(57)【要約】【課題】個々の車輪とレールの接触位置・接触幅を安価に計測することができる車輪・レール接触位置計測方法およびその装置を提供する。【解決手段】車輪・レール接触位置計測方法は、接着面が絶縁性を有する金属箔を特定の幾何パターンでレール表面に接着するステップ、金属箔とレールの間に電気信号を流す回路を構成するステップ、金属箔とレールが車輪により電気的に短絡されることによる回路特性（たとえば金属箔とレール間の電圧振幅）の時間変化を以って、車輪の接触を検知するステップ、回路特性の変化をデータロガー等の記録装置で時間と共に逐次記録するステップ、および、記録された回路特性の変化の時間と金属箔の幾何パターンを対応づけることによって、車輪・レールの接触位置・接触幅を求めるステップからなる。【選択図】図１
2016060317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）接触面が絶縁性を有する金属箔を特定の幾何パターンでレールの表面に接着するステップ、
（ｂ）前記金属箔と前記レールの間に電気信号を流すステップ、
（ｃ）前記金属箔と前記レールが車輪により電気的に短絡されることによる回路特性の時間変化を以って、車輪の接触を検知するステップ、
（ｄ）前記回路特性の変化をデータロガー等の記録装置で時刻と共に逐次記録するステップ、
（ｅ）記録された前記回路特性の変化の時間と前記金属箔の幾何パターンを対応づけることによって、車輪・レールの接触位置・接触幅を求めるステップ、
からなる車輪・レール接触位置計測方法。
【請求項２】
（Ａ）特定の幾何パターンでレールの表面に接着される、接着面が絶縁性を有する金属箔、
（Ｂ）その金属箔とレールの間に電気信号を流す回路、
（Ｃ）前記金属箔と前記レールが車輪により電気的に短絡されることによる回路特性の時間変化を以って、車輪の接触を検知する検知回路、
（Ｄ）前記回路特性の変化を時刻と共に逐次記録する記録装置、
（Ｅ）記録された前記回路特性の変化の時間と前記金属箔の幾何パターンを対応づけることによって、前記車輪と前記レールの接触位置・接触幅を求める解析装置、
を有することを特徴とする車輪・レール接触位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、列車の車輪と鉄道用レールの接触位置の計測方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レールと車輪の接触位置・接触幅の把握は、レールおよび車輪の摩耗状態を把握して保守に活用することを可能にするほか、走行の安定性を評価する上で有用である。
【０００３】
レールと車輪の接触位置を把握する簡易な方法として、チョーク等でレール表面にマーキングを施し、車輪が通過した際のマーキングの擦れ具合を評価する手法が存在する。また、感圧紙をレール表面に貼り付け、感圧紙の変色から接触位置を把握する方法がある。
【０００４】
タッチパネル等に応用されているフィルム状の圧力センサが存在する。フィルム状の圧力センサには感圧抵抗式、静電容量式、電磁誘導式といった方式がある。
【０００５】
高い空間分解能で位置を測定するセンサとしては、たとえばレーザ変位計がある。
【０００６】
特許文献１では、車輪に歪みゲージを貼り付けて、車両側で接触位置を計測する技術が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３３１４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
チョークや感圧紙では、複数の車輪が通過した場合に、個々の車輪の接触位置が不明である。
【０００９】
また、フィルム状の圧力センサの多くは、機械的あるいは電磁気的な耐久性に難がある。圧力センサの実現方式にもよるが、多くの場合、空間分解能を高めるためには、微細な回路を構成する必要があるため、圧力センサ自体が高価になりがちである。
【００１０】
レーザ変位計は、据え付けの状態が精度に影響する。鉄道においては、車輪通過時には、振動が大きいため、精度が低下しうる。また、車輪とレールの巨視的な位置関係が精度よく測定できたとしても、テーパ角が小さい車輪や摩耗等で複雑な形状となった車輪の接触位置・接触幅を精度よく求めることは困難である。
【００１１】
