特開 2023-181824 レール状態監視装置およびレール状態監視方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023181824

(43)【公開日】2023-12-25

(54)【発明の名称】レール状態監視装置およびレール状態監視方法

(51)【国際特許分類】

   B61L 23/04 20060101AFI20231218BHJP

   B61K 9/08 20060101ALI20231218BHJP

   G01N 27/83 20060101ALI20231218BHJP

【ＦＩ】

B61L23/04

B61K9/08

G01N27/83

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022095175

(22)【出願日】2022-06-13

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川畑 龍三

(72)【発明者】

【氏名】緒方 邦臣

【テーマコード（参考）】

2G053

【Ｆターム（参考）】

2G053AA11

2G053AB22

2G053BA03

2G053BA13

2G053BC02

2G053BC14

2G053CA03

2G053CB24

2G053CB29

2G053DA01

2G053DA09

2G053DA10

2G053DB03

(57)【要約】

【課題】レール破断とレール継目を弁別する。
【解決手段】レール状態監視装置は、線路を構成する左右の鉄道レール上を走行する列車に設けられた複数の検出装置と、処理装置とを備える。列車は、一つまたは複数の車両の編成である。複数の検出装置の各々について、当該検出装置は、鉄道レールに対向した一つ以上の磁気センサ部である磁気センサ部群を有し、磁気センサ部は、当該磁気センサ部が鉄道レールにおける特異箇所上を通過するときに当該特異箇所を検出し、当該検出装置は、磁気センサ部群による検出の結果に基づく信号を出力する。複数の検出装置は、列車に左右対称に設けられた検出装置、および／または、列車に前後に設けられた検出装置を含む。処理装置は、複数の検出装置からそれぞれ出力された信号を受信し、複数の検出装置からの信号に基づく検知信号を基に、特異箇所がレール継目箇所であるかレール破断箇所であるかを弁別する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

線路を構成する左右の鉄道レール上を走行する列車に設けられた複数の検出装置と、
処理装置と
を備え、
前記列車は、一つまたは複数の車両の編成であり、
前記複数の検出装置の各々について、
当該検出装置は、鉄道レールに対向した一つ以上の磁気センサ部である磁気センサ部群を有し、
磁気センサ部は、当該磁気センサ部が前記鉄道レールにおける特異箇所上を通過するときに当該特異箇所を検出し、
当該検出装置は、前記磁気センサ部群による検出の結果に基づく信号を出力し、
前記複数の検出装置は、前記列車に左右対称に設けられた検出装置、および／または、前記列車に前後に設けられた検出装置を含み、
前記処理装置は、
前記複数の検出装置からそれぞれ出力された信号を受信し、
前記複数の検出装置からの信号に基づく検知信号を基に、前記特異箇所がレール継目箇所であるかレール破断箇所であるかを弁別する、
レール状態監視装置。

【請求項2】

前記処理装置は、
前記列車に左右対称に設けられた検出装置の両方についての検出信号が特異箇所を表している場合、当該特異箇所がレール継目箇所であると判定し、
前記列車に左右対称に設けられた検出装置の片方についての検出信号が特異箇所を表している場合、当該特異箇所がレール破断箇所であると判定する、
請求項１に記載のレール状態監視装置。

【請求項3】

前記処理装置は、
前記列車に前後に設けられた検出装置の両方についての検出信号が特異箇所を表している場合、当該特異箇所がレール継目箇所であると判定し、
前記列車に前後に設けられた検出装置の片方についての検出信号が特異箇所を表している場合、当該特異箇所がレール破断箇所であると判定する、
請求項１に記載のレール状態監視装置。

【請求項4】

前記列車に前後に設けられた検出装置は、先頭車両に設けられた検出装置と、最後尾車両に設けられた検出装置とを含む、
請求項３に記載のレール状態監視装置。

【請求項5】

前記処理装置は、特異箇所としてのレール継目箇所と、特異箇所としてのレール破断箇所とのうち少なくとも一方を表す表示オブジェクトの表示用情報を出力する、
請求項１に記載のレール状態監視装置。

【請求項6】

前記表示用情報は、表示オブジェクトが表す特異箇所の位置の表示オブジェクトを表す情報を含む、
請求項５に記載のレール状態監視装置。

【請求項7】

前記処理装置は、レール破断箇所が判定された場合、当該レール破断箇所がいずれのレールに存在するかを特定する、
請求項１に記載のレール状態監視装置。

【請求項8】

特異箇所の弁別により、レール継目箇所が判定された場合、前記処理装置は、レール継目箇所の既知の位置を基に、前記列車の位置を推定する、
請求項１に記載のレール状態監視装置。

【請求項9】

前記処理装置は、
検出された特異箇所が等間隔の特異箇所の場合、それらの特異箇所はいずれもレール継目箇所であると判定し、
検出された特異箇所が等間隔でない特異箇所を含む場合、検出された特異箇所のうち等間隔の特異箇所以外の特異箇所がレール破断箇所であると判定する、
請求項１に記載のレール状態監視装置。

【請求項10】

前記検出装置は、前記鉄道レールの踏み面を交流磁界で励磁し、前記鉄道レールに発生する磁束の流れの乱れに基づいて、前記鉄道レールの特異箇所を検出する装置であり、
前記一つ以上の磁気センサ部の各々は、受信コイルと、当該受信コイルを挟む二つの発信コイルとを含み、
前記処理装置は、
前記検知信号の極値間の距離と前記発振コイル間の距離との関係が所定の関係である場合、検出された特異箇所がレール継目箇所であると判定し、
前記検知信号の極値間の距離と前記発振コイル間の距離との関係が前記所定の関係でない場合、検出された特異箇所がレール破断箇所であると判定する、
請求項１に記載のレール状態監視装置。

【請求項11】

線路を構成する左右の鉄道レール上を走行する列車に設けられた複数の検出装置から出力された信号を受信し、
前記列車は、一つまたは複数の車両の編成であり、
前記複数の検出装置の各々について、
当該検出装置は、鉄道レールに対向した一つ以上の磁気センサ部である磁気センサ部群を有し、
磁気センサ部は、当該磁気センサ部が前記鉄道レールにおける特異箇所上を通過するときに当該特異箇所を検出し、
当該検出装置は、前記磁気センサ部群による検出の結果に基づく信号を出力し、
前記複数の検出装置は、前記列車に左右対称に設けられた検出装置、および／または、前記列車に前後に設けられた検出装置を含み、
前記複数の検出装置からの信号に基づく検知信号を基に、前記特異箇所がレール継目箇所であるかレール破断箇所であるかを弁別する、
レール状態監視方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概して、レール状態監視に関する。

【背景技術】

【0002】

検測レールの表面傷や横裂傷を検出する磁気誘導式レール探傷装置が特許文献１に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－１０２１９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

線路内には、レールとレールの継目が存在する。また、レールの傷（特に横裂傷）または他の原因で、レールに破断が生じることがある。レール継目やレール破断がある箇所では、少なくともレール表面の少なくとも一部がレール長手方向に分離した状態である。

【0005】

特許文献１に記載されている磁気誘導式レール探傷装置は、検測レールの表面傷や横裂傷を検出できるものの、レール破断とレール継目とを弁別することはできない。

【0006】

本発明の目的は、レール破断とレール継目を弁別することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、代表的な本発明のレール状態監視装置の一つは、線路を構成する左右の鉄道レール上を走行する列車に設けられた複数の検出装置と、処理装置とを備える。列車は、一つまたは複数の車両の編成である。複数の検出装置の各々について、当該検出装置は、鉄道レールに対向した一つ以上の磁気センサ部である磁気センサ部群を有し、磁気センサ部は、当該磁気センサ部が鉄道レールにおける特異箇所上を通過するときに当該特異箇所を検出し、当該検出装置は、磁気センサ部群による検出の結果に基づく信号を出力する。複数の検出装置は、列車に左右対称に設けられた検出装置、および／または、列車に前後に設けられた検出装置を含む。処理装置は、複数の検出装置からそれぞれ出力された信号を受信し、複数の検出装置からの信号に基づく検知信号を基に、特異箇所がレール継目箇所であるかレール破断箇所であるかを弁別する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、レール破断とレール継目を弁別できる。

