JP7120795B2 - 静電アンテナ - Google Patents

Description

本開示は、静電アンテナに関する。

鉄道車両には、架線の電圧を検知するための静電アンテナが屋根から突出するように設けられる。高速で走行する鉄道車両では、走行時にこの静電アンテナから発生する空力騒音が顕著となる。

このような静電アンテナの空力騒音を低減するために、台形状の静電アンテナが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００４－２７６７８０号公報

上述の台形状の静電アンテナでは、台形の底辺を構成する下端部が前後方向に長くなるため、車体への取り付け面積（つまり台座部の面積）が大きくなる。その結果、車体側の構造変更が必要となり、静電アンテナの車体への取り付けに不都合が生じる。

本開示の一局面は、車体への取り付け面積の増大を避けつつ、空力騒音を低減できる静電アンテナを提供することを目的としている。

本開示の一態様は、鉄道車両の屋根から上方に突出して配置されるように構成された静電アンテナである。静電アンテナは、板状の本体と、本体の上端に配置され、本体の上端に沿って延伸する柱状導体と、を備える。本体は、本体の厚み方向視において、鉛直方向に対して傾斜しながら本体の下端から柱状導体まで延伸する第１端縁と、本体の厚み方向視において、本体の下端から柱状導体まで延伸する第２端縁と、を有する。第２端縁は、鉛直方向に対して第１端縁と同じ方向に傾斜するか、又は鉛直方向と平行である。第１端縁は、本体の厚み方向視において、上端が第２端縁に近づく方向に傾斜する。第１端縁と第２端縁との水平方向の離間距離が、鉛直方向に沿って非線形的に変化する。

このような構成によれば、第１端縁が車体の走行方向前方、第２端縁が車体の走行方向後方に配置されたとき、第２端縁で発生する空気の剥離渦の位相が、鉛直方向（つまり高さ位置）において相違する。その結果、静電アンテナで発生する騒音のピークの大きさが低減できる。

また、上記構成では、第２端縁が鉛直方向に対して第１端縁と同じ方向に傾斜するか、又は第２端縁が鉛直方向に延伸しているため、本体の下端の長さを抑制できる。つまり、静電アンテナの車体への取り付け面積の増大が避けられる。

本開示の一態様では、本体の上端における離間距離は、本体の下端における離間距離よりも小さくてもよい。このような構成によれば、本体に加わるモーメントを低減できる。その結果、静電アンテナの構造的強度が向上する。

本開示の一態様では、第１端縁は、曲線で構成されてもよい。このような構成によれば、第１端縁と第２端縁との水平方向の離間距離を、容易かつ確実に鉛直方向に沿って非線形的に変化させることができる。

本開示の一態様では、本体の第１端縁を含む第１側面と本体の第２端縁を含む第２側面とは、それぞれ、外側に凸となるように湾曲していてもよい。本体の水平方向の断面形状において、第２側面の曲率半径は、第１側面の曲率半径よりも小さくてもよい。このような構成によれば、騒音のピーク周波数を高周波域にシフトしつつ騒音レベルを低減できるので、静電アンテナにおける騒音のピークの大きさをさらに低減できる。

本開示の一態様では、柱状導体における第２端縁寄りの先端部は、本体の第２端縁を含む第２側面と滑らかに連続してもよい。このような構成によれば、静電アンテナにおける騒音の低減をさらに促進できる。

図１は、実施形態における静電アンテナの模式的な斜視図である。 図２は、図１の静電アンテナの車体への取り付け状態を示す模式図である。 図３は、図１の静電アンテナの模式的な正面図である。 図４は、図１の静電アンテナの模式的な平面図である。 図５Ａは、図１の静電アンテナの模式的な左側面図であり、図５Ｂは、図１の静電アンテナの模式的な右側面図である。 図６は、図１の静電アンテナの模式的な斜視図である。 図７は、図３のＶＩＩ－ＶＩＩ線での模式的な断面図である。 図８Ａは、図１とは異なる実施形態の静電アンテナの模式的な正面図であり、図８Ｂは、図１及び図８Ａとは異なる実施形態の静電アンテナの模式的な正面図である。

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に示す静電アンテナ１は、鉄道車両に電気を供給する架線の電圧を検知するためのアンテナである。

静電アンテナ１は、図２に示すように、鉄道車両における先頭の車体１０の屋根から上方に突出して配置されるように構成されている。なお、静電アンテナ１は、構内無線及び防護無線のアンテナとしても機能する。

静電アンテナ１は、図１に示すように、板状の本体２と、柱状導体３と、台座部４とを備える。静電アンテナ１は、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって形成される。

