(57)【要約】【課題】  加速度センサを用いた振動検出の精度を向上させることができる振動検出装置、振動検出方法および振動検出プログラムを提供する。【解決手段】  振動検出装置は、振動物体に接触し、接触共振周波数帯が設定された接触体と、前記接触体に設けられた加速度センサと、前記加速度センサの出力信号のうち前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで、当該信号を検出する検出部と、を備える。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動物体に接触し、接触共振周波数帯が設定された接触体と、
前記接触体に設けられた加速度センサと、
前記加速度センサの出力信号のうち前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで、当該信号を検出する検出部と、を備えることを特徴とする振動検出装置。
【請求項２】
前記検出部は、前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度に、前記接触共振周波数帯の伝達関数の逆関数を掛け合わせることで、前記信号の強度を低減することを特徴とする請求項１記載の振動検出装置。
【請求項３】
前記接触体は、前記振動物体に接触しつつ、前記振動物体に固定された固定部に振動絶縁された状態で接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の振動検出装置。
【請求項４】
前記接触体を複数備え、
前記複数の接触体のそれぞれに加速度センサが設けられ、
前記複数の接触体の接触共振周波数帯は、互いに異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動検出装置。
【請求項５】
前記複数の接触体が前記振動物体に接触する先端の曲率半径が異なることによって、前記複数の接触体が異なる接触共振周波数帯を有することを特徴とする請求項４記載の振動検出装置。
【請求項６】
振動物体に接触しかつ接触共振周波数帯が設定された接触体に設けられた加速度センサの出力信号を取得し、
前記出力信号のうち、前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで当該信号を検出する、ことを特徴とする振動検出方法。
【請求項７】
前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度に、前記接触共振周波数帯の伝達関数の逆関数を掛け合わせることで、前記信号の強度を低減することを特徴とする請求項６記載の振動検出方法。
【請求項８】
コンピュータに、
振動物体に接触しかつ接触共振周波数帯が設定された接触体に設けられた加速度センサの出力信号を取得する処理と、
前記出力信号のうち、前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで当該信号を検出する処理と、を実行させることを特徴とする振動検出プログラム。
【請求項９】
信号を検出する処理において、前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度に、前記接触共振周波数帯の伝達関数の逆関数を掛け合わせることで、前記信号の強度を低減することを特徴とする請求項８記載の振動検出プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件は、振動検出装置、振動検出方法および振動検出プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機械等の力学的機構を備える設備の異常診断には、軸受等の故障頻度の高い地点の近傍で振動を検出して得られる信号により異常可否を判定する振動診断が用いられている。
【０００３】
例えば、振動検出装置として、振動物体に接触する部分に加速度センサを設置し、センサ治具を振動物体に直接ねじ込み、強固に固定したものを用いることができる。接触共振周波数を高くすることで、検出する周波数帯（例えば１０Ｈｚ〜数１０ｋＨｚ帯まで）の広い範囲で平坦な周波数特性を持つことができる。
【０００４】
その他の固定方法として、磁石や接着剤で振動物体の間を接触させること、振動物体に接触する稼動部を高い接触共振周波数特性を持つ形状にする（特許文献１，２参照）など、使用する環境や状況に合わせて様々な物が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２５６７６号公報