【0009】

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態によるレール状態監視装置の模式図である。

【図2】第１実施形態における検出装置の斜視図である。

【図3】第１実施形態における検出装置の底面図である。

【図4】第１実施形態における検出装置の一部切欠平面図である。

【図5】第１実施形態の動作状態を示す模式図である。

【図6】第１実施形態の他の動作状態を示す模式図である。

【図7】検出装置の配置の例を示す模式図である。

【図8】第１実施形態によるレール状態監視装置のブロック図である。

【図9】発振コイルに供給される励磁電流の周波数特性図である。

【図10】検波部のブロック図である。

【図11】レール状態監視処理のフローチャートである。

【図12】表示部に表示される表示画像の例を示す図である。

【図13】第２実施形態によるレール状態監視装置のブロック図である。

【図14】第３実施形態によるレール状態監視装置のブロック図である。

【図15】継目箇所とレール破断箇所の一例を示す模式図である。

【図16】継目箇所に関する検知信号（時系列波形）の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、幾つかの実施形態を、図面を用いて説明する。
［第１実施形態］
＜第１実施形態の外部構成＞

【0012】

図１は、本発明の第１実施形態のレール状態監視装置の模式図である。

【0013】

図１において、レール状態監視装置１は、検出装置２と、処理装置３と、接続ケーブル６４と、電源１１１と、を備えている。レール状態監視装置１は、列車における一台以上の車両２００（鉄道車両）の各々に搭載される。検出装置２は鉄道レール１００の踏み面１００ａに対向する位置に設置され、処理装置３と電源１１１とは車両２００の車内に設置される。電源１１１は、検出装置２と処理装置３とに対して、駆動電流を供給し、検出装置２と処理装置３とを動作させる。

【0014】

車両２００は、検査対象となる鉄道レール１００（以下、レール１００）上を走行する。すなわち、車両２００の車輪１１２は、踏み面１００ａに接触しつつ回転する。その際、検出装置２は、レール１００の状態を検出し、検出結果となる信号は接続ケーブル６４を介して処理装置３に送られる。そして、処理装置３において信号収集、信号解析および表示等の処理が実行され、レール１００の状態に係るモニタリングを行うことができる。なお、電源１１１は、車内に備わった交流１００Ｖで駆動させる安定化電源回路であってもよく、バッテリーが内蔵された無停電電源装置であってもよい。なお、レール１００の枕木５００等に「地上子」と呼ばれる物が埋設されていてよく、車両２００には「車上子」と呼ばれる物が設置されていてもよい。

【0015】

図２は、検出装置２の斜視図である。なお、以下の説明では、親符号と枝符号とで構成された符号が付されている同種の要素の説明では、いずれの要素でもよい場合には枝符号を除いて説明し、要素を区別する場合には親符号と枝符号で構成された符号を使用する。

【0016】

図２において検出装置２は、相互に固定された下部筐体２０（第１の筐体の一例）と、上部筐体２６（第２の筐体の一例）と、フランジ２５と、を備えている。下部筐体２０および上部筐体２６は略直方体状に形成され、下部筐体２０の上面と上部筐体２６の下面とは結合されている。また、フランジ２５は、矩形板状に形成され上部筐体２６の上面に固定されている。上部筐体２６の一側面には、コネクタ２８が装着されている。また、接続ケーブル６４の一端にはコネクタ６２が装着されている。コネクタ２８および６２は嵌合可能になっており、両者が嵌合することによって、検出装置２と処理装置３（図１参照）とが接続ケーブル６４を介して双方向に通信可能になる。コネクタ２８および６２は、気密かつ防水構造を備えており、両者を嵌合した際に、検出装置２および接続ケーブル６４の内部に水、油、粉塵等が浸入することを防止する。コネクタ２８は貫通式コネクタが好ましいが、貫通式ではないコネクタであってもよい。

【0017】

フランジ２５の四隅には貫通孔２５ａが形成されている。また、車両２００（図１参照）は、検出装置２を配置する箇所において、貫通孔２５ａに対向する位置にネジ穴（図示せず）を備える。そして貫通孔２５ａにボルト（図示せず）を挿入し、車両２００に形成されたネジ穴に当該ボルトを締め付けると、検出装置２が車両２００の所定位置に固定される。下部筐体２０は、レール１００（図１参照）の状態を検出するための磁気センサ部群７７を内蔵している。磁気センサ部群７７は、Ｎ個の磁気センサ部の集合である。本実施形態ではＮは２以上の整数であるが、Ｎは１でもよい。また、上部筐体２６は、磁気センサ部群７７における各磁気センサ部によって検出された信号を増幅するプリアンプ部２１０を内蔵している。なお、磁気センサ部群７７およびプリアンプ部２１０の詳細については後述する。

【0018】

上述したように、検出装置２は車両２００の所定位置に固定されるが、この所定位置とは、レール１００の幅方向の中心線（図示せず）と、磁気センサ部群７７の幅方向の中心線ＣＬ（図３参照）と、を一致させる位置であることが好ましい。また、中心線ＣＬは、検出装置２の中心に対応させること（検出装置２の幅方向の中心線であること）が好ましい。また、下部筐体２０および上部筐体２６の内部空間には、絶縁材料かつ非磁性材料である充填材（図示せず）が充填され、樹脂モールド構造を構成している。これにより、磁気センサ部群７７およびプリアンプ部２１０は、下部筐体２０および上部筐体２６の内部で固定保持され、車両走行による振動や衝撃による磁気センサ部群７７およびプリアンプ部２１０の異常や、位置変動による配置ずれを防止することができる。なお、図２に示した例において、下部筐体２０および上部筐体２６は略直方体状であるが、これらの形状は、立方体状、円柱状、角柱状等、他の形状であってもよい。

【0019】

図３は、検出装置２の底面図である。

【0020】

図３に示すように、磁気センサ部群７７は、下部筐体２０の幅方向、すなわちレール１００（図１参照）の幅方向に沿って列をなすように配列されたＮ個（本実施形態ではＮは上述の通り２以上の整数）の磁気センサ部２１－１～２１－Ｎを有している。

【0021】

また、磁気センサ部２１－ｋ（ｋは、１～Ｎのうちの任意の整数）は、発振コイル５Ａ－ｋと、発振コイル５Ｂ－ｋと、受信コイル６－ｋと、を有している。これら各コイルは、被覆銅線を巻回して構成されている。

【0022】

発振コイル５Ａ－ｋと、受信コイル６－ｋと、発振コイル５Ｂ－ｋとは、レール１００（図１参照）の敷設方向に沿って配置され、受信コイル６－ｋは、発振コイル５Ａ－ｋと発振コイル５Ｂ－ｋとの間に等間隔になるように配置されている。発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋには、処理装置３（図１参照）から、接続ケーブル６４を介して、所定の発振周波数ｆ（所定周波数）の交流電流が供給される。これにより、発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋから各々交流磁界が発生してレール１００を励磁し、励磁した鉄道レールから発生した磁束によって、受信コイル６－ｋには誘起電圧が発生する。

【0023】

図４は、検出装置２の一部切欠平面図である。すなわち、図４においては、フランジ２５の中央部を切り欠いて、上部筐体２６の内部を露出させている。

【0024】

図４において、プリアンプ部２１０は、増幅フィルタ部群７９と、加速度センサ部２１２と、角速度センサ部２１４と、温度センサ部２１６と、これらを実装するプリント基板２１０ａと、を備えている。増幅フィルタ部群７９は、上述した磁気センサ部２１と同数の（Ｎ個の）増幅フィルタ部２２－１～２２－Ｎを有している。磁気センサ部２１と増幅フィルタ部２２は１：１で対応していてよい。

【0025】

増幅フィルタ部２２－ｋ（ｋは、１～Ｎのうちの任意の整数）は、受信コイル６－ｋで生じた誘起電圧に対して増幅およびフィルタ処理を行い、接続ケーブル６４（図１参照）を介して、その結果を処理装置３に送信する。処理装置３は、受信した信号に対して解析処理を行い、鉄道レール１００から発生した磁気信号を検出する。

【0026】

下部筐体２０には、非磁性体の材質が適用されている。これは、下部筐体２０は、交流磁界を発生させる発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋと、鉄道レールから発生した磁束を検出する受信コイル６－ｋと、を内蔵するためである。特に、検出装置２の設置環境が屋外かつ車両走行下であることを考慮し、下部筐体２０の材質には、耐衝撃性および耐環境性に優れた繊維強化樹脂等を採用することが好ましい。

