特許 6818329 車輪検知器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6818329

(24)【登録日】2021年1月5日

(45)【発行日】2021年1月20日

(54)【発明の名称】車輪検知器

(51)【国際特許分類】

   B61L 1/08 20060101AFI20210107BHJP

   B61L 1/16 20060101ALI20210107BHJP

   G01V 3/10 20060101ALI20210107BHJP

   G01B 7/00 20060101ALI20210107BHJP

【ＦＩ】

   B61L1/08 Z

   B61L1/16

   G01V3/10 F

   G01V3/10 D

   G01B7/00 101E

【請求項の数】5

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2019-108286(P2019-108286)

(22)【出願日】2019年6月10日

(65)【公開番号】特開2020-199884(P2020-199884A)

(43)【公開日】2020年12月17日

【審査請求日】2019年6月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】519210077

【氏名又は名称】熊野 勝文

(73)【特許権者】

【識別番号】000221904

【氏名又は名称】東邦電機工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111084

【弁理士】

【氏名又は名称】藤野 義昭

(72)【発明者】

【氏名】熊野 勝文

(72)【発明者】

【氏名】塚本 広志

(72)【発明者】

【氏名】加藤 聖也

【審査官】 今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６０−０１８４４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１５８５３８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６１Ｌ １／０８

Ｂ６１Ｌ １／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レールを挟むように配置される送信コイル及び受信コイルを備えた車輪検知器であって、
前記受信コイルは、平面型コイルによって構成されており、
当該平面型コイルは、前記送信コイルによって形成される磁束に沿うように、平面コイル面を垂直に貫く前記磁束による起電力を近似的に無視でき、ゆるやかな磁束拡散面内に平面コイル面が近似的に入るような位置に配置される
ことを特徴とする車輪検知器。

【請求項2】

前記平面型コイルは、平面コイルによって構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の車輪検知器。

【請求項3】

前記平面型コイルは、前記平面コイルを複数備え、
当該複数の平面コイルは、積層されている
ことを特徴とする請求項２に記載の車輪検知器。

【請求項4】

前記送信コイルの後方に、当該送信コイルの磁束を調整するための金属板を更に備える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の車輪検知器。

【請求項5】

前記受信コイルの下方に、磁性部材を
更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の車輪検知器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、列車の車輪（車軸）を検知する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、列車の車軸数をカウントするために、レール上を通過する車輪（車軸）を検知する車輪（車軸）検知器が知られている。従来の車輪検知器においては、レールの両側に一対のコイル（送信コイル及び受信コイル）を配置し、両コイルによって、交流の磁気回路を構成し、車輪が両コイル間に位置する際、車輪によって磁気回路に変化が生じる結果、受信コイルに入力される磁界が変化することを利用して車輪の存在を検知している。

【0003】

このような構成の車輪検知器においては、一般に、車輪非検知時（車輪無し時）に受信コイルに誘起される誘導電圧Ｖ１と、車輪検知時（車輪有り時）に受信コイルに誘起される誘導電圧Ｖ２との比（Ｖ１／Ｖ２）ができるだけ大きいことが望ましい。

【0004】

なお、実公平７−１５８０７号公報には、レールを挾んでその両側に送信コイルと受信コイルを設け、送信コイルに電流を流して磁束を発生させ、これを受信コイルで受けるようにし、車輪が両コイル間に進入した場合に受信レベルが低下することを利用して、車輪を検出する車輪検出器が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】実公平７−１５８０７号公報（第４ａ図）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、車輪非検知時（車輪無し時）に受信コイルに誘起される誘導電圧Ｖ１と、車輪検知時（車輪有り時）に受信コイルに誘起される誘導電圧Ｖ２との比（Ｖ１／Ｖ２）を大きくすることが可能な車輪検知器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る車輪検知器は、レールを挟むように配置される送信コイル及び受信コイルを備えた車輪検知器であって、前記受信コイルは、平面型コイル（単一の平面コイル又は積層された平面コイルによって構成されるもの）によって構成されており、当該平面型コイルは、前記送信コイルによって形成される磁束に沿うように配置されることを特徴とする。すなわち、受信コイルの平面コイル面を垂直に貫く前記磁束による起電力を近似的に無視でき、ゆるやかな磁束拡散面内に平面コイル面が近似的に入るような位置に配置されることを特徴とする。

【0008】

この場合において、前記平面型コイルは、平面コイルによって構成されているようにしてもよい。更に、この場合、前記平面型コイルは、前記平面コイルを複数備え、当該複数の平面コイルは、上下方向に積層されているようにしてもよい。更に、この場合、第一の平面コイルと、当該第一の平面コイルに隣接する第二の平面コイルとを接続する接続線が、前記平面コイルのコイル面を横切らないようにしてもよい。更に、この場合、第一の平面コイルの終了端と、当該第一の平面コイルに隣接する第二の平面コイルの開始端は、共に、コイル中心付近に配置されているようにしてもよい。

【0009】

また、以上の場合において、前記平面コイルは、矩形状に巻回されており、長辺がレールと平行になるように配置されるようにしてもよい。

【0010】

また、以上の場合において、前記平面型コイルは、静電シールド部材を更に備えるようにしてもよい。この場合において、静電シールド部材は、片側接地されたすだれ状ワイヤで構成されているようにしてもよい。

【0011】

また、以上の場合において、前記送信コイルは、筒型コイルによって構成されているようにしてもよい。

【0012】

また、以上の場合において、前記送信コイルの後方に、当該送信コイルの磁束を調整するための金属板を更に備えるようにしてもよい。この場合において、前記金属板は、前記送信コイルの主軸に対する角度を調節可能に構成されているようにしてもよい。

【0013】

また、以上の場合において、前記送信コイルの前方に、筒状磁性部材を更に備えるようにしてもよい。

【0014】

また、以上の場合において、前記受信コイルの下方に、磁性部材を更に備えるようにしてもよい。更に、この場合、前記受信コイルの下方のレール側に、第二の磁性部材を更に備えるようにしてもよい。

