JP2696644B2 - レール変位量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、軌道検測車に搭載さ
れ、レールの左右の変位量を測定する装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図３(a) において、軌道１０は２条のレ
ール１a,１b が基準ゲージの軌間Ｇをなして敷設されて
構成される。なんらかの理由によりレールが変位して、
(b) のように直線Ｌ（曲線部においては所定の曲線）に
対して不当に湾曲し、または軌間が基準ゲージと相違し
たＧ’となると列車の安全運行に支障する。これに対し
て軌道検測車に変位量測定装置を設け、軌間とレールの
通り（直線性）の狂い量が定期的に検測されている。図
(c) は軌間Ｇの定義を示し、両レール１a,１b のそれぞ
れの頭部を形成する踏面11a,11b と側面12a,12b の交差
部分の所定の点をとり、両レールの２点間の距離が軌間
とされる。新幹線においては検測車を営業列車と同様の
高速で走行し、昼夜に亘って変位量を測定する必要があ
る。これに対して、当初に使用された機械式の左右変位
検出器は高速に適当しないので、光学式の測定装置が開
発されている。

【０００３】図４は新幹線を対象とした変位量測定装置
の光学部の構成図で、(a) は平面を(b) はレールに対す
る直角断面を示す。(a),(b) において、検測車の台車
（図示省略）に設けられた釣り合い梁２a,２b に測定枠
２c を固定し、これに対して防振ゴム２d を介してベー
ス板２e を弾性的に固定する。ベース板に両側のレール
１a,１b に対する光学系３Ａ，３Ｂを設ける。各光学系
は投光器３a とミラー３b よりなる投光系と、受光器３
c とミラー３d よりなる受光系とにより構成され、各レ
ールに対して４５°の斜め上方より投受光するように対
称的に配設される。なお上記の光学系により検出された
変位量は台車基準であって、これを車体基準に変換する
必要があり、このために図(a) に４で示す変換機構が設
けられている。

【０００４】図５(a) は上記の投光器３a の構成を示
す。光源31にはハロゲンランプを使用し、その発光光は
投光レンズ32とスリット板33により適当な光帯とされ、
回転する羽車34により断続されて投光される。断続光は
光電素子35に受光され、受光側に使用する同期パルスが
えられる。ここでレールの反射率について述べると、そ
の頭部は通常は光沢面であるがなかには錆びた部分があ
り、反射率は場所によって大幅に変化する。従って光帯
の反射光の強度より、光帯が投光されない部分（以下暗
部という）における外光の反射光のほうが強い場合があ
り、受光した反射光より外光を除去することが必要であ
る。これを有効に行うために受光器３c にはつぎに述べ
る方法がとられている。図５(b) は受光器３c の概略構
成を示し、集束レンズ36と、受像カメラ37および制御部
38により構成される。受像カメラ37はフォトカソード37
1 と偏向コイル372 を有する光電子増倍管（ＰＭＴ）37
3 よりなる。羽車34が開いているときは、レールによる
光帯の反射光は集束レンズ36によりフォトカソード371
の表面に集束され、閉じているときは暗部による外光の
反射光が分散してそれぞれ受光される。前記の同期パル
スが制御部38に入力し、光帯と暗部の反射光の交互の受
光レベル差をとって外光を除去し、その差電流により偏
向コイル372 に対する偏向電流を制御し、フォトカソー
ドの発生する二次電子を光帯の方向に走査してＰＭＴの
出力電流が最大となる位置に固定する。この位置がレー
ルの測定点であり、そのときの差電流が制御部により変
位量データに変換して出力される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の変位量測定装置
においては、光源31のハロゲンランプには可及的に大き
いパワーのものを用いているが、なお昼間の自然光の外
光に対してＳ／Ｎ比が良好でない。この対策として上記
の受光器３c が使用され、また同期パルスをうるために
投光器に羽車が設けられるなどやや複雑で大型であり、
従って保守作業性も良好でない。これらは新幹線の開業
当時では優れた方式でそれなりの効用を発揮したもので
あるが、最近の電子光学技術の進歩により、外光に対し
て強力なパワーの半導体発光素子の光源を、また受光器
には効率的な受光素子をそれぞれ採用して小型化するこ
とができ、小型化により例えば曇り易いミラー３b,３d
を省略すれば角度調整が簡略化され、保守作業が容易と
なることが期待できる。具体的には、発光素子として強
力なレーザパルスを発振するＬＤ（レーザダイオード）
を使用する。ただし、強力なパルスによってもなお外光
ノイズがいくらか残留するので、その除去対策が必要で
ある。受光素子にはＣＣＤセンサや、カメラなどのオー
トフォーカス回路に使用されているＰＳＤ（ポジション
・センシング・デバイス）が考えられるが、前者は分割
方式のため蓄積効果が小さくて感度の点で難色がある。
一方、ＰＳＤは非分割方式で蓄積効果と連続的な位置検
出作用があり、検出位置は受光光量の変動に無関係に検
出され、さらに極めて短い１００ｎｓのパルス光に高速
応答できるなどの特徴があるので好適と考えられる。た
だし、パルス光の受光の場合は検出精度を良好とするた
め、積分回路を併用することが必要とされている。この
発明は以上の考えにより、ＬＤとＰＳＤにより小型で効
率的な光学系を構成し、ノイズに対する除去手段と、Ｐ
ＳＤの検出電流のピーク値を正確に検出する積分回路と
を具備したレール変位量測定装置を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するレールの変位量測定装置であって、レールに対
して斜め上方に投光器および受光器を設ける。投光器
を、昼間における自然光などの外光に対して十分強力な
レーザパルスを発振するＬＤと、投光レンズおよびシリ
ンドリカルレンズとにより構成し、シリンドリカルレン
ズにより光帯を形成してレールに投光する。レーザの波
長を透過帯域とする透過フィルタと、集束レンズおよび
ＰＳＤとにより受光器を構成する。レールの反射光を受
光してＰＳＤの両端より出力される各出力電流がそれぞ
れ入力され、各出力電流のノイズ成分を除去する２個の
ノイズ除去回路およびこれらのノイズ除去回路を経た出
力をそれぞれ受けて積分する２個の積分回路よりなる信
号処理部と、各積分回路の出力する積分電流よりＰＳＤ
におけるレーザの受光位置を算出し、算出された受光位
置をレール変位量に換算して出力する変位量算出部とを
それぞれ設けて、ノイズ除去回路が、帰還回路にダイオ
ードが挿入されてノイズ成分レベルの信号を出力するバ
ッファ増幅器と、このバッファ増幅器の出力とこのバッ
ファ増幅器に入力されるノイズ除去前の信号とを受けて
ノイズ成分を差し引き増幅する演算増幅器とを有してい
るものである。

