(57)【要約】【課題】  本発明は、社会インフラ設備、産業機器、生産装置等の加速度等の振動状態を検出し、その運転・故障状態やメンテナンスの必要性を判断するための振動モニタリングシステムを、従来の高価・大型なシステムではなく、安価に、電池駆動で、常時運転できる実用化システムを提供するものである。【解決手段】  本発明は、安価で小型なマイクロホンを用いて微小な振動変位が検出できるように、対象振動体に接する弾性体を伝達機構にし、その弾性体の表面微小振動を空気圧振動に変換するためのマイクロホン表面と当該弾性体表面で構成されるミニキャビティ構造にすることで可能にした安価で低消費電力の振動モニタリングシステムを提供するものである。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物から垂直方向の振動を伝達し、水平方向の振動を抑制するように設計された弾性体と、その弾性体の微小表面振動を大きな空気圧の変化に拡大して変換する断熱圧縮、密封された空気を満たしたミリメートルサイズのミニキャビティと、音圧を検出するための振動を電圧に変換する機能を持つ振動板を有するマイクロホンと、マイクロホンの信号を増幅する信号処理回路と、その信号を外部に取り出す手段を備えた、振動状態モニタリングシステム。
【請求項２】
弾性体の厚さが1mmから8mmであって、空気層の隙間距離が0.5mmから7mmで面積1平方mmから40平方mmのミニキャビティを有する請求項１の振動状態モニタリングシステム。
【請求項３】
対象物から振動強度を捉えるマイクロホンは、ミニキャビティの隙間と面積を規定する円筒形のケースに内蔵され、弾性体は当該ケースのマイクロホンの対応する面にミニキャビティを隔てて配置され、当該弾性体にはミニキャビティの反対側の表面に振動を検出するための凸部と、取り付けジグで固定するための凹部を有し、その凸部が計測対象物に接するように構成され、望ましくはその凸部の周辺にせん断方向の雑音振動を遮断するような凹部を有した請求項１、２の振動状態モニタリングシステム。
【請求項４】
対象物から振動強度を捉えるマイクロホンは、ミニキャビティの隙間と面積を規定する円筒形のケースに内蔵され、弾性体は当該ケースのマイクロホンの対応する面にミニキャビティを隔てて配置され、当該弾性体は取り付けネジを備えた取り付けジグによって密着させながら固定され、当該取り付けジグはＯリングのような別の弾性体で振動エネルギーを分散させる構成を持った請求項１、２の構成
【請求項５】
対象物から高い周波数の振動強度を捉えるマイクロホンと、低い周波数を捉えるMEMS加速度センサの何れか、または両方を用い、アナログデジタル変換器を有するＭＰＵ内の記憶装置領域に、複数の振動データを記憶する記憶装置と、関連データを記憶する記憶装置を持ち、振動のピーク値や２乗平均平方根の値等を関連するデータとし、予め設定された関連データの閾値を超えた場合に異常振動と判断し、この異常信号に対応する関連する振動データを記憶する記憶装置と、関連データを記憶する記憶装置の値、望ましくはその前後の値を含めて、外部に取り出し、或いは記憶させるようにした請求項１、２，３，４の常時振動モニタリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、橋梁・建築物、発電機等の社会インフラ、生産設備や機器等の産業機械の振動状態をモニタすることで、機構システムの故障診断やメンテナンス、或いは機器の正常運転の度合いを常時監視することを目的にしている。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野においては対象物の振動周波数が対象物の大きさや種類、機構によって大きく異なり、大型建築物である橋梁では数Hzから100HZ程度、モータシステムではギアやボールベアリングの傷による振動の周波数は数kHz、更に工作機械のバイトの振動は1k-5kHz程度になる場合もある。
【０００３】
