(57)【要約】柔軟な基板を含むセンサインターフェースが開示される。基板の中には、鉄道車両軸受と貨車側枠のような物体の間に存在する温度、変位、速度、加速度、応力、歪み、圧力および力のような物理的パラメータを測定するセンサが埋め込まれている。基板は、関心のある物体の間に配置される。データ処理ユニット、データ記憶デバイス、通信デバイスおよび電源のような電子部品を基板内に埋め込んでもよい。測定されるパラメータを示す、センサにより生成される信号を処理するため、複数の電子デバイスは、互いに通信するとともにセンサと通信する。
2009535697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの物体の間に配置可能なセンサインターフェースであって、
前記物体の一方と連結する第１の表面と前記物体のもう一方と連結する第２の表面とを有する柔軟な基板と、
前記柔軟な基板内に埋め込まれた少なくとも一つのセンサであって、パラメータを測定し、前記パラメータを示す電気信号を生成するように構成さされたセンサと
を備えるセンサインターフェース。
【請求項２】
前記センサと通信して前記信号を受信し処理するデータ処理ユニットと、
前記データ処理ユニットからデータを送信するように構成された通信デバイスと、
前記センサ、前記データ処理ユニット、および前記通信デバイスに電力を提供する電源と
をさらに備える、請求項１に記載のセンサインターフェース。
【請求項３】
前記パラメータが、電位差、光度、音響強度、熱流、電流、水分拡散、化学種拡散、磁束、中性子束、電離放射線、温度、変位、速度、加速度、応力、歪み、圧力および力、ならびにそれらの組合せから成る群から選択される、請求項１に記載のセンサインターフェース。
【請求項４】
前記データ処理ユニットが前記基板内に埋め込まれている、請求項２に記載のセンサインターフェース。
【請求項５】
前記第１および第２の表面の少なくとも１つが、前記表面に配置されて前記データ処理ユニットに重なるくぼみを有する、請求項４に記載のセンサインターフェース。
【請求項６】
前記データ処理ユニットが、アナログ信号調整デバイス、アナログ電気回路、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイおよびデジタル信号処理デバイス、ならびにそれらの組合せから成る群から選択される構成部品を含む、請求項４に記載のセンサインターフェース。
【請求項７】
前記通信デバイスが前記基板内に埋め込まれている、請求項２に記載のインターフェース。
【請求項８】
前記第１および第２の表面の少なくとも１つが、前記表面に配置されて前記通信デバイスに重なるくぼみを有する、請求項７に記載のセンサインターフェース。
【請求項９】
前記通信デバイスが無線送信機を含む、請求項７に記載のセンサインターフェース。
【請求項１０】
前記通信デバイスが無線受信機をさらに含む、請求項９に記載のセンサインターフェース。
【請求項１１】
前記電源が前記基板内に埋め込まれている、請求項２に記載のセンサインターフェース。
【請求項１２】
前記第１および第２の表面の少なくとも１つが、前記表面に配置されて前記電源に重なるくぼみを有する、請求項１１に記載のセンサインターフェース。
【請求項１３】
前記電源が、電気バッテリー、燃料電池および放射性同位元素発電機から成る群から選択される構成部品を含む、請求項２に記載のセンサインターフェース。
【請求項１４】
前記電源が、前記物体の間の相対運動からエネルギーを導き出す発電機を含む、請求項１１に記載のセンサインターフェース。
【請求項１５】
前記電源が、前記センサインターフェースの運動からエネルギーを導き出す振動式磁気誘導装置を含む、請求項１１に記載のセンサインターフェース。
【請求項１６】
前記基板から延びて前記物体の間の空間の外に配置される付属体をさらに備え、前記データ処理ユニットおよび前記通信デバイスが、前記付属体内に埋め込まれている、請求項２に記載のセンサインターフェース。
【請求項１７】
前記電源が前記付属体内に埋め込まれている、請求項１６に記載のセンサインターフェース。
【請求項１８】
前記付属体内に埋め込まれているデータ記憶デバイスをさらに備える、請求項１６に記載のセンサインターフェース。
【請求項１９】
データ記憶デバイスをさらに備える、請求項２に記載のセンサインターフェース。
【請求項２０】
前記データ記憶デバイスが前記基板内に埋め込まれている、請求項１９に記載のセンサインターフェース。
【請求項２１】
前記第１および第２の表面の少なくとも１つが、前記表面に配置されて前記データ記憶デバイスに重なるくぼみを有する、請求項２０に記載のセンサインターフェース。
【請求項２２】
２つの物体の間に配置可能なセンサインターフェースであって、
前記物体の一方と連結する第１の表面と前記物体のもう一方と連結する第２の表面とを有する柔軟な基板と、
前記柔軟な基板内に埋め込まれている複数のセンサであって、温度、変位、速度、加速度、応力、歪み、圧力および力、ならびにそれらの組合せから成る群から選択される複数のパラメータを測定するように構成され、前記パラメータを示す電気信号を生成するセンサと、
前記基板内に埋め込まれ、前記センサと通信して前記信号を受信し処理するデータ処理ユニットと、
前記基板内に埋め込まれ、前記データ処理ユニットからデータを送信するように構成された通信デバイスと、
前記基板内に埋め込まれ、前記センサ、前記データ処理ユニット、および前記通信デバイスに電力を提供する電源と
