JP2019148527A - 構造物の破損検知センサ及び破損検知システム - Google Patents

Abstract

【課題】構造物に破損が発生したか否かを誤判定なく確実に検知できる構成でありながらも、広い検知範囲を実現できる構成を提供する。【解決手段】構造物に取り付けられ、前記構造物の破損を検知するセンサであって、前記構造物に接続され、破断予定部が形成されたセンサシートと、前記センサシート上に形成され、前記破断予定部を横断する少なくとも１つの検知回路と、前記検知回路に電気的に接続され、前記検知回路が断線すると自己の検知情報が書き換えられる少なくとも１つのＲＦＩＤタグと、前記ＲＦＩＤタグに電気的に接続された少なくとも１つのアンテナ回路と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両等の構造物の破損を検知するセンサ及びシステムに関する。

特許文献１には、構造物の疲労亀裂の発生を検出する方法が開示されている。この方法では、タービン翼にＲＦＩＤタグを貼り付け、タービン翼に亀裂が発生したときに、当該亀裂によりＲＦＩＤが動作不能になってＲＦＩＤタグがＲＦＩＤリーダで読み取りできないことで亀裂の発生を判定するようにしている。しかし、使用環境が過酷な状況である場合には、ＲＦＩＤタグが亀裂以外の要因で動作不能になることも考えられ、実際には亀裂が発生していないときに亀裂が発生したと誤判定する可能性がある。

特許文献２には、構造物の疲労亀裂の発生を検出する線状検出具が開示されている。この装置では、構造物のうち応力が集中しやすい箇所に検出線を接着し、その検出線に検出装置本体が接続される。そして、構造物に疲労亀裂が発生すると検出線が断線し、その断線を検知した検出装置本体がＬＥＤを発光させる他にＩＣタグを内蔵するなどして管理者が亀裂情報を受信できるようになっている。この構成によれば、亀裂以外の要因で検出線が断線する可能性は低いため、誤判定を防止することができる。

特開２０１０−２０３４３３号公報 特許第４８０１６５１号公報

しかし、特許文献２の構成では、構造物において検出線が配置された位置から外れた部位で疲労亀裂が発生した場合には、検出線が断線されないことで当該亀裂を検出することができず、疲労亀裂の検知範囲が狭いという問題がある。また、常時、通電させた検知線が断線することで疲労亀裂を検出する構成であるため、外部電源が必要となるという問題もある。

そこで本発明は、構造物に破損が発生したか否かを誤判定なく確実に検知できる構成でありながらも、広い検知範囲を実現できる構成を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る構造物の破損検知センサは、構造物に取り付けられ、前記構造物の破損を検知するセンサであって、前記構造物に接続され、破断予定部が形成されたセンサシートと、前記センサシート上に形成され、前記破断予定部を横断する少なくとも１つの検知回路と、前記検知回路に電気的に接続され、前記検知回路が断線すると自己の検知情報が書き換えられる少なくとも１つのＲＦＩＤタグと、前記ＲＦＩＤタグに電気的に接続された少なくとも１つのアンテナ回路と、を備える。

前記構成によれば、構造物のうち破損（例えば、疲労亀裂、ボルト破断、車体部品外れ、重要機器の蓋外れ等）が発生する可能性のある部位に破損検知センサを取り付ければ、構造物に破損が生じたときにセンサシートが歪んで破断予定部が破断し、検知回路が断線する。そうすると、ＲＦＩＤタグの情報が書き換えられるため、アンテナ回路を介してＲＦＩＤタグの情報を無線で読み取ることで、構造物に破損が発生したか否かを誤判定なく確実に検知することができる。しかも、構造物の破損が検知回路以外の位置で発生しても、当該破損による歪みがセンサシートに伝達されると、センサシートに脆弱な破断予定部があることで、センサシートが破断予定部において破断して検知回路が断線する。即ち、構造物の破損が検知回路とは異なる位置で発生しても、当該破損がセンサシートに伝達されることで、センサシートは破断予定部により検知回路を断線させることができる。よって、破損検知センサにおいて広い検知範囲を実現することができる。

本発明の一態様に係る構造物の破損検知システムは、前記した破損検知センサと、前記破損検知センサの前記ＲＦＩＤタグのＩＤ情報及び前記検知情報を前記アンテナ回路を介して無線で受信するＲＦＩＤリーダと、前記ＩＤ情報と前記構造物における位置との対応関係を保存したデータベースと、前記ＲＦＩＤリーダで読み取った前記ＩＤ情報及び前記検知情報をネットワークを介して受信し、その受信したＩＤ情報と前記データベースのＩＤ情報とを照合して前記検知情報を前記構造物における位置に関連付けるサーバと、を備える。