従来は圧電ピックアップやMEMS加速度センサが使用されていたが、圧電ピックアップ振動システムは高価で消費電力が大きく、MEMS加速度センサは安価であるが、その共振周波数が数kHzであって1kHz以上の検出が困難であり、これらの振動センサを大量に機器に取り付けることは実用上困難であり、安価で周波数帯域が広く、普及が進んでいるマイクロホンの使用が望まれていた。
【０００４】
マイクロホンの使用の先行技術として、特許文献１に示す公開公報では、振動膜に載せられた錘の振動を、２枚の電極の静電容量を検出する方法が開示されており、その衝撃耐性と感度を両立させるための上記振動板にスリットを入れて、その弾性定数を調整する手法が述べられている。
【０００５】
しかしこの手法では、コンデンサの構造を微細で高価な加工マイクロプロセスを使う必要があり、また錘の大きさ、質量と、振動板の厚さやスリットの構造できまるバネ定数で決る共振周波数をセンサ毎に調整する必要があった。
【０００６】
別のマイクロホンの使用の先行技術として、特許文献２に示す公開公報では、第一の振動伝達板、空気層、第二の振動伝達板で構成され、この第二の振動伝達板の裏側の振動膜を持つマイクで振動を検出する手法であるが、対象が人体振動であって、この第一、第二の振動伝達物質が共に、音響インピーダンスが生体表面との整合性を取るために同じ弾性体となっている。
【０００７】
更に特許文献２に示す公開公報では、対象が人体振動であることを前提にしているので、振動周波数も低く、空気層が外部に開放されており、また振動膜と接触している弾性体の第２の振動伝達板があるため、高い周波数での計測は困難であると共に、理論的な記述が無いため、構成の効果も明確でなかった。
【０００８】
単純な方法で市販のマイクロホンを用いて振動を計測する提案としてプリ工作機械のバイトの振動を加速度センサやマイクロホンで検知する手法が特許文献３に示されているが、単独マイクロホンでは指向性がなく周囲音も拾うため、その対象物から発生する音であるか否かを特定化することは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2005-331281  「振動センサ」
【特許文献２】特開2013-175847 「振動検出装置」
【特許文献３】WO 2010 116825 「作業機械のびびり抑制方法及び装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の圧電ピックアップを利用した広帯域の振動モニタリングシステムは、大型・高価で大消費電力であるため、電池駆動で無線を使って多数のセンサからデータを取得する用途には適さず、また社会インフラや生産システムのように、通常は正常でも非常に稀に、例えば数時間に１回起こるような異常現象を、長期間にわたって計測・モニタリングすることは出来ず、またMEMS加速度センサ利用システムは安価で小型であるが、高い周波数を検出できないと言う課題があった。
【００１１】
このため、安価なコンデンサマイクを使った振動計測が産業化に高いポテンシャルを持っているが、先行特許文献１の例ではマイクロ加工法を使って製造する必要があって高価となり、また特許文献２の例では人体振動に特化しているため産業機械の振動モニタリングには合致せず、更に特許文献３では単純なマイクを使っているが、自由空間に立体角で放出される音圧を見ることで正確な対象物の振動状態の計測は出来なかった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本技術分野では、広帯域・小型・安価で、大量に生産でき、かつ消費電力が小さく、電池で何ヶ月に亘って常時計測が出来るような実用化システムが求められており、本発明はこれを可能とするため、対象物の振動を対象物表面に密着するような弾性体を介して、弾性体表面のナノレベルの微小な振動に変換し、この振動を密閉空気による断熱圧縮によって空気の圧力振動に変換し、これを質量の小さな薄膜振動体を持つ安価で小型・広帯域のマイクロホンを用いて電圧に変換することで振動モニタリングを行わせる構成であり、これによって、100Hzから10kHz程度までの広い周波数の振動をモニタリングでき、更に、MEMS加速度センサと組み合わせることで、1Hzから10kHzまでの超広域センサの実現も可能となる。
