JPWO2016170723A1 - 振動可視化素子、振動計測システム、及び振動計測方法 - Google Patents

振動可視化素子、振動計測システム、及び振動計測方法 Download PDF

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Abstract

振動可視化素子は、計測対象物に取り付けられ、当該計測対象物に加わった振動を可視化する。前記振動可視化素子は、光又は電磁波に対して再帰性反射性を有する一つ又は複数の光学部材を備える。前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれにおいて、当該光学部材の一部が当該光学部材の他の部分に対して前記振動に応じて相対的に動くことにより、前記一つ又は複数の光学部材が再帰性反射方向に出射する反射光の輝度又は反射電磁波の量が変化する。

Description

本開示は、計測対象物に取り付けられる振動可視化素子、当該振動可視化素子を用いた振動計測システム及び振動計測方法に関する。
日本では、橋梁やトンネルなどの公共の構造物の多くが１９７０年代の高度成長期に建設されている。これらの構造物の寿命は、一般に建設後５０年と言われている。このため、今後、寿命を超える構造物が急速に増えることが予想される。それに伴い、これらの構造物の点検・補強の需要が急激に増加している。
一般に、構造物の剛性と固有振動数とは相関関係があることが知られている。この関係を利用し、構造物の固有振動数の変化を計測することにより、構造物の劣化を検査することが従来行われている。
例えば、非特許文献１には、レーザドップラ速度計を用いて橋梁の振動計測を行い、橋梁を補強する前後で固有振動数が変化する度合を調べることで、構造物の劣化を検査する方法が記載されている。
また、米国のイリノイ大学では、加速度センサ、ＣＰＵ、及び無線ユニットを備える無線センサノードを計測対象物に多数取り付け、当該無線センサノードから送られてきたデータに基づいて振動等を分析するシステムが研究開発されている（Ｉｌｌｉｎｏｉｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｈｅａｌｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｐｒｏｊｅｃｔ）。
実験力学 Ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．３、２０１頁〜２０８頁（２０１１年９月）、「レーザドップラ速度計を用いた実橋梁の構造同定」、牧野高平、松田浩、森田千尋、一宮一夫
本開示の一態様は、計測対象物に加わった振動を可視化することができる振動可視化素子を提供する。
本開示の一態様に係る振動可視化素子は、計測対象物に取り付けられ、当該計測対象物に加わった振動を可視化する。前記振動可視化素子は、光又は電磁波に対して再帰性反射性を有する一つ又は複数の光学部材を備える。前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれにおいて、当該光学部材の一部が当該光学部材の他の部分に対して前記振動に応じて相対的に動くことにより、前記一つ又は複数の光学部材が再帰性反射方向に出射する反射光の輝度又は反射電磁波の量が変化する。
本開示の包括的または具体的な態様は、素子、装置、システム、方法又はこれらの任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示の一態様に係る振動可視化素子は、計測対象物に加わった振動を可視化することができる。
本開示の第１実施形態に係る振動計測システムの概略構成図である。 図１の振動計測システムが備える光学部材の斜視図である。 図２の光学部材が光又は電磁波を反射する原理を示す斜視図である。 図２の光学部材が光又は電磁波を反射する原理を示す側面図である。 図２の光学部材を複数敷き詰めるように備える振動可視化素子の一例を示す図である。 図２の光学部材を複数敷き詰めるように備える振動可視化素子の他の例を示す図である。 図１の振動計測システムを用いた振動計測方法のフローチャートである。 図１の振動計測システムを用いて橋梁の振動を測定する様子を示す斜視図である。 図１の振動計測システムを用いて橋梁を夜間に撮影したときの映像を示す図である。 ３枚の鏡による再帰性反射の実際の特性を示す図である。 可動鏡の固有振動数が異なる３つの光学部材の周波数依存性を示す特性図である。 本開示の第２実施形態に係る振動計測システムの概略構成図である。 本開示の第３実施形態に係る振動計測システムが備える振動可視化素子の概略構成図である。 本開示の第３実施形態に係る振動計測システムが備える振動可視化素子の概略構成図である。 本開示の第４実施形態に係る振動計測システムが備える振動可視化素子の概略構成図である。 本開示の第４実施形態に係る振動計測システムが備える振動可視化素子の概略構成図である。 変形例に係る振動可視化素子の概略構成図である。 変形例に係る振動可視化素子の概略構成図である。 実施例に係る橋梁の振動加速度を示すグラフである。 実施例に係る橋梁の振動加速度の周波数分析結果を示すグラフである。
（本開示の基礎となった知見）
本開示は、橋梁やトンネルなどの計測対象物の微小な振動を可視化することができる振動可視化素子、当該振動可視化素子を用いた振動計測システム及び振動計測方法に関する。
レーザドップラ速度計は、ドップラ効果を利用するものであり、計測器から計測対象物に向けてレーザを照射し、当該レーザが、計測器から離れていく速度、及び計測対象物に反射されて計測器に近づいてくる速度を計測する装置である。このため、レーザドップラ速度計を用いた振動計測方法では、１箇所ずつしか振動計測することができず、計測対象物の全体を振動計測するには相当な時間がかかる。
これに対して、無線センサノードを用いた振動計測方法では、複数の無線センサノードを計測対象物の全体に分散して貼り付けることで、計測対象物の全体を同時に振動計測することが可能になる。しかしながら、この振動計測方法では、ＣＰＵ等の消費電力が大きいため、電池を頻繁に交換する必要がある。特に計測対象物が橋梁などの大型構造物である場合には、当該大型構造物に取り付けた複数の無線センサノードの電池を頻繁に交換することは、非常に困難である。このため、メンテナンス回数をできる限り少なくすることが求められている。
そこで、本発明者は、計測対象物の全体の振動計測をより短時間で行うことを可能にするとともに、メンテナンス回数をより少なくすることができる振動可視化素子、当該振動可視化素子を用いた振動計測システム及び振動計測方法を提供すべく、鋭意研究した。その結果、計測対象物の全体の振動計測をより短時間で行うことを可能にするとともに、メンテナンス回数をより少なくすることができる振動可視化素子、当該振動可視化素子を用いた振動計測システム及び振動計測方法に想到した。
本開示の第１態様によれば、計測対象物に取り付けられ、当該計測対象物に加わった振動を可視化する振動可視化素子であって、
光又は電磁波に対して再帰性反射性を有する一つ又は複数の光学部材を備え、
前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれにおいて、当該光学部材の一部が当該光学部材の他の部分に対して前記振動に応じて相対的に動くことにより、前記一つ又は複数の光学部材が再帰性反射方向に出射する反射光の輝度又は反射電磁波の量が変化する、振動可視化素子を提供する。
この構成によれば、振動可視化素子は無電源での動作が可能である。
本開示の第２態様によれば、前記振動可視化素子は、更に、筐体を備え、
前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれは、互いに直交するように配置された３枚の鏡を備え、
前記３枚の鏡は、前記筐体に固定された少なくとも１枚の固定鏡と、前記少なくとも１枚の固定鏡に対して前記振動に応じて相対的に動く少なくとも１枚の可動鏡とを含み、
