JP2020125940A - センサ配置構造およびセンサ配置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出感度を高めたセンサ配置構造およびセンサ配置方法を提供する。【解決手段】センサ配置構造は、線状検出体３１を有するセンサモジュール３と、収容空間Ｓが設けられたネジ２などの部材とを備え、前記センサモジュール３は、ネジ２などの前記部材によって保持された被保持部を有するものであり、前記線状検出体３１は、収容空間Ｓ内に変形可能に配置され、変形状態に応じた強度の信号を出力するものであることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、収容空間が設けられた部材に線状検出体を配置したセンサ配置構造およびセンサ配置方法に関する。

内部導体と、その内部導体の外周面に接触して設けられた圧電体と、その圧電体の外周面に接触して設けられた外部導体とからなる線状検出体が知られている（例えば、特許文献１等参照）。また、導電ゴム等による抵抗線、キャパシタ線、光ファイバ等を用いて線状検出体を構成することも検討されている。一方、近年では工作機械の状態情報を収集して分析することで、工作機械等に用いられている工具などの消耗部品の劣化や工作機械の故障を事前に予測したり、部品交換をより効率良く実施するためのメンテナンス計画を立案する技術が求められている。また、ロボット、農業機械、車、家電などの装置においても状態情報を収集して分析することで故障予測や作業の効率化を行うことが検討されている。この状態情報の検出装置として上述の線状検出体を備えたセンサモジュールを用いることが考えられる。従来、振動測定等には加速度センサが用いられてきた。しかし、加速度センサは、自身の固有振動数が、装置に発生する振動の振動数の一部と一致しており、その振動数では共振してしまうため振動に対する感度が振動周波数毎に異なっていた。これに対し、線状検出体は、装置に発生する振動の周波数よりも固有周波数が極端に低いため、装置の振動を測定する際の感度を振動の周波数にかかわらずほぼ一定にすることができるといった効果が見込まれる。

特開２０１８−１４１６６８号公報

しかしながら、本発明者が実際に線状検出体を工作機械に固定して動作状態や振動状態を計測したところ、検出感度が低く正確な状態情報を得られないことが判明した。これは、線状検出体が工作機械に固定されることで線状検出体と工作機械とが一体となって振動してしまうため、線状検出体に変形が生じにくいことが要因と考えられる。

本発明は上記事情に鑑み、検出感度を高めたセンサ配置構造およびセンサ配置方法を提供することを目的とする。

上記目的を解決する本発明のセンサ配置構造は、線状検出体を有するセンサモジュールと、
収容空間が設けられた部材とを備え、
前記センサモジュールは、前記部材によって保持された被保持部を有するものであり、
前記線状検出体は、前記収容空間内に変形可能に配置され、変形状態に応じた強度の信号を出力するものであることを特徴とする。

本発明のセンサ配置構造によれば、前記線状検出体は前記収容空間において変形可能に配置されているので、前記部材が動作または振動（以下、振動等と称する）した時に該収容空間内で該線状検出体がその振動等に対応して変形する。これにより、高い検出感度で振動等を検出することができる。

前記部材は、複数の物品が組み合わされたものであってもよい。また、前記収容空間は複数の物品を組み合わせた際に生じる物品間の隙間によって形成された空間であってもよい。前記線状検出体は、内部導体と外部導体との間に圧電体を担持したものであってもよい。また、前記線状検出体は、自身が変形したことで電気抵抗が変化するピエゾ抵抗線であってもよいし、導電ゴム等による抵抗線であってもよい。ここにいう導電ゴムとしては、加えられる圧力の大きさや引張力の大きさによって電気抵抗が変化するものであってもよい。また、前記線状検出体は、自身が変形したことで厚さが変化して静電容量が変わるキャパシタ線であってもよい。あるいは、前記線状検出体は、自身が変形したことで屈折率が変化する光ファイバを用いた光学的な信号出力線であってもよい。すなわち、自身の変形状態に応じた強度の信号を出力する線状検出体であればよい。また更に、前記被保持部は、前記線状検出体の一部であってもよく、センサモジュールのうち該線状検出体とは異なる部分であってもよい。

また、本発明のセンサ配置構造において、前記線状検出体が変形可能な範囲で該線状検出体に張力を付与する張力付与部材を備えていてもよい。

前記線状検出体に張力を付与することで、前記部材の振動等が該線状検出体に伝わりやすくなる。従って、前記線状検出体が振動等に対応して変形しやすくなる。また、張力を付与することで、前記部材が振動等をしていない初期状態において、前記線状検出体が所定の形状に維持されるので、該線状検出体から出力される信号の再現性が高まる。

前記張力付与部材は、前記線状検出体に取り付けられた重りであってもよく、前記部材または前記センサモジュールに保持された弾性部材であってもよい。

また、本発明のセンサ配置構造において、前記張力付与部材が、前記線状検出体に撚り合わせられて該線状検出体に張力を付与するサポート線であってもよい。

前記線状検出体をサポート線に撚り合わせることで、該線状検出体に張力を付与するだけでなく、撚り合わされた撚線全体がしなることもできるので感度よく振動等を検出できる。また、前記収容空間が細長い空間であっても前記線状検出体を該収容空間内に容易に設置することができる。

前記サポート線は、前記線状検出体よりも剛性の高いものであってもよい。前記サポート線は、金属製のものが好ましく、ステンレス製のものがより好ましい。

また、本発明のセンサ配置構造において、前記線状検出体は、螺旋状に成形されたものであってもよい。

前記線状検出体を螺旋状にすることで、前記収容空間に収容可能な該線状検出体の長さが増加する上に該線状検出体が変形しやすくなるので、より高い検出感度で前記部材の振動等を検出することができる。

また、本発明のセンサ配置構造において、前記線状検出体は、螺旋状に周回したスパイラル線の軸心をさらに螺旋状に周回させたダブルコイル状のものであってもよい。

前記収容空間に収容可能な前記線状検出体の長さが大幅に増加する上に、前記部材が振動等をした時に該線状検出体がより変形しやすくなるので、検出感度を大幅に高めることができる。

また、本発明のセンサ配置構造において、前記スパイラル線の軸心側に該軸心に沿った支持線が配置されていてもよい。

素線である直線状の前記線状検出体を前記支持線の周囲に巻き付けることで該線状検出体を容易にダブルコイル状にすることができる。前記支持線は、螺旋状弾性部材であってもよい。

上記目的を解決する本発明のセンサ配置方法は、変形状態に応じた強度の信号を出力する線状検出体を有するセンサモジュールと、収容空間を有する部材とを用意する準備工程と、
前記部材に前記センサモジュールの一部を保持させ、前記線状検出体を変形可能に前記収容空間内に配置する配置工程とを有することを特徴とする。

本発明のセンサ配置方法によれば、前記部材が振動等した時に前記収容空間内で前記線状検出体がその振動等に対応して変形するので、高い検出感度で該部材の振動等を検出することができる。

