JP2005024427A

JP2005024427A - 車重検知用光ファイバセンサ

Info

Publication number: JP2005024427A
Application number: JP2003191129A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Hishida; 康之菱田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】簡易な構造の車重センサで車両重量を計測し、複数のセンサを一台の計測器に接続できる車重検知用光ファイバセンサを提供する。
【解決手段】車両荷重を受け、それによって湾曲する弾性板２を道路等に敷設し、その弾性板２にセンサＦＢＧ１を固定し、荷重に伴う弾性板２の湾曲をセンサＦＢＧ１で検知する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路等に敷設する光ファイバセンサに係り、特に、ファイバブラッググレーティングを用いた車重検知用光ファイバセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の車重を計測するためのセンサとして、車両重量測定用光ファイバ圧力センサがある。
【０００３】
車両重量測定用光ファイバ圧力センサは、車重を検知する受圧部に光ファイバを設置し、別に設置したリファレンス光ファイバの透過光との位相差から車両重量を測定するものである。この車両重量測定用光ファイバ圧力センサによれば、圧力センサ上の車両のタイヤ接地面積が異なっても、所定の計測精度内で車重の測定をすることが可能である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１６８６７９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術においては、位相の基準となる光ファイバのリファレンス光ファイバ長と圧力を検知するセンシング光ファイバ長とを同じ長さにする必要があり、光ファイバの固定に技術を要するという問題点があった。
【０００６】
また、各光ファイバセンサ毎に計測器が必要になるため、複数の光ファイバセンサを一台の測定器で計測できないという問題点もあった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、簡易な構造の車重センサで走行中の車両重量を計測し、複数のセンサを一台の計測器に接続できる車重検知用光ファイバセンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、車両荷重を受け、それによって湾曲する弾性板を道路等に敷設し、その弾性板にセンサＦＢＧを固定し、荷重に伴う弾性板の湾曲をセンサＦＢＧで検知するものである。
【０００９】
請求項２の発明は、センサＦＢＧを弾性板に貼り付けたものである。
【００１０】
請求項３の発明は、弾性板で形成された検知板と検知板の下方に設置した固定板との間にセンサＦＢＧを設置すると共に、検知板の湾曲によりセンサＦＢＧに圧縮歪を加えるものである。
【００１１】
請求項４の発明は、弾性板で形成された検知板と検知板の下方に設置した固定板との間にセンサＦＢＧを設置すると共に、そのセンサＦＢＧの上方を固定板側で支持し、検知板の湾曲により該センサＦＢＧを下方から引っ張って引っ張り歪を加えるものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１３】
