JP7405393B2 - 振動試験装置及びその故障予知方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、宇宙航空機器、自動車機器、エレクトロニクス製品、精密機器などの工業製品の振動特性試験や耐久試験などを行うための振動試験装置に関し、より具体的には、故障予知機能を有する振動試験装置及び振動試験装置の故障予知方法に関する。

従来、例えば、宇宙航空機器、自動車機器、エレクトロニクス製品、精密機器などの工業製品の振動特性試験や耐久試験などを行うために、振動試験装置を用いた振動試験が行われている。

振動試験装置は、例えば、特許文献１，２に開示されるように、被試験体が載置される可動部と、磁路部材を有する固定部とを備え、固定部に発生させた静磁場と直交するように、可動部の駆動コイルに交流電流を流すことによって、可動部を振動させるように構成される。

また、振動試験装置は、可動部をバネで支持したり、可動部のシャフトを拘束ベアリングで拘束することによって、可動部が所望の方向以外に振動しないように構成されている。

また、可動部の駆動コイルに交流電流を流すための交流電源や、磁路部材に励磁コイルを用いている場合には、励磁コイルに直流電流を流すための直流電源なども設けられている。

このような振動試験装置は、一般的に、故障などが発生した場合には安全のために自動的に停止するように構成される。しかしながら、振動試験は被試験体の種類によっては長時間を有するため、振動試験中に故障が発生し、振動試験が途中で停止してしまうようなことは、ユーザーにとって避けたい事象である。

このため、振動試験装置の故障を防ぐためには、定期的に部品交換を行ったり、定期的なメンテナンスの際、または、実際の振動試験の前に行われる予備試験の際に異常動作や異音などが発生しないかを確認することで、振動試験装置の異常の有無を確認している。

特開平１１－４４６０６号公報 特開２０１４－７４６１２号公報 特開２００５－６２０９７号公報

しかしながら、異常動作や異音などをユーザーの感覚だけを頼りに確認していると、異常を見逃してしまう場合がある。
このため、特許文献３では、可動部の伝達特性を取得し、この伝達特性を、事前に記憶された基準伝達特性データと比較することによって、異常状態を判定するように構成することが提案されている。

このように伝達特性に基づいて異常判定を行うことで、可動部の故障の有無を判定することができるが、振動試験装置が備える、例えば、可動コイル、励磁コイル、拘束機構（可動部懸架用バネや拘束ベアリングなど）などに生じる異常を切り分けて検知することは困難である。

また、可動部や励磁コイルなどは故障した場合、部品の手配や交換作業などに長期間を有する場合もあるため、早期に異常を発見し、振動試験装置が使えなくなる前に、交換作業の準備に入れることが望ましい。

本発明では、このような現状に鑑み、振動試験装置の異常を早期に検知し、故障の拡大を防止するための故障予知機能を有する振動試験装置及び振動試験装置の故障予知方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述するような従来技術における課題を解決するために発明されたものであって、本発明の振動試験装置は、
被試験体が搭載される可動部と、
透磁性を有する磁路部材と、該磁路部材に流れる磁束を発生させる磁束発生手段とを有する固定部と、を備える振動試験装置であって、
前記可動部の加速度、速度、変位の少なくともいずれかを測定する３軸センサと、
前記３軸センサからの出力に基づき、前記振動試験装置の故障予知を行う演算装置と、をさらに備え、
前記演算装置は、
前記３軸センサからの出力に基づき、前記可動部のクロストークを測定し、該クロストークの振幅の大きさに基づいて、前記故障予知を行うことを特徴とする。

このような振動試験装置では、
前記演算装置は、
前記３軸センサからの出力に基づき、前記可動部の変位量及び振動数の少なくともいずれかを測定し、該可動部の変位量及び振動数の少なくともいずれかに基づいて、前記故障予知を行うことができる。

