(57)【要約】【課題】  光ファイバに発生する歪みを軽減し、トロリ線の摩耗を高精度に検知できる光ファイバ複合トロリ線及び摩耗検知方法を提供する。【解決手段】  光ファイバ３を備えた光ファイバ複合トロリ線１において、トロリ線本体内２の上部の中心に、トロリ線本体２の摩耗による伸び歪の変化を検知するための光ファイバ３を設けたものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバを備えた光ファイバ複合トロリ線において、トロリ線本体内の上部の中心に、上記トロリ線本体の摩耗による伸び歪の変化を検知するための光ファイバを設けたことを特徴とする光ファイバ複合トロリ線。
【請求項２】
上記トロリ線本体内の小弧面側の中心にファイバ用溝を設け、そのファイバ用溝内に上記光ファイバを収容した請求項１記載の光ファイバ複合トロリ線。
【請求項３】
上記光ファイバにはファイバ・ブラッグ・グレーティングが形成される請求項１または２記載の光ファイバ複合トロリ線。
【請求項４】
トロリ線本体内の上部の中心に、トロリ線本体の摩耗による伸び歪の変化を検知するための光ファイバを収容した光ファイバ複合トロリ線を用いて、その光ファイバ複合トロリ線を布設し、上記トロリ線本体の摩耗で生じる上記光ファイバの伸び歪の変化を測定して上記トロリ線本体の摩耗を検知することを特徴とする摩耗検知方法。
【請求項５】
上記光ファイバを通信用として使用する請求項４記載の摩耗検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トロリ線本体の摩耗を検知するための光ファイバを備えた光ファイバ複合トロリ線及びこれを用いた摩耗検知方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トロリ線は、導電性がよく、しかも引張り荷重が大きく耐摩耗性に優れているので、電気鉄道（トロリ線本体の両側部に溝が形成されたもの）やクレーン（横断面が円形のもの）等に多用されている。
【０００３】
この種のトロリ線には、トロリ線本体内にトロリ線本体の摩耗を検知するための検知線を設けた検知線入りトロリ線がある。
【０００４】
図６に示すような検知線入りトロリ線６１は、トロリ線本体６２内の大弧面６２ｂ側の摩耗限度位置ｃに、２つの検知線用溝６３ａ，６３ｂを（図６では左右）対称に設け、各検知線用溝６３ａ，６３ｂ内に検知線としての絶縁電線６４ａ，６４ｂ（直径１．５５ｍｍ）をそれぞれ収容したものである。トロリ線６１は、トロリ線本体６２の両側部に溝６５がそれぞれ形成されるので、溝付きトロリ線とも言う。
【０００５】
このトロリ線６１を用いた摩耗検知システムは、トロリ線本体６２の摩耗が進行すると絶縁電線６４ａ，６４ｂが露出し、さらに絶縁電線６４ａ，６４ｂの絶縁被覆が破られて導体が露出し、露出した導体がトロリ線本体６２と接触して導通することで作動し、トロリ線本体６２の摩耗を検知するものである。
【０００６】
しかし、トロリ線６１を用いた摩耗検知システムでは、トロリ線本体６２の摩耗により、絶縁電線６４ａ，６４ｂの導体とトロリ線本体６２との導通がどこで発生しているかの位置の検知までは不可能である。また、列車ノイズ等により、昼間におけるトロリ線本体６２の摩耗監視も不可能である。
【０００７】
一方、検知線として光ファイバを用いた光ファイバ複合トロリ線も提案されている。図７に示すような検知線入りトロリ線７１は、トロリ線本体７２内の大弧面７２ｂ側の摩耗限度位置ｃに、２つの検知線用溝７３ａ，７３ｂを（図７では左右）対称に設け、各検知線用溝７３ａ，７３ｂ内に検知線としての光ファイバ７４ａ，７４ｂをそれぞれ収容したものである。
【０００８】
