JP6960342B2 - 加振装置及びこの加振装置を備えた振動試験装置 - Google Patents

Description

本開示は、加振装置及びこの加振装置を備えた振動試験装置に関する。

加振対象物を加振するための従来の加振装置では、加振力を付与することによって加振対象物を振動させた後、加振力を低下することによって加振対象物の振動を停止させる。加振対象物の振動を停止させるタイミングによっては、加振力を低下中の弱い加振力が加振対象物に付与されたり、振動速度が大きいときに振動を停止することによって加振対象物に衝撃荷重が加えられてしまったりすることがある。この加振装置が、加振対象物の減衰振動特性を試験するための振動試験装置の構成要件として用いられる場合には、振動の停止動作時に弱い加振力や衝撃荷重が加えられてしまうと、加振対象物の減衰振動特性を正確に決定することができなくなってしまう。これに対し、振動を滑らかに停止させることが可能な加振装置が特許文献１に記載されている。

特許第３６２７０９２号公報

しかしながら、加振対象物の振動を滑らかに停止させてしまうと、振動の停止動作時に衝撃荷重が加えられることを抑制できるものの、加振力を低下中の弱い加振力が加振対象物に付与されて、加振対象物の減衰振動特性を正確に決定することができなくなってしまう。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、加振対象物に付与する加振力を減少させるときに、加振力を低下中の弱い加振力が加振対象物に付与されることや、振動速度が大きいときに加振力を低下することに起因する衝撃荷重が加振対象物に加えられることを低減できる加振装置及びこの加振装置を備えた振動試験装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る加振装置は、
加振対象物を所定振動数で振動させるための指令信号を生成する信号生成部と、
前記指令信号に基づいて前記加振対象物に加振力を付与する加振部と、
前記加振対象物の振動の応答信号を取得する応答信号取得部と、
前記応答信号及び前記指令信号の位相差を検出する位相差検出部と
を備え、
前記加振部は、前記加振対象物に付与する前記加振力を減少させるときに、前記位相差検出部で検出された前記位相差に応じて、前記加振対象物に付与する前記加振力を減少させるタイミングを調整するように構成される。

上記（１）の構成によると、加振対象物に付与する加振力を減少させるときに、加振対象物を所定振動数で振動させるための指令信号と加振対象物の振動の応答信号との位相差に応じて、加振対象物に付与する加振力を減少させるタイミングが調整されるので、加振力を低下中の弱い加振力が加振対象物に付与されることや、振動速度が大きいときに加振力を低下することに起因する衝撃荷重が加振対象物に加えられることを低減することができる。

（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記タイミングは、前記応答信号において前記加振対象物の振動の速度がゼロになるときの位相から前記位相差だけずらした位相である。

上記（２）の構成によると、加振対象物の振動の速度がゼロになるタイミングで加振対象物に付与する加振力を減少することができるので、加振対象物に加えられる衝撃荷重を低減することができる。

（３）いくつかの実施形態では、上記（１）または（２）の構成において、
前記所定振動数は前記加振対象物の固有振動数である。

上記（３）の構成によると、加振対象物が共振するので、小さな加振力でも加振対象物の振幅を大きくすることができる。

（４）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（３）のいずれかの構成において、
前記加振部は、慣性マスが振動する反力で前記加振力を発生する。

上記（４）の構成によると、加振対象物に対して加振部を設置しやすくすることができる。また、振動試験装置用の加振装置として用いることができる。

（５）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る振動試験装置は、
上記（１）〜（４）のいずれかの加振装置と、
前記加振部が前記加振対象物の振動を停止させた後からの前記応答信号に基づいて前記加振対象物の減衰振動特性を決定する解析部と
を備える。

上記（５）の構成によると、加振対象物に付与する加振力を減少させるときに、加振力を低下中の弱い加振力が加振対象物に付与されることや、振動速度が大きいときに加振力を低下することに起因する衝撃荷重が加振対象物に加えられることを低減できるので、加振対象物の減衰振動特性を正確に決定することができる。

