JP7347749B2 - 状態監視装置、および状態監視システム - Google Patents

Description

本発明は、状態監視装置、および状態監視システムに関する。

従来、監視対象の振動状態に基づいて監視対象の異常／正常を監視する技術が知られている。
例えば、特許文献１は、『橋梁に加速度センサを配設し，加速度センサの信号を演算処理して検出信号として無線送信することにより、橋梁の経年変化を監視する振動モニタリングシステム』を開示する。

また例えば、特許文献２は、『太陽電池で駆動される３軸加速度センサにおいて、少なくとも１軸方向の加速度値が所定閾値以上の場合に加速度値を所定の送信先に無線送信することで地震発生を監視する３軸加速度センサチップ』を開示する。

特開２０１６－１０９５３１号公報 特開２００８－２４１３９４号公報

一般に、監視対象において検出される加速度は、定常的な振動状態の他に、一時的に加わる衝撃によっても大きく変化する。そのため、加速度の瞬時値から監視対象の定常振動の異常／正常を判断することは難しい。このような問題について、特許文献１には開示がない。

また、特許文献２の３軸加速度センサチップは、加速度の瞬時値を出力するため、一時的な衝撃の影響を受けやすく、監視対象の定常振動の異常／正常を判断する用途には向かない。

なお、加速度センサのサンプル値（加速度の瞬時値）を連続的に無線送信し、受信側で加速度のサンプル値を解析することにより、振動状態の異常／正常を判断することも考えられる。しかしながら、振動状態を解析するためにはサンプリング定理を十分に満たす多数のサンプル値を連続的に無線送信しなければならず、送信電力の確保が困難になる。

そこで、本発明は、監視対象の状態を適切に監視する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の状態監視装置の一つは、振動を検出する振動センサと、振動センサから振動の検出値を逐次取得し、複数の検出値に基づいて振動の異常／正常または振動の有無などの状態を示す評価値を算出する評価値算出部と、評価値算出部が算出した評価値を無線送信する無線部と、光発電により電源供給を行う光発電部とを備える。

本発明により、監視対象の状態を適切に監視することが可能になる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

状態監視タグの構成を説明する図である。 状態監視システム３００のシステム構成を説明する図である。 状態監視タグ１００の動作を説明する図である。 状態監視システム３００の動作を説明する図である。 ３軸方向の振動速度の実効値を合成する動作を説明する図である。 状態監視装置５００の構成を説明する図である。 状態監視システム３００aのシステム構成を説明する図である。

以下、図面に基づいて、発明の実施形態を説明する。

状態監視装置の実施例１として、異常振動や振動の有無などの状態を示す評価値を算出して、無線送信する状態監視タグについて説明する。

＜実施例１の構成＞
図１は、状態監視タグ１００の構成を説明する図である。
同図において、状態監視タグ１００は、光発電部１００ａを土台として、振動センサである加速度センサ１１０、評価値算出部１２０、無線部１３０、および蓄電部１４１を形成ないし接合して構成される。

光発電部１００ａとしては、例えば２酸化ケイ素ソーラーセルを使用する。この２酸化ケイ素ソーラーセルは、例えば、人工水晶、ガラス、又は溶融石英粒その他の２酸化ケイ素材料を発電層に採用する。この２酸化ケイ素材料は、例えばナノレベルなどの光の波長付近まで微粉砕することで光発電効率を高めることができる。この２酸化ケイ素ソーラーセルの構成や製造については、例えば、特許第５８４８３２４号の特許公報などに開示されるものに準拠する。

加速度センサ１１０は、状態監視タグ１００の貼付先（監視対象）の振動を加速度Ａccとして検出する。
加速度センサ１１０が出力する加速度は、符号付き１２ビット長（２の補数表現）の整数値である。加速度センサ１１０の出力単位は、ｍＧ（重力加速度の何倍に相当するかを１０００倍した値）である。また、加速度センサ１１０は、監視対象２００の最大加速度に合わせて出力スケールＸscale（＝１倍，２倍，または４倍）を切り替えることもできる。

評価値算出部１２０は、演算機能と内部メモリとタイマー割り込み機能を有するチップ部品であって、加速度センサ１１０から振動の検出値である加速度をサンプリングして、異常振動や振動の有無などの状態を示す評価値を算出する。

特に、この評価値算出部１２０は、加速度センサ１１０から加速度Ａccを取り込むごとに逐次演算を行って内部メモリ（レジスタでもよい。以下同じ）の値を逐次更新する逐次更新部１２１と、逐次更新部１２１において逐次更新を完了した値に基づいて、振動速度の実効値に換算可能な値を評価値として算出する実効値算出部１２２とを備える。

無線部１３０は、評価値と個体ＩＤ１３２とを変調した電波を、導体パターンとして形成されたアンテナパターン１３１を介して、無線送信する。ここでは、任意の通信方式が採用できる。例えば、次の通信方式を採用することが好ましい。
・Bluetooth〈登録商標〉（Bluetooth Low Energy含む）
・ZigBee
・SIGFOX
・LoRa
・LoRaWAN
・LPWA（Low-Power Wide-Area Network）
・2.4GHz帯、920MHz帯、429MHz帯のIoT向けの通信規格方式
また、個体ＩＤ１３２は、状態監視タグ１００を一意に識別可能な個体識別情報である。

状態監視タグ１００が複数使用される場合に備えて、無線部１３０には、周波数ホッピングや周波数拡散や符号拡散やリトライや時分割などの周知の混信対策も施される。

蓄電部１４１は、光発電部１００ａにおいて光発電した電荷を蓄積する。例えば、地区転部１４１は、光発電部１００ａの発電層を表裏から挟む電極層（キャパシタ）により構成される。蓄電部１４１は、蓄積された電荷を放電電圧や放電電流に変換して、電源パターンＶccおよびグランドパターンＧＮＤを介して、加速度センサ１１０、評価値算出部１２０、および無線部１３０に電源を供給する。なお、蓄電部１４１と電源ラインＶccとの間に、蓄積電荷量が所定量を超えると放電するスイッチ回路や、電圧安定化回路や、昇圧回路を設けてもよい。