このトロリ線７１を用いた摩耗検知システムは、トロリ線本体７２の摩耗が進行すると光ファイバ７４ａ，７４ｂが露出し、さらに光ファイバ７４ａ，７４ｂが破断することで作動し、トロリ線本体７２の摩耗を検知するものである。トロリ線７１を用いた摩耗検知システムでは、トロリ線本体７２の摩耗の検知だけではなく、光ファイバ７４ａ，７４ｂの破断位置の検知まで可能となる。
【０００９】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【００１０】
【特許文献１】特開平９−２４０３２６号公報
【特許文献２】特開平９−２７９２６９号公報
【特許文献３】特開２００１−２５３２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、一般にトロリ線７１は、図８に示すように、製造時にトロリ線７１の中心線（トロリ線７１が線対称になる線）Ｌ７がドラム８１の軸方向に平行となるように、ドラム８１に巻き取られた後、製品として出荷される。これは、布設後のトロリ線７１に波状摩耗を起こさせないためである。
【００１２】
トロリ線７１を中心線Ｌ７がドラム８１の軸方向に垂直となるように、ドラム８１に巻き取ると、トロリ線７１の上下方向にドラム巻クセがつくので、布設後のトロリ線７１は側面視で波状になる。この状態で列車が通過すると、パンタグラフの位置が一定なので、波状摩耗が発生し、トロリ線７１がすぐに使えなくなってしまう。これに対し、図８のようにドラム８１にトロリ線７１を巻き取ると、トロリ線７１の左右方向にドラム巻クセがつくので、布設後のトロリ線７１は側面視で直線状になり、波状摩耗が発生しない。
【００１３】
図８のようにドラム８１にトロリ線７１を巻き取ったとき、一方の光ファイバ７４ａは中心線Ｌ７より上側に位置するので、一方の光ファイバ７４ａには、ドラム８１への巻き径に応じて伸び歪が発生する。また、他方の光ファイバ７４ｂは中心線Ｌ７より下側に位置するので、他方の光ファイバ７４ｂには、ドラム８１への巻き径に応じて縮み歪が発生する。
【００１４】
つまり、トロリ線７１では、トロリ線本体７２内の大弧面７２ｂ側に２つの光ファイバ７４ａ，７４ｂを対称に設けているので、ドラム８１への巻取り時に、光ファイバ７４ａ，７４ｂは大きな伸縮歪を受け、光ファイバ７４ａ，７４ｂの伝送損失が増大し、光ファイバ７４ａ，７４ｂが破断することもある。したがって、トロリ線７１を用いた摩耗検知システムでは、検知精度が低下するという問題がある。
【００１５】
さらに、トロリ線７１の延線・布設時にも、巻取り時に受けた伸縮歪が完全にとれることはなく、光ファイバ７４ａ，７４ｂに歪みが残留するので、光ファイバ７４ａ，７４ｂの伝送損失が増大し、光信号が伝送不能となってしまうこともある。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、光ファイバに発生する歪を軽減し、トロリ線の摩耗を高精度に検知できる光ファイバ複合トロリ線及びこれを用いた摩耗検知方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、光ファイバを備えた光ファイバ複合トロリ線において、トロリ線本体内の上部の中心に、上記トロリ線本体の摩耗による伸び歪の変化を検知するための光ファイバを設けた光ファイバ複合トロリ線である。
【００１８】
請求項２の発明は、上記トロリ線本体内の小弧面側の中心にファイバ用溝を設け、そのファイバ用溝内に上記光ファイバを収容した請求項１記載の光ファイバ複合トロリ線である。
【００１９】
請求項３の発明は、上記光ファイバにはファイバ・ブラッグ・グレーティングが形成される請求項１または２記載の光ファイバ複合トロリ線である。
