(57)【要約】【課題】パンタグラフの複雑化を引き起こすことなく広範な車両速度域において集電摺動部のトロリ線への追随特性を向上したパンタグラフ等を提供する。【解決手段】トロリ線Ｔに接触する集電摺動部１０と、集電摺動部１０を車体に対し変位可能に支持する支持機構３０と、支持機構３０に設けられたバネ定数を変更可能な可変バネ要素１００と、車両の走行時にトロリ線Ｔが集電摺動部１０を加振する卓越周波数に応じて可変バネ要素１００のバネ定数を変更する制御手段Ｃとを備える構成とする。【選択図】図１
2008271780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロリ線に接触する集電摺動部と、
前記集電摺動部を車体に対し変位可能に支持する支持機構と、
前記支持機構に設けられたバネ定数を変更可能な可変バネ要素と、
前記車両の走行時に前記トロリ線が前記集電摺動部を加振する卓越周波数に応じて前記可変バネ要素の前記バネ定数を変更する制御手段と、
を備えるパンタグラフ。
【請求項２】
前記制御手段が前記車両の走行速度変化に応じて前記可変バネ要素のバネ定数を変更することを特徴とする請求項１に記載のパンタグラフ。
【請求項３】
前記可変バネ要素が圧縮ガスの貯留されるガス室を有する空気バネであり、
前記制御手段の出力に応じて前記ガス室内の前記圧縮ガスの圧力を変更する圧力可変手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のパンタグラフ。
【請求項４】
前記圧力可変手段が前記空気バネのガス室内圧力よりも高圧のガスを供給する高圧ガス供給源と、前記高圧ガス供給源と前記空気バネのガス室とを連通させる管路に設けられた圧力調整弁とを備えることを特徴とする請求項３に記載のパンタグラフ。
【請求項５】
前記可変バネ要素は、圧縮ガスの貯留されるガス室を有する空気バネであり、
前記制御手段の出力に応じて前記ガス室の容積を変更する容積可変手段を備えることを特徴とする請求項１から４に記載のパンタグラフ。
【請求項６】
前記容積可変手段が前記空気バネのガス室と管路を介して接続され、前記管路に設けられた弁によって前記ガス室と連通した状態又は遮断された状態を選択可能な副ガス室を備えることを特徴とする請求項５に記載のパンタグラフ。
【請求項７】
前記容積可変手段が前記空気バネのガス室と管路を介して接続され、連続的に容積を変更可能な容積可変ガス室を備えることを特徴とする請求項５に記載のパンタグラフ。
【請求項８】
前記可変バネ要素が、
該可変バネ要素の付勢力を前記集電摺動部に伝達する付勢力伝達部材と、
前記付勢力伝達部材を前記トロリ線方向に付勢する第１の空気バネと、
前記付勢力伝達部材を前記第１の空気バネとはほぼ反対方向に付勢する第２の空気バネとを備えることを特徴とする請求項３から７に記載のパンタグラフ。
【請求項９】
前記可変バネ要素が弾性を有する固体材料によって形成され、前記空気バネとほぼ同じ方向に前記集電摺動部を付勢する補助スプリングを備えることを特徴とする請求項３から８に記載のパンタグラフ。
【請求項１０】
トロリ線に接触する集電摺動部、前記集電摺動部を車体に対して変位可能に支持する支持機構、及び、前記支持機構に設けられたバネ要素を有するパンタグラフの追随特性向上方法であって、
前記車両の走行時に前記トロリ線が前記集電摺動部を加振する卓越周波数に応じて前記バネ要素のバネ定数を変更することを特徴とするパンタグラフの追随特性向上方法。
【請求項１１】
前記車両の走行速度増加に応じて、前記バネ要素のバネ定数を変更することを特徴とする請求項１０に記載のパンタグラフの追随特性向上方法。
【請求項１２】
前記圧力可変手段と前記第１の空気バネのガス室とを連通させる管路、及び、前記圧力可変手段と前記第２の空気バネのガス室とを連通させる管路のそれぞれに、流量制限部が
設けられていることを特徴とする請求項８に記載のパンタグラフ。
【請求項１３】
前記圧力可変手段は、各空気バネのガス室の圧力変更時以外であっても、該圧力可変手段と前記流量制限部との間の圧力を所定値に維持することを特徴とする請求項１２に記載のパンタグラフ。
【請求項１４】
前記第１の空気バネのガス室と前記第２の空気バネのガス室とを連通させる管路と、
該管路に設けられた流量制限部と、
を備えることを特徴とする請求項８に記載のパンタグラフ。
【請求項１５】
前記圧力可変手段は、前記第１の空気バネのガス室及び第２の空気バネのガス室の圧力変更時以外はこれらのガス室から遮断されることを特徴とする請求項１４に記載のパンタグラフ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道においてトロリ線からの集電を行うパンタグラフ、及び、このようなパンタグラフの追随特性向上方法に関する。特には、車両の速度変化等に起因してトロリ線からの加振周波数が変化する場合であっても、広い周波数帯域において良好な追随特性が得られるパンタグラフ及びパンタグラフの追随特性向上方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現状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。車体に対するトロリ線の高さは一定ではなく、例えばトロリ線を支持するハンガの配置間隔等に応じた高さ変化（凹凸）があることから、車両の走行時にパンタグラフの舟体はトロリ線から周期的に変動する加振を受けることになる。ここで、舟体に設けられたすり板体がトロリ線の高さ変化に追随しきれずにトロリ線から離れる離線が生ずると、すり板体とトロリ線との間にスパークが生じてすり板体の損耗が進み問題となる。そのため、パンタグラフには、すり板体のトロリ線に対する追随特性を向上することにより、離線が極力起こらないことが求められる。
【０００３】
従来、パンタグラフのトロリ線に対する追随特性を向上する技術として、以下のものが知られている。
（１）複数個の舟体が互いに独立に振動可能となるように、各々の舟体を共通の支持体で弾性支持し、各舟体の弾性支持系の共振点を相互に重ならないようにずらす（例えば、特許文献１を参照）。
（２）前後１対の舟体を設けて、各舟体の質量を異ならせるとともに、各舟体の車幅方向両端部にそれぞれ設けられた復元バネのバネ定数を前後左右で異ならせる（例えば、特許文献２を参照）。
（３）複数個の舟体をそれぞれ個別に上下動させる駆動機構を備え、各舟体を一定周期で相互に所定時間ずらして上下動させることによって、各舟体のいずれかが常にトロリ線に接するように制御する（例えば、特許文献３を参照）。
【特許文献１】特公昭５６−２７０４２号公報
【特許文献２】特開２００６−１７４６６７号公報
【特許文献３】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】
【０００４】
しかし、上記した各特許文献の従来技術は、複数の舟体を必要とすることからパンタグラフの構造が複雑化し、重量も大きくなる。さらに、既存のパンタグラフを改修して適用することも困難である。
