気体圧アクチュエータシステム
【課題】気体圧アクチュエータシステムにおいて、アクチュエータ機能とダンパ機能とを有するようにすることである。
【解決手段】気体圧アクチュエータシステム２２０は、気体室２３８，２４０のそれぞれに制御気体圧を供給する供給ポート２４２，２４４を有する気体圧シリンダ２３０と、２つの制御気体圧を生成して出力ポート２６４，２６６から出力するサーボ弁２５０と、入力ポート２８，３０から入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る可変絞り装置１０と、供給ポート２４２，２４４と出力ポート２６４，２６６との間に設けられる導入弁２８０，２８２と、供給ポート２４２，２４４と入力ポート２８，３０との間に設けられる連通弁２８４，２８６と、導入弁２８０，２８２の開閉と連通弁２８４，２８６の開閉とを制御する制御装置３１０を備える。
【解決手段】気体圧アクチュエータシステム２２０は、気体室２３８，２４０のそれぞれに制御気体圧を供給する供給ポート２４２，２４４を有する気体圧シリンダ２３０と、２つの制御気体圧を生成して出力ポート２６４，２６６から出力するサーボ弁２５０と、入力ポート２８，３０から入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る可変絞り装置１０と、供給ポート２４２，２４４と出力ポート２６４，２６６との間に設けられる導入弁２８０，２８２と、供給ポート２４２，２４４と入力ポート２８，３０との間に設けられる連通弁２８４，２８６と、導入弁２８０，２８２の開閉と連通弁２８４，２８６の開閉とを制御する制御装置３１０を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体圧アクチュエータシステムに係り、特に、気体圧シリンダを用いる気体圧アクチュエータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の都市交通あるいは高速大量輸送手段としての軌道車両においては、車体の軽量化ならびに振動の少ない良好な乗心地を確保するために、車体を空気ばねまたはコイルバネによって台車上に支持する構造が広く用いられている。このような車体支持装置においては、車体を支持する空気ばねまたはコイルばねに対して常時車体重量が加わるので、縦方向には常に最適剛性の支持力を発揮できる。
【０００３】
一方で車両がカーブを通過する際等における横方向変位あるいは横方向動揺については、台車と車体との間に油圧アクチュエータまたは気体圧アクチュエータを横方向に配置し、横方向剛性を生じさせることが行われる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、車両がカーブを通過するときに車体を傾斜させる制御付き振子方式において、液圧シリンダにアクチュエータ機能とダンパ機能とを持たせることが開示されている。ここでは、液圧シリンダのボトム側とロッド側とを連通させる分流回路中に、この分流回路中を流れる作動液体の流量を絞りの開度によって可変可能な絞り弁を設けて、液圧シリンダへの作動液体の供給量と絞り弁への作動液体の供給量とを協調制御することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４７３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のように、液圧シリンダにアクチュエータ機能とダンパ機能とを持たせることで、通常時は液圧シリンダを振子制御のアクチュエータとして用い、振子制御ができない異常時には液圧シリンダをダンパとして用いることができるので、異常時においても適切な乗心地を確保することが期待できる。そのためには、液圧シリンダへの作動液体の供給量と絞り弁への作動液体の供給量とを協調制御することが必要で、新たな制御装置を要する。
【０００７】
そこで、複雑な協調制御に代えて、アクチュエータである液圧シリンダに並列にダンパを別途設け、通常時はダンパを作用させず、異常時には液圧シリンダを作用させないようにすることが行われる。この場合には、通常時と異常時との間で切替を行うのみで済むが、液圧シリンダと同様な構成のダンパを別途設ける必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、複雑な制御を要せずに、アクチュエータ機能とダンパ機能とを有する気体圧アクチュエータシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る気体圧アクチュエータシステムは、ピストンの両側の２つの気体室のそれぞれに制御気体圧を供給する２つの供給ポートを有する気体圧シリンダと、気体供給源からの供給気体圧から気体圧シリンダに供給する２つの制御気体圧を生成して２つの出力ポートから出力するサーボ弁と、２つの入力ポートから入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る可変絞り装置と、２つの供給ポートと２つの出力ポートとの間に設けられる２つの導入弁と、２つの供給ポートと２つの入力ポートとの間に設けられる２つの連通弁と、切替指令に基づき、２つの導入弁の開閉と２つの連通弁の開閉とを制御し、気体圧シリンダがサーボ弁と接続され可変絞り装置とは遮断されるアクチュエータ機能作動状態と、気体圧シリンダが可変絞り装置と接続されサーボ弁とは遮断されるダンパ機能作動状態との間で作動状態を切り替える切替制御部と、を備え、可変絞り装置は、ダンパ機能作動状態において、気体圧シリンダの２つの供給ポートにおける気体圧のいずれか一方を第１気体圧とし他方を第２気体圧として、第１気体圧と第２気体圧との差である差圧に応じ、２つの入力ポートの間の連通量を差圧の符号に関わらず線形的にまたは非線形的に変更することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る気体圧アクチュエータシステムにおいて、可変絞り装置は、ステム上に左ランドと中央ランドと右ランドとが配置される揺動スプールと、揺動スプールの各ランドの外周を支持して揺動スプールをステムの軸方向に揺動自在に案内するスリーブと、揺動スプールの左ランド及び右ランドに対し、それぞれステムの軸方向に沿った復元力を与える左側復元バネと右側復元バネと、スリーブに設けられ第１気体圧を有する気体が揺動スプール側に供給されまたは揺動スプール側から排出される第１開口部と、スリーブに設けられ第２気体圧を有する気体が揺動スプール側から排出されまたは揺動スプール側に供給される第２開口部と、第１気体圧を有する気体を左側復元バネが収容される左側バネ室に導いて、左ランドの左側面に第１気体圧を与えるための第１接続流路と、第２気体圧を有する気体を右側復元バネが収容される右側バネ室に導いて、右ランドの右側面に第２気体圧を与えるための第２接続流路と、を含み、揺動スプールは、左ランドの左側面に与えられる第１気体圧と右ランドの右側面に与えられる第２気体圧との差である軸方向差圧によって揺動駆動力を受け、揺動スプールがスリーブに対し中立状態にあるときには、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係について、第１開口部と第２開口部との間の連通量がゼロあるいは予め定めた所定量の連通状態となるように設定され、あるいは中立状態から予め定めたオーバラップ量を超える移動によって初めて第１開口部と第２開口部との間が連通するように設定され、揺動駆動力によって揺動スプールがスリーブに対し中立状態から移動するときには、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係が可変的に変更されることで、気体の流れを可変的に絞るようにして、第１開口部と第２開口部との間の連通量が移動の方向に関わらず相対的位置関係の変更量に応じて線形的にまたは非線形的に変更されることが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る気体圧アクチュエータシステムにおいて、第１接続流路に設けられ、左ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第１固定絞り部と、第２接続流路に設けられ、右ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第２固定絞り部と、を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成により、気体圧アクチュエータシステムは、２つの供給ポートを有する気体圧シリンダと、２つの出力ポートから出力するサーボ弁と、２つの入力ポートから入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る可変絞り装置と、２つの供給ポートと２つの出力ポートとの間に設けられる２つの導入弁と、２つの供給ポートと２つの入力ポートとの間に設けられる２つの連通弁とを備え、切替指令に基づき、２つの導入弁の開閉と２つの連通弁の開閉とを制御し、気体圧シリンダがサーボ弁と接続され可変絞り装置とは遮断されるアクチュエータ機能作動状態と、気体圧シリンダが可変絞り装置と接続されサーボ弁とは遮断されるダンパ機能作動状態との間で作動状態を切り替える。
【００１３】
ここで、可変絞り装置は、ダンパ機能作動状態においては、気体圧シリンダに接続され、気体圧シリンダの２つの供給ポートと可変絞り装置の２つの入力ポートがそれぞれ接続されるので、気体圧シリンダのピストンの両側の気体室の気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る。このように、単に、気体圧シリンダの両気体室における気体圧の差圧のみに応じて絞りが可変されるので、例えばサーボ弁との複雑な制御等を要せずに、ダンパ機能を発揮できる。
【００１４】
また、気体圧アクチュエータシステムにおいて、可変絞り装置は、揺動スプールの両端にそれぞれ左側復元バネと右側復元バネとを有するスプール・スリーブ機構であって、揺動スプールは、左ランドの左側面に与えられる気体圧と右ランドの右側面に与えられる気体圧との差である軸方向差圧によって揺動駆動力を受け、それによって中央ランドと第１開口部との間の相対位置関係が可変的に変更されることで、第１開口部と第２開口部との間の気体の流れを可変的に絞る。このように、軸方向差圧によって揺動スプールが軸方向に移動するので、揺動スプールの駆動のための外部駆動装置を特別に要することなく、流れの方向あるいは流量等を可変とすることができる。
【００１５】
また、気体圧アクチュエータシステムにおいて、可変絞り装置は、第１接続流路に設けられ、左ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第１固定絞り部と、第２接続流路に設けられ、右ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第２固定絞り部とを備える。これによって、揺動駆動力の急変を抑制し、揺動駆動力の変化を滑らかなものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムが適用される車両の様子を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムの構成を説明する図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、可変絞り装置を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、アクチュエータ機能作動状態のときの様子を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、ダンパ機能作動状態のときの様子を説明する図である。
【図６】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、ダンパ機能作動状態のときの可変絞り装置の作用を説明する図である。
【図７】図６とともに、可変絞り装置の作用を説明する図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、可変絞り装置の作用を説明する図である。
【図９】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、ダンパ機能作動状態のときの特性図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、ダンパ機能作動状態のときの特性図に対するチェック弁の作用を説明する図である。
【図１１】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、ダンパ機能作動状態のときの特性図に対する可変絞り装置の流路面積の効果を説明する図である。
【図１２】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、可変絞り装置に固定絞り装置を付加した構成を示す図である。
【図１３】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムが適用される他の車両の様子を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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、気体圧アクチュエータシステムが適用される対象として、鉄道車両を説明するが、流体圧シリンダによって車両の姿勢を制御するものであればよく、鉄道車両以外の車両であってもよい。また、流体圧シリンダは、振子制御に用いられる場合と、動揺防止制御に用いられる場合を説明するが、車両の姿勢を制御するものであればよい。
【００１８】
以下では、気体圧アクチュエータシステムに適用される流体として空気を説明するが、空気以外の乾燥窒素、不活性ガス等であってもよい。
【００１９】
また、以下では、可変絞り装置において、例えば、第１気体圧ＰAが２つの開口部に供給され、第２気体圧ＰBが１つの開口部に供給される等の説明を行うが、開口部の数はそれぞれ１つでも複数でも構わない。また、開口部とランドとの位置関係も、第１気体圧ＰAに関する開口部と第２気体圧ＰBに関する開口部とが、相互に連通しない遮断状態と、相互に連通し、その際に揺動駆動力に応じて流れの方向あるいは流量等を可変するものであれば、どのような配置関係であってもよい。
【００２０】
また、以下で説明するバネ定数、固有振動数等は、説明のために一例であって、気体圧アクチュエータシステムが適用される車両システム等の性能仕様に応じて適宜変更することができる。