（本体）
本体２は、柱状導体３を支持する部位である。本体２は、厚み方向が、鉄道車両の走行方向と垂直な方向（つまり車軸方向）と一致するように配置される。つまり、本体２の板面は、鉛直上下方向と鉄道車両の走行方向とに延伸している。

本体２の上端には、柱状導体３が接続され、本体２の下端には、台座部４が接続されている。また、本体２は、図３に示すように、第１端縁２１と、第２端縁２２とを有する。第１端縁２１は、車体１０が図２に示す方向Ｄに進行する際に、第２端縁２２に対して前方に配置される端縁である。ただし、車体１０が方向Ｄとは逆向きに走行する場合は、第
１端縁２１は第２端縁２２に対して後方となる。本実施形態では、車体１０が方向Ｄに走行する状態に基づいて、説明を行う。

図３に示すように、第１端縁２１は、本体２の厚み方向視（つまり、左右方向視）において、鉛直方向に対して後方に傾斜しながら本体２の下端（つまり台座部４）から柱状導体３まで延伸している。また、第２端縁２２は、鉛直方向に対して第１端縁２１と同じ方向（つまり後方）に傾斜しながら本体２の下端から柱状導体３まで延伸している。車体１０が方向Ｄに進行する時、第１端縁２１は前端縁、第２端縁２２は後端縁となる。

なお、「同じ方向に傾斜する」とは、各端縁の傾斜方向が同じであることを意味する。ここで、「端縁の傾斜方向」は、端縁の下端を通りかつ前後方向に垂直な仮想平面に対し、その端縁の上端が存在する方向を意味する。

第１端縁２１は、本体２の厚み方向視において、その上端が第２端縁２２に近づく方向に傾斜している。また、第１端縁２１は、本体２の下端から上端に延伸する曲線で構成される。第１端縁２１は、上方に向かって、鉛直方向に対する傾き（つまり、接線の鉛直方向に対する角度）が徐々に大きくなっている。

第１端縁２１を構成する曲線は、例えば、下記式（１）で表されるフィボナッチ数列の一般解においてｘを負の値としたものが、実部を横軸、虚部を縦軸とした複素数平面上で形成する螺旋の一部とすることができる。

第２端縁２２は、第１端縁２１とは非相似の曲線である。第２端縁２２は、下端近傍にて一端前方に延伸した後、後方かつ上方に向かって延伸している。つまり、第２端縁２２は、１つの湾曲点Ｃを有し、湾曲点Ｃより下方の部分は前方に傾斜し、湾曲点Ｃよりも上方の部分は後方に傾斜している。第２端縁２２の湾曲点Ｃよりも上方の部分は、第１端縁２１よりも鉛直方向に対する傾き（つまり、接線の鉛直方向に対する角度）が小さい。

第１端縁２１と第２端縁２２との水平方向の離間距離Ｌは、鉛直方向に沿って非線形的に変化している。具体的には、上記離間距離Ｌは、上方に向かって徐々に減少しており、その減少量（つまり鉛直方向に対する変化量の微分値）は一定ではなく、上下方向における位置の関数となっている。

また、本体２の上端における第１端縁２１と第２端縁２２との水平方向の離間距離Ｌ１は、本体２の下端における第１端縁２１と第２端縁２２との水平方向の離間距離Ｌ２よりも小さい。

図４、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、本体２は、上方から下方に向かって厚みが増加している。換言すれば、本体２の対向する２つの板面（つまり、上下方向及び前後方向に延伸する面）は、それぞれ、下方に向かうにつれて互いに離間するように鉛直方向に対し傾斜している。したがって、図５Ａに示すように、本体２の上端部の最大厚みＴ１は、下端部の最大厚みＴ２よりも小さい。

本体２の第１端縁２１を含む第１側面（つまり前方の側面）２３は、図１に示すように、外側に凸となるように湾曲している。また、本体２の第２端縁２２を含む第２側面（つまり後方の側面）２４は、図６に示すように、外側に凸となるように湾曲している。したがって、本体２の水平方向の断面形状は、前後方向において鈍頭形状を有する。

さらに、図７に示すように、本体２の水平方向の断面形状において、第２側面２４の曲率半径は、第１側面２３の曲率半径よりも小さい。また、上記断面形状において、第１側面２３における本体２の厚みは、第２側面２４における本体２の厚みよりも大きい。

なお、本体２は、上記断面形状において、本体２の厚み方向と垂直な方向（つまり前後方向）の中央部が端部よりも外側に膨らんでいる。つまり、本体２は、前後方向において、中央部が最大の厚みを有する。

（柱状導体）
柱状導体３は、架線の電圧を検知する棒状の部位である。柱状導体３は、本体２の上端に配置され、本体２の上端に沿って延伸している。

なお、本実施形態では、柱状導体３は、水平方向に真っ直ぐ延伸しており、静電アンテナ１の上端は水平方向と平行である。ただし、柱状導体３は、湾曲していてもよい。つまり、静電アンテナ１の上端は湾曲していてもよい。

