第18回

鋼構造と橋に関するシンポジウム論文報告集（2 0 1 5 年 8 月）

土木学会

鋼鉄道橋における振動発電によるモニタリング
Railway Steel Bridges Monitoring with Vibration Energy Harvesting
小林裕介* ，吉田善紀**
Yusuke KOBAYASHI and Yoshinori YOSHIDA

ABSTRACTWe developed two types of monitoring system for railway

steel bridges by applying a vibration energy harvesting. The paper presents
the overview of the monitoring system and the results of field experiment at
the existing railway steel bridges.
KEYWORDS : 振動発電，モニタリング，鋼鉄道橋
Vibration energy harvesting, monitoring, railway steel bridge

１．まえがき構造物のモニタリングにおいて，これまで度々問題視されてきたのが，センシングやデータ伝送に用いる電源の確保である。鉄道橋では一般に電源を有しておらず，電源のためのケーブルを橋梁まで敷設することはイニシャルコストを大幅に増加させる要因になり得る。近年では電池性能の向上により，ワイヤレスセンサネットワークなど電池を利用したモニタリングシステムも実用化されているが，数年以上の寿命をもつ電池はなく，モニタリングシステムにおける電源の確保は，依然として大きな課題である。
これに対し，筆者らは鋼鉄道橋の振動発電を利用したモニタリングシステムを開発してきており，既に実用に供するレベルまで完成させた。開発したモニタリングシステムは，異常の検知を目的としたタイプと，橋梁の状態の経時変化を監視するタイプの 2 種類である。筆者らが知る限り，土木構造物におけるこのようなモニタリングが振動発電による電力のみで実施されたのは，少なくとも国内では初であると思われる。本稿では，これらの概要について紹介する。
２．振動発電筆者らの開発してきた振動発電は，鋼桁部材に貼り付けた圧電素子を用いて，列車通過時の鋼桁部材の振動から発電するものである。圧電素子とは，電圧を加えると力に変換し，逆に力を加えると電圧を生じる材料であり，身近なところでは 100 円ライターの電気式着火装置などに用いられている。
圧電材料には，セラミックス，水晶，有機高分子などがあり，開発したシステムでは圧電定数の高いセラミックスを利用したが，発生電圧は高いものの発生電流は小さいため，モニタリングシステムを駆動させる電力として利用するために幾つかの工夫をしている。
一つは振動発電の効率化である。振動発電デバイスの多くは共振を利用し，振動数や振幅を増大させることを主体としているが，開発したシステムでは圧電素子を鋼部材に直接貼り付けて利用している。共振を利用したものでは，設置する部材の固有振動数を予め把握しておき，設置部材ごとに共振*

工博

公益財団法人鉄道総合技術研究所

分寺市光町二丁目 8 番地 38）**
公益財団法人鉄道総合技術研究所

構造物技術研究部

構造物技術研究部- 111 -

主任研究員（〒185-8540

研究員

東京都国

表-１ 縦桁における部材ごとの応力と電流および発電量（2 車両分）2)
下フランジ

腹板10MPa01~2Hz1時間[sec]

29MPa
075Hz

−3002010001時間[sec]

2

車軸通過

1時間[sec]210

電流I(t1)[mA]
電流 [mA]

電流I(t1)[mA]
電流 [mA]
2短周期の成分b)30MPa−3000−10075Hz
1時間[sec]

22010

発電量が減少001時間[sec]2短周期の成分b)0−100（平滑コンデンサの電圧Vc）

発電量[V]
コンデンサ電圧Vc[V]（平滑コンデンサの電圧Vc）

発
電量

1時間[sec]

発電量[V]
コンデンサ電圧Vc[V]0−100210（平滑コンデンサの電圧Vc）

電流

電流 [mA]
電流I(t1)[mA]

10

車軸通過
1時間[sec]

長周期の成分a)

0発電量[V]
コンデンサ電圧Vc[V]−30030応力[MPa]30
応力[MPa]応力

応力[MPa]30

鉛直補剛材

1時間[sec]

