JP4920538B2 - Self-contained radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stone with a built-in three-axis acceleration sensor and pic microcomputer - Google Patents

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明 相川
良行 鷹尾
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公益財団法人鉄道総合技術研究所
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本発明は、三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンに関するものである。 The present invention relates to self-contained radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stone with a built-in three-axis acceleration sensor and the PIC microcomputer.

本願発明者は、既に、三軸加速度センサを複数個内蔵し、三次元的な並進挙動と回転挙動を測定可能な3次元センシングストーンを提案している(特許文献1:非公開)。 The present inventor has already triaxial accelerometer plurality built, has proposed a three-dimensional sensing stones capable of measuring rotational behavior and three-dimensional translational behavior (Patent Document 1: published).

その3次元センシングストーンは、鉄道車両走行荷重戴荷時のバラスト砕石の三次元的な運動(並進運動および回転運動)を精密測定し、砕石内部でデジタル信号として変換した後、光ケーブルを用いてノイズのないクリーンなデジタル情報としてデータ転送する測定用センサを提供している。 Its three-dimensional sensing Stone, three-dimensional movement of the ballast crushed stone at the time of a railway vehicle traveling load 戴荷 a (translational and rotational movement) precisely measured, after converting a digital signal within crushed stone, using an optical cable noise It provides a measurement sensor to the data transfer as a clean digital information no.
特願2006−260726号 Japanese Patent Application No. 2006-260726

バラスト軌道の劣化挙動のメカニズム解明には、実態荷重環境下での砕石の三次元的な運動に関する測定が必須である。 The mechanism elucidation of the degradation behavior of the track ballast, it is essential measurements on the three-dimensional movement of the crushed stone under the actual load environment. 本願発明者は、三軸加速度センサを複数個用いて砕石の並進挙動と回転挙動を同時に測定し、砕石内部にPICマイクロコンピュータを内蔵することにより、砕石内部のセンサ直近にてAD変換を行い、高品質の測定データを得て、さらに、光ケーブルを用いてデータを転送することにより、三軸加速度測定用のノイズ低減対策、三次元センシングストーンのケーブルの簡素化に成功した。 The inventors have three axes acceleration sensor using a plurality measuring the translation behavior and rotation behavior of crushed stone at the same time, by incorporating the PIC microcomputer inside crushed stone, perform AD conversion at Crushed internal sensor last, to obtain a high-quality measurement data, further, by transferring data using an optical cable, triaxial acceleration measurement noise reduction measures for, and succeeded in simplifying the three-dimensional sensing Stone cable.

しかしながら、この三次元センシングストーンは、ケーブルは従来型に比べて大幅に細くできるものの、砕石本体からケーブルが引き回されているために、そのケーブルが三次元センシングストーン(砕石)の運動をわずかに阻害して、実際の砕石の完全な三次元挙動を正確に測定できないといった問題があった。 However, the three-dimensional sensing Stone, although the cable may be significantly thinner than the conventional type, in order to have routed the cable from the crushed stone body, movement slightly of the cable three-dimensional sensing stone (crushed stone) inhibition to, there is a problem that can not be accurately measured to the complete three-dimensional behavior of actual crushed stone.

本発明は、上記状況に鑑みて、砕石の実挙動を正確に測定するために、砕石の挙動の妨げとなる、三次元センシングストーンの駆動電力の供給ケーブルを無くし、かつ、三次元センシングストーンの出力ケーブルをも無くすことができる三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンを提供することを目的とする。 The present invention is, in view of the above circumstances, in order to measure the actual behavior of the crushed stone accurately, which hinders the behavior of crushed stone, eliminating the supply cable of the drive power of the three-dimensional sensing Stone and three-dimensional sensing Stone and to provide a self-contained radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stone with a built-in three-axis acceleration sensor and the PIC microcomputer can be eliminated also the output cable.

