JP7746823B2 - 異常診断システム及び異常診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、異常診断システム及び異常診断方法に関する。

振動センサ、加速度センサ、回転センサ、温度センサ等の各種センサを内蔵し、各種センサにより取得したデータを無線通信により出力するワイヤレスセンサ付き軸受が提案されている（例えば、特許文献１）。このようなワイヤレスセンサ付き軸受は、回転機器の回転を利用して発電した電力を供給することにより、外部からの給電を不要とした構成が一般的である。

また、ワイヤレスセンサ付き軸受において、加速度センサとして微細加工技術によって集積化したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）加速度センサを用いる場合がある。ＭＥＭＳ加速度センサは、計測レンジがＤＣ成分～数ｋＨｚと非常に広く、方向性及び感度も高い。さらに、多数軸（２軸或いは３軸）対応とした場合にも、非常に小型にできる。また、ＭＥＭＳ加速度センサは、出力回路を一体としたＩＣパッケージとして使用できるため、無線装置と組み合わせることが容易になる。従って、このような優れた特性を有するＭＥＭＳ加速度センサを利用すれば、複数の加速度センサとしての役割を担うことが可能になる（例えば、特許文献２）。

特開２０１８－６６４３３号公報 特開２００８－１４３２７号公報

一般に、回転機器の故障診断や異常判定を行う場合、ＦＦＴアルゴリズムやエンベロープ分析に基づいて加速度センサからの振動加速度信号の周波数スペクトルを算出し振動解析を行う。しかしながら、このような振動解析手法は演算処理の負荷が大きく、故障診断や異常判定に多大なコストが掛かる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、回転機器の故障診断や異常判定を低コストで実現できる異常診断システム及び異常診断方法を提供すること、を目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の一態様に係る異常診断システムは、回転機器の振動加速度を検出するＭＥＭＳ加速度センサと、前記ＭＥＭＳ加速度センサから出力される振動加速度信号に基づき、前記回転機器の異常診断を行う異常診断部と、を備え、前記異常診断部は、前記ＭＥＭＳ加速度センサの出力における少なくとも１つの設定項目の設定値が異なる複数の動作モードを設定し、複数の前記動作モードにおいてそれぞれ取得した前記振動加速度信号の検出値に基づき、前記回転機器の異常傾向を推定する。

上記構成によれば、異常診断の際の演算負荷を抑制することができる。また、演算処理を簡素化できるので、異常診断に要する電力を抑制することができる。また、システムを簡素化できるので、システムの低コスト化を実現することができる。

異常診断システムの望ましい態様として、複数の前記動作モードは、それぞれ前記ＭＥＭＳ加速度センサにおける振動検知帯域の高域遮断周波数が異なることが好ましい。

これにより、ＭＥＭＳ加速度センサにおける振動検知帯域の高域遮断周波数が異なる複数の動作モードを設けることができる。

異常診断システムの望ましい態様として、前記設定項目の少なくとも１つは、前記ＭＥＭＳ加速度センサにおけるＡＤ変換の分解能であっても良い。

異常診断システムの望ましい態様として、前記設定項目の少なくとも１つは、前記ＭＥＭＳ加速度センサにおける出力データの更新頻度であっても良い。

異常診断システムの望ましい態様として、異常診断部は、複数の前記動作モードにおいてそれぞれ取得した前記振動加速度信号の検出値の閾値判定結果に応じて、前記回転機器の異常傾向を示す異常モードを判定することが好ましい。

これにより、異常傾向が異なる複数の異常モードを判別することができる。

異常診断システムの望ましい態様として、前記異常診断部は、複数の前記動作モードのうち、最も高域遮断周波数が高い動作モードにおいて取得した前記振動加速度信号の検出値が所定の閾値未満である場合に、前記回転機器の異常が発生していないと判定することが好ましい。

これにより、複雑な演算処理を行うことなく、回転機器が正常であると判定することができる。

異常診断システムの望ましい態様として、前記異常診断部は、第１の動作モードにおいて取得した前記振動加速度信号の検出値が所定の閾値以上である場合に、前記第１の動作モードよりも高域遮断周波数が低い第２の動作モードにおいて前記振動加速度信号の検出値を取得し、当該検出値の閾値判定を行うことが好ましい。

これにより、第２の動作モードにおける高域遮断周波数よりも高い周波数で振動する異常現象と第２の動作モードにおける高域遮断周波数よりも低い周波数で振動する異常現象とを異なる異常現象として捉えることができる。

異常診断システムの望ましい態様として、前記異常診断部は、前記第２の動作モードにおいて取得した前記振動加速度信号の検出値が所定の閾値未満である場合に、第１の異常モードと判定することが好ましい。

これにより、第２の動作モードにおける高域遮断周波数よりも高い周波数で振動する異常現象を第１の異常モードとして判定することができる。

異常診断システムの望ましい態様として、前記異常診断部は、複数の前記動作モードのうち、最も高域遮断周波数が低い動作モードにおいて取得した前記振動加速度信号の検出値が所定の閾値未満である場合に、前記第１の異常モードとは異なる第２の異常モードと判定することが好ましい。

これにより、第２の動作モードにおける高域遮断周波数よりも低い周波数で振動する異常現象を第２の異常モードとして判定することができる。

異常診断システムの望ましい態様として、複数の前記動作モードにおいてそれぞれ取得する前記振動加速度信号の検出値は、各動作モードに設定している所定期間における前記振動加速度信号のピーク値であっても良い。

