JP7207021B2 - テレメータシステム - Google Patents

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Description

本発明は、テレメータシステムに関する。
テレメータは、センサ及び無線通信モジュールを備えており、センサの検出結果を無線通信モジュールで無線信号にして送信する装置である。このようなテレメータは、観測対象から離れた地点において、観測対象の観測を行うために用いられる。テレメータは、移動する観測対象に取り付けられた状態で用いられることがある。このようなテレメータでは、一次電池、非接触給電、熱電発電等が電源として用いられる。
以下の特許文献1~3には、従来のテレメータが開示されている。例えば、以下の特許文献1には、蒸気タービンのロータに取り付けられ、非接触給電によって供給される電力によって動作するテレメータが開示されている。また、以下の特許文献2には、往復型内燃機関に取り付けられ、永久磁石とコイルとの相対運動によってコイルに発生した電力が供給されて動作するテレメータが開示されている。
特許第6012229号公報 特許第4042630号公報 特許第5084325号公報
ところで、テレメータの電源が一次電池である場合には、供給可能な電力量が限られているから、利用期間が制限される。このため、例えば、長期間モニタリングするような用途には用いることは困難である。これに対し、テレメータの電源が非接触給電又は熱電発電である場合は、テレメータに対して連続的な電力供給が可能であるから、利用期間が制限されることはない。
しかしながら、テレメータの電源が非接触給電又は熱電発電である場合には、設置場所が制限されるという問題がある。例えば、テレメータの電源が非接触給電である場合には、非接触給電のためのループコイル(給電用のループコイル及び受電用のループコイル)を設置する必要があるが、給電用のループコイルと受電用のループコイルとの間に金属が介在してしまう場所には設置することができない。また、テレメータの電源が熱電発電である場合には、設置場所が、熱源の近傍であって、ある程度の温度差(例えば、300℃)が得られる場所に限られる。
また、テレメータの電源が非接触給電である場合には、導入コストが増大するという問題もある。具体的に、テレメータの電源が非接触給電である場合には、無線通信に必要なループアンテナ以外に非接触給電のためのループコイル(給電用のループコイル及び受電用のループコイル)や送電用アンプ等の付帯設備を設置する必要があり、設置工数を要するから導入コストが増大してしまう。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも設置場所の自由度が高く、導入コストを削減することができ、長期間のモニタリングを行うことが可能なテレメータシステムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様によるテレメータ装置(1A、1B)は、運動体(AR)に取り付けられ、センサ(11)と、該センサの検出信号を無線信号にして送信する無線通信部(14)と、を有するテレメータ(10A、10B)と、前記運動体に取り付けられ、前記運動体の運動により発生する風力又は振動力を受けて発電した電力を前記テレメータに供給するハーベスタ(20A、20B)と、を備える。
また、本発明の一態様によるテレメータ装置は、前記ハーベスタが、前記風力を受けて回転するタービン(21)と、前記タービンの回転軸に取り付けられた発電素子(22)と、を備える。
或いは、本発明の一態様によるテレメータ装置は、前記ハーベスタが、前記風力を受けてフラッタを促進させるフラッタ促進板(31)と、前記フラッタ促進板が取り付けられた振動力発電素子(32)と、を備える。
或いは、本発明の一態様によるテレメータ装置は、前記ハーベスタが、振動力を受けて発電する圧電素子(42b)を備える。
本発明の一態様によるテレメータシステム(TS)は、上記の何れかに記載のテレメータ装置(1A、1B)と、前記テレメータ装置から送信される無線信号を受信して観測対象の観測を行う観測装置(2)と、を備える。
また、本発明の一態様によるテレメータシステムは、前記運動体が、回転体(AR)であり、前記テレメータ装置が、前記回転体の回転軸に関して対称に複数設けられている。
本発明によれば、従来よりも設置場所の自由度が高く、導入コストを削減することができ、長期間のモニタリングを行うことが可能であるという効果がある。
