JP2016014537A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの設置間隔に対して小さなサイズの車輪を検出すること。【解決手段】センサ（８００）は、所定の周波数の交流電流を用いて磁場の変化を検出して物体の接近を検知する一対の送信コイル（２１０）および受信コイル（２２０）を２つ（２０５Ａ、２０５Ｂ）配置し、一方の受信コイルと他方の受信コイルとにおいて磁場の変化が検出され、該検出された期間が一部共通する場合に、検出順序に基づいて当該物体の進行方向を判定するものであって、一方の受信コイルにて検出された、他方の送信コイルに起因した磁場の変化に基づいて、前記期間を補正する補正手段を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、車両の進行方向を判定する技術に関する。

車輪が近接することに起因した磁場の変化を検知することより、所定の地点を列車が通過したことおよびその進行方向を判定する技術がある。車両の方向を判定するには、例えば、ループコイルを２組並べ、各コイルにおけるインダクタンスの時間変化を検出する（非特許文献１）。

インターネット、ＵＲＬ＜http://www.fu-rex.co.jp/product1/ps_pst.html>、平成２６年６月２６日検索

しかし、従来の技術では、安全性を担保しつつ、コイルの設置間隔に対して車輪の径が小さい車両ついては検知が難しかった。
本発明は、コイルの設置間隔に対して小さな径の車輪を検出することを目的とする。

本発明は、一の態様において、所定の周波数の交流電流を用いて磁場の変化を検出して物体の接近を検知する一対の送信コイルおよび受信コイルを２つ配置し、一方の受信コイルと他方の受信コイルとにおいて磁場の変化が検出され、該検出された期間が一部共通する場合に、検出順序に基づいて当該物体の進行方向を判定するセンサであって、一方の受信コイルにて検出された、他方の送信コイルに起因した磁場の変化に基づいて、前記期間を補正する補正手段を有するセンサを提供する。
他の好ましい態様において、前記物体は線路を走行する車両であり、前記一対の送信コイルおよび受信コイルは、それぞれ前記線路を構成する一のレールの両側に設けられる。
他の好ましい態様において、前記補正手段は、前記一方の受信コイルにて検出された、前記他方の送信コイルに起因した磁場の変化に基づいて、当該一方の受信コイルおいて検出された磁場の変化の期間を拡張し、前記他方の受信コイルにて検出された、前記一方の送信コイルに起因した磁場の変化に基づいて、当該他方の受信コイルにおいて検出された磁場の変化の期間を拡張する、
他の好ましい態様において、前記一方の受信コイルが前記他方の受信コイルよりも先に磁場の変化を検出した場合、前記補正手段は、前記一方の受信コイルおいて検出された磁場の位相の変化の期間の終了時点を後ろにシフトさせ、前記他方の受信コイルおいて検出された磁場の位相の変化の期間の開始時点を前にシフトさせる、好ましい態様において、前記一方の受信コイルにて検出された磁場の変化の期間の終了時点をシフトさせる量は、前記他方の送信コイルにて発生し、前記一方の受信コイルおいて検出された磁場の大きさに基づいて設定される。

本発明によれば、安全性を担保しつつ、コイルの設置間隔に対して小さな径の車輪を検出することができる。

信号処理装置１００を示す図。 センサ８００の機能を示す図。 （ａ）は補正前の信号の例、（ｂ）は補正後の信号の例をそれぞれ示す図。 鉄道管理システム９９０の概要を示す図。 車輪検出部２００の詳細を示す図。 従来技術にかかる信号処理装置１９９を示す図。 従来技術にかかる、車両の進行方向と検出される信号との関係を示す図。 従来技術にかかる、車輪径が小さい場合に検出される信号の例。

まず、図４〜８を用いて、従来技術に係る、鉄道車両の進行方向を検出する方法について説明する。
図４は鉄道管理システム９９０の概要を示す。鉄道管理システム９９０は、車輪検出部２００と信号処理装置１９９と中央管理装置３００とを含む。鉄道車両は線路４００上を走行する。車両の進行方向は、両方がありえる。車両は通常の客車のほか、整備車両、トロッコ等、線路４００上を走行可能なあらゆる車両を含む。すなわち、鉄道管理システム９９０においては、線路４００上を複数の種類の車両がどちらの方向にも進行しうる。車両の種類が異なれば、車輪の径（サイズ）も異なりうる。なお、軌道セクション（Ｓ(x)）は線路４００に設定された区間を規定する。

