JPH09264778A - 自発電源による振動検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動点検に手間と費用をかけずに、且つ電源
寿命を考慮する必要もなく、連続運転する設備の軸受け
等の状態を常時監視し、その摩耗劣化により生じる異常
振動を確実に検出して表示できるもの。 【解決手段】 振動の加速度を検出する加速度検出手段
と、検出加速度のレベルを判定するレベル判定手段と、
判定結果を表示する表示手段と、圧電素子を用いて振動
により電荷を発生する圧電素子電源発生手段と、直流変
換部とを備えた自発電源による振動検出装置において、
上記圧電素子電源発生手段は、長方形振動板１２の両面
に圧電素子１１Ａ，１１Ｂが成層された長方形板状部材
を有し、この長方形板状部材の一端は振動検出装置のフ
レーム１６に固定され、この部材の所定位置又は変更自
在の設置位置に錘１４が取り付けられたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自発電源による、
例えば回転機械の軸受け等の振動検出装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】回転機械の軸受け等において、使用する
ことにより摩耗劣化するものは、摩耗の進展によって回
転機械の停止、あるいは破損し重大な事故に発展するこ
とがある。回転機械等の軸受けの場合、摩耗が進行する
と振動が大きくなるので、従来はこの振動を検出する小
形振動計等を回転機械の軸受けに取付け異常振動の検出
及び表示を行っていた。

【０００３】また特公平３−３７１３０号公報による簡
易型振動監視装置では、振動検出回路、レベル判別回
路、表示回路及びこれらの回路に電源を供給する蓄電池
（バッテリ）のほかに、電源の投入及び遮断を所定の周
期で連続的に行うスイッチ回路とを一体に構成した装置
としている。さらに上記簡易型振動監視装置では、検出
した振動レベルに応じて、正常レベル、要注意レベル、
危険レベルを３色の色別点灯により識別しやすいように
表示している。

【０００４】そして上記のようなバッテリー内蔵型の振
動監視装置に要求される機能としては、この装置を巡回
する巡回作業者の操作を不要とすると共に、内蔵するバ
ッテリの消耗を軽減して出来るだけバッテリの寿命を延
ばすことである。このバッテリの消耗を軽減するため、
上記特許公報に示された実施例では、装置への電源の投
入時間を０．５秒、遮断時間を５秒とする周期で連続的
に電源のオン・オフを行うスイッチ回路を設けている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなバッテリ
内蔵型の振動検出装置においては、いかようにバッテリ
の消耗を軽減する方式を採用したとしても、一定期間が
経過してバッテリの寿命がなくなれば、振動検出や異常
振動の表示が全くできなくなるから、バッテリの寿命が
なくなる前に、必ずすべての装置のバッテリの交換作業
が必要となっていた。さらにバッテリの消耗（出力電圧
や電流の低下）に気付かず、その交換を忘れた場合に
は、異常振動が発生しても警報表示はなされないで、検
出対象の設備は正常であると誤って判断される危険があ
るという問題点があった。

【０００６】本発明は、かかる問題点を解決するために
なされたものであり、振動検出装置内の各回路に十分な
電源を供給できると共に、電源寿命を考慮する必要がな
く、連続運転する設備の軸受け等の状態を常時監視し、
その摩耗劣化したときに発生する異常振動を確実に検出
して表示できる振動検出装置を得ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
自発電源による振動検出装置は、振動の加速度に対応す
る検出信号を出力する加速度検出手段と、該加速度検出
手段の出力レベルがあらかじめ設定された基準レベルを
越えたときに出力を発生するレベル判定手段と、該レベ
ル判定手段の前記出力を表示する表示手段と、振動を受
けたときに電荷を発生する圧電素子を用いた圧電素子電
源発生手段と、該圧電素子電源発生手段の発生する電荷
を直流電源に変換する直流変換部とを備えた自発電源に
よる振動検出装置において、上記圧電素子電源発生手段
は、長方形振動板の片面又は両面に圧電素子が成層され
た長方形板状部材を有し、該長方形板状部材の一端は振
動検出装置ケースに固定され、該部材の所定位置又は変
更自在の設置位置に錘が取り付けられたものである。上
記請求項１に係る発明の圧電素子電源発生手段における
片持梁構造の長方形板状部材の自由端側に取り付ける錘
の取付位置を調整して、その固有振動数を加速度検出を
行う回転機械等の振動周波数と一致させることにより発
生電荷量を最大にできる。