本発明は、上記目的を達成するために、 The present invention, in order to achieve the above object,
〔1〕三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンにおいて、測定用三軸加速度センサチップと、PICマイクロコンピュータによるA/D変換器と、電源用受信コイル・DC−DCコンバータと、信号送信用FM送信機とを備えた測定用センサと、この測定用センサの近距離に配置され、電力発信機と、FM受信機と、光通信装置とを備えた中継用砕石とを具備し、前記測定用センサは、前記中継用砕石の前記電力発信機から低周波の電波による電力の供給を受け、前記信号送信用FM送信機から高周波FM電波による無線信号伝送を行う。 [1] In the three-axis acceleration sensor and the PIC microcomputer completely independent of the radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stones with built-in, and measuring triaxial acceleration sensor chip, and the A / D converter according to PIC microcomputer, a receiving coil · DC-DC converter power supply, and the measuring sensor and a signal transmitting FM transmitter, is arranged at a short distance of the measurement sensor, and the power transmitter, the FM receiver, an optical communication device ; and a relay crushed stone with bets, the measuring sensor is supplied with power by radio waves of a low frequency from the power transmitter of the relay lithotripsy, high-frequency FM wave from the signal transmitting FM transmitter It performs wireless signal transmission due.

本発明によれば、砕石の実挙動を正確に測定するために、砕石の挙動の妨げとなる、三次元センシングストーンの駆動電源の供給ケーブルを無くし、かつ、三次元センシングストーンの出力ケーブルをも無くすことができる三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンを提供する。 According to the present invention, in order to measure the actual behavior of the crushed stone accurately, which hinders the behavior of crushed stone, eliminating the supply cable of the driving power source of three-dimensional sensing Stone, and also the three-dimensional sensing Stone output cable to provide a self-contained radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stone with a built-in three-axis acceleration sensor and the PIC microcomputer can be eliminated.

本発明の三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンは、測定用三軸加速度センサチップと、PICマイクロコンピュータによるA/D変換器と、電源用受信コイル・DC−DCコンバータと、信号送信用FM送信機とを備えた測定用センサと、この測定用センサの近距離に配置され、電源発信機と、FM受信機と、光通信装置とを備えた中継用砕石と、前記測定用センサは、前記中継用砕石の前記電源発信機からの低周波の電波による電力の供給を受け、前記信号送信用FM送信機からの高周波FM電波による無線信号伝送を行う。 Triaxial acceleration sensor and PIC microcomputer completely independent of the radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stones with built-in of the present invention includes a measuring triaxial acceleration sensor chip, and the A / D converter according to PIC microcomputer, a receiving coil · DC-DC converter power supply, and the measuring sensor and a signal transmitting FM transmitter, is arranged at a short distance of the measurement sensor, and a power transmitter, an FM receiver, an optical communication device preparative a relay crushed stone provided with the measuring sensor, supplied with power by the low-frequency radio wave from the power transmitter of the relay lithotripsy, due to the high frequency FM radio waves from the signal transmitting FM transmitter It performs wireless signal transmission.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 It will be described in detail embodiments of the present invention.

図1は本発明の実施例を示す三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンの配置を示す模式図である。 Figure 1 is a schematic view showing the arrangement of self-contained radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stone with a built-in three-axis acceleration sensor and the PIC microcomputer showing an embodiment of the present invention.

図1において、1は路盤、2は路盤1上に設けられるバラスト、3はバラスト2上に設けられるまくらぎ、4はまくらぎ3上に配置されるレール、5は中継用砕石、6は中継用砕石5によって中継されて電力供給を受け、測定デジタル信号を無線で送信する測定用センサである。 In Figure 1, 1 roadbed, 2 are provided on the roadbed 1 ballast, sleepers are provided on the ballast 2 3, rail 4 disposed on the sleepers 3, 5 relay Crushed, 6 relay is relayed powered by use crushed stone 5 is a measuring sensor for transmitting the measured digital signal by radio. すなわち、中継用砕石5は電源と電力受信器とFM受信器と光通信装置とを備えている。 That is, the relay Crushed 5 includes a power supply and the optical communication device power receiver and FM receiver.

図2は本発明の実施例を示す三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンの回路図である。 Figure 2 is a circuit diagram of a self-contained radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stone with a built-in three-axis acceleration sensor and the PIC microcomputer showing an embodiment of the present invention.

図2において、中継用砕石5は、測定用センサ6の近距離に配置され、外部から電力ケーブル7により電力供給される電源部5Aと、電力発信機5Bと、FM受信機5Cと、光通信装置5Dとを備えている。 2, relay crushed stone 5 is arranged at a short distance from the measurement sensor 6, and a power supply unit 5A powered by a power cable 7 from the outside, and a power transmitter 5B, the FM receiver 5C, optical communications and a device 5D. また、8は光通信装置5Dに接続される光ファイバ、9は光ファイバ8に接続される三次元センシングストーンの変位測定装置である。 The optical fiber is connected to the optical communication apparatus 5D 8, 9 is a displacement measuring apparatus of the three-dimensional sensing stone connected to the optical fiber 8.