柱状導体３は、車体１０の走行方向（つまり前後方向）に延伸している。柱状導体３は、本体２の第１端縁２１寄りの第１端部３１と、本体２の第２端縁２２寄りの第２端部３２とを有する。

第１端部３１は、図１に示すように、本体２の第１側面２３と接続されている。柱状導体３の第１端部３１近傍の周面は、第１側面２３と滑らかに連続している。柱状導体３の前方の端面は、本体２の内部に埋設されている。

柱状導体３の第２端部３２は、図６に示すように、球面の一部で構成されており、本体２に被覆されずに露出している。また、第２端部３２は、第２側面２４と滑らかに連続している。

具体的には、図３に示すように、第２端部３２における周面のうち下側の部分が、第２端縁２２と滑らかに連続している。つまり、柱状導体３は、本体２の後方に突出する径が一定の柱状の部分を有しない。したがって、本体２の厚み方向視において、柱状導体３と第２端縁２２とが上下方向に重なる領域は、第２端部３２から前方に向かって上下方向の幅が徐々に大きくなっている。

（台座部）
台座部４は、車体１０の屋根に取り付けられる部位である。台座部４は、本体２の下端に接続されている。

台座部４は、本体２よりも幅（つまり、走行方向と垂直で、かつ水平な方向の長さ）が大きい。また、台座部４は、複数の貫通孔４１を有している。台座部４は、複数の貫通孔４１に挿通される複数のボルトによって、車体１０に固定される。

［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）走行方向後方の第２端縁２２で発生する空気の剥離渦の位相が、鉛直方向（つ
まり高さ位置）において相違する。その結果、静電アンテナ１で発生する騒音のピークの大きさが低減できる。

（１ｂ）第２端縁２２が鉛直方向に対して第１端縁２１と同じ方向に傾斜しているため、本体２の下端の長さを抑制できる。つまり、静電アンテナ１の車体への取り付け面積（つまり台座部４の面積）の増大が避けられる。

（１ｃ）本体２の上端における第１端縁２１と第２端縁２２との水平方向の離間距離Ｌ１は、本体２の下端における第１端縁２１と第２端縁２２との水平方向の離間距離Ｌ２よりも小さいので、本体２に加わるモーメントを低減できる。その結果、静電アンテナ１の構造的強度が向上する。

（１ｄ）第１端縁２１が曲線で構成されることで、第１端縁２１と第２端縁２２との水平方向の離間距離Ｌを、容易かつ確実に鉛直方向に沿って非線形的に変化させることができる。

（１ｅ）本体２の水平方向の断面形状において、第２側面２４の曲率半径が第１側面２３の曲率半径よりも小さいので、騒音のピーク周波数を高周波域にシフトしつつ騒音レベルを低減できる。その結果、静電アンテナ１における騒音のピークの大きさをさらに低減できる。

（１ｆ）柱状導体３の第２端部３２が本体２の第２側面２４と滑らかに連続するため、静電アンテナ１における騒音の低減をさらに促進できる。

なお、本実施形態の静電アンテナ１の１／２のスケールの模型を用いた風洞試験では、第１端縁及び第２端縁がそれぞれ直線状であり、かつ柱状導体３が本体２の後方に突出した従来の静電アンテナに対し、騒音が約１５ｄＢ低減された。

［２．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。

（２ａ）上記実施形態の静電アンテナ１において、第１端縁２１と第２端縁２２との水平方向の離間距離Ｌが鉛直方向に沿って非線形的に変化すれば、第１端縁２１は、必ずしも曲線でなくてもよい。

例えば、図８Ａに示す静電アンテナ１Ａのように、本体２Ａの第１端縁２１Ａが直線で第２端縁２２Ａのみが曲線であってもよい。逆に、図１の静電アンテナ１において、第１端縁２１のみが曲線で第２端縁２２が直線であってもよい。さらに、図８Ｂに示す静電アンテナ１Ｂのように、本体２Ｂの第１端縁２１Ｂが曲線で、第２端縁２２Ｂが鉛直方向と平行な直線であってもよい。また、第１端縁及び第２端縁は、それぞれ、曲線と直線とを組み合わせた形状であってもよい。

（２ｂ）上記実施形態の静電アンテナ１において、第１端縁２１と第２端縁２２との水平方向の離間距離Ｌは、必ずしも上端に向かって減少しなくてもよい。また、本体２の上端における離間距離Ｌ１は、本体２の下端における離間距離Ｌ２と同じか、離間距離Ｌ２よりも大きくてもよい。