【００２１】
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。
【００２２】
図１は、振子制御を行う鉄道車両２００における気体圧アクチュエータシステム２２０の構成を説明する図である。この気体圧アクチュエータシステム２２０は、通常時は気体圧シリンダを振子制御のアクチュエータ機能として用い、振子制御ができない異常時には気体圧シリンダをダンパ機能として用いることができるものである。
【００２３】
図１に示される鉄道車両２００は、車体２０２と、台車２０４と、台車２０４の上においてローラ２１０によって支持される振子梁２０６と、振子梁２０６と車体２０２との間に設けられた空気ばね２０８とを備える。また、鉄道車両２００は、車輪２１４を支持する車軸と、車軸と台車２０４との間に設けられるコイルばね２１２を備え、車輪２１４はレール２１６の上を走行可能である。
【００２４】
鉄道車両２００に搭載される気体圧アクチュエータシステム２２０は、台車２０４と振子梁２０６との間に設けられる気体圧シリンダ２３０と、後に詳述する可変絞り装置１０と、サーボ弁２５０と、車体２０２の傾斜状態等を検出するセンサ装置３００と、制御装置３１０とを含んで構成される。
【００２５】
制御装置３１０は、車両搭載に適したコンピュータで構成できる。制御装置３１０は、気体圧シリンダ２３０を振子制御のアクチュエータ機能として用いるときの制御を行うアクチュエータ制御処理部３１２と、気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０とサーボ弁２５０との間の接続関係を切り替えて、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と組み合わせることでダンパ機能を有するように切り替える切替制御処理部３１４を含む。これらの機能は、ソフトウェアで実現でき、具体的には、気体圧アクチュエータシステム制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００２６】
図２は、気体圧アクチュエータシステム２２０の詳細構成を示す図である。上記のように、気体圧アクチュエータシステム２２０は、気体圧シリンダ２３０と、可変絞り装置１０と、サーボ弁２５０を含んで構成されるが、図２には、これらを接続する気体流路が気体供給源２７０と共に示されている。
【００２７】
この気体流路は、気体圧シリンダ２３０の２つの供給ポート２４２，２４４と、可変絞り装置１０の２つの入力ポート２８，３０と、サーボ弁２５０の１つのサーボ弁供給ポート２６２と２つの出力ポート２６４，２６６の合計７つのポートを相互に接続して配管される流路である。
【００２８】
気体圧シリンダ２３０は、台車２０４に接続されるシリンダ筐体２３２と、振子梁２０６に接続されるシリンダロッド２３４と、シリンダロッド２３４の先端に設けられシリンダ筐体２３２の内壁を摺動するピストン２３６を含んで構成されるピストン・シリンダ機構である。
【００２９】
気体圧シリンダ２３０は、シリンダ筐体２３２の内壁内に、ピストン２３６によって仕切られ、ピストン２３６の両側に形成される２つの気体室２３８，２４０を有する。気体室２３８は、供給ポート２４２に接続され、気体室２４０は、供給ポート２４４に接続される。
【００３０】
気体圧シリンダ２３０は、このようにピストン・シリンダ機構であるので、外部から２つの気体室２３８，２４０にそれぞれ制御気体圧を有する気体を供給するときは、ピストン２３６をシリンダ筐体２３２に対して移動駆動し、これによって振子梁２０６を台車２０４に対して移動駆動するアクチュエータとして用いることができる。また、２つの気体室２３８，２４０に外部から気体を供給せず、２つの気体室２３８，２４０にある気体を利用して可変絞り装置１０に接続することで、振子梁２０６と台車２０４との間の動揺等を吸収するダンパとして用いることができる。この２つの機能の切替の詳細については後述する。
【００３１】
サーボ弁２５０は、サーボ弁スリーブ２５２と、サーボ弁スリーブ２５２の内部に収納されるサーボ弁サーボ弁スプール２５４と、サーボ弁スプール２５４をサーボ弁スリーブ２５２に対し相対的に移動駆動するフォースモータ２５６と、サーボ弁スプール２５４をサーボ弁スリーブ２５２に対し中立位置に引き戻す復元ばね２５８を含むフォースモータ駆動スリーブ・スプール機構である。
【００３２】
サーボ弁２５０は、制御装置３１０からフォースモータ２５６に対する駆動指令信号を受け取る信号ポート２６０と、気体供給源２７０から供給気体圧ＰSが供給されるサーボ弁供給ポート２６２とを有し、駆動指令信号に応じてフォースモータ２５６が作動することでサーボ弁スプール２５４がサーボ弁スリーブ２５２に対し相対的に移動することで供給気体圧ＰSから２つの制御気体圧ＰA，ＰBを生成する機能を有する。サーボ弁２５０は、２つの出力ポート２６４，２６６を有し、これらには、それぞれ生成された制御気体圧ＰA，ＰBを有する気体が出力される。
【００３３】
可変絞り装置１０は、２つの入力ポート２８，３０を有し、この２つの入力ポート２８，３０から入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る機能を有する装置である。
【００３４】
可変絞り装置１０は２つの入力ポート２８，３０を有するが、その詳細な内容の説明の前に、気体流路関係の説明を行う。
【００３５】
２つの導入弁２８０，２８２は、サーボ弁の２つの出力ポート２６４，２６６と、気体圧シリンダ２３０の２つの供給ポート２４２，２４４との間に設けられ、制御装置３１０の制御の下で開閉制御が行われる開閉弁である。具体的には、気体圧シリンダ２３０をアクチュエータ機能を有するものとして利用するときには開状態とされ、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と共にダンパ機能を有するものとして利用するときには閉状態とされる。
【００３６】
２つの連通弁２８４，２８６は、気体圧シリンダ２３０の２つの供給ポート２４２，２４４と、可変絞り装置１０の２つの入力ポート２８，３０との間に設けられ、制御装置３１０の制御の下で開閉制御が行われる開閉弁である。具体的には、気体圧シリンダ２３０をアクチュエータ機能を有するものとして利用するときには閉状態とされ、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と共にダンパ機能を有するものとして利用するときには開状態とされる。このように、２つの導入弁２８０，２８２と２つの連通弁２８４，２８６とは、導入弁が開くときは連通弁が閉じ、導入弁が閉じるときは連通弁が開くというように、互いに逆の開閉状態となるように制御される。２種類の弁の開閉動作に時間差を設けるものとしてもよい。
【００３７】
２つのチェック弁２９０，２９２は、可変絞り装置１０の２つの入力ポート２８，３０の間に可変絞り装置１０と並列接続されるように配置される気体圧上限リミッタである。チェック弁２９０，２９２は、開弁するときの圧力の方向が相互に逆向きである。すなわち、２つの入力ポート２８，３０におけるそれぞれの気体圧の差である差圧が予め定めた上限差圧より高くなると、チェック弁２９０またはチェック弁２９２が開弁し、それ以上の差圧とならない。
【００３８】
２つの固定絞り２９４，２９６は、気体供給源２７０から気体圧シリンダ２３０および可変絞り装置１０に向かって少量の気体を供給するときに、その供給量を制限するための流量リミッタである。すなわち、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と組み合わせてダンパ機能として用いるときは、気体が圧縮性流体であるので、適当に気体を補う必要があるが、その補給気体流量を調整するために用いられる。
【００３９】
ここで、図１の制御装置３１０の内容について説明する。制御装置３１０は、気体圧アクチュエータシステム２２０における他の構成要素の作動を統一的に制御する装置で、車両搭載に適したコンピュータで構成できる。制御装置３１０は、気体圧シリンダ２３０を振子制御のアクチュエータ機能として用いるときの制御を行うアクチュエータ制御処理部３１２と、気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０とサーボ弁２５０との間の接続関係を切り替えて、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と組み合わせることでダンパ機能を有するように切り替える切替制御処理部３１４を含む。
【００４０】
切替制御処理部３１４は、切替指令に基づき、２つの導入弁２８０，２８２の開閉と２つの連通弁２８４，２８６の開閉とを制御し、気体圧シリンダ２３０がサーボ弁２５０と接続され可変絞り装置１０とは遮断されるアクチュエータ機能作動状態と、気体圧シリンダ２３０が可変絞り装置１０と接続されサーボ弁２５０とは遮断されるダンパ機能作動状態との間で作動状態を切り替える機能を有する。
【００４１】
具体的には、上記で述べたように、気体圧シリンダ２３０をアクチュエータ機能を有するものとして利用するときには、２つの導入弁２８０，２８２が開状態、２つの連通弁２８４，２８６が閉状態とされ、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と共にダンパ機能を有するものとして利用するときには、２つの導入弁２８０，２８２が閉状態、２つの連通弁２８４，２８６が開状態とされる。なお、切替指令は、気体圧シリンダ２３０の作動異常またはアクチュエータ制御処理部３１２における処理結果が異常となったことを制御装置３１０が判断したときに発行される。
【００４２】
制御装置３１０のこれらの機能は、ソフトウェアで実現でき、具体的には、気体圧アクチュエータシステム制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００４３】
次に、可変絞り装置１０について説明する。図３は、可変絞り装置１０の構成を説明する図である。この可変絞り装置１０は、筐体２０と、スリーブ４０と、揺動スプール５０とを備えるスプール・スリーブ機構の一種である。筐体２０には、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８に接続され第１気体圧ＰAを有する気体が供給または排出される第１接続口である入力ポート２８と、気体圧シリンダ２３０の気体室２４０に接続され第２気体圧ＰBを有する気体が供給または排出される第２接続口である入力ポート３０とが設けられる。
【００４４】
ここで、第１気体圧ＰAと第２気体圧ＰBは、可変絞り装置１０が気体圧シリンダ２３０と共に用いられて全体としてダンパ機能を発揮するときは、気体圧シリンダ２３０の供給ポート２４２，２４４における気体圧となるので、その気体圧ＰA，ＰBと同じ記号を用いている。
【００４５】
そして、この可変絞り装置１０は、揺動スプール５０の左右両端に第１気体圧ＰAと第２気体圧ＰBとが与えられて、その気体圧の差である軸方向差圧によって揺動スプール５０が揺動駆動力を受けるのに適した構成を有するものである。なお、左右とは、揺動スプール５０の軸方向に沿った位置についてのもので、図３に示すように、揺動スプール５０の軸方向をＸ軸方向として、＋Ｘ側を右側とすれば−Ｘ側が左側である。
【００４６】
図３において、筐体２０は、中心部にスリーブ４０と揺動スプール５０とが配置される配置空間を有する筒状部材である。この配置空間において、揺動スプール５０の左右両端側にそれぞれ設けられる左側バネ室２２と右側バネ室２４は、それぞれに左側復元バネ６０と右側復元バネ６２が軸方向に圧縮・伸長可能に収納される空間である。
【００４７】
また、筐体２０において、入力ポート２８からスリーブ４０側に延びる第１導入流路２９は、スリーブ４０に設けられる左開口部４４と右開口部４６を介して、第１気体圧ＰAを有する気体を揺動スプール５０側に供給し、または、揺動スプール５０側から第１気体圧ＰAを有する気体を排出するための流路である。ここでは、左開口部４４と右開口部４６とが筐体２０の内部を通る第１導入流路２９に共に接続されることで、左開口部４４と右開口部４６とが連通して、気体を導く開口部としては同じ機能を有するものとなっている。その意味で、互いに連通するように構成された左開口部４４と右開口部４６とを合わせて、第１開口部と呼ぶことができる。このように、第１開口部とは、入力ポート２８に関する流路の開口部のことである。
【００４８】
第１導入流路２９と左側バネ室２２とを接続する第１接続流路３２は、第１気体圧ＰAを左側バネ室に供給することで、後述するように、左ランド５４の左側面に第１気体圧ＰAに対応する軸方向力を与える機能を有する流路である。
【００４９】
同様に、筐体２０において、入力ポート３０からスリーブ４０側に延びる第２導入流路３１は、スリーブ４０に設けられる中央開口部４２を介して、第２気体圧ＰBを有する気体を揺動スプール５０側に供給し、または、揺動スプール５０側から第２気体圧ＰBを有する気体を排出するための流路である。中央開口部４２は１つであるが、これを上記の第１開口部と対比するために、第２開口部と呼ぶことができる。すなわち、第２開口部とは、入力ポート３０に関する流路の開口部のことである。
【００５０】
また、第２導入流路３１と右側バネ室２４とを接続する第２接続流路３４は、第２気体圧ＰBを右側バネ室に供給することで、後述するように、右ランド５６の右側面に第２気体圧ＰBに対応する力を与える機能を有する流路である。
【００５１】
左側バネ室２２に収納される左側復元バネ６０と、右側バネ室２４に収納される右側復元バネ６２とは、揺動スプール５０の軸方向移動に対し、中立位置に戻す機能を有する弾性体である。図３では、左側復元バネ６０、右側復元バネ６２はコイルバネとして示されているが、揺動スプール５０の軸方向に圧縮・伸長して、揺動スプール５０が軸方向に移動する場合に常に中立位置に引き戻す機能を有する弾性体であれば、プラスチックゴム、板バネ等であってもよい。
【００５２】
左側復元バネ６０は、上記のように弾性体であるが、その軸方向の両端にはそれぞれ円板が設けられる。左側の円板は、左側復元バネ６０の軸方向位置を定め、復元力を設定するためのものである。筐体２０にねじ込まれる左側調整ネジ７０は、その先端がこの左側の円板に接触し、ねじ込み量に応じてその軸方向位置を調整する機能を有する。このようにして、左側調整ネジ７０のねじ込み量調整によって左側復元バネ６０の復元力が設定される。なお左側調整ネジ７０と後述する右側調整ネジ７２は、いずれか一方あるいは双方とも省略することができる。
【００５３】
