WO2021153225A1 - 計測システムおよび診断システム - Google Patents

Abstract

計測システムは、環境状態量の変化に応じて音または振動を発生する振動発生部と、振動発生部により発生された音または振動により発電する振動発電部と、振動発電部が発電した電力で駆動され、所定の情報を送信する送信部と、を備える。

Description

計測システムおよび診断システム

　本発明は、計測システムおよび診断システムに関する。

　社会インフラ等の装置を無人で監視し、監視した結果を無線通信等により送信するシステムが提案されている。従来のシステムにおいては、消費電力を低減するために、監視を行う稼動状態に比べ、監視を行わない待機状態における消費電力を削減することで、省電力を図っている（特許文献１参照）。

日本国特開２０１６－２０８０６７号公報

　特許文献１のシステムにおける端末装置は、低電力化のために稼働状態と低消費電力の待機状態とを切り替える。しかし、監視対象から取得した入力信号に基づいて待機状態から稼働状態への切り替えを行うために、低消費電力の待機状態においても入力信号の受信に必要な程度の電力を常に消費する。このため、待機状態における消費電力を十分に削減することはできない。

　第１の態様によると、計測システムは、環境状態量の変化に応じて音または振動を発生する振動発生部と、前記振動発生部により発生された音または振動により発電する振動発電部と、前記振動発電部が発電した電力で駆動され、所定の情報を送信する送信部と、を備える。
　第２の態様によると、診断システムは、診断対象物の近傍に配置された第１の態様の計測システムと、前記計測システムから送信される信号を受信し、前記信号に基づいて前記診断対象物の状態を診断する受信システムと、を備える。

　本発明によれば、計測システムの消費電力を大幅に削減することができる。

第１実施形態の計測システムの概略構成を示す図。 振動発生部の第１の例を示す図。 振動発生部の第２の例を示す図。 振動発生部の第３の例を示す図。 振動発生部の第４の例を示す図。 振動発生部の第５の例を示す図。 振動発生部の第６の例を示す図。 第２実施形態の計測システムの概略構成を示す図。 診断システムの一実施形態の概略構成を示す図。

　（一実施形態の計測システム）
　以下、図１を参照して第１実施形態の計測システム１について説明する。
　図１は、第１実施形態の計測システム１の概略構成を示す図である。計測システム１は、温度、圧力、流量等の環境状態量の変化に応じて音または振動を発生する振動発生部２０と、振動発生部２０により発生された音または振動により発電する振動発電部１０と、所定の情報を送信する送信部３０とを備えている。図１では、振動発電部１０および送信部３０を、それぞれ破線で囲って示している。

　振動発電部１０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である振動発電素子１１を含んでいる。振動発電素子１１は、音または振動の周波数に等しい周波数を持つ交流電力を発電する。振動発電素子１１により発電された電力は、接続配線１２、１３により、一例として４個の整流素子を含む全波整流型の整流回路１４に伝達され、整流回路１４により整流され、コンデンサ１５に蓄電される。そして、電圧変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）１６により所定の電圧に変換され、コンデンサまたは蓄電池を含む蓄電部１７に充電される。
　なお、整流回路１４は、全波整流型に限らず、半波整流型であっても良い。

　一例として、蓄電部１７の一端（図１中の下端）は、グランドに接続されている。以下では、蓄電部１７の他端（図１中の上端）の電圧を出力電圧Ｖ１と呼ぶ。
　振動発電部１０が発電した電力に基づく出力電圧Ｖ１は、送信部３０を構成する通信回路３１の電源端子であるＶＣＣ端子に入力される。通信回路３１は一例として、トランジスタ等の増幅素子、発振素子、ＳＡＷデバイス等の周波数選択フィルタ素子を含む通信回路である。通信回路３１のＲＦ端子はアンテナ３２に接続されており、ＧＮＤ端子はグランドに接続されている。

　通信回路３１は、基準電圧である第１電圧より高い電圧がＶＣＣ端子に入力されると起動し、一例として計測システム１に固有の識別信号を含む高周波信号をＲＦ端子からアンテナ３２に出力する。すなわち、固有の識別信号を含む信号が、電波としてアンテナ３２から外部に向かって送信される。識別信号は、数字に関する情報を信号化したものであっても良く、アルファベットに関する情報を信号化したものであっても良い。

　振動発生部２０の構成の詳細については後述するが、振動発生部２０は、温度、圧力、流量等の環境状態量が概ね所定の値になると、音または振動を発生する。その際に生じる音または振動により、振動発電素子１１を含む振動発電部１０は発電を行ない、振動発電部１０の出力電圧Ｖ１が上述の第１電圧よりも高い電圧に上昇する。これにより、通信回路３１は起動され、計測システム１に固有の識別信号を含む信号が、電波としてアンテナ３２から外部に向かって送信される。

　一方、温度、圧力、流量等の環境状態量が上述の所定の値に達していない場合には、振動発生部２０は音または振動を発生せず、振動発電部１０は発電を行なわない。あるいは環境に存在する音または振動により振動発電部１０が発電を行っても、その発電量は小さい。よって、電圧変換器１６によっても、出力電圧Ｖ１を上述の第１電圧まで高めて、通信回路３１を起動させることはできない。このため、計測システム１に固有の識別信号を含む電波が、アンテナ３２から外部に向かって送信されることはない。