【０００７】

【作用】上記の変位量測定装置においては、ＬＤよりの
強力なレーザはシリンドリカルレンズにより光帯とされ
てレールに投光され、その反射光のうちのレーザの波長
成分が透過フィルタにより抽出され、外光ノイズはかな
り除去される。透過フィルタを透過したレーザは集束レ
ンズにより集束されてＰＳＤに結像され、また、透過フ
ィルタにより減衰したノイズ成分はＰＳＤに分散して受
光される。ＰＳＤの両端より反射光の受光位置に比例し
た出力電流がそれぞれ出力され、これらがノイズ除去回
路に入力されてノイズが除去され、さらに積分回路によ
り積分電流が出力される。変位量算出部においては各積
分電流より所定の計算式により、ＰＳＤにおけるレーザ
の受光位置が算出され、これがレール変位量に換算され
て出力される。上記のノイズ除去回路においては、ＰＳ
Ｄの出力電流が第１の演算増幅器に入力され、その帰還
回路に設けられたダイオードにより、レーザパルスに対
するパルス電流が阻止されてノイズ成分のみが出力さ
れ、第２の演算増幅器によりＰＳＤの出力電流よりノイ
ズ成分が差し引かれて外光が完全に除去され、Ｓ／Ｎ比
の良好なパルス電流がえられて積分回路により積分され
ることにより微少検出出力に対する誤差が防止される。
以上により、レーザの正確なＰＳＤ上の受光位置が高速
な車輌走行状態においてリアルタイムで計算されて正し
い変位量がえられる。

