JP2001333023A - 移動体走行路を利用した弾性波伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】走行路中の弾性波の減衰を小さくして弾性波の
伝送距離を長くし、走行路の破断検査等に使用する場合
の超音波送受信装置の数を低減する。 【解決手段】レール１１に定めた破断検査区間Ａの一端
に、超音波送信装置２０と超音波受信装置３０を設け、
超音波送信装置２０からレール１１に超音波を放射した
時に、破断１２の破断面による反射波が超音波受信装置
３０で受信されることでレール１１の破断を検出する際
に、超音波送信装置３０から放射する超音波の周波数
を、レール１１の共振周波数とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動体の走行路を
利用して弾性波を伝送する弾性波伝送装置に関し、特
に、弾性波の伝送距離を長くする技術に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、例えば、列車のレールを弾性波の伝
送媒体とし、レールに弾性波を放射して伝送してその弾
性波の受信情報に基づいて、踏切制御、列車検出、レー
ル破断検出等の列車制御に関連する要素の制御／監視に
必要な情報を生成する技術が、国際公開ＷＯ９８／７６
１０号等で提案されている。

【０００３】かかる技術を例えばレール破断検出を例と
して説明すると、例えば、レールの破断検査区間に超音
波送信装置により弾性波としての超音波をレールに放射
し、レールに放射された超音波を超音波受信装置で受信
し、その受信レベルや受信時期等に基づいてレールの破
断の有無を検出するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、レールに弾
性波を伝搬させた場合、弾性波はレール中で減衰を生じ
る。このため、例えばレール破断検出等に適用する場
合、レール中での減衰量が大きいと、レール破断検出が
可能なレベルを維持して伝送できる弾性波の有効な伝送
距離（以下、有効伝送距離とする）が短く、１組の超音
波送受信器によって破断を監視できるレール長さが短
い。従って、前述の弾性波の有効伝送距離に比べてレー
ル破断の監視区間が極めて長い場合、例えば新幹線等の
幹線に使用される１本のレール長さが長いロングレール
等の破断監視では、レール破断検出のための超音波送受
信器の組を多数設けなければならない。

【０００５】本発明は上記の事情に鑑みなされたもの
で、走行路中の弾性波の減衰を小さくして、弾性波の有
効伝送距離を長くするようにした移動体走行路を利用し
た弾性波伝送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】このため、請求項１記載
の発明では、移動体の走行路に弾性波を放射する弾性波
送信手段と、該弾性波送信手段から放射された弾性波を
前記走行路を介して受信する弾性波受信手段とを備え、
前記走行路を伝送媒体として弾性波を伝送する構成の移
動体走行路を利用した弾性波伝送装置において、前記弾
性波送信手段から走行路に放射する弾性波の周波数を、
前記走行路の共振周波数とすることを特徴とする。

【０００７】かかる構成では、走行路に放射する弾性波
の周波数を、走行路の共振周波数とすることで、走行路
中を伝搬する弾性波の減衰量が小さくなり、弾性波の有
効伝送距離を長くできるようになる。

【０００８】請求項２のように、前記弾性波送信手段か
ら前記走行路に対する弾性波の放射方向を斜め方向とす
れば、減衰を少なくして弾性波を伝搬できるようにな
る。請求項３の発明では、前記弾性波受信手段で受信し
た弾性波受信状態に基づいて前記移動体の制御システム
の関連要素の制御／監視に必要な情報を生成する情報生
成手段を設ける構成とした。具体的には、請求項４のよ
うに、情報生成手段として、前記弾性波受信手段で受信
した弾性波受信状態に基づいて前記走行路の破断の有無
を判定して破断の有無情報を発生する判定手段を設け
た。

【０００９】かかる構成では、走行路に破断が存在すれ
ば、弾性波の伝搬状態が変化するので、この受信状態の
変化（弾性波の減衰による受信信号レベル低下や破断面
における弾性波の反射波の存在等）に基づいて判定手段
により走行路の破断を検出できるようになる。

