部８の構成を示すブロック図である。振動最大速度算出部８は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部８００と、計数部７の計数結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８０１と、計数部７の計数結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出部８０２と、計数部７の計数結果の片振幅を算出する振幅算出部８０３と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８０４とから構成される。
【００３１】
図８は計数部７の計数結果の時間変化を示す図である。図８において、Ｎｕは第１の発振期間Ｐ１の計数結果、Ｎｄは第２の発振期間Ｐ２の計数結果である。物体１２の距離変化率が半導体レーザ１の発振波長変化率よりも小さく、物体１２が単振動している場合、計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化は、図８に示すように互いの位相差が１８０度の正弦波形となる。
【００３２】
正弦波軌道上の値を一様にサンプリングしたとみなせるだけのサンプリングを行うと、個々の値が誤差を含んでいても、平均値と最頻値との差は片振幅（波高値）になる。サンプリング間隔が等間隔で、かつサンプリング間隔と正弦波周期との最小公倍数に当たる時間中に含まれるサンプリング数が十分に多い場合には、正弦波軌道上の値を一様にサンプリングしたとみなせる。
【００３３】
図９は振動最大速度算出部８の動作を示すフローチャートである。振動最大速度算出部８には、計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄが入力される。記憶部８００は、計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄを記憶する。
平均値算出部８０１は、記憶部８００に格納された計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の平均値を算出する（図９ステップＳ１０）。平均値算出部８０１が算出した平均値は、記憶部８００に格納される。
【００３４】
最頻値算出部８０２は、記憶部８００に格納された計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の最頻値を算出する（図９ステップＳ１１）。最頻値算出部８０２が算出した最頻値は、記憶部８００に格納される。この最頻値は、計数部７の計数結果の最大値または最小値に相当する。
【００３５】
振幅算出部８０３は、平均値と最頻値との差を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出する（図９ステップＳ１２）。平均値＞最頻値の場合は、平均値−最頻値を片振幅ΔＮとし、最頻値＞平均値の場合は、最頻値−平均値を片振幅ΔＮとすればよい。片振幅ΔＮの２倍の値が振幅（両振幅）であることは言うまでもない。なお、平均値算出部８０１と最頻値算出部８０２と振幅算出部８０３とが処理の対象とするのは、計数部７の計数結果ＮｕとＮｄのうちどちらか一方のみである。つまり、それぞれ正弦波状に変化する計数結果ＮｕとＮｄのうちどちらか一方についてのみ正弦波の片振幅ΔＮを算出すればよい。振幅算出部８０３が算出した片振幅ΔＮの値は、物体１２の振動の最大速度（半波長／計測時間）に相当する。
【００３６】
最大速度算出部８０４は、振幅算出部８０３が算出した片振幅ΔＮから次式のように物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図９ステップＳ１３）。
Ｖｍａｘ＝ΔＮ×（λ／２）×｛１／（２×ｆｃａｒ）｝ ・・・（２）
式（２）において、λは半導体レーザ１の発振平均波長、ｆｃａｒは半導体レーザ１の発振波長変調の搬送波（三角波）の周波数である。こうして、最大速度算出部８０４の算出結果が振動振幅算出部１０に出力される。
【００３７】
なお、本実施の形態では、計数部７の計数結果の平均値と最頻値との差を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとしたが、計数部７の計数結果の分布の中央値と最頻値との差を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとしてもよい。つまり、平均値算出部８０１の代わりに中央値算出部を用い、振幅算出部８０３は、中央値と最頻値との差を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出してもよい。
【００３８】
次に、振動周波数算出部９は、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動周波数を算出する（図４ステップＳ３）。図１０は振動周波数算出部９の構成を示すブロック図である。振動周波数算出部９は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部９００と、計数部７の計数結果を２値化する２値化部９０１と、２値化部９０１から出力された２値化出力の周期を測定する周期測定部９０２と、２値化出力の周期の度数分布を作成する度数分布作成部９０３と、２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出部９０４と、２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手段となるカウンタ９０５と、カウンタ９０５の計数結果を補正する補正部９０６と、補正された計数結果に基づいて物体１２の振動周波数を算出する周波数算出部９０７とから構成される。
【００３９】
図１１は振動周波数算出部９の動作を示すフローチャートである。計数部７の計数結果は、振動周波数算出部９の記憶部９００に格納される。２値化部９０１は、記憶部９００に格納された、計数部７の計数結果を２値化する（図１１ステップＳ２０）。図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は２値化部９０１の動作を説明するための図であり、図１２（Ａ）は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図、図１２（Ｂ）は計数部７の計数結果の時間変化を示す図、図１２（Ｃ）は２値化部９０１の出力Ｄ（ｔ）を示す図である。
【００４０】
２値化部９０１は、時間的に隣接する２つの発振期間Ｐ１，Ｐ２の計数結果ＮｕとＮｄの大小を比較して、これらの計数結果を２値化する。２値化部９０１は、具体的には以下の式を実行する。
Ｉｆ Ｎｕ（ｔ）≧Ｎｄ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝１ ・・・（３）
Ｉｆ Ｎｕ（ｔ）＜Ｎｄ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝０ ・・・（４）
Ｉｆ Ｎｄ（ｔ）≦Ｎｕ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝１ ・・・（５）
Ｉｆ Ｎｄ（ｔ）＞Ｎｕ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝０ ・・・（６）
【００４１】
式（３）〜式（６）において、（ｔ）は現時刻ｔにおいて計測されたＭＨＰの数であることを表し、（ｔ−１）は現時刻ｔの１回前に計測されたＭＨＰの数であることを表している。式（３）、式（４）は、現時刻ｔの計数結果が第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕで、１回前の計数結果が第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄの場合である。この場合、２値化部９０１は、現時刻ｔの計数結果Ｎｕ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−１）以上であれば、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「１」（ハイレベル）とし、現時刻ｔの計数結果Ｎｕ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−１）より小さい場合は、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「０」（ローレベル）とする。
【００４２】
式（５）、式（６）は、現時刻ｔの計数結果が第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄで、１回前の計数結果が第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕの場合である。この場合、２値化部９０１は、現時刻ｔの計数結果Ｎｄ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−１）以下であれば、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「１」とし、現時刻ｔの計数結果Ｎｄ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−１）より大きい場合は、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「０」とする。
【００４３】
こうして、計数部７の計数結果は２値化される。２値化部９０１の出力Ｄ（ｔ）は記憶部９００に格納される。２値化部９０１は、以上のような２値化処理を、計数部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
【００４４】
計数部７の計数結果を２値化することは、物体１２の変位の方向を判別することを意味する。つまり、半導体レーザ１の発振波長が増加しているときの計数結果Ｎｕが、発振波長が減少しているときの計数結果Ｎｄ以上の場合（Ｄ（ｔ）＝１）、物体１２の移動方向は半導体レーザ１に接近する方向であり、計数結果Ｎｕが計数結果Ｎｄより小さい場合（Ｄ（ｔ）＝０）、物体１２の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向である。したがって、基本的には図１２（Ｃ）に示した２値化出力の周期を求めることができれば、物体１２の振動周波数を算出することができる。
【００４５】
周期測定部９０２は、記憶部９００に格納された２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定する（図１１ステップＳ２１）。２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定するには、例えば２値化出力Ｄ（ｔ）を所定のしきい値と比較することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりを検出し、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間を測定すればよい。周期測定部９０２は、このような測定を２値化出力Ｄ（ｔ）に立ち上がりエッジが発生する度に行う。周期測定部９０２の測定結果は記憶部９００に格納される。
【００４６】
次に、度数分布作成部９０３は、周期測定部９０２の測定結果から、一定時間Ｔ（Ｔ＞Ｔｃａｒであり、例えば１００×Ｔｃａｒ、すなわち三角波１００個分の時間）における周期の度数分布を作成する（図１１ステップＳ２２）。図１３は度数分布の１例を示す図である。度数分布作成部９０３が作成した度数分布は、記憶部９００に格納される。度数分布作成部９０３は、このような度数分布の作成をＴ時間毎に行う。
【００４７】
続いて、基準周期算出部９０４は、度数分布作成部９０３が作成した度数分布から、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の代表値である基準周期Ｔ０を算出する（図１１ステップＳ２３）。一般に、周期の代表値は最頻値や中央値であるが、本実施の形態においては、最頻値や中央値が周期の代表値として適していない。その理由は、高周波ノイズによる短い周期での符号の変化は物体１２の本来の振動の周期の度数を上回ることがあり、周期の代表値として最頻値や中央値などを用いた場合、誤って振動周期よりも短いノイズの周期を基準として補正を掛けてしまう懸念があるからである。
【００４８】
そこで、基準周期算出部９０４は、振動周波数を算出するための一定時間Ｔの期間において、ある階級の信号が占める割合、つまり階級値と度数との積が最も大きい階級値を基準周期Ｔ０とする。算出された基準周期Ｔ０の値は、記憶部９００に格納される。基準周期算出部９０４は、このような基準周期Ｔ０の算出を、度数分布作成部９０３によって度数分布が作成される度に行う。
【００４９】
一方、カウンタ９０５は、周期測定部９０２および度数分布作成部９０３と並行して動作し、度数分布作成部９０３が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間Ｔの期間において、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりエッジの数Ｎ（すなわち、２値化出力Ｄ（ｔ）の「１」のパルスの数）を数える（図１１ステップＳ２４）。カウンタ９０５の計数結果Ｎは、記憶部９００に格納される。カウンタ９０５は、このような２値化出力Ｄ（ｔ）の計数をＴ時間毎に行う。
【００５０】
補正部９０６は、度数分布作成部９０３が作成した度数分布から、基準周期Ｔ０の０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、基準周期Ｔ０の１．５倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、カウンタ９０５の計数結果Ｎを次式のように補正する（図１１ステップＳ２５）。
Ｎ’＝Ｎ−Ｎｓ＋Ｎｗ ・・・（７）
式（７）において、Ｎ’は補正後の計数結果である。この補正後の計数結果Ｎ’は、記憶部９００に格納される。補正部９０６は、このような補正をＴ時間毎に行う。
【００５１】
図１４は度数の総和ＮｓとＮｗを模式的に表す図である。図１４において、Ｔｓは基準周期Ｔ０の０．５倍の階級値、Ｔｗは基準周期Ｔ０の１．５倍の階級値である。図１４における階級が、周期の代表値であることは言うまでもない。なお、図１４では記載を簡略化するため、基準周期Ｔ０とＴｓとの間、及び基準周期Ｔ０とＴｗとの間の度数分布を省略している。
【００５２】
図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）はカウンタ９０５の計数結果の補正原理を説明するための図であり、図１５（Ａ）は２値化出力Ｄ（ｔ）を示す図、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）に対応するカウンタ９０５の計数結果を示す図である。
本来、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期は物体１２の振動周波数によって異なるが、物体１２の振動周波数が不変であれば、２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスは同じ周期で出現する。しかし、ノイズのために、ＭＨＰの波形には欠落が生じたり、信号として数えるべきでない波形が生じたりして、結果として２値化出力Ｄ（ｔ）の波形にも欠落や信号として数えるべきでない波形が生じ、２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの計数結果に誤差が生じる。
【００５３】
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所での２値化出力Ｄ（ｔ）の周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期が基準周期Ｔ０のおよそ２倍以上の場合には、信号に欠落が生じていると判断できる。そこで、周期Ｔｗ以上の階級の度数の総和Ｎｗを信号が欠落した回数と見なし、このＮｗをカウンタ９０５の計数結果Ｎに加算することで、信号の欠落を補正することができる。
【００５４】
また、スパイクノイズなどによって本来の信号が分割された箇所での２値化出力Ｄ（ｔ）の周期Ｔｓは、本来の周期と比較して０．５倍よりも短い信号と０．５倍よりも長い信号の２つになる。つまり、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期が基準周期Ｔ０のおよそ０．５倍以下の場合には、信号を過剰に数えていると判断できる。そこで、周期Ｔｓ以下の階級の度数の総和Ｎｓを信号を過剰に数えた回数と見なし、このＮｓをカウンタ９０５の計数結果Ｎから減算することで、誤って数えたノイズを補正することができる。以上が、式（７）に示した計数結果の補正原理である。
【００５５】
周波数算出部９０７は、補正部９０６が計算した補正後の計数結果Ｎ’に基づいて、物体１２の振動周波数ｆｓｉｇを次式のように算出する（図１１ステップＳ２６）。
ｆｓｉｇ＝Ｎ’／Ｔ ・・・（８）
こうして、周波数算出部９０７の算出結果が振動振幅算出部１０に出力される。
【００５６】
次に、振動振幅算出部１０は、振動最大速度算出部８が算出した振動最大速度Ｖｍａｘと振動周波数算出部９が算出した振動周波数ｆｓｉｇとから物体１２の振動振幅Ａを次式のように算出する（図４ステップＳ４）。
Ａ＝Ｖｍａｘ／（π×ｆｓｉｇ） ・・・（９）
表示部１１は、振動振幅算出部１０が算出した振動振幅Ａの値を表示する。
【００５７】
