(57)【要約】【課題】一次電池の消耗を抑制することができ、早期に電気二重層キャパシタの電圧を監視モジュールが起動できる程度まで蓄電することができ、監視モジュールが演算に時間を要する詳細な解析を行うことができる電気二重層キャパシタの容量の確保ができ、鉄道車両の運用終了後に一次電池や電気二重層キャパシタの消費を抑制することができる台車健全性監視装置を提供する。【解決手段】一次電池と、前記一次電池と並列に接続され、入力された振動によって発電を行う振動発電装置と、前記振動発電装置で発電された電力を蓄電する蓄電装置と、鉄道車両の台車における所望の部位に設置されるセンサ部と、前記センサ部から得られた信号を処理して前記鉄道車両における各部位の健全性を監視する信号処理部と、を備えた台車健全性監視装置であって、前記蓄電装置は、容量の異なる少なくとも２以上のキャパシタを備える。【選択図】図２
2019162905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次電池と、
前記一次電池と並列に接続され、入力された振動によって発電を行う振動発電装置と、
前記振動発電装置で発電された電力を蓄電する蓄電装置と、
鉄道車両の台車における所望の部位に設置されるセンサ部と、
前記センサ部から得られた信号を処理して前記鉄道車両における各部位の健全性を監視する信号処理部と、を備えた台車健全性監視装置であって、
前記蓄電装置は、容量の異なる少なくとも２以上のキャパシタを備えることを特徴とする台車健全性監視装置。
【請求項２】
請求項１に記載の台車健全性監視装置において、
前記一次電池と前記信号処理部は、前記振動発電装置から入力の有無によって開閉されるゲート部を介して接続されることを特徴とする台車健全性監視装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の台車健全性監視装置において、
前記２以上のキャパシタは、前記振動発電装置と前記信号処理部の間に並列に接続されることを特徴とする台車健全性監視装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の台車健全性監視装置において、
前記センサ部は、少なくとも温度センサと圧電式加速度センサを備えることを特徴とする台車健全性監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両に搭載される振動発電装置を備えた台車健全性監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両に搭載される各機器は、車両が持つ大元の電源装置から配線を通じて電力が供給される。また、鉄道車両のアベイラビリティと信頼性の向上のために、鉄道車両の状態監視保全への適用を視野に入れた常時モニタリングに関する技術開発が進められており、常時車両の各機器をモニタリングして得られたビックデータを解析し保全に活用する状態監視保全への取り組みがなされている。
【０００３】
一方、既存の鉄道車両に対して新たな装置を設置するには大規模な工事が必要となる。特に台車へ機器を設置する場合には、車体との配線やメンテナンス上の取扱いの関係もあり、多数の配線を新たに設置することはできるだけ避けることが望まれている。このような状況下でセンサへの電源として振動発電装置を台車に設置した台車健全性監視装置が知られている。
【０００４】
この台車健全性監視装置に用いられる振動発電装置としては、例えば鉄道車両に設置される振動発電装置において、圧電素子を有する長尺の板部と、鉄道車両に固定されて板部を該板部の板面に直交する方向へのたわみを許容するように支持する支持部と、を備え、板部はたわみ振動によって発電を行うという構成や、筺体に固定される弾性部材と、第１の方向に振動可能な振動子と振動子の内部に位置するコイルを備え、前記振動子は、第１の磁石と、前記第１の磁石と前記第１の方向に並び反発するように配置された第２の磁石と、前記第１の磁石および前記第２の磁石に対して環状に配置された第３の磁石と、前記第１乃至第３の磁石を囲む第１の磁性体と、を有し、前記コイルは、前記第１の磁石および前記第２の磁石と前記第３の磁石の間に位置する構成、などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２０４７１３号公報
