JP2008241651A - 破片検出センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 流体中に混入したセラミック材等の非金属，非磁性，非導電性を特徴とする材料の破片を、早い検出動作で検出することができる破片検出センサを提供する。
【解決手段】 この破片検出センサは、流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５，７のうち少なくとも１つの平板７を対面方向に動かして前記２つの平板５，７間に前記破片を挟み込ませる平板移動機構９と、前記２つの平板５，７間のギャップの距離を測定することで、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１６とを備える。２つの平板５，７は、前記測定・判定手段１６のギャップ測定用の電極であり、これら２つの電極５，７のうちの少なくとも一方の電極７の前記対面方向を向く表面に、流体排出用の溝７ａを形成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、潤滑油などの流体中に混入したセラミック材等の非金属，非磁性，非電導性の性状を有する材料の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出来る。
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，非導電性の性状を有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転動体の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。

このような課題を解決するものとして、流体中で２つの平板電極を対面させ、これら２つの平板電極のうちの少なくとも１つの平板電極を対面方向に動かすことで、２つの平板電極に破片を挟み込ませ、このときの２つの平板電極間隔の変化を、変位センサや静電容量の変化などによって検出する構成が考えられる。

しかし、上記構成の場合、２つの平板電極で破片を挟み込む動作において、両平板電極間に膜状に介在する流体が平板電極の動きを妨げる働きをするため、２つの平板電極の間の隙間が十分に小さくなるのに、ある程度の時間が必要になる。また、逆に２つの平板電極を引き離す動作では、両平板電極がぴったりと密着した状態からの引き離しだと、十分な駆動力と時間が必要となる。そのため、流体中での検出動作速度（検出レート）を上げることが難しいという問題がある。

この発明の目的は、流体中に混入したセラミック材等の非金属，非磁性，非導電性を特徴とする材料の破片を、早い検出動作で検出することが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つの平板のうちの少なくとも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の距離を測定することで、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・判定手段とを有し、前記２つの平板が、前記測定・判定手段のギャップ測定用の電極であり、これら２つの電極のうちの少なくとも一方の電極の前記対面方向を向く表面に、流体排出用の溝を形成したものである。
この構成によると、２つの平板電極のうちの１つの平板電極を動作させて、２つの平板電極間のギャップの距離を測定し、その測定値から破片の有無、またはは大きさ、または蓄積量を判定するようにしているので、検査対象である潤滑油等の流体中に混入した破片の状態（破片の有無や破片の大きさ）を推定できる。とくに、２つの平板電極のうちの少なくとも一方の平板電極の前記対向面を向く表面に、流体の排出用の溝を形成しているので、２つの平板電極で破片を挟み込む動作において、両平板電極間に介在する流体が排出され易くなり、破片を挟むまで高速で両平板電極の間隔を狭めることができる。また，両平板電極を引き離すときにも、前記溝の存在により両平板電極間に流体が入り込み易くなり，小さな力で平板電極を引き離すことができる。これにより、検出動作速度（検出レート）を上げることができる。
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、前記測定・判定手段は、前記２つの平板間のギャップの距離を静電容量で測定するものであっても良い。静電容量によると、簡単な構成で精度良く２つの平板間のギャップの距離を測定することができる。

この発明において、前記測定・判定手段は、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としても良い。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、前記測定・判定手段は、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、この発振器の発振する周波数から前記静電容量を推定する周波数対応容量推定手段とでなるものであっても良い。このように発振器および周波数対応容量推定手段を設けた場合、精度良く検出することができる。

この発明において、前記測定・判定手段は、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充放電時間対応静電容量推定手段とでなるものであっても良い。充放電時間対応静電容量推定手段を設けた場合、精度良く検出することができる。

この発明において、前記平板移動機構として、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。

この発明において、前記直動アクチュエータは、電磁式または油圧式または空圧式のものであっても良い。

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つの平板のうちの少なくとも１つの平板を対面方向に動かして上記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の距離を測定することで、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、前記２つの平板が、前記測定・判定手段のギャップ測定用の電極であり、これら２つの電極のうちの少なくとも一方の電極の前記対面方向を向く表面に、流体排出用の溝を形成したため、液体中に混入したセラミック材等の非金属、非磁性、非導電性を特徴とする材料の破片を、早い検出動作で検出することができ、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。

この発明の一実施形態を図１ないし図７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、検査対象である流体中に混入する非金属，非磁性，非導電性を特徴とする材料の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１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４）を挟み込ませる平板移動機構９と、前記２つの平板５，７間のギャップの距離を測定することで、前記破片１３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１６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流体とされる。

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の貫通方向に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。直動アクチュエータ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、直動アクチュエータ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。ここでは直動アクチュエータ９としてプッシュプルソレノイドを使用した例を示しているが、直動アクチュエータであれば、その種類は問わない。たとえば、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。

前記２つの平板５，７のうちの少なくとも一方の平板、ここでは可動平板７の対面方向を向く表面には、図２（Ａ），（Ｂ）に平面図および部分側面図で示すように、潤滑油の排出用の複数の溝７ａが、平板中心から平板周縁に達するように放射状に形成されている。ここでは、可動平板７の対面方向を向く表面に溝７ａを形成しているが、固定平板５の対面方向を向く表面に溝を形成しても良い。さらには、２つの平板５，７の両方に溝を形成しても良い。

