JP2020112355A - 温度センサ装置及びセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 熱伝導性及び応答性が良いと共に作製が容易な温度センサ装置及びセンサシステムを提供すること。【解決手段】 感熱素子２と、測定対象物Ｓとの接触面３ａを下面に有すると共に上下に貫通した雌ねじ孔３ｂを有する磁石部３と、雌ねじ孔に螺着された雄ねじ部材４とを備え、雄ねじ部材が、内部に中空部４ａを有した中空ねじであり、感熱素子が、中空部内に配され、中空部の下端から少なくとも感熱素子の周囲までが、絶縁性の中空部用充填剤１０で充填されている。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物に磁石による磁力で取り付け可能な温度センサ装置及びセンサシステムに関する。

近年、ＩｏＴ(Internet of Things)を活用したセンサネットワークが、設備保全・生産性・品質管理・人材リソース・エネルギー利用効率などの観点から各分野において導入が進められている。特に、工場においては設備の故障を診断するために、主に温度と振動とを監視している。すなわち、これまでは作業者が測定器を手に持って現場に出向き、設備診断・故障診断を実施していたが、ＩｏＴ技術の進歩により、センサを測定対象物の装置に常時設置し、遠隔モニタリングをして監視する方法が可能になった。

上記遠隔モニタリングのシステムでは、センサ部と制御部とが一体になったセンサ装置が知られており、センサ装置で検出・測定した温度や振動等のデータを信号として光通信などを使った有線通信や無線技術を使って監視している。
従来、測定対象物の設備等にセンサ装置を取り付ける方法としては、ネジ留め式などで固定する方法もあるが、この方法では工事が必要なことや設備側の固定方法などの制限があり、最近ではセンサ装置に取り付け用の磁石を固定したものが使用されるようになった（例えば、特許文献１，２）。

この磁石を使用した従来のセンサ装置は、磁石の磁力によりモータや軸受等の金属部分に容易に取り付けることができる。例えば、従来のセンサ装置１０１は、図３に示すように、磁石１０３と、磁石１０３上に固定部材１０５を介して設置された基板１１２と、基板１１２上に実装された温度センサ１０２及び振動センサ１０６と、温度センサ１０２及び振動センサ１０６に電力を供給する電池部１０９と、磁石１０３上に設置され磁石１０３以外の部材を収納したケース１０７とを備えている。このセンサ装置１０１は、測定対象物Ｓの金属部分上に磁石１０３の磁力により取り付けられる。

特開２０１７−１９８７１３号公報 特開２０１２−５８２６２号公報

しかしながら、上記従来の技術においても、以下の課題が残されている。
すなわち、従来のセンサ装置では、磁石が測定対象物に直接接触して取り付けられ、温度センサが磁石上部のケース内に設置されるため、温度センサが測定対象物から離れてしまい、測定点（測定対象物の接触面）からの熱抵抗が大きくなってしまう不都合があった。このため、熱時定数も大きくなり、温度センサの応答性が悪化してしまう問題があった。
なお、特許文献２では、リング状の磁石の孔に一端が差し込まれてエポキシ樹脂系接着剤で固着された金属保護管内に熱電対が配置されているため、熱電対が測定点（測定対象物の接触面）に近く、応答性もある程度改善される。しかしながら、磁石の孔に金属保護管を差し込んでエポキシ樹脂系接着剤で接着する必要があり、作製に手間が掛かると共に、磁石と金属保護管との間にエポキシ樹脂系接着剤が介在することで、熱伝導性が悪くなるという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱伝導性及び応答性が良いと共に作製が容易な温度センサ装置及びセンサシステムを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る温度センサ装置は、感熱素子と、測定対象物との接触面を下面に有すると共に上下に貫通した雌ねじ孔を有する磁石部と、前記雌ねじ孔に螺着された雄ねじ部材とを備え、前記雄ねじ部材が、内部に中空部を有した中空ねじであり、前記感熱素子が、前記中空部内に配され、前記中空部の下端から少なくとも前記感熱素子の周囲までが、絶縁性の中空部用充填剤で充填されていることを特徴とする。

この温度センサ装置では、感熱素子が、雄ねじ部材の中空部内に配され、中空部の下端から少なくとも感熱素子の周囲までが、絶縁性の中空部用充填剤で充填され、更に感熱素子が磁石部の接触面の近傍に配されているため、熱抵抗が小さく、高い応答性を有することができる。また、互いに螺着された磁石部と雄ねじ部材とが直接接触していることで、中空部内の感熱素子への高い熱伝導性が得られる。さらに、中空部内に感熱素子が設置された雄ねじ部材を磁石部の雌ねじ孔に螺着するだけで感熱素子を磁石部に取り付けることができるため、容易に作製可能である。

