物理量検出装置及び転動装置
【課題】変化の激しい環境、あるいは騒音ないし振動のノイズの大きい環境が与える異常診断の精度の低下を抑制することのできる物理量検出装置及び転動装置を提供する。
【解決手段】鉄道車両、鉄鋼圧延機、工作機械などに組み込まれる転動装置の異常診断において、検出用振動センサと参照用振動センサを配設して、検出用振動センサと参照用振動センサとの両者の信号をＡＤ変換器（ＡＤＣ）１７２でデジタル変換して、ＤＳＰ回路１７３で当該デジタル出力信号に基いて最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって異常診断を行う。
【解決手段】鉄道車両、鉄鋼圧延機、工作機械などに組み込まれる転動装置の異常診断において、検出用振動センサと参照用振動センサを配設して、検出用振動センサと参照用振動センサとの両者の信号をＡＤ変換器（ＡＤＣ）１７２でデジタル変換して、ＤＳＰ回路１７３で当該デジタル出力信号に基いて最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって異常診断を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両、工作機械等の機械装置に用いられる転動装置（車軸軸受、歯車、車輪または軸受など）に異常診断のため付設される物理量検出装置に関し、特に、転動装置の異常診断の際発生するノイズを除去できるように構成した物理量検出装置及び当該物理量検出装置が付設された転動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両あるいは工作機械などの機械装置に組み込まれる転動装置は、一定期間使用した後に、転がり軸受やその他の回転部品について、損傷や摩耗等の異常の有無が定期的に検査される。この検査において、振動センサなどの物理量検出装置を取付けて、転動装置が組み込まれた機械装置を分解することなく、実稼動状態で転動装置の異常診断を行なうことができるものが様々提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。最も、代表的なものとしては、特許文献１に記載されるように、例えば軸受部に振動センサを設置して計測し、更に、この信号にＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行なって振動発生周波数成分の信号を抽出して診断を行なう方法が知られている。
【０００３】
また、これら異常診断を行う際には、振動センサから出力された信号内に表出してしまうノイズを除去するため、バンドパスフィルタを施して信号のＳＮ比を向上させることが一般的に行われる（例えば、特許文献４参照）。
【０００４】
しかしながら、バンドパスフィルタを利用しようとする場合、予めノイズの周波数帯域を把握する必要があり、例えば鉄道車両のように運転条件、走行路条件、荷重条件などの要因によってノイズの周波数帯域が刻々と変動して異常診断の精度に複雑に影響してしまうことがある。さらに、工作機械では、騒音ないし電磁などのノイズのレベルは高く高範囲域であることが多く、工作機械に組み込まれる転動装置の剥離ないし摩耗などの検知を行うためには振動センサも高帯域のものを使用しなければならず、したがってバンドパスフィルタの帯域も広くせざるを得ず、事実、高周波として表出する電磁ノイズを除去することができても、騒音ノイズを充分に除去することは難しかった。
【０００５】
これに対し、バンドパスフィルタを用いず、２個のセンサ（ピックアップ）を用いて、各センサで検出された信号を位相差がゼロとなるように補正してノイズを除去するものがある（例えば、特許文献５および６参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２２６１７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０２２７６号公報
【特許文献３】特開２００４−２５７８３６号公報
【特許文献４】特開平９−１１３４１６号公報
【特許文献５】特開平６−２８８８０６号公報
【特許文献６】特開平９−３３３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献５および６に記載のものではセンサ間に介在する、例えば剛性、粘弾性などの動的な特性（信号処理上での伝達特性）を考慮しておらず、異常診断の対象として用いたい信号にまで影響を与えてしまうことがあり、異常診断の精度向上に改善の余地があった。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、変化の激しい環境、あるいは騒音ないし振動のノイズの大きい環境が与える異常診断の精度の低下を抑制することのできる物理量検出装置及び転動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的は、下記の構成により達成される。
（１） 機械装置に組み込まれる転動装置から発せられる振動、音、超音波、応力、変位または歪みのいずれかの物理量を検出する検出用センサと、
所定の位置に配設されて前記物理量を検出する参照用センサと、
前記検出用センサからの信号と前記参照用センサからの信号とを取り込み、最適フィルタを施すことによって前記転動装置以外から発生するノイズ信号を除去して前記物理量を推定する信号処理部と、
を備える
ことを特徴とする物理量検出装置。
（２） 前記信号処理部は、
さらに、
前記推定された物理量に基づき周波数分布を求めて前記転動装置の異常診断を行う診断処理部を備える、
上記（１）に記載の物理量検出装置。
（３） 前記参照用センサは、前記検出用センサが取付けられた部材に、同じく取付けられる
ことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の物理量検出装置。
（４） 前記参照用センサは、前記信号処理部内に配設される、
上記（１）又は（２）に記載の物理量検出装置。
（５） 前記参照用センサは、前記検出用センサと同じ方向の前記物理量を検出し得るように配設される、
上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の物理量検出装置。
（６） 前記最適フィルタはカルマンフィルタ又はウィナーフィルタの少なくともいずれかである、
上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の物理量検出装置。
（７） 前記最適フィルタはＬＭＳアルゴリズム又はＲＬＳアルゴリズムの少なくともいずれかである、
上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の物理量検出装置。
（８） 上記（１）〜（７）のいずれか１つに記載の物理量検出装置が取付けられた転動装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、検出用センサと参照用センサとの両者の信号を取り込んで最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって物理量を検出ができ、またこの検出結果に基づき異常診断を行うことができるので、変化の激しい環境、あるいは騒音ないし振動のノイズの大きい環境が与える物理量検出および異常診断の精度の低下を抑制することが可能となる。
【００１１】
また、本発明では、参照用センサが、検出用センサが取付けられた部材（例えば、鉄道車両であれば転動装置のハウジングなど）に同じく取付けられることが好ましい。これにより、ノイズの推定の精度をより高めると共に、迅速な物理量検出および異常診断を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る第１〜３実施形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１（ａ）は本発明に係る第１実施形態の物理量検出装置が付設された転動装置を搭載した鉄道車両の概略平面図、図１（ｂ）は同鉄道車両の概略側面図であり、図２は第１実施形態の転動装置を説明するための断面図であり、図３は物理量検出装置の信号処理装置のブロック構成図であり、図４は信号処理装置のフィルタ処理部のブロック構成図であり、図５はフィルタ処理部の動作を示すブロック図であり、図６はフィルタ処理部の別の動作を示すブロック図であり、図７は本発明の第２実施形態に係る物理量検出装置を搭載した鉄鋼圧延機の概略図であり、図８は本発明の第３実施形態に係る物理量検出装置を搭載し切削工具であるドリルが装着された工作機械の概略図であり、図９は検出用センサの出力信号と最適フィルタ処理後の出力信号の周波数スペクトル比較を示す図であり、（ａ）は転動装置の回転速度が３６０ｒｍｐ（ｍｉｎ−１）の場合、（ｂ）は転動装置の回転速度が８８ｒｐｍ（ｍｉｎ−１）であり、図１０は第１実施形態に係る振動センサの別の取付方法を示す図であり、図１１は第１実施形態に係る信号処理部の変形例を示すブロック構成図である。
【００１４】
（第１実施形態）
まず、図１〜図３に従って、本発明の第１実施形態に係る物理量検出装置が付設された転動装置（回転支持装置）が組み込まれた鉄道車両について説明する。
