(57)【要約】【課題】停止時及び／又は走行時における車両の車輪荷重を計測可能な装置及びその計測方法を提供するものである。【解決手段】本発明に係る車輪荷重の計測装置は、車両の車輪荷重を計測するものであって、車両の車輪１２の少なくとも一側面に設けられた圧電素子１３ａ，１３ｂと、その圧電素子１３ａ，１３ｂに接続され、車輪荷重による車輪１２全体の歪みによって圧電素子１３ａ，１３ｂに発生した電荷Ｑの量から出力電圧１５ａ，１５ｂを出力する増幅器１４とを備えたものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の車輪荷重を計測する装置において、上記車両の車輪の少なくとも一側面に設けられた圧電素子と、その圧電素子に接続され、車輪荷重により圧電素子に生じた歪みから車輪荷重を計測する手段とを備えたことを特徴とする車輪荷重の計測装置。
【請求項２】
車両の車輪荷重を計測する装置において、上記車両の車輪の少なくとも一側面に設けられた圧電素子と、その圧電素子に接続され、車輪荷重による車輪全体の歪みによって圧電素子に発生した電荷量から出力電圧を出力する増幅器とを備えたことを特徴とする車輪荷重の計測装置。
【請求項３】
車両の車輪荷重を計測する装置において、上記車両の車輪の少なくとも一側面に設けられた圧電素子と、その圧電素子に接続され、車輪荷重による車輪全体の歪みによって発生した圧電素子の共振周波数の変化量を計測する計測器とを備えたことを特徴とする車輪荷重の計測装置。
【請求項４】
車両の車輪荷重を計測する装置において、上記車両の車輪の少なくとも一側面に設けられた複数個の圧電素子と、一方の圧電素子に接続され、車輪荷重による車輪全体の歪みによって圧電素子に発生した電荷量から出力電圧を出力する増幅器と、他方の圧電素子に接続され、車輪荷重による車輪全体の歪みによって発生した圧電素子の共振周波数の変化量を計測する計測器とを備えたことを特徴とする車輪荷重の計測装置。
【請求項５】
上記圧電素子を、円環状又は車軸対称な多角形状の圧電素子で構成した請求項１から４いずれかに記載の車輪荷重の計測装置。
【請求項６】
上記圧電素子を、円環状又は車軸対称な多角形状の圧電素子を周方向に複数に分割したもので構成した請求項１から４いずれかに記載の車輪荷重の計測装置。
【請求項７】
車両の車輪荷重を計測する方法において、上記車両の車輪の少なくとも一側面に圧電素子を設け、その圧電素子の圧電効果を利用して、車輪荷重により圧電素子に生じた歪みから車輪荷重を計測することを特徴とする車輪荷重の計測方法。
【請求項８】
車両の車輪荷重を計測する方法において、上記車両の車輪の少なくとも一側面に圧電素子を設け、その圧電素子を増幅器に接続し、車輪荷重により生じた車輪全体の歪みに伴って圧電素子を歪ませ、その歪みによって圧電素子に電荷を発生させ、その電荷の量を上記増幅器により出力電圧として出力し、その出力電圧から動的な車輪荷重を計測することを特徴とする車輪荷重の計測方法。
【請求項９】
車両の車輪荷重を計測する方法において、上記車両の車輪の少なくとも一側面に圧電素子を設け、その圧電素子を共振周波数の変化量を計測する計測器に接続し、車輪荷重により生じた車輪全体の歪みに伴って圧電素子を歪ませ、その歪みによって変わる圧電素子の共振周波数の変化量を上記計測器により静電容量の変化量として測定し、その静電容量の変化量から静的な車輪荷重を計測することを特徴とする車輪荷重の計測方法。
【請求項１０】
車両の車輪荷重を計測する方法において、上記車両の車輪の少なくとも一側面に複数の圧電素子を設け、一方の圧電素子を増幅器に接続し、車輪荷重により生じた車輪全体の歪みに伴って圧電素子を歪ませ、その歪みによって圧電素子に電荷を発生させ、その電荷の量を上記増幅器により出力電圧として出力し、その出力電圧から動的な車輪荷重を計測し、また、他方の圧電素子を共振周波数の変化量を計測する計測器に接続し、車輪荷重により生じた車輪全体の歪みに伴って圧電素子を歪ませ、その歪みによって変わる圧電素子の共振周波数の変化量を上記計測器により静電容量の変化量として測定し、その静電容量の変化量から静的な車輪荷重を計測することを特徴とする車輪荷重の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車輪荷重の計測装置に係り、特に、走行中における車両の車輪荷重を計測する装置及びその計測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