【０００８】本請求項２に係る自発電源による振動検出
装置は、振動の加速度に対応する検出信号を出力する加
速度検出手段と、該加速度検出手段の出力レベルがあら
かじめ設定された基準レベルを越えたときに出力を発生
するレベル判定手段と、該レベル判定手段の前記出力を
表示する表示手段と、振動を受けたときに電荷を発生す
る圧電素子を用いた圧電素子電源発生手段と、該圧電素
子電源発生手段の発生する電荷を直流電源に変換する直
流変換部とを備えた自発電源による振動検出装置におい
て、上記圧電素子電源発生手段は、それぞれ長方形振動
板の片面又は両面に圧電素子が成層された第１及び第２
の長方形板状部材を有し、該第１の長方形板状部材の一
端は振動検出装置ケースに固定され、該第１の長方形板
状部材の他端は上記第２の長方形板状部材の一端とスペ
ーサを介してＵ字形に連結され、該第２の長方形板状部
材の所定位置又は変更自在の設置に錘が取り付けられた
ものである。上記請求項２に係る発明の圧電素子電源発
生手段におけるＵ字形の片持梁構造により小スペース内
での錘の取付位置可変範囲が広くなり、その固有振動数
の可変調整範囲が拡大した。従って加速度検出を行う回
転機械等の各種設備がさまざまの振動周波数で振動して
いても、この設備の振動周波数にＵ字形板状部材の固有
振動数を一致させる調整が容易となり、この調整により
発生電荷量を最大にできる。またＵ字形に梁を長くした
分だけ錘を軽量化して振動機構の耐久性を向上できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図３は本発明に係る自発電源によ
る振動検出装置の説明図である。図３において、１は振
動源である回転機械の軸受け、２は圧電型加速度セン
サ、３はレベル判定器であり、増幅器８、コンパレータ
９、マルチバイブレータ１０を含んでいる。４は発光ダ
イオード、５は圧電素子電源発生部、６は直流変換部、
７は電流制限抵抗である。図３において、圧電型加速度
センサ２は、振動源である軸受け１に取付けられ、その
検出出力はレベル判別器３へ供給される。レベル判定器
３は、圧電型加速度センサ２の出力レベルが予め設定さ
れた基準レベルより大きくなったときに、発光ダイオー
ド４を点灯または点滅させる。

【００１０】圧電素子電源発生部５は、圧電型加速度セ
ンサ２と同様に、軸受け１の振動によって交流電荷を発
生し、この発生した交流電荷を直流変換部６で直流電圧
に変換し、この直流電圧をレベル判定器３の消費電源と
して供給する。なお発光ダイオード４に流す電流はレベ
ル判定器３から電流制限抵抗７を介して供給する。また
軸受けがやや劣化し振動が多少大きくなったときの振動
加速度は通常０．３Ｇ程度又はそれ以上はあるので、本
発明ではこの程度の振動加速度によって圧電素子電源発
生部５が発生する電荷量により振動検出装置の全消費電
力を十分に賄えるように、圧電素子電源発生部５内の振
動機構（この例では長方形板状又はＵ字形板状の片持梁
構造）の共振周波数を、加速度検出を行う回転機械等の
振動周波数と一致させる調整手段を有するものである
が、この点については後述する。

【００１１】レベル判定器３は、増幅器８、コンパレー
タ９及びマルチバイブレータ１０で構成され、軸受けの
振動加速度に対応した加速度センサ２の出力信号を増幅
してコンパレータ９の一方に入力する。コンパレータ９
の他方の入力には予め設定された基準値が与えられてお
り、この基準値と増幅器８の出力値とを比較して、両者
の信号値の大小関係を判定する。また上記比較用の基準
値は任意の値に設定することができる。そして、軸受け
振動が正常状態のとき、即ち加速度センサ２の出力が小
さいときは、増幅器８の出力値よりも基準値の方が大き
くなるように設定されているので、コンパレータ９の出
力はＬｏｗレベルである。

