JP2001059710A

JP2001059710A - トロリ線摩耗量測定装置

Info

Publication number: JP2001059710A
Application number: JP11238528A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Makino; 茂樹牧野; Hiroyuki Kato; 博之加藤; Seihachiro Nakano; 清八郎中野; Yoshihei Sugaya; 由平菅谷; Nobuyuki Kobayashi; 信之小林; Takao Yoshizawa; 孝夫吉沢; Motonari Kanetani; 元就金谷; Shojiro Takei; 正二郎武井; Atsushi Osone; 淳大曽根
Original assignee: Central Japan Railway Co; Hitachi Electronics Engineering Co Ltd
Current assignee: Central Japan Railway Co; Hitachi High Tech Corp
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 1999-08-25
Publication date: 2001-03-06

Abstract

(57)【要約】【課題】高い精度が要求されるトロリ線の摩耗測定に適
するトロリ線摩耗量測定装置を提供することにある。【解決手段】回転多面鏡の回転を水平面とし、光学検出
器が受光するまでの光路にレンズを挿入して光学検出器
の受光面に焦点が合うようにパンタグラフの高さの変化
に合わせてレンズを追従移動させることで摺面について
の信号の検出レベルが向上し、精度の高い検出信号を得
るもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、トロリ線摩耗量
測定装置に関し、詳しくは、電気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の摩耗量を測定
するためのトロリ線の摩耗測定装置において、試験車あ
るいは検測車等に搭載され、高い精度が要求される新幹
線などの高速車両におけるトロリ線の摩耗測定に適する
ようなトロリ線摩耗量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電車線路における電車等の車両は、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、電気検測
車等に測定装置を搭載し、定期的に走行測定してそれぞ
れの良否が検査されている。

【０００３】図４は、特開平５−３４１１３号に記載さ
れる従来のトロリ線摩耗測定装置の一例である。これ
は、ダイオードＹＡＧレーザからの平行光を光チョッパ
ーにより断続光線としてトロリ線上に集光させて垂直な
光を長焦点距離でトロリ線摺動面に当てる。その戻り反
射光を光チョッパーに合わせて同期検出する構成であ
る。このような構成を採ることでノイズの混入を防止
し、S/N比の低下と受光素子の破壊を防止している。具
体的には、１は、小型高出力のダイオードＹＡＧレーザ
を用いたレーザ光源、２は、レーザ光源１の出力光路上
に配置された光チョッパー、３は、レーザ光源１から発
せられる平行光線の光軸上に対して所定角度傾斜させて
設けられた第１の反射鏡、４は、第１の反射鏡３の反射
光軸と直交するように所定角度傾斜させて設けられた第
２の反射鏡、５は、第２の反射鏡４の反射光軸と直交す
るように設けられた第１の集光レンズ、そして６は、第
１のレンズ５の光軸上に設けられたシリンダレンズであ
る。

【０００４】７は、集光レンズ５とシリンダレンズ６か
らなる第１のレンズ系によって集光されて形成された仮
想光原Ｓからの集束光路上に配置された第３の反射鏡、
８は、中央部に透過穴８ａを備え、この透過穴８ａの中
心を仮想光源Ｓによる光ビームの光路に対して所定角度
額斜させて設けられた光ビームスプリッタ、９は、トロ
リ線１４からの反射光束を集束する第２の集光レンズ、
１０は、回転面に光ビームスブリッタ８の透過穴８ａを
通過した光ビームが入射するように設けてある回転多面
鏡〈走査鏡）である．１１は、回転多面鏡１０の反射光
軸上に所定角度領斜させて設けた第４の反射鏡、１２
は、回転多面鏡１０の反射点を焦点とする凹形の球面鏡
又は放物面鏡等からなる第５の反射鏡、１３は、第５の
反射鏡１２による反射光を上方に反射する平面鏡として
の第６の反射鏡、１４はトロリ線、１５は、トロリ線１
４からの反射光のみを通過させるフイル夕、１６は、フ
イルタ１５を通して入射する光を受光する受光素子であ
る。なお、１４ａは、トロリ線の摺動面である。