【特許文献２】特開２０１７−２２９１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の台車健全性監視装置は、振動発電装置を電源として用いているが、蓄電デバイスを設けて蓄電した場合、車両が走行を開始した直後など自己発電量が少ない際に、多くの電力を必要とする監視モジュールの稼動ができないという課題があった。このため、一次電池などの電池による給電が併用されることが考えられるが、この場合、電池交換などの作業負荷の低減や鉄道車両の運用終了後から翌日の開始時までの車両休止時の電池消耗を抑制する機構が必要となる。
【０００７】
そこで、一次電池と電気二重層キャパシタと振動発電を組み合わせた構成が考えられるが、このような構成は、次のような課題を有していた。監視モジュール内のＣＰＵが起動するには、ＣＰＵが要求する最低電圧を上回る電圧がＣＰＵに対して加圧される必要がある。状態監視は、運用直後から開始したいニーズもあり、そのためには監視モジュールを極力早期に起動させる必要がある。また、鉄道車両が走行開始した直後は、台車で発生する振動エネルギは小さいため、一次電池による供給が主体となる。走行開始直後の場合、車両は長時間振動環境下になかったことから振動発電によるエネルギ供給を受けておらず
、電気二重層キャパシタ内の電位はいずれも自己放電等によって低下している。
【０００８】
一方で、一次電池の消耗による一次電池の交換頻度を抑制するために、振動発電による発電エネルギを早い段階から利用することが望まれる。そのためには、振動発電による電気二重層キャパシタの蓄電電圧が、一次電池の供給電圧よりも早期に高くなる必要があり、電気二重層キャパシタの電気容量は小さいことが望まれる。しかしながら、ＣＰＵの演算に時間を要する詳細な解析、例えばＦＦＴ変換などを実行する場合には、まとまった電力が一時的に必要となるため、電気容量を大幅に小さくすると電力を必要とする詳細な解析を一次電池の給電によらずに行うことができないという問題がある。
【０００９】
また鉄道車両が運用終了してから、次回（例えば、翌日）に運用が開始されるまで長時間留置されることから、この間は監視モジュールが稼働する必要はなく、一次電池、電気二重層キャパシタの消耗を抑制するため、自己停止し、次回鉄道車両が運用を開始するまで監視モジュールを休止させることが望ましい。また次回運用開始時に自動で起動する仕組みも必要になる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上述した課題を解決するためになされたものであり、台車健全性監視装置において、一次電池の消耗を抑制することができ、早期に電気二重層キャパシタの電圧を監視モジュールが起動できる程度まで蓄電することができ、監視モジュールが演算に時間を要する詳細な解析を行うことができる電気二重層キャパシタの容量の確保ができ、鉄道車両の運用終了後に一次電池や電気二重層キャパシタの消費を抑制することができる台車健全性監視装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る台車健全性監視装置は、一次電池と、前記一次電池と並列に接続され、入力された振動によって発電を行う振動発電装置と、前記振動発電装置で発電された電力を蓄電する蓄電装置と、鉄道車両の台車における所望の部位に設置されるセンサ部と、前記センサ部から得られた信号を処理して前記鉄道車両における各部位の健全性を監視する監視モジュールと、を備えた台車健全性監視装置であって、前記蓄電装置は、容量の異なる少なくとも２以上のキャパシタを備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る台車健全性監視装置において、前記一次電池と前記監視モジュールは、前記振動発電装置から入力の有無によって開閉されるゲート部を介して接続されると好適である。
【００１３】
また、本発明に係る台車健全性監視装置において、前記２以上のキャパシタは、前記振動発電装置と前記信号処理部の間に並列に接続されると好適である。
【００１４】
また、本発明に係る台車健全性監視装置において、前記センサ部は、少なくとも温度センサと圧電式加速度センサを備えると好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、蓄電装置として、容量の異なる少なくとも２以上のキャパシタを備えているので、容量の小さいキャパシタは早期に蓄電電圧を上昇させて監視モジュールを早期に起動させることができると共に、容量の大きなキャパシタによって監視モジュールが演算に時間を要する詳細な解析を行うことができる。
【００１６】
