JP2008157921A - 振動検出プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 共振周波数を高くし、測定可能な周波数の範囲を広くすることのできる振動検出プローブを提供すること
【解決手段】 ハウジング２と、そのハウジングに対して可動であって振動検出時に測定対象物８に接触して振動するヘッドチップ３と、ヘッドチップを付勢するバネ２４と、ハウジングとヘッドチップとの間に配置され、両者間での振動の伝達を絶縁する振動絶縁物４１と、ヘッドチップに接続された加速度センサ３５を備える。ヘッドチップは、金属製の接触子３１と、その接触子に取り付けられる樹脂部材３２とを有し、接触子の一端側が測定対象物に接触する接触面３３ａとなり、接触子の他端側が、加速度センサの取り付け面となる。樹脂部材は、接触子の他端側に配置され、振動絶縁部材に接するようした。
【選択図】 図２

Description

この発明は、振動検出プローブに関するもので、測定対象物に接触してその測定対象物の振動を検出するための振動検出プローブに関する。

従来、この種の振動検出センサユニットとしては、特許文献１や特許文献２に開示されたものがある。各特許文献に開示されたセンサユニットは、測定対象物である振動物体に接触する部分がバネで付勢された可動部となっており、この可動部に振動を電気信号に変換する圧電素子等を設け、可動部を振動物体に押し当てて使用するようになっている。

特許文献１に示される装置はその一例であり、検出針が可動部の主部をなし、可動部の検出針が測定対象物に接触する側とは反対側の端部に振動検出素子が備えられている。

また、特許文献２に開示された装置は、可動部を複数の異なる金属を接合して構成している。具体的には、測定対象物と接触する先端側に従来と同様の硬い金属（例えば、ステンレス）を用い、非先端側を先端側の金属の硬度よりも軟らかく比重の小さい材質から成る金属（例えばアルミニウム）を用い、その非先端側の金属に振動検出素子を接続するようにしている。

実公平５−２４１９２号公報 特開平１１−６４０９３号公報

測定対象物に可動部を接触させて計測を行う場合、ある周波数で共振を生じてしまい、その共振周波数付近では振動を正確に測定することができないという問題がある。特許文献２の装置では、可動部の一部を比重の小さい金属で形成したことで、特許文献１の装置に比べて共振周波数を高くすることが可能となるものの、実際には、測定に必要なある程度の硬さを持つ金属材料は比重が大きいことから、軽量化に伴う効果が薄い（共振周波数を十分に高くすることはできない）。更に特許文献２の装置では、複数の金属を組み合わせることで各金属に応じた複数の共振点が発生するし、金属同士の接合部分で新たな共振を生じるおそれもある。

この発明は、共振周波数を高くし、測定可能な周波数の範囲を広くすることのできる振動検出プローブを提供することを目的とする。

この発明による振動検出プローブは、開口部を持ち、使用時に保持される固定部と、固定部内で固定部に対して可動かつ開口部から突出しており、振動検出時に測定対象物に接触して振動する可動部と、可動部を固定部に対して開口部から突出する方向に付勢する付勢手段と、固定部と可動部との間に配置され、両者間での振動の伝達を絶縁する振動絶縁部材と、可動部に固定された振動検出素子と、を備えた振動検出プローブにおいて、可動部は、金属製の接触子と、その接触子に設けられた樹脂部材とを有し、接触子の一端側が、測定対象物に接触する接触面となり、振動検出素子は接触子の他端側に取り付けられ、樹脂部材は、接触子の他端側に配置され、振動絶縁部材に接するように構成した。

振動検出素子は、実施形態では加速度センサを用いたが、圧電素子その他の各種のセンサを用いることができる。振動絶縁部材は、実施形態では、環状のゴム材から形成したが振動が絶縁されれば、その形状並びに材質は任意である。付勢手段は、実施形態ではコイルスプリングとしたが、板バネその他の各種バネや、ゴムその他の弾性体等、各種のものを利用できる。

