JP2011070469A - 車両通過踏板センサ及び車両通過検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の踏板センサのこれらの問題点にかんがみてなされたもので、信頼性と性能維持を十分確保できる、車両通過踏板センサ及び車両通過検知装置を提供すること。
【解決手段】本発明一例の車両通過踏板センサは、車両の走行方向に対して略垂直な方向に道路に埋設される車両通過踏板センサであって、
中に空洞を有し弾性材料により構成されたパイプと、このパイプの前記空洞に充填された流体と、この流体の圧力を測定する流体圧力センサと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の通行路の所定の箇所、例えば有料道路の料金所において通過する車両を検知する車両通過踏板センサ及び車両通過検知装置に関する。

有料道路の料金徴収システム等では、大型車や普通車等の車種別に通行料金の異なる場合が多い。一方、最近ではＥＴＣシステム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｏｌｌ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ自動料金徴収システム）を導入して有料道路の料金徴収業務の無人化が推進されている。ＥＴＣシステムにおいては車種判別を行う必要がある。従来のシステムでは、光学センサにより車体の検出を行うと共に、路面に敷設した車軸数検知装置によりタイヤの踏圧を検知して車軸数が二軸であるか三軸以上であるかを検知して大型車か普通車以下の車両であるかを判別する。

ところで、車両は通常、四輪（２対の車輪）を有しており、１対ごとの車輪が２度通過することにより、車両の追加となる。１対の車輪の通過はここでは車軸の通過という。また、非常に重い物を積載する後輪が２対の車輪から成っている車両もある。このような車両では３つの車軸により車両が通過することになる。

参考のために有料道路において踏板センサが利用されている一例を、図７に示す。この図は料金所の概要図であり、７１は料金所の車線を示し７２は車両を示す。車両７２は図示矢印方向から進入してゲート７３を通過する。ゲート７３の前の車線７１の入口付近には車線の両側に車両の台数を分別する光学センサ投光部７４と受光部７５が対峙して設置されている。

この光学センサの下の道路には車線を横切るように車軸通過検知装置７６があり、２本の踏板センサ７７が敷設されている。光学センサで車両を検知している間に車軸の数量を検出して車両の大型車、普通車の判別を行い自動料金徴収システムに反映するとともにゲート７３を開ける。車両の通過は、ゲート７３近傍の路面に敷設した車両検出器７８により検出してゲート７３を閉じる。

図８に踏板センサ７７の断面構造を示す。踏板センサは導電性ゴム７９と金属板電極８０により構成されている。金属板電極８０の端部と底部は絶縁体８１で被覆してあるので、車両が通過しないときは導電性ゴム７９と金属板電極８０は絶縁されている。金属板電圧８０には一定の電圧を印加してある。踏板センサ７７の上面に車両７２のタイヤが乗ると導電性ゴム７９が押し潰されて導電性ゴム電極８２と金属板電極８０が接触するので電気的に閉路を形成することになり、これにより車軸通過信号が得られる。

しかしながら、図８に示した断面構造の踏板センサ７７は、車両通過を繰り返すと比較的短期間に導電性ゴムから可塑剤などのゴム成分が抽出される。ゴム成分が金属板電極８０の接触面に堆積することにより接点の電気抵抗が増大し、センサ機能を失うという問題があった。

また、料金所を通過する車両がブレーキを掛けながら通過するために踏板センサ７７に大きな摩擦力が働き、踏板センサ７７が捻り変形を繰り返す。その結果、金属板電極８０が変形して常時閉路となる、あるいは金属板と電気ケーブルの結合部で曲げの応力集中が起こり、電気ケーブルが断線するといった問題があった。

また、特許文献１には、噴出し口を多数設けたパイプから絶えず空気を噴出し、車両が通過するときに空気噴出し口をタイヤが塞ぐ際の噴出し空気圧の変化を検知して車軸通過検知を行う踏板センサを有する車軸通過検知装置が開示されている。

