振動計測とは？振動計測による故障予防と効率のメンテナンス：センサーからデータ解析まで振動計測とは？

振動計測の目的とメリット

振動計測は、機械や構造物の振動をセンサーで測定・分析し、故障や異常の兆候を早期に発見するための技術です。これにより、効率的なメンテナンス計画と安全性の向上が同時に実現できます。具体的には、加速度計・速度計・変位計など多様なセンサーを用いて、振動の周波数や振幅を正確に計測し、機械や設備の状態を詳細に把握することが可能です。こうした情報を基に、部品交換や修理のタイミングを最適化し、大きなトラブルを未然に防ぐことができます。

1. 故障予防と修理コストの削減

振動計測の主な目的は、機械や構造物の状態を正確に把握し、大きな故障を未然に防ぐことにあります。異常振動を早い段階で検知できれば、部品交換や修理を計画的に行えるため、突発的なダウンタイムや高額な緊急対応コストを抑えられます。結果として、長期的なコスト削減と設備稼働率の向上につながります。

2. 機械設備の寿命延伸

定期的な振動モニタリングによって、部品ごとの劣化状況や小さな不具合を早期に把握できます。劣化が深刻化する前に部品交換や修理を実施すれば、設備全体のパフォーマンスを長期間にわたって維持できるのです。こうした予防的な対策によって、機械設備の寿命を最大化し、投資対効果（ROI）の向上にも寄与します。

3. 生産効率の向上

振動測定を定期的に行うことで、異常の早期発見だけでなく、最適な運転条件を見つけ出すことが可能になります。無駄なエネルギー消費や部品の過剰摩耗を防ぎ、生産ラインの稼働率を高められるのです。結果的に、コスト削減だけでなく、生産スピードや製品品質の向上といったメリットも得られます。

4. 安全性の確保

機械や設備が正常に動作しているかをモニタリングするうえで、振動計測は欠かせない技術です。異常振動を見逃さず、適切なタイミングで保全作業を行うことで、事故やトラブルを未然に防止できます。こうした安全対策は、作業環境の改善や従業員の安心感にも直結し、企業全体のリスクマネジメントに大きく貢献します。

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振動計測の基本原理

振動は、機械や構造物に加わる外力や内部の運動によって発生し、主に加速度・速度・変位の3要素で表されます。これらの要素をセンサーで測定し、周波数分析（スペクトル分析）を行うことで、設備がどのような振動特性を持っているのかを数値として正確に把握できます。

周波数分析を通じて特定の周波数帯に異常が確認された場合、ベアリングの摩耗や回転部のバランス不良、部品の破損など、設備内部の故障や劣化が疑われます。こうした兆候を捉えることで、事前に対策を講じることが可能となり、突発的なダウンタイムや高額な修理コストを回避できます。これが、振動計測を用いた予防保全や状態監視の基本的な仕組みです。

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センサーの種類と特徴

1. 加速度センサー

特徴

加速度センサーは、物体の加速度を測定するセンサーで、振動の動きや変化を非常に詳細に捉えることができます。振動や衝撃が発生した際に、その加速度の変化を測定し、特に動的な挙動が重要となる回転機械や構造物において役立ちます。

加速度センサーは、振動の周波数帯に合わせて精度よくデータを収集できるため、特に高速回転機械や高精度な動作測定が求められる場合に最適です。

メリット

• 高周波帯域の振動を正確に測定できるため、高速で動作する機械や設備の微細な振動を捉えることができます。これにより、異常が起きる前に兆候を検出することが可能です。

• 三次元的にセンサーを取り付けることで、同時に多方向の振動を解析できます。これにより、振動の全体的なパターンを把握することができ、機械や設備の状態を多角的に評価できます。

• 高感度な測定が可能で、非常に小さな振動や異常の兆候も捉えることができるため、特に精密な診断や予兆保全に向いています。

主な用途

• ベアリングの摩耗診断
  ベアリングの劣化による振動パターンを加速度センサーで捉え、摩耗の進行度を評価します。これにより、交換時期を最適に見極めることができます。

