(57)【要約】【課題】  共振周波数におけるピークを低く抑え、測定可能な周波数の範囲を広くすることのできる振動検出プローブを提供すること【解決手段】  ハウジング２と、そのハウジング内に軸方向に移動可能に配置されたスライド軸２１と、振動検出時に測定対象物に接触して振動する接触子３と、接触子とスライド軸との間に配置され、接触子とスライド軸とを同軸上に接続する高分子粘弾性材料４０と、スライド軸を、接触子側に向けて付勢するバネ２５と、接触子に接続された加速度センサ３５と、を備えて構成した。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のハウジングと、
そのハウジング内に軸方向に移動可能に配置されたスライド軸と、
振動検出時に測定対象物に接触して振動する接触子と、
前記接触子と前記スライド軸との間に配置され、前記接触子と前記スライド軸とを同軸上に接続する連係部材と、
前記スライド軸を、前記接触子側に向けて付勢する付勢手段と、
前記接触子に接続された振動検出素子と、
を備えた振動検出プローブにおいて、
前記連係部材は、高分子粘弾性材料により構成したことを特徴とする振動検出プローブ。
【請求項２】
前記高分子粘弾性材料は、ハネナイトであることを特徴とする請求項１に記載の振動検出プローブ。
【請求項３】
高分子粘弾性材料の損失係数を０．５以上としたことを特徴とする請求項１に記載の振動検出プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動検出プローブに関するもので、測定対象物に接触してその測定対象物の振動を検出するための振動検出プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の振動検出センサユニットとしては、特許文献１や特許文献２に開示されたものがある。各特許文献に開示されたセンサユニットは、測定対象物である振動物体に接触する部分がバネで付勢された可動部となっており、この可動部に振動を電気信号に変換する圧電素子等を設け、可動部を振動物体に押し当てて使用するようになっている。これらはほぼ同軸上に配置される。特許文献１，２に示される装置はその一例であり、検出針が可動部の主部をなし、可動部の検出針が測定対象物に接触する側とは反対側の端部に振動検出素子が備えられている。
【０００３】
通常は、ある共振周波数においてピークを持った形状となる。この周波数特性は、式１にて算出される。
【数１】
2008224517.tif 000003
ただし  Ａ（ｆ）：周波数ｆにおける出力振幅
Ｂ（ｆ）：周波数ｆにおける入力振幅
【０００４】
【特許文献１】実公平５−２４１９２号公報
【特許文献２】特開２００４−１２５６７６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
測定対象物に可動部を接触させて計測を行なう場合、ある周波数で共振を生じてしまい、その共振周波数付近では振動を正確に測定することができないという問題がある。そこで、特許文献２に記載の発明では、共振周波数を高くすることで、（式１）で計算される値（利得）が０ｄＢ付近にある領域を広くしている。
【０００６】
しかし、共振周波数におけるピークは高く、共振周波数以前に徐々に利得が増加し始めるため共振周波数よりも小さい周波数で利得が大きくなる。そして、０ｄＢを大きく外れることは、入力振幅に対し出力振幅が大きく増大または減少していることを示し、実質的に精度良く測定できる周波数領域は、共振周波数よりも十分に低い周波数までとなる。
【０００７】
この発明は、共振周波数のピークを低く抑え、実質的に測定可能な周波数の範囲を広くすることのできる振動検出プローブを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明による振動検出プローブは、筒状のハウジングと、そのハウジング内に軸方向に移動可能に配置されたスライド軸と、振動検出時に測定対象物に接触して振動する接触子と、前記接触子と前記スライド軸との間に配置され、前記接触子と前記スライド軸とを同軸上に接続する連係部材と、前記スライド軸を、前記接触子側に向けて付勢する付勢手段と、前記接触子に接続された振動検出素子と、を備えた振動検出プローブにおいて、前記連係部材は、高分子粘弾性材料により構成した。
【０００９】
そして、前記高分子粘弾性材料は、例えばハネナイトを用いることができる。また、高分子粘弾性材料の損失係数を０．５以上とするとよい。
【００１０】
振動検出素子は、実施形態では加速度センサを用いたが、圧電素子その他の各種のセンサを用いることができる。付勢手段は、実施形態ではコイルスプリングとしたが、板バネその他の各種バネや、ゴムその他の弾性体等、各種のものを利用できる。
【００１１】
本発明では、スライド軸と接触子との間に高分子粘弾性材料を挿入したため、振動エネルギーを吸収することができ、周波数特性のピーク高さを抑制でき、測定に用いることのできる帯域を広く取ることが可能になる。
【００１２】