また、一次電池と監視モジュールは、振動発電装置からの入力の有無によって開閉されるゲート部を介して接続されているので、車両が運用を終了してから、次回に運用が開始されるまでの間は監視モジュールへの給電を停止して一次電池の消耗を抑制することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置を備えた鉄道車両の概要図。
【図２】本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の監視モジュールにおける電源供給部の構成を説明するためのブロック図。
【図３】本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の監視モジュールにおける信号処理部の構成を説明するためのブロック図。
【図４】本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の電源供給部の走行開始直後の動作を説明するためのブロック図。
【図５】本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の電源供給部の第１のキャパシタからの電力供給の動作を説明するためのブロック図。
【図６】本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の電源供給部の第２のキャパシタからの電力供給の動作を説明するためのブロック図。
【図７】本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の消費電流、蓄電装置からの供給電流、一次電池からの供給電流の測定例であり、（ａ）は走行開始直後の、（ｂ）は走行開始１０分後の測定例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置を備えた鉄道車両の概要図であり、図２は、本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の監視モジュールにおける電源供給部の構成を説明するためのブロック図であり、図３は、本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の監視モジュールにおける信号処理部の構成を説明するためのブロック図であり、図４は、本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の電源供給部の走行開始直後の動作を説明するためのブロック図であり、図５は、本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の電源供給部の第１のキャパシタからの電力供給の動作を説明するためのブロック図であり、図６は、本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の電源供給部の第２のキャパシタからの電力供給の動作を説明するためのブロック図であり、図７は、本発明の実施形態に係る台車健全性監視装置の消費電流、蓄電装置からの供給電流、一次電池からの供給電流の測定例であり、（ａ）は走行開始直後の、（ｂ）は走行開始１０分後の測定例を示すグラフである。
【００２０】
図１から図３に示すように、本実施形態による台車健全性監視装置１０は、鉄道車両１の台車２の監視対象となる部位に設置されるセンサ部３０と、親機１３および子機となる無線部１８を有する監視モジュール１４と、該監視モジュール１４の電源供給部１４ａに電源を供給する一次電池１１及び振動発電装置１２とを備えている。振動発電装置１２は、圧電素子に作用する振動を電圧に変換するものであり、圧電素子を取り付けた長尺の板部、台車２に固定されて板部を支持する支持部および板部上に載置可能な錘などを備えている構成や、筺体に固定される弾性部材と、第１の方向に振動可能な振動子と振動子の内部に位置するコイルを備え、前記振動子は、第１の磁石と、前記第１の磁石と前記第１の方向に並び反発するように配置された第２の磁石と、前記第１の磁石および前記第２の磁石に対して環状に配置された第３の磁石と、前記第１乃至第３の磁石を囲む第１の磁性体と、を有し、前記コイルは、前記第１の磁石および前記第２の磁石と前記第３の磁石の間に位置する構成、などが好適である。
【００２１】
なお、本実施形態に係る台車健全性監視装置１０は、監視する監視部毎に電源を確保し
、異常を判定しており、監視部と鉄道車両１の車上とを無線伝送で結合することにより自律した構成となっている。
【００２２】
