特許 7544566 パンタグラフ測定システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-26

(45)【発行日】2024-09-03

(54)【発明の名称】パンタグラフ測定システム

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/00 20060101AFI20240827BHJP

   B60L 5/22 20060101ALI20240827BHJP

【ＦＩ】

G01L5/00 Z

B60L5/22 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020184510

(22)【出願日】2020-11-04

(65)【公開番号】P2022074456

(43)【公開日】2022-05-18

【審査請求日】2023-08-18

(73)【特許権者】

【識別番号】390021577

【氏名又は名称】東海旅客鉄道株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】吉田 雄史

(72)【発明者】

【氏名】下山 拓紀

(72)【発明者】

【氏名】中村 幸太郎

(72)【発明者】

【氏名】森田 晃

(72)【発明者】

【氏名】黄 勇

(72)【発明者】

【氏名】山田 尚生

【審査官】羽飼 知佳

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－１５０７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２７４７９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ ５／００－５／２８

Ｂ６０Ｌ ５／００－５／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

架線に接触する導電性の舟体と、前記舟体を支持する台枠とを備えるパンタグラフの状態を測定するパンタグラフ測定システムであって、
前記舟体の内部に配置されると共に、前記舟体の前記架線への追従動作に連動して変化する第１物理量を測定するように構成された少なくとも１つのセンサを備え、
前記少なくとも１つのセンサのグラウンド線は、前記舟体に電気的に接続される、パンタグラフ測定システム。

【請求項2】

請求項１に記載のパンタグラフ測定システムであって、
前記舟体又は前記台枠に配置されると共に、前記少なくとも１つのセンサの出力に基づいて第２物理量を演算するように構成された演算器と、
前記台枠に配置されると共に、前記演算器の出力を処理するように構成された処理回路と、
前記少なくとも１つのセンサの前記グラウンド線と前記処理回路のグラウンド線とを電気的に接続すると共に、インダクタ成分が配置された連結線と、
をさらに備える、パンタグラフ測定システム。

【請求項3】

請求項２に記載のパンタグラフ測定システムであって、
前記演算器は、前記舟体に配置される、パンタグラフ測定システム。

【請求項4】

請求項３に記載のパンタグラフ測定システムであって、
前記舟体に配置されると共に、前記演算器が演算した前記第２物理量を無線出力するように構成された通信回路をさらに備える、パンタグラフ測定システム。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のパンタグラフ測定システムであって、
前記少なくとも１つのセンサとしての第１センサ及び第２センサと、
前記第１センサと前記第２センサとに電気的に接続された連結グラウンド線と、
をさらに備え、
前記第１センサと前記第２センサとは、レールの幅方向における対称位置に配置され、
前記連結グラウンド線の中間点は、前記レールの幅方向における前記舟体の中間点に電気的に接続される、パンタグラフ測定システム。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のパンタグラフ測定システムであって、
前記少なくとも１つのセンサを囲うシールド部材をさらに備える、パンタグラフ測定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、パンタグラフ測定システムに関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道車両は、架線に舟体を摺動させることで集電するパンタグラフを備える。パンタグラフにおいて舟体の架線への接触力が低下すると、鉄道車両の走行時に舟体が架線から離れやすくなる。そこで、舟体の内部にセンサを配置して、舟体の架線への接触力を測定する装置が考案されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００２－３２８０６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

鉄道車両の走行時には、舟体の離線に起因する火花の発生によって、舟体近傍には電磁的なノイズが発生する。そのため、舟体の内部に配置されたセンサは、ノイズの影響を大きく受ける。

【0005】

これに対し、集電用とは別に測定用パンタグラフを設け、この測定用パンタグラフにセンサを配置することでノイズの影響を避けられる。しかし、測定用パンタグラフを設けることによって、設備コストが大きくなる。

【0006】

本開示の一局面は、ノイズの影響を抑制しつつ、集電用パンタグラフの接触力を測定できるパンタグラフ測定システムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様は、架線に接触する導電性の舟体と、舟体を支持する台枠とを備えるパンタグラフの状態を測定するパンタグラフ測定システムである。パンタグラフ測定システムは、舟体の内部に配置されると共に、舟体の架線への追従動作に連動して変化する第１物理量を測定するように構成された少なくとも１つのセンサを備える。少なくとも１つのセンサのグラウンド線は、舟体に電気的に接続される。

