(57)【要約】【課題】回転機器に関する物理量を回転機器の回転位置と対応付けて取得することができる同期計測システム、およびそれを利用したセンサ付き軸受を提供する。【解決手段】センサ付き軸受１は、軸受と、軸受に関する物理量を計測し、第１の更新周期で計測値を更新し保持する第１のセンサ（加速度センサ）と、軸受の回転角度を計測し、第２の更新周期で計測値を更新し保持する第２のセンサ（角度センサ）と、第１のセンサが保持する計測値と第２のセンサが保持する計測値とを、第１のセンサおよび第２のセンサのいずれかにおける計測値の更新完了タイミングに同期して取得する取得部と、を備える。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受と、
前記軸受に関する物理量を計測し、第１の更新周期で計測値を更新し保持する第１のセンサと、
前記軸受の回転角度を計測し、第２の更新周期で計測値を更新し保持する第２のセンサと、
前記第１のセンサが保持する計測値と前記第２のセンサが保持する計測値とを、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサのいずれかにおける前記計測値の更新完了タイミングに同期して取得する取得部と、を備えることを特徴とするセンサ付き軸受。
【請求項２】
前記第１のセンサは、前記軸受の振動を計測する加速度センサを含み、
前記第２のセンサは、前記軸受の外輪に対する内輪の相対的な回転角度を計測する角度センサであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ付き軸受。
【請求項３】
前記第１の更新周期と前記第２の更新周期とは異なり、
前記取得部は、
前記第１のセンサが保持する計測値と前記第２のセンサが保持する計測値とを、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサのうち更新周期の長い方における前記更新完了タイミングに同期して取得することを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ付き軸受。
【請求項４】
前記取得部は、
前記第１のセンサが保持する計測値と前記第２のセンサが保持する計測値とを、ＤＭＡ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｃｃｅｓｓ）転送する制御部と、
前記制御部によりＤＭＡ転送された前記第１のセンサの計測値と前記第２のセンサの計測値とを対応付けて記録する記録部と、を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受。
【請求項５】
前記第１のセンサおよび前記第２のセンサのうち少なくとも１つのセンサは、前記計測値の更新が完了するたびに更新完了信号を出力可能であり、
前記制御部は、
前記更新完了信号を出力可能なセンサのいずれかから出力される前記更新完了信号を、前記ＤＭＡ転送のトリガとすることを特徴とする請求項４に記載のセンサ付き軸受。
【請求項６】
前記記録部は、前記計測値を無変換で記録することを特徴とする請求項４または５に記載のセンサ付き軸受。
【請求項７】
前記取得部により取得された計測値を外部装置に送信する送信部をさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受。
【請求項８】
前記軸受の外輪と内輪との相対的な回転に基づいて発電し、前記第１のセンサ、前記第２のセンサおよび前記取得部に電力を供給する発電部をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ付き軸受。
【請求項９】
回転機器に関する物理量を計測し、第１の更新周期で計測値を更新し保持する第１のセンサと、
前記回転機器の回転角度を計測し、第２の更新周期で計測値を更新し保持する第２のセンサと、
前記第１のセンサが保持する計測値と前記第２のセンサが保持する計測値とを、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサのいずれかにおける前記計測値の更新完了タイミングに同期して取得する取得部と、を備えることを特徴とする同期計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ付き軸受および同期計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、装置の異常検知を目的とし、回転機器の状態が正常状態であるか異常状態であるかを示す情報を収集する場面が増えている。回転機器の異常は、主に温度や振動に表れる。
回転体を含む機器の状態を監視する状態監視装置として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、機器に設置された、振動、音、アコースティックエミッションのいずれかを検出するセンサの信号を分析し、機器の異常診断を行う技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−３６１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術にあっては、回転機器に異常が発生しているか否かを診断することはできるが、異常が発生している箇所（異常発生角度）を特定することはできない。