本発明の一実施形態によるテレメータシステムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるテレメータ装置の設置例を示す図である。 本発明の一実施形態におけるハーベスタの第1構成例を示す図である。 本発明の一実施形態におけるハーベスタの第2構成例を示す図である。 本発明の一実施形態におけるハーベスタの第3構成例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態によるテレメータシステムについて詳細に説明する。
〈テレメータシステム〉
図1は、本発明の一実施形態によるテレメータシステムの全体構成を示すブロック図である。図1に示す通り、本実施形態のテレメータシステムTSは、観測対象に設置されるテレメータ装置1A,1Bと、観測対象から離れた地点に設置される観測装置2とを備える。このようなテレメータシステムTSは、テレメータ装置1A,1Bから送信される無線信号を観測装置2で受信することにより、観測対象から離れた地点において観測対象の観測を行う。
テレメータ装置1A,1Bは、例えばガスタービン又はジェットエンジンの回転軸、自動車又は鉄道車両の車軸、その他の回転機の回転軸(回転体、運動体)に設置され、各種物理量(例えば、振動、歪、加速度、温度、湿度、累積使用時間等)を検出し、その検出結果を無線信号で送信する。例えば、テレメータ装置1A,1Bが回転機の回転軸に取り付けられて振動を検出する場合には、上記の観測対象は回転機の回転軸の振動になる。また、テレメータ装置1A,1Bは、観測装置2から送信された制御信号を受信した場合には、その制御信号に従って任意の制御対象を制御することも可能である。尚、テレメータ装置1A,1Bの具体的な設置例については後述する。
テレメータ装置1Aは、テレメータ10Aとハーベスタ20Aとを備える。テレメータ装置1Bは、テレメータ10Bとハーベスタ20Bとを備える。テレメータ10A,10Bは、例えば回転機の回転軸に取り付けられ、上述した各種物理量の検出及び無線信号の送信等を行う。テレメータ10A,10Bは、同期用ケーブルCBによって接続されている。同期用ケーブルCBは、テレメータ10A,10B間で時刻同期を行うとともに、テレメータ10A,10Bの各々で得られたセンサの検出結果をテレメータ10A,10B間で相互に授受するために設けられる。
テレメータ10A,10Bは、センサ11、IO(Input Output)モジュール12、MPU(Micro Processing Unit:処理装置)13、無線通信モジュール14(無線通信部)、PMIC(Power Management Integrated Circuit:電源管理用IC)15、及び二次電池16を備える。尚、テレメータ10A,10Bは同様の構成であるため、以下では、テレメータ10Aについて説明し、テレメータ10Bについては説明を省略する。
センサ11は、MPU13の制御の下で、上述した各種物理量の検出を行う。IOモジュール12は、センサ11とMPU13とのインターフェイスを司るものであり、例えばセンサ11から出力される検出信号をMPU13に出力する。尚、IOモジュール12は、センサ11から出力される検出信号がアナログ信号である場合には、検出信号をディジタル信号に変換するA/Dコンバータを備えていても良い。
MPU13は、テレメータ10Aの動作を統括して制御する。例えば、MPU13は、IOモジュール12を介してセンサ11を制御して各種物理量を検出させ、センサ11からIOモジュール12を介して出力される検出信号を取得する。また、MPU13は、取得した検出信号を、同期用ケーブルCBを介してテレメータ10Bに送信し、テレメータ10Bから同期用ケーブルCBを介して送信されてくる検出信号を取得する。
MPU13は、センサ11から取得した検出信号と、同期用ケーブルCBから取得した検出信号とを比較する処理(比較処理)、平均化する処理(平均処理)、差分をとる処理(差分処理)等を行う。つまり、MPU13は、テレメータ10Aのセンサ11から出力される検出信号と、テレメータ10Bのセンサ11から出力される検出信号とを取得し、両検出信号を比較する処理、両検出信号を平均化する処理、両検出信号の差分を取る処理等を行う。MPU13は、無線通信モジュール14を制御して、比較処理、平均処理、差分処理等を行って得られた信号を無線信号にして送信させる。
尚、MPU13は、無線通信モジュール14から出力される受信信号と、同期用ケーブルCBから出力される受信信号とに対して、上記の比較処理、平均処理、差分処理等を行うようにしても良い。つまり、MPU13は、テレメータ10Aの無線通信モジュール14から出力される受信信号と、テレメータ10Bの無線通信モジュール14から出力される受信信号とを取得し、両受信信号を比較する処理、両受信信号を平均化する処理、両受信信号の差分を取る処理等を行うようにしても良い。
