(57)【要約】【課題】被監視対象の微小ないし広帯域の振動運動ないし振動運転を監視可能な、電源不要のモニタリングデバイス、及び当該モニタリングデバイスを使用するモニタリングシステムを提供すること。【解決手段】モニタリングデバイスは、振動を発する被監視対象の振動を検出すると共に当該振動により発電する少なくとも２つの振動検出器と、振動検出器から被監視対象の振動に関する情報を処理する振動情報処理回路と、を有する。振動検出器は、監視対象に片持ち式に固定配設された一対の圧電素子と、圧電素子の間に所定間隔を持って同じく片持ち式に配された振動素子とを有する。少なくとも２つの振動検出器における各振動素子の固有振動数はそれぞれ異なっている。振動情報処理回路は、振動検出器からの電力により駆動する。【選択図】図２
2007187512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動を発する被監視対象に取り付けられるモニタリングデバイスであって、
振動を発する被監視対象の振動を検出する少なくとも２つの振動検出器と、前記振動検出器から被監視対象の振動に関する情報を処理する振動情報処理回路と、を有し、
前記振動検出器は、被監視対象に片持ち式に固定配設された一対の圧電素子と、前記圧電素子の間に所定間隔を持って同じく片持ち式に配され、錘を備えた振動素子とを有し、
前記振動素子は、被監視対象の振動に応じて、前記一対の圧電素子を押圧可能かつ電極を介して前記一対の圧電素子と通電可能に構成され、
前記一対の圧電素子に接続している配線同士は電気的に接続され、
前記少なくとも２つの振動検出器における各振動素子の固有振動数はそれぞれ異なっていることを特徴とするモニタリングデバイス。
【請求項２】
前記少なくとも２つの振動検出器の各振動素子における被監視対象との共鳴振動数はそれぞれ異なっていることを特徴とする請求項１記載のモニタリングデバイス。
【請求項３】
前記振動情報処理回路は、前記情報として、各前記振動検出器から発電される電気の電圧を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のモニタリングデバイス。
【請求項４】
前記振動情報処理回路は、前記情報として、各前記振動検出器における前記振動素子と前記圧電素子とのスイッチング回数を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のモニタリングデバイス。
【請求項５】
被監視対象の運転時において、前記圧電素子の固定端の変位に対する自由端の変位の比は１より大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のモニタリングデバイス。
【請求項６】
被監視対象の運転時において、前記圧電素子の固定端の加速度に対する自由端の加速度の比は１より大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のモニタリングデバイス。
【請求項７】
前記振動素子は、被監視対象の運転時における固定端の変位に対する自由端の変位の比が１より大きくなるような固有振動数を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のモニタリングデバイス。
【請求項８】
前記振動素子は、被監視対象の運転時における固定端の加速度に対する自由端の加速度の比が１より大きくなるような固有振動数を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のモニタリングデバイス。
【請求項９】
前記振動情報処理回路は、前記振動検出器から電力を供給されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のモニタリングデバイス。
【請求項１０】
前記振動素子は、振動時に前記一対の圧電素子を交互に押圧する接触子を有し、
前記圧電素子は、前記接触子に押圧される部分に前記電極を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のモニタリングデバイス。
【請求項１１】
前記圧電素子は、前記振動素子とは反対側に、前記圧電素子より高剛性である補助板を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のモニタリングデバイス。
【請求項１２】
前記振動素子及び前記接触子は導電体であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のモニタリングデバイス。
【請求項１３】
前記振動情報処理回路は、外部装置に前記情報を送信することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のモニタリングデバイス。
【請求項１４】
前記情報を外部装置に無線送信するためのアンテナをさらに有することを特徴とする請求項１３に記載のモニタリングデバイス。
【請求項１５】
被監視対象は電気機器であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載のモニタリングデバイス。
