JP2021000963A - 鉄道車両の電気連結器 - Google Patents

Abstract

【課題】無接点方式による信号接続手段を備えた鉄道車両の電気連結器について、通信速度の低下を招くことなく高いセキュリティを確保できるようにする。【解決手段】鉄道車両の連結部に対向配置されて列車の編成間又は車両間の通信系統の少なくとも一部を無接点方式による対の送受信手段で接続する鉄道車両の電気連結器１Ａであって、その送受信手段は、平面アンテナ５ａ，５ｂ，５ｃがその表面を連結方向に向けて設けられており、連結する電気連結器の平面アンテナとの間で互いに重なり合うように対向しながらその表面同士が並行かつ所定距離以下に近接した非接触の状態で無線接続により送受信を行うものとした。【選択図】図１

Description

本発明は、列車の編成間又は車両間の通信・通電経路を接続するための電気連結器に関し、殊に、列車の編成における通信経路の少なくとも一部を無接点で接続する鉄道車両の電気連結器に関するものである。

列車の運行においては、同一線区の中で乗降客が多い区間と少ない区間があり、また、時間帯により区間ごとに乗降客数が大きく変動することもあるため、２つの車両編成を１つに連結したり連結を分離したりして変動に対応する場合が多い。例えば、乗降客が多い区間では１０両編成の列車と５両編成の列車を連結して１５両編成にして走行させ、乗降客の少ない区間になったら５両編成の列車を切り離して１０両編成にすることで、乗降客数の変動に対応しながら運行上の効率を確保することが行われている。

このように、２つの車両編成を連結する場合に異なる列車の制御を同時に行うためには、連結箇所に配置した電気連結器を介して双方の列車の制御信号を接続する必要があるところ、電気連結器は１００本近い信号線や電源線を接続するものであるため周辺機器も含むと高価な装置になってしまうことに加え、接続箇所が機械的接点で構成されているため、落ち葉等の絶縁物を挟み込むと接触不良のトラブルを発生するという問題点がある。

この問題点に対し、無線ＬＡＮ技術を用いることで車両間の信号接続を無接点方式で行う試みも行われている。しかし、無線ＬＡＮにおいては電波の到達範囲が広いために外部からの妨害等によるセキュリティ上の脆弱性が指摘されている。そのため、セキュリティ強化の目的でソフトウエア上の暗号化を行ったり送信側と受信側との間で認証行為を行ったりすることも考えられるが、それにより信号処理の即時性が損なわれて通信速度の低下を招く結果となってしまう。

一方、特開２００１−１９０１号公報の図１１及び段落０２７０には、車両と車両の間でアンテナ装置を比較的近い距離で対向配置して無線通信を行う方式の鉄道車両間インターフェイス装置が提案されている。このように、一対のアンテナ装置を車両接続部で対向配置したことで、列車の制御信号が外部に漏洩したり外部の信号が侵入したりすることを最小限に抑えることができる。

しかしながら、このようにアンテナ装置を車両接続部で対向配置して電波の到達距離を短縮化した場合でも、そのアンテナ装置は近距離ではあるが接続方向以外にも電波を拡散するとともに側方からの電波も受信してしまうことから、例えば隣の線路にある別編成の車両におけるアンテナ装置との間で送受信したり、車両分割時に分割後の車両との間で送受信したりすることも可能であるため、この場合も、お互いの車両を相互認証して個別認識する必要性が生じてしまう。

特開２００１−１９０１号公報

本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、無接点方式による信号接続手段を備えた鉄道車両の電気連結器について、通信速度の低下を招くことなく高いセキュリティを確保できるようにすることを課題とする。

そこで、本発明は、鉄道車両の連結部に対向配置されて列車の編成間又は車両間の通信系統の少なくとも一部を無接点方式による対の送受信手段で接続する鉄道車両の電気連結器において、その送受信手段は、平面アンテナがその表面を連結方向に向けて設けられており、連結相手の電気連結器に配置した平面アンテナとの間で互いに重なり合うように対向しながらその表面同士が並行かつ所定距離以下に近接した非接触の状態で無線接続により送受信を行う、ことを特徴とするものとした。

このように、鉄道車両の連結部において、その通信系統の少なくとも一部を対の送受信手段による無接点方式にて接続する方式としたことで、絶縁物の挟み込み等を起因とした接続不良の発生を回避しやすいものとなるが、その送受信手段を、対の平面アンテナの表面同士が近接状態で対向して並行になる配置としたことにより、接続方向とは異なる向きの通信信号の漏洩や侵入を防止しやすくなるため、信号処理の遅延を回避しながら高度なセキュリティを確保可能なものとなる。

