JPS63115017A - 光学式振動計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野〕 この発明は、構造体の摂動解析、精密測定装置や精密加
工８ｉ置などにおける振動の測定、超微動地震計などに
用いられる光学式振動計に関する。

［従来の技術］ 従来、被測定物上に載置して被測定物の振動状態を検出
する光学式振動計としては、例えば、ＳＩＰ社製の微動
針（古川束−「撮動および衝撃測定」昭和４１年１２月
２０日発行、１２０頁）がある。このＳＩＰ微動計の概
略を第８図に示す。すなわち、支持台１内におもり２が
２枚の板バネ３により支持されて直線振動子を構成し、
このおもり２に設けられた円筒状に貫通した開口部４内
に０．１５ｍｍ間隔で複数本の幅１．２μｍのスリット
５がきざまれたガウス板６がはめこまれ、かつ支持台１
に取付けられた顕微１７の対物レンズ８がこの開口部４
内に入りこんでスリット５を観察しうるようにしたもの
である。

いま被測定物９が振動すると直線振動子とともにスリッ
ト５が振動するから、スリット５は対物レンズ８の反対
側に設けられた小型電球１０からの光が通過して光の帯
として観察されその巾は直線撮動子の全振幅に相当する
分だけ拡がって見えるので、これを顕微鏡７の内の目盛
板〈１目盛２．５７μｍ）で読み取ることにより被測定
物９の振動状態を測定するものである。なお板バネ１１
はおもり２に接触してｒ！Ｊ擦減衰器の役割をはたして
いる。

［発明が解決しようとする問題点］ だが、このような振動計は振動子の振幅を直接顕微鏡で
測定するものであるから、振幅が大きければ測定できる
が振幅の小さな撮動の測定はせいぜい０．５μｍが限度
であり、それ以下の微動の測定ができないという問題点
があった。

この発明は、上述の問題点を克服し、極めて感度の高い
光学式振動計を提供することを目的とする。

［問題点を解決する手段および作用］ 第１図（Ａ＞、（Ｂ）にこの発明の基本構成を示す。す
なわちこの発明の光学式振動計は、支持台２１上にフォ
ーカスエラーセンサ２２とこのフォーカスエラーセンサ
２２または反射部材２３の少なくともどちらか一方を支
持台２１に対して弾性的に支持する弾性支持部材２４．
２５を設けたものである。第１図（Ａ）は、フォーカス
エラーセンサ２２を支持台２１に対して固定的に設け、
反射部材２３を弾性支持部材２４を介して支持台２１に
弾性的に設けた光学式振動計の例を示している。また第
１図（Ｂ）は、支持台２１に対してフォーカスエラーセ
ンサ２２を弾性支持部材２５を介して弾性的に設け、反
射部材２３を支持台２１に固定的に設けた光学式振動計
の例を示している。もちろんフォーカスエラーセンサ２
２と反射部材２３とが支持台２１に対してそれぞれの弾
性支持部材２４．２５を介して弾性的に設置されていて
もよい。

いま、本発明の光学式振動計を被測定物２６上に載置す
ると、被測定物２６の振動を受けて支持台２１が撮動す
るが、支持台２１と弾性支持部材２４．２５とはその固
有撮動数が異なるからフォー力スエラーンサ２２と反射
部材２３とは位相がずれた振動をすることになる。した
がって、フォーカスエラーセンサ２２の焦点位置と反射
部材２３との相対的距離が被測定物２６の振動に応じて
変動することになるから、これをフォーカスエラーセン
サ２２によって検出し、この検出信号を信号処理回路２
７により処理して被測定物２６の撮動状態を知ることが
できる。なお、被測定物２６に対してこの光学式振動計
のＸ面を下にして載置すれば被測定面の垂直方向の振動
を検出することになり、Ｙ面を下にして載置すれば被測
定面に平行な方向の振動を検出することになる。支持台
２１と弾性支持部材２４．２５の固有撮動数をそれぞれ
どのように設定するかは、フォーカスエラーセンサ２２
および反射部材２３のどちらかを振動に対する基準位置
に設定するかにより選択される。

本発明に用いられるフォーカスエラーセンサ２２は、レ
ーザ発振器からのレーザ光をレンズ系により測定面近傍
に収束させその反射光を測定することによりレンズの焦
点位置と測定表面との間の微小な距離のズレを求めるも
のであり、臨界角法、非点収差法、ナイフェツジ法、５
Ｃ００Ｐ法などの測定原理が用いられる。このフォーカ
スエラーセンサ２２を用いることにより、測定の精度を
１ｃ５７〜１６−と極めて高感度にすることができる。

