JP5706721B2 - 鉄道車両制御システム - Google Patents

Description

本発明は、空気バネ等のサスペンション装置を備えた鉄道車両の制御システムに関する。

一般に、車体と台車との間に空気バネを備えた鉄道車両には、車高を一定に維持するために空気バネへの圧縮空気の給排を制御するレベリングバルブ（自動高さ調節弁）が設けられている（例えば、特許文献１参照）。このレベリングバルブは、乗客の増減による車体の高さの変化がリンク機構を介して伝達されると、空気バネに対して圧縮空気を給排するように機械的に開閉し、その空気バネの伸縮により車高を自動的に調節する。しかしながら、空気バネは上下方向だけでなく前後左右にも変形しうるため、レベリングバルブにより高さを検知する方式は、簡素かつ正確に車高を測定することは難しく、複雑な機構が必要となる。

これに対して、空気バネの高さを検出する高さセンサを設け、その高さセンサで検出された高さ情報に基づいて空気バネへの給排気を電気的に制御する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。これによれば、簡素かつ正確に空気バネの高さ検出することができるため、高精度で安価な車高制御を実現することが可能となる。

特開平１１−７８８７７号公報 特開平８−１２１５２１号公報

ところで、車両走行時には、図１１に示すように、車両長手方向（Ｘ方向）の軸線回りに車体２０１が揺動するローリングや、車両幅方向（Ｙ方向）の軸線回りに車体２０１が揺動するピッチングや、鉛直方向（Ｚ方向）の軸線回りに車体２０１が揺動するヨーイングが発生しうる。近年は、車高を一定に維持するだけでなく、ローリング、ピッチング、ヨーイング及び各種振動を低減したり、曲線通過時等において車体の傾斜を制御したりすることにより、走行性能を更に向上させ、乗客の乗り心地を向上させるために高機能な車体制御を行うことが望まれている。しかし、そのためには、ジャイロセンサ２０６や複数の加速度センサ２０７などを別途取り付けねばならず、コスト高となるとともに車載スペースを占有することにもなる。また、ジャイロセンサ２０７や加速度センサ２０６を用いて車体２０１の所定方向への変位を算出する場合には、複雑な演算も必要となる。

これに対して、特許文献１に記載の車体支持用空気バネ装置は、排気用電磁弁を開閉する制御回路や空気回路を不要とし、過給気状態になると空気バネに内蔵された排気弁を機械的に開放するものであり、車両の前後左右を含む水平方向の変位を検出することについては開示されていない。

また、特許文献２は、従来よりも簡易な構成で空気バネの高さを検知することができる空気バネが開示されているが、車両の水平方向の変動は検知することができず、走行状態に応じた高精度の車体制御を行うことは難しい。

そこで本発明は、簡素かつ省スペースでありながら高機能な車体制御が可能な鉄道車両制御システムを提供することを目的としている。

本発明に係る鉄道車両制御システムは、車輪から車体までの支持構造において車体と台車枠とを弾性的に結合する機構を備えた鉄道車両に適用可能な鉄道車両制御システムであって、前記車体に設けられた上壁部と、前記台車枠に設けられた下壁部と、前記上壁部を前記下壁部に対して弾性的に相対変位させる弾性部としての空気室と、前記上壁部及び前記下壁部のいずれか一方側に取り付けられて他方側のターゲットを前記空気室を通して撮像して画像信号を出力する撮像部とを有する空気バネ装置と、前記撮像部から出力された画像信号に基づいて、前記上壁部と前記下壁部との間の相対水平変位量及び相対水平変位方向と、前記上壁部と前記下壁部との間の相対鉛直変位量とを算出する変位演算装置と、前記変位演算装置で算出された前記相対水平変位量及び前記相対水平変位方向と前記相対鉛直変位量とに応じて車両制御を行う車両制御装置と、を備えている。