【0015】

また、以上の場合において、軌道電流の影響を補償するための補償コイルを更に備えるようにしてもよい。この場合において、前記補償コイルは、平面型コイルによって構成され、前記受信コイルの近傍に配置されるようにしてもよい。更に、この場合において、前記補償コイルの出力から、前記送信コイルの駆動周波数の信号を除去するためフィルタを更に備えるようにしてもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、車輪検知時（車輪有り時）に受信コイルに誘起される誘導電圧Ｖ２を雑音レベル程度にまで最小化することができるので、従来より、車輪非検知時（車輪無し時）に受信コイルに誘起される誘導電圧Ｖ１と、車輪検知時（車輪有り時）に受信コイルに誘起される誘導電圧Ｖ２との比（Ｖ１／Ｖ２）を大きくすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】送信コイルＬ１からの磁束発散の様子を示す図（その１）である。

【図2】送信コイルＬ１からの磁束発散の様子を示す図（その２）である。

【図3】車輪が通過する際に受信コイルＬ２によって検出される電圧の変化の様子を示す図である。

【図4】本発明の実施形態の概要を説明するための図である。

【図5】本発明の効果を説明するための図（その１）である。

【図6】本発明の効果を説明するための図（その２）である。

【図7】本発明で用いる平面型コイルの構成例を示す図である。

【図8】平面型コイルを構成する平面コイルの構成例を示す図である。

【図9】本発明による第一の車輪検知器（第一実施形態）の構成を説明するための図である。

【図10】本発明による第二の車輪検知器（第二実施形態）の構成を説明するための図である。

【図11】本発明による第三の車輪検知器（第三実施形態）の構成を説明するための図である。

【図12】本発明による第四の車輪検知器（第四実施形態）の構成を説明するための図である。

【図13】本発明による第五の車輪検知器（第五実施形態）の構成を説明するための図（その１）である。

【図14】本発明による第五の車輪検知器（第五実施形態）の構成を説明するための図（その２）である。

【図15】受信コイルＬ２及び補償コイルＬ３の出力信号を処理する信号処理システムの構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

【0019】

まず、本発明の原理の概要について説明する。

【0020】

本発明は、レールを挟んで配置される一対のコイル（送信コイルＬ１及び受信コイルＬ２）間の磁束結合を用いる車輪検知器であって、両コイル間を車輪が通過する際に、車輪が磁束を最大遮蔽する位置より所定距離前（又は最大遮蔽する位置より所定距離後）の位置にあるとき（以下、「車輪無し時」という）に、送信コイルＬ１の発する高周波磁束によって、受信コイルＬ２に誘起される誘導電圧Ｖ１を極大化することと、車輪が磁束を最大遮蔽する位置にあるとき（以下、「車輪有り時」という）に、受信コイルＬ２に誘起される誘導電圧Ｖ２を極小化することを同時に達成できるようにするものである。

【0021】

受信コイルＬ２において観測される上記電圧Ｖ１，Ｖ２には、通常、磁束雑音と回路雑音に起因するノイズ電圧Ｖ３が重畳しているので、車輪有無判断の評価指標としてのＳ／Ｎは、以下の式１で表される。

【0022】

Ｓ／Ｎ＝（Ｖ１＋Ｖ３）／（Ｖ２＋Ｖ３） ・・・・・（１）

【0023】

通常、Ｖ３はＶ１に比べ無視できる程度に小さいので、Ｓ／Ｎ最大化のためにはＶ１の極大化とＶ２＋Ｖ３の極小化が同時に満たされるようにすればよい。また、Ｌ１，Ｌ２コイル間距離とコイルの主軸角度が固定されると、Ｖ１は主として送信コイルＬ１の励磁電流によって決まるので、Ｓ／Ｎの最大化は、Ｖ２＋Ｖ３を励磁電流によらず雑音レベルに最小化することに帰することになる。

【0024】

従来は、送信コイルＬ１及び受信コイルＬ２それぞれを多層巻した円筒型や角筒型の同心軸長を有するソレノイドで構成しており、一定のＬ１励磁電流下で、送信コイルＬ１及び受信コイルＬ２のコイル相対位置とコイル主軸間の相対角調整によって、Ｖ１の最大化とＶ２の最小化を図っていた。しかしながら、送信コイルＬ１からコイル主軸対称に発散する磁束ベクトル場は、受信コイルＬ２位置においても、受信コイルＬ２の主軸方向及び断面方向ともに不均一な分布を有することに加え、車輪有り時においても遮蔽の影響を受けずに、レールと車輪を周りこむ漏洩磁束が残留する結果、Ｖ２には、Ｌ１駆動電流に比例し、Ｖ２＞＞Ｖ３なる電圧成分が残ることになり、Ｓ／Ｎは、例えば、１５ｄＢ程度が限界であった。

【0025】

本発明においては、受信コイルＬ２を平面型コイル（単一の平面コイル又は積層された平面コイルによって構成されるもの）で構成し、送信コイルＬ１からの拡散磁束ベクトル流に沿い平面近似できる感度領域Ｓに、受信コイルＬ２を配置する。更に、送信コイルＬ１の背面側に、受信コイルＬ２面を貫通するＬ１磁束ベクトル調整用の調整部材（具体的には、金属板）を設けることにより、Ｖ２がほぼ０になるよう調整できるようにするものである。

【0026】

以上のような構成を採用することにより、Ｓ／Ｎ＝Ｖ１／Ｖ３となり、Ｖ１はＬ１駆動電流に比例することから、例えば、３０〜６０ｄＢ程度の高Ｓ／Ｎを得ることが可能となる。

