JP4135091B2 - 振動試験装置 - Google Patents

Description

この発明は、各種の構造物等の振動試験に用いる振動試験装置に関するものである。

図２３はこの種の従来の多軸型の振動試験装置を示し、この振動試験装置８１は、略中央上面に振動台８２を備える静圧油圧軸受け式の振動発生機８３と、この振動発生機８３内における各種の油圧制御を行なう場合の油圧源８４と、上記振動発生機８３を冷却するための冷却ブロワー８５と、上記振動発生機８３、油圧源８４及び冷却ブロワー８５に電源を供給する電力増幅器８６とで構成されている。また、従来の振動試験装置８１は、振動発生機８３、油圧源８４、冷却ブロワー８５及び電力増幅器８６を個別に配置して構成しているために、電力増幅器８６からは電源ケーブル８７でもって振動発生機８３、冷却ブロワー８５、油圧源８４に接続している。また、油圧源８４と振動発生機８３とは油圧ホース８８で接続し、冷却ブロワー８５と振動発生機８３とはダクトホース８９にて接続している。

上記振動発生機８３は、周知のように水平面上におけるＸ方向に振動を発生させる一対の水平振動発生機からなる水平振動発生部と、Ｘ方向と直交する方向のＹ方向に振動を発生させる一対の水平振動発生機からなる水平振動発生部と、Ｚ方向の垂直方向に振動を発生させる垂直振動発生部が設けられている。そしてＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の３軸において振動台８２に載せた被試験物に３軸の振動の付与を可能として振動試験を行なうようになっている。

上記のＸ方向の水平振動発生部、あるいはＸ方向とＹ方向の水平振動発生部を駆動して振動台８２を振動させた場合、振動特性に回転モードＭ（図２３参照）が発生する場合がある。この回転モードＭが発生すると、Ｙ方向やＺ方向に回転モードＭによる加速度が発生して、正確に振動試験が行なえないという問題があった。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、回転モードが発生した場合でも、回転モードを抑制して正確に振動試験が行なうことが可能な振動試験装置を提供することにある。

そこで、請求項１の振動試験装置では、被試験物を載せて振動試験を行なう振動台と、この振動台の両側に対向して配置され該振動台を加振する水平振動発生機とを備え、上記水平振動発生機少なくともいずれか一方を上下動させる手段と、上記振動台に発生する回転モードを検知するセンサと、このセンサからの回転モード検知信号により上記水平振動発生機を上記手段により上下動させて対向する水平振動発生機の水平加振軸に位置差を発生させると共に、水平振動発生機の加振力を制御して回転モードを抑制させる制御手段とを備えていることを特徴とする振動試験装置。

請求項２の振動試験装置は、上記水平振動発生機はＸ方向とＹ方向との水平振動発生機からなり、回転モードの抑制用に対向するいずれか一方の水平振動発生機の水平加振軸に位置差を発生させるようにしていることを特徴としている。

請求項３の振動試験装置は、上記回転モードの抑制制御行うか否かの切り換えを行うためのモーメントキャンセルスイッチを備えていることを特徴としている。

請求項４の振動試験装置は、上記回転モード検知用のセンサは、振動台の上面の四隅に配置したＺ方向加速度検知用のセンサと、振動台の側面にそれぞれ配置したＸ方向加速度検知用のセンサ及びＹ方向加速度検知用のセンサとで構成していることを特徴としている。

請求項５の振動試験装置は、上記回転モード検知用のセンサは、振動台の上面の略中央部分に配置されたＺ方向加速度検知用のセンサと、振動台の上下に高さ方向に差を設けてそれぞれ取り付けられた一対のＸ方向加速度検知用のセンサ及び一対のＹ方向加速度検知用のセンサとで構成されていることを特徴としている。

請求項１の振動試験装置によれば、回転モードが発生した場合にはセンサからの出力にて制御手段により一方の水平振動発生機を水平加振軸に対して位置差（オフセット）を発生させると共に、両方の水平振動発生機の加振力を制御するることで、回転モードを抑制でき、正確に振動試験を行なうことができる。

