JP6961638B2

JP6961638B2 - センサモジュール

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Publication number: JP6961638B2
Application number: JP2019047510A
Authority: JP
Inventors: 永芳李; 隆広大森; 隆碓井; 修西村; 一雄渡部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: US20200292505A1; JP2020148675A; US11474081B2

Description

本実施形態は、センサモジュールに関する。

石油化学プラント及び電力プラント等の産業のプラントの多くは、昼夜連続運転にて操業されている。これらの設備管理においては、動機械の異常を早期に検出することによる適切な対応が求められている。これらの動機械の機械要素の中で故障頻度が多い回転体の異常種類については、アンバランス及びミスアライメント等に起因する低周波数帯域（数10Hzから数100Hz）において発生する異常、転がり軸受の油切れ又は傷、軸の損傷、歯車の摩耗、羽根の接触等に起因する高周波数帯域において発生する異常といった、幅広い周波数帯域で監視されることが望ましい。

国際公開第２０１７／２１７０６９号

本実施形態は、回転体の幅広い周波数帯域で発生する異常を監視できるセンサモジュールを提供する。

センサモジュールは、センサと、診断回路と、発電回路と、センシング処理回路とを有する。センサは、異なる共振周波数を有する複数の圧電振動子と、それぞれの圧電振動子に対応して設けられており、対応する圧電振動子の逆圧電効果によって発生した電圧を受けて出力信号を出力する複数のスイッチと、を有する。診断回路は、出力信号のパターンの相違からセンサに新たに振動が発生したか否かを診断し、診断の結果に応じて、センサの出力信号の出力先を切り替える。発電回路は、出力信号から電力を生成する。センシング処理回路は、出力信号から新たに発生した振動の評価のための信号を生成する。診断回路は、センサに新たに振動が発生していないと診断したときには、センサの出力信号の出力先を発電回路に切り替え、センサに新たに振動が発生したと診断したときには、センサの出力信号の出力先をセンシング処理回路に切り替える。

図１は、第１の実施形態に係るセンサの一例の構成を示す図である。図２は、センサで検出され得る振動のスペクトルの例を示す図である。図３は、回転体の定常運転時の振動のスペクトルの例を示す図である。図４は、定常運転時のスイッチのオン／オフの状態を示す図である。図５は、回転体に異常振動が発生したときの振動のスペクトルの例を示す図である。図６は、異常振動の発生時のスイッチのオン／オフの状態を示す図である。図７は、図５の状態からさらに異常振動が進展したときの振動スペクトルの例を示す図である。図８は、センサを含むセンサモジュールの一例の構成を示すブロック図である。図９は、第２の実施形態に係るセンサの一例の構成を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るセンサの一例の構成を示す図である。実施形態に係るセンサ１は、例えば回転体の振動を検知するセンサである。センサ１は、センサ要素２を有する。センサ要素２は、例えば２次元に配列される。それぞれのセンサ要素２は、圧電振動子２１と、スイッチ２２とを有する。

圧電振動子２１は、一端が自由端とされ、もう一端が固定端とされた圧電体の梁を有する圧電型共振カンチレバーである。それぞれの圧電振動子２１は、共振周波数ｆｍｎを有するように梁の長さ等が調整されている。それぞれの圧電振動子２１は、外部からの周波数ｆｍｎの振動を受けて撓むことにより電圧を発生させる。ここで、ｍ（ｍ＝１，２，…）は、圧電振動子２１の列位置を表す。また、ｎ（ｎ＝１，２，…）は、圧電振動子２１の行位置を表す。共振周波数ｆｍｎ（ｍ＝１，２，…、ｎ＝１，２，…）の値は、すべて異なっていてよい。

スイッチ２２は、圧電振動子２１が外部からの振動を受けて共振したときに圧電振動子２１と接触してオンするように構成されたスイッチである。スイッチ２２は、例えばＣＭＯＳスイッチであり、圧電振動子２１の出力電圧に応じた出力信号Ｓｍｎを出力する。スイッチ２２は、圧電振動子２１と接触することにより、圧電振動子２１で発生した出力電圧を受けることができるスイッチであれば必ずしもＣＭＯＳスイッチでなくてもよい。例えば、スイッチ２２は、ＭＥＭＳスイッチ等を用いて構成されてもよい。