【0027】

ここで、平面近似できる感度領域Ｓとは、送信コイルＬ１の形成する磁束が、同コイル軸長方向距離とともに還流磁界を形成しない範囲（磁束反転が起こっていない範囲）において、平面型コイルの厚み程度のスケール範囲において、磁束のゆるやかなベクトル変化量が線形とみなせる範囲を意味し、当該感度領域Ｓにおいては、車輪移動方向（図１におけるＸ軸方向）に関しては、平面型コイルの最大幅と同程度の範囲にわたって、磁束がほぼ均一とみなすことができ、車輪移動に伴う電圧変化はゆるやかとなり、信号検出帯域上メリットとなる。これに対し、車輪移動方向に直交する方向では、磁束がコイル面を貫通するので、平面近似できる磁束ベクトル角度範囲は狭くなり、調整部材（金属板）による磁束調整が有効となる。

【0028】

次に、本発明の原理の詳細について説明する。

【0029】

図１及び図２は、送信コイルＬ１からの磁束発散の様子を示す図である。図１は、ＹＺ面（車軸移動方向からみた断面）における磁束発散の様子を示し、図２は、ＸＹ面（レール上面）における磁束発散の様子を示す。

【0030】

なお、ここでは、レール１０に沿った方向（車輪移動方向１１）をＸ軸方向、これに直交し、送信コイルＬ１及び受信コイルＬ２を結ぶ方向をＹ軸方向、対地垂直方向をＺ軸方向としている。そして、例えば、Ｘ軸方向といった場合には、基本的に、正負両方の方向を含むものとする。また、簡単のため、図１においては、レール１０は省略してある。

【0031】

筒状に巻き上げられた送信コイルＬ１に励磁電流を印加することで発生する磁束は、コイル主軸について対称に発散し、コイル外空間を経て回り込む磁束ループを形成する。送信コイルＬ１のインダクタンスは、例えば、数ｍＨ程度であり、通常、高効率の磁束発生のために共振を用いる。

【0032】

なお、送信コイルＬ１及び受信コイルＬ２ともに、実設置環境下での温度や安定性などの制約から、通常、空芯コイルが用いられる。また、種々の列車運行システム信号や商用電源周波数との干渉を避けるために、Ｌ１励磁電流としては、通常３０ｋＨｚ程度の交流電流が用いられる。

【0033】

図２に示すように、送信コイルＬ１の磁束はレール１０によって一部遮断されるが全体として発散し、磁束ループを形成する。空芯コイルである送信コイルＬ１から放散される磁束は、個々の巻線輪の漏洩磁束のベクトル和として、コイル近くにおいては、同コイル側面に沿う急峻な還流磁束を形成する。主軸方向では磁束密度がコイル端から距離とともに減衰し、また主軸から外れる方向においては、磁束の一部が還流ベクトルとして回転折り返す位置が主軸に直交する方向にシフトする。

【0034】

Ｖ１については、送信コイルＬ１と受信コイルＬ２との間隔が小さい方がＳ／Ｎ的に有利であるが、その時、送信コイルＬ１と受信コイルＬ２との距離の下限は、Ｌ１還流磁束ベクトルの折り返し位置が受信コイルＬ２位置に達しない範囲で決まる。これは、実レール寸法から決まる送信コイルＬ１の拡がりと同程度の寸法距離として、例えば、１００〜２００ｍｍ程度となる。

【0035】

車輪（とレール）が送信コイルＬ１の磁束ループの一部をさえぎる時、送信コイルＬ１の磁束は、金属表面の高周波表皮効果深さ範囲に渦電流を生じさせる。これは、レールや車輪など鉄材の電気抵抗により大部分がジュール熱として消費される結果、これら鉄材渦電流からの逆磁束の発生は無視できるレベルとなり、送信コイルＬ１の磁束は、車輪及びレールによって単純遮蔽されることになる。車輪通過に伴い、この磁束遮蔽の領域が受信コイルＬ２の置かれた感度領域Ｓを移動する結果、固定されている受信コイルＬ２を貫通する磁束量が時間変化し、誘導電圧が誘起される。

【0036】

図１及び図２に示した例では、便宜的に、送信コイルＬ１の主軸は、レール方向に向けて、水平（Ｙ軸方向）になるよう配置しているが、ＹＺ面での角度配置については、車輪有り時の磁束遮蔽が極大となる適正角度が存在する。実際の車輪検知においては、Ｖ１が最大となる角度が採用されることになる。

【0037】

送信コイルＬ１の主軸をＹ軸方向に向けた場合、図１に示すような発散磁束ベクトルが生ずる。例えば、送信コイルＬ１の寸法が、５０×５０×５０ｍｍ^３（約１０ｍＨ）の場合、ＸＹ面内で送信コイルＬ１端から受信コイルＬ２領域（１００ｍｍ程度）にわたる平面近似できる領域への発散角度θは、約６０度となる。

【0038】

送信コイルＬ１の主軸方向に発散する磁束の密度は、送信コイルＬ１と受信コイルＬ２との間の距離とともに急速に低下するなかで、車輪通過時、受信コイルＬ２への磁束遮蔽効果が有効な感度領域Ｓとして、Ｙ軸方向には車輪に近接し、Ｘ軸方向には磁束発散角で決まる範囲を用いる。

【0039】

従来は、車輪通過時の検出電圧パルスの過渡応答伝達特性を損なうことなく、高Ｓ／Ｎを得るために、受信コイルとして、送信コイルとほぼ同じ形状・断面積で多層巻線を施し、相当のコイル軸長を有する筒型広帯域ソレノイドであって、自己インダクタンスが１０ｍＨ程度のものが用いられていた。

【0040】

受信コイルＬ２に対し磁束遮蔽効果が見込める感度領域Ｓは、Ｚ軸方向には車輪のフランジ位置で制約を受けるので、レール上面より数ｃｍ程度の垂下部に上限がくる。受信コイルＬ２として、筒型コイルを使用した場合、筒型コイルでは軸長があるので、コイル下端と上端とで、漏洩磁束回り込み状況が異なることに加え、車輪による磁束遮蔽効果も受信コイルＬ２の上面に比べ下面で減少し、Ｓ／Ｎに寄与する有効な巻き線比率が少なくなるという問題があった。

