【発明の詳細な説明】
集電装置と架線の間の接触力の変動を低減する装置
本発明は、接触力を制御することにより、パンタグラフヘッドを有する電気推
進車両の集電装置と架線の間の接触力の変動を低減する装置に関する。
上記種類の装置は公知である（ドイツ連邦共和国特許第３０３３４４９号公報
）。この装置の集電装置は、２段型パンタグラフ式集電装置として形成されてい
る。このパンタグラフ式集電装置はパンタグラフヘッドを介して架線に接触する
上側のパンタグラフと、この上側のパンタグラフを支持する主パンタグラフとを
備えている。上側のパンタグラフに付設された第１のサーボモータには、コント
ローラから、接触力を一定に保つための信号が供給される。第２のサーボモータ
は主パンタグラフに付設され、第２のコントローラから、第１の操作装置の時間
的な中間で一定の操作変位を維持するための操作信号が供給される。この操作装
置により、架線高さが大幅に変化する場合や走行速度が非常に速い場合にも、一
定の接触力が保たれる。２段型パンタグラフ式集電装置は、１個のパンタグラフ
を備えた慣用の集電装置と比べて、コストが比較的に高くつく。
高速の高出力電車の最高速度は特に、集電装置に励起される振動の振幅が速度
の上昇につれて増大することによって制限される。従って、所定の限界速度から
、一方では、集電装置と架線の連続的な接触が保証されず、他方では、集電装置
と架線の間の許容押圧力を上回ることになる。この押圧力は集電装置のすり片の
摩耗を大幅に増大させることになる。この限界速度は第一義的には、集電装置と
架線の系の強度または外部からこの系に作用する力（動かされる車体の慣性力、
空気力学的な力、多重トラクションによる架線励起等）に依存する。
例えばマスト間隔を短くするかまたは架線横断面積を大きくすることによって
架線の強度を高めることにより、限界速度を高めることが試みられた（BecKer K
,Resch,U.,Zweig B.-W.:電気軌道における“高速架線の最適化”93(1994年)第9
号、第243〜248頁）。しかし、これは高い構造的コストを必要とする。なぜなら
、路線区間全体にわたってこの手段を講じなければならないからである。他
の方法は、集電装置の軽量化を高めることにある（Daimler-Benz Industrie AEG
：集電装置のパンフレットDSA350SEK;1995年）。この場合、コストの理由から、
適用される範囲が非常に狭い。
接触力の変化は特に、集電装置の空気力学的な応力の変化によって生じる。こ
のような接触力の変化を低減するために、二重パンタグラフ式集電装置が知られ
ている。垂直方向に摺動可能に支承されたこの集電装置のパンタグラフヘッドは
、制御可能な翼要素を備えている。この翼要素は、すり条片と架線の間の接触力
の、その目標値からの偏差に応じて、必要な上昇および下降を行う（ＤＥ−０５
２３６３６８３）。
更に、連接棒、上側アームおよび下側アームと、その上に装着されたいわゆる
“ミニ集電装置”とからなる集電装置が知られている。このミニ集電装置は上側
アームとミニ集電装置の間に配置された操作シリンダを介して操作可能である。
ミニ集電装置はほとんど慣性なしに架線の運動に追従し、高速の場合にも一定の
押圧力で架線に押し付けられる。センサはミニ集電装置と架線の間の押圧力を検
出する。押圧力の実際値は、制御偏差を求めるために目標値と比較される。この
制御偏差はＩコントローラに供給され、操作信号を操作シリンダに供給する（Ｄ
Ｅ−０５２１６５８１３）。この集電装置は既に述べた集電装置のように、２段
型に形成され、１個のパンタグラフを備えた集電装置と比べてコストが比較的に
高くつく。
パンタグラフを備えた集電装置と架線の間の接触力に能動的に影響を与える第
１の方法は、走行中にも集電装置を昇降させるために空気ベローを制御操作する
ことにある(Schrenk,T.:Diplomarbeit FH Offenburg,Tasches,G.:Diplomarbeit
FH Offenburg)。それによって達成可能な周波数は最大で１Ｈｚである。従って
、４００ｋｍ／ｈ以上の高速の場合あるいは多重トラクションの場合に低速で既
に発生する接触力変動を補正することができない。
集電装置と架線の間の接触力を制御するために更に、すり条片の下方にファイ
バー光学的なセンサを設けることが知られている。このセンサは閾値スイッチと
