JP6026160B2

JP6026160B2 - 振り子角度を用いる制御弁

Info

Publication number: JP6026160B2
Application number: JP2012155184A
Authority: JP
Inventors: 勝美佐々木; 加代中川; 昭人風戸; 隆行遠竹; 広道福井
Original assignee: Railway Technical Research Institute; West Japan Railway Co; Pneumatic Servo Controls Ltd
Current assignee: Railway Technical Research Institute; West Japan Railway Co; Pneumatic Servo Controls Ltd
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-07-11
Also published as: JP2014016011A

Description

本発明は、振り子角度を用いる制御弁に係り、特に、車体傾斜制御気体圧を発生させるために用いられる振り子角度を用いる制御弁に関する。

通常、鉄道車両の曲線軌道にはカントが設けられているが、カント量から定まる均衡速度よりも高速で車両が曲線を走行すると、カントで相殺できない超過遠心加速度が発生して乗り心地が悪くなる。そこで、超過遠心加速度と重力との合力が車体床面に垂直に働くように、車体をさらに傾斜できるような車体傾斜制御が行われる。そのような車体傾斜を可能にしたものとして、振り子式車両が知られている。

例えば、特許文献１には、振り子式車両の車体傾斜装置として、台車状にコロ装置を設けると共に、車体に空気バネ等のバネ装置を介して曲面形状の振り子梁をコロ装置に結合させて設け、振り子梁と台車の間に設けたシリンダを作動制御器からの信号で作動させて車体を傾斜させることが述べられている。

ここでは、作動制御器への制御信号として、速度検出器によって速度を検知し、予め収集し記憶されている走行路線の曲線形状情報から最適な傾斜角度を演算器で算出して与えられるとされている。

また、特許文献２には、鉄道車両の車体姿勢制御装置として、乗客の増減等に対応して台車に対する車体の高さである車高を自動的に調整する自動高さ調整機構（ＬＶ）を車体に対し回転可能に支持し、このＬＶに重りを設ける構造が開示されている。ここで鉄道車両が曲線を高速で走行して超過遠心加速度が作用するときは、重りによってＬＶが車体に対し回転し、これによって、外軌側の空気ばねに空気を供給して外軌側の車高を高くすることが述べられている。

特開２００２−６７９４４号公報特開２０１０−１３７６２２号公報

直線区間が多い走行路線のときは、演算器で一々最適傾斜角度を算出しなくても、超過遠心加速度がある程度の大きさになったことで車体を傾斜させることで足りる。そのような場合に、超過遠心加速度に応じて振れる振り子を用い、振り子角度に基づいて車体を傾斜させるための制御気体圧を発生させることにすれば、構造が簡単になることが考えられる。

しかし、車両の振動によって振り子運動には振動成分が重畳するので、振り子角度をそのままで車体を傾斜させる制御気体圧を発生するために用いることができない。また、予め定めた設定振り子角度以上のときに車体を傾斜させるための制御気体圧を発生させるものとするには、振り子角度に対し所定の不感帯を設けることが必要になる。このように、振り子角度を利用して車体傾斜のための制御気体圧を発生させるためには、課題が残されている。なお、特許文献２は、自動高さ調整装置自体を振り子として用いることに相当するが、自動高さ調整装置の内部の軸の回転抵抗が大きいので、超過遠心加速度で回転させるには相当大きな重りが必要となる。

本発明の目的は、車体傾斜制御気体圧を適切に出力することができる振り子角度を用いる制御弁を提供することである。

本発明に係る振り子角度を用いる制御弁は、加速度を受けて予め定められた回転中心の周りに振り子運動をする振り子と、振り子の振り子角度に応じて駆動され、ステムの軸方向に沿って第１ランドと第２ランドが設けられるスプールと、スプールを軸方向移動可能に支持し、供給気体圧を有する気体を供給する供給ポート、第１ランドに対応して設けられる第１負荷ポートと第２ランドに対応して設けられる第２負荷ポート、外部に排気する排気ポートとを有するスリーブと、スプールの軸方向変位に対し、所定のバネ定数を有する弾性力を与えるバネ部と、スプールの軸方向変位に対し、所定の減衰定数を有する減衰力を与えるダンパ部と、を備え、スリーブに対してスプールが中立位置にあるときに、第１負荷ポートと第２負荷ポートは共に排気ポートに連通する位置関係にあり、振り子角度に応じて中立位置からスリーブの第２負荷ポートの側に向かってスプールが変位するときには第１負荷ポートが第１ランドによって一旦遮断状態とされた後、さらに予め定めた第１不感帯変位量を超えて変位をすることで第１負荷ポートが供給ポートと連通する位置関係にあり、振り子角度に応じて中立位置からスリーブの第１負荷ポート側に向かってスプールが変位するときには第２負荷ポートが第２ランドによって一旦遮断状態とされた後、さらに予め定めた第２不感帯変位量を超えて所定の変位をすることで第２負荷ポートが供給ポートと連通する位置関係にあることが好ましい。

