JP6439085B1 - センサ装置 - Google Patents

Abstract

センサ装置１は、挿入孔３３が設けられたホルダー３０と、基端側が挿入孔３３に挿入されると共に、挿入孔３３に挿入される部分が挿入孔３３の孔径よりも細く形成された検出針２１と、ホルダー３０内に収容され、検出針２１の基端側と直接または間接的に接し、検出針２１の振動が作用する圧電素子２３，２４と、挿入孔３３に設けられ、検出針２１を保持して検出針２１がホルダー３０に接触することを阻止するＯリング４１（阻止部材）とを備え、検出針２１の先端２１ｄを測定対象物に押し当てて測定対象物の振動を検出する。

Description

本願は、測定対象物の振動を検出するセンサ装置に関する。

例えば特許文献１に開示されているように、測定対象物に押し当てて振動を検出するセンサ装置が知られている。このセンサ装置では、検出針の基端がホルダーに挿入され、ホルダー内において圧電素子が検出針の基端と接した状態で保持されている。このセンサ装置では、検出針の先端を測定対象物に押し当てることにより、測定対象物の振動が検出針に伝わる。検出針に伝わった振動は圧力変動として圧電素子に作用し電圧変動が生じる。そして、電圧変動に関する信号が信号処理回路に送られて測定対象物の振動が検出される。

特許第５９３３１４４号公報

ところで、上述した特許文献１のセンサ装置では、測定対象物に対する検出針の押し当て角度によっては検出針がホルダーに対し傾いてしまい、そのため、検出針が挿入されているホルダーの挿入孔において検出針とホルダーとが接触する虞があった。挿入孔において検出針とホルダーとが接触すると、測定対象物から検出針に伝わった振動が減衰してしまう。そのため、検出針とホルダーとが接触しない場合と接触する場合とで振動の検出値が異なり、検出値にバラツキが生じてしまう。

本願に開示の技術は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、振動検出値のバラツキを抑制し得るセンサ装置を提供することにある。

本願のセンサ装置は、ホルダーと、検出針と、圧電素子と、阻止部材とを備えている。前記ホルダーは、挿入孔が設けられている。前記検出針は、基端側が前記挿入孔に挿入されると共に、前記挿入孔に挿入される部分が前記挿入孔の孔径よりも細く形成されている。前記圧電素子は、前記ホルダー内に収容され、前記検出針の基端側と直接または間接的に接し、前記検出針の振動が作用するものである。前記阻止部材は、前記挿入孔に設けられ、前記検出針を保持して該検出針が前記ホルダーに接触することを阻止するものである。そして、センサ装置は、前記検出針の先端を測定対象物に押し当てて該測定対象物の振動を検出する。

本願のセンサ装置によれば、振動検出値のバラツキを抑制することができる。

図１は、実施形態に係るセンサ装置の概略構成を示す正面図である。 図２は、実施形態に係るセンサ本体の概略構成を示す断面図である。

以下、本願の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本願に開示の技術、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１に示す本実施形態のセンサ装置１は、図示しない固定器具に連結して測定対象物（例えば、スチームトラップ）に固定し、該測定対象物の振動および温度の２つを検出する、いわゆる固定タイプのセンサである。センサ装置１は、例えば上下方向に延びる状態で測定対象物に固定される。

センサ装置１は、センサ本体２と、アンテナ３と、接続軸４とを備えている。接続軸４は、中空軸であり、両端がナット５，６によってセンサ本体２とアンテナ３に連結されている。アンテナ３は、図示しないが、信号処理回路や発信部が内蔵されており、センサ本体２によって検出された測定対象物の振動および温度に関する信号が送られる。

図２に示すように、センサ本体２は、ケーシング１０と、振動検出ユニット２０と、温度検出ユニット５０（熱電対ユニット）とを備えている。

ケーシング１０は、略円筒状に形成され、大径部１１、中径部１２および小径部１３を有する。大径部１１の外周面には、上述したナット５が締結される雄ねじ部１１ａが形成されている。小径部１３の外周面には、上述した固定器具に締結される雄ねじ部１３ａが形成されている。

