JP2000258290A - 振動発生体の励振力測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動発生体による励振力を高精度に測定す
る。 【解決手段】 動作することにより振動を発生する振動
発生体６をその非動作状態で加振器１によって加振し、
その振動発生体６の振動に伴う物理量を測定し、得られ
たデータに基づいて前記振動発生体６の励振力を求める
振動発生体の励振力測定方法であって、共振点が測定す
べき振動の周波数範囲より低い弾性支持体８によって前
記振動発生体６を下側から支えるとともに、その振動発
生体６に前記加振器１を所定の接続ブロック１１を介し
て、連結して振動発生体６を加振し、かつその振動発生
体６の振動に伴う物理量を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、エンジンやトラ
ンスミッションあるいはプロペラシャフトなどの動作す
ることによって振動を発生する振動発生体による励振力
を測定する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エンジンや変速機などの回転運動や直線
往復運動をおこなう機器では、質点の偏りや構成部材の
弾性あるいはガタなどが原因となって振動が生じる。そ
の振動を生じさせる力すなわち起振力やその振動の周波
数特性などを知ることは、これらの機器を装着する装置
やマウントなどの設計・製造のために不可欠である。

【０００３】そのための振動特性の測定は、従来、対象
とする機器すなわち供試体を所定の治具に取り付け、そ
の状態で供試体を動作させてその際の振動加速度や周波
数を測定しておこなっている。また、治具に取り付けた
供試体を加振器によって加振することにより供試体の動
作状態を模擬し、その際の供試体と治具との間に働く力
すなわち供試体による加振力を測定することもおこなわ
れている。

【０００４】このように供試体を治具に取り付けると、
その治具を含んだ全体が振動系を構成することになるか
ら、供試体独自の振動特性を知るには、治具の影響を除
去する何らかの処理が必要である。また治具の影響を完
全には除去できず、そのため供試体の振動特性を求める
には困難な作業や処理を余儀なくされ、さらには正確な
振動特性を得ることが困難である。

【０００５】これは、振動する供試体が治具などの支持
構造体に与える力を測定する場合においても同様であ
り、治具が供試体を含む系全体の振動特性に影響を与え
るので、供試体の支持構造が異なれば、供試体から支持
構造に作用する力（伝達力）が相違し、結局、治具を特
定した相対値しか得られない。

【０００６】さらに加振器による起振力を求める場合、
前述した治具などの所定の対象物を加振し、その際の両
者の間で生じる力を測定し、これを加振器で発生する起
振力としている。しかしながら、その力は治具が振動す
ることにより治具の特性が含まれており、結局は、治具
を特定した相対値しか得られない。

【０００７】このような不都合を解消するために、加振
器や供試体による加振力の絶対値、すなわち質量が無限
大の相手材を加振した場合に相手材に対して作用する加
振力（励振力）を測定するための方法および装置を、本
出願人は既に提案した。その提案に係る方法は、加振器
によって加振した場合の加速度がゼロ近傍の点の加振力
を測定し、これを加振器の励振力とする方法である。こ
のようにして励振力の知られた加振器によって、所定の
治具に取り付けた供試体をその治具と共に加振し、その
際の加速度や力を測定し、その振動系の伝達関数を求め
る。ついで、供試体を動作させ、それに伴う振動の加速
度や力を測定する。そして既知の励振力とその励振力で
加振した場合の力や加速度との関係すなわち伝達関数が
知られているので、供試体を動作させて得られた加速度
や力を、その伝達関数で除することにより、供試体によ
る加振力の絶対値すなわち励振力を求めることができ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した本出願人の提
案による方法・装置においても、供試体を治具によって
支持し、その状態で加振器によって加振し、また供試体
を動作させ、その状態で加速度や力を測定する。その場
合、治具が三次元方向に振動し、測定方向に対し、これ
とは異なる方向の振動に伴う加速度が外乱として作用す
ることがある。その結果、治具のこのような挙動が原因
となって測定誤差が生じる可能性があった。