しかし、車軸の通過時間は約１０ミリ秒であり、２連の車軸間のインターバルは約２００ミリ秒の間隔である。このような通過時の瞬間的な空気の圧力変化による検知では、噴出し空気圧のノイズに対するＳＮ比が低いことや応答性に問題があった。また、タイヤに付着している粘土のような汚れは空気噴出しでは除去できないために噴出し口が詰まるという問題があった。これらは踏板センサの検知信頼性と性能維持についての問題である。

また、高速道路利用料金では車種区分が設定されており、車種区分は車軸数だけでなく車両総重量と車軸間距離でも規定されている。例えば中型車区分のマイクロバスは、乗車定員１１人以上２９人以下、車両総重量が８トン未満のものと規定されている。大型車区分のバスは乗員定数３０人以上又は車両総重量８トン以上の路線バス及び車両総重量８トン以上で乗車定員２９人以下且つ車長９ｍ未満のものとされている。このように車両区分には重量で区分が規定されているが、従来の踏板センサでは、通過車両の重量を計測することはできないといった問題があった。

特開２００１−４３４８１号公報

上で説明したように、従来の踏板センサでは、車両通過の回数が多くなると車軸通過検知センサとして機能しなくなる問題や、タイヤからの摩擦力のために捻り応力を受け、金属板電極の変形や電気ケーブルの破断によるセンサ機能を喪失するという問題があった。また、特許文献１に開示された車軸通過検知装置は、噴出し空気圧のノイズに対するＳＮ比が低いことや応答性に問題があり、また噴出し口が詰まるという問題があった。

本発明は、従来の踏板センサのこれらの問題点にかんがみてなされたもので、信頼性と性能維持を十分確保できる、車両通過踏板センサ及び車両通過検知装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１によれば、車両の走行方向に対して略垂直な方向に道路に埋設される車両通過踏板センサであって、中に空洞を有し弾性材料により構成されたパイプと、このパイプの前記空洞に充填された流体と、この流体の圧力を測定する流体圧力センサとを有することを特徴とする車両通過踏板センサを提供する。

本発明の請求項６によれば、中に空洞を有し弾性材料により構成されたパイプと、このパイプの前記空洞に充填された流体と、この流体の圧力を測定する流体圧力センサとを有する、車両の走行方向に対して略垂直な方向に道路に埋設される車両通過踏板センサと、前記車両の車軸が前記パイプに乗ったとき、前記流体圧力センサにより測定される車軸通過時の前記流体圧力及び前記車軸が前記パイプに乗る前又は後に前記流体圧力センサにより測定される車軸通過前後の前記流体圧力を測定しこれらの両圧力の差により前記車両の重量を検知する圧力差検知部と、を有することを特徴とする車両通過検知装置を提供する。

本発明によれば、信頼性と性能維持を十分確保できる、車両通過踏板センサ及び車両通過検知装置が得られる。

本発明一実施形態の構造を示す断面図である。 本発明一実施形態の車両通過踏板センサのゴムパイプの断面構造を示す図である。 本発明一実施形態の車両通過検知装置の電気的構成図である。 本発明一実施形態の車両通過検知装置の動作を説明するための図である。 本発明一実施形態の車両通過検知装置において車軸通過時に流体圧力が変化することを説明するための図である。 本発明の他の実施形態の構成を示す図である。 料金所で車両が通過するときの踏板センサの配置を示す図である。 従来の踏板センサの構成例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は踏板センサの全体の側面図であり、図２は本発明一実施形態の踏板センサの断面構成図である。また、この実施形態の車両通過踏板センサ１１は、内部に空洞を有し踏板を形成するゴムパイプ１２と、この空洞に閉じ込められた流体１３と、流体１３に所定以上の高圧が加わったときに圧力を下げる安全弁である圧力リリーフバルブ１４と、流体１３に加わる圧力を検知する流体圧力センサ１５から構成される。ゴムパイプ１２の先端には流体圧力センサ１５が取り付けられており、流体圧力センサ１５は車両通過の圧力変化を電気信号に変換し、電気信号により圧力値として検知する。

