JP2004340706A - 機器の診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作性に優れるとともに診断の信頼性を向上させることができる機器の診断装置を得る。
【解決手段】診断対象の機器１から発生した音をマイクロホン２にて検出し、Ａ／Ｄ変換器４によりデジタル信号に変換し、ウェーブレット変換演算器５にて、当該デジタル信号を周波数帯域ごとに分解された時系列信号に変換する。特徴演算器６は、上記時系列信号の特徴を演算して特徴値に応じた演算値を出力する。ＭＴＳ法評価器７は、上記演算値を基準データとして、ＭＴＳ法による処理を行い、マハラノビス距離を出力する。判定値格納器８は、マハラノビス距離が判定基準値以内か否か比較し、騒音判別器１０は比較器９からの比較結果に基づいて機器１の健全性の診断をする。マハラノビス距離により判定するので、判定基準値の設定が容易で、判定の信頼性も向上する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車のエンジンなどの機器から発生する振動によりその健全性を診断する機器の診断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロホンにて診断対象である機器から発生する音を検出して、検出した電気信号に対してウェーブレット変換を行う。ウェーブレット変換して得られる時系列的な周波数成分からなるデータの特徴を演算器により演算して演算値を求め、基準値に対して所定の関係、例えば演算値が基準値の３倍を超えたときに、機器の異常を示す比較結果を出力する。なお、基準値は基準となる健全な機器を用いて当該機器から得られたデータに基づいて決定される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２１９９５５号（段落番号００４３〜００５０及び図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の騒音診断装置は、以上のように構成され、ウェーブレット変換を行うことにより音の信号を変換し、基準値と比較し、所定の関係を超えたときに警報を出力していたが、基準値の設定に多大な時間を要し、騒音診断装置の操作性が悪いという問題があった。
【０００５】
また、従来の機器の騒音診断装置では機器の外部で大きな音が発生しても、機器から発生した騒音として検出し、誤診断を行う可能性がある。さらに、機器の騒音診断は生産ライン中で行われることが多いが、通常、生産ラインには、暗騒音が多く発生している。機器から発生する音を計測している途中に、機器から発生する騒音に似た特徴を持つ大きな暗騒音が発生すると、誤判定を起こす可能性がある。このため、診断の信頼性を十分に確保できない場合がある。
【０００６】
また、従来の機器の騒音診断装置では異なる型式の機器の騒音の判別に対応していない。機器の型式によって、騒音の種類は異なる場合が多い。製品の生産ラインでは、異なる型式の機器が入り交じって流れてくることがあり、騒音診断の信頼性を向上させるためには、型式に応じた基準値を設定する必要がある。以上のようなことから、騒音診断の信頼性の一層の向上が要請されていた。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、操作性に優れるとともに診断の信頼性を向上させることができる機器の診断装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る機器の診断装置においては、診断対象である機器から発生する振動を検出する振動検出手段を有し検出した振動をデジタル信号に変換する振動出力装置、デジタル信号を所定の周波数帯域ごとの時系列信号に変換する時系列信号変換手段、時系列信号の特徴を示す演算値を演算する演算手段、演算値をＭＴＳ（Ｍａｈａｌａｎｏｂｉｓ−Ｔａｇｕｃｈｉ Ｓｙｓｔｅｍ）法により処理して演算値についてマハラノビス距離を求めるＭＴＳ法評価手段、及びマハラノビス距離と判定基準値とを比較して機器の健全性の評価を行う振動評価手段を備えたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下に、この発明の実施の一形態を図に基づいて説明する。図１は機器の振動診断装置としての騒音診断装置の構成を示す構成図である。図１において、診断対象である機器１（具体的には例えば自動車のエンジン）から発生した音を振動検出手段としてのマイクロホン２にて検出し、電気信号に変換する。増幅器３によりマイクロホンで変換された電気信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器により増幅器３からの増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。
