(57)【要約】【課題】振動計測の精度の向上を図ることができる振動計測システムを得る。【解決手段】実施形態の振動計測システムは、レーザ振動計と、照射装置と、計測装置と、制御装置と、を備える。レーザ振動計は、対象物の表面に照射したレーザ光の反射光に基づいて表面の振動を計測する。照射装置は、レーザ光の照射方向を変更可能である。計測装置は、照射装置の変位に対応して変化する物理量を計測する。制御装置は、表面のレーザ光の照射位置の変化が抑制されるよう、計測装置によって計測された物理量に基づいて照射装置を制御する。計測装置は、加速度計と、距離計と、を有する。加速度計は、照射装置の加速度を計測する。距離計は、表面に対する照射装置の変位に応じて変化する物理量としての距離を計測する。【選択図】図３
2016061764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の表面に照射したレーザ光の反射光に基づいて前記表面の振動を計測するレーザ振動計と、
前記レーザ光の照射方向を変更可能な照射装置と、
前記照射装置の変位に対応して変化する物理量を計測する計測装置と、
前記表面の前記レーザ光の照射位置の変化が抑制されるよう、前記計測装置によって計測された前記物理量に基づいて前記照射装置を制御する制御装置と、を備え、
前記計測装置は、
前記照射装置の加速度を計測する加速度計と、
前記表面に対する前記照射装置の変位に応じて変化する前記物理量としての距離を計測する距離計と、
を有した振動計測システム。
【請求項２】
前記照射装置は、前記表面での前記レーザ光の照射位置が留まる滞留期間と前記表面での前記レーザ光の照射位置が移動する移動期間とが交互に繰り返されて前記レーザ光が段階的に前記表面上でスキャンされるよう、前記レーザ光の照射方向を制御し、
前記制御装置は、前記滞留期間における前記レーザ光の照射位置の変化が抑制されるよう、前記照射装置を制御する、請求項１に記載の振動計測システム。
【請求項３】
前記レーザ振動計から出射された前記レーザ光の焦点を調整するオートフォーカス装置を備え、
前記制御装置は、前記レーザ光の焦点が前記対象物の表面に合うように前記オートフォーカス装置を制御する、請求項１または２に記載の振動計測システム。
【請求項４】
前記照射装置によって照射される前記レーザ光の光軸と交差する回転中心軸回りに前記照射装置を回転させる回転装置を備えた、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の振動計測システム。
【請求項５】
対象物の表面に照射したレーザ光の反射光に基づいて前記表面の振動を計測するレーザ振動計と、前記レーザ光の照射方向を変更可能な照射装置と、前記照射装置の変位に対応して変化する物理量を計測する計測装置と、を備えた振動計測システムに設けられ、
前記表面の前記レーザ光の照射位置の変化が抑制されるよう、前記計測装置によって計測された前記物理量に基づいて前記照射装置を制御する、制御装置。
【請求項６】
対象物の表面に照射したレーザ光の反射光に基づいて前記表面の振動を計測するレーザ振動計と、前記レーザ光の照射方向を変更可能な照射装置と、を備えた振動計測システムで実行される振動計測方法であって、
計測装置が、前記照射装置の変位に対応して変化する物理量を計測する工程と、
制御装置が、前記表面の前記レーザ光の照射位置の変化が抑制されるよう、前記計測装置によって計測された前記物理量に基づいて前記照射装置を制御する工程と、を含み、
前記物理量を計測する工程は、加速度計が、前記照射装置の加速度を計測する工程と、距離計が、前記表面に対する前記照射装置の変位に応じて変化する前記物理量としての距離を計測する工程と、
を含む振動計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、振動計測システム、制御装置、および振動計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物の表面にレーザ光を照射し、当該レーザ光の反射光に基づいて対象物の表面の振動を計測するレーザ振動計が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３６０６０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種のレーザ振動計では、当該レーザ振動計や、当該レーザ振動計が取り付けられた車両に振動または移動が発生して対象物の表面のレーザ光の照射位置がずれると、振動計測の精度が低下してしまうという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の振動計測システムは、レーザ振動計と、照射装置と、計測装置と、制御装置と、を備える。前記レーザ振動計は、対象物の表面に照射したレーザ光の反射光に基づいて前記表面の振動を計測する。前記照射装置は、前記レーザ光の照射方向を変更可能である。前記計測装置は、前記照射装置の変位に対応して変化する物理量を計測する。前記制御装置は、前記表面の前記レーザ光の照射位置の変化が抑制されるよう、前記計測装置によって計測された前記物理量に基づいて前記照射装置を制御する。前記計測装置は、加速度計と、距離計と、を有する。前記加速度計は、前記照射装置の加速度を計測する。前記距離計は、前記表面に対する前記照射装置の変位に応じて変化する前記物理量としての距離を計測する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、実施形態の検査システムの検査形態の例示的な図である。