なお、電源パターンＶccと無線部１３０との間に、電子スイッチ１３３を電気的に挿入してもよい。この電子スイッチ１３３は、評価値算出部１２０のポート出力によりオンオフ制御がなされる。電子スイッチ１３３は平時にオフ状態を維持し、電源電位の代わりにグランド電位などを出力することで無線部１３０を安定的に休止させる。評価値算出部１２０は、評価値を算出した後の無線送信の期間に限って、電子スイッチ１３３をオン状態に維持して、無線部１３０に無線送信のための電源を供給する。

図２は、状態監視システム３００のシステム構成を説明する図である。
同図において、状態監視システム３００は、複数の状態監視タグ１００、通信部３１０、および監視部３２０を備えて構成される。

状態監視タグ１００は、監視対象２００の振動を監視する箇所に貼り付けられる。監視対象２００としては、電動機や発電機や照明具やハードディスクや橋梁や建物やロボットのように振動状態から異常や故障などの予兆を検知し得る対象物が好適である。また、携帯電話やスマートフォンのように振動状態を用いて情報出力（着信報知など）する対象物にも好適である。一つの監視対象２００に対して複数個所に状態監視タグ１００を貼り付けることで、監視対象２００の振動パターンを多面的に監視することもできる。

通信部３１０は、状態監視タグ１００から無線送信される評価値と個体ＩＤ１３２を受信する。
監視部３２０は、通信部３１０の受信情報をネットワークＷを介して取得する。監視部３２０は、取得した評価値に基づいて、状態監視タグ１００が貼り付けられた監視対象２００（の監視箇所）について異常振動や振動の有無を監視する。

＜状態監視タグ１００の動作＞
図３は、状態監視タグ１００の動作を説明する図である。
同図に示すステップ番号に沿って説明する。

ステップＳ１１： 状態監視タグ１００の光発電部１００ａは、周辺光を受光して光発電を開始する。蓄電部１４１は、光発電された電荷の蓄積を開始する。

ステップＳ１２： 蓄電部１４１に蓄積された電荷が、動作可能電力を供給できる所定量を超えるたびに、周知のダイオードスイッチなどを介して、蓄電部１４１の電源電圧は電源ラインＶccに電気的に接続される。

ステップＳ１３： 加速度センサ１１０および評価値算出部１２０には、電源ラインＶccを介して電源が供給される。なお、無線部１３０については、オフ状態の電子スイッチ１３３により、電源は供給されず、安定した休止状態を維持する。

ステップＳ１４： 評価値算出部１２０は、次の一連のデータを整数領域として内部メモリに確保し、値を初期化する。整数領域のビット長は、格納する値の最大値を格納しうる程度に予め設計される。

『初期化処理』
サンプリング周波数： ＳFreq＝１０００（一例）
サンプリング回数： ｄnum＝１００（一例）
加速度： Ａcc＝０
最大加速度： Ａmax＝０
時系列順： ｎ＝０
速度値： ＳＡcc＝０
速度和： Ｖsum1＝０
速度平方和： Ｖsum2＝０
第１次補正項： Ｖsum21＝０

さらに、評価値算出部１２０は，サンプリング周波数ＳFreqに応じたサンプリング間隔でタイマー割り込み機能（ステップＳ１５～Ｓ２２）を設定する。

ステップＳ１５： 評価値算出部１２０は、サンプリング周波数ＳFreqに応じたサンプリング間隔でタイマー割り込みが発生すると、加速度センサ１１０から最新の加速度（オフセット誤差含む）を取得する。評価値算出部１２０は、最新の加速度値で内部メモリ上の加速度Ａccを上書き更新する。

ステップＳ１６： 逐次更新部１２１は、内部メモリ上の時系列順ｎの値を１つ増やす。

ステップＳ１７： 逐次更新部１２１は、加速度の絶対値｜Ａcc｜が最大加速度Ａmaxを超える場合、内部メモリ上の最大加速度Ａmaxを加速度の絶対値｜Ａcc｜の値で上書き更新する。

ステップＳ１８： 逐次更新部１２１は、速度値ＳＡccに加速度Ａccを積算し、その積算値で内部メモリ上の速度値ＳＡccを上書き更新する。

ステップＳ１９： 逐次更新部１２１は、速度和Ｖsum1に速度値ＳＡccを積算し、その積算値で内部メモリ上の速度和Ｖsum1を上書き更新する。

ステップＳ２０： 逐次更新部１２１は、速度平方和Vsum2に速度値ＳＡccの平方値を積算し、その積算値で内部メモリ上の速度平方和Vsum2を上書き更新する。

ステップＳ２１： 逐次更新部１２１は、第１次補正項Ｖsum21に「速度値ＳＡccと時系列順ｎとの積」を積算し、その積算値で内部メモリ上の第１次補正項Ｖsum21を上書き更新する。

ステップＳ２２： 逐次更新部１２１は、時系列順ｎがサンプリング回数ｄnumに達しない場合、ステップＳ１５に動作を戻し、次のタイマー割り込みを待機する。
一方、時系列順ｎがサンプリング回数ｄnumに達すると、評価値算出部１２０は、タイマー割り込み機能を設定解除し、ステップＳ２３に動作を進める。

ステップＳ２３： 実効値算出部１２２は、上書き更新の逐次繰り返しを完了した値（速度値ＳＡcc、速度和Ｖsum1、速度平方和Vsum2、第１次補正項Ｖsum21）と、サンプリング周波数ＳFreq、加速度Ａccの取得数ｎと、１からｎまでの自然数の平方和である第０次補正項Ｖsum20と、予め定めた係数Ｚと、予め定めた除数Ｌと、加速度センサ１１０の出力スケールＸscale（＝１倍，２倍，または４倍）とに基づいて、次式と等しい、補正済み実効値Ｖrmsまたはその平方Ｖrms²を求める。

ＶＳ１＝Ｚ・（Ｖsum1－ＳＡcc・（ｎ＋１）／２）／ＳFreq／Ｌ
ＶＳ２＝Ｚ²（Ｖsum2－２・Ｖsum21・ＳＡcc／ｎ＋
Ｖsum20・ＳＡcc／ｎ・ＳＡcc／ｎ）／ＳFreq²／Ｌ²
Ｖrms²＝Ｘscale²（ＶＳ２－ＶＳ１²／ｎ）／ｎ
Ｖrms＝Ｘscale√（（ＶＳ２－ＶＳ１²／ｎ）／ｎ）