左側復元バネ６０における右側の円板は、揺動スプール５０の左端に復元力を伝達するものである。右側の円板と揺動スプール５０の左端とは、摩擦が少なくなるように、ピボットと軸受の構成を取ることができる。すなわち、右側の円板の左端面にピボットを設け、揺動スプール５０の左端にピボットを受ける軸受を配置して、線接触によって相互の支持を行うものとできる。ピボットを揺動スプール５０に設け、軸受を右側円板に設けるものとしてもよい。なお、ピボット等は摩擦を少なくするためのものであるので、ピボット等がなくても、可変絞り装置１０は絞りとして機能する。
【００５４】
また、左側バネ室２２には第１気体圧ＰAの気体が導かれる。そして、左側バネ室２２における右側の円板の外周と、左側バネ室２２の内壁との間を通って、第１気体圧ＰAの気体が揺動スプール５０の左ランド５４の左側面に導かれる。これによって、第１気体圧ＰAに応じた軸方向力が揺動スプール５０の左ランド５４の左側面に与えられる。
【００５５】
同様に、右側復元バネ６２においても、その軸方向の両端にはそれぞれ円板が設けられる。そして、右側の円板は、右側復元バネ６２の軸方向位置を定め、復元力を設定するためのものであり、左側の円板は、揺動スプール５０に復元力を伝達するものである。また、右側バネ室２４には第２気体圧ＰBの気体が導かれる。そして、右側バネ室２４における左側の円板の外周と、右側バネ室２４の内壁との間を通って、第２気体圧ＰBの気体が揺動スプール５０の右ランド５６の右側面に導かれる。これによって、第２気体圧ＰBに応じた軸方向力が揺動スプール５０の右ランド５６の右側面に与えられることも同様である。また、筐体２０にねじ込まれる右側調整ネジ７２は、そのねじ込み量に応じて右側復元バネ６２の軸方向位置を調整する機能を有することも同様である。その他、詳細な構成は、左側復元バネ６０に関して説明したものと同様の内容である。
【００５６】
このようにして、揺動スプール５０の両端には、左側復元バネ６０と右側復元バネ６２とが設けられ、基本的には、揺動スプール５０の軸方向位置が中立位置とされる。そして、上記のように、左側バネ室２２の側から第１気体圧ＰAに応じた軸方向力が揺動スプール５０の左端に与えられ、右側バネ室２４の側から第２気体圧ＰBに応じた軸方向力が揺動スプール５０の右端に与えられるので、その差圧である（ＰA−ＰB）に応じて、揺動スプール５０は中立位置から移動する駆動力が与えられることになる。なお、第１気体圧ＰA＝第２気体圧ＰBのときには、揺動スプール５０は正しく中立位置に位置する。なお、図３は、揺動スプール５０が正しく中立位置にある状態を示す図である。
【００５７】
図３におけるスリーブ４０は、筐体２０の中心部におけるスリーブ４０と揺動スプール５０とが配置される配置空間に取り付け固定される円筒状の部材で、外周部は筐体２０に固定される固定面とされ、内周面は揺動スプール５０を軸方向移動可能に支持する摺動面とされる。摺動面としては、スリーブ４０と揺動スプール５０との金属接触によるもののほか、揺動スプール５０の外周に樹脂等を設け、金属と樹脂との接触によるものとしてもよい。
【００５８】
筐体２０の構成の説明で述べたように、スリーブ４０には、軸方向に沿って相互に離間して３つの開口部が設けられる。配置順序は、図３に示すように、−Ｘ側である左側から＋Ｘ側である右側に向かって、左開口部４４、中央開口部４２、右開口部４６である。これらの開口部に対応して筐体２０にも３つの開口部が設けられ、既に述べたように、左開口部４４と右開口部４６とは第１導入流路２９に接続され、中央開口部４２は第２導入流路３１に接続される。
【００５９】
揺動スプール５０は、ステム上に左ランド５４と中央ランド５２と右ランド５６とが配置される軸体である。各ランドの配置順序は、図３に示すように、−Ｘ側である左側から＋Ｘ側である右側に向かって、左ランド５４、中央ランド５２、右ランド５６である。ラ各ランドの外周寸法は、スリーブ４０の内周面の摺動面の内径寸法よりやや小さめに設定される。やや小さめとは、各ランドとスリーブ４０とによって気密を保持しながら、揺動スプール５０がスリーブ４０に支持されて軸方向に滑らかに移動可能な隙間を保持する程度である。また、この隙間によってダンピング効果を積極的に働かせる場合には、この隙間量をある程度広くすることがよい。
【００６０】
ステムは、各ランドの間を接続する細い軸部材であって、その外径は各ランドの外径に比べて十分小さい。したがって、各ランド間のステムと、スリーブ４０との間には空間が形成され、この空間は気体を保持あるいは気体が流れる気体室となる。図３の例では、左ランド５４と中央ランドとの間に左気体室、中央ランド５２と右ランドとの間に右気体室が形成されている。
【００６１】
揺動スプール５０の各ランドの配置位置と、スリーブ４０の各開口部の配置位置とは次のように設定される。すなわち、揺動スプール５０が中立位置にあるとき、中央ランド５２は、中央開口部４２をちょうど閉じる位置である。そして、左ランド５４は、左開口部４４を完全に開くように、左開口部４４の位置よりも−Ｘ方向にずれた位置とされる。また、右ランド５６は、右開口部４６を完全に開くように、右開口部４６の位置よりも＋Ｘ方向にずれた位置とされる。
【００６２】
したがって、中立状態では、第１気体圧ＰAは、左側バネ室２２に供給される他に、左開口部４４と右開口部４６を介して、揺動スプール５０の側に供給される。一方、第２気体圧ＰBは、右側バネ室２４に供給されるが、中央開口部４２が中央ランド５２で閉じられているので、そこで遮断されて揺動スプール５０の側には供給されない。
【００６３】
すなわち、図３に示されるように、揺動スプール５０がスリーブ４０に対し中立状態にあるときには、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係について第１開口部と第２開口部との間の連通量がゼロとなるように設定される。具体的には、図３のようにスプールが３つのランドを有し、スリーブが３つの開口部を有する場合、上記のように、中立状態では、中央ランド５２が第２開口部である中央開口部４２を完全に塞ぐことができるように、中央ランド５２と中央開口部４２の位置関係が設定される。このとき、左ランド５４と右ランド５６は、いずれも第２開口部である左開口部４４と右開口部４６を塞がないような位置関係とされる。このような位置関係にあるときの揺動スプール５０の位置が揺動スプール５０の中立位置である。
【００６４】
なお、場合によっては、中立状態であっても、第１開口部と第２開口部との間の連通量について予め定めた所定量の連通状態としてもよい。具体的には、中央ランド５２が第２開口部である中央開口部４２を完全に塞がずに、予め定めた余裕隙間でもって第１開口部を揺動スプール５０側に部分的に開くものとしてもよい。このように中央ランド５２が第１開口部を部分的に開くようにすることで、第１開口部と第２開口部との間に、適当量の気体の連通を行わせることができる。これによって、可変絞り装置１０の動作をより安定なものとできる。また、逆に、中央開口部４２の両側に揺動スプール５０のオーバラップを設け、中立状態およびオーバラップの範囲で揺動スプール５０が移動しても第１開口部と第２開口部とが連通しないようにすることもできる。以下では、中立状態のときに第１開口部と第２開口部との間の連通量がゼロである場合について説明を続ける。
【００６５】
また、軸方向差圧（ＰA−ＰB）が発生すると、揺動スプール５０はその中立状態から移動する。この移動によって、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係が可変的に変更される。これによって、気体の流れを可変的に絞るようにして、第１開口部と第２開口部との間の連通量が移動の方向に関わらず位置関係の変更量に応じて変更されることになる。移動の方向に関わらずとは、移動の方向が右側方向であっても、左側方向であっても、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的移動量の絶対値が同じであれば、第１開口部と第２開口部との間の連通量が同じとなる、という意味である。その具体的内容については後述する。
【００６６】
上記構成の作用を図４から図１１を用いて詳細に説明する。図４は、気体圧シリンダ２３０をアクチュエータの機能として利用するときの気体流路の状態を示す図で、図５は、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と共にアクチュエータの機能として利用するときの気体流路の状態を示す図である。
【００６７】
図４における状態は、振子制御を行う鉄道車両２００が通常に走行等を行っている状態である。この状態では、気体圧シリンダ２３０がアクチュエータ機能を有するものとして利用される。したがって、制御装置３１０によって、２つの導入弁２８０，２８２が開状態、２つの連通弁２８４，２８６が閉状態とされる。これにより、可変絞り装置１０は気体圧シリンダ２３０から切り離され、気体圧シリンダ２３０はサーボ弁２５０と接続状態とされる。
【００６８】
すなわち、センサ装置３００によって検出された車体２０２の傾斜状態等を判断して、制御装置３１０のアクチュエータ制御処理部３１２が適切な車体姿勢となるような駆動指令信号を発行し、これに基づいてサーボ弁２５０のフォースモータ２５６が作動し、サーボ弁スプール２５４をサーボ弁スリーブ２５２に対し相対的に移動させて、供給気体圧ＰSから２つの制御気体圧ＰA，ＰBが生成され、出力ポート２６４，２６６に出力される。
【００６９】
出力ポート２６４からの制御気体圧ＰAを有する気体は、気体圧シリンダ２３０の供給ポート２４２を経由して気体室２３８に供給される。同様に、出力ポート２６６からの制御気体圧ＰBを有する気体は、気体圧シリンダ２３０の供給ポート２４４を経由して気体室２４０に供給される。このようにして気体圧シリンダ２３０の２つの気体室２３８，２４０にそれぞれ制御気体圧ＰA，ＰBを有する気体が供給されると、２つの制御気体圧ＰA，ＰBの差によって、ピストン２３６はシリンダ筐体２３２の内壁を摺動する。これによって、ピストンロッド２３４はシリンダ筐体２３２に対し相対的に移動し、したがって、台車２０４に対し振子梁２０６を相対的に移動することができる。これが気体圧シリンダ２３０のアクチュエータとしての機能である。
【００７０】
図５における状態は、振子制御を行う鉄道車両２００が異常状態となったときである。このときには、気体圧シリンダ２３０がアクチュエータ機能を有するものとして利用される。すなわち、制御装置３１０によってこの異常状態が生じていると判断されると、制御装置３１０の切替制御処理部３１４の機能によって、２つの導入弁２８０，２８２が閉状態、２つの連通弁２８４，２８６が開状態とされる。これにより、サーボ弁２５０は気体圧シリンダ２３０から切り離され、気体圧シリンダ２３０は可変絞り装置１０と接続状態とされる。
【００７１】
すなわち、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８は供給ポート２４２を介して可変絞り装置１０の入力ポート２８と接続され、気体圧シリンダ２３０の気体室２４０供給ポート２４４を介して可変絞り装置１０の入力ポート３０と接続される。これによって、気体室２３８と気体室２４０が可変絞り装置１０を介して循環する１つの閉鎖された気体流路が形成される。そして、この閉鎖された気体流路の中に、台車２０４と振子梁２０６の間の相対運動によってピストン２３６が移動するので、この閉鎖された気体流路は、全体として、台車２０４と振子梁２０６の間の相対運動に対するダンパとして働く。これが気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０のダンパ機能である。
【００７２】
図６から図８は、可変絞り装置１０の作用を説明する図である。可変絞り装置１０は、２つの入力ポート２８，３０から入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る機能を有する装置であり、この流れを可変に絞ることについて、特別の駆動装置も特別の制御駆動信号も要しない。２つの入力ポート２８，３０におけるそれぞれの気体圧の差圧によって自動的に作動して流れを絞る作用を有する。
【００７３】
この作用は、気体圧アクチュエータシステム２２０についてみると、ダンパ機能作動状態において、気体圧シリンダ２３０の２つの供給ポート２４２，２４４における気体圧ＰA，ＰBのいずれか一方を第１気体圧とし他方を第２気体圧として、第１気体圧と第２気体圧との差である差圧に応じ、２つの入力ポート２８，３０の間の連通量を差圧の符号に関わらず線形的にまたは非線形的に変更するものである。
【００７４】
図６、図７は、上記構成の可変絞り装置１０の作用を説明する図である。図６は、第１気体圧ＰAが第２気体圧ＰBよりも低圧である場合、図７は、第１気体圧ＰAが第２気体圧ＰBよりも高圧である場合である。
【００７５】
図６においては、第１気体圧ＰAが第２気体圧ＰBよりも低圧である。すなわち、第２気体圧ＰBが第１気体圧ＰAよりも高圧であるので、右側バネ室２４の側から揺動スプール５０の右端に与えられる気体圧ＰBによる−Ｘ方向の駆動力が、左側バネ室２２の側から揺動スプール５０の左端に与えられる気体圧ＰAによる＋Ｘ方向の駆動力よりも大きい。したがって、この軸方向差圧（ＰB−ＰA）による揺動駆動力によって、揺動スプール５０は、中立位置よりも−Ｘ側に移動する。
【００７６】
この揺動スプール５０の中立位置から−Ｘ側への移動によって、中央ランド５２は中央開口部４２の右側を開く。開く量は、軸方向差圧（ＰB−ＰA）によって異なる。つまり、開く量である流路面積は、軸方向差圧（ＰB−ＰA）が大きければ大きく、軸方向差圧（ＰB−ＰA）が小さければ小さい。このように、流路面積は、軸方向差圧（ＰB−ＰA）によって可変的に変更される。
【００７７】
このようにして、気体圧シリンダ２３０の気体室２４０からの第２気体圧ＰBを有する気体は、入力ポート３０−第２導入流路３１−中央開口部４２−揺動スプール５０の右気体室−右開口部４６−第１導入流路２９−入力ポート２８を通り、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８に導かれる。
【００７８】
一方、図７においては、第１気体圧ＰAが第２気体圧ＰBよりも高圧であるので、左側バネ室２２の側から揺動スプール５０の左端に与えられる気体圧ＰAによる＋Ｘ方向の駆動力が、右側バネ室２４の側から揺動スプール５０の右端に与えられる気体圧ＰBによる−Ｘ方向の駆動力よりも大きい。したがって、この軸方向差圧（ＰA−ＰB）による揺動駆動力によって、揺動スプール５０は、中立位置よりも＋Ｘ側に移動する。
【００７９】
この揺動スプール５０の中立位置から＋Ｘ側への移動によって、中央ランド５２は中央開口部４２の左側を開く。開く量は、軸方向差圧（ＰA−ＰB）によって異なる。揺動スプール５０の中立位置から−Ｘ側への移動の場合と同様に、開く量である流路面積は、軸方向差圧（ＰA−ＰB）によって可変的に変更される。