そこで、本発明は、回転機器に関する物理量を回転機器の回転位置と対応付けて取得することができる同期計測システム、およびそれを利用したセンサ付き軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の一つの態様のセンサ付き軸受は、軸受と、前記軸受に関する物理量を計測し、第１の更新周期で計測値を更新し保持する第１のセンサと、前記軸受の回転角度を計測し、第２の更新周期で計測値を更新し保持する第２のセンサと、前記第１のセンサが保持する計測値と前記第２のセンサが保持する計測値とを、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサのいずれかにおける前記計測値の更新完了タイミングに同期して取得する取得部と、を備える。
これにより、軸受に関する物理量を軸受の位置（角度）と対応付けて取得することができる。したがって、軸受のどの位置（角度）でどのような物理量が生じているかを適切に把握することができる。
【０００６】
また、上記のセンサ付き軸受において、前記第１のセンサは、前記軸受の振動を計測する加速度センサであり、前記第２のセンサは、前記軸受の外輪に対する内輪の相対的な回転角度を計測する角度センサであってもよい。
この場合、軸受の振動を軸受の位置（角度）と対応付けて取得することができる。
【０００７】
さらに、上記のセンサ付き軸受において、前記第１の更新周期と前記第２の更新周期とは異なり、前記取得部は、前記第１のセンサが保持する計測値と前記第２のセンサが保持する計測値とを、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサのうち更新周期の長い方における前記更新完了タイミングに同期して取得してもよい。
この場合、第１のセンサおよび第２のセンサから、計測タイミングの近い計測値を取得することができる。また、各センサから取得される計測値は、いずれも更新後の計測値とすることができるので、取得データの精度を向上させることができる。
【０００８】
また、上記のセンサ付き軸受において、前記取得部は、前記第１のセンサが保持する計測値と前記第２のセンサが保持する計測値とを、ＤＭＡ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｃｃｅｓｓ）転送する制御部と、前記制御部によりＤＭＡ転送された前記第１のセンサの計測値と前記第２のセンサの計測値とを対応付けて記録する記録部と、を備えてもよい。
この場合、ＣＰＵを介さずに、直接、記録部にセンサの計測値を書き込むことができるので、ＣＰＵの負荷を軽減させることができる。
【０００９】
さらにまた、上記のセンサ付き軸受において、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサのうち少なくとも１つのセンサは、前記計測値の更新が完了するたびに更新完了信号を出力可能であり、前記制御部は、前記更新完了信号を出力可能なセンサのいずれかから出力される前記更新完了信号を、前記ＤＭＡ転送のトリガとしてもよい。
このように、センサの更新完了信号を、ＤＭＡ起動用の割り込み信号としてもよい。これにより、確実にいずれかのセンサの計測値が更新完了するタイミングに同期して、第１のセンサおよび第２のセンサの計測値を取得することができる。
【００１０】
また、上記のセンサ付き軸受において、前記記録部は、前記計測値を無変換で記録してもよい。このように、無変換データ（センサの生データ）を記録部に記録することで、データ変換の処理を省くことができ、その分の消費電力を削減することができる。
さらに、上記のセンサ付き軸受は、前記取得部により取得された計測値を外部装置に送信する送信部をさらに備えてもよい。この場合、外部装置において計測値を解析することで、例えば軸受の異常診断が可能となる。また、このとき、軸受の異常発生箇所（角度）も特定可能である。
【００１１】
また、上記のセンサ付き軸受は、前記軸受の外輪と内輪との相対的な回転に基づいて発電し、前記第１のセンサ、前記第２のセンサおよび前記取得部に電力を供給する発電部をさらに備えてもよい。この場合、外部からの電源供給が不要な自己発電機能を有するセンサ付き軸受において、軸受に関する物理量と回転位置（角度）との対応データを適切に取得することができる。
さらに、本発明の一つの態様の同期計測システムは、回転機器に関する物理量を計測し、第１の更新周期で計測値を更新し保持する第１のセンサと、前記回転機器の回転角度を計測し、第２の更新周期で計測値を更新し保持する第２のセンサと、前記第１のセンサが保持する計測値と前記第２のセンサが保持する計測値とを、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサのいずれかにおける前記計測値の更新完了タイミングに同期して取得する取得部と、を備える。
これにより、回転機器に関する物理量を回転機器の位置（角度）と対応付けて取得することができる。したがって、回転機器のどの位置（角度）でどのような物理量が生じているかを適切に把握することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一つの態様によれば、回転機器（例えば軸受）に関する物理量を回転機器の回転位置と対応付けて取得することができるので、例えば、軸受の異常発生箇所（角度）の特定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本実施形態における計測システムの概要を示す図である。
【図２】図２は、第一の実施形態における各センサの更新周期を示す図である。
【図３】図３は、計測データの取得処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図４は、計測データの一例を示す図である。
【図５】図５は、第一の実施形態における異常検出を行う場合を模式的に説明する図である。
【図６】図６は、第二の実施形態における各センサの更新周期を示す図である。
【図７】図７は、第二の実施形態における異常検出を行う場合を模式的に説明する図である。
【図８】図８は、センサ付き軸受の構成を示す分解斜視図である。
