特許 7311144 振動分布可視化方法及び振動分布可視化装置、共振箇所特定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-10

(45)【発行日】2023-07-19

(54)【発明の名称】振動分布可視化方法及び振動分布可視化装置、共振箇所特定方法

(51)【国際特許分類】

   G01H 9/00 20060101AFI20230711BHJP

【ＦＩ】

G01H9/00 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019163532

(22)【出願日】2019-09-09

(65)【公開番号】P2021043005

(43)【公開日】2021-03-18

【審査請求日】2022-09-06

(73)【特許権者】

【識別番号】307016180

【氏名又は名称】地方独立行政法人鳥取県産業技術センター

(74)【代理人】

【識別番号】100118393

【弁理士】

【氏名又は名称】中西 康裕

(72)【発明者】

【氏名】吉田 大一郎

(72)【発明者】

【氏名】福留 祐太

(72)【発明者】

【氏名】高橋 智一

【審査官】佐々木 創太郎

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１２３５４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００８－２３２９７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／０３０１９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－１６０５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１９２９９０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｈ １／００－１７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動状態の測定対象物の振動分布を可視化する振動分布可視化方法であり、
光源からのレーザ光を振動状態である測定対象物の表面に照射する照射工程と、
前記測定対象物を前記レーザ光の照射方向とは異なる斜め方向から撮影し撮影画像を取得する撮影工程と、
前記撮影画像を用い、振動状態における前記レーザ光の振動幅を測定する振動幅測定工程と、
測定したレーザ光の前記振動幅を用いてカラーマップ表示を行う表示工程と、
からなり、
前記照射工程では、前記測定対象物の表面の異なる位置にそれぞれ前記レーザ光が照射されることを特徴とする振動分布可視化方法。

【請求項2】

前記撮影工程では、前記測定対象物の撮影を０．０１秒以上の露光時間により行い、
前記振動幅測定工程では、前記露光時間により太線化したレーザ光の画像から振動幅を測定することを特徴とする請求項１に記載の振動分布可視化方法。

【請求項3】

前記表示工程における前記レーザ光の振動幅を用いたカラーマップ表示は、
前記振動幅測定工程における振動状態の前記レーザ光の振動幅（振動状態振動幅）と、静止状態におけるレーザ光の幅（静止状態幅）から、
相対振動幅（ＲＷ）＝振動状態振動幅／静止状態幅
を算出し、該算出結果により表示を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の振動分布可視化方法。

【請求項4】

振動状態の測定対象物の振動分布を可視化する振動分布可視化装置であり、
光源からのレーザ光を振動状態である測定対象物の表面に照射する照射部と、
前記測定対象物を前記レーザ光の照射方向とは異なる斜め方向から撮影し撮影画像を取得する撮影部と、
前記撮影画像を用い、振動状態における前記レーザ光の振動幅を測定する振動幅測定部と、
測定したレーザ光の前記振動幅を用いてカラーマップ表示を行う表示部と、
からなり、
前記照射部における前記レーザ光の照射は、前記測定対象物の表面の異なる位置にそれぞれ照射されることを特徴とする振動分布可視化装置。

【請求項5】

測定対象物の共振周波数によって振動状態となっている該測定対象物の共振箇所を特定する共振箇所特定方法であり、
光源からのレーザ光を振動状態である測定対象物の表面に照射する照射工程と、
前記測定対象物を前記レーザ光の照射方向とは異なる斜め方向から撮影し撮影画像を取得する撮影工程と、
前記撮影画像を用い、振動状態における前記レーザ光の振動幅を測定する振動幅測定工程と、
測定したレーザ光の前記振動幅を用いてカラーマップ表示を行う表示工程と、
からなり、
前記照射工程では、前記測定対象物の表面の異なる位置にそれぞれ前記レーザ光が照射されることを特徴とする共振箇所特定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動状態の測定対象物の振動分布を可視化する振動分布可視化方法及び振動分布可視化装置であり、また振動分布を可視化することにより共振周波数によって振動状態となっている測定対象物の共振箇所を特定する共振箇所特定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

車載部品、航空機部品、鉄道部品等は、部品に不具合があると人命にかかわるため、高い信頼性が求められるが、特に振動に対する信頼性が重要視されている。このため通常、振動試験が行われている。この振動試験においては、想定される振動に対する耐久性の確認や、その部品における共振箇所の確認等が行われている。

