JP2008107147A - 破片検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】液体中に混入した各種材料からなる破片を検出でき、かつ検出した破片が金属材料等の導電性材料であるか、樹脂・セラミック材料のような非導電性材料であるかを識別しつつ、その大きさも検出する。
【解決手段】液体中に混入する破片を検出するセンサであって、２つの対面する平板５，７と、これら２つの平板のうちの少なくとも１つの平板７を対面方向に動かして前記２つの平板間に前記破片を挟み込ませる平板移動機構９と、測定・判定手段１７とを備える。測定・判定手段は、前記２つの平板間のギャップを測定することで、前記破片の有無、大きさ、または蓄積量を検出する手段である。この測定・判定手段は、前記２つの平板を電極としてその間の静電容量を検出する静電容量センサ１４と、平板間のギャップを測定する変位センサ１６と、これら二種類のセンサ出力から、破片の材質と大きさを推定する判定手段１５とで構成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、潤滑油などの液体中に混入した破片を検出する破片検出センサに関する。

従来、自動車や航空機、ヘリコプタ等の潤滑油中に、エンジンやトランスミッション、軸受等の摩耗や破損によって生じた金属破片あるいは金属紛が混入していることを検出する装置として、メタルチェックセンサあるいはオイルチェックセンサあるいはデブリスセンサなどと呼ばれる金属片検出装置が提案されている（特許文献１〜５）。
このような金属片検出装置は、エンジンやギアボックス、軸受等の各種装置の健全性を検査する手段として使用され、検査対象の装置の各部位における劣化の情報をこれらの部位に破壊的な故障が生じる前に得ることができる。
特開昭５５−０５２９４３号公報 特開昭６１−２５３４５５号公報 特開２０００−３２１２４８号公報 特許２７０３５０２号公報 特許２８６５８５７号公報

現在、特に航空機用ジェットエンジンにおいて、その小型化と高速化が求められている。従来より、航空機用ジェットエンジンの主軸用軸受では、その転動体に金属材料が用いられてきたが、現状の転動体材料では更なる高速化が困難な状況にある。高速化に耐えうるためには、軸受の転動体を窒化珪素（Si3N4 ）等を原材料とするセラミック玉やセラミックころとする必要がある。また、ジェットエンジン用軸受にセラミック玉やセラミックころを適用した場合、大きく性能が向上し、ひいてはジェットエンジンの効率が向上し、環境負荷を軽減できる可能性がある。
一方、従来の金属片検出装置では、金属材料あるいは磁性材料あるいは導電性材料の破片のみ検出が可能であり、非金属、非磁性、非導電性を特徴とするセラミック材の検出は不可能であった。したがって、例えばセラミック製の転動体を使用した軸受の場合には、破壊的な故障が生じる前に、金属片検出装置を用いて劣化や損傷に関する情報を得ることができない。そのため、現状ではこの様な構成の軸受は、用途が限定された航空機にしか使用されていない。

この発明の目的は、液体中に混入した各種材料からなる破片を検出でき、かつ検出した破片が金属材料等の導電性材料であるか、樹脂・セラミック材料のような非導電性材料であるかを識別しつつ、その大きさも検出できる破片検出センサを提供することである。

この発明の破片検出センサは、流体中に混入する破片を検出する破片検出センサであって、２つの対面する平板と、これら２つの平板のうち少なくとも１つの平板を対面方向に動かして前記２つの平板間に前記破片を挟み込ませる平板移動機構と、前記２つの平板間のギャップを測定することで、前記破片の有無または大きさまたは蓄積量を検出する測定・判定手段を有し、この測定・判定手段は、前記２つの平板を電極としてその間の静電容量を検出する静電容量測定センサと、平板間のギャップを測定する変位センサと、これら二種類のセンサ出力から、破片の材質と大きさを推定する判定手段とで構成されることを特徴とする。
この構成によると、２つの平板のうちの一つの平板を動作させて、２つの平板間に破片を挟み込み、２つの平板間の静電容量を静電容量センサで検出し、２つの平板間のギャップを変位センサで測定して、これら二種類のセンサ出力から破片の材質と大きさを推定するようにしているので、検査対象である潤滑油等の液体中に混入した各種材料からなる破片を検出でき、かつ検出した破片が金属材料等の導電性材料であるか、樹脂・セラミック材料のような非導電性材料であるかを識別しつつ、その大きさも検出できる。
また、上記破片検出センサを自動車，航空機，ヘリコプタ等に組み込んだ場合、潤滑油中に混入した破片の状態をモニターすることができるため、故障の前兆あるいは故障の診断を行い、運転の停止や部品交換が必要なことを知らせることができる。また、検出した情報により、劣化や損傷から破壊的な故障が生じる前にその情報を得ることができる。

