JP2009080617A - 三軸加速度センサとｐｉｃマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーン - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電力の供給ケーブルを無くした完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンを提供する。
【解決手段】無線・光通信併用方式三次元センシングストーンにおいて、三軸加速度センサチップと、Ａ／Ｄ変換器と、電源用受信コイル・ＤＣ−ＤＣコンバータと、信号送信用ＦＭ送信機とを備えた測定用センサと、この測定用センサの近距離に配置され、電力発信機と、ＦＭ受信機と、光通信装置とを備えた中継用砕石を具備し、前記測定用センサは、前記中継用砕石の前記電力発信機から低周波の電波による電力の供給を受け、前記信号送信用ＦＭ送信機から高周波ＦＭ電波による無線信号伝送を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、三軸加速度センサとＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンに関するものである。

本願発明者は、既に、三軸加速度センサを複数個内蔵し、三次元的な並進挙動と回転挙動を測定可能な３次元センシングストーンを提案している（特許文献１：非公開）。

その３次元センシングストーンは、鉄道車両走行荷重戴荷時のバラスト砕石の三次元的な運動（並進運動および回転運動）を精密測定し、砕石内部でデジタル信号として変換した後、光ケーブルを用いてノイズのないクリーンなデジタル情報としてデータ転送する測定用センサを提供している。
特願２００６−２６０７２６号 「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

バラスト軌道の劣化挙動のメカニズム解明には、実態荷重環境下での砕石の三次元的な運動に関する測定が必須である。本願発明者は、三軸加速度センサを複数個用いて砕石の並進挙動と回転挙動を同時に測定し、砕石内部にＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵することにより、砕石内部のセンサ直近にてＡＤ変換を行い、高品質の測定データを得て、さらに、光ケーブルを用いてデータを転送することにより、三軸加速度測定用のノイズ低減対策、三次元センシングストーンのケーブルの簡素化に成功した。

しかしながら、この三次元センシングストーンは、ケーブルは従来型に比べて大幅に細くできるものの、砕石本体からケーブルが引き回されているために、そのケーブルが三次元センシングストーン（砕石）の運動をわずかに阻害して、実際の砕石の完全な三次元挙動を正確に測定できないといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、砕石の実挙動を正確に測定するために、砕石の挙動の妨げとなる、三次元センシングストーンの駆動電力の供給ケーブルを無くし、かつ、三次元センシングストーンの出力ケーブルをも無くすことができる三軸加速度センサとＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕三軸加速度センサとＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンにおいて、測定用三軸加速度センサチップと、ＰＩＣマイクロコンピュータによるＡ／Ｄ変換器と、電源用受信コイル・ＤＣ−ＤＣコンバータと、信号送信用ＦＭ送信機とを備えた測定用センサと、この測定用センサの近距離に配置され、電力発信機と、ＦＭ受信機と、光通信装置とを備えた中継用砕石とを具備し、前記測定用センサは、前記中継用砕石の前記電力発信機から低周波の電波による電力の供給を受け、前記信号送信用ＦＭ送信機から高周波ＦＭ電波による無線信号伝送を行う。

本発明によれば、砕石の実挙動を正確に測定するために、砕石の挙動の妨げとなる、三次元センシングストーンの駆動電源の供給ケーブルを無くし、かつ、三次元センシングストーンの出力ケーブルをも無くすことができる三軸加速度センサとＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンを提供する。

本発明の三軸加速度センサとＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンは、測定用三軸加速度センサチップと、ＰＩＣマイクロコンピュータによるＡ／Ｄ変換器と、電源用受信コイル・ＤＣ−ＤＣコンバータと、信号送信用ＦＭ送信機とを備えた測定用センサと、この測定用センサの近距離に配置され、電源発信機と、ＦＭ受信機と、光通信装置とを備えた中継用砕石と、前記測定用センサは、前記中継用砕石の前記電源発信機からの低周波の電波による電力の供給を受け、前記信号送信用ＦＭ送信機からの高周波ＦＭ電波による無線信号伝送を行う。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す三軸加速度センサとＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンの配置を示す模式図である。

図１において、１は路盤、２は路盤１上に設けられるバラスト、３はバラスト２上に設けられるまくらぎ、４はまくらぎ３上に配置されるレール、５は中継用砕石、６は中継用砕石５によって中継されて電力供給を受け、測定デジタル信号を無線で送信する測定用センサである。すなわち、中継用砕石５は電源と電力受信器とＦＭ受信器と光通信装置とを備えている。

図２は本発明の実施例を示す三軸加速度センサとＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンの回路図である。

図２において、中継用砕石５は、測定用センサ６の近距離に配置され、外部から電力ケーブル７により電力供給される電源部５Ａと、電力発信機５Ｂと、ＦＭ受信機５Ｃと、光通信装置５Ｄとを備えている。また、８は光通信装置５Ｄに接続される光ファイバ、９は光ファイバ８に接続される三次元センシングストーンの変位測定装置である。

