JP2009236816A - 距離あるいは変位を検出する検出器およびこれを用いるレール変位量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
回動ミラーの歪みを改善することにより距離あるいは変位の検出精度を向上させることができる距離あるいは変位を検出する検出器を提供することにある。
【解決手段】
この発明は、対象物と光式センサとの間に回動ミラーを介在させて回動ミラーが回動することで変動する対象物の特定の測定点に投光し、その反射光を受光して測定点までの距離あるいは変位を検出する検出器において、前記の回動ミラーが、誘電体多層膜が設けられたガラス製基板の裏面側にチタン製基板あるいはチタン合金製基板を張り合わせたものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、距離あるいは変位を検出する検出器およびこれを用いるレール変位量測定装置に関し、詳しくは、軌道検測車に搭載され、ＰＳＤ素子（位置検出素子）が対象物からの反射光を回動ミラーを介して受光してレールとの変位についての検出信号を発生するレーザ変位センサにおいて、回動ミラーの歪みを改善することにより変位検出信号の精度を向上し、もってレール変位量の測定精度を向上させることができるようなレーザ変位センサを用いる距離あるいは変位を検出する検出器に関する。

受光器をＰＳＤ素子とするレーザ変位センサによる距離あるいは変位を検出する検出器は、対象物からの反射光をＰＳＤ素子が受光し、受光した位置に応じてその両端からピークを持つ２つの検出信号を発生する。２つの検出信号の発生タイミングは受光位置に応じてずれるので、レール変位量測定装置は、２つの検出信号の発生タイミングを電圧値あるいは電流値としてレーザ変位センサから得てその比により受光位置を算出して、その受光位置からレールと検出器との距離を算出し、変位量を計算する。
この種のＰＳＤ素子を用いてレールの左右の変位量を測定する装置としては出願人によるレール変位量測定装置がすでに公知である（特許文献１）。
一方、レールと光式距離センサとの間に回動ミラーを介在させてレール上の特定の測定点の変動に応じて回動ミラーを回動させて測定点を追従制御することでレールの測定点との距離を検出する距離検出器とその測定技術とが公知である（特許文献２）。
この測定技術は、車体が上下左右に変動する走行車輪のばねより上のシャーシ等に距離検出器を設けて、レールの左右の変位量を高精度に測定することを可能にしかつ距離検出器を小型化することを可能にするものである。
ところで、この発明に関連するものとしてミラーの熱膨張を抑えて温度収縮を防止するレーザ光の反射鏡としてガラス製薄板と金属基板とを張り合わせるものが公知になっている（特許文献３）。
特開平６−４２９１７号公報 特開２００１−４１７０５号公報 特開平８−６８８９８号公報

レール変位量測定装置に設けられる、受光器にＰＳＤ素子が組込まれた距離あるいは変位の検出器は、前記の回動ミラーを含めて内蔵するミラーがレーザビームを受けて温度上昇するほどのものではないので、これによる温度膨張等の対策は不要である。
しかし、レール変位量測定装置に設けられる距離検出器は、検測車のシャーシ等に取付けられる屋外使用の機器であるため、外気温に曝され、それに影響され易く、温度管理することが難しいという欠点がある。そのため、特許文献３に記載されるような熱膨張を防止するミラーを使用したとしても膨張がなくなる訳ではなく、回動ミラー等が膨張したときには歪みを発生する。
一方、レール変位測定のための距離検出器の受光系は、レールからの反射光の受光距離が長いので、ミラーの歪みは距離測定に影響を与える。その上に距離検出器を小型化するために前記したような回動ミラーを採用する光式センサにすると、たとえ回動ミラーの歪み量が少なくても受光位置に大きな誤差を生じる。
特に、受光器をＰＳＤ素子とするレーザ変位センサでは、回動ミラーの歪みによりレールからの反射光の位置が大きく変化するのでレール変位量の測定精度に与える影響が大きく、それが問題になる。

この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、対象物からの反射光を回動ミラーを介して受光する光式センサを用いる距離あるいは変位を検出する検出器において、回動ミラーの歪みを改善することにより距離あるいは変位の検出精度を向上させることができる距離あるいは変位を検出する検出器を提供することにある。
この発明の他の目的は、ＰＳＤ素子が対象物からの反射光を回動ミラーを介して受光してレールとの距離についての検出信号を発生するレーザ変位センサを有する距離あるいは変位を検出する検出器において、回動ミラーの歪みを改善することにより距離検出信号の精度を向上し、もってレール変位量の測定精度を向上させることができる距離あるいは変位を検出する検出器およびこれを用いるレール変位量測定装置を提供することにある。