また、本発明に係る振り子角度を用いる制御弁において、ダンパ部とは別に、振り子の自由振動を抑制する振り子ダンパを備えることが好ましい。

また、本発明に係る振り子角度を用いる制御弁において、スリーブを含む筐体部に設けられる振り子の回転中心と、振り子の回転中心を挟んで振り子の反対側に振り子と一体的に設けられるスプール側先端部と、スプール側先端部に設けられるバネ座と、を備え、バネ部は、スプールの第１ランド側の端部とバネ座との間に設けられる第１コイルバネ、スプールの第２ランド側の端部とバネ座との間に設けられる第２コイルバネを含み、ダンパ部は、スプールの第１ランド側の端部とスリーブの第１負荷ポート側の端部内壁との間の第１気体空間と、スプールの第２ランド側の端部とスリーブの第２負荷ポート側の端部内壁との間の第２気体空間との間を、絞り部を介して連通路で連通して用いることが好ましい。

上記構成により、振り子角度を用いる制御弁は、振り子角度に応じて駆動されるスプールを有するスプール・スリーブ機構を用い、スプールの軸方向変位に対し、所定のバネ定数を有する弾性力を与えるバネ部と、スプールの軸方向変位に対し、所定の減衰定数を有する減衰力を与えるダンパ部と、を備える。バネ定数と減衰定数を適切に設定することで、回転中心に対し振動が加わったときでも、振り子運動に対するその振動の影響を抑制することができ、振り子角度を制御に用いることが可能になる。
また、スプールのランド位置とスリーブの負荷ポート位置について、中立位置では２つの負荷ポートが共に排気ポートに連通し、第１不感帯変位量を超えてスプールが変位すると第１負荷ポートに供給気体圧が出力され、第２不感帯変位量を超えてスプールが変位すると第２負荷ポートに供給気体圧が出力されるように設定される。このように設定されることで、振り子角度がある程度の大きさとなって、第１不感帯変位量または第２不感帯変位量を超えるときに、初めて車両傾斜制御気体圧を発生させるものとできる。

また、ダンパ部とは別に、振り子の自由振動を抑制する振り子ダンパを備えるので、振り子の自由振動の影響を受けない振り子角度を用いて、車両の傾斜制御を適切に行うことができる。

また、振り子角度を用いる制御弁において、振り子の回転中心を挟んで振り子の反対側に振り子と一体的に設けられるスプール側先端部にバネ座が設けられる。このバネ座とスプールとの間にバネ部を設け、スプール端部とスリーブ端部との間に形成される空間をダンパ部とすることで、小型でありながら適切な減衰特性を有する振り子角度を用いる制御弁とすることができる。また、第１気体空間と第２気体空間とを接続する連通路に絞り部が設けられるので、ダンパ部の減衰定数の設定自由度が増す。

本発明に係る実施の形態の振り子角度を用いる制御弁の構成図である。本発明に係る実施の形態の振り子角度を用いる制御弁の中立状態の断面図である。本発明に係る実施の形態の振り子角度を用いる制御弁において、振り子が回転したときを示す断面図である。本発明に係る実施の形態の振り子角度を用いる制御弁において、振り子角度等と負荷ポートの出力の関係を示す図である。本発明に係る実施の形態の振り子角度を用いる制御弁の振動モデルを示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、スプール・スリーブ機構においてスプールとスリーブとの間の空間をダンパ部として用いるものとして説明するが、外付けのダンパ部を設けるものであってもよい。

以下で説明する振動数、角度等は説明のための例示であり、振り子角度を用いる制御弁の仕様に応じ適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、振り子角度を用いる制御弁１０の構成図である。振り子角度を用いる制御弁１０は、振り子１２と、筐体部１４の中に設けられる振り子ダンパ３０とスプール・スリーブ機構５０を含んで構成される。振り子角度を用いる制御弁１０は、筐体部１４に設けられる回転中心１６を中心として回転可能な振り子１２の振り子運動を利用して、スプール・スリーブ機構５０のスプール５６の軸方向駆動を行い、スリーブ５４の２つの負荷ポートである第１負荷ポート１０４と第２負荷ポート１０８の出力を制御するものである。