【００１０】
時系列信号変換手段としてのウェーブレット変換（Ｗａｖｅｌｅｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）演算器５は、Ａ／Ｄ変換器４から得られるデジタル信号を周波数帯域ごとに分解された時系列信号に変換する。特徴演算器６は、ウェーブレット変換演算器５により分解された周波数帯域ごとの時系列信号から信号の特徴を演算して特徴値に応じた数値を出力するもので、例えば、時系列信号の特徴を実効値、平均値、最大値などの演算値として算出する。
【００１１】
ＭＴＳ法評価器７は、特徴演算器６により演算された演算値を基準データとして、ＭＴＳ法（詳細後述）による処理を行い、マハラノビス距離を出力する。判定値格納器８は、判定基準値を格納しており、当該判定基準値を比較器９へ出力する。比較器９は、ＭＴＳ法評価器７から出力したマハラノビス距離と判定値格納器８から出力された判定基準値とを比較する。
【００１２】
振動判定器としての騒音判別器１０は、比較器９からの比較結果に基づいて機器１の騒音を診断する、すなわち騒音により機器の異常の有無を判別、つまりその健全性を診断する。そして、騒音があると診断すると図示しない報知装置に通知する。なお、マイクロホン２、増幅器３及びＡ／Ｄ変換器４にて音の検出からデジタル信号への変換までを行う振動出力装置としての集音出力装置２１が構成されるとともに、判定値格納器８、比較器９及び騒音判定器１０にて、振動評価手段としての騒音評価装置２３が構成されている。また、上記マイクロホン２の代わりに振動センサを用いてもよい。
【００１３】
また、図１において、点線の矢印は判定基準値の設定時における各信号の流れを示し、実線の矢印は騒音診断時における各信号の流れを示す。これらの信号の流れは、後述する各実施の形態においても同様である。
【００１４】
次に、動作について説明する。まず、診断に必要な判定基準値を設定するときの流れを説明する。健全な機器１から発生する音の信号をマイクロホン２により電気信号に変換し、増幅器３により適当な利得を得る。Ａ／Ｄ変換器４は増幅器３からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。ウェーブレット変換演算器５は、基底関数（ウェーブレット関数）を拡大あるいは縮小することにより、アナログ信号より変換されたデジタル信号を周波数帯域ごとの時系列信号に分離する。この際に、測定波形や観測したい現象に合わせて適切な基底関数を選択することにより周波数の分離特性や判定の信頼性を向上させることができる。
【００１５】
ウェーブレット変換演算器５により周波数帯域ごとに分離された時系列信号は、特徴演算器６へ出力される。特徴演算器６は時系列信号から信号の特徴を示す最大値や実効値などの演算値を演算し、ＭＴＳ法評価器７へ出力する。ここで、多くの健全な機器からデータを収集し、ＭＴＳ法により基準データを作成して基準空間を求める。また、判定値格納器８には、診断したい機器の騒音レベルに応じた判定基準値を格納しておく。
【００１６】
ここで、ＭＴＳ法について説明する。ＭＴＳ法は、Ｍａｈａｌａｎｏｂｉｓ−Ｔａｇｕｃｈｉ Ｓｙｓｔｅｍのことであり、認識・予測能力をコンピュータに与えるパターン情報処理技術である。パターン認識を行うためには知識が体系的に集まった認識空間が必要であるが、ＭＴＳ法では、この認識空間を「均質性のあるデータ群」から作成する。このようなデータを「基準データ」と呼ぶ。ここでは、均質性のあるデータ群とは、欠陥のない正常なデータ群である。
【００１７】