また、電気鉄道の高速化に伴い、パンタグラフには広範な速度域で良好な追随特性を発揮することが要求されている。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、パンタグラフの複雑化を引き起こすことなく広範な車両速度域において集電摺動部のトロリ線への追随特性を向上したパンタグラフ、及び、パンタグラフの追随特性向上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】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明のパンタグラフは、トロリ線に接触する集電摺動部と、前記集電摺動部を車体に対し変位可能に支持する支持機構と、前記支持機構に設けられたバネ定数を変更可能な可変バネ要素と、前記車両の走行時に前記トロリ線が前記集電摺動部を加振する卓越周波数に応じて前記可変バネ要素の前記バネ定数を変更する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
パンタグラフの集電摺動部のトロリ線に対する追随振幅特性は、周波数に応じていくつかのピークと谷とが現れるのが一般的である。このようなピークや谷のみられる周波数は集電摺動部を支持するバネ要素のバネ定数に応じて変化する。
本発明によれば、車両の走行時にトロリ線が集電摺動部を加振する卓越周波数に応じて、上記可変バネ要素のバネ定数を変更することによって、良好な追随振幅が得られる周波数帯をシフトさせてパンタグラフの追随特性を向上することができる。これによって、例えば複数の舟体を設ける等のパンタグラフの構造を複雑化することなく、広範な車両走行速度域にわたってパンタグラフの追随特性を向上することができる。
【０００８】
本発明のパンタグラフにおいて、前記制御手段が前記車両の走行速度変化に応じて前記可変バネ要素のバネ定数を上げるものとする。
すなわち、トロリ線が集電摺動部を加振する卓越周波数は、トロリ線を支持するハンガ等の配置間隔がほぼ一定である場合には、車両の走行速度にほぼ比例する。一方、バネ要素のバネ定数を上げる（大きくする）ことによって追随振幅特性のピークを周波数が高い側へシフトさせることができるため、車両の走行速度に応じてバネ定数を上げることによって、良好な追随振幅特性を得ることができる。
この場合、バネ要素のバネ定数は、連続的に変えてもよく、また、段階的に変えてもよい。
【０００９】
本発明のパンタグラフは、前記可変バネ要素が圧縮ガスの貯留されるガス室を有する空気バネであり、前記制御手段の出力に応じて前記ガス室内の前記圧縮ガスの圧力を変更する圧力可変手段を備える構成とすることができる。
なお、本明細書、請求の範囲等において、「空気バネ」とは、バネ反力を発生させる圧縮気体として気体（空気以外も含む）を用いたものとする。空気バネは、典型的には例えばローリングダイアフラム式やエアシリンダ式のものが用いられるが、特にこれらに限定されない。
この場合、ガス室内の圧縮ガスの圧力を増減することによって空気バネのバネ定数を変化させることができる。
【００１０】
ここで、前記圧力可変手段が前記空気バネのガス室内圧力よりも高圧のガスを供給する高圧ガス供給源と、前記高圧ガス供給源と前記空気バネのガス室とを連通させる管路に設けられた圧力調整弁とを備える構成とすることができる。
【００１１】
本発明のパンタグラフは、前記可変バネ要素は、圧縮ガスの貯留されるガス室を有する空気バネであり、前記制御手段の出力に応じて前記ガス室の容積を変更する容積可変手段を備える構成とすることができる。
この場合、ガス室の容積を増減することによって、バネ定数を増減することができる。
【００１２】
ここで、前記容積可変手段が前記空気バネのガス室と管路を介して接続され、前記管路に設けられた弁によって前記ガス室と連通した状態又は遮断された状態を選択可能な副ガス室を備える構成とすることができる。
この場合、副ガス室の容積や設置する個数によって空気バネのバネ定数を広範な範囲で可変にすることができる。
【００１３】
また、前記容積可変手段が前記空気バネのガス室と管路を介して接続され、連続的に容積を変更可能な容積可変ガス室を備える構成とすることもできる。
この場合、全体の気室容積を連続的に変化させ、空気バネのバネ定数を無段階に可変してきめ細かい制御を行うことができる。
【００１４】
本発明のパンタグラフは、前記可変バネ要素が、該可変バネ要素の付勢力を前記集電摺動部に伝達する付勢力伝達部材と、前記付勢力伝達部材を前記トロリ線方向に付勢する第１の空気バネと、前記付勢力伝達部材を前記第１の空気バネとはほぼ反対方向に付勢する第２の空気バネとを備える構成とすることができる。
【００１５】
本発明のパンタグラフは、前記可変バネ要素が弾性を有する固体材料によって形成され、前記空気バネとほぼ同じ方向に前記集電摺動部を付勢する補助スプリングを備える構成とすることができる。
この場合、補助スプリングの設定によってガス圧力の調整だけでは得られない所望のバネ定数を得ることができ、また、空気バネに故障が発生した場合のフェイルセーフ性を確保することができる。
【００１６】
本発明のパンタグラフの追随特性向上方法は、トロリ線に接触する集電摺動部、前記集電摺動部を車体に対して変位可能に支持する支持機構、及び、前記支持機構に設けられ前記集電摺動部を前記トロリ線方向に付勢するバネ要素を有するパンタグラフの追随特性向上方法であって、前記車両の走行時に前記トロリ線が前記集電摺動部を加振する卓越周波数に応じて前記バネ要素のバネ定数を変更することを特徴とする。
この場合、前記車両の走行速度増加に応じて、前記バネ要素のバネ定数を増加させることができる。
【００１７】
本発明のパンタグラフは、前記圧力可変手段と前記第１の空気バネのガス室とを連通させる管路、及び、前記圧力可変手段と前記第２の空気バネのガス室とを連通させる管路のそれぞれに、流量制限部が設けられている構成とすることができる。
【００１８】
ここで、流量制限部とは、管路の一部の流路断面積を他の部分よりも小さくする等して流路抵抗（圧力損失）を発生させ、流量を制限する手段一般を含むものとする。このような流量制限部には、オリフィス絞り、流量制御弁、多孔質絞り、ベンチェリなどが含まれる。
【００１９】
前述の可変バネ要素においては、付勢力伝達部材が可変バネ要素の伸縮に伴い中立位置から変位したときに圧力可変手段の設定が変更されて、圧縮ガスが各空気バネのガス室に導入又は排出された場合、各ガス室内の１ストロークを通じた平均ガス圧（定常的ガス圧）に差が生じ、付勢力伝達部材の中立位置が変化することが起こりうる。しかし、本発明によれば、圧力可変手段と各空気バネのガス室との間の圧縮ガスの流量を制限することによって、圧力可変手段の設定変更後に、ある程度の時間をかけて各空気バネのガス室の内圧を変化させることができる。その結果、可変バネ要素が中立位置以外の位置にあるときに圧力可変手段の設定圧力が変更されても、各ガス室内の圧力変化が完了するまでの間に可変バネ要素が伸縮するため、各ガス室の定常的ガス圧が圧力可変手段の設定を変更するタイミングに左右されにくくなる。これによって、各ガス室の定常的ガス圧を均等に近づけることができ、付勢力伝達部材の中立位置を維持できる。
以降の説明において、「中立位置」とは、上下のガス室の圧力が均衡し、復元力が零となる位置を意味する。
【００２０】
本発明のパンタグラフは、前記圧力可変手段が、各空気バネのガス室の圧力変更時以外であっても、該圧力可変手段と前記流量制限部との間の圧力を所定値に維持することが好ましい。
【００２１】
この場合、仮に各ガス室間に定常的ガス圧の差が生じ、可変バネ要素の中立位置がずれた場合であっても、可変バネ要素の使用中（ストローク中）にこのガス圧の差を徐々に是正して、中立位置を元の位置に戻すことができる。
【００２２】
本発明のパンタグラフは、前記第１の空気バネのガス室と前記第２の空気バネのガス室とを連通させる管路と、該管路に設けられた流量制限部と、を備える構成とすることができる。
