精密機器における機械振動のトラブル対策ナ社

─現場でおきた機械振動問題と対処法─

伸二

博士（工学） 羽持満

コロ博士（工学） 涌井コロナ社

共著

まえがき

メカトロ機器の開発では，機械，電気，そしてソフト設計の専門家が集合する。開発進捗により，仕様の 90％程度は即座に満たせる。しかし，仕様未達で出荷できない事象も頻繁に生じる。この場合，機械・電気ハード・電気ソフトの境界領域といえる機械振動に起因していることが多い。

ナ社

開発者の対応は，（ a ）主担当の技術分野とは無関係と判断して問題解決にまったく関与せず，自分の責任ではないとばかりにほかの技術分野の担当者に解決を任せる，（ b ）ろくに調べもせず思い込みによる場当たり的対策を提案
し，うまくいかずに何度も試みる，（ c ）振動のありかを探索し，解決策をも提示して実証する，という 3 種類に分類される。（ a ），（ b ）の対応が圧倒的に多いため，開発遅延やコストアップを招いている。さらに，新規開発の場面

ロ

では，振動問題の解決経験がないため，知見として生かされようがない。また，振動による仕様未達は「失敗」に分類されがちであり，できれば人に報告コしたくない。それゆえに共有されにくいという面がある。解決されなければ出荷はできない。そのため，重要な要素技術にもかかわらず，振動が「見える」技術者は多くない。

本書は，上記（ c ）の行動がとれる技術者を多く育成する狙いを有する。具
体的に，著者らが経験した機械振動のトラブルを挙げ，振動源の特定，性状の把握を踏まえることで，実現可能な解決策が発想できることを示す。それは，目を凝らして開発中のメカトロ機器を見つめ，仮説を立てて振動源を突きとめ，そして振動の性状を踏まえて解決を図るというきわめて現場的な行動なのである。
2019 年 8 月

著者代表 涌井伸二

目

1.

次緒

言

機械設計と電気・制御設計にとっての機械振動

11.2

解析という言葉3

1.3

機械振動のお姿を知りたい

ナ社

1.1

4

1 . 4 実験モーダル解析と双璧をなす，ありがたい振動可視化手法：
ODS FRF6

機械振動の原因が容易にわかる場合

91.6

機械振動の原因が容易にはわからない場合

111.7

機械振動と誤認しやすい事例（その 1）～ 巻線コイルの振動 ～121.8

機械振動と誤認しやすい事例（その 2）ロ

1.5

コ～ ビートに起因する振動 ～2.

16

機械の素性を知って特性改善

2.1

ボールねじ軸方向の共振周波数の計測で犯人捜し

20

2.2

構造体を支持する装置の固有振動数を知って位置決めを改善

23

2.3

ガルバノスキャナの支持スタンドの振動を抑える

28

2.4

加速度センサによる触診で大型機械の重心を知る

34

2.5

加速度センサによる計測で振動モードを特定し位置決めを改善

38

2.6

超精密位置決め機器の位置信号に振動が重畳

42

2.7

振動抑制のために多用するゴム

48

目
2.7.1

次iii

とりあえずゴムを敷いてうまくいった例

48

2.7.2

とりあえずゴムを敷いて失敗した例

49

2.7.3

空圧アクチュエータであるノズルフラッパ型

2.7.4

サーボバルブの機械振動低減50

防振ゴムの選定方法

53

2.8

代表的な外部外乱：床振動，騒音の伝達モデル（SEM を例にして）

2.9

音って何だっけ？ 騒音が装置を揺するのはなぜか？

57

60

2 . 10遮音構造の原理とその欠点の克服事例

62

2 . 11

超低周波音の影響と対策

66

2 . 12静剛性と動剛性の話

72

2 . 13

パッシブとアクティブ除振装置の関係

3.