請求項２の振動試験装置によれば、Ｘ方向とＹ方向に加振していて回転モードが発生した場合は、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれの一方の水平振動発生機を水平加振軸に対して位置差（オフセット）を発生させると共に、両方の水平振動発生機の加振力を可変させることで、回転モードを抑制でき、正確に振動試験を行なうことができる。

請求項３の振動試験装置によれば、モーメントキャンセルスイッチの操作によりモーメントキャンセルを使用しない場合には、回転モードの抑制を行なわず、水平振動発生機の加振能力の全てを水平加振軸の加振力として使用することができ、使い勝手が良い。

請求項４の振動試験装置によれば、振動台の上面の四隅にＺ方向加速度検知用のセンサを配置しているので、回転モードの発生によるＺ方向の加速度応答を正確に検知できる。

請求項５の振動試験装置によれば、請求項４の場合と比べてセンサの数を少なくでき、コストの上昇を抑えることができる。

次に、この発明の振動試験装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は静圧油圧軸受け式の振動試験装置１の外観の斜視図を示し、図２は内部機構を省略した断面図を示している。この振動試験装置１は、動電型振動試験装置であって、外殻を構成するベース２とケーシング３内に各構成部材を一体的に納装配置したものであり、上面には被試験物を載せて振動試験を行なう振動台４のテーブル４ａが位置し、正面の上部には各振動条件を設定して試験を行なうための操作用の操作パネル部５が設けてある。

図２及び図３に示すようにベース２の上面には支柱６が４カ所立設されており、この支柱６の上面に防振機構部７を介して支持フレーム１０が配設されている。支持フレーム１０の４カ所に折曲形成した支持片１１が防振機構部７に載った形で配設されていて、支持フレーム１０はベース２に対して浮いた状態で配設されている。また、支持フレーム１０の前後左右にはＸ方向、Ｙ方向に加振を行なう振動発生機を配置する凹状の配置部１２、１３が設けられていて、支持フレーム１０の左右の配置部１２にはＸ方向の加振を行なう一対の水平振動発生機２１ａ、２１ｂ水平振動発生部２１が図４、図５及び図８に示すようにそれぞれ配置される。また、支持フレーム１０の前後の配置部１３にはＹ方向の加振を行なう一対の水平振動発生機２２ａ、２２ｂからなる水平振動発生部２２がそれぞれ配置されるようになっている。さらに、支持フレーム１０の中央に形成されている空洞内にはＺ方向に加振を行なう２台の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂからなる垂直振動発生部２３が配置される。なお、配置部１２、１３の下面には、略三角板状のブラケット１４が設けてあり、Ｘ方向、Ｙ方向の水平振動発生部２１、２２の重量を支持している。

ここで、上記水平振動発生部２１、２２はそれぞれ一対の水平振動発生機２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂで構成されていて、前後左右に２台がそれぞれ配置されており、そのため、同じ加振力をＺ方向に発生させるために垂直振動発生部２３も２台の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂでもって上下方向に直列に配置している。また、左右２台の水平振動発生機２１ａ、２１ｂ、前後２台の水平振動発生機２２ａ、２２ｂ及び上下２台の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂはそれぞれ同一の構造に設計されている。すなわち、同一の振動発生部を用いてユニット化を図っている。

垂直振動発生部２３の上面であって前後左右のＸ方向の水平振動発生部２１及びＹ方向の水平振動発生部２２の間に振動台４が配置されている。水平振動発生部２１により振動台４はＸ方向に加振され、他方の水平振動発生部２２により振動台４がＹ方向に加振され、さらに垂直振動発生部２３によりＺ方向に振動台４が加振される。もちろん、振動台４はＸ方向のみ、Ｙ方向のみ、Ｚ方向のみや、２次元、３次元の任意のいずれかで加振されるものである。