【特許文献２】特開平１１−６４０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、高周波帯において周波数特性が変動し、一部の周波数帯において信号強度の強調が生じるため、誤検出が生じる。
【０００７】
１つの側面では、本件は、加速度センサを用いた振動検出の精度を向上させることができる振動検出装置、振動検出方法および振動検出プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの態様では、振動検出装置は、振動物体に接触し、接触共振周波数帯が設定された接触体と、前記接触体に設けられた加速度センサと、前記加速度センサの出力信号のうち前記接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで、当該信号を検出する検出部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
加速度センサを用いた振動検出の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は加速度センサの出力信号を例示する。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は加速度センサの出力信号を例示する。
【図３】実施例１に係る振動検出装置の全体構成を表すブロック図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は治具を例示する図である。
【図５】先端部の曲率半径と接触共振周波数との関係を例示する図である。
【図６】振動検出装置の動作の一例を表すフローチャートである。
【図７】ＭＥＭＳ式の加速度センサの出力信号および圧電式の加速度センサの出力信号を例示する図である。
【図８】演算部および判定部のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、実施例について説明する。
【実施例１】
【００１２】
まず、実施例１の概要について説明する。図１（ａ）は、振動物体に取り付けられた加速度センサの出力を例示する。図１（ａ）で例示するように、出力にノイズが重畳しなければ、振動物体の振動に応じて各周波数に対して所定の強度の電気信号が得られる。これらの周波数と信号強度との関係を用いて、振動物体の故障判定を行うことができる。
【００１３】
加速度センサの出力には、ノイズが重畳する。図１（ｂ）は、ノイズが重畳した出力を例示する。図１（ｂ）で例示するように、ノイズ強度よりも小さい強度の信号とノイズとを区別することが困難となるため、当該信号とノイズとを分離することが困難となる。加速度センサの出力強度は高い周波数で小さくなる傾向にあるため、特に、高い周波数における信号とノイズとの分離が困難となる。
【００１４】
そこで、加速度センサと振動物体との接触態様などを調整することによって、接触共振周波数帯を調整する。ノイズ強度よりも小さい強度の信号の周波数を含むように接触共振周波数帯を調整することによって、当該信号の強度を増幅することができる。図１（ｃ）の例では、ノイズに埋もれた信号の強度がノイズ強度よりも大きく増幅されている。その後、ノイズを除去し、増幅された信号の強度を低減することによって、ノイズに埋もれた信号を復元することができる。例えば、接触共振周波数帯において増幅された信号の強度に、接触共振周波数帯の伝達関数（周波数応答関数）の逆関数を掛け合わせることによって、当該信号をより正確に復元することができる。ノイズに埋もれた信号を復元することで、加速度センサを用いた振動検出の精度を向上させることができる。
【００１５】
接触共振周波数帯が異なる複数の加速度センサを用いれば、増幅できる周波数帯を広くすることができる。なお、接触共振周波数帯が異なることは、それぞれのピークが異なることを表し、互いの周波数帯の一部が重なっていてもよい。図２（ａ）は、加速度センサの増幅前の出力信号を例示する。図２（ｂ）は、異なる共振周波数帯を有する２つの加速度センサを用いた場合を例示する。これらの共振周波数帯にノイズとの分離が困難な信号が含まれていれば、当該信号の検出が容易となる。すなわち、加速度センサを用いた振動検出の精度をより向上させることができる。図２（ｃ）は、増幅後に各接触共振周波数帯の伝達関数の逆関数を掛け合わせることによって復元された信号を例示する。
【００１６】