【０００９】また、前述した本出願人が提案した方法で
は、加振器で加振し、所定のデータを得た後に、供試体
を動作させるが、これは、既知の励振力で加振してその
振動系の伝達関数を求め、その伝達関数の逆数を用いて
供試体の励振力を求めるためである。したがって、加振
器で加振する場合の振動特性と供試体を動作させる場合
の振動特性とが同一である必要があり、そのために供試
体を動作させる場合であっても、加振器を治具に連結し
ておく必要が生じる。そのために、例えば、Ｘ，Ｙ，Ｚ
の各軸方向での測定をおこなう場合には、３台の加振器
を必要とすることになって測定に要する設備や費用が増
大し、しかも加振器は一般に、加振方向に対して直交す
る方向に対しては高剛性な構造であるから、互いに直交
する３方向に加振器を連結したままとすると、各加振器
が互いに干渉していずれの方向にも振動させることがで
きなくなる不都合がある。

【００１０】この発明は、上記の事情を背景としてなさ
れたものであり、振動発生体による励振力を高精度に測
定することのできる方法を提供することを目的とするも
のである。

【００１１】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために、請求項１の発明は、動作すること
により振動を発生する振動発生体をその非動作状態で加
振器によって加振し、その振動発生体の振動に伴う物理
量を測定し、得られたデータに基づいて前記振動発生体
の励振力を求める振動発生体の励振力測定方法におい
て、測定すべき振動の周波数範囲の最低値の約１／４よ
り低い共振点となる弾性支持体によって前記振動発生体
を下側から支えるとともに、その振動発生体に前記加振
器を所定の接続ブロックを介して連結して振動発生体を
加振し、かつその振動発生体の振動に伴う物理量を測定
することを特徴とする方法である。

【００１２】したがって請求項１の発明において、供試
体である振動発生体と加振器とが所定の接続ブロックを
介して連結され、両者の間には振動系を構成する部材が
介在しない。ここで接続ブロックは系の振動特性に大き
な影響を与えない小型のものであり、その結果、加振器
で振動発生体を加振した場合および振動発生体を動作さ
せた場合のそれぞれで得られるデータに含まれる外乱が
少なくなり、高精度の測定が可能になる。

【００１３】また、請求項２の発明は、動作することに
より信号を発生する振動発生体をその非動作状態で加振
器によって加振し、また前記振動発生体を動作させ、こ
れら加振器による加振時と振動発生体の動作時との振動
に伴う物理量を測定し、得られたデータに基づいて前記
振動発生体の励振力を求める振動発生体の励振力測定方
法において、前記振動発生体を動作させる際には、前記
加振器に替わる質量体を前記振動発生体に付加すること
を特徴とする方法である。

【００１４】したがって請求項２の発明においては、振
動発生体を動作させて振動を生じさせる場合、加振器が
不要であるが、これに替わる質量体が連結されているの
で、加振器で振動発生体を加振する場合と同様もしくは
実質的に同様な振動系となる。その質量体は、一例とし
て、加振器の可動部と同じ質量分を増した接続ブロック
であり、そのため、測定誤差を生じさせることなく加振
器を取り外すことができ、また加振器の必要数を少なく
して測定装置のコストの低廉化を図ることができる。

【００１５】さらに、請求項３の発明は、動作すること
により振動を発生する振動発生体をその非動作状態で加
振器によって加振し、その振動発生体の振動に伴う物理
量を測定し、得られたデータに基づいて前記振動発生体
の励振力を求める振動発生体の励振力測定方法におい
て、測定するべき振動の方向に対して剛性が低く、かつ
その方向に対して交差する方向での剛性が高い支持部材
によって前記振動発生体を保持した状態で、前記振動発
生体を加振し、もしくは振動発生体を動作させて振動に
伴う物理量を測定することを特徴とする方法である。

