(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪を軸支する台車と、該台車上に設けられる車体と、該車体に生じる振動を抑制するための振動抑制部とを備える鉄道車両にて、前記車体に生じる振動を制御するための鉄道車両用振動制御装置において、
前記台車の加速度を示す台車加速度信号を受け付ける手段と、
前記車体の加速度を示す車体加速度信号を受け付ける手段と、
受け付けた台車加速度信号及び車体加速度信号に基づき、少なくとも前記台車及び車体の相対速度又は該相対速度の正負を示す情報を取得する相対速度取得手段と、
受け付けた車体加速度信号に基づき、前記車体の速度を取得する車体速度取得手段と、
前記相対速度取得手段にて取得された少なくとも相対速度又は該相対速度の正負を示す情報、及び、前記車体速度取得手段にて取得された車体の速度に基づき、前記車体に生じる振動を抑制するための抑制力情報を取得する抑制力情報取得手段と、
取得した抑制力情報を出力する手段と
を備え、
出力された抑制力情報に基づいて前記振動抑制部が抑制力を発生することにより、前記車体の振動を制御することを特徴とする鉄道車両用振動制御装置。
【請求項２】
車輪を軸支する台車と、該台車上に設けられる車体と、該車体に生じる振動を抑制するための振動抑制部とを備える鉄道車両にて、前記車体に生じる振動を制御するための鉄道車両用振動制御装置において、
前記台車の加速度を示す台車加速度信号を受け付ける手段と、
前記車体の速度を示す車体速度信号を受け付ける手段と、
受け付けた台車加速度信号及び車体速度信号に基づき、少なくとも前記台車及び車体の相対速度又は該相対速度の正負を示す情報を取得する相対速度取得手段と、
前記相対速度取得手段にて取得された少なくとも相対速度又は該相対速度の正負を示す情報、及び、受け付けた車体速度信号に基づき、前記車体に生じる振動を抑制するための抑制力情報を取得する抑制力情報取得手段と、
取得した抑制力情報を出力する手段と
を備え、
出力された抑制力情報に基づいて前記振動抑制部が抑制力を発生することにより、前記車体の振動を制御することを特徴とする鉄道車両用振動制御装置。
【請求項３】
前記相対速度取得手段は、受け付けた信号に含まれる特定の周波数成分を除去するフィルタと、積分器とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用振動抑制装置。
【請求項４】
前記相対速度取得手段は、オブザーバ又はカルマンフィルタを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用振動制御装置。
【請求項５】
車輪を軸支する台車と、該台車上に設けられる車体と、該車体に生じる振動を抑制するための振動抑制部とを備える鉄道車両にて、前記車体に生じる振動を制御するための鉄道車両用振動制御装置において、
前記台車及び車体の間に作用する荷重を示す荷重信号を受け付ける手段と、
前記車体の加速度を示す車体加速度信号を受け付ける手段と、
受け付けた荷重信号に基づき、少なくとも前記台車及び車体の相対速度又は該相対速度の正負を示す情報を取得する相対速度取得手段と、
受け付けた車体加速度信号に基づき、前記車体の速度を取得する車体速度取得手段と、
前記相対速度取得手段にて取得された少なくとも相対速度又は該相対速度の正負を示す情報、及び、前記車体速度取得手段にて取得された車体の速度に基づき、前記車体に生じる振動を抑制するための抑制力情報を取得する抑制力情報取得手段と、
取得した抑制力情報を出力する手段と
を備え、
出力された抑制力情報に基づいて前記振動抑制部が抑制力を発生することにより、前記車体の振動を制御することを特徴とする鉄道車両用振動制御装置。
【請求項６】
車輪を軸支する台車と、該台車上に設けられる車体と、該車体に生じる振動を抑制するための振動抑制部とを備える鉄道車両にて、前記車体に生じる振動を制御するための鉄道車両用振動制御装置において、
前記台車及び車体の間に作用する荷重を示す荷重信号を受け付ける手段と、
前記車体の速度を示す車体速度信号を受け付ける手段と、
受け付けた荷重信号に基づき、少なくとも前記台車及び車体の相対速度又は該相対速度の正負を示す情報を取得する相対速度取得手段と、
前記相対速度取得手段にて取得された少なくとも相対速度又は該相対速度の正負を示す情報、及び、受け付けた車体速度信号に基づき、前記車体に生じる振動を抑制するための抑制力情報を取得する抑制力情報取得手段と、
取得した抑制力情報を出力する手段と
を備え、
出力された抑制力情報に基づいて前記振動抑制部が抑制力を発生することにより、前記車体の振動を制御することを特徴とする鉄道車両用振動制御装置。
【請求項７】
車輪を軸支する台車と、該台車上に設けられる車体と、該車体に生じる振動を抑制するためのダンパとを備える鉄道車両にて、前記車体に生じる振動を制御するための鉄道車両用振動制御装置において、
前記ダンパは、外力に応じた導電率を有する弾性体である感圧導電ゴムからなるゴムブッシュを具備する軸受部を端部に有し、
前記ゴムブッシュが有する導電率を示す信号に基づき、少なくとも前記台車及び車体の相対速度又は該相対速度の正負を示す情報を取得する相対速度取得手段と、
該相対速度取得手段にて取得された少なくとも相対速度又は該相対速度の正負を示す情報に基づき、前記車体に生じる振動を抑制するための抑制力情報を取得する抑制力情報取得手段と、
取得した抑制力情報を出力する手段と
を備え、