前記構成によれば、サーバにおいて、構造物における破損の発生により検知回路が断線して書き換えられた検知情報が、構造物における位置に関連付けられるので、サーバを参照することで、構造物における破損発生位置を簡単に把握することができ、メンテナンス作業を容易化することができる。

本発明によれば、構造物に破損が発生したか否かを誤判定なく確実に検知できる構成でありながらも、広い検知範囲を実現できる構成を提供することができる。

第１実施形態に係る構造物の破損検知システムの模式図である。 図１に示す破損検知センサの平面図である。 図１に示すサーバでのＩＤ情報と検知情報と位置情報との関連付けを説明する図面である。 第２実施形態に係る破損検知センサの平面図である。 第３実施形態に係る破損検知センサの平面図である。 第４実施形態に係る破損検知センサの平面図である。 第５実施形態に係る破損検知センサの断面図である。 第６実施形態に係る破損検知センサの断面図である。 第７実施形態に係る破損検知センサの平面図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、実施形態に係る構造物１０の破損検知システム１の模式図である。図１に示すように、破損検知システム１は、構造物１０に繰り返し外力（例えば、繰り返し応力や振動）が作用することで発生する構造物１０の経時的要因による破損を検知するシステムである。破損検知システム１は、ＲＦＩＤ（Radio frequency identifier）を利用して構造物１０の破損を検知し、構造物１０の保守負担を軽減することに寄与する。構造物１０は、一例として鉄道車両（の台車又は車体）であるが、航空機、船舶等の輸送機器、橋梁等の他の構造物であってもよい。複数の破損検知センサ１１は、構造物１０の応力集中し易い複数の箇所にそれぞれ貼り付けられる。破損検知システム１は、複数の破損検知センサ１１、ＲＦＩＤリーダ２、データ処理装置３、サーバ４、及び、データベース５を備える。

ＲＦＩＤリーダ２は、破損検知センサ１１の後述するＲＦＩＤタグ２３の識別情報及び検知情報を含む信号を非接触で読み取る。ＲＦＩＤリーダ２は、構造物１０の近傍に設置されたものでもよいし、作業者が所持するポータブル式のものでもよい。データ処理装置３は、ＲＦＩＤリーダ２が読み取った信号を処理し、ネットワークＮ（例えば、インターネット）を介してサーバ４に送信する。なお、ネットワークはインターネットに限定されるものでなく、ＬＡＮやＷＡＮ、衛星通信回線、携帯電話網など、その他各種通信ネットワークでもよい。データベース５には、後述するＲＦＩＤタグ２３のＩＤ情報と当該ＲＦＩＤタグが設置された構造物１０上の位置を示す位置情報との間の対応関係が予め保存されている。サーバ４は、データベース５を参照しながらデータ処理装置３から受信した信号を演算処理し、その演算結果を運転指令所等の外部施設に送信する。サーバ４の処理データは、データベース５に蓄積保存される。

図２は、図１に示す破損検知センサ１１の平面図である。図２に示すように、破損検知センサ１１は、構造物１０の応力集中し易い箇所に貼り付けられる。破損検知センサ１１は、センサシート２１、検知回路２２（タンパー検知回路）、ＲＦＩＤタグ２３、及びアンテナ回路２４を備える。センサシート２１は、構造物１０に対して接着により貼り付けられることで構造物１０に接続される。センサシート２１には、他の部位よりも脆弱な線状の破断予定部２１ａが形成されている。本実施形態では、破断予定部２１ａはミシン目である。なお、破断予定部２１ａは、センサシート２１において優先的に破断される部位を形成するものであればミシン目に限られず、例えば薄肉部や切込部等でもよい。

検知回路２２は、センサシート２１上に形成され、破断予定部２１ａを横断している。即ち、検知回路２２は、センサシート２１が破断予定部２１ａにおいて破断したときに断線するように配置された閉回路である。ＲＦＩＤタグ２３は、検知回路２２に電気的に接続されている。ＲＦＩＤタグ２３は、電源が不要なパッシブＲＤＩＤタグである。ＲＦＩＤタグ２３は、検知回路２２が断線すると自己の検知情報が書き換えられるように構成されている。即ち、ＲＦＩＤタグ２３は、自己のＩＤ情報と、自己に接続された検知回路２２が断線されているか否かを示す検知情報とを記憶している。例えば、ＲＦＩＤタグ２３は、検知回路２２が断線している状態では検知情報として「０」を記憶し、検知回路２２が断線していない状態では検知情報として「１」を記憶する。アンテナ回路２４は、ＲＦＩＤタグ２３に電気的に接続されている。ＲＦＩＤタグ２３は、アンテナ回路２４を介して受信した信号に基づいて起電し、アンテナ回路２４を介してＩＤ情報及び検知情報を外部に無線で送信する。

