特開 2022-125440 振動可視化装置及び該装置を用いた機器診断装置、並びに振動可視化方法及び機器診断方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022125440

(43)【公開日】2022-08-29

(54)【発明の名称】振動可視化装置及び該装置を用いた機器診断装置、並びに振動可視化方法及び機器診断方法

(51)【国際特許分類】

   G01H 9/00 20060101AFI20220822BHJP

【ＦＩ】

G01H9/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021023023

(22)【出願日】2021-02-17

(71)【出願人】

【識別番号】516090827

【氏名又は名称】渡邊 嘉二郎

(74)【代理人】

【識別番号】100072604

【弁理士】

【氏名又は名称】有我 軍一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100140501

【弁理士】

【氏名又は名称】有我 栄一郎

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 嘉二郎

【テーマコード（参考）】

2G064

【Ｆターム（参考）】

2G064AA01

2G064AA11

2G064AB01

2G064AB02

2G064BA02

2G064BC14

2G064BC32

2G064CC02

2G064DD02

(57)【要約】

【課題】少数の部品からなる単純な構造を有し、製造が容易で製造コストが安く、高い振動拡大率と高い信頼性を有する振動可視化装置を提供する。
【解決手段】対象物の振動を可視化する振動可視化装置１０であって、対象物に設置されるベース部１１と、ベース部１１に一端１２ｄが固定され、他端１２ｅが自由端である板バネ１２と、板バネ１２の第１の面１２ａ１に固定されたミラー１３と、ベース部１１に固定され、ミラー１３に向けてレーザー光を送出するレーザー光源１５と、を備える。板バネ１２は、対象物の既知の振動周波数Ｆｖに等しい固有振動数Ｆｃを有している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物（３０）の振動を可視化する振動可視化装置（１０）であって、
前記対象物に設置されるベース部（１１）と、
前記ベース部に一端が固定され、他端が自由端である板バネ（１２）と、
前記板バネの第１の面に固定されたミラー（１３）と、
前記ベース部に固定され、前記ミラーに向けてレーザー光を送出するレーザー光源（１５）と、を備え、
前記板バネは、前記対象物の既知の振動周波数（Ｆｖ）に等しい固有振動数（Ｆｃ）を有していることを特徴とする振動可視化装置。

【請求項2】

前記板バネの第２の面に位置調整可能に取り付けられ、前記板バネの固有振動数を調整するウェート（１４）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の振動可視化装置。

【請求項3】

非磁性金属製の板状部材（１８）を有し、前記板状部材の一面部（１８ａ１）が前記ウェートから一定の間隔（ｄ）をおいて配置されるように一端（１８ｄ）が前記ベース部に固定されたダンパー（１８０）をさらに備え、
前記ウェートが磁石（１４）を含む、
ことを特徴とする請求項２に記載の振動可視化装置。

【請求項4】

前記板バネの前記第２の面における前記ウェートの位置と前記板バネの前記固有振動数との関係を示すスケール（１９）が、前記板バネの前記第２の面に設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の振動可視化装置。

【請求項5】

前記ミラーから反射されたレーザー光が通る開口（２１）が形成された、前記振動可視化装置の構成要素を収容する筐体（２０）をさらに備え、
前記ベース部は、前記対象物に取り付けられた前記筐体を介して前記対象物の振動が前記ベース部に伝わるように、前記筐体に固定されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の振動可視化装置。

【請求項6】

前記筐体を互いに平行でない２つの軸線（２５１、２５２）それぞれの周りに回転自在に支持するとともに、前記筐体を任意の回転位置で保持するホルダー（２５）をさらに備え、
前記２つの軸線の一方は、前記ミラーの表面に平行でかつ前記ミラーの一端面と交差することを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の振動可視化装置。

【請求項7】

対象物の振動を可視化する振動可視化装置（１０Ａ）であって、
前記対象物に設置されるベース部（１１Ａ）と、
各々、前記ベース部に一端が固定され、他端が自由端である複数の板バネ（１２Ａ）と、
前記複数の板バネの第１の面にそれぞれ固定された複数のミラー（１３Ａ）と、
前記ベース部に固定され、レーザー光を送出するレーザー光源（１５Ａ）と、
前記ベース部に固定され、前記レーザー光源により送出されたレーザー光を、前記複数のミラーの全てに向かう線レーザー光を含む平面レーザー光に変えるレンズ（９０）と、を備え、
前記複数の板バネは、互いに異なる固有振動数（Ｆｃ）を有することを特徴とする振動可視化装置。

【請求項8】

前記対象物である対象機器（３０）の振動から該対象機器の状態を診断する機器診断装置（１）であって、
前記請求項１～７のいずれか一項に記載の振動可視化装置（１０）と、
前記振動可視化装置の外部に設けられ、前記レーザー光源から送出され前記ミラーで反射したレーザー光が投影されるスクリーン（５０）と、
を備えたことを特徴とする機器診断装置。

【請求項9】

前記スクリーンには、前記レーザー光のスポットの軌跡の振幅と前記対象機器の振動速度の実効値との関連を示す目盛りが付与されていることを特徴とする請求項８に記載の機器診断装置。

【請求項10】

前記目盛りは、前記対象機器の振動シビアリティとしての振動速度の実効値と前記対象機器の状態とを関連付けるものであることを特徴とする請求項９に記載の機器診断装置。

【請求項11】

既知の振動数で振動する対象物の振動を可視化する振動可視化方法であって、
ミラーが取り付けられた板バネとウェートとからなる構造の該板バネの固有振動数を、前記対象物の既知の振動数に調整し、
前記対象物と共振している板バネに固定された前記ミラーに向けて、レーザー光を照射し、
前記ミラーから反射されたレーザー光をスクリーンに当て、レーザー光のスポットの軌跡を表示させる、
ことを含む振動可視化方法。

【請求項12】

前記対象物を前記既知の振動数で振動させ、
前記対象物の振動速度を振動センサにより測定し、
前記測定された振動速度の実効値と、前記レーザー光のスポットの軌跡の振幅との関係を取得し、
前記取得した関係に基づいて、前記スクリーン上に目盛りを付与する、
ことをさらに含む請求項１１に記載の振動可視化方法。

【請求項13】

前記関係を取得するステップは、前記測定された振動速度の実効値と、前記レーザー光のスポットの軌跡の振幅値とからなる一対の値に基づいて、前記測定された振動速度の実効値と、前記レーザー光のスポットの軌跡の振幅との関係を取得することを特徴とする請求項１２に記載の振動可視化方法。

【請求項14】

前記対象物である対象機器（３０）の振動から該対象機器の状態を診断する機器診断方法であって、
請求項１１～１３のいずれか一項に記載の振動可視化方法を含み、
前記スクリーンに表示されたレーザー光のスポットの軌跡の振幅に基づいて、前記対象機器の状態を判断することをさらに含むことを特徴とする機器診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動可視化装置及び該装置を用いた機器診断装置、並びに振動可視化方法及び機器診断方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、回転機器等の設備の故障診断のために、加速度センサ、速度センサ、変位センサなどの振動センサが用いられ、診断対象の機器の振動が計測されている。計測とは、ある物理量の大きさを人間により認識できる物理量に変換・拡大し、直接目視や数値で読みとることができるように定量化し表示することである。振動の計測では、具体的には、振動センサにより検知された振動加速度、振動速度、振動変位などの振動力学的量が、電気信号に変換され、増幅、ＡＤ変換、フィルタリング、スケーリング、平均化などの信号処理が施され、振動の大きさを表す数値が表示部に表示されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

また、対象機械に加速度センサを取り付けておき、振動加速度の計測データを信号ケーブルを介して取得して診断を行う診断システムや、振動加速度の計測データを無線送信装置により無線送信し、遠方にて該計測データを受信して診断する診断システムや、ポータブルな診断装置としての振動計も存在する。