（６）いくつかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記応答信号において、前記加振部が前記加振対象物の振動を停止させた直後に前記加振対象物の振動の速度がゼロになるときの位相よりも後の位相範囲に基づいて、前記解析部は前記減衰振動特性を決定する。

停止信号を入れた場合、加振装置の残圧や加振対象物の慣性が残存していて、加振力が完全にゼロにはならない場合がある。しかし、上記（６）の構成によると、加振部が加振対象物の振動を停止させた直後に加振対象物の振動の速度がゼロになるときの位相よりも後の位相範囲に基づいて解析部が減衰振動特性を決定することにより、残存する加振力の影響をできる限り排除して減衰振動特性を決定することができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、加振対象物に付与する加振力を減少させるときに、加振対象物を所定振動数で振動させるための指令信号と加振対象物の振動の応答信号との位相差に応じて、加振対象物に付与する加振力を減少させるタイミングが調整されるので、加振力を低下中の弱い加振力が加振対象物に付与されることや、振動速度が大きいときに加振力を低下することに起因する衝撃荷重が加振対象物に加えられることを低減することができる。

本開示の一実施形態に係る加振装置及び振動試験装置の構成を示すブロック図である。 指令信号に対する加振力の一例を示す模式的なグラフである。 指令信号及び応答信号の一例を示す模式的なグラフである。 加振対象物の振動を停止した場合の指令信号及び応答信号の一例を示す模式的なグラフである。 指令信号に対する加振力の別の例を示す模式的なグラフである。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１に示されるように、本開示の一実施形態に係る振動試験装置１０は、加振対象物１を振動させるための加振装置２０と、加振対象物の減衰振動特性、例えば減衰定数を決定するための解析部３０とを備えている。加振装置２０は、加振対象物１を所定振動数で振動させるための指令信号を生成する信号生成部２１と、指令信号に基づいて加振対象物１に加振力を付与する加振部２２と、加振対象物１の振動の応答信号を取得する応答信号取得部２３と、応答信号及び指令信号の位相差を検出する位相差検出部２４と、加振力を調整するためにオペレーターが操作を行うための操作部２５とを備えている。解析部３０は、応答信号取得部２３と電気的に接続されている。

加振部２２は、慣性マスが振動する反力で加振力を発生するように構成された、いわゆる慣性型の加振機である。加振部２２が慣性型の加振機であることにより、加振対象物１に対して加振部２２を設置しやすくすることができるので、加振装置２０の構成が複雑になるのを抑制できる。また、加振部２２が慣性型の加振機であることにより、後述する動作で加振装置２０を振動試験装置１０用の加振装置として用いることができる。

次に、加振装置２０の動作について説明する。
図１に示されるように、加振対象物１を振動させるためにオペレーターが操作部２５を操作すると、操作部２５の操作条件に基づいて、信号生成部２１は、加振対象物１を所定振動数で振動させるための指令信号を生成する。ここで、所定振動数とは、単一振動数であることが好ましく、例えば加振対象物１の固有振動数とすることができる。加振対象物１をその固有振動数で振動させると、加振対象物１が共振するので、小さな加振力でも加振対象物１の振幅を大きくすることができる。

信号生成部２１から指令信号が加振部２２に伝送されると、加振部２２は、指令信号に基づいた加振力を加振対象物１に付与することにより、加振対象物１が振動する。加振対象物１の振動中、応答信号取得部２３は、例えば加振対象物１の振動の速度や加速度を検出することにより、加振力が加えられることによる加振対象物１の応答信号を取得する。図２には、指令信号の一例として、加振部２２の変位を正弦波で表したものを示している。また、この指令信号に基づいた加振力の推移の一例も示している。

図１に示されるように、位相差検出部２４は、信号生成部２１から伝送された指令信号と、応答信号取得部２３から伝送された応答信号とから、応答信号及び指令信号の位相差を検出し、検出した位相差を信号生成部２１に伝送する。加振対象物１がその固有振動数で振動する場合、加振対象物１に付与される加振力の位相と、応答信号の位相とは９０°ずれる。このため、図３に示されるように、指令信号の位相と応答信号の位相とは９０°ずれることになる。したがって、図１に示されるように、位相差検出部２４によって検出される位相差は９０°となり、この位相差が信号生成部２１に伝送される。

