(57)【要約】【課題】  振動発生源である動電型振動試験機の代わりに、小さな機械系ピストンシリンダを用い、大きな加振力を簡単に発生できる圧縮空気を動力とする振動試験方法および装置を提供する。【解決手段】  本発明は、バネを介して架台に固定された振動テーブルを加振する振動試験方法、あるいは装置において、圧縮空気の衝撃力をピストンシリンダの往復運動に変えて衝撃波を連続的に発生させ、ピストンシリンダ端面を振動テーブルの下面に斜めに取り付け、衝撃波による振動をランダム振動に変換することを特徴とする。【選択図】図１
2007322339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性部材を介して架台に固定された振動テーブルを加振する振動試験方法であって、
圧縮空気の衝撃力をピストンシリンダの往復運動に変えて衝撃波を連続的に発生させるステップと、
前記振動テーブルの下面に斜めに取り付けられた前記ピストンシリンダの端面を介して前記衝撃波を前記振動テーブルに伝達するステップと、
を有することを特徴とする振動試験方法。
【請求項２】
前記ピストンシリンダにおける内端面は、樹脂部材を含む緩衝部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の振動試験方法。
【請求項３】
前記衝撃波の加速度レベルは、圧縮空気の動力源である外部コンプレッサと前記ピストンシリンダとの間の空気供給路に設けられた空気弁の空気流量を調整することによって可変とすることを特徴とする請求項１または２に記載の振動試験方法。
【請求項４】
前記振動テーブルは、前記衝撃波の伝達特性の異なる材質からなる複数のテーブル層を中間接続用スペーサを介して多層に重ねた構造であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の振動試験方法。
【請求項５】
弾性部材を介して架台に固定された振動テーブルを備える振動試験装置であって、
圧縮空気の衝撃力をピストンシリンダの往復運動に変えて衝撃波を連続的に発生させる衝撃発生機と、
前記振動テーブルの下面に斜めに取り付けられた前記ピストンシリンダの端面を介して前記振動テーブルに前記衝撃波を伝達する衝撃波伝達機構と、
を有することを特徴とする振動試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
振動テーブルに搭載した被測定試料の振動試験を行う振動試験装置において、架台にバネを介して固定された振動テーブルの下からＸＹＺ軸方向及び各軸の回転方向にエアーハンマーで衝撃加振する振動発生の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動試験装置において、被測定試料に振動を与える一般的な振動発生の方法として、動電型の振動発生機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。以下に、図５を用いて一般的な振動発生機の従来技術を説明する。
【０００３】
動電型振動発生機は、被測定用試料５０を振動テーブル５１に搭載し、振動テーブル５１の振動発生には、電力増幅器５７からの交流電流を試験機本体の駆動コイル５２に流し、磁界を発生させ、駆動コイル５２に連結された振動テーブル５１等の可動部を機械振動に変化させる構成となっている。
【０００４】
その動作原理は、発生した磁界をフレミングの左手の法則に基づき、磁界中におかれたコイルに発生する磁界を力（振動）へ変換するもので、磁路５３の中にある励磁コイル５４に励磁電源５８による直流電流を流すと磁束が発生し、空隙に駆動コイル５２の線と直交する直流磁界を作り、磁路５３の空隙にバネで保持された振動テーブル５１に取り付けられた駆動コイル５２に交流電流を流すことによって、振動テーブル５１に振動を発生させる仕組みとしている。
【０００５】
駆動コイル５２と振動テーブル５１は、一般に、機械インピーダンスの周波数特性がフラットではないため、振動テーブル５１に加速度レベルを検出する振動センサー５５を取付け、電流発生器内臓の振動制御器５６と併用して、振動テーブル５１上の振動レベルを監視し、電力増幅器５７からの発生電流（交流）を制御し、任意の振動レベルを得る方式としていた。そして、多軸の３軸６方向の振動を発生させるために、最低３個以上の動電型振動試験機と同じ数だけの電力増幅器５７を含む振動制御器５６を併用し、試験装置を構成した。
【０００６】