前記少なくとも１枚の固定鏡と前記少なくとも１枚の可動鏡とが成す角度が前記振動に応じて変化することにより、前記一つ又は複数の光学部材が前記再帰性反射方向に出射する前記反射光の輝度又は前記反射電磁波の量が変化する、
第１態様に記載の振動可視化素子を提供する。
本開示の第３態様によれば、前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれは、さらに、前記一つ又は複数の光学部材が前記再帰性反射方向に出射する前記反射光の輝度又は前記反射電磁波の量が前記振動と同期して振動するように前記少なくとも１枚の可動鏡を前記少なくとも１枚の固定鏡の少なくとも１枚に接続する弾性部材を備える、第２態様に記載の振動可視化素子を提供する。
本開示の第４態様によれば、前記一つ又は複数の光学部材は、複数の光学部材であり、前記複数の光学部材を敷き詰めるように備える、第２又は３態様に記載の振動可視化素子を提供する。
本開示の第５態様によれば、前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれは、球状レンズと、前記球状レンズの後方に配置され、前記球状レンズとは独立して移動可能な凹面反射材と、を備え、
前記球状レンズと前記凹面反射材との相対位置が前記振動に応じて動くことにより、前記一つ又は複数の光学部材が前記再帰性反射方向に出射する前記反射光の輝度又は前記反射電磁波の量が変化する、
第１態様に記載の振動可視化素子を提供する。
本開示の第６態様によれば、前記振動可視化素子は、更に、筐体と支持部材と弾性部材とを備え、
前記一つ又は複数の光学部材は、複数の光学部材であり、
前記複数の光学部材のそれぞれの前記球状レンズは、前記支持部材により支持され、
前記支持部材は、前記弾性部材を介して前記筐体に取り付けられる、
第５態様に記載の振動可視化素子を提供する。
本開示の第７態様によれば、前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれは、コーナーキューブと、前記コーナーキューブの一部と接触可能な変形部材とを備え、
前記振動に応じて前記変形部材が前記コーナーキューブの一部と接触して当該コーナーキューブを変形させることにより、前記一つ又は複数の光学部材が前記再帰性反射方向に出射する前記反射光の輝度又は前記反射電磁波の量が変化する、第１態様に記載の振動可視化素子を提供する。
本開示の第８態様によれば、前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれにおいて、前記光学部材の前記一部と前記光学部材の前記他の部分とが成す角度が前記振動に応じて変化することにより、前記一つ又は複数の光学部材が前記再帰性反射方向に出射する前記反射光の輝度又は前記反射電磁波の量が変化する、第１態様に記載の振動可視化素子を提供する。
第１〜８態様のいずれか１つに記載された一つ又は複数の振動可視化素子と、
前記一つ又は複数の振動可視化素子に向けて前記光又は前記電磁波を照射する照明装置と、
前記一つ又は複数の振動可視化素子それぞれの前記一つ又は複数の光学部材によって再帰性反射方向に出射された前記反射光又は前記反射電磁波を含む映像を撮影する撮影装置と、
前記撮影装置が撮影した映像に基づいて前記計測対象物に加わった前記振動を計測する振動計測装置と、
を備える、振動計測システムを提供する。
本開示の第１０態様によれば、更に、透過波長帯が互いに異なる第１及び第２のカラーフィルタを備え、
前記一つ又は複数の振動可視化素子は、第１および第２振動可視化素子を含み、
前記第１振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれの前記一部が前記振動に応じて動く方向は、前記第２振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれの前記一部が前記振動に応じて動く方向と異なり、
前記第１のカラーフィルタは、少なくとも前記第１振動可視化素子に入射する前記光又は前記電磁波の光路上又は前記第１振動可視化素子から出射される前記反射光又は前記反射電磁波の光路上に配置されており、
前記第２のカラーフィルタは、少なくとも前記第２振動可視化素子に入射する前記光又は前記電磁波の光路上又は前記第１振動可視化素子から出射される前記反射光又は前記反射電磁波の光路上に配置されている、第９態様に記載の振動計測システムを提供する。
本開示の第１１態様によれば、前記一つ又は複数の振動可視化素子は、第１および第２振動可視化素子を含み、
前記第１振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれの前記一部が前記振動に応じて動く方向は、前記第２振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材の前記一部が前記振動に応じて動く方向と異なり、
前記第１振動可視化素子の形状は、前記第２振動可視化素子の形状と異なる、第９態様に記載の振動計測システムを提供する。
本開示の第１２態様によれば、更に、透過波長帯が互いに異なる第１及び第２のカラーフィルタを備え、
前記一つ又は複数の振動可視化素子は、第１および第２振動可視化素子を含み、
前記第１振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれの前記一部が有する固有振動数が、前記第２振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれの前記一部が有する固有振動数と異なり、
前記第１のカラーフィルタは、少なくとも前記第１振動可視化素子に入射する前記光又は前記電磁波の光路上又は前記第１振動可視化素子から出射される前記反射光又は前記反射電磁波の光路上に配置されており、
前記第２のカラーフィルタは、少なくとも前記第２振動可視化素子に入射する前記光又は前記電磁波の光路上又は前記第１振動可視化素子から出射される前記反射光又は前記反射電磁波の光路上に配置されている、第９態様に記載の振動計測システムを提供する。
本開示の第１３態様によれば、第１〜１２態様のいずれか１つに記載された振動可視化素子を用いて計測対象物の振動を計測する方法であって、
前記一つ又は複数の振動可視化素子を前記計測対象物に取り付け、
前記一つ又は複数の振動可視化素子に前記光又は前記電磁波を照射しながら、当該一つ又は複数の振動可視化素子それぞれの前記一つ又は複数の光学部材によって前記再帰性反射方向に出射された前記反射光又は前記反射電磁波を含む映像を撮影し、
前記撮影した映像に基づいて前記計測対象物の振動を計測する、
振動計測方法を提供する。
本開示の第１４態様によれば、前記一つ又は複数の振動可視化素子は、複数の振動可視化素子であり、
前記複数の振動可視化素子は、互いに異なる方向の振動に対して感度を有するように前記計測対象物に取り付けられる、第１３態様に記載の振動計測方法を提供する。
本開示の第１５態様によれば、前記計測対象物の振動計測の開始時又は振動計測中において、
前記一つ又は複数の振動可視化素子に前記光又は前記電磁波を点滅させて照射し、
前記撮影した映像において、前記光又は前記電磁波の点滅と同期して点滅する部分を特定することにより、前記振動可視化素子の位置を同定する、第１３又は１４態様に記載の振動計測方法を提供する。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって、本開示が限定されるものではない。同一又は類似の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
（第１実施形態）
図１は、本開示の第１実施形態に係る振動計測システムの概略構成図である。本第１実施形態に係る振動計測システムは、振動可視化素子１と、照明装置２と、撮影装置３と、振動計測装置４と、を備えている。
