他誌発表論文 再録
計測自動制御学会中国四国支部,第28回学術講演会論文集, p.47-48(2019)2C-4
光切断法を用いた振動振幅計測○吉田 大一郎*

福留 祐太* 高橋 智一** 地方独立行政法人鳥取県産業技術センター
Estimation of the vibration amplitude by light-section method○Dai-ichiro Yoshida*, Yuta Fukudome* and Tomokazu Takahashi**Tottori Institute of Industrial Technology
Abstract:
In order to estimate the vibration amplitude without attaching sensors, light-section method, which is used
for measuring sample shapes was applied. From the images taken by long exposure, the estimations of the vibration
amplitude were accomplished by measuring the widths that laser lines moved on the sample.

１．はじめに振動試験は，試験体の振動に対する耐性の確認や，共振点の有無を確認するために行われる．特に自動車部品や航空機部品，鉄道部品は，その動作が人命に影響することから，高い信頼性が求められており，振動に対する耐性が重要な要件となる．振動耐性の中でも共振に対する対策は部品・製品の劣化・破損を防ぐ上で最も重要である．共振点が存在した場合，使用中に破損する可能性があることから，補強や設計変更のための正確な共振位置の特定が必要となる．共振位置の特定を，触診，聴診，目視などにより行う場合は，個人差があり精度が低い．そのため，加速度センサを使用して測定を行うが，質量を持つセンサを取り付けることにより共振周波数が変化する，形状によっては加速度センサ自体取り付けができないという課題がある．この課題に対して，レーザドッ
プラー式の非接触測定機が市販されているが，ポイント測定であるため，共振位置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て測定を行う必要がある．
非接触形状測定の分野では，以前より光切断法やLiDAR(Light Detection and Ranging)，受動ステレオ法などが研究されてきた．その中でも，光切断法はシステムが安価であり，また種々の知見があり，産業用途でも活用されている 1,2)．光切断法は，試料にライン状のレーザー光を照射し，そのレーザー輝線のずれから高さ情報を取得する方法であるが，本研究では，高さを振動振幅に見立てることにより，非接触振動振幅測定に適用できないか検討を行った．

２．実験方法
Fig.1 に本計測システムの概要を示す．計測シス
テムは振動試験機，模擬試料，レーザー光源，及びカメラで構成される．レーザー光源は，ライン状のレーザーを模擬試料に投影している．カメラはレーザー光源の上に設置され，レーザー輝線を斜め上方から撮影する．カメラのファインダーで見たレーザラインは，試験品の振動に合わせ，その位置が動いて見える．
Fig.2 に模擬試料に投影されたレーザー輝線を示す．左に示すのが模式図であり，右に示すのが実際の輝線の写真である．模擬試料は 1 辺 200mm
角のブロック及びそこに片側のみ固定された幅30mm × 高さ 200mm × 厚さ 1.0mmの金属板から構成される．
Fig.3 に計測方法の説明図を示す．通常のフレー
ム連写による方法では，高周波数時に撮り逃しが発生してしまう．そこで，長時間露光による方法を用いた．具体的には，Fig.1 に示したカメラの位

置から 10 秒間(例)シャッターを開放して撮影する．その間レーザーはファインダー内を何度も往復し，レーザーが動いた箇所が太線として撮像される．このレーザー軌跡幅(太線の幅)と，実際の振動振幅の関係を調べることで，レーザー軌跡幅から振動振幅への換算が可能となる．
カメラ

模擬試料
レーザー光源
振動方向（水平）振動試験機

Fig.1 Measurement system
レーザー輝線計測領域

振動方向

Fig.2 Laser lines projected on the simulated sample(Left: 3D image, Right: Photograph)(One laser line on the left and seven laser lines on theright)
レーザー輝線＋0秒

＋0.1秒

＋0.2秒

＋0.3秒

＋・・・0.4秒

レーザーの太線幅を計測＋＋・・・＋

9.8秒

振動振幅

9.9秒

10.0秒 露出解放にて撮影した結果

Fig.3 Shooting by long exposure
また，Fig.1～3 においては 1 本のレーザーの線内振動分布測定を行うが，本研究ではレーザー光を複数ライン化することにより面的な振動分布の推定を試みた．
Table 1 に本研究で用いた実験条件を示す．レーザーの波長は 640nmを用いた．レーザーは，1 つの光源をDOE(Diffractive Optical Element)を用いて7 本のライン状へ分岐した．模擬試料の一部として用いた金属板は事前にCAE(Computer AidedEngineering 使用ソフト: Solidworks 2015)により，共振周波数が 23Hzと判明している．