通常、このようなゴムパイプ１２が、図７に示すように２本道路上に並置して埋設される。

この実施形態の車両通過検知装置の電気的構成例を図３に示す。この車両通過検知装置は、車両通過踏板センサ１１と、車両の車軸が通過するとき車両通過踏板センサ１１の流体圧力センサ１５により検知される通過時圧力を記憶する通過時圧力記憶部３２と、車両の車軸が通過する前または後に流体圧力センサ１５により検知される通過前後圧力を記憶する最小圧力記憶部３３と、通過時圧力記憶部３２及び通過前後圧力記憶部３３に記憶された通過時圧力と通過前後圧力の差を検知する圧力差検知部３４と、圧力差検知部３４により検知された圧力差に対応する重量値を加算して車両の総重量を得る重量値加算部３５と、その車両総重量から通過した車両の車種を識別する車種識別部３６と、を有する。通過時圧力記憶部３２及び通過前後圧力記憶部３３には流体圧力センサ１５により得られる圧力電気信号が圧力値として記憶される。

次にこの実施形態の動作を、図４及び図５を用いて説明する。図４はこの実施形態の動作を示すフローチャートである。図５は、車軸が踏板であるゴムパイプ１２を通過するとき、すなわちゴムパイプ１２に乗る前と乗ったときとその後の時刻に対する流体圧力の変化を示す。この流体圧力の変化は、流体圧力センサ１５により検知される。どの時刻においても圧力が変動しているのは、車両が連続して通過することにより道路が振動していることを示している。

図５において車両通過踏板センサ１１のゴムパイプ１２に前車輪（前車軸）が乗る前である時刻Ｔ１までは、ゴムパイプ１２内の流体１３の圧力は低く、流体圧力はほぼ一定（Ｐ１）となっている。変動が大きい場合には、その平均を求めるようにしてもよい。

図４のステップＳ４０１において、まず車軸通過前の流体の圧力を流体圧力センサ１５により測定し、通過前後圧力記憶部３３に記憶する。

次に、ステップＳ４０２で流体の圧力が上がったかどうかを流体圧力センサ１５により検知する。時刻Ｔ２でゴムパイプ１２上に前車軸（１対の前車輪）が乗るとゴムパイプ１２が潰れて内部の流体１３の圧力が例えば、Ｐ２に上昇する。流体圧力が上がったときには、その圧力を測定し、通過時圧力記憶部３２に記憶される。

そして、前車軸が通過する時刻Ｔ２では、圧力Ｐ１に戻り、ステップＳ４０４で流体圧力が下がったことが流体圧力センサ１５により検知される。

ステップＳ４０５では圧力差検知部３４がその圧力差を検知する。圧力差検知部３４は、通過時圧力記憶部３２に記憶されているゴムパイプが潰れた状態における流体の圧力（通過時圧力）と、通過前後圧力記憶部３３に記憶されているゴムパイプが潰れていない状態における流体の圧力（通過前後圧力）の差を求め、車軸がゴムパイプに乗った状態のときの圧力を求める。

ステップＳ４０６では、この圧力差が所定値を超えたか圧力差検知部３４で検知される。これは、実際に圧力変動があっても、圧力差が小さい場合には定常的なノイズと判別する必要があるから行っている。圧力差が所定値以下の場合にはステップＳ４０１に戻って再び流体圧力を測定する。ステップＳ４０２及びステップＳ４０４でＮｏのときも同様にステップＳ５０１に戻る。

ステップＳ４０６において、圧力差が所定値より大きい場合には次のステップＳ４０７で、圧力差からその車軸通過時の重量を求め重量値加算部３５に記憶する。次のステップＳ４０８では、所定時間間隔範囲内に流体圧力が上昇するかを検知する。所定時間間隔範囲は最小時間間隔（Ｔｍｉｎ）と最大時間間隔（Ｔｍａｘ）がある。これは、車両の前車軸が通過した後後車軸が通過するかどうかを調べるためであり、この所定時間は最も小型の四輪車と最も大型の四輪車の前車軸と後車軸の間隔および車速を考慮して時間を求める。時間間隔が短すぎる場合（Ｔ＜Ｔｍｉｎ）は偶然、二輪車が少しの時間差で入ってきたと考えられる。ステップＳ４０８では、具体的には先に圧力が上昇してから再び圧力の上昇した時点までの間隔ＴがＴｍｉｎ≦Ｔ≦Ｔｍａｘの範囲内に入っているかが判定される。