振動可視化素子１は、橋梁やトンネルなどの計測対象物１００に取り付けられ、当該計測対象物１００に加わった振動（例えば機械的振動）を可視化するものである。振動可視化素子１は、図１に示すように、筐体１１と、光又は電磁波に対して再帰性反射性を有する光学部材１２とを備えている。
光学部材１２は、図２に示すように、互いに直交するように配置された３枚の鏡を備えている。本第１実施形態において、３枚の鏡のうちの１枚は、計測対象物１００に加えられた振動に応じて動く可動鏡１３である。３枚の鏡のうちの２枚は、固定鏡１４である。２枚の固定鏡１４の少なくとも１枚は、筐体１１に固定される。可動鏡１３は光学部材１２の一部の一例である。固定鏡１４は光学部材１２の他の部分の一例である。可動鏡１３は固定鏡１４に対して振動に応じて相対的に動く。筐体１１は、例えば、樹脂、金属またはこれらの組合せで構成される。
可動鏡１３は、弾性部材の一例であるばね１５を介して２枚の固定鏡１４の少なくとも一つに接続されている。可動鏡１３は、図１に示すように、ばね１５の弾性力により、点線で示す位置１３ａと一点鎖線で示す位置１３ｂとの間で振動するように構成されている。
照明装置２は、振動可視化素子１に向けて光又は電磁波を照射する装置である。照明装置２としては、フリッカーが生じにくい光源、例えば、ＤＣ（直流）駆動のＬＥＤなどの装置を用いることが望ましい。なお、照明装置２は、計測対象物１００を照らす適度な照射角、及び撮影距離や環境に応じた明るさを有するものであれば、特別な照明装置でなくてもよい。照明装置２の例としては、例えば、ＬＥＤ照明、ＨＩＤ照明、ハロゲン照明、水銀灯が含まれる。照明装置２は、例えば、白色ＬＥＤなどの光源と出射光学系とを備え、出射光学系の出射口から光が出射される。
撮影装置３は、図１に示すように、光学部材１２によって再帰性反射方向に反射された光又は電磁波を含む映像を撮影する装置である。本第１実施形態において、撮影装置３は、照明装置２の近傍に配置されている。撮影装置３としては、例えば、カメラやレーダーを用いることができる。撮影装置３は、例えば、ＣＭＯＳ又はＣＣＤと入射レンズとを備えたデジタルビデオカメラである。例えば、撮影装置３の入射レンズの中心と照明装置２の光の出射口の中心との間の距離は、１ｍ以内であることが望ましく、５０ｃｍ以内であることがより望ましい。但し、撮影装置と照明装置は、撮影中に互いの位置関係が変わらないように、結合して固定されていることが望ましい。そうすることにより、撮影装置側が、移動体から撮影するときや、風などの外乱で揺れても、振動可視化素子の再帰性により、安定した撮影、計測が可能となる。
なお、撮影装置３は、反射光の輝度又は電磁波の量の変化を撮影するのに十分なスピードの動画撮影を行えるものであることが望ましい。なお、計測対象物１００が橋梁のような大型の構造物である場合、当該構造物の固有振動数は数十Ｈｚ以下と遅い。このため、撮影装置３として一般的に普及しているデジタルカメラを用いても、十分なスピードの動画撮影を行うことができる。
振動計測装置４は、撮影装置３が撮影した映像に基づいて計測対象物１００の振動を計測する装置である。振動計測装置４は、例えば、パーソナルコンピュータにインストールされたソフトウェアによって実現可能である。振動計測装置４は、例えば、ソフトウェアおよび映像データを記憶するメモリとプロセッサとディスプレイとを備える。
可動鏡１３が２枚の固定鏡１４に対して直交する位置に位置するとき、可動鏡１３又は固定鏡１４に入射した光又は電磁波は、図３の実線矢印又は一線鎖線矢印に示すように２回又は３回反射され、入射方向に戻る。すなわち、可動鏡１３又は固定鏡１４に反射された光又は電磁波は、入射方向と逆方向に進行する。以下、この入射方向と逆方向に進行する光又は電磁波の進行方向を「再帰性反射方向」という。この構成によれば、照明装置２から照射された光又は電磁波は、図４に示すように、３枚の鏡の内面に入射する限り、照明装置２に向けて戻るように反射される。
可動鏡１３が２枚の固定鏡１４のいずれかに対して直交する位置からずれたとき、例えば、図１に示すように、点線で示す位置１３ｂ又は一点鎖線で示す位置１３ａに位置するとき、反射光又は電磁波の進行方向Ｂ１，Ｂ２は、再帰性反射方向Ａ１からずれる。このとき、撮影装置３は、再帰性反射方向における反射光又は電磁波を受けることはできない。
計測対象物１００が振動し、それに応じて可動鏡１３が図１に示す位置１３ａと位置１３ｂとの間で振動すると、撮影装置３が受ける再帰性反射方向における反射光の輝度又は電磁波の量が変化する。すなわち、計測対象物１００の振動と再帰性反射方向における反射光の輝度又は電磁波の量の変化とは相関関係がある。従って、この反射光の輝度又は電磁波の量の変化に基づいて、計測対象物１００の振動計測を行うことが可能になる。
本第１実施形態によれば、光学部材１２が再帰性反射性を有しているので、１つの照明装置２で複数の光学部材１２に光又は電磁波を照射することで、当該複数の光学部材１２の反射光又は電磁波を１つの撮影装置３で受けることができる。すなわち、計測対象物１００に複数の振動可視化素子１を貼り付け、それらの振動可視化素子１に照明装置２から光又は電磁波を照射することで、それら複数の振動可視化素子１により反射された反射光の輝度又は電磁波の量の変化を撮影装置３で同時に計測することができる。これにより、計測対象物１００の全体の振動計測をより短時間で行うことが可能になる。なお、計測対象物１００の振動に同期して可動鏡１３が振動するようにすれば、計測対象物１００の振動計測をより正確に行うことが可能になる。
また、本第１実施形態によれば、振動可視化素子１がＣＰＵ等の消費電力が大きい部品を含まないので、電池を交換する必要性を無くして、メンテナンス回数をより少なくすることができる。また、振動可視化素子１の製造コストを安くすることができ、腐食などの劣化を抑えることができる。
なお、本第１実施形態では、振動可視化素子１が、３枚の鏡を備える光学部材１２を１つ備えるものとしたが、本開示はこれに限定されない。振動可視化素子１は、例えば、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、光学部材１２を複数敷き詰めるように備えてもよい。この構成によれば、光又は電磁波の反射面積を増加させて、計測対象物１００の振動計測をより正確に行うことができる。
なお、図５Ａは、複数の光学部材１２のそれぞれの可動鏡１３をＺ方向に振動するように配置した図である。図５Ａに示す振動可視化素子１Ａによれば、Ｚ方向の振動に対して感度を有することができる。また、図５Ｂは、複数の光学部材１２のそれぞれの可動鏡１３をＹ方向に振動するように配置した図である。図５Ｂに示す振動可視化素子１Ｂによれば、Ｙ方向の振動に対して感度を有することができる。
図５Ａの例では、２枚の固定鏡１４の接続辺のＺ方向の端部と可動鏡１３の一つの角部とが、ばね１５（例えばアーム角度が９０度のトーションばね）によって接続されている。また、図５Ｂの例では、２枚の固定鏡１４の接続辺のＹ方向の端部と可動鏡１３の一つの角部とが、ばね１５（例えばアーム角度が９０度のトーションばね）によって接続されている。すなわち、可動鏡１３は、２枚の固定鏡１４に弾性部材を介して接続されている。可動鏡１３が２枚の固定鏡１４と衝突しないように、可動鏡１３と２枚の固定鏡１４との間に隙間が設けられている。可動鏡１３が２枚の固定鏡１４と直接衝突しないように、可動鏡１３に緩衝材を設けてもよい。これに代えて、２枚の固定鏡１４の何れか一つの一辺と可動鏡１３の一辺とが弾性部材（例えばヒンジ及びアーム角度が９０度のトーションばね）で接続されていてもよい。
また、図５Ａに示す振動可視化素子（第１振動可視化素子の一例）１Ａと、図５Ｂに示す振動可視化素子（第２振動可視化素子の一例）１Ｂの前方（照明装置２側）にそれぞれに異なる色のカラーフィルタを配置してもよい。互いに異なる色のカラーフィルタは、透過波長帯が異なる第１及び第２のカラーフィルタの例である。第１のカラーフィルタは、少なくとも振動可視化素子１Ａに入射する光又は電磁波の光路上又は振動可視化素子１Ａから出射される反射光又は反射電磁波の光路上に配置されてもよい。第２のカラーフィルタは、少なくとも振動可視化素子１Ａに入射する光又は電磁波の光路上又は振動可視化素子１Ａから出射される反射光又は反射電磁波の光路上に配置されてもよい。例えば、振動可視化素子１Ａの前方に赤色のカラーフィルタを配置する一方で、振動可視化素子１Ｂの前方に青色のカラーフィルタを配置してもよい。