また、この鉄道車両の電気連結器において、その平面アンテナは、アンテナ素子を配置した基板の裏面側に、金属板によるグランドプレーンが、平面状のアンテナ素子と平行な状態でアンテナ素子による送受信面を裏側から総てカバーするように設けられてアンテナ素子側及び接地端子側に電気的に接続されており、平面アンテナによる送受信方向をアンテナ表面側の接続方向に制限する、ことを特徴としたものとすれば、一層優れたセキュリティを実現可能なものとなり、この場合、その平面アンテナによる無線接続が磁界結合によることを特徴としたものとすれば、一般的な電波や光線を用いる場合と比べて接続距離を極めて短く限定することが可能となるため、通信信号の漏洩や侵入によるセキュリティ上のリスクをさらに低減することができる。

或いは、その平面アンテナが、基板の表面側に所定形状の金属箔からなるアンテナ素子を貼付してなるパッチアンテナであり、その無線接続が電界結合によることを特徴としたものとしても、前述と同様に一般に用いられる電波や光線と比べて接続距離を極めて短く限定することが可能となって、通信信号の漏洩や侵入によるセキュリティ上のリスクをより低減することができる。

さらにまた、上述した鉄道車両の電気連結器において、その平面アンテナは、電気連結器の金属製ケーシングの接続側の垂直面に形成した凹部に、その表面を面一以下の状態にして埋設されている、ことを特徴としたものとすれば、平面アンテナによる送受信方向を接続方向に一層限定しやすいものとなる。

加えて、上述した鉄道車両の電気連結器において、その平面アンテナは、一つの電気連結器に複数個配設されており、この複数の平面アンテナで複数の通信系統を接続するものとされ、連結相手の電気連結器に複数個配設された平面アンテナと各々重なるように対向するとともに、対となった平面アンテナの組合せ毎に異なる周波数で送受信を行うことを特徴としたものとすれば、複数系統の通信を高いセキュリティを確保しながら同時に実行することが可能なものとなる。

鉄道車両の連結部で通信系統の少なくとも一部を無接点方式で接続するとともに、連結状態で対の平面アンテナが平行かつ近接して対向する配置とした本発明によると、通信速度の低下を招くことなく高いセキュリティを確保できるものである。

本発明における実施の形態である鉄道車両の電気連結器の構成を示す正面図である。 図１の鉄道車両の電気連結器を対にして連結した状態を示す側面図である。 図１の鉄道車両の電気連結器に配設した平面アンテナを拡大して示すものであって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図３（Ａ）の平面アンテナの変形例を示す正面図である。 図３の平面アンテナによる送受信状態を測定したグラフである。 図４の平面アンテナによる送受信状態を測定したグラフである。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。

図１は、本実施の形態である鉄道車両の電気連結器１Ａを連結側から見た正面図である。この電気連結器１Ａは、鉄道車両の連結部で互いに向かい会うように各々配置されて、列車の編成間又は車両間の通信系統の少なくとも一部を送受信手段である平面アンテナ５ａ，５ｂ，５ｃを各々対にして無接点（無線）で接続する方式とされており、本実施の形態では、使用電圧の比較的低いイーサネット（登録商標）による３系統の通信を平面アンテナ５ａ，５ｂ，５ｃで接続するようになっており、使用電圧が比較的高い通信系統や通電は、機械的連結部１１（接続端子は省略）で行うものとしている。

本実施の形態の電気連結器１Ａは、鉄道車両の連結部において同じ構成のものが対向して連結するように配置されるが、その接続箇所の一部を構成する無接点方式の送受信手段として、３つの平面アンテナ５ａ，５ｂ，５ｃが、その表面を連結方向に向けるように金属製の本体ケーシング１０の対向する垂直面に配設されている点を特徴としている。そのため、平面アンテナ５ａ，５ｂ，５ｃの特性により、その送受信の感度はその平面に対し垂直な方向に強くすることができ、その到達距離は数十センチ程度の短距離に限定することができる。

そして、図２に示すように、図示しない車両同士を連結することで一方の車両の電気連結器１Ａの平面アンテナ５ａ，５ｂ，５ｃと、他方の車両の電気連結器１Ｂの平面アンテナ５ｃ，５ｂ，５ａが、互いに重なり合うように対向しながら、その表面同士が所定距離以下に近接した非接触の状態にて、無線接続による送受信を行う構成となっている。これにより、接続方向以外の通信信号の漏洩や侵入のリスクを一層低減しやすいものとしながら、信号を相互認証する手間を省いて通信速度の遅延を回避することを可能としている。

