JP7414464B2 - 加速度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、加速度信号を検出する加速度検出装置に関する。

風力発電は、今後大量導入が期待される再生可能エネルギの一つであり洋上風力発電など設置領域が岸から離れた沖合に拡大されつつある。
風力発電装置は、風力を受けるブレードに接続される主軸を回転させ、増速機により主軸の回転を増速させた上で発電機のロータを回転させることによって発電が行われる。主軸ならびに増速機および発電機の回転軸の各々は、転がり軸受によって回転自在に支持されており、そのような軸受の異常を診断する状態監視システム（ＣＭＳ：Condition Monitoring System）が知られている。このような状態監視システムにおいては、回転機の軸受に固設された加速度センサ（振動センサ）により測定される振動波形データを用いて、軸受に損傷が発生しているか否かが診断される。風力発電設備の設備利用効率を上げるためには異常の兆候検知と機器点検時間の短縮が不可欠である。
ＣＭＳは、加速度センサ、変位センサ、温度センサなどのセンサが各測定対象部位に取り付けられ、連続もしくは断続的にデータ収集を行い部品の異常を検出する。

異常の兆候を早期にとらえる、また、監視対象を増やすという観点から計測点数（計測箇所）を増やすことが有効である。特に、機械装置は、劣化が振動の増加や振動モードの変化によってとらえられるので、振動センサの設置数を増やすことが望まれる。
加速度センサとしては、信号を検出する素子が圧電素子（ピエゾ素子）であるセンサがこれまで広く使われている。加速度センサからの電荷出力は、信号線を通してチャージアンプに入力され、電圧信号に変換されデータロガー（データ収集装置）に入力される。また、センサ部にアンプを有する場合には、直接信号線を介してデータロガーに入力される。

特許文献１には、複数の風力発電装置にそれぞれ対応して設けられる複数のデータ処理装置を備え、複数のデータ処理装置の各々は、対応する風力発電装置に設置されたセンサの出力からトリガ信号を発生するトリガ発生部と、前記複数のデータ処理装置のうちの他のデータ処理装置からの外部トリガ信号を受信するトリガ受信部と、前記トリガ発生部または前記トリガ受信部の出力に応じて前記センサの出力の要否を判断し計測データを抽出するデータ抽出部とを備える、状態監視システムが記載されている。

特開２０１９－５２９６４号公報

加速度センサを多数配置して異常検出を行うためには、以下の課題がある。
加速度センサを配置すると、配置したセンサの数の分だけ計測チャンネルが必要となり、計測チャンネルの数だけ計測コストが増加することになる。この計測コストは、加速度センサを用いた計測に関わるあらゆるコストをいう。例えば、センサ、信号ケーブル、アンプ、データロガーなどのハードウエアのコストと、収集されたデータのデータストレージや信号処理に関わるソフトウエアや処理時間も含めたコストと、センサの設置計画・設計、実装（敷設）に関わる製造上のコストと、メンテナンスのコストとがかかる。
計測点数を増やすことで、センサ数が増加することは止むを得ないものの、それ以外についてはコストが上がらないことが望ましい。

