JPH06201449A - 振動計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、振動測定対象物の測定面に押し当て
て使用する振動計において、互いに垂直な３方向の振動
量を同時に１箇所で測定できると共に、このときの接触
共振振動数を高振動数領域にまで高めようとするもので
ある。 【構成】複数の振動センサを所定の中心軸を中心として
等角度で、かつそれぞれ受感軸が当該中心軸と押当て部
の表面上の一点で交わるように固定保持すると共に、当
該各振動センサの出力に基づき振動測定対象物の測定点
における２軸又は３軸方向の振動量を算出するようにし
たことにより、各振動センサは高い接触ばね定数で２軸
又は３軸方向の振動成分を含む振動量をそれぞれ検出し
得、かくして振動測定位置における互いに垂直な２つの
軸方向又は３つの軸方向の振動量を同時に１箇所で測定
できると共に、このときの接触共振振動数を高振動数領
域にまで高め得る振動計を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動計に関し、例えば機
械設備の保全及び故障診断を目的として運転状態におけ
る当該機械設備の振動量を測定するようになされた振動
計のうち、特に振動測定対象物の振動測定面に押し当て
て使用する振動計に適用して好適なものである。さらに
述べると加速度計、速度計及び変位計等を包含する振動
計のなかでも、特に加速度計に適用して好適なものであ
る。従つて以下、主として加速度計（振動計）に基づい
て説明する。

【０００２】

【従来の技術】従来、振動計を振動を受感する方向で分
類すると、単一の受感軸のみを有する１軸用振動計と３
方向の受感軸を有する３軸用振動計等とに分けることが
できる。また振動計は使用方法に応じて、振動測定対象
物にねじや接着剤を用いて振動計を固定して使用するよ
うになされた固定式のものと、測定者が手で保持しなが
ら振動測定対象物に押し当てることによつて押圧固定し
て使用するようになされた押当て式のものとに分類する
ことができる。

【０００３】一般にこれら全ての振動計は、振動計の振
動測定面に対する当接面（又は押当て部）及び当該振動
測定面間のばね定数（以下これを接触ばね定数と呼ぶ）
の大きさと、振動センサの質量とによつてほぼその振動
計が測定できる測定領域が決定する。すなわち振動測定
面の振動と振動センサの感度との関係（以下これを振動
数特性と呼ぶ）は、感度を縦軸にとりかつ振動測定面の
振動数を横軸にとると、通常図１１に示すようなグラフ
として表され、通常、振動測定では接触ばね定数の大き
さと振動センサの質量とに応じて生じる振動計及び振動
測定面間の共振の振動数ｆ１（以下これを接触共振振動
数と呼ぶ）のほぼ３分の１以下の振動数領域Ｆ_ieを測定
データとして利用するようになされている。

【０００４】この場合例えば図１２（Ａ）に示す振動セ
ンサ１と図１２（Ｂ）に示す振動センサ２とが質量、感
度及び振動測定面３に対する当接面積がそれぞれ等しい
ものとすると、振動方向が図１２（Ａ）の矢印ａで示す
ように振動測定面３に対して水平で、かつ当該振動測定
面３に取り付けられた振動センサ１の受感軸Ｋ１が当該
振動測定面３に対して平行な場合の振動数特性と、振動
方向が図１２（Ｂ）の矢印ｂで示すように振動測定面３
に対して垂直で、かつ当該振動測定面３に取り付けられ
た振動センサ２の受感軸Ｋ２が当該振動測定面３に対し
て垂直な場合の振動数特性とを比べると、図１３に示す
ように、図１２（Ａ）の条件下での接触共振振動数ｆ_a
は図１２（Ｂ）の条件下での接触共振振動数ｆ_b よりも
低くなる。

【０００５】このように振動測定面３の振動方向及び当
該振動測定面３に取り付けられた振動計１又は２の受感
軸Ｋ１又はＫ２の方向によつて接触共振振動数ｆ_a 及び
ｆ_bに差異が生じる原因としては、振動センサ１及び２
と振動測定面３との間の接触ばね定数が振動方向によつ
て異なるためであり、一般的には振動センサは、その受
感軸が振動測定面に対して垂直でかつ振動測定対象物の
振動方向も当該振動測定面に垂直な場合の接触ばね定数
の方が、その受感軸が振動測定面に対して平行でかつ振
動測定対象物の振動方向も当該振動測定面に平行な場合
の接触ばね定数に比較して大きいと言える。

【０００６】さらに振動計においては、固定式の振動計
は振動測定対象物に面で固定されるのに対して、押当て
式の振動計は一般的にそのプローブの先端が３〜10〔m
m〕の球面に形成されて振動測定面とは点接触に近い状
態で接触するようになされ、通常１〜２〔Kg重〕程度の
押当て力で使用される。従つて押当て式の振動計は、固
定式の振動計に比べて振動測定面に対する接触面積が小
さいために接触ばね定数も小さく、このため接触共振振
動数が低い問題がある。ところが押当て式の振動計は振
動測定面に押し当てるだけで振動量が測定できるため、
例えば多くの測定対象点を連続して測定する場合には固
定式の振動計に比べて容易かつ効果的な測定ができ、従
つて機械設備の保全及び故障診断を目的として運転状態
における当該機械設備の振動量を測定する場合に適して
いる。