図１（ａ）は、車重検知用光ファイバセンサ１０の構造を示す構造図である。図１（ｂ）は、車重検知用光ファイバセンサ１０に車重が掛かった状態を示す構造図である。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、車重検知用光ファイバセンサ１０は、光を伝送する光ファイバ６と、光ファイバ６に設けられたファイバブラッググレーティング（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ、以下、センサＦＢＧと言う。）１と、センサＦＢＧ１が固定された弾性板からなる検知板２とを備えて構成される。
【００１５】
センサＦＢＧ１は、光ファイバ６のコアの長手方向に周期的な屈折率変化（グレーティング）を与えることで形成されている回折格子であり、光ファイバ６内を伝送する特定の波長の光だけを反射し、他の波長帯の光を透過する性質を有する。センサＦＢＧ１は、各車重検知用光ファイバセンサ１０毎に異なる波長で反射する屈折率のグレーティングが設けられたセンサ部となっている。
【００１６】
図示したようにセンサＦＢＧ１は、検知板２の下面に固定され、検知板２の面に沿ってグレーティングが配列するように設けられている。検知板２の変形に応じてセンサＦＢＧ１も検知板２と密着して貼り付けられいる部分で変形による歪を生じる構造となっている。
【００１７】
検知板２は、金属板等で形成され、外力を受けて変形するものである。検知板２は、両端を固定され、検知板の中央部分は車両が通過した際に、荷重に伴い中央部分が湾曲するようになっている。また、検知板２は、熱膨張率・収縮率の低い材質（例えば、インバール合金材）で形成され、周囲の温度変化による影響を受けにくいようになっている。
【００１８】
図示した車重検知用光ファイバセンサ１０は、車両が通過する直下の道路表面に敷設されるか、車両の通過する道路直下に埋設され、センサＦＢＧ１のグレーティングが道路面に沿って配列されるように設置するとよい。検知板２の上に車が走行若しくは停車していないときは、検知板２には、車重は掛からないから検知板２の曲がりや変形はない。
【００１９】
次に、図１（ｂ）に示すように、車重検知用光ファイバセンサ１０に走行中の車両の車重が掛かったとする。車両が検知板２の上に在ることにより、検知板２には図示した矢印５５の方向に車重が掛かる。
【００２０】
検知板２は、車重に応じて図示したように検知板２は湾曲する。センサＦＢＧ１が取り付けられた検知板２の下面では、検知板２は湾曲により両端方向に引っ張られる力が働く。引っ張られた検知板２の下面と共に、検知板２に密着して取り付けられているセンサＦＢＧ１も同じく引っ張られる。
【００２１】
センサＦＢＧ１は、引っ張られる前の状態では特定波長の光を反射しているが、引っ張り歪が生じることにより反射する波長が変化する。その反射波長の変化は、車重検知用光ファイバセンサ１０に掛かる車重に対応するので、波長変化量から車重を検知し、算出することができる。
【００２２】
図２は、車重とセンサＦＢＧ波長変化との関係を示す特性図である。
【００２３】
図示したグラフにおいて、横軸は車重検知用光ファイバセンサ１０に掛かる車重を示し、縦軸はセンサＦＢＧ１で反射（遮断）する光の波長変化を示す。グラフから車重検知用光ファイバセンサ１０に掛かる車重に応じて、センサＦＢＧ１で反射する波長が変化する簡単な関数となっていることが分かる。
【００２４】
例えば、車重Ｗ_ｔの車両が車重検知用光ファイバセンサ１０を通過したときには、図中のセンサＦＢＧ波長変化はλ_ｔとなる。したがって、センサＦＢＧ１から反射する光の波長の変化量を計測することにより、車重検知用光ファイバセンサ１０に掛かる走行中の車両の車重を算出することができる。
【００２５】
センサＦＢＧ１の反射（遮断）波長は、検知板２及びセンサＦＢＧ１の温度変化によっても変化する。本実施の形態では、検知板２に熱膨張率の低い材質を使用することで検知板２の熱膨張による光の反射の誤差を抑えることができる。また、検知板２に熱膨張率の低い材質を使用して周囲からの熱の影響を抑える代わりに、次の実施の形態も熱による測定誤差を低減させることに有効である。
【００２６】