【図２】図２は、実施形態の検査システムの設置形態の例示的な図である。
【図３】図３は、実施形態の振動計測システムの例示的な構成図である。
【図４】図４は、実施形態の照射装置の例示的な斜視図である。
【図５】図５は、実施形態の照射装置の例示的な側面図である。
【図６】図６は、図５のVI矢視図である。
【図７】図７は、実施形態の振動計測システムの振動計測を説明するための説明図である。
【図８】図８は、実施形態の振動計測システムの変位について説明するための例示的な説明図である。
【図９】図９は、実施形態の振動計測システムのレーザ光のｘ軸方向の照射位置の決定方法を説明するための例示的な説明図である。
【図１０】図１０は、実施形態の振動計測システムのレーザ光のｙ軸方向の照射位置の決定方法を説明するための例示的な説明図である。
【図１１】図１１は、実施形態の振動計測システムのレーザ光のｚ軸方向の照射位置について説明するための説明図である。
【図１２】図１２は、実施形態のレーザ光の照射位置の面内移動速度とレーザ振動計の平均ノイズフロアとの関係が示された例示的な図である。
【図１３】図１３は、実施形態のエンジンの振動の経時的な変化が示された例示的な図である。
【図１４】図１４は、実施形態のレーザ距離計の計測距離と、可動ミラーの最大角度誤差およびレーザ光の照射位置の照準誤差との関係が示された例示的な図である。
【図１５】図１５は、参考例の実験を説明するための例示的な説明図である。
【図１６】図１６は、参考例の実験結果が示された例示的な図である。
【図１７】図１７は、実施形態の変形例の振動計測システムの例示的な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の例示的な実施形態や変形例には、同様の構成要素が含まれている。よって、以下では、同様の構成要素には共通の符号が付されるとともに、重複する説明が部分的に省略される。以下に示される実施形態および変形例の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用、結果、および効果は、一例である。
【０００８】
（実施形態）
図１に示されるように、本実施形態の検査システム１は、例えば車両１００に搭載されて、レーザ光Ｂ１を用いて対象物２００を検査する。本実施形態では、車両１００は、自動車であり、対象物２００は、トンネルである。なお、車両１００は、自動車に限るものではなく、対象物２００もトンネルに限るものではない。
【０００９】
検査システム１は、振動発生装置（不図示）と、振動計測システム１０と、欠陥判定装置（不図示）と、を備える。振動発生装置は、対象物２００に音波Ｓを照射して対象物２００に振動を発生させる。振動計測システム１０は、レーザ光Ｂ１を用いて対象物２００の表面２００ａの振動を計測する。欠陥判定装置は、振動計測システム１０によって計測された表面２００ａの振動に基づいて、対象物２００に欠陥２００ｂが有るか否かを判定する。欠陥２００ｂは、例えば空洞等である。
【００１０】
図２に示されるように、検査システム１は、少なくとも一部が車両１００の設置部１００ａ上に設置されている。設置部１００ａは、例えば荷台やルーフ等である。また、設置部１００ａは、支持部、取付部等とも称される。ここで、図２等に示されるように、本実施形態では、ｕ軸、ｖ軸およびｗ軸が定義される。ｕ軸とｖ軸とｗ軸とは、互いに直交する。本実施形態では、ｕ軸方向は、車両１００（車体）の幅方向、ｖ軸方向は、車両１００（車体）の前後方向、ｗ軸方向は、車両１００（車体）の上下方向である。
【００１１】
以下、振動計測システム１０について詳細に説明する。図３に示されるように、振動計測システム１０は、レーザ振動計１１と、オートフォーカス装置１２と、照射装置１３と、３軸加速度計１５と、レーザ距離計１６と、回転装置１７と、制御装置１８と、を備える。
【００１２】
レーザ振動計１１は、対象物２００の表面２００ａに照射したレーザ光Ｂ１の反射光に基づいて表面２００ａの振動を計測する。詳細には、レーザ振動計１１は、ｖ軸方向に沿ってレーザ光Ｂ１を出射する。レーザ振動計１１が出射したレーザ光Ｂ１は、オートフォーカス装置１２と照射装置１３とを経由して対象物２００の表面２００ａに照射される。ここで、表面２００ａは散乱面であり、表面２００ａで反射されるレーザ光Ｂ１の反射光は散乱光となる。対象物２００の表面２００ａで反射されたレーザ光Ｂ１の反射光の一部は、照射装置１３とオートフォーカス装置１２とを経由して、レーザ振動計１１に入射する。レーザ振動計１１は、入射した反射光に基づいて表面２００ａの振動を計測する。レーザ振動計１１は、例えば公知のレーザドップラー振動計等である。なお、レーザ振動計１１は、他の方式の振動計であってもよい。