振り子角度を用いる制御弁１０は、例えば、これを鉄道車両の車体等に設けるものとできる。その場合、鉄道車両が曲線区間を走行するときに生じる超過遠心加速度の大きさを振り子１２の回転角度である振り子角度で検出し、この検出に応じて、第１負荷ポート１０４と第２負荷ポート１０８の出力を制御する。

振り子１２は、回転中心１６周りに回転運動をする質量体である錘である。図１では、振り子１２は球形形状として示されるが、球形形状以外の形状であってもよい。例えば、円板形状であってもよく、矩形板形状、楕円板形状等であってもよい。振り子１２は、その質量に作用する加速度を受けると、回転中心１６周りに回転する。図１では、振り子１２が受ける加速度をαとし、振り子１２の回転中心１６周りの回転角度である振り子角度をθとして示した。

筐体部１４は、振り子角度を用いる制御弁１０の本体を構成するケースである。筐体部１４には、回転中心１６と、振り子ダンパ３０と、スプール・スリーブ機構５０が設けられる。

回転中心１６は、筐体部１４に設けられる回転支持軸で、振り子１２を軸の周りに回転自在に支持する機能を有する。回転中心１６を筐体部１４に設けられる回転支持穴とし、振り子１２をこの回転支持穴の周りに回転自在に支持するものとしてもよい。

接続軸２０は、振り子１２と回転中心１６と振り子ダンパ３０とスプール・スリーブ機構５０を接続し、振り子１２の回転中心１６周りの運動を振り子ダンパ３０とスプール・スリーブ機構５０に伝達する機能を有する部材である。接続軸２０は、回転中心１６に対応して設けられる中心円板２４と、振り子ダンパ３０に対応して設けられる球体３２と、スプール・スリーブ機構５０に対応して設けられる球体５２を有し、これらを振り子側アーム２２とスプール側アーム２６で接続した細長い軸体である。

中心円板２４は、回転中心１６の回転支持軸に対応する穴が設けられる回転円板である。上記のように、回転中心１６を回転支持穴とするときは、回転支持穴に対応する回転軸が設けられる。振り子側アーム２２は、中心円板２４と振り子１２の間を接続する。

スプール側アーム２６は、回転中心１６を挟んで振り子１２と反対側に振り子側アーム２２が延長された形で設けられる。スプール側アーム２６の中間に設けられる球体３２は、振り子１２の回転中心１６周りの運動を振り子ダンパ３０の移動体３６に伝達する部材である。スプール側アーム２６の先端部に設けられる球体５２は、回転中心１６周りの振り子１２の運動をスプール・スリーブ機構５０のスプール５６に伝達する機能を有する部材である。

振り子ダンパ３０は、内部空間を有するダンパ筐体３４と、ダンパ筐体３４の内部空間内に配置される移動体３６を備える。ダンパ筐体３４の内部空間は円筒状空洞で、移動体３６は、その円筒状空洞内を摺動する円筒体である。図１に示されるダンパ空間３８，４０は、ダンパ筐体３４の内部空間の軸方向両端の内壁と移動体３６の両端との間に形成される空間である。連通路４２は、ダンパ空間３８，４０を接続し、絞り部４４は連通路４２に設けられ、ダンパ空間３８，４０の間の気体の流通を制限する機能を有する。

振り子ダンパ３０は、接続軸２０の球体３２に対して摺動可能な円筒部３３を備える。球体３２と円筒部３３は、振り子１２の回転中心１６周りの回転運動を移動体３６の直進運動に変換する機能を有する。図１に示すように、振り子１２が回転中心１６周りにθ方向に回転するときは、接続軸２０のスプール側アーム２６も球体３２も回転中心１６周りにθ方向に回転する。球体３２が回転中心１６周りにθの円弧運動をすると、球体３２は、円筒部３３に対し回転摺動または摺動しながら、図１に示すＸ方向に円筒部３３を移動させる。Ｘ方向は振り子ダンパ３０の軸方向である。なお、球体３２の円筒部３３に対する摺動方向はＸ方向に対し垂直な方向である。このようにして、振り子１２の回転中心１６周りのθ方向の回転運動は、振り子ダンパ３０において移動体３６のＸ方向の直進運動に変換される。

振り子ダンパ３０において移動体３６がＸ方向に移動すると、ダンパ空間３８，４０の容積が変化する。上記の場合では、移動体３６がＸ方向に移動するので、ダンパ空間３８の容積が減少し、ダンパ空間４０の容積が増加する。ダンパ空間３８，４０は、絞り部４４を介して連通路４２によって連通しているので、これによって、移動体３６のＸ方向の移動は、減衰力を受け、振り子ダンパ３０は、振り子１２の運動に対しダンパとして作用する。