【００１３】
ここで一般的に振動対象物の表面の変位d(m)と加速度α(m/s2)の関係は数１式に示すように、例えば周波数f=10kHzと高い場合は、加速度1G(9.8m/s2)での表面の変位の最大値は、振動が正弦波であると仮定すると2.5nmと非常に小さい。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
しかし、音波領域を使う場合は、この振動の他に周囲の空気や、他の物体から伝達する音波、進行波等の様々な雑音振動が含まれているため、これらの雑音振動を抑制しながら、被計測対象物のみの僅かな微少変位を拡大して検出する必要があった。
【００１６】
本発明では、この目的を達成するいために適切な大きさと厚さを持ったブチルゴムやシリコンゴム等の弾性体を用いた振動伝達材料と、その信号伝達材料の表面振動を増幅伝達するために断熱・擬似密封した空気層を用いることにした。
【００１７】
図１に示す構成図のなかで、被計測振動物１が、振動伝達弾性体４に接しており、複雑な形状をもつ被計測振動物１であっても、その面の垂直方向の振動成分の平均値が振動伝達弾性体２の表面に現れる。
【００１８】
この振動は図１のミニキャビティ６と定義した間隔L(m)、面積Ｓ（平方ｍ）の、擬似密封され、かつ断熱された空気を満たした隙間が構成され、この振動伝達弾性体４の上部表面に対抗する面である位置にマイクロホン５の振動電気変換振動膜７（例えばコンデンサマイクの場合は帯電した高分子膜、または帯電高分子膜に対抗する振動膜）を置く構成にすると、その表面の変位d（ｍ）は振動電気変換振動膜７に掛かる音圧δP（Pa）を誘起し、その大きさは、数２式となり、例えばL=3mmとすると音圧は85mPa、或いは20μPaを0dBとする音量表記では74dBであって通常のマイクロホンで検出される十分な音圧になる。
【００１９】
【数２】
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【００２０】
ここで検出限界は、マイクロホン５の音圧信号を増幅するアンプのノイズレベルで決るが、通常の（コンデンサ）マイクは人間の耳で聞くことができる限界音圧を再現できるため、この値を最小音圧値と仮定するならば、最小音圧値は20μPa/85mPa=235μG（2.3mm/s2）となり、１Ｇの1/500と十分な感度を有する。
【００２１】
一方、振動伝達弾性体４と、センサを支えるケース３の設計指針としては、振動伝達弾性体４の振動面の垂直方向の振動を正確に伝達しながら、それ以外の雑音振動である振動伝達弾性体４の水平方向の振動であるせん断振動や、ケース３が受ける外部からの音圧信号を可能な限り遮断する必要がある。
【００２２】
これには振動伝達弾性体４を弾性体で構成するため、弾性体の大きな減衰効果を利用できるが、このような小型検出システムでは、振動伝達弾性体４の共振周波数を考慮しなくてはならなく、今回のような円板であると、半径方向のモードと、角度方向のモードがあって、高次モードが多いため、使用する周波数は振動伝達弾性体４の共振周波数より小さな周波数とした。
【００２３】
ここで、振動伝達弾性体４の半径Ｒ（ｍ）、厚さｔ（ｍ）、ヤング率Ｅ（Pa）、ポアソン比ν、曲げ剛性Ｄ、面密度ρｓ（kg/m2）、モード係数Parとすると、その共振周波数fmは数３式、その中の曲げ剛性Dは数４式となる
になる。
【００２４】
【数３】
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【００２５】
【数４】
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【００２６】