第２の発明に係る温度センサ装置は、第１の発明において、前記雄ねじ部材の前記磁石部上に突出した部分に螺着されたナットを備えていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサ装置では、雄ねじ部材の磁石部上に突出した部分に螺着されたナットを備えているので、ナットによって雄ねじ部材を磁石部に確実に固定することができ、振動等による雄ねじ部材の緩みを抑制することができる。

第３の発明に係る温度センサ装置は、第１又は第２の発明において、前記雄ねじ部材の前記磁石部上に突出した部分に取り付けられた基板と、前記基板上に設置された振動センサとを備えていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサ装置では、雄ねじ部材の磁石部上に突出した部分に取り付けられた基板と、基板上に設置された振動センサとを備えているので、測定対象物の振動は中空部用充填剤で振動が減衰されることなく、磁石部の接触面から磁石部に螺着された雄ねじ部材を介し基板及び振動センサにダイレクトに伝えることができ、高精度な振動測定が可能になる。

第４の発明に係る温度センサ装置は、第３の発明において、前記磁石部の上部に固定されたケースを備え、前記ケース内に前記感熱素子に接続された制御回路部と前記振動センサとが収納され、前記ケース内が、絶縁性のケース用充填剤で充填されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサ装置では、ケース内に感熱素子に接続された制御回路部と振動センサとが収納され、ケース内が、絶縁性のケース用充填剤で充填されているので、制御回路部及び振動センサとがケース及びケース用充填剤で保護され、高い信頼性を得ることができる。

第５の発明に係る温度センサ装置は、第４の発明において、前記中空部用充填剤が、前記ケース用充填剤よりも高い熱伝導率の材料であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサ装置では、中空部用充填剤が、ケース用充填剤よりも高い熱伝導率の材料であるので、感熱素子に対して高い熱伝導性を得ることができる。

第６の発明に係るセンサシステムは、第１から第５の発明のいずれかの温度センサ装置と、前記温度センサ装置に有線又は無線で接続され前記温度センサ装置で検出した信号を有線又は無線で送信可能な信号送信部とを備えていることを特徴とする。
すなわち、このセンサシステムでは、上記温度センサ装置と、温度センサ装置に有線又は無線で接続され温度センサ装置で検出した信号を有線又は無線で送信可能な信号送信部とを備えているので、測定対象物の温度を高い応答性で遠隔モニタリングすることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明の温度センサ装置及びセンサシステムによれば、感熱素子が、雄ねじ部材の中空部内に配され、中空部の下端から少なくとも感熱素子の周囲までが、絶縁性の中空部用充填剤で充填されているので、高い応答性及び熱伝導性を有することができると共に、容易に作製可能である。
したがって、本発明の温度センサ装置及びセンサシステムでは、低コストで作製可能であると共に、様々な設備等において高精度な測定が可能になり、良好な設備保全や管理を行うことができる。

本発明に係る温度センサ装置及びセンサシステムの第１実施形態において、測定対象物に取り付けた温度センサ装置を示す断面図である。 本発明に係る温度センサ装置及びセンサシステムの第２実施形態において、測定対象物に取り付けた温度センサ装置を示す断面図である。 本発明に係る温度センサ装置及びセンサシステムの従来例において、測定対象物に取り付けた温度センサ装置を示す断面図である。

以下、本発明に係る温度センサ装置及びセンサシステムの第１実施形態を、図１を参照しながら説明する。

本実施形態における温度センサ装置１は、図１に示すように、感熱素子２と、測定対象物Ｓとの接触面３ａを下面に有すると共に上下に貫通した雌ねじ孔３ｂを有する磁石部３と、雌ねじ孔３ｂに螺着された雄ねじ部材４とを備えている。
上記雄ねじ部材４は、内部に中空部４ａを有した中空ねじである。
上記感熱素子２は、中空部４ａ内に配され、中空部４ａの下端から少なくとも感熱素子２の周囲までが、絶縁性の中空部用充填剤１０で充填されている。

また、本実施形態の温度センサ装置１は、雄ねじ部材４の磁石部３上に突出した部分に螺着されたナット５と、雄ねじ部材４の磁石部３上に突出した部分に取り付けられた基板１２と、基板１２上に設置された振動センサ６と、基板１２上に設けられ感熱素子２に接続された制御回路部８と、磁石部３の上部に固定されたケース７とを備えている。