【００１３】
オートフォーカス装置１２は、レーザ振動計１１から出射されたレーザ光Ｂ１の焦点を調整する。詳細には、オートフォーカス装置１２は、２つのレンズ２１，２２を有する。レンズ２１には、レーザ振動計１１から出射されたレーザ光Ｂ１が入射する。レンズ２２には、レンズ２１を透過したレーザ光Ｂ１が入射する。オートフォーカス装置１２は、二つのレンズ２１，２２間の距離を変更することにより、レーザ光Ｂ１の焦点を調整することができる。なお、オートフォーカス装置１２が焦点を変更させる方式は、上記の方式に限るものではない。例えば、焦点を変更させる方式は、単レンズを用いる方式や、多レンズ群を用いる方式、デフォーマブルミラーを用いる方式、カセグレンミラーを用いる方式等の種々の方式であってもよい。
【００１４】
照射装置１３は、レーザ光Ｂ１の照射方向を変更可能に構成されている。詳細には、図３〜６に示されるように、照射装置１３は、ダイクロックミラー３１と、可動ミラー３２，３３と、を有する。
【００１５】
ダイクロックミラー３１は、所定の周波数のレーザ光だけを反射し、所定の周波数以外のレーザ光は透過させる。本実施形態では、ダイクロックミラー３１は、レーザ振動計１１から出射されるレーザ光Ｂ１を反射し、レーザ距離計１６から出射されるレーザ光Ｂ２を透過させる。すなわち、レーザ光Ｂ１とレーザ光Ｂ２とは、互いに周波数が異なる。ダイクロックミラー３１には、オートフォーカス装置１２を透過したレーザ光Ｂ１が入射する。ダイクロックミラー３１に入射したレーザ光Ｂ１は、ダイクロックミラー３１によって反射されて可動ミラー３２に入射する。
【００１６】
図４に示されるように、可動ミラー３２（第一の可動ミラー）は、回転中心軸Ａｘ１回りに回転可能に設けられ、入射したレーザ光Ｂ１をｕ軸方向（第一の方向）に沿って走査可能に構成されている。可動ミラー３２は、回転中心軸Ａｘ１に沿った支軸３４を介して可動ミラー３２駆動用のモータ（不図示）に連結され、当該モータによって回転駆動される。可動ミラー３２によって反射されたレーザ光Ｂ１は、可動ミラー３３に入射する。
【００１７】
可動ミラー３３（第二の可動ミラー）は、回転中心軸Ａｘ２回りに回転可能に設けられ、入射したレーザ光Ｂ１をｖ軸方向（第二の方向）に沿って走査可能に構成されている。可動ミラー３３は、回転中心軸Ａｘ２に沿った支軸３５を介して可動ミラー３３駆動用のモータ（不図示）に連結され、当該モータによって回転駆動される。可動ミラー３３によって反射されたレーザ光Ｂ１は、対象物２００の表面２００ａに照射される。
【００１８】
対象物２００の表面２００ａに照射されたレーザ光Ｂ１は、表面２００ａで拡散反射される。レーザ光Ｂ１の反射光の一部は、可動ミラー３３、可動ミラー３２、ダイクロックミラー３１、オートフォーカス装置１２を経由して、レーザ振動計１１に入射する。
【００１９】
また、図３に示されるように、照射装置１３は、筐体３６を有している。筐体３６は、ダイクロックミラー３１、可動ミラー３２、可動ミラー３３、支軸３４，３５、可動ミラー３２，３３用の各モータを収容している。筐体３６は、回転中心軸Ａｘ４回りに回転可能に、回転装置１７に支持されている。回転中心軸Ａｘ４は、照射装置１３によって照射されるレーザ光Ｂ１の光軸Ａｘ３と交差する。回転中心軸Ａｘ４は、ｖ軸方向に沿って延び、レーザ振動計１１とダイクロックミラー３１との間のレーザ光Ｂ１の光軸と重なる。ダイクロックミラー３１、可動ミラー３２、可動ミラー３３、支軸３４，３５および可動ミラー３２，３３用の各モータは、筐体３６と一体に回転する。
【００２０】
本実施形態では、照射装置１３に対してｘｙｚ座標系が定義されている。ｘｙｚ座標系の３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）は、互いに直交する。ｘ軸は、ｕ軸に沿っており、ｙ軸は、ｖ軸に沿っている。また、ｚ軸は、ｕ軸およびｖ軸と直交し、照射装置１３の回転に応じてｗ軸に対する角度が変化する。
【００２１】
回転装置１７は、支持部４１と、回転駆動部（不図示）と、を有する。支持部４１は、設置部１００ａに固定されている。支持部４１は、筐体３６を回転中心軸Ａｘ４回りに回転可能に支持している。回転駆動部は、回転駆動用のモータ（不図示）を有し、当該モータの駆動力によって、筐体３６を回転中心軸Ａｘ４回りに回転させる。すなわち、回転装置１７は、回転中心軸Ａｘ４回りに照射装置１３を回転させる。
【００２２】