そして、損失係数は、振動のエネルギーを吸収する度合いを示す係数であり、高いほど良く吸収することができる。そして、高分子粘弾性材料の損失係数が０．５以上であれば、使用する材料の選択の幅が広がるので好ましい。これは、損失係数の他にも材料の弾性係数や形状で決定付けられるばね定数が、特性を決める上で大きな役割を果たすが、損失係数が０．５以上であれば、所望の特性を実現するために必要なばね定数の値が、材料の選定や形状の工夫などで実現しやすい値にすることができるからである。なお、損失係数の上限については、特に不都合は生じないため、高分子粘弾性材を構成するものであればよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、共振周波数におけるピークを抑えることで、測定可能な周波数の範囲が広くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１，図２は、振動検出プローブの好適な一実施形態を示している。図１は、振動検出プローブ１を備えた振動検出装置の概略構成を示している。振動検出プローブ１は、両端が開口された円筒状のハウジング２と、そのハウジング２の一端に装着される接触子３と、を備えている。接触子３は、ハウジング２内に挿入されたスプリングの弾性復元力を受けて、ハウジング２の一端より突出する方向へ付勢力を受ける。
【００１５】
ハウジング２の外周面の一部には、ネジ部４が形成される。１つの固定用ナット５ａをネジ部４に装着した状態の振動検出プローブ１を、接触子３側より治具６に形成された貫通孔７に挿入するとともに、接触子３側から他の固定用ナット５ｂをネジ部４に装着することで、振動検出プローブ１を治具６に固定する。２つの固定ナット５ａ，５ｂの位置を調整することで、治具６に対して振動検出プローブ１を上下方向の所望の位置で固定できる。治具６は、油圧シリンダーやエアシリンダーなどに接続され、下方に向けて付勢されている。或いは、治具６をロボットアームなどに連係させ、振動検出プローブ１を任意の位置に移動させるとともに、所定の圧力で測定対象物８に対して押圧することもできる。
【００１６】
図１に示すように、内蔵するスプリング（バネ）により先端側へ付勢される接触子３の先端は、油圧シリンダーなどの付勢力を受けて測定対象物８に対して所定の圧力で接触される。これにより、測定対象物８が振動すると、接触子３も測定対象物８とともに振動する。この振動は、後述する振動検出プローブ１に内蔵された振動検出素子（加速度センサ）により検出される。この振動検出手段の出力である検出信号は、ケーブル１０を介してセンサアンプ１１に入力される。その入力された信号は、センサアンプ１１で増幅され、Ａ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換後、計測器１３に与えられ、そこにおいて振動が計測される。
【００１７】
図２に示すように、ハウジング２内には、筒状のスライド軸２１が、軸方向に移動可能に実装される。ハウジング２の軸心と、スライド軸２１の軸心とは一致している。このスライド軸２１の下端に、接触子３が接続されている。
【００１８】
スライド軸２１の上方側は、下方側に比べて外径が小さく設定されており、その境界部分に段差部２１ａが形成される。さらに、スライド軸２１の上方のハウジング２内の所定位置に、ストッパー部材２２が固定される。そして、スライド軸２１の上方側にコイルスプリング等のバネ２４が挿入される。そのバネ２４の両端は、ストッパー部材２２と段差部２１ａと、に接触する。これにより、バネ２４の弾性復元力により、ストッパー部材２２とスライド軸２１が離反する方向に付勢され、ひいては、スライド軸２１の下端に接続された接触子３が下方（ハウジング２から突出する方向）に向けて付勢される。
【００１９】
ハウジング２の下端には、接触子押さえ２５が装着されている。この接触子押さえ２５は、リング状で先端（下方）に行くほど内径が徐々に小さくなるように形成されている。これにより、接触子３がハウジングから離脱するのを抑制する。ハウジング２，スライド軸２１，ストッパー部材２２並びに接触子押さえ２５は、いずれもステンレス鋼を用いて形成される。もちろん、各部材の材質を適宜異ならせても良い。
【００２０】
接触子３は、ハウジング２（接触子押さえ２５）の下端から外部に突出して測定対象物８に接触する円柱状の接触端子３３と、その接触端子３３の平坦面状の接触面３３ａと反対側に連続する基部３４と、を備えている。基部３４は、円錐台形状をしており、その外径は、接触端子３３側に行くほど小さくなる。これにより、この基部３４の外周面が接触子押さえ２５の内周面に接触し、それ以上の接触子３の先端側への移動が抑止される。また基部３４と接触端子３３は、同一金属で一体に形成しているが、異なる金属で形成しても良い。そして、使用する金属としては、例えば、アルミニウム合金等を用いることができる。
【００２１】
接触子３の基部３４の表面３４ａ（接触面３３ａと反対側の面）に、加速度センサ３５が固定される。この固定方法は、本実施形態では、表面３４ａにネジ穴を形成し、そのネジ穴を利用して加速度センサ３５を固定する。
【００２２】
加速度センサ３５とハウジング２の上端に設けたコネクタ４５は、リード配線４６にて接続される。このコネクタ４５にケーブル１０を連結することで、加速度センサ３５の出力信号をセンサアンプ１１に入力することができる。
【００２３】
接触子３とスライド軸２１との間に、連係部材たる円筒状の高分子粘弾性材４０を介在させる。高分子粘弾性材４０は、例えばハネナイト（弾性係数：２９．２［Ｍｐａ］，損失係数：０．９９）を用いることができる。このように高分子粘弾性材４０を設けることにより、後述するように、共振周波数におけるピークを小さくすることができる。このように共振周波数におけるピークが小さくなることから、ピークに向けての山が小さくなり、仮にピークの値が大きい振動検出プローブと共振周波数が同じ場合でも０ｄＢ付近の値をとる範囲が広くなる。