無線通信モジュール14は、送信部14a及び受信部14bを備えており、MPU13の制御の下で、観測装置2との間で無線通信を行う。PMIC15は、テレメータ10Aの電源管理を行う。例えば、PMIC15は、二次電池16の充電状態(SOC:State of Charge)を参照しつつ、ハーベスタ20Aから供給される電力によって二次電池16を充電する充電制御、二次電池16に蓄えられた電力を放電させる放電制御を行う。
二次電池16は、PMIC15の制御の下で、ハーベスタ20Aから供給される電力を貯蔵する。また、二次電池16は、PMIC15の制御の下で、貯蔵した電力をテレメータ10Aの各部(センサ11、IOモジュール12、MPU13、無線通信モジュール14、及びPMIC15)に供給する。二次電池16は、ハーベスタ20Aから供給される電力が変動しても、テレメータ10Aの各部に安定した電力を供給するために設けられる。また、二次電池16は、仮にハーベスタ15からの電力供給が停止しても、テレメータ10Aが一定時間動作できるようにするためにも設けられる。尚、二次電池16は、キャパシタであっても良い。
ハーベスタ20A,20Bは、例えば回転機の回転軸に取り付けられ、環境発電(エナジーハーベスト)を行って得られる電力をテレメータ10A,10Bにそれぞれ供給する。尚、ハーベスタ20A,20Bからテレメータ10A,10Bにそれぞれ供給された電力は、テレメータ10A,10Bの各々に設けられたPMIC15によって管理される。尚、詳細は後述するが、ハーベスタ20A,20Bは、回転機の回転により発生する風力又は振動力を受けて環境発電を行う。
観測装置2は、無線通信モジュールQ1及び処理装置Q2を備えており、テレメータ装置1A,1Bから送信されてくる無線信号を受信し、得られる受信信号を処理することで、観測対象から離れた地点において観測対象の観測を行う。また、観測装置2は、テレメータ装置1A,1Bに対して制御信号を送信することで、制御対象から離れた地点において制御対象を制御することも可能である。
無線通信モジュールQ1は、送信部Q11及び受信部Q12を備えており、処理装置Q2の制御の下で、テレメータ装置1A,1Bとの間で無線通信を行う。処理装置Q2は、無線通信モジュールQ1から出力される受信信号に対して予め規定された処理を行うことで、観測対象の観測を行う。尚、処理装置Q2は、例えばパーソナルコンピュータによって実現される。処理装置Q2は、処理結果を出力する出力装置(表示装置を含む)や、各種指示を入力する入力装置を備えていても良い。
〈テレメータ装置の設置例〉
図2は、本発明の一実施形態によるテレメータ装置の設置例を示す図である。ここでは、テレメータ装置1A,1Bが、回転機の回転軸AR(回転体、運動体)に設置される例について説明する。図2に示す通り、テレメータ装置1A,1Bは、回転軸ARの外周面に、回転軸ARに関して対称に(回転軸ARを挟むように)設置される。尚、テレメータ装置1Aのテレメータ10Aとテレメータ装置1Bのテレメータ10Bとは、同期用ケーブルCBによって接続される。
ここで、図2(a)に示す通り、テレメータ装置1Aのテレメータ10Aとハーベスタ20AとがケーブルCB1によって接続された状態で別体として回転軸ARの外周面に設置され、テレメータ装置1Bのテレメータ10Bとハーベスタ20BとがケーブルCB2によって接続された状態で別体として回転軸ARの外周面に設置されても良い。但し、テレメータ10A,10Bは、回転軸ARに関して対称に設置され、ハーベスタ20A,20Bは回転軸ARに関して対称に設置される。
また、図2(b)に示す通り、テレメータ装置1Aは、テレメータ10Aとハーベスタ20Aとが一体化された状態で回転軸ARの外周面に設置されても良い。同様に、テレメータ装置1Bは、テレメータ10Bとハーベスタ20Bとが一体化された状態で回転軸ARの外周面に設置されても良い。図2(b)に示す例では、テレメータ10A,10Bが、回転軸ARの外周面に、回転軸ARに関して対称に設置されている。そして、ハーベスタ20A,20Bが、回転軸ARの中心軸に直交する直線であってテレメータ10A,10Bを通る直線上に配置されるように、テレメータ10A,10Bにそれぞれ一体化されている。
テレメータ装置1A,1Bを回転軸ARに関して対称に設置するのは、回転機の挙動(回転軸ARの回転)への悪影響を抑えるためである。また、2つのテレメータ装置1A,1Bを設けて冗長化するのは、テレメータ装置1A,1Bの各々で得られる検出結果に対して、前述した比較処理、平均処理、差分処理等を行うことで、測定対象の観測精度を向上させるためであるとともに、テレメータ装置1A,1Bのうち、何れか一方が何らかの影響で故障(動作不良)に陥っても、何れか他方(健全なテレメータ装置)で処理を継続可能にするためである。
〈ハーベスタの構成例〉
《第1構成例》
