(57)【要約】【課題】  センサ部と発電機部との一体構造を可能にして、設計および部品の共通化を図ると共に小型化を図り、更に、電磁式の発電機を用いなくても十分な発電量を確保できるセンサ付装置を提供する。【解決手段】  このセンサ付装置１０は、発熱源を有する軸受装置１１と、該軸受装置１１の運転状態を検出するセンサ１２，１３を含む回路部１４と、軸受装置１１の発熱面に配置されて前記回路部１４の駆動用電力を発生させる発電機としての熱発電モジュール１６とを備え、前記回路部１４は前記センサによる検出信号又は該検出信号の処理結果を送信する送信手段１７を具備する。【選択図】  図１
2006113736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱源を有する装置本体と、該装置本体の運転状態を検出するセンサを含む回路部と、前記装置本体の発熱面に配置されて前記回路部の駆動用電力を発生させる発電機としての熱発電モジュールとを備え、
前記回路部は前記センサによる検出信号又は該検出信号の処理結果を送信する送信手段を具備することを特徴とするセンサ付装置。
【請求項２】
前記回路部を前記熱発電モジュールと一体に設けたことを特徴とする請求項１に記載したセンサ付装置。
【請求項３】
前記熱発電モジュールの加熱面を前記装置本体の回転軸の発熱面に配置し、該熱発電モジュールの冷却面に放熱器を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載したセンサ付装置。
【請求項４】
前記放熱器のフィンを前記回転軸の接線方向に平行に設けるか、又は該回転軸の同心円状に設けたことを特徴とする請求項３に記載したセンサ付装置。
【請求項５】
前記装置本体が鉄道車両用車軸軸受装置とされ、前記回路部及び前記熱発電モジュールの内の少なくとも該熱発電モジュールを前記鉄道車両用車軸軸受装置のハウジングの軸中心から上側の部分に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載したセンサ付装置。
【請求項６】
前記装置本体が鉄道車両又は自動車の車軸を支持する軸受装置であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載したセンサ付装置。
【請求項７】
前記送信手段は前記センサによる検出信号又は該検出信号の処理結果をワイヤレス通信で送信することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載したセンサ付装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、鉄道車両や自動車の車軸を支持する軸受装置やその他の機械装置等の運転状態を検出する回転速度センサ、温度センサ、振動センサ等を備えたセンサ付装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のセンサ付装置としては、例えば軸受装置や機械装置等の回転軸やハウジング等に発電機、温度センサ、振動センサを設置して、発電機からの電力で各センサ回路部を駆動させることで、温度センサが検出する温度から軸受装置や機械装置の温度を推定して、軸受装置の焼き付きや剥離あるいは機械装置の異常を検出したり、振動センサが検出する振動から軸受装置の剥離や機械装置の異常を検出するようにしたものが知られている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２９５９３号公報
【特許文献２】特開２００３−３０７２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１においては、回転軸に取り付けられたセンサの回路部を駆動するための電源として電磁式の発電機を使用しているため、回転軸にコイル、静止側に磁石などの部品を設置する必要があり、センサ部と発電機部を一体化することができず、しかもセンサ部と発電機部において構造が異なるため、設計及び部品の共通化が難しいという問題がある。
【０００４】
一方、上記特許文献２においては、ハウジングに取り付けられたセンサの回路部を駆動するための電源として、熱発電素子等の発電機を用いているが、熱発電素子の適切な取付け位置や発熱源等の開示がなされていないため、熱発電素子による発電量を十分に得られない場合がある。
【０００５】
