特開 2025-143653 状態監視装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025143653

(43)【公開日】2025-10-02

(54)【発明の名称】状態監視装置

(51)【国際特許分類】

   H02H 9/02 20060101AFI20250925BHJP

【ＦＩ】

H02H9/02 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024042991

(22)【出願日】2024-03-19

(71)【出願人】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】下山 陽太

【テーマコード（参考）】

5G013

【Ｆターム（参考）】

5G013AA02

5G013BA01

5G013CA18

(57)【要約】

【課題】入力信号の極性が逆でも使用できるとともに入力電圧範囲の調整の手間が軽減された状態監視装置を提供する。
【解決手段】、デジタル入力回路１２は、デジタル信号を入力ノード対Ｐ１，Ｐ２に受け、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２と電気的に絶縁された出力ノード対Ｐ３，Ｐ４からデジタル信号の信号成分を含む出力信号を出力する絶縁素子Ｕ１と、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２の一方に接続され、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２を通過する電流を制限する電流制限回路１００とを備える。絶縁素子Ｕ１は、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２が無極性となるように構成される。電流制限回路１００は、直列かつ互いに逆向きに接続された非オーム性の第１電流制限素子ＣＲＤ１および第２電流制限素子ＣＲＤ２を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

デジタル信号を受ける入力回路を少なくとも備える状態監視装置であって、
前記入力回路は、
前記デジタル信号を入力ノード対に受け、前記入力ノード対と電気的に絶縁された出力ノード対から前記デジタル信号の信号成分を含む出力信号を出力する絶縁素子と、
前記入力ノード対の一方に接続され、前記入力ノード対を通過する電流を制限する電流制限回路とを備え、
前記絶縁素子は、前記入力ノード対が無極性となるように構成され、
前記電流制限回路は、直列かつ互いに逆向きに接続された非オーム性の第１電流制限素子および第２電流制限素子を含む、状態監視装置。

【請求項2】

前記電流制限回路は、
前記第１電流制限素子と並列接続され、前記第１電流制限素子に対して逆極性となる電流を選択的に通過させる第１整流素子と、
前記第２電流制限素子と並列接続され、前記第２電流制限素子に対して逆極性となる電流を選択的に通過させる第２整流素子とをさらに含む、請求項１に記載の状態監視装置。

【請求項3】

前記第１整流素子および前記第２整流素子は、ショットキーバリアダイオードである、請求項２に記載の状態監視装置。

【請求項4】

前記第１電流制限素子および前記第２電流制限素子は、定電流ダイオードである、請求項１または２に記載の状態監視装置。

【請求項5】

前記絶縁素子は、前記入力ノード対の間に互いに逆並列に接続された第１発光ダイオードおよび第２発光ダイオードを含むフォトカプラである、請求項１または２に記載の状態監視装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、産業機械向け状態監視装置に関する。

【背景技術】

【0002】

産業機械の運転状態を監視して故障などを早期に発見する状態監視装置は、監視対象の機器の回転速度などを検出する各種センサからの信号を受けるとともに、産業機械の制御装置および外部操作装置などとデジタル信号で通信を行なうための入力回路を備えている。たとえば、特開２００８－３１２０９３号公報（特許文献１）には、デジタル入力回路にフォトカプラと電流制限抵抗を使用する構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－３１２０９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

デジタル通信をする場合、通信する双方の機器を保護するために、通信経路をフォトカプラなどの絶縁素子によって入力と出力とを絶縁することが行なわれる。この絶縁素子を駆動するために、入力回路に電流制限素子を備える場合がある。

【0005】

特開２００８－３１２０９３号公報（特許文献１）に記載された技術では、入力信号がオーム性の電流制限抵抗によって電流制限されて、絶縁素子に入力される。電流制限抵抗がオーム性のため、制限電流は入力電圧に依存する。絶縁素子を駆動するためにはその素子に適合する電流範囲である必要があるため、入力信号の電圧範囲が制限される。入力電圧の範囲が制限されるため、入力信号がその範囲に入っているか確認することが必要であり、範囲に入っていなかった場合には入力電圧を調整するといった手間がかかる。