【００１５】
図１に示すように、一両の鉄道車両１００は前後２つの車台によって支持され、各車台には４個の車輪１０１が取り付けられている。各車輪１０１の回転支持装置（転動装置）１１０には、回転支持装置１１０から発せられる物理量（例えば、振動、超音波、応力、変位、歪み又は角速度）を検出するため、検出用振動センサ（検出用センサ）１１１と、参照用振動センサ（参照用センサ）１１７とがそれぞれ付設されている。
なお、前記検出用振動センサ１１１は、運転中に回転支持装置１１０から発生する振動を、後述する異常診断を行うために検出し、そして、前記参照用振動センサ１１７は、同じく回転支持装置１１０から発生する振動を検出して、前記検出用振動センサ１１１で検出された検出信号に含まれるノイズを除去するために用いられる。
【００１６】
鉄道車両１００の制御盤１１５には、４チャネル分の前記検出用振動センサ１１１と４チャンネル分の前記参照用振動センサ１１７とから出力されたセンサ信号をそれぞれ同時（ほぼ同時）に取り込んで異常診断を行うため信号処理を実施する信号処理装置（信号処理部）１５０が２つ搭載されている。即ち、各車台に設けられている８つの振動センサ１１１，１１７の出力信号が各々信号線（有線）１１６を介して車台毎に別の信号処理装置１５０に絶えず入力される。また、信号処理装置１５０には、車輪１０１の回転速度を検出する回転速度センサ（不図示）からの回転速度パルス信号も入力されている。なお、信号線１１６の有線に代えて、無線による信号伝達を行っても構わない。
このようにして、物理量検出装置５０は、前記検出用振動センサ１１１と前記参照用振動センサ１１７と信号処理装置１５０とを備えて構成されて、前記回転支持装置１１０に付設されることとなる。
【００１７】
そして、図２に示すように、本発明に係る物理量検出装置５０、即ち振動センサ１１１，１１７などを備える鉄道車両１００の回転支持装置１１０は、両端部で車輪１０１に連結される車軸２１３を回転自在に支持するため、回転部品である複列円すいころ軸受２１１と、鉄道車両１００の台車の一部を構成する静止部材である軸受箱２１２と、を備える。
【００１８】
複列円すいころ軸受２１１は、回転軸である鉄道車両の車軸２１３を回転自在に支持しており、外周面に円すい外面状に傾斜した内輪軌道面２１５，２１５を有する一対の内輪２１４，２１４と、内周面に円すい内面状に傾斜した一対の外輪軌道面２１７，１７を有する単一の外輪２１６と、内輪２１４，２１４の内輪軌道面２１５，２１５と外輪２１６の外輪軌道面２１７，２１７との間に複列で複数配置された転動体である円すいころ２１８，２１８と、円すいころ２１８，２１８を転動自在に保持する環状の打ち抜き保持器２１９，２１９と、外輪２１６の軸方向の両端部にそれぞれ装着された一対のシール部材２２０，２２０と、を備えて構成される。
【００１９】
軸受箱２１２は、鉄道車両の台車の側枠を構成するハウジング２２１を備えており、このハウジング２２１は外輪２１６の外周面を覆うように、中間部でフランジ部を有して円筒状に形成されている。また、ハウジング２２１の軸方向外端部側（図中の左方向）の外方には、周辺から発生するノイズを捉えるべく前記参照用振動センサ１１７が取付けられ、ハウジング２２１の軸方向の中間の外方には、複列円すいころ軸受１１のラジアル方向の振動を捉えるべく検出用振動センサ１１１が取付けられている。なお、いずれの振動センサ１１１，１１７も同じ方向、即ち重力方向の振動加速度を検出し得る姿勢に保持され得るように配設され、また同一の部材（ハウジング２２１）に取付けられている。
【００２０】
一対の内輪２１４，２１４の間には、内輪間座２２４が配置されている。一対の内輪２１４，２１４及び内輪間座２２４には車軸２１３が圧入されており、外輪２１６はハウジング２２１に嵌合されている。複列円すいころ軸受２１１には、種々部材の重量等によるラジアル荷重と任意のアキシアル荷重とが負荷されており、外輪２１６の周方向の上側部が負荷圏（転動体に対して荷重が負荷される領域）になっている。
【００２１】
車軸２１３の前端部側に配置された一方のシール部材２２０は、外輪２１６の軸方向端部で、内輪２１４と外輪２１６とで画成される隙間空間を塞ぐように組み付けられている。
【００２２】
前記振動センサ１１１，１１７は、圧電素子等の振動測定素子であり、複列円すいころ軸受２１１の内外輪軌道面２１５，２１５，２１７，２１７の剥離や、歯車の欠損、車輪のフラット摩耗等を検出するのに用いられる。
なお、当該検出用振動センサ１１１には、加速度センサ、ＡＥ（acoustic emission）センサ、超音波センサ、ショックパルスセンサ等、種々のものを採用することができるが、加速度の検出方向性と回路の組込み容易性とを考慮するとＭＥＭＳ加速度センサが好適である。また、振動センサ１１１，１１７は、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサ、音響センサ、超音波センサの少なくとも１つの振動を検出可能な振動系センサと温度センサとを一体に筐体内に収納固定した複合型センサとして構成してもよい。
【００２３】
図３に示すように、信号処理装置１５０は、センサ信号処理部１５０Ａと、異常診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂとを有する。そして、センサ信号処理部１５０Ａは、１つのフィルタ処理部１５１と１つの波形整形回路１５５とを備えており、４つの振動センサ１１１の出力信号と４つ参照用振動センサ１１７の出力信号とが一括してフィルタ処理部１５１に、そして回転速度センサからの速度比例正弦波または回転速度パルス信号などの回転速度信号が波形整形回路１５５に、それぞれ入力される。前記フィルタ処理部１５１は、アナログアンプの機能とアンチエリアシングフィルタの機能とを兼ね備えており、入力された８チャンネルの出力信号（アナログ信号）を適宜増幅・濾波処理を施してデジタル信号に変換し、後述するノイズ除去演算を行っている。これら演算された８チャンネルのデジタル信号は、異常診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂに取り込まれる。
【００２４】
一方、回転速度信号は、波形整形回路１５５によって整形された後、タイマカウンタ（不図示）により単位時間当りのパルス数がカウントされ、その値が回転速度信号として異常診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂに入力される。異常診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂは、振動センサ１１１，１１７により検出された振動波形信号（後述する、推定信号Ｓｎ´）と回転速度センサにより検出された回転速度信号とをもとに異常診断を実行する。異常診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂによる診断結果はラインドライバ（ＬＤ）１５６を介して通信回線１２０（図１参照）に出力される。通信回線１２０は警報機に接続されており、車輪１０１のフラット等の異常発生時には然るべき警報動作がなされるようになっている。
【００２５】
また、この信号処理装置１５０は、電源が供給されなくてもデータを保持するために、バックアップ電池（Ｂａｔｔ）１６１を有するスタティックランダムアクセスメモリー（ＳＲＡＭ）１６２を備えている。
【００２６】
異常診断処理部１５０Ｂは、フィルタ処理部１５１と波形整形回路１５５との出力信号に基づいて、回転支持装置１１０のうち複列円すいころ軸受２１１に発生している振動の周波数分析を行う。具体的には、前記フィルタ処理部１５１の出力信号に絶対値処理を施した後、ＦＦＴのアルゴリズムに基づいて、振動の周波数スペクトルを算出する。なお、ＦＦＴを行う前処理として、振動信号の包絡線を求めるエンベロープ処理を行ってもよい。
【００２７】
一般に、複列円すいころ軸受２１１の回転に起因して生じる振動の異常周波数帯は、軸受の大きさ、転動体の数等の軸受諸元に依存して決まっている。例えば、内輪２１４、外輪２１６、円すいころ（転動体）２１８、打ち抜き保持器（保持器）２１９などの車軸軸受の各部材の欠陥と、各部材で発生する異常振動周波数の関係は、表１に示すとおりである。したがって、前記振動処理部１５０Ｂは、上述した前記フィルタ処理部１５１の出力信号から周波数スペクトルを算出する一方、表１で示される演算式に基づき前記回転速度信号と軸受諸元とから、複列円すいころ軸受２１１の各部材における異常振動周波数を基準値として算出してＲＡＭなどの記憶媒体に記憶保持する。
【００２８】
【表１】
【００２９】
そして、異常診断処理部１５０Ｂは、前記周波数スペクトルの算出結果と、前記基準値とを比較し、異常振動が発生しているかどうかを判定する。この異常診断の判定は、例えば周波数スペクトルの算出結果よりピーク周波数を算出し、前記基準値との一致度、一致回数から判定を行っているが、これに代えて一定期間に振幅閾値を超えた回数から判定を行ってもよく、この場合には回転速度信号を検出する必要がない。
【００３０】