また、超電導発電機などの極低温機器内部にセンサを設置する場合には、以下の課題がある。
超電導発電機などの極低温機器内部にセンサを設置する場合には、センサからの信号線を通じて常温領域から極低温環境内に熱が侵入して、熱負荷が増大する。熱負荷の増大は、冷却コストを上げるだけでなく、熱侵入量が過大であるならば超電導装置自体が成立しなくなる。例えば、極低温機器（クライオスタット）内に多数のセンサを配置すると、信号線からの熱侵入量が増加する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、加速度センサの増加に対して信号系統数を低減できる加速度検出装置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、本発明による加速度検出装置は、計測箇所の加速度を圧電素子を用いて検出する複数の加速度センサと、複数の前記加速度センサを電気的に直列接続する信号ケーブルと、を備え、前記圧電素子は、前記信号ケーブルを介して電気的に直列接続され、前記加速度センサは、加速度入力を受けると電荷を出力する前記圧電素子と、前記圧電素子を内部に収容して静電シールドを形成するシールドケースと、前記シールドケースに設けられ、前記圧電素子の一方の端子と電気的結合を取るための第１コネクタと、前記シールドケースに設けられ、前記圧電素子の他方の端子と電気的結合を取るための第２コネクタと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、加速度センサの増加に対して信号系統数を低減できる加速度検出装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る加速度検出装置の全体構成図である。 上記実施形態に係る加速度検出装置の加速度センサの構成を示す模式図である。 上記実施形態に係る加速度検出装置の終端に配置される加速度センサの構成を示す模式図である。 上記実施形態に係る加速度検出装置の終端に配置される加速度センサの構成を示す模式図である。 上記実施形態に係る加速度検出装置のハブの形態の一例を示す模式図である。 上記実施形態に係る複数のハブを用いて構成した加速度検出装置の一例を示す模式図である。 上記実施形態に係る加速度検出装置を構成する加速度センサの構成を示す模式図である。 上記実施形態に係る加速度検出装置のマトリックスセンサを実現する加速度センサの一例を示す模式図である。 上記実施形態に係るマトリックスセンサを用いた加速度検出装置の構成を示す模式図である。 上記実施形態に係る加速度検出装置の加速度センサの構成を示す模式図である。 上記実施形態に係る加速度検出装置の二重化構成の形態の一例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る加速度検出装置の全体構成図である。
本実施形態は、本発明を長期の運転を行い保守点検が必要となる機械装置の状態観察に用いられる多点計測センサに適用した例である。
図１に示すように、加速度検出装置１は、計測箇所の加速度（振動）を圧電素子１１（図２参照）を用いて検出する複数の加速度センサ１０－１，１０－２，…，１０－ｎと、各加速度センサ１０－１，１０－２，…，１０－ｎを電気的に直列接続する信号ケーブル２０－１，２０－２，…，２０－ｎと、を備える。加速度センサ１０－１，１０－２，…，１０－ｎを区別せず総称する場合は、加速度センサ１０と表記する。信号ケーブル２０－１，２０－２，…，２０－ｎを区別せず総称する場合は、信号ケーブル２０と表記する。
本実施形態では、加速度検出装置１は、さらに、加速度センサ１０の信号を増幅するチャージアンプ３０と、計測したデータを収集および保存するデータロガー（data logger）３５と、を備える。

加速度検出装置１は、加速度センサ１０と信号ケーブル２０を数珠繋ぎにして物理的に直列接続された多点計測センサを構成する。圧電素子１１（図２参照）は、信号ケーブル２０を介して電気的に直列接続される。

加速度センサ１０は、例えば、風力発電装置の主軸用軸受（図示省略）に固定され、主軸用軸受の振動波形を計測する振動センサとして用いられる。

信号ケーブル２０は、各加速度センサ１０を電気的に直列接続する。
信号ケーブル２０は、導体（芯線）２０ａ（図２参照）、絶縁体（図示省略）、導体（網組シールド）２０ｂ（図２参照）および外被（ジャケット）（図示省略）が同軸状に備えられた同軸ケーブルである。

チャージアンプ３０は、加速度センサ１０（圧電素子１１）からの電荷出力を電圧信号に変換するとともに、信号を増幅する。本実施形態では、チャージアンプ３０は、最終段の加速度センサ１０の出力側に設けられ、数珠繋ぎ（デイジーチェーン）で送られてきた各加速度センサ１０からの電荷出力を電圧信号に変換し増幅する。

データロガー３５は、計測したデータ（例えば、回転機の軸受の振動波形データ）をチャージアンプ３０から受け取り保存する。データロガー３５に保存されたデータは、図示しないデータ処理装置（ＰＣ）に送られる。データ処理装置は、予め設定されたプログラムに従って、加速度センサ１０からの振動波形データを用いて装置（例えば、回転機の軸受）の異常検出や予兆診断を行う。

［加速度センサ１０］
図２は、上記加速度検出装置１の加速度センサ１０の構成を示す模式図である。
図２に示すように、加速度センサ１０は、加速度入力を受けると電荷を出力する圧電素子１１と、圧電素子１１を内部に収容して静電シールドを形成（構成）するシールドケース１２と、シールドケース１２に設けられ、圧電素子１１の一方の端子と電気的結合を取るための第１コネクタ１３と、シールドケース１２に設けられ、圧電素子１１の他方の端子と電気的結合を取るための第２コネクタ１４と、を有する。