【0027】

一方、プリアンプ部２１０を内蔵する上部筐体２６の材質には、電磁シールドとして機能するアルミニウム等の金属が適用されている。これは、プリアンプ部２１０から発生する電磁波を遮蔽するとともに、外部からプリアンプ部２１０に混入する電磁波を抑制するためである。また、上部筐体２６と、フランジ２５とは、一体構造にすることが好ましい。すなわち、金属ブロックを切削加工することによってフランジ２５および上部筐体２６を形成することが好ましい。これにより、フランジ２５および上部筐体２６の強度的なロバスト性を向上させることができ、検出装置２の構成部品数も少なくすることができる。

【0028】

下部筐体２０はインサートナット（図示せず）を備えており、上部筐体２６とネジ止めされている。さらに、下部筐体２０と上部筐体２６とは、対候性、耐熱性および耐寒性に優れたシリコーン接着剤で接着されて一体化されている。また、プリント基板２１０ａに加速度センサ部２１２および角速度センサ部２１４を搭載することによって、車両２００の走行時における検出装置２の動きを捉えることができる。

【0029】

また、プリント基板２１０ａに温度センサ部２１６を備えることで、基板の温度をモニタできるため、増幅フィルタ部２２の発熱による動作状態の変化を常時確認できる。また、プリアンプ部２１０が上部筐体２６内に密閉されているため、温度センサ部２１６の検出温度は、外気温よりも高くなる。そのため、予め外気温と上部筐体２６内の温度との関係を表す情報（例えば、温度センサ部２１６の検出温度を入力とし外気温を出力とする情報（例えば、テーブルまたは機械学習モデル））を処理装置３に設定しておき、処理装置３が、その情報を用いれば、温度センサ部２１６の検出温度から車両走行時の外気温を推定できる。

【0030】

検出装置２と処理装置３とを接続する接続ケーブル６４は、プリアンプ部２１０の電源線と、各受信コイル６－１～６－Ｎからの（増幅フィルタ部群７９を介する）出力信号線と、各発振コイル５Ａ－１～５Ａ－Ｎおよび５Ｂ－１～５Ｂ－Ｎへの励磁信号の入力信号線と、加速度センサ部２１２、角速度センサ部２１４、温度センサ部２１６の出力信号線と、を含む。従って、接続ケーブル６４には、ツイストペアシールド線等のノイズ耐性に優れた多対シールドケーブルを適用することが好ましい。また、接続ケーブル６４内のクロストーク等の対策として、接続ケーブル６４を二本のケーブルに分割してもよい。すなわち、一方のケーブルは、プリアンプ部２１０の電源線と増幅フィルタ部群７９からの各受信コイル６－ｋの出力信号線とを含んだ多対シールドケーブルにするとよい。また、他方のケーブルは、各発振コイル５Ａ－ｋおよび各発振コイル５Ｂ－ｋへの励磁信号の入力信号線と、加速度センサ部２１２、角速度センサ部２１４および温度センサ部２１６の出力信号線と、を含んだ別の多対シールドケーブルにするとよい。

【0031】

このように、接続ケーブル６４は、合計２本の接続ケーブルで構成することが好ましい。接続ケーブル６４は車両２００の車両下回りを這わせて、車両床下の導入口を介して、処理装置３と接続する。接続ケーブル６４は車両走行の妨げにならないように、車両２００の下回りに弛みが生じない状態で金属製結束バンド等を用いて強固に固定保持されている。そして、検出装置２から処理装置３への接続ケーブル６４の設置は、可能な限りケーブル長を短くでき、車両２００から電磁ノイズが発生しやすい位置を回避した経路になるように設計することが好ましい。
＜レール破断箇所または継目箇所といった特異箇所の検知の原理＞

【0032】

図５は、本実施形態の動作状態を示す模式図である。発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋは、処理装置３（図１参照）から電流が供給されると、位相が反転した交流磁界を同じタイミングで発生させる。具体的には、発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋは被覆銅線の巻き始め同士もしくは巻き終り同士が直列（または並列）に接続されており、処理装置３から交流電圧が印加されると、交流磁界を発生させる。そして、発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋから発生した磁束ΦＡおよびΦＢがレール１００の踏み面１００ａ（図１参照）に伝播すると、レール１００内に磁束の流れが生じる。ここで、検出装置移動方向となる車両２００の走行方向を「ｘ方向」とする。また、受信コイル６－ｋの磁束検出方向となる方向、すなわちレール１００と検出装置２との離隔方向を「ｙ方向」とする。

【0033】

図５は、レール１００において、発振コイル５Ａ－ｋ、５Ｂ－ｋおよび受信コイル６－ｋの近傍でレール状態の変化が無い場合の例を示している。ここで、レール状態の変化が無い事例とは、継目が存在しない場合や、レール破断が無い健全なレールの場合を意味する。受信コイル６－ｋに鎖交する磁束の成分は、磁束ΦＡおよびΦＢが逆向きであるために相殺され、磁束ΦＡおよびΦＢの強度バランスに依存する。従って、レール状態の変化が無い場合には、受信コイル６－ｋの鎖交磁束はほぼ零になり、受信コイル６の誘起電圧もほぼ零になる。

【0034】

図６は、本実施形態の他の動作状態を示す模式図である。

【0035】

図６は、発振コイル５Ａ－ｋ、５Ｂ－ｋおよび受信コイル６－ｋの近傍に特異箇所１０２が存在する場合の例を示す。ここで、特異箇所１０２とは、通常のレール１００とは異なる磁気特性を有する箇所を指す。特異箇所１０２は、具体的には、「継目箇所」および「レール破断箇所」に大別できる。つまり、特異箇所１０２は、継目箇所またはレール破断箇所である。

【0036】

図６における「ｘ方向」および「ｙ方向」の意義は、図５のものと同様である。図示の例においては、発振コイル５Ａ－ｋと５Ｂ－ｋでレール１００内に発生させた磁束の流れが乱れ、レール１００の踏み面１００ａから磁束の漏洩が生じる。そのため、受信コイル６－ｋが特異箇所１０２上を通過する際に、受信コイル６－ｋの誘起電圧変化は、図５に示したケースでの誘起電圧変化に比べて大きい。

【0037】

本実施形態におけるレール状態監視装置１は、検査対象物である鉄道レール１００に発生させた磁束の流れが特異箇所１０２の付近で変化することに基づき、発生した漏洩磁界を検出する。この漏洩磁界の解析モデルとして、双極子モデルに基づいて空間に発生する漏洩磁界を表現することができる。ここで、一例として、当該モデルにおいて、特異箇所１０２がレール１００の継目箇所である場合を想定してみる。レール１００のｙ方向から発生する漏洩磁界成分には、車両２００の走行時に継目箇所の中心位置を変曲点として、ｘ方向に対して極値（極大値と極小値）を有する２極性の磁束変化が現れる。
＜継目箇所とレール破断箇所の弁別＞

【0038】

上述した例では、特異箇所１０２がレール１００の「継目箇所」である場合について説明したが、特異箇所１０２がレール１００の「レール破断箇所」である場合であっても、同様に検出することができる。その原理を以下説明する。レール１００のレール破断箇所は、車両走行に伴ってレール１００に発生した金属疲労によるレール同士が分離された状態となっている。そのため、レール破断箇所の上方を検出装置２が通過すると、上述した継目の検出時と同様に、レール１００における磁束ΦＡおよびΦＢ（図６参照）の流れが乱れ、検出装置２によってレール破断箇所の存在を検出できる。

【0039】

継目箇所と、レール破断箇所とは、レール同士が分離した同様の形状状態である。

【0040】

そこで、本実施形態では、検出装置２で検出する磁束の乱れに基づいて、処理装置３が、特異箇所１０２が継目箇所であるのかレール破断箇所であるのか弁別する。この弁別には、線路内に敷設された左右のレール１００が同様の位置（左右対称の位置）に存在するという設置構成が利用される。即ち、処理装置３は、左右のレール１００を状態監視できるため、左右のレール１００における各検知信号が同時刻（もしく同じ走行地点の位置）で２極性の磁束変化が生じた場合は、レール継目があると判断する。一方、左右片方のレール１００からの検知信号に２極性の磁束変化が発生した場合に、処理装置３は、レール破断があると判断する（図１５参照）。