【0004】

国際標準化機構（ＩＳＯ（International Organization for Standardization））では、回転機械の振動速度の実効値に対応する振動シビアリティに基づいて、回転機械の状態を判定する方法が規定されている（ＩＳＯ １０８１６－３）。多くの計測器メーカーが製造する振動計は、このＩＳＯの判定基準に基づいて回転機械の状態を評価するようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００３－３０２２８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載のような従来の振動計を用いる機器診断装置では、対象機器に圧電素子や半導体加速度センサを設置して対象機器の振動速度を測定し、振動速度の実効値を振動シビアリティを定義する量として用い、対象機器の状態の評価を行っていた。例えば、振動速度の実効値を表示部に表示するとともに、ＩＳＯ １０８１６－３に従い、振動シビアリティとしての振動速度の実効値を基に対象機器の状態を判定するようになっている。このため、従来の機器診断装置は、一般に、加速度センサから加速度の信号を取り込んで処理するプロセッサー（マイコン）、処理装置の周辺装置、電源、表示装置等を備えており、機器診断装置としてのソフトウエアの開発も必要であった。

【0007】

また、特許文献１に記載のような、半導体センサ、電子回路、プロセッサー等を用いる従来の振動計では、微小振動（微小信号）の拡大率は、ノイズ等の影響もあり、一定限度に抑制されていた。

【0008】

また、特許文献１に記載のような従来の振動計を用いる機器診断方法では、対象機器が高所や危険場所に設置されている場合に、作業者がポータブル振動計を持って安全にアクセスするのが容易ではなく、機器診断を行うのが難しかった。

【0009】

また、特許文献１に記載のような従来の振動計を用いる機器診断方法では、作業者がポータブル振動計を持参して対象機器に振動計を押し付ける必要があり、押し付けかたにより計測結果が変わり、機器診断の信頼性が低いという問題もあった。

【0010】

また、従来の無線又は有線で計測データを収集して診断する診断システムは、コストが高く、ほとんど普及していないのが実情である。

【0011】

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、少数の部品からなる単純な構造を有し、製造が容易で製造コストが安く、高い振動拡大率と高い信頼性を有する振動可視化装置及び該装置を用いた機器診断装置、並びに振動可視化方法及び機器診断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】

【0012】

上記課題を解決するために、本発明に係る振動可視化装置は、対象物（３０）の振動を可視化する振動可視化装置（１０）であって、前記対象物に設置されるベース部（１１）と、前記ベース部に一端が固定され、他端が自由端である板バネ（１２）と、前記板バネの第１の面に固定されたミラー（１３）と、前記ベース部に固定され、前記ミラーに向けてレーザー光を送出するレーザー光源（１５）と、を備え、前記板バネは、前記対象物の既知の振動周波数（Ｆｖ）に等しい固有振動数（Ｆｃ）を有していることを特徴とする。

【0013】

上記のように、板バネは、対象物の既知の振動周波数（Ｆｖ）に等しい固有振動数（Ｆｃ）を有している。この構成により、対象物に設置されるベース部を介して、対象物の振動が板バネに伝わると、板バネは、対象物の振動に同期して固有振動数で振動（共振）するようになる。すなわち、対象物の振動は、共振する板バネの振動の振幅として拡大される（機械的拡大）。

【0014】

また、レーザー光源から送出されたレーザー光は、共振する板バネに固定されたミラーで反射され、照射角が振動するレーザー光として出力される。照射角が振動するレーザー光は、例えば、振動可視化装置の外部に配置されたスクリーンに照射され、スクリーン上にレーザースポットの軌跡として表示させることができる。すなわち、共振する板バネの振動により生成された照射角が振動するレーザー光は、振動可視化装置から一定の距離をおいて配置されたスクリーン上に投影されたレーザースポットの軌跡として拡大される（光学的拡大）。

【0015】

よって、本発明は、信号処理を行う電子回路を必要とせず、少数の部品からなる単純な構造を有しているので、製造が容易で製造コストが安く、共振による機械的拡大及び光学的拡大により、微小な振動を確実に検出して高い拡大率で可視化することができるので、信頼性の高い設備診断を行うことができる。

【0016】

また、本発明に係る振動可視化装置は、前記板バネの第２の面に位置調整可能に取り付けられ、前記板バネの固有振動数を調整するウェート（１４）をさらに備える構成であってもよい。

【0017】

この構成により、本発明に係る振動可視化装置は、板バネの第２の面において、ウェートの位置（高さ）を調整することにより、対象物の振動に対して板バネを共振させることが容易になる。

【0018】

また、本発明に係る振動可視化装置は、非磁性金属製の板状部材（１８）を有し、前記板状部材の一面部（１８ａ１）が前記ウェートから一定の間隔（ｄ）をおいて配置されるように一端（１８ｄ）が前記ベース部に固定されたダンパー（１８０）をさらに備え、かつ前記ウェートが磁石（１４）を含む構成であってもよい。

【0019】

この構成により、本発明に係る振動可視化装置は、板バネの振動により、板バネの第２の面に取り付けられた磁石が、ダンパーの非磁性金属製の板状部材に対して近接したり離れたりするので、ダンパーの板状部材に渦電流が発生する。渦電流によるオーミックロスにより、振動エネルギーは熱エネルギーとして散逸し、振動の減衰効果を発揮する。これにより、板バネの振動が抑制される。これにより、板バネの共振時の半値幅が広がり、対象物の既知の振動数が多少ずれても板バネの共振を起こすことが可能になる。

【0020】

また、本発明に係る振動可視化装置において、前記板バネの前記第２の面における前記ウェートの位置と前記板バネの前記固有振動数との関係を示すスケール（１９）が、前記板バネの前記第２の面に設けられた構成であってもよい。

【0021】

この構成により、本発明に係る振動可視化装置は、板バネの第２の面においてスケール（目盛り）に基づき磁石の位置（高さ）を調整して板バネの固有振動数を調整することが容易になる。

【0022】

また、本発明に係る振動可視化装置は、前記ミラーから反射されたレーザー光が通る開口（２１）が形成された、前記振動可視化装置の構成要素を収容する筐体（２０）をさらに備え、前記ベース部は、前記対象物に取り付けられた前記筐体を介して前記対象物の振動が前記ベース部に伝わるように、前記筐体に固定された構成であってもよい。

【0023】

この構成により、本発明に係る振動可視化装置は、対象物に当接させる筐体の外面を変更することにより、筐体の開口から出力されるレーザー光の方向を変えることができる。これにより、天井、床、壁、対象機器などのうち好適な場所にスクリーンを設けてレーザースポットの軌跡を表示させることが容易になる。

【0024】

また、本発明に係る振動可視化装置は、前記筐体を２つの軸線（２５１、２５２）それぞれの周りに回転自在に支持するとともに、前記筐体を任意の回転位置で保持するホルダー（２５）をさらに備え、かつ、前記２つの軸線の一方は、前記ミラーの表面に平行でかつ前記ミラーの一端面と交差する構成であってもよい。

【0025】

この構成により、本発明に係る振動可視化装置は、互いに平行でない２つの軸線の一方（第１軸線）周りの筐体の回転位置を調整することにより、レーザー光の照射角度を調整することができる。これにより、光学拡大率を調整することができる。また、スクリーン上でのレーザースポットの軌跡に沿った方向における、レーザースポットの位置を調整することができる。また、２つの軸線の他方（第２軸線）周りの筐体の回転位置を調整することにより、レーザー光の方向を調整することができる。例えば、第２軸線がスクリーンに垂直な方向である場合、スクリーン上でレーザースポットの軌跡に沿った方向と交差する方向の調整が可能となる。

【0026】

また、本発明に係る振動可視化装置は、対象物の振動を可視化する振動可視化装置（１０Ａ）であって、前記対象物に設置されるベース部（１１Ａ）と、各々、前記ベース部に一端が固定され、他端が自由端である複数の板バネ（１２Ａ）と、前記複数の板バネの第１の面にそれぞれ固定された複数のミラー（１３Ａ）と、前記ベース部に固定され、レーザー光を送出するレーザー光源（１５Ａ）と、前記ベース部に固定され、前記レーザー光源により送出されたレーザー光を、前記複数のミラーの全てに向かう線レーザー光を含む平面レーザー光に変えるレンズ（９０）と、を備え、前記複数の板バネは、互いに異なる固有振動数（Ｆｃ）を有することを特徴とする。

【0027】

この構成により、本発明に係る振動可視化装置は、対象物の振動の振動周波数が変動しても、変動した振動周波数と同一の、あるいは近い固有振動数を有する板バネを対象物の振動に共振させることができるので、対象物の振動を確実に検出し、拡大して可視化することができる。

