JP6948852B2 - 車上通信装置、車上通信システムおよび車上通信装置を搭載した車両 - Google Patents

Description

本発明は、車上通信装置、車上通信システムおよび車上通信装置を搭載した車両に関する。例えば、鉄道車両において、複数の共振回路を切り替える機能を持つ車上通信装置を対象とする。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許第３８４２１４２号公報（特許文献１）には、「無電源地上子を駆動するために、列車の車上装置からトランスポンダを利用して車上子から無電源地上子に送信する電力波の送信周波数を、車上装置側の切替条件で異なる周波数に切替えて、周波数の異なる無電源地上子を１種類の車上子で駆動する車上送受信装置」に関する発明が開示され、また、車上送受信装置の構成に関して、「電力波伝送部は、２組の電力波周波数発振器と電力波増幅器と、電力波送信切替回路を有し、一方の電力波周波数発振器は周波数ｆ１の電力波を発生し、他方の電力波周波数発振器は周波数ｆ１と異なる周波数ｆ２の電力波を発生し、一方の電力波増幅器は電力波送信周波数選択条件で周波数ｆ１が選択されているときに、一方の電力波周波数発振器から出力される周波数ｆ１の電力波を規定レベルまで増幅して出力し、他方の電力波増幅器は電力波送信周波数選択条件で周波数ｆ２が選択されているときに、他方の電力波周波数発振器から出力される周波数ｆ２の電力波を規定レベルまで増幅して出力し、電力波送信切替回路は電力波送信周波数選択条件に応じて周波数ｆ１の電力波と周波数ｆ２の電力波を切替えて車上子に送り、車上子の電力波送信部には周波数ｆ１の共振回路と周波数ｆ２の共振回路と、共振回路切替部を有し、周波数ｆ１の共振回路は共振コンデンサと電力波送信アンテナの最大の巻き数で形成されるコイルで直列共振回路を構成し、周波数ｆ１より高い周波数ｆ２の共振回路は共振コンデンサと電力波送信アンテナの中間タップで形成される巻き数のコイルで直列共振回路を構成し、共振回路切替部は電力波送信周波数選択条件に応じて周波数ｆ１の共振回路と周波数ｆ２の共振回路を切替えて電力波伝送部から送られた電力波を送り出す」と記載されている。

特許第３８４２１４２号公報

前記特許文献１には、車上子の周波数ｆ１の共振回路は、共振コンデンサと電力波送信アンテナの最大の巻き数で形成されるコイルで直列共振回路を構成し、周波数ｆ１より高い周波数ｆ２の共振回路は、共振コンデンサと電力波送信アンテナの中間タップで形成される巻き数のコイルで直列共振回路を構成し、共振回路切替部は、電力波送信周波数選択条件に応じて周波数ｆ１の共振回路と周波数ｆ２の共振回路を切替えて電力波伝送部から送られた電力波を送り出すと記載されている。

しかし、特許文献１に記載の上記構成によると、周波数ｆ１送信時と周波数ｆ２送信時とでは電力波送信アンテナの巻き数が変化する。つまり、周波数ｆ１送信時と周波数ｆ２送信時とではアンテナの特性が変化し、アンテナ１ターンあたりのアンテナ電流と地上子に送り出す電力波の電力量との関係が変化する。仮に、アンテナ送信電流をモニタして送信レベルを調整する場合であっても、一定の電力を送信する場合にｆ１送信時とｆ２送信時とでは目標電流が変化し送信レベルの調整が難しくなるので、送信レベルの調整を容易にしたいという課題がある。

さらに、特許文献１に記載の電力波伝送部は、２組の電力波周波数発振器および電力波増幅器と、電力波送信切替回路を有し、どちらの出力を選択するかは電力波送信周波数選択条件により決まる。つまり、２組の電力波周波数発振器および電力波増幅器のうち、実際に車上子と接続して機能している電力波周波数発振器および電力波増幅器は、どちらか一方であり、残る一方は機能していない。したがって、上記構成では２組の回路の合計稼働率は０．５であり、実装回路を効率よく機能させているものではない。また、実装面積も２組分必要であることから、電力波周波数の切替えを行わない従来の構成に対し２倍の実装面積が必要となる。

また、共振回路の切替えを行う場合には、リレーの故障などが原因で、車上送受信器が出力する電力波周波数と車上子の設定周波数が不一致となる異常（周波数設定異常）が発生することが考えられ、この周波数設定異常を検知するための仕組みも必要である。

そこで、本発明では、電力波の周波数ｆ１送信時と周波数ｆ２送信時とで電力波送信アンテナのアンテナ巻き数を変化させずに、周波数が異なる複数の電力波に対応した複数の共振回路の切替が可能な、車上通信装置を提供する。
また、本発明では、電力波の周波数ｆ１送信時と周波数ｆ２送信時とで電力波周波数発振器の送信周波数を切替えることにより、２組の電力波周波数発振器および電力波増幅器と電力波送信切替回路とを必要とせず、１組の電力波周波数発振器および電力波増幅器のみで周波数が異なる複数の電力波送信を可能とする車上通信装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る車上通信装置は、車両に搭載され、固定巻き数を有し地上子に対して電力波を送信する電力波送信アンテナと、２つ以上の共振コンデンサおよび２つ以上の共振インダクタンスから２つ以上の直列回路を構成して電力波送信アンテナに接続する共振回路群と、切替指令に基づいて２つ以上の直列回路からいずれか１つの直列回路を選択して切り替える切替部と、切替指令を出力すると共に当該切替指令に基づいて切り替わったいずれか１つの直列回路と電力波送信アンテナにより決まる共振周波数と一致する周波数を電力波の周波数として選択する周波数選択部と、周波数選択部が選択した周波数の電力波を出力する電力波生成部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の異なる送信周波数の電力波を送信する場合において、周波数に応じた共振回路を切替えることでアンテナ巻き数を変化させる必要がないため、アンテナの特性が変化せず、送信レベルの制御を容易に行うことができる。また、アンテナ巻き数が固定であるため、アンテナの構造を簡略化し装置コストの低減が可能となる。
さらに、本発明によれば、１組の電力波周波数発振器および電力波増幅器のみで複数の異なる送信周波数の電力波を生成することが可能であるため、電力波生成部の実装面積を小さくするともに１組のみで構成可能であることから、装置コストを低減することが可能となる。
加えて、本発明によれば、共振コンデンサと共振インダクタを用いて共振周波数を切替えることで、共振周波数以外の周波数帯域の送信出力インピーダンスを高めることができる。これにより、前述した周波数設定の異常が発生したときには、正常動作時と比較して電力波電流が大幅に低下するため、電力波モニタ回路でこの電力波電流の低下を検知することにより周波数設定の異常を検出することができる。