【００２０】
請求項４の発明は、トロリ線本体内の上部の中心に、トロリ線本体の摩耗による伸び歪の変化を検知するための光ファイバを収容した光ファイバ複合トロリ線を用いて、その光ファイバ複合トロリ線を布設し、上記トロリ線本体の摩耗で生じる上記光ファイバの伸び歪の変化を測定して上記トロリ線本体の摩耗を検知する摩耗検知方法である。
【００２１】
請求項５の発明は、上記光ファイバを通信用として使用する請求項４記載の摩耗検知方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ドラムへの巻取り時、および延線・布設時に、光ファイバに発生する歪を大幅に軽減できるという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２４】
図１は、本発明の好適実施の形態を示す光ファイバ複合トロリ線の横断面図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態に係る光ファイバ複合トロリ線１は、主にパンタグラフを介して電車に給電を行う電線として使用される。この光ファイバ複合トロリ線１は、布設した状態におけるトロリ線本体２内の上部の中心に、トロリ線本体２の摩耗による伸び歪の変化を検出するための光ファイバ３を設けたものである。
【００２６】
トロリ線本体２の両側部には、トロリ線１の布設時にハンガイヤーを取り付けるための溝４がそれぞれ形成される。トロリ線本体２の下側の外周面は、電車のパンタグラフが摺動する部分である大弧面２ｂであり、トロリ線本体２の上側の外周面は、小弧面２ｓである。
【００２７】
より詳細には、トロリ線本体２内の小弧面２ｓ側の中心に、トロリ線本体２の軸方向に沿うファイバ用溝５を設け、そのファイバ用溝５内に光ファイバ３を収容する。本実施の形態では、断面が略楕円状のファイバ用溝５とし、ファイバ用溝５の長軸とトロリ線７１の中心線（トロリ線７１が線対称になる線）Ｌ１とが一致するようにした。
【００２８】
ファイバ用溝５は、トロリ線本体２内の摩耗限度位置ｃより上部の中心であれば、いかなる箇所に設けてもよい。ファイバ用溝５の断面は略楕円状に限らず、Ｖ字状、略扇形状など、光ファイバ３に損傷を与えず、トロリ線１の布設時、ファイバ用溝５の底面に光ファイバ３を固定できる形状であればよい。つまり、トロリ線本体２の変位に従って光ファイバ３が変位するように、ファイバ用溝５の形状を決定すると共に、ファイバ用溝５内に光ファイバ３を固定する。
【００２９】
トロリ線本体２は、Ｃｕ、あるいはＣｕ合金で形成される。例えば、一般に使用される硬銅トロリ線、銀入りトロリ線、すず入りトロリ線などを含む。本実施の形態では、公称断面積が１１０ｍｍ2 のトロリ線本体２を使用した。
【００３０】
光ファイバ３としては、コアとクラッドからなる光ファイバ素線の外周をシリコーン樹脂、あるいはテフロン（登録商標）で形成した第１被覆層で覆い、その第１被覆層の外周を発泡ポリエチレンで形成した第２被覆層で覆ったものを使用した。本実施の形態では、コアの中心から第１被覆層の外周までの外径が約０．７ｍｍ、全体の外径が１．５ｍｍの光ファイバ３を使用した。
【００３１】
本実施の形態の作用を説明する。
【００３２】
トロリ線１は、図２に示すように、製造時にトロリ線の中心線Ｌ１がドラム８１の軸方向に平行となるように、ドラム８１に巻き取られた後、製品として出荷される。このとき、トロリ線本体２の中心線Ｌ１より上側の部分には、ドラム８１への巻き径に応じて伸び歪が発生する。また、トロリ線本体２の中心線Ｌ１より下側の部分には、ドラム８１への巻き径に応じて縮み歪が発生する。これに対し、トロリ線本体２の中心線Ｌ１部分には、上述した伸び歪と縮み歪が相殺されるので、伸縮歪が発生しない。