異常診断システムの望ましい態様として、複数の前記動作モードにおいてそれぞれ取得する前記振動加速度信号の検出値は、各動作モードに設定している所定期間における前記振動加速度信号の平均値であっても良い。

上記の目的を達成するため、本発明の一態様に係る異常診断方法は、ＭＥＭＳ加速度センサを用いて回転機器の振動加速度を検出し、前記ＭＥＭＳ加速度センサから出力される振動加速度信号に基づき、前記回転機器の異常診断を行う異常診断方法であって、前記ＭＥＭＳ加速度センサの出力における少なくとも１つの設定項目の設定値が異なる複数の動作モードを設定し、複数の前記動作モードにおいてそれぞれ取得した前記振動加速度信号の検出値の閾値判定結果に基づき、前記回転機器の異常傾向を推定する。

上記構成によれば、異常診断の際の演算負荷を抑制することができる。また、演算処理を簡素化できるので、異常診断に要する電力を抑制することができる。また、システムを簡素化できるので、システムの低コスト化を実現することができる。

本発明によれば、回転機器の故障診断や異常判定を低コストで実現できる異常診断システム及び異常診断方法が得られる。

図１は、ワイヤレスセンサ付き軸受の斜視図である。 図２は、ワイヤレスセンサ付き軸受の分解斜視図である。 図３は、ワイヤレスセンサ付き軸受であって、発電部と凸部とを含む部分の断面図である。 図４は、ワイヤレスセンサ付き軸受であって、発電部と凹部とを含む部分の断面図である。 図５は、ワイヤレスセンサ付き軸受であって、センサ基板を含む部分の断面図である。 図６は、ワイヤレスセンサ付き軸受における起電力の電圧と時間との関係を説明するための説明図である。 図７は、ワイヤレスセンサユニットの平面図である。 図８は、カバーの斜視図である。 図９は、回転機器における異常発生時の振動の周波数の一例を示す図である。 図１０は、ＭＥＭＳ加速度センサの振動検知帯域を取得するための振動試験システムの一例を示す図である。 図１１は、掃引試験信号の一例を示すスイープ波形図である。 図１２は、実施形態に係る異常診断システムの概略構成の一例を示す図である。 図１３は、ＭＥＭＳ加速度センサの各動作モードにおける振動検知帯域の設定例を示す図である。 図１４は、各動作モードにおける異常判定結果の一例を示す図である。 図１５は、各動作モードにおける異常判定結果に基づく異常モードの一例を示す図である。 図１６は、実施形態に係る異常診断システムにおける異常診断処理の一例を示すフローチャートである。

以下、発明を実施するための形態（以下、実施形態という）につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

まず、本実施形態に係る異常診断システム及び異常診断方法を採用する一例として、回転機器に適用されるワイヤレスセンサ付き軸受について説明する。

図１は、ワイヤレスセンサ付き軸受の斜視図である。図２は、ワイヤレスセンサ付き軸受の分解斜視図である。図３は、ワイヤレスセンサ付き軸受であって、発電部と凸部とを含む部分の断面図である。図４は、ワイヤレスセンサ付き軸受であって、発電部と凹部とを含む部分の断面図である。図５は、ワイヤレスセンサ付き軸受であって、センサ基板を含む部分の断面図である。図１に示すワイヤレスセンサ付き軸受１は、図２に示すように、ワイヤレスセンサユニット５と、トーンリング３０と、軸受本体２０とを有している。

図３から図５に示すように、軸受本体２０は、外輪２１と、内輪２２と、転動体２３とを有する転がり軸受である。外輪２１と内輪２２は、回転軸Ａｘ（図１参照）を中心に相対的に回転する。以下、内輪２２が回転輪として説明するが、内輪２２と外輪２１とが相対回転していれば、どちらが回転していてもよい。

カバー１０は、円環状の天板１２と、天板１２の周囲に接続され、筒状の側板１１とを有する。カバー１０は、ケイ素鋼板、炭素鋼（ＪＩＳ規格 ＳＳ４００又はＳ４５Ｃ）、マルテンサイト系ステンレス（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ４２０）又はフェライト系ステンレス（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ４３０）のいずれかのような磁性を有する材料で形成される。

図２に示すように、ワイヤレスセンサユニット５において、複数の発電部３と基板４０とが、天板１２の一方の面１２Ａに取り付けられている。一方の面１２Ａは、軸受本体２０と対向する側の面である。基板４０は、電源基板４１と、センサ基板４２とを有している。

例えば、図１及び図２に示すように、天板１２に開けられた雌ねじ穴に、黄銅など非磁性材料のボルト１９Ａが締結することで、発電部３は、天板１２に固定される。同様に、天板１２に開けられた雌ねじ穴に、黄銅など非磁性材料のボルト１９Ｂが締結することで、電源基板４１とセンサ基板４２とが、天板１２に固定される。図１に示すように、ボルト１９Ａ及びボルト１９Ｂ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している。

トーンリング３０には、外径側に突出する凸部３１と、凸部３１よりも内径側に凹む凹部３２とが周方向に交互に設けられている。トーンリング３０は、軸受本体２０側に突出する筒状突起３３を内周側に有している。トーンリング３０は、ケイ素鋼板、炭素鋼（ＪＩＳ規格 ＳＳ４００又はＳ４５Ｃ）、マルテンサイト系ステンレス（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ４２０）又はフェライト系ステンレス（ＪＩＳ規格 ＳＵＳ４３０）のいずれかのような磁性を有する材料で形成される。