また、測定用センサ6には、測定用三軸加速度センサチップ6Aと、PICマイクロコンピュータによるA/D変換器6Bと、電源用受信コイル・DC−DCコンバータ6Cと、信号送信用FM送信機6Dとを備えている。 Furthermore, the measuring sensor 6, the measuring triaxial acceleration sensor chip 6A, the A / D converter 6B by PIC microcomputer, and the power receiving coil · DC-DC converter 6C, signal transmission FM Transmitter 6D It is equipped with a door.

つまり、測定用三軸加速度センサチップ6Aと、PICマイクロコンピュータによるA/D変換器6Bと、電源用受信コイル・DC−DCコンバータ6Cと、信号送信用FM送信機6Dとを備えた測定用センサ6と、この測定用センサ6の近距離に配置され、電源部5Aと電力発信機5Bと、FM受信機5Cと、光通信装置5Dとを備えた中継用砕石5とを具備し、測定用センサ6は、中継用砕石5の電力発信機5Bから低周波の電波により電力の供給を受け、信号送信用FM送信機6Dから高周波FM電波による無線信号伝送を行う。 That is, the measurement sensor comprising a measuring triaxial acceleration sensor chip 6A, the A / D converter 6B by PIC microcomputer, and the power receiving coil · DC-DC converter 6C, the signal transmission FM Transmitter 6D 6, is arranged at a short distance of the measuring sensor 6, comprising a power supply unit 5A and the power transmitter 5B, the FM receiver 5C, and a relay crushed stone 5 and a optical communication device 5D, for measurement sensor 6 receives a supply of electric power by a radio wave of the low frequency from the power transmitter 5B of the relay Crushed 5, performs wireless signal transmission by the high-frequency FM wave from the signal transmitting FM transmitter 6D.

ここで、本発明に用いる測定用三軸加速度センサチップについて説明する。 Here will be described the measurement triaxial acceleration sensor chip used in the present invention.

図3はピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ(H48D)10の外観を示している。 Figure 3 shows the appearance of a piezoresistive triaxial acceleration sensor chip (H48D) 10. また、そのピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ10のブロック図を、図4に示す。 Further, the block diagram of the piezoresistive triaxial acceleration sensor chip 10, shown in FIG. このピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ10は、Xセンサ11、Yセンサ12、Zセンサ13、温度センサ14、増幅器(AMP)15、制御部16、参照電源17とを備えている。 The piezoresistive triaxial acceleration sensor chip 10, and an X sensor 11, Y sensor 12, Z sensor 13, temperature sensor 14, an amplifier (AMP) 15, the control unit 16, the reference power source 17.

次に、加速度の検出を行うピエゾ抵抗素子の配置について説明する。 Next, explaining the arrangement of the piezoresistive elements for detecting the acceleration.

図5はそのピエゾ抵抗素子の構造を示しており、図5(a)はそのピエゾ抵抗素子の平面図、図5(b)は図5(a)のA−A線断面図である。 Figure 5 shows the structure of the piezoresistive element, FIG. 5 (a) is a plan view of the piezoresistive element, FIG. 5 (b) is a sectional view along line A-A in FIGS. 5 (a). また、図6はピエゾ抵抗素子とその回路を示す図である。 Also, FIG. 6 is a diagram showing the circuit and the piezoresistive element.

これらの図において、21はピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ、22は半導体ピエゾ素子である。 In these figures, 21 is piezoresistive triaxial acceleration sensor chip, is 22 is a semiconductor piezo element.

次に、ピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップを用いた三次元センシングストーンの構造とその動作原理について述べる。 It will now be described the structure and the operation principle of the three-dimensional sensing stones with piezoresistive triaxial acceleration sensor chip.

図7は三次元センシングストーンの動作原理図である。 Figure 7 is an operation principle diagram of a three-dimensional sensing stone.