を備えるセンサインターフェース。
【請求項２３】
前記第１および第２の表面の少なくとも１つが、前記表面に配置されて前記データ処理ユニットに重なる第１のくぼみと、前記通信デバイスに重なる第２のくぼみと、前記電源に重なる第３のくぼみを有している、請求項２２に記載のセンサインターフェース。
【請求項２４】
前記基板から延びて前記物体の間の空間の外に配置される付属体をさらに含み、前記データ処理ユニット、前記通信デバイスおよび前記電源が、前記付属体内に埋め込まれている、請求項２２に記載のセンサインターフェース。
【請求項２５】
２つの物体の間の境界面で物理的パラメータを測定し、計算する方法であって、
前記物体の間に配置され、中に埋め込まれた少なくとも１つのセンサを含む柔軟な基板を提供すること、
前記パラメータを示す電気信号を生成する前記センサを用いて前記パラメータを測定すること、
前記センサと通信するデータ処理ユニットを提供すること、
前記データ処理ユニットからデータを送信するようになされた通信デバイスを提供すること、
前記センサ、前記データ処理ユニットおよび前記通信デバイスに電力供給する電源を提供することを備え、
前記データ処理ユニットは、前記センサから前記信号を受信し、
前記データ処理ユニットは、平均化、フィルタリング、比較、スケーリング、較正、スペクトル分析、符号化およびアナログ／デジタル変換、ならびにそれらの組合せから成る群から選択される演算を前記信号に対して行い、
前記通信デバイスは、前記データ処理ユニットにより前記信号から導き出される情報を送信する方法。
【請求項２６】
前記測定ステップが、電位差、光度、音響強度、熱流、電流、水分拡散、化学種拡散、磁束、中性子束、電離放射線、温度、変位、速度、加速度、応力、歪み、圧力および力、ならびにそれらの組合せから成る群から選択されるパラメータを測定することをさらに備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
鉄道車両貨車であって、軸受アダプタと前記貨車の側枠の保持ポケットとの間に配置されるセンサインターフェースを有し、前記センサインターフェースが、
前記軸受アダプタと連結する第１の表面と前記保持ポケット中の前記側枠と連結する第２の表面とを有する柔軟な基板と、
前記柔軟な基板内に埋め込まれる少なくとも１つのセンサであって、温度、変位、速度、加速度、応力、歪み、圧力および力、ならびにそれらの組合せから成る群から選択されるパラメータを測定するように構成され、前記パラメータを示す電気信号を生成するセンサと、
前記センサと通信して前記信号を受信し処理するデータ処理ユニットと、
前記データ処理ユニットからデータを送信するように構成された通信デバイスと、
前記センサ、前記データ処理ユニット、および前記通信デバイスに電力を提供する電源と
を備える鉄道車両貨車。
【請求項２８】
前記データ処理ユニットが前記基板内に埋め込まれている、請求項２７に記載の鉄道車両貨車。
【請求項２９】
前記データ処理ユニットが、アナログ信号調整デバイス、アナログ電気回路、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイおよびデジタル信号処理デバイス、ならびにそれらの組合せから成る群から選択される構成部品を含む、請求項２８に記載の鉄道車両貨車。
【請求項３０】
前記通信デバイスが前記基板内に埋め込まれている、請求項２７に記載の鉄道車両貨車。
【請求項３１】
前記通信デバイスが無線送受信機を含む、請求項３０に記載の鉄道車両貨車。
【請求項３２】
前記電源が前記基板内に埋め込まれている、請求項２７に記載の鉄道車両貨車。
【請求項３３】
前記電源が、電気バッテリー、燃料電池および放射性同位元素発電機から成る群から選択される構成部品を含む、請求項２７に記載の鉄道車両貨車。
【請求項３４】
前記電源が、前記軸受アダプタと前記側枠との間の相対運動からエネルギーを導き出す発電機を含む、請求項３２に記載の鉄道車両貨車。
【請求項３５】
前記基板から延びて前記軸受アダプタおよび前記側枠の外に配置される付属体をさらに含み、前記データ処理ユニットおよび前記通信デバイスが、前記付属体内に埋め込まれている、請求項２７に記載の鉄道車両貨車。
【請求項３６】
前記電源が前記付属体内に埋め込まれている、請求項３５に記載の鉄道車両貨車。
【請求項３７】
データ記憶デバイスをさらに含む、請求項２７に記載の鉄道車両貨車。
【請求項３８】
前記データ記憶デバイスが前記基板内に埋め込まれている、請求項３７記載の鉄道車両貨車。
【請求項３９】
前記付属体内に埋め込まれたデータ記憶デバイスをさらに含む、請求項３５に記載の鉄道車両貨車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械または設備の効果的なの動作を監視し、維持するための工業用技術部品に関する。より具体的には、衝撃または振動を減衰させる、摩耗を防止する、または運動を制御するために、比較的硬い物体の間に配置される弾性基板に関する。基板は、静的または動的負荷、荷重位置、剪断力、温度または他の関連するパラメータを測定する埋め込み式センサと、センサからの信号を解釈するデータ処理記憶デバイスと、評価のためにセンサからエンドユーザーまでデータを送信する通信デバイスとを含む。
【背景技術】
【０００２】
