JP7086411B2 - 振動試験における加振能力予測評価装置、加振能力予測評価方法及び加振能力予測評価プログラム - Google Patents

Description

本発明は、工業製品の振動特性試験や耐久試験などの振動試験を行うにあたり、適正な振動試験装置の選定を行ったり、振動試験を行うことが可能か否かの判断を迅速かつ確実に行うことができる加振能力予測評価装置、加振能力予測評価方法及び加振能力予測評価プログラムに関する。

従来、例えば、宇宙航空機器、自動車機器、エレクトロニクス製品、精密機器など工業製品の振動特性試験や耐久試験などを行うために、振動試験装置を用いた振動試験が行われている。

振動試験を行うための振動試験装置１００は、例えば、図３に示すように、被試験体Ｔが搭載される可動部１０２と、磁路部材１１６を有する固定部１１４と、を有している。
固定部１１４は、例えば、鉄などの透磁性を有する材料から構成される磁路部材１１６と、この磁路部材１１６に流れる磁束を発生させる励磁コイル１１８と、を備えている。励磁コイル１１８は、図示しない定電圧源から直流電圧が印加されることによって、磁路部材１１６に一定の磁束を流している。

一方、可動部１０２は、被試験体Ｔを搭載する試験台１０４と、可動部１０２と固定部１１４とを連結して可動部１０２を可動状態で保持する可動部支持用バネ１０６と、磁路部材１１６の空隙に挿入される駆動コイル１０８と、を備えている。

駆動コイル１０８は、励磁コイル１１８によって発生した磁界（静磁場）と直交するように取り付けられ、駆動コイル１０８に交流電流を流すことによって、可動部１０２を振動させることができる。なお、駆動コイル１０８に流す交流電流の大きさを変えることによって、発生させる振動（加振力）の大きさをコントロールすることができる。

このような振動試験装置１００を用いて被試験体Ｔにランダム振動試験を行う場合、駆動コイル１０８に印加する交流電流は、被試験体Ｔに与える振動試験パターンに応じたＰＳＤ（パワースペクトル密度）プロファイルに基づく電気信号として、駆動コイル１０８に印加される。また、サイン振動試験やショック振動試験を行う場合にも、振動試験パターンに関する情報に基づく電気信号として、駆動コイル１０８に交流電流が印加される。

なお、振動試験装置１００によって発生する加速度や速度、加振力、変位などは、試験台１０４に設けられた加速度ピックアップ１０５を用いて取得するように構成されている。

ランダム振動試験の場合、試験条件のＰＳＤプロファイルは、単位周波数幅当たりの加速度を示すスペクトル密度関数であるが、その分布が不揃いである場合などには、振動試験装置１００で発生する加振力を把握することができない。このため、どのようなスペックの振動試験装置を用いて振動試験を行ったら良いか、また、所有する振動試験装置で振動試験を行えるかどうかをすぐに把握することができなかった。

また、サイン振動試験やショック振動試験の場合も、ランダム振動試験と同様に、振動試験に必要な周波数帯によって、振動試験装置に印加する必要がある電流や電圧が異なり、振動試験に必要な正確な電流、電圧を把握することが困難であるため、所有する振動試験装置で振動試験を行えるかどうかをすぐに把握することができなかった。

このため、従来は、例えば、試験条件の能力を５０％にして、それぞれの振動試験装置１００を動かしてみることで、振動試験装置１００の駆動コイル１０８に入力される印加電圧及び印加電流の値から、最大加振力や最大加速度、最大変位などの加振スペックを算出し、算出された加振スペックと、実際の振動試験装置のスペックとを比較することによって、振動試験装置の選定や、所有する振動試験装置で所望の振動試験が行えるか否かの判断を行っている。

本発明では、このような現状に鑑み、被試験体に関する情報と、振動試験パターンに関する情報と、に基づいて、振動試験に必要な加振スペックを予測し、迅速かつ確実に、振動試験装置の選定を行ったり、所有する振動試験装置で振動試験を行うことが可能か否かの判断を迅速かつ確実に行うことができる加振能力予測評価装置、加振能力予測評価方法及び加振能力予測評価プログラムを提供することを目的とする。

