JP2019128311A

JP2019128311A - センサ

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Publication number: JP2019128311A
Application number: JP2018011484A
Authority: JP
Inventors: 和彦櫻井; Kazuhiko Sakurai; 原田　昌樹; Masaki Harada; 昌樹原田
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2019-08-01
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: JP7101486B2

Abstract

【課題】切り子などが減速機内部に残存した場合などおいても、切り子などによるセンサの検知エリアにおける誤信号の送出を回避することが可能となるセンサを提供することを目的とする。【解決手段】本出願は、複数の電極を含み、該複数の電極間に電圧を印可し、導体物質を該電極間に集積して、該電極間の電気抵抗の低下を検知するセンサであって、該センサは、複数の検知エリアを備え、該複数の検知エリアの内で、少なくとも２つ以上の検知エリアにおいて前記電極間の電気抵抗の低下した場合に、検知信号を出力するように構成されるセンサに係るものである。【選択図】図２

Description

本発明は、センサに関するものである。

減速機等の機械装置は、通常潤滑油が貯められたハウジング内に収容され、歯車や軸受等の機械部品の損傷を防止するようにしている。このような機械装置の運転時に機械部品が摩耗すると摩耗粉（主に鉄粉などの導体物質）が当該潤滑油内に混入することとなる。

一般に、機械部品の摩耗が進んで故障率曲線（バスタブ曲線）における摩耗故障期に入ると、潤滑油への摩耗粉（導体物質）の発生量が増加することが知られている。このような機械部品の予防保全を的確に行うためには、摩耗粉（導体物質）の発生量の増加を適切に検知することが欠かせない。

特許文献１は、自動車のトランスミッションなどに装着され、オイル容器内のオイルの劣化や、オイルで潤滑される機械部品の摩擦程度などをチェックするオイルチェックセンサについて開示している。特許文献１に記載のセンサでは、棒状体の外周に絶縁ギャップを介して結合された導電金属性の筒体を有するセンサ本体を含み、前記筒体から前記棒状体の先端部が突出した先端部外周に磁石を形成し、前記磁石の外周に１対の電極を所定の間隔を隔てて固定し、オイル中に含まれる鉄粉などの導電体混合物の量を検出するオイルチェックセンサにおいて、前記電極の少なくとも一方を抵抗体にすることを開示している。

特開２００２−２８６６９７号公報

しかしながら、減速機の構成部材の製造時、例えば、切削時などに当該構成部材に切り子が付着してしまっていた場合、このような切り子が減速機内部に残存することとなり、当該切り子がセンサの検知エリアに付着していると誤信号を送出する原因となり、特許文献１のようなセンサを含め従来のセンサでは、誤信号の発生を防止することが難しいという問題があった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、切り子などが減速機内部に残存した場合などおいても、切り子などによるセンサの検知エリアにおける誤信号の送出を回避することが可能となるセンサを提供することにある。

本発明の一実施形態に係るセンサは、複数の電極を含み、該複数の電極間に電圧を印可し、導体物質を該電極間に集積して、該電極間の電気抵抗の低下を検知するセンサであって、該センサは、複数の検知エリアを備え、該複数の検知エリアの内で、少なくとも２つ以上の検知エリアにおいて前記電極間の電気抵抗の低下した場合に、検知信号を出力するように構成される。

本発明の一実施形態に係るセンサは、前記複数の電極は、第１の電極と、第２の電極と、第３の電極と、を少なくとも含み、前記複数の検知エリアは、該第１の電極と該第２の電極との間に形成される第１の検知エリアと、該第１の電極と該第３の電極との間に形成される第２の検知エリアと、を少なくとも含むように構成される。

本発明の一実施形態に係るセンサは、前記複数の電極は、第４の電極と、第５の電極と、第６の電極と、をさらに備え、前記複数の検知エリアは、該第４の電極と該第５の電極との間に形成される第３の検知エリアと、該第４の電極と該第６の電極との間に形成される第４の検知エリアと、をさらに含むように構成される。