ここで、具体的にＲ＝５ｍｍ、ｔ＝２ｍｍ、ブチルゴムのヤング率2MPa、ポアソン比0.5、密度 0.9kg/m3として計算すると、共振周波数は約34kHzとなり、ゴム系材料のため、Ｑ値が10程度に小さいと考えても、10kHz以下の検出には十分な値になる。
【００２７】
さらに、この共振周波数よりも十分小さな周波数帯域では、振動伝達弾性体４の減衰率が０．２５から０．５と推定されるため、図１のケース３や、或いはその周囲から来る雑音音圧は振動伝達弾性体４に平行して伝達されるエネルギーは大きく減衰される。
【００２８】
一方、振動伝達弾性体４の下面からの被計測振動物１からの振動は、ブチルゴムやシリコンゴムはポアソン比が０．５であり、非圧縮材料として振舞うために、ある程度の圧力で接触されていれば減衰せずに振動が正確に伝わるとされており、これは実験的に確認済である。
【００２９】
また非圧縮材料の特徴は、弾性体のせん断方向からの圧力を受けても、その体積変化が無いため、横方向からの静水的な圧力による変位ｄLによって誘起される弾性体の垂直方向への伸びｄは、弾性体の厚さをｔ、半径をRとすると（この弾性体を２Rの立方体と近似）、数５式のように、ｄLはt/2Rに比例して縮小して観測され、横方向からのゆっくりした振動による減衰は、前述した高い周波数での振動減衰と合わせて極めて大きいことが判った。
【００３０】
【数５】
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【００３１】
以上の理論と、設計方針から今回の検出すべき振動周波数は100Hzから5kHzであるため、振動伝達弾性体４の共振周波数は異常共振の防止と周囲雑音の減衰の観点から10kHzから40kHzが望ましく、かつ音響的に共振を起こさない等の条件を考えると、数３、数４、数５式から振動伝達弾性体４の厚さは1mm以上であって、最大は8mm、振動伝達弾性体４の面積は半径が5mmから10mmの円板、或いは同等の面積の正方形が望ましい。
【００３２】
その振動を空気圧の変化に変えるミニキャビティ６の長さ（隙間）は（２）式に従って短い方が振動振幅を拡大するのみ有利であるが、加工精度や強い衝撃での接触等の課題を考えると、最小で0.5mm、また最大値は空気中の音速の波長で決るが、10kHzの波長が33.4mmであることから、このミニキャビティ６での異常共振は問題なく、（２）式を使って、最大値を７mmとし、そのキャビティの面積は、加工性、センサシステムの全体の大きさ等の全体のバランスを考えて1平方mmから40平方mmが最適であることを実験的に確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の実施例（実施例１）の構成図、センサシステムの構成を示す。
【図２】実施例２の構成図、センサモジュールの断面を示す。
【図３】実施例３の構成図、センサモジュールの断面を示す。
【図４】実施例４の構成図、センサモジュールの断面を示す。
【図５】実施例５の構成図、センサシステムの構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１が本発明の実施例（実施例１）の構成図であり、センサモジュール２は、振動計測対象物１に接触して振動を伝える振動伝達弾性体４、ナノメートルの振動伝達弾性体４の変位振動を空気圧振動に変換するミニキャビティ６と、その空気圧振動を電気に変換する振動電気変換振動板７とマイクロホン５、アナログ信号処理モジュール８、デジタル信号処理モジュール９で構成される。
【実施例】
【００３５】