【0003】

そして、共振箇所が存在する場合、共振現象により使用中にその箇所で破損する可能性があることから、共振箇所の補強や設計の変更を行う必要がある。従って、部品における共振箇所の正確な特定が必要であり、大変重要である。

【0004】

なお、部品における共振周波数を特定する方法に関しては様々な方法が知られており、例えば、特許文献１のような方法がある。したがって、その部品における共振周波数の特定に関しては、比較的容易に行うことはできるが、その部品のどこで共振が行っているのか、つまりその部品の共振箇所の特定を行うことは難しい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第６０３４５２４号

【文献】特許第３９１５９７８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

この共振箇所の特定は、触診、聴診、目視により行われているが、個人差もあり精度が低い。そのため、特許文献２のレーザドップラ振動計のようなレーザドップラ式の非接触測定機が市販されているが、ポイント毎の測定であることから、共振箇所を特定するためには数十～数百箇所に測定ポイントを移動させる必要がある。このため、レーザドップラ振動計は、時間がかかり、また非常に高価である。

【0007】

また、現在最も広く利用されている方法として、部品に加速度センサを取り付けて測定して共振箇所を特定する方法が知られているが、そもそも質量を持つセンサを取り付けることにより、その部品特有の共振周波数自体が変化してしまう問題や、部品の形状によっては加速度センサ自体を取り付けることが難しいという問題がある。

【0008】

つまり、部品に加速度センサを取り付けるという接触式の方法で共振箇所を特定する場合には、共振周波数の変化や取付の問題が生じることから、本発明者は、共振箇所の特定としては非接触式が好ましいと考えた。また、本発明者は、非接触により共振箇所を特定するためには、その部品における各箇所の振動の状況を視覚化できれば、その部品のどの箇所で共振が行っているのか特定できると考えた。また、当然ながらできるだけ安価に共振箇所を特定できることが好ましい。

【0009】

そこで、本発明は、非接触で振動分布を可視化できるようにする振動分布可視化方法及び振動分布可視化装置を提供することを目的とする。また、本発明は、非接触で共振箇所を特定できるようにする共振箇所特定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】

上記課題を解決するため、本発明は、振動状態の測定対象物の振動分布をカラーマップ表示によって可視化を行った。なお、このカラーマップ表示は、振動の大小を色の濃度に対応させて表示したものである。また、カラーマップ表示は、必ずしもカラーでの表示だけを意味するものではなく、グレースケールでの表示も含む概念である。

【0011】

具体的には、本発明は、振動状態の測定対象物の振動分布を可視化する振動分布可視化方法であり、光源からのレーザ光を振動状態である測定対象物の表面に照射する照射工程と、前記測定対象物を撮影し撮影画像を取得する撮影工程と、前記撮影画像を用い、振動状態における前記レーザ光の振動幅を測定する振動幅測定工程と、測定したレーザ光の前記振動幅を用いてカラーマップ表示を行う表示工程と、からなることを特徴とする。

【0012】

本発明によれば、振動状態の測定対象物にレーザ光を照射し、その撮影画像からレーザ光の振動幅を測定し、この振動幅を基にしてカラーマップ表示を行うことから、非接触により測定対象物の振動分布を可視化することができる。また、測定対象物の振動分布が可視化できることにより、例えば、測定対象物の振動状態を変えていくことで共振が生じているのかどうか、また、共振が生じていれば測定対象物のどこで共振が発生しているか（共振箇所の特定）等、可視化された振動分布から知ることができる。

【0013】

また、本発明の振動分布可視化方法は、前記撮影工程では、前記測定対象物の撮影を長時間露光により行い、前記振動幅測定工程では、長時間露光により太線化したレーザ光の画像から振動幅を測定することを特徴とする。これにより、高速度カメラのような高価なものを使用しなくても、レーザ光の振動幅を確実に測定することができる。

【0014】

また、本発明の振動分布可視化方法は、前記表示工程における前記レーザ光の振動幅を用いたカラーマップ表示が、前記振動幅測定工程における振動状態の前記レーザ光の振動幅（振動状態振動幅）と、静止状態におけるレーザ光の幅（静止状態幅）から、
相対振動幅（ＲＷ）＝振動状態振動幅／静止状態幅
を算出し、該算出結果により表示を行うことを特徴とする。
本発明によれば、相対振動幅（ＲＷ）を用いることで、測定対象物の表面形状の凹凸の影響を受け難い表示が可能となる。