21時間[sec]

2201000

するよう調整が必要なうえ，列車通過時には部材が固有振動数からはずれた周波数で振動し，発電しない可能性が高いためである。
圧電素子を鋼部材に直接貼り付け，整流回路を用いてコンデンサに電力を溜めて利用する場合，得られる電流（もしくは電圧）は，以下の式で表わされる。
･･
ここで，I：発生電流，V：発生電圧であり，それ以外は，部材応力性状に関するもの：応力の振動数， ：応力の振幅
圧電素子に関するもの
回路に関するものである。

A：面積，s：厚さ，da：圧電定数， ：誘電率，Rd：内部抵抗
R：回路の抵抗振動発電の効率化は，特にこれら部材応力性状，圧電素子，回路に関する各種パラ－メータをどのように設定すれば良いかを調査することによって実現した点に特徴がある 1),2)。一例として，開床式下路トラスの縦桁における部材応力性状に関する試験結果を表-１に示す。下フランジと腹板を比べると，応力の振幅はいずれも 10MPa 程度であるが，発生電流は振動数の高い腹板が大きく，その結果として車軸通過による振動が継続している間，発電量が増加している。一方で補剛材については，発生応力が大きく車軸通過時の短周期の応力成分によって電流が発生しているものの，単発の振動に応じた電流であるため発電量の増加傾向が小さい。つまり，振動発電を行ううえでは，腹板のように振動数が高く，かつ振動が継続するような部材が適していることになる。なお，この試験の詳細や，その他のパラ－メータについての調査結果については，文献 2)を参照されたい。
振動発電による微小な電力でモニタリングシステムを稼働させるための工夫としては，上述のような発電の効率化に加え，システムの省電力化や，蓄電といった点についても行っているが，これらについては２タイプのモニタリングシステムの概要の中で説明する。

- 112 -

３．異常検知のためのモニタリングシステム 1),2)

無線（特定小電力無線）

3.1 システムの概要
異常検知を目的としたモニタリングシステムの概検知結果を列車に送信

要を図-１に示す。本システムの特徴は，振動発電であることに加え，センシング結果を無線送信し，列車内の受信機で受信し，列車でデータを回収することにある。これにより，橋梁に生じた異常を即時的に知るために従来は携帯電話や光通信といった遠距センサ（き裂検知）離（橋梁→管理局）のデータ伝送手段を用いていたが，これらが不要になり，システムの導入コストを大幅に低減することができる。

電源（圧電素子）
センシングおよび無線に用いる電力を，桁の振動から起電する

運用のイメージとしては，車上巡回のときに検査

疲労き裂の生じやすい箇所（例えば，補剛材下端）に塗布し，断線の有無でき裂の発生を検知する

図-1 異常検知のためのシステム

員がデジカメ程度の大きさの受信機を携帯し，乗車した列車が橋梁を通過すると，振動から得られた電力によりセンシングおよび無線送信が行われ，携帯している受信機が自動的に結果を受信する。センサごとに ID をナンバリングしておくことが可能なため，検査員としては受信機を携帯して乗車するだけで，沿線の橋梁のセンシング結果を ID とともに収集できる。
モニタリング対象としては，例えば疲労き裂などが挙げられる。開発したシステムでは，接続したセンサの抵抗値を計測することが可能なため，導電性塗料やき裂検知線などの疲労き裂が進展した際に抵抗値が変化するセンサを用いることで，疲労き裂の有無や進展を検知することができる。実際には，疲労き裂が発生しうる全ての溶接部にシステムを設置することは無いと思われ，疲労き裂の発生後に，補修が完了するまでの間の疲労き裂の進展監視などにおいて効果を発揮すると考えられる。
3.2 省電力化
構造物のような広範囲のモニタリングでは，センシング結果をセンサ間で中継し，一箇所のゲートウェイに集約するマルチホップのセンサネットワークの利用が有効である。この場合，各センサ端末は他からの無線送信に対して常に受信可能な状態（以下，待機）でいる必要がある。さらに各センサ端末は，自身のセンシング結果以外に他から受信したセンシング結果も無線送信するため，無線送信の回数は多くなる。図-２に示すように，各センサ端末の消費電力は，受信のための“待機”，“無線送信”，“センシング”によるものに大別されるが，その大半は電流値は小さいが時間の長い“待機”と，電流値が大きく回数の多い“無線送信”が占めている。
開発したモニタリングシステムでは，部材の振動発電