車輪に歪みゲージを貼り付ける方法では、特殊な車軸、および、歪みゲージの出力を測定器に伝達する手段を用意する必要がある。特に、レール長手方向の特定の位置における車輪の接触位置を取得したい場合、その位置を通過する車輪すべてについて対応が必要となり、高コストとなる。
【００１２】
本発明は、これらの問題点を解決するためになされたものであり、個々の車輪とレールの接触位置・接触幅を安価に計測することができる車輪・レール接触位置計測方法およびその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による車輪・レール接触位置計測方法は、（ａ）接着面が絶縁性を有する金属箔を特定の幾何パターンでレール表面に接着するステップ、（ｂ）金属箔とレールの間に電気信号を流すステップ、（ｃ）金属箔とレールが車輪により電気的に短絡されることによる回路特性の時間変化を以って、車輪の接触を検知するステップ、（ｄ）回路特性の変化をデータロガー等の記録装置で時刻と共に逐次記録するステップ、（ｅ）記録された回路特性の変化の時間と金属箔の幾何パターンを対応づけることによって、車輪・レールの接触位置・接触幅を求めるステップからなる。
【００１４】
また、本発明による車輪・レール接触位置計測装置は、（Ａ）特定の幾何パターンでレール表面に接着される、接着面が絶縁性を有する金属箔、（Ｂ）その金属箔とレールの間に電気信号を流す回路、（Ｃ）金属箔とレールが車輪により電気的に短絡されることによる回路特性の時間変化を以って、車輪の接触を検知する検知回路、（Ｄ）回路特性の変化を時刻と共に逐次記録する記録装置、（Ｅ）記録された回路特性の変化の時間と金属箔の幾何パターンを対応づけることによって、車輪・レールの接触位置・接触幅を求める解析装置を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、個々の車輪とレールの接触位置・接触幅を安価に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による車輪・レール接触位置計測方法の手順を示すフローチャートである。
【図２】本発明による車輪・レール接触位置計測方法の原理および金属箔の接着のイメージを示す図である。
【図３】レールに接着された金属箔の断面図である。
【図４】車輪・レール接触位置計測装置の構成の一例を示す図である。
【図５】金属箔の幾何パターンと時間波形の一例を示す図である。
【図６】レールの表面が絶縁体である場合の実施の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
本発明による車輪・レール接触位置測定方法は、図１に示すように、（ａ）接着面が絶縁性を有する金属箔を特定の幾何パターンでレール表面に接着するステップ（Ｓ１）、（ｂ）金属箔とレールの間に電気信号を流すステップ（Ｓ２）、（ｃ）金属箔とレールが車輪により電気的に短絡されることによる回路特性の時間変化を以って、車輪の接触を検知するステップ（Ｓ３）、（ｄ）回路特性の変化をデータロガー等の記録装置で時刻と共に逐次記録するステップ（Ｓ４）、（ｅ）記録された回路特性の変化の時間と金属箔の幾何パターンを対応づけることによって、車輪・レールの接触位置・接触幅を求めるステップ（Ｓ５）からなる。以下に、順次詳細に説明する。
【００１９】
まず、レール表面および車輪表面がともに導体（金属）である場合について説明する。本発明による車輪・レール接触測定方法を実施するために、まず、図２に示すように、接着面が絶縁性を有する細いテープ状の金属箔１がレール２の長手方向に延長されて特定の幾何パターンでレール２の表面（頭頂面）に接着される。
【００２０】
金属箔１をレール２の表面に接着するには、接着面が絶縁性を有する金属箔（たとえば、アルミクラフトテープ）１をレール２の表面に接着させるか、絶縁テープ（たとえば、ポリイミドフィルム）の上に導電性の金属箔テープを重ねてもよい。
【００２１】
前者の場合は、金属箔１は、図３に示すように、絶縁層１ａと金属層１ｂを有するものである。そして、絶縁層１ａをレ―ル２の表面に接着する。なお、図３では、絶縁層１ａと金属層１ｂの厚さを誇張して示してある。
【００２２】