【0041】

図２に示したレール１０上の位置ａ，ｂ，ｃのうち、ｂ点は、送信コイルＬ１の主軸を含むＹＺ面がレール１０と交叉する位置として、車輪有り時に対応する。車輪有り時、感度領域Ｓ内に置かれた受信コイルＬ２を貫通する送信コイルＬ１の磁束ベクトルは、このｂ点におけるＹＺ面を境界として、受信コイルＬ２面において、Ｘ軸方向（レール方向）に対称分布していることから、ｂ点で極小電圧Ｖ２を示し、通過前ａ点および通過後ｃ点で極大電圧Ｖ１を示すことになる。

【0042】

図３は、車輪が通過する際に受信コイルＬ２によって検出される電圧の変化の様子を示す図である。

【0043】

同図に示すように、受信コイルＬ２によって検出される電圧は、車輪がｂ点に位置する際に、極小値を示す。

【0044】

同図に示す車輪移動に伴う各位置での検出電圧は、最終的に列車速度で決まるパルス電圧信号として検出される。通常ａｃ間隔は数ｃｍ程度なので、列車速度１００ｋｍ／ｈとすると、このパルス波形はおよそ１ｍ秒程度の過渡応答信号となり、これを増幅など広帯域信号処理するためには、この帯域で、２０ｄＢ以上のＳ／Ｎが必要とされる。

【0045】

本発明では、まず受信コイルＬ２を平面型コイル（単一の平面コイル又は積層された平面コイルによって構成されるもの）とする。車輪検知におけるコイル対は、レール及び（通過時の）車輪に近くなるよう、例えば、送信コイルＬ１と受信コイルＬ２との間隔が２０ｃｍ程度となり、受信コイルＬ２は、感度領域Ｓ内で、水平、垂直両方向ともに（通過時の）車輪から数ｃｍ程度離れた位置に配置される。

【0046】

次に、本発明の実施形態の概要について説明する。

【0047】

図４は、本発明の実施形態の概要を説明するための図である。同図においては、ＹＺ面における発散磁束を示している。また、同図では、比較のために、本発明の平面型コイルと共に、従来の円筒型コイル４１をあわせて示している。

【0048】

平面型コイルは、矩形状に巻回された平面コイルによって構成されており、矩形状に巻回された平面コイルの長辺がレールと平行、かつ、送信コイルＬ１の主軸に対しＸＹ面で対称となるよう（送信コイルＬ１の主軸を含むＹＺ面が長辺の中央を通るよう）配置される。平面型コイルは、感度領域Ｓ内の車輪進行方向（Ｘ軸方向）でｂ点（車輪有り時の平衡位置）からのずれに対し、面内貫通磁束の変化が少なくほとんど感度を有しないので、Ｖ２を極小とするための受信コイルＬ２の調整は、コイル主軸からの垂直位置ずれｈと角度φの調整に集約される。

【0049】

これに対して、受信コイルＬ２が円筒型コイルの場合は、コイル主軸長があるために、どの相対配置においても、送信コイルＬ１の磁束発散面が、受信コイルＬ２軸に沿って湾曲分布することから、平面型コイルのような角度及び位置での調整はできず、貫通磁束残留があり、Ｖ２最小化に限界がある。

【0050】

平面型コイルを構成する平面コイルでは巻き線がすべて単一平面内にあるので、巻き線材の直径とコイル形状広がりで決まる角度精度で平面コイル面を、送信コイルＬ１の磁束面に近似的に一致あるいは沿わせることができる。

【0051】

Ｖ１極大化のために、送信コイルＬ１は、通常、レール上面近くに配置されるが、受信コイルＬ２については、車輪のフランジに接触せぬよう、垂直方向の制約を受け、送信コイルＬ１の主軸から垂直方向に所定距離ｈだけずれた位置に配置される。その結果、車輪有り時、受信コイルＬ２面は、拡散磁束流に一致または沿うためには、ＹＺ面内でずれｈに対応する回転角φにおいて、Ｖ２極小値を与える。この条件下で遮蔽される磁束は、車輪無し時に回復し、受信コイルＬ２面を貫通する磁束として、Ｖ１を出力する。

【0052】

このようにしてＳ／Ｎの極大化は、受信コイルＬ２平面の位置・角度調整で行えるが、概略２０ｄＢ以上の高Ｓ／Ｎの実現には、受信コイルＬ２面と送信コイルＬ１の磁束発散面の平行性に残る不完全性（Ｌ１磁束発散ベクトルの曲率によるもの）を取り除き、Ｖ２下限値を可能な限りゼロに近づける必要がある。しかし、送信コイルＬ１の磁束拡散は三次元的であるので、平面型コイルＬ２の角度調整のみで、Ｌ２面を貫通する磁束成分を完全に消すことはできない。平面コイル面内の磁束ベクトル曲率の変化は、貫通磁束が平面コイルに誘起する電流が、Ｌ２巻線にわたる経路積分として平均化されているので微調整は容易である。

【0053】

本実施形態では、受信コイルＬ２面近傍における発散磁束ベクトルの微調整手段として、送信コイルＬ１の背面側（受信コイルＬ２と逆側）に、低電気抵抗の金属（例えば、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ））からなる調整板Ｍを配置し、発生する渦電流磁束ベクトルを利用する。渦電流磁束は、調整板Ｍの面に垂直な法線にそって拡散放射され、その放射面での強度分布は入射磁束分布に相似であるので、送信コイルＬ１に対し離れた位置にある受信コイルＬ２におけるＬ１発散磁束の平面性からのずれを補正することができ、Ｖ２を概ね０とすることが可能となる。このとき、Ｓ／Ｎ＝Ｖ１／Ｖ３となり、送信コイルＬ１の駆動電流に比例するＳ／Ｎを得ることができる。