【００８０】
したがって、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８からの第１気体圧ＰAを有する気体は、入力ポート２８−第１導入流路２９−左開口部４４−揺動スプール５０の左気体室−中央開口部４２−第２導入流路３１−入力ポート３０を通り、気体圧シリンダ２３０の気体室２４０に導かれる。
【００８１】
このように、可変絞り装置１０は、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８の気体圧ＰAが気体圧シリンダ２３０の気体室２４０の気体圧ＰBよりも低圧のときは、高圧側の気体圧シリンダ２３０の気体室２４０の側から高圧気体の供給を受け、逆に、気体圧シリンダ２３０の気体室２４０の気体圧ＰBが気体圧シリンダ２３０の気体室２３８の気体圧ＰAよりも低圧のときは、高圧側の気体圧シリンダ２３０の気体室２３８の側から気体圧シリンダ２３０の気体室２４０に対し高圧気体の供給を行うものとできる。このような作用によって、可変絞り装置１０を用いることで、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８と気体室２４０との間の気圧差を抑制することができる。
【００８２】
ここで、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８と気体圧シリンダ２３０の気体室２４０との間の気圧差を抑制するための揺動スプール５０の駆動は、第１気体圧ＰAと第２気体圧ＰBとの間の差である軸方向差圧を利用しており、特別な駆動装置を用いることなく、軸方向差圧が生じれば自動的に揺動駆動が行われる。また、軸方向差圧の大きさに応じて流路面積が可変され、軸方向差圧が大きいほど、流路面積が大きくなるので、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８と気体圧シリンダ２３０の気体室２４０との間に気圧差が生じても、迅速にその気圧差を解消して平衡圧に戻すことができる。このように、揺動スプール５０のＸ方向移動量と流路面積の変化量とが比例関係となるように開口部の形状を設定できる。そのほかに、Ｘ方向移動量と流路面積との関係を非線形とすることもでき、また２段階変化とすることもできる。
【００８３】
図８は、可変絞り装置１０の作用として、揺動スプール５０とスリーブ４０との間の相対的位置関係が変更されたときの第１開口部Ａと第２開口部Ｂとの間の連通量の変化を説明する図である。図４には、横軸に時間をとり、揺動スプール５０とスリーブ４０との間の相対的位置の差である変位Ｘの変化と、これに対応する第１開口部Ａと第２開口部Ｂとの間の連通量の変化が示されている。図４に示されるように、Ｘが中立状態からみてプラス側あるいはマイナス側に変化しても、第１開口部Ａと第２開口部Ｂとの間の連通量は、Ｘの変化の方向に関わらず、Ｘの絶対値が同じであれば、同じとなる。第１開口部Ａと第２開口部Ｂとの間の連通量の大きさは、Ｘの絶対値の大きさの変更に応じて変更される。つまり、可変絞り装置１０は、Ｘの変化関数に対する一種の整流作用を有している。
【００８４】
このように、可変絞り装置１０は、入力ポート２８，３０のそれぞれにおける気体圧の差である差圧に応じて、揺動スプール５０とスリーブ４０との間の相対的位置関係が変化し、それによって第１開口部Ａと第２開口部Ｂとの間の連通量が自動的に変化するので、絞り装置として用いることができる。
【００８５】
そして、この可変絞り装置１０を入力ポート２８，３０をそれぞれ気体圧シリンダ２３０の供給ポート２４２，２４４に接続することで、全体としてダンパ機能として利用することができる。すなわち、図５で説明した構成において、振子制御が働かないとき、振子梁２０６と台車２０４との間に相対的運動が生じるとき、気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０は、全体としてダンパ機能を発揮し、振子梁２０６と台車２０４との間の相対的速度Ｖ＝ｄＸ／ｄｔに対応する反力Ｆを生じる。
【００８６】
図９は、気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０とを組み合わせたときのダンパ作用の特性線３２２の様子を示す図である。ここで横軸は振子梁２０６と台車２０４との間の相対的速度Ｖで、縦軸はピストンロッド２３４とシリンダ筐体２３２との間に生じる反力Ｆである。
【００８７】
ここでは、参考のために、気体圧シリンダ２３０の特性に開口部の大きさを合わせこんだ固定絞りであるオリフィス絞りを用い場合の特性線３２０も示されている。図９に示されるように、オリフィス絞りを用いたときの特性線３２０はヒステリシス特性を有するのに対し、可変絞り装置１０を用いる図５の場合は、線形性を有する特性線３２２となっている。
【００８８】
図１０は、図５に関連して説明したチェック弁２９０，２９２の作用を説明する図である。この図に示されるように、チェック弁２９０，２９２によって入力ポート２８，３０における気体圧の上限を適切に制限することで、可変絞り装置１０のダンパ特性の特性線３２２において、反力Ｆのばらつきを小さくし、全体の大きさを変更した特性線３２４とすることが可能となる。
【００８９】
可変絞り装置１０は、上記のように、揺動スプール５０のＸ方向移動量と流路面積の変化量とを比例関係とするほかに、開口部の形状を工夫することで、Ｘ方向移動量と流路面積との関係を非線形とすることができる。したがって、開口部の形状を工夫することで、速度Ｖ＝ｄＸ／ｄｔに対する反力Ｆの関係を比例関係のほかに非線形とすることができる。図１１は模式的にその様子を説明する図で、比例関係の特性線３２２のほかに、速度Ｖが大きくと反力Ｆが急増する特性線３２６、速度Ｖが大きくなると反力Ｆが飽和する特性線３２８が可能となる。
【００９０】
このように、可変絞り装置１０を気体圧シリンダ２３０と組み合わせたダンパ機能は、可変絞り装置１０の特性を利用して、ダンパ特性の特性線を柔軟に設計することができる。これによって、鉄道車両２００における制御の設計自由度を向上させることができる。
【００９１】
次に、可変絞り装置の変形例について説明する。図１２は、図３の構成において、第１接続流路３２と第２接続流路３４とに、それぞれ固定絞り部８０，８１を設ける可変絞り装置１２の構成を説明する図である。第１接続流路３２、第２接続流路３４、固定絞り部８０，８１以外の構成は図３と同じである。
【００９２】
固定絞り部８０は、第１接続流路３２に設けられ、左側バネ室２２に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞るためのものである。同様に固定絞り部８１は、第２接続流路３４に設けられ、右側バネ室２４に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞るためのものである。これによって、揺動駆動力の急変を抑制し、揺動駆動力の変化を滑らかなものとすることができる。
【００９３】
これら２つの固定絞り部８０，８１は同じものを用いることができるが、特にこれらを区別したいときは、第１固定絞り部８０、第２固定絞り部８１と呼ぶことができる。第１固定絞り部８０、第２固定絞り部８１としては、オリフィス絞り、ラジアルスリット方式絞り、多孔質物質の中に気体を流す多孔質絞り等を用いることができる。
【００９４】
固定絞り部８０の絞りの流路抵抗は、左側バネ室２２の気体容量に応じて、気体流れの脈動周波数を抑制するように設定することができる。すなわち、一般的に、絞りの流路抵抗をＲとし、気体が流れ込む気体室の気体容量をＣとすると、気体の流れの固有振動数ｆは、ｆ＝ω／（２π）＝１／（２πＲＣ）で示される。これ以上速い周波数は応答しないので、ハイパスカットフィルタ、すなわちローパスフィルタとして用いることができる。
【００９５】
上記では、スリーブ４０に設けられる左開口部４４と右開口部４６において、第１気体圧ＰAを有する気体が揺動スプール５０の側に供給されまたは揺動スプール５０の側から排出され、そして、中央開口部４２において、第２気体圧ＰBを有する気体が揺動スプール５０の側に供給されまたは揺動スプール５０の側から排出される。このような場合、上記のように、左開口部４４と右開口部４６とを第１開口部、中央開口部４２を第２開口部と呼ぶことができる。このように、上記では、開口部は３つであったが、開口部を３つ以外とすることもできる。
【００９６】
上記では、気体圧アクチュエータシステム２２０が振子制御を行う鉄道車両２００に適用される場合を説明したが、図１３は、動揺防止制御を行う鉄道車両２０１に適用される気体圧アクチュエータシステム２２１の例を示す図である。ここでは、車体２０２の梁と台車２０４との間に気体圧シリンダ２３０が設けられ、さらに可変絞り装置１０とサーボ弁２５０を備える。
【００９７】
気体圧アクチュエータシステム２２１における気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０とサーボ弁２５０の間の接続関係は、図２で説明した内容と同じである。この気体圧アクチュエータシステム２２１は、例えば、鉄道車両２０１が所定の速度以上となる通常走行条件のときには、車体２０２と台車２０４との間の相対的動揺を抑制するように、気体圧シリンダ２３０が動揺防止アクチュエータとして作用する。そして、動揺防止制御が働かない条件の下では、気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０とがダンパ機能として働く。
【００９８】
前者のときの気体流れの様子は図４に関連して説明した内容と同様であり、後者のときの気体流れの様子は図５に関連して説明した内容と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明に係る気体圧アクチュエータシステムは、振子制御を行う鉄道車両、動揺防止制御を行う鉄道車両等に利用できる。
【符号の説明】
【０１００】
１０，１２ 可変絞り装置、２０，１００ 筐体、２２ 左側バネ室、２４ 右側バネ室、２８，３０ 入力ポート、２９，３１ 導入流路、３２，３４ 接続流路、４０，１０２ スリーブ、４２，４４，４６ 開口部、５０ 揺動スプール、５２ 中央ランド、５４ 左ランド、５６ 右ランド、６０ 左側復元バネ、６２ 右側復元バネ、７０ 左側調整ネジ、７２ 右側調整ネジ、８０，８１ 固定絞り部、２００，２０１ 鉄道車両、２０２ 車体、２０４ 台車、２０６ 振子梁、２１０ ローラ、２１４ 車輪、２１６ レール、２２０，２２１ 気体圧アクチュエータシステム、２３０ 気体圧シリンダ、２３２ シリンダ筐体、２３４ シリンダロッド、２３４ ピストンロッド、２３６ ピストン、２３８，２４０ 気体室、２４２，２４４ 供給ポート、２５０ サーボ弁、２５２ サーボ弁スリーブ、２５４ サーボ弁スプール、２５６ フォースモータ、２６０ 信号ポート、２６２ サーボ弁供給ポート、２６４，２６６ 出力ポート、２７０ 気体供給源、２８０，２８２ 導入弁、２８４，２８６ 連通弁、２９０，２９２ チェック弁、３００ センサ装置、３１０ 制御装置、３１２ アクチュエータ制御処理部、３１４ 切替制御処理部、３２０，３２２，３２４，３２６，３２８ 特性線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体圧アクチュエータシステムに係り、特に、気体圧シリンダを用いる気体圧アクチュエータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の都市交通あるいは高速大量輸送手段としての軌道車両においては、車体の軽量化ならびに振動の少ない良好な乗心地を確保するために、車体を空気ばねまたはコイルバネによって台車上に支持する構造が広く用いられている。このような車体支持装置においては、車体を支持する空気ばねまたはコイルばねに対して常時車体重量が加わるので、縦方向には常に最適剛性の支持力を発揮できる。
【０００３】
一方で車両がカーブを通過する際等における横方向変位あるいは横方向動揺については、台車と車体との間に油圧アクチュエータまたは気体圧アクチュエータを横方向に配置し、横方向剛性を生じさせることが行われる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、車両がカーブを通過するときに車体を傾斜させる制御付き振子方式において、液圧シリンダにアクチュエータ機能とダンパ機能とを持たせることが開示されている。ここでは、液圧シリンダのボトム側とロッド側とを連通させる分流回路中に、この分流回路中を流れる作動液体の流量を絞りの開度によって可変可能な絞り弁を設けて、液圧シリンダへの作動液体の供給量と絞り弁への作動液体の供給量とを協調制御することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４７３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のように、液圧シリンダにアクチュエータ機能とダンパ機能とを持たせることで、通常時は液圧シリンダを振子制御のアクチュエータとして用い、振子制御ができない異常時には液圧シリンダをダンパとして用いることができるので、異常時においても適切な乗心地を確保することが期待できる。そのためには、液圧シリンダへの作動液体の供給量と絞り弁への作動液体の供給量とを協調制御することが必要で、新たな制御装置を要する。
【０００７】