図7は、辺長がそれぞれL x ,L y ,L zである直方体の対角線上の頂点に、ピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップを2個配置したものである。 7, side length, respectively L x, L y, the vertices on the diagonal line of a rectangular parallelepiped which is L z, in which arranged two piezoresistive triaxial acceleration sensor chip. それぞれ「Aセンサ」31と「Bセンサ」32とする。 Respectively "A sensor" 31 "B sensor" 32. センサ間の直線距離Lは三平方の和よりL=√(L x 2 +L y 2 +L Z 2 )である。 Linear distance L between the sensors are from the sum of the three square L = √ (L x 2 + L y 2 + L Z 2). また、2 個のセンサを結ぶ直線Lと、x,y,z軸の三軸がなす方向余弦をそれぞれθ x ,θ y ,θ zと記号表示するとcosθ x =L x /L,cosθ y =L y /L,cosθ Z =L z /Lの関係が成り立つ。 Further, the straight line L connecting the two sensors, x, y, respectively theta x direction cosine formed by the three axes of the z-axis, theta y, theta z when the symbol displaying cosθ x = L x / L, cosθ y = L y / L, the relationship cosθ Z = L z / L is satisfied. また、x,y,z軸に直交する面を考えてAセンサ31とBセンサ31の軸間距離T x ,T y ,T zを求めると、x 1 ,x 2軸間距離T x 、y 1 ,y 2軸間距離T y 、z 1 ,z 2軸間距離T zは、それぞれ次式により求められる。 Also, x, y, center distance T x of A sensor 31 and B sensor 31 consider a plane perpendicular to the z-axis, T y, when obtaining the T z, x 1, x 2 distance between the axes T x, y 1, y 2 center distance T y, z 1, z 2 axis distance T z are respectively calculated by the following equation.

x =Lsinθ x =√(L 2 −L x 2 )=√(L y 2 +L Z 2 ),T y =Lsinθ y =√(L 2 −L y 2 )=√(L Z 2 +L x 2 ),T Z =Lsinθ z =√(L 2 −L Z 2 )=√(L x 2 +L y 2 T x = Lsinθ x = √ ( L 2 -L x 2) = √ (L y 2 + L Z 2), T y = Lsinθ y = √ (L 2 -L y 2) = √ (L Z 2 + L x 2 ), T Z = Lsinθ z = √ (L 2 -L Z 2) = √ (L x 2 + L y 2)
この直方体に並進運動と回転運動が同時に発生し、直方体頂点にとりつけたA、Bの両センサにも、異なる大きさの加速度が生じた状態を想定する。 The cuboid into translational motion and rotational motion is generated at the same time, A was attached to the rectangular apexes, also both sensors B, and assume a state in which the acceleration of the different sizes has occurred. Aセンサ31のx,y,z三軸に関する加速度測定値をそれぞれx 1 ,y 1 ,z 1 ,Bセンサ32の加速度測定値をそれぞれx 2 ,y 2 ,z 2とし、直方体の運動に関する加速度評価点をAセンサ31およびBセンサ32の中点とする。 X of A sensor 31, y, and z triaxial about the acceleration measurements are x 1, y 1, z 1 , acceleration measurement values of the B sensor 32 respectively x 2, y 2, z 2 , acceleration in rectangular motion the evaluation points to the midpoint of the a sensor 31 and B sensor 32. 2個のセンサについて、x,y,z軸別に平均値α x ,α y ,α zを求めると以下の通りである。 The two sensors are as follows determine x, y, mean value alpha x by z-axis, alpha y, the alpha z.

α x =(x 1 +x 2 )/2,α y =(y 1 +y 2 )/2,α z =(z 1 +z 2 )/2(m/s 2 α x = (x 1 + x 2) / 2, α y = (y 1 + y 2) / 2, α z = (z 1 + z 2) / 2 (m / s 2)
また、Aセンサ31について、軸毎に平均値からの偏差量β x 、β y 、β zを求めると以下の通りである。 Also, the A sensor 31 is as deviation beta x, beta y, it follows seek beta z from the average value for each axis.

β x =x 1 −α x =x 1 −(x 1 +x 2 )/2=(x 1 −x 2 )/2 β x = x 1 -α x = x 1 - (x 1 + x 2) / 2 = (x 1 -x 2) / 2
β y =y 1 −α y =y 1 −(y 1 +y 2 )/2=(y 1 −y 2 )/2 β y = y 1 -α y = y 1 - (y 1 + y 2) / 2 = (y 1 -y 2) / 2
β z =z 1 −α z =z 1 −(z 1 +z 2 )/2=(z 1 −z 2 )/2(m/s 2 β z = z 1 -α z = z 1 - (z 1 + z 2) / 2 = (z 1 -z 2) / 2 (m / s 2)
すなわち、平均値α x ,α y ,α zは、直方体中心の加速度評価点における並進運動に関する加速度を表し、一方、偏差量β x ,β y ,β zは、直方体中心の加速度評価点における回転運動に関する加速度を表す。 That is, the average value α x, α y, α z represents an acceleration related to translational motion in the acceleration evaluation point of a rectangular parallelepiped center, whereas, deviation β x, β y, β z is rotated in the acceleration evaluation point of a rectangular parallelepiped center It represents an acceleration related to exercise.

