JP2020134229A - 音波センサおよび異常検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検知対象となる機械装置から所定の距離だけ離れた位置に確実に音波センサを接続することが可能で、再現性良く検知信号を得ることができる音波センサおよび異常検知装置を提供する。【解決手段】音波センサ２０を検知対象の予め設定した位置に接着して使用することで、音波センサと検知対象との相対的な位置関係を常に一定に保つことができ、相対的な位置関係に起因する検出信号のばらつきを抑え、異常検知の精度を向上させることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、機械装置などから放出される音波を検知するのに好適な音波センサと、この音波センサを用いて検知対象となる機械装置が異常状態か否かを判断する異常検知装置に関する。

電子部品等を製造する工場には多くの機械装置が設置されている。ところで、これらの機械装置が故障し突然停止することを防ぐため、停止に至る前に異常状態であること検知してメンテナンスできるのが望ましい。

例えば、機械装置の多くはモーター等の回転機構を備えており、回転機構に異常が生じると、これらの機械装置から放出される超音波領域の音波の強度や周波数帯域が変化することが知られている。そのため機械装置から放出される超音波領域の音波を監視し、異常状態に達したことを検知する装置が用いられている。この種の異常予知装置は、例えば特許文献１に記載されている。

特開平５−２０９７８２号公報

一般的に音波センサを用いて異常検知を行う場合、機械装置と音波センサとの距離を常に一定とし、機械装置から放出される音波の経時変化をモニターする。ここで機械装置と音波センサとの距離のばらつきをなくすためには、検知対象毎に音波センサを用意し、検知対象に固定しておく必要がある。しかしながら、検知対象の機械装置の数が多く、あるいは１台の機械装置の複数の場所を検知する必要がある場合には、その検知対象あるいは検知場所毎に音波センサを用意しなければならず好ましくない。

そこで、移動可能な音波センサにより複数の機械装置あるいは検知場所を検知しようとすると、その音波センサを毎回所定の位置あるいは所定の角度で検知対象に設置する必要がある。しかし、毎回同じ位置あるいは角度で音波センサを機械装置に設置することは難しく、設置位置等のばらつきによる検知信号のばらつきが生じ、機械装置の劣化による検知信号の変化を見逃してしまうという問題があった。本発明はこのような問題点を解消し、検知対象となる機械装置から所定の距離だけ離れた位置に確実に音波センサを接続することが可能で、再現性良く検知信号を得ることができる音波センサおよび異常検知装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、音波センサと、検知対象から放出される音波が通過する集音空間を形成して前記音波センサを前記検知対象に接着させる接着部材と、前記集音空間を通過して前記音波センサに達する音波以外の音波を遮断するように配置した吸音材とを備えたことを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の音波センサにおいて、前記音波センサは、前記集音空間に露出していることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、検知対象から放射される音波を音波センサにより検出し、前記検知対象が異常状態か否かを検知する異常検知装置において、検知対象から放出される音波が通過する集音空間を形成して前記検知対象に接着させる接着部材と、前記集音空間を通過する音波以外の音波を遮断するように配置した吸音材とを備えた音波センサと、前記検知対象表面の所定の位置から前記集音空間を通過して前記音波センサに達する音波に基づく検知信号から前記検知対象が異常状態か否かを判定する手段と、を備えていることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項３記載の異常検知装置において、前記音波センサは、前記集音空間を介して前記検知対象表面に対向して配置されていることを特徴とする。

本発明の音波センサは、検知対象の予め設定した位置に接着部材により音波センサを接着して使用する構成とすることで、音波センサと音波の発生源との相対的な位置関係を常に一定に保つことができ、相対的な位置関係のばらつきに起因する検出信号のばらつきを抑えることが可能となる。その結果、本発明の異常検知装置の検知精度を向上させることができる。

本発明の異常検知装置は、検知対象に音波センサを一方向のみに開口を有する集音空間を形成した状態で接着させることで、この集音空間を通過した音波のみを検知することができ、ノイズの多い環境下でも所望の検知信号を得ることが可能となる。検知時には音波センサが周囲環境に露出しないため、周囲環境に塵や水等が存在した場合でも、塵や水等による影響はない。

また音波センサと検知対象との間は、集音空間のみで、検知対象から放出される音波を吸収するような物質を介さない構造とすることができる。その結果、検知信号の周波数特性によらず、所望の周波数信号により異常検知が可能となるという利点がある。特に検知対象の機械装置の構造により特徴的な周波数信号をモニターすることが好ましい場合において効果が大きい。