上記のセンサＦＢＧ１が設けられた車重検知用光ファイバセンサ１０とは別に、温度補償用のセンサＦＢＧ１を一個以上設ける。温度補償用のセンサＦＢＧ１は、車重検知用光ファイバセンサ１０に設けられたセンサＦＢＧ１と同じ熱膨張率で熱膨張、収縮するように形成する。例えば、車重検知用光ファイバセンサ１０と同じ形状、同じ部材で、同じ構造で形成するとよい。
【００２７】
次に、温度補償用のセンサＦＢＧ１を設置する際には、常に車重検知用光ファイバセンサ１０と同じ温度になるように車重検知用光ファイバセンサ１０の近傍に設ける等の考慮をするとよい。但し、温度補償用のセンサＦＢＧ１は、上で述べたような車重の影響は受けることのない構造若しくは位置にセンサＦＢＧ１を設け、車重によるセンサＦＢＧ１の歪は生じないようにする。
【００２８】
車重検知用光ファイバセンサ１０は、通過した車両の重量による検知板２の変形の他、周囲温度による熱膨張に応じた検知板２の変形を生じる。このため、車重検知用光ファイバセンサ１０において検知されたセンサＦＢＧ１の光の反射波長の変化は、車重による検知板２の変形と、熱膨張による変形とによるものである。
【００２９】
一方、温度補償用のセンサＦＢＧ１の歪は、熱膨張による検知板２の変形によって生じるのみであるから、検知される温度補償用のセンサＦＢＧ１の光の反射波長の変化は、周囲温度によって生じる熱膨張による変化そのものに対応する。
【００３０】
したがって、車重検知用光ファイバセンサ１０において検知されたセンサＦＢＧ１の光の反射波長の変化から、温度補償用のセンサＦＢＧ１により検知された光の反射波長の変化分を除去することにより、車重検知用光ファイバセンサ１０において検知される車重による変化のみを検知することが可能となる。
【００３１】
以上説明したように、センサＦＢＧ１を検知板２に密着して貼り付けた簡単な構造の車重検知用光ファイバセンサ１０で車両の重量を検知することが可能となる。
【００３２】
また、熱膨張率の低い材質の検知板２を用いることにより、この検知板２に貼り付けられたセンサＦＢＧ１は、周囲の温度変化の影響を受けにくい車重検知用光ファイバセンサ１０のセンサとすることができる。センサＦＢＧ１は、光ファイバ６内に設けられており、細径でセンサＦＢＧ１部分の長さも短いため、検知板２に悪影響を与えることもない。
【００３３】
また、車重検知用光ファイバセンサ１０のためのセンサＦＢＧ１とは別に温度補償用のセンサＦＢＧ１を１個以上設置することで、周囲の温度変化による車重検知用光ファイバセンサ１０の波長変化分を除くことができる。
【００３４】
次に、車重による検知板２の湾曲で生じる鉛直方向の移動量をセンサＦＢＧ１に圧縮歪として与え、通過する車両重量を測定する車重検知用光ファイバセンサ１５の実施の形態を説明する。
【００３５】
図３（ａ）は、センサＦＢＧ１の圧縮歪により車両の重量を検知する車重検知用光ファイバセンサ１５を示す構造図である。図３（ｂ）は、車重検知用光ファイバセンサ１５に車重が掛かった状態を示す構造図である。
【００３６】
図３（ａ）に示すように、車重検知用光ファイバセンサ１５は、車重を受けて湾曲する検知板２と固定板３との間にセンサＦＢＧ１が配置され、そのセンサＦＢＧ１に圧縮荷重を与えて、車両重量を検知するようにしたものである。
【００３７】
具体的に、検知板２の下面ほぼ中央部には光ファイバ（図示しない）に設けられたセンサＦＢＧ１が鉛直方向に取り付けられ、固定板３の上面にセンサＦＢＧ１の下端が取り付けられたことにより固定板３でセンサＦＢＧ１の下端部を支持している。固定板３でセンサＦＢＧ１の下端部を支持することで、検知板２の湾曲がセンサＦＢＧ１を圧縮し圧縮歪を与えるように構成される。
【００３８】
検知板２は、外力を受けて変形するものであり、両端を固定され、検知板２の中央部は車両が通過した際に、車重に応じて湾曲する構造になっている。センサＦＢＧ１は、光ファイバに沿って荷重方向（鉛直方向）にグレーティングが設けられている。
