(57)【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、
前記集電摺動部を所定の可動ストローク範囲内で上下方向に相対変位可能に支持する支持体と、
前記支持体を車体に対し上下方向に変位可能に支持する昇降支持機構と、
前記集電摺動部と前記支持体との間に設けられ、該集電摺動部の該支持体に対する変位に応じた復元力を発生する弾性体を有する弾性支持機構と、
を備えるパンタグラフであって、
前記弾性支持機構は、前記可動ストロークの上端部、下端部の少なくとも一方の端部近傍において、該可動ストロークの中間領域に対してバネ定数が増大するとともに、前記可動ストロークのほぼ全域にわたって前記集電摺動部と前記支持体との間で復元力を発生する主弾性体、及び、前記可動ストロークの中間領域においては前記集電摺動部と前記支持体との少なくとも一方から離間した状態とされ、該可動ストロークの上端部、下端部の少なくとも一方の端部近傍においては前記集電摺動部と前記支持体との間で復元力を発生する副弾性体を有すること
を特徴とするパンタグラフ。
【請求項２】
前記主弾性体及び前記副弾性体は、径が異なりほぼ同心に配置されたコイルバネであ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】
前記副弾性体は、前記集電摺動部及び前記支持体の少なくとも一方側に固定され、前記可動ストロークの端部近傍において、該集電摺動部及び該支持体の他方側と当接する弾性部材であることを特徴とする請求項１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に関する。特には、支持体（舟支え等）に対して集電摺動部（舟体等）が動くストロークの端部で、両者間に設けられたストッパの当たりを低減することにより、トロリ線への追従特性を向上したパンタグラフに関する。
【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。パンタグラフは、一般にトロリ線に接触摺動するすり板が固定された舟体を、昇降機構の上端部に設けられた舟支えによって支持している。舟体は、舟支えに対して所定の可動ストローク内で上下方向に相対移動可能となっている。舟体は舟支えに対して弾性支持機構を介して支持されている。また、昇降機構は、舟体及び舟支えを一定の押上げ力でトロリ線側に押し付けている。
【０００３】
すり板とトロリ線との接触力は、トロリ線の機械インピーダンス（押し上がりにくさ）の不均一、静的な高さ不整、硬点などの要因によって変動する。この接触力がゼロとなると、すり板とトロリ線との機械的接触が失われる離線が生じ、アークが発生し、このアークによってすり板及びトロリ線に電気的磨耗を引き起こす。このようになることを避けるため、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。
【０００４】
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、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ことが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００６−１７４６６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したようなパンタグラフにおいて、舟支えに対して舟体を支持する弾性支持機構は、可動ストロークの伸び側、縮み側の限界点で当接し、それ以上の変位を阻止するストッパを備えている。舟体が可動ストロークの限界点まで変位してストッパ当たりが発生しているときは、舟体を支持するばね系が機能しないため、パンタグラフの追随性能が顕著に低下する。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、可動ストローク端部でのストッパ当たりを低減し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、前記集電摺動部を所定の可動ストローク範囲内で上下方向に相対変位可能に支持する支持体と、前記支持体を車体に対し上下方向に変位可能に支持する昇降支持機構と、前記集電摺動部と前記支持体との間に設けられ、該集電摺動部の該支持体に対する変位に応じた復元力を発生する弾性体を有する弾性支持機構と、を備えるパンタグラフであって、前記弾性支持機構は、前記可動ストロークの上端部、下端部の少なくとも一方の端部近傍において、該可動ストロークの中間領域に対してバネ定数が増大するするとともに、前記可動ストロークのほぼ全域にわたって前記集電摺動部と前記支持体との間で復元力を発生する主弾性体、及び、前記可動ストロークの中間領域においては前記集電摺動部と前記支持体との少なくとも一方から離間した状態とされ、該可動ストロークの上端部、下端部の少なくとも一方の端部近傍においては前記集電摺動部と前記支持体との間で復元力を発生する副弾性体を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、弾性支持機構のバネ定数が可動ストロークの端部近傍で中間領域に対して増大する非線形性を有することから、集電摺動部が可動ストロークの限界点に達してストッパ当たりが生じるのに要する荷重が増大する。これによって、ストッパ当たりが抑制され、集電摺動部に大荷重が作用した場合におけるパンタグラフの追随特性を向上し、集電摺動部のトロリ線からの離線を低減することができる。
