(57)【要約】【課題】効率よく発電できるとともにコンパクトな振動発電装置およびこの振動発電装置を備える台車健全性監視装置を提供する。【解決手段】振動発電装置１は、鉄道車両１１に設置される振動発電装置１において、圧電素子を有する長尺の板部２と、鉄道車両１１に固定されて板部２を板部２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３と、を備え、板部２は、たわみ振動によって発電を行う。台車健全性監視装置は、振動発電装置１を備える台車健全性監視装置において、鉄道車両１１の台車１２における所望の部位に設置されるセンサモジュール（センサ）と、センサモジュールから出力された信号を通信するセンサネットワークモジュール（通信部）と、センサネットワークモジュールから通信された信号を判断する判断部と、を備え、振動発電装置１は、センサモジュール近傍に設置されて、センサモジュールへ電源を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記鉄道車両に固定されて前記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、
前記板部は、たわみ振動によって発電を行うことを特徴とする振動発電装置。
【請求項２】
前記板部に着脱可能に構成され該板部のたわみ振動の周波数を調整可能な錘を備えることを特徴とする請求項１に記載の振動発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の振動発電装置を備える台車健全性監視装置において、
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と、
該センサから出力された信号を通信する通信部と、
前記通信部から通信された信号を判断する判断部と、を備え、
前記振動発電装置は、前記センサ近傍に設置されて該センサへ電源を供給す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、鉄道車両に設置される振動発電装置およびこの振動発電装置を備える台車健全性監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両における各部位の状態（健全性）を監視する装置として、監視対象となる部位にセンサが設置され、センサから出力される信号を車体に設置されたデータ処理装置・判断装置によって処理し、処理されたデータをモニタ中央装置などへ集約するシステムが用いられている。
このようなシステムでは、センサへの電源供給は、車体に設置された電源装置から行われており、センサと電源装置の間には電源線が配線されている。また、センサとデータ処理装置・判断装置との間には、データの伝送路としてメタルケーブルが配線されている。このため、台車の状態を監視する台車健全性監視装置のように、センサが台車に設置されている場合、台車から車体にわたって電源線やメタルケーブルが配線されていて、これらの電源線やメタルケーブルは、それぞれ数か所に設置されたコネクタを介して接続されている。
【０００３】
ところで、鉄道車両の検修を行う際には、車体、台車、輪軸をそれぞれ分離させるため、この分離に合わせて電源線やメタルケーブルが接続されているコネクタを切り離す作業が必要である。また、検修が終了した際には、電源線やメタルケーブルを結合する作業が必要となり、コネクタの切り離しや結合に手間がかかっている。
【０００４】
そこで、近年では、センサからデータ処理装置・判断装置への伝送路を無線とすることが提案されており、センサへの電源供給についても無線とすることが望まれている。
センサへの電源供給を無線とするには、例えば、センサの電源として使い捨て型のボタン型１次電池を使用したり、特許文献１および２に開示されているような振動発電装置をセンサ近傍に設置し、この振動発電装置からセンサへ電源を供給したりすることが提案されている。
また、振動発電装置としては、特許文献１および２に開示されているものの他に、電磁誘導式のものも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１６９９６５号公報
【特許文献２】特開２０１３−２５２８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、センサへの電源として使い捨て型のボタン型１次電池を使用する方法は、コスト面、メンテナンス面、また環境への影響を考慮すると得策とは言えないものである。
