JPH02163629A - 動釣合試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は、剛性の高い軸受構造を有するハードタイプ
の動釣合試験機に関する。

Ｂ、従来技術 従来のハードタイプの動釣合試験機においては、不釣り
合い検出器（ピックアンプ）として圧電素子型ピックア
ップ（ロードセルなど）を使用していた。

Ｃ１発明が解決しようとする課題 しかしながら、圧電素子型ピックアップは、その感度が
１００〜１．ｏｏｏｐ　Ｃ７０（ｐ　Ｃはピコクーロン
、Ｇは重量加速度）と極めて低く、出力インピーダンス
が非常に高いために（ＭΩのオーダー）、その出力信号
は非常に微弱である（μ■のオーダー）。

また、圧電素子型ピックアップは、周波数応答領域が非
常に広いという特性をもっているのであるが、ハードタ
イプの動釣合試験機において必要な周波数領域は低周波
領域に限られており、圧電素子型ピックアップでは、試
験に必要のない高周波信号成分をも検出してしまうので
、軸受のベアリングや試験機の基礎等から伝わる雑振動
であるノイズのレベルが高い。

以上の相乗により、不釣り合い検出器として圧電素子型
ピックアップを用いた従来の動釣合試験機においては、
Ｓ／Ｎ比が悪いという問題があっこの発明は、ハードタ
イプの動釣合試験機におけるＳ／Ｎ比を改善することを
目的とする。

０１課題を解決するための手段 この発明は、このような目的を達成するために、次のよ
うな構成をとる。

すなわち、この発明は、剛性の高い輪受構造を有するハ
ードタイプの動釣合試験機において、回転中の試験体の
不釣合いを検出する不釣り合い検出器としての速度比例
型振動検出器と、この速度比例型振動検出器の出力信号
を時間について３重積分する手段と、プリセットされた
軸受・釣り合い修正面間距離、軸受間距離および修正半
径と前記３重積分の値とから動不釣り合いを演算する手
段とを備えたことを特徴とするものである。

Ｅ１作用 この発明の構成による作用を、従来例との比較をもまし
えて説明する。

第３図に基づいて修正面分離の演算式を求める。

第３図において、１は試験体、２．．２Ｒは試験体１の
軸部を回転自在に軸支する左右の軸受、３Ｌ、３ｍは軸
受２Ｌ、２Ｒを支持する剛性の高いバネである。

試験体１に不釣り合い質量が存在すると、試験体１の回
転に伴って試験体１に遠心力が発生し、この遠心力に起
因した力が軸受２＋−，２Ｒに作用し、バネ３１．３−
に抗して軸受り、、２Ｒが振動する。

従来では、軸受２．．２Ｒに作用する力を力検出型不釣
り合い検出器である圧電素子型ピックアップで検出して
いたのに対し、この発明では遠心力に起因して軸受２１
．．２Ｍに起こる振動を速度比例型振動検出器（例えば
ムービングコイル型ピックアップ：図示せず）で検出す
る。

試験体１上における左右の釣り合い修正面Ｉ、。

Ｒにおいて、それぞれ修正半径、１　＋、　、　　、＋
ＩＩの位置に、不釣り合い質量ｍ　ｌ、　＋　ｍ　＊が
存在しているとする。各バネ３１．．３．のバネ定数を
それぞれに、、、に、とじ、また、試験体１の回転軸の
方向に沿って左側の軸受２Ｌの中心から左側の釣り合い
修正面し、右側の釣り合い修正面Ｒまでの軸方向距離を
それぞれａ、ｂとし、左右軸受２Ｌ、２゜の中心間の距
離（軸受間距離）をＣとする。

試験体１を角速度ωで回転させたときに、左右の釣り合
い修正面［７，Ｒの位置に作用する遠心力をそれぞれｐ
ｔ　、ＦＲ１左右の軸受２の位置に作用する力をそれぞ
れＴ！４．ν８とする。