この発明において、前記静電容量センサの出力から換算されるギャップ値が、変位センサの出力から得られるギャップ値よりも著しく小さくなった場合に、導電性材料が検出されたことを判断する導電性材料検出手段を設けても良い。導電性材料検出手段による著しく小さくなったか否かの判断は、適宜設定した設定値と前記ギャップ値とを比較して行うようにすれば良い。この構成の場合、検出された破片が導電性材料であることを確実に識別することができる。

この発明において、前記静電容量センサは、交流電流を印加して、インピーダンスを測定することにより前記静電容量を推定するものであっても良い。インピーダンス測定によると、簡単な構成で精度良く測定できる。

この発明において、前記静電容量センサは、前記静電容量の変化を周波数の変化に変換する発振器と、この発振器の発信する周波数から前記静電容量を推定する推定手段とでなるものであっても良い。このように発振器と、この発振器の周波数から静電容量を推定する手段を設けた場合、精度良く検出することができる。

この発明において、前記静電容量センサは、前記２つの平板間に充電および放電を繰り返し生じさせる充放電手段と、その充電および放電の繰り返しにおける過渡現象によって生じる充放電時間より前記静電容量を推定する、過渡応答を利用した静電容量推定手段とでなるものであっても良い。充放電時間より静電容量を推定する静電容量推定手段を設けた場合も、精度良く検出することができる。

この発明において、前記平板を動かす機構として、直動アクチュエータを用いても良い。直動アクチュエータを用いると、回転駆動源を用いる場合と異なり、回転を直線運動に変換する機構が不要で、破片検出センサを簡素でコンパクトな構成とできる。

この発明の破片検出センサは、流体中に混入する破片を検出する破片検出センサであって、２つの対面する平板と、これら２つの平板のうち少なくとも１つの平板を対面方向に動かして前記２つの平板間に前記破片を挟み込ませる平板移動機構と、前記２つの平板間のギャップを測定することで、前記破片の有無または大きさまたは蓄積量を検出する測定・判定手段を有し、この測定・判定手段は、前記２つの平板を電極としてその間の静電容量を検出する静電容量測定センサと、平板間のギャップを測定する変位センサと、これら二種類のセンサ出力から、破片の材質と大きさを推定する判定手段とで構成されるものとしたため、液体中に混入した各種材料からなる破片を検出でき、かつ検出した破片が金属材料等の導電性材料であるか、樹脂・セラミック材料のような非導電性材料であるかを識別しつつ、その大きさも検出できる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１は、この実施形態の破片検出センサの概略構成図を示す。この破片検出センサは、検査対象である液体中に混入する各種材料からなる破片を検出するセンサであって、互いに対面する２つの平板５，７と、これら２つの平板５，７のうちの少なくとも一つの平板を対面方向に動かして２つの平板５，７間に破片１３（図３）を挟み込ませる平板移動機構９と、前記２つの平板５，７間のギャップを測定することで、前記破片１３の有無、大きさ、または蓄積量を検出する測定・判定手段１７とを備える。この破片検出センサの場合、潤滑油が検査対象の液体とされる。

前記２つの平板５，７と平板移動機構９はセンサユニット１に組み込まれる。このセンサユニット１は、検査対象である潤滑油を流す油路４ａが貫通して設けられたベース部材４を有し、油路４ａの一端には給油配管２が接続され、油路４ａの他端には排油配管３が接続されている。この場合、潤滑油は、給油配管２の油路２ａからベース部材４の油路４ａを経由し、排油配管３の油路３ａに流れる。例えば、給油配管２はエンジンやギアボックス、軸受等で使用された潤滑油が収集される配管に接続され、排油配管３はオイルタンクへの配管に接続される。