前記構成によれば、サスペンション装置に撮像部を設け、ターゲットを撮像して出力された画像信号に基づいて相対水平変位量及び相対水平変位方向と相対鉛直変位量とを算出することとしたので、簡素かつ省スペースでありながら高精度に相対水平変位量及び相対水平変位方向と相対鉛直変位量とを検出することが可能となる。そして、サスペンション装置の上壁部と下壁部との間の相対水平変位量及び相対水平変位方向と相対鉛直変位量とを算出すれば、鉄道車両のサスペンション装置を挟んだ車体と台車枠との間の相対水平変位量及び相対水平変位方向と相対鉛直変位量とに応じて車体制御を行うことができ、車高のみによる制御に比べて高機能な車体制御が可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、簡素かつ省スペースでありながら高精度に相対水平変位量及び相対水平変位方向と相対鉛直変位量とを検出でき、高機能な車体制御が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る鉄道車両を示す側面図である。 図１に示す鉄道車両の正面図である。 図２に示す鉄道車両の要部平面図である。 図３に示す鉄道車両の要部側面図である。 図２に示す鉄道車両の空気バネ装置の断面図である。 図５の要部拡大図である。 図５に示すターゲット板の平面図である。 図２に示す鉄道車両に搭載された制御システムのブロック図である。 車両の車体傾斜制御を説明する正面図である。 本発明の第２実施形態に係る鉄道車両の軸バネ装置を示す一部断面側面図である。 従来の鉄道車両の車体挙動を説明する斜視図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る鉄道車両１を示す側面図である。図２は図１に示す鉄道車両１の正面図である。図３は図２に示す鉄道車両１の要部平面図である。図４は図３に示す鉄道車両１の要部側面図である。なお本実施形態では、車両長手方向をＸ方向とし、車両幅方向をＹ方向とし、鉛直方向をＺ方向とする。図１乃至４に示すように、鉄道車両１は、内部に乗客が搭乗する客室４が形成された車体２と、その車体２を支持する前後一対の台車３とを備えている。台車３は、前後左右の各４つの車輪５と、左右の車輪５を連結する車軸６と、車軸６の両端を回転自在に支持する軸受が内蔵された軸箱７と、牽引装置１１（中心ピン）を介して車体２と接続された台車枠９と、軸箱７と台車枠９とを弾性的に結合する一次サスペンション装置である前後左右の各４つの軸バネ８と、台車枠９と車体２とを弾性的に結合する二次サスペンション装置である左右一対の空気バネ装置１０とを備えている。即ち、本実施形態における車輪５から車体２までの支持構造は、車輪５、車軸６、軸箱７、軸バネ８、台車枠９、空気バネ装置１０及び車体２により構成されている。なお、本例の空気バネ装置１０は、１つの台車３につき左右一対設けられているため、１つの車体２につき前後左右の計４つ設けられている。

図２に示すように、車体２には車体側ブラケット１２が設けられ、台車枠９には台車側ブラケット１３が設けられ、各ブラケット１２，１３の間に車両幅方向アクチュエータ１４が車両幅方向運動制御部として介設されている。車両幅方向アクチュエータ１４は、車両幅方向に水平直進運動を発生させる電気式、油圧式又は空気圧式のアクチュエータからなり、車体２を台車枠９に対して水平方向に相対移動させることができる。なお、各ブラケット１２，１３の間には、それらの相対運動に減衰作用を付与するダンパも設けてもよいし、ダンパの減衰力を制御可能な制御付きダンパを設けてもよい。

また、図３及び図４に示すように、台車枠９の左右両側に台車側ブラケット１５が設けられ、車体２には車体側ブラケット１６が設けられ、台車枠９の左右両側において各ブラケット１５，１６間に車両長手方向アクチュエータ１７が車両長手方向運動制御部として介設される。車両長手方向アクチュエータ１７は、車両長手方向に水平直進運動を発生させる電気式、油圧式又は空気圧式のアクチュエータからなり、車体２を台車枠９に対して車体長手方向に相対移動又は水平方向に回転させることができる。なお、各ブラケット１５，１６の間には、それらの相対運動に減衰作用を付与するダンパも設けてもよいし、ダンパの減衰力を制御可能な制御付きダンパを設けてもよい。

また、図４に示すように、軸箱７と台車枠９との間には、軸バネ８に平行して鉛直方向の減衰力を発生するダンパ１８が介設されている。なお、このダンパ１８の代わりに、減衰力を制御可能な制御付きダンパを設けてもよいし、鉛直方向運動制御部として鉛直方向アクチュエータを設けてもよい。

図５は図２に示す鉄道車両１の空気バネ装置１０の断面図である。図６は図５の要部拡大図である。図５及び６に示すように、空気バネ装置１０は、車体２に一体的に接続される上壁部２１と、台車枠９に一体的に接続される下壁部２２と、上壁部２１の周端部と下壁部２２の周端部とを気密的に連結して内部に空気室２４を形成する筒状可撓性膜２３と、下壁部２２を支持する円筒状のゴム積層体２５と、ゴム積層体２５の下端に設けられたストッパープレート２６とを備えている。上壁部２１の中央部には、給気弁５７及び排気弁５８（図７参照）を空気室２４に連通させる給排口２９が設けられている。下壁部２２及びストッパープレート２６の中央部には、空気室２４と補助空気室Ｄ（図２参照）とを連通させる連通口２７，２８が設けられている。

前記構成の空気バネ装置１０では、空気室２４が上壁部２１を下壁部２２に対して弾性的に相対変位させる弾性部となる。また、給排口２９から圧縮空気を空気室２４に給気することで、上壁部２１と下壁部２２との間の距離（即ち、高さ）が大きくなり、給排口２９から空気室２４内の圧縮空気を排気することで、上壁部２１と下壁部２２との間の距離（即ち、高さ）が小さくなる。また、空気室２４と補助空気室Ｄとの間に可変絞り弁１９（図２参照）を設け、空気バネ装置１０自体を可変ダンパとして機能させることも可能である。

