(57)【要約】【課題】電源レスで、装置の小型化、軽量化を図る。【解決手段】検出システム１０Ａは、回転軸１に取り付けられたセンサ１３と、回転軸１と一体に設けられ、回転軸１の回転にともなって振動することによって発電する発電素子１１と、発電素子１１から電力の供給を受け、センサ１３の検出信号を外部に送信する無線送信回路を含む信号処理部１４と、を備える。【選択図】図１
2014137354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸上での状態量を検出する検出システムであって、
前記回転軸に取り付けられて前記状態量を検出するセンサと、
前記回転軸と一体に設けられ、前記回転軸の回転にともなって振動することにより発電する発電素子と、
前記発電素子から電力の供給を受け、前記センサの検出信号を外部に送信する無線送信器と、
を備えることを特徴とする検出システム。
【請求項２】
前記発電素子は、前記回転軸の中心軸線と平行に延設され、該中心軸の径方向に薄肉の扁平状とされていることを特徴とする請求項１に記載の検出システム。
【請求項３】
前記発電素子に、該発電素子が回転した時に前記回転軸の径方向に前記発電素子を変位させる加振手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の検出システム。
【請求項４】
前記無線送信器は、前記回転軸の回転周期と同期して前記検出信号を送信することを特徴とする請求項３に記載の検出システム。
【請求項５】
前記加振手段は、前記発電素子に設けられた磁石回転子と、前記発電素子の外周側に固定された磁石固定子とからなることを特徴とする請求項３または４に記載の検出システム。
【請求項６】
前記発電素子は、一端が前記回転軸に固定され、他端が前記一端から前記回転軸の中心軸線と平行に延びて自由端とされていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の検出システム。
【請求項７】
前記発電素子は、前記回転軸よりも断面二次モーメントが小さいことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の検出システム。
【請求項８】
前記センサは、前記回転軸の歪みを検出する歪ゲージであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転した状態で回転軸の状態量を検出する検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば船舶のスクリュー、風力発電機の風車の車軸等の回転機械においては、動作状態のモニタリング等の目的で、回転体の回転軸で発生しているトルクを計測することがある。
このような場合、回転軸の回転によって回転軸に生じる歪みをセンサで検出し、その検出信号を回転機械の制御装置に送信する。このようなセンサとしては、フランジタイプのトルク計測器とトルクテレメータとが広く用いられている。
【０００３】
フランジタイプのトルク計測器は、回転軸に外周側に張り出すフランジを設け、このフランジと外周側のケースとの間に設けた歪ゲージによって、回転軸のトルクを計測する。
【０００４】
また、トルクテレメータは、回転軸の表面に歪ゲージを設けることで、回転軸の回転によって生じたねじりによる歪を検出し、回転軸の外周側に設けた受信アンテナに信号を送信して、回転軸のトルクを計測する。
【０００５】
フランジタイプのトルク計測器、トルクテレメータのいずれにおいても、検出を行うには、電源からの配線が必要である。このため、これらにコストがかかるとともに、周囲で電源の確保が困難な場合には、トルク計測が行えないことになる。
このような場合に、電源として、バッテリを用いることも考えられるが、長期間にわたってモニタリングを行う場合には、バッテリの交換の手間とコストがかかる。またバッテリをアクセスの困難な場所に設置せざる得ない場合には、バッテリの交換自体が困難となってしまうために、バッテリを電源とすることを採用できない場合もある。
【０００６】
これに対し、特許文献１には、発電機を備えたワイヤレス回転検出装置が開示されている。この装置は、回転軸と一体に設けられたロータと、ロータの外周側に設けられたステータとによって発電した電力によって、回転検出信号を送信する構成を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２６２６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載の構成は、回転軸の外周側にロータとステータを設けるため、装置の小型化、軽量化が困難である。その一方で、回転軸上でトルク等の状態量を検出し取得することを継続的に行うためには、高い発電効率も必要である。
