(57)【要約】本発明はオートメーション技術や駆動技術の分野において関連するような特に低い周波数の周波数選択性の振動測定にかかわるものである。０〜１kHzの範囲の周波数の費用のかからない振動解析を実現するため、決定すべき励起信号によって直接励起される広帯域の送信機構を、静電的又は誘導的な力を介して受信機構と結合することが提案される。この力結合によって、受信機構を励起する搬送信号の振幅変調が得られる。振幅変調された搬送信号のスペクトルから、固有の励起信号を例えば搬送信号の周波数の適切な選択によって摘出することができる。
2008544237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動能力のある送信機構（Ｓ）を有し、送信機構（Ｓ）は励起信号によって励起周波数（ｆA）の機械的振動に励起可能であり、かつ搬送周波数（ｆT）の搬送信号によって励起可能な振動能力のある受信機構（Ｅ）に関して、送信機構（Ｓ）が励起状態において搬送信号を振幅変調し送信機構（Ｓ）の偏位に依存する力を受信機構（Ｅ）に加えるように配置されている振動測定システム。
【請求項２】
振動測定システムが、特に１kHzより低い周波数の機械的振動を周波数選択的に決定するために備えられることを特徴とする請求項１記載の振動測定システム。
【請求項３】
搬送周波数（ｆT）が励起周波数（ｆA）より大きい請求項１又は２記載の振動測定システム。
【請求項４】
振動測定システムが搬送周波数（ｆT）の設定のための装置を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の振動測定システム。
【請求項５】
受信機構が振幅変調された搬送信号の側波帯に基本的に相応する共振周波数（ｆRE）を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の振動測定システム。
【請求項６】
受信機構（Ｅ）の共振周波数（ｆRE）が設定可能である請求項５記載の振動測定システム。
【請求項７】
受信機構（Ｅ）が送信機構（Ｓ）に対する容量性結合を有し、搬送周波数（ｆT）を有する交流電圧（ＵT）が受信機構（Ｅ）と送信機構（Ｓ）との間に励起可能である請求項１〜６のいずれか１つに記載の振動測定システム。
【請求項８】
受信機構（Ｅ）及び送信機構（Ｓ）が送信機構（Ｓ）の偏位の二乗の依存関係を有する容量を共同して発生させるように両機構が形成されている請求項７記載の振動測定システム。
【請求項９】
受信機構（Ｅ）及び送信機構（Ｓ）がそれぞれ櫛状構造を有し、両櫛状構造が少なくとも部分的にかみ合うように配置されている請求項１〜８のいずれか１つに記載の振動測定システム。
【請求項１０】
受信機構（Ｅ）の櫛状構造に少なくとも部分的にかみ合うように配置された評価櫛状体（Ａ）が設けられている請求項９記載の振動測定システム。
【請求項１１】
受信機構（Ｅ）が送信機構（Ｓ）に対する誘導性の結合を有し、搬送周波数（ｆT）を有する交流電流が受信機構（Ｅ）及び送信機構（Ｓ）の少なくとも一方に加えられ得る請求項１〜１０のいずれか１つに記載の振動測定システム。
【請求項１２】
振動測定システムが振幅変調された搬送信号のスペクトルにおける成分の増幅のための増幅器を有し、その際その成分は基本的に受信機構（Ｅ）の共振周波数（ｆRE）で振動する請求項１〜１１のいずれか１つに記載の振動測定システム。
【請求項１３】
振動測定システムが振幅変調された搬送信号のフィルタリング及び復調の少なくとも一方のための評価装置を有する請求項１〜１２のいずれか１つに記載の振動測定システム。
【請求項１４】
振動測定システムが生産手段の特に持続的な状態監視のために備えられる請求項１〜１３のいずれか１つに記載の振動測定システム。
【請求項１５】
振動測定システムが振動に敏感な生産プロセスの監視のために備えられる請求項１〜１４のいずれか１つに記載の振動測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数選択性の振動測定のための振動測定システムに関する。
【０００２】
この種のシステムは、例えばオートメーション技術や駆動技術に使用され、そこでは特に摩損を抱えている構成要素の状態監視のために用いることができる。さらに本発明は、振動する環境によって妨害を受ける可能性のある製造プロセスの監視のために用いることができる。さらに本発明は、振動するシステム及び構成要素の特徴を的確に描き出すために用いることができるものである。
【０００３】
予期しない機械の故障による生産の中断は、プロセスの分野及び方式に従って甚大な直接のまた後遺的な損害を引き起こす。それ故、生産機械、工作機械、工業プロセス設備、搬送システム、その他これらに類するものの信頼性を高め、したがってこれらの生産手段の故障時間を下げるため、早期の摩損及び欠陥の識別がますます重視される。
