2021年11月30日 JST新技術説明会@オンライン（ZOOM）

光切断法による非接触振動分布測定技術

地方独立行政法人鳥取県産業技術センター
電子・有機素材研究所
吉田大一郎
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製品の信頼性評価サイクル【試作品】（例：ドライブレコーダー）【過酷な環境】【チェック】

・振動・高温多湿
・高温・低温
・急激な温度変化
・etc.

・動作確認
・形状確認
（破損の有無）どこが、どう壊れたのか？

NGOK

原因究明、再設計または補強

2振動試験とは？
【振動試験機】
部品が使用される振動環境及び製品の輸送環境を再現する試験機
自動車関連は特に試験が厳しい！

振動試験での主な確認項目
・製品強度の確認
・適切な梱包状態の確認
・製品の共振点※の確認

本体
水平テーブル
振動試験機※共振現象
・特定の部位と周波数で振動振幅が異常に大きくなる現象
・構造と材質（剛性）に依存対策のため、共振箇所の正確な見極めが重要！
・製品の劣化や破損の原因となる
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従来技術とその問題点【現状の共振現象の確認方法】
・触診、聴診、目視（個人差がある）
・レーザードップラー振動計（高価＆1ポイントごと測定）
・センサ取付（複数取付で複数ポイント測定も可）【問題点】共振位置を直接センサで確認できない場合がある
・取付面が曲面などで、センサの取付ができない場合
・取付により共振状態が変化する場合【解決方法】非接触で安価に振動振幅を計測できないか？
非接触形状計測技術を転用し、高速で形状計測を行えば振動分布測定に繋がるのでは？
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新技術の特徴光切断法：対象物にライン状レーザーを照射し、測定対象物の高さ情報を取得する方法。非接触形状測定の分野で用製品の外観検査や人体の形状計測いられる。
カメラ
高さ

試料高さ情報光切断法による非接触形状測定

振動振幅
光切断法による振動振幅測定【特徴】
・光切断法の高さを振動振幅に見立てた点・長時間露光により高周波数にも対応
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光切断法とは（補足）・光切断法は本来、形状計測に用いられる技術
・試料形状に沿ってライン状レーザーが投影される
参考文献 IPSJ SIG Technical Report Vol.2010-UBI-26 No.26

従来技術との比較
従来の振動振幅計測技術と比較
手法

コスト

計測時
間精度 面分布 備考

加速度センサ〇レーザードップ
ラー振動計測本技術(光切断法応用）

×
○△△〇

◎

○△△△
◎

・接触式のため、実際の共振状態とは異なる可能性
・センサの数だけポイン
ト測定可能
・ポイント測定のため、適宜移動が必要
・高価
・精度に課題あり
・振動の面分布が測定可
能

精度に課題を残すも、用途を絞れば共振位置の特定など活用先あり。
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計測システム

カメラ

振動により前後している箇所をカメラのファインダーで見るとレーザーの位置が動いて見えることを利用する！

ライン状レーザー光源
模擬試料
振動方向（水平）振動試験機→次スライド：ファインダーで見たレーザーの動き 8

フレーム撮影（連写）による方法
試料に投影されたレーザー輝線をカメラのファインダーで見た様子（一例）

初期位置からのレーザーシフト量を計測

レーザー輝線

0.０秒

0.1秒後

0.２秒後

初期位置0.３秒後

振動振幅

0.４秒後

0.５秒後

最大振幅時

・高周波数時に、最大シフト位置の撮り逃しが発生

図３ フレーム撮影による方法の説明

長時間露光撮影（シャッター開放）による方法
試料に投影されたレーザー輝線をカメラのファインダーで見た様子（一例）と撮影結果
＋
0.０秒

＋
0.1秒後

＋

＋

＋

0.２秒後 0.３秒後 0.４秒後

＋
0.５秒後

レーザーの線幅を計測

＋

＋・・・

＋＋・・・
露光を足し算した結果

振動振幅・レーザーが動いた箇所が、太線として撮像される・周波数が高い場合でも、露光時間を長くすることで撮り逃しを低減可能露光を足し算した結果

図４ 長時間露光撮影による方法の説明

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模擬試料
ブロック
下側を固定した金属プレート（共振周波数23Hz)

