(57)【要約】      （修正有）【課題】高速で走行する鉄道車両に搭載される「空力音低減を図った舟体」に対して、安定な揚力特性と低空力音性能を損なうことなく、高い追随性能が得られる追随機構を装備した、揚力安定化と空力音低減の双方に優れたパンタグラフを提供する。【解決手段】パンタグラフ１は、高速鉄道車両に搭載され、トロリ線と摺動して集電する舟体３を有する。パンタグラフ１は、車両の屋根100上に設置され、昇降可能な枠組５と、その頂部に剛に取り付けられた、まくらぎ方向に延びる芯部材31と、該芯部材31に、弾性部材35、34を介して支持された舟体33と、を備える。舟体33は、まくらぎ方向に複数に分割されているとともに、そのまくらぎ方向垂直断面における断面形状が、芯部材31を包む殻状である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速鉄道車両に搭載され、トロリ線と摺動して集電する舟体（３）を有するパンタグラフ（１）であって、
前記車両の屋根（100）上に設置され、昇降可能な枠組（５）と、
該枠組（５）の頂部に剛に取り付けられた、まくらぎ方向に延びる芯部材（31）と、
該芯部材（31）に、弾性部材（35、34）を介して支持された舟体（33）と、を備え、
該舟体（33）が、まくらぎ方向に複数に分割されているとともに、
前記舟体（33）のまくらぎ方向垂直断面における断面形状が、前記芯部材（31）を包む殻状であることを特徴とするパンタグラフ（１）。
【請求項２】
前記舟体（133）に、レール方向に延びる貫通孔（132）が形成されていることを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道車両の集電装置（パンタグラフ）に関する。特には、高速で走行する鉄道車両に搭載される多分割舟体を備えるパンタグラフであって、揚力安定化と空力音低減の双方に優れたパンタグラフ等に関する。なお、本明細書では、「集電舟体」のことを、単に「舟体」ともいう。
【背景技術】
【０００２】
高速鉄道の例として「新幹線（登録商標）」について説明する。パンタグラフで最も基本的な要求特性は、架線への追随性である。すなわち、パンタグラフ舟体が、架線から離れることなく、かといって過大な接触力を生じさせることなく、架線（トロリ線）に追随してスムーズな接触を続けること（追随性）が求められる。特に、新幹線などの高速鉄道においては、架線の凹凸をパンタグラフが通過する時間的周期が短く、架線とパンタグラフの間に加わる接触力の変動も鋭敏なため、追随性に関する高度な技術が求められている。さらに、騒音問題が、新幹線速度を決める支配的な要素となっている現況では、一車両当たりのパンタグラフの台数を減らすことと、舟体の空力音を低減することも、きわめて切実な技術課題である。
【０００３】
一般に、新幹線車両のパンタグラフには、追随機構として、「枠組の上下動作機構」と、「舟体またはすり板」の上下動作機構の２つが備わっており、力学的には二元系を成している。上記２つの追随機構のうち、「枠組の上下動作機構」は径間周期（電柱などの架線支持体間隔）に対応した架線凹凸に追随するように、ばね定数等が調整されている。一方、「舟体またはすり板の上下動作機構」は、隣り合うハンガ（架線の縦方向吊り線）の間隔に対応した架線凹凸に追随するように、ばね定数等が調整されている。パンタグラフの高い追随性能を、高速域でも維持するためには、「舟体またはすり板の上下動作機構」が、とりわけ重要である。
【０００４】
現在実用化されている「舟体またはすり板の上下動作機構」は、主として、図５に示す「リニアガイド方式」（舟体とすり板、ホーンが上枠に対して一体で上下動する機構、特許文献１）と、図６に示す「可動式すり板機構」（舟体に対してすり板が上下動する機構）との、２種類が存在している。さらに、後者の可動式すり板機構については、すり板のまくらぎ方向分割数を多くして、一枚あたりのすり板質量を小さくし、追随性能を向上させた「多分割すり板機構」（図７、特許文献２）が、最新の新幹線（東北新幹線E5系、E6系など）に採用されている。この多分割すり板機構により、１列車に１台のパンタグラフでの集電走行が可能となっている。
