(57)【要約】  【課題】  パンタグラフの大型化や複雑化等を引き起こすことなく、舟体のトロリ線への追随性能等を向上することができるパンタグラフ等を提供する。  【解決手段】  本発明のパンタグラフ１は、前後の舟体３、４の質量が異なる、あるいは、復元バネ１０ＦＬ、１０ＦＲ、１０ＲＬ、１０ＲＲのバネ定数が左右、前後及び左右、又は、全て異なる等のようにしたことで、いずれかの舟体３、４がトロリ線に接触しているような状態を維持できる。そのため、パンタグラフの追随性能が向上する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロリ線（給電線）に押し当てられる舟体と、
該舟体の左右を弾性支持する復元バネと、
該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、
を備えるパンタグラフであって、
前記復元バネのバネ定数が左右で異なることを特徴とするパンタグラフ。
【請求項２】
トロリ線（給電線）に押し当てられる少なくとも前後二本の舟体と、
該舟体の各々を左右で弾性支持する復元バネと、
該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、
を備えるパンタグラフであって、
前記復元バネのバネ定数が前後及び左右で異なることを特徴とするパンタグラフ。
【請求項３】
トロリ線（給電線）に押し当てられる少なくとも前後二本の舟体と、
該舟体の各々を左右で弾性支持する復元バネと、
該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、
を備えるパンタグラフであって、
前記舟体の質量が前後で異なり、
前記復元バネのバネ定数が前後及び左右で異なることを特徴とするパンタグラフ。
【請求項４】
前記復元バネのバネ定数が全て異なることを特徴とする請求項３記載のパンタグラフ。
【請求項５】
トロリ線（給電線）に押し当てられる舟体と、
該舟体の左右を弾性支持する復元バネと、
該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、
を備えるパンタグラフの離線防止方法であって、
前記復元バネのバネ定数を左右で異ならせて、前記舟体のローリング振動を一定程度励起させることを特徴とするパンタグラフの離線防止方法。
【請求項６】
トロリ線（給電線）に押し当てられる少なくとも前後二本の舟体と、
該舟体の各々を左右で弾性支持する復元バネと、
該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、
を備えるパンタグラフの離線防止方法であって、
前記復元バネのバネ定数を前後及び左右で異ならせて、前記舟体のローリング振動と上下並進振動を一定程度励起させることを特徴とするパンタグラフの離線防止方法。
【請求項７】
トロリ線（給電線）に押し当てられる少なくとも前後二本の舟体と、
該舟体の各々を左右で弾性支持する復元バネと、
該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、
を備えるパンタグラフの離線防止方法であって、
前記舟体の質量を前後で異ならせて、これら各舟体の固有振動数を異ならせるとともに、
前記復元バネのバネ定数を前後及び左右で異ならせて、前記舟体のローリング振動と上下並進振動を一定程度励起させることを特徴とするパンタグラフの離線防止方法。
【請求項８】
前記復元バネのバネ定数を全て異ならせて、前記舟体のローリング振動と上下並進振動を一定程度励起させることを特徴とする請求項７記載のパンタグラフの離線防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道の車体屋根上に搭載されて、トロリ線（給電線）から車両に電力を送るパンタグラフ、及び、その離線防止方法に関する。特には、パンタグラフの舟体のトロリ線への追随性能等を向上することができるパンタグラフ等に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の営業用の電気鉄道においては、トロリ線からパンタグラフを介して車両に電力を送る方式が一般的である。トロリ線とパンタグラフの舟体との接触力は、トロリ線の高さ変動や車両・パンタグラフの振動等によって変動する。この接触力の変動が大きすぎると、パンタグラフの舟体がトロリ線から離れる離線が生じるおそれがある。離線が生じると、舟体とトロリ線との間にアーク放電が起こり、これが頻発すると摺り板の損耗が進むため、問題となる。
【０００３】
