JP2006113736A - Sensor-equipped device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、鉄道車両や自動車の車軸を支持する軸受装置やその他の機械装置等の運転状態を検出する回転速度センサ、温度センサ、振動センサ等を備えたセンサ付装置に関する。 The present invention relates to a sensor-equipped device including a rotation speed sensor, a temperature sensor, a vibration sensor, and the like that detect an operating state of, for example, a bearing device that supports an axle of a railway vehicle or an automobile and other mechanical devices.
従来のこの種のセンサ付装置としては、例えば軸受装置や機械装置等の回転軸やハウジング等に発電機、温度センサ、振動センサを設置して、発電機からの電力で各センサ回路部を駆動させることで、温度センサが検出する温度から軸受装置や機械装置の温度を推定して、軸受装置の焼き付きや剥離あるいは機械装置の異常を検出したり、振動センサが検出する振動から軸受装置の剥離や機械装置の異常を検出するようにしたものが知られている(例えば特許文献1及び特許文献2参照)。
上記特許文献1においては、回転軸に取り付けられたセンサの回路部を駆動するための電源として電磁式の発電機を使用しているため、回転軸にコイル、静止側に磁石などの部品を設置する必要があり、センサ部と発電機部を一体化することができず、しかもセンサ部と発電機部において構造が異なるため、設計及び部品の共通化が難しいという問題がある。 In the above-mentioned Patent Document 1, an electromagnetic generator is used as a power source for driving the sensor circuit portion attached to the rotating shaft, and therefore, a coil is installed on the rotating shaft and a component such as a magnet is installed on the stationary side. There is a problem that it is difficult to integrate the sensor unit and the generator unit, and the structure is different between the sensor unit and the generator unit.
一方、上記特許文献2においては、ハウジングに取り付けられたセンサの回路部を駆動するための電源として、熱発電素子等の発電機を用いているが、熱発電素子の適切な取付け位置や発熱源等の開示がなされていないため、熱発電素子による発電量を十分に得られない場合がある。 On the other hand, in Patent Document 2, a generator such as a thermoelectric generator is used as a power source for driving the circuit portion of the sensor attached to the housing. Therefore, there is a case where the amount of power generated by the thermoelectric generator cannot be obtained sufficiently.
本発明は、このような不都合を解消するためになされたものであり、その目的は、センサ部と発電機部との一体構造を可能にして、設計および部品の共通化を図ることができると共に小型化を図ることができるセンサ付装置を提供することにある。更に、電磁式の発電機を用いなくても十分な発電量を確保することができるセンサ付装置を提供することにある。 The present invention has been made in order to eliminate such inconveniences, and an object of the present invention is to enable an integrated structure of the sensor unit and the generator unit, and to achieve common design and parts. An object of the present invention is to provide a sensor-equipped device that can be reduced in size. Furthermore, it is providing the apparatus with a sensor which can ensure sufficient electric power generation amount, without using an electromagnetic generator.
1)本発明に係るセンサ付装置は、発熱源を有する軸受装置や機械装置等の装置本体と、該装置本体の運転状態を検出するセンサを含む回路部と、前記装置本体の発熱面に配置されて前記回路部の駆動用電力を発生させる発電機としての熱発電モジュールとを備えたセンサ付装置であって、前記回路部は前記センサによる検出信号又は該検出信号の処理結果を送信する送信手段を具備することを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、発熱源を有する装置本体の発熱面に該装置本体の運転状態を検出するセンサを含む回路部の駆動用電力を発生させる熱発電モジュールを配置しているので、熱発電モジュールの加熱面と冷却面との温度差を大きくすることが可能になり、従来のような電磁式の発電機を用いることなく十分な発電量を確保することができる。
1) A device with a sensor according to the present invention is arranged on a device body such as a bearing device or a mechanical device having a heat source, a circuit unit including a sensor for detecting an operation state of the device body, and a heat generating surface of the device body. And a thermoelectric module as a generator for generating electric power for driving the circuit unit, wherein the circuit unit transmits a detection signal by the sensor or a processing result of the detection signal. Means are provided.