振動検出ユニット２０は、ケーシング１０に挿入されて測定対象物の振動を検出（測定）するものである。振動検出ユニット２０は、検出針２１と、伝達板２２と、圧電素子２３，２４と、電極板２５，２６と、ウエイト２７と、防振ゴム２８と、ホルダー３０と、取付部材３５と、コイルバネ３６と、キャップ３７とを備えている。

検出針２１は、細長い棒状の部材であり、後方側（基端側）から順に、ねじ部２１ａ、大径部２１ｂおよび小径部２１ｃが形成されている。ねじ部２１ａは、大径部２１ｂよりも小径に形成されており、外周面に雄ねじが形成されている。小径部２１ｃは、大径部２１ｂよりも外径が小さい。検出針２１は、ケーシング１０と同軸に配置されると共に、先端２１ｄがケーシング１０から突出する状態で配置されている。

ホルダー３０は、有底の略円筒状に形成された樹脂製のものであり、ケーシング１０と同軸に配置されている。ホルダー３０は、側壁３１の径が異なる大径部３１ａおよび小径部３１ｂが後方側から順に形成されている。ホルダー３０は、底壁３２に挿入孔３３が形成されており、その挿入孔３３に検出針２１の基端側が挿入されている。つまり、検出針２１は、ねじ部２１ａの全体がホルダー３０内に位置し、大径部２１ｂの一部が挿入孔３３内に位置している。

検出針２１のねじ部２１ａには、大径部２１ｂ側から順に、伝達板２２、第１圧電素子２３、第１電極板２５、第２圧電素子２４、第２電極板２６、ウエイト２７および防振ゴム２８が互いに接した状態で挿入されている。つまり、圧電素子２３，２４は伝達板２２を介して間接的に検出針２１の大径部２１ｂの端面（基端側）に接している。伝達板２２は、大径部２１ｂの端面に接する状態でねじ部２１ａに螺合されている。圧電素子２３，２４および電極板２５，２６は、ねじ部２１ａに螺合することなく挿入されている。ウエイト２７は、電極板２６に接する状態でねじ部２１ａに螺合されている。防振ゴム２８は、ウエイト２７に接する状態でねじ部２１ａに螺合することなく挿入されている。伝達板２２、圧電素子２３，２４、電極板２５，２６、ウエイト２７および防振ゴム２８は、ホルダー３０の側壁３１とは接触しない状態でホルダー３０に収容されている。

２つの電極板２５，２６は、図示しないが、それぞれ信号線によってアンテナ３の信号処理回路に接続されている。つまり、信号線はセンサ本体２から接続軸４内を通ってアンテナ３内まで配線されている。

取付部材３５は、キャップ３７を取り付けるための部材である。取付部材３５は、円筒状に形成されており、突片３５ａを有している。突片３５ａは、取付部材３５の端部において径方向外方へ突出している。突片３５ａは、取付部材３５の周方向において複数設けられている。ホルダー３０の大径部３１ａの内周面には、溝３４が形成されている。溝３４は、大径部３１ａの周方向に延びている。取付部材３５は、ホルダー３０の大径部３１ａに挿入され、突片３５ａが大径部３１ａの溝３４に嵌ることによってホルダー３０に取り付けられている。

取付部材３５の内周面には、キャップ３７が螺合する雌ねじが設けられている。キャップ３７は、外周面に雄ねじが形成された円板状の部材であり、取付部材３５の内周面と螺合することで取付部材３５に固定される。取付部材３５内には、ウエイト２７および防振ゴム２８が取付部材３５と接触しない状態で位置している。取付部材３５内において、防振ゴム２８とキャップ３７との間にはコイルバネ３６が配置されている。コイルバネ３６は、一端が防振ゴム２８に接し、他端がキャップ３７に接している。

