JP2013217756A - 変位計測用センサノード、および、変位計測用センサノードによる変位量計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道架線に取り付けられる自動張力調整装置のスプリングの状況を監視する変位計測用センサノードにおいて、変位計測の基準点を自動的に算出し、かつ、低消費電力でリアルタイムにスプリングの状況を監視する。
【解決手段】制御装置の制御部は、線状に並べられた変位センサの磁気センサ素子を選択して、出力される磁気感知信号を計測して、その磁気センサ素子に対応する管理番号に基づき磁石の位置を求める。また、磁気センサ素子を選択して、各々の磁気センサ素子に並列に設けられた抵抗より出力される電圧信号を計測して、その磁気センサ素子に対応する管理番号に基づき変位センサの長さを求める。そして、変位センサの長さより、基準点を算出し、求められた磁石の位置と基準点に基づいて、対象物の変位量を算出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、変位計測用センサノード、および、変位計測用センサノードによる変位量計測方法に係り、特に、鉄道架線に取り付けられる自動張力調整装置のスプリングの状況を、低消費電力でリアルタイムで監視するのに好適な変位計測用センサノード、および、変位計測用センサノードによる変位量計測方法に関する。

電車に電力を供給するための架線（トロリ線）は、張力が印加された状態で一定間隔ごとに建てられた電柱に吊るされている。この様な架線は、一般に銅線が使われており、気温の変化により日々伸縮するため張力が変化する。また、経年変化、磨耗、弾性伸びや電柱傾斜等によっても張力が変化する。ここで張力が下がり架線が弛むと、パンタグラフの接触が不安定になる。また、逆に、張力が上がると架線が切れる恐れがある。したがって架線の健全性を維持するためには、架線の張力を一定に保つことが必要であり、架線の終端部に自動張力調整装置を設置し、これによって架線の伸縮を吸収し、張力が一定になるようにしている。

ここで、自動張力調整装置の張力を維持しているスプリングに異常がないか点検するために、スプリングの伸縮状況(変位量)を監視する必要がある。そのためのスプリングの伸縮状況の計測法としては、例えば、特許文献１に示されるように、変位センサと永久磁石を用いた方法が提案されている。

この特許文献１によれば、変位センサ上を移動する物体に永久磁石が取り付けられており、各磁気センサ素子付近を永久磁石が通過する際、磁気センサ素子は、永久磁石の磁気を感知することによりパルスを出力する。したがって、磁気センサ素子が出力した総パルス数をカウントすることにより、物体の変位量を検出することが可能となる。

特開平３−２３３３０２号公報

しかしながら、この特許文献１の従来技術によれば、各磁気センサ素子が出力するパルスの総数をカウントすることにより物体の変位量を検出するので、常に、変位センサとパルス数をカウントするカウンターに電力を供給する必要がある。そのため、消費電力を抑えることができないという問題点があった。

また、特許文献１の従来技術では、任意の長さで変位センサを切断することが可能であるものの、切断箇所を検出することができない。したがって、変位センサを任意の長さで切断した際、変位の計測の基準点となる変位センサの中心位置がどこであるかを把握することもできない。

本発明は、鉄道架線に取り付けられる自動張力調整装置のスプリングの状況を監視する変位計測用センサノードにおいて、変位計測の基準点を自動的に算出し、かつ、低消費電力でリアルタイムにスプリングの状況を監視することができる変位計測用センサノードを提供することにある。

本発明の変位計測用センサノードは、磁石からの磁気を感知し磁気感知信号を出力する複数の磁気センサ素子と、複数の磁気センサ素子のうち、特定の磁気センサ素子を選択して電源を供給する電源選択手段と、電源選択手段と接地線の間で、磁気センサ素子と並列に接続された抵抗素子を備えたものである。

そして、磁気センサ素子は、それぞれ、電源選択手段により選択され、電源の供給を受けた場合に動作し、磁気を感知した時には、磁気を感知したことを示す感知信号を出力し、抵抗素子は、それぞれ、電源選択手段により選択され、電源の供給を受けた場合に、電圧信号を出力するようにした。

より具体的には、以下のような構成を有する変位計測用センサノードである。

すなわち、本発明の変位計測用センサノードは、磁気により対象物の変位を計測する変位センサと、変位センサの動作を制御する制御装置とからなるものである。

制御装置は、制御部と、記録部と、クロック３０３、記録部３０４、通信部３０５を有し、変位センサは、磁気センサ素子と、デマルチプレクサと、磁気感知線と、抵抗素子とを有する。

磁気センサ素子は、線状に、変位センサ上に複数並べられ、磁石からの磁気を感知する素子である。デマルチプレクサは、制御部の指示に従って、磁気センサ素子を選択して電力を供給する。磁気感知線は、デマルチプレクサにより選択され、電力を供給されたときに、磁気センサ素子が磁気を感知したか否かを示す磁気感知信号を出力する。抵抗素子は、磁気センサ素子毎に並列に設けられ、磁気センサ素子がデマルチプレクサにより選択され、電力を供給されたときに、電圧を出力する。

制御部は、磁気センサ素子を選択して、磁気感知線より出力される磁気感知信号を計測して、その磁気センサ素子に対応する管理番号を記録部に記録して、その管理番号に基づき磁石の位置を求める。