本発明は、このような不都合を解消するためになされたものであり、その目的は、センサ部と発電機部との一体構造を可能にして、設計および部品の共通化を図ることができると共に小型化を図ることができるセンサ付装置を提供することにある。更に、電磁式の発電機を用いなくても十分な発電量を確保することができるセンサ付装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１）本発明に係るセンサ付装置は、発熱源を有する軸受装置や機械装置等の装置本体と、該装置本体の運転状態を検出するセンサを含む回路部と、前記装置本体の発熱面に配置されて前記回路部の駆動用電力を発生させる発電機としての熱発電モジュールとを備えたセンサ付装置であって、前記回路部は前記センサによる検出信号又は該検出信号の処理結果を送信する送信手段を具備することを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、発熱源を有する装置本体の発熱面に該装置本体の運転状態を検出するセンサを含む回路部の駆動用電力を発生させる熱発電モジュールを配置しているので、熱発電モジュールの加熱面と冷却面との温度差を大きくすることが可能になり、従来のような電磁式の発電機を用いることなく十分な発電量を確保することができる。
【０００７】
２）本発明に係るセンサ付装置は、前記１）に記載のセンサ付装置において、前記回路部を前記熱発電モジュールと一体に設けたことを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、センサ回路部と発電機としての熱発電モジュールとを一体構造とすることができるので、設計及び部品の共通化を図ることができると共に小型化を図ることでき、装置のコストダウンを実現することができる。また、熱発電モジュールからの電流は直流で整流する必要がないため、整流器が不要となり、回路部の部品点数を削減することができる。
【０００８】
３）本発明に係るセンサ付装置は、前記１）又は２）に記載のセンサ付装置において、前記熱発電モジュールの加熱面を前記装置本体の回転軸の発熱面に配置し、該熱発電モジュールの冷却面に放熱器を設けたことを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、熱発電モジュールの加熱面を装置本体の回転軸の発熱面に配置し、該熱発電モジュールの冷却面に放熱器を設けることで、冷却面に取り付けられた放熱器が回転軸の回転に伴い発生する空気の流れにより冷却されて、熱発電モジュールの加熱面と冷却面の温度差が大きくなり、発電量を増加させることができる。
【０００９】
４）本発明に係るセンサ付装置は、前記３）に記載のセンサ付装置において、前記放熱器のフィンを前記回転軸の接線方向に平行に設けるか、又は該回転軸の同心円状に設けたことを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、放熱器のフィンを回転軸の接線方向に平行に設けるか、又は該回転軸の同心円状に設けることで、回転軸の回転に伴い発生する空気の流れによる放熱器の冷却効果が向上して熱発電モジュールの加熱面と冷却面の温度差を更に大きくすることができ、発電量をより増加させることができる。
【００１０】
５）本発明に係るセンサ付装置は、前記１）又は２）に記載のセンサ付装置において、前記装置本体が鉄道車両用車軸軸受装置とされ、前記回路部及び前記熱発電モジュールの内の少なくとも該熱発電モジュールを前記鉄道車両用車軸軸受装置のハウジングの軸中心から上側の部分に配置したことを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、装置本体が鉄道車両用車軸軸受装置とされ、回路部及び熱発電モジュールの内の少なくとも該熱発電モジュールを負荷が大きく発熱量の大きい鉄道車両用車軸軸受装置のハウジングの軸中心から上側の部分に配置することで、軸受部で発生した熱が熱発電モジュールの加熱面に効果的に伝わると共に、冷却面は走行中の風によって冷却されるため、熱発電モジュールの加熱面と冷却面の温度差を大きくすることができ、発電量を増加させることができる。
【００１１】
６）本発明に係るセンサ付装置は、前記１）〜４）のいずれか一項に記載のセンサ付装置において、前記装置本体が鉄道車両又は自動車の車軸を支持する軸受装置であることを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、熱発電モジュールを回転軸に取り付けた場合は、従来のケーブルを用いて電源を供給する場合に必要なスリップリングを省略することができる。
