JP2014532185A - 光学的測定手段を用いた移動体の相対位置データおよび／または幾何学的寸法の実時間測定 - Google Patents

Abstract

本発明は、照射部（２）および検出部（４）による移動物体（１）の相対位置データおよび／または幾何学的寸法の実時間測定に関し、移動物体（１）は照射部（２）および検出部（４）に相対的に移動可能に誘導される。光線群（３）が照射部（２）から検出部（４）へ向けて発せられ、移動物体（１）は照射部（２）と検出部（４）の間で光線群（３）で満たされた空間内に突出することにより、移動物体（４）に起因する影の影境界が検出部（４）の上まで伸びる。検出部（４）は、光輝性粒子を含む２次元光導波路として設計された２次元光位置検出器（４．１）を備えている。前記２次元光導波路からの信号は、互いに間隔を置いられた複数の小領域光電センサ（４．１．１）により読み出され、当該信号の強度は導波路モードにおける検出器の位置での光（４．１．１）の光度と相関している。【選択図】図１

Description

本発明は、光学的測定手段を用いた移動体の相対位置データおよび／または幾何学的寸法の実時間測定に関する。特に有利な一応用は、鉄道車両が移動する間における車輪の変化の監視に関する。

１９６２年まで遡れば、独国特許第１１５９１７３Ｂ号明細書は鉄道車両においてフレームとトラックまたは車輪組と間の相対運動を移動中に記録することを提案している。記録に際して、いずれの場合も、フレームに追随して相対的に移動する部品に追随してペンが移動し、前記ペンは、フレームに相対的に一様に移動する用紙に書き込む。

米国特許第３８６４０９３Ａ号明細書によれば、鉄道車両の車輪のレールに相対的な横方向オフセットは、専らレールの下部だけが車両から照射され、そこから反射された光が、同じく当該車両に設置された光学センサとしての光ダイオードにより検出されるという事実により、移動する間に既に測定されている。レールの側端が、センサの一部に対して反射光の一部を遮る。横方向の車輪オフセットは、センサにおける影端の位置から計算することができる。例えば、光源としてレーザーが用いることができる。

米国特許第４０４０７３８Ａ号明細書によれば、レールに相対的な鉄道車両の位置は、レールのある領域を第１の角度で可能な限り焦点を合わせて照射するレーザービームにより、および第１の角度とは異なる角度から前記レールに向けられたカメラにより撮像される光点により測定され、前記カメラはレンズおよび光電池アレイにより形成されている。光点は、レンズの中心点をレーザービームの個々の点に接続する直線により画定される平面上に存在しなければならないため、カメラに相対的な光点の位置を光電池アレイ上の光点の結像位置から計算することができる。

この原理は、仏国特許第２６７４８０９Ａ１号明細書および特開１０３３２３２３号公報により、若干拡張されて用いられている。理想的に点状の断面領域を有するレーザービームではなく、断面領域の形状が直線状であるかまたは断面形状が直線に沿った複数の点状であるレーザービームが用いられている。レール上に照射されたレーザービームにより生じた明るい領域の画像（前記画像は所定の位置からカメラにより撮像されている）により、レールとカメラの距離を計算すること、およびレールの断面領域の等高線の一部を計算することが可能になる。

欧州特許第０７０７１９６Ｂ１号明細書によれば、上述のレーザー光源および光電池に基づく検出手段は鉄道車両のトラックに設置されている。また、鉄道車両のフレームに相対的なトラックの移動は、好適には機械式センサにより検出される。

欧州特許第１３２４００５Ａ２号明細書によれば、鉄道車両の車輪の走行面の幾何学的形状は、測定レールの上を低速で回転しながら当該プロセス内で視準されたレーザービームにより照射される車輪により測定される。照射された領域の画像は、カメラにより撮像され、各々の車輪が乗っている測定レールの位置に関するデータを含み、コンピュータにより評価される。

米国特許第７７１５０２６Ｂ２号明細書によれば、鉄道車両の停止している車輪の断面領域の端線の一部が、動作中のレーザー距離測定装置を上方でピボット回転させるプロシージャにより測定され、レーザー距離測定装置の位置、方向および距離、並びにレーザー距離測定装置と、当該レーザー距離測定装置により照射される表面点との間の距離を含むデータが連続的に記録および評価される。