して、所定の接触力を下回るときに、接触力を強める昇降装置を制御する（ドイ
ツ連邦共和国特許出願公開第３８３１１７７号公報）。
ハーフパンタグラフ式集電装置の実験により、接触力変動によって集電装置に
生じる振動は実質的に、集電装置のパンタグラフヘッドによって左右され、上側
アームと下側アームの作用は無視できることが判っている（Brand W.Diplomarbe
it TU Muenchen,1995年）。
本発明の根底をなす課題は、特に約１Ｈｚまたはそれ以上の変動を大幅に低減
することができる、集電装置と架線の間の接触力変動を低減する装置を開発する
ことである。
この課題は、冒頭の述べた種類の装置において、本発明に従い、パンタグラフ
ヘッドの範囲に、適応作動するコントローラによって影響を受けるアクチュエー
タ要素が配置され、このアクチュエータ要素により、予め定めた静的押圧力に加
えて、運転経過に依存する、接触力変動と反対向きのアクチュエータ力が、集電
装置のすり条片に直接的にまたは間接的に伝達されることによって解決される。
この手段により、接触力変動は、列車速度に関係なく、非常に狭い拡散帯域内に
ある。アクチュエータ要素は特に、電動機、リニアモータ、圧電式アクチュエー
タまたはピエゾ磁気式アクチュエータまたは電気流動学的液体、電磁気、液圧ま
たは空気圧に基づくアクチュエータである。１個または複数のセンサに接続され
たコントローラによって影響を受けるアクチュエータ要素は、アクチュエータの
特性または負荷状態の値的な高さに適合する。アクチュエータはコントローラを
介して、開放または閉鎖制御回路のセンサに接続されている。例えば圧電式アク
チュエータの場合、アクチュエータ自体がセンサ機能を有することができる。
制御すべき外部の量は接触力である。これは、振動によって生じる、すり条片
と架線の間の押圧力の時間的な変化あるいはすり条片の加速度である。
有利な実施形では、アクチュエータ要素はサイズモ式に支承されたホルダーに
固定されている。サイズモ式支承の原理は、アクチュエータが受動運転中その弾
性的な支承に基づいてすり条片の振動に追従できることである。アクチュエータ
要素の弾性支承部の共振振動数が、制御すべき接触力の下限周波数よりも少なく
とも２オクターブ低いので、アクチュエータは能動運転中の相対的な操作変位、
ひいては力をすり条片に加えることができる。なぜなら、サイズモ式支承が短時
間阻止されるからである。この支承によって、すり条片はばね変位に沿って移動
可能であり、その際押圧力の発生がアクチュエータ要素によって悪影響を受ける
ことがない。
接触力が加速度に比例するので、制御信号としてすり条片の加速度を用いるこ
とができる。この場合、トラッキングろ波器を経て、基本波と第１と第２の調波
（上側波）だけが通過し、それによって得られた信号はＰＩＤコントローラまた
はＰコントローラと高電圧増幅器を経てピエゾアクチュエータに供給される。加
速度を測定するために、加速度センサがすり条片に適用されるかあるいは圧電作
用するアクチュエータがそのセンサ的な特性に基づいてセンサとして使用される
。
制御回路には、アクチュエータ要素の手前にトラッキングろ波器を組み込み可
能である。このトラッキングろ波器の周波数は、隣接するマストと吊り下げ要素
の間隔によって割算された列車の速度に一致する値に連続的に適合させられる。
ろ波器は、前述の周波数とその第１と第２の調波だけを通過させ、他のすべての
周波数成分を除去するという役目を有する。通過特性曲線およびまたは遮断特性
曲線は随伴可能であるが、必ずしも随伴させる必要はない。このトラッキングろ
波器によって、パンタグラフヘッドの固有形状にアクチュエータによってエネル
ギーを加えられ、固有形状が自己励起状態になることあるいはアクチュエータ自
体が不安定になることが避けられる。マストの間隔と吊り下げ部材の間隔が概し
て一定であるので、列車の速度を検出することで充分である。そうでない場合に
は、適当なセンサを介してマストの間隔と吊り下げ要素の間隔を検出しなけれは
ならない。
本発明の他の効果は、集電装置と架線の間の接触力の変動を適切に、すなわち
列車の速度にほとんど左右されずに、最小限に抑えることができることにある。
それによって、
１．集電装置と架線の間の許容接触力を下回ることなく、および許容接触力を上
回ることにより、慣用の装置と比較して、すり条片または架線の摩耗を増大さ
