IoT 振動センサーの基礎

IoTとは何か？

技術に詳しくない人にとって、IoTは技術専門家特有の頭字語のように聞こえるかもしれません。IoTとはInternet of Things（モノのインターネット）の略です。センサー、ソフトウェア、その他の技術でリンクされたデバイスのネットワークで、人の手を介さずにインターネットを通じてデータや情報を送信します。そのため、テクノロジーに携わる人でなくても、多くの人に関係があり、あらゆるビジネスにとっても重要です。

IoTで送信されるデータとは？

IoTは、気象条件、交通パターン、人間の行動など、機械の周辺環境に関する大量のデータを送信します。これらのデータはすべて、正確な技術の性能を発揮するために不可欠なものである。温度センサー、気象センサーなど、驚くほど多くのIoTセンサーが存在します。

収集されたデータは、製品や部品の今後の反復やバージョンの改善に使用されます。IoTシステムの重要な狙いは、問題が深刻化する前に検出し、長期的に時間と費用を節約することです。このデータのほとんどは通常、クラウド内に収集され、保管されます。

IoT振動センサーとは？

私たちは、機器の支えを頼りにする時代に生きています。そのため、機器は機能する環境下を把握しておく必要があります。つまり、機器は周囲の環境の温度や湿度などのデータを収集し、送信することが求められます。

IoT振動センサーは、振動データを読み取り、分析目的でクラウド、ユーザーインターフェース、またはローカルサーバーに送信する機器です。振動データは、日々の監視や起こりうる問題の早期警告に使用することができます。これらの問題が、放置されたり検出されなかったりすると、企業は高額な費用を支払うことになりかねません。一般的に、ほとんどのIoT振動センサーは電池駆動ですが、外部給電のものもあります。これらの機器のほとんどは、工業用強度の磁石を使って機械の上に直接設置されます。さらに、IoT振動センサーはMEMSベースの技術を使用しているため、3つの軸とさまざまな帯域幅から測定することができます。

ここでは、さまざまなタイプの振動センサーの用途を紹介します。

• 機械の過大振動による自動停止スイッチとして使用
• 洗濯機などの家電製品のシャットダウンに使用
• おもちゃやゲームに使用
• 運搬中の衝撃センサーとして使用

振動センサーは、その名前とは裏腹に、単に加速度を検出するだけではありません。加速度、速度、変位、周波数も検出します。例えば、産業機械では、これらすべての要素が、機械の緩み、温度上昇、ベアリングの不良を検出するのに役立ちます。IoT振動センサーは通常、無線電池駆動の産業用センサーノードで構成されます。

振動が起こる原因とは？

前述したように、IoT 振動センサーは対象物からの振動を検出するものです。では、振動の原因となる重要な問題にはどのようなものがあるのでしょうか。

• 摩耗 : 摩耗は、単純な使い過ぎや設置不良から生じる。例えば、潤滑不足のベルトは摩耗の原因となる。
• 不均衡 : ボール、ベアリング、歯車、ベルトの磨耗は、単純な使い過ぎや取り付け不良から生じる振動の原因となる。
• ゆるみ
• ミスアライメント : ミスアライメントは、2つの回転軸が互いに平行でない場合に発生する。ミスアライメントの原因は、部品の不適切な取り付けやシャフト間の温度上昇である。
• 温度

接触振動センサーと非接触振動センサーの違いは？

振動センサーを接触式と非接触式の2つに分けたとします。

接触式

接触センサーは、対象物自体に変換器を設置する必要があります。その利点は、絶対的な動きを測定できることです。しかし、そのためには、モードシェイプや周波数を変更するモード形状や周波数を変更するミッションを追加するなど、振動環境をわずかに変更する必要があります。センサーと試験物との間の適切な結合により、正確な測定が可能になります。

接触式振動センサーの例

加速度センサー、ゆがみゲージ、速度センサー、ジャイロスコープ
非接触センサーが存在する主な理由は2つあります。

1. 加速度センサーの重量が振動に影響する。
2. 機器が回転するため、配線が事実上不可能である。

この考え方は想像しにくいですが、レーザーや音を使って非接触で測定することも可能です。

非接触式振動センサーの例

マイクロホンまたは音圧センサー、レーザー変位センサー、渦電流または容量性変位センサー

振動センサーの種類の違いは？

振動測定ツールには、有線センサーと無線センサーがあります。どちらにも具体的な利点と欠点があります。何を優先するかによって、企業は選択しなければなりません。

有線振動センサー

有線振動センサーは、イーサネットケーブルでネットワークに接続します。高速で信頼性の高い接続が可能なため、センサー検出器は継続的にデータを送信します。

• メリット : 接点式は無線式に比べ、高速で信頼性が高く、安全性も若干高い。ネットワークに直接接続されるため、企業はクラウドにデータを転送する必要がない。さらに、有線センサーはメンテナンスが容易で、メンテナンス費用を削減できる。
• デメリット : 導入と設定に時間と費用がかかる。これは、予算が限られている企業にとっては欠点となる。さらに、有線の振動監視システムを拡張するためには、企業はより多くの作業を必要とする。