硬い物体に取り付けて、その物体における応力を測定するセンサには多くの用途があり、センサは、上記の物体の間の相対運動を測定することができ、センサは、さまざまな構造材料（多くの場合、「高性能材料」と呼ばれる）に組み込まれるが、これらのセンサは、機械的連結の役割をして物体が互いに対しわずかに移動することを可能にする弾性基板またはコンプライアント基板の内部に埋め込まれていない。
【０００３】
いくつかのセンサは、ロボットおよび他のヒューマンインタフェース用途において触覚フィードバックを提供するために、手袋のような柔軟な物体に組み込まれている。これらの構成は、２つの硬い物体の間に支えられる所望のインターフェースを提供してはいない。
【０００４】
本発明の利点は、コンプライアンス、感知データ処理および通信機能を一部材内に与えることであり、その部材は、いずれのセンサも有していない同形の基板の代わりに設置することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、変形可能であり、負荷に耐える基板を提供することであり、その基板は、比較的硬い物体の間にコンプライアントインターフェースを提供し、それ自体の中に埋め込まれて囲まれる１つ以上のセンサを含んでいる。それらのセンサは、温度やさまざまな応力、およびそれらの分布のような基板中の状態を検出し、伝えることができる。このように、固体物体の間の相互作用と、それらの境界面またはその近くの状態を連続的にまたは周期的に監視するための手段を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、２つの物体の間に配置可能なインターフェースに関わる。インターフェースは、物体の一方と連結する第１の表面と物体のもう一方と連結する第２の表面とを有する柔軟な基板を含む。少なくとも１つのセンサは、柔軟な基板内に埋め込まれている。センサは、電位差、光度、音響強度、熱流、電流、水分拡散、化学種拡散、磁束、中性子束、電離放射線、温度、変位、速度、加速度度、応力、歪み、圧力および力、ならびにそれらの組合せのようなパラメータを測定するようになされている。センサは、パラメータを示す電気信号を生成する。また、インターフェースは、センサと通信して、センサにより生成される信号を受信し処理するデータ処理ユニットを含む。通信デバイスは、データ処理ユニットからデータを送信するようになされており、インターフェースの一部でもあり、また、電源は、センサ、データ処理ユニットおよび通信デバイスに電力を提供する。
【０００７】
データ処理ユニットは、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、およびデジタル信号処理デバイス、ならびにそれらの組合せのような構成部品を含んでもよい。
【０００８】
一実施形態では、通信デバイスは、無線送受信機を含んでもよく、それらのデバイスは、基板内に埋め込んでもよい。
電源は、電気バッテリー、燃料電池、および放射性同位元素発電機のような構成部品を含んでもよい。さらに、これらのデバイスはいずれも、基板内に埋め込んでもよい。
【０００９】
特定の実施形態では、付属体は、基板から延びて物体の間の空間の外に配置してもよい。データ処理ユニット、電源および通信デバイスのようなさまざまな構成部品は、付属体内に埋め込んでもよい。
【００１０】
本発明は、２つの物体の間の境界面で物理的パラメータを測定し、評価する方法も含む。
その方法は、
（ａ）物体の間に配置され、中に埋め込まれた少なくとも１つのセンサを含む柔軟な基板を提供すること、
（ｂ）パラメータを示す電気信号を生成するセンサを用いて、パラメータを測定すること、
（ｃ）センサと通信するデータ処理ユニットを提供すること、
（ｄ）データ処理ユニットからデータを送信するようになされた通信デバイスを提供すること、
（ｅ）センサ、データ処理ユニットおよび通信デバイスに電力供給する電源を提供することを含み、
（ｆ）データ処理ユニットは、センサから信号を受信し、
（ｇ）データ処理ユニットは、平均化、フィルタリング、比較、スケーリング、較正、スペクトル分析、符号化およびアナログ／デジタル変換、ならびにそれらの組合せを含む操作を信号に対して行い、
（ｈ）通信デバイスは、データ処理ユニットにより信号から導き出される情報を送信する。
【００１１】
測定しうるパラメータは、たとえば、電位差、光度、音響強度、熱流、電流、水分拡散、化学種拡散、磁束、中性子束、電離放射線、温度、変位、速度、加速度、応力、歪み、圧力および力、ならびにそれらの組合せを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１と２は、本発明に係るセンサインターフェース１０を示す。インターフェース１０は、第１の表面１４と第２の表面１６とを有する柔軟な基板１２を含み、各々の表面は、それぞれの物体１８および２０と係合可能である。物体は、単に一例として、厚いプレートとして図２に示されている。物体は構成部品を含むことが予想され、構成部品間には、継続して変化する負荷または力が生じることになる。あるいは、かかる構成部品に対して、たとえば、電位差、光度、音響強度、熱流、電流、水分拡散、化学種拡散、磁束、中性子束、電離放射線、温度、変位、速度、加速度、応力、歪み、圧力および力、ならびにそれらの組合せなど、他の種類の測定可能な物理的パラメータが関心の対象となる。上記の物体の例としては、重量のある工作機械とその基台、エンジンとその装備品、建物とそれらの基礎、ならびにホイール軸受とその支持構造が挙げられる。