【００３９】
検知板２の湾曲は、センサＦＢＧ１が圧縮歪を充分検知できると共に、センサＦＢＧ１が過大な圧縮歪により破損することのないように、車重による検知板２の湾曲の大きさを決めるとよい。
【００４０】
固定板３は、剛体材質で形成されており外力に対して変形しにくいものであり、道路上に設けられた検知板２の下方に埋設されている。
【００４１】
次に、図３（ｂ）に示すように、車重検知用光ファイバセンサ１５に車重が掛かったとする。車両が検知板２の中央付近を通過することにより、検知板２には図示した矢印５５の方向に車重が掛かり、下方に湾曲する。検知板２の下面では、取り付けられたセンサＦＢＧ１は他端が固定板３に固定されているので、検知板２が湾曲し下方に沈んだ分だけ圧縮され、センサＦＢＧ１に圧縮歪が生じる。
【００４２】
センサＦＢＧ１は、圧縮される前の状態では特定波長の光を反射しているが、圧縮されることにより反射する波長が変化する。その反射波長の変化は、車重検知用光ファイバセンサ１５に掛かる車重に対応するので、波長変化量から車両重量を求めることができる。
【００４３】
以上説明したように、検知板２の変形をセンサＦＢＧ１で圧縮歪として検知することにより、車重検知用光ファイバセンサ１５を通過する車両の重量を算出することが実現できる。
【００４４】
次に、車重による検知板２の湾曲で生じる鉛直方向の移動量をセンサＦＢＧ１に引っ張り歪として与え、通過する車両重量を測定する車重検知用光ファイバセンサ１５の実施の形態を説明する。
【００４５】
図４（ａ）は、センサＦＢＧ１に引っ張り歪を与えることにより車両の重量を検知する車重検知用光ファイバセンサ１６を示す構造図である。図４（ｂ）は、車重検知用光ファイバセンサ１６に車重が掛かった状態を示す構造図である。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、車重検知用光ファイバセンサ１６は、車重を受けて湾曲する検知板２と固定板３との間にセンサＦＢＧ１が配置され、そのセンサＦＢＧ１に引っ張り荷重を与えて、車両重量を検知するようにしたものである。
【００４７】
具体的に、検知板２の下面にはＦＢＧ引っ張り部４が設けられ、固定板３にはＦＢＧ保持部５が設けられ、そのＦＢＧ保持部５でセンサＦＢＧ１の上端部を支持し、ＦＢＧ引っ張り部４でセンサＦＢＧ１の下端部を支持することで検知板２の湾曲をＦＢＧ引っ張り部４を介してセンサＦＢＧ１に引っ張り歪を与えるように構成される。
【００４８】
ＦＢＧ引っ張り部４は、鉤型（Ｌ字型）の形状で一端を検知板２の下面ほぼ中央部に取り付けられており、検知板２の中央部分の下方への湾曲に伴い、ＦＢＧ引っ張り部４も中央部分と共に下方に下がる。ＦＢＧ引っ張り部４の他端はＦＢＧ保持部５から吊り下げられたセンサＦＢＧ１の下端に取り付けられている。
【００４９】
検知板２は、弾性板で形成され、両端を固定され道路上に敷設される。ＦＢＧ引っ張り部４は、剛体材質で形成されており外力に対して変形しにくいものである。
【００５０】
センサＦＢＧ１は、ＦＢＧ保持部５に吊り下げられており、ＦＢＧ引っ張り部４に取り付けられた他端との間で撓まないように張られている。センサＦＢＧ１には、吊り下げられた鉛直方向に沿ってグレーティングが形成されており、センサＦＢＧ１の伸び縮みに応じて、グレーティングの間隔も上下に伸び縮みする。
【００５１】
検知板２の湾曲は、センサＦＢＧ１が引っ張り歪を充分検知できるとともに、センサＦＢＧ１が過大な引っ張り歪により破損することのないように、車重による検知板２の湾曲の大きさを決めるとよい。
【００５２】
固定板３は、剛体材質で形成されており外力に対して変形しにくいものであり、道路上に設けられた検知板２の下方に埋設されている。ＦＢＧ保持部５は、剛体材質で形成されており外力に対して変形しにくいものである。図示したようにＦＢＧ引っ張り部４は、鉤型（逆Ｌ字型）の形状で一端を固定板３の上面に取り付けられており、他端にはセンサＦＢＧ１が吊り下げられている。