• 高速回転機械（タービン、モーターなど）の振動監視
  高速回転する部品の振動は非常に微細であり、加速度センサーはその変化を非常に高精度で捉えることができるため、モーターやタービンの状態監視に欠かせません。早期の異常検知が可能になります。

• 回転軸のバランス不良検出
  回転軸がバランスを欠くと振動が発生します。加速度センサーはこれらの振動を検出し、バランス不良や偏心の兆候を早期に察知することができます。これにより、軸の修正や交換を計画的に行うことができます。

2. 速度センサー

特徴

速度センサーは、振動体の動きの速さ（速度）を測定するセンサーです。主に低周波数域の振動計測に適しており、動きが比較的遅い機器や構造物の振動を精度高く計測することができます。低周波数の振動は、加速度センサーで測定することが難しい場合があり、速度センサーはこれを補完するために非常に有効です。

メリット

• 低周波帯の振動を高精度で取得でき、加速度センサーでは捉えにくい低周波域の振動や機械の遅い動きに適しています。これにより、特に緩やかな振動を計測する機器に最適です。

• 機械の劣化状況や故障予知に役立つデータを提供します。特に機械の摩耗や動作不良が進行中の場合、速度センサーは異常を早期に検出することが可能です。

• 機械の安定した動作を監視するために使用できるため、予知保全やメンテナンス計画に欠かせません。

主な用途

• モーターやポンプなど、比較的低周波域で振動する機器の診断
  モーターやポンプなどの機器は、比較的低速で回転するため、速度センサーはその振動を精密に捉えます。特に、ベアリングの摩耗や回転軸の歪みなど、低周波振動を引き起こす異常を早期に発見できます。

• プラント設備や大型機械のゆっくりとした振動測定
  プラント設備や大型機械（例えば発電所のタービンや大型コンプレッサー）は、振動の周波数が低いため、速度センサーでの計測が非常に効果的です。これらの機器の安定性の監視や、振動が低速であっても機械の動作に影響を与える潜在的な問題の早期発見に活用されます。

速度センサーは、回転する機械や、移動する部品に関する速度情報を直接計測するため、不均衡や摩擦の増加といった問題を特定するのに適しています。加速度センサーと併用することで、機械全体の振動パターンをより精密に監視し、異常の兆候を早期に発見することができます。

また、低周波数帯のデータ収集は、特に運転開始時や運転停止時における異常検出に重要であり、速度センサーはそのための有力なツールです。産業機械の運用やメンテナンスにおいて、劣化が目立ちにくい低速領域の振動を捉えることができるため、より精密で早期の対策が可能になります。

3. 接触型と非接触型

接触型

特徴

接触型センサーは、センサーを対象物に直接取り付けて振動を計測するタイプです。対象物の表面に接触し、振動の変化を物理的に捉えることで、非常に高い測定精度を誇ります。このため、特に高精度な振動データが要求される場合に使用されます。

メリット

• 高精度な測定が可能であり、非常に小さな振動や異常を正確に捉えることができます。特に、微細な振動の変化を検出するために非常に有効です。

• 振動の正確な測定において、信頼性が高く、振動が発生する機械や部品への物理的接触によりデータが安定します。

• ノイズの影響を受けにくい: 設置が安定しており、振動源の動きに対する反応が安定するため、計測中のデータが正確であることが多い。

デメリット

• 物理的な制約があり、設置場所や対象物にアクセスできない場合がある。狭い場所や動きの大きい部品には取り付けが困難な場合が多い。

• 対象物を傷つけるリスクがあるため、特にデリケートな機器や高価な部品への取り付けには注意が必要です。

• 定期的にメンテナンスが必要となる場合がある。特に、振動や衝撃により取り付け部分がずれたり外れたりする可能性があるため、取り付け後の確認が重要。

主な用途

• 回転軸やベアリングなどの高精度な診断が求められる部品に使用されます。

• モーター、タービン、ポンプなど、高精度の振動計測が必要な設備の監視に利用。

• 直線的な振動や安定した振動源の監視に最適。

非接触型

特徴

非接触型センサーは、レーザーや赤外線などを利用して、対象物に触れることなく振動を計測します。物理的な接触がないため、計測中に対象物にダメージを与えず、特に可動部分が多い機械や高温部などで使用されます。

