WO2014091697A1 - 固有振動測定装置 - Google Patents

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WO2014091697A1
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宮田 博文
嘉一 脇坂
千田 廉
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バンドー化学株式会社
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L5/10Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring tension in flexible members, e.g. ropes, cables, wires, threads, belts or bands using electrical means
    • G01L5/106Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring tension in flexible members, e.g. ropes, cables, wires, threads, belts or bands using electrical means for measuring a reaction force applied on a cantilever beam
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    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up

Definitions

  • the present invention relates to a natural vibration measuring device that measures the natural frequency of a belt, and more particularly to a technique for improving the measurement accuracy of the natural frequency.
  • a belt that is stretched between pulleys in a belt transmission device and used with an appropriate tension at the time of use may reduce the efficiency of transmission of the pulley rotational force or shorten the life of the belt itself. . Therefore, conventionally, a tension inspection is performed in which the tension of a belt used in the belt transmission device is measured and whether or not an appropriate tension is applied to the belt.
  • a sonic belt tension measuring device For belt tension inspection, a sonic belt tension measuring device is often used because it can easily measure tension without contact.
  • the sonic belt tension measuring device uses a microphone to detect sound waves generated by belt vibration when the belt stretched between pulleys is vibrated, and measures the natural frequency from the sound waves detected by the microphone.
  • a vibration measuring device is provided, and the belt tension corresponding to the natural frequency measured by the natural vibration measuring device is calculated according to a predetermined calculation formula (see, for example, Patent Document 1).
  • the reliable vibration frequency that can be measured effectively is limited to a narrow range, and the vibration of the belt to be measured is a high-frequency vibration or a low-frequency vibration.
  • the measurement accuracy is not sufficient.
  • the present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to accurately measure the natural frequency of the belt over a wide frequency range.
  • the present invention employs an acceleration sensor as an element for detecting the vibration of the belt.
  • the present invention is directed to a natural vibration measuring apparatus that measures the natural frequency of a belt stretched between at least two pulleys when the belt is vibrated. It was taken.
  • the first invention is the above-described natural vibration measuring apparatus, An acceleration sensor attached to a belt portion located between the adjacent pulleys for detecting acceleration due to vibration of the belt; And a measuring instrument for measuring the natural frequency of the belt based on the acceleration detected by the acceleration sensor.
  • the natural frequency of the belt is measured based on the acceleration detected by the acceleration sensor directly attached to the belt, the vibration of the belt is directly detected by the acceleration sensor.
  • the measurement results are not disturbed by the external environment such as background noise, unlike the non-contact type natural vibration measurement device using a microphone, and low frequency vibration can be detected with high accuracy.
  • High-precision measurement is possible regardless of whether the vibration of a belt is high-frequency vibration or low-frequency vibration. Therefore, the natural frequency of the belt can be accurately measured over a wide frequency range.
  • a second aspect of the invention is the natural vibration measuring apparatus according to the first aspect of the invention,
  • the measuring device measures a natural frequency of the belt based on acceleration detected by the acceleration sensor in a period of 80 milliseconds to 1400 milliseconds after the belt is vibrated. .
  • the vibration of the belt immediately after the vibration includes a lot of noise components such as an impact component at the time of vibration, and is not reliable as data for calculating the natural frequency of the belt. Since the noise component attenuates with time, the belt gradually vibrates with a waveform exhibiting the natural frequency of the belt with time.
  • the vibration of the belt attenuates over time, and the weak belt vibration that has been attenuated is dominated by the noise component that is not related to the natural vibration of the belt. It is buried and has low reliability as data for calculating the natural frequency of the belt.
  • the period in which the belt vibration includes a lot of noise components is a period from the vibration of the belt to about 80 milliseconds, or until the transition to the weak belt vibration with low reliability that has been damped. It has been found empirically that the period is from the vibration of the belt to about 1400 milliseconds.
  • the natural frequency of the belt is measured by omitting the initial vibration of the belt containing a lot of noise components immediately after vibration and the final vibration in which the natural vibration of the belt is buried in the noise component. The natural frequency of the belt can be measured with higher accuracy.
  • 3rd invention is the natural vibration measuring apparatus of 1st or 2nd invention, The measuring device determines the natural frequency of the belt in a frequency region of 10 Hz or more.
  • the natural frequency of the belt is determined by omitting a frequency region of less than 10 Hz where such a noise component is easily detected, the natural frequency of the belt can be measured with higher accuracy. It becomes possible.
  • the measuring device detects that the belt is vibrated when an acceleration greater than 2.0 gravitational acceleration is detected by the acceleration sensor.
  • the acceleration sensor detects an acceleration of less than 2.0 gravitational acceleration and detects that the belt is vibrated, the belt will vibrate slightly due to the measurement operation and measurement environment until the belt is vibrated.
  • the vibration of the belt is likely to be erroneously detected, and the measurement of the natural frequency is started unintentionally by using the vibration as a trigger. become. In that case, a measurement error occurs, or even if the measurement can be performed, the accuracy is remarkably deteriorated.
  • the acceleration sensor detects that the belt is vibrated when acceleration greater than 2.0 gravitational acceleration is detected, the measurement operation until the belt is vibrated is detected.
  • the measurement of the natural frequency of the belt can be prevented from starting unintentionally by the small vibration generated in the belt due to the measurement environment or the trigger, and the measurement of the natural frequency of the belt is started at the desired timing. can do. Thereby, generation
  • the acceleration sensor and the measuring device are connected by a wired communication cable,
  • the communication cable has a scale in the length direction thereof.
  • the communication cable for connecting the acceleration sensor and the measuring instrument by wire is provided with a scale along the length direction, the communication cable can be used as a measure.
  • the span length between the pulleys around which the belt is stretched is required as information.
  • the vibration of the belt is directly detected by the acceleration sensor.
  • the natural frequency can be accurately measured over a wide frequency range.
