(57)【要約】【課題】音波の振動成分に限らず機械振動を含む振動分布の状況を可視化できると共に、配置される複数の検出機器の位置によらずに振動振幅及び位相の変化を精度良くかつ簡便に求めることができる振動場可視化装置を提供する。【解決手段】振動場可視化装置は、物理振動を検出し、検出した物理振動を示す電気信号を出力する検出部と、検出部から入力された電気信号と所定の基準信号とに基づいて検波処理を行う乗算器と、乗算器の検波処理結果を示す信号の低周波成分のみ通過させる濾波処理を行う低域通過フィルタと、複数の発光素子を有し、低域通過フィルタを介して入力された信号の電圧／電流変換処理結果に基づき、複数の発光素子の発光制御を行う発光部とを備える。検出部、乗算器、低域通過フィルタ及び発光部が１つの筐体に一体的に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理的な振動を検出し、検出したその振動を示す電気信号を出力する検出部と、
前記検出部から入力された前記電気信号と所定の基準信号とに基づいて検波処理を行う乗算器と、
前記乗算器の検波処理結果を示す信号の低周波成分のみ通過させる濾波処理を行う低域通過フィルタと、
複数の発光素子を有し、前記低域通過フィルタを介して入力された信号の電圧／電流変換処理結果に基づき、前記複数の発光素子の発光制御を行う発光部と、を備え、
前記検出部、前記乗算器、前記低域通過フィルタ及び前記発光部が１つの筐体に一体的に設けられていることを特徴とする振動場可視化装置。
【請求項２】
前記乗算器が一対設けられ、
前記乗算器の一方には、前記乗算器の他方に入力される前記所定の基準信号に対して位相が９０度ずれた基準信号が入力され、
前記乗算器の一方は、前記検出部から入力された前記電気信号の実部に対応する第１信号を出力し、前記乗算器の他方は前記電気信号の虚部に対応する第２信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の振動場可視化装置。
【請求項３】
前記複数の発光素子はフルカラーＬＥＤであり、
前記発光部は、前記低域通過フィルタを介して入力された前記第１信号及び前記第２信号が示す前記物理的な振動の振動振幅値及び位相値に基づいて、前記振動振幅値を前記フルカラーＬＥＤの発光輝度で表現し、前記位相値を前記フルカラーＬＥＤの発光色で表現するよう、前記複数の発光素子を駆動することを特徴とする請求項２に記載の振動場可視化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度又は音圧等の振動が伝播している振動場の状況を可視化する振動場可視化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
音響空間を適切に設計するためには、当該音響空間の内部で音源となるような機械振動又は騒音が音波として伝播する音場空間の音圧について、その分布を把握する必要がある。このため、振動場での例えば音振動（音波）についての状況を可視化する技術が提案されている。
【０００３】
特許文献１に開示された音場可視化システムでは、発光部と、マイクロフォンと、発光部をマイクロフォンの出力信号に応じて発光させる発光制御部と、を有する音／光変換器を複数用意し、この複数の音／光変換を音響空間内の互いに異なる位置に配置して、音響空間内に放射される音波の伝播状況を可視化する。特許文献１の発光制御部は、ストローブ信号に同期させてマイクロフォンの出力信号の瞬時値をサンプルホールドし、サンプルホールドされた瞬時値に応じた輝度で発光部を発光させる。
【０００４】
また、特許文献２に開示された音場可視化システムは、発光部がマイクロフォンの出力信号をサンプリングするサンプリング回路を有し、さらにマイクロフォンの出力信号の周期に基づきトリガー信号を生成するトリガー信号生成部と、トリガー信号生成部で生成したトリガー信号をそれぞれのサンプリング回路に出力する制御部と、を備える。この音場可視化システムでは、サンプリング回路がトリガー信号に応じてマイクロフォンの出力信号をサンプリングし、このサンプリングされた信号に基づいて発光部の制御が行われる。