【００２３】
本発明によれば、可変バネ要素が中立位置以外の位置にあるときに圧力可変手段の設定が変更されて、各ガス室内の定常的ガス圧に差が生じ、可変バネ要素の中立位置が変化した場合でも、管路を通じて定常的圧力が高い側から低い側へ圧縮ガスが流れ、定常的圧力を均等にすることができる。この際、管路に流量制限部を設けたことによって、可変バネ要素のストロークによって発生する一時的な各バネのガス室の圧力差は保持されるので、バネとしての効果も確保できる。
【００２４】
本発明のパンタグラフは、前記圧力可変手段が、前記第１の空気バネのガス室及び第２の空気バネのガス室の圧力変更時以外はこれらのガス室から遮断されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
以上のように、本発明によれば、集電摺動部がトロリ線によって加振される周波数に応じて、集電摺動部をトロリ線方向に付勢する可変バネ要素のバネ定数を変更することによって、良好な追随振幅が得られる周波数帯をシフトさせてパンタグラフの追随特性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照しつつ本発明を適用したパンタグラフの第１の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、通常の鉄道車両の技術におけるのと同様に、レールの長手方向（車両の進行方向）を前後方向、軌道面におけるレール長手方向と直角をなす方向を左右方向（車幅方向）、軌道面に垂直な方向を上下方向と呼ぶ。
【００２７】
図１は、第１の実施形態のパンタグラフを車両の進行方向から見た模式的正面図である。図１（ａ）はパンタグラフの全体を示しており、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ部拡大図である。
パンタグラフ１は、舟体１０、台枠２０、枠体３０等を備え、舟体１０と枠体３０との間には空気バネユニット１００が設けられている。
【００２８】
舟体１０は、ほぼ車幅方向に沿って伸びた梁状の部材であって、すり板体１１を備える。舟体１０は、本発明にいう集電摺動部である。
すり板体１１は、トロリ線（給電線・架線）Ｔに接触し、車両の走行時にはトロリ線Ｔと摺動して導通を確保するプレート状の部材である。すり板体１１は、例えば鉄系や銅系の焼結合金製、あるいは、カーボン系材料からなる。トロリ線Ｔは、ほぼ車両の進行方向に沿って伸びているが、すり板体１１の局所的な摩耗を防止するため、すり板体１１の有効幅内において蛇行して配置されている。
また、舟体１０には、その下側に突き出して形成され、空気バネユニット１００と接続される接続ステー１２が設けられている。この接続ステー１２は、車幅方向に離間して１対が設けられている。
【００２９】
台枠２０は、車体の屋根に固定され、パンタグラフ１の基部として機能する部分である。また、台枠２０と車体屋根との間には、絶縁用の碍子２１が設けられている。
【００３０】
枠体（支持機構）３０は、舟体１０を車体に対して上下方向に変位可能に支持するリンク機構を備えている。枠体３０は、すり板体１１がトロリ線Ｔに当接した上昇状態と、パンタグラフ１の不使用時にすり板体１１がトロリ線Ｔから離間した下降状態とをとることができる。
枠体３０は、上枠３１、下枠３２、ヒンジ３３、天井管３４等を備えている。
【００３１】
上枠３１、下枠３２は、枠体３０の上部、下部をそれぞれ構成するレバー状の部材である。
ヒンジ３３は、上枠３１の下端部と下枠３２の上端部とを相互に揺動可能に接続するものである。
天井管３４は、上枠３１の上端部に接続され、車幅方向にほぼ沿って梁状に伸びた部材であって、舟体１０を空気バネユニット１００を介して支持するものである。
また、枠体３０は、天井管３４がトロリ線Ｔ方向に押し上げられる方向に付勢する図示しない枠体付勢バネ要素を備えている。
【００３２】
空気バネユニット１００は、舟体１０の接続ステー１２と枠体３０の天井管３４との間に設けられ、そのバネ定数を変更可能な可変バネ要素（可変剛性機構）である。
空気バネユニット１００は、ピストン１１０を上下に挟んで１対のローリングダイアフラム型空気バネを対向配置したものである。空気バネユニット１００は、ピストン１１０、上部空気バネ１２０、下部空気バネ１３０を備えている。
【００３３】
図２は、空気バネユニット１００の模式的断面図である。図２（ａ）は無負荷（ピストン中間位置）状態を示し、図２（ｂ）はピストン１１０がフランジ部１１１を介して下向きの入力Ｆで押下げられた状態を示している。
ピストン（付勢力伝達部材）１１０は、円柱状に形成されて長手方向を上下方向にほぼ沿わせて配置されている。ピストン１１０の上端部及び下端部は、上部空気バネ１２０、下部空気バネ１３０内にそれぞれ挿入され、これらの各空気バネによって押圧される。
また、ピストン１１０は、その長手方向における中間部の外周面からつば状に張り出したフランジ部１１１を備えている。舟体１０の接続ステー１２は、このフランジ部１１１に固定される。
【００３４】
上部空気バネ１２０は、ピストン１１０の上部に設けられ、ピストン１１０の上端部を下向きに付勢する。
下部空気バネ１３０は、ピストン１１０の下部に設けられ、ピストン１１０の下端部を上向きに付勢する。
上部空気バネ１２０及び下部空気バネ１３０は、タンク１２１，１３１、ダイアフラム１２２，１３２、ストッパ１２３，１３３等をそれぞれ備えている。
【００３５】
タンク１２１，１３１は、空気バネの作動流体である圧縮空気を貯留する圧力容器である。タンク１２１，１３１は、その中心軸方向をピストン１１０とほぼ一致させかつ同心に配置された円筒状に形成されている。これらのタンク１２１の上端部及びタンク１３１の下端部は、平板状の端面によって閉塞されている。
ダイアフラム１２２，１３２は、例えばゴム等の弾性を有する材料の膜体によって形成されたローリングダイアフラムである。これらのダイアフラム１２２，１３２は、上側のタンク１２１の下端部開口、下側のタンク１３１の上端部開口をそれぞれ閉塞している。また、各ダイアフラム１２２，１３２の中央部はピストン１１０の上端部、下端部をそれぞれ包み込んだ状態でピストン１１０と当接しており、ピストン１１０に圧縮空気が生ずる反発力（付勢力）を伝達する。なお、タンク１２１，１３１及びダイアフラム１２２，１３２によって閉塞された空間部は、各空気バネの作動気体である圧縮空気が充填された気室となっている。各気室内の圧縮空気は、ピストン１１０の変位に応じて断熱膨張又は断熱圧縮される。
【００３６】
ストッパ１２３，１３３は、ダイアフラム１２２，１３２を保持するとともに、その変形態様を規制するための部材である。各ストッパ１２３，１３３は、上側のタンク１２１の下端部開口縁、あるいは下側のタンク１３１の上端部開口縁に、各タンクとほぼ同心となるようにそれぞれ装着されたリング状の部材である。各ストッパ１２３，１３３の内周面は、ピストン１１０の外周面と所定の間隔Ｓを隔てて対向して配置されている。この間隔Ｓには、ダイアフラム１２２，１３２の周辺部と中心部の間のリング状の部分が屈曲した状態で収容される。
【００３７】
空気バネユニット１００は、以下説明する圧力可変手段１４０を備えている。
図３は、圧力可変手段１４０の構成を示すブロック図である。
圧力可変手段１４０は、空気溜め１４１、管路１４２，１４３、比例リリーフ弁１４４，１４５、制御装置Ｃ等を備えている。