左右の釣り合い修正面り、Ｒに作用する遠心力り、ｉＦ
＋＋　は、 Ｆ　Ｌ　”’　ｍ　Ｌ　？　＋　ω２　　　　　・・・
・・・・・・・・・・・・・■Ｆ　Ｈ’＝　ｍ　ｕ　ｉ
”　ｔｒω２　　　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・■また、左右の軸受２ｔ、２Ｒの振幅変位を７
Ｌマ□とすると、左右の軸受２Ｌ、２Ｒが受けるカシ４
．ν、は、 ら−＝ｋＬマｃ＝にマ７．　　　・・・・・・・・・・
・・・・・・・・■ｐｍ−に＊羽′８−にマ、　　　　
・・・・・・・・・・・・・・・・・・■ただし、ここ
では、ｋ＋、＝ｋＲ＝にとしである。

左右の動不釣り合いυ１．υ、は、 Ｕｔ　＝ｍ、γ」　　　　　　　・・・・・・・・・・
・・・・・・・・■ＵＲ＝ｍＨ７ｇ　　　　　　　　・
・・・・・・・・・・・・・・・・・■０．０式、■、
■式から、それぞれ、 ｖＬ−徂ω２　　　　　　　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・■ＦＲ−Ｕ、ω２　　　　　　　・・・・
・・・・・・・・・・・・・・■静力学の力の釣り合い
の条件から、 ＹＬ　＋ｐ　ｔ　＋　’ｐ”＊　十Ｆ　Ｒ−Ｑ　　・・
・・・・・・・・・・・・・・・・■左側の修正面しま
わりでのモーメントの釣り合いの条件から、 ＦＬ　ａ　−ＦＴｌ　　（ｂ−ａ）　＋’ＦＲ（Ｃ−ａ
）　＝０・・・・・・・・・・・・・・・・・［相］ま
た、右側の修正面Ｒまわりでのモーメントの釣り合いの
条件から、 ＦＬｂ＋ｐ、（ｃ−ｂ）　−ＦＬ−（ｂ−ａ）＝０・・
・・・・・■ ■１■、■、■式を［相］式に代入すると、ａｋマ、　
　（ｂ　　ａ）ＴＪｉω” ＋（ｃ−ａ）ｋマ。−Ｏ・・・・・・・・・・・・・・
・・・・＠■、■、■、■式を０式に代入すると、ｂｋ
マ、−１−（ｃ−ｂ）ｋマ、 −（ｂ−ａ）υ、ω２−０　・・・・・・・・・・・・
［相］■、ｏ式から、マ、−、マ、を求めると、（ｃ−
ａ）＋ｂ （〔 ｂ）１１１Ｒ ｃ ・・・・・・・・・・・・・・・・・０ｃ ・・・・・・・・・・・・・・・・■ ムービングコイル型ビックアンプは、速度比例型振動検
出器であり、コイルの速度ひいては角速度ωに比例した
電圧ｆｆ、、、ｉ！、を発生する。すなわち、 ヴ１．　ＱＣ７１ω　　　　　　　　　・・・・・・・
・・・・・・・・・・・■ぽＲＯＣマ×ω　　　　　　
　　　・・・・・・・・・・・・・・・■ここで、定数
Ａ、Ｂ、Ｃ５Ｄを、 ｃ ｃ ｃ ｃ とすると、電圧ぽ１．ビ、は、■、＠式、■、■弐から
、 ぎＬ　＝　（ＡＵｌ、　＋ＢＵ１１　）　ω”　　・、
、、、、、、−、−、、、＠ｆ＊　−（ｃＱｔ、　＋Ｄ
ＵＲ）ω３　・・・・・・・・・・・・・・・■と表せ
る。

すなわち、速度比例型振動検出器の発生電圧Ｅ！、、Ｐ
’、は、動不釣り合いＵ’Ｌ＋　υ８の連立−次間数に
比例し、かつ、角速度ωの３乗に比例する。

ここで、電圧色１　ぽ２を、Ｓｉｎ関数で表現すると、 ＥＬ　＝Ｅ＋、６　ｓｉｎ　（６Ｊ　ｔ−φ、）ＥＲ＝
Ｅ）、（、ｓｉｎ　（ωを一φ７）これらＥ、、、ＥＲ
を時間りについて３重積分すると、 ＬＯ ５ＳＳＥＬｄｉ”　　＝　　　　　　　ｃｏｓ　（ωＬ
−φＬ　）ω３ ＲＱ ＳＳＳＥＲｄｔ３＝　　　　　　ｃｏｓ　（ωｔ−φ、
）ω３ となり、その大きさは、元のｊ／ω３となる。