出力された抑制力情報に基づいて前記ダンパが抑制力を発生することにより、前記車体の振動を制御することを特徴とする鉄道車両用振動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両の台車と車体との間に生じる振動を制御するための鉄道車両用振動制御装置、特に、減衰力可変ダンパを用いたセミアクティブサスペンション装置として用いる鉄道車両用振動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両には、走行時における乗客の乗り心地の向上を図るため、特に、鉄道車両の進行方向に対する左右方向の振動を抑制又は制御することが望まれている。そこで従来、特開平8-82338号公報，特開平9-301164号公報などにおいて振動制御装置に関する様々の提案がなされている。
【０００３】
ところで鉄道車両は、レール上を回動する車輪を軸支する台車と、該台車上に設けられる車体とからおおまかに構成され、前記台車と車体との間には、空気バネ及び左右動ダンパ（振動抑制部）等が備えられている。前記空気バネは主として、台車に生じる上下左右方向の振動が車体へ伝達されるのを抑制するための緩衝装置として用いられている。また、前記左右動ダンパは、車体の左右方向への振動を抑制し、制御するために用いられ、特に、前記左右動ダンパとして減衰力可変ダンパを使用するサスペンション装置（振動制御装置）は、セミアクティブサスペンション装置と呼ばれる。
【０００４】
該セミアクティブサスペンション装置を用いて車体の左右方向の振動を制御する場合の制御則には公知のものがあり、以下にその概略を説明する。図１３，１４は、前記制御則を説明するための説明図であり、図において１は鉄道車両の台車、２は前記台車１上に設けられる車体、３は前記台車１及び車体２の間に設けられるダンパを示している。該ダンパ３は、シリンダ内に粘性流体（作動油など）が充填されており、シリンダ内に設けられたオリフィス（調圧弁）の開口径を調節することにより減衰力が可変となっている。また、図１３，１４には、鉄道車両の進行方向に対する左右方向を向き、一方向を正とするｘ軸が示されており、ｘ軸方向における台車１の速度をｖ1，車体２の速度をｖ2と仮定する。
【０００５】
ここで、ｖ2＞０であり、かつ、台車１を基準としたときの車体２の相対速度をｖaとしてｖa＝ｖ2−ｖ1＞０である場合（図１３）、車体２は、台車１に比して大きい速度でｘ軸の正方向へ変位していることがわかる。従ってこの場合、車体２の左右方向の振動を抑制するために、ダンパ３の減衰力を大きくし、台車１及び車体２の間の結合を強固にする。
【０００６】
他方、ｖ2＞０であり、かつ、相対速度ｖaがｖa＝ｖ2−ｖ1＜０の関係にある場合（図１４）、台車１は、車体２に比して大きい速度でｘ軸の正方向へ変位していることがわかる。ここで仮に、台車１及び車体２の間の結合を強固にすると、ｘ軸の正方向へより大きな速度で変位する台車１により車体２が同方向へ引っ張られてしまい、かえって車体２は左右方向へ大きく振動してしまう。従ってこの場合、車体２の左右方向の振動を抑制するために、ダンパ３の減衰力を小さくし（０でもよい）、台車１及び車体２の間の結合を弱める。
【０００７】
このように、セミアクティブサスペンション装置を用いる場合の制御則は、車体２の速度ｖ2と、台車１を基準としたときの車体２の相対速度ｖaとに基づいて行われる。即ち、ｖ2＞０かつｖa＞０である場合は減衰力を大きくなるように制御し、ｖ2＞０かつｖa＜０である場合は減衰力を小さくなるように制御する。また、相対速度ｖaの大きさに応じた重み付けを行って減衰力の値を適宜制御することも可能である。従って、ｖ2及びｖaを取得することにより、セミアクティブサスペンション装置を用いて車体２の振動の制御を行うことができる。
【０００８】
上記の公開公報は、共にセミアクティブサスペンション装置を用いるものに関して記載してあり、一方では車体に速度センサ，車体及び台車間に変位センサを設け、また他方では、車体に加速度センサ，車体及び台車間に速度センサを設けることにより、ｖ2及びｖaを取得し、車体２の振動の制御に供している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、速度センサ及び変位センサは機械的に動作する必要があり、また、台車と共に激しく振動するため、高度の耐久性が要求され、概して高価なものとなっている。また、変位センサは一般にダンパに内蔵されるため、該ダンパは変位センサを内蔵するための特殊な形状となっており、高価なものとなっている。
【００１０】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、機械的に強固であり、かつ、安価に製造することができるセンサの出力を用い、車体の振動を抑制すべく制御することができる鉄道車両用制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る鉄道車両用振動制御装置は、車輪を軸支する台車と、該台車上に設けられる車体と、該車体に生じる振動を抑制するための振動抑制部とを備える鉄道車両にて、前記車体に生じる振動を制御するための鉄道車両用振動制御装置において、前記台車の加速度を示す台車加速度信号を受け付ける手段と、前記車体の加速度を示す車体加速度信号を受け付ける手段と、受け付けた台車加速度信号及び車体加速度信号に基づき、少なくとも前記台車及び車体の相対速度又は該相対速度の正負を示す情報を取得する相対速度取得手段と、受け付けた車体加速度信号に基づき、前記車体の速度を取得する車体速度取得手段と、前記相対速度取得手段にて取得された少なくとも相対速度又は相対速度の正負を示す情報、及び、前記車体速度取得手段にて取得された車体の速度に基づき、前記車体に生じる振動を抑制するための抑制力情報を取得する抑制力情報取得手段と、取得した抑制力情報を出力する手段とを備え、出力された抑制力情報に基づいて前記振動抑制部が抑制力を発生することにより、前記車体の振動を制御する。