走行中の車両、具体的には、図８に示すように、軌道（レール）８１上を走行する軌道式車両（例えば、鉄道車両など；図示せず）においては、その車輪８２が図９（ａ）に示す矢印９１の方向に回転駆動する際、図９（ｂ）の要部９２の拡大図を図１０に示すように、車輪荷重（以下、輪重と表記する）Ｐ及び車輪にかかる横圧Ｑにおける比（Ｑ／Ｐ）が所定値を超えると、脱線するおそれがある。このため、輪重Ｐ及び横圧Ｑを計測できれば、各車輪間のアンバランスや、レールの不具合などを知ることができ、これらを解消することで脱線を防止することができる。
【０００３】
従来の輪重の計測方法として、
▲１▼  レールに歪みゲージを貼り付け、輪重を計測する方法、
▲２▼  独立した短レールの下にロードセルを設け、輪重を計測する方法、
▲３▼  計測用の特殊車両（試験車両）の各車輪ごとに歪みゲージを貼り付け、輪重を計測する方法（例えば、非特許文献１参照）、
などが挙げられる。
【０００４】
【非特許文献１】
「鉄道関連アプリケーション集」，（株）共和電業，１９９９年    １１月，ｐ．１５−１６
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、▲１▼，▲２▼の方法は、車両を、レールに歪みゲージ又はロードセルを設けたある区間、つまり所定の計測区間で停止させて、静的な輪重計測を行うものである。これらの輪重計測方法は、歪みゲージ又はロードセルがレール側に設置してあるため、安定して、かつ、精度良く輪重計測を行うことができる。
【０００６】
しかし、▲１▼の方法は、レールのたわみを歪みゲージで計測するものであるため、他の車輪の輪重が影響しており、ある一つの車輪の純粋な輪重を計測することができないという問題があった。また、▲１▼，▲２▼の方法は、静的な輪重計測は可能であるものの、走行時の輪重をリアルタイムで計測すること、つまり動的な輪重計測を行うことはできないという問題があった。
【０００７】
一方、▲３▼の方法は、車両停止時及び車両走行時における歪みゲージの歪み量から、車両停止時の輪重Ｐ及び横圧Ｑを計測すると共に、車両走行時の輪重Ｐ及び横圧Ｑをリアルタイムで計測し、静的及び動的に輪重計測を行うものである。
【０００８】
しかし、走行中、車輪は回転していることから、車輪の歪み主軸（車輪の歪み方向軸）は常に変化している。このため、各車輪ごとに多数個の歪みゲージを貼り付ける必要があると共に、各歪みゲージごとに動歪みアンプを接続しなければならない。その結果、装置構成が大掛かりなものとなってしまい、実車両に搭載することは難しいという問題があった。
【０００９】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、停止時及び／又は走行時における車両の車輪荷重を計測可能な装置及びその計測方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る車輪荷重の計測装置は、車両の車輪荷重を計測する装置において、上記車両の車輪の少なくとも一側面に設けられ、両面に電極を形成した圧電素子と、その圧電素子の各電極に接続され、車輪荷重により圧電素子に生じた歪みから動的又は静的に車輪荷重を計測する手段とを備えたものである。
【００１１】
一方、本発明に係る車輪荷重の計測方法は、車両の車輪荷重を計測する方法において、上記車両の車輪の少なくとも一側面に、両面に電極を形成した圧電素子を設け、その圧電素子の圧電効果を利用して、車輪荷重により圧電素子に生じた歪みから動的又は静的に車輪荷重を計測するものである。
【００１２】
以上の構成及び方法によれば、車両の車輪の歪み方向に依存せず、車輪全体の歪みエネルギーにより車輪荷重及び／又は横圧の計測を行うことができ、車両の停止時及び／又は走行時における車輪荷重を計測することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
本発明に係る車輪荷重の計測装置の好適一形態の概略構成図を図１に、図１における増幅器の回路構成図の一例を図２に示す。ここで、図１（ｂ）は、図１（ａ）の１ｂ方向矢視図である。
【００１５】
前述したように、歪みゲージを使用した従来の輪重の計測装置は、車輪の歪み方向の歪み量だけを、つまり局所的な歪み量を計測するものであった。このため、車輪に歪みゲージを多数個設ける必要があった。
【００１６】