【請求項１６】
振動を発する被監視対象に取り付けた請求項１〜１５のいずれか一項に記載のモニタリングデバイスと、
前記モニタリングデバイスから送信される振動に関する情報を読み取るリーダと、
前記情報を基に被監視対象の運転状況を解析するアナライザと、を備えることを特徴とするモニタリングシステム。
【請求項１７】
前記情報を基に被監視対象の運転状況を解析するためのデータを保持するデータベースをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載のモニタリングシステム。
【請求項１８】
前記モニタリングデバイスは、複数の被監視対象にそれぞれ取り付けられ、
各前記モニタリングデバイスが前記リーダに前記情報を送信することを特徴とする請求項１６又は１７に記載のモニタリングシステム。
【請求項１９】
前記モニタリングデバイスは、複数の被監視対象にそれぞれ取り付けられ、
各前記モニタリングデバイスは、前記モニタリングデバイス間で前記情報を送受信し、
複数の前記モニタリングデバイスの中の特定のモニタリングデバイスが、前記複数の被監視対象に関する前記情報を前記リーダに送信することを特徴とする請求項１６又は１７に記載のモニタリングシステム。
【請求項２０】
被監視対象が電気機器であり、
前記アナライザは、前記電気機器の消費電力を解析することを特徴とする請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の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、振動を発する被監視対象の運動ないし運転状況を監視するモニタリングデバイス、及び該モニタリングデバイスからの情報により該被監視対象又はその他の対象の情報を解析するモニタリングシステムに関する。好適には、本発明は、電気機器の振動を基に家庭用電気機器の運転状況を監視するモニタリングデバイス、及び当該モニタリングデバイスからの情報により電気機器の消費電力を解析するモニタリングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題対策として、オフィスや家庭においても消費電力を削減することが求められている。オフィスや家庭における電力消費状況を把握するためには、総消費電力のみならず、電気機器毎の電力消費状況を監視することが重要である。特に、空調機（エアコン）や冷蔵庫等の消費電力の大きい電気機器を重点的に監視することが必要となる。
【０００３】
オフィスや家庭における各電気機器の消費電力を監視する場合、一般的には各電気機器の回路に電力計を取り付ける方法が考えられる。また、総合的なデータから個別の電気機器の動作状態を推定するモニタリングシステムとしては、給電線引込口付近に設置した測定センサによって総負荷電流及び電圧のデータを検出して各電気機器の消費電力を推定するモニタリングシステムが知られている（特許文献１及び非特許文献１参照）。このモニタリングシステムにおいては、総負荷電流の波形と電圧の波形を、予め取得しておいたデータと関連付けることにより各電気機器の消費電力を推定している。
【０００４】
この他に、発電プラントや産業機械等の遠隔運転を監視する運転監視システムとして、自己発電モジュールを有するセンサを用いて対象機器の物理量を測定する運転監視システムが知られている（特許文献２参照）。この自己発電モジュールは、例えば、一方の電極に対して他方の電極を振動させることによって電荷の注入と取り出しを行い、その電荷を整流充電器で整流して電力を取り出している。
【０００５】
微小な振動による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機には、片持ち式の一対の圧電素子を使用するものが知られている（特許文献３参照）。この発電機においては、一対の圧電素子の中間に同じく片持ち式の振動素子を配して、振動素子が圧電素子を交互に圧縮変形させることによって電力を発生させている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３３０６３０号公報
【特許文献２】特開２００５−１４１４３９号公報
【特許文献３】特開２００５−３１２２６９号公報
【非特許文献１】天野好輝（東京農工大学）、ケルマンシャヒ バフマン (Bahman Kermanshahi)（東京農工大学）、由本勝久（電力中央研究所）、中野幸夫（電力中央研究所），「非侵入型モニタリングシステムの開発（２）電気機器の消費電力の推定」，エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス講演論文集，２００１年，第１７巻，ｐ．１１〜１４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に記載の自己発電モジュールを用いる運転監視システムにおいては、測定対象機器のエネルギーから発電した電力によって測定対象機器の運転を監視することができる。このようなシステムにおける発電装置ないし測定センサは、測定対象機器の最低負荷から最高負荷までの範囲に対応する必要がある。特に、測定対象機器の振動を利用する場合、発電装置ないし測定センサは、測定対象機器の振動の全周波数範囲に対応可能でなければならない。例えば、空調機や冷蔵庫等のようなインバータ機器は、状況に応じて出力が連続的に変化する。このとき、発電装置ないし測定センサが、測定対象機器における一部の出力範囲にしか対応できなければ、運転状況を適切に監視することができない。