発電部３は、永久磁石１３と、ヨーク１４と、コイル１５とを有している。永久磁石１３は、天板１２に接するように固定されている。ヨーク１４は、永久磁石１３に接するように固定されている。ヨーク１４は、永久磁石１３に磁気的に接続されていればよく、直接接続されていなくてもよい。ヨーク１４は、ケイ素鋼板、ＮｉＦｅ合金などの磁性を有する材料で形成されている。ヨーク１４の内部における磁束量が増えるように、ヨーク１４は、カバー１０の材質と同等以上の透磁率を有する材料が用いられていることが望ましい。ヨーク１４がケイ素鋼板であると、透磁率が高くなり、ヨーク１４内に磁束が通りやすくなる。

コイル１５は、導線がヨーク１４を巻回するいわゆるマグネットワイヤである。隣り合う発電部３のコイル１５同士は、直列に接続され、直列接続された複数の発電部３のコイル１５から引き出された配線が電源基板４１に接続されている。

図３に示すように、側板１１の一端が外輪２１の外周に設けられた溝２１Ａに嵌め込まれ固定される。筒状突起３３は、内輪２２の内周に設けられた溝２２Ａに嵌め込まれ固定されている。これにより、図３及び図４に示すように、ヨーク１４の内周側端面及び天板１２の内周側端面がトーンリング３０の凸部３１又は凹部３２に対向する位置に配置される。そして、カバー１０及びトーンリング３０は、軸受本体２０への取り付けが容易である。

永久磁石１３の磁界により磁束Ｍｆが、ヨーク１４、トーンリング３０の凸部３１又は凹部３２、カバー１０の天板１２を通る。このため、永久磁石１３、ヨーク１４、トーンリング３０の凸部３１又は凹部３２、カバー１０の天板１２が磁気回路となる。

また、図５に示すように、凸部３１の外周側端面３１ＩＦの一部には、トーンリング３０よりも強い磁性を示す磁性体３１１が取り付けられている。例えば、凸部３１の外周側端面３１ＩＦには、磁性体の形状と大きさに対応した凹部が設けられている。この凹部に磁性体３１１は嵌め込まれている。磁性体３１１と、磁性体３１１の周囲の外周側端面３１ＩＦは、面一又はほぼ面一となっている。磁性体３１１は、例えば、硬磁性体の永久磁石である。トーンリング３０において、磁性体３１１の取り付け箇所は１箇所のみである。外輪２１に対して内輪２２が相対的に１回転（３６０°回転）する毎に、磁性体３１１は角度センサ４４３に最も近づく。角度センサ４４３は、例えばホール素子を含む。

図６は、ワイヤレスセンサ付き軸受における起電力の電圧と時間との関係を説明するための説明図である。ここで、図６の横軸は時間Ｔであり、縦軸は起電力の電圧Ｖｉである。外輪２１が固定され、内輪２２が回転することによって内輪２２と共にトーンリング３０が回転し、トーンリング３０と発電部３とが相対的に回転する。ヨーク１４にとっては、内周側端面から図３に示す凸部３１の外周側端面３１ＩＦまでのエアギャップと、内周側端面から図４に示す凹部３２の外周側端面３２ＩＦまでのエアギャップと、が交互に入れ替わる。

このように、トーンリング３０の外周の凸部３１と凹部３２とにより、発電部３のヨーク１４とトーンリング３０の外周との距離が周期的に変化する。これにより、発電部３に生じる磁束Ｍｆの密度が変化する。永久磁石１３を備えたヨーク１４とトーンリング３０とが接近している場合には、永久磁石１３、ヨーク１４、トーンリング３０を通る磁束Ｍｆは大きく、ヨーク１４とトーンリング３０とが離れている場合には、永久磁石１３、ヨーク１４、トーンリング３０を通る磁束Ｍｆが小さくなる。この磁束Ｍｆの密度変化に応じて、ヨーク１４の周りにマグネットワイヤを巻いたコイル１５に電圧変化が発生する。

すなわち、ヨーク１４と凸部３１の外周側端面３１ＩＦとが最も近づいたときに、図３に示す磁束Ｍｆが大きくなり、図６に示す起電力の電圧Ｖ１が電源基板４１に供給される。ヨーク１４と凹部３２の外周側端面３２ＩＦとが最も遠ざかるときに、図４に示す磁束Ｍｆが小さくなり、図６に示す起電力の電圧Ｖ２が電源基板４１に供給される。

図７は、ワイヤレスセンサユニットの平面図である。図７に示すように、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３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。センサ基板４２には、センサ４４と、通信回路を有する制御部４５と、アンテナ４７とが実装されている。電源部４３からの直流電力は、センサ４４及び制御部４５に供給される。センサ４４、制御部４５及びアンテナ４７は、別々のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップで構成されていてもよいし、それらの一部又は全部が１つのＩＣチップで構成されていてもよい。

センサ４４は、少なくとも加速度センサ４４１を含む。また、センサ４４は、例えば、温度センサ４４２や角度センサ４４３等、その他の物理量を計測するセンサを含んでも良い。

図８は、カバーの斜視図である。図８に示すように、カバー１０には、貫通孔１２Ｈが開けられている。貫通孔１２Ｈは、図１に示すように、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。上述したように、カバー１０は、軸受本体２０側にアンテナ４７を備えている。ここで、カバー１０は、磁性を有しているので、アンテナ４７からの電磁波をシールドする作用を有している。このため、図７に示すように、軸受本体２０の回転軸Ｚｒ方向からみた平面視において、アンテナ４７が非磁性蓋１７と重なるように配置されている。すなわち、カバー１０のアンテナ４７に対向する部分には、非磁性蓋１７が設けられている。このため、アンテナ４７の電磁波ＷＶは、非磁性蓋１７を介して、通信部１５１へ到達することができる。

