JP6941475B2

JP6941475B2 - 地上子

Info

Publication number: JP6941475B2
Application number: JP2017093623A
Authority: JP
Inventors: 淳史關; 清水　雄一郎; 雄一郎清水
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2037-05-10
Also published as: JP2018188045A

Description

本発明は、変周式又は共振式の地上子に関する。

従来から、変周式の地上子を地上側に設置し、車上側で地上子を検知して列車の停止制御や速度制御等を行う技術が知られている（例えば特許文献１を参照）。車上側は、車上子が地上子と接近したときに当該地上子と電磁結合し、その結果車上子の共振周波数が変化することを利用して、地上側からの情報を受信する。

特開２０１３−２１７４５号公報

しかしながら、従来の技術では、車上子と地上子との電磁結合によって地上側から車上側へと伝送できる情報は、共振周波数が何かという１種類の情報であった。また、選択できる共振周波数の種類には限りがあった。そのため、伝送できる情報（すなわち情報量）は、選択できる共振周波数の種類の総数に限られていた。

そこで、列車進行方向に複数の変周式の地上子を配置して一組の地上子群とすることで、伝送できる情報量を増加させる手法が考えられるが、幾つかの問題があった。例えば、車上側で確実に共振周波数を検知するためには、一組の地上子群を構成する各地上子間の設置間隔を一定以上離す必要があった。そうすると、列車（車上側）は一組の地上子群全てを検知しなければ１つの情報を得られないため、一定距離の走行が必須となる。一定距離の走行にかかる時間は、走行速度との関係で決まるため、走行速度によっては走行制御に遅れが生じる可能性がある。仮に、一組の地上子群を構成する一部の地上子のみを検知した状態で列車が停止した場合には、列車（車上側）は情報を得られない状態になる。

なお、変周式の応用方式として共振式が知られている。変周式が、発振周波数を変化させる方式であるのに対して、共振式は、地上子側に送信された複数の周波数のうちの共振周波数の振幅を大きくさせる方式（例えば、スペクトラム拡散方式や、新変周式とも称される方式、後述する合成波方式等）のことを指す。広義においては、共振式も変周式に含めることができると考えるが、変周式を狭義と解釈されることをおそれ、念のため、本明細書では別用語として記載する。

本発明は、上記課題に鑑みて、伝送可能な情報量を増やすことができる変周式又は共振式の地上子の新たな技術を実現することを目的として考案されたものである。

上記課題を解決するための第１の発明は、
変周式又は共振式の地上子であって、
車上子からの送信信号に対して第１の共振周波数で共振する第１の共振回路と、
前記送信信号に対して第２の共振周波数で共振する第２の共振回路と、
を備え、前記第１の共振回路を構成する第１のインダクタと、前記第２の共振回路を構成する第２のインダクタとが、所定の重なり幅で部分的に重ねて配置された地上子である。

第１の発明によれば、車上子からの送信信号に対し、第１の共振周波数で共振する第１の共振回路と、第２の共振周波数で共振する第２の共振回路とを備えた地上子を実現できる。そして、当該地上子は、各共振回路を構成する第１のインダクタと第２のインダクタとを、列車走行方向に対して交差する方向に、所定の重なり幅で部分的に重ねて配置されている。これによれば、本発明の地上子は、車上子からの送信信号に対して第１の共振周波数および第２の共振周波数の２種類の共振周波数で共振する。したがって、第１の共振周波数と第２の共振周波数との組み合わせの情報を地上側から車上側へと伝送できる。よって、第１の共振周波数と第２の共振周波数との組み合わせによって伝送可能な情報量を増やすことができ、当該組み合わせが示す情報を車上側へ伝送できる。

また、第２の発明は、
前記所定の重なり幅は、前記送信信号に対する共振時の前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとの間の電磁結合状態が所定の低減状態となる幅である、
第１の発明の地上子である。

第２の発明によれば、車上子からの送信信号に対する共振時の第１のインダクタと第２のインダクタとの間の電磁結合状態が所定の低減状態となる幅で、各インダクタを重ねて配置することができる。

さらに、第３の発明は、
前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタは、基板へのパターン実装によって構成され、
前記基板を内蔵した第２の発明の地上子である。

第３の発明によれば、第１のインダクタと第２のインダクタとを、基板へのパターン実装によって構成することができる。これによれば、各インダクタの重なり幅の精度を向上させるとともに、重なり幅に関する地上子の製造バラツキを抑えることができる。したがって、第２の発明と相まって、第１の発明の効果を発揮する地上子を、製造バラツキを抑えて製造することが可能となる。