また、測定用センサ６には、測定用三軸加速度センサチップ６Ａと、ＰＩＣマイクロコンピュータによるＡ／Ｄ変換器６Ｂと、電源用受信コイル・ＤＣ−ＤＣコンバータ６Ｃと、信号送信用ＦＭ送信機６Ｄとを備えている。

つまり、測定用三軸加速度センサチップ６Ａと、ＰＩＣマイクロコンピュータによるＡ／Ｄ変換器６Ｂと、電源用受信コイル・ＤＣ−ＤＣコンバータ６Ｃと、信号送信用ＦＭ送信機６Ｄとを備えた測定用センサ６と、この測定用センサ６の近距離に配置され、電源部５Ａと電力発信機５Ｂと、ＦＭ受信機５Ｃと、光通信装置５Ｄとを備えた中継用砕石５とを具備し、測定用センサ６は、中継用砕石５の電力発信機５Ｂから低周波の電波により電力の供給を受け、信号送信用ＦＭ送信機６Ｄから高周波ＦＭ電波による無線信号伝送を行う。

ここで、本発明に用いる測定用三軸加速度センサチップについて説明する。

図３はピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ（Ｈ４８Ｄ）１０の外観を示している。また、そのピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ１０のブロック図を、図４に示す。このピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ１０は、Ｘセンサ１１、Ｙセンサ１２、Ｚセンサ１３、温度センサ１４、増幅器（ＡＭＰ）１５、制御部１６、参照電源１７とを備えている。

次に、加速度の検出を行うピエゾ抵抗素子の配置について説明する。

図５はそのピエゾ抵抗素子の構造を示しており、図５（ａ）はそのピエゾ抵抗素子の平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。また、図６はピエゾ抵抗素子とその回路を示す図である。

これらの図において、２１はピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ、２２は半導体ピエゾ素子である。

次に、ピエゾ抵抗型三軸加速度センサ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７は三次元センシングストーンの動作原理図である。

図７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、ピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップを２個配置したものである。それぞれ「Ａセンサ」３１と「Ｂセンサ」３２とする。センサ間の直線距離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３１とＢセンサ３１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３１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３２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３１およびＢセンサ３２の中点とする。２個のセンサについて、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３１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。

図８は三次元センシングストーンの構造を示す図である。

この図に示すように、三次元センシングストーン４１内に図７で示したＡセンサ３１及びＢセンサ３２を配置し、上記した三次元センシングを行うようにしている。

本発明は、砕石の実挙動を正確に測定するために、（１）砕石の挙動の妨げとなる、三次元センシングストーンの駆動電源の供給ケーブルを無くし、かつ、（２）三次元センシングストーンの出力ケーブルをも無くすようにした点に特徴を有する。

上記（１）については、三次元センシングストーン内部で消費される電力は、２個の測定用三軸加速度センサチップの駆動電力と、三次元センシングストーンに内蔵したＰＩＣマイクロコンピュータの駆動電力の２つである。このなかで、測定用三軸加速度センサチップの消費電力はごく僅かであり、ＰＩＣマイクロコンピュータの駆動電力が消費電力のほとんどを占める。

ケーブルをなくす方法として、外部より電波で駆動電力を供給することが考えられるが、電力を供給する電波は距離の二乗に比例して減衰し、しかも、三次元センシングストーンは道床内部の砕石集合体の内部に設置されるため、砕石集合体に遮られて電波が十分に届かない。また、出力情報も電波で送り出す方法では、出力情報の載った電波が周囲の砕石集合体に遮られてしまう。出力情報も距離の二乗に比例して減衰する。そのため、この方法では、道床外部から電波により電力を供給することは実際的には不可能である。

本発明の三次元センシングストーンでは、（Ａ）「ケーブルのない測定用センサ（センシングストーン本体）、（Ｂ）「電力供給用のコイルとＦＭ受信機を内蔵し、電源供給用の電力ケーブルと出力用の光ケーブルが接続される中継用砕石」の２つに分けることにより、上述の問題を解決した。

（Ａ）では、測定用三軸加速度センサチップとＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵したケーブルのない測定用センサ（センシングストーン本体）を作る。この測定用センサの駆動電力は内蔵した電源用受信コイルにより、外部から数ｋＨｚの電波による誘導電流の形で得て、これを内部でダイオードで整流し、超小型の１チップＤＣ−ＤＣコンバータにより、５Ｖの定電圧駆動電力を得る。５Ｖの電力に、大容量のキャパシタを並列に入れて事前に蓄電しておくことにより、三軸加速度測定時に消費電力が超過した場合に対応する。三次元センシングストーン内部で得られた加速度測定値は、この駆動電力を用いてＰＩＣマイクロコンピュータによりＡ／Ｄ変換され、Ａ／Ｄ変換された信号は、内蔵の信号送信用ＦＭ発信機により、数ＭＨｚの微弱電波として砕石の周囲に送信される。

