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【発明の名称】 鉄道車両用の主幹制御器
【発明者】 【氏名】高橋 徹

【氏名】草野 直樹

【氏名】堀江 哲
【要約】 【課題】従来と同様の故障検知機能を有しつつ主幹制御器を小形化し、運転士に対して良好な居住性を提供すること。

【解決手段】２個の回転角センサを設ける代わりに、１個の回転角センサおよびハンドルが特定の位置たとえば「Ｎ」においてその位置を検知できるセンサを設ける。この構成によれば、特定位置すなわち１点のみ検知できるセンサは回転角を検知できるセンサより小形であるため、２個の回転角センサを設けるより１個の回転角センサおよび１個の特定位置検出センサを設ける方が占有体積が小さく、その結果として主幹制御器が小形化でき、運転士に対して良好な居住性を提供することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 力行およびブレーキ指令を出すためのハンドルと、前記ハンドルの回転角を第１の範囲に亘り検知する第１のセンサと、前記ハンドルの回転角が前記第１の範囲より狭い所定の位置にある時のみ前記ハンドルの回転角を検知する前記第１のセンサとは別の第２のセンサと、前記第１および第２のセンサの出力に基づいて、前記各センサの動作上の異常の有無を判別する機能とを備えたことを特徴とする鉄道車両用の主幹制御器。
【請求項２】 力行およびブレーキ指令を出すためのハンドルと、前記ハンドルの第１の所定位置に配置され前記ハンドルの回転角を第１の範囲に亘って検知する第１のセンサと、前記ハンドルの第２の所定位置に配置され、前記ハンドルの回転角が前記第１の範囲より狭い所定の位置にある時のみ前記ハンドルの回転角を検知する前記第１のセンサとは別の第２のセンサと、前記第１および第２のセンサの出力に基づいて、前記各センサの動作上の異常の有無を判別する機能とを備えたことを特徴とする鉄道車両用の主幹制御器。
【請求項３】 力行およびブレーキ指令を出すためのハンドルと、前記ハンドルの回転角を全範囲に亘って検知する第１のセンサと、前記ハンドルの回転角が中立の位置にある時のみ前記ハンドルの回転角を検知する前記第１のセンサとは別の第２のセンサと、前記第１および第２のセンサ出力に基づいて、前記各センサの動作上の異常の有無を判別する機能とを備えたことを特徴とする鉄道車両用の主幹制御器。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は鉄道車両用の主幹制御器、特にハンドル回転角センサの故障を検知する機能を有しつつ小形化を図って、運転台における占有体積を減少させ、操作者に対して良好な居住性を提供するのに好適な鉄道車両用の主幹制御器に関する。
【０００２】
【従来の技術】鉄道車両においては、モータあるいはエンジンなどの原動機を走行用の原動力とし、この原動機を制御するための制御装置を備えている。一般的に制御装置は運転台から遠く離れたところに配置されると共に、１列車編成の中に複数の制御装置を設けることが多いため、制御装置に制御指令信号を与えるための装置、すなわち、主幹制御器を運転台に設置し、操作者、すなわち運転士がこれを操作するようにしている。
【０００３】運転士は、前面にある操作卓から上方に突出したハンドルの上部を握りつつ前後させることによりハンドルの回転角を変化させる。この回転角を検出装置で検出し、検出された回転角に応じてノッチ指令が出力され、これにしたがって制御装置が作動することにより原動機が制御される。
【０００４】なお、運転士が操作・指令できるノッチの一例を示すと、「ブレーキ４ノッチ」（以下「Ｂ４」と略す）…「ブレーキ１ノッチ」（以下「Ｂ１」と略す）、「中立」（以下「Ｎ」と略す）、「力行１ノッチ」（以下「Ｐ１」と略す）…「力行４ノッチ」（以下「Ｐ４」と略す）などである。
【０００５】上記した様に制御装置は複数あることが多いが、この場合でも運転士が操作する主幹制御器は１台しかない。したがって、主幹制御器に故障が発生した場合にそのことを検知して制御装置・原動機を停止させる等の安全策を講じることが重要となる。