本発明は、上述するような従来技術における課題を解決するために発明されたものであって、本発明の加振能力予測評価装置は、
振動試験において必要となる加振能力を予測評価する加振能力予測評価装置であって、
被試験体の質量と、振動試験条件に関する情報と、を入力するための入力手段と、
前記被試験体の質量と、前記振動試験条件に関する情報とに基づき、加振能力を予測評価する演算手段と、
予測評価された加振能力を出力するための出力手段と、を備え、
前記演算手段は、
全ての周波数範囲において、事前に１以上の振動試験装置ごとに測定された、第１の質量の伝達特性である第１の伝達特性と第２の質量の伝達特性である第２の伝達特性と、の差分に、前記第２の質量に対する前記被試験体の質量の比を乗じた値と、前記振動試験条件に関する情報と、に基づき、前記加振能力として出力電流実効値または出力電圧実効値を算出するように構成されることを特徴とする。

このような加振能力予測評価装置では、
前記演算手段は、前記振動試験装置の仕様と、前記算出された加振能力と、に基づき、前記振動試験を行うことが可能か否かを判断するように構成することができる。

この場合、前記振動試験装置の仕様が記憶される記憶手段を備えることができる。
また、前記振動試験装置の前記伝達特性の変化に関するデータが記憶される記憶手段を備えることができる。

本発明の加振能力予測評価方法は、
振動試験において必要となる加振能力を予測評価する加振能力予測評価方法であって、
全ての周波数範囲において、事前に１以上の振動試験装置ごとに測定された、第１の質量の伝達特性である第１の伝達特性と第２の質量の伝達特性である第２の伝達特性との差分に、前記第２の質量に対する被試験体の質量の比を乗じた値と、振動試験条件に関する情報と、に基づき、前記加振能力として出力電流実効値または出力電圧実効値を算出することを特徴とする。

このような加振能力予測評価方法では、
前記振動試験装置の仕様と、前記算出された加振能力と、に基づき、前記振動試験を行うことが可能か否かを判断することができる。

また、本発明の加振能力予測評価プログラムは、
上述するいずれかの加振能力予測評価方法をコンピュータにより実行されるためのプログラムである。

また、このようなプログラムを記録したコンピュータ可読記録媒体も、本発明の一態様として含まれる。

本発明によれば、被試験体に関する情報と、振動試験条件に関する情報と、に基づいて、振動試験に必要な加振スペックを予測することができ、複数の振動試験装置のスペックと容易に比較することができる。このため、迅速かつ確実に、振動試験装置の選定や、所有する振動試験装置で所望の振動試験が行えるか否かの判断を行うことができる。

図１は、本発明の加振能力予測評価装置を用いて振動試験装置の加振能力を予測評価する際の構成を説明するための模式図である。 図２は、本実施形態の加振能力予測評価装置を用いて、振動試験を行うことができるか否かの判断結果を得る流れを説明するためのフローチャートである。 図３は、振動試験装置の一例を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいて、より詳細に説明する。
図１は、本発明の加振能力予測評価装置を用いて振動試験装置の加振能力を予測評価する際の構成を説明するための模式図である。

本実施形態において用いる振動試験装置１００は、上述する従来の振動試験装置１００と同様な構成であるため、同じ構成部材には、同じ符合を付して、その詳細な説明を省略する。なお、本実施形態では、振動試験装置１００として、動電式の振動試験装置を例として挙げているが、誘導式の振動試験装置であっても、同様に用いることが可能である。

また、本実施形態では、振動試験装置１００を用いたランダム振動試験を例として説明しているが、例えば、サイン振動試験やショック振動試験など、他の振動試験であっても同様に行うことができる。

本実施形態の加振能力予測評価装置１０は、入出力手段１２、演算手段１４、記憶手段１６を有するコンピュータシステムにより構成される。なお、コンピュータシステムは、スタンドアロンのコンピュータであってもよいし、クライアントサーバーシステムやＷＥＢシステムなどとすることもできる。