【0041】

継目箇所とレール破断箇所の弁別において、線路内のレール１００が規則的に敷設されることで、ある一定の間隔で継目が存在する（図１５参照）。一般的な鉄道レールの定尺は２５ｍ間隔である。つまり、レール状態監視装置１で検知した、左右のレール１００から同時刻（もしく同じ走行地点の位置）で２極性の磁束変化が一定間隔で連続的に生じる場合は、継目箇所があるとの判断となる。

【0042】

レール状態監視装置１で得た検知信号の時系列データ（検知信号強度の時系列を表すデータ）における計測時間を、車両２００の移動距離に変換すると、継目箇所から発生する２極性の磁束変化における極値間の距離は、図６に示した発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋの中心間距離と同様の数値となる（図１６の符号１６０１または符号１６０２参照）。例えば、発振コイル５Ａ－ｋ、５Ｂ－ｋおよび受信コイル６－ｋの直径が２０ｍｍで、各コイル間が近接した配置である場合、継目箇所から発生する２極性の磁束変化における極値間の距離は４０ｍｍとなる。一方、レール破断箇所は継目箇所と異なり、レール同士の分離間隔が均一でないため、極値間の距離が継目箇所に比べて有意な差を持つ。故に、処理装置３は、極値間の距離が、コイルの直径（例えばｄ）と発振コイル５Ａ－ｋ、５Ｂ－ｋおよび受信コイル６－ｋの配置とに基づく継目用の極値間距離（例えば２ｄ）と同じであるか（差が所定差以下であることを含む）否かを判定する。この判定結果が真の場合、特異箇所が継目箇所である。この判定結果が偽の場合、特異箇所がレール破断箇所である。このような弁別が可能である。

【0043】

線路内におけるレール１００の継目箇所におけるレール同士の分離間隔である遊間量は、温度によるレール伸縮を考慮し、季節に応じて大きさを変える調整がなされることがあるが、基本的には各継目箇所ともに同様の遊間量である。一方、レール破断箇所は継目箇所のように人工的なレール同士の分離とはならず、金属疲労によって自然に発生したものであるため、レール同士の分離端面が一様にならず、存在箇所ごとにレール破断箇所の状態が同様にならない。すなわち、レール破断については、レール同士の分離が斜めになることや、分離が一部になっているなどの継目箇所のような均一な一様のレール同士の分離にならない場合が存在する。

【0044】

磁気センサ部２１－１～２１－Ｎで検知する信号は、継目箇所では磁気センサの配置箇所によらず、同程度の応答を示す。例えば、２極性の磁束変化となる検知信号における極値間信号強度（ピークピーク値）、および極値間距離が各磁気センサ部２１で同様の値となる。一方、レール破断箇所では、上記のレール同士の不均一な分離状態によって、極値間信号強度（ピークピーク値）、および極値間距離が各磁気センサで同様の値とならず、バラツキが発生する。即ち、各磁気センサ部２１で得た検知信号の偏りをモニタすることで、継目箇所とレール破断箇所の弁別を行うことができる。

【0045】

車両走行した際に発生するレール破断のリスクを考慮し、車両２００の先頭側と最後尾側の位置にレール状態監視装置１を搭載する。図７に示すように、複数の車両２００で列車が編成されている場合、例えば先頭車両２００ａに検出装置２ａが搭載され、最後尾車両２００ｂに検出装置２ｂが搭載される（例えば、車両２００ａおよび２００ｂの各々にレール状態監視装置１が設置される）。この設置構成より、車両走行した際に発生したレール破断を先頭車両２００ａと最後尾車両２００ｂの検知差分から識別できる。即ち、継目箇所においては、先頭車両２００ａと最後尾車両２００ｂで同様の検知信号が得られる。一方、先頭車両２００ａでは検知信号が得られなかったが最後尾車両２００ｂで検知信号が得られると、車両走行した際に発生したレール破断があると推定することができる。
＜第１実施形態の回路構成＞

【0046】

図８は、本実施形態によるレール状態監視装置１の全体構成を示すブロック図である。

【0047】

上述したように、レール状態監視装置１は、検出装置２と、処理装置３と、電源１１１と、を有する。そして、検出装置２は、磁気センサ部２１－１～２１－Ｎと、プリアンプ部２１０と、を有し、磁気センサ部２１－ｋは、発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋと、受信コイル６－ｋと、を有する。プリアンプ部２１０は、増幅フィルタ部２２－１～２２－Ｎと、加速度センサ部２１２と、角速度センサ部２１４と、温度センサ部２１６と、を有し、磁気センサ部２１－ｋには、増幅フィルタ部２２－ｋが接続されている。

【0048】

また、処理装置３は、共振フィルタ部６０－１～６０－Ｎと、増幅部３１－１～３１－Ｎと、Ｎ系統のデジタルアナログ変換部３２と、発振部３３と、検波部３４－１～３４－Ｎと、アナログデジタル変換部３５と、メモリ部３６と、評価装置４と、を備えている（本実施形態では、Ｎは、２以上の整数であるが、１でもよい）。なお、検波部３４－１～３４－Ｎを総称して「検波部群」と呼ぶことがあり、共振フィルタ部６０－１～６０－Ｎを総称して「共振フィルタ部」と呼ぶことがある。発振部３３は、所定の発振周波数ｆの正弦波状のデジタル発振信号を出力する。発振周波数ｆは、発振コイル５Ａ－１～５Ａ－Ｎおよび５Ｂ－１～５Ｂ－Ｎのインピーダンスを考慮して、十分な励磁磁場を出力でき、かつ、受信コイル６の十分な感度を確保できる値に選定する。また、発振周波数ｆの選定の際には、車両および鉄道線路の設備への影響を十分に考慮することが好ましい。具体的には、車両の安全運行を支える運転保安装置や、信号機制御のために鉄道レールに信号通電する軌道回路の動作に影響を及ぼさないように、選定周波数範囲としては、１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの範囲から選定することが好ましい。

【0049】

図８においてデジタルアナログ変換部３２は、発振部３３が出力したデジタル発振信号をアナログの交流電圧に変換する。増幅部３１－ｋ（ｋは、１～Ｎのうちの任意の整数）は、この交流電圧を増幅し、共振フィルタ部６０－ｋを介して、磁気センサ部２１－ｋにおける発振コイル５Ａ－ｋ、５Ｂ－ｋに印加する。これにより、発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋからは、位相が反転した交流磁界が発生する。車両２００に搭載される検出装置２は、車両走行の妨げにならないように、鉄道レールの踏み面１００ａ（図１参照）と離隔を持つため、鉄道レールを十分に励磁するために十分な強度の発振コイルからの交流磁界が必要である。共振フィルタ部６０－ｋは、接続された磁気センサ部２１－ｋの発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋに合わせて設定した発振周波数ｆ（または、その近傍の周波数）における発振コイルのインダクタンス成分を抑制してインピーダンスを小さくし、発振コイルからの交流磁界の強度を増加させる。

【0050】

図９は、発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋに供給される励磁電流の周波数特性図である。

【0051】

図９において、特性Ｌ１は、本実施形態の特性であり、特性Ｌ２は、共振フィルタ部６０－ｋを除外した場合の特性である。また、特性Ｌ１は、共振周波数ｆｃを２１［ｋＨｚ］とした場合の例である。特性Ｌ１およびＬ２を比較すると、特性Ｌ１は、共振周波数ｆｃにおいて、励磁電流を特性Ｌ２の６倍以上に設定することができ、これによって交流磁界の強度を増加できることが解る。また、使用する発振コイル５の特性（直流抵抗値、インダクタンス）と共振フィルタ部６０の組合せを最適にすることで、共振周波数ｆｃにおける特性Ｌ１の励磁電流を、特性Ｌ２の励磁電流よりも１０倍以上大きくすることも可能である。この共振周波数ｆｃは、発振部３３（図８参照）における発振周波数ｆに一致させることが好ましい。なお、共振フィルタ部６０－ｋは、コイルとコンデンサを備えたＬＣ共振回路であり、ここに接続する発振コイル５を回路構成用のコイルとして利用してもよい。