　従って、後述する図９に示した外部の受信システム８０は、計測システム１から送信された信号（電波）を検出することにより、計測システム１が計測している温度、圧力、流量等の環境状態量が概ね所定の値に達したことを検出することができる。
　なお、送信部３０から送信される信号は、電波による無線信号に限られるものではなく、有線による電気信号であっても良く、光による信号であっても良い。

　なお、図１においては、振動発生部２０と振動発電部１０とが離れて構成されている例を示しているが、後述するように振動発電部１０の少なくとも一部が振動発生部２０に含まれていても良い。逆に、振動発生部２０の少なくとも一部が振動発電部１０に含まれていても良い。

　（振動発生部の第１の例）
　図２を参照して、振動発生部２０の第１の例である振動発生部２０ａについて説明する。図２に示した第１の例においては、振動発電部１０のうちの振動発電素子１１は、振動発生部２０ａの内部に配置されている。

　振動発生部２０ａは、ケース２１、キャップ２２、およびガイド２３等からなる筐体を有し、筐体内に振動発電素子１１と、温度変化により形状が変動し音または振動を発生する部材の一例としての円板形状のバイメタル（バイメタルディスク）２４を有している。バイメタル２４は、一例として線膨張率が異なる２種の金属板を貼り合わせたものであり、そのうちの少なくとも１つの金属板は、比較的高い剛性を有している。バイメタル２４は、キャップ２２とガイド２３とが形成する空洞内に設置されている。

　図２（ａ）は比較的温度が低い状態における振動発生部２０ａを示している。このとき、バイメタル２４の形状は、図２（ａ）の中の上方に凸に反った形状（第１の例における第１形状）である。作動ピン２５は、ガイド２３に設けられた不図示の貫通孔を貫通して配置されている。作動ピン２５の一端はバイメタル２４の概ね中央に接し、他端はバネ部材２６の押圧部２６ａに接している。バネ部材２６の下端はケース２１に固定されており、バネ部材２６の弾性力により、バネ部材２６の押圧部２６ａは、作動ピン２５を上方に押し上げている。

　図２（ｂ）は、温度の上昇によりバイメタル２４が変形し、反りの形状が下に凸の形状（第１の例における第２形状）に急激に反転した瞬間を示す。バイメタル２４の反転に伴う衝撃力は、作動ピン２５を通じてバネ部材２６の押圧部２６ａに伝わり、バネ部材２６を急激に弾性変形させる。その結果、バネ部材２６の概ね先端部に設けられているハンマー２７が急激に移動し、振動発電素子１１を上面から叩く。振動発電素子１１は、ゴムまたはばねを含む弾性体２８を介してケース２１に支持されており、ハンマー２７に叩かれることにより振動発電素子１１は振動する。

　振動発電素子１１は、その際に生じる振動または音により、発電を行う。発電された電力は、導入部１８を経て振動発生部２０ａの外部まで繋がる接続配線１２、１３を経て、図１に示した整流回路１４に入力される。そして振動発電素子１１により発電された電力により、図１に示した計測システム１の送信部３０は起動され、計測システム１に固有の識別信号を含む信号が、電波としてアンテナ３２から外部に向かって送信される。

　従って、所定の温度において第１形状から第２形状に急激に変化（反転）するバイメタル２４を用いることにより、振動発生部２０ａが設置された環境の温度が変化し、概ね所定の温度に上昇した際に、所定の信号を外部に送信する計測システム１が実現できる。

　図２（ｃ）は、ハンマー２７が振動発電素子１１を叩いた後の状態を示す。バネ部材２６の弾性力によって、バネ部材２６に設けられているハンマー２７は振動発電素子１１から離れる。
　その後、振動発生部２０ａの周囲の温度が低下すると、バイメタル２４の形状は図２（ａ）に示したように上に凸に反った状態に戻る。しかし、この場合には、バネ部材２６に設けられているハンマー２７は上方に移動し、振動発電素子１１を叩くことはなく、振動発電素子１１が発電を行うこともない。

　ハンマー２７と振動発電素子１１の距離、バネ部材２６の弾性定数等を、適宜設定することにより、温度上昇に伴うバイメタル２４の反転に際し、ハンマー２７が一度だけ振動発電素子１１を叩く構成としても良い。
　なお、バイメタル２４の上下を上記の例とは反転して配置することにより、温度が低下するとハンマー２７が振動発電素子１１を叩き、振動発電素子１１が発電を行う構成としても良い。

　（振動発生部の第２の例）
　図３を参照して、第２の例の振動発生部２０ｂについて説明する。第２の例の振動発生部２０ｂは、その大部分が上述の第１の例の振動発生部２０ａと共通する。従って、以下では、特に第１の例の振動発生部２０ａとの相違点について説明し、共通する構成については適宜説明を省略する。

　図３（ａ）は比較的温度が低い状態における第２の例の振動発生部２０ｂを示している。第１の例の振動発生部２０ａと異なり、第２の例の振動発生部２０ｂにおいては、振動発電素子１１は、弾性体２８を介してガイド２３に支持されている。また、バイメタル２４は、低温時に下に凸となる形状（第２の例における第１形状）に反っている。この状態では、バネ部材２６の押圧部２６ａは、上方から作動ピン２５を介してバイメタル２４により下方に押されている。