【０００５】このような構成において、レーザ光源１か
ら回転多面鏡１０に到る光ビームを断続的に遮断する光
チョツパー２は、回転多面鏡１０に同一の回転軸１７に
よって連結された回転円板２ａを有している。この回転
円板２ａには回転多面鏡１０の反射鏡片１０ａと対応さ
せてその個数と同数の透過穴２ｂが所定間隔を置いて設
けられている．また、回転多面鏡１０における反射鏡片
１０ａの隣接するもの同士の間には境界スリット１０ｂ
が形成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上のような構成のト
ロリ線摩耗量測定装置にあっては、回転多面鏡１０は、
水平面に対して直角となる垂直面内で回転する。この場
合、長焦点距離でトロリ線の摺動面１４ａに照射される
光ビームの回転多面鏡１０の反射面は、回転多面鏡１０
の上部に配置され、回転軸により支持されて回転するた
めに、重力による回転中心の偏心と、この軸の回転芯ぶ
れとが回転多面鏡１０の反射光に大きく作用する。これ
により検出位置にずれを生じて、S/N比が低下し、実際
にこのような構造で摩耗測定について検討したところ、
高い精度が要求されるトロリ線の摩耗測定には適用でき
ないことが分かった。特に、前記の技術では、S/N比等
を向上させるために回転多面鏡１０と同じ回転軸に光チ
ョッパー２の円板までくっついていて、これの影響も問
題になる。このようなことを回避するために回転多面鏡
１０を垂直方向に設定することも考えられるが、通常、
回転多面鏡の反射面は、ミラーを貼り付けることから、
ミラーの取り付けばらつきと厚さのばらつきが各反射面
で生じるために精度の高い反射光を得ることは難しい。
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、高い精度が要求されるトロリ線の摩
耗測定に適するトロリ線摩耗量測定装置を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】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装置の特徴は、
測定光学系は、レーザビームを発生するレーザ光源と、
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
受けてこれをトロリ線に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回転多面鏡
の反射面に戻す複数の反射鏡と、レーザ光源と回転多面
鏡との間の光路上に穴が配置される穴あき鏡と、穴あき
鏡と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、穴あき鏡からの
反射光を受けて摺面についての信号を出力する光検出器
とを備えていて、回転多面鏡の反射面が多面鏡と一体物
として形成され、前記のレンズが、光学検出器の受光面
に焦点合わせするものであり、パンタグラフの高さの変
化に応じて光学検出器の受光面に焦点が合うように追従
して移動するものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】このように、回転多面鏡の回転を
水平面とし、光学検出器が受光するまでの光路にレンズ
を挿入して光学検出器の受光面に焦点が合うようにパン
タグラフの高さの変化に合わせてレンズを追従移動させ
ることで摺面についての信号の検出レベルが向上し、精
度の高い検出信号を得ることができる。その結果、S/N
比が向上し、さらに、これと合わせて回転多面鏡の反射
面を一体物で形成しているので、ミラーを貼り付けをし
なくて済み、ミラーの取り付けばらつきと厚さのばらつ
きが各反射面で生じることがなく、新幹線などの高速車
両における高い精度が要求されるトロリ線の摩耗測定に
も適する高精度の測定装置を実現することができる。

【０００９】

【実施例】図１は、この発明のトロリ線摩耗量測定装置
の一実施例の説明図、図２は、パンタグラフ高さ検出機
構の説明図、そして図３は、車両と測定のためのガラス
窓との関係の説明図である。なお、図４と同一あるいは
同等の構成要素は、同一の符号で示し、その説明を割愛
する。先に説明した図４の測定装置とこの発明の測定装
置との大きな相違点は、回転多面鏡１０に換えて、垂直
方向に立った形で水平面内で回転する回転多面鏡２０が
設けられていること。この回転多面鏡２０の材質自体で
多面の反射面を形成すること。そのため反射面は、回転
多面体として削りだしされて鏡面仕上げで回転多面体と
一体物となっていること。さらに、光ビームのトロリ線
１４からの反射光を受ける光路にトロリ線１４の高さに
追従して焦点を光学検出器の検出面に設定するための追
従機構２１が設けられていること。最後に、図４の第５
の反射鏡１２と第６反射鏡１３との位置が入れ替わって
いることである。また、図１では、図４のような光ビー
ムを断続的に遮断する光チョツパー２と、これに関係す
る部分の構成は存在していない。言い換えれば、同期検
出の技術によるS/N比の向上は、回転多面鏡１０と同じ
回転軸に光チョッパー２の円板を装着することになるの
で、その分、かえって精度の高い測定が困難になるから
である。この部分を排除した関係でミラーやレンズにつ
いての光学系に多少相違があるが、これらは発明の基本
原理には本質的に関係するものではない。