【0028】

また、本発明に係る機器診断装置は、前記対象物である対象機器（３０）の振動から該対象機器の状態を診断する機器診断装置（１）であって、上記いずれかに記載の振動可視化装置（１０）と、前記振動可視化装置の外部に設けられ、前記レーザー光源から送出され前記ミラーで反射したレーザー光が投影されるスクリーン（５０）と、を備えたことを特徴とする。

【0029】

この構成により、本発明に係る機器診断装置は、対象機器の振動が、共振する板バネの振動の振幅として拡大されるとともに（機械的拡大）、共振する板バネに固定されたミラーで反射された照射角が振動するレーザー光が、振動可視化装置の外部に一定距離をおいて配置されたスクリーン上に投影されたレーザースポットの軌跡として拡大される（光学的拡大）。これにより、共振による機械的拡大及び光学的拡大により、微小な振動を確実に検出して高い拡大率で可視化することができるので、信頼性の高い設備診断を行うことができる。しかも、本発明の機器診断装置は、信号処理を行う電子回路を必要とせず、少数の部品からなる単純な構造を有しているので、製造が容易で製造コストが安い。

【0030】

また、本発明に係る機器診断装置において、前記スクリーンには、前記レーザー光のスポットの軌跡の振幅と前記対象機器の振動速度の実効値との関連を示す目盛りが付与された構成であってもよい。

【0031】

この構成により、本発明に係る機器診断装置は、スクリーンに表示されたレーザー光のスポットの軌跡の振幅から対象機器の振動速度の実効値を測定することができる。

【0032】

また、本発明に係る機器診断装置において、前記目盛りは、前記対象物の振動シビアリティを定義する量としての振動速度の実効値と前記対象機器の状態の程度とを関連付ける構成であってもよい。

【0033】

この構成により、本発明に係る振動可視化装置は、スクリーンに表示されたレーザー光のスポットの軌跡の振幅から対象機器の振動速度の実効値及び対象機器の状態を容易に把握することができる。

【0034】

また、本発明に係る振動可視化方法は、既知の振動数で振動する対象物の振動を可視化する振動可視化方法であって、ミラーが取り付けられた板バネとウェートとからなる構造の該板バネの固有振動数を、前記対象物の既知の振動数に調整し、前記対象物と共振している板バネに固定された前記ミラーに向けて、レーザー光を照射し、前記ミラーから反射されたレーザー光をスクリーンに当て、レーザー光のスポットの軌跡を表示させる、ことを含む。

【0035】

本発明に係る振動可視化方法は、対象物の振動が、共振する板バネの振動の振幅として拡大されるとともに（機械的拡大）、共振する板バネに固定されたミラーで反射された照射角が振動するレーザー光が、スクリーン上に投影されたレーザースポットの軌跡として拡大される（光学的拡大）。これにより、共振による機械的拡大及び光学的拡大により、微小な振動を確実に検出して高い拡大率で可視化することができるので、例えば設備診断において信頼性の高い診断を行うことができる。しかも、本発明の振動可視化方法は、信号処理を行う電子回路を必要とせず、少数の構成要素のみを用いて安価に実施することができる。

【0036】

また、本発明に係る振動可視化方法は、前記対象物を前記既知の振動数で振動させ、前記対象物の振動速度を振動センサにより測定し、前記測定された振動速度の実効値と、前記レーザー光のスポットの軌跡の振幅との関係を取得し、前記取得した関係に基づいて、前記スクリーン上に目盛りを付与する、ことをさらに含む構成であってもよい。

【0037】

この構成により、本発明に係る振動可視化方法は、対象物の振動速度の実効値とレーザースポット軌跡の振幅との関係を示すスクリーン上の目盛りを参照して、スクリーンに表示されたレーザー光のスポットの軌跡の振幅から対象物の振動速度の実効値を測定することができる。これにより、例えばＩＳＯ １０８１６－３に規定された振動シビアリティとしての振動速度の実効値による対象機器の状態の評価法に基づき、対象機器の状態を容易に把握することができる。

【0038】

また、本発明に係る振動可視化方法において、前記関係を取得するステップは、前記測定された振動速度の実効値と、前記レーザー光のスポットの軌跡の振幅値とからなる一対の値に基づいて、前記測定された振動速度の実効値と、前記レーザー光のスポットの軌跡の振幅との関係を取得する構成であってもよい。

【0039】

この構成により、本発明に係る振動可視化方法は、対象物の振動速度の実効値とレーザースポット軌跡の振幅との関係を迅速に取得することができる。

【0040】

また、本発明に係る機器診断方法は、前記対象物である対象機器（３０）の振動から該対象機器の状態を診断する機器診断方法であって、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の振動可視化方法を含み、前記スクリーンに表示されたレーザー光のスポットの軌跡の振幅に基づいて、前記対象機器の状態を判断することをさらに含むことを特徴とする。

【0041】

この構成により、本発明に係る機器診断方法は、共振による機械的拡大及び光学的拡大により、微小な振動を確実に検出して高い拡大率で可視化することができるので、信頼性の高い設備診断を低コストで行うことができる。

【発明の効果】

【0042】

本発明によれば、少数の部品からなる単純な構造を有し、製造が容易で製造コストが安く、高い振動拡大率と高い信頼性を有する振動可視化装置及び該装置を用いた機器診断装置、並びに振動可視化方法及び機器診断方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る振動可視化装置の概略構成を示す図である。

【図2】筐体に収容された振動可視化装置を示す図である。

【図3】筐体に収容された振動可視化装置の斜視図である。

【図4】筐体を保持するホルダーの構成を示す図である。

【図5】図１のＡ矢視図である。

【図6】振動可視化装置から出力されたレーザー光を天井のスクリーンにレーザースポットの軌跡として映し出す様子を示す図である。

【図7】振動可視化装置の板バネとダンパーの拡大図である。

【図8】レーザー光源から送出されたレーザー光が板バネのミラーに反射してスクリーンに送られる様子を示す模式図である。

【図9】校正方法を示す図である。

【図10】回転機器に取り付けられた振動可視化装置から出力されたレーザー光が床のスクリーンにレーザースポットの軌跡として表示される様子を示す図である。

【図11】振動可視化装置とスクリーンが取り付けられたボール盤を示す図である。

【図12】振動シビアリティに基づいて機械の状態を判定する基準を示す図である。

【図13】共振周波数を示すグラフである。

【図14】周波数応答を示すグラフである。

【図15】関数発生器の入力電圧に対するレーザースポット軌跡の振幅を示すグラフである。

【図16】速度に対するレーザースポット軌跡の振幅を示すグラフである。

【図17】振動速度の推定値を示すグラフである。

【図18】校正曲線を示すグラフである。

【図19】本発明の実施形態に係る振動可視化装置を用いて行う機器診断方法の概略を示すフローチャートである。

【図20】校正作業の概略を示すフローチャートである。

【図21】本発明の第２の実施形態に係る振動可視化装置の概略構成を示す図である。

【図22】レンズにより線レーザー光が平面レーザー光に変換される様子を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0044】

以下、本発明の実施形態に係る振動可視化装置、機器診断装置、及び振動可視化方法について、図面を参照して説明する。

【0045】

（第１の実施形態）
本実施形態に係る振動可視化装置１０は、回転機器などの対象機器３０の微小振動を可視化する装置である。

【0046】

対象機器３０としては、例えば、ファン、ブロワ、ポンプ、タービン、コンプレッサ、エンジン、ボール盤、圧延機などの回転機械が挙げられるが、これらに限定されず、既知の振動周波数Ｆｖで振動する機器であればよい。ただし、振動成分に高調波が含まれている場合は、卓越する基本波を注目する振動周波数として選択できるものとする。

【0047】

図１は、本発明の実施形態に係る振動可視化装置１０の概略構成を示す図であり、図２は、筐体２０に収容された振動可視化装置１０を示す図であり、図３は、筐体２０に収容された振動可視化装置１０の斜視図である。図１～図３に示すように、本実施形態に係る振動可視化装置１は、ベース部１１と、レーザー光源１５と、板バネ１２と、ミラー１３と、磁石１４と、ダンパー１８０と、筐体２０とを備えている。以下、各構成要素について説明する。