数ミリ秒

電流待機（受信） 数μ Ａ
時間が長いため消費電力としては多い

数秒～数時間センシング
無線送信数＋mＡ
送信出力（電流）
送信時間（データ量）に依存

時間によるわずかな発電量で動作させるため，列車でセンシ
図-3
センサ端末消費電力の概念図
図-２
センサ端末の消費電力
ング結果を収集することにより，センサ端末の消費電力を大幅に低減したことに特徴がある。この方法は，センサ端末が接近してくる列車に直接センシング結果を無線送信するため，センシング結果を中継して 1 箇所に集約する必要がなく，他からの無線送信を受信するための“待機”に電力を消費しない。さらにセンサ端末は，自身のセンシング結果だけを無線送信するため，無線送信の回数が大幅に低減されるうえ，接近した列車に無線送信するため受信機までの距離が短くなり，1 回の無線送信に消費する電力も低減した。なお，開発したシステムでは，1mW の特定小電力無線を用いた。

- 113 -

図-３ 実橋梁での試験状況
3.3

図-４ 列車通過時の発電状態

実橋梁での検証試験

開発したシステムを用いて実橋梁において検証試験を行った（図-３）。開床式下路トラスの縦桁腹板に，80×80×1mm の圧電素子（圧電定数 354pc/N）を貼り付けることで振動発電をした。発電した電力は 470μF の平滑コンデンサに蓄え，コンデンサ電圧がおよそ 5V になると，センシングおよび無線送信を行う仕様となっている。なお，センサには光量に応じて抵抗値が変化する光センサを接続し，センサ部を露光した状態と被覆した状態を故意に再現し，センシング結果を検証した。導電性塗料のような実用が想定されるセンサの導入も考えられたが，センシング結果の検証を容易にするため光センサを使用した。
10 両編成の列車が通過したときの，発電量（コンデンサ電圧）の推移の一部を図-４に示す。時間の経過に伴いコンデンサ電圧が上昇し，5V を超えた時点で無線送信による電圧の降下が見られ，降下後はおよそ 1.5 秒で再び 5V に到達している。本試験においては，10 両が通過する間に平均して 5 回の無線送信が行われていた。なお，5V を超えてもしばらく無線送信を行っていないのは，特定小電力無線が一度無線送信してから次の無線送信までは 2 秒間をあける必要があるためである。
列車の最後尾車両に受信機を携帯して乗車し，無線の受信についても検証した。結果は，センサからは 5 回無線送信されるのに対し，平均の受信回数は 3.7 回であった。
これは，10 両編成（列車長 200m）の列車では，最初の 1，2 回目の無線送信が 2 両目や 4 両目が通過している時点で行われるが，特定小電力無線の通信距離がおよそ 100m であるため，その無線が最後尾車両まで届かなかったためである。
橋梁の異常（例えば疲労き裂の有無）については，1 回の受信で確認することができるため，このように一部の無線送信を受信できなかったとしても，モニタリングに対する無線通信としては十分な性能であると考えている。
以上のように，振動発電を利用した異常検知のためのモニタリングシステムが，列車通過時の振動によりセンシングおよび無線送信を行い，その結果を列車内で受信できることを確認した。
４．状態監視のためのモニタリングシステム 3)-4)
4.1 システムの概要
モニタリングの形態としては前述のような異常検知を目的としたものの他に，橋梁の状態の経時的な変化を監視するものがある。例えば，可動沓の活荷重に対する可動状態の変化を捉えたり，温度変化とそれによる変形の相関から橋梁の性能の低下を把握したりするもの 5)である。このようなモニタリングでは，列車通過時の可動沓変位の動的測定や，温度とそれに対する変形のインターバル測定が必要となる。
前述の異常検知のためのモニタリングシステムは，列車通過時に発電した電力をその瞬間に利用するものであるため，動的測定やインターバル測定を行うようなモニタリングには適用することができない。そこで，振動発電によって得られた電力を大容量のキャパシターに蓄電し，動的測定やインターバル測定に利用できるシステムを開発した。動的測定については，必要な電力が蓄電された時点で- 114 -40 秒間の動的測定（100Hz）を行い，インターバル測定については，10 分ごとに静的な測定を行うものである。キャパシターへの蓄電方法の詳細については，文献 3)を参照されたい。
4.2