さらに、空気バネ装置１０には、二組のＣＣＤカメラ３１，３２，３１’，３２’及び２つのＬＥＤ３４，３５が設けられている。なお、ＣＣＤカメラ３１，３２，３１’，３２’を二組設けたのは、どちらか一組のＣＣＤカメラが故障したときに備えるためであり、ＣＣＤカメラ３１，３２を一組だけ設けてもよい。以下では、１組のＣＣＤカメラ３１，３２及び１つのＬＥＤ３４について代表して説明する。上壁部２１には、カメラ室３８を形成するカメラ収容ケース３７が設けられている。カメラ室３８は上壁部２１の下面よりも上方に形成されている。カメラ室３８の壁面には一組の小型のＣＣＤカメラ３１，３２が固定されており、ＣＣＤカメラ３１，３２は下方を撮影するように配置されている。なお、これら２つのＣＣＤカメラ３１，３２は、空気バネ装置１０の円周方向でも半径方向でも、互いに距離をあけて配置されていればよい。

このＣＣＤカメラ３１，３２は、１秒当たり複数コマ（例えば、１秒当たり６０コマ）の静止画を撮影することで動画を撮影することが可能な市販のものである。上壁部２１には、ＣＣＤカメラ３１，３２の撮影範囲を遮らないように平面視円形状の開口Ｈ１が形成されている。上壁部２１の開口Ｈ１を規定する周縁２１ａは、空気室２４側の径が大きくなるような段差を有している。上壁部２１の周縁２１ａには、開口Ｈ１を塞ぐように透明板３６が嵌合固定されている。透明板３６の周縁３６ａは、上壁部２１の周縁２１ａに合致するように空気室２４側の径が大きくなるような段差を有している。この透明板３６によりカメラ３１と空気室２４との間が仕切られる。なお、上壁部２１及び透明板３６の周縁２１ａ，３６ａは空気室２４側の径が大きくなるような段差を有しているので、空気室２４が高圧でも透明板３６が外れることがない。なお、本実施の形態では、ＣＣＤセンサを用いた例を示しているが、ＣＭＯＳセンサを用いたカメラ等、種々の撮像装置を適用してもよい。

下壁部２２には、光源室４２を形成する光源収容ケース４１が設けられている。光源４２は下壁部２２の上面よりも下方に形成されている。光源室４２の壁面には光源としてＬＥＤ３４が固定されており、ＬＥＤ３４は上方を照らすように配置されている。下壁部２２には、ＬＥＤ３４からの光を上方に透過させるように平面視円形状の開口Ｈ２が形成されている。下壁部２２の開口Ｈ２を規定する周縁２２ａは、空気室２４側の径が大きくなるような段差を有している。下壁部２２の周縁２２ａには、開口Ｈ２を塞ぐように透明板４０が嵌合固定されている。

透明板４０の周縁４０ａは、下壁部２２の周縁２２ａに合致するように空気室２４側の径が大きくなるような段差を有している。この透明板４０によりＬＥＤ３４と空気室２４との間が仕切られる。下壁部２２及び透明板４０の上面には、撮像用のターゲット板３３が固定されている。ターゲット板３３は、下壁部２２の中央部の連通口２８を覆うように配置されており、ターゲット板３３の中央部には、連通口２８と連通する連通口３３ｂが形成されている。即ち、空気室２４は、連通口２７，２８，３３ａを介して補助空気室Ｄ（図２参照）と連通している。

図７は図５に示すターゲット板３３の平面図である。図７に示すように、本例では、ターゲット板３３は、その表面のうち一組のＣＣＤカメラ３１，３２の撮影範囲にある部分にターゲット３３ｃとして幾何学模様を部分的に形成し、他の一組のＣＣＤカメラ３１’，３２’の撮影範囲にある部分にターゲット３３ｄとして幾何学模様を部分的に形成したものである。具体的には、ターゲット板３３は、四隅３３ｃａ，３３ｃｂ，３３ｃｃ，３３ｃｄ及び３３ｄａ，３３ｄｂ，３３ｄｃ，３３ｄｄが識別可能な形状で且つ光が透過可能な光透過部をターゲット３３ｃ，３３ｄとし、その光透過部３３ｃ，３３ｄ以外の部分は光が透過しない遮光部３３ｅとしている（図７の黒色部分が光透過部３３ｃ，３３ｄである。）。なお、ターゲットは、ＣＣＤカメラ３１により撮影された画像で四隅が識別できる形状や模様等であれば、特に限定されるものではない。

このように、ターゲット３３ｃ，３３ｄの形状を四隅３３ｃａ〜ｃｄ，３３ｄａ〜ｄｄが識別できるものとすることで、ＣＣＤカメラ３１，３２，３１’，３２’により撮影された画像から、水平相対変位量・鉛直相対変位量・相対回転角・相対傾斜角などを検知することが可能となる。また、空気バネ装置１０の内部の空気室２４は暗闇であるが、反射光でなく透過光によりターゲット３３ｃ，３３ｄの形状を識別可能にすることで、ＣＣＤカメラ３１，３２，３１’，３２’が他のものをターゲットと誤認することも防止される。