【図９】図９は、センサ付き軸受の構成を示す分解斜視図である。
【図１０】図１０は、カバーとコイル基板の構成例を示す平面図である。
【図１１】図１１は、回路基板の構成例である。
【図１２】図１２は、センサ付き軸受の適用例である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
【００１５】
（第一の実施形態）
本実施形態では、回転機器に関する物理量を回転機器の回転位置（回転角度）と対応付けた計測データを取得する計測システムについて説明する。
この計測システムは、例えば、センサ付きのセンサ付き軸受に適用することができる。当該センサ付き軸受は、軸受と、軸受に関する物理量を検出する第１のセンサと、軸受の回転位置（回転角度）を検出する第２のセンサと、を備える。この場合、計測システムは、軸受に関する物理量を軸受の回転角度と対応付けた計測データを取得する。ここで、上記物理量は、軸受の振動を示す加速度とすることができる。つまり、第１のセンサは、軸受の振動を検出する加速度センサとすることができる。また、第２のセンサは、軸受の外輪に対する内輪の相対的な回転角度を検出する角度センサである。
【００１６】
まず、計測システムの概要について、図１を参照しながら説明する。
ここでは、計測システム２００は、軸受の振動（加速度）と位置（回転角度）とを対応付けた計測データを取得する場合について説明する。この計測システム２００は、制御部２１０と、計測部２２０と、記録部２３０と、を備える。
制御部２１０は、マイクロコンピュータ（マイコン）により構成することができる。制御部２１０は、ＣＰＵ２１１と、ＤＭＡコントローラ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＤＭＡＣ）２１２と、を備える。計測部２２０は、加速度センサ２２１と、角度センサ２２２と、を備える。記録部２３０は、メモリ２３１を備える。なお、記録部２３０は、制御部２１０が備えていてもよい。
【００１７】
ＣＰＵ２１１は、メモリ２３１およびセンサ２２１、２２２の初期化や、ＤＭＡＣ２１２の初期設定を行う。ＤＭＡＣ２１２は、ＤＭＡトリガを入力すると、ＤＭＡ転送を開始する。具体的には、ＤＭＡＣ２１２は、ＤＭＡトリガを入力すると、ＣＰＵ２１１を介さずに、加速度センサ２２１および角度センサ２２２がそれぞれ保持する最新の計測値（センサデータ）を、無変換データ（生データ）のままメモリ２３１に転送する。
加速度センサ２２１および角度センサ２２２は、センサ内部において、それぞれ定められた更新周期で計測値を更新し、保持する。加速度センサ２２１および角度センサ２２２は、外部から計測値の送信要求があった場合、その瞬間に保持している計測値を外部に送信する仕組みとなっている。
【００１８】
図２は、加速度センサ２２１および角度センサ２２２の更新周期を示す図である。本実施形態では、加速度センサ２２１および角度センサ２２２は、計測値の更新完了タイミングが同期するように設定されているものとする。つまり、加速度センサ２２１の更新周期（第１の更新周期）と、角度センサ２２２の更新周期（第２の更新周期）とは等しい。なお、センサの更新周期は、センサの性能に応じて予め定められている。
【００１９】
また、本実施形態では、加速度センサ２２２は、センサ内部で保持する計測値（加速度）が更新されるたびに、割り込み信号（ＩＮＴ信号）をＤＭＡＣ２１２へ出力する設定となっている。ＤＭＡＣ２１２は、加速度センサ２２２から出力されるＩＮＴ信号をＤＭＡトリガとして使用し、上述したＤＭＡ転送を行う。
本実施形態では、加速度センサ２２１と角度センサ２２２との計測値の更新完了タイミングは等しい。したがって、ＤＭＡＣ２１２は、加速度センサ２２１と角度センサ２２２とでそれぞれ計測値が更新完了されたタイミングで、更新後の各センサの計測値である加速度データと角度データとを取得し、メモリ２３１に転送する。
【００２０】
メモリ２３１は、例えばＳＲＡＭ等により構成することができる。なお、メモリ２３１は、ＮＡＮＤ型またはＮＯＲ型のフラッシュメモリ等であってもよい。このメモリ２３１は、ＤＭＡＣ２１２から転送される計測値（角度データ、加速度データ）を格納する。このとき、メモリ２３１は、角度データと加速度データとを一対一で対応付け、計測データとして格納する。
このように、計測システム２００は、加速度センサ２２１の計測値（加速度データ）と角度センサ２２２の計測値（角度データ）とを、加速度センサ２２１における計測値の更新完了タイミングに同期して取得し、記録する、同期計測システムとして機能する。図１において、制御部２１０および記録部２３０が取得部に対応している。
【００２１】
図３は、計測データの取得処理の手順を示すフローチャートである。
この図３に示す処理は、例えばユーザが電源をオン状態とするなど、制御部２１０および計測部２２０に電力が供給されたタイミングで開始される。
まずステップＳ１において、ＣＰＵ２１１は、加速度センサ２２１および角度センサ２２２を初期化するとともに初期設定を行う。また、ＣＰＵ２１１は、ＤＭＡＣ２１２の初期設定を行う。
次にステップＳ２において、センサ２２１および２２２は、測定開始信号が入力されたか否かを判定する。そして、センサ２２１および２２２は、測定開始信号が入力されていない場合には測定開始信号が入力するまで待機し、測定開始信号が入力されたと判定するとステップＳ３に移行して計測値の測定を開始する。
【００２２】
ステップＳ４では、ＣＰＵ２１１は、測定開始から所定の測定時間が経過したか否かを判定する。ここで、測定時間は、例えば１秒とすることができる。測定時間は、軸受の回転輪が少なくとも１回転するために要する時間以上に設定する。なお、当該測定時間は、記録部２３０の容量や消費電力との兼ね合いによって適宜設定することができる。