【０００８】
また、集電摺動部の可動ストロークのうち常用される中間領域でのバネ定数に影響を及ぼすことなくストッパ当たり低減効果を得ることができる。さらに、主弾性体及び副弾性体のバネ定数の設定によって、非線形特性のチューニングが容易である。
【０００９】
この場合において、前記主弾性体及び前記副弾性体は径が異なりほぼ同心に配置されたコイルバネである構成とすることができる。
これによれば、弾性支持機構をコンパクトに構成することができる。
なお、コイルバネにゴム被覆を施したベローばねでも良い。
また、前記副弾性体は、前記集電摺動部及び前記支持体の少なくとも一方側に固定され、前記可動ストロークの端部近傍において、該集電摺動部及び該支持体の他方側と当接する弾性部材である構成とすることもできる。
この場合、副弾性体として、典型的には、ゴム等の弾性材料を集電摺動部、支持体の一部に巻きつけたものや、ブロック状にして装着したもの等を用いることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明によれば、支持体に対して集電摺動部を弾性的に支持する弾性支持機構のバネ定数が、集電摺動部の可動ストロークの端部近傍で増加する非線形特性を有することによって、集電摺動部の可動ストロークを規制するストッパの当たりを低減し、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を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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実施の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。
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とって説明する。
図１は、本実施の形態に係るパンタグラフを模式的に示す機構図である。
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の上に配置される。
パンタグラフ１は、舟体１０、舟支え２０、昇降機構３０、弾性支持機構１００等を備えて構成されている。
なお、舟体１０及び弾性支持機構１００は、ひとつの舟支え２０に対して、例えば２組が車両の前後方向に離間して配列されている。
【００１２】
舟体１０は、トロリ線（給電線）Ｔに接触するすり板体１１が固定された部材であり、本発明でいう集電摺動部である。
舟体１０は、典型的にはアルミニウム系合金等を用いて、車幅方向に伸びた梁状に形成される。舟体１０は、舟支え２０に対して、所定の可動ストロークの範囲内で上下方向に相対移動可能となっている。
また、舟体１０は、すり板体１１が取付られた本体部１０ａから下方に突き出して形成された下枠部１２を備えている。この下枠部１２の下端部１２ａは、舟支え２０の下側に回りこんで形成されている。この下枠部１２の下端部１２ａには、舟体１０の上方側への移動量を規制する上限ストッパ１５０（図２等を参照）及び後述する弾性支持機構１００の上限サブスプリング１３０が設けられる。これらについては、図２等を参照しつつ後に詳しく説明する。
すり板体１１は、舟体１０の長手方向に沿って配置された帯状のプレートである。すり板体１１は、例えば鉄系や銅系の焼結合金や、カーボン系の材料を用いて形成されている。
舟支え２０は、舟体１０の下側に設けられ、舟体１０を支持するものである。舟支え２０は、昇降機構３０の上端部に連結される。
【００１３】
昇降機構３０は、車体屋根２に対して舟支え２０を昇降可能に支持するものである。
昇降機構３０は、下端部が車体屋根２に固定され、上端部に舟支え２０が装着された４節リンクを備えている。
このリンクは、前後方向に延びる上枠３１を備えている。この上枠３１の上端は、連結部３２を介して舟支え２０に連結されている。上枠３１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３１の下端のくの字屈曲部には、第一節３３を介して下枠３４の上端が連結されている。
【００１４】