【０００５】
ここで、各従来の技術のパンタグラフについて、概要を説明する。
図５は、特許文献１などに記載されている「リニアガイド方式」の舟体503を備えるパンタグラフ501の概要を示す模式的正面断面図である。このパンタグラフ501の枠組505の上端には、まくらぎ方向左右に延びる舟体支持部材551が取り付けられている。同部材551の左右には、リニアガイド553が、上下に延びるように取り付けられている。左右に延びる舟体本体531（上面には図示せぬすり板が貼られている）、及び、左右下方に突出するホーン537は、リニアガイド553に上下方向移動自在に支持されており、芯部材551に対して一体で上下動する。なお、芯部材551の左右端部には、舟体本体531を上向きに付勢する支持バネ535が設けられている。
【０００６】
図６は「可動式すり板機構」付き舟体603を備える、従来のパンタグラフ601の概要を示す模式的正面断面図である。このパンタグラフ601の枠組605の上端には、まくらぎ方向左右に延びる舟体本体631が取り付けられている。同舟体本体631の左右端には、左右斜め下方に突出するホーン637が突設されている。舟体本体631の上面には、板バネ634を介して、分割すり板633が貼られている。板バネ634の中央部下面には、同バネ及びすり板633を上向きに付勢する支持バネ635が設けられている。板バネ634は薄く撓り易いものであり、各分割すり板633は、舟体本体631に対して上下動可能である。なお、板バネ634の左右端部は、舟体本体631の端部にピン支持されている（図示されず）。
【０００７】
図７は、特許文献２などに記載されている、従来の「多分割すり板機構」の舟体703を備えるパンタグラフ701の概要を示す模式的正面断面図である。このパンタグラフ701の枠組705の上端には、まくらぎ方向左右に延びる舟体本体731が取り付けられている。この図７のパンタグラフ701は、図６のパンタグラフよりも、すり板733のまくらぎ方向分割数を多くすることにより、一枚あたりのすり板質量を小さくして、追随性能を向上させたものである。すり板733・板バネ734を支持する支持バネ735も、左右方向に多数設けられている。
【０００８】
空力音低減と揚力特性の安定化について
上述のように、新幹線用パンタグラフにおいては、追随性能に加えて、「空力音の低減」と「揚力特性の安定化」を両立させることも、また重要な要求事項となっている。
「空力音の低減」には、舟体の断面形状を流線型化することが効果的である。また、舟体前後に貫通する孔を設けることも効果的である。
一方、「揚力特性の安定化」においては、風向変化や、すり板摩耗などの要因による舟体断面形状の変化による揚力変化量が小さいことも、また重要である。この観点からは、流線型の舟体断面形状は望ましくない（上記要因に応じて揚力が敏感に変化する）。
【０００９】
こういった背景から、本件特許の出願人である鉄道総研では、CFD（Computational Fluid Dynamics）解析と最適化手法を組み合わせた手法により、空力音低減と揚力特性安定化を両立する平滑舟体形状（図８）を提案している。図８（Ａ）は、同平滑舟体のまくらぎ方向垂直断面に沿う形状を模式的に示す側面断面図であり、図８（Ｂ）は、貫通孔の形状例を示す正面図である。この平滑舟体803の側面断面形状は、前側（図８（Ａ）の左側）の方がやや太め（鈍頭）で、後側がやや細めの流線形である。貫通孔832は、舟体803を前後方向に貫く孔である。
【００１０】
本発明者らは、図８の舟体と貫通孔を組み合わせることで、大きな空力音低減効果が得られることを、実験的にも確認している。空力特性を追求すると、双方向走行を前提とすることは難しく、図８の舟体は、走行方向が１方向に限定されたものである。この舟体の実用化においては、空力音低減の観点から１パンタグラフ集電走行を行うことが望ましい。
【００１１】
空力音低減を図った舟体への追随機構の実装について
