JP2016125972A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動の共振周波数を微調整することができるセンサ装置を提供すること。
【解決手段】センサ装置１は、先端２１ｃが測定対象物に押し当てられる検出針２１と、検出針２１の後端が挿入されて保持されるホルダー２２と、測定対象物の振動が、検出針２１およびホルダー２２を順に介し圧力変動として作用する圧電素子２５，２６と、検出針２１のホルダー２２による保持位置から先端２１ｃまでの出代Ｌを調整する出代調整機構とを備える。出代調整機構は、検出針２１の後端側の外周面に形成された雄ねじ部２１ｄと、ホルダー２２に形成され、雄ねじ部２１ｄが螺合して検出針２１の後端が保持されるねじ孔２４ｄとを有し、雄ねじ部２１ｄとねじ孔２４ｄとの螺合度合いを変更することにより出代Ｌを調整するように構成されている。
【選択図】図３

Description

本願は、測定対象物に押し当てて測定対象物の振動を検出するセンサ装置に関するものである。

例えば特許文献１に開示されているように、検出針を測定対象物に押し当てて振動を検出するセンサ装置が知られている。このセンサ装置は、筒状のケーシングと、該ケーシングに収容される振動検出機構とを備えている。振動検出機構は、検出針の後端側に、圧電素子、電極板およびウエイト等が順に挿入されてナットで固定されている。また、ケーシングには、振動検出機構を後方から付勢して検出針の先端をケーシングから突出させるバネ（スプリング）が収容されている。このセンサ装置では、検出針の先端を測定対象物に当ててバネの付勢力に抗して押し込むことにより、測定対象物の機械的振動が検出針を通して圧力変動として圧電素子に作用する。これにより、圧電素子では電圧変動が生じ、その電圧変動に関する電気的信号が電極板から信号処理回路に送られて測定対象物の振動が検出される。

実開平７−８７３２号公報

ところで、上述したようなセンサ装置では、バネの付勢力を調整することにより、振動の共振周波数（共振点）の調整が行われる。しかしながら、このような調整方式では、共振周波数の微小な調整が困難であるという問題があった。

本願に開示の技術は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、振動の共振周波数を微調整することができるセンサ装置を提供することにある。

本願のセンサ装置は、検出針と、ホルダーと、圧電素子と、出代調整機構とを備えている。上記検出針は、先端が測定対象物に押し当てられるものである。上記ホルダーは、上記検出針の後端が挿入されて保持されるものである。上記圧電素子は、上記測定対象物の振動が、上記検出針および上記ホルダーを順に介し圧力変動として作用するものである。上記出代調整機構は、上記検出針の上記ホルダーによる保持位置から上記先端までの出代を調整するものである。

本願のセンサ装置によれば、出代調整機構によって、検出針のホルダーによる保持位置から先端までの出代が調整されるので、測定対象物の振動が伝わる検出針（振動体）の長さが変更される。これにより、振動の共振周波数（共振点）を調整することができる。しかも、上述したバネの付勢力に比べて、検出針の出代は微小な調整を行うことができる。したがって、共振周波数（共振点）について微調整を行うことができる。

図１は、実施形態に係るセンサ装置の概略構成を示す正面図である。 図２は、実施形態に係るセンサ本体の概略構成を示す断面図である。 図３は、実施形態に係るセンサ本体の要部を拡大して示す断面図である。 図４は、実施形態の変形例に係るセンサ本体の要部を拡大して示す断面図である。

以下、本願の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本願に開示の技術、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１に示す本実施形態のセンサ装置１は、図示しない固定器具に連結して測定対象物（例えば、スチームトラップ）に固定し、該測定対象物の振動および温度の２つを検出する、いわゆる固定タイプのセンサである。センサ装置１は、例えば上下方向に延びる状態で測定対象物に固定される。

センサ装置１は、センサ本体２と、アンテナ３と、接続軸４とを備えている。接続軸４は、中空軸であり、両端がナット５，６によってセンサ本体２とアンテナ３に連結されている。アンテナ３は、図示しないが、信号処理回路や発信部が内蔵されており、センサ本体２によって検出された測定対象物の振動および温度に関する信号が送られる。