【０００６】この具体例として、ハンドル回転角を全範囲に亘って検知するセンサを２個設け、両者の出力を比較・判定する方法がある。すなわち、一方の回転角センサが「Ｐ１」を出力しているにもかかわらず、他方の回転角センサが「Ｐ３」を出力していた場合には、「いずれかあるいは両方の回転角センサに異常が発生し、主幹制御器が故障した」と判断し、この故障信号により制御装置・原動機を停止させるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし上記従来技術においては、主幹制御器の故障検知機能に関してしか言及しておらず、ハンドルの全範囲に亘って検出する回転角センサを２個設けることにより大形化してしまうことに対する配慮が欠けていた。したがって、さらに居住性の向上をするために主幹制御器の小形化を図ろうとしても、この回転角センサを２個使用するために小形化をはばまれていた。
【０００８】本発明の目的は、上記従来技術と同様の故障検知機能を有しつつ主幹制御器を小形化し、それに伴い、運転士に対して良好な居住性を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的は、２個の回転角センサを設ける代わりに、全範囲に亘り検出する１個の回転角センサおよびハンドルが特定の位置、たとえば、中立位置「Ｎ」においてその位置を検知できるセンサを設けることにより達成される。
【００１０】上記した手段によれば、特定位置、すなわち、「Ｎ」のみ検知できるセンサは、回転角センサより小形であるため、ハンドルの全範囲に亘って検出する２個の回転角センサを設けるより１個の回転角センサおよび１個の特定位置検出センサを設ける方が占有体積が小さく、その結果として主幹制御器が小形化でき、運転士に対して良好な居住性を提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を述べる。図１は、主幹制御器を前方すなわち運転士側から見た断面図である。フレーム１には軸受２１，２２を介して回転自由に軸３が取り付けられており、運転士が操作するハンドル４により回転動作する。
【００１２】ハンドル４の取り得る位置は、本実施例においては「ブレーキ４ノッチ」（以下「Ｂ４」と略す）…「ブレーキ１ノッチ」（以下「Ｂ１」と略す）、「中立」（以下「Ｎ」と略す）、「力行１ノッチ」（以下「Ｐ１」と略す）…「力行４ノッチ」（以下「Ｐ４」と略す）の計９か所である。
【００１３】ノッチ数は必ずしも本実施例通りである必要はない。また「Ｂ４」…「Ｂ１」「Ｎ」のみ操作可能なブレーキハンドルと「Ｎ」「Ｐ１」…「Ｐ４」のみ操作可能な力行ハンドルで構成された主幹制御器であってもよい。
【００１４】軸３には回転角センサ５が取り付けられており、その検知角度に応じて上記「Ｂ４」…「Ｂ１」「Ｎ」「Ｐ１」…「Ｐ４」の各ノッチを割り振っている。回転角センサ５は、たとえば、良く知られたレゾルバが用いられる。
【００１５】この原理はシンクロの原理と同様であり一次巻線Ｐ1、Ｐ2、二次巻線Ｓ１，Ｓ２の誘導結合を利用している。構造は回転子と固定子があり、それぞれ直交する２相巻線を有する。１次側に交流電圧を加えると２次側には、回転子の回転角をθとすれば、sinとcosに比例する電圧が得られる。これらのsin、cosの電圧を利用して回転角の検出が可能である。なお、本実施例においては回転角センサ５としてはレゾルバを使用したが、その他にロータリエンコーダなどが適用可能である。
【００１６】一方、軸３にはピン６が打ち込まれており、このピン６を近接センサ７で検知することにより、特定ノッチ位置を検知できる。本実施例において特定ノッチ位置は中立「Ｎ」である。
【００１７】さらに、ハンドルのすべての範囲で位置を検出可能なセンサ５は、レゾルバ、エンコーダ、ポテンショメータが用いられるが、これらの検出器は汎用性がある標準化されたものを特別な加工を施すことなく使用するのが価格的に有利である。この実施例によればハンドルのすべての範囲で位置を検出可能なセンサ５は上記の汎用のレゾルバ、エンコーダ、ポテンショメータを使用し、ハンドルの限られた範囲で位置を検出するセンサは、単に主幹制御器の回転軸にピン６を設け、そこに検出用センサを設置するので経済的である。