また、振動発電装置は、台車に設置する場合などは、設置スペースが小さいためコンパクトな形状であることが望まれている。このため、電磁誘導式の振動発電装置では、大きさや重量が大きく、設置個所が限られてしまうという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、効率よく発電できるとともにコンパクトな振動発電装置およびこの振動発電装置を備える台車健全性監視装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る振動発電装置は、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、前記鉄道車両に固定されて前記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、前記板部は、たわみ振動によって発電を行うことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る台車健全性監視装置は、上記の振動発電装置を備える台車健全性監視装置において、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と、該センサから出力された信号を通信する通信部と、前記通信部から通信された信号を判断する判断部と、を備え、前記振動発電装置は、前記センサ近傍に設置されて該センサへ電源を供給することを特徴とする。
【００１０】
本発明では、圧電素子を有する板部がたわみ振動によって発電を行うことにより、鉄道車両の走行に伴って生じる振動を利用して効率よく発電を行うことができる。
また、振動発電装置は、圧電素子を有する板部と支持部とを備える簡便な構成であるため、形状、重量ともにコンパクトな形状とすることができて、設置スペースが小さい場合でも所望の部位に設置することができる。
また、振動発電装置は、簡便な構造であるため、複雑な構造である場合と比べてメンテナンスを容易に行うことができるとともに、故障や不具合が生じることが少なく、耐久性を高めることができる。
また、本発明に係る台車健全性監視装置では、振動発電装置がセンサ近傍に設置されているため、センサへ電源を供給するための電源線を無くすまたは少なくすることができる。
【００１１】
また、本発明に係る振動発電装置では、前記板部に着脱可能に構成され該板部のたわみ振動の周波数を調整可能な錘を備えることが好ましい。
このような構成とすることにより、板部の振動数を調整することができるため、効率よく発電を行うことができる。
また、板部の振動数を調整することができるため、１つの振動発電装置であっても設置場所される場所や必要となる電力量に合わせた形態とすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧電素子を有する板部がたわみ振動によって発電を行うことにより、鉄道車両の走行に伴って生じる振動を利用して効率よく発電を行うことができる。
また、振動発電装置は、圧電素子を有する板部と支持部とを備える簡便な構成であるため、形状、重量ともにコンパクトな形状とすることができて、設置スペースが小さい場合でも所望の部位に設置することができる。
また、振動発電装置は、簡便な構造であるため、複雑な構造である場合と比べてメンテナンスを容易に行うことができるとともに、故障や不具合が生じることが少なく、耐久性を高めることができる。
また、本発明に係る台車健全性監視装置では、振動発電装置がセンサ近傍に設置されているため、センサへ電源を供給するための電源線を無くすまたは少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態による振動発電装置の一例を示す図で（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】支持部本体を説明する図である。
【図３】スイープ加振試験による上下加振周波数と発生電圧との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）は走行試験における上下加振周波数と発生電圧との関係を示すグラフ、（ｂ）は走行試験における上下加振周波数と発生電力との関係を示すグラフ、（ｃ）は走行試験における上下加振周波数と上下加速度との関係を示すグラフ、（ｄ）は走行試験における時間と発生電力との関係を示すグラフ、（ｅ）は走行試験における時間と上下振動加速度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態による台車健全性監視装置の一例を示す側面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態による振動発電装置および台車健全性監視装置について、図１乃至図６に基づいて説明する。
（振動発電装置）
まず、振動発電装置について説明する。
図１に示すように、本実施形態による振動発電装置１は、鉄道車両１１の台車１２に設置されていて、圧電素子を有する長尺の板部２と、台車１２に固定されて板部２を支持する支持部３と、板部２の上に載置可能な錘４と、を備えている。
【００１５】
板部２は、平面視略長方形状のプラスチック板２１と、平面視略長方形状の２枚の圧電板２２，２２と、を有し、プラスチック板２１の両面に圧電板２２，２２がそれぞれ貼りつけられた積層構造となっている。板部２は、その面方向が水平方向となる向きに設置されている。
プラスチック板２１に対して圧電板２２，２２は長手方向（図１（ａ）の紙面に直交する方向、図１（ｂ）の矢印Ｄの方向）の長さが短く形成されていて、プラスチック板２１および２枚の圧電板２２，２２は、それぞれ長手方向Ｄの中心部が略重なるように積層されている。このため、板部２の長手方向Ｄの両端部近傍は、プラスチック板２１が露出している。