【００１２】
このような構成とすることにより、速度センサ及び変位センサを用いず、これらに比して機械的に強固であり、かつ非常に安価である加速度センサを台車及び車体の双方に備えさせ、車体の速度と、車体及び台車の相対速度（又は、該相対速度の正負を示す情報）とを得ることができ、車体の振動を抑制すべく、減衰力可変ダンパ等の振動抑制部を制御することができる。
【００１３】
また、本発明に係る鉄道車両用振動制御装置は、車輪を軸支する台車と、該台車上に設けられる車体と、該車体に生じる振動を抑制するための振動抑制部とを備える鉄道車両にて、前記車体に生じる振動を制御するための振動制御装置において、前記台車の加速度を示す台車加速度信号を受け付ける手段と、前記車体の速度を示す車体速度信号を受け付ける手段と、受け付けた台車加速度信号及び車体速度信号に基づき、少なくとも前記台車及び車体の相対速度又は該相対速度の正負を示す情報を取得する相対速度取得手段と、前記相対速度取得手段にて取得された少なくとも相対速度又は該相対速度の正負を示す情報、及び、受け付けた車体速度信号に基づき、前記車体に生じる振動を抑制するための抑制力情報を取得する抑制力情報取得手段と、取得した抑制力情報を出力する手段とを備え、出力された抑制力情報に基づいて前記振動抑制部が抑制力を発生することにより、前記車体の振動を制御する。
【００１４】
このような構成とすることにより、変位センサを用いず、これに比して機械的に強固かつ安価である加速度センサを台車に備えさせ、該加速度センサにて検出される台車の加速度と、車体が備える速度センサにて検出される車体の速度に基づき、振動抑制部を制御して振動を抑制させることができる。
【００１５】
また、前記相対速度取得手段は、受け付けた信号に含まれる特定の周波数成分を除去するフィルタと、積分器とを有する。
【００１６】
入力される信号のうち、車体の振動を抑制するための測定の対象となるのは、例えば１〜１０Ｈｚなどのように所定の周波数帯域における信号に限定されている。従ってこのような構成とすることにより、入力された信号のうち、測定の対象外である周波数（上述した例で言えば１Ｈｚ以下及び１０Ｈｚ以上の周波数）を有する信号を除去した上で、所望する周波数を有する信号のみを積分器により処理して相対速度を取得することができ、車体の振動の抑制制御に供することができる。
【００１７】
また、前記相対速度取得手段は、オブザーバ又はカルマンフィルタを有する。
【００１８】
一例として、入力値として台車の加速度、出力値として車体の加速度とし、途中の状態量として台車及び車体の間の相対速度を取得できるオブザーバを相対速度取得手段として構成する。このような構成とすることにより、速度センサ及び変位センサを用いずとも、例えば台車加速度センサ及び車体加速度センサを用いて、比較的正確に相対速度を取得することができ、車体の振動の抑制制御に供することができる。
【００１９】
また、本発明に係る鉄道車両振動装置は、車輪を軸支する台車と、該台車上に設けられる車体と、該車体に生じる振動を抑制するための振動抑制部とを備える鉄道車両にて、前記車体に生じる振動を制御するための鉄道車両用振動制御装置において、前記台車及び車体の間に作用する荷重を示す荷重信号を受け付ける手段と、前記車体の加速度を示す車体加速度信号を受け付ける手段と、受け付けた荷重信号に基づき、少なくとも前記台車及び車体の相対速度及び該相対速度の正負を示す情報を取得する相対速度取得手段と、受け付けた車体加速度信号に基づき、前記車体の速度を取得する車体速度取得手段と、前記相対速度取得手段にて取得された少なくとも相対速度又は該相対速度の正負を示す情報、及び、前記車体速度取得手段にて取得された車体の速度に基づき、前記車体に生じる振動を抑制するための抑制力情報を取得する抑制力情報取得手段と、取得した抑制力情報を出力する手段とを備え、出力された抑制力情報に基づいて前記振動抑制部が抑制力を発生することにより、前記車体の振動を制御する。
【００２０】
このような構成とすることにより、速度センサ及び変位センサを用いず、これらに比して機械的に強固であり、かつ非常に安価である加速度センサ及び荷重センサを用い、車体の速度と、車体及び台車の相対速度（又は、該相対速度の正負を示す情報）とを得ることができ、車体の振動を抑制すべく、減衰力可変ダンパ等の振動抑制部を制御することができる。
【００２１】
なお、ダンパの減衰指令値（抑制力情報）に応じ、発生する荷重と相対速度との関係を予め取得しておくことにより、前記相対速度取得手段は、前記荷重信号から比較的正確に相対速度を演算することができ、前記振動抑制部を適切に制御することができる。
【００２２】
