JP2010216966A - 音響センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１０ｒｐｍ以下の極低速回転機械の軸受の異常診断に使用して有効な音響センサ装置を提供する。
【解決手段】１０ｒｐｍ以下の回転機械に接触させて異常診断を行う音響センサ装置１０は、音響センサ１と、音響センサ１を密閉するコネクタ側キャップ２、中空円筒部材３、集音側キャップ４と、音響センサ１の集音面１１と集音側キャップ４とに狭持された弾性体で形成された緩衝部材６とを有する。音響センサ１の集音面１１は、緩衝部材６に対して押し付けられ、その押付力はコネクタ側キャップ２のねじ込み量で調整され、緩衝部材６の接触共振周波数を１ｋＨｚ〜５ｋＨｚの範囲に保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転数が１０ｒｐｍ以下の極低速回転機械の軸受の音響診断に使用する音響センサに関する。

従来、回転機械の軸受の異常診断には軸受の振動を検出して得られる信号により判定する振動診断が用いられている。振動診断は、回転数に比例して発生する衝撃振動を測定するものである。しかし、１００ｒｐｍ以下の低速回転機械を診断する場合、軸受の異常に伴って発生する振動は小さく、衝撃振動の発生間隔も長くなるので、異常の診断は難しい。特に連続鋳造機のロールのように数ｒｐｍの極低速回転機械に振動診断を行うと、軸受の異常に伴う信号とノイズの識別が難しく精度の高い診断は困難であった。

最近、下記特許文献１に記載のように、軸受の転走面にクラックが発生しているものの、転動体は健全に回転している状態の極低速回転軸受の異常検知のために、衝撃振動を用いる診断に代えて音響信号を用いる異常診断である音響診断が提案されている。

図５は、特許文献１の図５として開示されている図である。図５は、マイクロホンと振動センサをマグネットで加振機に取り付けて、加振機をランダムノイズ加振させたときの応答を計測した周波数特性を示している。このグラフによれば、振動センサが約８ｋＨｚ以上の高周波振動に対して相対的に感度が高いのに対して、マイクロホンは５ｋＨｚ以下の周波数帯の振動に対して相対的に感度が高いことを示している。したがって、特許文献１に記載のように、極低速回転機械に多い大径の軸受では固有振動数から５ｋＨｚの周波数音が大きくなるためマイクロホンを用いた音響診断が望ましいといえる。すなわち、回転数が１０ｒｐｍ以下の極低速回転機械の異常診断には音響センサを用いるのが望ましいことが示されている。しかしながら、特許文献１では、音響診断に用いて感度が良好となる具体的な音響センサの構造は提案されていない。

なお、下記特許文献２には、人の発話音声の体内伝播音を集音する接触型マイクロホンに関し、エレクトレット膜が樹脂材料の中に埋め込まれた形状の接触型マイクを人体に押しつけると、人体からの反力を受けて樹脂部材が変形するが、接触圧力の違いなどがあればマイクの特性が変化するという問題に鑑みてなされた接触型マイクロホンに関する発明が記載されている。この接触型マイクロホンは、人体に接触させて用いられ、人の発話音声の体内伝播音を集音して電気信号に変換するマイク部と、前記マイク部を人体に接触させたときに前記マイク部に加わる圧力を調整する圧力調整部とを備えることを特徴とする。圧力調整部は、マイク部を形成する樹脂が変形することによる特性変化を防ぐために設けられている。また、明細書中には、この接触型マイクロホンは、特に１ｋＨｚ以下の周波数領域におけるＳ／Ｎ特性が一般的な非接触型マイクより優れていることが記載されている。しかしながら、１ｋＨｚ以下の周波数領域は、極低速回転機械の軸受の診断領域から外れている。