【０００７】ところで従来、この種の測定においては、
振動測定対象物の測定面に対して垂直方向（以下この方
向をＺ軸方向と呼ぶ）の振動量、及び当該測定面に平行
で互いに垂直な任意の２方向（以下この方向をそれぞれ
Ｘ軸方向及びＹ軸方向と呼ぶ）の振動量をそれぞれ測定
し、得られた測定結果に基づいて振動測定対象物の振動
状態を３次元的に解析することが行われている。この場
合の検査方法としては、一般的にＸ軸方向と直交する平
面上の１点、Ｙ軸方向と直交する平面上の１点及びＺ軸
方向と直交する平面上の１点にそれぞれ１個ずつ、合計
３個の１軸用振動計を固定又は押し当てる方法がとられ
ている。

【０００８】ところが、このような検査方法では検査効
率も悪く、さらに各軸方向の振動に対する測定点が同一
でないため厳密には所望する１箇所における振動の測定
とは言えないために、全体として振動測定対象物の大ま
かな振動測定結果しか得られない問題があつた。この問
題を解決する１つの手段として、従来、図１４に示すよ
うな構造の固定式の３軸用振動計１０が提案されてい
る。

【０００９】すなわち３軸用振動計１０は、ほぼ直方体
形状に形成された振動センサ取付けブロツク１１の互い
に隣合う３つの各側面１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃに受感
軸Ｋ１０、Ｋ１１及びＫ１２が当該各側面１１Ａ〜１１
Ｃに対して垂直になるように振動センサ１２Ａ、１２Ｂ
及び１２Ｃがそれぞれ配設されてなり、Ｚ軸方向の振動
測定用として用いる振動センサ１２Ａの配設面１１Ａと
対向する側面側１１Ｄを測定対象物（図示せず）の振動
測定面に接着剤又はねじ等を用いて固定することによ
り、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３つの軸方向の
振動を同時に１箇所で検出できるようになされている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところがこの種の振動
計１０においては、ねじ等を用いて振動測定面に固定し
た場合、振動測定面に垂直な方向（Ｚ軸方向）の振動に
対しては接触ばね定数が大きいために接触共振振動数は
高く、従つて振動センサ１２Ａの測定できるＺ軸方向の
振動数領域が広くなるのに対して、当該振動測定面に水
平な方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の振動に対してはＺ
軸方向の接触ばね定数に比べてその接触ばね定数が低く
なるために接触共振振動数が小さくなることにより、振
動センサ１２Ｂ及び１２Ｃが測定できるＸ軸方向及びＹ
軸方向の振動領域が狭くなる。このため、この種の振動
計１０では測定結果として得られるＸ軸方向及びＹ軸方
向の振動数領域がＺ軸方向の振動数領域の５分の１程度
にしかならない問題があつた。まして、従来の固定式の
３軸用振動計１０を手で把持して振動測定対象物に押し
当てて測定しても、振動計１０をねじ等で振動測定面に
固定した場合に比べてもＸ軸方向及びＹ軸方向の測定で
きる振動数領域はさらに狭くなる。

【００１１】さらには、従来の３軸用振動計１０にプロ
ーブを取り付け、これを手で把持しながらプローブの先
端を振動測定対象物に押し当てて測定するようになされ
た振動計（図示せず）が考えられ得るものの、プローブ
の先端は球面に形成されていて振動測定面とは点接触に
近い状態で接触するようになされているため、図１４に
示す３軸用振動計１０を手で把持しながら押し当てて使
用する場合に比較してもＸ軸方向及びＹ軸方向の接触ば
ね定数は小さい値しか得られない。従つて、設備診断に
おいて必要とされる２〔ＫＨz 〕以上の振動数領域まで
平坦な振動特性を得ることができず、未だ実用的な押し
当て式の３軸用振動計は実現されていない。

【００１２】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、互いに垂直な３方向の振動量を同時に１箇所で測定
できると共に、このときの接触共振振動数を高振動数領
域にまで高め得る振動計を提案しようとするものであ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め本発明においては、振動測定対象物の振動測定面に押
し当てて使用する振動計において、それぞれ１方向の受
感軸Ｋ３０〜Ｋ３２、Ｋ３３〜Ｋ３６を有し、受感軸Ｋ
３０〜Ｋ３２、Ｋ３３〜Ｋ３６方向の振動量を検出して
検出信号Ｓ１〜Ｓ３、Ｓ１０〜Ｓ１３としてそれぞれ出
力する複数の振動センサ３２Ａ〜３２Ｃ、３２Ｄ〜３２
Ｇと、所定の剛性を有し、複数の振動センサ３２Ａ〜３
２Ｃ、３２Ｄ〜３２Ｇをそれぞれ所定の中心軸Ｍ₂ を中
心として等角度θ₂ に、かつ各受感軸Ｋ３０〜Ｋ３２、
Ｋ３３〜Ｋ３６がそれぞれ中心軸Ｍ₂ と振動測定対象物
の振動測定面に押し当てる押当て部３１Ａ、５１Ａの表
面上の一点Ｕ₂ において交わるように固定保持する振動
センサ保持手段３１、５１と、検出信号Ｓ１〜Ｓ３、Ｓ
１０〜Ｓ１３に基づいて振動測定対象物の振動測定位置
における互いに直交する２軸又は３軸方向の振動量をそ
れぞれ算出する演算手段４１Ａ〜４１Ｃ、４１Ｄ〜４１
Ｆとを設けた。

