(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三軸加速度センサと、該三軸加速度センサからの出力信号を処理する、ＡＤコンバータ内蔵型の１チップマイクロコンピュータであるＰＩＣマイクロコンピュータとを砕石内部に組み込み、前記ＰＩＣマイクロコンピュータ内部のＲＯＭプログラムにより、前記三軸加速度センサの多チャンネルアナログデータをデジタルデータとして自動的に変換・出力するとともに、前記三軸加速度センサ専用の多チャンネル対応型の転送プロトコルを構築し、前記ＰＩＣマイクロコンピュータからの出力データを、電気的なノイズの影響を受けない光ケーブルを用いて外部に転送することにより、三軸加速度計測時のノイズを低減させる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光通信式三次元センシングストーン。
【請求項２】
請求項１記載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光通信式三次元センシングストーンにおいて、前記三軸加速度センサと、該三軸加速度センサからの出力信号を処理する、前記ＡＤコンバータ内蔵型の１チップマイクロコンピュータであるＰＩＣマイクロコンピュータとを覆う静電シールドを備える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光通信式三次元センシングストーン。
【請求項３】
請求項１記載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光通信式三次元センシングストーンにおいて、前記砕石内部に配置される電源部に電源からのノイズを除去するフィルタを具備する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光通信式三次元センシングストーン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三軸加速度センサとＰＩＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＡＤコンバータ内蔵型の１チップマイクロコンピュータ）を内蔵した光通信式三次元センシングストーンに係り、特に鉄道車両走行荷重載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）を精密に測定し、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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
砕石等の不連続集合体からなる構造物の破壊進展状況の把握、および、そのメカニズム解明には、不連続集合体構造物を構成する個々の部材の挙動を実測することが不可決である。ことに道床のように砕石が密に詰まった状態では、個々の砕石の局所的で三次元的な並進挙動と回転挙動とが、道床破壊の引き金になるものと想定される。しかしながら、不連続集合体の個々の部材は不連続集合体内部にあり外部からは見えない。また、その挙動がｘ，ｙ，ｚ軸の三軸方向の並進運動であり、さらに、ｘ，ｙ，ｚ軸の三軸に関する回転運動も伴うため、従来はその挙動を計測することができなかった。
【０００３】
たとえば、列車走行時の軌道構造の測定は従来より行われているが、いずれもレールや枕木表面に関するものであり、測定が困難な道床内部の砕石挙動を直接測定した事例は少ない。砕石中に加速度センサを埋め込んだ計測事例はあるものの、得られるデータは特定の一軸方向に関する測定値のみであり、砕石自体がどの軸を向いているのかもわからず、しかも、砕石の三次元的な動きについては把握できなかった。
【０００４】
なお、落石の運動を測定するために、落石の内部に加速度センサを取り付けて計測するようにしたものがある（下記非特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、この計測方法では一軸センサを用いており、落石が回転すると運動方向の変化が検出できない。また、有線接続でないので、計測データの取得が困難である。
【０００６】
また、本願発明者は、先行して特許文献１（非公開：特願２００６−２６０７２６号）として、三軸加速度センサを用いた三次元センシングストーンを提案している。
【特許文献１】特願２００６−２６０７２６号
【非特許文献１】「落石の運動機構に関する研究  その２−落石運動の測定方法」，右城  猛、篠原昌二、家石一美，四国の地盤災害・地盤環境に関するシンポジウム，地盤工学会四国支部、２００４年９月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
バラスト軌道劣化モデルの開発には、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。上記のように本願発明者は、三軸加速度センサを用いたセンシングストーンを製作し、鉄道営業線での現場測定実験を行い、従来の測定手段では測定できなかった低周波から高周波に至る砕石の並進挙動と回転挙動を同時に測定することに成功した。
【０００８】