せることなく、列車は３５０ｋｍ／ｈ以上で走行することができる。
２．２８０ｋｍ／ｈよりも速い速度の場合に、１台の列車あたり、１個よりも多
い集電装置を運転させて列車を走行させることができる。
３．すり条片と架線の摩耗が従来の集電装置よりも少ない。
次に、実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。この実施の形態から、
他の詳細、特徴および効果が明らかになる。
図１は１段型パンタグラフ式集電装置の概略側面図、
図２は図１のパンタグラフヘッドの範囲のパンタグラフ式集電装置部分の概略
側面図である。
電気的運転車両の屋根１には集電装置２が設けられている。この集電装置は下
側アーム３と連接棒４と上側アーム５を備えている。連接棒４は個所６で、下側
アーム３は個所７で回転可能に支承されている。上側アーム５は回転個所８で下
側アーム８と上側アームレバー９に摩擦的および形状補完的に連結されている。
この上側アームレバーは連接棒４に枢着されている。上側アーム５の上端に、パ
ンタグラフヘッド（舟）１０が回転可能に支承されている。このパンタグラフヘ
ッドは架線１２に接触する少なくとも１個のすり条片１１を支持している。
パンタグラフヘッドの実施形に応じて、パンタグラフヘッドは１個または複数
個のアクチュエータを備えている。図１には、実施の形態のために１個のアクチ
ュエータ１３が示してある。このアクチュエータは例えば積層式圧電アクチュエ
ータとして形成可能である。アクチュエータ１３はホルダー１４に動かぬように
固定されている。すり条片１１は固体ヒンジとして形成されたレバーアーム１５
に装着されている。このレバーアームは支承要素１７，１８の間でホルダー１４
に揺動可能に支承されている。すり条片１１と反対側のレバーアーム１５の一端
には、ばね１６が作用している。このばねの他端はホルダー１４に連結されてい
る。
ばね１６はレバーアーム１５に力を加え、この力により、一方ではすり条片１
１を架線１２に押し付けることができ、他方ではアクチュエータ１３を予備付勢
状態にすることができる。アクチュエータは圧電的に作用するアクチュエータの
場合、その作動範囲を良好に利用することができるという効果がある。
アクチュエータ１３は適応制御回路内に配置されている。この適応制御回路は
コントローラ１８を備えている。制御量の実際値はパンタグラフヘッド加速度に
比例して生じる接触力の変動である。この変動はトラッキングろ波器（追従ろ波
器）２８に供給され、このトラッキングろ波器は集電装置特有の前述の周波数、
すなわち基本波と第１と第２の調波だけを通過させる。ろ波された信号は加算個
所１９に転送され、この加算個所で、実際値と目標値から制御偏差が求められる
。この制御偏差はコントローラ１８を駆動する。このコントローラの後には要素
２０が接続配置され、この要素によって、コントローラの出力信号が、アクチュ
エータ１３に供給される前に、調節機構２１から出力される信号により適応変更
される。調節機構は実際値、目標値および要素２０の出力部の操作信号によって
駆動され、異なる車両速度の際に存在するいろいろな制御系特性に、コントロー
ラ特性を適合させる。
目標値は設定される中間の接触力である。
静的な押圧力の測定は一般的に不要である。押圧力の時間的な変化が測定され
る。この変化は集電装置パンタグラフヘッドの加速度を測定することによって検
出される。従って、加速度は、質量を取り込んで増幅され、そしてアクチュエー
タが変化力の方向に反作用するように、アクチュエータに与えられる量である。
制御回路を設計する場合、アクチュエータの種類を取り込むべきである。すなわ
ち、圧電式アクチュエータ、簡単なＰコントローラ、空気圧式または液圧式アク
チュエータ、状態コントローラに論理的に結合されたＰコントローラまたはＰＩ
Ｄコントローラ、電気流動学的液体に基づくアクチュエータ、ＰＩＤコントロー
ラを考慮すべきである。
アクチュエータが鉄道車両にとって普通である運転電圧で運転されない場合、
アクチュエータ１３への電圧の供給は高電圧に対して絶縁されたケーブルを介し
て行われる。このケーブルは集電装置の上側アームと下側アーム３５の横材に通
して案内することができる。高電圧に対して絶縁されたこのケーブルにより、鉄
道車両の必要な運転電圧によって発生する電場がアクチュエータ１３の運転電圧