また、本発明のセンサ配置方法において、前記準備工程は、サポート線に撚り合わされた前記線状検出体を有する前記センサモジュールを用意する工程であってもよい。

撚線全体がしなることができるので感度よく振動等を検出できる上に、前記収容空間が細長い空間であっても前記線状検出体を該収容空間内に設置することができる。

本発明によれば、検出感度を高めたセンサ配置構造およびセンサ配置方法を提供することができる。

本発明のセンサ配置構造の一実施形態を示す断面図である。 線状検出体の構造を模式的に示す断面図である。 （ａ）は、ネジ本体とセンサ基板とを図１における上方から見た平面図である。（ｂ）は、ネジ本体を図３（ａ）における右方向からみた右側面図である。 図１に示したネジとセンサモジュールを組み立てる前の分解図である。 ネジにセンサモジュールを配置する配置方法を示すフローチャートである。 図１に示したセンサ配置構造の第１変形例を示す、図１と同様の断面図である。 図１に示したセンサ配置構造の第２変形例を示す、図１と同様の断面図である。 図１に示したセンサ配置構造の第３変形例を示す、図１と同様の断面図である。 図１に示したセンサ配置構造の第４変形例を示す、図１と同様の断面図である。 第２実施形態のセンサ配置構造の一実施形態に相当する主軸とセンサモジュールを模式的に示した断面図である。 第２実施形態のセンサ配置構造の変形例を示す、図１０と同様の断面図である。 第３実施形態のセンサ配置構造を示す、図１０と同様の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明のセンサ配置構造の一実施形態を示す断面図である。

図１に示すように、本発明のセンサ配置構造は、ネジ２とセンサモジュール３と
４１とを有する。ネジ２はネジ本体２１とネジ蓋２２とを有する。このネジ２は、部材の一例に相当する。ネジ本体２１は、先端側に形成されたネジ部２１１と後端側に形成された頭部２１２とから構成されている。これらネジ部２１１と頭部２１２は一体に形成されている。ネジ部２１１は、先端２１１ａが閉塞した中空円筒状をしている。ネジ部２１１の外周面２１１ｂにはネジ山が形成されている。また、ネジ部２１１の内部には内周面２１１ｃによって画定された第１内部空間ＳＡが形成されている。

頭部２１２は、ネジ部２１１よりも大径な中空円筒状に形成されている。頭部２１２の内部には頭部２１２の内周面２１２ａによって画定された第２内部空間ＳＢが形成されている。第２内部空間ＳＢは第１内部空間ＳＡに連通している。以下の説明では、第１内部空間ＳＡと第２内部空間ＳＢを合わせて称するときは、収容空間Ｓと称する。第２内部空間ＳＢの後端は開放されている。頭部２１２の外周面２１２ｂには、外周面２１２ｂ全周に渡って円周溝２１２ｅ（図３（ｂ）参照）が形成されている。この円周溝２１２ｅには、頭部２１２とネジ蓋２２との隙間から水等が侵入しないように防水手段としてＯリング２１３がはめ込まれている。

ネジ蓋２２は円筒状の側壁部２２１と円盤状の上板部２２２とが一体に形成されたものである。なお、このネジ蓋２２とＯリング２１３は、水や薬品などがセンサモジュール３に達する心配のない箇所にネジ本体２１を設置する場合には省略してもよいが、センサモジュール３の劣化を防ぐために使用することが望ましい。ネジ本体２１にネジ蓋２２を取り付けた状態では、頭部２１２の後端面は、ネジ蓋２２の上板部２２２によって覆われている。ネジ蓋２２は、Ｏリング２１３を挟んで頭部２１２の後端側部分に圧入されることで、ネジ本体２１に固定されている。なお、ネジ蓋２２の側壁部２２１の内周面に雌ネジを形成し、ネジ本体２１の頭部２１２の外周面に雄ネジを形成してネジ蓋２２とネジ本体２１とをネジ締結してもよい。ネジ締結することで、振動等によってネジ蓋２２がネジ本体２１から外れてしまうことを抑制することができる。上板部２２２の中央には孔２２２ａが形成されている。その孔２２２ａにはグロメット２３が固定されている。

センサモジュール３は、ネジ２の内部に配置されている。このセンサモジュール３は、線状検出体３１とセンサ基板３２とから構成されている。なお、図１では、センサ基板３２の一部（図１における右下部分）を切り欠いて示している。線状検出体３１は、圧電体３１２（図２参照）を有する線状のセンサであり、自身の変形状態に応じた強度の信号を発生するものである。具体的には、線状検出体３１のうち変形した部分の長さおよび変形速度に応じた電圧を発生する。ただし、変形した部分の長さおよび変形量に応じた電圧を発生するものでもよく、電圧以外の信号を出力するものであってもよい。線状検出体３１の後端は、はんだによりセンサ基板３２に接続されている。この線状検出体３１の構成については後に詳述する。

線状検出体３１は、サポート線４１に撚り合わされている。このサポート線４１は、張力付与部材の一例に相当する。本実施形態におけるサポート線４１は、７本のステンレスワイヤをその断面において最密構造に配置した上で撚り合わせたものである。サポート線４１の表面はナイロンなどの樹脂によって被覆されている。この被覆により、ネジ２が振動等したときに、サポート線４１を構成する堅いステンレスによって線状検出体３１の表面を擦ることがなくなるので、線状検出体３１を長寿命化できる。また、線状検出体３１とサポート線４１相互の滑りが良くなるので線状検出体３１が変形しやすくなる。サポート線４１の直径は、樹脂による被覆分も含めて０．４６ｍｍである。なお、サポート線４１として、銅線などの他の金属線を用いても良く、樹脂製の線材を用いても良い。さらに、サポート線４１は単線で構成されていてもよい。また、金属線を用いた場合の樹脂による被覆も必須ではない。

後述するように、線状検出体３１は内部に金属線を含んだ可撓性を有する線である。また、サポート線４１も可撓性を有するので、線状検出体３１にサポート線４１を撚り合わせると、線状検出体３１とサポート線４１とがそれぞれ撚り戻ろうとする。これにより、線状検出体３１に張力が付与され、線状検出体３１にたるみが生じることを防止できる。線状検出体３１にたるみが生じていると、たるんでいる部分では振動等が吸収されて線状検出体３１における検出感度が低下してしまう。たるみを防止することで、線状検出体３１が振動等に対応した変形をしやすくなる。また、振動等が生じていない初期状態における線状検出体３１の形状がサポート線４１によって一定形状に維持されるので、線状検出体３１から出力される信号の再現性が高まる。すなわち、ネジ２に同じ振動等が生じた場合には同一波形の信号が出力される。また、撚り合わされた線状検出体３１とサポート線４１は、２つの線の結合体全体としてしなることができるので線状検出体３１に変形が生じやすい。従って、ネジ２に振動等が生じたときに感度よく信号を出力することができる。さらに、第１内部空間ＳＡが細長い空間であっても容易に挿入することができるので、細長いネジ２であっても第１内部空間ＳＡの奥まで線状検出体３１を挿入して設置することができる。なお、サポート線４１の剛性が、線状検出体３１の剛性未満であると、サポート線４１の剛性不足によってサポート線４１が線状検出体３１の支えにならずに線状検出体３１にたるみが生じてしまう場合がある。このため、線状検出体３１よりも剛性の高いサポート線４１を用いることが好ましい。

線状検出体３１の後端部分とサポート線４１の後端部分は、不図示の樹脂によってセンサ基板３２に固定されている。線状検出体３１の後端部分がセンサ基板３２に対して揺れ動くと線状検出体３１の、センサ基板３２への取り付け部分で断線してしまう可能性があるが、樹脂で固定することで断線の可能性を低下させることができる。また線状検出体３１の後端部分とサポート線４１の後端部分が固定されることで初期状態における線状検出体３１の姿勢が一定になるので、線状検出体３１から出力される信号の再現性が高まる。なお、サポート線４１が固定されていない状態で線状検出体３１に撚り合わされているだけでも線状検出体３１に張力を付与することはできるが、サポート線４１を固定することで線状検出体３１の初期状態における姿勢をより安定させることが可能になる。