【００１０】図１において、固体レーザとしてのダイオ
ードＹＡＧレーザを用いたレーザ光源１からの光ビーム
は、反射鏡４、レンズ５、補助レンズ５ａを経て穴あき
ミラー２２の穴２２ａ、追従機構２１のレンズ２１ａを
経て回転多面鏡２０の反射面２０ａに照射される。反射
面２０ａからの反射光は、反射鏡１１、反射鏡１３、凹
面鏡１２を経てガラス窓２３を通り、トロリ線１４の摺
動面１４ａに照射される。なお、レーザ光の波長として
は、１０６４nm程度のものを使用する。トロリ線１４の
摺動面１４ａからの反射光は、逆に、ガラス窓２３を通
り、凹面鏡１２、反射鏡１３、反射鏡１１を経て回転多
面鏡２０の反射面２０ａに至る。そして、ここで反射さ
れた光が、レンズ２１ａを経て穴あきミラー２２に照射
され、その反射光がＮＤフィルタ（減光フィルタ）２
４、干渉フィルタ２５、ピンホール２６、拡散板２７を
経て、光検出器として設けられたフォトマルチプライア
（ＰＭＴ、光電子増倍管）２８に入射する。このＰＭＴ
２８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、プリアンプ（PREAMP）２９を経て
信号処理・測定装置３０に入力される。なお、この実施
例では、凹面鏡１２を最終段の反射鏡としているので、
トロリ線１４の摺動面１４ａに直接凹面鏡により集光さ
せ、また、その反射光を逆に集束させて戻すことができ
るので、その分、S/N比が向上し、無駄がなくなる。ま
た、１２ａは、凹面鏡１２の前面に設けられた保護ガラ
スであり、これは、放物鏡であってもよい。

【００１１】信号処理・測定装置３０は、内部にＡ／Ｄ
変換回路（Ａ／Ｄ）３０ａとインタフェース３０ｂ、Ｍ
ＰＵ３０ｃ、そしてメモリ３０ｄ等を有していて、ＰＭ
Ｔ２８により検出された電気信号をＡ／Ｄ３０ａにより
デジタル値に変換してインタフェース３０ｂを介してＭ
ＰＵ３０ｃが受ける。ＭＰＵ３０ｃは、さらに回転多面
鏡２０による回転位置信号をインタフェース３０ｂを介
して受け、メモリ３０ｄ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１４ａ
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の偏位量や
位置も検出される。ところで、ガラス窓２３の両端に
は、受光素子２３ａ、２３ｂが設けられている。これの
検出信号がインタフェース３０ｂを介して信号処理・測
定装置３０に入力される。これにより、回転多面鏡２０
の回転制御による光ビームのトロリ線１４に対する走査
範囲が検出され、受光素子２３ａ、２３ｂ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３０のＭＰＵ３０ｃに与える。そこで、この範囲
において前記の摺動面１４ａに幅を算出する処理が行わ
れる。なお、受光素子２３ａ、２３ｂの幅は、トロリ線
１４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１４の偏位範囲に対してレ
ーザビームでトロリ線１４を走査することになる。