そこでなされた本発明の目的は、回転軸上で状態量を継続的に検出し取得することを可能としつつ、装置の小型化を図ることのできる検出システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明は、回転軸上での状態量を検出する検出システムであって、前記回転軸に取り付けられて前記状態量を検出するセンサと、前記回転軸と一体に設けられ、前記回転軸の回転にともなって振動することによって発電する発電素子と、前記発電素子から電力の供給を受け、前記センサの検出信号を外部に送信する無線送信器と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
回転軸に、この回転軸の回転に伴って振動する発電素子を設け、この発電素子の振動によって発電素子が発電することできる。このため、回転軸上でセンサによって検出された状態量を、無線送信器で外部に送信するための電源を確保することができる。
【００１１】
記発電素子は、前記回転軸の中心軸線と平行に延設され、該中心軸の径方向に薄肉の扁平状とされているのが好ましい。
これによって、回転軸の回転にともなって発電素子が振動する方向を、回転軸に直交する方向に沿ったものとすることができる。
【００１２】
前記発電素子に、該発電素子が回転した時に前記回転軸の径方向に前記発電素子を変位させる加振手段をさらに備えるようにしてもよい。
加振手段により、回転軸の径方向における発電素子の変位を増大させることで、発電素子における発電量の増加を図ることができる。
【００１３】
前記無線送信器は、前記発電素子の振動周期と同期して前記検出信号を送信するようにしてもよい。
これによって、回転軸と同期して振動する発電素子の振動周期と同期させて無線送信器のアンテナが検出信号を送信することで、回転軸回りの特定の方向に向いたときに検出信号を送信することができる。
【００１４】
前記加振手段は、前記発電素子に設けられた磁石回転子と、前記発電素子の外周側に固定された磁石固定子とからなるものとすることができる。この磁石回転子と磁石固定子との間で、磁界が互いに影響しあうことによって、発電素子の変位を増大させることができる。
【００１５】
前記発電素子は、一端が前記回転軸に固定され、他端が前記一端から前記回転軸の中心軸線と平行に延びて自由端とされているのが好ましい。
これによって、発電素子の自由端側における振幅が大きくなる。そこで、発電素子を発電素子の自由端側に設けることで、発電効率を高めることができる。
【００１６】
前記発電素子は、前記回転軸よりも断面二次モーメントが小さいものとするのが好ましい。
これによって、回転軸の回転に伴う発電素子の振動を、より大きくすることができる。すると、この振動の振動を用いた発電素子における発電効率を高めることができる。
【００１７】
前記センサは、前記回転軸の歪みを検出する歪ゲージであるようにしてもよい。もちろん、それ以外の目的のセンサであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、回転軸上で状態量を継続的に検出し取得することを可能としつつ、装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施形態に係る検出システムにおける発電素子が振動する様子を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る検出システムの機能的な構成を示す図である。
【図３】第２の実施形態に係る検出システムを示す斜視図である。
【図４】第２の実施形態に係る検出システムにおいて、周期的に変動させる発電量の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明による検出システムを実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る検出システム１０Ａの構成を示す図である。
この図１に示すように、検出システム１０Ａは、各種回転機械等の回転軸１に設けられて自身の振動により発電する発電素子１１と、状態量を検出するセンサ素子（センサ）１３と、発電素子１１から電力の供給を受けて、センサ素子１３の検出信号を計測し、無線送信する信号処理部１４と、を備えている。
【００２２】
発電素子１１は、前記信号処理部１４に一端１１ａが固定されている。このような発電素子１１は、一端１１ａが固定端とされ、他端１１ｂが自由端とされた、カンチレバー状をなしている。
この発電素子１１は、一端１１ａから他端１１ｂまで、例えば断面が長方形状をなした帯板状とされている。
