(57)【要約】【課題】パンタグラフのすり板厚さ測定における計測不能の割合を低減し、信頼度の高いパンタグラフすり板測定装置を提供することを目的としている。【解決手段】トロリー線５の上方に備えられた高感度超音波センサ３０と、高感度超音波センサ３０によって収集したデータの処理を行うデータ処理部９と、データ処理部９のコントロール及びデータ処理部９からの計測データの２次処理を行う計測処理パソコン１０と、計測処理パソコン１０から計測データを受け取り、計測処理パソコン１０がデータ処理部９と交信中であっても計測データの取り出しが可能なファイルサーバー３１と、ファイルサーバー１の計測データを取り込んでデータ解析を行う解析パソコン３２とを備えた。【選択図】　　　　図１
2004015860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電車の屋根上に取り付けられたパンタグラフのすり板の残存厚さを電車の走行中に測定するパンタグラフすり板測定装置において、トロリー線の上方に備えられたデータ収集部と、上記データ収集部によって収集したデータの処理を行うデータ処理部と、上記データ処理部のコントロール及び上記データ処理部からの計測データの２次処理を行う計測処理部と、上記計測処理部から計測データを受け取り、上記計測処理部が上記データ処理部と交信中であっても計測データの取り出しが可能な共有ファイルサーバーと、共有ファイルサーバーの計測データを取り込んでデータ解析を行う解析部とを備えたことを特徴とするパンタグラフすり板測定装置。
【請求項２】
計測処理部は、データ収集部によって収集したデータが一部であっても、共有ファイルサーバーが受け取り可能な計測データの２次処理を行ない、解析部は、共有ファイルサーバー内の計測データに基づいてデータ解析を開始すると共に、解析結果を表示部へ表示させることを特徴とする請求項１記載のパンタグラフすり板測定装置。
【請求項３】
解析部又は共有ファイルサーバーは、車両毎の過去の計測データ履歴を格納することを特徴とする請求項２記載のパンタグラフすり板測定装置。
【請求項４】
データ収集部は、トロリー線の上方に備えられたセンサヘッドと、上記センサヘッド内に取り付けられた超音波センサとを備え、上記超音波センサは、超音波を送受信する圧電セラミックスと、樹脂から成る複合圧電体を具備したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか記載のパンタグラフすり板測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電車のパンタグラフ上面に取付けられたすり板の摩耗状況を空中伝搬する超音波を用いて非接触で測定する超音波式のパンタグラフすり板測定装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来のパンタグラフすり板測定装置を示す概念図、図６は従来のすり板測定装置の測定原理を示す概念図である。図５、６において１は走行中の電車、２は電車１が走行するレール、３は電車１の屋根上に取り付けられたパンタグラフ、４はパンタグラフ３上面に取り付けられた舟体、５はパンタグラフ３が集電するための電力を供給するトロリー線、６は超音波センサ、７は超音波センサ６を内蔵したセンサヘッド、８はレール２近傍に設置され、電車１上方にセンサヘッド７が位置するよう固定している門構、９は超音波センサ６の駆動と超音波センサ６によって収集した受信データの処理を行うデータ処理部、１０はデータ処理部９のコントロール及び計測データの２次処理を行う計測パソコン（計測処理部に相当）である。
【０００３】
１１は舟板４に固定された前主すり板、１２は舟板４に固定された後主すり板で、互いにレール方向に配置されている。１３は舟板４及び前主すり板１１に固定され、前主すり板１１の枕木方向両側に設けられた前補助すり板、１４は舟板４及び後主すり板１２に固定され、後主すり板１２の枕木方向両側に設けられたた後補助すり板で、前補助すり板１３と後補助すり板１４とは枕木方向各側において互いにレール方向に配置されている。１５は前主すり板１１と後主すり板１２との間に配置された固形潤滑材、１６は固形潤滑材１５の両外側（枕木方向）に上面が露出して配設された平面状の基準面、Ｌ１とＬ２は超音波センサ６と基準面１６間の距離、Ｌｘは超音波センサ６と主すり板１１、１２および補助すり板１３、１４の何れかのとの間の距離である。
【０００４】