ステップＳ４０８においてＹｅｓの場合には、ステップＳ４０３に戻って上がったときの流体圧力を流体圧力センサ１５により測定し通過時圧力記憶部３２に記憶する。

以下のステップＳ４０４〜Ｓ４０７は最初に圧力が上がった時と同様に処理を行う。

再びステップＳ４０８において、２度目の流体圧力上昇が終わると、通常はステップＳ４０９に移り、上述のようにして重量値加算部３５に記憶された前車軸重量と後車軸重量が加算され、ステップＳ４１０に移り車種識別部３６において通過した車両の車種が識別される。

なお、大型車では後輪が２つ連続している場合もあるので２度目のステップＳ４０８では、上記Ｔｍｉｎが変わることもある。あるいは、後車軸通過の時には２つの時間範囲を決めることも可能である。

なお、車両が通過した後は、ゴムの弾力性により水圧は通過前と同水準に戻る。流体圧力センサ１５には耐圧力限界値があるので、圧力リリーフバルブ１４を設けて圧力センサを過大水圧から保護することが望ましい。

ここで、この実施形態で用いるゴムパイプ１２の形状、材質、充填される流体１３などについて詳しく述べる。

ゴムパイプ１２の断面形状は、例えばアルミ合金敷設ケースの形状に合わせた形状であれば敷設の固定が容易となる。ブレーキをかけながら通過する車両のタイヤからの曲げ応力を受けてもゴムパイプ１２は自在に変形し、車両から受けた圧力を静圧的にパイプ全体に伝達する。

ゴムパイプ１２の材質は、使用条件と環境に対して耐摩耗性、耐熱性、耐寒性、耐疲労性が求められる。この要求に対しては一般的にタイヤに適用されるゴム材料が適している。具体的には、天然ゴム（ＮＲ）系ゴム、スチレンブタジエン（ＳＢＲ）系ゴム、ポリブタジエン（ＢＲ）系ゴム、イソプレン（ＩＲ）系ゴム、ブチル（ＩＩＲ）系ゴムがタイヤ用ゴム材料であり、これらのゴムが本発明のゴムパイプの材料として適している。

ゴムパイプ１２内部の流体１３としては、気体および液体の両方が可能である。気体の場合は、事故などで流体が濾出する場合に車両の通行を阻害しないという長所がある。

一方、車両通過検知の応答性としては液体が好ましい。液体の場合、事故などによりゴムパイプが破損し道路に流出しても人体、環境および交通の安全性に対しては水系が好ましく、寒冷地では自動車エンジンに用いられる不凍液が好ましい。一般的に不凍液は、水にエチレングリコールが５％から５０％添加されている。これを本発明の流体として用いることが可能である。

ゴムパイプ１２には流体１３に対して耐久性を有することが求められる。これには、流体の溶解度指数（ＳＰ値）がゴム材質のそれと離れた数値であれば流体とゴムの成分移行や反応が起こりにくいことが知られている。水のＳＰ値は２３．４であり、エチレングリコールでは１４．６である。

これに対して上記タイヤ用ゴム材料のＳＰ値は、天然ゴム（ＮＲ）系ゴム８．０、スチレンブタジエン（ＳＢＲ）系ゴム８．６、ポリブタジエン（ＢＲ）系ゴム８４、イソプレン（ＩＲ）系ゴム８．０、ブチル（ＩＩＲ）系ゴム７．８であり、流体とは大きく離れたＳＰ値であるため反応が起こりにくい組み合わせである。