また、前記演算装置は、
前記３軸センサからの出力に基づき、加振力係数を算出し、該加振力係数に基づいて、前記故障予知を行うことができる。

このような振動試験装置は、
前記可動部が、駆動コイルを備え、
前記駆動コイルは、前記被試験体に所定パターンの振動を与えるために必要な振動信号を振動制御装置から送られるように構成することもできる。

この場合、前記演算装置は、
前記振動信号と、前記３軸センサからの出力と、に基づき、前記振動試験装置の周波数応答を測定し、該周波数応答の共振周波数を算出し、該共振周波数に基づいて、前記故障予知を行うようにすることができる。

このような振動試験装置では、
前記演算装置は、前記振動試験装置の故障が予知された場合に、警報を発するように構成することができる。
このような振動試験装置では、
前記可動部を可動状態で保持する可動部懸架用バネをさらに備え、
前記３軸センサを、前記可動部懸架用バネの鉛直方向上方に配置することができる。
また、前記３軸センサを、前記可動部において前記被試験体が載置される面以外の位置に配置することができる。
この場合、前記３軸センサを、前記可動部の側面において前記被試験体が載置される面寄りに配置することが好ましい。

また、本発明の振動試験装置の故障予知方法は、
被試験体が搭載される可動部と、
透磁性を有する磁路部材と、該磁路部材に流れる磁束を発生させる磁束発生手段とを有
する固定部と、を備える振動試験装置の故障予知方法であって、
前記可動部のクロストークを３軸センサを用いて測定し、該クロストークの振幅の大きさに基づいて、前記故障予知を行うことを特徴とする。

このような故障予知方法では、前記可動部の変位量及び振動数の少なくともいずれかを測定し、該可動部の変位量及び振動数の少なくともいずれかに基づいて、前記故障予知を行うことができる。

また、加振力係数を算出し、該加振力係数に基づいて、前記故障予知を行うことができる。

また、前記可動部が有する駆動コイルに入力する振動信号と、前記可動部の振幅とから、前記振動試験装置の周波数応答を測定し、該周波数応答の共振周波数を算出し、該共振周波数に基づいて、前記故障予知を行うことができる。
このような故障予知方法では、
前記３軸センサを、前記可動部を可動状態で保持する可動部懸架用バネの鉛直方向上方に配置することができる。
また、前記３軸センサを、前記可動部において前記被試験体が載置される面以外の位置に配置することができる。
この場合、前記３軸センサを、前記可動部の側面において前記被試験体が載置される面寄りに配置することが好ましい。

本発明によれば、可動部に設けられた可動部センサからの出力に基づき、演算装置によって自動的に故障予知を行うことができるため、振動試験装置の異常を早期に検知し、故障の拡大を防止することができる。

また、可動部センサやその他のセンサを使って、振動試験装置の異常を切り分けて診断することができるため、振動試験装置の異常箇所を早期に発見し、振動試験装置が故障する前に、ユーザーに部品交換などの修理を促すことができる。

図１は、本発明の振動試験装置の一実施形態を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいて、より詳細に説明する。
図１は、本発明の振動試験装置の一実施形態を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態の振動試験装置１０は、磁路部材１６などを有する固定部１１と、被試験体（図示せず）が搭載される可動部３０と、を備えている。

固定部１１は、例えば、鉄などの透磁性を有する材料から構成される磁路部材１６と、この磁路部材１６に流れる磁束を発生させる励磁コイル１４（磁束発生手段）とを備えている。励磁コイル１４は、図示しない定電圧源から直流電圧が印加されることによって、磁路部材１６に一定の磁束を流し、磁路部材１６の空隙部２４に挿入される駆動コイル３６に対して直交する磁界（静磁場）を発生させるように配置される。

可動部３０は、被試験体（図示せず）を載置する試験台３３と、可動部３０と固定部１１とを連結し可動部３０を可動状態で保持する可動部懸架用バネ３４と、を備えるとともに、可動部３０の底部には、磁路部材１６の空隙部２４に挿入される駆動コイル３６が設けられている。

