JP2019056654A

JP2019056654A - 振動検出装置

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Publication number: JP2019056654A
Application number: JP2017182091A
Authority: JP
Inventors: 康祐澁谷; Kosuke Shibuya
Original assignee: TLV Co Ltd
Current assignee: TLV Co Ltd
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-04-11
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: JP6905906B2

Abstract

【課題】振動検出装置の検出精度の経時変化を低減する。
【解決手段】測定対象部Ｓの振動を検出するセンサプローブ２は、測定対象部Ｓに接触し、測定対象物Ｓの振動が伝わる接触子４と、接触子４の振動を電気信号に変換する第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂとを備え、接触子４は、本体４１と、測定対象物Ｓと接触する転動体４２と、転動体４２を本体４１に対して転動可能に支持するホルダ４３とを有する。
【選択図】図３

Description

ここに開示された技術は、振動検出装置に関する。

従来より、測定対象物の振動を検出する振動検出装置が知られている。例えば、特許文献１には、先端部を測定対象物に接触させ、測定対象物の振動を圧電素子によって検出する振動プローブが開示されている。

特開２００１−３２４３８９号公報

このような接触型の振動検出装置においては、測定対象物への接触及び振動の検出を繰り返すうちに、振動検出装置における測定対象物への接触部が摩耗してしまう。接触部が摩耗すると、振動の検出精度が変化する虞がある。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、振動検出装置の検出精度の経時変化を低減することにある。

ここに開示された振動検出装置は、測定対象部に接触し、測定対象物の振動が伝わる接触子と、前記接触子の振動を電気信号に変換する圧電素子とを備え、前記接触子は、本体と、測定対象物と接触する転動体と、前記転動体を前記本体に対して転動可能に支持する支持部とを有する。

ここに開示された振動検出装置によれば、検出精度の経時変化を低減することができる。

図１は、センサ装置の概略構成を示す図である。図２は、センサプローブの部分的な縦断面図である。図３は、接触子の先端部の縦断面図である。図４は、測定対象物に接触した状態のセンサプローブを示す縦断面図である。図５は、測定対象物に接触した接触子の縦断面図である。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〈センサ装置の構成〉
図１は、センサ装置１００の概略構成を示す図である。センサ装置１００は、測定対象物に接触した状態で測定対象物の物理量を検出する、いわゆる接触タイプのセンサ装置である。例えば、測定対象物は、スチームトラップあり、物理量は、スチームトラップの振動及び温度である。

図１に示すように、センサ装置１００は、測定対象物の振動及び温度を検出するセンサプローブ２と、センサプローブ２の検出結果を処理する装置本体７とを備えている。センサプローブ２と装置本体７とは、ケーブル１４によって接続されている。センサ装置１００は、ポータブルな装置である。ユーザは、センサ装置１００、又は、センサプローブ２を持ち運びながら測定対象物の振動及び温度を検出する。

〈センサプローブの構成〉
図２は、センサプローブ２の部分的な縦断面図である。センサプローブ２は、図１に示すケーシング１０と、測定対象物の振動を検出（測定）する振動検出機構２０と、測定対象物の温度を検出（測定）する温度検出機構３０とを備えている。振動検出機構２０及び温度検出機構３０は、ケーシング１０に収容されている。センサプローブ２は、振動検出装置の一例である。

ケーシング１０は、図１に示すように、本体チューブ１１と、本体チューブ１１の一端部に取り付けられたフロントキャップ１２と、本体チューブ１１の他端部に取り付けられたリアキャップ１３とを有している。本体チューブ１１は、軸Ｘの方向に延びる概ね円筒状に形成されている。フロントキャップ１２は、先細の筒状に形成されている。フロントキャップ１２の先端部１２ａは、最も細くなっていると共に開口が形成されている。リアキャップ１３は、概ね円筒状に形成されている。リアキャップ１３には、ケーブル１４が接続されている。

振動検出機構２０は、図２に示すように、フロントキャップ１２に収容されている。振動検出機構２０は、測定対象物に接触し、測定対象物の振動が伝わる接触子４と、ホルダ２２と、接触子４の振動を電気信号に変換する第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂと、第１電極板２６ａ及び第２電極板２６ｂと、ウエイト２７と、皿バネ２８と、キャップ２９とを備えている。