次に、センサ１の動作を説明する。図２は、センサ１で検出され得る振動のスペクトルの例を示す図である。図２に示すように、センサ１のそれぞれの圧電振動子２１は、ｆ１１からｆｍｎの帯域で共振周波数を有する。つまり、それぞれの圧電振動子２１の振動のスペクトルは、対応する共振周波数においてピークを有する。

図３は、回転体の定常運転時の振動のスペクトルの例を示す図である。例えば、回転体の定常運転時においては、回転体は、周波数ｆ１１で振動するとする。このような振動をセンサ１が受けたとき、共振周波数ｆ１１を有する圧電振動子２１が共振する。

図４は、定常運転時のスイッチ２２のオン／オフの状態を示す図である。定常運転時には、共振周波数ｆ１１を有する圧電振動子２１が共振するので、図４に示すように、共振周波数ｆ１１の圧電振動子２１に対応したスイッチ２２だけがオンする。

ここで、定常運転時の振動は異常振動ではなく、異常振動の評価に用いられる必要はない。このため、共振周波数ｆ１１のセンサ要素２の出力信号は、異常振動の評価以外の用途に用いられ得る。実施形態では、共振周波数ｆ１１のセンサ要素２の出力信号は、センサ１以外の回路の電源電圧として用いられ得る。つまり、定常運転時においては、センサ１は発電回路として動作する。

図５は、回転体に異常振動が発生したときの振動のスペクトルの例を示す図である。図５に示すように、回転体に異常振動が発生した場合、共振周波数ｆ１１を有する圧電振動子２１に加えて、異常振動によって現れた新しい振動の周波数に近い共振周波数を有する圧電振動子２１、例えば共振周波数ｆ２１を有する圧電振動子２１も共振する。

図６は、異常振動の発生時のスイッチ２２のオン／オフの状態を示す図である。図６に示すように、異常振動の発生時には、共振周波数ｆ１１の圧電振動子２１に対応したスイッチ２２に加えて、異常振動の周波数の圧電振動子２１に対応した共振周波数、例えば共振周波数ｆ２１に対応したスイッチ２２もオンする。

このように、異常振動の発生の前後でスイッチ２２のオン／オフの状態が変わる。したがって、異常振動の発生前のセンサ要素２の出力信号と異常振動の発生後のセンサ要素２の出力信号との差分から、異常振動に対応した信号だけを取り出すことができる。この異常振動に対応した信号に基づいて異常振動の評価が行われ得る。異常振動の評価は、例えば定常運転時の振動に対し、どの周波数の振動がどの程度の強さで発生しているかを示す評価値を算出することで行われ得る。一方、異常振動に対応した信号以外の残りの成分の信号は、定常運転時の振動に対応した信号である。この残りの成分の信号は、異常振動の評価以外の用途に用いられ得る。図６の例では、共振周波数ｆ２１及びｆ２２のセンサ要素２の出力信号は異常振動の評価のために用いられ得る。一方で、共振周波数ｆ１１及びｆ１２のセンサ要素２において発生した信号は、センサ１以外の回路の電源電圧として用いられ得る。

図７は、図５の状態からさらに異常振動が進展したときの振動スペクトルの例を示す図である。異常振動がさらに進展したとき、図５と比べてさらに新しい振動のピークが現れる。したがって、異常振動が進展する前にオンしていたスイッチ２２に加えて、さらに別のスイッチ２２もオンする。

異常振動が進展した場合も、異常振動の進展前のセンサ要素２の出力信号と異常振動の進展後のセンサ要素２の出力信号との差分から、進展後の異常振動に対応した信号だけを取り出すことができる。この進展後の異常振動に対応した信号に基づいて進展後の異常振動の評価が行われ得る。進展後の異常振動の評価は、例えば進展前の振動に対し、どの周波数の振動がどの程度の強さで発生しているかを示す評価値を算出することで行われ得る。一方、残りの成分の信号は、異常振動の進展前の信号である。進展後の異常振動に対応した信号以外の残りの成分の信号は、既に評価がされているので、異常振動の評価以外の用途に用いられ得る。