製造バラツキを抑える発明としては、例えば、第４の発明として、
前記所定の低減状態となる幅が、前記電磁結合状態をゼロ相当状態とする所定の設計幅に対して５ｍｍ以下の誤差範囲内である、
第２又は第３の発明の地上子を構成することができる。

また、第５の発明は、
前記第１の共振回路および前記第２の共振回路は、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタを変更せず、コンデンサを変更することで共振周波数を変更可能に構成された、
第２〜第４の何れかの発明の地上子である。

第５の発明によれば、所定の重なり幅で重ねた第１のインダクタおよび第２のインダクタに対し、対応するコンデンサを変更することによって第１の共振周波数および／又は第２の共振周波数を変更することができる。

また、第６の発明は、
前記送信信号は、複数の周波数成分を含んだ所定の周波数帯域の合成信号であり、
前記第１の共振回路および前記第２の共振回路は、コンデンサを変更することで前記周波数帯域内で共振可能な共振周波数に変更可能に構成されている、
第５の発明の地上子である。

第６の発明によれば、コンデンサの変更によって、各共振回路の共振周波数を、車上子から送信信号として出力される合成信号の周波数帯域内で変更することができる。

また、第７の発明は、
前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとは、列車走行方向に対して交差する方向に前記所定の重なり幅で部分的に重ねて配置されている、
第１〜第６の何れかの発明の地上子である。

第７の発明によれば、第１の共振周波数と第２の共振周波数との組み合わせの情報を一度に地上側から車上側へと伝送できる可能性が高い。したがって、第１の共振周波数と第２の共振周波数との組み合わせが示す情報を一度に確実に車上側へ伝送できる。

地上子の構成および当該地上子を設置した軌道の概略を示す模式図。第１のインダクタと第２のインダクタとの配置を説明する図。地上子の共振周波数特性を示す図。変形例におけるインダクタの配置を説明する図。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付す。

図１は、本実施形態における地上子１の構成および当該地上子１を設置した軌道の概略を示す模式図である。図１に示すように、地上子１は、一対のレール３，３を支持するまくらぎ５の上部やまくらぎ５の間等において、レール３，３の内側に設置される。また、地上子１は、第１のインダクタＬ１および第２のインダクタＬ２の配置方向を、列車走行方向（レール３，３に沿う方向）と交差する向きとしてレール３，３間に設置される。

地上子１は、変周式又は共振式の地上子であり、上方を通過する列車の車上子からの送信信号に対し、第１の共振周波数ｆ１で共振する第１の共振回路１１と、第２の共振周波数ｆ２で共振する第２の共振回路１３とを備える。また、地上子１は、受動素子で回路が構成されており、電源を必要とせず、演算回路等のいわゆる電子回路やリレー等を搭載していない、他装置とのケーブル接続の必要のない、単体装置のみで設置完了となる装置である。

第１の共振回路１１は、第１のインダクタＬ１とコンデンサＣ１とを有し、第２の共振回路１３は、第２のインダクタＬ２とコンデンサＣ２とを有する。そして、地上子１は、これら第１の共振回路１１の第１のインダクタＬ１と第２の共振回路１３の第２のインダクタＬ２とが、部分的に重ねて配置されて構成される。

図２は、本実施形態の地上子１における第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＬ２との配置を説明する図であり、地上子１の俯瞰図である。図２に示すように、第１のインダクタＬ１と、第２のインダクタＬ２とは、それぞれ渦巻き状のコイルパターンを基板１５に印刷して実装され、上面視において各々の内側領域が所定の重なり幅Ｗ１の分だけ重なるように配置される。コイルパターンの巻き数は適宜設定することができ、基板１５の内層方向にスルーホールを形成して増やすこともできる。重なり幅Ｗ１は、車上子からの送信信号に対する共振時の第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＬ２との間の電磁結合状態が、所定の低減状態となる幅とされる。低減状態とは、当該共振時の第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＬ２との間の電磁結合状態が、無視できる程度に十分に小さい状態をいう。