そこで、従来より、パンタグラフの離線を抑制する手段がいくつか考案されている。例えば、特許文献１（特公昭５６−２７０４２号公報）に開示された集電装置は、複数個の集電子（舟体）が互いに独立に振動可能となるように、各々の集電子を共通の支持体で弾性支持し、各集電子の弾性支持系の共振点を相互に重ならないようにずらしたものである。同公報では、集電子の質量を２つ以上に分割し、それぞれバネを介して直列に結合することで、３次元以上のバネ振動系を構成することも開示されている。この集電装置では、各集電子の振動系の共振点をずらすことで、相互に他方の集電子の追随不能領域を補完することができ、広い速度範囲にわたって追随性能を良好に保つことができる。
【０００４】
あるいは、特許文献２（特開昭５４−２０５０６号公報）には、複数個の集電舟（舟体）をそれぞれ個別に上下動させる駆動機構を備えたパンタグラフが開示されている。このパンタグラフは、駆動機構により、各舟体を一定周期で相互に所定時間ずらせて上下動させることができる。そのため、各舟体のいずれかが常に架線（トロリ線）に接することとなり、離線の可能性を低減できるとされている。
【０００５】
【特許文献１】特公昭５６−２７０４２号公報
【特許文献２】特開昭５４−２０５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の集電装置により、複数個の集電子の各振動系の共振点をずらすことで、追随性能を良好に保てることがわかっている。一方、特許文献２のパンタグラフは、駆動機構及びその制御機器を用いているため、パンタグラフ全体が大型化するとともに複雑化する。さらに、各パンタグラフに駆動機構及びその制御機器を設けると、車両１台当たりのコストが著しく増すとともに、メンテナンスの手間や時間もかかる。
【０００７】
本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであって、パンタグラフの大型化や複雑化等を引き起こすことなく、舟体のトロリ線への追随性能等をさらに向上することができるパンタグラフ、及び、パンタグラフの離線防止方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１のパンタグラフは、トロリ線（給電線）に押し当てられる舟体と、  該舟体の左右を弾性支持する復元バネと、  該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、を備えるパンタグラフであって、  前記復元バネのバネ定数が左右で異なることを特徴とする。
なお、左右とは、パンタグラフの搭載される車両の幅方向左右をいう。舟体は、左右に延び、トロリ線に摺動する給電部材を意味する。復元バネは、通常、舟体と昇降機構の舟支えとの間に配置される。
この発明では、復元バネのバネ定数が左右で異なることで、舟体のローリング振動（舟体の左右端部の上下動）が一定程度励起され易くなる。これにより、パンタグラフの追随性能が向上する。
【０００９】
本発明の第２のパンタグラフは、トロリ線（給電線）に押し当てられる少なくとも前後二本の舟体と、  該舟体の各々を左右で弾性支持する復元バネと、  該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、を備えるパンタグラフであって、  前記復元バネのバネ定数が前後及び左右で異なることを特徴とする。
なお、前後とは、本パンタグラフの搭載される車両の進行方向前後（車両の走行するレールの長手方向）をいい、左右とは、パンタグラフの搭載される車両の幅方向左右をいう。
この発明では、例えば、右前と左後の復元バネのバネ定数を比較的大きくし、左前と右後の復元バネのバネ定数を比較的小さくすると、前後の舟体で左右対称なローリングモードが励起されるため、少なくとも前後いずれかの舟体がトロリ線へと接する確率が向上する。そのため、パンタグラフの追随性能が向上する。
【００１０】
本発明の第３のパンタグラフは、トロリ線（給電線）に押し当てられる少なくとも前後二本の舟体と、  該舟体の各々を左右で弾性支持する復元バネと、  該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、を備えるパンタグラフであって、  前記舟体の質量が前後で異なり、  前記復元バネのバネ定数が前後及び左右で異なることを特徴とする。
