転がり軸受の異常診断装置および歯車の異常診断装置
【課題】キズや剥離等の転がり軸受の異常を感度良くかつ正確に診断可能な転がり軸受の異常診断装置を提供する。
【解決手段】異常診断装置は、転がり軸受の振動を測定するためのセンサと、センサを用いて測定された振動波形に基づいて転がり軸受の異常を診断するための処理部とを備える。処理部は、変換部と、診断部とを含む。変換部は、転がり軸受の異常により振動波形に周期的に表われるパルス状波形（ｋ１）を、各パルス状波形の包絡線よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形（ｋ２）に変換する。診断部は、逆のこぎり波状波形（ｋ２）に基づいて転がり軸受の異常を診断する。
【解決手段】異常診断装置は、転がり軸受の振動を測定するためのセンサと、センサを用いて測定された振動波形に基づいて転がり軸受の異常を診断するための処理部とを備える。処理部は、変換部と、診断部とを含む。変換部は、転がり軸受の異常により振動波形に周期的に表われるパルス状波形（ｋ１）を、各パルス状波形の包絡線よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形（ｋ２）に変換する。診断部は、逆のこぎり波状波形（ｋ２）に基づいて転がり軸受の異常を診断する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受の異常診断装置および歯車の異常診断装置に関し、特に、転がり軸受や歯車の回転時に発生する振動や音を測定することによって、転がり軸受のキズや剥離等の異常や歯車の歯欠け等の異常を診断する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受に生じたキズや剥離等の異常を診断する手法として、転がり軸受の回転時に発生する振動や音を振動センサやマイクロホンによって測定し、その測定された信号のエンベロープ波形（包絡線）を生成し、それを周波数分析して得られる周波数スペクトルのピークレベルを評価する手法が知られている（たとえば特許文献１や特許文献２参照。）。
【０００３】
なお、エンベロープ波形を生成する手法については、絶対値検波後にローパスフィルタ（ＬＰＦ）を適用することによってエンベロープ波形を生成する手法が周知であり、市販の計測機器にも広く搭載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１４６７６２号公報
【特許文献２】特開２００１−２１４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
転がり軸受に生じたキズや剥離等により、転がり軸受の回転時にパルス状の振動が周期的に発生する。このキズや剥離等により生じるパルス状波形の幅（パルス幅）は数ミリ秒〜数十ミリ秒と狭い場合が多く、その信号パワーは非常に小さい。そのため、特にキズや剥離の程度が小さい場合には、エンベロープ波形を周波数分析して得られる周波数スペクトルのピークレベルが低く、十分なＳ／Ｎ比を得られない場合がある。
【０００６】
また、キズや剥離等の欠陥により生じるパルス状波形のパルス幅は、欠陥の形状によって変化し得る。ここで、周波数スペクトルのピークレベルは、パルス状波形の振幅とパルス幅とにほぼ比例し、パルス幅が変化すると周波数スペクトルのピークレベルが変化する。したがって、欠陥の形状の違いによって周波数スペクトルのピークレベルがばらつき、その結果、異常診断を誤判定する可能性がある。
【０００７】
なお、このような問題は、異常が発生することによりパルス状の振動が周期的に発生する機器全般に適用可能であり、たとえば、歯車において歯欠け等の欠陥が生じたときも同様の問題が発生し得る。
【０００８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、キズや剥離等の転がり軸受の異常を感度良くかつ正確に診断可能な転がり軸受の異常診断装置を提供することである。
【０００９】
また、この発明の別の目的は、歯車の歯欠け等の異常を感度良くかつ正確に診断可能な歯車の異常診断装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明によれば、転がり軸受の異常診断装置は、転がり軸受の振動を測定するためのセンサと、センサを用いて測定された振動波形に基づいて転がり軸受の異常を診断するための処理部とを備える。処理部は、変換部と、診断部とを含む。変換部は、転がり軸受の異常により振動波形に周期的に表われるパルス状波形を、各パルス状波形の包絡線（エンベロープ波形）よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する。診断部は、逆のこぎり波状波形に基づいて転がり軸受の異常を診断する。
【００１１】
好ましくは、変換部は、振動波形を整流する整流部と、所定の時定数を有する包絡線検波部とを含む。包絡線検波部は、整流部の出力を受ける。時定数は、包絡線検波部の出力波形にダイアゴナルクリッピング歪み（「袈裟切り歪み」とも称される。）が生じるように設定される。逆のこぎり波状波形は、包絡線検波部の出力波形においてダイアゴナルクリッピング歪みが生じたものである。
【００１２】
さらに好ましくは、時定数は、パルス状波形の発生周期の０．１〜２．０倍に設定される。
【００１３】
好ましくは、整流部および包絡線検波部は、整流部に対応する整流回路と、包絡線検波部を形成する抵抗器およびコンデンサとを含むアナログ電子回路によって構成される。
【００１４】
さらに好ましくは、抵抗器は、抵抗値を変更可能な可変抵抗器である。そして、可変抵抗器の抵抗値を調整することによって時定数が設定される。
【００１５】
さらに好ましくは、可変抵抗器の抵抗値は、転がり軸受の仕様および回転速度に基づいて調整される。
【００１６】
また、好ましくは、処理部は、Ａ／Ｄ変換器をさらに含む。Ａ／Ｄ変換器は、センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換して変換部へ出力する。整流部および包絡線検波部は、予め準備されたプログラムに従って動作するソフトウェア処理によって構成される。
【００１７】
さらに好ましくは、包絡線検波部は、時定数を設定するための調整パラメータを有する。
【００１８】
さらに好ましくは、調整パラメータは、転がり軸受の仕様および回転速度に基づいて自動調整される。
【００１９】
好ましくは、整流部は、全波整流回路を含む。
また、好ましくは、整流部は、半波整流回路を含む。
【００２０】
好ましくは、処理部は、周波数分析部をさらに含む。周波数分析部は、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを出力する。診断部は、周波数スペクトルのピークレベルに基づいて転がり軸受の異常を診断する。
【００２１】
また、好ましくは、処理部は、実効値演算部をさらに含む。実効値演算部は、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値を出力する。診断部は、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値に基づいて転がり軸受の異常を診断する。
【００２２】
好ましくは、センサは、加速度センサ、速度センサおよび変位センサのいずれかを含む。
【００２３】
また、好ましくは、センサは、転がり軸受の振動音を検出するマイクロホンを含む。
また、好ましくは、センサは、転がり軸受のトルクを検出するためのトルクセンサを含む。
【００２４】
また、この発明によれば、歯車の異常診断装置は、歯車の振動を測定するためのセンサと、センサを用いて測定された振動波形に基づいて歯車の異常を診断するための処理部とを備える。処理部は、変換部と、診断部とを含む。変換部は、転がり軸受の異常により振動波形に周期的に表われるパルス状波形を、各パルス状波形の包絡線（エンベロープ波形）よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する。診断部は、逆のこぎり波状波形に基づいて歯車の異常を診断する。
【発明の効果】
【００２５】
この発明においては、転がり軸受や歯車の異常により振動波形に周期的に表われるパルス状波形が、各パルス状波形の包絡線（エンベロープ波形）よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換される。このような逆のこぎり波状波形は、ダイアゴナルクリッピング歪みとして従来は避けるべきものとされていたが、この発明においては、この歪みが積極的に活用される。
【００２６】
すなわち、変換部による変換後の逆のこぎり波状波形の信号幅はエンベロープ波形よりも広いので、信号パワーが大きい。これにより、周波数分析して得られる周波数スペクトルのピークレベルが高くなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００２７】