次に、図５に示すＸ方向の水平振動発生部２１の一方の水平振動発生機２１ａについて説明するが、他方の水平振動発生機２１ａや、Ｙ方向の水平振動発生部２２の一対の水平振動発生機２２ａ、２２ｂとは同一の構成なので、Ｙ方向の水平振動発生部２２の説明は省略する。図５及び水平振動発生機２１ａの要部拡大断面図を示す図６に示すように、水平振動発生機２１ａの外殻を構成している外筒体２６の内側には略円周状の溝２７を介して内筒部２８が設けられており、外筒体２６の先端側の内周面には永久磁石２５が配設されている。また、この溝２７内には振動台４を加振する断面を略コ字型とした可動体４０の周側部４１が往復動自在に遊嵌されていて、この可動体４０の周側部４１の外周面に駆動コイル２９が巻回されている。内筒体２８の中心部には軸受部３０が設けてあり、この軸受部３０の外筒３１は内筒体２８の内周面に固定され、軸受部３０の軸であるシャフト３２はボールを介して軸方向に摺動自在となっている。シャフト３２の先端は上記可動体４０の内面の中央部分と連結固定されており、可動体４０の周側部４１は溝２７内に摺動自在に挿入されている。

水平振動発生機２１ａの駆動コイル２９には、任意の周波数の制御信号としての交流電流が流されて、磁気回路を発生させてこの磁束による磁力にて可動体４０を所定の周波数で往復動させるようになっている。左右の水平振動発生機２１ａ、２１ｂの磁束の方向を異ならせることで、可動体４０がそれぞれ同一方向に駆動され、これにより、振動台４が所定の周波数にて往復動される。また、振動台４の側部にはそれぞれ軸受４３が設けられていて、この軸受４３に後述する油圧源５３からオイルを流通させ、軸受４３の側面とＸ方向の水平振動発生機２１ａ、２１ｂ（Ｙ方向の水平振動発生機２２ａ、２２ｂ）の可動体４０の先端面とがオイルによる油膜にて摺動するオイル摺動面となっている。これにより、振動台４と水平振動発生部２１、２２の可動体４０とがそれぞれ滑らかに摺動自在に接触していると共に、垂直振動発生部２３による上下方向の摺動に対しても可能なように接触している。

次に、垂直振動発生部２３を構成している上下２台の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂの構成も上述した水平振動発生機２１ａと同じであるので、詳細な説明は省略して概略的に説明する。図５に示すように、上側の垂直振動発生機２３ａは可動体４０を上にして配置され、下側の垂直振動発生機２３ｂは可動体４０を下にして配置されている。そして、この下側の垂直振動発生機２３ｂの可動体４０は支持フレーム１０の底部４４に設けてある空気バネ４５の上に載っている状態となっている。また、上下の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂの軸受部３０、３０のシャフト３２ａは長く形成されていて、上下の軸受部３０を連結した構成となっており、この１本のシャフト３２ａが上下２台の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂからなる垂直振動発生部２３としての軸となっている。そして、シャフト３２ａの上端は上側の垂直振動発生機２３ａの可動体４０が連結固定され、シャフト３２ａの下端は下側の垂直振動発生機２３ｂの可動体４０が連結固定されている。

垂直振動発生部２３は支持フレーム１０の段部４６の上に支持部４７を介して固定されており、上下の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂの間には図７に示すように、仕切板４８が介装してある。この仕切板４８は、外筒体２６と内筒部２８に対応した部分は磁性体部４８ａで構成され、溝２７に対応した部分は非磁性体部４８ｂで構成され、さらにこの非磁性体部４８ｂには上下の溝２７に連通する穴４９が穿孔されている。なお、この仕切板４８の非磁性体部４８ｂにて駆動コイル２９が互いに干渉するのを防止し、また、軸受４３で使用された油膜形成用のオイルを溝２７及び穴４９を介して流すことで、駆動コイル２９を冷却するようになっている。また、上下の溝２７の上部と下部はそれぞれ開口しており、つまり、溝２７の上下は外部と貫通している。