図２に示すように、センサ本体２は、ケーシング１０と、振動検出機構２０と、温度検出機構４０とを備えている。

ケーシング１０は、略円筒状に形成され、大径部１１、中径部１２および小径部１３を有する。大径部１１の外周面には、上述したナット５が締結される雄ねじ部１１ａが形成されている。小径部１３の外周面には、上述した固定器具に締結される雄ねじ部１３ａが形成されている。

振動検出機構２０は、検出針２１と、ホルダー２２と、圧電素子２５，２６と、電極板２７，２８と、ウエイト２９と、皿バネ３１と、キャップ３２とを備え、ケーシング１０に挿入されて測定対象物の振動を検出（測定）するものである。

検出針２１は、細長い略円柱状の部材であり、後方側から順に、大径部２１ａおよび小径部２１ｂが形成されている。検出針２１は、ケーシング１０と同軸に配置されると共に、先端２１ｃがケーシング１０から突出する状態で配置されている。

ホルダー２２は、内側の金属製ホルダー２３と、該金属製ホルダー２３を収容保持する外側の樹脂製ホルダー２４とで構成されている。金属製ホルダー２３および樹脂製ホルダー２４は、何れも、有底の円筒状に形成されており、ケーシング１０と同軸に配置されている。

金属製ホルダー２３は、筒状壁の径が異なる大径部２３ａおよび小径部２３ｂが後方側から順に形成されると共に、底壁２３ｃに挿入孔２３ｄが形成されている。この底壁２３ｃの挿入孔２３ｄは、後述するが、検出針２１の後端が挿入可能となっている。

金属製ホルダー２３の小径部２３ｂには、２つの圧電素子２５，２６および２つの電極板２７，２８が収容されている。具体的に、検出針２１の大径部２１ａの後方には、前方側から順に、第１圧電素子２５、第１電極板２７、第２圧電素子２６および第２電極板２８が互いに接した状態で配置されている。第１圧電素子２５は、金属製ホルダー２３の底壁２３ｃの内面に接した状態で配置されている。なお、金属製ホルダー２３の小径部２３ｂの内面には、圧電素子２５，２６および電極板２７，２８の外周を保持するガイド部２３ｅが形成されている。また、２つの電極板２７，２８は、図示しないが、それぞれ信号線によってアンテナ３の信号処理回路に接続されている。つまり、信号線はセンサ本体２から接続軸４内を通ってアンテナ３内まで配線されている。

ウエイト２９、皿バネ３１およびキャップ３２は、金属製ホルダー２３内に収容されて保持されている。本実施形態において、ウエイト２９、皿バネ３１およびキャップ３２は、圧電素子２５，２６および電極板２７，２８をその後方から金属製ホルダー２３の底壁２３ｃに押し付ける押付け部材を構成している。

ウエイト２９は、金属製ホルダー２３において第２電極板２８の後方に配置されており、金属製ホルダー２３の大径部２３ａと小径部２３ｂとに跨って収容されている。ウエイト２９は、一体形成された頭部２９ａと軸部２９ｂとで構成され、頭部２９ａが金属製ホルダー２３の大径部２３ａに位置し、軸部２９ｂが金属製ホルダー２３の小径部２３ｂに位置して第２電極板２８に接している。ウエイト２９は、自身の重力によって圧電素子２５，２６等を金属製ホルダー２３の底壁２３ｃに押し付ける。皿バネ３１は、金属製ホルダー２３の大径部２３ａにおいてウエイト２９の後方に配置されている。皿バネ３１は、ウエイト２９を前方へ付勢することによって圧電素子２５，２６等を金属製ホルダー２３の底壁２３ｃに押し付ける。キャップ３２は、金属製ホルダー２３の大径部２３ａにおいて皿バネ３１の後方に２つ配置されている。キャップ３２は、外周面に雄ネジが形成された円板状の部材であり、金属製ホルダー２３の大径部２３ａの内面と螺合することで金属製ホルダー２３に固定される。キャップ３２は、その締め付け力によって皿バネ３１およびウエイト２９を介して圧電素子２５，２６等を金属製ホルダー２３の底壁２３ｃに押し付ける。このように、ウエイト２９、皿バネ３１およびキャップ３２は、互いに密接して圧電素子２５，２６等を金属製ホルダー２３の底壁２３ｃに押し付けている。