【００１８】図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。ハンドル４は同図に記したように「Ｂ４」…「Ｂ１」「Ｎ」「Ｐ１」…「Ｐ４」の全範囲で操作可能であり、これに伴い軸３および回転角センサ５、ピン６が回転する。ハンドルの位置は「Ｎ」を基準すなわちθ＝０°としてあり、各ノッチ間１０°としてある。
【００１９】したがって、「Ｂ４」…「Ｂ１」「Ｎ」「Ｐ１」…「Ｐ４」の具体的位置は下記のようになる。ただし、現実には機械製作誤差、回転角センサの検知誤差などの理由により、また操作途上においては常にハンドル４の角度θは各ノッチ間となるので、（ ）内に記したように各ノッチ位置±５°の範囲にある場合はそのノッチであると認識するように構成する。
【００２０】
「Ｂ４」：θ＝−４０°（−４５°≦θ＜−３５°）
「Ｂ３」：θ＝−３０°（−３５°≦θ＜−２５°）
「Ｂ２」：θ＝−２０°（−２５°≦θ＜−１５°）
「Ｂ１」：θ＝−１０°（−１５°≦θ＜ −５°）
「Ｎ」 ：θ＝ ０°（ −５°≦θ＜ ５°）
「Ｐ１」：θ＝ １０°（ ５°≦θ＜ １５°）
「Ｐ２」：θ＝ ２０°（ １５°≦θ＜ ２５°）
「Ｐ３」：θ＝ ３０°（ ２５°≦θ＜ ３５°）
「Ｐ４」：θ＝ ４０°（ ３５°≦θ＜ ４５°）
図３は、主幹制御器の制御ブロック図である。ハンドル４の真の角度θに対し、回転角センサ５により検知された角度をθＲとする。このθＲはノッチ判別部８に入力され、上記の通り規定角度±５°の範囲で「Ｂ４」…「Ｂ１」「Ｎ」「Ｐ１」…「Ｐ４」の各ノッチを判別・出力する。このノッチ出力に基づき、編成中の制御器・原動機は動作する。
【００２１】一方、近接センサ７は「Ｎ」に対してθ＝０°±３°すなわち−３°≦θ＜３°においてＯＮするように設定されており、ＯＮした時のみ回転角センサ５の出力θＲは異常判別部９にも入力される。異常判定部９においては「−５°≦θＲ＜５°」であるか否かの判別を行ない、θＲがこの範囲内にある場合は「正常」、はずれた場合には「異常」の判定をする。
【００２２】異常判別部９出力はラッチ１０を介して異常処理部１１に入力される。この異常処理部１１は、異常判別部９出力が「正常」の場合はノッチ判別部８出力「Ｂ４」…「Ｂ１」「Ｎ」「Ｐ１」…「Ｐ４」をそのまま編成中の制御器に送るが、いったん「異常」となりラッチ１０により保持されると、それ以降はノッチ判別部８出力が「Ｂ４」…「Ｂ１」「Ｎ」「Ｐ１」…「Ｐ４」いずれであっても強制的に「Ｂ４」にするという機能を有する。なお、ラッチ１０のリセットはリセットスイッチ１２にて行なう。
【００２３】次に、図４および図５により、動作を説明する。
【００２４】図４は「正常」時の動作である。回転角センサ５はハンドル４の真の角度θと一致したθＲを出力している。近接センサ７は「Ｎ」（θ＝０°）に対して±３°の範囲でＯＮする。
【００２５】したがって、この範囲で「−５°≦θＲ＜５°」であるか否かの判別が異常判別部９で実行されるが、近接センサ７がＯＮしている範囲では−３°≦θＲ＜３°であり、−５°≦θＲ＜５°を満たしている。よって異常判別部９の出力は「正常」であり、ノッチ判別部８出力「Ｂ４」…「Ｂ１」「Ｎ」「Ｐ１」…「Ｐ４」はそのまま編成中の制御器に送られる。したがって、当該列車はこの指令に基づき走行することになる。
【００２６】図５は「異常」時の動作である。この図においては、ハンドル４の真の角度θに対して回転角センサ５の検知角度θＲが４°ずれてしまった（θＲ＝θ−４°）例を示している。近接センサ７は「正常」時（図４）と同様、「Ｎ」（θ＝０°）に対して±３°の範囲でＯＮするが、これに対応するθＲは−７°≦θＲ＜−１°であり−３°≦θ＜−１°（−７°≦θＲ＜−５°）においては「−５°≦θＲ＜５°」を満たしていない。
【００２７】したがって、ハンドル４が−３°≦θ＜−１°の範囲にあると異常判別部９は「異常」を出力する。この状態はラッチ１０で保持されるため、ノッチ判別部８出力「Ｂ４」…「Ｂ１」「Ｎ」「Ｐ１」…「Ｐ４」に関係なく異常処理部１１の出力は「Ｂ４」となり、当該列車は運転士のハンドル４操作と関係なく停止する。
