(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光装置(110)とその照射光(L)の受光装置(120)とからなり、照射光(L)の光軸を交通機関の経路(130)に沿わせながら、投光装置(110)の投光面が受光装置(120)の受光面と対向するようにして経路(130)に設置し、この経路(130)構造の異常を検知するための構造異常センサ(100)において、
前記投光装置(110)は、照射光(L)の発光手段(1)と、照射光(L)を反射して経路(130)方向に偏向させる偏向手段(2)と、照射光(L)の偏向角(A)を所定範囲内に制御する偏向制御手段(3)と、予め登録された偏向角(A)の所定範囲を偏向制御手段(3)に指示する照射指示手段(4)とから構成されており、
前記受光装置(120)は、照射光(L)の偏向角(A)の範囲内において、受光素子の受光部を投光装置(110)の投光面に向けて配置した少なくとも１つの受光手段(5)と、この受光手段(5)の受光面に照射光(L)が受光され、受光周期の値が許容周期の範囲内にあれば、照射光(L)の受光が正常状態であると認定し、この許容周期の範囲外であれば、受光が異常状態であると認定する判定手段(6)とから構成されたことを特徴とする構造異常センサ。
【請求項２】
前記偏向手段(2)は、半導体プロセスによって形成した光学的走査素子に反射鏡を備えたものであって、偏向角を検出できる機能を有することを特徴とする請求項１記載の構造異常センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地震その他の原因によって、鉄道線路等の交通機関の経路に生じた位置ずれ等の構造異常を、自動的に検知するための構造異常センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、鉄道線路に設置され、敷設レールの構造異常を電気的な特性の変化に基づいて検知する構造異常センサがある。例えば、特開平９−２４９１２６号公報に開示された軌道回路の故障点標定装置によれば、軌道回路における送信端電流のレベル変化を測定すると共に、構造異常が発生した軌道回路を走行していた列車の位置をも併せて推定できる。このため、構造異常の発生時と正常時との送信端電流を列車位置と共に画面に表示し、構造異常の発生地点を軌道回路図上においてオペレータに特定することができる。この他にも、より確実な光学的に線路上の構造異常を検知するものがある。
【０００３】
図８は、従来の光学的な構造異常センサの一例を説明する図である。
図８に示す構造異常センサは、特開平５−２８３８８号公報に開示された交通障害監視装置であって、監視カメラよりなる撮像部２０１とデータ送信部２０２とを備えた撮像端末装置２００を線路２０３脇に設置したものである。この交通障害監視装置によれば、撮像端末装置２００によって、構造異常の発生が予想される監視エリア２０４を撮影し、その映像を画像処理した画像情報に基づいて、ソフトウェアによる構造異常状態の認識処理を行っている。その結果、岩石２０５の崩落等を識別すると、接近車両に警告表示して運転者に危険を知らせるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これら従来例の障害物センサによると、レールの位置ずれや歪みその他の微妙なものを含む軌道の障害を検知しようとする際に、次の様な問題点があった。
先の従来例の場合では、レール自体の電気的な特性変化を計測する構成であるため、レールに亀裂や大きな応力が生じたような破壊的な障害を検知することはできても、線路全体がわずかに捩れたり、また、位置ずれした破壊直前の危険な状態にあるような障害については、その検出が困難な場合があった。
【０００５】
また、後の従来例では、監視カメラのような大型で高価な装置を用いるため、必然的に大掛かりな障害センサとなって、設置高さを低くしなければならない線路内の設置に適しないばかりか、撮像された画像情報から、予め学習された障害状態を画像認識する必要があって、そのための高価なソフトウェアを要するため、その製造コストを引き上げてしまうという問題点があった。