３軸加速度計１５（加速度計）は、照射装置１３の加速度を計測する。詳細には、３軸加速度計１５は、照射装置１３のｘ軸方向の加速度と、照射装置１３のｙ軸方向の加速度と、照射装置１３のｚ軸方向の加速度と、を計測する。３軸加速度計１５は、可動ミラー３３近傍の筐体３６に取り付けられている。３軸加速度計１５は、筐体３６（照射装置１３）と一体に回転する。照射装置１３のｘ軸方向の加速度、照射装置１３のｙ軸方向の加速度、および照射装置１３のｚ軸方向の加速度は、照射装置１３の変位に対応して変化する。照射装置１３のｘ軸方向の加速度、照射装置１３のｙ軸方向の加速度、および照射装置１３のｚ軸方向の加速度は、物理量の一例である。また、３軸加速度計１５は、計測装置の一例である。
【００２３】
レーザ距離計１６は、筐体３６に収容されている。レーザ距離計１６は、筐体３６に支持され、筐体３６と一体に回転する。レーザ距離計１６は、照射装置１３の所定の部分（一例として筐体３６の内部）と、対象物２００の表面２００ａとの間の距離Ｌを計測する。詳細には、レーザ距離計１６は、ｙ軸方向に沿ってレーザ光Ｂ２を出射する。レーザ距離計１６から出射されたレーザ光Ｂ２は、ミラー５１でダイクロックミラー３１に向けて反射されて、ダイクロックミラー３１を透過し、可動ミラー３２，３３を経由して対象物２００の表面２００ａに照射される。対象物２００の表面２００ａに照射されたレーザ光Ｂ２は、表面２００ａで拡散反射される。レーザ光Ｂ２の反射光の一部は、可動ミラー３３、可動ミラー３２、ダイクロックミラー３１、ミラー５１を経由して、レーザ距離計１６に入射する。レーザ距離計１６は、公知の方式で距離Ｌを計測することができ、レーザ距離計１６の計測方式は問わない。レーザ距離計１６とミラー５１とは、筐体３６と一体に回転する。ダイクロックミラー３１から表面２００ａまでの間では、レーザ光Ｂ２の光軸は、レーザ光Ｂ１の光軸と一致する。なお、図面では、説明の便宜上、レーザ光Ｂ２とレーザ光Ｂ１とがずらして示されている。距離Ｌは、対象物２００の表面２００ａに対する照射装置１３の変位に応じて変化する。距離Ｌは、物理量の一例である。また、レーザ距離計１６は、計測装置の一例である。
【００２４】
制御装置１８は、レーザ振動計１１、オートフォーカス装置１２、照射装置１３、３軸加速度計１５、レーザ距離計１６、および回転装置１７と、ケーブル３００を介して接続されている。制御装置１８は、例えばアナログ回路によって構成されうる。なお、制御装置１８は、デジタル回路によって構成されていてもよい。
【００２５】
制御装置１８には、３軸加速度計１５の計測結果およびレーザ距離計１６の計測結果が入力される。また、制御装置１８は、車両１００の走行速度を計測する車速計（不図示）とケーブル３００を介して接続され、制御装置１８には、車速計によって計測された走行速度が入力される。
【００２６】
また、制御装置１８は、レーザ振動計１１やオートフォーカス装置１２、照射装置１３等を制御することができる。例えば、制御装置１８は、オートフォーカス装置１２および照射装置１３に対してフィードバック制御を行うことができる。具体的には、制御装置１８は、表面２００ａのレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１の変化が抑制されるよう、３軸加速度計１５によって計測された加速度およびレーザ距離計１６によって計測された距離Ｌとに基づいて照射装置１３を制御することができる。また、制御装置１８は、例えば、レーザ距離計１６によって計測された距離Ｌに基づいて、レーザ光Ｂ１の焦点が対象物２００の表面２００ａに合うようにオートフォーカス装置１２を制御することができる。なお、制御装置１８は、上記以外の他の公知の方式で、レーザ光Ｂ１の焦点が対象物２００の表面２００ａに合うようにオートフォーカス装置１２を制御してもよい。
【００２７】
次に、振動計測システム１０が行う動作（振動計測方法）について説明する。図７に示されるように、振動計測システム１０は、車両１００とともに対象物２００に沿って移動しながら対象物２００の表面２００ａの振動を計測する。このとき、一例として、振動計測システム１０は、対象物２００の延在方向に沿ったスキャン動作を行う。詳しくは、図７から理解できるように、照射装置１３は、例えば、表面２００ａでのレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１が留まる滞留期間Ｔ１と表面２００ａでのレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１がｖ軸方向（車両１００の進行方向Ｆ）に沿って移動する移動期間Ｔ２とが交互に繰り返されてレーザ光Ｂ１が段階的に表面２００ａ上でスキャンされるよう、レーザ光Ｂ１の照射方向を制御する。つまり、照射装置１３は、振動計測点となるレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１同士が互いに離間するようにレーザ光Ｂ１の照射位置を移動させる。
【００２８】