本発明の音波センサの説明図である。 本発明の音波センサを用いた異常検知装置および異常検知方法の説明図である。

本発明に係る音波センサは、検知対象の予め設定した位置に接着して使用可能で、音波センサと検知対象との相対的な位置関係を常に一定に保つことができる構成としている。そのため本発明に係る音波センサを用いた異常検知装置では、相対的な位置関係に起因する検出信号のばらつきを抑え、異常検知の精度を向上させることができる。以下本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について、超音波領域の音波を検知する音波センサについて説明する。図１は、本実施例の音波センサの断面図（図１ａ）と、検知対象に接する面からみた平面図（図１ｂ）を示す。図１（ａ）に示すように音波センサ２０は、支持基板１上に超音波領域の音波に感度を有する超音波センサ素子２が表面を露出して実装されている。この露出する超音波センサ素子２の表面は、磁石３の表面より低くなっている。超音波センサ素子は、例えば圧電素子型の超音波センサ素子を用いることができる。

また支持基板１上に超音波センサ素子２を取り囲む形状の磁石３（接着部材に相当）が実装されている。超音波センサ素子２と磁石３は、支持基板１上にエポキシ樹脂４によって固定されている（図１ｂ）。

一方支持基板１の裏面側に、音波センサ２０から出力される検知信号を処理するための処理回路５が実装されている。処理回路５には、例えば、超音波センサ素子２から出力される微弱な検知信号を増幅するための増幅回路や、ノイズを除去するためのフィルタ回路を備えるように構成することができる。あるいはさらに、検知信号が異常状態を示す信号か否かを判断するため、比較信号を記憶する記憶装置、比較信号と検知信号とを比較する処理装置を備え、異常検知装置を構成しても良い。音波センサ２０の出力信号等は、ケーブル６を通して出力される。処理回路５は、支持基板１の面積、即ち音波センサ２０の小型化のために支持基板１の裏面側に配置しているもので、処理回路５の配置場所は、適宜設定することができる。また、ケーブル６を用いて出力信号を取り出す構成としているが、ワイヤレス構造としても良い。その場合、処理回路５に無線通信のための処理回路等は追加すれば良い。なお、このような処理回路５は、無線通信のための処理回路を除けば、必ずしも音波センサ２０内に配置する必要はない。

図１に示す例では、支持基板１は筐体７上に固定している。この筐体７の内部には処理回路５とケーブル６が収納され、その他の空間には吸音材８が充填されている。吸音材８は、筐体７内に充填する代わりに、筐体７と支持基板１で囲まれた内壁に貼り付ける構造としても良く、少なくとも超音波センサ素子２に筐体７側から所望の音波以外の音波が伝搬しないようにすれば良い。

支持基板１を固定する筐体７は、音波センサ２０を検知対象に接着したり、測定後に別の検知対象に移動するため、測定者が把持しやすい大きさ、形状とすれば良い。

以上のように本実施例の音波センサ２０は、超音波センサ素子２の表面より突出するように磁石３が封止され、この段差により磁石３で囲まれた領域を一方向のみに開口を有する集音空間として作用させることが可能となる。次に集音空間を形成して検知対象から放出される音波を検知する装置について説明する。

次に上記実施例１で説明した音波センサ２０を用いて検知対象となる機械装置が異常状態か否かを判断する異常検知装置について説明する。まず、音波センサ２０を用意する。一方検知対象となる機械装置側では、異常状態となる可能性がある部分、例えば回転機構が存在する部分の近傍を検知位置として設定し、音波センサ２０を接着する場所を決め、音波センサ２０を配置する位置を機械装置の外装等に表示しておく。例えば検知対象となる機械装置の外装９に、磁石３を配置する位置を表示したり、音波センサ２０の外形の位置や向き等を表示しておく。本実施例の異常検知装置では、１個の音波センサ２０を用いて複数個所の検知を行うことができ、検知対象となる機械装置毎に、あるいは１台の機械処置の複数個所に、設置位置を表示しておけば良い。

図２は音波センサ２０を検知対象となる機械装置の外装９の所定に位置に接着した状態を示す。図２に示すように、超音波センサ素子２の表面より突出する磁石３によって機械装置の外装９に接着した構成となるため、超音波センサ素子２の表面と磁石３の内壁と機械装置の外装９とで囲まれた集音空間１０が形成される。

先に説明したように、支持基板１の裏面側から不要な音波が伝達しないように吸音材８が形成されている。また磁石３は、機械装置の外装９に接着することで遮音壁として作用する。そのため、一方向に開口を有する集音空間１０を通過した音波のみ、つまり検知対象の機械装置から放出される音波のみが超音波センサ素子２に達することになる。

本発明の音波センサは、その表面と検知対象の機械装置の外装９との間には、集音空間１０のみが存在し、検知対象から放出される音波を吸収するような物質を介していない。そのため、検知対象から放出された音波は、そのまま超音波センサ素子２に入射することになる。