また、本発明に係る鉄道車両用振動制御装置は、車輪を軸支する台車と、該台車上に設けられる車体と、該車体に生じる振動を抑制するための振動抑制部とを備える鉄道車両にて、前記車体に生じる振動を制御するための鉄道車両用振動制御装置において、前記台車及び車体の間に作用する荷重を示す荷重信号を受け付ける手段と、前記車体の速度を示す車体速度信号を受け付ける手段と、受け付けた荷重信号に基づき、少なくとも前記台車及び車体の相対速度又は相対速度の正負を示す情報を取得する相対速度取得手段と、前記相対速度取得手段にて取得された少なくとも相対速度又は相対速度の正負を示す情報、及び、受け付けた車体速度信号に基づき、前記車体に生じる振動を抑制するための抑制力情報を取得する抑制力情報取得手段と、取得した抑制力情報を出力する手段とを備え、出力された抑制力情報に基づいて前記振動抑制部が抑制力を発生することにより、前記車体の振動を制御する。
【００２３】
このような構成とすることにより、変位センサを用いず、これに比して機械的に強固かつ安価である荷重センサを用い、該荷重センサにて検出される台車及び車体の相対速度（又は、該相対速度の正負を示す情報）と、車体が備える速度センサにて検出される車体の速度に基づき、振動抑制部を制御して振動を抑制させることができる。
【００２４】
また、本発明に係る鉄道車両用振動制御装置は、車輪を軸支する台車と、該台車上に設けられる車体と、該車体に生じる振動を抑制するためのダンパとを備える鉄道車両にて、前記車体に生じる振動を制御するための鉄道車両用振動制御装置において、前記ダンパは、外力に応じた導電率を有する弾性体である感圧導電ゴムからなるゴムブッシュを具備する軸受部を端部に有し、前記ゴムブッシュが有する導電率を示す信号に基づき、少なくとも前記台車及び車体の相対速度又は該相対速度の正負を示す情報を取得する相対速度取得手段と、該相対速度取得手段にて取得された少なくとも相対速度又は該相対速度の正負を示す情報に基づき、前記車体に生じる振動を抑制するための抑制力情報を取得する抑制力情報取得手段と、取得した抑制力情報を出力する手段とを備え、出力された抑制力情報に基づいて前記ダンパが抑制力を発生することにより、前記車体の振動を制御する。
【００２５】
このような構成とすることにより、機械的に強固であり安価な荷重センサを構成することができる上に、該荷重センサを用いて車体及び台車の相対的な変位がダンパへ及ぼす外力に応じた信号を検出でき、検出した該信号に基づいて少なくとも前記車体及び台車の相対的な速度、又は該相対速度の正負を示す情報を取得することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照しながら具体的に詳述する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る鉄道車両用振動制御装置（以下、振動制御装置、という）をセミアクティブサスペンション装置として適用した鉄道車両の実施の形態１における構成を示す模式図である。図において１は、下部に車輪を軸支する台車であり、該台車１の上側には乗客及び乗員が搭乗する車体２が、所定間隔を有して備えられている。また、鉄道車両の進行方向を正面方向とした場合に、台車１と車体２との間における両脇には、空気バネ４が、その上端及び下端を夫々車体２及び台車１に取り付けられている。該空気バネ４は、台車１と車体２との間に生じる垂直方向及び水平方向の振動を吸収するためのものである。
【００２８】
台車１と車体２との夫々には、棒状のダンパ支持部材１ａ，２ａが設けられている。該ダンパ支持部材１ａ，２ａは、進行方向における位置が略一致し、左右方向に所定間隔を有して位置し、前記ダンパ支持部材１ａは台車１の上部に立設し、前記ダンパ支持部材２ａは車体２の下部に垂設されている。該ダンパ支持部材１ａ，２ａの間には、減衰力を調節することができる減衰力可変ダンパ（振動抑制部）３が、その長手方向を左右方向と一致させた状態で介装されている。該減衰力可変ダンパ３は、台車１と車体２との間に生じる左右方向の振動を抑制するためのものであり、例えば、内部に充填された粘性流体の通路をなすオリフィスの開口径を開閉することにより、減衰力を調整することができる。
【００２９】
また、台車１には台車加速度センサ１１が備えられ，車体２には車体加速度センサ２１及び振動制御装置１００が備えられている。前記振動制御装置１００と車体加速度センサ２１とは図示しない信号ケーブルを介して接続され、また、振動制御装置１００と台車加速度センサ１１とは、図示しない信号ケーブルを介して接続されている。
【００３０】
図２は、本実施の形態に係る前記振動制御装置１００の概略構成を示すブロック図である。図に示すように振動制御装置１００は、車体速度取得部１１０，相対速度取得部１２０，及び演算部１３０とを備えている。前記車体速度取得部１１０は、前記車体加速度センサ２１との間で信号線により接続されており、該車体加速度センサ２１から入力された車体２の加速度を示す信号に基づいて該車体２の速度を取得する。また、前記相対速度取得部１２０は、前記台車加速度センサ１１及び車体加速度センサ２１との間で信号線により接続されており、該台車加速度センサ１１から入力された台車１の加速度を示す信号と、車体加速度センサ２１から入力された車体２の加速度を示す信号とに基づいて、台車１及び車体２の間の相対速度を取得する。車体速度取得部１１０にて取得した車体２の速度と、相対速度取得部１２０にて取得した相対速度とは、演算部１３０へ入力される。演算部１３０は、入力された信号が示す情報に基づき、所定の減衰力を示す指示信号を、減衰力可変ダンパ３のオリフィスを開閉させるドライバ（図示せず）へ出力する。
【００３１】