【0015】

また、本発明は、振動状態の測定対象物の振動分布を可視化する振動分布可視化装置であり、光源からのレーザ光を振動状態である測定対象物の表面に照射する照射部と、前記測定対象物を撮影し撮影画像を取得する撮影部と、前記撮影画像を用い、振動状態における前記レーザ光の振動幅を測定する振動幅測定部と、測定したレーザ光の前記振動幅を用いてカラーマップ表示を行う表示部と、からなることを特徴とする。

【0016】

本発明によれば、例えば、振動試験機が設置されている場所に振動分布可視化装置を持ち込み、その振動試験機を使って測定対象物を振動状態にすることで、その振動状態における測定対象物の振動分布を簡単に可視化して確認することができる。また、測定対象物の共振周波数がわかっている場合であれば、その測定対象物の共振周波数によって振動状態にして振動分布の可視化を行えば、共振状態の測定対象物のどこで大きな振動が生じているのかがわかるため、簡単に共振箇所を特定することができる。

【0017】

また、本発明は、測定対象物の共振周波数によって振動状態となっている該測定対象物の共振箇所を特定する共振箇所特定方法であり、光源からのレーザ光を振動状態である測定対象物の表面に照射する照射工程と、前記測定対象物を撮影し撮影画像を取得する撮影工程と、前記撮影画像を用い、振動状態における前記レーザ光の振動幅を測定する振動幅測定工程と、測定したレーザ光の前記振動幅を用いてカラーマップ表示を行う表示工程と、からなることを特徴とする。

【0018】

本発明によれば、共振が発生している測定対象物にレーザ光を照射して、その撮影画像からレーザ光の振動幅を測定し、この振動幅を基にしてカラーマップ表示を行っているので、レーザ光の振動幅が大きくなっている箇所で大きな振動が発生していることがわかるため、簡単に共振箇所を特定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る振動分布の可視化の概念図であり、（Ａ）は可視化前、（Ｂ）は可視化後の図である。

【図2】本発明に係る振動分布可視化方法の概念図である。

【図3】実験の際のシステム概要図である。

【図4】実験の際の模擬試料の説明図であり、（Ａ）は模擬試料の側面であり、（Ｂ）は模擬試料の表面にレーザ照射をしている画像であり、（Ｃ）はカメラによる模擬試料の撮影画像である。

【図5】実験で行った撮影方法に関する説明図である。

【図6】実験の際の実験条件に関する一覧表である。

【図7】本発明に係る振動幅測定工程を示す説明図であり、（Ａ）は図４（Ｃ）に示す撮影画像であり、（Ｂ）はその画像の２－ｄの位置の拡大図であり、（Ｃ）はデータを入力するドットマトリクスの図である。

【図8】振動分布の可視化を行ったカラーマップ表示の表示結果であり、（Ａ）は金属プレートの共振周波数以外の周波数で振動させた場合の表示結果であり、（Ｂ）は金属プレートの共振周波数で振動させた場合の表示結果である。

【図9】金属プレートの共振周波数で振動させた場合のカラーマップ表示の表示結果であり、（Ａ）は振動試験機の振動振幅が０．１ｍｍの場合であり、（Ｂ）は振動試験機の振動振幅が０．３ｍｍの場合であり、（Ｃ）は振動試験機の振動振幅が０．５ｍｍの場合である。

【図10】共振が生じていない箇所の相対振動幅（ＲＷ）の値と振動試験機の振動振幅の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、実施形態及び図面を参照にして本発明を実施するための形態を説明するが、以下に示す実施形態は、本発明をここに記載したものに限定することを意図するものではなく、本発明は特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。なお、この明細書における説明のために用いられた各図面においては、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて表示しており、必ずしも実際の寸法に比例して表示されているものではない。

【0021】

本発明における振動分布可視化方法とは、従来のように測定対象物に加速度センサを取り付けて情報を取得するのではなく、非接触で情報を取得し、その情報を基に測定対象物の振動分布を可視化するための方法であるが、まず測定対象物の振動分布を可視化する点について説明する。