【０００８】
さらに、特許文献２に記載の発電装置は、整流回路を必要とする。そのため、当該発電装置には、少なくとも整流回路が動作するためのエネルギーが供給されなければならない。例えば、ブリッジ整流回路は、電流が２つのダイオードを通過するように構成されている。一般的にダイオードの最小駆動電圧は０．６Ｖである。そのため、ブリッジ整流回路においては、少なくとも１．２Ｖの電圧が必要となる。したがって、測定対象機器から放出される発電用のエネルギーは、少なくとも整流回路が駆動するに足りる大きさがなければならない。発電プラントや産業機械のように測定対象が大きければ整流回路があっても十分な発電量を得ることができる。しかしながら、家庭用電気機器のような比較的小型の機器の場合、その放出エネルギー、例えば振動エネルギー、は小さいので、このような機器に設置する測定センサの発電装置においては、整流回路の存在は好ましくない。
【０００９】
オフィスや家庭における個別の電気機器の消費電力を監視する場合に、特許文献１に記載のモニタリングシステムのように、総負荷から各電気機器の個別の消費電力を推定するシステムにおいては、電気機器の種類及び数が増加すると給電線引込口から取得する波形データが複雑化するため、解析が困難になる。そのため、このシステムは、測定対象となる電気機器に種類及び数が少なく、かつ変動しない条件に制限されるものと考えられる。
【００１０】
一方、特許文献１記載のモニタリングシステムとは異なり、各電気機器の回路毎に測定センサを接続することは、コストがかかるばかりでなく、非常に面倒である。また、この測定センサには電源が必要となる。各測定センサへの電源接続の必要性は、測定センサの取り付けコストの増大及び取り付け作業の複雑化をもたらす。電源として電池を利用するにしても、電池交換のための定期的なメンテナンスが必要となる。
【００１１】
本発明の目的は、被監視対象の微小ないし広帯域の振動運動ないし振動運転を監視可能な、電源不要のモニタリングデバイス、及び当該モニタリングデバイスを使用するモニタリング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】
【００１２】
本発明の第１視点によれば、振動を発する被監視対象に取り付けられるモニタリングデバイスであって、振動を発する被監視対象の振動を検出する少なくとも２つの振動検出器と、振動検出器から被監視対象の振動に関する情報を処理する振動情報処理回路と、を有し、振動検出器は、被監視対象に片持ち式に固定配設された一対の圧電素子と、圧電素子の間に所定間隔を持って同じく片持ち式に配され、錘を備えた振動素子とを有し、振動素子は、被監視対象の振動に応じて、一対の圧電素子を押圧可能かつ電極を介して一対の圧電素子と通電可能に構成され、一対の圧電素子に接続している配線同士は電気的に接続され、少なくとも２つの振動検出器における各振動素子の固有振動数はそれぞれ異なっているモニタリングデバイスを提供する。
【００１３】
上記第１視点の好ましい形態によれば、少なくとも２つの振動検出器の各振動素子における被監視対象との共鳴振動数はそれぞれ異なっている。
【００１４】
上記第１視点の好ましい形態によれば、振動情報処理回路は、情報として、各振動検出器から発電される電気の電圧を検出する。別の好ましい形態によれば、振動情報処理回路は、情報として、各振動検出器における振動素子と圧電素子とのスイッチング回数を検出する。
【００１５】
上記第１視点の好ましい形態によれば、被監視対象の運転時において、圧電素子の固定端の変位に対する自由端の変位の比は１より大きい。別の好ましい形態によれば、被監視対象の運転時において、圧電素子の固定端の加速度に対する自由端の加速度の比は１より大きい。別の好ましい形態によれば、振動素子は、被監視対象の運転時における固定端の変位に対する自由端の変位の比が１より大きくなるような固有振動数を有する。別の好ましい形態によれば、振動素子は、被監視対象の運転時における固定端の加速度に対する自由端の加速度の比が１より大きくなるような固有振動数を有する。
【００１６】
上記第１視点の好ましい形態によれば、振動情報処理回路は、振動検出器から電力を供給される。
【００１７】
上記第１視点の好ましい形態によれば、振動素子は、振動時に一対の圧電素子を交互に押圧する接触子を有し、圧電素子は、接触子に押圧される部分に電極を有する。別の好ましい形態によれば、圧電素子は、振動素子とは反対側に、圧電素子より高剛性である補助板を有する。別の好ましい形態によれば、振動素子及び接触子は導電体である。
【００１８】
上記第１視点の好ましい形態によれば、振動情報処理回路は、外部装置に情報を送信する。さらに好ましい形態によれば、モニタリングデバイスは、情報を外部装置に無線送信するためのアンテナをさらに有する。