この構成によれば、振動可視化素子１Ａの可動鏡１３がＺ方向に振動したとき、振動可視化素子１Ａが赤色に点滅して見える。この振動可視化素子１Ａを計測対象物１００に取り付けることにより、計測対象物１００のＺ方向の振動を計測することが可能になる。また、前記構成によれば、振動可視化素子１Ｂの可動鏡１３がＹ方向に振動したとき、振動可視化素子１Ｂが青色に点滅して見える。この振動可視化素子１Ｂを計測対象物１００に取り付けることにより、計測対象物１００のＺ方向の振動を計測することが可能になる。また、それらの振動可視化素子１Ａ，１Ｂを計測対象物１００の全体に分散して配置すれば、計測対象物１００の２軸方向（Ｙ，Ｚ方向）の振動を独立して計測することが可能になる。
また、Ｘ方向の振動に対して感度を有する振動可視化素子を作成し、当該振動可視化素子の前方に赤色及び青色とは異なる色（例えば、緑色）のカラーフィルタを配置してもよい。この振動可視化素子と振動可視化素子１Ａ，１Ｂを、計測対象物１００の全体に分散して配置すれば、計測対象物１００の３軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）の振動を独立して計測することが可能になる。
なお、光学部材１２が風や腐食などの計測対象物１００の振動以外の要因の影響を受けた場合には、計測対象物１００の振動を正確に計測することができない。このため、光学部材１２を覆うようにカバーを設けるなどして、光学部材１２を封止することが望ましい。また、光学部材１２又はカバーの表面は、防汚表面処理などが施されることが望ましい。
なお、振動可視化素子１Ａ，１Ｂの形状は、図５Ａ及び図５Ｂに示す形状に限定されるものではなく、種々の形状とすることができる。例えば、振動可視化素子１Ａ，１Ｂの形状を三角形や四角形などの図形や、文字にしてもよい。この場合、振動可視化素子１Ａと振動可視化素子１Ｂとで形状を異ならせ、計測対象物１００の全体に分散して配置すれば、計測対象物１００の２軸方向の振動を独立して計測することが可能になる。また、Ｘ方向の振動に対して感度を有する振動可視化素子を、振動可視化素子１Ａ，１Ｂの形状と異なる形状に形成してもよい。この振動可視化素子と振動可視化素子１Ａ，１Ｂを、計測対象物１００の全体に分散して配置すれば、計測対象物１００の３軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）の振動を独立して計測することが可能になる。
また、本第１実施形態では、光学部材１２が備える３枚の鏡のうちの１枚を可動鏡１３とし、２枚を固定鏡１４としたが、本開示はこれに限定されない。例えば、光学部材１２が備える３枚の鏡のうちの２枚を可動鏡１３とし、１枚を固定鏡１４としてもよい。この場合、２枚の可動鏡１３は、固定鏡１４の２辺に弾性部材（例えばヒンジ及びアーム角度が９０度のトーションばね）で接続されていてもよい。なお、２枚の可動鏡１３が互いに直接衝突しないように、２枚の可動鏡１３と固定鏡１４との間に隙間が設けられている。２枚の可動鏡１３が互いに直接衝突しないように、２枚の可動鏡１３に緩衝材を設けてもよい。この構成によれば、２軸方向の振動に対して感度を有することができる。但し、この構成では、１台の撮影装置３では、振動方向を検出することが困難である。この場合、２台以上の撮影装置３を設置することができる。例えば、再帰性反射方向に対してＺ方向にずれて進行方向Ｂ１に進む光又は電磁波を検出するために、図１に示す撮影装置３の上方にもう１台の撮影装置３を設置してもよい。この構成によれば、Ｚ方向の振動成分を同定でき、撮影装置３の検出信号からＺ成分を除くことで、Ｙ方向の成分を抽出することができる。
また、本第１実施形態では、光学部材１２が備える３枚の鏡を備えるものとしたが、本開示はこれに限定されない。例えば、光学部材１２は、１枚の可動鏡１３と１枚の固定鏡１４の２枚の鏡を備えるものであってもよい。この場合、光学部材１２に対して斜めから入射した光又は電磁波に対して再帰性反射することはできないが、光学部材１２に対して垂直に入射した光又は電磁波に対しては再帰性反射することができる。
また、図１〜図５Ｂでは、可動鏡１３及び固定鏡１４の形状を矩形として示したが、本開示はこれに限定されない。例えば、可動鏡１３及び固定鏡１４の形状は三角形であってもよい。
なお、可動鏡１３、固定鏡１４、及びばね１５は、例えば、ステンレスなどの金属箔（数μｍから１００μｍ程度の厚さ）をレーザなどで切断、折り曲げ、接着、溶接などで加工することにより作成することができる。また、可動鏡１３及び固定鏡１４は、例えば、プラスチックの金型成形で本体を形成し、当該本体の表面にアルミニウムなどを蒸着することにより鏡面を形成してもよい。また、ばね１５の一端部および固定鏡１４を支持する振動可視化素子１の筐体１１は、プラスチックの金型成形などにより正確に角度、形状を作成することが望ましい。
なお、照明装置２が電磁波を照射するものである場合、当該電磁波は光よりも波長の長い電磁波であることが望ましい。また、この場合、可動鏡１３及び固定鏡１４のフラットな状態の鏡面のサイズは、電磁波の波長より大きいことが望ましい。これにより、照明装置２が光を照射する場合と同様に取り扱うことができる。なお、波長の長い電磁波を用いた場合、より離れた場所、例えば衛星からでも振動計測が可能となる。
次に、本第１実施形態に係る振動計測システムを用いた振動計測方法について説明する。図６は、当該振動計測方法のフローチャートである。ここでは、図７に示すように、計測対象物１００が橋梁であるとする。また、以下では説明を簡単にするため、照明装置２は光のみを照射するものとし、電磁波についての説明は省略する。
まず、ステップＳ１では、計測対象物１００に複数の振動可視化素子１を取り付ける。
なお、振動可視化素子１は、計測対象物１００の種類や構造に依存するが、計測対象物１００の劣化し易い部分を中心として、計測対象物１００の全体の振動モードが推定できるように分散させて設置することが望ましい。本第１実施形態に係る振動可視化素子１は、ＣＰＵ等の消費電力が大きい部品を含まないので、計測対象物１００に一旦取り付ければ長期間使用することができる。このため、振動可視化素子１が計測対象物１００から外れないように、しっかり固定することが望ましい。
次に、ステップＳ２では、図７に示すように、計測対象物１００に向けて照明装置２から光を照射し、振動可視化素子１の光学部材１２によって再帰性反射方向に反射された光を含む映像を撮影装置３により撮影する。
なお、ステップＳ２において、撮影装置３により撮影する映像は、複数の振動可視化素子が計測対象物１００の振動に応じて明滅する映像となる。計測対象物１００が橋梁である場合、橋梁の振動は、主に、Ｚ方向（即ち、鉛直方向）とＹ方向（即ち、橋の長軸方向）の２軸方向の成分からなることが知られている。このため、図５Ａに示す振動可視化素子１Ａと図５Ｂに示す振動可視化素子１Ｂとを、橋梁の全体に分散して配置することで、Ｚ方向とＹ方向の２軸方向の振動計測を行うことができる。
次に、ステップＳ３では、振動計測装置４が、撮影装置３が撮影した映像に基づいて計測対象物１００の振動を計測する。例えば、振動計測装置４は、撮影装置３により撮影した映像の各フレームの画像から特定位置の画素の輝度変化をサンプリングするなどの画像処理を行う。これにより、映像に映っている複数の振動可視化素子１の振動波形を抽出することができ、計測対象物１００の複数箇所の振動の周波数、位相、及び振幅を計測することができる。
