JP2008081952A

JP2008081952A - 三軸加速度センサーを用いた三次元センシングストーン

Info

Publication number: JP2008081952A
Application number: JP2006260726A
Authority: JP
Inventors: Akira Aikawa; 明相川
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP4823834B2

Abstract

【課題】三軸加速度センサー２個を砕石の中に間をあけて埋め込んだ単純な構造の三次元センシングストーンを提供する。
【解決手段】三軸加速度センサーを用いた三次元センシングストーンにおいて、三軸加速度センサー２１及び２２を各々砕石２０の中に間隔をあけて埋め込み、この砕石２０を鉄道の道床内に配置して、前記三軸加速度センサー２１及び２２のｘ，ｙ，ｚ軸の三軸について、それぞれ平均値と差をとることにより、前記砕石２０自体のｘ，ｙ，ｚ軸の三軸方向への並進挙動と、前記砕石２０自体のｘ，ｙ，ｚ軸の三軸に関する回転挙動とを同時に測定可能とした。
【選択図】図５

Description

本発明は、三軸加速度センサーを用いた三次元センシングストーンに関するものである。

砕石等の不連続集合体からなる構造物の破壊進展状況の把握、および、そのメカニズム解明には、不連続体構造物を構成する個々の部材の挙動を実測することが不可決である。ことに道床のように砕石が密に詰まった状態では、個々の砕石の局所的な三次元的な並進挙動と回転挙動とが、道床破壊の引き金になるものと想定される。しかしながら、不連続体の個々の部材は不連続体内部にあり外部からは見えず、その挙動がｘ，ｙ，ｚ軸の三軸方向の並進運動であり、さらに、ｘ，ｙ，ｚ軸の三軸に関する回転運動も伴うため従来は計測ができなかった。

たとえば、列車走行時の軌道構造の測定は従来より行われているが、いずれもレールや枕木表面に関するものであり、測定が困難な道床内部の砕石挙動を直接測定した事例は少ない。砕石中に加速度センサーを埋め込んだ計測事例はあるものの、得られるデータは特定の一軸方向に関する測定値のみであり、砕石自体がどの軸を向いているのかもわからず、しかも、砕石の三次元的な動きについては把握できなかった。

なお、落石の運動を測定するために、落石の内部に加速度センサーを取り付けて計測するようにしたものがある（下記非特許文献１参照）。

しかしながら、この計測方法では、一軸センサーを用いており、落石が回転すると、運動方向の変化が検出できない。また、有線接続でないので、計測データの取得が困難である。
「落石の運動機構に関する研究その２−落石運動の測定方法」，右城猛、篠原昌二、家石一美，四国の地盤災害・地盤環境に関するシンポジウム，地盤工学会四国支部、２００４年９月

ところで、最近、三軸方向の加速度が同時測定可能な「ピエゾ抵抗型三軸加速度センサーチップ」が開発された。三軸の加速度測定値をもとに重力軸方向も算出できる。今回開発した三次元センシングストーンは、砕石もしくは人工岩石中に、本センサーチップを複数個埋め込み、砕石の水平方向、鉛直方向、奥行き方向の三軸方向の並進挙動とともに、砕石の回転挙動を同時測定するものである。また、三軸の加速度測定値より重力軸を特定できることから、三次元センシングストーン設置後も、道床を十分につき固めることが可能である。

本発明は、上記状況に鑑みて、三軸加速度センサー２個を砕石の中に間をあけて埋め込んだ単純な構造の三次元センシングストーンを提供するものである。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕三軸加速度センサーを用いた三次元センシングストーンにおいて、三軸加速度センサー２個を砕石の中に間隔をあけて埋め込み、この砕石を鉄道の道床内に配置して、前記三軸加速度センサーのｘ，ｙ，ｚ軸の三軸について、それぞれ平均値と差をとることにより、前記砕石自体のｘ，ｙ，ｚ軸の三軸方向への並進挙動と、前記砕石自体のｘ，ｙ，ｚ軸の三軸に関する回転挙動とを同時に測定可能としたことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の三軸加速度センサーを用いた三次元センシングストーンにおいて、前記２個の三軸加速度センサーをアルミニウム型枠に同じ角度で固定し、これらの２個の三軸加速度センサーを樹脂で封入し、前記２個の三軸加速度センサーに接続される有線を外部に導出することを特徴とする。