接触子４は、細長い棒状の部材である。接触子４は、軸心が軸Ｘと一致するように配置されている。接触子４の先端（下端）は、フロントキャップ１２の先端部１２ａから下方に突出している。センサプローブ２で測定対象物の振動及び温度を検出する際に、接触子４は、測定対象物に接触する。接触子４は、測定対象物の振動を第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５に伝える。

ホルダ２２は、内側の金属製ホルダ２３と、該金属製ホルダ２３を収容する外側の樹脂製ホルダ２４とを含んでいる。金属製ホルダ２３および樹脂製ホルダ２４は、何れも、略円筒状に形成され、軸心が軸Ｘと一致するように配置されている。

金属製ホルダ２３は、上方に開放されている一方、金属製ホルダ２３の下部には底壁２３ａが設けられている。底壁２３ａには、挿入孔２３ｂが形成されている。挿入孔２３ｂには接触子４が挿入され、金属製ホルダ２３から下方に接触子４が突出している。接触子４の上端部は、底壁２３ａに係止しており、接触子４が金属製ホルダ２３から抜け落ちないようになっている。

金属製ホルダ２３内においては、下方から順に、第１圧電素子２５ａ、第１電極板２６ａ、第２圧電素子２５ｂ、第２電極板２６ｂ、ウエイト２７、皿バネ２８及びキャップ２９が互いに接した状態で配置されている。第１圧電素子２５ａは、接触子４の上端に接している。

尚、第１電極板２６ａ及び第２電極板２６ｂには、２本の信号線（図示省略）が接続されている。２本の信号線は、本体チューブ１１に収容された回路基板（図示省略）にも接続されている。

キャップ２９は、皿バネ２８の上に２つ配置されている。キャップ２９は、外周面に雄ネジが形成された円板状の部材である。金属製ホルダ２３の上端部の内周面には、雌ネジが形成されている。キャップ２９は、金属製ホルダ２３の上端部に螺合される。キャップ２９は、その締め付け力によって皿バネ２８を下方に押圧し、皿バネ２８は、その付勢力によってウエイト２７を介して第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂ等を接触子４に押し付ける。

こうして、第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂがウエイト２７及び皿バネ２８等によって接触子４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第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂに作用しても、その外乱を吸収することができ、外乱による影響を低減することができる。

樹脂製ホルダ２４は、上方に開放されている一方、樹脂製ホルダ２４の下部には底壁２４ａが設けられている。底壁２４ａには、挿入孔２４ｂが形成されている。樹脂製ホルダ２４には、金属製２３が圧入されている。挿入孔２４ｂには接触子４が挿入され、樹脂製ホルダ２４から下方に接触子４が突出している。

ホルダ２２は、フロントキャップ１２の上部に収容され、ホルダ２２から下方に突出する接触子４は、フロントキャップ１２の下部に収容される。

フロントキャップ１２内において、ホルダ２２の上方にはコイルバネ１５が配置されている。ホルダ２２は、コイルバネ１５によって下方に付勢されている。フロントキャップ１２の上端部の内周面には、溝１２ｂが形成され、該溝１２ｂにスナップリング１６がはめ込まれている。コイルバネ１５の一端は、スナップリング１６に支持されている。コイルバネ１５の他端は、樹脂製ホルダ２４の上端面に接している。コイルバネ１５は、樹脂製ホルダ２４（ホルダ２２）を下方へ付勢し、樹脂製ホルダ２４をフロントキャップ１２内の段差１２ｃに押しつけている。この状態において、接触子４の先端部は、フロントキャップ１２の先端部１２ａから少し突出している。

温度検出機構３０は、図２に示すように、フロントキャップ１２に収容されている。温度検出機構３０は、接触板３１（伝熱板）と、保持部材３２とを備えている。接触板３１は、中央に開口を有する略環状の板部材である。保持部材３２は、中央に貫通孔３３を有する略円筒状に形成され、フロントキャップ１２の先端部１２ａに挿入されている。接触板３１は、保持部材３２の先端に保持されている。

保持部材３２には、貫通孔３３以外に、熱電対を配置するための２つの配置孔３４，３５がそれぞれ軸方向に延びるように形成されている。配置孔３４，３５のそれぞれに、熱電対（図示省略）が配置される。各熱電対の一端は、接触板３１に接続され、他端は、本体チューブ１１に収容された回路基板（図示省略）に接続されている。