【0022】

図１は、本発明の振動分布可視化方法により測定対象物の振動分布を可視化した際の概要図である。図１（Ａ）に示す測定対象物Ｍが、例えば測定対象物Ｍの共振周波数で振動している場合に、本発明の振動分布可視化方法を用いることで、図１（Ｂ）に示すように測定対象物Ｍがカラーマップ表示される。このカラーマップ表示は、振動の大きさが色の濃淡に対応した表示となっている。

【0023】

なお、図１（Ｂ）や後述する図８等の表示結果は、グレースケールでの表示例となっているが、実際にはカラー表示されている。ただし、カラーマップ表示と言っても必ずしもカラーである必要はなく、本発明におけるカラーマップ表示とは当然ながらグレースケールのような表示も含む概念である。また、図１では、測定対象物Ｍとして具体的にはドライブレコーダを示している。

【0024】

そして、カラーマップ表示されている測定対象物Ｍは、濃い色で示されている測定対象物Ｍの中心付近のＴのあたりで大きな振動が行っていることを示している。つまり、共振周波数で振動している測定対象物Ｍにおいて、濃い色で示されているＴの個所がこの測定対象物Ｍの共振箇所であることがわかる。従って、図１（Ｂ）の表示によれば、Ｔの個所について補強や設計変更を行えばよいことが簡単にわかる。なお、測定対象物ＭのＴ以外の薄い色の個所は、共振周波数で振動していても大きな振動が行っていないことを示している。

【0025】

次に、図１に示すような振動状態の測定対象物Ｍの振動分布を可視化する方法について説明する。図２は、振動分布可視化方法の概念図である。振動分布可視化方法は、振動状態の測定対象物の振動分布を可視化する振動分布可視化方法であり、光源からのレーザ光を振動状態である測定対象物の表面に照射する照射工程と、測定対象物を撮影し撮影画像を取得する撮影工程と、この撮影画像を用い、振動状態におけるレーザ光の振動幅を測定する振動幅測定工程と、測定したレーザ光のこの振動幅を用いてカラーマップ表示を行う表示工程と、からなる。

【0026】

具体的には、図２に示すように、振動状態の測定対象物Ｍの表面に複数のライン状のレーザ光Ｌを照射する（照射工程）。そして、レーザ光Ｌが照射された測定対象物ＭをカメラＣで撮影し測定対象物Ｍの撮影画像を取得する（撮影工程）。そして、カメラＣで撮影した撮影画像は処理装置Ｐに送られ、処理装置Ｐにてこの撮影画像から振動に伴って移動するレーザ光の振動幅を測定する（振動幅測定工程）。そして、処理装置Ｐにて測定したレーザ光の振動幅の値を使って表示装置Ｄ上にカラーマップ表示を行う（表示工程）。このような処理工程により測定対象物Ｍの振動分布の可視化を非接触にて行っている。

【0027】

次に、本発明者が図２に示すような振動分布可視化方法を完成させるに至るまでに行った実験内容について説明する。この実験内容を説明することにより、上記した振動分布可視化方法をより理解することができる。

【0028】

図３は、実験の際のシステムの概要図である。図３に示すように、スタンド１を準備し、このスタンド１にレーザ光源２とカメラ３を設置した。また、振動試験機４の上に測定対象物Ｍとなる模擬試料５をセットし矢印で示すように水平方向の振動を行った。なお、この実験や以下の説明では、測定対象物Ｍとなる模擬試料５の振動方向が水平方向のみとなっているが、振動方向は水平方向に限らず、垂直方向の振動でも構わない。つまり、本発明に関しては測定対象物Ｍを振動状態にして振動分布の可視化を行うが、測定対象物Ｍの振動方向はどのような方向であっても適用できる。

【0029】

水平方向に振動する模擬試料５に対して、レーザ光源２からレーザ光を発射し、ビームスプリッタ６を介して７本のライン状レーザを照射する。そして、斜め上方に設置したカメラ３にて７本のライン状レーザ光が照射されている模擬試料５の表面を撮影する。

【0030】

なお、レーザ光源２からのレーザ光を、ビームスプリッタ６を介して７本のライン状レーザにしているが、１本だけでは模擬試料５全体を一度に照射できないため複数のライン状レーザを使用している。従って、１本のライン状レーザで行う場合には、レーザ光を移動させる駆動装置が必要となる。また、複数のライン状レーザとする場合に、ビームスプリッタ６ではなく、複数のレーザ光源２を用いることもできる。また、レーザ光源２とカメラ３との間の角度としては３７°程度としている。