【００３３】
本実施の形態に係るトロリ線１は、トロリ線本体２内の小弧面２ｓ側の中心にファイバ用溝５を設け、そのファイバ用溝５内に光ファイバ３を収容することで、トロリ線１のドラム８１への巻取り時、光ファイバ３が中心線Ｌ１近傍に位置するため、トロリ線１のドラム８１への巻き径によらず、光ファイバ３には伸縮歪がほとんど発生しない。
【００３４】
すなわち、ドラム８１への巻き始めの光ファイバ３に加わる応力、中間部の光ファイバ３に加わる応力、ドラム８１への巻き終わりの光ファイバ３に加わる応力がそれぞれほぼ同じになり、ドラム８１への巻き径が小さくても、大きくても、応力差はほとんどない。
【００３５】
これにより、トロリ線１は、ドラム８１への巻取り時、図７のトロリ線７１に比べて、光ファイバ３に発生するひずみを大幅に低減でき、光ファイバ３の伝送損失を大幅に低減できる。光ファイバ３が破断することもない。
【００３６】
ここで、胴径φ９４０ｍｍのドラム８１に、図２のようにしてトロリ線１を巻き取り、この状態で光ファイバ３の伝送損失と伸縮歪を測定したところ、光ファイバ３の伝送損失は０．３５ｄＢ／ｋｍ（測定波長１．３１μｍ）と非常に低く、伸縮歪も＋０．１％と非常に小さかった。
【００３７】
したがって、トロリ線１を使用し、後述する摩耗検知方法を用いれば、トロリ線本体２の摩耗による伸び歪の変化を検知するための光ファイバ３により、トロリ線本体２の摩耗（度）を高精度に検知できるため、列車ノイズ等によらず、昼間のトロリ線１通電時にも検知可能となる。
【００３８】
さらに、トロリ線１は、ドラム８１への巻取り時、光ファイバ３にほとんど伸縮歪が発生しないことから、延線・布設時にも、光ファイバ３に歪みがほとんど残留しないので、図７のトロリ線７１に比べて、光ファイバ３の伝送損失を大幅に低減でき、光信号が伝送不能になることはない。
【００３９】
ここで、上述した胴径φ９４０ｍｍのドラム８１に巻き取ったトロリ線１を、実際のトロリ線布設状態と同様に、ほぼ一定の張力を保つように布設し、光ファイバ３の伸び歪を測定したところ、光ファイバ３の伸び歪は０．０７％と非常に小さかった。
【００４０】
次に、光ファイバ複合トロリ線１を用いた摩耗検知方法を説明する。
【００４１】
本発明者らは、上述したトロリ線１のように、トロリ線本体２内の上部の中心に光ファイバ３を設ければ、ドラムへの巻取り時、および延線・布設時に、光ファイバ３には大きな伸縮歪が発生しないことを見出した。
【００４２】
しかし、トロリ線１は、トロリ線本体２の摩耗が進行し、摩耗限度位置においても光ファイバ３が破断しないので、これまでの背景技術のような摩耗検知システムを使用する場合は、トロリ線本体２の摩耗を検知できない。
【００４３】
そこで、本発明者らは、鋭意研究の末、以下に説明するように、トロリ線本体２が摩耗により断面積が減少した分、光ファイバ３（トロリ線本体２）の伸び歪が大きくなることを利用して、トロリ線本体２（トロリ線１）の摩耗（度）を検知できることを見出した。
【００４４】
より詳細には、まず、トロリ線１としての試料をほぼ一定の張力Ｆを保つように布設し、布設後のトロリ線本体２の大弧面２ｂを削り、トロリ線本体２の断面積をＡ（ｍｍ2 ）と、光ファイバ３の伸び歪ε（％）とを測定した。測定結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１に示すように、試料１は断面積Ａ＝１１０ｍｍ2 、伸び歪ε＝０．０７０％、試料２は断面積Ａ＝１０５ｍｍ2 、伸び歪ε＝０．０７４％、試料３は断面積Ａ＝９９ｍｍ2 、伸び歪ε＝０．０７８％、試料４は断面積Ａ＝９４ｍｍ2 、伸び歪ε＝０．０８２％、試料５は断面積Ａ＝８８ｍｍ2 、伸び歪ε＝０．０８８％であった。