【００１６】
圧電板２２には、例えば、特表２００３−５２５７５５号公報に記載されている圧電マクローファイバー複合アクチュエータ−に相当するマクロファイバーコンポジット（Ｍａｃｒｏ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ、以下ＭＦＣとする）などが用いられている。圧電板２２には、配線（不図示）などが適宜設けられている。
なお、圧電板２２は、圧電素子を有し、圧電板２２に作用する振動を電圧に変換可能に構成されていれば上記以外でもよい。
【００１７】
支持部３は、台車１２に固定される基部３１と、基部３１に固定されて板部２と当接して支持する４つの支持部本体３２と、を有している。
基部３１は、上部の一部が開口した箱状に形成され、底部が台車１２に固定されていて、内部に板部２が設置される。このため、基部３１の内部は、板部２を支持する支持部本体３２が設置されている。
板部２は、支持部３に単純支持されていて、板部２の長手方向Ｄの両端部近傍がそれぞれ支持部本体３２に支持されている。
【００１８】
図１および図２に示すように、支持部本体３２は、板部２の長手方向Ｄの両端部近傍の下側にそれぞれ配されてボール３３ａ（図２参照）の上端部が板部２の下面に当接するボールローラ３３と、板部２の長手方向Ｄの両端部近傍の上側に配されて下端部３４ａ（図２参照）が板部２の上面に当接するボルト３４と、を有している。ボルト３４の下端部３４ａは、下側に突出するＲ面状に形成されている。
ボールローラ３３は、基部３１の下板に固定され、ボルト３４は、基部３１の上板に固定されていて、ボールローラ３３とボルト３４とは、上下方向（図１および図２の矢印Ｅの方向）に重なる位置に設置されている。
本実施形態では、支持部本体３２は、板部２の長手方向Ｄの両端部近傍に長手方向Ｄに直交する方向に間隔をあけて２つずつ設置されている。
【００１９】
また、ボールローラ３３およびボルト３４は、板部２のプラスチック板２１と当接していて、プラスチック板２１の下面には、ボールローラ３３の上端部が入り込む凹部２１ａ（図２参照）が形成されていて、板部２のボールローラ３３との水平方向の相対移動が拘束されている。なお、万が一板部２が支持部本体３２に対して水平移動しても、基部３１の側部と接触して基部３１の外部へ出てしまうことが防止されている。
このように支持部３に単純支持された板部２は、長手方向Ｄの中央部近傍の上下方向Ｅのたわみが許容された構成となっている。
【００２０】
錘４は、板部２のたわみ振動の周波数を調整するための部材で、板部２の長手方向Ｄの中央部に着脱可能に構成されている。
錘４の質量は、例えば、適用される走行線区における台車１２の台車枠１２ａ（図５参照）および軸箱１２ｂ（図５参照）の上下振動加速度の周波数スペクトル分布を予め把握し、加振試験装置でスイープ加振試験を実施して設定するか、もしくは、板部２の横振動モデルから導かれる下記の式（１）を用いて設定する。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
なお、本実施形態によけるスイープ加振試験は、９０ｇ、１８０ｇ、３３０ｇの３種類の錘４を使用して行った。図３に示すように、錘４の質量を３３０ｇとし、上下加振周波数を３０Ｈｚとした場合に発生電圧が最大となり、さらに負荷側とのインピーダンスマッチングを実施した結果、錘４の質量を１８０ｇとした場合に図４（ｂ）に示すように発生電力が最大となり効率よく発電を行うことがわかる。
【００２３】
（台車健全性監視装置）
次に、台車健全性監視装置について説明する。
図５および図６に示すように、本実施形態による台車健全性監視装置５は、鉄道車両１１の台車１２の監視対象となる部位に設置されるセンサモジュール（センサ）５１と、親機５２（図５参照）および子機５３を有しセンサモジュール５１から出力された信号を処理して親機５２と子機５３との間で通信するセンサネットワークモジュール（通信部）５４と、センサネットワークモジュール５４から通信された信号を判断する判断部５５（図５参照）と、センサモジュール５１およびセンサネットワークモジュール５４の子機５３に電源を供給する振動発電装置１と、を備えている。
【００２４】
図５に示すように、センサモジュール５１およびセンサネットワークモジュール５４の子機５３は、近接した状態で台車１２の監視対象となる部位に設置されていて、判断部５５およびセンサネットワークモジュール５４の親機５２は、近接した状態で鉄道車両１１の車体１３に設置されている。
センサネットワークモジュール５４は、子機５３がセンサモジュール５１から出力された信号を受信して演算処理し、処理されたデータを親機５２が受信して判断部５５へ通信するように構成されている。
振動発電装置１は、センサモジュール５１およびセンサネットワークモジュール５４の子機５３の近傍に設置されている。
【００２５】
このような、台車健全性監視装置５は、例えば、台車１２の台車枠１２ａの上下加速度や、軸箱１２ｂの上下加速度を測定し、これらの数値をもとに台車１２の軸受の損傷や、台車１２の蛇行動などを監視可能に構成されている。