こうして、圧電素子２５，２６が押付け部材（ウエイト２９、皿バネ３１およびキャップ３２）によって金属製ホルダー２３の底壁２３ｃに所定の力（初期押付け力）で押し付けられる。これにより、測定対象物以外の振動や力が外乱として圧電素子２５，２６に作用しても、その外乱を吸収することができ、外乱による影響を受けずにすむ。

樹脂製ホルダー２４は、金属製ホルダー２３の前方側に配置され、金属製ホルダー２３の小径部２３ｂと大径部２３ａの過半部を収容している。本実施形態では、金属製ホルダー２３はその小径部２３ｂが樹脂製ホルダー２４に圧入されることにより固定されている。検出針２１は、その後端が樹脂製ホルダー２４の底壁２４ｃに保持（支持）されている。つまり、ホルダー２２は検出針２１の後端を保持している。この樹脂製ホルダー２４（ホルダー２２）における検出針２１の保持態様については後で詳述する。

センサ本体２は、振動検出機構２０を前方へ付勢するコイルバネ３５（バネ）を備えている。振動検出機構２０は、ケーシング１０の軸方向（即ち、前後方向）に変位可能にケーシング１０に挿入されている。コイルバネ３５は、ケーシング１０の大径部１１に収容され、振動検出機構２０の後方側に配置されている。コイルバネ３５は、その軸がケーシング１０の軸と略同軸となる状態で配置されている。コイルバネ３５の一端（後方側端部）は、スナップリング３６に支持されている。スナップリング３６は、ケーシング１０の大径部１１の内面に形成された溝１１ｂに嵌め込まれており、コイルバネ３５の一端を受けている。コイルバネ３５の他端（前方側端部）は、樹脂製ホルダー２４（ホルダー２２）に接している。そして、コイルバネ３５は、樹脂製ホルダー２４（ホルダー２２）を前方へ付勢することで振動検出機構２０を前方へ付勢し、検出針２１の先端２１ｃをケーシング１０から突出させるように構成されている。

樹脂製ホルダー２４は、側壁２４ａの端部（後方端）に厚肉のバネ受け部２４ｂが形成されている。つまり、バネ受け部２４ｂは、ホルダー２２の軸方向途中の筒状壁から外方へ突出して形成されている。なお、バネ受け部２４ｂの外周面はケーシング１０の大径部１１の内面に接している。コイルバネ３５の他端は、樹脂製ホルダー２４のバネ受け部２４ｂの後方側の面に接している。こうして、コイルバネ３５は樹脂製ホルダー２４を前方へ付勢することにより振動検出機構２０を前方へ付勢する。

温度検出ユニット４０は、接触板４１（伝熱板）と、保持部材４２とを備え、測定対象物の温度を検出（測定）するものである。接触板４１は、略環状の板部材である。保持部材４２は、検出針２１の小径部２１ｂと接触板４１を保持するものである。保持部材４２は、略円筒状に形成され、ケーシング１０の小径部１３の先端側に収容（挿入）されている。接触板４１は、保持部材４２の先端に保持されている。

保持部材４２には、それぞれ軸方向に延びる、１つの検出針用孔４３と、２つの熱電対線用孔４４，４５とが形成されている。検出針用孔４３は、保持部材４２の中央に形成された貫通孔であり、検出針２１の小径部２１ｂが挿入されている。２つの熱電対線用孔４４，４５は、検出針用孔４３を間に置いて１８０°ずれた位置に形成された貫通孔であり、２本の熱電対線（図示省略）が挿通されている。この２本の熱電対線は、一端が接触板４１に接続され、他端がアンテナ３の信号処理回路に接続されている。また、ケーシング１０内には保持部材４２をケーシング１０の先端側へ付勢するコイルバネ４８が設けられている。

樹脂製ホルダー２４（ホルダー２２）における検出針２１の保持態様について、図３も参照しながら詳しく説明する。検出針２１は、後端が樹脂製ホルダー２４（ホルダー２２）に挿入されて保持されている。検出針２１の大径部２１ａ（後端側）の外周面には、雄ねじ部２１ｄが形成されている。樹脂製ホルダー２４の底壁２４ｃには、ねじ孔２４ｄが貫通して形成されている。ねじ孔２４ｄは、検出針２１の雄ねじ部２１ｄが螺合して検出針２１の後端が保持される孔である。