【００３８】
空気溜め１４１は、図示しないコンプレッサと接続されており、車両の動力用、制御用に用いられる圧縮空気を貯留する圧力容器である。空気溜め１４１の内圧は、空気バネユニット１００のタンク１２１，１３１の使用状態における最高内圧よりも高い状態に維持されている。
管路１４２，１４３は、空気溜め１４１と空気バネユニット１００のタンク１２１，１３１との間をつないでいる。
【００３９】
比例リリーフ弁１４４，１４５は、管路１４２，１４３の途中にそれぞれ設けられ、空気バネユニット１００のタンク１２１，１３１の内圧を調整するものである。
比例リリーフ弁１４４，１４５は、例えば電流制御によって設定された目標圧力よりもタンク１２１，１３１の内圧が低い場合には、空気溜め１４１内の圧縮空気を導入して目標圧力まで昇圧する。一方、タンク１２１，１３１の内圧が目標圧力よりも高い場合には、これらタンク１２１，１３１内の空気をエアベントから大気開放して目標圧力まで減圧する。
制御装置Ｃは、車両の走行速度に関する情報を取得して、この走行速度に応じて比例リリーフ弁１４４，１４５を制御するＣＰＵを備えている。具体的な制御手法については、以下詳しく説明する。
【００４０】
次に、本実施形態におけるパンタグラフの制御方法（追随特性向上方法）について説明する。
この制御方法は、車両の広い速度帯域においてパンタグラフの追随振幅特性を向上させることを主眼においたものである。ここで、追随振幅とは、車両の走行時にパンタグラフの集電摺動部がトロリ線の上下方向変位等によって加振された際に、離線することなくトロリ線に追随可能な最大振幅をいう。この追随振幅特性は、パンタグラフの集電性能を評価する代表的指針である。これを数値的に評価する一つの方法として、単純なバネ−質点モデルを用いることができる。
【００４１】
図４は、追随振幅特性の評価に用いられるバネ−質点モデルを示す図である。
追随振幅は周波数応答であって、例えば、ハンガの配置間隔等に起因する所定の周期の正弦波状に高さ変化を有する剛体トロリ線をパンタグラフが摺動しながら走行する場合に、離線を起こすことなく走行可能なトロリ線凹凸の最大振幅を意味する。
【００４２】
図５は、パンタグラフの追随振幅特性の一例を示すグラフである。グラフの横軸は振動周波数を示し、縦軸は追随振幅を示している。追随振幅は、低い周波数では大きく、周波数が高くなるにつれて低下する傾向を有する。ただし、追随振幅は周波数に対して単純減少するのではなく、いくつかのピークと谷が現れることが一般的である。
これらのピークが現れる周波数（卓越周波数）と谷が現れる周波数は、図４に示す質量ｍ１，ｍ２と剛性ｋ１によって決定される。また、トロリ線凹凸の周波数は、ハンガ等の
出現周期と列車の走行速度とで決まると考えることができる。ハンガの出現周期をＬ、列車の走行速度をＶとすると、トロリ線凹凸の周波数ｆは、ｆ＝Ｖ／Ｌで与えられる。
【００４３】
したがって、追随性能の良いピークが現れる周波数（二番目の卓越周波数）を、ハンガ等に起因するトロリ線の凹凸波長と列車の走行速度で決まる周波数にほぼ一致させることができれば、追随振幅特性が良好な状態で走行することができる。しかし、列車の速度は変化するため、図５のような追随振幅特性の良い周波数帯域が狭いパンタグラフを用いている場合は、広範な速度範囲にわたって良好な特性を維持することは困難である。そこで、本発明においては、トロリ線による舟体への加振周波数に相関するパラメータである車両の走行速度に応じて、追随振幅特性を変化させ、その時の速度で良好な追随振幅特性となるようにする着想の下、空気バネユニット１００のバネ定数を変更している。
【００４４】
図４において、ｍｐは舟体１０、すり板体１１、空気バネユニット１００のピストン１１０の質量の和であり、ｍ２は枠体３０等の質量である。また、可変剛性機構である空気バネユニット１００のバネ定数（剛性）をｋ１で表す。さらに、枠体３０は、静押上力Ｆｓで空気バネユニット１００を押し上げている。ｃ１，ｃ２は減衰定数である。質点ｍｐ，ｍ２の変位をｘ１，ｘ２（上向きを正）と表し、質点ｍｐに作用するトロリ線Ｔの接触力をＦｃとおくと、図４の振動系の運動方程式は、以下の式１のように与えられる。
【数１】
2008271780.tif 000003
【００４５】
上記した式１は、以下の式２のように行列表記することができる。
【数２】
2008271780.tif 000004
【００４６】
パンタグラフがトロリ線凹凸により角周波数ωで周期的に振動していると仮定する。この振動は接触力変動によって引き起こされるものであるから、外力ベクトルは直流成分であるＦｓからの変動のみを考えればよい。しがたって、外力の変動Ｆ１を用いて、以下の式３のように表わすことができる。
【数３】
2008271780.tif 000005
また、各質点の変位は、式４のように表わすことができる。
【数４】
2008271780.tif 000006
式２に式３と式４を代入すると、以下の式５が得られる。
【数５】
2008271780.tif 000007
【００４７】
式５は接触力変動とパンタグラフの各質点変位との関係を表わしており、パンタグラフが離線しない条件は、接触力変動の大きさが静押上力Ｆｓを超えないことである。そこで、離線を生じない最大の振幅、つまり追随振幅は、式３にＦ１＝Ｆｓを代入し、式６で表わされるＸ１の絶対値を求めることによって得ることができる。
【数６】
2008271780.tif 000008
【００４８】
ここで、接触力変動の角周波数ωは、ハンガ等の凹凸波長Ｌと列車走行速度Ｖによって、式７のように表わされる。
【数７】
2008271780.tif 000009
【００４９】
図６は、空気バネユニット１００のバネ定数（剛性）を変化させた場合の追随振幅特性の変化の一例を示すグラフである。
計算に際し、各パラメータは以下の通り設定した。
ｍ１＝１０．３（ｋｇ）
ｍ２＝１１．２（ｋｇ）
ｃ１＝５０（Ｎｓ／ｍ）
ｃ２＝８０（Ｎｓ／ｍ）
ｋ０＝１４７００（Ｎ／ｍ）
Ｆｓ＝５０（Ｎ）
Ｌ＝５（ｍ）
【００５０】
図６中の破線は、空気バネユニット１００のバネ定数を連続的に変化させたときのピークの点の軌跡をプロットしたものである。図６からバネ定数を変化させることによって、追随振幅特性のピークが現れる列車走行速度が大きくなることがわかる。そこで、本実施形態のパンタグラフにおいては、列車走行速度の増加に応じて、空気バネユニット１００のバネ定数を増加させる制御を行う。
【００５１】
ここで、空気バネユニット１００のバネ定数ｋは、ピストン１１０の変位時における内部空気の状態変化が断熱変化であるとすると以下の式８によって表される。
【数８】
2008271780.tif 000010
ただし、
γ：断熱指数（空気の場合には約１．４）
Ａ：ピストン１１０の断面積
Ｐ０：初期状態における上側空気バネ１２０及び下側空気バネ１３０の内圧
Ｖ０：初期状態における上側空気バネ１２０及び下側空気バネ１３０の容積
【００５２】
したがって、空気バネユニット１００のバネ定数ｋは、初期状態における上側空気バネ１２０及び下側空気バネ１３０の内圧Ｐ０に比例することから、圧力可変手段の制御装置Ｃは、列車の走行速度増加に応じて比例リリーフ弁１４４，１４５を制御して、この内圧Ｐ０を増加させる制御を行い、車両の減速時には内圧Ｐ０を減圧する制御を行う。
このような圧力を変更する制御は、例えば、車速の変化に応じて連続的に行うようにしてもよく、また、段階的に行うようにしてもよい。
【００５３】