　図３（ｂ）は、温度の上昇によりバイメタル２４が変形し、反りの形状が上に凸となる形状（第２の例における第２形状）に反転した瞬間を示す。このとき、バネ部材２６の押圧部２６ａを下方に押す力が解放されるので、バネ部材２６に設けられたハンマー２７は、バネ部材２６の弾性力により上方に急激に移動し、振動発電素子１１を叩く。これにより生じる振動または音により、振動発電素子１１は発電を行う。

　そして、振動発電素子１１により発電された電力により、図１に示した計測システム１の送信部３０は起動され、計測システム１に固有の識別信号を含む信号が、電波としてアンテナ３２から外部に向かって送信される。
　その後、バネ部材２６に設けられたハンマー２７は、バネ部材２６の復元力により振動発電素子１１から離れ、振動発電素子１１から離れた位置で静止する。

　その後、振動発生部２０ｂの周囲の温度が低下すると、バイメタル２４の形状は図３（ａ）に示したように下に凸に反った状態に戻る。このとき、バイメタル２４は作動ピン２５を通じてバネ部材２６に設けられたハンマー２７を急激に下方に移動させる。しかし、ハンマー２７の移動方向は、振動発電素子１１から離れる方向であり振動発電素子１１を叩くことはなく、従って、振動発電素子１１が発電を行うこともない。

　第２の例の振動発生部２０ｂにおいては、温度変化により急激に変形するバイメタル２４による衝撃力自体によってではなく、バネ部材２６の弾性力によりハンマー２７が振動発電素子１１を叩く。このため、振動発電素子１１を叩く撃力を概ね一定の大きさとすることができる。従って、振動発電素子１１に安定的に発電を行わせることができる。
　なお、第２の例の振動発生部２０ｂにおいても、バイメタル２４の上下を上記の例とは反転して配置することにより、温度が低下するとハンマー２７が振動発電素子１１を叩き、振動発電素子１１が発電を行う構成としても良い。

　（振動発生部の第３の例）
　図４を参照して、第３の例の振動発生部２０ｃについて説明する。第３の例の振動発生部２０ｃは、その大部分が上述の第１の例の振動発生部２０ａと共通する。従って、以下では、特に第１の例の振動発生部２０ａとの相違点について説明し、共通する構成については適宜説明を省略する。

　図４は比較的温度が低い状態における、第３の例の振動発生部２０ｃを示している。第３の例の振動発生部２０ｃにおけるバイメタル２４は、低温時に下に凸となる形状（第３の例における第１形状）に反っている。
　振動発生部２０ｃの周囲の温度が所定の温度以上に上昇すると、バイメタル２４は、上に凸となる形状（第３の例における第１形状）に急減に変形する。その結果、作動ピン２５はバイメタル２４により上方に急激に移動させられ、作動ピン２５が振動発電素子１１を叩く。これにより生じる振動または音により、振動発電素子１１が発電する。

　第３の例の振動発生部２０ｃの構成は、バネ部材２６を省略できるためシンプルであり、第１の例の振動発生部２０ａおよび第２の例の振動発生部２０ｂの構成に比べてコストダウンが図れる。
　一方、第１の例の振動発生部２０ａおよび第２の例の振動発生部２０ｂの構成は、振動発生部２０ａ、２０ｂの向きを重力方向に関係なく配置できるという効果がある。

　なお、第１の例から第３の例の振動発生部２０ａ～２０ｃのいずれにおいても、振動発電素子１１が設置される位置は、振動発生部２０ａ～２０ｃの内部に限らず、振動発生部２０ａ～２０ｃの近傍であっても良い。
　第１の例から第３の例の振動発生部２０ａ～２０ｃにおいては、バイメタル２４は、環境状態量としての温度の変化に応じて、形状が第１形状から第２形状に急激に変化する変形部材であるということができる。

　（振動発生部の第４の例）
　図５を参照して、第４の例の振動発生部２０ｄについて説明する。第４の例の振動発生部２０ｄは、多くの部分が上述の第３の例の振動発生部２０ｃと共通する。従って、以下では、特に第３の例の振動発生部２０ｃとの相違点について説明し、共通する構成については適宜説明を省略する。

　第４の例の振動発生部２０ｄは、環境状態量の一例である圧力に応じて音または振動を発生する。振動発生部２０ｄは、第３の例の振動発生部２０ｃと同様に、ケース２１、キャップ２２、およびガイド４１等からなる筐体を有し、筐体内に振動発電素子１１と、圧力隔壁４２とを有している。

　圧力隔壁４２はガイド４１が形成する気密空間４４と開放空間４５との隔壁として設けられており、気密空間４４は、圧力隔壁４２および支持部４３により、開放空間４５に対して気密化されている。一方、開放空間４５は、通気孔４６を介して外部と繋がっており、開放空間４５内の圧力は、外部の圧力（気圧）と同一の圧力である。

　圧力隔壁４２は、一例として比較的高い剛性を有する金属板であり、気密空間４４および開放空間４５の双方の気体の気圧差により気密空間４４側に凹形状となっている。圧力隔壁４２の上には作動ピン２５が配置され、作動ピン２５はガイド４１に設けた貫通孔を介して、その上端が振動発電素子１１と対向するように配置されている。作動ピン２５とガイド４１との間の気密性を保つために、作動ピン２５とガイド４１との間に真空ベローズ４７が設けられている。
　なお、作動ピン２５とガイド４１との間の気密性が十分に保たれている場合には、真空ベローズ４７は設けなくても良い。