に影響を与えなくなる。更に、アクチュエータ１３は構造的な手段によって、架
線の高電圧に対して絶縁されている。
アクチュエータ１３は保持部材２２を介して集電装置またはパンタグラフヘッ
ド１０に次のように固定されている。すなわち、静的な押圧力に加えて、運転経
過に依存して制御される押圧力が、アクチュエータ１３を介して直接的にあるい
はレバー機構を介して、すり条片に加えられるように固定されている。すり条片
が弾性変位を行い、その際同時に可変の押圧力を加えることができるようにする
ために、アクチュエータ保持部材はサイズモ式に支承されている。このサイズモ
式支承はばね２３，２４によって行われる。このばねはホルダー１４とケーシン
グ２５に連結され、このケーシングはコップ状に形成され、剛性のある連結片２
６を備えている。この連結片は集電装置の頂部管２７のための接続部材を形成し
ている。例えば転轍器を通過する際に車両によって生じる振動に上側アーム５が
追従するときに、ホルダー１４はサイズモ式支承に基づいて少しだけしか動かな
い。
押圧力を制御するために、すり条片と架線の間の接触力が測定される。これは
、別個の変位測定装置を介して（例えばファイバー光学的なセンサを介して）、
すり条片の下方に取り付けられた圧電的に作用するロードセルを介して、あるい
は次の例で示すように、圧電的に作用するアクチュエータ１３自体を介して行う
ことができる。更に、すり条片の加速度を、集電装置のパンタグラフヘッドの制
御のための入力量として使用することができる。なぜなら、この加速度が接触力
に比例するからである。
接触力信号の周波数分析から、振動が強制されるときに最大の外乱振幅が生じ
ることが判った。この振動の周波数は列車速度を架線のマスト間隔または吊り下
げ部材間隔で割った値である。エネルギー供給によってパンタグラフヘッドの固
有振動状態が不安定にならないようにするために、制御回路にはトラッキングろ
波器が組み込まれる。このトラッキングろ波器はほとんどリアルタイムで走行速
度に適合する。なぜなら、列車の走行速度の変化が、最新のコンピュータプロセ
ッサの速度よりも遅いからである。同時に、トラッキングろ波器の振幅を介して
、必要な制御力を適合させることができる。
本発明は、特に高速の分野におけるハーフパンタグラフ式集電装置およびフル
パンタグラフ式集電装置の場合、および多重トラクションの場合、集電装置のす
り条片と架線の摩耗を低減するためにも有利に適用される。
【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項
【提出日】平成１０年９月１９日（１９９８．９．１９）
【補正内容】
明細書
集電装置と架線の間の接触力の変動を低減する装置
本発明は、請求項１の上位概念に記載した装置に関する。
この種の公知の装置（米国特許第４１１３０７４号明細書）は、上側の自由端
にパンタグラフヘッドを配置したパンタグラフ式集電装置を備えている。このパ
ンタグラフヘッドはすり条片を介して架線に電気的に接触している。その際、低
周波および高周波の接触力を検出するために、パンタグラフヘッドに、第１の液
圧式アクチュエータ要素が付設されている。このアクチュエータ要素は圧電式接
触カセンサを介してすり条片に連結されている。その際、接触力センサは瞬間的
に検出される接触力に依存して制御信号を発生する。この制御信号から低周波の
接触力変動がろ波され、この低周波の接触力変動を介して、他の液圧式アクチュ
エータを制御する。このアクチュエータは集電装置のパンタグラフ台を制御する
。これに対して、接触力変動の高周波成分は制御信号に変換され、この制御信号
はパンタグラフヘッドに付設された第１のアクチュエータ要素に供給される。
集電装置を備えた他の公知の装置の場合には（ヨーロッパ特許出願公開第０２
７６７４８号公報）、架線とすり条片の間の必要な接触力を維持するために、特
にコンピュータ支援の制御装置が用いられる。この制御装置は、集電装置の昇降
装置の後に配置された振動系や昇降装置自体の質量特性とばねダンパに影響を与
えるために使用される。
他の公知の装置の場合には（ドイツ連邦共和国特許第３０３３４４９号公報）
、集電装置が２段型パンタグラフ式集電装置として形成されている。このパンタ
グラフ式集電装置はパンタグラフヘッドを介して架線に接触する上側のパンタグ