この発明は、上記の目的を達成する距離あるいは変位を検出する検出器およびこれを用いるレール変位量測定装置であって、その特徴は、対象物と光式センサとの間に回動ミラーを介在させて回動ミラーが回動することで変動する対象物の特定の測定点に投光し、その反射光を受光して測定点までの距離あるいは変位を検出する検出器において、
前記の回動ミラーが、誘電体多層膜が設けられたガラス製基板の裏面側にチタン製基板あるいはチタン合金製基板を張り合わせたものである。

チタンの膨張率は、８．４×１０^−６／°Ｃであり、ガラス基板のそれは、８．０×１０^−６／°Ｃであって、ほぼ同様な率である。
そこで、この発明は、対象物と光式センサとの間に回動ミラーを介在させて前記回動ミラーが回動することで前記対象物の特定の測定点との距離あるいは変位を検出する検出器において、回動ミラーのガラス基板にチタン製基板あるいはチタン合金製基板に張り付けるものである。
これによりガラス基板の膨張に合わせてチタン製基板あるいはチタン合金製基板が膨張するので、周囲温度が変化してもガラス基板にほとんど歪みが発生しないで済む。
その結果、対象物からの反射光の受光距離が長い上に距離あるいは変位を検出する検出器を小型化するために光路に回動ミラーを設けた場合に、距離あるいは変位の検出誤差が小さく抑えられ、また、反射光をＰＳＤ素子が受ける場合には、特に、反射光の受光位置精度が向上して距離の測定精度を向上させることができる。したがって、この距離あるいは変位を検出する検出器を用いたレール変位量測定装置にあっては、レール変位量の測定精度を向上させることができる。

図１（ａ）は、この発明を適用した一実施例のレーザ変位センサによる距離検出器と回動ミラーの構造についての説明図、図１（ｂ）は、ＰＳＤの受光状態についての説明図、図１（ｃ）は、回動ミラーの構造の説明図、そして図２は、軌道検測車に搭載されたレール変位量測定装置の説明図である。
図２において、１０は、レール変位量測定装置であって、その測定基板１１にはレーザ変位センサ２とレーザ変位センサ３とが設けられている。レーザ変位センサ２は、レール１の内軌側側面の測定点Ａとレーザ変位センサとの変位量（距離）を検出する検出信号を発生し、レーザ変位センサ３は、レール１の頭部面の測定点Ｂとレーザ変位センサの変位量（距離）を検出する検出信号を発生する。Ｌはそれぞれ投光光であり、Ｒは受光光である。
測定基板１１は、検測車の車体動揺の影響を受けるばね上のシャーシ１２に取付けられ、測定基板１１には回動ミラー４がレーザ変位センサ２の投受光光路Ｌaに介在するように設けられ、また、回動ミラー５がレーザ変位センサ３の投受光光路Ｌｂに同様に設けられている。

回動ミラー４，５は、それぞれサーボモータ（ステッピングモータ）４１，５１により回転駆動される。サーボモータ（ステッピングモータ）４１，５１には、角度検出器４２，５２が設けられ、ミラーの回転角度が検出される。検出されたミラーの回転角度は、サーボ回路４３，５３に入力される。サーボ回路４３，５３は、演算処理・制御回路１３によりそれぞれ制御される。
距離算出回路部８は、レーザ変位センサ２，３の検出信号を受けて検出された変位量からレーザ変位センサ２と測定点Ａ、レーザ変位センサ３と測定点Ｂとの距離を算出して演算処理・制御回路１３に送出する。
なお、ここでの距離検出器は、レーザ変位センサ２と距離算出回路部８とレーザ変位センサ３と距離算出回路部８とによりそれぞれ構成される。
演算処理・制御回路１３は、距離算出回路部８から距離算出信号を受けて、回動ミラー４と測定点Ａとの距離ＤA、そして回動ミラー５と測定点Ｂとの距離ＤBをそれぞれ算出する。
次に回動ミラー４と測定点Ａとの距離ＤA、回動ミラー５と測定点Ｂとの距離ＤB、そして回動ミラー４と回動ミラー５との距離ＤCとから余弦定理に従って演算して角度制御値を発生し、その角度制御値により回動ミラー４をレール１の上下、左右の移動に応じて回動させて測定点Ａの移動に追従させて投受光光路Ｌaを測定点Ａに一致させる。同様に、回動ミラー５をレール１の上下、左右の移動に応じて回動させ、レーザ変位センサ３の投受光光路Ｌｂを測定点Ｂの移動に追従させる。