【００１０】請求項５の発明では、前記走行路を列車の
レールとすれば、鉄道交通システムに適用できるように
なる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の弾性波伝送装置
の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明
の弾性波伝送装置を列車のレール破断検出に適用した場
合の一実施形態を示す。

【００１２】図１において、移動体としての列車の走行
路であるレール１１は、新幹線等の幹線に使用される１
本のレール長さが長いロングレールである。このレール
１１を複数の区間に区切り、各区間を破断の検査区間Ａ
とする。各検査区間Ａの一方の端部に、弾性波送信手段
としての超音波送信装置２０と弾性波受信手段としての
超音波受信装置３０を設置する。また、超音波送信装置
２０と超音波受信装置３０の同期をとるためのタイミン
グ信号を発生するタイミング信号発生回路４０を備え
る。

【００１３】前記超音波送信装置２０及び超音波受信装
置３０の構成を図２に示す。図２において、超音波送信
装置２０は、超音波信号発生回路２１及び送波器２２を
備えて構成される。超音波信号発生回路２１は、タイミ
ング信号発生回路４０からのタイミング信号の入力に同
期して予め設定した周波数、即ち伝送媒体であるレール
１１の共振周波数の超音波を発生する。送波器２２は、
レール１１に当接して超音波信号発生回路２１からの超
音波信号により弾性波としての超音波をレール１１に放
射する。この場合、前記送波器２２を、図３に示すよう
に、レール１１踏面の下の窪み部１１ａに、超音波の伝
搬が良好な（超音波の減衰が少ない）材質からなる水平
断面が三角形状のスペーサ５１を介して前記窪み部１１
ａに対して斜めに取付け、送波器２２から放射する超音
波のレール１１に対する放射方向を図中の矢印のように
斜め方向とし、走行路を伝搬する超音波の波動を横波成
分と縦波成分を有するラム波（Lamb Wave）とする。

【００１４】超音波受信装置３０は、受波器３１、増幅
器３２、受信ゲート回路３４及び判定手段としての信号
処理回路３３を含んで構成される。受波器３１は、レー
ル１１に当接してレール１１を伝搬する超音波を受信す
る。受信ゲート回路３４は、タイミング信号発生回路４
０からのタイミイグ信号に同期してゲートを開き、増幅
器３２の増幅信号の信号処理回路３３への入力を制御
し、送信時以外のノイズの影響等を防止している。信号
処理回路３３は、受信ゲート回路３４を介して入力する
増幅器３２からの信号の受信状態に基づいて、レール１
１の破断の有無を判定して破断の有無情報を外部に発生
する。ここで、前記信号処理回路３３が移動体の制御シ
ステムの関連要素の制御／監視に必要な情報を生成する
情報生成手段に相当する。本実施形態では、信号処理回
路３３を超音波受信装置３０内に設ける構成としたが、
超音波受信装置３０とは別に外部に設けてもよい。

【００１５】尚、図示しないがレール１１のそれぞれの
検査区間Ａに設けられた各タイミング信号発生回路４０
は、各検査区間Ａにおける破断検査の時期が互いに重複
しないように、タイミング信号の発生タイミングが制御
される。

【００１６】次に動作を説明する。タイミング信号発生
回路４０からのタイミング信号の入力で超音波信号発生
回路２１からレール１１の共振周波数の超音波信号が発
生し、送波器２２からレール１１に対して斜め方向から
超音波が放射されてラム波としてレール１１を伝搬す
る。レール１１を伝搬する超音波は受波器３１に直接入
力する。レール１１に破断が存在しない場合は、受波器
３１の受信信号は直接入力した超音波による受信信号だ
けである。レール１１に破断１２が存在する場合は、受
波器３１の受信信号は、直接入力した超音波による受信
信号と破断１２の破断面で反射した超音波による受信信
号となる。