ラフと、この上側のパンタグラフを支持する主パンタグラフとを備えている。上
側のパンタグラフに付設された第１のサーボモータには、コントローラから、接
触力を一定に保つための信号が供給される。第２のサーボモータは主パンタグラ
フに付設され、第２のコントローラから、第１の操作装置の時間的な中間で一定
の操作変位を維持するための操作信号が供給される。この操作装置により、架線
高さが大幅に変化する場合や走行速度が非常に速い場合にも、一定の接触力が保
たれる。２段型パンタグラフ式集電装置は、１個のパンタグラフを備えた慣用の
集電装置と比べて、コストが比較的に高くつく。
高速の高出力電車の最高速度は特に、集電装置に励起される振動の振幅が速度
の上昇につれて増大することによって制限される。従って、所定の限界速度から
、一方では、集電装置と架線の連続的な接触が保証されず、他方では、集電装置
と架線の間の許容押圧力を上回ることになる。この押圧力は集電装置のすり片の
摩耗を大幅に増大させることになる。この限界速度は第一義的には、集電装置と
架線の系の強度または外部からこの系に作用する力（動かされる車体の慣性力、
空気力学的な力、多重トラクションによる架線励起等）に依存する。
例えばマスト間隔を短くするかまたは架線横断面積を大きくすることによって
架線の強度を高めることにより、限界速度を高めることが試みられた（Becker K
,Resch,U.,Zweig B.-W.:電気軌道における“高速架線の最適化”93(1994年)第9
号、第243〜248頁）。しかし、これは高い構造的コストを必要とする。なぜなら
、路線区間全体にわたってこの手段を講じなければならないからである。他の方
法は、集電装置の軽量化を高めることにある（Daimler-Benz Industrie AEG：集
電装置のパンフレットDSA350SEK;1995年）。この場合、コストの理由から、適用
される範囲が非常に狭い。
接触力の変化は特に、集電装置の空気力学的な応力の変化によって生じる。こ
のような接触力の変化を低減するために、二重パンタグラフ式集電装置が知られ
ている。垂直方向に摺動可能に支承されたこの集電装置のパンタグラフヘッドは
、制御可能な翼要素を備えている。この翼要素は、すり条片と架線の間の接触力
の、その目標値からの偏差に応じて、必要な上昇および下降を行う(ＤＥ−０５
２３６３６８３）。
更に、連接棒、上側アームおよび下側アームと、その上に装着されたいわゆる
“ミニ集電装置”とからなる集電装置が知られている。このミニ集電装置は上側
アームとミニ集電装置の間に配置された操作シリンダを介して操作可能である。
ミニ集電装置はほとんど慣性なしに架線の運動に追従し、高速の場合にも一定の
押圧力で架線に押し付けられる。センサはミニ集電装置と架線の間の押圧力を検
出する。押圧力の実際値は、制御偏差を求めるために目標値と比較される。この
制御偏差はＩコントローラに供給され、操作信号を操作シリンダに供給する（Ｄ
Ｅ−０５２１６５８１３）。この集電装置は既に述べた集電装置のように、２段
型に形成され、１個のパンタグラフを備えた集電装置と比べてコストが比較的に
高くつく。
パンタグラフを備えた集電装置と架線の間の接触力に能動的に影響を与える第
１の方法は、走行中にも集電装置を昇降させるために空気ベローを制御操作する
ことにある(Schrenk,T.:Diplomarbeit FH Offenburg,Tasches,G.:Diplomarbeit
FH Offenburg)。それによって達成可能な周波数は最大で１Ｈｚである。従って
、４００ｋｍ／ｈ以上の高速の場合あるいは多重トラクションの場合に低速で既
に発生する接触力変動を補正することができない。
集電装置と架線の間の接触力を制御するために更に、すり条片の下方にファイ
バー光学的なセンサを設けることが知られている。このセンサは閾値スイッチと
して、所定の接触力を下回るときに、接触力を強める昇降装置を制御する（ドイ
ツ連邦共和国特許出願公開第３８３１１７７号公報）。
ハーフパンタグラフ式集電装置の実験により、接触力変動によって集電装置に
生じる振動は実質的に、集電装置のパンタグラフヘッドによって左右され、上側
アームと下側アームの作用は無視できることが判っている（Brand W.Diplomarbe
it TU Muenchen,1995年）。