フロントキャップ１２内において、保持部材３２の上方には、コイルバネ１７が配置されている。コイルバネ１７の一端は、ホルダ２２（樹脂製ホルダ２４）に保持されている。コイルバネ１７の他端は、保持部材３２に接している。コイルバネ１７は、保持部材３２を下方へ付勢しており、これにより、接触板３１は、フロントキャップ１２の先端部１２ａよりも下方に少し突出している。つまり、フロントキャップ１２の先端部１２ａからは、接触板３１が突出しており、接触板３１から接触子４がさらに突出している。センサプローブ２が測定対象物の振動及び温度を検出する際に、接触板３１は、測定対象物に接触する。

図示は省略するが、本体チューブ１１に収容された回路基板には、フィルタと増幅器とＡ／Ｄ変換部とが設けられている。フィルタは、例えば、バンドパスフィルタであって、振動検出機構２０のために設けられている。フィルタは、振動検出機構２０の出力信号のうち、所定の周波数帯域以外の周波数成分をカットする。所定の周波数帯域は、測定対象物に生じ得る振動に応じて設定されている。増幅器は、振動検出機構２０のフィルタ処理後の出力信号及び温度検出機構３０の出力信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換部は、増幅器により増幅された信号をデジタル信号に変換する。増幅器及びＡ／Ｄ変換部は、振動検出機構２０と温度検出機構３０とで別々に設けられていてもよい。こうして、デジタル変換された信号は、ケーブル１４を介して装置本体７へ送信される。

装置本体７は、ケーブル１４を介して送られてきた信号を処理する。例えば、装置本体７は、振動検出機構２０の信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）、即ち、高速フーリエ変換する。装置本体７は、ＦＦＴにより求められた各周波数成分のパワースペクトル（又は振幅スペクトル）から、測定対象物の振動の大きさを示す指標（以下、「振動レベル」と称する）を求める。また、装置本体７は、温度検出機構３０の信号から測定対象物の温度を求める。装置本体７は、求めた振動レベル及び温度をディスプレイに表示する。また、装置本体７は、求めた振動レベル及び温度を保存してもよい。このとき、装置本体７は、振動レベル及び温度を検出時刻と共に保存してもよい。さらに、装置本体７は、求めた振動レベル及び温度に基づいて、測定対象物、即ち、スチームトラップの状態を判定してもよい。スチームトラップの蒸気漏れが発生していない場合には、振動レベルが低く、スチームトラップの蒸気漏れが発生すると、振動レベルは高くなる。スチームトラップの温度は、ドレンが適切に流通している場合には、蒸気圧力の飽和温度に近い値となる一方、ドレンが滞留していると低下してしまう。すなわち、装置本体７は、振動レベルに基づいてスチームトラップの蒸気漏れの有無を判定し、温度に基づいてドレンの滞留の有無を判定してもよい。

〈接触子の詳細構成〉
続いて、接触子４の先端部の詳細な構成について説明する。図３は、接触子４の先端部の縦断面図である。

接触子４は、軸Ｘに沿って延びる棒状の本体４１と、球状に形成され、測定対象物と接触する転動体４２と、転動体４２を本体４１に対して転動可能に支持するホルダ４３とを有している。ホルダ４３は、支持部の一例である。

本体４１の先端には、転動体４２と面接触する球面状の凹部４１ａが形成されている。ホルダ４３は、転動体４２の直径よりも大きな内径を有する円筒状に形成されている。ホルダ４３は、本体４１の先端部において、本体４１の外周面に形成された溝４１ｂに係止されている。ホルダ４３の先端には、転動体４２の直径よりも小さな直径の開口４３ａが形成されている。ホルダ４３は、その内部に転動体４２を軸Ｘの方向に移動可能な状態で収容している。詳しくは、転動体４２は、ホルダ４３内において、本体４１から離間して開口４３ａに嵌る位置（以下、「第１位置」という）と本体４１と接触する位置（以下、「第２位置」という）との間で移動可能となっている。第１位置においては、転動体４２の一部は、開口４３ａを介してホルダ４３から突出しているい。

〈振動検出方法〉
このように構成されたセンサ装置１００による測定対象物の振動及び温度の検出について説明する。図４は、測定対象物Ｓに接触した状態のセンサプローブ２を示す縦断面図である。