ここに、回転運動に関する加速度は、加速度評価点と測定点間の軸の長さが関係する。 Here, acceleration in the rotational movement, the length of the shaft between the acceleration evaluation point and the measurement point concerned. したがって、加速度の回転成分β x ,β y ,β zについては、加速度評価点とセンサ間の距離(T x /2,T y /2,T z /2)で割って基準化し、回転方向の加速度成分γ x ,γ y ,γ zとする。 Therefore, the rotation component of the acceleration beta x, beta y, for beta z, normalized by dividing by the distance between the acceleration evaluation point and the sensor (T x / 2, T y / 2, T z / 2), the rotational direction acceleration component γ x, γ y, and gamma z.

γ x =β x /(T x /2)={(x 1 −x 2 )/2}/(T x /2)=(x 1 −x 2 )/T x =(x 1 −x 2 )/√(L y 2 +L z 2 ), γ x = β x / (T x / 2) = {(x 1 -x 2) / 2} / (T x / 2) = (x 1 -x 2) / T x = (x 1 -x 2) / √ (L y 2 + L z 2),
γ y =β y /(T y /2)={(y 1 −y 2 )/2}/(T y /2)=(y 1 −y 2 )/T y =(y 1 −y 2 )/√(L z 2 +L x 2 ), γ y = β y / (T y / 2) = {(y 1 -y 2) / 2} / (T y / 2) = (y 1 -y 2) / T y = (y 1 -y 2) / √ (L z 2 + L x 2),
γ z =β z /(T z /2)={(z 1 −z 2 )/2}/(T z /2)=(z 1 −z 2 )/T z =(z 1 −z 2 )/√(L x 2 +L y 2 γ z = β z / (T z / 2) = {(z 1 -z 2) / 2} / (T z / 2) = (z 1 -z 2) / T z = (z 1 -z 2) / √ (L x 2 + L y 2)
上述のように、2つのセンサの各軸の測定値の平均と差をとることにより、砕石の三次元の並進挙動と、回転挙動とを非常に容易に同時測定可能である。 As described above, by averaging the difference between the measured values ​​of each axis of the two sensors, and translation behavior of three-dimensional crushed stone, it can be simultaneously measured very easily and rotational behavior. なお、加速度測定の単位をm/s 2とすると、並進加速度成分α x ,α y ,α zの単位は測定値と同じm/s 2である。 Incidentally, when the unit of acceleration measurement and m / s 2, the translational acceleration component alpha x, alpha y, units of alpha z are the same m / s 2 and the measurement value. 一方、回転方向の加速度成分γ x ,γ y ,γ zについては、軸と直交する半径で除しているので、軸方向加速度(m/s 2 )÷軸間半径(m)となり、単位はrad/s 2となる。 On the other hand, the acceleration component gamma x direction of rotation for the gamma y, gamma z, since divided by the radius perpendicular to the axis, the axial direction acceleration (m / s 2) ÷ between shaft radius (m), and the unit is a rad / s 2.

図8は三次元センシングストーンの構造を示す図である。 Figure 8 is a diagram showing a structure of a three-dimensional sensing stone.

この図に示すように、三次元センシングストーン41内に図7で示したAセンサ31及びBセンサ32を配置し、上記した三次元センシングを行うようにしている。 As shown in this figure, the A sensor 31 and the B sensor 32 shown in FIG. 7 in a three-dimensional sensing stone 41 is disposed, it is to perform the three-dimensional sensing described above.

本発明は、砕石の実挙動を正確に測定するために、(1)砕石の挙動の妨げとなる、三次元センシングストーンの駆動電源の供給ケーブルを無くし、かつ、(2)三次元センシングストーンの出力ケーブルをも無くすようにした点に特徴を有する。 The present invention, in order to accurately measure the real behavior of the crushed stone, (1) hinders crushed stone behavior, eliminating the supply cable of the driving power source of three-dimensional sensing Stone and (2) three-dimensional sensing Stone characterized in that the to eliminate also the output cable.

