JP3166066B2 - 自発電源による振動検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自発電源による、
例えば回転機械の軸受け等の振動検出装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】回転機械の軸受け等において、使用する
ことにより摩耗劣化するものは、摩耗の進展によって回
転機械の停止、あるいは破損し重大な事故に発展するこ
とがある。回転機械等の軸受けの場合、摩耗が進行する
と振動が大きくなるので、従来はこの振動を検出する小
形振動計等を回転機械の軸受けに取付け異常振動の検出
及び表示を行っていた。

【０００３】また特公平３−３７１３０号公報による簡
易型振動監視装置では、振動検出回路、レベル判別回
路、表示回路及びこれらの回路に電源を供給する蓄電池
（バッテリ）のほかに、電源の投入及び遮断を所定の周
期で連続的に行うスイッチ回路とを一体に構成した装置
としている。さらに上記簡易型振動監視装置では、検出
した振動レベルに応じて、正常レベル、要注意レベル、
危険レベルを３色の色別点灯により識別しやすいように
表示している。

【０００４】そして上記のようなバッテリー内蔵型の振
動監視装置に要求される機能としては、この装置を巡回
する巡回作業者の操作を不要とすると共に、内蔵するバ
ッテリの消耗を軽減して出来るだけバッテリの寿命を延
ばすことである。このバッテリの消耗を軽減するため、
上記特許公報に示された実施例では、装置への電源の投
入時間を０．５秒、遮断時間を５秒とする周期で連続的
に電源のオン・オフを行うスイッチ回路を設けている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなバッテリ
内蔵型の振動検出装置においては、いかようにバッテリ
の消耗を軽減する方式を採用したとしても、一定期間が
経過してバッテリの寿命がなくなれば、振動検出や異常
振動の表示が全くできなくなるから、バッテリの寿命が
なくなる前に、必ずすべての装置のバッテリの交換作業
が必要となっていた。さらにバッテリの消耗（出力電圧
や電流の低下）に気付かず、その交換を忘れた場合に
は、異常振動が発生しても警報表示はなされないで、検
出対象の設備は正常であると誤って判断される危険があ
るという問題点があった。

【０００６】本発明は、かかる問題点を解決するために
なされたものであり、振動検出装置内の各回路に十分な
電源を供給できると共に、電源寿命を考慮する必要がな
く、連続運転する設備の軸受け等の状態を常時監視し、
その摩耗劣化したときに発生する異常振動を確実に検出
して表示できる振動検出装置を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
自発電源による振動検出装置は、振動の加速度に対応す
る検出信号を出力する加速度検出手段と、該加速度検出
手段の出力レベルがあらかじめ設定された基準レベルを
越えたときに出力を発生するレベル判定手段と、該レベ
ル判定手段の前記出力を表示する表示手段と、振動を受
けたときに電荷を発生する圧電素子を用いた圧電素子電
源発生手段と、該圧電素子電源発生手段の発生する電荷
を直流電源に変換する直流変換部とを備えた自発電源に
よる振動検出装置において、上記圧電素子電源発生手段
は、円弧形振動板の片面又は両面に圧電素子が成層され
た円弧形板状部材を有し、該円弧形板状部材の所定位置
又は変更自在の設置位置に錘が取り付けられ、該部材の
一方は該部材の振動可能な円弧長さを可変とするように
振動検出装置ケースに固定されたものである。上記請求
項１に係る発明の圧電素子電源発生手段における円弧形
板状部材の振動可能な円弧長さを調整して、その固有振
動数を加速度検出を行う回転機械等の振動周波数と一致
させることにより発生電荷量を最大にできる。