欧州特許第２３４３４９６Ａ１号明細書によれば、車輪の高さで鉄道車両に配置された装置が提案されていて、上で詳述した原理に従い当該装置を測定すべく上で詳述したように異なる角度でレールに向けられた照射部およびカメラを有している。当該装置は、ホースを通って圧縮空気が導かれる筐体に収納されている。筐体内で必要とされるウインドウの領域内で、圧縮空気は筐体から流れ出すため、外部から汚染がウインドウに到達することが防止される。

国際公開第２０１０／００６３４８Ａ１号パンフレットに、データ処理システム用の制御面として利用すべく、自身への光パルスの入射の事実および入射位置の空間座標の検出する検出器表面が記述されている。検出器表面は、平面光導波路として構築されている。互いに間隔を置いた位置に、小領域光電センサが平面光導波路に設置されていて、当該センサにおいて、光導波路を介して到着する光が分離されて電気信号を生成する。その上に光輝性を有する層が光導波路に平行に延在している。当該層の構成に影響を及ぼす適当な光波スペクトルを有する光が、光輝性層でより長い波長を有する光に変換されて導波管を伝搬することにより、光電センサに到達する。結合位置から導波管までの距離が増加するに従い、導波管内を導かれる光の強度は減少する。その結果、複数の光電センサで測定された信号強度から、原因となる光入射の位置を、ある種の三角測量により推定することができる。光パルスの入射点を判定する当該推定の結果として可能な空間分解能は、個々の光電センサ間の距離のピッチよりも数倍微細である。

上記従来技術の知識により、発明者は、運行により移動中の物体の位置および幾何学的形状データの連続的な測定を改善する課題を解決した。その意図は、単位時間当たりにより多くの測定を可能にしながら、測定を行う間に得られる一群のデータがデータ処理システムへ容易に伝送でき、必要な装置が堅牢且つ安価であることを意図している。本発明はまた、有利な点として運行により移動中の鉄道車両の車輪の位置および幾何学的形状データの連続的な記録に適用できることを意図している。

上記課題を解決すべく、測定対象物体およびその直後方を共に照射する光源を設けることを提案する。平面光位置検出器が、光源から見て監視対象移動領域の後側に配置されていて、測定対象物体に起因する影の影境界が前記検出器の上を通過する。当該平面光位置検出器は、上述の国際公開第２０１０／００６３４８Ａ１号パンフレットによる検出器表面と同様に、一体化された光輝性材料を含む平面光導波路として実現されるものであって、相対的に小領域の光電センサが互いに間隔を置いて光導波路に設置されていて、当該センサにおいて光が導波管モードから分離されて電気信号を生成する。電気信号は、接続されたデータ処理システム内で評価される。平面光位置検出器上方における影境界が変化することにより、複数の光電センサで信号が変化する。前記信号変化の振幅から、データ処理システムは、平面位置検出器の上方における影境界の変化、およびそこから更に測定対象物体の輪郭の位置または進路の変化を推論する。

当該構成の主な利点には以下のものが含まれる。
−発光導波に基づく測定原理により、得られたデータの極めて高速な測定および極めて高速な読み出しが可能になる。これは、極めて持続時間が短いかまたは高周波数で周期的に繰り返される移動または寸法変化であっても容易に検出できることを意味する。
−個々の検出器信号からＤＣ成分をフィルタリング除去することにより、平面光位置検出器の透明カバーまたは光源の透明カバーの汚染により測定結果が損なわれるのを簡単に防止することが可能である。
−平面光位置検出器は、他の光位置検出器と比較して単位面積当たりの費用対効果が極めて良い。従って、本発明による測定原理により、これまで経済理由で実現されなかった広域用途にも使用可能になる。
−提案する平面光位置検出器により、他の位置検出器で起こるある種のスペース問題を容易に回避できる。すなわち、
提案する位置検出器は典型的に可撓性プラスチック膜として実現される。従って平面に構成する必要がなく、湾曲した領域にも適用できる。
提案する位置検出器は、一切の問題無しに、広い領域で実現できるため、撮像対象である広い領域を撮像（または「監視」）する場合であっても、従来の検出器で必要とされていた、撮像対象である広い領域から入射する光をはるかに小さい検出領域に集光させるレンズを一切必要としない。従って、本発明による検出器構成は、従来技術に従う検出器準備より極めて平坦にすることができる。
−高空間分解能が可能であるにもかかわらず、データは比較的少ない数の光電センサだけからデータ処理システムに読み込まれる。これは、識別可能な部分領域の数が読み取る光電センサの数に等しいより一般的な光位置検出器からの読込みと比較して、システムの複雑さに関してデータ処理システムへのデータ伝送がより簡単であってはるかに高速に実行できることを意味する。
−用いるシステム構成要素は比較的費用対効果が高く、且つ堅牢である。