【００１２】追従機構２１は、信号処理・測定装置３０
からの移動制御信号Ｍに応じてレンズ２１ａの位置を光
路に沿って移動させる。これにより、トロリ線１４の高
さに応じてＰＭＴ２８の受光面に適正に焦点が形成され
るように移動機構２１ｂによりレンズ２１ａの位置を制
御する。トロリ線１４の高さが低いときには、ＰＭＴ２
８の受光面の手前に焦点が来るので、レンズ２１ａの位
置を光路上において、ＰＭＴ２８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１４の高さが高いときには、ＰＭ
Ｔ２８の受光面の後ろに焦点が来るので、レンズ２１ａ
の位置を光路上において、ＰＭＴ２８の受光面から遠い
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。なお、その追従速度としては、７００〜１
２００mm/sec程度であれば十分である。このようなパン
タグラフの高さに合わせての焦点位置の受光面に一致さ
せる追従制御をすることで、ＰＭＴ２８（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。信号処理・測定装置３０
は、このような移動制御信号Ｍをパンタグラフ高さ検出
装置３１から高さ検出信号をインタフェース３０ｂを介
してＭＰＵ３０cが受けることで発生する。パンタグラ
フ高さ検出装置３１は、図２に示すように、パンタグラ
フ３２の主軸３３の回転を絶縁ロッド３４ａをもつ平行
クランク３４を介して回転検出器３５が受けて、回転検
出器３５がその回転量に応じた検出信号Ｈを発生する。
この検出信号Ｈを受けて信号処理・測定装置３０のＭＰ
Ｕ３０cがパタグラフ３２の高さに応じた信号を得る。
この検出信号Ｈに応じてＭＰＵ３０cは、前記の移動制
御信号Ｍを発生する。なお、回転検出器３５は、通常、
平行クランク３４の回転検出器３５側のリンク３４ｂの
回動量に応じて回転に対応する電圧を発生するポテンシ
ョメータで構成される。

【００１３】ここで、先に説明した回転多面鏡２０の反
射面２０ａの形成と、その材質について説明する。回転
ミラー２０自体は、アルミニユム製である。その側面
を、例えば、２４面の多角形となるように削り出しによ
り一体物として形成し、鏡面仕上げをする。そして、Ｓ
ｉＯの保護膜を形成して反射面とする。これにより、反
射面２０ａの２４面は、回転中心に対して高精度に形成
できる。ところで、先に説明したように、レーザ光の波
長としては、１０６４nm程度のものを使用する。この場
合には、回転多面鏡２０の反射面２０ａ、反射鏡１１、
反射鏡１３、そして凹面鏡１２の各反射面は、波長１０
６４nmを含む範囲を選択的に反射するコーティングを施
すとよい。このことによりさらにS/N比の向上させるこ
とができる。この場合、ＳiＯの保護膜のほかに、誘電
体多層コーティングを行うことでその厚さ、層数によっ
て波長の選択性を持たせることができる。このような波
長の選択性は、さらに前記の測定光学系のレンズ５，２
１ａ等においても行うとよく、レンズを誘電体多層コー
ティングすることによりレーザ光の波長を選択するよう
にすることで、いっそうのS/N比の向上を図ることがで
きる。

【００１４】また、この実施例では、試験車あるいは検
測車等に搭載される関係で、トロリ線１４側のある外部
と測定装置とを遮断することが必要になる。そのため
に、図３に示すように、特に、車両３６の天井面にはガ
ラス窓２３を設けてある。これを通して光ビームをトロ
リ線１４の摺動面１４ａに照射し、これからの反射光を
得る構成を採っている。これにより埃等からくる測定に
対する悪影響、測定部材に対する悪影響を排除できる。
しかし、ガラス窓２３を設けると、ガラス窓２３による
反射による外乱光を受け易くなり、また不要な反射光が
発生し、さらには、これらによる迷光を受けて、その
分、S/N比の低下をまねく。このような問題はガラス窓
２３に角度を持たせることで回避できる。これは、図３
に示すように、車両３６にはガラス窓２３が測定窓とし
て設けられるが、このガラス窓２３を下側に図示するよ
うに、水平面に対して３゜〜７゜程度下方に傾斜させる
ものである。

【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
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、穴あき鏡２２は、穴あ
きビームスプリッタであってもよい。