加振能力予測評価装置１０の記憶手段１６には、後述するように振動試験装置１００の加振能力を予測評価するための加振能力予測評価プログラムが記憶され、ユーザーにより入力される被試験体に関する情報と、振動試験パターンに関する情報とを含む振動試験条件に基づいて、振動試験装置１００の加振能力が算出されるように構成される。

また、本実施形態の加振能力予測評価装置１０は、記憶手段１６に、振動試験装置１００の仕様や、事前に取得された振動試験装置１００の伝達特性に関するデータなどが記憶されている。しかしながら、振動試験装置１００の仕様や伝達特性に関するデータなどは、ユーザーにより入出力手段１２（例えば、キーボードやマウスなど）を用いて入力するように構成することもできる。

振動試験装置１００の仕様としては、例えば、鉛直方向や水平方向における最大加振力や周波数範囲、最大加速度、最大速度、最大変位、最大積載質量、試験台１０４の重量や大きさなどを用いることができる。一方で、振動試験装置１００の伝達特性に関するデータは、以下のように取得することができる。

まず、振動試験装置１００の試験台１０４に何も載せないで、すなわち、無負荷（質量m0）の状態で、所定の加振条件において振動試験を行い、加速度ピックアップ１０５を用いて、試験台１０４に発生する加振力や加速度などを取得し、振動試験の際の伝達特性を取得する。

次いで、振動試験装置１００の試験台１０４に、任意の質量m1の負荷を載置した状態で、同じ加振条件において振動試験を行い、この際の伝達特性を取得する。ここで、伝達特性としては、例えば、実測した出力電圧ＰＳＤと試験目標加速度ＰＳＤとの比率である出力電圧伝達率（出力電圧ＰＳＤ／試験目標加速度ＰＳＤ）及び実測した出力電流ＰＳＤと試験目標加速度ＰＳＤとの比率である出力電流伝達率（出力電流ＰＳＤ／試験目標加速度ＰＳＤ）を用いることができる。

このように、質量m0及び質量m1の状態で、同じ加振条件において振動試験を行うことにより、伝達特性には、質量の差に応じた変化が発生する。このため、伝達特性として、無負荷時の出力電圧伝達率VTm0、任意の質量m1の負荷搭載時の出力電圧伝達率VTm1、無負荷時の出力電流伝達率CTm0、任意の質量m1の負荷搭載時の出力電流伝達率CTm1を、振動試験装置１００毎に取得し、振動試験装置１００と伝達特性とを関連付けて、加振能力予測評価装置１０に記憶する。

また、伝達特性として、振動試験装置１００固有の減衰定数等を事前に取得することが好ましい。例えば、減衰定数は、振動試験装置１００にサイン振動信号を入力した後、信号入力を停止した時点での変位と、信号入力を停止してから所定時間経過後の変位とから算出することができる。ただし、各振動試験装置の減衰定数に大きな差が発生しないような場合には、振動試験装置毎に減衰定数を取得しなくともよい。

このように伝達特性を得るための加振条件としては、伝達特性を得るべき振動試験装置全てが、同一の条件において加振可能な加振条件とすることが好ましい。

ユーザーは、このように構成された加振能力予測評価装置１０を用いて、以下のようにして、任意の被試験体Ｔに対する任意の加振条件の振動試験を行うことができるか否かの判断を行うことができる。

図２は、本実施形態の加振能力予測評価装置１０を用いて、振動試験を行うことができるか否かの判断結果を得る流れを説明するためのフローチャートである。

ユーザーは、まず、加振能力の予測評価を行う振動試験装置１００を選択する（Ｓ１）。本実施形態では、事前に加振能力予測評価装置１０に、各振動試験装置１００の仕様を記憶させ、加振能力予測評価装置１０の表示手段に表示された中から、入出力手段を用いて選択するように構成しているが、加振能力の予測評価を行う振動試験装置１００の仕様を、入出力手段を用いて加振能力予測評価装置１０に入力するように構成することもできる。