また、制御部は、磁気センサ素子を選択して、抵抗素子より出力される電圧信号を計測して、その磁気センサ素子に対応する管理番号を記録部に記録して、その管理番号に基づき変位センサの長さを求める。そして、制御部は、変位センサの長さより、基準点を算出し、求められた磁石の位置と基準点に基づいて、対象物の変位量を算出する。

本発明の構成によれば、変位センサに常時電力を供給する必要がなく、消費電力を抑えた変位計測用センサノードを提供することができる。

さらに、変位センサは任意の長さで切断することができ、任意長で切断した変位センサにおいても変位センサの中心位置を把握することができる。

本発明によれば、鉄道架線に取り付けられる自動張力調整装置のスプリングの状況を監視する変位計測用センサノードにおいて、変位計測の基準点を自動的に算出し、かつ、低消費電力でリアルタイムにスプリングの状況を監視することができる変位計測用センサノードを提供することができる。

自動張力調整装置の構成を示す図である。 本発明の第一の実施形態の変位計測用センサノードを、自動張力調整装置に取り付けたときの様子を示す図である。 変位センサ、スケール、ゲージの位置関係を示した図である。 制御装置の機能ブロック図である。 変位センサのハードウェア構成図である。 本発明の第一の実施形態に係る変位計測用センサノードの変位計測の処理を示すゼネラルチャートである。 変位センサにより、スプリング変位量と変位センサの長さを測定する処理を示すフローチャートである。 磁気センサ素子２０２がゲージ１０２の永久磁石５０１に反応しているときの様子を示す図である（その一）。 磁気センサ素子２０２がゲージ１０２の永久磁石５０１に反応しているときの様子を示す図である（その二）。 本発明の第二の実施形態に係る変位計測用センサノードの変位計測の処理を示すゼネラルチャートである。 初回計測時に変位センサにより、変位センサの長さを測定する処理を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る各実施形態を、図１ないし図１０を用いて説明する。

〔実施形態１〕
先ず、図１を用いて本発明の一実施形態に係る変位計測用センサノードを取り付けるための自動張力調整装置の構成について説明する。
図１は、自動張力調整装置の構成を示す図である。

上述のように、鉄道路線の架線を維持するために、架線の終端部に自動張力調整装置（テンションバランサ）を設置し、これによって架線の伸縮を吸収し、張力が一定になるようにしている。

自動張力調整装置の一つであるスプリング式自動張力調整装置は、スプリングの弾性を利用して架線の張力を調整するものであり、本実施形態の変位計測用センサノードは、このスプリング式の自動張力調整装置の応用したものである。

本実施形態の自動張力調整装置１００は、図１に示されるように、スプリング１０１、スケール１０２、ゲージ１０３、スプリング１０１を収納する筒１０４で構成され、支柱１０６に取付けられて、架線を一定の張力に維持する装置である。ここで、スプリング１０１は、筒１０４に格納されており、外見上は見えない。

また、使用環境に応じて、自動張力調整装置１００は多種多様な種類が存在し、種類ごとに自動張力調整装置１００、スプリング１０１、スケール１０２、ゲージ１０３のサイズが異なる。

スプリング１０１は、架線１０５の終端と自動張力調整装置１００の中の取り付け点で取り付けられており、張力に応じて伸縮することにより、架線１０５の張力が一定になるような機能を有する。ここで、自動張力調整装置１００に異常がないかを検査するために、定期的にスプリング１０１の変位量７０２の最大値と最小値が正常な動作範囲に収まっていることを点検する必要がある。

筒１０４は、スプリング１０１を格納するためのものである。また、筒１０４は支柱１０６に取り付けられているため、スプリング１０１の伸縮状態に係らず固定位置にある。

前述したように、スプリング１０１は、筒１０４に格納されているため、点検員は、外見からスプリング１０１自体の伸縮状態を確認することができない。そこで、図１に示すように、自動張力調整装置１００には、スケール１０２が取り付けられている。スケール１０２は、スプリング１０１に接続されているのでスプリング１０１の伸縮状況に合わせて、矢印１０７が示すとおり筒１０４と水平方向に変位する。また、スケール１０２には、目盛りが振ってあり、筒１０４に固定されるゲージ１０３とスケール１０２の交差点の目盛りを読むことにより、点検員は、スプリング１０１の変位量を確認することができる。

そして、点検作業においては、スプリング１０１がスケール１０２の中心位置を基準点として、どの程度変位したか(中心からの変位量)を計測する必要がある。したがって、スケール１０２に振られている目盛りは、中心位置が０点となる。

図１に示すように、ゲージ１０３は、筒１０４に取り付けられているので、スプリング１０１の伸縮状況に係らず、常に固定位置にある。スプリング１０１の変位量７２０が０の場合、スケール１０２の中心７０１とゲージ１０３の位置が一致する。

次に、図２ないし図５を用いて本発明の第一の実施形態に係る変位計測用センサノードの構成について説明する。
図２は、本発明の第一の実施形態の変位計測用センサノードを、自動張力調整装置に取り付けたときの様子を示す図である。
図３は、変位センサ、スケール、ゲージの位置関係を示した図である。
図４は、制御装置の機能ブロック図である。
図５は、変位センサのハードウェア構成図である。