【００２８】なお、本実施例においては異常判別部９の「異常」出力によりノッチ判別部８出力が強制的に「Ｂ４」になるようにしてあるが、ノッチ指令「Ｂ４」…「Ｂ１」「Ｎ」「Ｐ１」…「Ｐ４」とは独立して「異常」信号を編成中の制御装置に送り、制御装置側がブレーキ指令に読み替えるようにしてもよい。また、本実施例においてはθＲがθより小さくなってしまった場合を記したが、逆にθＲがθより大きくなった場合でも同様の動作をする。
【００２９】以上のように、回転角センサ５の出力θＲがハンドル４の真の角度θに対して２°（＝５°−３°）以上ずれると「異常」が出力される。近接センサ７のＯＮ出力範囲を±４°とすると、回転角センサ５の出力θＲがハンドル４の真の角度θに対して１°（＝５°−４°）ずれただけでも「異常」を検知するようになる。
【００３０】なお、本実施例においてはハンドル４の真の角度θに対して回転角センサ５の出力θＲがずれた場合を説明したが、近接センサ７のＯＮ範囲の方が０°±３°から−４°±３°にずれてしまった場合でも同様に「異常」検知できる。
【００３１】次に、なぜ「異常」検知範囲が「Ｎ」近辺だけでよいのか（なぜ「Ｐ４」「Ｂ４」などで「異常」検知させないのか）に関して説明する。
【００３２】ある駅に停車している列車が次の停車駅まで走行する場合、運転士の主幹制御器操作および列車の状態は次のようになる。なお、「Ｂ」は「Ｂ４」…「Ｂ１」のいずれか、「Ｐ」は「Ｐ１」…「Ｐ４」のいずれかを意味する。
【００３３】
ある駅停車中：「Ｂ」 （停止）
ある駅発車時：「Ｂ」⇒「Ｎ」⇒「Ｐ」（起動・加速）
両駅間 ：「Ｐ」⇒「Ｎ」 （惰行）
両駅間 ：「Ｎ」⇒「Ｐ」⇒「Ｎ」（再力行）
両駅間 ：「Ｎ」⇒「Ｂ」⇒「Ｎ」（速度制限）
次の駅接近時：「Ｎ」⇒「Ｂ」 （減速・停止）
次の駅停車中：「Ｂ」 （停止）
上記説明のように、ある駅に停車している列車が次の停車駅まで走行する場合には「Ｎ」を中心としてハンドル４は操作されることになる。したがって、その度に主幹制御器に異常がないか否かを自己診断することができるわけである。
【００３４】ところが仮に「Ｐ４」に前述の「異常」検知機能を持たせると、ある駅から次の停車駅にかけて下り勾配であった場合には必ずしも「異常」検知はできない。すなわち、下記のように力行ノッチに入れないで走行することがありうるからである。また、仮に力行ノッチに入れたとしても「Ｐ３」までしか操作しなかった場合も同様である。
【００３５】
ある駅停車中：「Ｂ」 （停止）
ある駅発車時：「Ｂ」⇒「Ｎ」 （下り勾配で起動・加速）
両駅間 ：「Ｎ」 （下り勾配で加速）
両駅間 ：「Ｎ」⇒「Ｂ」⇒「Ｎ」（速度制限状態）
次の駅接近時：「Ｎ」⇒「Ｂ」 （減速・停止状態）
次の駅停車中：「Ｂ」 （停止状態）
今度は「Ｂ４」に「異常」検知機能を持たせると「Ｂ１」…「Ｂ３」のブレーキ操作のみで停止させた場合に「異常」検知できない。
【００３６】以上のような理由により、「Ｎ」で「異常」検知することになる。
【００３７】
【発明の効果】本発明によれば、主幹制御器の異常を自己診断するために２個の回転角センサを設ける必要がなくなり、１個の回転角センサおよび１個の特定位置検知センサを設けるだけで同等の機能を持たせることができる。一般的に回転角センサより特定位置検知センサ（本実施例においてはピン６および近接センサ７）の方が占有体積が小さいため、その結果として主幹制御器を小形化でき、運転士に対して良好な居住性を提供することができる。
【００３８】さらに、ハンドルのすべての範囲で位置を検出可能なセンサは、レゾルバ、エンコーダ、ポテンショメータがあるが、これらの検出器は汎用性がある標準化されたものを特別な加工を施すことなく使用するのが価格的に有利である。本発明によれば単に主幹制御器の回転軸にピンを設け、そこに検出用センサを設置すれば良いので経済的である。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成１１年６月２２日（１９９９．６．２２）
【代理人】 【識別番号】１０００６１８９３
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 明夫 （外１名）
【公開番号】 特開２００１−８３１３（Ｐ２００１−８３１３Ａ）
【公開日】 平成１３年１月１２日（２００１．１．１２）
【出願番号】 特願平１１−１７５８０５