本実施の形態に係る車輪荷重の計測装置は、輪重の計測に圧電素子（ピエゾ素子）を用いることに特長を有している。圧電素子は歪みに対して電荷を発生する素子であり、圧電素子を使用することで、車輪の歪み方向に依存せず、車輪全体の歪みエネルギーに対して電圧（電荷）が出力され、輪重及び／又は横圧の計測を行うことができる。
【００１７】
具体的には、本実施の形態に係る車輪荷重の計測装置は、図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、レール１１上を走行する軌道式車両の車輪１２の少なくとも一側面（図１（ａ）中では両側面）に、両面に電極（図示せず）を形成した圧電素子１３ａ，１３ｂを貼設し、各圧電素子１３ａ，１３ｂのそれぞれの電極に、車輪荷重により生じた車輪全体の歪みから動的な車輪荷重を計測する手段を接続したものである。車輪１２の両側面に圧電素子１３ａ，１３ｂを貼設することで、計測値に及ぼす車輪１２の曲げの影響を除去することができる。また、ここで言う動的な車輪荷重とは、走行中の車両の車輪荷重であり、具体的には定速走行時及び加速・減速走行時の車両における各車輪の荷重である。
【００１８】
圧電素子１３ａ，１３ｂは、円環状又は車軸対称な多角形状の圧電素子、具体的にはリング状又は円状の圧電素子で構成され、例えば、圧電セラミック、圧電高分子フィルムが挙げられる。ここで言う円環状とは、リング（環）や円などの円周部を有する丸い形状の総称である。また、車軸対称な多角形状とは、車輪１２の車軸を対称軸とする多角形の総称である。
【００１９】
車輪荷重を計測する手段としては、主に、各圧電素子１３ａ，１３ｂのそれぞれの電極に接続される増幅器１４と、増幅器１４の出力電圧１５ａ，１５ｂが入力される演算器１６とで構成される。尚、図１（ａ）中では、各圧電素子１３ａ，１３ｂと増幅器１４との接続はそれぞれ１本の破線で示しており、図示を省略している。
【００２０】
増幅器１４として、例えば、図２（ａ）に示すように、車輪荷重による車輪全体の歪みによって圧電素子１３ａ（又は１３ｂ）に発生した電荷量Ｑを増幅させてＶｏｕｔ（出力電圧）１５ａ（又は１５ｂ）を得る電荷増幅器（チャージアンプ）２４ａが挙げられる。ここで、Ｃ，Ｃｆはコンデンサ、Ｒは抵抗である。また、図２（ｂ）に示すように、同じく圧電素子１３ａ（又は１３ｂ）に発生した電荷量による微弱な電圧を増幅してＶｏｕｔ（出力電圧）１５ａ（又は１５ｂ）を得る電圧増幅器（非反転増幅器）２４ｂが挙げられる。ここで、Ｃはコンデンサ、Ｒ，Ｒ１，Ｒ２は抵抗である。増幅器１４としては、増幅されたＶｏｕｔ１５ａ（又は１５ｂ）を得ることができるものであれば特に限定するものではないが、計測の感度が良好なチャージアンプ２４ａが好ましい。
【００２１】
増幅器１４で得られた出力電圧１５ａ，１５ｂは演算器１６に入力され、輪重Ｐ及び横圧Ｑが計算・推測される。この時、計測される輪重Ｐ及び横圧Ｑは“動的な”ものであるが、理想的な増幅器を用いれば“準静的な”輪重Ｐ及び横圧Ｑの計測も可能である。圧電素子１３ａ，１３ｂ及び増幅器１４を使用した動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄの計測の流れを以下に示す。
【００２２】
先ず、図３に示すように、動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄによって車輪１２に圧縮応力及び曲げ応力が作用すると、車輪１２に歪みが生じる。この車輪１２の歪みに伴って圧電素子１３ａ，１３ｂにそれぞれ歪みσ１，σ２が生じる。
【００２３】
これらの歪みσ１，σ２に伴う圧電効果によって、各圧電素子１３ａ，１３ｂに電荷が生じ、それらの電荷量から、図２（ａ）（又は図２（ｂ））に示した増幅器２４ａ（又は２４ｂ）を用いることでＶｏｕｔ（出力電圧）１５ａ，１５ｂがそれぞれ得られる。
【００２４】
ここで、歪みσ１，σ２と各出力電圧１５ａ，１５ｂとの間には比例関係があり、また、動的な輪重ＰｄはＫｐ１（σ１＋σ２）という式〔Ｋｐ１は定数〕で、動的な横圧ＱｄはＫｑ１（σ１−σ２）という式〔Ｋｑ１は定数〕で表すことができる。このため、実際の車輪１２の歪みと動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄとの関係を予め求めておくことで、各出力電圧１５ａ，１５ｂの和及び差の値から、動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄを計算・推測することができる。
【００２５】