また、上下の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂを互いに逆向きに配置しているので、上下の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂの駆動コイル２９にて生じる磁気回路による磁束の方向が互いに逆向きになり、上下の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂによる２つの独立した磁気回路は直列に組み合わせた形となる。そのため、所定の周波数で２つの垂直振動発生機２３ａ、２３ｂが駆動されると上下の可動体４０は同一の方向に駆動されて往復動する。したがって、上下の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂによる２つの独立した磁気回路を直列に組み合わせた形となり、１台の垂直振動発生機２３ａ（２３ｂ）と比べて２台の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂにより２倍の加振力を発生させることができる。よって、２台の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂは、前後左右にそれぞれ設けている水平振動発生部２１、２２と同じ加振力を発生させて、振動台４を加振させることができる。

また、上下２台の垂直振動発生機２３ａ、２３ｂは、水平振動発生部２１、２２の各水平振動発生機２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの構成とシャフト３２ａの部分以外を除いて同一の構成としているので、個体の振動発生機として同一の設計ができ、そのため、振動発生機のユニット化が図られ、コストの低減やメンテナンスを容易にすることができる。

上述のように、前後左右の水平振動発生部２１、２２は支持フレーム１０の上面に配置され、垂直振動発生部２３は支持フレーム１０の内部に配置されているものである。そして、支持フレーム１０の周囲の空間の空きスペースを利用して振動試験装置１を構成している各部材（ユニット）を以下に示すように配置している。

図８〜図１４は振動試験装置１のケーシング３を省いた内部構造を示すであり、図８は振動試験装置１の平面図を、図９は正面図を、図１０は背面図を、図１１は右側面図を、図１２は左側面図をそれぞれ示している。また、図１３は正面からの振動試験装置１の斜視図を、図１４は背面からの斜視図をそれぞれ示している。図８〜図１４において、振動試験装置１のベース２の前部右側には装置全体に電源を供給するための電源部５１が配置され、ベース２の後部右側には、上記電源部５１からの電源の供給を受けて各水平振動発生部２１、２２、垂直振動発生部２３に電力（制御用の交流信号）を送る複数のパワーモジュール５２が配置されている。また、ベース２の後部左側には油圧制御を行なう場合の油の供給源である油圧源５３が配置され、さらに、ベース２の後部中央には装置全体を冷却するための冷却ブロワー５４が配置されている。また、ベース２の左側には、上記操作パネル部５とで制御器を構成している制御回路からなる本体部５５が配置されている。

次に、この発明の要旨である回転モードの抑制について説明するが、図１５に示すようにＸ方向の水平振動発生機２１ａ、２１ｂによる加速度を一定で制御した場合において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の加速度応答を考えた場合、回転モードが発生しない状態においては、Ｘ方向の水平振動発生機２１ａ、２１ｂは制御加速度が一定の応答をし、Ｙ方向及びＺ方向は共に応答加速度はゼロとなる。しかし、図１６に示すように、回転モードＭが発生した場合、Ｘ方向は制御加速度が一定で応答し、Ｙ方向には回転モードＭによる加速度が発生し、Ｚ方向にも回転モードＭによる加速度が発生する。

そこで、以上の加速度応答を振動台４に配置した加速度センサにて計測し、この加速度センサの出力を制御回路としての本体部５５にフィードバックし、一方の水平振動発生機２１ａを上下に移動させて後述する水平加振軸６３の位置差（オフセット）を付与すると共に、水平振動発生機２１ａ、２１ｂの加振力を変化させることで、回転モードＭを打ち消す方向にモーメントを付与し、回転モードＭを抑制、すなわち、モーメントキャンセルを行なうようにしている。

図１７は上記加速度センサの配置例を示し、振動台４の上面の四隅にＺ方向加速度センサ６４を配置し、振動台４の側面にはＸ方向加速度センサ６５とＹ方向加速度センサ６６を配置している。このＺ方向加速度センサ６４を取り付けて振動台４の表面上の位相差（回転モードＭ）を検知するものである。また、図１８は、加速度センサの他の配置例を示し、振動台４の上面の略中央部分にＺ方向加速度センサ６４を配置し、振動台４の上下に、Ｘ方向加速度センサ６５とＹ方向加速度センサ６６を取り付け高さの違う位置に取り付けて位相差（回転モードＭ）を検知するものであり、この例では、図１８の場合と比べて加速度センサの個数が少ないので、コストを抑えることができる。しかし、図１８の場合は、回転モードＭによる加速度応答をより正確に検知することができる。なお、加速度センサの取り付け位置は、回転モードＭを認識できる位置であれば良く、この回転モードＭを認識して制御することで回転モードＭを抑制することができる。