本発明によれば、ｘ，ｙ，ｚ軸の三軸について、それぞれ２つの三軸加速度センサーの測定値の平均が砕石の軸方向の運動をあらわし、２つの三軸加速度センサーの測定値の差が回転挙動をあらわす。２つの三軸加速度センサーについて、ｘ，ｙ，ｚ軸の三軸について、それぞれ平均値と差をとることにより、砕石自体の３方向への並進挙動と、回転挙動とを、非常に容易に同時に測定することができる。

本発明の三軸加速度センサーを用いた三次元センシングストーンは、三軸加速度センサー２個を砕石の中に間隔をあけて埋め込み、この砕石を鉄道の道床内に配置して、前記三軸加速度センサーのｘ，ｙ，ｚ軸の三軸について、それぞれ平均値と差をとることにより、前記砕石自体のｘ，ｙ，ｚ軸の三軸方向への並進挙動と、前記砕石自体のｘ，ｙ，ｚ軸の三軸に関する回転挙動とを同時に測定可能とした。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明では、ピエゾ抵抗型三軸加速度センサーチップを用いた三次元センシングストーンの動作原理、三次元センシングストーンの作製過程、鉄道実軌道における性能評価結果について説明する。

まず、ピエゾ抵抗型三軸加速度センサーチップについて説明する。

図１は本発明に係る加速度検出に半導体ピエゾ抵抗効果を利用した「ピエゾ抵抗型三軸加速度センサーチップ」とその評価基盤を示す図面代用の写真である。

センサー本体１は、写真中央の上部の４ｍｍ四方の黒い正方形部分であり、下方の基盤２には、電力供給、センサー制御、および、データ出力のための配線３が施されている。また、図２にセンサーチップにおけるｘ、ｙ、ｚ軸の向きを示す。図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）は側面図である。

半導体ピエゾ抵抗効果とは、半導体の結晶に外力が作用すると、結晶格子にひずみが生じ、半導体内のキャリア数やキャリアの移動速度が変化して、半導体の抵抗値が変化する現象である。本センサーは、シリコン基盤上にドライエッチングにて、支持部、錘、梁からなる微小な構造物をつくり、構造物の梁上にピエゾ抵抗素子を形成したものである。錘が加速度に応じて可動することで、錘を支持する梁が変形し、ピエゾ抵抗に応力が発生する。応力が発生すると半導体ピエゾ抵抗効果により、半導体の抵抗値に変化が生じる。ピエゾ抵抗素子は、梁上の最も応力が集中する位置に、一軸あたり４素子、三軸で１２素子が配置されている。各軸とも４素子でホイートストン・ブリッジ回路を構成し、加速度に起因する応力による抵抗変化を、加速度に比例した電圧変化として検出する。

本発明で用いたのは、日立金属製「ピエゾ抵抗型三軸加速度センサー（Ｈ４８Ｄ、最大測定出力±１０Ｇ、計装アンプ内蔵、サイズ４．８ｍｍ×4 ．８ｍｍ×1 ．５０ｍｍ、感度９０ｍＶ／Ｇ）」であり、センサーチップ内に、図３に示す増幅回路を内蔵し、特性ばらつきや温度ドリフトを低減する回路も兼ね備える。また、２０００Ｇまでの過大な加速度まで耐え、消費電力も小さいので、外力・環境ともに過酷な条件下にある道床砕石の内部に密閉・封入しても外力や発熱等により損傷することもない。