【０００８】

【実施例】図１および図２はこの発明の一実施例を示
し、図１は光学系の構成図、図２は信号処理部の構成と
その動作の説明図である。図１(a) は投光器５を示し、
光源52には強力な、例えば数百〜千数百Ｗで極めて短い
時間幅のレーザパルスを発振するＬＤを使用し、これを
パルス発生器51により励起する。レーザは投光レンズ53
を通してシリンドリカルレンズ54により光帯とされ、レ
ール１に対して従来と同様の角度方向（図４参照）に投
光される。(b) は受光器６の構成を示し、レーザの波長
を透過帯域とする透過フィルタ61と、集束レンズ62およ
びＰＳＤ63とにより構成される。レールにより反射され
たレーザは透過フィルタ61によりノイズ成分がかなり除
去され、集束レンズ62によりレール１の変位に対応した
ＰＳＤ63の受光位置に結像される。透過フィルタを透過
したノイズは分散して受光される。図１(c) はＰＳＤの
両端よりの出力電流の波形を例示したもので、ＰＳＤの
両端を（Ａ),（Ｂ）、その長さをＬ、レーザの受光位置
をｐとし、点ｐの（Ａ）端よりの距離をｙ_p とする。
（Ａ）端からレーザパルスに対するパルス電流ｉ_a とと
もにノイズ電流ｎが出力され、パルス電流ｉ_a のピーク
値ｉ_apはｙ_p ／Ｌに比例する。一方（Ｂ）端からは、ノ
イズ電流ｎとともにピーク値ｉ_bpが（Ｌ−ｙ_p)／Ｌに比
例したパルス電流ｉ_b として出力される。各ピーク値ｉ
_apとｉ_bpをそれぞれ検出し、次の計算式： ｙ_p ＝［（ｉ_ap−ｉ_bp）／（ｉ_ap＋ｉ_bp）］Ｌ …………(1) により受光位置ｙ_p を算出することができる。この場
合、前記したように、受光したレーザの強度が変化した
場合、ピーク値ｉ_ap, ｉ_bpは両者が同様が変動する。こ
れに対してｙ_p は両者の比により計算されるため、変動
に無関係に受光位置ｙ_p が算出される。

【０００９】さて、図１(c) に示した各パルス電流はＰ
ＳＤの両端に達するまでに、それぞれの距離に比例した
時間を必要とし、受光時点に対して出力電流が遅延す
る。遅延時間はＬが８ｍｍの場合、両端間で約２０ｎｓ
である。一方、パルス電流のピーク値を検出するには、
一般にサンプリングパルスやサンプルホールドなどの方
法が行われている。この場合、サンプリングパルスによ
りピーク値をサンプリングするときは、受光位置に対応
して遅延時間が変化するためサンプリングのタイミング
が確定できない。また、サンプルホールドの方法による
ときは検出されたピーク値に誤差が生じ、これが最終的
に変位量の測定誤差となる欠点がある。これに対して、
各ピーク値を正確に検出するため信号処理部に積分回路
を設ける。

【００１０】図２は信号処理部７の構成を示し、帰還回
路にダイオード7111を有する第１演算増幅器711 と、差
分を演算する第２演算増幅器712 とにより２組のノイズ
除去回路71A,71B を構成し、それぞれに積分回路72A,72
B を接続する。第１演算増幅器711 は、演算増幅器の帰
還側の抵抗がＲであり、入力側に配置される基準側の抵
抗がＲと等しい抵抗値になっていて、これは、増幅率＝
１の反転型バッファ増幅器である。また、入力と出力と
の間にダイオード7111が逆方向に挿入されていること
で、ダイオードの順方向電圧を越えるピークの信号が入
力されたときには、出力は、ほぼダイオードの順方向電
圧値にクランプされる。その結果、この第１演算増幅器
711 は、ダイオードの順方向電圧値より低い、いわゆる
ノイズ成分のみをバッファ増幅する増幅器になる。差分
を演算する第２演算増幅器712 は、第１演算増幅器711
の入力前の信号と第１演算増幅器711 の出力とをそれぞ
れ入力として受けて、これらの差の信号を発生する。な
お、第１演算増幅器711 が増幅率＝１の反転型増幅器に
なっているので、第１演算増幅器711 の入力前の信号と
第１演算増幅器711 の出力とは逆相関係になる。積分回
路72A，72Bは、第２演算増幅器712 によりノイズが除去
された信号を所定期間分積分することで、微少検出信号
に対する誤差を除外する作用をする。このような構成に
よりリアルタイムでレールの変位量を車輌の高速走行状
態において測定することが可能になる。次に、全体的な
動作について説明すると、図１(c) と同様に、ＰＳＤの
（Ａ）端とレーザの受光位置ｐの距離をｙ_p とし、両端
の出力電流をそれぞれの第１演算増幅器711 に入力す
る。(b) は各部における電流波形を示し、これを併用し
て信号処理方法を説明する。第１演算増幅器711 では、
各パルス電流ｉ_a,ｉ_b はピーク値が大きいため、帰還回
路に設けたダイオード7111により出力が阻止され、レベ
ルが低いノイズ電流ｎはそのまま出力される。ノイズ電
流ｎは元の出力電流とともに第２演算増幅器712 ，712
にそれぞれ入力されて差分演算により除去され、パルス
電流ｉ_a,ｉ_b のみが出力される。各パルス電流は積分回
路72A,72B によりそれぞれ積分され、積分電流Ｉ_a,Ｉ_b
は変位量算出部８に入力される。距離ｙ_p は前記の式
(1) に倣って次の計算式： ｙ_p ＝［（Ｉ_a −Ｉ_b)／（Ｉ_a ＋Ｉ_b)］Ｌ ………(2) により求められる。算出されたｙ_p は受光したレーザの
強度変動に無関係なことは前記と同様であり、レール１
に対する受光器６の受光角度と縮小比率とより予め換算
係数を求めておき、ｙ_p にこれを乗じてレールの変位量
に換算して変位量データが出力される。