【0031】

図４は、模擬試料５に関する説明図である。図４（Ａ）は模擬試料５の側面図であり、（Ｂ）は模擬試料５の表面にレーザ照射した画像であり、（Ｃ）はカメラ３による撮影画像である。図４（Ａ）に示すように模擬試料５は、実際の測定対象物を想定した板状の金属プレート５Ａと、金属製の固定用ブロック５Ｂからなる。そして、金属プレート５Ａが片持ち梁の状態になるよう、金属プレート５Ａの下側を固定用ブロック５Ｂに固定した構造となっている。なお、図４（Ａ）では、金属プレート５Ａが振動している状態も併せて示している。また、金属プレート５Ａは、事前にＣＡＥ（computer aided engineering）によって共振周波数が２３Ｈｚであることがわかっている。

【0032】

そして、模擬試料５の表面に照射されたレーザ光は、斜め方向から観測すると、振動試験機４による水平方向の振動によりレーザ光が上下方向に動いて見えるようになる。この動いて見えるレーザ光を斜め方向に設置したカメラ３で撮影する。

【0033】

ところで本発明者は、模擬試料５の表面にライン状のレーザ光を照射し、斜め方向からカメラ３を使ってその画像を撮影し、その画像を利用して振動分布の可視化を行うことを思い付いた際に、いわゆる光切断法を参考にした。この光切断法とは、対象物にライン状レーザを照射し、測定対象物の高さ情報を取得することで、非接触により対象物の形状を測定する計測技術として一般的に知られている。本発明者は、この光切断法における対象物にライン状レーザを照射し、その反射光を取得する点を参考にした。

【0034】

また、本発明者は、この実験を通じて、図４（Ｂ）の模擬試料５の表面を実際にカメラ３で撮影してみると、通常の撮影では上下方向に動いて見えるレーザ光の撮影に撮りこぼしが生じることに気付いた。この点について図を用いて説明する。

【0035】

図５に示すように、カメラのファインダで見たレーザ光の動きは、振動試験機４の水平方向の振動により、輝線が上下方向にシフトして見える。この時、図５のフレーム撮影によると、レーザ光の動きは初期位置（０．０秒）から最大振幅時（０．２秒）に応じて変化して行く。従って、初期位置から最大振幅の際のシフト量を計測することによりレーザ光の振動する幅（振動幅）を計測することができる。

【0036】

しかしながら、フレーム撮影によると、振動試験機４の振動の周波数が高く（水平方向の動きが早く）なると、より高いフレームレートで撮影しなければ、最大振幅時の画像が撮影できず、レーザ光の撮りこぼしが生じるおそれがある。そして、最大振幅時の画像が撮影できないと、レーザ光の正確な振動幅が計測できなくなってしまう。従って、正確な撮影を行うためには、高いフレームレートでの撮影が可能な高価な高速度カメラが必要となってしまう。

【0037】

そこで、本発明者は、レーザ光の撮りこぼしが生じることなく、また高価な高速度カメラを用いないでもよい方法について検討を行い、長時間露光による方法を見出した。具体的には、図５の長時間露光撮影で示すように、例えば、１０秒間シャッターを開放して撮影することにより、その間レーザ光は何度も往復し、レーザ光が動いた範囲が太い線として撮影されることになる。

【0038】

このように長時間露光を行うことにより、太線化したレーザ光の画像を取得し、この太い線の幅を計測することで、レーザ光の振動幅を計測することができる。また、長時間露光による撮影であれば、撮りこぼしも発生しないため、振動試験機４の振動周波数が高くなっても高価な高速度カメラを必要としない。
なお、図５を用いて説明したフレーム撮影や長時間露光撮影の撮影時間は、わかり易く説明するための例示であり、実際の撮影時間とは異なる。

【0039】

以上のことから、図４ではカメラ３による長時間露光による撮影により太線化したレーザ光の画像取得を行った。なお、この時の実験条件の一覧を図６に示す。また、実験条件としては、露出時間を０．０１～０．５秒としているが、０．１～０．５秒が好ましい露光時間である。また、これ以上の長い露光時間になってくると、カメラ３の撮像素子へのダメージのおそれが懸念され、また撮影された画像からレーザ光の判別が難しくなってしまうおそれがある（例えば、測定対象物に模様があると、模様によっては撮影画像からレーザ光と模様の判別ができなくなってしまうことがある）。