しかしながら、こうした従来の動電型振動試験機では、試験機内部の駆動コイルに流す電流によって、磁界を発生させ、振動の加振力へ変換するため、以下の固有の問題が発生していた。
（１）動電型振動試験機で大きな加振力を得るには、大電流を駆動コイルに流す必要があるため、コイル容量を大きく（巻き数増加と線径太をアップ) する必要があるが、コイル発熱の制約から、結果的に、試験機一台当りの加振力が小さくなってしまう。
（２）加振力を大きく得るためには、試験テーブルサイズと比較し、大規模なコイルサイズになるため、振動テーブルとジョイント接続する変換用軸受けを複数段設ける必要が生じる。変換用軸受けが追加されると、軸受け重量がアップし、加振力が小さくなる問題が生ずるとともに機械設計が複雑化する。
【０００７】
また、変換用軸受けを含む複雑な構造にともなって、試験機本体と軸受け部、振動テーブルを含む全体システムの重量が増加し、振動を発生する周波数範囲が伸びず、数ＫＨｚ以下が限界となる。
（３）３軸６方向多軸試験装置の場合、上記（１）、（２）の問題点がより複雑となり、大型振動テーブルサイズへの拡張も振動特性結果を得るのが難しく、機械設計が複雑となってしまう。
（４）加振力を高くした多軸試験機の場合、制御装置を含む電力増幅器も大きな容量と個数が必要となるため、加振特性に対し、大規模なシステムとなり性能比較でコストアップとなる。
【特許文献１】特許第３０３５２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記問題点を解決するため、本発明では、振動発生源である動電型振動試験機の代わりに、小さな機械系ピストンシリンダを用い、大きな加振力を簡単に発生できる圧縮空気を動力とする振動試験装置を提供する。圧縮空気によってシリンダ内部のピストンを内部外壁に打撃することにより衝撃波を発生させ、かつ多重構造テーブルを介し、ランダム波振動に変換する振動発生の仕組みを実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第一の発明は、弾性部材を介して架台に固定された振動テーブルを加振する振動試験方法であって、圧縮空気の衝撃力をピストンシリンダの往復運動に変えて衝撃波を連続的に発生させるステップと、前記振動テーブルの下面に斜めに取り付けられた前記ピストンシリンダの端面を介して前記衝撃波を前記振動テーブルに伝達するステップと、を有することを特徴とする振動試験方法に関する。
【００１０】
すなわち、第一の発明によれば、振動試験装置は、試料を載せる振動テーブルと衝撃波を発生させる圧縮空気を用いた衝撃発生機とから構成され、衝撃発生機からの衝撃力が振動テーブルに加えられることにより、入力された衝撃パルスがテーブルの伝達経路を介し幅広い周波数帯域を持つ広帯域ランダム振動に変えられ、かつ、衝撃発生機のピストンシリンダが往復動作することによって連続的なランダム振動を発生させることが可能となる。本発明の圧縮空気の衝撃力を利用したピストンシリンダ構造による振動発生の仕組みによって高周波振動までがカバーできるコンパクトな振動試験が可能となる。
【００１１】
そして、このピストンシリンダ外端部を振動テーブル下面に斜めに取り付け、振動テーブルに衝撃波が印加されることによって、従来のボイスコイルを用いた動電型振動試験機より、高い加速度レベルで、かつ高い周波数のランダム振動を得ることが可能となる。
【００１２】
第二の発明は、前記ピストンシリンダにおける内端面は、樹脂部材を含む緩衝部材を備えていることを特徴とする上記第一の発明に記載の振動試験方法に関する。
【００１３】
すなわち、第二の発明によれば、ピストンシリンダ内部の端面に、例えば、ポリマーなどの緩衝部材でその表面を覆うことによって、繰り返されるピストンの衝撃を緩和し、結果的に磨耗を防ぐことができ、かつ、緩衝部材は、振動モードを変えるプログラマとしての役割をもち、その材質をいろいろ変えることによって振動テーブルにおけるランダム振動を広域に変化させることが可能となる。
【００１４】
第三の発明は、前記衝撃波の加速度レベルは、圧縮空気の動力源である外部コンプレッサと前記ピストンシリンダとの間の空気供給路に設けられた空気弁の空気流量を調整することによって可変とすることを特徴とする上記第一または第二の発明に記載の振動試験方法に関する。
【００１５】
すなわち、第三の発明によれば、加速度レベルの可変は、ピストンシリンダ内の空気室ヘ空気供給路を経由し、供給する動力源である圧縮空気の圧力を外部のコンプレッサとピストンシリンダとの間の空気供給経路に設けた空気弁により、圧縮空気の流量を可変することで変化させることが可能となる。
【００１６】