図１に示す実施例１は本発明のセンサモジュール２の基本的な構成であって、振動を計測したい設備や機械である振動計測対象物１に接触して振動を感知する振動伝達弾性体４はブチルゴムやシリコンゴム等で構成される弾性体であって、振動伝達弾性体４の下方は振動計測対象物１に接触させ、振動動伝達弾性体４の反対側表面である空気層側に振動変位を伝達・誘起させ、この面とマイクロホンの音圧振動を電気信号に変換する振動電気変換振動板７の面が、空気で満たされたミニキャビティ６を構成し、このミニキャビティ６は、ケース３の枠で規定され、このミニキャビティ６によって数２式に従って振動伝達弾性体４表面の微少の振動変位が音圧に拡大されて変換され、振動が弱くても十分な電気信号を得ることが可能になる。
【００３６】
この振動伝達弾性体４は周辺をケース３によって固定されているため、その厚さと大きさで決る太鼓の膜のような振動モードを有するが、その半径方向に０次、角度方向に０次の振動モードを計測周波数の最大値、例えば５ｋＨｚ対してその値の２倍以上に設定することで、異常振動の発生を抑えると共に、振動伝達弾性体４がポアソン比０．５の非圧縮材料であることを利用して数５式に従って、ケース周辺や振動計測対象物１の水平方向のせん断方向の雑音変位や雑音振動を、弾性体の変位減衰効果や振動減衰効果によって抑制可能となる。
【００３７】
この振動伝達弾性体４の固有振動数を決める膜厚と半径は、数３式、数４式、数５式を使って厚さは１ｍｍから７ｍｍ、半径は５ｍｍから１５ｍｍが最適である。
【００３８】
ミニキャビティ６は、原理から考えて断熱で擬似密封が望ましいため、断熱を実現するためにケースは金属ではなくてプラスチックが望ましく、また擬似密封とは、音圧が発生・変化する時間周期において空気の外部からの流入や流出が無いことであるので、Ｏリング等で完全に密封する必要はないが、空気を通す穴はあってはならない。
【００３９】
ケース３の加工面で決定されるキャビティ隙間は数２式と、計測する周波数から勘案して、0.5mmから7mm、ケース３のキャビティ穴６の面積は、1平方mmから40平方mmが望ましい。
【００４０】
センサモジュール２にアンプ等の追加機構を搭載すると、その追加構造体で発生する共振周波数によって周波数特性が劣化するためセンサモジュール２とアナログ信号処理モジュール８は分離した方が望ましく、このためセンサシステムはプリアンプを含む外部のアナログ信号処理モジュール８とデジタル信号処理モジュール９で構成されるが、アナログ信号処理モジュール８が表面実装で小型化できる場合は一体化しても良い。
【００４１】
図２に示す第2の実施例では、対象物から振動強度を捉えるマイクロホン５は、ミニキャビティ６の隙間と面積を規定する円筒形のケース３に内蔵され、対象物の振動を伝達する振動伝達弾性体４はケース３のマイクロホン５の音圧を電気信号に変換する振動電気変換振動板７に対応する面にミニキャビティ６を隔てて配置され、振動伝達弾性体４のミニキャビティ６の反対側に位置する振動伝達弾性体４には弾性体の検出突起部１０と弾性体固定凹部１１があって、この弾性体固定凹部１１によって取り付けジグＡ１２で固定され、振動伝達弾性体４の検出突起部１０を振動計測対象物１に接触させ、更に必要であれば取りつけ穴１３を具備し、振動計測対象物１の振動を正確に伝達できるように構成したものである。
【００４２】
図３に示す第３の実施例では、基本的な構成は第２の実施例と同じであるが、第２の実施例の振動伝達弾性体４の弾性体固定凹部１１の位置に取り付けジグＡ１２で固定されているが、加工の精度が悪い場合や、組み立て精度が悪いと、取り付けジグＡ１２と弾性体固定凹部１１を通じて水平方向からのせん断的な応力や雑音振動を拾ってしまって、計測精度が悪くなると考えられる。
【００４３】
このため、振動伝達弾性体４には検出突起部１０と弾性体固定凹部１１の間に弾性体振動分離部１４を設けて、せん断方向の応力や雑音振動を遮断するとともに、振動伝達弾性体４の水平方向の振動減衰の効果を高めている。
【００４４】
図４に示す第４の実施例では、対象物から振動信号を捉えるマイクロホン５は、ミニキャビティ６の隙間と面積を規定する円筒形のケース３に内蔵され、振動伝達弾性体４はケース３のマイクロホン５の対応する面にミニキャビティ６を隔てて配置され、振動伝達弾性体４は取り付けネジ１６を備えた取り付けジグＢ１５によって密着させながら固定され、取り付けジグＢ１５はＯリング２４のような別の弾性体で振動エネルギーを分散させる構成である。