【０００４】
例えば電気機械の場合、生産手段またはその構成要素（例えば軸受）の故障の到来がしばしば振動特性の変化によって予告される。振動解析によってこの変化を検出することができる。このようにして、全システムの故障、従って長い生産停止に至る前に、該当する構成要素は予定より早く交換することができる。
【０００５】
関連する振動の周波数領域に応じて、周波数は選択的に測定されるか、又は広帯域に後続のフーリエ解析によって突き止められることが可能である。周波数選択性のセンサによれば、技術的理由からむしろ高い周波数の振動（１kHzより高い）を解析することができる。低い周波数の振動（１kHzより低い）は現今通例は広帯域のピエゾセラミック・センサによって検出される。個々の周波数成分は、続いてソフトウエア的又はハードウエア的に実行される高速フーリエ変換（FFT(Fast Fourier Transformation)）を用いて測定信号から確定される。
【０００６】
本発明の課題は、費用のかからない振動解析を可能にすることにある。
【０００７】
この課題は、振動能力のある送信機構を有し、送信機構は励起信号によって励起周波数の機械的振動に励起可能であり、かつ搬送周波数の搬送信号によって励起可能な振動能力のある受信機構に関して、送信機構が励起状態において搬送信号を振幅変調し送信機構の偏位に依存する力を受信機構に加えるように配置されている振動測定システムによって解決される。
【０００８】
本発明に従う振動測定システムは振動能力のある２つの機構を使用する。振動能力のある送信機構は直接励起信号によって励起され、励起信号の振幅はシステムによって決定されるべきものである。受信機構に比して送信機構は比較的低い共振周波数を有し、広帯域の加速度センサとして機能する。本発明はところで、決定すべき励起信号が送信機構と受信機構との適切な結合によってより高い周波数領域に移され得るという認識に基づく。より高い周波数領域においては、励起信号の振幅の周波数選択性の測定が簡単な手段で安価に実現することができる。送信機構及び受信機構はこの際、周波数に関してこれら両機構間の乗法的結合が結果として生じるように互いに配置される。スペクトル的評価のための時間信号のきわめて計算に費用を要するフーリエ変換はこれによって必要でなくなる。
【０００９】
本発明による振動システムの作動方式は以下のように説明される。受信機構は、通例高周波数の搬送信号によって励起される。送信機構と受信機構との結合によって、搬送信号は励起信号によって振幅変調される。このことは、送信機構が受信機構に、送信機構の静止状態に関係する送信機構の偏位に依存した力を及ぼすことによって行われる。
【００１０】
搬送信号の励起信号による変調によって、励起信号は受信機構の周波数スペクトルにおいて搬送信号の左及び右の側波帯として再び見出される。
【００１１】
オートメーション技術及び駆動技術の分野における特に状態監視のため、関連する周波数はごくわずかのヘルツから１kHzに至る範囲にある。それ故、特に１kHzより小さい周波数の機械的振動の周波数選択的な決定のために振動測定システムが用いられるのが有利である。このような周波数は、従来の周波数選択性の測定システムによっては検出不可能かないしはきわめて大きな費用をかけてのみ検出可能なものである。
【００１２】
搬送周波数が励起周波数より大きい本発明による振動測定システムの有利な実現によって、本来決定すべき励起信号をより高い周波数範囲に移すことができ、この周波数範囲においては周波数選択性の検出がわずかな費用で可能である。
【００１３】
振動測定システムは搬送周波数の設定のための装置を備えるのが目的にかなっている。それによって、評価に使用し得るスペクトル範囲を自由に選択することができる。搬送波の周波数は、左又は右の側波帯が受信機構の共振点上にあるように選ばれるのが目的にかなって適切である。
【００１４】
振幅変調によって、評価すべき励起信号が周波数スペクトルにおいて振幅変調された搬送信号の左及び右の側波帯として使用し得る。この周波数スペクトルの簡単な評価ないし励起信号の費用のかからない摘出が、振幅変調された搬送信号の側波帯に基本的に相応する共振周波数を受信機構が有することによって実行することができる。そのような共振周波数の選択によって、対応する側波帯及びしたがって移された励起信号が周波数選択的にフィルタリングされる。この場合搬送波の周波数は、左又は右の側波帯が受信機構の共振点上にあるように選ばれるのが目的にかなって適切である。
【００１５】