以下では、また１組のＣＣＤカメラ３１，３２及び１つのＬＥＤ３４について代表して説明する。前記した空気バネ装置１０では、ＬＥＤ３４からの光が透明板４０を透過してターゲット板３３に伝播し、光透過部であるターゲット３３ｃの形状が識別可能となるので、ＣＣＤカメラ３１，３２は、閉空間である空気室２４を介してターゲット板３３の表面に現れるターゲット３３ｃを遮光部３３ｅに対して識別可能に撮影することができる。

また、空気バネ装置１０が水平方向変位していない状態において、ＣＣＤカメラ３１，３２は、ターゲット３３ｃの中心を画像中心付近に配置するようにターゲット３３ｃ全体を撮像するよう設定されている。しかも、ＣＣＤカメラ３１，３２は、空気バネ装置１０の通常使用中に上壁部２１と下壁部２２とが設計上最も近づいた状態でターゲット３３ｃ全体が各カメラ３１，３２の撮像範囲内に収まるように設定されている。なお、空気バネ装置１０の空気室２４から空気が抜かれたパンク状態では、ターゲット３３ｃ全体が各カメラ３１，３２の撮像範囲内に収まらなくてもよい。また、ターゲット板３３は必ずしもなくてもよく、透明板４０の形状そのものや透明板４０に直にターゲットを形成してもよい。

図８は図２に示す鉄道車両１に搭載された制御システム１００のブロック図である。図８に示すように、鉄道車両制御システム１００は、車体２の前側の台車３の左側に設けられた左前空気バネ装置１０ＬＦと、車体２の前側の台車３の右側に設けられた右前空気バネ装置１０ＲＦと、車体２の後側の台車３の左側に設けられた左後空気バネ装置１０ＬＲと、車体２の後側の台車３の右側に設けられた右後空気バネ装置１０ＲＲとを備えている。 これら空気バネ装置１０ＬＦ，１０ＲＦ，１０ＲＦ，１０ＲＲは、車体２を台車枠９に対して鉛直方向に相対移動させることが可能な鉛直アクチュエータ（鉛直方向運動制御部）の役目も果たす。

各空気バネ装置１０ＬＦ，１０ＲＦ，１０ＬＲ，１０ＲＲには、コンプレッサ５６からの圧縮空気を空気室２４に供給するための給気通路を開閉する給気弁５７ＬＦ，５７ＲＦ，５７ＬＲ，５７ＲＲがそれぞれ設けられている。また、各空気バネ装置１０ＬＦ，１０ＲＦ，１０ＬＲ，１０ＲＲには、空気室２４内の空気を外部に排出するための排気通路を開閉する排気弁５８ＬＦ，５８ＲＦ，５８ＬＲ，５８ＲＲがそれぞれ設けられている。

また、前側の台車３に設けられた車両幅方向アクチュエータ１４を前側車両幅方向アクチュエータ１４Ｆとし、後側の台車３に設けられた車両幅方向アクチュエータ１４を後側車両幅方向アクチュエータ１４Ｒとする。また、前側の台車３の左右両側に設けられた車両長手方向アクチュエータ１７をそれぞれ左前車両長手方向アクチュエータ１４ＬＦ及び右前車両長手方向アクチュエータ１４ＲＦとし、後側の台車３の左右両側に設けられた車両長手方向アクチュエータ１７をそれぞれ左後前車両長手方向アクチュエータ１４ＲＦ及び右後車両長手方向アクチュエータ１４ＲＲとする。

鉄道車両制御システム１００は、左前空気バネ装置１０ＬＦに設けられた第１及び第２左前ＣＣＤカメラ３１ＬＦ，３２ＬＦと、右前空気バネ装置１０ＲＦに設けられた第１及び第２右前ＣＣＤカメラ３１ＲＦ，３２ＲＦと、左後空気バネ装置１０ＬＲに設けられた第１及び第２左後ＣＣＤカメラ３１ＬＲ，３２ＬＲと、右後空気バネ装置１０ＲＲに設けられた第１及び第２右後ＣＣＤカメラ３１ＲＲ，３２ＲＲとを備えている。これらのＣＣＤカメラ３１ＬＦ，３２ＬＦ，３１ＲＦ，３２ＲＦ，３１ＬＲ，３２ＬＲ，３１ＲＲ，３２ＲＲは、コントローラ５０に接続されている。また、本システム１００は、加速度センサやジャイロセンサを備えていない。なお、図８では、図５及び６で示した一組のＣＣＤカメラ３１，３２について代表して説明しており、別の一組のＣＣＤカメラ３１’，３２’については説明を省略する。

コントローラ５０は、左前変位演算部５１、右前変位演算部５２、左後変位演算部５３、右後変位演算部５４及び車両制御部５５を備えている。左前変位演算部５１は、第１及び第２左前ＣＣＤカメラ３１ＬＦ，３２ＬＦで撮影された画像を時系列的に処理し、左前空気バネ装置１０ＬＦにおける上壁部２１と下壁部２２との間の相対水平変位量及び相対水平変位方向を算出すると共に、上壁部２１と下壁部２２との間の相対鉛直変位量を算出する。右前変位演算部５２は、第１及び第２左前ＣＣＤカメラ３１ＲＦ，３２ＲＦで撮影された画像を時系列的に処理し、右前空気バネ装置１０ＲＦにおける上壁部２１と下壁部２２との間の相対水平変位量及び相対水平変位方向を算出すると共に、上壁部２１と下壁部２２との間の相対鉛直変位量を算出する。