ここでの演算処理・制御回路１３の余弦定理の演算処理としては、測定点Ａから投受光光路Ｌａを延長し、測定点Ｂから投受光光路Ｌｂを延長したレール１の内部にある交点Ｐにおいて、三角形が成立し、回動ミラー４と回動ミラー５との距離ＤCが一定であるので、例えば、レーザ変位センサ３により測定され距離ＤBが距離ＤAより大きく変化したときには、この変化に応じた距離ＤBと距離ＤCと、変化する以前の距離ＤAとからレール１の点Ｐとの間の三角形において回動ミラー４の角度θを算出する。
なお、前記の算出ではレール１の内部の交点Ｐまでの距離は変化しないものとする。
実測された距離ＤAも変化しているときには、さらに、この角度θと変化した距離ＤAと、測定された距離ＤBと、距離ＤCとから回動ミラー５の角度αが算出されて、距離ＤAが再計算される。さらに算出された距離ＤAと測定された距離ＤAとが一致する方向に角度θが補正され、回動ミラー５の角度αが算出されて同様な処理が繰り返され、角度αと角度θとが測定された距離ＤAと測定された距離ＤBとに適合するように決定される。
逆にレーザ変位センサ２により測定され距離ＤAが距離ＤBより大きく変化したときには、この変化に応じて距離ＤAと、距離ＤCと距離ＤBとから同様にして回動ミラー５の角度αを算出する。そこで、前記と同様にして実測値との差を優先させて回動ミラー４の角度θと回動ミラー５の角度αとを算出することで、レール１の測定点Ａ，Ｂの変動に対して追従させる回動ミラー４，５の角度θ，αを算出する。
このような追従制御については、先に挙げた特開２００１−４１７０５号公報に算出式が挙げられて詳細に記載されているので、これを参照すればよいので詳細な説明は割愛する。

図１（ａ）に示すように、レーザ変位センサ２，３は、それぞれ、内部に投光器６と受光器７とを有している。
投光器６のレーザ光源６１は、例えば、数ｍＷ〜５ｍＷ程度で極めて短い時間幅のレーザパルスを発生する。レーザ光源６１は、距離算出回路部８のパルス駆動回路（図示せず）により励起される。
レーザ光源６１は、ＬＤを使用し、これからのレーザは、投光レンズ６２を通して回動ミラー４あるいは回動ミラー５に照射され、レール１に対して所定の角度でそれぞれに投光される。
受光器７は、回動ミラー４あるいは回動ミラー５を介して集束レンズ７１でレール１からの反射光をＰＳＤ７２が受光する。ＰＳＤ７２の出力は、距離算出回路部８に入力される。

図１（ａ）に示すように、回動ミラー４，５は、投光器６の投光光Ｌとレール１からの受光光Ｒとを受ける短冊型のミラーであり、同一構造のものであって、ブラケット５０によりレーザ変位センサと一体的に結合されている。
回動ミラー５を例としてその構造を説明すると、回動ミラー５は、ステッピングモータ５１の回転軸５１ａに背面で固定され、回転軸５１ａが上下の軸受５５により軸支され、軸受５５がブラケット５４に固定されている。そこで、ステッピングモータ５１がサーボ回路５３により回動駆動されることにより、回動ミラー５が回動し、その角度が角度検出器５２により検出されて、算出された所定の角度に回動ミラー４，５が設定される。
なお、上側の軸受５５の上部には、角度検出器５２が搭載されている。
投光器６の投光光Ｌは、レーザ光源６１から出射され、回動ミラー５に割当てられた図面上側のミラー部分で反射されてレール１に照射される。そして、レール１からの受光光Ｒは、回動ミラー５に割当てられた図面中央より下側のミラー部分で反射されて集束レンズ７１によりＰＳＤ７２の受光位置に結像される。その受光状態は、図１（ｂ）に示すように回動ミラー５の回動に応じてＰＳＤ７２の受光位置が相違してくる。
なお、回動ミラー４も同様であるのでその説明を割愛する。