According to the sensor-equipped device having the above-described configuration, the thermoelectric generation module that generates the driving power for the circuit unit including the sensor that detects the operation state of the device main body is disposed on the heat generation surface of the device main body having the heat generation source. The temperature difference between the heating surface and the cooling surface of the thermoelectric generator module can be increased, and a sufficient amount of power generation can be ensured without using a conventional electromagnetic generator.
2)本発明に係るセンサ付装置は、前記1)に記載のセンサ付装置において、前記回路部を前記熱発電モジュールと一体に設けたことを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、センサ回路部と発電機としての熱発電モジュールとを一体構造とすることができるので、設計及び部品の共通化を図ることができると共に小型化を図ることでき、装置のコストダウンを実現することができる。また、熱発電モジュールからの電流は直流で整流する必要がないため、整流器が不要となり、回路部の部品点数を削減することができる。
2) The sensor-equipped device according to the present invention is characterized in that, in the sensor-equipped device according to 1), the circuit unit is provided integrally with the thermoelectric generator module.
According to the sensor-equipped device having the above-described configuration, the sensor circuit unit and the thermoelectric generator module as the generator can be integrated, so that the design and parts can be shared and the size can be reduced. The cost of the apparatus can be reduced. In addition, since the current from the thermoelectric generator module does not need to be rectified with a direct current, a rectifier is not required, and the number of parts in the circuit portion can be reduced.
3)本発明に係るセンサ付装置は、前記1)又は2)に記載のセンサ付装置において、前記熱発電モジュールの加熱面を前記装置本体の回転軸の発熱面に配置し、該熱発電モジュールの冷却面に放熱器を設けたことを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、熱発電モジュールの加熱面を装置本体の回転軸の発熱面に配置し、該熱発電モジュールの冷却面に放熱器を設けることで、冷却面に取り付けられた放熱器が回転軸の回転に伴い発生する空気の流れにより冷却されて、熱発電モジュールの加熱面と冷却面の温度差が大きくなり、発電量を増加させることができる。
3) The sensor-equipped device according to the present invention is the sensor-equipped device according to 1) or 2), wherein a heating surface of the thermoelectric generator module is disposed on a heat generating surface of a rotating shaft of the device body, and the thermoelectric generator module A radiator is provided on the cooling surface.
According to the sensor-equipped device having the above-described configuration, the heating surface of the thermoelectric generator module is disposed on the heat generating surface of the rotating shaft of the apparatus main body, and the radiator is provided on the cooling surface of the thermoelectric generator module, thereby being attached to the cooling surface. The radiator is cooled by the air flow generated with the rotation of the rotating shaft, and the temperature difference between the heating surface and the cooling surface of the thermoelectric generator module is increased, so that the amount of power generation can be increased.
4)本発明に係るセンサ付装置は、前記3)に記載のセンサ付装置において、前記放熱器のフィンを前記回転軸の接線方向に平行に設けるか、又は該回転軸の同心円状に設けたことを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、放熱器のフィンを回転軸の接線方向に平行に設けるか、又は該回転軸の同心円状に設けることで、回転軸の回転に伴い発生する空気の流れによる放熱器の冷却効果が向上して熱発電モジュールの加熱面と冷却面の温度差を更に大きくすることができ、発電量をより増加させることができる。
4) The sensor-equipped device according to the present invention is the sensor-equipped device according to 3), wherein the fins of the radiator are provided in parallel to a tangential direction of the rotating shaft, or concentric with the rotating shaft. It is characterized by that.
According to the sensor-equipped device having the above-described configuration, the fins of the radiator are provided in parallel to the tangential direction of the rotating shaft, or are provided concentrically with the rotating shaft, whereby the flow of air generated as the rotating shaft rotates. The cooling effect of the radiator is improved, the temperature difference between the heating surface and the cooling surface of the thermoelectric generator module can be further increased, and the power generation amount can be further increased.