  • FIG. 1 is a plan view showing an external configuration of a natural vibration measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram schematically showing a hardware configuration of the natural vibration measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a belt transmission device including a belt to be measured.
  • FIG. 4 is a graph showing raw acceleration data due to belt vibration measured using the natural vibration measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph obtained by power spectrum conversion of acceleration data sampled and collected by the natural vibration measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a method for measuring the natural frequency of the belt using the natural vibration measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view showing an external configuration of the natural vibration measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph obtained by power spectrum conversion of acceleration data when an acceleration signal is sampled over a relatively long time including weak belt vibration that has been damped.
  • FIG. 1 is a plan view showing an external configuration of the natural vibration measuring apparatus S according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram schematically showing a hardware configuration of the natural vibration measuring apparatus S according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a belt transmission device 100 including a belt 101 to be measured.
  • the natural vibration measuring device S is used, for example, for measuring the natural frequency of the belt 101 provided in the belt transmission device 100 shown in FIG.
  • the belt transmission device 100 is used, for example, for driving an auxiliary machine of an automobile.
  • the natural frequency of the belt 101 measured by the natural vibration measuring device S is used as information for measuring the tension of the belt 101 in the belt transmission device 100.
  • the natural vibration measuring device S is a belt transmission device 100 in which the belt 101 is stretched between at least two (two in the example shown in FIG. 3) pulleys 102 and 103 shown in FIG.
  • the natural frequency of the belt 101 is measured from the vibration when the belt 101 located at the position is vibrated with a hammer or a finger.
  • the belt 101 to be measured is a thick belt such as a V belt (wrapped V belt or low edge V belt) having a thickness of 10 mm or more.
  • V belt wrapped V belt or low edge V belt
  • the belt 101 exhibits low frequency vibration.
  • low-frequency vibrations particularly vibrations of 25 Hz or less are often not detected by a microphone, and it is difficult to accurately measure with a sound wave type natural vibration measuring apparatus.
  • the natural vibration measuring device S includes an acceleration sensor 11 that detects acceleration due to vibration of the belt 101, and a measuring instrument that measures the natural frequency of the belt 101 based on the acceleration detected by the acceleration sensor 11. 13.
  • the acceleration sensor 11 and the measuring instrument 13 are connected to each other by a communication cable 15 (for example, by USB (Universal Serial Bus)).
  • the acceleration sensor 11 is attached to the belt transmission device 100 on the outer peripheral surface (upper surface) of the belt 101 portion located between adjacent pulleys 102 and 103, as shown in FIG.
  • a surface of the acceleration sensor 11 that is attached to the belt 101 is provided with an adhesive surface that can be repeatedly affixed, such as a double-sided tape.
  • the acceleration sensor 11 can be easily attached to the belt 101 by simply attaching an adhesive surface to the surface of the belt 101.
  • the acceleration sensor 11 is an acceleration sensor that can detect acceleration in a direction perpendicular to the surface of the belt 101, and is, for example, a three-axis acceleration sensor.
  • a capacitance detection type MEMS (Micro Electro Mechanical System) type acceleration sensor is preferably employed because stable acceleration can be detected.
  • the capacitance type MEMS acceleration sensor 11 includes a detection element unit that detects acceleration, and a signal processing circuit that amplifies and adjusts the signal from the detection element unit and outputs the amplified signal.
  • the detection element part is formed of a stable material such as silicon (Si), has a sensor element movable part and a fixed part, and detects acceleration based on a change in capacitance between the sensor element movable part and the fixed part. Is configured to do.
  • the acceleration sensor 11 may be replaced with another detection method or type of acceleration sensor such as a piezoresistive MEMS acceleration sensor instead of the capacitance detection MEMS acceleration sensor.
  • a uniaxial or biaxial acceleration sensor may be used as long as acceleration in a direction perpendicular to the surface of the belt 101 can be detected.
  • the measuring instrument 13 is formed in a palm-like flat shape, and is compact and easy to carry.
  • a USB port (not shown) is provided at the upper end of the measuring instrument 13, and a USB connector (not shown) provided at one end of the communication cable 15 is connected to the USB port.
  • a display unit 17 including a liquid crystal display for displaying the measured natural frequency of the belt 101, various switches such as a power switch 19 and a monitoring switch 21, and the ON / OFF state of the power source are displayed on the front surface of the measuring instrument 13, a display unit 17 including a liquid crystal display for displaying the measured natural frequency of the belt 101, various switches such as a power switch 19 and a monitoring switch 21, and the ON / OFF state of the power source are displayed.
  • a status display lamp such as a power indicator 23 composed of an LED (Light Emitting Diode) is provided.
  • the measuring device 13 includes a microprocessor such as a DSP (Digital Signal Processor) 25 and an EEPROM (Electrically / Erasable / Programmable / Read-only Memory) electrically connected thereto. 27 are built in.
  • a microprocessor such as a DSP (Digital Signal Processor) 25 and an EEPROM (Electrically / Erasable / Programmable / Read-only Memory) electrically connected thereto. 27 are built in.
  • the memory unit 27 stores a program for measuring the natural frequency of the belt 101 including a fast Fourier transform (FFT) calculation program.
  • FFT fast Fourier transform
  • the DSP 25 is electrically connected to the display unit 17, various switches such as the power switch 19 and the monitoring switch 21, and status display lamps such as the power indicator 23.
  • the DSP 25 executes a process of measuring the natural frequency of the belt 101 according to the acceleration signal input from the monitoring switch 21 or the acceleration sensor 11 by control according to the program read from the memory unit 27. .
  • FIG. 4 is a graph showing acceleration raw data due to vibration of the belt 101 measured using the natural vibration measuring device S.
  • FIG. 5 is a graph obtained by power spectrum conversion of acceleration data sampled and collected by the natural vibration measuring device S.
  • FIG. 8 is a graph obtained by power spectrum conversion of acceleration data when an acceleration signal is sampled over a relatively long time including weak belt vibration that has been damped.