駆動コイル３６は、電力増幅器４６を介して振動制御装置４８に接続されており、被試験体に所定パターンの振動を与えるために必要な振動信号を振動制御装置４８から電力増幅器４６を介して流すことができるように構成されている。

また、可動部３０は、固定部１１に設けられた軸受け２２に挿入される軸（拘束シャフト３９）を有している。軸受け２２には、拘束ベアリング４２が設けられており、この拘束ベアリング４２によって、可動部３０の拘束シャフト３９が拘束される。
可動部３０は、軸（拘束シャフト３９）、軸受け２２及び拘束ベアリング４２と、上述する可動部懸架用バネ３４とを有する拘束機構によって、水平方向及び鉛直方向の可動域を所定の範囲に制限されている。

また、拘束機構としては、固定部１１と可動部３０との間に、ダンパー（図示せず）を設けることもできる。このようにダンパーを設けることにより、可動部３０に必要以上の加振力が加わり破損するようなことを防止できる。

なお、拘束機構としては、上述する全ての機構を含んでいてもよいし、一部の機構のみを含むようにしてもよく、拘束機構の種類などは、振動試験装置１０の仕様等により適宜変更することができる。

なお、本実施形態では、励磁コイル１４によって静磁場を発生させるように構成しているが、励磁コイル１４の代わりに永久磁石を設けるようにすることもできる。また、励磁コイル１４や駆動コイル３６に電流を流すことによって発生した熱によって、振動試験装置１０が故障することを防止するために、例えば、空冷や水冷などの冷却手段を設けることが好ましい。

このように構成される本実施形態の振動試験装置１０には、可動部３０に可動部センサとして３軸センサ３１が設けられている。３軸センサ３１は、可動部３０の振動方向と一致するＸ軸方向と、Ｘ軸に直交するＹ軸方向及びＺ軸方向の加速度、速度、変位の少なくともいずれかを測定することができるものである。

なお、本実施形態では、可動部３０の振動方向が一方向であるため、これとＸ軸方向とを一致させるようにしているが、可動部３０の振動方向が例えば二方向の場合には、それぞれをＸ軸方向及びＹ軸方向と一致させるように３軸センサ３１を可動部３０に設けることができる。

３軸センサ３１は、例えばコンピュータなどの演算装置５０に接続されており、演算装置５０は、３軸センサ３１の出力に基づいて、振動試験装置１０の故障予知を行うように構成されている。

なお、演算装置５０としては、例えば、パーソナルコンピュータやマイクロコントローラなどを用いることができ、振動試験装置１０の振動制御装置に組み込むこともできる。

演算装置５０は、以下のようにして、振動試験装置１０の故障予知を行う。
（１）クロストーク測定
３軸センサ３１の出力に基づき、振動試験装置１０の加振軸、すなわち、本実施形態ではＸ軸以外に生じる振動であるクロストークを検出する。本実施形態では、Ｙ軸方向の振動及びＺ軸方向の振動がクロストークとなる。

クロストークは、いわゆる機械的な遊びなどによって若干ながら発生するものであるが、特に、拘束機構の故障や激しい消耗によって、クロストークが大きくなってしまう。
演算装置５０は、検出したクロストークの振幅が、事前に設定された所定の振幅閾値よりも大きくなった際に、警報を発するように構成される。警報は、例えば、表示手段などに表示するようにしてもよいし、ブザーなど音により報知するようにしてもよい。

このように、３軸センサ３１を用いてクロストークを測定することによって、拘束機構の消耗を検出することができ、拘束機構が故障する前に、ユーザーに対して警報を発し、拘束機構の交換などを促すことができる。

（２）変位測定
３軸センサ３１の出力に基づき、可動部３０の変位として、変位量や振動数を検出する。
可動部３０の変位は、拘束機構、特に、可動部懸架用バネ３４の消耗により変化してしまう。