【００１４】

【作用】複数の振動センサ３２Ａ〜３２Ｃ、３２Ｄ〜３
２Ｇをそれぞれ所定の中心軸Ｍ₂ を中心として等角度θ
₂ に、かつ各受感軸Ｋ３０〜Ｋ３２、Ｋ３３〜Ｋ３６が
中心軸Ｍ₂ と振動測定対象物の振動測定面に押し当てる
押当て部３１Ａ、５１Ａの表面上の一点Ｕ₂ において交
わるように固定保持すると共に、検出信号Ｓ１〜Ｓ３、
Ｓ１０〜Ｓ１３に基づいて振動測定対象物の振動測定位
置における互いに直交する２軸又は３軸方向の振動量を
それぞれ算出するようにしたことにより、各振動センサ
３２Ａ〜３２Ｃ、３２Ｄ〜３２Ｇは高いばね定数で２軸
又は３軸方向の振動成分を含む振動を高い接触共振振動
数までそれぞれ検出し得、かくして振動測定位置におけ
る互いに垂直な２つの軸方向又は３つの軸方向の振動量
を同時に１箇所で測定できると共に、このときの接触共
振振動数ｆ１を高振動数領域にまで高め得る振動計を実
現できる。

【００１５】

【実施例】以下図面について、本発明の一実施例を詳述
する。

【００１６】（１）動作原理 一般的に、水平方向に振動している面（以下これを水平
振動面と呼ぶ）に先端が鋭角な棒を垂直に押し当てた場
合、この棒は先端が水平振動面と一体になつて振動す
る。この動きは水平振動面に接した棒部材の先端が当該
棒部材の中心軸上のある点（以下この点を支点と呼ぶ）
を中心にして円弧上を振動しているのと同じである。こ
こで図１（Ａ）に示すように、棒部材（図示せず）の中
心軸Ｍ₁ を中心として線対称の位置にあるＳ点及びＴ点
とにそれぞれ第１及び第２の振動センサ素子（図示せ
ず）を当該棒部材と一体に振動するように、かつ各受感
軸Ｋ２０及びＫ２１が中心軸Ｍ₁ 上の所定の一点Ｒで交
わるように配置した振動ピツクアツプ２０を考える。

【００１７】この振動ピツクアツプ２０の先端点Ｕ₁ を
水平振動面２１に垂直に押し当てた場合、第１及び第２
の振動センサ素子は水平振動面２１から棒部材を介して
受ける振動（以下これを直接振動と呼ぶ）によつて水平
方向に振動する。またこのとき当該第１及び第２の振動
センサ素子は、図１（Ｂ）に示すように、棒部材がその
中心軸Ｍ₁ 上の所定の一点Ｐを支点として傾斜するよう
に動くことにより、Ｓ点及びＴ点を通る直線と棒部材の
中心軸Ｍ₁ の交点Ｈを中心にしていわゆるロツキング運
動をする。この場合第１及び第２の各振動センサ素子が
平行振動面２１から受ける直接振動とロツキング運動に
基づく振動（以下これをロツキング振動と呼ぶ）とは同
相であり、従つて当該第１及び第２の各振動センサ素子
からは直接振動に基づく出力とロツキング振動に基づく
出力とが合成されて出力される。

【００１８】ここで例えば図２に示すように、棒部材の
支点Ｐを原点として支点Ｐ及び先端点Ｕ₁ を通る直線を
Ｚ軸、当該Ｚ軸と直交しかつＳ点及びＴ点を通る直線と
平行な直線をＹ軸とすると共に、このときの交点Ｈ、点
Ｒ及び先端点Ｕ₁ のＺ座標をそれぞれＺ_H 、Ｚ_R 及びＺ
_U とし、かつ点ＴのＹ座標をＹ_T とする。この場合振動
ピツクアツプ２０の先端点Ｕ₁ が矢印ｃで示すＹ軸と平
行な方向に加速度αで振動するとすると、当該点Ｔに配
置された第２の振動センサ素子はＹ軸方向及びＺ軸方向
の振動を同時に検出する。

【００１９】この場合当該第２の振動センサ素子の出力
Ｐ_T は、第２の振動センサ素子の水平方向の振動量を
ｙ、垂直方向の振動量をｚ、第２の振動センサ素子の受
感軸Ｋ２１が棒部材の中心軸Ｍ₁ となす角（以下これを
交差角と呼ぶ）をθ₁ として次式

【数１】 で与えられる。このとき振動ピツクアツプ２０の先端点
Ｕ₁ がＹ軸方向に加速度αで移動したときの支点Ｐの振
角をδとすると、次式

【数２】 の等式が成り立ち、従つて第２の振動センサ素子の水平
方向の振動量ｙ及び垂直方向の振動量ｚはそれぞれ次式

【数３】

【数４】 と表すことができる。

【００２０】従つて（１）式のｙ及びｚにそれぞれに
（３）式及び（４）式を代入することにより第２の振動
センサ素子の出力Ｐ_T は次式

【数５】 のように変形できる。このとき交点ＨのＺ座標Ｚ_H は点
ＲのＺ座標Ｚ_R を用いて次式

【数６】 のように表すことができ、従つて当該（６）式を（５）
式に代入することにより第２の振動センサ素子の出力Ｐ
_T は次式

【数７】 のように書き換えられ、さらに当該（７）式に（２）式
を代入することにより（７）式は次式

【数８】 のように変形できる。

【００２１】ここでこの（８）式からも明らかなよう
に、第２の振動センサ素子の出力Ｐ_Tは当該第２の振動
センサ素子の受感軸Ｋ２１及び棒部材の中心軸Ｍ₁ （す
なわち平行振動面の垂線）の交差角θ₁ と支点Ｐの位置
に依存する。この場合当該交差角θ₁ は機械的に調整す
ることができるが、支点Ｐを広範囲の振動数領域におい
て、常に一点に固定することはできない。