上述のように、従来技術では、作業員が目視により、スケール１０２に振られている目盛りを読み取って、スプリングの伸縮状況を把握していた。

本実施形態では、このスプリング式の自動張力調整装置１００に、変位センサを備えた変位計測用センサノードを用いて、電気的にスプリングの変位量を計測するものである。

本実施形態のスプリング変位の計測の考え方は、実運用上では、個々の時点における目盛りを読取らなくても、定期的にスプリングの変位量の最大値と最小値が正常な動作範囲に収まっているかを点検し、点検時と点検時の間に異常が発生していないかを確かめるというものである。

変位計測用センサノード３００は、図２に示されるように、制御装置３０１と変位センサ２０１がケーブル５０２で接続された形態であり、変位センサ２０１は、図２に示されるように、スプリングの変位量を計測するためにスケール１０２に敷設される。また、制御装置３０１を筒１０４の上部に設置する。ただし、これは、便宜上のものであり、変位センサ２０１とケーブル５０２が届き、かつ、ゲートウェイと通信できる範囲で任意の場所に敷設してよい。

変位計測用センサノード３００は、図４に示されるように、制御装置３０１と変位センサ２０１がケーブル５０２で接続された形態であり、定期的に変位センサ２０１を用いて自動張力調整装置１００のスプリングの伸縮状況を計測し、計測結果をゲートウェイに伝送する。ここで、変位計測用センサノード３００とは通信機能を搭載したセンサデバイスであり、ゲートウェイとは変位計測用センサノード３００が計測した計測情報を収集するものであり、例えば、各営業車両に搭載され、営業運行中に、変位計測用センサノード３００からの計測結果を定期的に受信する。また、鉄道敷地内では、商用電源の確保が難しいため、変位計測用センサノード３００は、ソーラバッテリで駆動するので省電力化が要求される。

変位計測用センサノード３００の制御装置３０１は、図４に示されるように、制御部３０２、クロック３０３、記録部３０４、通信部３０５で構成される。なお、図４では、太陽電池、キャパシタ等は省略している。

制御部３０２は、制御装置３０１内のクロック３０３、記録部３０４、通信部３０５、および、接続された変位センサ２０１を制御する機能を有する。制御部３０２は、通常、マイクロプロセッサなどの半導体素子により実現される。

クロック３０３は、制御部３０２に時刻情報を提供する機能を有する。制御部３０２は、クロック３０３から取得した時刻情報に基づいて、計測時刻の判定、計測情報の送信時刻の判定、間欠動作時刻の判定をおこなう。

記録部３０４は、後述する計測処理により取得したスプリングの変位量７０２の最大値と最小値（以下、単に「計測データ」と記す）が記録されている。記録部３０４は、例えば、フラッシュメモリなどの半導体メモリである。

通信部３０５は、記録部３０４に記録されている計測データを、ゲートウェイに伝送する機能を有する。

本実施形態の変位センサ２０１は、可変長の構成を有しており、任意の長さで切断して使用することが可能になっている。そこで、スケール１０２のサイズに合わせて、変位センサ１０２を任意長で切断し、スケール１０２に敷設する。

前述したように、使用環境に応じて自動張力調整装置１００は、多種多様な種類が存在し、種類ごとに自動張力調整装置１００、スプリング１０１、スケール１０２、ゲージ１０３のサイズが異なる。

したがって、スプリング１０１の変位量７０２を計測するための変位センサ２０１も、自動張力調整装置１００の種類に応じて複数種類を用意する必要があり、従来技術の変位センサでは、コストがかかる問題があった。本実施形態では、後に詳細に説明するように、自動張力調整装置１００のサイズに合わせて、任意長で切断することができる構成にしたため、一種類の変位センサ２０１で対応することができ、コストを削減することができる。ただし、任意長で変位センサ２０１を切断することができるとした際も、計測の基準点として変位センサ２０１の中心位置７０１を把握している必要がある。

本実施形態の変位センサ２０１は、図２に示されるように、ベース２１０に、磁気センサ２０２を、一定間隔で線状に並べた構成である。

一方、ゲージ１０３に永久磁石５０１が設置されており、変位センサ２０１内の磁気センサ素子２０２のうち、永久磁石５０１付近に存在する一個、あるいは数個の永久磁石５０１からの磁気を感知できるように、永久磁石５０１の磁力や設置位置が調整されている。

基準点は、スケールの中心位置７０１であり、同時に、変位センサの中心位置にもなっている（以下、単に「中心位置７０１」ともいう）。ゲージ１０３が、中心位置７０１にあるときに、スプリング１０１の変位量が０であるとしているので、図３に示されるように、計測されるスプリング１０１の変位量７０２は、ゲージ１０３と中心位置７０１の距離となる。

次に、変位センサ２０１のハードウェア構成を詳細に説明する。

変位センサ２０１は、既に説明したように、ベース２１０に、一定の間隔で、磁気を読取るための磁気センサ２０２が配された形態である。そして、ゲージ１０３に取り付けられた永久磁石５０１の磁気を読取ることより、スプリング１０１の変位量を算出するものである。

