(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状の支柱と、前記支柱の所定位置を固定する固定手段と、
板状のプレートと、
前記固定手段からの距離を調節して前記プレートを前記支柱に締結する締結手段と、
前記プレートの振動を解析する振動解析手段と、
前記プレートの面内方向に力積を入力する力積入力手段と
を有することを特徴とする振動解析装置。
【請求項２】
前記支柱が円形の断面形状を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動解析装置。
【請求項３】
前記支柱が楕円または多角形の断面形状を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動解析装置。
【請求項４】
前記支柱のねじり方向以外の運動を抑制するガイドを有する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の振動解析装置。
【請求項５】
前記プレートを低摩擦で支持するプレート支持手段を有する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか一項に記載の振動解析装置。
【請求項６】
前記力積入力手段が衝撃力入力手段を有し、
前記振動解析手段がＳＲＳ解析手段を有している、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれか一項に記載の振動解析装置。
【請求項７】
棒状の支柱の所定位置を固定し、
前記所定位置からの距離を調節してプレートを前記支柱に締結し、
前記プレートの面内方向に力積を入力し
前記プレートの振動を解析する、ことを特徴とする振動解析方法。
【請求項８】
前記プレートの面内方向に衝撃力を入力しＳＲＳ解析を行う、
ことを特徴とする請求項７に記載の振動解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動解析装置および振動解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械装置や電子機器は、振動や衝撃によって故障を起こす可能性がある。このため、予想される振動や衝撃に対する規格を定め、事前に試験を行うことが一般的に行われている。そして仕様を満たす条件で試験を実施するための装置が種々開発されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、電子機器を搭載したプレートに打撃を与え、プレートの加速度データを解析する装置が開示されている。この技術では、ウェイトとバネからなる振動系をプレートに付加している。そして、バネ及びウェイトを調整することによって、振動系の固有振動数を所定の値に設定することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２８７０４５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の衝撃試験器では、設定できる固有振動数が離散的であるという問題点があった。バネ、ウェイトの組み合わせで固有振動数を調整するため、設定できる固有振動数には自ずと限りがあった。
【０００６】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、固有振動数を連続的に調整可能な振動解析装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明の振動解析装置は、棒状の支柱と、前記支柱の所定位置を固定する固定手段と、板状のプレートと、前記固定手段からの距離を調節して前記プレートを前記支柱に締結する締結手段と、前記プレートの振動を解析する振動解析手段と、を有している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の効果は、振動系の固有振動数を任意の値に調整しやすいことである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】本発明第２の実施の形態を説明するための側面図である。
【図３】本発明第３の実施の形態を示す側面図である。
【図４】本発明第３の実施の形態の別の面の側面図である。
【図５】本発明第４の実施の形態を示す側面図である。
【図６】本発明第５の実施の形態を示す側面図である。
【図７】本発明第６の実施の形態を示す平面図である。
【図８】本発明第７の実施の形態を示す断面図である。
【図９】本発明第８の実施の形態を示すブロック図である。
【図１０】本発明第９の実施の形態を示すブロック図である。
【図１１】ＳＲＳ仕様の一例を示すグラフである。