そして、次に、金属箔１とレール２の間に、電気信号を流す、電気信号発生回路３が構成される。電気信号発生回路３は、電気信号を発生する回路、たとえば、発振回路３１の一方の端子３２を金属箔１の一端に接続し、発振回路３１の他方の端子３３を、限流抵抗３４を介してレール２に接続して構成されている。そして、両端子３２，３３の間に電圧計３５が接続されている。また、金属箔１の他端は、開放状態とされている。
【００２３】
上記電気信号発生回路３は、基本的なものであり、電圧計３５の計測値の変化を時刻と共に記録する手段を、別途、設ける必要がある。記録する手段としては、汎用のデータロガーが利用できる。一方、図４に例示するような車輪・レール接触位置計測装置４を用いることで、電気信号の発生から、回路特性の変化の記録、さらには解析までを行うことができる。
【００２４】
図４において、図２の発振回路３１と同様の発振回路４１には、検知・増幅部４２が接続されている。検知・増幅部４２は、一種の反転増幅回路であり、発振回路４１の出力信号を受ける第１抵抗素子４２１と、第１抵抗素子４２１の出力側に一方の入力端子が接続されたオペアンプ４２２と、第１抵抗素子４２１のオペアンプ４２２の中間点から延びるリード線４２３とオペアンプ４２２の出力側との間に設けられた第２抵抗素子４２４とを有している。
【００２５】
そして、リード線４２３の先端に金属箔１の一端が接続されている。図４のｔ１は図２の端子３２に相当する。また、第２抵抗素子４２４とオペアンプ４２２の中間点から延びるリード線４２５の先端はレール２に接続されている。図４のｔ２は図２の端子３３に相当する。
【００２６】
一方、オペアンプ４２２の出力端子には、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４３、絶対値回路４４およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）４５が直列接続されている。そして、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４５の後段に比較器（または、Ａ／Ｄ変換器）４６が接続され、その比較器４６と時間カウンタ４７が記録・解析部４８に接続されている。
【００２７】
上記構成により、金属箔１とレール２間に電気信号を流すと、金属箔１が特定の幾何パターンで接着されたレール２の頭頂面を走行する列車の車輪により金属箔１とレール２が電気的に短絡されたとき、検知・増幅部４２の出力に、回路特性の変化、ここでは金属箔１とレール２間の電圧の変化が現れる。金属箔１とレール２が短絡するとオペアンプ４２２の増幅率がゼロになり、発振回路４１の信号が途絶える。
【００２８】
図５（ａ）のように、金属箔１の幾何パターンが「Ｎ」字パターンである場合に、ハッチング入りの太線で示された部分が車輪接触面Ｃであるとすると、図５（ｂ）に示すような、回路特性の変化が得られる。すなわち、車輪接触面Ｃが金属箔１と交差する位置では、車輪接触面Ｃと金属箔１が重なる時間に亘って電圧振幅が低下する。
【００２９】
図５（ａ）において、Ｌ１はレール２の幅方向一端から車輪接触面Ｃの中心までの距離、Ｌ２はレール２の幅方向他端から車輪接触面Ｃの中心までの距離である。また、図５（ｂ）において、Ｔ１は最初の電圧振幅低下時間から２回目（車輪接触面Ｃと金属箔１が斜交している範囲）の電圧振幅低下時間の中間点までの時間、Ｔ２は２回目の電圧振幅低下時間の中間点から最後の電圧振幅低下時点までの時間である。さらに、Ｔ３は２回目の電圧振幅低下時間である。
【００３０】
比較器（または、Ａ／Ｄ変換器）４６は、車輪が金属箔を通過するときの上記電圧振幅低下、すなわち、車輪の接触を検知する。また、記録・解析部４８は時間カウンタ４７からの計時信号により、車輪の接触検知開始（電圧振幅の立下り）、および車輪の接触検知終了（電圧振幅の立上がり）を時刻と共に記録する。記録・解析部４８は、記録された時刻から上記時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を算出し、金属箔の幾何パターンを対応付けることによって、車輪・レールの接触位置・接触幅を求める。
【００３１】
図５（ａ）の金属箔１の幾何パターンの場合は、車輪が等速運動で通過するときは、計測される時間波形と接触位置には、次のような関係が成立する。
Ｔ１：Ｔ２≒Ｌ１：Ｌ２
【００３２】