（２ｃ）上記実施形態の静電アンテナ１において、本体２の水平方向の断面形状において、第２側面２４の曲率半径が第１側面２３の曲率半径と同じか、第１側面２３の曲率半
径より大きくてもよい。また、第１側面２３及び第２側面２４は、それぞれ外側に凸となるように湾曲していなくてもよい。

（２ｄ）上記実施形態の静電アンテナ１において、柱状導体３の第２端部３２は、必ずしも第２側面２４と滑らかに連続していなくてもよい。例えば、図８Ａに示す柱状導体３Ａのように、第２端部３２が第２側面２４Ａよりも後方に突出していてもよい。

（２ｅ）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。

１，１Ａ，１Ｂ…静電アンテナ、２，２Ａ，２Ｂ…本体、３，３Ａ…柱状導体、
４…台座部、１０…車体、２１，２１Ａ，２１Ｂ…第１端縁、
２２，２２Ａ，２２Ｂ…第２端縁、２３…第１側面、２４，２４Ａ…第２側面、
３１…第１端部、３２…第２端部、４１…貫通孔。

Claims (5)

1. 鉄道車両の屋根から上方に突出して配置されるように構成された静電アンテナであって、
   板状の本体と、
   前記本体の上端に配置され、前記本体の上端に沿って延伸する柱状導体と、
   を備え、
   前記本体は、
   前記本体の厚み方向視において、鉛直方向に対して傾斜しながら前記本体の下端から前記柱状導体まで延伸する第１端縁と、
   前記本体の厚み方向視において、前記本体の下端から前記柱状導体まで延伸する第２端縁と、
   を有し、
   前記第２端縁は、鉛直方向に対して前記第１端縁と同じ方向に傾斜するか、又は鉛直方向と平行であり、
   前記第１端縁は、前記本体の厚み方向視において、上端が前記第２端縁に近づく方向に傾斜し、
   前記第１端縁と前記第２端縁との水平方向の離間距離が、鉛直方向に沿って非線形的に変化し、
   前記柱状導体における前記第１端縁寄りの端面は、前記本体に埋設され、
   前記柱状導体における前記第２端縁寄りの先端部は、前記本体に被覆されずに露出する、静電アンテナ。
2. 請求項１に記載の静電アンテナであって、
   前記本体の上端における前記離間距離は、前記本体の下端における前記離間距離よりも小さい、静電アンテナ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の静電アンテナであって、
   前記第１端縁は、曲線で構成される、静電アンテナ。
4. 鉄道車両の屋根から上方に突出して配置されるように構成された静電アンテナであって、
   板状の本体と、
   前記本体の上端に配置され、前記本体の上端に沿って延伸する柱状導体と、
   を備え、
   前記本体は、
   前記本体の厚み方向視において、鉛直方向に対して傾斜しながら前記本体の下端から前記柱状導体まで延伸する第１端縁と、
   前記本体の厚み方向視において、前記本体の下端から前記柱状導体まで延伸する第２端縁と、
   を有し、
   前記第２端縁は、鉛直方向に対して前記第１端縁と同じ方向に傾斜するか、又は鉛直方向と平行であり、
   前記第１端縁は、前記本体の厚み方向視において、上端が前記第２端縁に近づく方向に傾斜し、
   前記第１端縁と前記第２端縁との水平方向の離間距離が、鉛直方向に沿って非線形的に変化し、
   前記本体の前記第１端縁を含む第１側面と前記本体の前記第２端縁を含む第２側面とは、それぞれ、外側に凸となるように湾曲しており、
   前記本体の水平方向の断面形状において、前記第２側面の曲率半径は、前記第１側面の曲率半径よりも小さい、静電アンテナ。
5. 鉄道車両の屋根から上方に突出して配置されるように構成された静電アンテナであって、
   板状の本体と、
   前記本体の上端に配置され、前記本体の上端に沿って延伸する柱状導体と、
   を備え、
   前記本体は、
   前記本体の厚み方向視において、鉛直方向に対して傾斜しながら前記本体の下端から前記柱状導体まで延伸する第１端縁と、
   前記本体の厚み方向視において、前記本体の下端から前記柱状導体まで延伸する第２端縁と、
   を有し、
   前記第２端縁は、鉛直方向に対して前記第１端縁と同じ方向に傾斜するか、又は鉛直方向と平行であり、
   前記第１端縁は、前記本体の厚み方向視において、上端が前記第２端縁に近づく方向に傾斜し、
   前記第１端縁と前記第２端縁との水平方向の離間距離が、鉛直方向に沿って非線形的に変化し、
   前記柱状導体における前記第２端縁寄りの先端部は、前記本体の前記第２端縁を含む第２側面と滑らかに連続する、静電アンテナ。

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