【0054】

図５及び図６は、本発明の効果を説明するための図である。図５は、Ｌ１駆動電流と、Ｌ２検出電圧との関係を示すものであり、同図の横軸は、Ｌ１駆動電流（単位：Ａ）を示し、同図の縦軸は、Ｌ２検出電圧（単位：ｍＶ）を示す。また、図６は、Ｌ１駆動電流と、Ｓ／Ｎとの関係を示すものであり、同図の横軸は、Ｌ１駆動電流（単位：Ａ）を示し、同図の縦軸は、Ｓ／Ｎを示す。

【0055】

従来の円筒型コイル対では、Ｖ２に、Ｌ１磁束比例成分が残留するために、図５のグラフ５１１，５１２に示すように、Ｌ１駆動電流増大に対し、Ｖ１，Ｖ２とも比例的に増大するので、図６のグラフ６１０に示すように、Ｓ／Ｎ＝Ｖ１／Ｖ２は一定値にとどまる。

【0056】

一方、本実施形態においては、平面型コイルと補正金属板を用いることで、図５のグラフ５２２に示すように、Ｖ２をＬ１駆動電流によらず残留雑音レベルまで下げることができ、かつ、同図のグラフ５２１に示すように、Ｖ１はＬ１駆動電流に比例するようになっているので、図６のグラフ６２０に示すように、Ｓ／Ｎ＝Ｖ１／Ｖ３を任意設定することが可能となる。

【0057】

車輪通過時の信号は、受信コイルＬ２のレールに沿った方向（Ｘ軸方向）の寸法を列車速度で除算した時間パルス波形となるが、本発明の平面型コイルでは、筒型コイルに比べ、レール方向に感度域を長く設定できるので、パルス幅を数倍大きくとることが可能となる。これにより過渡応答信号周波数が下がり、信号処理システムの帯域制約が軽減するので、信号から車輪検出への演算システムの信頼性向上やコストの点で実用上のメリットを有する。調整板Ｍと送信コイルＬ１端面との距離ｆ１は、例えば、０〜１０ｍｍ程度であり、調整板Ｍのあおり角は、例えば、０〜４５度の範囲で、Ｖ２＝０とするような調整が可能となる。

【0058】

次に、本発明で用いる平面型コイルの詳細について説明する。

【0059】

図７は、本発明で用いる平面型コイルの構成例を示す図である。同図（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は正面図を示す。

【0060】

同図に示すように、平面型コイル７００は、２つの平面コイル７１１，７１２を備え、２つの平面コイル７１１，７１２は、上下方向に積層されている。

【0061】

本実施形態においては、各平面コイル７１１，７１２は、３０ｋＨｚ帯の高周波電流による損失を低減するために、直径５０μｍ程度の銅素線２０〜３０本を撚糸したリッツ線を用い、これを矩形状に平面巻線することで形成されており、厚み０．５ｍｍ以下の平面コイルシートとして実装されている。矩形状の平面コイルの形状寸法の最大値は、送信コイルＬ１磁束の発散角と送信コイルＬ１からの距離で決まり、車輪移動方向に沿う長辺は、例えば、１０ｃｍ程度となる。

【0062】

このような単層平面コイルを用いた場合、１００ｋｍ／ｈ程度の列車速度において、例えば、パルス幅が１ｍ秒程度と処理しやすい過渡信号を得ることができる。

【0063】

送信コイルＬ１と受信コイルＬ２との間の距離が離れるとともに発散磁束密度が下がり、また車輪による磁束遮蔽効果も減ずるので、平面コイル短辺の有効長は、例えば、３〜８ｃｍ程度となる。平面コイルは非共振で信号検出するので、磁束検出感度を上げるために、巻線はコイルの自己共振周波数がＬ１駆動周波数以下にならない範囲で最大巻線長とする必要があり、巻線が長短両辺で囲まれる領域に収まるよう、リッツ線径が決まることになる。通常、平面コイル一枚あたり最大インダクタンスとして１〜２ｍＨ程度なので、複数の平面コイルを積層することで、検出感度が上げられる。

【0064】

図７では、２層コイルの例を示しているが、例えば、１０層程度積層させて、コイル厚み５ｍｍ以下、自己インダクタンス１０〜２０ｍＨ程度の多層コイルとすることもできる。磁束変化の角度分解精度については、例えば、短辺５ｃｍの平面コイルで得られる精度は、±０．５度程度となり、Ｖ２最小化のために送信コイルＬ１の拡散磁束面内での受信コイルＬ２の配置位置調整で高精度な調整が可能となる。積層平面コイルの厚みについては、例えば、コイル辺長さの１〜１０％が実用範囲となる。

【0065】

積層コイルではインピーダンスが高くなるが、静電シールドを用いることにより、雑音電圧Ｖ３を下げることができる。図７に示した例では、平面コイル７１１，７１２を挟むように、一対の静電シールド部材７２１，７２２が設けられている。各静電シールド部材７２１，７２２は、例えば、線径０．３ｍｍ程度の銅線すだれ（すれだ状ワイヤ）によって構成されており、当該銅線すだれの一端をシールド接地とすることで高周波磁束透過に影響することなく、静電遮蔽をおこなうことが可能となる。

【0066】

図８は、図７に示した平面型コイルを構成する各平面コイルの構成例を示す図である。図８（ａ）は、上側に配置される平面コイルの平面図を示し、同図（ｂ）は、下側に配置される平面コイルの平面図を示す。

【0067】

同図に示すように、上側平面コイル８１０は、コイル外縁付近に配置された巻線開始端８１１から、コイル中心付近に配置された巻線終了端８１２に向かって、左巻きに巻回されている。