またリアルタイムの測定信号が得られるため、この信号
を信号処理回路２７で処理することによって振動の振幅
だけでなく振動の位相や波形をリアルタイムで知ること
ができるから、微小振動による被測定物の撮動解析や検
出信号のフィードバックによる防諜台の撮動制御などが
可能である。

以下にフォーカスエラーセンサ２２に採用される各種の
測定原理の概要を説明する。

１）臨界角法（第２図） ２８はレーザダイオード、２９はコリメータレンズ、３
０は偏光ビームスプリッタ、３１は４分の１波長板、３
２は対物レンズ、３３は測定面、３４はハーフミラ−１
３５は臨界角プリズム、３６は２分割ディテクタである
。レーザダイオード２８、コリメータレンズ２９から入
射される平行光束は対物レンズ３２の焦点位置に集光さ
れているから、測定面３３がこの焦点位置にある場合、
光束は逆進してそのままの平行性をたちだせるよう調整
しておく。測定面３３が焦点位置より変位した場合反射
した光束は、変位量に応じて発散光束又は集束光束とな
る。

臨界角プリズムへの光の入射角が変化し、それにより２
分割ディテクタに入射する光量が変化し変位量を電気信
号として検出できる。（特開昭５６−７２４６号、特開
昭５９−９０００７号）２）非点収差法（第３図） ３８は＠ｅ−Ｊｌｅレーザ、３９は偏光ビームスプリッ
タ、４ｏは４分の１波長板、４１は対物レンズ、４２は
ハーフミラ−１４３は円筒レンズ、４４は４分割ディテ
クタである。対物レンズ４１の後方に円筒レンズ４３を
配置し、測定面３３からの焦点位置ずれを非点収差によ
る光線束の形状変化として４分割ディテクタによってと
らえる方法である。

３）ナイフェツジ法（第４図） ４５・は＠ｅ−Ｎｅレーザ、４６はビームエキスパンダ
、４７は偏光ビームスプリッタ、４８は４分の１波長板
、４つは対物レンズ、５０は波面分割ミラー、５１は集
光レンズ、５２は２分割ディテクタである。対物レンズ
４９を通過した反射光の焦点位置にナイフェツジ（波面
分割ミラー５０）を置いて、測定面が焦点位置からずれ
るとナイフェツジにより反射光束の片側がさえぎられて
２分割ディテクタ５２に到達する光量に差を生ずる。こ
れにより変位量を検出する。

４）ＳＣＯＯＰＩ　（１５ａ＞ ５３は半導体レーザダイオード、５４．５５は集光レン
ズ、５６はディテクタである。測定面３３からの反射光
をレーザダイオード５３に戻し、自己カップリング効果
によって生じる雑音成分から微小変位を検出する方法で
ある。（特公昭５１３−５１４１９号、特公昭５７−５
８７３５号）本発明における弾性支持部材には、燐青銅
や石英ガラスなどにより形成された板バネ、ゴム材や鉛
、アルミニュームなどのヤング率の小さな金属材などに
よるブロック材などを用いることができる。このブロッ
ク材を用いる場合は、ブロック材の一面を支持台に固定
し、対向する他の面にフォーカスエラーセンサあるいは
反射部材を取付けることによって弾性的に支持するもの
である。

また反射部材としては、アルミニューム鏡面やガラス板
にアルミニュームなどを蒸着したもの、シリコン板の研
磨面などを用いることが望ましい。

［実施例］ 第６図はこの発明の一実施例を示す平面図（Ａ）および
そのＡ−８断面図（Ｂ）である。

この実施例は、臨界角法によるフォーカスエラーセンサ
を支持台に固定し反射部材を弾性的に支持するようにし
た光学式撮勤計の一例を示すものである。支持台として
の箱状の支持枠６１はその内部がフォーカスエラーセン
サ部６２と相対撮動部６３とに仕切られている。相対振
動部６３内には支持枠６１のＸ面に平行に弾性支持部材
としての板バネ６４がその端部のみを支持枠６１の側壁
に固定され、この板バネ６４の中央部に反射部材として
のアルミニューム鏡面を有する鏡６５が取付けられてい
る、そしてこの鏡６５に対向する位置にフォーカスエラ
ーセンサの対物レンズ６６がｉｆｆ！されている。