次に、フィルタ処理部１５１について図４に従って詳細に説明する。
フィルタ処理部１５１は、図４に示すように、ＤＳＰ回路１７３を中心として、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１７１とＡＤ変換器（ＡＤＣ）１７２とを備えて構成される。入力された８チャネルのアナログ信号は、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１７１にて１チャネルごとの信号に切換えられて、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１７２にてデジタル信号にそれぞれ変換される。変換された信号はＲＡＭなどの記憶媒体に一時的に蓄積された後に、ＤＳＰ回路１７３は、これらデジタル信号を前記記憶媒体から適宜取り出して、参照用振動センサ１１７から出力されたデジタル信号と、検出用振動センサ１１１から出力されたデジタル信号と、に基づいて最適フィルタを施して、ノイズを除去した上で診断処理部１５０Ｂにデジタル信号を出力する。なお、この最適フィルタの処理は、同一の回転支持装置１１０に取付けられた振動センサ１１１，１１７の組合単位（例えば、図４中の点線枠内毎）でそれぞれ実施されることとなる。
【００３１】
さらに、前記最適フィルタの処理（ノイズ除去演算）の基本構成について図５を参照して説明する。
検出用振動センサ１１１では、前記複列円すいころ軸受２１１それぞれにおいて、ある特定のノイズ源から発生されるノイズ信号ｘｎ（ただしｎ＝１，２，３，４、以降同じ）は、例えば前記ノイズ源と前記検出用振動センサ１１１各々との間に介在する粘弾特性などの未知な伝達関数Ｈｎにより乗じられたノイズ信号Ｈｎ・ｘｎとして検出される。このため、各検出用振動センサ１１１の出力信号ｄｎは本来異常診断の対象となるべき所望信号Ｓｎと、ノイズ信号Ｈｎ・ｘｎとが加わった信号として検出される。ここで、ノイズ源から発生されるノイズｘｎが別途検出できる箇所、本実施形態では、即ち、検出用振動センサ１１１が取付けられている部材に、同じく参照用振動センサ１１７が取付けられている。
【００３２】
このため、フィルタ処理部１５１では、４つの参照用振動センサ１１７の出力信号と４つの検出用振動センサ１１１の出力信号とを取り込んで、同じ部材に取付けられた、これら振動センサ１１１，１１７の組合毎に、これら両信号に対し最適フィルタを施すことでノイズ信号ｘｎを推定して、ノイズが除去された推定信号Ｓｎ´を算出することができる。なお、最適フィルタとしては、時間領域で逐次実施可能と知られる、カルマンフィルタまたはウィナーフィルタなどを用いることができるが、本実施形態では図５に示すように、係数可変フィルタを用いたアルゴリズム、即ち、出力信号ｄｎと係数可変フィルタの出力ｙｎの差ｅｎ（前記推定信号Ｓｎ´と等価）が最小化される方向に係数可変フィルタの係数が更新されるアルゴリズムを採用するのが好適である。
なお、係数可変フィルタの係数は、振動センサ１１１，１１７の信号に最適フィルタが逐次施される度に更新され、当該更新は所望信号Ｓｎと推定信号Ｓｎ´との差（誤差）の２乗平均値が最小になるように実施される。
【００３３】
このような係数可変フィルタを用いて係数を更新するアルゴリズムとして、勾配型のアルゴリズム又は最小二乗法によるアルゴリズムが知られており、本実施形態では、特に実用性の高いＬＭＳ（最小平均二乗）アルゴリズムまたはＲＬＳ（逐次最小二乗）アルゴリズムなどの最適フィルタを採用することができるが、実験の結果、ＲＬＳ（逐次最小二乗）アルゴリズム、勾配型結合過程アルゴリズムがより好適であることが確認された。
【００３４】
これらアルゴリズムはいずれも、過去の推定信号Ｓｎ´の推定結果に及ぼす影響を小さくするため、前記係数に対し忘却係数を取り入れることで非定常性によく対応できる。そして、これらアルゴリズムのうち、特にＲＬＳアルゴリズムは非定常現象が発生したときの適応性が迅速であり、また勾配型結合過程アルゴリズムについても同じく実用性が高い。なお、ＲＬＳアルゴリズムはカルマンフィルタに、勾配型結合過程アルゴリズムはウィナーフィルタに、属するものであり、これらアルゴリズムの実装方法を工夫（例えば、組合せなど）することで種々の最適フィルタとして実現可能である。
【００３５】
さらに、勾配型のアルゴリズムとして代表的なものとしては、ＬＭＳアルゴリズムがあり、このアルゴリズムは係数に対し忘却係数を取り入れるとともに、ステップサイズパラメータを入力信号の振幅に応じて可変にする正規化アルゴリズムをも取り入れた正規化ＬＭＳアルゴリズムを用いることで非定常性に対応できて、実用的なレベルとすることができる。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば、鉄道車両などに組み込まれる転動装置に異常診断において、検出用振動センサと参照用振動センサとの両者の出力信号から最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって物理量検出、そして異常診断を行うので、変化の激しい環境、あるいは騒音ないし振動のノイズの大きい環境が与える検出精度の低下を抑制し、検出精度を向上させることができる。
【００３７】
また、この効果に加えて、本実施形態によれば、最適フィルタはノイズの伝達関数Ｈｎを推定するのと等価であり、また参照用センサ１１７を検出用センサ１１１の近傍、即ち同一部材に対しそれぞれ取付けられるので、推定演算する伝達関数Ｈｎの次数を低く抑制できて、ＤＳＰ回路１７３などの演算負担を低減して、迅速且つ精度よく異常診断の対象となる推定信号Ｓｎ´を算出することもできる。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、図７に従って本発明に係る第２実施形態について説明する。
なお、以下説明する実施形態において、上述した第１実施形態と重複する構成要素および機能的に同様な構成要素などについては、図中に同一あるいは相当符号を付すことによって説明を簡略化あるいは省略する。
【００３９】
本実施形態は、検出用振動センサ１１１と参照用検出センサ１１７と信号処理装置１５０とを備えた物理量検出装置３５０を鉄鋼圧延機３００に適用したものである。本実施形態に係る鉄鋼圧延機３００は、上ワークロール３０１および下ワークロール３０２を備えて、支持軸受３０３によって回転自在に支持されているとともに、スピンドル３０４に連結されている。当該スピンドル３０４は、例えばカップリングなどの継手３０５により減速機３０６に接続される。当該減速機３０６は、モータ軸に継手３０７が装着されたモータ３０８により回動駆動される。即ち、モータ３０８が回転駆動されることにより、上下ワークロール３０１，３０２が協調回動して、当該上下ワークロール３０１，３０２の間を例えば金属などの被圧延材３０９が通過することで圧延される。なお、本実施形態の支持軸受３０３は、例えば４列円すいころ軸受若しくは４列円筒ころ軸受、または複列円すいころ軸受などが用いられるが、特に限定されるものではなく、本発明の範囲内で任意に選択される。
【００４０】
また、検出用振動センサ１１１は、支持軸受３０３各々に付設されている。さらに、本実施形態では、稼動時における主なノイズ源が減速機３０６であることが予想されるため、参照用振動センサ１１７は前記減速機３０６に付設されている。そして、検出用振動センサ１１１と参照用検出振動１１７とにより検出された５チャンネルのアナログ信号は異常診断装置１５０に入力される。
それ以外の態様、即ち検出用振動センサ１１１および参照用振動センサ１１７から検出された信号に基づいた異常診断は、第１実施形態と同様である。
【００４１】
したがって、本実施形態によれば、鉄鋼圧延機においても第１実施形態と同様な効果を奏する。
【００４２】
（第３実施形態）
図８に従って第３実施形態について説明する。
本実施形態は、検出用振動センサ１１１と参照用検出センサ１１７と信号処理装置１５０とを備えた物理量検出装置４５０を、ドリル研削機４００に適用したものである。工作機械であるドリル研削機４００は、内部に回転軸（転動装置）４０１と当該回転軸を回転自在に支持する支持軸受（不図示）を備えた主軸４０２と、当該主軸４０２を保持するハウジング４０３と、当該ハウジング４０３を、リニアガイド４０４を介して支持するとともにワークＷを固定支持するテーブル４０５を備えた本体部４０６と、伝達機構４０７を介して回転軸４０１を回転駆動するモータ４０８とを備えている。なお、モータ４０８は回転軸４０１と平行となるようにブラケット４０９により主軸４０２に取付けられており、伝達機構４０７はベルト４０７ａとプーリ４０７ｂとで構成されてモータ４０８の駆動力を主軸４０２に伝達している。
【００４３】
そして、回転軸４０１の先端部にドリルＴが装着されて、リニアガイド４０４に案内支持されながら、ドリルＴが装着された回転軸４０１が、テーブル４０５に配されたワークＷに対して進退移動（図中では上下方向）することにより研削を行う。
【００４４】
また、参照用振動センサ１１７はモータ４０８と近傍配置となるようにブラケット４０９に付設されるとともに検出用振動センサ１１１はテーブルに取付けられる。
【００４５】