【００１６】したがって請求項３の発明においては、振
動発生体を支持部材によって保持し、その状態で加振器
によって加振し、もしくは振動発生体を動作させて振動
を生じさせ、かつ必要な物理量を測定するが、その支持
部材の剛性が、測定するべき振動の方向に対して低く、
これに交差する方向で高いので、得られるデータに含ま
れるノイズ成分が少なくなり、その結果、測定精度が高
くなる。

【００１７】

【発明の実施の形態】つぎにこの発明を図面を参照して
より具体的に説明する。この発明の方法は、前述したよ
うに、本出願人が既に提案した方法を前提として実施で
きるものであるから、先ず、その前提とする方法につい
て簡単に説明する。

【００１８】本出願人が既に提案した方法は、加振器の
励振力すなわち無限大の質量を加振した場合の加振力を
測定し、その既知の励振力で供試体である振動発生体を
加振した場合の伝達関数を求める。ついで、供試体を動
作させて振動を生じさせ、得られたデータを伝達関数で
除することにより、供試体の励振力を求める。

【００１９】その加振器の励振力は、加振器で適宜の振
動体を加振した場合の共振点の間に存在する振動加速度
がゼロの点での加振力である。図２は加振器１で治具２
を加振している状態を模式的に示しており、この加振器
１は、例えば永久磁石を備えたアーマチャの外周側に電
磁コイルを配置し、その電磁コイルに適宜の周波数の交
流電流を印加することにより、軸線方向に前後動する推
力をアーマチャに生じさせるように構成されている。ま
た、治具２は、図示の例では、比較的面積の広い平板体
であって、図３に示すようにマトリックス状に多数の測
定点３が設けられている。この治具２は、図２に示すよ
うに定盤４上に垂直に立てて所定のブロック５によって
保持され、加振器１が連結されて加振される。ここで、
比較的面積の広い平板体である治具２を加振することと
したのは、このように平板体は複雑に振動して多数の共
振点を持っているため、加速度がゼロもしくはその近傍
の点も多数有り、その結果、その点での加振力であるデ
ータが多数得られるからである。

【００２０】上記の加振器１で治具２を加振して加振点
の加速度を測定する。得られた加速度と周波数との関係
は例えば図４に示すようになる。すなわち加速度が極大
値となる共振点の間に加速度がゼロ近傍になる点が存在
する。その加速度がゼロ近傍になる周波数での加振力を
所定のグラフ上にプロットする。そして、こうして求め
られた加振力の中間の値を、近似曲線で補間する。その
近似式の一例は、

【式１】 で示され、最小二乗法によりω0 、ζ、ＦＫ4j(0)の３
つの未知数を決定する。なお、ω0 は加振器アーマチャ
共振周波数、ζは加振器アーマチャ減衰係数、ＦＫ4j
(0)は加振力（強制力）の０切片であり、式１ではこれ
らを未知数として取り扱う。

【００２１】実質的に無限大の質量を加振した場合の励
振力は、ある周波数までは周波数が高いほど増大し、し
たがって上記のようにして加速度ゼロ近傍の点での加振
力をつないだ線が、実質的に無限大の質量体を加振した
場合の各周波数での加振力を表す。なお、このような無
限大の質量体を加振した場合の加振力は、複数の加振入
力レベルごとに求める。このようにして求めた周波数ω
ごとの励振力Ｆの例を図５に示してある。

【００２２】この発明の方法では、このようにして励振
力の知られた加振器１によって振動発生体である供試体
６を加振し、その際の各周波数ごとの加振力や加速度な
どの振動に伴う物理量を測定する。その供試体６の加振
状態を図１に示してある。すなわち基台７，７の上に、
弾性支持部材であるエアーバネ８，８が固定されてお
り、そのエアーバネ８，８の上に供試体６が載せられて
いる。これらのエアーバネ８，８は、供試体６を下から
支持する部材であって、供試体６の３次元方向への移動
を自由に生じさせるように構成されており、特にその共
振点は、測定するべき振動周波数の範囲の最低値の約１
／４よりも低周波数側になるように設定されている。な
お、共振点がこの程度に低い構造のものであれば、エア
ーバネ８，８以外の支持部材であってもよい。