5)本発明に係るセンサ付装置は、前記1)又は2)に記載のセンサ付装置において、前記装置本体が鉄道車両用車軸軸受装置とされ、前記回路部及び前記熱発電モジュールの内の少なくとも該熱発電モジュールを前記鉄道車両用車軸軸受装置のハウジングの軸中心から上側の部分に配置したことを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、装置本体が鉄道車両用車軸軸受装置とされ、回路部及び熱発電モジュールの内の少なくとも該熱発電モジュールを負荷が大きく発熱量の大きい鉄道車両用車軸軸受装置のハウジングの軸中心から上側の部分に配置することで、軸受部で発生した熱が熱発電モジュールの加熱面に効果的に伝わると共に、冷却面は走行中の風によって冷却されるため、熱発電モジュールの加熱面と冷却面の温度差を大きくすることができ、発電量を増加させることができる。
5) The sensor-equipped device according to the present invention is the sensor-equipped device according to 1) or 2), wherein the device body is an axle bearing device for a railway vehicle, and at least of the circuit unit and the thermoelectric generator module. The thermoelectric generator module is arranged in an upper portion from the axial center of the housing of the railcar axle bearing device.
According to the sensor-equipped device having the above-described configuration, the device body is a railcar axle bearing device, and at least the thermoelectric generator module among the circuit portion and the thermoelectric generator module has a large load and a large calorific value. Since the heat generated in the bearing portion is effectively transferred to the heating surface of the thermoelectric generator module and the cooling surface is cooled by the wind during travel, the heat generation is performed. The temperature difference between the heating surface and the cooling surface of the module can be increased, and the amount of power generation can be increased.
6)本発明に係るセンサ付装置は、前記1)〜4)のいずれか一項に記載のセンサ付装置において、前記装置本体が鉄道車両又は自動車の車軸を支持する軸受装置であることを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、熱発電モジュールを回転軸に取り付けた場合は、従来のケーブルを用いて電源を供給する場合に必要なスリップリングを省略することができる。
6) The device with a sensor according to the present invention is the device with a sensor according to any one of 1) to 4) above, wherein the device body is a bearing device that supports an axle of a railway vehicle or an automobile. And
According to the sensor-equipped device configured as described above, when the thermoelectric generator module is attached to the rotating shaft, a slip ring necessary for supplying power using a conventional cable can be omitted.
7)本発明に係るセンサ付装置は、前記1)〜6)のいずれか一項に記載のセンサ付装置において、前記送信手段は前記センサによる検出信号又は該検出信号の処理結果を無線電波、光通信或いは超音波通信等のワイヤレス通信で送信することを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、送信手段がセンサによる検出信号又は該検出信号の処理結果を無線電波、光通信或いは超音波通信等のワイヤレス通信で送信することで、信号線やケーブル等が不要になるので、配線の複雑化や信号線の断線による取り替え作業等を回避することができる。
7) The sensor-equipped device according to the present invention is the sensor-equipped device according to any one of 1) to 6), wherein the transmission unit transmits a detection signal by the sensor or a processing result of the detection signal to a radio wave, Transmission is performed by wireless communication such as optical communication or ultrasonic communication.
According to the sensor-equipped device configured as described above, the transmission means transmits the detection signal by the sensor or the processing result of the detection signal by wireless communication such as radio wave, optical communication, or ultrasonic communication, so that a signal line, a cable, or the like Since it becomes unnecessary, it is possible to avoid complication of wiring and replacement work due to disconnection of signal lines.
本発明によれば、発熱源を有する装置本体の発熱面に該装置本体の運転状態を検出するセンサを含む回路部の駆動用電力を発生させる熱発電モジュールを配置しているので、熱発電モジュールの加熱面と冷却面との温度差を大きくすることが可能になり、電磁式の発電機等を用いることなく十分な発電量を確保することができる。 According to the present invention, since the thermoelectric generation module for generating the driving power for the circuit unit including the sensor for detecting the operation state of the apparatus main body is disposed on the heat generation surface of the apparatus main body having the heat generation source, the thermoelectric generation module The temperature difference between the heating surface and the cooling surface can be increased, and a sufficient amount of power generation can be ensured without using an electromagnetic generator or the like.