上記(1)については、三次元センシングストーン内部で消費される電力は、2個の測定用三軸加速度センサチップの駆動電力と、三次元センシングストーンに内蔵したPICマイクロコンピュータの駆動電力の2つである。 The above (1), the power dissipated within the three-dimensional sensing Stone, a driving power of the two measuring triaxial acceleration sensor chip, two of the driving power of the PIC microcomputer incorporating the three-dimensional sensing Stone it is. このなかで、測定用三軸加速度センサチップの消費電力はごく僅かであり、PICマイクロコンピュータの駆動電力が消費電力のほとんどを占める。 Among this, the power consumption of the measuring triaxial acceleration sensor chip is negligible, the driving power of the PIC microcomputer occupies most of the power consumption.

ケーブルをなくす方法として、外部より電波で駆動電力を供給することが考えられるが、電力を供給する電波は距離の二乗に比例して減衰し、しかも、三次元センシングストーンは道床内部の砕石集合体の内部に設置されるため、砕石集合体に遮られて電波が十分に届かない。 As a method to eliminate the cable, it is conceivable to supply the driving power radio from the outside, Telecommunications supplying power is attenuated in proportion to the square of the distance, moreover, the three-dimensional sensing Stone track bed inside the crushed stone aggregate since the establishment of the internal level is insufficient radio wave is blocked by the crushed stone aggregate. また、出力情報も電波で送り出す方法では、出力情報の載った電波が周囲の砕石集合体に遮られてしまう。 In the method for sending output information in radio waves, radio waves resting the output information will be blocked by the crushed stone aggregate around. 出力情報も距離の二乗に比例して減衰する。 The output information may be attenuated in proportion to the square of the distance. そのため、この方法では、道床外部から電波により電力を供給することは実際的には不可能である。 Therefore, in this method, be powered by a radio wave from the track bed outside is not possible in practical.

本発明の三次元センシングストーンでは、(A)「ケーブルのない測定用センサ(センシングストーン本体)、(B)「電力供給用のコイルとFM受信機を内蔵し、電源供給用の電力ケーブルと出力用の光ケーブルが接続される中継用砕石」の2つに分けることにより、上述の問題を解決した。 The three-dimensional sensing stone of the present invention, (A) "sensor for measurement without cable (sensing stone body), (B) incorporates a" coil and FM receiver for power supply, the power cable and the output of the power supply by separating the two relay Crushed "optical cable of use is connected, to solve the above problems.

(A)では、測定用三軸加速度センサチップとPICマイクロコンピュータを内蔵したケーブルのない測定用センサ(センシングストーン本体)を作る。 In (A), making the measurement sensors without cable with a built-in three-axis acceleration sensor chip and the PIC microcomputer for measurement (sensing stone body). この測定用センサの駆動電力は内蔵した電源用受信コイルにより、外部から数kHzの電波による誘導電流の形で得て、これを内部でダイオードで整流し、超小型の1チップDC−DCコンバータにより、5Vの定電圧駆動電力を得る。 The driving power of the measuring sensor power receiving coil that incorporates, obtained in the form of induced current due to wave several kHz from the outside, which was rectified within a diode, the 1-chip DC-DC converter of micro to obtain a constant voltage drive power 5V. 5Vの電力に、大容量のキャパシタを並列に入れて事前に蓄電しておくことにより、三軸加速度測定時に消費電力が超過した場合に対応する。 The 5V power, by previously accumulated in advance put capacitor having a large capacitance in parallel, corresponding to the case where the power consumption is exceeded during triaxial acceleration measurement. 三次元センシングストーン内部で得られた加速度測定値は、この駆動電力を用いてPICマイクロコンピュータによりA/D変換され、A/D変換された信号は、内蔵の信号送信用FM発信機により、数MHzの微弱電波として砕石の周囲に送信される。 The acceleration measurements obtained inside the three-dimensional sensing stones, is A / D converted by the PIC microcomputer using the driving power, A / D converted signal, the internal signal transmission FM transmitter, the number as weak radio wave of MHz is transmitted around the crushed stone.