【００１２】また軸受けが摩耗劣化して振動が大きくな
ると、基準値よりも増幅器８の出力値の方が大きくなる
ので、コンパレータ９の出力はＨｉｇｈレベルとなり、
マルチバイブレータ１０を動作させる。マルチバイブレ
ータ１０は、例えば４秒に１回短時間だけパルス電圧を
発生し、電流制限抵抗７を介して発光ダイオード４に電
流を流して点灯させるので、監視員は目視により軸受け
の摩耗劣化を容易に見つけることができる。なお発光ダ
イオード４に流す平均電流を少くするための方法は後述
する。

【００１３】実施形態１．図１は本発明に係る圧電素子
電源発生部の実施形態１を説明する図であり、同図の
（ａ）はその片持梁の構造例を、（ｂ）は複数の重量の
錘の例を示している。図１の（ａ）においては、まずリ
ン青銅等の長方形振動板１２の両面に、それぞれ両面に
電極が形成された長方形の板状電圧素子１１Ａ，１１Ｂ
を貼り合わせた長方形板状部材を製作し、次にこの長方
形板状部材の一端を絶縁を兼ねてフレーム１６にエポキ
シ樹脂等の接着剤１７で固定し片持梁の構造とする。そ
して上記長方形板状部材の自由端から、例えば図１の
（ｂ）に示されるような開口部を有する錘１４を挿入し
取り付けるが、この取付位置は上記部材上を移動させた
任意の位置に錘位置固定ネジ１５により固定することが
できる。

【００１４】なお上記錘１４は、図１の（ｂ）に示すよ
うに予め重量の異なる複数の錘を用意しておき、所望の
重量のものを選択して使用するか、または錘の個数を１
個、２個、３個と変化させて所望の重量として使用す
る。また錘が金属の場合には、圧電素子１１Ａ，１１Ｂ
の電極と錘１４との接触部は電気的に絶縁しておく。例
えば樹脂等のコーティングにより絶縁してもよい。

【００１５】図１の（ａ）のように、長方形板状部材の
一端がフレーム１６に固定され、その自由端側に錘１４
が取り付けられた片持梁の振動機構に、フレーム１６を
経由して上下方向の振動を受けると、電圧素子１１Ａ，
１１Ｂは破線のような曲げ振動により電荷を発生する。
この発生した電荷はリード線１８Ａ，１８Ｂにより取り
出され、この２つの出力は直列接続又は並列接続された
上で、直流変換部６へ供給される。ここで図１の（ａ）
のように、２枚の圧電素子１１Ａ，１１Ｂを振動板１２
の表面と裏面にそれぞれ貼り合わせた構造の場合には、
上下方向の曲げ振動により、板状圧電素子１１Ａ，１１
Ｂの一方が引き伸ばされたとき、他方は圧縮され、それ
ぞれ逆方向に変形して電荷を発生するので、圧電素子が
１枚の場合の２倍の電荷を発生する（これを一般にバイ
モルフ構造の圧電素子という）。なお２枚の圧電素子１
１Ａ，１１Ｂの発生電荷の取り出し方法は、上記の２通
りあるが、一般に高電圧出力を希望する場合は直列接続
が用いられ、大電流出力を希望する場合は並列接続が用
いられる。また２枚の圧電素子１１Ａ，１１Ｂの間に振
動板１２を設けることにより圧電素子の取付けが容易に
なると共に振動機構の機械的強度が増加している。