【0008】

このような構成によれば、舟体の内部に配置されたセンサのグラウンド線が舟体と同電位となるため、舟体がセンサのシールドとして機能する。また、センサのグラウンド線が短くなるため、グラウンド線におけるノイズの影響が抑制できる。その結果、集電用パンタグラフの舟体内部に接触力を測定するためのセンサを配置しつつ、舟体近傍で発生する電磁的なノイズの影響を抑制することができる。

【0009】

本開示の一態様は、舟体又は台枠に配置されると共に、少なくとも１つのセンサの出力に基づいて第２物理量を演算するように構成された演算器と、台枠に配置されると共に、演算器の出力を処理するように構成された処理回路と、少なくとも１つのセンサのグラウンド線と処理回路のグラウンド線とを電気的に接続すると共に、インダクタ成分が配置された連結線と、をさらに備えてもよい。このような構成によれば、センサから処理回路に向かって送られる信号におけるノイズを低減できる。

【0010】

本開示の一態様では、演算器は、舟体に配置されてもよい。このような構成によれば、舟体内部でセンサの出力がアナログからデジタルに変換されるため、ノイズの影響を低減しつつ台枠又は車両本体へ信号を伝送できる。

【0011】

本開示の一態様は、舟体に配置されると共に、演算器が演算した第２物理量を無線出力するように構成された通信回路をさらに備えてもよい。このような構成によれば、舟体から台枠又は車両本体への出力の伝送時における、ノイズの影響を最小限とすることができる。

【0012】

本開示の一態様は、少なくとも１つのセンサとしての第１センサ及び第２センサと、第１センサと第２センサとに電気的に接続された連結グラウンド線と、をさらに備えてもよい。第１センサと第２センサとは、レールの幅方向における対称位置に配置され、連結グラウンド線の中間点は、レールの幅方向における舟体の中間点に電気的に接続されてもよい。このような構成によれば、第１センサと第２センサとの間においてノイズの影響を均等にすることができる。

【0013】

本開示の一態様は、少なくとも１つのセンサを囲うシールド部材をさらに備えてもよい。このような構成によれば、集電電流によるセンサ出力へのノイズの重畳を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、実施形態におけるパンタグラフ測定システムの構成を概略的に示す模式図である。

【図2】図２は、図１のパンタグラフ測定システムにおけるグラウンド線の構成を概略的に示す模式図である。

【図3】図３は、図１とは異なる実施形態におけるパンタグラフ測定システムの構成を概略的に示す模式図である。

【図4】図４は、図１とは異なる実施形態におけるパンタグラフ測定システムの構成を概略的に示す模式図である。

【図5】図５は、シールド部材が配置された舟体の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示すパンタグラフ測定システム１は、鉄道車両に搭載されるパンタグラフ１００の状態を測定する。

【0016】

＜パンタグラフ＞
パンタグラフ１００は、鉄道車両の主電動機に供給される電力を架線２００から集電する。パンタグラフ１００は、舟体１０１と、舟支え１０２と、平衡リンク１０３と、台枠１０４と、風防１０５とを備える。

【0017】

舟体１０１は、導電性を有し、例えばアルミニウム等の金属で構成される。舟体１０１は、架線２００に下方から接触する。舟支え１０２は、舟体１０１の下部に取り付けられている。

【0018】

平衡リンク１０３は、舟支え１０２と台枠１０４とを連結している。また、平衡リンク１０３は、舟支え１０２を回動可能に支持している。台枠１０４は、鉄道車両の屋根に取り付けられ、平衡リンク１０３及び舟支え１０２を介して舟体１０１を支持している。風防１０５は、台枠１０４を覆っている。

【0019】

舟体１０１は、台枠１０４に設けられたバネの弾性力によって、架線２００に下方から押し当てられる。舟体１０１は、鉄道車両の走行時に、ガイシによって吊り下げられた架線２００に追従するように上下方向に変位する。また、舟体１０１は台枠１０４と同電位とされている。

【0020】

＜パンタグラフ測定システム＞
パンタグラフ測定システム１は、第１加速度センサ２Ａと、第２加速度センサ２Ｂと、第１歪みセンサ３Ａと、第２歪みセンサ３Ｂと、演算器４と、処理回路７と、信号線１１と、連結線１２と、第１フェライトコア１５Ａと、第２フェライトコア１５Ｂと、を備える。