【0068】

一方、下側平面コイル８２０は、コイル中心付近に配置された巻線開始端８２１から、コイル外縁付近に配置された巻線終了端８２２に向かって、左巻きに巻回されている。

【0069】

上下方向に隣接する一対の平面コイルを、同図に示すように巻回することにより、上側平面コイル８１０の巻線終了点８１２と、下側平面コイル８２０の巻線開始端８２１とは、共に、コイル中心付近に配置されることとなるので、上側平面コイル８１０（巻線終了端８１２）と下側平面コイル８２０（巻線開始端８２１）との結線が容易に行えるようになる。例えば、プリント配線基板の両面に形成された配線パターンによって二層の平面コイルを実装する場合にも、同図に示すような巻線パターンを形成することにより、一つの貫通接続孔で、プリント配線基板の両面に形成された平面コイル間の結線が実現できるようになる。また、線材で平面コイルを実装する場合は、隣接する平面コイルを接続する接続線がコイル面を横切らないので、積層面に凹凸が生じず、平面型コイルの平面性を確保することが可能となる。

【0070】

また、上側平面コイル８１０の巻線開始端８１１と、下側平面コイル８２０の巻線終了端８２２とは、共に、コイル外縁付近に配置されることとなるので、外部との結線も容易に行えるようになる。

【0071】

《第一実施形態》
図９は、本発明による第一の車輪検知器（第一実施形態）の構成を説明するための図である。

【0072】

同図に示すように、本発明による第一の車輪検知器９００は、送信コイルＬ１と、受信コイルＬ２と、調整板Ｍとを備える。送信コイルＬ１と、受信コイルＬ２とは、レール１０を挟むようにレール１０の両側に配置される。

【0073】

送信コイルＬ１は、筒型コイルによって構成され、水平面（地面）に対して所定の角度をなすように配置される。一方、受信コイルＬ２は、平面型コイルによって構成され、送信コイルＬ１によって形成される磁束に沿うように配置される。すなわち、受信コイルＬ２の平面コイル面を垂直に貫くＬ１磁束による起電力を近似的に無視でき、ゆるやかな磁束拡散面内に平面コイル面が近似的に入るような位置に配置される。

【0074】

調整板Ｍは、金属板によって構成されており、送信コイルＬ１の後方に配置される。調整板Ｍを構成する金属板は、銅やアルミニウム等の高導電率材料からなるものであり、例えば、最小サイズの場合は、送信コイルＬ１のコイル断面と同程度の大きさに形成され、最大サイズの場合は、受信コイルＬ２と同程度の大きさに形成される。また、調整板Ｍは、角度調節機構（不図示）によって、送信コイルＬ１の主軸９０１に対する板面の角度を調節できるように構成されている。

【0075】

受信コイルＬ２のＺ軸方向位置は、車輪２０のフランジ２１との接触を避けるために、レール１０の上面から、例えば、５ｃｍ以上垂直下方に位置する。送信コイルＬ１と受信コイルＬ２との間隔ｇは、Ｌ１磁束の発散が少ない範囲として上限は、例えば、４０ｃｍ程度であり、また下限は、車輪２０による磁束遮蔽効果が高く、かつ、受信コイルＬ２位置での磁束面が平面近似できる範囲として、例えば、２５ｃｍ程度の範囲内で最適化される。

【0076】

受信コイルＬ２近傍での磁束は、送信コイルＬ１の主軸９０１について軸対称になるよう、ゆるやかに発散する磁束面を形成している。

【0077】

同図に示した車輪検知器９００の調整は、例えば、次のようにして行われる。

【0078】

まず、受信コイルＬ２面を垂直貫通する磁束成分による起電力を車輪有り時にゼロに調整するが、このとき受信コイル面をＺ軸方向に貫通する磁束は、車輪による遮蔽から外れたＬ１磁束のほか、磁束発散面が曲率を有することによる平面性からの「ずれ」が残留する。この残留磁束を消すために、調整板Ｍが有効なコイル間距離ｇは、例えば、送信コイルＬ１が５０ｍｍ角矩形コイルの場合、２０〜３０ｃｍの範囲にある。

【0079】

車輪有り条件でＶ２を最小（ゼロ）にする調整は、まず、例えば、調整板Ｍの位置が送信コイルＬ１からの距離ｆ１＝０〜５ｍｍにおいて、Ｌ１軸交叉角β＝０とし、受信コイルＬ２を設定許容範囲で、車輪フランジ２１に最近接する位置に配置し、Ｖ２が極小となるよう、ＹＺ面内で煽り角δを調整する。この段階では、必ずしも最小値Ｖ２＝０とはならない。

【0080】

次に、車輪無し条件で、Ｖ１が最大となるよう、ＹＺ面内で、送信コイルＬ１の主軸９０１の煽り角αとコイル間隔ｇを調整する。この時、受信コイルＬ２は、軸９０１から垂直距離ｈだけ外れた所に位置するので、Ｌ１磁束の発散ベクトル面は、ほぼδと同程度の傾斜面となる。この傾きは主としてコイル間距離ｇと、送信コイルＬ１のコイル角αで決まり、例えば、ｇが２５０ｍｍ、αが２０〜３０度のとき、δはおよそ２０〜３０度となる。

【0081】

次に、再度、車輪有り条件で、受信コイルＬ２の煽り角δをＶ２が極小となるよう微調整すると、送受信コイル対の平衡位置として、Ｖ２が極小となる位置が定まる。最終調整として、調整板Ｍの煽り角βを調整することによって、Ｖ２をほぼ０とすることができる。β角調整によって、受信コイルＬ２位置における磁束拡散面をＹＺ面内で微小角変化させることで、Ｖ２のＬ１磁束に比例する成分を打ち消すことができる。

