JP2001272268A - 機械の異常検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 音や振動により機械の異常を判定する際に、
異常音や異常振動の発生場所や周波数に影響されること
なく、正確に異常の有無を判定することができる機械の
異常検査装置を提供する。 【解決手段】 被検査機械の動作中の音または振動を検
出すると同時に被検査機械の回転角度を検出し、音また
は振動を、検出した回転角度と対応付けした任意の時間
窓を設定して高速フーリエ変換により周波数分析を行う
ことで、被検査機械の動作位置と分析結果を対応させ
て、異常音の発生箇所を特定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械の異常検査装
置に関し、特に、機械が作動しているときの音および／
または振動から、その機械の異常の有無を検査する装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】機械の異常を検査するための方法の一つ
に、機械の動作中の音や振動を測定して、この音や振動
に異常があった場合に機械そのものに異常があるものと
判定する方法がある。

【０００３】例えば特開平８−２７８１９１号公報に
は、機械動作中の音または振動を連続的に測定して周波
数分析を行い、サンプリングしたデータの数が所定値と
なるたびに、所定の周波数帯域の音または振動の強度を
演算し、所定時間経過後には所定の複数の強度レベルに
ついて発生頻度を演算してから、これら強度レベル毎に
それぞれ設定されたしきい値と各強度レベルにおける発
生頻度をそれぞれ比較して、これら複数の比較結果のう
ちの少なくともひとつがしきい値を越える場合には、機
械の動作中に異常音または異常振動があると判定するこ
とが開示されている。

【０００４】この公報記載の技術によれば、人間の官能
評価と判定結果の相関関係を確保しながら機械の完成検
査における自動化の精度を向上させて、製品品質の安定
化と省力化を同時に推進することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では、異常音や異常振動の実際の発生強度と正
常な音や振動の強度とを区別することができないため、
例えば異常音や異常振動の発生箇所とセンサの位置関
係、あるいは異常音や異常振動と正常音や正常振動の周
波数が近接している場合などに、異常音や異常振動が正
常音や正常振動にかき消されて検出できないといった問
題があった。

【０００６】そこで、本発明の目的は、音や振動により
機械の異常を判定する際に、異常音や異常振動の発生場
所や周波数に影響されることなく、正確に異常の有無を
判定することができる機械の異常検査装置を提供するこ
とである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、下記す
る手段により達成される。

【０００８】（１）被検査機械の動作位置を検出する動
作位置検出手段と、前記被検査機械の動作中の音および
／または振動を検出する振動検出手段と、前記振動検出
手段が検出した音および／または振動を周波数分布ごと
の強度に分析する周波数分析手段と、前記周波数分析手
段が分析した周波数分析結果と、前記動作位置検出手段
が検出している前記被検査機械の動作位置とを対応付け
して、前記被検査機械の異常の有無を判定する異常判定
手段と、を有することを特徴とする機械の異常検査装
置。

【０００９】（２）前記周波数分析手段は、高速フーリ
エ変換によって周波数分布ごとの強度を算出するもので
あり、高速フーリエ変換におけるサンプリングの時間窓
を任意の位置に設定し、前記異常判定手段が該時間窓ご
とに前記動作位置検出手段が検出している前記被検査機
械の動作位置とを対応付けして、異常の有無を判定する
ことを特徴とする。

【００１０】（３）前記時間窓は、任意の割合でオーバ
ラップして設定されることを特徴とする。

【００１１】（４）前記被検査機械は、自動車用エンジ
ンであり、前記動作位置検出手段は該エンジンの回転角
度を検出することを特徴とする。

【００１２】

【発明の効果】本発明は請求項ごとに以下のような効果
を奏する。

【００１３】請求項１記載の本発明によれば、被検査機
械の動作位置を検出すると同時に被検査機械の音や振動
を検出して、検出した音や振動の周波数分析結果と機械
の動作位置とを対応付けして異常音の判定を行うことと
したので、異常音の発生しているときの動作位置が対応
付けられるため、機械全体から出ているような正常音に
かき消されてしまう異常音も、動作位置ごとに周波数分
析を行うことで、確実に判定することが可能となる。