次いで、ピエゾ抵抗型三軸加速度センサーチップを用いた三次元センシングストーンの構造とその動作原理について述べる。

図４は、辺長がそれぞれＬ_x，Ｌ_y，Ｌ_zである直方体の対角線上の頂点に、加速度センサーチップを２個配置したものである。それぞれ「Ａセンサー」１１と「Ｂセンサー」１２とする。センサー間の直線距離Ｌは三平方の和よりＬ＝√（Ｌ_x ²＋Ｌ_y ²＋Ｌ_Z ²）である。また、2 個のセンサーを結ぶ直線Ｌと、ｘ，ｙ，ｚ軸の三軸がなす方向余弦をそれぞれθ_x，θ_y，θ_zと記号表示するとｃｏｓθ_x＝Ｌ_x／Ｌ，ｃｏｓθ_y＝Ｌ_y／Ｌ，ｃｏｓθ_Z＝Ｌ_z／Ｌの関係が成り立つ。また、ｘ，ｙ，ｚ軸に直交する面を考えてＡセンサーとＢセンサーの軸間距離Ｔ_x，Ｔ_y，Ｔ_zを求めると、ｘ₁，ｘ₂軸間距離Ｔ_x，ｙ₁，ｙ₂軸間距離Ｔ_y，ｚ₁，ｚ₂軸間距離Ｔ_zは、それぞれ次式により求められる。

Ｔ_x＝Ｌｓｉｎθ_x＝√（Ｌ²−Ｌ_x ²）＝√（Ｌ_y ²＋Ｌ_Z ²），Ｔ_y＝Ｌｓｉｎθ_y＝√（Ｌ²−Ｌ_y ²）＝√（Ｌ_Z ²＋Ｌ_x ²），Ｔ_Z＝Ｌｓｉｎθ_z＝√（Ｌ²−Ｌ_Z ²）＝√（Ｌ_x ²＋Ｌ_y ²）
この直方体に並進運動と回転運動が同時に発生し、直方体頂点にとりつけたＡ、Ｂの両センサーにも、異なる大きさの加速度が生じた状態を想定する。Ａセンサー１１のｘ，ｙ，ｚ三軸に関する加速度測定値をそれぞれｘ₁，ｙ₁，ｚ₁，Ｂセンサー１２の加速度測定値をそれぞれｘ₂，ｙ₂，ｚ₂とし、直方体の運動に関する加速度評価点をＡセンサー１１およびＢセンサー１２の中点とする。２個のセンサーについて、ｘ，ｙ，ｚ軸別に平均値α_x，α_y，α_zを求めると以下の通りである。

α_x＝（ｘ₁＋ｘ₂）／２，α_y＝（ｙ₁＋ｙ₂）／２，α_z＝（ｚ₁＋ｚ₂）／２（ｍ／ｓ²）
また、Ａセンサー１１について、軸毎に平均値からの偏差量β_x、β_y、β_zを求めると以下の通りである。

β_x＝ｘ₁−α_x＝ｘ₁−（ｘ₁＋ｘ₂）／２＝（ｘ₁−ｘ₂）／２
β_y＝ｙ₁−α_y＝ｙ₁−（ｙ₁＋ｙ₂）／２＝（ｙ₁−ｙ₂）／２
β_z＝ｚ₁−α_z＝ｚ₁−（ｚ₁＋ｚ₂）／２＝（ｚ₁−ｚ₂）／２（ｍ／ｓ²）
すなわち、平均値α_x，α_y，α_zは、直方体中心の加速度評価点における並進運動に関する加速度を表し、一方、偏差量β_x，β_y，β_zは、直方体中心の加速度評価点における回転運動に関する加速度を表す。

ここに、回転運動に関する加速度は、加速度評価点と測定点間の軸の長さが関係する。したがって、加速度の回転成分β_x，β_y，β_zについては、加速度評価点とセンサー間の距離（Ｔ_x／２，Ｔ_y／２，Ｔ_z／２）で割って基準化し、回転方向の加速度成分γ_x，γ_y，γ_zとする。