【００１９】
上記第１視点の好ましい形態によれば、被監視対象は電気機器である。
【００２０】
本発明の第２視点によれば、振動を発する被監視対象に取り付けた上記第１視点によるモニタリングデバイスと、モニタリングデバイスから送信される振動に関する情報を読み取るリーダと、情報を基に被監視対象の運転状況を解析するアナライザと、を備えるモニタリングシステムを提供する。
【００２１】
上記第２視点の好ましい形態によれば、モニタリングシステムは、情報を基に被監視対象の運転状況を解析するためのデータを保持するデータベースをさらに備える。
【００２２】
上記第２視点の好ましい形態によれば、モニタリングデバイスは、複数の被監視対象にそれぞれ取り付けられ、各モニタリングデバイスがリーダに情報を送信する。別の好ましい形態によれば、モニタリングデバイスは、複数の被監視対象にそれぞれ取り付けられ、各モニタリングデバイスは、モニタリングデバイス間で情報を送受信し、複数のモニタリングデバイスの中の特定のモニタリングデバイスが、複数の被監視対象に関する情報をリーダに送信する。
【００２３】
上記第２視点の好ましい形態によれば、被監視対象が電気機器であり、アナライザは、電気機器の消費電力を解析する。
【発明の効果】
【００２４】
第一に、本発明のモニタリングデバイスは、振動素子の固有振動数が異なる複数の振動検出器を有している。これにより、被監視対象の振動周波数が広帯域であっても、全範囲の振動に対応することができる。さらに、振動に関する複数の情報を入手することができるので、該情報から解析されるデータ（例えば消費電力）の解析精度を向上させることができる。また、各振動検出器からの電力を合わせることにより、取り出す電流を平滑化することができる。第二に、本発明のモニタリングデバイスは、被監視対象の振動により自己発電することができる。これにより、給電源を要することなく被監視対象の監視をすることができる。第三に、本発明のモニタリングデバイスは、同極の電気を連続的に発電することができる。これにより、本発明のモニタリングデバイスには整流回路が不要となる。したがって、被監視対象の振動エネルギーが小さくても十分な電力を得ることができる。そして、その電力を基に振動情報処理回路を作動させることができる。第四に、本発明のモニタリングデバイスは、被監視対象（例えば電気機器）の回路や電源への接続が不要である。このため、本発明のモニタリングデバイスは、取り付けが容易である。
【００２５】
本発明のモニタリングシステムによれば、被監視対象のそれぞれにモニタリングデバイスを取り付ける。これにより、複数の被監視対象の運転・運動状況に関する情報を入手することができる。また、その複数の情報から、被監視対象又はその他の対象の情報を解析することができる。さらに、被監視対象の数及び種類が多い場合、及びその数や種類が変動する場合であってもその運転・運動状況を監視・解析することができる。また、本発明のモニタリングシステムによれば、複数の被監視対象の運転・運動に関する情報を所望の場所で一括管理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明のモニタリングデバイスは、被監視対象が発する振動から当該被監視対象の運転又は運動状況を監視するものである。また、本発明のモニタリングシステムは、モニタリングデバイスからの情報により、被監視対象の運転もしくは運動情報、又はその他の対象の情報を解析するものである。本発明は、被監視対象として、例えば、家庭用電気機器、特に空調機（エアコン）、冷蔵庫等の電気機器に適用することができる。以下に、被監視対象として電気機器を例にして本発明を説明する。
【００２７】
本発明のモニタリングデバイスの概略図を図１に示す。本発明のモニタリングデバイス１は、被監視対象となる電気機器の振動する部分に取り付けられる。モニタリングデバイス１は、振動検出部２、振動情報処理部３及びアンテナ部４を有する。振動検出部２は、電気機器が運転により振動すると、その振動により発電する。そして、振動検出部２は、電気機器の振動に関する情報を振動情報処理部３に提供すると共に、発電した電力を振動情報処理部３に供給する。この振動に関する情報は、該電気機器の運転状況を監視するための情報、すなわち該電気機器の消費電力を推定するための情報、である。振動情報処理部３は、振動情報処理回路を有し、振動検出部２からの電力供給により作動すると共に、振動検出部２からの送信された振動に関する情報を外部機器に送信する。図１に示す形態においては、振動情報処理部３は、振動に関する情報をアンテナ部４から無線送信する。
【００２８】
次に、振動検出部２について説明する。振動検出部２の主要な構成の概略断面図を図２に示す。振動検出部２は、少なくとも２つの振動検出器、図２に示す形態においては第１振動検出器１１ａと第２振動検出器１１ｄ、を有する。第１振動検出器１１ａと第２振動検出器１１ｄは、被監視対象の電気機器の振動に関する情報を出力すると共に、該振動により発電するものである。第１振動検出器１１ａと第２振動検出器１１ｄとは同じ構成を有している。そこで、第１振動検出器１１ａを例にして各振動検出器１１ａ、１１ｄの構成について説明する。