【0082】

一連の調整は、コイル間距離ｇが決まれば、設置現場で行う必要があるのはβの調整のみとなり、ｇ、α、δは、予め別の場所（例えば、出荷前の工場内）で決めることができる。これにより、Ｖ２＝０を含むＳ／Ｎ最大化における車輪検知器の現地調整作業が著しく簡単になる。

【0083】

《第二実施形態》
次に、車輪検知器の別の実施形態について説明する。以下では、基本的に、前述した第一実施形態と相違する部分についてのみ説明する。第一実施形態と同様の構成要素については、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

【0084】

図１０は、本発明による第二の車輪検知器（第二実施形態）の構成を説明するための図である。

【0085】

同図に示すように、本発明による第二の車輪検知器１０００は、送信コイルＬ１と、受信コイルＬ２と、調整板Ｍと、筒状磁性部材Ｄ１と、磁性板Ｄ２とを備える。第二の車輪検知器１０００は、前述した第一の車輪検知器９００に、筒状磁性部材Ｄ１と、磁性板Ｄ２とを追加したものである。

【0086】

筒状磁性部材Ｄ１は、筒状の形状を有する磁性体であって、送信コイルＬ１の前方に配置される。磁性板Ｄ２は、板状の形状を有する磁性体であって、受信コイルＬ２の下方に配置される。

【0087】

本発明における平面型コイルと調整板による効果は、Ｖ２をほぼ０とすることを可能とするところにあるが、さらにＬ１軸上の磁束放射部に、筒状磁性部材Ｄ１を磁極部材として挿入し、Ｌ１磁束発散を受信コイルＬ２位置方向に誘導することにより、例えば、Ｖ１を２０〜３０％改善することができ、Ｓ／Ｎ＝６０ｄＢを超す性能を実現することが可能となる。

【0088】

平面コイル面が、Ｌ１磁束の緩やかな発散面にあるときに、検出電圧は平面コイル面にわたる経路積分の結果として得られるので、車輪有り時の最終的な微調整を、受信コイル面の一部に微小な磁束ベクトル変化を与えることで実現できる。

【0089】

また、受信コイルＬ２の下方に磁性板Ｄ２を挿入することにより、受信コイルＬ２近傍での磁束発散面を局部的に垂直方向に引き下げ、調整板Ｍによる調整をさらに容易とすることができる。磁性板Ｄ２は、例えば、受信コイルＬ２を構成する平面コイルの１０〜５０％程度の面積のもので十分な効果を得ることができる。

【0090】

筒状磁性部材Ｄ１及び磁性板Ｄ２は、車輪検知時の動作環境に適合する必要があり、例えば、高温まで安定動作の可能なフェライトや磁性金属微粒子系材料、アモルファス金属磁性体などによって構成される。

【0091】

《第三実施形態》
図１１は、本発明による第三の車輪検知器（第三実施形態）の構成を説明するための図である。

【0092】

同図に示すように、本発明による第三の車輪検知器１１００は、送信コイルＬ１と、受信コイルＬ２と、調整板Ｍと、筒状磁性部材Ｄ１と、磁性板Ｄ２と、第二の磁性板Ｄ３とを備える。第二の磁性板Ｄ３は、受信コイルＬ２の下方であって、レール１０寄りの位置に配置される。第三の車輪検知器１１００は、前述した第二の車輪検知器１０００に、第二の磁性板Ｄ３を追加したものである。

【0093】

磁性板Ｄ２に加え、さらに、第二の磁性板Ｄ３を、受信コイルＬ２より垂直位置下方のレール１０側に挿入することにより、磁性板Ｄ２調整時の平面コイル内磁束バランスの操作を拡大することができる。受信コイルＬ２を固定したうえで、磁性板Ｄ２及び磁性板Ｄ３として、受信コイルＬ２面積の２０％程度の広がりをもつ磁性体を使用したとき、Ｖ２を概ね０とする調整時の磁性板Ｄ２の位置操作が、例えば、３０ｍｍ程度にわたって可能となり、調整作業の効率化とコイルの安定動作に寄与する。

【0094】

第二の磁性板Ｄ３についても、筒状磁性部材Ｄ１及び磁性板Ｄ２と同様、車輪検知時の動作環境に適合する必要があり、例えば、高温まで安定動作の可能なフェライトや磁性金属微粒子系材料、アモルファス金属磁性体などによって構成される。

【0095】

《第四実施形態》
図１２は、本発明による第四の車輪検知器（第四実施形態）の構成を説明するための図である。

【0096】

同図に示すように、本発明による第四の車輪検知器１２００は、送信コイルＬ１と、受信コイルＬ２と、調整板Ｍ１，Ｍ２と、筒状磁性部材Ｄ１と、磁性板Ｄ２と、第二の磁性板Ｄ３とを備える。

【0097】

本実施形態においては、Ｌ１磁束補正用の調整部材が、２つの調整板、すなわち、粗調用の調整板Ｍ１と，微調用の調整板Ｍ２とによって構成されている。調整板Ｍ１，Ｍ２はそれぞれ、角度調節機構（不図示）によって、送信コイルＬ１の主軸９０１に対する板面の角度を調節できるように構成されている。

【0098】

粗調用の調整板Ｍ１は、送信コイルＬ１に近い位置に配置されて、補正のほとんどを担うものである。一方、微調用の調整板Ｍ２は、粗調用の調整板Ｍ１の後方に配置され、微調整のために使用されるものである。

【0099】

本実施形態においては、Ｌ１磁束補正用の調整部材を２つの調整板Ｍ１，Ｍ２によって構成するようにしているので、高Ｓ／Ｎ時のＶ２を０にする調整を設置現場で行うときの作業がさらに容易となり、実装信頼性を高くすることが可能となる。