以上のように、本実施の形態では、計数部７の計数結果の平均値または中央値と最頻値との差を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出することにより、片振幅ΔＮを精度良く求めることができ、その結果として物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを精度良く求めることができる。さらに、本実施の形態では、時間的に隣接する第１、第２の発振期間Ｐ１，Ｐ２の計数結果の大小を比較してＭＨＰの計数結果を２値化し、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定して一定時間Ｔにおける周期の度数分布を作成し、周期の度数分布から２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の分布の代表値である基準周期Ｔ０を算出し、一定時間Ｔの期間において２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの数を数え、度数分布から、基準周期Ｔ０の０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと基準周期Ｔ０の１．５倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの計数結果を補正することにより、物体１２の振動周波数ｆｓｉｇを精度良く求めることができる。その結果、本実施の形態では、物体の位置の最大値と最小値との差を振動振幅とする従来の方法に比べて、物体１２の振動振幅を精度良く求めることができる。
【００５８】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１６は本発明の第２の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８の構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部８０５と、計数部７の計数結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出部８０６と、計数部７の計数結果の片振幅を算出する振幅算出部８０７と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８０８とから構成される。
【００５９】
正弦波軌道上の値を一様にサンプリングしたとみなせるだけのサンプリングを行うと、正弦波の標準偏差値は片振幅の１／√２（≒０．７０７）になるため、サンプリングされた値の標準偏差値を求め、√２倍すれば片振幅の値となる。
【００６０】
図１７は本実施の形態の振動最大速度算出部８の動作を示すフローチャートである。第１の実施の形態と同様に、記憶部８０５は、時系列に入力される計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄを記憶する。
標準偏差値算出部８０６は、記憶部８０５に格納された、計数部７の計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の標準偏差値を算出する（図１７ステップＳ３０）。標準偏差値算出部８０６が算出した標準偏差値は、記憶部８０５に格納される。第１の実施の形態と同様に、標準偏差値算出部８０６が処理の対象とするのは、計数部７の計数結果ＮｕとＮｄのうちどちらか一方のみである。
【００６１】
振幅算出部８０７は、標準偏差値を√２（≒１．４１４）倍した値を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出する（図１７ステップＳ３１）。
最後に、最大速度算出部８０８は、振幅算出部８０７が算出した片振幅ΔＮから式（２）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図１７ステップＳ３２）。
【００６２】
振動振幅計測装置の他の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図１８は本発明の第３の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８の構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部８０９と、計数部７の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出部８１０と、計数部７の計数結果の片振幅を算出する振幅算出部８１１と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８１２とから構成される。
【００６４】
本実施の形態の基本原理は第２の実施の形態と同じであるが、標準偏差値の代わりに、より誤差の少ない四分位点を基準にする。四分位点と平均値との差は片振幅の１／√２（≒０．７０７）になるため、サンプリングされた値の分布の四分位点を求め、√２倍すれば片振幅の値となる。
【００６５】
図１９は本実施の形態の振動最大速度算出部８の動作を示すフローチャートである。第１の実施の形態と同様に、記憶部８０９は、時系列に入力される計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄを記憶する。
四分位点算出部８１０は、記憶部８０９に格納された、計数部７の計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の四分位点を算出する（図１９ステップＳ４０）。
【００６６】
振幅算出部８１１は、算出された四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点（中央値）との差を√２（≒１．４１４）倍した値を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出する（図１９ステップＳ４１）。例えば図３８の例では、第１四分位点は３３０、第２四分位点は４００、第３四分位点は４７０である。第１の実施の形態と同様に、四分位点算出部８１０と振幅算出部８１１とが処理の対象とするのは、計数部７の計数結果ＮｕとＮｄのうちどちらか一方のみである。
【００６７】
最後に、最大速度算出部８１２は、振幅算出部８１１が算出した片振幅ΔＮから式（２）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図１９ステップＳ４２）。
振動振幅計測装置の他の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。第１、第２の実施の形態では、計数部７の計数結果の度数分布が１／ｃｏｓ｛ａｓｉｎ（Ｘ）｝（Ｘは変位）とみなすことのできる十分な一様性とサンプリング数を要し、また最大振幅付近の度数変化が急峻なために、誤差を含みやすいが、四分位点はサンプルの一様性や外れ値の影響を受けにくい。したがって、本実施の形態によれば、第１、第２の実施の形態に比べて片振幅ΔＮの誤差を更に低減することができ、その結果として物体１２の振動振幅の誤差を低減することができる。
【００６８】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図２０は本発明の第４の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８の構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部８１３と、計数部７の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出部８１４と、計数部７の計数結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８１５と、計数部７の計数結果の片振幅を算出する振幅算出部８１６と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８１７とから構成される。
【００６９】
本実施の形態は、第３の実施の形態において第２四分位点（中央値）の代わりに、平均値を用いるものである。
図２１は本実施の形態の振動最大速度算出部８の動作を示すフローチャートである。第１の実施の形態と同様に、記憶部８１３は、時系列に入力される計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄを記憶する。
四分位点算出部８１４は、記憶部８１３に格納された、計数部７の計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の四分位点を算出する（図２１ステップＳ５０）。
【００７０】
平均値算出部８１５は、記憶部８１３に格納された、計数部７の計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の平均値を算出する（ステップＳ５１）。平均値算出部８１５が算出した平均値は、記憶部８１３に格納される。
振幅算出部８１６は、算出された四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と平均値との差を√２倍した値を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出する（ステップＳ５２）。第１の実施の形態と同様に、四分位点算出部８１４と平均値算出部８１５と振幅算出部８１６とが処理の対象とするのは、計数部７の計数結果ＮｕとＮｄのうちどちらか一方のみである。
【００７１】
最後に、最大速度算出部８１７は、振幅算出部８１６が算出した片振幅ΔＮから式（２）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図２１ステップＳ５３）。
振動振幅計測装置の他の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７２】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図２２は本発明の第５の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動振幅計測装置は、半導体レーザ１と、フォトダイオード２と、レンズ３と、レーザドライバ４と、電流−電圧変換増幅部５と、フィルタ部６と、計数部７と、振動最大速度算出部８と、振動振幅算出部１０ａと、表示部１１と、物体１２の加速度を計測する加速度計１３と、物体１２の加速度から物体１２の振動周波数を算出する振動周波数算出部１４とを有する。
【００７３】
物体１２に取り付けられた加速度計１３は、物体１２の加速度を計測する。振動周波数算出部１４は、物体１２の加速度から物体１２の振動周波数ｆｓｉｇを算出する。加速度から振動周波数を算出する方法は、例えば特許第２９５３６７５号公報に開示されているので、詳細な説明は省略する。
【００７４】
振動振幅算出部１０ａは、振動最大速度算出部８が算出した振動最大速度Ｖｍａｘと振動周波数算出部１４が算出した振動周波数ｆｓｉｇとから物体１２の振動振幅Ａを式（９）により算出する。
振動振幅計測装置の他の構成は、第１〜第４の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態では、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動周波数を算出する代わりに、物体１２の加速度から物体１２の振動周波数を算出することにより、第１〜第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図２３は本発明の第６の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動振幅計測装置は、半導体レーザ１と、フォトダイオード２と、レンズ３と、レーザドライバ４と、電流−電圧変換増幅部５と、フィルタ部６と、計数部７と、振動最大速度算出部８ｂと、振動周波数算出部９と、振動振幅算出部１０ｂと、表示部１１と、信号抽出部１５とを有する。
【００７６】
図２４は計数部７と信号抽出部１５と振動最大速度算出部８ｂと振動周波数算出部９と振動振幅算出部１０ｂの動作を示すフローチャートである。
第１の実施の形態で説明したとおり、計数部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について数える（図２４ステップＳ１）。
振動周波数算出部９は、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動周波数ｆｓｉｇを算出する（図２４ステップＳ３）。
【００７７】
一方、信号抽出部１５は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの周期をＭＨＰが発生する度に計測する（図２４ステップＳ５）。図２５（Ａ）〜図２５（Ｄ）は信号抽出部１５の動作を説明するための図であり、図２５（Ａ）はフィルタ部６の出力電圧の波形、すなわちＭＨＰの波形を模式的に示す図、図２５（Ｂ）はＭＨＰを２値化した波形を示す図、図２５（Ｃ）は信号抽出部１５に入力されるサンプリングクロックを示す図、図２５（Ｄ）は図２５（Ｂ）に対応する信号抽出部１５の測定結果を示す図である。
【００７８】
まず、信号抽出部１５は、図２５（Ａ）に示すフィルタ部６の出力電圧が上昇してしきい値ＴＨ１以上になったときにハイレベルと判定し、フィルタ部６の出力電圧が下降してしきい値ＴＨ２（ＴＨ２＜ＴＨ１）以下になったときにローレベルと判定することにより、フィルタ部６の出力を２値化する。そして、信号抽出部１５は、２値化したＭＨＰの立ち上がりエッジの周期（すなわち、ＭＨＰの周期）を立ち上がりエッジが発生する度に測定する。このとき、信号抽出部１５は、図２５（Ｃ）に示すサンプリングクロックの周期を１単位としてＭＨＰの周期を測定する。図２５（Ｄ）の例では、信号抽出部１５は、ＭＨＰの周期としてＴα，Ｔβ，Ｔγを順次測定している。図２５（Ｃ）、図２５（Ｄ）から明らかなように、周期Ｔα，Ｔβ，Ｔγの大きさは、それぞれ５［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、４［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、２［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］である。サンプリングクロックの周波数は、ＭＨＰの取り得る最高周波数に対して十分に高いものとする。
【００７９】
次に、振動最大速度算出部８ｂは、信号抽出部１５の計測結果に基づいて物体１２の振動の最大速度を算出する（図２４ステップＳ６）。図２６は振動最大速度算出部８ｂの構成を示すブロック図である。振動最大速度算出部８ｂは、信号抽出部１５の計測結果等を記憶する記憶部８１８と、信号抽出部１５の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８１９と、信号抽出部１５の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出部８２０と、信号抽出部１５の計測結果の片振幅を算出する振幅算出部８２１と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８２２とから構成される。
【００８０】
図２７は信号抽出部１５の計測結果の時間変化を示す図である。ＭＨＰの周期は物体１２との距離に反比例するので、物体１２が単振動している場合、信号抽出部１５の計測結果は、図２７に示すように正弦波形となる。
【００８１】
図２８は振動最大速度算出部８ｂの動作を示すフローチャートである。振動最大速度算出部８ｂには、信号抽出部１５の計測結果が入力される。記憶部８１８は、信号抽出部１５の計測結果を記憶する。
平均値算出部８１９は、記憶部８１８に格納された計測結果の分布の平均値を算出する（図２８ステップＳ６０）。平均値算出部８１９が算出した周期の平均値は、記憶部８１８に格納される。
【００８２】
最頻値算出部８２０は、記憶部８１８に格納された計測結果の分布の最頻値を算出する（図２８ステップＳ６１）。最頻値算出部８２０が算出した最頻値は、記憶部８１８に格納される。この最頻値は、信号抽出部１５の計測結果の最大値または最小値に相当する。
振幅算出部８２１は、平均値と最頻値との差を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出する（図２８ステップＳ６２）。平均値＞最頻値の場合は、平均値−最頻値を片振幅ΔＮとし、最頻値＞平均値の場合は、最頻値−平均値を片振幅ΔＮとすればよい。片振幅ΔＮの２倍の値が振幅（両振幅）であることは言うまでもない。
【００８３】
最大速度算出部８２２は、平均値算出部８１９が算出した周期の平均値Ｔ０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］と振幅算出部８２１が算出した片振幅ΔＮ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］とから次式のように物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図２８ステップＳ６３）。
Ｖｍａｘ＝ΔＮ×λ／（２×Ｔ０）×ｆａｄ／（Ｔ０＋ΔＮ） ・・・（１０）
式（１０）において、λは半導体レーザ１の発振平均波長、ｆａｄは信号抽出部１５で用いるサンプリングクロックの周波数である。こうして、最大速度算出部８２２の算出結果が振動振幅算出部１０ｂに出力される。
【００８４】
なお、本実施の形態では、信号抽出部１５の計測結果の平均値と最頻値との差を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとしたが、信号抽出部１５の計測結果の分布の中央値と最頻値との差を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとしてもよい。つまり、平均値算出部８１９とは別に中央値算出部を設け、振幅算出部８２１は、中央値と最頻値との差を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出してもよい。
【００８５】
次に、振動振幅算出部１０ｂは、振動最大速度算出部８ｂが算出した振動最大速度Ｖｍａｘと振動周波数算出部９が算出した振動周波数ｆｓｉｇとから物体１２の振動振幅Ａを式（９）のように算出する（図２４ステップＳ７）。
表示部１１は、振動振幅算出部１０ｂが算出した振動振幅Ａの値を表示する。
【００８６】
以上のように、本実施の形態では、信号抽出部１５の計測結果の平均値または中央値と最頻値との差を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出することにより、片振幅ΔＮを精度良く求めることができ、その結果として物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを精度良く求めることができる。また、第１の実施の形態で説明したとおり、本実施の形態では、物体１２の振動周波数ｆｓｉｇを精度良く求めることができる。その結果、本実施の形態では、物体の位置の最大値と最小値との差を振動振幅とする従来の方法に比べて、物体１２の振動振幅を精度良く求めることができる。