【図１２】単一周波数の加速度波形のＳＲＳを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態を示す斜視図である。振動解析装置は、棒状の支柱１と、支柱１の所定位置を固定する支柱固定手段２と、板状のプレート３と、を有している。締結手段４は、固定手段２からの距離を任意に調節してプレート３を支柱１に締結する。そして、プレート３の振動を解析する振動解析手段５を有している。なお、図１では振動解析手段５は、プレート３に接触するタイプのセンサを有するように描いているが、図１に限定されず、種々の方式を取り得る。例えば加速度計測には、機械的変位測定、光学式変位測定、振動変化測定などを用いることがでる。そして、それぞれに応じた解析を行うことができる。すなわち本実施の形態は、具体的な振動解析手法には限定されない。
【００１１】
上記の構成では、支柱固定手段２と締結手段４との距離を調整することにより、支柱１のねじりバネ定数が変化する。これに伴い、支柱１のねじり方向の固有振動数が変化する。距離が長いほどねじりバネ定数および固有振動数は小さくなり、短いほどねじりバネ定数および固有振動数は大きくなる。即ち振動系の固有振動数を簡単かつ連続的に調整し、振動を解析することができる。
（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態を説明するための振動系の側面図である。ここで、支柱固定手段２と締結手段４（プレート３）との距離をＬ、支柱１のねじりバネ定数をｋ、プレート３の慣性モーメントをＪとする。この系で支柱１のねじりバネ振動について考察する。
【００１２】
ここで支柱１の単位長さあたりのねじり角をθとすると、ねじり振動の運動方程式は下記となる。
0006432238.tif 000002
【００１３】
これは単振動の方程式であるから、解くことができて、固有振動数fは下記となる。
0006432238.tif 000003
【００１４】
ここで支柱１を、断面が真円の均質な丸棒と仮定すると、支柱１をねじるのに必要なトルクから、ねじりバネ定数ｋを計算することができる。ｋは支柱の弾性係数をＧとして次式によって表される。
0006432238.tif 000004
【００１５】
すなわち、ねじりバネ定数ｋは距離Ｌに反比例する。そして式３を式２に代入することにより、次式を得る。
0006432238.tif 000005
【００１６】
式（４）より、固有振動数ｆはＬ−１／２に比例することが分かる。したがって、Ｌを大きくすることによってｆを小さくし、Ｌを小さくすることによってｆを大きくする、ように調整することができる。
【００１７】
なお式（４）から明らかなように、支柱１をＧの異なる材質に変えることでもｆを変えることができる。Ｇを大きくすればｆは大きくなり、Ｇを小さくすればｆは小さくなる。支柱１の材質は、例えばアルミ材、鋼材などの各種金属材料である。試験に適したＧを有する材質を選択することができる。
（第３の実施の形態）
図３は、振動系の具体例を示す側面図である。支柱１は、基礎面６に固定された支柱固定手段２に固定され、ガイド７、ガイド８によって支持されている。またプレート３は締結手段４によって、支柱固定手段２からＬの距離に締結されている。支柱１には目盛９が刻印されている。目盛９は、一定間隔ごとに印刷、または刻印などによって、印が記されたものである。目盛９を用いることで、距離Ｌの調整をより容易にしている。この例では、支柱固定手段２は基礎面６に固定され、ガイド７、８は、Ｌ調整時には、基礎面６沿って移動することができるようになっている。支柱固定手段２、締結手段４それぞれが把持する支柱１の位置を調整することにより、距離Ｌを調整することができる。
【００１８】
図４は、この振動系をプレート３の上面方向（図３の紙面右方向）から見た時の側面図である。ガイド８の支柱支持部には、支柱のねじりを妨げないように、低摩擦部材やベアリングなどの滑動手段１０が設けられている。この構成で、図４のようにプレート３の面内方向に向いた力積１１が加えられると、プレート３および支柱１を含む振動系にねじり振動が発生する。この振動を振動解析手段５によって解析する。この時、プレート３に供試体１２を固定しておけば、供試体１２の振動、衝撃試験を行うことができる。上述したように、本発明では、ねじり振動の固有振動数を連続的に調整できる。したがって、力積１１と固有振動数とを調整し、供試体１２の仕様に適合した条件で、振動、衝撃試験を行うことができる。
（第４の実施の形態）
図５は第４の実施の形態を示す側面図である。本実施の形態では、支柱１を基礎面６と垂直に、プレート３を基礎面６と平行に配置している。そしてプレート３が重力で撓むことを防ぐため、プレート３の下部をジャッキ１３で支持している。ジャッキ１３の上端にはプレート３の動きを妨げないように低摩擦部材やボールローラなどの滑動手段１４を設けている。
【００１９】
図５に示すようにプレート３の面内方向に向かう力積１１を加えることにより、支柱１のねじり方向にねじり振動が発生する。実施の形態３と同様、距離Ｌと力積１１とを調整することにより、供試体１２の仕様に適合した振動、衝撃試験を行うことができる。
【００２０】
本実施の形態ではプレート３が基礎面６と平行に配置されているため、作業性が良い。
（第５の実施の形態）
図６は本実施の形態を示す側面図である。本実施の形態は第４の実施の形態の変形例である。支柱１が、ねじり方向以外の運動をしないように、ガイド７、ガイド８が支柱１を支持している。ガイド７、８はガイドベース１５によって支持されている。また図示はしていないが、ガイド７、８の支柱支持部には滑動手段が設けられている。