【０００５】
なお、上記特許文献１，２の音場可視化システムはいずれも可視化対象を音波としており、機械振動を対象としては構成されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１９１４６４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１８５１２号公報
【特許文献３】特開平３−１５２４７０号公報
【特許文献４】特開平９−８１０６６号公報
【特許文献５】特開２０１０−６０６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記説明した特許文献１，２の音場可視化システムは、発光制御に関してサンプルホールドされた瞬時値を基準にしたタイミング又はサンプリング回路に出力されたトリガー信号のタイミングに基づいて音振動の瞬時値を捕捉して、振動場の状況を可視化する。一方、このような振動現象を捕捉する際には、振動の振幅だけでなく位相をも把握することが不可欠な場合がある。特に、複数の位置に検出機器（例えば、特許文献１での音／光変換器等）を配置して振動分布を把握する際には、異なる位置に配置された各検出機器が検出する位相の変化（位相差）が重要である。しかし、特許文献１，２の音場可視化システムのように瞬時値を捕捉する場合には、異なる位置に配置された検出機器間の位相差を直接算出できない。
【０００８】
また、特許文献１，２の音場可視化システムでは、位相差を求めるためには検出機器を１波長以上にわたって分布させ、波動の周期性を把握できるように配置されている必要がある。すなわち、位相差を含む振動分布の把握を行うためには、特許文献１，２の音場可視化システムでは当該配置上の制約があるため、使い勝手及び精度を改善する余地がある。
【０００９】
本発明の目的は、音波の振動成分に限らず機械振動を含む振動分布の状況を可視化できると共に、配置される複数の検出機器の位置によらずに振動振幅及び位相の変化を精度良くかつ簡便に求めることができる振動場可視化装置を提供することである。以降は、機械の表面の面外方向振動といった機械振動の分布を把握することを例として取り上げる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
【００１１】
（１）物理的な振動を検出し、検出したその振動を示す電気信号を出力する検出部と、
前記検出部から入力された前記電気信号と所定の基準信号とに基づいて検波処理を行う乗算器と、
前記乗算器の検波処理結果を示す信号の低周波成分のみ通過させる濾波処理を行う低域通過フィルタと、
複数の発光素子を有し、前記低域通過フィルタを介して入力された信号の電圧／電流変換処理結果に基づき、前記複数の発光素子の発光制御を行う発光部と、を備え、
前記検出部、前記乗算器、前記低域通過フィルタ及び前記発光部が１つの筐体に一体的に設けられていることを特徴とする振動場可視化装置。
【００１２】
（２）前記乗算器が一対設けられ、
前記乗算器の一方には、前記乗算器の他方に入力される前記所定の基準信号に対して位相が９０度ずれた基準信号が入力され、
前記乗算器の一方は、前記検出部から入力された前記電気信号の実部に対応する第１信号を出力し、前記乗算器の他方は前記電気信号の虚部に対応する第２信号を出力することを特徴とする（１）に記載の振動場可視化装置。
【００１３】
（３）前記複数の発光素子はフルカラーＬＥＤであり、
前記発光部は、前記低域通過フィルタを介して入力された前記第１信号及び前記第２信号が示す前記物理的な振動の振動振幅値及び位相値に基づいて、前記振動振幅値を前記フルカラーＬＥＤの発光輝度で表現し、前記位相値を前記フルカラーＬＥＤの発光色で表現するよう、前記複数の発光素子を駆動することを特徴とする（２）に記載の振動場可視化装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る振動場可視化装置によれば、機械振動や音振動等様々な振動現象を対象にして振動場の可視化を行うことができ、また、振動場可視化装置の配置位置によらずに、位相の変化も含む振動場の可視化を簡素な構成で精度良く迅速に行うことができる。その結果、作業者は物理振動の振動振幅のみならず位相の変化を含め、振動場の状況を直感的かつ瞬時に把握することができる。