本発明の一実施形態に係るセンサは、前記複数の検知エリアを直列に回路接続するよう構成される。

本発明の一実施形態に係るセンサは、前記複数の検知エリアを並列に回路接続し、少なくとも２つ以上のエリアにおいて前記電極間の電気抵抗の低下した場合に、検知信号を出力するよう構成される。

本発明の一実施形態に係るセンサは、前記複数の検知エリアの各々に、微電流を流すための抵抗体が配置される。

本発明の一実施形態に係るセンサは、前記電極間に電圧の印加する電源を含む電圧印可制御部と、前記検出信号の出力を検出する信号検出部と、該検知信号が出力された場合に、該検知信号の出力を記憶する記憶部と、を備え、前記電源印加制御部は、前記検知信号の出力が記憶部に記憶されている間、前記電源による電圧の印可を遮断するように構成される。

本発明の一実施形態に係るセンサ配列は、複数の検知エリアに、複数のセンサが配置され、前記複数の検知エリアにおいて、該複数のセンサのそれぞれの前記電極間の電気抵抗の低下を検知するよう構成される。

本発明の一実施形態のセンサによれば、切り子などが減速機内部に残存した場合などおいても、当該切り子によるセンサの検知エリアにおける誤信号の送出を回避することができる。

本発明の一実施形態に係る機構１の側面図である。本発明の一実施形態に係るセンサ５の上面図及び断面図である。本発明の一実施形態に係るセンサ５の接続態様を示す概略図である。本発明の一実施形態に係るセンサ５の接続態様を示す概略図である。本発明の一実施形態に係るセンサ５の接続態様を示す概略図である。本発明の一実施形態に係るセンサ５の接続態様を示す概略図である。本発明の一実施形態に係るセンサ５の上面図及び断面図である。本発明の一実施形態に係るセンサ５を備える信号処理回路の概略図である。本発明の一実施形態に係るセンサ５を備える信号処理回路の概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下においては、本発明の一実施形態における装置として、減速機を例に取り説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る機構１の側面図（断面図）である。図１に示されるように、機構１は、フランジ３を備え、該フランジ３に減速機２の少なくとも一部が収容されている。

フランジ３は減速機２を収容する収容部材であり、また、サーボモータ４がフランジ３に取り付けられる。フランジ３は、中空部（空間Ｓ）を有する略筒状の部材である。フランジ３の軸方向両端の開口部は、それぞれ減速機２及びサーボモータ４により塞がれ、密閉された空間Ｓが形成される。空間Ｓ内には潤滑油が充填され、フランジ３はオイルバスとしても機能する。

減速機２は、フランジ３に取り付けられたケース１２と、サーボモータ４の出力軸１３に接続された入力軸１４と、出力軸１５を備えている。入力軸１４及び出力軸１５は、ケース１２に対して回転軸ＡＸ周りに回転可能に支持されている。

サーボモータ４の出力は、入力軸１４を介して減速機２に入力され、減速機２によって減速された後、出力軸１５を介して出力側装置Ａ１に伝達される。

減速機２の歯車機構が収容されるケース１２内の空間は、フランジ３内の空間Ｓと連絡している。減速機２が作動すると、ケース１２内の歯車機構の回転に伴い、ケース１２内の空間とフランジ１０内の空間Ｓとの間で潤滑油の循環が生じる。この潤滑油の循環により、減速機２の内部で発生した摩耗粉（以下、導体物質という）がフランジ３内の空間Ｓに排出される。

空間Ｓ内には、潤滑油中に浮遊する導体物質の増加を検知するためのセンサ５が支持部材１６に取り付けられている。センサ５は、磁石によって導体物質を電極間のギャップ部に集積させて、電極間の電気抵抗の変化によって潤滑油中の摩耗粉の量を検知するセンサである。センサ５には、複数のバリエーションが考えられる。図２ないし図６を参照して、センサ５の種々の実施形態の一部を説明する。ここで、センサ５は、ケース１２内に配置するよう構成してもよく、その他機構１内の任意の場所に適宜配置することができる。