【００１６】上記片持梁構造の圧電振動素子は、そのた
わみ振動が大きい程、発生する電荷量も大きくなるの
で、振動によりできるだけ大きなたわみ振幅を得ること
が望ましい。そして片持梁振動機構におけるたわみ振幅
は、その固有振動数が被検出体、即ち本願発明の振動検
出装置が設置される設備の振動周波数に一致したときに
最大値となることから、図１の（ａ）においては、錘１
４の取付位置とその重量を調整することによって、前記
長方形板状部材の固有振動数を、加速度検出を行う回転
機械等の振動周波数と一致させるようにしている。な
お、通常、回転機械等の振動周波数帯は１０〜１００Ｈ
ｚ程度であるので、上記錘１４の取付位置と重量の調整
により、上記振動周波数帯における所望の固有振動数を
得ることができる。そして上記の調整により、２枚の圧
電素子１１Ａ，１１Ｂは最大量の電荷を発生することが
できる。

【００１７】実施形態２．図２は本発明に係る圧電素子
電源発生部の実施形態２を説明する図であり、同図は、
スペーサ１９を用いてそれぞれ両面に圧電素子の成層さ
れた２枚の振動板１２，１３をＵ字形に連結した２階建
て構造を示している。図２において、振動板１２の両面
に圧電素子１１Ａ，１１Ｂの成層された第１（下側）の
長方形板状部材の一端（図では左端）をフレーム１６に
接着剤１７で固定する構造は図１の（ａ）と同じであ
る。そして振動板１２より多少長さの短い振動板１３の
両面に圧電素子１１Ｃ，１１Ｄの成層された第２（上
側）の長方形板状部材を製作し、この第２の長方形板状
部材の一端と上記第１の長方形板状部材の他端（図の右
端）とをスペーサ１９を介してＵ字形に連結する。そし
て第２の長方形板状部材の自由端から図１の（ｂ）に示
したような開口部を有する錘１４を挿入し、上記部材上
を移動させて所望の位置に錘位置固定ネジ１５により固
定する。なお錘１４は、錘の個数の増減または重量の異
なる錘との交換が可能であること、並びに錘１４と圧電
素子１１Ｃ，１１Ｄの電極とは電気的に絶縁されている
ことは、図１の場合と同じである。

【００１８】図２の構造の電圧素子電源発生部の特徴
は、次の通りである。 （１）図１の（ａ）の圧電素子が２枚であるのに対し
て、４枚の圧電素子を有する構造のため、発生電荷量が
図１のほぼ２倍となる。なお４枚の圧電素子１１Ａ〜１
１Ｄの各出力が個別のリード線１８Ａ〜１８Ｄから取り
出せるので、４つの圧電素子の各出力をすべて並列接続
として取り出せば、１素子の４倍の電流出力が得られる
し、また２つの出力をそれぞれ直列接続したものをさら
に並列接続して取り出せば、電圧と電流を共に１素子の
２倍として出力できるし、さらに４つの出力をすべて直
列接続して取り出せば、１素子の４倍の電圧出力が得ら
れる。 （２）図２の構造は、片持梁の梁を長くして、これをＵ
字形に折り曲げて小スペース内に収納できるようにした
ものであるから、梁を長くした分だけ錘１４の重量を図
１の場合より軽くすることができる。この錘１４の軽量
化により振動機構の耐久性が向上し、圧電素子電源発生
部の長寿命化が実現できる。 （３）また片持梁の梁を長くして、これをＵ字形に折り
曲げた構造としたことにより、小スペース内での錘１４
の取付位置可変範囲が広くなりその共振周波数の可変調
整範囲が拡大した。従って広範囲にばらつく回転機械等
の振動周波数にＵ字形板状部材の共振周波数を一致させ
ることが容易となり、その結果通常の振動加速度におい
ても振動検出装置が必要とする電源を十分に発生するこ
とができる。

【００１９】図４は本発明に係る直流変換部の一例を示
す回路図であり、４個の全波整流用ダイオードと平滑用
コンデンサにより構成され、入力する交流電圧を直流電
圧に変換して出力する。そしてこの直流出力電圧がレベ
ル判定器３に供給される。