図３は、前記車体速度取得部１１０の概略構成を示すブロック図であり、図４は、前記相対速度取得部１２０の概略構成を示すブロック図である。図３，４に示すように、車体速度取得部１１０及び相対速度取得部１２０は同様の構成をなしており、車体速度取得部１１０はバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦ）１１１及び積分器１１２を備え、相対速度取得部１２０はＢＰＦ１２１及び積分器１２２を備えている。
【００３２】
前述したように、車体速度取得部１１０には、車体加速度センサ２１にて検出された車体２の加速度を示す信号が入力される。ところで、車体２の振動を抑制すべく減衰力可変ダンパ３を制御する場合、本実施の形態において必要となる車体の加速度を示す信号は、０．１〜１０Ｈｚ程度の周波数帯域の信号である。しかし、車体加速度センサ２１からＢＰＦ１１１へ入力される信号には更に広い周波数帯域の信号が含まれている。従って、前記ＢＰＦ１１１は、０．１〜１０Ｈｚ程度の周波数帯域の信号のみを通過させる特性を有するものを用いる。このようにＢＰＦ１１１を通過した所定の周波数帯域の信号は積分器１１２へ入力され、車体２の速度ｖ2が得られる。得られた車体２の速度ｖ2を示す信号は、前記演算部１３０へ出力される。
【００３３】
同様に、相対速度取得部１２０には、台車加速度センサ１１にて検出された台車１の加速度を示す信号と、車体加速度センサ２１にて検出された車体２の加速度を示す信号とが入力される。即ち、本実施の形態においては、台車１を基準としたときの車体２の相対加速度ａaがＢＰＦ１２１へ入力される。該ＢＰＦ１２１も前記ＢＰＦ１１１と同様に、０．１〜１０Ｈｚ程度の周波数帯域の信号のみを通過させる。ＢＰＦ１２１を通過した信号は積分器１２２へ入力され、台車１を基準としたときの車体２の相対速度ｖaが得られる。得られた相対速度ｖaを示す信号は、前記演算部１３０へ出力される。
【００３４】
なお、前記ＢＰＦ１１１，１２１に換えてハイパスフィルタを用いてもよい。この場合、１次のハイパスフィルタは、その後に積分器を配することにより全体としてローパスフィルタとなるため、２次以上のハイパスフィルタを用いることが望ましい。
【００３５】
次に、上述したような構成をなす振動制御装置１００の動作の流れを、図５に示すフローチャートを用いて説明する。前述したように、振動制御装置１００が備える車体速度取得部１１０は、車体２の加速度を示す信号を受け付け（Ｓ１）、受け付けた信号に基づいて車体２の速度ｖ2を取得し（Ｓ２）、取得した速度ｖ2を示す信号を演算部１３０へ出力する（Ｓ３）。また、相対速度取得部１２０は、相対加速度ａaを示す信号を受け付け（Ｓ４）、受け付けた信号に基づいて台車１を基準とする車体２の相対速度ｖaを取得し（Ｓ５）、取得した相対速度ｖaを示す信号を演算部１３０へ出力する（Ｓ６）。
【００３６】
速度ｖ2を示す信号，及び相対速度ｖaを示す信号が入力された演算部１３０は（Ｓ７）、これらに基づいて減衰力を算出する（Ｓ８）。例えば、予め速度ｖ2及び／又は相対速度ｖaをパラメータとする演算式を設定しておき、実際にステップ７にて入力された速度ｖ2及び相対速度ｖaを前記演算式へ代入して算出すればよい。なお、速度ｖ2及び／又は相対速度ｖaに基づいて減衰力を得る方法は公知のものであり、ここでの詳説は省略する。
【００３７】
次に演算部１３０は、入力された速度ｖ2及び相対速度ｖaの両者を比較し、ｖa＊ｖ2＞０であるか否かを判別する（Ｓ９）。既に説明したように、ｖa＊ｖ2＞０のときは、台車１に比して車体２はより大きい速度で一方へ振動していることになるため、減衰力可変ダンパ３がステップ８にて算出した減衰力を有するように指示信号を出力する（Ｓ１０）。また、ｖa＊ｖ2＜０のときは、車体２に比して台車１はより大きい速度で一方へ振動していることになるため、ステップ８にて算出した減衰力は採用せず、代わりに、減衰力可変ダンパ３が最小の減衰力を有するように指示信号（抑制力情報）を出力する（Ｓ１１）。
【００３８】
ステップ１０又は１１にて出力された指示信号は、ドライバへ入力され、該ドライバが指示信号に基づいて駆動することにより、減衰力可変ダンパ３が有するオリフィスの開口径は開閉される。
【００３９】
以上に説明したように、本実施の形態１に係る振動制御装置１００は、速度センサ及び変位センサ等を用いていない。その代わりに台車加速度センサ１１及び車体加速度センサ２１を用い、それらにて検出した台車１及び車体２の夫々の加速度に基づき、減衰力可変ダンパ３が発揮する減衰力を制御し、車体２の振動を抑制することができる。また、加速度センサは、速度センサ及び変位センサと比べて機械的に強固でありかつ安価であるため、鉄道車両の振動の制御を精度の低下を招くことなく、耐故障性に優れたシステムを低価格にて実現することができる。
【００４０】
なお、車体加速度センサ２１に替えて速度センサを用いた場合であっても、振動の激しい台車１に前記台車加速度センサ１１を用いることにより、上記実施の形態１と同等の効果を得ることができる。
【００４１】
（実施の形態２）
実施の形態１に係る振動制御装置１００では、バンドパスフィルタ又はハイパスフィルタを用いるものを説明したが、鉄道車両におけるセミアクティブサスペンション装置としては比較的低周波の振動を制御する必要があるため、取得した速度及び相対速度により高い精度を求めることができない場合がある。従って、本実施の形態２では、セミアクティブサスペンション装置としてオブザーバを用いた振動制御装置について説明する。
【００４２】