図１は、本発明に係る車上通信装置の実施例１の構成を示す図である。 図２は、列車と地上信号システム間で、情報を送受信するシステムの構成を示す図である。 図３は、実施例１の車上通信装置の動作態様（共振回路の切替え手順）のフローを示す図である。 図４は、本発明に係る車上通信装置の実施例２の構成を示す図である。 図５は、本発明に係る車上通信装置の実施例３の構成を示す図である。 図６は、本発明に係る車上通信装置の実施例４の構成を示す図である。 図７は、実施例４の車上通信装置において、複数の電力波送信アンテナをレベルモニタアンテナと兼用する場合の構成を示す図である。 図８は、実施例４の共振回路切替部を車上送受信器内に備える場合の構成を示す図である。 図９は、本発明に係る車上通信装置の実施例５の構成を示す図である。 図１０は、直列共振回路の送信出力インピーダンス特性を示す図である。 図１１は、共振コンデンサおよび共振インダクタを用いて共振周波数を切替える場合の送信出力インピーダンス特性を示す図である。

以下、本発明の実施形態として、実施例１〜５について、図を参照しつつ詳細に説明を行う。

図１は、本発明に係る車上通信装置の実施例１の構成を示す図である。
本発明に係る車上通信装置が採用する構成の一例として、図１には、トランスポンダ送受信システムで使用する車上送受信器１１と車上子１とを示している。車上子１は、例えば、共振回路切替部１３、電力波送信アンテナ１５、情報波送受信アンテナ１６および電力波送信アンテナ１５との組み合わせで直列共振回路を構成する共振回路１８から構成される。その中で、共振回路１８は、共振コンデンサ１４および共振インダクタ１７から構成され、艤装線（車上子接続ケーブル）１２を介して車上送受信器１１に接続される。

以上の車上通信装置は、上述のように、トランスポンダ送受信システムで使用する車上子に適用できることから、トランスポンダ送受信システムを用いるＡＴＳ−Ｐ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｓｔｏｐ−Ｐａｔｔｅｒｎ）、自動運転システムであるＡＴＯ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）およびデジタル式ＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）などの鉄道用保安システムに適用できる。

ここで、本発明に係る車上通信装置を使用する環境の一例を、図２によって説明する。
図２は、例えばトランスポンダ送受信システムを用いて、列車２１と地上信号システム間で、列車制御情報や運転支援用の情報などを送受信するシステムの構成を示す図である。

列車２１が搭載する車上子１は、車上送受信器１１からの送受信情報を地上子２４との間で電磁波により送受信し、地上側の信号設備である地上子２４と通信を行う。地上子２４が自身で電源を持たない無電源地上子である場合には、列車２１から地上子２４を駆動するための電力を無線により非接触で供給する必要がある。以下、この無線で送信する電力を電力波と呼ぶ。電力波は、一定周波数の無変調信号である。

地上子２４は、この無変調の電力波を受信後整流し、直流変換した電力で自身の地上子内の回路を起動し、列車２１から電力波の供給を受け回路が起動している間（つまり、列車が地上子近傍に接近している間）、車上子１に対して制御情報を送信する。以下、この制御情報の電磁波を情報波と呼ぶ。なお、制御情報は、地上側だけではなく車両側からも送信している。

このように、無電源地上子を起動するためには、列車２１は、自らが搭載する車上子１を介して電力を供給する必要がある。ところが、この電力波の信号周波数は、区間や事業者により異なり、複数の周波数が存在する。これは、トランスポンダ送受信システムを導入する際に、既存の列車無線や沿線の設備等と周波数干渉が生じない周波数を検討のうえ、その路線で使用する電力波周波数を決定しているためである。

したがって、複数路線を相互乗り入れしている列車などで無電源地上子を駆動するためには、例えば、図２に示すように、ある区間１では、地上子２４を駆動するための電力波として電力波周波数ｆ１を送信する必要があり、別の区間２では、地上子２５を駆動するための電力波として電力波周波数ｆ２を送信する必要が出てくる。

車上子１の電力波送信アンテナ１５は、効率よく電力波を送信するために、電力波送信アンテナ１５のＬとコンデンサのＣでＬＣ共振回路を構成し、特定したひとつの電力波周波数に共振周波数を合わせている。そのため、区間１と区間２で送信すべき電力波周波数が異なる場合、それぞれ区間１のｆ１を共振周波数とする区間１専用の車上子と区間２のｆ２を共振周波数とする区間２専用の車上子の２台を設置することになり、車上子の設置スペースが十分に確保できないことが想定される。本発明では、２つの異なる周波数（ここでは、ｆ１およびｆ２）の電力波を１つの車上子１で送信可能な構成とする。