ここで、加速度センサ１１０の出力単位が重力加速度の倍数単位Ｇである場合は、
係数Ｚ＝９８０７
除数Ｌ＝１０００
とする。この「係数９８０７の整数乗算」と、「除数１０００の整数除算」により、重力加速度９．８０７ｍ／ｓ^２）の乗算による単位換算（単位ｍＧ→ＭＫＳ単位系）が実現する。

なお、評価値算出部１２０は、整数値演算を行うため、桁落ちしないようにかけ算や累乗をなるべく先行しつつ、整数表現可能な最大ビット数をオーバーフローする場合は除算を先行して行うように演算順序を調整する。例えば、次式のような演算順序が好適である。

ＶＳ１＝９８０７（Ｖsum1－ＳＡcc・（ｎ＋１）／２）／ＳFreq／１０００
ＶＳ２＝９６１７７（Ｖsum2－２・Ｖsum21・ＳＡcc／ｎ＋
Ｖsum20・ＳＡcc／ｎ・ＳＡcc／ｎ）／ＳFreq²／１０００
Ｖrms²＝Ｘscale²（ＶＳ２－ＶＳ１²／ｎ）／ｎ
Ｖrms＝Ｘscale√｛（ＶＳ２－ＶＳ１²／ｎ）／ｎ｝

ここで、「係数９６１７７の整数乗算」と、「除数１０００の整数除算」により、重力加速度の平方９６．１７７の乗算による単位換算（単位Ｇ²→ＭＫＳ単位系）が実現する。

また、係数演算を最終式にまとめて評価値算出部１２０の演算時間（回数）を短縮する場合は、次のような演算順序も好適である。

Ｓ１＝Ｖsum1－ＳＡcc・（ｎ＋１）／２
Ｓ２＝Ｖsum2－２・Ｖsum21・ＳＡcc／ｎ＋Ｖsum20・ＳＡcc／ｎ・ＳＡcc／ｎ
Ｖrms²＝Ｘscale²・Ｚ²・（Ｓ２－Ｓ１²／ｎ）／ｎ／ＳFreq²／Ｌ²
Ｖrms＝Ｘscale・Ｚ・［√｛（Ｓ２－Ｓ１²／ｎ）／ｎ｝］／ＳFreq／Ｌ

さらに、乗除算を２進数のシフト演算で行うことで、演算時間を短縮してもよい。例えば、Ｚ／ＳFreq／Ｌを２の冪数表現とするため、除数Ｌを１０２４（＝２¹⁰）とし、係数Ｚを１００４２（＝９．８０７×１０２４）とし、サンプリング周波数ＳFreqを例えば１２５５Ｈｚ（＝１００４２÷２^３）として初期設定する。また、加速度Ａccの取得数ｎを２の冪数値として例えば１２８（＝２⁷）に初期設定する。

この初期設定により、次式のように２進数のシフト演算によって演算時間の短縮が可能になる。
Ｓ１＝Ｖsum1－ＳＡcc・（ｎ＋１）／２
Ｓ２＝Ｖsum2－２・Ｖsum21・ＳＡcc／２^７＋Ｖsum20・ＳＡcc／２^７・ＳＡcc／２^７
Ｖrms²＝Ｘscale²｛（Ｓ２－Ｓ１²／２^７）／２^７｝／２¹⁴
Ｖrms＝Ｘscale・［√｛（Ｓ２－Ｓ１²／２^７）／２^７｝］／２⁷

以上のようにして、評価値算出部１２０は、振動速度の実効値Ｖrms（センサ出力のオフセット誤差を補正済み）、またはその平方値Ｖrms²を、振動の異常／正常または振動の有無を監視するための評価値として算出する。

ステップＳ２４： 評価値算出部１２０は、評価値の算出を完了した後に、ポート出力により電子スイッチ１３３を所定期間（無線送信のための時間程度）にわたりオン状態に維持する。これによって、無線部１３０に電源が供給される。評価値算出部１２０は、補正済みの実効値Ｖrms（またはその平方値）を無線部１３０に伝達する。

ステップＳ２５： 無線部１３０は、補正済みの実効値Ｖrms（またはその平方値）を評価値として、個体ＩＤ１３２と共に変調して無線送信する。

以上の一連の動作の後、評価値算出部１２０はステップＳ１２に戻って動作を繰り返す。この繰り返しにより、蓄電部１４１の蓄電荷量の状態に従って、評価値の無線送信が継続的または間欠的に実施される。
なお、この繰り返しに際して、評価値算出部１２０がタイマー割り込みによって次回の起動時間を設定してもよい。この場合、評価値の演算と無線送信は次回の起動時間に合わせて所定間隔おきに実施される。

＜状態監視システム３００の動作＞
図４は、状態監視システム３００の動作を説明する図である。

同図に示すステップ番号に沿って、状態監視システム３００の動作を説明する。

ステップＳ１０１： 状態監視システム３００の通信部３１０は、受信電波の検波を開始する。

ステップＳ１０２： 通信部３１０は、状態監視タグ１００から電波を受信するまで待機する（ステップＳ１０２のＮＯ側）。状態監視タグ１００から電波を受信すると、通信部３１０はステップＳ１０３に動作を移行する。

ステップＳ１０３： 通信部３１０は、状態監視タグ１００の電波から個体ＩＤ１３２と振動速度の補正済み実効値Ｖrmsとを復調する。通信部３１０は、復調結果を、ネットワークなどを介して監視部３２０に伝達する。

ステップＳ１０４： 監視部３２０は、伝達された個体ＩＤ１３２により、状態監視タグ１００が貼付された監視対象２００（またはその監視箇所、以下同じ）を特定する。

ステップＳ１０５： 監視部３２０は、特定された監視対象２００について、現在日時を示すタイムスタンプと補正済み実効値Ｖrmsを履歴保存する。

ステップＳ１０６： 監視部３２０は、特定された監視対象２００について予めユーザ（またはシステム設計者）が設定した警報ルールに従って、補正済み実効値Ｖrmsの異常／正常または振動の有無を判定する。この警報ルールに合致した場合、監視部３２０はステップＳ１０７に動作を移行する。警報ルールに合致しない場合、監視部３２０はステップＳ１０８に動作を移行する。