左後変位演算部５３は、第１及び第２左前ＣＣＤカメラ３１ＬＲ，３２ＬＲで撮影された画像を時系列的に処理し、左後空気バネ装置１０ＬＲにおける上壁部２１と下壁部２２との間の相対水平変位量及び相対水平変位方向を算出すると共に、上壁部２１と下壁部２２との間の相対鉛直変位量を算出する。右後変位演算部５４は、第１及び第２左前ＣＣＤカメラ３１ＲＲ，３２ＲＲで撮影された画像を時系列的に処理し、右後空気バネ装置１０ＲＲにおける上壁部２１と下壁部２２との間の相対水平変位量及び相対水平変位方向を算出すると共に、上壁部２１と下壁部２２との間の相対鉛直変位量を算出する。なお、相対水平変位方向は、上壁部２１と下壁部２２とが相対的に水平変位した時に、上壁部２１及び下壁部２２のうち何れか一方が他方に対して相対的に変位する方向を水平面上における３６０°の角度範囲のうちの１つの角度として特定することで求めるとよい。

具体的には、各変位演算部５１〜５４は、２つのＣＣＤカメラ３１，３２で撮影された画像上のターゲット３３ｃの画像内における基準位置、移動量及び移動方向と、実際の上壁部２１と下壁部２２との間の相対基準位置、相対変位量及び相対変位方向との相関関係をメモリに予め記憶している。そして、各変位演算部５１〜５４は、２つのＣＣＤカメラ３１，３２で所定のサンプリングレート（１秒当たり６０コマ）で撮影された画像を三次元的に処理して前記相関関係を参照することで、上壁部２１に対する下壁部２２の実際の相対水平変位量、相対変位方向及び相対鉛直変位量を算出する。

なお、各変位演算部５１〜５４は、２つのＣＣＤカメラ３１，３２からの画像を処理して変位量及び変位方向を算出しているが、１つのＣＣＤカメラからの画像を処理して変位量及び変位方向を算出してもよい。その場合には、撮像された画像上のターゲットの大きさの変化から相対鉛直変位量を求めるとよく、また、ターゲットを球状にすれば水平変位量の演算が複雑になるのが軽減される。なお、空気バネの上壁と下壁との距離が小さく、かつ相対水平変位量が大きい場合には、広角系のレンズを用いても良い。ただし、広角系レンズで撮像した場合は、画像周辺の歪みが生じるため、公知のソフトウェア等を用いて歪み補正を行なう必要がある。また、図７では、ターゲットの形状の一例を示したが、これに限られない。また、一組のＣＣＤカメラ３１，３２からの画像を処理して算出される変位量及び変位方向と、他の一組のＣＣＤカメラ３１’，３２’からの画像を処理して算出される変位量及び変位方向とが、所定の誤差範囲を超えて相違する場合には、コントローラ５０はエラー発生であると判定してもよい。

車両制御部５５は、各変位演算部５１〜５４で算出された相対水平変位量、相対水平変位方向及び相対鉛直変位量に基づいて、空気バネ装置１０ＬＦ，１０ＲＦ，１０ＬＲ，１０ＲＲの給排気を制御すると共に、車両幅方向アクチュエータ１４Ｆ，１４Ｒや車両長手方向アクチュエータ１７ＬＦ，１７ＲＦ，１７ＬＲ，１７ＲＲの各々の駆動を制御する。

例えば、車両制御部５５は、各変位演算部５１〜５４で算出された相対水平変位量及び相対水平変位方向からＺ軸回りに回転運動するヨーイングが発生したことを検知すると、そのヨーイングを所定の適正状態にすべく、車両幅方向アクチュエータ１４Ｆ，１４Ｒや車両長手方向アクチュエータ１７ＬＦ，１７ＲＦ，１７ＬＲ，１７ＲＲをそれぞれ制御する（ヨーイング制御）。

また、車両制御部５５は、各変位演算部５１〜５４で算出された相対水平変位量及び相対水平変位方向から水平方向の振動が発生したことを検知すると、その振動を所定の適正状態にすべく、車両幅方向アクチュエータ１４Ｆ，１４Ｒや車両長手方向アクチュエータ１７ＬＦ，１７ＲＦ，１７ＬＲ，１７ＲＲをそれぞれ制御する（制振制御）。さらに、車両制御部５５は、各変位演算部５１〜５４で算出された相対鉛直変位量から鉛直方向の振動が発生したことを検知すると、その振動を所定の適正状態にすべく、給気弁５７ＬＦ，５７ＲＦ，５７ＬＲ，５７ＲＲ及び排気弁５８ＬＦ，５８ＲＦ，５８ＬＲ，５８ＲＲをそれぞれ制御する（制振制御）。