  • the DSP 25 When the power switch 19 is pressed, the DSP 25 activates the measuring instrument 13 and lights the power indicator 23. When the monitoring switch 21 is pressed, the DSP 25 monitors the acceleration signal input from the acceleration sensor 11 and starts monitoring the vibration state of the belt 101 shown in FIG.
  • the DSP 25 detects that the belt 101 has been vibrated when detecting an acceleration larger than a predetermined acceleration based on the acceleration signal input from the acceleration sensor 11, and then the natural frequency of the belt 101. Start measuring.
  • the predetermined acceleration serving as a trigger for starting the measurement of the natural frequency of the belt 101 is triggered by a small vibration generated in the belt 101 due to the measurement operation or measurement environment until the belt 101 is vibrated. From the viewpoint of preventing the number measurement from being started unintentionally, it is preferably 2.0 G (G is gravitational acceleration) or more, and more preferably 3.0 G or more. In the present embodiment, the predetermined acceleration as a trigger is set to 3.0G.
  • the DSP 25 samples the acceleration signal from the acceleration sensor 11 and starts acquiring the acceleration data.
  • the sampling frequency at this time is set to about 3.2 kHz, for example.
  • the DSP 25 starts recording the sampled acceleration data 80 milliseconds after the vibration of the belt 101 is detected, that is, after waiting for a period for sampling 256 points of acceleration data.
  • the DSP 25 records the acceleration data sampled over a period Rt of 1280 milliseconds from the start of recording, that is, a period of 1360 milliseconds after the vibration of the belt 101 is detected, and the acceleration data of a total of 4096 points is recorded. collect.
  • the vibration of the belt 101 immediately after the vibration includes a lot of noise components such as an impact component at the time of vibration, and is not reliable as data for calculating the natural frequency of the belt 101. Since the noise component attenuates as time elapses, the belt 101 gradually vibrates with a waveform exhibiting the natural frequency of the belt 101 as time elapses.
  • the present inventors have empirically found that the period in which the vibration of the belt 101 contains a large amount of the noise component is about 80 milliseconds after the vibration of the belt 101. Therefore, in this embodiment, the natural frequency is measured by omitting the initial vibration of the belt 101 over 80 milliseconds immediately after the vibration as described above.
  • the vibration of the belt 101 is attenuated as time passes, and the weak belt vibration (vibration indicated by the range X in FIG. 4) that has been damped is dominated by noise components that are not related to the natural vibration of the belt 101. Therefore, the reliability as data for calculating the natural frequency of the belt 101 is low.
  • the inventors of the present invention have empirically found that the period until transition to weak belt vibration that has been attenuated and has low reliability is from the vibration of the belt 101 to about 1400 milliseconds. Therefore, in the present embodiment, as described above, the sampling of the acceleration signal is stopped within 1280 milliseconds after the vibration of the belt 101 is detected, and the intrinsic vibration of the belt 101 is omitted by omitting the final vibration in which the natural vibration is buried in the noise component. The frequency was measured.
  • the DSP 25 that has acquired the acceleration data as described above reads the FFT calculation program from the memory unit 27, performs FFT calculation processing on the sampled acceleration data (4096 points), and based on the acceleration data as shown in FIG. Obtain the power spectrum of the vibration frequency.
  • the DSP 25 determines the vibration frequency corresponding to the peak of the power spectrum as the natural frequency of the belt 101.
  • the DSP 25 ignores the power spectrum peak at less than 10 Hz and determines the natural frequency in the frequency region of 10 Hz or higher. Noise components not related to the natural vibration of the belt 101 are likely to be detected in a low frequency region of less than 10 Hz. Therefore, the natural frequency of the belt 101 can be accurately measured by determining the natural frequency of the belt 101 by omitting the frequency region below 10 Hz.
  • the DSP 25 displays the natural frequency determined as described above on the display unit 17.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a method for measuring the natural frequency of the belt 101 in the present embodiment.
  • the power switch 19 is pressed to turn on the natural vibration measuring device S (ST1). Then, as shown in FIG. 3, the acceleration sensor 11 is attached on the outer peripheral surface of the belt 101 at a position corresponding to the intermediate position between the two pulleys 102 and 103 on which the belt 101 is stretched or in the vicinity thereof (ST2). ).
  • the monitoring switch 21 is pressed to start monitoring the acceleration signal input from the acceleration sensor 11 to the measuring instrument 13 (ST3).
  • the belt 101 is vibrated by striking the vicinity of the belt 101 where the acceleration sensor 11 is attached, that is, the middle of the belt 102 between the pulleys 102 and 103 with a hammer or finger (ST4).
  • the measuring instrument 13 When the acceleration signal of 3.0 G or more is detected by the measuring instrument 13 due to the vibration of the belt 101, the measuring instrument 13 starts sampling the acceleration signal. Then, after waiting for 80 milliseconds (ST5) from the start of sampling of the acceleration signal, the measuring device 13 starts recording of the sampling data, and the acceleration data is sampled and collected in a period Rt extending from this recording start to 1280 milliseconds. (ST6). Then, frequency analysis is performed on the collected acceleration data by FFT calculation processing (ST7), and the natural frequency obtained as a result is displayed on the display unit 17 (ST8).
  • the natural frequency of the belt 101 in the belt transmission device 100 can be measured.
  • the vibration of the belt 101 is directly detected by the acceleration sensor 11. .
  • the measurement result is not disturbed by an external environment such as background noise, unlike a sound wave type natural vibration measuring device using a microphone, and low frequency vibration can be accurately detected.
  • the vibration of the belt 101 is high-frequency vibration or low-frequency vibration, measurement can be performed with high accuracy. Therefore, the natural frequency of the belt 101 can be accurately measured over a wide frequency range. Therefore, even the thick belt 101 exhibiting low frequency vibration can accurately measure the natural frequency.