【００１２】
７）本発明に係るセンサ付装置は、前記１）〜６）のいずれか一項に記載のセンサ付装置において、前記送信手段は前記センサによる検出信号又は該検出信号の処理結果を無線電波、光通信或いは超音波通信等のワイヤレス通信で送信することを特徴とする。
前記構成のセンサ付装置によれば、送信手段がセンサによる検出信号又は該検出信号の処理結果を無線電波、光通信或いは超音波通信等のワイヤレス通信で送信することで、信号線やケーブル等が不要になるので、配線の複雑化や信号線の断線による取り替え作業等を回避することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発熱源を有する装置本体の発熱面に該装置本体の運転状態を検出するセンサを含む回路部の駆動用電力を発生させる熱発電モジュールを配置しているので、熱発電モジュールの加熱面と冷却面との温度差を大きくすることが可能になり、電磁式の発電機等を用いることなく十分な発電量を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態であるセンサ付装置を説明するための要部断面図、図２は図１の矢印Ａ方向から見た図、図３は放熱器のフィンの変形例を示す図、図４は熱発電モジュールとセンサ回路部のブロック図、図５は本発明の第２の実施形態であるセンサ付装置を説明するための要部断面図、図６は本発明の第３の実施形態であるセンサ付装置を説明するための要部断面図、図７は図６のＡ−Ａ線断面図である。
【００１５】
本発明の第１の実施形態であるセンサ付装置１０は、図１及び図４に示すように、発熱源を有する軸受装置（装置本体）１１と、該軸受装置１１の運転状態を検出する温度センサ１２及び振動センサ１３を含むセンサ回路部１４と、軸受装置１１の回転軸１５の軸端面（発熱面）に対向配置されてセンサ回路部１４の駆動用電力を発生させる発電機としての熱発電モジュール１６とを備えており、センサ回路部１４は温度センサ１２及び振動センサ１３による検出信号又は該検出信号の処理結果を送信する送信手段１７を具備している。
【００１６】
軸受装置１１は例えば鉄道車両や自動車等の車軸１５を支持する発熱源としての転がり軸受１８を備えており、この転がり軸受１８はハウジング１９に内嵌された外輪２０と車軸１５に外嵌された内輪２１との間に複数の転動体２２が周方向に転動可能に配設されている。
【００１７】
センサ回路部１４は、図４に示すように、温度センサ１２及び振動センサ１３、並びに送信手段１７としての送受信部２３、半導体レーザやＬＥＤ等の発光素子２４、光信号を電気信号に変換する受光素子２５の他に信号処理部２６及び電圧安定化回路２７を備えている。
【００１８】
温度センサ１２としては、サーミスタ温度測定素子や白金測温抵抗体や熱電対等の非接触タイプの温度測定素子を用いることができ、振動センサ１３としては、例えば圧電素子等の振動測定素子を用いることができる。なお、振動センサ１３は、加速度、速度或いは変位型等、振動を電気信号化できるものであればよく、ノイズが多いような装置に取付ける際には、絶縁型を使用する方がノイズの影響を受けることがないので好ましい。
【００１９】
熱発電モジュール１６は、軸受装置１１の車軸１５の軸端面（発熱面）にボルト等を介して取り付け（或いは近接配置）られてセンサ回路部１４の駆動用電力を発生させるもので、この実施の形態では、車軸１５の軸端面に直接接触する加熱面を有する金属板２８を備えており、該金属板２８には前記センサ回路部１４が一体に設けられている。
【００２０】
金属板２８の加熱面から離間する側の面にはモジュール本体２９が設置され、該モジュール本体２９の金属板２８から離間する側の面（冷却面）には放熱器３０が設置されており、放熱器３０には、図２に示すように、車軸１５の接線方向に対して平行に配置された複数のフィン３１が設けられている。
【００２１】
そして、車軸１５が回転することにより、転がり軸受１８の温度が転動部の発熱等により上昇して車軸１５の温度が上昇し、熱発電モジュール１６の金属板２８の加熱面の温度が上昇する一方で、冷却面に取り付けられた放熱器３０が車軸１５の回転に伴い発生する風（空気）により冷却され、これにより、加熱面と冷却面との温度差が増大して熱発電モジュール１６から電力が得られる。ここで、放熱器３０には、上述したように、車軸１５の接線方向に対して平行な複数のフィン３１が設けられているため、車軸１５の回転に伴い発生する空気の流れによる冷却効果が大きくなり、従って、熱発電モジュール１６の加熱面と冷却面との温度差が大きくなって、発電量を増加させることができる。