この発明では、前後の舟体の固有振動数をずらすことができるとともに、各舟体のローリング振動も一定程度励起され易くなる。例えば、舟体の質量を前後で異ならせるとともに、前述の第２のパンタグラフと同様に、パンタグラフ右前と左後の復元バネのバネ定数を比較的大きくし、左前と右後の復元バネのバネ定数を比較的小さくすると、舟体の上下並進モード及びローリングモードの固有振動数が前後の舟体でそれぞれ相異なるため、これらのモードが励起され易い周波数範囲が拡大する。そのため、パンタグラフの追随性能がより向上する。
【００１１】
本発明の第４のパンタグラフにおいては、前記復元バネのバネ定数が全て異なるものとすることができる。
この場合も、舟体の上下並進モード及びローリングモードの固有振動数が前後の舟体でそれぞれ相異なるため、これらのモードが励起され易い周波数範囲が拡大する。そのため、パンタグラフの追随性能が向上する。
【００１２】
本発明の第１のパンタグラフの離線防止方法は、トロリ線（給電線）に押し当てられる舟体と、  該舟体の左右を弾性支持する復元バネと、  該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、を備えるパンタグラフの離線防止方法であって、  前記復元バネのバネ定数を左右で異ならせて、前記舟体のローリング振動を一定程度励起させることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２のパンタグラフの離線防止方法は、トロリ線（給電線）に押し当てられる少なくとも前後二本の舟体と、  該舟体の各々を左右で弾性支持する復元バネと、  該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、を備えるパンタグラフの離線防止方法であって、  前記復元バネのバネ定数を前後及び左右で異ならせて、前記舟体のローリング振動と上下並進振動を一定程度励起させることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第３のパンタグラフの離線防止方法は、トロリ線（給電線）に押し当てられる少なくとも前後二本の舟体と、  該舟体の各々を左右で弾性支持する復元バネと、  該復元バネを介して前記舟体を昇降する昇降機構と、を備えるパンタグラフの離線防止方法であって、  前記舟体の質量を前後で異ならせて、これら各舟体の固有振動数を異ならせるとともに、  前記復元バネのバネ定数を前後及び左右で異ならせて、前記舟体のローリング振動と上下並進振動を一定程度励起させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第４のパンタグラフの離線防止方法においては、前記復元バネのバネ定数を全て異ならせて、前記舟体のローリング振動と上下並進振動を一定程度励起させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、舟体のトロリ線への追随性能等を向上することができるパンタグラフ、及び、パンタグラフの離線防止方法を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態では、シングルアーム式のパンタグラフを例に採って説明する。
図１は、本実施の形態に係るパンタグラフを示す機構図である。
図２は、同パンタグラフをモデル化した図である。
なお、以下の説明における上下、左右、前後は、図１及び図２に示す矢印方向を指すものとする。上下は鉄道車両の高さ方向をいい、左右は鉄道車両の幅方向をいい、前後は鉄道車両の走行するレールの長手方向をいう。
【００１８】
これらの図に示すシングルアーム式のパンタグラフ１は、電車の車体屋根２上に搭載される。このパンタグラフ１の上端には、左右方向に沿って延びる舟体３、４が、前後方向に１つずつ設けられている。各舟体３、４は、一例でアルミニウム合金製である。各舟体３、４の上表面には、それぞれ摺り板３ａ、４ａが貼られている。摺り板３ａ、４ａは、鉄系や銅系の焼結合金製又はカーボン系材料等からなる。これら摺り板３ａ、４ａがトロリ線（給電線）Ｔに直接接触する。
【００１９】
各舟体３、４は、それぞれ復元バネ１０（１０ＦＬ、１０ＦＲ、１０ＲＬ、１０ＲＲ）で弾性支持されている（図２参照）。各復元バネ１０はベローバネ等からなり、上端が各舟体３、４の左右下面にそれぞれ連結されているとともに、下端が舟支え１５に連結されている。なお、復元バネ１０は、実際には、各舟体３、４の左右それぞれに２つずつ、計８つ設けられている場合もあるが、その場合も図２に示すように計４つとして考えてもモデル上は等価である。本発明では、復元バネ１０ＦＬ、１０ＦＲ、１０ＲＬ、１０ＲＲのバネ定数をそれぞれ所定の値に設定することで、パンタグラフ１の追随性能を向上することができる（詳しくは後述する）。
【００２０】