さらに、下記特許文献３には、耐湿性および指向性に優れ、小型化等を図ることのできる異常感知センサユニットであって、機械装置から発生する超音波を検出して、該機械装置の異常を感知するものが記載されている。この異常感知センサユニットは、空中超音波センサと、集音ホーンとして機能する筒状ケースと、前記超音波センサを取り付けるセンサ取付部と、筐体と、を備え、前記機械装置に前記筒状ケースの開口部を対向させ、該機械装置から発生する超音波を収録することを特徴とする。筒状ケースは、周辺の音を遮って指向性を高める目的ももつ。しかし、筒状ケース内の空中超音波センサは、診断対象の機械装置とは離れて配置されており、極低速回転機械の軸受から発生する信号は小さいので、この異常感知センサユニットでは極低速回転機械の軸受の異常の検出は困難である。

特開２００８−２６８１８７号公報 特開２００６−２８７８１０号公報 特開２００６−１０５７２７号公報

本発明は、回転数が１０ｒｐｍ以下の極低速回転機械の軸受の異常診断に使用して有効な音響センサ装置を提供することを目的とする。

本発明の音響センサ装置は、回転数が１０ｒｐｍ以下の回転機械に接触させて、前記回転機械の軸受からの伝播音を検出することにより異常診断を行う音響センサ装置であって、音響センサと、前記音響センサを密閉するケースと、前記音響センサの集音面と前記ケースの一部とに狭持された弾性部材と、前記音響センサの前記集音面を前記弾性部材に押し付けるとともに、押付力を調整して前記弾性部材の接触共振周波数を１ｋＨｚ〜５ｋＨｚの範囲に保持する押圧部材と、を備える。

前記弾性部材の縦弾性係数は、１ＭＰａ以上、１０ＧＰａ以下とすることができる。
前記弾性部材は、ニトリルゴムとすることができる。
前記弾性部材は、フッ素樹脂とすることができる。
前記弾性部材の厚みは、１ｍｍ以上、４ｍｍ以下とすることができる。

前記音響センサを密閉するケースは、中空部材と、前記中空部材の一端を密閉する集音側キャップと、前記中空部材の他端を密閉するねじ込み式のコネクタ側キャップを有することができる。
前記弾性部材を狭持する一方である前記ケースの一部は、前記集音側キャップとすることができる。
前記押圧部材は、前記コネクタ側キャップであり、前記コネクタ側キャップのねじ込み量に応じて押付力を調整することができる。

回転数が１０ｒｐｍ以下の極低速回転機械の軸受の音響診断を確実に実行することができる。

本実施形態の音響センサユニットを示す図である。 緩衝部材の材料により異なる周波数応答を示す図である。 図２に従って作成された表を示す図である。 本実施形態の音響センサユニットの使用例を示す図である。 音響センサと振動センサの周波数応答を示すグラフである。

図１は、本発明の一実施形態である音響センサユニットの長手方向断面の概略形状を示す図である。音響センサユニット１０は、音響センサ１と、音響センサ１を収納する円筒形状の金属製のケース２０を有する。音響センサ１は、暗騒音を遮断するために、ケース２０により密閉されている。さらに、使用環境により防水性が必要な場合は、防水剤で金属ケースの接合部をコーティングすることができる。

音響センサユニット１０は、１０ｒｐｍ以下の極低速回転機械の異常を検知するために、診断対象の極低速回転機械に接触させ、回転機械から伝播する１ｋＨｚ〜５ｋＨｚの周波数音を集音する。音響センサ１は、本実施形態では、１０ｋＨｚまでほぼフラットな周波数特性をもつ市販のマイクロホンを使用する。音響センサ１は、音響信号を入力する集音部１１と、音響信号を変換した電気信号を信号処理部（図示せず）に導くケーブル（図示せず）を接続するためのコネクタ７を有する。なお、音響センサとしては、図１に示すようなマイクロホンに限らず、各種の音響センサを使用することができる。音響センサの形状も図１に示す形状に限定されない。