次いで、被試験体に関する情報として、被試験体Ｔの質量mrを、入出力手段を用いて入力する（Ｓ２）。さらに、振動試験条件に関する情報として、振動試験のために必要な試験条件を、入出力手段を用いて入力する（Ｓ３）。加振能力予測評価装置１０は、入力された試験条件に基づき、加振能力の計算を行う（Ｓ４）。

なお、Ｓ３において入力する試験条件や、Ｓ４において行う加振能力の計算は、ランダム振動試験、サイン振動試験、ショック振動試験によって異なっており、具体的には、以下のように試験条件が入力され、加振能力の計算が行われる。

（１）ランダム振動試験の場合
ランダム振動試験を行う場合には、試験条件として、試験目標加速度ＰＳＤプロファイルを入力する。

質量mrの被試験体Ｔを試験台１０４に載置した状態における目標出力電圧ＰＳＤ及び出力電圧実効値Ｅrms、目標出力電流ＰＳＤ及び出力電流実効値Ｉrmsは、それぞれ、下記式（１）、（２）、（３）、（４）のような関係を有する。

ここで、

であり、出力電圧実効値Ｅrmsは、

によって表される。

ここで、

であり、出力電流実効値Ｉrmsは、

によって表される。

なお、出力電圧実効値Ｅ₁rms及び出力電流実効値Ｉrmsは、二乗平均平方根（root mean square value）にて求めている。また、Δｆは、ＰＳＤにおける単位周波数幅である。

加振能力予測評価装置１０は、入力された被試験体に関する情報と、振動試験条件として振動試験パターンに関する情報と、伝達特性式（１）、（３）とに基づいて、目標出力電圧ＰＳＤ及び目標出力電流ＰＳＤを算出するとともに、実効値計算式（２）、（４）に基づいて、出力電圧実効値Ｅrms及び出力電流実効値Ｉrmsを算出する。

また、試験目標加速度ＰＳＤから、加速度実効値、速度ピーク値、変位ピークツーピーク値を算出する。加速度実効値、速度実効値、変位実効値は、試験目標加速度ＰＳＤから既知の計算式により算出することができる。速度ピーク値は、事前に取得した減衰定数等により決定される変換係数を速度実効値に乗ずることにより求めることができる。また、変位ピークツーピーク値は、事前に取得した減衰定数等により決定される変換係数を変位実効値に乗ずることにより求めることができる。

（２）サイン振動試験の場合
サイン振動試験を行う場合には、試験条件として、振動試験のための各周波数における試験目標加速度、目標速度、目標変位を入力する。

質量mrの被試験体Ｔを試験台１０４に載置した状態で、任意の周波数f1[Hz]における目標出力電圧実効値Ｅf1rms及び目標出力電流実効値Ｉf1rmsは、それぞれ、下記式（５）、（６）、（７）、（８）のような関係を有する。

ここで、

であり、振動試験に必要な最大出力電圧実効値Ｅrmsは、

によって表される。

ここで、

であり、振動試験に必要な最大出力電流実効値Ｉrmsは、

によって表される。

なお、（６）、（８）におけるＥ（ｆ）及びＩ（ｆ）は、伝達特性式（５）、（７）に示す周波数ｆの関数であり、加振に必要な最大電圧Ｅrms、最大電流Ｉrmsは、試験条件の周波数範囲における伝達特性式（５）、（７）の最大値となる。

加振能力予測評価装置１０は、入力された被試験体に関する情報と、振動試験条件として振動試験パターンもしくは振動条件に関する情報と、伝達特性式（５）、（７）とに基づいて、試験条件の各周波数に対応する目標出力電圧及び目標出力電流を算出し、試験条件の周波数範囲の電圧及び電流の最大値を計算式（６）、（８）に基づいて、試験に必要な最大出力電圧実効値Ｅrms及び最大出力電流実効値Ｉrmsを算出する。