したがって、０重■式からω３が消去され、５ＳＳＥｔ
　ｄｔ３＝ＡＵＬ→−ＢＵ、　　・・・・・・・・・・
・・・・・・・・［相］５ＳＳＥＲｄｔ３＝ｃｕｔ、　
＋ＤｔＪｗ　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
［相］となる。［相］、＠式から、ＵＬ、ＬＩＲを求め
ると、すなわち、左右の速度比例型振動検出器からの出
力電圧ｉ！、、、ｆえを３重積分した値に基づいて左右
の動不釣り合いＵＬ、υ８を測定することができる。

これに対し、圧電素子型ピックアップの場合には、発生
電圧は動不釣り合い量ｍ７とω２とに比例し、積分は２
重積分となる。

積分は、速度比例型振動検出器からの人力信号を時間的
に伸ばすものであることから、積分によってノイズ成分
が除去される。

この発明は、ハードタイプの動釣合試験機において速度
比例型振動検出器（ムービングコイル型ピンクアップ）
を採用したことから、発生電圧がω３に比例するという
特質をもち、これに起因して３重積分を行うこととなっ
たのであるが、３重積分するということは、圧電素子型
ピックアップの場合の２重積分と比べて、雑音抑制効果
が積分１回分価れているということである。

０、ｏ式は、後述する［相］、■式と等価であるが、動
不釣り合いυ１．υ７の詳しい求め方を次に説明する。

０．０重０，０式を［相］式、■式に代入してそれぞれ
Ｕ、、、Ｕ、を求めると、 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・＠・・・・・・
・・・・・・・・・・・・＠［相］、■式において、σ
１１．υ７とも、右、右に掛かる係数は影響係数と呼ば
れるものであるが、ここで、注目すべきことは、マＬ／
ω２．マ。／ω２のＩ／ω２については、前述のように
ぎ、（■’５２＋−Ｑ）　）　、　ぎＲ（ｃｃマ□ω）
の３重積分によって消去され、また、影響係数のうち、
バネ定数ｋ　Ｃ＝ｋＬ＝に＊　）は既知であるから、ハ
ードタイプの動釣合試験機においては、その不釣り合い
検出器として速度比例型振動検出器を用いた場合でも、
修正面分離演算に入ってくる定数はすべて寸法（距離ａ
、ｂ、ｃ）のみであるということである。

距１ａ、ｂ、ｃは動釣合試験機を駆動するまでもなく容
易に求めることができるから、結局、動釣合試験機を駆
動して左右の速度比例型振動検出器によって左右の振幅
変位マ４．マ□を前述の＠。

０式に基づいて発生電圧ｆｆＬ、ｆｆ、から測定し、そ
の振幅変位マ４．マ、から［相］、■式に基づいた修正
面分離演算によって、左右の動不釣り合いＴＪ＋−、ｊ
ｌ＋＋を求めることができるのである。

ソフトタイプの動釣合試験機においては、修正面分離演
算に入ってくる定数として、寸法のほかに、質量１慣性
モーメント等があり、そのため、試験体が変わるたびに
試し重りを使用した予備駆動を必要とするが、この発明
の場合には、予備駆動は一切不必要である。

次に、振動系の固有振動数と試験回転数との関係につい
て見る。

試験体１の質量をＭ、軸受２Ｌ、２Ｒ，振動架台等の試
験体１以外のバネ３１．３Ｒ上の質量（寄生質量）をＭ
ｏ、バネ定数をｋ、不釣り合いの大きさの別の表現であ
る偏重心距離をｅとすると、その試験体１を角速度ωで
回転したときの遠心力Ｆは、 Ｆ＝Ｍｅωま ただし、偏重心距離ｅば、不釣り合い質量をｍ、不釣り
合い半径をｒとして、 ｒ である。