【０００８】本発明の請求項２に係る自発電源による振
動検出装置は、振動の加速度に対応する検出信号を出力
する加速度検出手段と、該加速度検出手段の出力レベル
があらかじめ設定された基準レベルを越えたときに出力
を発生するレベル判定手段と、該レベル判定手段の前記
出力を表示する表示手段と、振動を受けたときに電荷を
発生する圧電素子を用いた圧電素子電源発生手段と、該
圧電素子電源発生手段の発生する電荷を直流電源に変換
する直流変換部とを備えた自発電源による振動検出装置
において、上記圧電素子電源発生手段は、螺旋形振動板
の片面又は両面に圧電素子が成層された螺旋形板状部材
を有し、該螺旋形板状部材の所定位置又は変更自在の設
置位置に錘が取り付けられ、該部材の一方は該部材の振
動可能な螺旋長さを可変とするように振動検出装置ケー
スに固定されたものである。上記請求項２に係る発明の
圧電素子電源発生手段における螺旋形板状部材の振動可
能な螺旋長さを調整して、その固有振動数を加速度検出
を行う回転機械等の振動周波数と一致させることにより
発生電荷量を最大にすることができる。また上記振動可
能な螺旋長さの調整範囲が大きいので、振動機構の固有
振動数の可変範囲を拡大できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図３は本発明に係る自発電源によ
る振動検出装置の説明図である。図３において、１は振
動源である回転機械の軸受け、２は圧電型加速度セン
サ、３はレベル判定器であり、増幅器８、コンパレータ
９、マルチバイブレータ１０を含んでいる。４は発光ダ
イオード、５は圧電素子電源発生部、６は直流変換部、
７は電流制限抵抗である。図３において、圧電型加速度
センサ２は、振動源である軸受け１に取付けられ、その
検出出力はレベル判別器３へ供給される。レベル判定器
３は、圧電型加速度センサ２の出力レベルが予め設定さ
れた基準レベルより大きくなったときに、発光ダイオー
ド４を点灯または点滅させる。

【００１０】圧電素子電源発生部５は、圧電型加速度セ
ンサ２と同様に、軸受け１の振動によって交流電荷を発
生し、この発生した交流電荷を直流変換部６で直流電圧
に変換し、この直流電圧をレベル判定器３の消費電源と
して供給する。なお発光ダイオード４に流す電流はレベ
ル判定器３から電流制限抵抗７を介して供給する。また
軸受けがやや劣化し振動が多少大きくなったときの振動
加速度は通常０．３Ｇ程度又はそれ以上はあるので、本
発明ではこの程度の振動加速度によって圧電素子電源発
生部５が発生する電荷量により振動検出装置の全消費電
力を十分に賄えるように、圧電素子電源発生部５内の振
動機構（この例では円弧形板状又は螺旋形板状の振動機
構）の共振周波数を、加速度検出を行う回転機械等の振
動周波数と一致させる調整手段を有するものであるが、
この点については後述する。

【００１１】レベル判定器３は、増幅器８、コンパレー
タ９及びマルチバイブレータ１０で構成され、軸受けの
振動加速度に対応した加速度センサ２の出力信号を増幅
してコンパレータ９の一方に入力する。コンパレータ９
の他方の入力には予め設定された基準値が与えられてお
り、この基準値と増幅器８の出力値とを比較して、両者
の信号値の大小関係を判定する。また上記比較用の基準
値は任意の値に設定することができる。そして、軸受け
振動が正常状態のとき、即ち加速度センサ２の出力が小
さいときは、増幅器８の出力値よりも基準値の方が大き
くなるように設定されているので、コンパレータ９の出
力はＬｏｗレベルである。

【００１２】また軸受けが摩耗劣化して振動が大きくな
ると、基準値よりも増幅器８の出力値の方が大きくなる
ので、コンパレータ９の出力はＨｉｇｈレベルとなり、
マルチバイブレータ１０を動作させる。マルチバイブレ
ータ１０は、例えば４秒に１回短時間だけパルス電圧を
発生し、電流制限抵抗７を介して発光ダイオード４に電
流を流して点灯させるので、監視員は目視により軸受け
の摩耗劣化を容易に見つけることができる。なお発光ダ
イオード４に流す平均電流を少くするための方法は後述
する。

【００１３】実施形態１．図１は本発明に係る圧電素子
電源発生部の実施形態１を説明する図であり、同図の
（ａ）は圧電素子電源発生部の円弧形板状振動機構を真
上からみた構成例を、（ｂ）は円弧形板状部材の例を示
している。図１の例においては、まずリン青銅板等で円
弧の一端がこの円弧中心位置において固定可能であり、
その他端を自由端とするＣ字状の円弧形振動板１２を作
り、この円弧形振動板１２の両面に、それぞれ両面に電
極が形成された円弧形の板状圧電素子１１Ａ，１１Ｂを
貼り合わせた円弧形板状部材を製作する（図１の（ｂ）
を参照、但し１１Ｂは裏面側のため図示されていな
い）。