信号処理装置１９９は、車両の通過および進行方向を検知するためのＡＣＤ（Axel count device）であって、軌道セクションＳの境界部に一つ設けられる。つまり、軌道セクションＳの各境界部が車両の通過および進行方向を検出する地点となる。各信号処理装置１９９において検出された信号は、対応する車輪検出部２００に供給される。
車輪検出部２００は、ＡＤ（Axel detector）であって、一つの信号処理装置１９９に対応して一つ設けられる。一の信号処理装置１９９と一の車輪検出部２００とは信号線を介して電気的に接続される。車輪検出部２００は、信号処理装置１９９に交流電圧を印加し、信号処理装置１９９から供給される信号を取得する。
中央管理装置３００は、一つのみ設けられ、全ての車輪検出部２００から、各ポイント（軌道セクションＳの境界部）をどちらの方向に通過したか否かを把握し、全列車がどの軌道セクションＳ内に存在するのか、およびその進行方向についての情報を集約・管理する。

図５は車輪検出部２００の詳細を示す図である。車輪検出部２００は、送受信回路２０５Ａおよび送受信回路２０５Ｂからなる。
送受信回路２０５Ａおよび送受信回路２０５Ｂは、構造的には同一である。よって、以下、両者を区別する必要がない場合は、単に「送受信回路２０５」と称する。各送受信回路２０５は、一本のレールＲを挟んで正対して設置された送信用コイル２１０および受信用コイル２２０を含む。送信用コイル２１０Ａおよび送信用コイル２１０Ｂにおいて、それぞれ信号処理装置１９９から印加された周波数ｆ１、ｆ２の交流電流に応じた磁場が発生する。発生した磁場の一部は、それぞれ受信用コイル２２０Ａおよび受信用コイル２２０Ｂ内に侵入し、これによって誘導電流が発生する。誘導電流に応じた電気信号が、受信用コイル２２０Ａ、受信用コイル２２０Ｂのそれぞれから信号処理装置１９９に出力される。

ここで、送信用コイル２１０と受信用コイル２２０の間に車輪などの金属などの物体が位置しない場合は、送信用コイル２１０に印加される電流の位相と受信用コイル２２０から出力される電流の位相は一定の関係を保ち、変動することはない。
ところが、送信用コイル２１０と受信用コイル２２０の間に車輪などの金属物体があると、送信用コイル２１０に印加される電流の位相と受信用コイル２２０から出力される電流の位相の関係（相対的位相）にずれが生じる。典型的には、相対的位相は、物体が送信用コイル２１０と受信用コイル２２０の間に接近すると反転し、そのまま横切って遠ざかると、反転状態が元に戻るという変化を示す。各送受信回路２０５にて検出されるこのような位相の変化を利用して、車両の進行方向を判定する。

図６〜７を用いて、進行方向の判定方法を具体的に説明する。
図６は、信号処理装置１９９の回路構成を示す。信号処理装置１９９は、位相差検出回路１１０−１、基準信号生成部１４０−１、バンドパスフィルタ１２０-１、位相差検出回路１１０−２、基準信号生成部１４０−２、バンドパスフィルタ１２０-２、判定回路１３０からなる。基準信号生成部１４０−１および基準信号生成部１４０-２は、それぞれ周波数ｆ１、ｆ２の交流電流を、それぞれ送信用コイル２１０Ａおよび送信用コイル２１０Ｂに印加するとともに、参照信号Ｒｅｆ（ｆ１）およびＲｅｆ（ｆ２）として、位相差検出回路１１０-１および位相差検出回路１１０−２に出力する。位相差検出回路１１０−１および位相差検出回路１１０−２は、それぞれ受信用コイル２２０Ａおよび受信用コイル２２０Ｂから、それぞれ信号Ｒ０（ｆ１）および信号Ｒ０（ｆ１）を受信して、それぞれの信号について参照信号との位相差（の時間変化）を検出する。