【0006】

特に状態監視装置では、監視対象の構造や構成、つまりデジタル信号の電圧や電流などの特性が不明な場合があり、その調査や調整にはより多くの手間がかかる。

【0007】

本開示は、上記の課題を解決する状態監視装置であって、入力信号の極性が逆でも使用できるとともに入力電圧範囲の調整の手間が軽減された状態監視装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示は、デジタル信号を受ける入力回路を少なくとも備える状態監視装置に関する。入力回路は、デジタル信号を入力ノード対に受け、入力ノード対と電気的に絶縁された出力ノード対からデジタル信号の信号成分を含む出力信号を出力する絶縁素子と、入力ノード対の一方に接続され、入力ノード対を通過する電流を制限する電流制限回路とを備える。絶縁素子は、入力ノード対が無極性となるように構成され、電流制限回路は、直列かつ互いに逆向きに接続された非オーム性の第１電流制限素子および第２電流制限素子を含む。

【発明の効果】

【0009】

本開示の状態監視装置によれば、正負広い範囲の電圧の入力信号を入力できるようになるため、入力信号の電圧や極性などの特性をほぼ確認することなく、入力回路へ入力できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】状態監視装置と周辺の装置の構成と接続関係とを示した図である。

【図2】状態監視装置１に含まれるデジタル入力回路１２の構成を示す図である。

【図3】定電流ダイオードの特性を説明するための図である。

【図4】図２に示したデジタル入力回路の動作を説明するための動作波形図である。

【図5】デジタル入力回路の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

【0012】

［実施の形態１］
図１は、状態監視装置と周辺の装置の構成と接続関係とを示した図である。図１において、産業機械２は、監視対象の機器であり、発電機または電動機などの回転体を含む機器、たとえば風力発電設備などが該当する。

【0013】

状態監視装置１は、産業機械２を監視する。状態監視装置１は、産業機械２、外部操作装置４およびサーバ３に接続される。

【0014】

産業機械２は、センサ２１および制御装置２２を含む。センサ２１は、監視対象の状態を監視するためのセンサであり、加速度、回転速度、温度、変位、圧力などを検出するセンサである。制御装置２２は、監視対象の制御および監視を行っている装置である。制御装置２２は、たとえば、産業機械２の運転状態（運転中／停止中など）を報知する信号および、計測実行命令を示す信号などを出力する。

【0015】

外部操作装置４は、産業機械２を管理している人間または装置などから状態監視装置１へ、計測実行、リセット、動作モード変更などの信号を出力する。

【0016】

状態監視装置１は、センサ入力回路１１，デジタル入力回路１２および処理回路１３を含む。

【0017】

センサ入力回路１１は、センサ２１からの信号を受けて、処理回路１３が処理可能な形式（Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換後のデジタル値、規定の電圧信号など）に変換する。たとえば、センサ入力回路１１は、プリアンプ、電源供給回路、アナログフロントエンド、Ａ／Ｄコンバータ、デコーダ／エンコーダなどを含んでもよい。デジタル入力回路１２は、制御装置２２および外部操作装置４から送信されるデジタル信号を受ける。

【0018】

処理回路１３は、センサ入力回路１１およびデジタル入力回路１２からの信号またはデータを処理して、診断、保存、表示、上位システムへの転送のどれか一つ以上を行なう。

【0019】

サーバ３は、状態監視装置１の上位システムの例である。状態監視装置１は、サーバ３の代わりに、出力信号を表示器に送信したり、監視対象の産業機械２にフィードバックしたりしてもよい。

【0020】

状態監視装置１は、その他の要素として、計測データ、設定値、処理用の変数などを格納する記録部、センサ以外のデータを取得するための通信部、外部から設定値などを変更するためのコンソール部など含んでも良い。

