JP2023006641A - 監視システムおよび監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】監視対象の動作を監視する監視システムおよび監視方法を提供する。【解決手段】監視システムは、監視対象の動作によって生じる振動に応じて発電する振動発電手段と、発電によって充電されたコンデンサの所定の電圧を検知する検知手段と、コンデンサの充放電パターンに所定の充放電パターンが現れた場合に、所定の充放電パターンに対応する監視対象の動作を特定する特定手段とを備える。【選択図】図２

Description

本開示は、監視システムおよび監視方法に関する。

従来、振動発電素子を含む振動発電デバイスを対象物に取り付け、当該対象物の動作を監視する技術が知られている。

特許文献１には、鍵の開閉状態を管理するシステムが開示されており、鍵を鍵穴に入れて回す際に生じる振動によって発電し、その電圧変化により鍵の開閉を判断し、データの送信には振動発電で発電した電気を使用することが開示されている。

特許文献２には、鉄道橋梁の異常検知システムが開示されており、支承に振動発電素子を取り付け、異常時の振動を判別することで異常を検知することが開示されている。特に、振動発電素子の共振周波数を異常時の周波数に設定し、発電量が増加すると異常と判断し、また、支承には複数の振動発電素子を取り付け、各素子の発電状況を比較することで異常箇所を判別することが開示されている。

特開２０１９－２１８７３４号公報 国際公開第２０１６／１９４３７５号

製造メーカなどの生産工場などでは、効率的に生産を行うために生産設備の稼働状態を監視することが求められる。そのためには、様々なセンサが必要であるが、現有機器に対して後からセンサを設置する場合には、配線することが難しい場合が多い。さらには、センサの選定自体もある程度の知識や経験がないと難しいという問題がある。

本開示は、このような問題に鑑みてなされたものであり、監視対象の動作を監視する監視システムおよび監視方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様による監視システムは、監視対象の動作によって生じる振動に応じて発電する振動発電手段と、前記発電によって充電されたコンデンサの所定の電圧を検知する検知手段と、前記コンデンサの充放電パターンに所定の充放電パターンが現れた場合に、前記所定の充放電パターンに対応する前記監視対象の動作を特定する特定手段とを備える。

また、本発明の一態様による監視方法は、監視対象の動作によって生じる振動に応じて充電されたコンデンサの充放電パターンを取得する取得ステップと、前記コンデンサの充放電パターンに所定の充放電パターンが現れた場合に、前記所定の充放電パターンに対応する前記監視対象の動作を特定する特定ステップとを含む。

本開示によれば、監視対象の動作を監視する監視システムおよび監視方法を提供することができる。

一実施形態に係る監視システムの概要を説明する図である。 一実施形態に係る監視装置の構成例を示すブロック図である。 一実施形態に係る監視装置の別の構成例を示すブロック図である。 一実施形態に係る振動発電デバイスの振動周波数とコンデンサ電圧の計測結果を示す図である。 一実施形態に係る振動発電デバイスの振動周波数とコンデンサ電圧の計測結果を示す図である。 一実施形態に係る振動発電デバイスの振動周波数とコンデンサ電圧の計測結果を示す図である。 一実施形態に係る振動発電デバイスの振動周波数とコンデンサ電圧の計測結果を示す図である。 一実施形態に係る振動発電デバイスの振動周波数とコンデンサ電圧の計測結果を示す図である。 一実施形態に係る監視方法のフローチャートである。

以下、添付の図面を参照して、本開示の実施形態について詳細に説明する。本明細書及び添付の図面を通して同じ要素には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（システムの概要）
図１は、一実施形態に係る監視システムの概要を説明する図である。ここでは、本監視システムが、工場の生産設備に適用されている例を説明する。