図２は、本発明の一実施形態におけるセンサ５の構成を示す図である。同図は、それぞれ、センサ５の上面図、当該上面図のＡ−Ａ線における断面図として示されている。

図２に示されるように、センサ５は、中心付近の第１の電極（中心電極）６、外側に位置する第２の電極（外側電極）７、第３の電極（外側電極）８、中心付近の第４の電極（中心電極）９、外側に位置する第５の電極（外側電極）１０、第６の電極（外側電極）１１、永久磁石４０、ネジ部材１２及び樹脂材１３を備えている。なお、永久磁石４０を用いず、中心電極６を、当該磁石と電極とを兼ねるように構成してもよい。

ここで、電極は、例えば、鉄やフェライトコア、ケイ素鋼等の導電性を有する磁性材料によって形成された磁性体の部材である。これらの電極の間には、非磁性体（絶縁体）である樹脂材１３が配置されている。このようにして、各電極及び永久磁石４０は、これらの少なくとも一部が、当該樹脂材の中央領域に埋め込まれるようにして形成される。なお、各電極や永久磁石４０の形状は、図示の例に限定されず、様々な形状を採用することができる。

図２の断面図に示すように、中心電極６、９は、外側電極７、８、１０、１１よりも内側に間隔を空けて形成されている。そのため、中心電極６、９と、外側電極７、８、１０、１１との間には、樹脂材１３の上部にギャップ部（検知エリア）ＧＡが形成されている。

中心電極６、９、外側電極７、８、１０、１１の各電極には、出力ライン（図示しない）が接続されている。なお、中心電極６、９の下部等に永久磁石４０が取り付けられていてもよいし、そうでなくても構わない。また、永久磁石４０を取り付ける場合、当該永久磁石４０は磁石や電磁石で構成されるが、磁石を銅などの非磁性体で被覆しこの被覆層に信号線（図示しない）を接続するように構成してもよい。

センサ５は、その抵抗値をモニタして、導体物質の電極間への集積による抵抗値の変動に基づき、機械部品の故障予知を行うセンサ駆動回路（図示しない）と接続されている。一定量を超える導体物質がギャップ部（検知エリア）に集積すると、電圧が印加される電極６及び９と、電極７、８、１０、１１との間の少なくともいずれかの電気抵抗が低下して（すなわち短絡して）、出力ラインの出力レベルが変化する。センサ駆動回路は、この電気抵抗の低下を検知することで、機械部品の故障予知を可能とする。また、電気抵抗の低下には、非通電と電通によるオンオフ信号も含まれ、非通電と通電の２つの状態で検知（以下、「デジタル検知」と言う）するようにしてもよい。

センサ駆動回路は、有線又は無線により、マニピュレータ等の上位制御装置に接続されている。図１の回路基板４３は、出力ラインの出力（センサ４０Ａの出力）を上位制御装置に常時送信してもよく、また、省電力化のため、上位制御装置に間欠的（所定の時間間隔毎）に送信してもよい。

上位制御装置は、回路基板４３より受け取った出力ラインの出力レベルの変化を検知すると、所定の報知手段（表示装置や音声出力装置）により、例えば、減速機２のメンテナンスを促す警告を発するように構成することができる。

永久磁石４０は着磁され、所定の方向に磁束経路φＡが形成される。特に、中心電極６、９の周囲のギャップ部（検知エリア）に強い磁束が流れる。永久磁石４０の磁力により、ギャップ部（検知エリア）には、機械部品の導体物質（例えば、潤滑油へ混入した機械部品の導体物質）が吸着される。