したがって、本実施形態によれば、工作機械においても第１実施形態と同様な効果を奏する。
【実施例１】
【００４６】
ここで、本発明の第１実施形態の転動装置を用いた場合の最適フィルタの有効性を確認するため、試験を行った。この試験結果が得た周波数スペクトルを図９に示す。なお、この試験では、複列円すい転がり軸受の内輪軌道に人工きずを加工し、この状態で振動を検出して、検出用振動センサ１１１から出力されたそのままの信号（観測信号：図中の下段）ｄｎとフィルタ処理部１５１で最適フィルタが施された後の推定信号（最適フィルタ処理後の出力：図中の上段）Ｓｎ´とをそれぞれＦＦＴ変換して周波数スペクトルを取って比較した。なお、最適フィルタのアルゴリズムは、ＲＬＳ（逐次最小二乗）アルゴリズムを用いた。
【００４７】
図９（ａ）は、転動装置の回転速度が３６０ｒｐｍ（ｍｉｎ−１）であるときの試験結果であり、最適フィルタが施された信号ではノイズが殆ど除去され、異常を示すピークとその高調波ピークが強調されていることが確認できる。また、図９（ｂ）は回転速度が８８ｒｐｍ（ｍｉｎ−１）であるときの試験結果であり、検出用振動センサ１１１からそのまま出力された信号波形ではノイズしか確認できず異常を示すピークはそのノイズに完全に埋もれてしまい、全く確認できないが、最適フィルタが施された信号ではノイズが除去されて異常を示すピークが確認され、且つ基本波から３次の高調波まで精度よく確認できる。
即ち、このような試験を通じて表２に示す知見が得ることができた。
【００４８】
【表２】
【００４９】
したがって、この試験により、検出用振動センサ１１１と参照用振動センサ１１７との両者の出力信号から最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって異常診断を行うことで、従来では難しいとされていた中低速の回転速度においても異常診断を迅速且つ精度よく行えることが分かる。
【００５０】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれら実施形態に限られるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。なお、検出用振動センサと参照用振動センサとは同じ種類のセンサである必要はなく、例えば検出用振動センサとして耐久性に優れた圧電セラミックセンサを使用し、参照用振動センサとして加速度の検出方向に優れ、容易に演算回路に組み込み可能なＭＥＭＳ加速度センサを用いてもよい。
【００５１】
また、転動装置としては、転がり軸受、歯車、車軸、工作機械やボールねじ等の回転部品や、リニアガイド、リニアボールベアリング等の部品であってもよく、損傷によって周期的な振動を発生する部品であれば良い。また、回転部品の損傷に起因する周波数成分を算出するための速度信号としては、回転速度信号を例示して説明したが、摺動部品の場合の速度信号として移動速度信号も用いることができる。
【００５２】
また、上記実施形態では、デジタル処理の大部分をソフトウエアによって行なっているが、その一部またはそのすべてをＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウエアで実現してもよい。さらに、入力される信号のＳＮ比を向上させるため、フィルタ処理部の前段に増幅処理ないしはアンチエリアシングフィルタ処理を施す演算部を設けてもよい。
【００５３】
また、機械装置は異常診断対象である転動装置を備えたものであればよく、上述したもの以外に、風車用軸受装置、工作機械主軸用軸受装置などを含むことができる。
【００５４】
さらに、検出される信号を振動として例示して説明したが、これに代えて音、超音波（ＡＥ）、応力、変位、歪みなどの機械量、物理量を含み、これらの信号では、回転あるいは摺動部品を含む機械設備に欠陥または異常がある場合に、その欠陥または異常を示す信号成分を含んでいるので、異常診断の対象信号とすることができる。
【００５５】
また、第１実施形態では検出用振動センサ１１１と参照用振動センサ１１７とが同じ部材に取付けられるとして説明したが、参照用振動センサ１１７がノイズを含んだ信号を検出できるように配設されればよく、例えば信号処理装置１５０内に制御基盤に配設されるようにしても、本発明の目的を達成することができる。
【００５６】
さらに、第１実施形態では１つの検出用振動センサ１１１で異常診断を行っているが、複列円すいころ軸受２１１の負荷圏を考慮して、図１０に示すように、複列円すいころ軸受２１１のそれぞれの内外輪軌道面２１５，２１５，２１７，２１７に対峙し得るように、検出用振動センサを１つの回転支持装置１１０につき２つ配設するように構成してもよく、この場合にはより迅速且つ精度よく異常診断することができる。
【００５７】
そして、上記実施形態では、１つのフィルタ処理１５１で振動センサ１１１，１１７全部の信号を取り込んで最適フィルタ処理を実施するようにしたが、図１１に示すように、フィルタ処理部５５１を検出用振動センサ１１１と参照用振動センサ１１７との組合に応じて個々に配設するようにしてもよい。この場合には、演算量を増やすことができ、収束の早いアルゴリズム、例えばＲＬＳアルゴリズムを実装することができる。
【００５８】
また、フィルタ処理部１５１，２５１と異常診断処理部１５０Ｂを別体として設けた構成としたが、これら共通のＣＰＵを用いて一体として構成するようにしてもよい。この場合には、製造コストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】（ａ）は本発明の異常診断装置を搭載した鉄道車両の概略平面図、そして（ｂ）は同鉄道車両の概略側面図である。
【図２】第１実施形態の転動装置を説明するための断面図である。
【図３】物理量検出装置の信号処理装置のブロック構成図である。
【図４】信号処理装置のフィルタ処理部のブロック構成図である。
【図５】フィルタ処理部の動作を示すブロック図である。
【図６】フィルタ処理部の別の動作を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る物理量検出装置を搭載した鉄鋼圧延機の概略図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る物理量検出装置を搭載し切削工具であるドリルが装着された工作機械の概略図である。
【図９】検出用センサの出力信号と最適フィルタ処理後の出力信号の周波数スペクトル比較を示す図であり、（ａ）は転動装置の回転速度が３６０ｒｍｐ（ｍｉｎ−１）の場合、（ｂ）は転動装置の回転速度が８８ｒｐｍ（ｍｉｎ−１）である。
【図１０】第１実施形態に係る振動センサの別の取付方法を示す図である。
【図１１】第１実施形態に係る信号処理部の変形例を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
５０，３５０，４５０ 物理量検出装置
１００ 鉄道車両
１０１ 車輪
１１０ 回転支持装置（転動装置）
１１１ 検出用振動センサ（検出用センサ）
１１７ 参照用振動センサ（参照用センサ）
１５０ 信号処理装置
１５１，５５１ フィルタ処理部
１５０Ａ センサ信号処理部
１５０Ｂ 診断処理部
１７３ ＤＳＰ回路
２１１ 複列円すいころ軸受
２２１ ハウジング
３００ 鉄鋼圧延機
３０３ 支持軸受（転動装置）
４００ ドリル研削機
４０１ 回転軸（転動装置）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両、工作機械等の機械装置に用いられる転動装置（車軸軸受、歯車、車輪または軸受など）に異常診断のため付設される物理量検出装置に関し、特に、転動装置の異常診断の際発生するノイズを除去できるように構成した物理量検出装置及び当該物理量検出装置が付設された転動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両あるいは工作機械などの機械装置に組み込まれる転動装置は、一定期間使用した後に、転がり軸受やその他の回転部品について、損傷や摩耗等の異常の有無が定期的に検査される。この検査において、振動センサなどの物理量検出装置を取付けて、転動装置が組み込まれた機械装置を分解することなく、実稼動状態で転動装置の異常診断を行なうことができるものが様々提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。最も、代表的なものとしては、特許文献１に記載されるように、例えば軸受部に振動センサを設置して計測し、更に、この信号にＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行なって振動発生周波数成分の信号を抽出して診断を行なう方法が知られている。
【０００３】
また、これら異常診断を行う際には、振動センサから出力された信号内に表出してしまうノイズを除去するため、バンドパスフィルタを施して信号のＳＮ比を向上させることが一般的に行われる（例えば、特許文献４参照）。
【０００４】