ここで、発電素子１１は、断面二次モーメントを小さくし、あるいは、適切に弾性変形できるヤング率の材料を用いることによって、回転に伴って振動(繰り返し弾性変形)するように形成されている。
【００２３】
また、発電素子１１は、他端１１ｂの振れによる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する例えばピエゾ素子により形成されるが、発電素子自体がカンチレバー状をなして振動する構造に限られるものではなく、回転にともなって振動するカンチレバー状の弾性体に運動エネルギーを電気エネルギーに変換するピエゾ素子等の素子を一体に固定して弾性体とともに振動させても良い。
【００２４】
このような発電素子１１は、回転軸１が回転すると、回転軸１とともにその中心軸線周りに回転する。回転軸１は、偏芯等による僅かなアンバランス量を有し、また、回転軸１を支持する軸受との間に僅かなガタが生じている。このため、回転軸１は、回転に伴って自身の固有振動数で径方向に振動する。このとき、発電素子発電素子１１は、回転軸１の軸線に沿って延び、径方向に薄肉の偏平状であり、その板幅方向Ｄｗ（図１の紙面と直交する方向）と板厚方向Ｄｔとで剛性が異なる。その結果、発電素子１１では、他端１１ｂにおいて板厚方向Ｄｔへの変形が繰り返される振動が発生する。このとき、発電素子１１の固有振動数が回転軸１の固有振動数に一致している、または、近い値であることで、発電素子１１が大きな振幅で振動しこの振動に伴う変形により交流電力が生じることになる。
【００２５】
センサ素子１３は、状態量を検出するもので、回転軸１の外表面１ｂに固定されている。このセンサ素子１３は、例えば回転軸１の回転トルクを検出する目的であれば、箔歪ゲージまたはピエゾ式歪みセンサからなり、回転軸１の歪みを検出する。
【００２６】
図２に示すように、信号処理部１４は、発電素子１１から電力の供給を受けて蓄電するキャパシタ等の蓄電素子１４ａと、蓄電素子１４ａから電力の供給を受けて作動する無線送信回路（無線送信器）１４ｂと、コントローラ１４ｃと、を備える。
ここで、発電素子１１から供給される電力は、蓄電素子１４ａを介さずに直接無線送信回路１４ｂに直接供給し、無線送信回路１４ｂが作動していないとき等に、余剰電力を蓄電素子１４ａに蓄電するようにしてもよい。
【００２７】
無線送信回路１４ｂは、センサ素子１３から出力される検出信号を受け取り、これを無線により外部に送信する。外部の受信装置（図示なし）においては、センサ素子１３からの検出信号を受信することによって、回転軸１のトルク変動等をモニタリングすることができる。
【００２８】
コントローラ１４ｃは、主に無線送信回路１４ｂの作動を制御する。すなわち、消費電力を抑えるため、無線送信回路１４ｂを一定時間ごとに定期時に起動させてセンサ素子１３からの検出信号を外部に送信し、それ以外のときは無線送信回路１４ｂをＯＦＦとする、といったような制御を司る。なお、コントローラ１４ｃにおける制御内容については、なんら限定するものではない。
【００２９】
この信号処理部１４に対しては、発電素子１１およびセンサ素子１３を電気的に接続する必要があるが、配線をなるべく短くするために、信号処理部１４を発電素子１１のより近傍に配置することが望ましい。
【００３０】
このような検出システム１０Ａにおいては、発電素子１１を備えることによって、外部に電源を備える必要がなく、発電素子１１で発電した電力によってセンサ素子１３の検出信号を無線により送信することができる。したがって、電源からの配線等も不要であり、メンテナンスフリーで長期間にわたって検出を行うことが可能となる。
また、発電素子１１は、回転軸１の表面１１ｃに設けられ、回転軸１の回転に伴う振動によって発電するので、非常に小型であり、検出システム１０Ａの小型化、軽量化を図ることができる。
加えて、発電素子１１は、その断面二次モーメントが回転軸１よりも小さいために、回転軸１の回転による振動（変動）が回転軸１よりも生じやすい。しかも、発電素子１１は、断面長方形の偏平状とされている。これによって、回転軸１の回転に伴う発電素子１１の振動は、回転軸１の中心軸に直交した板厚方向Ｄｔに沿ったものとなる。したがって、発電素子１１の振動により効率よく発電することができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
次に、本発明にかかる検出システムの第２の実施形態について説明する。なお、以下に説明する第２の実施形態においては、上記第１の実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。
本実施形態に係る検出システム１０Ｂは、上記第１の実施形態に係る検出システム１０Ａと基本的な構成は共通であり、その差異を以下に説明する。
【００３２】