本実施形態の振動検出機構２０では、上述した樹脂製ホルダー２４のねじ孔２４ｄおよび検出針２１の雄ねじ部２１ｄが、本願の請求項に係る出代調整機構である。振動検出機構２０では、検出針２１の雄ねじ部２１ｄと樹脂製ホルダー２４のねじ孔２４ｄとの螺合度合いを変更することにより検出針２１の出代Ｌが調整される。具体的に、振動検出機構２０では、ねじ孔２４ｄへの雄ねじ部２１ｄのねじ込み長さＬ１（挿入長さ）を変更することにより検出針２１の出代Ｌが調整される。例えば、検出針２１をその先端２１ｃ側（図３において右側）へ移動させて雄ねじ部２１ｄのねじ込み長さＬ１を短くすると、検出針２１の出代Ｌが長くなる。逆に、検出針２１をその後端側（図３において左側）へ移動させて雄ねじ部２１ｄのねじ込み長さＬ１を長くすると、検出針２１の出代Ｌが短くなる。図３に示すように、検出針２１の出代Ｌは、検出針２１の樹脂製ホルダー２４（ホルダー２２）による保持位置から先端２１ｃまでの長さである。検出針２１の雄ねじ部２１ｄのねじ込み長さＬ１は、検出針２１の樹脂製ホルダー２４（ホルダー２２）による保持位置から後端までの長さである。つまり、振動検出機構２０では、樹脂製ホルダー２４（ホルダー２２）に対して検出針２１がその軸方向（図３に示す矢印方向）に変位可能となっている。図３に示すように、雄ねじ部２１ｄのねじ込み長さＬ１がねじ孔２４ｄの長さを超える場合、検出針２１の後端は金属製ホルダー２３の挿入孔２３ｄ（非ねじ孔）に挿入される。なお、本実施形態では、金属製ホルダー２３の挿入孔２３ｄもねじ孔としてもよいし、樹脂製ホルダー２４のねじ孔２４ｄを非ねじ孔とし、金属製ホルダー２３の挿入孔２３ｄをねじ孔としてもよい。

上述したセンサ装置１では、検出針２１の先端２１ｃを測定対象物に押し当てて検出針２１を押し込むことによって、測定対象物の機械的振動が、検出針２１、樹脂製ホルダー２４および金属製ホルダー２３を順に伝わり、圧力変動として圧電素子２５，２６に作用する。そして、この圧電素子２５，２６に作用する圧力変動に基づいて、測定対象物の振動が検出される。つまり、圧力変動に応じて圧電素子２５，２６に電圧変動が生じ、この電圧変動に関する信号が電極板２７，２８から信号線を介してアンテナ３の信号処理回路に送られて測定対象物の振動が検出（測定）される。また、上述したセンサ装置１では、検出針２１が押し込まれることによって接触板４１が測定対象物に接する。そうすると、測定対象物の熱が接触板４１に伝わり、２本の熱電対線４６，４７において電位差が生じる。そして、この電位差に関する信号がアンテナ３の信号処理回路に送られて測定対象物の温度が検出（測定）される。以上のようにして検出された測定対象物の振動および温度の数値は、アンテナ３の発信部から別の受信部（図示省略）へ無線送信される。

また、上述したセンサ装置１では、振動の共振周波数（共振点）の微調整が出代調整機構によって容易に行われる。例えば、共振周波数を低くしたい場合、検出針２１の雄ねじ部２１ｄのねじ込み長さＬ１を短くして検出針２１の出代Ｌを長くする。また、共振周波数を高くしたい場合、検出針２１の雄ねじ部２１ｄのねじ込み長さＬ１を長くして検出針２１の出代Ｌを短くする。

以上のように、上記実施形態のセンサ装置１によれば、出代調整機構によって、検出針２１の樹脂製ホルダー２４（ホルダー２２）による保持位置から先端までの出代Ｌが調整されるので、測定対象物の振動が伝わる検出針２１（振動体）の長さが変更される。これにより、振動の共振周波数（共振点）を調整することができる。しかも、上述したバネの付勢力に比べて、検出針２１の出代Ｌは微小な調整を行うことができる。したがって、共振周波数（共振点）について微調整を行うことができる。

