(57)【要約】【課題】半導体位置検出素子（ＰＳＤ）の出力を所定の動作範囲内に保って、レールの変位量を正確に検出する。【解決手段】レーザー光源２１は、レール１０へ照射するレーザー光を発生する。電源装置４０は、レーザー光源２１を駆動する。半導体位置検出素子（ＰＳＤ）２４は、レール１０から反射した光を受光して、光の受光位置に応じた電圧を両端に発生し、発生した各電圧の大きさを示す出力信号を出力する。変位量検出部３０は、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）２４が受光した光の強度に応じ、電源装置４０を制御して、レーザー光源２１から発生するレーザー光の強度を調節し、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）２４の出力信号から、レール１０の変位量を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レールへ照射するレーザー光を発生するレーザー光源と、
前記レーザー光源を駆動する電源装置と、
前記レールから反射した光を受光して、光の受光位置に応じた電圧を両端に発生し、発生した各電圧の大きさを示す出力信号を出力する半導体位置検出素子と、
前記半導体位置検出素子が受光した光の強度に応じ、前記電源装置を制御して、前記レーザー光源から発生する前記レーザー光の強度を調節し、前記半導体位置検出素子の前記出力信号から、前記レールの変位量を検出する変位量検出部とを備えたことを特徴とするレール変位量検出器。
【請求項２】
前記変位量検出部は、前記半導体位置検出素子の前記出力信号をディジタル信号へ変換するアナログ／ディジタル変換部と、変換後の前記ディジタル信号から前記レールの変位量を演算する演算部とを有し、前記半導体位置検出素子の両端に発生した電圧の少なくとも一方が、前記アナログ／ディジタル変換部による前記ディジタル信号への変換時に飽和する飽和値に達したとき、前記電源装置を制御して、前記レーザー光源から発生する前記レーザー光の強度を下げることを特徴とする請求項１に記載のレール変位量検出器。
【請求項３】
前記変位量検出部は、前記半導体位置検出素子の両端に発生した電圧の和が所定の下限値より零に近いとき、前記電源装置を制御して、前記レーザー光源から発生する前記レーザー光の強度を上げることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレール変位量検出器。
【請求項４】
レーザー光源を電源装置により駆動し、
前記レーザー光源から発生したレーザー光をレールへ照射し、
前記レールから反射した光を、光の受光位置に応じた電圧を両端に発生し、発生した各電圧の大きさを示す出力信号を出力する半導体位置検出素子により受光し、
前記半導体位置検出素子が受光した光の強度に応じ、前記電源装置を制御して、前記レーザー光源から発生する前記レーザー光の強度を調節しながら、前記半導体位置検出素子の前記出力信号から、前記レールの変位量を検出することを特徴とするレール変位量検出方法。
【請求項５】
前記半導体位置検出素子の前記出力信号をディジタル信号へ変換し、
変換後の前記ディジタル信号から前記レールの変位量を演算し、
前記半導体位置検出素子の両端に発生した電圧の少なくとも一方が、前記ディジタル信号への変換時に飽和する飽和値に達したとき、前記電源装置を制御して、前記レーザー光源から発生する前記レーザー光の強度を下げることを特徴とする請求項４に記載のレール変位量検出方法。
【請求項６】
前記半導体位置検出素子の両端に発生した電圧の和が所定の下限値より零に近いとき、前記電源装置を制御して、前記レーザー光源から発生する前記レーザー光の強度を上げることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のレール変位量検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の走行時の安全を確保するため、車両が走行するレール（軌道）の変位量を検出するレール変位量検出器及びレール変位量検出方法に係り、特に、レーザー光をレールへ照射し、レールから反射した光を半導体位置検出素子（ＰＳＤ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）により受光して、レールの変位量を光学的に検出するレール変位量検出器及びレール変位量検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両が走行するレールには、レール自体の熱膨張や枕木の沈下等による歪み、あるいは線路が敷設された構造物や地盤の変動等によって、変位が発生する。