【００２９】
第１振動検出器１１ａは、一対の第１、第２圧電素子１５ａ、１５ｂを有する。圧電素子は、外力（圧力）によって圧電気を生じるものであれば、いずれの材料でも使用することができる。圧電材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛、ポリフッ化ビニリデン等を利用することができる。また、圧電素子の形状は、曲げ変形しやすい板状体が好ましい。
【００３０】
第１、第２圧電素子１５ａ、１５ｂには、第１、第２補助板１６ａ、１６ｂがそれぞれ貼付されている。圧電素子に補助板を貼付しない場合、圧電素子内で生じる曲げ変形の圧縮と引っ張り位置との中立面は、圧電素子の厚み方向の中央にある。このとき、圧電素子が変形しても、圧縮と引っ張りが同時に起こり、電力を効果的に発生させることができないことがある。そこで、圧電素子に補助板を貼付することにより、該中立面が金属板側へ移動することになり、電力を効果的に発生することができるようになる。補助板は、弾性を有し、かつ圧電素子より剛性の高い材料が好ましい。例えば、補助板として、ステンレス鋼板等の金属板を使用することができる。
【００３１】
第１補助板１６ａが貼付された第１圧電素子１５ａ及び第２補助板１６ｂが貼付された第２圧電素子１５ｂは、圧電素子側を向かい合わせにして、支持台１７にその一端を固定して片持ち式に配置されている。そして、第１圧電素子１５ａと第２圧電素子１５ｂの間には、第１振動素子１３ａが、支持台１７にその一端を固定して片持ち式に配置されている。振動素子は、弾性材料で形成されており、被監視対象である電気機器の振動によって振動される。そこで、第１振動素子１３ａは、被監視対象からの振動を増大させることができるように、自由端に錘１２ａを有している。さらに、第１振動素子１３ａは、振動時に両側の第１、第２圧電素子１５ａ、１５ｂを交互に押圧する第１、第２接触子２０ａ、２０ｂを有する。振動素子と接触子とは、同一の部材で一体的に形成することもできれば、別々の部材で形成することもできる。振動素子と接触子とは、圧電素子が発生した圧電気を伝導できるように導電体で形成すると好ましい。したがって、振動素子は、弾性があり、かつ導電性を有する材質、例えば銅板等の金属板、で形成すると好ましい。振動素子及び接触子を導電体で形成しない場合は、その代わりに振動素子及び接触素子の外部又は内部に配線を設けるようにする。振動素子の長さ・太さ（厚さ）、弾性率、錘の重さ等は、被監視対象の電気機器の振動及び振動検出器の数に応じて適宜設定する。また、圧電素子と振動素子との間隔も、圧電素子及び補助板の弾性率、振動素子の振幅等に応じて適宜設定する。
【００３２】
第１、第２圧電素子は、第１、第２接触子２０ａ、２０ｂと接触する箇所にそれぞれ第１、第２電極１４ａ、１４ｂを有している。第１振動素子１３ａ、第１圧電素子１５ａ（ないし第１補助板１６ａ）及び第２圧電素子１５ｂ（ないし第２補助板１６ｂ）の支持台１７側の端部には、第１〜第３端子１８ａ〜１８ｃが形成されている。第１〜第３端子１８ａ〜１８ｃには、それぞれ第１〜第３配線１９ａ〜１９ｃが接続され、第２配線１９ｂと第３配線１９ｃは接続されている。振動素子及び各接触子を導電体で形成しない場合は、その外部又は内部に配置した配線と各端子とを接続する。
【００３３】
本発明の振動検出器の発電動作について説明する。図３に、第１振動検出器１１ａの発電状態を示す概略部分断面図を示す。被監視対象の電気機器の振動により、錘１２ａを有する第１振動素子１３ａの自由端は、第１圧電素子１５ａ及び第２圧電素子１５ｂ間で振動することになる。図３（ａ）は、第１振動素子１３ａの自由端が下方（第２圧電素子１５ｂ側）に変位したときの状態を示す。このとき、第２接触子２０ｂは、第２電極１４ｂを加圧することにより、第２圧電素子１５ｂを変形させる。第２圧電素子１５ｂは、加圧される圧力の大きさに応じて第１端子１８ａと第３端子１８ｃ間に電圧を生じさせる。第２圧電素子１５ｂが加圧されているとき、第１接触子２０ａと第１電極１４ａとは接触していない。
【００３４】
第１振動素子１３ａの自由端は下方へ変位した後、上方（第１圧電素子１５ａ側）に変位し始める。図３（ｂ）は、第１振動素子１３ａの自由端が上方に変位したときの状態を示す。第１振動素子１３ａの自由端が上方へ変位すると、第２接触子２０ｂと第２電極１４ｂとの接触が外れ、第１接触子２０ａと第１電極１４ａとが接触する。第１接触子２０ａが第１電極１４ａを加圧することにより、第１圧電端子１５ａを変形させる。第１圧電素子１５ａは、加圧される圧力の大きさに応じて第１端子１８ａと第２端子１８ｂ間に電圧を生じさせる。
【００３５】
各振動検出器においては、図３（ａ）の状態と図３（ｂ）の状態を繰り返すことによって発電する。すなわち、電気機器の振動により振動素子の端部が上下運動を繰り返す。その際に、振動素子に取り付けられた接触子が、上下の圧電素子を交互に押圧することによって、電気を発生させる。
【００３６】
