(57)【要約】      （修正有）【課題】トランスデューサをレールの内側に取り付けることができ、トランスデューサの発信信号の強さを向上することができ、トランスデューサの絶縁性を向上することができ、トランスデューサの耐振動性を向上することができるトランスデューサを提供する。【解決手段】トランスデューサ１０は、金属製の円筒形ハウジング２０と、円筒形ハウジング２０の内部に配置されるピエゾアクチュエータ３０と、を備え、ピエゾアクチュエータ３０、互いに積層された複数のピエゾ素子３１を備え、ピエゾ素子３１は、バッキングリング３３とフロントマス４０との間に挟設され、ピエゾ素子３１とバッキングリング３３は、フロントマス４０から延出する位置決めピン３４上に配置され、フロントマス４０は、円筒形ハウジング２０の半径方向面に対して角度的に偏位した作動外側面４１を有する。【選択図】図３
0003193898.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
長尺構造要素の状態モニタリングシステムでの使用に適したトランスデューサであって、
前記トランスデューサが、
金属製の円筒形ハウジングと、
前記円筒形ハウジングの内部に配置されるピエゾアクチュエータと、を備え、
前記ピエゾアクチュエータが、互いに積層された複数のピエゾ素子を備え、
前記ピエゾ素子は、バッキングリングとフロントマスとの間に挟設され、
前記ピエゾ素子と前記バッキングリングは、前記フロントマスから延出する位置決めピン上に配置され、
前記フロントマスは、前記円筒形ハウジングの半径方向面に対して角度的に偏位した作動外側面を有することを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２】
前記位置決めピン上に配置されたピエゾスタックを形成する４つの環状の前記ピエゾ素子を備える請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
前記ピエゾスタックと前記バッキングリングとの間に配置される第１の絶縁ディスクと、前記ピエゾスタックと前記フロントマスとの間に配置される第２の絶縁ディスクと、を備える請求項２に記載のトランスデューサ。
【請求項４】
前記バッキングリングを覆う絶縁キャップと、前記円筒形ハウジングの内面と前記ピエゾスタックの外面との間に形成される環状空間内に配置される絶縁スリーブと、を備える請求項２又は３に記載のトランスデューサ。
【請求項５】
前記円筒形ハウジングには、衝撃および振動に対する前記トランスデューサの耐性を向上するためのポッティング化合物が充填される請求項１〜４のいずれか１項に記載のトランスデューサ。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長尺構造要素の状態モニタリングシステムで使用されるトランスデューサに関し、より詳細には、限定されないが、鉄道のレールのひび割れや破断をモニタリングし検出するシステムに使用されるトランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
長尺構造要素、特に鉄道のレールの保全性をモニタリングするための使用を提案されてきたいくつかの方法およびシステムがある。これらの方法およびシステムは、レールのひび割れを、それらが完全な破断に進行する前に検出することを目的とし、また、鉄道網内で既に破断が発生した場所での破断を検出することも目的としている。レールのひび割れや破断が事前に検出されていないと、鉄道線路を走行中の鉄道車両の脱線を招きうる。そのような脱線は財務的損失となり、傷害や人命の損失にもつながりうることが懸念される。
【０００３】
鉄道に関して言及されているが、これらのシステムは、例えば、鉱山の縦坑や橋梁などの長尺の構造用鋼が利用される他の用途にも同様に適用可能、或いは潜在的に適用可能であることに注目すべきである。
【０００４】
鉄道線路のレールのひび割れや破断の検出方法は、特許文献１に開示され、その内容は参照により本明細書に援用される。この方法は、いくつかの自律音響発信機ユニットと、発信機の間に配置されたいくつかの音響受信機ユニットを含む。この多様なユニットは、所定の距離をおいて互いから離間している。発信機ユニットは、特定の周波数構成を持つ一連の音響パルスをレールに導き、受信機ユニットはそのパルスを検出し分析して、レールに関する望ましくない状態をモニタリングする。この方法は、レールの状態をモニタリングするために発信機の使用と受信機の使用を必要とする。
【０００５】
この鉄道レールのひび割れおよび破断の検出およびモニタリング方法用のトランスデューサの開発については、非特許文献１で論じられている。システムは、鉄道線路の外側でレールのクラウン部の下に取り付けられた（締め付けられた）ピエゾトランスデューサを使用している。ピエゾトランスデューサの締め付け方法は、特許文献２に記載されており、その内容は参照により本明細書に援用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】南アフリカ共和国特許第９９／６９３６号
【特許文献２】国際公開第２００４／０９８９７４号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Philip W Loveday著、「Development of piezoelectric transducers for a railway integrity system」、 Smart Structures and Materials 2000: Smart Systems for Bridges, Structures, and Highways, Proceedings of SPIE Vol. 3988, 2000, Newport Beach, pp. 330-338