本実施形態では、複数の台車枠１２ａおよび軸箱１２ｂにそれぞれセンサモジュール５１とセンサネットワークモジュール５４の子機５３とがセットとなった状態で設置されていて、近接する複数のセンサモジュール５１およびセンサネットワークモジュール５４の子機５３に振動発電装置１から電源が供給されるように構成されている。そして、センサネットワークモジュール５４は、１つの親機５２が複数の子機５３からデータを受信し、これらのデータを判断部５５へ通信するように構成されている。
【００２６】
次に、上述した振動発電装置１および台車健全性監視装置５の作用・効果について図面を用いて説明する。
本実施形態による振動発電装置１によれば、圧電素子を有する板部２がたわみ振動によって発電を行うことにより、鉄道車両１１の走行に伴って生じる振動を利用して効率よく発電を行うことができる。
また、振動発電装置１は、圧電素子を有する板部２と支持部３とを備える簡便な構成であるため、形状、重量ともにコンパクトな形状とすることができて、設置スペースが小さい場合でも所望の部位に設置することができる。
特に、圧電板２２にＭＦＣを用いることで、より効率よく発電を行うことができるとともに、形状、重量ともにコンパクトな形状とすることができる。
また、振動発電装置１は、簡便な構造であるため、複雑な構造である場合と比べてメンテナンスを容易に行うことができるとともに、故障や不具合が生じることが少なく、耐久性を高めることができる。
【００２７】
また、板部２のたわみ振動の周波数を調整可能な錘４を備えることにより、板部２の振動数を調整することができるため、効率よく発電を行うことができる。
また、板部２の振動数を調整することができるため、１つの振動発電装置１であっても設置場所される場所や必要となる電力量に合わせた形態とすることができる。
【００２８】
また、本実施形態による台車健全性監視装置５では、振動発電装置１がセンサモジュール５１およびセンサネットワークモジュール５４の子機５３の近傍に設置されているため、センサモジュール５１およびセンサネットワークモジュール５４の子機５３へ電源を供給するための電源線を無くすまたは少なくすることができる。
【００２９】
以上、本発明による振動発電装置１および台車健全性監視装置５の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記の実施形態では、振動発電装置１の板部２は、支持部本体３２のボールローラ３３とボルト３４とに上下から挟まれるようにして支持されているが、支持部本体３２に単純支持されていてたわみ振動可能であれば、他の形態でもよい。
例えば、板部２の上下に設置されたボールローラ３３で支持されていてもよいし、板部２の上下に設置されたボルト３４に支持されていてもよい。また、例えば、ボールローラ３３に代わって板部２の長手方向Ｄに直交する方向に延在する円筒状または円柱状のローラが設置されていてもよい。
また、本実施形態では、支持部本体３２は、板部２の長手方向Ｄの両端部近傍に長手方向Ｄに直交する方向に間隔をあけて２つずつ設置されているが、支持部本体３２の設置個所や個数は適宜設定されてよい。
【００３０】
また、上記の実施形態では、プラスチック板２１には、下面にボールローラ３３の上端部が挿入される凹部２１ａが形成されているが、このような凹部２１ａが形成されていなくてもよい。
また、上記の実施形態では、振動発電装置１は、板部２のたわみ振動の周波数を調整可能な錘４を備えているが、板部２のたわみ振動の周波数を調整する必要が無い場合は備えられていなくてもよい。
【００３１】
また、上記の実施形態では、台車健全性監視装置５は、振動発電装置１が、センサモジュール５１およびセンサネットワークモジュール５４の子機５３に電源を供給しているが、センサモジュール５１のみに電源を供給する構成としてもよい。また、台車健全性監視装置５のセンサモジュール５１や、センサネットワークモジュール５４の親機５２や子機５３、判断部５５が設置される位置は適宜設定されてよく、振動発電装置１がセンサモジュール５１の近傍に設置されていればよい。また、振動発電装置１がセンサネットワークモジュール５４の親機５２や判断部５５に電源を供給可能な構成としてもよい。
また、台車健全性監視装置５には、振動発電装置１が発電した電力を充電する充電装置が設置されていてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１  振動発電装置
２  板部
３  支持部
４  錘
５  台車健全性監視装置
１１  鉄道車両
１２  台車
２１  プラスチック板
２２  圧電板
５１  センサモジュール（センサ）
５４  センサネットワークモジュール（通信部）
５５  判断部
Ｄ  長手方向
【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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【図６】
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