しかしながら、バンドパスフィルタを利用しようとする場合、予めノイズの周波数帯域を把握する必要があり、例えば鉄道車両のように運転条件、走行路条件、荷重条件などの要因によってノイズの周波数帯域が刻々と変動して異常診断の精度に複雑に影響してしまうことがある。さらに、工作機械では、騒音ないし電磁などのノイズのレベルは高く高範囲域であることが多く、工作機械に組み込まれる転動装置の剥離ないし摩耗などの検知を行うためには振動センサも高帯域のものを使用しなければならず、したがってバンドパスフィルタの帯域も広くせざるを得ず、事実、高周波として表出する電磁ノイズを除去することができても、騒音ノイズを充分に除去することは難しかった。
【０００５】
これに対し、バンドパスフィルタを用いず、２個のセンサ（ピックアップ）を用いて、各センサで検出された信号を位相差がゼロとなるように補正してノイズを除去するものがある（例えば、特許文献５および６参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２２６１７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０２２７６号公報
【特許文献３】特開２００４−２５７８３６号公報
【特許文献４】特開平９−１１３４１６号公報
【特許文献５】特開平６−２８８８０６号公報
【特許文献６】特開平９−３３３１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献５および６に記載のものではセンサ間に介在する、例えば剛性、粘弾性などの動的な特性（信号処理上での伝達特性）を考慮しておらず、異常診断の対象として用いたい信号にまで影響を与えてしまうことがあり、異常診断の精度向上に改善の余地があった。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、変化の激しい環境、あるいは騒音ないし振動のノイズの大きい環境が与える異常診断の精度の低下を抑制することのできる物理量検出装置及び転動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的は、下記の構成により達成される。
（１） 機械装置に組み込まれる転動装置から発せられる振動、音、超音波、応力、変位または歪みのいずれかの物理量を検出する検出用センサと、
所定の位置に配設されて前記物理量を検出する参照用センサと、
前記検出用センサからの信号と前記参照用センサからの信号とを取り込み、最適フィルタを施すことによって前記転動装置以外から発生するノイズ信号を除去して前記物理量を推定する信号処理部と、
を備える
ことを特徴とする物理量検出装置。
（２） 前記信号処理部は、
さらに、
前記推定された物理量に基づき周波数分布を求めて前記転動装置の異常診断を行う診断処理部を備える、
上記（１）に記載の物理量検出装置。
（３） 前記参照用センサは、前記検出用センサが取付けられた部材に、同じく取付けられる
ことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の物理量検出装置。
（４） 前記参照用センサは、前記信号処理部内に配設される、
上記（１）又は（２）に記載の物理量検出装置。
（５） 前記参照用センサは、前記検出用センサと同じ方向の前記物理量を検出し得るように配設される、
上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の物理量検出装置。
（６） 前記最適フィルタはカルマンフィルタ又はウィナーフィルタの少なくともいずれかである、
上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の物理量検出装置。
（７） 前記最適フィルタはＬＭＳアルゴリズム又はＲＬＳアルゴリズムの少なくともいずれかである、
上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の物理量検出装置。
（８） 上記（１）〜（７）のいずれか１つに記載の物理量検出装置が取付けられた転動装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、検出用センサと参照用センサとの両者の信号を取り込んで最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって物理量を検出ができ、またこの検出結果に基づき異常診断を行うことができるので、変化の激しい環境、あるいは騒音ないし振動のノイズの大きい環境が与える物理量検出および異常診断の精度の低下を抑制することが可能となる。
【００１１】
また、本発明では、参照用センサが、検出用センサが取付けられた部材（例えば、鉄道車両であれば転動装置のハウジングなど）に同じく取付けられることが好ましい。これにより、ノイズの推定の精度をより高めると共に、迅速な物理量検出および異常診断を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る第１〜３実施形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１（ａ）は本発明に係る第１実施形態の物理量検出装置が付設された転動装置を搭載した鉄道車両の概略平面図、図１（ｂ）は同鉄道車両の概略側面図であり、図２は第１実施形態の転動装置を説明するための断面図であり、図３は物理量検出装置の信号処理装置のブロック構成図であり、図４は信号処理装置のフィルタ処理部のブロック構成図であり、図５はフィルタ処理部の動作を示すブロック図であり、図６はフィルタ処理部の別の動作を示すブロック図であり、図７は本発明の第２実施形態に係る物理量検出装置を搭載した鉄鋼圧延機の概略図であり、図８は本発明の第３実施形態に係る物理量検出装置を搭載し切削工具であるドリルが装着された工作機械の概略図であり、図９は検出用センサの出力信号と最適フィルタ処理後の出力信号の周波数スペクトル比較を示す図であり、（ａ）は転動装置の回転速度が３６０ｒｍｐ（ｍｉｎ−１）の場合、（ｂ）は転動装置の回転速度が８８ｒｐｍ（ｍｉｎ−１）であり、図１０は第１実施形態に係る振動センサの別の取付方法を示す図であり、図１１は第１実施形態に係る信号処理部の変形例を示すブロック構成図である。
【００１４】
（第１実施形態）
まず、図１〜図３に従って、本発明の第１実施形態に係る物理量検出装置が付設された転動装置（回転支持装置）が組み込まれた鉄道車両について説明する。
【００１５】
図１に示すように、一両の鉄道車両１００は前後２つの車台によって支持され、各車台には４個の車輪１０１が取り付けられている。各車輪１０１の回転支持装置（転動装置）１１０には、回転支持装置１１０から発せられる物理量（例えば、振動、超音波、応力、変位、歪み又は角速度）を検出するため、検出用振動センサ（検出用センサ）１１１と、参照用振動センサ（参照用センサ）１１７とがそれぞれ付設されている。
なお、前記検出用振動センサ１１１は、運転中に回転支持装置１１０から発生する振動を、後述する異常診断を行うために検出し、そして、前記参照用振動センサ１１７は、同じく回転支持装置１１０から発生する振動を検出して、前記検出用振動センサ１１１で検出された検出信号に含まれるノイズを除去するために用いられる。
【００１６】
鉄道車両１００の制御盤１１５には、４チャネル分の前記検出用振動センサ１１１と４チャンネル分の前記参照用振動センサ１１７とから出力されたセンサ信号をそれぞれ同時（ほぼ同時）に取り込んで異常診断を行うため信号処理を実施する信号処理装置（信号処理部）１５０が２つ搭載されている。即ち、各車台に設けられている８つの振動センサ１１１，１１７の出力信号が各々信号線（有線）１１６を介して車台毎に別の信号処理装置１５０に絶えず入力される。また、信号処理装置１５０には、車輪１０１の回転速度を検出する回転速度センサ（不図示）からの回転速度パルス信号も入力されている。なお、信号線１１６の有線に代えて、無線による信号伝達を行っても構わない。
このようにして、物理量検出装置５０は、前記検出用振動センサ１１１と前記参照用振動センサ１１７と信号処理装置１５０とを備えて構成されて、前記回転支持装置１１０に付設されることとなる。
【００１７】
そして、図２に示すように、本発明に係る物理量検出装置５０、即ち振動センサ１１１，１１７などを備える鉄道車両１００の回転支持装置１１０は、両端部で車輪１０１に連結される車軸２１３を回転自在に支持するため、回転部品である複列円すいころ軸受２１１と、鉄道車両１００の台車の一部を構成する静止部材である軸受箱２１２と、を備える。
【００１８】
複列円すいころ軸受２１１は、回転軸である鉄道車両の車軸２１３を回転自在に支持しており、外周面に円すい外面状に傾斜した内輪軌道面２１５，２１５を有する一対の内輪２１４，２１４と、内周面に円すい内面状に傾斜した一対の外輪軌道面２１７，１７を有する単一の外輪２１６と、内輪２１４，２１４の内輪軌道面２１５，２１５と外輪２１６の外輪軌道面２１７，２１７との間に複列で複数配置された転動体である円すいころ２１８，２１８と、円すいころ２１８，２１８を転動自在に保持する環状の打ち抜き保持器２１９，２１９と、外輪２１６の軸方向の両端部にそれぞれ装着された一対のシール部材２２０，２２０と、を備えて構成される。
【００１９】