従来のパンタグラフすり板測定装置は図５、６のように構成されており、レール２の近傍に設置された門構８に固定したセンサヘッド７に取付けられた超音波センサ６の下方を電車１が通過する時にセンサヘッド７内で枕木方向に複数配置された超音波センサ６がデータ処理部９からの送信信号を受けて超音波を空気中に送信する。空気中に送信された超音波はパンタグラフ３の上面に取付けられた舟体４に到達して各主すり板１１、１２、補助すり板１３、１４、及び基準面１６で反射して再び超音波センサ６に戻る。各超音波センサ６で受信された超音波信号はデータ処理部９で各超音波センサ６毎に舟体４の各部位までの伝搬時間の算出が行われ、さらに算出された伝搬時間を距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌｘに換算する処理が行われる。各超音波センサ６毎に算出された距離情報はデータの２次加工用の計測パソコン１０に転送され、舟体４の両外側２箇所の基準面距離Ｌ１とＬ２を枕木方向に直線で結んだ面を基準面として主すり板１１、１２と補助すり板１３、１４の残存厚さをそれぞれすり板１１、１２、１３、１４面と超音波センサ６との距離Ｌｘを上記基準面距離Ｌ１とＬ２を枕木方向に直線で結んだ基準面から引き算して求める処理を行い、各すり板の厚さ表示、異常摩耗や摩耗限界の判定表示、測定結果の帳票作成、及び３Ｄ表示等を行う。尚、何らかの要因で計測できなかた場合には代表的なエラーコードの表示を行う。
【０００５】
図７は従来のパンタグラフすり板測定装置に使用される超音波センサの構造図である。図７において、２０は圧電セラミックスから成る振動子、２１は振動子の背面に接着固定される高密度ダンパ、２２はエポキシ等の樹脂からなる音響整合層、２３は充填樹脂、２４はケース、２５はカバー、２６はコネクタである。
【０００６】
従来の超音波センサ６は図７のように構成されており、データ処理部９で出力された電気信号はコネクタ２６を経由して振動子２０に印加される。振動子２０は電気信号を入力された時間だけ振動を繰り返し、音響整合層２２を介して空気中に振動を伝える。この振動が超音波である。空気中を伝搬した超音波はパンタグラフ３上面のすり板１１，１２，１３，１４表面に到達した後に逆の経路で再び振動子２０に振動として伝わり、上記振動子２０は振動を電気信号に変換した後にコネクタ２６を経由してデータ処理部９に受信信号として出力する。この時、ダンパ２４は振動子２０の自由振動を短時間で収束させるために密度の高い金属粉末を多量に混入させて、音響インピーダンス（密度×音速）の値をセラミック製の振動子２０に近づけた物が用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパンタグラフすり板測定装置では、データ処理部９の処理から計測パソコン１０のデータ処理および表示までの一連の処理・解析時間に電車の入庫間隔が影響されるという課題があった。また、すり板１１、１２、１３、１４の厚さを測定する基準面として固形潤滑材１５の両外側にある２個所の基準面１６を利用しているため、舟体４が傾くと図８の舟体傾きと感度低下量との関係表に示すように、超音波の受信レベルが低下して感度不足で計測不能になる場合がある。この場合、計測パソコン１０上の画面には計測不能のエラーコードの表示は行われるが、計測に関する情報は得られなくなるという課題があった。また、計測不能になった原因が把握できないという課題があった。
【０００８】
この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、パンタグラフすり板測定装置のデータ処理・解析が電車の入庫に与える影響を低減することを目的とする。また、計測不能に陥った場合でもそれまでの計測に関する情報を得られるようにすることを目的とする。また、計測不能になった場合に原因を予測できるようにすることを目的とする。さらに、計測不能に陥る割合を減らし、情報取得の可能性を向上させることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明におけるパンタグラフすり板測定装置は、電車の屋根上に取り付けられたパンタグラフのすり板の残存厚さを電車の走行中に測定するパンタグラフすり板測定装置において、トロリー線の上方に備えられたデータ収集部と、上記データ収集部によって収集したデータの処理を行うデータ処理部と、上記データ処理部のコントロール及び上記データ処理部からの計測データの２次処理を行う計測処理部と、上記計測処理部から計測データを受け取り、上記計測処理部が上記データ処理部と交信中であっても計測データの取り出しが可能な共有ファイルサーバーと、共有ファイルサーバーの計測データを取り込んでデータ解析を行う解析部とを備えたものである。