流体圧力センサ１５は機械式と電子式に分類されるが、高速な応答が可能で長寿命である電子式が本発明のセンサに適している。一般的にはステンレスダイヤフラムやシリコンダイヤフラムに歪ゲージを取り付けたタイプの圧力センサが広く用いられている。一例としてゴムパイプ１４内には所定の水圧で水が充填されている場合、環境温度により水圧が変動している。

以上説明したように本発明の水圧感知式踏板センサであれば、従来の踏板センサのように電極の接触方式ではないため、ゴム成分の抽出による電極接点の汚染による接触不良の問題や金属板電極の変形による電極間短絡や電気配線コードが電極板端部で応力集中変形して破断する問題も防止でき、安定した高速応答で長寿命の車両通過センサを提供できる。

さらに、上記実施形態では車軸重量の和を取ることにより、車両総重量を計測し車種を識別しているので、車種区分の信頼性を高めることができる利点がある。

なお上記実施形態において、車軸通過前の流体圧力を求めていた。しかし、車軸通過後の流体圧力を求めてもよいし、車軸通過前と車軸通過後の流体圧力を求めてその平均を車軸通過時の流体圧力から差し引くようにしてもよい。

次に踏板センサの他の実施形態について図６を用いて説明する。この車両通過踏板センサ６１は、上記実施形態の場合と同様に内部に流体が充填された３つのゴムパイプ６２ａ，６２ｂ，６２ｃと、これらのゴムパイプに各々接続される流体圧力センサ６５ａ，６５ｂ，６５ｃと、から成る。

これら各々の流体圧力センサ６５ａ，６５ｂ，６５ｃは、得られた流体圧力の差から圧力差ひいては重量値を求める重量値検知部６７ａ，６７ｂ，６７ｃに接続されている。したがって、ゴムパイプ６２ａ，６２ｂ，６２ｃに加わる圧力を独立に測定でき、例えば自動二輪車（バイク）が並列で進入してきた場合と、四輪自動車（車両）が入ってきた場合を区別して検知することができる。四輪車両では左右の両輪には同一重量が掛かるが、自動ニ輪車ではそれぞれの流体圧力センサ６５ａ，６５ｂ，６５ｃのどれかに車軸が通過するタイミングと重量を検知する。通過タイミングが違う場合、複数タイヤの重堂の差が大きい場合は独立した車軸であるとか判定できる。

この実施形態によれば、自動二輪車の並列走行と四輪自動車を識別することが可能となる利点がある。

＜実施例１＞
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。図１及び図２において、車両通過踏板センサ１１のゴムパイプ１２としては、硬さが約Ｈａ５５ 〜 Ｈａ７５の加硫天然ゴムを採用した。これは自動車のタイヤなどに多用されているゴム材料と同水準の耐摩耗性と弾力性を有する。ゴムパイプ１２内の流体１３としては、３０％エチレングリコール水溶液を用いた。このエチレングリコール濃度での凍結温度は約３０℃あり、設定必要な凍結温度に応じてエチレングリコール濃度は調節する。この不凍液は一般の自動車のラジエター液として使用されており安全であることは周知である。

車両通過踏板センサ１１の先端には流体圧力センサ１５が設置されている。この圧力センサ１５は水との接液面にＳＵＳ６３０ステンレス鋼のダイヤフラムを採用し、絶縁膜を介して歪ゲージが取り付けられる。

このような踏板センサを用い、図３に示す電気回路構成で、図４に示す手順で車両の重量を総重量を測定し、車種を判別した。

すなわち、図４に示すように、まず、図１、図２に示す構成の車両通過踏板センサ１１の車軸通過前の流体圧力を計測する。次に車軸が通過したときの圧力変化を流体圧力センサ１５で検知する。車軸通過前後の圧力変化を演算して重量換算することにより車軸の重量を計測することができる。車両の全車軸の計測重量を合計して車両の総重量を計算する。