【００２１】
本実施の形態では、支柱１のねじり方向以外の運動が抑制されているため、より精度の高い試験を行うことができる。
（第６の実施の形態）
図７は本実施の形態を示す平面図である。本実施の形態では、支柱１の断面形状とプレート３の締結手段４の具体例を示す。締結手段４は、支柱１が略嵌合する空隙と割り１６を有する割締め構造となっている。支柱１を空隙部に嵌合し、ボルト１７で割り１６を狭めることにより、プレート３を支柱１に締結している。
【００２２】
図７（ａ）は支柱１の断面が円形、図７（ｂ）は楕円、図７（ｃ）は矩形、図７（ｄ）は多角形（八角形）の例を示している。（ａ）のように支柱１の断面が円形を場合、応力の局所的な集中が無い。また、慣性モーメント、ねじりバネ定数、固有振動数などの計算がしやすい。このため精度の高い試験を行うことができる。反面、大きな力積が加わると締結がずれる恐れがある。一方、図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の場合は、大きな力積に対しても締結がずれにくいという利点がある。なお、ここでは中実（内部まで均質）な支柱を例示したが、中空の支柱であっても良い。また、Ｌ字、Ｈ字などの断面を持った支柱を用いることも可能である。
【００２３】
断面形状が複雑な場合には、ねじりバネ定数や固有振動数を計算できない場合も考えられるが、長さＬと固有振動数の関係を実験から求めればよい。Ｌが大きくなるほど固有振動数ｆが小さくなる性質に変わりはないため、この場合も、Ｌを調整することによって、連続的にｆを調整することができる。
（第７の実施の形態）
図８は第７の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態の、振動解析装置は、締結手段４としてメカロック１８を有している。メカロック１８は、内輪１８ａ、外輪１８ｂ、ボルト１８ｃを有している。
【００２４】
外輪１８ｂをプレート３の座ぐりに嵌合し、内輪１８ａが外輪１８ｂに嵌合し、支柱１を内輪１８ａに通した状態でボルト１８ｃを締めることで、プレート３が支柱１に対して強く締結される。
【００２５】
本実施の形態によれば、プレート３を支柱１に対して強固に締結できるため、振動、衝撃試験の精度を高くすることができる。なお締結強度は若干落ちるがプレートの座ぐりは設けなくても良い。
【００２６】
第６、７の実施の形態では締結手段４の具体例を２例示したが、本発明に適用する締結手段はこれに限られるものではなく、周知の技術を適宜適用することができる。
（第８の実施の形態）
図９は第８の実施の形態を示すブロック図である。本実施の形態では、振動解析手段５および振動解析装置全体の具体的な構成を示す。振動系としては、他の実施の形態と同様、支柱1、プレート３、締結手段４を有している。振動解析手段５としては、加速度ピックアップ１９と、データ収集手段２０と、データ解析手段２１と、を有する。また振動解析装置は、プレート３に力積１１を入力する力積入力手段３０を備えている。
【００２７】
力積入力手段３０は、プレート３に対し面内方向に向かう力積１１を加える。力積入力手段３０は、例えば、ハンマや衝突体、振動発生器、爆薬などである。
【００２８】
なお図示はしていないが、プレート３が力積を受ける力積入力部には、各種金属材料やゴム、プラスチックなどの樹脂材料を設けても良い。力積入力部の材質を変更することにより、力積入力時間を変化させることが可能である。
【００２９】
加速度ピックアップ１９は、プレートの加速度に応じた信号を発生する。加速度の測定には機械的変位測定、光学式変位測定、振動変化測定などを用いることができる。
【００３０】
データ収集手段２０は、加速度ピックアップ１９で取得された信号をメモリ内に蓄積する。また必要に応じて、アナログ−デジタル変換などを行う。
【００３１】
データ解析手段２１は、データ収集手段２０から受信した信号に基づいて振動解析を行う。振動解析手段２１は、例えばパソコンなどのコンピュータによって実現され、表示手段その他の入出力手段を備えることができる。
【００３２】
本実施の形態によれば、汎用的な部品、装置を用いて振動解析装置を構成することができる。
（第９の実施の形態）
図１０は、第９の実施の形態を示すブロック図である。本実施の形態は第８の実施の形態と同じ基本構成をしている。そして衝撃応答スペクトル（Ｓｈｏｃｋ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ、以下ＳＲＳ）試験に適した構成となっている。このために、力積入力手段３０の一部に、衝撃力を入力する衝撃力入力手段３１を有している。また振動解析手段２１には、ＳＲＳ解析手段２２を有している。
【００３３】
ここで、ＳＲＳについて説明する。衛星搭載機器のような、大きな衝撃が加わる電子機器は、耐衝撃性の評価が必要となる。この評価には、ＳＲＳで表現する方法が用いられている。
【００３４】
