臨時採用されるも、いつ公職追放になるかわからない不安な状況の中、地上信号機に変わる新しい車内信号器の研究に取り組んでいた。1952年の対日講和条約で公職追放が自然消滅し正式に研究所員となった。十河総裁就任で新幹線建設の号令が出ると、河辺の研究が新幹線には不可欠であることがわかり、自動列車制御ATCが開発された。この安全性の高さは半世紀近くの新幹線乗客の死者ゼロが示している。このような重要線区に使用する信号保安装置は最も保安度が高く、最も運転能率のよいものでなければならない。Control〕装置は現在の技術段階において正に最高級のものといえよう。50周年記念講演会(1)が開催されたとき、東海道新幹線の構想が初めて世に公表された。そのときの講演者の1人として、筆者は東海道新幹線のATCは丁度そのころ実用化され始めたAF(可聴周波)軌道回路(2)(3)とA形車内警報(4)を組み合わせることによって、全エレクトロニクス式のATCを開発することが最も好ましいことを述べた。以来この線に沿って研究を進め、ついに電源同期によるSSB-AF式の7現示式ATC(5)(6)を開発することができた(7)-(11)。topATCは先行列車との関係または駅へ進入するときなどに衝突、脱線などの運転事故を起こさないように、進路の条件に従って列車の速度を自動的に低下させ、または停止させるための保安装置である。ATCは地上装置と車上装置からなり、地上装置からの信号を車上装置によって受信し、進路の条件に従って列車に許しうる制限速度を運転室内に現示し、列車の速度がこの制限速度を越えないように、自動的にブレーキを動作または緩解させる機能を持っている。東海道新幹線に使用するATCは速度制御方式と称するもので、地上からの信号が絶えず車上に受信されていて、地上の信号が変化すると車上の信号も直ちに変化し、これに即応することができる。新幹線のATCの地上装置は第1図に示すように、1.5kmごとにレールを電気的に絶縁した軌道回路の連続からなり、各軌道回路の一端のレール間へ信号電圧を加え、他端のレール間でこの信号電圧を受信する。各軌道回路の送信器は隣接軌道回路の受信器によって制御され、それぞれその区間に適当な制限速度に対応する信号電流をレールヘ流す。新幹線のATCはこの軌道回路2個によって3kmの閉塞区間を構成する。閉塞区間とは、その区間へ列車が入っている時は、原則としてその区間へ他の列車を入れないようにする区間のことをいう。従って信号の現示すなわちその区間を走る列車に許される制限速度は閉塞区間ごとに変化する。先行列車の進行に従ってその後方の各閉塞区間の信号は自動的に変化する。これを自動信号という。先行列車のいる区間の信号電流は、列車の車輪と車軸によってレール間を短絡されるから、それより先へは流れていかない。一般に信号電流がない状態の制限速度は最もきびしい。第2図に示すように、車上には列車の最前部の車輪の前に2個の水平形受電器と称する受信用コイルを取り付け、これでレールを流れる信号電流を受信する。この受信電圧を車上の車内信号受信器によって解読し、現在走っている閉塞区間の制限速度が何km/hであるかを知る。列車がいないとき地上の軌道回路受信器が受信すると全く同じ信号を車上で受信する。車軸に取り付けた速度発電機と速度照査器によって、車輪の回転速度から列車の現在の速度を知る。車内信号受信器からの制限速度と速度照査器からの列車速度とを自動制御機構(論理装置)へ入れて比較し、もし後者が前者を越えているときは、ベル、ブザなどによって警報を発すると同時にブレーキを動作させる。列車速度が制限速度以下に低下すればブレーキを緩解する。これらがすべて自動的に行なわれる。top東海道新幹線においては、列車速度が高いため地上信号機を建てても殆ど役にたたない。そこで新幹線においてはレールのそばに信号機を建てることをやめ信号は運転台の車内信号だけとした。ATCは一般に速度を何段階かに分けて順に低下させ最後に停止させる。先行列車との関係で駅間へ臨時停車するときの信号現示と列車速度の関係を示すと第3図のとおりである。200km/hで走っている列車が先行列車へ次第に接近して、制限速度160km/hの区間へ進入すると、列車がその区間へ進入してから2秒後に車内信号の現示が210から160へ変わり同時にベルが単打される。このベルは車内信号が上下いずれへ変化するときも単打される。2秒経つと自動ブレーキが実際に動作し始める。4秒の空走時間があり、この間に列車は220m走る。