直動アクチュエータ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、直動アクチュエータ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、直動アクチュエータ９に電源を投入していない状態では、図３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１６は、静電容量測定手段１４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の入力端子がそれぞれ可動平板７と固定平板５に接続される。これら２つの平板５，７は、静電容量測定手段１４の測定用電極となる。判定手段１５は、静電容量測定手段１４の測定値から潤滑油中の破片１３（図４）の状態を判断する手段であり、例えば測定値と判定結果と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破片の有無、または大きさ、または蓄積量等につき、判定結果を出力するものである。

次に、この破片検出センサにより潤滑油中の破片を検出する動作を説明する。
上記したように、直動アクチュエータ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、検査対象の流体として、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に流し、この状態のもとに、直動アクチュエータ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４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セラミック材等の非金属、非磁性、非導電性を特徴とする材料の破片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＝εo εr Ｓ／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。この実施例の場合、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、平板５，７間のギャップｄの値を検出し、その値により破片１３の大きさや蓄積量を推定することが出来る。

一方、２つの平板５，７間に破片１３がない場合、潤滑油による極微小な膜によるギャップｄが形成されるか、もしくは平板５，７同士が接触する。潤滑油による極微小なギャップｄの場合、静電容量Ｃは破片１３を挟み込んだ場合と比較するとかなり大きな値を示す。また、平板５，７同士が接触した場合、導通状態となる。したがって、これらの値から破片１３の有無を判別できる。破片１３の有無、または大きさ、または蓄積量の判定は、静電容量測定手段１４の測定値に基づき、判定手段１５で判定される。静電容量測定手段１４には、電気容量計などの計測器を用いることができる。

可動平板７が固定平板５に接近する方向に進出して、これら２つの平板５，７で破片１３を挟み込む動作において、可動平板７の対面方向を向く表面には潤滑油の排出用の溝７ａが形成されているので、両平板５，７間に介在する潤滑油が両平板５，７間から排出され易く、破片１３を挟み込む検出動作が短縮される。また、両平板５，７が破片１３を挟まずに接触した状態から、両平板５，７が引き離されるように可動平板７を後退させる動作においても、前記溝７ａを通じて両平板５，７間に潤滑油が入り込み易くなるため、両平板５，７を引き離す動作が短縮される。その結果、単位時間の検出動作回数（検出レート）を上げることができる。

図５は、図１の破片検出センサにおける測定・判定手段１６の構成要素である静電容量測定手段１４の一構成例を示す。この静電容量測定手段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。

図６は、図１の破片検出センサにおける測定・判定手段１６の構成要素である静電容量測定手段１４の他の構成例を示す。この静電容量測定手段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 ） ……（２）
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。

図７は、図１の破片検出センサにおける測定・判定手段１６の構成要素である静電容量測定手段１４のさらに他の構成例を示す。この静電容量測定手段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渡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、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の間の静電容量Ｃを静電容量測定手段１４で測定し、この静電容量測定手段１４の測定値から破片１３の有無，または大きさ、または蓄積量を判定手段１５で判定するようにしたため、潤滑油中に混入した破片１３の状態を推定できる。
また、可動平板７の対面方向を向く表面には潤滑油の排出用の溝７ａが形成されているので、２つの平板５，７で破片１３を挟み込む動作や、両平板５，７を引き離す動作を短縮でき、単位時間の検出動作回数（検出レート）を上げることができる。
さらに、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８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。静電容量測定手段１４は、図５〜図７に示したいずれのものを用いても良い。なお、判定手段１５は、静電容量測定手段１４により測定された静電容量の変動の値が所定の閾値を超えたことで、不具合が発生したと判定するものであっても良い。

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。 （Ａ）は同破片検出センサにおける可動平板の表面を示す平面図、（Ｂ）は同可動平板の部分側面図である。 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測定手段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測定手段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測定手段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電源投入時の概略構成図である。

符号の説明

５…固定平板
７…可動平板
９…直動アクチュエータ（平板移動機構）
１３…破片
１４…静電容量測定手段
１５…判定手段
１６…測定・判定手段
３０…発振器
３１…周波数対応容量推定手段
４０…充放電手段
４１…充放電時間対応静電容量推定手段

Claims (7)

1. 流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の距離を測定することで、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、前記２つの平板が、前記測定・判定手段のギャップ測定用の電極であり、これら２つの電極のうちの少なくとも一方の電極の前記対面方向を向く表面に、流体排出用の溝を形成した破片検出センサ。
2. 請求項１において、前記測定・判定手段は、前記２つの平板間のギャップの距離を静電容量で測定するものである破片検出センサ。
3. 請求項２において、前記測定・判定手段は、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２において、前記測定・判定手段は、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、この発振器の発振する周波数から前記静電容量を推定する周波数対応容量推定手段とでなる破片検出センサ。
5. 請求項２において、前記測定・判定手段は、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充放電時間対応静電容量推定手段を有する破片検出センサ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記平板移動機構として、直動アクチュエータを用いた破片検出センサ。
7. 請求項６において、前記直動アクチュエータは、電磁式、または油圧式、または空圧式のものである破片検出センサ。
   

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