JP6993931B2 - 地上子 - Google Patents

Description

本発明は、変周式又は共振式の地上子に関する。

従来から、変周式の地上子を地上側に設置し、車上側で地上子を検知することで列車の停止制御や速度制御を行う技術が知られている。車上側では、車上子が地上子と接近したときに当該地上子と電磁結合して車上子の共振周波数が変化することを利用して、地上側からの情報を受信する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３－２１７４５号公報

変周式の地上子は、車上子と電磁結合するインダクタを有するが、このインダクタは、性能として規定周波数で共振し、且つ、高いＱ値が生じることが求められる。従来、地上子のインダクタは、銅線を手巻きすることで作成されていた。しかし、銅線を巻く作業に工数がかかること、巻き方のばらつきによってインダクタンス値にばらつきが生じるため、所望の共振周波数が得られるように共振コンデンサを調整する必要があること、から、地上子の製造に大きな手間とコストを要していた。

なお、変周式の応用方式として共振式が知られている。変周式が車上子の共振周波数を変化させる方式であるのに対して、共振式は、車上子から送信された複数の周波数のうちの共振周波数の振幅を大きくさせる方式（例えば、スペクトラム拡散方式や、新変周式とも称される方式）である。共振式は変周式の応用方式であり、広義においては共振式も変周式に含めることができると考えられるが、変周式を狭義に解釈される場合のために、念のため本明細書では別用語として記載する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高いＱ値とばらつきの少ない共振周波数を有し、且つ、製造が容易な、変周式又は共振式の地上子を実現することが可能な技術を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明は、
コンデンサと、
複数層に形成されたスパイラル導体パターンが前記コンデンサに並列接続されて構成されたインダクタと、
を備え、車上子からの送信信号に対して所定の共振周波数で共振する変周式又は共振式の地上子である。

第１の発明によれば、複数層に形成されたスパイラル導体パターンによってインダクタが構成されるため、いわゆる電子部品を実装していないプリント基板（一般的には生基板あるいはベアボードという）でインダクタを実現することが可能となる。これにより、インダクタンス値のばらつきが理論上無くなり、高いＱ値とばらつきの少ない共振周波数を有する地上子を容易に製造することが可能となる。また、複数層に形成されたスパイラル導体パターンをコンデンサに並列接続してインダクタを構成することで、電流経路を増加させ、例えば導体幅や導体厚みが６００μｍ以下の銅箔でスパイラル導体パターンを形成したとしても、抵抗値を小さい値に抑えることができるので、一層高いＱ値を実現することが可能となる。

第２の発明は、第１の発明の地上子であって、
前記スパイラル導体パターンは、短手方向の長さが８０～２００ｍｍ、長手方向の長さが１８０～２５０ｍｍである、
記載の地上子である。

第２の発明によれば、インダクタを構成するスパイラル導体パターンが、短手方向の長さを８０～２００ｍｍ、長手方向の長さを１８０～２５０ｍｍ、のサイズに形成される。

第３の発明は、第１又は第２の発明の地上子であって、
前記インダクタは、平面視において、同じ巻回方向で、且つ、重なったスパイラル形状に形成された多層のスパイラル導体パターンが、前記並列接続されて構成された、
地上子である。

第３の発明によれば、平面視において、巻回方向が同じであり、且つ、重なるように形成された多層のスパイラル導体パターンがコンデンサに並列接続されて構成されることで、インダクタを必要最小限のサイズで構成することができる。例えば、プリント基板の両面にスパイラル導体パターンを実装してインダクタを構成することができる。

第４の発明は、第１～第３の何れかの発明の地上子であって、
前記スパイラル導体パターンは、導体厚みが１００～６００μｍである、
地上子である。

第４の発明によれば、スパイラル導体パターンの導体厚みを、１００～６００μｍ、としてインダクタが構成されることで、地上子をＡＴＳ地上子とする場合に、高周波帯で用いられる場合に問題となる渦電流による表皮効果及び近接効果の影響を抑制して高いＱ値を実現することができる。

