JP2001041705A - ２軸レール変位検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】レール変位検出器の小型化、測定精度の向上を
図り、無人運転の検測装置に適応可能にする。 【解決手段】光式距離センサ７，８とレール２との間に
回転ミラー９，１１を介在させ、回転ミラーの回転角を
サーボモータ１５，１７、サーボ回路および角度検出器
１６，１８により制御してレールに定めた左右用測定基
準点３と上下用測定基準点６が左右用光式距離センサ７
および上下用光式距離センサ８のそれぞれの測定点とな
るように追尾させ、回転ミラーを使用することで装置の
小型化を達成し、測定精度の向上を図るために補正を取
り入れることなく２つの光式距離センサの出力を用いた
計算値としてレールの左右と上下の位置が把握できるよ
うに構成した。また、電源投入時の初期設定のハード対
応を可能とすべく回転ミラーによるスキャン方式と幾何
光学的な関係演算を取り入れた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、走行する車両から
レールの左右方向と上下方向の位置を検出し、左右方向
の高低狂い、上下方向の通り狂い等の軌道狂いを測定結
果として出力する車上搭載の軌道検測装置に使用するレ
ール変位検出器で、かつ無人運転の検測装置に組込可能
なレール変位検出器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の軌道検測装置に使用されてきたレ
ール変位検出器は、光切断法を応用した光式検出器（例
えば、文献１：特公昭５５−１２５２２号「光学式レー
ル変位測定装置」）、電磁気特性を応用した渦電流式検
出器（例えば、文献２：特公昭６３−４４１６１号「渦
電流式軌道変位測定装置」）が実用に供されている。

【０００３】また、従来の軌道検測車においては検測作
業のための要員が配置され、電源投入時の検測装置の初
期設定作業はこの要員で行っていた。

【０００４】しかし、従来の検出器は、文献１の発明が
属する技術分野において、「本発明は、軌道検測車にお
いて、通り狂いおよび軌間狂いを測定するために用いら
れる光学式レール変位測定装置に関する。」と記述され
ていることからも明らかなように、レールの左右方向の
変位検出を目的としており、このことは検測車のばね下
に設置されることを前提としている。すなわち、これら
の変位検出器とレールとの高さはほぼ一定もしくは狭い
検出範囲内との前提のもとに実用に供されており、変位
検出器とレールとの高さ方向の距離が車体動揺により大
幅に変化するばね上に設置するためには、この大幅な車
体動揺をキャンセルできる他の方法によることが必要
で、そのままでのばね上での使用は使用可能範囲の条件
からできないという欠点があった。

【０００５】また、光式検出器および渦電流式検出器
は、レールとの相対距離を直接測定するもので車上搭載
の使用環境に対応するためには大きな測定範囲（左右方
向３００ｍｍ）をカバーすることが必要で機器の大きさ
は大きくならざるを得ない問題があった。

【０００６】さらに、光式検出器ではレールの測定基準
点のデータを抽出することが必要であり、渦電流式検出
器ではレール近傍の金物の影響を受けるために補正が必
要であり、このデータ抽出および補正は測定誤差を生じ
る原因の一つとして測定精度向上の観点から問題であっ
た。

【０００７】一方、従来の検測車の検測作業には検測要
員が配置されていたが、営業車等への検測装置搭載を想
定した場合には検測要員の配置は困難となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、本
発明が解決しようとする課題は、大きな上下左右の変位
となる車体動揺の影響を受けるばね上でのレール変位測
定が不可能であることを可能にすること、左右方向３０
０ｍｍの測定範囲をカバーしつつレール変位検出器の小
型化を図ること、補正等を行うことを避けることにより
測定精度の向上を図ること、さらに無人運転の検測装置
に適応可能にすることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】車体動揺の影響を受ける
ばね上での使用を可能としレールの左右方向と上下方向
の変位を測定可能とするために、非接触測定が可能な２
つの光式距離センサをレール斜め上方の位置とレール上
方の位置に固定した幾何光学的関係から２つの光式距離
センサの出力によりレール変位が算出できることに着目
し、光式距離センサとレールとの間に回転ミラーを介在
せしめ、この回転ミラーの回転角をサーボモータ、サー
ボ回路および角度検出器により制御してレールに定めた
左右用測定基準点と上下用測定基準点が左右用光式距離
センサおよび上下用光式距離センサのそれぞれの測定点
となるように追尾せしめ、合わせて回転ミラーを使用す
ることで装置の小型化を達成し、また測定精度の向上を
図るために補正を取り入れることなく２つの光式距離セ
ンサの出力を用いた計算値としてレールの左右と上下の
位置が把握できるように構成することとした。