【０００６】
この発明は上記課題を解決するためになされ、その目的は、交通機関の軌道内等への設置に適する小型軽量で、しかも、寿命が長く低消費電力で安価な構造異常センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の構造異常センサは、投光装置とその照射光の受光装置とからなり、照射光の光軸を交通機関の経路に沿わせながら、投光装置の投光面が受光装置の受光面と対向するようにして経路に設置し、この経路構造の異常を検知するための構造異常センサにおいて、
投光装置は、照射光の発光手段と、照射光を反射して経路方向に偏向させる偏向手段と、照射光の偏向角を所定範囲内に制御する偏向制御手段と、予め登録された偏向角の所定範囲を偏向制御手段に指示する照射指示手段とから構成されており、受光装置は、照射光の偏向角の範囲内において、受光素子の受光部を投光装置の投光面に向けて配置した少なくとも１つの受光手段と、この受光手段の受光面に照射光が受光され、受光周期の値が許容周期の範囲内にあれば、照射光の受光が正常状態であると認定し、この許容周期の範囲外であれば、受光が異常状態であると認定する判定手段とから構成されたことを特徴とする。
【０００８】
このため、投光装置の偏向手段によって、照射光の偏向角を一定範囲内に正確に制御できる。この偏向角の範囲については、照射指示手段によって、予め登録しておいたものを偏向制御手段に対して指示できる。更に、受光装置の受光手段によって、受光素子の受光部を偏向角の範囲内に位置合わせし、その受光面に照射光を受光し、受光周期の値が許容周期の範囲内にある時だけ、判定手段によって、照射光の受光が正常状態であると認定し、経路の構造異常なしと認定し、少しでも受光状態に異常が生じた時には、安全を期して直ちに照射光を受光できなくしている。
【０００９】
本発明の請求項２記載の構造異常センサは、前記偏向手段が、半導体プロセスによって形成した光学的走査素子に反射鏡を備えたものであって、偏向角を検出できる機能を有することを特徴とする。
【００１０】
このため、この偏向手段によって、照射光を小さな駆動電流で素早く正確に偏向できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による構造異常センサの投光装置および受光装置を説明する図である。
図１に示すように、この実施形態では、照射光Ｌの投光装置１１０および受光装置１２０をその投光面と受光面とを対向させ、照射光Ｌの光軸を交通機関の経路（例えば、鉄道線路等の軌道）１３０に沿わせるようにして、この軌道１３０内の枕木１３２，１３２上に設置した構造異常センサ１００を構成してある。
【００１２】
また、軌道１３０脇には、受光装置１２０にケーブル接続された送受信装置１４０を付設し、図示しない遠隔の列車運行システム等に検出結果を送出させる。この構造異常センサ１００の設置位置については、図１に示す２本のレール１３１，１３１に挟まれた軌道１３０内の枕木１３２…１３２上の他にも、軌道１３０外において枕木１３２…１３２の両端部やレール１３１，１３１の側縁部に固定してもよい。
【００１３】
図２は、図１に示す投光装置および受光装置の要部ブロック図である。
先ず、前記投光装置１１０について説明する。
図２に併せて示すように、この投光装置１１０は、照射光Ｌの発光手段１ならびに偏向手段２、その偏向角を制御する偏向制御手段３、およびその制御内容を偏向制御手段３に指示する照射指示手段４を備え、投光窓を設けた図示しないケーシング内に全体が収納されている。
【００１４】
前記発光手段１は、微細なビーム状の照射光Ｌを偏向手段３に向けて照射するレーザ装置である。偏向手段２は、半導体製造プロセスによって形成した光学的走査素子であって、その一例としては、後述するガルバノミラー２ａがある。すなわち、このガルバノミラー２ａを、照射光Ｌの光軸が内蔵反射鏡の中央部に位置するようにしてレーザ装置と共に配置する。