また、逆のこぎり波状波形の信号幅は一定であるので、周波数スペクトルのピークレベルは、パルス状波形のパルス幅の影響を受けず、パルス状波形の振幅（パルス高さ）のみの影響を受けることとなる。すなわち、周波数スペクトルのピークレベルは、欠陥の形状の影響は受けず、欠陥の大きさのみの影響を受けることとなる。これにより、欠陥の形状の違いによる周波数スペクトルのピークレベルのばらつきが低減される。
【００２８】
したがって、この発明によれば、キズや剥離等の転がり軸受の異常や歯欠け等の歯車の異常を感度良くかつ正確に診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態１による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。
【図２】図１に示す変換部の回路図である。
【図３】パルス状波形の発生周期に対する時定数の比と、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値との関係を示した図である。
【図４】変換部から出力される逆のこぎり波状波形を示した図である。
【図５】従来のエンベロープ波形を示した図である。
【図６】図４に示す逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを示した図である。
【図７】図５に示すエンベロープ波形の周波数スペクトルを示した図である。
【図８】パルス幅が異なるパルス状波形に対しての、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルの変化を示した図である。
【図９】パルス幅が異なるパルス状波形に対しての、従来のエンベロープ波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルの変化を示した図である。
【図１０】実施の形態１の変形例における変換部の回路図である。
【図１１】実施の形態２による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。
【図１２】図１１に示す包絡線検波部においてソフトウェアにより実行される処理手順を説明するためのフローチャートである。
【図１３】実施の形態３による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。
【図１４】図１３に示す実効値算出部の回路図である。
【図１５】歯車の異常診断装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００３１】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。図１を参照して、異常診断装置は、振動センサ２０と、信号処理部３０とを備える。
【００３２】
振動センサ２０は、転がり軸受１０に固設される。そして、振動センサ２０は、転がり軸受１０の振動を検出し、検出信号を信号処理部３０へ出力する。振動センサ２０は、たとえば、圧電素子を用いた加速度センサによって構成される。転がり軸受１０は、図示されない回転部材の回転軸を回転自在に支持する。転がり軸受１０は、たとえば、自動調芯ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等によって構成される。なお、転がり軸受１０は、単列のものでも複列のものでもよい。
【００３３】
信号処理部３０は、増幅器３２と、帯域フィルタ３４と、変換部３６と、周波数分析部４２と、診断部４４とを含む。増幅器３２は、振動センサ２０から出力される検出信号を受け、その受けた検出信号を所定のゲインで増幅する。帯域フィルタ３４は、増幅器３２の出力を受け、予め定められた周波数帯域のみの信号を取り出して変換部３６へ出力する。
【００３４】
変換部３６は、帯域フィルタ３４から出力される振動波形に周期的に表われるパルス状波形を、そのパルス状波形の包絡線（エンベロープ波形）よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する。より詳しくは、変換部３６は、整流部３８と、包絡線検波部４０とを含む。整流部３８は、帯域フィルタ３４から出力される振動波形を絶対値に整流する。包絡線検波部４０は、整流部３８の出力を受け、所定の時定数を有する。
【００３５】
ここで、包絡線検波部４０の時定数は、包絡線検波部４０の出力波形にダイアゴナルクリッピング歪みが生じるように設定される。ダイアゴナルクリッピング歪みとは、出力波形の立下がりの傾斜が本来の包絡線の傾斜よりも緩やかになる歪みであり、一般的には、ダイアゴナルクリッピング歪みは避けるべきものとされているが、この実施の形態１においては、このダイアゴナルクリッピング歪みが積極的に活用される。そして、包絡線検波部４０は、パルス状波形の包絡線に対してダイアゴナルクリッピング歪みを生じさせた、逆のこぎり波状の波形を出力する。
【００３６】
ダイアゴナルクリッピング歪みを積極的に生じるように包絡線検波部４０の時定数を設定するのは、周波数分析部４２に与えられる信号のパワーを増加させ、かつ、信号幅を一定にするためである。すなわち、ダイアゴナルクリッピング歪みにより、パルス状波形に対応する出力波形の信号幅が拡大され、信号パワーが増加する。これにより、周波数分析部４２により得られる周波数スペクトルのピークレベルが高くなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００３７】
また、ダイアゴナルクリッピング歪みにより、パルス状波形に対応する出力波形の信号幅は、時定数によって定まる一定幅となる。したがって、周波数スペクトルのピークレベルは、パルス状波形のパルス幅の影響を受けなくなり、すなわち、欠陥の形状の影響を受けなくなる。これにより、欠陥の形状の違いによる周波数スペクトルのピークレベルのばらつきが低減される。
【００３８】
周波数分析部４２は、変換部３６から出力される逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを算出し、その算出結果を診断部４４へ出力する。一例として、周波数分析部４２は、変換部３６から受ける逆のこぎり波状波形に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行なうことによって、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを算出する。
【００３９】
診断部４４は、周波数分析部４２から受ける逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルに基づいて転がり軸受１０の異常を診断する。具体的には、転がり軸受１０の内部においてキズや剥離等の損傷が発生すると、損傷部位（内輪、外輪、転動体）に応じて、軸受内部の幾何学的構造および回転速度から理論的に決定される特定の周波数に振動のピークが発生する。そこで、診断部４４は、周波数スペクトルのピーク周波数およびピークレベルに基づいて、異常発生部位を診断することができる。
【００４０】
図２は、図１に示した変換部３６の回路図である。図２を参照して、上述のように、変換部３６は、整流部３８と、包絡線検波部４０とを含む。整流部３８は、複数のオペアンプ、ダイオードおよび抵抗素子を含む全波整流回路である。包絡線検波部４０は、整流部３８の出力側に設けられ、コンデンサ５０と、抵抗器５２とを含む。
【００４１】
コンデンサ５０および抵抗器５２は、整流部３８の出力線と接地ノードとの間に並列に接続される。このコンデンサ５０の容量値および抵抗器５２の抵抗値によって包絡線検波部４０の時定数が決まる。そして、包絡線検波部４０の出力波形にダイアゴナルクリッピング歪みを生じるような時定数が設定されるように、コンデンサ５０の容量値および抵抗器５２の抵抗値が設定される。
【００４２】
ここで、転がり軸受１０の仕様や回転速度によってパルス状波形の発生周期は変化するので、パルス状波形の発生周期の変化に応じて時定数を変更する必要がある。そこで、この実施の形態１では、抵抗器５２は、可変抵抗器によって構成され、転がり軸受１０の仕様や回転速度に応じて抵抗器５２の抵抗値が調整される。一例として、軸受の仕様や回転速度と時定数と抵抗器５２の抵抗値との関係を予め定めておき、時定数が所望の値になるように、転がり軸受１０の仕様や回転速度に基づいて抵抗器５２の抵抗値を自動調整するようにしてもよい。
【００４３】
なお、抵抗器５２を可変抵抗器とすることに代えて、または抵抗器５２を可変抵抗器によって構成するとともに、コンデンサ５０を可変コンデンサによって構成し、転がり軸受１０の仕様や回転速度に応じてコンデンサ５０の容量値を調整してもよい。
【００４４】
図３は、パルス状波形の発生周期に対する時定数の比と、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値との関係を示した図である。図３を参照して、包絡線検波部４０の時定数を変化させると、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値にピークが発生する。そして、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値が大きいほど、周波数分析部４２により得られる周波数スペクトルのピークレベルは高くなる。