この計算・推測された動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑの値から比（Ｑｄ／Ｐｄ）を求め、この比が予め設定した脱線係数に達しているか否かの判定を行う（ステップＡ）。脱線係数とは車輪１２が脱線を起こすおそれがある条件をモデル化した比であり、直線定速走行時の車両における脱線係数の一例として、約０．８が挙げられる。
【００２６】
ステップＡにおいて、比（Ｑｄ／Ｐｄ）が脱線係数未満の場合、車輪１２は脱線を起こすおそれがなく、安全に車両の走行・運行ができる。これに対して、比（Ｑｄ／Ｐｄ）が脱線係数以上の場合、車輪１２がレール１１に乗り上がって脱線を起こすおそれがある。このため、比（Ｑｄ／Ｐｄ）が、脱線注意係数（脱線係数よりやや小さい値：例えば０．７前後）に達したら、自動的に車両の減速を行うような装置構成・システムを構築することが好ましい。
【００２７】
よって、本実施の形態に係る計測装置によれば、走行中の車両の動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄをリアルタイムに計測することができ、各車輪１２間のバランスや、レール１１の不具合箇所などを知ることができる。その結果、安全に車両を走行・運行させるための監視をリアルタイムに行うことができる。
【００２８】
（第２の実施形態）
本発明に係る車輪荷重の計測装置の他の好適一形態の概略構成図を図４に示す。ここで、図４（ｂ）は、図４（ａ）の４ｂ方向矢視図である。尚、図１（ａ），図１（ｂ）と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については詳細な説明を省略する。
【００２９】
前実施の形態に係る計測装置は、圧電効果によって圧電素子１３ａ（又は１３ｂ）に生じた電荷の量を増幅器１４を用いて計測することで、車両の動的又は準静的な車輪荷重を計算・推測するものであり、走行中における実用上の計測においては問題はない。ところが、電荷の量を増幅器１４を用いて計測した場合、増幅器１４内の電気損失及び時間の経過に伴って、チャージされた電荷が失われてしまう。つまり、この計測は時定数を持つこととなる。そこで、チャージアンプの静電容量を大きくして時定数を長くする方法も考えられるが、準静的、完全な静的な荷重を計測する場合には、次のような計測装置、方法を用いることが好ましい。
【００３０】
図４（ａ），図４（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る車輪荷重の計測装置の基本的な構成は、前実施の形態に係る計測装置と略同様であり、車輪１２の少なくとも一側面（図４（ａ）中では両側面）に、両面に電極（図示せず）を形成した圧電素子群４３ａ，４３ｂが貼設される。
【００３１】
圧電素子群４３ａ（又は４３ｂ）は、円環状又は車軸対称な多角形状の圧電素子、具体的にはリング状又は円状の圧電素子（例えば、圧電セラミック、圧電高分子フィルム）を周方向に複数に分割してなる圧電素子片群の単層体で構成したもの、又はその圧電素子片群を複層に積層させて（図４（ａ）中では周方向に３分割してなる圧電素子片群４７ａ〜４７ｃ，４７ｄ〜４７ｆを２層に積層させて）構成したものである。ここで、圧電素子片群を複層に積層させる場合、各層の圧電素子片群は角度をずらして（図４（ｂ）中では６０°ずらして）積層・貼設される。各圧電素子片４７ａ〜４７ｆ，４８ａ〜４８ｆのそれぞれの電極に増幅器１４が接続されている。尚、図４（ａ）中では、圧電素子片４７ｅ，４８ｆと増幅器１４とだけをそれぞれ接続しており、図示を省略している。
【００３２】
圧電素子群４３ａ，４３ｂ及び増幅器１４を使用した準静的な輪重Ｐｃｓ及び横圧Ｑｃｓの計測の流れを以下に示す。
【００３３】
走行中の車輪１２には、前述したように輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄが負荷されている。輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄによって車輪１２に圧縮応力及び曲げ応力が作用すると、車輪１２に歪みが生じる。この車輪１２の歪みに伴って、圧電素子群４３ａ，４３ｂにおける車輪の最下部に位置する圧電素子片（図４（ａ）中では圧電素子片４７ｂ，４８ｂ）にそれぞれ歪みσ３，σ４が生じる。
【００３４】