樹脂部材は、接触子の他端側から前記一端側に向けて径が次第に小さくなるように傾斜がつけられた形状をしており、固定部は樹脂部材の形状に対応して、開口部の内径が先端に向けて次第に小さくなるように傾斜がつけられた形状とすることができる。振動検出素子は前記稼動部の中心軸近傍に固定され、振動絶縁部材は振動検出素子を取り囲むように配置するとよい。樹脂部材は、ポリアセタール等の工業用プラスチックで形成することができる。接触子は、単一の金属を用いて形成するとよい。もちろん、複数の金属部品を結合して構成しても良い。接触子の接触面は、平坦形状に形成するとよい。

可動部の一部を樹脂部材で構成したため、可動部全体を金属で構成した場合に比べて可動部全体の軽量化が図れる。これにより、共振点（共振周波数）が高くなる。さらに、本発明は、測定対象物に接触する部分から振動検出素子の取り付け面までを金属製の接触子としたため、測定対象物の振動を振動検出素子に伝達することができる。また、樹脂部材は、振動絶縁物と接触する部分に配置されたため、新たな共振が発生することが可及的に抑制される。

本発明は、共振周波数を高くし、測定可能な周波数の範囲が広くなる。

図１〜図４は、本発明の好適な実施形態である。図１は、振動検出プローブ１を備えた振動検出装置の概略構成を示している。振動検出プローブ１は、両端が開口された円筒状のハウジング２（固定部）と、そのハウジング２の一端に装着されるヘッドチップ３（可動部）と、を備えている。ヘッドチップ３は、ハウジング２内に挿入されたスプリングの弾性復元力を受けて、ハウジング２の一端より突出する方向へ付勢力を受ける。

ハウジング２の外周面の一部には、ネジ部４が形成される。１つの固定用ナット５ａをネジ部４に装着した状態の振動検出プローブ１を、ヘッドチップ３側より治具６に形成された貫通孔７に挿入するとともに、ヘッドチップ３側から他の固定用ナット５ｂをネジ部４に装着することで、振動検出プローブ１を治具６に固定する。２つの固定ナット５ａ，５ｂの位置を調整することで、治具６に対して振動検出プローブ１を上下方向の所望の位置で固定できる。治具６は、油圧シリンダーやエアシリンダーなどに接続され、下方に向けて付勢されている。或いは、治具６をロボットアームなどに連係させ、振動検出プローブ１を任意の位置に移動させるとともに、所定の圧力で測定対象物８に対して押圧することもできる。

図１に示すように、内蔵するスプリングにより先端側へ付勢されるヘッドチップ３の先端は、油圧シリンダーなどの付勢力を受けて測定対象物８に対して所定の圧力で接触される。これにより、測定対象物８が振動すると、ヘッドチップ３も測定対象物８とともに振動する。この振動は、後述する振動検出プローブ１に内蔵された振動検出素子（加速度センサ）により検出される。この振動検出素子の出力である検出信号は、ケーブル１０を介してセンサアンプ１１に入力される。その入力された信号は、センサアンプ１１で増幅され、Ａ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換後、計測器１３に与えられ、そこにおいて振動が計測される。

図２に示すように、ハウジング２内には、筒状のスライド軸２１が、軸方向に移動可能に実装される。ハウジング２の軸心と、スライド軸２１の軸心とは一致している。このスライド軸２１の下端に、ヘッドチップ３が接続されている。

スライド軸２１の上方側は、下方側に比べて外径が小さく設定されており、その境界部分に段差部２１ａが形成される。さらに、スライド軸２１の上方のハウジング２内の所定位置に、ストッパー部材２２が固定される。そして、スライド軸２１の上方側にコイルスプリング等のバネ２４が挿入される。そのバネ２４の両端は、ストッパー部材２２と段差部２１ａと、に接触する。これにより、バネ２４の弾性復元力により、ストッパー部材２２とスライド軸２１が離反する方向に付勢され、ひいては、スライド軸２１の下端に接続されたヘッドチップ３が下方（ハウジング２から突出する方向）に向けて付勢される。