センサ基板３２は、頭部２１２の内周面２１２ａに形成された切欠溝２１２ｃに挿入されることでネジ２の内部に固定されている。このセンサ基板３２の固定構造については後述する。センサ基板３２は、センサ回路３２１を備えている。また、センサ基板３２には、先端側パターン配線３２２および後端側パターン配線３２３が形成されている。この先端側パターン配線３２２は信号線の一例に相当する。線状検出体３１は、先端側パターン配線３２２よりも先端側に配置された検出機能を有する部分である。線状検出体３１が変形することで発生した信号（電圧）は、センサ基板３２に形成された先端側パターン配線３２２を通じてセンサ回路３２１に入力される。センサ回路３２１は、オペアンプを有する回路である。センサ回路３２１で処理された信号は、後端側パターン配線３２３を介して配線９に送られて図示しない解析装置に伝達される。配線９は、先端部分がグロメット２３に固定された保護チューブ９０によって覆われている。なお、センサ基板３２にＡ／Ｄ変換器と無線通信モジュールを設け、センサ回路３２１とＡ／Ｄ変換器によって処理された信号を無線通信モジュールによって無線で解析装置に送信してもよい。

次に、線状検出体３１の構造について説明する。図２は、線状検出体の構造を模式的に示す断面図である。

図２に示すように、線状検出体３１は、圧電センサ線３１０と、その外周を覆うシース３１４を有する。圧電センサ線３１０は、内部導体３１１と圧電体３１２と外部導体３１３とから構成されている。内部導体３１１は、圧電センサ線３１０の中心に配置されており、７本の導体線３１１０で構成されている。圧電体３１２は、内部導体３１１の外周に設けられている。外部導体３１３は、圧電体３１２の外周に設けられている。

７本の導体線３１１０は、いずれも直径が１０μｍのものであって、このうち４本はステンレス製の導体線３１１０Ｓであり、残りの３本は銅製の導体線３１１０Ｃである。図２では、ステンレス製の導体線３１１０Ｓが左下がりのハッチングで、また銅製の導体線３１１０Ｃが右下がりのハッチングでそれぞれ示されている。図２に示す内部導体３１１では、中心に配置される導体線には、ステンレス製の導体線３１１０Ｓ（ステンレスワイヤ）が用いられており、外周に配置される導体線には、ステンレス製の導体線３１１０Ｓと銅製の導体線３１１０Ｃが交互に用いられている。銅製の導体線３１１０Ｃは、ステンレス製の導体線３１１０Ｓに比べて、電気抵抗が低く、かつ柔らかい。反対に、ステンレス製の導体線３１１０Ｓは、銅製の導体線３１１０Ｃに比べて、電気抵抗は高くなるが、機械的強度（例えば、引張強度等）および剛性は高くなる。

７本の導体線３１１０は、正六角形の各頂点およびその正六角形の中心に配置された状態となっている。これらの７本の導体線３１１０は、一本に撚り合わされた状態のものである。すなわち、内部導体３１１は、７本の導体線３１１０をその断面において最密構造に配置した上で撚り合わせたものである。なお、この場合の内部導体３１１の太さは最大３０μｍとなる。このように複数本の導体線３１１０を甘撚、あるいは中撚程度に撚っておくことで、撚りの方向とは逆方向の緩みを許容し、この緩みによって圧電センサ線３１０、ひいては線状検出体３１に柔軟性を与えることができる。

なお、導体線３１１０の直径は１０μｍに限られず、８μｍ以上４０μｍ以下であってもよく、８μｍ以上３０μｍ以下にすることが好ましい。導体線３１１０は、細ければ細いほど柔軟性は高められるが強度および剛性が低下し、太ければ太いほど柔軟性は低下するが強度および剛性が高められる。また、導体線３１１０の太さが２０μｍ以上であれば、低コストで製造することができ、且つ製造も容易である。また、導体線３１１０の太さを同じにする構成に限られるものではなく、異なる太さの導体線３１１０を撚り合わせて内部導体３１１を構成してもよい。

なお、図２に示す内部導体３１１は、７本の導体線３１１０を撚り合わせたものであったが、この数については７本でなくてもよい。複数の導体線３１１０を撚り合わせることにより、圧電センサ線３１０、ひいては線状検出体３１の柔軟性を高めることができる。また例えば、複数本を撚り合わせた束を複数用意し、これらをさらに撚り合わせる、といったように複数段階に分けて撚り合わせものであってもよい。例えば、７本の細い導体線３１１０を撚り合わせた束を７本用意し、その束をさらに撚り合わせた構成にしてもよい。複数段階に分けて撚り合わせることで、線状検出体３１の柔軟性がより高まるので、振動等に応じて線状検出体３１が変形しやすくなる。その結果、線状検出体３１における検出感度を高めることができる。なお、複数段階に分けて撚り合わせる場合のように、撚り合わせの工程が複数回ある場合には、撚り合わせる方向を異ならせてもよい。一方、複数の導体線３１１０を撚り合わせずに、直線状に束にしたものを用いてもよい。また、例えば、撚り合わせない複数の導体線３１１０の束と、撚り合わせた複数の導体線３１１０を撚り合わせる、といったように、これらの構成を組み合わせてもよい。これらの場合であっても、圧電材料を塗布することで、複数の導体線３１１０が互いに接着されて束ねられ、一本の圧電性繊維を製造することができる。

以上説明した圧電センサ線３１０では、内部導体３１１を構成する導体線３１１０として、機械的強度や電気抵抗が異なる複数種類の導体線が用いられているが、柔軟性をさらに高める場合や、電気抵抗をさらに低くする場合には、中心の導体線３１１０を、銅製の導体線３１１０Ｃに代えてもよく、あるいは、７本の導体線３１１０の全てを銅製の導体線３１１０Ｃにしてもよい。反対に、機械的強度および剛性をさらに高める場合には、７本の導体線３１１０の全てをステンレス製の導体線３１１０Ｓにしてもよい。また、ステンレス製の導体線３１１０Ｓに代えて、タングステン製の導体線や、タングステン及びその合金等の高張力鋼材あるいは超高張力鋼からなる導体線を用いてもよいし、銅製の導体線３１１０Ｃに代えて、チタン製の導体線や、チタン合金あるいはマグネシウムやマグネシウム合金等からなる導体線を用いてもよい。さらには、カーボンナノチューブを含む導体線であってもよいし、ピッチ系炭素繊維を含む導体線であってもよい。あるいは、弾性変形しやすいバネ鋼材からなる導体線を用いてもよい。

圧電体３１２は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の圧電材料を内部導体３１１に塗布することによって形成されたものである。ポリフッ化ビニリデンは、圧電効果が発生する軽量の高分子材料であり、これに圧力を加えると電圧が発生し、電圧を加えると歪が発生する特性を備えている。圧電体３１２には分極処理が施されており、圧電体３１２に変形が生じたときに内部導体３１１と外部導体３１３の間に電圧が誘起される。図１に示したネジ２を工作機械やロボットなどの稼働体やビルなどの構造物に配置すると、稼働することで生じた稼働体の振動等や構造物に地震などの外力が加わった際に生じる振動等がネジ２に伝わる。そして、そのネジ２に伝わった振動等によって圧電体３１２が変形することで、内部導体３１１と外部導体３１３の間に電圧が誘起される。