【００１３】
複数のセンサ２２、２４および２６は、基板内に埋め込まれ、センサは、電位差、光度、音響強度、熱流、電流、水分拡散、化学種拡散、磁束、中性子束、電離放射線、力、温度、変位、速度、加速度、応力、歪みまたは圧力のような物理的パラメータを、パラメータを示す電気信号に変換する変換器を含む。このために、センサの種類として、負荷セル、サーミスタ、線形可変変位変換器、加速度度計、歪みゲージ、圧電デバイス、磁力計、ボロメータ、ガイガーカウンタ、ソノメータ等が挙げられる。
【００１４】
センサからの電気信号は、通信リンク３０上のデータ処理ユニット２８に送信される。その通信リンクは、たとえば、電気導体、光ファイバまたは無線通信リンクである。データ処理ユニットは、たとえば、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、およびデバイス内のソフトウェア操作に応じてセンサから信号を受信し解釈するデジタル信号処理デバイスであってもよい。アナログ信号調整デバイス、および他のアナログ電気回路が、データ処理ユニットの一部分であってもよい。大量のデータを格納し、処理しなければならないとき、データ処理ユニットは、ディスクドライブまたは固体ランダムアクセスメモリユニットのような、データ記憶デバイス３２に連結してもよい。
【００１５】
データ処理ユニットは、通信デバイス３４と通信する。通信デバイス３４は、たとえば、基板１２の外の他のデバイスに情報を送受信するデータ処理ユニットの制御下の無線送受信機であってもよい。代わりに、基板１２から外に延びる電気導体または光ファイバのような物理的なリンク３６により通信を行ってもよい。本実施形態では、デバイス３４は、それぞれ、電気信号増幅器または光信号生成器であってもよく、そられは、データ処理ユニットから物理的リンク３６へ適切な信号を供給する。
【００１６】
さまざまなデバイスとセンサは、電源３８から電力を受け、電源として数例を挙げると、電気バッテリー、燃料電池または放射性同位元素発電機が挙げられる。電源は、太陽エネルギーによって供給してもよく、または物体１８および２０の間の相対運動からエネルギーを導き出す発電機であってもよい。電源は、インターフェースセンサ自体の運動からエネルギーを導き出す振動式磁気誘導装置のような、装置であってもよい。代わりに、電力は、電気導体、または燃料を供給するための手段のような、物理的リンク３９上の外部電源から得てもよい。本実施形態では、構成部品３８は、たとえば、適切な電圧と電流をさまざまな構成部品に提供するのに使用される変圧器または電力調整ユニットであってもよい。
【００１７】
図３に示すように、センサインターフェース１０は、用途が広く、適応性があり、特定の用途のため、必要に応じて準備し、成形し、組み立てることができる。本実施形態では、コーナーインターフェースが、センサの適切な配置と方向付けにより、異なる方向の力またはフラックスを測定することができるように示されている。特に注目すべきは、くぼみ４０であり、このくぼみは、基板１２の表面すなわち表面１４および１６内に配置され、基板内に埋め込まれる１つ以上の電気部品４２と重なる関係にある。上記のくぼみの使用は、物体１８および２０の間の力により生じる電子部品上の応力を軽減することを目的とし、その表面において、応力緩和のための類似のくぼみを、代わりにまたは追加として提供してもよい。
【００１８】
図４は、鉄道車両貨車または台車の側枠４８中の軸受アダプタ４４と保持ポケット４６の間に配置されているセンサインターフェース１０の特殊な例を示す。本実施形態では、本発明の適応性が、再び明らかにされる。センサインターフェースは、柔軟で弾力のあるポリマーで形成された耐負荷パッド５０を含み、そのパッドは、軸受アダプタ４４と側枠４８との間の振動ならびに垂直方向、水平方向、および長手方向の負荷を減衰させる。上記のパッドは、通常、米国特許出願公開第２００５／０２６８８１３号明細書に記載される種類のものである。センサおよび電子デバイスは、軸受アダプタおよび側枠ポケットを収容するように形作られる前方および後方のインターフェース部分５２と５４内に埋め込まれる。
【００１９】
パッド部分５２は、図５に詳細に示されており、センサおよび電子部品が埋め込まれている柔軟で弾力のある基板１２を含んでいる。この例では、負荷センサ５６は、基板の正面垂直方向に向く部分５８の中に配置され、センサが、制動によりまたは乱調のような貨車が不安定である間に生じるような車輪と側枠との間の力を測定することを可能にする。別の負荷センサ６０は、部分５８に垂直な平面内に配向される基板翼部分６２内に配置され、車輪と側枠との間の横方向の負荷を測定する。サーミスタ６４は、基板の水平方向部分６６内に埋め込まれ、軸受の温度を測定する。別の負荷センサ６８は、水平方向部分６６に配置され、軸受アダプタと側枠との間の垂直方向の負荷を測定する。また、エネルギー取り出し装置７０たとえば圧電基板が、有利にこの基板部分上に配置されて、軸受アダプタが側枠に対して鉛直方向に動くことによって誘導される応力から電気エネルギーを生成し、さまざまな構成部品に電力供給する。
【００２０】
通信リンク３０は、たとえば、電気導体または光ファイバであり、さまざまなセンサおよびエネルギー生成装置をデータ処理ユニット２８に接続する。データ処理ユニットは、データ記憶デバイス３２と通信デバイス３４と共に、付属体７２内に埋め込まれる。付属体は、基板１２の一部であり、外に向かって延び、相互に動くいずれの部品の間にも配置されず、したがって負荷または歪曲から保護することにより、中に埋め込まれている電子デバイスを保護している。本実施形態では、通信デバイス３４は、付属体の中に埋め込まれているＲＦアンテナ７４からも明らかなように、無線送受信機を含む。