【0021】

（センサ）
第１加速度センサ２Ａ及び第２加速度センサ２Ｂは、それぞれ、舟体１０１の加速度を検出するように構成されている。

【0022】

舟体１０１の加速度は、舟体１０１の架線２００への追従動作に連動して変化する第１物理量の１つである。第１加速度センサ２Ａ及び第２加速度センサ２Ｂは、舟体１０１の内部において、レールの幅方向において左右対称の位置に配置されている。

【0023】

第１歪みセンサ３Ａ及び第２歪みセンサ３Ｂは、それぞれ、舟体１０１の歪みを検出するように構成されている。
舟体１０１の歪みは、舟体１０１の架線２００への追従動作に連動して変化する第１物理量の１つである。第１歪みセンサ３Ａ及び第２歪みセンサ３Ｂは、舟体１０１の内部において、舟体１０１の天井部に配置されると共に、レールの幅方向において左右対称の位置に配置されている。

【0024】

第１加速度センサ２Ａ、第２加速度センサ２Ｂ、第１歪みセンサ３Ａ及び第２歪みセンサ３Ｂのアナログ出力は、平衡リンク１０３に敷設された信号線１１によって演算器４に送られる。

【0025】

第１加速度センサ２Ａ、第２加速度センサ２Ｂ、第１歪みセンサ３Ａ及び第２歪みセンサ３Ｂそれぞれのグラウンド線は、舟体１０１に電気的に接続されている。つまり、第１加速度センサ２Ａ、第２加速度センサ２Ｂ、第１歪みセンサ３Ａ及び第２歪みセンサ３Ｂのシグナルグラウンドは、それぞれ、舟体１０１と同電位とされている。

【0026】

舟体１０１に流れる集電電流は数百Ａの大きさであるため、僅かな抵抗値の差でも大きな電位差を生む。そのため、複数のセンサと舟体１０１との接続点は１か所であることが好ましい。

【0027】

本実施形態では、第１加速度センサ２Ａと第２加速度センサ２Ｂとに電気的に接続された連結グラウンド線１３のみが直接舟体１０１に電気的に接続されている。連結グラウンド線１３の中間点は、レールの幅方向における舟体１０１の中間点に電気的に接続されている。

【0028】

連結グラウンド線１３は、第１加速度センサ２Ａのグラウンド線の一部と第２加速度センサ２Ｂのグラウンド線の一部とを構成している。第１歪みセンサ３Ａ及び第２歪みセンサ３Ｂそれぞれのグラウンド線は、連結グラウンド線１３に電気的に接続されることで、間接的に舟体１０１に接続されている。

【0029】

（演算器）
演算器４は、第１加速度センサ２Ａ、第２加速度センサ２Ｂ、第１歪みセンサ３Ａ及び第２歪みセンサ３Ｂの出力に基づいて、舟体１０１の架線２００への接触力を演算するように構成された回路である。舟体１０１の架線２００への接触力は、加速度センサ２Ａ，２Ｂ及び／又は歪みセンサ３Ａ，３Ｂの出力に基づいて演算される第２物理量の１つである。

【0030】

本実施形態では、演算器４は、処理回路７と共に、台枠１０４に配置されている。演算器４は、アンプ４Ａと、計算回路４Ｂとを有する。

【0031】

アンプ４Ａは、信号線１１によって、第１加速度センサ２Ａ、第２加速度センサ２Ｂ、第１歪みセンサ３Ａ、及び第２歪みセンサ３Ｂと電気的に接続されている。アンプ４Ａは、各センサのアナログ出力を増幅すると共に、デジタル信号に変換する。

【0032】

計算回路４Ｂは、アンプ４Ａによって各センサの出力から変換された複数のデジタル信号から舟体１０１の架線２００への接触力を算出し、処理回路７にデジタル信号として出力する。

【0033】

（処理回路）
処理回路７は、演算器４の出力を処理するように構成されている。具体的には、処理回路７は、演算器４の出力を、例えば位置センサ等の他の測定装置の出力と共に、無線又は有線によって鉄道車両内に配置された制御装置に送信する。