【００１７】超音波送信装置２０から超音波受信装置３
０までの距離を予め設定しておけば、超音波が発生して
から受波器３１で直接受信される受信信号の受信時間は
予め知ることができる。この時間データを信号処理回路
３３に予め記憶させておけば、超音波受信装置３０で信
号が受信された時にその受信信号の伝搬時間を計測して
記憶データと比較することで、受信した信号が直接入力
による受信信号か破断１２による受信信号かを判別で
き、検査区間Ａ内の破断１２の有無を知ることができ
る。

【００１８】尚、超音波送信装置２０から、検査区間Ａ
の他端（隣接検査区間との境界）までの距離を予め設定
しておくことで、超音波が発生してから検査区間Ａの他
端で反射したと仮定した時の反射波が受波器３１で受信
されるまでの時間は予め知ることができる。この時間だ
け受信ゲート回路３４を開くよう受信ゲート回路３４の
ゲート開時間を設定することで、隣接検査区間内の破断
からの反射波受信を排除できる。

【００１９】また、本実施形態によれば、超音波信号が
発生してから破断１２による受信信号が受信されるまで
の計測時間から破断１２の位置も知ることができる利点
がある。更に、超音波受信装置３０が直接受信した受信
信号と破断１２による受信信号との時間間隔を計測すれ
ば、超音波送信装置２０と超音波受信装置３０との間隔
が分からない場合でも破断１２の位置を知ることが可能
である。

【００２０】以下に、レール１１に放射する超音波の周
波数を、レール１１の共振周波数とした場合の有効性に
ついて説明する。図４に、レールの共振周波数（３０ｋ
Ｈｚ）付近での周波数と受信量との関係を示す。

【００２１】図４は、枕木に固定した実際のレールを使
用し所定間隔（６８０ｍ）を設けて超音波送信装置と超
音波受信装置を配置し、レールに放射する超音波の周波
数ｆとして２９ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、３１ｋＨｚを使用
し、各周波数における受信量の変化を測定した。図４の
横軸は周波数ｆ、縦軸は受信量の最大値を１とした時の
相対値を示している。

【００２２】図４の測定結果から明らかなように、レー
ルの共振周波数である３０ｋＨｚの場合が他の周波数に
比べて最も受信量が大きい、即ち、減衰が小さいことが
判る。

【００２３】図５に、レールの共振周波数（３０ｋＨ
ｚ）を含む複数の周波数に関して伝送距離と受信量との
関係を示す。図５は、枕木に固定した状態のレールを使
用しレールの継目から１８０ｍの位置に超音波送信装置
を設け、各周波数（１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、２０ｋＨ
ｚ、３０ｋＨｚ）に関して、前記継目とは反対方向に１
００ｍ間隔で７００ｍまで超音波送信装置から超音波受
信装置までの距離ｄを変化させた時の受信量を測定し
た。図５の横軸は距離ｄ、縦軸は距離ｄ＝１００ｍでの
受信レベルを１とした時の相対値を示している。

【００２４】図５の測定結果から明らかなように、レー
ルの共振周波数である３０ｋＨｚの時が最も距離に対す
る受信量の低下が少なく減衰が小さいことが判る。以上
のように本実施形態において、レール１１に放射する超
音波の周波数をレール１１の共振周波数とすることで、
レール１１を伝搬する超音波の減衰を少なくでき、破断
検出が可能な受信レベルを維持できる有効伝送距離を長
くすることができる。これにより、１組の超音波送受信
装置で破断監視できるレール長が長くなり、同じ長さの
レールの破断監視を行う場合、従来装置に比べて必要な
超音波送受信装置の数を少なくできる。

【００２５】また、本実施形態では、レール１１に放射
する超音波の放射方向をレール１１に対して斜め方向と
し、レール１１を伝搬する超音波の波動を横波成分と縦
波成分を有するラム波としている。超音波探傷等ではラ
ム波発生以外の目的でも斜め方向に放射することがある
が、本実施形態ではラム波を発生させて伝搬させること
により、減衰を少なくして超音波を伝搬できる。