舟支え２０の下端側と下枠３４の上端側は、上枠３１の下方に配置された舟支えリンク３５でつながれている。この舟支えリンク３５は、舟支え２０及びその上の舟体１０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３１の下端には、第三節３６を介して釣り合い棒３７の上端が連結されている。この釣り合い棒３７の下端は、第四節３８を介して、車体屋根２の上の取付フランジ３９に連結されている。下枠３４の下端は、主軸（第二節）４０に連結されている。この主軸４０は、車体屋根２の取付フランジ４２に回動可能に支持されているとともに、車体屋根２の上に配置された主バネ４１に連結されている。主バネ４１は、パンタグラフ１に上昇力を与える部材である。
【００１５】
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１０を上昇させるには、図示しない解除機構を解除して主バネ４１を縮める。すると、この主バネ４１の復元力を受けて下枠３４が主軸４０を支点として図１中Ｕ方向に起き上がり、この下枠３４の動きが第一節３３を介して上枠３１に伝わる。このとき、上枠３１は、第一節３３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３２を介して舟支え２０を持ち上げる。このようにして舟体１０が上昇し、すり板体１１がトロリ線Ｔに押し当てられる。
これとは逆に、舟体１０を下降させるには、図示しない折り畳み用シリンダで下枠３４を図１中Ｄ方向に下げる。すると、上枠３１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４１が伸びた状態となる。そして、図示しないカギ装置で舟支え２０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。
【００１６】
図２は、弾性支持機構１００の周辺部を横方向から見た模式的側面図である。
弾性支持機構１００は、舟体１０を舟支え２０に対して弾性的に支持している。すり板体１１は、１つの舟体１０に対し、車両の前後方向に離間して例えば１対が設けられている。各すり板体１１は、舟体１０の上面に固定されている。
弾性支持機構１００は、メインスプリング１１０、下限サブスプリング１２０、上限サブスプリング１３０等を備えて構成されている。
また、弾性支持機構１００には、下限ストッパ１４０、上限ストッパ１５０が備えられている。
ここで、弾性支持機構１００のメインスプリング１１０、下限サブスプリング１２０、下限ストッパ１４０は、ひとつの舟体１０に対して、例えば２組が車両の前後方向に離間して配置されている。
【００１７】
メインスプリング１１０は、舟体１０と舟支え２０との間にわたして設けられた圧縮コイルバネであって、舟体１０をトロリ線Ｔ方向へ押し上げる復元バネとして作用する。
メインスプリング１１０は、１つの舟体に対して前後２箇所に設けられ、軸心がほぼ鉛直方向に沿って配置されている。メインスプリング１１０の上端部は、舟体１０の前後にそれぞれ突き出したフランジ部の下面に固定されている。メインスプリング１１０の下端部は、舟体１０のフランジ面と対向する舟支え２０の上面部に固定されている。
【００１８】
下限サブスプリング１２０は、舟体１０が舟支え２０に対する可動ストロークの下端近傍にあるときに、舟体１０が舟支え２０に対して上昇する方向の反発力を生じる圧縮コイルバネである。下限サブスプリング１２０は、ほぼ鉛直方向に沿って配置されている。下限サブスプリング１２０は、その内径がメインスプリング１１０の外径よりも小さく形成され、メインスプリング１１０の内径側に、ほぼ同心となるように配置されている。下限サブスプリング１２０は、その下端部が舟支え２０に固定されている。
【００１９】
図３は、下限サブスプリング１２０周辺部の分解図である。
下限サブスプリング１２０は、スプリングシート１２１、バネキャッチャ１２２を備え、さらに、バネキャッチャ１２２の上側には、下限ストッパ１４０の下側ストッパ１４２が設けられている。
スプリングシート１２１は、下限サブスプリング１２０の下端部と当接して荷重を受ける円盤状の部材である。また、このスプリングシート１２１には、外周面からつば状に張り出して形成されたフランジ部が設けられ、このフランジ部は、メインスプリング１１０の下端部と当接するスプリングシートとして機能する。
バネキャッチャ１２２は、スプリングシート１２１の上面部に固定され、下限サブスプリング１２０の下端部を保持して脱落を防止するものである。バネキャッチャ１２２は、ほぼ円盤状に形成され、その外周面が密着巻きされた下限サブスプリング１２０の下端部と螺合するようになっている。
【００２０】
上限サブスプリング１３０は、舟体１０が舟支え２０に対する可動ストロークの上端近傍にあるときに、舟体１０が舟支え２０に対して下降する方向の反発力を生じる圧縮コイルバネである。上限サブスプリング１３０は、舟体１０の前後方向における中央部に設けられ、その軸心がほぼ鉛直方向に沿って配置されている。上限サブスプリング１３０の下端部は、舟体１０の下枠部１２の下端部１２ａの上面に固定されている。また、上限サブスプリング１３０の上端部は、舟支え２０の下面と対向して配置されている。