本第１実施形態に係る振動計測方法によれば、計測対象物１００の振動に応じて複数の振動可視化素子１が明滅するので、計測対象物１００の当該振動を目視により観測することもできる。また、振動可視化素子１に再帰性反射される光は、高い指向性を有しているので、例えば、計測対象物１００から数百ｍ離れた位置からでも観測することが可能である。また、撮影装置３自体が微振動するなどして多少の焦点のボケやブレが生じた場合であっても、反射光の輝度の変化を検知することができれば、計測対象物１００の振動を計測することができる。したがって、本第１実施形態に係る振動計測方法は、従来の方法に比べてノイズや環境の変化に対して強い計測方法であると言える。
なお、振動計測装置４は、計測した計測対象物１００の振動データを蓄積して記憶する記憶部と、文字や音等により異常を報知する報知部を備えることが望ましい。記憶部は、例えば、半導体メモリである。報知部は、例えば、モニタ及び／又はスピーカである。この構成によれば、記憶部に蓄積された過去の振動データと今回計測した振動データとを比較することで、計測対象物１００の異常箇所及び程度を検出することが可能になる。また、当該検出結果に基づいて報知部が管理者に異常を報知することで、計測対象物１００に対する早期のメンテナンスを可能にすることができる。
なお、ステップＳ２において、照明装置２から照射する光は、計測対象物１００の振動周波数付近で周期的に点滅させてもよい。この場合、ストロボ撮影により、計測対象物１００の振動周波数とストロボの周波数との差分周波数がうねるように振動するので、当該うねりから振動数の詳細な周波数の同定を行うことが可能になる。
なお、照明装置２及び撮影装置３は、計測対象物１００から離れた位置で固定されてもよいし、車やヘリコプターなどの移動体に設置されてもよい。照明装置２及び撮影装置３を計測対象物１００から離れた位置に固定する場合は、例えば、安全や演出のために橋梁を照らしている照明装置の横に設置してもよい。これにより、定点観測が行える。
また、照明装置２及び撮影装置３を車に設置する場合は、車の重量や速度を一定にしておくことで、車の重量が刺激となり、計測対象物１００の振動を安定して計測することができる。なお、車などの移動体に搭載された撮影装置３で撮影した場合には、撮影した映像の中で振動可視化素子１の位置は移動するが、一旦位置を同定すれば、画像処理で特徴を抽出して追跡することは容易である。
なお、一般的に普及しているデジタルカメラで可視光による撮影を行う場合は、太陽光による影響が少ない状況、例えば、夜間に撮影を行う方がよい。この場合、撮影装置３が撮影した映像には、例えば、図８に示すように、照明装置２により薄暗く照らされた計測対象物１００と、再帰性反射により明るく光る振動可視化素子１と、街灯やビルの明かりなどの背景が含まれる。この映像から複数の振動可視化素子１の位置を抽出する必要がある。この場合、例えば、振動計測の開始時又は振動計測中において、照明装置２の光を点滅させ、振動可視化素子１に反射された光と照明装置２の光とが同期して点滅する部分を特定することにより、振動可視化素子１の位置を同定することが可能である。すなわち、照明装置２から複数の振動可視化素子１に光を点滅させて照射し、撮影装置によって反射光を含む映像を撮影する。撮影した映像において、照明装置２からの光の点滅と同期して点滅する周囲よりも明るい部分を特定することにより、複数の振動可視化素子の位置を同定することができる。
なお、照明装置２として、水分子の吸収により、地上での太陽光のスペクトルが弱い波長域、例えば１．３５μｍ付近や１．１５μｍ付近の光を発光するＬＥＤを使用してもよい。この場合、太陽光による影響を少なくすることができ、昼間でもＳＮ比の高い振動計測が可能になる。
次に、振動可視化素子１の可動鏡１３の望ましい設計パラメータについて説明する。
３枚の鏡による再帰性反射は、各鏡面が互いに直交している場合、理論的には分散角が無限小の指向性となる。しかしながら、実際には、鏡面には反りや凹凸があるのが通常である。また、複数の３枚の鏡の集合体である場合、角度のばらつきも生じる。このため、再帰性反射光に広がりが生じる。
図９は、３枚の鏡による再帰性反射の実際の特性を示す図であり、照明の入射方向（＝再帰性反射方向）を０度とし、観測角を変化させながら、反射光の輝度を測定した結果を示す図である。図６において、横軸は観測角を示し、縦軸は輝度を示している。
図９に示すように、反射光の輝度は観測角が小さいほど明るくなる。観測角が約２°以上の場合、輝度はほぼ０（ｃｄ／ｌｘ・ｍ２）になる。一方、図１において、固定鏡１４に対する可動鏡１３の角度が９０°からθ°ずれたとき、反射方向は２θ°ずれる。すなわち、図９の再帰性反射の特性を有する光学部材１２の可動鏡１３は、固定鏡１４に対する角度が９０°から１°ずれれば、反射光の輝度は０になる。このため、計測対象物１００にて想定される振動の最大加速度を振動可視化素子１に加えたときに、可動鏡１３の角度が１°以下の範囲で変化するように設計することが望ましい。これにより、振動可視化素子１の振動の振幅に対して正の相関がある反射光の輝度を得ることができる。
なお、可動鏡１３の運動方程式は、基本的にはばね１５の振動に基づいて計算することができる。すなわち、質量ｍ、加速度α、ばね定数ｋ、ばねの変位ｘ（またはθ）とした場合、ｍα＝−ｋｘとなる。このため、計測対象物１００の加速度αに応じて、ばね１５のばね定数及び質量を設定することができる。
また、前記運動方程式での固有振動数（Ｈｚ）は、λ＝（１／２π）（ｋ／ｍ）１／２となる。振動可視化素子１が受ける振動の周波数が可動鏡１３の固有振動数に近い場合、共振が生じるおそれがある。このため、可動鏡１３の固有振動数は、例えば、計測対象物１００の最大周波数の３倍程度の大きさにすることが望ましい。計測対象物１００が橋梁の場合は、１０〜５０Ｈｚ程度が最大となるので、３０〜１５０Ｈｚ程度に設定すると、周波数依存が小さくなる。
また、可動鏡１３の固有振動数は、以下のように設定してもよい。図１０は、可動鏡１３の固有振動数が異なる３つの振動可視化素子１の周波数依存性を示す特性図である。図１０の特性は、加振器上に振動可視化素子１を設置し、印加する振動の周波数と強度を変えて、照明装置の近傍に配置した輝度計により、再帰性反射方向の反射光の輝度の振幅を測定し、振動の振幅と輝度の振幅との比率から相対感度を算出したものである。
一点鎖線６０、実線６１、点線６２は、それぞれ可動鏡１３の固有振動数が５．０Ｈｚ、６．０Ｈｚ、７．０Ｈｚであるときの相対感度を示している。例えば、可動鏡１３の固有振動数が６．０Ｈｚである場合、実線６１に示すように、２Ｈｚ以下では相対感度が“１０”程度であるのに対して、６．０Ｈｚでは共振して相対感度が“２００”以上になる。すなわち、周波数が６Ｈｚであるときの相対感度は、周波数が２Ｈｚ以下であるときの相対感度の２０倍以上である。この通常時と共振時との相対感度の違いを利用すれば、振動可視化素子１の感度を高めることが可能になる。
例えば、可動鏡１３の固有振動数が異なる３つの振動可視化素子１の各々の前方に、異なる色のカラーフィルタを配置してもよい。ここでは、可動鏡１３の固有振動数が５．０Ｈｚ、６．０Ｈｚ、７．０Ｈｚである３つの振動可視化素子１の各々の前方に、青色、緑色、赤色のカラーフィルタを配置するものとする。これら３つの振動可視化素子１の可動鏡１３は、振動可視化素子１に印加された振動に応じて振動する。このとき、それぞれの振動可視化素子１により反射される再帰性反射方向の反射光の輝度が異なるので、撮影装置３が撮影する反射光の色が異なって見える。
例えば、各振動可視化素子１に６．０Ｈｚの振動を印加したとき、反射光はほぼ緑色のみが点滅するため、補色のマゼンタの点滅が見える。一方、各振動可視化素子１に５．５Ｈｚの振動を印加したとき、反射光は、緑色と青色の点滅とが混合され、補色の赤の点滅に見える。すなわち、反射光の色（波長分散）の違いにより、振動可視化素子１に印加された振動の周波数を知ることができる。この関係を利用することで、動画に限らず静止画像でも、計測対象物１００の振動を分析することが可能となる。