【００２０】次にレベル判定器３の消費電力について説
明する。まず消費電力のうち大きな割合を占める発光ダ
イオード４の点灯方法について説明する。発光ダイオー
ドの点灯はパルスの繰り返し点灯により視認することが
できる。例えば、高輝度型発光ダイオードを使えば１ｍ
Ａの電流を１０ｍｓの時間点灯すれば目視で確認でき、
これを４秒に１回点灯させるようにすると平均電流は
２．５μＡになる。またレベル判定器３内の回路素子の
消費電力をできるだけ少くするため、例えば増幅器８お
よびコンパレータ９には極低消費電流のＣ−ＭＯＳオペ
アンプ（例えばマキシム社製ＭＡＸ４０６）を用い、マ
ルチバイブレータ１０はＣ−ＭＯＳロジックＩＣでパル
ス幅１０ｍｓ、周期４秒のパルスを出力するようにすれ
ば、低消費電力の既知回路でレベル判定器３を構成でき
る。

【００２１】上記構成のレベル判定器で、例えば供給電
圧をＤＣ３Ｖとして、発光ダイオードが４秒に１回１０
ｍｓだけ点灯している時の振動検出装置の全消費電流平
均値は約７〜８μＡである。従ってレベル判定器３の消
費電力は、警報発生時に発光ダイオード４を点灯させて
も、電圧がＤＣ３Ｖで電流が１０μＡ程度であり、圧電
素子電源発生部５が直流変換部６を介して、上記消費電
力を供給できればよい。

【００２２】図２の構造の圧電素子電源発生部５の実施
形態として、圧電素子１１Ａ〜１１ＤにはＰＺＴ（チタ
ン酸ジルコン酸鉛）、振動板１２，１３にはリン青銅板
を用いて、電荷感度は数千ｎＣ（ナノクーロン）／Ｇが
得られ、振動加速度０．３Ｇで加振すると、上記ＤＣ３
Ｖ、１０μＡの電源を十分に供給することができる。な
お軸受けが摩耗劣化して振動が大きくなった時の振動加
速度は、通常１Ｇ程度はあるので、振動加速度が大きく
なれば、さらに十分なる電源を供給できることになる。

【００２３】図５は本発明に係る自発電源による振動検
出装置の構造例を示す図である。図５の振動検出装置
は、そのケース（通常金属製）２０の底部に設けられた
取り付けネジで軸受けに固着され、ケース２０全体が振
動する構造である。そしてケース内では、加速度センサ
２及び圧電素子電源発生部（この例では図２の構造のも
の）５がケース２０にそれぞれ固定されており、さらに
ケース内にはレベル判定部３及び直流変換部６を含む回
路部２１が収納され、その上部に発光ダイオード４が取
り付けられている。従って軸受けが摩耗劣化して、振動
が大きくなりレベル判定器３内のコンパレータ９に予め
設定した値より大きな信号が入ると、振動によって圧電
素子電源発生部５が発生した電荷を電源として、振動検
出装置ケース２０の上部に設けられた発光ダイオードが
点灯するので、軸受けの摩耗劣化を目視で発見すること
が出来る。なお、図５のケース２０内における各機器間
の配線の図示は省略されている。

【００２４】またレベル判定器３内のコンパレータ９が
振動検出レベルと比較して異常検出を行うための基準レ
ベル（一般に閾値という）は、任意に設定できるので、
軸受けが摩耗し異常振動が発生し始めた初期段階で発光
ダイオードが点灯するようにこの基準レベルを設定して
おけば、発光ダイオードの点灯の有無を目視確認すると
いう簡単な点検動作のみで、軸受けの摩耗劣化の異常を
初期の段階で発見でき、摩耗劣化の進行によって重大な
故障に発展するのを未然に防止できる。また上記実施例
では、比較基準値は１つのみ設けた場合の例を示したの
で、レベル判定の結果は、正常（良）又は異常（不良）
のいずれか一方の状態を示すのみであるが、本発明はこ
れに限定されるものではない。例えばそれぞれ値の異な
る２つの比較基準値と２つのコンパレータを設けて、そ
れぞれ個別にレベル判定を行うようにすれば、正常、要
注意、異常の３つの状態を判定でき、その結果３つの異
なる色の発光ダイオードにより３つの状態を区分して表
示することもできる。