しかしながら、本センシングストーンは、多軸の測定を行うため出力ケーブル本数が多く、測定時に多数の太いケーブルの引き回しが必要である。さらに、その出力信号の記録のために、Ａ／Ｄ変換装置、データロガー、発電機などの大掛かりな測定機材を現場に搬入・設置する必要があるが、鉄道軌道近辺への大掛かりな機材の設置は困難を極める。したがって、現場測定において多数の砕石の挙動を測定するためには、三軸加速度センサとデータロガーの接続方法、データ処理方法に関して改善が必要となる。
【０００９】
また、鉄道営業線では２万ボルトの高電圧が作用するため、センシングストーンから外部に延長した出力ケーブルに、走行車両からの誘導電流が発生し、計測データにノイズが含まれてしまう。そのため、ノイズ低減方法の開発が必要である。
【００１０】
このように、センシングストーンの実用化のためには、（１）センシングストーン内部における測定情報のデジタル処理化と、（２）インターフェースに関するノイズ低減対策法を検討することの２点が重要である。
【００１１】
本発明は、上記状況に鑑みて、センシングストーン内部における測定情報のデジタル処理化と、インターフェースに関するノイズ低減対策を施した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光通信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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔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光通信式三次元センシングストーンにおいて、三軸加速度センサと、この三軸加速度センサからの出力信号を処理する、ＡＤコンバータ内蔵型の１チップマイクロコンピュータであるＰＩＣマイクロコンピュータとを砕石内部に組み込み、前記ＰＩＣマイクロコンピュータ内部のＲＯＭプログラムにより、前記三軸加速度センサの多チャンネルアナログデータをデジタルデータとして自動的に変換・出力するとともに、前記三軸加速度センサ専用の多チャンネル対応型の転送プロトコルを構築し、前記ＰＩＣマイクロコンピュータからの出力データを、電気的なノイズの影響を受けない光ケーブルを用いて外部に転送することにより、三軸加速度計測時のノイズを低減させることを特徴とする。
【００１３】
〔２〕上記〔１〕記載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光通信式三次元センシングストーンにおいて、前記三軸加速度センサと、この三軸加速度センサからの出力信号を処理する、前記ＡＤコンバータ内蔵型の１チップマイクロコンピュータであるＰＩＣマイクロコンピュータとを覆う静電シールドを備えることを特徴とする。
【００１４】
〔３〕上記〔１〕記載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光通信式三次元センシングストーンにおいて、前記砕石内部に配置される電源部に電源からのノイズを除去するフィルタを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、砕石の三次元的な運動の測定において、三次元センシングストーン内部における測定情報のデジタル処理化を図るとともに、インターフェースに関するノイズ低減対策を施すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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光通信式三次元センシングストーンは、三軸加速度センサと、この三軸加速度センサからの出力信号を処理する、ＡＤコンバータ内蔵型の１チップマイクロコンピュータであるＰＩＣマイクロコンピュータとを砕石内部に組み込み、前記ＰＩＣマイクロコンピュータ内部のＲＯＭプログラムにより、前記三軸加速度センサの多チャンネルアナログデータをデジタルデータとして自動的に変換・出力するとともに、前記三軸加速度センサ専用の多チャンネル対応型の転送プロトコルを構築し、前記ＰＩＣマイクロコンピュータからの出力データを、電気的なノイズの影響を受けない光ケーブルを用いて外部に転送することにより、三軸加速度計測時のノイズを低減させる。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
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光通信式三次元センシングストーンシステムの全体ブロック図である。
【００１９】
この図において、１は三軸加速度センサ、２はその三軸加速度センサ１からのアナログ信号を読み込むＰＩＣマイクロコンピュータ、３は出力インターフェース、４は電源部、５は三軸加速度センサ１及びＰＩＣマイクロコンピュータ２を囲む静電シールド、６はＰＩＣマイクロコンピュータ２からの出力シリアルデータを送る光ファイバー、７は光ファイバー６を介して送られる出力シリアルデータを受けるマイクロコンピュータ（Ｈ８）、８はマイクロコンピュータ（Ｈ８）７からの出力データを送るＲＳ−２３２Ｃライン、９はＲＳ−２３２Ｃライン８を介して送られる出力データを受ける外部コンピュータである。
【００２０】
