(57)【要約】【課題】天候に左右されることなくモニタリングを維持することができる検査装置の提供。【解決手段】検査装置１６は、架線に設置する検査装置であって、検出部である温度スイッチ１７と、温度スイッチ１７から出力される情報を無線で出力する無線回路１６２と、少なくとも無線回路１６２に給電する振動発電素子１６０とを備える。【選択図】図３
2020024129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
架線に設置する検査装置において、
検出部と、
前記検出部から出力される情報を無線で出力する出力部と、
少なくとも前記出力部に給電する振動発電装置とを備える、検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の検査装置において、
前記検出部から出力される情報は前記架線の状態を含む、検査装置。
【請求項３】
請求項２に記載の検査装置において、
前記検出部から出力される情報は、前記検出部で検出された前記架線に関係する物理量である、検査装置。
【請求項４】
請求項３に記載の検査装置において、
前記検出部は前記架線の温度を検出する温度センサを含み、
前記温度センサで検出された温度が所定温度以上か否かを前記情報として記憶する記憶部を備える、検査装置。
【請求項５】
請求項３に記載の検査装置において、
前記検出部は、前記架線の温度に感応して開くまたは閉じるスイッチを含み、
前記出力部は、前記情報として前記スイッチの開閉状態を出力する、検査装置。
【請求項６】
請求項１に記載の検査装置において、
前記検出部は、温度、日射量、気圧、降水量、放射線量、風量、風向、湿度、花粉量、PM2.5のいずれか１つを計測するセンサである検査装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の検査装置において、
前記出力部は、前記情報を繰り返し外部へ送信する、検査装置。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載の検査装置において、
前記架線から伝達される振動の周波数が０Ｈｚより大きく１００Ｈｚ以下である振動領域で使用される、検査装置。
【請求項９】
電車用の架線に設置された請求項１から８までのいずれか１項に記載の検査装置を備える、架線用保守管理システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の架線用保守管理システムにおいて、
前記電車用の架線はき電線であり、
前記き電線は、所定長さを有する複数本の単位き電線をそれぞれ圧着接続部材で接続して成り、前記検査装置は圧着接続部材のそれぞれに設けられる、架線用保守管理システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の架線用保守管理システムにおいて、
前記き電線はトンネル内に敷設されたき電線である、架線用保守管理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査装置および架線用保守管理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道などのインフラストラクチャーは、その管理をする為に、構造物のヘルスモニタリングを行う必要がある。変電所から列車に送電するき電線では、圧着接続管に電線を挿入して圧着することで電線同士を接続し、き電線の延長を図っている。このように圧着接続する構成では、その圧着接続部に接続不良や腐食等があると接触抵抗が増大し、圧着接続部が異常に発熱し、それを放置するとき電線の断線を招くという問題があった。
【０００３】
非特許文献１に記載の電車線路モニタリングシステムでは、温度センサ、無線機および太陽光パネルを備えた測定装置をき電線の圧着接続部に設け、圧着接続部の温度を温度センサで計測して無線機で送信し、列車屋根上に搭載したリーダにより測定データを無線にて収集するようにしている。この測定装置では、太陽光パネルで発電した電力をキャパシタに蓄え、その電力を測定装置の電源として利用している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】菅野  陽二、外２名、「電車線路モニタリングシステムの実用化」、JR EAST  Technical Review、２０１４年、Ｎｏ．４８、Ｐ２９−Ｐ３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、太陽光パネルによる電力を電源として使用する場合、発電量は天候に左右されやすいという欠点を有し、夜間やトンネル内またはパネル上に積雪した場合には発電が困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様による検査装置は、架線に設置する検査装置であって、検出部と、前記検出部から出力される情報を無線で出力する出力部と、少なくとも前記出力部に給電する振動発電装置とを備える。