変位センサ２０１は、図５に示されるように、磁気センサ素子２０２と、磁気センサ素子２０２に選択的に電源を供給するためのデマルチプレクサ２０３、抵抗２０８からなる。

デマルチプレクサ２０３は、選択線２０７からの信号に従い、一つ以上の磁気センサ素子２０２のうち、使用する磁気センサ素子２０２を選択し、電力を供給する回路である。

デマルチプレクサ２０３には、外部の太陽電池などの電源からの電力を供給するために電力供給線２０４が接続されており、そして、デマルチプレクサ２０３とｉ番目（ｉ＝１，２，…，Ｎ）の磁気センサ素子２０２（ｉ）は、電力供給線２０４（ｉ）により、個々に接続されている。そして、選択線２０７が、ｉ番目の磁気センサ素子２０２（ｉ）を選択したときには、電力供給線２０４（ｉ）より、その磁気センサ素子２０２（ｉ）に電力が供給される。

また、磁気センサ素子２０２の一方には、接地線２０６と、磁気感知線２０５が接続されており、ｉ番目の磁気センサ素子２０２（ｉ）に接続された電力供給線２０４（ｉ）と、磁気感知線２０５の間に、抵抗２０８（ｉ）が磁気センサ素子２０２（ｉ）と並列に接続されている。

磁気センサ素子２０２は、制御部３０２がデマルチプレクサ２０３を制御し、電力供給線２０４を介して磁気センサ素子２０２に電力が供給され、かつ、永久磁石５０１からの磁気を感知した際、磁気感知線２０５より通知信号を出力する。そして、制御部３０２は、磁気センサ素子２０２からの通知信号を受信することにより、当該磁気センサ素子２０２が磁気を感知したことを把握できる。

さらに、磁気センサ素子２０２は、上述のように、抵抗２０８（ｉ）が磁気センサ素子２０２（ｉ）と並列に接続されているため、制御部３０２が磁気センサ素子２０２（ｉ）を選択して、電力が供給されたときには、磁気を感知したかに係らず、磁気センサ素子２０２が存在する場合は、磁気感知線２０５に電圧が生じる。

この電圧は、磁気を感知したときの電圧よりも大きくはなく、互いの状態は区別できるものとする。これにより、磁気感知線２０５に出力される信号を検知することにより、磁気センサ素子２０２（ｉ）が磁気を感知した状態と、磁気センサ素子２０２（ｉ）が磁気を感知していないが、そこに存在する状態、磁気センサ素子２０２がそこに存在しない状態の三種類の状態を判定することができる。

なお、本実施形態では、上記のように、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２の電源を投入した際、磁気センサ素子２０２が存在する場合は、磁気感知線２０５に電圧が生じ、それにより、磁気センサ素子２０２の存在の有無を確認にするようにしたが、磁気センサ素子２０１の有無を確認できるのであれば、この方法に限定されるものではない。

次に、図６ないし図８Ｂを用いて本発明の一実施形態に係る変位計測用センサノードの変位計測処理について説明する。
図６は、本発明の第一の実施形態に係る変位計測用センサノードの変位計測の処理を示すゼネラルチャートである。
図７は、変位センサにより、スプリング変位量と変位センサの長さを測定する処理を示すフローチャートである。
図８Ａ，図８Ｂは、磁気センサ素子２０２がゲージ１０２の永久磁石５０１に反応しているときの様子を示す図である。

変位計測用センサノードは、図６に示されるように、間欠動作として変位計測をおこない、その結果をゲートウェイに報告する。

ここで、ゲートウェイが移動する営業車両に搭載されることを前提とすると、変位計測処理（Ｓ４０１〜Ｓ４０５）は、例えば、１時間に１回程度実行され、ゲートウェイへの測定結果の送信処理は、例えば、４秒ごとに１回程度実行されるものとする。ゲートウェイへの測定結果の送信処理が、変位計測処理に比べて頻繁におこなわれるのは、営業車両が常時移動していることと高速で移動しているので、ゲートウェイに確実に受信させるためである。

先ず、変位計測用センサノード３００の電源が投入された際など変位計測用センサノード３００が初期化された後に、制御部３０２は、クロック３０３から時刻情報を取得し、スプリング１０１の変位を計測する時刻であるか否かを判定する（Ｓ４０１）。

次に、制御部３０２は、記録部３０４に記録されている計測データ（スプリング１０１の変位の最大値と最小値）を読み込む（Ｓ４０２）。

次に、制御部３０２は、変位センサ２０１を用いてスプリング１０１の変位量７０２の変位と、スプリング１０１の長さを計測する。計測の一連の詳細な動作は、図７を用いて後述する（Ｓ４０３）。

次に、制御部３０２は、Ｓ４０２において記録部３０４から読み取った計測データ（スプリング１０１の変位の最大値と最小値）と、Ｓ４０３の手順により取得したスプリング１０１の変位量７０２を比較する（Ｓ４０４）。

そして、その結果、Ｓ４０２において記録部３０４から読み取った計測データの最大値より、Ｓ４０２の手順により測定したスプリング１０１の変位量の方が大きい場合、あるいは、Ｓ４０２において記録部３０４から読み取った計測データの最小値より、Ｓ４０２の手順により測定したスプリング１０１の変位量の方が小さい場合には、記録部に計測値を書き込んで、最大値、最小値の更新をおこない（Ｓ４０５）、スリープ処理に移行する（Ｓ４０６）。

Ｓ４０２において記録部３０４から読み取った計測データの最大値、最小値がこれまでの値に収まっているときには、なにもせず変位計測用センサノード３００は、自身の消費電力を抑えるためにスリープ状態に遷移する（Ｓ４０６）。ここで言う「スリープ状態」とは、変位計測用センサノード３００の記録部３０４、通信部３０５、変位センサ２０１の各々の電源を切断し、消費電力を極力抑えた状態のことである。