演算装置５０は、検出した可動部３０の変位量が、事前に設定された所定の変位量閾値よりも大きくなった際に、または、検出した可動部３０の振動数が、事前に設定された振動数閾値よりも小さくなった際に、警報を発するように構成される。

このように、３軸センサ３１を用いて可動部３０の変位を測定することによって、拘束機構、特に、可動部懸架用バネ３４の消耗を検出することができ、拘束機構が故障する前に、ユーザーに対して警報を発し、拘束機構の交換などを促すことができる。

なお、本実施形態では可動部３０の変位を、３軸センサ３１を用いて検出しているが、３軸センサ３１とは別の変位センサ（図示せず）を設けて検出するように構成することもできる。

（３）加振力係数測定
３軸センサ３１の出力に基づき、可動部３０の加振力係数を下記式（１）のように算出する。

通常、駆動コイル３６に印加する電流が大きくなれば、加速度は増加する。しかしながら、駆動コイル３６や励磁コイル１４の故障や激しい消耗によって、駆動コイル３６に同じ電流を流しても、加速度が低下してしまう。

演算装置５０は、算出された加振力係数が、事前に設定された所定の加振力係数閾値よりも小さくなった際に、警報を発するように構成される。

このように、３軸センサ３１を用いて加振力係数を測定することによって、駆動コイル３６や励磁コイル１４の消耗を検出することができ、駆動コイル３６や励磁コイル１４が故障する前に、ユーザーに対して警報を発し、駆動コイル３６や励磁コイル１４の交換などを促すことができる。

（４）伝達特性測定
振動制御装置から振動試験装置１０に入力される振動信号と３軸センサ３１の出力（可動部３０の振幅）に基づき、振動試験装置の伝達特性（周波数応答）を測定し、その共振周波数を算出する。

共振周波数は、振動試験装置１０の構成によって固有のものであるが、駆動コイル３６や拘束機構などの故障や激しい消耗によって、変化してしまう。
演算装置５０は、算出された共振周波数が、事前に設定された共振周波数閾値よりも小さくなった際に、警報を発するように構成される。

このように、伝達特性を測定することによって共振周波数を算出し、この共振周波数によって、駆動コイル３６や拘束機構などの消耗を検出することができ、駆動コイル３６や拘束機構が故障する前に、ユーザーに対して警報を発し、駆動コイル３６や拘束機構の交換などを促すことができる。

上述する本実施形態では、各軸方向における加速度、速度、変位の少なくともいずれかを３軸センサ３１を用いて測定しているが、３軸センサ３１に限らず、例えば、１軸センサを３つ使って測定するようにしたり、また、１軸センサを必要な軸方向にあわせて設けて測定するように構成することもできる。

また、故障予知に加えて、例えば、駆動コイル３６に、熱電対などの熱センサを設け、駆動コイル３６の温度を測定することで、この温度に基づき、演算装置５０によって故障予防を行うこともできる。

（５）駆動コイルの温度測定
熱センサの出力に基づき、駆動コイル３６の温度を測定する。
駆動コイル３６は、可動部３０に接着剤などによって固定されているため、駆動コイル３６の温度が高くなりすぎると、接着剤が劣化し、駆動コイル３６にガタつきが発生したりする。

演算装置５０は、駆動コイル３６の温度が、事前に設定された制限温度閾値よりも大きくなった際に、警報を発するように構成される。制限温度閾値としては、振動試験装置１０の仕様や接着剤の種類などによって適宜設定することができ、例えば、９０℃～２００℃とすることができる。

このように、故障予知とともに故障予防の手段もあわせて講じることによって、故障が発生しにくい振動試験装置１０とすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、上記実施形態では、故障予防のために熱センサを設けているが、これに限らず、故障予防のために様々な手段を講じてもよいなど、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１０ 振動試験装置
１１ 固定部
１４ 励磁コイル
１６ 磁路部材
２２ 軸受け
２４ 空隙部
３０ 可動部
３１ ３軸センサ
３３ 試験台
３４ 可動部懸架用バネ
３６ 駆動コイル
３９ 拘束シャフト
４２ 拘束ベアリング
４６ 電力増幅器
４８ 振動制御装置
５０ 演算装置