【００１１】

【発明の効果】以上の説明のとおり、この発明によるレ
ールの変位量測定装置においては、光源をＬＤとする強
力なレーザパルスと、透過フィルタおよびノイズ除去回
路により外光が完全に除去されて昼夜を問わず、ＰＳＤ
上を用いて光高速な車輌走行状態においてリアルタイム
で測定が可能となり、積分回路によるパルス電流の積分
方法により、ＰＳＤにおけるパルスレーザの受光位置が
正確に求められ、これが換算されて正しいレール変位量
がえられるもので、さらにＬＤとＰＳＤを使用すること
により光学系が小型化されるとともに保守作業が簡易化
されるなど、レール変位量測定装置の改良に寄与すると
ころには大きいものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例における光学系の構成図
を示す。

【図２】 (a) は図１に対する信号処理部の構成図、
(b) は信号処理部における電流波形を示す図である。

【図３】 レールの軌間とその左右変位に説明図であ
る。

【図４】 従来の光学式変位量測定装置の光学部の構成
図で、(a) は平面を(b) はレールに対する直角断面を示
す。

【図５】 (a) は図４の投光器の構成図、(b) は同じく
受光器の構成図を示す。

【符号の説明】

１，１a,１b …レール、11a,11b …踏面、12a,12b …側
面、２a,２b …釣り合い梁、２c …測定枠、２d …防振
ゴム、２e …ベース板、３，３Ａ，３Ｂ…光学系、３a
…投光器、31…ハロゲンランプ、32…投光レンズ、33…
スリット板、34…羽車、３c …受光器、36…集束レン
ズ、37…受像カメラ、371 …フォトカソード、372 …偏
向コイル、373 …光電子増倍管（ＰＭＴ）、38…制御
部、３b,３d …ミラー、４…変換機構、５…この発明の
投光器、51…パルス発生器、52…ＬＤ（レーザダイオー
ド）、53…投光レンズ、54…シリンドリカルレンズ、６
…この発明の受光器、61…透過フィルタ、62…集束レン
ズ、63…ＰＳＤ（ポジション・センシング・デバイ
ス）、７…信号処理部、71A,71B …ノイズ除去回路、71
1 …第１の演算増幅器、7111…ダイオード、712 …第２
の演算増幅器、72A,72B …積分回路、８…変位量算出
部、１０…軌道。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野 善旦 東京都千代田区大手町二丁目６番２号 日立電子エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 伊藤 昌之 東京都千代田区大手町二丁目６番２号 日立電子エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−28612（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−117210（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−74913（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−160005（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−14704（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−120906（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−42912（ＪＰ，Ａ) 実開 昭54−107356（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−70108（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−151205（ＪＰ，Ｕ) 特公 平４−23724（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軌道検測車に搭載され、レールに対して
   斜め上方に投光器および受光器を設け、該投光器を、昼
   間における自然光などの外光に対して十分強力なレーザ
   パルスを発振するＬＤと、投光レンズおよびシリンドリ
   カルレンズとにより構成し、該シリンドリカルレンズに
   より光帯を形成して前記レールに投光し、前記レーザパ
   ルスの波長を透過帯域とする透過フィルタと、集束レン
   ズおよびＰＳＤとにより前記受光器を構成し、該受光器
   により前記レールの反射光を受光してＰＳＤの両端より
   出力される各出力電流がそれぞれ入力され、該各出力電
   流のノイズ成分を除去する２個のノイズ除去回路および
   これらのノイズ除去回路を経た出力をそれぞれ受けて積
   分する２個の積分回路よりなる信号処理部と、該各積分
   回路の出力する積分電流より、前記ＰＳＤにおける前記
   レーザパルスの受光位置を算出し、該算出された受光位
   置をレール変位量に換算して出力する変位量算出部と
   を、それぞれ設け、前記ノイズ除去回路は、帰還回路に
   ダイオードが挿入されてノイズ成分レベルの信号を出力
   するバッファ増幅器と、このバッファ増幅器の出力とこ
   のバッファ増幅器に入力されるノイズ除去前の信号とを
   受けてノイズ成分を差し引き増幅する演算増幅器とを有
   することを特徴とする、レール変位量測定装置。