<圧電素子１１>
加速度センサ１０は、検知機構に圧電素子１１を用いた電荷出力のチャージ型加速度計である。圧電素子１１は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛セラミック）が選択される。
加速度センサ１０は、シールドケース１２に複数のコネクタ（ここでは、第１コネクタ１３と第２コネクタ１４）を有することで、第１コネクタ１３および第２コネクタ１４を介して、加速度センサ１０と信号ケーブル２０を数珠繋ぎにして物理的に直列接続を可能にする。

<シールドケース１２>
シールドケース１２は、直方体形状の金属ケースであり、圧電素子１１の周囲を覆って外来ノイズを低減する。
シールドケース１２は、直方体形状の対向する第１面１２ａと第２面１２ｂに、第１コネクタ１３と第２コネクタ１４を備える。これにより、加速度センサ１０同士の接続が線形となり、加速度センサ１０および信号ケーブル２０を容易に引き回すことが可能になる。

<第１コネクタ１３および第２コネクタ１４>
第１コネクタ１３は、直方体形状のシールドケース１２の第１面１２ａから延出した同軸ケーブル接続用の同軸コネクタである。第２コネクタ１４は、直方体形状のシールドケース１２の第１面１２ａに対向する第２面１２ｂから延出した同軸ケーブル接続用の同軸コネクタである。
第１コネクタ１３および第２コネクタ１４は、同軸ケーブル接続用の同軸コネクタであり、これらは同一形状である。同軸コネクタの形状を同一形状とすることで、加速度センサ１０と信号ケーブル２０を数珠繋ぎにして物理的に直列接続することが容易となる。

第１コネクタ１３および第２コネクタ１４は、同軸ケーブル（信号ケーブル２０）の外側の導体２０ｂ（図２参照）に接続される。
一方、シールドケース１２の内部の圧電素子１１の信号線は、上記同軸ケーブルの内側の導体（芯線）に接続される。このため、各シールドケース１２の内部の圧電素子１１は、上記同軸ケーブルの内側の導体２０ａ（図２参照）を介して電気的に直列接続となっている。

信号ケーブル２０が第１コネクタ１３および第２コネクタ１４に接続されると外側の導体がシールドケース１２に電気的に接続され、連続した静電シールド（ファラデーシールド）が形成される。

［数珠繋ぎ（デイジーチェーン）］
図２に示すように、加速度センサ１０と信号ケーブル２０を数珠繋ぎにして物理的に直列接続された多点計測センサを構成することができる。この多点計測センサは、電気的には直列接続である。
加速度センサ１０は、コネクタを２つ（第１コネクタ１３および第２コネクタ１４）有する。このため、終端に配置される加速度センサ１０－１には、終端器（ターミネータ）１５を取り付けるか（図３参照）、コネクタ５３（図４参照）が１つだけの加速度センサ５０を設置する。この構成により、終端配置が完了し、直列接続された多点計測センサを構成することができる。

図３は、加速度検出装置１の終端に配置される加速度センサ１０－１の構成を示す模式図である。図２と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図３に示すように、終端に配置される加速度センサ１０－１には、終端器（ターミネータ）１５が取り付けられる。図３の例では、加速度センサ１０－１の第１コネクタ１３に、終端器１５が取り付けられる。終端器１５は、加速度センサ１０－１の中に納められた圧電素子１１と第一コネクタ１３を電気的に接続し、シールドケース１２を介した直列回路を構成する。

図４は、加速度検出装置１の終端に配置される加速度センサ５０の構成を示す模式図である。図２と同一構成部分には、同一符号を付している。
図４に示すように、加速度センサ５０は、加速度入力を受けると電荷を出力する圧電素子１１と、外来ノイズを低減するシールドケース５２と、信号線を接続するためのコネクタ５３と、を備える。
圧電素子１１は、シールドケース５２内部に設置され、圧電素子１１の信号線は、コネクタ５３内部まで延ばされて同軸ケーブルの内側の導体（芯線）に接続される。圧電素子１１の他端は、シールドケース５２に電気的に接続される。
コネクタ５３は、図２の第１コネクタ１３および第２コネクタ１４と同一形状であり、同軸ケーブル（信号ケーブル２０）を接続可能である。コネクタ５３を、図２の第１コネクタ１３および第２コネクタ１４と同一形状とすることで、加速度センサ５０を、終端に配置することができる。すなわち、図３の加速度センサ１０－１および終端器１５に代えて、加速度センサ５０を加速度検出装置１の終端に配置することができる。
信号ケーブル２０（図２参照）がコネクタ５３に接続されると、外側の導体がシールドケース５２に電気的に接続され、連続した静電シールド（ファラデーシールド）が形成される。
なお、加速度センサ５０は、圧電素子を用いた一般的な加速度センサの基本構成である。