　大気圧が所定の値より上がると、開放空間４５側の気圧が上がり、圧力隔壁４２は気密空間４４側が凸形状となるように急激に変形する。
　この変形により、作動ピン２５が上方に押し上げられて振動発電素子１１に衝突し、振動発電素子１１は振動する。
　一方、大気圧が下がると、開放空間４５側の気圧も下がり、解放空間４５内の気圧と気密空間４４内の気圧との差が所定値以上になると、圧力隔壁４２は、元の気密空間４４側が凹形状となる形状に変形する。

　なお、第４の例の振動発生部２０ｄは、上述の大気圧の変化に応じて音を発生する構成に限らず、計測対象物の内部の気圧、液圧（水圧）に応じて音を発生する構成とすることもできる。このためには、例えば、通気孔４６を介して開放空間４５に計測対象物の内部の気体または液体を導入すればよい。

　第４の例の振動発生部２０ｄにおいては、圧力隔壁４２は、環境状態量としての圧力の変化に応じて、形状が第１形状から第２形状に急激に変化する変形部材であるということができる。

　（振動発生部の第５の例）
　図６を参照して、第５の例の振動発生部２０ｅについて説明する。第５の例の振動発生部２０ｅは、多くの部分が上述の第３の例の振動発生部２０ｃと共通する。従って、以下では、特に第３の例の振動発生部２０ｃとの相違点について説明し、共通する構成については適宜説明を省略する。

　第５の例の振動発生部２０ｅは、環境状態量の一例である流量に応じて音または振動を発生する。振動発生部２０ｅは、第３の例の振動発生部２０ｃと同様に、ケース２１、およびガイド５１等からなる筐体を有し、筐体内に振動発電素子１１と変動部５２とを有している。変動部５２は、一例として比較的高い剛性を有する金属板であり、作動ピン２５側が凹形状の曲面形状を有している。変動部５２の端部は支持部５３によりガイド５１の内壁に固定されている。

　ガイド５１の下端部は、配管６０の側面に固定されている。配管６０には、略Ｌ字型の形状を有するパドル５４が支点５６を回転軸として回動可能に挿入されている。パドル５４の第１部分５４ａは配管６０の内部にあり、パドル５４の第２部分５４ｂは配管６０の外部にあり、第２部分５４ｂに設けられた押圧部５５が変動部５２に対向するように配置されている。

　図６に示したように、配管６０の内部を流体６１が矢印で示した向きに流れると、パドル５４の第１部分５４ａには支点５６を回転軸としてパドル５４を左回りに回転させる力が加わる。この力はパドル５４の第２部分５４ｂに伝わり、第２部分５４ｂに設けられている押圧部５５は、変動部５２を上方に押す。

　配管６０の内部を流れる流体６１の流量が所定の値以上になると、押圧部５５が変動部５２を上方に押す力が強まり、変動部５２の形状が作動ピン２５側に凸形状となるように急激に変形する。
　この変形により、作動ピン２５が上方に押し上げられて振動発電素子１１に衝突し、振動発電素子１１は振動する。

　一方、配管６０の内部を流れる流体６１の流量が所定の値未満になると、押圧部５５が変動部５２を上方に押す力が弱まり、変動部５２は作動ピン２５の重さ等により作動ピン２５側に凹形状である元の形状に戻る。

　第５の例の振動発生部２０ｅにおいて、パドル５４を、流量の変化に応じて第２部分５４ｂの位置が変化する変位部であるということができる。また、変動部５２を、パドル５４（変位部）の位置に応じて形状が第１形状から第２形状に急激に変化する変形部材であるということができる。

　以上の第１から第５の例の振動発生部２０ａ～２０ｅにおいては、バイメタル２４、圧力隔壁４２、および変動部５２の形状の急激な変化が作動ピン２５を移動させ、作動ピン２５が振動発電素子１１に衝突した振動により、振動発電素子１１は発電を行うものとした。しかし、作動ピン２５を設けず、バイメタル２４、圧力隔壁４２、および変動部５２が急激に変形する際に生じる音により、振動発電素子１１に発電を行わせても良い。

　（振動発生部の第６の例）
　図７を参照して、第６の例の振動発生部２０ｆについて説明する。第６の例の振動発生部２０ｆは、多くの部分が上述の第４の例の振動発生部２０ｄと共通する。従って、以下では、特に第４の例の振動発生部２０ｄとの相違点について説明し、共通する構成については適宜説明を省略する。

　第６の例の振動発生部２０ｆにおいても、第４の例の振動発生部２０ｄと同様に、環境状態量の一例である圧力に応じて音または振動を発生する。振動発生部２０ｆは、ケース２１、およびガイド４１等からなる筐体を有し、筐体内に振動発電素子１１と、可動板４９とを有している。ガイド４１の上面４１Ｔは水平面に対して傾斜しており、上面４１Ｔ上には球体５７が載置されている。