次に、図３を参照して、本発明の一実施形態におけるセンサ５の接続態様につき説明する。図示のように、外側に位置する第５の電極（外側電極）１０は、接続線１５により検出回路１７と接続され、外側に位置する第２の電極（外側電極）７は、接続線１６により検出回路１７と接続される。また、図示のように、第３の電極（外側電極）８と、第６の電極（外側電極）１１とは接続線１４により接続される。このようにして、第５の電極（外側電極）１０、中心付近の第４の電極（中心電極）９、第６の電極（外側電極）１１、第３の電極（外側電極）８、中心付近の第１の電極（中心電極）６、第２の電極（外側電極）７の順に、４回路の論理積を採るよう構成することができる。このように構成することで、リード線の本数を２本に減らすことができる。中心付近の第１の電極（中心電極）６と、中心付近の第４の電極（中心電極）９とが一体の場合、外側電極７、８、１０、１１の各電極に合わせて５本のリード線が必要となるが、上記構成により、リード線の本数を大幅に低減することができる。

図３に示す構成では、中心付近の第１の電極（中心電極）６と第２の電極（外側電極）７との間の第１の検知エリア１００、中心付近の第１の電極（中心電極）６と第３の電極（外側電極）８との間の第２の検知エリア２００、中心付近の第４の電極（中心電極）９と第５の電極（外側電極）１０との間の第３の検知エリア３００、中心付近の第４の電極（中心電極）９と第６の電極（外側電極）１１との間の第４の検知エリア４００が直列に回路構成された状態となっている。
これにより、切り子などが減速機内部に残存した場合などおいても、当該切り子が全ての検知エリアに付着するといったことがない限り、検出回路による誤信号の送出を回避することができるため、結果としてこのような誤信号の送出を大幅に低減することが可能となる。

次に、図４に、複数の検知エリアに複数のセンサにより構成されるセンサ配列（センサ群）を設けた場合の例につき説明する。図示の例では、２つの検知エリアに２つのセンサ５により構成されるセンサ配列（センサ群）が設けられ、各検知エリアを各センサ５により検知するよう構成される。検知エリアやセンサの数はこれに限られず、適宜変更しても構わない。例えば、２つの検知エリアがある程度離れている場合、１つのセンサで検知するのが難しい場合もあるが、各エリア毎に１つ又は複数のセンサを配置することで、検知エリアの物理的位置に的確に対応することが可能となる。

また、このような構成において、本発明の一実施形態において、図示のように、２つのセンサ５を直列に接続し回路を構成する。２つのセンサ５が直列に構成されているため、一方の検知エリアにおけるセンサ５に導体物質が付着しただけでは、電圧が印加されることはなく、他方の検知エリアにおけるセンサ５にも導体物質が付着した場合に初めて、電圧が印加されることとなる。このようにして、本発明の一実施形態におけるセンサ配列は、１つのセンサ５による故障予知の誤検出があった場合でも、故障予知に関する出力がなされることを確実に防止できる。

次に、図５に、本発明の一実施形態におけるセンサ５の接続態様につき説明する。図示のように、図３で説明した複数の検知エリアの内、第１の検知エリア１００、第２の検知エリア２００、第３の検知エリア３００が、接続線２４、接続線２５、接続線２６によりそれぞれ並列に接続され、これらと第４の検知エリア４００が接続線２８により直列に接続され、検出回路２９に接続されている。

図５に示すように、４つの電極の内、１つを多重化（Ｇｎｄ）する構成とし、残りの３つの電極を信号として使用することができる。中央の円形電極を介して２つの部分を２直列とし、その一方を３並列させることで、電圧を半分程度に低減させることができると共に、断線に対するロバスト性の向上にもつながる。

次に、図６に、本発明の一実施形態におけるセンサ５の接続態様につき説明する。図示のように、図３で説明した、第１の検知エリア１００、第２の検知エリア２００、第３の検知エリア３００、第４の検知エリア４００が、接続線１８、接続線１９、接続線２０、接続線２１によりそれぞれ並列に接続され、これらが検出回路２３に接続されている。

図６に示すように、４つの電極を並列に接続することで、図３に示す接続態様に比して、電圧を４分の１程度に低減できると共に、Ｇｎｄ線を多重化することで、断線に対するロバスト性を向上させることができる。