【００１６】

【発明の効果】以上の説明のとおり、この発明にあって
は、回転多面鏡の回転を水平面とし、光学検出器が受光
するまでの光路にレンズを挿入して光学検出器の受光面
に焦点が合うようにパンタグラフの高さの変化に合わせ
てレンズを追従移動させることで摺面についての信号の
検出レベルが向上し、精度の高い検出信号を得ることが
できる。その結果、S/N比が向上し、さらに、これと合
わせて回転多面鏡の反射面を一体物で形成しているの
で、ミラーを貼り付けをしなくて済み、ミラーの取り付
けばらつきと厚さのばらつきが各反射面で生じることが
なく、新幹線などの高速車両における高い精度が要求さ
れるトロリ線の摩耗測定にも適する高精度の測定装置を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明のトロリ線摩耗量測定装置の
一実施例の説明図である。

【図２】図２は、パンタグラフ高さ検出機構の説明図で
ある。

【図３】図３は、測定車両と測定のためのガラス窓との
関係の説明図である。

【図４】図４は、従来のトロリ線摩耗測定装置の一例の
説明図である。

【符号の説明】

１…レーザ光源、４…反射鏡、５，２１ａ…レンズ、５
ａ…補助レンズ、１０，２０…回転多面鏡、１１、１３
…反射鏡、１２…凹面鏡、１４…トロリ線、１４ａ…摺
動面、２０ａ…反射面、２１…追従機構、２２…穴あき
ミラー、２３…ガラス窓、２４…ＮＤフィルタ（減光フ
ィルタ）、２５…干渉フィルタ、２６…ピンホール、２
７…拡散板、２８…フォトマルチプライア（ＰＭＴ）、
２９…プリアンプ、３０…信号処理・測定装置、３１…
パンタグラフ高さ検出装置、３２…パンタグラフ、３３
…主軸、３４…平行クランク、３５…回転検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤博之愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４号東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者中野清八郎愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４号東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者菅谷由平愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４号東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者小林信之愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４号東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者吉沢孝夫東京都渋谷区東３丁目16番３号日立電子エンジニアリング株式会社内 (72)発明者金谷元就東京都渋谷区東３丁目16番３号日立電子エンジニアリング株式会社内 (72)発明者武井正二郎東京都渋谷区東３丁目16番３号日立電子エンジニアリング株式会社内 (72)発明者大曽根淳東京都渋谷区東３丁目16番３号日立電子エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA06 AA07 AA22 AA63 BB12 CC34 DD04 DD05 FF10 FF44 GG04 HH04 JJ05 JJ17 JJ18 LL04 LL12 LL15 LL19 LL22 LL25 LL30 MM06 PP01 PP22 QQ04 UU05 UU07 2F069 AA04 AA24 AA49 BB26 BB34 CC09 DD19 GG04 GG07 GG52 GG62 HH09 JJ08 JJ25 MM04 MM32 NN08 RR03 5H105 AA11 BA02 BB01 CC02 CC12 DD04 EE02 EE13 GG05 GG14

Claims

【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
て摺面についての信号を出力する測定光学系と、前記信
号を受けてトロリ線の摩耗量を測定する測定装置とを備
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、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複数の反射鏡と、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摺面についての信号
を出力する光検出器とを備え、前記回転多面鏡の反射面は、前記多面鏡と一体物として
形成され、前記レンズは、前記光学検出器の受光面に焦
点合わせするものであり、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
して移動するトロリ線摩耗量測定装置。
【請求項２】前記レーザ光源は、固体レーザ光源であ
り、前記回転多面鏡は、ＳiＯの保護膜がコーティング
されたアルミニユム製であり、その反射面は削り出した
面において形成され、前記複数の反射鏡のうち前記トロ
リ線の下側に設けられる反射鏡は凹面鏡であり、前記ト
ロリ線と前記凹面鏡との間にガラス窓が設けられている
請求項１記載のトロリ線摩耗量測定装置。
【請求項３】前記ガラス窓は、水平面に対して３゜〜７
゜程度下方に傾斜し、前記回転多面鏡の反射面と前記複
数の反射鏡とはそれぞれ前記レーザビームの波長を選択
するコーティングがなされている請求項２記載のトロリ
線摩耗量測定装置。
【請求項４】前記穴あき鏡は、穴あきビームスプリッタ
である請求項１記載のトロリ線摩耗量測定装置。