このように、実施形態のセンサ１の出力信号は、異常振動の発生及び進展につれて、発電用と異常振動の評価用の何れかの用途で用いられる。

図８は、センサ１を含むセンサモジュールの一例の構成を示すブロック図である。センサモジュール１００は、センサ１と、診断回路１０１と、発電回路１０２と、蓄電回路１０３と、センシング処理回路１０４と、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）１０５と、メモリ１０６と、比較回路１０７と、無線送信回路１０８と、電池１０９とを有する。センサモジュール１００は、振動の検知対象の回転体からの振動を受けることができるように回転体に取り付けられている。

診断回路１０１は、異常振動が発生したか否か又は異常振動が進展したか否かを判定し、その判定結果に応じてセンサ１の出力信号の出力先を切り替える。診断回路１０１は、メモリ１０１ａを有している。メモリ１０１ａは、初期パターンを記憶するためのメモリである。初期パターンは、回転体の定常運転時の振動又は異常振動の進展前の振動に含まれるそれぞれの振動の周波数と強さの情報である。それぞれの振動の周波数は、対応するセンサ要素２の共振周波数、すなわちオンするスイッチ２２の位置情報に対応している。また、それぞれの振動の強さは、対応するセンサ要素２の出力信号の振幅に対応している。メモリ１０１ａは、初期パターンの初期値として、例えば回転体の定常運転時の振動パターンを記憶している。

診断回路１０１は、過去の振動パターンとしての初期パターンと、現在のセンサ１の出力信号に基づく現在の振動パターンとを比較する。具体的には、診断回路１０１は、同じ位置のセンサ要素２の出力信号の相違を比較する。そして、診断回路１０１は、初期パターンと現在の振動パターンとの間に差がないときには、異常振動が発生していないと診断する。この場合、診断回路１０１は、センサ１の出力信号の出力先を発電回路１０２に切り替える。また、診断回路１０１は、電池１０９による比較回路１０７及び無線送信回路１０８への電力供給を停止させる。一方、診断回路１０１は、初期パターンと現在の振動パターンとに差があるときには、異常振動が発生していると診断する。この場合、診断回路１０１は、センサ１の出力信号の出力先をセンシング処理回路１０４に切り替える。また、診断回路１０１は、電池１０９による比較回路１０７及び無線送信回路１０８への電力供給を開始させる。

また、診断回路１０１は、比較回路１０７から後で説明する比較結果の信号が入力される毎に、初期パターンを更新する。その後、診断回路１０１は、更新後の初期パターンと、現在のセンサ１の出力信号に基づく現在の振動パターンとを比較する。そして、診断回路１０１は、更新後の初期パターンと現在の振動パターンとの間に差がないときには、異常振動が進展していないと診断する。また、診断回路１０１は、更新後の初期パターンと現在の振動パターンとの間に差があるときには、異常振動が進展していると診断する。この場合の出力先の切り替えは、異常振動が発生したときと同様に行われる。

発電回路１０２は、センサ１の出力信号から、センサモジュール１００の各回路の動作に必要な電力を生成する。発電回路１０２は、例えば、昇圧／降圧回路を有する。発電回路１０２は、昇圧／降圧回路以外の回路も有していてもよい。また、発電回路１０２は、Ａ／Ｄ変換器を含み、センサ１の出力信号をデジタル信号に変換してＭＣＵ１０５に出力する。このとき、発電回路１０２は、センサ１の出力信号を増幅してからＭＣＵ１０５に出力してもよい。

蓄電回路１０３は、発電回路１０２で生成された電力を蓄積する。蓄電回路１０３は、例えばコンデンサを含む蓄電回路である。蓄電回路１０３に蓄電された電力は、診断回路１０１、センシング処理回路１０４、ＭＣＵ１０５及びメモリ１０６の動作のための電源として供給される。