更なる詳細および有利な更なる発展について基本模式図を参照しながら更に詳述する。

図１は、本発明による例示的な測定構成において本発明の理解に必須な部分を、横方向の部分断面図として模式的に示す。

図１による例において、測定対象である移動物体は車輪１であり、有向矢印で示すように、自身の軸回りの回転および当該軸に垂直な方向への移動の両方が可能である。照射部２および検出部４が図示しない物体に固定されていて、当該物体に対する車輪１の相対移動が確認可能であることが意図されている。

車輪１は、典型的に鉄道車両の車輪であってよい。測定の目的は従って、鉄道車両またはトラックに関する車輪の垂直方向におけるたわみおよび車輪の走行面の形状の変化を実時間で確認して、それらをデータ処理システム内に記録することである。照射部２および検出部４は次いで、車輪が保持される鉄道車両のフレームまたはトラックに固定される。

光線群３が照射部２から検出部４へ発光される。光線群３は、共通の実または仮想点光源から進む際に可能な限り互いに視準（すなわち互いに平行に整列）されているかまたは可能な限り整列している。

測定対象である物体、すなわち図示する例では車輪１は、光線群３の方向において照射部２と検出部４の間に配置されている。前記車輪１は、光線群３が入射した空間内に突出しているため、前記車輪に起因する影の端線が検出部４の上方を通過する。車輪１が、光線群３の方向に垂直な方向に線形に移動したならば、または、回転中に光が入射した空間内に突き出た前記車輪の端面が変形したならば、影境界は検出部４の上で変位する。影境界の変位により検出部４に信号が生じる。

照射部２の中核的要素は光源２．１であり、発光半導体ダイオードおよび下流に配置されたレンズにより最適に実現される。光線群３は従って、可能な最適の方法で互いに視準可能である。半導体を用いる光源がもたらす二つの更なる可能性により、当該構成が周辺光の影響を極めて受け難くすることができる。第１に、使用する光の波長に対する位置検出器４の選択性を制限して、周辺光に生じる当該波長の光よりも極めて高い強度を光に与えることが可能である。第２に、光の強度を変調周波数の影響下に置く、すなわち高周波で周期的に上下できるようにして、位置検出器４の出力信号のうち、適当なフィルタリングにより、同じく前記変調周波数を有する信号だけに更なる処理を受けさせることが可能である。

無論、前記光源およびレンズを汚染および機械的損傷から保護するために、発光された光を透過させるプレート２．４により、下流に配置されたレンズを含む光源２．１の外側を覆うことが望ましいと考えられる。模式的に示す好適な実施形態において、光源および透明プレート２．４は、光の出口側へ向かって一方が開いた筐体２．２により覆われていて、空気がライン２．３を通って筐体２．３内へポンプ注入され、前記空気は光の出口側から開口部を通って筐体２．３から再び逃がされる。このようにして、埃っぽいまたは霞んだ周囲条件下で透明プレート２．４の汚染を遅くするかまたは全く汚染されないようにすることが実現される。

同様に、汚染を防止する目的で、検出部４もまた好適には、光が貫通可能な側に開口部を有する筐体４．２を備え、当該開口部を通って空気が流出し、当該目的のために空気がライン４．３の他の場所を通って筐体４．２に流入する。同様に、検出部４の高感度な中核的要素、すなわち平面光位置検出器４．１もまた、透明なプレート４．４により筐体開口の側で機械的損傷および汚染から保護されることを意図している。プレート４．４の汚染により生じた光の散乱が測定結果に対して過度に影響を及ぼさないよう、プレート４．４を平面光位置検出器４．１に可能な限り近接して配置すべきであり、その上に実際に搭載されることが好適である。

平面光位置検出器４．１は、光輝性粒子を含むと共に、分散配置されていて各々の位置で分離された光の強度に応じて電気信号が生じるように導波管モードからの光を分離して検出することが可能な複数の小領域光電センサ４．１．１を一方の側に有する平面光導波路である。

そのような平面光位置検出器の公知の機能的原理について簡潔に繰り返す。例えば染料分子または半導体ナノ粒子である光輝性粒子により、外部から入射した光が、より長い波長を有する散乱光に変換される。この光は、大部分が導波管内に結合され、その中を伝搬する。多くの理由により、導波管内の光度は発光が生じた位置からの距離が増大するにつれて減少し、各々の光電センサで生じた電気信号も従って減少する。複数の光電センサが光導波路上で互いに距離を置いて配置されている事実により、発光により生じた光線の入射位置を、データ技術に関して自動化可能な数学的方法により、個々の光電センサで測定された信号強度の比から推論することができ、実現可能な空間分解能は隣接する光電センサ間の距離よりも数倍微細である。通常はシリコン主体の光ダイオードを光電センサとして使用し、前記光ダイオードの能動断面積は例えば０．３６ｍｍ^２である。所望の空間分解能に応じて、隣接する光電センサ間の距離は１５〜１５０ｍｍであってよい。