　ケース２１の床面であって、傾斜した上面４１Ｔの下方側の近傍には、振動発電素子１１が弾性体２８を介して配置されている。後述するように、振動発電素子１１は、上面４１Ｔから転がり落ちた球体５７が落下する位置に配置されている。

　可動板４９はガイド４１が形成する気密空間４４と開放空間４５との隔壁として設けられており、気密空間４４は、可動板４９および支持部４３により、開放空間４５に対して気密化されており、一例として１気圧よりも高い気圧に保たれている。一方、開放空間４５は、通気孔４６を介して外部と繋がっており、開放空間４５内の圧力は、外部の圧力（気圧）と同一の圧力である。

　可動板４９は、一例として、気密空間４４と開放空間４５との気圧差に応じて変形する、比較的剛性の低い金属板である。可動板４９の上には作動ピン２５が配置され、作動ピン２５はガイド４１に設けた貫通孔を介して、その上端２５Ｔがガイド４１の上面４１Ｔ上に突出している。作動ピン２５の上端２５Ｔは、球体５７が上面４１Ｔを転がり落ちることを抑止している。

　振動発生部２０ｆにおいては、開放空間４５内の圧力が、振動発電素子１１が配置されている空間内に伝達しないように、作動ピン２５とガイド４１との間に真空ベローズ４７が設けられている。
　なお、作動ピン２５とガイド４１との間の気密性が十分に保たれている場合には、真空ベローズ４７は設けなくても良い。

　外部の圧力（気圧）が上昇すると、開放空間４５側の気圧が上がり、可動板４９は徐々に変形して下方に押し下げられる。このため、作動ピン２５の上端２５Ｔの位置も徐々に下方に移動する。そして、外部の圧力が所定の圧力に達すると、球体５７は作動ピン２５の上端２５Ｔにより抑止されることなく上面４１Ｔを転がり落ち、破線で示した球体５７ｆとなり、振動発電素子１１上に落下する。

　球体５７ｆの落下により、振動発電素子１１には振動が発生し、これに伴い音も発生する。従って、第６の例の振動発生部２０ｆにおいても、環境状態量である圧力の変化に応じて音または振動が発生する。そして、球体５７ｆの落下により生じた音または振動により、振動発電素子１１は発電する。

　なお、振動発電素子１１を金属等からなる不図示の共鳴板で覆い、共鳴板の上に球体５７ｆを落下させた際に共鳴板から発生する音により、振動発電素子１１を発電させる構成としても良い。
　なお、第６の例の振動発生部２０ｆにおいても、上述の第４の例の振動発生部２０ｄと同様に、計測対象物の内部の気圧、液圧（水圧）に応じて音を発生する構成とすることもできる。

　上述の第６の例の振動発生部２０ｆにおいては、圧力の変化に応じて徐々に変形（変位）する可動板４９を用いている。
　しかし、可動板４９はこの構成に限られるわけではなく、例えば、可動板４９を温度変化により徐々に形状が変化する、比較的低剛性のバイメタルで構成しても良い。この場合には、バイメタルで構成された可動板４９は、一例として、低温においては図７に示したように上に凸の形状であり、温度の上昇に伴って下に凸の形状へと徐々に変化し、作動ピン２５の上端２５Ｔの位置は徐々に下降する。そして、所定の温度において、球体５７は作動ピン２５の上端２５Ｔにより抑止されることなく上面４１Ｔを転がり落ちるため、振動発生部２０ｆは、環境状態量である温度の変化に応じて音または振動を発生することになる。

　また、比較的低剛性の可動板４９の一方の側が、上述の第５の例の振動発生部２０ｅに含まれるようなパドル５４の第２部分５４ｂにより押される構成としても良い。この構成により、振動発生部２０ｆに、環境状態量である流量の変化に応じて音または振動を発生させることもできる。

（第１実施形態の計測システムの効果）
（１）上述の第１実施形態の計測システム１は、環境状態量の変化に応じて音または振動を発生する振動発生部２０、２０ａ～２０ｆと、振動発生部２０、２０ａ～２０ｆにより発生された音または振動により発電する振動発電部１０と、振動発電部１０が発電した電力で駆動され、所定の情報を送信する送信部３０と、を備えている。
　この構成により、振動発生部２０、２０ａ～２０ｆにより発生された音または振動により振動発電部１０で発電された電力により、送信部３０を駆動することができ、消費電力が大幅に削減された計測システム１が実現できる。このため、電力線の配線および電池交換等の電源に関するメンテナンスが不要であり、設置コストおよび維持コストが安価である計測システム１が実現できる。

（２）振動発生部２０、２０ａ～２０ｅは、環境状態量の変化に応じて形状が第１形状から第２形状に急激に変化する変形部材（バイメタル２４、圧力隔壁４２、変動部５２）を含むものであっても良い。この場合には、振動発生部２０、２０ａ～２０ｅは、変形部材により一定以上の音量、または振動エネルギーを生じさせることができるので、振動発電部１０は送信部３０からの送信を行うために十分な電力を発電することができる。

（３）環境状態量が温度であれば、変形部材は、温度の変化に応じて形状が急激に変化するバイメタル２４であっても良い。これにより、環境の温度が所定の温度に達したことを送信部３０から送信することができる。
（４）環境状態量が圧力であれば、変形部材は、圧力の変化に応じて形状が急激に変化する圧力隔壁４２であっても良い。これにより、環境の圧力が所定の圧力に達したことを送信部３０から送信することができる。