振り子ダンパ３０のダンパとしての役割は、振り子１２の自由振動を抑制するものである。すなわち、振り子１２に加わる加速度αを振り子角度θで検出しようとするとき、振り子１４が自由振動しては困る。振り子１４が自由振動すると、振り子角度θは、加速度αによるものと、自由振動によるものとが重複するからである。したがって、振り子１４の自由振動を抑制して、振り子角度θが加速度αを正確に反映するように、絞り部４４の絞り量が設定される。

なお、振り子１４の自由振動が振り子ダンパ３０によって適切に抑制されたとして、振り子角度を用いる制御弁１０には、筐体部１４に対するノイズ振動Ｎ_Aが加わる。ノイズ振動Ｎ_Aは振り子１２の自由振動に対するものでなく、筐体部１４が取り付けられる対象物の振動によるものである。ノイズ振動Ｎ_Aの抑制は、振り子ダンパ３０によっても一部行われるが、主には、スプール・スリーブ機構５０に設けられるバネ部とダンパ部によって行われる。これについては後述する。

図１において、スプール側アーム２６の先端間に設けられる球体５２は、振り子１２の回転中心１６周りの運動を、スプール・スリーブ機構５０のスプール５６に伝達する。図１に示されるように、振り子１２が回転中心１６周りにθ回転すると、球体５２も回転中心１６周りにθ回転する。

筐体部１４に組み込まれるスプール・スリーブ機構５０は、スプール５６とスリーブ５４で構成される。スリーブ５４は、筐体部１４に固定される。スプール・スリーブ機構５０の詳細な構成と作用を図２から図４を用いて説明する。

図２は、スプール・スリーブ機構５０の中立状態を示す図である。中立状態は、振り子１２が自然状態で回転中心１６からぶら下がっている状態で、振り子側アーム２２とスプール側アーム２６の中心線が重力方向に平行な状態である。この中立状態では、球体５２は、スプール・スリーブ機構５０の長手方向についての中心位置で、短手方向についての中心位置にある。この状態がスリーブ５４に対しスプール５６が中立位置にある状態である。なお、スプール・スリーブ機構５０の長手方向はＸ方向である。したがって、中立状態では、θ＝０で、球体５２の位置はＸ＝０である。

スプール５６は、内部に空洞空間を有し、長手方向を軸方向とする円筒状の部材である。スリーブ５４も、内部に空洞空間を有し、長手方向を軸方向とする円筒状の部材である。スリーブ５４の空洞空間の内壁は、スプール５６の軸方向移動を摺動自在に支持する機能を有する。

スリーブ５４の空洞空間の軸方向の長さは、スプール５６の外径の軸方向長さよりも長く設定される。すなわち、スリーブ５４の空洞空間にスプール５６が配置されて、中立状態のときに、スリーブ５４の空洞空間の軸方向の両端部と、スプール５６の外径の軸方向の両端部との間にそれぞれ気体空間が形成される。この両端の気体空間は、スプール５６が軸方向に移動するときに、ダンパ空間として作用する。２つの気体空間を区別して、紙面の右側の気体空間を第１気体空間８０、紙面の左側でＸ方向側の気体空間を第２気体空間８２と呼ぶことができる。

連通路８４は、第１気体空間８０と第２気体空間８２を接続し、絞り部８６は連通路８４に設けられ、第１気体空間８０と第２気体空間８２の間の気体の流通を制限する機能を有する。第１気体空間８０と第２気体空間８２を絞り部８６を介して連通路８４で接続したものがダンパ部として機能する。

スプール５６は、長手方向を軸方向とし、短手方向を径方向として、軸方向に沿って径方向の寸法が小さいステムと径方向の大きいランドとを有する。ランドは、軸方向の両端にそれぞれ設けられる端部ランド５８，６４と、端部ランド５８，６４の間にステムの軸方向に沿って設けられる第１ランド６０と第２ランド６２の合計４つである。第１ランド６０側の端部ランドを第１端部ランド５８、第２ランド６２側の端部ランドを第２端部ランド６４と呼ぶと、図２では、スプール５６の軸方向に沿って、紙面の右側から紙面の左側のＸ方向に向かって、第１端部ランド５８、第１ランド６０、第２ランド６２、第２端部ランド６４の順に配置される。

スプール５６の内部には空洞空間が設けられる。この内部の空洞空間は、軸方向に沿った円筒状空間である。その円筒状空間の中に設けられるバネ座７０，７２は、スプール側アーム２６の先端に設けられた球体５２を回転自在に支持することができる部材である。バネ座７０，７２は、図３で後述するようにスプール側アーム２６が回転中心１６の周りに回転するときに、その回転に応じて、スプール側アーム２６の先端の球体５２をその円筒面で支持する。