そして、ＣＰＵ２１１は、測定開始から上記の測定時間が経過していないと判定した場合には、ステップＳ５に移行し、測定開始から上記の測定時間が経過したと判定した場合には、ステップＳ８に移行する。
なお、マイコンの選定によってはＣＰＵの動作を止めた状態（低消費電力モード）でＤＭＡを実施できる場合がある。その場合は、測定時間の経過をマイコン内のタイマによって監視し、監視中はＣＰＵの動作を止めておいてもよい。ＣＰＵの動作を止めることで、より低消費電力で角度・加速度の同期計測システムを構築することができる。
【００２３】
ステップＳ５では、ＤＭＡＣ２１２は、加速度センサ２２１からＩＮＴ信号を受信したか否かを判定し、ＩＮＴ信号を受信していない場合には、ＤＭＡトリガを受信していないと判断してステップＳ４に戻る。一方、ＤＭＡＣ２１２は、加速度センサ２２１からＩＮＴ信号を受信したと判定した場合には、ＤＭＡトリガを受信したと判断してステップＳ６に移行する。
ステップＳ６では、ＤＭＡＣ２１２は、加速度センサ２２１から加速度データ、角度センサ２２２から角度データをそれぞれ読み取り、ステップＳ７に移行する。
ステップＳ７では、ＤＭＡＣ２１２は、センサ２２１、２２２から読み取った計測値（加速度データ、角度データ）をメモリ２３１へ転送し、ステップＳ４に戻る。
【００２４】
図４は、メモリ２３１に保存される計測データの一例を示す図である。
この図４に示すように、メモリ２３１には、測定開始から所定の測定時間が経過するまでの間に測定された複数の角度データと加速度データとの対応データが保存される。
ステップＳ８では、ＣＰＵ２１１は、メモリ２３１に保存された計測データを外部へ送信し、図３の処理を終了する。
【００２５】
計測システム２００により送信された計測データは、例えば送信先の外部装置において、軸受の異常診断に用いられる。具体的には、図５の左図に模式的に示すように、３周分の計測データが取得されている場合、角度ごとに振動の加算平均を行うことで、図５の右図に示す結果が得られる。これにより、角度Ｄに加速度のピークが存在し、角度Ｄの位置で他の角度とは異なる振動が発生していることを特定することができる。なお、本実施形態では、計測データの取得周期を短くすると、ほぼ連続したデータを得ることができる。
このように、複数回計測されたデータを平均化することで、機械的にノイズを除去し、特徴量の抽出を行うことができる。したがって、ノイズ除去のための複雑な処理等が不要であり、また、機種、個体ごとのチューニングも不要であるため、処理が容易である。
【００２６】
なお、本実施形態では、加速度センサ２２１が計測値の更新完了タイミングで出力するＩＮＴ信号を、ＤＭＡトリガとして使用する場合について説明した。しかしながら、角度センサ２２２が計測値の更新完了タイミングで出力するＩＮＴ信号を、ＤＭＡトリガとして使用してもよい。本実施形態のように、加速度センサ２２１と角度センサ２２２との更新完了タイミングが同期されている場合、どちらのＩＮＴ信号をＤＭＡトリガとして使用しても、取得される計測データは同一となる。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態における計測システム２００は、加速度センサ２２１における計測値の更新完了タイミングに同期して、加速度センサ２２１が保持する計測値と角度センサ２２２が保持する計測値とを取得することができる。したがって、加速度データと角度データとが一対一で対応した計測データを取得することができる。その結果、回転中どの角度でどのような振動が起きているのかを適切に把握することができ、異常発生箇所（角度）を適切に特定することができる。
従来、振動を監視して回転機器の異常診断を行う場合、回転数を一定と仮定し、加速度単体のデータからピーク値、実効値、クレストファクタ値などの特徴量を検出したり、周波数解析を行ったりしていた。しかしながら、実際は回転機器の回転数は一定ではなかったり、ノイズの影響を受けたりする。そのため、振動による異常診断の精度を高めるためには、回転速度の変動の影響を低減させたり、回転振動データのノイズを除去したりといった対策が講じられてきた。ところが、これらの対策には、実機などのデータをもとに閾値を決める処理は必要である。また、数値処理だけではノイズが残ってしまう場合もある。さらに、数値処理であるため、処理を重ねることで誤差が積み重なるおそれもある。
【００２８】
これに対して、本実施形態では、加速度データと角度データとが一対一で対応した計測データを取得することができるので、回転数のばらつきを気にする必要がない。また、複数回計測された計測データを取得できれば、当該データを機械的に平均化することで、容易にノイズを除去することができる。そのため、上記のように信号処理のための閾値を決める必要もない。
さらに、加速度単体のデータでは特定に至らなかった異常発生箇所（角度）も容易に特定することができる。したがって、その異常診断結果を、設備の保守や設計の改善に活かしやすくなる。また、計測を続けることで、異常の進行度合いをモニタすることも可能である。
【００２９】
また、計測システム２００は、マイコンにセンサをつなぐことで構成全体の小型化に貢献している。そのため、小型のデバイス筐体であっても同一筐体内に計測システム２００を格納することが可能である。
さらに、各センサから取得した計測値は、無変換データのままメモリ２３１に記録することができる。そのため、データ記録時に、例えば１６進数表記から１０進数表記への変換などのデータ処理が不要であり、高速なデータ格納が可能である。また、データ処理による負荷を軽減させることができるとともに、消費電力を低減させることができる。