本発明の根底をなす課題は、集電装置のパンタグラフヘッドの接触力制御装置
を簡単化することができる、集電装置と架線の間の接触力変動を低減する装置を
開発することである。
この課題は本発明に従い、請求項１記載の特徴によって解決される。
アクチュエータ要素をコーティングした圧電式アクチュエータとして形成し、
このアクチュエータが接触力に依存して機械的に付勢され、同時に接触力を測定
するための信号がこのアクチュエータから直接検出されることにより、アクチュ
エータはその作動範囲を最適に利用しながら所定の接触力を維持するために用い
られるだけでなく、同時にセンサ機能を発揮する。アクチュエータ要素のセンサ
機能によって制御されるコントローラによって影響受けるこのアクチュエータ要
素は、そのアクチュエータ特性または負荷状態の値的な高さに適合する。アクチ
ュエータ要素はコントローラを介して開放した制御回路または閉じた制御回路に
接続されている。
制御すべき外部の量は接触力である。これは、振動によって生じる、すり条片
と架線の間の押圧力の時間的な変化あるいはすり条片の加速度である。
有利な実施形では、アクチュエータ要素はサイズモ式に支承されたホルダーに
固定されている。サイズモ式支承の原理は、アクチュエータが受動運転中その弾
性的な支承に基づいてすり条片の振動に追従てきることである。アクチュエータ
要素の弾性支承部の共振振動数が、制御すべき接触力の下限周波数よりも少なく
とも２オクターブ低いので、アクチュエータは能動運転中の相対的な操作変位、
ひいては力をすり条片に加えることができる。なぜなら、サイズモ式支承が短時
間阻止されるからである。この支承によって、すり条片はばね変位に沿って移動
可能であり、その際押圧力の発生がアクチュエータ要素によって悪影響を受ける
ことがない。
接触力が加速度に比例するので、制御信号としてすり条片の加速度を用いるこ
とができる。この場合、トラッキングろ波器を経て、基本波と第１と第２の調波
（上側波）だけが通過し、それによって得られた信号はＰＩＤコントローラまた
はＰコントローラと高電圧増幅器を経てピエゾアクチュエータに供給される。加
速度を測定するために、加速度センサがすり条片に適用されるかあるいは圧電作
用するアクチュエータがそのセンサ的な特性に基づいてセンサとして使用される
。
制御回路には、アクチュエータ要素の手前にトラッキングろ波器を組み込み可
能である。このトラッキングろ波器の周波数は、隣接するマストと吊り下げ要素
の間隔によって割算された列車の速度に一致する値に連続的に適合させられる。
ろ波器は、前述の周波数とその第１と第２の調波だけを通過させ、他のすべての
周波数成分を除去するという役目を有する。通過特性曲線およびまたは遮断特性
曲線は随伴可能であるが、必ずしも随伴させる必要はない。このトラッキングろ
波器によって、パンタグラフヘッドの固有形状にアクチュエータによってエネル
ギーを加えられ、固有形状が自己励起状態になることあるいはアクチュエータ自
体が不安定になることが避けられる。マストの間隔と吊り下げ部材の間隔が概し
て一定であるので、列車の速度を検出することで充分である。そうでない場合に
は、適当なセンサを介してマストの間隔と吊り下げ要素の間隔を検出しなければ
ならない。
本発明の他の効果は、集電装置と架線の間の接触力の変動を適切に、すなわち
列車の速度にほとんど左右されずに、最小限に抑えることができることにある。
それによって、
１．集電装置と架線の間の許容接触力を下回ることなく、および許容接触力を上
回ることにより、慣用の装置と比較して、すり条片または架線の摩耗を増大さ
せることなく、列車は３５０ｋｍ／ｈ以上で走行することができる。
２．２８０ｋｍ／ｈよりも速い速度の場合に、１台の列車あたり、１個よりも多
い集電装置を運転させて列車を走行させることができる。
３．すり条片と架線の摩耗が従来の集電装置よりも少ない。
次に、実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。この実施の形態から、
他の詳細、特徴および効果が明らかになる。
図１は１段型パンタグラフ式集電装置の概略側面図、
図２は図１のパンタグラフヘッドの範囲のパンタグラフ式集電装置部分の概略
側面図である。
電気的運転車両の屋根１には集電装置２が設けられている。この集電装置は下
側アーム３と連接棒４と上側アーム５を備えている。連接棒４は個所６で、下側