図3は、本発明の一実施形態におけるハーベスタの第1構成例を示す図である。図3(a)に示す通り、本構成例におけるハーベスタ20A,20Bは、風力タービン21(タービン)、モータ22(発電素子)、及び支持部材23a,23bを備えており、回転機の回転軸ARの回転によって発生する風力を受けて環境発電を行う。本構成例におけるハーベスタ20A,20Bは、図2(a)に示す設置例のように、テレメータ10A,10Bとは別体とされ、回転軸ARの外周面に、回転軸ARに関して対称に設置される。尚、図3においては、図2(a)に示す構成に相当する構成については、同一の符号を付してある。
風力タービン21は、図3(b)に示す通り、回転軸AXと、回転軸AXの外周面に取り付けられた複数の羽根Wとを備える。回転軸AXは、例えば金属又は樹脂で形成された円柱形状(丸棒形状)の部材である。羽根Wは、可撓性を有する長方形状のシート部材である。羽根Wは、短辺が湾曲しており、長辺の一方が回転軸AXに取り付けられる。羽根Wは、回転軸AXの外周面に周方向に沿って複数設けられている。
モータ22は、風力タービン21によって回転駆動される発電機である。モータ22の回転軸は、風力タービン21の回転軸AXに同軸に取り付けられている。風力タービン21が回転すると、モータ22の回転軸AX及び回転子(図示省略)は風力タービン21とともに回転する。風力タービン21とともにモータ22の回転子が回転することで起電力が生じて発電が行われる。モータ22で発電された電力は、テレメータ10A,10Bに供給される。
風力タービン21及びモータ22は、支持部材23a,23bによって回転可能に支持されている。具体的に、風力タービン21は、図3(c)に示す通り、回転軸ARの外周面に対する回転軸AXの高さ位置が、羽根Wの高さ(概ね、短辺の長さ)よりも低くなるように支持される。このように支持するのは、風力タービン21の高さを低減するためである。尚、このように支持されることで、風力タービン21の羽根Wの一部が、回転軸ARの外周面に接触することとなる。
図3(c)に示す通り、回転機の回転軸ARの回転によって、図中に示す方向の風が発生したとすると、風力タービン21は、その風力を受けて図中D1を付した方向に回転する。風力タービン21に設けられた羽根Wの一部は、図3(c)に示す通り、回転軸ARの外周面に接触する。羽根Wは可撓性を有することから、回転軸ARの外周面に接触した羽根Wは、風力タービン21の回転に応じて短辺の湾曲の度合いが変化する。このため、羽根Wは、回転軸ARの外周面を摺動しながら、回転軸AXと回転軸ARの外周面との間を通過する。このように、羽根Wの一部が回転軸ARの外周面に接触しても、風力タービン21の回転は妨げられない。
《第2構成例》
図4は、本発明の一実施形態におけるハーベスタの第2構成例を示す図である。尚、図4(a)は、本構成例におけるハーベスタの斜視図であり、図4(b)は、本構成例におけるハーベスタの分解斜視図である。図4に示す通り、本構成例におけるハーベスタ20A,20Bは、フラッタ促進板31及び振動力発電素子32を備えており、回転機の回転軸ARの回転によって発生する風力を受けて環境発電を行う。尚、本構成例におけるハーベスタ20A,20Bは、図2(a)及び図2(b)に示す設置例の何れの設置例で設置されていても良い。
図4(b)に示す通り、フラッタ促進板31は、長方形状の板バネ部31aと、板バネ部31aの一辺に形成されたフラッタ促進部31b~31dとを備える板状部材である。フラッタ促進板31は、回転機の回転軸ARの回転によって発生する風力を受けて生ずるフラッタ(はためき)を促進させるものである。このようなフラッタ促進板31は、例えば横の長さが20mm程度、縦の長さが40mm程度、厚みが0.1mm程度のステンレス板を加工することによって形成される。
板バネ部31aは、振動力発電素子32が取り付けられる部位である。この板バネ部31aは、振動しやすいように薄板状に形成されている。フラッタ促進部31b~31dは、板バネ部31aの振動(フラッタ)を意図的に生じさせる部位である。回転軸ARの回転速度(回転数)に応じてフラッタの振動数は変化するため、フラッタ促進部31b~31dは互いに異なる長さに形成されている。例えば、フラッタ促進部31bは、回転軸ARの回転速度が低い場合に振動するように形成されており、フラッタ促進部31dは、回転軸ARの回転速度が高い場合に振動するように形成されている。
振動力発電素子32は、振動力を受けて発電する発電素子である。振動力発電素子32は、長方形状の電極板32aと、電極板32a上に設けられた圧電素子32bとを備えており、フラッタ促進板31の板バネ部31aに取り付けられる。このような振動力発電素子32は、フラッタ促進板31の板バネ部31aの振動によって発生する圧力を圧電素子32bに起電力に変換することで発電を行う。振動力発電素子32で発電された電力は、テレメータ10A,10Bに供給される。