車両の走行時の安全を確保するためには、レールの歪み等による変位量を許容値以内に保つ必要がある。レール変位量検出器は、保守用車両又は一般車両に搭載されて、車両の走行中に軌道の変位量を検出する装置であり、レール変位量測定装置とも呼ばれている。一般に、レール変位量検出器には、レールから反射した光を受光する光学センサーが用いられている。特許文献１には、光学センサーとして、半導体位置検出素子（ＰＳＤ）を用いたレール変位量測定装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３４４３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体位置検出素子は、光の受光位置に応じた電圧を両端に発生し、発生した各電圧の大きさを示す出力信号を出力する。半導体位置検出素子がその両端に発生する電圧は、光の受光位置に応じて変化し、受光位置の変位量が大きい程、両電圧の差が大きくなる。レーザー光をレールへ照射し、レールから反射した光を半導体位置検出素子で受光することにより、半導体位置検出素子の出力信号から、レールの変位量が検出される。例えば、半導体位置検出素子の一端に発生した電圧をＡ、他端に発生した電圧をＢとするとき、電圧Ａ，Ｂの変化量が受光位置の変位量に正比例する場合、受光位置の変位量Ｈは、
Ｈ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）
で求められる。ただし、実際の半導体位置検出素子では、電圧Ａ，Ｂの変化量が受光位置の変位量Ｈに正比例しないため、出力特性に応じた補正が必要である。
【０００５】
一方、半導体位置検出素子の両端に発生する電圧の和は、受光した光の強度にほぼ比例する。そして、半導体位置検出素子の出力は、所定の動作範囲を超えると誤差が大きくなる。そのため、半導体位置検出素子を用いてレールの変位量を検出する場合、半導体位置検出素子の出力を所定の動作範囲内に保つ必要がある。しかしながら、レールから反射される反射光の強度は、レールの表面の状態によって変化する。例えば、雨等でレールの表面が濡れている場合は、レールからの反射光が減少し、逆にレールの表面が鏡状に磨かれた状態である場合は、レールからの反射光が増加する。レールの表面の状態は検測する場所によって異なり、半導体位置検出素子の出力が所定の動作範囲を超えて、レールの変位量を正確に検出できない恐れがあった。
【０００６】
本発明の課題は、半導体位置検出素子の出力を所定の動作範囲内に保って、レールの変位量を正確に検出することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のレール変位量検出器は、レールへ照射するレーザー光を発生するレーザー光源と、レーザー光源を駆動する電源装置と、レールから反射した光を受光して、光の受光位置に応じた電圧を両端に発生し、発生した各電圧の大きさを示す出力信号を出力する半導体位置検出素子と、半導体位置検出素子が受光した光の強度に応じ、電源装置を制御して、レーザー光源から発生するレーザー光の強度を調節し、半導体位置検出素子の出力信号から、レールの変位量を検出する変位量検出部とを備えたものである。
【０００８】
また、本発明のレール変位量検出方法は、レーザー光源を電源装置により駆動し、レーザー光源から発生したレーザー光をレールへ照射し、レールから反射した光を、光の受光位置に応じた電圧を両端に発生し、発生した各電圧の大きさを示す出力信号を出力する半導体位置検出素子により受光し、半導体位置検出素子が受光した光の強度に応じ、電源装置を制御して、レーザー光源から発生するレーザー光の強度を調節しながら、半導体位置検出素子の出力信号から、レールの変位量を検出するものである。
【０００９】
半導体位置検出素子が受光した光の強度に応じ、電源装置を制御して、レーザー光源から発生するレーザー光の強度を調節するので、レールの表面の状態が変化しても、レールから反射して半導体位置検出素子により受光される光の強度がほぼ一定に保たれる。従って、半導体位置検出素子の出力が所定の動作範囲内に保たれ、レールの変位量が正確に検出される。