【0021】

図２は、状態監視装置１に含まれるデジタル入力回路１２の構成を示す図である。図２に示すデジタル入力回路１２は、絶縁素子Ｕ１と、電流制限回路１００とを含む。入力端子ＩＮ１，ＩＮ２間にデジタル入力信号が与えられる。また端子ＣＯＵＴＰ，ＣＯＵＴＮ間の導通／非導通として、デジタル出力信号がデジタル入力回路１２から図１の処理回路１３に与えられる。

【0022】

絶縁素子Ｕ１は、デジタル信号を入力ノード対Ｐ１，Ｐ２に受け、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２と電気的に絶縁された出力ノード対Ｐ３，Ｐ４からデジタル信号の信号成分を含む出力信号を出力する。入力ノード対Ｐ１，Ｐ２の一方に接続され、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２を通過する電流を制限する電流制限回路１００とを備える。

【0023】

絶縁素子Ｕ１は、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２が無極性となるように構成される。より具体的には、図２に示すように、絶縁素子Ｕ１は、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２の間に互いに逆並列に接続された第１発光ダイオードＤ１１および第２発光ダイオードＤ１２を含むフォトカプラである。これにより入力端子ＩＮ１の電圧に対して入力端子ＩＮ２の電圧が高くなった場合には、発光ダイオードＤ１１が発光することにより、トランジスタＴｒＮが導通する。逆に、入力端子ＩＮ２の電圧に対して入力端子ＩＮ１の電圧が高くなった場合には、発光ダイオードＤ１２が発光することにより、トランジスタＴｒＮが導通する。これにより、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２に接続する信号線の極性を逆にしてもフォトカプラが信号を伝えることができる。

【0024】

なお、絶縁素子Ｕ１として、フォトカプラ以外にも、小信号トランス（パルストランス）や、一部の容量結合，誘導結合，ＧＭＲアイソレータを用いても良い。

【0025】

電流制限回路１００は、直列かつ互いに逆向きに接続された非オーム性の第１電流制限素子ＣＲＤ１および第２電流制限素子ＣＲＤ２を含む。具体的には、第１電流制限素子ＣＲＤ１および第２電流制限素子ＣＲＤ２としては、定電流ダイオードを用いることができる。図２の例では、第１電流制限素子ＣＲＤ１のカソードが端子ＩＮ１と接続され、第１電流制限素子ＣＲＤ１のアノードが第２電流制限素子ＣＲＤ２のアノードと接続され、第２電流制限素子ＣＲＤ２のカソードが絶縁素子Ｕ１の入力ノードＰ１に接続される。

【0026】

図３は、定電流ダイオードの特性を説明するための図である。図３に示すように、電圧Ｖ＞０（アノード電圧＞カソード電圧）で電圧ＶｍｉｎからＶｍａｘの範囲では、定電流ダイオードは一定のピンチオフ電流Ｉｐを流すという特性を有する。なおＶ＜０（アノード電圧＞カソード電圧）の範囲では、低い抵抗値で電流を流すが電流を制限する働きはない。

【0027】

なお、定電流ダイオード以外でも、第１電流制限素子ＣＲＤ１および第２電流制限素子ＣＲＤ２として、ＭＯＳＦＥＴの飽和領域における定電流動作を利用する回路、カレントミラー回路など含む半導体素子を使用しても良い。

【0028】

図４は、図２に示したデジタル入力回路の動作を説明するための動作波形図である。図４には、入力端子対に入力される信号ＳＩＧとそれに対応する出力トランジスタＴｒＮの状態が示されている。信号ＳＩＧに示されるＨｉｇｈ／Ｌｏｗはデジタル信号のＨｉｇｈレベル／Ｌｏｗレベルの電圧または電流値を示す。信号ＳＩＧのレベルがＯＮしきい値ＶｔＯＮを超えたら出力トランジスタＴｒＮの状態はｃｌｏｓｅとなり、信号ＳＩＧのレベルがＯＦＦしきい値ＶｔＯＦＦを下回れば出力トランジスタＴｒＮの状態はｏｐｅｎとなる。なお、信号ＳＩＧのレベルがＯＮしきい値ＶｔＯＮとＯＦＦしきい値ＶｔＯＦＦの間である場合は、出力トランジスタＴｒＮの状態は不定となる。