監視システム１００は、振動発電デバイスを備える監視装置１０１と、情報処理装置１０２とを有する。本実施形態では、生産設備１０３が監視対象である。生産設備１０３では、材料タンク１１０から供給された材料が、吐出装置１１１を介してオーブン１１２内に吐出され、成形される。材料タンク１１０には、真空ポンプ１１３、攪拌モーター１１４、温調器１１５が接続されている。温調器１１５は、熱媒油を使用して動作する。また、吐出装置１１１はシリンダを有し、シリンダは油圧ユニット１１６によって圧力がかけられることで動作する。オーブン１１２は扉１１７（オーブンドアともいう）を開閉することによって、材料の出し入れを行うことができる。本実施形態では、例として、油圧ユニット１１６に監視装置１０１が取り付けられており、監視装置１０１が備える振動発電デバイスは、生産設備１０３内で生じる振動によって発電を行う。振動発電デバイスは、油圧ユニット１１６に限らず、材料タンク１１０、吐出装置１１１、オーブン１１２、真空ポンプ１１３、攪拌モーター１１４、温調器１１５、オーブン１１２の扉１１７など、生産設備１０３内の様々な装置に生じる振動によって発電を行い得る。また、監視装置１０１は、油圧ユニット１１６に限らず、生産設備１０３のその他の装置に取り付けられてもよい。制御盤１２０は、生産設備１０３の状態を監視し、種々の制御を行う。

図２は、一実施形態に係る監視装置の構成例を示すブロック図である。

監視装置１０１は、振動発電素子２０１、充電回路２０２、及びコンデンサ２０３を含む振動発電デバイス２００、電圧検知回路２０４、並びに無線モジュール２０５を備える。

振動発電素子２０１は周囲の音や振動によって発電を行う。振動発電素子２０１は、例えば、固定電極と可動電極とを備え、監視対象の音や振動によって可動電極が固定電極に対して振動することによって発電を行う。振動発電素子２０１は、監視対象の卓越周波数に合わせて発電量が最大になるように設定され、特定の周波数においてより大きな電力を発生するように構成される。卓越周波数とは、その系が入力加速度等によって最大振幅が生じる周波数を意味し、ここでは、監視対象の系の最大振幅が生じる周波数を表す。例えば、振動発電素子２０１は、梁や可動部おもりを調整することで、様々な周波数に対応することができる。振動発電素子２０１には、エレクトレット型発電素子、ピエゾ型発電素子、電磁誘導型または磁歪型の発電素子などを用いてよい。

充電回路２０２は、振動発電素子２０１から出力された交流電圧をダイオードにより直流電圧に変換し、コンデンサ２０３を充電する。コンデンサ２０３には抵抗が並列接続されており、振動発電素子２０１による発電が止まると、抵抗により充電電圧が低下する（すなわち、放電される）。抵抗の抵抗値やコンデンサ２０３の静電容量は、振動の持続時間や発電量等を考慮して設定される。

電圧検知回路２０４は、コンデンサ２０３の充電電圧を検知する。電圧検知回路２０４は、コンデンサ２０３の所定の電圧を検知するように構成されており、所定の電圧を検知すると、検知情報を無線モジュール２０５に出力する。

無線モジュール２０５は、電圧検知回路２０４によって検知された検知情報をデジタル信号に変換（Ａ／Ｄ変換）し、無線通信によって情報処理装置１０２に送信する。なお、Ａ／Ｄ変換が電圧検知回路２０４によって行われ、検知情報がデジタル信号に変換されている場合は、無線モジュール２０５によってＡ／Ｄ変換を行わなくてもよい。（すなわち、電圧検知回路２０４では、Ａ／Ｄ変換を行い、デジタル変換された情報に対して電圧検知処理を行ってもよい。）

情報処理装置１０２は、無線モジュール２０５から受信した検知情報に基づいて、コンデンサ２０３の充放電パターンと、予め記憶された所定の充放電パターンとをマッチングし、コンデンサ２０３の充放電パターンに所定の充放電パターンが現れた場合に、当該所定の充放電パターンに対応する監視対象の動作を特定する。充放電パターンは、経時的な電圧変化を示す。所定の充放電パターンは、監視対象の複数の動作のそれぞれに対応する様々な充放電パターンを含み、コンデンサ２０３に生じる充放電パターンを特定することで、監視対象の動作を特定することができる。また、所定の充放電パターンは、監視対象の複数の動作の組み合わせによって生じる充放電パターンも含む。情報処理装置１０２は、監視対象の動作を特定すると、特定された監視対象の動作を報知する。情報処理装置１０２は、特定された動作を表示装置に表示してもよいし、所定の通知先に通知してもよいし、所定の信号を送信するようにしてもよい。