【００２６】本実施形態では、レールの共振周波数とし
て３０ｋＨｚを用いたが、レールの共振周波数は、レー
ルの形状（板厚等）や材質等により異なる。また、レー
ルを枕木に固定しない場合の超音波の伝送距離と周波数
の関係は、図６に示すように低周波の方が伝送距離が長
く（減衰が小さく）、レールが枕木に固定されている場
合と異なる。このことから、レールの共振周波数は、枕
木の存在にも影響されることが考えられる。従って、レ
ールの共振周波数、必ずしも３０ｋＨｚに限らず、超音
波の伝送媒体として使用するレールの形状、材質、枕木
の配置等に応じて異なるので、レールに放射する超音波
の周波数は、伝送媒体として使用するレール状態に応じ
た共振周波数に設定するようにすればよい。

【００２７】尚、上述した本実施形態の走行路破断検出
の構成は一例であり、前述した国際公開ＷＯ９８／７６
１０号に示されている他の破断検出構成でもよい。ま
た、本実施形態では、本発明の弾性波伝送装置の適用例
として破断検出の例を示したが、これに限るものではな
い。例えば、国際公開ＷＯ９８／７６１０号に示されて
いる踏切制御装置や移動体検出装置にも適用できること
は言うまでもない。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明したように本発明によれば、
走行路に放射する弾性波の周波数に走行路の共振周波数
を用いたので、１組の弾性波送受信手段による伝送媒体
中の弾性波伝送距離が長くできる。従って、走行路の破
断検出等に適用した場合、１組の弾性波送受信手段当た
りの破断検査区間を長くできるので、破断検査に必要な
弾性波送受信手段の数を減らすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の概略構成図

【図２】図１の超音波送信装置と超音波受信装置の構成
図

【図３】第１実施形態の送波器の取付け状態を示す図

【図４】同一伝搬距離における超音波周波数と受信量と
の関係を示す図

【図５】各超音波周波数における伝送距離と受信量との
関係を示す図

【図６】レールを枕木に固定しない状態での超音波周波
数と伝送距離の関係を示す図

【符号の説明】

１１ レール １２ 破断 ２０ 超音波送信装置 ３０ 超音波受信装置 ４０ タイミング信号発生回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動体の走行路に弾性波を放射する弾性波
   送信手段と、該弾性波送信手段から放射された弾性波を
   前記走行路を介して受信する弾性波受信手段とを備え、
   前記走行路を伝送媒体として弾性波を伝送する構成の移
   動体走行路を利用した弾性波伝送装置において、 前記弾性波送信手段から走行路に放射する弾性波の周波
   数を、前記走行路の共振周波数とすることを特徴とする
   移動体走行路を利用した弾性波伝送装置。
2. 【請求項２】前記弾性波送信手段から前記走行路に対す
   る弾性波の放射方向を斜め方向とする請求項１に記載の
   移動体走行路を利用した弾性波伝送装置。
3. 【請求項３】前記弾性波受信手段で受信した弾性波受信
   状態に基づいて前記移動体の制御システムの関連要素の
   制御／監視に必要な情報を生成する情報生成手段を設け
   た請求項１又は２に記載の移動体走行路を利用した弾性
   波伝送装置。
4. 【請求項４】前記情報生成手段が、前記弾性波受信手段
   で受信した弾性波受信状態に基づいて前記走行路の破断
   の有無を判定して破断の有無情報を発生する判定手段で
   ある請求項１〜３のいずれか１つに記載の移動体走行路
   を利用した弾性波伝送装置。
5. 【請求項５】前記走行路が、列車のレールである請求項
   １〜４のいずれか1つに記載の移動体走行路を利用した
   弾性波伝送装置。