ここで、ＰＩＣマイクロコンピュータ２とマイクロコンピュータ（Ｈ８）７間の通信プロトコルは、図２に示すように、ポート番号３ｂｉｔと測定データ１０ｂｉｔとでデータ１３ｂｉｔ、ヘッダ「１」を１４ｂｉｔとし、さらにエンド「０１０」の３ビットを設けるようにしている。
【００２１】
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。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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
図５は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。また、図６はピエゾ抵抗素子とその回路を示す図である。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
図７は三次元センシングストーンの動作原理図である。
【００２７】
図７は、辺長がそれぞれＬx ，Ｌy ，Ｌz 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。それぞれ「Ａセンサ」３１と「Ｂセンサ」３２とする。両センサ間の直線距離Ｌは三平方の和よりＬ＝√（Ｌx 2 ＋Ｌy 2 ＋ＬZ 2 ）である。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θx ，θy ，θz と記号表示するとｃｏｓθx ＝Ｌx ／Ｌ，ｃｏｓθy ＝Ｌy ／Ｌ，ｃｏｓθZ ＝Ｌz ／Ｌの関係が成り立つ。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３２の軸間距離Ｔx ，Ｔy ，Ｔz を求めると、ｘ1 ，ｘ2 軸間距離Ｔx 、ｙ1 ，ｙ2 軸間距離Ｔy 、ｚ1 ，ｚ2 軸間距離Ｔz は、それぞれ次式により求められる。
【００２８】
Ｔx ＝Ｌｓｉｎθx ＝√（Ｌ2 −Ｌx 2 ）＝√（Ｌy 2 ＋ＬZ 2 ），Ｔy ＝Ｌｓｉｎθy ＝√（Ｌ2 −Ｌy 2 ）＝√（ＬZ 2 ＋Ｌx 2 ），ＴZ ＝Ｌｓｉｎθz ＝√（Ｌ2 −ＬZ 2 ）＝√（Ｌx 2 ＋Ｌy 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３１，３２にも、異なる大きさの加速度が生じた状態を想定する。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ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ，Ｂセンサ３２のｘ，ｙ，ｚ三軸に関する加速度測定値をそれぞれｘ2 ，ｙ2 ，ｚ2 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。２個のセンサについて、ｘ，ｙ，ｚ軸別に平均値αx ，αy ，αz を求めると以下の通りである。
【００２９】
αx ＝（ｘ1 ＋ｘ2 ）／２，αy ＝（ｙ1 ＋ｙ2 ）／２，αz ＝（ｚ1 ＋ｚ2 ）／２（ｍ／ｓ2 ）
また、Ａセンサ３１について、軸毎に平均値からの偏差量βx 、βy 、βz を求めると以下の通りである。
【００３０】
βx ＝ｘ1 −αx ＝ｘ1 −（ｘ1 ＋ｘ2 ）／２＝（ｘ1 −ｘ2 ）／２
βy ＝ｙ1 −αy ＝ｙ1 −（ｙ1 ＋ｙ2 ）／２＝（ｙ1 −ｙ2 ）／２
βz ＝ｚ1 −αz ＝ｚ1 −（ｚ1 ＋ｚ2 ）／２＝（ｚ1 −ｚ2 ）／２（ｍ／ｓ2 ）
すなわち、平均値αx ，αy ，αz 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βx ，βy ，βz 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。
【００３１】
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。したがって、加速度の回転成分βx ，βy ，βz については、加速度評価点と両センサ間の距離（Ｔx ／２，Ｔy ／２，Ｔz ／２）で割って基準化し、回転方向の加速度成分γx ，γy ，γz とする。
【００３２】
γx ＝βx ／（Ｔx ／２）＝｛（ｘ1 −ｘ2 ）／２｝／（Ｔx ／２）＝（ｘ1 −ｘ2 ）／Ｔx ＝（ｘ1 −ｘ2 ）／√（Ｌy 2 ＋Ｌz 2 ），
γy ＝βy ／（Ｔy ／２）＝｛（ｙ1 −ｙ2 ）／２｝／（Ｔy ／２）＝（ｙ1 −ｙ2 ）／Ｔy ＝（ｙ1 −ｙ2 ）／√（Ｌz 2 ＋Ｌx 2 ），
γz ＝βz ／（Ｔz ／２）＝｛（ｚ1 −ｚ2 ）／２｝／（Ｔz ／２）＝（ｚ1 −ｚ2 ）／Ｔz ＝（ｚ1 −ｚ2 ）／√（Ｌx 2 ＋Ｌy 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。なお、加速度測定の単位をｍ／ｓ2 とすると、並進加速度成分αx ，αy ，αz の単位は測定値と同じｍ／ｓ2 である。一方、回転方向の加速度成分γx ，γy ，γz 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／ｓ2 ）÷軸間半径（ｍ）となり、単位はｒａｄ／ｓ2 となる。
【００３３】
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。
【００３４】