ナ社～ 騒音の入力モデル ～74

振動の生成と検出のための道具

機械に打撃を与えるインパルスハンマ

81

3.2

機械を加振するシェーカ

90

3.3

機械の振動を検出する加速度センサ

93

3.4

実機試験を行うときのノウハウ

102

コ

ロ

3.1

4.

実例を通して実感できる実験モーダルとODS FRF の偉力

4.1

ステージの位置の偏差波形に紛れ込む機械振動の正体を暴く

111

4.2

振子の動きを矯正

115

4.3長い筒の振動を止める？
～ 耐振性向上には固有モードの高周波化が必須という思い込み ～

121

目

iv

4.4

次

磁場シールドの騒音振動による変動磁場の発生～ ハンマリングによらないモードシェイプの可視化 ～

4.5

132

モードシェイプの節を利用した騒音振動伝達の抑制～ 固有振動数だけではなくモードシェイプを設計 ～

138

4.6

モードの腹に設置した広帯域動吸振器による多モード同時制振

148

4.7

床振動許容値と高周波床振動の伝達対策

157

4.8

広帯域動吸振器とモード近接の回避とによる TEM 試料ホルダの耐騒音性能の向上

168

文

献
引ロ

索考コ

参終章

ナ社

5.

177

180
182

1緒言

メカトロ機器の開発における機械設計者は，ものの形をつくりだす。そして，この最終性能までの責任を負う。そのため，精緻な機械設計を行ったにもナ社

かかわらず，想定外の機械振動が生じると，設計の失敗であるかのように思う。

しかし，いかに剛に機械を設計しようとも，高加減速駆動を行わせたときの機械は「豆腐」のようになる。機械振動の惹起は不可避である。このことを認識しないため，ほとんどの開発現場では，機械設計者と電気・制御設計者の間に反目がある。機械振動が生じたとき，これをなくす方策をともに考える行動

ロこそが優先される。工学的な感性を働かせることによって，機械振動の特定，コおよびこの抑制を図ってほしい。

1.1

機械設計と電気・制御設計にとっての機械振動

自動車，家電製品，工作機械などの構造物は，何らかの外力や加振力によって，つねに揺れている。長時間にわたって機械が揺れていると，最終的には金属疲労に至り損傷を招く。あるいは，構造物の振動そのものが，課されている仕様を満たさない原因ともなる。例えば，工作機械にとって，不要な機械振動の励起が，加工品質の劣化を招くことは明らかである。
どうにか対策を施さなければならない。対策の立案の前に機械振動の原因を特定する行為が必要となる。その道具として，学問体系になっているモーダル解析（modal analysis）がある。この技術を体系化した著名な成書はある。し

2

1.

緒

言

かし，難解な数式の羅列という意味で難しすぎ，そして実務の場面でやすやすとは使いこなせない。著者らの経験という限定付きでいうと，いきなりモーダ
ル解析の技術を使わずとも，工学的な感性を使って機械振動の特定と，これを踏まえた改善策は案出できる。ところが，だれが担当するのかがつねに問題となる。図 1 . 1 に示す状況，すなわち機械設計者と電気制御技術者の間で責任転嫁がおこることはつねである。
反目・非協力ナ社

機械は完璧な設計だ。位置決めの仕様を満たすために，制御でどうにかできないのか？！
機械が悪いのであり，制御ではどうにもできません。
位置検出

設計にフィードバック

電流アンプ

コリニアスライダ

図 1.1

電気制御技術者

PI 補償器

ロ

機械設計者

目標値
－ ＋

設計にフィードバック

・実験モーダル・工学的な感性
機械設計と電気・制御設計の関係

加えて，モーダル解析，あるいは機械振動の特定という行為は分析として認識されているため，設計の本流とはみなされていない。そのために，知識を保有せずとも機械および制御設計にとっては支障がないと考えられがちである。
しかし，モーダル解析がじつは設計に資する知見を提供し，直接のご利益としては機械の素性をとらえ，この工学的な理解に立脚して機械装置の性能が改質されることを実例で紹介する。専門を異にする技術者どうし，あるいは管理者
はモーダル解析の意義を正しくとらえてほしい。