【００１４】また上記円弧形板状部材の振動可能な円弧
長さ（図１の（ａ）の円弧角度）を任意に調整して固定
できるような固定部材（例えば図１の（ａ）に示すよう
な円弧形板状部材の上側に取付ける固定板と下側の図示
されない固定台）１３及び固定ネジ１５を用意する。次
に上記下側固定台を振動検出装置のケースに固定した上
で、上記振動可能な円弧長さを調整して、下側固定台に
円弧形板状部材と上側固定板を固定ネジ１５で固定す
る。さらに円弧形板状部材の自由端には単数又は複数の
錘により所望の重量とした錘１４を取付けるが、この錘
１４の取付位置は変更自在である。上記の構成により、
図１の（ａ）の円弧形板状部材の振動可能な円弧長さを
可変にできると共に、その自由端に取り付けられる錘の
重量も変更できる。なお固定部材１３が金属の場合に
は、圧電素子１１Ａ，１１Ｂの電極と固定部材１３とを
電気的に絶縁しておく。例えば樹脂等のコーティングに
より絶縁してもよい。

【００１５】図１の（ａ）のように構成された円弧形板
状部材の固定ネジ１５及び固定部材１３で固定された固
定端に、振動検出装置ケースから固定台を介して、図１
の紙面の表裏方向に振動を受けると、圧電素子１１Ａ，
１１Ｂの自由端側が紙面の表裏方向に曲り、この曲げ振
動により電荷を発生する。この発生した電荷はそれぞれ
図示されないリード線を介して取り出され、この２つの
出力は直列接続又は並列接続された上で直流変換部６へ
供給される。

【００１６】ここで図１においては、２枚の圧電素子１
１Ａ，１１Ｂを振動板１２の表面と裏面にそれぞれ貼り
合わせた構造であるので、上記紙面の表裏方向の曲げ振
動により、板状圧電素子１１Ａ，１１Ｂの一方が引き伸
ばされたとき、他方は圧縮され、それぞれ逆方向に変形
して電荷を発生するので、圧電素子が１枚の場合の２倍
の電荷を発生する（これを一般にバイモルフ構造の圧電
素子という）。なお２枚の圧電素子１１Ａ，１１Ｂの発
生電荷の取り出し方法は、上記の２通りあるが、一般に
高電圧出力を希望する場合は直列接続が用いられ、大電
流出力を希望する場合は並列接続が用いられる。

【００１７】上記円弧形板状部材の圧電振動素子は、そ
の自由端側のたわみ振動が大きい程、発生する電荷量も
大きくなるので、振動によりできるだけ大きなたわみ振
幅を得ることが望ましい。そして上記円弧形板状振動機
構のたわみ振幅は、その固有振動数が被検出体、即ち本
願発明の振動検出装置が設置される設備の振動周波数に
一致したときに最大値となることから、図１の（ａ）に
おける円弧角度と錘１４の重量を調整することによっ
て、上記圧電素子の成層された円弧形板状部材の固有振
動数を、加速度検出を行う回転機械等の振動周波数と一
致させるようにしている。下記の表１は、図１の（ａ）
の円弧形板状振動機構における円弧角度と共振周波数及
び電荷感度ｎＣ／Ｇ（但しｎＣはナノクーロン、Ｇは重
力加速度）との関係の測定例を示すものである。

【００１８】

【表１】

【００１９】また図４は表１の円弧角度と共振周波数と
の関係を示す図であり、図５は表１の共振周波数と電荷
感度との関係を示す図である。表１及び図４，５によ
り、円弧角度を１０〜１８０度の範囲に変化させること
により共振周波数を８６．１３〜１８．６３Ｈｚの範囲
に調整できることが分り、またこの共振周波数帯により
３７００〜１１４００ｎＣ／Ｇ程度の電荷感度を得るこ
とが分る。なおこの程度の電荷感度により振動検出装置
全体が必要とする電源を供給するが十分に可能である点
は後述する。

【００２０】実施形態２．図２は本発明に係る圧電素子
電源発生部の実施形態２を説明する図であり、同図は図
１の円弧形板状部材の円弧長さを長くするため、これを
螺旋形板状部材に代えたものである。図２においては、
螺旋形振動板１２の両面に圧電素子１１Ａ，１１Ｂを成
層して螺旋形板状部材を製作し、振動可能な螺旋長さを
調整した上で、螺旋形板状部材の一方を固定端に取り付
け、その他方に所定重量の錘１４を取り付け、取付位置
を調整した上で錘位置固定ネジ１５により固定する。図
２のような螺旋形板状振動機構によって、図１の円弧角
度を大きくしたのと等価になり、図４で分るようにその
共振周波数を２０Ｈｚ以下の低い周波数まで調整が可能
となる。そして図５で分るように共振周波数が低くなる
と電荷感度は増加するという効果が得られる。また螺旋
長さの調整範囲が大きいので、振動機構の共振周波数の
可変範囲を拡大することができる。