【0048】

［ベース部］
ベース部１１は、対象機器３０に直接的又は筐体２０を介して間接的に接触するように配置されるプラスチック又は金属製の板状の台座であり、通常は防塵のため筐体２０内に収容されるようになっている。ベース部１１は、固い素材からなり、例えばアクリル製であり、筐体２０を介して伝わる対象機器３０の振動を、板バネ１２に伝えるようになっている。

【0049】

［レーザー光源］
レーザー光源１５は、ミラー１３に向けてレーザー光（レーザービームともいう）を送出するものであり、ベース部１１に固定されたレーザー光源取付部１７により、所定の位置にて所定の方向に向けて取り付けられている。本実施形態のレーザー光は、例えば波長６５０ｎｍの可視光であるが、これに限定されず、例えば、レーザー光を投影するスクリーンに紫外光に反応する蛍光塗料が塗布されている場合には、紫外光であってもよい。

【0050】

レーザー光源１５は、電源を筐体２０内に配置してもよいし、外部から電力を供給するようにしてもよい。作動スイッチは、振動可視化装置１０の外面か、あるいは振動可視化装置１０に近接して設けるようにしてもよいし、無線又は有線での遠隔制御によりレーザー光源１５を作動（電源ON-OFF）できるようにしてもよい。電源は、例えばＤＣ４．５Ｖを供給する。

【0051】

［板バネ］
板バネ１２は、金属の磁性体からなる板状部材であり、一方の端部１２ｄがベース部１１に固定され、もう一方の端部１２ｅが自由端となっている。具体的には、板バネ１２は、板バネ本体部１２ａと、ベース部１１に固定される板バネ取付部１２ｂとを備えており、板バネ本体部１２ａと板バネ取付部１２ｂとは所定の角度β_０にて接続されている。この接続部が支点１２ｃとなり、板バネ本体部１２ａが振動方向７０に振動（回転振動）できるようになっている。本実施形態の一方の端部ともう一方の端部は、本発明の一端と他端にそれぞれ対応する。

【0052】

板バネ１２は、対象機器３０の既知の振動周波数Ｆｖに等しい固有振動数（共振周波数ともいう）Ｆｃを有している。

【0053】

［ミラー］
ミラー１３は、平面ミラーであり、レーザー光源１５から送出されたレーザー光を反射できるように、板バネ１２の第１の面１２ａ１に固定されている。ミラー１３は、板バネ１２が支点１２ｃを中心に回転振動する際に、板バネ１２と共に振動するようになっている。

【0054】

［磁石］
磁石１４は、板バネ１２の第２の面１２ａ２の任意の高さ位置に位置調整可能でかつ着脱自在に取り付けられ、板バネ１２の固有振動数Ｆｃを調整できるようになっている。磁石１４は、例えば永久磁石であり、板バネ１２の固有振動数Ｆｃを調整する質量としての機能と、後で説明する非磁性金属製の板状部材１８と協働して板バネ１２の振動を減衰させる機能とを有している。なお、磁石１４は、本発明のウェートに対応する。

【0055】

磁石１４とミラー１３とが取り付けられた板バネ１２を、「板バネ系」と称する。板バネ１２の固有振動数というときは、板バネ系１２０の固有振動数を意味するものとする。

【0056】

（固有振動数調整用のスケール）
図５は、図１の板バネ１２を非磁性金属製の板状部材１８側から見た図である。図５に示すように、板バネ１２の第２の面１２ａ２には、磁石１４の位置と固有振動数Ｆｃとの関係を示すスケール（目盛り）１９が設けられている。磁石１４には矢印１４ａが付けられている。スケール１９及び矢印１４ａを参照しつつ、板バネ１２における磁石１４の高さ方向（Ｚ方向）の位置を調節することにより、板バネ１２の固有振動数Ｆｃを容易に調整できるようになっている。

【0057】

［ダンパー］
ダンパー１８０は、板バネ１２の振動が大きいとき振動を適度に減衰させるものである。ダンパー１８０は、非磁性金属製の板状部材１８と磁石１４からなり、非磁性金属製の板状部材１８が磁石１４から一定の間隔ｄをおいて配置されるように一端１８ｄがベース部１１に固定され、他端１８ｅが自由端となっている。具体的には、非磁性金属製の板状部材１８は、例えば銅板からなり、非磁性金属製の板状部材本体部１８ａと、ベース部１１に固定される非磁性金属製の板状部材固定部１８ｂとを備えており、非磁性金属製の板状部材本体部１８ａと非磁性金属製の板状部材固定部１８ｂとは接続部１８ｃにて所定の角度β_０にて接続されている。非磁性金属製の板状部材１８は、板バネ１２とは異なり、ほとんど回転振動しないように構成されている。

【0058】

［筐体］
図２及び図３に示すように、筐体２０は、中空の直方体形状であり、筐体本体部２０ａと蓋部２０ｂとを有している。筐体２０は、（１）防塵対策のため、（２）ホルダー２５と組み合わせて用いて、レーザー光の方向及び光学拡大率を調整するために用いられる。筐体２０は、必要に応じて振動可視化装置１０の構成要素を収容するようになっており、一面部２０ａ１には、ミラー１３から反射されたレーザー光８０が通るレーザー光出口としての開口２１が形成されている。開口２１は、透明板２２により覆われており、塵埃が開口２１から筐体２０内に入らないようにしている。同面部２０ａ１又は他面部には、レーザー光源１５の給電・制御用のケーブル１６が通る貫通孔２３も形成されている。ベース部１１は、対象機器３０の振動が筐体２０を介してベース部１１に伝わるように、筐体２０にしっかり固定されている。これにより、筐体２０のいずれの面部が対象機器３０に当てられて設置されたとしても、対象機器３０の振動が筐体２０とベース部１１を介して板バネ１２に伝わるようになっている。筐体のサイズは、例えば、２０×３０×４０ｍｍである。

【0059】

図３に示すように、筐体２０の対向する外面部２０ａ２、２０ａ３には、回転中心部２４が設けられている。これら２つの回転中心部２４を結んで延びる直線を第１軸線２５１と称する。回転中心部２４は、第１軸線２５１が、ミラー１３の表面に平行でかつミラー１３の一端面１３ｂと交差するような条件を満たす位置に設けられている。第１軸線２５１がミラー１３の表面に平行でかつミラー１３の表面に接しているかあるいは表面の近傍に存在する場合も該条件を満たすものとする。回転中心部２４は、筐体２０がホルダー２５により回転自在に支持される構造を有している。例えば、回転中心部２４が回転軸又は軸受を有し、それに対応してホルダー２５が軸受又は回転軸を有するようにしてもよい。

【0060】

［ホルダー］
図４は、筐体２０を保持するホルダー２５の構成を示す図である。ホルダー２５は、筐体２０と共に用いられ、レーザー光の方向及び光学拡大率を調整するためのものである。図４に示すように、ホルダー２５は、筐体２０を挟んで対向するよう設けられた２つの側板２５と、両側板２５の下端をつなぐ底板２７とを備えている。また、ホルダー２５は、側板２６に調整ネジ２８が設けられ、底板２７に調整ネジ２９が設けられている。

【0061】

ホルダー２５は、筐体２０を互いに平行でない第１軸線２５１及び第２軸線２５２それぞれの周りに回転自在に支持するとともに、筐体２０を任意の回転位置で保持するようになっている。ここで、第１軸２５１は、調整ネジ２８の中心を通り、ミラー１３の表面に平行でかつミラー１３の端面１３ｂと交差する軸線である。第２軸線２５２は、調整ネジ２９の中心を通り、スクリーン５０に垂直な方向に延びる軸線である。

【0062】

筐体２０がホルダー２５に取り付けられ、ホルダー２５が対象物３０に固定される。筐体２０は、調整ネジ２８を緩めると、θ_ｘの方向に回転できるようになっており、調整ネジ２８を締めると、そのときの第１軸線周りの回転位置を固定するようになっている。また、筐体２０は、調整ネジ２９を緩めると、θ_ｈの方向に回転できるようになっており、調整ネジ２９を締めると、そのときの第２軸線周りの回転位置を固定するようになっている。