【0034】

（信号線）
信号線１１は、第１加速度センサ２Ａ、第２加速度センサ２Ｂ、第１歪みセンサ３Ａ、及び第２歪みセンサ３Ｂのアナログ出力をそれぞれアンプ４Ａに送信する複数の通信用ケーブルと、これらのセンサに電力を供給する電力ケーブルとを有する。また、信号線１１は、クロック信号、計測開始のタイミング信号等のセンサ制御用の信号を各センサに伝送する。

【0035】

（連結線）
図２に示すように、連結線１２は、第１加速度センサ２Ａ、第２加速度センサ２Ｂ、第１歪みセンサ３Ａ及び第２歪みセンサ３Ｂのグラウンド線（つまり連結グラウンド線１３）と処理回路７のグラウンド線１４とを電気的に接続している。連結線１２は、信号線１１と共に、平衡リンク１０３に敷設されている。

【0036】

連結線１２には、インダクタ成分１２Ａが配置されている。また、処理回路７のグラウンド線１４の連結線１２との接続点よりも低圧側には、コンデンサ１２Ｂが配置されている。インダクタ成分１２Ａとコンデンサ１２Ｂとは、ローパスフィルタを構成している。

【0037】

インダクタ成分１２Ａとしては、連結線１２に寄生するインダクタ成分、連結線１２をコイル状に形成して得られるインダクタ成分、磁性体に連結線１２を貫通させる又は磁性体に連結線１２を巻き回すことによって得られるインダクタ成分等が挙げられる。

【0038】

インダクタ成分１２Ａによって、センサのグラウンド線における集電電流によるノイズが低減される。また、コンデンサ１２Ｂは、主電動機への電力供給ラインのバイパスコンデンサとして機能する。

【0039】

（フェライトコア）
第１フェライトコア１５Ａは、舟体１０１内に配置されている。第２フェライトコア１５Ｂは、舟支え１０２内に配置されている。

【0040】

連結線１２は、信号線１１と共に、第１フェライトコア１５Ａ及び第２フェライトコア１５Ｂを貫通している。第１フェライトコア１５Ａ及び第２フェライトコア１５Ｂにより、連結線１２にインダクタ成分１２Ａが配置される。

【0041】

［１－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）舟体１０１の内部に配置されたセンサのグラウンド線が舟体１０１と同電位となるため、舟体１０１がセンサのシールドとして機能する。また、センサのグラウンド線が短くなるため、グラウンド線におけるノイズの影響が抑制できる。その結果、集電用パンタグラフの舟体１０１内部に接触力を測定するためのセンサを配置しつつ、舟体１０１近傍で発生する電磁的なノイズの影響を抑制することができる。

【0042】

（１ｂ）インダクタ成分１２Ａが配置された連結線１２によって、センサから処理回路７に向かって送られる信号におけるノイズを低減できる。

【0043】

（１ｃ）第１加速度センサ２Ａと第２加速度センサ２Ｂとを電気的に接続する連結グラウンド線１３の中間点と、舟体１０１のレールの幅方向における中間点とが電気的に接続されることで、レールの幅方向において対称位置に配置した第１加速度センサ２Ａと第２加速度センサ２Ｂとの間、及び第１歪みセンサ３Ａと第２歪みセンサ３Ｂとの間においてノイズの影響を均等にすることができる。

【0044】

［２．第２実施形態］
［２－１．構成］
図３に示すパンタグラフ測定システム１Ａは、第１加速度センサ２Ａと、第２加速度センサ２Ｂと、第１歪みセンサ３Ａと、第２歪みセンサ３Ｂと、演算器４と、処理回路７と、信号線１１と、連結線１２とを備える。

【0045】

本実施形態のパンタグラフ測定システム１Ａは、演算器４の配置を除いて、第１実施形態のパンタグラフ測定システム１と同じ構成を有する。

【0046】

本実施形態では、演算器４は、舟体１０１に配置されている。つまり、演算器４は、舟体１０１の内部で各センサからのアナログ出力を受け取り、演算した第２物理量をデジタル信号として信号線１１を介して処理回路７に出力する。

【0047】

［２－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（２ａ）舟体１０１内部でセンサの出力がアナログからデジタルに変換されるため、ノイズの影響を低減しつつ台枠１０４へ信号を伝送できる。なお、通信用ケーブルを太くすることでもノイズの影響を低減できるが、平衡リンク１０３のスペースの制限から通信用ケーブルの太さには限界がある。