ここで、振動計測システム１０には、車両１００の振動が伝達される。車両１００の振動としては、例えば、エンジンの一次振動や二次振動、歳差運動がある。これらの振動は、例えば１０Ｈｚ（エンジンの回転数＝６００ｒｐｍ）〜１００Ｈｚ（エンジンの回転数＝６０００ｒｐｍ）程度である。さらに、車両１００に対する道路からの突き上げや、車両１００の加減速、車両１００の旋回等によって、車両１００の車体が前後方向や上下方向に並進したり、車体がロール方向やピッチ方向やヨー方向に回転して、振動が発生することがある。この場合の振動は、例えば数Ｈｚ程度である。このような振動が発生すると、滞留期間Ｔ１におけるレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１にずれが生じてしまう場合がある。また、表面２００ａ（散乱面）で高速で照射位置Ｐ１が移動（面内移動）する場合、スペックル由来のノイズが発生することがある。そこで、本実施形態では、制御装置１８は、滞留期間Ｔ１におけるレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１の変化が抑制されるよう、照射装置１３を制御する。
【００２９】
図７から、例えば、照射装置１３がｙ軸方向に移動した場合に照射位置Ｐ１を一定に保持しようとしたときには、照射装置１３の位置に応じて可動ミラー３３と照射位置Ｐ１との間の距離が変化することが理解できる。この可動ミラー３３と照射位置Ｐ１との間の距離を用いることにより、可動ミラー３３の角度を決定することができる。同様に、可動ミラー３３と照射位置Ｐ１との間の距離を用いることにより、可動ミラー３２の角度を決定することができる。
【００３０】
以下、制御装置１８が行う照射装置１３の制御について詳細に説明する。図８に示されるように、照射装置１３の制御の基準となるｘｙｚ座標系で、照射装置１３が所定の時間Δｔの間に、座標（ｘ０，ｙ０）から座標（ｘ１，ｙ１）に変位する場合を例に説明する。このとき、ｚ軸方向の振動は無しまたは無視できる程度のものとする。
【００３１】
図９に示されるように、制御装置１８は、可動ミラー３２を制御することにより、照射位置Ｐ１のｘ軸方向の位置を制御することができる。なお、図９では、説明の便宜上、各部材の配置が実際の配置と異なっている。この場合、下記の式（１）〜（３）から可動ミラー３２の基準Ｐ２（基準位置）に対する可動ミラー３２の角度θが決定される。
θ＝ａｒｃｔａｎ（ｘｄ／（Ｌ１＋ｄ））／２    ・・・（１）
ｄ＝ｄ０／ｃｏｓ（２θ）                      ・・・（２）
Ｌ１＝Ｌ−ｄ−ｃ                              ・・・（３）
ここで、ｘｄは、座標（ｘ０，ｙ０）から座標（ｘ１，ｙ１）間のｘ軸方向に沿った照射装置１３の変位量である。Ｌは、レーザ距離計１６が計測した計測距離である。ｄは、制御後（目標）の可動ミラー３２と可動ミラー３３との間のレーザ光Ｂ１の光路長である。ｄ０（図５参照）は、基準Ｐ２に位置された可動ミラー３２と基準Ｐ３（基準位置）から４５度傾斜した位置に位置された可動ミラー３３との間のレーザ光Ｂ１の光路長である。基準Ｐ３は、可動ミラー３３の位置の基準である。ｃは、レーザ距離計１６と可動ミラー３２との間のレーザ光Ｂ１の光路長であり、一定値である。
【００３２】
変位量ｘｄは、下記の式（４）から求まる。
【数１】
2016061764.tif 000003
式（４）において、ｔは時刻、Ａｘは３軸加速度計１５が計測したｘ軸方向の加速度、Ｖｘ０はｘ軸方向の基準速度（初期速度）である。基準速度Ｖｘ０は、照射装置１３が座標（ｘ０，ｙ０）に位置した時点での照射装置１３のｘ軸方向の速度である。基準速度Ｖｘ０は、例えば、車両１００が停止した状態から振動計測を開始するとともに３軸加速度計１５の計測を開始した場合、３軸加速度計１５が計測したｘ軸方向の加速度を積分することにより取得することができる。なお、本実施形態では、車両１がｙ軸方向（ｖ軸方向）に沿って走行するので、基準速度Ｖｘ０は、「０」として扱ってもよい。
【００３３】
式（４）に示されるように、３軸加速度計１５が計測したｘ軸方向の加速度Ａｘを二重積分することにより、照射装置１３の加減速によるｘ軸方向の変位量が求まる。また、基準速度Ｖｘ０に時間Δｔを掛けることにより、時間Δｔの間、照射装置１３が基準速度Ｖｘ０で変位した場合の照射装置１３のｘ軸方向の変位量が求まる。これらの加減速によるｘ軸方向の変位量と、基準速度Ｖｘ０による変位量とを足し合わせることにより、変位量ｘｄが求まる。なお、ｘｄは、座標（ｘ０，ｙ０）に位置した時点での基準時刻ｔ０からの累積積分値を用いる。これにより、サンプリング値を用いるよりも累積誤差を小さくすることができる。
【００３４】
また、図１０に示されるように、制御装置１８は、可動ミラー３３を制御することにより、照射位置Ｐ１のｙ軸方向の位置を制御することができる。この場合、下記の式（５）〜（７）から基準Ｐ３に対する可動ミラー３３の角度φが決定される。
φ＝ａｒｃｔａｎ（Ｌ１／ｙｄ）／２            ・・・（５）
ｄ＝ｄ０／ｃｏｓ（２φ）                      ・・・（６）
Ｌ１＝Ｌ−ｄ−ｃ                              ・・・（７）