【0040】

図４（Ｃ）はカメラ３による実際の撮影画像である。なお、この撮影においては、金属プレート５Ａの共振周波数が２３Ｈｚであるため、振動試験機４の振動周波数も金属プレート５Ａの共振周波数にあわせて２３Ｈｚとして水平方向に振動させている。また、カメラ３で撮影した画像には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の値が含まれているが、レーザ光が赤色であることから、Ｒ値のみを抽出し表示している。

【0041】

撮影画像には、片持ち梁で固定された金属プレート５Ａ（２本の破線の内側が金属プレート５Ａを示す）の上側に行くほどレーザ光が太くなって表示されている。この理由は、金属プレート５Ａの下側は固定用ブロック５Ｂに固定されているため、固定用ブロック５Ｂと同じように振動試験機４の振動にあわせて振動することになるが、金属プレート５Ａの上側は固定されていないために、金属プレート５Ａの共振周波数（２３Ｈｚ）で振動すると共振現象が生じることにより大きな振動が生じるからである。つまり、図４（Ａ）のように金属プレート５Ａは、共振周波数で振動されると上側になる程大きな振幅で振動する。

【0042】

次に、撮影画像を用いて振動状態におけるレーザ光の振動幅を測定する工程について説明する。図７は振動幅測定工程を示した概要図である。図７（Ａ）は、図４（Ｃ）に示す撮影画像である。まず、７本のライン状レーザの各々について、９か所（ａ～ｉ）の振動幅を測定するラインを設定する。

【0043】

そして、各ラインでの振動幅を測定する。図７（Ｂ）には、２－ｄの位置の拡大図を示している。振動幅の測定は、具体的には、まず振動幅測定用ライン（点線で示したライン）に沿ってＲ値の線分布を作成し（拡大図の右横に示す）、そしてこの線分布から振動幅としてＲ値の半値幅（矢印で示した部分）を測定する。

【0044】

なお、このレーザ光の振動幅は、振動試験機４が振動している状態で得た振動幅であるため振動状態振動幅となるが、振動試験機４が停止している状態で同じように各ラインでのレーザ光の幅を測定しておく。このレーザ光の幅は、静止状態におけるレーザ光の幅であるため静止状態幅となる。
そして、レーザ光に関する測定したこの振動状態振動幅と静止状態幅を使い、静止状態を基準とした相対振動幅（ＲＷ）を次のように定義する。
相対振動幅（ＲＷ）＝振動状態振動幅／静止状態幅

【0045】

そして、各ラインでＲＷを算出し、この算出した値を図７（Ｃ）に示す７×９のドットマトリクスへ入力する。そして、レーザ光の振動幅を用いたカラーマップ表示を行う表示工程として、この算出結果であるＲＷを使いカラーマップ表示を行うことで、振動分布の可視化を行った。

【0046】

なお、この実験では、カラーマップ表示の際、ＲＷの値が高ければ濃く表示されるように設定し、ＲＷの値が低ければ薄く表示されるように設定した。カラーマップ表示において濃く表示されている場合、振動状態においてレーザ光の振動幅が大きくなっていることであり、撮影画像においてはレーザ光の幅が太く写っている状態である。カラーマップ表示において薄く表示されている場合、振動状態においてレーザ光の振動幅にあまり違いがなく、撮影画像にいてはレーザ光の幅が細く写っている状態である。

【0047】

このようにして振動分布の可視化を行ったカラーマップ表示の表示結果を図８に示す。なお、図７（Ｃ）に示す７×９のドットマトリクスに対してＲＷを入力し、表示を行うため、表示結果としては７×９のドット表示になるが、今回はドット間についても画像処理を行い連続的な表示を行ったものについても併せて示す。図８（Ａ）、（Ｂ）の左側は単純なドット表示したものを示しており、右側は画像処理によりドット間を連続的に表示したものを示している。なお、左側の表示と右側の表示は、濃淡により示すＲＷの値による太細について、表示上では濃淡が反対になってしまっている。また、図８の左側の表示と、右側の表示のどちらを採用しても構わない。また、後述する図９についても図８と同様に示している。