【0063】

この構成により、第１軸線２５１周りの筐体２０の回転位置を調整することにより、レーザー光の照射角度Θ_０を調整することができる。すなわち、スクリーン５０上でのレーザースポットの軌跡に沿ったｘ軸方向における、レーザースポットの位置を調整方向１０２に調整することができる。光学拡大率は、後で説明する（７）式により表されるので、照射角度Θ_０を調整することにより、光学拡大率を調整することができる。また、第２軸線２５２周りのホルダー２５の回転位置を調整することにより、レーザー光の方向を調整することができる。具体的には、スクリーン５０上でレーザースポットの位置を調整方向１０１に調整することができる。

【0064】

＜動作説明＞
上述のように、振動可視化装置１０は、レーザー光源１５、磁性体の板バネ１２、板バネ１２に固定されたミラー１３、板バネ１２に対して位置調整可能なウェートとしての磁石１４、及び非磁性金属製の板状部材１８例えば銅板を備えている。振動可視化装置１０の筐体２０の底部に固定されたベース部１１には、板バネ１２が固定され、板バネ１２にはミラー１３が固定されるとともに、磁石１４が取り付けられている。この構成により、板バネ１２の固定部である支点１２ｃを中心とした片持ち梁共振（カンチレバー）系が構成され、板バネ１２は支点１２ｃを中心とした回転振動系となっている。

【0065】

板バネ１２に固定されたミラー１３は、対象機器３０の振動（既知の振動周波数Ｆｖ）と共振し、板バネ１２の支点１２ｃを中心に回転振動する。対象機器３０と共振している板バネ系１２０のミラー１３に対して、レーザー光源１５からレーザー光が照射される。回転振動の大きさに応じた方向角にてミラー１３から反射されたレーザー光が、筐体２０の開口２１から出力レーザー光として取り出される。出力レーザー光は、振動可視化装置１０の外部に配置されたスクリーン５０に照射され、スクリーン５０上でレーザー光のスポットの軌跡（以下、「レーザースポット軌跡」ともいう）として投影される。

【0066】

このように、板バネ系１２０の固有周波数Ｆｃと対象機器３０の振動周波数Ｆｖが同じであれば、対象機器３０の微小振動は、板バネ系１２０の回転振動として共振して機械的に大きく拡大される。そして、板バネ系１２０の回転振動は、光テコの原理によりレーザースポット軌跡の振幅として光学的に拡大される。具体的には、ミラー１３により反射された反射レーザー光は、光テコの原理により、ミラー反射点からスクリーン５０までの距離に比例し、かつ、スクリーン５０へのレーザー光の照射角度の余弦の二乗に反比例して光学的に拡大される。

【0067】

（固有振動数の調整）
上述のように、板バネ１２は、板バネ系１２０の固有振動数Ｆｃを調整するための位置調整可能なウェートとしての磁石１４を備えている。図７に示すように、板バネ１２における磁石１４の高さ位置、すなわち、板バネ１２の長手方向７１の位置を調整することにより、板バネ系１２０の固有周波数Ｆｃを連続的に調整することができる。板バネ系１２０の固有振動数Ｆｃが対象機器３０の既知の振動周波数Ｆｖに一致する場所にて、磁石１４を接着剤などで固定してもよい。

【0068】

板バネ系１２０の固有周波数ＦｃにおけるＱ値は大きく、対象機器３０の振動周波数Ｆｖが変化しない場合には、機械的共振により対象機器３０の振動が板バネ系１２０の振動に拡大される。Ｑ値は、磁石１４と非磁性金属の板状部材である銅板１８との近接距離により調節できる。近接距離を狭くすると、減衰係数は大きくなり（Ｑ値が小さくなり、半値幅Δｆは広がり）、近接距離を広くすると、減衰係数は小さくなる（Ｑ値は大きくなり、半値幅Δｆは狭まる）。

【0069】

一方、対象機器３０の振動の振動周波数Ｆｖが変動する場合には、その変動により振動の拡大率が大きく影響を受ける。この場合には、強い共振特性を犠牲にしてでも周波数変動に対応する方策が必要となる。すなわち、Ｑ値を小さくする必要がある。Ｑ値は、共振系の減衰係数に反比例する。よって、Ｑ値を小さくするためには、減衰係数を大きくするとよい。

【0070】

（ダンパー動作）
減衰係数を大きくする方策として、ダンパーの利用が考えられる。接触型ダンパーは振動に影響を与えるので不向きであり、非接触ダンパーが好ましい。本実施形態では、固有振動数調整用の磁石１４の位置が調整され固定されたあと、この磁石１４に非接触にて隣接するように非磁性金属である銅板１８が固定されている。

【0071】

上述のように、銅板１８は、磁石１４に接触しない場所で磁石１４に近接して固定されている。磁石１４からの磁界は、銅板１８を貫いている。対象機器３０の機械振動により板バネ１２が振動し、これに伴い磁石１４も振動する。これにより、板バネ１２と銅板１８間の相対的な振動の差による振動（板バネ１２は共振し振幅が大きいが、銅板１８はバネではなく振幅は小さい）によって、銅板１８を貫く磁界が変化し、起電力が発生して銅板１８に渦電流が発生する。渦電流による銅損（オーミックロス）により、振動エネルギーは熱エネルギーとして散逸し、振動の減衰効果を発生する。このようにして、銅板１８は、板バネ１２に対する非接触ダンパーとして機能する。振動の減衰により、Ｑ値は小さくなり、それにより、共振周波数幅（半値幅Δｆ）が広がるので、機械振動の周波数変動に対応できるようになる。Ｑ値を小さくすることにより損失した振動の拡大率は光学的拡大により補償できる。

【0072】

［機器診断装置］
次に、機器診断装置１について説明する。

【0073】

機器診断装置１は、対象機器３０の振動から対象機器３０の状態を診断するものであり、図１に示すように、振動可視化装置１０とスクリーン５０とを備えている。本実施形態に係る機器診断装置１は、例えば０．００６４ｍｍの振幅の微小振動を可視化できる程度に機械的・光学的に拡大することができる。

【0074】

［スクリーン］
スクリーン５０は、振動可視化装置１０の外部に設けられており、レーザー光源１５から送出されミラー１３で反射したレーザー光８０が、リサージュ図状のレーザースポット軌跡（ほとんどの場合、直線状）として投影されるようになっている。スクリーン５０は、対象機器３０が設置されている施設の天井、床、壁面など、あるいは対象機器３０に別途設けられていてもよい。天井、床、壁面、対象機器３０の筐体などそれ自身をスクリーン５０として用いてもよい。振動可視化装置１０の設置方向あるいはホルダー２５の角度θ_ｘとθ_ｈを変えることでスクリーン面を選択できる。

【0075】

［目盛り］
図１０は、回転機械である対象機器３０に取り付けられた振動可視化装置１０から出力されたレーザー光が床４１上のスクリーン５０にレーザースポット軌跡８２として投影される様子を示す図である。図１０に示すように、スクリーン５０には、レーザースポット軌跡８２の振幅と対象機器３０の振動速度の実効値との関連を示す目盛り５１が付与されている。この目盛り５１には、例えば、対象機器３０の振動シビアリティとしての振動速度の実効値と対象機器３０の状態とを関連付けるマークが付されている。「振動シビアリティ」とは、回転機械の振動の激しさを示すための実用的な指標であり、振動速度の実効値（ｒｍｓ値）により定義されている。

【0076】

図６は、振動可視化装置１０から出力されたレーザー光を天井のスクリーン５０にレーザースポット軌跡８２として投影する様子を示す図である。図６を例として、スクリーン５０上でのレーザースポット軌跡８２の振幅と振動速度とを関連付ける目盛り付けについて、図８を参照して説明する。

【0077】

図８において、ミラー１３上のレーザービームの反射点（ミラー反射点という）からスクリーン面５０ａに垂線を引き、この垂線とスクリーン面５０ａの交差する点を原点Ｏとする。ミラー反射点１３ａから原点Ｏまでの長さをＬとする。対象機器３０が停止し振動していない場合に、スクリーン面５０ａ上でレーザービームが照射される照射点ｘ_０は、原点Ｏから照射点ｘ_０までの長さをｘ_０とする。対象機器３０が稼働しているとき、振動可視化装置１０の設置点での振動速度の実効値をｖ_１とし、このときのレーザースポット軌跡の振幅を原点Ｏから計測したときのスクリーン５０上の長さをｘ_１とする。既存の振動計で計測した振動速度の実効値ｖ_１を用いてレーザースポット軌跡が投影される直線（ｘ軸）上に速度の目盛りをつけることができる。