一般にはこの空走時間のあとにさらに5秒程度の余裕時分を設けて、この時間内に運転士にブレーキ扱いをさせるが、新幹線ではこの余裕時分を設けず直ちにブレーキを動作させる。Operation〕的性格を持っている。列車速度が次第に低下して160km/h以下になるとブレーキは自動緩解する。その後は運転士の操作によって160km/h以下で走る。列車速度が160km/hを少しでも越すと直ちにブレーキが動作し、列車速度は常に自動的に制限速度以下に保持される。駅間へ停車する場合の信号現示と列車速度さらに先行列車へ接近して制限速度30km/hの区間へ進入すると、ベルが単打して車内信号は160から30に変わり、この時もブレーキが動作するが、この時だけは列車速度が30km/h以下に低下しても、運転士が特に確認ボタンを押さなければブレーキは停止するまで緩解しない。従ってたとえ運転士が運転不能の状態に陥っても列車は必ず安全に停止する。運転士が健在で確認ボタンを押すと始めてブレーキは緩解し、30km/h以下の速度でさらに先行列車へ接近できる。先行列車の入っている区間の境界から約100m離れたところ(ここをP点という)までくると、ここで再びベルが単打して車内信号は30から01に変わり再びブレーキが動作する。停止後確認ボタンを押せば、30km/h以下の速度で先行列車の入っている区間へ入る(この時の信号現示は02で、これを無閉塞運転という)こともできるが、これには列車無線によって中央の運転指令から許可を得なければならない。図示の制限速度のほかに、急曲線などのため特に速度を制限する必要のある区間には110km/hの制限速度が固定的に追加される。各閉塞区間とも工事などの都合で臨時に制限速度70km/hを与えることもできる。これらの点も自動運転的性格である。ブレーキ距離を確保するためには2.3km以上を必要とする。第4図は列車が駅へ停車するときの信号現示と列車速度との関係を示す。名古屋駅以外の中間駅においては、停車列車は原則として本線から副本線へはいって停車する。従ってこの時は列車が分岐器を副本線の方へ渡るときの制限速度70km/hが必ず追加される。その他は駅間へ停車するときと同じである。列車が停止限界を誤って行過ぎると、そこには50mにわたって制限速度0km/h(信号現示は03)の区間が設けられているので、この区間へ入ると非常ブレーキが動作し、列車は強制的に停車させられ、僧号が変わるまでブレーキは緩解できない。従って新幹線には安全側線はない。topすでに述べたように、東海道新幹線には筆者らの研究によって交流電化区間へ広く実用されている日本独得のAF軌道回路を使用することにした。現在無で使用しているAF軌道回路はDSB(両側帯波)式(2)(3)であるのに対し、新幹線のそれはSSB(単側帯波)式(5)(6)である点が異なる。現在線の搬送周波数はLCの固定発振であるのに対し、新幹線のそれは架線電源の60Hzに同期させた電源同期式である。第5図に示すように、上り線の軌道回路に対しては720Hzと900Hzの上側帯波を交互に配置し、下り線の軌道回路に対しては840Hzと1,020Hzの下側帯波を交互に配置する。搬送波は架線電源から取った電圧を整形して方形波に変え、さらにこれを微分してパルス波形に変え、奇数倍のときはそのまま、偶数倍のときは全波整流したあとでBPF(帝城フィルタ)を通してその高調波を取り出す。変調周波数は第5図に示すように10、15、22、29、および36Hzとし、これをそれぞれ210、160、110、70および30km/hの制限速度に対応させる。いずれもLCによる固定発振である。無電流(無信号)は制限速度30km/hに対応するが、信号現示は02とする。01信号は列車がP点を通過したとき、点制御による地上子(LCの共振コイル)からの信号を受信して、地上には36Hz変調のレール電流があるにもかかわらず、車上装置だけ見掛け上無電流と同じ状態にするもので、車上では01と02は全く同じである。搬送波および変調波の配分0km/hの制限速度に対応する停止信号03は、上り線に対しては840Hz、下り線に対しては900Hzのそれぞれ無変調波を使用する。この場合1.5AT以上の強力な信号電流をレールに沿ってレールの内側へ50m展張したループ線(中央で1回交差させる)へ流し、妨害電圧の影響を受けないようにする。01〜03信号は運転上はいずれも0信号として同一の現示にしてあるから、運転上は6現示、機構上は7現示ということになる。