加振対象物１の振動を停止させるために加振力を減少させるようにオペレーターが操作部２５を操作すると、信号生成部２１は、加振対象物１に付与する加振力を減少させるための指令信号を生成する。ただし、オペレーターの操作に応じて加振対象物１に付与する加振力を減少させるための指令信号を生成してしまうと、そのタイミングによっては、加振力を低下中の弱い加振力が加振対象物１に付与されることや、振動速度が大きいときに加振力を低下することに起因する衝撃荷重が加振対象物１に加えられてしまう。

加振力を低下中の弱い加振力を加振対象物１に付与しないようにするためには、加振力の低下を可能な限り短い時間で、すなわち瞬時に行う必要がある。一方で、加振対象物１に衝撃荷重を加えないためには、加振対象物１の振動の速度がゼロとなっているタイミング、図３に示される応答信号では、変位の振幅が最大となっているタイミング、例えばＡの位相で加振力を低下すればよい。ただし、上述したように、指令信号の位相と応答信号の位相とは９０°ずれていることから、Ａの位相で加振力を低下するのではなく、指令信号において変位の振幅が最大となるＢの位相で加振力を低下させる。

すなわち、図１に示されるように、信号生成部２１は、加振対象物１の振動を停止させるために加振力を減少させるようにオペレーターが操作部２５を操作した直後のＢ（図３参照）の位相で加振力を瞬時に低下させる指令信号を生成し、この指令信号を加振部２２に伝送する。加振部２２は、この指令信号に基づいて、加振対象物１の振動の速度がゼロとなる位相に対して９０°ずれた位相で加振力を瞬時に低下させる。これにより、加振対象物１に付与される加振力を低下する際に、加振力を低下中の弱い加振力が加振対象物１に付与されることや、振動速度が大きいときに加振力を低下することに起因する衝撃荷重が加振対象物１に加えられることを低減することができる。その後、加振対象物１は減衰自由振動を行い、やがてその振動が停止する。

このように、加振対象物１に付与する加振力を減少させるときに、加振対象物１を所定振動数で振動させるための指令信号と加振対象物の振動の応答信号との位相差に応じて、加振対象物１に付与する加振力を減少させるタイミングが調整されるので、加振力を低下中の弱い加振力が加振対象物１に付与されることや、振動速度が大きいときに加振力を低下することに起因する衝撃荷重が加振対象物１に加えられることを低減することができる。

次に、解析部３０が加振対象物１の減衰振動特性を決定するための動作を説明する。
図１に示されるように、解析部３０は、応答信号取得部２３から伝送された応答信号において、加振部が前記加振対象物の振動を停止させた後からの範囲に基づいて加振対象物１の減衰振動特性を決定する。加振対象物１がその固有振動数で振動する場合に得られる減衰振動特性は減衰定数である。

図４には、加振対象物１の振動を停止するための指令信号と、加振対象物１の振動が停止する際の応答信号が示されている。図４には、図３のＡ及びＢの位相のそれぞれが示されている。加振対象物１の振動を停止するように加振力が低下された後、すなわちＢの位相の直後から、応答信号は、振幅が徐々に小さくなっている。

図４には、Ｂの位相の後からの範囲において応答信号の振幅が周期的にピークとなる位置Ａ、Ａ_１及びＡ_２を繋いだ減衰曲線が一点鎖線で描かれている。図４において応答信号の振幅がゼロとなる線Ｌよりも下側にある応答信号の部分を、線Ｌの上側に位置するように折り返し、その折り返した部分を図４では破線で描いているが、この破線で描かれた各部分において振幅が周期的にピークとなる位置Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３も減衰曲線上に位置している。解析部３０は、公知の方法で、この減衰曲線から減衰定数を決定することができる。