以下、上述のように構成された加速度検出装置１の動作について説明する。
図１に示すように、加速度検出装置１は、加速度センサ１０が信号ケーブル２０を介して数珠繋ぎに接続されて多点計測センサを形成している。数珠繋ぎに接続された加速度センサ１０の出力は、１つのチャージアンプ３０に入力され、電圧信号に変換された後、データロガー３５に入力される。個々の加速度センサ１０は、それぞれが設置された各部位における加速度（振動）を検出する。

<信号の重ね合わせ>
それぞれの部位に設置された加速度センサ１０によって検出された加速度信号は加算されてデータロガー３５で収集される。加速度データは、所定のサンプリング周波数で収集された加速度強度の時間変化のデータである。ｎ個の加速度センサ１０によって計測された信号は、重畳されてサンプリングされるため、物理的なデータ量は１個の加速度センサ１０で計測したデータ量と同じである。加速度強度の時間変化のデータにフーリエ変換を施すことによって、加速度信号が周波数分解されたスペクトルデータを得ることができる。

例えば、２つの加速度センサ１０を直列接続して構成した多点測定センサとする。そして、１つの加速度センサの検出する加速度信号周波数をｆ１［Ｈｚ］とし、１つの加速度センサ１０の検出する加速度信号周波数をｆ２［Ｈｚ］とした場合、重畳された加速度強度の時間変化の信号は、時間軸上で重ね合された信号波形となる。フーリエ変換すると、周波数ｆ１［Ｈｚ］とｆ２［Ｈｚ］のところにピークを持つスペクトルが得られ、加速度信号の情報は失われない。

このように、加速度信号の情報は失われずデータ量を低減できる。ただし、加速度信号がどの加速度センサ１０由来の信号であるかどうかの情報は失われる。しかし、異常検出を行うためには正常時の信号からのずれが観測されればよく、場所を特定できないことは問題にならない。また、［加速度センサの並列接続］で後述するように、本多点計測センサをマトリックス構成とすることにより、重畳された加速度スペクトル信号を分離して個々のセンサに帰属させることが可能である。

［ハブ（信号接続器）の形態］
前記図３に示すように、加速度センサ１０を信号ケーブル２０を介して直接接続し、多点計測センサとする。この場合、加速度センサ１０のみを用いて機内配線しようとすると、加速度センサ１０および信号ケーブル２０を、一筆書きとなるようにセンサ配置計画をする必要がある。このため、ケーブリングが煩雑になったり無駄に引き回される信号ケーブルが発生する。これを回避するためには、物理的にはスター接続とするようにハブ（信号接続器）を介して接続することが好ましい。

図５は、上記加速度検出装置１のハブの形態の一例を示す模式図である。
図５に示すように、加速度検出装置１は、加速度センサ１０および信号ケーブル２０を物理的にスター接続するためのハブ（信号接続器）４０を備える。ハブ４０は、シールドケース４０Ａと、シールドケース４０Ａに設けられた信号入力用コネクタ４１～４３および信号出力用コネクタ４４と、スター接続のために特定コネクタ間を直列接続するように配線された内部配線４５－１～４５－３と、を有する。図５の例では、信号入力用コネクタ４１の内側の導体（芯線）は、信号入力用コネクタ４２に内部配線４５－１を介して接続され、信号入力用コネクタ４２の内側の導体は、信号入力用コネクタ４３に内部配線４５－２を介して接続される。信号入力用コネクタ４３には、終端器１５が取り付けられており、この終端器１５の内側の導体は、信号出力用コネクタ４４の内側の導体に内部配線４５－３を介して接続される。

図５に示すように、終端に配置された加速度センサ１０－１の第１コネクタ１３には、終端器１５が取り付けられるとともに、その第２コネクタ１４は信号ケーブル２０を介して加速度センサ１０－２の第１コネクタ１３に繋がれる。加速度センサ１０－２の第２コネクタ１４は、信号ケーブル２０を介してハブ４０の信号入力用コネクタ４１に繋がれる。一方、１つのコネクタ５３を有する加速度センサ５０は、そのコネクタ５３が、信号ケーブル２０を介してハブ４０の信号入力用コネクタ４２に繋がれる。また、ハブ４０の信号入力用コネクタ４３には、終端器１５が取り付けられている。