【0048】

図８（Ａ）は、振動試験機４を振動周波数５０Ｈｚ、振動振幅０．３ｍｍ（全振幅ｐ－ｐ）で振動させた場合のカラーマップ表示であり、（Ｂ）は、振動試験機４を振動周波数２３Ｈｚ、振動振幅０．３ｍｍ（全振幅）で振動させた場合のカラーマップ表示である。

【0049】

先にも述べたように、金属プレート５Ａの共振周波数は２３Ｈｚである。図８（Ａ）に示すように、金属プレート５Ａの共振周波数以外の周波数で振動している場合には、金属プレート５Ａでは共振は発生していないため、固定用ブロック５Ｂと同じ動作となるため、金属プレート５Ａと固定ブロック５Ｂとでカラーマップ表示上の違いはみられない。

【0050】

一方、金属プレート５Ａの共振周波数で振動している場合、図８（Ｂ）に示すように、金属プレート５Ａでは共振が発生し、固定用ブロック５Ｂと明らかに異なる動作となり、カラーマップ表示上でも金属プレート５Ａが明確に識別できる表示となっている。つまり、振動分布を可視化することにより、共振現象を可視化することができた。なお、金属プレート５Ａの下側は、固定用ブロック５Ｂに固定されているため、金属プレート５Ａに共振が発生しても、金属プレート５Ａの上側と下側では異なるカラーマップ表示になっている。

【0051】

図９にもカラーマップ表示の表示結果を示す。図９は、何れも金属プレート５Ａの共振周波数（２３Ｈｚ）で振動試験機４を振動させており、振動試験機４の振動振幅（全振幅）を変えた表示結果である。図９（Ａ）は振動振幅０．１ｍｍ、（Ｂ）は振動振幅０．３ｍｍ（図９（Ｂ）と同じ）、（Ｃ）は振動振幅０．５ｍｍである。図９から、振動振幅の増大に伴って、金属プレート５Ａの相対振動幅（ＲＷ）が太線化しており、金属プレート５Ａの振動幅が大きくなっていることがわかる。

【0052】

以上のような実験結果を基にして、本発明である振動状態の測定対象物の振動分布を可視化する振動分布可視化方法であり、光源からのレーザ光を振動状態である測定対象物の表面に照射する照射工程と、この測定対象物を撮影し撮影画像を取得する撮影工程と、この撮影画像を用い、振動状態におけるレーザ光の振動幅を測定する振動幅測定工程と、測定したレーザ光の振動幅を用いてカラーマップ表示を行う表示工程と、からなる振動分布可視化方法に至った。

【0053】

そして、この振動分布可視化方法によれば、振動状態の測定対象物にレーザ光を照射し、その撮影画像からレーザ光の振動幅を測定し、この振動幅を基にしてカラーマップ表示を行うことから、非接触により測定対象物の振動分布を可視化することができる。また、測定対象物の振動分布が可視化できることにより、例えば、測定対象物の振動状態を変えていくことで共振が生じているのかどうか、また、共振が生じていれば測定対象物のどこで共振が発生しているか（共振箇所の特定）等、可視化された振動分布から知ることができる。

【0054】

また、測定対象物の共振周波数が既に分かっている場合であれば、その測定対象物の共振周波数によって振動状態にして、上記のようなカラーマップ表示を行えば、その共振状態の測定対象物のどこで大きな振動が生じているのかがわかるため、簡単に共振箇所を特定することができる。具体的には、図１（Ｂ）のようなカラーマップ表示を実現することができる。

【0055】

また、撮影工程では、測定対象物の撮影を長時間露光により行い、振動幅測定工程では、長時間露光により太線化したレーザ光の画像から振動幅を測定しているため、高速度カメラのような高価なものを使用しなくても、レーザ光の振動幅を確実に測定することができる。

【0056】

また、表示工程におけるレーザ光の振動幅を用いたカラーマップ表示は、振動幅測定工程における振動状態のレーザ光の振動幅（振動状態振動幅）と、静止状態におけるレーザ光の幅（静止状態幅）から、
相対振動幅（ＲＷ）＝振動状態振動幅／静止状態幅
を算出し、この算出結果により表示を行っている。測定対象物の表面形状は、金属プレート５Ａとは異なり、様々な形状となっている。従って、共振が発生していない場合でも、表面形状の凹凸によっても、レーザ光の振動幅が大きな違いが生じる得る。従って、静止状態幅を基準とした相対振動幅（ＲＷ）を用いることで、表面形状の凹凸の影響を受け難くなる。