特に、測定プロセスを行う間に、位置検出の空間分解能が高いにもかかわらず、アナログ信号の値を、監視対象面積当たりの数が比較的少ない光電センサ４．１．１だけから読み出さなければならないため、上述の平面光位置検出器４．１から極めて高速で読み取ることができ、且つ単位時間当たりの数が極めて多い位置測定、典型的には毎秒１０００００回の測定、を行うことが可能である。従って、極めて高速のカメラと同様に、極めて高い時間分解能での観測が可能である。

平面光位置検出器４．１の光電センサにより生じた信号は、データ処理システム（図示せず）に読み込まれて評価される。所与と仮定すべき、すなわち上述の影境界が検出領域を照射部２により異なる程度に照射された２個の領域に分割して、一方の領域はそれ自体が均一に照射され、他方の領域は全く照射されないようにする境界条件の下で、検出領域上における影境界の進路を、データ処理システムにより個々の光電センサからの測定結果にある種の内挿を行うことにより高速に計算できる。従って、光影境界が車輪の上にある車輪１のそれら個々の点の位置もまた、光線群３の方向に垂直な平面内で検出部４に相対的に画定される。

個々の光電センサ４．１．１における信号変化のダイナミックレンジを考慮することにより、有用な情報の取得または誤った情報の抑制が可能である。既に上で述べたように、照射部２により発光された光線群３の強度は、特定の周波数で変動する場合があり、周波数フィルタを光電センサ４．１．１の下流に配置して、前記フィルタの通過帯域を前記周波数に設定することができる。その結果、周辺光に起因する外乱の影響を良好に抑制することができる。

例えば、連続的な測定間の最短時間間隔は１μｓ（１ＭＨｚの測定周波数に対応）、光線群３がオンオフ切り替えされる周波数は１００ｋＨｚ（周期持続期間１０μｓ、５μｓオン、５μｓオフ）であってよい。これは、本発明の測定原理により一切問題無く実現することができる。従って、光力の変動周期内で、各々の場合に５個の測定値を記録することができ、これらは検出器の点における光度に対応する。光源がオンである間に測定された値を、光源がオフである間に測定された値から減算することにより、光源により生じた現在の光度の極めて信頼性が高い測定値が得られる。

車輪１の回転速度もデータ処理システムにより測定されている場合、観測された影境界の一部の変位または観測された影境界の全体が、車輪１の回転のタイミングまたはその整数倍のタイミングで反復されるか否かを調べることが可能である。これは従って、車輪１上の位置が回転対称性の残余から逸脱した明確な兆候である。

「鉄道車両の車輪」の例に関して、このような測定結果の最初の生起および観測された影境界全体の１回の突発的変位は、鉄道レール上における位置ずれの兆候である。本測定方法により、タコグラフと協働して前記位置ずれを迅速に発見することができる。

形状の変化を伴わない影境界の永続的な変位は、被測定体の永続的な相対変位の兆候である。鉄道車両の例を参照するに、これはバネサスペンションの弾性の変化の結果生じ得るものであって、対応する材料疲労の兆候であり得る。

影境界の形状の永続的な変化は、何かが一様に浸食されたかまたは塗布されたという兆候である。鉄道車両の車輪の例を参照するに、車輪の全周にわたる緩慢な均一の浸食が典型的であろう。

影境界の移動に追随しない明度の永続的に継続する変化は、保護透明プレート２．４または４．４の一方が汚染されていることの強い兆候である。

多くの用途に充分適している簡単且つ費用効果の良い実施形態において、平面光位置検出器４．１の領域全体が、光電センサ４．１．１が数か所で設置されている単一の連続的な光導波路であってよく、前記センサが領域端およびそこから離れた領域の両方に配置されていてよい。

特に、測定対象である幾何学的形状が複雑な場合、または検出器信号を特に精密且つ高速に評価する必要がある場合、光位置検出器４．１の領域を、導波光に関して互いに隔離された複数の部分領域に再分割され、各部分領域が複数の光電センサ４．１．１を備えていれば有利である。個々の部分領域に入射する光信号は従って、他の部分領域からのセンサ信号に影響を及ぼすことができないため、全体的な結果の評価が簡素化されて、誤りの影響を受け難くなる。