図２に示す圧電体３１２を構成する圧電材料としては、ポリフッ化ビニリデンの他に、トリフルオロエチレン（ＴｒＥＦ）や、ＰＶＤＦとＴｒＥＦの混晶材料や、ポリ乳酸、ポリ尿酸、ポリアミノ酸等の双極子モーメントをもつ高分子材料があげられる。また、圧電材料を塗布する方式としては、浸漬（ドブ付け）塗装であってもよいしスプレー等による吹き付け塗装であってもよいしハケ塗りであってもよいし、コーター等による塗布装置による塗布であってもよい。なお、塗布する構成に限らず、例えば、帯状のＰＶＤＦフィルムを内部導体３１１に螺旋状に巻き付けた構成であってもよい。

圧電体３１２の厚みは、導体線３１１０の直径以上であることが好ましい。図２に示す圧電体３１２の厚さは、最も薄い箇所で１０μｍであるが、１０μｍ以上５０μｍ以下であればよい。なお、圧電体３１２の厚さは、厚ければ厚いほど検出感度が良好になるが、圧電体３１２の厚さの限界値は、塗布する圧電材料の粘度や塗布方法によって決まってくる。また、圧電体３１２の厚さが厚すぎると圧電センサ線３１０、ひいては線状検出体３１が硬くなりすぎてしまい柔軟性に欠けてしまうといった欠点もある。

図２に示す内部導体３１１では、複数の導体線３１１０を撚り合わせているため、導体線３１１０同士の境目に窪みがある。この窪みの部分では、より多くの圧電材料を担持することができ、圧電材料の体積が大きく（厚く）なるため、検出感度が他の部分よりも良好になる。内部導体３１１には、こうした窪みによって圧電材料が他の部分よりも厚い部分が６か所、周方向に均等間隔で存在するため、どの方向に曲げられても高感度な圧電性繊維として機能する要因になる。

なお、図２に示す隣り合う導体線３１１０は互いにほぼ接しているが、わずかな隙間から毛細管現象によって圧電材料が浸透し、隣り合う導体線３１１０同士の隙間（内部導体３１１の内部）が圧電材料によって埋められた状態になっている。しかし、圧電材料の粘度や塗布方法によっては、隣り合う導体線３１１０同士の隙間に圧電材料が浸透しない場合もあるが、少なくとも内部導体３１１の外周に面した部分に圧電材料が担持された状態となっていればよい。なお、上述した帯状のＰＶＤＦフィルムを圧電体３１２として用いた構成では、隣り合う導体線３１１０同士の隙間に圧電材料が浸透していない線状検出体３１になる。この線状検出体３１では、隣り合う導体線３１１０同士の隙間に圧電材料が浸透しているものと比較して線状検出体３１の柔軟性が高まるので、線状検出体３１における検出感度が高まる。

図２に示す外部導体３１３は、圧電体３１２の外周に、カーボンナノチューブ等のカーボンを含む高分子導電性材料が塗布されることで形成された層である。外部導体３１３を形成する導電性材料としては、銀の微粒子を含む高分子導電性材料や銀ペースト等であってもよい。また、この導電性材料を塗布する方式としては、浸漬（ドブ付け）塗装であってもよいしスプレー等による吹き付け塗装であってもよいしハケ塗りであってもよいし、コーター等による塗布装置による塗布であってもよい。外部導体３１３の厚さは、導体線３１１０の直径以下であることが好ましく、また、圧電体３１２の厚さ以下であることも好ましい。図２に示す外部導体３１３の厚さは、５μｍであるが、５μｍ以上５０μｍ以下であればよい。また、外部導体３１３に導電性材料を用いずに導線を用いてもよい。

シース３１４は、耐摩耗性、耐薬品性、防錆性を高めるために圧電センサ線３１０の外周を覆っている。このシース３１４は、厚さがそれぞれ６μｍの内層３１４１と外層３１４２とからなる２層構造をしている。内層３１４１は、外層３１４２に比べて柔らかい材料で構成されている。この内層３１４１は、ポリアミド合成樹脂を塗布することで形成されているが、ポリ塩化ビニル樹脂を塗布することで形成してもよい。外層３１４２は、内層３１４１に比べて耐摩耗性が高い材料で構成されている。この外層３１４２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を塗布することで形成されている。ただし、４フッ化・６フッ化プロピレン フッ素樹脂（ＦＥＰ）、４フッ化エチレンエチレン共重合（ＥＰＦＥ）、または４フッ化エチレンパーフロロアルコキシエチレン共重合 フッ素樹脂（ＰＦＡ）を塗布することで形成してもよい。ここにいう塗布とは、浸漬（ドブ付け）塗装であってもよいし吹き付け塗装であってもよいしハケ塗りであってもよいし、コーター等による塗布装置による塗布であってもよい。また、ピンホールが発生することを考慮して複数回塗布することが好ましい。また、外層３１４２は、内層３１４１よりも厚くてもよい。さらに、内層３１４１は、可燃性材料で形成されていてもよいが、外層３１４２は、難燃性材料、不燃性材料、耐炎性材料で形成されていることが好ましい。また、シース３１４全体の厚みは５μｍ以上５０μｍ以下とすることが好ましい。さらに、ポリエステルテープタイプやチューブタイプ（単層、複層いずれも）を用いてシース３１４を構成してもよい。これらのタイプを用いる場合のシース３１４の厚みは、２０μｍ以上５０μｍ以下であればよい。なお、シース３１４の外側にシールド線を配置し、さらにその外側に第２のシースを配置してもよい。

図２に示す圧電センサ線３１０の太さ（内部導体３１１、圧電体３１２、および外部導体３１３を合わせた太さ）は最大６０μｍであるので、厚さ１０μｍの二重構造のシース３１４を設けた場合でも、０．１ｍｍ以下の太さの線状検出体３１になる。ここで、製造が容易で低コストに得ることができる線状検出体３１の例として、直径２０μｍの導体線３１１０を用いた太さが６０μｍの内部導体３１１に、厚さが最大２０μｍの圧電体３１２と、厚さが１０μｍの外部導体３１３を形成したものが考えられる。この構成では、外部導体３１３までの太さが０．１２ｍｍである。これに、二重構造のシース３１４を設けても０．１６ｍｍ以下の圧電センサ線３１０を実現することができる。なお、シース３１４は単層で構成してもよい。単層で構成する場合、上述の外層３１４２を構成する材料として例示したものの他、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＥ（ポリエチレン）などの材料を用いてシース３１４を構成してもよい。

図３（ａ）は、ネジ本体とセンサ基板とを図１における上方から見た平面図である。

上述したように、ネジ本体２１の頭部２１２の内部には第２内部空間ＳＢが形成されている。図３（ａ）に示すように、頭部２１２の内周面２１２ａには、互いに対向して配置され、平面視でコの字状および逆コの字状に形成された一対の切欠溝２１２ｃが形成されている。切欠溝２１２ｃの深さは、センサ基板３２の高さとほぼ一致している。この切欠溝２１２ｃには、センサ基板３２幅方向（図３（ａ）における左右方向）の両端部３２ａがはめ込まれている。センサ基板３２が切欠溝２１２ｃにはめ込まれることで、センサモジュール３（図１参照）はネジ本体２１に保持されている。すなわち、この両端部３２ａは、被保持部の一例に相当する。この図３（ａ）では、切欠溝２１２ｃの形状が理解できるように、センサ基板３２と切欠溝２１２ｃ間にセンサ基板３２厚み方向の隙間が存在しているように示しているが、実際にはセンサ基板３２の厚み方向の隙間は存在していない。すなわち、センサ基板３２は一対の切欠溝２１２ｃに圧入されている。このため、ネジ本体２１内にセンサ基板３２が挿入された状態では、センサ基板３２はその状態で固定されている。なお、この実施形態では、センサ基板３２が厚み方向に挟み込まれて保持されているが、センサ基板３２の幅方向で挟み込まれて保持されるようにしてもよい。さらに、センサ基板３２は、ネジ本体２１とネジ蓋２２（図１参照）との間で挟み込まれるようにして保持されていてもよい。センサ基板３２がネジ本体２１とネジ蓋２２との間で挟み込まる場合には、センサ基板３２の上下端部が被保持部の一例に相当する。