【００４７】
試料１〜５について、横軸を断面積Ａ（ｍｍ2 ）にとり、縦軸を伸び歪ε（％）にとると、トロリ線本体２の断面積と、光ファイバ３の伸び歪とは、図３に示した特性線３１に従う比例関係になる。
【００４８】
すなわち、比例定数（特性線３１の傾き）をＥとすると、布設されたトロリ線１に加わる張力Ｆと、トロリ線本体２の断面積Ａと、光ファイバ３の伸び歪εとの間には、一般的に知られている下式
Ｆ＝Ｅ×Ａ×ε          （１）
が成り立つ。
【００４９】
つまり、トロリ線１は一定の張力Ｆで布設されていることから、トロリ線本体２が摩耗により断面積Ａが減少すると、単位断面積あたりのトロリ線本体２に加わる張力がトロリ線１の布設初期よりも大きくなり、トロリ線本体２が伸びたり、垂れたりするので、トロリ線本体２に従って光ファイバ３が伸びたり、垂れたりし、光ファイバ３の伸び歪εがトロリ線１の布設初期よりも大きくなる。
【００５０】
したがって、トロリ線１を用いた摩耗検知方法では、布設したトロリ線１の光ファイバ３の一端に、ＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ：ブリルアン時間領域光反射計）測定機を接続し、そのＢＯＴＤＲ測定機に予め特性線３１（あるいは式（１））を記憶させておく。
【００５１】
ＢＯＴＤＲ測定機により、光ファイバ３の一端にパルス光を入射し、パルス光によって発生した後方散乱光の一つであるブリルアン散乱光を観測し、トロリ線本体２の摩耗で光ファイバ３（トロリ線本体２）に発生した伸び歪みεを測定する。
【００５２】
さらに、ＢＯＴＤＲ測定機により、予め記憶した特性線３１（あるいは式（１））を参照し、測定した伸び歪εからトロリ線本体２の断面積Ａを求め、求めた断面積Ａからトロリ線本体２の摩耗（度）を検知する。
【００５３】
このように、本実施の形態に係る摩耗検知方法によれば、トロリ線１を布設し、トロリ線本体２の摩耗で生じる光ファイバ３の伸び歪εの変化をＢＯＴＤＲ測定機で測定することで、トロリ線本体２の摩耗（度）を高精度に検知できる。
【００５４】
また、図７で説明したトロリ線７１を用いた摩耗検知方法のように光ファイバの破断ではなく、光ファイバ３の伸び歪εの変化でトロリ線本体２の摩耗（度）を検知するため、トロリ線１の摩耗が摩耗限度位置に達しても、光ファイバ３が断線せず、光ファイバ３を通信用としても使用できる。
【００５５】
ここで、実際に作製した長さ１００ｍのトロリ線１を延線し、張力Ｆ＝３４０ｋｇｆ（３．３３×１０3 Ｎ）で固定して布設したときの全長に亘る歪分布を図４に示す。図４では、横軸をトロリ線１の長手位置（ｍ）にとり、縦軸をトロリ線１の歪（％）にとった。
【００５６】
図４に示すように、トロリ線１の長手方向の歪バラツキは、ＢＯＴＤＲ測定機の測定精度を含めて±０．００３％程度であった。一方、表１あるいは図３の特性線３１によれば、光ファイバ３の伸び歪εは、トロリ線本体２の断面積Ａが４ｍｍ2 減少すると、約０．００３％大きくなる。すなわち、断面積Ａが１ｍｍ2 減少すると、伸び歪εが約０．０００８２％大きくなる。
【００５７】
この結果より、本実施の形態に係る摩耗検知方法は、トロリ線本体２の断面積Ａの減少度（トロリ線本体２の摩耗度）をおよそ５ｍｍ2 ＳＴＥＰ（刻み）で検知可能である。
【００５８】
すなわち、本実施の形態に係る摩耗検知方法は、分解能が５ｍｍ2 なので、摩耗限度位置ｃに達しないとトロリ線本体の摩耗を検知できない背景技術とは異なり、摩耗限度位置ｃに達する前に、トロリ線本体２の摩耗がどの程度進行しているかを高精度に検知できる。また、光ファイバ３を使用していることから、トロリ線本体２の摩耗位置も特定できる。