これらの歪みσ３，σ４に伴う圧電効果によって、車輪１２の最下部に位置する圧電素子片４７ｂ（又は４８ｂ）に電荷が生じ、その電荷量から、図２（ａ）に示したチャージアンプ２４ａを用いることでＶｏｕｔ（出力電圧）４５ａ（又は４５ｂ）が得られる。ここで、車輪１２は常時回転していることから、図５に示すように、圧電素子片４７ｂ（又は４８ｂ）において、最大の出力電圧４５ａ（又は４５ｂ）が得られた瞬間、次の圧電素子片４７ｆ（又は４８ｅ）において出力電圧４５ａ（又は４５ｂ）が得られ始め、順次、圧電素子片４７ｃ（又は４８ａ），４７ｄ（又は４８ｄ），…の順でそれぞれ出力電圧４５ａ（又は４５ｂ）が得られる。
【００３５】
これらの出力電圧４５ａ（又は４５ｂ）が得られた圧電素子片の順序を監視することで、車輪１２の回転方向を検出することができる（エンコーダの原理）。また、出力電圧４５ａ（又は４５ｂ）が得られた圧電素子片と車輪１２の位置との関係を予め把握しておくことで、車輪１２とレール１１との接触位置を検知することができる。この検知は、圧電素子群４３ａ，４３ｂにおけるリング状の圧電素子の周方向の分割数を多くすることで、より高精度なものとなる。
【００３６】
一方、車輪１２の最下部に位置する圧電素子片において歪みσ３，σ４が最大となり、この時に、最大の出力電圧４５ａ（又は４５ｂ）が得られるものの、チャージアンプ２４ａの出力は、前述したように電荷が徐々に開放されるため、徐々に小さくなっていく。この時、車輪１２の回転に伴って車輪１２の最上部に達した圧電素子片においては、歪みσ３，σ４に含まれていた動的な荷重による影響は略無くなっていると考えられることから、車輪１２の最上部に位置する圧電素子片に作用している歪みσ３′，σ４′は、静的な荷重によるものとみなすことができる。
【００３７】
ここで、準静的な荷重による歪みσ３′，σ４′と、車輪１２の最上部に位置する圧電素子片の出力電圧４５ａ（又は４５ｂ）との間には比例関係があり、また、準静的な輪重ＰｃｓはＫｐ２（σ３′＋σ４′）という式〔Ｋｐ２は定数〕で、準静的な横圧ＱｃｓはＫｑ２（σ３′−σ４′）という式〔Ｋｑ２は定数〕で表すことができる。このため、実際の車輪１２の歪みと準静的な輪重Ｐｃｓ及び横圧Ｑｃｓとの関係を予め求めておくことで、車輪１２の最上部に位置する圧電素子片の出力電圧４５ａ，４５ｂの和及び差の値から、準静的な輪重Ｐｃｓ及び横圧Ｑｃｓを計算・推測することができる。
【００３８】
よって、本実施の形態に係る計測装置によれば、車輪１２の最上部に位置する圧電素子片の出力電圧４５ａ（又は４５ｂ）をリアルタイムに計測していけば、走行中の車両の準静的な輪重Ｐｃｓ及び横圧Ｑｃｓをリアルタイムに計測することができ、各車輪１２間のバランスをリアルタイムに監視することができる。また、車輪１２の最下部に位置する圧電素子片の出力電圧４５ａ（又は４５ｂ）をリアルタイムに計測していけば、前実施の形態と同様に、走行中の車両の動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄをリアルタイムに計測することができ、各車輪１２間のバランスや、レール１１の不具合箇所などを知ることができる。その結果、安全に車両を走行・運行させるための監視をリアルタイムに行うことができる。
【００３９】
本実施の形態においては、圧電素子群４３ａ，４３ｂにより、動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄと準静的な輪重Ｐｃｓ及び横圧Ｑｃｓの両方を計測する場合について説明を行ったが、動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄを計測するための圧電素子と、準静的な輪重Ｐｃｓ及び横圧Ｑｃｓを計測するための圧電素子とを、別々に設けるようにしてもよい。
【００４０】
具体的には、動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄを計測するための圧電素子として、図１（ｂ）に示したリング状のフィルム型圧電素子１３ａ（又は１３ｂ）を貼設し、また、準静的な輪重Ｐｃｓ及び横圧Ｑｃｓを計測するための圧電素子として、図４（ｂ）に示した圧電素子群４３ａ（又は４３ｂ）を、圧電素子１３ａ（又は１３ｂ）の表面に積層させて貼設するようにしてもよい。
【００４１】
（第３の実施形態）
本発明に係る車輪荷重の計測装置の他の好適一形態の概略構成図を図６に示す。ここで、図６（ｂ）は、図６（ａ）の６ｂ方向矢視図である。
【００４２】