実橋梁での検証試験

開発したモニタリングシステムを開床式下路トラスの可動支承に設置し（図-５），本システムの検証を行った。振動発電に利用する圧電素子は縦桁腹板（一部は，端横桁腹板）に設置し，センサは接触式の変位計を可動支承に，温度計を端横桁に設置している。なお，当該橋梁では橋脚の傾斜により下沓の位置が経時的に変化し，支承の可動範囲が制約される恐れがあることと，経年によりローラーの可動機能の低下の恐れがあるために，長期的なモニタリングを実施した経緯がある。
図-６に，測定した温度変化とそれに対する支承変位を示す。振動発電のみによって，2 年間継続的にモニタリングが実施できていることが分かる。図-６の測定結果について温度と変位の関係をみると（図-7(a)），ほぼ線形の関係を有しており，線膨張係数と橋長から算出される理論値と一致しており，可動支承としては健全な状態にあることが分かる。一方で，別の橋脚上の可動支承で測定した結果をみると（図-7(b)），温度が 15 度より低下すると，支承が変位していないことが分かる。これは，当該橋脚が傾斜したために可動支承の下沓の位置がずれてしまい，桁端に設置されている耐震連結板の可動範囲を超えてしまったことが原因である。なお，健全な支承についても継続的に変位をモニタリングし，例えば図-６の支承変位の基線のずれの傾向を捉えることで，可動範囲を超える可能性があるのか，さらにはそれがいつ頃生じるのかといったことが把握でき，対策時期の選定や予算確保に資する情報が得られるものと考えられる。
図-８には列車が通過したときの支承変位を，また図-９にはその時の最大変位のみを経時的にプロットしたものを示す。この結果から分かるように，動的応答についても振動発電のみによって計測することが可能であり，さらに継続的に測定をし続けていけていることが確認できた。なお当該橋梁においては，12 列車の通過によって蓄電された電力で 1 回の動的測定（100Hz，40 秒間）が可能であった。図-９の測定結果を見ると，支承の最大変位は乗車率や列車速度によるバラツキは見られるものの2013年

図-５ 実橋梁での試験状況

図-６ 実橋梁での試験状況

3030

理論値

理論値
20

支承変位[mm]