本発明の第２の態様による架線用保守管理システムは、電車用の架線に設置された上記態様に記載の前記検査装置を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、天候に左右されることなく検査装置によるモニタリングを維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明によるき電線の保守管理システムの一例を示す模式図である。
【図２】図２は、圧着接続部の拡大図である。
【図３】図３は、検査装置の概略構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、振動発電素子の一例を示す概念図である。
【図５】図５は、振動実験における充電回路を示す図である。
【図６】図６は、計測された充電電圧と加速度とを示す図である。
【図７】図７は、振動加速度の周波数スペクトルを示す図である。
【図８】図８は、変形例１を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明によるき電線の保守管理システムの一例を示す模式図である。電気車１０には、トロリー線１１からパンタグラフ１２を介して電力が供給される。トロリー線１１には、変電所１３とトロリー線１１とを接続する配線であるき電線１４が接続されている。このき電線１４により変電所１３からトロリー線１１へ送電される。
【００１０】
き電線１４は、２つの電線を圧着接続部材１５により接続することにより延長される。各圧着接続部材１５には、き電線１４の圧着接続部の温度を計測する検査装置１６が設けられている。検査装置１６は無線回路（不図示）を備えており、計測データは無線により送信される。検査装置１６から送信された計測データは、き電線１４を管理する保守端末（不図示）に取り込まれる。
【００１１】
図２は、圧着接続部の拡大図である。圧着接続部材１５は管状の金属スリーブであり、接続すべき２つのき電線１４ａ，１４ｂを圧着接続部材１５内に挿入し、挿入部分を圧縮することによりき電線１４ａ，１４ｂと圧着接続部材１５とを圧着する。この圧着接続部に接続不良や腐食等が生じたりすると抵抗が大きくなり、圧着接続部（圧着接続部材１５やき電線１４の圧着部分）が異常に発熱して圧着接続部材１５の温度が上昇する。
【００１２】
圧着接続部材１５には、圧着接続部の異常発熱による温度上昇を検出する温度スイッチ１７を備える検査装置１６が設けられている。温度スイッチ１７はケース１６ｃ内に設けられ、検査装置１６は、ケース１６ｃを介して固定部材１６ａによって圧着接続部材１５に固定されている。温度スイッチ１７は、形状記憶合金で形成された開閉端子１７０と、固定端子１７１を備えている。開閉端子１７０は、電気絶縁性があり熱伝達特性に優れた熱伝達部材１７２を介して圧着接続部材１５に接触している。圧着接続部材１５はケース１６ｃおよび固定部材１６ａに接し、発熱した熱はケース１６ｃおよび固定部材１６ａ、さらに熱伝達部材１７２を介して温度スイッチ１７に伝熱される。ケース１６ｃおよび固定部材１６ａも電気絶縁性および熱伝導性の良い材料を用いるのが好ましい。
【００１３】
形状記憶合金で形成された開閉端子１７０は、常温では破線で示すような平板形状となっていて、温度スイッチ１７は開状態になっている、一方、異常発熱により圧着接続部材１５の温度が上昇して異常温度閾値として設定された所定温度（例えば、７０℃）を超えると、開閉端子１７０は、図示するような予め記憶された形状に変形して固定端子１７１に接触する。その結果、温度スイッチ１７は閉状態となる。なお、温度が所定温度以下に戻った場合でも、開閉端子１７０は図２に示す形状を維持し、温度スイッチ１７の閉状態が維持される。
【００１４】
なお、図２に示した場合とは逆に、常温では実線で示すように開閉端子１７０が固定端子１７１に接触した状態（閉状態）とされ、圧着接続部材１５が所定温度を超えた場合に、破線で示すような形状に変形して開状態となる構成であっても良い。すなわち、形状記憶合金を用いた温度スイッチ１７は、圧着接続部材１５が所定温度を超えると開状態から閉状態へ変化して閉状態を維持するか、または、閉状態から開状態へと変化して開状態を維持し、圧着接続部材１５が所定温度を超えたことを記憶する機能を有している。