バンドパスフィルタ１２０−１およびバンドパスフィルタ１２０−２は、それぞれ、位相差を表す信号の周波数ｆ１、ｆ２成分のみを取り出す。これは、バンドパスフィルタ１２０-１は、受信用コイル２２０Ｂで生成された周波数ｆ２の磁場の、受信用コイル２２０Ａにおける影響を取り除くためである。同様にバンドパスフィルタ１２０-２は、受信用コイル２２０Ａで生成された周波数ｆ１の磁場の、受信用コイル２２０Ｂにおける影響を除くためである。バンドパスフィルタ１２０-１およびバンドパスフィルタ１２０−２からそれぞれ出力された信号は、位相差検出回路１１０−１および１１０-２にそれぞれ供給される。

判定回路１３０は、信号Ｐ１および信号Ｐ２を比較し、両信号の重なり具合を表す信号を生成する。生成された信号は、中央管理装置３００に出力される。中央管理装置３００においては、それぞれ位相にズレが生じているか否かを判定し、位相にズレが生じている期間（反転期間）に一部重なりがあった場合は、反転が発生した順序に基づいて進行方向を決定する。これにより、当該車輪検出部２００において車両が通過したことおよびその進行方向を表すことが中央管理装置３００にて把握される。

図７は、車両５００の進行方向と検出される信号との関係を示す。同図(a)のように、車両が左から右へ進行した場合、信号Ｐ１、信号Ｐ２の波形は（ｂ）のようになる。（ｂ）は、時刻ｔ１iからt１ｅまでの期間において位相が反転することを表している。これは、当該車両の一つの車輪が、送受信回路２０５Ａの検知範囲に時刻ｔ１iにおいて侵入し、t１ｅにおいて送受信回路２０５Ａの検知範囲から脱出したことを意味する。同様に、時刻ｔ２iにおいて当該車輪が送受信回路２０５Ｂの検知範囲に侵入し、t２ｅにおいて送受信回路２０５Ｂの検知範囲から脱出しことを意味する。そして、反転が検出された順序は、送受信回路２０５Ａが先で送受信回路２０５Ｂが後である。また、送受信回路２０５Ａおよび送受信回路２０５Ｂにて検出された反転期間は、時刻ｔ２ｉからｔ１ｅまでの期間において重なっている。

同図(ｃ)、（ｄ）においては、同一の車両が逆向きに進行した場合に得られる信号の例を示す。(d)において、反転期間に重なりがある点では（ｂ）と同じだが、反転を検出した順序が反対となっている。このように、得られた信号Ｐ１、信号Ｐ２を対比すれば、車両の進行方向を判定することができる。

ここで、重なり区間の存在を条件としているのは、例えば、たまたま、ある瞬間に検出エラー等の不具合が発生して送受信回路２０５Ａ、送受信回路２０５Ｂのいずれか一方のみで反転信号を検知できなかった場合、通常の列車では同一車両に複数の車軸（便宜上、前輪、後輪という）があるので、２つの車輪の検出タイミングを一つの車輪の検出タイミングであると誤認識し、結果的に送受信回路２０５Ａと２５０Ｂにおける検出順序を実際の進行方向とは逆であると判定してしまう可能性があるからである。列車の進行方向の判定ミスは重大事故につながる可能性があるので、確実に防止する必要がある。このような観点から、鉄道管理システム９９０においては、重なりが検出されない場合は何らか検出エラーが発生したとみなし、進行方向の判定を行わない設計となっている。

しかし、Ｌに比べて一定以上の小さな径の車輪の場合は、重なり区間が発生しない。車輪のサイズが小さくなると反転期間の長さが小さくなるからである。
図８は、車輪径が小さい場合に検出される信号の例である。このように、従来の方法では、車輪径が小さい場合は、車両が通過したことは検知できても、進行方向が判定できないという問題があった。
仮にＬを小さく設定できたとしても、特に、車輪が大きいばあいの検知や通過速度が大きい場合の検知において検知精度が下がってしまうという問題がある。換言すると、大小さまざまな径の車輪を有する車両が混在する軌道において、全ての車両の進行方向を判定することが困難であった。