【００１０】また、無人運転に適応させるために電源投
入時の初期設定のハード対応を可能とすべく回転ミラー
によるスキャン方式を取り入れた。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の請求項１、請求
項２および請求項３記載の好誼な実施例を示す機器配置
図で、１は図示を省略したレール上を走行する車両の台
車上に設置した測定基板、２は測定対象となるレール、
３は測定対象であるレール２の左右方向の位置を測定す
る左右用測定基準点で、レール２の内軌側側面４のレー
ル２の頭頂面５から下に１４ｍｍ（Ｚｃ）に定める。６
は測定対象のレール２の上下方向の位置を測定する上下
用測定基準点で、レール２の頭頂面５の内軌側側面４か
らＸｃ離れたレール２の中央に定める。

【００１２】なお、軌道の左右の狂いを示す左右用測定
基準点としてレール２の頭頂面５から１４ｍｍ下の位置
を選定することが通常であるが、本発明の実施に際して
変更することに問題はない。

【００１３】７は、測定基板１のレール２の斜め４５度
上方近傍箇所に固定したレール２の内軌側側面４との相
対距離を測定する左右用光式距離センサで、８は測定基
板１のレール２の上方近傍箇所に固定したレール２の頭
頂面５との相対距離を測定する上下用光式距離センサで
ある。

【００１４】９は、左右用光式距離センサ７とレール２
の内軌側側面４とを往復する光路１０の間に介在せしめ
た左右用回転ミラーで、測定基板１のレール２の斜め４
５度上方箇所に該左右用回転ミラー９は固定される。１
１は、上下用光式距離センサ８とレール２の頭頂面５と
を往復する光路１２の間に介在せしめた上下用回転ミラ
ーで、測定基板１のレール２の上方箇所に固定される。

【００１５】左右用光式距離センサ７から出た測定光が
左右用回転ミラー９で方向転換して光路１０を経てレー
ル２の内軌側側面４に至りさらに反射光が再び光路１０
を経て左右用回転ミラー９を介して左右用距離センサ７
に入射するように左右用回転ミラー９の回転軸１３の取
付角度は調整される。また、上下用光式距離センサ８か
ら出た測定光が上下用回転ミラー１１で方向転換して光
路１２を経てレール２の頭頂面５に至りさらに反射光が
再び光路１２を経て上下用回転ミラー１１を介して上下
用距離センサ８に入射するように上下用回転ミラー１１
の回転軸１４の取付角度は調整される。

【００１６】１５は、左右用回転ミラー９を回転せしめ
る左右用サーボモータで、該左右用サーボモータ１５
は、左右用回転ミラー９の一方の回転軸１３の一端に結
合され、１６は左右用回転ミラー９の回転角を検出する
左右用角度検出器で、該左右用角度検出器１６は左右用
回転ミラー９の回転軸１３の他端に結合される。 ま
た、１７は、上下用回転ミラー１１を回転せしめる上下
用サーボモータで、該上下用サーボモータ１７は上下用
回転ミラー１１の回転軸１４の一端に結合され、１８は
上下用回転ミラー１１の回転角を検出する上下用角度検
出器で、該上下用角度検出器１８は上下用回転ミラー１
１の回転軸１４の他端に結合される。