第１、第２の実施の形態に係る計測装置は、圧電効果によって圧電素子に生じた電荷の量を増幅器１４を用いて計測することで、車両の動的及び準静的な車輪荷重を計算・推測するものであった。そこで、完全な静的な荷重を計測する場合には、次のような計測装置、方法を用いることが好ましい。
【００４３】
本実施の形態に係る車輪荷重の計測装置は、図６（ａ），図６（ｂ）に示すように、レール６１上を走行する車両の車輪６２の少なくとも一側面（図６（ａ）中では両側面）に、両面に電極（図示せず）を形成した圧電素子６３ａ，６３ｂを貼設し、各圧電素子６３ａ，６３ｂのそれぞれの電極に、車輪荷重により生じた車輪全体の歪みから静的な車輪荷重を計測する手段を接続したものである。ここで、車輪６２の両側面に圧電素子６３ａ，６３ｂを貼設するのは、車輪６２の曲げの影響を除去するためである。また、ここで言う静的な車輪荷重とは、車両停止時の車輪荷重であり、具体的には車両全重量を車輪の数で除した値である。
【００４４】
圧電素子６３ａ，６３ｂは、圧電素子１３ａ，１３ｂと同様に、リング状又は円状の圧電素子で構成され。
【００４５】
車輪荷重を計測する手段としては、主に、各圧電素子６３ａ，６３ｂのそれぞれの電極に接続される静電容量計６４と、静電容量計６４で計測された静電容量６５ａ，６５ｂが入力される演算器６６とで構成される。尚、図６（ａ）中では、各圧電素子６３ａ，６３ｂと静電容量計６４との接続はそれぞれ１本の破線で示しており、図示を省略している。
【００４６】
静電容量計６４で計測された静電容量の変化量６５ａ，６５ｂは演算器６６に入力され、静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓが計算・推測される。圧電素子６３ａ，６３ｂ及び静電容量計６４を使用した静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓの計測の流れを以下に示す。
【００４７】
先ず、静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓによって車輪６２に圧縮応力及び曲げ応力が作用すると、車輪６２に歪みが生じる。この車輪６２の歪みに伴って圧電素子６３ａ，６３ｂにそれぞれ歪みσ５，σ６が生じる。
【００４８】
ここで、両面に電極が形成された圧電素子はコンデンサであるため静電容量を量ることができ、また、圧電素子の厚さ、形状等が変わると静電容量が変化することから、圧電素子６３ａ，６３ｂに歪みが生じると静電容量が変化する。静電容量の変化を電気回路で共振させると共振周波数が変化するため、その共振周波数の変化量を静電容量計（例えば、ＬＣＲメータ）６４で計測することで、静電容量の変化量６５ａ，６５ｂがそれぞれ得られる。
【００４９】
ここで、圧電素子６３ａ，６３ｂの歪みσ５，σ６と静電容量の変化量６５ａ，６５ｂとの間には比例関係があり、また、静的な輪重ＰｓはＫｐ３（σ５＋σ６）という式〔Ｋｐ３は定数〕で、静的な横圧ＱｓはＫｑ３（σ５−σ６）という式〔Ｋｑ３は定数〕で表すことができる。このため、実際の車輪６２の歪みと静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓとの関係を予め求めておくことで、各静電容量の変化量６５ａ，６５ｂの和及び差の値から、静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓを計算・推測することができる。
【００５０】
この計算・推測された静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓの値から比（Ｑｓ／Ｐｓ）を求め、この比と予め設定したバランス係数との大きさの比較判定を行う（ステップＢ）。バランス係数とは各車輪６２間のバランスが良好である場合のモデル比である。
【００５１】
ステップＢにおいて、比（Ｑｓ／Ｐｓ）がバランス係数近傍の場合、各車輪６２間のバランスがとれているということになる。これに対して、比（Ｑｓ／Ｐｓ）がバランス係数よりも著しく大きい又は小さい場合、各車輪６２間のバランスがとれていないということになる。よって、この場合、各車輪６２間のアンバランスを解消するための点検を行うことが好ましい。つまり、本実施の形態に係る計測装置によれば、車両停止時の静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓを計測することができる。
【００５２】