ケース２０は、長手方向に伸びる中空円筒部材３と、中空円筒部材３の一端に配置された金属製の集音側キャップ４と、中空円筒部材３の他端に配置された金属製のコネクタ側キャップ２とを有する。中空円筒部材３は、中空円筒部材３の内壁が音響センサ１およびコネクタ７と接触しないような大きさの内径を有する。音響センサ１およびコネクタ７と中空円筒部材３との間に空間が介在するので、中空円筒部材３から音響センサ１に伝わる暗騒音を遮断することができる。

集音側キャップ４の内面には、音響センサ１の集音部１１を載置する凹部４１が形成される。凹部４１には、緩衝部材９を介して集音部１１が押し付けられる。緩衝部材９は、弾性材料で形成され、本実施形態では、集音部１１に対応する中実の円板である。

集音側キャップ４の外側端面の中央部には、外周にねじが切られた凸部４２を有する。凸部４２は、内周にねじが切られたマグネット６の凹部６１にねじ込まれ、集音側キャップ４はマグネット６と一体化される。音響センサユニット１０が、診断対象の回転機械の適当な外面にマグネット６の底面６２を密着させて取り付けられると、音響センサ１は、マグネット６、集音側キャップ４、緩衝部材９を伝播する回転機械の音を検出することができる。

診断対象の回転機械が、集音側キャップ４の凸部４２に対応する、内周部にねじが切られた凹部を有するものであると、音響センサユニット１０は、マグネット６を取り外して、集音側キャップ４の凸部４２を診断対象の回転機械の凹部にねじ込むことにより、回転機械に密着して取り付けることができる。

作業者が音響センサユニット１０を保持して、診断対象の機械に押し付けることにより音響診断を行うこともできる。この場合には、マグネット６に代えて金属の探触棒を用いる。探触棒の先端は、比較的細くなっており、探触棒の後端には、集音側キャップ４の凸部４２に対応して内面にねじが切られた凹部が設けられている。マグネット６に代えて集音側キャップ４に取り付けて使用する。

音響センサ１のコネクタ７は、音響センサ１側の大径部７１と、音響センサユニット１０から突出する小径部７２を有する。中空円筒部材３を密閉するコネクタ側キャップ２は、コネクタ７の小径部７２が挿通する中心孔２２を有し、コネクタ側キャップ２の側面内周にはねじ２１が切られている。中空円筒部材３のコネクタ側の端部の外周には、コネクタ側キャップ２のねじ２１に対応するねじ３１が切られている。コネクタ側キャップ２は、その中心孔２２の側面と、コネクタ７の大径部７１の肩部に当接する面には、カラー５を有している。

コネクタ７の小径部７２をコネクタ側キャップ２の中心孔２２に挿通して、コネクタ側キャップ２を回転させ、コネクタ側キャップ２のねじ２１を中空円筒部材３外周のねじ３１にねじ込むことにより、コネクタ側キャップ２が中空円筒部材３を密閉する。このとき、コネクタ７の大径部７１の肩部に当接するコネクタ側キャップ２は、コネクタ側キャップ２の前進により、音響センサ１を緩衝部材９に押し付けることになる。したがって、コネクタ側キャップ２のねじ込み量を調整することにより、緩衝部材９に所望の押付力、言い換えれば所望の押込量を与えることができる。これにより、緩衝部材９の接触共振周波数を制御することができ、回転数が１０ｒｐｍ以下の回転機械の異常診断に最適な接触共振周波数を得ることができる。

なお、本実施形態では、コネクタ側キャップ２のねじ込み量を調整することにより、緩衝部材９に一定の押付力を与えているが、緩衝部材９に押付力を与える方法は、これに限らない。例えば、コネクタ側キャップ２は一定のねじ込み量でねじ込み、コネクタ側キャップ２とコネクタ７の間にばね部材を介在させて、押付力を調整することもできる。この場合、コネクタ側キャップ２はねじ込み式のものではなくてもよく、コネクタ側キャップ２とコネクタ７の間にばね部材を保持できるものであればよい。緩衝部材９の押し付けに関しては、その他適宜の方法あるいは構造を採用することができる。