【００１４】請求項２記載の本発明によれば、周波数分
析手段として高速フーリエ変換を用いて、高速フーリエ
変換におけるサンプリングの時間窓を任意に設定し、設
定した時間窓ごとに動作位置との対応付けを行い、異常
の判定を行うこととしたので、高速フーリエ変換におけ
るサンプリングデータごとに機械の動作位置を対応付け
して異常音の判定を行うことができる。

【００１５】請求項３記載の本発明によれば、高速フー
リエ変換のデータサンプリング区間である時間窓を任意
の割合でオーバラップさせて設定することとしたので、
時間窓設定の抜けがなく、かつ異常音を判定するための
時間窓の数が多く設定できるようになり、異常音を判定
することのできる可能性がより多くなる。また、判定し
たい異常音が時間窓の中央に来る確率が高くなるので、
ハニング、ハミングなどの時間窓関数が使用できるよう
になり、外乱の影響を低減できる。

【００１６】請求項４記載の本発明によれば、自動車用
エンジンの検査に用いることで、エンジンの回転によっ
て生じる異常を検出することが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照して、
本発明の一実施の形態を説明する。

【００１８】図１は、本発明を適用した機械の異常検査
装置の構成を示すブロック図である。

【００１９】ここでは、被検査機械としては車両用エン
ジンであり、このエンジンの完成検査ラインに本発明を
適用したものである。

【００２０】異常検査装置は、被検査機械であるエンジ
ンの作動音または振動を検出する振動検出手段としての
加速度センサ１と、このエンジンの動作位置検出手段と
してエンジンの回転状態を検出する回転角度検出センサ
２１を備える。加速度センサ１および回転角度検出セン
サ２１からの信号は、ＣＰＵ１００を主体とするコント
ローラ１０へ入力され、コントローラ１０において高速
フーリエ変換処理と作動音または振動に基づく異常判定
処理が行われ、判定結果はＣＰＵ１００のインターフェ
ース１０１（外部バス等）に接続された表示装置８に表
示される。以下、加速度センサ１で検出した振動を音と
して扱う。なお、加速度センサの代わりに音響センサと
してマイクロホンを用いてもよい。

【００２１】回転角度検出センサ２１は、例えばエンジ
ンのカムの位置やクランク位置を検出することにより、
エンジンの回転角度を検出するものである。

【００２２】コントローラ１０は、所定のプログラムに
従って各種処理を実行するＣＰＵ１００を中心に、イン
ターフェース（Ｉ／Ｆ）１０１を介してＣＰＵ１００に
接続されたアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器５およ
び２３、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）６、お
よび記憶手段であるメモリ７により構成され、インター
フェース１０１を介して表示装置８が接続されている。

【００２３】入力ボックス２は、チャージアンプ３およ
びローパスフィルタ（ＬＰＦ）４を備え、加速度センサ
１からの信号がチャージアンプ３で増幅され、さらにロ
ーパスフィルタ４で不要な高周波成分、例えば、１０ｋ
Ｈｚ以上の信号が除去されてから、コントローラ１０の
Ａ／Ｄ変換器５へ入力される。

【００２４】入力ボックス２を介してコントローラ１０
へ入力された加速度センサ１からの検出信号は、Ａ／Ｄ
変換器５でアナログ信号からデジタル信号に変換され、
ＣＰＵ１００の指令に応じてサンプリングされる。

【００２５】サンプリングされた検出信号は、データと
してメモリ７へ一時的に記憶され、ＣＰＵ１００の指令
に応じて周波数分析処理手段としてのＤＳＰ６でＦＦＴ
処理が行われる。このとき、ＦＦＴ処理は、後述するよ
うに、任意に設定された時間窓によるサンプリング数に
よって行われる。

【００２６】一方、回転角度検出センサ２１からの信号
は、波形整形器２２で余分な雑音成分が除去されて整形
された後、コントローラ１０内のＡ／Ｄ変換器２３へ入
力されてアナログ信号からデジタル信号に変換され、Ｃ
ＰＵ１００の指令に応じてサンプリングされる。