２つの平板５，７のうちの一つの平板５は導電性材料からなる固定平板であって、ベース部材４の油路４ａの途中において、絶縁材料からなる平板固定部材６を介してベース部材４に電気的に絶縁された状態で固定されている。固定平板５は、その表面が油路４ａ内に臨む向きとなるように配置される。

平板移動機構９はプッシュプルソレノイド等からなる直動アクチュエータであって、その可動軸９ａが前記ベース部材４の油路４ａの貫通方向と直交する方向に進退自在となるように、アクチュエータ固定部材１０を介してベース部材４に固定されている。平板移動機構９の可動軸９ａの先端部には、絶縁材料からなる平板固定部材８を介して、前記２つの平板５，７のうちの他の一つの平板７が電気的に絶縁された状態で固定されている。この平板７は、平板移動機構９の可動軸９ａと一体に進退自在とされた可動平板であって、固定平板５と同様に導電性材料からなり、ベース部材４を貫通して油路４ａ内に臨み固定平板５に対面する。ここでは平板移動機構９としてプッシュプルソレノイドを使用した直動アクチュエータの例を示しているが、直線動作を行わせることのできる機構であれば、その種類は問わない。例えば、電動モータとボールネジを組み合わせたものでも良いし、空圧や油圧を使用したものでも良い。直動アクチュエータを用いた場合は、回転駆動源を用いる場合と異なり、回転を直線運動に変換する機構が不要で、破片検出センサを簡素でコンパクトな構成とできる。
平板移動機構９を動作させると、その可動軸９ａに平板固定部材８を介して設置された可動平板７が進退して、固定平板５に近づいたり、離れたりする。

平板移動機構９の可動軸９ａは、その後端部に固定されたばね受け部材１１とアクチュエータ固定部材１０との間に介在させた圧縮ばね１２により、進出方向に付勢される。
図１は、平板移動機構９に電源を投入した状態を示し、このとき可動軸９ａは圧縮ばね１２を圧縮させて後退しており、可動平板７は固定平板５から離れた位置にある。一方、平板移動機構９に電源を投入していない状態では、図２のように、電源投入時に圧縮された圧縮ばね１２が復元する力によって、可動平板７が固定平板５に接触する位置まで進出する。可動平板７と固定平板５とが接触した状態で、可動平板７には圧縮ばね１２による予圧が与えられているので、可動平板７と固定平板５とは一定の圧力で接触した状態となる。

測定・判定手段１７は、静電容量測定手段１４と変位センサ１６と判定手段１５とでなる。静電容量測定手段１４は、可動平板７と固定平板５との間の静電容量を測定する手段であり、静電容量測定手段１４の入力端子である電極１４ａ，１４ｂがそれぞれ可動平板７と固定平板５に接続される。変位センサ１６は、可動平板７と固定平板５との間のギャップを測定する手段であり、例えば固定平板５に埋め込んだ状態で設けられる。ここでは、変位センサ１６として例えば渦電流式のものが用いられるが、磁気式，光学式等の他の方式のものを用いても良い。判定手段１５は、静電容量測定手段１４の測定値と変位センサ１６の測定値とから潤滑油中の破片１３（図３）の有無、破片１３の材質、大きさ、または蓄積量を推定する手段であり、例えば測定値と判定結果の関係を定めたテーブルまたは演算式の判定規則を有し、その判定規則と測定値とを比較して判定結果を出力する。判定手段１５は、その機能の一部として導電性材料が検出されたことを判断する導電性材料検出手段１８を有する。

次に、この破片検出センサを用いて、エンジン，ギアボックス，軸受等の装置の摩耗や破損によって生じた各種材料からなる破片が混入している潤滑油から、その破片を検出する動作を説明する。
上記したように、平板移動機構９に電源を投入すると、図１のように可動軸９ａが後退して、その可動軸９ａに平板固定部材８を介して設置された可動平板７が固定平板５から離れる。このとき、可動軸９ａに固定されたばね受け部材１１とアクチュエータ固定部材１０のと間に設置された圧縮ばね１２は、圧縮される。