【００１５】
また、検出部、乗算器、低域通過フィルタ、及び発光部が１つの筐体に一体的に設けられているため、振動場可視化装置を、振動場の振動分布を把握したい対象物に複数配置するだけで良く、各検出値を個別に取得するために多量の配線を行うことなく、振動場の状況を直接かつ容易に可視化できる。さらに、基準信号の周波数を適宜変更することにより、対象物における振動現象を様々な観点から分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態の振動場可視化装置（センサユニット）の概略構成を示すブロック図
【図２】複素ベクトルで表現した振動の複素量と振動振幅値及び位相値との関係を示すグラフ
【図３】複素ベクトルで表現した振動の複素量と発光部の発光素子の明るさとの関係を示すグラフ
【図４】振動場可視化装置の第１変形例を説明するブロック図
【図５】振動場可視化装置の第２変形例を説明するブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る振動場可視化装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
図１は、一実施形態の振動場可視化装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す振動場可視化装置（以下、単に「センサユニット」とも言う）１０は、例えば移動設備等の機械構造物に複数設置されて使用される。図１に示すように、センサユニット１０は、検出部１１と、第１及び第２乗算器１４ａ，１４ｂと、第１及び第２低域通過フィルタ１５ａ，１５ｂと、発光部１６とを備える。
【００１９】
検出部１１は、センサユニット１０が設置された機械構造物における機械振動（物理振動）を検出して、検出した機械振動を示す電気信号ＥＳを出力する。図１に示すように、検出部１１は、機械振動を電気信号に変換する振動検出素子１２と、振動検出素子１２が出力する電気信号を増幅して前述の電気信号ＥＳを出力する増幅器１３とを有する。振動検出素子１２は、圧電素子を利用した形態（具体的には、両持ち梁構造であるバイモルフ型片持ち梁型、円環型等の各種の形態が使用可）、歪みゲージ式、静電容量型、ピエゾ抵抗型、マイクロマシニングを利用する形態、ＩＣパッケージがされた形態等、種々の様式の素子の中から選択される。増幅器１３は、オペアンプによって振動検出素子１２の出力信号を増幅して出力する。
【００２０】
第１及び第２乗算器１４ａ，１４ｂは、検出部１１から入力された電気信号ＥＳと、正弦波等の所定の基準信号Ｓ１，Ｓ２とを積算することによるプロダクト検波処理を行う。基準信号Ｓ１，Ｓ２は、双方が同じ周波数成分の交流波形であれば正弦波に限らない。第１及び第２乗算器１４ａ，１４ｂからは、検波処理結果を示す信号Ｓａ，Ｓｂが出力される。
【００２１】
以下の説明では、基準信号Ｓ１は第１乗算器１４ａで用いられ、基準信号Ｓ２は第２乗算器１４ｂで用いられる。また、基準信号Ｓ１，Ｓ２は周波数が同じであるが、位相が９０度ずれている。このため、第１乗算器１４ａは、図２に示す複素平面における振動の複素数表現に従うように、電気信号ＥＳの実部に対応する第１信号Ｓａを出力し、第２乗算器１４ｂは、電気信号ＥＳの虚部に対応する第２信号Ｓｂを出力する。
【００２２】
第１及び第２低域通過フィルタ１５ａ，１５ｂは、第１及び第２乗算器１４ａ，１４ｂの各検波処理結果を示す第１及び第２信号Ｓａ，Ｓｂの低周波数成分のみ通過させる濾波処理を行う。すなわち、第１及び第２低域通過フィルタ１５ａ，１５ｂは、第１及び第２信号Ｓａ，Ｓｂをそれぞれ平均化して直流成分のみを通過させる。
【００２３】