また、振動試験パターンもしくは振動条件から、試験条件の周波数範囲の加速度ピーク値、速度ピーク値、変位ピークツーピーク値を算出する。加速度、速度、変位ピークツーピーク値は、試験条件の周波数から算出することができ、試験条件の周波数範囲において、加速度の最大値、速度の最大値、変位ピークツーピーク値の最大値を求めることにより得ることができる。

（３）ショック振動試験の場合
ショック振動試験として、正弦半波を用いる場合には、質量mrの被試験体Ｔを試験台１０４に載置した状態における試験条件の作用時間から正弦波に換算したときの周波数f1を算出し、その周波数f1における目標出力電圧実効値Ｅf1rms及び目標出力実効値Ｉf1rmsは、それぞれ、下記式（９）、（１０）、（１１）、（１２）のような関係を有する。

ここで、

であり、振動試験に必要な最大出力電圧実効値Ｅrmsは、

によって表される。

ここで、

であり、試験に必要な最大出力電流実効値Ｉrmsは、

によって表される。

加振能力予測評価装置１０は、入力された被試験体に関する情報と、振動試験条件として試験条件の試験波形の最大加速度と作用時間とに関する情報と、伝達特性式（９）、（１１）とに基づいて、作用時間から算出した正弦波の周波数に対応する目標出力電圧及び目標出力電流を算出し、計算式（１０）、（１２）に基づいて、試験に必要な最大出力電圧実効値Ｅrms及び最大出力電流実効値Ｉrmsを算出する。

また、試験波形の最大加速度と作用時間から、試験条件の必要な速度ピーク値、変位ピークツーピーク値を算出する。速度ピーク値及び変位ピークツーピーク値は、作用時間に依存した関数となることを利用し、事前に速度ピーク値と作用時間、及び、変位ピークツーピーク値と作用時間の関係を示す計算式を作成し、その計算式により求めることができる。

このように算出された加振能力（加速度実効値、速度ピーク値、変位ピークツーピーク値、出力電圧実効値、出力電流実効値）を、加振能力予測評価装置１０に記憶された振動試験装置１００の仕様における限界値（最大加速度、最大速度、最大変位、最大電圧値、最大電流値）と比較する（Ｓ５）ことにより、加振能力が振動試験装置１００の仕様における限界値を超えていた場合には、所望の振動試験を行うことができないと判断し、加振能力予測評価装置１０はその旨を、入出力手段１２（例えば、ディスプレイやプリンタなど）を用いて通知する（Ｓ６）ように構成される。

このように構成された加振能力予測評価装置１０を用いることにより、ユーザーは、所望の振動試験を行いたい振動試験装置を選択するとともに、振動試験を行う被試験体に関する情報と、所望の振動試験についての振動試験パターンに関する情報と、を入力するだけで、所望の振動試験を、選択された振動試験装置によって行うことが可能か否かを迅速かつ確実に判断することができる。

なお、本実施形態では、選択された振動試験装置についてのみ、加振能力を算出し、算出された加振能力と選択された振動試験装置の仕様における限界値とを比較することで、所望の振動試験を行うことが可能か否かを判断しているが、例えば、加振能力予測評価装置１０に登録された全ての振動試験装置について加振能力を算出し、算出された加振能力と各振動試験装置の仕様における限界値とを比較することで、加振能力予測評価装置１０に登録された振動試験装置の中から、所望の振動試験を行うことが可能な振動試験装置を選定するように構成することもできる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、上記実施例では、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

また、上述する加振能力予測評価プログラムを記録した、例えば、磁気テープ（デジタルデータストレージ（ＤＤＳ）など）、磁気ディスク（ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）など）、光ディスク（コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイディスク（ＢＤ）など）、光磁気ディスク（ＭＯ）、フラッシュメモリ（ＳＳＤ（Solid State Drive）、メモリーカード、ＵＳＢメモリなど）などのコンピュータ可読記録媒体も本発明の一態様として含まれる。