1.2 解 析 と い う 言 葉

1.23

解析という言葉モーダル解析という用語における解析（analysis）の言葉に注目してみよう。
要するに，「解析」とは「分析」のことである。一方，analysis の対の言葉はsynthesis であり，つまり設計である。著者一人の経験の範囲という限定を付けて，特に製品設計者は，解析行為を嫌がる傾向が強いと感じている。設計者
は，課されている製品の仕様，納期，そしてコストなどの制約条件のもとで，最良の設計をすることを本務としているからである。つまり，制約条件付きなナ社

ので，けっして完璧なものはつくれないことを承知している。それにもかかわらず，分析者あるいは解析者は，設計・製造済みの機械構造物に対して，難癖をつけるかのように実験モーダル解析の結果を突き付ける。このことに対する一種の怒りが含まれるのかもしれない。加えて，モーダル解析とは設計行為そのものではないため，この解析の専門家集団を開発チームのなかに備えていることは，ほとんどの会社では皆無である。このチームがある会社もあるが，全ロ社対応の組織であることが多い。

しかし，最近では設計時点でモーダル解析（数値シミュレーション）の結果コを取り入れることが常識化している。理由は，設計を経て製造された後に，機械振動に起因するトラブルが発生したとき，事後の解析で不具合箇所が明白に納得できる場合が多いという経験に基づく。そのため，初期設計の機械図面レベルで事前に有限要素法（FEM）を使ったモーダル解析を行い，この結果を踏まえて最終の機械制御装置の設計をするという仕事の進め方が多くなっている。ところが，図 1 . 2 に示すように，FEM 解析部隊が全社組織に属している場合，設計に資する解析結果を頻繁に得ることは難しくなる。依頼内容に即した解析は忠実に実施するものの，アイデアの良否を頻繁に FEM で確認したいという速いサイクルには追従できないからである。

4

1.

緒

言
設計途上で FEM の構造解析をやっておけば，いまのトラブルを避けられたかもしれない。

電気制御技術者同感だ。しかし，解析部隊には各部署から依頼が舞い込む。
事業によって優先順位を付けられる。加えて，解析内容を明らかにしてからの依頼となる。試行錯誤の設計の場面では，タイミングがあわない。
FEM 解析部隊

解析依頼

依頼
解析解析依頼解析

リニアスライダ依頼

ナ社

機械設計者

ロ

図 1 . 2 FEM 解析部隊に寄せられる仕事1.3

機械振動のお姿を知りたいコ

図 1 . 3 は位置決めステージの開発の様子を示す。機械設計者は，搬送する物体の寸法および重量を加味して，ステージの大きさを決める。つぎに，搬送物の位置決め精度と搬送に要する時間に関する数値仕様を満たすように，ステー
ジ位置決めにとって最良と思われる案内機構および動力源を選択する。そうして製造される。
一方，電気設計者は，機械設計の進捗と並行して，動力源のアクチュエータを駆動する電流アンプ，位置センサからの信号を処理するコントローラ，そして配線の引回しなどの設計を行う。つぎには，ものの製作が行われる。
そして，両者の設計に基づいて製作されたものどうしが結合され，試運転が行われる。最初は，原初的な確認工程である。すなわち，動くか，あるいは動1.3

機械振動のお姿を知りたい

機械設計者

電気設計者
電流アンプ

5結合
構造体
位置決めステージの搭載
機械振動

位置決めステージの開発

ナ社

図 1.3

かないかという観点である。この確認以降は，生産現場での要求に応えるためのコントローラの調整が行われていく。具体的には，位置決め時間を短くするために，徐々に制御系のゲインを強める。多くの場合，調整だけに頼って位置決め時間および精度を確保することはできない。加減速駆動を急峻にしたとき，設計時点では想定もしていない機械共振が励起され，仕様の達成を阻害すロる。そして，この未達が機械設計者と電気制御技術者の間で共通の認識になったとき，不幸な場合，両者が反目の状態になることがある。簡単にいえば，責コ