【００１５】
図３は、検査装置１６の概略構成を示すブロック図である。検査装置１６は、前述した温度スイッチ１７に加えて、無線回路１６２と、振動発電装置としての振動発電素子１６０および電源回路１６１とを備えている。無線回路１６２には、振動発電素子１６０で発電された電力が電源回路１６１を介して供給される。電源回路１６１は、整流回路やＤＣ−ＤＣコンバータや蓄電素子などを備える。
【００１６】
温度スイッチ１７は、異常温度閾値として設定された所定温度より低い温度では図３に示すように開状態となっている。このとき、無線回路１６２には、抵抗Ｒにより電圧ＶｃにプルアップされたＨｉｇｈ信号が入力される。一方、温度が所定温度以上に上昇すると、温度スイッチ１７は図２に示したような閉状態となり、Ｌｏｗ信号が無線回路１６２に入力される。なお、温度スイッチ１７が閉状態→開状態のように動作する構成とした場合には、所定温度以上の場合にはＨｉｇｈ信号が無線回路１６２に入力されることになる。なお、電圧Ｖｃは電源回路１６１により与えられる。また、電源回路１６１の充電可能な二次電池を蓄電素子として設けておき、二次電池から無線回路１６２へ電力を供給したり、電圧Ｖｃを与えたりしても良い。
【００１７】
無線回路１６２は、定期的にスリープ状態から自動起動して（例えば、１日１回のインターバルで起動）温度スイッチ１７の開閉情報を送信する。送信後は、再びスリープ状態となる。無線回路１６２は、Ｈｉｇｈ信号が入力されているときには温度スイッチ１７が開状態であることを開閉情報として送信し、Ｌｏｗ信号が入力されているときには温度スイッチ１７が閉状態（すなわち異常温度状態）であることを開閉情報として送信する。開閉情報には、温度スイッチ１７の開閉状態を示す開閉データに加えて検査装置１６固有の番号（ここでは、識別子あるいはＩＤ番号と呼ぶことにする）もデータとして付加される。インターネットや専用回線等を介して開閉情報を取得した管理端末は、開閉情報に含まれる開閉データとＩＤ番号とから、き電線１４に設けられた圧着接続部材１５の温度が正常か異常かを圧着接続部材１５毎に把握することができる。
【００１８】
また、無線回路１６２は、圧着接続部材１５の温度が正常か異常かに関係なく一定間隔で開閉情報を送信する設定になっている。そのため、開閉情報の送信が途絶えた場合には、そのことから振動発電素子１６０、電源回路１６１および無線回路１６２のいずれかに故障が発生したことを把握することができる。すなわち、検査装置１６の故障の把握が可能となり、検査装置故障に対して速やかに対処することができる。
【００１９】
図４は、振動発電素子１６０の一例を示す概念図である。振動発電素子１６０は面外振動するカンチレバー型の振動発電素子であり、振動と電気との変換部分にエレクトレット膜を用いた静電型の発電素子である。ベース部２００には、可動櫛歯電極２０１と固定櫛歯電極２０２とが形成されている。可動櫛歯電極２０１または固定櫛歯電極２０２の少なくとも一方には、エレクトレット膜が形成されている。可動櫛歯電極２０１は弾性変形するカンチレバー２０３を介してベース部２００に固定されている。
【００２０】
振動発電素子１６０に外部から振動が加わるとカンチレバー２０３がｚ方向に撓み、可動櫛歯電極２０１が固定櫛歯電極２０２に対して振動して電力が発生する。振動発電素子１６０の共振周波数は、例えば、カンチレバー２０３のバネ定数を変更することで所望の値に設定することができる。可動櫛歯電極２０１および固定櫛歯電極２０２は、配線２０４ａ，２０４ｂにより電源回路１６１に接続される。
【００２１】
図５は、実際のき電線に取り付けて行った振動実験における、充電回路を示す図である。振動実験は、鉄道営業線に隣接した訓練施設におけるき電線を用いて行われた。なお、き電線に取り付けられる計測ユニットには、図５に示す振動発電素子２６０、充電回路（２７１，２７２）に加えて振動計測を行うための加速度計を設けた。計測ユニットは、ワイヤーを用いてき電線に取り付けた。図５に示すように、振動発電素子２６０からの電力を、全波整流回路２７１を通して静電容量２２μＦのキャパシタ２７２に蓄電した。キャパシタ２７２の電圧はインピーダンス変換器２７３を介してデータロガー２７４で記録した。振動発電素子２６０は共振周波数が３３Ｈｚであり、き電線の径方向振動に反応して発電を行う。
【００２２】