また、計測システム２００は、各センサが保持する計測値をＤＭＡ転送するＤＭＡＣ２１２と、ＤＭＡＣ２１２によりＤＭＡ転送された計測値を記録するメモリ２３１と、を備えることができる。このようにＤＭＡ転送によりデータ取得およびデータ格納を行うことができるため、ＣＰＵ２１１の負荷を軽減することができる。
つまり、本実施形態における計測システム２００は、安価なＭＥＭＳセンサや低消費電力のマイコンにより構成することが可能である。
【００３０】
さらに、加速度センサ２２１および角度センサ２２２の少なくとも一方が、計測値の更新が完了するたびに更新完了信号を出力可能である場合、更新完了信号を出力可能なセンサのいずれかから出力される更新完了信号をＤＭＡ転送のトリガとすることができる。例えば、加速度センサ２２１の更新完了信号をＤＭＡ転送のトリガとした場合、加速度センサ２２１における計測値の更新完了タイミングに同期して、加速度センサ２２１および角度センサ２２２の計測値のＤＭＡ転送を実行することができる。このように、確実にいずれかのセンサの計測値が更新完了するタイミングに同期して、各センサの計測値を取得することができる。
【００３１】
（第二の実施形態）
次に、本発明における第二の実施形態について説明する。
上述した第一の実施形態では、加速度センサ２２１および角度センサ２２２は、計測値の更新完了タイミングが同期するように設定されている場合について説明した。本実施形態では、加速度センサ２２１の更新周期と角度センサ２２２の更新周期とが異なり、計測値の更新完了タイミングが異なるように設定されている場合について説明する。
【００３２】
図６は、本実施形態における加速度センサ２２１および角度センサ２２２の更新周期を示す図である。本実施形態では、加速度センサ２２１の更新周期が、角度センサ２２２の更新周期よりも長くなるように設定されているものとする。また、加速度センサ２２１および角度センサ２２２は、いずれも計測値が更新完了されたタイミングでＤＭＡＣ２１２に対してＩＮＴ信号を出力可能であるものとする。
このように、加速度センサ２２１の更新周期と角度センサ２２２の更新周期とが異なる場合、更新周期の長い方のセンサにおいて計測値が更新完了されたタイミングで出力されるＩＮＴ信号を、ＤＭＡトリガとして使用する。つまり、本実施形態では、更新周期の長い加速度センサ２２１から出力されるＩＮＴ信号をＤＭＡトリガとして使用する。
【００３３】
このように、更新周期の長い方のセンサから出力されるＩＮＴ信号をＤＭＡトリガとして使用することで、同期計測に近い結果を得ることができる。以下、この点について詳細に説明する。
加速度センサ２２１のＩＮＴ信号をＤＭＡトリガとした場合、ＤＭＡＣ２１２は、図６の時刻ｔ１と時刻ｔ３とにおいて、加速度センサ２２１および角度センサ２２２の計測値を取得する。ここで、時刻ｔ３においてＤＭＡＣ２１２が取得する加速度センサ２２１の計測値は、加速度センサ２２１が時刻ｔ３において更新した計測値である。また、時刻ｔ３においてＤＭＡＣ２１２が取得する角度センサ２２２の計測値は、角度センサ２２２が時刻ｔ２において更新した計測値である。つまり、時刻ｔ３において取得される加速度データと角度データとには、時間的幅Δｔ１の計測タイミング誤差が生じていることになる。
【００３４】
これに対して、角度センサ２２２のＩＮＴ信号をＤＭＡトリガとした場合、ＤＭＡＣ２１２は、角度センサ２２２の計測値が更新されるたびに、加速度センサ２２１および角度センサ２２２の計測値を取得する。しかしながら、加速度センサ２２１の計測値は、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間、更新されない。そのため、角度センサ２２２のＩＮＴ信号をＤＭＡトリガとした場合、時刻ｔ１においてＤＭＡＣ２１２が取得する加速度データ２２１の計測値と、時刻ｔ３よりも前の時刻ｔ２においてＤＭＡＣ２１２が取得する加速度データ２２１の計測値とは、同じ値となる。つまり、時刻ｔ２において取得される加速度データと角度データとには、時間的幅Δｔ２といった大きな計測タイミング誤差が生じることになる。
【００３５】
このように、更新周期の短い方のセンサから出力されるＩＮＴ信号をＤＭＡトリガとして使用した場合、計測値の取得タイミングによっては、更新周期の長い方のセンサから更新前の計測値を取得してしまうことになり、計測誤差が大きくなる。
本実施形態のように、更新周期の長い方のセンサから出力されるＩＮＴ信号をＤＭＡトリガとして使用することで、計測タイミング誤差の少ないデータを取得することができる。つまり、同期計測に近い結果を得ることができ、計測データ精度を向上させることができる。また、精度の低い計測データは取得しないようにすることができるので、その分の消費電力を削減し、省電力化を図ることができる。
【００３６】
このようにして取得された計測データは、上述した第一の実施形態と同様に、例えば外部装置において、軸受の異常診断に用いることができる。具体的には、図７の左図に模式的に示すように、３周分の計測データが取得されている場合、角度ごとに振動の加算平均を行うことで、図７の右図に示す結果が得られる。これにより、角度Ｄに加速度のピークが存在し、角度Ｄの位置で他の角度とは異なる振動が発生していることを特定することができる。なお、本実施形態では、計測データの取得周期がやや長くなるため、第一の実施形態と比較して離散的なデータが得られることになる。
【００３７】
なお、ここでは、更新周期の長い方の加速度センサ２２１がＩＮＴ信号を出力可能である場合について説明したが、更新周期の短い方の角度センサ２２２のみがＩＮＴ信号を出力可能である場合には、角度センサ２２２のＩＮＴ信号をＤＭＡトリガとして使用してもよい。この場合、加速度センサ２２１のＩＮＴ信号をＤＭＡトリガとして使用する場合と比較して計測タイミング誤差は大きくなるが、加速度データと角度データとの対応データを取得することは可能である。
【００３８】