ここで、当該共振時における第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＬ２との電磁結合の度合いは、重なり幅Ｗ１によって増減する。例えば、当該共振時に第１のインダクタＬ１に生じる磁束に着目すると、この第１のインダクタＬ１に生じる磁束の第２のインダクタＬ２を貫く向きが、第２のインダクタＬ２の内側領域のうちの第１のインダクタＬ１と重なった部分（一点鎖線で囲った部分）１３１と、第１のインダクタＬ１と重なっていない部分（二点鎖線で囲った部分）１３３とで逆になり、各部分１３１，１３３の磁束が打ち消し合ってその総和が変動するためである。当該共振時に第２のインダクタＬ２に生じた磁束の第１のインダクタＬ１を貫く向きについても同様のことがいえる。したがって、各部分１３１，１３３の磁束の総和が０（ゼロ）になる（或いは０（ゼロ）相当になる）ように、換言すると部分１３１と部分１３３とで磁束が等しくなるように重なり幅Ｗ１を設定すれば、当該共振時の第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＬ２との電磁結合をほぼ０の状態（ゼロ相当状態）とすることができる。

そこで、事前に電磁界解析を行い、電磁結合状態をゼロ相当状態とする重なり幅を設計幅として規定しておく。そして、設計幅に対して５ｍｍ以下の誤差範囲に収まる重なり幅Ｗ１で第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＬ２とを重ねて配置するように製造することにより、電磁結合状態の低減状態を実現する。これによれば、車上子からの送信信号に対する共振時にインダクタＬ１，Ｌ２間が電磁結合し、各共振回路１１，１３の共振周波数特性（図３を参照）に影響し合う事態を抑制できる。よって、共振周波数ｆ１，ｆ２の組み合わせの情報を車上側へと正確に伝送することが可能となる。

また、インダクタの製造は、従来のような電線を手巻きする方式ではなく、基板１５への銅箔等のパターン実装によって行う。したがって、重なり幅Ｗ１に関する地上子１の製造バラツキを、設計幅に対して５ｍｍ以下の誤差範囲に抑えることができ、特定の２つの共振周波数ｆ１，ｆ２で確実に共振する高品質な地上子の量産を容易かつ現実的に実現可能とすることができる。

コンデンサＣ１，Ｃ２は、対応する共振周波数ｆ１，ｆ２に応じた必要な容量値を有する。例えば、予め用意される共振周波数の異なる複数種類（例えば９種類）のコンデンサ素子の中から異なる共振周波数に対応する２つを選択して地上子１に搭載することとして各インダクタＬ１，Ｌ２に接続して用いることができる。あるいは、複数種類のコンデンサ素子を地上子１に搭載しておき、コンデンサ素子を選択あるいは組み合わせるスイッチを介して選択的に各インダクタＬ１，Ｌ２と接続する構成でもよい。

これによれば、インダクタＬ１，Ｌ２は変えずにコンデンサＣ１，Ｃ２を変更することで、所望の２つの共振周波数ｆ１，ｆ２で共振する地上子１を簡単に構成できる。インダクタＬ１，Ｌ２が実装された基板１５は共通して利用することができるため、基板１５を製造するコスト面でも有利である。したがって、地上子１は、異なる共振周波数ｆ１，ｆ２の組み合わせが示す情報を車上側へと伝送することができる。組み合わせの総数は、共振周波数の種類をＭ種類、共振回路の数をＮとすると、_ＭＣ_Ｎ通りとなる。例えば、共振回路の数が２つ（Ｎ＝２）で、用意されるコンデンサ素子が９種類（Ｍ＝９）の場合、３６通りの情報が伝送可能となる。

以上のように構成される地上子１は、所定の重なり幅Ｗ１で重ねて配置されたインダクタＬ１，Ｌ２の配置方向が列車走行方向（レール３，３に沿う方向）と交差する向きでレール３，３間に設置される。したがって、地上子は、上方を車上子が通過したときに、当該車上子からの送信信号に対して第１の共振周波数ｆ１および第２の共振周波数ｆ２の２種類の共振周波数で同時に共振する。

図３に、地上子１の共振周波数特性と、共振周波数ｆ１，ｆ２を検出するために車上子が送信する送信信号との概略を示す。図３に示すように、車上子は、複数の周波数成分を含んだ所定の周波数帯域Ｆ_Ｌ〜Ｆ_Ｈの合成信号を送信信号として出力する。周波数帯域Ｆ_Ｌ〜Ｆ_Ｈは、５０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲内で適宜設定される。したがって、車上側では、当該送信信号に対する地上子１の共振時に車上子に生じた周波数信号を解析することで、地上子１の共振周波数特性から振幅の大きい２種類の共振周波数ｆ１，ｆ２をほぼ同時に一度に検出することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、車上子からの送信信号に対し、第１の共振周波数ｆ１で共振する第１の共振回路１１と、第２の共振周波数ｆ２で共振する第２の共振回路１３とを備えた地上子１を実現できる。そして、その第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＬ２とを、列車走行方向に対して交差する方向に、所定の重なり幅Ｗ１で部分的に重ねて配置することができる。これによれば、第１の共振周波数ｆ１と第２の共振周波数ｆ２との組み合わせの情報を一度に地上側から車上側へと伝送できるので、当該組み合わせによって伝送可能な情報量を増やすことが可能となり、当該組み合わせが示す情報を一度に確実に車上側へ伝送できる。