次に、図１により、実施例１の車上通信装置の構成について、詳細に説明する。
車上子１は、共振回路切替部１３、共振コンデンサ１４と共振インダクタ１７とで構成される共振回路１８、電力波送信アンテナ１５および情報波送受信アンテナ１６から構成される。その内、共振回路切替部１３は、共振回路１８の接続を切替えるためのスイッチやリレー接点１３１、および、これらスイッチやリレー接点１３１を動作させるためのリレーコイル１３２から構成され、リレーコイル１３２には、艤装線１２の共振回路切替指令信号線１２３を介して切替指令入力１３３が供給される。更に、共振回路１８は、複数の異なる電力波周波数とＬＣ共振をとるために、周波数ｆ１用のコンデンサＣ１ １４１と周波数ｆ１用のインダクタＬ１ １７１からなる周波数ｆ１用共振回路１８１、および、周波数ｆ２用のコンデンサＣ２ １４２と周波数ｆ２用のインダクタＬ２ １７２からなる周波数ｆ２用共振回路１８２の２種の共振回路を備える。

一方、車上送受信器１１は、入出力として、共振回路切替部１３に対する切替指令入力１３３のための共振回路切替指令の出力、情報波送受信アンテナ１６に対する情報波信号の入出力および電力波送信アンテナ１５に対する電力波信号の出力を行う。車上送受信器１１は、電力波送信回路として、電力波信号の生成および出力を行う電力波生成部１１１、送信出力する電力波周波数の選択信号および共振回路切替部１３へ共振回路切替信号を出力する電力波周波数選択部１１４とを備え、その内、電力波生成部１１１は、少なくとも電力波周波数を生成するための電力波周波数発振器１１２および電力波を必要なレベルまで増幅するための電力波増幅器１１３を備える。また、車上送受信器１１は、電力波モニタ回路１１７を併設し、電力波増幅器１１３の出力電流を監視する。

車上子１と車上送受信器１１とは、艤装線１２で接続される。艤装線１２は、電力波送信線１２１、情報波送受信線１２２および共振回路切替指令信号線１２３から構成される。
情報波送受信アンテナ１６は、地上子とデータの送受信を行うためのアンテナであって、図１に示す構成では、区間に応じて送受信周波数が変わることがなく、また、共振回路を有さない構成のため共振回路切替部１３と共振回路１８を示していないが、情報波についても共振を取る場合には、電力波と同様に、共振回路切替部１３および共振回路１８を構成することで共振周波数の切替を可能にする。

次に、実施例１の車上通信装置の動作態様（共振回路の切替え手順）を、図３に示すフローに沿って説明する。
車上送受信器１１の電力波周波数選択部１１４は、列車が走行する線区や区間に応じて、電力波周波数をｆ１またはｆ２のどちらの周波数で送信するか選択する。ステップ３０１で、電力波周波数を選択する判断ステップとして、送信すべき周波数がｆ２か否かを判断する。

送信すべき周波数がｆ２の場合（ＹＥＳ）、ステップ３０２で、電力波周波数選択部１１４は、共振回路切替信号指令線１２３への信号印加を停止する。この信号印加の停止により、ステップ３０３で、共振回路切替部１３の共振回路切替リレーコイル１３２への電圧印加が停止するため、リレーコイル１３２が非励磁状態となる。

リレーコイルが非励磁状態となると、ステップ３０４で、共振回路切替部１３の共振回路切替リレー接点１３１が非動作状態となる。その結果、ステップ３０５で、周波数ｆ２用の共振回路ＬＣ２ １８２が電力波送信アンテナ１５に接続され、他方の周波数ｆ１用の共振回路ＬＣ１ １８１は電力波送信アンテナ１５と非接続状態になる。

したがって、電力波送信アンテナ１５のインダクタンス、ｆ２用共振コンデンサＣ２ １４２のキャパシタンスおよびｆ２用共振インダクタＬ２ １７２のインダクタンスにより共振周波数ｆ２となるＬＣ直列共振回路が構成され、周波数ｆ２に対する送信出力インピーダンスを最小にして、電力波送信アンテナ１５から地上装置に対して、周波数ｆ２の電力波が必要十分な電力量分を送り出す状態となる。

ステップ３０６で、電力波周波数選択部１１４が周波数ｆ２を電力波生成部１１１に設定し、車上送受信器１１は周波数ｆ２の電力波を車上子１に入力する。以上のステップを経て、ステップ３０７で、電力波送信アンテナ１５から周波数ｆ２の電力波が送信されることになる。なお、ステップ３０６を先に実施した後に、ステップ３０２以降を実施する態様としても構わない。

一方、列車が走行する線区や区間が変化し、送信すべき周波数がｆ１となると、ステップ３０１の判断ステップでの判断結果がＮＯとなる。ステップ３０８で、車上送受信器１１の電力波周波数選択部１１４は、共振回路切替信号指令線１２３へ指令信号を印加する。この指令信号の印加により、ステップ３０９で、共振回路切替部１３の共振回路切替リレーコイル１３２へリレーコイル駆動用電圧が印加されてリレーコイル１３２が励磁状態となる。

リレーコイルが励磁状態となることにより、ステップ３１０で、共振回路切替部１３の共振回路切替リレー接点１３１が動作状態となる。その結果、ステップ３１１で、周波数ｆ１用の共振回路ＬＣ１ １８１が電力波送信アンテナ１５に接続され、他方の周波数ｆ２用の共振回路ＬＣ２ １８２は電力波送信アンテナ１５に非接続状態となる。

したがって、電力波送信アンテナ１５のインダクタンス、ｆ１用共振コンデンサＣ１ １４１のキャパシタンスおよびｆ１用共振インダクタＬ１ １７１のインダクタンスにより共振周波数ｆ１となるＬＣ直列共振回路を構成され、周波数ｆ１に対する送信出力インピーダンスを最小にして、電力波送信アンテナ１５から地上装置に対して、周波数ｆ１の電力波が必要十分な電力量分を送り出す状態となる。