図６は、データロガー２７４で計測された充電電圧（ラインＬ１）と、加速度計で計測された加速度とを示したものである。き電線は、列車不通過時は約０．０５ｍ／ｓ２以下で微振動しており、営業線を列車が通過したときには比較的大きな０．２ｍ／ｓ２程度で振動することが分かった。充電電圧計測から、振動発電素子２６０は列車不通過時の微振動においても発電を行い、キャパシタ２７２へ蓄電していることが確認できた。列車通過時にはさらに大きな発電を行い、５分経過時の充電電圧は０．４９Ｖであった。これは、エネルギーに換算すると２．６μＪに相当する。
【００２３】
図７は振動加速度の周波数スペクトルを示す図であり、周波数成分はほぼ１００Ｈｚ以下であって４０Ｈｚ以下の周波数成分が多く存在し、特に１０Ｈｚ以下に成分が多いことが分かる。ウェーブレット解析により、列車不通過時は１０Ｈｚ以下で振動しており、列車通過時には２０〜４０Ｈｚ程度で振動していると考えられる。振動発電においては、振動体であるき電線の周波数と振動発電素子の共振周波数が近い方が発電効率は良い。振動発電素子２６０は共振周波数が３３Ｈｚであるが、列車不通過時の効率が良くない状態（振動の周波数成分が１０Ｈｚ以下）でも蓄電が可能であることが分かった。今回の回収エネルギーを２４時間換算すると０．７３ｍＪとなる。
【００２４】
図５に示した実験では、実験を営業線に隣接した訓練施設におけるき電線で行ったので、営業線のき電線の振動と比べると弱まっていると思われ、実際にはより多くのエネルギーを回収できると考えられる。振動発電素子のパワーは加速度の二乗に比例するので、無線通信を間欠的に行うのに十分なエネルギー（数ｍＪ）を得られる可能性がある。
【００２５】
（変形例１）
上述した実施の形態では、圧着接続部材１５の温度を計測する検出部として形状記憶合金を用いた温度スイッチ１７としたが、バイメタル温度スイッチのような温度スイッチを用いても良いし、サーミスタのような温度センサを用いても良い。ただし、バイメタル温度スイッチの場合には圧着接続部材１５の温度が上述した所定温度になるとオン状態（閉状態）となり、その後、温度が所定値よりも低い値に低下するとオフ状態（開状態）戻ってしまう。すなわち、バイメタル温度スイッチの場合には、形状記憶合金を用いた温度スイッチ１７のように圧着接続部材１５の温度が所定値を超えたことを記憶する機能を備えていない。
【００２６】
そこで、形状記憶合金を用いた温度スイッチ１７を使用する場合と同様に、圧着接続部材１５の温度が所定温度以上か否かの情報を無線送信する構成とする場合には、検査装置１６の構成を、例えば、図８に示すような構成とする。図８に示す検査装置１６では、温度スイッチ１７に代えて温度センサやバイメタル温度スイッチ等の温度検出部１６３を備え、さらに、判定部１６４および記憶部１６５が追加されている。
【００２７】
記憶部１６５には、予め温度正常を表す第１データが記憶されている。判定部１６４は、温度検出部１６３から出力される検出信号に基づいて、圧着接続部材１５の温度が所定温度以上か否かを判定する。判定部１６４により所定温度以上と判定された場合には、記憶部１６５に記憶されている第１データを温度異常を表す第２データに置き換える。無線回路１６２は、記憶部１６５に記憶されている第１データまたは第２データを無線送信する。すなわち、圧着接続部材１５の温度が所定温度未満である場合には無線回路１６２からは第１データが送信され、いったん圧着接続部材１５の温度が所定温度以上となった後は、第２データが無線回路１６２から送信されることになる。
【００２８】
このように、温度センサやバイメタル温度スイッチ等の温度検出部１６３を使用する場合であっても、図８のような構成とすることで、圧着接続部材１５の温度に関する情報として温度スイッチ１７の場合と同様の情報が無線送信される。もちろん、温度検出部１６３の状態（温度センサで検出された温度やバイメタル温度スイッチの開閉状態）を、圧着接続部材１５の温度情報として無線回路１６２から送信するようにしても良い。
【００２９】
（変形例２）
上述した実施の形態では、検査装置１６はき電線１４の温度（より具体的には圧着接続部材１５の温度）を検出して、その検出結果をき電線１４の保守管理に使用した。振動発電素子１６０を搭載した検査装置１６による保守管理対象としては、き電線１４に限らず、送電線などに代表される長い電線の保守管理や、吊り橋等の構造物用ケーブルの保守管理にも利用することができる。いずれの場合も電線やケーブルの振動を利用して振動発電素子による発電を行って、発電した電力を無線回路等の電源として使用する。振動発電素子の共振周波数は、保守管理対象の電線、ケーブル等の振動によって効率よく発電する値に設定される。
【００３０】
（変形例３）