引き続きパンタグラフ１の全体構成について説明する。
舟支え１５は、昇降運動を行うリンク（４節リンク）を備える昇降機構２０に連結されている。各舟体３、４は、昇降機構２０が上昇した後には、復元バネ１０の弾性力でトロリ線Ｔに押し付けられる。昇降機構２０のリンクは、前後方向に延びる上枠２１を備えている。この上枠２１の上端は、連結部２３を介して舟支え１５に連結されている。上枠２１の下端側は、くの字状に屈曲された形状となっている。この上枠２１下端のくの字屈曲部には、第一節２５を介して下枠２７の上端が連結されている。
【００２１】
舟支え１５下端側と下枠２７上端側は、上枠２１の下方に配置された舟支えリンク２９で繋がれている。この舟支えリンク２９は、舟支え１５及びその上の舟体３、４を正規の姿勢に保つ役割を果たすリンク部材である。上枠２１の下端には、第三節３１を介して釣り合い棒３３の上端が連結されている。この釣り合い棒３３の下端は、第四節３５を介して車体屋根２上の取付フランジ３７に連結されている。下枠２７の下端は、主軸（第二節）４１に連結されている。この主軸４１は、車体屋根２上の取付フランジ４５に回動可能に支持されているとともに、車体屋根２上に配置された主バネ４３に連結されている。主バネ４３は、パンタグラフ１に上昇力を与える部材である。
【００２２】
このパンタグラフ１は、以下の通りに昇降動作する。まず、舟体３を上昇させるには、図示せぬ解除機構を解除して主バネ４３を縮める。すると、この主バネ４３の付勢力を受けて下枠２７が主軸４１を支点として図１中Ｕ方向に起き上がり、この下枠２７の動きが第一節２５を介して上枠２１に伝わる。このとき、上枠２１は、第一節２５を支点として図１中Ｕ′方向に起き上がり、上端側が連結部２３を介して舟支え１５を持ち上げる。このようにして、舟体３、４が上昇し、摺り板３ａ、４ａがトロリ線Ｔに押し当てられる。これとは逆に、舟体３、４を下降させるには、図示せぬ折り畳み用シリンダで下枠２７を図１中Ｄ方向に下げる。すると、上枠２１が図１中Ｄ′方向に回転し、パンタグラフ１が下降する。このようなパンタグラフ１の折り畳み状態では、主バネ４３が伸びた状態となる。そして、図示せぬカギ装置で舟支え１５をロックすることにより、パンタグラフ１を折り畳み状態でロックできる。
【００２３】
次に、本実施の形態に係るパンタグラフの追随性能の試験結果について詳述する。
図３は、舟体偏位が中央の場合におけるパンタグラフの追随性能の理論上の計算結果を示すグラフである。
図４は、舟体偏位が中央の場合におけるパンタグラフの追随性能の実験結果を示すグラフである。
図５は、舟体偏位が中央から７５ｍｍの位置におけるパンタグラフの追随性能の実験結果を示すグラフである。
図６は、舟体偏位が中央から１５０ｍｍの位置におけるパンタグラフの追随性能の実験結果を示すグラフである。
これらのグラフは、縦軸が追随振幅（単位ｍｍ）を表し、横軸が周波数（単位Ｈｚ）を表す。
【００２４】
図３のグラフは、舟体偏位が中央（左右方向中央位置）の場合における、パンタグラフの追随性能の理論上の計算結果が示されている。計算上想定したパンタグラフのモデルは、図２に示すものと同等であり、前後の舟体３、４と、各舟体３、４を弾性支持する前後左右４箇所の復元バネ１０ＦＬ、１０ＦＲ、１０ＲＬ、１０ＲＲを備えるものである。本試験では、基準となる復元バネとして、バネ定数ｋ＝１．３４×１０−３Ｎ／ｍｍのものを採用した。以下、前後左右４箇所の復元バネ１０ＦＬ、１０ＦＲ、１０ＲＬ、１０ＲＲのバネ定数をそれぞれｋＦＬ（前側左）、ｋＦＲ（前側右）、ｋＲＬ（後側左）、ｋＲＲ（後側右）で表す。
【００２５】
図３の各グラフα、β、γは、次のような各パンタグラフの追随性能を示す。
実線のグラフαは、前後左右４箇所の復元バネのバネ定数が全て同一（ｋＦＬ＝ｋＦＲ＝ｋＲＬ＝ｋＲＲ＝ｋ）と想定したパンタグラフである。
点線のグラフβは、前側左右の復元バネのバネ定数が、後側左右の復元バネのバネ定数の半分の値（ｋＦＬ＝ｋＦＲ＝０．５×ｋ、ｋＲＬ＝ｋＲＲ＝ｋ）と想定したパンタグラフである。
一点鎖線のグラフγは、前側右と後側左の復元バネのバネ定数が、前側左と後側右の復元バネのバネ定数の半分の値（ｋＦＲ＝ｋＲＬ＝０．５×ｋ、ｋＦＬ＝ｋＲＲ＝ｋ）と想定したパンタグラフである。
グラフαは現状の典型的なパンタグラフであり、グラフβは前述の特許文献１（特公昭５６−２７０４２号公報）に類似のパンタグラフであり、グラフγは本発明に係るパンタグラフである。
【００２６】
本試験では、ＪＲ在来線普通電車に搭載されるパンタグラフを想定する。本試験におけるパンタグラフの追随振幅性能の評価は、低周波数域を対象とし、図３において周波数ｆ（横軸）が１０Ｈｚ以下の箇所で、追随振幅ｍｍ（縦軸）の値が大きいほど性能が高く、小さいほど性能が低いものと判断する。