予め決められた時刻の間、スリープ状態経過後、変位計測用センサノード３００は、アクティブ状態に遷移する（Ｓ４０７）。ここで言う「アクティブ状態」とは、変位計測用センサノード３００と変位センサ２０１の各機能が直ちに使用できる状態にあることを言う。

次に、制御部３０２は、クロック３０３から時刻情報を取得することにより、ゲートウェイに計測データを送信する時刻であるか否かを判定する（Ｓ４０８）。Ｓ４０９において、制御部３０２が計測データを送信する時刻であると判定した場合は、制御部３０２は、記録部３０４から計測データを読み込み（Ｓ４０９）、次に、通信部３０５を制御することにより、ゲートウェイに計測データを送信する（Ｓ４１０）。

そして、Ｓ４０１の処理に戻る。

Ｓ４０９において、制御部３０２が計測データを送信する時刻でないと判定した場合は、Ｓ４０９とＳ４１０の処理をおこなわずに、Ｓ４０１に戻る。

次に、図７ないし図８Ｂを用いて変位センサにより、スプリングの変位量と変位センサの長さを測定する処理について説明する。

これは、図６に示したＳ４０３の処理を詳細に説明するものである。

先ず、スプリング１０１の変位量７０２と変位センサ２０１の長さを計測する処理の概要について説明する。

スプリング１０１の変位量７０２を計測する際、制御部３０２は、図３に示した変位センサ２０１の左端の磁気センサ素子２０２の電源を投入する。次に、電源を投入した磁気センサ素子２０２が、永久磁石５０１からの磁気を感知するか判定し、磁気を感知した場合は当該磁気センサ素子２０２の付近に、永久磁石５０１があるものと判定する。これにより、ゲージ１０３と変位センサ２０１の位置関係が分かり、スプリング１０１の変位量７０２を求めることができる。

一方、当該磁気センサ素子２０２が磁気を感知しない場合は、付近に永久磁石５０１がなかったために磁気を感知しなかったのか、任意長で変位センサ２０１が切断されていたために、当該磁気センサ素子２０２自身が存在しなかったのかを判定する。すなわち、図５に示した磁気感知線２０５で磁気を感知しなかったときでも、一定の信号が計測できるので、磁気センサ素子２０２の存在を判定することができる。磁気センサ素子２０２の有無を判定することにより、変位センサ２０１の長さを求めることができる。

判定後、当該磁気センサ素子２０２の電源を切断し、一つ右隣の磁気センサ素子２０２の電源を投入し同様の処理をおこなう。

以上のように、左端の磁気センサ素子２０２から順番に、永久磁石５０１からの磁気を感知するか、さらに変位センサ２０１がどこで切断されているかの調査をおこなう。

ただし、本実施形態は、便宜上、左端の磁気センサ素子２０２から一つずつ磁気感知処理を行うが、ひとつずつ電源を投入するのであれば、任意の磁気センサ素子２０２から磁気感知を開始してもよい。

ここで磁気センサ素子２０２には、一意に管理番号が割り振られているものとし、ここでは、便宜上、左端の磁気センサ素子２０２の管理番号を１、右隣の磁気センサ素子２０２の管理番号を２とし、以下、１ずつ増加するものとする。そして、磁気センサ素子２０２のとりうる管理番号の最大値をＭとする。これは、変位センサ２０１を切断しないときの磁気センサ素子２０２がちょうどＭ個で構成されていることを意味する。

先ず、制御部３０２は、管理番号Ｎに１をセットする（Ｓ６０１）。

次に、制御部は、管理番号Ｎが磁気センサ素子２０２の総数であるＭ以下であるかを判定する（Ｓ６０２）。ここで、管理番号ＮがＭを超えたときには計測を終了する。

次に、制御部３０２は、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２の電源を投入する（Ｓ６０３）。初回は、管理番号Ｎが１であるから、左端の磁気センサ素子２０２（１）の電源を投入することとなる。

次に、制御部３０２は、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２（Ｎ）が永久磁石５０１からの磁気を感知したか否かを判定する（Ｓ６０４）。ここで、磁気センサ素子２０２が磁気を感知した場合、磁気感知線２０５を介して制御部３０２に磁気を感知したことを通知するので、制御部３０２は磁気センサ素子２０２が磁気を感知したか否かを判定することができる。

判定の結果、Ｓ６０４において、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２（Ｎ）が永久磁石５０１からの磁気を感知した場合は、制御部３０２は、記録部３０４にそのＮを記録する（Ｓ６０５）。

磁気センサ素子２０２がゲージ１０２の永久磁石５０１に反応しているときの様子を、場合に分けて示すと、図８Ａおよび図８Ｂに示されるようになる。

ここで、磁気センサ素子２０２と磁気センサ素子２０２の間の距離をδ、永久磁石５０１が磁気センサ素子２０２に磁気を感じさせることのできる距離をＤとする。ただし、この距離は、磁気センサ素子２０２の横の長さに半分の位置に来たときに、その磁気センサ素子２０２に磁気を感じさせることができるものとする。