上述したき電線１４に設置される検査装置１６では、温度を検出する温度スイッチ１７や温度センサを搭載して、き電線１４の温度を検出するようにした。しかしながら、検出内容としては温度に限らず、検査装置１６が設けられるき電線、送電線、ケーブル等の架線周囲の環境情報、例えば、日射量、放射線量、気圧、風量、風向、湿度、花粉、ＰＭ２．５などに関する情報を検出するようにしても良い。検出用のセンサの種類は、検出すべき環境情報に応じて決定すれば良い。
【００３１】
（その他の変形例）
変形例１では、第１データを温度異常を表す第２データに置き換えるようにしたが、すべてのデータを時系列に記憶し、定期的に送信するようにしてもよい。
【００３２】
上述した実施形態、変形例で説明した検査装置１６をまとめて説明すると以下のとおりである。
（１）検査装置１６はき電線１４や送電線や吊り橋等の構造物用ケーブルなどの架線に設置され、温度スイッチ１７等の検出部から出力される情報（架線の状態）を無線送信する無線回路（出力部）１６２と、無線回路１６２に給電する振動発電素子１６０とを備えている。振動発電素子１６０は、検査装置１６が設置された架線の振動を利用して発電を行うので、太陽電池パネルのように天候に左右されず発電を行うことができ、トンネル内のように太陽光による発電が難しい環境においても発電することができる。
【００３３】
検査装置１６は圧着接続部材１５の過剰な温度上昇を監視するものであったので、架線の状態を表す情報として、架線に関係する物理量である温度に関する情報を出力する構成であった。しかし、振動発電素子を電源として備える検査装置は、温度以外の物理量を検出する構成のものにも適用することができる。例えば、き電線の切断状態を画像として検出する構成の検査装置であっても良い。
【００３４】
（２）振動発電素子１６０から給電される無線回路１６２は、圧着接続部材１５の温度が所定温度を超えたか否かの情報を、１時間に１回や１日１回のように時間間隔を空けて繰り返し送信したり、温度スイッチ１７が開→閉となったタイミングをトリガに時間間隔を空けて繰り返し送信する動作を開始したり、温度スイッチ１７が開→閉となったタイミングをトリガに１回だけ送信したりする。いずれの場合も、発電された電力の消費を抑えることができる。加えて、温度スイッチ１７の開閉に関係なく１時間に１回や１日１回のように時間間隔を空けて繰り返し送信する場合には、振動発電素子１６０による発電が正常に行われている限りは上記情報が無線送信されるので、無線送信が途絶えた場合には振動発電素子１６０の故障を含む検査装置１６の故障が発生したことを、管理端末側で認識することができ、速やかに故障対策を施すことができる。
【００３５】
（３）温度スイッチ１７を備える検査装置１６の場合や、図８のように圧着接続部材１５の温度が所定温度以上となったことを記憶部１６５に記憶する構成の場合には、圧着接続部材１５の温度が一度でも所定温度以上となれば、それ以後は異常発熱を示す信号が継続的に無線回路から送信されるので、異常発熱によるき電線の断線を見逃してしまうのを防止することができる。
【００３６】
（４）架線用保守管理システムは、電車用の架線（例えば、き電線）に設置された上記検査装置１６を備える。架線がき電線である場合、き電線は、所定長さを有する複数本の単位き電線をそれぞれ圧着接続部材１５で接続して成り、検査装置１６は圧着接続部材１５のそれぞれに設けられる。この架線用保守管理システムによれば、例えば、トンネルなど照度が所定値以下の環境下でもき電線を常時監視することができる。また、少ない検査要員で効率よく、多数のき電線の異常を迅速に把握でき、定時運行を行うことができる。
【００３７】
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。また、上述した変形例１〜３およびその他の変形例を組み合わせて用いても良い。
【符号の説明】
【００３８】
１４，１４ａ，１４ｂ…き電線、１５…圧着接続部材、１６…検査装置、１７…温度スイッチ、１６０，２６０…振動発電素子、１６１…電源回路、１６２…無線回路、１６３…温度検出部、１６４…判定部、１６５…記憶部、１７０…開閉端子、１７１…固定端子
【図１】
2020024129.tif 000003
【図２】
2020024129.tif 000004
【図３】
2020024129.tif 000005
【図４】
2020024129.tif 000006
【図５】
2020024129.tif 000007
【図６】
2020024129.tif 000008
【図７】
2020024129.tif 000009
【図８】
2020024129.tif 000010