しかしながら、上記図８の空力音低減を図った舟体を、上述の舟体追随機構を有するパンタグラフに実装しようとした場合、以下のような問題がある。
（１）リニアガイド方式においては、ばねによって弾性支持される部分の質量が大きく、追随性能の面で不利である。また、図５に示すように、舟体503の部分の運動を上下方向に制限するためのリニアガイド553の下部553ｂが、舟体本体531の底面から突出する構造であると、その部分が空力音源となる。
（２）図６の可動式すり板機構や、図７の多分割すり板機構においては、すり板の上下変位によって、平滑な外形状に段差部（凹凸）が生じ、これが原因で、揚力が敏感に変化するうえ、空力音も発生してしまう（図９を参照しつつ次述）。
【００１２】
図９は、分割すり板の上下変位に伴う、まくらぎ方向垂直断面における段差発生の状況を模式的に示す側面断面図である。図９（Ｂ）は、分割すり板936が中立位置にある状態であるが、このとき、すり板903は、図８で説明した鈍頭流線形のままであり、すり板断面の表面のシルエットは、流線形を保っている。しかし、図示せぬトロリ線が分割すり板936の上から隣の分割すり板に移動するなどして、（Ａ）のように、分割すり板936が、支持バネ935よって上に持ち上げられて上方に変位した状態では、この流線形が崩れる。すなわち、図（Ａ）において、分割すり板936の前縁936b、及び、後縁936bが、舟体本体931の上面から上にせり出してしまっている。
【００１３】
一方、図９（Ｃ）の、分割すり板936が沈んだ状態（図示せぬトロリ線に押し下げられるなどして）では、今度は、舟体本体931の前側壁部931b、及び、後側壁部931dが、露出して段差がシルエット（プロフィル）の外に、表れてしまう。このようになると、すり板の上下変位によって、平滑な外形状に段差部（凹凸）が生じ、この段差部が原因で、揚力が敏感に変化するうえ、空力音も発生してしまう
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開2004-187448号公報
【特許文献２】特開2005-160266号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、高速で走行する鉄道車両に搭載される「空力音低減を図った舟体」に対して、安定な揚力特性と低空力音性能を損なうことなく、高い追随性能が得られる追随機構を装備した、揚力安定化と空力音低減の双方に優れたパンタグラフ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】
【００１６】
この「課題を解決するための手段」の項、及び、「特許請求の範囲」においては、添付図各部の参照符号を括弧書きして示すが、これは単に参考のためであって、権利範囲を添付図のものに限定するものではない。
【００１７】
本発明のパンタグラフ（１）は、  高速鉄道車両の屋根（100）上に搭載され、トロリ線と摺動して集電する舟体（３）を有するものであって、  昇降可能な枠組（５）と、  該枠組（５）の頂部に剛に取り付けられた、まくらぎ方向に延びる芯部材（31）と、  該芯部材（31）に、弾性部材（35、34）を介して支持された舟体（33）と、を備え、  該舟体（33）が、まくらぎ方向に複数に分割されているとともに、  前記舟体（33）のまくらぎ方向垂直断面における断面形状が、前記芯部材（31）を包む殻状であることを特徴とする。
【００１８】
本発明における「殻状の分割舟体（33）」は、完全に閉じた形状であることが好ましいが、枠組（５）などの他の部位との干渉を避けるために、一部少し開いた形状であってもよい。弾性部材（35、34）には、板バネ（34）が、含まれていても、含まれていなくてもよい。本発明における舟体（133）には、レール方向に延びる貫通孔（132）が形成されていることが好ましい。ただし、貫通孔は必須ではない。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のパンタグラフ（１）においては、分割された個別の舟体（33）が上下動作しても、図２を参照しつつ後述するように、舟体（33）の断面形状の変化がない。すなわち、舟体（33）のまくらぎ方向垂直断面に、段差部が生じたりしない。したがって、「揚力特性」及び「空力音特性」を損なうことなく、高い追随性能を発揮できる。