また、図８に示すように、天板１２の一方の面１２Ａに、発電部３を配置するための複数の凹部１８が設けられている。例えば、複数の凹部１８の各々は、コイル１５を配置するための第１凹部１８Ａと、永久磁石１３を配置するための第２凹部１８Ｂとを有する。一方の面１２Ａを基準面としたとき、第１凹部１８Ａは第２凹部１８Ｂよりも深い。

制御部４５は、アンテナ４７を介して、センサ４４によって検出された各種データを、デジタルデータとして外部に送信する機能を有する。制御部４５は、電源部４３から供給される直流電力を使用して動作する。

ワイヤレスセンサユニット５から送信されたデジタルデータは、図１に示す上位装置１５０の通信部１５１で受信される。通信部１５１で受信したデジタルデータは、コンピュータ１５２で処理される。このように、ワイヤレスセンサ付き軸受１は、デジタルデータを無線で送信することができるので、小型化が可能になる。

なお、本実施形態に係るワイヤレスセンサとしては、上述したワイヤレスセンサ付き軸受１の他に、軸受の近傍に設ける間座タイプのワイヤレスセンサモジュールも存在する。

図９は、回転機器における異常発生時の振動の周波数の一例を示す図である。図９に示すように、回転機器において発生する異常振動は、周波数ごとに起因する現象が異なることが知られている。一般に、ＦＦＴアルゴリズムやエンベロープ分析に基づいて加速度センサからの振動加速度信号の周波数スペクトルを算出し振動解析を行い、回転機器に発生している現象の推定や特定を行う。しかしながら、このような振動解析手法は演算処理の負荷が大きく、故障診断や異常判定に多大なコストが掛かる。

本発明者は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）加速度センサにおいて、ＡＤ変換の分解能や出力データの更新頻度を示すＯＤＲ（Output Data Rate）等の各設定項目の設定値に応じて、振動検知帯域が変わる場合があることを知見した。

図１０は、ＭＥＭＳ加速度センサの振動検知帯域を取得するための振動試験システムの一例を示す図である。図１１は、掃引試験信号の一例を示すスイープ波形図である。図１０に示すように、振動試験システム２００１は、振動検知帯域の取得対象となるＭＥＭＳ加速度センサ１００２とリファレンスとしての加速度ピックアップ２００３とを振動発生機２００２に取り付け、ＰＣ２００６から振動試験制御装置２００４をコントロールし、電力増幅器２００５で増幅した図１１に示す掃引試験信号（例えば、５０［Ｈｚ］から８０００［Ｈｚ］まで正弦波信号の周波数を連続して変化させる）を振動発生機２００２に供給する。このとき、加速度ピックアップ２００３から出力される信号を基準としてＭＥＭＳ加速度センサ１００２から出力される信号のゲインを取得することで、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２の振動検知帯域を取得することができる。以下、一連の試験を「掃引試験」とも称する。

本発明者は、複数種のＭＥＭＳ加速度センサを例として、それぞれ分解能とＯＤＲとの組み合わせを変えて上述した掃引試験を実施した。第１例のＭＥＭＳ加速度センサにおける掃引試験結果から得られた動作モードごとの振動検知帯域の高域遮断周波数を表１に示す。第２例のＭＥＭＳ加速度センサにおける掃引試験結果から得られた動作モードごとの振動検知帯域の高域遮断周波数を表２に示す。本実施形態において、動作モードごとの振動検知帯域の高域遮断周波数を「カットオフ周波数」とも称する。

表１に示す第１例のＭＥＭＳ加速度センサでは、分解能の設定値を変えることで振動検知帯域のカットオフ周波数に有意差が表れている。また、分解能の設定値を１２ｂｉｔとした場合には、ＯＤＲを変えることで振動検知帯域のカットオフ周波数に有意差が表れている。この第１例のＭＥＭＳ加速度センサでは、例えば、分解能の設定値を８ｂｉｔ、ＯＤＲの設定値を５０［Ｈｚ］とすることで、カットオフ周波数を１，７８０［Ｈｚ］とすることができる。また、例えば、分解能の設定値を１０ｂｉｔ、ＯＤＲの設定値を５０［Ｈｚ］とすることで、カットオフ周波数を６４２［Ｈｚ］とすることができる。また、例えば、分解能の設定値を１２ｂｉｔ、ＯＤＲの設定値を１，３４４［Ｈｚ］とすることで、カットオフ周波数を２４９［Ｈｚ］とすることができる。

表２に示す第２例のＭＥＭＳ加速度センサでは、ＯＤＲの設定値を変えることで振動検知帯域のカットオフ周波数に有意差が表れている。この第２例のＭＥＭＳ加速度センサでは、例えば、分解能の設定値を３２ｂｉｔに固定し、ＯＤＲの設定値を２５，６００［Ｈｚ］とすることで、カットオフ周波数を６，５０１［Ｈｚ］とすることができる。また、例えば、ＯＤＲの設定値を１２，８００［Ｈｚ］とすることで、カットオフ周波数を１，６０６［Ｈｚ］とすることができる。また、例えば、ＯＤＲの設定値を６，４００［Ｈｚ］とすることで、カットオフ周波数を７６１［Ｈｚ］とすることができる。