（５）環境状態量が流量であれば、振動発生部２０ｅは、流量の変化に応じて少なくとも一部の位置が変化する変位部（パドル５４）をさらに含み、変形部材（変動部５２）は、変位部の位置に応じて形状が急激に変化する構成であっても良い。これにより、計測システム１が計測する環境状態量である流量が所定の流量に達したことを送信部３０から送信することができる。

（６）送信部３０は、無線により送信を行う無線送信部であっても良く、この場合には、有線の信号線を設けることなく、遠隔地に環境状態量の変化に関する情報を送信することができる。
（７）送信部３０は、振動発電部１０が発電する電力が第１電圧を超えると送信を行い、振動発電部１０が発電する電力が第１電圧以下では送信を行わない構成としても良い。この構成により、振動発電部１０が、振動発生部２０、２０ａ～２０ｆにより生じた以外の音または振動、すなわち環境に存在する音または振動により発電した電力により送信部３０が誤動作する恐れが低減される。すなわち、計測システム１が誤報を発する恐れが低減される。

　（第２実施形態の計測システム）
　以下、図８を参照して第２実施形態の計測システム１ａについて説明する。第２実施形態の計測システム１ａは、上述の第１実施形態の計測システム１の構成に加えて、さらに、温度、圧力、流量等の環境状態量の検出を行う検出部３５と、検出部３５が検出した環境状態量に関する信号を処理する信号処理部３３とを備えている。送信部３０、信号処理部３３、および検出部３５は、振動発電部１０から供給される電力の電圧が上述の第１電圧より高い電圧になると駆動される。

　検出部３５は、計測システム１ａが設置された環境における環境状態量である温度、圧力、流量等を検出するセンサ３６と、検出回路３７とを有している。検出部３５が、温度を検出する場合には、センサ３６はサーミスタまたは熱電対等を含み、圧力を検出する場合にはセンサ３６は圧力センサや圧力トランスデューサ等を含み、流量を検出する場合にはセンサ３６は渦流量センサや電磁流量計等を含む。

　検出回路３７は一例として、トランジスタや差動アンプ等の増幅素子を含む回路である。検出回路３７は、センサ３６から出力されたアナログ信号をＳｉｎ端子から受信し、受信した信号に対して増幅等の処理を行い、処理されたアナログ信号をＶｏｕｔ端子から第１信号Ｓ１として出力する。検出回路３７のＶＣＣ端子には、振動発電部１０の蓄電部１７から出力される電力が供給され、検出回路３７のＧＮＤ端子はグランドに接続されている。

　信号処理部３３は、一例として、アナログ／デジタル変換器を含み、変換されたデジタル信号に対して所定の信号処理を行うマイクロコントローラ等の半導体集積回路である。信号処理部３３の入力端子ＳＩは、検出回路３７のＶｏｕｔ端子に接続されており、検出回路３７のＶｏｕｔ端子から出力された第１信号Ｓ１は、信号処理部３３の入力端子ＳＩに入力される。信号処理部３３のＶＣＣ端子には、振動発電部１０の蓄電部１７から出力される電力が供給され、信号処理部３３のＧＮＤ端子はグランドに接続されている。

　信号処理部３３の入力端子ＳＩに入力された第１信号Ｓ１は、信号処理部３３においてアナログ信号からデジタル信号に変換（Ａ／Ｄ変換）される。さらに、信号処理部３３においてＡ／Ｄ変換された第１信号に基づいて、センサ３６が検出した温度、圧力、流量等の環境状態量に関する数値情報を算出する信号処理がなされる。信号処理により第１信号Ｓ１から抽出された数値情報は、デジタルの第２信号Ｓ２として、信号処理部３３の出力端子ＳＯから出力される。

　信号処理部３３は、不図示のＲＯＭ等に記憶されているプログラムに従って、上述の信号処理を行う。
　なお、信号処理は、アナログの第１信号Ｓ１をデジタルの第２信号Ｓ２にＡ／Ｄ変換する処理も含むものであり、従って、第２信号Ｓ２は、第１信号Ｓ１を単にＡ／Ｄ変換した信号であっても良い。

　通信回路３１ａの入力端子ＳＳは、信号処理部３３の出力端子ＳＯに接続されており、入力端子ＳＳには信号処理部３３の出力端子ＳＯから出力された第２信号Ｓ２が入力される。通信回路３１ａは、上述の第１実施形態における通信回路３１と基本的には同様である。ただし、入力端子ＳＳから入力された第２信号Ｓ２を、アンテナ３２から無線送信するのに適した変調信号として変調し、増幅し、増幅された変調信号をＲＦ端子からアンテナ３２に出力する機能をさらに有している。第２信号に基づいて変調された変調信号は、アンテナ３２から外部に向かって送信される。

　なお、信号処理により第１信号Ｓ１から抽出された環境状態量に関する数値情報が、所定の正常範囲にある場合には、信号処理部３３は通信回路３１ａに対して、第２信号Ｓ２に代えて、送信不要を伝達する信号を送信しても良い。送信不要を伝達する信号を受信した通信回路３１ａは、外部への送信を行わない。