ステップ３１２で、電力波周波数選択部１１４が周波数ｆ１を電力波生成部１１１に設定し、車上送受信器１１は周波数ｆ１の電力波を車上子１に入力する。以上のステップを経て、ステップ３１３で、電力波送信アンテナ１５から周波数ｆ１の電力波が送信されることになる。なお、ステップ３１２を先に実施した後に、ステップ３０８以降を実施する態様としても構わない。

以上で示したように、実施例１では、ＬＣ共振回路の切替えのみであり、電力波送信アンテナ１５は切替え前後で同一のアンテナを使用する。すなわち、アンテナ巻き数やＬ値はＬＣ共振回路の切替え前後で変化することはない。したがって、ｆ１用共振回路ＬＣ１ １８１を接続して周波数ｆ１の電力波を送信する場合と、ｆ２用共振回路ＬＣ２ １８２を接続して周波数ｆ２の電力波を送信する場合とで、電力波送信アンテナ１５の特性が変化することはなく、共振周波数のみがシフトすることとなる。

このように、アンテナ巻き数の変化がないため、必要な電力量を地上に送信する際の電力波送信アンテナ１５のアンテナ１ターンあたりの電流値は、共振回路の切替え前後で変化することはない。また、電力波モニタ回路１１７により電力波電流を監視して送信レベルの制御やレベル低下による故障検知を行う場合に、共振回路の切替え前後で監視する目標値や故障判定閾値は同一とすることができる。

更に、共振コンデンサと共振インダクタを用いて共振周波数を切替えることで、共振回路切替指令信号線１２３の切断や共振回路切替部１３の故障などにより車上子１の共振周波数設定が電力波生成部１１１の出力周波数と不一致となる異常（周波数設定異常）が発生したときに、電力波モニタ回路１１７で監視する電力波電流を大幅に低下させることが可能になり、この変化を利用して周波数設定異常を検知することができる。以下に、この異常検知の原理について説明する。

図１０は、直列共振回路の送信出力インピーダンス特性を示す図である。
電力波送信アンテナ１５と共振コンデンサＣ２ １４２の直列共振回路を考える場合、周波数が高い帯域では、電力波送信アンテナ１５のインダクタンスによる誘導性リアクタンスＸＬ ２０１が支配的であり、周波数が低い帯域では、共振コンデンサＣ２ １４２のキャパシタンスによる容量性リアクタンスＸＣ２ ２０３が支配的である。これらのリアクタンスの和がゼロとなる周波数が、この直列共振回路の共振周波数ｆ２であり、送信出力インピーダンス特性は、図１０の”Ｚ２ ２０５となる。

ここで、共振周波数ｆ２における直列共振回路のインピーダンスＺｒｅｓ ２０６は、同回路上の銅損、鉄損および放射損失などによる等価直列抵抗値であり、同回路のＬＣを変化させて共振周波数を切替えてもＺｒｅｓ ２０６の値はほとんど変わらない。

共振コンデンサ１４のみで共振周波数をｆ２からｆ１に切替えるときの動作を、図１０を用いて説明する。ここで、ｆ２はｆ１より大きいとする。共振周波数は、インダクタンスとキャパシタンスの積の平方根に反比例するため、共振周波数をｆ２からｆ１に下げるためにはインダクタンスとキャパシタンスの積を増加させる必要がある。ここでは、電力波送信アンテナのインダクタンスが一定であるため、共振コンデンサのキャパシタンスを増加させる。共振コンデンサ１４のキャパシタンスを、Ｃ２ １４２からＣ１ １４１に増加すると、容量性リアクタンスがＸＣ２ ２０３からＸＣ１ ２０２に低下する。一方、電力波送信アンテナ１５のインダクタンスは変わらないため、誘導性リアクタンスＸＬ ２０１は変化しない。その結果、送信出力インピーダンス特性は、図１０のＺ１ ２０４となる。

このとき、電力波生成部１１１が周波数ｆ２の電力波を出力する周波数設定異常が発生すると、送信出力インピーダンスは、図１０のＺｅｒｒ ２０７となる。Ｚｅｒｒ ２０７は、Ｚｒｅｓ ２０６より大きいため、電力波生成部１１１が周波数ｆ１の電力波を出力する正常時に比べて、周波数ｆ２の電力波を出力する異常時の電力波電流が小さくなる。これを利用して、異常時電流と正常時電流の間に閾値を設定し、電力波モニタ回路１１７で監視する電力波電流が閾値より高ければ正常、低ければ異常であると判断することができる。

しかし、実際には、アンテナ共振周波数ｆ１、ｆ２のばらつき、電力波増幅器１１３におけるゲインのばらつきおよび電力波モニタ回路１１７における精度のばらつきなどが原因で、電力波電流もばらつくため、Ｚｅｒｒ ２０７とＺｒｅｓ ２０６の差が十分に大きくならず、すなわち、正常時電流と異常時電流の差が小さくなってしまい、その差を検知することが困難になる問題がある。

これに対し、本発明に係る車上通信装置の構成（直列共振回路）において、図１に示す共振コンデンサ１４と共振インダクタ１７で共振周波数をｆ２からｆ１に切替える場合の動作態様を、図１１を用いて説明する。

図１に示す直列共振回路において、共振周波数切替えのために、共振コンデンサ１４のキャパシタンスをＣ２ １４２からＣ１ １４１に増加して容量性リアクタンスをＸＣ２ ２０３からＸＣ１ ２０２に低下させ、かつ、共振インダクタ１７のインダクタンスをＬ２ １７２からＬ１ １７１に増加して誘導性リアクタンスをＸＬ２ ２１２からＸＬ１ ２１１に上昇させる。