（実施例）
以下、本発明の実施例について説明する。
図８および図９は、上述した計測システム２００を備えるセンサ付き軸受１の構成を示す分解斜視図である。図８は、センサ付き軸受１をカバー１０側から見た図であり、図９は、センサ付き軸受１を軸受１２０側から見た図である。
センサ付き軸受１は、センサ付き発電ユニット１００と、軸受１２０と、を備える。センサ付き発電ユニット１００は、軸受１２０の一方の側面に取り付けられる。センサ付き発電ユニット１００は、カバー１０と、コイル基板２０と、回転部３０と、回路基板４０と、バックカバー６０と、を備える。ここで、バックカバー６０は、基板上の電子回路の保護を目的として設置されている。なお、バックカバー６０は設置せず、ポッティング剤などにより基板を保護してもよい。
【００３９】
カバー１０は、リング状の平板部材であり、例えば、ケイ素鋼板、炭素鋼（ＪＩＳ規格  ＳＳ４００またはＳ４５Ｃ）、マルテンサイト系ステンレス（ＪＩＳ規格  ＳＵＳ４２０）またはフェライト系ステンレス（ＪＩＳ規格  ＳＵＳ４３０）などのような磁性を有する材料により形成される。
このカバー１０の軸受１２０と対向する側の面には、図９に示すように、回路基板４０が取り付けられている。回路基板４０は、電源基板４１と、センサ基板４２とを備える。電源基板４１およびセンサ基板４２は、例えばカバー１０に開けられた雌ねじ穴に、黄銅など非磁性材料のボルトが締結することで、当該カバー１０に固定される。この場合、ボルトは、カバー１０に取り付けられた状態で、カバー１０から突出しない長さを有する。なお、電源基板４１およびセンサ基板４２は、必要に応じて任意に分割または一体化することができる。
【００４０】
また、カバー１０には、貫通孔が開けられており、この貫通孔は、樹脂などの非磁性材料で形成された非磁性蓋１７で密閉されている。後述するように、センサ基板４２には、アンテナ４７（後述の図１０参照）が実装される。カバー１０は磁性を有するので、アンテナ４７からの電磁波をシールドする作用を有する。しかしながら、アンテナ４７は非磁性蓋１７と対向する位置に配置され、これにより、アンテナ４７の電磁波は、非磁性蓋１７を介して、外部の通信部へ到達することができる。
【００４１】
コイル基板２０は、カバー１０の軸受１２０と対向する側の面に取り付けられている。コイル基板２０は、例えば接着剤を介してカバー１０に固定されている。
図１０は、カバー１０とコイル基板２０の構成例を示す平面図である。コイル基板２０は、フレキシブル基板２１と、フレキシブル基板２１に設けられたコイルパターン２３と、フレキシブル基板２１に設けられた複数のヨーク２５と、を有する。なお、ヨーク２５の設置は任意である。フレキシブル基板２１の平面視による形状は、回転軸Ａｘを中心とする正円のリング状である。コイルパターン２３は、フレキシブル基板２１の厚さ方向に積層された複数の平面コイルを有する。平面コイルとは、絶縁体の所定の面上にパターニングされて設けられた導電体のパターンである。本実施形態においては、導電体のパターンが絶縁体の複数の面上に形成されている。これに限られず、導電体のパターンが絶縁体の１つの面上に形成されていてもよい。コイルパターン２３のターン数は平面コイルの積層数に比例する。本実施形態では、センサ付き発電ユニット１００の用途によって、平面コイルの積層数を変化させ発電量を調整してもよい。
また、コイルパターン２３は、平面視で、回転軸Ａｘを中心とする円の円周方向に沿って凹凸が交互に並ぶように延設されている。この凹凸の凹部にヨーク２５が１つずつ配置されている。コイルパターン２３は、後述するエンコーダマグネットの磁気変化を検出できる位置に角度センサを配置するため、一部円形を欠けさせる形状となってもかまわない。
【００４２】
また、電源基板４１とセンサ基板４２とは、平面視で、コイル基板２０よりも外周側に取り付けられている。電源基板４１には、電源部４３が実装されている。電源部４３は、発電部５０（後述の図１１参照）から供給された単相交流電力を直流電圧に変換して、センサ基板４２へ供給する。
【００４３】
センサ基板４２には、センサ４４と、制御回路部４５と、アンテナ４７とが実装されている。センサ４４は、例えば、加速度センサ４４１と、温度センサ４４２および角度センサ４４３を有する。なお、センサ４４、制御回路部４５およびアンテナ４７は、別々のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップで構成されていてもよいし、それらの一部または全部が１つのＩＣチップで構成されていてもよい。
【００４４】
また、図１０では簡略化しているが、コイルパターン２３の両端は、リード線１６を介して電源基板４１に接続される。なお、本実施形態において、コイルパターン２３と電源基板４１との接続は、リード線１６ではなく、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）コネクタを介して行われてもよい。または、コイル基板２０を延長して電源基板４１と直接接続されてもよい。ＦＰＣコネクタを使用した接続では、半田が不要となるので、センサ付き発電ユニット１００の生産性をさらに高めることができる。
【００４５】
図８および図９に戻って、回転部３０は、リング状の磁気トラック３１と、リング状の基材３３と、リング状の取付け治具３５と、を有する。基材３３および取付け治具３５は、磁性を持つ金属材料であることが望ましい。磁気トラック３１は、基材３３の一方の面側に設けられている。取付け治具３５は、基材３３の他方の面側に固定されている。取付け治具３５は、基材３３の他方の面側から、基材３３の中央に位置する貫通した開口部を通って、基材３３の一方の面側に突き出ている。基材３３の一方の面側はカバー１０と対向する面側である。基材３３の他方の面側はバックカバー６０と対向する面側である。