センシング処理回路１０４は、センサ１の出力信号を、異常振動の検知に適するように前処理して出力する。センシング処理回路１０４は、例えばセンサ１の出力信号をデジタル信号に変換してＭＣＵ１０５に出力する。このとき、発電回路１０２は、センサ１の出力信号を増幅してからＭＣＵ１０５に出力してもよい。

ＭＣＵ１０５は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＡＭ及びＲＯＭといったメモリをユニット化した情報処理回路である。ＭＣＵ１０５は、発電回路１０２及びセンシング処理回路１０４の出力信号を処理する。例えば、ＭＣＵ１０５は、発電回路１０２及びセンシング処理回路１０４の出力信号から振動パターンを抽出する。そして、ＭＣＵ１０５は、抽出した振動パターンをメモリ１０６に記憶させる。

メモリ１０６は、例えばＲＡＭ及びＲＯＭといったメモリであり、振動パターンを記憶する。メモリ１０６は、発電回路１０２の出力信号から抽出される振動パターンである初期パターンとセンシング処理回路１０４の出力信号から抽出される振動パターンである異常パターンの両方の振動パターンを記憶できるだけの容量を有している。

比較回路１０７は、メモリ１０６に記憶されている初期パターンと異常振動パターンとを比較し、比較結果を診断回路１０１と無線送信回路１０８とに出力する。比較回路１０７は、例えば初期パターンと異常振動パターンの差に相当する信号を出力する差動増幅回路である。

無線送信回路１０８は、アンテナ等を有し、比較回路１０７からの比較結果の信号の入力をトリガとして、この初期パターンと異常振動パターンとの差に相当する信号を例えばセンサモジュール１００の外部のサーバに送信する。無線通信の方式は特に限定されるものではない。

電池１０９は、センサモジュール１００の各回路に動作のための電力を供給する。少なくとも電池１０９は、比較回路１０７と無線送信回路１０８とには電力を供給できるように構成されている。電池１０９は、診断回路１０１、センシング処理回路１０４、ＭＣＵ１０５、メモリ１０６に電力を供給できるようにも構成されていてよい。

以下、センサモジュール１００の動作を説明する。回転体が回転する等によって振動すると、その振動の周波数に近い共振周波数を有する圧電振動子２１が共振する。圧電振動子２１の共振によってスイッチ２２がオンされる。これによって圧電振動子２１で発生した電圧に応じた出力信号が診断回路１０１に送られる。

診断回路１０１は、初期パターンと現在の振動パターンとを比較する。例えば、定常運転時には、初期パターンと現在の振動パターンとはほぼ一致する。したがって、診断回路１０１は、センサ１の出力信号の出力先を発電回路１０２に切り替える。また、診断回路１０１は、電池１０９による比較回路１０７及び無線送信回路１０８への電力供給を停止させる。

発電回路１０２は、センサ１の出力信号から各回路の動作のための電力を生成する。発電回路１０２で生成された電力は、蓄電回路１０３に蓄積される。蓄電回路１０３に蓄積された電力により、診断回路１０１、センシング処理回路１０４、ＭＣＵ１０５、メモリ１０６は動作する。蓄電回路１０３に電力が蓄積されていないときには、診断回路１０１、センシング処理回路１０４、ＭＣＵ１０５、メモリ１０６は、電池１０９からの電力によって動作してよい。

また、発電回路１０２は、センサ１の出力信号をデジタル信号に変換してＭＣＵ１０５に出力する。ＭＣＵ１０５は、発電回路１０２の出力信号から抽出される振動パターンを初期パターンとしてメモリ１０６に記憶させる。メモリ１０６に記憶される初期パターンは、発電回路１０２の出力信号がＭＣＵ１０５に入力される毎に更新される。

定常運転時には、比較回路１０７及び無線送信回路１０８には電池１０９から電力が供給されない。したがって、比較回路１０７及び無線送信回路１０８は動作しない。

一方、異常振動の発生時又は異常振動の進展時には、初期パターンと現在の振動パターンとの間には、新しい周波数の振動の発生による差が表れる。したがって、診断回路１０１は、センサ１の出力信号の出力先をセンシング処理回路１０４に切り替える。また、診断回路１０１は、電池１０９による比較回路１０７及び無線送信回路１０８への電力供給を開始させる。