本実施形態の音響センサユニット１０では、緩衝部材９の材料を選択し、音響センサ１を緩衝部材９に押し付ける押付力を調整する。選択された材料を使用した緩衝部材９に対する押付力を調整することにより、音響センサ１と緩衝部材９の接触共振周波数を所望の値に制御することができる。本実施形態では、診断対象が回転数が１０ｒｐｍ以下の回転機械であることを考慮して、緩衝部材９が１ｋＨｚ〜５ｋＨｚの周波数帯に共振周波数をもつように、押付力あるいは押込量が調整される。これにより、１０ｒｐｍ以下の転がり軸受の音響診断に最適な音響センサユニット１０を実現することができる。

図２は、緩衝部材の材質の相違による周波数特性を示すグラフであり、図３は、図２のグラフの１ｋＨｚごとのゲインの値を表にしたものである。
緩衝部材９の材料として、４種類の材料を試みた。すなわち、ニトリルゴム（縦弾性係数Ｅ＝４ＭＰａ）、フッ素樹脂（縦弾性係数Ｅ＝４．１ＧＰａ）、ＭＣナイロン（登録商標）（縦弾性係数Ｅ＝３２ＧＰａ）、ポリアセタール（縦弾性係数Ｅ＝２６ＧＰａ）を用いて緩衝部材を作成した。緩衝部材９の形状は、音響センサ１の集音部の形状に合わせて中実の円板状であり、外径は７mm、厚さは２mmとした。上述の４種類の材料で形成した緩衝部材９を用いて音響センサユニット１０の周波数特性を測定した結果が図２のグラフである。

図２、３から分かるように、フッ素樹脂の周波数応答は、５ｋＨｚまでの範囲で、ＭＣナイロン（登録商標）およびポリアセタールと比較して約１０ｄＢ高い。さらにニトリルゴムの周波数応答は、４．５ｋＨｚまでフッ素樹脂に比べて約１０ｄＢ高く、比較的平坦な特性を示している。したがって、ＭＣナイロン（登録商標）およびポリアセタールと比較すると、フッ素樹脂とニトリルゴムとは、本実施形態の緩衝部材９として適しているということができる。

ＭＣナイロン（登録商標）の縦弾性係数が３２ＧＰａで、ポリアセタールの縦弾性係数が２６ＧＰａであるのに対して、フッ素樹脂の縦弾性係数は４．１ＧＰａであって、一桁小さい。さらにニトリルゴムの縦弾性係数は、４ＭＰａであり、フッ素樹脂の縦弾性係数と比較して三桁小さい。したがって、比較的柔軟性のある弾性材料が緩衝部材９の材料に適しているということができる。

押し付けることによる塑性変形の可能性などを考慮すると、音響センサユニット１０の緩衝部材としては、縦弾性係数が１ＭＰａ以上の材料を採用するのがよい。また、フッ素樹脂は、ニトリルゴムより硬く塑性変形の可能性も比較的低いので、例えば長期間の使用に有利である。以上のことから、本実施形態の音響センサユニット１０の緩衝部材としては、縦弾性係数が１ＭＰａ〜１０Ｇｐａの範囲の材料が好適である。

柔軟性のある弾性部材で形成された緩衝部材９について、緩衝部材９の厚みを厚くしすぎると、緩衝部材９に曲げの圧力がかかり周波数特性が急変する周波数帯が現れる、換言すれば周波数特性曲線に折れが発生する場合がある。また、緩衝部材９の厚みが薄すぎると、緩衝部材９が固くなるので周波数特性が低くなる。したがって、本実施形態の緩衝部材９の厚みは、１ｍｍ〜４ｍｍの範囲とするのが望ましい。