なお、本実施の形態２では、振動制御装置を除く鉄道車両の構成は実施の形態１に示す構成（図１参照）と同様であり、台車加速度センサ１１及び車体加速度センサ２１を用いる。また、カルマンフィルタは、使用の用途が異なるが、その構成は基本的にオブザーバと同一であるため、本実施の形態２にて説明する振動制御装置は、カルマンフィルタを用いて実現することも可能である。
【００４３】
台車１，車体２，減衰力可変ダンパ３，及び空気バネ４からなる系を、台車１の強制加振によって生じる車体２の振動を抑制するものとした場合、全体系は図６のブロック図のように示される。即ち、台車１の加速度をａ1，車体２の加速度をａ2とした場合に、加速度ａ1を入力とし、加速度ａ2を出力とした系で表される。ここで系の状態量として、台車１の加速度をａ1，速度をｖ1，変位をｘ1とし、車体２の加速度をａ2，速度をｖ2，変位をｘ2とする。また、減衰力可変ダンパ３のダンパ定数をＣ、空気バネ４のバネ定数をＫ、車体２の質量をＭ2とする。なお、図６では、より複雑な構成をなす実際の系を簡略にモデル化して示してある。
【００４４】
前記系を具体的に説明すると、台車加速度センサ１１にて検出された系の入力である台車１の加速度ａ1には外乱として直流ドリフトＤ1が入力され、併せて積分器へ入力されることにより台車１の速度ｖ1が得られる。得られた速度ｖ1が更に積分器へ入力されることにより台車１の変位ｘ1が得られる。他方、車体加速度センサ２１にて検出された車体２の加速度ａ2には外乱として直流ドリフトＤ2が入力され、併せて積分器へ入力されることにより車体２の速度ｖ2が得られる。得られた速度ｖ2が更に積分器へ入力されることにより車体２の変位ｘ2が得られる。
【００４５】
次に、台車１の速度ｖ1と車体２の速度ｖ2とについて、速度ｖ1を正として差分が取られることにより相対速度ｖaが得られる。また、台車１の変位ｘ1と車体２の変位ｘ2とについて、変位ｘ1を正として差分が取られることにより相対変位ｘaが得られる。
【００４６】
この様にして得られた相対速度ｖaにダンパ定数Ｃが乗ぜられたものと、相対変位ｘaにバネ定数Ｋが乗ぜられたものとを加算し、更に車体２の質量Ｍ2の逆数を乗ずることにより、車体２の加速度ａ2が得られる。
【００４７】
ところで、上述した系は、相対加速度ａa（＝ａ1−ａ2）と相対速度ｖa（＝ｖ1−ｖ2）とを新たな状態量とした場合、図７のブロック図のように示される。即ち、台車加速度センサ１１にて検出された台車１の加速度ａ1を系への入力とし、車体加速度センサ２１にて検出された車体２の加速度ａ2との差分が取られることにより相対加速度ａaが得られる。得られた相対加速度ａaには外乱として直流ドリフトＤが入力され、併せて積分器へ入力されることにより相対速度ｖaが得られる。得られた相対速度ｖaが更に積分器へ入力されることにより相対変位ｘaが得られる。そして、相対速度ｖaにダンパ定数Ｃが乗ぜられたものと、相対変位ｘaにバネ定数Ｋが乗ぜられたものとを加算し、更に、車体２の質量Ｍ2の逆数を乗ずることにより、車体２の加速度ａ2が得られる。
【００４８】
図６，７にて示した系において、台車１及び車体２の相対速度ｖaを直接的にセンサで検出して得ることはできない。従って、本実施の形態２では、オブザーバ（又は、カルマンフィルタ）２００を用いることにより、前記相対速度ｖaを取得する。図８は、図６，７に示した系に対してオブザーバ２００を付加した系を示すブロック図である。
【００４９】
オブザーバ２００は、入力及び出力が得られる場合に、その系の途中の状態量を得る（観察する）ために用いることができる。従って、台車の加速度ａ1を入力とし、車体２の加速度ａ2を出力とした場合に、途中の状態量である相対速度ｖaを得ることができる。
【００５０】
具体的には、オブザーバ２００として、図７に示した系と略同一の系を設け、これを図７に示した系に並列に接続する（図８参照）。このように、系とオブザーバ２００とは略同一の構成としているが、系にて用いられている積分器の出力値については予め必ずしも正確に知りえないため、系の出力であるａ2とオブザーバ２００の出力との差を示す前記差分値を用い、オブザーバ２００の積分器の値について順次修正を施している。即ち、差分値に対し、定数（図８においてｋ1，ｋ2，ｋ3）を乗じたものを用い、外乱の入力，加速度ａ1，ａ2が入力される積分器の値，及び相対速度ｖaが入力される積分器の値等が修正される。
【００５１】
この結果、系とオブザーバ２００との夫々の出力が同一となった場合、このときにオブザーバ２００にて得られる相対速度の推定値ｖa’は、実際の相対速度ｖaと高い精度で略同一と推定することができる。
【００５２】
図９は、図８に示したように系に付加されたオブザーバ２００を用いて構成した振動制御装置により、時間と共に変化する相対速度ｖaを推定する実験を行い、該実験により得られた相対速度の推定値ｖa’と実測値ｖaとの時間変化を示す図表である。なお、前記実験の初期設定として、本制御系には所定の初期値が与えられ、振動制御装置には、前記本制御系とは異なる初期値が与えられている。また、図に示す破線は、台車１及び車体２の相対速度の実測値ｖaであり、実線は、本実施の形態に係る振動制御装置にて得られた相対速度の推定値ｖa’である。
【００５３】
図に示すように、オブザーバ２００を用いて構成した振動制御装置によれば、系と振動制御装置とが全く異なる初期値を有している場合であっても、得られた推定値ｖa’は比較的短時間の間に、極めて高い精度で実測値ｖaと同様の値に収束していることがわかる。
【００５４】
このように、本実施の形態に係る振動制御装置によれば、オブザーバ２００を用いて構成することにより、相対速度ｖaの推定値ｖa’をダイナミックかつより正確に得ることができ、これを用いて車体２の振動の制御をより適切に行うことができる。