破損検知センサ１１は、センサシート２１のうちＲＦＩＤタグ２３及びアンテナ回路２４が設けられた表面とは反対側の裏面を構造物１０に接着する。その際、破損検知センサ１１は、構造物１０の想定される疲労亀裂Ｘに破断予定部２１ａが沿うように構造物１０に貼り付けられる。そして、構造物１０に疲労亀裂が発生すると、センサシート２１が歪んでセンサシート２１が破断予定部２１ａにて破断し、検知回路２２が断線する。そうすると、ＲＦＩＤタグ２３の情報が書き換えられるため、アンテナ回路２４を介してＲＦＩＤタグ２３の情報を無線で読み取ることで、構造物１０に疲労亀裂が発生したか否かを誤判定なく確実に検知することができる。

しかも、構造物１０の疲労亀裂が検知回路２２以外の位置で発生しても、当該疲労亀裂による歪みがセンサシート２１に伝達されると、センサシート２１に脆弱な破断予定部２１ａがあることで、センサシート２１が破断予定部２１ａにおいて破断して検知回路２２が断線する。即ち、構造物１０の疲労亀裂が検知回路２２とは異なる位置で発生しても、当該疲労亀裂がセンサシート２１に歪みとして伝達されて破断予定部２１ａにより検知回路２２を断線させることができる。よって、破損検知センサ１１において広い検知範囲を実現することができる。

図３は、図１に示すサーバ４でのＩＤ情報と検知情報と位置情報との関連付けを説明する図面である。図１及び３に示すように、サーバ４は、データベース５を参照し、ＲＦＩＤタグ２３のＩＤ情報と構造物１０におけるＲＦＩＤタグ２３の位置に関する位置情報との対応関係を取得する。サーバ４は、破損検知センサ１１からＲＦＩＤリーダ２３で読み出されたＩＤ情報及び検知情報（検知信号）の組合せをデータ処理装置３及びネットワークＮを介して取得する。

そして、サーバ４は、データベース５から取得した前記対応関係と破損検知センサ１１から取得した前記ＩＤ情報及び前記検知情報の組合せとから、前記検知情報をＲＦＩＤタグ２３の位置情報に関連付ける。サーバ４は、この関連付けられた検知情報及び位置情報を運転指令所に送信し、運転指令所から運転士等に当該情報を知らせる。このような構成により、構造物１０における破損発生位置を簡単に把握することができ、メンテナンス作業を容易化することができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る破損検知センサ１１１の平面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図４に示すように、第２実施形態の破損検知センサ１１１では、センサシート１２１に線状の破断予定部１２１ａが複数（例えば、図４では３本）設けられている。検知回路２２は、これら複数の破断予定部１２１ａを全て横断している。そのため、複数の破断予定部１２１ａのうち１つの破断予定部１２１ａのみが破断して残りの破断予定部１２１ａが破断しなかったとしても、検知回路２２は断線する。

従って、構造物の疲労亀裂が想定と異なる位置で発生しても、その疲労亀裂がセンサシート２１に歪みとして伝達されて少なくとも１つの破断予定部１２１ａにより検知回路２２を断線させることができる。よって、破損検知センサ１１１において広い検知範囲を実現することができる。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る破損検知センサ２１１の平面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図５に示すように、第３実施形態の破損検知センサ２１１では、検知回路２２２がセンサシート２１の破断予定部２１ａを蛇行状に繰り返し横断している。この構成によれば、センサシート２１が破断予定部２１ａの一部のみで破断した場合にも、検知回路２２２が断線する可能性を高めることができ、検知感度が向上する。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第４実施形態）
図６は、第４実施形態に係る破損検知センサ３１１の平面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図６に示すように、第４実施形態の破損検知センサ３１１は、１枚のセンサシート３２１に、複数の検知回路２２２、複数のＲＦＩＤタグ２３及び複数のアンテナ回路２４が搭載されている。図６の例では、検知回路２２２、ＲＦＩＤタグ２３及びアンテナ回路２４は、それぞれ３つ設けられているが、個数は特に限定されない。各検知回路２２２は、各ＲＦＩＤタグ２３にそれぞれ独立して電気的に接続されている。各ＲＦＩＤタグ２３は、各アンテナ回路２４にそれぞれ独立して電気的に接続されている。