【００２３】一方、加振器６は、所定の基台９上に載せ
て固定し、そのアーマチャを供試体６の予め決めた加振
箇所に接続ブロック１１を介して連結する。そしてその
加振点にインピーダンスヘッド（３軸加速度センサー）
などのセンサー１０を取り付ける。この状態で加振器１
に適宜の周波数の交流電流を印加して供試体６を加振
し、その際に検出された加速度と加振器１の励振力とに
基づいて伝達関数を求める。なお、加速度や加振力の測
定は、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚの３つの方向のいずれ
かの方向に加振している場合に３方向のすべてについて
加速度や加振力を測定し、これをＸ，Ｙ，Ｚの３方向の
加振の際にそれぞれおこなう。結局、１つの測定部位に
ついて９つの測定をおこなう。なお、接続ブロック１１
は、系の振動特性に影響を与えない小型のものである。

【００２４】その場合、供試体６を含む系全体の振動特
性を変化させないために、Ｘ，Ｙ，Ｚの３方向の加振を
おこなうための加振器１をそれぞれ取り付けたままとす
ることが必要となる。しかしながら、加振器１のアーマ
チャは一方向にのみ往復運動するように構成されている
ので、互いに直交する３方向に加振器１を連結した状態
では、各アーマチャに対する直交方向の振動が規制され
るために、結局、いずれの方向にも自由な振動ができな
くなってしまう。そこで、このような不都合を解消する
ために、供試体６を運転する場合には図６に示すよう
に、加振器１に替えて、加振器１の可動部の質量分だけ
重くした接続ブロック１１を、供試体６に取り付ける。
このようにすれば、供試体１の自由な振動が規制されな
いので、正確な振動の測定をおこなうことができる。

【００２５】加振器１によって供試体６を加振し、所定
のデータを取った後、供試体６を動作させ、その際の振
動について、各周波数ごとに、かつＸ，Ｙ，Ｚの３方向
の加速度を測定する。得られた加速度をＡ、前記伝達関
数をＨとすると、供試体６が動作することにより振動で
発生する励振力Ｆは、

【式２】 の行列式の演算で求められる。

【００２６】上記のようにして測定をおこなうこの発明
に係る上記の方法では、加振器１が供試体６に小型の接
続ブロック１１のみが連結されているので、外乱要因が
少なくなる。また、供試体６を支持しているエアーバネ
８により系の共振点が低くなるので、測定データに基台
７からの外乱が入らず、もしくは無視できる程度に抑制
される。その結果、上記の方法では、高精度な測定をお
こなうことができる。

【００２７】ところで供試体を加振する場合や供試体を
動作させて振動を生じさせる場合、その供試体を何らか
の手段で支持する必要があり、上述した例では、エアー
バネによって下側から支える構造とした。この発明で
は、これに替えて、以下に述べる構造の支持部材を使用
して供試体６を支持して測定をおこなってもよい。

【００２８】すなわちセンサーが所定の測定方向に往復
移動することにより加速度を測定することができるので
あるから、測定方向とは異なる方向にセンサーが移動す
れば、これが外乱となって測定精度が低下することにな
る。したがって供試体を支持する支持部材の剛性を、測
定方向に対して低く、これとは異なる方向では高くすれ
ば、センサーが測定方向以外には移動しにくくなって、
検出される信号に含まれるノイズ成分が小さくなる。