なお、上記した実施形態では、２つの共振回路１１，１３を備えた地上子１について説明したが、３つの共振回路を備えて地上子を構成することもできる。図４は、３つの共振回路を備えた地上子における３つのインダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３の配置を俯瞰図で示した図である。インダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３それぞれは、図２と同様に渦巻き状のコイルパターンによって構成されるが、図４では、矩形状の太実線によって簡略して表記している。インダクタＬ１１，Ｌ１２は、上記した実施形態のインダクタＬ１，Ｌ２と同様に、列車走行方向に交差する方向に部分的に重ねて配置されており、インダクタＬ１３は、インダクタＬ１１，１２に対して列車走行方向に部分的に重なるように重ねて配置される。図４の地上子において、例えばインダクタＬ１１は、図４中にハッチングを付して示す内側領域が他の２つのインダクタＬ１２，Ｌ１３と部分的に重なるように配置される。本変形例の場合も、車上子からの送信信号に対する共振時の各インダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３間の電磁結合状態を全てゼロ相当状態とする設計幅を事前に規定し、当該設計幅に対して５ｍｍ以下の誤差範囲内となる重なり幅Ｗ１１，Ｗ１３で各インダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３を重ねて配置して製造すればよい。勿論、図２と同様、基板への銅箔等のパターン実装によってインダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３を製造する。この場合、例えば共振周波数の種類が９種類（Ｍ＝９）であり、９種類の共振周波数から重複を許さず異なる３つを組み合わせるとすると、その総数は_９Ｃ_３通り（８４通り）であり、８４種類の情報が伝送可能となる。

また、上記した実施形態では、第１のインダクタＬ１と第２のインダクタＬ２とを、列車走行方向に対して交差する方向に、所定の重なり幅Ｗ１で部分的に重ねて配置することとしたが、第１のインダクタＬ１および第２のインダクタＬ２の配置方向は特に限定されない。例えば、列車走行方向に沿って所定の重なり幅で部分的に重ねて配置するとしてもよい。

１地上子、１１第１の共振回路、Ｌ１第１のインダクタ、Ｃ１コンデンサ、１３第２の共振回路、Ｌ２第２のインダクタ、Ｃ２コンデンサ、１５基板、ｆ１第１の共振周波数、ｆ２第２の共振周波数、Ｗ１，Ｗ１１，Ｗ１３重なり幅、３レール、５まくらぎ

Claims

列車の車上子によって送信される送信信号に対して共振することで、共振周波数が前記車上子によって検知される変周式又は共振式の地上子であって、
前記送信信号に対して第１の共振周波数で共振する第１の共振回路と、
前記送信信号に対して前記第１の共振周波数とは異なる第２の共振周波数で共振する第２の共振回路と、
を備え、
前記第１の共振回路を構成する第１のインダクタと、前記第２の共振回路を構成する第２のインダクタとが、前記送信信号に対する共振時の前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとの間の電磁結合状態が所定の低減状態となる所定の重なり幅で部分的に重ねて配置され、
前記車上子が１つの前記送信信号を送信することで前記第１の共振周波数および前記第２の共振周波数を同時に検知可能な地上子。
前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタは、基板へのパターン実装によって構成され、
前記基板を内蔵した請求項１に記載の地上子。
前記所定の低減状態となる幅は、前記電磁結合状態をゼロ相当状態とする所定の設計幅に対して５ｍｍ以下の誤差範囲内である、
請求項１又は２に記載の地上子。
前記第１の共振回路および前記第２の共振回路は、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタを変更せず、コンデンサを変更することで共振周波数を変更可能に構成された、受動素子による回路構成によって電源を必要としない回路である、
請求項１〜３の何れか一項に記載の地上子。
前記送信信号は、複数の周波数成分を含んだ所定の周波数帯域の合成信号であり、
前記第１の共振回路および前記第２の共振回路は、コンデンサを変更することで前記周波数帯域内で共振可能な共振周波数に変更可能に構成されている、
請求項４に記載の地上子。
前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとは、列車走行方向に対して交差する方向に前記所定の重なり幅で部分的に重ねて配置されている、
請求項１〜５の何れか一項に記載の地上子。