軌道回路の送信器および受信器はいずれもトランジスタ、ダイオードなどを使用する全エレクトロニクス式である。そこでこの信頼度を上げ、保守を容易にするため約20km分ずつの機器をまとめて、冷暖房装置を施した29個所の信号機器室へ納める集中式とした。レールのそばにはインピーダンスボンドと保安器だけを置き、機居室との問を最大54対のポリエチレン星形アルミ披ケーブル(直埋め)で接続する。ケーブルは送信用と受信用をそれぞれ別ケーブルとし、かつケーブル心線間に混触を生じたときには、混触検知器によって60Hzのパイロット電源を切り、危険な錯誤動作を防止する処理を施した。軌道回路の送電端と受電端にそれぞれ最大16kmと17.5kmのケーブルを接続すると、周波数1,000Hzにおけるこの両ケーブル中の減衰が0.5dB/kmとして17.5dB、それぞれのケーブルの両端における結合部の損失が整合変圧器4個分で2dB、インピーダンスボンド2個分で4dBとして6dBとなる。0.8モー/kmの漏れコンダクタンスをもつ1.5km長の軌道回路の1,000Hzの減衰が18dB/kmとして27dBとなる。そこで、これらの減衰を全部加えると、送信器から受信器までの全減衰は50.5dBとなるから、送信出力を40.5dBm、受信入力を−10dBmとするとちょうどこの軌道回路を制御しうる。よって送信器の出力は650オームへ85V、受信認の入力は600オームへ0.25Vになるように設計した。一閉塞を構成する2個の軌道回路の接続点の受信器は変調周波数を選別受信する必要がないので単なる中継器とした。東海道新幹線は全線25kV、60Hzの交流で電化され、一編成あたりの電車電流は常時400A程度であるが、レールを流れる電車電流は最大800Aに達することが予想される。この電流は2本のレールに2分されて流れるが、左右のレールを流れる電車電流に差があると、この差の電流すなわち不平衡電流によってレール間に極めて大きい妨害電圧を発生する。新幹線電車のとる電車電流の高調波は、nを高調波次数とすると実測の結果2.2(+-0.8)/n*n程度含まれているから、80A(全電流の10%)の不平衡があると等価還流分は40Aとなり、第13次の高調波780Hzの妨害電流は0.5Aに達する。受電端レール間の負荷インピーダンスを3オーム、最小信号レール電流を0.025A(2.7dBm)とすると上記の妨害電流はちょうどこの20倍である。DSB式ではこのような大きい妨害電圧に耐えられないが(2)、SSB式では理論上は全然妨害の影響を受けることなく(5)、実測のうえでも20倍までは充分耐えられることを確かめてある。電源に同期しない妨害電圧が入ってくると、極めてまれではあるが危険な動作をすることが予想される。実際にはこの妨害のレベルは低いので、この影響はレベルの差によって充分防げる。SSB式は上述のように定常的な妨害に対しては極めて強いが、不連続的に現われる妨害に対してはやや弱い。これは継電器の時素その他で防いでいる。復調のため電源に同期した局部電圧を必要とする点は、車上装置にとってやや不便を感ずることがある。受信器の構成図および信号機器室内の外観を第6図〜第8図に示す。受信器において振幅制限器の出力は継電器の最小動作電圧の3倍(車上の場合は2倍)で押えられ、この出力波形は殆ど方形波であるから、10Hzの第3調波の30Hzによって29Hzの継電器が誤動作しないよう選択増幅器内のトリガレベルなどを慎重に調整してある。機器を集中したため1機器室内の搬送波と変調波の発生部は各軌道回路へ個々に設ける必要はなく共用にしている。送信器は2台設備して1号機が故障したときは自動的に2号機へ切り替わる。受信器は常時3台を軌道回路へ並列に接続するが、このうちの1台は照査器として変調波の選別受信を行なわない。この3台のうちどれか1台が他と異なった動作をした時は故障表示するが、多数決原理によって信号現示には影響しない。この故障表示は機器室内だけでなく中央制御所へも表示される。Safeになるように設計してある。top車内信号は第9図に示すような2個の受電器によってレールに流れる信号電流を受信する。受電器はその底面がレール面上200mmの高さになるように車体へ取り付けられ、レールに最小限50mA(短絡前は25mA)の信号電流が流れたとき、車上の350〜500オームの負荷へ10mVの電圧(−37dBm)を誘起する。