図４に、図３に示した第１振動検出器１１ａにおける出力電圧波形の模式図を示す。図４（ａ）は、第１端子１８ａと第３端子１８ｃ間における出力電圧を示し、図４（ｂ）は、第１端子１８ａと第２端子１８ｂ間における出力電圧を示す。図４（ｃ）は、端子Ａと端子Ｂ間における出力電圧、すなわち図４（ａ）の波形と図４（ｂ）の波形とを足し合わせた波形、を示す。図４（ａ）において出力が発生している領域においては、図３（ａ）に示すような状態にある。出力電圧は、第１振動素子１３ａの自由端の変位の大きさ、すなわち第２接触子２０ｂと第２電極１４ｂとの接触力の大きさ、に応じて変化する。このとき、第１接触子２０ａと第１電極１４ａとは接触していないので、図４（ｂ）に示すように、第１端子１８ａと第２端子１８ｂ間に電圧は出力されていない。次に、第１振動検出器１１ａは、図３（ａ）に示す状態から図３（ｂ）に示す状態に変化する。第１振動素子１３ａの自由端が第１圧電素子１５ａ側に変位すると、第２接触子２０ｂと第２電極１４ｂとの接触がはずれ、図４（ａ）において出力電圧は０になる。一方、第１接触子２０ａと第１電極１４ａとが接触することになる。このため、図４（ｂ）に示すように、第１端子１８ａと第２端子１８ｂ間には、第１接触子２０ａと第１電極１４ａとの接触力の大きさに応じた電圧が発生する。
【００３７】
以上より、図３及び図４に示すように、第１端子１８ａ−第３端子１８ｃ間及び第１端子１８ａ−第２端子１８ｂ間には、第１振動素子１３ａの自由端の振動周期に応じて半周期毎に交互に正弦波状の電圧が出力される。したがって、図３に示す端子Ａ−端子Ｂには、図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）の波形と図４（ｂ）の波形とを足し合わせたような電圧が出力される。すなわち、第１振動検出器１１ａは、第１振動素子１３ａの自由端の振動周期に応じて、半周期毎に同極の電圧を連続的に出力することができる。
【００３８】
なお、振動検出器から出力される連続的な正弦波状の電圧は、一般的には電源として好ましくない。したがって、この出力電圧を使用する場合は、コンデンサを用いて平滑化すると好ましい。
【００３９】
図２に示す振動検出部２は、第１振動検出器１１ａの他に、第２振動検出器１１ｄも有している。そこで、第２振動検出器１１ｄからの出力電圧の位相を第１振動検出器１１ａからの位相とずらして、第１振動検出器からの出力電圧に加えることで全体として平滑化することもできる。図５に、振動検出部の出力波形の模式図を示す。図５に示す出力波形においては、第１振動検出器の出力電圧の最大値（最小値）と第２振動検出器の出力電圧の最小値（最大値）が重なるように位相をずらしている。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す各振動検出器の出力電圧波形においては、便宜上周期及び電圧の大きさは一定にしてある。各振動検出器の出力電圧波形を合成する、すなわち図５（ａ）と図５（ｂ）とを足し合わせると、図５（ｃ）のように各振動検出器の出力波形を平滑化することができる。
【００４０】
以上のように、本発明においては、振動検出器から直流状の電流を取り出すことが可能となるので、整流回路を必要としない。これにより、電気機器の微小な振動によっても電力を得ることができる。
【００４１】
本発明のモニタリングデバイスにおいて、少なくとも２つの振動検出器は、被監視対象との共鳴振動数がそれぞれ異なるように設定する。ここで、本発明において「共鳴振動数」とは、被監視対象の周期的な振動作用により振動素子の自由端の強制振動が行われるとき、振動素子の自由端の振幅が最も大きくなるときの振動数をいう。すなわち、本発明のモニタリングデバイスにおいて、各振動検出器の振動素子の固有振動数は異なっている。例えば、図２に示す第１振動検出器１１ａと第２振動検出器１１ｄにおいては、第１振動素子１３ａの振動周期と第２振動素子１３ｄの振動周期が異なるように設定してある。これにより、被監視対象の振動に対して反応することができる共鳴振動数は、振動検出器毎に異なることになる。例えば、インバータ機器においては、その振動周波数は所定の範囲において出力に応じて連続的に変化する。このとき、振動検出器が被監視対象の極狭い特定の振動周波数にしか反応できなければ、モニタリングデバイスは被監視対象の全運転範囲において運転状況を的確に検出することができない。そこで、被監視対象の振動との共鳴振動数が異なる複数の振動検出器を設置しておけば、インバータ機器のように駆動周波数が広範囲に変化する電気機器に対しても適切に対応することができる。さらに、複数の振動検出器から被監視対象の振動に関する情報を入手することにより、被監視対象の消費電力の推定精度を向上させることができる。
【００４２】