なお、磁石３の外側の音波センサ２０の表面の外部空間１１に防振材を貼り付けておけば、集音空間１０を通過した音波だけをより選択的に超音波センサ素子２に達するように構成することができる。

測定位置を変更する場合には、筐体７を持ち、別の検知対象の機械装置、あるいは同じ装置の検知対象の別の位置に移動させる。この別の検知対象の機械装置等にも設置位置が表示されているため、その設置位置に正確に配置すれば、同様に集音空間１０を通過した音波のみを検知することが可能となる。

音波センサ２０を検知対象の機械装置の所定の場所に設置した後は、この音波センサ２０の測定結果をケーブル６を経由して外部に出力される。例えば測定結果は、記憶手段に順次記録するようにする。音波センサによる測定は、常時あるいは所定の時間経過する毎に行うようにする。検知対象の機械装置の動作時間が長くなり摩耗等の劣化が生じるに従い、測定結果に変化が生じてくる。その変化は、例えば検知周波数の変化や、所定の周波数の強度の変化としてとらえることができる。検知対象の機械装置毎に、あるいは検知対象の機械装置の位置毎に、その変化の傾向を把握することで、異常状態に達したと判断する閾値（判定基準）を経験的に決めることができる。この閾値（判定基準）が決まれば、その閾値と測定結果を比較することで、検知対象の機械装置が異常状態か否かを判断することができる。閾値と測定結果の比較や、測定結果の変化の判定は、通常のマイクロプロセッサにより行うことができる。あるいは急激な変化が生じた場合に異常と判断する等の判断基準も適宜設けることができる。

音波センサ２０からの出力は、ケーブル６を経由して出力する方法に限らず、無線通信で外部に出力する構成としても良い。無線通信のために必要な処理回路等は音波センサ２０内に容易に設置することができる。

以上のように本実施例の異常検知装置は、検知対象に音波センサを一方向のみに開口する有する集音空間を形成した状態で接着させることで、この集音空間を通過した音波のみを検知することができ、ノイズの多い環境下でも所望の検知信号を得ることが可能となる。検知時には音波センサが周囲環境に露出しないため、周囲環境に塵や水等が存在した場合でも、塵や水等による影響がなくなる。また、音波センサと検知対象の音波の発生源との相対的な位置関係を常に一定に保つことができ、位置関係のばらつきに起因する検出信号のばらつきを抑えることが可能となる。さらに音波センサと検知対象との間は、集音空間のみで、検知対象から放出される音波を吸収するような物質を介さない構造とすることができ、検知信号の周波数特性によらず、所望の周波数信号により異常検知が可能となる。

以上本発明について説明したが本発明はこれらに限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、音波を検知するために圧電素子を用いた超音波センサ素子を用いた例を説明したが、可聴域を含む音波も検知可能な別の種類のセンサ素子を用いることができるし、あるいは特定の周波数帯の音波のみを検知するセンサ素子を用いる等、種々変更可能である。

また音波センサ２０を機械装置の外装９に接続する方法は、磁石に限るものではなく、粘着材等周知の接着方法を採用することができる。また機械装置の外装９の形状によっては、隙間なく音波センサ２０を接着できない場合もある。その場合は、超音波センサ素子２が所望の方向を指向するような部品を追加して隙間なく機械装置の外装９に接着させるようにすれば良い。

１： 支持基板、２：超音波センサ、３：磁石、４：エポキシ樹脂、５：処理回路、６：ケーブル、７：筐体、８：吸収剤、９：機械装置の外装、１０：集音空間、１１：外部空間、２０：音波センサ

Claims (4)

1. 音波センサと、検知対象から放出される音波が通過する集音空間を形成して前記音波センサを前記検知対象に接着させる接着部材と、前記集音空間を通過して前記音波センサに達する音波以外の音波を遮断するように配置した吸音材とを備えたことを特徴とする音波センサ。
2. 請求項１記載の音波センサにおいて、
   前記音波センサは、前記集音空間に露出していることを特徴とする音波センサ。
3. 検知対象から放射される音波を音波センサにより検出し、前記検知対象が異常状態か否かを検知する異常検知装置において、
   検知対象から放出される音波が通過する集音空間を形成して前記検知対象に接着させる接着部材と、前記集音空間を通過する音波以外の音波を遮断するように配置した吸音材とを備えた音波センサと、
   前記検知対象表面の所定の位置から前記集音空間を通過して前記音波センサに達する音波に基づく検知信号から前記検知対象が異常状態か否かを判定する手段と、を備えていることを特徴とする異常検知装置。
4. 請求項３記載の異常検知装置において、
   前記音波センサは、前記集音空間を介して前記検知対象表面に対向して配置されていることを特徴とする異常検知装置。

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