【0029】

入力信号の電圧範囲を広くするためには、電流制限素子を非オーム性の素子として、制限電流を入力信号の電圧に依存させなくする方法がある。しかしながら、定電流ダイオードに代表される非オーム性の電流制限素子は有極性のため、入力される信号が直流かつ正電圧に限られる。このため、入力信号の極性の確認は依然として必要である。

【0030】

本実施の形態の状態監視装置１では、デジタル入力回路１２に絶縁素子Ｕ１に無極性の素子を使用するか、有極性の素子を逆向きに並列接続して入力ノード対を無極性化させる。さらに、非オーム性の電流制限素子ＣＲＤ１，ＣＲＤ２を、逆向きに直列接続して、極性を問わず広い電圧範囲の入力信号を入力できるようにする（非オーム性の電流制限素子は、図３で説明したように、逆方向にも電流が流れる）。

【0031】

これにより、正負広い範囲の電圧の入力信号を入力できるようになるため、入力信号の電圧や極性などの特性をほぼ確認することなく、入力回路へ入力できる。

【0032】

すなわち、実施の形態１の状態監視装置によれば、デジタル入力回路に、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２が無極性となるように構成された絶縁素子Ｕ１と、双方向に電流制限がされるように構成された電流制限回路１００を使用する。このような構成により、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２に入力する信号の極性を気にする必要がなく、かつ入力電圧を調整する手間が軽減される。

【0033】

［実施の形態２］
実施の形態１に示した構成では、電流制限素子ＣＲＤ１，ＣＲＤ２の片方は必ず逆極性接続となる。一般的に、非オーム性の電流制限素子を逆極性接続すると、整流素子のように動作して電流を流す。しかしながら、一般的な整流素子と比較して、電流制限素子ＣＲＤ１，ＣＲＤ２は、温度特性や順方向電圧、特性のばらつきなど、素子としての特性が劣る。たとえば、ＯＮしきい値電圧ＶｔＯＮが個体や温度によって変動したり、ＯＮ電圧が高い値となったり、ばらつきにより動作の保証ができなかったりする問題がある。

【0034】

実施の形態２の状態監視装置は、実施の形態１に示したデジタル入力回路１２を変形したデジタル入力回路１２Ａを備える。図５は、デジタル入力回路の変形例を示す図である。

【0035】

図５に示すデジタル入力回路１２Ａは、電流制限回路１００Ａと絶縁素子Ｕ１とを備える。絶縁素子Ｕ１については、図２で説明した構成と同じであるので、ここでは説明は繰り返さない。

【0036】

電流制限回路１００Ａは、直列かつ互いに逆向きに接続された非オーム性の第１電流制限素子ＣＲＤ１および第２電流制限素子ＣＲＤ２に加えて、第１整流素子Ｄ１と第２整流素子Ｄ２とを含む。

【0037】

第１整流素子Ｄ１は、第１電流制限素子ＣＲＤ１と並列接続され、第１電流制限素子ＣＲＤ１に対して逆極性となる電流を選択的に通過させる。第２整流素子Ｄ２は、第２電流制限素子ＣＲＤ２と並列接続され、第２電流制限素子ＣＲＤ２に対して逆極性となる電流を選択的に通過させる。

【0038】

第１整流素子Ｄ１および第２整流素子Ｄ２としては、ショットキーバリアダイオードを用いることができる。整流素子Ｄ１，Ｄ２として、ショットキーバリアダイオードなどの順方向電圧の低い素子を採用すると、電流制限素子に流れる逆方向電流を減らすことができ、望ましい。