橋梁などの建造物の監視では、建造物の実験やシミュレーションによって経年変化や損傷で生じる振動変化を求め、その振動変化に基づいて警報ルールを策定することが好ましい。

また、電動機などの監視では、電動機の経年変化や潤滑剤切れや消耗や故障によって生じる振動変化に基づいて警報ルールを策定することが好ましい。

さらに、携帯電話やスマートフォンのように振動状態を用いて情報出力（着信報知など）する対象物の場合は、情報出力に伴う振動変化を警報ルールに策定することが好ましい。

ステップＳ１０７： 監視部３２０は、警報ルールに基づいて、監視対象２００に異常振動／異常停止／振動有無などが生じた旨をユーザ（の端末など）に警報する。

ステップＳ１０８： 監視部３２０は、個体ＩＤ１３２による監視対象２００別の履歴データの経時的な変化により、将来の故障時期（寿命，交換時期、保守点検時期など）を予測する。この故障予測も監視対象２００ごとに異なるため、予めユーザ（またはシステム設計者）が故障予測ルールとして策定する。

ステップＳ１０９： 監視部３２０は、故障予測ルールに基づいて、監視対象２００（の監視箇所）に故障時期をユーザ（の端末など）に通知する。

上述した一連の動作を完了した後、状態監視システム３００はステップＳ１０１に動作を戻して、状態監視を繰り返す。

＜実施例１の数式について＞
続いて、実施例１に使用した数式について詳しく説明する。

加速度センサ１１０には、監視対象２００の振動による加速度の他に、一定の重力加速度がかかる。また、加速度センサ１１０の出力には低域ドリフト変動が含まれる場合もある。そのため、加速度Ａccの値にはオフセット誤差が含まれる。

また、加速度Ａccを時間積分（時系列に積算）することにより、速度ＳＡccを求める。この時間積分では、積分定数に相当する速度初期値が特定されない。そのため、速度ＳＡccには、速度初期値の分だけオフセット誤差が含まれる。

したがって、加速度センサ１１０から出力される加速度の時系列データ｛Ａｉ｝に基づいて速度の実効値を算出する過程で、これらのオフセット誤差を補正する必要がある。
そのための基本的な演算手順（実施例１とは異なる手順）とその問題点について、最初に説明する。

［１］基本的な演算手順とその問題点
監視対象２００の振動は、一般には往復運動である。そのため、振動周期に対して十分に長い区間において、加速度の時系列データ｛Ａｉ｝の平均値は、理想的には往復中心の値ゼロになる。この平均値がゼロでない場合、その値は、個々の加速度Ａｉに含まれるオフセット誤差とみなすことができる。そこで、この平均値を、加速度の時系列データ｛Ａｉ｝から減ずることにより、オフセット誤差を補正した補正済み加速度の時系列データ｛ＣＡｉ｝が得られる。

このオフセット誤差の補正式の問題点は、オフセット誤差（平均値）を算出するために、加速度の時系列データ｛Ａｉ｝が全て揃うのを待たなければならない点である。そのため、加速度センサ１１０から加速度をサンプリングしている期間中は演算を開始することができず、時間損失が生じる。また、この補正式を使用するため、加速度の時系列データ｛Ａｉ｝を一旦全て記憶する必要がある。

この加速度ＣＡｉに、ＭＫＳ単位への変換係数（9.807）と、サンプリングの時間間隔（１／ＳFreq)とを乗じて積分することにより、振動速度の時系列データ{Ｖｉ}を算出する。

この振動速度の時系列データ{Ｖｉ}も往復運動である。そのため、振動周期に対して十分に長い区間において、振動速度の時系列データ｛Ｖｉ｝の平均値は、理想的には往復中心の値ゼロになる。この平均値がゼロでない場合、その値は、個々の振動速度Ｖｉに含まれるオフセット誤差と見なすことができる。そこで、この平均値を、振動速度の時系列データ｛Ｖｉ｝から減ずることにより、オフセット誤差を補正した補正済み振動速度の時系列データ｛ＣＶｉ｝が得られる。

このオフセット誤差の補正式の問題点は、オフセット誤差（平均値）を算出するために、振動速度の時系列データ｛Ｖｉ｝が全て揃うのを待たなければならない点である。そのため、その期間中は演算を行うことができず、時間損失が生じる。また、この補正式を使用するため、振動速度の時系列データ｛Ｖｉ｝を一旦全て記憶する必要がある。
この補正済み速度の数列｛ＣＶｉ｝の二乗平均の平方根を実効値Ｖrmsとして算出する。

上述したように、基本の演算手順では、加速度センサ１１０から加速度データをサンプリングしている期間中は演算を行うができず、時間損失が生じる。また、サンプリング完了後にまとめて一連の演算を行うため、全ての時系列データを一旦記憶しておく必要がある。そのため、広いメモリ領域が必要になり、かつメモリアクセスの効率も悪くなる。

そのため、状態監視タグ１００のような小さな自立電源式のデバイスにおいては、演算手順の改良が望ましい。

［２］改良された演算手順の説明
ここでは、［数４］式から出発することにより、実施例１で使用する改良後の演算手順の式を導出する。
まず、［数４］式に［数３］式を代入することにより、次式を得る。

この数式の特徴は、補正済み実効値Ｖrmsを、オフセット誤差を補正しない振動速度の時系列データ｛Ｖｉ｝で表した点である。特に、［数６］式の右辺第１項は、補正前の振動速度Ｖｉの実効値に関する項である。右辺第２項は、オフセット誤差に関する補正項である。

そこで、この右辺第１項に対して、［数２］式を代入することにより、次式を得る。次式において、ＳＡｉは、オフセット誤差を補正しない加速度の時系列データ｛Ａｉ｝を逐次積算した時系列データ｛ＳＡｉ｝である。

［数７］式の二乗項を展開することにより、次の式を得る。

この［数８］式は、上述した変数ＶＳ２に相当する算出式であり、逐次更新部１２１において上書き更新を完了した値（図３のステップＳ１６～Ｓ２１参照）で各項を置き換えることができる。
続いて、［数６］式の右辺第２項に対して、［数２］式を代入する。