【００１７】図２は、本発明における左右用回転ミラー
９と上下用回転ミラー１１の回転角を制御するフローを
示したもので、１９は左右用サーボモータ１５のサーボ
回路で、２０は上下用サーボモータ１７のサーボ回路
で、２１は制御演算回路である。左右用光式距離センサ
７の出力であるレール２の内軌側側面４と左右用回転ミ
ラー９の間の距離測定値：Ｌ１を制御演算回路２１に取
り込むと同時に上下用光式距離センサ８の出力であるレ
ール２の頭頂面５と上下用回転ミラー１１の間の距離測
定値：Ｌ２を制御演算回路２１に取り込む。

【００１８】図３は、本発明における幾何光学的な位置
関係図を示すもので、点Ａは左右用回転ミラー９の回転
中心で、点Ａの座標値を（Ｘ１，Ｚ１）と定める。点Ｂ
は上下用回転ミラー１１の回転中心で、点Ｂの座標値を
（０，Ｚ２）と定める。点Ｃはレール２の初期位置にお
ける左右用測定基準点３で、Ｒｚ＝１４ｍｍである。点
Ｄはレール２の初期位置における上下用測定基準点で、
一般的にはＲｘ＝３２．５ｍｍである。点Ｏはレール２
の初期位置における直線ＢＤの延長線と点Ｃを通り直線
ＢＤに直角な直線との交点で、点Ｏの座標値を（０，
０）と定める。また直線ＡＣと点Ａを通り直線ＢＤに平
行な直線との内角は４５度である。さらにレール２が左
右方向ならびに上下方向に相対移動した時、すなわち点
Ｏ（０，０）が点Ｐ（Ｘ３，Ｚ３）に移動した時、点Ｃ
は点Ｈに移動し、点Ｄは点Ｉに移動する。直線ＡＨの長
さはＬ１で直線ＢＩの長さはＬ２である。

【００１９】図３において、点Ａを通り直線ＢＯと直交
する直線の直線ＢＯとの交点をＥとし、点Ｐを通り直線
ＡＨに平行な直線の直線ＡＥとの交点をＦとする。また
点Ｐを通り直線ＢＩに平行な直線の直線ＡＥとの交点を
Ｇとする。直線ＦＧの長さは一定でＬ３とする。ここ
で、∠ＣＡＨ＝α、∠ＨＦＧ＝α１、∠ＥＦＧ＝α２，
∠ＯＢＩ＝β、∠ＦＧＰ＝β１とすると、以下の式が成
立する。 sinα２＝（Ｚ２−Ｒｚ−Ｚ１）／Ｌ３（定数）………………………（１） cosα２＝（Ｘ２−Ｒｘ−Ｘ１）／Ｌ３（定数）………………………（２） cosα１＝（Ｌ１²−L2²＋Ｌ３²）／（２×Ｌ１×Ｌ３） ……………（３） cosβ１＝（−Ｌ１²＋L2²＋Ｌ３²）／（２×Ｌ１×Ｌ３） …………（４） α＝π／４−α１＋α２ …………………………………………………（５） β＝β１＋α２−π／２ …………………………………………………（６）

【００２０】図２において、制御演算回路２１に取り込
まれた距離測定値：Ｌ１と距離測定値：Ｌ２および固定
距離：Ｌ３を用いて式１から式６の計算結果である角度
αと角度βをそれぞれ左右用サーボモータ１５のサーボ
回路１９と上下用サーボモータ１７のサーボ回路２０に
出力し、このサーボ回路１９に入力された角度αの角度
情報により左右用サーボモータ１５は駆動されて左右用
回転ミラー９は回され、左右用回転ミラー９の回転は左
右用角度検出器１６の出力変化としてサーボ回路１９に
フィードバックされる。同様にサーボ回路２０に入力さ
れた角度βの角度情報により上下用サーボモータ１７は
駆動されて上下用回転ミラー１１は回され、上下用回転
ミラー１１の回転は上下用角度検出器１８の出力変化と
してサーボ回路２０にフィードバックされる。