以下、実施例１の詳細について説明する。図３は、実施例１に係る振動検出装置１００の全体構成を表すブロック図である。図３で例示するように、振動検出装置１００は、４つの加速度センサ１０ａ〜１０ｄ、バンドパスフィルタ２０、入力受付部３０、演算部４０、データベース５０、判定部６０および出力部７０を備える。データベース５０は、センサ感度データベース５１、接触共振データベース５２、理論異常周波数帯データベース５３、および過去測定データベース５４を備える。
【００１７】
加速度センサ１０ａおよび加速度センサ１０ｂは、バンドパスフィルタ２０を介して入力受付部３０に接続されている。加速度センサ１０ｃおよび加速度センサ１０ｄは、バンドパスフィルタを介さずに入力受付部３０に接続されている。加速度センサ１０ａ，１０ｂは、治具８０ａに設けられている。加速度センサ１０ｃ，１０ｄは、治具８０ｂに設けられている。治具８０ａ，８０ｂは、加速度センサ１０ａ〜１０ｄの信号増幅治具である。
【００１８】
図４（ａ）は、治具８０ａの構造を例示する図である。図４（ａ）で例示するように、治具８０ａは、被着体に固定された固定部８１と、被着体に対して可動な可動部８２とを備える。固定部８１は、可動部８２を覆うように配置されている。また、固定部８１は、接触共振周波数を高くして変動を避けるために比重の小さい材料、かつ加工性に優れた材料として、例えばアルミニウムをベース部材とする。
【００１９】
可動部８２は、被着体に接触する接触体の一例である。可動部８２は、振動絶縁用のバネ８３を介して固定部８１に接続されている。可動部８２は、平板部８４を備えている。バネ８３は、平板部８４の上面の中央付近に接続されている。平板部８４の下面の中央付近には、被着体に対して突出する突出部８５が設けられている。突出部８５は、先端部８６を介して被着体に接触している。このように、可動部８２は、断面Ｔ字形状を有する。加速度センサ１０ａ，１０ｂは、平板部８４上においてバネ８３を挟んで対称に配置されている。それにより、平板部８４の傾斜が抑制される。その結果、加速度センサ１０ａ，１０ｂの測定精度が向上する。加速度センサ１０ａ，１０ｂは、被着体の振動を電気信号に変換する。先端部８６は、被着体との接触箇所において曲率半径を有する。先端部８６は、例えば、加工が容易なステンレス鋼である。加工によって先端部８６の曲率半径を変更することができる。
【００２０】
治具８０ｂも治具８０ａと同様の構造を有する。治具８０ｂにおいては、可動部８２の平板部８４の上面に加速度センサ１０ｃ，１０ｄが固定されている。図４（ｂ）で例示するように、治具８０ａおよび治具８０ｂは、回転体９０に固定されている。回転体９０は、モータやベアリングなどの回転子を内部に備える振動物体である。治具８０ａ，８０ｂは、回転体９０の筐体に固定されているため回転は行わないが、回転体９０からの振動を受ける。すなわち、治具８０ａ，８０ｂは、同一の振動（同期する振動）を受ける。例えば、治具８０ａおよび治具８０ｂは、回転体９０の中心軸から鉛直上方に対して同一の角度（例えば１０°）で対称になるように２箇所に配置されている。それにより、回転体９０から鉛直方向に対して同一の振動条件が得られるように配置されている。また、治具８０ａ，８０ｂにおいて、可動部８２の押付け圧が調整されている。
【００２１】
図５は、先端部８６の曲率半径と接触共振周波数帯との関係を例示する図である。図５の例は、曲率半径を５０ｍｍ、３００ｍ、∞（平坦）とした場合の、周波数に対する応答性（ｄＢ）である。図５で例示するように、先端部８６の曲率半径を変更することで、可動部８２の接触共振周波数帯が変動している。平坦な押付けでは、共振点は２０ｋＨｚであり、１０ｋＨｚまではフラットな特性が得られ、増幅できないことがわかる。曲率半径５０ｍｍと小さい場合、共振点が低下し、７ｋＨｚで１０ｄＢの増幅が可能となる。曲率半径３００ｍｍでは、１５ｋＨｚで１３ｄＢの増幅が可能となっている。このように、先端部８６の曲率半径を調整することによって可動部８２の接触共振周波数帯を調整することができる。また、１０ｄＢ程度の信号増幅が可能である。
【００２２】
治具８０ａの先端部８６の曲率半径と、治具８０ｂの先端部８６の曲率半径とを異ならせてある。それにより、治具８０ａと治具８０ｂとは、互いに異なる接触共振周波数帯を有している。例えば、治具８０ａの接触共振周波数帯および治具８０ｂの接触共振周波数帯は、加速度センサ１０ａ〜１０ｄの出力信号がノイズよりも小さくなることが想定される周波数帯に設定しておくことが好ましい。
【００２３】