(B)では、(A)の測定用センサに駆動電力を外部から供給するための中継用砕石に内蔵のコイルから数kHzの電波を発信する。 In (B), which transmits radio waves of a few kHz from internal coil relay crushed stone for supplying driving electric power from the outside to the measuring sensor (A). この誘導電流は距離の二乗に比例して減衰してしまうので、測定用センサと電力供給側である中継用砕石を10〜20cmほどの近距離で道床内部に設置することにより、電波による電力供給と、測定値の出力信号の取得を可能とする。 This induced current attenuates in proportion to the square of the distance, by installing therein the track bed of the relay Crushed the measurement sensor and the power supply side at a short distance of about 10 to 20 cm, power supply by radio waves If, to allow acquisition of the output signal of the measuring values. なお、電力供給時の電波の周波数は数kHであり、測定値出力用の電波の周波数は数MHzなので、入力電力と測定信号が混信することはあり得ない。 Incidentally, a radio wave frequency number kH during power supply, radio frequencies of several MHz for measurement output So is impossible that the input power measurement signal is interference. また、電力供給側はAM電波であるが、出力電波はノイズに強いFM信号なので、両者が近接しても干渉することはない。 Although the power supply side is AM wave, output wave so strong FM signals in noise, does not interfere even if they are close. 中継用砕石で受信した測定信号は、中継用砕石内部で復調された後、光ケーブルから外部にデジタル信号として出力される。 The measurement signal received by the relay crushed stone is demodulated within the relay crushed stone, is output as a digital signal to the outside from the optical cable.

このように構成したので、本発明は以下に示すような効果を奏する。 Since such a configuration, the present invention constructed as the above brings the following effects.

三次元センシングストーン本体(測定用センサ)からケーブルがなくなったことにより、砕石の動的挙動測定の精度が飛躍的に向上する。 By no longer cable from the three-dimensional sensing stone body (measurement sensor), the accuracy of the dynamic behavior measurements crushed stone is remarkably improved. 特に、ケーブルにより回転挙動が阻害されることがないので、回転挙動の測定精度が高くなる。 In particular, since never rotational behavior is inhibited by a cable, the measurement accuracy of the rotational behavior increases. また、三次元センシングストーン本体のケーブルの引き回しが無用なので、三次元センシングストーンの設置が容易であり、かつ、どこにでも設置することができる。 Further, since the useless is routing of the cable of the three-dimensional sensing stone body, can be placed in three-dimensional sensing stones is easy, and placed anywhere. さらに三次元センシングストーンごとに信号出力の周波数を変えることにより、同じ道床内に複数個の三次元センシングストーンを埋設可能であり、多数のバラスト砕石の運動に関する正確な測定が容易に実施できる。 Further, by changing the frequency of the signal output for each three-dimensional sensing stone, the same in the track bed is capable embedded a plurality of three-dimensional sensing Stone, easy to implement an accurate measurement relating to exercise a number of ballast crushed stone. これらのことは、列車走行による軌道劣化のメカニズム解明に大いに貢献する。 These things, contribute greatly to the mechanism elucidation of track deterioration due to train travel.

なお、特許文献1の三軸加速度センサを用いた三次元センシングストーンによる測定例により、本発明の三次元センシングストーンによる測定が可能なことを確認した。 Incidentally, the measurement example by the three-dimensional sensing stones using three-axis acceleration sensor of Patent Document 1, it was confirmed that it is possible to measure by the three-dimensional sensing stone of the present invention. また、PICマイクロコンピュータと光ケーブルによる測定についても実験済みである。 Furthermore, an experimental been also measured by PIC microcomputer and optical cable. コイルを用いた電波による電力の供給法については、電力供給側である中継用砕石に大型トランスを用い、測定用センサ側の電源用受信コイルにフェライトコア付きのチョークコイルを用いることで、十分供給可能なことを確認した。 The power supply method by radio waves with the coil, using a large transformer relay lithotripsy is the power supply side, the power receiving coil of the measurement sensor side by using a choke coil with ferrite core, sufficient supply it was confirmed that possible. 一般に、5〜6両編成の通勤列車が測定箇所を通過するのに必要な時間は10〜15秒程度であり、その後5〜10分間は電車はこない。 In general, the time required for the commuter train of 5 to 6-car train to pass through the measurement point is about 10 to 15 seconds, is not this train then 5 to 10 minutes. したがって、電車を待っている間の5〜10分に砕石内部のキャパシタに蓄電しておけば、電力用の電波の受信状況が少々悪くても、十分測定可能である。 Therefore, if you accumulated in crushed stone inside the capacitor 5 to 10 minutes while waiting for the train, even if a little poor reception condition of radio waves for power, it is possible sufficient measure.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。 The present invention is not limited to the above embodiments, but various modifications are possible based on the spirit of the present invention and is not intended to exclude from the scope of the present invention.

