(57)【要約】【課題】  新幹線から地下鉄まで幅広く営業車に搭載可能で、装置高さを低くすることができるトロリ線摩耗量測定光学系を提供することにある。【解決手段】  この発明は、ポリゴンミラーの回転を水平面とし、凹面鏡が所定の水平面に対応する中心線上に受けて所定の水平面より下側に反射するようにしかつレーザ光源およびポリゴンミラーのうちのいずれか低い側の設置面より上側でその反射光をミラー（反射鏡）で受けてトロリ線側に反射する反射光を発生するようにする。これにより、トロリ線摩耗量測定装置の測定光学系の高さを凹面鏡およびポリゴンミラーのいずれかの設置面を基準として実質的にポリゴンミラーの高さあるいは凹面鏡の高さのいずれか高い側までに抑えることができる。【選択図】  図１
2007024683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロリ線の偏位範囲に対応してレーザビームを走査し、前記トロリ線の摺面からの反射光を受光して摺面についての検出信号を得るトロリ線摩耗量測定光学系において、
前記レーザビームを発生するレーザ光源と、
所定の水平面内で回転し前記レーザビームを受ける回転多面鏡と、
この回転多面鏡の多面の１つの反射面から反射光を受けてこれを前記トロリ線に対して下側から照射する光に変換して前記トロリ線に照射し、前記トロリ線からの反射光を前記回転多面鏡の反射面に戻す、凹面鏡を含む複数の反射鏡とを備え、
前記凹面鏡は、前記回転多面鏡からの前記反射光を直接あるいは前記複数の反射鏡の少なくとも１つを介して前記所定の水平面に対応する中心線上に受け、前記所定の水平面より下側に反射するものであり、前記凹面鏡の高さ方向での大きさの中心が前記中心線より下側に位置し、前記複数の反射鏡の少なくとも別の１つが前記所定の水平面より下側でかつ前記凹面鏡および前記回転多面鏡のうちのいずれか低い側の設置面より上側において前記凹面鏡の反射光を受けて前記トロリ線に照射する反射光を発生するトロリ線摩耗量測定光学系。
【請求項２】
前記回転多面鏡と前記凹面鏡とはこのトロリ線摩耗量測定光学系の長手方向において実質的に両側に配置され、前記レーザ光源と前記複数の反射鏡とが前記回転多面鏡と前記凹面鏡の間に配置されている請求項２記載のトロリ線摩耗量測定光学系。
【請求項３】
前記凹面鏡の高さ方向のミラーの中央位置は、前記中心線より下に位置し、前記凹面鏡の高さ方向の長さが前記設置面近傍まで延びている請求項３記載のトロリ線摩耗量測定光学系。
【請求項４】
さらに、前記レーザ光源と前記回転多面鏡との間の光路上に穴が配置される穴あき鏡と、前記穴あき鏡と前記回転多面鏡との間の光路に配置されパンタグラフの高さの変化に応じて移動するレンズと、前記穴あき鏡からの反射光を受けて前記検出信号を出力する光検出器と、前記光学検出器の受光面に焦点合わせするレンズと、パンタグラフの高さの変化に応じて前記光学検出器の受光面に焦点が合うように追従して移動させるレンズの移動機構とを備え、
前記凹面鏡あるいは前記回転多面鏡の高さに実質的に対応した高さに前記トロリ線に対峙するガラス窓を有する請求項３記載のトロリ線摩耗量測定装置。
【請求項５】
トロリ線の偏位範囲に対応してレーザビームを走査し、前記トロリ線の摺面からの反射光を受光して摺面についての検出信号を得る測定光学系と、前記検出信号を受けて前記トロリ線の摩耗量を算出するデータ処理装置とを備えるトロリ線摩耗量測定装置において、
前記測定光学系は、前記レーザビームを発生するレーザ光源と、
所定の水平面内で回転し前記レーザビームを受ける回転多面鏡と、
この回転多面鏡の多面の１つの反射面から反射光を受けてこれを前記トロリ線に対して下側から照射する光に変換して前記トロリ線に照射し、前記トロリ線からの反射光を前記回転多面鏡の反射面に戻す、凹面鏡を含む複数の反射鏡とを備え、