【0100】

《第五実施形態》
図１３及び図１４は、本発明による第五の車輪検知器（第五実施形態）の構成を説明するための図である。

【0101】

図１３及び図１４に示すように、本発明による第五の車輪検知器１３００は、送信コイルＬ１と、受信コイルＬ２と、調整板Ｍと、磁性板Ｄ２と、補償コイルＬ３とを備える。第五の車輪検知器１３００は、前述した第一の車輪検知器９００に、磁性板Ｄ２と、補償コイルＬ３とを追加したものである。

【0102】

補償コイルＬ３は、受信コイルＬ２と同様に、平面型コイルによって構成される。

【0103】

図１３と図１４とでは、補償コイルＬ３の配置位置が異なっている。すなわち、図１３は、磁性板Ｄ２が、受信コイルＬ２と補償コイルＬ３とによって挟まれるように、補償コイルＬ３を配置した例を示し、図１４は、受信コイルＬ２と磁性板Ｄ２とによって挟まれるように、補償コイルＬ３を配置した例を示している。

【0104】

前述したように、調整板Ｍと磁性板Ｄ２によって、Ｖ２を極小化でき、高Ｓ／Ｎが、Ｖ１のみの調整で得られるようになるが、コイル駆動電力を低減するためには、Ｖ３は小なることが望ましい。通常、レールには、区間制御等のために数十Ｈｚ〜ｋＨｚの信号電流（軌道電流）が流れており、Ｌ１駆動電流が低く、Ｖ１が小さくなるか、もしくは、軌道電流レベルが高いとき、当該電流に起因する磁束Ψ２からの電圧が、受信コイルＬ２の検出電圧に信号雑音として重畳し、Ｓ／Ｎ低下の要因となる。車輪有り時に、送信コイルＬ１からの磁束Ψ１が受信コイルＬ２を貫通することによる誘起電圧は、調整板Ｍや磁性板Ｄ２等によりゼロとすることができるが、軌道電流は、送信コイルＬ１と空間的に独立成分であることから、受信コイルＬ２に対し、磁束Ψ２による電圧成分ゼロの条件とは一致しない。

【0105】

本実施形態においては、磁束Ψ２の寄与を補償するために、補償コイルＬ３を用いる。補償電圧が有効となるためには、補償コイルＬ３の検出電圧位相が受信コイルＬ２の検出電圧位相と合致する必要があることから、補償コイルＬ３は、受信コイルＬ２近傍に設置することになる。その結果、補償コイルＬ３の信号には、送信コイルＬ１の磁束による誘起電圧を含むことになり、そのままでは、Ｓ／Ｎ低下を引き起こすことになる。

【0106】

図１５は、車輪検知器１３００において、受信コイルＬ２及び補償コイルＬ３の出力信号を処理する信号処理システムの構成例を示す図である。

【0107】

同図に示すように、信号処理システム１５００は、受信コイルＬ２と、補償コイルＬ３と、帯域除去フィルタ１５１０と、差動アンプ１５２０とを備える。

【0108】

帯域除去フィルタ１５１０は、補償コイルＬ３の出力から、送信コイルＬ１の駆動周波数の信号を除去するためのものであって、帯域除去フィルタ１５１０の出力は、差動アンプ１５２０の一方（−）の入力端子に接続されている。

【0109】

差動アンプ１５２０は、受信コイルＬ２の出力から、軌道電流の影響を除去するためのものであって、例えば、オペアンプによって構成される。差動アンプ１５２０の一方（＋）の入力端子には、受信コイルＬ２の出力が接続され、差動アンプ１５２０の他方（−）の入力端子には、帯域除去フィルタ１５１０の出力が接続されており、差動アンプ１５２０は、受信コイルＬ２の出力信号（電圧）と、帯域除去フィルタ１５１０の出力信号（電圧）の差に比例した信号（電圧）を出力する。

【0110】

以上のような構成を有する信号処理システム１５００を使用することにより、補償コイルＬ３の検出電圧から、送信コイルＬ１の磁束成分による電圧を排除することができ、これによってＳ／Ｎ低下なく、受信コイルＬ２の検出信号に含まれる軌道電流の影響を補償することが可能となる。

【0111】

補償コイルＬ３及び受信コイルＬ２位置における磁束ベクトルは、Ψ１、Ψ２ともに異なる曲率を有するので、軌道電流磁束補償のための補償コイルＬ３の仰角γは、受信コイルＬ２の仰角δと異なる値となる。

【0112】

以上説明したように、上述した車輪検知器によれば、高Ｓ／Ｎを実現することが可能となる。

【0113】

また、一度送信コイルＬ１及び受信コイルＬ２の位置・角度を固定すると、その後のＶ２をほぼ０とする調整が、例えば、調整板Ｍの仰角と磁性板Ｄ２の水平位置の調整のみで行え、実用時の調整が簡素となる。また、Ｖ２がほぼ０となる磁束遮蔽が、車輪寸法規模の物体の近接によってのみ検出信号として得られるので、車輪検出システムの信頼性が高くなる。

【符号の説明】

【0114】

Ｌ１ 送信コイル
Ｌ２ 受信コイル
Ｌ３ 補償コイル
Ｓ 感度領域
Ｍ，Ｍ１，Ｍ２ 調整板
Ｄ１ 筒状磁性部材
Ｄ２ 磁性板
Ｄ３ 第二の磁性板
１０ レール
１１ 車輪移動方向
２０ 車輪
２１ フランジ
４１ 円筒型コイル
７００ 平面型コイル
７１１，７１２ 平面コイル
７２１，７２２ 静電シールド部材
８１０ 上側平面コイル
８１１ 巻線開始端
８１２ 巻線終了端
８２０ 下側平面コイル
８２１ 巻線開始端
８２２ 巻線終了端
９００ 第一の車輪検知器
９０１ 送信コイルＬ１の主軸
１０００ 第二の車輪検知器
１１００ 第三の車輪検知器
１２００ 第四の車輪検知器
１３００ 第五の車輪検知器
１５００ 信号処理システム
１５１０ 帯域除去フィルタ
１５２０ 差動アンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】