【００１５】
前記偏向制御手段３は、マイクロコントローラ、その制御メモリおよび周辺回路、Ｄ／Ａ、Ａ／Ｄ変換器、コンパレータ、ドライバ等からなっている。そして、ガルバノミラー２ａの内蔵反射鏡の回動電流Ｓ１を、前記照射指示手段４からの走査信号Ｓ２に従って、かつ、この内蔵反射鏡の実際の回動角に対応させて補正しながら供給する制御部を有する。例えば、内蔵検知部によって、この実際の回動角を検出して補正することができる。
【００１６】
この走査信号Ｓ２は、直交座標系の少なくとも座標軸Ｘに沿って水平走査を行う信号であり、この走査信号Ｓ２によって、前記座標系に基づく走査線を繰り返し生成させ、これらの走査線に沿った照射光Ｌを受光装置１２０の受光面に投光させ、この照射光Ｌの映像を検知するものである。また、座標軸Ｙに沿った垂直走査を併用して、後述する設置時の垂直方向の位置合わせを容易にしてもよい。
【００１７】
前記照射指示手段４は、受光装置１２０の後述する判定手段６にも兼用させたＭＰＵ、制御メモリ、その周辺回路等からなり、水平走査の走査範囲を決定する偏向角Ａの制限部４１と、任意の偏向角Ａの設定部４２とを有しており、偏向制御手段３を介して照射光Ｌに対する一定の偏向角Ａを指示する構成になっている。
【００１８】
続いて、受光装置１２０について説明する。
この受光装置１２０は、投光装置１１０からの照射光Ｌの受光手段５、この照射光Ｌの受光有無に基づく軌道１００の構造異常の判定手段６を備え、受光窓を設けた図示しないケーシング内に全体が収納されている。
【００１９】
前記受光手段５は、半導体受光素子の受光部を投光装置１１０に向けて照射光Ｌの受光面とし、この受光面を照射光Ｌの偏向面内で投光装置１１０の窓部に対向配置させて、照射光Ｌの光軸とほぼ直交させるようにしたものである。
【００２０】
前記判定手段６は、前述した照射指示手段５のＭＰＵ、制御メモリ、これらの周辺回路等を兼用しており、受光信号Ｓ３の入力周期を計数する受光周期のカウンタ６１と、照射光Ｓ３の偏向角Ａの最大値に基づく許容周期のレジスタ６２とを有している。そして、前述した偏向角Ａに対する照射光Ｌの走査周期内において、受光手段５からの受光信号Ｓ３に受光周期に基づいて、軌道１３０に対する構造異常の有無を検知する異常検知の処理を行っている。
【００２１】
図３は、図２に示す判定手段の異常検知処理の概略フローチャートである。
図３に併せて示すように、この構造異常検知の処理は、受光手段５からの受光信号Ｓ３の入力待機ステップ（ＳＴ１）と、受光信号Ｓ３の入力検知ステップ（ＳＴ２）と、受光信号Ｓ３の受光周期に対する評価ステップ（ＳＴ３）と、その評価結果に基づく受光状態の報告ステップ（ＳＴ４）とを順に繰り返す構成になっている。
【００２２】
前記入力待機ステップ（ＳＴ１）では、照射光Ｌの受光信号Ｓ３が判定手段６によって受け取られるまで、前述した受光周期のカウンタ６１を計数状態にさせたまま、以降の各ステップ２〜４に進行せず待機している。
【００２３】
前記入力検知ステップ（ＳＴ２）では、判定手段６によって受光信号Ｓ３を受け取ると共に、前記カウンタ６１を停止させ、その時の計数値を読み取って受光周期としている。
【００２４】
前記評価ステップ（ＳＴ３）では、前述したレジスタ６１から許容周期の値を読み出して受光周期と比較している。そして、受光周期の値が許容周期の範囲内にあれば、照射光Ｓ３の受光が正常状態であると認定し、この許容周期の範囲外であれば、受光が異常状態であると認定している。なお、この正常状態の認定から、異常状態の認定に切り替わるまでの時間遅れは前述したほぼ許容周期となる。
【００２５】
前記報告ステップ（ＳＴ４）では、正常状態が認定された場合には、前述した列車運行システムに軌道１３０の構造異常が無いことを報告し、異常状態の認定の場合には、フェイルセーフを確保するために軌道１３０の安全確認ができていない旨を報告している。すなわち、接近車両に対する単なる通知に止まらす、鉄道信号機を直ちに赤表示にしたり、最寄りのポイントを切り替えて検出地点を通過させない等の安全策が採られる。