このように、ＭＥＭＳ加速度センサでは、分解能やＯＤＲ等の各設定項目の設定値を変えることで振動検知帯域が変化する例が存在する。本実施形態では、表１に示す第１例のＭＥＭＳ加速度センサや、表２に示す第２例のＭＥＭＳ加速度センサのように、分解能やＯＤＲ等の各設定項目の設定値を変えることで振動検知帯域が変化するＭＥＭＳ加速度センサを用いて、回転機器の異常診断を行う。具体的には、ＭＥＭＳ加速度センサの出力における少なくとも１つの設定項目の設定値が異なる複数の動作モードを設け、当該複数の動作モードにおいてそれぞれ取得した振動加速度信号の検出値に基づき、回転機器の異常診断を行う。これにより、異常診断の際の演算負荷を抑制することができる。また、演算処理を簡素化できるので、異常診断に要する電力を抑制することができる。また、システムを簡素化できるので、システムの低コスト化を実現することができる。

以下、ＭＥＭＳ加速度センサを用いた異常診断システム及び異常診断方法について、図１２から図１６を参照して説明する。なお、以下の説明では、図１から図８において説明したワイヤレスセンサ付き軸受１及び上位装置１５０の構成と実質的に同一の構成部が含まれる。

図１２は、実施形態に係る異常診断システムの概略構成の一例を示す図である。図１２に示すように、実施形態に係る異常診断システム１００１は、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２と、異常診断部１００３と、を備える。

本実施形態では、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２として、例えば、表１に示す第１例のＭＥＭＳ加速度センサや、表２に示す第２例のＭＥＭＳ加速度センサのように、分解能やＯＤＲ等の各設定項目の設定値を変えることで振動検知帯域が変化するＭＥＭＳ加速度センサを用いることを前提としている。

異常診断部１００３は、例えば、上述したワイヤレスセンサ付き軸受１における制御部４５に含まれる。また、異常診断部１００３は、例えば、上述したワイヤレスセンサ付き軸受１のワイヤレスセンサユニット５から送信されたデジタルデータを受信する上位装置１５０（図１参照）のコンピュータが実現する態様であっても良い。異常診断部１００３の態様により本開示が限定されるものではない。

本実施形態において、異常診断部１００３は、各動作モードにおいて、所定の動作期間における振動加速度信号の検出値が、予め設定した所定の閾値以上である場合に、回転機器に何らかの異常が生じていると判定する。各動作モードでの動作期間は、一定期間（例えば、５［ｓ］）であっても良いし、異なる期間であっても良い。また、各動作モードにおける検出値は、各動作モードの動作期間における振動加速度信号のピーク値であっても良いし、平均値であっても良い。また、検出値に対する閾値は、各動作モードで同じ値であっても良いし、異なる値であっても良い。各動作モードでの動作期間、検出値、及び閾値の態様により本開示が限定されるものではない。

ＭＥＭＳ加速度センサ１００２は、センサ部１００４と、ＡＤ変換部１００５と、ＣＰＵ１００６と、レジスタ１００７と、を含む。

センサ部１００４は、例えば、上述したワイヤレスセンサ付き軸受１における加速度センサ４４１が例示される。

ＡＤ変換部１００５は、センサ部１００４から出力されるアナログの信号値を、デジタルデータに変換する構成部である。

ＣＰＵ１００６は、例えば、Ｉ２ＣインターフェースやＳＰＩインターフェース等のシリアル通信インターフェースにより異常診断部１００３との間で制御信号の送受信を行う構成部である。

レジスタ１００７は、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２における各設定項目の設定値を格納する構成部である。ＭＥＭＳ加速度センサ１００２における各設定項目としては、例えばＡＤ変換部１００５における分解能やＯＤＲを含む。

図１３は、ＭＥＭＳ加速度センサの各動作モードにおける振動検知帯域の設定例を示す図である。図１３において、横軸は周波数を示し、縦軸はゲインを示している。

図１３に示す例では、それぞれカットオフ周波数が異なる３つの動作モードを設定する例を示している。また、各動作モードにおける振動検知帯域は、ゲインが－３［ｄＢ］（０．７０７倍）となるカットオフ周波数までの通過域としている。

具体的に、図１３に示す例では、第１動作モードにおけるカットオフ周波数をｆｃ１、第２動作モードにおけるカットオフ周波数をｆｃ２、第３動作モードにおけるカットオフ周波数をｆｃ３としている。図１３に示す例では、ｆｃ１＞ｆｃ２＞ｆｃ３としている。

異常診断部１００３は、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２を第１動作モードで動作させる場合、第１動作モードにおける振動検知帯域のカットオフ周波数が第１カットオフ周波数ｆｃ１となるように、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２の各設定項目の設定値を設定する。具体的には、例えば、表１に示す第１例のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、分解能の設定値を８ｂｉｔ、ＯＤＲの設定値を５０［Ｈｚ］とする。これにより、第１カットオフ周波数ｆｃ１を１，７８０［Ｈｚ］とすることができる。また、例えば、表２に示す第２例のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、分解能の設定値を３２ｂｉｔ、ＯＤＲの設定値を２５，６００［Ｈｚ］とする。これにより、第１カットオフ周波数ｆｃ１を６，５０１［Ｈｚ］とすることができる。このとき、振動加速度信号の第１検出値Ｄｔ１の検知範囲である第１振動検知帯域は、第１カットオフ周波数ｆｃ１以下となる。