【００８７】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。図２９は本発明の第７の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８ｂの構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂは、信号抽出部１５の計測結果等を記憶する記憶部８２３と、信号抽出部１５の計測結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出部８２４と、信号抽出部１５の計測結果の片振幅を算出する振幅算出部８２５と、信号抽出部１５の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８２６と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８２７とから構成される。
【００８８】
図３０は本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂの動作を示すフローチャートである。第６の実施の形態と同様に、記憶部８２３は、時系列に入力される信号抽出部１５の計測結果を記憶する。
標準偏差値算出部８２４は、記憶部８２３に格納された、信号抽出部１５の計測結果の分布の標準偏差値を算出する（図３０ステップＳ７０）。標準偏差値算出部８２４が算出した標準偏差値は、記憶部８２３に格納される。
【００８９】
振幅算出部８２５は、標準偏差値を√２（≒１．４１４）倍した値を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出する（図３０ステップＳ７１）。
平均値算出部８２６は、記憶部８２３に格納された計測結果の分布の平均値を算出する（図３０ステップＳ７２）。平均値算出部８２６が算出した周期の平均値は、記憶部８２３に格納される。
【００９０】
最後に、最大速度算出部８２７は、平均値算出部８２６が算出した周期の平均値Ｔ０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］と振幅算出部８２５が算出した片振幅ΔＮ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］とから式（１０）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図３０ステップＳ７３）。
振動振幅計測装置の他の構成は、第６の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態においても、第６の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。図３１は本発明の第８の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８ｂの構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂは、信号抽出部１５の計測結果等を記憶する記憶部８２８と、信号抽出部１５の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出部８２９と、信号抽出部１５の計測結果の片振幅を算出する振幅算出部８３０と、信号抽出部１５の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８３１と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８３２とから構成される。
【００９２】
図３２は本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂの動作を示すフローチャートである。第６の実施の形態と同様に、記憶部８２８は、時系列に入力される信号抽出部１５の計測結果を記憶する。
四分位点算出部８２９は、記憶部８２８に格納された、信号抽出部１５の計測結果の分布の四分位点を算出する（図３２ステップＳ８０）。
【００９３】
振幅算出部８３０は、算出された四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点（中央値）との差を√２（≒１．４１４）倍した値を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出する（図３２ステップＳ８１）。
平均値算出部８３１は、記憶部８２８に格納された計測結果の分布の平均値を算出する（図３２ステップＳ８２）。
【００９４】
最後に、最大速度算出部８３２は、平均値算出部８３１が算出した周期の平均値Ｔ０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］と振幅算出部８３０が算出した片振幅ΔＮ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］とから式（１０）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図３２ステップＳ８３）。
振動振幅計測装置の他の構成は、第６の実施の形態で説明したとおりである。本実施の形態では、第３の実施の形態と同様の理由により、第６、第７の実施の形態に比べて片振幅ΔＮの誤差を更に低減することができ、その結果として物体１２の振動振幅の誤差を低減することができる。
【００９５】
［第９の実施の形態］
次に、本発明の第９の実施の形態について説明する。図３３は本発明の第９の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８ｂの構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂは、信号抽出部１５の計測結果等を記憶する記憶部８３３と、信号抽出部１５の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出部８３４と、信号抽出部１５の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８３５と、信号抽出部１５の計測結果の片振幅を算出する振幅算出部８３６と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８３７とから構成される。
【００９６】
本実施の形態は、第８の実施の形態において第２四分位点（中央値）の代わりに、平均値を用いるものである。
図３４は本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂの動作を示すフローチャートである。第６の実施の形態と同様に、記憶部８３３は、時系列に入力される信号抽出部１５の計測結果を記憶する。
四分位点算出部８３４は、記憶部８３３に格納された、信号抽出部１５の計測結果の分布の四分位点を算出する（図３４ステップＳ９０）。
【００９７】
平均値算出部８３５は、記憶部８３３に格納された、信号抽出部１５の計測結果の分布の平均値を算出する（図３４ステップＳ９１）。平均値算出部８３５が算出した平均値は、記憶部８３３に格納される。
振幅算出部８３６は、算出された四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と平均値との差を√２倍した値を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出する（図３４ステップＳ９２）。
【００９８】
最後に、最大速度算出部８３７は、平均値算出部８３５が算出した周期の平均値Ｔ０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］と振幅算出部８３６が算出した片振幅ΔＮ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］とから式（１０）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図３４ステップＳ９３）。
振動振幅計測装置の他の構成は、第６の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態においても、第８の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００９９】
なお、第１〜第４の実施の形態、第６〜第９の実施の形態において、振動周波数算出部の構成は第１の実施の形態で説明した構成でもよいし、第５の実施の形態で説明した構成でもよいことは言うまでもない。
【０１００】
また、第１〜第９の実施の形態において少なくとも計数部７と振動最大速度算出部８，８ｂと振動周波数算出部９，１４と振動振幅算出部１０，１０ａ，１０ｂと信号抽出部１５とは、例えばＣＰＵ、メモリおよびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、メモリに格納されたプログラムに従って第１〜第９の実施の形態で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、レーザを用いて物体の振動振幅を計測する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１…半導体レーザ、２…フォトダイオード、３…レンズ、４…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅部、６…フィルタ部、７…計数部、８，８ｂ…振動最大速度算出部、９，１４…振動周波数算出部、１０，１０ａ，１０ｂ…振動振幅算出部、１１…表示部、１２…物体、１３…加速度計、１５…信号抽出部、８００，８０５，８０９，８１３，８１８，８２３，８２８…記憶部、８０１，８１５，８１９，８２６，８３１…平均値算出部、８０２，８２０…最頻値算出部、８０３，８０７，８１１，８１６，８２１，８２５，８３０…振幅算出部、８０４，８０８，８１２，８１７，８２２，８２７，８３２…最大速度算出部、８０６，８２４…標準偏差値算出部、８１０，８１４，８２９…四分位点算出部、９００…記憶部、９０１…２値化部、９０２…周期測定部、９０３…度数分布作成部、９０４…基準周期算出部、９０５…カウンタ、９０６…補正部、９０７…周波数算出部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動する物体の振動振幅を計測する振動振幅計測装置および振動振幅計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ変位測定器は、振動する対象物の位置を測定することができる。その位置の最大値と最小値の差が対象物の振動運動の振幅になるので、位置の最大値と最小値を求めることができれば、振幅を求めることができる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】「レーザ変位計用途別測定ガイド ｖｏｌ．３ 振動測定」，ｐ．２，株式会社キーエンス，＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｅｙｅｎｃｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｒｅｑ／ｈ／ａｖｈｃ３ｗ５／ｓｈｏｗ．ｊｓｐ？ｄｏｎｅ＝／ｈｅｎｎｉ／ｉｎｄｅｘ．ｊｓｐ＆ｍｏｔｉｖｅ＝ＴＯＰ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
対象物の振動の中心から変位の最大値または最小値までの片振幅（波高値）を正規化した場合、変位Ｘの確率分布関数は、図３５に示すように１／ｃｏｓ｛ａｓｉｎ（Ｘ）｝になる。その結果、理想的な状態では、離散時間で対象物の位置情報をサンプリングした場合、サンプリング数が十分大きい場合は、対象物の位置の最大値と最小値とから対象物の振幅の情報を正しく測定することができる。
【０００５】
ここで、変位Ｘの確率分布関数の求め方について説明する。図３６（Ａ）、図３６（Ｂ）は変位Ｘの確率分布関数の求め方を説明するための図である。正弦波ｓｉｎ（θ・ｔ）がＸをとりうる確率は、Ｘ＝ｓｉｎ（θ）になるので、ｓｉｎ（θ）の傾きの逆数である１／ｃｏｓ（θ）に比例する。図３６（Ａ）の正弦波の一部を図３６（Ｂ）に示す。この図３６（Ｂ）において、変位ＸがｄＸに含まれる時間はｄθであり、ｄＸ／ｄθはｃｏｓ（θ）であるから、ｓｉｎ（θ）がｄＸになるθの値は、ｄθ／ｄＸ、すなわち１／ｃｏｓ（θ）である。さらに、ｓｉｎ（θ）＝Ｘなので、θ＝ａｓｉｎ（Ｘ）である。１／ｃｏｓ（θ）にθ＝ａｓｉｎ（Ｘ）を代入すると、ｓｉｎ（θ）がＸになる確率密度関数は、１／ｃｏｓ｛ａｓｉｎ（Ｘ）｝に比例すると導出される。以上が、変位Ｘの確率分布関数を求める方法である。
【０００６】
図３７に、平均位置（中心）が４００で振幅が２００で振動する対象物の位置を乱数的に発生させたときの度数分布を示すが、中心４００から最大値５００までの度数分布は図３５に示した確率密度関数と良く一致していることが分かる。
【０００７】
ところが、対象物の個々の位置情報の値には誤差が含まれ、その誤差分布は正規分布とみなすことができる。したがって、誤差を含んだ位置の度数分布は図３８のようになる。図３８の例の場合、ノイズによる誤差（標準偏差５）によって、位置の最大値が本来の値５００に対して５１０という誤った値となり、位置の最小値が本来の値３００に対して２９０という誤った値となるので、振幅（最大値−最小値）の値も本来の値２００に対して２２０という大きな値となり、１０％も大きくなってしまう。
【０００８】
以上のように、位置の最大値と最小値を用いて振動の振幅を求める従来の方法では、ノイズを除去することができず、振幅が大きく見積もられがちであり、誤差も予測することができないという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、物体の振動振幅を精度良く求めることができる振動振幅計測装置および振動振幅計測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】
【００１０】
本発明の振動振幅計測装置は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手段と、前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段と、前記振動最大速度算出手段が算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手段が算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記計数手段の計数結果の分布の平均値または中央値を算出する平均値または中央値算出手段と、前記計数手段の計数結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、前記平均値または中央値と前記最頻値との差を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記計数手段の計数結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手段と、前記標準偏差値を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記計数手段の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記計数手段の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、前記計数手段の計数結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の振動振幅計測装置は、測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手段と、この信号抽出手段の計測結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手段と、前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段と、前記振動最大速度算出手段が算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手段が算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、前記平均値と前記最頻値との差を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記信号抽出手段の計測結果の分布の中央値を算出する中央値算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、前記中央値と前記最頻値との差を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記信号抽出手段の計測結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手段と、前記標準偏差値を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、この平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記信号抽出手段の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、この平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動最大速度算出手段は、前記信号抽出手段の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例において、前記振動周波数算出手段は、時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手段と、この２値化手段から出力された２値化出力の周期を測定する２値化出力周期測定手段