【００１０】
さらに、本発明のレール変位量検出器は、変位量検出部が、半導体位置検出素子の出力信号をディジタル信号へ変換するアナログ／ディジタル変換部と、変換後のディジタル信号からレールの変位量を演算する演算部とを有し、半導体位置検出素子の両端に発生した電圧の少なくとも一方が、アナログ／ディジタル変換部によるディジタル信号への変換時に飽和する飽和値に達したとき、電源装置を制御して、レーザー光源から発生するレーザー光の強度を下げるものである。
【００１１】
また、本発明のレール変位量検出方法は、半導体位置検出素子の出力信号をディジタル信号へ変換し、変換後のディジタル信号からレールの変位量を演算し、半導体位置検出素子の両端に発生した電圧の少なくとも一方が、ディジタル信号への変換時に飽和する飽和値に達したとき、電源装置を制御して、レーザー光源から発生するレーザー光の強度を下げるものである。半導体位置検出素子の出力が、ディジタル信号への変換時に飽和しない範囲内に保たれる。
【００１２】
さらに、本発明のレール変位量検出器は、変位量検出部が、半導体位置検出素子の両端に発生した電圧の和が所定の下限値より零に近いとき、電源装置を制御して、レーザー光源から発生するレーザー光の強度を上げるものである。また、本発明のレール変位量検出方法は、半導体位置検出素子の両端に発生した電圧の和が所定の下限値より零に近いとき、電源装置を制御して、レーザー光源から発生するレーザー光の強度を上げるものである。半導体位置検出素子の両端に発生する電圧の和は、受光した光の強度にほぼ比例する。半導体位置検出素子の両端に発生した電圧の和が所定の下限値より零に近いとき、電源装置を制御して、レーザー光源から発生するレーザー光の強度を上げることにより、半導体位置検出素子により受光される光の強度が増加して、必要な光量が確保される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体位置検出素子が受光した光の強度に応じ、電源装置を制御して、レーザー光源から発生するレーザー光の強度を調節しながら、半導体位置検出素子の出力信号から、レールの変位量を検出することにより、半導体位置検出素子の出力を所定の動作範囲内に保って、レールの変位量を正確に検出することができる。
【００１４】
さらに、半導体位置検出素子の両端に発生した電圧の少なくとも一方が、ディジタル信号への変換時に飽和する飽和値に達したとき、電源装置を制御して、レーザー光源から発生するレーザー光の強度を下げることにより、半導体位置検出素子の出力を、ディジタル信号への変換時に飽和しない範囲内に保つことができる。
【００１５】
さらに、半導体位置検出素子の両端に発生した電圧の和が所定の下限値より零に近いとき、電源装置を制御して、レーザー光源から発生するレーザー光の強度を上げることにより、半導体位置検出素子により受光される光の強度を増加させて、必要な光量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態によるレール変位量検出器の概略構成を示す図である。
【図２】変位量検出部のブロック図である。
【図３】変位量検出部の電源装置制御動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態によるレール変位量検出器の概略構成を示す図である。本実施の形態のレール変位量検出器は、レール１０へスリット状のレーザー光を照射し、レール１０からの反射光を受光して、レール１０の変位量を検出するものである。レール変位量検出器は、光学系２０、変位量検出部３０、及び電源装置４０を含んで構成されている。
【００１８】
光学系２０は、図示しない軌道検測車の台車に取り付けられており、レーザー光源２１、ミラー２２，２３、及び半導体位置検出素子（以下、「ＰＳＤ」と称す）２４を含んで構成されている。レーザー光源２１は、例えばレーザーダイオード等から成り、電源装置４０により駆動される。レーザー光源２１から発生したレーザー光は、ミラー２２で反射されて、レール１０へ所定の角度で照射される。レール１０へ照射された照射光Ｌ１は、レール１０の表面で反射されて、反射光Ｌ２が発生する。レール１０からの反射光Ｌ２は、ミラー２３で反射されて、ＰＳＤ２４により受光される。