γ_x＝β_x／（Ｔ_x／２）＝｛（ｘ₁−ｘ₂）／２｝／（Ｔ_x／２）＝（ｘ₁−ｘ₂）／Ｔ_x＝（ｘ₁−ｘ₂）／√（Ｌ_y ²＋Ｌ_z ²），
γ_y＝β_y／（Ｔ_y／２）＝｛（ｙ₁−ｙ₂）／２｝／（Ｔ_y／２）＝（ｙ₁−ｙ₂）／Ｔ_y＝（ｙ₁−ｙ₂）／√（Ｌ_z ²＋Ｌ_x ²），
γ_z＝β_z／（Ｔ_z／２）＝｛（ｚ₁−ｚ₂）／２｝／（Ｔ_z／２）＝（ｚ₁−ｚ₂）／Ｔ_z＝（ｚ₁−ｚ₂）／√（Ｌ_x ²＋Ｌ_y ²），
上述のように、２つのセンサーの各軸の測定値の平均と差をとることにより、砕石の三次元の並進挙動と、回転挙動とを非常に容易に同時測定可能である。なお、加速度測定の単位をｍ／ｓ²とすると、並進加速度成分α_x，α_y，α_zの単位は測定値と同じｍ／ｓ²である。一方、回転方向の加速度成分γ_x，γ_y，γ_zについては、軸と直交する半径で除しているので、軸方向加速度（ｍ／ｓ²）÷軸間半径（ｍ）となり、単位はｒａｄ／ｓ²となる。

次に、三次元センシングストーンの作製について説明する。

上記では、三次元センシングストーンの動作原理説明のため、直方体の頂点に加速度センサーを２個配置した構造を考えた。しかしながら、実際の三次元センシングストーンの作製にあたっては、直方体の構造の中で２個のセンサーを結ぶ対角軸のコア部分のみを、砕石内に再現すれば十分である。

図５は本発明に係る２個のセンサーを結ぶコア部分を、砕石内部の長軸方向に配置した模式図である。図５に示すように、2 個のセンサー、つまり、Ａセンサー２１とＢセンサー２２は、砕石２０の長軸方向と所定の角度をもって、互いに平行に取り付けられる。

図６は本発明に係るセンサーのコア部分を、アルミ型枠の内部に構成したものである。つまり、アルミ型枠３０内部に加速度センサー３１と３２を配置するようにしている。ここで、Ｌは加速度センサー３１と３２間の距離、Ｔz はＺ軸距離（Ｔz ＝Ｌ／√２）である。

図７に示すように加速度センサーチップを４５度の傾斜角で取り付けた。上記した直方体構造にあてはめると、直方体の辺長Ｌ_x，Ｌ_y，Ｌ_zをそれぞれ１：１：√２の比とした場合に相当し、辺長を求めると、Ｌ_x＝Ｌ／２、Ｌ_y＝Ｌ／２、Ｌ_z＝Ｌ／√２、軸間距離ではＴ_x＝Ｔ_y＝√３Ｌ／２、Ｔ_z＝Ｌ／√２に相当する。

次に、本発明の三次元センシングストーンの作製過程について述べる。

まず、図１に示されるように、２個の加速度センサーチップ本体に、電力供給、センサー制御、および、データ入出力のための配線を行い、それらを図８に示すように配置し、図９に示すように樹脂で封入した。

次に、シリコン樹脂を用いて、砕石現物と同型および同サイズの型枠を作製した。砕石形状の型枠内部に、ショーボンド建設のコンクリート用接着剤を充填し、さらにその中央部分にセンサーのコア構造を封入し、人工砕石（三次元センシングストーン）を形成した。

図１０は、コンクリート用接着剤による型枠への流し込み作業過程であり、図１１は完成した三次元センシングストーン（試作品）である。三次元センシングストーンの入出力ケーブルには、ノイズに強い撚り線構造の８芯ＬＡＮケーブルを用い、８芯の内２本は電源の供給用に、他の６本は測定データの出力用とした。砕石とケーブルの接合部分は、防水のためシーリング加工を行い、砕石のつき固め時に破損しないように補強している。

次に、三次元センシングストーンの性能評価試験について説明する。

まず、動電型振動試験装置によるセンサーの感度校正について説明する。

三次元センシングストーンの測定性能を調べるため、動電型振動試験装置（株アカシ（現ミツトヨ）製、Ｅ−ＤＥＳ−４５３、正弦波加振、発生周波数５Ｈｚ〜４ｋＨｚ、最大加振力４．５ｋＮ、最大加速度無負荷時９０Ｇ）を用いて、三次元センシングストーンに所定の正弦波加速度を加えて、その応答値を測定した。三次元センシングストーンに載荷した外力は、周波数３０Ｈｚで加速度１０Ｇ（＝９８ｍ／ｓ²）の正弦波である。加振方向は、加速度センサーの軸方向に一致させるために、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の３回に分けて別々に加振した。