図５のハブの形態では、シールドケース４０Ａに複数の信号入力用コネクタ４１～４３と信号出力用コネクタ４４が備えられており、これらのコネクタに加速度センサ１０，５０または終端器１５が接続されると、信号出力用コネクタ４４から見ると圧電素子１１が電気的に直列接続となるように内部配線がされている。また、単独の加速度センサ５０や終端器１５で終端された加速度センサ１０－１や、信号入力用コネクタ４３に終端器１５が接続される。加速度センサ１０の第１コネクタ１３および第２コネクタ１４には、それぞれ、任意形態の電気的に直列接続された多点計測センサを繋げることができる。
なお、ハブ４０の入出力コネクタ数や内部配線は一例である。

図５に示す加速度検出装置１は、ハブ４０を介在させることで、１つのコネクタ５３を有する加速度センサ５０を用いながら、加速度センサ１０－１および加速度センサ１０－１と加速度センサ５０とを電気的に直列接続した多点計測センサを構成することができる。すなわち、図５に示す加速度検出装置１は、図３に示す加速度検出装置１と電気的には同じ多点計測センサを構成できる。
このように、加速度検出装置１は、加速度センサ１０と信号ケーブル２０を数珠繋ぎにして物理的に直列接続された多点計測センサを構成する。加速度センサ１０の圧電素子１１は、電気的には直列接続である。

複数のハブを利用してスター接続と数珠繋ぎ接続を任意に組み合わせて加速度検出装置１を構成することも可能である。スター接続と数珠繋ぎ接続を組み合わせた例を図６に示す。

図６は、複数のハブを用いて構成した加速度検出装置の一例を示す模式図である。
図６に示すように、複数のハブを用いて構成した加速度検出装置１は、２つのハブ４０を介して多数の加速度センサ１０が物理的にスター接続と数珠繋ぎ接続で接続されている。
多数の加速度センサ１０が物理的にスター接続と数珠繋ぎ接続で接続されているが、加速度センサ１０は、電気的には直列接続されており、１台のチャージアンプを介して、データロガー３５に信号が入力される。

［加速度センサの並列接続］
図１、図３、図５に示すように、複数の加速度センサ１０を直列接続することによって信号系統数を低減できる。
ただし、加速度センサ１０（圧電素子１１）の直列接続数が増えると、信号に重畳するノイズにより計測のＳ／Ｎ（signal to noise ratio）が低下する。直列接続がｍ個の場合Ｓ／Ｎの低下は、加速度センサ１０（圧電素子１１）が一つの時にくらべると１／√ｍである。したがって、多数の加速度センサ１０を直列接続する場合には、所望の精度で計測ができるかを考慮することが好ましい。

図７は、上記加速度検出装置１の加速度センサ６０の構成を示す模式図である。図２と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図７に示すように、加速度センサ６０は、加速度入力を受けると電荷を出力する並列接続された圧電素子１１－１，１１－２と、並列接続された圧電素子１１－１，１１－２を内部に収容して静電シールドを形成（構成）するシールドケース６２と、シールドケース６２に設けられ、並列接続された圧電素子１１－１，１１－２の一方の端子と電気的結合を取るための第１コネクタ１３と、シールドケース６２に設けられ、並列接続された圧電素子１１－１，１１－２の他方の端子と電気的結合を取るための第２コネクタ１４と、を有する。

第１コネクタ１３および第２コネクタ１４は、同軸ケーブル（信号ケーブル２０）の外側の導体２０ｂ（図２参照）に接続される。
一方、シールドケース６２の内部の並列接続された圧電素子１１－１，１１－２の信号線は、上記同軸ケーブルの内側の導体（芯線）に接続される。このため、各シールドケース１２の内部の並列接続された圧電素子１１－１，１１－２は、上記同軸ケーブルの内側の導体２０ａ（図２参照）を介して電気的に直列接続となっている。

なお、シールドケース６２内に設置される圧電素子１１は、並列接続されていればよく、並列接続数は２には限定されない（３以上でもよい）。
また、前記図１、図３、図５に示す加速度検出装置１は、加速度センサ１０に代えて加速度センサ６０を用いる。この場合、各加速度センサ１０のうち、一部の加速度センサ１０を加速度センサ６０に置き換える構成でもよい。