【００２１】
図４は、上限サブスプリング１３０周辺における分解図である。
上限サブスプリング１３０は、バネキャッチャ１３１、キャップ１３２を備え、さらに、バネキャッチャ１３１の上側には、上限ストッパ１５０が設けられている。
バネキャッチャ１３１は、舟体１０の下枠部１２の上面部に固定され、上限サブスプリング１３０の下端部を保持して脱落を防止するものである。バネキャッチャ１３１は、ほぼ円盤状に形成され、その外周面が密着巻きされた上限サブスプリング１３０の下端部と螺合するようになっている。
キャップ１３２は、上限サブスプリング１３０の上端部に装着され、舟体１０の上昇時に舟支え２０の下面部と当接する部材である。キャップ１３２は、円盤状の本体部の上面部に舟支え２０と当接する突起が形成されている。キャップ１３２の外周面は、密着巻きされた上限サブスプリング１３０の上端部と螺合するようになっている。
【００２２】
下限ストッパ１４０は、舟体１０が舟支え２０に対して下降する側の可動ストローク限界を規制する。
下限ストッパ１４０は、上側ストッパ１４１、下側ストッパ１４２からなる。
上側ストッパ１４０は、中心軸がほぼ鉛直に配置されかつ下側が窄まった円錐台状に形成されている。上側ストッパ１４１は、メインスプリング１１０の内径側に配置され、上端部が舟体１０のフランジ部に固定されている。
下側ストッパ１４２は、中心軸がほぼ鉛直に配置されかつ上側が窄まった円錐台状に形成されている。下側ストッパ１４２は、下限サブスプリング１２０の内径側に配置され、下端部がバネキャッチャ１２２の上面部に固定されている。下側ストッパ１４２の上端部は、無負荷状態における下限サブスプリング１２０の上端部より下側に配置されている。
そして、舟体１０の下降側可動ストローク限界においては、上側ストッパ１４１の下端部と下側ストッパ１４２の上端部とが当接する。
【００２３】
上限ストッパ１５０は、舟体１０が舟支え２０に対して上昇する側の可動ストローク限界を規制する。
上限ストッパ１５０は、中心軸がほぼ鉛直に配置されかつ上側が窄まった円錐台状に形成されている。上限ストッパ１５０は、上限サブスプリング１３０の内径側に配置され、下端部がバネキャッチャ１３１の上面部に固定されている。上限ストッパ１５０の上端部は、上限サブスプリング１３０が無負荷状態であるときに、キャップ１３２の下面部と間隔を隔てて対向するように配置されている。
【００２４】
そして、舟体１０の上昇側可動ストローク限界においては、キャップ１３２の上端部が舟支え２０と当接し、キャップ１３２の下面部が上限ストッパ１５０の上端部と当接して、キャップ１３２が舟支え２０と上限ストッパ１５０とによって挟持された状態となる。
【００２５】
次に、本実施の形態のパンタグラフ１の動作について説明する。
先ず、舟体１０が舟支え２０に対する可動ストロークの中間領域にあるときは、図２に示すように、下限サブスプリング１２０はその上端部が下限ストッパ１４０の上側ストッパ１４１の下面部から離間した無負荷状態となっている。一方、上限サブスプリング１３０もまたキャップ１３２の上端部が舟支え１２０から離間した無負荷状態となっている。このとき、弾性支持機構１００全体としてのバネ定数は、メインスプリング１１０のバネ定数そのものとなる。（図５に実線で示す荷重−変位線図参照）
【００２６】
中間領域にある舟体１０が下向きの入力を受けると、舟体１０はメインスプリング１１０を圧縮しながら舟支え２０に対して下降する。舟体１０の下降が進むと、下限サブスプリング１２０の上端部は下限ストッパ１４０の上側ストッパ１４１の下面部と当接する。ここからさらに舟体１０が下降する場合には、メインスプリング１１０とともに下限サブスプリング１２０が圧縮されることになる。このとき、弾性支持機構１００全体としてのバネ定数は、メインスプリング１１０のバネ定数に下限サブスプリング１２０のバネ定数を加えたものとなる。
この状態からさらに舟体１０が下降し、下限ストッパ１４０の上側ストッパ１４１の下端部と、下側ストッパ１４２の上端部とが当接すると、舟体１０のそれ以上の下降は規制される。
【００２７】
一方、中間領域にある舟体１０が上向きの入力を受けると、舟体１０はメインスプリング１１０を伸張させながら舟支え２０に対して上昇する。舟体１０の上昇が進むと、キャップ１３２の上端部は舟支え２０の下面部と当接する。ここからさらに舟体１０が上昇する場合には、メインスプリング１１０が伸張するとともに上限サブスプリング１３０が圧縮されることになる。このとき、弾性支持機構１００全体としてのバネ定数は、メインスプリング１１０のバネ定数に上限サブスプリング１３０のバネ定数を加えたものとなる。
この状態からさらに舟体１０が上昇し、上限ストッパ１５０の上端部がキャップ１３２の下面部と当接すると、舟体１０のそれ以上の上昇は規制される。
なお、本実施の形態において、各サブスプリングが機能している状態においては、中間領域に対して弾性支持機構１００のバネ定数が数倍（例えば３倍）程度となるように各スプリングのバネ定数が設定されている。