測定結果の一例として、三次元センシングストーン内部のＡセンサーによる応答値を図１２〜図１４に示す。なお、加速度センサーへの入力電圧はＥ＝３．０４Ｖ、センサーの出力電圧の測定サンプリング間隔は５ｋＨｚとした。測定時間は、各軸とも１０秒ずつの測定を行ったが、図では見やすいように測定開始時から最初の０．３秒のみ表示した。図１２〜図１４より、入力波形の正弦波を十分正確に測定できていることが確認できる。

表１は、動電型振動試験装置の応答測定結果をもとに、各サンプルごとに入力加速度１Ｇあたりの電圧の応答の校正値を求めた結果である。

加速度センサーへの入力電圧はＥ＝3 ．００Ｖに換算している。この表１の校正値を用いることにより、センサー別のばらつきを補正することができる。

次に、試験線によるセンサーの測定試験について説明する。

試験線実軌道にて測定試験を実施した。図１５は、まくらぎ直下に三次元センシングストーンを設置した状況であり、図１６は、砕石を少し埋め戻した状況である。その後砕石をさらに充填し、まくらぎの周囲をつき固めた。図１７は実験後に回収した三次元センシングストーンであり、図１８は列車通過時のデータレコーダの応答波形の一例である。

次に、営業線の実軌道での三次元センシングストーン内部のセンサーの測定試験について説明する。

営業線の実軌道にて、三次元センシングストーンによる測定試験を実施した。

図１９は三次元センシングストーンの設置状況であり、図２０はまくらぎ直下の設置位置である。図２１は砕石を埋め戻した観測現場であり、図２２はデータレコーダによる測定状況である。

センサー設置時には、図２０に示したように、三次元センシングストーンを概ね水平になるように設置した。しかし、その後つき固めを行ったので、センサー自体が傾いた位置になっていることが考えられる。現場測定に際し、事前に列車荷重が作用しない状態で、センサーｘ、ｙ、ｚ軸の出力電圧を測定した。ｘ、ｙ、ｚ軸の測定電圧は重力の方向に比例している。したがって、無載荷時の各軸電圧より、三次元センシングストーンの設置角度を特定できる。まくらぎＮｏ．３７とＮｏ．６３の下部に設置した三次元センシングストーンについて、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸が重力軸となす角度を求めた。Ｎｏ．３７については、それぞれ１２０度、６２度、４３度、Ｎｏ．６３についてはそれぞれ５６度、７６度、１４３度と求められた。

加速度センサーの測定結果例を図２３および図２４に示す。図はＮｏ．３７まくらぎ下部について、特急の先頭車のボギー第一軸および第二軸が通過する時のものである。図２３はＡセンサー、Ｂセンサーの三軸方向の加速度であり、図２３（ａ）はＡセンサーｘ軸の加速度測定例、図２３（ｂ）はＡセンサーｙ軸の加速度測定例、図２３（ｃ）はＡセンサーｚ軸の加速度測定例、図２３（ｄ）はＢセンサーｘ軸の加速度測定例、図２３（ｅ）はＢセンサーｙ軸の加速度測定例、図２３（ｆ）はＢセンサーｚ軸の加速度測定例である。図２４はセンサーのｘ軸について、加速度に関する並進挙動成分と回転挙動成分を分けたものである。図２４（ａ）はセンサーのｘ軸方向における並進挙動を示し、図２４（ｂ）はセンサーのｘ軸における回転挙動を示している。砕石の挙動は、列車走行荷重により引き起こされたものであるが、図２３〜図２４より、道床内の砕石は単に一定方向に並進運動するだけでなく、砕石の回転を伴った運動を引き起こしていることがわかる。