各検知回路２２２は、センサシート３２１上の互いに異なる位置で破断予定部３２１ａを横断している。各検知回路２２２は、破断予定部３２１ａの一方側から他方側に向けて順番に並んでいる。検知回路２２２は、第３実施形態と同様に破断予定部３２１ａを蛇行状に横断しているが、第１実施形態のように蛇行状でない形状としてもよい。複数のＲＦＩＤタグ２３及びアンテナ回路２４は、センサシート３２１上において破断予定部３２１ａを挟んだ一方側と他方側とに分かれて分散配置されている。図６の例では、複数のＲＦＩＤタグ２３及びアンテナ回路２４は、破断予定部３２１ａを挟んだ一方側と他方側とに交互に配置されている。

このような構成によれば、センサシート３２１が破断予定部３２１ａの一部のみで破断した場合にも、複数の検知回路２２２のうち何れか１つが断線することで、断線検知の可能性を高めることができ、破損検知センサ３１１の感度が向上する。また、センサシート３２１上の互いに異なる位置に形成された複数の検知回路２２２がそれぞれ複数のＲＦＩＤタグ２３に電気的に接続されているため、複数の検知回路２２２のうち断線された回路の位置及び数により、構造物の疲労亀裂の進行度合いを段階的に把握することができる。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第５実施形態）
図７は、第５実施形態に係る破損検知センサ４１１の断面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図７に示すように、第５実施形態の破損検知センサ４１１では、センサシート４２１は、破断予定部４２１ａが形成されたセンサ支持部４２１ｂと、ＲＦＩＤタグ２３及びアンテナ回路２４が搭載されたＲＦＩＤ支持部４２１ｃとを有する。

アンテナ回路２４は、センサシート４２１の接着面４２１ｄ（構造物１０と接着される裏面）とアンテナ回路２４との間の距離が接着面４２１ｄと検知回路２２との間の距離よりも大きくなるように配置されている。具体的には、センサシート４２１は、ＲＦＩＤ支持部４２１ｃがセンサ支持部４２１ｂよりも厚肉になるように形成されている。なお、ＲＦＩＤ支持部４２１ｃは、中実で厚肉化する代わりに中空状で外形を厚肉化してもよい。このような構成によれば、構造物１０が金属製であるときに、アンテナ回路２４が構造物１０の表面から離れるため、無線品質の安定化を図ることができる。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第６実施形態）
図８は、第６実施形態に係る破損検知センサ５１１の断面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図８に示すように、第６実施形態の破損検知センサ５１１では、センサシート５２１は、破断予定部５２１ａが形成されたセンサ支持部５２１ｂと、ＲＦＩＤタグ２３及びアンテナ回路２４が搭載されたＲＦＩＤ支持部５２１ｃとを有する。アンテナ回路２４は、センサシート５２１の接着面５２１ｄ（構造物１０と接着される裏面）とアンテナ回路２４との間の距離が接着面５２１ｄと検知回路２２との間の距離よりも大きくなるように配置されている。

具体的には、センサシート５２１は、センサ支持部５２１ｂとＲＦＩＤ支持部５２１ｃとの間に屈曲部５２１ｅを有し、ＲＦＩＤ支持部５２１ｃがセンサ支持部５２１ｂに重なるように折り返されている。ＲＦＩＤ支持部５２１ｃのうちセンサ支持部５２１ｂと対向する面にはＲＦＩＤタグ２３が搭載され、ＲＦＩＤ支持部５２１ｃのうちセンサ支持部５２１ｂと反対側の面にはアンテナ回路２４が搭載されている。ＲＦＩＤタグ２３とアンテナ回路２４とはＲＦＩＤ支持部５２１ｃの貫通孔を通して導通されている。なお、ＲＦＩＤタグ２３はアンテナ回路２４と同じ側に配置されてもよい。また、センサ支持部５２１ｂとＲＦＩＤ支持部５２１ｃとを屈曲部５２１ｅで連続させる代わりに、センサ支持部５２１ｂとＲＦＩＤ支持部５２１ｃとを互いに分離した構成としてもよい。

ＲＦＩＤ支持部５２１ｃは、センサ支持部５２１ｂに接続部材５２５（例えば、面ファスナー又は接着材等）により固定されてセンサ支持部５２１ｂに重なった状態が維持される。このような構成によれば、構造物１０が金属製であるときに、アンテナ回路２４が構造物１０の表面から離れるため、無線品質の安定化を図ることができる。なお、他の構成は前述した第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