メリット

• 対象物に接触せずに振動を計測できるため、機器や部品を傷つけるリスクがありません。特に高価な機器や精密機器に対しては有用です。

• 可動部分の計測に優れており、例えば回転する部品や高温環境などでは非常に効果的です。接触型センサーでは計測が難しい部品に対応できます。

• 遠隔での計測が可能なため、安全距離を確保できる環境や危険な場所でも利用できます。

• 高速回転する部品や動きの速い部品を瞬時に計測できるため、振動の詳細な解析が可能です。

デメリット

• 周囲環境に影響されやすい: 明るさ、温度、反射面の状態、被測定物との距離など、環境による影響を受けやすいため、安定したデータ収集のためには条件の管理が重要です。

• 高精度な計測には限界がある: 接触型と比較して、特に微細な振動の計測では精度が劣る場合があります。

• 設置距離や角度の調整が必要であり、機器の配置や環境に応じた最適化が求められます。

主な用途

• 回転する機械や高温部品など、物理的に接触しにくい部品や機器の計測。

• レーザー振動計などで微細な振動や高速で動く物体の監視を行う。

• 危険な環境（高温、高圧、化学的危険がある場所）での計測にも有効。

接触型と非接触型の使い分け

接触型と非接触型センサーは、用途や測定する対象によって使い分けが必要です。接触型は高精度で安定した測定が可能であり、精密機器や定常的な振動の監視に適しています。一方で、非接触型は可動部分や高温環境でも計測が可能で、物理的接触を避ける必要がある場合に優れています。どちらを選択するかは、計測対象の特徴や設置環境、求められる精度に依存します。

このように、接触型と非接触型センサーは、それぞれ異なる環境や目的に応じて活用されます。最適なセンサーを選択することで、精度の高いデータを取得し、機械の健全性を守ることが可能になります。

• ストロボスコープ
  • 加速度センサーや速度センサーに加えて、ストロボスコープも振動計測の際に使用されることがあります。 ストロボスコープは、特に回転機械や高速動作する部品の振動を目視で確認するために用いられます。フラッシュライトの瞬間的な光を利用して、回転する物体が「一瞬で停止しているように見える」現象を作り出します。この効果により、回転する部品や機械の状態を詳細に確認することができます。
  • ストロボスコープは、高速回転する部品や機械の動きを観察する際に効果的です。目で追うのが難しい高速回転を、ストロボ光を使って「遅く」見せることができるため、回転軸の傾きや不均衡などの問題を視覚的に把握できます。
  • ストロボスコープを使うことで、回転部品の回転数や回転速度を測定することも可能です。センサーと連動させて回転数を設定し、回転部品がその周波数で停止する瞬間を視覚的に捉えることができます。
  • 回転部品に発生する振動のパターンを目で確認できる点も大きな特徴です。ストロボスコープを用いれば、回転する部品の振動がどの部分で発生しているか、どの周波数帯で問題が生じているのかを直感的に理解することができます。

これらのセンサーの選定は、計測対象の振動周波数帯や設置環境、必要な精度などを総合的に考慮して行います。適切なセンサーを用いることで、振動計測の精度が大幅に向上し、故障予知や品質管理に大きく役立ちます。

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振動測定器の選び方

1. 測定範囲の確認

測定対象の振動周波数や振幅を事前に把握し、それに合ったセンサーや測定器を選定することが重要です。

• 例: 産業機械や重機では数Hzから数千Hzまで広範囲にわたる場合があり、機器がこの範囲を十分にカバーできるかをチェックしましょう。
• 必要な測定精度や上限・下限値を明確にし、測定器の仕様と照合することが失敗を防ぐカギとなります。

2. 周波数特性の考慮

測定器の周波数特性が、目的とする振動範囲とマッチしているかを確認します。

• 低周波: 加速度センサーの感度が十分でない場合は、速度センサーや変位計を活用するのも選択肢です。
• 高周波: 応答速度が速い加速度センサーや高帯域の測定器が必要となります。
• 測定対象がどの周波数帯で振動するかを把握し、適切なセンサーを組み合わせることで、誤差やノイズを最小限に抑えられます。