車内信号受信器は上り線を走るときは720Hzと900Hzの上側帯波、下り線を走るときは840Hzと1,020Hzの下側帯波の信号電流を受信するように、上り下りの装置を手動で切り替える。地上装置はそれぞれを構成する細かいユニットまでさし替えできるようにしてあるが、車上装置は大きいブロックごとにさし替えできるようにしてある。復調のために必要な同期電圧は各車ユニットの主変圧器の三次巻線から取り、車両電源の故障のときは順次他の車両ユニットの三次巻線へ自動的に切り替わる。その他の構造、性能は軌道回路受信器と全く同じである。車内信号受信器の外観を第10図に示す。top車輪の回転速度を知るための速度発電機は第11図のよりに歯本箱に取り付けられ、歯車の歯が発電機の磁極の下を通るときの磁気抵抗の変化によって交流電圧を発生する。この磁極(10個からなる)にはもう1組別のコイルを巻いて、これへ架線電源からとった60Hzの電流を流し移動磁界を作ってある。従って発電機の出力端には列車が停止しているときでも常に60Hzの電圧を発生している。この移動磁界の波長を歯車の歯のピッチに一致させ、歯車が移動磁界と逆方向へ回転すると、回転速度、すなわち列車速度に比例する周波数が60Hzに加算される。大歯車の複数を63枚、車輪径を910mmとすると、210km/hのときの出力周波数は1,345Hzとなる。車両の受電器このようにすれば発電機が故障したときの出力周波数は零になり、これは−10km/hの速度に相当するから、これにより発電機の故障と列車の停止とを明確に区別することができる。速度照査器にとってこのことは極めて重要である。車輪径の補正は830〜910mmの間を10mmずつできる。このようにして発生した交流電圧を高域減衰特性をもつ増幅回路を経て電圧をほぼそろえたうえで、シュミット回路へ入れて波形整形し、ワンショットマルチバイブレータヘ入れる。この出力のパルス幅は一定になるから、これを積分回路へ入れて周波数に比例した直流電圧を得る。速度発電機の60Hz励振電圧の有無を知るための速度−5km/hの諸速度に対応する基準電圧を直流12V電源から作る。160km/hの制限速度に対応する基準電圧が上昇用比較器へ入り、110km/hの制限速度に対応する基準電圧が下降用比較器へ入る。この状態では速度発電機からの電圧はちょうど上記2制限速度に対応する基準電圧の間に挟まれることになり、それぞれの比較器からは正常な出力電圧が出て基準電圧切換用の継電器を励磁し、列車速度が160〜110km/hの速度帯にあることを安定に表示する。列車速度が上がって160km/hの制限速度を越すと、上昇用比鞍置の出力が零となって切換継電器を消磁し、速度帯は210〜160km/hに切り替わって両び安定する。逆に列車速度が110km/h以下に下がると下降用比較器の出力が零となって、速度帯は110〜70km/hに切り替わって安定する。速度照査器によって、連続量としての速度表示がその上下の制限速度で挟まれた速度帯表示に変換される。速度帯を切り替えるときの確度は車輪径の誤差を含めて+-2%である。基準電圧作成部とこの切換部はワイヤスプリング継電器を用いる継電器式である。運転台の速度計は第12図に示すように、車内信号は制限過度の目盛りの上部のランプで表示され、速度帯は2制限速度の目盛りの間のランプで表示される。top論理装置は制限速度と列車速度を比較してブレーキ指令を出す部分であるが、上述のように両入力が継電器接点の開閉によって構成されているから、この両者の突き合せもまた継電器接点の組み合わせによって行なう。この継電器にはワイヤスプリング継電器を用いているが、出力部など重要なところへは信頼度の高い多接点の鉄道信号用の継電器を用いる。車上装置の制御系は第13図に示すように車内信号受信器と同様に三重系になっている。このうちの第3号機の速度基準電圧は1、2号機に比べてやや高く(6〜10km/h)設定してあるから、列車速度が制限速度を越えたときは1、2号機のいずれかがまずブレーキ指令を発すると同時に他の2系に同期指令を出す。これによって他の2系の基準電圧を低下(6〜10km/h)させ、他の2系も直ちにブレーキ指令を出し、各系の動作が一致する。列車速度が制限速度以下に低下すれば同期指令は解除され基準電圧は元へ戻る。Safeの故障によってブレーキ指令を出しても、他の2系が正常ならば多数決原理に従って故障の系は切り離され、不必要なブレーキ指令は発しない。故障の系が切り離され、残りの2系で走行中さらに1系が故障すると、動作の不一致によって系全体が切り離され非常ブレーキが動作する。