【００５５】
なお、図６乃至８にて示した系及びオブザーバ２００は一例である。即ち、状態量の選び方によって系は如何様にも表すことができるため、これに伴いオブザーバも如何様にも表すことができ、本発明に係る振動制御装置は、本実施の形態２にて図示したものに限られない。また、実施の形態１と同様、車体加速度センサ２１に替えて速度センサを用いた場合であっても、振動の激しい台車１に前記台車加速度センサ１１を用いることにより、上記実施の形態２と同等の効果を得ることができる。
【００５６】
（実施の形態３）
図１３，１４を用いて説明したように、車体２の振動を制御するためには、車体の速度ｖ2の他、少なくとも相対速度ｖaの正負がわかればよい。本実施の形態３ではこのような観点から、外力に応じて導電率が変動する感圧導電ゴムを利用して相対速度ｖaの正負を検出し、車体２の振動の制御に供する場合について説明する。
【００５７】
図１０は、本実施の形態３に係る鉄道車両の構成を示す模式図である。図に示すように本実施の形態に係る鉄道車両は、実施の形態１にて用いた図１に示された台車加速度センサ１１が設けられておらず、代わりに荷重センサ３０が減衰力可変ダンパ３の一方の軸受部に設けられている。なお、図１と同符号のものは、実施の形態１にて示したものと同様の機能を有するものであるため、ここでの説明は省く。また、図１０には、図１３，１４と同方向を正とするｘ軸が設けてある。
【００５８】
図１１は、前記減衰力可変ダンパ３の本実施の形態３に係る構成を示した模式図である。図において３１は減衰力可変ダンパ３を構成する円筒形状をなすシリンダである。該シリンダ３１の一方又は両方の端部には、該シリンダ３１と同軸的に設けられた棒状のピストンロッド３２を介し、略円筒形状をなして該ピストンロッド３２と直交する向きを軸方向とする軸受部３３が設けられている。
【００５９】
前記軸受部３３は、前記ピストンロッド３２に接続される大径で円筒形状の外殻部３３ａと、該外殻部３３ａと同軸をなして内側に設けられた小径で円筒形状の内殻部３３ｂとを備え、前記外殻部３３ａと内殻部３３ｂとの間には感圧導電ゴムからなるゴムブッシュ３３ｃが充填されている。また、前記ゴムブッシュ３３ｃにおけるピストンロッド３２側には、一対の電極３４，３４が所定の間隔を有して埋め込まれ、該電極３４，３４の夫々には信号ケーブル（図示せず）の一端が接続されている。一般にゴムブッシュ３３ｃは、台車１及び車体２の間の位置ずれ，及び振幅の小さい振動などを吸収することができる。
【００６０】
前記ゴムブッシュ３３ｃの材質として用いられる感圧導電ゴムは、導電粉として金属又はカーボンがゴム内に混入されている。そして感圧導電ゴムは、外力が加わることによりゴムブッシュ３３ｃが変形した場合、ゴムブッシュ３３ｃ内の導電紛の密度の変動に応じて導電率が変動するという特徴を有している。 即ち、ゴムブッシュ３３ｃを圧縮する向きに外力が加わった場合は、混入されている導電紛の密度が大きくなるため導電率は低下し、逆に拡張する向きに外力が加わった場合は、混入されている導電紛の密度が小さくなるため導電率は高上する。
【００６１】
従って、ゴムブッシュ３３ｃ内に埋め込まれた一対の電極３４，３４間の電気抵抗値を測定することにより、前記電極３４近傍のゴムブッシュ３３ｃに加わる外力が圧縮方向か拡張方向かを検出でき、本実施の形態３に係る減衰力可変ダンパ３の軸受部３３は荷重センサ３５として機能する。即ち、図１０に示す本実施の形態３に係る鉄道車両において、振動が生じていない場合の電極３４，３４間の電気抵抗値を基準値として予め測定しておく。そして、振動が生じたときに荷重センサ３５が検出した電気抵抗値が前記基準値より大きい場合は、ゴムブッシュ３３ｃに対して拡張する向きに外力が加わったと判別でき、従って、台車１に対する車体２の速度は正の値を有すると判別することができる。逆に、振動が生じたときに荷重センサ３５が検出した電気抵抗値が前記基準値より小さい場合は、ゴムブッシュ３３ｃに対して圧縮する向きに外力が加わったと判別でき、従って、台車１に対する車体２の速度は負の値を有すると判別することができる。
【００６２】
なお、荷重センサ３５が検出した電気抵抗値を示す信号は、振動制御装置へ入力されて相対速度の正負の判断に供されるが、この際に用いる振動制御装置としては、実施の形態１にて説明した振動制御装置１００などを用いればよい。但しこの場合、実施の形態１での説明に用いた図２において、相対速度取得部１２０には、台車加速度センサ１１から出力される台車の加速度を示す信号に替わり、ゴムブッシュ３３ｃに埋め込まれた電極３４から出力される信号が入力される。
【００６３】
次に、本実施の形態３に係る減衰力可変ダンパ３を用いた車体２の振動制御について、図１２に示すフローチャートを用いて説明する。
【００６４】
振動制御装置１００が備える車体速度取得部１１０は、車体２の加速度を示す信号を受け付け（Ｓ２１）、受け付けた信号に基づいて車体２の速度ｖ2を取得し（Ｓ２２）、取得した速度ｖ2を示す信号を演算部１３０へ出力する（Ｓ２３）。また、相対速度取得部１２０は、荷重センサ３５から電気抵抗値を示す信号を受け付け（Ｓ２４）、受け付けた信号に基づいて台車１を基準とする車体２の相対速度ｖaの正負を判断し（Ｓ２５）、判断結果を示す信号を演算部１３０へ出力する（Ｓ２６）。
【００６５】