また、異常診断部１００３は、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２を第２動作モードで動作させる場合、第２動作モードにおける振動検知帯域のカットオフ周波数が第２カットオフ周波数ｆｃ２となるように、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２の各設定項目の設定値を設定する。具体的には、例えば、表１に示す第１例のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、分解能の設定値を１０ｂｉｔ、ＯＤＲの設定値を５０［Ｈｚ］とする。これにより、第２カットオフ周波数ｆｃ２を６４２［Ｈｚ］とすることができる。また、例えば、表２に示す第２例のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、分解能の設定値を３２ｂｉｔ、ＯＤＲの設定値を１２，８００［Ｈｚ］とする。これにより、第２カットオフ周波数ｆｃ２を１，６０６［Ｈｚ］とすることができる。このとき、振動加速度信号の第２検出値Ｄｔ２の検知範囲である第２振動検知帯域は、第２カットオフ周波数ｆｃ２以下となる。

また、異常診断部１００３は、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２を第３動作モードで動作させる場合、第３動作モードにおける振動検知帯域のカットオフ周波数が第３カットオフ周波数ｆｃ３となるように、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２の各設定項目の設定値を設定する。具体的には、例えば、表１に示す第１例のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、分解能の設定値を１２ｂｉｔ、ＯＤＲの設定値を１，３４４［Ｈｚ］とする。これにより、第３カットオフ周波数ｆｃ３を２４９［Ｈｚ］とすることができる。また、例えば、表２に示す第２例のＭＥＭＳ加速度センサにおいて、分解能の設定値を３２ｂｉｔ、ＯＤＲの設定値を６，４００［Ｈｚ］とする。これにより、カットオフ周波数を７６１［Ｈｚ］とすることができる。このとき、振動加速度信号の第３検出値Ｄｔ３の検知範囲である第３振動検知帯域は、第３カットオフ周波数ｆｃ３以下となる。

図１４は、各動作モードにおける異常判定結果の一例を示す図である。図１４では、各動作モードにおける検出値Ｄｔ（Ｄｔ１，Ｄｔ２，Ｄｔ３）の閾値Ｄｔｈを全て同じ値（Ｄｔｈ１，Ｄｔｈ２，Ｄｔｈ３）としている。また、図１４では、各動作モードでの動作期間Ｐｔを一定期間（Ｐｔ１，Ｐｔ２，Ｐｔ３）としている。図１５は、各動作モードにおける異常判定結果に基づく異常モードの一例を示す図である。

異常診断部１００３は、所定の第１期間Ｐｔ１において、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２を第１動作モードで動作させる。このときの第１検出値Ｄｔ１が第１閾値Ｄｔｈ１未満であるとき（Ｄｔ１＜Ｄｔｈ１）、異常診断部１００３は、回転機器の異常が発生していないものと判定する。これにより、複雑な演算処理を行うことなく、回転機器が正常であると判定することができる。

また、第１検出値Ｄｔ１が第１閾値Ｄｔｈ１以上であるとき（Ｄｔ１≧Ｄｔｈ１）、異常診断部１００３は、所定の第２期間Ｐｔ２において、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２を第２動作モードで動作させる。このときの第２検出値Ｄｔ２が第２閾値Ｄｔｈ２未満であるとき（Ｄｔ２＜Ｄｔｈ２）、異常診断部１００３は、第２動作モードの第２カットオフ周波数ｆｃ２よりも高く、かつ第１動作モードの第１カットオフ周波数ｆｃ１以下の帯域において、回転機器に振動が発生している第１異常モードと判定する。これにより、第２カットオフ周波数ｆｃ２よりも低い周波数で振動する異常現象を第１異常モードとは異なる異常現象として捉えることができる。

また、第２検出値Ｄｔ２が第２閾値Ｄｔｈ２以上であるとき（Ｄｔ２≧Ｄｔｈ２）、異常診断部１００３は、所定の第３期間Ｐｔ３において、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２を第３動作モードで動作させる。このときの第３検出値Ｄｔ３が第３閾値Ｄｔｈ３未満であるとき（Ｄｔ３＜Ｄｔｈ３）、異常診断部１００３は、第３動作モードの第３カットオフ周波数ｆｃ３よりも高く、かつ第１動作モードの第１カットオフ周波数ｆｃ１以下の帯域において、回転機器に振動が発生している第２異常モードと判定する。これにより、第３カットオフ周波数ｆｃ３よりも低い周波数で振動する異常現象を第１異常モード及び第２異常モードとは異なる異常現象として捉えることができる。

また、第３検出値Ｄｔ３が第３閾値Ｄｔｈ３以上であるとき（Ｄｔ３≧Ｄｔｈ３）、異常診断部１００３は、第３動作モードの第３カットオフ周波数ｆｃ３以下の帯域を含む第１動作モードの第１カットオフ周波数ｆｃ１以下の帯域において、回転機器に振動が発生している第３異常モードと判定する。すなわち、第３カットオフ周波数ｆｃ３よりも低い周波数で振動する異常現象を第１異常モード及び第２異常モードとは異なる第３異常モードと判定する。

本実施形態に係る異常診断システム１００１では、上述したように、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２の出力における少なくとも１つの設定項目の設定値が異なる複数の動作モードでＭＥＭＳ加速度センサ１００２を動作させる。これにより、各動作モードでＭＥＭＳ加速度センサ１００２における振動検知帯域の高域遮断周波数を異ならせることができる。このため、各動作モードにおいてそれぞれ取得した振動加速度信号の検出値を閾値判定することにより、回転機器の異常傾向を推定することができる。