本実施の形態においては、リング状のフィルム型圧電素子６３ａ，６３ｂにより、静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓを計測する場合について説明を行ったが、圧電素子を、第２の実施形態において前述したリング状のフィルム型圧電素子を周方向に複数に分割してなる圧電素子片群で構成するようにしてもよい。同様に、圧電素子を、圧電素子片群を複層に積層させたもので構成するようにしてもよい。
【００５３】
これによって、車両の走行、つまり車輪６２の回転に伴って、各圧電素子片群における各圧電素子片が、順次、レール６１と接触するため、各圧電素子片において静電容量の変化量６５ａ，６５ｂが順次計測される。各圧電素子片の静電容量の変化量６５ａ，６５ｂを、動的な計測には適していない静電容量計６４を用いてリアルタイムに計測していけば、車両停止時の静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓの計測と共に、走行中の車両の準動的（準静的）な輪重及び横圧をリアルタイムに計測することができ、各車輪６２間のバランスや、レール６１の不具合箇所などを知ることができる。その結果、安全に車両を走行・運行させるための監視をリアルタイムに行うことができる。
【００５４】
（第４の実施形態）
本発明に係る車輪荷重の計測装置の他の好適一形態の概略構成図を図７に示す。ここで、図７（ｂ）は、図７（ａ）の７ｂ方向矢視図である。尚、図１（ａ），図１（ｂ）、図６（ａ），図６（ｂ）と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については詳細な説明を省略する。
【００５５】
本実施の形態に係る車輪荷重の計測装置は、第１の実施の形態に係る計測装置と、第３の実施の形態に係る車輪荷重の計測装置とを組み合わせたものである。
【００５６】
具体的には、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、レール７１上を走行する車両の車輪７２の少なくとも一側面（図７（ａ）中では両側面）に、両面に電極（図示せず）を形成した圧電素子１３ａ，１３ｂを貼設し、各圧電素子１３ａ，１３ｂのそれぞれの電極に、車輪荷重により生じた車輪全体の歪みから動的な車輪荷重を計測する増幅器１４を接続したものである。また、各圧電素子１３ａ，１３ｂの表面に、両面に電極（図示せず）を形成した圧電素子６３ａ，６３ｂを貼設し、各圧電素子６３ａ，６３ｂのそれぞれの電極に、車輪荷重により生じた車輪全体の歪みから静的な車輪荷重を計測する静電容量計６４を接続したものである。ここで、車輪７２の両側面に圧電素子１３ａ，１３ｂ及び６３ａ，６３ｂを貼設するのは、車輪７２の曲げの影響を除去するためである。
【００５７】
各圧電素子１３ａ，１３ｂ及び６３ａ，６３ｂの外径は、車輪７２の内側面（図７（ａ）中では右側面）と略同径に形成されている。圧電素子１３ａ，１３ｂ（又は６３ａ，６３ｂ）は、圧電素子６３ａ，６３ｂ（又は１３ａ，１３ｂ）よりも径方向（図７（ａ）中では上下方向）幅広に形成され、圧電素子６３ａ，６３ｂ（又は１３ａ，１３ｂ）の内周部に圧電素子１３ａ，１３ｂ（又は６３ａ，６３ｂ）の一部が露出している。
【００５８】
本実施の形態に係る計測装置においては、車両停止時は、第３の実施の形態で前述したように、静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓに伴う車輪７２の歪みσ５，σ６、圧電素子６３ａ，６３ｂ、及びＬＣＲメータ６４を用いることで、静電容量の変化量６５ａ，６５ｂをそれぞれ得ることができる。これらの静電容量の変化量６５ａ，６５ｂを演算器７６に入力することで、各静電容量の変化量６５ａ，６５ｂの和及び差の値から、静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓを計算・推測することができる。この計算・推測された静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓの値から比（Ｑｓ／Ｐｓ）を求め、この比と予め設定したバランス係数との大きさの比較判定を行う（ステップＢ）ことで、車両停止時の静的な輪重Ｐｓ及び横圧Ｑｓを計測することができる。
【００５９】