＜実施例２＞
図６を参照して、ゴムパイプが複数に分割された踏板センサの実施例を説明する。この車両通過踏板センサ６１では１ｍ長さのゴムパイプ６２ａ，６２ｂ，６２ｃ、３本を一列に並べた構成を１セットとしている。

それぞれのゴムパイプはエチレングリコール２０％水溶液を充填した流体パイプ方式を採用しており、流体圧力センサ６５ａ，６５ｂ，６５ｃを備えている。全ての流体圧力センサの流圧計測信号は重量値検知部６７ａ，６８ｂ，６７ｃに送られ、通過車軸の通過時刻が同時の場合は通貨前後の水圧差から車軸重量を計測する。通過時刻が同時でない場合や重量の差が明確である場合は別の車軸と判定し、複数の自動二輪車が並んで通過したものと判定される。

以上詳述したように本発明の実施形態によれば、電極接点式踏板センサにおけるような電極接点の導通性劣化や電極の変形や電極のケーブル接合部破断の原因となる電極を有しないのでそれらの問題を回避できる。ゴムパイプ踏板内に充填した不凍水溶液の圧力応答性が高いので検知精度の高い踏板センサが得られる。不凍水溶液は万が一事故などでパイプから漏れても火災や環境阻害とはならない。寒冷地でも凍らずに適用できる。

さらに、車軸通過時の流体の圧力変動計測により車軸重量を測ることができるため、全車軸重量の合計から車両総重量を計測でき、車種区分の確率を高めることができる。

第２の実施形態によれば、ゴムパイプを分割して一列に並べた方式とすることにより並んで走行したときの自動二輪と四輪自動車の区別を行うことができる。

本発明は、車両通過時の圧力を電極接触ではなく閉じ込めた流体圧力変化により検知する点に特徴がある。これにより、長尺の金属板電極を用いることがないため電気接点面の劣化や電極の変形といった問題を解決できる。

本発明は上記実施形態に限られず種々変形して実施可能である。これらの変形例の本発明の技術思想を用いる限り、本発明に含まれる。

１１，６１・・・・車両通過踏板センサ、
１２，６２ａ，６２ｂ，６２ｃ・・・・ゴムパイプ、
１３・・・・流体、
１４・・・・圧力リリーフバルブ、
１５，６５ａ，６５ｂ，６５ｃ・・・・流体圧力センサ、
３２・・・・通過時圧力記憶部、
３３・・・・通過前後圧力記憶部、
３４・・・・圧力差検知部、
３５，６７ａ，６７ｂ，６７ｃ・・・・重量値加算部、
３６・・・・車種識別部。

Claims (7)

1. 車両の走行方向に対して略垂直な方向に道路に埋設される車両通過踏板センサであって、
   中に空洞を有し弾性材料により構成されたパイプと、このパイプの前記空洞に充填された流体と、この流体の圧力を測定する流体圧力センサとを有することを特徴とする車両通過踏板センサ。
2. 前記パイプはゴム材料により構成されて成ることを特徴とする請求項１記載の車両通過踏板センサ。
3. 前記流体は液体であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両通過踏板センサ。
4. 前記流体は水又は不凍液であることを特徴とする請求項３記載の車両通過踏板センサ。
5. 前記流体は気体であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両通過踏板センサ。
6. 中に空洞を有し弾性材料により構成されたパイプと、このパイプの前記空洞に充填された流体と、この流体の圧力を測定する流体圧力センサとを有する、車両の走行方向に対して略垂直な方向に道路に埋設される車両通過踏板センサと、
   前記車両の車軸が前記パイプに乗ったとき、前記流体圧力センサにより測定される車軸通過時の前記流体圧力及び前記車軸が前記パイプに乗る前又は後に前記流体圧力センサにより測定される車軸通過前後の前記流体圧力を測定しこれらの両圧力の差により前記車両の重量を検知する圧力差検知部と、
   を有することを特徴とする車両通過検知装置。
7. 前記パイプはゴム材料により構成されるとともに前記流体は水又は不凍液であることを特徴とする請求項６記載の車両通過検知装置。