この［数１０］式は、上述した変数ＶＳ１に相当する算出式であり、逐次更新部１２１において上書き更新を完了した値（図３のステップＳ１６～Ｓ２１参照）で各項を置き換えることができる。
ここまでで、変数ＶＳ１，ＶＳ２に相当する式が導出される。
［数６］式を、この変数ＶＳ１，ＶＳ２で置き換えることにより、オフセット誤差を補正した実効値Ｖrmsの算出式が得られる。

実施例１では、改良された数式を採用することにより、逐次更新部１２１による処理（図３のステップＳ１６～Ｓ２１参照）と、実効値算出部１２２による処理（図３のステップＳ２３参照）といった、二段階の演算手順が可能になる。
＜実施例１の効果＞

（１）実施例１の状態監視タグ１００は、加速度センサ１１０から振動の検出値を逐次取得し、複数の検出値に基づいて振動の異常／正常または振動の有無などの状態を示す評価値を算出し、求めた評価値を無線送信する。そのため、状態監視システム３００側では、振動の異常／正常または振動の有無などの状態を評価値に基づいて判定することが可能になる。

（２）実施例１では、複数の検出値を無線送信せずに、評価値を無線送信する。そのため、無線送信の回数を削減することが可能になり、送信電力を節約できる。

（３）実施例１では、状態監視タグ１００の評価値算出部１２０は、評価値として、振動速度に基づく値を採用する。この振動速度は、加速度の積分値であるため、監視対象２００に一時的に加わる衝撃（短時間の加速度変化）の影響を受けにくい。そのため、監視対象２００の定常振動を監視する用途に好適である。

（４）実施例１では、評価値として、振動速度の実効値に換算可能な値を採用する。この実効値は一定時間において均された値であるため、短時間の衝撃の影響を受けにくい。そのため、監視対象２００の定常振動を監視する用途に好適である。

（５）実施例１では、逐次更新部１２１が、加速度Ａccをサンプリングする時間間隔の空き時間を利用して、実効値算出に必要な準備計算（値の逐次更新）を細切れに済ませてしまう（図３のステップＳ１６～２１）。そのため、加速度Ａccのサンプリング期間を完了した時点で、実効値を算出するための下準備が完了している。このような計算の時間配分によって、評価値算出部１２０の駆動時間を短縮することができる。その結果、状態監視タグ１００の省電力化を図ることができる。

（６）実施例１では、図３のステップＳ１６～２１に示すように、逐次更新はすべて上書き更新で行われる。そのため、これらのデータを時系列に保存する必要がなく、メモリ領域を大幅に節約することができる。また、メモリのアクセス時間を短縮することもできる。

（７）実施例１では、実効値の演算において、加速度のオフセット誤差を補正することができる。そのため、加速度に含まれる定常的な重力加速度を取り除くことが可能になる。また、加速度センサ１１０に生じるドリフト成分のノイズを取り除くことも可能になる。その結果、より正確な実効値を求めることができる。

（８）実施例１では、実効値の演算において、振動速度の初期速度（積分定数）に相当するオフセット誤差を補正することができる。その結果、より正確な実効値を求めることができる。

（９）実施例１では、評価値算出部１２０は整数計算を行う。整数計算は計算速度が速く、かつ消費電力が少ない。そのため、省電力な状態監視タグ１００が実現する。

（１０）実施例１では、整数計算において桁落ちしないように乗算や累乗を先行して行い、かつ桁オーバーフローの虞がある場合は除算を先行させる。そのため、限られた桁数の整数計算において、十分な有効桁数の実効値（評価値）を求めることができる。

（１１）実施例１では、状態監視タグ１００が光発電部１００ａを有するため、半永久的に電源を確保できる。そのため、外部から電源供給の配線をする必要がない。また、電池を定期的に交換するなどの必要もない。したがって、電源のメンテナンスが不要な（つまり貼りっぱなし）の状態監視タグ１００が実現できる。

（１２）実施例１では、光発電部１００ａとして、２酸化ケイ素ソーラーセルを採用する。この２酸化ケイ素ソーラーセルは、発電効率が高い。そのため、低照度の環境下でも動作可能な状態監視タグ１００が実現する。

（１３）さらに、この２酸化ケイ素ソーラーセルは、紫外領域から赤外領域までを含む広い波長域の光によっても起電することが確認されている。そのため、実施例１の状態監視タグ１００は、可視光の不足する環境下でも、監視対象２００やその付近の広い波長域の光（例えば発熱による赤外光）で発電して動作できる。

（１４）実施例１では、光発電した電荷を蓄積し、蓄積された電荷が所定量を超えるごとに、振動センサ、評価値算出部１２０、および無線部１３０に電源供給を行う蓄電部１４１を備える。この蓄電部１４１により、瞬時には発電力が不足する環境下であっても、時間をかけて発電した電荷を蓄積することで、間欠的な動作を可能にした状態監視タグ１００が実現する。

（１５）実施例１では、蓄電部１４１を備えることで、瞬間的な光で発電した電荷を事前に蓄積し、その後の一定期間にわたって動作することもできる。そのため、状態監視タグ１００を稼働させたいタイミングで光発電部１００ａに外部光を選択的に照射するなどの態様によって、状態監視タグ１００の稼働を制御することができる。

（１６）実施例１では、評価値を算出するまでは、無線部１３０に電源を供給しない。そのため、無線部１３０の電力使用量を節約することが可能になり、省電力の状態監視タグ１００が実現する。

（１７）さらに、加速度のサンプリング期間中に無線部１３０を休止させることになるので、無線周波数帯の電波障害が加速度センサ１１０内の高感度なセンシング動作に悪影響することがない。

（１８）実施例１では、個体ＩＤ１３２を個体識別情報として無線送信する。そのため、複数の状態監視タグ１００が稼働する環境下においても、状態監視タグ１００の個体識別が可能になり、状態監視システム３００において、どの監視対象２００（の監視箇所）を監視しているかを特定することができる。

