ミリ波レーダーがプライバシー遵守、防犯など人流・人感センサに（3）ADI編

図1　ミリ波レーダーモジュールを搭載した振動センサ　丸い装置がレーダーで、手前のモーター（青緑色）の振動を無線で測定する。測定データはPCで見る　出典：Analog Devices, Inc.

従来の振動センサでは、MEMSの加速度センサが使われているが、加速度センサは安く、しかも安定しており実績がある。しかし火力発電機やジェットエンジンのような高温になるタービンでは、シリコンMEMSの加速度センサの使用動作温度がせいぜい150°C程度であるため取り付けが難しい。また、センサ機器のバッテリやケーブルの重量の影響により低い周波数で共振してしまい、機械の高周波振動に対応できなくなる恐れがある。

また、今回のセンサ同様、非接触の振動センサでは、レーザーを利用したドップラーレーダーもあるが、高価格であり、中には100万円もする製品もあるという。

今回はミリ波を使って、取り付けなくても振動量を測定するという技術である。測定原理は、このシリーズで述べてきた電波を送信し、対象物に反射して戻ってくる受信波を見るものと同じである。ただし、79GHz帯の77〜81GHzの帯域4GHzの周波数をスイープさせるチャープ信号（注1）のスイープ速度を変えたり、信号処理をカスタマイズしたりできるようにSDR（ソフトウエア無線: Software-Defined Radio）技術を使っており、そのためのCPU内蔵FPGAを搭載した。SDR技術を使うことによって、将来のアップグレードにも対応できるようになる。

実験では、モーターを回転させ、その振動をワイヤレスで検出する。検出するデータとして、時間と共に送信周波数を77GHzから81GHzまで上げていくチャープ信号と、その反射波のチャープ信号との周波数の差がビート信号となり、このビート信号の波形が生データとなる。これを高速フーリエ変換（FFT）すると、周波数に対する信号強度が距離データとなり、さらにもう一度FFTをかけると位相データを示すようになる（図2）。位相データの方が検出できる。検出精度は、位相データのピーク値が見える距離になるが、おおよそ30nmの振動まで検出できるという。

図2　ミリ波レーダーで振動を検出　FFTを2回施すことで位相データでの強度で振動の異常を検出する　出典：Analog Devices, Inc.

これらの生データと距離データ、位相データを可視化するためのアプリケーションソフトウエアもサクラテックが開発しており、測定条件を入力して、出力を可視化できる。2kHz回転（1万2000rpm：回転/分）のモーターの振動を見ていると、2kHzにピークを持つことがわかる。

今回の振動センサを使ってモーターやタービンなどの大規模な回転体の振動を非接触で計測しておくことで予知保全につなげていく。振動計測では、回転機械の振動は振動周波数が数Hz〜1kHzと低周波だと軸のミスアラインメントやアンバランスなどによる故障につながるため、人間の目や耳でも「機械がおかしい」ことを知ることができるが、1kHz〜数十kHzの高周波だとベアリングの傷や歯車の異常のような初期劣化を人間の目や耳では検出できないが、振動センサで知ることができる。このため初期劣化を検出できることが振動センサの最大のメリットとなる。

狙いは、振動センサをIoTセンサとして使い予知保全することだが、これから初期故障モードを波形から検出できるようになるためには、更なるデータ収集が必要になりそうだ。今回の実験ではセンサやソフトを含めたシステムをサンプル出荷はできるが、量産は半導体不足によりFPGA SoCが十分入手できないため、未定だという。

注
1. 時間と共に周波数を上げるか下げるかしてスィープする高周波信号のこと。

参考資料
1. 「ミリ波レーダーがプライバシー遵守、防犯など人流・人感センサに（1）」、セミコンポータル (2021/10/21)
2. 「ミリ波レーダーがプライバシー遵守、防犯など人流・人感センサに（2）TI編」、セミコンポータル (2021/10/27)