なお、磁気トラック３１は、基材３３に対して着脱可能な構成であってもよい。また、上述したようにバックカバー６０を設置しない場合、磁気トラック３１は、軸受１２０に設けられていてもよい。この場合、例えば、磁気トラック３１は、軸受１２０に形成された溝に圧入されていてもよい。
【００４６】
本実施形態では、磁気トラック３１と基材３３とを合わせて、エンコーダマグネットという。例えば、エンコーダマグネットは、金属製の基材の一方の面にプラスチックマグネットが形成され、形成されたプラスチックマグネットの表面にＮ極とＳ極とが交互に着磁されることにより形成される。取付け治具３５は、エンコーダマグネットを、センサ付き発電ユニット１００と軸受１２０とに通される軸部に取り付けるために使用される。
【００４７】
磁気トラック３１は、Ｎ極３１ＮとＳ極３１Ｓとからなる磁極対３１１を複数有する。複数の磁極対３１１は、磁気トラック３１の円周方向に並んでいる。Ｎ極３１ＮおよびＳ極３１Ｓは、交互に配置されている。
また、磁気トラック３１における隣り合うＮ極３１ＮとＳ極３１Ｓとの中心間の距離は、コイル基板２０における隣り合うヨーク２５の中心間の距離と同じ長さになっている。
【００４８】
本実施形態では、回転軸Ａｘ（図１０参照）を中心に、コイル基板２０に対して磁気トラック３１が相対的に回転すると、隣り合うヨーク２５のうち一方のヨーク２５がＮ極と対向するときは、他方のヨーク２５はＳ極と対向する。また、一方のヨーク２５がＳ極と対向するときは、他方のヨーク２５はＮ極と対向する。つまり、コイル基板２０の隣り合うヨーク２５は、磁気トラック３１の同一磁極と対向することはない。これにより、一方のヨーク２５を通る磁束密度の変化の位相と、他方のヨーク２５を通る磁束密度の変化の位相は、１８０°ずれた状態となる。
【００４９】
このように、コイル基板２０に対して磁気トラック３１が相対的に回転すると、ヨーク２５と対向する磁極が交互に替わる。これにより、ヨーク２５を通る磁束密度が周期的に変化する。この磁束密度の周期的な変化に応じて、ヨーク２５の周りに位置するコイルパターン２３に電圧変化（例えば、正弦波の交流電圧）が発生する。
【００５０】
図１１は、センサ付き軸受１が備える回路基板４０の構成例を示す図である。回路基板４０は、上述したように、電源基板４１と、センサ基板４２と、を備える。ここで、センサ基板４２は、角度センサ基板４２ａと、制御基板４２ｂと、を備える。
電源基板４１は、整流回路４３ａを備える。この整流回路４３１は、電源部４３（図１０参照）に含まれる。
【００５１】
発電部５０は、磁気トラック３１（図８参照）とコイル基板２０（図９参照）と、を備える。発電部５０は、軸受１２０の外輪と内輪との相対的な回転に基づいて発電し、センサ基板４２に電力を供給する。
発電部５０は、単相交流電力を発電して整流回路４３１に出力する。整流回路４３１は、発電部５０で発電された単相交流電力を全波整流して直流電力へと変換する。整流回路４３１としてダイオードブリッジが例示されるが、本実施形態はこれに限定されない。整流回路４３１から出力された直流電力は、不図示の平滑回路により平滑化され安定した電源となる。その後、不図示の蓄電回路および蓄電器に蓄電される。蓄電器に蓄電された直流電力は、計測を行うタイミングで不図示の定電圧出力回路により一定電圧に調整された後、センサ基板４２に出力される。
【００５２】
センサ基板４２の角度センサ基板４２ａには、角度センサ４４３が実装されている。また、センサ基板４２の制御基板４２ｂには、加速度センサ４４１と、マイコン４５１と、外部メモリ４５２と、無線モジュール（送信部）４５３と、が実装されている。マイコン４５１、外部メモリ４５２および無線モジュール４５３は、制御回路部４５（図１０参照）に含まれる。
加速度センサ４４１および角度センサ４４３は、電源基板４１から供給される直流電力を使用して、加速度や回転角度を検出する。
例えば、角度センサ４４３は、磁気トラック３１の側方に位置するように角度センサ基板４２ａに実装されている。磁気トラック３１を有する回転部３０は軸受１２０の内輪に固定されており、角度センサ４４３は、軸受１２０の内輪と共に磁気トラック３１が回転することによって変化する磁束密度を検出することによって、軸受１２０の外輪に対する内輪の回転角度を検出する。
なお、角度センサ４４３の種類は、インクリメンタル型であってもよいし、アブソリュート型であってもよい。
【００５３】
マイコン４５１は、ＣＰＵ４５１ａと、ＤＭＡＣ４５１ｂと、内部メモリ４５１ｃと、を備える。マイコン４５１は、センサ４４から取得した計測値を外部メモリ４５２に書き込む。
ここで、マイコン４５１は、図１の制御部２１０に対応している。つまり、ＣＰＵ４５１ａが図１のＣＰＵ２１１に対応し、ＤＭＡＣ４５１ｂが図１のＤＭＡＣ２１２に対応している。また、センサ４４が図１の計測部２２０に対応し、外部メモリ４５２が図１の記録部２３０に対応している。
【００５４】
無線モジュール４５３は、ＣＰＵ４５１ａの制御下で、内部メモリ４５１ｃや外部メモリ４５２に記憶されたデータを外部に送信する。この無線モジュール４５３は、図１０のアンテナ４７を備える。例えば、無線モジュール４５３は、無線通信によりデータを外部装置に送信する。送信されたデータは、外部装置の通信部で受信され、処理される。
なお、本実施形態では、センサ付き軸受１と外部装置とが無線通信を行う場合について説明したが、センサ付き軸受１と外部装置との間で通信可能な構成であれば、その通信規格は問わない。つまり、センサ付き軸受１から外部装置へのデータ送信は、有線通信により行ってもよい。
【００５５】
なお、ここでは、センサ４４から取得した計測値を外部メモリ４５２に書き込む場合について説明したが、センサ４４から取得した計測値を内部メモリ４５１ｃに書き込むようにしてもよいし、内部メモリ４５１ｃと外部メモリ４５２とを併用してもよい。また、内部メモリ４５１ｃと外部メモリ４５２とは１つのメモリであってもよい。