第５の発明は、第１～第４の何れかの発明の地上子であって、
前記スパイラル導体パターンは、導体幅が１００～６００μｍである、
地上子である。

第５の発明によれば、スパイラル導体パターンの導体幅を、１００～６００μｍ、としてインダクタが構成されることで、地上子をＡＴＳ地上子とする場合に、高周波帯で用いられる場合に問題となる渦電流による表皮効果及び近接効果の影響を抑制して高いＱ値を実現することができる。

第６の発明は、第１～第５の何れかの発明の地上子であって、
前記スパイラル導体パターンは、巻回回数が１５～４０である、
地上子である。

第６の発明によれば、スパイラル導体パターンの巻回回数を、１５～４０回、として、インダクタが構成されることで、自己共振周波数の低下を抑制しつつインダクタンス値を大きくして、高いＱ値を実現することができる。

第７の発明は、第１～第６の何れかの発明の地上子であって、
前記コンデンサ及び前記インダクタの組み合わせとして、第１のコンデンサ及び当該第１のコンデンサに接続された第１のインダクタと、第２のコンデンサ及び当該第２のコンデンサに接続された第２のインダクタと、
を備え、
平面視において、前記第１のインダクタのスパイラル導体パターンと、前記第２のインダクタのスパイラル導体パターンとが、所定の重なり幅で部分的に重ねて配置された、
地上子である。

第７の発明によれば、車上子からの送信信号に対して２種類の共振周波数で共振することが可能な地上子であって、上述の第１～第６の何れかの発明の効果を発揮する地上子を実現することができる。この地上子では、第１のコンデンサ及び第１のインダクタでなる第１の共振回路の共振周波数と、第２のコンデンサ及び第２のインダクタでなる第２の共振回路の共振周波数と、の２種類の共振周波数の組み合わせの情報を、地上側から車上側へ伝送することができる。

第８の発明は、第７の発明の地上子であって、
前記所定の重なり幅は、前記送信信号に対する共振時の前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとの間の電磁結合状態が所定の低減状態となる幅である、
地上子である。

第８の発明によれば、第１のインダクタと第２のインダクタとの間の電磁結合状態が所定の低減状態となる重なり幅で、第１のインダクタ及び第２のインダクタそれぞれのスパイラル導体パターンが重ねて配置されるので、第１のコンデンサ及び第１のインダクタでなる第１の共振回路、及び、第２のコンデンサ及び第２のインダクタでなる第２の共振回路、それぞれの共振周波数特性が互いに影響し合うことを回避することができる。

第９の発明は、第７又は第８の発明の地上子であって、
前記第１のインダクタのスパイラル導体パターンと、前記第２のインダクタのスパイラル導体パターンとは、列車走行方向の交差方向に部分的に重ねて配置された、
地上子である。

第９の発明によれば、第１のインダクタのスパイラル導体パターンと、第２のインダクタのスパイラル導体パターンとが、列車走行方向の交差方向に部分的に重ねて配置されることで、第１のインダクタ、及び、第２のインダクタが、ほぼ同時に車上子からの送信信号に対して共振することが可能となり、２種類の共振周波数の組み合わせに相当する情報を、１箇所で車上側へ伝送することが可能となる。

第１０の発明は、第７～第９の何れかの発明の地上子であって、
前記第１のインダクタを構成するスパイラル導体パターンの各層と、前記第２のインダクタを構成するスパイラル導体パターンの各層とが互い違いの層に形成されて、前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタが一体の積層体で構成された、
地上子である。

第１０の発明によれば、第１のインダクタを構成するスパイラル導体パターンの各層と、第２のインダクタを構成するスパイラル導体パターンの各層が互い違いの層に形成されるので、上方を通過する車上子と、第１のインダクタ、及び、第２のインダクタがほぼ均等に電磁結合することができ、共振周波数の信号強度を同等にすることができる。