【００２２】
熱発電モジュール１６から発生した電力は２次電池３２に蓄積され、２次電池３２から電圧安定化回路２７を経てセンサ回路部１４に供給され、これにより、センサ回路部１４が駆動される。
【００２３】
このセンサ回路部１４の駆動により温度センサ１２及び振動センサ１３を動作させて軸受装置１１の温度および振動を検出し、検出信号は処理部２６においてＡ／Ｄ変換されたり、一定の閾値と比較することで必要な処理が行われ、検出結果や処理結果が発光素子２４から光通信で外部の送受信装置４０の受光素子２５ａに送信され、送受信装置４０では光信号を電気信号に変換して所定の外部端末に出力する。
【００２４】
また、この実施の形態では、外部の送受信装置４０からの測定データ送信要求などのコマンドなどを受信できるように送受信装置４０に発光素子２４ａを設けると共に、センサ回路部１４側に受光素子２５を設けている。
【００２５】
このようにこの実施の形態では、軸受装置１１の車軸１５発熱面に軸受装置１１の運転状態を検出するセンサ１２，１３を含む回路部１４の駆動用電力を発生させる熱発電モジュール１６を配置しているので、熱発電モジュール１６の冷却面に取り付けられた放熱器３０が車軸１５の回転に伴い発生する空気の流れにより冷却されて、熱発電モジュール１６の加熱面と冷却面の温度差が大きくなり、発電量を増加させることができる。この結果、従来のような電磁式の発電機を用いることなく十分な発電量を確保することができる。
【００２６】
また、放熱器３０のフィン３１を車軸１５の接線方向に対して平行に設けているので、車軸１５の回転に伴い発生する空気の流れによる放熱器３０の冷却効果が向上して熱発電モジュール１６の加熱面と冷却面の温度差を更に大きくすることができ、発電量をより増加させることができる。
【００２７】
更に、センサ回路部１４と発電機としての熱発電モジュール１６とを一体構造としているので、設計及び部品の共通化を図ることができると共に小型化を図ることでき、装置のコストダウンを実現することができる。
【００２８】
更に、熱発電モジュール１６からの電流は直流で整流する必要がないため、整流器が不要となり、回路部１４の部品点数を削減することができる。
【００２９】
更に、熱発電モジュール１６を車軸１５に取り付けているので、従来のケーブルを用いて電源を供給する場合に必要なスリップリングを省略することができる。
【００３０】
更に、送信手段１７がセンサによる検出信号又は該検出信号の処理結果を光通信のワイヤレス通信で送信するようにしているので、信号線やケーブル等が不要になり、配線の複雑化や信号線の断線による取り替え作業等を回避することができる。
【００３１】
更に、熱発電モジュール１６およびセンサ１２，１３を含む回路部１４は同一の金属板２８に設置されて一体となっているため、車軸１５の軸端面に取り付ける場合、ボルトなどで容易に固定することができる。
【００３２】
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施形態であるセンサ付装置を説明する。
このセンサ付装置５０は、上記第１の実施形態に対して、センサ回路部１４に回転速度センサ５１を付加すると共に、光通信によるワイヤレス通信に代えて、電波によるワイヤレス通信を採用したものである。従って、センサ回路部１４には、発光素子２４及び受光素子２６に代えて、送受信アンテナ５２が設けられている。
【００３３】
回転速度センサ５１は、熱発電モジュール１６の金属板２８に一体に取り付けられて車軸１５と共に一体回転するホールセンサ５３と、該ホールセンサ５３に径方向に対向してハウジング１９の端部内径面に取り付けられた多極磁石エンコーダ５４とを備えており、熱発電モジュール１６からの電力でセンサ回路部１４を駆動させることで、ホールセンサ５３に通電され、これにより、多極磁石エンコーダ５４の磁束の変化を検出して車軸１５の回転速度を検出する。
【００３４】
そして、上記第１の実施形態と同様に、回転速度センサ５１による検出信号は処理部２６においてＡ／Ｄ変換されたり、一定の閾値と比較することで必要な処理が行われ、検出結果や処理結果が送受信アンテナ５２から電波で外部の送受信装置６０の送受信アンテナ５６に送信され、送受信装置６０では受信した信号に所定の処理を施して所定の外部端末に出力する。