なお、この場合、振動可視化素子１を計測対象物１００に設置する前に、あらかじめ計測対象物１００の固有振動数を調べ、当該計測対象物１００の固有振動数の近くになるように、複数の振動可視化素子１の各可動鏡１３の固有振動数を設定することが望ましい。可動鏡１３の固有振動数の調整は、例えば、ばね１５の加工寸法を調整したり、ばね１５に錘を付けたりすることにより可能である。
（第２実施形態）
図１１は、本開示の第２実施形態に係る振動計測システムの概略構成図である。
本第２実施形態に係る振動計測システムが前記第１実施形態に係る振動計測システムと異なる点は、可動鏡１３及びばね１５に代えて、複数の可動鏡２１、連結部材２２、錘２３、及び弾性部材の一例である複数のばね２４を備えている点である。他の部分は第１実施形態と同様である。
複数の可動鏡２１は、細長く形成され、それぞれ平行に配置されている。複数の可動鏡２１の合計面積は、実施形態１の１枚の可動鏡１３の面積とほぼ同じである。複数の可動鏡２１の各一端部は、連結部材２２を介して錘２３に連結されている。可動鏡２１は、光学部材の一部の一例である。錘２３は、複数のばね２４を介して筐体１１に取り付けられている。複数の可動鏡２１の各他端部は、回転軸２５に連結されている。各回転軸２５は、例えば、筐体１１に固定されている。計測対象物１００が振動したとき、各ばね２４が振動し、それに伴い、図１１において点線及び実線に示すように、各可動鏡２１が回転軸２５を中心に回動する。これにより、各可動鏡２１の固定鏡１４に対する角度が可変する。
本第２実施形態によれば、計測対象物１００の振動が微小であっても、各可動鏡２１の固定鏡１４に対する角度を大きく変化させることができる。これにより、計測対象物１００が固有振動数の低い大型構造物であっても、その振動をより感度良く計測することができる。
（第３実施形態）
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本開示の第３実施形態に係る振動計測システムが備える振動可視化素子の概略構成図である。
本第３実施形態に係る振動計測システムが前記第１実施形態に係る振動計測システムと異なる点は、光学部材１２に代えて、ビーズ型構造を有する光学部材３１を備えている点である。他の部分は第１実施形態と同様である。
光学部材３１は、球状レンズ３２と、球状レンズ３２の後方（照明装置２より離れる側）に配置され、球状レンズ３２とは独立して移動可能な凹面反射材３３とを備えている。凹面反射材３３は、球状レンズ３２と同心円の凹面を有している。すなわち、凹面反射材３３は、部分球状の形状を有する。球状レンズ３２は光学部材３１の一部の一例であり、凹面反射材３３は光学部材３１の他の部分の一例である。
本実施形態の振動可視化素子１の筐体１１が静止しているとき、照明装置２から照射された光又は電磁波は、図１２Ａに示すように、球状レンズ３２を通過して凹面反射材３３上で集光される。その後、当該光又は電磁波は、凹面反射材３３に反射されて再び球状レンズ３２に入射し、球状レンズ３２の球中心に対して対称な経路を通って、再帰性反射方向に進行する。このとき、再帰性反射方向における反射光の輝度又は電磁波の量は最大となる。
これに対して、振動可視化素子１の筐体１１が動き、図１２Ｂに示すように、光学部材３１の球状レンズ３２と凹面反射材３３との相対位置がずれたとき、反射光又は電磁波の進行方向Ｂ３は、再帰性反射方向Ａ１からずれる。このとき、撮影装置３は、再帰性反射方向における反射光又は電磁波を受けることはできない。
従って、振動可視化素子１の筐体１１が振動し、それに応じて光学部材３１の球状レンズ３２が振動すると、撮影装置３が受ける再帰性反射方向における反射光の輝度又は電磁波の量が変化する。この反射光の輝度又は電磁波の量の変化に基づいて、計測対象物１００の振動計測を行うことが可能になる。
また、本第３実施形態において、光学部材３１は、複数敷き詰めるように配置されている。各光学部材３１の球状レンズ３２は、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、支持部材３４によりそれぞれ支持されている。支持部材３４は、例えば、球状レンズ３２を受け容れる複数の穴を有する板状の部材であり、弾性部材の一例であるばね３５を介して振動可視化素子１の筐体１１に取り付けられている。支持部材３４は、例えば、樹脂、金属またはこれらの組合せで構成される。
本第３実施形態によれば、光学部材３１が再帰性反射性を有しているので、１つの照明装置２で複数の光学部材３１に光又は電磁波を照射することで、当該複数の光学部材３１の反射光又は電磁波を１つの撮影装置３で受けることができる。すなわち、計測対象物１００に複数の振動可視化素子１を貼り付け、それらの振動可視化素子１に照明装置２から光又は電磁波を照射することで、それら複数の振動可視化素子１により反射された反射光の輝度又は電磁波の量の変化を撮影装置３で同時に計測することができる。これにより、計測対象物１００の全体の振動計測をより短時間で行うことが可能になる。なお、計測対象物１００の振動に同期して球状レンズ３２が振動するようにすれば、計測対象物１００の振動計測をより正確に行うことが可能になる。
また、本第３実施形態によれば、振動可視化素子１がＣＰＵ等の消費電力が大きい部品を含まないので、電池を交換する必要性を無くして、メンテナンス回数をより少なくすることができる。また、振動可視化素子１の製造コストを安くすることができ、腐食などの劣化を抑えることができる。
（第４実施形態）
図１３Ａ及び図１３Ｂは、本開示の第４実施形態に係る振動計測システムが備える振動可視化素子の概略構成図である。
本第４実施形態に係る振動計測システムが前記第１実施形態に係る振動計測システムと異なる点は、光学部材１２に代えて、コーナーキューブ型構造を有する光学部材４１を備えている点である。他の部分は第１実施形態と同様である。
光学部材４１は、コーナーキューブ４２と、当該コーナーキューブ４２の頂部に接触してコーナーキューブ４２を変形させることが可能な変形部材４３とを備えている。
コーナーキューブ４２は、シリコーンゴムやゲルなどの透明で柔軟な樹脂で形成され、立方体の角部を形成する３つの面を有している。コーナーキューブ４２は、当該３つの面で再帰性反射を行うことが可能である。また、コーナーキューブ４２は、振動可視化素子１の筐体１１の内面に取り付けられている。
変形部材４３は、錘４４に取り付けられている。変形部材４３は、例えば、ゴム、樹脂または金属などの平板であって、コーナーキューブ４２の頂部を受け入れる凹部を有する。コーナーキューブ４２の頂部は、接着剤などで変形部材４３に固定されていてもよい。錘４４は、例えば、平板状に形成されている。錘４４の両端部は、弾性部材の一例であるばね４５を介して振動可視化素子１の筐体１１に取り付けられている。本第４実施形態において、筐体１１は、光又は電磁波を透過する部材で構成されている。
振動可視化素子１の筐体１１が静止しているとき、照明装置２から照射された光又は電磁波は、図１３Ａに示すように、筐体１１を通過してコーナーキューブ４２に入射し、コーナーキューブ４２の面と空気との界面で全反射される。その後、当該光又は電磁波は、コーナーキューブ４２の内部及び筐体１１を通って、再帰性反射方向に進行する。このとき、再帰性反射方向における反射光の輝度又は電磁波の量は最大となる。
これに対して、振動可視化素子１の筐体１１が動き、図１３Ｂに示すように、コーナーキューブ４２と変形部材４３との相対位置がずれたとき、変形部材４３がコーナーキューブ４２の頂部を変形させる。これにより、コーナーキューブ４２の面がやや湾曲するとともに、面間の角度が直角ではなくなる。その結果、コーナーキューブ４２の面と空気との界面で反射される光又は電磁波の進行方向Ｂ４が再帰性反射方向Ａ１からずれる。このとき、撮影装置３は、再帰性反射方向における反射光又は電磁波を受けることはできない。コーナーキューブ４２の頂部は、光学部材４１の一部の一例である。コーナーキューブ４２の頂部以外の部分は、光学部材４１の他の部分の一例である。