3. 取り回しと環境への適応

実際の現場での操作性や耐久性も考慮しましょう。

• 携帯性: 搬送しやすいサイズ・重量で、作業員が扱いやすい形状のものを選ぶ
• 防塵・防滴性能: 粉塵が多い工場や屋外環境など、使用条件に合わせた保護等級（IP規格など）を確認
• 耐熱性・耐振動性: 高温や激しい振動が発生する現場で使う場合、機器自体が故障しない設計が求められる

これらのポイントを踏まえ、現場の状況と測定目的に合った振動測定器を選ぶことで、正確なデータ取得と長期的なコスト削減が期待できます。

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振動計測の具体的手法

1. 設置場所の選定

最も振動が現れやすいポイント、もしくは振動源に近い箇所を選んでセンサーを設置すると、より正確なデータを取得しやすくなります。

• 周囲環境の振動やノイズを極力排除するよう、不要な干渉を避けられる位置を検討する
• 振動源との距離だけでなく、取り付けの安定性やアクセスしやすさも考慮する

2. 測定手順

1. 対象機械・構造物の特性把握
   • 機器の回転数や運転条件、材質、稼働時の温度などを事前に確認し、想定される振動の周波数帯を把握する
2. 最適なセンサー選定
   • 例：高周波を測定する場合は加速度計、低周波中心なら速度センサーを使用
   • 計測精度や設置環境に応じて、防爆仕様や耐熱仕様などを考慮する
3. センサー取り付け・設置
   • 計画した位置にセンサーを固定し、緩みや振動によるズレが生じないよう注意する
   • 取り付け方法（磁力式やネジ固定式など）は対象の構造物や作業環境に合わせて選択
4. データ収集
   • データロガーや解析ソフトを用い、振動データをリアルタイムまたは定期的に取得する
   • ノイズレベルを把握し、必要に応じてサンプリングレートやフィルタリング条件を最適化する
5. 分析・評価
   • スペクトル分析（周波数成分の解析）や時系列分析を行い、異常振動やトラブルの兆候を探る
   • 過去のデータと比較し、変化の傾向や特定の周波数帯のピーク上昇がないかチェックする

3. 複数箇所での同時測定

大規模な設備や広範囲にわたる振動源を監視する場合、複数のセンサーを用いて同時に測定することで、設備全体の振動特性を俯瞰的に把握できます。

• 同期が重要：各センサーの時刻合わせを行い、データを同一のタイムスタンプで比較できるようにする
• システム的な統合：専用の解析ソフトウェアを利用し、複数のセンサーから得られた情報を一元管理・可視化する
• 設備全体の挙動を総合的に理解することで、原因追究や最適なメンテナンス計画の立案が容易になる

これらの手法を適切に組み合わせることで、振動計測の精度が高まり、機械の故障やトラブルを未然に予防しやすくなります。特に、大規模設備を運用する現場では、複数箇所での同時測定が重要な役割を果たします。の同期や解析には専用のソフトウェアを活用するのがおすすめです。

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振動測定結果の分析方法

1. スペクトル分析

振動計測で得られた時系列データを周波数成分に分解して、特定の周波数帯に異常がないかを確認する手法です。

• 周波数帯のピークを観察することで、ベアリングの摩耗や回転軸のバランス不良など、故障が疑われる部位を推定できる
• 異常が起きている周波数帯が安定しているか、徐々に変化しているかなどを追跡することで、故障の進行度合いを推測することも可能

2. 傾向監視（トレンド分析）

振動のピーク値やRMS値を定期的に測定・記録し、過去データと比較しながら変化の傾向を追う方法です。

• 数値が通常より高い水準で推移し始めたり、急激に変動する場合は、故障リスクが高まっているサイン
• 一定のしきい値を設定しておけば、逸脱が見られたタイミングでメンテナンスを計画的に実施できる
• 長期的なデータの蓄積が、機械の寿命予測や最適な運転条件の導出に役立つ