まず、振動検出機構２０及び温度検出機構３０の全体的な動きについて説明する。測定対象物Ｓの振動及び温度を検出する際には、ユーザは、センサプローブ２を把持し、センサプローブ２の先端を測定対象物Ｓに接触させる。センサプローブ２の通常状態、即ち、接触前の状態においては、図２に示すように、接触子４の先端及び接触板３１がフロントキャップ１２の先端部１２ａよりも下方に突出している。しかし、接触子４は、コイルバネ１５の付勢力に抗してフロントキャップ１２に対して上方へ移動可能であり、接触板３１は、コイルバネ１７の付勢力に抗してフロントキャップ１２に対して上方へ移動可能である。そのため、フロントキャップ１２の先端部１２ａが測定対象物Ｓに接触するときには、接触子４の先端及び接触板３１は、フロントキャップ１２の先端部１２ａと面一になって、測定対象物Ｓに接触している。

続いて、こうして接触子４の先端が測定対象物Ｓに接触する際の接触子４の詳細な動きについて説明する。図５は、測定対象物Ｓに接触した接触子４の縦断面図である。

センサプローブ２が測定対象物Ｓに接触する前の通常状態においては、例えば、リアキャップ１３が上でフロントキャップ１２が下になるようにセンサプローブ２が把持されている。この状態においては、転動体４２は、自重により第１位置に位置し、本体４１から離間している。このとき、転動体４２は、ホルダ４３の開口４３ａから突出している。ユーザがセンサプローブ２を測定対象物Ｓに接触させると、転動体４２が測定対象物Ｓに接触する。ユーザがセンサプローブ２を測定対象物Ｓに押し付けることによって、転動体４２は、第２位置の方へ相対的に移動し、最終的に本体４１、詳しくは、凹部４１ａへ接触する。この状態において、測定対象物Ｓの振動が、転動体４２及び本体４１を介して第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂに伝達するようになる。

ユーザがセンサプローブ２を測定対象物Ｓから離すと、転動体４２は、自重により本体４１から離れ、第１位置へ移動する。

このような検出を繰り返すと、転動体４２は、本体４１との接触及び離間（即ち、第１位置と第２位置との往復）を繰り返しながら、成り行きで転動する。これにより、転動体４２における測定対象物Ｓとの接触点が適度に変更される。その結果、転動体４２、即ち、接触子４の局所的な摩耗が防止される。その結果、センサプローブ２の検出精度の経時変化を低減することができる。

以上のように、測定対象部Ｓの振動を検出するセンサプローブ２（振動検出装置）は、測定対象部Ｓに接触し、測定対象物Ｓの振動が伝わる接触子４と、接触子４の振動を電気信号に変換する第１圧電素子２５ａ及び第２圧電素子２５ｂ（圧電素子）とを備え、接触子４は、本体４１と、測定対象物Ｓと接触する転動体４２と、転動体４２を本体４１に対して転動可能に支持するホルダ４３（支持部）とを有する。

この構成によれば、センサプローブ２の接触子４において、測定対象物Ｓと接触する部分は転動体４２である。この転動体４２は、接触子４の本体４１に対して転動可能に支持されている。そのため、測定対象物Ｓの振動を検出すべく測定対象物Ｓへの接触子４の接触を繰り返すうちに、転動体４２が成り行きで転動する。これにより、転動体４２における測定対象物Ｓとの接触点が変更される。その結果、転動体４２の局所的な摩耗が低減され、センサプローブ２の検出精度の経時変化を低減することができる。

また、転動体４２は、測定対象物Ｓと接触していない状態においては本体４１から離間している一方、測定対象物Ｓと接触して測定対象物Ｓの振動を検出する際には本体４１と接触している。

この構成よれば、転動体４２は、本体４１と離間及び接触を繰り返すので、この間に成り行きで転動することができる。つまり、転動体４２が本体４１と常に接触している状態では、転動体４２の転動が本体４１により制限されることにもなり兼ねない。それに対して、転動体４２は、本体４１から離間し得るので、本体４１に対して比較的自由に転動することができる。その結果、転動体４２の転動が容易になる。

ホルダ４３は、転動体４２が本体４１から離間する第１位置と転動体４２が本体４１と接触する第２位置との間で移動可能な状態で転動体４２を支持しており、転動体４２は、本体４１から離間する第１位置に自重によって移動するように構成されている。

この構成によれば、転動体４２を本体４１から離間させたり、転動体４２を本体４１へ接触させたりするための特別な機構を設ける必要がない。つまり、転動体４２は、測定対象物Ｓと接触していない状態においては自重によって自然と第１位置へ移動する。一方、転動体４２を測定対象物Ｓへ押し付けることによって、転動体４２は本体４１へ接触する状態となる。