また、車両制御部５５は、各変位演算部５１〜５４で算出された相対鉛直変位量からＸ軸回りに回転運動するローリングが発生したことを検知すると、そのローリングを所定の適正状態にすべく、給気弁５７ＬＦ，５７ＲＦ，５７ＬＲ，５７ＲＲ及び排気弁５８ＬＦ，５８ＲＦ，５８ＬＲ，５８ＲＲをそれぞれ制御する（ローリング制御）。また、車両制御部５５は、各変位演算部５１〜５４で算出された相対鉛直変位量からＹ軸回りに回転運動するピッチングが発生したことを検知すると、そのピッチングを所定の適正状態にすべく、給気弁５７ＬＦ，５７ＲＦ，５７ＬＲ，５７ＲＲ及び排気弁５８ＬＦ，５８ＲＦ，５８ＬＲ，５８ＲＲをそれぞれ制御する（ピッチング制御）。

また、車両制御部５５は、空気バネを用いた車体傾斜制御装置として機能してもよい。例えば、図９に示すように、車両が曲線を走行する際に、左右の空気バネ高さを変化させ、車両を曲線内方に傾斜させることにより、カント不足による曲線外方への加速度を低減することができる。即ち、車両制御部５５は、実際の車体傾斜角度が、走行速度と線路のカーブとレールのカント不足量とから演算した目標傾斜角度となるように、変位演算部５１〜５４で算出された相対鉛直変位量に基づいて給気弁５７ＬＦ，５７ＲＦ，５７ＬＲ，５７ＲＲと排気弁５８ＬＦ，５８ＲＦ，５８ＬＲ，５８ＲＲとを制御するとよい。

以上に説明した構成によれば、空気バネ装置１０にＣＣＤカメラ３１，３２を設け、ターゲット板３３を撮影した画像を処理して相対水平変位量、相対水平変位方向及び相対鉛直変位量を算出することとしたので、簡素かつ省スペースでありながら高精度に相対水平変位量、相対水平変位方向及び相対鉛直変位量を検出することが可能となる。そして、空気バネ装置１０の上壁部２１と下壁部２２との間の相対水平変位量及び相対水平変位方向を算出するので、空気バネ装置１０を挟んだ車体２と台車枠９との間の相対水平変位量及び相対水平変位方向に応じて車体制御を行うことができ、車高のみによる制御に比べて高機能な車体制御が可能となる。また、ＣＣＤカメラ３１，３２及びターゲット板３３は、空気バネ装置１０の内部に組み込まれて外界と遮断されているので、汚れの付着や物が当たること等も抑制されてメンテナンスの必要性も軽減できる。また、ＣＣＤカメラ３１，３２で微少時間ごとに撮影した静止画を時系列的に処理することで高周波の微小変位を検知することができ、高精度な制御を行うことができる。

また従来は、ローリング／ピッチング／ヨーイング検知を行うためには、車体の前後左右に、上下／左右／前後方向の加速度を検知するための加速度センサを用いるか、車体中央部に上下／左右／前後方向の回転を検知するジャイロセンサを用いる必要があったのに対し、本実施形態の構成であれば、車体２と台車３との間の相対移動量を直接的に計測できるので、加速度センサやジャイロセンサを使うことなく、ローリング／ピッチング／ヨーイングを検知することが可能となる。そして、加速度センサを用いて、ローリング／ピッチング／ヨーイング方向の車体の相対変位量を求める場合は加速度の２回積分を用いる必要があるが、本システム１００の方式の場合は、直接的に車体の相対変位量が検知できるため、処理速度が大幅に向上し、高速の制御が可能となるという顕著な効果を奏する。

また、ローリング／ピッチング／ヨーイングである振動を含めて相対変位量を直接的に高速で検知が可能となるため、車体２と台車３との間において前後／左右／上下方向に設けたアクチュエータ１０，１４，１７によるアクティブダンパ制御や制御絞り弁付ダンパによるパッシブダンパ制御を実施することにより、より高度な上下振動を低減して乗り心地を向上させることも可能となる。

また、本システム１００の場合、ローリング／ピッチング／ヨーイングだけでなく、車体２と台車３との間の単純な前後動、曲線区間におけるカーブの外側への単純な水平移動、及び、車体２が上下に振動するダンピング、などが発生した場合でも、直接的に相対変位量を計測できるため、車体２と台車３との間にアクティブダンパやパッシブダンパを用いて車体振動を抑制することにより、乗客の乗り心地を改善することもできる。

また、車両制御部５５を車体傾斜制御装置として用いた場合には、左右方向の加速度センサやジャイロセンサを用いて車両の傾斜角度を演算する場合と比較して、直接的な検知により傾斜角度を高速で判別できるため、遅滞なく目標とする車体傾斜角度を検出することが可能となる。

（第２実施形態）
図１０は本発明の第２実施形態に係る鉄道車両の軸バネ装置６０を示す一部断面側面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図１１に示すように、本実施形態では、台車枠９と軸箱７とを弾性的に結合する一次サスペンション装置である軸バネ装置６０に一組のＣＣＤカメラ６８，６９、ターゲット板６６及びＬＥＤ６５が設けられている。軸バネ装置６０は、軸はり式であり、台車枠９（の側梁）と軸箱７との間に介設されたコイルバネ８を有している。コイルバネ８の側方には、台車枠９に設けられたブラケット９ｂと、軸箱７に設けられたブラケット７ａとがダンパ６７で繋がれている。