その結果、直列共振回路の送信出力インピーダンス特性は、図１１のＺ１Ａ ２１３となる。このとき、電力波生成部１１１が周波数ｆ２の電力波を出力する周波数設定異常が発生すると、送信出力インピーダンスは、図１１のＺｅｒｒＡ ２１４となる。共振インダクタ１７により誘導性リアクタンスが上昇しているため、ＺｅｒｒＡ ２１４が図１０のＺｅｒｒ ２０７より高くなり、周波数設定異常時と正常時との電力波電流の差分が増大する。その結果、電力波モニタ回路１１７により、周波数設定異常時と正常時の両電流値の差をマージンを持って検知することが可能となり、周波数設定異常を確実に検出することができる。

なお、共振コンデンサ１４のキャパシタンスＣ１ １４１および共振インダクタ１７のインダクタンスＬ１ １７１は、電力波送信アンテナ１５のインダクタンスＬと共振周波数ｆ１を用いて、以下の式で表される。

すなわち、Ｌ１とＣ１の値は、上式を満たす範囲で任意に設定できる。Ｌ１が大きくＣ１が小さいほど共振周波数以外の周波数帯域の送信出力インピーダンスが高くなるため、周波数設定異常時の電力波電流がより減少する。このことから、前述のばらつき要因を考慮しても、周波数設定異常時に十分に電力波電流を低下させられるＬＣ値に設定することが可能となる。

また、図１に示す電力波周波数選択部１１４は、図２に示す運転区間切替ＳＷ(スイッチ)２２や列車制御部２３といった車上送受信器１１の外部の装置から入力される電力波周波数選択条件に応じて、電力波周波数発振器１１２に対する送信周波数選択指令および共振回路切替部１３のリレーコイル１３２に対する共振回路切替指令信号を出力する。

ここにおいて。電力波周波数発振器１１２は、図１に示すように、電力波周波数と一致する任意の周波数の正弦波を演算する正弦波演算素子１１５および演算した正弦波をアナログ信号として出力するＤＡ変換器１１６を備える。正弦波演算素子１１５としては、マイコン、ＣＰＵ、ＤＳＰおよびＦＰＧＡなどの数値演算が可能な素子により構成することができる。また、正弦波演算素子１１５およびＤＡ変換器１１６は、ＤＤＳ(Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ)により構成することも可能である。

電力波周波数選択部１１４から出力される指令に応じて、電力波周波数発振器１１２は、正弦波演算素子１１５で生成する正弦波の周波数を切替えることで、任意の複数の周波数を出力可能な発振器を構成することができ、実施例１では、周波数ｆ１およびｆ２の両周波数を出力可能とする。電力波周波数発振器１１２からの出力は、電力波の送信レベルまで電力波増幅器１１３で増幅したのち、電力波送信線１２１を経由して車上子１のＬＣ直列共振回路に入力される。また、電力波増幅器１１３の出力は、必要に応じてフィルタを介してノイズを除去してから車上子１に入力してもよい。なお、車上送受信器１１において、情報波送受信線１２２を介して送受される情報波を処理する回路部については、本発明の要旨に直接に関係する部分ではないので省略した。

以上のとおり、電力波周波数選択部１１４の周波数選択指令を電力波周波数発振器１１２に入力し、かつ、電力波周波数発振器１１２を複数の周波数を切替出力可能な構成とすることにより、１組の電力波生成部１１１で周波数ｆ１およびｆ２の２つの異なる周波数の電力波を生成することが可能となる。したがって、従来の（例えば、特許文献１で示される）２組の電力波周波数発振器および電力波増幅器を、１組の電力波周波数発振器および電力波増幅器に削減できるだけではなく、電力波送信切替回路を排すことも可能となり、回路の実装面積の縮減やそれに伴う製造コストの低減が可能となる。
また、実施例１では、インダクタンスＬ２を明示したが、アンテナインダクタンスＬのみで十分である場合には、インダクタンスＬ２を０（ショート）とすることが可能であることは言うまでもない。

図４は、本発明に係る車上通信装置の実施例２の構成を示す図である。
実施例２は、共振回路切替部１３を、実施例１のように車上子１の内部ではなく、車上送受信器１１の内部に構成したことを特徴とする。図４に示すように、共振回路切替部１３を車上送受信器１１の内部に構成しても、共振回路１８の切替は可能であり、機能上も問題はない。一般的に、車上子１の内部は、防水・耐振動対策により樹脂モールドされるため、分解不可の構造である。したがって、車上子１の内部に共振回路切替部１３を構成するとリレーなどの機械的駆動部のメンテナンスが課題となる。しかし、共振回路切替部１３を車上送受信器１１の内部に構成することで、機械的駆動部のメンテナンス性が向上し、動作の信頼性を上げることが可能である。なお、車上送受信器１１において、情報波送受信線１２２を介して送受される情報波を処理する回路部については、実施例１と同様に省略した。

図５は、本発明に係る車上通信装置の実施例３の構成を示す図である。
実施例３は、車上子１において、複数の共振周波数に対して共振回路内の共振コンデンサおよび共振インダクタを共用することを特徴とする。なお、情報波送受信アンテナ１６の構成は実施例１と同様であるため、その図示を省略する。

車上子１は、共振回路切替部５１、共振コンデンサＣ３ ５４、共振コンデンサＣ４ ５５、共振インダクタＬ３ ５６、共振インダクタＬ４ ５７、電力波送信アンテナ１５および図示しない情報波送受信アンテナ１６から構成される。

その内、共振回路切替部５１は、共振コンデンサＣ３ ５４に対して共振コンデンサＣ４ ５５を並列接続するためのスイッチまたはリレー接点Ａ５２、共振インダクタＬ３ ５６に対して共振インダクタＬ４ ５７を並列接続するためのスイッチまたはリレー接点Ｂ５９、並びに、スイッチまたはリレー接点Ａ５２およびスイッチまたはリレー接点Ｂ５９を動作させるためのリレーコイルから構成される。