【0052】

図８に戻り、検出装置２内の増幅フィルタ部２２－ｋは、対応する受信コイル６－ｋからの信号を増幅およびフィルタ処理し、その結果を処理装置３の検波部３４－ｋに送信する。なお、「フィルタ処理」とは、主として発振周波数ｆよりも高いの周波数成分を除去する低域通過フィルタ処理もしくは、発振周波数ｆを中心とする特定の周波数範囲のみを通す帯域通過フィルタ処理である。また、検波部３４－ｋは、発振部３３から供給される参照信号ＳＲ１を用いて、増幅フィルタ部２２－ｋから供給された信号に基づいて、信号Ｘ、Ｙ、Ｒおよびθ（これら信号の詳細は後述する）を生成し、アナログデジタル変換部３５に供給する。アナログデジタル変換部３５は、検波部３４－１～３４－Ｎから受信した各アナログ信号をデジタル信号に変換する。

【0053】

ところで、本実施形態では、車両２００には、レール状態監視装置１以外の検測装置３００も搭載されている。そして、検測装置３００は、レール状態監視装置１に対して、位置信号ＳＤと、距離パルス信号ＳＰとを供給する。そこで、これらの信号について詳述する。

【0054】

一般的に鉄道システムには、位置検出システムが設けられている。このシステムにおいては、レール１００の枕木等に「地上子」と呼ばれる物を埋設し、車両２００には「車上子」と呼ばれる物を設置する。そして、車上子が地上子の上を通過すると、車上子はその地上子を検出する。地上子の設置位置は既知であるため、車上子が地上子を検出すると、その時点における車両２００の絶対位置が判明する。上述した位置信号ＳＤは、この位置情報等を検測装置３００からレール状態監視装置１に通知する信号である。

【0055】

しかし、位置検出システムの地上子は、例えば数ｋｍ程度の間隔で設置されることが多い。従って、位置検出システムのみでは、地上子相互間の区間における車両２００の位置情報を取得することは不可能である。そこで、地上子の位置情報に、処理装置３が、レール状態監視装置１で検知した継目箇所の位置情報を紐づけることで、継目箇所の通過時に取得した検知データから車両２００の絶対位置情報を算出する。その際、車両走行開始時にレール状態監視装置１で最初に検知した継目箇所の位置を起点として、その後の車両の運行位置推定を行う。また、検測装置３００は、車両２００の車輪１１２（図１参照）の回転角度を検出しており、車輪１１２が所定角度だけ回転する毎に、ワンショットの距離パルス信号ＳＰを出力する。そこで、アナログデジタル変換部３５は、位置信号ＳＤおよび距離パルス信号ＳＰをデジタル信号に変換し、メモリ部３６に記憶させる。アナログデジタル変換部３５から出力されたデジタル信号は、データとしてメモリ部３６に記憶され、評価装置４に供給される。そして、レール状態監視装置１は、検測装置３００がある地上子に係る位置信号ＳＤを出力した後、距離パルス信号ＳＰをカウントすることにより、その地上子の位置を基準として、車両２００の現在位置を推定することができる。距離パルス信号で得た距離情報と合わせて、レール状態監視装置１で検知した各継目箇所間の車両走行速度から、高精度に走行時の車両運行位置の推定が可能となる。

【0056】

次に、評価装置４について説明する。評価装置４は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えており、ＨＤＤには、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、アプリケーションプログラム、各種データ等が格納されている。ＯＳおよびアプリケーションプログラムは、ＲＡＭに展開され、ＣＰＵによって実行される。

【0057】

評価装置４は、制御部４２と、データ処理部４３と、出力処理部４４と、操作入力部４５と、表示部４６と、記憶部４７と、を備える。評価装置４は、検出装置２、検波部３４－１～３４－Ｎ、アナログデジタル変換部３５およびメモリ部３６から受信したレール状態監視データに基づいて、レール１００の特異箇所１０２（図６参照）を特定する検査処理プログラムを実行する。なお、本実施形態において、「レール状態監視データ」とは、検出装置２の受信コイル６から評価装置４に至るまでの全ての段階でのデータが該当するものとする。

【0058】

制御部４２は、例えばＣＰＵ（プロセッサの一例）であり、メモリ部３６からの検査データの読出しや、演算処理等の制御を行う。データ処理部４３は、検査データに基づいて、検査処理を行う（詳細は後述する）。表示部４６は、検査結果等を表示するＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）ディスプレイ等である。出力処理部４４は、表示部４６にレール状態監視の結果等を表示させる。その際、出力処理部４４は、グラフやテーブルの形式を適宜用いて視覚的に理解しやすい表示形式で表示させるための処理を行う。操作入力部４５は、キーボード、マウス等の情報入力手段である。記憶部４７は、データ処理部４３が処理した検査結果等のデータを保存する。また、メモリ部３６に記憶されたデータは、記憶部４７にも転送される。なお、データ処理部４３および出力処理部４４は、記憶部４７に格納されたプログラムやデータを制御部４２にロードして、演算処理を実行することによって実現される。

【0059】

図１０は、検波部３４－ｋのブロック図である。増幅フィルタ部２２－ｋからの受信信号ＳＳは、位相比較器７４および７６に供給される。また、発振部３３（図７参照）から供給された参照信号ＳＲ１は、遅延回路７２によって、発振周波数ｆの９０°の位相に相当する時間だけ遅延される。遅延された参照信号ＳＲ１を参照信号ＳＲ２と呼ぶ。参照信号ＳＲ１は位相比較器７６に供給され、参照信号ＳＲ２は位相比較器７４に供給される。位相比較器７６は、受信信号ＳＳにおいて参照信号ＳＲ１に同期する成分を抽出する。抽出された信号はＬＰＦ（ローパスフィルタ）８０によってフィルタ処理され、ＬＰＦ８０は、その処理結果を余弦信号Ｘとして出力する。

【0060】

また、位相比較器７４は、受信信号ＳＳにおいて、参照信号ＳＲ２に同期する成分を抽出する。抽出された信号は、ＬＰＦ７８によってフィルタ処理され、ＬＰＦ７８は、その結果を正弦信号Ｙとして出力する。演算器８４は、√（Ｘ^２＋Ｙ^２）を計算し、その結果を振幅信号Ｒとして出力する。また、演算器８２は、（Ｙ／Ｘ）のアークタンジェントすなわちａｔａｎ（Ｙ／Ｘ）を計算し、その結果を位相差信号θとして出力する。

【0061】

そして、検波部３４－ｋは、上述した各信号Ｘ、Ｙ、Ｒおよびθを、アナログデジタル変換部３５（図８参照）を介してメモリ部３６に供給する。なお、図示の例では、検波部３４－ｋは各信号Ｘ、Ｙ、Ｒ、θの全てを出力したが、振幅信号Ｒおよび位相差信号θは検波部３４－ｋが計算するのではなく、余弦信号Ｘおよび正弦信号Ｙに基づいて、データ処理部４３（図８参照）が計算するようにしてもよい。

【0062】

ここで、検波部３４－ｋが余弦信号Ｘに加えて正弦信号Ｙを検出している理由について説明しておく。まず、余弦信号Ｘを重視するのであれば、余弦信号Ｘの振幅が最大になるように、参照信号の位相を設定することが考えられる。すると、この設定した位相は、余弦信号Ｘを検出するための最適な位相であると言える。しかし、受信信号ＳＳは、磁気センサ部２１－１～２１－Ｎ毎に独立しており、磁気センサ部２１－１～２１－Ｎ毎に配置箇所や製造誤差の影響が異なる。また、経年変化や温度変化によっても最適な位相は変動する。従って、検波部３４－１～３４－Ｎの各々に対して参照信号の最適な位相を設定することは、煩雑である。

【0063】

正弦信号Ｙは、レールを励磁する励磁磁場に対して９０°位相がシフトした信号成分である。本実施形態のように、余弦信号Ｘとともに正弦信号Ｙを検出すると、演算器８４（または評価装置４）において振幅信号Ｒを計算することができる。振幅信号Ｒの値は、位相差信号θが変動した場合であっても、原理上は一定になるため、参照信号の位相を最適化する処理を省略することができる。