図３，図４に拡大して示すように、ヘッドチップ３は、金属製の接触子３１と、その接触子３１に嵌め込むようにして装着された樹脂部材３２と、を備えている。接触子３１は、測定対象物８に接触する円柱状の接触端子３３と、その接触端子３３の平坦面状の接触面３３ａと反対側に連続する基部３４と、を備えている。この基部３４と接触端子３３は、同一金属で一体に形成しているが、異なる金属で形成しても良い。また、特開平１１−６４０９３号公報に開示されたように接触端子３３の接触面３３ａ側をその他の部分と異なる金属で形成することもできる。

樹脂部材３２の内径は、基部３４の外径よりも若干太くする。これにより、接触子３１と樹脂部材３２とは、樹脂部材３２を基部３４に装着するだけで固定される。樹脂部材３２は絶縁部材と接触する面は広く、接触端子側は狭くなった形状をしている。固定部２の開口部２５も樹脂部材の形状に対応して、先端が狭くなった形状をしている。これにより、接触子３３が測定対象物８と垂直ではなく、斜め方向に接触して測定を行った場合、測定対象物８から離れた後、接触子３３が固定部の中心軸と同軸の位置にもどるようになっており、再現性良く測定を行なうことができる。

使用する金属としては、例えば、ＳＵＳ４４０ＣやＳＫＤ−１１などを用いることができる。これは、何れも硬い金属としての性質により選択される。これらの金属の比重は７．９ｇ／ｃｍ^３で、ヤング率は２０４００ｋｇｆ／ｍｍ^２である。接触子３１の基部３４の表面３４ａ（接触面３３ａと反対側の面）に、加速度センサ３５が固定される。この固定方法は、本実施形態では、表面３４ａにネジ穴３６を形成し、そのネジ穴３６を利用して加速度センサ３５を固定する。

樹脂部材３２は、比重の軽い樹脂が選択される。この樹脂は、例えば、ポリアセタール等の工業用プラスチックを用いることができる。この樹脂の比重は１．４ｇ／ｃｍ^３で、ヤング率は７ｋｇｆ／ｍｍ^２である。

この樹脂部材３２とスライド軸２１との間に、円筒状の振動絶縁物４１を介在させる。振動絶縁物４１は、例えばゴム等から形成され、ヘッドチップ３と、スライド軸２１との間で、振動が伝達することを遮断し、加速度センサ３５が測定対象物８の振動のみを検出するようにしている。さらに、振動絶縁物４１は、係る振動の絶縁に加えて、測定対象物８の傾きを吸収し、測定対象物８に対して接触子３１が安定的に垂直に押し付けられるようにする機能も有する。

加速度センサ３５とハウジング２の上端に設けたコネクタ４５は、リード配線４６にて接続される。このコネクタ４５にケーブル１０を連結することで、加速度センサ３５の出力信号をセンサアンプ１１に入力することができる。

振動測定プローブ１は、接触子３１が測定対象物８に接触して測定対象物８とともに振動することで、接触子３１に取り付けられた加速度センサ３５により振動を測定するものである。しかし、測定対象物８に接触して計測を行う場合、実際にはある周波数で共振を生じてしまい、その共振周波数付近では振動を正確に測定することができないという問題がある。

本実施形態では、ヘッドチップ３の一部を樹脂で構成したため、仮に、従来の全体を金属で形成したヘッドチップ３′（図５参照）と比較し、ヘッドチップ３の全重量が軽くなる。よって、本実施形態のヘッドチップ３は軽量化が行え、共振周波数を高くすることができる。更に、振動絶縁物４１と接触する部分に樹脂部材３２を配置したため、新たな共振も発生することはない。また、仮に共振が発生したとしても樹脂に基づく共振は、そのレベルが小さいとともに周波数が非常に低いため、振動測定に影響を与えない。