スイッチまたはリレー接点Ａ５２は、常開接点（ａ接点）であり、周波数ｆ１の設定時に両端を接続し周波数ｆ２の設定時に両端を解放する。一方、スイッチまたはリレー接点Ｂ５９は、常閉接点（ｂ接点）であり、周波数ｆ１の設定時に両端を解放し周波数ｆ２の設定時に両端を接続する。スイッチまたはリレー接点Ａ５２およびＢ５９共に、共振コンデンサＣ３ ５４、共振インダクタＬ３ ５６および電力波送信アンテナ１５を直列に接続することを妨げるものではない。ここで、周波数ｆ１と周波数ｆ２との関係は、ｆ２＞ｆ１とする。

周波数ｆ１の送信時は、共振コンデンサＣ３ ５４およびＣ４ ５５の並列合成キャパシタンスと共振インダクタＬ３ ５６とで共振回路を形成し、周波数ｆ２の送信時は、共振インダクタＬ３ ５６およびＬ４ ５７の並列合成インダクタンスと共振コンデンサＣ３ ５４とで共振回路を形成する。これにより、周波数ｆ１およびｆ２の共振回路としては、共振コンデンサＣ３および共振インダクタＬ３を共用する構成となる。

ところで、コンデンサとインダクタの部品サイズを考慮すると、コンデンサはキャパシタンスが大きいほど、インダクタは許容電流値が高いほど、部品サイズが大きくなる傾向がある。そのため、共振コンデンサＣ３のキャパシタンスを大きく、かつ、共振コンデンサＣ４のキャパシタンスを小さく設定する。また、共振インダクタＬ３のインダクタンスを小さく（すなわち電力波送信時の電流を大きく）、かつ、共振インダクタＬ４のインダクタンスを大きく設定する。これにより、実施例１の共振コンデンサＣ２および共振インダクタＬ２と比較して、実施例３の共振コンデンサＣ４および共振インダクタＬ４の部品サイズを小型化し、かつ低コスト化を図ることができる。

なお、当然のことながら、リレー接点５２として常開接点（ａ接点）ではなく常閉接点（ｂ接点）を用い、リレー接点５９として常閉接点（ｂ接点）ではなく常開接点（ａ接点）を用いることで、リレーコイルへの指令信号印加が停止時に、共振コンデンサＣ３ ５４とＣ４ ５５および共振インダクタＬ３ ５６により周波数ｆ１で共振可能な構成とし、リレーコイルへの指令信号印加時に、共振コンデンサＣ３ ５４および共振インダクタＬ３ ５６とＬ４ ５７により周波数ｆ２で共振可能な構成としてもよい。

また、実施例３では、インダクタンスＬ４を実体として用いたが、アンテナインダクタンスＬで十分である場合には、インダクタンスＬ４を用いることなく、リレー接点５９によりインダクタンスＬ３を単に短絡することで対応可能であることは言うまでもない。

図６は、本発明に係る車上通信装置の実施例４の構成を示す図である。
実施例４は、実施例１の電力波送信アンテナ１５に替えて、周波数ｆ１用の共振回路ＬＣ１ １８１に常時接続する電力波送信アンテナＡ６２および周波数ｆ２用の共振回路ＬＣ２ １８２に常時接続する電力波送信アンテナＢ６３の２つのアンテナを用いることに特徴がある。なお、実施例４においても、情報波送受信アンテナの図示を省略している。共振回路切替部６１によって、ｆ１用共振回路ＬＣ１ １８１を選択した時は、電力波送信アンテナＡ６２を用いて電力波を送信し、ｆ２用共振回路ＬＣ２ １８２を選択した時は、電力波送信アンテナＢ６３を用いて電力波を送信する。

実施例４のように、送信する電力波周波数に応じて複数の電力波送信アンテナを備える構成としても、周波数が異なる複数の電力波送信に対応した車上通信装置を実現することが可能である。
また、複数の電力波送信アンテナを備えることで、電力波送信に使用していない方のアンテナを、電力波送信レベルを監視するモニタアンテナとして活用することが可能となる。

図７は、実施例４の車上通信装置において、複数の電力波送信アンテナをレベルモニタアンテナと兼用する場合の構成を示す図である。
周波数ｆ１で送信時には、電力波送信に使用してしないアンテナである電力波送信アンテナＢ６３を、電力波送信アンテナＡ６２の出力を監視するモニタアンテナとして使用する。一方で、周波数ｆ２で送信時には、電力波送信に使用してしないアンテナである電力波送信アンテナＡ６２を、電力波送信アンテナＢ６３の出力を監視するモニタアンテナとして使用する。

具体的に、周波数ｆ１で送信する時には、電力波送信線１２１は、電力波送信アンテナＡ６２に接続され、電力波送信アンテナＢ６３には接続されない。それに合わせて、電力波送信レベルモニタ線７２は、電力波送信アンテナＢ６３に接続され、電力波送信アンテナＡ６２には接続されない。これにより、電力波送信アンテナＡ６２から送信する周波数ｆ１の電力波の一部電力を電力波送信アンテナＢ６３で受信し、その受信レベルを車上送受信器１１にフィードバックすることにより、車上送受信器１１で電力波送信アンテナＡ６２からの電力波送信をレベル監視することが可能となる。その際に、電力波送信レベルモニタ線７２の終端抵抗７３をハイインピーダンス接続とすることで、送信レベルを監視するために必要なわずかな電力のみを電力波送信レベルモニタ線７２に分配する。これにより、地上子に対して送信する電力波の電力レベルを損なうことなくレベル監視が可能となる。