【００１０】
また、計測処理部は、データ収集部によって収集したデータが一部であっても、共有ファイルサーバーが受け取り可能な計測データの２次処理を行ない、解析部は、共有ファイルサーバー内の計測データに基づいてデータ解析を開始すると共に、解析結果を表示部へ表示させるものである。
【００１１】
また、解析部又は共有ファイルサーバーは、車両毎の過去の計測データ履歴を格納するものである。
【００１２】
また、データ収集部は、トロリー線の上方に備えられたセンサヘッドと、上記センサヘッド内に取り付けられた超音波センサとを備え、上記超音波センサは、超音波を送受信する圧電セラミックスと、樹脂から成る複合圧電体を具備したものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態を示すパンタグラフすり板測定装置の概念図である。図１において、１は走行中の電車、２は電車１が走行するレール、３は電車１の屋根上に取り付けられたパンタグラフ、４はパンタグラフ３上面に取り付けられた舟体、５はパンタグラフ３が集電するための電力を供給するトロリー線、３０は高感度超音波センサ、７は高感度超音波センサ３０を内蔵したセンサヘッドで、高感度超音波センサ３０及びセンサヘッド７でデータ処理部を構成している。
【００１４】
８はレール２近傍に設置され、電車１上方にセンサヘッド７が位置するよう固定している門構、９は高感度超音波センサ３０の駆動と高感度超音波センサ３０によって収集した受信データの処理を行うデータ処理部、１０はデータ処理部９をコントロールすると共に、データ処理部９にて受信データを処理後、このデータ処理部から送られてくる計測データの２次処理を行う計測パソコン（計測処理部に相当）である。３１は計測パソコン１０で採取された計測データを保存するファイルサーバー、３２はファイルサーバー３１内のデータを用いて各種解析ができる解析用パソコン（解析部相当）で、ファイルサーバー３１は計測パソコン１０から計測データを取り込む交信中においても、解析用パソコン３２からのアクセス要求を受け、随時ファイルサーバー３１内に保存された計測データを解析用パソコン３２に提供できるよう構成されている。
【００１５】
図２は図１に示したパンタグラフすり板測定装置における高感度超音波センサ３０の構造を詳細に示す概念図である。図２において、３５は複合圧電体、３６は複合圧電体３５を構成する圧電セラミック柱、３７は圧電セラミック柱３６を結合させる樹脂、３８は低密度の音響整合層、３９は中密度の背面材である。
【００１６】
図３はパンタグラフすり板測定装置の測定原理を示す概念図で、従来の測定原理と同じである。図４において、１１は舟板４に固定された前主すり板、１２は舟板４に固定された後主すり板で、互いにレール方向に配置されている。１３は舟板４及び前主すり板１１に固定され、前主すり板１１の枕木方向両側に設けられた前補助すり板、１４は舟板４及び後主すり板１２に固定され、後主すり板１２の枕木方向両側に設けられたた後補助すり板で、前補助すり板１３と後補助すり板１４とは枕木方向各側において互いにレール方向に配置されている。１５は前主すり板１１と後主すり板１２との間に配置された固形潤滑材、１６は固形潤滑材１５の両外側（枕木方向）に上面が露出して配設された平面状の基準面、Ｌ１とＬ２は高感度超音波センサ３０と基準面１６間の距離、Ｌｘは高感度超音波センサ３０と主すり板１１、１２および補助すり板１３、１４の何れか測定対象との間の距離である。
【００１７】
上記のように構成されたパンタグラフすり板測定装置では、レール２の近傍に設置された門構８に固定したセンサヘッド７に取付けられた高感度超音波センサ３０の下方を電車１が通過する時にセンサヘッド７内で枕木方向に複数配置された高感度超音波センサ３０がデータ処理部９からの送信信号を受けて超音波を空気中に送信する。空気中に送信された超音波はパンタグラフ３の上面に取付けられた舟体４に到達して各主すり板１１、１２、補助すり板１３、１４、及び基準面１６で反射して再び高感度超音波センサ３０に戻る。各高感度超音波センサ３０で受信された超音波信号は受信データとしてデータ処理部９へ送られ、データ処理部９は各高感度超音波センサ３０毎に舟体４の各部位までの伝搬時間の算出が行われ、さらに算出された伝搬時間を距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌｘに換算する処理が行われる。
【００１８】