【0064】

なお、図１６では、符号１６０２が示す信号は、余弦信号Ｘまたは正弦信号Ｙの例である。符号１６０１が示す信号は、振幅信号Ｒの例である。
＜第１実施形態の動作＞

【0065】

図１１は、評価装置４のデータ処理部４３によって実行されるレール状態監視処理のフローチャートである。

【0066】

本処理は、所定の制御周期毎に実行される。図１１において、ステップＳ２、Ｓ１２およびＳ１４の処理は並列に実行される。まず、評価装置４は、ステップＳ２において記憶部４７からレール状態監視データを取得し、ステップＳ１２において、記憶部４７から位置信号ＳＤを取得し、ステップＳ１４において、記憶部４７から距離パルス信号ＳＰを取得する。また、評価装置４は、ステップＳ１４が完了した後、ステップＳ１６において、距離パルス信号ＳＰを距離データＳＫに変換する。すなわち、評価装置４は、位置検出システムが最後に地上子を検出した後の、距離パルス信号ＳＰの検出回数に基づいて、距離データＳＫを算出する。ここで、距離データＳＫとは、所定の基準位置からの距離を指しており、距離データＳＫは位置データの一例でよい。

【0067】

また、評価装置４は、ステップＳ２が完了した後、ステップＳ４において、所定の検査データが所定の基準範囲、すなわち「継目箇所」と推定できる範囲を外れているか否かが判定される。ここで、「所定の検査データ」は、例えば、図１０に示した振幅信号Ｒである。特異箇所１０２（図６参照）が構造物である場合には、特異箇所１０２が異常予測箇所である場合と比較して、振幅信号Ｒは明らかに大きくなる。そこで、ステップＳ４において、評価装置４は、振幅信号Ｒと所定の閾値Ｒｔｈ１とを比較する。「Ｒ≠Ｒｔｈ１」である場合には、「Ｙｅｓ」、すなわち、継目箇所またはレール破断箇所がある可能性有との判定がされてよい。一方、「Ｒ＝Ｒｔｈ１」（差が所定差以下であることを含んでよい）である場合には、「Ｎｏ」、すなわち、継目もレール破断も無いと判定されてよい。

【0068】

ここで「Ｎｏ」と判定されると、処理はステップＳ１８に進む。なお、その処理の内容は後述する。一方、ステップＳ４において「Ｙｅｓ」と判定されると、処理はステップＳ１０に進む。ステップＳ１０においては、図１０に示した信号Ｘ、Ｙ、Ｒおよびθ等に基づいて、継目と破断が弁別される。その弁別の際、評価装置４は、ステップＳ１２で取得した位置信号ＳＤも利用する。これは、最後に検出した地上子と、次に検出すると予想される地上子がわかるため、弁別においてレール破断が識別された場合、レール破断箇所は、それらの地上子の区間に存在するということになる。

【0069】

上述のステップＳ２～Ｓ１６の処理が終了すると、処理はステップＳ１８に進み、レール状態監視結果が生成される。ここで、「レール状態監視結果」とは、ステップＳ１０が行われた場合には特異箇所（継目箇所およびレール破断箇所）と、距離データＳＫとを対応付けたものを含んでよい（ステップＳ１０が行われなかった場合、「レール状態監視結果」は、特異箇所無しとの結果を含んでよい）。次に、処理がステップＳ２０に進むと、データ処理部４３は、レール状態監視結果を表示部４６等に出力し、本ルーチンの処理が終了する。

【0070】

図１２は、上述したステップＳ２０において表示部４６に表示される表示画像１２０の例を示す図である。

【0071】

表示画像１２０は、鉄道レール画像１４０と、複数のアラート表示オブジェクト１３０と、を含んでいる。鉄道レール画像１４０は、レール１００を模式的に表示するものである。また、アラート表示オブジェクト１３０は、継目とレール破断に対応する箇所に表示される。アラート表示オブジェクト１３０は、「アラート」という文字列と、構造物種別表示オブジェクト１３４と、位置表示オブジェクト１３６と、を含んでいる。

【0072】

ここで、構造物種別表示オブジェクト１３４は、「継目」、「レール破断」の種別を表す文字列である。また、位置表示オブジェクト１３６は、所定の基準位置から当該構造物までの距離を表す数字である。このように、レール状態監視結果をＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）画面によって表示することにより、ユーザは、レール１００のどの位置に、継目およびレール破断が存在するのかを、視覚的に明瞭に把握することができる。

【0073】

なお、図１２に示した例では、アラート表示オブジェクト１３０に含まれる構造物種別表示オブジェクト１３４は、「継目」、「レール破断」の文字列であるが、それぞれに対応したマークでもよい。また、継目とレール破断のいずれであるかの識別情報（タグ）が特異箇所に関連付けられてよい。これにより、継目と次の継目間は、レール１００毎の管理や、どのレール１００にレール破断が生じているかの管理が可能である。継目を表す表示オブジェクトとレール破断を表す表示オブジェクトとのうち継目を表す表示オブジェクトのみが表示されてもよい。これにより、車両２００の走行区間に存在する継目の数を管理することも可能になる。

【0074】

また、検知情報が「継目」を表していた場合、継目の遊間量（レールとレールの間の隙間の間隔）に応じて、図１０に示した各信号Ｘ、Ｙ、Ｒおよびθには、有意な変化が現れる。そこで、評価装置４は、検知情報が「継目」を表していた場合には、該継目の遊間量を信号Ｘ、Ｙ、Ｒおよｂθに基づいて計算し、計算された遊間量を、上述したタグ（識別情報）に対応付けて記憶し、その内容を表示することができる。また、検出した特異箇所１０２がレール破断箇所である場合も、評価装置４は、上述したタグ（識別情報）に対応付けて、異常予測箇所における各信号Ｘ、Ｙ、Ｒおよびθを記憶し、その内容を表示することができる。

【0075】

このように、タグ付けされたレール状態監視結果は、レール破断による線路内の異常や遊間量のチェックに有用である。例えば、タグ付けされた特異箇所間における信号Ｘ、Ｙ、Ｒおよびθの時系列データの変動に異常が抽出された箇所は、レール破断発生が推定される箇所として特定でき、ユーザが現地で詳細確認を行うことができる。また、評価装置４は、レールの継目位置を特定することができるため、継目で得られた表示対象信号の時系列データの変化量と、遊間量との相関関係を予め把握しておくことができる。これにより、車両走行時の走行区間における全継目の遊間量を抽出することが可能となる。ここで、遊間量は外気温によって影響し、寒暖時期（夏季、冬季）によって最適な状態が異なる。そこで、検出装置２に含まれる温度センサ部２１６で得た温度情報を、車両走行時の外気温に補正処理することで、該温度情報を、レール状態監視装置１による遊間量の管理に使用できる。また、本レール状態監視装置は車両走行下で使用できるため、走行日（検査日）毎の取得データの差分を算出することにより、走行区間のレールの状態（レール破断発生、遊間量の変化等）を捉えることや、レールのメンテナンス時期およびメンテナンス位置を把握できる等、効率的なレール保守管理の運営に貢献できる。
＜第１実施形態の効果＞

【0076】

以上のように本実施形態のレール状態監視装置１によれば、検出装置２は、下部筐体２０と、上部筐体２６とを備える。下部筐体２０は、磁気センサ部２１－１～２１－Ｎを収納し、非磁性体で構成されている。上部筐体２６は、プリアンプ部２１０を収納し、第１の筐体２０の上面に固定される。上部筐体２６の一側面に、接続ケーブル６４に接続されるコネクタ２８が装着される。上部筐体２６は、金属で構成されている。これにより、レール１００の状態を正確に検出することができる。

【0077】

また、検出装置２は、レール１００の踏み面１００ａを交流磁界で励磁し、レール１００に発生する磁束の流れの乱れに基づいて、レール１００の踏み面１００ａにおける特異箇所１０２を検出する。これにより、レール１００に発生する磁束の流れの乱れに基づいて、鉄道レールの状態を一層正確に検出することができる。

【0078】

また、レール状態監視装置１は、レール１００を励磁するために交流磁界を発生する発振コイル５Ａ－ｋと、発振コイル５Ａ－ｋに接続される共振フィルタ部６０－ｋと、をさらに備える。共振フィルタ部６０－ｋおよび発振コイル５Ａ－ｋは、交流磁界の周波数に対応する共振周波数を有する。これにより、交流磁界の強度を増加でき、鉄道レールの状態を一層正確に検出することができる。

【0079】

また、レール状態監視装置１は、出力処理部４４をさらに有する。出力処理部４４は、検出した特異箇所１０２の種類および存在位置を、画像として表現しつつ表示部４６に表示する。これにより、ユーザは、レール１００の状態を視覚的に把握することができる。

【0080】

また、評価装置４は、特異箇所１０２についての弁別結果に基づき当該特異箇所１０２に関連付けられた識別情報（特異箇所１０２の種類の識別情報）を用いて、各レール１００を管理することができる。