本発明の一好適な実施形態において、しぼりの一種としてのステンシル５が、照射部２および検出部４が互いに相対的に移動不可能なように載置された部分に固定されていて、前記ステンシルは光線群３により入射する空間内に突出して、測定対象物体１と共に、光線群３が検出部４まで貫通して進むスロットを画定している。そのようなステンシル５が無い設計と比較して、光位置検出器４．１の照射領域はより良好に区切られる。測定対象物体１の形状または位置が変化した場合、光位置検出器４．１の領域上の光点の相対変化はより高く、従ってより明確に検出可能である。ステンシル５は、例えば板金部品により形成することができ、監視対象である物体１に面している端が物体１の輪郭に近似されるように成形される。好適には、ステンシル５は図１に示すように、監視対象である物体に関する間隙が可能な限り狭いにもかかわらず衝突が生じないように照射部２および検出部４に対して調整可能な位置に載置可能である。

本発明による測定原理は特に、互いに相対的に移動する部品を含むような装置に有利に用いることができ、１個の部品から、当該部品に相対的に周期的に反復移動する別の部品の相対位置または幾何学的形状を測定することを意図している。これは特に、周期的に反復移動し、且つ運行時に生じる負荷のため当該装置の通常の耐用期間が過ぎるまで繰り返し保守または交換が必要な程度に摩耗する当該部品を監視するために有用である。

Claims (9)

1. 測定装置に相対的に誘導される移動物体（１）の相対位置データおよび／または幾何学的寸法を、光学的測定手段を用いた前記移動物体（１）に起因する影の境界の測定に基づいて実時間に測定する装置において、出力データをデータ処理システムに伝送可能な照射部（２）および検出部（４）が互いに相対的に移動不可能なように互いに距離を置いて固定されていて、
   光線群（３）が前記照射部（２）から前記検出部（４）の方向に発光され、前記検出部（４）は平面光導波路として実現された平面光位置検出器（４．１）を含み、前記平面光導波路は、光輝性粒子を含むと共に、光導波路内の導波管モードからの光を分離して前記分離された光の光度と相関する強度を有する電気信号を生成可能な、互いに距離を置いて配置された複数の小領域光電センサ（４．１．１）を一方の側に有することを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記装置に相対的な、周期的に反復する移動進路に位置する物体の相対位置データおよび／または幾何学的寸法を測定すべく機能することを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置において、前記装置に対して回転する物体の相対位置データおよび／または幾何学的寸法を測定すべく機能することを特徴とする装置。
4. 請求項５に記載の装置において、鉄道車両の車輪の移動を測定すべく機能すること、および前記照射部（２）および前記検出部（４）が前記鉄道車両のフレームまたは前記鉄道車両のトラックに固定されていることを特徴とする装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の装置において、前記平面光位置検出器（４．１）の前記光線群（３）の方向に垂直な平面における寸法が、前記光線群（３）が入射する空間の断面積以上であることを特徴とする装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の装置において、前記照射部（２）および前記検出部（４）に相対的に移動不可能なステンシル（５）が、前記光線群（３）が入射する空間内に突出して、前記光線群（３）が前記検出部（４）まで貫通して進むスロットを画定することを特徴とする装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の装置により、同種の周期的な反復移動を実行する物体（１）相対位置データおよび／または幾何学的寸法を、光学的測定手段を用いた前記物体（１）に起因する影の境界の測定に基づいて実時間に測定する方法であって、
   前記データ処理システムが前記移動の反復周波数を検出すること、および前記データ処理システムが前記光電検出器（４．１．１）により発信された電気信号の信号強度の変動が同一の反復周波数または整数倍高い反復周波数で反復されるか否かを調べることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記平面光位置検出器（４．１）の上を通過する影境界の進路が、前記データ処理システムにより、個々の光電センサ（４．１．１）の測定値から内挿を行うことにより計算され、前記計算が、前記影境界が前記平面光位置検出器（４．１）の領域を前記光線群（３）による照射に関して異なる程度に照射された２個の領域に分割して、一方の領域はそれ自体が均一に照射され、他方の領域は全く照射されないようにする境界条件に基づくことを特徴とする方法。
9. 請求項７または８に記載の方法において、鉄道車両上で、移動動作を行う間、レール上で回転する車輪（１）の位置および幾何学的形状の測定に利用されることを特徴とする方法。

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