地上子の設置例。 地上子の構成例。 インダクタの配線パターンの説明図。 基板の変形例を示す図。 図４の基板の各層の説明図。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一要素には同一符号を付す。

［構成］
図１は、本実施形態における地上子１０の設置例を示す模式図である。図１に示すように、地上子１０は、一対のレール１の内側であって、レール１を支持するまくらぎ３の上面に設置される。地上子１０は、変周式又は共振式のＡＴＳ地上子であり、上方を通過する列車の車上子からの送信信号に対して、所定の周波数で共振する共振回路を備える。

また、地上子１０は、受動素子で回路が構成されており、電源を必要とせず、演算回路等のいわゆる電子回路やリレー等を搭載していない。つまり、他装置とのケーブル接続の必要がなく、単体で設置完了となる装置である。また、電源を使用し、演算回路等のいわゆる電子回路やリレー等を搭載している地上子に比べて、故障率を大幅に低減することができる。

図２は、地上子１０の構成例を示す斜視図である。図２に示すように、地上子１０は、外形形状が平板状をなし、共振回路のインダクタがパターン実装された基板２０を有する。基板２０には、複数層にスパイラル導体パターンが形成され、共振回路のコンデンサに並列接続されてインダクタが構成されている。本実施形態では、表面（上面）及び裏面（下面）の２層にスパイラル導体パターンがパターン実装されている。また、図２には、図３との対比を分かり易くするために、仮の３次元直交座標系の座標軸方向を示した。

図３は、基板２０のインダクタの配線パターンの概要を説明する図である。図２に示した座標軸方向と同じ座標軸方向を図３に示した。図３に示すように、基板２０は表裏の両面２層がプリントパターンとなっており、それぞれに導体パターンを渦巻き状に巻回させたスパイラル導体パターン２２ａ，２２ｂ（以下、包括して「スパイラル導体パターン２２」という）が形成されている。この２層のスパイラル導体パターン２２ａ，２２ｂがコンデンサ２４に並列接続されて、共振回路のインダクタを構成する。

コンデンサ２４は、共振回路の共振周波数に応じた必要な容量値を有する。或いは、複数種類の共振周波数に対応できるように、これら複数種類の共振周波数それぞれに対応されて予め用意されるコンデンサの中から所望の共振周波数に対応したコンデンサを選択して基板２０に搭載することもできる。或いは、複数種類のコンデンサ素子を基板２０に搭載しておき、選択或いは組み合わせスイッチを介して、選択的にスパイラル導体パターン２２と接続する構成でも良い。

図３では、基板２０の表面に実装されたスパイラル導体パターン２２ａは、その表面側から見た形状を示し、裏面に実装されたスパイラル導体パターン２２ｂは、その裏面側から見た形状を示している。つまり、スパイラル導体パターン２２ａ，２２ｂを互いに逆方向から見た形状を示している。

スパイラル導体パターン２２ａ，２２ｂは、それぞれの形成面から見たときに、鏡面対称の形状をなしており、同一方向（表面側或いは裏面側）から見たときに重なるように、両面プリント基板２０の表面及び裏面に形成されている。つまり、スパイラル導体パターン２２は、平面視において、導体パターンの巻回方向、及び、巻回回数が同じであり、且つ、重なるように形成されている。なお、スパイラル導体パターン２２の巻回回数は、表面と裏面とで数回程度異なっていても良い。

スパイラル導体パターン２２の渦巻形状は略矩形状を有しており、その外寸は、長手方向の長さＬが１８０～２５０ｍｍ、短手方向の長さＷが８０～２００ｍｍである。基板２０を備える地上子１０を、まくらぎ３の上面に設置可能なサイズとなっている。

また、図３ではスパイラル導体パターン２２の巻回回数を「３」として概略を図示しているが、実際には「１５～４０」である。また、内層を追加してスパイラル導体パターンを形成し、追加した内層のスパイラル導体パターンとスパイラル導体パターン２２とがコンデンサに対して直列接続になるようにスルーホールにより接続して、追加した内層のスパイラル導体パターンとスパイラル導体パターン２２との巻回回数の合計が「１５～４０」となるように構成しても良い。