１０ 加振能力予測評価装置
１２ 入出力手段
１４ 演算手段
１６ 記憶手段
１００ 振動試験装置
１０２ 可動部
１０４ 試験台
１０５ 加速度ピックアップ
１０６ 可動部支持用バネ
１０８ 駆動コイル
１１４ 固定部
１１６ 磁路部材
１１８ 励磁コイル

Claims (12)

1. 振動試験において必要となる加振能力を予測評価する加振能力予測評価装置であって、
   被試験体の質量と、振動試験条件に関する情報と、を入力するための入力手段と、
   前記被試験体の質量と、前記振動試験条件に関する情報とに基づき、加振能力を予測評価する演算手段と、
   予測評価された加振能力を出力するための出力手段と、を備え、
   前記演算手段は、
   全ての周波数範囲において、事前に１以上の振動試験装置ごとに測定された、第１の質量の伝達特性である第１の伝達特性と第２の質量の伝達特性である第２の伝達特性と、の差分に、前記第２の質量に対する前記被試験体の質量の比を乗じた値と、前記振動試験条件に関する情報と、に基づき、前記加振能力として出力電流実効値または出力電圧実効値を算出するように構成されることを特徴とする加振能力予測評価装置。
2. 前記演算手段は、前記全ての周波数範囲において、前記第２の伝達特性としての前記第２の質量の負荷搭載時の出力電圧伝達率から、前記第１の伝達特性としての前記第１の質量の負荷搭載時の出力電圧伝達率を差し引いた値に、前記第２の質量に対する前記被試験体の質量の比を乗じた値を、前記第１の質量の負荷搭載時の出力電圧伝達率に加算した値と、前記振動試験条件に関する情報と、に基づき、前記出力電圧実効値を算出するように構成される
   請求項１に記載の加振能力予測評価装置。
3. 前記第１の質量の負荷搭載時の出力電圧伝達率は、無負荷時の出力電圧伝達率である、
   請求項２に記載の加振能力予測評価装置。
4. 前記演算手段は、前記全ての周波数範囲において、前記第２の伝達特性としての前記第２の質量の負荷搭載時の出力電流伝達率から、前記第１の伝達特性としての前記第１の質量の負荷搭載時の出力電流伝達率を差し引いた値に、前記第２の質量に対する前記被試験体の質量の比を乗じた値を、前記第１の質量の負荷搭載時の出力電流伝達率に加算した値と、前記振動試験条件に関する情報と、に基づき、前記出力電流実効値を算出するように構成される
   請求項１～３のいずれか一つに記載の加振能力予測評価装置。
5. 前記第１の質量の負荷搭載時の出力電流伝達率は、無負荷時の出力電流伝達率である、
   請求項４に記載の加振能力予測評価装置。
6. 前記演算手段は、
   前記振動試験装置の仕様と、前記算出された加振能力と、に基づき、前記振動試験を行うことが可能か否かを判断するように構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の加振能力予測評価装置。
7. 前記振動試験装置の仕様が記憶される記憶手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の加振能力予測評価装置。
8. 前記振動試験装置の前記第１の伝達特性と前記第２の伝達特性が記憶される記憶手段を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の加振能力予測評価装置。
9. 振動試験において必要となる加振能力を予測評価する加振能力予測評価方法であって、
   全ての周波数範囲において、事前に１以上の振動試験装置ごとに測定された、第１の質量の伝達特性である第１の伝達特性と第２の質量の伝達特性である第２の伝達特性との差分に、前記第２の質量に対する被試験体の質量の比を乗じた値と、振動試験条件に関する情報と、に基づき、前記加振能力として出力電流実効値または出力電圧実効値を算出することを特徴とする加振能力予測評価方法。
10. 前記振動試験装置の仕様と、前記算出された加振能力と、に基づき、前記振動試験を行うことが可能か否かを判断することを特徴とする請求項９に記載の加振能力予測評価方法。
11. 請求項９または１０に記載の加振能力予測評価方法をコンピュータにより実行させるためのプログラム。
12. 請求項１１に記載のプログラムを記録したコンピュータ可読記録媒体。

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