図２の例における監視装置１０１は、電圧検知回路２０４によって必要な情報を取り出して、取り出した情報を無線モジュール２０５によって送信するため、監視装置１０１の省電力駆動に適している。

図３は、一実施形態に係る監視装置の別の構成例を示すブロック図である。

図３の監視装置１０１は、振動発電素子２０１、充電回路２０２、及びコンデンサ２０３を含む振動発電デバイス２００、無線モジュール２０５、並びに電源２０７を備える。図３の監視装置１０１は図２の監視装置１０１と比較して、電圧検知回路２０４を備えておらず、情報処理装置１０２が電圧検知回路を備える。

図３の監視装置１０１ではコンデンサ２０３の電圧検知処理を行わず、無線モジュール２０５が、コンデンサ２０３の電圧に関する生情報を取得し、アナログの生情報をデジタル信号にＡ／Ｄ変換し、随時、情報処理装置１０２（すなわち、電圧検知回路）に送信する。電源２０７は、無線モジュール２０５が駆動するための電力を供給する。図３の監視装置１０１では、無線モジュール２０５の消費電力が大きくなるため、電源２０７が設けられている。

図３の情報処理装置１０２は、電圧検知回路により所定の電圧の検知処理を行うとともに、受信した生情報に対して複雑なデータ処理（例えば、フィルタリングや充放電パターンの生成等）を行うことができる。また、図３の無線モジュール２０５は生情報をＡ／Ｄ変換し、随時送信することになるため、図２の監視装置１０１と比較して電力消費が大きくなるが、このような構成によっても所定の充放電パターンを用いて監視対象の動作を特定することができる。なお、図３では、情報処理装置１０２が電圧検知回路を備えるものとして説明したが、受信した情報から所定の電圧値を検知する処理をソフトウェアにより実装してもよい。ソフトウェアによる電圧検知処理は、情報処理装置１０２の記憶装置に記憶されたプログラムをプロセッサが実行することにより実現することができる。

＜実証実験＞
以下では、実際に、振動発電デバイス２００を生産設備１０３の油圧ユニット１１６に取り付けて行った実証実験の結果について説明する。

本実証実験では、生産設備１０３の油圧ユニット１１６に取り付けられた振動発電デバイス２００が、オーブンドア（扉１１７）の開閉、吐出装置１１１のシリンダ動作、油圧ユニット１１６の電源ＯＮ／ＯＦＦなどの動作によって、コンデンサ２０３の所定のコンデンサ電圧まで発電を行うことができることが確認された。

本実証実験では、振動発電デバイス２００による発電量と、コンデンサ電圧との関係を確認した。振動発電デバイス２００により十分発電できており、安定している状態では、振動発電デバイス２００のコンデンサ電圧が３．３Ｖで一定となった。一方、振動発電デバイス２００により十分に発電できていない状態では、振動発電デバイス２００のコンデンサ電圧は、３．３Ｖ未満であった。

なお、振動発電デバイス２００は、２３０Ｈｚ付近に共振周波数を合わせ、加速度が０．１５Ｇ程度で発電量が最大になるように設定した。

まず、上述した動作についての本実証実験の結果を簡単に説明する。

（オーブンドアの開閉）
オーブンドアが閉まる際に、コンデンサ電圧は３．３Ｖまで急上昇した。

（吐出装置のシリンダ動作）
吐出装置１１１がシリンダ動作をした際に、コンデンサ電圧に急な上昇及び低下が発生した。

（油圧電源）
油圧ユニット１１６の電源がＯＦＦからＯＮになった際に、コンデンサ電圧が０Ｖから３．３Ｖまで急上昇した。

（オーブンドアの開閉、吐出装置のシリンダ動作なし）
長時間に渡ってオーブンドアの開閉が行われず、吐出装置のシリンダも動作しない場合、コンデンサ電圧が低下した場合があった（以下の表１のScope_15、Scope_23に該当する）。