次にフォーカスエラーセンサ部について説明する。波長
７８０ｒ＋ｍのレーザ光を発光するレーザダイオード６
７およびコリメータレンズ６８が支持枠６１の上部壁に
取付けられ、その光路上に、平行四辺形プリズム６９の
一方の斜面に偏光膜を挾んで直角プリズム７０を接合し
て形成された偏光ビームスプリッタ７１が４５″の角度
で設けられている。この偏光ビームスプリンタ７１によ
り反射された光路上に４分の１波長板７２と前述の対物
レンズ６６が配置されている。なお対物レンズ６６の焦
点位置近傍に前述の鏡６５が配置されている。一方、対
物レンズ６６の光軸の偏光ビームスプリッタ７１を透過
した延長上に前記平行四辺形プリズム６９の他方の斜面
に半透過反射面を挾んだ直角プリズム７３を接合して形
成したハーフミラ−７４がある。このハーフミラ−７４
を透過および反射により２分されたそれぞれの光路上に
臨界角プリズム７５．７６と２分割受光素子７７．７８
がそれぞれ設けられている。

以上のような構成において、レーザダイオード６７より
出射されたレーザ光はコリメートレンズ６８によって平
行光束に変換されＰ偏光で偏光ビームスプリッタ７１に
入射される。（’ｉ！光ビームスプリッタ７１を反射し
た平行光束は４分の１波長板７・２を透過して円偏光の
光束に変換された後、対物レンズ６６によってその焦点
位置に集光され１６５に入射される。鏡６５からの反射
光は逆進して対物レンズ６６および４分の１波長板７２
を通り、Ｓ偏光となって偏光ビームスプリッタ７１を透
過し、ハーフミラ−７４に入射される。ハーフミラ−７
４に入射した光束は２分され、ハーフミラ−７４を透過
した光束は臨界角プリズム７５に内で複数回反射した後
２分割受光素子７７に入射され光量が光軸の上下で別々
に検出される、一方ハーフミラー７４を反射した光束は
同様に臨界角プリズム７６を経て２分割受光素子７８に
より光軸の左右で別々に検出される。これらの検出信号
を図示しない信号処理回路により処理して焦点位置から
の微小変位量がリアルタイムで求められる。

このフォーカスエラーセンサの性能を調べるために、ボ
イスコイルにアルミニューム鏡面を取付けて光軸方向に
正弦振動させ、その変位を測定したところ、２０ＫＨ２
の周波数応答性と１　ｎａｌの測定感度があることが実
証された。またアルミニューム鏡面を光軸方向に約１０
μｍ移動させて変化量を測定した結果は、第７図に示し
たように、約２μｍの範囲にわたって直線性を有するこ
とが判った。

この実施例の光学式襲動計を用いて作業台上の垂直撮動
を測定したところ最大振動幅２μｍの測定値を得たが、
この作業台上に防諜台を載置してこの防諜台上の垂直撮
動を測定したところ最大振幅５ｎｍの測定値を得た。こ
のように防諜台の性能測定にも有効であることが判る。

［発明の効果］ この発明の光学式振動計によれば、極めて高感度でリア
ルタイムの微小撮動の検出測定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、ＣＢ＞はこの発明の基本構成を示す正面
図、第２〜５図はフォーカスエラーセンサに用いられる
各種の作動原理を説明するための概要図、第６図＜Ａ＞
はこの発明の一実旋例を示す平面図、第６図（Ｂ）はそ
のＡ−８断面図、第７図はこの実施例に用いられたフォ
ーカスエラーセンサの特性を示す線図、第８図は光学式
振動計の従来例を示す正面部分断面図である。 ２１・・・支持台、２２・・・フォーカスエラーセンサ
、２３・・・反射部材、２４．２４・・・弾性支持部材
。 （Ａ） （己） 第１０ 第２図 卒３日 第４１］ 千 第５１０ （Ｂ’１ 第６図 褒（ぽ 第７１ｆｌ 第８１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定物上に載置してこの被測定物の振動状態を測定す
   る光学式振動計において、 フォーカスエラーセンサと、 このフォーカスエラーセンサの焦点位置近傍に配置され
   た反射部材と、 フォーカスエラーセンサおよび反射部材を支持する支持
   台と、 フォーカスエラーセンサまたは反射部材の少なくともど
   ちらか一方と支持台との間に配置された弾性支持部材と
   からなることを特徴とする光学式振動計。