Claims (16)

1. 被試験体が搭載される可動部と、
   透磁性を有する磁路部材と、該磁路部材に流れる磁束を発生させる磁束発生手段とを有する固定部と、を備える振動試験装置であって、
   前記可動部の加速度、速度、変位の少なくともいずれかを測定する３軸センサと、
   前記３軸センサからの出力に基づき、前記振動試験装置の故障予知を行う演算装置と、をさらに備え、
   前記演算装置は、
   前記３軸センサからの出力に基づき、前記可動部のクロストークを測定し、該クロストークの振幅の大きさに基づいて、前記故障予知を行うことを特徴とする振動試験装置。
2. 前記演算装置は、
   前記３軸センサからの出力に基づき、前記可動部の変位量及び振動数の少なくともいずれかを測定し、該可動部の変位量及び振動数の少なくともいずれかに基づいて、前記故障予知を行うことを特徴とする請求項１に記載の振動試験装置。
3. 前記演算装置は、
   前記３軸センサからの出力に基づき、加振力係数を算出し、該加振力係数に基づいて、前記故障予知を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の振動試験装置。
4. 前記可動部が、駆動コイルを備え、
   前記駆動コイルは、前記被試験体に所定パターンの振動を与えるために必要な振動信号を振動制御装置から送られるように構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の振動試験装置。
5. 前記演算装置は、
   前記振動信号と、前記３軸センサからの出力と、に基づき、前記振動試験装置の周波数応答を測定し、該周波数応答の共振周波数を算出し、該共振周波数に基づいて、前記故障予知を行うことを特徴とする請求項４に記載の振動試験装置。
6. 前記演算装置は、前記振動試験装置の故障が予知された場合に、警報を発するように構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の振動試験装置。
7. 前記可動部を可動状態で保持する可動部懸架用バネをさらに備え、
   前記３軸センサを、前記可動部懸架用バネの鉛直方向上方に配置することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の振動試験装置。
8. 前記３軸センサを、前記可動部において前記被試験体が載置される面以外の位置に配置することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の振動試験装置。
9. 前記３軸センサを、前記可動部の側面において前記被試験体が載置される面寄りに配置することを特徴とする請求項８に記載の振動試験装置。
10. 被試験体が搭載される可動部と、
    透磁性を有する磁路部材と、該磁路部材に流れる磁束を発生させる磁束発生手段とを有する固定部と、を備える振動試験装置の故障予知方法であって、
    前記可動部のクロストークを３軸センサを用いて測定し、該クロストークの振幅の大きさに基づいて、故障予知を行うことを特徴とする故障予知方法。
11. 前記可動部の変位量及び振動数の少なくともいずれかを測定し、該可動部の変位量及び振動数の少なくともいずれかに基づいて、前記故障予知を行うことを特徴とする請求項１０に記載の故障予知方法。
12. 加振力係数を算出し、該加振力係数に基づいて、前記故障予知を行うことを特徴とする請求項１０または１１に記載の故障予知方法。
13. 前記可動部が有する駆動コイルに入力する振動信号と、前記可動部の振幅とから、前記振動試験装置の周波数応答を測定し、該周波数応答の共振周波数を算出し、該共振周波数に基づいて、前記故障予知を行うことを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の故障予知方法。
14. 前記３軸センサを、前記可動部を可動状態で保持する可動部懸架用バネの鉛直方向上方に配置することを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の故障予知方法。
15. 前記３軸センサを、前記可動部において前記被試験体が載置される面以外の位置に配置することを特徴とする請求項１０から１４のいずれか１項に記載の故障予知方法。
16. 前記３軸センサを、前記可動部の側面において前記被試験体が載置される面寄りに配置することを特徴とする請求項１５に記載の故障予知方法。

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