【００２１】
上述の実施例の用途は、貨物車両上のさまざまな動作欠陥を診断するのに使用することできるセンサインターフェースを提供する。
一実施形態では、センサインターフェースは、貨物車両の曲がり性能を改善するために使用されるウレタン基板の一部である。基板は、熱硬化性ポリウレタン、特に、米国コネティカット州ミドルベリー（Ｍｉｄｄｌｅｂｅｒｒｙ）のケムチュラ社（Ｃｈｅｍｔｕｒａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）のアジプレンＬ１６７から作製される。基板材料の選択は、その材料の対象用途（たとえば、耐久性ステアリングパッド）に対して最適化される。
【００２２】
貨車でのさまざまな操作上の欠陥を診断するために、センサインターフェースは、その貨車に向けられて加えられる静的および動的な力を、鉛直方向、長手方向、横方向に、そしてヨーイング運動から分解して測定する。軸受の温度を査定するために、軸受アダプタの温度を測定することもできる。さらに、鉛直方向の衝撃も測定することができる。
【００２３】
センサが配置される領域中の表面１４および１６の間のインターフェース１２で生成される応力が高いので、ワイヤ３０は、破損を阻止するために支持され、保護されていてもよい。支持体は、基板材料と比べて比較的高い引張強度を提供する硬い５０ショアＤポリウレタンで作製される。支持体に対するポリウレタンの使用は、基板中に使用されるポリウレタンとの優れた接合を提供するが、他の材料の種類を利用することもできる。
【００２４】
支持体は、基板の軸受アダプタ側面に配置してもよく、その際、変形は、基板と軸受アダプタの結合により最小化され、軸受アダプタと良好に適合して支持体の湾曲を最小にする。配線、コネクタおよびセンサの支持体に凹型チャネルを含んでもよい。チャネルは、ワイヤの方向に対し垂直に作用する高剪断力からの若干の緩和を提供する。ワイヤ用のチャネルは、複数方向の剪断が予想される場合、蛇行するように設計することができる。ワイヤ、コネクタおよびセンサに作用する高剪断力からのさらなる緩和は、室温硬化ポリウレタンを用いてまたは基板材料自体を用いて、それらをチャネル中に入れることにより提供される。
【００２５】
支持体上では配線の変形がほとんどないか、または全くないので、銅ワイヤを使用することができる。これらは、ポッティング樹脂を用いてチャネル内に、または基板材料自体に接合される。代わりに、独国ガルブゼン（Ｇａｒｂｓｅｎ）のＬＰＫＦ社により開発されたプロセスであるレーザー直接成形技術（ＬＤＳ）を使用することもできる。その技術は、変性支持体材料とレーザーを使用してチャネル中に配線経路を描き、導電配線が、後続の化学操作により形成される。米国ニュージャージー州プリンストン・ジャンクション（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）のＡＩテクノロジー社（ＡＩ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）の銀エポキシは、部品間の導電接続を行うことができ、リベットは、２つの部品を通じておよびそのまわりに機械的接続を行うことができる。
【００２６】
少なくとも３つの異なる種類のセンサは、３つの異なる特性を測定するのに使用される。圧力は、米国マサチューセッツ州ボストン（Ｂｏｓｔｏｎ）のテクスキャン社（Ｔｅｋｓｃａｎ）の厚膜ピエゾ抵抗圧力センサにより測定される。振動は、米国ヴァージニア州ハンプトン（Ｈａｍｐｔｏｎ）のＭＳＩ社の圧電フィルムセンサで測定される。温度は、独国ミュンヘン（Ｍｕｎｉｃｈ）のエプコス社（Ｅｐｃｏｓ）のＮＴＣサーミスタにより測定される。
【００２７】
システムを実行させるのに必要なエネルギーの蓄積は、米国ニューヨーク州ポートワシントン（Ｐｏｒｔ  Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ）のタディラン社（Ｔａｄｉｒａｎ）により作製される長寿命バッテリーによる。代わりに、米国ヴァージニア州ハンプトンのＭＳＩ社の圧電フィルムを使用して、環境中の振動から電気エネルギーを生成し、コンデンサに充電してもよい。代わりに、エネルギーは、列車の電力システムから伝送することもでき、ＥＣＰ制動装置から電力を採取するか、または貨車の車輪および隣接部分の上に備え付けられる磁気要素を用いることにより車輪と側枠との間の相対運動を利用する。
【００２８】
このシステムのための電子部品は、クロスボー社（Ｃｒｏｓｓｂｏｗ）のＯＥＭチップ、演算増幅器、分圧器回路、エネルギー蓄積コンデンサおよびアンテナであってもよい。
（特徴およびさらなる説明上の例）
本発明の特徴は、センサならびに他の前述の構成部品に対する保護を、基板を形成する柔軟な材料またはその応力のない延長部にそれらの部品を埋め込むことにより提供することであり、湿気、蒸気および化学的攻撃に対する封止、ならびに極度の熱と寒さ、衝撃と打撃に対する保護を提供することができる。
【００２９】