【0057】

［実施形態１］
次に、本発明の振動分布可視化方法を利用した実施形態である振動分布可視化装置について説明する。振動分布可視化装置は、振動状態の測定対象物の振動分布を可視化する振動分布可視化装置であり、光源からのレーザ光を振動状態である測定対象物の表面に照射する照射部と、この測定対象物を撮影し撮影画像を取得する撮影部と、この撮影画像を用い、振動状態におけるレーザ光の振動幅を測定する振動幅測定部と、測定したレーザ光の振動幅を用いてカラーマップ表示を行う表示部と、からなる。

【0058】

振動分布可視化装置は、具体的には図２の概念図や図３に示した実験用のシステムのように、光源２からなる照射部と、カメラ３からなる撮影部と、処理装置Ｐかなる振動幅測定部と、カラーマップ表示を行う表示装置Ｄからなる表示部と、で構成されている。

【0059】

また、撮影部は、測定対象物を斜め方向から撮影する必要がある。従って、照射部と撮影部の位置関係は重要となることから、図３に示す光源２とカメラ３の位置を固定、調整するスタンド１のような照射部・撮影部の調整機構を備えているのがより好ましい。また、スタンド１は必ずしも一体のものである必要はなく、照射部と撮影部がそれぞれ別体のスタンドで構成されていても構わない。

【0060】

このような構成からなる振動分布可視化装置を、例えば、振動試験機４を有する場所に持ち込み、その振動試験機４を使って測定対象物を振動状態にすることで、その振動状態における測定対象物の振動分布を簡単に可視化して確認することができる。また、測定対象物の共振周波数がわかっている場合であれば、その測定対象物の共振周波数によって振動状態にして振動分布の可視化を行えば、共振状態の測定対象物のどこで大きな振動が生じているのかがわかるため、簡単に共振箇所を特定することができる。

【0061】

なお、本実施形態の振動分布可視化装置は、測定対象物を振動状態にする振動試験機４のような振動部を備えていないが、このような振動部を備える構成としてもよい。また、図３に示すビームスプリッタ６も当然ながら備えてもよく、また、照射部を複数備える構成としてもよい。

【0062】

また、撮影部であるカメラ３は１台だけの例を説明したが、撮影部は複数用いることも可能である。この場合、異なる角度で複数のカメラ３を設置し、それぞれのカメラ３で測定対象物を撮影し、複数の撮影画像を取得し、それぞれの撮影画像からレーザ光の振動幅を測定し、例えばそれらの測定値の平均を利用してカラーマップ表示を行うことも可能である。このような複数の撮影部による撮影画像を利用することでより精度の高い表示を行うことができる。

【0063】

［実施形態２］
次に他の実施形態に係る振動分布可視化装置について説明する。本実施形態の振動分布可視化装置は、実施形態１の振動分布可視化装置に更に、振動幅算出部を備えた構成となっている。この振動幅算出部について説明する。

【0064】

まず、本発明者は、振動分布可視化方法を完成させるに至るまでに行った実験によって、図８、図９に示すような多くのデータを得ることができた。これらのデータを基にして金属プレート５Ａ以外の部分（共振が生じていない箇所：固定用ブロック５Ｂ）の相対振動幅（ＲＷ）の値と振動試験機４の振動振幅の関係について調べたところ、図１０に示すような関係を得ることができた。

【0065】

従って、図１０に示すこの関係に基づけば、相対振動幅（ＲＷ）から振動幅を算出することができる。例えば、共振している金属プレート５ＡのＲＷが４であれば、その時金属プレート５Ａの振動幅は１．４ｍｍ（全振幅）で振動していることが算出でき、その結果を出力することができる。

【0066】

従って、本実施形態の振動分布可視化装置は、振動幅算出部を備えることにより、単に測定対象物の振動分布をカラーマップ表示により可視化するだけでなく、測定対象物の振動幅を算出し、出力表示することができる。

【符号の説明】

【0067】

Ｍ：測定対象物
Ｔ：共振箇所
Ｌ：レーザ光
Ｃ：カメラ
Ｐ：処理装置
Ｄ：表示装置
１：スタンド
２：レーザ光源
３：カメラ
４：振動試験機
５：模擬試料
５Ａ：金属プレート
５Ｂ：固定用ブロック

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】