センシング処理回路１０４は、センサ１の出力信号をデジタル信号に変換してＭＣＵ１０５に出力する。ＭＣＵ１０５は、センシング処理回路１０４の出力信号から抽出される振動パターンを異常パターンとしてメモリ１０６に記憶させる。メモリ１０６に記憶される異常パターンは、センシング処理回路１０４の出力信号がＭＣＵ１０５に入力される毎に更新される。

異常振動が発生又は進展することで、比較回路１０７及び無線送信回路１０８には電池１０９から電力が供給される。このとき、比較回路１０７は、メモリ１０６に記憶されている振動パターンと異常パターンとを読み出し、振動パターンと異常パターンとの比較結果の信号を出力する。無線送信回路１０８は、この比較結果の信号の入力を受けて、この比較結果の信号をサーバに送信する。サーバでは、無線送信回路１０８から送信された信号に基づいて回転体における異常振動の評価が行われる。例えば、この評価は、異常振動の発生前の振動に対し、どの周波数の振動がどの程度の強さで発生しているかを示す評価値を算出することで行われ得る。周波数によっては、異常の原因も特定され得る。さらに、センサ１が回転体の複数個所に取り付けられていれば、サーバにおいて振動の発生した位置も特定され得る。

また、比較回路１０７の出力信号は、異常振動の発生後又は進展後の振動パターンを示す信号である。したがって、診断回路１０１は、比較回路１０７から入力される異常振動の発生後又は進展後の振動パターンをもとの初期パターンに追加することで初期パターンを更新する。これにより、診断回路１０１は、異常振動の進展につれて、センサ１の出力先を切り替えることができる。

以上説明したように第１の実施形態では、それぞれが異なる共振周波数を有する複数の圧電型共振カンチレバーを配置したセンサにより、幅広い周波数帯域の振動を検知することができる。また、圧電型共振カンチレバーは、外部電源がなくとも動作する。つまり、センサ１についての消費電力はゼロである。また、センサ１は幅広い周波数帯域の振動を検知することができるので、異常振動の検知だけでなく、回転周波数の異なる回転体に合わせたカスタム対応をすることができる。

また、センサモジュール１００の各回路の動作のための電力は、定常運転時の振動に応じて蓄電回路１０３に蓄積された電力及び新しい異常振動が発生する前に蓄電回路１０３に蓄積された電力で賄われる。さらに、比較回路１０７及び無線送信回路１０８への電池１０９からの電力の供給は、異常振動が発生したとき又は異常振動が進展したときだけ行われる。このようにして電池１０９の寿命を延ばすことができ、電池交換の手間が削減される。

［第２の実施形態］
第２の実施形態を説明する。図９は、第２の実施形態に係るセンサの構成を示す図である。第２の実施形態のセンサ１は、第１の実施形態と同様にセンサ要素２を有する。センサ要素２は、例えば２次元に配列される。第２の実施形態では、複数のセンサ要素２がセンサ要素アレイ２ｌ（ｌ＝１，２，３，…）を形成している。それぞれのセンサ要素２は、第１の実施形態と同様に圧電振動子２１と、スイッチ２２とを有する。

第２の実施形態において、１つのセンサ要素アレイ２ｌの各圧電振動子２１は、同一の共振周波数で共振するように梁の長さ等が調整された圧電振動子アレイを形成している。例えば、図７において、ｍの値が同じ圧電振動子２１は、共振周波数の値を有する圧電振動子アレイを形成している。図７において、ｎの値が同じカンチレバー２１が圧電振動子アレイを形成していてもよい。

また、第２の実施形態では、１つのセンサ要素アレイ２ｌの各圧電振動子２１に対応するスイッチ２２は、直列に接続されている。したがって、１つのセンサ要素アレイ２ｌは、それぞれのセンサ要素２の出力信号Ｓｍｎの総和に相当する出力信号Ｓｌを診断回路１０１に出力する。