【００２２】ところが、次式

【数９】 のように、第２の振動センサ素子の受感軸Ｋ２１と棒部
材の中心軸Ｍ₁ との交点Ｒを振動ピツクアツプ２１の先
端点Ｕ₁ に一致させるようにすると、当該第２の振動セ
ンサ素子は出力Ｐ_T が次式

【数１０】 と表せることからも明らかなように、支点Ｐの位置に依
存せず、結果的に先端点Ｕ₁ に取り付けられた場合と同
様の出力を呈する。この場合第１の振動センサ素子の出
力及び第２の振動センサ素子の出力は、水平振動は逆相
で、かつ平行振動面２１と垂直な方向は同相であるた
め、結果的に当該第１及び第２の振動センサ素子の出力
の差をとることにより当該第１及び第２の振動センサ素
子に与えられる水平方向の振動量を検出できると共に、
当該第１及び第２の振動センサ素子の出力の和をとるこ
とにより当該第１及び第２の振動センサ素子に与えられ
る平行振動面２１と垂直な方向の振動量を検出すること
ができる。

【００２３】（２）第１実施例 図３において、３０は全体として３軸用加速度計を示
し、金属等の剛体基材を用いて全体としてほぼ円錐形状
に形成された加速度センサ取付けブロツク３１は、その
頂点部３１Ａが球面状に形成されている。加速度センサ
取付けブロツク３１の底面部３１Ｂは、図３及び図４か
ら明らかなように、平面状に形成された第１〜第３の加
速度センサ３２Ａ〜３２Ｃの取り付け部３１ＢＸを除い
てほぼ僅かな高さの円錐台形状に形成され、その上面に
は棒状のハンドル３３がその中心軸Ｍ₂ の延長線が頂点
部３１Ａの先端Ｕ₂ （以下これを振動測定点Ｕ₂ と呼
ぶ）及び底面部３１Ｂの上面中心点Ｃを通るように配設
されている。

【００２４】この場合加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃは圧
電素子を用いて構成されており、各加速度センサ３２Ａ
〜３２Ｃはその受感軸Ｋ３０〜Ｋ３２が振動測定点Ｕ₂
においてハンドル３３の中心軸Ｍ₂ の延長線とそれぞれ
等しい所定の角度θ₂ で交わるように等角度β〔°〕
（β＝ 120〔°〕）でそれぞれ配設されている。これに
より当該３軸用加速度計３０では、ハンドル３３を手で
把持しながら振動測定点Ｕ₂ を測定対象物の振動測定面
（図示せず）に押し当てることにより、当該振動測定面
のうち振動測定点Ｕ₂ が押し当てられた位置における振
動量を測定し得るようになされている。

【００２５】この場合当該３軸用加速度計３０において
は、ハンドル３３の中心軸Ｍ₂ の延長線が振動測定対象
物の測定面に対して垂直な方向（Ｚ軸方向）を向くよう
に振動測定点Ｕ₂ を押し当てたとき、Ｚ軸から第１の加
速度センサ３２Ａの中心位置に延びる方向をＹ軸方向と
して、当該振動測定点Ｕ₂ と接触する測定面がＸ軸方
向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向にそれぞれ次式

【数１１】

【数１２】

【数１３】 で表される加速度で振動をしているとすると、第１〜第
３の加速度センサ３２Ａ〜３２ＣはＸ軸方向の振動に対
してそれぞれ次式

【数１４】

【数１５】

【数１６】 で表される振動量を検出する。

【００２６】また第１〜第３の加速度センサ３２Ａ〜３
２ＣはＹ軸方向の振動に対してそれぞれ次式

【数１７】

【数１８】

【数１９】 で表される振動量を検出し、さらにＺ軸方向の振動に対
してそれぞれ次式

【数２０】

【数２１】

【数２２】 で表される振動量を検出する。

【００２７】従つて第１〜第３の各加速度センサ３２Ａ
〜３２Ｃは、（11）〜（22）式から全体としてそれぞれ
次式

【数２３】

【数２４】

【数２５】 で表される振動を振動測定点Ｕ₂ の接触した測定面から
検出する。この場合図５に示すように、第１の加速度セ
ンサ３２Ａは検出結果を検出信号Ｓ１に変換して電荷増
幅回路４０Ａを介して第１及び第３の演算回路４１Ａ及
び４１Ｃに供給すると共に、第２及び第３の加速度セン
サ３２Ｂ及び３２Ｃは検出結果をそれぞれ検出信号Ｓ２
及びＳ３に変換して電荷増幅回路４０Ｂ又は４０Ｃを介
して第１〜第３の全ての演算回路４１Ａ〜４１Ｃに供給
するようになされている。

【００２８】このとき次式

【数２６】 の近似値及び次式

【数２７】 を用いて（23）式、（24）式及び（25）式のβに 120
〔°〕を代入するとそれぞれ次式

【数２８】

【数２９】

【数３０】 に示すように不要な項がキヤンセリングされて、未知数
としてＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の振動を表す式
のみを含んだ等式を導くことができる。

【００２９】従つて当該３軸用加速度計３０の振動測定
点Ｕ₂ が接触した振動測定面上の点におけるＸ軸方向、
Ｙ軸方向及びＺ軸方向の振動は、（28）式、（29）式及
び（30）式をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向
の振動を表す式について解いた次式