上記ケース７内には、ナット５と基板１２と制御回路部８と振動センサ６とが収納されている。
また、ケース７内は、絶縁性のケース用充填剤９で充填されている。
上記感熱素子２には、リード線２ａの一端が接続されており、このリード線２ａの他端が中空部４ａ及び基板１２を介して制御回路部８に接続されている。

感熱素子２は、例えばサーミスタ素子や半導体温度センサ素子などが採用される。
この感熱素子２は、接触面３ａにできるだけ近くに配置される。
上記振動センサ６は、例えば加速度センサが採用される。
上記雄ねじ部材４は、ケース７の下面に形成された貫通孔に挿通された状態でケース７内で雄ねじ部材４の先端側とナット５とが互いに螺着されることで、磁石部３とケース７とが固定される。

上記基板１２上には振動センサ６及び制御回路部８に接続された配線（図示略）が形成されており、この配線に外部接続配線８ａの一端が接続され、その他端側は、ケース７の外部に延出しているケーブル１３に接続されている。
なお、本実施形態では、基板１２が雄ねじ部材４の上端に設置されている。
上記中空部用充填剤１０は、ケース用充填剤９よりも高い熱伝導率の材料である。例えば、ケース用充填剤９がエポキシ樹脂（熱伝導率：例えば０．３Ｗ／ｍＫ）である場合、中空部用充填剤１０としては、熱伝導シリコン（熱伝導率：例えば０．９２Ｗ／ｍＫ）等の熱伝導樹脂が採用される。

上記磁石部３は、例えばネオジム磁石で形成されている。
上記雄ねじ部材４の頭部４ｂは、先端側の雄ねじ部分よりも外径が大きく設定されていると共に、下端面に向けて漸次拡径したテーパ形状とされている。
上記雌ねじ孔３ｂは、頭部４ｂの形状に対応して下部が拡径されている。なお、雄ねじ部材４は、頭部４ｂの下端面が磁石部３の下面と面一となるように螺着されている。
上記中空部４ａは、雄ねじ部材４の上下に貫通している。
なお、中空部４ａの下端、すなわち頭部４ｂの下面に開口した中空部４ａの形状を、プラスドライバーの先端部が差し込み可能な十字溝（図示略）としても構わない。

雄ねじ部材４は、磁石部３よりも熱抵抗の小さい材料で形成されることが好ましく、本実施形態では、例えば鉄（熱伝導率：８４Ｗ／ｍＫ）やステンレス鋼（熱伝導率：１６．７〜２０．９Ｗ／ｍＫ）等が採用可能である。
上記制御回路部８は、感熱素子２や振動センサ６の出力値を信号処理するＩＣである。

本実施形態のセンサシステムは、図１に示すように、上記温度センサ装置１と、温度センサ装置１に有線（ケーブル１３）で接続され温度センサ装置１で検出した信号を有線又は無線で送信可能な信号送信部１１とを備えている。
上記信号は、感熱素子２で検出した測定対象物Ｓの温度情報の信号、及び振動センサ６で検出した測定対象物Ｓからの振動情報の信号である。

このように本実施形態の温度センサ装置１では、感熱素子２が、雄ねじ部材４の中空部４ａ内に配され、中空部４ａの下端から少なくとも感熱素子２の周囲までが、絶縁性の中空部用充填剤１０で充填され、更に感熱素子２が磁石部３の接触面３ａの近傍に配されているため、熱抵抗が小さく、高い応答性を有することができる。また、互いに螺着された磁石部３と雄ねじ部材４とが直接接触していることで、中空部４ａ内の感熱素子２への高い熱伝導性が得られる。さらに、中空部４ａ内に感熱素子２が設置された雄ねじ部材４を磁石部３の雌ねじ孔３ｂに螺着するだけで感熱素子２を磁石部３に取り付けることができるため、容易に作製可能である。

また、磁石部３の直上に配されていると共に雄ねじ部材４の磁石部３上に突出した部分に螺着されたナット５を備えているので、ナット５によって雄ねじ部材４を磁石部３に確実に固定することができ、振動等による雄ねじ部材４の緩みを抑制することができる。
また、雄ねじ部材４の磁石部３上に突出した部分に取り付けられた基板１２と、基板１２上に設置された振動センサ６とを備えているので、測定対象物Ｓの振動は中空部用充填剤１０で振動が減衰されることなく、磁石部３の接触面３ａから磁石部３に螺着された雄ねじ部材４を介し基板１２及び振動センサ６にダイレクトに伝えることができ、高精度な振動測定が可能になる。