圧電振動子２１がアレイを形成しているとき、振動の強さが強いほど、その振動数に近い共振周波数を有する多くの圧電振動子２１が共振する。つまり、診断回路１０１に入力される信号の振幅が大きくなる。このように第２の実施形態では、圧電振動子２をアレイとし、スイッチ２２を直列に接続することにより、振動の強さをより正確に検知できる。また、発電量も向上させることができる。

［変形例］
以下、第１の実施形態及び第２の実施形態の変形例を説明する。前述した第１の実施形態及び第２の実施形態では、圧電振動子２１は、圧電共振型のカンチレバーであるとしている。これに対し、圧電振動子２１は、カンチレバーの代わりに、圧電共振型の両持ち梁、圧電共振型のメンブレン等であってもよい。つまり、圧電振動子２１は、外部からの振動による逆圧電効果によって発電するように構成されていればよい。また、図１では、スイッチ２２の形状、すなわちセンサ要素２の形状は矩形である。これに対し、センサ要素２の形状は、円、楕円等の任意な形状とされてよい。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１センサ、２センサ要素、２ｌセンサ要素アレイ、２１カンチレバー、２２スイッチ、１００センサモジュール、１０１診断回路、１０１ａメモリ、１０２発電回路、１０２発電回路、１０３蓄電回路、１０４センシング処理回路、１０５マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）、１０６メモリ、１０７比較回路、１０８無線送信回路、１０９電池。

Claims

異なる共振周波数を有する複数の圧電振動子と、それぞれの前記圧電振動子に対応して設けられており、対応する前記圧電振動子の逆圧電効果によって発生した電圧を受けて出力信号を出力する複数のスイッチと、を有するセンサと、
前記出力信号のパターンの相違から前記センサに新たに振動が発生したか否かを診断し、前記診断の結果に応じて、前記センサの前記出力信号の出力先を切り替える診断回路と、
前記出力信号から電力を生成する発電回路と、
前記出力信号から新たに発生した振動の評価のための信号を生成するセンシング処理回路と、
を具備し、
前記診断回路は、前記センサに新たに振動が発生していないと診断したときには、前記センサの前記出力信号の出力先を前記発電回路に切り替え、前記センサに新たに振動が発生したと診断したときには、前記センサの前記出力信号の出力先を前記センシング処理回路に切り替えるセンサモジュール。
前記発電回路で生成された電力を蓄積する蓄電回路と、
出力先が前記発電回路に切り替えられた前記センサの第１の出力信号と出力先が前記センシング処理回路に切り替えられた前記センサの第２の出力信号とを処理する情報処理回路と、
処理された前記第１の出力信号と前記第２の出力信号を記憶するメモリと、
前記メモリに記憶された前記第１の出力信号と前記第２の出力信号とを比較する比較回路と、
をさらに具備する請求項１に記載のセンサモジュール。
複数の前記圧電振動子は、それぞれが異なる共振周波数を有するカンチレバーを有する請求項１に記載のセンサモジュール。
複数の前記圧電振動子は、それぞれが異なる共振周波数を有する両持ち梁を有する請求項１に記載のセンサモジュール。
複数の前記圧電振動子は、それぞれが異なる共振周波数を有するメンブレンを有する請求項１に記載のセンサモジュール。
複数の前記圧電振動子は、同一の共振周波数を有するアレイを形成しており、
前記アレイを形成する前記圧電振動子と対応する前記スイッチは、直列に接続されている請求項１に記載のセンサモジュール。
前記診断回路は、
過去に前記センサに振動が発生したときの出力信号のパターンを記憶しており、
過去に前記センサに振動が発生したときの出力信号のパターンと、現在の前記センサの出力信号との相違に基づいて前記診断をし、
前記センサに新たに振動が発生したと診断したときには、記憶していた前記過去に前記センサに振動が発生したときの出力信号のパターンを前記現在の前記センサの出力信号のパターンに更新する、
ように構成されている請求項１に記載のセンサモジュール。