  • the belt 101 omits the initial vibration of the belt 101 immediately after vibration including a lot of noise components not related to the natural vibration and the final vibration in which the natural vibration of the belt 101 is buried in the noise component. Since the natural frequency of the belt 101 is determined by measuring the natural frequency of the belt 101 and omitting the frequency region of less than 10 Hz where noise components are easily detected, the natural frequency of the belt 101 can be accurately measured. it can.
  • FIG. 7 is a plan view showing an external configuration of the natural vibration measuring apparatus S according to the second embodiment.
  • the configuration of the communication cable 15 is different from that of the first embodiment except that the natural vibration measuring device S is configured in the same manner as in the first embodiment, only the communication cable 15 having a different configuration will be described.
  • the measurement method of the same component location and natural frequency is left to the description of the first embodiment based on FIGS. 1 to 6, and the detailed description thereof is omitted.
  • the span length between the pulleys 102 and 103 shown in FIG. L is required as information. Therefore, the communication cable 15 of the natural vibration measuring apparatus S according to the present embodiment is provided with a scale so that the span length L can be measured in the length direction as shown in FIG. Yes.
  • the communication cable 15 that connects the acceleration sensor 11 and the measuring instrument 13 by wire is provided with a scale along the length direction, so that the communication cable 15 can be used as a measure. Accordingly, the span length L between the pulleys 102 and 103 on which the belt 101 is stretched can be measured using the communication cable 15 without preparing a measure separately from the natural vibration measuring device S. The number of tools necessary for measuring the tension of the belt 101 can be reduced.
  • the DSP 25 is based on acceleration data obtained by sampling an acceleration signal input from the acceleration sensor 11 in a period Rt of 80 milliseconds to 1360 milliseconds after the belt 101 is vibrated.
  • the sampling period of acceleration data used for measuring the natural frequency of the belt 101 is 80 milliseconds after the belt 101 is vibrated. May be included, and a period exceeding 1360 milliseconds after the belt 101 is vibrated may be included.
  • the belt 101 to be measured by the natural vibration measuring device S is a thick belt such as a V belt.
  • the present invention is not limited to this, and the natural vibration measuring device S is Of course, the present invention can be applied to a device for measuring the natural frequency of a thin belt 101 such as a flat belt having a thickness of 5 mm or less, or a device for measuring the natural frequency of a belt 101 having a thickness of more than 5 mm and less than 10 mm. Is possible.
  • the natural vibration of the belt 101 may be a high-frequency vibration of approximately 400 Hz to 500 Hz.