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施形態であるセンサ付装置を説明するための要部断面図、図2は図1の矢印A方向から見た図、図3は放熱器のフィンの変形例を示す図、図4は熱発電モジュールとセンサ回路部のブロック図、図5は本発明の第2の実施形態であるセンサ付装置を説明するための要部断面図、図6は本発明の第3の実施形態であるセンサ付装置を説明するための要部断面図、図7は図6のA−A線断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part for explaining the sensor-equipped device according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view seen from the direction of arrow A in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a block diagram of a thermoelectric generator module and a sensor circuit unit, FIG. 5 is a cross-sectional view of a main part for explaining a sensor-equipped device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 6 and FIG.
本発明の第1の実施形態であるセンサ付装置10は、図1及び図4に示すように、発熱源を有する軸受装置(装置本体)11と、該軸受装置11の運転状態を検出する温度センサ12及び振動センサ13を含むセンサ回路部14と、軸受装置11の回転軸15の軸端面(発熱面)に対向配置されてセンサ回路部14の駆動用電力を発生させる発電機としての熱発電モジュール16とを備えており、センサ回路部14は温度センサ12及び振動センサ13による検出信号又は該検出信号の処理結果を送信する送信手段17を具備している。
As shown in FIGS. 1 and 4, the sensor-equipped
軸受装置11は例えば鉄道車両や自動車等の車軸15を支持する発熱源としての転がり軸受18を備えており、この転がり軸受18はハウジング19に内嵌された外輪20と車軸15に外嵌された内輪21との間に複数の転動体22が周方向に転動可能に配設されている。
The
センサ回路部14は、図4に示すように、温度センサ12及び振動センサ13、並びに送信手段17としての送受信部23、半導体レーザやLED等の発光素子24、光信号を電気信号に変換する受光素子25の他に信号処理部26及び電圧安定化回路27を備えている。
As shown in FIG. 4, the
温度センサ12としては、サーミスタ温度測定素子や白金測温抵抗体や熱電対等の非接触タイプの温度測定素子を用いることができ、振動センサ13としては、例えば圧電素子等の振動測定素子を用いることができる。なお、振動センサ13は、加速度、速度或いは変位型等、振動を電気信号化できるものであればよく、ノイズが多いような装置に取付ける際には、絶縁型を使用する方がノイズの影響を受けることがないので好ましい。
As the
熱発電モジュール16は、軸受装置11の車軸15の軸端面(発熱面)にボルト等を介して取り付け(或いは近接配置)られてセンサ回路部14の駆動用電力を発生させるもので、この実施の形態では、車軸15の軸端面に直接接触する加熱面を有する金属板28を備えており、該金属板28には前記センサ回路部14が一体に設けられている。
The
金属板28の加熱面から離間する側の面にはモジュール本体29が設置され、該モジュール本体29の金属板28から離間する側の面(冷却面)には放熱器30が設置されており、放熱器30には、図2に示すように、車軸15の接線方向に対して平行に配置された複数のフィン31が設けられている。
A module
そして、車軸15が回転することにより、転がり軸受18の温度が転動部の発熱等により上昇して車軸15の温度が上昇し、熱発電モジュール16の金属板28の加熱面の温度が上昇する一方で、冷却面に取り付けられた放熱器30が車軸15の回転に伴い発生する風(空気)により冷却され、これにより、加熱面と冷却面との温度差が増大して熱発電モジュール16から電力が得られる。ここで、放熱器30には、上述したように、車軸15の接線方向に対して平行な複数のフィン31が設けられているため、車軸15の回転に伴い発生する空気の流れによる冷却効果が大きくなり、従って、熱発電モジュール16の加熱面と冷却面との温度差が大きくなって、発電量を増加させることができる。
As the
熱発電モジュール16から発生した電力は2次電池32に蓄積され、2次電池32から電圧安定化回路27を経てセンサ回路部14に供給され、これにより、センサ回路部14が駆動される。
The electric power generated from the
このセンサ回路部14の駆動により温度センサ12及び振動センサ13を動作させて軸受装置11の温度および振動を検出し、検出信号は処理部26においてA/D変換されたり、一定の閾値と比較することで必要な処理が行われ、検出結果や処理結果が発光素子24から光通信で外部の送受信装置40の受光素子25aに送信され、送受信装置40では光信号を電気信号に変換して所定の外部端末に出力する。
The
また、この実施の形態では、外部の送受信装置40からの測定データ送信要求などのコマンドなどを受信できるように送受信装置40に発光素子24aを設けると共に、センサ回路部14側に受光素子25を設けている。