図６に、被監視対象の振動周波数に対する振動検出器の応答倍率を示す周波数特性模式図を示す。図６においては、横軸は被監視対象の振動周波数であり、縦軸は振動検出器の応答倍率を示す。ここで、応答倍率とは、圧電素子の自由端の反応ないし変化の大きさを示す。すなわち、応答倍率は、圧電素子の固定端の加速度ないし変位に対する圧電素子の加速度ないし変位の比で表される。例えば、図２に示す第１振動検出器１１ａにおいて、応答倍率は、第１圧電素子１５ａの固定部分Ｂ点の加速度に対する第１圧電素子１５ａの電極部分Ａ点の加速度の比、［応答倍率］＝［Ａ点での加速度］／［Ｂ点での加速度］、で表される。または、応答倍率は、第１圧電素子１５ａの固定部分Ｂ点の変位に対する第１圧電素子１５ａの電極部分Ａ点の変位の比、［応答倍率］＝［Ａ点での変位］／［Ｂ点での変位］、で表される。同様に、応答倍率は、振動素子や接触子の加速度ないし変位で表してもよい。被監視対象の振動により、振動検出器自体（全体）が振動していても、圧電素子が変形（または振動素子及び接触子が振り子状振動）しなければ振動に関する情報を入手することができなければ、発電することもできない。つまり、応答倍率は、被監視対象の振動に対して振動検出器が反応しているかを示すものである。
【００４３】
図６に示すように、振動素子の固有振動数を被監視対象の振動数の範囲内に設定することにより、効率よく振動検出器を反応させることができる。したがって、被監視対象の振動数範囲内において、振動検出器の応答倍率を１より大きくすることが好ましい。応答倍率が１より大きければ、振動検出器から振動に関する情報が得られると共に、電力を効果的に発生させることができる。特に、少なくとも２つの振動検出器（図２においては第１振動検出器１１ａと第２振動検出器１１ｄ）の周波数特性図の交点（図６に示す交差振動数）における応答倍率が１より大きいことが好ましい。これにより、被監視対象の特定の振動数において、複数の振動検出器から被監視対象の振動に関する情報を入手することができる。したがって、振動検出器の数や振動素子の固有振動数は、被監視対象の運転特性に応じて設定するようにする。
【００４４】
本発明のモニタリングデバイスにおける振動情報処理部は、振動検出部の各振動検出器から被監視対象の振動に関する情報を入手する。振動に関する情報としては、例えば各振動検出器によって出力される電圧の大きさを選択することができる。その他の振動に関する情報としては、例えば、各振動検出器の接触子の単位時間当たりのスイッチング回数（つまり、振動素子の振動数）、各振動素子又は圧電素子の変位等の情報を利用することができる。振動情報処理部は、入手した情報を外部装置（リーダ、別のモニタリングデバイス等）に送信する。図１に示す形態においては、振動情報処理部３は、入手した情報をアンテナ部４により無線送信する。
【００４５】
図７及び図８には、振動検出器の別の実施形態を示す。図７に示す振動検出器は、第１圧電素子１５ａと第２圧電素子１５ｂ間を狭くして、第１圧電素子１５ａ及び第２圧電素子１５ｂに予め応力を与えたものである。この形態によれば、接触子２０ａ、２０ｂと電極１４ａ、１４ｂとの接続を確実にすることができる。これにより、接触子２０ａ、２０ｂのどちらもが電極１４ａ、１４ｂに接触していない状態を回避することができる。つまり、電力発生の不連続を防止することができる。また、図７に示す振動検出器は、補助板１６ａ、１６ｂの外側に一対の抑制ガイド２１ａ、２１ｂを備えている。抑制ガイド２１ａ、２１ｂは、圧電素子１５ａ、１５ｂ及び補助板１６ａ、１６ｂの過大な変形を防止する。これにより、圧電素子１５ａ、１５ｂの破損を防止する共に、圧電素子１５ａ、１５ｂと補助板１６ａ、１６ｂの剥がれを防止することができる。さらに、圧電素子１５ａ、１５ｂの過大な発電を防止することにより振動情報処理回路を保護することができる。また、抑制ガイド２１ａ、２１ｂは、圧電素子１５ａ、１５ｂが対向する圧電素子側へ変位することを防止することができる。これにより、接触子２０ａ、２０ｂのスイッチング動作を確実にすることができる。
【００４６】
図８に示す振動検出器は、振動素子１３ａ自体の一部を接触子として、電極１４ａ、１４ｂ、押圧体２２ａ、２２ｂ及び圧電素子１５ａ、１５ｂで振動素子１３ａを挟んだものである。この形態によれば、振動素子１３ａの端部の振動が小さくても、圧電素子１５ａ、１５ｂを加圧することができる。この形態における圧電素子１５ａ、１５ｂは、焼結体又は薄膜体からなる積層型の圧電素子を利用することができる。この圧電素子は、上下方向の厚みは厚くなる反面、小さな変形（被監視対象の微小な振動）で電力を出力することができると共に、耐破壊性が向上する。
【００４７】
図２に示す振動検出部においては、同じ形態の振動検出器を組み合わせて使用しているが、図２、図７及び図８に示すような異なる形態の振動検出器を組み合わせて振動検出部を構成してもよい。
【００４８】
本発明のモニタリングデバイスにおける振動検出器は、精密機械加工による部品製造と組立により製造することができる。また、振動検出器の全体又は一部の構造を、一般的な微小電気機械システム（Micro Electromechanical System（ＭＥＭＳ））技術を使用して製造することにより、小型化及び低価格化を実現することができる。さらに、大規模集積回路（Large-Scale Integrated Circuit（ＬＳＩ））と同一もしくは類似のプロセスを用いることによって、振動検出器とＬＳＩとの一体化システムも構築することができる。
【００４９】