図３（ｂ）は、ネジ本体を図３（ａ）における右方向からみた右側面図である。

図３（ｂ）に示すように、頭部２１２の外周面２１２ｂの下側部分には、一対の平面部２１２ｄが形成されている。この一対の平面部２１２ｄは、図１に示したネジ２を工作機械等の装置やビルなどの構造物に取り付ける際に、ネジ２を回転させるためのスパナやレンチ等の工具がかみ合う部分である。工具とかみ合う部分をネジ蓋２２に形成した場合、工具でネジ蓋２２に回転力を加えても、ネジ本体２１にはめ込まれたＯリング２１３とネジ蓋２２との間で滑りが生じてしまいネジ本体２１が回転しない虞がある。本実施形態のように、工具とかみ合う部分をネジ本体２１に形成することで、工具によって加えられた回転力をネジ部２１１に直接伝えることができる。

図４は、図１に示したネジとセンサモジュールを組み立てる前の分解図である。また、図５は、ネジにセンサモジュールを配置する配置方法を示すフローチャートである。

図４および図５に示すように、先ず、収容空間Ｓを有するネジ本体２１、センサモジュール３、Ｏリング２１３、およびネジ蓋２２を用意する（ステップＳ１）。本実施形態において用意するセンサモジュール３は、あらかじめ線状検出体３１に撚り合わせられたサポート線４１と配線９がセンサ基板３２に固定されている。ただし、サポート線４１および配線９を、センサモジュール３とは別に用意してもよい。別に用意した場合は、それらをセンサモジュール３に固定する固定工程を設けてもよい。また、センサモジュール３とサポート線とを別に用意した場合は、それらを撚り合わせる撚り合わせ工程を設けても良い。

次に、サポート線４１と配線９が固定されたセンサモジュール３を、線状検出体３１の先端（図４における下端）を先頭にしてセンサ基板３２が頭部２１２の切欠溝２１２ｃの底部に突き当たるまで収容空間Ｓ内に挿入する（ステップＳ２）。これにより、線状検出体３１およびサポート線４１のほとんどの部分は第１内部空間ＳＡに配置される。また、センサ基板３２は、第２内部空間ＳＢに配置され、切欠溝２１２ｃに挟まれることでネジ本体２１に保持される。センサ基板３２が保持されることで、線状検出体３１は所定の位置に所定の形状で配置される。なお、図１に示したように、この実施形態では、線状検出体３１とサポート線４１は、ネジ部２１１の内周面２１１ｃとは間隔を開けて配置されているが、これらの一方または両方が内周面２１１ｃに接触していても構わない。また、線状検出体３１とサポート線４１のうちの一方または両方を図１に示したものよりも長く形成し、線状検出体３１とサポート線４１のうちの一方または両方の先端が内周面２１１ｃの底部に接するように構成しても構わない。

その後、Ｏリング２１３を円周溝２１２ｅに嵌め込み、ネジ蓋２２を頭部２１２にかぶせる（ステップＳ３）。これらのステップにより、センサモジュール３が内部に配置されたネジ２が得られる。なお、Ｏリング２１３は、上述のステップＳ２においてセンサモジュール３を収容空間Ｓ内に挿入する前に、円周溝２１２ｅに嵌め込んでおいても構わない。

以上説明した実施形態によれば、線状検出体３１は、サポート線４１と撚り合わされることで張力が付与された状態で変形可能に収容空間Ｓに配置されているので、ネジ２の振動等に対応して変形しやすい。従って、高い検出感度で振動等を検出することができる。また、初期状態における線状検出体３１が所定の形状に維持されるので、線状検出体３１から出力される信号の再現性が高まる。

続いて、本実施形態の変形例について説明する。以下の説明では、これまで説明した構成要素の名称と同じ構成要素の名称には、これまで用いた符号と同じ符号を付すことがあり、重複する説明は省略する。

図６は、図１に示したセンサ配置構造の第１変形例を示す、図１と同様の断面図である。

この第１変形例では、サポート線４１が設けられておらず、代わりに重り４２が配置されている点が、図１に示した例と異なる。この第１変形例は、ネジ２の先端２１１ａが下方を向くようにネジ２を設置する場合に適した例である。なお、この第１変形例のネジ２において、ネジ２の先端２１１ａが下方以外を向くように配置されることが予想される場合は、線状検出体３１の先端を、ネジ部２１１の内周面２１１ｃの底部に固定することが望ましい。図６に示すように、重り４２は、中心に貫通孔４２ａを有する球形をした鉛製のものである。重り４２の材質は鉛に限らず、真鍮や銅など他の金属や樹脂でもよい。また、形状は球形以外でも構わない。この重り４２は、張力付与部材の一例に相当する。線状検出体３１は、この貫通孔４２ａを貫通し、貫通した先の先端部分に結び目３１ｃをつけることで重り４２と結合している。これにより、重り４２は、線状検出体３１の延在方向には線状検出体３１に対して移動自在に、その他の方向には線状検出体３１に対して移動不能に線状検出体３１に取り付けられている。ただし、重り４２と線状検出体３１とが全ての方向において相対移動できないように、線状検出体３１と重り４２を接着剤などで固定してもよい。重り４２を設けることで、線状検出体３１に適度な張力を付与し、初期状態を一定にすることができる。さらに、重り４２により線状検出体３１の先端部分の慣性質量が大きくなるのでネジ２が振動等した際に線状検出体３１の変形が大きくなる。これにより、高い検出感度で前記部材の動きを検出できるようになる。重り４２の重さは、線状検出体３１の剛性や想定される振動等の振幅に応じて適宜設定することができる。なお、結び目４３ｃには、結び目４３ｃがほどけないように、接着剤等を塗布してもよい。また、貫通孔４２ａ付きの重り４２の代わりに、環付きの重り４２を用いて、線状検出体３１をその環に結び付けてもよく、割れ目の入った重り４２を用いて、線状検出体３１を割れ目に挿入してから重り４２を塑性変形させて線状検出体３１を重り４２で挟み込んでもよい。

図７は、図１に示したセンサ配置構造の第２変形例を示す、図１と同様の断面図である。

この第２変形例では、サポート線４１が設けられておらず、代わりにつる巻バネ４３が配置されている点が、図１に示した例と異なる。このつる巻バネ４３は弾性部材の一例に相当する。図７に示すように、つる巻バネ４３は、バネ後端４３ｂがセンサ基板３２に固定されている。また、つる巻バネ４３のバネ先端４３ａは移動自在な自由端である。バネ先端４３ａには、軸心方向に突出し、突出端に線状検出体３１を通すための環を有する不図示の突出部が形成されている。つる巻バネ４３を少しだけ圧縮した状態で、突出部の環に線状検出体３１の先端を巻き付け、環を押しつぶして塑性変形させることでバネ先端４３ａに線状検出体３１の先端が固定されている。これにより、線状検出体３１には、つる巻バネ４３のバネ性による張力が付与されている。この第２変形例では、ネジ２が振動等した際につる巻バネ４３のバネ先端４３ａが揺れ動くことで、ネジ２の振動等を検出できるようになる。つる巻バネ４３のバネ定数は、線状検出体３１の剛性や想定される振動等の振幅に応じて適宜設定することができる。なお、この第２変形例では、線状検出体３１が直線状になるようにつる巻バネ４３に固定したが、線状検出体３１の長手方向の中央部分をつる巻バネ４３に巻き付けて、線状検出体３１が中央部分で折れ曲がるような形状で配置しても構わない。また、バネ先端４３ａとバネ後端４３ｂの間の複数箇所でつる巻バネに巻き付けて線状検出体３１がジグザグになるように配置しても構わない。