図１４に示す例では、第１動作モードにおける第１検出値Ｄｔ１が第１閾値Ｄｔｈ１以上（Ｄｔ１≧Ｄｔｈ１）となり、第２動作モードにおける第２検出値Ｄｔ２が第２閾値Ｄｔｈ２以上（Ｄｔ２≧Ｄｔｈ２）となり、第３動作モードにおける第３検出値Ｄｔ３が第３閾値Ｄｔｈ３未満（Ｄｔ３＜Ｄｔｈ３）となっている。この場合、例えば、第３カットオフ周波数ｆｃ３が２００［Ｈｚ］付近となるように、第３動作モードにおけるＭＥＭＳ加速度センサ１００２の各設定項目の設定値を設定することで、図９に示すギアー異常やベアリング異常の初期状態であるものと推定することができる。

図１６は、実施形態に係る異常診断システムにおける異常診断処理の一例を示すフローチャートである。

異常診断部１００３は、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２が第１動作モードで動作するように、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２の各設定項目の設定値を設定する（ステップＳ１０１）。ＭＥＭＳ加速度センサ１００２のＣＰＵ１００６は、設定された各設定項目の設定値をレジスタ１００７に書き込む。

ＣＰＵ１００６は、レジスタ１００７に書き込まれた各設定項目の設定値でＡＤ変換部１００５を動作させる。異常診断部１００３は、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２から出力された振動加速度信号を計測し、第１動作モードにおける第１検出値Ｄｔ１を検出する（ステップＳ１０２）。

異常診断部１００３は、第１動作モードにおける第１検出値Ｄｔ１が第１閾値Ｄｔｈ１以上（Ｄｔ１≧Ｄｔｈ１）であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

第１動作モードにおける第１検出値Ｄｔ１が第１閾値Ｄｔｈ１未満（Ｄｔ１＜Ｄｔｈ１）である場合（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、異常診断部１００３は、回転機器の異常が発生していないものと判定し（ステップＳ１０４）、ステップＳ１０１以降の処理を繰り返し行う。

第１動作モードにおける第１検出値Ｄｔ１が第１閾値Ｄｔｈ１以上（Ｄｔ１≧Ｄｔｈ１）である場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、異常診断部１００３は、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２が第２動作モードで動作するように、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２の各設定項目の設定値を設定する（ステップＳ１０５）。ＭＥＭＳ加速度センサ１００２のＣＰＵ１００６は、設定された各設定項目の設定値をレジスタ１００７に書き込む。

ＣＰＵ１００６は、レジスタ１００７に書き込まれた各設定項目の設定値でＡＤ変換部１００５を動作させる。異常診断部１００３は、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２から出力された振動加速度信号を計測し、第２動作モードにおける第２検出値Ｄｔ２を検出する（ステップＳ１０６）。

異常診断部１００３は、第２動作モードにおける第２検出値Ｄｔ２が第２閾値Ｄｔｈ２以上（Ｄｔ２≧Ｄｔｈ２）であるか否かを判定する（ステップＳ１０７）。

第２動作モードにおける第２検出値Ｄｔ２が第２閾値Ｄｔｈ２未満（Ｄｔ２＜Ｄｔｈ２）である場合（ステップＳ１０７；Ｎｏ）、異常診断部１００３は、第２動作モードの第２カットオフ周波数ｆｃ２よりも高く、かつ第１動作モードの第１カットオフ周波数ｆｃ１以下の帯域において、回転機器に振動が発生している第１異常モードと判定し（ステップＳ１０８）、ステップＳ１０１以降の処理を繰り返し行う。

第２動作モードにおける第２検出値Ｄｔ２が第２閾値Ｄｔｈ２以上（Ｄｔ２≧Ｄｔｈ２）である場合（ステップＳ１０７；Ｙｅｓ）、異常診断部１００３は、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２が第３動作モードで動作するように、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２の各設定項目の設定値を設定する（ステップＳ１０９）。ＭＥＭＳ加速度センサ１００２のＣＰＵ１００６は、設定された各設定項目の設定値をレジスタ１００７に書き込む。

ＣＰＵ１００６は、レジスタ１００７に書き込まれた各設定項目の設定値でＡＤ変換部１００５を動作させる。異常診断部１００３は、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２から出力された振動加速度信号を計測し、第３動作モードにおける第３検出値Ｄｔ３を検出する（ステップＳ１１０）。

異常診断部１００３は、第３動作モードにおける第３検出値Ｄｔ３が第３閾値Ｄｔｈ３以上（Ｄｔ３≧Ｄｔｈ３）であるか否かを判定する（ステップＳ１１１）。

第３動作モードにおける第３検出値Ｄｔ３が第３閾値Ｄｔｈ３未満（Ｄｔ３＜Ｄｔｈ３）である場合（ステップＳ１１１；Ｎｏ）、異常診断部１００３は、第３動作モードの第３カットオフ周波数ｆｃ３よりも高く、かつ第１動作モードの第１カットオフ周波数ｆｃ１以下の帯域において、回転機器に振動が発生している第２異常モードと判定し（ステップＳ１１２）、ステップＳ１０１以降の処理を繰り返し行う。

第３動作モードにおける第３検出値Ｄｔ３が第３閾値Ｄｔｈ３以上（Ｄｔ３≧Ｄｔｈ３）である場合（ステップＳ１１１；Ｙｅｓ）、異常診断部１００３は、第３動作モードの第３カットオフ周波数ｆｃ３以下の帯域を含む第１動作モードの第１カットオフ周波数ｆｃ１以下の帯域において、回転機器に振動が発生している第３異常モードと判定し（ステップＳ１１３）、ステップＳ１０１以降の処理を繰り返し行う。