以下、図１〜３を用いて本発明を説明する。
本発明において前提となるシステムは鉄道管理システム９９０と同様である。鉄道管理システム９９０と異なるのは、信号処理装置１９９に変えて信号処理装置１００を用いた点のみである。よって、以下、この差異点を中心に説明する。

図１は、信号処理装置１００の回路構成を示す。信号処理装置１００は、位相差検出回路１１０-１、位相差検出回路１１０-１、バンドパスフィルタ１２０-１、バンドパスフィルタ１２０-２、判定回路１３０、基準信号生成部１４０−１、基準信号生成部１４０−２を含む。信号処理装置１００が信号処理装置１９９と異なるのは、バンドパスフィルタ１２５−１、補正回路１３５−１、バンドパスフィルタ１２５−１、補正回路１３５−１を有する点である。換言すると、信号処理装置１００は、信号処理装置１９９に、バンドパスフィルタ１２５−１、補正回路１３５−１、バンドパスフィルタ１２５−１、補正回路１３５−１からなるバイパス回路を追加したといえる。このバイパス回路は、信号Ｐ１、信号Ｐ２をそれぞれ信号Ｐ１'、信号Ｐ２'に補正する機能を有する。なお、判定回路１３０における動作は鉄道管理システム９９０と同様である。

バンドパスフィルタ１２５−１は、バンドパスフィルタ１２０-１と同様、ｆ１以外の周波数成分を取り除く。バンドパスフィルタ１２５−２は、バンドパスフィルタ１２０-２と同様、周波数ｆ２以外を周波数成分取り除く。補正回路１３５−1、補正回路１３５−２は、それぞれ入力された信号を補正して信号Ｐ１’、信号Ｐ２’として出力する。

図２は、センサ８００の機能を示す。センサ８００は、車輪検出部２００および信号処理装置１００を含む。車輪検出部２００は、鉄道管理システム９９０と同様である。信号処理装置１００は、移動差検出部８２０と位相補正部８３０と重なり判定部８４０とからなる。移動差検出部８２０は、図１に示す位相差検出回路１１０-１、位相差検出回路１１０−２によって実現され、鉄道管理システム９９０と同じ。重なり判定部８４０は図１に示す判定回路１３０によって実現され、鉄道管理システム９９０と同様である。位相補正部８３０は、図１に示すバンドパスフィルタ１２５−１、補正回路１３５−１、バンドパスフィルタ１２５−１、補正回路１３５−１からなるバイパス回路によって実現され、鉄道管理システム９９０には存在しない機能である。

すなわち、位相補正部８３０は、同図に示すように、受信用コイル２２０Ａにて検出された、送信用コイル２１０Ｂに起因した磁場の変化に基づいて、受信用コイル２２０Ａおいて検出された磁場の変化の期間を補正し、前記受信用コイル２２０Ｂにて検出された、送信用コイル２１０Ａに起因した磁場の変化に基づいて、受信用コイル２２０Ｂにおいて検出された磁場の変化の期間を補正する。

より具体的には、図３に示すような補正が行われる。図３の（ａ）は補正前の信号の例、（ｂ）は補正後の信号の例を示す。
同図（ｂ）に示すように、位相補正部８３０は、前記受信用コイル２２０Ａが受信用コイル２２０Ｂよりも先に磁場の変化を検出した場合、受信用コイル２２０Ａにおいて検出された磁場の位相の変化の期間の終了時点を後ろにシフトさせるとともに、受信用コイル２２０Ｂおいて検出された磁場の位相の変化の期間の開始時点を前にシフトさせる。信号Ｐ１、信号Ｐ２の反転発生順序が逆である場合は、受信用コイル２２０Ｂにおいて検出された磁場の位相の変化の期間の終了時点を後ろにシフトさせるとともに、受信用コイル２２０Ａおいて検出された磁場の位相の変化の期間の開始時点を前にシフトさせる。

換言すると、２つの反転期間に重なりがない場合は、重なりが発生する可能性がある方向に、信号Ｐ１および信号Ｐ２の両方について、反転期間が拡張される。同図の例では、補正前の２つの信号においては重なり期間がなかったもの、重なりが生じるように補正されている。