台車枠９は、コイルバネ８を上方から覆う逆断面凹形状のカバー部９ａを有している。カバー部９ａは、コイルバネ８の上方に配置されて中央開口９ｅが形成された天井部９ｃと、天井部９ｃの周端部から下方に突出してコイルバネ８の側方を隠す円筒部９ｄとを有している。天井部９ｃの下面には、コイルバネ８の上端を支持する円環状の台座である上壁部６１が設けられている。上側台座６１の中央開口６１ａには、封止部材６２が上方から取り付けられている。この封止部材６２の下面には、第１実施形態と同様の構成であるＣＣＤカメラ６８，６９が下方を撮影するように固定されている。

軸箱７の上面には、コイルバネ８の下端を支持する台座である下壁部６４が設けられている。下壁部６４は、その中央にコイルバネ８で囲まれた空間内で上方に向けて突出した突出部６４ａを有しており、その突出部６４ａには上下に貫通する貫通空間６４ｂが形成されている。突出部６４ａの円環状の上端面には、光透過性を有する導光板の表面に幾何学模様を付したターゲット板６６が固定されている。そして、貫通空間６４ｂには、ターゲット板６６を下方から照らすようにＬＥＤ６５が設けられている。ＣＣＤカメラ６８，６９及びターゲット板６６は、上壁部６１、封止部材６２、コイルバネ８及び下壁部６４で囲まれた空間内に配置されており、かつ、カバー部９ａの下端よりも上方に位置している。

空気バネ装置１０における相対鉛直変位量と軸バネ装置６０における相対鉛直変位量との両方を算出することで、車輪５から車体２までの高さを求め、車体制御部５５により車高制御を実施するとよい。また例えば、コントローラ５０は、空気バネ装置１０の振動と軸バネ装置６０の振動との間の相互作用を把握する等して車体制御を行ってもよい。

なお、コイルバネには外部から塵や水滴等が侵入するため、CCDカメラやLEDに汚れが付着する場合がある。そこで、コイルバネ上に塵除けを設けたり、台車の上下動の運動を利用して塵を吹き飛ばすブロワー等を設けたりしてもよい。

以上に説明した構成によれば、ＣＣＤカメラ６８，６９により、軸バネ装置６０の上壁部６１と下壁部６４との間の相対鉛直変位方向を簡単に算出して、高度な車両制御に利用することができる。また、軸バネ装置６０にＣＣＤカメラ６８，６９を設け、ターゲット板６６を撮影した画像を処理することとしたので、簡素かつ省スペースでありながら高精度に相対鉛直変位方向を検出することが可能となる。また、ＣＣＤカメラ６８，６９及びターゲット板６６は、軸バネ装置６０の内部に組み込まれているので、汚れの付着や物が当たること等も抑制されてメンテナンスの必要性も軽減できる。

また、空気バネ装置１０における相対鉛直変位量と軸バネ装置６０における相対鉛直変位量との両方を算出し、その両方の値を車体高さ制御に利用することで、制御の高精度化を図ることができる。つまり、従前は空気バネ高さの検知のみが実施されていたが、本システムによれば、一次サスペンションである軸バネ装置６０の高さ（台車枠９の軸箱７に対する高さ）と、二次サスペンションである空気バネ装置１０の高さ（車体２の台車枠９に対する高さ）との両方を同時に高速で検知することが可能であり、１次サスペンションである軸バネ装置６０の高さ変化も加味することで、バネ系全体の高さ調整を実現でき、今までにない高精度な車高制御を行うことが可能となる。

また、軸バネ装置６０の高さと空気バネ装置１０の高さとの両方を同時に検出して、台車バネ系の高さ全体（空気バネ高さ＋軸バネ高さ）を検知することで、車体制御部５５を車体傾斜制御装置として用いた場合に、高速かつ精度の高い空気バネ式の車体傾斜制御が可能となる。

また、従来の鉄道車両では、車高の制御は、空気バネ高さの変化のみを検知して空気バネの内圧を調整していたが、本実施の形態に係る構成により、空気バネ高さだけでなく、軸バネ高さも検知することができる。これにより、鉄道会社や地域によって生じる車体の客室の床とホームとの間のギャップに対して、また、同一鉄道会社・地域間で異なるギャップが生じることがあっても、ギャップを無くすように高精度に制御することができ、バリアフリー対策として非常に有効である。

なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でその構成を変更、追加、又は削除することができる。前記各実施形態は互いに任意に組み合わせてもよく、例えば１つの実施形態中の一部の構成又は方法を他の実施形態に適用してもよい。

以上のように、本発明に係る鉄道車両制御システムは、簡素かつ省スペースでありながら高精度に相対水平変位量を検出し、高機能な車体制御が可能となる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる鉄道車両に広く適用すると有益である。