【００２７】
図３によれば、グラフβは６Ｈｚ付近で追随振幅の良好なピークが得られており、グラフγは３．５Ｈｚ付近及び６Ｈｚ付近の２箇所で追随振幅の良好なピークが得られていることがわかる。ところが、グラフαは、５Ｈｚ付近で大きく下に凸となっており、極小点付近では追随振幅が２ｍｍ程度となっている。このことから、計算上、本発明に係るグラフγのパンタグラフは、２箇所で追随振幅の良好なピークが得られているため、現状のグラフαのパンタグラフよりも追随振幅性能が向上するものと判断できる。
【００２８】
次に、図４〜図６を参照して、前述のグラフα、β、γで示される各パンタグラフの実験結果について述べる。図４〜図６において、○はグラフαに対応するパンタグラフの測定データを示し、△はグラフβに対応するパンタグラフの測定データを示し、□はグラフγに対応するパンタグラフの測定データを示す。
図４に示す舟体偏位が中央（左右方向中央位置）の場合は、グラフαについて、図３で得られたものと同様に、４Ｈｚ付近で追随振幅の小さい極小点が観測されている。一方、本発明に係るグラフγは、４Ｈｚ付近〜５Ｈｚ付近の範囲でグラフαより極小点が高く、この周波数領域で追随性能が向上しているといえる。
【００２９】
図５に示す舟体偏位が中央から７５ｍｍの位置の場合は、約３．５〜５Ｈｚ強の範囲で、グラフβ、γの方がグラフαよりも追随振幅が大きくなっており、約４．５Ｈｚではグラフγがグラフβよりも追随振幅が大きくなっている。したがって、この場合も本発明に係るグラフγのパンタグラフは追随性能が向上しているといえる。
図６に示す舟体偏位が中央から１５０ｍｍの位置の場合は、グラフαが約３．５Ｈｚ及び５Ｈｚ強の２箇所で下に凸の極小点を記録している。これに対して、本発明に係るグラフγは、約３Ｈｚ強〜５．５Ｈｚの範囲で追随振幅が大きくなっており、追随性能が向上していることがわかる。
【００３０】
なお、通常のトロリ線は、左右方向に２００ｍｍ程度の範囲内で吊架されている。そのため、図４〜図６に示したような、舟体偏位が中央から左右に最大１５０ｍｍの範囲をとって実験を行うことにより、実際の路線上の追随振幅性能を充分に確認できる。
【００３１】
以上の実施例では、本発明に係るパンタグラフとして、前側右と後側左の復元バネのバネ定数が前側左と後側右の復元バネのバネ定数の半分の値（ｋＦＲ＝ｋＲＬ＝０．５×ｋ、ｋＦＬ＝ｋＲＲ＝ｋ）のものについて試験を行ったが、これに限らず、前側右と後側左の復元バネのバネ定数を前側左と後側右の復元バネのバネ定数よりも小さくする、バネ定数の値を半分以外の他の値に設定する、復元バネのバネ定数を全て異ならせて舟体のローリング振動及び上下並進振動を励起させ易くする、あるいは、これらを組み合わせる等によっても、前述のグラフγと同様の追随性能向上効果を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施の形態に係るパンタグラフを示す機構図である。
【図２】同パンタグラフをモデル化した図である。
【図３】舟体偏位が中央の場合におけるパンタグラフの追随性能の理論上の計算結果を示すグラフである。
【図４】舟体偏位が中央の場合におけるパンタグラフの追随性能の実験結果を示すグラフである。
【図５】舟体偏位が中央から７５ｍｍの位置におけるパンタグラフの追随性能の実験結果を示すグラフである。
【図６】舟体偏位が中央から１５０ｍｍの位置におけるパンタグラフの追随性能の実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１  パンタグラフ                              ２  車体屋根
３、４  舟体                                  ３ａ、４ａ  摺り板
１０（１０ＦＬ、１０ＦＲ、１０ＲＬ、１０ＲＲ）  復元バネ
１５  舟支え                                  ２０  昇降機構
【図１】
2006174667.tif 000003
【図２】
2006174667.tif 000004
【図３】
2006174667.tif 000005
【図４】
2006174667.tif 000006
【図５】
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【図６】
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