このような構造によって、回転中心１６に対し、振り子１２がθ方向に回転し、球体５２がθ方向に回転するとき、バネ座７０，７２は、図２に示すＸ方向に移動する。Ｘ方向とは、第１ランド６０から第２ランド６２に向かう方向である。逆に、回転中心１６に対し、振り子１２がθ方向とは反対の方向に回転するとき、バネ座７０，７２は、第２ランド６２から第１ランド６０に向かう方向に移動する。

スプール５６の内部の円筒状空間の両端内壁と、バネ座７０，７２との間にはそれぞれバネ部が設けられる。２つのバネ部を区別するため、紙面の右側のバネ部を第１コイルバネ７６、紙面の左側でＸ方向側のバネ部を第２コイルバネ７８と呼ぶことができる。スプール５６について、紙面の右側の端部を第１端部、紙面の左側でＸ方向の端部を第２端部とすると、第１コイルバネ７６は、一方端がスプール５６の第１端部に接続され、他方端がバネ座７０に接続される。第２コイルバネ７８は、他方端がスプール５６の第２端部に接続され、一方端がバネ座７２に接続される。

スプール・スリーブ機構５０の中立状態のとき、第１コイルバネ７６と第２コイルバネ７８の軸方向の長さは同じで、予め定めた圧縮状態にある。

スリーブ５４は、スプール５６の軸方向移動を摺動自在に支持する内壁を有する。スリーブ５４の内壁には、軸方向に沿って５つの開口部が設けられる。５つの開口部は、紙面の右側から紙面の左側のＸ方向に向かって、第１供給口９０、第１負荷口９２、排気口９４、第２負荷口９６、第２供給口９８の順に配置される。第１供給口９０と第２供給口９８とは連通路１００によって互いに接続される。

第１負荷口９２は、第１負荷ポート１０４としてスリーブ５４の外部に開口する。第２負荷口９６は、第２負荷ポート１０８としてスリーブ５４の外部に開口する。第１負荷ポート１０４と第２負荷ポート１０８は、２つの負荷に対し、それぞれ制御気体圧を有する気体を供給するポートとして用いられる。図２では、第１負荷ポート１０４にＱ₁、第２負荷ポート１０８にＱ₂とそれぞれ示されているが、Ｑ₁，Ｑ₂は、そこを流れる気体流量を表わしている。

連通路１００によって互いに接続されている第１供給口９０と第２供給口９８はスリーブ５４の外部に開口する。図２では第１供給口９０に対応して第１供給ポート１０２、第２供給口９８に対応して第２供給ポート１１０が示されているが、いずれか一方がスリーブ５４の外部に開口すれば足りる。以下では、第１供給ポート１０２がスリーブ５４の外部に開口するものとして説明を続ける。第１供給ポート１０２は、図示されていない気体供給源に接続され、予め定めた供給気体圧Ｐ_Sを有する気体が供給される。図２では、第１供給ポート１０２、第２供給ポート１１０をＰ_Sとして示し、そのことを表わした。排気口９４は、排気ポート１０６としてスリーブ５４の外部に開口する。排気ポート１０６は大気に開放される。図２では排気ポート１０６をＥ_Xとして示し、そのことを表わした。

スプール５６の第１ランド６０、第２ランド６２と、スリーブ５４の５つの開口部の間の配置関係は、次のように設定される。すなわち、スリーブ５４に対してスプール５６が中立位置にあるときに、第１負荷口９２は、排気口９４と連通する位置にあり、第２負荷口９６も、排気口９４と連通する位置にあるように設定される。

すなわち、中立位置にある状態では、第１ランド６０は、第１負荷口９２を完全に閉じず、第１負荷口９２と第１供給口９０との間は遮断されるが、第１負荷口９２と排気口９４が連通する。また、第２ランド６２は、第２負荷口９６を完全に閉じず、第２負荷口９６と第２供給口９８との間は遮断されるが、第２負荷口９６と排気口９４が連通する。

そのときの気体の流れを、図２において、第１負荷ポート１０４から第１負荷口９２へ、第１負荷口９２から第１ランド６０と第２ランド６２の間のステムへ、ステムから排気口９４を経て排気ポート１０６に向かう矢印で示した。同様に、第２負荷ポート１０８から第２負荷口９６へ、第２負荷口９６から第２ランド６２と第１ランド６０の間のステムへ、ステムから排気口９４を経て排気ポート１０６に向かう方向に気体が流れることを矢印で示した。