ＭＴＳ法が、他のパターン情報処理と比較して優れている点は、この基準データという考え方にある。これまでの多くの手法では、正常な状態も非正常な状態も同じ認識空間で処理していた。しかし、正常な状態というのはその特徴量が比較的均質で締まった状態であるのに対し、非正常な状態はその特徴量が様々な方向に大きくばらついている。均質性のあるデータ群から得た認識空間と、それが保証されていない認識空間とでは信頼性や感度に大きな相違が出る。
【００１８】
特徴演算器６は、基準データが揃うと、次にこの基準データから演算値としての特徴量を抽出する。つまり、「基準データ」を収集し、「特徴量の抽出」を行い、認識空間を作成してマハラノビス距離を求める。基準空間に帰属するデータのマハラノビス距離の平均は１であり、基準データと異なる度合が大きいと急激にその値が大きくなる。従って、対象のマハラノビス距離が１前後であれば、その対象は基準データと近い性質にあり、距離が大きければ遠いことになる。基準空間が正常群であったとすると、マハラノビス距離が大きいほど異常の程度も大きいことになる。
【００１９】
次に、診断時の流れについて説明する。判定基準値の設定時と同様、機器１から発生する音の信号をマイクロホン２により電気信号に変換し、増幅器３により適当な利得を得る。Ａ／Ｄ変換器４は増幅器３から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、ウェーブレット変換演算器５により、デジタル信号を周波数帯域ごとの時系列信号に分離する。周波数帯域ごとに分離された時系列信号は、特徴演算器６へ出力される。
【００２０】
特徴演算器６では周波数帯域ごとに分離された時系列信号の特徴を表す実効値や平均値や最大値などの演算値を演算し、その演算結果をＭＴＳ法評価器７へ出力する。ＭＴＳ法評価器７では基準空間に対するマハラノビス距離を求め、マハラノビス距離を比較器９に出力する。判定値格納器８から、診断したい機器の騒音レベルに応じて設定している判定基準値を出力する。比較器９では、ＭＴＳ法評価器７より出力されたマハラノビス距離と判定値格納器９より出力された判定基準値とを比較する。そして、ＭＴＳ法評価器７から出力されたマハラノビス距離が判定基準値内に収まっているか否かを騒音判別器１０に出力する。
【００２１】
騒音判別器１０は、マハラノビス距離が判定基準値内に収まっていれば騒音が発生していないことを、判定基準値を超えていれば騒音が発生していると診断する。騒音判別器１０において騒音が発生していると診断されたときは、騒音判別器１０は図示しない報知装置に信号を発し、その旨の報知を行う。
【００２２】
以上のように、健全な機器から発生する振動についてＭＴＳ法を用いて判定基準値となる基準データを作成し、この基準データに対するマハラノビス距離を求め、このマハラノビス距離に基づいて振動の異常の有無を判別し当該機器の健全性を診断するようにしたので、判定基準値の設定が容易で、振動の種類ごとに判定基準値を設定したり、新たな機器を対象に診断を行ったりする際の判定基準値の設定に要する作業時間の短縮や負担の軽減をすることができ、診断装置の操作性を向上させることができる。また、マハラノビス距離に基づいて判定するので、その判定すなわちその診断の信頼性を向上させることができる。
【００２３】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２における機器の騒音診断装置の構成を示す構成図である。図２において、騒音診断装置はマイクロホン２、増幅器３、Ａ／Ｄ変換器４にて構成され音の検出からデジタル信号への変換までを行う振動出力装置としての集音出力装置２１を、複数（図２では３台）備えている。この集音出力装置２１の数は、機器１の騒音が発生する個所の数に応じて適宜増減させるものとする。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。
【００２４】
従来の騒音診断装置では機器から騒音が発生した場合に、機器のどの個所から騒音が発生しているかが判らない。機器から騒音が発生した場合には、騒音発生個所を特定して、その個所の部品を修理、交換等が必要になる。この際、騒音が発生した個所が特定できていれば、該当個所を分解し、修理、交換等を行えばよいが、騒音の発生個所が判らない場合には、最悪の場合、全て分解して発生箇所を特定し手直しを行うことになる。機器の分解、組立て作業は大きな負担になる。この実施の形態は、騒音診断装置の操作性の改善を図ることができるとともに、上記のような問題点をも一緒に可決できるものである。