【００４５】
図３に示されるように、時定数は、パルス状波形の発生周期に近い値が望ましい。パルス状波形の発生周期に対して時定数が小さすぎると、逆のこぎり波状波形を生成できず（包絡線に近づく）、時定数が大きすぎると、パルス状波形のピーク値がホールドされたような波形となる（変動が小さくなる）。そこで、たとえば、包絡線検波部４０の時定数は、パルス状波形の発生周期の０．１〜２．０倍の範囲に設定するのが好ましい。
【００４６】
図４は、変換部３６から出力される逆のこぎり波状波形を示した図である。図４を参照して、実線ｋ１は、変換部３６による変換前のパルス状波形を示し、点線ｋ２は、変換部３６によって得られる逆のこぎり波状波形を示す。なお、実線ｋ１におけるパルス状波形間の小刻みな振動はノイズであり、ここでいうパルス状波形に該当するものではない。
【００４７】
また、比較例として、従来のエンベロープ波形を図５に示す。図５を参照して、点線ｋ３が、実線ｋ１にエンベロープ処理を行なうことによって得られるエンベロープ波形（包絡線）を示す。
【００４８】
図４，５を参照して、逆のこぎり波状波形（点線ｋ２）の信号幅は、エンベロープ波形（点線ｋ３）の信号幅よりも広い。また、特に図示されないが、欠陥の形状が図の状況時と異なることにより実線ｋ１におけるパルス状波形のパルス幅が変化しても、逆のこぎり波状波形（点線ｋ２）の信号幅は一定となる（一方、エンベロープ波形（点線ｋ３）の信号幅は変化する。）。
【００４９】
図６は、図４に示した逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを示した図である。なお、比較例として、図５に示したエンベロープ波形の周波数スペクトルを図７に示す。
【００５０】
図６，７を参照して、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルの方が、エンベロープ波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルよりも高い。これは、図４，５に示したように、逆のこぎり波状波形の信号幅はエンベロープ波形の信号幅よりも広く、逆のこぎり波状波形の信号パワーの方がエンベロープ波形の信号パワーよりも大きいからである。これにより、逆のこぎり波状波形を用いることによって、従来のエンベロープ波形を用いるよりもＳ／Ｎ比が向上する。
【００５１】
図８は、パルス幅が異なるパルス状波形に対しての、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルの変化を示した図である。なお、比較例として、従来のエンベロープ波形における周波数スペクトルのピークレベルの変化を図９に示す。
【００５２】
図８，９を参照して、パルス幅が異なるパルス状波形に対して、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルの変化は小さい。一方、エンベロープ波形の場合には、パルス幅が異なるパルス状波形に対して、周波数スペクトルのピークレベルの変化が大きい。これは、逆のこぎり波状波形の信号幅は、パルス幅が変化しても一定であり、一方、パルス幅の変化に応じてエンベロープ波形の信号幅は変化するからである。
【００５３】
以上のように、この実施の形態１においては、転がり軸受１０の異常により周期的に発生するパルス状波形が変換部３６によって逆のこぎり波状波形に変換される。逆のこぎり波状波形の信号幅はエンベロープ波形よりも広く、信号パワーが大きい。これにより、周波数分析して得られる周波数スペクトルのピークレベルが高くなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００５４】
また、逆のこぎり波状波形の信号幅は一定であるので、周波数スペクトルのピークレベルは、パルス状波形のパルス幅の影響を受けず、パルス状波形の振幅（パルス高さ）のみの影響を受ける。すなわち、周波数スペクトルのピークレベルは、欠陥の形状の影響は受けず、欠陥の大きさのみの影響を受ける。これにより、欠陥の形状の違いによる周波数スペクトルのピークレベルのばらつきが低減される。
【００５５】
したがって、この実施の形態１によれば、キズや剥離等の転がり軸受１０の異常を感度良くかつ正確に診断することができる。
【００５６】
［実施の形態１の変形例］
上記の実施の形態１においては、変換部３６の整流部３８は、全波整流回路によって構成されるものとしたが、全波整流回路に代えて半波整流回路で整流部３８を構成してもよい。
【００５７】
図１０は、実施の形態１の変形例における変換部３６の回路図である。図１０を参照して、変換部３６の整流部３８は、半波整流用ダイオードを含む。なお、包絡線検波部４０の構成は、図２に示した実施の形態１と同じである。
【００５８】
この実施の形態１の変形例によれば、変換部３６を小型化することができ、信号処理部も安価に実現することができる。
【００５９】
［実施の形態２］
実施の形態１およびその変形例では、変換部３６は、図２に示したアナログ電子回路によって構成されるものとしたが、この実施の形態２では、ソフトウェア処理によって実現される。
【００６０】
図１１は、実施の形態２による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。図１１を参照して、この異常診断装置は、振動センサ２０と、信号処理部３０Ａとを備える。信号処理部３０Ａは、図１に示した実施の形態１における信号処理部３０の構成において、Ａ／Ｄ変換器４６をさらに含み、変換部３６に代えて変換部３６Ａを含む。
【００６１】
Ａ／Ｄ変換器４６は、帯域フィルタ３４を通過したアナログ信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングし、デジタル信号に変換する。変換部３６Ａは、振動波形に周期的に表われるパルス状波形であってＡ／Ｄ変換器４６によりデジタル信号に変換されたものを、そのパルス状波形の包絡線（エンベロープ波形）よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する。この変換部３６Ａも、整流部３８と、包絡線検波部４０とを含む。整流部３８および包絡線検波部４０の各々の機能は、実施の形態１で説明した通りである。
【００６２】
図１２は、図１１に示した包絡線検波部４０においてソフトウェアにより実行される処理手順を説明するためのフローチャートである。なお、このフローチャートに示される処理は、予め定められた演算周期毎に実行される。
【００６３】
図１２を参照して、包絡線検波部４０は、整流部３８から受ける入力信号Ｘ［ｉ］（ｉは信号が離散化されていることを示し、［ｉ］は今回値を示し、［ｉ−１］は前回演算時の値を示す。）が、前回演算時の出力信号Ｙ［ｉ−１］に係数αを乗じた値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。なお、係数αは、包絡線検波部４０の時定数を決定するための値であり、Ｙ［ｉ−１］×αは、係数αに応じた時定数で減衰する信号を示す。
【００６４】
ステップＳ１０において、入力信号Ｘ［ｉ］が出力信号Ｙ［ｉ−１］×α以上であると判定されると（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、包絡線検波部４０は、入力信号Ｘ［ｉ］を出力信号Ｙ［ｉ］に代入する（ステップＳ２０）。一方、ステップＳ１０において、入力信号Ｘ［ｉ］が出力信号Ｙ［ｉ−１］×αよりも小さいと判定されると（ステップＳ１０においてＮＯ）、包絡線検波部４０は、Ｙ［ｉ−１］×αの値を出力信号Ｙ［ｉ］に代入する（ステップＳ３０）。すなわち、包絡線検波部４０は、係数αに応じた時定数で減衰する信号Ｙ［ｉ−１］×αを入力信号Ｘ［ｉ］と比較し、値が大きい方を出力信号Ｙ［ｉ］とする。
【００６５】
その後、包絡線検波部４０は、出力信号Ｙ［ｉ］をＹ［ｉ−１］に代入する（ステップＳ４０）。なお、Ｙ［ｉ−１］は、次回の演算時に用いられる。
【００６６】
なお、係数αは、次式に基づいて算出することができる。
α＝（１／ｅ）１／（τ×ｆｓ） …（１）
ここで、ｅは自然対数の底であり、τは時定数を示し、ｆｓはＡ／Ｄ変換器４６のサンプリング周波数を示す。たとえば、転がり軸受１０の仕様および回転速度に基づいてパルス状波形の発生周期を推定できるので、包絡線検波部４０の時定数がパルス状波形の発生周期の０．１〜２．０倍となるように転がり軸受１０の仕様および回転速度に基づいて時定数τを調整し、上記（１）式に基づいて係数αを調整することができる。
【００６７】
この実施の形態２によっても、実施の形態１と同様に、キズや剥離等の転がり軸受１０の異常を感度良くかつ正確に診断することができる。
【００６８】