と、この２値化出力周期測定手段の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手段と、前記２値化出力周期度数分布作成手段が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手段と、前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記２値化出力計数手段の計数結果を補正する補正手段と、この補正手段で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の振動振幅計測装置の１構成例は、前記振動周波数算出手段の代わりに、前記測定対象の加速度を計測する加速度計と、この加速度計が計測した加速度から前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の振動振幅計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手順と、前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手順と、前記振動最大速度算出手順で算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手順で算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手順とを備えることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の振動振幅計測方法は、発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、前記半導体レーザから放射されたレーザ光と測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、前記検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手順と、この信号抽出手順の計測結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手順と、前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手順と、前記振動最大速度算出手順で算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手順で算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手順とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、測定対象にレーザ光を放射し、検出手段の出力信号に含まれる干渉波形の数を、第１の発振期間と第２の発振期間の各々について数え、計数結果に基づいて測定対象の振動の最大速度を算出すると共に、計数結果に基づいて測定対象の振動周波数を算出し、振動最大速度と振動周波数とから測定対象の振動振幅を算出することにより、測定対象の位置の最大値と最小値との差を振動振幅とする従来の方法に比べて、測定対象の振動振幅を精度良く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における半導体レーザの発振波長の時間変化の１例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における電流−電圧変換増幅部の出力電圧波形およびフィルタ部の出力電圧波形を模式的に示す波形図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における計数部と振動最大速度算出部と振動周波数算出部と振動振幅算出部の動作を示すフローチャートである。
【図５】モードホップパルスについて説明するための図である。
【図６】半導体レーザの発振波長とフォトダイオードの出力波形との関係を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態における計数部の計数結果の時間変化の１例を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における振動周波数算出部の構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態における振動周波数算出部の動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第１の実施の形態における振動周波数算出部の２値化部の動作を説明するための図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態における周期の度数分布の１例を示す図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態においてカウンタの計数結果の補正に用いる度数を模式的に表す図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態におけるカウンタの計数結果の補正原理を説明するための図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第３の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図２０】本発明の第４の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明の第４の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図２２】本発明の第５の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２３】本発明の第６の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２４】本発明の第６の実施の形態における計数部と信号抽出部と振動最大速度算出部と振動周波数算出部と振動振幅算出部の動作を示すフローチャートである。
【図２５】本発明の第６の実施の形態における信号抽出部の動作を説明するための図である。
【図２６】本発明の第６の実施の形態における振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図２７】本発明の第６の実施の形態における信号抽出部の計測結果の時間変化の１例を示す図である。
【図２８】本発明の第６の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図２９】本発明の第７の実施の形態における振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図３０】本発明の第７の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図３１】本発明の第８の実施の形態における振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図３２】本発明の第８の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図３３】本発明の第９の実施の形態における振動最大速度算出部の構成を示すブロック図である。
【図３４】本発明の第９の実施の形態における振動最大速度算出部の動作を示すフローチャートである。
【図３５】変位の確率分布関数を示す図である。
【図３６】変位の確率分布関数の求め方を説明するための図である。
【図３７】対象物の位置を乱数的に発生させたときの度数分布を示す図である。
【図３８】誤差を含む位置の度数分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。図１の振動振幅計測装置は、測定対象の物体１２にレーザ光を放射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１の光出力を電気信号に変換するフォトダイオード２と、半導体レーザ１からの光を集光して放射すると共に、物体１２からの戻り光を集光して半導体レーザ１に入射させるレンズ３と、半導体レーザ１を駆動する発振波長変調手段となるレーザドライバ４と、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する電流−電圧変換増幅部５と、電流−電圧変換増幅部５の出力電圧から搬送波を除去するフィルタ部６と、フィルタ部６の出力電圧に含まれる自己結合信号であるモードホップパルス（以下、ＭＨＰとする）の数を数える計数部７と、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出部８と、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動周波数を算出する振動周波数算出部９と、振動最大速度と振動周波数とから物体１２の振動振幅を算出する振動振幅算出部１０と、振動振幅算出部１０の算出結果を表示する表示部１１とを有する。
【００２２】
フォトダイオード２と電流−電圧変換増幅部５とは、検出手段を構成している。以下、説明容易にするために、半導体レーザ１には、モードホッピング現象を持たない型（ＶＣＳＥＬ型、ＤＦＢレーザ型）のものが用いられているものと想定する。
【００２３】
レーザドライバ４は、時間に関して一定の変化率で増減を繰り返す三角波駆動電流を注入電流として半導体レーザ１に供給する。これにより、半導体レーザ１は、注入電流の大きさに比例して発振波長が一定の変化率で連続的に増加する第１の発振期間と発振波長が一定の変化率で連続的に減少する第２の発振期間とを交互に繰り返すように駆動される。図２は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図である。図２において、Ｐ１は第１の発振期間、Ｐ２は第２の発振期間、λａは各期間における発振波長の最小値、λｂは各期間における発振波長の最大値、Ｔｃａｒは三角波の周期である。本実施の形態では、発振波長の最大値λｂ及び発振波長の最小値λａはそれぞれ常に一定になされており、それらの差λｂ−λａも常に一定になされている。
【００２４】
半導体レーザ１から出射したレーザ光は、レンズ３によって集光され、物体１２に入射する。物体１２で反射された光は、レンズ３によって集光され、半導体レーザ１に入射する。ただし、レンズ３による集光は必須ではない。フォトダイオード２は、半導体レーザ１の内部又はその近傍に配置され、半導体レーザ１の光出力を電流に変換する。電流−電圧変換増幅部５は、フォトダイオード２の出力電流を電圧に変換して増幅する。
【００２５】
フィルタ部６は、変調波から重畳信号を抽出する機能を有するものである。図３（Ａ）は電流−電圧変換増幅部５の出力電圧波形を模式的に示す図、図３（Ｂ）はフィルタ部６の出力電圧波形を模式的に示す図である。これらの図は、フォトダイオード２の出力に相当する図３（Ａ）の波形（変調波）から、図２の半導体レーザ１の発振波形（搬送波）を除去して、図３（Ｂ）のＭＨＰ波形（干渉波形）を抽出する過程を表している。
【００２６】
次に、計数部７と振動最大速度算出部８と振動周波数算出部９と振動振幅算出部１０の動作について説明する。図４は計数部７と振動最大速度算出部８と振動周波数算出部９と振動振幅算出部１０の動作を示すフローチャートである。
【００２７】
計数部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について数える（図４ステップＳ１）。計数部７は、論理ゲートからなるカウンタを利用するものでもよいし、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を利用してＭＨＰの周波数（すなわち単位時間あたりのＭＨＰの数）を計測するものでもよい。
【００２８】
ここで、自己結合信号であるＭＨＰについて説明する。図５に示すように、ミラー層１０１３から物体１２までの距離をＬ、レーザの発振波長をλとすると、以下の共振条件を満足するとき、物体１２からの戻り光と半導体レーザ１の光共振器内のレーザ光は強め合い、レーザ出力がわずかに増加する。
Ｌ＝ｑλ／２ ・・・（１）
式（１）において、ｑは整数である。この現象は、物体１２からの散乱光が極めて微弱であっても、半導体レーザ１の共振器内の見かけの反射率が増加することにより、増幅作用が生じ、十分観測できる。なお、図５において、１０１９はミラーとなる誘電体多層膜である。
【００２９】
図６は、半導体レーザ１の発振波長をある一定の割合で変化させたときの発振波長とフォトダイオード２の出力波形との関係を示す図である。式（１）に示したＬ＝ｑλ／２を満足したときに、戻り光と光共振器内のレーザ光の位相差が０°（同位相）になって、戻り光と光共振器内のレーザ光とが最も強め合い、Ｌ＝ｑλ／２＋λ／４のときに、位相差が１８０°（逆位相）になって、戻り光と光共振器内のレーザ光とが最も弱め合う。そのため、半導体レーザ１の発振波長を変化させていくと、レーザ出力が強くなるところと弱くなるところとが交互に繰り返し現れ、このときのレーザ出力をフォトダイオード２で検出すると、図６に示すように一定周期の階段状の波形が得られる。このような波形は一般的には干渉縞と呼ばれる。この階段状の波形、すなわち干渉縞の１つ１つがＭＨＰである。ある一定時間において半導体レーザ１の発振波長を変化させた場合、測定距離に比例してＭＨＰの数は変化する。
【００３０】
次に、振動最大速度算出部８は、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動の最大速度を算出する（図４ステップＳ２）。図７は振動最大速度算出部８の構成を示すブロック図である。振動最大速度算出部８は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部８００と、計数部７の計数結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８０１と、計数部７の計数結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出部８０２と、計数部７の計数結果の片振幅を算出する振幅算出部８０３と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８０４とから構成される。
【００３１】
図８は計数部７の計数結果の時間変化を示す図である。図８において、Ｎｕは第１の発振期間Ｐ１の計数結果、Ｎｄは第２の発振期間Ｐ２の計数結果である。物体１２の距離変化率が半導体レーザ１の発振波長変化率よりも小さく、物体１２が単振動している場合、計数結果Ｎｕの時間変化と計数結果Ｎｄの時間変化は、図８に示すように互いの位相差が１８０度の正弦波形となる。
【００３２】
正弦波軌道上の値を一様にサンプリングしたとみなせるだけのサンプリングを行うと、個々の値が誤差を含んでいても、平均値と最頻値との差は片振幅（波高値）になる。サンプリング間隔が等間隔で、かつサンプリング間隔と正弦波周期との最小公倍数に当たる時間中に含まれるサンプリング数が十分に多い場合には、正弦波軌道上の値を一様にサンプリングしたとみなせる。
【００３３】
図９は振動最大速度算出部８の動作を示すフローチャートである。振動最大速度算出部８には、計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄが入力される。記憶部８００は、計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄを記憶する。
平均値算出部８０１は、記憶部８００に格納された計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の平均値を算出する（図９ステップＳ１０）。平均値算出部８０１が算出した平均値は、記憶部８００に格納される。
【００３４】
最頻値算出部８０２は、記憶部８００に格納された計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の最頻値を算出する（図９ステップＳ１１）。最頻値算出部８０２が算出した最頻値は、記憶部８００に格納される。この最頻値は、計数部７の計数結果の最大値または最小値に相当する。
【００３５】
振幅算出部８０３は、平均値と最頻値との差を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出する（図９ステップＳ１２）。平均値＞最頻値の場合は、平均値−最頻値を片振幅ΔＮとし、最頻値＞平均値の場合は、最頻値−平均値を片振幅ΔＮとすればよい。片振幅ΔＮの２倍の値が振幅（両振幅）であることは言うまでもない。なお、平均値算出部８０１と最頻値算出部８０２と振幅算出部８０３とが処理の対象とするのは、計数部７の計数結果ＮｕとＮｄのうちどちらか一方のみである。つまり、それぞれ正弦波状に変化する計数結果ＮｕとＮｄのうちどちらか一方についてのみ正弦波の片振幅ΔＮを算出すればよい。振幅算出部８０３が算出した片振幅ΔＮの値は、物体１２の振動の最大速度（半波長／計測時間）に相当する。
【００３６】
最大速度算出部８０４は、振幅算出部８０３が算出した片振幅ΔＮから次式のように物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図９ステップＳ１３）。
Ｖｍａｘ＝ΔＮ×（λ／２）×｛１／（２×ｆｃａｒ）｝ ・・・（２）
式（２）において、λは半導体レーザ１の発振平均波長、ｆｃａｒは半導体レーザ１の発振波長変調の搬送波（三角波）の周波数である。こうして、最大速度算出部８０４の算出結果が振動振幅算出部１０に出力される。
【００３７】
なお、本実施の形態では、計数部７の計数結果の平均値と最頻値との差を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとしたが、計数部７の計数結果の分布の中央値と最頻値との差を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとしてもよい。つまり、平均値算出部８０１の代わりに中央値算出部を用い、振幅算出部８０３は、中央値と最頻値との差を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出してもよい。
【００３８】