【００２７】ここで、車両用エンジンの動作音の測定条
件は、エンジンの回転数がアイドリングから最高回転数
までの間（約７５０〜６０００ｒｐｍ）であることか
ら、解析する周波数を０〜１０ｋＨｚとし、データのサ
ンプリング周波数を解析周波数の４倍以上の５０ｋＨｚ
とする。そして、１回のＦＦＴ処理を行うデータの数を
１０２４個未満の所定値、例えば、５１２ポイントまた
は２５６ポイント以下とする。

【００２８】したがって、１回のＦＦＴ処理のためのデ
ータをサンプリングするのに必要な時間（以下、時間窓
という）は、サンプリング数が２５６ポイントの場合
５．１２ｍｓｅｃ、５１２ポイントの場合は１０．２４
ｍｓｅｃとなる。

【００２９】本実施の形態では、この時間窓の設定は、
測定中にサンプリングしたデータをメモリ７へ連続的に
記憶している特徴を生かし、回転角度検出センサ２１に
よって検出されたエンジン回転角度に対応させながら、
かつ任意に指定したオーバラップ率でオーバラップさせ
ながら５１２ポイント（１０．２４ｍｓｅｃ）分をとる
ことにしている。

【００３０】図２は、時間窓の設定状態を説明するため
の図面である。

【００３１】まず、サンプリングされたエンジン動作音
は、図２に示すように、生データが連続的にメモリ７に
記憶されている。

【００３２】この生データに、５１２ポイント分（１
０．２４ｍｓｅｃ）の時間窓を、各時間窓が５０％オー
バラップするように設定する。このとき、回転角度セン
サ２１からの信号により、エンジンの回転位置（フェー
ズ信号）と時間窓の関係が分かるようにしておく。

【００３３】なお、本実施の形態において回転角度セン
サ２１は、フェーズ信号として車両用エンジンの各シリ
ンダの動きを検出しており、図中のフェーズ信号の山
（パルス）の数は、対応するシリンダ番号を示しており
（シリンダ番号＃１はパルスが１つ、シリンダ番号＃３
はパルスが３つ、…）、そのなかの最初のパルスの立ち
下がり位置（図中ａ）がそのシリンダの上死点前７０度
の位置と規定されている。したがって、このフェーズ信
号のパルスの数と、そのなかの最初のパルスの立ち下が
り位置から、エンジンの回転角度が分かる。また、図２
に示した例では、被検査機械である車両用エンジンは４
気筒であり、各シリンダの点火順序が、シリンダ番号＃
１，＃３，＃４，＃２の順となっている。ちなみに、こ
のエンジンの場合、各シリンダの点火順序から、シリン
ダ番号＃１の上死点をクランク角度（エンジンの回転角
度）０度（ｄｅｇ）とすると、＃３の上死点は１８０
度、＃４の上死点は３６０度、＃２は上死点は５４０度
である。

【００３４】このように設定した時間窓ごとにコントロ
ーラ１０がＦＦＴ処理行って、異常音を検出する。以
下、この異常音の検出方法を図３に示すフローチャート
を参照して説明する。

【００３５】まず、ＣＰＵ１００は、図示しないタイマ
Ｔをリセットして（Ｓ１）から、加速度センサ１および
回転角度センサ２１からのデータのサンプリングを同時
に行って、Ａ／Ｄ変換器５および２２からの信号をメモ
リ７へ順次記憶する（Ｓ２）。

【００３６】続いて、オーバラップ率に応じてサンプリ
ング数が所定値である５１２ポイントとなったか否かを
判断し（Ｓ３）、所定数に達していなければ、ステップ
Ｓ３に戻り、サンプリング数が所定数に達するまで継続
する。一方、サンプリング数が所定数に達すると、ステ
ップＳ４へ進んで、所定の時間窓（この場合は１０．２
４ｍｓｅｃ）ごとにサンプリングした５１２ポイントの
データについて、ＤＳＰ６が各時間窓ごとにＦＦＴ処理
を行い、この処理結果を各時間窓に対応した回転角度と
ともに一時的にメモリ７またはＣＰＵ側の図示しないメ
モリへ格納する。