【００１９】
レール１０へ照射されるスリット状の照射光Ｌ１は、その長手方向が、レール１０の延線方向とほぼ垂直となっている。レール１０に横方向の変位が生じると、反射光Ｌ２の発生する位置が図１の図面奥行方向に変化して、反射光Ｌ２がＰＳＤ２４により受光される位置が図１の図面奥行方向に変化する。
【００２０】
ＰＳＤ２４は、反射光Ｌ２の受光位置に応じた電圧を両端に発生し、発生した各電圧の大きさを示す出力信号を出力する。変位量検出部３０は、ＰＳＤ２４が受光した反射光Ｌ２の強度に応じ、電源装置４０を制御して、レーザー光源２１から発生するレーザー光の強度を調節する。例えば、変位量検出部３０は、ＰＳＤ２４が受光した反射光Ｌ２の強度が、ＰＳＤ２４の出力誤差が許容値を超える上限側に近づくと、電源装置４０の出力を下げて、レーザー光源２１から発生するレーザー光の強度を下げる。また、変位量検出部３０は、ＰＳＤ２４が受光した反射光Ｌ２の強度が、ＰＳＤ２４の出力誤差が許容値を超える下限側に近づくと、電源装置４０の出力を上げて、レーザー光源２１から発生するレーザー光の強度を上げる。これにより、ＰＳＤ２４の出力は、所定の動作範囲内に保たれる。そして、変位量検出部３０は、ＰＳＤ２４の出力信号から、レール１０の変位量を検出する。
【００２１】
図２は、変位量検出部のブロック図である。変位量検出部３０は、アナログ／ディジタル変換部３１、演算部３２、ディジタル信号出力部３３、メモリ３４、及びバス３５を含んで構成されている。アナログ／ディジタル変換部３１、演算部３２、ディジタル信号出力部３３、及びメモリ３４は、バス３５を介して、互いに接続されている。アナログ／ディジタル変換部３１は、ＰＳＤ２４の出力信号をディジタル信号へ変換する。アナログ／ディジタル変換部３１によりディジタル信号へ変換されたデータは、メモリ３４に記憶される。演算部３２は、メモリ３４に記憶されたデータから、レール１０の変位量を演算する。ディジタル信号出力部３３は、電源装置４０を制御するためのディジタル信号を出力する。
【００２２】
メモリ３４には、演算部３２がレール１０の変位量を演算する際に使用する各種プログラムが格納されている。今、ＰＳＤ２４の一端に発生した電圧をＡ、他端に発生した電圧をＢとするとき、メモリ３４には、電圧Ａのデータ３４８及び電圧Ｂのデータ３４９が記憶されている。差算出プログラム３４１は、電圧Ａのデータ３４８及び電圧Ｂのデータ３４９から、電圧Ａと電圧Ｂの差を算出するプログラムである。和算出プログラム３４２は、電圧Ａのデータ３４８及び電圧Ｂのデータ３４９から、電圧Ａと電圧Ｂの和を算出するプログラムである。変位量算出プログラム３４３は、電圧Ａと電圧Ｂの差、及び電圧Ａと電圧Ｂの和から、レール１０の変位量を算出するプログラムである。
【００２３】
ＰＳＤ２４では、電圧Ａ，Ｂの変化量が受光位置の変位量に正比例しないため、出力特性に応じた補正が必要である。変位補正係数決定プログラム３４４は、算出されたレール１０の変位量を補正する変位補正係数を決定するプログラムである。決定された変位補正係数の値は、変位補正係数のデータ３５０として、メモリ３４に記憶される。変位補正算出プログラム３４５は、変位補正係数のデータ３５０を用いてレール１０の変位量を補正するプログラムである。
【００２４】
また、メモリ３４には、ＰＳＤ２４が受光した反射光Ｌ２の強度に応じて、レーザー光源２１から発生するレーザー光の強度を調節するためのプログラムが格納されている。電源制御プログラム３４６は、レーザー光源２１から発生するレーザー光の強度を調節するために、電源装置４０を制御するプログラムである。ディジタル信号出力プログラム３４７は、ディジタル信号出力部３３から制御用のディジタル信号を出力するためのプログラムである。
【００２５】
図３は、変位量検出部の電源装置制御動作を示すフローチャートである。ＰＳＤ２４からの出力信号は、一定のサンプリング周期で出力され、ノイズ等の原因により変動する。電源制御プログラム３４６に基づき、演算部３２は、まず、電圧Ａ及び電圧Ｂのそれぞれについて、所定期間の複数のデータの平均化処理を行う（ステップ１０１）。一例として、ＰＳＤ２４からの出力信号が１ミリ秒毎に出力されるとき、電圧Ａの１０個分のデータの平均値を１０ミリ秒毎に求め、また電圧Ｂの１０個分のデータの平均値を１０ミリ秒毎に求める。