次に、振動周波数算出部９は、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動周波数を算出する（図４ステップＳ３）。図１０は振動周波数算出部９の構成を示すブロック図である。振動周波数算出部９は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部９００と、計数部７の計数結果を２値化する２値化部９０１と、２値化部９０１から出力された２値化出力の周期を測定する周期測定部９０２と、２値化出力の周期の度数分布を作成する度数分布作成部９０３と、２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出部９０４と、２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手段となるカウンタ９０５と、カウンタ９０５の計数結果を補正する補正部９０６と、補正された計数結果に基づいて物体１２の振動周波数を算出する周波数算出部９０７とから構成される。
【００３９】
図１１は振動周波数算出部９の動作を示すフローチャートである。計数部７の計数結果は、振動周波数算出部９の記憶部９００に格納される。２値化部９０１は、記憶部９００に格納された、計数部７の計数結果を２値化する（図１１ステップＳ２０）。図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は２値化部９０１の動作を説明するための図であり、図１２（Ａ）は半導体レーザ１の発振波長の時間変化を示す図、図１２（Ｂ）は計数部７の計数結果の時間変化を示す図、図１２（Ｃ）は２値化部９０１の出力Ｄ（ｔ）を示す図である。
【００４０】
２値化部９０１は、時間的に隣接する２つの発振期間Ｐ１，Ｐ２の計数結果ＮｕとＮｄの大小を比較して、これらの計数結果を２値化する。２値化部９０１は、具体的には以下の式を実行する。
Ｉｆ Ｎｕ（ｔ）≧Ｎｄ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝１ ・・・（３）
Ｉｆ Ｎｕ（ｔ）＜Ｎｄ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝０ ・・・（４）
Ｉｆ Ｎｄ（ｔ）≦Ｎｕ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝１ ・・・（５）
Ｉｆ Ｎｄ（ｔ）＞Ｎｕ（ｔ−１） ｔｈｅｎ Ｄ（ｔ）＝０ ・・・（６）
【００４１】
式（３）〜式（６）において、（ｔ）は現時刻ｔにおいて計測されたＭＨＰの数であることを表し、（ｔ−１）は現時刻ｔの１回前に計測されたＭＨＰの数であることを表している。式（３）、式（４）は、現時刻ｔの計数結果が第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕで、１回前の計数結果が第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄの場合である。この場合、２値化部９０１は、現時刻ｔの計数結果Ｎｕ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−１）以上であれば、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「１」（ハイレベル）とし、現時刻ｔの計数結果Ｎｕ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｄ（ｔ−１）より小さい場合は、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「０」（ローレベル）とする。
【００４２】
式（５）、式（６）は、現時刻ｔの計数結果が第２の発振期間Ｐ２の計数結果Ｎｄで、１回前の計数結果が第１の発振期間Ｐ１の計数結果Ｎｕの場合である。この場合、２値化部９０１は、現時刻ｔの計数結果Ｎｄ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−１）以下であれば、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「１」とし、現時刻ｔの計数結果Ｎｄ（ｔ）が１回前の計数結果Ｎｕ（ｔ−１）より大きい場合は、現時刻ｔの出力Ｄ（ｔ）を「０」とする。
【００４３】
こうして、計数部７の計数結果は２値化される。２値化部９０１の出力Ｄ（ｔ）は記憶部９００に格納される。２値化部９０１は、以上のような２値化処理を、計数部７によってＭＨＰの数が測定される時刻毎（発振期間毎）に行う。
【００４４】
計数部７の計数結果を２値化することは、物体１２の変位の方向を判別することを意味する。つまり、半導体レーザ１の発振波長が増加しているときの計数結果Ｎｕが、発振波長が減少しているときの計数結果Ｎｄ以上の場合（Ｄ（ｔ）＝１）、物体１２の移動方向は半導体レーザ１に接近する方向であり、計数結果Ｎｕが計数結果Ｎｄより小さい場合（Ｄ（ｔ）＝０）、物体１２の移動方向は半導体レーザ１から遠ざかる方向である。したがって、基本的には図１２（Ｃ）に示した２値化出力の周期を求めることができれば、物体１２の振動周波数を算出することができる。
【００４５】
周期測定部９０２は、記憶部９００に格納された２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定する（図１１ステップＳ２１）。２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定するには、例えば２値化出力Ｄ（ｔ）を所定のしきい値と比較することにより、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりを検出し、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間を測定すればよい。周期測定部９０２は、このような測定を２値化出力Ｄ（ｔ）に立ち上がりエッジが発生する度に行う。周期測定部９０２の測定結果は記憶部９００に格納される。
【００４６】
次に、度数分布作成部９０３は、周期測定部９０２の測定結果から、一定時間Ｔ（Ｔ＞Ｔｃａｒであり、例えば１００×Ｔｃａｒ、すなわち三角波１００個分の時間）における周期の度数分布を作成する（図１１ステップＳ２２）。図１３は度数分布の１例を示す図である。度数分布作成部９０３が作成した度数分布は、記憶部９００に格納される。度数分布作成部９０３は、このような度数分布の作成をＴ時間毎に行う。
【００４７】
続いて、基準周期算出部９０４は、度数分布作成部９０３が作成した度数分布から、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の代表値である基準周期Ｔ０を算出する（図１１ステップＳ２３）。一般に、周期の代表値は最頻値や中央値であるが、本実施の形態においては、最頻値や中央値が周期の代表値として適していない。その理由は、高周波ノイズによる短い周期での符号の変化は物体１２の本来の振動の周期の度数を上回ることがあり、周期の代表値として最頻値や中央値などを用いた場合、誤って振動周期よりも短いノイズの周期を基準として補正を掛けてしまう懸念があるからである。
【００４８】
そこで、基準周期算出部９０４は、振動周波数を算出するための一定時間Ｔの期間において、ある階級の信号が占める割合、つまり階級値と度数との積が最も大きい階級値を基準周期Ｔ０とする。算出された基準周期Ｔ０の値は、記憶部９００に格納される。基準周期算出部９０４は、このような基準周期Ｔ０の算出を、度数分布作成部９０３によって度数分布が作成される度に行う。
【００４９】
一方、カウンタ９０５は、周期測定部９０２および度数分布作成部９０３と並行して動作し、度数分布作成部９０３が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間Ｔの期間において、２値化出力Ｄ（ｔ）の立ち上がりエッジの数Ｎ（すなわち、２値化出力Ｄ（ｔ）の「１」のパルスの数）を数える（図１１ステップＳ２４）。カウンタ９０５の計数結果Ｎは、記憶部９００に格納される。カウンタ９０５は、このような２値化出力Ｄ（ｔ）の計数をＴ時間毎に行う。
【００５０】
補正部９０６は、度数分布作成部９０３が作成した度数分布から、基準周期Ｔ０の０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと、基準周期Ｔ０の１．５倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、カウンタ９０５の計数結果Ｎを次式のように補正する（図１１ステップＳ２５）。
Ｎ’＝Ｎ−Ｎｓ＋Ｎｗ ・・・（７）
式（７）において、Ｎ’は補正後の計数結果である。この補正後の計数結果Ｎ’は、記憶部９００に格納される。補正部９０６は、このような補正をＴ時間毎に行う。
【００５１】
図１４は度数の総和ＮｓとＮｗを模式的に表す図である。図１４において、Ｔｓは基準周期Ｔ０の０．５倍の階級値、Ｔｗは基準周期Ｔ０の１．５倍の階級値である。図１４における階級が、周期の代表値であることは言うまでもない。なお、図１４では記載を簡略化するため、基準周期Ｔ０とＴｓとの間、及び基準周期Ｔ０とＴｗとの間の度数分布を省略している。
【００５２】
図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）はカウンタ９０５の計数結果の補正原理を説明するための図であり、図１５（Ａ）は２値化出力Ｄ（ｔ）を示す図、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）に対応するカウンタ９０５の計数結果を示す図である。
本来、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期は物体１２の振動周波数によって異なるが、物体１２の振動周波数が不変であれば、２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスは同じ周期で出現する。しかし、ノイズのために、ＭＨＰの波形には欠落が生じたり、信号として数えるべきでない波形が生じたりして、結果として２値化出力Ｄ（ｔ）の波形にも欠落や信号として数えるべきでない波形が生じ、２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの計数結果に誤差が生じる。
【００５３】
信号の欠落が生じると、欠落が生じた箇所での２値化出力Ｄ（ｔ）の周期Ｔｗは、本来の周期のおよそ２倍になる。つまり、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期が基準周期Ｔ０のおよそ２倍以上の場合には、信号に欠落が生じていると判断できる。そこで、周期Ｔｗ以上の階級の度数の総和Ｎｗを信号が欠落した回数と見なし、このＮｗをカウンタ９０５の計数結果Ｎに加算することで、信号の欠落を補正することができる。
【００５４】
また、スパイクノイズなどによって本来の信号が分割された箇所での２値化出力Ｄ（ｔ）の周期Ｔｓは、本来の周期と比較して０．５倍よりも短い信号と０．５倍よりも長い信号の２つになる。つまり、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期が基準周期Ｔ０のおよそ０．５倍以下の場合には、信号を過剰に数えていると判断できる。そこで、周期Ｔｓ以下の階級の度数の総和Ｎｓを信号を過剰に数えた回数と見なし、このＮｓをカウンタ９０５の計数結果Ｎから減算することで、誤って数えたノイズを補正することができる。以上が、式（７）に示した計数結果の補正原理である。
【００５５】
周波数算出部９０７は、補正部９０６が計算した補正後の計数結果Ｎ’に基づいて、物体１２の振動周波数ｆｓｉｇを次式のように算出する（図１１ステップＳ２６）。
ｆｓｉｇ＝Ｎ’／Ｔ ・・・（８）
こうして、周波数算出部９０７の算出結果が振動振幅算出部１０に出力される。
【００５６】
次に、振動振幅算出部１０は、振動最大速度算出部８が算出した振動最大速度Ｖｍａｘと振動周波数算出部９が算出した振動周波数ｆｓｉｇとから物体１２の振動振幅Ａを次式のように算出する（図４ステップＳ４）。
Ａ＝Ｖｍａｘ／（π×ｆｓｉｇ） ・・・（９）
表示部１１は、振動振幅算出部１０が算出した振動振幅Ａの値を表示する。
【００５７】
以上のように、本実施の形態では、計数部７の計数結果の平均値または中央値と最頻値との差を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出することにより、片振幅ΔＮを精度良く求めることができ、その結果として物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを精度良く求めることができる。さらに、本実施の形態では、時間的に隣接する第１、第２の発振期間Ｐ１，Ｐ２の計数結果の大小を比較してＭＨＰの計数結果を２値化し、２値化出力Ｄ（ｔ）の周期を測定して一定時間Ｔにおける周期の度数分布を作成し、周期の度数分布から２値化出力Ｄ（ｔ）の周期の分布の代表値である基準周期Ｔ０を算出し、一定時間Ｔの期間において２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの数を数え、度数分布から、基準周期Ｔ０の０．５倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと基準周期Ｔ０の１．５倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて２値化出力Ｄ（ｔ）のパルスの計数結果を補正することにより、物体１２の振動周波数ｆｓｉｇを精度良く求めることができる。その結果、本実施の形態では、物体の位置の最大値と最小値との差を振動振幅とする従来の方法に比べて、物体１２の振動振幅を精度良く求めることができる。
【００５８】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１６は本発明の第２の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８の構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部８０５と、計数部７の計数結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出部８０６と、計数部７の計数結果の片振幅を算出する振幅算出部８０７と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８０８とから構成される。
【００５９】
正弦波軌道上の値を一様にサンプリングしたとみなせるだけのサンプリングを行うと、正弦波の標準偏差値は片振幅の１／√２（≒０．７０７）になるため、サンプリングされた値の標準偏差値を求め、√２倍すれば片振幅の値となる。
【００６０】
図１７は本実施の形態の振動最大速度算出部８の動作を示すフローチャートである。第１の実施の形態と同様に、記憶部８０５は、時系列に入力される計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄを記憶する。
標準偏差値算出部８０６は、記憶部８０５に格納された、計数部７の計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の標準偏差値を算出する（図１７ステップＳ３０）。標準偏差値算出部８０６が算出した標準偏差値は、記憶部８０５に格納される。第１の実施の形態と同様に、標準偏差値算出部８０６が処理の対象とするのは、計数部７の計数結果ＮｕとＮｄのうちどちらか一方のみである。
【００６１】
振幅算出部８０７は、標準偏差値を√２（≒１．４１４）倍した値を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出する（図１７ステップＳ３１）。
最後に、最大速度算出部８０８は、振幅算出部８０７が算出した片振幅ΔＮから式（２）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図１７ステップＳ３２）。
【００６２】
振動振幅計測装置の他の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図１８は本発明の第３の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８の構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部８０９と、計数部７の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出部８１０と、計数部７の計数結果の片振幅を算出する振幅算出部８１１と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８１２とから構成される。
【００６４】
本実施の形態の基本原理は第２の実施の形態と同じであるが、標準偏差値の代わりに、より誤差の少ない四分位点を基準にする。四分位点と平均値との差は片振幅の１／√２（≒０．７０７）になるため、サンプリングされた値の分布の四分位点を求め、√２倍すれば片振幅の値となる。
【００６５】
図１９は本実施の形態の振動最大速度算出部８の動作を示すフローチャートである。第１の実施の形態と同様に、記憶部８０９は、時系列に入力される計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄを記憶する。
四分位点算出部８１０は、記憶部８０９に格納された、計数部７の計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の四分位点を算出する（図１９ステップＳ４０）。
【００６６】
振幅算出部８１１は、算出された四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点（中央値）との差を√２（≒１．４１４）倍した値を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出する（図１９ステップＳ４１）。例えば図３８の例では、第１四分位点は３３０、第２四分位点は４００、第３四分位点は４７０である。第１の実施の形態と同様に、四分位点算出部８１０と振幅算出部８１１とが処理の対象とするのは、計数部７の計数結果ＮｕとＮｄのうちどちらか一方のみである。
【００６７】