この加振装置２０を備える振動試験装置１０は、加振対象物１に付与する加振力を減少させるときに、加振力を低下中の弱い加振力が加振対象物１に付与されることや、振動速度が大きいときに加振力を低下することに起因する衝撃荷重が加振対象物１に加えられることを低減できるので、加振対象物１の減衰振動特性を正確に決定することができる。

上述のように、加振装置２０は、加振対象物１の振動を停止する際に、加振力を低下中の弱い加振力が加振対象物１に付与されることや、振動速度が大きいときに加振力を低下することに起因する衝撃荷重が加振対象物１に加えられることを低減することができるが、加振装置２０の残圧や加振対象物１の慣性が残存していて、加振力が完全にゼロにはならない場合がある。図５に、残存する加振力の一例を示している。

減衰振動特性を決定する際にこのような残存する加振力の影響をできるだけ排除するために、図４に示されるように、加振部２２が加振対象物１の振動を停止させた直後に加振対象物１の振動の速度がゼロになるときの位相（Ａ）よりも後の位相範囲、すなわち、Ｃ_１、Ａ_１、Ｃ_２、Ａ_２及びＣ_３を繋いだ減衰曲線から減衰定数を決定する。これにより、残存する加振力の影響をできる限り排除して減衰定数を決定することができる。

この実施形態では、加振装置２０が加振対象物１の振動を停止するために加振力をゼロまで減少する動作について説明したが、この形態に限定するものではない。加振力をゼロより大きい値まで減少する場合にも、すなわち、振動を停止せずに振動の振幅を小さくする場合にも、上述した動作を適用することができる。

この実施形態では、加振対象物１はその固有振動数で振動させていたが、この形態に限定するものではない。減衰を評価したい任意の振動数で加振対象物１を振動させることもできる。加振対象物１が固有振動数よりも小さい振動数で振動する場合には、指令信号と応答信号との位相差は一般に９０°より小さくなり、加振対象物１が固有振動数よりも大きい振動数で振動する場合には、指令信号と応答信号との位相差は一般に９０°より大きくなる。

この実施形態では、加振部２２は慣性型の加振機であったが、この形態に限定するものではない。ただし、上記の方法で減衰振動特性を決定するためには、加振部２２は慣性型の加振機であることが好ましい。

この実施形態では、減衰振動特性は減衰定数であったが、この形態に限定するものではない。減衰振動特性は、振動の停止しやすさを表す指標であればどのようなものでもよく、減衰振動特性の種類に応じて、解析部３０での解析方法は変更可能である。

１ 加振対象物
１０ 振動試験装置
２０ 加振装置
２１ 信号生成部
２２ 加振部
２３ 応答信号取得部
２４ 位相差検出部
２５ 操作部
３０ 解析部

Claims (6)

1. 加振対象物を所定振動数で振動させるための指令信号を生成する信号生成部と、
   前記指令信号に基づいて前記加振対象物に加振力を付与する加振部と、
   前記加振対象物の振動の応答信号を取得する応答信号取得部と、
   前記応答信号及び前記指令信号の位相差を検出する位相差検出部と
   を備え、
   前記加振部は、前記加振対象物に付与する前記加振力を減少させるときに、前記位相差検出部で検出された前記位相差に応じて、前記加振対象物に付与する前記加振力を減少させるタイミングを調整するように構成される加振装置。
2. 前記タイミングは、前記応答信号において前記加振対象物の振動の速度がゼロになるときの位相から前記位相差だけずらした位相である、請求項１に記載の加振装置。
3. 前記所定振動数は前記加振対象物の固有振動数である、請求項１または２に記載の加振装置。
4. 前記加振部は、慣性マスが振動する反力で前記加振力を発生する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の加振装置。
5. 請求項４に記載の加振装置と、
   前記加振部が前記加振対象物の振動を停止させた後からの前記応答信号に基づいて前記加振対象物の減衰振動特性を決定する解析部と
   を備える振動試験装置。
6. 前記応答信号において、前記加振部が前記加振対象物の振動を停止させた直後に前記加振対象物の振動の速度がゼロになるときの位相よりも後の位相範囲に基づいて、前記解析部は前記減衰振動特性を決定する、請求項５に記載の振動試験装置。

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