一方、車両の走行時は、第１の実施の形態で前述したように、動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄに伴う車輪７２の歪みσ１，σ２、圧電素子１３ａ，１３ｂ、及び増幅器１４を用いることで、出力電圧１５ａ，１５ｂをそれぞれ得ることができる。これらの出力電圧１５ａ，１５ｂを演算器７６に入力することで、各出力電圧１５ａ，１５ｂの和及び差の値から、動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄを計算・推測することができる。この計算・推測された動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄの値から比（Ｑｄ／Ｐｄ）を求め、この比が予め設定した脱線係数に達しているか否かの判定を行う（ステップＡ）ことで、走行中の車両の動的な輪重Ｐｄ及び横圧Ｑｄをリアルタイムに計測することができ、各車輪７２間のバランスや、レール７１の不具合箇所などを知ることができる。その結果、安全に車両を走行・運行させるための監視をリアルタイムに行うことができる。
【００６０】
以上に述べたように、第１〜第４の実施の形態に係る計測装置によれば、車輪の歪み方向に依存せず、車輪全体の歪みエネルギーに対して電荷を発生する圧電素子を車輪に貼設し、走行中の車両の動的な輪重及び横圧や、準動的な輪重及び横圧、車両停止時の静的な輪重及び横圧や、準静的な輪重及び横圧を計測するようにしているため、歪みゲージを車輪に貼設した従来の計測装置と比較して、装置構成の簡易化を図ることができ、延いては装置コストが安価となる。その結果、第１〜第４の実施の形態に係る計測装置は、試験用鉄道車両ばかりでなく、実車両への搭載も可能である。
【００６１】
また、第１〜第４の実施の形態に係る計測装置においては、レール上を走行する軌道式車両を例に挙げて説明を行ったが、これに限定するものではなく、道路上を走行する車両、例えば自動車等にも適用することができる。
【００６２】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００６３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、車両の車輪の歪み方向に依存せず、車輪全体の歪みエネルギーにより車輪荷重及び／又は横圧の計測を行うことができ、車両の停止時及び／又は走行時における車輪荷重を計測することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車輪荷重の計測装置の好適一形態の概略構成図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の１ｂ方向矢視図である。
【図２】図１における増幅器の回路構成の一例を示す図である。
【図３】図１における車輪に動的な輪重及び横圧が負荷した際のモデル図である。
【図４】本発明に係る車輪荷重の計測装置の他の好適一形態の概略構成図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の４ｂ方向矢視図である。
【図５】図４における増幅器で得られる出力電圧と時間との関係を示す図である。
【図６】本発明に係る車輪荷重の計測装置の他の好適一形態の概略構成図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の６ｂ方向矢視図である。
【図７】本発明に係る車輪荷重の計測装置の他の好適一形態の概略構成図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の７ｂ方向矢視図である。
【図８】鉄道車両の車輪の要部拡大図である。
【図９】図８の省略図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）の９ｂ方向矢視図である。
【図１０】図９（ｂ）の要部拡大図である。
【符号の説明】
１２，６２，７２  車輪
１３ａ，１３ｂ  圧電素子
１４  増幅器
１５ａ，１５ｂ  出力電圧
６３ａ，６３ｂ  圧電素子
６４  静電容量計（計測器）
６５ａ，６５ｂ  静電容量の変化量
Ｐｄ  動的な輪重（動的な車輪荷重）
Ｐｓ  静的な輪重（静的な車輪荷重）
Ｑ  電荷
σ１，σ２，σ５，σ６  歪み
【図１】
2004309438.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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