Table 1 Experimental conditions
0.1sec
1650mm1 インチ CMOS
4096×2168 ピクセル
Global shutter 方式
640nm
7本
10，23，50，100Hz
0.1，0.3，0.5，1mm p-p

露光時間
絞り
レンズ
カメラ

レーザー波長レーザー分岐本数
振動周波数
振動振幅

次に，Wrを実際の振動振幅へ換算するため，ブロック部の平均Wrと実際に印加した振動振幅の関係を調べた．ブロック部では共振は発生していないと仮定した．Fig.6 にブロック部平均Wrと振動振幅の関係，及びそれらを用い各ポイントの振動振幅へ換算しカラーマップ表示した結果を示す．振
動周波数は 23Hz，振動振幅は 0.1mm p-p及び0.5mm p-pである．これらの結果から計測領域内において，金属板部は最大でそれぞれ 1mm p-p及び2.5mm p-p程度の振幅で振動していると推定される．
金属板

金属板

（太）

（太）

３．結果と考察WWr  vib
Wst

23Hz 0.3mm p‐p

金属板

cdefghi

R値 （RGB）

48mm

線分布計測ライン

金属板
ブロック （点線内） ブロック

1234567振動時レーザー軌跡幅323Hz 0.1mm p‐p210Hz
23Hz
50Hz
100Hz

100

金属板

0.2

0.4

0.60.8振動振幅[mm p-p]

（小）
（大）

1（小）

４. おわりに光切断法と長時間露光により撮像したレーザー輝線太さを測定することで，振動する試料の非接触での振動振幅測定が可能となった．今後，計測精度や適用可能範囲(周波数，大きさ等)の見極めが必要である．

参考文献
位置 [pixel]

Measurement ofFWHM in R line
distribution
Fig.4 Result of long exposure shooting(1) R image（大）Fig.6 (Left) Wr vs. Vibration amplitude(Right) Color map of vibration amplitude

拡大図

30mm66mm（細）423Hz 0.5mm p‐p

Wvib及びWstは，それぞれの状態におけるR値線分布の半値幅とした．１回の計測につき，7 ライン状レーザー(縦) × 9 か所（横）＝63 ポイントのWrを算出し分布を得た．

b50Hz 0.3mm p‐p（共振周波数以外）

Fig.5 Wr color map

Wvib: 振動時レーザー軌跡幅
Wst: 静止状態レーザー幅a（細）（共振周波数）

ブロック部平均Wr

Fig.4(1)に 7 本のライン状としたレーザーを投影
し，振動振動数 23Hzにて振動を行った際の長時間露光結果を示す．計測領域はFig.2 で示した箇所である．Fig.4(1)は，カメラで検出されたRGB値のうちR値の大きさを赤黒の濃淡で示している．拡大図中心の点線は線分布(図縦方向)の計測ラインを示す．1 本のライン状レーザーにつき， a～iの 9か所のR値の線分布を調べた．
Fig.4(2)に，(1)で示した計測ラインに沿って抽出したR値線分布を示す．静止状態であっても，レーザー輝線の幅は場所によってばらつきがあるた
め，静止状態でのレーザー幅を基準とし，相対レーザー幅(Relative Width :以下 Wrと表記)を次式のとおり定義した．

(2)

Fig.5 に振動振幅を 0.3mm p-pに固定し，振動周波数 23Hz及び 50Hzにて計測したWr分布のカラーマップを示す．色調が紫色ほどWrが太いことを示す．振動周波数 23Hzにおいては，金属板の上部ほど紫に近くレーザーの輝線が太くなっている．一方，50Hzにおいては金属板部とブロック部に大きな差異は見られない．よって，共振箇所が可視化できていると考えられる．

1) 中川啓二，松尾啓史: Ricoh Technical Report,
No.39, pp.195-202 (2014)
2) 渡 辺 惇 : エ レ ク ト ロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌 ,Vol.19, No.7, pp.481-484 (2016)

謝辞
本研究は，公益財団法人JKAの平成 26 年度公設工業試験研究所等における機械等設備拡充補助事
業の補助を受けて導入した設備を利用して行いました．