図１９は上記回転モードＭを抑制あるいは無くすための制御ブロック図を示し、振動台４に配置した各加速度センサ６４〜６６の検知信号は制御回路としての本体部５５に入力され、これら各加速度センサ６４〜６６の信号に基づいてパワーモジュール５２を制御し、水平振動発生機２１ａ、２１ｂの加振力を可変するようになっている。また、一方の水平振動発生機２１ａの下面側には該水平振動発生機２１ａを上下動させるために油圧機構部７０ａが設けられており、これら油圧機構部７０ａは上記と同様に加速度センサ６４〜６６からに信号に基づいて本体部５５からの制御信号により上下動するようになっている。また、操作パネル部５には、本制御、すなわち、モーメントキャンセルを行なうか、行なわないかの選択ができるモーメントキャンセルスイッチ６９が設けてある。

図２０は水平振動発生機２１ａ、２１ｂの水平加振軸６３の位置を示し、水平振動発生機２１ａ、２１ｂのシャフト３２の部分と対応している。そして、回転モードＭが発生した場合には、一方の水平振動発生機２１ａを他方の水平振動発生機２１ｂに対して上下動させて位置差（オフセット）を発生させるようにしている。すなわち、今、Ｘ方向の水平振動発生機２１ａ、２１ｂにて振動台４を加振させた場合に、回転モードＭが発生すると、その加速度センサ６４〜６６が加速度を検知し、その検知信号が本体部５５に入力される。例えば、図２１に示すように、回転モードＭの発生により振動台４の左方に上方向への加速度が発生し、振動台４の右方に下方向への加速度が発生したとすると、本体部５５は、油圧機構部７０ａを駆動して一方の水平振動発生機２１ａを上昇させて、対向する他方の水平振動発生機２１ｂの水平加振軸６３に対して位置差（オフセット）を発生させる。また、同時に両水平振動発生機２１ａ、２１ｂの加振力を変化させて、振動台４に対して、上記発生した回転モードＭを打ち消すようなモーメントを付与し、モーメントのバランスを取るようにして回転モードＭを抑制することができる。

上記ではＸ方向の水平振動発生機２１ａ、２１ｂを加振している場合について説明したが、Ｙ方向のみの水平振動発生機２２ａ、２２ｂの場合も同様に制御して回転モードＭを抑制するものである。また、Ｘ方向とＹ方向の水平振動発生機２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂを同時に加振した回転モードＭが発生した場合でも、それぞれ対向する水平振動発生機の一方を上下動させて位置差（オフセット）を発生させて、回転モードＭを抑制するようにしている。

ここで、上記のモーメントキャンセルスイッチ６９を押操作した場合には、回転モードＭが発生しても対向する水平振動発生機２１ａ、２１ｂは同一の水平加振軸６３上に位置するため、上述の位置差（オフセット）は発生せず、回転モードＭの抑制は出来ないようになっている。しかし、モーメントキャンセルを行なわない場合には、水平振動発生機２１ａ、２１ｂの加振能力を全て水平加振軸６３の加振力として使用することができる。図２２の実線の波形は、モーメントキャンセルを使用しない場合の水平振動発生機２１ａ、２１ｂの必要加振力を示し、この必要加振力は水平振動発生機２１ａと２１ｂの合成力となる。また、図２２の破線の波形は、モーメントキャンセルを使用した場合の水平振動発生機２１ａ、２１ｂの必要加振力を示し、回転モードＭの発生割合により必要な加振力が変化し、加速度センサ６４〜６６で振動台４を制御するための必要な加振力は回転モードＭの複雑さにより複雑な波形となる。また、この場合の加振力は水平振動発生機２１ａと２１ｂの合成力となる。