【0039】

なお、ショットキーバリアダイオード以外でも、整流素子Ｄ１，Ｄ２として、通常のｐｎ接合型ダイオードや、理想ダイオードＩＣなどを使用しても良い。

【0040】

以上説明したように、実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、非オーム性の電流制限素子によって、広い電圧範囲で、絶縁素子の駆動に適切な範囲に電流が制限される。また、非オーム性の２つの有極性の電流制限素子を互いに逆向きに直列に接続することで、入力信号の極性を気にせずに有極性の電流制限素子を使用できる。さらに、入力信号の電圧や極性に関係なく信号を入力できるため、入力信号の特性の確認や調整などの手間が軽減される。

【0041】

さらに実施の形態２では、図５に示すように、整流素子Ｄ１，Ｄ２をそれぞれ電流制限素子ＣＲＤ１，ＣＲＤ２と逆向きに並列接続する。これによって、電流制限素子に流れる逆方向電流が整流素子によってバイパスされるので、電流制限素子の逆接続時の特性が安定し、動作ばらつきの問題点を回避できる。

【0042】

［付記］
上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

【0043】

（第１項） 本開示は、デジタル信号を受けるデジタル入力回路１２を少なくとも備える状態監視装置１に関する。図２に示すように、デジタル入力回路１２は、デジタル信号を入力ノード対Ｐ１，Ｐ２に受け、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２と電気的に絶縁された出力ノード対Ｐ３，Ｐ４からデジタル信号の信号成分を含む出力信号を出力する絶縁素子Ｕ１と、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２の一方に接続され、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２を通過する電流を制限する電流制限回路１００とを備える。絶縁素子Ｕ１は、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２が無極性となるように構成される。電流制限回路１００は、直列かつ互いに逆向きに接続された非オーム性の第１電流制限素子ＣＲＤ１および第２電流制限素子ＣＲＤ２を含む。

【0044】

（第２項） 第１項に記載の状態監視装置１において、図５に示すように、電流制限回路１００Ａは、第１電流制限素子ＣＲＤ１と並列接続され、第１電流制限素子ＣＲＤ１に対して逆極性となる電流を選択的に通過させる第１整流素子Ｄ１と、第２電流制限素子ＣＲＤ２と並列接続され、第２電流制限素子ＣＲＤ２に対して逆極性となる電流を選択的に通過させる第２整流素子Ｄ２とをさらに含む。

【0045】

（第３項） 第２項に記載の状態監視装置１において、第１整流素子Ｄ１および第２整流素子Ｄ２は、ショットキーバリアダイオードである。

【0046】

（第４項） 第１項または第２項に記載の状態監視装置１において、第１電流制限素子ＣＲＤ１および第２電流制限素子ＣＲＤ２は、定電流ダイオードである。

【0047】

（第５項） 第１項または第２項に記載の状態監視装置において、図２または図５に示すように、絶縁素子Ｕ１は、入力ノード対Ｐ１，Ｐ２の間に互いに逆並列に接続された第１発光ダイオードＤ１１および第２発光ダイオードＤ１２を含むフォトカプラである。

【0048】

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0049】

１ 状態監視装置、２ 産業機械、３ サーバ、４ 外部操作装置、１１ センサ入力回路、１２，１２Ａ デジタル入力回路、１３ 処理回路、２１ センサ、２２ 制御装置、１００，１００Ａ 電流制限回路、ＣＲＤ１，ＣＲＤ２ 電流制限素子、Ｄ１，Ｄ２ 整流素子、Ｄ１１，Ｄ１２ 発光ダイオード、ＩＮ１，ＩＮ２ 入力端子、Ｐ１，Ｐ２ 入力ノード対、Ｐ３，Ｐ４ 出力ノード対、ＴｒＮ 出力トランジスタ、Ｕ１ 絶縁素子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】