再度図３を参照し、センサ感度データベース５１は、加速度センサ１０ａ〜１０ｄのセンサ感度（出力の倍率、増幅率など）を、周波数応答特性として記憶している。センサの感度は、伝達関数（周波数応答関数）として記憶されている。例えば、周波数と感度との関係を表すマップとして記憶されていてもよい。接触共振データベース５２は、接触共振周波数帯を設定した後の周波数応答特性を記憶しており、治具８０ａ，８０ｂにおける接触共振周波数帯が反映された周波数応答特性を記憶している。当該周波数応答特性は、伝達関数（周波数応答関数）として記憶されている。例えば、周波数と増幅率との関係を表すマップとして記憶されていてもよい。
【００２４】
理論異常周波数帯データベース５３は、回転体９０の故障要因と、当該故障が生じた場合に加速度センサ１０ａ〜１０ｄに現れる信号異常の周波数帯および信号強度を記憶している。過去測定データベース５４は、回転体９０の過去の正常な動作に係る測定結果を記憶している。正常な動作に係る測定結果と、現在の測定結果とを比較することで、異常が生じているか否かを判定することができる。
【００２５】
続いて、振動検出装置１００の動作の詳細について説明する。図６は、振動検出装置１００の動作の一例を表すフローチャートである。図６で例示するように、治具８０ａの加速度センサ１０ａ，１０ｂのいずれか一方の出力信号は、バンドパスフィルタ２０を介して入力受付部３０に入力される（ステップＳ１）。なお、加速度センサ１０ａ，１０ｂの両方の出力信号を用いる場合には、両方の出力信号の平均などを用いてもよい。本実施例においては、一例として、加速度センサ１０ａの出力信号を用いる。
【００２６】
次に、バンドパスフィルタ２０は、加速度センサ１０ａの出力信号のうち、治具８０ａの接触共振周波数帯を抽出する。次に、演算部４０は、加速度センサ１０ａの出力信号からノイズを除去する（ステップＳ２）。次に、演算部４０は、ノイズ除去後の出力信号において、信号の有無を確認する（ステップＳ３）。例えば、所定値以上の強度が検出されたか否かを確認することで、信号の有無を確認することができる。
【００２７】
治具８０ｂの加速度センサ１０ｃ，１０ｄのいずれか一方の出力信号は、入力受付部３０に入力される。なお、加速度センサ１０ｃ，１０ｄの両方の出力信号を用いる場合には、両方の出力信号の平均などを用いてもよい。本実施例においては、一例として、加速度センサ１０ｃの出力信号を用いる。演算部４０は、加速度センサ１０ｃの出力信号からノイズを除去する（ステップＳ４）。
【００２８】
次に、演算部４０は、ステップＳ３でノイズ除去された後の加速度センサ１０ａの出力信号と、ステップＳ４でノイズ除去された後の加速度センサ１０ｃの出力信号とを重ね合わせる（ステップＳ５）。この際に、演算部４０は、センサ感度データベース５１の伝達関数を用いて、加速度センサ１０ａの出力信号と加速度センサ１０ｂの出力信号とを補正する。
【００２９】
次に、演算部４０は、治具８０ａおよび治具８０ｂの接触共振周波数帯の増幅信号（変動部分）を抽出する（ステップＳ６）。次に、演算部４０は、接触共振データベース５２を参照し、治具８０ａの接触共振周波数帯の増幅信号の強度に、当該接触共振周波数帯の伝達関数の逆関数を掛け合わせる。また、演算部４０は、治具８０ｂの接触共振周波数帯の増幅信号の強度に、当該接触共振周波数帯の伝達関数の逆関数を掛け合わせる。それにより、両方の接触共振周波数帯の増幅信号を復元することができる。演算部４０は、復元された信号を、ステップＳ５で得られた出力信号に反映させる（ステップＳ７）。
【００３０】
次に、判定部６０は、過去測定データベース５４を参照し、ステップＳ７で得られた出力信号が過去の正常な動作に係る測定結果（信号強度および周波数）と一致するか否かを判定する（ステップＳ８）。完全一致である必要はなく、所定の許容範囲が設定されていてもよい。ステップＳ８で「Ｙｅｓ」と判定された場合、判定部６０は、出力部７０に、正常に係る信号を出力させる（ステップＳ９）。ステップＳ８で「Ｎｏ」と判定された場合、判定部６０は、出力部７０に、故障に係る信号を出力させる（ステップＳ１０）。その際に、判定部６０は、理論異常周波数帯データベース５３を参照し、対応する故障要因などを出力部７０に出力させてもよい。
【００３１】
本実施例においては、接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで、当該信号を検出している。この構成によれば、加速度センサの出力信号にノイズが重畳しても、ノイズに埋もれた信号を復元することができる。それにより、加速度センサを用いた振動検出の精度を向上させることができる。接触共振周波数帯において増幅された信号の強度に、接触共振周波数帯の伝達関数の逆関数を掛け合わせることによって、当該信号をより高い精度で復元することができる。また、接触共振周波数帯が異なる複数の加速度センサを用いることで、増幅できる周波数帯を広くすることができる。それにより、加速度センサを用いた測定の精度をより向上させることができる。