第１異常モード、第２異常モード、あるいは第３異常モードと判定した場合（ステップＳ１０８、ステップＳ１１２、ステップＳ１１３）、異常診断部１００３は、判定結果を図示しない記憶部に記憶する態様であっても良い。また、例えば、判定結果をタブレット端末のような図１に示す上位装置１５０に通知する態様であっても良い。さらに、ゲートウェイからクラウドサーバ等のネットワークを介して、回転機器の顧客や保守員に回転機器が異常状態であることを通知する態様とすることも可能である。

なお、上述した実施形態では、振動検知帯域のカットオフ周波数が異なる３つの動作モードを設定する例について説明したが、動作モードの数はこれに限定されず、例えば、２つあるいは４つ以上の動作モードを設定する態様であっても良い。また、上述した実施形態では、ＭＥＭＳ加速度センサ１００２の設定項目として分解能及びＯＤＲを例示したがこれに限定されない。

なお、上述で使用した図は、本開示に関して定性的な説明を行うための概念図であり、これらに限定されるものではない。また、上述の実施形態は本開示の好適な実施の一例ではあるが、これに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

１ ワイヤレスセンサ付き軸受
１０ カバー
２０ 軸受本体
２１ 外輪
２２ 内輪
４０ 基板
４１ 電源基板
４２ センサ基板
４３ 電源部
４４ センサ
４５ 制御部
４７ アンテナ
１５０ 上位装置
１５１ 通信部
１５２ コンピュータ
４４１ 加速度センサ
４４２ 温度センサ
４４３ 角度センサ
１００１ 異常診断システム
１００２ ＭＥＭＳ加速度センサ
１００３ 異常診断部
１００４ センサ部
１００５ ＡＤ変換部
１００６ ＣＰＵ
１００７ レジスタ
２００１ 振動試験システム
２００２ 振動発生機
２００３ 加速度ピックアップ
２００４ 振動試験制御装置
２００５ 電力増幅器
２００６ ＰＣ

Claims (11)

1. 回転機器の振動加速度を検出するＭＥＭＳ加速度センサと、
   前記ＭＥＭＳ加速度センサから出力される振動加速度信号に基づき、前記回転機器の異常診断を行う異常診断部と、
   を備え、
   前記異常診断部は、
   前記ＭＥＭＳ加速度センサの出力における少なくとも１つの設定項目の設定値が異なる複数の動作モードを設定し、
   複数の前記動作モードにおいてそれぞれ取得した前記振動加速度信号の検出値に基づき、前記回転機器の異常傾向を推定し、
   前記設定項目の少なくとも１つは、前記ＭＥＭＳ加速度センサにおけるＡＤ変換の分解能である、
   異常診断システム。
2. 複数の前記動作モードは、それぞれ前記ＭＥＭＳ加速度センサにおける振動検知帯域の高域遮断周波数が異なる、
   請求項１に記載の異常診断システム。
3. 前記設定項目の少なくとも１つは、前記ＭＥＭＳ加速度センサにおける出力データの更新頻度である、
   請求項１又は２に記載の異常診断システム。
4. 前記異常診断部は、
   複数の前記動作モードにおいてそれぞれ取得した前記振動加速度信号の検出値の閾値判定結果に応じて、前記回転機器の異常傾向を示す異常モードを判定する、
   請求項２又は３に記載の異常診断システム。
5. 前記異常診断部は、
   複数の前記動作モードのうち、最も高域遮断周波数が高い動作モードにおいて取得した前記振動加速度信号の検出値が所定の閾値未満である場合に、前記回転機器の異常が発生していないと判定する、
   請求項４に記載の異常診断システム。
6. 前記異常診断部は、
   第１の動作モードにおいて取得した前記振動加速度信号の検出値が所定の閾値以上である場合に、前記第１の動作モードよりも高域遮断周波数が低い第２の動作モードにおいて前記振動加速度信号の検出値を取得し、当該検出値の閾値判定を行う、
   請求項４又は５に記載の異常診断システム。
7. 前記異常診断部は、
   前記第２の動作モードにおいて取得した前記振動加速度信号の検出値が所定の閾値未満である場合に、第１の異常モードと判定する、
   請求項６に記載の異常診断システム。
8. 前記異常診断部は、
   複数の前記動作モードのうち、最も高域遮断周波数が低い動作モードにおいて取得した前記振動加速度信号の検出値が所定の閾値未満である場合に、前記第１の異常モードとは異なる第２の異常モードと判定する、
   請求項７に記載の異常診断システム。
9. 複数の前記動作モードにおいてそれぞれ取得する前記振動加速度信号の検出値は、各動作モードに設定している所定期間における前記振動加速度信号のピーク値である、
   請求項１から８の何れか一項に記載の異常診断システム。
10. 複数の前記動作モードにおいてそれぞれ取得する前記振動加速度信号の検出値は、各動作モードに設定している所定期間における前記振動加速度信号の平均値である、
    請求項１から８の何れか一項に記載の異常診断システム。
11. ＭＥＭＳ加速度センサを用いて回転機器の振動加速度を検出し、前記ＭＥＭＳ加速度センサから出力される振動加速度信号に基づき、前記回転機器の異常診断を行う異常診断方法であって、
    前記ＭＥＭＳ加速度センサの出力における少なくとも１つの設定項目の設定値が異なる複数の動作モードを設定し、
    複数の前記動作モードにおいてそれぞれ取得した前記振動加速度信号の検出値の閾値判定結果に基づき、前記回転機器の異常傾向を推定し、
    前記設定項目の少なくとも１つは、前記ＭＥＭＳ加速度センサにおけるＡＤ変換の分解能である、
    異常診断方法。