【００５９】
一方、トロリ線本体２は、その線膨張係数をα、周囲温度変化をΔＴとすると、下式
ε＝α×ΔＴ          （２）
により、周囲温度の影響を受けて伸縮することがわかっている。
【００６０】
実際に作製した長さ１００ｍのトロリ線１の温度変化による歪を測定した結果を図５に示す。図５では、横軸を温度変化ΔＴ（℃）にとり、縦軸をトロリ線本体２の歪（％）にとった。
【００６１】
図５に示すように、温度によるトロリ線本体２（光ファイバ３）の歪に与える影響は、特性線５１に従い、トロリ線本体２の断面積Ａの減少度（図３の特性線３１）と比較して大変大きいため、トロリ線本体２の摩耗（度）をさらに高精度に検知するには、温度補正が必要であることがわかった。すなわち、温度が１℃上昇すると、トロリ線本体２（光ファイバ３）の歪が約０．００１７％大きくなる。そこで、この温度補正は、慣用の光ファイバ温度測定技術を用いて、同じ光ファイバ３で行えばよい。
【００６２】
例えば、予めＢＯＴＤＲ測定機に特性線５１（あるいは式（２））を記憶させておき、そのＢＯＴＤＲ測定機により、温度依存性が高い後方散乱光の一つであるラマン散乱光を観測し、観測したラマン散乱光から温度変化ΔＴを測定する。さらに、ＢＯＴＤＲ測定機により、予め記憶した特性線５１（あるいは式（２））を参照し、温度変化ΔＴによる誤差歪を求める。求めた誤差歪により、トロリ線本体２の摩耗で生じる光ファイバ３の伸び歪εを温度補正する。
【００６３】
これにより、周囲温度の変化によらず、トロリ線本体２の摩耗（度）をさらに高精度に検知できる。
【００６４】
上記実施の形態では、光ファイバ３を使用したが、光ファイバ３の代わりに、光ファイバ３にファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を書き込んだ（形成した）ものを使用してもよい。ＦＢＧは、光ファイバ３のコアの一部に、屈折率の高い部分と低い部分とが長手方向に一定間隔で交互に繰り返されるグレーティング（回折格子）を書き込んで構成される。
【００６５】
この場合、ＦＢＧの伸縮により、ＦＢＧで反射された反射光の周波数がシフトするので、そのシフト量から光ファイバ３の伸び歪（トロリ線本体２の摩耗度）のみならず、トロリ線本体２の振動、温度も検知できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の好適実施の形態を示す光ファイバ複合トロリ線の横断面図である。
【図２】図１に示した光ファイバ複合トロリ線をドラムに巻き取ったときの横断面図である。
【図３】図１に示したトロリ線本体の断面積と、光ファイバの伸び歪との関係を示す図である。
【図４】図１に示した光ファイバ複合トロリ線を延線したときの全長に亘る歪分布を示す図である。
【図５】図１に示したトロリ線本体の温度変化と歪との関係を示す図である。
【図６】背景技術のトロリ線の一例を示す横断面図である。
【図７】背景技術のトロリ線の一例を示す横断面図である。
【図８】図７に示したトロリ線をドラムに巻き取ったときの横断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１  光ファイバ複合トロリ線
２  トロリ線本体
２ｂ  大弧面
２ｓ  小弧面
３  光ファイバ
５  ファイバ用溝
【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】
2005132277.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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