従って、振動可視化素子１の筐体１１が振動し、それに応じて光学部材４１のコーナーキューブ４２が振動すると、撮影装置３が受ける再帰性反射方向における反射光の輝度又は電磁波の量が変化する。この反射光の輝度又は電磁波の量の変化に基づいて、計測対象物１００の振動計測を行うことが可能になる。
また、本第４実施形態において、光学部材４１は、複数敷き詰めるように配置されている。各光学部材４１のコーナーキューブ４２は、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、互いに一部を共有するように連結されている。すなわち、複数の光学部材４１は、プリズム状のシートで構成されている。各光学部材４１の変形部材４３は、一枚の平板状に一体化されている。
本第４実施形態によれば、光学部材４１が再帰性反射性を有しているので、１つの照明装置２で複数の光学部材４１に光又は電磁波を照射することで、当該複数の光学部材４１の反射光又は電磁波を１つの撮影装置３で受けることができる。すなわち、計測対象物１００に複数の振動可視化素子１を貼り付け、それらの振動可視化素子１に照明装置２から光又は電磁波を照射することで、それら複数の振動可視化素子１により反射された反射光の輝度又は電磁波の量の変化を撮影装置３で同時に計測することができる。これにより、計測対象物１００の全体の振動計測をより短時間で行うことが可能になる。なお、計測対象物１００の振動に同期して変形部材４３が振動するようにすれば、計測対象物１００の振動計測をより正確に行うことが可能になる。
また、本第４実施形態によれば、振動可視化素子１がＣＰＵ等の消費電力が大きい部品を含まないので、電池を交換する必要性を無くして、メンテナンス回数をより少なくすることができる。また、振動可視化素子１の製造コストを安くすることができ、腐食などの劣化を抑えることができる。
なお、本第４実施形態では、各光学部材の変形部材４３は、一枚の平板状に一体化されているものとしたが、本開示はこれに限定されない。変形部材は、振動可視化素子１の振動に応じてコーナーキューブ４２の一部を変形させ、反射光又は電磁波の反射方向を再帰性反射方向からずらすことが可能なものであればよい。例えば、変形部材は、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、錘４２の表面からコーナーキューブ４２側へ突出する突起部５１であってもよい。振動可視化素子１の振動に応じて突起部５１がコーナーキューブ４２の一部に接触して変形させることで、本第４実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、変形部材が図１４Ａ及び図１４Ｂに示すような突起部５１である場合、コーナーキューブ４２の面に凹凸を生じさせ、反射光を拡散させることができる。なお、突起部５１は、振動可視化素子１が振動しない静止状態において、コーナーキューブ４２に接触していてもよいし、非接触であってもよい。
（実施例）
図１５は、全長５６０ｍの道路橋の橋桁上で加速度センサにより計測したＺ方向の加速度を示すグラフである。図１６は、当該振動加速度の周波数を示すグラフである。図１５に示すように、加速度は±０．５ｍ／ｓ２以下の範囲にあった。また、図１６に示すように、周波数は３．９Ｈｚに主なピークがあった。これらのデータに基づき、加速度が０．５ｍ／ｓ２のときに、固定鏡に対する可動鏡の角度が直角から１°ずれるように振動可視化素子を作成した。より具体的には、振動可視化素子を以下のようにして作成した。
振動可視化素子が備える光学部材は、厚さ１５ミクロンのステンレス箔をレーザ加工で切断することにより固定鏡、可動鏡、及びばねを切り出し、金型を用いて２枚の固定鏡と可動鏡とが互いに直交するように折り曲げることにより作成した。
固定鏡の一辺は９００μｍとし、可動鏡の一辺は８００μｍとした。ばねは、可動鏡の固有振動数が約３０Ｈｚであり、４Ｈｚで０．５ｍ／ｓ２の加速度を与えたときに約１°可動鏡が動くように、強度を調整した。ばねの強度の調整は、ばねの長さ及び幅をレーザでトリミングしながら、加振器による可動鏡の振動特性を調べることにより行った。
このようにして作成した光学部材を複数敷き詰め、各光学部材の固定鏡の裏面を切削により作成したアクリル樹脂の筐体を接着することにより、約１０ｃｍ角の振動可視化素子を作成した。この振動可視化素子を複数作成し、それらを前述の道路橋の橋桁の側面に取り付けた。
その後、夜間に、橋桁から約５０ｍ離れた河原から、照明装置から光を照射しながら撮影装置により動画撮影を行った。撮影装置としては、１２０Ｈｚのハイビジョン動画撮影ができる機種のデジタルカメラを使用した。照明装置としては、当該デジタルカメラに取り付けたＬＥＤビデオライトを使用した。
その後、デジタルカメラで撮影した映像に基づいて振動計測装置により橋桁の振動を計測した。振動計測装置は、パーソナルコンピュータにインストールしたソフトウェアにより実現した。
また、デジタルカメラによる撮影開始時において、ＬＥＤビデオライトを点滅させたところ、振動可視化素子が同時に点滅するのを確認した。これにより、振動可視化素子の位置を同定した。
その後、ＬＥＤビデオライトを常時点灯させてデジタルカメラで撮影した。撮影した映像により、車が橋梁を通過するときに、振動可視化素子が点滅するのをはっきりと確認した。また、別途作成した画像解析ソフトウェアにより、位置を同定した振動可視化素子に対応する画素領域の輝度をフレーム毎にカウントし、各振動可視化素子の輝度信号を抽出したところ、図１５の加速度の絶対値と同様の変化を輝度信号が示した。周波数の主なピークは７．８Ｈｚであった。輝度信号は加速度の絶対値に比例する為、周波数は２倍になる。従って、橋梁の固有振動の３．９Ｈｚと対応することが確認され、構造物の固有振動数を検出できることが確認できた。なお、撮影の角度や距離を変えても、同様の振動計測が可能であった。
以上のようにして、本開示に係る振動可視化素子を計測対象物に貼り付けることで、遠方から振動計測を行えることを確認した。
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本開示は、添付図面を参照しながら幾つかの実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本開示の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。上述した実施形態および変形例では、弾性部材の例として、一つ又は複数のばね１５、２４、３５および４５を挙げたが、弾性部材はばねに限定されず、ばねでなくてもよい。弾性部材は、例えば、ゴムであってもよい。
本開示は、計測対象物全体の振動計測をより短時間で行うことを可能にするとともに、メンテナンスの回数をより少なくすることができるので、橋梁やトンネルなどの公共の構造物のみならず、機械、ビルなどの健全度の評価、監視に有用である。また、振動可視化素子のサイズを大きくすれば、航空機や衛星から計測対象物全体の振動計測を行うこともでき、地震の計測、監視にも応用可能である。
１ 振動可視化素子
２ 照明装置
３ 撮影装置
４ 振動計測装置
１１ 筐体
１２ 光学部材
１３ 可動鏡
１４ 固定鏡
１５ ばね（弾性部材）
２１ 可動鏡
２２ 連結部材
２３ 錘
２４ ばね（弾性部材）
２５ 回転軸
３１ 光学部材
３２ 球状レンズ
３３ 凹面反射材
３４ 支持部材
３５ ばね（弾性部材）
４１ 光学部材
４２ コーナーキューブ
４３ 変形部材
４４ 錘
４５ ばね（弾性部材）
１００ 計測対象物

Claims (15)

  1. 計測対象物に取り付けられ、当該計測対象物に加わった振動を可視化する振動可視化素子であって、
    光又は電磁波に対して再帰性反射性を有する一つ又は複数の光学部材を備え、
    前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれにおいて、当該光学部材の一部が当該光学部材の他の部分に対して前記振動に応じて相対的に動くことにより、前記一つ又は複数の光学部材が再帰性反射方向に出射する反射光の輝度又は反射電磁波の量が変化する、振動可視化素子。