《第3構成例》
図5は、本発明の一実施形態におけるハーベスタの第3構成例を示す図である。図5に示す通り、本構成例におけるハーベスタ20A,20Bは、パラボラ集音器41、発電素子42、及び支持柱43を備えており、回転機の回転軸ARの回転によって発生する振動力(騒音)を受けて環境発電を行う。尚、本構成例におけるハーベスタ20A,20Bは、図2(a)及び図2(b)に示す設置例の何れの設置例で設置されていても良い。
パラボラ集音器41は、回転機の回転軸ARの回転によって発生する騒音を集音する機器である。発電素子42は、パラボラ集音器41で集音された騒音を受けて発電する発電素子である。発電素子42は、円形状の電極板42aと、電極板42a上に設けられた圧電素子42bとを備える。発電素子42は、圧電素子42bがパラボラ集音器41を向くように支持柱43によって支持されている。発電素子42で発電された電力は、テレメータ10A,10Bに供給される。
以上の通り、本実施形態では、センサ11と、センサ11の検出信号を無線信号にして送信する無線通信モジュール14とを有するテレメータ10A,10Bと、回転軸ARの回転により発生する風力又は振動力を受けて発電した電力をテレメータ10A,10Bにそれぞれ供給するハーベスタ20A,20Bとを、回転体の回転軸ARに取り付けるようにしている。これにより、非接触給電のためのループコイルが設置できない場所(例えば、狭小部や金属遮蔽物が介在する場所)や、熱源のない箇所にも設置することができるため、従来よりも設置場所の自由度を高くすることができる。
また、上記のループコイルや送電用アンプを設置する必要も無いことから導入コストや設置時のフットプリントを削減することができる。更に、回転軸ARの回転により発生する風力又は振動力を受けて発電した電力をテレメータ10A,10Bに供給しており、テレメータ10A,10Bに対して連続的な電力供給が可能であるから、長期間のモニタリングを行うことも可能である。
以上、本発明の一実施形態によるテレメータシステムについて説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、テレメータ装置1A,1Bが回転機の回転軸AR(回転体)に設置される例について説明したが、テレメータ装置1A,1Bは、回転体以外の運動体(例えば、ピストン等の往復運動を行う移動体)に設置されていても良い。
また、テレメータ装置1A,1Bを自動車等のタイヤに内蔵し、騒音によって環境発電を行いつつ、タイヤ圧や路面状況を検出することも可能である。また、本発明は、回転体上の残像表示装置(POV:Persistence Of Vision)の制御にも適用することが可能である。
1A,1B…テレメータ装置、AR…回転軸、11…センサ、14…無線通信部、10A,10B…テレメータ、20A,20B…ハーベスタ、21…風力タービン、22…モータ、31…フラッタ促進板、32…振動力発電素子、42b…圧電素子、TS…テレメータシステム

Claims (5)

  1. 回転体に取り付けられ、センサ無線通信部とを有するテレメータと前記回転体に取り付けられ、前記回転体の回転により発生する風力又は振動力を受けて発電した電力を前記テレメータに供給するハーベスタとを備える複数のテレメータ装置と、
    複数の前記テレメータ装置を接続するケーブルと、
    複数の前記テレメータ装置から送信される無線信号を受信して観測対象の観測を行う観測装置と、
    を備え、
    複数の前記テレメータ装置の各々は、自装置で得られた前記センサの検出信号と、前記ケーブルを介して得られた他装置における前記センサの検出信号とを用いた所定の処理を行い、該処理によって得られた信号を前記無線通信部によって無線信号にして送信する、
    テレメータシステム。
  2. 前記ハーベスタは、前記風力を受けて回転するタービンと、
    前記タービンの回転軸に取り付けられた発電素子と、
    を備える請求項1記載のテレメータシステム
  3. 前記ハーベスタは、前記風力を受けてフラッタを促進させるフラッタ促進板と、
    前記フラッタ促進板が取り付けられた振動力発電素子と、
    を備える請求項1記載のテレメータシステム
  4. 前記ハーベスタは、振動力を受けて発電する圧電素子を備える請求項1記載のテレメータシステム
  5. 複数の前記テレメータ装置は、前記回転体の回転軸に関して対称設けられている、請求項1から請求項4の何れか一項に記載のテレメータシステム。
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