【００３５】
この実施の形態では、車軸１５の回転速度を検出しているため、振動センサ１３による振動解析結果に回転速度情報を加えることにより、軸受装置１１の異常検出を行う際の検出精度を向上させることが可能である。その他の構成及び作用効果については、上記第１の実施の形態と同様である。
【００３６】
次に、図６及び図７を参照して、本発明の第３の実施形態であるセンサ付装置を説明する。
このセンサ付装置７０は、上記第１の実施の形態と同一構造のセンサ回路部１４及び熱発電モジュール１６を複列円すいころ軸受７１を備えた鉄道車両用車軸軸受装置７２の軸受ハウジング７３に取り付けた例である。なお、図６及び図７において、符号７５はレール、７６は車輪である。
【００３７】
鉄道車両用車軸軸受装置７２は、車軸７４の回転（走行）につれて複列円すいころ軸受７１の温度が上がり、軸受ハウジング７３の温度も上昇する。熱発電モジュール１６の金属板２８の加熱面を軸受ハウジング７３に取り付けた場合、熱発電モジュール１６の冷却面は走行中の風によって冷却されるため、熱発電モジュール１６の加熱面と冷却面の温度差を大きくでき発電量を増加させることができる。
【００３８】
ここで、複列円すいころ軸受７１に加わる負荷は軸受の周方向の上側において大きいため発熱もこの部分で大きい。従って、軸受ハウジング７３の表面温度も軸受ハウジング７３の上側部分において高い。
【００３９】
このため、熱発電モジュール１６を負荷が大きく発熱量の大きい鉄道車両用車軸軸受装置７２の軸受ハウジング７３の軸中心から上側の部分に配置することで、複列円すいころ軸受７１で発生した熱が熱発電モジュール１６の加熱面に効果的に伝わると共に、冷却面は走行中の風によって冷却されるため、熱発電モジュール１６の加熱面と冷却面との温度差をより大きくすることができ、発電量を更に増加させることができる。その他の構成及び作用効果については、上記第１の実施の形態と同様である。
【００４０】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、上記各実施の形態では、放熱器３０に車軸１５の接線方向に対して平行な複数のフィン３１が設けた場合を例示したが、これに代えて、図３に示すように、放熱器３０に車軸１５の同心円状に複数のフィン３１ａを設けることにより、車軸１５の回転に伴い発生する空気の流れによる冷却効果を更に高めることができる。
【００４１】
また、上記各実施の形態では、熱発電モジュール１６とセンサ回路部１４を一体構造とした場合を例示したが、必ずしもこのようにする必要はなく、熱発電モジュール１６とセンサ回路部１４とを別々の位置に取り付ける構造でもよい。
【００４２】
その他、上記各実施形態において例示した装置本体、センサ、回路部、熱発電モジュール、送信手段、放熱器、フィン等の材質，形状，寸法，形態，数，配置個所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態であるセンサ付装置を説明するための要部断面図である。
【図２】図１の矢印Ａ方向から見た図である。
【図３】放熱器のフィンの変形例を示す図である。
【図４】熱発電モジュールとセンサ回路部のブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施形態であるセンサ付装置を説明するための要部断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態であるセンサ付装置を説明するための要部断面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０，５０，７０  センサ付装置
１１  軸受装置（装置本体）
１２  温度センサ
１３  振動センサ
１４  回路部
１６  熱発電モジュール
１７  送信手段
２８  金属板（加熱面）
３０  放熱器
３１，３１ａ  フィン
５１  回転速度センサ
７２  鉄道車両用車軸軸受装置（装置本体）
７３  ハウジング
【図１】
2006113736.tif 000003
【図２】
2006113736.tif 000004
【図３】
2006113736.tif 000005
【図４】
2006113736.tif 000006
【図５】
2006113736.tif 000007
【図６】
2006113736.tif 000008
【図７】
2006113736.tif 000009