次に、検査対象の液体として、エンジン，ギアボックス，軸受等に使用されている潤滑油を給油配管２の油路２ａからベース部材４の油路４ａ内を経由して排油配管３の油路３ａに流す。この状態のもとに、平板移動機構９への電源の投入を停止すると、圧縮ばね１２の復元力により、可動軸９ａと一体に可動平板７が固定平板５に接近する方向に進出する。
このとき、ベース部材４の油路４ａを流れる潤滑油中に、図３に示すように、エンジンやギアボックス、軸受等の摩耗や破損によって生じた破片１３が混入していると、この破片１３が可動平板７と固定平板５との間に挟み込まれる。これにより、可動平板７と固定平板５との間には、破片１３の厚み分だけギャップｄが生じる。このギャップｄを変位センサ１６が測定する。同時に、このギャップｄにより、２つの平板５，７間には静電容量Ｃが形成される。

ところで、一般的に、平行平板間の静電容量Ｃは
Ｃ＝εｏεｒＳ／ｄ ……（１）
となることが知られている。すなわち、静電容量Ｃ［Ｆ］は、真空中の誘電率εｏ（8.854 ×10^-12 ［Ｆ／ｍ］）と潤滑油の誘電率εr と平行平板の面積Ｓ［ｍ² ］とを掛け合わせたものを、平行平板間のギャップｄ［ｍ］で割った値となる。この実施形態の場合、潤滑油の誘電率εr と平行平板の面積Ｓは一定となるため、静電容量Ｃの値は平行平板間つまり可動平板７と固定平板５の間のギャップｄに依存する。
そこで、２つの平板５，７間の静電容量Ｃを前記静電容量測定手段１４で測定することにより、変位センサ１６による測定とは別の方法で平板５，７間のギャップｄの値を検出でき、その値によっても破片１３の大きさや蓄積量を推定することができる。

ここで、挟み込まれた破片１３が導電性材料であると２つの電極１４ａ，１４ｂ間は短絡状態となるので、静電容量Ｃの測定から求められるギャップｄ２は、ゼロもしくは非常に小さな値となる。これに対して、変位センサ１６によって得られるギャップｄ１は、静電容量測定手段１４の測定値から推定されるギャップｄ２とは異なった値となる。このように、2 つの測定結果の違いを検出して、検出された破片１３が導電性であるか非導電性であるかを判断することが可能となる。すなわち、判定手段１５の導電性材料検出手段１８は導電性材料の破片１３が検出されたことを判断する機能を有し、
ｄ１≫ｄ２ ……（２）
となる場合には、検出された破片１３が導電性のものであると判断する。また、2 つの値ｄ１，ｄ２が互いに近い値であって、かつゼロギャップでない場合、つまり
ｄ１≒ｄ２（≠０） ……（３）
となる場合には、検出された破片１３が非導電性のものであると判断する。また、判定手段１５は、破片１３の大きさを、変位センサ１６の検出値ｄ１で代表して出力する。

一方、２つの平板５，７間に破片１３がない場合にも、２つの電極１４ａ，１４ｂ間は短絡状態となるので、静電容量Ｃの測定から求められるギャップｄ２は、ゼロもしくは非常に小さな値となる。この場合、変位センサ１６によって得られるギャップｄ１もゼロギャップとなるので、これらの結果から判定手段１５は破片１３が無いと判断する。

なお、静電容量測定手段１４は、印加した測定電圧に対して流れた電流量を検出するものであるので、印加する電圧を交流電圧だけでなく直流電圧とすることにより、２つの電極１４ａ，１４ｂ間が導通状態にあるかどうかを正確に判断することもできる。すなわち、微小な直流電圧を電極１４ａ，１４ｂ間に印加して導通状態であれば導電性破片またはギャップゼロと判断し、そうでない場合には更に交流電圧を印加して静電容量を検出してギャップの大きさを判断する、という手順にする。これにより、導通状態かそうでないかを正確に判定することが可能となる。