【００３７】続いて、タイマＴが所定の計測時間（この
場合は１０秒）に達したかを判定し（Ｓ５）、所定の計
測時間未満であればステップＳ２へ戻ってデータのサン
プリングを継続する一方、所定の計測時間が経過してい
れば、ステップＳ６以降の周波数分析処理および判定処
理へ進む。

【００３８】なお、データのサンプリングは所定の測定
時間中は切れ目無く行われ、オーバラップ率が設定され
ている場合は、そのオーバラップ率に応じてサンプリン
グする。ここではオーバラップ率５０％であるので、２
５６ポイントごとに５１２ポイント分のデータをサンプ
リングする。

【００３９】こうして、所定の測定時間で得られるＦＦ
Ｔ処理結果は、サンプリング周波数５０ｋＨｚの場合、
所定の測定時間を１０秒（１００００ｍｓｅｃ）、オー
バラップ率５０％とすると、５．１２ｍｓｅｃごとに時
間窓を切ることになるので、この１０秒間に時間窓の数
は１９５３個となる（各時間窓が５０％ずつオーバラッ
プしていることに注意）。

【００４０】そして、この１９５３個のＦＦＴ処理結果
を予め設定した周波数帯域、例えば０〜１０ｋＨｚを図
４ＡおよびＢのように１／３オクターブ分析を行って１
６の周波数帯域に分割する（Ｓ６）。１６の周波数帯域
についてそれぞれ１９５３個のデータを得ることができ
る。

【００４１】そして、１６個の各バンドごとに発生レベ
ルと発生頻度を求めた結果が図４Ｃである。得られた各
バンドごとの結果は、時間窓ごとにメモリ７またはＣＰ
Ｕ側の図示しないメモリなどに記憶しておく。

【００４２】続いて、回転角度センサ２１が検出してい
る角度のうち、任意の角度に対応した時間窓を抽出し
（Ｓ７）、抽出した時間窓における、先の１／３オクタ
ーブ分析の発生レベルごとの発生頻度のデータを抽出す
る（Ｓ８）。

【００４３】これにより、例えばエンジンの回転数を１
０００ｒｐｍとすると、１０秒間のサンプリングで同一
回転角度を含む時間窓が約１６６個抽出される。

【００４４】続いて、抽出した任意角度における時間窓
の処理結果を予め定められたしきい値と比較して、異常
音の有無を判定し（Ｓ９）、判定結果を出力する（Ｓ１
０）。

【００４５】その後は、任意に選択する回転角度（前記
ステップＳ７以下の処理）を様々な角度、例えば異常が
発生する可能性のある角度を設定して、異常の有無を判
定する。

【００４６】このように、任意の角度で時間窓を選択す
ることにより、例えば図５Ａに示すように、感応検査
（作業者による聴取検査）では異常音判別されていて
も、図５Ｂに示すように、従来の単純に連続した時間窓
による処理結果では正常音に隠れてしまうような異常音
でも、特定の回転角度によって指定された時間窓だけを
抽出することで、検出することが可能となる。これは、
複数の時間窓をオーバラップさせながら処理すること
で、これまで正常音と異常音の分離が難しかった部分で
の音の分離を可能としたものである。そして、異常音と
して判定された音が発生している回転角度が分かるた
め、異常発生箇所の特定を行うことも可能となる。

【００４７】以上、本発明の実施の形態を説明したが、
本発明はこのような実施の形態に限定されるものではな
い。

【００４８】例えば、上記実施の形態では、回転角度を
選択してその角度に対応した時間窓の処理結果から異常
音の判定を行っているが、これを逆にし、全ての時間窓
について処理結果から異常音の有無を判定し、異常音の
ある時間窓について、その時間窓に対応する回転角度を
出力するようにしてもよい。これにより、予め異常の発
生する可能性のある場所（回転角度）を特定することな
く、全自動で異常発生箇所の特定まで行うことが可能と
なる。