この発明の実施の形態における振動試験装置の外観の斜視図である。 この発明の実施の形態における内部機構を省略した断面図である。 この発明の実施の形態における支持フレームの斜視図である。 この発明の実施の形態における支持フレームに水平振動発生部を実装した状態の正面図である。 この発明の実施の形態における支持フレームに水平振動発生部及び垂直振動発生部を実装した状態の断面図である。 この発明の実施の形態における水平振動発生機の要部拡大断面図である。 この発明の実施の形態における垂直振動発生部の要部拡大断面図である。 この発明の実施の形態における振動試験装置の内部構造を示す平面図である。 この発明の実施の形態における振動試験装置の内部構造を示す正面図である。 この発明の実施の形態における振動試験装置の内部構造を示す背面図である。 この発明の実施の形態における振動試験装置の内部構造を示す右側面図である。 この発明の実施の形態における振動試験装置の内部構造を示す左側面図である。 この発明の実施の形態における振動試験装置の内部構造を示す正面から見た斜視図である。 この発明の実施の形態における振動試験装置の内部構造を示す背面から見た斜視図である。 この発明の実施の形態における回転モードを説明するための説明図である。 この発明の実施の形態における回転モードの説明図である。 この発明の実施の形態における加速度センサを配置する場合の図である。 この発明の実施の形態における加速度センサを配置する場合の他の例を示す図である。 この発明の実施の形態における回転モード抑制用の制御ブロック図である。 この発明の実施の形態における水平加振軸を示すための図である。 この発明の実施の形態における回転モードを抑制制御する場合の説明図である。 この発明の実施の形態における回転モードの抑制の有無の場合の加振力を示す波形図である。 従来例の振動試験装置の構成図である。

符号の説明

１ 振動試験装置
４ 振動台
２１ 水平振動発生部
２１ａ、２１ｂ 水平振動発生機
２２ 水平振動発生部
２２ａ、２２ｂ 水平振動発生機
５５ 本体部
６３ 水平加振軸
６４ Ｚ方向加速度センサ
６５ Ｘ方向加速度センサ
６６ Ｙ方向加速度センサ
６９ モーメントキャンセルスイッチ
７０ａ、７０ｂ 油圧機構部

Claims (5)

1. 被試験物を載せて振動試験を行なう振動台（４）と、この振動台（４）の両側に対向して配置され該振動台（４）を加振する水平振動発生機とを備え、
   上記水平振動発生機の少なくともいずれか一方を上下動させる手段（７０ａ）と、上記振動台（４）に発生する回転モード（Ｍ）を検知するセンサと、このセンサからの回転モード（Ｍ）検知信号により上記水平振動発生機を上記手段（７０ａ）により上下動させて対向する水平振動発生機の水平加振軸（６３）に位置差を発生させると共に、水平振動発生機の加振力を制御し回転モード（Ｍ）を抑制させる制御手段（５５）とを備えていることを特徴とする振動試験装置。
2. 上記水平振動発生機はＸ方向とＹ方向との水平振動発生機（２１ａ）（２１ｂ）（２２ａ）（２２ｂ）からなり、回転モード（Ｍ）の抑制用に対向するいずれか一方の水平振動発生機（２１ａ）（２２ａ）の水平加振軸（６３）に位置差を発生させるようにしていることを特徴とする請求項１の振動試験装置。
3. 上記回転モード（Ｍ）の抑制制御行うか否かの切り換えを行うためのモーメントキャンセルスイッチ（６９）を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２の振動試験装置。
4. 上記回転モード（Ｍ）検知用のセンサは、振動台（４）の上面の四隅に配置したＺ方向加速度検知用のセンサ（６４）と、振動台（４）の側面にそれぞれ配置したＸ方向加速度検知用のセンサ（６５）及びＹ方向加速度検知用のセンサ（６６）とで構成していることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの振動試験装置。
5. 上記回転モード（Ｍ）検知用のセンサは、振動台（４）の上面の略中央部分に配置されたＺ方向加速度検知用のセンサ（６４）と、振動台（４）の上下に高さ方向に差を設けてそれぞれ取り付けられた一対のＸ方向加速度検知用のセンサ（６５）及び一対のＹ方向加速度検知用のセンサ（６６）とで構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの振動試験装置。