直列接続数に増加による検出Ｓ／Ｎの低下に対しては、図７に示すように、各加速度センサ６０内に設置される、並列接続された圧電素子１１－１，１１－２を複数個配置して並列接続することによって改善される。
並列数（並列接続数）をＭとする場合、検出感度はＭ倍となる。

並列数と信号に重畳するノイズによる計測のＳ／Ｎについてまとめると、式（１）となる。
Ｓ／Ｎ ⇒ Ｍ／√ｍ …（１）
上記式（１）から、圧電素子１１の直列接続数ｍの増加によるＳ／Ｎの低下（１／√ｍ）は、並列接続による並列接続数Ｍにより、改善することができる。

一つの加速度センサ１０の場合には、圧電素子１１の並列数を増やすと、圧電素子１１の静電容量の増加により圧電素子１１とアンプ入力部の抵抗で形成されるローパスフィルターによって応答周波数が低減されることになる。
一般の実装では、ｍ＞Ｍである。この条件ｍ＞Ｍをもとにすると、直列接続の段数よって圧電素子１１の静電容量は小さくなる。このため、信号帯域の制約についてはあまり考慮しなくてもよい。

［マトリックスセンサ］
上述したように、電気的に一次元に結線された多点計測センサの場合には、重畳された加速度信号から得られたスペクトルのピークを加速度センサの位置と対応づけることできない。しかし、一次元の多点計測センサを組み合わせて二次元のマトリックスを構成すると、信号ピークとセンサ位置の対応づけをすることが可能になる。
この場合、信号系統が異なる２つの加速度センサで一つの場所の信号を計測すればよく、物理的に二次元の格子状のマトリックスをつくる必要はない。

同一地点を２つの加速度センサ１０で計測することになるので、センサ位置は厳密に一致していることが望ましい。そのため、二次元マトリックスを組むセンサは、図８のように電気的には独立したセンサであって物理的には一体化されているものが好ましい。

図８は、マトリックスセンサを実現する加速度センサの一例を示す模式図である。図２と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図８に示すように、加速度センサ７０は、第１系統の加速度センサ７０－１と、第１系統の加速度センサ７０－１に隣接して配置された第２系統の加速度センサ７０－２と、第１系統の加速度センサ７０－１および第２系統の加速度センサ７０－２を電気的に絶縁して内部に収容する筺体７７と、を備える。
加速度センサ７０は、一つの計測地点（計測箇所）で検出した加速度信号を、複数の信号系統に出力する。

詳細には、第１系統の加速度センサ７０－１は、圧電素子１１を内部に収容して静電シールドを形成（構成）する第１シールドケース７１と、第１シールドケース７１に設けられ、圧電素子１１の一方の端子と電気的結合を取るための第１コネクタ７３と、第１シールドケース７１に設けられ、圧電素子１１の他方の端子と電気的結合を取るための第２コネクタ７４と、を備える。

第２系統の加速度センサ７０－２は、第１シールドケース７１に重ねて配置され、圧電素子１１を内部に収容して静電シールドを構成（形成）する第２シールドケース７２と、第２シールドケース７２に設けられ、圧電素子１１の一方の端子と電気的結合を取るための第３コネクタ７５と、第２シールドケース７２に設けられ、圧電素子１１の他方の端子と電気的結合を取るための第４コネクタ７６と、を備える。
筺体７７は、第１シールドケース７１および第２シールドケース７２を電気的に絶縁して内部に収容する。
このように、加速度センサ７０は、電気的には絶縁されており、物理的には一体化されている２つ以上の圧電素子１１を備える。

図９は、マトリックスセンサを用いた加速度検出装置の構成を示す模式図である。図９は、加速度センサ７０を用いてマトリックスセンサが構成された加速度検出装置１を示す。
例えば、５×５のマトリックスセンサを構成した場合には、２５か所の加速度信号を検出することができる。加速度センサ７０の中に設置された２つのうち一つの圧電素子は、信号ケーブル２０を介して数珠つなぎになっており、一方の終端部は終端器１５によって電気的に接続され、他方の終端部は信号ケーブル２０を介してチャージアンプ３０に接続されている。

それぞれの加速度センサ７０からは、別々の２つのチャージアンプ３０に加速度信号が送出される。５×５のマトリックスセンサの場合、チャージアンプは１０台必要となるが、２５か所の計測に対し１０台のチャージアンプで済ませることができ、信号系統数を低減できる。