一方の送信用コイル（例えば受信用コイル２２０Ａ）から出力される信号のシフト量は、他方の送信用コイル（送信用コイル２１０Ｂ）にて発生し、前記一方の受信コイル（受信用コイル２２０Ａ）にて検出された周波数ｆ２磁場の大きさ（振幅の大きさ）に基づいて設定する。

上記実施例によれば、従来と同じ車輪検出部２００を用いたとしても、より小さな径の車輪でも検知することが可能。従って、大きさが異なる車輪が混在する車両が運行される軌道にも、列車の存在および進行方向を把握することができる。また、従来のセンサシステムにバイパス回路を付加するだけなので、一から新しいセンサを製造する場合に比べて、簡単にかつ低コストで実現することができる。

上記実施例は例示にすぎず、種々の観点から変形することが可能である。
例えば、位相補正部８３０が補正を行う対象の信号は、信号Ｐ１、信号Ｐ２の両方ではなく、少なくともいずれかであってもよい。要するに、時間的に先に位相差のずれを検出したものの終点を時間的に後側に拡張する補正処理と、後に検出したものの始点が時間的に前側に拡張する補正処理の少なくともいずれかが実行されればよい。
また、拡張する量（時間の長さ）は、自己や相手の受信コイルの信号強度や反転期間の長さ等、磁場に非依存の、予め定められた量であってもよい。

また、本発明の適用対象は、鉄道車両に限定されず、自動車その他の移動体の進行方向の判定にも適用可能である。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って本発明は、上記説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り、様々な形態に変更することができる。

１００・・・信号処理装置、１１０・・・位相差検出回路、１３０・・・判定回路、１２５・・・バンドパスフィルタ、１３５・・・補正回路、１２０・・・バンドパスフィルタ、１４０・・・基準信号生成部、３００・・・中央管理装置、２００・・・車輪検出部、４００・・・線路、２０５・・・送受信回路、２１０・・・送信用コイル、２２０・・・受信用コイル、８２０・・・移動差検出部、８３０・・・位相補正部、８４０・・・重なり判定部、８００・・・センサ、９９０・・・鉄道管理システム、１９９・・・信号処理装置、５００・・・車両

Claims (5)

1. 所定の周波数の交流電流を用いて磁場の変化を検出して物体の接近を検知する一対の送信コイルおよび受信コイルを２つ配置し、一方の受信コイルと他方の受信コイルとにおいて磁場の変化が検出され、該検出された期間が一部共通する場合に、検出順序に基づいて当該物体の進行方向を判定するセンサであって、
   一方の受信コイルにて検出された、他方の送信コイルに起因した磁場の変化に基づいて、前記期間を補正する補正手段を有するセンサ。
2. 前記物体は線路を走行する車両であり、
   前記一対の送信コイルおよび受信コイルは、それぞれ前記線路を構成する一のレールの両側に設けられる、請求項１のセンサ。
3. 前記補正手段は、
   前記一方の受信コイルにて検出された、前記他方の送信コイルに起因した磁場の変化に基づいて、当該一方の受信コイルおいて検出された磁場の変化の期間を拡張し、
   前記他方の受信コイルにて検出された、前記一方の送信コイルに起因した磁場の変化に基づいて、当該他方の受信コイルにおいて検出された磁場の変化の期間を拡張する、
   請求項１または２に記載のセンサ。
4. 前記一方の受信コイルが前記他方の受信コイルよりも先に磁場の変化を検出した場合、
   前記補正手段は、前記一方の受信コイルおいて検出された磁場の位相の変化の期間の終了時点を後ろにシフトさせ、前記他方の受信コイルおいて検出された磁場の位相の変化の期間の開始時点を前にシフトさせる、
   請求項３に記載のセンサ。
5. 前記一方の受信コイルにて検出された磁場の変化の期間の終了時点をシフトさせる量は、前記他方の送信コイルにて発生し、前記一方の受信コイルおいて検出された磁場の大きさに基づいて設定される、請求項４に記載のセンサ。

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