図８は、図１に示したセンサ配置構造の第３変形例を示す、図１と同様の断面図である。

この第３変形例では、サポート線４１が設けられていない点と、線状検出体３１が螺旋状に成形されたものである点とが、図１に示した例と異なる。図８に示すように、線状検出体３１は、第１内部空間ＳＡ内において、先端がネジ部２１１の内周面２１１ｃの底部に接するように螺旋状に配置されている。なお、線状検出体３１の先端が内周面２１１ｃの底部から離間するように配置しても構わない。線状検出体３１を螺旋状にすることで、第１内部空間ＳＡに収容可能な線状検出体３１の長さが増加する上に線状検出体３１が変形しやすくなるので、高い検出感度で前記部材の振動等を検出することができる。また、線状検出体３１の螺旋の最外部は、第１内部空間ＳＡを画定する内周面２１１ｃに接触している。線状検出体３１と内周面２１１ｃとを接触させることで、ネジ２の振動等を線状検出体３１に直接伝達させることができるため、検出感度をより向上させることができる。ただし、線状検出体３１と内周面２１１ｃとが離間していても構わない。

この第３変形例では、図２に示す７本の導体線３１１０を撚り合わせた後、圧電材料を塗布する前に、内部導体３１１を螺旋状に成形し、熱処理を行って導体線３１１０の形状を安定させた後に圧電体３１２、外部導体３１３、シース３１４それぞれの材料を塗布することで螺旋状の線状検出体３１を得ている。第３変形例では、螺旋形状を長期間維持するために、図２に示した７本の導体線３１１０の全てまたは一部にバネ鋼を用いることが望ましい。バネ鋼を用いない場合は、導体線３１１０の全てをステンレス製にして太さを２０μｍの導体線３１１０Ｓとするなど、剛性の高い導体線３１１０を用いることが望ましい。なお、この第３変形例では線状検出体３１の作成時に線状検出体３１が螺旋状になるようにしているが、直線状の線状検出体３１を用意してから螺旋状に成形しても構わない。すなわち、直線状の線状検出体３１を螺旋状に成形する成形工程を備えていてもよい。ただし、成形時における圧電体３１２のダメージを考慮すると圧電体３１２が塗布される前に成形することが望ましい。また、螺旋溝が形成された棒を用意し、直線状の線状検出体３１をその螺旋溝に沿って巻き付け、その棒とともに線状検出体３１を第１内部空間ＳＡに挿入してもよい。その場合、螺旋溝内で線状検出体３１が変形可能なように、螺旋溝の溝幅および溝深さは線状検出体３１の直径のよりも大きくすることが望ましい。

図９は、図１に示したセンサ配置構造の第４変形例を示す、図１と同様の断面図である。

この第４変形例では、サポート線４１が設けられておらず、代わりに支持線４５が配置されている点と、線状検出体３１がダブルコイル状に成形されたものである点とが、図１に示した例と異なる。図９に示すように、支持線４５は、表面が厚み０．０５ｍｍのナイロンなどの樹脂によって被覆され、被覆を含めた直径が０．５ｍｍのバネ鋼を螺旋状に成形したつる巻バネである。被覆を設けることで、ネジ２が振動等したときに、支持線４５を構成するバネ鋼によって線状検出体３１の表面を擦ることがなくなるので、線状検出体３１を長寿命化できる。この支持線４５は螺旋状弾性部材の一例に相当する。支持線４５は、その先端がネジ部２１１の内周面２１１ｃの底部に接している。ただし、支持線４５の先端が内周面２１１ｃの底部から離間するように配置しても構わない。支持線４５の後端部は直線状に成形され、後端はセンサ基板３２に固定されている。支持線４５の螺旋の外径は、第１内部空間ＳＡを画定する内周面２１１ｃの径よりも線状検出体３１の線径の２倍分だけ小さく設定されている。これにより、線状検出体３１の螺旋の最外部は、ネジ本体２１の内周面２１１ｃに接触している。線状検出体３１を内周面２１１ｃに接触させることで、ネジ２の振動等を線状検出体３１に直接伝達させることができる。ただし、線状検出体３１と内周面２２１ｃは離間していても構わない。

線状検出体３１は、支持線４５の周囲を小さな螺旋を描いて周回している。以下、この小さな螺旋状に周回した線をスパイラル線と称する。スパイラル線が支持線４５の形状に沿った大きな螺旋状を描くことで、線状検出体３１は全体としていてダブルコイル状をしている。すなわち、この第４変形例では、線状検出体３１は、スパイラル線の軸心をさらに螺旋状に周回させたダブルコイル状をしている。この線状検出体３１の先端は、支持線４５の先端の座巻部分に挟まれることで保持されている。なお、線状検出体３１の先端を、接着剤または金具で支持線に固定してもよい。

本実施形態では支持線４５を設けているが、この支持線４５を設けずに、線状検出体３１単体でダブルコイル状の形状が維持できるように成形してもよい。しかし、ダブルコイル状の形状が維持できるように成形するには加工に手間がかかるため、支持線４５を設けることが好ましい。支持線４５を設けることで、素線である直線状の線状検出体３１を支持線４５の周囲に巻き付けるだけで容易にダブルコイル状の線状検出体３１を得ることができる。また、支持線４５をバネ鋼で構成する例を示したが、支持線４５をステンレス等の他の金属や樹脂などで構成してもよい。この第４変形例のでは線状検出体３１をダブルコイル状にしているので、第１内部空間ＳＡに収容可能な線状検出体３１の長さを大幅に増加させることができる。また、線状検出体３１が変形しやすくなるので、より高い検出感度でネジ２の振動等を検出することが可能になる。さらに、支持線４５につる巻バネを用いることで、ネジ２が振動等したときにつる巻バネがそのバネ性により線状検出体３１とともに変形するので、検出感度を高めることができる。

次に、第２実施形態のセンサ配置構造について説明する。これより後の説明では、これまで説明した構成要素の名称と同じ名称の構成要素には、これまで用いた符号を付して説明し、重複する説明は省略することがある。

図１０は、第２実施形態のセンサ配置構造の一実施形態に相当する主軸とセンサモジュールを模式的に示した断面図である。なお、この図１０では、図面を見やすくするため、チャック５４と、先端側ベアリング５５と、後端側ベアリング５６のハッチングは省略している。

第２実施形態のセンサ配置構造は、マシニングセンターの主軸５にセンサモジュール３を配置している点が先の実施形態とは異なる。図１０に示すように、主軸５は、外筒５１と、回転体５２と、内筒５３と、チャック５４と、先端側ベアリング５５と、後端側ベアリング５６と、ロータリーブッシュ５７とを有する。この主軸５は、部材の一例に相当する。外筒５１は、図示しない主軸台に固定された円筒状のものである。この外筒５１は、ＮＣ制御によってプログラムされた位置に、主軸台とともに移動する。内筒５３は、円筒部５３１と固定部５３２とから構成されている。円筒部５３１と固定部５３２は一体に形成されている。円筒部５３１は、固定部５３２が外筒５１に固定されることで、外筒５１と軸心を一致させて外筒５１の内部に配置されている。