［実施の形態３］
上記の各実施の形態においては、変換部３６により生成される逆のこぎり波状波形を周波数分析することによって転がり軸受１０の異常診断を行なうものとした。この実施の形態３では、周波数分析に代えて逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値（「ＲＭＳ（Root Mean Square）値」とも称される。）が算出され、その算出結果に基づいて転がり軸受１０の異常診断が行なわれる。
【００６９】
図１３は、実施の形態３による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。図１３を参照して、この異常診断装置は、振動センサ２０と、信号処理部３０Ｂとを備える。信号処理部３０Ｂは、図１に示した実施の形態１における信号処理部３０の構成において、周波数分析部４２に代えて実効値算出部４８を含む。
【００７０】
実効値算出部４８は、変換部３６によって生成される逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値を算出する。そして、診断部４４は、実効値算出部４８から受ける逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値に基づいて転がり軸受１０の異常を診断する。
【００７１】
図１４は、図１３に示した実効値算出部４８の回路図である。図１４を参照して、この回路は、入力信号を絶対値に整流する整流部と、整流部の出力側に設けられる低域通過フィルタ（ＬＰＦ）とから成る。
【００７２】
なお、特に図示しないが、実効値算出部４８には、市販の実効値変換用ＩＣを用いてもよい。また、実効値算出部４８をソフトウェア処理によって実現してもよい。たとえば、変換部３６の出力データから直流成分（平均値）を差引くことによって逆のこぎり波状波形の交流成分を算出し、その算出された交流成分のデータの二乗平均平方根を算出することによって、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値をソフトウェア上で算出することができる。
【００７３】
なお、変換部３６については、実施の形態１およびその変形例のようにアナログ電子回路によって構成してもよいし、実施の形態２のようにソフトウェア処理によって構成してもよい。
【００７４】
この実施の形態３によっても、実施の形態１と同様に、キズや剥離等の転がり軸受１０の異常を感度良くかつ正確に診断することができる。
【００７５】
なお、上記の各実施の形態においては、転がり軸受１０の異常を診断する異常診断装置について説明したが、この発明は、異常が発生することによりパルス状の振動が周期的に発生する機器全般に適用可能である。たとえば、図１５に示すように歯車１２が据付けられる土台や、歯車を格納するギヤボックス（図示せず）などに振動センサ２０を設置することによって、歯車１２の歯欠け等の異常を診断することも可能である。
【００７６】
また、上記の各実施の形態においては、振動センサ２０は加速度センサによって構成されるものとしたが、加速度センサに代えて速度センサや変位センサを用いてもよい。また、振動センサ２０に代えて、振動音を検出するためのマイクロホンや、回転軸のトルク変動を検出するトルクセンサ等を用いてもよい。
【００７７】
なお、上記において、振動センサ２０は、この発明における「センサ」の一実施例に対応し、信号処理部３０，３０Ａ，３０Ｂは、この発明における「処理部」の一実施例に対応する。
【００７８】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 転がり軸受、１２ 歯車、２０ 振動センサ、３０，３０Ａ，３０Ｂ 信号処理部、３２ 増幅器、３４ 帯域フィルタ、３６，３６Ａ 変換部、３８ 整流部、４０ 包絡線検波部、４２ 周波数分析部、４４ 診断部、４６ Ａ／Ｄ変換器、４８ 実効値算出部、５０ コンデンサ、５２ 抵抗器。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受の異常診断装置および歯車の異常診断装置に関し、特に、転がり軸受や歯車の回転時に発生する振動や音を測定することによって、転がり軸受のキズや剥離等の異常や歯車の歯欠け等の異常を診断する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受に生じたキズや剥離等の異常を診断する手法として、転がり軸受の回転時に発生する振動や音を振動センサやマイクロホンによって測定し、その測定された信号のエンベロープ波形（包絡線）を生成し、それを周波数分析して得られる周波数スペクトルのピークレベルを評価する手法が知られている（たとえば特許文献１や特許文献２参照。）。
【０００３】
なお、エンベロープ波形を生成する手法については、絶対値検波後にローパスフィルタ（ＬＰＦ）を適用することによってエンベロープ波形を生成する手法が周知であり、市販の計測機器にも広く搭載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１４６７６２号公報
【特許文献２】特開２００１−２１４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
転がり軸受に生じたキズや剥離等により、転がり軸受の回転時にパルス状の振動が周期的に発生する。このキズや剥離等により生じるパルス状波形の幅（パルス幅）は数ミリ秒〜数十ミリ秒と狭い場合が多く、その信号パワーは非常に小さい。そのため、特にキズや剥離の程度が小さい場合には、エンベロープ波形を周波数分析して得られる周波数スペクトルのピークレベルが低く、十分なＳ／Ｎ比を得られない場合がある。
【０００６】
また、キズや剥離等の欠陥により生じるパルス状波形のパルス幅は、欠陥の形状によって変化し得る。ここで、周波数スペクトルのピークレベルは、パルス状波形の振幅とパルス幅とにほぼ比例し、パルス幅が変化すると周波数スペクトルのピークレベルが変化する。したがって、欠陥の形状の違いによって周波数スペクトルのピークレベルがばらつき、その結果、異常診断を誤判定する可能性がある。
【０００７】
なお、このような問題は、異常が発生することによりパルス状の振動が周期的に発生する機器全般に適用可能であり、たとえば、歯車において歯欠け等の欠陥が生じたときも同様の問題が発生し得る。
【０００８】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、キズや剥離等の転がり軸受の異常を感度良くかつ正確に診断可能な転がり軸受の異常診断装置を提供することである。
【０００９】
また、この発明の別の目的は、歯車の歯欠け等の異常を感度良くかつ正確に診断可能な歯車の異常診断装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明によれば、転がり軸受の異常診断装置は、転がり軸受の振動を測定するためのセンサと、センサを用いて測定された振動波形に基づいて転がり軸受の異常を診断するための処理部とを備える。処理部は、変換部と、診断部とを含む。変換部は、転がり軸受の異常により振動波形に周期的に表われるパルス状波形を、各パルス状波形の包絡線（エンベロープ波形）よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する。診断部は、逆のこぎり波状波形に基づいて転がり軸受の異常を診断する。
【００１１】
好ましくは、変換部は、振動波形を整流する整流部と、所定の時定数を有する包絡線検波部とを含む。包絡線検波部は、整流部の出力を受ける。時定数は、包絡線検波部の出力波形にダイアゴナルクリッピング歪み（「袈裟切り歪み」とも称される。）が生じるように設定される。逆のこぎり波状波形は、包絡線検波部の出力波形においてダイアゴナルクリッピング歪みが生じたものである。
【００１２】
さらに好ましくは、時定数は、パルス状波形の発生周期の０．１〜２．０倍に設定される。
【００１３】
好ましくは、整流部および包絡線検波部は、整流部に対応する整流回路と、包絡線検波部を形成する抵抗器およびコンデンサとを含むアナログ電子回路によって構成される。
【００１４】
さらに好ましくは、抵抗器は、抵抗値を変更可能な可変抵抗器である。そして、可変抵抗器の抵抗値を調整することによって時定数が設定される。
【００１５】
さらに好ましくは、可変抵抗器の抵抗値は、転がり軸受の仕様および回転速度に基づいて調整される。
【００１６】
また、好ましくは、処理部は、Ａ／Ｄ変換器をさらに含む。Ａ／Ｄ変換器は、センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換して変換部へ出力する。整流部および包絡線検波部は、予め準備されたプログラムに従って動作するソフトウェア処理によって構成される。
【００１７】
さらに好ましくは、包絡線検波部は、時定数を設定するための調整パラメータを有する。
【００１８】
さらに好ましくは、調整パラメータは、転がり軸受の仕様および回転速度に基づいて自動調整される。