１ 鉄道車両
２ 車体
３ 台車
１０ 空気バネ装置
１４ 水平アクチュエータ
２１，６１ 上壁部
２２，６４ 下壁部
２３ 筒状可撓性膜
２４ 空気室
３１，３２，６８，６９ ＣＣＤカメラ
３３，６６ ターゲット板
３４ ＬＥＤ
３６ 透明板
５０ コントローラ
５１〜５４ 変位演算部
５５ 車両制御部
６０ 軸バネ装置
１００ 鉄道車両制御システム

Claims (9)

1. 車輪から車体までの支持構造において車体と台車枠とを弾性的に結合する機構を備えた鉄道車両に適用可能な鉄道車両制御システムであって、
   前記車体に設けられた上壁部と、前記台車枠に設けられた下壁部と、前記上壁部を前記下壁部に対して弾性的に相対変位させる弾性部としての空気室と、前記上壁部及び前記下壁部のいずれか一方側に取り付けられて他方側のターゲットを前記空気室を通して撮像して画像信号を出力する撮像部とを有する空気バネ装置と、
   前記撮像部から出力された画像信号に基づいて、前記上壁部と前記下壁部との間の相対水平変位量及び相対水平変位方向と、前記上壁部と前記下壁部との間の相対鉛直変位量とを算出する変位演算装置と、
   前記変位演算装置で算出された前記相対水平変位量及び前記相対水平変位方向と前記相対鉛直変位量とに応じて車両制御を行う車両制御装置と、を備えている、鉄道車両制御システム。
2. 前記空気バネ装置は、前記撮像部と前記空気室との間を仕切る透明板を有している、請求項１に記載の鉄道車両制御システム。
3. 前記空気バネ装置は、前記ターゲットに光を照射可能な光源を有している、請求項１又は２に記載の鉄道車両制御システム。
4. 前記車体の前記台車枠に対する車両幅方向の運動を調整可能な車両幅方向運動制御部をさらに備え、
   前記サスペンション装置は、前記車体に対して前後左右に夫々配置されており、
   前記変位演算装置は、前後左右の前記サスペンション装置の夫々の前記撮像部から出力された画像信号に基づいて夫々の相対水平変位量及び相対水平変位方向を算出し、
   前記車両制御装置は、夫々の前記相対水平変位量及び相対水平変位方向に応じて前記車両幅方向運動制御部を制御する、請求項１乃至３のいずれかに記載の鉄道車両制御システム。
5. 前記車両幅方向運動制御部は、アクチュエータ又は減衰力を制御可能なダンパである、請求項４に記載の鉄道車両制御システム。
6. 前記車体の前記台車枠に対する車両長手方向の運動を調整可能な車両長手方向運動制御部をさらに備え、
   前記サスペンション装置は、前記車体に対して前後左右に夫々配置されており、
   前記変位演算装置は、前後左右の前記サスペンション装置の夫々の前記撮像部から出力された画像信号に基づいて夫々の相対水平変位量及び相対水平変位方向を算出し、
   前記車両制御装置は、夫々の前記相対水平変位量及び相対水平変位方向に応じて前記車両幅方向運動制御部を制御する、請求項１乃至５のいずれかに記載の鉄道車両制御システム。
7. 前記車両長手方向運動制御部は、アクチュエータ又は減衰力を制御可能なダンパである、請求項６に記載の鉄道車両制御システム。
8. 前記車体の前記台車枠に対する鉛直方向運動を調整可能な鉛直方向運動制御部をさらに備え、
   前記サスペンション装置は、前記車体に対して前後左右に夫々配置されており、
   前記変位演算装置は、前後左右の前記サスペンション装置の夫々の前記撮像部から出力された画像信号に基づいて夫々の相対鉛直変位量を算出し、
   前記車両制御装置は、夫々の前記相対鉛直変位量に応じて前記鉛直方向運動制御部を制御する、請求項１乃至７のいずれかに記載の鉄道車両制御システム。
9. 車輪を回転自在に支持する軸受を含む軸箱と、前記車輪から車体までの支持構造において台車枠と前記軸受とを弾性的に結合する機構をさらに備えた鉄道車両に適用可能な鉄道車両制御システムであって、
   前記台車枠に設けられた台車枠上壁部と、前記軸箱に設けられた軸箱下壁部と、前記台車枠上壁部を前記軸箱下壁部に対して弾性的に相対変位させる軸バネ装置と、
   前記台車枠上壁部及び前記軸箱下壁部のいずれか一方側に取り付けられて他方側のターゲットを、前記軸バネ装置内部を通して撮像し、画像信号を出力する軸バネ装置用撮像部とをさらに備え、
   前記変位演算装置は、前記軸バネ装置用撮像部から出力された画像信号に基づいて前記台車枠上壁部と前記軸箱下壁部との間の相対鉛直変位量をさらに算出し、
   前記車両制御装置は、前記変位演算装置で算出された、前記空気バネ装置における前記相対水平変位量及び前記相対水平変位方向と前記相対鉛直変位量と、前記軸バネ装置における前記相対鉛直変位量とに応じて車両制御を行う、請求項１乃至８のいずれかに記載の鉄道車両制御システム。

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