回動ミラー４，５は、図１（ｃ）に示すように、それぞれ多層膜ミラー９で構成される。多層膜ミラー９は、チタン製基板９１とこの基板１の上に張り合わされたガラス製基板９２とこのガラス製基板９２の上に蒸着された誘電体多層膜９３とにより構成されている。
誘電体多層膜９３は、ガラス製基板９２に蒸着されてレーザ反射鏡とされ、このレーザ反射鏡がチタン製基板９１に接着剤で張り合わされて多層膜ミラー９が製造される。
なお、多層膜ミラー９は、先にガラス製基板９２をチタン製基板９１に熱接触等により張り合わされてから誘電体多層膜９３が蒸着されて製造されてもよい。
誘電体多層膜９３としては、例えば、数百Åの銀膜あるいアルミニューム膜の上にＳｉＯ_２，ＴｉＯ_２，ＨｆＯ_２，ＺｒＯ_２，ＣｅＯ_２などの層を交互多層膜として積層することで形成される。

以上説明してきたが、実施例では、チタン製基板を使用しているが、この基板は、チタン合金製基板であってもよい。
また、実施例のレーザ変位センサの受光器は、ＰＳＤ素子が設けられるものを例としているが、ＰＳＤ素子に換えてＣＣＤ素子あるいはその他の受光素子が設けられていてもよい。実施例における距離算出回路部は、レーザ変位センサに内蔵されて全体を距離センサとしてもよい。
さらに、実施例の距離検出器は、レールからの反射光が同じ位置になるように受光角を回動ミラーで調整してレールの位置が変化したときに追従させる制御を行うものであるが、実施例の追従制御は一例であって、同様な追従制御をするものであればこの発明は適用可能であり、さらに測定対象は、レールに限定されるものではない。

図１（ａ）は、この発明を適用した一実施例のレーザ変位センサによる距離検出器と回動ミラーの構造についての説明図、図１（ｂ）は、ＰＳＤの受光状態についての説明図、そして図１（ｃ）は、回動ミラーの構造の説明図である。 図２は、軌道検測車に搭載されたレール変位量測定装置の説明図である。

符号の説明

１…レール、２，３…レーザ変位センサ、
４，５…回動ミラー、６…投光器、７…受光器、
８…距離算出回路部、９…多層膜ミラー、
１０…レール変位量測定装置、１１…測定基板、
１３…演算処理・制御回路、
４１，５１…サーボモータ（ステッピングモータ）、
４２，５２…角度検出器、４３，５３…サーボ回路、
６１…レーザ光源、６２…投光レンズ、
７１…集束レンズ、７２…ＰＳＤ、
９１…チタン製基板、９２…ガラス製基板、
９３…誘電体多層膜。

Claims (5)

1. 対象物と光式センサとの間に回動ミラーを介在させて前記回動ミラーが回動することで変動する前記対象物の特定の測定点に投光し、その反射光を受光して前記測定点までの距離あるいは変位を検出する検出器において、
   前記回動ミラーは、誘電体多層膜が設けられたガラス製基板の裏面側にチタン製基板あるいはチタン合金製基板を張り合わせたものである距離あるいは変位を検出する検出器。
2. 前記光式センサは投光器と受光器とを具えるレーザ変位センサを有し、前記受光器には、前記回動ミラーを介して前記対象物からの反射光を受光する受光素子が設けられている請求項１記載の距離あるいは変位を検出する検出器。
3. 前記投光器は、前記回動ミラーを介して前記測定点にレーザ光を照射するレーザ光源を有する請求項２記載の距離あるいは変位を検出する検出器。
4. 前記受光素子はＰＳＤ素子あるいはＣＣＤ素子であり、前記対象物は、車両が走行するレールであり、前記回動ミラーは、前記測定点からの反射光を前記受光素子が受光するように回動制御される請求項３記載の距離あるいは変位を検出する検出器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の前記距離あるいは変位を検出する検出器を２個有し、そのうちの１つは、前記レールの内軌側側面の前記測定点を第１の点としてこれとの距離あるいは変位を検出するものであり、他の１つは、前記レールの頭部面の前記測定点を第２の点としてこれとの距離あるいは変位を検出するものであり、２つの前記検出器の前記回動ミラーの間の距離と、各前記検出器の検出信号に応じて測定される前記第１の点までの距離および前記第２の点までの距離とにより各前記検出器の回転ミラーの回転量を算出して前記回動ミラーを回動させてレール変位量を測定するレール変位量測定装置。

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