軸受箱２１２は、鉄道車両の台車の側枠を構成するハウジング２２１を備えており、このハウジング２２１は外輪２１６の外周面を覆うように、中間部でフランジ部を有して円筒状に形成されている。また、ハウジング２２１の軸方向外端部側（図中の左方向）の外方には、周辺から発生するノイズを捉えるべく前記参照用振動センサ１１７が取付けられ、ハウジング２２１の軸方向の中間の外方には、複列円すいころ軸受１１のラジアル方向の振動を捉えるべく検出用振動センサ１１１が取付けられている。なお、いずれの振動センサ１１１，１１７も同じ方向、即ち重力方向の振動加速度を検出し得る姿勢に保持され得るように配設され、また同一の部材（ハウジング２２１）に取付けられている。
【００２０】
一対の内輪２１４，２１４の間には、内輪間座２２４が配置されている。一対の内輪２１４，２１４及び内輪間座２２４には車軸２１３が圧入されており、外輪２１６はハウジング２２１に嵌合されている。複列円すいころ軸受２１１には、種々部材の重量等によるラジアル荷重と任意のアキシアル荷重とが負荷されており、外輪２１６の周方向の上側部が負荷圏（転動体に対して荷重が負荷される領域）になっている。
【００２１】
車軸２１３の前端部側に配置された一方のシール部材２２０は、外輪２１６の軸方向端部で、内輪２１４と外輪２１６とで画成される隙間空間を塞ぐように組み付けられている。
【００２２】
前記振動センサ１１１，１１７は、圧電素子等の振動測定素子であり、複列円すいころ軸受２１１の内外輪軌道面２１５，２１５，２１７，２１７の剥離や、歯車の欠損、車輪のフラット摩耗等を検出するのに用いられる。
なお、当該検出用振動センサ１１１には、加速度センサ、ＡＥ（acoustic emission）センサ、超音波センサ、ショックパルスセンサ等、種々のものを採用することができるが、加速度の検出方向性と回路の組込み容易性とを考慮するとＭＥＭＳ加速度センサが好適である。また、振動センサ１１１，１１７は、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサ、音響センサ、超音波センサの少なくとも１つの振動を検出可能な振動系センサと温度センサとを一体に筐体内に収納固定した複合型センサとして構成してもよい。
【００２３】
図３に示すように、信号処理装置１５０は、センサ信号処理部１５０Ａと、異常診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂとを有する。そして、センサ信号処理部１５０Ａは、１つのフィルタ処理部１５１と１つの波形整形回路１５５とを備えており、４つの振動センサ１１１の出力信号と４つ参照用振動センサ１１７の出力信号とが一括してフィルタ処理部１５１に、そして回転速度センサからの速度比例正弦波または回転速度パルス信号などの回転速度信号が波形整形回路１５５に、それぞれ入力される。前記フィルタ処理部１５１は、アナログアンプの機能とアンチエリアシングフィルタの機能とを兼ね備えており、入力された８チャンネルの出力信号（アナログ信号）を適宜増幅・濾波処理を施してデジタル信号に変換し、後述するノイズ除去演算を行っている。これら演算された８チャンネルのデジタル信号は、異常診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂに取り込まれる。
【００２４】
一方、回転速度信号は、波形整形回路１５５によって整形された後、タイマカウンタ（不図示）により単位時間当りのパルス数がカウントされ、その値が回転速度信号として異常診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂに入力される。異常診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂは、振動センサ１１１，１１７により検出された振動波形信号（後述する、推定信号Ｓｎ´）と回転速度センサにより検出された回転速度信号とをもとに異常診断を実行する。異常診断処理部（ＭＰＵ）１５０Ｂによる診断結果はラインドライバ（ＬＤ）１５６を介して通信回線１２０（図１参照）に出力される。通信回線１２０は警報機に接続されており、車輪１０１のフラット等の異常発生時には然るべき警報動作がなされるようになっている。
【００２５】
また、この信号処理装置１５０は、電源が供給されなくてもデータを保持するために、バックアップ電池（Ｂａｔｔ）１６１を有するスタティックランダムアクセスメモリー（ＳＲＡＭ）１６２を備えている。
【００２６】
異常診断処理部１５０Ｂは、フィルタ処理部１５１と波形整形回路１５５との出力信号に基づいて、回転支持装置１１０のうち複列円すいころ軸受２１１に発生している振動の周波数分析を行う。具体的には、前記フィルタ処理部１５１の出力信号に絶対値処理を施した後、ＦＦＴのアルゴリズムに基づいて、振動の周波数スペクトルを算出する。なお、ＦＦＴを行う前処理として、振動信号の包絡線を求めるエンベロープ処理を行ってもよい。
【００２７】
一般に、複列円すいころ軸受２１１の回転に起因して生じる振動の異常周波数帯は、軸受の大きさ、転動体の数等の軸受諸元に依存して決まっている。例えば、内輪２１４、外輪２１６、円すいころ（転動体）２１８、打ち抜き保持器（保持器）２１９などの車軸軸受の各部材の欠陥と、各部材で発生する異常振動周波数の関係は、表１に示すとおりである。したがって、前記振動処理部１５０Ｂは、上述した前記フィルタ処理部１５１の出力信号から周波数スペクトルを算出する一方、表１で示される演算式に基づき前記回転速度信号と軸受諸元とから、複列円すいころ軸受２１１の各部材における異常振動周波数を基準値として算出してＲＡＭなどの記憶媒体に記憶保持する。
【００２８】
【表１】
【００２９】
そして、異常診断処理部１５０Ｂは、前記周波数スペクトルの算出結果と、前記基準値とを比較し、異常振動が発生しているかどうかを判定する。この異常診断の判定は、例えば周波数スペクトルの算出結果よりピーク周波数を算出し、前記基準値との一致度、一致回数から判定を行っているが、これに代えて一定期間に振幅閾値を超えた回数から判定を行ってもよく、この場合には回転速度信号を検出する必要がない。
【００３０】
次に、フィルタ処理部１５１について図４に従って詳細に説明する。
フィルタ処理部１５１は、図４に示すように、ＤＳＰ回路１７３を中心として、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１７１とＡＤ変換器（ＡＤＣ）１７２とを備えて構成される。入力された８チャネルのアナログ信号は、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１７１にて１チャネルごとの信号に切換えられて、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１７２にてデジタル信号にそれぞれ変換される。変換された信号はＲＡＭなどの記憶媒体に一時的に蓄積された後に、ＤＳＰ回路１７３は、これらデジタル信号を前記記憶媒体から適宜取り出して、参照用振動センサ１１７から出力されたデジタル信号と、検出用振動センサ１１１から出力されたデジタル信号と、に基づいて最適フィルタを施して、ノイズを除去した上で診断処理部１５０Ｂにデジタル信号を出力する。なお、この最適フィルタの処理は、同一の回転支持装置１１０に取付けられた振動センサ１１１，１１７の組合単位（例えば、図４中の点線枠内毎）でそれぞれ実施されることとなる。
【００３１】
さらに、前記最適フィルタの処理（ノイズ除去演算）の基本構成について図５を参照して説明する。
検出用振動センサ１１１では、前記複列円すいころ軸受２１１それぞれにおいて、ある特定のノイズ源から発生されるノイズ信号ｘｎ（ただしｎ＝１，２，３，４、以降同じ）は、例えば前記ノイズ源と前記検出用振動センサ１１１各々との間に介在する粘弾特性などの未知な伝達関数Ｈｎにより乗じられたノイズ信号Ｈｎ・ｘｎとして検出される。このため、各検出用振動センサ１１１の出力信号ｄｎは本来異常診断の対象となるべき所望信号Ｓｎと、ノイズ信号Ｈｎ・ｘｎとが加わった信号として検出される。ここで、ノイズ源から発生されるノイズｘｎが別途検出できる箇所、本実施形態では、即ち、検出用振動センサ１１１が取付けられている部材に、同じく参照用振動センサ１１７が取付けられている。
【００３２】
このため、フィルタ処理部１５１では、４つの参照用振動センサ１１７の出力信号と４つの検出用振動センサ１１１の出力信号とを取り込んで、同じ部材に取付けられた、これら振動センサ１１１，１１７の組合毎に、これら両信号に対し最適フィルタを施すことでノイズ信号ｘｎを推定して、ノイズが除去された推定信号Ｓｎ´を算出することができる。なお、最適フィルタとしては、時間領域で逐次実施可能と知られる、カルマンフィルタまたはウィナーフィルタなどを用いることができるが、本実施形態では図５に示すように、係数可変フィルタを用いたアルゴリズム、即ち、出力信号ｄｎと係数可変フィルタの出力ｙｎの差ｅｎ（前記推定信号Ｓｎ´と等価）が最小化される方向に係数可変フィルタの係数が更新されるアルゴリズムを採用するのが好適である。
なお、係数可変フィルタの係数は、振動センサ１１１，１１７の信号に最適フィルタが逐次施される度に更新され、当該更新は所望信号Ｓｎと推定信号Ｓｎ´との差（誤差）の２乗平均値が最小になるように実施される。