より具体的には、舟体（33）が分割され、動作する部分の質量が軽くなるため、「リニアガイド方式」と比べて、高い追随性能を発揮できる。また、「可動式すり板機構」や「多分割すり板機構」と比べると、上下動作による断面形状の変化が無いため、揚力特性、空力音特性への悪影響が小さい。その結果、上下動する舟体部分を軽量化することで追随性能を向上させ、列車の１パンタグラフ集電走行も可能である。さらに、内部の機構を小型化することで、貫通孔の設置も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一実施形態に係る、分割すり板機構の舟体３を備えるパンタグラフ１の概要を示す図であって、（Ａ）は模式的正面断面図であり、（Ｂ）は同舟体のまくらぎ方向垂直断面における形状を模式的に示す側面断面図である。
【図２】図１の舟体において分割すり板が上下変位しても、まくらぎ方向垂直断面において段差が発生しないことを示す側面断面図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る、分割すり板機構の舟体103を備えるパンタグラフ101の概要を示す図であって、（Ａ）は模式的正面断面図であり、（Ｂ）は同舟体のまくらぎ方向垂直断面に沿う形状を模式的に示す側面断面図である。
【図４】図３の実施形態に係るパンタグラフ舟体の模型を用いた、風洞実験の状況を撮影した写真である。
【図５】特許文献１などに記載されている「リニアガイド方式」の舟体503を備えるパンタグラフ501の概要を示す模式的正面断面図である。
【図６】「可動式すり板機構」付きの舟体603を備える、従来のパンタグラフ601の概要を示す模式的正面断面図である。
【図７】特許文献２などに記載されている、従来の「多分割すり板機構」の舟体703を備えるパンタグラフ701の概要を示す模式的正面断面図である。
【図８】本件特許の出願人である鉄道総研が提案している、空力音低減と揚力特性安定化を両立する平滑舟体の図であって、（Ａ）は、同平滑舟体のまくらぎ方向垂直断面に沿う形状を模式的に示す側面断面図であり、（Ｂ）は、貫通孔の形状例を示す正面図である。
【図９】図８の舟体における分割すり板の上下変位に伴って発生する、まくらぎ方向垂直断面における段差の状況を、模式的に示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１；パンタグラフ、５；枠組、31；芯部材（舟体支持部材）、33；分割舟体、
34；板バネ、35；支持バネ、36；端部、37；ホーン、133；分割舟体、132；貫通孔、
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の第一実施形態に係る、分割すり板機構の舟体３を備えるパンタグラフ１の概要を示す図である。（Ａ）は模式的正面断面図であり、（Ｂ）は同舟体のまくらぎ方向垂直断面に沿う形状を模式的に示す側面断面図である。
【００２３】
このパンタグラフ１の枠組５の上端には、まくらぎ方向左右に延びる芯部材（舟体支持部材）31が取り付けられている。同部材31の左右端部には、上に盛り上がった端部36が形成されている。端部36は、下にもやや突となっており、後述する分割舟体33の高さとほぼ同じである。芯部材31の端部36の端には、左右下方に突出するホーン37が突設されている。
【００２４】
分割舟体33は、図１の例では、左右方向中央に配置された比較的幅広の中央部33Cと、左右二個ずつ合計４個の左右部33A・B・D・Eを有する。ただし、舟体の分割数は、これに限られるものではなく、より多くても少なくてもよい。分割舟体33の上面には、図示せぬすり板が取り付けられている。なお、各分割舟体33と隣の分割舟体33との間の隙間は、図ではかなり開いているように描かれているが、実際は狭い。また、この隙間あるいは各分割舟体33の側面は、前後方向にやや斜めになっている。