【数３１】

【数３２】

【数３３】 によつて算出することができる。

【００３０】かくして演算回路４１Ａ〜４１Ｃは、検出
信号Ｓ１〜Ｓ３に基づきそれぞれ（31）式、（32）式及
び（33）式に示す演算式に従つてＸ軸方向及びＹ軸方向
の振動量とＺ軸方向の振動量とを算出し、当該算出結果
を増幅した後演算信号Ｓ４〜Ｓ６として出力するように
なされている。この実施例の場合、加速度センサ３２Ａ
〜３２Ｃの受感軸Ｋ３０〜Ｋ３２が振動測定点Ｕ₂ にお
いてハンドル３３の中心軸Ｍ₂ の延長線と交わる角度θ
₂ は、実験上のデータから10〔°〕〜45〔°〕程度の角
度に選定されている。

【００３１】以上の構成において、当該３軸用加速度計
３０では、振動測定対象物の振動測定面に対して加速度
センサ取り付けブロツク３１の振動測定点Ｕ₂ を押し当
てることにより各加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃが当該測
定面の振動加速度を検出し、これを検出信号Ｓ１〜Ｓ３
として所定の演算回路４１Ａ〜４１Ｃに供給する。各演
算回路４１Ａ〜４１Ｃは検出信号Ｓ１〜Ｓ３に基づいて
所定の演算処理を実行し、これにより振動測定対象物の
測定面のうち振動測定点Ｕ₂ を押し当てた位置における
Ｘ軸方向、Ｙ軸方向又はＺ軸方向の振動量を算出する。

【００３２】ここで図６に実施例の各加速度センサ３２
Ａ〜３２Ｃの鉛直方向及び水平方向の振動数特性を示
し、図７に当該各加速度センサ３２Ａ〜３２ＣのＹ軸方
向の指向性を示す。通常振動ピツクアツプの重要な要素
の１として接触共振振動数があり、例えば加速度型の振
動ピツクアツプでは、上述したように一般的に接触共振
振動数の３分の１の振動数を平坦領域として測定データ
に用いている。従つて接触共振振動数が高いほど測定範
囲が広くなる。

【００３３】この場合、接触共振振動数は質量及び接触
ばね定数によつて決定し、例えば図１４に示すような各
受感軸Ｋ１０〜Ｋ１２がそれぞれ互いに直交した固定式
の３軸用振動計１０では、水平方向のばね定数が鉛直方
向のばね定数に比べて小さいために、水平方向の接触共
振振動数が鉛直方向の接触共振振動数に比べて５分の１
程度であつた。ところが実施例の３軸用加速度計３０で
は、水平方向の接触共振振動数が5.3〔ＫHz〕、鉛直方
向の接触共振振動数が3.5 〔ＫHz〕となることからも明
らかなように水平方向の接触共振振動数が鉛直方向の接
触共振振動数に比べて高くなることが確認できた。

【００３４】これは当該３軸用加速度計３０では水平方
向の接触ばね定数が固定式の３軸用振動計１０と同様に
小さいがそれ以上に動的な実効質量が小さくなるために
全体としての水平方向の接触共振振動数が高くなるため
であると推測できる。実際上この種の３軸用加速度計３
０では、鉛直方向では加速度センサ取り付けブロツク３
１の全てが動的質量となるが、水平方向ではこれらを傾
けるのに必要な力に比例した質量となり、見かけの動的
質量は小さな値となる。この傾向は先端を細く、又は長
くするにつれて顕著になり、従つて当該３軸用加速度計
３０では、先端を細く、かつ長くすることにより水平方
向の見かけの動的質量を小さくでき、かくして水平方向
の接触共振振動数を高くすることができるものと考えら
れる。

【００３５】実験によれば、図１４に示すような従来の
固定式の３軸用加速度計３０を測定対象物の測定対象面
に押し当てて使用した場合には、通常の数〔Kg〕程度の
押当て力では接触共振振動数は非常に低い振動数領域に
あるのに対して、当該３軸用加速度計３０の場合には例
えば１〔Kg〕程度の押当て力で接触共振振動数を実用上
十分に高い振動領域まで測定し得ることが分かつた。

【００３６】以上の構成によれば、第１〜第３の加速度
センサ３２Ａ〜３２Ｃを、それぞれ加速度センサ取付け
ブロツク３１の底面部３１Ｂの斜面上にハンドル３３の
中心軸Ｍ₂ の延長線の周りに角度βの等間隔で、かつ当
該中心軸Ｍ₂ の延長線と振動測定点Ｕ₂ において等しい
交差角度θ₂ で交わるように配設すると共に、演算回路
４１Ａ〜４１Ｃが各加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃから供
給される検出信号Ｓ１、Ｓ２及び又はＳ３に基づきそれ
ぞれ（31）式、（32）式及び（33）式に示す演算式に従
つて測定対象物の測定面に平行なＸ軸方向及びＹ軸方向
の振動量と当該測定面に垂直なＺ軸方向の振動量とを算
出するようにしたことにより、第１〜第３の加速度セン
サ３２Ａ〜３２Ｃは高い接触ばね定数で振動測定点Ｕ₂
における水平方向及垂直方向の振動成分を含む振動を検
出すると共に、（28）式、（29）式及び（30）式に基づ
く不要項のキヤンセリングによつて検出信号Ｓ１〜Ｓ３
に基づいて３軸方向の振動量をそれぞれ算出することが
でき、かくして振動測定位置において互いに直交する３
軸方向の振動量を同時に１箇所で測定できると共に、こ
のときの接触共振振動数ｆ１を高振動数領域にまで高め
得る押当て式の３軸用加速度計を実現できる。