【００２１】図６は本発明に係る直流変換部の一例を示
す回路図であり、４個の全波整流用ダイオードと平滑用
コンデンサにより構成され、入力する交流電圧を直流電
圧に変換して出力する。そしてこの直流出力電圧がレベ
ル判定器３に供給される。

【００２２】次にレベル判定器３の消費電力について説
明する。まず消費電力のうち大きな割合を占める発光ダ
イオード４の点灯方法について説明する。発光ダイオー
ドの点灯はパルスの繰り返し点灯により視認することが
できる。例えば、高輝度型発光ダイオードを使えば１ｍ
Ａの電流を１０ｍｓの時間点灯すれば目視で確認でき、
これを４秒に１回点灯させるようにすると平均電流は
２．５μＡになる。またレベル判定器３内の回路素子の
消費電力をできるだけ少くするため、例えば増幅器８お
よびコンパレータ９には極低消費電流のＣ−ＭＯＳオペ
アンプ（例えばマキシム社製ＭＡＸ４０６）を用い、マ
ルチバイブレータ１０はＣ−ＭＯＳロジックＩＣでパル
ス幅１０ｍｓ、周期４秒のパルスを出力するようにすれ
ば、低消費電力の既知回路でレベル判定器３を構成でき
る。

【００２３】上記構成のレベル判定器で、例えば供給電
圧をＤＣ３Ｖとして、発光ダイオードが４秒に１回１０
ｍｓだけ点灯している時の振動検出装置の全消費電流平
均値は約７〜８μＡである。従ってレベル判定器３の消
費電力は、警報発生時に発光ダイオード４を点灯させて
も、電圧がＤＣ３Ｖで電流が１０μＡ程度であり、圧電
素子電源発生部５が直流変換部６を介して、上記消費電
力を供給できればよい。

【００２４】図１の（ａ）の構造の圧電素子電源発生部
５の実施形態として、圧電素子１１Ａ及び１１ＢにはＰ
ＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、振動板１２にはリン青
銅板を用いた場合の電荷感度は表１のように３７００ｎ
Ｃ／Ｇ以上が得られ、振動加速度０．３Ｇで加振しても
１０００ｎＣ以上となるので、ＤＣ３Ｖ、１０μＡの電
源を十分に供給することができる。なお軸受けが摩耗劣
化して振動が大きくなった時の振動加速度は、通常１Ｇ
程度はあるので、振動加速度が大きくなれば、さらに十
分なる電源を供給できることになる。

【００２５】図７は本発明に係る自発電源による振動検
出装置の構造例を示す図である。図７の振動検出装置
は、そのケース（通常金属製）２０の底部に設けられた
取り付けネジで軸受けに固着され、ケース２０全体が振
動する構造である。そしてケース内では、加速度センサ
２及び圧電素子電源発生部（この例では図１の（ａ）の
構造のもの）５がケース２０にそれぞれ固定されてお
り、さらにケース内にはレベル判定部３及び直流変換部
６を含む回路部２１が収納され、その上部に発光ダイオ
ード４が取り付けられている。従って軸受けが摩耗劣化
して、振動が大きくなりレベル判定器３内のコンパレー
タ９に予め設定した値より大きな信号が入ると、振動に
よって圧電素子電源発生部５が発生した電荷を電源とし
て、振動検出装置ケース２０の上部に設けられた発光ダ
イオードが点灯するので、軸受けの摩耗劣化を目視で発
見することが出来る。なお、図７のケース２０内におけ
る各機器間の配線の図示は省略されている。

【００２６】またレベル判定器３内のコンパレータ９が
振動検出レベルと比較して異常検出を行うための基準レ
ベル（一般に閾値という）は、任意に設定できるので、
軸受けが摩耗し異常振動が発生し始めた初期段階で発光
ダイオードが点灯するようにこの基準レベルを設定して
おけば、発光ダイオードの点灯の有無を目視確認すると
いう簡単な点検動作のみで、軸受けの摩耗劣化の異常を
初期の段階で発見でき、摩耗劣化の進行によって重大な
故障に発展するのを未然に防止できる。また上記実施例
では、比較基準値は１つのみ設けた場合の例を示したの
で、レベル判定の結果は、正常（良）又は異常（不良）
のいずれか一方の状態を示すのみであるが、本発明はこ
れに限定されるものではない。例えばそれぞれ値の異な
る２つの比較基準値と２つのコンパレータを設けて、そ
れぞれ個別にレベル判定を行うようにすれば、正常、要
注意、異常の３つの状態を判定でき、その結果３つの異
なる色の発光ダイオードにより３つの状態を区分して表
示することもできる。