また、スパイラル導体パターン２２は、導体厚み（高さ方向Ｚの長さ）が１００～６００μｍで形成されている。半導体ＩＣの接続パターンの導体厚みが数μｍ～数＋μｍであるのに比べて大きな厚みを有している。また、スパイラル導体パターン２２の導体幅（導体配線方向に直交する方向の長さ）は１００～６００μｍである。これも半導体ＩＣの接続パターンに比べて大きな導体幅となっている。

［作用効果］
本実施形態の地上子１０によれば、車上子と電磁結合するためのインダクタを、基板２０の複数層（本実施形態の両面）に実装したスパイラル導体パターン２２として構成することで、従来の銅線を手巻きしてインダクタを形成する場合に比較して、インダクタの製造が容易となるとともに、インダクタンス値のばらつきが小さくなることから、所望の共振周波数を得るための共振コンデンサの調整の手間を低減することができる。これにより、地上子の製造に要する手間とコストを低減し、製造ばらつきの小さい高品質な地上子を容易に製造することが可能となる。

また、形成した複数のスパイラル導体パターン２２をコンデンサ２４に並列接続することで、高いＱ値を実現することができる。スパイラル導体パターン２２を並列接続することで、電流経路を増加させ、例えば導体厚みや導体幅が６００μｍ以下の銅箔でスパイラル導体パターン２２を形成した場合であっても、抵抗値を小さい値に抑えることができるため、高いＱ値を実現することが可能となるのである。電流経路の増加は、５０～１００ｋＨｚ程度の高周波帯で用いる場合であっても、渦電流に起因する表皮効果と近接効果の影響を低減することができる。

また、一般的に、導体パターンの巻回回数を多くすることでインダクタンス値を大きくすることができるが、その一方で、巻回回数が過剰となると、インダクタの自己共振周波数が低下する。このため、本実施形態のように、２層のスパイラル導体パターン２２を並列接続する場合は、その巻回回数を１５～４０回とすることで、適切な自己共振周波数と高いＱ値との両立を図ることができる。

更に、平面視において、巻回方向及び巻回回数が同じである２層のスパイラル導体パターン２２を重なるように形成することで、地上子１０の上方を通過する車上子との間で生じる電磁誘導作用が、各スパイラル導体パターン２２で同時且つ同等に発生させることができるため、複数のスパイラル導体パターン２２でありながら、単一のスパイラル導体パターンであるかのような作用効果を期待できる。

［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。

（Ａ）複数層
例えば、上述の実施形態では、２層のスパイラル導体パターン２２がコンデンサに並列接続されて１つのインダクタを構成する例を説明したが、３層以上のスパイラル導体パターンがコンデンサに並列接続されて１つのインダクタを構成するようにしても良い。

（Ｂ）複数の共振回路
また、上述の実施形態では、１つの共振回路を備える（つまり、１種類の共振周波数を有する）地上子１０について説明したが、複数の共振回路を備える（つまり、複数種類の共振周波数を有する）地上子に本発明を適用することも可能である。

例えば、第１の共振周波数で共振する第１の共振回路と、第２の共振周波数で共振する第２の共振回路と、を備える地上子を構成することができる。第１の共振回路は、第１のインダクタ及び第１のコンデンサを有し、第２の共振回路は、第２のインダクタ及び第２のコンデンサを有するように構成する。第１のインダクタ、及び、第２のインダクタのそれぞれは、例えば、図４、図５に示すような積層構造の基板３０によって一体の積層体で構成することができる。図４は、基板３０の概略形状を示す図であり、図５は、基板３０の各層を分解して示す図である。