3. データの整理・解釈

最終的に得られた分析結果を、エクセルや専用解析ツールを用いてグラフ化・可視化し、正常値や履歴との照合を行います。

• 異常やトレンド変化を視覚的に把握しやすくなることで、原因追究や対策立案がスムーズに進む
• 設備ごとの特徴的なパターンを把握し、運転条件やメンテナンス時期の最適化に活用
• データの可視化や報告書の作成によって、関連部署や経営層との情報共有がスピーディーになり、現場の意思決定の質が向上する

これらの分析手法を組み合わせて活用することで、振動計測データから得られる知見を最大化し、機械・設備の安定稼働と故障リスク低減に繋げることができます。

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機械異常の早期発見

振動計測の大きなメリットの一つは、機械異常を早期に捉えられる点です。たとえば、振動データにおいて特定の周波数帯にピークが表れたり、全体的な振動レベルが増加傾向を示す場合、ベアリングの摩耗や回転部品のバランス不良などの潜在的リスクを示唆します。こうした小さな異常を早期に把握できれば、適切なメンテナンス時期を計画的に見極めることが可能です。

• 突発的なダウンタイムの削減: 大きな故障に至る前に予防的対策を行えるため、予期せぬ生産ライン停止などを大幅に減らせる
• 稼働率の向上: 安定的な稼働を維持しやすくなり、生産性の向上や納期遵守にも貢献
• 長期的なコスト削減: 重大故障の修理費や緊急対応費用、顧客への対応コストなどが抑えられる

このように、振動計測による異常の早期発見は、企業の生産性と信頼性を高めるうえで非常に有効なアプローチといえます。

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振動計測を行う際の注意点

1. センサーの取り付け位置

振動計測の精度を高めるためには、重要な部位や振動源に近い場所にセンサーを設置することがポイントです。

• 取り付け面を清潔かつ平坦にし、緩みやずれが生じないよう固定
• センサーの向きや軸合わせを適切に行い、狙った方向の振動を正確に捉える
• 装置の稼働パターンや振動の伝達経路を把握し、複数箇所での計測が必要な場合は計測点を事前に計画

2. 環境条件の管理

振動計測の結果は、周囲の温度・湿度・騒音などの環境要因から大きな影響を受ける可能性があります。

• 測定中は可能な限り外的ノイズを排除し、ノイズ源を特定して必要な対策（遮音や防振など）を講じる
• 温度変化がセンサーや測定器の精度に影響しないよう、必要に応じて補正を行う
• 特殊環境（高温、高湿、屋外など）の場合は、防塵・防滴性能や耐熱性能を備えたセンサーや機器を選ぶ

3. 適切な解析方法の選択

収集したデータを正しく評価し、意味のある情報を引き出すためには、専用ソフトウェアや適切な解析手法の選定が欠かせません。

• 計測目的に応じて、時系列分析・スペクトル分析・傾向監視などを使い分ける
• 異常が疑われる振動パターンを可視化できるツールを活用し、作業員や管理者との情報共有を円滑に
• 必要に応じて専門家やベンダーと協力し、解析手法のアップデートやカスタマイズを行い、精度向上を図る

これらの注意点を踏まえて振動計測を実施すれば、データの信頼性が向上し、故障予防やメンテナンス計画の精度をいっそう高められます。

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まとめ

振動計測は、機械や設備の「健康状態」を見える化し、故障予防や最適なメンテナンスを実現するための強力な手段です。製造業や機械工業の現場において、突発的なトラブルによる生産ラインの停止は大きな損失となりますが、振動計測を導入すれば、こうしたダウンタイムを大幅に削減し、稼働率と生産性を同時に高めることが可能です。

さらに、振動診断が提供する正確なデータに基づく予兆保全は、設備の安全性を確保しつつ、コスト削減にも直結します。今後は、IoTやAI技術との連携が進むことで、より高度な故障予測や効率的なメンテナンス計画の策定が期待されます。現場に合ったセンサーや測定器を正しく選び、定期的なデータ監視と適切な解析を行うことで、振動計測はさらなる効果を発揮し続けるでしょう。