In this embodiment, the
このようにこの実施の形態では、軸受装置11の車軸15発熱面に軸受装置11の運転状態を検出するセンサ12,13を含む回路部14の駆動用電力を発生させる熱発電モジュール16を配置しているので、熱発電モジュール16の冷却面に取り付けられた放熱器30が車軸15の回転に伴い発生する空気の流れにより冷却されて、熱発電モジュール16の加熱面と冷却面の温度差が大きくなり、発電量を増加させることができる。この結果、従来のような電磁式の発電機を用いることなく十分な発電量を確保することができる。
As described above, in this embodiment, the
また、放熱器30のフィン31を車軸15の接線方向に対して平行に設けているので、車軸15の回転に伴い発生する空気の流れによる放熱器30の冷却効果が向上して熱発電モジュール16の加熱面と冷却面の温度差を更に大きくすることができ、発電量をより増加させることができる。
Further, since the
更に、センサ回路部14と発電機としての熱発電モジュール16とを一体構造としているので、設計及び部品の共通化を図ることができると共に小型化を図ることでき、装置のコストダウンを実現することができる。
Furthermore, since the
更に、熱発電モジュール16からの電流は直流で整流する必要がないため、整流器が不要となり、回路部14の部品点数を削減することができる。
Furthermore, since the current from the
更に、熱発電モジュール16を車軸15に取り付けているので、従来のケーブルを用いて電源を供給する場合に必要なスリップリングを省略することができる。
Furthermore, since the
更に、送信手段17がセンサによる検出信号又は該検出信号の処理結果を光通信のワイヤレス通信で送信するようにしているので、信号線やケーブル等が不要になり、配線の複雑化や信号線の断線による取り替え作業等を回避することができる。 Furthermore, since the transmission means 17 transmits the detection signal by the sensor or the processing result of the detection signal by optical communication wireless communication, a signal line, a cable and the like are not required, and the wiring becomes complicated and the signal line Replacement work or the like due to disconnection can be avoided.
更に、熱発電モジュール16およびセンサ12,13を含む回路部14は同一の金属板28に設置されて一体となっているため、車軸15の軸端面に取り付ける場合、ボルトなどで容易に固定することができる。
Furthermore, since the
次に、図5を参照して、本発明の第2の実施形態であるセンサ付装置を説明する。
このセンサ付装置50は、上記第1の実施形態に対して、センサ回路部14に回転速度センサ51を付加すると共に、光通信によるワイヤレス通信に代えて、電波によるワイヤレス通信を採用したものである。従って、センサ回路部14には、発光素子24及び受光素子26に代えて、送受信アンテナ52が設けられている。
Next, a sensor-equipped device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The sensor-equipped
回転速度センサ51は、熱発電モジュール16の金属板28に一体に取り付けられて車軸15と共に一体回転するホールセンサ53と、該ホールセンサ53に径方向に対向してハウジング19の端部内径面に取り付けられた多極磁石エンコーダ54とを備えており、熱発電モジュール16からの電力でセンサ回路部14を駆動させることで、ホールセンサ53に通電され、これにより、多極磁石エンコーダ54の磁束の変化を検出して車軸15の回転速度を検出する。
The
そして、上記第1の実施形態と同様に、回転速度センサ51による検出信号は処理部26においてA/D変換されたり、一定の閾値と比較することで必要な処理が行われ、検出結果や処理結果が送受信アンテナ52から電波で外部の送受信装置60の送受信アンテナ56に送信され、送受信装置60では受信した信号に所定の処理を施して所定の外部端末に出力する。
As in the first embodiment, the detection signal from the
この実施の形態では、車軸15の回転速度を検出しているため、振動センサ13による振動解析結果に回転速度情報を加えることにより、軸受装置11の異常検出を行う際の検出精度を向上させることが可能である。その他の構成及び作用効果については、上記第1の実施の形態と同様である。
In this embodiment, since the rotational speed of the
次に、図6及び図7を参照して、本発明の第3の実施形態であるセンサ付装置を説明する。
このセンサ付装置70は、上記第1の実施の形態と同一構造のセンサ回路部14及び熱発電モジュール16を複列円すいころ軸受71を備えた鉄道車両用車軸軸受装置72の軸受ハウジング73に取り付けた例である。なお、図6及び図7において、符号75はレール、76は車輪である。