【００２１】制御演算回路２１は、距離測定値：Ｌ１と
距離測定値：Ｌ２の取り込みから角度αと角度βの出力
までを１周期として繰り返し演算を行う。

【００２２】図３から明らかなように点Ｐの座標値（Ｘ
３，Ｚ３）は、次の式から算出できる。 Ｘ３＝Ｘ１＋Ｒｘ＋Ｌ１×sin（α＋π／４） ………………………（７） Ｚ３＝Ｚ２−Ｒｚ−Ｌ２×cosβ ………………………………………（８）

【００２３】所定の測定間隔毎に検測装置を搭載した車
両の車軸発電機から出力される距離パルスを検出した制
御演算回路２１は、式７及び式８を演算して座標値Ｘ３
と座標値Ｚ３を出力する。

【００２４】図４〜図６は、本発明の請求項４に関わる
好誼な実施例を示したもので、電源を投入した直後の図
４において、制御演算回路２１より出力されたスキャン
信号：θを上下用サーボモータ１７のサーボ回路２０に
入力して上下用サーボモータ１７を駆動することによ
り、図６に示すように直線ＢＯに対して−３０度から＋
６０度の範囲をスキャンする。このスキャン時に図４の
ごとく上下用光式距離センサ８の出力と上下用角度検出
器１８の出力を制御演算回路２１で検知して上下用光式
距離センサ８の距離測定値：Ｌ２が最小であったときの
上下用角度検出器１８の角度値：γを検出する。

【００２５】図６は、初期設定終了時の左右用光式距離
センサ７と上下用光式距離センサ８のそれぞれの測定光
が左右用回転ミラー９と上下用回転ミラー１１により屈
折されてレール２を照射する幾何光学的な関係を示した
もので、点Ｍは上下用回転ミラー１１の回転中心から最
短距離となるレール２上の点で、直線ＢＯからの偏角は
γである。また、点Ｎは点Ｍから直線ＢＯに平行に距離
Ｒｚだけ下方に下がった位置の点であり、左右用回転ミ
ラー９の回転中心である点Ａと点Ｎを結ぶ直線ＡＮは、
図３に示す点Ｈの近傍を通る直線である。この直線ＡＮ
の偏角δを算出する関係式は、図６からつぎのように規
定できる。 tan（π／４＋δ）＝（Ｌ２×sinγ−Ｘ１）／（Ｌ２×cosγ＋Ｒｚ＋Ｚ１− Ｚ２）………………………………………………………………………（９）

【００２６】図５は、スキャン終了後の制御フローを示
すもので、スキャン時に検出した角度値：γを上下用サ
ーボモータ１７のサーボ回路２０に制御演算回路２１か
ら入力して上下用回転ミラー１１を回転制御し、図６に
示す点Ｍに上下用光式距離センサ８の測定光を照射す
る。また、式９より算出される角度値：δを左右用サー
ボモータ１５のサーボ回路１９に制御演算回路２１より
出力し、左右用回転ミラー９を回転制御せしめて図６に
示す点Ｎに向けて左右用光式距離センサ７の測定光を照
射する。しかる後において、図２に示す制御フローによ
り追尾を行う。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１、２及び３
記載の本発明は、レール上を走行する車両の台車に設置
される測定基板のレール斜め４５度上方近傍箇所とレー
ル上方近傍箇所にそれぞれレールの左右位置を測定する
左右用光式距離センサと上下用光式距離センサを固定
し、これらの測定光がレールに定められた測定基準点を
照射する光路の途中にそれぞれ左右用回転ミラーと上下
用回転ミラーを前記測定基板に固定した状態で介在せし
め、それぞれを回転制御する左右用サーボモータと上下
用サーボモータを設けるとともに、回転角度を検出する
左右用角度検出器と上下用角度検出器を設け、図３に示
す幾何光学的な関係よりレールの左右・上下の相対位置
変化に応じて変化する左右用光式距離センサの距離測定
値：Ｌ１と上下用光式距離センサの距離測定値：Ｌ２お
よび固定距離：Ｌ３を用いた式１〜式６により左右用回
転ミラーおよび上下用回転ミラーの偏角を制御演算回路
にて算出して左右用サーボモータおよび左右用サーボモ
ータ等により左右用回転ミラーおよび上下用回転ミラー
を回転制御させることにより、レールが左右上下に移動
してもつねに所定の測定基準点をそれぞれの測定光が照
射していることとなる。この結果、本発明においては、
回転ミラーを使用しているため従来の変位検出器と対比
して小型にもかかわらず十分な測定範囲が確保できる。
さらに、台車に測定基板を設置することを前提とした本
発明によれば、台車のばね作用による上下方向の大きな
測定基板の位置変動に対しても光式距離センサを用いる
ことにより全く問題となることはない。