コイルバネ３６は、防振ゴム２８を前方へ付勢することによって圧電素子２３，２４および電極板２５，２６を伝達板２２に押し付けている。コイルバネ３６の付勢力は、キャップ３７のねじ込み深さによって調整される。ウエイト２７は、ねじの締め付け力によって圧電素子２３，２４および電極板２５，２６を伝達板２２に押し付けている。このように、ウエイト２７、コイルバネ３６およびキャップ３７は、圧電素子２３，２４および電極板２５，２６をその後方から伝達板２２に押し付ける押し付け部材を構成している。

こうして、圧電素子２３，２４が押し付け部材によって伝達板２２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圧電素子２３，２４に作用しても、その外乱を吸収することができ、外乱による影響を受けずにすむ。

センサ本体２は、振動検出ユニット２０を前方へ付勢するコイルバネ３８を備えている。振動検出ユニット２０は、ケーシング１０の軸方向（即ち、前後方向）に変位可能にケーシング１０に挿入されている。コイルバネ３８は、ケーシング１０の大径部１１に収容され、振動検出ユニット２０の後方側に配置されている。コイルバネ３８の一端は、スナップリング３６に支持されている。スナップリング３６は、ケーシング１０の大径部１１の内面に形成された溝１１ｂに嵌め込まれており、コイルバネ３８の一端を受けている。一方、コイルバネ３８の他端は、振動検出ユニット２０のホルダー３０に接している。コイルバネ３８は、ホルダー３０を前方へ付勢することで振動検出ユニット２０を前方へ付勢し、検出針２１の先端２１ｄをケーシング１０から突出させるように構成されている。

温度検出ユニット５０は、接触板５１（伝熱板）と、保持部材５２と、熱電対線５５とを備え、測定対象物の温度を検出（測定）するものである。接触板５１は、略環状の板部材である。保持部材５２は、接触板５１を保持するものである。保持部材５２は、略円筒状に形成され、ケーシング１０の小径部１３の先端側に収容（挿入）されている。接触板５１は、保持部材５２の先端に保持されている。

保持部材５２には、それぞれ軸方向に延びる、１つの検出針用孔５３と、２つの熱電対用孔５４とが形成されている。検出針用孔５３は、保持部材５２の中央に形成された貫通孔であり、検出針２１の小径部２１ｃが挿入されている。２つの熱電対用孔５４は、検出針用孔５３を間に置いて１８０°ずれた位置に形成された貫通孔であり、それぞれに熱電対線５５が設けられている。この２本の熱電対線５５は、一端が接触板５１に接続され、図示しないが他端がアンテナ３の信号処理回路に接続されている。ケーシング１０内には保持部材５２をケーシング１０の先端側へ付勢するコイルバネ５６が設けられている。

さらに、ホルダー３０の挿入孔３３には、検出針２１を弾性的に保持するＯリング４１が設けられている。挿入孔３３は、孔径が互いに異なる３つの部分により形成されている。具体的に、挿入孔３３では、後方側（ホルダー３０の内方側）から順に、大径部３３ａ、中径部３３ｂおよび小径部３３ｃが連続して形成されている。中径部３３ｂの孔径は、小径部３３ｃの孔径よりも大きく、大径部３３ａの孔径よりも小さい。小径部３３ｃの孔径は、検出針２１の大径部２１ｂの外径よりも大きい。つまり、検出針２１の挿入孔３３に挿入されている部分（大径部２１ｂ）は、挿入孔３３の孔径よりも細く形成されている。なお、大径部３３ａおよび中径部３３ｂは本願の請求項に係る保持部に相当する。

Ｏリング４１は、円環状の弾性部材であり、検出針２１の大径部２１ｂと挿入孔３３との間に設けられている。Ｏリング４１は、挿入孔３３の中径部３３ｂに設けられており、内周側が大径部２１ｂの外周面に接し、外周側が中径部３３ｂの内周面に接している。なお、図示しないが、中径部３３ｂの内周面にはＯリング４１の外周側が嵌るＯリング溝が形成されている。こうして、Ｏリング４１は挿入孔３３において検出針２１を弾性的に保持している。