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００８】
各ピエゾトランスデューサは、鉄道網の長手方向に相離れて配置され、レールを介して超音波を周期的に発信する。超音波は、鉄道線路を介して、１つのトランスデューサから、受信局として働く下流のトランスデューサの方に伝播する。典型的には、各トランスデューサは約１ｋｍ離して配置されている。超音波信号が受信局で検出されない場合、受信局は、レールにひび割れも破断もないことを示す警音を起動させる。
【０００９】
上記のシステムに関する１つの欠点は、ピエゾトランスデューサが、鉄道線路の外側においてレールのクラウン部の下に取り付けられる（締め付けられる）ということである。ピエゾトランスデューサは、大きい故に列車の車輪を邪魔することになるため、鉄道線路の内側ではレールのクラウン部の下に取り付けできない。バラストを枕木の下に再装填するために使用されるタンパーは、クラウン部の外側に係合する車輪を有するため、ピエゾトランスデューサは、定期的な鉄道線路保守中はレールから取り外される必要がある。ピエゾトランスデューサの取り外しと再取り付け（再取り付けの２週間後にクランプを再締め付けしなければならない）は、システムの保守費用を増加させ、システムが稼動不能な期間をもたらす。
【００１０】
加えて、発信信号の強さが十分でないため、また、トランスデューサが、伝播および動作周波数の観点から、特定の取り付け先構造要素に正確に適合しないため、既存のシステムは、１ｋｍを超える距離には適していない。
【００１１】
トランスデューサの設計においてしばしば遭遇されるさらなる問題は、トランスデューサのコネクタピンが、固定先のレールから正しく絶縁されず、短絡や擬似信号を招くということである。さらに、上記の用途に使用されるトランスデューサは、振動しやすく、それが内部配線やシムの過度の振動を招く可能性があり、それもまた電気的短絡および／または配線やシムへの損傷を招く。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、上記に説明した欠点に対処するピエゾトランスデューサを提供することである。
【００１３】
本発明の目的は、既存のピエゾトランスデューサの有用な代替品となるピエゾトランスデューサを提供することでもある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本考案の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）長尺構造要素の状態モニタリングシステムでの使用に適したトランスデューサであって、トランスデューサが、金属製の円筒形ハウジングと、円筒形ハウジングの内部に配置されるピエゾアクチュエータと、を備え、ピエゾアクチュエータが、互いに積層された複数のピエゾ素子を備え、ピエゾ素子は、バッキングリングとフロントマスとの間に挟設され、ピエゾ素子とバッキングリングは、フロントマスから延出する位置決めピン上に配置され、フロントマスは、円筒形ハウジングの半径方向面に対して角度的に偏位した作動外側面を有することを特徴とするトランスデューサ。
（２）位置決めピン上に配置されたピエゾスタックを形成する４つの環状のピエゾ素子を備える（１）に記載のトランスデューサ。
（３）ピエゾスタックとバッキングリングとの間に配置される第１の絶縁ディスクと、ピエゾスタックとフロントマスとの間に配置される第２の絶縁ディスクと、を備える（２）に記載のトランスデューサ。
（４）バッキングリングを覆う絶縁キャップと、円筒形ハウジングの内面とピエゾスタックの外面との間に形成される環状空間内に配置される絶縁スリーブと、を備える（２）又は（３）に記載のトランスデューサ。
（５）円筒形ハウジングには、衝撃および振動に対するトランスデューサの耐性を向上するためのポッティング化合物が充填される（１）〜（４）のいずれか１つに記載のトランスデューサ。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明の好適な実施形態は、非限定的な例により、また、添付の図面を参照して説明される。
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態によるトランスデューサの斜視図である。
【図２】図１のトランスデューサの側面図である。
【図３】図１のトランスデューサの断面図である。
【考案を実施するための形態】
【００１７】
同一の符号で同一の特徴を示している図面を参照すると、本発明のトランスデューサの非限定的な例は、全体を参照符号１０で示されている。
【００１８】
トランスデューサ１０は、ピエゾアクチュエータ３０を収容する円筒形ハウジング２０を備えている。円筒形ハウジング２０は、典型的には金属から製造され、堅牢で構造的に丈夫な支持構造となる。円筒形ハウジング２０は、開放した上方端２１と開放した下方端２２を有する。円筒形ハウジング２０の内側面に切欠き２３が設けられ、この切欠き２３は、円筒形ハウジング２０の上方端２１から下方端２２の方向に、円筒形ハウジング２０の長さの約３分の２にわたり延在している。
【００１９】