（Ｂ）では、（Ａ）の測定用センサに駆動電力を外部から供給するための中継用砕石に内蔵のコイルから数ｋＨｚの電波を発信する。この誘導電流は距離の二乗に比例して減衰してしまうので、測定用センサと電力供給側である中継用砕石を１０〜２０ｃｍほどの近距離で道床内部に設置することにより、電波による電力供給と、測定値の出力信号の取得を可能とする。なお、電力供給時の電波の周波数は数ｋＨであり、測定値出力用の電波の周波数は数ＭＨｚなので、入力電力と測定信号が混信することはあり得ない。また、電力供給側はＡＭ電波であるが、出力電波はノイズに強いＦＭ信号なので、両者が近接しても干渉することはない。中継用砕石で受信した測定信号は、中継用砕石内部で復調された後、光ケーブルから外部にデジタル信号として出力される。

このように構成したので、本発明は以下に示すような効果を奏する。

三次元センシングストーン本体（測定用センサ）からケーブルがなくなったことにより、砕石の動的挙動測定の精度が飛躍的に向上する。特に、ケーブルにより回転挙動が阻害されることがないので、回転挙動の測定精度が高くなる。また、三次元センシングストーン本体のケーブルの引き回しが無用なので、三次元センシングストーンの設置が容易であり、かつ、どこにでも設置することができる。さらに三次元センシングストーンごとに信号出力の周波数を変えることにより、同じ道床内に複数個の三次元センシングストーンを埋設可能であり、多数のバラスト砕石の運動に関する正確な測定が容易に実施できる。これらのことは、列車走行による軌道劣化のメカニズム解明に大いに貢献する。

なお、特許文献１の三軸加速度センサを用いた三次元センシングストーンによる測定例により、本発明の三次元センシングストーンによる測定が可能なことを確認した。また、ＰＩＣマイクロコンピュータと光ケーブルによる測定についても実験済みである。コイルを用いた電波による電力の供給法については、電力供給側である中継用砕石に大型トランスを用い、測定用センサ側の電源用受信コイルにフェライトコア付きのチョークコイルを用いることで、十分供給可能なことを確認した。一般に、５〜６両編成の通勤列車が測定箇所を通過するのに必要な時間は１０〜１５秒程度であり、その後５〜１０分間は電車はこない。したがって、電車を待っている間の５〜１０分に砕石内部のキャパシタに蓄電しておけば、電力用の電波の受信状況が少々悪くても、十分測定可能である。

なお、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とＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンは、電源の供給用ケーブルと信号出力ケーブルをなくしたことにより、ワイヤレスで砕石の三次元的な動きを的確に把握することができる。

本発明の実施例を示す三軸加速度センサとＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンの配置を示す模式図である。 本発明の実施例を示す三軸加速度センサとＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンの回路図である。 本発明の実施例を示すピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップの外観を示す図である。 図３に示されたピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップのブロック図である。 本発明の実施例を示すピエゾ抵抗素子の構造を示す図である。 本発明の実施例を示すピエゾ抵抗素子とその回路を示す図である。 三次元センシングストーンの動作原理図である。 三次元センシングストーンの構造を示す図である。

符号の説明

１ 路盤
２ バラスト
３ まくらぎ
４ レール
５ 中継用砕石
５Ａ 電源部
５Ｂ 電力発信機
５Ｃ ＦＭ受信機
５Ｄ 光通信装置
６ 測定用センサ
６Ａ 測定用三軸加速度センサチップ
６Ｂ ＰＩＣマイクロコンピュータによるＡ／Ｄ変換器
６Ｃ 電源用受信コイル・ＤＣ−ＤＣコンバータ
６Ｄ 信号送信用ＦＭ送信機
７ 電力ケーブル
８ 光ファイバ
９ 三次元センシングストーンの変位測定装置
１０，２１ ピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ
１１ Ｘセンサ
１２ Ｙセンサ
１３ Ｚセンサ
１４ 温度センサ
１５ 増幅器（ＡＭＰ）
１６ 制御部
１７ 参照電源
２２ 半導体ピエゾ素子
３１ Ａセンサ
３２ Ｂセンサ

Claims (1)

1. （ａ）測定用三軸加速度センサチップと、ＰＩＣマイクロコンピュータによるＡ／Ｄ変換器と、電源用受信コイル・ＤＣ−ＤＣコンバータと、信号送信用ＦＭ送信機とを備えた測定用センサと、
   （ｂ）該測定用センサの近距離に配置され、電力発信機と、ＦＭ受信機と、光通信装置とを備えた中継用砕石を具備し、
   （ｃ）前記測定用センサは、前記中継用砕石の前記電力発信機から低周波の電波による電力の供給を受け、前記信号送信用ＦＭ送信機から高周波ＦＭ電波による無線信号伝送を行うことを特徴とする三軸加速度センサとＰＩＣマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーン。

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