ここで、ｙｄは、座標（ｘ０，ｙ０）から座標（ｘ１，ｙ１）間のｙ軸方向に沿った照射装置１３の変位量である。Ｌは、レーザ距離計１６が計測した計測距離である。ｄは、制御後の可動ミラー３２と可動ミラー３３との間のレーザ光Ｂ１の光路長である。ｄ０（図５参照）は、基準Ｐ２に位置された可動ミラー３２と基準Ｐ３から４５度傾斜した可動ミラー３３との間のレーザ光Ｂ１の光路長である。ｃは、レーザ距離計１６と可動ミラー３２との間のレーザ光Ｂ１の光路長であり、一定値である。
【００３５】
変位量ｙｄは、下記の式（８）から求まる。
【数２】
2016061764.tif 000004
式（８）において、ｔは時刻、Ａｙは３軸加速度計１５が計測したｙ軸方向の加速度、Ｖｙ０はｙ軸方向の基準速度（初期速度）である。基準速度Ｖｙ０は、照射装置１３が座標（ｘ０，ｙ０）に位置した時点での照射装置１３のｙ軸方向の速度である。基準速度Ｖｙ０は、例えば、車両１００が停止した状態から振動計測を開始するとともに３軸加速度計１５の計測を開始した場合、３軸加速度計１５が計測したｙ軸方向の加速度を積分することにより取得することができる。また、基準速度Ｖｙ０は、車両１００の走行速度を用いてもよい。車両１００の走行速度は、例えば、車両１００の車速計から取得できる。
【００３６】
式（８）に示されるように、３軸加速度計１５が計測したｙ軸方向の加速度Ａｙを二重積分することにより、照射装置１３の加減速によるｙ軸方向の変位量が求まる。また、基準速度Ｖｙ０に時間Δｔを掛けることにより、時間Δｔの間、照射装置１３が基準速度Ｖｙ０で変位した場合の照射装置１３のｙ軸方向の変位量が求まる。これらの加減速によるｙ軸方向の変位量と、基準速度Ｖｙ０による変位量とを足し合わせることにより、変位量ｙｄが求まる。なお、ｙｄは、座標（ｘ０，ｙ０）に位置した時点での基準時刻ｔ０からの累積積分値を用いる。これにより、サンプリング値を用いるよりも累積誤差を小さくすることができる。
【００３７】
上記の可動ミラー３２,３３の制御では、制御装置１８は、まず、可動ミラー３２,３３を初期位置に位置させた状態で、レーザ距離計１６から距離Ｌを取得する。可動ミラー３２の初期位置は、基準Ｐ２と一致する位置であり、可動ミラー３３の初期位置は、基準Ｐ３から４５度傾斜した位置である（図５）。次に、３軸加速度計１５の計測結果を用いて、変位量ｘｄ，ｙｄを求め、式（１）〜（３）や式（５）〜（７）によって、可動ミラー３２,３３の目標の角度θ，φを算出し、当該算出した角度θ，φになるように可動ミラー３２，３３の角度θ，φを制御する。本実施形態では、距離Ｌは、可動ミラー３２,３３の最初の制御で取得したものを、可動ミラー３２,３３の次回以降の制御に用いる。
【００３８】
ここで、上記制御において、可動ミラー３２,３３の制御毎に、当該制御の時点での距離Ｌを取得して、当該距離Ｌを用いて可動ミラー３２，３３の角度θ，φを制御してもよい。さらには、可動ミラー３２,３３の制御毎に距離Ｌを取得する場合、３軸加速度計１５のｚ軸方向の加速度の計測結果を用いてもよい。この場合、まずは、制御装置１８は、可動ミラー３２,３３を初期位置（図５）に位置させた状態で、レーザ距離計１６が計測した初期値としての距離Ｌ０を取得する。次に、可動ミラー３２,３３の制御毎に、３軸加速度計１５が計測したｚ軸方向の加速度の計測結果から、照射装置１３のｚ軸方向の加減速による変位量を求める。この加減速による変位量は、３軸加速度計１５が計測したｚ軸方向の加速度を２重積分することにより求まる。すなわち、加減速による変位量をｚｄとすると、ｚｄは、下記の式（９）から求まる。
【数３】
2016061764.tif 000005
ここで、式（９）において、ｔは時刻、Ａｚは３軸加速度計１５が計測したｚ軸方向の加速度である。Ｖｚ０はｚ軸方向の基準速度（初期速度）である。基準速度Ｖｚ０は、レーザ距離計１６が初期値としての距離Ｌ０を計測した時点での照射装置１３のｚ軸方向の速度である。基準速度Ｖｚ０は、例えば、車両１００が停止した状態から振動計測を開始するとともに３軸加速度計１５の計測を開始した場合、３軸加速度計１５が計測したｚ軸方向の加速度を積分することにより取得することができる。なお、本実施形態では、車両１がｙ軸方向（ｖ軸方向）に沿って走行するので、基準速度Ｖｚ０は、「０」として扱ってもよい。この変位量ｚｄと初期値としての距離Ｌ０とから現時点での距離Ｌが求まる。
【００３９】
また、図１１に示されるように、照射装置１３がｗ軸方向に沿って変位した場合、可動ミラー３３の角度を調整することにより、レーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１を略一定の位置に保持することができる。すなわち、制御装置１８は、可動ミラー３３を制御することにより、照射位置Ｐ１のｚ軸方向の位置を制御することができる。
【００４０】