48mm

金属プレートブロック （点線内）ブロック

30mm
66mm
レーザーを投影した状態（各格子ごとにレーザー線幅を計測）

10振動及び撮影条件
露出時間0.01～0.5sec

絞り

16フィルターロングパスフィルター(λc 600nm)
偏光フィルター（最小線幅調整）
NDフィルター(50%T)

カメラ

1インチCMOS
4096×2168
グローバルシャッター方式

試料ーカメラ間距離0.5m

レーザー波長640nm

レーザーパターン分岐本数 7本

変更可能（より細かな分布を計測可能）

振動周波数

10、23、50、100Hz

振動振幅

0.1、0.3、0.5、1mm p-p
1111計測方法

48mm

R値の線分布結果の一例
1234567

背景

金属プレート（点線内） 背景①軌跡幅計測用ライン（中央の点線）に沿って 1R値の線分布を表示
2345④振幅換算した値を入力

6a b c d e f g h i ②軌跡幅（R値の半値幅）7測定（静止、振動）30mm
a b c d e f g h i③静止状態を基準とした
66mm
７×９ ドットマトリックス
レーザーパターン投影箇所（R値） 相対軌跡幅(RW)の計算

・１レーザラインに対し、９か所の軌跡幅計測ラインを設定（合計63か所）
・静止状態と振動状態での軌跡幅をそれぞれ計測
・静止状態を基準とした相対軌跡幅(RW : Relative Width)を計算
・RWから振動振幅へ換算した値を入力
振動状態軌跡幅
RW=（RW－振動振幅の関係は事前に計測しておく）
静止状態幅
12計測結果
共振周波数及び非共振周波数時の振動振幅分布を比較

・振動周波数23Hzの時のみ、金属プレート部の振動振幅が大きい（23HzはCAEにより確認した金属プレートの共振周波数）
・金属プレートの根元側の振動振幅幅が小さく、先端に行くに従って大きくなっている。→共振現象を可視化できている・金属プレート部では共振周波数において、最大で1mmp-p及び2.5mmp-p13程度の振幅で振動していると推定される。

実製品での検証
振幅(mm)

加速度センサによる共振周波数調査結果
共振点
10 mm
モニタ(4383 32409)
モニタ(VP-2_M1ZR)
目標
応答174Hz126Hz

0.1
0.0174Hz 0.01mmp-p（共振状態）

0.001
10

100振動数(Hz)３Dプリンタモデル

Hz

加速度センサ２0Hz 0.01mmp-p（非共振状態）①実際の振動で共振周波数を確認（１ポイント）②本手法でうねりのように共振していることを確認（面状の振動分布確認）14

実用化に向けた課題• 複雑形状へ対応、被検体の色、光沢の問題• 今回紹介した実証実験の条件下では、精度は0.3mm程度であったが、実用化に向けて、0.1mm程度まで精度を上げたい。

想定される用途• 振動試験を行う際に、非接触で振動分布が明らかになるため、共振箇所の特定が容易となる。
• 工場の加工機の異常振動モニタにも活用が想定される。
• 上記以外の振動検出にも対応します。一度ご相談ください。

企業への期待• 画像処理や画像計測の技術を持つ企業様との共同研究を希望。特に複雑形状、色、光沢への課題に知見をお持ちの企業様ぜひ。
• 自動車、航空機部品は今後も高い信頼性を求められます。よって本技術を用いた振動計測システムも需要が高いと考えます。ぜひ、一緒に製品化を目指しませんか！

本技術に関する知的財産権

・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
・出願番号： 特願2019-163532
・公開番号： 特開2021-043005
・出願人： 地方独立行政法人鳥取県産業技術センター

・発明者： 吉田大一郎、福留祐太、高橋智一

お問い合わせ先

地方独立行政法人鳥取県産業技術センター
企画・連携推進部 企画室
ＴＥＬ ０８５７ー３８－６２００
ＦＡＸ ０８５７ー３８－６２１０
e-mail tiitkikaku@tiit.or.jp