特に、上記実施形態の出代調整機構によれば、検出針２１の雄ねじ部２１ｄを樹脂製ホルダー２４のねじ孔２４ｄに螺合し、その雄ねじ部２１ｄとねじ孔２４ｄとの螺合度合い（雄ねじ部２１ｄのねじ込み長さＬ１）を変更することによって検出針２１の出代Ｌを調整するようにした。そのため、容易に検出針２１の出代Ｌを微調整することができる。また、雄ねじ部２１ｄおよびねじ孔２４ｄのねじピッチを小さくすれば、一層細かい微調整を行うことができる。

（実施形態の変形例）
上記実施形態の変形例について図４を参照しながら説明する。本変形例は、上記実施形態の出代調整機構の構成を変更したものである。

検出針２１は、上記実施形態と同様、後端が樹脂製ホルダー２４（ホルダー２２）に挿入されて保持されている。樹脂製ホルダー２４の底壁２４ｃには、挿入孔２４ｅが貫通して形成されている。挿入孔２４ｅは、検出針２１がその軸方向（図４に示す矢印方向）に摺動自在に検出針２１の大径部２１ａ（後端）が挿入される。つまり、挿入孔２４ｅの内面と検出針２１の外周面とは接している。なお、本変形例において、検出針２１の大径部２１ａの外周面には雄ねじ部は形成されていない。

樹脂製ホルダー２４の底壁２４ｃには、固定ねじ２４ｆが装着されている。固定ねじ２４ｆは、底壁２４ｃにおいて外周面から挿入孔２４ｅへ向かってねじ込まれている。固定ねじ２４ｆは、ねじ込まれることにより先端が検出針２１の大径部２１ａの外周面に接して検出針２１の軸方向位置を固定するようになっている。本変形例の振動検出機構２０では、上述した樹脂製ホルダー２４の挿入孔２４ｅと固定ねじ２４ｆが出代調整機構となる。つまり、本変形例では、検出針２１をその軸方向に移動させて固定ねじ２４ｆで固定することにより、検出針２１の出代Ｌを任意の長さに微調整することができる。さらに言い換えれば、挿入孔２４ｅへの検出針２１の挿入長さＬ１を変更することにより、検出針２１の出代Ｌを微調整することができる。図４に示すように、検出針２１の挿入長さＬ１は、検出針２１の樹脂製ホルダー２４（ホルダー２２）による保持位置から後端までの長さである。固定ねじ２４ｆとしては、例えば、ホーローセット（イモネジ）等が用いられる。その他の構成、作用および効果は上記実施形態と同様である。

なお、上記変形例の固定ネジ２４ｆは、図３に示す上記実施形態の振動検出機構２０に適用するようにしてもよい。

また、上記実施形態および変形例では、測定対象物に固定して振動等を測定するセンサ装置１について説明したが、本願のセンサ装置１は、作業者が手で持って測定対象物に押し当てて測定するハンディタイプのものについても同様の作用効果を得ることができる。

また、本願のセンサ装置１は、温度検出機構４０を省略して、測定対象物の振動のみを検出（測定）するものであってもよい。

本願に開示の技術は、測定対象物に押し当てて測定対象物の振動を検出するセンサ装置について有用である。

１ センサ装置
２１ 検出針
２１ｃ 先端
２１ｄ 雄ねじ部（出代調整機構）
２２ ホルダー
２４ｄ ねじ孔（出代調整機構）
２５,２６ 圧電素子
Ｌ 出代

Claims (3)

1. 先端が測定対象物に押し当てられる検出針と、
   上記検出針の後端が挿入されて保持されるホルダーと、
   上記測定対象物の振動が、上記検出針および上記ホルダーを順に介し圧力変動として作用する圧電素子と、
   上記検出針の上記ホルダーによる保持位置から上記先端までの出代を調整する出代調整機構とを備えている
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   上記検出針は、略円柱状に形成され、
   上記出代調整機構は、上記検出針の後端側の外周面に形成された雄ねじ部と、上記ホルダーに形成され、上記雄ねじ部が螺合して上記検出針の後端が保持されるねじ孔とを有し、上記雄ねじ部と上記ねじ孔との螺合度合いを変更することにより上記出代を調整する
   ことを特徴とするセンサ装置。
3. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   上記出代調整機構は、上記ホルダーに形成され、上記検出針がその軸方向に摺動自在に上記検出針の後端が挿入される挿入孔と、上記ホルダーにねじ込まれ、先端が上記検出針の外周面に接して上記検出針の軸方向位置を固定する固定ねじとを有している
   ことを特徴とするセンサ装置。
   

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