また、本実施の形態において、その平面アンテナ５ａ，５ｂ，５ｃにおける無接点方式の接続には、磁界結合を用いることが好ましく、対向するアンテナ表面同士の距離（間隔）を５ｃｍ以下に近接した状態にすることが好ましい。これは、磁界結合による接続が通常の電波や光線による電磁波を用いる場合と比べて短い接続距離の状況に好適であるため、通信信号の漏洩や侵入によるセキュリティ上のリスクを一層低減できるからであり、この場合に、前述したアンテナ表面同士の距離が、通信精度の確保とセキュリティの確保のバランスに優れていることが実験により判明しているからである。

さらに、上述した平面アンテナ５ａ，５ｂ，５ｃは、電気連結器１Ａの連結面において並列した状態で３個配設されて、各々異なる通信系統の接続部を構成するようになっており、図２に示したように、連結対象である電気連結器１Ｂに複数個配設された平面アンテナ５ｃ，５ｂ，５ａと各々重なり合うように近接して並行の状態で対向しながら、各々異なる周波数を用いて送受信を行うものとしている。

本実施の形態において以上のような構成を採用したことにより、並列配置した３系統の通信について高いセキュリティを確保しながら、並列した通信における接続を可能なものとしている。

尚、本実施の形態では、３つの平面アンテナ５ｃ，５ｂ，５ａを並列して設ける場合を説明したが、その数に限定する必要はなく、必要に応じてその数を増減しても良いことは言うまでもない。また、その平面アンテナ５ｃ，５ｂ，５ａにおけるアンテナ素子を各々２つに分岐した構成としてもよく、これにより１対の平面アンテナで２系統の通信を接続することも可能となり、３対の平面アンテナの組合せの場合は合計６系統の接続を実施可能なものとなる。

再度、図１を参照して、上述した鉄道車両の電気連結器１Ａ，１Ｂにおいて、その平面アンテナ５ｃ，５ｂ，５ａは、アルミ等の金属からなる本体ケーシング（筺体）１０の接続側垂直面に形成した正面視方形の凹部１０ａ，１０ｂ，１０ｃに、その表面を面一以下にして埋設された構成となっており、この点も本実施の形態における重要な特徴部分となっている。

これにより、凹部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの深さ方向に形成された壁面に平面アンテナ５ｃ，５ｂ，５ａの側面が覆われた構成となることから、その通信方向が平面アンテナ５ｃ，５ｂ，５ａの表面側から接続方向のみに限定されやすい状態となるため、従来技術におけるソフト的なセキュリティ強化ではなく物理的なセキュリティ強化を実現しており、外部からの強電界による妨害や侵入に対して充分な耐性を持つことを可能としている。

図３は、図１の電気連結器１Ａに配設した平面アンテナ５ａを拡大して示しており、図（Ａ）は正面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、他の平面アンテナ５ｂ，５ｃも同様の構成を有している。この平面アンテナ５ａは、樹脂製の基板５０の表面側に平面状かつ正面視ジグザグ状に形成されたアンテナ素子５００を備えており、このアンテナ素子５００には通信用の配線７５ａが接続されて平面アンテナ５ａの表面側で送受信を行うようになっている。

この平面アンテナ５ａには、銅などの金属板によるグランドプレーン５１が、その基板５０の裏面側に平面状のアンテナ素子５００と平行な状態にて、その送受信面を裏側から総てカバーするように設けられており、そのグランドプレーン５１は、基板５０の表裏を貫通するスルーホール５０ａを介してアンテナ素子５００と電気的に接続されているとともに、接地端子に繋がる配線７５ｂに接続されている。

即ち、このグランドプレーン５１は、アンテナ素子５００側と接地端子側に接続された状態で基板５０の裏面側に配置されていることで、その送受信方向を、アンテナ素子５００の表面に対し垂直な片側にのみに感度を持つように機能させることを特徴としており、これにより通信経路を外部から確実に遮断することを可能なものとして、一層優れたセキュリティ状態を実現している。

加えて、上述した平面アンテナ５ａは、その基板５０の表裏両面を総てカバーするように平板状かつ非導電性の樹脂カバー５５に内装されて内外液密の状態とされており、電気連結器１Aの連結面側で表面を露出するように配置されても、アンテナ素子５００に腐食や短絡を生じにくい状態とされており、その樹脂カバー５５の表面が、凹部１０ａ，１０ｂ，１０ｃを形成している本体ケーシング１０の垂直面に面一の状態とされている。