次に、本実証実験についてより具体的に説明する。

以下の表１に示す各動作状態について、振動発電デバイス２００の振動周波数とコンデンサ電圧を計測した。

図４は、オーブンドアの開閉に関する振動発電デバイス２００の振動周波数とコンデンサ電圧の計測結果を示す。図示されるように、コンデンサ電圧の充放電パターンは、オーブンドアが閉じる際に低下した後、急上昇を示す。図４（ａ）に示したScope_3、及び図４（ｂ）に示したScope_6はいずれも、吐出装置１１１のシリンダ動作が無く、油圧ユニット１１６の電源ＯＮ／ＯＦＦ動作もない場合のデータを示す。なお、図４（ａ）に示したグラフにおいて、25sから40sの間に電圧が上昇している原因は不明である。

図５は、オーブンドアの開閉に関する振動発電デバイス２００の振動周波数とコンデンサ電圧の計測結果を示す。図示されるように、コンデンサ電圧の充放電パターンは、オーブンドアが閉じる際に低下した後、急上昇を示す。図５（ａ）に示したScope_8は、吐出装置１１１のシリンダ動作が無く、油圧ユニット１１６の電源ＯＮ／ＯＦＦ動作もない場合のデータを示し、図５（ｂ）に示したScope_11は、オーブンドアの開閉動作に加えて、吐出装置１１１のシリンダ動作が有り、油圧ユニット１１６の電源ＯＮ／ＯＦＦ動作はない場合のデータを示す。すなわち、図５（ｂ）は、複数の動作（オーブンドアの開閉動作及び吐出装置１１１のシリンダ動作）の組み合わせによって生じる充放電パターンを示す。

図６は、吐出装置１１１のシリンダ動作に関する振動発電デバイス２００の振動周波数とコンデンサ電圧の計測結果を示す。図示されるように、コンデンサ電圧の充放電パターンは、急な上昇及び低下を示す。図６（ａ）に示したScope_3、及び図６（ｂ）に示したScope_11はいずれも、オーブンドアの開閉動作がなく、油圧ユニット１１６の電源ＯＮ／ＯＦＦ動作もない場合のデータを示す。

図７は、吐出装置１１１のシリンダ動作（連続動作）に関する振動発電デバイス２００の振動周波数とコンデンサ電圧の計測結果を示す。図示されるように、コンデンサ電圧の充放電パターンは、急な上昇及び低下が連続的に発生することを示す。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示したScope_13はいずれも、オーブンドアの開閉動作がなく、油圧ユニット１１６の電源ＯＮ／ＯＦＦ動作もない場合のデータを示す。

図８は、オーブンドアの開閉及び吐出装置１１１のシリンダ動作が無い状態で、油圧ユニット１１６の電源がＯＦＦからＯＮにされた場合の振動発電デバイス２００の振動周波数とコンデンサ電圧の測定結果を示す。図示されるように、コンデンサ電圧の充放電パターンは、０Ｖからの急上昇を示す。図８に示したScope_19の充放電パターンは、図４及び図５の充放電パターンと比較して、より短時間で電圧が上昇する点で異なり、区別することができる。これは、油圧ユニット１１６の電源がＯＮにされた際に生じる振動の方が、オーブンドアの開閉によって生じる振動より、より大きな加速度を振動発電デバイス２００に生じさせるためである。

以上説明したように、本実証実験によると、生産設備１０３の油圧ユニット１１６に取り付けられた振動発電デバイス２００が、オーブンドア（扉１１７）の開閉、吐出装置１１１のシリンダ動作、油圧ユニット１１６の電源ＯＮ／ＯＦＦなどの動作によって、コンデンサ２０３の所定のコンデンサ電圧まで発電を行うことができることが確認された。また、コンデンサの充放電パターンは、各動作に応じたパターンを示すことが確認された。