【００３３】
このような係数可変フィルタを用いて係数を更新するアルゴリズムとして、勾配型のアルゴリズム又は最小二乗法によるアルゴリズムが知られており、本実施形態では、特に実用性の高いＬＭＳ（最小平均二乗）アルゴリズムまたはＲＬＳ（逐次最小二乗）アルゴリズムなどの最適フィルタを採用することができるが、実験の結果、ＲＬＳ（逐次最小二乗）アルゴリズム、勾配型結合過程アルゴリズムがより好適であることが確認された。
【００３４】
これらアルゴリズムはいずれも、過去の推定信号Ｓｎ´の推定結果に及ぼす影響を小さくするため、前記係数に対し忘却係数を取り入れることで非定常性によく対応できる。そして、これらアルゴリズムのうち、特にＲＬＳアルゴリズムは非定常現象が発生したときの適応性が迅速であり、また勾配型結合過程アルゴリズムについても同じく実用性が高い。なお、ＲＬＳアルゴリズムはカルマンフィルタに、勾配型結合過程アルゴリズムはウィナーフィルタに、属するものであり、これらアルゴリズムの実装方法を工夫（例えば、組合せなど）することで種々の最適フィルタとして実現可能である。
【００３５】
さらに、勾配型のアルゴリズムとして代表的なものとしては、ＬＭＳアルゴリズムがあり、このアルゴリズムは係数に対し忘却係数を取り入れるとともに、ステップサイズパラメータを入力信号の振幅に応じて可変にする正規化アルゴリズムをも取り入れた正規化ＬＭＳアルゴリズムを用いることで非定常性に対応できて、実用的なレベルとすることができる。
【００３６】
したがって、本実施形態によれば、鉄道車両などに組み込まれる転動装置に異常診断において、検出用振動センサと参照用振動センサとの両者の出力信号から最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって物理量検出、そして異常診断を行うので、変化の激しい環境、あるいは騒音ないし振動のノイズの大きい環境が与える検出精度の低下を抑制し、検出精度を向上させることができる。
【００３７】
また、この効果に加えて、本実施形態によれば、最適フィルタはノイズの伝達関数Ｈｎを推定するのと等価であり、また参照用センサ１１７を検出用センサ１１１の近傍、即ち同一部材に対しそれぞれ取付けられるので、推定演算する伝達関数Ｈｎの次数を低く抑制できて、ＤＳＰ回路１７３などの演算負担を低減して、迅速且つ精度よく異常診断の対象となる推定信号Ｓｎ´を算出することもできる。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、図７に従って本発明に係る第２実施形態について説明する。
なお、以下説明する実施形態において、上述した第１実施形態と重複する構成要素および機能的に同様な構成要素などについては、図中に同一あるいは相当符号を付すことによって説明を簡略化あるいは省略する。
【００３９】
本実施形態は、検出用振動センサ１１１と参照用検出センサ１１７と信号処理装置１５０とを備えた物理量検出装置３５０を鉄鋼圧延機３００に適用したものである。本実施形態に係る鉄鋼圧延機３００は、上ワークロール３０１および下ワークロール３０２を備えて、支持軸受３０３によって回転自在に支持されているとともに、スピンドル３０４に連結されている。当該スピンドル３０４は、例えばカップリングなどの継手３０５により減速機３０６に接続される。当該減速機３０６は、モータ軸に継手３０７が装着されたモータ３０８により回動駆動される。即ち、モータ３０８が回転駆動されることにより、上下ワークロール３０１，３０２が協調回動して、当該上下ワークロール３０１，３０２の間を例えば金属などの被圧延材３０９が通過することで圧延される。なお、本実施形態の支持軸受３０３は、例えば４列円すいころ軸受若しくは４列円筒ころ軸受、または複列円すいころ軸受などが用いられるが、特に限定されるものではなく、本発明の範囲内で任意に選択される。
【００４０】
また、検出用振動センサ１１１は、支持軸受３０３各々に付設されている。さらに、本実施形態では、稼動時における主なノイズ源が減速機３０６であることが予想されるため、参照用振動センサ１１７は前記減速機３０６に付設されている。そして、検出用振動センサ１１１と参照用検出振動１１７とにより検出された５チャンネルのアナログ信号は異常診断装置１５０に入力される。
それ以外の態様、即ち検出用振動センサ１１１および参照用振動センサ１１７から検出された信号に基づいた異常診断は、第１実施形態と同様である。
【００４１】
したがって、本実施形態によれば、鉄鋼圧延機においても第１実施形態と同様な効果を奏する。
【００４２】
（第３実施形態）
図８に従って第３実施形態について説明する。
本実施形態は、検出用振動センサ１１１と参照用検出センサ１１７と信号処理装置１５０とを備えた物理量検出装置４５０を、ドリル研削機４００に適用したものである。工作機械であるドリル研削機４００は、内部に回転軸（転動装置）４０１と当該回転軸を回転自在に支持する支持軸受（不図示）を備えた主軸４０２と、当該主軸４０２を保持するハウジング４０３と、当該ハウジング４０３を、リニアガイド４０４を介して支持するとともにワークＷを固定支持するテーブル４０５を備えた本体部４０６と、伝達機構４０７を介して回転軸４０１を回転駆動するモータ４０８とを備えている。なお、モータ４０８は回転軸４０１と平行となるようにブラケット４０９により主軸４０２に取付けられており、伝達機構４０７はベルト４０７ａとプーリ４０７ｂとで構成されてモータ４０８の駆動力を主軸４０２に伝達している。
【００４３】
そして、回転軸４０１の先端部にドリルＴが装着されて、リニアガイド４０４に案内支持されながら、ドリルＴが装着された回転軸４０１が、テーブル４０５に配されたワークＷに対して進退移動（図中では上下方向）することにより研削を行う。
【００４４】
また、参照用振動センサ１１７はモータ４０８と近傍配置となるようにブラケット４０９に付設されるとともに検出用振動センサ１１１はテーブルに取付けられる。
【００４５】
したがって、本実施形態によれば、工作機械においても第１実施形態と同様な効果を奏する。
【実施例１】
【００４６】
ここで、本発明の第１実施形態の転動装置を用いた場合の最適フィルタの有効性を確認するため、試験を行った。この試験結果が得た周波数スペクトルを図９に示す。なお、この試験では、複列円すい転がり軸受の内輪軌道に人工きずを加工し、この状態で振動を検出して、検出用振動センサ１１１から出力されたそのままの信号（観測信号：図中の下段）ｄｎとフィルタ処理部１５１で最適フィルタが施された後の推定信号（最適フィルタ処理後の出力：図中の上段）Ｓｎ´とをそれぞれＦＦＴ変換して周波数スペクトルを取って比較した。なお、最適フィルタのアルゴリズムは、ＲＬＳ（逐次最小二乗）アルゴリズムを用いた。
【００４７】
図９（ａ）は、転動装置の回転速度が３６０ｒｐｍ（ｍｉｎ−１）であるときの試験結果であり、最適フィルタが施された信号ではノイズが殆ど除去され、異常を示すピークとその高調波ピークが強調されていることが確認できる。また、図９（ｂ）は回転速度が８８ｒｐｍ（ｍｉｎ−１）であるときの試験結果であり、検出用振動センサ１１１からそのまま出力された信号波形ではノイズしか確認できず異常を示すピークはそのノイズに完全に埋もれてしまい、全く確認できないが、最適フィルタが施された信号ではノイズが除去されて異常を示すピークが確認され、且つ基本波から３次の高調波まで精度よく確認できる。
即ち、このような試験を通じて表２に示す知見が得ることができた。
【００４８】
【表２】
【００４９】
したがって、この試験により、検出用振動センサ１１１と参照用振動センサ１１７との両者の出力信号から最適フィルタを用いてノイズを推定し、その分を差し引いて出力された信号でもって異常診断を行うことで、従来では難しいとされていた中低速の回転速度においても異常診断を迅速且つ精度よく行えることが分かる。
【００５０】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれら実施形態に限られるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。なお、検出用振動センサと参照用振動センサとは同じ種類のセンサである必要はなく、例えば検出用振動センサとして耐久性に優れた圧電セラミックセンサを使用し、参照用振動センサとして加速度の検出方向に優れ、容易に演算回路に組み込み可能なＭＥＭＳ加速度センサを用いてもよい。
【００５１】
また、転動装置としては、転がり軸受、歯車、車軸、工作機械やボールねじ等の回転部品や、リニアガイド、リニアボールベアリング等の部品であってもよく、損傷によって周期的な振動を発生する部品であれば良い。また、回転部品の損傷に起因する周波数成分を算出するための速度信号としては、回転速度信号を例示して説明したが、摺動部品の場合の速度信号として移動速度信号も用いることができる。
【００５２】
また、上記実施形態では、デジタル処理の大部分をソフトウエアによって行なっているが、その一部またはそのすべてをＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウエアで実現してもよい。さらに、入力される信号のＳＮ比を向上させるため、フィルタ処理部の前段に増幅処理ないしはアンチエリアシングフィルタ処理を施す演算部を設けてもよい。