また、前記図１、図３、図５に示す加速度検出装置１は、加速度センサ１０に代えて加速度センサ７０を用いる。この場合、各加速度センサ１０のうち、一部の加速度センサ１０を加速度センサ７０に置き換える構成でもよい。

図８に示すように、加速度センサ７０は、筐体７７内部に第１系統の加速度センサ７０－１と第２系統の加速度センサ７０－２とを２系統配置し、第１系統の加速度センサ７０－１と第２系統の加速度センサ７０－２は、それぞれコネクタを２系統分（すなわち４個）備える形態となる。
電気的に２系統に接続されていればよいので、第１系統の加速度センサ７０－１および第２系統の加速度センサ７０－２を、計測地点（計測箇所）に設置したのち、適切に２系統の信号ケーブル２０（図１参照）に接続する。

［冗長性、二重化結線］
本実施形態の加速度検出装置１は、電気的に直列接続された多点計測センサに適用したものである。多点計測センサに適用した場合は、信号ケーブル２０（図１参照）の一箇所でも不具合（コネクタとの嵌合不良含む）があるとその多点計測センサに含まれる全ての加速度センサ１０からの信号が計測できなくなる。そのため信号ケーブルの二重化が必要となる。

図１０は、上記加速度検出装置１の加速度センサ８０の構成を示す模式図である。図２と同一構成部分には同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図１０に示すように、加速度センサ８０は、加速度入力を受けると電荷を出力する圧電素子１１と、圧電素子１１を内部に収容して静電シールドを形成するシールドケース８２と、シールドケース８２に設けられ、圧電素子１１の一方の端子と電気的結合を取るための第１コネクタ８３および第３コネクタ８５と、シールドケース８２に設けられ、圧電素子１１の他方の端子と電気的結合を取るための第２コネクタ８４および第４コネクタ８６と、を有する。

第１～第４コネクタ８３～８６は、同軸ケーブル（信号ケーブル２０）の外側の導体２０ｂ（図２参照）に接続される。
一方、シールドケース８２の内部の圧電素子１１の信号線は、上記同軸ケーブルの内側の導体（芯線）に接続される。このため、各シールドケース８２の内部の圧電素子１１は、上記同軸ケーブルの内側の導体２０ａ（図２参照）を介して電気的に直列接続となっている。

信号ケーブル２０が第１～第４コネクタ８３～８６に接続されると外側の導体がシールドケース８２に電気的に接続され、連続した静電シールド（ファラデーシールド）が形成される。

ここで、前記図１、図３、図５に示す加速度検出装置１は、加速度センサ１０に代えて加速度センサ８０を用いる。この場合、各加速度センサ１０のうち、一部の加速度センサ１０を加速度センサ８０に置き換える構成でもよい。

図１０に示すように、シールドケース８２の内部の圧電素子１１の一方の端子は、第１コネクタ８３および第３コネクタ８５に接続され、圧電素子１１の他方の端子は、第２コネクタ８４および第４コネクタ８６に接続される。このため、第１コネクタ８３および第３コネクタ８５に接続される信号ケーブル２０内側の導体（芯線）は、いずれも圧電素子１１の一方の端子に接続される。同様に、第２コネクタ８４および第４コネクタ８６に接続される信号ケーブル２０内側の導体（芯線）は、いずれも圧電素子１１の他方の端子に接続される。この加速度センサの構成およびケーブル結線により、信号ケーブル２０の二重化が図られる。

これにより、信号ケーブル２０の一箇所でも不具合（コネクタとの嵌合不良含む）があるとその多点計測センサに含まれる全ての加速度センサ１０からの信号が計測できなくなる事態を防止することができる。

上記二重化は、任意のレベルで行うことができる。
図１１は、加速度検出装置の二重化構成の一例を示す模式図である。
図１１に示す例では、チャージアンプ３０が２台に対し、２つの圧電素子を納められた加速度センサ７０、１つの圧電素子が納められ信号線が２重化された加速度センサ８０および２つの単体の加速度センサ１０が接続され、計測器レベルでの二重化、センサの二重化、信号ケーブルの二重化が行われている。