　第２実施形態の計測システム１ａにおいても、検出部３５が検出した情報に基づく信号に加えて、上述の第１実施形態の計測システム１と同様に、計測システム１ａに固有の識別信号をアンテナ３２から外部に向かって送信しても良い。

　なお、検出部３５は、温度、圧力、流量等の環境状態量の検出を行うものには限定されず、例えば、計測システム１ａの周囲の状況を画像として撮像するものであっても良く、周囲の音を検出するものであっても良い。これに合わせて、信号処理部３３および送信部３０も、それぞれ画像信号や音声信号を処理および送信するものであっても良い。

（第２実施形態の計測システムの効果）
（８）第２実施形態の計測システム１ａは、上述の第１実施形態の計測システム１に加えて、振動発電部１０が発電した電力で駆動され、所定の検出を行う検出部３５をさらに備え、送信部３０は検出部３５が所定の検出を行って得た情報に基づく情報を送信する。この構成により、上述の第１実施形態の計測システム１における効果に加えて、検出部３５により、より正確な情報を検出し送信できるという効果を有している。

　（一実施形態の診断システム）
　図９は、一実施形態の診断システム１００の概略構成を示す図である。診断システム１００は、一例として、診断対象物として化学プラント７０の運転状態を診断するシステムである。診断システム１００においては、化学プラント７０内の各部の環境状態量を計測するために、化学プラント７０内の各部の近傍に上述の第１実施形態または第２実施形態の計測システム１、１ａを配置してある。

　化学プラント７０においては、原油タンク６２や配管（６４、６５等）等が複雑かつ密に配置されていると共に、石油類や高圧ガス等の引火性の高い原料を使用しているため、その内部に常時電力を使用する計測システムを配置することは難しい。しかし、上述の第１実施形態および第２実施形態の計測システム１、１ａは、電力を供給する配線が不要であり、かつ電池等の電源のメンテナンスも不要なため、化学プラント７０等の複雑な設備の計測に適している。

　化学プラント７０の蒸留塔６３の図９中に矢印で示した箇所には、計測システム１ｂが設置されている。計測システム１ｂは、上述の計測システム１であって、環境状態量としての温度の変化に応じて音または振動を発生する振動発生部２０ａ～２０ｃのいずれか１つを備えたものである。計測システム１ｂの振動発生部２０ａ～２０ｃは、蒸留塔６３の側面に接して、または少なくとも一部が蒸留塔６３の内部に埋め込まれて配置されている。

　蒸留塔６３の側面または内部の温度が所定の温度以上になると、計測システム１ｂが備える振動発生部２０ａ～２０ｃは音または振動を発生する。そして、計測システム１ｂが備える振動発電部１０は、この音または振動により発電し、送信部３０から計測システム１ｂの識別信号を含む信号が無線送信される。

　化学プラント７０の配管６４の図９中に矢印で示した箇所には、計測システム１ｃが設置されている。計測システム１ｃは、上述の計測システム１であって、環境状態量としての流量の変化に応じて音または振動を発生する振動発生部２０ｅを備えたものである。配管６４の内部を流れる液体または気体の流量が所定の流量以上になると、計測システム１ｃが備える振動発生部２０ｅは音または振動を発生する。そして、計測システム１ｃが備える振動発電部１０は、この音または振動により発電し、送信部３０から計測システム１ｃの識別信号を含む信号が無線送信される。

　化学プラント７０の配管６５の図９中に矢印で示した箇所には、計測システム１ｄが設置されている。計測システム１ｄは、上述の計測システム１であって、環境状態量としての圧力の変化に応じて音または振動を発生する振動発生部２０ｄを備えたものである。計測システム１ｄの振動発生部２０ｄは少なくとも一部が配管６５の内部に埋め込まれて配置されている。

　配管６５の内部の液体または気体の圧力が所定の圧力以上になると、計測システム１ｄが備える振動発生部２０ｄは音または振動を発生する。そして、計測システム１ｄが備える振動発電部１０は、この音または振動により発電し、送信部３０から計測システム１ｄの識別信号を含む信号が無線送信される。

　計測システム１ｂ～１ｄが無線送信した信号は、受信システム８０により受信される。受信システム８０には、例えば商用電源等からの電力が供給されており、常時、計測システム１ｂ～１ｄからの信号を受信可能な状態に保たれている。受信システム８０は、計測システム１ｂ～１ｄが無線送信した信号に含まれる上述の識別信号を認識することにより、どの計測システム１ｂ～１ｄから信号が送信されたかを認識することができる。従って、受信システム８０は、どの計測システム１ｂ～１ｄが計測している環境状態量が、警報が発せられるレベルに達しているかを診断することができる。

　なお、計測システム１ｂ～１ｄとして、第１実施形態の計測システム１であって、図７に示した上述の第６の例の振動発生部２０ｆを備えるものを使用しても良い。この場合、振動発生部２０ｆは、上述のように温度、圧力、および流量のいずれか１つの変化により音または振動を発生するものとしても良い。

　また、計測システム１ｂ～１ｄは、上述の第１実施形態の計測システム１に限られるものではなく、上述の第２実施形態の計測システム１ａを用いても良い。この場合、受信システム８０は、計測システム１ａから送信される、計測システム１ａの検出部３５が検出した情報に基づく信号も受信しても良い。