実用上のスケールとしては、例えば、変位センサ２０１の全長が１００［ｍｍ］〜、δ＝２０［ｍｍ］で、磁気センサ素子２０２の一辺は、０．５［ｍ］程度である。

ここで、Ｄ＝δとすると、図８Ａ（ａ）のように、Ｎ−１番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ−１）と、Ｎ番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ）が磁気を感じるときと、図８Ａ（ｂ）のように、Ｎ番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ）だけが磁気を感じるときがある。

図８Ａ（ａ）のときは、永久磁石５０１が磁気センサ素子２２０（Ｎ−１）と、Ｎ番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ）のちょうど中点にきたときであり、永久磁石５０１の変位センサ２０１の端からの距離Ｌｔは、以下の（式１）で表される。ただし、変位センサ２０１の左端と左端の磁気センサ素子２２０（１）の距離は無視できるものとする。

Ｌｔ＝（Ｎ−２）δ＋（δ／２）＝（Ｎ−３／２）δ …（式１）
図８Ａ（ｂ）のときは、永久磁石５０１がＮ番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ）の近傍にあるときであり、永久磁石５０１の変位センサ２０１の端からの距離Ｌｔは、以下の（式２）で表される。

（Ｎ−３／２）δ＜Ｌｔ＜（Ｎ＋３／２）δ …（式２）
また、別の場合として、Ｄ＝２δとすると、図８Ｂ（ａ）のように、Ｎ−２番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ−２）と、Ｎ−１番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ−１）と、Ｎ番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ）が磁気を感じるときと、図８Ｂ（ｂ）のように、Ｎ−１番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ−１）と、Ｎ番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ）が磁気を感じるときが磁気を感じるときがある。

図８Ｂ（ａ）のときは、永久磁石５０１がＮ−１番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ−１）のちょうど真ん中にきたときであり、永久磁石５０１の変位センサ２０１の端からの距離Ｌｔは、以下の（式３）で表される。

Ｌｔ＝（Ｎ−２）δ …（式３）
図８Ｂ（ｂ）のときは、永久磁石５０１がＮ−１番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ−１）と、Ｎ番目の磁気センサ素子２２０（Ｎ）の中点の近傍にあるときであり、永久磁石５０１の変位センサ２０１の左端からの距離Ｌｔは、以下の（式４）で表される。

（Ｎ−２）δ＜Ｌｔ＜（Ｎ−１）δ …（式４）
また、Ｄが他の値であっても永久磁石５０１が磁気を感じる素子の管理番号を記録することにより、距離Ｌｔを算出しうる。

次に、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２（Ｎ）が磁気を感知しなかった場合には、磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電圧を検知するか否かを判定する（Ｓ６０８）。

Ｓ６０５において、磁気センサ素子２０２が磁気を感知しなかった場合、付近に永久磁石５０１がなかったため磁気を感知しなかったのか、変位センサ２０１が切断されているために磁気センサ素子２０２自体がなかったのか分からない。

しかしながら、前述したとおり磁気センサ素子２０２には、電力供給線２０４と磁気感知線２０５を接続するように抵抗２０８が接続されているために、磁気センサ２０２自体が存在する場合は、磁気感知線２０５に電圧が生じる。そこで、制御部３０２は磁気感知線２０５の電圧を計測することにより、磁気センサ素子２０２の有無を検出することができる。

磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電圧を検知するか否かを判定し（Ｓ６０８）、磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電圧を検知されないときには、制御部３０２は、変位センサ２０２の中心位置を算出する（Ｓ６０９）。

磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電圧を検知されないときは、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２（Ｎ）が存在せず、右端が管理番号Ｎ−１の磁気センサ素子２０２（Ｎ−１）の場合なので、変位センサの長さＬｓは、磁気センサ素子２０２の設置間隔δと（Ｎ−２）を乗算したものが変位センサの長さとなる。ただし、変位センサ２０１の左端と左端の磁気センサ素子２２０（１）の距離と、変位センサ２０１の右端と右端の磁気センサ素子２２０（Ｎ−１）の距離は無視できるものとする。

したがって、それに２で除算したものが変位センサ２０１の中心７０１となる。すなわち、変位センサ２０１の両端からの中心７０１の距離Ｌｃは、以下の（式５）で表される。

Ｌｃ＝（Ｎ−２）δ／２ …（式５）
そして、制御部３０２は、スプリング１０１の中心からの変位量７０２を求め（Ｓ６１０）、処理を終了する。

スプリング１０１の中心からの変位量７０２をΔとすると、変位センサ２０１の両端からの中心７０１の距離Ｌｃと、永久磁石５０１の変位センサ２０１の左端からの距離Ｌｔにより、以下の（式６）により表される。

Δ＝Ｌｔ−Ｌｃ …（式６）
（式６）では、左方向の変位をプラス、右方向の変位をマイナスとしている。

一方、磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電圧を検知するか否かを判定し（Ｓ６０８）、磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電圧を検知されたときには、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２（Ｎ）が存在するときなので、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電源を遮断し（Ｓ６０６）、管理番号Ｎを１加算して（Ｓ６０７）、Ｓ６０２に戻り、次の磁気センサ素子２０２の計測をおこなう。

本実施形態では、変位計測時において、全ての磁気センサ素子２０２の電源を投入するのではなく、左端の磁気センサ素子２０２から、一つずつ電源を投入し磁気計測をおこなう例を説明した。その際、自動張力調整装置１００やスケール１０２のサイズに合わせて、変位センサ２０１は途中で切断されているために、磁気を検出すると共に、変位センサ２０１の長さも求める一連の動作例を説明した。