次に、実施例２として、３軸方向の実効値を合成する技術について説明する。
ここで、実施例２の構成の特徴は、図１において、加速度センサ１１０として、３軸方向（ＸＹＺ方向）の加速度を検出可能なセンサを搭載する点である。その他の構成要件については、同様であるため、同一の参照符号を付与し、重複説明を省略する。

図５は、実施例２の動作を説明する図である。
同図に示すステップ番号に沿って、実施例２の動作を説明する。

ステップＳ３１～３３： 実施例１のステップＳ１１～Ｓ１３と同じ動作。

ステップＳ３４： 実施例１のステップＳ１４の初期化処理を、ＸＹＺ３軸分についてそれぞれ実施する。

ステップＳ３５： 評価値算出部１２０は、サンプリング周波数ＳFreqに応じたサンプリング間隔でタイマー割り込みが発生すると、加速度センサ１１０から最新の加速度（オフセット誤差含む）をＸＹＺ３軸分それぞれに取得する。

ステップＳ３６： 逐次更新部１２１は、実施例１の逐次更新（ステップＳ１６～Ｓ２１）をＸ軸分について実施する。

ステップＳ３７： 逐次更新部１２１は、実施例１の逐次更新（ステップＳ１６～Ｓ２１）をＹ軸分について実施する。

ステップＳ３８： 逐次更新部１２１は、実施例１の逐次更新（ステップＳ１６～Ｓ２１）をＺ軸分について実施する。

ステップＳ３９： 逐次更新部１２１は、時系列順ｎがサンプリング回数ｄnumに達しない場合、ステップＳ３５に動作を戻し、次のタイマー割り込みを待機する。
一方、時系列順ｎがサンプリング回数ｄnumに達すると、評価値算出部１２０は、タイマー割り込み機能を設定解除し、ステップＳ４０に動作を進める。

ステップＳ４０： 実効値算出部１２２は、実施例１の実効値算出（ステップＳ２３）をＸ軸分について実施し、Ｘ軸の補正済み実効値の平方Ｐｘを求める。

ステップＳ４１： 実効値算出部１２２は、実施例１の実効値算出（ステップＳ２３）をＹ軸分について実施し、Ｙ軸の補正済み実効値の平方Ｐｙを求める。

ステップＳ４２： 実効値算出部１２２は、実施例１の実効値算出（ステップＳ２３）をＺ軸分について実施し、Ｚ軸の補正済み実効値の平方Ｐｚを求める。

ステップＳ４３： 評価値算出部１２０は、ＸＹＺ３軸分の補正済み実効値の平方Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚを合成し、補正済みの合成実効値Ｑを評価値として求める。
Ｑ＝√（Ｐｘ＋Ｐｙ＋Ｐｚ）

ステップＳ４４： 評価値算出部１２０は、評価値の算出を完了した後に、ポート出力により電子スイッチ１３３を所定期間（無線送信のための時間程度）にわたりオン状態に維持する。これによって、無線部１３０には所定期間にわたり電源が供給される。

ステップＳ４５： 無線部１３０は、補正済みの合成実効値Ｑを評価値として、個体ＩＤ１３２と共に変調して無線送信する。

以上の一連の動作の後、評価値算出部１２０はステップＳ３２に戻って動作を繰り返す。この繰り返しにより、蓄電部１４１の蓄電荷量に従って、評価値の無線送信が継続的または間欠的に実行される。
なお、この繰り返しに際して、評価値算出部１２０がタイマー割り込みを用いて次回の起動時間を設定してもよい。この場合、評価値の演算と無線送信は次回の起動時間に合わせて所定間隔おきに実施される。

＜実施例２の効果＞
実施例２は、実施例１の効果に加えて、次の効果を奏する。

（１）実施例２では、ＸＹＺ３軸の補正済み合成実効値Ｑを求める。この補正済み合成実効値Ｑの値は、向きによらず振動の大きさをあらわすスカラー量である。そのため、状態監視タグ１００をどの向きに貼り付けても、監視対象２００の振動の大きさをスカラー量として検出することができる。

（２）実施例２では、振動方向が時間的に変化（干渉）する複雑な振動パターンにおいても、向きによらず振動の大きさを補正済み合成実効値Ｑとして求めることができる。

次に、実施例３として、加速度センサをケーブル接続により状態監視装置の本体から離す例を説明する。
＜実施例３の構成＞
以下、実施例３の構成を説明する。
ただし、実施例１または実施例２と同様の構成については、同一の参照符号を付与してここでの重複説明を省略する。

図６は、状態監視装置５００の構成を示す図である。
同図において、状態監視装置５００は、加速度センサ５１０、防爆筐体５２０、シールドケーブル５３０、およびアンテナ部５４０を備える。

加速度センサ５１０は、耐久性のある外装などに収容され、モータなどの監視対象に取り付けられる。加速度センサ５１０と、防爆筐体５２０とは、シールドケーブル５３０によって接続される。

防爆筐体５２０は、設置場所の環境に応じた防爆構造を満たすように設計される。防爆構造については、次の中から選ぶことができる。
（１）安全防爆構造…公的機関の審査や試験により防爆レベルｎ（例えばレベル１）と認められた筐体
（２）防爆防振構造…内部に非可燃性の防振材を充填し、防爆を実現した筐体
（３）耐圧防爆構造…耐圧性を高めて筐体の内外の爆発に備えた筐体
（４）油入防爆構造…非可燃性の絶縁油を充填して火花が引火しないようにした筐体
（５）内圧防爆構造…非可燃性の保護気体を封入して大気圧より高くし、外部から引火性ガスが入り込まないようにした筐体

防爆筐体５２０には、内部の光発電部１００ａに光を導くための受光窓が設けられる。

シールドケーブル５３０は、難燃性の配線材が使用される。このシールドケーブル５３０の内部には、電源ラインＶｃｃ、信号線（１芯ないし複数芯）、シールド接続されたグランドラインＧＮＤが設けられる。電源ラインＶｃｃとグランドラインＧＮＤとの間には、無線部１３０から回り込む高周波ノイズや、監視対象から回り込むノイズなどを削減するためのノイズフィルタＮＦ１が設けられる。

