JP2008224518A - 振動検出プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 共振周波数におけるピークを低く抑え、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、そのハウジング内に軸方向に移動可能に配置されたスライド軸２１と、振動検出時に測定対象物に接触して振動する接触子３と、接触子とスライド軸との間に配置された一対の永久磁石４０と、スライド軸を接触子側に向けて付勢するバネ２５と、接触子に接続された加速度センサ３５と、を備えて構成した。一対の永久磁石は、同極が対向して反発力を生じ、接触子とスライド軸の間に所定の空間を形成させる。
【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。これらはほぼ同軸上に配置される。特許文献１，２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。

通常は、ある共振周波数においてピークを持った形状となる。この周波数特性は、式１にて算出される。

ただし Ａ（ｆ）：周波数ｆにおける出力振幅
Ｂ（ｆ）：周波数ｆにおける入力振幅

実公平５−２４１９２号公報 特開２００４−１２５６７６

測定対象物に可動部を接触させて計測を行なう場合、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。そこで、特許文献２に記載の発明では、共振周波数を高くすることで、（式１）で計算される値（利得）が０ｄＢ付近にある領域を広くしている。

しかし、共振周波数におけるピークは高く、共振周波数以前に徐々に利得が増加し始めるため共振周波数よりも小さい周波数で利得が大きくなる。そして、０ｄＢを大きく外れることは、入力振幅に対し出力振幅が大きく増大または減少していることを示し、実質的に精度良く測定できる周波数領域は、共振周波数よりも十分に低い周波数までとなる。

この発明は、共振周波数のピークを低く抑え、実質的に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、筒状のハウジングと、そのハウジング内に軸方向に移動可能に配置されたスライド軸と、振動検出時に測定対象物に接触して振動する接触子と、前記接触子と前記スライド軸との間に配置され、前記接触子と前記スライド軸とを同軸上に接続する連係部材と、前記スライド軸を、前記接触子側に向けて付勢する付勢手段と、前記接触子に接続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、連係部材は、同極を向かい合わせにした一対の磁石とした。連係部材は、一対のリング状磁石とすることができる。

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。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。

本発明では、スライド軸と接触子との間に同極を向かい合わせにした一対の永久磁石を配置したため、両永久磁石間には反発力が生じ、一定の空間が確保される。これにより、振動エネルギーを吸収することができ、周波数特性のピーク高さを抑制でき、測定に用いることのできる帯域を広く取ることが可能になる。

本発明は、共振周波数におけるピークを抑えることで、測定可能な周波数の範囲が広くなる。

図１，図２は、振動検出プローブの好適な一実施形態を示している。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と、そのハウジング２の一端に装着される接触子３と、を備えている。接触子３は、ハウジング２内に挿入されたスプリング（バネ）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、接触子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、接触子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（バネ）により先端側へ付勢される接触子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、接触子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。この振動検出手段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、接触子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接触子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。

ハウジング２の下端には、接触子押さえ２５が装着されている。この接触子押さえ２５は、リング状で先端（下方）に行くほど内径が徐々に小さくなるように形成されている。これにより、接触子３がハウジングから離脱するのを抑制する。ハウジング２，スライド軸２１，ストッパー部材２２並びに接触子押さえ２５は、いずれもステンレス鋼を用いて形成される。もちろん、各部材の材質を適宜異ならせても良い。

接触子３は、ハウジング２（接触子押さえ２５）の下端から外部に突出して測定対象物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。基部３４は、円錐台形状をしており、その外径は、接触端子３３側に行くほど小さくなる。これにより、この基部３４の外周面が接触子押さえ２５の内周面に接触し、それ以上の接触子３の先端側への移動が抑止される。また基部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。そして、使用する金属としては、例えば、アルミニウム合金等を用いることができる。

接触子３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にネジ穴を形成し、そのネジ穴を利用して加速度センサ３５を固定する。

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。

接触子３とスライド軸２１との間に、連係部材として、一対のリング状の永久磁石４０を配置した。つまり、接触子３とスライド軸２１の対向面に、それぞれ永久磁石４０を接着等により固定する。それら両永久磁石４０は、同極同士が対向するように配置する。これにより、両永久磁石４０間には反発力が生じ、互いに離反する方向に力が働く。よって、バネ２４の弾性復元力によりスライド軸２１が接触子３側に付勢されて移動すると、両永久磁石４０間の反発力を受けて接触子３に対して付勢力が働く。これにより、接触子３は測定対象物８に対して所定の圧力で接触する。

一方、接触子３を測定対象物８に接触させた場合、その測定対象物８の振動に追従して接触子３も上下移動する。すると、接触子３が上方に移動した場合、両永久磁石４０の間隔が狭くなろうとし、反発力が強まり、スライド軸２１を上方に押し上げる。このようにして、両永久磁石４０の間には、常時空間が生じるように設定される。

このように常時空間が生じるために、本実施形態では、リング状の永久磁石４０として、表面磁束密度が２８００ガウスで吸着力が２．６ｋｇのものを用いた。そして、バネ２４により発生する付勢力は、約１ｋｇに設定している。このように一対の永久磁石４０を設けることにより、後述するように、共振周波数におけるピークを小さくすることができる。このように共振周波数におけるピークが小さくなることから、ピークに向けての山が小さくなり、仮にピークの値が大きい振動検出プローブと共振周波数が同じ場合でも０ｄＢ付近の値をとる範囲が広くなる。

本実施形態の効果を実証するため、以下に示す実験を行なった。まず、実施品として、接触子３は、アルミニウム合金Ａ５０５６を用い、その質量は、０．００５［ｋｇ］とした。加速度センサ３５（振動センサ）の共振周波数は、４７ｋＨｚとした。ステンレス鋼からなるスライド軸２１の重量は、０．０４［ｋｇ］とした。バネ２４のバネ定数は、９８０［Ｎ／ｍ］とした。

永久磁石４０は、内径が１３［ｍｍ］，外形が１８［ｍｍ］，高さが２［ｍｍ］のリング状とした。永久磁石４０は、実施形態と同様に、表面磁束密度が２８００ガウスで吸着力が２．６ｋｇのものを用いた。また、比較例として、一対の永久磁石に替えて、１個のリング状のハイパーゲル（弾性係数：２．２９［ＭＰａ］，損失係数：０．２４）からなる弾性部材を用いた。この弾性部材の両端をそれぞれ接触子とスライド軸に接着した。なお、弾性部材の高さは、５［ｍｍ］とした。

本実施形態の振動検出プローブの周波数−振幅特性は、図３に示すようになる。これに対し、比較例の振動検出プローブの周波数−振幅特性は、図４に示すようになる。これらの図から明らかなように、本実施形態ではピークの高さが低く抑えられ、平坦と認められる帯域が広く確保できていることが確認できた。

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。 効果を実証するための測定結果を示すグラフである。 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 接触子（可動部）
８ 測定対象物
２４ バネ（付勢手段）
３３ 接触端子
３３ａ 接触面
３４ 基部
３５ 加速度センサ（振動検出素子）
４０ 永久磁石

Claims (2)

1. 筒状のハウジングと、
   そのハウジング内に軸方向に移動可能に配置されたスライド軸と、
   振動検出時に測定対象物に接触して振動する接触子と、
   前記接触子と前記スライド軸との間に配置され、前記接触子と前記スライド軸とを同軸上に接続する連係部材と、
   前記スライド軸を、前記接触子側に向けて付勢する付勢手段と、
   前記接触子に接続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、
   前記連係部材は、同極を向かい合わせにした一対の磁石であることを特徴とする振動検出プローブ。
2. 前記連係部材は、一対のリング状磁石であ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。

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