本発明の特徴は、埋め込み式センサ、データ処理ユニット、通信デバイスおよび内部エネルギー源の組合せにより、本発明が、自律的に機能し、さらに電気的接続を行うことなく電磁的、音響的または光学的手段を用いてセンサ読み出し情報を外部に伝達することができることである。この後者の効果のために、基板は、全体的に半透明または透明なポリマー材料から作製されるか、かかる材料を含んでもよい。
【００３０】
本発明の特徴は、センサが、機械的特性を変更することにより、または耐久性を低減することにより、コンプライアントインターフェース部材としての役割の点で、基板の機能性に著しくは影響を及ぼさないことである。
【００３１】
本発明の特徴は、基板が、位置に依存する非等方的な特性を有するように、たとえば、異なる軸に沿って異なる剛性を有するように、または、運動方向に応じて異なる範囲の動きを有するように設計することができることである。
【００３２】
本発明の特徴は、基板が耐摩耗性であり、センサが基板の境界表面で摩耗作用から保護されていることである。
基板材料は、ゴムのような天然弾性材料、または合成ポリマー、たとえば熱可塑性物質または熱硬化性材料であってもよい。本発明の特徴は、基板のための構造材料と中に埋め込まれている構成部品デバイスが、構成部品の間で優れた機械的接合を提供するような適合性のために設計されていることであり、そのため基板の機械的機能は、構成部品が基板から分離または剥離することで、製造時または使用中に低下したりして損なわれることがない。
【００３３】
基板の形態は、平坦なシートであることに制限されず、必要に応じて任意の好適な形状であってもよく、相互に向き合う硬い物体の間の空間を充たす。形状を調整して、物体を配列するための手段を提供し、また、必要とされる負荷に耐えることのできない基板から延びている付属体を含んでセンサ以外の構成部品を収容してもよい。上で示されるように、これらの特徴は、密閉を保つことであり、さまざまな構成部品を過酷な環境上の影響から保護する。
【００３４】
耐負荷基板は、１つ以上の方向で圧縮されるかまたは剪断される際、変形することがあるので、通信リンク、たとえばさまざまな構成部品を互いに結んでいる配線とコネクタは、その変形を受容することができなければならない。配線についてこの要求を満たすために、（ｉ）変形可能な配線を作製する、または、（ｉｉ）変形に耐える配線のための支持体を提供するという、２つの基本的な方策を用いることができる。他方、コネクタは、配線と構成部品との間に機械的接合を提供する必要があり、何らかの支持体を必要とする傾向にある。
【００３５】
変形可能な配線が大きな歪みと高剪断率を受容することができて、一方では長い疲労寿命を示すことが望ましい。優れた電気的接続性を支援するために、高い伝導率を提供することも有利である。ワイヤは多数のワイヤが基板内に共存することができるように比較的小さな形状を有するのが好ましい。平坦なスチールばねは、柔軟な回路基板を有するような用途に理想的であるとわかっており、かかる回路基板では、柔軟な基板およびさらに柔軟な導電性ポリマーにおいてリップルが生じるが、後者は、変形すると伝導率の著しい変化を示すことがある。
【００３６】
ワイヤが変形に耐えるように支持される場合、支持体は、その周りの基板材料と比べて比較的高い引張強度を有するべきである。その支持体は、薄く、高い剪断抵抗を有するべきであり、用途に応じて、基板材料と良好に接合するべきである。また、支持体は、若干の柔軟性と、疲労および大きな圧縮力に対する抵抗を示すべきである。広範囲の材料を使用して、硬質ポリウレタン、ガラス充填ナイロン、炭素繊維またはＫｅｖｌａｒ（登録商標）ラミネートまたはさらに鋼のような、ワイヤまたは他の通信リンクを支えることができる。使用される支持体が導電性である場合、ワイヤは、支持体から絶縁しなければならない。
【００３７】
いずれのワイヤも、耐変形支持体と共に使用することができる。さらに、他の配線技術も、著しい変形が起こらない場合に利用することができる。これは、柔軟な回路またはレーザー直接成形技術（ＬＤＳ）を使用することを含む。後者のプロセスは、標準の射出成形で支持体を作製することを含み、金属有機錯体を含むレーザー活性可能なプラスチックのグレードを使用する。材料は、レーザーで活性化され、後続の無電解めっきプロセスのためのシード層を生成し、レーザー活性化領域上に５ミクロン〜８ミクロンの銅を成長させる。
【００３８】
変形可能な配線は、その変形が比較的大きな場所で支持される配線の代わりをする。
ワイヤをセンサに取り付けるのに使用されるコネクタは、高伝導性の経路と、異種であってもよい材料間の機械的接合（たとえば、厚膜センサに使用される柔軟なポリマー基板に金属ワイヤを接合すること）との両方を提供するべきである。コネクタは、基板を製造するのに使用される処理温度、ならびに基板がさらされる可能性がある操作温度範囲にも耐えるべきである。コネクタは、また、若干の柔軟性と優れた疲労抵抗を示すべきである。銀充填導電性エポキシは、この厳しい環境において優れた選択肢を提供する。
【００３９】
従来の歪み計が支持材料の弾性に依存するのに対し、本発明において、機能に対して基板材料の弾性に依存しない応力測定センサを使用することは有利である。これは、好ましい基板材料の流動学的特性によるものであり、その特性は、一般に極めて非線形であり、多くの場合比較的広範囲な変形を可能にする。
【００４０】
温度センサ、加速度度計、圧電衝撃または振動センサ、または入射放射線センサのような他のセンサが選択されると、コンプライアントインターフェースとしての基板の性質に対する影響が最小または無視できるほどになる。