アーム３は個所７で回転可能に支承されている。上側アーム５は回転個所８で下
側アーム８と上側アームレバー９に摩擦的および形状補完的に連結されている。
この上側アームレバーは連接棒４に枢着されている。上側アーム５の上端に、パ
ンタグラフヘッド（舟）１０が回転可能に支承されている。このパンタグラフヘ
ッドは架線１２に接触する少なくとも１個のすり条片１１を支持している。
パンタグラフヘッドの実施形に応じて、パンタグラフヘッドは１個または複数
個のアクチュエータを備えている。図１には、実施の形態のために１個のアクチ
ュエータ１３が示してある。このアクチュエータは例えば積層式圧電アクチュエ
ータとして形成可能である。アクチュエータ１３はホルダー１４に動かぬように
固定されている。すり条片１１は固体ヒンジとして形成されたレバーアーム１５
に装着されている。このレバーアームは支承要素１７，１８の間でホルダー１４
に揺動可能に支承されている。すり条片１１と反対側のレバーアーム１５の一端
には、ばね１６が作用している。このばねの他端はホルダー１４に連結されてい
る。
ばね１６はレバーアーム１５に力を加え、この力により、一方ではすり条片１
１を架線１２に押し付けることができ、他方ではアクチュエータ１３を予備付勢
状態にすることができる。アクチュエータは圧電的に作用するアクチュエータの
場合、その作動範囲を良好に利用することができるという効果がある。
アクチュエータ１３は適応制御回路内に配置されている。この適応制御回路は
コントローラ１８を備えている。制御量の実際値はパンタグラフヘッド加速度に
比例して生じる接触力の変動である。この変動はトラッキングろ波器（追従ろ波
器）２８に供給され、このトラッキングろ波器は集電装置特有の前述の周波数、
すなわち基本波と第１と第２の調波だけを通過させる。ろ波された信号は加算個
所１９に転送され、この加算個所で、実際値と目標値から制御偏差が求められる
。この制御偏差はコントローラ１８を駆動する。このコントローラの後には要素
２０が接続配置され、この要素によって、コントローラの出力信号が、アクチュ
エータ１３に供給される前に、調節機構２１から出力される信号により適応変更
される。調節機構は実際値、目標値および要素２０の出力部の操作信号によって
駆動され、異なる車両速度の際に存在するいろいろな制御系特性に、コントロー
ラ特性を適合させる。
目標値は設定される中間の接触力である。
静的な押圧力の測定は一般的に不要である。押圧力の時間的な変化が測定され
る。この変化は集電装置パンタグラフヘッドの加速度を測定することによって検
出される。従って、加速度は、質量を取り込んで増幅され、そしてアクチュエー
タが変化力の方向に反作用するように、アクチュエータに与えられる量である。
制御回路を設計する場合、アクチュエータの種類を取り込むべきである。すなわ
ち、圧電式アクチュエータ、簡単なＰコントローラ、空気圧式または液圧式アク
チュエータ、状態コントローラに論理的に結合されたＰコントローラまたはＰＩ
Ｄコントローラ、電気流動学的液体に基づくアクチュエータ、ＰＩＤコントロー
ラを考慮すべきである。
アクチュエータが鉄道車両にとって普通である運転電圧で運転されない場合、
アクチュエータ１３への電圧の供給は高電圧に対して絶縁されたケーブルを介し
て行われる。このケーブルは集電装置の上側アームと下側アーム３５の横材に通
して案内することができる。高電圧に対して絶縁されたこのケーブルにより、鉄
道車両の必要な運転電圧によって発生する電場がアクチュエータ１３の運転電圧
に影響を与えなくなる。更に、アクチュエータ１３は構造的な手段によって、架
線の高電圧に対して絶縁されている。
アクチュエータ１３は保持部材２２を介して集電装置またはパンタグラフヘッ
ド１０に次のように固定されている。すなわち、静的な押圧力に加えて、運転経
過に依存して制御される押圧力が、アクチュエータ１３を介して直接的にあるい
はレバー機構を介して、すり条片に加えられるように固定されている。すり条片
が弾性変位を行い、その際同時に可変の押圧力を加えることができるようにする
ために、アクチュエータ保持部材はサイズモ式に支承されている。このサイズモ
式支承はばね２３，２４によって行われる。このばねはホルダー１４とケーシン
グ２５に連結され、このケーシングはコップ状に形成され、剛性のある連結片２