【００５３】
また、機械装置は異常診断対象である転動装置を備えたものであればよく、上述したもの以外に、風車用軸受装置、工作機械主軸用軸受装置などを含むことができる。
【００５４】
さらに、検出される信号を振動として例示して説明したが、これに代えて音、超音波（ＡＥ）、応力、変位、歪みなどの機械量、物理量を含み、これらの信号では、回転あるいは摺動部品を含む機械設備に欠陥または異常がある場合に、その欠陥または異常を示す信号成分を含んでいるので、異常診断の対象信号とすることができる。
【００５５】
また、第１実施形態では検出用振動センサ１１１と参照用振動センサ１１７とが同じ部材に取付けられるとして説明したが、参照用振動センサ１１７がノイズを含んだ信号を検出できるように配設されればよく、例えば信号処理装置１５０内に制御基盤に配設されるようにしても、本発明の目的を達成することができる。
【００５６】
さらに、第１実施形態では１つの検出用振動センサ１１１で異常診断を行っているが、複列円すいころ軸受２１１の負荷圏を考慮して、図１０に示すように、複列円すいころ軸受２１１のそれぞれの内外輪軌道面２１５，２１５，２１７，２１７に対峙し得るように、検出用振動センサを１つの回転支持装置１１０につき２つ配設するように構成してもよく、この場合にはより迅速且つ精度よく異常診断することができる。
【００５７】
そして、上記実施形態では、１つのフィルタ処理１５１で振動センサ１１１，１１７全部の信号を取り込んで最適フィルタ処理を実施するようにしたが、図１１に示すように、フィルタ処理部５５１を検出用振動センサ１１１と参照用振動センサ１１７との組合に応じて個々に配設するようにしてもよい。この場合には、演算量を増やすことができ、収束の早いアルゴリズム、例えばＲＬＳアルゴリズムを実装することができる。
【００５８】
また、フィルタ処理部１５１，２５１と異常診断処理部１５０Ｂを別体として設けた構成としたが、これら共通のＣＰＵを用いて一体として構成するようにしてもよい。この場合には、製造コストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】（ａ）は本発明の異常診断装置を搭載した鉄道車両の概略平面図、そして（ｂ）は同鉄道車両の概略側面図である。
【図２】第１実施形態の転動装置を説明するための断面図である。
【図３】物理量検出装置の信号処理装置のブロック構成図である。
【図４】信号処理装置のフィルタ処理部のブロック構成図である。
【図５】フィルタ処理部の動作を示すブロック図である。
【図６】フィルタ処理部の別の動作を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る物理量検出装置を搭載した鉄鋼圧延機の概略図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る物理量検出装置を搭載し切削工具であるドリルが装着された工作機械の概略図である。
【図９】検出用センサの出力信号と最適フィルタ処理後の出力信号の周波数スペクトル比較を示す図であり、（ａ）は転動装置の回転速度が３６０ｒｍｐ（ｍｉｎ−１）の場合、（ｂ）は転動装置の回転速度が８８ｒｐｍ（ｍｉｎ−１）である。
【図１０】第１実施形態に係る振動センサの別の取付方法を示す図である。
【図１１】第１実施形態に係る信号処理部の変形例を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
５０，３５０，４５０ 物理量検出装置
１００ 鉄道車両
１０１ 車輪
１１０ 回転支持装置（転動装置）
１１１ 検出用振動センサ（検出用センサ）
１１７ 参照用振動センサ（参照用センサ）
１５０ 信号処理装置
１５１，５５１ フィルタ処理部
１５０Ａ センサ信号処理部
１５０Ｂ 診断処理部
１７３ ＤＳＰ回路
２１１ 複列円すいころ軸受
２２１ ハウジング
３００ 鉄鋼圧延機
３０３ 支持軸受（転動装置）
４００ ドリル研削機
４０１ 回転軸（転動装置）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械装置に組み込まれる転動装置から発せられる振動、音、超音波、応力、変位または歪みのいずれかの物理量を検出する検出用センサと、
所定の位置に配設されて前記物理量を検出する参照用センサと、
前記検出用センサからの信号と前記参照用センサからの信号とを取り込み、最適フィルタを施すことによって前記転動装置以外から発生するノイズ信号を除去して前記物理量を推定する信号処理部と、
を備える
ことを特徴とする物理量検出装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、
さらに、
前記推定された物理量に基づき周波数分布を求めて前記転動装置の異常診断を行う診断処理部を備える、
請求項１に記載の物理量検出装置。
【請求項３】
前記参照用センサは、前記検出用センサが取付けられた部材に、同じく取付けられる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の物理量検出装置。
【請求項４】
前記参照用センサは、前記信号処理部内に配設される、
請求項１又は２に記載の物理量検出装置。
【請求項５】
前記参照用センサは、前記検出用センサと同じ方向の前記物理量を検出し得るように配設される、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の物理量検出装置。
【請求項６】
前記最適フィルタはカルマンフィルタ又はウィナーフィルタの少なくともいずれかである、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の物理量検出装置。
【請求項７】
前記最適フィルタはＬＭＳアルゴリズム又はＲＬＳアルゴリズムの少なくともいずれかである、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の物理量検出装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の物理量検出装置が取付けられた転動装置。
【請求項１】
機械装置に組み込まれる転動装置から発せられる振動、音、超音波、応力、変位または歪みのいずれかの物理量を検出する検出用センサと、
所定の位置に配設されて前記物理量を検出する参照用センサと、
前記検出用センサからの信号と前記参照用センサからの信号とを取り込み、最適フィルタを施すことによって前記転動装置以外から発生するノイズ信号を除去して前記物理量を推定する信号処理部と、
を備える
ことを特徴とする物理量検出装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、
さらに、
前記推定された物理量に基づき周波数分布を求めて前記転動装置の異常診断を行う診断処理部を備える、
請求項１に記載の物理量検出装置。
【請求項３】
前記参照用センサは、前記検出用センサが取付けられた部材に、同じく取付けられる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の物理量検出装置。
【請求項４】
前記参照用センサは、前記信号処理部内に配設される、
請求項１又は２に記載の物理量検出装置。
【請求項５】
前記参照用センサは、前記検出用センサと同じ方向の前記物理量を検出し得るように配設される、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の物理量検出装置。
【請求項６】
前記最適フィルタはカルマンフィルタ又はウィナーフィルタの少なくともいずれかである、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の物理量検出装置。
【請求項７】
前記最適フィルタはＬＭＳアルゴリズム又はＲＬＳアルゴリズムの少なくともいずれかである、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の物理量検出装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の物理量検出装置が取付けられた転動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−１６４５７８（Ｐ２００８−１６４５７８Ａ）
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３６９３８（Ｐ２００７−１３６９３８）
【出願日】平成１９年５月２３日（２００７．５．２３）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２３日（２００７．５．２３）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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