  2. 前記振動可視化素子は、更に、筐体を備え、
    前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれは、互いに直交するように配置された３枚の鏡を備え、
    前記３枚の鏡は、前記筐体に固定された少なくとも１枚の固定鏡と、前記少なくとも１枚の固定鏡に対して前記振動に応じて相対的に動く少なくとも１枚の可動鏡とを含み、
    前記少なくとも１枚の固定鏡と前記少なくとも１枚の可動鏡とが成す角度が前記振動に応じて変化することにより、前記一つ又は複数の光学部材が前記再帰性反射方向に出射する前記反射光の輝度又は前記反射電磁波の量が変化する、
    請求項１に記載の振動可視化素子。
  3. 前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれは、さらに、前記一つ又は複数の光学部材が前記再帰性反射方向に出射する前記反射光の輝度又は前記反射電磁波の量が前記振動と同期して振動するように前記少なくとも１枚の可動鏡を前記少なくとも１枚の固定鏡の少なくとも１枚に接続する弾性部材を備える、請求項２に記載の振動可視化素子。
  4. 前記一つ又は複数の光学部材は、複数の光学部材であり、
    前記複数の光学部材は、敷き詰めるように配置される、請求項２又は３に記載の振動可視化素子。
  5. 前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれは、球状レンズと、前記球状レンズの後方に配置され、前記球状レンズとは独立して移動可能な凹面反射材と、を備え、
    前記球状レンズと前記凹面反射材との相対位置が前記振動に応じて動くことにより、前記一つ又は複数の光学部材が前記再帰性反射方向に出射する前記反射光の輝度又は前記反射電磁波の量が変化する、
    請求項１に記載の振動可視化素子。
  6. 前記振動可視化素子は、更に、筐体と支持部材と弾性部材とを備え、
    前記一つ又は複数の光学部材は、複数の光学部材であり、
    前記複数の光学部材のそれぞれの前記球状レンズは、前記支持部材により支持され、
    前記支持部材は、前記弾性部材を介して前記筐体に取り付けられる、
    請求項５に記載の振動可視化素子。
  7. 前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれは、コーナーキューブと、前記コーナーキューブの一部と接触可能な変形部材とを備え、
    前記振動に応じて前記変形部材が前記コーナーキューブの一部と接触して当該コーナーキューブを変形させることにより、前記一つ又は複数の光学部材が前記再帰性反射方向に出射する前記反射光の輝度又は前記反射電磁波の量が変化する、請求項１に記載の振動可視化素子。
  8. 前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれにおいて、前記光学部材の前記一部と前記光学部材の前記他の部分とが成す角度が前記振動に応じて変化することにより、前記一つ又は複数の光学部材が前記再帰性反射方向に出射する前記反射光の輝度又は前記反射電磁波の量が変化する請求項１に記載の振動可視化素子。
  9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載された一つ又は複数の振動可視化素子と、
    前記一つ又は複数の振動可視化素子に向けて前記光又は前記電磁波を照射する照明装置と、
    前記一つ又は複数の振動可視化素子それぞれの前記一つ又は複数の光学部材によって再帰性反射方向に出射された前記反射光又は前記反射電磁波を含む映像を撮影する撮影装置と、
    前記撮影装置が撮影した映像に基づいて前記計測対象物に加わった前記振動を計測する振動計測装置と、
    を備える、振動計測システム。
  10. 更に、透過波長帯が互いに異なる第１及び第２のカラーフィルタを備え、
    前記一つ又は複数の振動可視化素子は、第１および第２振動可視化素子を含み、
    前記第１振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれの前記一部が前記振動に応じて動く方向は、前記第２振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれの前記一部が前記振動に応じて動く方向と異なり、
    前記第１のカラーフィルタは、少なくとも前記第１振動可視化素子に入射する前記光又は前記電磁波の光路上又は前記第１振動可視化素子から出射される前記反射光又は前記反射電磁波の光路上に配置されており、
    前記第２のカラーフィルタは、少なくとも前記第２振動可視化素子に入射する前記光又は前記電磁波の光路上又は前記第１振動可視化素子から出射される前記反射光又は前記反射電磁波の光路上に配置されている、請求項９に記載の振動計測システム。
  11. 前記一つ又は複数の振動可視化素子は、第１および第２振動可視化素子を含み、
    前記第１振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれの前記一部が前記振動に応じて動く方向は、前記第２振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材の前記一部が前記振動に応じて動く方向と異なり、
    前記第１振動可視化素子の形状は、前記第２振動可視化素子の形状と異なる、請求項９に記載の振動計測システム。
  12. 更に、透過波長帯が互いに異なる第１及び第２のカラーフィルタを備え、
    前記一つ又は複数の振動可視化素子は、第１および第２振動可視化素子を含み、
    前記第１振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれの前記一部が有する固有振動数が、前記第２振動可視化素子の前記一つ又は複数の光学部材のそれぞれの前記一部が有する固有振動数と異なり、
    前記第１のカラーフィルタは、少なくとも前記第１振動可視化素子に入射する前記光又は前記電磁波の光路上又は前記第１振動可視化素子から出射される前記反射光又は前記反射電磁波の光路上に配置されており、
    前記第２のカラーフィルタは、少なくとも前記第２振動可視化素子に入射する前記光又は前記電磁波の光路上又は前記第１振動可視化素子から出射される前記反射光又は前記反射電磁波の光路上に配置されている、請求項９に記載の振動計測システム。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１つに記載された一つ又は複数の振動可視化素子を用いて前記計測対象物の振動を計測する方法であって、
    前記一つ又は複数の振動可視化素子を前記計測対象物に取り付け、
    前記一つ又は複数の振動可視化素子に前記光又は前記電磁波を照射しながら、当該一つ又は複数の振動可視化素子それぞれの前記一つ又は複数の光学部材によって前記再帰性反射方向に出射された前記反射光又は前記反射電磁波を含む映像を撮影し、
    前記撮影した映像に基づいて前記計測対象物の振動を計測する、
    振動計測方法。
  14. 前記一つ又は複数の振動可視化素子は、複数の振動可視化素子であり、
    前記複数の振動可視化素子は、互いに異なる方向の振動に対して感度を有するように前記計測対象物に取り付けられる、請求項１３に記載の振動計測方法。
  15. 前記計測対象物の振動計測の開始時又は振動計測中において、
    前記一つ又は複数の振動可視化素子に前記光又は前記電磁波を点滅させて照射し、
    前記撮影した映像において、前記光又は前記電磁波の点滅と同期して点滅する部分を特定することにより、前記振動可視化素子の位置を同定する、請求項１３又は１４に記載の振動計測方法。
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