【００２５】
次に動作について説明する。機器１から発生する音の信号を複数個の集音出力装置２１のマイクロホン２で同時に電気信号に変換し、各々の増幅器３で適当な利得を得て、各々のＡ／Ｄ変換器４により、デジタル信号に変換する。次に、一つのＡ／Ｄ変換器４からデジタル信号を出力し、ウェーブレット変換演算器５に入力する。
【００２６】
以後、ウェーブレット変換演算器５から周波数帯域ごとの時系列信号が特徴演算器６に入力され、騒音判別器１０に結果が出力されるまでの動作は、実施の形態１と同様である。そして、複数の集音出力装置２１のうちの一つのＡ／Ｄ変換器４からのデジタル信号を出力し、騒音判別器１０に結果が出力されれば、別のＡ／Ｄ変換器４からデジタル信号を出力する。
【００２７】
このように処理を順番に行って、複数の集音出力装置２１の各Ａ／Ｄ変換器４からのデジタル信号について騒音判別器１０により判別した結果を得る。騒音判別器１０では、騒音が発生している結果が出たマイクロホンが集音していた機器の個所、すなわち該当するマイクロホンが設置されていた場所を出力する。
【００２８】
これにより、操作性の改善された騒音診断装置を用いて、騒音の発生個所をきめ細くかつ的確に特定できる。従って、騒音の診断作業が容易になるとともに、騒音発生個所の修理、修繕において機器を全て分解することなく、当該個所の修理、修繕を行うことができ、機器の分解、組立てにかかる作業負荷を軽減することができる。
【００２９】
実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３における機器の騒音診断装置の構成を示す構成図である。別の振動検出手段としての暗騒音用マイクロホン１１は、機器１の外部で発生する暗騒音を検出する。無効化手段としての外部音検出器１２は、機器１の外部で大きな暗騒音が発生しているかどうかを検出し、機器の外部で大きな暗騒音が発生していた場合に騒音判別器１０が行った判断を無効にする。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。
【００３０】
主要な動作は、実施の形態１と同様である。機器１から発生する音をマイクロホン２が検出し、同時にマイクロホン２と反対向きに設置した暗騒音用マイクロホン１１が暗騒音を検出する。機器１から発生した音はマイクロホン２により電気信号に変換し、機器１の外部で発生した暗騒音は暗騒音用マイクロホン１１により電気信号に変換し、各々の増幅器３により適当な利得を得る。
【００３１】
増幅器３から出力されたアナログ信号は、各々のＡ／Ｄ変換器４によりデジタル信号に変換され、外部音検出器１２に出力される。外部音検出器１２では、機器１から発生した音のデジタル信号と機器１の外部で発生した暗騒音のデジタル信号とに基づいて所定の演算を行い、この演算結果に基づいて機器１の外部から大きな音が発生していることが認められる場合には、騒音判別器１０に信号を送り、騒音判別器１０の診断結果を無効にするとともに、再計測を行う指示信号を図示しない報知装置に出す。
【００３２】
上記実施の形態では、振動としての音を検出するものを示したが、例えば載置台上に置かれた対象とする機器の健全性の診断を行う場合、振動センサを機器に取付けて振動を検出するとともに、載置台に別の振動検出手段としてのセンサを取り付け、上記別の振動検出手段を振動検出結果により振動判別器（図３の騒音判別器に対応）の診断結果を無効にすることもできる。また、このような振動による機器の診断装置は、車輌に搭載されたエンジンなどの機器の健全性の診断にも有効なものである。
【００３３】
このように、機器１の外部環境において発生する暗騒音を検出することにより、暗騒音が大きく発生しているときの診断を無効にし、暗騒音検出による誤診断を無くし、診断の信頼性を向上させることができる。
【００３４】
実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４における機器の騒音診断装置の構成を示す構成図である。図４において、機器型式入力器３３は、機器の型式をＭＴＳ法評価器３７及び判定値格納器３８に入力するためのものである。なお、判定値格納器３８、比較器３９及び騒音判別器１０にて振動評価手段としての騒音評価装置４３を構成している。
【００３５】