外筒５１の内周面５１ａには、先端側ベアリング５５と後端側ベアリング５６が圧入されている。回転体５２は、これらの先端側ベアリング５５と後端側ベアリング５６によって回転自在に外筒５１に支持されている。回転体５２は、内部に空間を有する円筒状をしており、後端部分には歯車５２１が形成されている。この歯車５２１には図示しないモータに固定されたピニオンが噛み合っている。そのモータが回転することで回転体５２も回転する。回転体５２の先端側にはチャック５４が設けられている。チャック５４は、先端側部分５４１と後端側部分５４２とを有する。チャック５４の先端側部分５４１には、ドリルやエンドミル等の工具５８が把持されている。チャック５４の後端側部分５４２は、図示しない把持機構により回転体５２に着脱可能に把持されている。回転体５２が回転すると、チャック５４および工具５８は、回転体５２とともに回転する。

内筒５３の円筒部５３１と回転体５２の間には、ロータリーブッシュ５７が配置されている。このロータリーブッシュ５７は、保持器５７１と複数のボール５７２とを有する。ボール５７２は、回転体５２の内周面５２ａと円筒部５３１の外周面５３１ａそれぞれに接触している。回転体５２が回転すると、ボール５７２も回転する。なお、回転体５２とロータリーブッシュ５７それぞれは、不図示の規制具によって外筒５１に対する軸方向の相対移動が規制されている。

円筒部５３１の内側には、円筒部５３１の内周面５３１ｂによって画定された第３内部空間ＳＣが形成されている。この第３内部空間ＳＣは、収容空間の一例に相当する。センサモジュール３は、螺旋状に成形された線状検出体３１と、直線状の信号線３３とから構成されている。線状検出体３１は、第３内部空間ＳＣ内に配置されている。信号線３３は、先端側部分が第３内部空間ＳＣ内に配置され、後端側部分は第３内部空間ＳＣよりも外側に延びている。

線状検出体３１は、信号線３３よりも先端側に配置されている。この線状検出体３１は、図８に示した線状検出体３１と同様の方法で螺旋状に成形されたものである。線状検出体３１の螺旋の外径は、円筒部５３１の内周面５３１ｂの径と同一である。このため、線状検出体３１の螺旋の最外部は、円筒部５３１の内周面５３１ｂに接触している。なお、線状検出体３１の螺旋の外径を、内周面５３１ｂの径よりもほんの少しだけ大きくしてもよく、内周面５３１ｂの径よりも小さくしてもよい。線状検出体３１は、チャック５４の後端側部分５４２に先端が当接することで、先端側への移動が防止されている。そして、線状検出体３１は、円筒部５３１に固定された止め輪５３１１によって後端側への移動が防止されている。本実施形態では、この止め輪５３１１に当接した線状検出体３１の後端部分が、被保持部の一例に相当する。線状検出体３１は、軸心方向に多少圧縮された状態で、チャック５４の後端側部分５４２と止め輪５３１１に挟みこまれている。従って、線状検出体３１自身の弾性により、線状検出体３１の先端部分は、チャック５４の後端側部分５４２に押し付けられている。

工具５８が劣化してくると、加工の際に工具５８およびその工具５８を把持しているチャック５４に生じる振動等が増大する。この第２実施形態では、チャック５４に生じた振動等が線状検出体３１に直接加わるので、線状検出体３１が変形して振動等に応じた強度の信号を出力する。この信号を解析することで工具５８の劣化状況を診断することができる。また、被加工物に適した工具５８が用いられていない場合にもチャック５４に生じる振動等が大きくなる。線状検出体３１は、この振動等に応じた信号を出力するので、信号を解析することで不適切な工具５８が用いられているか否かも判断できる。さらに、先端側ベアリング５５または後端側ベアリング５６が摩耗してくると、回転体５２を回転させたときの振動等が増加する。回転体５２に生じた振動等は、ロータリーブッシュ５７を介して内筒５３に伝わり、内筒５３に接触している線状検出体３１に伝達し、線状検出体３１が変形して振動等に応じた強度の信号を出力する。線状検出体３１が出力した信号のうち、先端側ベアリング５５に設けられた球５５２および後端側ベアリング５６に設けられた球５６２に生じている回転数に応じた周波数の信号を解析することで先端側ベアリング５５および後端側ベアリング５６の劣化状況も診断することができる。

信号線３３は、図２に示した圧電体３１２の代わりに、内部導体３１１と外部導体３１３の間に絶縁体が用いられている以外は線状検出体３１と同一の構造を有している。この絶縁体は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムで構成されている。ただし、ＰＶＣフィルムや、シース３１４の内層３１４１または外層３１４２と同じ材料を用いてもよい。つまり、絶縁材料であれば他の材料を用いて構成されていてもよい。また、絶縁体として、圧電体３１２に熱を加えて圧電機能を取り除いたものを用いてもよい。この信号線３３は、線状検出体３１が出力した信号を送るためのものである。

図１０に示すように、円筒部５３１の内側の第３内部空間ＳＣには、潤滑油を供給するためのオイルパイプ５９が設けられている。信号線３３は、そのオイルパイプ５９内を通って線状検出体３１の直前まで敷設されている。オイルパイプ５９内を通すことで、信号線３３が稼働部に接触して断線してしまうことを防止できる。ただし、オイルパイプ５９とは別のパイプを設けてその中を通してもよく、円筒部５３１の内周面５３１ｂに沿って信号線３３を這わせてもよい。信号線３３の後端は、マシニングセンターの制御装置８に接続されている。この制御装置８は、振動解析機能を有している。送信された信号は、制御装置８によって解析される。その解析結果に基づいて、マシニングセンターの表示部には、不適切な工具５８が用いられているか否かを示す情報、部品交換時期、メンテナンスが必要な時期、故障予測等が表示される。なお、制御装置８に無線通信モジュールを設け、線状検出体３１が出力した信号または解析結果を無線で部品メーカ、メンテナンスメーカ、マシニングセンターの製造メーカ等に送信してもよい。

この第２実施形態によれば、主軸５に線状検出体３１を配置したので、回転体５２の回転数に対応した周波数の振動の他、先端側ベアリング５５が有する球５５２および後端側ベアリング５６が有する球５６２や、ロータリーブッシュ５７が有するボール５７２の回転に応じた周波数の振動を得ることもできる。これらの周波数における振動の変化を解析することで適切な工具５８の使用有無や工具５８の寿命以外に、先端側ベアリング５５、後端側ベアリング５６、およびロータリーブッシュ５７の劣化状況も把握することができる。

図１１は、図１０に示したセンサ配置構造の変形例を示す、図１０と同様の断面図である。なお、この図１１でも、図面を見やすくするため、チャック５４と、先端側ベアリング５５と、後端側ベアリング５６のハッチングは省略している。

この変形例は、チャック５４の構造および線状検出体３１の保持構造が、図１０に示したものと異なる。チャック５４は、先端側部分５４１のみで構成されており、後端側は回転体５２と一体化している。この変形例では、止め輪５３１１が設けられておらず、線状検出体３１は、先端部分が接着剤により円筒部５３１の先端部分に保持されている。この円筒部５３１に保持されている線状検出体３１の先端部分は、被保持部の一例に相当する。なお、線状検出体３１の先端を配線クランプ等の保持具によって円筒部５３１に保持してもよい。また、線状検出体３１よりも先端側と線状検出体３１よりも後端側それぞれに止め輪を配置して線状検出体３１を挟み込むことで、線状検出体３１を円筒部５３１に保持させてもよい。先端側と後端側に止め輪を配置した場合、線状検出体３１の先端部分と後端部分の、止め輪に接触した部分が被保持部の一例に相当する。この変形例では、回転体５２に生じた振動等は、ロータリーブッシュ５７を介して内筒５３に伝わり、内筒５３に直接接触、または止め輪等を介して内筒５３に間接接触している線状検出体３１に伝達する。このため、内筒５３に伝わった振動等によって線状検出体３１が変形して振動等に応じた強度の信号を出力する。