【００２５】
また、各分割舟体33は、その上部の内腔（図１（Ｂ）参照）において、板バネ34で左右に連結されている。なお、この板バネ34は、上下には柔軟な（剛性が低い）ものであって、隣り合う分割舟体33のみ、多少の拘束を受ける。芯部材31と各分割舟体33との間には、複数の支持バネ35が介装されており、分割舟体33は上向きに付勢支持されている。なお、支持バネ35は、前後にも複数個、装備されていてもよい。
【００２６】
第一実施形態の舟体を、まくらぎ方向垂直断面に沿う断面で見ると、舟体33の側面断面形状は、前側（図１（Ｂ）の左側）の方がやや太め（鈍頭）で、後側がやや細めの流線形である。そして、舟体33のまくらぎ方向垂直断面における断面形状は、芯部材31を包む殻状である。なお、図１の例では、中央部の分割舟体33Cは、支持バネ35の伸び縮みに伴い、枠組５に対して主に上下に相対変位する。したがって、中央部の分割舟体33Cは、枠組５との間に隙間ができ、完全に芯部材31を包みきる閉じた形態とはならないが、そのような隙間は極力小さくすることが好ましい。
【００２７】
図２は、図１の舟体において分割すり板が上下変位しても、まくらぎ方向垂直断面において段差が発生しないことを示す側面断面図である。上下の三つの図の中央の図２（Ｂ）は、分割舟体33が中立位置にある状態である。図２（Ａ）は、図示せぬトロリ線が分割舟体33の上から隣の分割舟体33に移動するなどして、分割舟体33（Ａ）が、支持バネ35によって上に持ち上げられて、上方に変位した状態である。一方、図２（Ｃ）は、分割舟体33（Ｃ）が沈んだ状態（図示せぬトロリ線に押し下げられるなどして）である。なお、図２（Ａ）及び（Ｃ）において、想像線で示す分割舟体33の外形33（Ｂ）は、中立位置（図２（Ｂ））にある分割舟体33である。
【００２８】
いずれの場合も、分割舟体33の断面形状（シルエット、プロフィル）に変化はなく、舟体33のまくらぎ方向垂直断面に、段差部が生じたりしない。したがって、「揚力特性」及び「空力音特性」を損なうことなく、高い追随性能を発揮できる。また、舟体33が分割され、動作する部分の質量が軽くなるため、「リニアガイド方式」と比べて、高い追随性能を発揮できる。また、「可動式すり板機構」や「多分割すり板機構」と比べると、上下動作による断面形状の変化が無いため、揚力特性、空力音特性への悪影響が小さい。その結果、上下動する舟体部分を軽量化することで追随性能を向上させ、列車の１パンタグラフ集電走行も可能である。
【００２９】
図３は、図１の舟体にさらに貫通孔を組み合わせて、より一層の空力音低減を図った、本発明の第二実施形態に係るパンタグラフを模式的に示す図である。図３（Ａ）は模式的正面断面図であり、（Ｂ）は、まくらぎ方向垂直断面に沿う舟体の形状を模式的に示す側面断面図である。各分割舟体133には、１個又は複数の貫通孔132が、車両前後方向（レール長手方向）に延びるように開けられている。貫通孔132の径は、例えば6mm〜11mm、相互間隔は、例えば20mm〜50mmである。図１の舟体に、さらに貫通孔を組み合わせることで、大きな空力音低減効果が得られることを、実験的にも確認している。
【００３０】
図４は、図３の実施形態に係るパンタグラフ舟体の模型を用いて、風洞実験を行っている状況を撮影した写真である。写真のパンタグラフ舟体模型は、白っぽいベージュ色の左右に延びる棒状物である。舟体模型には、多数の貫通孔が開けられている。舟体模型の中央部下側のアーム状のものは枠組である。写真では、右から２コマ目の分割舟体が下方に変位している。ただし、この状態でも、揚力特性や空力音特性に重大な悪影響を与える段差は生じていない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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