なお、音響センサユニット１０では、診断対象の回転機械に接触した部材を伝播する音を集めるので、緩衝部材９に使用する円板には貫通孔の必要はない。しかしながら、例えばリング状の緩衝部材で、円板の中央部に貫通孔があるような場合でも、リング部分を通って伝わる固体伝播音に加え、中央貫通孔を通過する空中伝播音も集音することができれば、使用可能である。

ニトリルゴムは、上述のように緩衝部材９の材料として効果の高いものであるが、大きな押付力で押し付けると塑性変形を起こすおそれがある。さらには、押付力あるいは押込量が変化すると、接触共振点が変化してしまう。したがって、緩衝部材９には所定の押付力を付与する必要がある。本実施形態で、緩衝部材９をニトリルゴムで製造する場合、厚み２ｍｍであれば、押込み量は０．２〜０．３ｍｍであり、厚みの１０〜１５％の押込み量としている。この押し込み量は、前述のように上キャップ２のねじ込み量で調整され、厚みの１０〜１５％の押込み量を実現している。

図４は、本実施形態の音響センサユニット１０の使用例を説明する図である。数ｒｐｍで回転する連続鋳造設備用軸受に多用される自動調心ころがり軸受箱１００に、マグネット６を用いて音響センサユニット１０を取り付ける。これにより、ころがり軸受の回転による音響を固体伝播により検出することができ、ころがり軸受の回転の異常を診断することができる。

以上説明したように、本実施形態では、緩衝部材９の縦弾性係数や厚さを選定して、接触共振周波数を１ｋＨｚ〜５ｋＨｚに合わせることにより、周波数特性の急激なピークや低下がなく、１ｋＨｚ〜５ｋＨｚの全域で大きなゲインを確保することができる。したがって、回転数が１０ｒｐｍ以下の極低速回転機械の音響診断に有効な音響センサを実現することができる。

１０ 音響センサユニット
１ 音響センサ
１１ 集音面
２０ ケース
２ コネクタ側キャップ
２１ ねじ
２２ 中心孔
３ 中空円筒部材
３１ ねじ
４ 集音側キャップ
４１ 凹部
４２ 凸部
５ カラー
６ マグネット
６１ 凹部
６２ 底面
７ コネクタ
７１ 大径部
７２ 小径部
９ 緩衝部材
１００ 軸受箱

Claims (8)

1. 回転数が１０ｒｐｍ以下の回転機械に接触させて、前記回転機械の軸受からの伝播音を検出することにより異常診断を行う音響センサ装置であって、
   音響センサと、
   前記音響センサを密閉するケースと、
   前記音響センサの集音面と前記ケースの一部とに狭持された弾性部材と、
   前記音響センサの前記集音面を前記弾性部材に押し付けるとともに、押付力を調整して前記弾性部材の接触共振周波数を１ｋＨｚ〜５ｋＨｚの範囲に保持する押圧部材と、
   を備える音響センサ装置。
2. 前記弾性部材の縦弾性係数は、１ＭＰａ以上、１０ＧＰａ以下である請求項１に記載の音響センサ装置。
3. 前記弾性部材は、ニトリルゴムである請求項２に記載の音響センサ装置。
4. 前記弾性部材は、フッ素樹脂である請求項２に記載の音響センサ装置。
5. 前記弾性部材の厚みは、１ｍｍ以上、４ｍｍ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の音響センサ装置。
6. 前記音響センサを密閉するケースは、中空部材と、前記中空部材の一端を密閉する集音側キャップと、前記中空部材の他端を密閉するねじ込み式のコネクタ側キャップとを有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の音響センサ装置。
7. 前記弾性部材を狭持する一方である前記ケースの一部は、前記集音側キャップである請求項６に記載の音響センサ装置。
8. 前記押圧部材は、前記コネクタ側キャップであり、前記コネクタ側キャップのねじ込み量に応じて押付力を調整する請求項６又は７に記載の音響センサ装置。

Images