本発明の三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンは、電源の供給用ケーブルと信号出力ケーブルをなくしたことにより、ワイヤレスで砕石の三次元的な動きを的確に把握することができる。 Triaxial acceleration sensor and PIC microcomputer completely independent of the radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stones with built-in of the present invention, by eliminating the power supply cable and the signal output cable, the crushed stone wirelessly tertiary the original motion can be accurately grasped.

本発明の実施例を示す三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンの配置を示す模式図である。 Is a schematic view showing the arrangement of self-contained radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stone with a built-in three-axis acceleration sensor and the PIC microcomputer showing an embodiment of the present invention. 本発明の実施例を示す三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーンの回路図である。 Is a circuit diagram of a three-axis acceleration sensor and the self-contained radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stone with a built-in PIC microcomputer showing an embodiment of the present invention. 本発明の実施例を示すピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップの外観を示す図である。 Is a diagram showing an appearance of a piezoresistive triaxial acceleration sensor chip showing an embodiment of the present invention. 図3に示されたピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップのブロック図である。 It is a block diagram of a piezoresistive triaxial acceleration sensor chip shown in FIG. 本発明の実施例を示すピエゾ抵抗素子の構造を示す図である。 It is a diagram showing a structure of a piezoresistive element showing an embodiment of the present invention. 本発明の実施例を示すピエゾ抵抗素子とその回路を示す図である。 It illustrates and its circuit piezoresistive element showing an embodiment of the present invention. 三次元センシングストーンの動作原理図である。 It is an operation principle diagram of a three-dimensional sensing stone. 三次元センシングストーンの構造を示す図である。 It is a diagram showing a structure of a three-dimensional sensing stone.

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1 路盤 2 バラスト 3 まくらぎ 4 レール 5 中継用砕石 5A 電源部 5B 電力発信機 5C FM受信機 5D 光通信装置 6 測定用センサ 6A 測定用三軸加速度センサチップ 6B PICマイクロコンピュータによるA/D変換器 6C 電源用受信コイル・DC−DCコンバータ 6D 信号送信用FM送信機 7 電力ケーブル 8 光ファイバ 9 三次元センシングストーンの変位測定装置 10,21 ピエゾ抵抗型三軸加速度センサチップ 11 Xセンサ 12 Yセンサ 13 Zセンサ 14 温度センサ 15 増幅器(AMP) 1 roadbed 2 ballast 3 sleepers 4 Rail 5 relay Crushed 5A power supply unit 5B power transmitter 5C A / D converter by the three-axis acceleration sensor chip 6B PIC microcomputer for FM receiver 5D the optical communication device 6 measuring measurement sensor 6A 6C power receiving coil · DC-DC converter 6D signal transmission FM transmitter 7 power cable 8 optical fiber 9 three-dimensional sensing Stone displacement measuring device 10, 21 piezoresistive triaxial acceleration sensor chip 11 X sensor 12 Y sensor 13 Z sensor 14 temperature sensor 15 amplifier (AMP)
16 制御部 17 参照電源 22 半導体ピエゾ素子 31 Aセンサ 32 Bセンサ 16 control unit 17 reference power supply 22 semiconductor piezo element 31 A sensor 32 B sensor

Claims (1)

  1. (a)測定用三軸加速度センサチップと、PICマイクロコンピュータによるA/D変換器と、電源用受信コイル・DC−DCコンバータと、信号送信用FM送信機とを備えた測定用センサと、 (A) a measuring triaxial acceleration sensor chip, and the A / D converter according to PIC microcomputer, a receiving coil · DC-DC converter power supply, and the measuring sensor and a signal transmitting FM transmitter,
    (b)該測定用センサの近距離に配置され、電力発信機と、FM受信機と、光通信装置とを備えた中継用砕石を具備し、 (B) it is arranged at a short distance of the measurement sensor, comprising: a power transmitter, an FM receiver, the relay crushed stone and a optical communication device,
    (c)前記測定用センサは、前記中継用砕石の前記電力発信機から低周波の電波による電力の供給を受け、前記信号送信用FM送信機から高周波FM電波による無線信号伝送を行うことを特徴とする三軸加速度センサとPICマイクロコンピュータを内蔵した完全独立型の無線・光通信併用方式三次元センシングストーン。 (C) the measuring sensor, characterized in that said from the power transmitter of the relay crushed stone supplied with electric power by radio waves of low frequency, radio signal transmission by the high-frequency FM wave from the signal transmitting FM transmitter self-contained radio-optical communication combined method three-dimensional sensing stone with a built-in three-axis acceleration sensor and the PIC microcomputer to.
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