図３は、振り子１２が回転中心１６に対してθ方向に回転し、球体５２が回転中心１６に対してθ方向に回転したときの状態を示す図である。このとき、バネ座７０，７２は、球体５２のθ方向の回転運動によって、Ｘ方向に移動駆動される。バネ座７０，７２がＸ方向に移動駆動されることで、第２コイルバネ７８がより圧縮され、第１コイルバネ７６の圧縮力が弱められる。これによって、スプール５６は、第２気体空間８２の容積を少なくし、一方で第１気体空間８０の容積を大きくするように働く。

したがって、バネ座７０，７２がＸ方向に移動するとき、２つのバネ部である第１コイルバネ７６、第２コイルバネ７８の弾性力と、第１気体空間８０、第２気体空間８２を含んで構成されるダンパ部の減衰力を受けながら、スプール５６がＸ方向に移動することになる。

スプール５６が中立位置からＸ方向に移動するときについて、スプール５６の第１ランド６０、第２ランド６２と、スリーブ５４の５つの開口部の間の配置関係は、図４に示されるように、以下のように設定される。ここで、図４の縦軸は第１負荷ポート１０４に流れる流量Ｑ₁で、正方向は供給ポート１０２側から第１負荷ポート１０４に向かって流れる気体の流量で、負方向は第１負荷ポート１０４から排気ポート１０６に向かって流れる気体の流量である。横軸は、振り子１２の振り子角度θと、振り子角度θに対応するスプール５６のＸ方向の位置である。

すなわち、第１負荷口９２と第１ランド６０の重なりは、中立位置のとき排気口９４に向けて一部開口している状態であるが、スプール５６がＸ＝Ｘ₁₁まで移動駆動されることで、一旦、第１負荷口９２が第１ランド６０によって完全に遮蔽される状態となる。そして、Ｘ方向にさらにある程度変位するまで、遮蔽状態が継続する。Ｘ＝Ｘ₁₂になるまで遮蔽状態が継続すると、ΔＸ₁＝（Ｘ₁₂−Ｘ₁₁）の間は、第１負荷口９２に接続される第１負荷ポート１０４の出力状態が変化しない。ΔＸ₁を第１負荷ポート１０４における不感帯変位量と呼ぶことにすると、Ｘ＝Ｘ₁₁から不感帯変位量ΔＸ₁を超えた位置であるＸ＝Ｘ₁₂まで変位するときに初めて、第１負荷ポート１０４の気体圧が第１制御気体圧Ｐ_C1となる。

これを振り子１２の振り子角度θと関連して説明すると、以下のようである。すなわち、振り子１２が中立位置のときは、第１負荷ポート１０４は排気ポート１０６に連通しているので、第１負荷ポート１０４の気体圧は大気圧である。振り子１２が中立位置のθ＝０からθ＝θ₁₁まで回転すると、第１負荷口９２が第１ランド６０によって一旦遮蔽される。θ₁₁はＸ₁₁に対応する回転角度である。したがって、θ₁₁の量は、中立位置における第１ランド６０と第１負荷口９２の間の開口部分の軸方向の長さの設定で決まる。中立位置における開口部分の軸方向の長さの値が大きいほど、θ₁₁は大きくなる。

そして、振り子１２がさらにθ＝θ₁₂に回転するまでの間は、第１負荷ポート１０４の気体圧は変化しない。つまり、振り子１２の回転がθ＝θ₁₁からθ＝θ₁₂まで変化しても、第１負荷ポート１０４の気体圧は変化しない。その意味で、この間のΔθ₁＝（θ₁₂−θ₁₁）を、振り子１２の回転に対し、第１負荷ポート１０４の気体圧が変化しない不感帯振り子角度と呼ぶことができる。Δθ₁はΔＸ₁に対応するものである。したがって、Δθ₁の大きさは、第１ランド６０の軸方向の長さと、第１負荷口９２の軸方向の長さの差の値の設定で決まる。｛（第１ランド６０の軸方向の長さ）−（第１負荷口９２の軸方向の長さ）｝の値が大きいほど、不感帯振り子角度Δθ₁は大きくなる。

したがって、振り子１２がθ＝θ₁₁から不感帯振り子角度Δθ₁を超えたθ＝θ₁₂まで回転すると、第１負荷ポート１０４の気体圧が制御気体圧Ｐ_C1となる。そのときの気体の流れを、図３において、第１供給ポート１０２から第１供給口９０、第１供給口９０から第１端部ランド５８と第１ランド６０の間のステムへ、ステムから第１負荷口９２へ、第１負荷口９２から第１負荷ポート１０４へ向かう矢印で示した。