【００１９】
好ましくは、整流部は、全波整流回路を含む。
また、好ましくは、整流部は、半波整流回路を含む。
【００２０】
好ましくは、処理部は、周波数分析部をさらに含む。周波数分析部は、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを出力する。診断部は、周波数スペクトルのピークレベルに基づいて転がり軸受の異常を診断する。
【００２１】
また、好ましくは、処理部は、実効値演算部をさらに含む。実効値演算部は、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値を出力する。診断部は、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値に基づいて転がり軸受の異常を診断する。
【００２２】
好ましくは、センサは、加速度センサ、速度センサおよび変位センサのいずれかを含む。
【００２３】
また、好ましくは、センサは、転がり軸受の振動音を検出するマイクロホンを含む。
また、好ましくは、センサは、転がり軸受のトルクを検出するためのトルクセンサを含む。
【００２４】
また、この発明によれば、歯車の異常診断装置は、歯車の振動を測定するためのセンサと、センサを用いて測定された振動波形に基づいて歯車の異常を診断するための処理部とを備える。処理部は、変換部と、診断部とを含む。変換部は、転がり軸受の異常により振動波形に周期的に表われるパルス状波形を、各パルス状波形の包絡線（エンベロープ波形）よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する。診断部は、逆のこぎり波状波形に基づいて歯車の異常を診断する。
【発明の効果】
【００２５】
この発明においては、転がり軸受や歯車の異常により振動波形に周期的に表われるパルス状波形が、各パルス状波形の包絡線（エンベロープ波形）よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換される。このような逆のこぎり波状波形は、ダイアゴナルクリッピング歪みとして従来は避けるべきものとされていたが、この発明においては、この歪みが積極的に活用される。
【００２６】
すなわち、変換部による変換後の逆のこぎり波状波形の信号幅はエンベロープ波形よりも広いので、信号パワーが大きい。これにより、周波数分析して得られる周波数スペクトルのピークレベルが高くなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００２７】
また、逆のこぎり波状波形の信号幅は一定であるので、周波数スペクトルのピークレベルは、パルス状波形のパルス幅の影響を受けず、パルス状波形の振幅（パルス高さ）のみの影響を受けることとなる。すなわち、周波数スペクトルのピークレベルは、欠陥の形状の影響は受けず、欠陥の大きさのみの影響を受けることとなる。これにより、欠陥の形状の違いによる周波数スペクトルのピークレベルのばらつきが低減される。
【００２８】
したがって、この発明によれば、キズや剥離等の転がり軸受の異常や歯欠け等の歯車の異常を感度良くかつ正確に診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態１による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。
【図２】図１に示す変換部の回路図である。
【図３】パルス状波形の発生周期に対する時定数の比と、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値との関係を示した図である。
【図４】変換部から出力される逆のこぎり波状波形を示した図である。
【図５】従来のエンベロープ波形を示した図である。
【図６】図４に示す逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを示した図である。
【図７】図５に示すエンベロープ波形の周波数スペクトルを示した図である。
【図８】パルス幅が異なるパルス状波形に対しての、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルの変化を示した図である。
【図９】パルス幅が異なるパルス状波形に対しての、従来のエンベロープ波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルの変化を示した図である。
【図１０】実施の形態１の変形例における変換部の回路図である。
【図１１】実施の形態２による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。
【図１２】図１１に示す包絡線検波部においてソフトウェアにより実行される処理手順を説明するためのフローチャートである。
【図１３】実施の形態３による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。
【図１４】図１３に示す実効値算出部の回路図である。
【図１５】歯車の異常診断装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００３１】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。図１を参照して、異常診断装置は、振動センサ２０と、信号処理部３０とを備える。
【００３２】
振動センサ２０は、転がり軸受１０に固設される。そして、振動センサ２０は、転がり軸受１０の振動を検出し、検出信号を信号処理部３０へ出力する。振動センサ２０は、たとえば、圧電素子を用いた加速度センサによって構成される。転がり軸受１０は、図示されない回転部材の回転軸を回転自在に支持する。転がり軸受１０は、たとえば、自動調芯ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等によって構成される。なお、転がり軸受１０は、単列のものでも複列のものでもよい。
【００３３】
信号処理部３０は、増幅器３２と、帯域フィルタ３４と、変換部３６と、周波数分析部４２と、診断部４４とを含む。増幅器３２は、振動センサ２０から出力される検出信号を受け、その受けた検出信号を所定のゲインで増幅する。帯域フィルタ３４は、増幅器３２の出力を受け、予め定められた周波数帯域のみの信号を取り出して変換部３６へ出力する。
【００３４】
変換部３６は、帯域フィルタ３４から出力される振動波形に周期的に表われるパルス状波形を、そのパルス状波形の包絡線（エンベロープ波形）よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する。より詳しくは、変換部３６は、整流部３８と、包絡線検波部４０とを含む。整流部３８は、帯域フィルタ３４から出力される振動波形を絶対値に整流する。包絡線検波部４０は、整流部３８の出力を受け、所定の時定数を有する。
【００３５】
ここで、包絡線検波部４０の時定数は、包絡線検波部４０の出力波形にダイアゴナルクリッピング歪みが生じるように設定される。ダイアゴナルクリッピング歪みとは、出力波形の立下がりの傾斜が本来の包絡線の傾斜よりも緩やかになる歪みであり、一般的には、ダイアゴナルクリッピング歪みは避けるべきものとされているが、この実施の形態１においては、このダイアゴナルクリッピング歪みが積極的に活用される。そして、包絡線検波部４０は、パルス状波形の包絡線に対してダイアゴナルクリッピング歪みを生じさせた、逆のこぎり波状の波形を出力する。
【００３６】
ダイアゴナルクリッピング歪みを積極的に生じるように包絡線検波部４０の時定数を設定するのは、周波数分析部４２に与えられる信号のパワーを増加させ、かつ、信号幅を一定にするためである。すなわち、ダイアゴナルクリッピング歪みにより、パルス状波形に対応する出力波形の信号幅が拡大され、信号パワーが増加する。これにより、周波数分析部４２により得られる周波数スペクトルのピークレベルが高くなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００３７】
また、ダイアゴナルクリッピング歪みにより、パルス状波形に対応する出力波形の信号幅は、時定数によって定まる一定幅となる。したがって、周波数スペクトルのピークレベルは、パルス状波形のパルス幅の影響を受けなくなり、すなわち、欠陥の形状の影響を受けなくなる。これにより、欠陥の形状の違いによる周波数スペクトルのピークレベルのばらつきが低減される。
【００３８】
周波数分析部４２は、変換部３６から出力される逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを算出し、その算出結果を診断部４４へ出力する。一例として、周波数分析部４２は、変換部３６から受ける逆のこぎり波状波形に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行なうことによって、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを算出する。