ＳＲＳは横軸振動数、縦軸加速度で表現される。所定の衝撃加速度波形に対するＳＲＳは以下の手順によって求められる。まず所定の衝撃加速度波形を、ある固有振動数を持つ１自由度バネ・マス・ダンパ系に与え、この時に生じる最大加速度を求める。次いで別の固有振動数を持つ１自由度バネ・マス・ダンパ系に同じ衝撃加速度波形を与えた時に生じる最大加速度を求める。様々な固有振動数について同様の計算を行い、横軸に固有振動数、縦軸に最大加速度をプロットしたものがＳＲＳである。例えば、ＳＲＳが、１０００Ｈｚで１０００Ｇを示している場合、その衝撃は１０００Ｈｚの固有振動数を持つ１自由度バネ・マス・ダンパ系のマス部分に、最大１０００Ｇの加速度が加わるという意味を持つ。
【００３５】
図１１はＳＲＳ仕様の一例である。このようなＳＲＳ仕様がＸ，Ｙ，Ｚの３方向に与えられる。ＳＲＳ仕様には主に、傾き、折れ点振動数、最大加速度、トレーランスと呼ばれる幅、が指定される。この仕様は事前に実験や解析によって求められ、衝撃試験では試験仕様を満たす衝撃を発生させて試験を行う。
【００３６】
ＳＲＳ仕様は傾き、折れ点振動数、最大加速度、で指定されることを述べたが、これらの値は衝撃波形によって決まる。特に折れ点振動数は衝撃波形の支配的な振動数で決まる。例として単一振動数の加速度波形のＳＲＳを図１２に示す。ここでは加速度振幅１Ｇ、振動数８００Ｈｚの加速度波形（図１２（ａ））と、その時のＳＲＳ波形（図１２（ｂ））の例を示している。試験仕様として異なる折れ点振動数が指定された場合、衝撃の振動数を変更する必要がある。
【００３７】
次にＳＲＳ仕様に基づく衝撃試験の手順について説明する。なお、ここでは支柱１が、断面が真円の中実丸棒であるとする。
【００３８】
１）まず、試験仕様のＳＲＳから折れ点振動数を読み取る。この振動数をｆａとする。
【００３９】
２）次に、プレート３に供試体１２と質量が同じ調整用供試体を固定する。この時の固定手段２と締結部４の距離Ｌｂを記録する。そして、第２の実施の形態の式（３）を用いて、この時のねじりバネ定数ｋｂを算出する。
0006432238.tif 000006
【００４０】
３）その後、衝撃力入力手段によって、プレート３の衝撃入力部に試験仕様の衝撃力を与える。衝撃の入力方法としては、例えば、ハンマや弾丸などの衝突体を衝突させる、衝撃入力部に爆薬を設置し爆発させる、などの方法がある。
【００４１】
４）次に実測データから振動数ｆｂと、最大加速度を算出する。振動数の算出は、例えば高速フーリエ変換などによって行う。そして第２の実施の形態の式（２）を用いて、調整用供試体を含めた慣性モーメントＪを求める。
0006432238.tif 000007
【００４２】
５）次に求めたＪと、目標とする固有振動数ｆａを第２の実施の形態の式（２）に代入して、ｆａを実現するためのねじりバネ定数ｋａを求める。
0006432238.tif 000008
【００４３】
５）次いで、第２の実施の形態の式３を用いて、ｋａを実現するためのＬａを求める。
0006432238.tif 000009
【００４４】
６）次に、このＬａになるように支柱固定手段と締結手段との距離Ｌを調整する。
【００４５】
７）次に、再度プレート３に衝撃力を与え、振動数が目的の振動数ｆａになっていることを確認する。
【００４６】
８）次に、調整用供試体を、試験を行う供試体１２と交換してプレート３に固定し、衝撃試験を行う。これにより、衝撃試験が完了する。
【００４７】
以上、本実施の形態によれば、試験条件をＳＲＳ仕様に合致するように調整して試験を行うことができる。
【００４８】
なお、支柱１の断面が真円以外の場合には、それぞれ適した計算を行うか、実験的にＬとｆとの関係を求めるかして、同様の調整を行うことができる。
【００４９】
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１    支柱
２    支柱固定手段
３    プレート
４    締結手段
５    振動解析手段
６    基礎面
７、８    ガイド
９    目盛
１０    滑動手段
１１    力積
１２    供試体
１３    ジャッキ
１４    滑動手段
１５    ガイドベース
１６    割り
１７    ボルト
１８    メカロック
１９    加速度ピックアップ
２０    データ収集手段
２１    データ解析手段
２２    ＳＲＳ解析手段
３０    力積入力手段
３１    衝撃力入力手段
【図１】
0006432238.tif 000010
【図２】
0006432238.tif 000011
【図３】
0006432238.tif 000012
【図４】
0006432238.tif 000013
【図５】
0006432238.tif 000014
【図６】
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【図７】
0006432238.tif 000016
【図８】
0006432238.tif 000017
【図９】
0006432238.tif 000018
【図１０】
0006432238.tif 000019
【図１１】
0006432238.tif 000020
【図１２】
0006432238.tif 000021