【0081】

また、評価装置４は、検出した特異箇所１０２が、レール１００の継目であると判定すると、磁束の流れの乱れに基づいて、継目の遊間量を算出する。これにより、レール状態監視装置１は、継目の遊間量を適切に管理できる。

【0082】

また、評価装置４は、特異箇所１０２の種類（継目およびレール破断）と、特異箇所１０２の数と、特異箇所１０２の存在位置と、レール破断の発生を表す情報と、継目の遊間量と、を少なくとも含む検査データを検査日毎に集積し、異なる検査日における検査データの差分を求めることにより、レール１００の状態変化をモニタする。これにより、異なる検査日における検査データの差分に基づいて、レール１００の状態変化を正確にモニタできる。

【0083】

また、本実施形態のレール状態監視装置１は、受信コイルの各々から出力される出力信号に対して、出力信号の第１の位相（０°）に対応する第１の検知信号Ｘと、出力信号の第２の位相（９０°）に対応する第２の検知信号Ｙと、を検出する複数の検波部３４－１～３４－Ｎを有する検波部群を設けたので、レール１００の特異箇所を正確に検出できる。

【0084】

また、複数の検波部３４－１～３４－Ｎは、第１の検知信号Ｘ、第２の検知信号Ｙ、または、第１の検知信号Ｘと第２の検知信号Ｙに演算処理を施した結果Ｒおよび／またはθを出力する。処理装置３は、複数の磁気センサ部２１－１～２１－Ｎに対応する信号Ｘ、Ｙ、Ｒおよび／またはθの時系列データから特異箇所の有無および種類を判別する。処理装置３は、車両２００に備わった検測装置３００からの位置信号ＳＤおよび距離パルス信号ＳＰに基づいて、特異箇所の位置を検出し、その結果を表示部４６に表示する。

【0085】

ここで、レール１００をＧＵＩ画面で特異箇所の存在箇所および存在位置を表示させることで、使用者は、鉄道レールに存在する特異箇所をより的確に認識できるようになる。位置信号ＳＤは、車両に搭載されたセンサ（車上子）と、敷設されたレール近傍に設置されたセンサ（地上子）とが走行時に反応することで得られる。レール１００上に存在する全ての特異箇所の位置が特定できるように地上子を設置することは困難であるため、位置信号ＳＤで得られる特異箇所の位置情報には限りがある。また、屋外設置による地上子の不良や、車上子が地上子から外れた位置での応答や、対向車両区間の地上子に応答する等、特異箇所検出精度に影響を及ぼすことがある。本実施形態のレール状態監視装置１によれば、車両の下回りに搭載した検出装置２を用いて、レール１００の踏み面１００ａに存在する特異箇所を検出することができ、その検出位置精度を保持することができる。
［第２実施形態］

【0086】

次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明において、図１～図１２の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、以下、第１実施形態との相違点を主に説明し、第１実施形態との共通点については説明を省略または簡略する。
＜第２実施形態の構成＞

【0087】

本実施形態の構成を説明する前に、上述した第１実施形態について再び検討する。図５において説明したように、レール１００に構造物等の特異箇所が無い場合、磁束ΦＡおよびΦＢのうち受信コイル６－ｋに鎖交する成分は相互に打ち消しあい、鎖交磁束は理想的には零になる。従って、受信コイル６－ｋの出力電圧は、理想的には零になる。

【0088】

しかし、発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋの形状（内径、外径、コイル長等）に差があると、両者の発生する磁束ΦＡおよびΦＢは受信コイル６－ｋにおいて打ち消されなくなり、発振信号と同一周波数の雑音信号が受信コイル６－ｋからは継続的に出力されるようになる。発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋの加工精度を充分に高くすることにより、この雑音信号は実用上問題の無いレベルにまで低減することが期待できるが、加工精度が高くなくても、雑音信号を低減できることが好ましい。そこで、本実施形態は、雑音信号を電気的にキャンセルすることによって、発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋに求められる加工精度を下げられるようにするものである。

【0089】

図１３は、本発明の第２実施形態によるレール状態監視装置１ａの全体構成を示すブロック図である。

【0090】

本実施形態のレール状態監視装置１ａの外観構成は、第１実施形態のもの（図１～図４参照）と同様である。また、検出装置２および評価装置４の構成も第１実施形態のもの（図８参照）と同様である。但し、第１実施形態の処理装置３に代えて、本実施形態においては、処理装置３ａが適用される。

【0091】

処理装置３ａにおいては、増幅フィルタ部２２－１～２２－Ｎに対応する修正信号発生部５０－１～５０－Ｎおよび減算部５２－１～５２－Ｎが設けられている。なお、修正信号発生部５０－１～５０－Ｎを総称して修正信号発生部群と呼び、減算部５２－１～５２－Ｎを総称して減算部群と呼ぶ。上述したように、磁気センサ部２１－ｋが出力する誘起電圧には、発振周波数ｆの雑音信号が重畳し、この雑音信号は、増幅フィルタ部２２－ｋにおいて増幅される。修正信号発生部５０－ｋは、この雑音信号をキャンセルするために、雑音信号にほぼ等しい振幅および位相を有する修正信号を発生しようとするものである。すなわち、この振幅および位相は、磁気センサ部２１－ｋの特性に応じて、修正信号発生部５０－ｋに予め設定されている。

【0092】

そして、減算部５２－ｋは、増幅フィルタ部２２－ｋの出力信号から修正信号を減算することにより、雑音信号をキャンセルする。これにより、検波部３４－１～３４－Ｎには、雑音信号をキャンセルした信号が供給されるようになる。上述した以外の処理装置３ａの構成は、第１実施形態の処理装置３（図８参照）と同様である。

【0093】

本実施形態によれば、発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋの加工精度が低い場合であっても、雑音信号を電気的にキャンセルすることができ、レール１００の特異箇所を精度良く検出することができる。
［第３実施形態］

【0094】

次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、以下の説明において、図１～図１３の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、以下、第１および第２の実施形態との相違点を主に説明し、第１および第２の実施形態との共通点については説明を省略または簡略する。

【0095】

図１４は、本発明の第３実施形態によるレール状態監視装置１ｂの全体構成を示すブロック図である。本実施形態のレール状態監視装置１ｂの外観構成は、第１実施形態のもの（図１～図４参照）と同様である。また、検出装置２および評価装置４の構成も第１実施形態のもの（図８参照）と同様である。但し、第１実施形態の処理装置３に代えて、本実施形態においては、処理装置３ｂが適用される。

【0096】

本実施形態の処理装置３ｂは、信号調整部７０と、デジタルアナログ変換部３２ａと、増幅部３１Ａ－１～３１Ａ－Ｎおよび３１Ｂ－１～３１Ｂ－Ｎと、共振フィルタ部６０Ａ－１～６０Ａ－Ｎおよび６０Ｂ－１～６０Ｂ－Ｎと、を備えている。また、上述した第１および第２実施形態において、発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋは、直列（または並列）に接続されていたが、本実施形態においては、発振コイル５Ａ－ｋおよび５Ｂ－ｋは相互に接続されておらず独立している。信号調整部７０は、２Ｎ系統のデジタル発振信号の振幅および位相を調整する。すなわち、信号調整部７０は、発振部３３から出力されたデジタル発振信号の振幅および位相を、合計２Ｎ個の発振コイル５Ａ－１～５Ａ－Ｎおよび５Ｂ－１～５Ｂ－Ｎの各々に対応して、調整する。

【0097】

また、デジタルアナログ変換部３２ａは、調整された２Ｎ系統のデジタル発振信号を、各々アナログ信号に変換する。２Ｎ個の増幅部３１Ａ－１～３１Ａ－Ｎおよび３１Ｂ－１～３１Ｂ－Ｎは、２Ｎ系統のアナログ信号を各々増幅する。また、２Ｎ個の共振フィルタ部６０Ａ－１～６０Ａ－Ｎおよび６０Ｂ－１～６０Ｂ－Ｎは、２Ｎ個の発振コイル５Ａ－１～５Ａ－Ｎおよび５Ｂ－１～５Ｂ－Ｎの各々のインダクタンス成分を抑制してインピーダンスを小さくし、発振コイルからの交流磁界の強度を増加させる。上述した信号調整部７０は、特異箇所１０２（図６参照）が存在しない場合の受信コイル６－１～６－Ｎの出力電圧が、なるべく零に近づくように、発振コイル５Ａ－１～５Ａ－Ｎおよび５Ｂ－１～５Ｂ－Ｎの出力バランスを調整する。上述した以外の処理装置３ｂの構成は、第１実施形態の処理装置３（図７参照）と同様である。