最後に、最大速度算出部８１２は、振幅算出部８１１が算出した片振幅ΔＮから式（２）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図１９ステップＳ４２）。
振動振幅計測装置の他の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。第１、第２の実施の形態では、計数部７の計数結果の度数分布が１／ｃｏｓ｛ａｓｉｎ（Ｘ）｝（Ｘは変位）とみなすことのできる十分な一様性とサンプリング数を要し、また最大振幅付近の度数変化が急峻なために、誤差を含みやすいが、四分位点はサンプルの一様性や外れ値の影響を受けにくい。したがって、本実施の形態によれば、第１、第２の実施の形態に比べて片振幅ΔＮの誤差を更に低減することができ、その結果として物体１２の振動振幅の誤差を低減することができる。
【００６８】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図２０は本発明の第４の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８の構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８は、計数部７の計数結果等を記憶する記憶部８１３と、計数部７の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出部８１４と、計数部７の計数結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８１５と、計数部７の計数結果の片振幅を算出する振幅算出部８１６と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８１７とから構成される。
【００６９】
本実施の形態は、第３の実施の形態において第２四分位点（中央値）の代わりに、平均値を用いるものである。
図２１は本実施の形態の振動最大速度算出部８の動作を示すフローチャートである。第１の実施の形態と同様に、記憶部８１３は、時系列に入力される計数部７の計数結果Ｎｕ，Ｎｄを記憶する。
四分位点算出部８１４は、記憶部８１３に格納された、計数部７の計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の四分位点を算出する（図２１ステップＳ５０）。
【００７０】
平均値算出部８１５は、記憶部８１３に格納された、計数部７の計数結果ＮｕまたはＮｄの分布の平均値を算出する（ステップＳ５１）。平均値算出部８１５が算出した平均値は、記憶部８１３に格納される。
振幅算出部８１６は、算出された四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と平均値との差を√２倍した値を計数部７の計数結果の片振幅ΔＮとして算出する（ステップＳ５２）。第１の実施の形態と同様に、四分位点算出部８１４と平均値算出部８１５と振幅算出部８１６とが処理の対象とするのは、計数部７の計数結果ＮｕとＮｄのうちどちらか一方のみである。
【００７１】
最後に、最大速度算出部８１７は、振幅算出部８１６が算出した片振幅ΔＮから式（２）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図２１ステップＳ５３）。
振動振幅計測装置の他の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７２】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図２２は本発明の第５の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動振幅計測装置は、半導体レーザ１と、フォトダイオード２と、レンズ３と、レーザドライバ４と、電流−電圧変換増幅部５と、フィルタ部６と、計数部７と、振動最大速度算出部８と、振動振幅算出部１０ａと、表示部１１と、物体１２の加速度を計測する加速度計１３と、物体１２の加速度から物体１２の振動周波数を算出する振動周波数算出部１４とを有する。
【００７３】
物体１２に取り付けられた加速度計１３は、物体１２の加速度を計測する。振動周波数算出部１４は、物体１２の加速度から物体１２の振動周波数ｆｓｉｇを算出する。加速度から振動周波数を算出する方法は、例えば特許第２９５３６７５号公報に開示されているので、詳細な説明は省略する。
【００７４】
振動振幅算出部１０ａは、振動最大速度算出部８が算出した振動最大速度Ｖｍａｘと振動周波数算出部１４が算出した振動周波数ｆｓｉｇとから物体１２の振動振幅Ａを式（９）により算出する。
振動振幅計測装置の他の構成は、第１〜第４の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態では、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動周波数を算出する代わりに、物体１２の加速度から物体１２の振動周波数を算出することにより、第１〜第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図２３は本発明の第６の実施の形態に係る振動振幅計測装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動振幅計測装置は、半導体レーザ１と、フォトダイオード２と、レンズ３と、レーザドライバ４と、電流−電圧変換増幅部５と、フィルタ部６と、計数部７と、振動最大速度算出部８ｂと、振動周波数算出部９と、振動振幅算出部１０ｂと、表示部１１と、信号抽出部１５とを有する。
【００７６】
図２４は計数部７と信号抽出部１５と振動最大速度算出部８ｂと振動周波数算出部９と振動振幅算出部１０ｂの動作を示すフローチャートである。
第１の実施の形態で説明したとおり、計数部７は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの数を第１の発振期間Ｐ１と第２の発振期間Ｐ２の各々について数える（図２４ステップＳ１）。
振動周波数算出部９は、計数部７の計数結果に基づいて物体１２の振動周波数ｆｓｉｇを算出する（図２４ステップＳ３）。
【００７７】
一方、信号抽出部１５は、フィルタ部６の出力電圧に含まれるＭＨＰの周期をＭＨＰが発生する度に計測する（図２４ステップＳ５）。図２５（Ａ）〜図２５（Ｄ）は信号抽出部１５の動作を説明するための図であり、図２５（Ａ）はフィルタ部６の出力電圧の波形、すなわちＭＨＰの波形を模式的に示す図、図２５（Ｂ）はＭＨＰを２値化した波形を示す図、図２５（Ｃ）は信号抽出部１５に入力されるサンプリングクロックを示す図、図２５（Ｄ）は図２５（Ｂ）に対応する信号抽出部１５の測定結果を示す図である。
【００７８】
まず、信号抽出部１５は、図２５（Ａ）に示すフィルタ部６の出力電圧が上昇してしきい値ＴＨ１以上になったときにハイレベルと判定し、フィルタ部６の出力電圧が下降してしきい値ＴＨ２（ＴＨ２＜ＴＨ１）以下になったときにローレベルと判定することにより、フィルタ部６の出力を２値化する。そして、信号抽出部１５は、２値化したＭＨＰの立ち上がりエッジの周期（すなわち、ＭＨＰの周期）を立ち上がりエッジが発生する度に測定する。このとき、信号抽出部１５は、図２５（Ｃ）に示すサンプリングクロックの周期を１単位としてＭＨＰの周期を測定する。図２５（Ｄ）の例では、信号抽出部１５は、ＭＨＰの周期としてＴα，Ｔβ，Ｔγを順次測定している。図２５（Ｃ）、図２５（Ｄ）から明らかなように、周期Ｔα，Ｔβ，Ｔγの大きさは、それぞれ５［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、４［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］、２［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］である。サンプリングクロックの周波数は、ＭＨＰの取り得る最高周波数に対して十分に高いものとする。
【００７９】
次に、振動最大速度算出部８ｂは、信号抽出部１５の計測結果に基づいて物体１２の振動の最大速度を算出する（図２４ステップＳ６）。図２６は振動最大速度算出部８ｂの構成を示すブロック図である。振動最大速度算出部８ｂは、信号抽出部１５の計測結果等を記憶する記憶部８１８と、信号抽出部１５の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８１９と、信号抽出部１５の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出部８２０と、信号抽出部１５の計測結果の片振幅を算出する振幅算出部８２１と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８２２とから構成される。
【００８０】
図２７は信号抽出部１５の計測結果の時間変化を示す図である。ＭＨＰの周期は物体１２との距離に反比例するので、物体１２が単振動している場合、信号抽出部１５の計測結果は、図２７に示すように正弦波形となる。
【００８１】
図２８は振動最大速度算出部８ｂの動作を示すフローチャートである。振動最大速度算出部８ｂには、信号抽出部１５の計測結果が入力される。記憶部８１８は、信号抽出部１５の計測結果を記憶する。
平均値算出部８１９は、記憶部８１８に格納された計測結果の分布の平均値を算出する（図２８ステップＳ６０）。平均値算出部８１９が算出した周期の平均値は、記憶部８１８に格納される。
【００８２】
最頻値算出部８２０は、記憶部８１８に格納された計測結果の分布の最頻値を算出する（図２８ステップＳ６１）。最頻値算出部８２０が算出した最頻値は、記憶部８１８に格納される。この最頻値は、信号抽出部１５の計測結果の最大値または最小値に相当する。
振幅算出部８２１は、平均値と最頻値との差を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出する（図２８ステップＳ６２）。平均値＞最頻値の場合は、平均値−最頻値を片振幅ΔＮとし、最頻値＞平均値の場合は、最頻値−平均値を片振幅ΔＮとすればよい。片振幅ΔＮの２倍の値が振幅（両振幅）であることは言うまでもない。
【００８３】
最大速度算出部８２２は、平均値算出部８１９が算出した周期の平均値Ｔ０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］と振幅算出部８２１が算出した片振幅ΔＮ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］とから次式のように物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図２８ステップＳ６３）。
Ｖｍａｘ＝ΔＮ×λ／（２×Ｔ０）×ｆａｄ／（Ｔ０＋ΔＮ） ・・・（１０）
式（１０）において、λは半導体レーザ１の発振平均波長、ｆａｄは信号抽出部１５で用いるサンプリングクロックの周波数である。こうして、最大速度算出部８２２の算出結果が振動振幅算出部１０ｂに出力される。
【００８４】
なお、本実施の形態では、信号抽出部１５の計測結果の平均値と最頻値との差を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとしたが、信号抽出部１５の計測結果の分布の中央値と最頻値との差を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとしてもよい。つまり、平均値算出部８１９とは別に中央値算出部を設け、振幅算出部８２１は、中央値と最頻値との差を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出してもよい。
【００８５】
次に、振動振幅算出部１０ｂは、振動最大速度算出部８ｂが算出した振動最大速度Ｖｍａｘと振動周波数算出部９が算出した振動周波数ｆｓｉｇとから物体１２の振動振幅Ａを式（９）のように算出する（図２４ステップＳ７）。
表示部１１は、振動振幅算出部１０ｂが算出した振動振幅Ａの値を表示する。
【００８６】
以上のように、本実施の形態では、信号抽出部１５の計測結果の平均値または中央値と最頻値との差を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出することにより、片振幅ΔＮを精度良く求めることができ、その結果として物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを精度良く求めることができる。また、第１の実施の形態で説明したとおり、本実施の形態では、物体１２の振動周波数ｆｓｉｇを精度良く求めることができる。その結果、本実施の形態では、物体の位置の最大値と最小値との差を振動振幅とする従来の方法に比べて、物体１２の振動振幅を精度良く求めることができる。
【００８７】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。図２９は本発明の第７の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８ｂの構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂは、信号抽出部１５の計測結果等を記憶する記憶部８２３と、信号抽出部１５の計測結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出部８２４と、信号抽出部１５の計測結果の片振幅を算出する振幅算出部８２５と、信号抽出部１５の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８２６と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８２７とから構成される。
【００８８】
図３０は本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂの動作を示すフローチャートである。第６の実施の形態と同様に、記憶部８２３は、時系列に入力される信号抽出部１５の計測結果を記憶する。
標準偏差値算出部８２４は、記憶部８２３に格納された、信号抽出部１５の計測結果の分布の標準偏差値を算出する（図３０ステップＳ７０）。標準偏差値算出部８２４が算出した標準偏差値は、記憶部８２３に格納される。
【００８９】
振幅算出部８２５は、標準偏差値を√２（≒１．４１４）倍した値を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出する（図３０ステップＳ７１）。
平均値算出部８２６は、記憶部８２３に格納された計測結果の分布の平均値を算出する（図３０ステップＳ７２）。平均値算出部８２６が算出した周期の平均値は、記憶部８２３に格納される。
【００９０】
最後に、最大速度算出部８２７は、平均値算出部８２６が算出した周期の平均値Ｔ０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］と振幅算出部８２５が算出した片振幅ΔＮ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］とから式（１０）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図３０ステップＳ７３）。
振動振幅計測装置の他の構成は、第６の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態においても、第６の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。図３１は本発明の第８の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８ｂの構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂは、信号抽出部１５の計測結果等を記憶する記憶部８２８と、信号抽出部１５の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出部８２９と、信号抽出部１５の計測結果の片振幅を算出する振幅算出部８３０と、信号抽出部１５の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８３１と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８３２とから構成される。
【００９２】
図３２は本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂの動作を示すフローチャートである。第６の実施の形態と同様に、記憶部８２８は、時系列に入力される信号抽出部１５の計測結果を記憶する。
四分位点算出部８２９は、記憶部８２８に格納された、信号抽出部１５の計測結果の分布の四分位点を算出する（図３２ステップＳ８０）。
【００９３】
振幅算出部８３０は、算出された四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点（中央値）との差を√２（≒１．４１４）倍した値を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出する（図３２ステップＳ８１）。
平均値算出部８３１は、記憶部８２８に格納された計測結果の分布の平均値を算出する（図３２ステップＳ８２）。
【００９４】
最後に、最大速度算出部８３２は、平均値算出部８３１が算出した周期の平均値Ｔ０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］と振幅算出部８３０が算出した片振幅ΔＮ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］とから式（１０）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図３２ステップＳ８３）。
振動振幅計測装置の他の構成は、第６の実施の形態で説明したとおりである。本実施の形態では、第３の実施の形態と同様の理由により、第６、第７の実施の形態に比べて片振幅ΔＮの誤差を更に低減することができ、その結果として物体１２の振動振幅の誤差を低減することができる。
【００９５】
［第９の実施の形態］