無線振動センサー

無線センサーはその名の通り、通常無線でネットワークを通じて接続されます。データは連続的に送信されるのではなく、バッチとして送信されます。通常、無線センサーは電池駆動です。

• メリット : 一般的に、無線振動センサーは便利なオプションと低価格の設置を提供します。無線の場合、壁や天井にケーブルを通す必要がありません。さらに、無線は遠隔地の広い監視エリアをカバーするのに優れています。また、無線監視システムは拡張が容易であり、無線であるため、企業は追加の労働時間を心配する必要がありません。インターネット接続があれば、どこからでも簡単にアクセスできます。
• デメリット : 他の無線接続と同様、接続性の問題が懸念されます。例えば、倉庫を拠点とするビジネスでは、パレット不足やその他の保管資材による干渉に直面するでしょう。さらに、電池の問題など、追加のメンテナンスが必要になる場合もあります。

動作原理や構造による様々なタイプの振動センサー

ピンとバネの振動センサー

最もシンプルなタイプの振動センサーで、コイルバネの中心に小さくて細いピンが付いています。バネの根元が固定され、もう一方の端が自由に振動します。

• メリット : 低コスト、3軸のうち2軸に対応可能、電源不要。
• デメリット : 内部接点が短いため、フリップフロップのようなラッチ部品が必要。

圧電シップ

ポリエステル基板に圧電ポリマーフィルムをラミネートしたもので、非加重タイプと加重タイプがあり、加重によって振動センサーの共振周波数が変化します。

• メリット : 無重量時の共振周波数は約170Hz。
• デメリット : たわみの過程で電圧が発生する。

マウストラップ

マウスタップのような単純なテコの原理を利用したセンサーで発電所の冷却塔でよく使われます。

磁気式

磁気式振動センサーは、機械的な回転部分を含む機械やその他の装置の過度の振動を検出するために使用されます。これらのセンサーは通常サイズが大きく、より大きな周波数の電流を扱います。

さまざまな例

振動測定には様々な計測器やソフトウェアの選択肢があります。ここでは、以下のようなセンサーの種類をご紹介します。

加速度センサー

おそらく最もポピュラーな振動センサーです。その名の通り、加速度計は加速度レベルを測定します。例えば、航空宇宙企業は航空機の性能を追跡するためにIoTセンサーからのデータを使用しています。

• 汎用的な衝撃や振動の測定に適している。
• 予算や必要な電子機器へのアクセスが限られている場合の使用には適さない。
• 例えば、圧電型加速度計、ピエゾ抵抗型加速度計、静電容量型MEMSなどがある。
• 長所：流行に敏感で、様々なオプションがあり、低ノイズで正確。
• 短所：速度と変位を統合する必要があり、追加のサポート電子機器が必要になる場合がある。

ストレインゲージ

導電性のグリッドを持つ箔で、伸縮させることができ、グリッドの電気抵抗が比例して増減させます。

• 曲面や、サイズや質量が重要な場合に適している。
• 時間的制約がある場合や加速度を測定する必要がある場合は不向き。
• 長所：さまざまなオプションがあり、安価で、非常に正確で、広い周波数範囲をカバーする。
• 短所：取り付けが簡単ではなく、特殊な電子機器が必要。

速度センサー

• 高温のアプリケーションに適している。
• 短所：他と比べて入手が難しい。
• 長所：速度を直接測定でき、カバーも付いている。

ジャイロスコープ

MEMS技術を使用したセンサーで、3つの小さな共振マスを持ち、角速度の変化に応じてシフトします。加速度センサーにはない参照フレームを提供するため、加速度センサーと比較して有用です。方位データが必要な場合に推奨されます。

• 長所：ジャイロスコープは回転を測定し、一般的にMEMSは低コストである。
• 短所：ジャイロスコープは、方位を測定するために加速度センサーと併用する必要がある。

マイクロホンまたは音圧センサー

振動計測に音を使うことは、ほとんどの人にとって異質なことかもしれません。しかし、音は圧力波の形で空気中を伝わる振動であることを思い出してください。

• 長所：健康状態のモニタリングや振動数の測定に適している。
• 短所：加速度を直接測定したり、既知の場所の振動を測定したりするのには適していない。
• 例 ：PCBピエゾトロニクス

レーザー変位

レーザー変位はその名の通り、三角形の送受信レンズを持つレーザーを使用します。ターゲットが近づいたり遠ざかったりすると、レーザーが受光素子上の異なる位置に焦点を結ぶため、反射光の角度が変化します。これは、回転する部品など、加速度計を使用できない対象物によく使用されます。