スプリング１０１の変位量７０２を計測していない間は、変位センサ２０１の電源を切断することが可能であり、さらに、変位量７０２を計測中であっても、一つの磁気センサ素子２０２の電源を投入するだけなので、変位計測用センサノード３００の省電力化が可能となる。

さらに、変位センサ２０１は任意の長さで切断することが可能であり、自動張力調整装置１００やスケール１０２のサイズに係らず一種類の変位センサ２０１で対応可能となり、大幅なコスト削減をすることが可能となる。

〔実施形態２〕
以下、本発明に係る第二の実施形態を、図９および図１０を用いて説明する。
図９は、本発明の第二の実施形態に係る変位計測用センサノードの変位計測の処理を示すゼネラルチャートである。
図１０は、初回計測時に変位センサにより、変位センサの長さを測定する処理を示すフローチャートである。

第一の実施形態では、変位計測する度に全ての磁気センサ素子２０２の電源を一つずつ投入し、磁気を感知するか、さらに磁気センサ素子２０２の有無の確認作業処理を実施した。実運用では、一度、スケール１０２に変位センサ１０２を敷設した後は、変位センサ２０１を再び切断することはない。したがって、本実施形態では、初回計測のみ磁気センサの有無を確認することにより磁気センサの長さを算出する方法について説明する。

本実施形態では、初回計測のみ磁気センサ素子２０２の有無の確認をおこなうので、変位計測処理をより高速化することができる。

本実施形態は、第一の実施形態の変位計測用センサノードのシステム構成は、同じであり、計測処理が異なるものであり、計測処理の相違点を中心に説明する。

図９は、本発明の第二の実施形態に係る変位計測用センサノードの変位計測の処理を示したゼネラルチャートであるが、第一の実施形態の図７と比較して、Ｓ６０４で、磁気検出があるか否かを判定した後、磁気検出がされなかったときに、Ｓ６０８の電圧検知をおこなわず、Ｓ６０６に行くことが異なっている。

そして、管理番号Ｎを記録し、処理の終了前に、スプリング１０１の変位量を算出する（Ｓ６１０）。

また、ここで与える最大値のＭは、図１０に示された初回計測時に求められる磁気センサ素子２０２の管理番号である。

初回の計測時には、管理番号Ｎを１にセットし、Ｍに初期値として、０をセットする（Ｓ９０１）。

制御部３０２は、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電源を投入する（Ｓ９０２）。最初は、管理番号Ｎは、１であるから、左端の磁気センサ素子２０２（１）の電源を投入することとなる。

次に、制御部３０２は、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電圧を検知するか否かを判定する（Ｓ９０３）。

第一の実施形態でも説明したように、磁気センサ素子２０２が存在する場合は、磁気感知線２０５に電圧が生じる。制御部３０２は、この電圧を感知することにより、磁気センサ素子２０２の存在の有無を確認にすることができる。

制御部３０２は、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電圧を検知したときには、記憶部３０４に、Ｎを記憶する（Ｓ９０４）。

次に、制御部３０２は、Ｍに、Ｎの値を代入する（Ｓ９０５）。

次に、制御部３０２は、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電源を遮断する（Ｓ９０６)。

そして、次に管理番号の磁気センサ素子２０２の存在を判定するために、Ｎに１を加算し（Ｓ９０７）、Ｓ９０３に戻る。

制御部３０２は、管理番号Ｎの磁気センサ素子２０２（Ｎ）の電圧を検知しなかったときには、処理を終了する。

このときのＭの値が、変位センサ２０１の磁気センサ素子２０２の個数であり、図９の処理に渡される値である。

第一の実施形態では、変位量の計測をする度に全ての磁気センサ素子２０２の電源を一つずつ投入し、磁気を感知するか、さらに磁気センサ素子２０２の有無の確認作業処理を実施した。

実運用では、一度、スケール１０２に変位センサ２０１を敷設した後は、変位センサ２０１を再び切断することはない。したがって、本実施形態のように、初回の計測のみ変位センサ２０１の長さ(磁気センサ素子２０２の総数Ｍ)を求め、２回目以降の変位計測では上記の処理を省略することにより、より高速化することができる。

１００…自動張力調整装置
１０１…スプリング
１０２…スケール
１０３…ゲージ
１０４…筒
１０５…架線
１０６…支柱
１０７…スケール１０２の移動方向
２０１…変位センサ
２０２…磁気センサ素子
２０３…マルチプレクサ
２０４…電力供給線
２０５…磁気感知線
２０６…接地線
２０７…選択線
２０８…抵抗
２１０…ベース
３００…変位計測用センサノード
３０１…制御装置
３０２…制御部
３０３…クロック
３０４…記録部
３０５…通信部
５０１…永久磁石
５０２…ケーブル
７０１…スケール１０２の中心位置
７０２…スケール１０２の中心位置７０１を基準としたスプリングの変位量

Claims (5)