アンテナ部５４０は、防爆筐体５２０の外面に設けられる。このアンテナ部５４０は、防爆筐体５２０内の無線部１３０と電気接続され、外部に対して無線電波を放射する。

図７は、状態監視装置５００を使用する状態監視システム３００ａを説明する図である。
同図において、状態監視システム３００ａは、複数の状態監視装置５００、通信部３１０、および監視部３２０を備えて構成される。

状態監視装置５００の加速度センサ５１０は、監視対象２００の振動を監視する箇所に貼り付けられる。防爆筐体５２０は、シールドケーブル５３０を介して、監視対象２００から離して配置される。

＜実施例３の動作＞
次に、図６および図７を参照しながら、実施例３の動作について説明する。
まず、防爆筐体５２０の受光窓からの入射光は、光発電部１００ａにおいて電力に変換され、蓄電部１４１に蓄えられる。光発電部１００ａの受光面の大きさは、防爆筐体５２０のサイズに合わせて設計されるため、実施例１，２の小さな状態監視タグに比べて、発電効率は高くなる。

蓄電部１４１に蓄えられた電力は、防護筐体５２０内の各部に供給されると共に、シールドケーブル５３０内の電源ラインＶｃｃおよびグランドラインＧＮＤを介して、加速度センサ５１０に供給される。

電力を給電された加速度センサ５１０は、監視対象２００の振動を加速度として検出し、加速度のデータを出力する。この加速度のデータは、シールドケーブル５３０内の信号線を介して、防爆筐体５２０内の評価値算出部１２０に入力される。

防爆筐体５２０内では、加速度のデータを処理して、補正済み実効値Ｖrmsを算出する。この算出の過程は、実施例１または実施例２と同じため、ここでの重複説明を省略する。

無線部１３０は、補正済み実効値Ｖrmsと個体ＩＤとを無線電波として、防爆筐体５２０の外面に配設されたアンテナ部５４０から送信する。

送信された無線電波は、状態監視システム３００ａの通信部３１０に受信され、実施例１または実施例２と同じように、監視対象２００の状態監視が行われる。

＜実施例３の効果＞
実施例３は、実施例１および実施例２の効果に加えて、次の効果を奏する。

（１）実施例３では、加速度センサ５１０を監視対象２００に配置し、防爆筐体５２０を監視対象２００から適度に離して配置する。そのため、防爆筐体５２０は、監視対象２００の振動を直に受けず、長期に運用しても振動による故障は起こりづらい。

（２）実施例３では、アンテナ部５４０を防爆筐体５２０側に設けることで、アンテナ部５４０を監視対象２００から離して配置する。そのため、アンテナ部５４０は、監視対象２００による電波妨害を受けにくく、通信性能を高めて通信可能距離を長くすることができる。

（３）実施例３では、防爆筐体５２０を使用する。そのため、火花や油が飛ぶような劣悪な環境下においても、防爆筐体５２０の内部を堅牢に保護することができる。

＜実施形態の補足事項＞
なお、実施形態では加速度センサ１１０を振動センサとして採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。振動センサとしては変位センサや圧力センサや圧電センサや速度センサなど、振動を検出するセンサ全般が使用できる。

また、実施形態では、評価値として実効値を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。評価値としては、振動の異常／正常または振動の有無などの状態を示す値であればよい。例えば、評価値として、振動加速度の実効値や、振動変位の実効値などを採用することが好ましい。

さらに、実施形態では、実効値を演算により求めている。しかしながら、本発明はこれに限定されない。振動が単振動とみなせる場合は、振動の振幅を求めてオフセット誤差を補正し、補正済み振幅を１／√２倍すれば実効値を簡略に求めることができる。

また、実施形態では、図３のステップＳ１７において、最大加速度Ａmaxを求める。無線部１３０において、この最大加速度Ａmaxを更に無線送信してもよい。その場合、状態監視システム３００において監視対象２００に加わる衝撃を最大加速度Ａmaxとして監視することも可能になる。

さらに、実施形態では、無線部１３０は無線送信するのみである。しかしながら、本発明はこれに限定されない。無線部１３０に無線受信の機能を付加してもよい。この場合、外部から受信した命令に従って、状態監視タグ１００の稼働パターンを任意に変更できる。このようにすれば、外部が所望するタイミングで状態監視タグ１００に評価値を無線送信させることができる。

また、外部から起動命令として特定の状態監視タグ１００の個体ＩＤ１３２を送信してもよい。この場合、対応する個体ＩＤ１３２を有する状態監視タグ１００のみが評価値の無線送信を実施する。このようにすれば、外部が所望するタイミングで、特定の状態監視タグ１００に評価値を無線送信させることが可能になる。

なお、光発電部１００ａの起電圧や起電流を復調して光信号の命令を取り出す復調回路を設けてもよい。この復調回路により、光発電部１００ａにおいて光信号を受信することが可能になる。この光信号の命令に評価値算出部１２０が従うことにより、状態監視タグ１００の稼働パターンを外部から任意に変更できる。このようにすれば、外部からの光信号によって、所望するタイミングで状態監視タグ１００に評価値を無線送信させることができる。

また、外部から光信号として特定の状態監視タグ１００の個体ＩＤ１３２を送信してもよい。この場合、対応する個体ＩＤ１３２を有する状態監視タグ１００のみが評価値の無線送信を実施する。このようにすれば、外部からの光信号によって、所望するタイミングで、特定の状態監視タグ１００に評価値を無線送信させることが可能になる。

さらに、オフセット誤差が無視できる場合には、速度平方和Vsum2に基づいて次式の実効値Vrms′を求めてもよい。
Vrms′=Xscale・Z・｛√（Vsum2／n｝｝／ＳFreq／L

また、実施例では、蓄電部１４１の蓄電荷量が所定量を超えると、加速度センサ１１０および評価値算出部１２０に電源を供給する。しかしながら、本発明はこれに限定されない。加速度センサ１１０や評価値算出部１２０に対して常に電源供給を行ってもよい。その場合、状態監視タグ１００は、振動の検出と評価値の算出によって監視対象を常時監視することが可能になる。そして、評価値が異常振動や異常停止や振動有無などの異常状態を示した場合に電子スイッチ１３３をオン制御し、無線部１３０を起動して異常状態を無線送信する。これにより、「常時は監視」かつ「異常時は外部へ送信」という実用性の高い状態監視タグ（システム）が実現する。