以上説明した第１の実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）列車の走行速度増加に応じて、空気バネユニット１００のタンク１２１，１３１の内圧を向上させ、バネ定数を増加させることによって、舟体１０のトロリ線Ｔへの追随振幅特性のピークを周波数が高い方向へシフトさせることができる。これによって、列車の走行速度が広範な範囲で変化した場合であっても、各速度に対応した良好な追随振幅特性を得て離線の発生を低減することができる。
（２）例えば複数の舟体を備える等、パンタグラフの構造を大きく変更する必要がないことから、パンタグラフの構造を簡素化するとともに、既存のパンタグラフにも比較的小規模の改修によって容易に適用することができる。
（３）舟体１０の付勢に空気バネを用いることによって、比例リリーフ弁の電流制御による内圧の調整によって簡単にバネ定数の変更を行うことができる。また、作動流体となる圧縮空気は、車両の制御用等に用いられるものを利用できるため、既存の鉄道車両に容易に適用することができる。
【００５４】
＜第２の実施形態＞
次に本発明を適用したパンタグラフの第２の実施形態について、図７を参照しつつ説明する。図７は、本発明を適用したパンタグラフの第２の実施形態における容積可変手段の構成を示すブロック図である。なお、以下説明する各実施形態において、従前の各実施形態と同様の部分については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
第２の実施形態のパンタグラフは、第１の実施形態における圧力可変手段１４０に代えて、以下説明する容積可変手段１５０を備えたものである。
容積可変手段１５０は、空気バネユニット１００の上側空気バネ１２０、下側空気バネユニット１３０に同様のものがそれぞれ設けられている。容積可変手段１５０は、各空気バネのタンク１２１，１３１と複数のサブタンク１５１との連通又は遮断を切り替えることによって、空気バネの気室容積を段階的に変更し、空気バネユニット１００のバネ定数を変更するものである。
【００５５】
容積可変手段１５０は、サブタンク１５１（１５１ａ，１５１ｂ・・）、管路１５２、バルブ１５３等を備えている。
サブタンク１５１は、それぞれ容積Ｖ１，Ｖ２・・を有する複数のサブタンク１５１ａ，１５１ｂ・・からなる。
【００５６】
管路１５２は、一方の端部を上側空気バネ１２０のタンク１２１、又は、下側空気バネ１３０のタンク１３１に接続され、他方の端部は分岐して各サブタンク１５１（１５１ａ，１５１ｂ・・）にそれぞれ接続されている。
バルブ１５３は、各サブタンク１５１（１５１ａ，１５１ｂ・・）に接続された管路１５２の分岐部にそれぞれ設けられている。バルブ１５３は、各サブタンク１５１（１５１ａ，１５１ｂ・・）がタンク１２１又はタンク１３１と連通した状態と遮断された状態とを、制御装置Ｃからの信号に応じて切換えるものである。
【００５７】
ここで、タンク１２１，１３１の初期状態における容積がＶ０である場合、管路１５２内の容積が無視し得る程度に小さいとすると、サブタンク１５１ａのバルブ１５３を開いた場合、上述した式８におけるＶ０に相当する全体の気室容積（右辺の分母）はＶ０＋Ｖ１に増大し、バネ定数はもとのＶ０／（Ｖ０＋Ｖ１）倍に低下する。したがって、サブタンク１５１のタンク１２１，１３１との連通、遮断を切換えることによって、空気バネユニット１００のバネ定数を変更することができる。
【００５８】
また、複数のサブタンク１５１のバルブ１５３を同時に開いたり、開くバルブ１５３の組み合わせ（連通されるサブタンク１５１の組み合わせ）を変えることによっても、稼動するサブタンク１５１の数が変化し、全体の気室容積の調整を行うことができる。
以上説明した第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
＜第３の実施形態＞
本発明を適用したパンタグラフの第３の実施形態は、第１の実施形態の圧力可変手段１４０と第２の実施形態の容積可変手段１５０とを共に備えたものである。
図８は、第３の実施形態における圧力可変手段１４０及び容積可変手段１５０の構成を示すブロック図である。
第３の実施形態によれば、上述した各実施形態の効果に加えて、空気バネユニット１００の各空気バネの気室容積及びその内圧をそれぞれ制御することによって、バネ定数をよりきめ細かく変更することができる。
【００６０】
＜第４の実施形態＞
本発明を適用したパンタグラフの第４の実施形態は、第３の実施形態における容積可変手段１５０に代えて、以下説明する容積可変手段１６０を備えたものである。
図９は、第４の実施形態における圧力可変手段１４０及び容積可変手段１６０の構成を示すブロック図である。
【００６１】
容積可変手段１６０は、空気バネユニット１００の上側空気バネ１２０、下側空気バネ１３０にそれぞれ設けられ、各タンク１２１，１３１とそれぞれ管路を介して連通したエアシリンダ１６１を備えている。
エアシリンダ１６１は、ほぼ円筒状に形成されたシリンダ内に、その筒軸方向に沿って移動可能なピストンを挿入したものである。このピストンは、制御装置Ｃによって制御される図示しないアクチュエータによって駆動され、シリンダ内を移動することによって、内部の容積を連続的に変更可能となっている。本実施形態においては、各空気バネ１２０，１３０の実質的な気室容積は、タンク１２１，１３１の容積にエアシリンダ１６１内の容積を加えたものとなる。したがって、エアシリンダ１６１内のピストンを移動させて内部の容積を変更することによって、空気バネユニット１００のバネ定数を変更することができる。
【００６２】
なお、エアシリンダ１６１のピストンを移動して容積を大きくすると、そのままでは内部の空気が断熱膨張して圧力が下がり、逆にエアシリンダ１６１の容積を小さくすると圧力が上がることから、ピストンを駆動する際には、圧力の変化も考慮してピストンの駆動量を設定するか、あるいは、圧力可変手段１４０を利用して各空気バネ１２０，１３０の気室内圧力に無用な変化が出ないよう調整することが好ましい。
以上説明した第４の実施形態によれば、上述した第３の実施形態の効果に加えて、各空気バネ１２０，１３０の気室容積を連続的に変更することによって、空気バネユニット１００のバネ定数を連続的（無段階）に変更することができるため、バネ定数をより緻密に制御することができる。
【００６３】
＜第５の実施形態＞
本発明を適用したパンタグラフの第５の実施形態は、第１の実施形態の空気バネユニット１００に代えて、以下説明する空気バネユニット２００を備えている。
図１０は、空気バネユニット２００の模式的断面図であって、図１０（ａ）は無負荷状態を示し、図１０（ｂ）はピストン１１０が下向きの入力Ｆで押下げられた状態を示している。空気バネユニット２００の上側空気バネ１２０、下側空気バネ１３０は、それぞれ補助スプリング１２４，１３４を備えている。
補助スプリング１２４，１３４は、ピストン１１０の軸心とほぼ同心に配置された金属製の圧縮コイルスプリングである。補助スプリング１２４の上端部は、タンク１２１の上側端面と接している。また、補助スプリング１２４の下端部は、ダイアフラム１２２を介してピストン１１０の上端部を押圧している。補助スプリング１３４は、下端部がタンク１３１の下側端面と接し、上端部はダイアフラム１３２を介してピストン１１０の下端部を押圧している。
【００６４】
ここで、補助スプリング１２４，１３４のバネ定数がｋｃｏｉｌであるとすると、空気バネユニット２００のバネ定数は、以下の式９によって表される。