次に、図７に本発明の他の実施形態のセンサ５の上面図、Ａ−Ａ断面図を示す。

本発明の他の実施形態におけるセンサ５は、図７に示されるように、中心付近の第１の電極（中心電極）６、外側に位置する第２の電極（外側電極）７、第３の電極（外側電極）８、中心付近の第４の電極（中心電極）９、外側に位置する第５の電極（外側電極）１０、第６の電極（外側電極）１１、永久磁石４０、ネジ部材１２及び樹脂材１３を備えている。なお、永久磁石４０を用いず、中心電極６を、当該磁石と電極とを兼ねるように構成してもよい。

図示の例では、第１の電極（中心電極）６と、第２の電極（外側電極）７との間、第１の電極（中心電極）６と、第３の電極（外側電極）８との間、第４の電極（中心電極）９と、第５の電極（外側電極）１０との間、第４の電極（中心電極）９と、第６の電極（外側電極）１１との間で、樹脂材１３の上に抵抗体３０がそれぞれ配置されている。図示の抵抗体３０の配置は一例であり、当該抵抗体３０の形状、構造、配置場所、配置態様等に特段の限定はなく、適宜変更可能である。

このように、センサ５の検知エリアに大きな抵抗を持つ抵抗体３０を接続することで、導体物質が少量の場合でも微小の電流が流れるようにしておくことで、銅線（接続線など）が破断した際に微小電流が流れなくなるため、回路の断線の検出が可能となる。なお、当該抵抗体３０の抵抗Ｒは、故障検出時のギャップ部分の抵抗値Ωよりも十分大きくなるように構成される。また、減速機の故障により、導体物質が集まった際には、検知エリアの抵抗値が低下し、大きな電流値の電流が流れるため、電流値に閾値を設け、故障予知を行うことができる。上記構成により、回路の断線と故障予知の双方を確実に行うことができる。

次に、本発明の一実施形態におけるセンサは、閾値を超えると導体物質が付着しセンサがＯＮの状態となると、常に電流が流れる構造となり、エネルギーの浪費となりかねない。また、フォトカブラ（ＰＣ）の寿命は通電している時間と相関関係にあるため、ＰＣの寿命にも影響を与え、回路の破損などの問題を発生させることが考えられる。

図８は、そのような問題を防止するための信号処理回路の構成を説明する図である。図８に示すように、センサ５には、接続線により、電源３２を備える電源印加制御部３１が接続され、その後、電圧検出部３３、記憶部３４、出力部３５に接続される。記憶部３４は、接続線により電源印加制御部３１に接続される。

図示の電源印加制御部３１は、センサ５の電極間に電圧の印加する電源３２を含み、当該電源による電圧の印加を遮断することができるように構成される。電圧検出部３３は、電源３２による電圧の印加を検出し、検出信号を出力する。信記憶部３４は、信号検出部３３により検知信号が出力された場合に、該検知信号の出力を記憶する。図示の記憶部３４は、ＲＳフリップフロップによる状態記憶を示すが、マイコンのメモリ等を含む集積型デバイスであってもよいし、その他の態様であっても構わない。出力部３５は、記憶部３４において検知信号が記憶されると、該検知信号がなされたことを出力し、故障予知の警報のトリガーを発生させる。

本発明の一実施形態におけるセンサ５は、閾値を超える導体物質が付着すると、電源３２との間で通電（ＯＮの状態）し、これを検出した検出部３３は、検出信号を記憶部３４へ出力し、当該信号は記憶部３４に記憶される。記憶部３４において当該信号が記憶されると、Ｈｉの状態となり、その結果、電源印加制御部３１もＨｉの状態となり、電圧の印加が遮断され、ＰＣ１がＯＦＦの状態となる。そうすると、当該センサ５への通電がＯＦＦの状態となるため、検出部３３の記憶部３４への出力は変化するが、記憶部３４の回路により当該記憶部３４の出力が保持されるように構成されるため、出力部は、引き続き故障予知の警報のトリガーを発生させる。