図４は、図１の破片検出センサにおける測定・判定手段１７の構成要素である静電容量センサ１４の一構成例を示す。この静電容量センサ１４は、直列接続した発振器２０と電流測定手段２１とでなり、発振器２０から可動平板７と固定平板５に交流電流を流し、平板５、７間の静電容量Ｃをインピーダンスに換算して電流測定手段２１で測定する。この場合、測定したインピーダンスから静電容量Ｃを求めることもできる。その他の構成は図１の場合と同様である。
このようにインピーダンス測定により静電容量Ｃを求める構成とすると、簡単な構成で精度良く静電容量Ｃを測定できる。

図５は、図１の破片検出センサにおける測定・判定手段１７の構成要素である静電容量センサ１４の他の構成例を示す。この静電容量センサ１４は、ＯＰアンプ３２で構成した発振器３０と、この発振器３０の発振周波数から静電容量を推定する周波数対応容量推定手段３１とでなり、測定した発振器３０の周波数から平板５，７間の静電容量Ｃを推定する。この場合の発振器３０はリラクセーションオシレータ（relaxation oscillator ）と呼ばれ、ＯＰアンプ３２に抵抗３３Ｒa ，３３Ｒb ，３３Ｒt 、およびコンデンサ３３Ｃt を接続して構成される。抵抗３３Ｒa ，３３Ｒb ，３３Ｒt の抵抗値をＲa ，Ｒb ，Ｒt 、コンデンサ３３Ｃt の静電容量をＣt とすると、発振周波数ｆは、およそ、
ｆ＝１／（２Ｒt Ｃt ） ……（４）
となることが知られている。ここでは、前記発振器３０のコンデンサ３３Ｃt が平板５，７間の静電容量Ｃに置き換えられることで、その静電容量Ｃが推定される。
このように、発振器３０と周波数対応容量推定手段３１とで静電容量Ｃを測定する構成とした場合、静電容量Ｃを精度良く検出することができる。

図６は、図１の破片検出センサにおける測定・判定手段１７の構成要素である静電容量センサ１４のさらに他の構成例を示す。この静電容量センサ１４は、充放電手段４０と、その充電および放電の繰り返しにおける過度現象によって生じる充放電時間より静電容量を推定する充放電時間対応静電容量推定手段４１とでなる。充放電手段４０は、充電抵抗４２と充電スイッチ４３の直列回路部を被測定静電容量Ｃt に直列接続すると共に、放電スイッチ４４と放電抵抗４５の直列回路部を被測定静電容量Ｃt に並列接続した回路である。充放電時間対応静電容量推定手段４１は、充放電手段４０での充放電電圧を監視する電圧測定手段４６と、この電圧測定手段４６が監視する電圧が規定電圧になるまでの時間を測定することにより、被測定静電容量Ｃt を推定する判断手段４７とでなる。

この場合、例えば、充電スイッチ４３をオンにして充電を開始し、被測定静電容量Ｃt の充電電圧を電圧測定手段４６で監視して、その充電電圧が規定電圧になるまでの充電時間を判断手段４７で測定することにより、被測定静電容量Ｃt を推定できる。または、予め所定電圧まで充電させた被測定静電容量Ｃt に対して、放電スイッチ４４をオンにして放電を開始し、被測定静電容量Ｃt の放電電圧を電圧測定手段４６で監視して、その放電電圧が規定電圧になるまでの放電時間を判断手段４７で測定することにより、被測定静電容量Ｃt を推定できる。ここでは、前記被測定静電容量Ｃt が平板５，７間の静電容量Ｃに置き換えられることで、その静電容量Ｃが推定される。
このように充放電時間対応静電容量推定手段４１を用いて静電容量センサ１４を構成した場合も、静電容量Ｃを精度良く検出することができる。