主要な動作は、実施の形態１と同様であるが、診断対象の機器１の型式を機器型式入力器３３からＭＴＳ法評価器３７及び判定値格納器３８に入力する。入力された型式に応じて、ＭＴＳ法評価器３７、判定値格納器３８及び比較器３９では、機器の型式ごとにマハラノビス距離及び診断したい機器の型式と騒音レベルに応じて設定している判定基準値を変更することにより、異なる型式の機器の騒音についてより的確に診断できるものである。
【００３６】
このように、診断する機器の型式を入力することにより、発生する騒音の特徴が異なる様々な型式の機器が、製造ライン上に入り交じって流れてくるような場合にも、型式ごとに判別を的確に行うことができ、騒音診断の信頼性が向上する。
【００３７】
上記各実施の形態において、機器が発する振動としての音を振動検出手段であるマイクロホンの代わりに振動センサを用いて振動を検出するようにすることもできる。
【００３８】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、診断対象である機器から発生する振動を検出する振動検出手段を有し検出した振動をデジタル信号に変換する振動出力装置、デジタル信号を所定の周波数帯域ごとの時系列信号に変換する時系列信号変換手段、時系列信号の特徴を示す演算値を演算する演算手段、演算値をＭＴＳ（Ｍａｈａｌａｎｏｂｉｓ−Ｔａｇｕｃｈｉ Ｓｙｓｔｅｍ）法により処理して演算値についてマハラノビス距離を求めるＭＴＳ法評価手段、及びマハラノビス距離と判定基準値とを比較して機器の健全性の評価を行う振動評価手段を備えことにより、判定基準値を容易に設定でき、操作性に優れるとともに診断の信頼性を向上させることができる機器の診断装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示す機器の騒音診断装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態２を示す機器の騒音診断装置の構成図である。
【図３】この発明の実施の形態３を示す機器の騒音診断装置の構成図である。
【図４】この発明の実施の形態４を示す機器の騒音診断装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 機器、２ マイクロホン、３ 増幅器、４ Ａ／Ｄ変換器、
５ ウェーブレット変換演算器、６ 特徴演算器、７ ＭＴＳ法評価器、
８ 判定値格納器、９ 比較器、１０ 騒音判別器、
１１ 暗騒音用マイクロホン、１２ 外部音検出器、２１ 集音出力装置、
２３ 騒音評価装置、３３ 機器型式入力器、３７ ＭＴＳ法評価器、
３９ 比較器、３８ 判定値格納器、４３ 騒音評価装置。

Claims (5)

1. 診断対象である機器から発生する振動を検出する振動検出手段を有し上記検出した振動をデジタル信号に変換する振動出力装置、上記デジタル信号を所定の周波数帯域ごとの時系列信号に変換する時系列信号変換手段、上記時系列信号の特徴を示す演算値を演算する演算手段、上記演算値をＭＴＳ（Ｍａｈａｌａｎｏｂｉｓ−Ｔａｇｕｃｈｉ Ｓｙｓｔｅｍ）法により処理して上記演算値についてマハラノビス距離を求めるＭＴＳ法評価手段、及び上記マハラノビス距離と判定基準値とを比較して上記機器の健全性の評価を行う振動評価手段を備えた機器の診断装置。
2. 上記振動出力装置は複数設けられその振動検出手段が上記機器から発生する振動をそれぞれ検出して上記デジタル信号に変換するものであることを特徴とする請求項１に記載の機器の診断装置。
3. 上記機器の外部で発生する外部振動を検出する別の振動検出手段及び上記外部振動に基づいて上記振動評価手段の評価結果を無効にする無効化手段を備えたものであることを特徴とする請求項１に記載の機器の診断装置。
4. 上記振動検出手段は音を検出するものであり、上記別の振動検出手段は機器の外部で発生する外部音を検出するものであることを特徴とする請求項３に記載の機器の診断装置。
5. 上記機器の型式を入力する機器型式入力手段を有するものであり、上記振動評価手段は上記型式ごとの判定基準値に基づいて上記機器の健全性の評価を行うものであることを特徴とする請求項１に記載の機器の診断装置。

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