【００３９】
診断部４４は、周波数分析部４２から受ける逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルに基づいて転がり軸受１０の異常を診断する。具体的には、転がり軸受１０の内部においてキズや剥離等の損傷が発生すると、損傷部位（内輪、外輪、転動体）に応じて、軸受内部の幾何学的構造および回転速度から理論的に決定される特定の周波数に振動のピークが発生する。そこで、診断部４４は、周波数スペクトルのピーク周波数およびピークレベルに基づいて、異常発生部位を診断することができる。
【００４０】
図２は、図１に示した変換部３６の回路図である。図２を参照して、上述のように、変換部３６は、整流部３８と、包絡線検波部４０とを含む。整流部３８は、複数のオペアンプ、ダイオードおよび抵抗素子を含む全波整流回路である。包絡線検波部４０は、整流部３８の出力側に設けられ、コンデンサ５０と、抵抗器５２とを含む。
【００４１】
コンデンサ５０および抵抗器５２は、整流部３８の出力線と接地ノードとの間に並列に接続される。このコンデンサ５０の容量値および抵抗器５２の抵抗値によって包絡線検波部４０の時定数が決まる。そして、包絡線検波部４０の出力波形にダイアゴナルクリッピング歪みを生じるような時定数が設定されるように、コンデンサ５０の容量値および抵抗器５２の抵抗値が設定される。
【００４２】
ここで、転がり軸受１０の仕様や回転速度によってパルス状波形の発生周期は変化するので、パルス状波形の発生周期の変化に応じて時定数を変更する必要がある。そこで、この実施の形態１では、抵抗器５２は、可変抵抗器によって構成され、転がり軸受１０の仕様や回転速度に応じて抵抗器５２の抵抗値が調整される。一例として、軸受の仕様や回転速度と時定数と抵抗器５２の抵抗値との関係を予め定めておき、時定数が所望の値になるように、転がり軸受１０の仕様や回転速度に基づいて抵抗器５２の抵抗値を自動調整するようにしてもよい。
【００４３】
なお、抵抗器５２を可変抵抗器とすることに代えて、または抵抗器５２を可変抵抗器によって構成するとともに、コンデンサ５０を可変コンデンサによって構成し、転がり軸受１０の仕様や回転速度に応じてコンデンサ５０の容量値を調整してもよい。
【００４４】
図３は、パルス状波形の発生周期に対する時定数の比と、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値との関係を示した図である。図３を参照して、包絡線検波部４０の時定数を変化させると、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値にピークが発生する。そして、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値が大きいほど、周波数分析部４２により得られる周波数スペクトルのピークレベルは高くなる。
【００４５】
図３に示されるように、時定数は、パルス状波形の発生周期に近い値が望ましい。パルス状波形の発生周期に対して時定数が小さすぎると、逆のこぎり波状波形を生成できず（包絡線に近づく）、時定数が大きすぎると、パルス状波形のピーク値がホールドされたような波形となる（変動が小さくなる）。そこで、たとえば、包絡線検波部４０の時定数は、パルス状波形の発生周期の０．１〜２．０倍の範囲に設定するのが好ましい。
【００４６】
図４は、変換部３６から出力される逆のこぎり波状波形を示した図である。図４を参照して、実線ｋ１は、変換部３６による変換前のパルス状波形を示し、点線ｋ２は、変換部３６によって得られる逆のこぎり波状波形を示す。なお、実線ｋ１におけるパルス状波形間の小刻みな振動はノイズであり、ここでいうパルス状波形に該当するものではない。
【００４７】
また、比較例として、従来のエンベロープ波形を図５に示す。図５を参照して、点線ｋ３が、実線ｋ１にエンベロープ処理を行なうことによって得られるエンベロープ波形（包絡線）を示す。
【００４８】
図４，５を参照して、逆のこぎり波状波形（点線ｋ２）の信号幅は、エンベロープ波形（点線ｋ３）の信号幅よりも広い。また、特に図示されないが、欠陥の形状が図の状況時と異なることにより実線ｋ１におけるパルス状波形のパルス幅が変化しても、逆のこぎり波状波形（点線ｋ２）の信号幅は一定となる（一方、エンベロープ波形（点線ｋ３）の信号幅は変化する。）。
【００４９】
図６は、図４に示した逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを示した図である。なお、比較例として、図５に示したエンベロープ波形の周波数スペクトルを図７に示す。
【００５０】
図６，７を参照して、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルの方が、エンベロープ波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルよりも高い。これは、図４，５に示したように、逆のこぎり波状波形の信号幅はエンベロープ波形の信号幅よりも広く、逆のこぎり波状波形の信号パワーの方がエンベロープ波形の信号パワーよりも大きいからである。これにより、逆のこぎり波状波形を用いることによって、従来のエンベロープ波形を用いるよりもＳ／Ｎ比が向上する。
【００５１】
図８は、パルス幅が異なるパルス状波形に対しての、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルの変化を示した図である。なお、比較例として、従来のエンベロープ波形における周波数スペクトルのピークレベルの変化を図９に示す。
【００５２】
図８，９を参照して、パルス幅が異なるパルス状波形に対して、逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルにおけるピークレベルの変化は小さい。一方、エンベロープ波形の場合には、パルス幅が異なるパルス状波形に対して、周波数スペクトルのピークレベルの変化が大きい。これは、逆のこぎり波状波形の信号幅は、パルス幅が変化しても一定であり、一方、パルス幅の変化に応じてエンベロープ波形の信号幅は変化するからである。
【００５３】
以上のように、この実施の形態１においては、転がり軸受１０の異常により周期的に発生するパルス状波形が変換部３６によって逆のこぎり波状波形に変換される。逆のこぎり波状波形の信号幅はエンベロープ波形よりも広く、信号パワーが大きい。これにより、周波数分析して得られる周波数スペクトルのピークレベルが高くなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００５４】
また、逆のこぎり波状波形の信号幅は一定であるので、周波数スペクトルのピークレベルは、パルス状波形のパルス幅の影響を受けず、パルス状波形の振幅（パルス高さ）のみの影響を受ける。すなわち、周波数スペクトルのピークレベルは、欠陥の形状の影響は受けず、欠陥の大きさのみの影響を受ける。これにより、欠陥の形状の違いによる周波数スペクトルのピークレベルのばらつきが低減される。
【００５５】
したがって、この実施の形態１によれば、キズや剥離等の転がり軸受１０の異常を感度良くかつ正確に診断することができる。
【００５６】
［実施の形態１の変形例］
上記の実施の形態１においては、変換部３６の整流部３８は、全波整流回路によって構成されるものとしたが、全波整流回路に代えて半波整流回路で整流部３８を構成してもよい。
【００５７】
図１０は、実施の形態１の変形例における変換部３６の回路図である。図１０を参照して、変換部３６の整流部３８は、半波整流用ダイオードを含む。なお、包絡線検波部４０の構成は、図２に示した実施の形態１と同じである。
【００５８】
この実施の形態１の変形例によれば、変換部３６を小型化することができ、信号処理部も安価に実現することができる。
【００５９】
［実施の形態２］
実施の形態１およびその変形例では、変換部３６は、図２に示したアナログ電子回路によって構成されるものとしたが、この実施の形態２では、ソフトウェア処理によって実現される。
【００６０】
図１１は、実施の形態２による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。図１１を参照して、この異常診断装置は、振動センサ２０と、信号処理部３０Ａとを備える。信号処理部３０Ａは、図１に示した実施の形態１における信号処理部３０の構成において、Ａ／Ｄ変換器４６をさらに含み、変換部３６に代えて変換部３６Ａを含む。
【００６１】
Ａ／Ｄ変換器４６は、帯域フィルタ３４を通過したアナログ信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングし、デジタル信号に変換する。変換部３６Ａは、振動波形に周期的に表われるパルス状波形であってＡ／Ｄ変換器４６によりデジタル信号に変換されたものを、そのパルス状波形の包絡線（エンベロープ波形）よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する。この変換部３６Ａも、整流部３８と、包絡線検波部４０とを含む。整流部３８および包絡線検波部４０の各々の機能は、実施の形態１で説明した通りである。