【００２６】
続いて、この実施形態による構造異常センサの作用について説明する。
図２に再び示すように、予め投光装置１１０および受光装置１２０を、それぞれ軌道１３０上の検出地点の前後に設置しておく。その際に、両装置１１０，１２０間の任意の設置間隔に合せて、例えば、この設置間隔が広い場合と狭い場合との２段階の偏向角Ａから１つを選択して設定部４２に設定する。また、狭い偏向角Ａを選択した場合に、この偏向角Ａに基づく許容周期の値を受光装置１２０のレジスタ６２に登録し直して、受光周期の評価について認定基準を厳格にしてもよい。以上は準備段階である。
【００２７】
先ず、照射光Ｌをレール１３１の敷設方向に向けて投光装置１１０を軌道１３０内に設置し、続いて、同じく軌道１３０内において、照射光Ｌの偏向面内に受光装置１２０を配置し、その受光面を投光方向に対向させて固定する。この場合に、照射光Ｌが一定の偏向角Ａの範囲内で走査され、その光軸が一方向に静止したものではないため、照射光Ｌの光軸に対して受光装置１２０の受光面を容易に位置合わせすることができる。
【００２８】
このようにして、両装置１１０，１２０の設置および位置合わせが正しくできると、受光装置１２０を稼働状態として、この設置位置での偏向角Ａに適した許容周期を前記レジスタ６２に設定し、この許容周期に基づいて、受光装置１２０から前記送受信装置１４０を介して軌道１３０の構造異常が無い旨の報告をする。そして、２本のレール１３１，１３１の敷設状態に異常が生じると、例えば、いずれかのレール１３１が位置ずれしたり、捩れたりして受光装置１２０を設置した枕木１３２が傾くと、受光装置１２０の受光面が照射光Ｌの偏向面内から外れて受光できなくなる。このため、受光装置１２０から安全確認ができない旨の報告を列車運行システムに行うことができる。
【００２９】
次に、本実施形態の投光装置１１０に用いられるガルバノミラー２ａについて説明する。
図４は、図２に示すガルバノミラーの一構成例の斜視図である。
図４に示すガラバノミラー２ａは、本出願人によって特開平７−２１８８５７号公報に開示されたもので、半導体からなるシリコン基板１５２の両面を、ホウケイ酸ガラス等からなる上側ガラス基板１５３と下側ガラス基板１５４とで挟み、各基板１５２〜１５４をサンドイッチ状に重ね合わせて接合し、全体を３層構造とした変位検出機能を備えたプレーナー型ガルバノミラーである。この他にも、本出願人によって特開平７−１７５００５号公報にプレーナー型ガルバノミラーのみのものが開示されている。
【００３０】
上側ガラス基板１５３および下側ガラス基板１５４には、例えば超音波加工によって、それぞれ中央部に凹部１５３ａ，１５４ａを設け、各凹部１５３ａ，１５４ａをシリコン基板１５２方向に向けた配置で各基板１５２〜１５４を接合する。
【００３１】
シリコン基板１５２には、異方性エッチングによって枠状の溝を２重に削設し、枠体からなる外側可動板１５５ａと、その内側の平板状の内側可動板１５５ｂとを同一素材で一体に形成する。そして、外側可動板１５５ａをシリコン基板１５２の外枠に軸支して、その支軸を第１のトーションバー１５６ａ，１５６ａとし、内側可動板１５５ｂを外側可動板１５５ａの内側に軸支して、その支軸を第１のトーションバー１５６ａと軸方向が直交する第２のトーションバー１５６ｂ，１５６ｂとする。
【００３２】
従って、下側および上側ガラス基板１５３，１５４の両凹部１５３ａ，１５４ａ内には、密閉空間が形成され、外側および内側可動板１５５ａ，１５５ｂが、この密閉空間内で第１または第２トーションバー１５６ａまたは１５６ｂを軸心として各別に揺動できる。更に、密閉空間内を真空にすれば、両可動板１５５ａ，１５５ｂの回動抵抗を低減して回動駆動に対する追従性を向上でき、また、不活性ガスを内部に封入すれば、両平面コイル１５７ａ，１５７ｂの回動電流Ｓ１による発熱の影響を、真空にするよりも低減できる。