【００２９】図７に示す構成の支持部材１２は、リング
状の基体部１３における中心軸線に沿う方向の支持剛性
を低くし、これとは異なる方向での支持剛性を高くした
構造のものである。すなわち基体部１３の円周上の４箇
所で鉛直線に対して４５度傾斜した位置に、基体部１３
の半径方向で互いに対向する薄板状のそれぞれ１対のア
ーム１４が、軸線方向に延びて取り付けられ、各アーム
１４の先端部にブロック１５が取り付けられている。ま
た、各ブロック１５には、基体部１３の軸線方向に直角
で互いに対向する薄板状のそれぞれ１対のサブアーム１
６が、基体部１３の中心軸線に向けて延びて取り付けら
れている。これらのサブアーム１６の先端部に、基体部
１３の中心軸線に中心部を一致させた可動ブロック１７
が取り付けられている。

【００３０】したがって、前記ブロック１５を基体部１
３に対して取り付けている各アーム１４は、その板厚方
向に対して容易に変形するがその幅方向（面方向）には
殆ど変形しないうえに、これらのアーム１４が互いに円
周方向に９０度の間隔で設けられているので、全体とし
て上下方向および左右方向に対しての剛性が高く、これ
らの方向への移動が規制される。また、前記ブロック１
５から中心軸線方向に延びたサブアーム１６は、その板
厚方向にのみ変形しやすい構造であるから、結局、その
先端部に取り付けられた可動ブック１７は、基体部１３
の軸線方向に対して低剛性で支持され、これとは直交す
る方向に対して高剛性で支持されている。

【００３１】この支持部材１２を使用した供試体６につ
いての振動の測定状態を図８に示してある。供試体６
は、前記可動ブロック１７から突出された連結桿１８の
先端部に固定され、懸吊状態で保持されている。これに
対して加振器１は、その可動ブック１７に前記基体部１
３の中心軸線に沿って連結され、さらに可動ブロック１
７に加速度センサーなどのセンサー１０が取り付けられ
ている。したがって測定方向は図８の左右方向すなわち
基体部１３の中心軸線に沿う方向である。

【００３２】図８に示す状態で加振器１を駆動して供試
体６を加振し、あるいは供試体６を動作させて振動させ
た場合、加振器１および供試体６を連結してある可動ブ
ロック１７が、前記基体部１３の軸線方向に容易に変位
し、これとは異なる方向に対して高い剛性で支持されて
いて変位しにくくなっているので、可動ブロック１７に
取り付けられているセンサー１０によって得られる信号
中のノイズ成分が少なくなる。例えば、加振器１で加振
した場合の加速度は、図９に示すように、測定方向では
比較的低い周波数域で高い値を示し、これとは異なる方
向では高い周波数域で大きくなる。したがって図９に示
す低周波数域ｆでは、Ｓ／Ｎ比が大きくなるので、この
範囲のデータを使用することにより、高精度の測定をお
こなうことができる。

【００３３】なお、ノイズあるいはクロストークは、セ
ンサーが測定方向とは異なる方向に振動することによっ
て生じるから、支持部材はこのようなセンサーの挙動を
防止するために、剛性の異方性を備えていれば良く、し
たがって図１０に示す構成であっても良い。この図１０
に示す構成を具体的に説明すると、基盤１９の上にベア
リング式のリニアスライダー２０が取り付けられてお
り、可動部２１がそのリニアスライダー２０の可動部分
に取り付けられている。

【００３４】振動の測定をおこなう場合、その可動部２
１に加振器および供試体が連結され、供試体はこの可動
部２１を介して支持される。また、センサーはこの可動
部２１に取り付けられる。したがってセンサーは、可動
部２１と共に一方向にのみ容易に変位し、これとは異な
る方向に対して移動が規制されるので、ノイズに対して
シグナルが充分高くなり、その結果、図７に示す支持部
材１２を用いる場合と同様に、高精度の測定をおこなう
ことができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、供試体である振動発生体と加振器とが所定の接続
ブロックを介して連結されるので、加振器で振動発生体
を加振した場合および振動発生体を動作させた場合のそ
れぞれで得られるデータに含まれる外乱が少なくなり、
高精度の測定が可能になる。