そこで、複雑な協調制御に代えて、アクチュエータである液圧シリンダに並列にダンパを別途設け、通常時はダンパを作用させず、異常時には液圧シリンダを作用させないようにすることが行われる。この場合には、通常時と異常時との間で切替を行うのみで済むが、液圧シリンダと同様な構成のダンパを別途設ける必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、複雑な制御を要せずに、アクチュエータ機能とダンパ機能とを有する気体圧アクチュエータシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る気体圧アクチュエータシステムは、ピストンの両側の２つの気体室のそれぞれに制御気体圧を供給する２つの供給ポートを有する気体圧シリンダと、気体供給源からの供給気体圧から気体圧シリンダに供給する２つの制御気体圧を生成して２つの出力ポートから出力するサーボ弁と、２つの入力ポートから入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る可変絞り装置と、２つの供給ポートと２つの出力ポートとの間に設けられる２つの導入弁と、２つの供給ポートと２つの入力ポートとの間に設けられる２つの連通弁と、切替指令に基づき、２つの導入弁の開閉と２つの連通弁の開閉とを制御し、気体圧シリンダがサーボ弁と接続され可変絞り装置とは遮断されるアクチュエータ機能作動状態と、気体圧シリンダが可変絞り装置と接続されサーボ弁とは遮断されるダンパ機能作動状態との間で作動状態を切り替える切替制御部と、を備え、可変絞り装置は、ダンパ機能作動状態において、気体圧シリンダの２つの供給ポートにおける気体圧のいずれか一方を第１気体圧とし他方を第２気体圧として、第１気体圧と第２気体圧との差である差圧に応じ、２つの入力ポートの間の連通量を差圧の符号に関わらず線形的にまたは非線形的に変更することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る気体圧アクチュエータシステムにおいて、可変絞り装置は、ステム上に左ランドと中央ランドと右ランドとが配置される揺動スプールと、揺動スプールの各ランドの外周を支持して揺動スプールをステムの軸方向に揺動自在に案内するスリーブと、揺動スプールの左ランド及び右ランドに対し、それぞれステムの軸方向に沿った復元力を与える左側復元バネと右側復元バネと、スリーブに設けられ第１気体圧を有する気体が揺動スプール側に供給されまたは揺動スプール側から排出される第１開口部と、スリーブに設けられ第２気体圧を有する気体が揺動スプール側から排出されまたは揺動スプール側に供給される第２開口部と、第１気体圧を有する気体を左側復元バネが収容される左側バネ室に導いて、左ランドの左側面に第１気体圧を与えるための第１接続流路と、第２気体圧を有する気体を右側復元バネが収容される右側バネ室に導いて、右ランドの右側面に第２気体圧を与えるための第２接続流路と、を含み、揺動スプールは、左ランドの左側面に与えられる第１気体圧と右ランドの右側面に与えられる第２気体圧との差である軸方向差圧によって揺動駆動力を受け、揺動スプールがスリーブに対し中立状態にあるときには、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係について、第１開口部と第２開口部との間の連通量がゼロあるいは予め定めた所定量の連通状態となるように設定され、あるいは中立状態から予め定めたオーバラップ量を超える移動によって初めて第１開口部と第２開口部との間が連通するように設定され、揺動駆動力によって揺動スプールがスリーブに対し中立状態から移動するときには、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係が可変的に変更されることで、気体の流れを可変的に絞るようにして、第１開口部と第２開口部との間の連通量が移動の方向に関わらず相対的位置関係の変更量に応じて線形的にまたは非線形的に変更されることが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る気体圧アクチュエータシステムにおいて、第１接続流路に設けられ、左ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第１固定絞り部と、第２接続流路に設けられ、右ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第２固定絞り部と、を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成により、気体圧アクチュエータシステムは、２つの供給ポートを有する気体圧シリンダと、２つの出力ポートから出力するサーボ弁と、２つの入力ポートから入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る可変絞り装置と、２つの供給ポートと２つの出力ポートとの間に設けられる２つの導入弁と、２つの供給ポートと２つの入力ポートとの間に設けられる２つの連通弁とを備え、切替指令に基づき、２つの導入弁の開閉と２つの連通弁の開閉とを制御し、気体圧シリンダがサーボ弁と接続され可変絞り装置とは遮断されるアクチュエータ機能作動状態と、気体圧シリンダが可変絞り装置と接続されサーボ弁とは遮断されるダンパ機能作動状態との間で作動状態を切り替える。
【００１３】
ここで、可変絞り装置は、ダンパ機能作動状態においては、気体圧シリンダに接続され、気体圧シリンダの２つの供給ポートと可変絞り装置の２つの入力ポートがそれぞれ接続されるので、気体圧シリンダのピストンの両側の気体室の気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る。このように、単に、気体圧シリンダの両気体室における気体圧の差圧のみに応じて絞りが可変されるので、例えばサーボ弁との複雑な制御等を要せずに、ダンパ機能を発揮できる。
【００１４】
また、気体圧アクチュエータシステムにおいて、可変絞り装置は、揺動スプールの両端にそれぞれ左側復元バネと右側復元バネとを有するスプール・スリーブ機構であって、揺動スプールは、左ランドの左側面に与えられる気体圧と右ランドの右側面に与えられる気体圧との差である軸方向差圧によって揺動駆動力を受け、それによって中央ランドと第１開口部との間の相対位置関係が可変的に変更されることで、第１開口部と第２開口部との間の気体の流れを可変的に絞る。このように、軸方向差圧によって揺動スプールが軸方向に移動するので、揺動スプールの駆動のための外部駆動装置を特別に要することなく、流れの方向あるいは流量等を可変とすることができる。
【００１５】
また、気体圧アクチュエータシステムにおいて、可変絞り装置は、第１接続流路に設けられ、左ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第１固定絞り部と、第２接続流路に設けられ、右ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第２固定絞り部とを備える。これによって、揺動駆動力の急変を抑制し、揺動駆動力の変化を滑らかなものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムが適用される車両の様子を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムの構成を説明する図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、可変絞り装置を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、アクチュエータ機能作動状態のときの様子を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、ダンパ機能作動状態のときの様子を説明する図である。
【図６】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、ダンパ機能作動状態のときの可変絞り装置の作用を説明する図である。
【図７】図６とともに、可変絞り装置の作用を説明する図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、可変絞り装置の作用を説明する図である。
【図９】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、ダンパ機能作動状態のときの特性図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、ダンパ機能作動状態のときの特性図に対するチェック弁の作用を説明する図である。
【図１１】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、ダンパ機能作動状態のときの特性図に対する可変絞り装置の流路面積の効果を説明する図である。
【図１２】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムにおいて、可変絞り装置に固定絞り装置を付加した構成を示す図である。
【図１３】本発明に係る実施の形態の気体圧アクチュエータシステムが適用される他の車両の様子を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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、気体圧アクチュエータシステムが適用される対象として、鉄道車両を説明するが、流体圧シリンダによって車両の姿勢を制御するものであればよく、鉄道車両以外の車両であってもよい。また、流体圧シリンダは、振子制御に用いられる場合と、動揺防止制御に用いられる場合を説明するが、車両の姿勢を制御するものであればよい。
【００１８】
以下では、気体圧アクチュエータシステムに適用される流体として空気を説明するが、空気以外の乾燥窒素、不活性ガス等であってもよい。
【００１９】
また、以下では、可変絞り装置において、例えば、第１気体圧ＰAが２つの開口部に供給され、第２気体圧ＰBが１つの開口部に供給される等の説明を行うが、開口部の数はそれぞれ１つでも複数でも構わない。また、開口部とランドとの位置関係も、第１気体圧ＰAに関する開口部と第２気体圧ＰBに関する開口部とが、相互に連通しない遮断状態と、相互に連通し、その際に揺動駆動力に応じて流れの方向あるいは流量等を可変するものであれば、どのような配置関係であってもよい。
【００２０】
また、以下で説明するバネ定数、固有振動数等は、説明のために一例であって、気体圧アクチュエータシステムが適用される車両システム等の性能仕様に応じて適宜変更することができる。
【００２１】
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。
【００２２】
図１は、振子制御を行う鉄道車両２００における気体圧アクチュエータシステム２２０の構成を説明する図である。この気体圧アクチュエータシステム２２０は、通常時は気体圧シリンダを振子制御のアクチュエータ機能として用い、振子制御ができない異常時には気体圧シリンダをダンパ機能として用いることができるものである。
【００２３】
図１に示される鉄道車両２００は、車体２０２と、台車２０４と、台車２０４の上においてローラ２１０によって支持される振子梁２０６と、振子梁２０６と車体２０２との間に設けられた空気ばね２０８とを備える。また、鉄道車両２００は、車輪２１４を支持する車軸と、車軸と台車２０４との間に設けられるコイルばね２１２を備え、車輪２１４はレール２１６の上を走行可能である。
【００２４】
鉄道車両２００に搭載される気体圧アクチュエータシステム２２０は、台車２０４と振子梁２０６との間に設けられる気体圧シリンダ２３０と、後に詳述する可変絞り装置１０と、サーボ弁２５０と、車体２０２の傾斜状態等を検出するセンサ装置３００と、制御装置３１０とを含んで構成される。
【００２５】
制御装置３１０は、車両搭載に適したコンピュータで構成できる。制御装置３１０は、気体圧シリンダ２３０を振子制御のアクチュエータ機能として用いるときの制御を行うアクチュエータ制御処理部３１２と、気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０とサーボ弁２５０との間の接続関係を切り替えて、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と組み合わせることでダンパ機能を有するように切り替える切替制御処理部３１４を含む。これらの機能は、ソフトウェアで実現でき、具体的には、気体圧アクチュエータシステム制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００２６】
図２は、気体圧アクチュエータシステム２２０の詳細構成を示す図である。上記のように、気体圧アクチュエータシステム２２０は、気体圧シリンダ２３０と、可変絞り装置１０と、サーボ弁２５０を含んで構成されるが、図２には、これらを接続する気体流路が気体供給源２７０と共に示されている。
【００２７】
この気体流路は、気体圧シリンダ２３０の２つの供給ポート２４２，２４４と、可変絞り装置１０の２つの入力ポート２８，３０と、サーボ弁２５０の１つのサーボ弁供給ポート２６２と２つの出力ポート２６４，２６６の合計７つのポートを相互に接続して配管される流路である。
【００２８】
気体圧シリンダ２３０は、台車２０４に接続されるシリンダ筐体２３２と、振子梁２０６に接続されるシリンダロッド２３４と、シリンダロッド２３４の先端に設けられシリンダ筐体２３２の内壁を摺動するピストン２３６を含んで構成されるピストン・シリンダ機構である。
【００２９】
気体圧シリンダ２３０は、シリンダ筐体２３２の内壁内に、ピストン２３６によって仕切られ、ピストン２３６の両側に形成される２つの気体室２３８，２４０を有する。気体室２３８は、供給ポート２４２に接続され、気体室２４０は、供給ポート２４４に接続される。
【００３０】
気体圧シリンダ２３０は、このようにピストン・シリンダ機構であるので、外部から２つの気体室２３８，２４０にそれぞれ制御気体圧を有する気体を供給するときは、ピストン２３６をシリンダ筐体２３２に対して移動駆動し、これによって振子梁２０６を台車２０４に対して移動駆動するアクチュエータとして用いることができる。また、２つの気体室２３８，２４０に外部から気体を供給せず、２つの気体室２３８，２４０にある気体を利用して可変絞り装置１０に接続することで、振子梁２０６と台車２０４との間の動揺等を吸収するダンパとして用いることができる。この２つの機能の切替の詳細については後述する。
【００３１】
サーボ弁２５０は、サーボ弁スリーブ２５２と、サーボ弁スリーブ２５２の内部に収納されるサーボ弁サーボ弁スプール２５４と、サーボ弁スプール２５４をサーボ弁スリーブ２５２に対し相対的に移動駆動するフォースモータ２５６と、サーボ弁スプール２５４をサーボ弁スリーブ２５２に対し中立位置に引き戻す復元ばね２５８を含むフォースモータ駆動スリーブ・スプール機構である。
【００３２】
サーボ弁２５０は、制御装置３１０からフォースモータ２５６に対する駆動指令信号を受け取る信号ポート２６０と、気体供給源２７０から供給気体圧ＰSが供給されるサーボ弁供給ポート２６２とを有し、駆動指令信号に応じてフォースモータ２５６が作動することでサーボ弁スプール２５４がサーボ弁スリーブ２５２に対し相対的に移動することで供給気体圧ＰSから２つの制御気体圧ＰA，ＰBを生成する機能を有する。サーボ弁２５０は、２つの出力ポート２６４，２６６を有し、これらには、それぞれ生成された制御気体圧ＰA，ＰBを有する気体が出力される。
【００３３】