【００３７】また１点における振動測定で３軸方向の振
動測定ができることにより、物理的に狭い範囲の振動に
よる３軸の挙動解析をすることができる。さらに１点の
３軸方向の振動を容易に同時測定することができること
により、３軸の相対的な振動測定を行うことができ、か
くして３次元の動きを把握し、かつ振動と実態のより密
接な相関を理解することができる。さらに１点の３軸方
向の振動を容易に同時測定できることにより、３次元の
振動状態を効果的に表示する振動計の開発や、最大振幅
の振動波形の振動数解析等の機器の開発を促し、今後の
振動測定の応用分野を大きく広げることができる。

【００３８】さらに１点の３軸方向の振動を容易に同時
測定できることにより、労力を要していたコンピユータ
の信号処理による振動の解析である、いわゆるモーダル
解析の測定を容易に行うことができるようにし得る。さ
らに第１〜第３の加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃが振動測
定対象物の測定面における振動を検出し、これを検出信
号Ｓ１〜Ｓ３として電荷増幅回路４０Ａ〜４０Ｃを介し
て演算回路４１Ａ〜４１Ｃに送出すると共に、当該演算
回路４１Ａ〜４１Ｃが検出信号Ｓ１〜Ｓ３に基づきそれ
ぞれ（31）式、（32）式及び（33）式に示す演算式に従
つてＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の振動量を算出す
るようにしたことにより、当該３軸用振動計３０の測定
面に対する押当て角度を調整することで振動測定点Ｕ₂
において互いに直交する所望の３方向の振動量を検出す
ることができる。

【００３９】この場合各加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ
は、ハンドル３３の中心軸Ｍ₂ 方向の振動をＺ軸方向の
振動として検出すると共に、振動測定点Ｕ₂ を通り当該
Ｚ軸と垂直な平面上の第１の加速度センサ３２Ａを向く
方向をＹ軸方向の振動として検出する。

【００４０】（３）第２実施例 図３及び図４との対応部分に同一符号を付して示す図８
及び図９は本発明の第２実施例による３軸用加速度計５
０を示し、加速度センサ取付けブロツク５１は加速度セ
ンサ３２Ｄ〜３２Ｇの配設状態を除いて図３及び図４に
おいて上述した３軸用加速度計３０の加速度センサ取付
けブロツク３１とほぼ同様の外観構成を有する。すなわ
ち３軸用加速度計５０においては、図８からも明らかな
ように、第１〜第３の加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ（図
３及び図４）と同様の第４〜第７の加速度センサ３２Ｄ
〜３２Ｇがその受感軸Ｋ３３〜Ｋ３６が加速度センサ取
付けブロツク５１の頂点部５１Ａ先端の振動測定点Ｕ₃
においてハンドル３３の中心軸Ｍ₂ の延長線とそれぞれ
等しい角度θ₂ で交わるように、加速度センサ取付けブ
ロツク５１の底面部５１Ｂの加速度センサ取り付け部５
１ＢＸに角度γ（γ＝90〔°〕）の等間隔で配設されて
いる。

【００４１】従つて当該３軸用加速度計５０において
は、ハンドル３３の中心軸Ｍ₂ が振動測定対象物（図示
せず）の測定面に対して垂直に振動測定点Ｕ₃ を当該測
定面に押し当てたとき、当該中心軸Ｍ₂ から第４の加速
度センサ３２Ｄの中心位置に向かう方向をＹ軸方向と
し、当該中心軸Ｍ₂ から第５の加速度センサ３２Ｅの中
心位置に向かう方向をＸ軸方向として、振動測定点Ｕ₃
と接触する測定面がＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に
それぞれ（11）式、（12）式及び（13）式で表す振動を
しているとすると、第４〜第７の各加速度センサ３２Ｄ
〜３２ＧはＸ軸方向の振動に対してそれぞれ次式

【数３４】

【数３５】

【数３６】

【数３７】 に示す振動量の振動成分を検出する。

【００４２】また第４〜第７の各加速度センサ３２Ｄ〜
３２ＧはＹ軸方向の振動に対してそれぞれ次式

【数３８】

【数３９】

【数４０】

【数４１】 に示す振動量の振動成分を検出し、さらにＺ軸方向の振
動に対してそれぞれ次式

【数４２】

【数４３】

【数４４】

【数４５】 に示す振動量の振動成分を検出する。

【００４３】従つて第４〜第７の加速度センサ３２Ｄ〜
３２Ｇは、（34）式〜（45）式を用いて、全体としてそ
れぞれ次式

【数４６】

【数４７】

【数４８】

【数４９】 で表される振動を振動測定点Ｕ₃ の接触した測定面から
検出する。ここで図１０に示すように、第４及び第６の
加速度センサ３２Ｄ及び３２Ｆは検出結果を検出信号Ｓ
１０及びＳ１２に変換してそれぞれ電荷増幅回路４０Ｄ
又は４０Ｆを介して第２及び第３の演算回路４１Ｅ及び
４１Ｆに送出すると共に、第５及び第７の加速度センサ
３２Ｅ及び３２Ｇは検出結果を検出信号Ｓ１１及びＳ１
３に変換してそれぞれ電荷増幅回路４０Ｅ又は４０Ｇを
介して第１及び第３の演算回路４１Ｄ及び４１Ｆに送出
するようになされている。