【００２４】
本実施形態の効果を実証するため、以下に示す実験並びにシミュレーションを行なった。まず、実施品として、接触子３は、アルミニウム合金Ａ５０５６を用い、その質量は、０．００５［ｋｇ］とした。加速度センサ３５（振動センサ）の共振周波数は、４７ｋＨｚとした。ステンレス鋼からなるスライド軸２１の重量は、０．０４［ｋｇ］とした。バネ２４のバネ定数は、９８０［Ｎ／ｍ］とした。
【００２５】
高分子粘弾性材４０は、内径が１１［ｍｍ］，外形が１７［ｍｍ］，高さが５［ｍｍ］のリング状とした。高分子粘弾性材４０の材料は、実施形態と同様にハネナイト（弾性係数：２９．２［Ｍｐａ］，損失係数：０．９９）を用いた。このときのばね定数は、式２にて計算される。
【数２】
2008224517.tif 000004
ｋ：ばね定数  Ｅ：弾性係数  Ｓ：面積  ｘ：厚さ
【００２６】
この式を用いると実施形態のばね定数は、７．７０６×１０５［Ｎ／ｍ］となる。また、比較例として、ハイパーゲル（弾性係数：２．２９［ＭＰａ］，損失係数：０．２４）を用い、実施形態と同一寸法形状とすると、ばね定数は６．０４３×１０４［Ｎ／ｍ］となる。
【００２７】
本実施形態の振動検出プローブの周波数−振幅特性は、図３に示すようになる。これに対し、比較例の振動検出プローブの周波数−振幅特性は、図４に示すようになる。これらの図から明らかなように、本実施形態ではピークの高さが低く抑えられ、平坦と認められる帯域が広く確保できていることが確認できた。
【００２８】
更に、この振動検出プローブを図５のようにモデル化し、シミュレーションによって周波数−振幅特性を求めた。このようにモデル化したときの入出力振幅比は式（３）で表せる。
【数３】
2008224517.tif 000005
【００２９】
ここで、ｍ１は接触子と振動センサの合計質量，ｍ２はスライド軸の質量，ｋ１は接触子と測定対象物との間の仮想ばね定数，ｃ１は接触子と測定対象物との間の仮想減衰係数，ｋ２は高分子粘弾性材のばね定数，ｃ２は高分子粘弾性材の減衰係数，ｋ３はバネのばね定数，ｙは入力変位，ｘ１はｍ１の変位，ｘ２はｍ２の変位，ωは入力する角周波数である。
【００３０】
高分子粘弾性材においてｃ２と損失係数ηとの間には式（４）の関係があり、また、ζとｃ２との間には式（５）の関係式がある。従って、ｃ２は損失係数ηを用いて式（６）のように書ける。
【数４】
2008224517.tif 000006
【００３１】
入出力振幅比の式３を用いて比較例の特性を描くと、図６に示すようになった。図に示すように、シミュレーション結果と実測結果とを比較すると良くフィッティングしていることがわかる。なお、シミュレーションと実測結果との対比を実施例ではなく比較例に基づいて行なったのは、比較例の実測結果の軌跡のほうが大きく変化していることからフィッティングの有無の判断が行ないやすいためである。
【００３２】
式６を用いてばね定数と損失係数を変化させ、ばね定数とピーク高さの関係をグラフにすると図７に示すようになった。この図では、損失係数別にプロットしてある。図から明らかなように、損失係数が０．５のプロットは、ばね定数がおよそ３．０×１０６［Ｎ／ｍ］付近で５ｄＢの値になる。ここで、ピーク値５ｄＢとは入力振幅と出力振幅の比がおよそ１．７８になる値である。高周波帯域においては対象物の振動をまったく同じように取得するのは難しく、この程度の振幅比であればさほど問題はない。
【００３３】
一方、ばね定数３．０×１０６［Ｎ／ｍ］とは、先に示した実施形態の材料（ハネナイト）を、
面積Ｓ：２．６×１０−４［ｍ２］
厚さｘ：２．５×１０−５［ｍ］
で作成することで実現できる値である。この大きさは、振動測定器具としては十分に小さく，現実的な値である。すなわち、このばね定数を実現するにあたり、形状・サイズを選択する範囲は十分に大きいと言える。以上のことより、材料の損失係数の値が０．５程度であればピークの抑制と設計のしやすさの両方を実現できるので好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の好適な実施形態である振動検出プローブを用いた振動測定装置の一例を示す図である。
【図２】振動検出プローブの内部構造の一例を示す図である。
【図３】効果を実証するための測定結果を示すグラフである。
【図４】効果を実証するための測定結果を示すグラフである。
【図５】シミュレーションを行なう際の振動検出プローブのモデルである。
【図６】シミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】シミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１  振動検出プローブ
２  ハウジング
３  接触子
８  測定対象物
２１  スライド軸
２４  バネ（付勢手段）
３３  接触端子
３３ａ  接触面
３４  基部
３５  加速度センサ（振動検出素子）
４０  高分子粘弾性材（連係部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008224517.tif 000011
【図６】
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【図７】
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