可変絞り装置１０は、２つの入力ポート２８，３０を有し、この２つの入力ポート２８，３０から入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る機能を有する装置である。
【００３４】
可変絞り装置１０は２つの入力ポート２８，３０を有するが、その詳細な内容の説明の前に、気体流路関係の説明を行う。
【００３５】
２つの導入弁２８０，２８２は、サーボ弁の２つの出力ポート２６４，２６６と、気体圧シリンダ２３０の２つの供給ポート２４２，２４４との間に設けられ、制御装置３１０の制御の下で開閉制御が行われる開閉弁である。具体的には、気体圧シリンダ２３０をアクチュエータ機能を有するものとして利用するときには開状態とされ、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と共にダンパ機能を有するものとして利用するときには閉状態とされる。
【００３６】
２つの連通弁２８４，２８６は、気体圧シリンダ２３０の２つの供給ポート２４２，２４４と、可変絞り装置１０の２つの入力ポート２８，３０との間に設けられ、制御装置３１０の制御の下で開閉制御が行われる開閉弁である。具体的には、気体圧シリンダ２３０をアクチュエータ機能を有するものとして利用するときには閉状態とされ、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と共にダンパ機能を有するものとして利用するときには開状態とされる。このように、２つの導入弁２８０，２８２と２つの連通弁２８４，２８６とは、導入弁が開くときは連通弁が閉じ、導入弁が閉じるときは連通弁が開くというように、互いに逆の開閉状態となるように制御される。２種類の弁の開閉動作に時間差を設けるものとしてもよい。
【００３７】
２つのチェック弁２９０，２９２は、可変絞り装置１０の２つの入力ポート２８，３０の間に可変絞り装置１０と並列接続されるように配置される気体圧上限リミッタである。チェック弁２９０，２９２は、開弁するときの圧力の方向が相互に逆向きである。すなわち、２つの入力ポート２８，３０におけるそれぞれの気体圧の差である差圧が予め定めた上限差圧より高くなると、チェック弁２９０またはチェック弁２９２が開弁し、それ以上の差圧とならない。
【００３８】
２つの固定絞り２９４，２９６は、気体供給源２７０から気体圧シリンダ２３０および可変絞り装置１０に向かって少量の気体を供給するときに、その供給量を制限するための流量リミッタである。すなわち、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と組み合わせてダンパ機能として用いるときは、気体が圧縮性流体であるので、適当に気体を補う必要があるが、その補給気体流量を調整するために用いられる。
【００３９】
ここで、図１の制御装置３１０の内容について説明する。制御装置３１０は、気体圧アクチュエータシステム２２０における他の構成要素の作動を統一的に制御する装置で、車両搭載に適したコンピュータで構成できる。制御装置３１０は、気体圧シリンダ２３０を振子制御のアクチュエータ機能として用いるときの制御を行うアクチュエータ制御処理部３１２と、気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０とサーボ弁２５０との間の接続関係を切り替えて、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と組み合わせることでダンパ機能を有するように切り替える切替制御処理部３１４を含む。
【００４０】
切替制御処理部３１４は、切替指令に基づき、２つの導入弁２８０，２８２の開閉と２つの連通弁２８４，２８６の開閉とを制御し、気体圧シリンダ２３０がサーボ弁２５０と接続され可変絞り装置１０とは遮断されるアクチュエータ機能作動状態と、気体圧シリンダ２３０が可変絞り装置１０と接続されサーボ弁２５０とは遮断されるダンパ機能作動状態との間で作動状態を切り替える機能を有する。
【００４１】
具体的には、上記で述べたように、気体圧シリンダ２３０をアクチュエータ機能を有するものとして利用するときには、２つの導入弁２８０，２８２が開状態、２つの連通弁２８４，２８６が閉状態とされ、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と共にダンパ機能を有するものとして利用するときには、２つの導入弁２８０，２８２が閉状態、２つの連通弁２８４，２８６が開状態とされる。なお、切替指令は、気体圧シリンダ２３０の作動異常またはアクチュエータ制御処理部３１２における処理結果が異常となったことを制御装置３１０が判断したときに発行される。
【００４２】
制御装置３１０のこれらの機能は、ソフトウェアで実現でき、具体的には、気体圧アクチュエータシステム制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００４３】
次に、可変絞り装置１０について説明する。図３は、可変絞り装置１０の構成を説明する図である。この可変絞り装置１０は、筐体２０と、スリーブ４０と、揺動スプール５０とを備えるスプール・スリーブ機構の一種である。筐体２０には、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８に接続され第１気体圧ＰAを有する気体が供給または排出される第１接続口である入力ポート２８と、気体圧シリンダ２３０の気体室２４０に接続され第２気体圧ＰBを有する気体が供給または排出される第２接続口である入力ポート３０とが設けられる。
【００４４】
ここで、第１気体圧ＰAと第２気体圧ＰBは、可変絞り装置１０が気体圧シリンダ２３０と共に用いられて全体としてダンパ機能を発揮するときは、気体圧シリンダ２３０の供給ポート２４２，２４４における気体圧となるので、その気体圧ＰA，ＰBと同じ記号を用いている。
【００４５】
そして、この可変絞り装置１０は、揺動スプール５０の左右両端に第１気体圧ＰAと第２気体圧ＰBとが与えられて、その気体圧の差である軸方向差圧によって揺動スプール５０が揺動駆動力を受けるのに適した構成を有するものである。なお、左右とは、揺動スプール５０の軸方向に沿った位置についてのもので、図３に示すように、揺動スプール５０の軸方向をＸ軸方向として、＋Ｘ側を右側とすれば−Ｘ側が左側である。
【００４６】
図３において、筐体２０は、中心部にスリーブ４０と揺動スプール５０とが配置される配置空間を有する筒状部材である。この配置空間において、揺動スプール５０の左右両端側にそれぞれ設けられる左側バネ室２２と右側バネ室２４は、それぞれに左側復元バネ６０と右側復元バネ６２が軸方向に圧縮・伸長可能に収納される空間である。
【００４７】
また、筐体２０において、入力ポート２８からスリーブ４０側に延びる第１導入流路２９は、スリーブ４０に設けられる左開口部４４と右開口部４６を介して、第１気体圧ＰAを有する気体を揺動スプール５０側に供給し、または、揺動スプール５０側から第１気体圧ＰAを有する気体を排出するための流路である。ここでは、左開口部４４と右開口部４６とが筐体２０の内部を通る第１導入流路２９に共に接続されることで、左開口部４４と右開口部４６とが連通して、気体を導く開口部としては同じ機能を有するものとなっている。その意味で、互いに連通するように構成された左開口部４４と右開口部４６とを合わせて、第１開口部と呼ぶことができる。このように、第１開口部とは、入力ポート２８に関する流路の開口部のことである。
【００４８】
第１導入流路２９と左側バネ室２２とを接続する第１接続流路３２は、第１気体圧ＰAを左側バネ室に供給することで、後述するように、左ランド５４の左側面に第１気体圧ＰAに対応する軸方向力を与える機能を有する流路である。
【００４９】
同様に、筐体２０において、入力ポート３０からスリーブ４０側に延びる第２導入流路３１は、スリーブ４０に設けられる中央開口部４２を介して、第２気体圧ＰBを有する気体を揺動スプール５０側に供給し、または、揺動スプール５０側から第２気体圧ＰBを有する気体を排出するための流路である。中央開口部４２は１つであるが、これを上記の第１開口部と対比するために、第２開口部と呼ぶことができる。すなわち、第２開口部とは、入力ポート３０に関する流路の開口部のことである。
【００５０】
また、第２導入流路３１と右側バネ室２４とを接続する第２接続流路３４は、第２気体圧ＰBを右側バネ室に供給することで、後述するように、右ランド５６の右側面に第２気体圧ＰBに対応する力を与える機能を有する流路である。
【００５１】
左側バネ室２２に収納される左側復元バネ６０と、右側バネ室２４に収納される右側復元バネ６２とは、揺動スプール５０の軸方向移動に対し、中立位置に戻す機能を有する弾性体である。図３では、左側復元バネ６０、右側復元バネ６２はコイルバネとして示されているが、揺動スプール５０の軸方向に圧縮・伸長して、揺動スプール５０が軸方向に移動する場合に常に中立位置に引き戻す機能を有する弾性体であれば、プラスチックゴム、板バネ等であってもよい。
【００５２】
左側復元バネ６０は、上記のように弾性体であるが、その軸方向の両端にはそれぞれ円板が設けられる。左側の円板は、左側復元バネ６０の軸方向位置を定め、復元力を設定するためのものである。筐体２０にねじ込まれる左側調整ネジ７０は、その先端がこの左側の円板に接触し、ねじ込み量に応じてその軸方向位置を調整する機能を有する。このようにして、左側調整ネジ７０のねじ込み量調整によって左側復元バネ６０の復元力が設定される。なお左側調整ネジ７０と後述する右側調整ネジ７２は、いずれか一方あるいは双方とも省略することができる。
【００５３】
左側復元バネ６０における右側の円板は、揺動スプール５０の左端に復元力を伝達するものである。右側の円板と揺動スプール５０の左端とは、摩擦が少なくなるように、ピボットと軸受の構成を取ることができる。すなわち、右側の円板の左端面にピボットを設け、揺動スプール５０の左端にピボットを受ける軸受を配置して、線接触によって相互の支持を行うものとできる。ピボットを揺動スプール５０に設け、軸受を右側円板に設けるものとしてもよい。なお、ピボット等は摩擦を少なくするためのものであるので、ピボット等がなくても、可変絞り装置１０は絞りとして機能する。
【００５４】
また、左側バネ室２２には第１気体圧ＰAの気体が導かれる。そして、左側バネ室２２における右側の円板の外周と、左側バネ室２２の内壁との間を通って、第１気体圧ＰAの気体が揺動スプール５０の左ランド５４の左側面に導かれる。これによって、第１気体圧ＰAに応じた軸方向力が揺動スプール５０の左ランド５４の左側面に与えられる。
【００５５】
同様に、右側復元バネ６２においても、その軸方向の両端にはそれぞれ円板が設けられる。そして、右側の円板は、右側復元バネ６２の軸方向位置を定め、復元力を設定するためのものであり、左側の円板は、揺動スプール５０に復元力を伝達するものである。また、右側バネ室２４には第２気体圧ＰBの気体が導かれる。そして、右側バネ室２４における左側の円板の外周と、右側バネ室２４の内壁との間を通って、第２気体圧ＰBの気体が揺動スプール５０の右ランド５６の右側面に導かれる。これによって、第２気体圧ＰBに応じた軸方向力が揺動スプール５０の右ランド５６の右側面に与えられることも同様である。また、筐体２０にねじ込まれる右側調整ネジ７２は、そのねじ込み量に応じて右側復元バネ６２の軸方向位置を調整する機能を有することも同様である。その他、詳細な構成は、左側復元バネ６０に関して説明したものと同様の内容である。
【００５６】
このようにして、揺動スプール５０の両端には、左側復元バネ６０と右側復元バネ６２とが設けられ、基本的には、揺動スプール５０の軸方向位置が中立位置とされる。そして、上記のように、左側バネ室２２の側から第１気体圧ＰAに応じた軸方向力が揺動スプール５０の左端に与えられ、右側バネ室２４の側から第２気体圧ＰBに応じた軸方向力が揺動スプール５０の右端に与えられるので、その差圧である（ＰA−ＰB）に応じて、揺動スプール５０は中立位置から移動する駆動力が与えられることになる。なお、第１気体圧ＰA＝第２気体圧ＰBのときには、揺動スプール５０は正しく中立位置に位置する。なお、図３は、揺動スプール５０が正しく中立位置にある状態を示す図である。
【００５７】
図３におけるスリーブ４０は、筐体２０の中心部におけるスリーブ４０と揺動スプール５０とが配置される配置空間に取り付け固定される円筒状の部材で、外周部は筐体２０に固定される固定面とされ、内周面は揺動スプール５０を軸方向移動可能に支持する摺動面とされる。摺動面としては、スリーブ４０と揺動スプール５０との金属接触によるもののほか、揺動スプール５０の外周に樹脂等を設け、金属と樹脂との接触によるものとしてもよい。
【００５８】
筐体２０の構成の説明で述べたように、スリーブ４０には、軸方向に沿って相互に離間して３つの開口部が設けられる。配置順序は、図３に示すように、−Ｘ側である左側から＋Ｘ側である右側に向かって、左開口部４４、中央開口部４２、右開口部４６である。これらの開口部に対応して筐体２０にも３つの開口部が設けられ、既に述べたように、左開口部４４と右開口部４６とは第１導入流路２９に接続され、中央開口部４２は第２導入流路３１に接続される。
【００５９】
揺動スプール５０は、ステム上に左ランド５４と中央ランド５２と右ランド５６とが配置される軸体である。各ランドの配置順序は、図３に示すように、−Ｘ側である左側から＋Ｘ側である右側に向かって、左ランド５４、中央ランド５２、右ランド５６である。ラ各ランドの外周寸法は、スリーブ４０の内周面の摺動面の内径寸法よりやや小さめに設定される。やや小さめとは、各ランドとスリーブ４０とによって気密を保持しながら、揺動スプール５０がスリーブ４０に支持されて軸方向に滑らかに移動可能な隙間を保持する程度である。また、この隙間によってダンピング効果を積極的に働かせる場合には、この隙間量をある程度広くすることがよい。
【００６０】
ステムは、各ランドの間を接続する細い軸部材であって、その外径は各ランドの外径に比べて十分小さい。したがって、各ランド間のステムと、スリーブ４０との間には空間が形成され、この空間は気体を保持あるいは気体が流れる気体室となる。図３の例では、左ランド５４と中央ランドとの間に左気体室、中央ランド５２と右ランドとの間に右気体室が形成されている。
【００６１】
揺動スプール５０の各ランドの配置位置と、スリーブ４０の各開口部の配置位置とは次のように設定される。すなわち、揺動スプール５０が中立位置にあるとき、中央ランド５２は、中央開口部４２をちょうど閉じる位置である。そして、左ランド５４は、左開口部４４を完全に開くように、左開口部４４の位置よりも−Ｘ方向にずれた位置とされる。また、右ランド５６は、右開口部４６を完全に開くように、右開口部４６の位置よりも＋Ｘ方向にずれた位置とされる。
【００６２】