【００４５】
第２、第３、第４の実施例も、マイクロホン５とミニキャビティ６を中心にした円対称になっており、安価な円筒形のエンジニアリングプラスチックを旋盤での切り出しや、プラスチックモールド等を用いて安価に製造可能であるとともに、ネジで簡単に組み立てができ、必要に応じてネジ部にＯリングを介することで、防水構造になり、更に突起物がないので不要な共振を抑えることが可能になる。
【００４６】
第１，２，３，４の実施例では、マイクロホン５がケース３に接触を許す構成になっているが、多くのマイクロホンは内蔵する振動電気変換振動板７がマイクロホンのケースと音響的に良く分離されているが、この音響分離が不十分な場合は、ケース３とマイクロホン５を別の弾性体等で音響的に分離する必要がある。
【００４７】
図５に示す第５の実施例では、マイクロホン５を使ったセンサモジュール２が500Hzから5kHz程度の高い周波数、MEMS加速度センサ２５が10Hzから500Hzの低い周波数を受け持つ構成とし、これにそれぞれのアナログ信号処理モジュール８とＡＤＣ付きＭＰＵ１７で構成されたものである。
【００４８】
更にこの実施例では、常時計測しながら異常時にデータを転送・保存を行うことが出来るように、ＡＤＣ付きＭＰＵ１７の内部に複数の信号データ記録装置１８と、複数の関連データ記録装置１９を持ち、信号データ記録装置１８は時間的に変化する加速度等の振動データを格納し、関連データ記録装置１９には加速度のピーク値や２乗平均平方根等の振動データから割りだしたパラメータを保管する。
【００４９】
これらのデータをある一定の時間、計測・記憶したあと、予め設定した関連データ記録装置１９の閾値を超えた場合に、信号データ記録装置１８の内容を無線モジュール２２や、ＳＤカード等の外部記憶装置２３に転送する。
【００５０】
或いは別の方法として、図５に示すように、一旦複数の信号データ記録装置１８と、複数の関連データ記録装置１９が満杯になるまで計測を継続し、その後、異常データの入った信号データ記憶装置２０や異常データの入った関連データ記憶装置２１を、ＡＤＣ付きＭＰＵ１７が判断して、異常データの入った信号データ記憶装置２０や異常データの入った関連データ記憶装置２１の値、好ましくはその時間経過的に前後の信号データ記憶装置２０や異常データの入った関連データ記憶装置２１の値を無線モジュール２２や、ＳＤカード等の外部記憶装置２３に転送する。
【００５１】
この第５の実施例によって、センサを用途によって最適に選択できるばかりでなく、センサ信号を常時モニタリングして、異常のあった時間範囲だけを大きな電流が必要なデータ転送装置に、その場合のみデータ転送装置の電源を入れて転送することで、電池で長時間稼働を実現しなから、問題があった場合のデータを正確に無線等で外部にデータを転送できる。
【符号の説明】
【００５２】
１ 振動計測対象物
２ センサモジュール
３  ケース
４  振動伝達弾性体
５ マイクロホン
６  ミニキャビティ
７  振動電気変換振動板
８  アナログ信号処理モジュール
９ デジタル信号処理モジュール
１０  弾性体の検出突起部
１１  弾性体固定凹部
１２  取り付けジグA
１３  取り付け穴
１４  弾性体振動分離部
１５  取り付けジグＢ
１６  取り付けネジ
１７  ＡＤＣ付きＭＰＵ
１８  信号データ記録装置
１９  関連データ記録装置
２０  異常データの入った信号データ記憶装置
２１  異常データの入った関連データ記憶装置
２２  無線モジュール
２３  外部記憶装置
２４  Ｏリング
２５  ＭＥＭＳ加速度センサ
【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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