支承変位[mm]20100-10100

耐震連結板による閊え

-10-20-30-5

2014年

-200

510 15 20 25 30 35 40 45

桁温度[℃]-30-505

10 15 20 25 30 35 40 45

桁温度[℃](a) 健全な支承［図-6］(b) 変位に閊えが見られる支承
図-７ 支承変位と桁温度との関係- 115 -

図-８ 列車通過時の支承変位

図-９ 支承変位最大値の経時変化

表-２ 開発した２つのモニタリングシステム

約 2～3mm の範囲で推移しており，活荷重に対する可動機能は一定に保たれていることが分かった。このようなモニタリングを継続することで，可動機能の低下についても把握していくことが可能であると考えられる。
５．まとめ
本稿では鋼鉄道橋における振動発電を利用した２つのモニタリングシステム（表-２）について紹介した。いずれも実橋梁での検証結果が良好であり，実用レベルにあるものと考えている。なお，振動発電に利用している圧電素子は殆ど劣化することがなく，半永久的に利用することが可能であるが，システムの耐久性については今後も検討を続けていく。また，今回のシステムでは橋梁部材における振動を利用したものであるが，筆者らはマクラギにおける振動発電についても検討を行っている 6)。
これらについては，一定の成果が得られた段階で報告していく。
参考文献
1) 小林裕介：鋼鉄道橋における振動発電を利用したモニタリングシステム，橋梁と基礎，Vol.44，No.8，pp.69-72，2010．
2) 吉田善紀，小林裕介，内村太郎：鋼鉄道橋の振動発電を利用したモニタリングシステムの開発，
土木学会論文集，Vol.70，No.2，pp.282-294，2014．
3) 吉田善紀，小林裕介，和田一範：鋼鉄道橋の振動発電を利用した充電手法の動態観測モニタリン
グへの適用，構造工学論文集 A，Vol.61A，pp.532-543，2015．
4) 和田一範，吉田善紀，小林裕介：振動発電を充電利用した構造物の長期計測システムの開発，土木学会第 67 回年次学術講演会，I-098，2012．
5) 小林裕介，三木千壽，田辺篤史：鋼床版箱桁橋梁の温度変形挙動を利用した健全度評価モニタリ
ング，土木学会論文集 A，Vol.62，No.4，pp.794～807，2006．
6) 吉田善紀，小林裕介：マクラギにおける発電を利用したモニタリングシステムの電源開発，土木学会第 66 回年次学術講演会，IV-095，pp.189-190，2011．

- 116 -第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム（2015.08.07）
鋼橋の長寿命化への技術展開～モニタリングと防食技術～

モニタリングシステムの課題と振動発電
問題 システムの電源確保
センサネットワークのセンサ端末電池寿命

鋼鉄道橋における振動発電によるモニタリング

GatewayOfficeSensor

構造物では初の試み

開発

公益財団法人 鉄道総合技術研究所

鋼鉄道橋の振動発電を利用した２種類モニタリングシステムを開発
微小な発電量小林 裕介

Approach 1：消費電力の低減

Approach 2：発電効率の向上

Approach 3：蓄電
2Railway Technical Research Institute第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

A:異常検知タイプ 概要

システムの特徴① ： 省電力化
【列車内での受信イメージ】
橋梁

き裂の有無を無線送信

列車により収集

ID

A橋梁

B橋梁
:部位

Break Through ①

き裂

001

補剛材下端 ①OK002

補剛材下端 ②OK003

起点側支承部

OK004

終点側支承部

OK005

ソールプレート①

き裂006ソールプレート②

OK:::

列車でデータを回収したことにより省電力化を実現
従来のセンサ端末の消費電力■ 従来のマルチホップセンサネットワーク
Gateway
Sensor1

Sensor2

電流

センシング

Sensor3

待機（受信）■ 今回提案するシステム

無線送信【運用のイメージ】
Sensor1

・ 疲労き裂補修までの監視
電力を送信器に供給圧電素子
桁の振動で発電

Sensor2

Sensor3

・ 線区の橋梁のデータを列車から一度に回収可能

今回のシステムの消費電力
Point 1 消費電力の大きかった

電池交換 と 遠距離通信 が不要

Point 2 送信出力が小さくて良い“待機”が不要3

Railway Technical Research Institute4

Railway Technical Research Institute第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

システムの特徴② ： 高効率化

異常検知タイプ［Prototype］
R [抵抗]

電気の溜まり具合

使用した無線 ＋ 要求電力
特定小電力無線 ［送信出力1mW］

実橋梁において試験

平滑コンデンサ470μFで5V必要

圧電素子

Rectifier

Smoothing condenser

振動発電に影響する因子

σ0：応力振幅 ω ：振動数
A ：面積 s ：厚さ d ：圧電定数
R ：負荷抵抗（回路の抵抗）
Railway Technical Research Institute

設置箇所

R が小さい時の V(t)
電気の量 （溜めこむ速さ）
R が大きい時の V(t)最終的に溜められる量

縦×横
圧電素子 厚さ
圧電定数
整流回路

80 mm

振動発電の仕様

圧電素子

V(t)