【００３２】
ここで、ＭＥＭＳ式と呼ばれる大量生産方式で作製可能な小型、軽量な加速度センサが普及しており、低コスト化の観点から有望である。しかしながら、圧電素子などと比較するとノイズが大きく、信号とノイズとの分離が難しいため、予兆検知に重要な低振動の加速度を検知することが難しい。図７は、ＭＥＭＳ式の加速度センサの出力信号および圧電式の加速度センサの出力信号を例示する図である。図７で例示するように、ＭＥＭＳ式の加速度センサの出力信号では、ノイズが大きくなっている。このようなノイズの大きい加速度センサを本実施例で用いることで、コストを抑制しつつ、精度の高い測定が可能となる。
【００３３】
本実施例においては、複数の治具８０ａ，８０ｂを用いているが、１つの治具を用いてもよい。この場合においては、当該治具に設定された接触共振周波数帯の信号を増幅し、当該増幅信号の強度を低減することによって、ノイズに埋もれた信号を復元することができる。
【００３４】
複数の治具を用いる場合には、各治具に設けられる加速度センサは、同種類のセンサである。同種類のセンサを用いることで、出力信号の重ね合わせができるからである。同種類のセンサとは、同じ測定機能を有しているセンサのことであり、例えば、同じ型番のセンサなどである。上記例では、先端部８６の曲率半径を調整することによって接触共振周波数帯を調整しているが、それに限られない。例えば、バネ８３の材質や、治具８０ａ，８０ｂの構造を変更することによって、接触共振周波数帯を調整してもよい。
【００３５】
上記例においては、可動部８２が、振動物体に接触しかつ接触共振周波数帯が設定された接触体の一例として機能する。演算部４０が、加速度センサの出力信号のうち接触共振周波数帯において増幅された信号の強度を低減することで、当該信号を検出する検出部の一例として機能する。
【００３６】
（他の例）
図８は、演算部４０、データベース５０および判定部６０の他のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図８で例示するように、演算部４０、データベース５０および判定部６０は、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３、インタフェース１０４などを備える。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）１０１は、中央演算処理装置である。ＣＰＵ１０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）１０２は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラム、ＣＰＵ１０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置１０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置１０３として、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。ＣＰＵ１０１が記憶装置１０３に記憶されている振動検出プログラムを実行することによって、振動検出装置１００に演算部４０、データベース５０および判定部６０が実現される。
【００３７】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０ａ〜１０ｄ  加速度センサ
２０  バンドパスフィルタ
３０  入力受付部
４０  演算部
５０  データベース
５１  センサ感度データベース
５２  接触共振データベース
５３  理論異常周波数帯データベース
５４  過去測定データベース
６０  判定部
７０  出力部
８０ａ，８０ｂ  治具
８１  固定部
８２  可動部
８３  バネ
８４  平板部
８５  突出部
８６  先端部
９０  回転体
１００  振動検出装置
【図１】
2017037052.tif 000003
【図２】
2017037052.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2017037052.tif 000008
【図７】
2017037052.tif 000009
【図８】
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