第四の発明は、前記振動テーブルは、前記衝撃波の伝達特性の異なる材質からなる複数のテーブル層を中間接続用スペーサを介して多層に重ねた構造であることを特徴とする上記第一乃至第三の発明のいずれかに記載の振動試験方法に関する。
【００１７】
すなわち、第四の発明によれば、振動テーブルを下部と上部に互いに周波数特性が異なる材質で作製されたテーブルを、さらに、周波数特性の異なる中間接続用スペーサを介してテーブル全体を構成する多層重構造の振動テーブルとすることによって、下部から入力された衝撃パルスを複数の周波数特性の異なる伝達経路を経由することで、上部の試験試料を搭載する上部テーブル部の応答ランダム振動の周波数特性が更に広帯域となる。
【００１８】
また、複数の複雑な伝達経路を経由することにより、衝撃パルス入力部の下部テーブルへ加わっていた大きな衝撃エネルギーを、上部テーブル面に対し、均一のランダム振動レベルヘと変換する効果が生まれる。
【発明の効果】
【００１９】
以上、本発明によれば以下の効果が生じる。
（１）振動試験装置は、試料を載せる振動テーブルと衝撃波を発生させる圧縮空気を用いた衝撃波発生機とから構成され、衝撃波発生機からの衝撃が振動テーブルに加えられることにより、入力された衝撃パルスが振動テーブルの伝達経路を介し幅広い周波数帯域を持つ広帯域ランダム振動に変えられ、かつ、連続動作することによりランダム振動を繰り返し発生させることが可能となる。
【００２０】
本発明の空気圧力の衝撃力を利用したピストンシリンダ構造になる振動発生の仕組みによって小型で高周波振動までカバーできる振動試験方法が実現される。
（２）ピストンシリンダ内部の端面に、例えば、ポリマーなどの緩衝部材でその表面を覆うことによって、繰り返されるピストンの衝撃を緩和し、結果的に磨耗を防ぐことができ、かつ、緩衝部材は、振動モードを変えるプログラマとしての役割をもち、その材質をいろいろ変えることによって振動テーブルにおけるランダム振動を広域に変化させることが可能となる。
（３）加速度レベルの可変は、ピストンシリンダ内の空気室ヘ空気供給路を経由し、供給する動力源である圧縮空気の圧力を外部のコンプレッサとピストンシリンダとの間の空気供給路に設けた空気弁により圧縮空気の流量を可変することで、変化させることが可能となる。
（４）振動テーブルを下部と上部に互いに周波数特性が異なる材質で構成されたテーブルを、さらに、周波数特性の異なる中間接続用スペーサを介してテーブル全体を構成する多層重構造の振動テーブルとすることによって、下部から入力された衝撃パルスを複数の周波数特性の異なる伝達経路を経由することで、上部の試験試料を搭載する上部テーブル部の応答ランダム振動の周波数特性が更に広帯域となる。
【００２１】
また、複数の複雑な伝達経路を経由することにより、衝撃パルス入力部の下部テーブルへ加わっていた大きな衝撃エネルギを、上部テーブル面に対し、均一のランダム振動レベルヘと変換する効果が生まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面にもとづいて本発明の実施形態を説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態になる振動試験装置における振動発生機構の原理構成を示す。本振動試験装置は、振動試験に供する被測定試料を載せる振動テーブル２と、振動テーブル２に振動を与える振動発生源としての、圧縮空気を利用したピストンシリンダによる衝撃発生機１とから構成される。衝撃発生機１からの衝撃力を振動テーブル２に加えることにより、入力された衝撃パルスが振動テーブル２の伝達経路を介した、幅広い周波数帯域をもつ広帯域のランダム振動（複数の周波数の振動の重なりによる不規則な波形の振動）に変わる手法を用い、衝撃発生機１を連続動作させることによりランダム振動を繰り返し発生させる振動試験装置が実現できる。
【００２４】
本実施例は、従来の振動発生源である動電型振動試験機の代わりに、上記のような小さな機械系ピストンシリンダを複数用い、大きな加振力を簡単に発生できる圧縮空気を動力としたものである。
【００２５】
なお、振動テーブル２は、とくに図示していないが、振動試験装置の架台に四隅に圧縮コイルバネなど弾性部材によるバネ機構を介して固定し、ＸＹＺの３軸および各軸の回転を合わせて６自由度が確保された構造となっている。
【００２６】