このように、この実施形態の破片検出センサでは、可動平板７を動作させ、可動平板７と固定平板５を電極としてこれらの間の静電容量を静電容量センサ１４で検出すると共に、これら２つの平板５，７の間のギャップを変位センサ１６で測定し、これら二種類のセンサ１４，１６の出力から破片１３の有無だけでなく破片１３の材質と大きさを判定手段１５で推定するようにしたため、液体中に混入した各種材料からなる破片１３を検出でき、かつ検出した破片１３が金属材料等の導電性材料であるか、樹脂・セラミック材料のような非導電性材料であるかを識別しつつ、その大きさも検出できる。
また、上記破片検出センサを自動車，航空機，ヘリコプタ等に組み込んだ場合、潤滑油中に混入した破片の状態をモニターすることができるため、故障の前兆あるいは故障の診断を行い、運転の停止や部品交換が必要なことを知らせることができ、安全性が向上する。また、機械部品の寿命や経年変化を予測できるため、部品の無駄な交換や遅れた交換がなくなり、経済性が向上する。

図７は、この発明の破片検出センサの他の実施形態を示す。この実施形態では、図１に示す実施形態における変位センサ１６を、アクチュエータ固定部材１０における可動軸９ａの後端と対向する位置に設けたものである。

この実施形態の場合、変位センサ１６は、可動軸９ａの変位量を測定することになるが、可動平板７は平板固定部材８を介して可動軸９ａに固定されているため、可動軸９ａの変位量から固定平板５と可動平板７の間のギャップｄを検出することができる。

図８は、この発明の破片検出センサのさらに他の実施形態を示す。この実施形態では、図１に示す実施形態において、判定手段１５の次段に記録手段５０を追加して、潤滑油中に混入した破片１３の状態をリアルタイムでモニタできるようにしたものである。記録された数値の変化履歴により潤滑油の状態を推測し、ゴミや破片の増加傾向などの情報を出力することができる。静電容量センサ１４は、図４〜図６に示したいずれの構成のものを使用しても良い。

この発明の第１の実施形態にかかる破片検出センサの電源投入時の概略構成図である。 同破片検出センサの電源投入停止時の概略構成図である。 同破片検出センサの検出動作の説明図である。 同破片検出センサにおける静電容量センサとして一構成例を用いた場合の検出動作の説明図である。 同破片検出センサにおける静電容量センサの他の構成例を示す回路図である。 同破片検出センサにおける静電容量センサのさらに他の構成例を示す回路図である。 この発明の他の実施形態にかかる破片検出センサの検出動作の説明図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる破片検出センサの検出動作の説明図である。

符号の説明

５…固定平板
７…可動平板
９…平板移動機構
１３…破片
１４…静電容量センサ
１５…判定手段
１６…変位センサ
１７…測定・判定手段
１８…導電性材料検出手段
２０…発振器
２１…電流測定手段
３０…発振器
３１…周波数対応容量推定手段
４０…充放電手段
４１…静電容量推定手段

Claims (6)

1. 流体中に混入する破片を検出する破片検出センサであって、２つの対面する平板と、これら２つの平板のうち少なくとも１つの平板を対面方向に動かして前記２つの平板間に前記破片を挟み込ませる平板移動機構と、前記２つの平板間のギャップを測定することで、前記破片の有無または大きさまたは蓄積量を検出する測定・判定手段を有し、
   この測定・判定手段は、前記２つの平板を電極としてその間の静電容量を検出する静電容量センサと、平板間のギャップを測定する変位センサと、これら二種類のセンサ出力から、破片の材質と大きさを推定する判定手段とで構成されることを特徴とする破片検出センサ。
2. 請求項１において、前記静電容量センサの出力から換算されるギャップ値が、変位センサの出力から得られるギャップ値よりも著しく小さくなった場合に、導電性材料が検出されたことを判断する導電性材料検出手段を設けた破片検出センサ。
3. 請求項１において、前記静電容量センサは、交流電流を印加して、インピーダンスを測定することにより前記静電容量を推定するものである破片検出センサ。
4. 請求項１において、前記静電容量センサは、前記静電容量の変化を周波数の変化に変換する発振器と、この発振器の発信する周波数から前記静電容量を推定する推定手段とでなる破片検出センサ。
5. 請求項１において、前記静電容量センサは、前記２つの平板間に充電および放電を繰り返し生じさせる充放電手段と、その充電および放電の繰り返しにおける過渡現象によって生じる充放電時間より前記静電容量を推定する、過渡応答を利用した静電容量推定手段とでなる破片検出センサ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記平板を動かす機構として、直動アクチュエータを用いた破片検出センサ。

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