【0048】

（２ｂ）台枠１０４に信号をシリアル伝送することができるため、信号線１１における通信用ケーブルの本数を削減することができる。これにより、舟支え１０２に設けられる信号線１１挿通用の孔の径を小さくできる。また、通信用ケーブルの本数の削減に合わせて通信用ケーブルの太さを大きくすることで、ノイズ低減を促進できる。

【0049】

［３．第３実施形態］
［３－１．構成］
図４に示すパンタグラフ測定システム１Ｂは、第１加速度センサ２Ａと、第２加速度センサ２Ｂと、第１歪みセンサ３Ａと、第２歪みセンサ３Ｂと、演算器４と、通信回路５と、バッテリ６と、処理回路７と、アンテナ回路８とを備える。

【0050】

本実施形態のパンタグラフ測定システム１Ｂは、第２実施形態のパンタグラフ測定システム１Ａに対し、通信回路５、バッテリ６及びアンテナ回路８を追加した構成を有する。

【0051】

（通信回路）
通信回路５は、演算器４が演算した第２物理量を無線出力するように構成されている。通信回路５は、演算器４と共に舟体１０１に配置されている。演算器４から出力された信号は、通信回路５によってアンテナ回路８へ無線出力される。なお、通信回路５は、鉄道車両内に配置された制御装置に信号を無線出力してもよい。

【0052】

（バッテリ）
バッテリ６は、各センサ、演算器４及び通信回路５に電力を供給する。本実施形態では、バッテリ６による電力供給、及び通信回路５による無線伝送によって、平衡リンク１０３に敷設される信号線を省略できる。

【0053】

（アンテナ回路）
アンテナ回路８は、通信回路５が発信した信号を受信するように構成されている。アンテナ回路８は、受信した信号を処理回路７に送信する。

【0054】

［３－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（３ａ）演算器４が演算した第２物理量を信号線を介さずに無線出力することで、舟体１０１から台枠１０４又は車両本体への伝送時におけるノイズの影響を最小限とすることができる。

【0055】

［４．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

【0056】

（４ａ）上記実施形態のパンタグラフ測定システムは、図５に示すように、舟体１０１内に第１加速度センサ２Ａ等の各種センサを囲うシールド部材９を備えてもよい。シールド部材９は、舟体１０１と同じ金属（例えばアルミニウム等）で構成される。シールド部材９により、集電電流によるセンサ出力へのノイズの重畳を低減できる。

【0057】

また、第２実施形態及び第３実施形態のように演算器４が舟体１０１に配置される場合は、シールド部材９によって少なくともアンプ４Ａもセンサと共に囲うことでノイズの低減効果が高められる。

【0058】

（４ｂ）上記実施形態のパンタグラフ測定システムは、必ずしも物理量を測定するセンサとして加速度センサ及び歪みセンサを備える必要はない。パンタグラフ測定システムは、加速度センサ及び歪みセンサ以外の物理量を測定するセンサを備えてもよい。

【0059】

（４ｃ）上記実施形態のパンタグラフ測定システムにおいて、加速度センサ及び歪みセンサのグラウンド線は、舟体のレールの幅方向における中間点以外に電気的に接続されてもよい。また、各センサにおけるグラウンド線の構成は上述のものに限定されない。例えば、各センサのグラウンド線がそれぞれ舟体と直接接続されてもよい。

【0060】

（４ｄ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

【符号の説明】

【0061】

１，１Ａ，１Ｂ…パンタグラフ測定システム、２Ａ，２Ｂ…加速度センサ、
３Ａ，３Ｂ…歪みセンサ、４…演算器、４Ａ…アンプ、４Ｂ…計算回路、
５…通信回路、６…バッテリ、７…処理回路、８…アンテナ回路、９…シールド部材、
１１…信号線、１２…連結線、１２Ａ…インダクタ成分、１２Ｂ…コンデンサ、
１３…グラウンド線、１４…グラウンド線、１５Ａ，１５Ｂ…フェライトコア、
１００…パンタグラフ、１０１…舟体、１０２…舟支え、１０３…平衡リンク、
１０４…台枠、１０５…風防、２００…架線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】