  • the acoustic natural vibration measurement device is easily affected by background noise, and it is difficult to accurately measure the natural frequency of the belt.
  • the background noise is low.
  • the natural vibration of the belt 101 can be measured with high accuracy even if it is a high frequency vibration.
  • the present invention is useful for a natural vibration measuring apparatus that measures the natural frequency of a belt, and in particular, it is desired to accurately measure the natural frequency of a belt over a wide frequency range. Suitable for natural vibration measuring devices.

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Abstract

 ベルト(101)の固有振動数を測定する固有振動測定装置において、隣り合うプーリ(102, 103)間に位置するベルト(101)部分に取り付けられて該ベルト(101)の振動による加速度を検出する加速度センサ(11)と、加速度センサ(11)により検出された加速度に基づきベルト(101)の固有振動数を測定する測定器(13)と、を備える。

Description

固有振動測定装置
 本発明は、ベルトの固有振動数を測定する固有振動測定装置に関し、特に、固有振動数の測定精度を向上させる技術に関するものである。
 ベルト伝動装置でプーリ間に張り渡されて使用されるベルトは、その使用時に適正な張力が付与されていないと、プーリ回転力の伝達効率が低下したり、ベルト自体の寿命が短くなってしまう。そこで、従来から、ベルト伝動装置に使用されるベルトの張力を測定し、該ベルトに適正な張力が付与されているかを検査する張力検査が実施されている。
 ベルトの張力検査には、非接触で簡便に張力測定できることから、音波式のベルト張力測定装置がよく用いられている。
 音波式のベルト張力測定装置は、プーリ間に張り渡されたベルトが加振されたときのベルト振動により生じる音波をマイクロフォンで検出し、該マイクロフォンで検出された音波から固有振動数を測定する固有振動測定装置を備え、該固有振動測定装置により測定された固有振動数に対応するベルトの張力を所定の計算式に従って算出するように構成されている(例えば、特許文献1参照)。
特開平6-137932号公報
 しかしながら、マイクロフォンを用いた固有振動測定装置では、検出される音波に暗騒音によるノイズが含まれるため、このノイズに障害されて固有振動数の測定精度が低下しやすい。この暗騒音によるノイズは特に高周波領域に乗りやすいため、ベルト振動が高周波振動であると測定精度が悪い。他方、ベルト振動が低周波振動であると、該振動は音波に変換され難いことからマイクロフォンでは検出されないことが多い。
 これらのことから、マイクロフォンを用いた固有振動測定装置では、有効に測定可能な信頼性の高い振動周波数が狭い範囲に制限され、測定対象であるベルトの振動が高周波振動又は低周波振動である場合には、測定精度が十分でない。
 本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ベルトの固有振動数を広範囲な周波数領域に亘って精度良く測定することにある。
 上記の目的を達成するために、この発明では、ベルトの振動を検出する素子として加速度センサを採用することにした。
 具体的には、本発明は、少なくとも2つのプーリ間に張り渡されたベルトを加振したときの振動から該ベルトの固有振動数を測定する固有振動測定装置を対象とし、以下の解決手段を講じたものである。
 すなわち、第1の発明は、上記の固有振動測定装置であって、
 上記隣り合うプーリ間に位置するベルト部分に取り付けられて該ベルトの振動による加速度を検出する加速度センサと、
 上記加速度センサにより検出された加速度に基づき上記ベルトの固有振動数を測定する測定器と、を備える
ことを特徴とする。
 この第1の発明では、ベルトに直接取り付けられた加速度センサで検出された加速度に基づいて当該ベルトの固有振動数を測定するので、ベルトの振動が加速度センサにより直接検出される。これにより、マイクロフォンを用いた非接触タイプの固有振動測定装置のように測定結果が暗騒音などの外部環境に障害されることがなく、また、低周波振動も精度良く検出できるので、測定対象であるベルトの振動が高周波振動であると低周波振動であるとに拘わらず高精度な測定が可能になる。したがって、ベルトの固有振動数を広範囲な周波数領域に亘って精度良く測定することができる。
 第2の発明は、第1の発明の固有振動測定装置において、
 上記測定器は、上記ベルトが加振されてから80ミリ秒以上且つ1400ミリ秒以下の期間に上記加速度センサにより検出された加速度に基づき、上記ベルトの固有振動数を測定する
ことを特徴とする。
 加振した直後のベルトの振動は、加振時の衝撃成分などのノイズ成分を多く含んでおり、ベルトの固有振動数を算出するためのデータとして信頼性が低い。上記ノイズ成分は時間の経過に伴い減衰するため、ベルトは時間の経過と共に徐々にベルトの固有振動数を呈する波形で振動するようになる。
 また、ベルトの振動は時間の経過に伴って減衰していき、減衰しきった微弱なベルト振動は、ベルトの固有振動に関係しないノイズ成分が支配的になるため、ベルトの固有振動がノイズ成分に埋もれていて、ベルトの固有振動数を算出するためのデータとして信頼性が低い。
 本発明者らは、ベルトの振動にノイズ成分を多く含む期間がベルトの加振から80ミリ秒程度までの期間であること、また、信頼性の低い減衰しきった微弱なベルト振動に移行するまでの期間がベルトの加振から1400ミリ秒程度までの期間であること、を経験的に見出した。上記第2の発明によれば、加振した直後のノイズ成分を多く含むベルトの初期振動と、ベルトの固有振動がノイズ成分に埋もれた終期振動とを省いてベルトの固有振動数を測定するので、該ベルトの固有振動数をよりいっそう高精度に測定することが可能になる。
 第3の発明は、第1又は第2の発明の固有振動測定装置において、
 上記測定器は、10Hz以上の周波数領域において上記ベルトの固有振動数を決定することを特徴とする。
 ベルトの固有振動に関係しないノイズ成分は、10Hz未満の低周波領域で検出されやすい。上記第3の発明では、このようなノイズ成分が検出されやすい10Hz未満の周波数領域を省いてベルトの固有振動数を決定するので、該ベルトの固有振動数をよりいっそう高精度に測定することが可能になる。
 第4の発明は、第1~第3の発明のいずれか1つの固有振動測定装置において、
 上記測定器は、上記加速度センサにより2.0重力加速度よりも大きな加速度が検出されたときに、上記ベルトが加振されたことを検知する
ことを特徴とする。