なお、中立位置からバネ座７０，７２がＸ方向に移動駆動されるとき、第２負荷ポート１０８は、常に排気ポート１０６に連通している。そのことを、図３において、第２負荷ポート１０８と排気ポート１０６との間の双方向の矢印で示した。この矢印は単に連通を示すものである。第２負荷ポート１０８の状態はもともと排気ポートに連通しているので、中立位置からバネ座７０，７２がＸ方向に移動駆動されたからといって、第２負荷ポート１０８から排気ポート１０６に気体が流れ始めるわけでない。

このように、振り子角度θが中立状態から増加すると、θ＝０からθ＝θ₁₁まで第１負荷ポート１０４は排気ポート１０６に連通する。したがって、この間は、第１負荷ポート１０４は排気状態である。θ＝θ₁₁からθ＝θ₁₂の不感帯振り子角度Δθ₁の期間は、第１負荷ポート１０４は遮蔽状態である。そして、θ＝θ₁₂を超えると、第１負荷ポート１０４は供給ポート１０２と連通し、制御気体圧が発生する。したがって、振り子角度θがθ₁₂以上となって初めて、第１負荷ポート１０４に、車体傾斜のための制御気体圧が供給されることになる。

振り子角度θがθ₁₂以上の状態からθが減少していく場合は、振り子角度θ＝θ₁₂で第１負荷ポート１０４には気体が流れなくなる。しかし、振り子角度θ＝θ₁₂からθ₁₁までの不感帯振り子角度Δθ₁の期間は、第１負荷ポート１０４は遮蔽状態であって、排気状態になるわけではない。排気状態となるのは、不感帯振り子角度Δθ₁の期間を超えて、θ＝θ₁₁となったときである。このように、不感帯振り子角度Δθ₁の期間は、ヒステリシス期間でもある。つまり、振り子角度θが増加するときは、θ＝θ₁₂まで供給ポート１０２から第１負荷ポート１０４に気体を供給しない。また、振り子角度θが減少するときは、θ＝θ₁₁まで第１負荷ポート１０４を排気状態にしない。

したがって、不感帯振り子角度Δθ₁の大きさを適切に設定することで、振動ノイズ等があっても、第１負荷ポート１０４に供給ポート１０２から確実に安定して気体を供給でき、また、第１負荷ポート１０４を確実に安定して排状態とすることができる。このように、不感帯振り子角度Δθ₁の大きさは、振動ノイズの大きさや、車体制御のための制御マージン等を考慮して設定することができる。

図３では、振り子角度θが紙面上で反時計方向に振れ、スプール５６の位置Ｘが紙面上で右側から左側に移動する場合を説明した。スプール・スリーブ機構５０は、左右対称の構造を有しているので、振り子角度θが紙面上で時計方向に振れ、スプール５６の位置Ｘが紙面上で左側から右側に移動する場合にも、図３の移動方向を逆にしただけで、同様の作用を行う。図４でいえば、Ｑ₁をＱ₂に置き換えたものとなる。

勿論、スプール・スリーブ機構５０の構造を左右対称としないこともでき、その場合には、第１負荷ポート１０４についてのθ₁₁，θ₁₂，Δθ₁，Ｘ₁₁，Ｘ₁₂，ΔＸ₁と異なるように、第２負荷ポート１０８に対するそれぞれの値を設定できる。例えば、第１負荷ポート１０４の不感帯変位量ΔＸ₁と異なる不感帯変位量ΔＸ₂を第２負荷ポート１０８に対して設定することができる。このように不感帯変位量を第１負荷ポート１０４と第２負荷ポート１０８とで異ならせるときに、これらを区別して、前者を第１不感帯変位量、後者を第２不感帯変位量と呼ぶことができる。

不感帯振り子角度Δθ₁の設定の際に、考慮すべきことは、振り子１４の自由振動の影響と、筐体部１４が受けるノイズ振動Ｎ_Aである。

振り子１４の自由振動を抑制するために振り子ダンパ３０が設けられる。振り子ダンパ３０について説明したように、絞り部４４を適切に設定することで、ノイズ振動Ｎ_Aに対する振り子角度θの感応を小さくし、かつ、振り子１２の自由振動を抑制することができる。

また、ノイズ振動Ｎ_Aの影響を抑制するために、スプール・スリーブ機構５０に、バネ部とダンパ部が設けられる。図２に関連して説明したように、振り子１２の振り子運動は、球体５２によってバネ座７０，７２の直進運動に変換される。バネ座７０，７２の直進運動はスプール５６に伝えられるが、その際に、バネ座７０，７２はスプール５６を直動駆動するのではなく、バネ部を用いて駆動し、ダンパ部でその動きを抑制する。バネ部は、バネ座７０，７２とスプール５６との間に設けられ、ダンパ部はスプール５６とスリーブ５４との間に設けられる。スプールの軸方向変位に対し、バネ部は、所定のバネ定数を有する弾性力を与え、ダンパ部は、所定の減衰定数を有する減衰力を与える。したがって、振り子１２の振り子運動は、バネ部の所定のバネ定数ｋとダンパ部の所定の減衰定数ｃと、振り子１２とスプール５６を含めた質量ｍで定まる減衰振動系の下で、スプール５６に伝達されることになる。