なお、検出部１１から出力された電気信号ＥＳの内、基準信号Ｓ１，Ｓ２の周波数と異なる成分は、第１及び第２乗算器１４ａ，１４ｂにおいて、基準信号Ｓ１，Ｓ２との周波数差を有する信号に変換され、低域通過フィルタ１５ａ，１５ｂから交流成分として出力される。このため、低域通過フィルタ１５ａ，１５ｂの遮断周波数を極めて小さく設定すれば、基準信号Ｓ１，Ｓ２と異なる成分を除いた安定した結果を得ることができる。また、当該処理は、機械振動の周波数が、実値よりもずっと低い周波数に変換されることを意味する。つまり、電気信号ＥＳに特定の周波数成分が含まれていることが既知である場合、当該特定の周波数成分とは僅かに異なる周波数の基準信号Ｓ１，Ｓ２を第１及び第２乗算器１４ａ，１４ｂに入力して、そのときの最終的な出力の経時変化を捕捉すれば、機械振動の振動場を動的に可視化できる。
【００２４】
発光部１６は、第１及び第２低域通過フィルタ１５ａ，１５ｂを介した２つの信号に基づく発光を行う。図１に示すように、発光部１６は、変換駆動回路１７と、フルカラーＬＥＤ（発光素子）１８とを有する。変換駆動回路１７は、第１及び第２低域通過フィルタ１５ａ，１５ｂから出力された直流電圧値、すなわち振動を複素量で表現したときの実部と虚部に相当する値を変換して、フルカラーＬＥＤ１８を駆動する。フルカラーＬＥＤ１８は、赤色発光素子１８Ｒ、緑色発光素子１８Ｇ及び青色発光素子１８Ｂを有し、各発光素子１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂを適宜発光させることにより多様な色の表現を実現している。したがって、変換駆動回路１７は、第１及び第２信号Ｓａ，Ｓｂの直流電圧値を３つの電流値に変換（電圧／電流変換）するか、３つのパルスのそれぞれのデューティ比に変換したＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動によって、フルカラーＬＥＤ１８の各発光素子１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂの明るさを制御する。
【００２５】
上記説明したセンサユニット１０の各構成要素は、１つの筐体（不図示）の内部に収納されている。なお、センサユニット１０の各構成要素は、電気回路等のハードウェアにより実現されても、プログラマブルＩＣ等を用いてその機能がソフトウェアで実現されても良い。
【００２６】
以下、発光部１６の変換駆動回路１７における電圧／電流変換について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、複素ベクトルで表現した振動の複素量と振動振幅値及び位相値との関係を示すグラフである。また、図３は、複素ベクトルで表現した振動の複素量と発光部の各発光素子の明るさとの関係を示すグラフである。
【００２７】
上記機械振動の複素量の基本的概念は、二次元平面上で理解することができる。前述した第１及び第２信号Ｓａ，Ｓｂの各直流電圧値、すなわち、振動の複素量の実部と虚部を表す各電圧値は、図２に示すように、オイラーの公式に基づいて実部を横軸、虚部を縦軸とした複素平面上に表すことができる。第１及び第２信号Ｓａ，Ｓｂの各直流電圧値によって決定される複素平面上の点（機械振動の複素量）は、原点からの距離が振動振幅に対応し、原点周りの角度が位相に対応する。
【００２８】
第１及び第２信号Ｓａ，Ｓｂの直流電圧値をフルカラーＬＥＤ１８の各発光素子１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂのそれぞれの明るさに変換する駆動回路については、図３に示すように、３つの軸が１２０度毎に配置されたＲＧＢ座標系に、前述の複素平面上の点を写像することで行われる。このとき、３つの軸のうち近傍の２つの軸で複素平面上の点の座標が表される。変換駆動回路１７は、この３軸の対応によって、第１及び第２信号Ｓａ，Ｓｂの直流電圧値から３つの電流値、あるいはそれぞれデューティ比を変化させた３つのパルスに変換することで、フルカラーＬＥＤ１８の各発光素子１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂをそれぞれ駆動する。