【数９】
2008271780.tif 000011
以上説明した第５の実施形態によれば、上述した第１の実施形態と同様の効果に加えて、空気圧、容積の制御だけでは所望のバネ定数（剛性）を得ることができない場合にも、補助スプリング１２４，１３４のバネ定数の設定によって、空気バネユニット２００全体としてのバネ定数の設定自由度を向上することができる。また、空気バネユニット２００の各空気バネ１２０，１３０に故障が発生した場合にも、フェイルセーフ性を確保することができる。
なお、本実施形態の空気バネユニット２００は、上述した第２乃至第４の実施形態の空気バネユニット１００の代替としても適用が可能である。
【００６５】
＜第６の実施形態＞
本発明を適用したパンタグラフの第６の実施形態は、第１の実施形態の空気バネユニット１００に代えて、以下説明する空気バネユニット３００を備えている。
図１１は、空気バネユニット３００の模式的断面図であって、図１１（ａ）は無負荷状態を示し、図１１（ｂ）はピストン１１０が下向きの入力Ｆで押下げられた状態を示している。
空気バネユニット３００のピストン１１０は、第１の実施形態におけるフランジ部１１１に代えて、以下説明するロッド１１２を備えている。
【００６６】
ロッド１１２は、ピストン１１０の上端面、下端面からそれぞれ突き出して形成され、その先端は、タンク１２１，１３１の端面に形成された開口を貫通して、空気バネユニット３００の上端部、下端部から突き出している。
タンク１２１，１３１の端面には、ロッド１１２をその長手方向に沿って移動可能に支持するとともに、圧縮空気の漏れを防止するシール１２１ａ，１３１ａが備えられている。
空気バネユニット３００は、タンク１２１，１３１が舟体１０、枠体３０の一方側に固定され、ロッド１１２の先端部が他方側に固定された状態でパンタグラフに組み込まれる。
以上説明した第６の実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態の空気バネユニット３００も、上述した第２乃至第４の実施形態の空気バネユニット１００の代替として適用が可能である。
【００６７】
＜第７の実施形態＞
本発明を適用したパンタグラフの第６の実施形態は、第１の実施形態のローリングダイアフラム型の空気バネユニット１００に代えて、以下説明するエアシリンダ型の空気バネユニット４００を備えている。
図１２は、空気バネユニット４００の模式的透視図であって、図１２（ａ）は無負荷状態を示し、図１２（ｂ）はピストン４２０が下向きの入力Ｆで押下げられた状態を示している。
空気バネユニット４００は、シリンダ４１０、ピストン４２０、ロッド４３０、上側気室４４０、下側気室４５０を備えている。
【００６８】
シリンダ４１０は、円筒状に形成され、その筒軸はほぼ上下方向に沿わせて配置されている。シリンダ４１０の上下の端部は平板状の端面によって閉塞され、この端面にはロッド４３０が挿入される開口が形成されている。また、この開口には、ロッド４３０の外周面との間で気密を保ちつつロッド４３０の軸方向移動を許容するシール手段が設けられている。
【００６９】
ピストン４２０は円盤状に形成され、シリンダ４１０の軸方向に沿って移動可能な状態でシリンダ４１０内に挿入されている。ピストン４２０の外周縁部には、シリンダ４１０の内周面との間で気密を保つシール手段が設けられている。
ロッド４３０は、ピストン４２０の上面、下面からそれぞれ突き出して形成され、その上端部、下端部はシリンダ４１０の上下端面から突き出して配置されている。
【００７０】
上側気室４４０、下側気室４５０は、それぞれシリンダ４１０の内部におけるピストン４２０よりも上側、下側の領域に形成される。
そして、第１の実施形態と同様の圧力可変手段１４０の各管路１４２，１４３は、これらの上側気室４４０、下側気室４５０にそれぞれ接続される。
以上説明した第７の実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、本実施形態の空気バネユニット４００は、上述した第２乃至第４の実施形態の空気バネユニット１００の代替としても適用が可能である。
【００７１】
＜第８の実施形態＞
本発明を適用したパンタグラフの第８の実施形態は、第１の実施形態の両押し型（対向型）の空気バネユニット１００に代えて、以下説明する片押し型の空気バネユニット５００を備えている。
図１３は、空気バネユニット５００の模式的断面図である。
空気バネユニット５００は、第１の実施形態の空気バネユニット１００から上側空気バネ１２０を省略した構成となっており、ピストン１１０を下側空気バネ１３０のみによって付勢するようになっている。
したがって、圧力可変手段１４０の管路は、下側空気バネ１３０のタンク１３１のみに接続される。
そして、空気バネユニット５００のバネ定数は、以下の式１０によって表される。
【数１０】
2008271780.tif 000012
以上説明した第８の実施形態においては、圧力等の変更によってピストン１１０の中立位置が変位することを考慮した制御をする必要はあるが、空気バネユニットの構成を簡素化してパンタグラフを軽量化、小型化することができる。
また、下側空気バネ１３０のタンク１３１には、上述した容積可変手段１５０，１６０を単独で、あるいは圧力可変手段１４０とともに設けることができる。
【００７２】
＜第９の実施形態＞
本発明を適用したパンタグラフの第９の実施形態は、第８の実施形態のローリングダイアフラム型の空気バネユニット５００に代えて、以下説明するエアシリンダ型の空気バネユニット６００を備えている。
図１４は、空気バネユニット６００の模式的透視図であって、図１４（ａ）は無負荷状態を示し、図１４（ｂ）はピストン６２０が下向きの入力Ｆで押下げられた状態を示している。
空気バネユニット６００は、シリンダ６１０、ピストン６２０、ロッド６３０、気室６４０を備えている。
【００７３】
シリンダ６１０は、円筒状に形成され、その筒軸はほぼ上下方向に沿わせて配置されている。シリンダ６１０の下端部は平板状の端面によって閉塞されている。また、シリンダ６１０の上端部は開口となっており、大気に開放されている。
【００７４】
ピストン６２０は円盤状に形成され、シリンダ６１０の軸方向に沿って移動可能な状態でシリンダ６１０内に挿入されている。ピストン６２０の外周縁部には、シリンダ６１０の内周面との間で気密を保つシール手段が設けられている。
ロッド６３０は、ピストン６２０の上面から突き出して形成され、その上端部はシリンダ６１０の上端部から突き出して配置されている。
【００７５】
気室６４０は、シリンダ６１０の内部におけるピストン６２０よりも下側の領域に形成される。
そして、第８の実施形態と同様の圧力可変手段１４０、容積可変手段１５０、１６０等の各管路は、この気室６４０にそれぞれ接続される。
以上説明した第９の実施形態においても、上述した第８の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
（他の実施の形態）
なお、本発明は上記した実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施形態を応用した次の各形態を実施することもできる。
（１）パンタグラフ、空気バネユニットの形状や構成は上述した各実施形態に限定されず、適宜変更することができる。例えば、パンタグラフは、舟体に対して相対移動可能な可動式すり板を備えたものであってもよい。この場合、舟体とすり板との間に可変バネ要素を設けるとよい。また、空気バネとして、ローリングダイアフラム型、エアシリンダ型以外の例えばベローズ型等のものを用いてもよい。