次に、本発明の第９の実施の形態について説明する。図３３は本発明の第９の実施の形態に係る振動振幅計測装置の振動最大速度算出部８ｂの構成を示すブロック図である。本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂは、信号抽出部１５の計測結果等を記憶する記憶部８３３と、信号抽出部１５の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出部８３４と、信号抽出部１５の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出部８３５と、信号抽出部１５の計測結果の片振幅を算出する振幅算出部８３６と、片振幅から物体１２の振動の最大速度を算出する最大速度算出部８３７とから構成される。
【００９６】
本実施の形態は、第８の実施の形態において第２四分位点（中央値）の代わりに、平均値を用いるものである。
図３４は本実施の形態の振動最大速度算出部８ｂの動作を示すフローチャートである。第６の実施の形態と同様に、記憶部８３３は、時系列に入力される信号抽出部１５の計測結果を記憶する。
四分位点算出部８３４は、記憶部８３３に格納された、信号抽出部１５の計測結果の分布の四分位点を算出する（図３４ステップＳ９０）。
【００９７】
平均値算出部８３５は、記憶部８３３に格納された、信号抽出部１５の計測結果の分布の平均値を算出する（図３４ステップＳ９１）。平均値算出部８３５が算出した平均値は、記憶部８３３に格納される。
振幅算出部８３６は、算出された四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と平均値との差を√２倍した値を信号抽出部１５の計測結果の片振幅ΔＮとして算出する（図３４ステップＳ９２）。
【００９８】
最後に、最大速度算出部８３７は、平均値算出部８３５が算出した周期の平均値Ｔ０［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］と振幅算出部８３６が算出した片振幅ΔＮ［ｓａｍｐｌｉｎｇｓ］とから式（１０）により物体１２の振動の最大速度Ｖｍａｘを算出する（図３４ステップＳ９３）。
振動振幅計測装置の他の構成は、第６の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態においても、第８の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００９９】
なお、第１〜第４の実施の形態、第６〜第９の実施の形態において、振動周波数算出部の構成は第１の実施の形態で説明した構成でもよいし、第５の実施の形態で説明した構成でもよいことは言うまでもない。
【０１００】
また、第１〜第９の実施の形態において少なくとも計数部７と振動最大速度算出部８，８ｂと振動周波数算出部９，１４と振動振幅算出部１０，１０ａ，１０ｂと信号抽出部１５とは、例えばＣＰＵ、メモリおよびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、メモリに格納されたプログラムに従って第１〜第９の実施の形態で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、レーザを用いて物体の振動振幅を計測する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１…半導体レーザ、２…フォトダイオード、３…レンズ、４…レーザドライバ、５…電流−電圧変換増幅部、６…フィルタ部、７…計数部、８，８ｂ…振動最大速度算出部、９，１４…振動周波数算出部、１０，１０ａ，１０ｂ…振動振幅算出部、１１…表示部、１２…物体、１３…加速度計、１５…信号抽出部、８００，８０５，８０９，８１３，８１８，８２３，８２８…記憶部、８０１，８１５，８１９，８２６，８３１…平均値算出部、８０２，８２０…最頻値算出部、８０３，８０７，８１１，８１６，８２１，８２５，８３０…振幅算出部、８０４，８０８，８１２，８１７，８２２，８２７，８３２…最大速度算出部、８０６，８２４…標準偏差値算出部、８１０，８１４，８２９…四分位点算出部、９００…記憶部、９０１…２値化部、９０２…周期測定部、９０３…度数分布作成部、９０４…基準周期算出部、９０５…カウンタ、９０６…補正部、９０７…周波数算出部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、
この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、
前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手段と、
前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段と、
前記振動最大速度算出手段が算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手段が算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手段とを備えることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記計数手段の計数結果の分布の平均値または中央値を算出する平均値または中央値算出手段と、
前記計数手段の計数結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、
前記平均値または中央値と前記最頻値との差を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記計数手段の計数結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手段と、
前記標準偏差値を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項４】
請求項１記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記計数手段の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項５】
請求項１記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記計数手段の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、
前記計数手段の計数結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項６】
測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、
この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、
前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手段と、
この信号抽出手段の計測結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手段と、
前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段と、
前記振動最大速度算出手段が算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手段が算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手段とを備えることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項７】
請求項６記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、
前記平均値と前記最頻値との差を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項８】
請求項６記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の中央値を算出する中央値算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、
前記中央値と前記最頻値との差を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項９】
請求項６記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手段と、
前記標準偏差値を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
この平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項１０】
請求項６記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
この平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項１１】
請求項６記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動振幅計測装置において、
前記振動周波数算出手段は、
時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手段と、
この２値化手段から出力された２値化出力の周期を測定する２値化出力周期測定手段と、
この２値化出力周期測定手段の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手段と、
前記２値化出力周期度数分布作成手段が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手段と、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記２値化出力計数手段の計数結果を補正する補正手段と、
この補正手段で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動振幅計測装置において、
前記振動周波数算出手段の代わりに、
前記測定対象の加速度を計測する加速度計と、
この加速度計が計測した加速度から前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段とを備えることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項１４】
発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、
この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、
前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手順と、
前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手順と、
前記振動最大速度算出手順で算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手順で算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手順とを備えることを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記計数手順の計数結果の分布の平均値または中央値を算出する平均値または中央値算出手順と、
前記計数手順の計数結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手順と、
前記平均値または中央値と前記最頻値との差を前記計数手順の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
この振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項１６】
請求項１４記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記計数手順の計数結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手順と、
前記標準偏差値を√２倍した値を前記計数手順の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
この振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項１７】
請求項１４記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記計数手順の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手順と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記計数手順の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
この振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項１８】
請求項１４記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記計数手順の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手順と、
前記計数手順の計数結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記計数手順の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
この振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項１９】
発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、
この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、
前記検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手順と、
この信号抽出手順の計測結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手順と、
前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手順と、
前記振動最大速度算出手順で算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手順で算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手順とを備えることを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手順と、
前記平均値と前記最頻値との差を前記信号抽出手順の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
前記平均値算出手順で算出した平均値と前記振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２１】
請求項１９記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の中央値を算出する中央値算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手順と、
前記中央値と前記最頻値との差を前記信号抽出手順の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
前記平均値算出手順で算出した平均値と前記振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２２】
請求項１９記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手順と、
前記標準偏差値を√２倍した値を前記信号抽出手順の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
この平均値算出手順で算出した平均値と前記振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２３】
請求項１９記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手順と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記信号抽出手順の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
この平均値算出手順で算出した平均値と前記振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２４】
請求項１９記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記信号抽出手順の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
前記平均値算出手順で算出した平均値と前記振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２５】
請求項１４乃至２４のいずれか１項に記載の振動振幅計測方法において、
前記振動周波数算出手順は、
時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手順と、
この２値化手順で得られた２値化出力の周期を測定する２値化出力周期測定手順と、
この２値化出力周期測定手順の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手順と、
前記２値化出力周期度数分布作成手順が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記２値化出力計数手順の計数結果を補正する補正手順と、
この補正手順で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２６】