【００４１】
柔軟な回路に備え付けられる厚膜センサのような柔軟なセンサが使用される場合、支持体が必要とされることがある。支持体は、配線とコネクタを支持するために記載されたものと類似の特性を有するべきである。また、支持体は、感知を特定の一方向に隔離するのに使用してもよく、たとえば、センサが、垂直方向の負荷を測定し、横方向の剪断力により影響されないようにすることができる。
【００４２】
支持体は、センサがその機械的設計限界を越えるような環境中でも存続することができるよう、センサに対してさらなる強度を提供するのに使用してもよい。
データ処理および記憶デバイス、通信デバイス、およびエネルギー源のようなさまざまな構成部品は、電子回路を含むのが好ましい。これらのデバイスは、平面である必要はないが、基板が分離する硬い物体の形状と一致する基板形状に整合するように構成することができる。
【００４３】
データ処理ユニットは、センサ出力のアナログ／デジタル変換を提供し、センサから導き出されるデータを格納し、ソフトウェアの命令または埋め込まれたアルゴリズムのもとで通信を管理し、格納されたデータの局所な分析を提供するマイクロプロセッサのような電子部品を含むのが好ましい。
【００４４】
本発明に係る基板の最も簡単な方式により、基板の外部から埋め込み式センサに直接電気的に接続されるように構成し、センサにより未処理のアナログデータまたはデジタルデータを抽出してもよいが、センサから導き出される信号を外部に送信する前に操作することで利便性が得られることになる。
【００４５】
上記の操作として挙げられるものは、それに限定されないが、ノイズ成分を除去するためのフィルタリング、スケーリング、非線形較正および解釈調整、スペクトル分析、必ずしも同じ種類であるとは限らない多数のセンサからの読み出し情報の組合せ、現在の状況の査定を作成するためにニューラルネットワークのような手段により上記の読み出し情報について推測を引き出すこと、データストリーム中の冗長性を除去するために送信される情報を低減すること、または安全な送信もしくは警戒信号を準備するために情報を暗号化またはコード化することである。
【００４６】
基板中の電子部品のさらなる機能は、データ収集のタイミングを、用途に適切であるように制御することである。たとえば、いくつかの用途は、突発的な集中的データ収集活動を必要とし、他の用途は、延長された間隔で定期的な測定を必要とする。上記の設備を提供することは、制限されることがある電気エネルギーを保存することも可能にする。埋め込み式制御システムのために設計されたマイクロプロセッサは、低電力停止状態に戻ることができて、その状態において、クロックは、一定の間隔の後に動作状態に戻るタイミングを提供する。
【００４７】
双方向に通信可能な基板のさらなる特徴は、設置の後に、較正試験を行うことができることであり、そのため内部構成部品が、後の使用のために、センサからの未処理のデータを適切な大きさに変換するのに必要な換算係数と調整手段と併せて提供される。
【００４８】
基板中の電子部品のさらなる機能は、センサから収集されたデータを、現在の状況を推定または検出する処理の前に、または、履歴記録を提供する分析の後に、フラッシュメモリのようなデータ記憶デバイス中に格納することができることである。
【００４９】
データ記憶デバイスの機能として挙げられるものは、センサに対する較正データを格納すること、傾向または他の査定のための統計分析をする前にセンサからの未処理のデータを保持すること、上記の統計分析から導き出される相関係数を保持すること、以前に保持されたセンサデータのスペクトル分析から導き出されるスペクトルデータを保持すること、他の推定分析の結果を保持し、計画されたまたは要求される後の供給のために呼び出し可能な履歴記録を作り出すことである。
【００５０】
データ記憶デバイスのさらなる機能は、アクセスコードとアドレスキーを格納することであって、そのために装置のネットワークは、通信トラフィック、呼び出しおよび応答が合法的であり安全であることを検証することができる。
【００５１】
データ記憶デバイスのさらなる別の機能は、データ処理ユニットに使用するための追加のソフトウェアプログラムの格納を提供することである。上記の機能は、デバイスが、データ処理ユニット自体に組み入れることができるものより広範囲の機能性を有することを可能にする。データ処理ユニット用のオペレーティングシステムの好適なプログラミングを用いて、この能力を拡張することができ、インストールの後のデバイスの再プログラミングを可能にする。上記の機能は、米国カリフォルニア州サンノゼ（Ｓａｎ  Ｊｏｓｅ）のクロスボーインコーポレイティッド社（Ｃｒｏｓｓｂｏｗ，Ｉｎｃ．）により現在製造されている無線センサネットワーク内の一連の特徴の一部分として利用できる。これらのデバイスは、オペレーティングシステムにより制御される無線／プロセッサ回路を介した双方向通信能力と併せて提供される。オペレーティングシステムは、ソフトウェアを実行し、そのソフトウェアは、センサが無線／プロセッサ回路と接続し、そこからパソコン、携帯情報端末、またはインターネットなどの外部処理システム、ならびに他のネットワークと接続することを可能にする。ソフトウェアの使用は、多大な汎用性を提供し、埋め込み式デバイスのプログラム化を可能にし、機能性を変更するために、または、損害を受けたコードあるいは不完全なコードを修正するために使用することができる。
【００５２】