【0098】

本実施形態によれば、受信コイル６－１～６－Ｎに入る発振コイル５Ａ－１～５Ａ－Ｎ、５Ｂ－１～５Ｂ－Ｎからの交流磁界を相殺することができ、バランス調整された磁気センサ部２１－１～２１－Ｎの出力を検波部３４－１～３４－Ｎに供給することができる。これにより、増幅フィルタ部２２－１～２２－Ｎおよび検波部３４－１～３４－Ｎにおけるシステムゲインを大きくでき、受信コイル６－１～６－Ｎにおける検出能力を改善することができる。
［変形例］

【0099】

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、若しくは他の構成の追加および／または置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
（１）上記各実施形態における評価装置４のハードウエアは一般的なコンピュータによって実現できるため、図１１に示したフローチャートに係る処理を実行するためのプログラムは、可搬型の記憶媒体またはサーバといったプログラムソースからコンピュータにインストールされてもよい。
（２）図８、図１３および図１４に示した機能や図１１等を基に説明した処理は、上記実施形態ではプログラムをプロセッサが実行することにより実現される機能や処理として説明したが、その一部または全部をＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、あるいはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等を用いたハードウエア的な機能や処理に置き換えられてもよい。
（３）上記各実施形態においては、レール状態監視装置１を搭載する車両として、電気車である営業車（例えば在来線車両または新幹線車両）や、ディーゼル機関車である検査用車車両を含む鉄道車両全般、に搭載してもよい。
（４）処理装置３が、位置信号ＳＤおよび距離パルス信号ＳＰに代えてまたは加えて、車両２００に設けられているＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）システムにより得られたＧＮＳＳ位置信号を用いて、特異箇所１０２の位置を検出してもよい。

【0100】

なお、上述の説明を、例えば以下のように総括することができる。下記の総括は、上述の説明の補足や変形例の説明を含んでよい。なお、以下の説明では、線路の幅方向が「左右」方向であり、線路の長手方向が「前後」方向である。

【0101】

レール状態監視装置（１、１ａ、１ｂ）は、線路を構成する左右の鉄道レール（１００）上を走行する列車に設けられた検出装置（２）と、処理装置（３、３ａ、３ｂ）とを備える。列車は、一つまたは複数の車両（２００）の編成である。

【0102】

検出装置は、鉄道レールに対向した一つ以上の磁気センサ部（２１）である磁気センサ部群（７７）を有する。磁気センサ部は、当該磁気センサ部が鉄道レールにおける特異箇所（１０２）上を通過するときに当該特異箇所を検出する。特異箇所は、典型的には、レールの踏み面が通常と異なる箇所である。検出装置は、磁気センサ部群による検出の結果に基づく信号を出力する。

【0103】

列車（又は個々の車両）に備えられる検出装置は、一つでも複数でもよい。

【0104】

複数の検出装置は、列車に左右対称に設けられた検出装置、および／または、列車に前後に設けられた検出装置を含む。処理装置は、複数の検出装置からそれぞれ出力された信号を受信し、複数の検出装置からの信号に基づく検知信号（例えば、信号Ｘ、Ｙ、Ｒおよびθの少なくとも一つ）を基に、特異箇所がレール継目箇所であるかレール破断箇所であるかを弁別する。

【0105】

列車に左右対称に検出装置が設けられている場合は、例えば次の通りでよい。図１５に例示した通り、レール継目箇所は左右のレールに左右対称の位置に存在し、一方、レール破断箇所は、典型的には左右のレールに左右対称の位置に存在することはない。そこで、処理装置は、列車に左右対称に設けられた検出装置の両方についての検出信号（列車進行方向に沿った位置（例えばｘ座標）が同じ、または、検出タイミングが同じ検出信号）が特異箇所を表している場合、当該特異箇所がレール継目箇所であると判定する。一方、処理装置は、列車に左右対称に設けられた検出装置の片方についての検出信号が特異箇所を表している場合、当該特異箇所がレール破断箇所であると判定する。

【0106】

列車に前後に検出装置が設けられている場合は、例えば次の通りでよい。図１５に例示した通り、レール継目箇所は予め存在し、一方、レール破断箇所は、列車の走行中に動的に生じ得る。そこで、処理装置は、列車に前後に設けられた検出装置の両方についての検出信号が特異箇所を表している場合、当該特異箇所がレール継目箇所であると判定してよい。一方、処理装置は、列車に前後に設けられた検出装置の片方（典型的には後側の検出装置）についての検出信号が特異箇所を表している場合、当該特異箇所がレール破断箇所であると判定してよい。なお、列車に前後に設けられた検出装置は、先頭車両に設けられた検出装置と、最後尾車両に設けられた検出装置を含んでよい。

【0107】

処理装置は、特異箇所としてのレール継目箇所と、特異箇所としてのレール破断箇所とのうち少なくとも一方を表す表示オブジェクト（１３４）の表示用情報を出力してよい。表示用情報は、表示オブジェクトが表す特異箇所の位置の表示オブジェクト（１３６）の情報を含んでもよい。

【0108】

処理装置は、レール破断箇所が判定された場合、当該レール破断箇所がいずれのレールに存在するかを特定してよい。

【0109】

特異箇所の弁別により、レール継目箇所が判定された場合、処理装置は、レール継目箇所の既知の位置を基に、列車の位置を推定してよい。例えば、レール継目箇所毎に既知の位置が関連付けられていて、処理装置は、レール継目箇所が判定された場合、当該レール継目箇所に関連付けられている位置が、列車の位置と推定できる。

【0110】

図１５に例示したように、レール継目箇所は等間隔に存在する。そこで、処理装置は、検出された特異箇所が等間隔の特異箇所の場合、それらの特異箇所はいずれもレール継目箇所であると判定してよい。一方、検出された特異箇所が等間隔でない特異箇所を含む場合、処理装置は、検出された特異箇所のうち等間隔の特異箇所以外の特異箇所がレール破断箇所であると判定してよい。なお、例えば本段落において、検出装置は一つでもよい（すなわち、必ずしも列車に左右対称にまたは前後に検出装置が設けられなくてもよい）。

【0111】

検出装置は、鉄道レールの踏み面を交流磁界で励磁し、鉄道レールに発生する磁束の流れの乱れに基づいて、鉄道レールの特異箇所を検出する装置でよい。一つ以上の磁気センサ部の各々は、受信コイルと、当該受信コイルを挟む二つの発信コイルとを含んでよい。処理装置は、検知信号の極値間の距離と発振コイル間の距離との関係が所定の関係である場合、検出された特異箇所がレール継目箇所であると判定してよい。一方、処理装置は、検知信号の極値間の距離と発振コイル間の距離との関係が所定の関係でない場合、検出された特異箇所がレール破断箇所であると判定してよい。発振コイル間の距離は、発振コイルおよび受信コイルの直径に基づき定義されてよい。

【0112】

検出装置（例えば、左右対称に設けられた検出装置、および／または、前後に設けられた検出装置）は、複数の車両のうちの二以上の車両にそれぞれ存在してよい。二以上の車両の各々について、特異箇所が弁別されてよい。処理装置は、二以上の車両それぞれについての特異箇所弁別の結果を基に、当該特異箇所が継目箇所であるかレール破断箇所であるかを弁別してよい。例えば、特異箇所弁別の結果が車両によって異なっている場合、最も多い同じ弁別結果が最終の弁別結果とされてよい。

【符号の説明】

【0113】

１、１ａ、１ｂ レール状態監視装置
２、２ａ、２ｂ 検出装置
３、３ａ、３ｂ 処理装置
４ 評価装置
５Ａ－１～５Ａ－Ｎ、５Ｂ－１～５Ｂ－Ｎ 発振コイル
６－１～６－Ｎ 受信コイル
２０ 下部筐体（第１の筐体）
２１－１～２１－Ｎ 磁気センサ部
７７ 磁気センサ部群
１００ 鉄道レール
１００ａ 踏み面
１０２ 特異箇所（継目箇所およびレール破断箇所）
１１０ 車両（鉄道車両）

【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】

【図16】