【００２８】また、本発明によれば式７と式８により所
定の測定間隔によるレール位置の把握が容易にできる。
このため、従来の変位検出器において行われていた補正
演算等を行う必要がなく、高い測定精度が容易に達成で
きる。

【００２９】さらに、請求項４記載の本発明について詳
述したように、電源投入時において自動的にレール位置
を回転ミラーのスキャンにより検出するとともに、幾何
光学的な位置関係を用いて回転ミラーを回転制御して初
期位置を決定できる手段を備えているので、本発明の２
軸レール変位検出器を営業車の運転席下の台車に搭載し
た場合において、単純に運転手が営業車を運転するため
に最初に電源投入するスイッチと連動して２軸レール変
位検出器の電源投入を行うことで、初期設定は発車前に
は完了し、営業車の運行経路に沿った軌道状態の把握を
自動的に行うことのできる無人検測を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の請求項１、請求項２および請
求項３記載の好誼な実施例を示す機器配置図である。

【図２】図２は、本発明における左右用回転ミラーと上
下用回転ミラーの回転角を制御するフロー図である。

【図３】図３は、本発明における幾何光学的な位置関係
図である。

【図４】図４は、電源を投入した直後の制御フロー図で
ある。

【図５】図５は、スキャン終了後の制御フローを示すも
のである。

【図６】図６は、初期設定終了時の幾何光学的な関係を
示したものである。

【符号の説明】

１ 測定基板 ２ レール ３ 左右用測定基準点 ４ 内軌側側面 ５ 頭頂面 ６ 上下用測定基準点 ７ 左右用光式距離センサ ８ 上下用光式距離センサ ９ 左右用回転ミラー １０、１２ 光路 １１ 上下用回転ミラー １３，１４ 回転軸 １５ 左右用サーボモータ １６ 左右用角度検出器 １７ 上下用サーボモータ １８ 上下用角度検出器 １９，２０ サーボ回路 ２１ 制御演算回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢澤 英治 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人鉄道総合技術研究所内 Ｆターム(参考） 2F065 AA03 BB11 BB24 CC35 DD02 DD04 FF15 FF25 FF31 GG01 GG11 JJ01 KK01 LL13 MM07 MM15 MM26 PP01 PP21 QQ21 UU03 UU07 2F069 AA03 AA06 BB25 DD16 DD27 GG04 GG07 GG15 GG39 GG52 GG56 GG58 GG71 HH09 JJ04 JJ19 JJ25 MM04 MM11 MM17 NN11 QQ05