【0078】

具体的には、上記の計測値Ｌ［ｍｍ］、ｘ_０［ｍｍ］、ｘ_１［ｍｍ］、及びｖ_１［ｍｍ／ｓ］を用いて下式の校正係数ｃを求める。

【数1】

【0079】

対象機器３０が振動しているとき、レーザースポット軌跡の振幅をｘとすると、振動速度の実効値ｖは、次式により表される。

【数2】

【0080】

振動速度の実効値ｖにおけるレーザースポット軌跡の振幅ｘは次式で与えられる。

【数3】

【0081】

上記関係式よりレーザースポット軌跡が投影されるスクリーン５０上に振動速度の実効値の大きさの目盛り付けができる。

【0082】

光学的な拡大率は次式により与えられる。

【数4】

【0083】

光学的な拡大率は、ミラー反射点１３ａからスクリーン５０までの距離Ｌに比例し、レーザー光の照射角度Θ_０＝ｔａｎ^－１（ｘ_０／Ｌ）の余弦の二乗に反比例している。ｘ_０＞＞Ｌとすると、レーザースポット軌跡は遠方にシフトするが、随意に光学的な拡大率を大きくできる。また、例えば、図６に示す振動可視化装置１０の筐体２０を任意の角度で回転できるようにしておけば、この光学系の拡大率を容易に調整することができる。そのために、上述したホルダー２５（方向・光学拡大率調整台）を用いることができる。

【0084】

ホルダー２５は、振動可視化装置１０を回転自在に支持する構造を有するものである。ホルダー２５により、筐体２０の角度を調整することにより、レーザー光の方向、及び光学拡大率を調整することができる。

【0085】

次に、ＩＳＯ １０８１６－３に規定された振動シビアリティを基準とした、機械（対象機器３０）の振動状態の評価区分のマーク付けについて説明する。

【0086】

図１２に示すように、ＩＳＯ１０８１６－３に規定された振動シビアリティは、指定された機械の動力の大きさと設置状況に依存して、振動速度の実効値（ｒｍｓ（root mean square））によりＡ（良）、Ｂ（可）、Ｃ（警告）、Ｄ（危険）として判定される。

【0087】

本実施形態では、スクリーン５０上においてレーザースポット軌跡上の直線上に、振動速度［ｍｍ／ｓ］の単位で目盛りが付されている。機械の動力の大きさと設置状況は現場では既知であり、また速度目盛りが付されているので、上記の振動速度により定まるＩＳＯ基準（例えば、Ａ（良）、Ｂ（可）、Ｃ（警告）、Ｄ（危険）など）をこの目盛り上に併せて記しておくことができる。

【0088】

図１０は、振動速度のメモリとＩＳＯ基準を床上のスクリーン５０に記したものである。図１０の校正係数ｃは、板バネ１２の幅ｂ、厚さｈ、長さｌ、ポアソン比ν、ヤング率Ｅ、ミラー反射点とスクリーンの距離Ｌ、照射角Θ_０＝ｔａｎ^－１（ｘ_０／Ｌ）、及び振動回転半径ｒにより、次式により定まる。

【数5】

【0089】

しかし、対象機器３０は剛体であり、計測点（振動可視化装置１０を設置する位置）からの振動回転半径ｒは容易には分からない。上記の校正係数ｃは、力学と光学モデルから理論的に導きだしたものであり、本実施形態では、上述のように振動計の計測値を用いて校正する方法を採用している。

【0090】

［動作原理］
次に、本実施形態に係る機器診断装置１の動作原理について詳細に説明する。

【0091】

（機械的共振による拡大のモデル）
機械的共振による拡大について、次の物理モデルを用いて説明する。すなわち、板バネ１２の幅をｂ、厚さをｈ、支点１２ｃから荷重までの長さをｌ、板バネ素材のポアソン比をυ、ヤング率をＥとする。この場合、長方形断面の片持ち板バネ１２のバネ定数ｋは次式により表される。

【0092】

【数6】

【0093】

理論的展開を単純化するために、板バネ１２は剛体の棒であり、支点１２ｃから高さｌに板バネ１２の重心があり、バネ定数ｋの剛体棒状の板バネ１２が垂直に支持されているものと仮定する。質量ｍは重心にあるとする。減衰係数をＤとする。減衰係数Ｄの大きさは、銅板１８と磁石１４の位置により定まる。支点１２ｃの周りの板バネ１２の振動角度をδθ、対象機器３０の振動角度をδθ_ｖとする。この力学系の回転運動方程式は次式により与えられる。

【0094】

【数7】

【0095】

（２）式の方程式は、次のように２次伝達関数で表される。

【数8】

【0096】

板バネ１２の減衰係数Ｄは小さく、この伝達関数は２次の振動特性を示し、振動の固有振動数ｆ_ｒ、減衰率ζ、半値幅Δｆ、及びＱ値は、次式により与えられる。

【0097】

【数9】

【0098】

板バネ１２が与えられると、パラメータＥ、υ、ｂ、ｈは一定値に定まり、固有振動数は、長さｌを変えることにより、すなわち重心の位置を変えることによって調整される。板バネ１２が磁性体の場合、板バネ１２上に吸着させた磁石１４をウェートとして暫定的に動かし調整し、調整終了後に接着剤等で固定することにより、長さｌを調整し固定する。

【0099】

固有振動数での機械振動の角度δθ_ｖに対する角度δθのゲインＧは、次式により与えられる。

【数10】

【0100】

調整可能なパラメータは長さｌであり、ゲインはｌ^１／２の値に比例する。

【0101】

（光学系による拡大）
次に、光学系による拡大について説明する。図８は、光学的な拡大の様子を示す模式図である。水平線を基準に、レーザー光源１５から照射されるレーザービームの照射角度をα_０、板バネ１２の静止状態の立ち上がり角度をβ_０とする。図８に示すように、板バネ１２の角度拡大は、（５）式より共振により拡大されてＧδθ_ｖであり、板バネ１２の立ち上がり角度θ_２はβ_０－Ｇδθ_ｖとなり、レーザービームの水平面からの角度θ_３はπ＋α_０－２（β_０－Ｇδθ_ｖ）となる。

【0102】

スクリーン５０は、レーザースポット軌跡８２を投影する平坦なスクリーン面５０ａを有する。レーザー光を受ける限りにおいてスクリーン５０の位置と角度は任意である。ミラー１３の反射点からスクリーン５０に垂直に引いた直線がスクリーン面５０ａと交差する点が原点Ｏであり、原点Ｏとミラー１３の反射点の間の長さがＬである。ｘ軸は、スクリーン面５０ａ上で、原点Ｏを通り、レーザースポット軌跡８２に沿って延びる軸線である。振動していないときは、レーザースポットはｘ軸上の座標点ｘ_０にあるとする。

【0103】

図８から、角度Θ_０はΘ_０＝ｔａｎ^－１（ｘ_０／Ｌ）であり、振動によって角度がΘ_０からθ_１＝２Ｇδθ_ｖ変化すると、レーザースポット軌跡はｘ軸上で次のようになる。

【数11】

【0104】

２Ｇδθ＜＜Θ_０と仮定すると、この光学系の線形範囲での倍率が得られる。（６）式をΘ_０の周りでテイラー級数展開して２Ｇδθ_ｖ項まで求めると次式が得られる。

【数12】

【0105】

したがって、光学系の拡大率は次のようになる。

【数13】

【0106】

光学系の拡大率は、スクリーン５０までの距離Ｌに線形に比例し、ｃｏｓ^２Θ_０に反比例する。

【0107】

（機械的共振と光学による全倍率及びシミュレーション）
対象機器３０の振動回転半径ｒが既知であるとすると、対象機器３０の振動δｘ_ｖ＝ｒδθ_ｖとなり、レーザースポット軌跡の振幅のδｘと対象機器３０の振動δｘ_ｖとから、拡大率は次のようになる。

【数14】

【0108】

対象機器３０の振動は単一周波数で発生すると仮定し、その周波数は（４－１）式で与えられる。従って、対象機器３０の振動変位からレーザースポット軌跡として与えられる速度の拡大率は次式で与えられる。