また、ケース７内に感熱素子２に接続された制御回路部８と振動センサ６とが収納され、ケース７内が、絶縁性のケース用充填剤９で充填されているので、制御回路部８及び振動センサ６とがケース７及びケース用充填剤９で保護され、高い信頼性を得ることができる。

さらに、中空部用充填剤１０が、ケース用充填剤９よりも高い熱伝導率の材料であるので、感熱素子２に対して高い熱伝導性を得ることができる。
また、本実施形態の温度センサ装置１を備えたセンサシステムでは、温度センサ装置１に有線又は無線で接続され温度センサ装置１で検出した信号を有線又は無線で送信可能な信号送信部１１を備えているので、測定対象物Ｓの温度を高い応答性で遠隔モニタリングすることができる。

次に、本発明に係る温度センサ装置及びセンサシステムの第２実施形態について、図２を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、基板１２が雄ねじ部材４の上端に設置されているのに対し、第２実施形態の温度センサ装置２１では、図２に示すように、基板１２に雌ねじ孔又は貫通孔が形成されており、基板１２の雌ねじ孔又は貫通孔に雄ねじ部材４が螺着又は挿通された状態で、基板１２が雄ねじ部材４に取り付けられ、基板１２上でナット５が雄ねじ部材４に螺着されている点である。

すなわち、第２実施形態では、基板１２上においてナット５を雄ねじ部材４に螺着させることで、基板１２をケース７と共に磁石部３及び雄ねじ部材４に固定している。
この第２実施形態の温度センサ装置２１でも、第１実施形態と同様に、感熱素子２が、雄ねじ部材４の中空部４ａ内に配され、感熱素子２の周囲が絶縁性の中空部用充填剤１０で充填されているので、熱抵抗が小さく、高い応答性を有することができると共に、容易に作製が可能である。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

例えば、信号送信部と温度センサ装置とを無線で接続しても構わない。この場合、温度センサ装置に、信号を無線送信する無線通信部を基板上などに設ける。
また、信号送信部と温度センサ装置とを一体化しても構わない。この場合、例えばケース内に信号送信部を内蔵させても良い。
また、ケース内に電池部を設け、電池部から供給される電力によって感熱素子，振動センサ，制御回路部等を駆動しても構わない。
さらに、振動センサ以外に他のセンサ（例えば、湿度センサ等）を温度センサ装置に設けても構わない。
また、絶縁性の中空部用充填剤は、熱伝導性の良い酸化亜鉛などの粉末を配合させたグリース状の熱伝導性物質でも構わない。

１，２１…温度センサ装置、２…感熱素子、３…磁石部、３ａ…接触面、３ｂ…雌ねじ孔、４…雄ねじ部材、４ａ…中空部、５…ナット、６…振動センサ、７…ケース、９…ケース用充填剤、１０…中空部用充填剤、１１…信号送信部、１２…基板、Ｓ…測定対象物

Claims (6)

1. 感熱素子と、
   測定対象物との接触面を下面に有すると共に上下に貫通した雌ねじ孔を有する磁石部と、
   前記雌ねじ孔に螺着された雄ねじ部材とを備え、
   前記雄ねじ部材が、内部に中空部を有した中空ねじであり、
   前記感熱素子が、前記中空部内に配され、
   前記中空部の下端から少なくとも前記感熱素子の周囲までが、絶縁性の中空部用充填剤で充填されていることを特徴とする温度センサ装置。
2. 請求項１に記載の温度センサ装置において、
   前記雄ねじ部材の前記磁石部上に突出した部分に螺着されたナットを備えていることを特徴とする温度センサ装置。
3. 請求項１又は２に記載の温度センサ装置において、
   前記雄ねじ部材の前記磁石部上に突出した部分に取り付けられた基板と、
   前記基板上に設置された振動センサとを備えていることを特徴とする温度センサ装置。
4. 請求項３に記載の温度センサ装置において、
   前記磁石部の上部に固定されたケースを備え、
   前記ケース内に前記感熱素子に接続された制御回路部と前記振動センサとが収納され、
   前記ケース内が、絶縁性のケース用充填剤で充填されていることを特徴とする温度センサ装置。
5. 請求項４に記載の温度センサ装置において、
   前記中空部用充填剤が、前記ケース用充填剤よりも高い熱伝導率の材料であることを特徴とする温度センサ装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の温度センサ装置と、
   前記温度センサ装置に有線又は無線で接続され前記温度センサ装置で検出した信号を有線又は無線で送信可能な信号送信部とを備えていることを特徴とするセンサシステム。

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