1. 磁石からの磁気を感知し磁気感知信号を出力する複数の磁気センサ素子と、
   前記複数の磁気センサ素子のうち、特定の磁気センサ素子を選択して電源を供給する電源選択手段と、
   前記電源選択手段と接地線の間で、前記磁気センサ素子と並列に接続された抵抗素子を備えた変位計測用センサノードであって、
   前記磁気センサ素子は、それぞれ、前記電源選択手段により選択され、電源の供給を受けた場合に動作し、磁気を感知した時には、磁気を感知したことを示す感知信号を出力し、
   前記抵抗素子は、それぞれ、前記電源選択手段により選択され、電源の供給を受けた場合に、電圧信号を出力することを特徴とする変位計測用センサノード。
2. 請求項１記載の変位計測用センサノードにおいて、
   前記変位センサノードの動作を制御する制御装置を有し、
   前記制御装置は、
   制御部と、
   記録部とを有し、
   前記電源選択手段は前記制御部の指示に従って、前記磁気センサ素子を選択して電源を供給し、
   前記制御部は、
   前記電源選択手段により選択され、電源が供給されたときに前記磁気センサ素子より出力される感知信号を計測して、その磁気センサ素子に対応する管理番号を前記記録部に記録して、
   その管理番号に基づき前記磁石の位置を求め、
   前記電源選択手段により選択され、電源が供給されたときに前記抵抗素子より出力される電圧信号を計測して、その抵抗素子と並列に接続された磁気センサ素子に対応する管理番号を前記記録部に記録して、その管理番号に基づき前記変位センサの長さを求め、
   前記変位センサの長さより、基準点を算出し、求められた磁石の位置と前記基準点に基づいて、対象物の変位量を算出する変位計測用センサノード。
3. 請求項２記載の変位計測用センサノードにおいて、
   前記制御部は、前記電源選択手段が前記磁気センサ素子を選択するときに、選択された磁気センサ素子に電源を供給し、それ以外の磁気センサ素子への電源の供給を切断するように指示することを特徴とする変位計測用センサノード。
4. 磁気により対象物の変位を計測する変位センサと、前記変位センサの動作を制御する制御装置とからなる変位計測用センサノードによる変位計測方法において、
   前記変位センサは、磁石からの磁気を感知する一つ以上の磁気センサ素子と、
   前記制御部の指示に従って、前記磁気センサ素子を選択して電力を供給する電源選択手段と、
   前記電源制御手段により選択され、電力を供給されたときに、前記磁気センサ素子が磁気を感知したか否かを示す磁気感知信号を出力する磁気感知出力手段と、
   前記電源制御手段により選択され、電力を供給されたときに、電圧信号を出力する電圧出力手段とを有し、
   前記制御装置は、
   制御部と、
   記録部とを有し、
   前記制御部が、前記磁気センサ素子を選択して、前記磁気感知出力手段より出力される磁気感知信号を計測するステップと、
   前記制御部が、磁気感知信号を感知した磁気センサ素子に対応する管理番号を前記記録部に記録するステップと、
   前記制御部が、前記記録された磁気センサ素子に対応する管理番号に基づき、前記磁石の位置を求めるステップと、
   前記制御部が、前記磁気センサ素子を選択して、前記電圧出力手段より出力される電圧信号を計測するステップと、
   前記電圧を出力した磁気センサ素子に対応する管理番号を前記記録部に記録するステップと、
   前記制御部が、前記記録された磁気センサ素子に対応する管理番号に基づき、前記変位センサの長さを求めるステップと、
   前記変位センサの長さより、基準点を算出し、求められた磁石の位置と前記基準点に基づいて、対象物の変位量を算出するステップとを有することを特徴とする変位計測用センサノードによる変位量計測方法。
5. 磁気により対象物の変位を計測する変位センサと、前記変位センサの動作を制御する制御装置とからなる変位計測用センサノードによる変位計測方法において、
   前記変位センサは、線状に並べられ、磁石からの磁気を感知する一つ以上の磁気センサ素子と、
   前記制御部の指示に従って、前記磁気センサ素子を選択して電力を供給する電源選択手段と、
   前記電源制御手段により選択され、電力を供給されたときに、前記磁気センサ素子が磁気を感知したか否かを示す磁気感知信号を出力する磁気感知出力手段と、
   前記電源制御手段により選択され、電力を供給されたときに、電圧信号を出力する電圧出力手段とを有し、
   前記制御装置は、
   制御部と、
   記録部とを有し、
   （１）前記制御部が、前記磁気センサ素子を選択して、前記電圧出力手段より出力される電圧信号を計測するステップと、
   （２）前記電圧信号を出力した磁気センサ素子に対応する管理番号を前記記録部に記録するステップと、
   （３）前記制御部が、前記記録された磁気センサ素子に対応する管理番号に基づき、前記変位センサの長さを求めるステップと、
   （４）前記制御部が、前記磁気センサ素子を選択して、前記磁気感知出力手段より出力される磁気感知信号を計測するステップと、
   （５）前記制御部が、磁気感知信号を感知した磁気センサ素子に対応する管理番号を前記記録部に記録するステップと、
   （６）前記制御部が、前記記録された磁気センサ素子に対応する管理番号に基づき、前記磁石の位置を求めるステップと、
   （７）前記変位センサの長さより、基準点を算出し、求められた磁石の位置と前記基準点に基づいて、対象物の変位量を算出するステップとを有し、
   前記（１）ないし（３）のステップを初回計測時のみおこなうことを特徴とする変位計測用センサノードによる変位量計測方法。

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