前記凹面鏡は、前記回転多面鏡からの前記反射光を直接あるいは前記複数の反射鏡の少なくとも１つを介して前記所定の水平面に対応する中心線上に受け、前記所定の水平面より下側に反射するものであり、前記凹面鏡の高さ方向での大きさの中心が前記中心線より下側に位置し、前記複数の反射鏡の少なくとも別の１つが前記所定の水平面より下側でかつ前記凹面鏡および前記回転多面鏡のうちのいずれか低い側の設置面より上側において前記凹面鏡の反射光を受けて前記トロリ線に照射する反射光を発生するトロリ線摩耗量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、トロリ線摩耗量測定光学系およびトロリ線摩耗量測定装置に関し、詳しくは、鉄道への電力供給用として線路に沿って架設されたトロリ線に対して、その摩耗量を測定するための測定光学系において、新幹線から地下鉄まで幅広く営業車に搭載可能で、装置高さを低くすることができるようなトロリ線摩耗量測定光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
電車線路における電車車両は、パンタグラフがトロリ線に摺動接触し、これより電力を受電して走行する。パンタグラフの上部には、摺板が取付けられていてトロリ線がこれに接触する。この摺板は、通常、トロリ線に比べて軟質の銅線により形成されている。
車両は、この摺板を介してトロリ線から所要の電力を得る。トロリ線の下面（摺動面または摺面）とパンタグラフ上面（摺板）とは、互いの摺動接触により漸次に摩耗する。パンタグラフ側の摩耗が一部分に集中しないように、トロリ線は支持電柱ごとに左右方向に交互に偏位されている。トロリ線の摩耗量と偏位量は、検測車等にトロリ線摩耗量測定装置を搭載し、定期的に走行測定してそれぞれの良否が検査される。
【０００３】
そのトロリ線摩耗量測定装置の１つに回転多面鏡（ポリゴンミラー）を水平面で回転させて、トロリ線へレーザ光を照射してトロリ線をその偏位範囲に亙って走査するものがある。その１つは、走査に応じて得られるトロリ線摺動面からの反射光を穴あきミラーを介して受光素子で受光することでトロリ線摺動面についての検出信号を得て、走査に対応して得られる検出信号の発生幅をデータ処理装置で算出し、それにより、トロリ線摩耗量を測定する。このようなトロリ線摩耗量測定装置を搭載する検測車がすでに公知である（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−５９７１０号  この場合のトロリ線摩耗量測定装置（レーザ式摩耗測定機）の測定視野は、トロリ線の偏位量に対応して８００ｍｍ程度は必要になる。そのため、ポリゴンミラーのほかに凹面鏡が必要とされ、レーザ光源あるいは光検出器（受光素子）からトロリ線摺動面までの光路長が３０００ｍｍ前後は確保される。  この光路長を確保するためには、専用の検測車が必要とされるが、専用の検測車両を製造することは高価につく。そこで、比較的価格の安い営業車を用いてレーザ式摩耗測定装置を車両の屋根上に搭載する検測車が「鉄道総研報告１９９５年２月号の小特集：営業車を用いた診断技術」において、「３００ｋｍ／ｈ営業車用個体レーザ式トロリ線摩耗測定機の開発」に記載され、公知である（非特許文献２）。
【非特許文献２】鉄道総研報告１９９５年２月号／第９巻第２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
在来線でのトロリ線摩耗量の測定は、従来は、年に数回と低いものであったが、近年、新幹線や地下鉄、私鉄など、営業車両を数分置きに短時間で多数走行させるに至ると、トロリ線の摩耗量の測定回数を多くしなければならなくなる。そのために、専用の車両の検測車を多数設置したのでは、価格が高くなるので、営業車両を検測車に改造することが前記したようにすでに考えられている。
非特許文献２に記載されるような営業車は、新幹線に適用する営業車であって、その屋根の高さも４００ｍｍ程度と比較的高く、屋根からトロリ線までの距離も大きく採れる。また、トロリ線の偏位量を測定する走査幅も８００ｍｍ以上採ることが可能である。しかし、地下鉄や私鉄などのような営業車では屋根の高さは新幹線の車両程度であるが、パンタグラフの移動距離が新幹線に対して低い側に２００ｍｍ程度さらに大きくなる。その分、トロリ線が低い場所がある。そうなると、車両の屋根上に搭載するトロリ線摩耗量測定装置も２００ｍｍ程度は低減することが必要になる。しかも、偏位量を測定する走査幅も採り難くなり、地下鉄や私鉄などの営業車にそのまま非特許文献２に記載される技術を適用することができないのが現状である。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、新幹線から地下鉄まで幅広く営業車に搭載可能で、装置高さを低くすることができるトロリ線摩耗量測定光学系を提供することにある。