 仮に、加速度センサにより2.0重力加速度未満の加速度が検出されたときにベルトが加振されたことを検知すると、ベルトを加振するまでの測定動作や測定環境に起因してベルトに小さな振動が生じた場合にも、ベルトの加振が誤検知されやすく、該振動がトリガーとなって固有振動数の測定が意図せず開始されるため、所望のタイミングでの測定開始が行われないことになる。そうなると、測定エラーとなるか、仮に測定できてもその精度は著しく悪くなる。
 これに対して、第4の発明では、加速度センサにより2.0重力加速度よりも大きな加速度が検出されたときにベルトが加振されたことを検知するので、ベルトを加振するまでの測定動作や測定環境に起因してベルトに生じる小さな振動がトリガーとなって固有振動数の測定が意図せず開始されることを防止することができ、所望のタイミングでベルトの固有振動数の測定を開始することができる。これにより、測定エラーの発生を減らし、且つ、ベルトの固有振動数を正確に測定することができる。
 第5の発明は、第1~第4の発明のいずれか1つの固有振動測定装置において、
 上記加速度センサと上記測定器とは、通信ケーブルにより有線で接続され、
 上記通信ケーブルには、その長さ方向に目盛が設けられている
ことを特徴とする。
 この第5の発明では、加速度センサと測定器とを有線で接続する通信ケーブルに長さ方向に沿って目盛が設けられているので、該通信ケーブルをメジャーとして用いることができる。ベルトの固有振動数を基にして該ベルトの張力を求めるには、当該ベルトが張り渡されたプーリ間のスパン長さが情報として必要になる。本発明によれば、固有振動測定装置と別個にメジャーを準備しなくても、通信ケーブルを利用してベルトが張り渡されたプーリ間のスパン長さを測定することができ、ベルトの張力測定に必要な道具点数を減らすことができる。
 本発明によれば、ベルトに直接取り付けられた加速度センサで検出された加速度に基づいて当該ベルトの固有振動数を測定することにより、該ベルトの振動が加速度センサにより直接検出されるので、ベルトの固有振動数を広範囲な周波数領域に亘って精度良く測定することができる。
図1は、本発明の実施形態1に係る固有振動測定装置の外観構成を示す平面図である。 図2は、本発明の実施形態1に係る固有振動測定装置のハード構成を概略的に示すブロック図である。 図3は、測定対象となるベルトを備えるベルト伝動装置の一例を示す図である。 図4は、本発明の実施形態1に係る固有振動測定装置を用いて計測するベルトの振動による加速度生データを示すグラフ図である。 図5は、本発明の実施形態1に係る固有振動測定装置でサンプリング収集された加速度データをパワースペクトル変換したグラフ図である。 図6は、本発明の実施形態1に係る固有振動測定装置を用いたベルトの固有振動数測定方法を示すフロー図である。 図7は、本発明の実施形態2に係る固有振動測定装置の外観構成を示す平面図である。 図8は、減衰しきった微弱なベルト振動を含む比較的長い時間に亘って加速度信号をサンプリングした場合の加速度データをパワースペクトル変換したグラフ図である。
 以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態の説明は本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
 《発明の実施形態1》
 図1は、この実施形態1に係る固有振動測定装置Sの外観構成を示す平面図である。図2は、この実施形態1に係る固有振動測定装置Sのハード構成を概略的に示すブロック図である。図3は、測定対象となるベルト101を備えるベルト伝動装置100を示す図である。
 この実施形態1に係る固有振動測定装置Sは、例えば図3に示すベルト伝動装置100が備えるベルト101の固有振動数を測定するために使用される。このベルト伝動装置100は、例えば自動車の補機駆動用に用いられる。固有振動測定装置Sで測定されたベルト101の固有振動数は、ベルト伝動装置100におけるベルト101の張力を測定するための情報として利用される。
  -固有振動測定装置Sの構成-
 固有振動測定装置Sは、図3に示す少なくとも2つ(図3に示す例では2つ)のプーリ102,103にベルト101が張り渡されたベルト伝動装置100において、隣り合うプーリ102,103間に位置するベルト101部分をハンマーや指で加振したときの振動から、該ベルト101の固有振動数を測定する。
 測定対象のベルト101は、例えば、厚さ10mm以上のVベルト(ラップドVベルトやローエッジVベルト)などの厚手のベルトである。このような厚手のベルト101を比較的低い張力で緩くプーリ102,103に巻き付けた場合、該ベルト101は、低周波振動を呈するようになる。低周波振動の中でも特に25Hz以下の振動は、マイクロフォンでは検出されないことが多く、音波式の固有振動測定装置では正確に測定することが難しい。
 固有振動測定装置Sは、図1に示すように、ベルト101の振動による加速度を検出する加速度センサ11と、該加速度センサ11により検出された加速度に基づきベルト101の固有振動数を測定する測定器13と、を備えている。これら加速度センサ11と測定器13とは、通信ケーブル15により有線で(例えば、USB(Universal Serial Bus)によって)接続されている。
 加速度センサ11は、ベルト伝動装置100に対し、図3に示すように、隣り合うプーリ102,103の間に位置するベルト101部分の外周面(上面)に取り付けられる。加速度センサ11のベルト101への取付側の面には、両面テープなどからなる繰り返し貼付け可能な粘着面が設けられている。これにより、加速度センサ11は、ベルト101の表面に粘着面を貼り付けるだけで、該ベルト101に簡単に取り付けることができるようになっている。
 この加速度センサ11は、ベルト101の表面に垂直な方向の加速度を検出可能な加速度センサであって、例えば3軸加速度センサである。加速度センサ11としては、安定した加速度の検出が可能なことから静電容量検出方式のMEMS(Micro Electro Mechanical System)型の加速度センサが好適に採用される。
 静電容量検出方式のMEMS型の加速度センサ11は、加速度を検出する検出素子部と、該検出素子部からの信号を増幅及び調整して出力する信号処理回路と、を備えている。前記検出素子部は、シリコン(Si)などの安定した物質で形成され、センサ素子可動部及び固定部を有し、これらセンサ素子可動部と固定部との間の容量変化に基づいて加速度を検出するように構成されている。
 なお、加速度センサ11には、上記静電容量検出方式のMEMS型の加速度センサに代えて、ピエゾ抵抗方式のMEMS型の加速度センサなどの他の検出方式や種類の加速度センサを用いてもよく、ベルト101の表面に垂直な方向の加速度を検出可能であれば1軸又は2軸加速度センサであっても構わない。
 測定器13は、手の平サイズの扁平な形状に形成されており、コンパクトで持ち歩きし易くなっている。測定器13の上側端部には、USBポート(不図示)が設けられていて、該USBポートに通信ケーブル15の一端に設けられたUSBコネクタ(不図示)が接続さている。また、測定器13の前面には、測定したベルト101の固有振動数を表示する液晶ディスプレイなどからなる表示部17、電源スイッチ19やモニタリングスイッチ21などの各種スイッチ、及び電源のON/OFF状態を示すLED(Light Emitting Diode)からなる電源インジケータ23などの状態表示ランプが設けられている。