このときの軸受振幅ＸＯ（振幅変位Ｘ−χ。・３ｉｎ　
　（ωｔ−θ））の運動方程式は、減衰係数をρとする
と、 ｄｉ”　　　　　　　　ｄｔ ＝Ｍｅω”　　ｃｏｓωｔ に ωＣ Ｍ　十Ｍ　。

ρ ω η　８ ωＣ と置いて、解を求める。なお、ω。はこの振動系の固有
振動数、ζはダンピングである。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・［相］不釣り合
い検出器がソフトタイプの場合は、ω≧３ω。の領域で
成立し、このとき、［相］式は、と近似される。また、
ハードタイプの場合は、ω≦ωｃ／３の領域で成立し、
このとき、［相］式は、と近似される。

このように、ハードタイプの場合には、使用周波数領域
が低周波領域に限られているにもかかわらず、圧電素子
型ピックアップは、固有振動数６Ｊｃの数十倍〜百倍の
オーダーの広い周波数領域で応答するため、ノイズレベ
ルが高かったのである。

これに対し、この発明の速度比例型振動検出器は、その
周波数応答領域が固有振動数ω。程度であるため、ノイ
ズレベルが低くなる。

また、速度比例型振動検出器であるムービングコイル型
ピックアップは、永久磁石の磁束密度を高めること、コ
イルの巻数を増加すること等により容易にその感度を高
めることができる。したがて、その出力インピーダンス
を圧電素子型ピックアップに比べて１０−”〜１０−’
倍と充分に低くして（ＫΩのオーダー）、その信号レベ
ルを高くできる（Ｖのオーダー）。

このように、この発明は、ハードタイプの動釣合試験機
において、不釣り合い検出器として、ムービングコイル
型ピックアップ等の速度比例型振動検出器を用いている
から、従来の圧電素子型ビツクアップに比べて、出力イ
ンピーダンスが低く、かつ、周波数応答領域が狭いので
、Ｓ／Ｎ比が改善されるのである。

Ｆ、実施例 以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図はこの発明の実施例に係る動釣合試験機のフ′ロ
ンク図である。

ヘルド等を介してモータによって回転される試験体】の
軸部を回転自在に軸支する左右の軸受２Ｌ、２Ｒが剛性
の高いバネ３Ｌ、３Ｒで支持されている。試験体１の回
転に伴って不釣り合いのために試験体１に生じる遠心力
に起因して軸受２、、．２Ｒに作用する振動を速度比例
型振動検出器としてのムービングコイル型ピンクアンプ
４Ｌ４Ｒで検出するように構成しである。

ムービングコイル型ピンクアップ４Ｌ、４Ｒの出力信号
ヴ、、＝（Ａ口、＋Ｂ口、Ｒ）ω３．ぎ。−（０口、＋
ＤＵＲ）ω３をプレアンプ５によって増幅し、プレアン
プ５の出力信号を積分器６ａとバンドパスフィルタ付き
２重積分器６ｂとによって時間について３重積分するよ
うに構成しである。

この３重積分によって１／ω１にし、信号から角速度ω
の成分を消去し、動不釣り合いＵＬ、Ｕ。

のみに関与する成分を取り出すとともに、雑音を除去す
る。

試験体１の表面に印したフォトマーク７を試験体１の１
回転ごとに検出するフォトセンザ（基準位相検出器）８
が周波数逆変換器９に入力されるが、この周波数逆変換
器９は、不釣り合い質量の存在する位相ごとに出力され
るパルスの周波数に反比例した周波数信号をチョッパ信
号として、パン］゛バスフィルタ付き２重積分器６ｂと
次段の同期整流器１０に出力する。

そして、チョッパ信号は、バンドパスフィルタ付き２重
積分器６ｂおよび同期整流器１０に入力されるピックア
ップ信号から試験体Ｉの回転数に同期した周波数成分す
なわち動不釣り合い信号を抽出し、左側の釣り合い修正
面Ｉ、に係る互いに直角なＸ成分とＸ成分および右側の
釣り合い修正面Ｒに係るＸ成分とＸ成分とを同期整流器
１０から直流電圧として出力する。

これら左右のＸ成分およびＸ成分はマルチプレクサ付き
Ａ／Ｄ変換器１１によってサイクリックに順次切り換え
られてＡ／Ｄ変換され、そのデジタルデータはマイクロ
コンピュータにおけるＣＰＵ１２に導入される。