図４は、平面アンテナ５ａの変形例としての平面アンテナ６ａを示している。上述した平面アンテナ５ａにおいては、アンテナ素子５００の横向き直線状の部分が並列したジグザグ状とされて裏面側にグランドプレーン５１が配置された構成となっているのに対し、図４の平面アンテナ６ａは、基板６０の表面側に所定形状の金属箔からなるアンテナ素子６００ａ，６００ｂ，６００ｂを貼付して樹脂カバー６５で覆った構成の所謂パッチアンテナであり、その無線接続が電界結合によるものである点を特徴としている。

このように、金属箔からなるアンテナ素子６００ａ，６００ｂ，６００ｂを基板６０表面側に設けてスルーホール６０ａを介し裏面側の図示しない配線に接続する方式のパッチアンテナとしたことにより、上述した平面アンテナ５ａの場合と同様に、一般的な電波や光線を用いる場合と比べて接続距離を極めて短く限定できるため、通信信号の漏洩や侵入によるセキュリティ上のリスクを一層低減することができる。

図５は平面アンテナ５ａによる送受信状態を測定したグラフであり、図６は平面アンテナ６ａによる送受信状態を測定したグラフである。平面アンテナ５ａにおいて共振周波数が１つ（Ｍ１）であるのに対し、平面アンテナ６ａにおいては共振周波数が２つ（Ｍ１，Ｍ２）あるため、２つの周波数で送受信を実施可能であることが分かる。また、この平面アンテナ６ａでは電界結合を使用するものであるが、その送受信感度は、１０ｃｍ程度までが使用可能範囲であり、基板６０に垂直な前面方向のみに感度があることが、実験により判明している。

以上、述べたように、無接点方式による信号接続手段を備えた鉄道車両の電気連結器について、本発明により、通信速度の低下を招くことなく高いセキュリティを確保できるものとなった。

１Ａ，１Ｂ 電気連結器、５ａ，５ｂ，５ｃ，６ａ 平面アンテナ、１０ 本体ケーシング、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 凹部、５０，６０ 基板、５１ グランドプレーン、５５，６５ 樹脂カバー、５００，６００ａ，６００ｂ アンテナ素子

Claims (6)

1. 鉄道車両の連結部に対向配置されて列車の編成間又は車両間の通信系統の少なくとも一部を無接点方式による対の送受信手段で接続する鉄道車両の電気連結器において、前記送受信手段は、平面アンテナがその表面を連結方向に向けて設けられており、連結相手の前記電気連結器に配置した前記平面アンテナとの間で互いに重なり合うように対向しながらその表面同士が並行かつ所定距離以下に近接した非接触の状態で無線接続により送受信を行う、ことを特徴とする鉄道車両の電気連結器。
2. 前記平面アンテナは、アンテナ素子を配置した基板の裏面側に、金属板によるグランドプレーンが、平面状の前記アンテナ素子と平行な状態で前記アンテナ素子による送受信面を裏側から総てカバーするように設けられて前記アンテナ素子側及び接地端子側に電気的に接続されており、前記平面アンテナによる送受信方向をアンテナ表面側の接続方向に制限する、ことを特徴とする請求項１に記載した鉄道車両の電気連結器。
3. 前記無線接続が磁界結合によるものである、ことを特徴とする請求項２に記載した鉄道車両の電気連結器。
4. 前記平面アンテナは、基板の表面側に所定形状の金属箔からなるアンテナ素子を貼付してなるパッチアンテナであって、前記無線接続が電界結合によるものである、ことを特徴とする請求項１に記載した鉄道車両の電気連結器。
5. 前記平面アンテナは、前記電気連結器の金属製ケーシングの接続側垂直面に形成した凹部に、その表面を面一以下の状態にして埋設されている、ことを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載した鉄道車両の電気連結器。
6. 前記平面アンテナは、一つの前記電気連結器に複数個配設されており、該複数個の平面アンテナで複数の通信系統を接続するものとされ、連結相手の前記電気連結器に複数個配設された前記平面アンテナと各々重なるように対向するとともに、対となった前記平面アンテナの組合せ毎に異なる周波数で送受信を行うものとされている、ことを特徴とした請求項１，２，３，４又は５に記載した鉄道車両の電気連結器。
   

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