この発明の他の目的は、装置高さが低いトロリ線摩耗量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的と達成するためのこの発明のトロリ線摩耗量測定光学系およびトロリ線摩耗量測定装置の特徴は、
レーザビームを発生するレーザ光源と、
所定の水平面内で回転しレーザビームを受ける回転多面鏡と、
この回転多面鏡の多面の１つの反射面から反射光を受けてこれをトロリ線に対して下側から照射する光に変換してトロリ線に照射し、トロリ線からの反射光をポリゴンミラーの反射面に戻す、凹面鏡を含む複数の反射鏡とを備えていて、
凹面鏡が、ポリゴンミラーからの反射光を直接あるいは複数の反射鏡の少なくとも１つを介して所定の水平面に対応する中心線上に受け、所定の水平面より下側に反射するものであり、凹面鏡の高さ方向での大きさの中心が中心線より下側に位置し、複数の反射鏡の少なくとも別の１つが所定の水平面より下側でかつ凹面鏡およびポリゴンミラーのうちのいずれか低い側の設置面より上側において凹面鏡の反射光を受けてトロリ線に照射する反射光を発生するものである。
【発明の効果】
【０００６】
このように、この発明にあっては、ポリゴンミラーの回転を水平面とし、凹面鏡が所定の水平面に対応する中心線上に受けて所定の水平面より下側に反射するようにしかつレーザ光源およびポリゴンミラーのうちのいずれか低い側の設置面より上側でその反射光をミラー（反射鏡）で受けてトロリ線側に反射する反射光を発生するようにする。これにより、トロリ線摩耗量測定装置の測定光学系の高さを凹面鏡およびポリゴンミラーのいずれかの設置面を基準として実質的にポリゴンミラーの高さあるいは凹面鏡の高さのいずれか高い側までに抑えることができる。
その結果、トロリ線摩耗量測定装置の装置高さを２００ｍｍ前後まで低くすることが可能になり、新幹線から地下鉄まで幅広く営業車、特にその屋根の上に搭載可能なトロリ線摩耗量測定装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、この発明のトロリ線摩耗量測定装置の原理的な説明図、図２は、この発明のトロリ線摩耗量測定装置の一実施例の測定光学系の平面図、図３は、その測定光学系の側面図、図４は、信号処理・測定装置のブロック図である。
なお、各図において同一の構成要素は同一の符号で示し、その説明を割愛する。
図１は、この発明の原理を説明するものであって、１は、トロリ線摩耗量測定装置１０（図４参照）の測定光学系である。これは、所定の水平面Ｈ内で回転し、レーザビームを受けるポリゴンミラー２と、この反射光を受ける凹面鏡３とがトロリ線摩耗量測定装置１０の長手方向の両端に配置されている測定光学系１を有している。
凹面鏡３は、ポリゴンミラー２からの反射光Ｌ1を回転水平面（水平面Ｈ）に対応する中心線Ｏ上に受けて回転水平面より下側に反射光Ｌ2を発生する。そのため、凹面鏡３は、垂直線に対してθ傾斜している。この角θは、２〜５°程度である。凹面鏡３の高さ方向のミラーの中央位置Ｃは、中心線Ｏより下に位置していて、下に所定量オフセットがある。これにより凹面鏡３の高さ方向の長さが営業車両９の車両屋根上面９ａ（ベース１ａの設置面（図３参照））近傍まで延びている。これにより中心線Ｏのラインを水平面Ｈに高精度で対応させることができる。
【０００８】
反射光Ｌ2は、水平面Ｈより下側に設けられたミラー４で受けて反射光Ｌ3を発生し、それをトロリ線２０に照射する。反射光Ｌ3は、測定光学系１の屋根フレーム１ｂ（図３参照）に設けられたガラス窓５を介してトロリ線２０の摺動面２０ａに照射される。
トロリ線２０の摺動面２０ａからの反射光は、ガラス窓５，ミラー４，凹面鏡３，ポリゴンミラー２へと元の光路を辿り、穴あきミラー７（図２，図４参照）を経て光検出器８（図２，図４参照）に照射される。
なお、図３に示すように、凹面鏡３は、取付部材３ａを介して傾斜するように測定光学系１のベース１ａに取付けられている。また、ミラー４は、取付部材４ａを介してベース１ａに取付けられている。ベース１ａは、車両屋根上面９ａにボルトにより周囲に設けた取付穴１ｃを介して固定される。