【００２６】
次に、演算部３２は、平均化処理した電圧Ａ又は電圧Ｂの少なくとも一方が、アナログ／ディジタル変換部３１によるディジタル信号への変換時に飽和する飽和値に達しているか否かを判断する（ステップ１０２）。一例として、電圧Ａ及び電圧Ｂがいずれもマイナスの値であり、飽和値が−１１．５ボルトであるとき、
Ａ＞−１１．５、かつ  Ｂ＞−１１．５
である場合に、電圧Ａ及び電圧Ｂがいずれも飽和値に達していないと判断される。
【００２７】
ステップ１０２において、電圧Ａ又は電圧Ｂの少なくとも一方が飽和値に達している場合、演算部３２は、電源装置４０がレーザー光源２１を駆動する際のレーザー出力レベルＬＬＶが最小値より大きいか否かを判断する（ステップ１０３）。一例として、レーザー出力レベルＬＬＶが０（最小値）から４（最大値）までの５段階であるとき、
ＬＬＶ＞０
であるか否かを判断する。
【００２８】
ステップ１０３において、レーザー出力レベルＬＬＶが最小値より大きい場合、演算部３２は、レーザー出力レベルＬＬＶを１段階下げる（ステップ１０４）。ステップ１０３でレーザー出力レベルＬＬＶが最小値である場合は、レーザー出力レベルＬＬＶを変更しない。
【００２９】
一方、ステップ１０２において、電圧Ａ及び電圧Ｂがいずれも飽和値に達していない場合、演算部３２は、電圧Ａと電圧Ｂの和が所定の下限値より零に近いか否かを判断する（ステップ１０５）。一例として、電圧Ａ及び電圧Ｂがいずれもマイナスの値であり、下限値が−２．５ボルトであるとき、
Ａ＋Ｂ＞−２．５
である場合に、電圧Ａと電圧Ｂの和が下限値より零に近いと判断される。
【００３０】
ステップ１０５において、電圧Ａと電圧Ｂの和が所定の下限値より零に近い場合、演算部３２は、電源装置４０がレーザー光源２１を駆動する際のレーザー出力レベルＬＬＶが最大値より小さいか否かを判断する（ステップ１０６）。一例として、レーザー出力レベルＬＬＶが０（最小値）から４（最大値）までの５段階であるとき、
ＬＬＶ＜４
であるか否かを判断する。
【００３１】
ステップ１０６において、レーザー出力レベルＬＬＶが最大値より小さい場合、演算部３２は、レーザー出力レベルＬＬＶを１段階上げる（ステップ１０７）。ステップ１０５で電圧Ａと電圧Ｂの和が所定の下限値より零から遠い場合、及びステップ１０６でレーザー出力レベルＬＬＶが最大値である場合は、レーザー出力レベルＬＬＶを変更しない。
【００３２】
ディジタル信号出力プログラム３４７に基づき、ディジタル信号出力部３３は、ステップ１０１〜１０７により決定したレーザー出力レベルＬＬＶで電源装置４０がレーザー光源２１を駆動する様に、電源装置４０へ制御用のディジタル信号を出力する（ステップ１０８）。
【００３３】
以上説明した実施の形態によれば、ＰＳＤ２４が受光した光の強度に応じ、電源装置４０を制御して、レーザー光源２１から発生するレーザー光の強度を調節しながら、ＰＳＤ２４の出力信号から、レール１０の変位量を検出することにより、ＰＳＤ２４の出力を所定の動作範囲内に保って、レール１０の変位量を正確に検出することができる。
【００３４】
さらに、ＰＳＤ２４の両端に発生した電圧の少なくとも一方が、ディジタル信号への変換時に飽和する飽和値に達したとき、電源装置４０を制御して、レーザー光源２１から発生するレーザー光の強度を下げることにより、ＰＳＤ２４の出力を、ディジタル信号への変換時に飽和しない範囲内に保つことができる。
【００３５】
さらに、ＰＳＤ２４の両端に発生した電圧の和が所定の下限値より零に近いとき、電源装置４０を制御して、レーザー光源２１から発生するレーザー光の強度を上げることにより、ＰＳＤ２４により受光される光の強度を増加させて、必要な光量を確保することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  レール
２０  光学系
２１  レーザー光源
２２，２３  ミラー
２４  半導体位置検出素子（ＰＳＤ）
３０  変位量検出部
３１  アナログ／ディジタル変換部
３２  演算部
３３  ディジタル信号出力部
３４  メモリ
３５  バス
４０  電源装置
【図１】
2015175735.tif 000003
【図２】
2015175735.tif 000004
【図３】
2015175735.tif 000005