【００６２】
図１２は、図１１に示した包絡線検波部４０においてソフトウェアにより実行される処理手順を説明するためのフローチャートである。なお、このフローチャートに示される処理は、予め定められた演算周期毎に実行される。
【００６３】
図１２を参照して、包絡線検波部４０は、整流部３８から受ける入力信号Ｘ［ｉ］（ｉは信号が離散化されていることを示し、［ｉ］は今回値を示し、［ｉ−１］は前回演算時の値を示す。）が、前回演算時の出力信号Ｙ［ｉ−１］に係数αを乗じた値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。なお、係数αは、包絡線検波部４０の時定数を決定するための値であり、Ｙ［ｉ−１］×αは、係数αに応じた時定数で減衰する信号を示す。
【００６４】
ステップＳ１０において、入力信号Ｘ［ｉ］が出力信号Ｙ［ｉ−１］×α以上であると判定されると（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、包絡線検波部４０は、入力信号Ｘ［ｉ］を出力信号Ｙ［ｉ］に代入する（ステップＳ２０）。一方、ステップＳ１０において、入力信号Ｘ［ｉ］が出力信号Ｙ［ｉ−１］×αよりも小さいと判定されると（ステップＳ１０においてＮＯ）、包絡線検波部４０は、Ｙ［ｉ−１］×αの値を出力信号Ｙ［ｉ］に代入する（ステップＳ３０）。すなわち、包絡線検波部４０は、係数αに応じた時定数で減衰する信号Ｙ［ｉ−１］×αを入力信号Ｘ［ｉ］と比較し、値が大きい方を出力信号Ｙ［ｉ］とする。
【００６５】
その後、包絡線検波部４０は、出力信号Ｙ［ｉ］をＹ［ｉ−１］に代入する（ステップＳ４０）。なお、Ｙ［ｉ−１］は、次回の演算時に用いられる。
【００６６】
なお、係数αは、次式に基づいて算出することができる。
α＝（１／ｅ）１／（τ×ｆｓ） …（１）
ここで、ｅは自然対数の底であり、τは時定数を示し、ｆｓはＡ／Ｄ変換器４６のサンプリング周波数を示す。たとえば、転がり軸受１０の仕様および回転速度に基づいてパルス状波形の発生周期を推定できるので、包絡線検波部４０の時定数がパルス状波形の発生周期の０．１〜２．０倍となるように転がり軸受１０の仕様および回転速度に基づいて時定数τを調整し、上記（１）式に基づいて係数αを調整することができる。
【００６７】
この実施の形態２によっても、実施の形態１と同様に、キズや剥離等の転がり軸受１０の異常を感度良くかつ正確に診断することができる。
【００６８】
［実施の形態３］
上記の各実施の形態においては、変換部３６により生成される逆のこぎり波状波形を周波数分析することによって転がり軸受１０の異常診断を行なうものとした。この実施の形態３では、周波数分析に代えて逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値（「ＲＭＳ（Root Mean Square）値」とも称される。）が算出され、その算出結果に基づいて転がり軸受１０の異常診断が行なわれる。
【００６９】
図１３は、実施の形態３による転がり軸受の異常診断装置の構成を機能的に示すブロック図である。図１３を参照して、この異常診断装置は、振動センサ２０と、信号処理部３０Ｂとを備える。信号処理部３０Ｂは、図１に示した実施の形態１における信号処理部３０の構成において、周波数分析部４２に代えて実効値算出部４８を含む。
【００７０】
実効値算出部４８は、変換部３６によって生成される逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値を算出する。そして、診断部４４は、実効値算出部４８から受ける逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値に基づいて転がり軸受１０の異常を診断する。
【００７１】
図１４は、図１３に示した実効値算出部４８の回路図である。図１４を参照して、この回路は、入力信号を絶対値に整流する整流部と、整流部の出力側に設けられる低域通過フィルタ（ＬＰＦ）とから成る。
【００７２】
なお、特に図示しないが、実効値算出部４８には、市販の実効値変換用ＩＣを用いてもよい。また、実効値算出部４８をソフトウェア処理によって実現してもよい。たとえば、変換部３６の出力データから直流成分（平均値）を差引くことによって逆のこぎり波状波形の交流成分を算出し、その算出された交流成分のデータの二乗平均平方根を算出することによって、逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値をソフトウェア上で算出することができる。
【００７３】
なお、変換部３６については、実施の形態１およびその変形例のようにアナログ電子回路によって構成してもよいし、実施の形態２のようにソフトウェア処理によって構成してもよい。
【００７４】
この実施の形態３によっても、実施の形態１と同様に、キズや剥離等の転がり軸受１０の異常を感度良くかつ正確に診断することができる。
【００７５】
なお、上記の各実施の形態においては、転がり軸受１０の異常を診断する異常診断装置について説明したが、この発明は、異常が発生することによりパルス状の振動が周期的に発生する機器全般に適用可能である。たとえば、図１５に示すように歯車１２が据付けられる土台や、歯車を格納するギヤボックス（図示せず）などに振動センサ２０を設置することによって、歯車１２の歯欠け等の異常を診断することも可能である。
【００７６】
また、上記の各実施の形態においては、振動センサ２０は加速度センサによって構成されるものとしたが、加速度センサに代えて速度センサや変位センサを用いてもよい。また、振動センサ２０に代えて、振動音を検出するためのマイクロホンや、回転軸のトルク変動を検出するトルクセンサ等を用いてもよい。
【００７７】
なお、上記において、振動センサ２０は、この発明における「センサ」の一実施例に対応し、信号処理部３０，３０Ａ，３０Ｂは、この発明における「処理部」の一実施例に対応する。
【００７８】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 転がり軸受、１２ 歯車、２０ 振動センサ、３０，３０Ａ，３０Ｂ 信号処理部、３２ 増幅器、３４ 帯域フィルタ、３６，３６Ａ 変換部、３８ 整流部、４０ 包絡線検波部、４２ 周波数分析部、４４ 診断部、４６ Ａ／Ｄ変換器、４８ 実効値算出部、５０ コンデンサ、５２ 抵抗器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり軸受の振動を測定するためのセンサと、
前記センサを用いて測定された振動波形に基づいて前記転がり軸受の異常を診断するための処理部とを備え、
前記処理部は、
前記転がり軸受の異常により前記振動波形に周期的に表われるパルス状波形を、前記パルス状波形の各々の包絡線よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する変換部と、
前記逆のこぎり波状波形に基づいて前記転がり軸受の異常を診断する診断部とを含む、転がり軸受の異常診断装置。
【請求項２】
前記変換部は、
前記振動波形を整流する整流部と、
前記整流部の出力を受け、所定の時定数を有する包絡線検波部とを含み、
前記時定数は、前記包絡線検波部の出力波形にダイアゴナルクリッピング歪みが生じるように設定され、
前記逆のこぎり波状波形は、前記包絡線検波部の出力波形においてダイアゴナルクリッピング歪みが生じたものである、請求項１に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項３】
前記時定数は、前記パルス状波形の発生周期の０．１〜２．０倍に設定される、請求項２に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項４】
前記整流部および前記包絡線検波部は、前記整流部に対応する整流回路と、前記包絡線検波部を形成する抵抗器およびコンデンサとを含むアナログ電子回路によって構成される、請求項２または請求項３に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項５】
前記抵抗器は、抵抗値を変更可能な可変抵抗器であり、
前記可変抵抗器の抵抗値を調整することによって前記時定数が設定される、請求項４に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項６】
前記可変抵抗器の抵抗値は、前記転がり軸受の仕様および回転速度に基づいて調整される、請求項５に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項７】
前記処理部は、前記センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換して前記変換部へ出力するＡ／Ｄ変換器をさらに含み、