なお、実施例では、評価値を算出した直後に無線部１３０に電源を供給する。その結果、振動の検出から時間を置かずに評価値を無線出力するため、高速に変化する状態をほぼリアルタイムに監視する用途に好適である。しかしながら、本発明はこれに限定されない。評価値の算出後に所定の発電時間をおいた後に、無線部１３０に電源を供給してもよい。この場合、発電時間をおくことで蓄電部１４１の蓄電荷量が増すため、無線部１３０の送信電力を強めることができる。それによって、状態監視タグ１００の無線送信可能な距離を更に拡大することが可能になる。

また、この動作を連続的に行う場合は、（今回の振動の検出・評価値の算出）→（発電時間の待機）→（今回の評価値を無線送信）→（次回の振動の検出・評価値の算出）を繰り返すことが好ましい。この場合、無線送信の前に発電時間の待機が常に入るため、送信電力の確保が容易くなる。

なお、実施例２では、補正済み合成実効値Ｑを無線送信している。しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、３軸方向の各評価値をそれぞれ無線送信してもよい。この場合、３軸方向の各評価値に基づいて振動の向きを求めることが可能になる。

１００…状態監視タグ、１００ａ…光発電部、１１０…加速度センサ、１２０…評価値算出部、１２１…逐次更新部、１２２…実効値算出部、１３０…無線部、１３２…個体ＩＤ、１３３…電子スイッチ、１４１…蓄電部、２００…監視対象、３００…状態監視システム、３１０…通信部、３２０…監視部、５００…状態監視装置、５１０…加速度センサ、５２０…防爆筐体、５３０…シールドケーブル、５４０…アンテナ部

Claims (9)

1. 振動を検出する振動センサと、
   前記振動センサから前記振動の検出値を逐次取得し、複数の前記検出値に基づいて前記
   振動の異常／正常または前記振動の有無の状態を示す評価値を算出する評価値算出部
   と、
   前記評価値算出部が算出した前記評価値を無線送信する無線部と、
   光発電により電源供給を行う光発電部と
   を備える状態監視装置であって、
   前記振動センサは、
   前記検出値として、前記振動の加速度Ａccを逐次出力する加速度センサであり、
   前記評価値算出部は、
   
   逐次出力される前記加速度Ａccごとに、前記加速度Ａccを積算した速度値ＳＡccと、
   前記速度値ＳＡccの平方値を積算した速度平方和Vsum2を逐次更新する逐次更新部と、
   前記逐次更新部において逐次更新を完了した値に基づいて、前記振動の速度の実効値
   に換算可能な値を前記評価値として算出する実効値算出部と
   を有することを特徴とする状態監視装置。
2. 請求項１に記載の状態監視装置において、
   前記逐次更新部は、
   逐次出力される前記加速度Ａccごとに、前記加速度Ａccを積算した速度値ＳＡccを逐次更新し、
   逐次更新される前記速度値ＳＡccごとに、前記速度値ＳＡccを積算した速度和
   Ｖsum1を逐次更新し、
   逐次更新される前記速度値ＳＡccごとに、前記速度値ＳＡccの平方値を積算した速度平方和Vsum2を逐次更新し、
   逐次更新される前記速度値ＳＡccごとに、前記速度値ＳＡccとその時系列順ｎとの積を積算した第１次補正項Ｖsum21を逐次更新し、
   前記実効値算出部は、
   前記逐次更新部において逐次更新を完了した値（前記速度値ＳＡccと、前記速度和Ｖ
   sum1と、前記速度平方和Vsum2と、前記第１次補正項Ｖsum21）と、加速度Ａccのデータ数ｎと、加速度Ａccのサンプリング周波数ＳFreqと、１からｎまでの自然数の平方和である第０次補正項Ｖsum20と、予め定めた係数Ｚと、予め定めた除数Ｌとに基づいて、
   次式に示す、誤差補正済みの実効値Ｖrmsに換算可能な値を前記評価値として求める
   ＶＳ１＝Ｚ・（Ｖsum1－ＳＡcc・（ｎ＋１）／２）／ＳFreq／Ｌ
   ＶＳ２＝Ｚ²（Ｖsum2－２・Ｖsum21・ＳＡcc／ｎ＋
   Ｖsum20・ＳＡcc／ｎ・ＳＡcc／ｎ）／ＳFreq²／Ｌ²
   Ｖrms²＝（ＶＳ２－ＶＳ１²／ｎ）／ｎ
   ことを特徴とする状態監視装置。
3. 請求項２に記載の状態監視装置において、
   前記加速度センサは、
   ３軸方向の加速度を出力し、
   前記評価値算出部は、
   前記実効値の平方Ｖrms2を前記３軸方向ごとに求めて合成し、３軸の合成実効値の平方を求め、前記３軸の合成実効値に換算可能な値を前記評価値として求める
   ことを特徴とする状態監視装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の状態監視装置において、
   前記評価値算出部は、整数計算により前記評価値を求める
   ことを特徴とする状態監視装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の状態監視装置において、
   前記光発電部は、
   ２酸化ケイ素ソーラーセルである
   ことを特徴とする状態監視装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の状態監視装置において、
   前記光発電部は、
   光発電した電荷を蓄積し、前記振動センサ、前記評価値算出部、および前記無線部に
   電源供給を行う蓄電部を備える
   ことを特徴とする状態監視装置。
7. 請求項６に記載の状態監視装置において、
   前記蓄電部は、
   前記評価値が算出された後に、前記無線部に電源供給を行う
   ことを特徴とする状態監視装置。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の状態監視装置において、
   前記無線部は、
   前記状態監視装置ごとに割り当てられた個体識別情報を保持し、『個体識別情報の無
   線送信』および『対応する個体識別情報の受信に対する前記評価値の無線送信』の少なく
   とも一つを行う
   ことを特徴とする状態監視装置。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の状態監視装置と、
   前記状態監視装置から無線送信される前記評価値を受信する通信部と、
   前記通信部で受信された前記評価値に基づいて、前記状態監視装置が貼り付けられた監
   視対象について振動の異常／正常または振動の有無を監視する監視部と、
   を備えることを特徴とする状態監視システム。

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