このため、鉄道車両１の車体側に１台の親機１３を設置し、台車２の監視部ごとに子機となる無線部１８を有する監視モジュール１４が複数配置されている。なお、親機１３は、総合判断部４０に接続され、親機１３は、上位システムからの走行速度や時刻情報を、各監視モジュール１４に対して定期的に送信し、監視モジュール１４は、センサ部３０によるデータを所定の頻度でサンプリングし、演算部１７において、各監視項目毎のロジックで判定し、判定結果などに情報を集約した上で、親機１３に無線部１８を介して無線伝送している。
【００２３】
図１に示すように、センサ部３０および監視モジュール１４は、近接した状態で台車２の監視対象となる部位に設置され、振動発電装置１２は、センサ部３０および監視モジュール１４の近傍に設置されている。
【００２４】
このような、台車健全性監視装置１０は、例えば、台車２の台車枠の上下加速度や、軸箱の上下加速度を測定し、これらの数値をもとに台車２の軸受の損傷や、台車２の蛇行動などを監視可能に構成されている。
【００２５】
なお、センサ部３０は圧電式加速度センサ３１ａ、３１ｂと自律型温度センサ３２とから構成されている。圧電式加速度センサ３１ａ、３１ｂは、軸受剥離損傷検出用に設置されており、車軸回転時に損傷部で発生する振動加速度の周波数を考慮して圧電式を適用すると好適である。また、圧電式加速度センサ３１ａ、３１ｂは、軸受のＡ列及びＢ列のそれぞれの剥離傷を検出することができるように、Ａ列及びＢ列の直上にそれぞれ設置されていると好適である。自律型温度センサ３２は、例えば２段階の温度閾値を設定することができると好適であり、軸箱体表面との電気的な絶縁を確保するために伝熱性のシリコンなどの絶縁体を介して軸箱体表面に密着固定されている。
【００２６】
図２および３に示すように、監視モジュール１４は、一次電池１１および振動発電装置１２からの電力を処理する電源供給部１４ａと、電源供給部１４ａから供給された電源によって駆動される信号処理部１４ｂとを備えている。
【００２７】
図２に示すように、電源供給部１４ａは、容量の異なる第１のキャパシタ２０ａと第２のキャパシタ２０ｂとを備えた蓄電装置２０に台車枠上に設置した振動発電装置１２からの電力を一旦蓄電し、信号処理部１４ｂへ供給している。なお、第１のキャパシタ２０ａ及び第２のキャパシタ２０ｂはそれぞれ電気二重層キャパシタで構成されると好適である。
【００２８】
また、電源供給部１４ａは、一次電池１１が接続されており、振動発電装置１２からの電力入力をトリガとして、一次電池１１からのゲート部１５を入れることで、振動発電装置１２からの電力入力の有無でゲート部１５を開閉させて、鉄道車両の走行中のみ電池エネルギを信号処理部１４ｂへ供給している。この構成によって、車両基地など長時間留置される場合はゲート部１５が開くことで一次電池１１からの供給は停止し、これに合わせて監視モジュール１４も停止状態とすることができる。なお、第１のキャパシタ２０ａ、第２のキャパシタ２０ｂ及びゲート部１５はそれぞれ並列に接続されているので、鉄道車両１の走行中は、一次電池１１、第１のキャパシタ２０ａ及び第２のキャパシタ２０ｂのうち電位が高いほうから電力を供給することができるように構成されている。このように電源供給部１４ａは、振動発電装置１２による発電エネルギと一次電池１１を併用している。
【００２９】
図３に示すように、信号処理部１４ｂは、電源供給部１４ａから供給された電力によって駆動しており、アナログ信号処理部１９と演算処理部２１を備えている。アナログ信号処理部１９は、圧電式加速度センサ３１ａ、３１ｂからの信号をローパスフィルタ４１ａを介して演算処理部２１のインターフェイス部１６に接続している。なお、圧電式加速度センサ３１ａ、３１ｂを用いる軸受剥離損傷検出は間欠で行われるため、アナログ信号処理部１９への通電は演算処理部２１でのＡ／Ｄ変換時に限定するように電源供給ラインにスイッチ回路４１ｂを設置して制御している。同様に自律型温度センサ３２も電源供給ラインにスイッチ回路４１ｂを介して接続されている。
【００３０】
演算処理部２１は、演算部１７、インターフェイス部１６および無線部１８を備えている。演算部１７は、種々の信号の演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）や記憶装置としてのＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）で構成されている。
【００３１】
次に、図２および図４から６を参照して一次電池１１及び蓄電装置２０による電力供給について説明を行う。図２に示すように、鉄道車両１の運用が終了し停止している時は、振動発電装置１２からの入力がないため、ゲート部１５が開き一次電池１１から監視モジュールへの通電はされず、一次電池１１の消耗を抑制することができる。