また、本実施形態では、回転装置１７は、照射装置１３を回転中心軸Ａｘ４回りに沿って移動させることができる。この場合、照射装置１３は、表面２００ａでのレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１が留まる滞留期間Ｔ１と表面２００ａでのレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１が回転中心軸Ａｘ４に沿って（対象物２００の周方向に沿って）移動する移動期間Ｔ２とが交互に繰り返されてレーザ光Ｂ１が段階的に表面２００ａ上でスキャンされるよう、レーザ光Ｂ１の照射方向を制御することができる。このような対象物２００の周方向に沿ったスキャン動作と、上述した対象物２００の延在方向に沿ったスキャン動作とは、組み合わせて行うことができる。
【００４１】
以下に、対象物２００の表面２００ａの計測可能な振動について説明する。
【００４２】
まずは、対象物２００の表面２００ａにおける照射位置Ｐ１の面内移動速度（ｘ軸方向速度、ｙ軸方向速度）と、レーザ振動計１１の平均ノイズフロアとの関係について、図１２を参照して説明する。図１２中の線Ｅが示すように、表面２００ａにおける照射位置Ｐ１の面内移動速度Ｖｐが速くなるにつれて、レーザ振動計１１の平均ノイズフロアＡｎｆが大きくなることは、公知である。よって、表面２００ａの振動の振幅をＡｆとすると、Ａｆは、下記の式（１０）を満足するものであれば、レーザ振動計１１の種類によらず振動計測が可能であることが分かる。
Ａｆ＞Ａｎｆ＝Ｃ×Ｖｐ＋Ａ０      ・・・（１０）
ここで、Ｃは、レーザ振動計１１の仕様で決まる定数であり、Ａ０は、最小のノイズフロアである。以上から、所望の大きさの振幅Ａｆを計測するには、照射位置Ｐ１の面内移動速度Ｖｐを、式（１０）を満足する速度まで減速できればよく、０にする必要は無いことが分かる。
【００４３】
また、図１３には、エンジンの振動による２５Ｈｚ（エンジン回転数＝１２００ｒｐｍ）と５０Ｈｚとの合成振動の経時的な変化が示されている。図１３から理解できるように、ノイズの原因となる振動は、速くとも５０Ｈｚ（周期：２０ｍｓ）であり、１０ｍｓ程度の等速と近似できる領域がある。また、対象物２００（本実施形態ではトンネル）の一箇所の検査部位に必要な振動の計測時間は、条件がよければ対象物２００の固有振動数の２周期分である。ターゲット周波数を例えば５００Ｈｚとすると、少し余裕を見て５ｍｓあれば原理的に振動の計測が可能である。このとき、制御において数ｍｓの応答ディレイがあっても５ｍｓ程度の計測時間は確保できる。
【００４４】
また、本実施形態では、３軸加速度計１５は、一例として、１０００Ｈｚ以下の低周波数を精度よく計れるものが用いられる。また、上記の２重積分の変位誤差は、一例として１ｍｍ以下に抑えられる。
【００４５】
次に、レーザ距離計１６の距離計測の必要精度について説明する。可動ミラー３２,３３の角度再現性（例えば３μｒａｄ＝０．０００１ｄｅｇ）の限界内では、距離計測の必要精度は例えば５０ｍｍ程度である。一般的なレーザ距離計１６の測定誤差は、最大でも±数ミリ程度である。なお、レーザ距離計１６のレーザ光Ｂ２は、ダイクロックミラー３１で反射されない波長であればよい。ここで、図１４には、レーザ距離計１６の計測距離と、可動ミラー３２,３３の最大角度誤差および照射位置Ｐ１の照準誤差との関係が示されている。図１４は、振動計測システム１０が１０ｍｍ移動した際、レーザ距離計１６の計測値が実際の距離に対して５０ｍｍずれていた場合に、上述の各式によって計算される可動ミラー３２,３３の最大角度誤差および照射位置Ｐ１の照準誤差の例である。なお、レーザ光Ｂ２は、ダイクロックミラー３１で反射されない波長であればよい。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態では、制御装置１８は、表面２００ａのレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１の変化が抑制されるよう、３軸加速度計１５によって計測された加速度およびレーザ距離計１６によって計測された距離Ｌに基づいて照射装置１３を制御する。よって、表面２００ａのレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１の変化（ずれ）を抑制することができるので、振動計測の精度を向上させることができる。
【００４７】
また、本実施形態では、照射装置１３は、表面２００ａでのレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１が留まる滞留期間Ｔ１と表面２００ａでのレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１が移動する移動期間Ｔ２とが交互に繰り返されてレーザ光Ｂ１が段階的に表面２００ａ上でスキャンされるよう、レーザ光Ｂ１の照射方向を制御する。そして、制御装置１８は、滞留期間Ｔ１におけるレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１の変化が抑制されるよう、照射装置１３を制御する。よって、対象物２００の広範囲で精度良く振動計測をすることができる。
【００４８】