【００４４】この場合（46）式、（47）式、（48）式及
び（49）式から次式

【数５０】

【数５１】

【数５２】 に示すように、不要な項をキヤンセリングさせて未知数
としてＸ軸方向、Ｙ軸方向又はＺ軸方向の振動を表す式
のみを含んだ等式を導くことができる。従つて当該加速
度計５０の振動測定点Ｕ₃ が接触した振動測定対象物の
振動測定面上の位置におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ
軸方向の振動は、（50）式、（51）式及び（52）式をそ
れぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向又はＺ軸方向の振動を表す式
について解いた次式

【数５３】

【数５４】

【数５５】 によつて算出することができる。

【００４５】かくして演算回路４１Ｄ〜４１Ｆは、検出
信号Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２及び又はＳ１３に基づきそ
れぞれ（53）式、（54）式及び（55）式に示す演算式に
従つてＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の振動量とを算
出し、算出結果を演算信号Ｓ１４〜Ｓ１６として出力す
るようになされている。

【００４６】以上の構成において、当該３軸用加速度計
５０では、振動測定対象物の測定面に対して加速度セン
サ取り付けブロツク５１の振動測定点Ｕ₃ を押し当てる
ことにより各加速度センサ３２Ｄ〜３２Ｆが当該測定面
の振動加速度を検出し、これを検出信号Ｓ１０〜Ｓ１３
として所定の演算回路４１Ｄ〜４１Ｆに供給する。各演
算回路４１Ｄ〜４１Ｆは検出信号Ｓ１０〜Ｓ１３に基づ
いて所定の演算処理を実行し、かくして振動測定対象物
の測定面のうち振動測定点Ｕ₃ を押し当てた位置におけ
るＸ軸方向、Ｙ軸方向又はＺ軸方向の振動量を算出す
る。

【００４７】以上の構成によれば、当該３軸用加速度計
５０は第１実施例の３軸用加速度計３０に比してＸ軸方
向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の振動に対してそれぞれ１個
づつ多くの加速度センサ３２Ｄ〜３２Ｆ又は３２Ｇで振
動量を検出するため、一段と感度良く３軸方向の振動量
をそれぞれ測定し得る振動計を実現できる。

【００４８】（４）他の実施例 なお上述の第１及び第２実施例においては、本発明を３
軸用加速度計３０及び５０に適用する場合について述べ
たが、本発明はこれに限らず、変位計及び速度計等種々
の振動計に適用することができる。

【００４９】また上述の第１及び第２実施例において
は、加速度センサ取付けブロツク３１及び５１を金属等
の剛性基材を用いてほぼ円錐形状に形成する場合につい
て述べたが、本発明はこれに限らず、要は、所定の剛性
を有し、各加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ又は３２Ｄ〜３
２Ｇを所定の状態に保持できるのであれば、加速度セン
サ取付けブロツク３１及び５１の基材及び形状として
は、この他種々のものを適用できる。

【００５０】さらに上述の第１及び第２の実施例におい
ては、複数の加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ又は３２Ｄ〜
３２Ｇを加速度センサ取付けブロツク３１又は５１にお
ける底面部３１Ａ又は５１Ａの斜面表面に配設すること
により各加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ又は３２Ｄ〜３２
Ｇから振動測定点Ｕ₂ 又はＵ₃ までの距離を等しくする
ようにした場合について述べたが、本発明はこれに限ら
ず、各加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ又は３２Ｄ〜３２Ｇ
の受感軸Ｋ３０〜Ｋ３２又はＫ３３〜Ｋ３６とハンドル
３３の中心軸Ｍ₂ の延長線とのなす角度が等しいのであ
れば各加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ又は３２Ｄ〜３２Ｇ
から振動測定点Ｕ₂ 又はＵ₃ までの距離が等しくしなく
ても良い。この場合においてもその３軸用振動計は上述
の第１及び第２実施例とほぼ同様の効果を得ることがで
きる。

【００５１】さらに上述の第１及び第２実施例において
は、各加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ又は３２Ｄ〜３２Ｇ
の受感軸Ｋ３０〜Ｋ３２又はＫ３３〜Ｋ３６が振動測定
点Ｕ ₂ 又はＵ₃ においてハンドル３３の中心軸Ｍ₂ の延
長線と交わる角度θ₂ を10〔°〕〜45〔°〕程度の大き
さになるように選定する場合について述べたが、本発明
はこれに限らず、角度θ₂ がこの他の大きさであつても
良い。

【００５２】さらに上述の第１及び第２の実施例におい
ては、３軸用加速度計３０及び５０が互いに垂直な３方
向の振動量を検出するようにした場合について述べた
が、本発明はこれに限らず、当該振動計３０及び５０が
検出した互いに垂直な３方向の振動量のうち１方向又は
２方向の振動量しか出力しないようにしても良く、この
場合当該振動計３０及び５０を１軸又は２軸方向の振動
計として使用すれば良い。

【００５３】さらに上述の第１及び第２の実施例におい
ては、加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ又は３２Ｄ〜３２Ｇ
を加速度センサ取付けブロツク３１又は５１における底
面部３１Ｂ又は５１Ａの斜面表面に３個又は４個配設す
るようにした場合について述べたが、本発明はこれに限
らず、要は、各加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ又は３２Ｄ
〜３２Ｇから出力される検出信号Ｓ１〜Ｓ３又はＳ１０
〜Ｓ１３に基づいて３軸方向又は２軸方向の振動量をそ
れぞれ検出することができるのであれば、加速度センサ
取付けブロツク３１又は５１に配設する加速度センサの
数としてはこの他種々の値を適用できる。