• 長所：構造や製品に手を加えることなく、直接変位を測定するのに適している。
• 短所：電力が気になる場合は使用できない。
• 例 ：キーエンス

渦電流または容量性変位

渦電流式や静電容量式の変位センサーは、それ自身とターゲット間の距離を測定します。振動システムを変更することなく、「空気中の振動を測定する」方法を提供します。

• 長所：構造や製品に手を加えることなく、変位を直接測定するのに適している。
• 短所：電力が気になる場合はあまり使えない。
• 渦電流式変位計と静電容量式変位計の違い。
• 静電容量式センサーは発生する高強度の電界を利用する。
• 渦電流センサーは磁界を発生させ、その変化する応答を測定する。
• ライオン精密の例

振動計

振動計は、携帯型ユニットでリアルタイムの振動分析を提供します。これにより、メンテナンスの意思決定を迅速に行うことができます。RMSとピークからピークのレベルをリアルタイムで提供し、振動の共振周波数が含まれることもあります。

• 長所：機械の迅速な診断が可能であるため、使用に適している。
• 短所：過渡現象や15秒以上のテストには適さない。
• フルークの例

振動データロガー

振動データロガーは、迅速かつ簡単に振動データを取得するための費用対効果の高い方法を提供します。ほとんどのエントリーからミドルレベルの振動試験アプリケーションに必要なすべてのコンポーネントを兼ね備えています。

• 長所：時間とコストの節約に関心のある企業での使用に適している。
• 短所：高速サンプリングが必要なため、モーダル試験には不向き。
• 例 ：enDAQ (Mide Technologyの一部門)

なぜIoT振動センサが必要なのか？

かつて工場などでは、年に一度、機械の点検のために専門家を呼んでいました。一般的に、これらの専門家は手作業で点検を行いますが、これらのセンサー間の距離をチェックしたり、距離を残したりすることができます。

IoT振動センサーの選び方とは？

振動センサーから収集されたデータを見るとき、結論として考慮すべきさまざまな要素があります。

センサーデータの完全性

センサーは妥当な送信レートで動作しなければなりません。データの送受信レートは信頼性が高く、一貫性がなければなりません。さらに、データは正確でなければなりません。

セキュリティ

振動センサーは、安全な方法でクラウドシステムにデータを送信するか、最適なセキュリティを確保しなければなりません。

データ収集

ビジネスとしてどのようなデータや情報を収集したいですか？一般的なセンサーは、温度、加速度、速度、周波数、変位に関するデータを収集し、共有します。さらに、ビジネスとして関心のあるデータ収集の時間範囲は？ほとんどの振動センサーはハンドヘルド機器です。ハンドヘルドデバイスで収集されるデータは通常リアルタイムベースであり、データは連続的ではないことを意味します。

適応性

読み取りを行う機械の主なメカニズムを知ることが不可欠です。

クラウドかローカル・コンピューティングか

収集したデータはどこに保存されますか？デバイスは、収集したデータを任意のクラウドサービス、またはPCやサーバーなどのローカルな非プラットフォームに渡すことができます。

設置の容易さ

施設の規模にかかわらず、センサーの設置は不可欠です。しかし、違いは「どのように」設置するかです。接触型センサーの中には、上部に設置できるものもあります。

無線範囲

企業はセンサーの周波数に注意する必要があります。周波数が低いと、異なるゲートウェイが必要となり、レンジの問題が発生する可能性があります。さらに、屋内と屋外では、必要な周波数レベルが変わります。

電池寿命

様々な振動センサーの電池寿命は異なります。例えば、2時間ごとにデータを送信するビジネスでは、約8年のバッテリー寿命が期待できます。また、頻繁な使用は電池寿命を縮めます。

隠れたコスト

振動センサー以外にも、クラウドサービスなど、知らないうちに追加コストが発生しているかもしれません。

IoT振動センサーのメリットとは？

このように、様々な種類や事例があるため、振動センサに対して敷居の高さを感じ、利用を断念してしまう方もいらっしゃるかもしれません。そのような場合は、メリットやプラス面を見逃すことになります。

損傷の原因を理解する

機械が摩耗する理由はさまざまだ。どのような理由であれ、それがなぜ起こったのかを理解する必要があります。振動を監視することで、企業は振動や損傷の根本的な原因を突き止めることができます。

修理ニーズの監視

振動をリアルタイムで監視している企業は、修理のタイミングに関する最新の情報を得ることができます。

機器の全体的な健康状態を把握

リアルタイムの監視により、企業は修理を依頼するタイミングや、具体的にどの部品を交換すべきかを知ることができます。これにより、企業はコストを削減することができます。

安全性の向上

使い古されたシステムは、ビジネスだけでなく作業員にとっても致命的です。安全性はどの施設にとっても最優先事項です。さらに、無線振動センサーは訪問を削減するため、リスクを低減できる可能性が高いことが示されています。

長期的な費用

費用の問題から、このような新しいシステムの導入を恐れている企業もあるかもしれません。新しい振動センサーの導入は短期的には高価かもしれませんが、長期的には有益です。破損した部品やその部品によって引き起こされる損失の費用は高くなります。

誰の利益になるのか？

回転機械や往復機械を操作する人なら誰でも得することができます。例えば、ファンは、ブレードに堆積物が溜まり、効率の低下につながります。

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