時間

縦桁ウェブ

送信機

80 × 80 mm2
1.0 mm354 pc/N
ブリッジ型全波整流

縦桁ウェブ

橋梁においては

部材種別想定される発電量

圧電素子

2両通過するまでに（1.8秒以内）1回無線送信が可能

溜まり具合で変化
5

Railway Technical Research Institute- 117 -6

第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

Prototype 検証結果① － 発電性状Prototype 検証結果② － 無線通信

無線送信による電圧の降下【疑問】
鋼桁部材（鉄板）は，電波を遮蔽しないか？

要求電圧5V

電車のノイズに邪魔されないか？
車内で受信できるのか？

1.5 秒

結果

1.5 ～ 2.0 秒で要求電圧に達する→ 設計通り1編成（10両）通過で 5回送信可

振動発電の成功 ！

【試験結果】
１列車通過時にセンサから5回送信 （試行7列車）
最後尾車両において平均3.7回受信
7Railway Technical Research Institute8

Railway Technical Research Institute第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

課題

B：状態監視タイプ 概要 ・インターバル測定ができない（特に夜間）支承位置（脚の傾斜）のモニタリングへの適用

・電力が足りず、動的な測定も不可
概要
測定システム
データ回収
対応センサ
数本～数十本の列車分を蓄電し、→ 好きなタイミングで測定
緊急性の高い【Ａ】
異常のみを検知→ 動的な測定
静的測定
異常検知
を可能にした（列車通過時）例：
タイプ
疲労き裂有無

橋梁上の列車に無線通信→ 列車で回収上沓の中心位置

【Ｂ】
状態監視
例：
タイプ

支承変位の監視

静的測定（インターバル測定10分に１回）
動的測定（100Hzで40秒間3日に1回）

２年に１回の検査では支承位置を適切に捉えることが難しい

温度変化
による変位

ひずみゲージ※
変位計
温度計
加速度計※
き裂検知線等

固定支承

支承位置の経時変化をモニタリング

可動支承
橋脚状態の変化を経時的に監視

通信成功 ！

脚の傾斜

縦桁・横桁腹板

測定器に保存→ 検査員が回収

ひずみゲージ
変位計
温度計
加速度計

可動支承

圧電素子

変位計

脚の傾斜
列車通過
時に充電
9

Railway Technical Research Institute

10分間隔の測定に利用
10Railway Technical Research Institute第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

モニタリング結果 【温度応答】

モニタリング結果 【活荷重応答】（参考）
理論値

健全な支承
2013年

2014年
理論値

耐震連結板による閊え

☑ 振動発電のみで、動的計測も可能☑ ローラーの稼働状態が低下してないことを確認

支承位置が不適切振動発電による電力のみで、２年以上モニタリングを継続
Railway Technical Research Institute11- 118 -Railway Technical Research Institute12第１８回 鋼構造と橋に関するシンポジウム

まとめ
振動発電を利用した２タイプのモニタリングシステムを開発
ＴｙｐｅＡ 異常検知タイプ
 列車通過時に発電した電力を利用．
 検知結果は，電車で受信し回収．
 疲労き裂の発生や進展の検知を目的．（き裂の補修までの監視 等）【参考文館】 吉田 善紀，小林 裕介，内村 太郎：鋼鉄道橋の振動発電を利用したモニタリングシ
ステムの開発，土木学会論文集，Vol.70，No.2，pp.282-294，2014．
［H26年 田中賞（論文部門） ］

ＴｙｐｅＢ 状態監視タイプ
 列車通過時に発電した電力を充電．
 10分間隔のインターバル測定や，動的測定が可能．
 傾斜が問題の脚において，支承位置の監視を２年間継続．
【参考文館】 吉田 善紀，小林 裕介，和田 一範：鋼鉄道橋の振動発電を利用した充電手法の動態観測モニタリングへの適用，構造工学論文集A，Vol.61A，pp.532-543，2015．

Railway Technical Research Institute13- 119 -