（２）上述した各実施形態において、空気バネユニットは空気を作動気体としているが、例えば窒素ガス等空気以外の作動気体を用いてもよい。
（３）上述した各実施形態は、車両の走行速度に応じて可変バネ要素のバネ定数を変更しているが、例えば車両の走行速度が一定であっても、ハンガ間隔等の違いによって集電摺動部が加振される周波数が変わる場合には、加振周波数に応じてバネ定数を変更してもよい。
（４）上述した各実施形態は、圧力可変手段として比例リリーフ弁による電流制御を用いているが、これに限らず、他の方法によって圧力を制御してもよい。例えば、空気バネの気室又は連通部分に圧力センサを設けて、圧力の実測値に基づくフィードバック制御を行ってもよい。
【００７７】
ところで、前述の空気バネにおいては、上下空気バネのタンクの内圧を調整して、舟体を車体に対して剛性可変に支持している。空気バネのピストンが振動している間に、列車の走行速度の変化に応じてタンクの内圧を増加又は減圧する場合、ピストンが中立位置にあるときに増加又は減圧できれば、各タンクの定常的ガス圧を均一に保つことができる。しかし、ピストンが中立位置以外の位置にあるときに増加又は減圧すると、各タンク内の定常的ガス圧に差が生じ、ピストンの中立位置が変化してしまう場合がある。
【００７８】
図１５は、ピストンの変位を示す図であり、図１５（Ａ）はピストンが中立位置にある場合、図１５（Ｂ）はピストンに図の下向きの力Ｆが加えられた状態を示す。
図１６は、ピストンが中立位置にあるときにタンクの内圧を変更する場合のピストン変位、比例リリーフ弁指令圧力、上部タンク、下部タンク、復元力の時間経過の一例を説明する図である。
図１７は、ピストンが中立位置以外にあるときにタンクの内圧を変更する場合のピストン変位、比例リリーフ弁指令圧力、上部タンク、下部タンク、復元力の時間経過の一例を説明する図である。
【００７９】
まず、図１５、図１６を参照してピストン１１０が中立位置にあるときにタンクの内圧を増加する場合を説明する。
図１６（Ａ）に示すように、ピストン１１０は通常時ほぼ一定の振幅・周波数で往復運動している。ピストン１１０が中立位置にある（ピストン変位が０のとき）とき（時間ｔ０）に、管路１４２、１４３の比例リリーフ弁１４４、１４５に制御装置から昇圧指令（この例では１→２）が受信されると、比例リリーフ弁１４４、１４５が開いて空気溜め１４１からタンク１２１、１３１に圧縮空気が導入される（図１６（Ｂ）参照）。図１６（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、上下のタンク１２１、１３１の内圧は、ピストンの往復運動に応じて互いに逆の正弦波状に変動している。ピストン変位が０のとき、すなわち、上下のタンク１２１、１３１の定常的圧力が同じ（この例では１）のときに、圧縮空気が導入された後、タンク１２１、１３１の定常的圧力は指令された圧力（この例では２）に上がる。そして、その昇圧した値を中心として、それぞれピストン１１０の往復運動に応じた正弦波状に変動する。その結果、図１６（Ｅ）に示すように、ピストン１１０の復元力は、内圧が上がった分だけ絶対値が大きくなり、平均値は０である。
復元力とは、図１５（Ｂ）において、ピストン１１０に外力Ｆがかかって距離ｘだけ下方向へ押し下げられた場合、ピストン１１０が元の中立位置に戻ろうとする力であり、この外力Ｆに対抗する力Ｆ１とＦ２の和である。
【００８０】
一方、図１７（Ａ）に示すように、ピストン１１０が変動位置（この例では１）にあるとき（時間ｔ０）に、図１７（Ｂ）に示すように、管路１４２、１４３の比例リリーフ弁１４４、１４５に制御装置から昇圧指令（この例では１→２）が受信されたとする。このとき（時間ｔ０）、ピストン１１０の往復運動により、図１７（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、上部タンク１２１は一時的に内圧が上がっている状態（この例では１．２５）、下部タンク１３１は一時的に内圧が下がっている状態（この例では０．７５）とする。この状態で昇圧指令が受信されると、上部タンク１２１の内圧は、図１７（Ｃ）に示すように、一時的に上がった値（１．２５）から指令圧力（２）に昇圧し、下部タンク１３１の内圧は、図１７（Ｄ）に示すように、一時的に下がった値（０．７５）から指令圧力（２）に昇圧する。その後、タンク１２１、１３１の内圧は、連続して正弦波状に変動するが、上部タンク１２１では内圧が下がる方向に、下部タンク１３１では内圧が上がる方向に変動する。その結果、図１７（Ｃ）、（Ｄ）の指令圧力受信（時間ｔ０）後の状態に示すように、上部タンク１２１の圧力の平均（定常的圧力、この例では１．７５）と、下部１３１の圧力の平均（定常的圧力、この例では２．２５）が異なってしまう。すると、図１７（Ｅ）に示すように、ピストン１１０の復元力は、内圧が上がった分だけ絶対値は大きくなるが、平均値は０から外れ、ピストン１１０は、中立位置から外れた位置を中心として往復運動するようになる。
【００８１】
このような場合、空気バネの動作が不安定になったり、左右の空気バネにおいてピストンの中立位置が異なって、パンタグラフが傾いたり、トロリ線を過度に押し上げたりするような事態が起こりうる。
【００８２】
以下に、このようなピストン１１０の中立位置が変化することを防止するように改良を加えた例を説明する。
＜第１０の実施形態＞
第１０の実施形態のパンタグラフは、第１の実施形態における圧力可変手段１４０（図３参照）に、図１８に示すような変更を加えたものである。
図１８は、第１０の実施形態に係る空気バネユニットを模式的に説明する断面図である。
図１９は、図１８の空気バネユニットにおいて、ピストンが中立位置以外にあるときにタンクの内圧を変更する場合のピストン変位、比例リリーフ弁指令圧力、上部タンク、下部タンク、復元力の時間経過の一例を説明する図である。
本実施形態のパンタグラフは、上下のタンク１２１、１３１と空気溜め１４１との間の管路１４２、１４３の、比例リリーフ弁１４４、１４５と各タンク１２１、１３１との間に絞り（流量制限部）１４８、１４９を設けたものである。
ここで絞りとは、管路の一部の流路断面積を他の部分よりも小さくする等して、流路抵抗（圧力損失）を発生させ、流量を制限するものである。絞りの他に、流量制御弁、多孔質絞りやベンチェリ等を使用することもできる。
【００８３】
このような絞り１４８、１４９を設けることにより、比例リリーフ弁１４４、１４５に制御装置から昇圧指令が受信されて（時間ｔ０）、設定圧力が変更されると、図１９（Ｂ）に示すように、空気溜め１４１からタンク１２１、１３１に圧縮空気が徐々に導入され始め、ある程度の時間をかけてタンク１２１、１３１の内圧（定常的圧力）を変化させる（時間ｔ１）。なお、比例リリーフ弁１４４、１４５は、昇圧指令受信後も開かれている。すなわち、比例リリーフ弁１４４、１４５と絞り１４８、１４９との間の管路内の圧力を設定圧力に保つように空気を供給又は排出する。
なお、タンク１２１、１３１の内圧が指令圧力よりも高い場合は、タンク１２１、１３１内の空気をエアベントから解放して目標圧力まで減圧する。
【００８４】