【００３２】
図４に示すように、鉄道車両１の始業直後は、鉄道車両１が走行することで振動発電装置１２が受けた振動を電圧に変換され、該振動発電装置１２の入力によってゲート部１５が閉じられる。このとき、同時に蓄電装置２０の第１のキャパシタ２０ａ及び第２のキャパシタ２０ｂにも振動発電装置１２で変換された電力が蓄電される。始業直後は、第１のキャパシタ２０ａ、第２のキャパシタ２０ｂはそれぞれ自己放電によって電位が下がっているので、一次電池１１の電位が最も高い状態となり、一次電池１１から電力が信号処理部１４ｂに供給される。なお、このゲート部１５を設けることで、監視モジュール１４を鉄道車両１の走行開始に応じて自動起動させることが可能となる。
【００３３】
その後走行を続けると容量の小さい第１のキャパシタ２０ａの電位が高くなり、一次電池１１の電位よりも高くなると、図５に示すように、第１のキャパシタ２０ａから電力が信号処理部１４ｂに供給される。一次電池１１の消耗抑制のために、第１のキャパシタ２０ａの容量は、早期に一次電池１１の供給電圧よりも高くなることが望ましいので、できるだけ小さいことが望まれるが、センサ部３０の自律型温度センサ３２および演算処理部２１が適切に稼働することができる容量を確保することが望ましい。
【００３４】
更に走行を続けると、容量の大きな第２のキャパシタ２０ｂの電位が高くなり、信号処理部１４ｂへは、第２のキャパシタ２０ｂからの電力が供給される。第２のキャパシタ２０ｂは、第１のキャパシタ２０ａよりも大容量なので、ＣＰＵによる演算に時間を要するＦＦＴ変換などの詳細な解析を実行する場合にまとまった電力を供給することが可能となる。
【００３５】
このように、本実施形態に係る台車健全性監視装置１０は、監視モジュール１４の稼動に必要となる一次電池１１による電源供給量を抑制することができ、一次電池１１の延命化を図ることができる。この延命化によって電池交換の頻度を減らすことが可能となる。
【００３６】
図７は、台車健全性監視装置１０の消費電流、蓄電装置の供給電流及び一次電池の供給電流を運用開始直後と走行開始１０分後に測定した測定例である。図７（ａ）から明らかなように、走行開始直後は、蓄電装置の供給電流がほぼゼロであり、一次電池から演算処理部への電力供給を行っていることがわかる。この時の演算処理部での電流の消費は演算処理部の起動のために供給されたものである。これに対し、図７（ｂ）に示すように、走
行開始から１０分経過し、第１のキャパシタ２０ａ、第２のキャパシタ２０ｂの電位が高くなると、一次電池からの電力供給はほぼゼロとなり、ＦＦＴ演算などの大きな電力を必要とする場合に限って補助的に一次電池から電力供給がなされていることが確認できた。
【００３７】
なお、上述した実施形態において、センサ部に圧電式加速度センサや自律型温度センサを適用した場合について説明を行ったが、測定が必要な条件に応じて適宜センサを適用しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００３８】
１                鉄道車両
２                台車
１０              台車健全性監視装置
１１              一次電池
１２              振動発電装置
１３              親機
１４              監視モジュール
１４ａ            電源供給部
１４ｂ            信号処理部
１５              ゲート部
１６              インターフェイス部
１７              演算部
１８              無線部
１９              アナログ信号処理部
２０              蓄電装置
２０ａ            第１のキャパシタ
２０ｂ            第２のキャパシタ
２１              演算処理部
３０              センサ部
３１ａ、３１ｂ    圧電式加速度センサ
３２              自律型温度センサ
４０              総合判断部
【図１】
2019162905.tif 000003
【図２】
2019162905.tif 000004
【図３】
2019162905.tif 000005
【図４】
2019162905.tif 000006
【図５】
2019162905.tif 000007
【図６】
2019162905.tif 000008
【図７】
2019162905.tif 000009