ＣＰｔＪ］２には、プログラムを格納したＲＯＭおよび
各種データを記憶するＲＡＭからなるメモリ１３と、測
定条件、測定結果等を表示する表示部１４と、測定条件
、測定データの処理方法等を入力するキーボード１５が
接続されている。

軸受・釣り合い修正面開路Ｍａ、ｂ、軸受間距離Ｃおよ
び修正半径ｒＬ、ｒＲは、キーボード１５を介してメモ
リ１３にブリセントされている。

ＣＰＵ１２は、これらプリセットされたデータと、導入
した２組のＸ成分およびＸ成分とから修正すべき動不釣
り合い量ＵＬ、υや、すなわち、不釣り合い質量ｍ＋、
、ｍＲと不釣り合い角度φ１．φ８を演算によって算出
し、その結果をメモリ１３に記憶するとともに表示部１
４に表示する。

なお、第２図は、第１図におけるバンドパスフィルタ付
き２重積分器６ｂのうち左右いずれか一方のピックアッ
プ信号に対する回路部分の詳細を示す。

オペアンプＯＰ、　　コンデンサＣ１，抵抗Ｒからなる
積分器６ｂ＋　の入力側にスイッチングトランジスタＴ
、が接続され、オペアンプＯＰ、。

コンデンサＣｚ、抵抗Ｒ２からなる積分器６ｂ。

の入力側に接続されたスイッチングトランジスタＴ２を
介して積分器６ｂ、と積分器６ｂｚとが接続され、オペ
アンプＯＰ、、抵抗Ｒ，，Ｒ，からなるインバータ６ｂ
、が出力段に接続され、インバータ６ｂｉの出力がスイ
ッチングトランジスタＴ、のドレインに正帰還されてい
る。

スイッチングトランジスタＴ２のソースに積分器６ａか
ら１目積分された信号が入力され、スイッチングトラン
ジスタＴ、、Ｔ、のゲートに周波数逆変換器９からのチ
ョッパ信号が入力されている。

積分器６ｂ、、６ｂ、の時定数が測定周波数とマンチす
るとき、スイッチングトランジスタＴＴ２は測定周波数
に反比例したデユーティファクタでＯＮ、ＯＦＦを繰り
返す。

なお、上記実施例では積分器をハードウェアで構成した
が、プログラムによるソフトウェアでも実現可能である
。

Ｇ０発明の効果 この発明によれば、次の効果が発揮される。

すなわち、ハードタイプの動釣合試験機において、不釣
り合い検出器として、ムービングコイル型ピンクアップ
等の速度比例型振動検出器を用いたので、従来の圧電素
子型ピンクアップに比べて、出力インピーダンスを低く
でき、かつ、周波数応答領域が狭いので、Ｓ／Ｎ比を改
善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に係る動釣合試験機のブロン
ク図、第２図はバンドパスフィルタ付き２重積分器の回
路構成図、第３図はこの発明の作用説明に供する原理図
、である。 １・・・試験体 ２、．２Ｒ・・・軸受 ３Ｌ、３．・・・バネ ４Ｌ、４．・・・ムービングコイル型ビックアンプ（速
度比例型振動検出器） ６ａ・・・積分器 ６ｂ・・・バンドパスフィルタ付き２重積分器（５ａ、
　　６　ｂ）・・・３重積分手段１５・・・表示部 １６・・・キーボード ａ、ｂ・・・軸受・釣り合い修正面間距離Ｃ・・・軸受
間距離 ｒＬ＋　　ｒＲ・・・修正半径

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）剛性の高い軸受構造を有するハードタイプの動釣
   合試験機において、回転中の試験体の不釣合いを検出す
   る不釣り合い検出器としての速度比例型振動検出器と、
   この速度比例型振動検出器の出力信号を時間について３
   重積分する手段と、プリセットされた軸受・釣り合い修
   正面間距離、軸受間距離および修正半径と前記３重積分
   の値とから動不釣り合いを演算する手段とを備えたこと
   を特徴とする動釣合試験機。