（第７実施形態）
図９は、第７実施形態に係る破損検知センサ６１１の平面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図９に示すように、第７実施形態の破損検知センサ６１１は、ベースシート６２６を備える。ベースシート６２６は、センサシート６２１が重ねられたセンサ支持部６２６ａと、センサシート６２１とは異なる位置に配置されてＲＦＩＤタグ２３及びアンテナ回路２４が搭載されたＲＦＩＤ支持部６２６ｂとを有する。センサシート６２１には、破断予定部６２１ａとして切込み部が形成されているが、破断予定部６２１ａとしてミシン目等を形成してもよい。

ＲＦＩＤタグ２３に電気的に接続された検知回路６２２は、破断予定部６２１ａを横断している。センサシート６２１は、破断予定部６２１ａ（例えば、切込み部）を挟んだ両側においてベースシート６２６に部分的に固定されている。一例として、センサシート６２１は、破断予定部６２１ａを挟んだ両側においてベースシート６２６にマイクロ抵抗溶接Ｗにより部分的に固定されている。ベースシート６２６の少なくともセンサ支持部６２６ａは、センサシート６２１とは反対側の裏面において構造物に貼り付けられる接着面を有する。

このような構成によれば、構造物に疲労亀裂が生じてベースシート６２６のセンサ支持部６２６ａに歪みが生じると、その歪みがセンサシート６２１に伝達されて破断予定部６２１ａにて安定して破断を生じさせることができる。そして、構造物に破損検知センサ６１１を取り付ける際には、センサシート６２１を構造物に接触させずに済むので、ベースシート６２１の少なくともセンサ支持部６２６ａを構造物に単に貼り付ければよく、取付作業を簡単に行うことができる。また、ＲＦＩＤタグ２３及びアンテナ回路２４は、破断するセンサシート６２１ではなくベースシート６２６に搭載されるので、ＲＦＩＤタグ２３及びアンテナ回路２４が安定的に保持され、安定した無線通信を行うことができる。なお、このベースシート６２６を用いる態様は、前述した別の各実施形態の構成に適用されてもよい。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、その構成を変更、追加、又は削除することができる。例えば、１つの実施形態中の一部の構成又は方法を他の実施形態に適用してもよく、実施形態中の一部の構成は、その実施形態中の他の構成から分離して任意に抽出可能である。前述した各破損検知センサは、疲労亀裂を検知するために用いられる以外にも、ボルト破断、車体部品外れ、重要機器の蓋外れ、膨らみ等の破損現象を検知するために用いられてもよい。

１ 破損検知システム
２ ＲＦＩＤリーダ
３ データ処理装置
４ サーバ
５ データベース
１０ 構造物
１１，１１１，２１１，３１１，４１１，５１１，６１１ 破損検知センサ
２１，１２１，３２１，４２１，５２１，６２１ センサシート
２１ａ，１２１ａ，３２１ａ，５２１ａ，６２１ａ 破断予定部
２２，２２２ 検知回路
２３ ＲＦＩＤタグ
２４ アンテナ回路

Claims (5)

1. 構造物に取り付けられ、前記構造物の破損を検知するセンサであって、
   前記構造物に接続され、破断予定部が形成されたセンサシートと、
   前記センサシート上に形成され、前記破断予定部を横断する少なくとも１つの検知回路と、
   前記検知回路に電気的に接続され、前記検知回路が断線すると自己の検知情報が書き換えられる少なくとも１つのＲＦＩＤタグと、
   前記ＲＦＩＤタグに電気的に接続された少なくとも１つのアンテナ回路と、を備える、構造物の破損検知センサ。
2. 前記破断予定部は、ミシン目、薄肉部又は切込部を有する、請求項１に記載の構造物の破損検知センサ。
3. 前記検知回路は、前記破断予定部を蛇行状に横断している、請求項１又は２に記載の構造物の破損検知センサ。
4. 前記少なくとも１つの検知回路、前記少なくとも１つのＲＦＩＤタグ、及び前記少なくとも１つのアンテナ回路は、複数の検知回路、複数のＲＦＩＤタグ、及び複数のアンテナ回路をそれぞれ含み、
   前記複数の検知回路は、前記複数のＲＦＩＤタグにそれぞれ電気的に接続され、互いに異なる位置で前記破断予定部を横断している、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の構造物の破損検知センサ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の破損検知センサと、
   前記破損検知センサの前記ＲＦＩＤタグのＩＤ情報及び前記検知情報を前記アンテナ回路を介して無線で受信するＲＦＩＤリーダと、
   前記ＩＤ情報と前記構造物における位置との対応関係を保存したデータベースと、
   前記ＲＦＩＤリーダで読み取った前記ＩＤ情報及び前記検知情報をネットワークを介して受信し、その受信したＩＤ情報と前記データベースのＩＤ情報とを照合して前記検知情報を前記構造物における位置に関連付けるサーバと、を備える、構造物の破損検知システム。

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