次に、図８は、実施例４の共振回路切替部６１を車上送受信器１１の内部に備える場合の構成を示す図である。この構成により、先の実施例２で説明したように、機械的駆動部のメンテナンス性が向上し動作信頼性を上げることが可能である。

また、実施例４においても、電力波送信アンテナＡ６２および電力波送信アンテナＢ６３を同じ固定巻き数のアンテナとすることにより、共振回路の切替え前後でアンテナ巻き数は変化しないことから、アンテナ特性を共振回路の切替え前後で同一とすることが可能である。ただし、電力波送信アンテナＡ６２および電力波送信アンテナＢ６３を異なる巻き数で構成することが除外されるものではなく、もちろん可能である。

図９は、本発明に係る車上通信装置の実施例５の構成を示す図である。ただし、図９では、車上子１の構成のみを示し、車上送受信器１１については実施例１と同様として、情報波送受信アンテナ１６と共に省略した。
実施例５は、リレー接点を共振回路の両端に配置することを特徴とする。すなわち、共振回路切替部９１として、共振回路の両端に、車上送受信器１１（図示せず）からみて、入力側となるリレー接点９３と出力側となるリレー接点９４を設ける。２つのリレー接点９３および９４は、リレーコイル９２に印加される共振回路切替指令によって両方同時に動作する。

リレー接点を共振回路の両端に設けることで、共振回路を切替る時に、電力波送信アンテナ１５との接続を共振回路の両端で切り離すことから、リレー接点の両端にかかる電圧を減らすことができる。実施例１から実施例４では、共振回路の片端のみを電力波送信アンテナ１５から切り離す構成を示したが、実施例１から実施例４においても、実施例５と同様に、共振回路の両端での接続および切り離しを実施することが可能である。

次に、図２を用いて、上述した実施例１から実施例５の車上通信装置による適用例について示す。
区間１において、地上子２４が無電源地上子である場合に、車上送受信器１１は、地上子２４を駆動するために、周波数ｆ１の電力波を車上子１に送信する。このとき、車上子１では、実施例１から実施例５で示したように、周波数ｆ１に応じたＬＣ共振回路が選択され、周波数ｆ１の電力波が地上に送信される。

車上送受信器１１が周波数ｆ１を送信するための方法（条件）として、以下の方法が考えられる。
１）運転台などに備えられる運転区間切替ＳＷ２２（スイッチ）の選択状態を車上送受信器１１の電力波周波数選択部１１４に取り込む方法
２）車上送受信器１１に接続される他の装置（例えば、ＡＴＣ、ＡＴＳなどの保安装置を含む列車制御部２３など）からの周波数選択情報を車上送受信器１１の電力波周波数選択部１１４で受信し、周波数ｆ１を選択する方法
３）地上子２４や地上子２５の内部に、それぞれの区間で必要とする電力波の周波数を示すデータを格納し、地上子との通信情報の内に電力波の周波数選択を示すビット情報を設け、車上送受信器１１が地上子からの受信情報により電力波周波数選択部１１４で周波数ｆ１を選択する方法
４）パルスカウンタなどを用いて走行区間を自己推定し、車上送受信器１１の電力波周波数選択部１１４で周波数ｆ１を選択する方法

以上の方法の中で、地上子から受信した情報より電力波周波数選択部１１４で周波数ｆ１を選択する方法の場合には、電力波による地上子起動を必要としなくても地上子からの情報を受信可能な有電源地上子との通信情報内に、電力波周波数選択を示すビット情報を設け、車上送受信器１１が地上子２４から受信した情報より電力波周波数選択部１１４で周波数ｆ１を選択する方法や、区間１に進入する前に送信しているところのｆ１以外の電力波周波数で起動する無電源地上子との通信情報の内に、電力波周波数選択を示すビット情報を設け、車上送受信器１１が地上子２４からの受信情報により電力波周波数選択部１１４で周波数ｆ１を選択する方法のどちらでも実施可能である。

列車が区間２に進入すると、上記の１）〜４）で説明した方法により、区間２内で使用する無電源地上子２５に対応した電力波周波数ｆ２を選択する情報が車上送受信器１１に設定され、車上送受信器１１は周波数ｆ２の電力波を車上子１に送信する。車上子１からは、先の実施例１から実施例５で示したように、周波数ｆ２に応じたＬＣ共振回路が選択され、車上子から周波数ｆ２の電力波を地上に送信する。

以上の構成および方法により、地上子を駆動するための電力波周波数が異なる複数の走行区間を走行する列車においても、走行区間に応じて複数の周波数の電力波を送信し、地上−車上間の通信をひとつの車上子で行うことが可能となる。

なお、実施例１から実施例５では、トランスポンダ送受信システムにおける電力波周波数の切替えおよび周波数に応じた共振回路の切替えについて説明したが、もちろん、本発明は、複数の信号周波数を送信し、該複数の周波数に対応した複数の共振回路を利用する様々なシステムに適用することが可能である。

また、実施例１から実施例５では、２つの異なる信号周波数に対応した共振回路を切替える場合を例にしたが、本発明に係る車上通信装置は、３つ以上の異なる信号周波数に対しても、それらに応じて設けた共振回路を切替え、３つ以上の共振周波数を持つ電力波を送信することも可能である。その場合、実施例４では、３つ以上の異なる信号周波数に対応させて電力波送信アンテナを３本以上備えるようにしてもよい。