振動システムによって種々の励起周波数を決定し得るようにするため、受信機構の共振周波数が設定可能であるのが有利である。したがって搬送信号の側波帯が部分的に重なることは、受信機構の共振周波数の設定又は搬送周波数の設定のどちらかによって生じさせることができる。
【００１６】
受信機構と送信機構との結合は、種々のやり方で実行することができる。第１の実施形態は、受信機構が送信機構に対する容量性結合を有し、受信機構と送信機構との間に搬送周波数を持った交流電圧が励起可能であるように形成されている。この場合振幅変調のために必要な力結合は静電的手段で達成される。
【００１７】
この場合、振動能力のある機構の結合が直線的に変化する力を発生する電極配置であること、即ち送信機構が受信機構に及ぼす力が送信機構の偏位に直線状に依存すべきであることが特に好ましい。このことを実現するため、受信機構及び送信機構は、それらが送信機構の偏位に二乗の依存関係を有する１つの容量を共同で発生させるように作り上げられる。そのような容量偏位特性は、例えば、受信機構と送信機構がそれぞれ櫛状の構造を有し、その際櫛状の構造が少なくとも部分的にかみ合うように配置されることによって生じさせることができる。このような仕様において、受信機構の櫛状構造に少なくとも部分的にかみ合うように配置された評価櫛状体を設けるとさらに有利である。評価チャネルを用いて、測定信号ないし受信機構の移された励起信号は簡単に取り出すことができる。
【００１８】
本発明による振動測定システムの第２の実施形態は、受信機構が送信機構に対し誘導性の結合を有し、搬送周波数を持った交流電流が受信機構及び送信機構の少なくとも一方へ印加され得ることを特徴とする。さらに、送信機構は電流の流される受信機構に力の作用を及ぼす永久磁石を含むこともできる。受信機構が電流の流される送信機構に力の作用を及ぼす永久磁石を有することも同様に可能である。
【００１９】
送信機構と受信機構との間の力結合の様式に無関係に、信号・騒音距離の改善のため、振動測定システムが振幅変調された搬送信号のスペクトルにおける成分の増幅のための増幅器を備え、その際その成分は基本的に受信機構の共振周波数によって振動するのが目的にかなっている。
【００２０】
評価の目的のため、振動測定システムが振幅変調された搬送信号のフィルタリング及び復調の少なくとも一方のための評価装置を有すると有利である。
【００２１】
今日の振動測定システムに比して振動測定システムの費用のかからない実現可能性に基づいて、この振動測定システムは生産手段の特に持続的な状態監視のために備えられることができる。振動測定システムは周波数選択的に機能するから、広帯域のセンサにおいて必要となるFETの実現のためのハードウエアないしソフトウエアの相当な費用は必要でない。
【００２２】
振動測定システムの別の使用例は、振動測定システムが振動に敏感な生産プロセスの監視のために備えられることを特徴とする。この場合も、プロセスの適切な経過を危険にさらし得る振動の持続的な監視をシステムを用いて実施することができる。
【００２３】
以下に本発明を図面に示す実施例について詳細に説明する。
【００２４】
図１は容量性結合による振動測定システムを示す。この振動測定システムは、互いに静電力を介して結合されている３つの櫛状構造Ｓ、Ｅ、Ａからなる。図示のシステムは電気的駆動装置の振動を決定するために備えられているものと仮定する。その際関連する振動は１kHz以下の範囲にある。
【００２５】
振動測定システムは３kHzの共振周波数ｆRSを有する広帯域の送信機構Ｓを含む。送信機構Ｓの直線性測定範囲はしたがって約１kHzまでに達する。この送信機構Ｓは、電気的駆動装置から発し周波数ｆAで振動する機械的励起信号によって直接励起される。送信機構Ｓの櫛状構造は、同様に櫛状に形成された受信機構Ｅと部分的にかみ合い、この受信機構の共振周波数は例えば励起周波数ｆAより１０の単位高い、したがって１０kHzにある。
【００２６】
受信機構Ｅと送信機構Ｓとの間には、振幅ＵTと周波数ｆTとを有する交流電圧が加えられる。この交流電圧は搬送波信号を、励起周波数ｆAの励起信号によって変調されることに用いる。
【００２７】
送信機構Ｓと受信機構Ｅとはしたがって共同でコンデンサを形成し、そのコンデンサには電圧ＵTが加えられている。これら両機構の図示の櫛状構成によって、このコンデンサの容量Ｃが送信機構Ｓの偏位ｘの二乗に依存することが達成される。したがって次式が成立する。
【数１】
2008544237.tif 000003
この式の導関数は次のようになる。
【数２】
2008544237.tif 000004
偏位に依存してコンデンサに蓄えられるエネルギーＷの変化はエネルギー平衡を用いて求められる。
【数３】
2008544237.tif 000005