車体速度取得部１１０及び相対速度取得部１２０から夫々出力された信号は演算部１３０へ入力され（Ｓ２７）、該演算部１３０は、入力された信号のうち、車体の速度ｖ2を示す信号に基づいて減衰力を算出する（Ｓ２８）。減衰力を算出する方法は実施の形態１にて説明した方法と同様であるので、その説明は省略する。
【００６６】
次に演算部１３０は、入力された信号に基づき、相対速度ｖa及び車体の速度ｖ2の正負の符号が互いに同一であるか否かを判別する（Ｓ２９）。正負の符号が同一であると判別した場合は（Ｓ２９：ＹＥＳ）、即ちｖa＊ｖ2＞０となり、台車１に比して車体２はより大きい速度で一方へ振動していることになるため、減衰力可変ダンパ３がステップ２８にて算出した減衰力を有するように指示信号を出力する（Ｓ３０）。また、正負の符号が互いに異なると判別した場合は（Ｓ２９：ＮＯ）、即ちｖa＊ｖ2＜０となり、車体２に比して台車１はより大きい速度で一方へ振動していることになるため、ステップ２８にて算出した減衰力は採用せず、代わりに、減衰力可変ダンパ３が最小の減衰力（例えば、０）を有するように指示信号を出力する（Ｓ３１）。
【００６７】
ステップ３０又は３１にて出力された指示信号は、ドライバへ入力され、該ドライバが指示信号に基づいて駆動することにより、減衰力可変ダンパ３が有するオリフィスの径の絞りは開閉される。
【００６８】
このように本実施の形態３に係る減衰力可変ダンパ３によれば、ゴムブッシュ３３ｃに埋め込まれた電極３４，３４間の電気抵抗値を検出することにより、台車１及び車体２の相対速度の正負を判別することができ、車体２に設けた速度センサまたは加速度センサ等から得られる車体２の速度ｖ2と、判別された正負の結果に基づいて、振動制御装置は車体２の振動を制御することができる。
【００６９】
また、本実施の形態３によれば、振動制御装置から出力された指示信号が示す減衰力の値と、荷重センサ３０での検出により得られる荷重の値とを比較することができるため、指示信号に基づいて減衰力可変ダンパ３が適切に動作しているか否かを判別することも可能であり、フィードバック制御により更に精度の高い制御を実現することが可能となる。
【００７０】
なお、減衰力指令値（例えば、図１２におけるステップ３１にて演算部１３０が出力する指示信号が示す減衰力の値）に応じた相対速度と荷重との関係を取得しておくことにより、荷重センサから得られる信号に基づいて比較的正確に相対速度を取得することが可能である。従って、取得した相対速度を利用して適切な減衰力を得、ダンパの高精度の制御を実現することも可能である。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば、機械的に強固であり、かつ、安価に製造することができるセンサの出力を用い、車体の振動を抑制すべく制御することができる制御装置、及び、該制御装置と共に用いるダンパを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動制御装置をセミアクティブサスペンション装置として適用した鉄道車両の実施の形態１における構成を示す模式図である。
【図２】実施の形態１に係る振動制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１に係る車体速度取得部の概略構成を示すブロック図である。
【図４】実施の形態１に係る相対速度取得部の概略構成を示すブロック図である。
【図５】実施の形態１に係る振動制御装置の動作の流れを説明するためのフローチャートである。
【図６】台車，車体，減衰力可変ダンパ，及び空気バネからなる実施の形態２に係る全体系を示すブロック図である。
【図７】図６にて、相対加速度及び相対速度を新たな状態量とした場合の本実施の形態２に係る全体系を示すブロック図である。
【図８】図７に示す全体系にオブザーバを付加した系を示すブロック図である。
【図９】系に付加されたオブザーバを用いて構成した振動制御装置により、時間と共に変化する相対速度を推定する実験を行い、該実験により得られた相対速度の推定値と実測値との時間変化を示す図表である。
【図１０】実施の形態３に係る鉄道車両の構成を示す模式図である。
【図１１】減衰力可変ダンパの本実施の形態３に係る構成を示した模式図である。
【図１２】実施の形態３に係る減衰力可変ダンパを用いた車体の振動制御について説明するためのフローチャートである。
【図１３】制御則を説明するための説明図である。
【図１４】制御則を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１  台車
２  車体
３  減衰力可変ダンパ
４  空気バネ
１１  台車加速度センサ
２１  車体加速度センサ
３０  荷重センサ
３１  シリンダ
３２  ピストンロッド
３３  軸受部
３３ａ  外殻部
３３ｂ  内殻部
３３ｃ  ゴムブッシュ
３４  電極
１００  振動制御装置
１１０  車体速度取得部
１１１  バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１１２  積分器
１２０  相対速度取得部
１２１  バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１２２  積分器
１３０  演算部
２００  オブザーバ（カルマンフィルタ）
【図１】
0003637027.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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