また、ホルダー３０の挿入孔３３には蓋４２が設けられている。蓋４２は、挿入孔３３と同軸の円筒状に形成されており、内方側の端部に鍔部４２ａが設けられている。鍔部４２ａは、円筒部の外周面から径方向外方に突出している。蓋４２の外径は、挿入孔３３の大径部３３ａの孔径と略同じである。蓋４２の孔４２ｂの径（即ち、内径）は、検出針２１の大径部２１ｂの外径よりも大きい。蓋４２は、挿入孔３３の大径部３３ａに内方側から挿入され、Ｏリング４１が挿入孔３３から抜け出ることを防止している。

こうして、振動検出ユニット２０では、検出針２１の大径部２１ｂがホルダー３０の挿入孔３３および蓋４２に挿入されている。検出針２１の大径部２１ｂと挿入孔３３の小径部３３ｃとの間には一定の隙間が存し、検出針２１の大径部２１ｂと蓋４２との間にも一定の隙間が存している。伝達板２２は、蓋４２の鍔部４２ａに接している。

そして、本実施形態において、Ｏリング４１は、検出針２１が挿入孔３３に対して傾いた場合でも検出針２１がホルダー３０および蓋４２に接触することを阻止する阻止部材を構成している。言い換えれば、Ｏリング４１は、検出針２１の傾きに追従して検出針２１を弾性的に保持すると共に、検出針２１がホルダー３０および蓋４２に接触しないように検出針２１の傾きを制限している。

上述したセンサ装置１では、検出針２１の先端２１ｄを測定対象物に押し当てて検出針２１を押し込むことによって、測定対象物の機械的振動が検出針２１に伝わる。検出針２１に伝わった振動は、伝達板２２を介して圧電素子２３，２４に作用する。具体的には、検出針２１の振動は圧力変動として圧電素子２３，２４に作用する。これに応じて圧電素子２３，２４に電圧変動が生じ、この電圧変動に関する信号が電極板２５，２６から信号線を介してアンテナ３の信号処理回路に送られて測定対象物の振動が検出される。

測定対象物に対する検出針２１の押し当て角度によっては検出針２１がホルダー３０に対し傾く場合がある。この場合、検出針２１の大径部２１ｂがホルダー３０や蓋４２に接触することがＯリング４１によって阻止される。

また、センサ装置１では、測定対象物の熱（高温熱）が接触板５１に伝わり、２本の熱電対線５５において電位差が生じる。そして、この電位差に関する信号がアンテナ３の信号処理回路に送られて測定対象物の温度が検出される。つまり、本実施形態の温度検出ユニット５０は検出針２１が押し込まれることによって測定対象物に接して該測定対象物の温度を検出する。以上のようにして検出された測定対象物の振動および温度の数値は、アンテナ３の発信部から別の受信部（図示省略）へ無線送信される。

以上のように、上記実施形態のセンサ装置１は、挿入孔３３に設けられ、検出針２１を保持して該検出針２１がホルダー３０に接触することを阻止するＯリング４１（阻止部材）を備えている。そのため、測定対象物に対する検出針２１の押し当て角度によって検出針２１がホルダー３０に対し傾いた場合でも、検出針２１がホルダー３０に接触することを防止することができる。これにより、検出針２１とホルダー３０とが接触する場合と接触しない場合とで振動の検出値が異なるといった検出値のバラツキを抑制することができる。

また、上記実施形態のセンサ装置１において、阻止部材は、検出針２１と挿入孔３３との間に設けられ、検出針２１の外周面と挿入孔３３の内周面とに接する環状の弾性部材である。この構成によれば、検出針２１の傾きに追従して検出針２１を弾性的に保持することができると共に、検出針２１がホルダー３０に接触しないように検出針２１の傾きを制限することができる。