データ処理部９にて各高感度超音波センサ３０毎に算出された距離情報は計測データとして該計測データの２次加工用の計測パソコン１０に転送される。計測パソコン１０は計測データを受け取ると、舟体４の両外側２箇所の基準面距離Ｌ１とＬ２を枕木方向に直線で結んだ面を基準面として、主すり板１１、１２と補助すり板１３、１４の残存厚さをそれぞれすり板１１、１２、１３、１４面と高感度超音波センサ３０との距離Ｌｘを上記基準面距離Ｌ１とＬ２を枕木方向に直線で結んだ基準面から引き算して求める処理を行う。
【００１９】
データ処理部９から伝送された計測データは、計測パソコン１０を経由して全てファイルサーバー３１に保存される。このため、計測パソコン１０がデータ処理部９とデータ交信中であってもなくても、解析用パソコン３２からファイルサーバー３１にアクセスして必要なデータを随時検索できる。解析用パソコン３２は各すり板の厚さの解析、異常摩耗や摩耗限界の判定、測定結果の帳票作成を行ない、解析結果及び判定結果の表示並びに帳票の３Ｄ表示等を解析用パソコンの表示部に表示する。通常電車１の入庫間隔が５分という条件があるが、計測データを現場の処理盤から計測用パソコンに伝送するのに３分程度要する。従来は計測データを解析するために計測パソコンの計測モードを終了して解析モードに切りかえる必要があり、解析モードでは現場の処理盤との交信ができない状態になっていた。電車はどんどん入庫してくるので、その場で解析しないと、電車の出庫に影響を与えたり、点検員の作業指示が出せない等の混乱が生じる。このような状況の中、残り２分でデータ解析することは困難であった。本実施の形態の構成によれば、計測パソコン１０がデータ処理部９と交信中であっても、解析パソコン３２はファイルサーバー３１にアクセスして解析を行なうことができ、全体の処理時間を短縮することができる。例えば、主すり板１１、１２及び補助すり板１３、１４のデータ収集、計測データの２次処理と直前に収集された計測データの解析を平行作業で行なうことができる。
【００２０】
また、計測パソコン１０は、高感度超音波センサ３０を通じてデータ処理部９が収集したデータが一部であっても、この一部のデータについて共有ファイルサーバーが受け取り可能になるよう計測データの２次処理を行なう。解析用パソコン３２には計測の処理過程中でどの部位の高感度超音波センサ３０で舟体４をどのように認識したかを解析し表示できる機能も備えられているため、計測不能になった場合には計測不能となったセンサ部位と各高感度超音波センサ３０の距離データ、感度データを瞬時に見ることができる。全計測データが無くても取得できた計測データで解析を行ない、そこまでの結果を表示することができるので、計測不能に陥っても計測できた範囲のデータで可能な解析ができる。例えば、主すり板１１、１２及び補助すり板１３、１４の一部まで計測した時点で計測不能になった場合、解析パソコン３２はその一部の計測データをファイルサーバー３１から取り出して解析し、その解析結果ですり板が摩耗限界に達していれば、残りのデータが取得できなくても点検員によるパンタグラフの点検作業を開始できる。
【００２１】
図４は計測が正常に行なえた場合と計測不能となった場合との表示例である。本実施の形態では特定の電車１の各車両におけるこのようなデータを履歴としてファイルサーバー３１または解析パソコン３２に保存しておく。計測不能になった場合、計測不能時の計測対象となっていた電車１の過去の計測履歴データを解析パソコン３２のデータ履歴検索機能により読み出し、表示させることで瞬時にデータ履歴を確認できるため、パンタグラフ３側の問題か、計測装置側の問題かを始めとして、舟体４の傾きや主すり板１１，１２の偏摩耗等の解析ができる。
【００２２】
これは、例えば車両側に問題ある場合には、計測できなかった車両について過去のデータを調べると、毎回同じように計測できないことから分かる。また、その中でも過去のデータから今回のデータまでで、例えば毎回舟体４の傾きが大きいとか、毎回枕木方向にずれている等の情報が分かるので、該当項目に注視した点検ができるようになる。計測装置側に問題がある場合には、前回までは正常に計測していたのに、今回だけ計測できなかったということから分かる。このような場合、別の解析機能で原因を追求するという手順を踏む。車両の計測経歴データからパンタグラフの摩耗状況がそれほどでないと判断できる場合などは、次回の計測まで様子見という判断もできる。或いは計測不能となった場合でも計測ができた範囲内の一部データは解析可能なので、このデータから原因を分析することも可能になり、原因究明の可能性が広がる。尚、計測経歴データはファイルサーバー３１及び解析パソコン３２の何れかに保存すればよく、さらにバックアップ機能を持たせる目的で両方に保存しても良い。