 さらに、この測定器13は、図2に示すように、マイクロプロセッサであるDSP(Digital Signal Processor)25と、これに電気的に接続されたEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-only Memory)などのメモリ部27と、を内蔵している。
 メモリ部27には、高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform;FFT)演算プログラムを含む、ベルト101の固有振動数を測定するためのプログラムが格納されている。DSP25には、メモリ部27の他にも、上記表示部17、電源スイッチ19やモニタリングスイッチ21などの各種スイッチ、電源インジケータ23などの状態表示ランプが電気的に接続されている。
 そして、DSP25は、メモリ部27から読み出したプログラムに従う制御により、モニタリングスイッチ21や加速度センサ11から入力される加速度信号に応じてベルト101の固有振動数を測定する処理を実行するようになっている。
 図4は、固有振動測定装置Sを用いて計測するベルト101の振動による加速度生データを示すグラフ図である。図5は、固有振動測定装置Sでサンプリング収集された加速度データをパワースペクトル変換したグラフ図である。図8は、減衰しきった微弱なベルト振動を含む比較的長い時間に亘って加速度信号をサンプリングした場合の加速度データをパワースペクトル変換したグラフ図である。
 上記DSP25は、電源スイッチ19が押下されると測定器13を起動させると共に、電源インジケータ23を点灯させる。そして、DSP25は、モニタリングスイッチ21が押下されると、加速度センサ11から入力される加速度信号を監視し、図4に示すベルト101の振動状態のモニタリングを開始する。
 その後、DSP25は、加速度センサ11から入力される加速度信号に基づき、所定の加速度よりも大きな加速度を検出したときに、ベルト101が加振されたことを検知し、その後にベルト101の固有振動数の測定を開始する。
 ベルト101の固有振動数の測定を開始するトリガーとなる上記所定の加速度は、ベルト101を加振するまでの測定動作や測定環境に起因してベルト101に生じる小さな振動がトリガーとなって固有振動数の測定が意図せず開始されることを防止する観点から、2.0G(Gは重力加速度)以上であることが好ましく、3.0G以上であることがさらに好ましい。本実施形態では、トリガーとする上記所定の加速度は、3.0Gに設定されている。
 ベルト101が加振されたことを検知すると、DSP25は、加速度センサ11からの加速度信号をサンプリングして、加速度データの取得を開始する。このときのサンプリング周波数は、例えば3.2kHz程度に設定されている。
 DSP25は、サンプリングした加速度データの記録を、ベルト101の加振が検知されてから80ミリ秒後、つまり256ポイントの加速度データをサンプリングする期間だけ待機した後に開始する。そして、DSP25は、この記録開始から1280ミリ秒の期間Rt、つまりベルト101の加振が検知されてから1360ミリ秒の期間に亘ってサンプリングした加速度データを記録し、合計4096ポイントの加速度データを収集する。
 加振した直後のベルト101の振動は、加振時の衝撃成分などのノイズ成分を多く含んでおり、ベルト101の固有振動数を算出するためのデータとして信頼性が低い。上記ノイズ成分は時間の経過に伴い減衰するため、ベルト101は時間の経過と共に徐々にベルト101の固有振動数を呈する波形で振動するようになる。
 本発明者らは、ベルト101の振動に上記ノイズ成分を多く含む期間がベルト101の加振から80ミリ秒程度の期間であることを経験的に見出した。そこで、本実施形態では、上記のように加振した直後の80ミリ秒に亘るベルト101の初期振動を省いて固有振動数を測定することとした。
 また、ベルト101の振動は時間の経過に伴って減衰していき、減衰しきった微弱なベルト振動(図4で範囲Xに示す振動)は、ベルト101の固有振動に関係しないノイズ成分が支配的になるため、ベルト101の固有振動数を算出するためのデータとして信頼性が低い。
 仮に、減衰しきった微弱なベルト振動を含む比較的長い期間Ltに亘って加速度信号をサンプリングすると、後述するようにサンプリング取得された加速度データに基づいて得られる振動周波数のパワースペクトルでは、図8に示すようにベルト101の固有振動の周波数とは別にピーク(図8で範囲Yに示す)が出来やすい。
 本発明者らは、信頼性の低い減衰しきった微弱なベルト振動に移行するまでの期間がベルト101の加振から1400ミリ秒程度までの期間であることを経験的に見出した。そこで、本実施形態では、上記のように加速度信号のサンプリングをベルト101の加振が検知されてから1280ミリ秒までで打ち切り、固有振動がノイズ成分に埋もれた終期振動を省いてベルト101の固有振動数を測定することとした。
 上述のように加速度データを取得したDSP25は、メモリ部27からFFT演算プログラムを読み出し、サンプリング取得した加速度データ(4096ポイント)に対してFFT演算処理を行い、当該加速度データから図5に示すような振動周波数のパワースペクトルを取得する。そして、DSP25は、パワースペクトルのピークに対応する振動周波数をベルト101の固有振動数として決定する。
 このとき、DSP25は、10Hz未満でパワースペクトルのピークが存在してもこれを無視し、10Hz以上の周波数領域において固有振動数を決定する。ベルト101の固有振動と関係しないノイズ成分は、10Hz未満の低周波領域で検出されやすい。したがって、このように10Hz未満の周波数領域を省いてベルト101の固有振動数を決定することにより、該ベルト101の固有振動数を精度良く測定することができる。
 しかる後、DSP25は、上記のようにして決定された固有振動数を表示部17に表示する。
  -固有振動数の測定方法-
 次に、上記固有振動測定装置Sを用いてベルト101の固有振動数を測定する方法について、図6を参照しながら説明する。図6は、本実施形態におけるベルト101の固有振動数の測定方法を示すフロー図である。
 ベルト伝動装置100におけるベルト101の固有振動数を測定するには、図6に示すように、まず、電源スイッチ19を押下して固有振動測定装置Sの電源をON状態にする(ST1)。そして、加速度センサ11を、図3に示すように、ベルト101の外周面において該ベルト101が張り渡された2つのプーリ102,103の中間位置に対応する箇所又はその近傍に貼って取り付ける(ST2)。
 次いで、モニタリングスイッチ21を押下して加速度センサ11から測定器13に入力される加速度信号の監視を開始する(ST3)。続いて、ベルト101における加速度センサ11の取付け箇所付近、つまりベルト101におけるプーリ102,103間の中程をハンマーで叩いたり指で弾くなどして、該ベルト101を加振する(ST4)。
 このベルト101の加振により測定器13で3.0G以上の加速度信号が検出されると、測定器13は、加速度信号のサンプリングを開始する。そして、測定器13は、加速度信号のサンプリング開始から80ミリ秒待機(ST5)した後、サンプリングデータの記録を開始し、この記録開始から1280ミリ秒に亘る期間Rtに加速度データがサンプリング収集される(ST6)。そして、収集された加速度データに対してFFT演算処理による周波数解析が実行され(ST7)、その結果として得られた固有振動数が表示部17に表示される(ST8)。