すなわち、図３に示すように、本実施形態の検出システム１０Ｂにおいては、板厚方向Ｄｔに直交する表面１１ｃにおける、発電素子１１の他端(自由端)１１ｂの近傍に、永久磁石からなる磁石回転子（加振手段）２０が設けられている。この磁石回転子２０は、回転軸１の軸心Ｃを中心として、外周に設けられた発電素子１１の回転に伴って、図３に矢印で示すように、発電素子１１と一体にその周方向に旋回する。
【００３３】
前記発電素子１１の外周側には、回転軸１および発電素子１１を収容するケーシング（図示なし）等に固定されて、永久磁石からなる磁石固定子（加振手段）２１が設けられている。この磁石固定子２１は、発電素子１１に設けられた磁石回転子２０の旋回軌跡と同一面内であって、半径方向外方に位置し、双方の磁界が互いに影響を及ぼすように近接して配置されている。
ここで、磁石回転子２０と磁石固定子２１とは、磁界が互いに反発しあうよう、Ｎ極どうし、またはＳ極どうしが対向するよう配置してもよいし、双方が互いにひきつけあうように、Ｎ極とＳ極とが対向するよう配置してもよい。
【００３４】
このような構成の検出システム１０Ｂにおいては、上記第１の実施形態の検出システム１０Ｂと同様、回転軸１とともに回転する発電素子１１の振動により発電することによって、センサ素子１３の検出信号を外部に送信する。
このとき、発電素子１１に設けられた磁石回転子２０と、その外周側の磁石固定子２１とが、磁力により、互いに反発または引き付けあうことによって、発電素子１１において板厚方向Ｄｔに直交する方向の歪みが大きくなる。その結果、発電素子１１における発電効率を高めることができる。
【００３５】
また、図４に示すように、発電素子１１で発生する電流は交流電流であり、その周波数は回転軸１の振動周期に一致する。このため、発電素子１１で発生する電流波形をコントローラ１４ｃで抽出し無線送信回路１４ｂで送信することで、回転軸１の回転数を解析することが可能となる。また、信号処理部１４のコントローラ１４ｃが、抽出した電流波形から周波数を取得し、該周波数から回転軸１の回転数を求めるようにしても良い。このようにすることで回転軸１の回転数自体を無線送信回路１４ｂから外部へ送信することが可能である。
【００３６】
加えて、上記の発電素子１１で発生する交流電流の周期的な変動をモニタリングしつつ、無線送信回路１４ｂでは、交流電流の周波数から得られる回転軸１の回転周期（発電量の変動周期）と同期した周期で、検出信号の送信を行うようにしてもよい。これにより、無線送信回路１４ｂが回転軸１の軸線回りに特定の方向を向いたときに、検出信号の送信を行うことができ、信号送信の指向性を高めることができる。
【００３７】
（その他の実施形態）
なお、本発明の検出システムは、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、発電素子１１を、断面長方形の帯板状としたが、これを例えば、断面円形の円柱状とすることも可能である。この場合も、発電素子１１の断面二次モーメントを回転軸１より十分に小さくすることにより必要な発電効率、センサ感度を得ることができる。ただし、円柱状の発電素子１１では、振動が発生する方向が、回転軸１の中心軸に直交した断面で、直線的な往復運動になりにくい可能性がある。そこで、発電素子１１の断面形状は、上記実施形態のような長方形状の他、長円形状、楕円形状等といった扁平形状とするのが好ましい。
また、例えば円柱状の発電素子１１であっても、上記第２の実施形態で示した磁石回転子２０および磁石固定子２１のような加振手段を設ければ、発電素子１１で生じる振動の方向を、特定方向に制限することができる。このような加振手段としては、例えば、発電素子１１の周方向の一部にウェイトを設けるようにしてもよい。
【００３８】
また検出システム１０Ａ、１０Ｂを装着する回転軸１は、いかなる回転機械のものであってもよい。
さらに、センサ素子１３においては、回転軸１の回転トルクを検出する以外の状態量、例えば温度等を検出するものであってもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１  回転軸
１０Ａ、１０Ｂ  検出システム
１１  発電素子
１１ａ  一端
１１ｂ  他端
１１ｃ  表面
１３  センサ素子（センサ）
１４  信号処理部
１４ａ  蓄電素子
１４ｂ  無線送信回路（無線送信器）
１４ｃ  コントローラ
２０  磁石回転子（加振手段）
２１  磁石固定子（加振手段）
【図１】
2014137354.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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