本発明では、ピエゾ抵抗型三軸加速度センサーチップを用いた三次元センシングストーンの動作原理、三次元センシングストーンの作製過程についてまとめ、さらに、試験線と営業線での三次元センシングストーンによる測定試験の概要について述べた。試作段階の測定性能試験と営業線測定への応用により、本発明にかかる計測手法の有効性が確認できた。また、測定結果より、道床内部の砕石は、並進挙動のみでなく回転挙動を伴った運動をしていることが確認できた。

なお、本発明は、鉄道砕石の挙動の測定のみでなく、たとえば、石積みブロック、石橋、石垣、亀裂の入った構造物などの常時の挙動測定あるいは地震時の安定性評価等にも有用である。

また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の三軸加速度センサーを用いた三次元センシングストーンは、列車走行時の軌道構造の動的測定装置として利用可能である。

本発明に係る加速度検出に半導体ピエゾ抵抗効果を利用した「ピエゾ抵抗型三軸加速度センサーチップ」とその評価基盤を示す図面代用の写真である。本発明に係るセンサーチップにおけるｘ、ｙ、ｚ軸の向きを示す図である。本発明に係る評価基盤の回路構成を示す図である。本発明に係る三次元センシングストーンの動作原理を示す図である。本発明に係る砕石内部での加速度センサーの位置関係を示す図である。本発明に係るセンサーのコア部分の構造を示す図である。本発明に係るコア部分のセンサーチップの配置を示す図面代用の写真である。本発明に係るセンサーチップの配線を示す図面代用の写真である。本発明に係るセンサーコア構造の樹脂封入を示す図面代用の写真である。本発明に係るコンクリート接着剤によるセンサーの封入作業状態を示す図面代用の写真である。本発明に係る三次元センシングストーンの試作品を示す図面代用の写真である。本発明に係る動電型加振機での測定例（Ａセンサー，ｘ軸）を示す図である。本発明に係る動電型加振機での測定例（Ａセンサー，ｙ軸）を示す図である。本発明に係る動電型加振機での測定例（Ａセンサー，ｚ軸）を示す図である。本発明に係る三次元センシングストーンをまくらぎ直下へ設置する状況を示す図面代用の写真である。本発明に係る砕石を少し埋め戻した状況（つき固め前）の状況を示す図面代用の写真である。本発明に係る試験後に回収した三次元センシングストーンを示す図面代用の写真である。本発明に係る列車走行時の応答波形の測定画面を示す図である。本発明に係る三次元センシングストーンの設置状況を示す図面代用の写真である。本発明に係る三次元センシングストーンのまくらぎ直下の設置位置を示す図面代用の写真である。本発明に係る砕石を埋め戻した観測現場を示す図面代用の写真である。本発明に係る三次元センシングストーンを用いたデータレコーダによる測定状況を示す図面代用の写真である。本発明に係る実軌道でのセンサーの測定試験結果を示す図（測点Ｎｏ．３７，特急：走行速度７８ｋｍ／ｈ）である。本発明に係るセンサーｘ軸に関する測定加速度に関する並進成分と回転成分を分離した測定結果を示す図である。

符号の説明

１センサー本体
２基盤
３配線
１１，２１Ａセンサー
１２，２２Ｂセンサー
２０砕石
３０アルミ型枠
３１，３２加速度センサー

Claims

三軸加速度センサー２個を砕石の中に間隔をあけて埋め込み、該砕石を鉄道の道床内に配置して、前記三軸加速度センサーのｘ，ｙ，ｚ軸の三軸について、それぞれ平均値と差をとることにより、前記砕石自体のｘ，ｙ，ｚ軸の三軸方向への並進挙動と、前記砕石自体のｘ，ｙ，ｚ軸の三軸に関する回転挙動とを同時に測定可能としたことを特徴とする三軸加速度センサーを用いた三次元センシングストーン。
請求項１記載の三軸加速度センサーを用いた三次元センシングストーンにおいて、前記２個の三軸加速度センサーをアルミニウム型枠に同じ角度で固定し、該２個の三軸加速度センサーを樹脂で封入し、前記２個の三軸加速度センサーに接続される有線を外部に導出することを特徴とする三軸加速度センサーを用いた三次元センシングストーン。