ピエゾアクチュエータ３０は、円筒形ハウジング２０の内側に配置されている。ピエゾアクチュエータ３０は、ピエゾスタックを含み、ピエゾスタックは４つのピエゾディスク（ピエゾ素子）３１を備えている。本発明の重要な側面は、４枚の厚さ２ｍｍのディスクが用いられていることで、例えば、２枚の厚さ４ｍｍのディスクが用いられるのではないということである。この４枚の厚さ２ｍｍのディスクを起動するためには、４００Ｖｐｋ（ピーク電圧）ドライブが必要であり、一方、２枚のディスクの構成を駆動するためには８００Ｖｐｋ（ピーク電圧）ドライブが必要となる。
【００２０】
ピエゾディスク３１は、ピエゾスタックを形成し、コネクタピン（ピエゾディスク３１を信号ケーブル７０に接続する）を、トランスデューサ１０の固定先であるレール（図示せず）から電気的に絶縁するために、スタックの両端に絶縁ディスク３２が設けられている。バッキングリング３３は、トランスデューサ１０のフロントマス４０と反対側のピエゾスタックの側に配置されている。ピエゾディスク３１、絶縁ディスク３２、およびバッキングリング３３は、位置決めピン３４の上に配置されて担持されており、位置決めピン３４は、フロントマス４０に固定されている。より詳細には、位置決めピン３４の端部は、フロントマス４０に設けられた相補形開口４４に係合する、より特定的には螺合する。
【００２１】
フロントマス４０は、円筒形ハウジング２０の上方端２１と係合する実質的に固体の金属シリンダーの形式である。フロントマス４０の外側面４１は、円筒形ハウジング２０の半径方向面に対して角度的に偏位している。言い換えると、外側面４１は、円筒形ハウジング２０の壁に対して直角でなく、円筒形ハウジング２０の壁に対して角度をもって配向している。このことが、トランスデューサ１０をレールの内側においてレールのフランジ（図示せず）に固定可能にするため、本発明の重要な側面である。従って、トランスデューサ１０の下方端２２は、レールのウェブ（図示せず）から少し間を空けていて、トランスデューサ１０の設置を容易化しており、トランスデューサ１０から突出している信号ケーブル７０用により多くの空間を提供している。フロントマス４０から周縁のリップ構造４２が延出しており、このリップ構造４２は、使用時には、円筒形ハウジング２０の上方端２１に配置されている。さらに、フロントマス４０の側面に周縁溝４３が設けられており、この周縁溝４３は、使用時には、フロントマス４０が円筒形ハウジング２０に係合したとき、より特定的には、周縁溝４３がポッティング媒体で充填されたときに形成される密封を向上させる。
【００２２】
電気的絶縁キャップ５０は、バッキングリング３３を覆い、ピエゾスタックと円筒形ハウジング２０との間に電気的絶縁スリーブ６０が設けられている。絶縁キャップ５０と絶縁スリーブ６０は、ピエゾスタックとレールとの間の電気的絶縁性を更に改良する。絶縁スリーブ６０は、円筒形ハウジング２０の内側面に設けられた切欠き２３上に位置決めされている。
【００２３】
エンドキャップ８０は、ピエゾスタックを封止する封鎖された容積を画定するために円筒形ハウジング２０の下方端２２と係合する。エンドキャップ８０には、エンドキャップ８０を貫通して、信号ケーブル７０を貫通させて受け入れるための中央軸穴が形成されている。信号ケーブル７０は、適切なケーブルグランドによってエンドキャップ８０に対して封止されている。信号ケーブル７０の導体７１は、ピエゾスタックに連結されている。トランスデューサ１０の全内容積９０は、ポッティング媒体によって充填され、それがトランスデューサ１０の内部のワイヤ（配線）およびシムの変動を防止する。
【００２４】
使用時、トランスデューサ１０は、レールに、より特定的にはレールの内側のウェブの下方面に固定されうる。トランスデューサ１０は、その小型のサイズゆえに永続的に設置することができ、角度をもったフロントマス４０は単純かつ人間工学的な設置をもたらす。ピエゾディスク３１の選択および配置は、トランスデューサ１０が、その小型のサイズにも拘わらずパワーを持ち続けることを確保する。さらに、トランスデューサ１０は、充分に絶縁され、振動からも保護されている。加えて、フロントマス４０とエンドキャップ８０は良好な封止性を持ち、環境的に封止されたユニットをもたらす。この新規のデザインの上記側面は、全て、レールの状態をモニタリングするシステムでの使用に、このトランスデューサを特に適するものとしており、この新規かつ独創的なデザインが、従来技術のトランスデューサに対する大きな改良であると、発明者は確信する。
【００２５】
上記は本発明の１つの実施形態に過ぎず、本発明の主旨および／または範囲から逸脱せずに多くの変形形態がありうることを理解すべきである。
【符号の説明】
【００２６】
１０  トランスデューサ
２０  円筒形ハウジング
２１  上方端
２２  下方端
２３  切欠き
３０  ピエゾアクチュエータ
３１  ピエゾディスク（ピエゾ素子）
３２  絶縁ディスク
３３  バッキングリング
３４  位置決めピン
４０  フロントマス
４１  外側面（作動外側面）
４２  リップ構造
４４  相補形開口
５０  電気的絶縁キャップ
６０  電気的絶縁スリーブ
７０  信号ケーブル
７１  導体
８０  エンドキャップ
９０  全内容積
【図１】
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【図２】
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【図３】
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