本発明の一実施形態では、上述したようなコンデンサの充放電パターンを、対応する監視対象の動作に関連付けて予め情報処理装置１０２記憶しておく。そして、監視対象の動作によって生じるコンデンサの充放電パターンに所定の充放電パターンが現れた場合に、所定の充放電パターンに対応する監視対象の動作を特定する。このようにして、監視対象の動作を監視することができる。

図９は、一実施形態に係る監視方法のフローチャートを示す。

まず、ステップＳ９０１において、監視システム１００は、監視対象である生産設備１０３の動作によって生じる振動に応じて充電されたコンデンサ２０３の充放電パターンを取得する。すなわち、電圧検知回路２０４によって所定の電圧を検知する。

次いで、ステップＳ９０２において、監視システム１００は、コンデンサの充放電パターンに所定の充放電パターンが現れたかどうか判定する。すなわち、情報処理装置１０２が、電圧検知回路２０４の検知情報に基づいて、コンデンサの充放電パターンに所定の充放電パターンが現れたかどうか判定する。所定の充放電パターンが現れた場合は、ステップＳ９０３に進む。一方、所定の充放電パターンが現れない場合は、ステップＳ９０１に戻り、処理を繰り返す。

ステップＳ９０３において、監視システム１００は、所定の充放電パターンに対応する動作を特定する。監視システム１００は、特定された動作を報知する。

このようにして、監視装置１０１と情報処理装置１０２とを含む監視システム１００によって、監視対象の動作を監視することができる。

以上説明した実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）監視装置の振動発電デバイスをセンサのように使うため、センサに対する電力供給の必要はない。また、複数の動作とコンデンサの充放電パターンが関連しているため、１つの振動発電デバイスで多く動作を監視することが可能となる。

（２）現有機器に対して後から監視装置を設置する場合であっても配線が不要なため、容易に設置することができる。さらには、センサの選定も必要なくなるため、知識や経験が少なくても容易に設置することができる。

（３）監視装置に振動発電デバイスの電圧検知回路を設けることにより、無線モジュールによって送信する情報を少なくすることができるので、省電力駆動が可能になる。

（４）一方、電圧検知回路を、監視装置ではなく情報処理装置に設けることにより、フィルタリング等の複雑なデータ処理が可能になる。

１００ 監視システム
１０１ 監視装置
１０２ 情報処理装置
２００ 振動発電デバイス
２０１ 振動発電素子
２０２ 充電回路
２０３ コンデンサ
２０４ 電圧検知回路
２０５ 無線モジュール

Claims (9)

1. 監視対象の動作によって生じる振動に応じて発電する振動発電手段と、
   前記発電によって充電されたコンデンサの所定の電圧を検知する検知手段と、
   前記コンデンサの充放電パターンに所定の充放電パターンが現れた場合に、前記所定の充放電パターンに対応する前記監視対象の動作を特定する特定手段と
   を備えた監視システム。
2. 前記所定の充放電パターンは、前記監視対象の複数の動作のそれぞれに対応する充放電パターンを含むことを特徴とする請求項１に記載の監視システム。
3. 前記所定の充放電パターンは、前記監視対象の複数の動作の組み合わせによって生じる充放電パターンを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の監視システム。
4. 前記所定の充放電パターンは、前記特定手段に予め記憶されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の監視システム。
5. 前記所定の充放電パターンは、前記コンデンサの経時的な電圧変化を示すことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の監視システム。
6. 前記特定された前記監視対象の動作を報知する報知手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の監視システム。
7. 前記検知手段によって検知された情報を、無線通信によって前記特定手段に送信する無線通信手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の監視システム。
8. 前記コンデンサの電圧に関する情報を、無線通信によって前記検知手段に送信する無線送信手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の監視システム。
9. 監視対象の動作によって生じる振動に応じて充電されたコンデンサの充放電パターンを取得する取得ステップと、
   前記コンデンサの充放電パターンに所定の充放電パターンが現れた場合に、前記所定の充放電パターンに対応する前記監視対象の動作を特定する特定ステップと
   を含む監視方法。

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