【００５６】
上述したように、本実施形態における計測システム２００は、小型化かつ省電力化を実現することができ、小型のデバイス筐体内にも格納可能である。そのため、本計測システム２００は、上記のような磁気エンコーダを利用したセンサ付き軸受１において、軸受の内輪と外輪との狭い空間にも格納可能で、同一筐体でセンサデバイスを構築することが可能になる。また、外部からの電源供給の無い自己発電機能を有するデータ無線送信型のデバイスにも適用可能である。
このように、自己発電機能を有するデータ無線送信型のセンサ付き軸受１に適用した計測システム２００は、自己発電機能により生成された微小な電力を用いて、軸受に関する物理量を軸受の回転位置（角度）と対応付けたデータを取得し、外部装置へ無線送信することが可能である。
なお、ここでは、自己発電機能を有するセンサ付き軸受１に適用する場合について説明したが、電源は外部給電であってもよい。
【００５７】
さらに、上述したセンサ付き軸受１は、例えば水車の軸受部に適用することができる。
図１２は、センサ付き軸受１を備えるペルトン水車３００の構成を示す図である。
ペルトン水車３００は、羽根車（ランナ）３１１を備える。ランナ３１１の外周には、多数個の羽根（バケット）３１２が設けられている。
また、ペルトン水車３００は、複数個（図１２では、２個）のノズル３２１を備える。各ノズル３２１内には、ニードル弁３２２が進退移動可能に配置されている。ニードル弁３２２によってノズル３２１の開度を制御し、ノズル３２１の先端から水を噴射すると、羽根３１２がその水を受け、羽根車３１１が回転する。ペルトン水車３００は、この羽根車３１１の回転によって発電する。
【００５８】
羽根車３１１の回転中は、各羽根３１２に水が当たることで軸受に振動が発生する。このとき、ペルトン水車３００が備える複数の羽根３１２のうちのいずれかに何らかの異常が発生している場合、その羽根３１２に水が当たったときの振動レベルは、他の羽根３１２に水が当たったときの振動レベルとは異なる。
したがって、ペルトン水車３００の軸受部に上述したセンサ付き軸受１を設置して、軸受の振動と回転位置（角度）とを対応付けた計測データを取得し、取得した計測データを解析することで、どの羽根３１１に異常が発生しているかを特定することができる。例えば、４番目の羽根３１２に異常が発生していると特定された場合、異常が発生している４番目の羽根３１２のみを修理、交換することができ、メンテナンスのコストを低減させることができる。
【００５９】
（変形例）
上記実施形態においては、回転機器が軸受である場合について説明したが、回転機器は、例えば歯車であってもよい。この場合にも、歯車の振動を計測する加速度センサと、歯車の回転角度を計測する角度センサとをマイコンにつなぐことで、歯車の振動と回転位置（角度）とを対応付けた計測データを取得する計測システムを構成することができる。この場合、取得された計測データをもとに、歯車のどの歯に異常が発生しているかといった診断が可能となる。
また、上記実施形態においては、軸受に関する物理量として、軸受の振動を示す加速度を検出する加速度センサを用いる場合について説明したが、物理量は振動（加速度）に限定されない。例えば、軸受において生じる摩擦音を検出する超音波センサを用いることもできる。この場合にも、軸受のどの位置（角度）で異常音が発生しているかを特定することが可能となる。
【００６０】
また、上記実施形態においては、加速度データと角度データとを対応付けた計測データを取得する場合について説明したが、加速度データおよび角度データを含む３種類以上の計測値を対応付けた計測データを取得することもできる。この場合、３種類以上のセンサの各計測値を、各センサのいずれかにおける計測値の更新完了タイミングに同期して取得する。例えば、各計測値を、３種類以上のセンサのうちの少なくとも２つのセンサにおいて更新周期が長い方の更新完了タイミングに同期して取得する。
【００６１】
さらに、上記実施形態においては、計測データを軸受の異常診断に用いる場合について説明したが、計測データの使用方法は問わない。つまり、計測データは、異常診断以外にも使用可能である。
例えば、上述したセンサ付き軸受１をロボットアームの関節部に適用した場合、ロボットアームがどの角度であるときに振動が発生するかを特定することができる。したがって、この場合には、振動が発生しない軌道を描いてアーム先端が移動するようにティーチングするようにしてもよい。
【００６２】
なお、上記の同期計測システムの構成は、回転機器に限って適用されるものではなく、例えば直動機構にも適用可能である。直動機構に適用した場合、水平方向の位置とその機器に関する物理量とを同期して計測することができる。
また、上記の同期計測システムは、角度（位置）と他の物理量とを同期計測するシステムに限らず、複数の異なるセンサによりそれぞれ計測された複数の物理量を同期計測するシステムに適用可能である。例えば、工場内のパイプ内の流体の圧力変化と振動とを同期計測するシステムに適用することができる。この場合、パイプの破損などの故障検知や予知を行うことができる。
【符号の説明】
【００６３】
１…センサ付き軸受、１００…センサ付き発電ユニット、１２０…軸受、２００…計測システム、２１０…制御部、２１１…ＣＰＵ、２１２…ＤＭＡコントローラ（ＤＭＡＣ）、２２０…計測部、２２１…加速度センサ、２２２…角度センサ、２３０…記録部、２３１…メモリ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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