【００４９】また、上記実施の形態では、エンジンの回
転角度をシリンダーの動作を示すフェーズ信号から検出
したが、これに代えて、エンジンの回転をエンコーダな
どにより直接検出するようにしてもよい。

【００５０】また、上記実施の形態では、被検査機械と
してエンジンを例に説明したが、本発明は、当然にエン
ジン以外の機械についても検査することが可能である。
例えば電気モータの場合にも、その回転角度をエンコー
ダなどにより検出するとともに、動作音や振動をマイク
ロフォンや加速度センサにより検出することで、上述と
同様に電気モータの異常を検出することが可能となる。
また、これらエンジンやモータのような駆動源として使
用される機械に限らず、例えばトランスミッション、ク
ランクシャフト、駆動力伝達ベルトなどといった様々な
機械構成を組み合わせた機械であっても本発明の適用は
可能である。

【００５１】さらに、上述した実施の形態では、時間窓
のオーバラップ率を５０％の固定としているが、この値
は５０％に限らず様々な値としてよいことは当然とし
て、さらにこのオーバラップ率を変化させて、何度か処
理を実行するようにしてもよい。これは、例えば１つの
検査時間（上述実施形態では１０秒）の中で取得した生
データをオーバラップ率２０％、４０％、６０％、…な
どで処理することで、様々な位置での時間窓の設定が一
つのデータで行うようにしてもよい。これによりあるオ
ーバラップ率のときには、検出できない異常音を他のオ
ーバラップ率で分割された時間窓で検出することができ
るようになる。

【００５２】さらにまた、上述した実施の形態では、エ
ンジンの振動を加速度センサにより測定しているが、こ
れに限らず音をマイクロフォンにより測定してもよい
し、振動と音を両方測定するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した機械の異常検査装置の構成
を示すブロック図である。

【図２】 高速フーリエ変換における時間窓の設定状態
を説明するための図面である。

【図３】 異常音の検出手順を示すフローチャートであ
る。

【図４】 ＦＦＴ処理結果の１／３オクターブ分析を行
った結果を示す図面である。

【図５】 異常音の検出結果を説明するための図面であ
る。

【符号の説明】

１ 加速度センサ ２ 入力ボックス ３ チャージアンプ ４ ローパスフィルタ（ＬＰＦ） ５、２３ アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器 ６ デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ） ７ メモリ ８ 表示装置 １０ コントローラ ２１ 回転角度センサ １００ ＣＰＵ １０１ インターフェース（Ｉ／Ｆ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田林 克敏 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 申 富炳 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 2G024 AD01 BA27 CA01 CA03 CA13 2G064 AA15 AB13 BA02 BD02 CC43 CC61 2G087 AA01 BB01 CC03 CC15 FF21

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査機械の動作位置を検出する動作位
   置検出手段と、 前記被検査機械の動作中の音および／または振動を検出
   する振動検出手段と、 前記振動検出手段が検出した音および／または振動を周
   波数分布ごとの強度に分析する周波数分析手段と、 前記周波数分析手段が分析した周波数分析結果と、前記
   動作位置検出手段が検出している前記被検査機械の動作
   位置とを対応付けして、前記被検査機械の異常の有無を
   判定する異常判定手段と、を有することを特徴とする機
   械の異常検査装置。
2. 【請求項２】 前記周波数分析手段は、高速フーリエ変
   換によって周波数分布ごとの強度を算出するものであ
   り、高速フーリエ変換におけるサンプリングの時間窓を
   任意の位置に設定し、前記異常判定手段が該時間窓ごと
   に前記動作位置検出手段が検出している前記被検査機械
   の動作位置とを対応付けして、異常の有無を判定するこ
   とを特徴とする請求項１記載の機械の異常検査装置。
3. 【請求項３】 前記時間窓は、任意の割合でオーバラッ
   プして設定されることを特徴とする請求項２記載の機械
   の異常検査装置。
4. 【請求項４】 前記被検査機械は、自動車用エンジンで
   あり、前記動作位置検出手段は該エンジンの回転角度を
   検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つ
   に記載の機械の異常検査装置。