【００２３】
また、高感度超音波センサ３０は空気に対する送受信効率を高めるために規則正しく配列した圧電セラミック柱３６の周囲に樹脂３７を充填して形成した複合圧電体３５とし、セラミック振動子２０の音響インピーダンスの約１／２から１／３の値とした。上記複合圧電体３５の音響インピーダンスを低くすることに合わせて、音響整合層３８は低密度化させるために樹脂にガラスマイクロバルーン等の低密度な物質を混入させることにより密度が１未満の低密度音響整合層３８を形成した。さらに複合圧電体３５の自由振動を短時間で収束させるために中密度の背面材３９は樹脂にわずかな金属粉末を混入させて、複合圧電体３５の背面に注入して構成した。すなわち、背面材３９の音響インピーダンスは複合圧電体３５の音響インピーダンスの１／２以下が望ましく、これ以上に音響インピーダンスを高めると感度低下が著しく大きくなり、パンタグラフすり板測定装置の目的には使用できない状況になる。上記により構成された高感度超音波センサ３０は従来の超音波センサ６より感度が１０ｄＢ向上し、舟体４の傾きに対して約１．５倍強化された。パンタグラフすり板測定装置用の超音波センサには、基本的には高感度で、かつ複合圧電体の自由振動が速く収斂すること、屋外の環境で長期間安定に動作することが要求される。従って、圧電体の背面側に使用するダンピング部材との相性や送受信機との電気インピーダンスの整合性からも比較的誘電率の大きい素子が望ましく、これらの理由でセラミックスと樹脂との複合材は好適である。
【００２４】
本実施の形態ではデータ収集部としてセンサヘッド内に取り付けられた高感度超音波センサを用いたが、データ収集部はこれに限られるものではなく、レーザ光線の反射波を収集するものや画像データを収集するものであっても良く、何れの場合も収集した受信データに基づいてデータ処理部９が舟体４の各部位までの測距を行ない、距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌｘに換算する処理が行われる。そして、ファイルサーバー３１に格納されたデータは解析パソコン３２から随時アクセスして取り出すことができる。
【００２５】
超音波センサの感度向上は、直接的には計測不能という現象の発生を低減することができる。また、途中まででも計測データを取得可能な本実施の形態の場合には、計測不能に陥る割合を減らすことで、一部の計測データを取得できる可能性も大きくなるから、解析結果にたどり着く比率を向上させることができる。さらに、計測不能の比率が減少するということは、多くのデータ履歴を蓄積できるようになるので、計測不能に至った場合には豊富なデータ履歴との比較で原因が究明できるようになる。
【００２６】
【発明の効果】
この発明は、上記に説明したように構成されているので、計測処理部がデータ処理部と交信中であっても、解析部はファイルサーバーにアクセスして解析を行なうことができ、全体の処理時間を短縮することができる。また、計測不能に陥った場合でもそれまでの計測に関する情報を得ることができる。また、計測不能になった場合に原因を予測できるようになる。さらに、計測不能に陥る割合を減らし、情報取得の可能性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１におけるパンタグラフすり板測定装置を示す概念図。
【図２】この発明の実施の形態１における高感度超音波センサを示す概念図。
【図３】この発明の実施の形態１におけるパンタグラフすり板測定装置の測定原理を示す概念図。
【図４】この発明の実施の形態１における解析結果の表示データ例図。
【図５】従来のパンタグラフすり板測定装置を示す概念図。
【図６】従来のパンタグラフすり板測定装置の測定原理を示す概念図。
【図７】従来の超音波センサを示す概念図。
【図８】舟体傾きと感度低下量との関係図。
【符号の説明】
１　電車、　３　パンタグラフ、　４　舟体、　６　超音波センサ、　９　データ処理部、　１０　計測パソコン、　１１　前主すり板、　１２　後主すり板、　１３　前補助すり板、　１４　後補助すり板、　１６　基準面、　２０　セラミック振動子、　２１　高密度ダンパ、　２２　音響整合層、　３０　高感度超音波センサ、　３１　ファイルサーバー、　３２　解析用パソコン、　３５　複合圧電体、　３６　セラミック柱、　３７　樹脂、　３８　低密度音響整合層、　３９　中密度背面材。
【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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