【００３６】また、請求項２の発明によれば、振動発生
体を動作させて振動を生じさせる場合、加振器が不要で
あるが、これに替わる質量体が付加されているので、加
振器で振動発生体を加振する場合と同様もしくは実質的
に同様な振動系となり、そのため、測定誤差を生じさせ
ることなく加振器を取り外すことができ、加振器の必要
数を少なくして測定装置のコストの低廉化を図ることが
でき、また同時に高精度の測定をおこなうことができ
る。

【００３７】さらに、請求項３の発明によれば、振動発
生体を支持部材によって保持し、その状態で加振器によ
って加振し、もしくは振動発生体を動作させて振動を生
じさせ、かつ必要な物理量を測定するが、その支持部材
の剛性が、測定するべき振動の方向に対して低く、これ
に交差する方向で高いので、得られるデータに含まれる
ノイズ成分もしくはクロストーク成分が少なくなり、そ
の結果、精度の高い測定をおこなうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の方法を実施している状況の一例を
示す図である。

【図２】 加振器による励振力を測定するために加振器
で治具を加振する状態を示す側面図である。

【図３】 その治具の斜視図である。

【図４】 その治具を加振した場合の加速度の測定結果
の一例を示す線図である。

【図５】 加振器の入力レベルごとの励振力の測定結果
であるマップの例を示す図である。

【図６】 この発明の方法において加振器の可動部の質
量分重くした接続ブロックを取り付けた状態を示す図で
ある。

【図７】 この発明の方法を実施するために使用する支
持部材の一例を示す斜視図である。

【図８】 その支持部材を使用したこの発明の方法の一
例を示す側面図である。

【図９】 その加速度の測定結果を示す図である。

【図１０】 この発明の方法で使用することのできる支
持部材の他の例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１…加振器、 ２…治具、 ６…供試体（振動発生
体）、 ８…エアーバネ、 １０…センサー、 １１…
接続ブロック、 １２…支持部材、 １９…基盤、 ２
０…リニアスライダー、 ２１…可動部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒木 隆正 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 2G064 AA15 AB01 AB02 AB07 AB08 AB11 AB12 AB23 BA02 BA03 BA21 BD02 CC41 CC45 DD32

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動作することにより振動を発生する振動
   発生体をその非動作状態で加振器によって加振し、その
   振動発生体の振動に伴う物理量を測定し、得られたデー
   タに基づいて前記振動発生体の励振力を求める振動発生
   体の励振力測定方法において、 測定すべき振動の周波数範囲の最低値の約１／４より低
   い共振点となる弾性支持体によって前記振動発生体を下
   側から支えるとともに、その振動発生体に前記加振器を
   所定の接続ブロックを介して連結して振動発生体を加振
   し、かつその振動発生体の振動に伴う物理量を測定する
   ことを特徴とする振動発生体の励振力測定方法。
2. 【請求項２】 動作することにより信号を発生する振動
   発生体をその非動作状態で加振器によって加振し、また
   前記振動発生体を動作させ、これら加振器による加振時
   と振動発生体の動作時との振動に伴う物理量を測定し、
   得られたデータに基づいて前記振動発生体の励振力を求
   める振動発生体の励振力測定方法において、 前記振動発生体を動作させる際には、前記加振器に替わ
   る質量体を前記振動発生体に付加することを特徴とする
   振動発生体の励振力測定方法。
3. 【請求項３】 動作することにより振動を発生する振動
   発生体をその非動作状態で加振器によって加振し、その
   振動発生体の振動に伴う物理量を測定し、得られたデー
   タに基づいて前記振動発生体の励振力を求める振動発生
   体の励振力測定方法において、 測定するべき振動の方向に対して剛性が低く、かつその
   方向に対して交差する方向での剛性が高い支持部材によ
   って前記振動発生体を保持した状態で、前記振動発生体
   を加振し、もしくは振動発生体を動作させて振動に伴う
   物理量を測定することを特徴とする振動発生体の励振力
   測定方法。