基板３０はＬ１～Ｌ４の４層で構成され、第１のインダクタをＬ１層とＬ３層に形成されたスパイラル導体パターン２２－１ａ，２２－１ｂで構成し、第２のインダクタをＬ２層とＬ４層に形成されたスパイラル導体パターン２２－２ａ，２２－２ｂで構成した構造となっている。

第１のインダクタを構成するスパイラル導体パターン２２－１ａ，２２－１ｂは、第１のコンデンサ２４－１に並列に接続されて構成される。この第１のインダクタのみに着目した構成は、上述した実施形態のインダクタと同様であり、スパイラル導体パターン２２－１ａ，２２－１ｂが、スパイラル導体パターン２２ａ，２２ｂに相当する。

同様に、第２のインダクタを構成するスパイラル導体パターン２２－２ａ，２２－２ｂは、第２のコンデンサ２４－２に並列に接続されて構成される。この第２のインダクタのみに着目した構成は、上述した実施形態のインダクタと同様であり、スパイラル導体パターン２２－２ａ，２２－２ｂが、スパイラル導体パターン２２ａ，２２ｂに相当する。

そして、第１のインダクタを構成するスパイラル導体パターン２２－１ａ，２２－１ｂと、第２のインダクタを構成するスパイラル導体パターン２２－２ａ，２２－２ｂとは、平面視において、列車走行方向（Ｘ方向）の交差方向（Ｙ方向）に所定の重なり幅Ｗ１で部分的に重なるように形成される。この重なり幅Ｗ１は、車上子からの送信信号に対する共振時の第１のインダクタと第２のインダクタとの間の電磁結合状態が所定の低減状態となる幅とされる。低減状態とは、当該共振時の第１のインダクタンスと第２のインダクタンスとの間の電磁結合状態が、無視できる程度に充分小さい状態という。

当該共振時における第１のインダクタと第２のインダクタとの電磁結合の度合は、重なり幅Ｗ１によって増減する。例えば、当該共振時に第１のインダクタに生じる磁束に着目すると、この第１のインダクタに生じる磁束の第２のインダクタを貫く向きが、第２のインダクタの内側領域のうちの第１のインダクタと重なった部分２３ａと、第１のインダクタと重なっていない部分２３ｂとで逆になり、各部分２３ａ，２３ｂの磁束が打ち消し合ってその総和が変動するためである。当該共振時に第２のインダクタに生じた磁束の第１のインダクタを貫く向きについても同様のことがいえる。従って、各部分２３ａ，２３ｂの磁束の総和がゼロになる（或いは、ゼロ相当になる）ように、換言すると各部分２３ａ，２３ｂで磁束が等しくなるように重なり幅を設定すれば、当該共振時の第１のインダクタと第２のインダクタとの電磁結合をほぼゼロの状態（ゼロ相当状態）とすることができる。

そこで、事前に電磁界解析を行い、電磁結合状態をゼロ相当状態とする重なり幅を設計幅として規定しておく。そして、設計幅に対して５ｍｍ以下の誤差範囲に収まる重なり幅Ｗ１で、第１のインダクタを構成するスパイラル導体パターン２２－１ａ，２２－１ｂと、第２のインダクタを構成するスパイラル導体パターン２２－２ａ，２２－２ｂとを、部分的に重なるように形成することにより、電磁結合状態の低減状態を実現する。本実施形態のように、基板にスパイラル導体パターンを形成することでインダクタンスを構成することで、重なり幅Ｗ１に関する地上子の製造ばらつきを、設計幅に対して５ｍｍ以下の誤差範囲に抑えることができる。これによれば、車上子からの送信信号に対する共振時に、第１のインダクタと第２のインダクタとが電磁結合し、各共振回路の共振周波数特性に影響し合う事態を抑制できる。よって、共振周波数の組み合わせの情報を、車上側へ正確に伝送することが可能となる。