さらに、転動体４２は、球状に形成されている。

この構成によれば、転動体４２は、より自由に転動することができる。転動体４２の形状としては、ローラなどの円柱も考えられる。円柱は、転動の軸が１つに限られるが、球の場合、転動の軸は無数に存在する。その結果、転動体４２のより広範な部分が測定対象物Ｓと接触するようになるので、転動体４２の局所的な摩耗がより低減される。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、前記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

センサ装置１００の構成は、前述の構成に限られない。例えば、センサ装置１００では、センサプローブ２と装置本体７とが有線ではなく、無線で接続されていてもよい。また、センサプローブ２は、装置本体７と一体的に構成されていてもよい。つまり、センサプローブ２は、装置本体７の機能も有していてもよい。センサ装置１００は、温度及び振動を検出しているが、温度検出機構３０を有さず、振動のみを検出してもよい。

センサプローブ２の構成は、前述の構成に限られない。例えば、圧電素子の個数は、２つである必要はなく、１つ、又は３つ以上であってもよい。また、センサ２においてウエイト２７及び皿バネ２８等は必須ではなく、測定対象物の振動が接触子４を介して圧電素子に入力される構成であれば、任意の構成を採用し得る。また、センサプローブ２において回路基板が信号処理する内容も任意に設定することができる。

本体４１は、棒状に限られない。本体４１は、転動体４２に伝わる測定対象物の振動を圧電素子に伝達できる限り、任意の形状に形成することができる。

転動体４２は、転動可能な形状である限り、球状に限られない。例えば、転動体４２は、ローラなどの円柱状であってもよい。

ホルダ４３は、転動体４２を本体４１に対して転動可能に支持する限り、任意の構成とすることができる。ホルダ４３は、その内部に転動体４２を移動可能な状態で収容した状態で、本体４１の先端部にネジ締結される構成であってもよい。また、前述の構成においては、軸Ｘの方向において、ホルダ４３からの転動体４２の最大突出量が第１位置と第２位置の距離よりも大きいので、ホルダ４３は、本体４１に対して移動する必要がない。しかし、ホルダ４３からの転動体４２の最大突出量が第１位置と第２位置の距離よりも小さい場合には、ホルダ４３は、本体４１に対して軸Ｘの方向へ移動可能に構成される。例えば、ホルダ４３は、軸Ｘの方向に移動可能な状態で本体４１に取り付けられ且つ、バネ等の付勢部材によって本体４１から離れる方向に付勢される。図３の構成であれば、溝４１ｂの軸Ｘの方向への幅が拡大され、この溝４１ｂにホルダ４３を下方に付勢するコイルバネが設けられる。これにより、ホルダ４３は、本体４１に対して軸Ｘの方向へ移動可能であり、且つ、本体４１から離れる方向に付勢される。この構成によれば、センサプローブ２が測定対象物に接触していない状態においては、ホルダ４３はコイルバネによって下方へ移動し、転動体４２は自重により開口４３ａに嵌っている。センサプローブ２を接触対象物に接触させると、転動体４２が本体４１の方へ移動すると共に、ホルダ４３も接触対象物に接触してコイルバネの付勢力に抗して上方へ移動する。つまり、転動体４２の第１位置と第２位置との間の往復に合わせて、ホルダ４３も軸Ｘの方向に移動する。

以上説明したように、ここに開示された技術は、振動検出装置について有用である。

２センサプローブ（振動検出装置）
２５ａ第１圧電素子
２５ｂ第２圧電素子
４接触子
４１本体
４２転動体
４３ホルダ（支持部）

Claims

測定対象部の振動を検出する振動検出装置であって、
測定対象部に接触し、測定対象物の振動が伝わる接触子と、
前記接触子の振動を電気信号に変換する圧電素子とを備え、
前記接触子は、本体と、測定対象物と接触する転動体と、前記転動体を前記本体に対して転動可能に支持する支持部とを有する振動検出装置。
請求項１に記載の振動検出装置において、
前記転動体は、測定対象物と接触していない状態においては前記本体から離間している一方、測定対象物と接触して測定対象物の振動を検出する際には前記本体と接触している振動検出装置。
請求項２に記載の振動検出装置において、
前記支持部は、前記転動体が前記本体から離間する位置と前記転動体が前記本体と接触する位置との間で移動可能な状態で前記転動体を支持しており、
前記転動体は、前記本体から離間する位置に自重によって移動するように構成されている振動検出装置。
請求項１乃至３の何れか１つに記載の振動検出装置において、
前記転動体は、球状に形成されていることを特徴とする振動検出装置。