【００３３】
図５は、図４に示すシリコン基板の平面図である。
図５に示すように、外側可動板１５５ａの一方の面には、電解メッキによる電鋳コイル法で平面コイル１５７ａを形成し、枠体を周回させて表面を絶縁層で被覆する。そして、この平面コイル１５７ａの両端を、一方の第１のトーションバー１５６ａを介してシリコン基板１５２の同じ側の面上に引き出して一対の外側電極端子１５９ａ，１５９ａを形成する。
【００３４】
内側可動板１５５ｂの同じ側の面にも、同様に平面コイル１５７ｂを形成被覆し、その両端を一方の第２のトーションバー１５６ｂ、外部可動板１５５ａ、および他方の第１のトーションバー１５６ａを介してシリコン基板１５２上に引き出し、一対の内側電極端子１５９ｂ，１５９ｂを形成する。また、内側可動板１５５ｂの中央部に全反射ミラー１５８（本実施形態による内蔵反射鏡を構成する）を設ける。
【００３５】
図６は、図５に示す矢視線Ｂ−Ｂ方向から見た断面図であり、図７は、図５に示す矢視線Ｃ−Ｃ方向から見た断面図である。
図６に併せて示すように、上側および下側ガラス基板１５３，１５４には、それぞれ２個づつ対となった円柱状の永久磁石１６０ａ〜１６３ａ，１６０ｂ〜１６３ｂを図６に示すように配置する。このため、上側ガラス基板１５３の対向する２対の永久磁石１６０ａ，１６１ａまたは１６２ａ，１６３ａと、下側ガラス基板１５４の対向する２対の永久磁石１６０ｂ，１６１ｂまたは１６２ｂ，１６３ｂとによって磁界を形成する。
【００３６】
このとき、図面の左右方向に対向する上側ガラス基板１５３の２対の永久磁石１６０ａ，１６１ａもしくは１６２ａ，１６３ａどうし、また、下側ガラス基板１５４の２対の永久磁石１６０ｂ，１６１ｂもしくは１６２ｂ，１６３ｂどうしは、その極性を反対にして、例えば、永久磁石１６０ａまたは１６２ａのＮ極と、永久磁石１６１ａまたは１６３ａのＳ極とをシリコン基板１５２に向けて配置する。
【００３７】
また、図面の上下方向に対向する２対の永久磁石１６０ａ，１６０ｂもしくは１６１ａ，１６１ｂどうし、また、２対の永久磁石１６２ａ，１６２ｂもしくは１６３ａ，１６３ｂどうしは、その極性を揃えて、例えば、永久磁石１６０ａ，１６１ｂまたは１６２ａ，１６３ｂのＮ極と、永久磁石１６０ｂ，１６１ａのＳ極とをシリコン基板１５２を挟んで対向させ、しかも、両磁石の位置を図６、７に示す図面の左右方向にずらして配置する。
【００３８】
このような配置によって、それぞれの磁束を外側および内側可動板１５５ａ，１５５ｂの各平面コイル１５７ａまたは１５７ｂの両側端部で平行にさせて、各コイルを横切るように形成させることができる。しかも、外側および内側可動板１５５ａ，１５５ｂの両側端部で反対方向を向かせるため、平面コイル１５７ａまたは１５７ｂに流す回動電流Ｓ１とのローレンツ力によって回転モーメントが生じ、第１のトーションバー１５６ａを軸心として外側可動板１５５ａを、また、第２のトーションバー１５６ｂを軸心として内側可動板１５５ｂを回動させる。
【００３９】
以上、この構成のガルバノミラー２ａによれば、投光装置１１０の偏向制御手段３によって、照射指示手段４からの走査信号Ｓ２に従った回動電流Ｓ１を、ガルバノミラー２ａの外側および内側の電極端子１５９ａ，１５９ｂを介して平面コイル１５７ａおよび１５７ｂに供給する。そして、反射鏡１５８によって、車両後方から接近する車両１３０の受光手段５の受光面５ａに照射光Ｌを投射しながら走行することができる。
【００４０】
ガルバノミラー２ａの一例としては、それぞれの可動板１５５ａ，１５５ｂの回動角＋／−２５度、回動速度２．５ＫＨｚ、または回動角＋／−４５度、回動速度１．５ＫＨｚのものが適しており、これらの範囲内であれば、各トーションバー１５６ａ，１５６ｂに応力による負担がかかりすぎない。また、消費電流は２２０ｍＡ以下のものが適しており、一般の論理回路用の部品として好ましい。更に、重量１００ｇ程度のものが車載用のセンサとして適当である。
【００４１】