このようにして、回路に電流が流れ続けることを防止し、フォトカブラ（ＰＣ）の寿命を延ばすことが可能となり、回路の破損を回避することができる。

次に、図９は、信号処理回路のその他の構成を説明する図である。図９に示すように、センサ５には、接続線により、電源３２を備える電源印加制御部３１が接続され、その後、電圧検出部３３、記憶部３４、出力部３５に接続される。記憶部３４は、接続線により電源印加制御部３１に接続される。図８の場合と異なり、記憶部３４と電源印加制御部３１との間に、タイマ回路３６が接続されている。

本発明の一実施形態におけるセンサ５は、閾値を超える導体物質が付着すると、電源３２との間で通電（ＯＮの状態）し、これを検出した検出部３３は、検出信号を記憶部３４へ出力し、当該信号は記憶部３４に記憶される。しかし、通常導体物質は徐々に増加する傾向を示すため、センサ５に常に電源を印加し監視を続けることは必ずしも必要なく、間欠的な監視でも故障の予知に有効であることが分かった。

図９の示す信号処理回路では、タイマ回路３６が付加され、一定時間間隔毎、若しくは定時刻毎に電源を印加する。このようにして、常に回路に電流を流し続けることを防止できるため、エネルギー消費を低減することが可能となる。

以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば、明細書中に例示的に明示される実施形態等又は自明な実施形態等を適宜組み合わせた内容も本願の実施形態に含まれる。

１機構
２減速機
３フランジ部
４サーボモータ
５センサ
６第１の電極（中心電極）
７第２の電極（外側電極）
８第３の電極（外側電極）
９第４の電極（中心電極）
１０第５の電極（外側電極）
１１第６の電極（外側電極）
１２ネジ部材
１３樹脂
１４接続線
１５接続線
１６接続線
１７検出回路
１８接続線
１９接続線
２０接続線
２１接続線
２２接続線
２３検出回路
２４接続線
２５接続線
２６接続線
２８接続線
２９検出回路
３０抵抗体
３１電源印加制御部
３２電源
３３電圧検出部
３４信記憶部
３５出力部
３６タイマ回路
４０永久磁石
４３回路基板

Claims

複数の電極を含み、該複数の電極間に電圧を印可し、導体物質を該電極間に集積して、該電極間の電気抵抗の低下を検知するセンサであって、
該センサは、複数の検知エリアを備え、該複数の検知エリアの内で、少なくとも２つ以上の検知エリアにおいて前記電極間の電気抵抗の低下した場合に、検知信号を出力することを特徴とするセンサ。
前記複数の電極は、第１の電極と、第２の電極と、第３の電極と、を少なくとも含み、前記複数の検知エリアは、該第１の電極と該第２の電極との間に形成される第１の検知エリアと、該第１の電極と該第３の電極との間に形成される第２の検知エリアと、を少なくとも含む、請求項１に記載のセンサ。
前記複数の電極は、第４の電極と、第５の電極と、第６の電極と、をさらに備え、前記複数の検知エリアは、該第４の電極と該第５の電極との間に形成される第３の検知エリアと、該第４の電極と該第６の電極との間に形成される第４の検知エリアと、をさらに含む、請求項２に記載のセンサ。
前記複数の検知エリアを直列に回路接続した、請求項１から３までのいずれか１項に記載のセンサ。
前記複数の検知エリアを並列に回路接続し、少なくとも２つ以上のエリアにおいて前記電極間の電気抵抗の低下した場合に、検知信号を出力する、請求項１から３までのいずれか１項に記載のセンサ。
前記複数の検知エリアの各々に、微電流を流すための抵抗体を配置した、請求項１から５までのいずれか１項に記載のセンサ。
前記電極間に電圧の印加する電源を含む電圧印可制御部と、前記検出信号の出力を検出する信号検出部と、該検知信号が出力された場合に、該検知信号の出力を記憶する記憶部と、を備え、前記電源印加制御部は、前記検知信号の出力が記憶部に記憶されている間、前記電源による電圧の印可を遮断する、請求項１に記載のセンサ。
前記複数の検知エリアに請求項１に記載のセンサを複数備え、該複数の検知エリアにおいて、該複数のセンサのそれぞれの前記電極間の電気抵抗の低下を検知する、センサ配列。