次に、本発明のモニタリングシステムについて説明する。モニタリングシステムは、モニタリングデバイスの振動検出部から入手した被監視対象の振動に関する情報によって、被監視対象の運転状況を監視するものである。本発明のモニタリングデバイスによれば、少なくとも２つの振動検出器からそれぞれ振動に関する情報を得ることができる。そして、各振動検出器から得られる情報と被監視対象の振動周波数又は被監視対象の消費電力との関係を予め測定したデータを基に、被監視対象の運転状況を解析することができる。
【００５０】
本発明のモニタリングシステムの概略図を図９に示す。図に示すモニタリングシステム３１は、第１〜第３モニタリングデバイス１ａ〜１ｃ、リーダ３３、アナライザ３４、サーバ３５、データベース３６を備える。各モニタリングデバイス１ａ〜１ｃは、被監視対象の第１〜第３電気機器３２ａ〜３２ｃに取り付けられている。各モニタリングデバイス１ａ〜１ｃは、電気機器の振動に関する情報（例えば振動検出器の出力電圧値）をリーダ３３へ無線送信する。この場合、モニタリングデバイス１ａ〜１ｃは、自発的にデータ送信する電子タグのように機能する。リーダ３３は、モニタリングデバイス１ａ〜１ｃから送信された情報を受信する。アナライザ３４は、受信した情報を基に電気機器の運転状況を解析する。例えば、アナライザ３４によって、電気機器の振動に関する情報から当該電気機器の消費電力を推定する。アナライザ３４が電気機器３２ａ〜３２ｃの運転状況を解析するための電気機器の動作に関する情報（例えば振動検出器の出力電圧と電気機器の消費電力との関係）は、アナライザ３４自体に記憶させておくこともできるし、外部機器から入手してもよい。図９に示すモニタリングシステム３１においては、アナライザ３４は、サーバ３５を経由してデータベース３６から電気機器の動作に関する情報を入手する。また、図１に示すモニタリングデバイス１及び図９に示すモニタリングシステム３１においては、モニタリングデバイス１とリーダ３３間の情報の送受信に無線通信を用いる形態を示しているが、当然に有線通信であっても構わない。また、アナライザ３４は、受信した振動に関する情報、解析結果等を記憶するメモリを有していることが好ましく、あるいはそれらの情報を外部機器（不図示）に送信可能に構成しても良い。
【００５１】
モニタリングデバイス１ａ〜１ｃからリーダ３３への情報送信頻度は、適宜好適な頻度に設定することができる。例えば、定期的（例えば１分に１回）に情報を送信する、電気機器の振動に関する情報が変動したら送信する、又は電気機器運転中は常時連続的に情報を送信する、ように設定することができる。
【００５２】
本発明のモニタリングシステムの別の形態を図１０に示す。図９に示す形態においては、各モニタリングデバイス１ａ〜１ｃが振動に関する情報をリーダ３３へ直接送信している。一方、本形態においては、モニタリングデバイス１ａ〜１ｄ間で情報を送受信可能なマルチホップ型のネットワークを構成している。この形態においては、各モニタリングデバイス１ａ〜１ｄが情報を直接リーダ３３へ送信するのではなく、モニタリングデバイス１ａ〜１ｄの情報は、他のモニタリングデバイスを経由して特定のモニタリングデバイス（図１０においてはモニタリングデバイス１ｂ）によって一括ないし逐次的にリーダ３３に送信されることになる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上においては、被監視対象として電気機器を例にして、本発明のモニタリングデバイス及びモニタリングシステムについて説明した。しかしながら、本発明は、電気機器に限定されることなく、振動を発するもの（例えば、プラント、建築物、道路、海上もしくは海中のもの等）であれば好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のモニタリングデバイスの概略図。
【図２】振動検出部の概略部分断面図。
【図３】振動検出器の発電状態を示す概略断面図。
【図４】図３に示す振動検出器の出力波形の模式図。
【図５】図２に示す振動検出部の出力波形の模式図。
【図６】被監視対象の振動周波数に対する振動検出器の応答倍率を示す周波数特性模式図。
【図７】別の実施形態に係る振動検出器の概略図。
【図８】別の実施形態に係る振動検出器の概略図。
【図９】本発明のモニタリングシステムの概略図。
【図１０】別の実施形態に係る本発明のモニタリングシステムの概略図。
【符号の説明】
【００５５】
１       モニタリングデバイス
２       振動検出部
３       振動情報処理部
４       アンテナ部
１１     振動検出器
１２     錘
１３     振動素子
１４     電極
１５     圧電素子
１６     補助板
１７     支持台
１８     端子
１９     配線
２０     接触子
２１     抑制ガイド
２２     押圧体
３１     モニタリングシステム
３２     電気機器
３３     リーダ
３４     アナライザ
３５     サーバ
３６     データベース
【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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