基板中の電子部品のさらなる機能は、発信データの伝送のタイミングを制御することができることである。データは、あらかじめ定められた間隔で、または、外部から信号を受信したときに伝送してもよい。たとえば、デバイスは、ＲＦＩＤタグのように情報に対する要求に応答するように作製してもよい。要求信号は、伝送される応答信号と同じ型である必要はない。たとえば、光のパルスが、要求を形成し、基板を形成する半透明のポリマー材料を通じて検出されるのに対し、応答は、電磁誘導によるものであってもよい。用途に適切であるように、多数の他の組合せを検討することができる。
【００５３】
電子部品の上記の機能性がマイクロプロセッサにより提供されるとみなすことは都合がよいが、これは、必要でもないし経済的でもないだろう。用途に応じて、上記のように、必要な機能は、特定用途向け集積回路により、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイにより、デジタル信号処理デバイスにより、またはアナログ回路構成部品ならびに個別の論理およびデジタル構成部品を含むそれらのさまざまな組合せにより提供してもよい。その本質的な機能は、センサから測定値を読み出して、伝送のためにそれらを準備することができることである。
【００５４】
現在の状況についての推定結果の引き出しは、さまざまなセンサからの読み出し情報の比較に基づいていてもよい。たとえば、垂直方向の負荷に耐える基板は、基板の対向する縁部の近くの圧力の読み出し情報が互いに同調せずに変化していたことにより、負荷が揺動していたことを検出することがある。周期的挙動は、局所的な機械的問題かもしれない。非周期的挙動は、地震または他の外乱によることもある。
【００５５】
基板が信号を送受信することができるとすると、基板は、複数の基板からの読み出し情報を結合できるよう相互運用するように構成することができる。たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１５．４（本明細書中に参照により組み込まれている「システム間の長距離通信と情報交換」）のような情報技術の基準に準拠する特別なネットワークは、上記の相互作用のための基盤を提供する。上記の情報の組合せは、米国カリフォルニア州サンノゼのクロスボーインコーポレイティッド社により作製された「マイカ（Ｍｉｃａ）」ユニットのような、マイクロプロセッサと無線との組合せを用いて処理することができる。
【００５６】
基板内に埋め込まれる通信デバイスは、電磁的、音響的、光学的手段を使用することにより電気的接続を行うことなく、局所的に処理されたセンサ読み出し情報を外部に通信することができる。このシステムの特徴は、通信デバイスが、その内部的に生成されたエネルギー源と蓄積器により課される制約内で動作することができるということである。メッシュネットワークのような低電力無線周波数通信に対する方式は、単一の低電力ＲＦ送信機により提供されるものよりも極めて長い距離を通信するためのアプローチを提供する。
【００５７】
本発明の他の特徴は、有線の通信と電力を提供することである。
本発明は、取り囲む物体の小さな相対運動または振動の効果を取り出すような手段により、不定の期間にわたって機能するために十分な電気エネルギーの内部生成を提供し、圧電発電または電子機械式マイクロ発電機もしくは類似の構成部品を使用し、上記の電力が必要なとき、前述のセンサ、電子回路および通信デバイスに電力供給する。
【００５８】
代わりに、熱的に生成される電気エネルギーまたは光電発電を使用することもでき、必要に応じてレーザーエネルギー源を使用することを含む。
本発明の他の特徴は、必要とされる電気エネルギーを、電磁誘導により、連続的に、または、測定またはデータ抽出に必要なときにのみ供給するのを可能にすることである。たとえば、必要とされる少量のエネルギーは、主要電流を搬送する隣接するループの交流磁場から抽出することができるであろう。
【００５９】
電気エネルギーの代替源は、少量であるが持続的な電荷発生を作り出す少量の放射性成分の使用である。
本発明の一実施形態は、必要とされる電気エネルギーを、燃料電池のような電気化学的手段により提供するのを可能にし、そのため燃料を必要に応じて提供することができる。
【００６０】
別のエネルギー源は、チップ寸法のバッテリーである。
また、本発明の特徴は、電気エネルギーが長期間にわたってゆっくりと生成される場合、バッテリー中の電気化学的手段により、または電子部品のコンデンサにより蓄積し、連続的に生成される電力よりも大きな電力が必要とされるときに使用することができることである。
【００６１】
本発明の他の特徴は、非充電式電力蓄積装置としての高エネルギー密度バッテリーの使用である。一例は、塩化チオニルリチウム電池である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係るインターフェースを表している概略図である。
【図２】図１に示すインターフェースの部分的な断面図である。
【図３】本発明に係るインターフェースの実施形態の部分的な断面図である。
【図４】側枠と軸受アダプタとの間にインターフェースを有する鉄道車両側枠の一部分の分解図である。
【図５】図４に示すインターフェースの一部分の詳細図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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