次に、第３実施形態のセンサ配置構造について説明する。この第３実施形態の説明では、主に第２実施形態と異なる構造について説明する。

図１２は、第３実施形態のセンサ配置構造を示す、図１０と同様の断面図である。なお、この図１２でも、図面を見やすくするため、チャック５４と、先端側ベアリング５５と、後端側ベアリング５６のハッチングは省略している。

第３実施形態のセンサ配置構造は、図１０に示した内筒５３およびロータリーブッシュ５７が省略されている点および先端側ベアリング５５に線状検出体３１を配置している点が第２実施形態とは異なる。図１２に示すように、先端側ベアリング５５は、外輪５５１と球５５２と保持器５５３と内綸５５４とを有する。第３実施形態では、外輪５５１の外周面５５１ａに螺旋状の溝５５１１が形成されている。この溝５５１１と外筒５１の内周面５１ａによって第４内部空間ＳＤが形成されている。この第４内部空間ＳＤは、収容空間の一例に相当する。

センサモジュール３は、第４内部空間ＳＤ内に配置された線状検出体３１と、第４内部空間ＳＤの外に延在した信号線３３とから構成されている。すなわち、線状検出体３１は、信号線３３よりも先端側に配置され、溝５５１１に沿った螺旋状をしている。線状検出体３１の先端は、不図示の金具によって溝５５１１に保持されている。この溝５５１１に保持されている線状検出体３１の先端は、被保持部の一例に相当する。なお、線状検出体３１の先端を溝５５１１に接着剤で保持してもよい。線状検出体３１は、直線状のものを溝５５１１に巻き付けることで螺旋状の第４内部空間内に配置されいる。ただし、線状検出体３１は、螺旋状に成形されたものであってもよい。溝５５１１の溝幅および溝深さは線状検出体３１の直径よりも大きい。これにより、線状検出体３１は、第４内部空間ＳＤ内で変形することができる。また、線状検出体３１は先端が溝５５１１に保持され、螺旋状に溝５５１１に巻き付けられているため溝５５１１に接触している。回転体５２に生じた振動等は、内綸５５４と球５５２を介して外輪５５１に伝わり、外輪５５１に接触している線状検出体３１に伝達する。このため、外輪５５１に伝わった振動等によって線状検出体３１が変形して振動等に応じた強度の信号を出力する。

外筒５１の内周面５１ａには、外筒５１の軸線方向に沿って先端側ベアリング５５が圧入されている部分から外筒５１の後端まで延在した長溝５１ｂが形成されている。信号線３３は、先端側部分が長溝５１ｂによって形成された空間内に配置され、後端側部分は主軸５の外側に延在している。そして、信号線３３の後端は、制御装置８に接続されている。なお、信号線３３を、長溝５１ｂによって形成された空間内を通す代わりに、制御装置８の近傍から先端側ベアリング５５の手前まで、図１２では不図示のオイルパイプの中を通してもよい。この場合、長溝５１ｂを形成しなくて良いので主軸５を安価に構成できるといった効果がある。

この第３実施形態によっても、第２実施形態と同様に、工具５８の寿命並びに先端側ベアリング５５および後端側ベアリング５６の劣化状況を把握することができる。また、第３実施形態では、線状検出体３１を先端側ベアリング５５に配置しているので、後端側ベアリング５６に配置した場合と比較して、工具５８に近い位置で振動等を検出できる。これにより、工具５８の劣化による振動等の変化をより把握しやすいという効果もある。

本発明は上述の実施形態や変形例に限られることなく特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形を行うことが出来る。たとえば、本実施形態では、内部導体と外部導体との間に圧電体を担持した線状検出体３１を例に説明したが、線状検出体３１は、変形状態に応じた強度の信号を出力するものであれば、ピエゾ抵抗線であってもよく、抵抗線であってもよく、キャパシタ線であってもよく、光学的な信号出力線であってもよい。また、第２変形例に示した重り４２を、第３変形例に示した螺旋状の線状検出体３１または第４変形例に示したダブルコイル状の線状検出体３１の先端に取り付けてもよい。また、第２の実施形態および第３の実施形態では、主軸５にセンサモジュール３を配置する例を示したが、工具５８を着脱可能に主軸５に固定するためのツールホルダに収容空間を形成し、その収容空間に線状検出体３１と無線通信装置とから構成されたセンサモジュール３を配置してもよい。このセンサモジュール３をツールホルダに配置する場合、センサモジュール３にバッテリーを搭載し、複数の工具５８を格納する工具マガジンに、そのバッテリーへの充電機能を搭載することが望ましい。工具５８が取り付けられたツールホルダが工具マガジンに格納されたときにセンサモジュール３のバッテリーを充電することができるので、複数の工具を切り替えながら加工を実行するマシニングセンターにおいて、加工を止めることなくセンサモジュール３に充電することができる。さらに、他の工作機械やロボット、農業機械、車、家電などの装置に用いられる部材にセンサモジュール３を配置してもよい。例えば、ロボットの関節、耕運機の刃の回転部、車の車軸、電気自動車のモータ軸やモータ筐体、掃除機のファン、洗濯機の回転部等の、回転軸や軸受けを有する部材にセンサモジュール３を配置してもよい。

以上説明した実施形態や変形例によれば、線状検出体３１を用いて高い検出感度の検出が可能になる。

なお、以上説明した実施形態や各変形例の記載それぞれにのみ含まれている構成要件であっても、その構成要件を、他の実施形態や他の変形例に適用してもよい。

２ ネジ
３ センサモジュール
３１ 線状検出体
３２ａ 両端部
Ｓ 収容空間

Claims (8)

1. 線状検出体を有するセンサモジュールと、
   収容空間が設けられた部材とを備え、
   前記センサモジュールは、前記部材によって保持された被保持部を有するものであり、
   前記線状検出体は、前記収容空間内に変形可能に配置され、変形状態に応じた強度の信号を出力するものであることを特徴とするセンサ配置構造。
2. 前記線状検出体が変形可能な範囲で該線状検出体に張力を付与する張力付与部材を備えていることを特徴とする請求項１記載のセンサ配置構造。
3. 前記張力付与部材が、前記線状検出体に撚り合わせられて該線状検出体に張力を付与するサポート線であることを特徴とする請求項２記載のセンサ配置構造。
4. 前記線状検出体は、螺旋状に成形されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ配置構造。
5. 前記線状検出体は、螺旋状に周回したスパイラル線の軸心をさらに螺旋状に周回させたダブルコイル状のものであることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ配置構造。
6. 前記スパイラル線の軸心側に該軸心に沿った支持線が配置されていることを特徴とする請求項５に記載のセンサ配置構造。
7. 変形状態に応じた強度の信号を出力する線状検出体を有するセンサモジュールと、収容空間を有する部材とを用意する準備工程と、
   前記部材に前記センサモジュールの一部を保持させ、前記線状検出体を変形可能に前記収容空間内に配置する配置工程とを有することを特徴とするセンサ配置方法。
8. 前記準備工程は、サポート線に撚り合わされた前記線状検出体を有する前記センサモジュールを用意する工程であることを特徴とする請求項７に記載のセンサ配置方法。