前記整流部および前記包絡線検波部は、予め準備されたプログラムに従って動作するソフトウェア処理によって構成される、請求項２または請求項３に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項８】
前記包絡線検波部は、前記時定数を設定するための調整パラメータを有する、請求項７に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項９】
前記調整パラメータは、前記転がり軸受の仕様および回転速度に基づいて調整される、請求項８に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１０】
前記整流部は、全波整流回路を含む、請求項２から請求項９のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１１】
前記整流部は、半波整流回路を含む、請求項２から請求項９のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１２】
前記処理部は、前記逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを出力する周波数分析部をさらに含み、
前記診断部は、前記周波数スペクトルのピークレベルに基づいて前記転がり軸受の異常を診断する、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１３】
前記処理部は、前記逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値を算出する実効値算出部をさらに含み、
前記診断部は、前記逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値に基づいて前記転がり軸受の異常を診断する、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１４】
前記センサは、加速度センサ、速度センサおよび変位センサのいずれかを含む、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１５】
前記センサは、前記転がり軸受の振動音を検出するマイクロホンを含む、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１６】
前記センサは、前記転がり軸受のトルクを検出するためのトルクセンサを含む、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１７】
歯車の振動を測定するためのセンサと、
前記センサを用いて測定された振動波形に基づいて前記歯車の異常を診断するための処理部とを備え、
前記処理部は、
前記歯車の異常により前記振動波形に周期的に表われるパルス状波形を、前記パルス状波形の各々の包絡線よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する変換部と、
前記逆のこぎり波状波形に基づいて前記歯車の異常を診断する診断部とを含む、歯車の異常診断装置。
【請求項１】
転がり軸受の振動を測定するためのセンサと、
前記センサを用いて測定された振動波形に基づいて前記転がり軸受の異常を診断するための処理部とを備え、
前記処理部は、
前記転がり軸受の異常により前記振動波形に周期的に表われるパルス状波形を、前記パルス状波形の各々の包絡線よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する変換部と、
前記逆のこぎり波状波形に基づいて前記転がり軸受の異常を診断する診断部とを含む、転がり軸受の異常診断装置。
【請求項２】
前記変換部は、
前記振動波形を整流する整流部と、
前記整流部の出力を受け、所定の時定数を有する包絡線検波部とを含み、
前記時定数は、前記包絡線検波部の出力波形にダイアゴナルクリッピング歪みが生じるように設定され、
前記逆のこぎり波状波形は、前記包絡線検波部の出力波形においてダイアゴナルクリッピング歪みが生じたものである、請求項１に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項３】
前記時定数は、前記パルス状波形の発生周期の０．１〜２．０倍に設定される、請求項２に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項４】
前記整流部および前記包絡線検波部は、前記整流部に対応する整流回路と、前記包絡線検波部を形成する抵抗器およびコンデンサとを含むアナログ電子回路によって構成される、請求項２または請求項３に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項５】
前記抵抗器は、抵抗値を変更可能な可変抵抗器であり、
前記可変抵抗器の抵抗値を調整することによって前記時定数が設定される、請求項４に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項６】
前記可変抵抗器の抵抗値は、前記転がり軸受の仕様および回転速度に基づいて調整される、請求項５に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項７】
前記処理部は、前記センサからのアナログ信号をデジタル信号に変換して前記変換部へ出力するＡ／Ｄ変換器をさらに含み、
前記整流部および前記包絡線検波部は、予め準備されたプログラムに従って動作するソフトウェア処理によって構成される、請求項２または請求項３に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項８】
前記包絡線検波部は、前記時定数を設定するための調整パラメータを有する、請求項７に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項９】
前記調整パラメータは、前記転がり軸受の仕様および回転速度に基づいて調整される、請求項８に記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１０】
前記整流部は、全波整流回路を含む、請求項２から請求項９のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１１】
前記整流部は、半波整流回路を含む、請求項２から請求項９のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１２】
前記処理部は、前記逆のこぎり波状波形の周波数スペクトルを出力する周波数分析部をさらに含み、
前記診断部は、前記周波数スペクトルのピークレベルに基づいて前記転がり軸受の異常を診断する、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１３】
前記処理部は、前記逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値を算出する実効値算出部をさらに含み、
前記診断部は、前記逆のこぎり波状波形の交流成分の実効値に基づいて前記転がり軸受の異常を診断する、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１４】
前記センサは、加速度センサ、速度センサおよび変位センサのいずれかを含む、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１５】
前記センサは、前記転がり軸受の振動音を検出するマイクロホンを含む、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１６】
前記センサは、前記転がり軸受のトルクを検出するためのトルクセンサを含む、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の転がり軸受の異常診断装置。
【請求項１７】
歯車の振動を測定するためのセンサと、
前記センサを用いて測定された振動波形に基づいて前記歯車の異常を診断するための処理部とを備え、
前記処理部は、
前記歯車の異常により前記振動波形に周期的に表われるパルス状波形を、前記パルス状波形の各々の包絡線よりも信号幅が広くかつ一定の逆のこぎり波状波形に変換する変換部と、
前記逆のこぎり波状波形に基づいて前記歯車の異常を診断する診断部とを含む、歯車の異常診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−４２３３８（Ｐ２０１２−４２３３８Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８３７６３（Ｐ２０１０−１８３７６３）
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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