これにより、トロリ線摩耗量測定装置１０（その測定光学系１）の高さは、ポリゴンミラー２あるいは凹面鏡３の設置面（ベース１ａの面）を基準としてこれらが水平面Ｈより出るいずれか高い方の高さまでに制限される。
【０００９】
図２は、この発明のトロリ線摩耗量測定装置１０の一実施例の測定光学系１の平面図であり、図３はその側面図である。
図２，図３に示すように、ポリゴンミラー２と凹面鏡３とは、それぞれ測定光学系１の左右両端に配置され、ポリゴンミラー２は、図２でみるように一方の片隅（上側隅）に置かれている。そこで、ポリゴンミラー２の反射光を測定光学系１の中央に導くためにミラー６が中央部で水平面Ｈ内において測定光学系１の長手方向に沿った光軸Ｌ（反射光Ｌ1の光路に対応）に対して４５°の角度で設けられている。このミラー６は、取付部材を介してベース１ａに取付けられている。
固体レーザとしてのダイオードＹＡＧレーザ１１ａと気体のＨe−Ｎeレーザ１１ｂを用いたレーザ光源１１からの光ビームは、ミラー１２、補正レンズ１３を経て穴あきミラー７の穴７ａ（図４参照）、追従機構１４のレンズ１４ａを経てポリゴンミラー２の反射面２ａに照射される。
ここで、ミラー１２は、レーザ光源１１から照射されたレーザ光を９０°方向を変えてポリゴンミラー２の反射面２ａにそのレーザ光を照射する。
なお、１１ｃは、ダイオードＹＡＧレーザ１１ａのレーザと気体のＨe−Ｎeレーザ１１ｂのレーザとを合成する光線合成部であり、レーザ光源１１はベース１ａに取付けられている。また、レーザ光源１１のレーザ光の波長としては、１０６４mm程度のものが使用される。
ポリゴンミラー２の反射面２ａからの光は、ミラー６、凹面鏡３，ミラー４を経てガラス窓５を通り、トロリ線２０（図１参照）の摺動面２０ａに照射される。
【００１０】
ガラス窓５は、図３に示すように、測定光学系１の屋根フレーム１ｂの水平面に対して１０°程度の角度を持たせてミラー４に対向するように屋根フレーム１ｂに取付けられている。
屋根フレーム１ｂの高さは、トロリ線２０が上下に偏位する下限高さよりも十分に低い位置にある。これによりガラス窓５の位置が低くなる。そこで、車両の屋根等の高さに影響を受け難くなり、凹面鏡３に対するポリゴンミラー２の走査角として約１７°程度（図２参照）採れば、トロリ線２０の高さ位置において偏位量を測定する走査幅を８００ｍｍ以上採ることが容易になる。
トロリ線２０の摺動面２０ａからの反射光は、逆に、ガラス窓５を通り、ミラー４、凹面鏡３、ミラー６を経てポリゴンミラー２の反射面２ａに至る。そして、ここで反射された光が、レンズ１４ａを経て穴あきミラー７に照射され、フォトマルチプライア（ＰＭＴ、光電子増倍管）８ａ（図４参照）を有する光検出器８に入射する。
このＰＭＴ８ａにおいて、入射した検出光が、その光強度に応じた電気信号に変換され、図４に示すように、光検出器８に内蔵されたプリアンプ８ｂを経て信号処理・測定装置１５に入力される。信号処理・測定装置１５は、図２に示すように、ポリゴンミラー２に対向する他方の片隅（下片隅）に置かれている。
光検出器８には、図４に示すように、ＮＤフィルター８ｃ，ピンホール８ｄ，コリメートレンズ８ｅ，干渉フィルター８ｆ，拡散板８ｇ等がＰＭＴ８ａの前面の受光路に前方から順次設けられている。コリメートレンズ８ｅは、平行光束に変換するための凸レンズであって、平行光束を作出し、干渉フィルタ８ｆの入射角に依存する特性をキャンセルする。
【００１１】
信号処理・測定装置１５は、図４に示すように、内部にＡ／Ｄ変換回路（Ａ／Ｄ）１５ａとインタフェース１５ｂ、ＭＰＵ１５ｃ、そしてメモリ１５ｄ等を有していて、ＰＭＴ８ａにより検出された電気信号をＡ／Ｄ１５ａによりデジタル値に変換してインタフェース１５ｂを介してＭＰＵ１５ｃが受ける。ＭＰＵ１５ｃは、さらにポリゴンミラー２による回転位置信号をインタフェース１５ｂを介して受け、メモリ１５ｄに記憶された所定の処理プログラムに従って、検出された信号の強弱と検出タイミングに応じて所定の強度で反射光が得られた幅から摺動面の幅の測定値を得る。このような処理の下で摺動面２０ａに幅を算出し、算出された幅に応じて摩耗量を算出する。また、前記の幅の検出位置からトロリ線２０の偏位量や位置も検出される。
【００１２】