また、挿入孔３３は、Ｏリング４１（阻止部材）が設けられる保持部（中径部３３ｂ）と、該保持部（中径部３３ｂ）の外方側に連続して形成され、保持部（中径部３３ｂ）よりも孔径が小さい小径部３３ｃとを有している。センサ装置１は、内径が検出針２１の挿入孔３３に挿入された部分（大径部２１ｂ）よりも大きい筒状に形成され、挿入孔３３の保持部（大径部３３ａ）に内方側から挿入され、Ｏリング４１（阻止部材）が挿入孔３３から抜け出ることを防止する蓋４２を備えている。そして、Ｏリング４１（阻止部材）は、検出針２１が蓋４２に接触することを阻止するように構成されている。

上記の構成によれば、Ｏリング４１が挿入孔３３から抜け出ることを防止しつつ、検出針２１と蓋４２とが接触する場合と接触しない場合とで振動の検出値が異なるといった検出値のバラツキを抑制することができる。

また、上記実施形態のセンサ装置１では、阻止部材として、Ｏリング４１を用いるようにした。そのため、検出針２１がホルダー３０および蓋４２に接触することを阻止する機能を簡易に達成することができる。

また、Ｏリング４１は、樹脂製であり、金属製である検出針２１とは固有音響インピーダンスが大きく異なる。そのため、検出針２１がＯリング４１と常に接触していることによって引き起こされる振動の減衰作用は少ない。したがって、比較的正確な振動を検出することができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態のセンサ装置１では、ホルダー３０の挿入孔３３は孔径が互いに異なる３つの部分から形成されているが、本願に開示の技術はこれに限らず、挿入孔３３は孔径が全体に亘って一定のものであってもよい。また、挿入孔３３は、孔径が互いに異なる２つの部分から形成されていてもよい。この場合、Ｏリング４１は孔径が大きい部分に設けられる。

また、上記実施形態では、測定対象物に固定して振動等を測定するセンサ装置１について説明したが、本願に開示の技術は、作業者が手で持ち測定対象物に押し当てて測定するハンディタイプのセンサ装置１についても同様の作用効果を得ることができる。

また、本願のセンサ装置１は、温度検出ユニット５０を省略して、測定対象物の振動のみを検出するものであってもよい。

本願に開示の技術は、検出針を測定対象物に押し当てて測定対象物の振動を検出するセンサ装置について有用である。

１ センサ装置
２１ 検出針
２１ｂ 大径部
２１ｄ 先端
２３，２４ 圧電素子
３０ ホルダー
３３ 挿入孔
３３ａ 大径部（保持部）
３３ｂ 中径部（保持部）
３３ｃ 小径部
４１ Ｏリング（阻止部材）
４２ 蓋

Claims (2)

1. 挿入孔が設けられたホルダーと、
   基端側が前記挿入孔に挿入されると共に、前記挿入孔に挿入される部分が前記挿入孔の孔径よりも細く形成された検出針と、
   前記ホルダー内に収容され、前記検出針の基端側と直接または間接的に接し、前記検出針の振動が作用する圧電素子と、
   前記挿入孔に設けられ、前記検出針を保持して該検出針が前記ホルダーに接触することを阻止する阻止部材とを備え、前記検出針の先端を測定対象物に押し当てて該測定対象物の振動を検出するものであり、
   前記阻止部材は、前記検出針と前記挿入孔との間に設けられ、前記検出針の外周面と前記挿入孔の内周面とに接する環状の弾性部材であり、
   前記挿入孔は、前記阻止部材が設けられる保持部と、該保持部の外方側に連続して形成され、前記保持部よりも孔径が小さい小径部とを有し、
   内径が前記検出針の前記挿入孔に挿入された部分よりも大きい筒状に形成され、前記挿入孔の保持部に内方側から挿入され、前記阻止部材が前記挿入孔から抜け出ることを防止する蓋を備え、
   前記阻止部材は、前記検出針が前記蓋に接触することを阻止するように構成されている
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   前記阻止部材は、Ｏリングである
   ことを特徴とするセンサ装置。

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