つまり、図１９（Ａ）に示すように、ピストン１１０が変動位置（この例では１）にあるとき（時間ｔ０）に、図１９（Ｂ）、（Ｃ）に示すように上部タンク１２１は一時的に内圧が上がり（この例では１．２５）下部タンク１３１は一時的に内圧が下がっている(この例では０．７５)状態であっても、タンク１２１、１３１の内圧の変化（定常圧力の変化）が完了するまでの間（時間ｔ０→ｔ１）にピストン１１０が往復運動して、図１９（Ｃ）、図１９（Ｄ）に示すように、両タンクとも、最終的には、昇圧された分（定常的な増加分）だけ上がった値となる。そして、図１９（Ｅ）に示すように、復元力は昇圧された分だけ絶対値が大きくなり、平均値は０である。
【００８５】
この例においては、比例リリーフ弁１４４、１４５と絞り１４８、１４９との間の圧力を目標とする定常的ガス圧に維持することとすれば、上記の原因以外に、各タンク間に定常的な内圧の差が生じ、ピストン１１０の中立位置がずれた場合でも、ピストン１１０の使用中（ストローク中）に内圧の差を徐々に是正して、中立位置を元の位置に戻すことができる。
【００８６】
＜第１１の実施形態＞
第１１の実施形態のパンタグラフは、第１の実施形態における空気バネユニットの上部及び下部空気バネ１２０、１３０（図３参照）に、図２０に示すような変更を加えたものである。
図２０は、第１１の実施形態に係る空気バネユニットを模式的に説明する断面図である
図２１は、図２０の空気バネユニットにおいて、ピストンが中立位置以外にあるときにタンクの内圧を変更する場合のピストン変位、比例リリーフ弁指令圧力、上部タンク、下部タンク、復元力の時間経過の一例を説明する図である。
本実施形態のパンタグラフは、図２０に示すように、タンク１２１、１３１を連通する管路１７０を設け、その管路１７０の途中に絞り１７１を設けたものである。絞り１７１の開度は、ピストン１１０の通常のストローク運動時に一時的に発生する上部タンク１２１の内圧と下部タンクの内圧との差が保持され、バネとしての効果が確保できる程度とする。
【００８７】
図２１（Ａ）に示すように、ピストン１１０が変動位置（この例では１）にあるとき（時間ｔ０）に、図２１（Ｂ）に示すように、各管路の比例リリーフ弁１４４、１４５に制御装置から昇圧指令（この例では１→２）が受信されるとする。なお、これらの比例リリーフ弁１４４、１４５は圧縮空気導入後閉じられる。圧縮空気導入開始後は、図１７で説明したように、上部タンク１２１の内圧は、上がった値（この例では１．２５）から指令圧力（この例では２）に昇圧し、下部タンク１３１の内圧は、下がった値（この例では０．７５）から指令圧力（この例では２）に昇圧する。その後、図１７で説明したように、タンク１２１、１３１の内圧は、上部タンク１２１では内圧が下がる方向に、下部タンク１３１では内圧が上がる方向に連続して変動する。しかし、図２１（Ｃ）、図２１（Ｄ）に示すように、時間の経過によって、高圧の方のタンク１２１から低圧の方のタンク１３１へ、管路１７０を通って圧縮空気が流れ、最終的には、両タンク１２１、１３１の内圧は定常的な昇圧分だけ上昇した同じ値になる。復元力も、図２１（Ｅ）に示すように、初期段階では平均荷重が０からずれているが、時間の経過に伴って徐々に０となる。
【００８８】
なお、管路１７０には絞り１７１が設けられおり、圧縮空気は高圧側のタンクから低圧側のタンクへ一気に流れないので、ピストン１１０のストロークによって発生する一時的な上部タンク１２１の内圧と下部タンク１３１の内圧の差は保持され、可変バネ要素のバネ定数も維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明を適用したパンタグラフの第１の実施形態を車両進行方向から見た模式的正面図である。
【図２】図１のパンタグラフに備えられる空気バネユニットの模式的断面図である。
【図３】図２の空気バネに備えられる圧力可変手段の構成を示すブロック図である。
【図４】パンタグラフの追随振幅特性の評価に用いられるバネ−質点モデルを示す図である。
【図５】パンタグラフの追随振幅特性の一例を示すグラフである。
【図６】パンタグラフの空気バネユニットのバネ定数を変化させた場合の追随振幅特性の変化の一例を示すグラフである。
【図７】本発明を適用したパンタグラフの第２の実施形態における容積可変手段の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明を適用したパンタグラフの第３の実施形態における圧力可変手段及び容積可変手段の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明を適用したパンタグラフの第４の実施形態における圧力可変手段及び容積可変手段の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明を適用したパンタグラフの第５の実施形態における空気バネユニットの模式的断面図である。
【図１１】本発明を適用したパンタグラフの第６の実施形態における空気バネユニットの模式的断面図である。
【図１２】本発明を適用したパンタグラフの第７の実施形態における空気バネユニットの模式的透視斜視図である。
【図１３】本発明を適用したパンタグラフの第８の実施形態における空気バネユニットの模式的断面図である。
【図１４】本発明を適用したパンタグラフの第９の実施形態における空気バネユニットの模式的透視斜視図である。
【図１５】ピストンの変位を示す図であり、図１５（Ａ）はピストンが中立位置にある場合、図１５（Ｂ）はピストンに図の下向きの力Ｆが加えられた状態を示す。
【図１６】ピストンが中立位置にあるときにタンクの内圧を変更する場合のピストン変位、比例リリーフ弁指令圧力、上部タンク、下部タンク、復元力の時間経過の一例を説明する図である。
【図１７】ピストンが中立位置以外にあるときにタンクの内圧を変更する場合のピストン変位、比例リリーフ弁指令圧力、上部タンク、下部タンク、復元力の時間経過の一例を説明する図である。
【図１８】本発明を適用したパンタグラフの第１０の実施形態に係る空気バネユニットを模式的に説明する断面図である。
【図１９】図１８の空気バネユニットにおいて、ピストンが中立位置以外にあるときにタンクの内圧を変更する場合のピストン変位、比例リリーフ弁指令圧力、上部タンク、下部タンク、復元力の時間経過の一例を説明する図である。
【図２０】本発明を適用したパンタグラフの第１１の実施形態に係る空気バネユニットを模式的に説明する断面図である。
【図２１】図２０の空気バネユニットにおいて、ピストンが中立位置以外にあるときにタンクの内圧を変更する場合のピストン変位、比例リリーフ弁指令圧力、上部タンク、下部タンク、復元力の時間経過の一例を説明する図である。
【符号の説明】
【００９０】
１    パンタグラフ
１０    舟体
１１    すり板体
１２    接続ステー
２０    台枠
２１    碍子
３０    枠体
３１    上枠
３２    下枠
３３    ヒンジ
３４    天井管
１００    空気バネユニット
１１０    ピストン
１１１    フランジ
１２０    上部空気バネ
１３０    下部空気バネ
１２１，１３１    タンク
１２２，１３２    ダイアフラム
１２３，１３３    ストッパ
１４０    圧力可変手段
１４１    空気溜め
１４４，１４５    比例リリーフ弁
１４８，１４９    絞り
１７０    管路
１７１    絞り
Ｃ    制御装置
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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