また、加振制御部１００は、衝撃発生機１のピストンシリンダに供給する圧縮空気の流量をコントロールすることによって振動テーブル２への衝撃波の加速度レベルを可変とするものであり、外部コンプレッサからの圧縮空気の空気供給路に設けられた空気バルブ１０１、空気の加圧力を調整するレギュレータ１０２、および衝撃発生機１としての複数のピストンシリンダに供給する圧縮空気の供給タイミングを切り替えるタイミングバルブ１０３で構成される。
【００２７】
さらに、加振制御部１００では、振動テーブル２に取り付けた衝撃波の加速度を検知するセンサ１０４の信号を受けて、適正な加速度レベルとなるよう、空気バルブ（空気弁）１０１およびレギュレータ（圧力調整器）１０２によって衝撃発生機１のピストンシリンダに供給する圧縮空気の流量をコントロールする。
【００２８】
また、図１に示すように、振動テーブル１の下部へピストンシリンダは最低３本以上使用して、加振方向毎に各軸方向に１本の割合で、ピストンシリンダを３軸分（Ｘ／Ｙ／Ｚ軸）、振動テーブル１の下部に斜めに取り付ける（例えば、取付角度：４５°程度に設定) ことによって、３軸６自由度（６ＤＯＦ）の衝撃波入力方式の多軸ランダム振動を発生する振動試験装置となる。
【００２９】
この場合、振動テーブル２と衝撃発生機１となるピストンシンリンダの外部寸法、ならびにピストンシリンダの取付個数、取付角度などに依存して、発生振動の各軸における加速度成分が異なる。これらピストンシリンダの寸法、取付個数、および取付角度などの諸元は、その特性データから最良となるように調整され決定される。
【００３０】
以上のように、３軸分毎にピストンシリンダを振動テーブル下部に直接接続することで、多軸の振動特性が向上する。さらに、この１台の試験装置を基本セットとし、複数台組み合わせることにより、テーブルサイズを拡張させた場合にも、良好な振動特性を得ることができる。なお、上記のように振動発生機の構造はシンプルなため、複雑な機械設計の計算を必要とせず、かつ、従来技術に付随する電力増幅器や制御器も不必要であるため、システム全体が簡略化でき、コストを抑制することができる。
【００３１】
図２は、本発明の実施の形態になる衝撃発生機の一構成例を示す。衝撃発生機１は、圧縮空気の圧力を衝撃力とするピストンシリンダ内部に、ピストン１１の打撃による衝撃力を緩和して破壊を防ぎ、かつ振動モードを変える役割を持つ、ポリマー（樹脂）などの材質からなるプログラマ（緩衝部材）１３を備えたハウジング部（振動テーブル２への取付部）１５、スチール製ピストンを含むのピストン１１、圧縮空気の空気室１２、吸入口１７、および排出口１６の機構部品で構成されている。また、キャップ１８は、ピストンシリンダ内の部品の交換を容易にするためのものであり、ハウジング部１５の外端部は、振動テーブル２に接続するため、ある角度に切り込んだテーブル取付面１４としている。
【００３２】
空気室１２に圧縮空気による連続パルスが供給されると、ピストン１１両端の圧力差によって、ピストン１１は、移動してプログラマ１３を打撃し、プログラマ１３打撃時における反発力と、プログラマ１３の位置におけるピストン内の空気経路を介した空気室１２の圧力低下によって空気室１２側に戻されるというプロセスが繰り返され、ピストン１１の連続的な往復運動に変換される。
【００３３】
すなわち、圧縮空気で連続駆動するピストン１１本体とプログラマ１３を介し、その往復動作によって、ハウジング部１５の内端部に取り付けられたプログラマ１３を繰り返し叩くことで発生した衝撃波が、ピストンシリンダ外端部において接続する振動試験装置の振動テーブル２に伝達される。
【００３４】
図２に示すように、ピストンシリンダから振動試験装置に衝撃波を伝達する衝撃波伝達機構部は、振動テーブル２の下部に、斜めに加工されたピストンシリンダのテーブル取付面１４が取り付けられた構成となっている。この衝撃波伝達機構部を介して、振動テーブル２へ衝撃波を印加することによって、従来のボイスコイルを用いた動電型振動試験機より、高加速度レベルおよび高周波数のランダム振動への変換が実現される（振動発生機の加振力としては、従来比の10倍以上）。
【００３５】
また、ピストンシリンダ内の空気室１２ヘの空気ホース（空気供給路）を経由し、供給する動力源である圧縮空気の圧力を外部のコンプレッサとピストンシリンダとの間のホース経路に設けた空気弁（空気バルブ）により，圧縮空気の流量は，制限または可変とすることができ、衝撃発生機１の加速度レベルの変化を可能とさせている。
【００３６】
図３は、本発明の実施の形態になる振動試験装置における振動テーブルの挙動を示す。上図は、衝撃発生機１が振動テーブル２に加えた衝撃波を時間（ｔ：Seconds ）に対する加速度Ｇ（ｍ／ｓ２）の変化で示したものであり、下図は、振動テーブル２において、周波数ｆ（１／ｔ）に対する各３軸６自由度で捉えられたランダム振動を１Ｈｚ当たりのエネルギー（Ｇ２／Ｈｚ）として表したものである。本データによって、衝撃発生機１による衝撃波が、振動テーブル２においてランダム振動に変換され、高周波領域の振動に延びている様子が把握できる。