【００２８】
次に、上述した本実施の形態の効果を、比較例と対比しつつ以下説明する。
比較例のパンタグラフは、本実施の形態におけるパンタグラフの弾性支持機構１００から、下限サブスプリング１２０及び上限サブスプリング１３０を廃したものである。
図５は、本実施の形態及び比較例のパンタグラフにおける舟体及び舟支えの間に作用する静的な荷重と舟支えに対する舟体の変位との相関を示すグラフである。
図５において、横軸は舟体の変位を示し、右側が上昇側、左側が下降側となっている。また、縦軸はストローク中立位置の荷重を０とした時の荷重を示し、上側が上向き荷重、下側が下向き荷重となっている。（後述する図６においても同様）
【００２９】
比較例においては、舟体１０の可動ストロークのほぼ全域にわたってバネ定数が一定であることから、比較的小さい荷重であっても舟体１０が可動ストローク限界まで変位してストッパ当たりが生じやすい。このようなストッパ当たりが生じると、舟体１０のトロリ線Ｔへの追随特性が低下し、すり板体１１がトロリ線Ｔから離れる離線が生じやすくなる。離線が生じると、アークが発生してトロリ線Ｔ及びすり板体１１の損耗の原因となる。
【００３０】
これに対し、本実施の形態においては、舟体１０が可動ストロークの下限近傍又は上限近傍まで変位すると、下限サブスプリング１２０又は上限サブスプリング１３０がそれぞれ機能して、弾性支持機構１００全体としてのバネ定数が増大する。これによって、舟体１０のさらなる変位に必要な荷重が増大して変位の増加が抑制され、ストッパ当たりが低減される。
【００３１】
以上説明した本実施の形態によれば、弾性支持機構１００のバネ定数が舟体１０の可動ストロークの端部近傍で中間領域に対して増大する非線形性を有することから、舟体１０が可動ストロークの限界点に達してストッパ当たりが生じるのに要する荷重が増大する。これによって、ストッパ当たりが低減され、舟体１０に大荷重が作用した場合におけるパンタグラフの追随特性を向上し、すり板体１１のトロリ線Ｔからの離線を低減することができる。
また、弾性支持機構１００は常時機能するメインスプリング１１０及び可動ストロークの端部近傍でのみ機能する各サブスプリング１２０，１３０を有する構成としたことによって、中間領域でのバネ定数（追随特性）に影響を及ぼすことなくストッパ当たりの発生を効果的に低減して、大変位時における追随特性を改善することができる。
さらに、メイン、サブ各スプリングのバネ定数の設定により、上述した非線形特性のチューニングが容易である。
また、下限サブスプリング１２０をメインスプリング１１０の内径側にほぼ同心に配置したことによって、弾性支持機構１００の構成をコンパクトにすることができる。
【００３２】
（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）パンタグラフの構造や各部材の形状、構成、配置等は上述した実施の形態に限定されず、適宜変更することができる。例えば、実施の形態では下限サブスプリングを支持体側（バネ下側）に設け、上限サブスプリングを集電摺動部側（バネ上側）に設けているが、これを反対側に設けてもよい。
（２）上述した実施の形態では、副弾性体としてコイルスプリングを用いているが、これに限らず、他の弾性体を用いてもよい。例えば、副弾性体として、ゴム等の弾性材料を舟体又は舟支えの一部に巻きつけても良い。また、弾性材料を例えばブロック状等所望の形状に形成し、舟体又は舟支えに装着してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態に係るパンタグラフを模式的に示す機構図である。
【図２】図１のパンタグラフの弾性支持機構周辺の模式的側面図である。
【図３】図１のパンタグラフの下限サブスプリング周辺部の分解図である。
【図４】図１のパンタグラフの上限サブスプリング周辺部の分解図である。
【図５】本実施の形態及び比較例のパンタグラフにおける舟体への荷重と舟体の変位との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１    パンタグラフ              ２    車体屋根
１０    舟体                    １１    すり板体
１２    下枠部                  ２０    舟支え
３０    昇降機構              １００    弾性支持機構
１１０    メインスプリング      １２０    下限サブスプリング
１３０    上限サブスプリング    １４０    下限ストッパ
１４１    上側ストッパ          １４２    下側ストッパ
１５０    上限ストッパ
【図１】
0005214195.tif 000002
【図２】
0005214195.tif 000003
【図３】
0005214195.tif 000004
【図４】
0005214195.tif 000005
【図５】
0005214195.tif 000006