以上の説明のように、本発明に係る車上通信装置によれば、電力波周波数としてｆ１送信時とｆ２送信時とで電力波送信アンテナのアンテナ巻き数を変化させることなく、周波数が異なる複数の電力波に対応した複数の共振回路を切替えることを可能にする。これにより、アンテナ巻き数に変更がないことから、電力波送信アンテナ１５が地上に必要な電力量を送信する際に、アンテナ１ターンあたりの電流値は共振回路の切替え前後で変化することはない。よって、アンテナ電流を監視して送信レベルの制御やレベル低下の故障検知を行う場合に、共振回路の切替え前後で監視する目標値や故障判定の閾値を同一のままとすることができる。また、アンテナ巻き数が固定巻き数であるため、中間タップを有することなくアンテナの構造を簡略化し装置のコスト低減を図ることが可能となる。

また、本発明によれば電力波周波数発振器の送信周波数を切替え可能な構成とすることで電力波周波数ｆ１送信時と周波数ｆ２送信時とで２組の電力波周波数発振器および電力波増幅器を必要とせず、１組の電力波周波数発振器および電力波増幅器のみで周波数が異なる複数の電力波送信が可能となる車上通信装置を提供することができる。したがって、本発明によれば、特許文献１で示される２組の電力波周波数発振器および電力波増幅器を１組の電力波周波数発振器および電力波増幅器に削減できるだけではなく、電力波送信切替回路を排すことが可能となる。したがって、回路の実装面積の縮減や実装部品の縮減による製造コストの低減が可能である。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した各実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであるが、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも、可能である。更に、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除および置換をすることが可能である。

１ 車上子、１１ 車上送受信器、１１１ 電力波生成部、
１１２ 電力波周波数発振器、１１３ 電力波増幅器、１１４ 電力波周波数選択部、
１１５ 正弦波演算素子、１１６ ＤＡ変換器、１１７ 電力波モニタ回路、
１２ 艤装線、１２１ 電力波送信線、１２２ 情報波送受信線、
１２３ 共振回路切替指令信号線、１３，５１，６１，７１，９１ 共振回路切替部、
１３１ リレー接点、９２，１３２ リレーコイル、１３３ 切替指令入力、
１４，５３ 共振コンデンサ、１４１ 周波数ｆ１用共振コンデンサＣ１、
１４２ 周波数ｆ２用共振コンデンサＣ２、１５ 電力波送信アンテナ、
１６ 情報波送受信アンテナ、１７，５６ 共振インダクタ、
１７１ 周波数ｆ１用共振インダクタＬ１、１７２ 周波数ｆ２用共振インダクタＬ２、
１８ 共振回路、１８１ 周波数ｆ１用共振回路ＬＣ１、
１８２ 周波数ｆ２用共振回路ＬＣ２、２１ 列車、
２２ 運転区間切替ＳＷ（スイッチ）、２３ 列車制御部、２４，２５ 地上子、
５２ リレー接点Ａ、５４ コンデンサＣ３、５５ コンデンサＣ４、
５７ インダクタＬ３、５８ インダクタＬ４、５９ リレー接点Ｂ、
６２ 電力波送信アンテナＡ、６３ 電力波送信アンテナＢ、
７２ 電力波送信レベルモニタ線、７３ 終端抵抗、９３ リレー接点（入力側）、
９４ リレー接点（出力側）

Claims (6)

1. 車両が搭載する車上通信装置であって、
   固定巻き数を有し地上子に対して電力波を送信する電力波送信アンテナと、
   ２つ以上の共振コンデンサおよび２つ以上の共振インダクタンスから２つ以上の直列回路を構成して前記電力波送信アンテナに接続する共振回路群と、
   切替指令に基づいて前記２つ以上の直列回路からいずれか１つの直列回路を選択して切り替える切替部と、
   前記切替指令を出力すると共に、当該切替指令に基づいて切り替わった前記いずれか１つの直列回路と前記電力波送信アンテナにより決まる共振周波数と一致する周波数を前記電力波の周波数として選択する周波数選択部と、
   前記周波数選択部が選択した前記周波数の前記電力波を出力する電力波生成部と
   を備え、
   前記共振回路群は、前記共振コンデンサのいずれか１つおよび前記共振インダクタンスのいずれか１つから成る直列回路を２つ以上並列に設けて構成され、
   前記電力波送信アンテナは、２以上のアンテナから構成され、前記並列に設けた直列回路と当該電力波送信アンテナとが対応付けてそれぞれ接続されると共に、前記電力波を送信するために使用していないアンテナのいずれか１つが、前記電力波を送信するアンテナから送信される当該電力波の送信状態を監視する
   ことを特徴とする車上通信装置。
2. 請求項１に記載の車上通信装置であって、
   車上子を備え、
   前記車上子は、前記電力波送信アンテナおよび前記共振回路群を含む、または、前記電力波送信アンテナ、前記共振回路群および前記切替部を含む
   ことを特徴とする車上通信装置。
3. 請求項１または２に記載の車上通信装置であって、
   前記切替部は、選択的に前記２つ以上の直列回路を切断または接続をするリレー接点および該リレー接点を前記切替指令に基づいて駆動するリレーコイルにより構成される
   ことを特徴とする車上通信装置。
4. 請求項１または２に記載の車上通信装置であって、
   前記切替部は、選択的に前記２つ以上の直列回路のそれぞれ両端を同時に切断または接続をするリレー接点および該リレー接点を前記切替指令に基づいて駆動するリレーコイルにより構成される
   ことを特徴とする車上通信装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の車上通信装置を搭載する車両。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の車上通信装置を備える車両通信システムであって、
   前記地上子は、前記車両の走行路に沿って設置され、自らが設置される区間に対応する前記電力波の周波数を示す情報を含む情報波信号を前記車両に送信し、
   前記車上通信装置は、前記情報波信号を受信し自らも別の情報波信号を送信する情報波送受信アンテナを備え、前記地上子から前記電力波の周波数を示す情報を受信した場合には、前記周波数選択部が、当該電力波の周波数を示す情報に従って前記切替指令を出力すると共に前記電力波の周波数を選択する
   ことを特徴とする車両通信システム。
   

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