したがって、中立状態では、第１気体圧ＰAは、左側バネ室２２に供給される他に、左開口部４４と右開口部４６を介して、揺動スプール５０の側に供給される。一方、第２気体圧ＰBは、右側バネ室２４に供給されるが、中央開口部４２が中央ランド５２で閉じられているので、そこで遮断されて揺動スプール５０の側には供給されない。
【００６３】
すなわち、図３に示されるように、揺動スプール５０がスリーブ４０に対し中立状態にあるときには、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係について第１開口部と第２開口部との間の連通量がゼロとなるように設定される。具体的には、図３のようにスプールが３つのランドを有し、スリーブが３つの開口部を有する場合、上記のように、中立状態では、中央ランド５２が第２開口部である中央開口部４２を完全に塞ぐことができるように、中央ランド５２と中央開口部４２の位置関係が設定される。このとき、左ランド５４と右ランド５６は、いずれも第２開口部である左開口部４４と右開口部４６を塞がないような位置関係とされる。このような位置関係にあるときの揺動スプール５０の位置が揺動スプール５０の中立位置である。
【００６４】
なお、場合によっては、中立状態であっても、第１開口部と第２開口部との間の連通量について予め定めた所定量の連通状態としてもよい。具体的には、中央ランド５２が第２開口部である中央開口部４２を完全に塞がずに、予め定めた余裕隙間でもって第１開口部を揺動スプール５０側に部分的に開くものとしてもよい。このように中央ランド５２が第１開口部を部分的に開くようにすることで、第１開口部と第２開口部との間に、適当量の気体の連通を行わせることができる。これによって、可変絞り装置１０の動作をより安定なものとできる。また、逆に、中央開口部４２の両側に揺動スプール５０のオーバラップを設け、中立状態およびオーバラップの範囲で揺動スプール５０が移動しても第１開口部と第２開口部とが連通しないようにすることもできる。以下では、中立状態のときに第１開口部と第２開口部との間の連通量がゼロである場合について説明を続ける。
【００６５】
また、軸方向差圧（ＰA−ＰB）が発生すると、揺動スプール５０はその中立状態から移動する。この移動によって、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係が可変的に変更される。これによって、気体の流れを可変的に絞るようにして、第１開口部と第２開口部との間の連通量が移動の方向に関わらず位置関係の変更量に応じて変更されることになる。移動の方向に関わらずとは、移動の方向が右側方向であっても、左側方向であっても、揺動スプール５０に対するスリーブ４０の相対的移動量の絶対値が同じであれば、第１開口部と第２開口部との間の連通量が同じとなる、という意味である。その具体的内容については後述する。
【００６６】
上記構成の作用を図４から図１１を用いて詳細に説明する。図４は、気体圧シリンダ２３０をアクチュエータの機能として利用するときの気体流路の状態を示す図で、図５は、気体圧シリンダ２３０を可変絞り装置１０と共にアクチュエータの機能として利用するときの気体流路の状態を示す図である。
【００６７】
図４における状態は、振子制御を行う鉄道車両２００が通常に走行等を行っている状態である。この状態では、気体圧シリンダ２３０がアクチュエータ機能を有するものとして利用される。したがって、制御装置３１０によって、２つの導入弁２８０，２８２が開状態、２つの連通弁２８４，２８６が閉状態とされる。これにより、可変絞り装置１０は気体圧シリンダ２３０から切り離され、気体圧シリンダ２３０はサーボ弁２５０と接続状態とされる。
【００６８】
すなわち、センサ装置３００によって検出された車体２０２の傾斜状態等を判断して、制御装置３１０のアクチュエータ制御処理部３１２が適切な車体姿勢となるような駆動指令信号を発行し、これに基づいてサーボ弁２５０のフォースモータ２５６が作動し、サーボ弁スプール２５４をサーボ弁スリーブ２５２に対し相対的に移動させて、供給気体圧ＰSから２つの制御気体圧ＰA，ＰBが生成され、出力ポート２６４，２６６に出力される。
【００６９】
出力ポート２６４からの制御気体圧ＰAを有する気体は、気体圧シリンダ２３０の供給ポート２４２を経由して気体室２３８に供給される。同様に、出力ポート２６６からの制御気体圧ＰBを有する気体は、気体圧シリンダ２３０の供給ポート２４４を経由して気体室２４０に供給される。このようにして気体圧シリンダ２３０の２つの気体室２３８，２４０にそれぞれ制御気体圧ＰA，ＰBを有する気体が供給されると、２つの制御気体圧ＰA，ＰBの差によって、ピストン２３６はシリンダ筐体２３２の内壁を摺動する。これによって、ピストンロッド２３４はシリンダ筐体２３２に対し相対的に移動し、したがって、台車２０４に対し振子梁２０６を相対的に移動することができる。これが気体圧シリンダ２３０のアクチュエータとしての機能である。
【００７０】
図５における状態は、振子制御を行う鉄道車両２００が異常状態となったときである。このときには、気体圧シリンダ２３０がアクチュエータ機能を有するものとして利用される。すなわち、制御装置３１０によってこの異常状態が生じていると判断されると、制御装置３１０の切替制御処理部３１４の機能によって、２つの導入弁２８０，２８２が閉状態、２つの連通弁２８４，２８６が開状態とされる。これにより、サーボ弁２５０は気体圧シリンダ２３０から切り離され、気体圧シリンダ２３０は可変絞り装置１０と接続状態とされる。
【００７１】
すなわち、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８は供給ポート２４２を介して可変絞り装置１０の入力ポート２８と接続され、気体圧シリンダ２３０の気体室２４０供給ポート２４４を介して可変絞り装置１０の入力ポート３０と接続される。これによって、気体室２３８と気体室２４０が可変絞り装置１０を介して循環する１つの閉鎖された気体流路が形成される。そして、この閉鎖された気体流路の中に、台車２０４と振子梁２０６の間の相対運動によってピストン２３６が移動するので、この閉鎖された気体流路は、全体として、台車２０４と振子梁２０６の間の相対運動に対するダンパとして働く。これが気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０のダンパ機能である。
【００７２】
図６から図８は、可変絞り装置１０の作用を説明する図である。可変絞り装置１０は、２つの入力ポート２８，３０から入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る機能を有する装置であり、この流れを可変に絞ることについて、特別の駆動装置も特別の制御駆動信号も要しない。２つの入力ポート２８，３０におけるそれぞれの気体圧の差圧によって自動的に作動して流れを絞る作用を有する。
【００７３】
この作用は、気体圧アクチュエータシステム２２０についてみると、ダンパ機能作動状態において、気体圧シリンダ２３０の２つの供給ポート２４２，２４４における気体圧ＰA，ＰBのいずれか一方を第１気体圧とし他方を第２気体圧として、第１気体圧と第２気体圧との差である差圧に応じ、２つの入力ポート２８，３０の間の連通量を差圧の符号に関わらず線形的にまたは非線形的に変更するものである。
【００７４】
図６、図７は、上記構成の可変絞り装置１０の作用を説明する図である。図６は、第１気体圧ＰAが第２気体圧ＰBよりも低圧である場合、図７は、第１気体圧ＰAが第２気体圧ＰBよりも高圧である場合である。
【００７５】
図６においては、第１気体圧ＰAが第２気体圧ＰBよりも低圧である。すなわち、第２気体圧ＰBが第１気体圧ＰAよりも高圧であるので、右側バネ室２４の側から揺動スプール５０の右端に与えられる気体圧ＰBによる−Ｘ方向の駆動力が、左側バネ室２２の側から揺動スプール５０の左端に与えられる気体圧ＰAによる＋Ｘ方向の駆動力よりも大きい。したがって、この軸方向差圧（ＰB−ＰA）による揺動駆動力によって、揺動スプール５０は、中立位置よりも−Ｘ側に移動する。
【００７６】
この揺動スプール５０の中立位置から−Ｘ側への移動によって、中央ランド５２は中央開口部４２の右側を開く。開く量は、軸方向差圧（ＰB−ＰA）によって異なる。つまり、開く量である流路面積は、軸方向差圧（ＰB−ＰA）が大きければ大きく、軸方向差圧（ＰB−ＰA）が小さければ小さい。このように、流路面積は、軸方向差圧（ＰB−ＰA）によって可変的に変更される。
【００７７】
このようにして、気体圧シリンダ２３０の気体室２４０からの第２気体圧ＰBを有する気体は、入力ポート３０−第２導入流路３１−中央開口部４２−揺動スプール５０の右気体室−右開口部４６−第１導入流路２９−入力ポート２８を通り、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８に導かれる。
【００７８】
一方、図７においては、第１気体圧ＰAが第２気体圧ＰBよりも高圧であるので、左側バネ室２２の側から揺動スプール５０の左端に与えられる気体圧ＰAによる＋Ｘ方向の駆動力が、右側バネ室２４の側から揺動スプール５０の右端に与えられる気体圧ＰBによる−Ｘ方向の駆動力よりも大きい。したがって、この軸方向差圧（ＰA−ＰB）による揺動駆動力によって、揺動スプール５０は、中立位置よりも＋Ｘ側に移動する。
【００７９】
この揺動スプール５０の中立位置から＋Ｘ側への移動によって、中央ランド５２は中央開口部４２の左側を開く。開く量は、軸方向差圧（ＰA−ＰB）によって異なる。揺動スプール５０の中立位置から−Ｘ側への移動の場合と同様に、開く量である流路面積は、軸方向差圧（ＰA−ＰB）によって可変的に変更される。
【００８０】
したがって、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８からの第１気体圧ＰAを有する気体は、入力ポート２８−第１導入流路２９−左開口部４４−揺動スプール５０の左気体室−中央開口部４２−第２導入流路３１−入力ポート３０を通り、気体圧シリンダ２３０の気体室２４０に導かれる。
【００８１】
このように、可変絞り装置１０は、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８の気体圧ＰAが気体圧シリンダ２３０の気体室２４０の気体圧ＰBよりも低圧のときは、高圧側の気体圧シリンダ２３０の気体室２４０の側から高圧気体の供給を受け、逆に、気体圧シリンダ２３０の気体室２４０の気体圧ＰBが気体圧シリンダ２３０の気体室２３８の気体圧ＰAよりも低圧のときは、高圧側の気体圧シリンダ２３０の気体室２３８の側から気体圧シリンダ２３０の気体室２４０に対し高圧気体の供給を行うものとできる。このような作用によって、可変絞り装置１０を用いることで、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８と気体室２４０との間の気圧差を抑制することができる。
【００８２】
ここで、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８と気体圧シリンダ２３０の気体室２４０との間の気圧差を抑制するための揺動スプール５０の駆動は、第１気体圧ＰAと第２気体圧ＰBとの間の差である軸方向差圧を利用しており、特別な駆動装置を用いることなく、軸方向差圧が生じれば自動的に揺動駆動が行われる。また、軸方向差圧の大きさに応じて流路面積が可変され、軸方向差圧が大きいほど、流路面積が大きくなるので、気体圧シリンダ２３０の気体室２３８と気体圧シリンダ２３０の気体室２４０との間に気圧差が生じても、迅速にその気圧差を解消して平衡圧に戻すことができる。このように、揺動スプール５０のＸ方向移動量と流路面積の変化量とが比例関係となるように開口部の形状を設定できる。そのほかに、Ｘ方向移動量と流路面積との関係を非線形とすることもでき、また２段階変化とすることもできる。
【００８３】
図８は、可変絞り装置１０の作用として、揺動スプール５０とスリーブ４０との間の相対的位置関係が変更されたときの第１開口部Ａと第２開口部Ｂとの間の連通量の変化を説明する図である。図４には、横軸に時間をとり、揺動スプール５０とスリーブ４０との間の相対的位置の差である変位Ｘの変化と、これに対応する第１開口部Ａと第２開口部Ｂとの間の連通量の変化が示されている。図４に示されるように、Ｘが中立状態からみてプラス側あるいはマイナス側に変化しても、第１開口部Ａと第２開口部Ｂとの間の連通量は、Ｘの変化の方向に関わらず、Ｘの絶対値が同じであれば、同じとなる。第１開口部Ａと第２開口部Ｂとの間の連通量の大きさは、Ｘの絶対値の大きさの変更に応じて変更される。つまり、可変絞り装置１０は、Ｘの変化関数に対する一種の整流作用を有している。
【００８４】
このように、可変絞り装置１０は、入力ポート２８，３０のそれぞれにおける気体圧の差である差圧に応じて、揺動スプール５０とスリーブ４０との間の相対的位置関係が変化し、それによって第１開口部Ａと第２開口部Ｂとの間の連通量が自動的に変化するので、絞り装置として用いることができる。
【００８５】
そして、この可変絞り装置１０を入力ポート２８，３０をそれぞれ気体圧シリンダ２３０の供給ポート２４２，２４４に接続することで、全体としてダンパ機能として利用することができる。すなわち、図５で説明した構成において、振子制御が働かないとき、振子梁２０６と台車２０４との間に相対的運動が生じるとき、気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０は、全体としてダンパ機能を発揮し、振子梁２０６と台車２０４との間の相対的速度Ｖ＝ｄＸ／ｄｔに対応する反力Ｆを生じる。
【００８６】
図９は、気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０とを組み合わせたときのダンパ作用の特性線３２２の様子を示す図である。ここで横軸は振子梁２０６と台車２０４との間の相対的速度Ｖで、縦軸はピストンロッド２３４とシリンダ筐体２３２との間に生じる反力Ｆである。
【００８７】
ここでは、参考のために、気体圧シリンダ２３０の特性に開口部の大きさを合わせこんだ固定絞りであるオリフィス絞りを用い場合の特性線３２０も示されている。図９に示されるように、オリフィス絞りを用いたときの特性線３２０はヒステリシス特性を有するのに対し、可変絞り装置１０を用いる図５の場合は、線形性を有する特性線３２２となっている。
【００８８】
図１０は、図５に関連して説明したチェック弁２９０，２９２の作用を説明する図である。この図に示されるように、チェック弁２９０，２９２によって入力ポート２８，３０における気体圧の上限を適切に制限することで、可変絞り装置１０のダンパ特性の特性線３２２において、反力Ｆのばらつきを小さくし、全体の大きさを変更した特性線３２４とすることが可能となる。
