新幹線を象徴として日本が世界に誇る鉄道システムは、車両、運行、保全などさまざまな技術の革新と連携によって、より高い安全と定時性、高速性、快適性へと日々、進化し続けています。

鉄道の軌道レールは、365日、休みなく走行する列車の荷重によって曲げ、歪みが発生し、常に変化しています。そのため、日夜、レールの状態が正確に把握され、適切な保全業務と保守管理によって列車の安全、安定輸送が支えられています。
その中で、当社の渦電流式変位センサは、レールの状態を走行しながらミリ単位で計測する軌道検測用車両にレール変位検測装置のセンサとして搭載されています。

電気・軌道総合試験車と渦電流式レール変位センサ

電気・軌道総合試験車では、鉄道の営業時間帯にも列車ダイヤを乱さず、柔軟なスケジュールで検測するために営業車両と同等の走行速度が求められ、新幹線用試験車では約280 km/hの高速で走行しながら検測しています。

この測定データは試験車両に搭載された軌道検測システムによって軌間 (左右のレール幅) と乗り心地に影響が大きく、また蛇行の要因となる通り狂い (レールのゆがみ) として検測データ化され、他の検測項目と合わせて、リアルタイムでモニタリングされ、異常兆候の検知と軌道の保守・整備計画、整備後の状態確認のためのCBM (Condition Based Maintenance：状態基準保全) データとして活用されています。 (図１)

渦電流式レール変位センサの測定方式と特長

レール変位センサの測定方式 (測定原理) は、渦電流式と呼ばれ、センサ先端部のコイルから発生させた高周波磁束により、ターゲット (導電体) に渦電流を発生させ、距離 (ギャップ) によるコイルインピーダンスの変化を利用してターゲットとの距離を非接触で正確に測定します。渦電流式変位センサは、微小な距離変化に対する高い感度と、高速現象に追従する応答性があります。またセンサとターゲットの間に水、油、埃のような非導電体が介在しても測定に影響を受けないといった変位センサとして優れた特長を持っています。 (表１)

表1．主な非接触変位センサの測定方式による比較

※ 静電容量式、レーザ式 (光学式) 、超音波式の仕様は、一般的な仕様です。

参照コラム：渦電流式変位センサの原理と特徴

渦電流式変位センサは通常、センサと対面するターゲットとの距離を測定する用途に用いられていますが、当社の渦電流式レール変位センサは、この測定方式 (原理) を応用し、レール変位センサ内に2つのコイルを配置し、導電体であるレールの左右 (外軌側、内軌側) の変位に対し、それぞれ逆方向の感度を持たせることによってレールの変位量 (ｍｍ) を広いレンジで正確な測定を可能としています。 (図２)

軌道検測用車両においてレール変位検測装置のセンサには、渦電流式以外にもレーザ (光学式) や測定車輪による接触方式などが用いられています。しかしながら冬季に積雪の多い区間では光学式の場合、レンズなど光学系機器への氷着、舞い上がった雪による乱反射などによって測定が不安定となります。また、測定車輪をレールに接触させる方式でも、冬季においてはレールとの間に氷雪がはさまるといった問題によって、正確な測定ができない場合があるなど、それぞれ原理的な課題を持っています。

これに対し、渦電流式レール変位センサは、レールへの積雪、氷着時やセンサ自体への氷着した状態でも測定に影響を受けないという最大のメリットがあり、冬季、夏季を通してレーザ (光学式) との併用、あるいは測定車輪方式から置き換え、変更も行われています。²⁾

渦電流式レール変位センサ開発の経緯

当時、東海道・山陽新幹線では既にレーザ (光学式) による非接触測定装置が用いられていましたが、東北・上越新幹線では冬季、降雪区間が多く、雪の舞い上げや、レールやセンサ部への氷着に対しても影響を受けず安定した測定ができ、しかも追加の設置となるため、小型の高速軌道検測装置の開発が急務とされていました。
当社では1970年代前半より、渦電流式変位センサを開発、一般産業向けに変位・振動センサとして市販化しており、過酷環境下で使用される渦電流式センサの開発技術と経験を活かし、これらの厳しいテーマに対し、

• レールの左右変位を測定するための2つのセンサコイルの形状と設置位置の最適化
• 車両で最も振動の激しい場所に設置されるための振動、衝撃に耐え得るセンサ構造と材料選定
• 冬季の低温から夏季の高温環境を通して安定した回路構成

などの課題を解決し、小型「全天候型渦電流式高速軌道検測装置」 (渦電流式レール変位計) の開発に成功し、東日本旅客鉄道株式会社様の電気・軌道総合試験車 (ドクターイエロー：黄色い車体に緑のストライプ) に搭載されました。³⁾

その後も、当社では鉄道の安全に寄与する渦電流式レール変位センサの安定性、信頼性、耐久性、保守性の向上への取り組みを続けており、現在では、新幹線用のみならず、在来線用の軌道検測車、私鉄の軌道検測車へのご採用も広がっています。

参考文献

1) 日本線路技術株式会社　ホームページ / 線路検測

2) 北海道旅客鉄道株式会社　車内誌「The JR Hokkaido」2017年6月号、2021年4月号　未来へつなぐ

3) 新川電機株式会社新川技報1982年No.1東北・上越新幹線特集