 以上のようにして、ベルト伝動装置100におけるベルト101の固有振動数を測定することができる。
  -実施形態1の効果-
 この実施形態1によると、ベルト101に直接取り付けられた加速度センサ11で検出された加速度に基づいて当該ベルト101の固有振動数を測定するので、ベルト101の振動が加速度センサ11により直接検出される。これにより、マイクロフォンを用いた音波式の固有振動測定装置のように測定結果が暗騒音などの外部環境に障害されることがなく、また、低周波振動も正確に検出できるので、測定対象であるベルト101の振動が高周波振動であると低周波振動であるとに拘わらず高精度に測定可能になる。よって、ベルト101の固有振動数を広範囲な周波数領域に亘って精度良く測定することができる。したがって、低周波振動を呈する厚手のベルト101であっても、固有振動数を精度良く測定することができる。
 しかも、この実施形態1によると、固有振動に関係しないノイズ成分を多く含む加振した直後のベルト101の初期振動と、ベルト101の固有振動がノイズ成分に埋もれた終期振動とを省いて該ベルト101の固有振動数を測定し、且つ、ノイズ成分が検出されやすい10Hz未満の周波数領域を省いてベルト101の固有振動数を決定するので、当該ベルト101の固有振動数を正確に測定することができる。
 《発明の実施形態2》
 図7は、この実施形態2に係る固有振動測定装置Sの外観構成を示す平面図である。
 なお、本実施形態では、通信ケーブル15の構成が上記実施形態1と異なる他は固有振動測定装置Sについて上記実施形態1と同様に構成されているので、構成の異なる通信ケーブル15についてのみ説明し、同一の構成箇所及び固有振動数の測定方法については図1~図6に基づく上記実施形態1の説明に譲ることにして、その詳細な説明を省略する。
 固有振動測定装置Sを使用して測定したベルト101の固有振動数を基に該ベルト101の張力を求めるには、当該ベルト101が張り渡された図3に示すプーリ102,103間のスパン長さLが情報として必要となる。そこで、本実施形態に係る固有振動測定装置Sの通信ケーブル15には、図7に示すように、その長さ方向に上記スパン長さLを計測することが可能なように目盛りが設けられている。
  -実施形態2の効果-
 この実施形態2によると、加速度センサ11と測定器13とを有線接続する通信ケーブル15に長さ方向に沿った目盛りが設けられているので、該通信ケーブル15をメジャーとして用いることができる。これにより、固有振動測定装置Sと別個にメジャーを準備しなくても、通信ケーブル15を利用してベルト101が張り渡されたプーリ102,103間のスパン長さLを測定することができ、ベルト101の張力測定に必要な道具点数を減らすことができる。
 なお、上記実施形態1では、DSP25は、ベルト101が加振されてから80ミリ秒以上且つ1360ミリ秒以下の期間Rtにおいて、加速度センサ11から入力される加速度信号をサンプリングした加速度データに基づき、該ベルト101の固有振動数を測定するとしたが、本発明はこれに限らず、ベルト101の固有振動数の測定に利用する加速度データのサンプリング期間は、ベルト101が加振されてから80ミリ秒未満の期間を含んでいてもよく、また、ベルト101が加振されてから1360ミリ秒を超えた期間を含んでいても構わない。
 また、上記実施形態1では、固有振動測定装置Sの測定対象とするベルト101として、Vベルトなどの厚手のベルトを例に挙げたが、本発明はこれに限らず、固有振動測定装置Sは、厚さ5mm以下の平ベルトなどの薄手のベルト101の固有振動数を測定する装置としても、厚さ5mm超且つ10mm未満のベルト101の固有振動数を測定する装置としても、勿論適用することが可能である。
 上記のような薄手のベルト101がプーリ102,103間にショートスパンで巻き掛けられると、当該ベルト101の固有振動は、概ね400Hz~500Hz程度の高周波振動となる場合がある。この場合、音波式の固有振動測定装置では、暗騒音の影響を受けやすく、正確にベルトの固有振動数を測定することが難しいが、上記実施形態1に係る固有振動測定装置Sでは、暗騒音などの外部環境に障害されることがなく、ベルト101の固有振動を高周波振動であっても高精度に測定することができる。
 以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記各実施形態に記載の範囲に限定されない。上記各実施形態が例示であり、それらの各構成要素や測定プロセスの組合せに、さらに色々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
 以上説明したように、本発明は、ベルトの固有振動数を測定する固有振動測定装置について有用であり、特に、ベルトの固有振動数を広範囲な周波数領域に亘って精度良く測定することが要望される固有振動測定装置に適している。
 S    固有振動測定装置
 11   加速度センサ
 13   測定器
 15   通信ケーブル
 17   表示部
 19   電源スイッチ
 21   モニタリングスイッチ
 23   電源インジケータ
 25   DSP
 27   メモリ部
 100  ベルト伝動装置
 101  ベルト
 102,103  プーリ

Claims (5)

  1.  少なくとも2つのプーリにベルトが張り渡されたベルト伝動装置において、隣り合うプーリ間に位置するベルト部分を加振したときの振動から、該ベルトの固有振動数を測定する固有振動測定装置であって、
     上記隣り合うプーリ間に位置するベルト部分に取り付けられて該ベルトの振動による加速度を検出する加速度センサと、
     上記加速度センサにより検出された加速度に基づき上記ベルトの固有振動数を測定する測定器と、を備える
    ことを特徴とする固有振動測定装置。
  2.  請求項1に記載された固有振動測定装置において、
     上記測定器は、上記ベルトが加振されてから80ミリ秒以上且つ1400ミリ秒以下の期間に上記加速度センサによって検出された加速度に基づき、上記ベルトの固有振動数を測定する
    ことを特徴とする固有振動測定装置。
  3.  請求項1又は2に記載された固有振動測定装置において、
     上記測定器は、10Hz以上の周波数領域において上記ベルトの固有振動数を決定することを特徴とする固有振動測定装置。
  4.  請求項1~3のいずれか1項に記載された固有振動測定装置において、
     上記測定器は、上記加速度センサにより2.0重力加速度よりも大きな加速度が検出されたときに、上記ベルトが加振されたことを検知する
    ことを特徴とする固有振動測定装置。
  5.  請求項1~4のいずれか1項に記載された固有振動測定装置において、
     上記加速度センサと上記測定器とは、通信ケーブルにより有線で接続され、
     上記通信ケーブルには、その長さ方向に目盛が設けられている
    ことを特徴とする固有振動測定装置。
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