　上述の一実施形態においては、診断システム１００の診断対象物は、化学プラント７０を構成する設備であるとしたが、診断対象物はこれらに限定されるものではない。診断システム１００は、温度、圧力、および流量等の環境状態量を診断する必要がある対象であれば、どのような対象物を診断しても良い。例えば、大型建造物のエアコン設備や、工場の排気設備、ボイラー等の燃焼設備等を診断対象としても良い。

　なお、化学プラント７０のように引火性の高い原料を扱う設備を診断する場合には、計測システム１、１ａが備える振動発生部２０、２０ａ～２０ｆの少なくとも一部を、音および振動を発生する際の衝撃により火花を飛ばさない材料（銅、真鍮、アルミ等の金属、またはセラミック等）で製造しても良い。あるいは、上記以外の金属材料で製造し、相互に接触する部分を樹脂等の保護膜を覆っても良い。すなわち、計測システム１ｂ～１ｄは、防爆規格を満たしたものであっても良い。

　なお、診断システム１００において、計測システム１ｂ～１ｄから受信システム８０への送信は、電話回線、またはインターネット回線等の回線を経由して行うものであっても良い。すなわち、計測システム１ｂ～１ｄから送信された信号は、始めに中継局により受信され、中継局から回線を経由して、受信システム８０に送信されても良い。

　（一実施形態の診断システムの効果）
（９）一実施形態の診断システム１００は、診断対象物（６２、６３、６４）の近傍に配置された第１実施形態または第２実施形態の計測システム１ｂ～１ｄと、計測システム１ｂ～１ｄから送信される信号を受信し、信号に基づいて診断対象物（６２、６３、６４）の状態を診断する受信システムと、を備えている。従って、消費電力が大幅に削減された計測システム１ｂ～１ｄを用いることにより、計測システム１ｂ～１ｄへの電力線の配線および電池交換等の電源に関するメンテナンスが不要となり、設置コストおよび維持コストが安価である診断システム１００が実現できる。

　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、各実施形態および変形例は、それぞれ単独で適用しても良いし、組み合わせて用いても良い。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特願２０２０－０１１２０２号（２０２０年１月２７日出願）

　１、１ａ～１ｄ…計測システム、１０…振動発電部、１１…振動発電素子、１２，１３…接続配線、１４…整流回路、１５…コンデンサ、１６…電圧変換器、１７…蓄電部、２０、２０ａ～２０ｆ…振動発生部、２４…バイメタル（変形部材）、３０…送信部、３１，３１ａ…通信回路、３２…アンテナ、３５…検出部、３６…センサ、３７…検出回路、３３…信号処理部、４２…圧力隔壁（変形部材）、５２…変動部（変形部材）、５４…パドル（変位部）、７０…化学プラント（対象物）、８０…受信システム、１００…診断システム

Claims (13)

1. 　環境状態量の変化に応じて音または振動を発生する振動発生部と、
   　前記振動発生部により発生された音または振動により発電する振動発電部と、
   　前記振動発電部が発電した電力で駆動され、所定の情報を送信する送信部と、
   を備える計測システム。
2. 　請求項１に記載の計測システムにおいて、
   　前記振動発生部は、前記環境状態量の変化に応じて形状が第１形状から第２形状に急激に変化する変形部材を含む、計測システム。
3. 　請求項２に記載の計測システムにおいて、
   　前記環境状態量は温度であり、前記変形部材は、温度の変化に応じて形状が急激に変化するバイメタルである、計測システム。
4. 　請求項２に記載の計測システムにおいて、
   　前記環境状態量は圧力であり、前記変形部材は、圧力の変化に応じて形状が急激に変化する圧力隔壁である、計測システム。
5. 　請求項２に記載の計測システムにおいて、
   　前記環境状態量は流量であり、
   　前記振動発生部は、流量の変化に応じて少なくとも一部の位置が変化する変位部をさらに含み、
   　前記変形部材は、前記変位部の位置に応じて形状が急激に変化する、計測システム。
6. 　請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の計測システムにおいて、
   　前記送信部は、無線により送信を行う無線送信部である、計測システム。
7. 　請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の計測システムにおいて、
   　前記送信部は、前記振動発電部が発電する電力が第１電圧を超えると前記送信を行い、前記振動発電部が発電する電力が前記第１電圧以下では前記送信を行わない、計測システム。
8. 　請求項７に記載の計測システムにおいて、
   　前記送信部は、無線により送信を行う無線送信部である、計測システム。
9. 　請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の計測システムにおいて、
   　前記振動発電部が発電した電力で駆動され、所定の検出を行う検出部をさらに備え、
   　前記送信部は、前記検出部が所定の検出を行って得た情報に基づく情報を送信する、計測システム。
10. 　請求項９に記載の計測システムにおいて、
    　前記送信部は、無線により送信を行う無線送信部である、計測システム。
11. 　請求項９に記載の計測システムにおいて、
    　前記検出部は、前記環境状態量に関する情報を検出する、計測システム。
12. 　請求項１１に記載の計測システムにおいて、
    　前記送信部は、無線により送信を行う無線送信部である、計測システム。
13. 　診断対象物の近傍に配置された、請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の計測システムと、
    　前記計測システムから送信される信号を受信し、前記信号に基づいて前記診断対象物の状態を診断する受信システムと、
    を備える診断システム。

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