以上説明したように、加速度検出装置１（図１および図２参照）は、計測箇所の加速度を圧電素子１１を用いて検出する複数の加速度センサ１０と、各加速度センサ１０を電気的に直列接続する信号ケーブル２０と、を備える。加速度センサ１０は、圧電素子１１を内部に収容して静電シールドを形成するシールドケース１２と、シールドケース１２に設けられ、圧電素子１１と電気的結合を取るための第１コネクタ１３および第２コネクタ１４と、を有する。圧電素子１１は、信号ケーブル２０を介して電気的に直列接続される。さらに、加速度検出装置１は、加速度センサ１０の信号を増幅するチャージアンプ３０と、計測したデータを収集および保存するデータロガー３５と、を備える。

この構成により、加速度センサ１０と信号ケーブル２０を数珠繋ぎにして物理的に直列接続することができ、加速度センサ１０の増加に対して信号系統数（計測系統数）を低減できる。すなわち、多数の計測点数の信号を検出しながら、信号系統数を計測点数（計測箇所）を、より少なくすることができる。これにより、加速度センサを多数設置して異常検出や予兆診断を行う場合、加速度センサの増加に対して信号系統数を低減してコスト増加（計測ハードウェア、設置工数の増加）を抑制することができる。また、極低温機器内部にセンサを設置する場合に、信号線を低減することができ、信号線を通して侵入する熱侵入量を減らすことができる。

長期運転信頼性確保のため、加速度センサ１０を多数設置して異常検出や予兆診断を行うことが重要である。本実施形態に係る加速度検出装置１は、長期の運転を行い保守点検が必要となる機械装置の状態観察に用いられる多点計測センサに適用して好適である。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

上記各実施形態は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 加速度検出装置
１０，５０，６０，７０，８０ 加速度センサ
１１ 圧電素子
１１－１，１１－２ 並列接続された圧電素子
１２，４０Ａ，６２，８２ シールドケース
１３，７３，８３ 第１コネクタ
１４，７４，８４ 第２コネクタ
１５ 終端器
２０ 信号ケーブル
３０ チャージアンプ
３５ データロガー（データ収集装置）
４０ ハブ（信号接続器）
４１～４３ 信号入力用コネクタ
４４ 信号出力用コネクタ
４５－１～４５－３ 内部配線
７０－１ 第１系統の加速度センサ
７０－２ 第２系統の加速度センサ
７１ 第１シールドケース
７２ 第２シールドケース
７７ 筐体
８５ 第３コネクタ
８６ 第４コネクタ

Claims (6)

1. 計測箇所の加速度を圧電素子を用いて検出する複数の加速度センサと、
   複数の前記加速度センサを電気的に直列接続する信号ケーブルと、を備え、
   前記圧電素子は、前記信号ケーブルを介して電気的に直列接続され、
   前記加速度センサは、
   加速度入力を受けると電荷を出力する前記圧電素子と、
   前記圧電素子を内部に収容して静電シールドを形成するシールドケースと、
   前記シールドケースに設けられ、前記圧電素子の一方の端子と電気的結合を取るための第１コネクタと、
   前記シールドケースに設けられ、前記圧電素子の他方の端子と電気的結合を取るための第２コネクタと、を有する
   ことを特徴とする加速度検出装置。
2. 前記加速度センサは、
   加速度入力を受けると電荷を出力する並列接続された圧電素子と、
   並列接続された前記圧電素子を内部に収容して静電シールドを形成するシールドケースと、
   前記シールドケースに設けられ、並列接続された前記圧電素子の一方の端子と電気的結合を取るための第１コネクタと、
   前記シールドケースに設けられ、並列接続された前記圧電素子の他方の端子と電気的結合を取るための第２コネクタと、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の加速度検出装置。
3. 前記信号ケーブルを接続する信号接続器を備え、
   前記信号接続器は、前記信号ケーブルを接続可能な複数のコネクタと、
   特定の前記コネクタ間を直列接続するように配線された内部配線と、を有し、
   前記加速度センサを前記信号ケーブルを介して前記コネクタに接続した場合、前記加速度センサと前記信号ケーブルは、前記信号接続器を介して物理的にスター接続される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加速度検出装置。
4. 前記加速度センサは、一つの計測箇所で検出した加速度信号を、複数の信号系統に出力する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の加速度検出装置。
5. 前記加速度センサは、電気的には絶縁されており、物理的には一体化されている２つ以上の前記圧電素子を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の加速度検出装置。
6. 前記シールドケースは、前記信号ケーブルを複数の信号系統に接続する複数のコネクタを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の加速度検出装置。

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