【００２５】なお摩耗等の劣化は徐々に進行していくも
のであるが、それに伴う異常振動は必ずしも摩耗度合い
に比例して大きくなるものではない。そこでレベル判定
器３内に、コンパレータ９の異常検出信号を入力し、こ
れを例えば２４時間は保持するタイマーを設け、このタ
イマーの出力信号によってマルチバイブレータ１０を駆
動するようにすれば、加速度センサからの振動が一定レ
ベルを越えたら発光ダイオードが２４時間点灯し続くこ
とになり、例えば１日に１回の目視確認をするだけで摩
耗劣化の発生を見落とすことなく発見できる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、前記圧電
素子電源発生手段における長方形板状部材またはＵ字形
板状部材に取り付ける錘の取付位置を調整して振動アー
ムの長さを変更するのみで、さまざまの振動周波数で振
動している各種検出対象設備に即応して設置することが
できる。またＵ字形板状部材の場合には、小スペース内
での錘の取付位置可変範囲が広くなり、その固有振動数
の可変調整範囲が拡大すると共に、Ｕ字形にアームを長
くした分だけ錘を軽量化して振動機構の耐久性を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電素子電源発生部の実施形態１
を説明する図である。

【図２】本発明に係る圧電素子電源発生部の実施形態２
を説明する図である。

【図３】本発明に係る自発電源による振動検出装置の説
明図である。

【図４】本発明に係る直流変換部の一例を示す回路図で
ある。

【図５】本発明に係る自発電源による振動検出装置の構
造例を示す図である。

【符号の説明】

１ 軸受け ２ 圧電型加速度センサ ３ レベル判定器 ４ 発光ダイオード ５ 圧電素子電源発生部 ６ 直流変換部 ７ 電流制限抵抗 ８ 増幅器 ９ コンパレータ １０ マルチバイブレータ １１Ａ〜１１Ｄ 圧電素子 １２，１３ 振動板 １４ 錘 １５ 錘位置固定ネジ １６ フレーム １７ 接着剤 １８Ａ〜１８Ｄ リード線 １９ スペーサ

フロントページの続き (72)発明者 稲葉 秀弘 静岡県富士宮市山宮2320番地−11 株式会 社富士セラミックス内 (72)発明者 山木 宗人 静岡県富士宮市山宮2320番地−11 株式会 社富士セラミックス内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動の加速度に対応する検出信号を出力
   する加速度検出手段と、該加速度検出手段の出力レベル
   があらかじめ設定された基準レベルを越えたときに出力
   を発生するレベル判定手段と、該レベル判定手段の前記
   出力を表示する表示手段と、振動を受けたときに電荷を
   発生する圧電素子を用いた圧電素子電源発生手段と、該
   圧電素子電源発生手段の発生する電荷を直流電源に変換
   する直流変換部とを備えた自発電源による振動検出装置
   において、 上記圧電素子電源発生手段は、長方形振動板の片面又は
   両面に圧電素子が成層された長方形板状部材を有し、該
   長方形板状部材の一端は振動検出装置ケースに固定さ
   れ、該部材の所定位置又は変更自在の設置位置に錘が取
   り付けられたことを特徴とする自発電源による振動検出
   装置。
2. 【請求項２】 振動の加速度に対応する検出信号を出力
   する加速度検出手段と、該加速度検出手段の出力レベル
   があらかじめ設定された基準レベルを越えたときに出力
   を発生するレベル判定手段と、該レベル判定手段の前記
   出力を表示する表示手段と、振動を受けたときに電荷を
   発生する圧電素子を用いた圧電素子電源発生手段と、該
   圧電素子電源発生手段の発生する電荷を直流電源に変換
   する直流変換部とを備えた自発電源による振動検出装置
   において、 上記圧電素子電源発生手段は、それぞれ長方形振動板の
   片面又は両面に圧電素子が成層された第１及び第２の長
   方形板状部材を有し、該第１の長方形板状部材の一端は
   振動検出装置ケースに固定され、該第１の長方形板状部
   材の他端は上記第２の長方形板状部材の一端とスペーサ
   を介してＵ字形に連結され、該第２の長方形板状部材の
   所定位置又は変更自在の設置位置に錘が取り付けられた
   ことを特徴とする自発電源による振動検出装置。