任のなすりつけあいとなる。

なぜならば，機械振動の現象が明瞭に目視できないからであろう。機械設計者の手による機械装置は目に見え，現物を触ることができる。そして，電気設計者によるユニットも目に見え，かつ触れられる。ところが，低速で動かしているときには問題ない機械が，高速化したときに仕様を満たさない。その原因が，機械振動であると分析者はいう。しかし，見えてはいないではないか。
電気設計の不具合でノイズが発生し，これが機械振動として誤認されているのであろう。いや，ノイズ対策は施してある。高速化するとセンサ出力に持続振動が重畳するので，機械のどこかに不具合があるはずである。このような責任転嫁をしているようでは，目前の問題は解決されない。機械の素性を，すなわち機械振動のお姿を明らかにする行動をおこさなければならない。機械の振索引

【あ】
97

【い】
位

相90

【お】
オクターブ則138

【か】
解析

【き】

形状効果

6

実験モーダル解析

12

遮音に関する質量則63

周波数応答

90

縮退

138

振動モード

107

フォースウインドウ

110

【ほ】
ボード線図

90

【ま】

窓関数

87

【も】

72

モーダル解析

1

制振合金

148

モードアニメーション

31

計

3

【た】

ダブルハンマリング

152
90

【こ】

87

静剛性
設

コゲイン

87

実稼働解析

ロ

【け】

指数窓

【せ】

3

局所モード

【ふ】

ナ社

圧電効果

【し】

85

【り】

リーケージ

109

リ

142

ブ

【と】

【ろ】

透過損失

63

動吸振器

149

ローカルモード110

コインシデンス

63

動剛性

72

剛性則

63

同調薄層機構165

コヒーレンス86

EXPO 減衰ウインドウ

87

固有振動数

24

ODS 解析

6【その他】

―― 著 者 略 歴 ――
羽持 満（はもち みつる）
1990 年 慶應義塾大学理工学部機械工学科卒業
1992 年 慶應義塾大学大学院理工学研究科修士課程修了（生体医工学専攻）
1992 年 日本電子株式会社勤務
現在に至る
2009 年 博士（工学）（東京農工大学）

ナ社

涌井 伸二（わくい しんじ）
1977 年 信州大学工学部電子工学科卒業
1979 年 信州大学大学院工学研究科修士課程修了（電子工学専攻）
1979 年 株式会社第二精工舎（現セイコーインスツル株式会社）勤務
1989 年 キヤノン株式会社勤務
1993 年 博士（工学）（金沢大学）
2001 年 東京農工大学大学院教授
現在に至る

精密機器における機械振動のトラブル対策

─現場でおきた機械振動問題と対処法─
What You Can Do Against Mechanical Vibration Issue on Precision Instruments
— Experience of Real Problems and Solution — Ⓒ Shinji Wakui, Mitsuru Hamochi 2019

検印省略

初版第 1 刷発行

ロ2019 年 10 月 21 日

著者

コ発 行 者
印 刷 所
製 本 所★

涌井伸二羽持満株式会社
コ ロ ナ 社
代 表 者
牛 来 真 也新日本印刷株式会社
有限会社
愛千製本所

112-0011
東京都文京区千石 4-46-10
発 行 所
株式会社 コ ロ ナ 社
CORONA PUBLISHING CO., LTD.
Tokyo Japan
振替 00140−8−14844・電話（03）3941−3131（代）
ホームページ http://www.coronasha.co.jp

ISBN 978-4-339-04662-5 C3053 Printed in Japan（齋藤）＜出版者著作権管理機構 委託出版物＞
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落丁・乱丁はお取替えいたします。