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レール上を走行する車両の台車上に測定
   基板を設置し、レールの左右方向の位置を測定する左右
   用測定基準点をレールの内軌側側面のレール頭頂面から
   所要距離下がった位置に定めるとともに、レールの上下
   方向の位置を測定する上下用測定基準点をレール頭頂面
   中央に定めたレールの測定装置において、前記左右用測
   定基準点との相対距離を測定する左右用光式距離センサ
   を前記測定基板の所要角度上方近傍箇所に固定するとと
   もに、前記上下用測定基準点との相対距離を測定する上
   下用光式距離センサを前記測定基板のレール上方近傍箇
   所に固定し、前記左右用光式距離センサとレールの内軌
   側側面との間を往復する光路の間に介在せしめるように
   した左右用回転ミラーを前記測定基板の所要角度上方箇
   所に固定するとともに、前記上下用光式距離センサとレ
   ール頭頂面との間を往復する光路の間に介在せしめるよ
   うにした上下用回転ミラーを前記測定基板のレール上方
   箇所に固定し、前記左右用光式距離センサから出た測定
   光が左右用回転ミラーで方向転換してレールの内軌側側
   面に至りさらに反射光が左右用回転ミラーを介して左右
   用距離センサに入射するように左右用回転ミラーの回転
   軸取付角度を調整するとともに、前記上下用光式距離セ
   ンサから出た測定光が上下用回転ミラーで方向転換して
   レール頭頂面に至りさらに反射光が上下用回転ミラーを
   介して上下用距離センサに入射するように上下用回転ミ
   ラーの回転軸取付角度を調整し、前記左右用回転ミラー
   を回転せしめる左右用サーボモータと前記左右用回転ミ
   ラーの回転角を検出する左右用角度検出器を設けるとと
   もに、前記上下用回転ミラーを回転せしめる上下用サー
   ボモータと前記上下用回転ミラーの回転角を検出する上
   下用角度検出器を設け、前記左右用光式距離センサが測
   定したレールの内軌側側面と左右用回転ミラーとの間の
   距離測定値：Ｌ１と前記上下用光式距離センサが測定し
   たレール頭頂面と上下用回転ミラーとの間の距離測定
   値：Ｌ２を制御演算回路に取り込むとともに、前記測定
   基板に固定した左右用回転ミラーと上下用回転ミラーと
   の固定距離に比例した一定値Ｌ３および前記の距離測定
   値：Ｌ１と距離測定値：Ｌ２の３つの値から前記左右用
   回転ミラーの所要角度上方からの偏角：αと前記上下用
   回転ミラーのレール上方からの偏角：βを前記制御演算
   回路で計算し、偏角：αの値を前記左右用サーボモータ
   のサーボ回路に入力して前記左右用角度検出器の出力と
   照査しつつ前記左右用回転ミラーの回転制御を左右用サ
   ーボモータにより行うとともに、偏角：βの値を前記上
   下用サーボモータのサーボ回路に入力して前記上下用角
   度検出器の出力と照査しつつ前記上下用回転ミラーの回
   転制御を上下用サーボモータにより行い、レールの位置
   が左右および上下方向に移動しても左右用測定基準点が
   対応する左右用光式距離センサの測定点となり、上下用
   測定基準点が対応する上下用光式距離センサの測定点と
   なるように追尾せしめるとともに、所定の測定間隔毎に
   左右用光式距離センサおよび上下用光式距離センサの両
   者の変位出力から左右用測定基準点および上下用測定基
   準点の位置を制御演算回路で算出し左右方向と上下方向
   のレール変位として出力することを特徴とする２軸レー
   ル変位検出器。
2. 【請求項２】 前記所要角度が４５度であることを特徴
   とする請求項１記載の２軸レール変位検出器。
3. 【請求項３】 前記所要距離が１４ｍｍであることを特
   徴とする請求項１又は２記載の２軸レール変位検出器。
4. 【請求項４】 電源を投入した直後において、上下用サ
   ーボモータを駆動して所定の振れ角範囲をスキャンさせ
   て、前記上下用光式距離センサの距離測定値：Ｌ２が最
   小であったときの上下用角度検出器の角度値：γを上下
   用サーボモータのサーボ回路に出力して前記上下用回転
   ミラーを回転制御するとともに、該上下用角度検出器の
   角度値：γと上下用光式距離センサの距離測定値：Ｌ２
   の値から算出される角度値：δを左右用サーボモータの
   サーボ回路に出力し、前記左右用回転ミラーを回転制御
   せしめた後に追尾を行うことを特徴とする請求項１、２
   又は３記載の２軸レール変位検出器。