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センサ及びＢセンサを配置し、上記した三次元センシングを行うようにしている。
【００３５】
図９は三次元センシングストーンの設置状況を示す図である。
【００３６】
この図において、４１は三次元センシングストーン、４２は路盤、４３はバラスト、４４はまくらぎ、４５はレールであり、三次元センシングストーン４１はバラスト４３内に配置される。
【００３７】
図１０は三次元センシングストーンの回路図である。
【００３８】
この図に示すように、三次元センシングストーン５０の内部には、三軸加速度センサ５１と５２、ＰＩＣマイクロコンピュータ５３、出力インターフェース５４、電源部５５が備えられ、電源部５５には外部から電源が供給される。この電源部５５にはノイズを除去するフィルタ５５Ａ，５５Ｂが設けられている。
【００３９】
また、出力インターフェース５４からは受信側へ電気的なノイズの影響を受けない光ファイバー５６が接続されるように構成されている。
【００４０】
図１１はＰＩＣマイクロコンピュータ（ＰＩＣ１６Ｆ８８）のピン配置を示す図、図１２はＨ８マイクロコンピュータを示す図である。
【００４１】
図１１に示すＰＩＣマイクロコンピュータ１個で情報の処理を行うことができる。
【００４２】
また、図１２に示すＨ８マイクロコンピュータで、光ファイバーからの出力データを取込み、外部コンピュータへと接続することができる。
【００４３】
本発明では、三次元センシングストーンの実用化のために、（１）出力情報のデジタル処理に関する回路設計を行うこと、および、（２）インターフェースに関するノイズ低減対策法を検討し改善した。
【００４４】
前者については、ＡＤコンバータ内蔵型の１チップマイクロコンピュータ（ＰＩＣ）を砕石内部に組み込み、ＰＩＣ内部のＲＯＭプログラムにより、三軸加速度センサの多チャンネルアナログデータをデジタルデータとして自動的に変換・出力するようにした。
【００４５】
また、後者については、本センサ専用の多チャンネル対応型の転送プロトコルを新たに構築し、ＰＩＣマイクロコンピュータからの出力データを、電気的なノイズの影響を受けない光ケーブルを用いて外部に転送することにより、計測時のノイズを低減させることができた。
【００４６】
３次元センシングストーンのノイズ低減対策、光ケーブルによる簡素化が行われたことにより、より精度良く簡便に道床の振動が測定できるようになった。
【００４７】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
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光通信式三次元センシングストーンは、砕石の三次元的な動きを的確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】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光通信式三次元センシングストーンシステムの全体ブロック図である。
【図２】本発明の実施例を示すＰＩＣマイクロコンピュータとＨ８マイクロコンピュータとの間の通信プロトコルを示す図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】三次元センシングストーンの動作原理図である。
【図８】三次元センシングストーンの構造を示す図である。
【図９】三次元センシングストーンの設置状況を示す図である。
【図１０】三次元センシングストーンの回路図である。
【図１１】ＰＩＣマイクロコンピュータ（ＰＩＣ１６Ｆ８８）のピン配置を示す図である。
【図１２】Ｈ８マイクロコンピュータを示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１，５１，５２    三軸加速度センサ
２，５３    ＰＩＣマイクロコンピュータ
３，５４    出力インターフェース
４，５５    電源部
５    静電シールド
６    光ファイバー
７    マイクロコンピュータ（Ｈ８）
８    ＲＳ−２３２Ｃライン
９    外部コンピュータ
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）
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
４１，５０    三次元センシングストーン
４２    路盤
４３    バラスト
４４    まくらぎ
４５    レール
５５Ａ，５５Ｂ    フィルタ（電源部）
【図１】
0004850805.tif 000002
【図２】
0004850805.tif 000003
【図４】
0004850805.tif 000004
【図５】
0004850805.tif 000005
【図６】
0004850805.tif 000006
【図７】
0004850805.tif 000007
【図８】
0004850805.tif 000008
【図１０】
0004850805.tif 000009
【図３】
0004850805.tif 000010
【図９】
0004850805.tif 000011
【図１１】
0004850805.tif 000012
【図１２】
0004850805.tif 000013