【００８９】
可変絞り装置１０は、上記のように、揺動スプール５０のＸ方向移動量と流路面積の変化量とを比例関係とするほかに、開口部の形状を工夫することで、Ｘ方向移動量と流路面積との関係を非線形とすることができる。したがって、開口部の形状を工夫することで、速度Ｖ＝ｄＸ／ｄｔに対する反力Ｆの関係を比例関係のほかに非線形とすることができる。図１１は模式的にその様子を説明する図で、比例関係の特性線３２２のほかに、速度Ｖが大きくと反力Ｆが急増する特性線３２６、速度Ｖが大きくなると反力Ｆが飽和する特性線３２８が可能となる。
【００９０】
このように、可変絞り装置１０を気体圧シリンダ２３０と組み合わせたダンパ機能は、可変絞り装置１０の特性を利用して、ダンパ特性の特性線を柔軟に設計することができる。これによって、鉄道車両２００における制御の設計自由度を向上させることができる。
【００９１】
次に、可変絞り装置の変形例について説明する。図１２は、図３の構成において、第１接続流路３２と第２接続流路３４とに、それぞれ固定絞り部８０，８１を設ける可変絞り装置１２の構成を説明する図である。第１接続流路３２、第２接続流路３４、固定絞り部８０，８１以外の構成は図３と同じである。
【００９２】
固定絞り部８０は、第１接続流路３２に設けられ、左側バネ室２２に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞るためのものである。同様に固定絞り部８１は、第２接続流路３４に設けられ、右側バネ室２４に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞るためのものである。これによって、揺動駆動力の急変を抑制し、揺動駆動力の変化を滑らかなものとすることができる。
【００９３】
これら２つの固定絞り部８０，８１は同じものを用いることができるが、特にこれらを区別したいときは、第１固定絞り部８０、第２固定絞り部８１と呼ぶことができる。第１固定絞り部８０、第２固定絞り部８１としては、オリフィス絞り、ラジアルスリット方式絞り、多孔質物質の中に気体を流す多孔質絞り等を用いることができる。
【００９４】
固定絞り部８０の絞りの流路抵抗は、左側バネ室２２の気体容量に応じて、気体流れの脈動周波数を抑制するように設定することができる。すなわち、一般的に、絞りの流路抵抗をＲとし、気体が流れ込む気体室の気体容量をＣとすると、気体の流れの固有振動数ｆは、ｆ＝ω／（２π）＝１／（２πＲＣ）で示される。これ以上速い周波数は応答しないので、ハイパスカットフィルタ、すなわちローパスフィルタとして用いることができる。
【００９５】
上記では、スリーブ４０に設けられる左開口部４４と右開口部４６において、第１気体圧ＰAを有する気体が揺動スプール５０の側に供給されまたは揺動スプール５０の側から排出され、そして、中央開口部４２において、第２気体圧ＰBを有する気体が揺動スプール５０の側に供給されまたは揺動スプール５０の側から排出される。このような場合、上記のように、左開口部４４と右開口部４６とを第１開口部、中央開口部４２を第２開口部と呼ぶことができる。このように、上記では、開口部は３つであったが、開口部を３つ以外とすることもできる。
【００９６】
上記では、気体圧アクチュエータシステム２２０が振子制御を行う鉄道車両２００に適用される場合を説明したが、図１３は、動揺防止制御を行う鉄道車両２０１に適用される気体圧アクチュエータシステム２２１の例を示す図である。ここでは、車体２０２の梁と台車２０４との間に気体圧シリンダ２３０が設けられ、さらに可変絞り装置１０とサーボ弁２５０を備える。
【００９７】
気体圧アクチュエータシステム２２１における気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０とサーボ弁２５０の間の接続関係は、図２で説明した内容と同じである。この気体圧アクチュエータシステム２２１は、例えば、鉄道車両２０１が所定の速度以上となる通常走行条件のときには、車体２０２と台車２０４との間の相対的動揺を抑制するように、気体圧シリンダ２３０が動揺防止アクチュエータとして作用する。そして、動揺防止制御が働かない条件の下では、気体圧シリンダ２３０と可変絞り装置１０とがダンパ機能として働く。
【００９８】
前者のときの気体流れの様子は図４に関連して説明した内容と同様であり、後者のときの気体流れの様子は図５に関連して説明した内容と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明に係る気体圧アクチュエータシステムは、振子制御を行う鉄道車両、動揺防止制御を行う鉄道車両等に利用できる。
【符号の説明】
【０１００】
１０，１２ 可変絞り装置、２０，１００ 筐体、２２ 左側バネ室、２４ 右側バネ室、２８，３０ 入力ポート、２９，３１ 導入流路、３２，３４ 接続流路、４０，１０２ スリーブ、４２，４４，４６ 開口部、５０ 揺動スプール、５２ 中央ランド、５４ 左ランド、５６ 右ランド、６０ 左側復元バネ、６２ 右側復元バネ、７０ 左側調整ネジ、７２ 右側調整ネジ、８０，８１ 固定絞り部、２００，２０１ 鉄道車両、２０２ 車体、２０４ 台車、２０６ 振子梁、２１０ ローラ、２１４ 車輪、２１６ レール、２２０，２２１ 気体圧アクチュエータシステム、２３０ 気体圧シリンダ、２３２ シリンダ筐体、２３４ シリンダロッド、２３４ ピストンロッド、２３６ ピストン、２３８，２４０ 気体室、２４２，２４４ 供給ポート、２５０ サーボ弁、２５２ サーボ弁スリーブ、２５４ サーボ弁スプール、２５６ フォースモータ、２６０ 信号ポート、２６２ サーボ弁供給ポート、２６４，２６６ 出力ポート、２７０ 気体供給源、２８０，２８２ 導入弁、２８４，２８６ 連通弁、２９０，２９２ チェック弁、３００ センサ装置、３１０ 制御装置、３１２ アクチュエータ制御処理部、３１４ 切替制御処理部、３２０，３２２，３２４，３２６，３２８ 特性線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの両側の２つの気体室のそれぞれに制御気体圧を供給する２つの供給ポートを有する気体圧シリンダと、
気体供給源からの供給気体圧から気体圧シリンダに供給する２つの制御気体圧を生成して２つの出力ポートから出力するサーボ弁と、
２つの入力ポートから入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る可変絞り装置と、
２つの供給ポートと２つの出力ポートとの間に設けられる２つの導入弁と、
２つの供給ポートと２つの入力ポートとの間に設けられる２つの連通弁と、
切替指令に基づき、２つの導入弁の開閉と２つの連通弁の開閉とを制御し、気体圧シリンダがサーボ弁と接続され可変絞り装置とは遮断されるアクチュエータ機能作動状態と、気体圧シリンダが可変絞り装置と接続されサーボ弁とは遮断されるダンパ機能作動状態との間で作動状態を切り替える切替制御部と、
を備え、
可変絞り装置は、
ダンパ機能作動状態において、気体圧シリンダの２つの供給ポートにおける気体圧のいずれか一方を第１気体圧とし他方を第２気体圧として、第１気体圧と第２気体圧との差である差圧に応じ、２つの入力ポートの間の連通量を差圧の符号に関わらず線形的にまたは非線形的に変更することを特徴とする気体圧アクチュエータシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の気体圧アクチュエータシステムにおいて、
可変絞り装置は、
ステム上に左ランドと中央ランドと右ランドとが配置される揺動スプールと、
揺動スプールの各ランドの外周を支持して揺動スプールをステムの軸方向に揺動自在に案内するスリーブと、
揺動スプールの左ランド及び右ランドに対し、それぞれステムの軸方向に沿った復元力を与える左側復元バネと右側復元バネと、
スリーブに設けられ第１気体圧を有する気体が揺動スプール側に供給されまたは揺動スプール側から排出される第１開口部と、
スリーブに設けられ第２気体圧を有する気体が揺動スプール側から排出されまたは揺動スプール側に供給される第２開口部と、
第１気体圧を有する気体を左側復元バネが収容される左側バネ室に導いて、左ランドの左側面に第１気体圧を与えるための第１接続流路と、
第２気体圧を有する気体を右側復元バネが収容される右側バネ室に導いて、右ランドの右側面に第２気体圧を与えるための第２接続流路と、
を含み、
揺動スプールは、
左ランドの左側面に与えられる第１気体圧と右ランドの右側面に与えられる第２気体圧との差である軸方向差圧によって揺動駆動力を受け、
揺動スプールがスリーブに対し中立状態にあるときには、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係について、第１開口部と第２開口部との間の連通量がゼロあるいは予め定めた所定量の連通状態となるように設定され、あるいは中立状態から予め定めたオーバラップ量を超える移動によって初めて第１開口部と第２開口部との間が連通するように設定され、
揺動駆動力によって揺動スプールがスリーブに対し中立状態から移動するときには、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係が可変的に変更されることで、気体の流れを可変的に絞るようにして、第１開口部と第２開口部との間の連通量が移動の方向に関わらず相対的位置関係の変更量に応じて線形的にまたは非線形的に変更されることを特徴とする気体圧アクチュエータシステム。
【請求項３】
請求項２に記載の気体圧アクチュエータシステムにおいて、
第１接続流路に設けられ、左ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第１固定絞り部と、
第２接続流路に設けられ、右ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第２固定絞り部と、
を含むことを特徴とする気体圧アクチュエータシステム。
【請求項１】
ピストンの両側の２つの気体室のそれぞれに制御気体圧を供給する２つの供給ポートを有する気体圧シリンダと、
気体供給源からの供給気体圧から気体圧シリンダに供給する２つの制御気体圧を生成して２つの出力ポートから出力するサーボ弁と、
２つの入力ポートから入力される気体のそれぞれの気体圧の間の差圧に応じて流れを可変的に絞る可変絞り装置と、
２つの供給ポートと２つの出力ポートとの間に設けられる２つの導入弁と、
２つの供給ポートと２つの入力ポートとの間に設けられる２つの連通弁と、
切替指令に基づき、２つの導入弁の開閉と２つの連通弁の開閉とを制御し、気体圧シリンダがサーボ弁と接続され可変絞り装置とは遮断されるアクチュエータ機能作動状態と、気体圧シリンダが可変絞り装置と接続されサーボ弁とは遮断されるダンパ機能作動状態との間で作動状態を切り替える切替制御部と、
を備え、
可変絞り装置は、
ダンパ機能作動状態において、気体圧シリンダの２つの供給ポートにおける気体圧のいずれか一方を第１気体圧とし他方を第２気体圧として、第１気体圧と第２気体圧との差である差圧に応じ、２つの入力ポートの間の連通量を差圧の符号に関わらず線形的にまたは非線形的に変更することを特徴とする気体圧アクチュエータシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の気体圧アクチュエータシステムにおいて、
可変絞り装置は、
ステム上に左ランドと中央ランドと右ランドとが配置される揺動スプールと、
揺動スプールの各ランドの外周を支持して揺動スプールをステムの軸方向に揺動自在に案内するスリーブと、
揺動スプールの左ランド及び右ランドに対し、それぞれステムの軸方向に沿った復元力を与える左側復元バネと右側復元バネと、
スリーブに設けられ第１気体圧を有する気体が揺動スプール側に供給されまたは揺動スプール側から排出される第１開口部と、
スリーブに設けられ第２気体圧を有する気体が揺動スプール側から排出されまたは揺動スプール側に供給される第２開口部と、
第１気体圧を有する気体を左側復元バネが収容される左側バネ室に導いて、左ランドの左側面に第１気体圧を与えるための第１接続流路と、
第２気体圧を有する気体を右側復元バネが収容される右側バネ室に導いて、右ランドの右側面に第２気体圧を与えるための第２接続流路と、
を含み、
揺動スプールは、
左ランドの左側面に与えられる第１気体圧と右ランドの右側面に与えられる第２気体圧との差である軸方向差圧によって揺動駆動力を受け、
揺動スプールがスリーブに対し中立状態にあるときには、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係について、第１開口部と第２開口部との間の連通量がゼロあるいは予め定めた所定量の連通状態となるように設定され、あるいは中立状態から予め定めたオーバラップ量を超える移動によって初めて第１開口部と第２開口部との間が連通するように設定され、
揺動駆動力によって揺動スプールがスリーブに対し中立状態から移動するときには、第１開口部と第２開口部に対する各ランドの相対位置関係が可変的に変更されることで、気体の流れを可変的に絞るようにして、第１開口部と第２開口部との間の連通量が移動の方向に関わらず相対的位置関係の変更量に応じて線形的にまたは非線形的に変更されることを特徴とする気体圧アクチュエータシステム。
【請求項３】
請求項２に記載の気体圧アクチュエータシステムにおいて、
第１接続流路に設けられ、左ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第１固定絞り部と、
第２接続流路に設けられ、右ランド側に導かれる気体の流れを予め定めた絞り量で絞る第２固定絞り部と、
を含むことを特徴とする気体圧アクチュエータシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１６３３８６（Ｐ２０１１−１６３３８６Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４３７４（Ｐ２０１０−２４３７４）
【出願日】平成２２年２月５日（２０１０．２．５）
【出願人】（５０３０９４０７０）ピー・エス・シー株式会社 (36)
【出願人】（０００１７３７８４）公益財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月５日（２０１０．２．５）
【出願人】（５０３０９４０７０）ピー・エス・シー株式会社 (36)
【出願人】（０００１７３７８４）公益財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
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