請求項１４乃至２５のいずれか１項に記載の振動振幅計測方法において、
前記振動周波数算出手順の代わりに、
前記測定対象の加速度を計測する加速度計測手順と、
この加速度計測手順で計測した加速度から前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手順とを備えることを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項１】
測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、
この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、
前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手段と、
前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段と、
前記振動最大速度算出手段が算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手段が算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手段とを備えることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記計数手段の計数結果の分布の平均値または中央値を算出する平均値または中央値算出手段と、
前記計数手段の計数結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、
前記平均値または中央値と前記最頻値との差を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記計数手段の計数結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手段と、
前記標準偏差値を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項４】
請求項１記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記計数手段の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項５】
請求項１記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記計数手段の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、
前記計数手段の計数結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記計数手段の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
この振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項６】
測定対象にレーザ光を放射する半導体レーザと、
発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように前記半導体レーザを動作させる発振波長変調手段と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と前記測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手段と、
この検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手段と、
前記検出手段の出力信号に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手段と、
この信号抽出手段の計測結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手段と、
前記計数手段の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段と、
前記振動最大速度算出手段が算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手段が算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手段とを備えることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項７】
請求項６記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、
前記平均値と前記最頻値との差を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項８】
請求項６記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の中央値を算出する中央値算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手段と、
前記中央値と前記最頻値との差を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項９】
請求項６記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手段と、
前記標準偏差値を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
この平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項１０】
請求項６記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
この平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項１１】
請求項６記載の振動振幅計測装置において、
前記振動最大速度算出手段は、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手段と、
前記信号抽出手段の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記信号抽出手段の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手段と、
前記平均値算出手段が算出した平均値と前記振幅算出手段が算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動振幅計測装置において、
前記振動周波数算出手段は、
時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手段と、
この２値化手段から出力された２値化出力の周期を測定する２値化出力周期測定手段と、
この２値化出力周期測定手段の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手段と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手段と、
前記２値化出力周期度数分布作成手段が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手段と、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記２値化出力計数手段の計数結果を補正する補正手段と、
この補正手段で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手段とから構成されることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動振幅計測装置において、
前記振動周波数算出手段の代わりに、
前記測定対象の加速度を計測する加速度計と、
この加速度計が計測した加速度から前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手段とを備えることを特徴とする振動振幅計測装置。
【請求項１４】
発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、
この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、
前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手順と、
前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手順と、
前記振動最大速度算出手順で算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手順で算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手順とを備えることを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記計数手順の計数結果の分布の平均値または中央値を算出する平均値または中央値算出手順と、
前記計数手順の計数結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手順と、
前記平均値または中央値と前記最頻値との差を前記計数手順の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
この振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項１６】
請求項１４記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記計数手順の計数結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手順と、
前記標準偏差値を√２倍した値を前記計数手順の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
この振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項１７】
請求項１４記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記計数手順の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手順と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記計数手順の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
この振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項１８】
請求項１４記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記計数手順の計数結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手順と、
前記計数手順の計数結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記計数手順の計数結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
この振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項１９】
発振波長が連続的に単調増加する第１の発振期間と発振波長が連続的に単調減少する第２の発振期間とが交互に存在するように半導体レーザを動作させる発振手順と、
前記半導体レーザから放射されたレーザ光と測定対象からの戻り光との自己結合効果によって生じる干渉波形を含む電気信号を検出する検出手順と、
この検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の数を、前記第１の発振期間と前記第２の発振期間の各々について数える計数手順と、
前記検出手順で得られた出力信号に含まれる前記干渉波形の周期を干渉波形が入力される度に計測する信号抽出手順と、
この信号抽出手順の計測結果に基づいて前記測定対象の振動の最大速度を算出する振動最大速度算出手順と、
前記計数手順の計数結果に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手順と、
前記振動最大速度算出手順で算出した振動最大速度と前記振動周波数算出手順で算出した振動周波数とから前記測定対象の振動振幅を算出する振動振幅算出手順とを備えることを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手順と、
前記平均値と前記最頻値との差を前記信号抽出手順の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
前記平均値算出手順で算出した平均値と前記振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２１】
請求項１９記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の中央値を算出する中央値算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の最頻値を算出する最頻値算出手順と、
前記中央値と前記最頻値との差を前記信号抽出手順の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
前記平均値算出手順で算出した平均値と前記振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２２】
請求項１９記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の標準偏差値を算出する標準偏差値算出手順と、
前記標準偏差値を√２倍した値を前記信号抽出手順の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
この平均値算出手順で算出した平均値と前記振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２３】
請求項１９記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手順と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と第２四分位点との差を√２倍した値を前記信号抽出手順の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
この平均値算出手順で算出した平均値と前記振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２４】
請求項１９記載の振動振幅計測方法において、
前記振動最大速度算出手順は、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の四分位点を算出する四分位点算出手順と、
前記信号抽出手順の計測結果の分布の平均値を算出する平均値算出手順と、
前記四分位点のうち第１四分位点または第３四分位点と前記平均値との差を√２倍した値を前記信号抽出手順の計測結果の片振幅として算出する振幅算出手順と、
前記平均値算出手順で算出した平均値と前記振幅算出手順で算出した片振幅から前記測定対象の振動の最大速度を算出する最大速度算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２５】
請求項１４乃至２４のいずれか１項に記載の振動振幅計測方法において、
前記振動周波数算出手順は、
時間的に隣接する前記第１、第２の発振期間の計数結果の大小を比較して、これらの計数結果を２値化する２値化手順と、
この２値化手順で得られた２値化出力の周期を測定する２値化出力周期測定手順と、
この２値化出力周期測定手順の測定結果から一定時間における２値化出力の周期の度数分布を作成する２値化出力周期度数分布作成手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から前記２値化出力の周期の分布の代表値である基準周期を算出する基準周期算出手順と、
前記２値化出力周期度数分布作成手順が度数分布作成の対象とする期間と同じ一定時間の期間において前記２値化出力のパルスの数を数える２値化出力計数手順と、
前記２値化出力の周期の度数分布から、前記基準周期の第１の所定数倍以下である階級の度数の総和Ｎｓと前記基準周期の第２の所定数倍以上である階級の度数の総和Ｎｗとを求め、これらの度数ＮｓとＮｗに基づいて前記２値化出力計数手順の計数結果を補正する補正手順と、
この補正手順で補正された計数結果と前記一定時間に基づいて前記測定対象の振動周波数を算出する周波数算出手順とを含むことを特徴とする振動振幅計測方法。
【請求項２６】
請求項１４乃至２５のいずれか１項に記載の振動振幅計測方法において、
前記振動周波数算出手順の代わりに、
前記測定対象の加速度を計測する加速度計測手順と、
この加速度計測手順で計測した加速度から前記測定対象の振動周波数を算出する振動周波数算出手順とを備えることを特徴とする振動振幅計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【公開番号】特開２０１１−１１７８６１（Ｐ２０１１−１１７８６１Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７６１６８（Ｐ２００９−２７６１６８）
【出願日】平成２１年１２月４日（２００９．１２．４）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月４日（２００９．１２．４）
【出願人】（０００００６６６６）株式会社山武 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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