最後に静電力Ｆと偏位ｘとの間の関係が次の式によって得られる。
【数４】
2008544237.tif 000006
【００２８】
したがって、容量変化の二乗性の依存関係は、送信機構の搬送波信号と偏位ｘとの間の乗法的結合が現れることを生じさせる。
【００２９】
振幅変調された搬送信号は、評価櫛状体Ａを用いて読み出され、そこで最終的に信号・雑音距離の改善のため電子的に増幅される。
【００３０】
図２は容量性結合による振動測定システムの周波数スペクトルを示す。振動振幅の対応する周波数成分Ｆに対する関係が示されている。図１に示された櫛状構造によって、まず搬送周波数が倍増する。例えば搬送周波数ｆTを持った電圧が受信機構Ｅに加えられると、この信号は静電的な力が作用するとき電圧の二乗によって周波数2ｆTに移される。本来関連する励起信号の励起周波数ｆAは、振幅スペクトルにおいて２倍の搬送周波数で特色を示すスペクトルの左側及び右側の側波帯上に描写される。例えば5.1kHzの搬送周波数ｆTを持った電圧が受信機構Ｅに加えられ、励起信号の周波数ｆAが200Hzの値である場合、受信機構の周波数スペクトルは10.2kHzのまわりに10kHzの左側の側波帯と10.4kHzの右側の側波帯とから形成される。200Hzで振動する励起信号の振幅を決定するため、今や受信機構Ｅの共振周波数ｆREは10kHzに置かれる。従って受信機構Ｅの共振周波数ｆREは図示の周波数スペクトルの左側の側波帯に相応する。これによって共振の上昇となり、それによって左側の側波帯は増幅されて評価に利用される。信号の本来の評価は、引き続きこの側波帯のフィルタリング又は復調によって行われる。
【００３１】
図３は誘導性の結合による振動測定システムを示す。図示の例においては、周波数ｆAの励起信号によって直接励起される送信機構Ｓは永久磁石Ｍによって構成されている。送信機構Ｓは、再び広帯域の加速度センサとして機能し、比較的低い共振周波数ｆRSを有する。少なくとも１０の単位だけ高いところにある共振周波数ｆREを有する振動測定システムの受信機構Ｅは、長さＬの電気導体として構成されている。受信器Ｅのこの電気導体中には搬送周波数ｆTの交流電流ＩTが印加される。永久磁石Ｍの磁界及び受信機構Ｅ内の搬送電流ＩTが発生する磁界によって、送信機構Ｓと受信機構Ｅとの間にF＝I・L・Bの大きさの電磁的結合力が発生される。この場合Ｂは磁界強度である。
【００３２】
図示の実施形態に代えて、受信機構を永久磁石Ｍにより構成し、送信機構中に搬送電流ＩTを印加することももちろん可能であり、本発明に含まれるものである。
【００３３】
誘導性の結合による図示の振動測定システムの作用は図１に示される容量性の結合による機構に類似している。しかしながら、静電結合と比較して搬送波の周波数倍加は生じない。というのは力結合の際搬送周波数の二乗ではなく、単なる乗算が問題になるからである。
【００３４】
要約すれば、本発明はオートメーション技術や駆動技術の分野において関連するような特に低い周波数の周波数選択性の振動測定にかかわるものである。０〜１kHzの範囲の周波数の費用のかからない振動解析を実現するため、決定すべき励起信号によって直接励起される広帯域の送信機構を、乗法的に作用する機構、例えば静電的又は誘導的な力を介して受信機構と結合することが提案される。この力結合によって、受信機構を励起する搬送信号の振幅変調が得られる。振幅変調された搬送信号のスペクトルから、固有の励起信号を例えば受信機構の共振周波数及び搬送信号の周波数の適切な選択によって摘出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】容量性の結合による振動測定システムの構成図である。
【図２】容量性の結合による振動測定システムの周波数スペクトル図である。
【図３】誘導性の結合による振動測定システムの構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
Ｓ  送信機構
Ｅ  受信機構
Ａ  評価櫛状体
Ｍ  永久磁石
ｆA  励起周波数
ｆRE  共振周波数
ｆRS  共振周波数
ｆT  搬送周波数
ＵT  交流電圧
ＩT  交流電流
ｘ  偏位
【図１】
2008544237.tif 000007
【図２】
2008544237.tif 000008
【図３】
2008544237.tif 000009
【国際調査報告】
2008544237.tif 000010
2008544237.tif 000011
2008544237.tif 000012
2008544237.tif 000013
2008544237.tif 000014
2008544237.tif 000015