また、基板３０において、第１のインダクタを構成するスパイラル導体パターン２２－１ａ，２２－１ｂと、第２のインダクタを構成するスパイラル導体パターン２２－２ａ，２２－２ｂとは、列車走行方向（Ｘ方向）の交差方向（Ｙ方向）に部分的に重なるように形成される。このため、地上子は、上方を車上子が通過したときに、当該車上子からの送信信号に対して、第１の共振周波数及び第２の共振周波数の２種類の共振周波数で同時に共振する。上述のように、第１のインダクタと第２のインダクタとの重なり幅Ｗ１は、第１の共振回路と第２の共振回路との共振周波数特性に影響し合うことがない幅とされているため、車上装置においては、送信信号に対する地上子の共振時に車上子に生じた周波数信号を解析することで、２種類の共振周波数をほぼ同時に一度に検出することができる。

また、第１のインダクタを構成するスパイラル導体パターン２２と第２のインダクタを構成するスパイラル導体パターン２２とが、列車走行方向（Ｘ方向）の交差方向（Ｙ方向）に部分的に重なるように形成することにしたが、列車走行方向（Ｘ方向）に部分的に重なるように形成するようにしても良い。

更に、第１のインダクタ、及び、第２のインダクタを、３層以上のスパイラル導体パターン２２をコンデンサに並列接続して構成するようにしても良い。

１０…地上子
２０…基板
２２（２２ａ，２２ｂ）…スパイラル導体パターン
２４…コンデンサ
１…レール
３…まくらぎ

Claims (8)

1. 列車の車上子によって送信される送信信号に対して共振することで、共振周波数が前記車上子によって検知される変周式又は共振式の地上子であって、
   第１のコンデンサと、
   複数層に形成されたスパイラル導体パターンが前記第１のコンデンサに並列接続されて構成された第１のインダクタと、
   第２のコンデンサと、
   複数層に形成されたスパイラル導体パターンが前記第２のコンデンサに並列接続されて構成された第２のインダクタと、
   を備え、
   前記第１のインダクタを構成するスパイラル導体パターンの複数層のうちの第１層と第２層との間に、前記第２のインダクタを構成するスパイラル導体パターンの複数層のうちの第１層が介在して配置され、且つ、平面視において、前記第１のインダクタを構成する複数層のスパイラル導体パターンと、前記第２のインダクタを構成する複数層のスパイラル導体パターンとは、所定の重なり幅で部分的に重ねて配置されており、
   前記第１のコンデンサ及び前記第１のインダクタで構成される第１の共振回路は、第１の共振周波数で共振し、
   前記第２のコンデンサ及び前記第２のインダクタで構成される第２の共振回路は、第２の共振周波数で共振し、
   前記車上子からの前記送信信号に対して前記第１の共振周波数及び前記第２の共振周波数で同時に共振する変周式又は共振式の地上子。
2. 前記スパイラル導体パターンは、短手方向の長さが８０～２００ｍｍ、長手方向の長さが１８０～２５０ｍｍである、
   請求項１に記載の地上子。
3. 前記スパイラル導体パターンは、導体厚みが１００～６００μｍである、
   請求項１又は２に記載の地上子。
4. 前記スパイラル導体パターンは、導体幅が１００～６００μｍである、
   請求項１～３の何れか一項に記載の地上子。
5. 前記スパイラル導体パターンは、巻回回数が１５～４０である、
   請求項１～４の何れか一項に記載の地上子。
6. 前記所定の重なり幅は、前記送信信号に対する共振時の前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとの間の電磁結合状態が所定の低減状態となる幅である、
   請求項１～５の何れか一項に記載の地上子。
7. 前記第１のインダクタのスパイラル導体パターンと、前記第２のインダクタのスパイラル導体パターンとは、列車走行方向の交差方向に部分的に重ねて配置された、
   請求項１～６の何れか一項に記載の地上子。
8. 前記第１のインダクタを構成するスパイラル導体パターンの各層と、前記第２のインダクタを構成するスパイラル導体パターンの各層とが互い違いの層に形成されて、前記第１のインダクタ及び前記第２のインダクタが一体の積層体で構成された、
   請求項１～７の何れか一項に記載の地上子。

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