【００２７】なお摩耗等の劣化は徐々に進行していくも
のであるが、それに伴う異常振動は必ずしも摩耗度合い
に比例して大きくなるものではない。そこでレベル判定
器３内に、コンパレータ９の異常検出信号を入力し、こ
れを例えば２４時間は保持するタイマーを設け、このタ
イマーの出力信号によってマルチバイブレータ１０を駆
動するようにすれば、加速度センサからの振動が一定レ
ベルを越えたら発光ダイオードが２４時間点灯し続くこ
とになり、例えば１日に１回の目視確認をするだけで摩
耗劣化の発生を見落とすことなく発見できる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、前記圧電
素子電源発生手段における円弧形板状部材または螺旋形
板状部材の振動アームの長さを変更するのみで、さまざ
まの振動周波数で振動している各種検出対象設備に即応
して設置することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電素子電源発生部の実施形態１
を説明する図である。

【図２】本発明に係る圧電素子電源発生部の実施形態２
を説明する図である。

【図３】本発明に係る自発電源による振動検出装置の説
明図である。

【図４】表１の円弧角度と共振周波数との関係を示す図
である。

【図５】表１の共振周波数と電荷感度との関係を示す図
である。

【図６】本発明に係る直流変換部の一例を示す回路図で
ある。

【図７】本発明に係る自発電源による振動検出装置の構
造例を示す図である。

【符号の説明】

１ 軸受け ２ 圧電型加速度センサ ３ レベル判定器 ４ 発光ダイオード ５ 圧電素子電源発生部 ６ 直流変換部 ７ 電流制限抵抗 ８ 増幅器 ９ コンパレータ １０ マルチバイブレータ １１Ａ，１１Ｂ 圧電素子 １２ 振動板 １３ 固定部材 １４ 錘 １５ 固定ネジ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲葉 秀弘 静岡県富士宮市山宮2320番地−11 株式 会社富士セラミックス内 (72)発明者 山木 宗人 静岡県富士宮市山宮2320番地−11 株式 会社富士セラミックス内 (56)参考文献 特開 平７−107752（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−64920（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−293462（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−60035（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−159739（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01H 11/08 G01M 13/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動の加速度に対応する検出信号を出力
   する加速度検出手段と、該加速度検出手段の出力レベル
   があらかじめ設定された基準レベルを越えたときに出力
   を発生するレベル判定手段と、該レベル判定手段の前記
   出力を表示する表示手段と、振動を受けたときに電荷を
   発生する圧電素子を用いた圧電素子電源発生手段と、該
   圧電素子電源発生手段の発生する電荷を直流電源に変換
   する直流変換部とを備えた自発電源による振動検出装置
   において、 上記圧電素子電源発生手段は、円弧形振動板の片面又は
   両面に圧電素子が成層された円弧形板状部材を有し、該
   円弧形板状部材の所定位置又は変更自在の設置位置に錘
   が取り付けられ、該部材の一方は該部材の振動可能な円
   弧長さを可変とするように振動検出装置ケースに固定さ
   れたことを特徴とする自発電源による振動検出装置。
2. 【請求項２】 振動の加速度に対応する検出信号を出力
   する加速度検出手段と、該加速度検出手段の出力レベル
   があらかじめ設定された基準レベルを越えたときに出力
   を発生するレベル判定手段と、該レベル判定手段の前記
   出力を表示する表示手段と、振動を受けたときに電荷を
   発生する圧電素子を用いた圧電素子電源発生手段と、該
   圧電素子電源発生手段の発生する電荷を直流電源に変換
   する直流変換部とを備えた自発電源による振動検出装置
   において、 上記圧電素子電源発生手段は、螺旋形振動板の片面又は
   両面に圧電素子が成層された螺旋形板状部材を有し、該
   螺旋形板状部材の所定位置又は変更自在の設置位置に錘
   が取り付けられ、該部材の一方は該部材の振動可能な螺
   旋長さを可変とするように振動検出装置ケースに固定さ
   れたことを特徴とする自発電源による振動検出装置。