更に、硬さが必要とされる測定対象物８に接触する部分から加速度センサ３５が固定される部分までは、金属から成る接触子３１を配置したため、測定対象物８の振動をそのまま加速度センサ３５に伝達することができる。

本実施形態の効果を実証するため、本実施形態のヘッドチップ３（図３参照）と、同一の寸法形状からなる従来のヘッドチップ３′（図５参照）と、を用意し、それぞれについて周波数特性を測定した。ヘッドチップ３′は、その全体を１つの金属を用いて一体成型により製造した。その他の構成は、本実施形態のものと同一のものとした。

図６（ａ）は、本実施形態の測定結果を示し、図６（ｂ）は従来品の測定結果を示している。図６（ｂ）に示すように、従来品を用いた振動検出プローブでは、１１ｋＨｚ付近に共振点があり、応答性が２０ｄＢとなっている。応答性は、実際の振動に対して測定結果の増幅・減衰状況を示すもので、２０ｄＢは、１０倍増幅していることを示す。これに対し、図６（ａ）に示すように、本実施形態の振動検出プローブでは、共振点が１３ｋＨｚ付近となっており、共振点が約２ｋＨｚ高くなっていることが確認できる。例えば測定対象物８がエンジンなどの場合、測定対象となる周波数は１０ｋＨｚ付近であるため、本実施形態の振動検出プローブを用いることで、正確な測定が可能となる。もちろん、１０ｋＨｚ以下の低い周波数帯でも本実施形態では正確な振動の測定が行なえる。つまり、本実施形態の振動検出プローブは、測定可能な周波数範囲が広がる。

本発明の好適な実施形態である振動検出プローブを用いた振動測定装置の一例を示す図である。 振動検出プローブの内部構造の一例を示す図である。 ヘッドチップの一例を示す図である。 ヘッドチップの一例を示す図である。 従来のヘッドチップの一例を示す図である。 効果を実証するための測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 振動検出プローブ
２ ハウジング（固定部）
３ ヘッドチップ（可動部）
８ 測定対象物
２４ バネ（付勢手段）
２５ 開口部
３１ 接触子
３２ 樹脂部材
３３ 接触端子
３３ａ 接触面
３５ 加速度センサ（振動検出素子）
４１ 振動絶縁物（振動絶縁部材）

Claims (6)

1. 開口部を持ち、使用時に保持される固定部と、
   前記固定部内で前記固定部に対して可動かつ前記開口部から突出しており、振動検出時に測定対象物に接触して振動する可動部と、
   前記可動部を前記固定部に対して開口部から突出する方向に付勢する付勢手段と、
   前記固定部と前記可動部との間に配置され、両者間での振動の伝達を絶縁する振動絶縁部材と、
   前記可動部に固定された振動検出素子と、を備えた振動検出プローブにおいて、
   前記可動部は、金属製の接触子と、その接触子に設けられた樹脂部材とを有し、
   前記接触子の一端側が、前記測定対象物に接触する接触面となり、
   前記振動検出素子は前記接触子の他端側に取り付けられ、
   前記樹脂部材は、前記接触子の他端側に配置され、前記振動絶縁部材に接するように構
   成したことを特徴とする振動検出プローブ。
2. 前記樹脂部材は、前記接触子の他端側から前記一端側に向けて径が次第に小さくなるように傾斜がつけられた形状をしており、
   前記固定部は前記樹脂部材の形状に対応して、開口部の内径が先端に向けて次第に小さくなるように傾斜がつけられた形状をしていることを特徴とする請求項１に記載の振動検出プローブ。
3. 前記振動検出素子は前記稼動部の中心軸近傍に固定され、
   前記振動絶縁部材は前記振動検出素子を取り囲むように配置されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の振動検出プローブ。
4. 前記樹脂部材は、ポリアセタール等の工業用プラスチックで形成されることを特徴とする
   請求項１から３のいずれか１項に記載の振動検出プローブ。
5. 前記接触子は、単一の金属を用いて形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動検出プローブ。
6. 前記接触子の接触面は、平坦形状に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の振動検出プローブ。

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