【数15】

【0109】

（７）式、（８）式、及び（９）式より、（６）式の拡大された回転角度振動２Ｇδθ_ｖは次式により与えられる。

【数16】

【0110】

（１０）式の校正係数ｃは、板バネ系、光学系、及び対象機器３０の未知な振動回転半径ｒのすべてを含んでいる。（１０）式から（６）式は以下のように振動速度ｖの関数として与えられる。

【数17】

【0111】

校正係数ｃは未知のパラメータである振動回転半径ｒを含み、振動計によりこの校正係数ｃを求める必要がある。

【0112】

上記の理論モデルに基づいて、共振周波数での板バネ１２の共振に基づく拡大率、光学拡大による拡大率、及び対象機器３０の振動回転半径による全体の拡大率を、以下の条件で計算する。条件は、下記の実施例１で述べる実験条件とほぼ同じである。

【0113】

板バネ１２の幅ｂ＝６×１０^－３ｍ、厚さｈ＝０．１×１０^－３ｍ、支点から重心までの長さｌ＝１５×１０^－３ｍ、質量ｍ＝１×１０^－３ｋｇ、ポアソン比υ＝０．３（ばね鋼）、ヤング率Ｅ＝２０６×１０^９Ｎ／ｍ^２（ばね鋼）、振動回転半径ｒ＝０．１ｍ、及び減衰係数Ｄ＝１．４３×１０^－６Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄとする。減衰係数Ｄは、減衰率ζ＝０．０１ｒａｄ／ｓと仮定して求めた値である。

【0114】

（４－１）～（４－４）式から、共振周波数ｆ_ｒ＝５０．４８Ｈｚ、減衰率ζ＝０．０１ｒａｄ／ｓ、半値幅Δｆ＝１Ｈｚ、及びＱ値Ｑ＝５０となり、（５）式から板バネ１２の機械的共振に基づく拡大率は｜θ／θ_ｖ｜＝５０となる。距離ｘ_０＝５１５ｍｍ及びＬ＝１００ｍｍの場合、（７）式から、光学的拡大によるゲイン｜δｘ／Ｇδθ_ｖ｜＝１０５ｍ／ｒａｄとなり、総ゲイン｜δｘ／δｘ_ｖ｜＝５２５００となる。

【0115】

長さｌを調整する板バネ１２上の磁石１４の位置を変えることにより、共振周波数を調整できる。図１３は、長さｌの変化（ウェートの支点１２ｃから高さ方向の位置）に対する共振周波数の変化を示す。このモデルでは、減衰係数Ｄは減衰率ζにより計算されたため、共振時のゲインは１／２σで一定である。

【0116】

（８）式と（９）式から、レーザースポット軌跡で与えられる振動変位の振幅及び振動速度の振幅は、減衰係数Ｄの大きさに反比例する。従って、機械的共振での拡大率を上げるためには、板バネ１２が対象機器３０の振動と共振するようにし、減衰係数Ｄを小さくすることである。

【0117】

一方、共振における半値幅は、減衰係数Ｄの値に比例して広くなる。例えば、上記の理論計算では半値幅はΔｆ＝１Ｈｚであった。共振周波数を５０Ｈｚとすると、５０±０．５Ｈｚの範囲で対象機器３０の振動周波数が変わるだけで、３ｄＢ（１／√２～１）の振幅変動が起こる。機械的共振方式でゲインを高くするためには減衰係数Ｄを小さくしなけらばならず、一方、半値幅を広げるためには減衰係数Ｄを大きくしなければならない。

【0118】

確かに（４－３）式より半値幅は減衰係数Ｄに線形に比例する。また、（７）、（８）、（９）式より、全体の拡大率は光学的な拡大率はＬ／cos²(Θ₀)に比例する。Θ_０を９０°に近づけるか長いＬを選べば、全体の拡大率は随意に拡大できる。これにより半値幅を広げて周波数の変動に対処することによる拡大率の低下は、光学的な拡大により補償できる。

【0119】

（レーザースポット軌跡の変位のキャリブレーションとスケーリング）
ＩＳＯ １０８１６－３規格によれば、振動シビアリティは振動速度実効値によって決定される。ここでは、レーザースポット軌跡の振幅と振動速度の関係、及びレーザービームが投影されるスクリーン５０上に速度スケール（目盛り）を作成する方法を示す。

【0120】

（７）式で光学系の線形の拡大率を求めたとき、振動角はわずかな範囲でしか変化しないと仮定した。しかし、振動角が大きくなると、ｔａｎ関数によって非線形領域に入る。ここでは、非線形範囲を含む校正方法とスケーリング方法について説明する。図８に示すように、振動可視化装置１０から照射されるレーザースポット軌跡は、工場の壁、天井、床、対象機器３０の筐体などの任意の角度及び位置にある平らなスクリーン５０に投影される。

【0121】

（１１）式より、レーザースポット軌跡ｘは振動速度ｖの関数で与えられる。この関数は未知の校正係数ｃを含む。対象機器３０の振動速度ｖは振動計で計測できる。計測された振動速度がｖ_１であり、ｘ座標でのレーザースポット軌跡の計測振幅がｘ_１であるとする。これらの計測値ｖ_１とｘ_１及び対象物が振動していないときのレーザースポットの位置ｘ０と装置のスクリーンまでの距離の長さＬを（１１）式に代入することによって、校正係数ｃは次のように求められる。

【数18】

【0122】

レーザースポット軌跡の振幅と振動速度を同時に複数計測する場合、校正係数ｃはこれらのデータから平均値あるいは最小二乗法によって計算できる。推定された校正係数ｃを使用して、ｘ座標上の速度ｖのスケール（目盛り）は、校正係数ｃを（１２）式に代入することによって求められる。付した目盛りにより、振動速度をｘ座標で目視でき、ＩＳＯ１０８１６－３規格に基づいて目盛りに例えばＡ（青）、Ｂ（緑）、Ｃ（黄）、Ｄ（赤）と着色すれば、振動シビアリティに基づく対象機器３０の状態も目視で判断できる。また、振動速度ｖの値が必要な場合には、計測されたレーザースポット軌跡の振幅ｘから、次式により計算できる。

【0123】

【数19】

【実施例0124】

次に、実施例１について説明する。

【0125】

（装置構成）
図２及び図３に示す振動可視化装置１０を製作した。板バネ１２は、焼き入れ鋼材からなり、ポアソン比υ＝０．３、ヤング率Ｅ＝２０６×１０^９Ｎ／ｍ^２であり、サイズと質量は、幅ｂ＝６×１０^－３ｍ、厚さｈ＝０．１×１０^－３ｍ、最大長さｌ＝２５×１０^－３ｍである。板バネ１２、ミラー１３、及び磁石１４（板バネ系１２０）は、全体で、１．１×１０^－３ｋｇである。

【0126】

レーザー光源１５（ANBE Electronics Co. Ltd、ベトナム）は、波長６５０ｎｍ、スポット径６ｍｍ、直径７ｍｍ銅製筐体で覆われ、クラスＩＩである。ミラー１３の厚さは１ｍｍ、サイズは６ｍｍ×６ｍｍで、ガラス上に蒸着されている。レーザービームの光軸の水平面に対する角度は約α_０＝３５°であり、板バネ１２の角度は約β_０＝７０°である。最終的に、板バネ１２の角度を微調整して、出口のレーザービームの光軸の水平面に対する角度γ_０がγ_０＝８４°になるようにした。

【0127】

板バネ系１２０の固有振動数Ｆｃは、磁石１４の高さ方向の位置を変えることで調整できる。板バネ１２の固有振動数Ｆｃは、磁石１４が最下部の位置にあるとき、約６０Ｈｚであり、最上部の位置にあるとき、約３０Ｈｚであった。図２に示す磁石１４の位置では、板バネ系１２０の固有振動数Ｆｃは５０Ｈｚであった。