同期指令は制限速度を越えた時だけ発せられるが、第3号機は同期指令を発せず、また速度指令も発しないように簡易化されている。通常のブレーキ指令は常用ブレーキであるが、列車速度が210km/h以上で車内信号が160以下の時と、列車速度が160km/h以上で車内信号が110以下の時、列車速度が30km/h以上で車内信号が零の時および列車速度が30km/h以下の時でも車内信号が03のときの各場合はいずれも非常ブレーキが動作する。非常ブレーキの時でも列車速度が制限速度以下に低下すればブレーキは自動的に緩解するが、特に30または零の信号を受けて非常ブレーキが動作した時は、いったん停止後確認扱いをしないとブレーキは緩解しない。km/hの制限速度を越えた時は常用ブレーキ、03信号を受信した時は非常ブレーキが動作する。退行運転の時の制限速度は機構上25km/hになる。topブレーキは電気ブレーキと空気ブレーキからなるが、空気ブレーキは油圧に変換されて円盤ブレーキを動作させるので、これが余り頻繁に動作すると摩耗が早いことと、低速度では電気ブレーキの効果が少ないため、50km/h以上のときは電気ブレーキが動作し、50km/h以下のときは空気ブレーキが動作するように切り替わる。電気ブレーキが故障したときは、50km/h以上の時でも空気ブレーキに自動的に切り替わる。高速度から強いブレーキをかけると、車輪が滑走して脱線などの事故の原因になるので、ブレーキカは速度範囲に応じて4段階に分け、高速度ほどブレーキ力を弱めてある。260から160km/hまでは1.5km/h/秒、160から110km/hまでは1.9km/h/秒、110から70km/hまでは2.4km/h/秒、70km/hから停止までは2.6km/h/秒の減速度を標準とし、自動的に切り替わる。この減速度には走行抵抗によるものは含まれない。電気ブレーキの指令が出てから実際にブレーキ力が作用するまでの遅れを極力少なくするため、それぞれの速度範囲における最適の抵抗値へ、抵抗器のカム軸をあらかじめ自動的に回転しておく。これをSpottingというが、この時の速度範囲は110以上、110〜70、70〜0km/hの3範囲になっている。非常ブレーキの場合は高速度においても空気ブレーキを動作させ、電空併用によって1.4倍のブレーキ力を与えるようになっている。このほか車掌弁を扱った場合、列車分離など緊急の場合は緊急ブレーキを動作させるが、これは空気ブレーキだけからなる。top以上述べたように、東海道新幹線のATCは25kVの交流電化区間へ使用され、妨害電圧の影響を排除するため電源同期のSSB-AF式を採用し、地上車上装置とも全部エレクトロニクス式であること、信号現示が7種類もあり、最高の制限速度が210km/hに達するという世界に例のない全く新しい日本独得の方式である。Safeに設計製作してある。従ってATCがある限り、たとえ運転士が運転不能の状態に陥っても、また機器が故障しても、列車の衝突、脱線などの運転事故は完全に防止される。レールを短絡しない障害物に対しては、ATCによって事故を直接防止することはできないので、これに対しては別の対策をとっている。昭和32年以来実用機を完成するまでに前後5回の試作を行ない、40数回の現地試験、6回のATC総合試験を行なって改良を重ねてきた。地上装置の一部についてはすでに2年以上の長期試験を行なっているが、その結果は極めて良好で予想した信頼度は充分確保しうることがわかった。総合試験における速度曲線の一例を第14図に示す。昭和39年10月にはいよいよ東京−大阪間の全線にわたって正式使用を開始することになっているが、7年有余の長い研究がここにようやく実を結ぶ日を迎えるにいたったことはまことに感慨無量である。同時に、この研究のために、またこの設計、製作、工事などのために、実に多くの方々の貴重な努力が払われていることを考えるとなんとも感謝の言葉がない次第である。:東海道新幹線に関する研究(第1冊)212(昭35-4)(8)河辺・板倉・遊佐:東海道新幹線に関する研究(第2冊)345(昭36-4)(9)河辺・板倉・遊佐:東海道新幹線に関する研究(第3冊)431(昭37-4)(10)河辺・遊佐:東海道新幹線に関する研究(第4冊)411(昭38-4)(11)河辺・清沢:東海道新幹線に関する研究(第5冊)635��39-4)top****************************************。