【００５３】
検知板２は、車重検知用光ファイバセンサ１６を通過した車両の重量に応じて図示した矢印５５の方向に沈み、検知板２の中央部が湾曲する。検知板２が沈んで湾曲した分だけＦＢＧ引っ張り部４も共に下がり、ＦＢＧ引っ張り部４がセンサＦＢＧ１を引っ張る。
【００５４】
センサＦＢＧ１の他端は、ＦＢＧ保持部５に吊り下げられており、ＦＢＧ保持部５は固定板３に固定されたままなので、センサＦＢＧ１はＦＢＧ引っ張り部４に引っ張られただけ伸びる。即ち、センサＦＢＧ１はＦＢＧ引っ張り部４を介して、検知板２が車重により下方に沈んだ分だけ引っ張られることになる。この車重によって生じる引っ張りと、センサＦＢＧ１での反射波長の変化は、図２に示す特性と同様の傾向を示すので、波長変化量から車両重量を算出することができる。
【００５５】
次に、本発明の車重検知用光ファイバセンサを用いたシステム構成を説明する。
【００５６】
図５は、本発明の車重検知用光ファイバセンサを用いた実施の形態を示す構成図である。
【００５７】
図示したように、車重検知システム２０は、車重検知用光ファイバセンサ１０と、光源を内蔵し反射波長を計測する波長計測器１２と、車重検知用光ファイバセンサ１０及び波長計測器１２を接続し光を伝送するための光ファイバ６とを備えて構成される。
【００５８】
波長計測器１２から光ファイバ６を経て車重検知用光ファイバセンサ１０が接続され、各車重検知用光ファイバセンサ１０は光ファイバ６によりシリアル接続されており、センサの一筆書き方式を構成している。
【００５９】
車重検知用光ファイバセンサ１０は、センサＦＢＧ１を設けた車重を検知できるセンサであればよく、上記の圧縮歪を利用した車重検知用光ファイバセンサ１５、引っ張り歪を利用した車重検知用光ファイバセンサ１６などの同種センサを使用することもよい。
【００６０】
波長計測器１２の光源から発光した光は、光ファイバ６を伝送し、車重検知用光ファイバセンサ１０に達する。車重検知用光ファイバセンサ１０の上を車両が通過した場合には、反射する光の波長が変化する。反射した光は、波長計測器１２に戻り、反射した光の波長が計測され、走行中の車重が検出できる。
【００６１】
次に、本発明の車重検知用光ファイバセンサを用いた他の車重検知システム構成を説明する。
【００６２】
図６は、本発明の車重検知用光ファイバセンサを用いた車重検知システムの他の実施の形態を示す構成図である。
【００６３】
図示したように、車重検知システム２１は、車重検知用光ファイバセンサ１０と、光源を内蔵し反射波長を計測する波長計測器１２と、車重検知用光ファイバセンサ１０、車重検知用光ファイバセンサ１０と波長計測器１２とを接続し光を伝送するための光ファイバ６と、光ファイバ６の経路を分岐する光カプラ１１とを備えて構成される。
【００６４】
車重検知用光ファイバセンサ１０は、センサＦＢＧ１を設けた車重を検知できるセンサであれば、上記の圧縮歪を利用した車重検知用光ファイバセンサ１５、引っ張り歪を利用した車重検知用光ファイバセンサ１６などの同種センサを使用することでもよい。
【００６５】
図中の接続は、図５に示した一筆書き状のシリアル接続とは異なり、光カプラ１１から分岐して車重検知用光ファイバセンサ１０が接続されるパラレル接続となっており、センサＦＢＧ１の分岐方式を構成している。
【００６６】
波長計測器１２の光源から発光した光は、光ファイバ６を伝送し、光カプラ１１を介して分岐、伝送され、車重検知用光ファイバセンサ１０に達する。車重検知用光ファイバセンサ１０の上を車両が通過した場合には、反射する光の波長が変化する。反射した光は、波長計測器１２に戻り、反射した光の波長が計測され、車重が算出される。
【００６７】