【0128】

校正に使用した振動計（ＳＭＡＲＴ ＳＥＮＳＯＲモデル：ＡＳ６３Ｂ、シリアル番号：４６８３９２４、製造日２０２０－５－３０）の仕様によると、加速度範囲は０．１～１９９．９ｍ／ｓ^２ピーク、速度範囲は０．１－１９９．９ｍｍ／ｓ ｒｍｓ、変位範囲は０．００１－１．９９９ｍｍＰ－Ｐである。周波数４０Ｈｚでのこれらの誤差は、それぞれ－０．１ｍ／ｓ^２、０．１ｍｍ／ｓ、及び０．０００１ｍｍである。

【0129】

（性能試験）
図９は、テスト振動発生器６６を用いて行った性能試験における装置構成の概略を示す図である。関数発生器６０で生成された正弦波は、オーディオアンプ６１で増幅されてボイスコイルモーター６２を駆動する。この振動を試験振動とよぶ。校正用の振動計６５の振動検出器６４は、テスト振動発生器６６に当てられている。また、振動可視化装置１０は、テスト振動発生器６６に取り付けられている。

【0130】

振動可視化装置１０は、レーザースポット軌跡８２を平らな水平面のスクリーン５０に投影するようになっている。振動可視化装置１０の筐体２０のレーザービーム出口面（開口２１のある面）は鉛直に設置され、筐体２０から出力されるレーザービームの中心の高さＬは、Ｌ＝６５ｍｍであり、振動が発生していないときのスクリーン５０上での静止スポットのｘ座標ｘ０は、ｘ_０＝５１５ｍｍであった。振動計６５により計測した振動加速度のピーク値、振動速度、及び振動変位Ｐ－Ｐの値は、それぞれ０．３ｍ／ｓ^２Ｐ、０．６ｍ／ｓ ｒｍｓ、及び０．００６ｍｍＰ－Ｐであった。一方、レーザースポット軌跡８２のｘ_０からｘ軸正方向（図９の右方向）の振幅Ａｍは１１５ｍｍであった。よって、振動変位の倍率は１１５ｍｍ／（０．００６ｍｍ／２）＝３８３３３（９１．６ｄＢ）であった。

【0131】

（周波数応答）
図９の装置構成において、周波数応答を調べるために、試験振動を発生させた。関数発生器６０の入力電圧は４００ｍＶとした。図１４は、振動周波数範囲４５Ｈｚ～６５Ｈｚで固有振動数を５０Ｈｚに調整した振動可視化装置１０の周波数応答を示す。周波数特性は銅板１８を取り外したダンパー無しの場合と、磁石１４の後方に０．４ｍｍだけ離して銅板１８を設置したダンパー有りの場合とを示している。

【0132】

図１４に示すように、固有周波数５０Ｈｚにおいて銅板１８がない場合の振幅は１２５ｍｍであり、銅板１８がある場合の振幅は２９．５ｍｍであった。すなわち、銅板１８がある場合は、銅板１８がない場合の２５．６％であった。また、銅板１８がない場合の半値幅は０．９６Ｈｚ、Ｑ値はＱ＝５２、減衰率はζ＝０．００９６であった。一方、銅板１８がある場合、半値幅はΔｆ＝４Ｈｚ、Ｑ値はＱ＝１２．５、減衰率はζ＝０．０４であった。すなわち、銅板１８がない場合には５０±０．４３Ｈｚの周波数範囲で振幅は３ｄＢ変化するのに対して、銅板１８がある場合には振幅が３ｄＢ変化する周波数帯域は５０±２Ｈｚであった。

【0133】

減衰係数Ｄは、磁石１４と銅板１８のギャップで定まるが、この値は拡大率と周波数帯域とでトレードオフとなっている。最適なギャップは、対象機器３０の振動周波数の変動幅によって決められる。振動周波数の変動が小さい場合には、ギャップを広く（すなわち減衰係数Ｄを小さく）選び、振動周波数の変動が大きい場合には、ギャップを狭く（すなわち減衰係数Ｄを大きく）選ぶとよい。

【0134】

（速度の計測）
図９の装置構成において、周波数応答を調べるために、下記の条件で試験振動を発生させた。関数発生器６０の周波数は５０Ｈｚに固定され、関数発生器６０の入力電圧は０ｍＶから７６０ｍＶの範囲で変えた。１００ｍＶより低い電圧では、試験振動のレベルは使用した振動計６５の下限よりも低く、この範囲では計測できない。図１５は、関数発生器６０の入力電圧に対するレーザースポット軌跡の振幅を示す。

【0135】

図１５において、グラフの勾配は電圧の増加とともに増加し線形ではない。振動計６５で計測できない０～１００ｍＶの電圧範囲では、レーザースポット軌跡８２の振幅は電圧の増加とともに直線的に増加する。したがって、本実施例では、従来の振動計６５では計測できない微小振動を計測することができた。

【0136】

図１６は、従来の振動計６５で計測された振動速度とレーザースポット軌跡８２の振幅との関係を示している。振動速度が０．２ｍｍ／ｓから１．７ｍｍ／ｓの範囲で変化する場合、レーザースポット軌跡８２の振幅は４０ｍｍから５９０ｍｍの範囲で変化し、遠くからでも目視で確認できる。速度に対するレーザースポット軌跡８２の振幅の傾向は、関数発生器６０への印加電圧（入力電圧）に対する傾向と同じである。

【0137】

図９において、筐体２０から出力されるレーザービームの中心の高さＬは、Ｌ＝６５ｍｍであり、テスト振動発生器６６が振動していない場合、レーザービームのスポットの変位ｘ０は、ｘ_０＝５１５ｍｍであった。また、振動速度がｖ_１＝１．０ｍｍ／ｓの場合、変位はｘ_１＝６３０ｍｍであった。これらの値から（１２）式により、校正係数ｃを求めると、ｃ＝０．０３７９ｒａｄ／（ｍｍ／ｓ）である。校正係数ｃの値を（１１）式に代入すると、振動速度ｖがレーザースポット軌跡の振幅ｘから計算される。図１７は、振動計６５により測定された測定速度と（１３）式により計算された推定速度の関係を示している。

【0138】

推定速度は、ほぼ勾配１で計測速度に直線的に比例する。したがって、速度の値は（１１）式によってレーザースポット軌跡が投影されるスクリーン上の座標によりスケーリングすることができる。

【実施例0139】

小型ファン（型式：ＭＭＦ－０６Ｇ２４ＥＳ）（MELCO TECHNOREX CO.LTD、２４ＶＤＣ，０．１Ａ）を１４．７Ｖで駆動したときに発生する振動を振動可視化装置１０により可視化した。具体的には、振動可視化装置１０により、レーザービームを床に向け照射し、床をスクリーンとしてレーザースポット軌跡を投影した。小型ファンの駆動時に発生する振動の振動周波数は６０Ｈｚであり、振動計で計測した加速度のピーク値は０．４ｍ／ｓ^２、速度の実効値は０．５ｍｍ／ｓ、変位のピークからピークまでの値は０．００３ｍｍであった。床から振動可視化装置１０の出力レーザービームの中心までの垂直距離ＬはＬ＝０．８２ｍ、レーザースポット軌跡の原点ｘ_０はｘ_０＝３．４５ｍであった。レーザースポット軌跡のレーザー光源に近い方の振幅は１．３０ｍ、レーザー光源から遠い方の振幅は２．８０ｍであった。よって、レーザースポット軌跡の大きい方の振幅と、振動計で計測した振動変位のピークからピークまでの値の半分の大きさ（振幅）との比は、２８００ｍｍ／（０．００３／２）ｍｍ＝１８８６６６６（１２５ｄＢ）であった。

【0140】

図１２に示すように、ＩＳＯ－１０１８１６－３規格に規定された振動シビアリティは、振動速度の実効値［単位：ｍｍ／ｓ］により評価される。図１２の規格においける速度実効値の範囲は０．７１ｍｍ／ｓ～１１．０ｍ／ｓであり、区分境界の閾値は、０．７１ｍｍ／ｓ，１．４ｍｍ／ｓ，２．３ｍｍ／ｓ，２．８ｍｍ／ｓ，３．５ｍ／ｓ，４．４ｍｍ／ｓ，７．１ｍ／ｓ，および１１．０ｍｍ／ｓである。実施例２における速度実効値は０．５ｍ／ｓであった。よって、ＩＳＯ－１０１８１６－３規格により規定された振動速度の実効値の最小値０．７１ｍｍ／ｓであっても、十分可視化できる程度まで拡大できることが分かった。