また、本実施形態では、制御装置１８は、レーザ距離計１６によって計測された距離Ｌに基づいて、レーザ光Ｂ１の焦点が対象物２００の表面２００ａに合うようにオートフォーカス装置１２を制御する。これにより、照射位置Ｐ１と照射装置１３との間の距離が変わっても、表面２００ａにレーザ光Ｂ１の焦点を合わせることができるので、焦点のずれによるノイズの発生を抑制することができる。よって、対象物２００の振動計測を精度良く行うことができる。
【００４９】
また、本実施形態では、回転装置１７は、照射装置１３によって照射されるレーザ光Ｂ１の光軸Ａｘ３と交差する回転中心軸Ａｘ４回りに照射装置１３を回転させる。よって、対象物２００の周方向に沿ってレーザ光Ｂ１をスキャンさせることができる。
【００５０】
次に、参考例について図１５，１６を参照して説明する。発明者らは、車両１００を一定の走行速度で走行させながら、可動ミラー３３を一方向（図１５の時計回り）に一定の回転速度で回転させる期間Ｔ１００と、可動ミラー３３を他方向（図１５の反時計回り）に一定の回転速度で回転させる期間Ｔ１０１とを交互に繰り返す実験を行った。期間Ｔ１００では、対象物２００の加振は行わず、期間Ｔ１０１では、対象物２００の加振を行った。期間Ｔ１００ではレーザ光Ｂ１の照射位置Ｐ１がずれ、期間Ｔ１０１では、照射位置Ｐ１が略一定の位置に留まった。この実験によるレーザ振動計１１のノイズフロアと期間Ｔ１００,Ｔ１０１との関係が、図１６に示されている。図１６のグラフの縦軸は、ノイズレベルを示す電圧であり、横軸は時間である。図１６から、期間Ｔ１０１は、期間Ｔ１００に対してレーザ振動計１１のノイズフロアが減少しているのが分かる。すなわち、照射位置Ｐ１が略一定の位置に留まることにより、レーザ振動計１１のノイズフロアを減少させることができる。よって、上記実施形態でも照射位置Ｐ１が略一定の位置に留まりやすいので、レーザ振動計１１のノイズフロアを減少させることができる。
【００５１】
（変形例）
次に、上記実施形態の変形例を説明する。図１７に示されるように、本変形例は、照射装置１３の筐体３６内の部材の配置が上記実施形態に対して異なる。本変形例では、レーザ距離計１６から出射されたレーザ光Ｂ２は、ダイクロックミラー３１に直接入射し、可動ミラー３２,３３を経由して、対象物２００の表面２００ａに照射される。本変形例では、ミラー５１は設けられていない。また、本変形例では、透光性の塞部材３８によって筐体３６の開口部が塞がれている。可動ミラー３３で反射されたレーザ光Ｂ１,Ｂ２は、塞部材３８を介して対象物２００の表面２００ａに照射される。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００５３】
例えば、計測装置としては、照射装置１３の支持部４１の回転角を計測する回転計などであってもよい。また、レーザ距離計１６に替えて他の方式の距離計を用いてもよい。また、可動ミラー３２,３３は、誘電体ブロードバンドミラーであってもよい。また、３軸加速度計１５に替えて、速度計や変位計を設けて、速度計や変位計の計測結果から照射装置１３の変位量を求めても良い。
【００５４】
また、照射装置１３、計測装置（３軸加速度計１５やレーザ距離計１６等）、および制御装置１８によって、レーザ光の照射位置の変化が抑制されるようにレーザ光の照射位置を調整するレーザ光照射位置調整装置（定点照射装置、装置）を構成してよい。このような、レーザ光照射位置調整装置は、振動計測システム１０以外にも適用することができる。例えば、レーザポインタにレーザ光照射位置調整装置を適用してもよい。
【００５５】
また、照射装置１３（振動計測システム１１）の位置の計測精度の向上させるために、計測装置を増やしてもよい。例えば、３軸加速度計１５の設置場所とは別の任意の場所への加速度計の追加や、照射装置１３（振動計測システム１１）の傾きを計測する計測装置（傾斜角センサ）の追加などをしてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０…振動計測システム、１１…レーザ振動計、１２…オートフォーカス装置、１３…照射装置、１５…３軸加速度計（計測装置）、１６…レーザ距離計（計測装置）、１７…回転装置、１８…制御装置、２００…対象物、２００ａ…表面、Ａｘ４…回転中心軸、Ｂ１…レーザ光。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
2016061764.tif 000013
【図９】
2016061764.tif 000014
【図１０】
2016061764.tif 000015
【図１１】
2016061764.tif 000016
【図１２】
2016061764.tif 000017
【図１３】
2016061764.tif 000018
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2016061764.tif 000021
【図１７】
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