Next, a sensor-equipped device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In the sensor-equipped
鉄道車両用車軸軸受装置72は、車軸74の回転(走行)につれて複列円すいころ軸受71の温度が上がり、軸受ハウジング73の温度も上昇する。熱発電モジュール16の金属板28の加熱面を軸受ハウジング73に取り付けた場合、熱発電モジュール16の冷却面は走行中の風によって冷却されるため、熱発電モジュール16の加熱面と冷却面の温度差を大きくでき発電量を増加させることができる。
In the railway vehicle
ここで、複列円すいころ軸受71に加わる負荷は軸受の周方向の上側において大きいため発熱もこの部分で大きい。従って、軸受ハウジング73の表面温度も軸受ハウジング73の上側部分において高い。
Here, since the load applied to the double row tapered
このため、熱発電モジュール16を負荷が大きく発熱量の大きい鉄道車両用車軸軸受装置72の軸受ハウジング73の軸中心から上側の部分に配置することで、複列円すいころ軸受71で発生した熱が熱発電モジュール16の加熱面に効果的に伝わると共に、冷却面は走行中の風によって冷却されるため、熱発電モジュール16の加熱面と冷却面との温度差をより大きくすることができ、発電量を更に増加させることができる。その他の構成及び作用効果については、上記第1の実施の形態と同様である。
For this reason, the heat generated in the double-row tapered
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、上記各実施の形態では、放熱器30に車軸15の接線方向に対して平行な複数のフィン31が設けた場合を例示したが、これに代えて、図3に示すように、放熱器30に車軸15の同心円状に複数のフィン31aを設けることにより、車軸15の回転に伴い発生する空気の流れによる冷却効果を更に高めることができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. For example, in each of the above embodiments, the case where the
また、上記各実施の形態では、熱発電モジュール16とセンサ回路部14を一体構造とした場合を例示したが、必ずしもこのようにする必要はなく、熱発電モジュール16とセンサ回路部14とを別々の位置に取り付ける構造でもよい。
Further, in each of the above embodiments, the case where the
その他、上記各実施形態において例示した装置本体、センサ、回路部、熱発電モジュール、送信手段、放熱器、フィン等の材質,形状,寸法,形態,数,配置個所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。 In addition, the materials, shapes, dimensions, forms, numbers, locations, etc. of the apparatus main body, sensors, circuit units, thermoelectric generator modules, transmission means, radiators, fins, etc. exemplified in the above embodiments can achieve the present invention. As long as it is arbitrary, it is not limited.
10,50,70 センサ付装置
11 軸受装置(装置本体)
12 温度センサ
13 振動センサ
14 回路部
16 熱発電モジュール
17 送信手段
28 金属板(加熱面)
30 放熱器
31,31a フィン
51 回転速度センサ
72 鉄道車両用車軸軸受装置(装置本体)
73 ハウジング
10, 50, 70 Sensor-equipped
12
30
73 Housing
Claims (7)
前記回路部は前記センサによる検出信号又は該検出信号の処理結果を送信する送信手段を具備することを特徴とするセンサ付装置。 Thermoelectric generator as a generator main body having a heat source, a circuit unit including a sensor for detecting an operation state of the apparatus main body, and a generator that is disposed on a heat generating surface of the apparatus main body and generates driving power for the circuit unit Module and
The apparatus with a sensor, wherein the circuit unit includes a transmission unit that transmits a detection signal by the sensor or a processing result of the detection signal.
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