【００５４】さらに上述の第１及び第２の実施例におい
ては、各演算回路４１Ａ〜４１Ｃ又は４１Ｄ〜４１Ｇが
（31）式、（32）式及び（33）式に示す演算式若しくは
（53）式、（54）式及び（55）式に示す演算式に従つて
振動測定点Ｕ₂ 又はＵ₃ が接触した振動測定対象物の測
定面におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の振動量
とを算出するようにした場合について述べたが、本発明
はこれに限らず、（23）式、（24）式及び（25）式若し
くは（46）式、（47）式、及び（48）式に基づいて振動
量を検出する演算式としてはこの他種々の演算式を適用
できる。

【００５５】さらに上述の第１及び第２の実施例におい
ては、圧電素子からなる加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ又
は３２Ｄ〜３２Ｇを用いる場合について述べたが、本発
明はこれに限らず、加速度センサ３２Ａ〜３２Ｃ又は３
２Ｄ〜３２Ｇとしてはこの他ひずみ振動センサ又は光学
式振動センサ等この他種々のものを適用でき、その形状
としては種々のものを適用できる。

【００５６】さらに上述の第１及び第２の実施例におい
ては、演算回路４１Ａ〜４１Ｃ又は４１Ｄ〜４１Ｆを３
つ用いて各演算回路４１Ａ〜４１Ｃ又は４１Ｄ〜４１Ｆ
がＸ軸方向、Ｙ軸方向又はＺ軸方向の振動量をそれぞれ
算出するようにした場合について述べたが、本発明はこ
れに限らず、要は、３軸方向の振動量をそれぞれ算出で
きるのであれば、１つ又はそれ以上の演算回路４１Ａ〜
４１Ｃ又は４１Ｄ〜４１Ｆを用いるようにしても良い。

【００５７】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、振動測定
対象物の測定面に押し当てて使用する振動計において、
複数の振動センサを所定の中心軸を中心として等角度
で、かつそれぞれ受感軸が当該中心軸と押当て部の表面
上の一点で交わるように固定保持すると共に、当該各振
動センサの出力に基づき振動測定対象物の測定点におけ
る２軸又は３軸方向の振動量を算出するようにしたこと
により、各振動センサは高い接触ばね定数で２軸又は３
軸方向の振動成分の振動量をそれぞれ検出し得、かくし
て振動測定位置における互いに垂直な２つの軸方向又は
３つの軸方向の振動量を同時に１箇所で測定できると共
に、このときの接触共振振動数を高振動数領域にまで高
め得る振動計を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動作原理の説明に供する概念的な略線
図である。

【図２】本発明の動作原理の説明に供する概念的な略線
図である。

【図３】本発明による３軸用加速度計の第１実施例を示
す側面図である。

【図４】図３に示す３軸用加速度計の上面図である。

【図５】図３に示す３軸用加速度計の信号処理回路を示
すブロツク図である。

【図６】実施例による３軸用加速度計の鉛直方向及び水
平方向の接触共振振動数を示す特性曲線図である。

【図７】実施例による３軸用加速度計の水平方向の指向
性を示す特性曲線図である。

【図８】本発明による３軸用加速度計の第２実施例を示
す側面図である。

【図９】図８に示す３軸用加速度計の上面図である。

【図１０】図８に示す３軸用加速度計の信号処理回路を
示すブロツク図である。

【図１１】加速度センサの感度と振動周波数の関係の説
明に供する特性曲線図である。

【図１２】振動方向及び振動センサの受感軸の方向の違
いによる接触共振振動数の差異の説明に供する平面図で
ある。

【図１３】振動方向及び振動センサの受感軸の方向の違
いによる接触共振振動数の差異の説明に供する特性曲線
図である。

【図１４】従来の固定式の３軸用振動計を示す略線的な
斜視図である。

【符号の説明】

１、２、１２Ａ〜１２Ｃ、３２Ａ〜３２Ｇ……振動セン
サ（加速度センサ）、１０……振動計、１１、３１、５
１……振動センサ保持手段（加速度センサ取付けブロツ
ク）、３０、５０……振動計（３軸用加速度計）、３１
Ａ、５１Ａ……押当て部（頂点部）、４１Ａ〜４１Ｆ…
…演算手段（演算回路）、Ｓ１〜Ｓ３、Ｓ１０〜Ｓ１３
……検出信号、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ１０〜Ｋ１２、Ｋ３０〜
Ｋ３６……受感軸、Ｍ₂ ……軸（中心軸）、Ｕ₂ 、Ｕ₃
……点（振動測定点）、β、γ……角度、θ₂ ……交差
角度。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動測定対象物の振動測定面に押し当てて
   使用する振動計において、 それぞれ１方向の受感軸を有し、上記受感軸方向の振動
   量を検出して検出信号としてそれぞれ出力する複数の振
   動センサと、 所定の剛性を有し、上記複数の振動センサをそれぞれ所
   定の中心軸を中心として等角度に、かつ上記受感軸がそ
   れぞれ上記中心軸と上記振動測定対象物の上記振動測定
   面に押し当てる押当て部の表面上の一点において交わる
   ように固定保持する振動センサ保持手段と、 上記検出信号に基づいて上記振動測定対象物の振動測定
   位置における互いに直交する２軸又は３軸方向の振動量
   をそれぞれ算出する演算手段とを具えることを特徴とす
   る振動計。