【００３７】
図４は、本発明の実施の形態になる振動テーブルの一構造例を示す。本発明の振動テーブル２は、図のように、下部と上部に互いに周波数特性が異なる材質で作製されたハニカムを含む構造からなるテーブルを単位とし、さらに、周波数特性の異なる中間接続用スペーサを介して振動テーブル全体を構成する多重構造となっている。
【００３８】
こうした振動テーブル２を用いることにより、下部から入力された衝撃パルスを複数の周波数特性の異なる伝達経路を経由することで、上部の試験試料を搭載する上部テーブル部の応答ランダム振動の周波数特性が更に広帯域となる。
【００３９】
また、複数の複雑な伝達経路を経由することにより、衝撃パルス入力部の下部テーブルへ加わっていた大きな衝撃エネルギを上部テーブル面へ均一のランダム振動レベルヘ変換する効果が生じてくる。
【００４０】
以上述べてきた本発明の実施の態様は、以下の付記に示す通りである。
（付記１）  弾性部材を介して架台に固定された振動テーブルを加振する振動試験方法であって、
圧縮空気の衝撃力をピストンシリンダの往復運動に変えて衝撃波を連続的に発生させるステップと、
前記振動テーブルの下面に斜めに取り付けられた前記ピストンシリンダの端面を介して前記衝撃波を前記振動テーブルに伝達するステップと、
を有することを特徴とする振動試験方法。
（付記２）  前記ピストンシリンダにおける内端面は、樹脂部材を含むプログラマを備えていることを特徴とする付記１に記載の振動試験方法。
（付記３）  前記衝撃波の加速度レベルは、圧縮空気の動力源である外部コンプレッサと前記ピストンシリンダとの間の空気供給路に設けられた空気弁の空気流量を調整することによって可変とすることを特徴とする付記１または２に記載の振動試験方法。
（付記４）  前記振動テーブルは、前記衝撃波の伝達特性の異なる材質からなる複数のテーブル層を中間接続用スペーサを介して多層に重ねた構造であることを特徴とする付記１乃至３のいずれかに記載の振動試験方法。
（付記５）  前記振動テーブルの下面に取り付けられる前記ピストンシリンダは、少なくともＸＹＺ軸の加振方向を含む３本以上で構成され、前記ピストンシリンダの取付個数と取付角度は特性データから最適化することを特徴とする付記１乃至４のいずれかに記載の振動試験方法。
（付記６）  前記ピストンシリンダの取付セットを１単位とし、少なくとも２つ以上のセットを組み合わせることを特徴とする付記５に記載の振動試験方法。
（付記７）  弾性部材を介して架台に固定された振動テーブルを備える振動試験装置であって、
圧縮空気の衝撃力をピストンシリンダの往復運動に変えて衝撃波を連続的に発生させる衝撃発生機と、
前記振動テーブルの下面に斜めに取り付けられた前記ピストンシリンダの端面を介して前記衝撃波を前記振動テーブルに伝達する衝撃波伝達機構と、
を有することを特徴とする振動試験装置。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態になる振動試験装置における振動発生機構の原理構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態になる衝撃発生機の一構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態になる振動試験装置における振動テーブルの挙動を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態になる振動テーブルの一構造例を示す図である。
【図５】従来の動電型振動発生機の構成例
【符号の説明】
【００４２】
１  衝撃発生機
２  振動テーブル
１１  （スチール製）ピストン
１２  空気室
１３  プログラマ（ポリマー）
１４  テーブル取付面
１５  ハウジング部
１６  排出口
１７  吸入口
１８  キャップ
１００  加振制御部
１０１  空気バルブ
１０２  レギュレータ
１０３  タイミングバルブ
１０４  センサ
【図１】
2007322339.tif 000003
【図２】
2007322339.tif 000004
【図３】
2007322339.tif 000005
【図４】
2007322339.tif 000006
【図５】
2007322339.tif 000007