６を備えている。この連結片は集電装置の頂部管２７のための接続部材を形成し
ている。例えば転轍器を通過する際に車両によって生じる振動に上側アーム５が
追従するときに、ホルダー１４はサイズモ式支承に基づいて少しだけしか動かな
い。
押圧力を制御するために、すり条片と架線の間の接触力が測定される。これは
、圧電的に作用するアクチュエータ13自体を介して行うことができる。
接触力信号の周波数分析から、振動が強制されるときに最大の外乱振幅が生じ
ることが判った。この振動の周波数は列車速度を架線のマスト間隔または吊り下
げ部材間隔で割った値である。エネルギー供給によってパンタグラフヘッドの固
有振動状態が不安定にならないようにするために、制御回路にはトラッキングろ
波器が組み込まれる。このトラッキングろ波器はほとんどリアルタイムで走行速
度に適合する。なぜなら、列車の走行速度の変化か、最新のコンピュータプロセ
ッサの速度よりも遅いからである。同時に、トラッキングろ波器の振幅を介して
、必要な制御力を適合させることができる。
本発明は、特に高速の分野におけるハーフパンタグラフ式集電装置およびフル
パンタグラフ式集電装置の場合に、および多重トラクションの場合、集電装置の
すり条片と架線の摩耗を低減するためにも有利に適用される。
請求の範囲
１．パンタグラフヘッド（１０）とすり条片（１１）の間に配置されたアクチュ
エータ要素（１３）を用いて接触力変動を制御することにより、パンタグラフ
ヘッド（１０）とすり条片（１１）を支持する電車の集電装置（２）と架線（
１２）との間の低周波および高周波の接触力変動を低減するための装置であっ
て、アクチュエータ要素が適応作動するコントローラ（１８）によって影響を
受け、アクチュエータ要素によって、予め定めた静的押圧力のほかに、付加的
なアクチュエータ力が集電装置（２）のすり条片（１１）に直接的にまたは間
接的に伝達され、付加的なアクチュエータ力が運転経過に依存して、接触力を
検出するセンサによって制御され、かつ接触力変動と反対向きである、装置に
おいて、アクチュエータ要素（１３）が積層された圧電式アクチュエータであ
り、このアクチュエータが機械的に予備付勢され、このアクチュエータから、
すり条片（１１）と架線（１２）の間の接触力を測定するための信号が直接的
に検出されることを特徴とする装置。
２．接触力を測定するための信号がトレッキングろ波器に供給され、このトレッ
キングろ波器がアクチュエータ（１３）の制御回路内に設けられ、トレッキン
グろ波器の周波数が、架線（１２）の隣接するマストまたは吊り下け部材要素
の間隔によって割算された推進列車の速度に一致する値に連続的に適合させら
れ、その都度検出された周波数とその第１と第２の調波だけがトレッキングろ
波器を通過し、トレッキングろ波器の振幅を介してアクチュエータ要素（１３
）の制御力の適合が行われることを特徴とする請求項１記載の装置。
３．アクチュエータ要素（１３）がホルダー（１４）に固定され、アクチュエー
タ要素（１３）の保持部材の固有振動数が、接触力の制御のための周波数の下
限よりも少なくとも２オクターブ低いことを特徴とする請求項１または２記載
の装置。
４．すり条片（１１）がレバーアーム（１５）とばね（１６）を介してアクチュ
エータ要素（１３）に連結され、レバーアーム（１５）が一端にすり条片（１
１）を支持し、すり条片（１１）と反対側のレバーアーム（１５）の端部に、
ばね（１６）が作用し、このばねの他端がアクチュエータ要素（１３）に連結さ
れ、ばね（１６）がすり条片（１１）を架線（１２）の方に押圧し、かつアクチ
ュエータ要素（１３）を予備付勢していることを特徴とする請求項１，２，３の
少なくとも一つに記載の装置。
【手続補正書】
【提出日】平成１１年４月２１日（１９９９．４．２１）
【補正内容】
(1) 明細書第６頁第２行の「支承要素１７，１８」を「支承要素１７，１８．
１」に補正する。
(2) 第２図を別紙の通り補正する。
【図１】【図２】
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(72)発明者 ゼンスブルク・オットー
ドイツ連邦共和国、Ｄ―82049 プルラッ
ハ、ザイトナーストラーセ、４
(72)発明者 トムリンソン・アール・ジェフリー
イギリス国、チェシャー州 ＳＫ６ ８Ｈ
Ａ、ディスリー、ジャクソンズ・エッジ・
ロード