このように、時間の比で接触中心位置を求めることができる。また、Ｔ３から、空間的な接触幅を見積もることができる。厳密には、車輪通過の加速度や、接触面の形状、回路特性の変化のヒステリシス等が誤差要因となる。そこで、これら誤差要因が実用上十分に小さくなるように、金属箔１の幾何パターンや車輪・レール接触位置計測装置４の時間分解能を設計することが望ましい。
【００３３】
車輪接触による回路特性の変化は、電圧振幅の変化だけでなく、電流振幅の変化、位相の変化によっても確認できる。共振回路等を構成し、スペクトル変化（ピーク周波数の変化）によって観測する方法もある。
【００３４】
上記の実施の形態による効果は、次のとおりである。
すなわち、微細な回路を必要としないため、同程度の空間分解能を有する一般的な圧力センサより安価に計測が可能となる。観測する回路特性を電圧とすれば、記録装置には汎用のデータロガーが利用できる。近年では、安価なマイクロコントローラでも高サンプリングレートのＡ／Ｄコンバータを内蔵している場合があり、記録装置を含む車輪・レール接触位置計測装置一式でとらえても安価に製作することが可能である。
【００３５】
車輪の接触さえ検知できればよいため、図２または図４のように、非接触時にハイインピーダンスとなるように回路を設計すれば、消費電力、特に待機電力を低減できる。これにより、電源として電池が利用でき、電源の確保が容易となる。
【００３６】
また、設置と撤去が容易である。金属箔は直線的に接着すれば目的を果たせる。金属箔の接着時に多少、想定した幾何パターンに対し歪みが生じた場合でも、その歪みが生じた幾何パターンを写真等で記録しておけば、時間波形との対応を取ることができる。このため、金属箔の接着には精度が要求されない。計測後は、金属箔を剥がすだけで、計測前の状態に復旧可能である。金属箔の摩耗や絶縁性の劣化が生じても、新しい金属箔を貼り直すだけで良い。
【００３７】
レール近傍に必要なのは金属箔のみであるため、電線を延長することで、電源や記録装置等の機器は、レールから離れた安全で安定した環境に設置可能である。また、電気回路は左右一方のレール側で閉じており、原理的には、使用する電気信号の周波数にも制約がなく、設計自由度がある。このため、軌道回路等の既設設備への影響が少なく、既設設備や環境からのノイズに対する耐性も高くすることができる。
【００３８】
レール長手方向のスパンを広くとることで、接触位置の分解能を高めること、あるいは、より大きな車輪通過速度に対応させることが可能となる。また、「Ｎ」字のように２本以上の線を平行に配置し、正確なクロックで測定を行えば、接触位置・接触幅だけでなく、同時に車輪通過速度も知ることができる。
【００３９】
［他の実施の形態］
金属箔の幾何パターンと時間波形との対応が１対１でとれるのであれば、前述した「Ｎ」字パターンでなくてもよい。たとえば「Ｍ」字や「Ｗ」字パターンでもよい。また、車輪通過速度が、本手法以外の手段により既知の場合は、より簡素な「Ｖ」字でもよい。
【００４０】
図２および図４の回路構成は一例に過ぎない。レール２の電位と電気信号発生回路３の基準電位に生じる差を考慮して、金属箔１およびレール２と電気信号発生回路３の間に絶縁トランスや、カップリングコンデンサを挿入してもよい。信号周波数より高いサンプリングレートが確保できる場合は、図４の構成からバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４３、絶対値回路４４およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）４５を省略し、電圧瞬時値波形から電圧振幅を算出してもよい。
【００４１】
レール表面が絶縁体であっても、車輪が導体（金属）の場合は、本手法が適用できる。たとえば、図６に示すように、車輪接触面より微小な隙間を空けて２本の金属箔１Ａ，１Ｂを配置し、１Ａをレールの代わりとし、２本の金属箔１Ａ，１Ｂの間に電気信号を流せばよい。２本の金属箔１Ａ，１Ｂを車輪が短絡することで、接触を検知する。予め微小な隙間を空けて金属箔を粘着テープ上に配置しておくことで、現場作業の効率化と配置精度の向上が期待できる。
【符号の説明】
【００４２】
１  金属箔
２  レール
３  電気信号発生回路
４  車輪・レール接触位置計測装置
【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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