ところで、図４に示すように、ガラス窓５の両端には、受光素子５ａ，５ｂがそれぞれ設けられていて、トロリ線２０に照射されるレーザ光の走査の端がこれらに検出される。その検出信号がインタフェース１５ｂを介して信号処理・測定装置１５に入力される。これにより、ポリゴンミラー２の回転制御による光ビームのトロリ線２０に対する走査範囲が検出され、各受光素子５ａ，５ｂの検出信号がこの範囲のスタート位置とストップ位置を信号処理・測定装置１５のＭＰＵ１５ｃに与える。そこで、この範囲において前記の摺動面２０ａに幅を算出する処理が行われる。
なお、各受光素子５ａ，５ｂの間隔は、トロリ線２０が蛇行偏位する範囲をカバーする範囲に設定されている。したがって、トロリ線２０の偏位範囲に対してレーザビームでトロリ線２０を走査することができる。
【００１３】
追従機構１４は、パンタグラフの高さに合わせての焦点位置のＰＭＴ８ａの受光面に一致させる追従制御をする。このことで、ＰＭＴ８ａ（光学検出器）の検出レベルが向上し、S/N比がよくなり、高い精度で検出信号を得ることができる。
追従機構１４は、信号処理・測定装置１５からの移動制御信号Ｍに応じてレンズ１４ａの位置を光路に沿って移動させる。これにより、トロリ線２０の高さに応じてＰＭＴ８ａの受光面に適正に焦点が形成されるように移動機構１４ｂによりレンズ１４ａの位置を制御する。
トロリ線２０の高さが低いときには、ＰＭＴ８ａの受光面の手前に焦点が来るので、レンズ１４ａの位置を光路上において、ＰＭＴ８ａの受光面に近い側に移動させることで、受光面に焦点を一致させるように制御する。逆に、トロリ線２０の高さが高いときには、逆の制御となる。
信号処理・測定装置１５は、パンタグラフ高さ検出装置１６から高さ検出信号Ｈをインタフェース１５ｂを介してＭＰＵ１５cが受けることで発生する。パンタグラフ高さ検出装置１６は、パンタグラフの主軸の回転を回転検出器で検出することでパンタグラフの高さを検出し、その検出信号Ｈを発生する。
【００１４】
ここで、図２，図３に示すように、ポリゴンミラー２の高さをベース１ａ（基準面）から１５０ｍｍ程度とし、測定光学系１の長手方向の長さを３２００ｍｍ程度とし、ポリゴンミラー２から凹面鏡３までの距離を２５００ｍｍ〜２８００ｍｍの範囲で確保すれば、ＰＭＴ８ａからトロリ線２０の摺動面２０ａまでの光路長を３０００ｍｍ以上とすることができる。
さらに、実施例では、凹面鏡３の焦点距離ｆをｆ＝２５００ｍｍ以上の長いものとすることが可能となり、高い精度で摺動面２０ａの幅を検出することができる。この場合の測定光学系１の高さは、２００ｍｍ前後までの高さに抑えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
以上説明してきたが、実施例では、光検出器としてＰＭＴを使用しているが、ＡＰＤ（アバランシェーフォトダイオード）等の半導体の受光素子を使用できることはもちろんである。
また、穴あきミラー８は、穴あきビームスプリッタであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、この発明のトロリ線摩耗量測定装置の原理的な説明図である。
【図２】図２は、この発明のトロリ線摩耗量測定装置の一実施例の測定光学系の平面図である。。
【図３】図３は、図２のトロリ線摩耗量測定装置の測定光学系の側面図である。
【図４】図４は、信号処理・測定装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００１７】
１…トロリ線摩耗量測定装置、２…ポリゴンミラー、
３…凹面鏡、４，６，１２…ミラー、５…ガラス窓、
７…穴あきミラー、８…光検出器、
８ａ…フォトマルチプライア（ＰＴＭ）、
９…営業車両、９ａ…車両屋根上面、
１０…測定光学系、１１…レーザ光源、
１３…補正レンズ、１４…追従機構、
１５…信号処理・測定装置、
１５ａ…Ａ／Ｄ変換回路（Ａ／Ｄ）、
１５ｂ…インタフェース、１５ｃ…ＭＰＵ、１５ｄ…メモリ、
１６…パンタグラフ高さ検出装置、２０…トロリ線、２０ａ…摺面。
【図１】
2007024683.tif 000003
【図２】
2007024683.tif 000004
【図３】
2007024683.tif 000005
【図４】
2007024683.tif 000006