【００２９】
以上の説明から、発光部１６のフルカラーＬＥＤ１８における輝度が振動の振幅を表現し、その発光色が振動の位相を表現すると理解できるため、変換駆動回路１７が可視化対象である機械振動の複素値を、振動振幅値及び位相値に算出して変換すると捉えることができる。
【００３０】
次に、センサユニット１０の使用方法及びその作用について説明する。
【００３１】
まず、センサユニット１０を振動場の複数の位置に配置する。当該振動場に所定周波数の振動が伝播しているとき、この振動の周波数と、センサユニット１０の第１及び第２乗算器１４ａ，１４ｂに入力される基準信号Ｓ１，Ｓ２の周波数とを同期させる。その結果、振動場における位相の変化を含む振動分布が、複数の位置に配置されたセンサユニット１０のフルカラーＬＥＤ１８の発光により可視化される。フルカラーＬＥＤ１８の発光色は、基準信号Ｓ１，Ｓ２と機械振動との位相差の値に厳密に対応する。このため、複数のセンサユニット１０の配置が１波長以上にわたらずに局所的な位相分布となっても、その振動場の状況を的確に把握できる。
【００３２】
なお、振動の振幅が小さい場合には、発光部１６のフルカラーＬＥＤ１８の輝度が小さくなり、位相の変化を表す発光色が認識しづらくなる。しかし、振動の複素数表現、即ち複素平面上で解釈すれば、振動振幅が小さい複素数の位相に大きな意味はない。この理解は振動の複素振幅が表現する物理的概念とも整合する。このため、発光部１６のフルカラーＬＥＤ１８の発光は、作業者の直感的かつ迅速な理解を促すことに繋がる。
【００３３】
このように、本実施形態は、振動場の主要な周波数成分に注目し、基準信号Ｓ１，Ｓ２の周波数をそれと僅かにずらしてセンサユニット１０を振動場に複数配置して振動場の可視化を行うものであり、振動が伝播していく様子を動的に捕捉することができる。特に、振動振幅と位相の変化が、発光部１６のフルカラーＬＥＤ１８における輝度と発光色の変化にそれぞれ対応して表現される。
【００３４】
これに対し、前述した特許文献１、２等の先行技術では、物理振動の伝播をＬＥＤの輝度変化のみとした場合には、振動振幅と位相とのそれぞれの変化を区別することができない。換言すれば、これら先行技術では瞬時値を扱っているため、偶然に振幅が零になってＬＥＤが発光しない場合と、振動分布の節が振動しないためにＬＥＤが発光しない場合とを区別することができない。すなわち、振動場の可視化において、本実施形態によれば、センサユニット１０の配置位置の振動が基準信号Ｓ１，Ｓ２のいずれかと同位相であるために、第１信号Ｓａあるいは第２信号Ｓｂの直流電圧値が零であったとしても、発光部１６のフルカラーＬＥＤ１８は消灯することなく、位相に対応した発光色で、振動振幅に応じた輝度で発光することになる。したがって、本実施形態は、振動場において位相が変化する振動伝播と、振動振幅の変化で腹や節が現れる定在波を明確に区別することができるという技術的意義を有している。
【００３５】
本実施形態が前述した特許文献１，２等の先行文献と異なって可能とした位相分布の直接可視化は、波動の伝播方向の明示をもたらす。センサユニット１０を振動場に複数配置し、発光部１６のフルカラーＬＥＤが同色で発光している位置を結んだ線が波面を表し、波動の伝播方向はその波面の法線方向となる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態のセンサユニット１０によれば、センサユニット１０の配置位置によらずに、機械振動の振動振幅だけでなく位相の変化も含む振動場の可視化を簡素な構成で精度良く行うことができる。その結果、作業者は把握したい場の振動分布をその計測場を見ながら直感的かつ瞬時に把握することができ、複数人による状況確認や、センサユニット１０の設置位置変更、振動条件の変更による再測定も極めて容易である。
【００３７】