図５は、バネ部とダンパ部を含めた振り子角度を用いる制御弁１０の振動モデルを示す図である。ここでは、第１コイルバネ７６と第２コイルバネ７８をまとめて、バネ定数ｋを有する１つのバネモデルとし、第１気体空間８０と第２気体空間８２等をまとめて、減衰定数ｃを有するダンパモデルとし、振り子１２からスプール５６に至る系の質量をまとめて、質量ｍが振り子１２に集中するモデルとして示されている。このように、スプール５６の質量は、振り子１２の質量に対し、ごく小さい値となるように設定される。

ノイズ振動Ｎ_Aの抑制は、図５の減衰振動系において、バネ定数ｋと減衰定数ｃと質量ｍの関係を適切に設定することで行うことができる。

本発明に係る振り子角度を用いる制御弁は、鉄道車両の傾斜制御に用いることができる。

１０振り子角度を用いる制御弁、１２振り子、１４筐体部、１６回転中心、２０接続軸、２２振り子側アーム、２４中心円板、２６スプール側アーム、３０振り子ダンパ、３２，５２球体、３３円筒部、３４ダンパ筐体、３６移動体、３８，４０ダンパ空間、４２，８４，１００連通路、４４，８６絞り部、５０スプール・スリーブ機構、５４スリーブ、５６スプール、５８，６４端部ランド、６０第１ランド、６２第２ランド、７０，７２バネ座、７６第１コイルバネ、７８第２コイルバネ、８０第１気体空間、８２第２気体空間、９０第１供給口、９２第１負荷口、９４排気口、９６第２負荷口、９８第２供給口、１０２第１供給ポート、１０４第１負荷ポート、１０６排気ポート、１０８第２負荷ポート、１１０第２供給ポート。

Claims

加速度を受けて予め定められた回転中心の周りに振り子運動をする振り子と、
振り子の振り子角度に応じて駆動され、ステムの軸方向に沿って第１ランドと第２ランドが設けられるスプールと、
スプールを軸方向移動可能に支持し、供給気体圧を有する気体を供給する供給ポート、第１ランドに対応して設けられる第１負荷ポートと第２ランドに対応して設けられる第２負荷ポート、外部に排気する排気ポートとを有するスリーブと、
スプールの軸方向変位に対し、所定のバネ定数を有する弾性力を与えるバネ部と、
スプールの軸方向変位に対し、所定の減衰定数を有する減衰力を与えるダンパ部と、
を備え、
スリーブに対してスプールが中立位置にあるときに、第１負荷ポートと第２負荷ポートは共に排気ポートに連通する位置関係にあり、振り子角度に応じて中立位置からスリーブの第２負荷ポートの側に向かってスプールが変位するときには第１負荷ポートが第１ランドによって一旦遮断状態とされた後、さらに予め定めた第１不感帯変位量を超えて変位をすることで第１負荷ポートが供給ポートと連通する位置関係にあり、振り子角度に応じて中立位置からスリーブの第１負荷ポート側に向かってスプールが変位するときには第２負荷ポートが第２ランドによって一旦遮断状態とされた後、さらに予め定めた第２不感帯変位量を超えて所定の変位をすることで第２負荷ポートが供給ポートと連通する位置関係にあることを特徴とする振り子角度を用いる制御弁。
請求項１に記載の振り子角度を用いる制御弁において、
ダンパ部とは別に、振り子の自由振動を抑制する振り子ダンパを備えることを特徴とする振り子角度を用いる制御弁。
請求項１に記載の振り子角度を用いる制御弁において、
スリーブを含む筐体部に設けられる振り子の回転中心と、
振り子の回転中心を挟んで振り子の反対側に振り子と一体的に設けられるスプール側先端部と、
スプール側先端部に設けられるバネ座と、
を備え、
バネ部は、スプールの第１ランド側の端部とバネ座との間に設けられる第１コイルバネ、スプールの第２ランド側の端部とバネ座との間に設けられる第２コイルバネを含み、
ダンパ部は、スプールの第１ランド側の端部とスリーブの第１負荷ポート側の端部内壁との間の第１気体空間と、スプールの第２ランド側の端部とスリーブの第２負荷ポート側の端部内壁との間の第２気体空間との間を、絞り部を介して連通路で連通して用いることを特徴とする振り子角度を用いる制御弁。