以上説明した図５、図６の構成は、従来複数のセンサに対して同数の計測器を必要としていたのに対し、車重検知用光ファイバセンサ１０毎に異なる反射波長をもつセンサＦＢＧ１を設けることができるため、複数の車重検知用光ファイバセンサ１０からの反射波長の計測を一台の波長計測器１２で行うことができる優れた効果を得られる。
【００６８】
また、一筆書き方式の構成である車重検知システム２０は、センサＦＢＧ１の波長強度に殆ど減衰が発生しないため、複数の車重検知用光ファイバセンサ１０を遠距離間隔で設置し広範囲にわたる道路上での車重検知を行うシステムを構成できるというメリットがある。
【００６９】
また、分岐方式の構成である車重検知システム２１は、光カプラ１１の分岐点から先で光ファイバ６が切断した場合でも切断された先の車重検知用光ファイバセンサ１０に光が伝送されなくなるのみで、接続された他の車重検知用光ファイバセンサ１０の検知には影響を与えないため、道路上での車重検知を行うシステムを信頼性の高いものに構成できる優れた効果を得られる。
【００７０】
センサＦＢＧ１を用いた類似センサとして、分野は異なるが河川環境の監視センサとしての水位センサ、流向センサなどがある。本発明の実施の形態は、これら監視センサと同じ波長測定器等を用いて計測することが可能となる。河川に掛けられた橋梁または、橋梁の出入り口に車重検知用光ファイバセンサを設け、河川に水位センサを設置すれば、河川の水位に応じて通行可能な車両の重量制限を行うこともできる。この場合、検知板２は、走行中の車両が１台程度載る小規模なものから、路面のアスファルト、コンクリート板等を利用する中規模のものや、更には橋梁を通過する車両の総重量を検知するための大規模なものまで、広く適用できる。
【００７１】
更に、流向センサも組み合わせることにより、津波、高潮などによる河川情報も取り込むことができ、河川の状況に応じた最適の通行制限処理を行うことができ、安全な車両通行と橋梁の保全を確保することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、簡易な構造の車重センサで走行中の車両重量を計測し、複数のセンサを一台の計測器に接続できる車重検知用光ファイバセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施の形態である車重検知用光ファイバセンサの構造を示す構造図である。図１（ｂ）は、車重検知用光ファイバセンサに荷重が掛かった状態を示す構造図である。
【図２】車重とセンサＦＢＧ波長変化との関係を示す特性図である。
【図３】センサＦＢＧ１に圧縮歪を与えることにより車重を検知する車重検知用光ファイバセンサを示す構造図である。
【図４】センサＦＢＧ１に引っ張り歪を与えることにより車重を検知する車重検知用光ファイバセンサを示す構造図である。
【図５】車重検知用光ファイバセンサを用いた車重検知システムの実施の形態を示す構成図である。
【図６】車重検知用光ファイバセンサを用いた車重検知システムの他の実施の形態を示す構成図である。
【符号の説明】
１ファイバブラッググレーティング（センサＦＢＧ）
２弾性板（検知板）
６光ファイバ
１０車重検知用光ファイバセンサ

Claims

車両荷重を受け、それによって湾曲する弾性板を道路等に敷設し、その弾性板にセンサＦＢＧを固定し、荷重に伴う弾性板の湾曲をセンサＦＢＧで検知することを特徴とする車重検知用光ファイバセンサ。
センサＦＢＧを弾性板に貼り付けた請求項１記載の車重検知用光ファイバセンサ。
弾性板で形成された検知板と検知板の下方に設置した固定板との間にセンサＦＢＧを設置すると共に、検知板の湾曲によりセンサＦＢＧに圧縮歪を加える請求項１記載の車重検知用光ファイバセンサ。
弾性板で形成された検知板と検知板の下方に設置した固定板との間にセンサＦＢＧを設置すると共に、そのセンサＦＢＧの上方を固定板側で支持し、検知板の湾曲により該センサＦＢＧを下方から引っ張って引っ張り歪を加える請求項１記載の車重検知用光ファイバセンサ。