好ましくは、構造異常物センサ１００として、実際の回動角を検出できる変位検出機能付きのガルバノミラー２ａを用いてもよい。この場合には、照射光Ｌの偏向角Ａを更に精密に制御できるため、投光装置１１０および受光装置１２０間の設置間隔を広く採っても、走行時の振動による影響を最小限に抑え、常に安定した偏向面を形成すると共に、偏向角Ａを一定の範囲内に保つことができる。
【００４２】
続いて、この変位検出機能の一構成例について述べる。
下側ガラス基板１５４の下面には、平面コイル１５７ａまたは１５７ｂとそれぞれ電磁結合するよう配置した２対の検出コイル１６５ａ，１６５ｂまたは１６６ａ，１６６ｂ（本実施形態による内蔵検知部を構成する）を印刷配線する。このうち、一方の各検出コイル１６５ａ，１６５ｂを、第１のトーションバー１５６ａに対して対称の位置に配置し、他方の各検出コイル１６６ａ，１６６ｂを、第２のトーションバー１５６ｂに対して対称の位置に配置する。
【００４３】
各検出コイル１６５ａ，１６５ｂまたは１６６ａ，１６６ｂは、平面コイル１５７ａとの相互インダクタンスが、外側可動板１５５ａまたは内側可動板１５５ｂの回動角に従って変化するため、この変化量を検出して回動角を算出できる。すなわち、平面コイル１５７ａ，１５７ｂの回動電流Ｓ１に重畳させて検出用電流を流し、この検出用電流によって各検出コイル１６５ａ，１６５ｂまたは１６６ａ，１６６ｂに誘導電流を発生させる。そして、この誘導電流の変化によって相互インダクタンスの変化を検出し、その結果から算出して各回動角を知ることができる。
【００４４】
外側可動板１５５ａの回動角は、全反射ミラー１５８によって反射される前述した照射光Ｌの、例えば、座標軸Ｘを中心とする偏向角に対応させ得るものである。また、内側可動板１５５ｂの回動角は、同様にして座標軸Ｘを中心とする偏向角に対応させて直交座標系の位置に座標変換でき、２本のレール１３１，１３１に沿った座標位置を正確に走査することが可能となる。
【００４５】
この変位検出機能付きガルバノミラー２ａによれば、構造異常物センサ１００の偏向制御手段３によって、内蔵された反射鏡１５８の実際の回動角に従って回動電流Ｓ１を正確に補正しながら供給できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、照射光の偏向面内において、受光装置を容易に位置決めして設置できるため、交通機関の軌道内等への設置に適する小型軽量で安価な構成にできる。また、照射光が正しく受光できた時にのみ構造異常なしと認定し、破壊前のわずかな経路の捩れ等によっても異常ありと認定するため、安全確実な構造異常の検知が保障される。本発明の請求項２記載の構造異常センサによれば、半導体プロセス技術によって偏向手段の小型化を実現でき、寿命が長く低消費電力で安価な構造異常センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による構造異常センサの投光装置および受光装置を説明する図
【図２】図１に示す投光装置および受光装置の要部ブロック図
【図３】図１に示す判定手段の構造異常検知処理の概略フローチャート
【図４】図２に示すガルバノミラーの構成の斜視図
【図５】図４に示すシリコン基板の平面図
【図６】図５に示す矢視線Ｂ−Ｂ方向から見た断面図
【図７】図５に示す矢視線Ｃ−Ｃ方向から見た断面図
【図８】従来の構造異常センサの一例を説明する図
【符号の説明】
１…発光手段、２…偏向手段、２ａ…ガルバノミラー、３…偏向制御手段、４…照射指示手段、４１…制限部、４２…設定部、５…受光手段、６…判定手段、１００…構造異常センサ、１１０…投光装置、１２０…受光装置、１３０…軌道、１３１…レール、１３２…枕木、１４０…送受信装置、Ａ…偏向角、Ｌ…照射光、Ｓ１…回動電流、Ｓ２…走査信号、Ｓ３…受光信号。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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