また、センサユニット１０の構成要素が１つの筐体に一体的に設けられているため、センサユニット１０を、振動場の振動分布を把握したい対象物に複数配置するだけで良いため、各検出値を取り出すための個別配線を行う必要がない。さらに、基準信号Ｓ１，Ｓ２の周波数を適宜変更することにより、対象物における振動現象を様々な観点から分析することができる。
【００３８】
次に、センサユニット１０の第１変形例及び第２変形例について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、第１変形例のセンサユニット２０を説明するブロック図である。また、図５は、第２変形例のセンサユニット３０を説明するブロック図である。なお、以下の説明では、図１に示したセンサユニット１０との相異点を中心に説明し、センサユニット１０が備える構成要素と同一又は同等部分については、図面に同一或いは同等符号を付してその説明を省略或いは簡略化する。
【００３９】
第１変形例のセンサユニット２０は、図４に示すように、第１及び第２乗算器１４ａ，１４ｂの両方に電気的に接続されるフリップフロップ回路２１をさらに備える。フリップフロップ回路２１には、方形波の基準信号が入力される。フリップフロップ回路２１には、所望の周波数の４倍の周波数のクロックが入力される。
【００４０】
フリップフロップ回路２１は、１つの基準信号から２つの基準信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。このため、結果的に基準信号を１つフリップフロップ回路２１に入力すれば良いため、センサユニット２０に入力する配線をセンサユニット１０に対して減らして構成をさらに簡素化することができる。
【００４１】
第２変形例のセンサユニット３０は、図５に示すように、変換駆動回路１７及びフルカラーＬＥＤ１８を有する発光部１６の代わりに、第１及び第２デコーダ３７ａ，３７ｂ及び第１及び第２ＬＥＤアレイ３８ａ，３８ｂを有する発光部３６を備える。
【００４２】
第１及び第２デコーダ３７ａ，３７ｂは、第１及び第２低域通過フィルタ１５ａ，１５ｂを介して入力された第１及び第２信号Ｓａ，Ｓｂの直流電圧値を２進デジタル信号に変換する。第１及び第２ＬＥＤアレイ３８ａ，３８ｂは、複数のＬＥＤ素子がアレイ状に配置されており、第１及び第２デコーダ３７ａ，３７ｂによって変換された２進デジタル信号に基づき、振動場の可視化を２進数で表現する。
【００４３】
第１及び第２ＬＥＤアレイ３８ａ，３８ｂは、第１及び第２信号Ｓａ，Ｓｂの直流電圧値を２進数によって直読できるように表示する。そのようなセンサユニット３０を把握したい振動場に配置し、動作中の様子を映像で記録すれば、振動の計測位置と、その位置の振動の複素振幅の実部と虚部の値を、同時にかつ瞬時に記録できる。
【００４４】
なお、本発明は前述の実施形態又は変形例に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、前述の実施形態では可視化対象として機械振動を取り扱ったが、音響空間を伝播する音波を可視化対象としても良い。この場合、検出部の振動検出素子としてマイクロフォンが用いられる。このように、振動検出素子として最適な部品を適宜選択することにより、機械振動のみならず音振動といった様々な振動現象を対象にして振動場の可視化を行うことができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０，２０，３０  振動場可視化装置（センサユニット）
１１  検出部
１２  振動検出素子
１３  増幅器
１４ａ  第１乗算器
１４ｂ  第２乗算器
１５ａ  第１低域通過フィルタ
１５ｂ  第２低域通過フィルタ
１６，３６  発光部
１７  変換駆動回路
１８  フルカラーＬＥＤ（発光素子）
２１  フリップフロップ回路
３７ａ  第１デコーダ
３７ｂ  第２デコーダ
３８ａ  第１ＬＥＤアレイ
３８ｂ  第２ＬＥＤアレイ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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