JPS6156922B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、剛体架線、通常のカテナリ方式のい
ずれの場合にも使用できるトロリー線摩耗測定装
置に関する。

従来の電気鉄道における電車線構造は、第１図
ａに示す様に線路側傍に定間隔に建てられた電柱
１に吊架線２を展張し、この吊架線２から図ｂに
断面図で示すようにハンガ３を用いてトロリー線
４をほぼ水平に張架するいわゆるカテナリ方式が
広く用いられている。この場合トロリー線は外力
に応じてある程度自由に動き、いわば軟式の構造
物である。

これに対し地下鉄の場合は、トンネル建設費低
減などの目的でトンネル断面を狭小にすることが
行なわれ、そのため天井高さに余裕が少なくな
り、前記軟式構造のトロリー線の代りに、いわゆ
る剛体架線を用いることがある。この剛体架線の
構造は第２図ａ，ｂに示すように、トンネルの天
井５に鋼材による支持物６が取付けてあり、これ
に碍子７を介して吊具８が吊下げられ、この吊具
に更に架台９がボルト締結されている。架台９の
下部は、ボルト９ｂで押え具９ｃを押圧すること
により２条のトロリー線１０を保持するようにな
つており、減耗したトロリー線は容易に交換でき
る。この様な剛体架線は第２図ｃ（平面図）に示
す一区間長８を例えば200ｍ程度とし、パンタグ
ラフ摺板の摩耗を均一にするために偏位Ｄが与え
られている。接続点Ｊでは、隣接区間のトロリー
線１０はパンタグラフとの接触に死点を生じない
よう、互いに重複するように設備されている。ト
ロリー線１０の地上高Ｈは、支持物６の調整など
により一定値に保持されてパンタグラフとの安定
な接触が計られているが、接続点Ｊ付近の側面形
状は第２図ｄに示す様になつていてパンタグラフ
が円滑に通過できる。

地下鉄でトンネル内では上記剛体架線とする場
合でも、地上に設けられた車輛基地内および車輛
基地と地下線路部間の連絡線路には第１図ａ，ｂ
に示した軟式トロリー線を用いるのが一般であ
る。

トロリー線４又は１０は使用中次第に摩耗する
ので、所定限度まで摩耗した場合には新品と交換
を要する。そのためには適時に摩耗量を測定する
ことが必要である。

一般にトロリー線の摩耗測定方式には、機械接
触式と非接触光学式とがある。機械接触式を剛体
架線の場合に用いようとしても、前記接続点Ｊ付
近で測定を一時中止してトロリー線に測定センサ
の付け替えを行なわなければならず効率が著しく
低いという致命的欠点がある。また地下鉄の場合
には前述の如く剛体架線と軟式架線とで断面構造
が異なるので、これら双方の架線の測定に共用で
きる機械接触式測定センサが製作できず、測定精
度も必ずしも十分高くないなどの問題があつた。

本発明の目的は、通常のカテリナ式トロリー線
４および剛体架線式トロリー線１０のいずれの摩
耗量測定にも共用できる非接触光学式でしかも測
定精度の高いトロリー線摩耗測定装置を提供する
ことにある。

以下図面によつて本発明を説明する。

第３図ａ，ｂは本発明により剛体架線のトロリ
ー線１０の摩耗を測定する場合に対する説明図で
ある。ビーム径が十分細いレーザビーム１１を図
ａに示す様に架台９、トロリー線１０に対し側方
から矢印Ａ方向（水平方向）に投光し、これを上
下幅Ｗの範囲に平行移動させて走査する。一般に
レーザビームにより物体表面が照射された場合、
その物体の表面が平滑な場合は、反射光はほぼ正
反射の方向に集中するが、表面形状の急変部すな
わち急な屈曲部，突起，エツジなどがあつて平滑
でない所では、反射光は散乱光となつて広い角度
方向に分散する。したがつて、レーザビーム１１
の正反射方向以外の方向に受光器を設置して散乱
光を受光，光電変換すると、例えば図ｂに示す様
な信号が得られる。ボルト９ｂの頭部ａ、押え板
９ｃのエツジｂ，ｃ及びトロリー線１０のエツジ
ｄ，ｅ，ｆ，ｇに対応するパルス信号が得られ
る。この信号列からパルスｃとｄの時間間隔Ｔ_cd
を測定すれば、ビーム走査速度を一定として、ト
ロリー線１０の側面の寸法が計算され摩耗量
が判明する。ここでボルト頭のパルスａは継続し
ては存在せず、またｃ，ｄ以外の他のパルスを無
視することが必要である。第３図ａに示す場合ト
ロリー線１０は２条あり、この様な場合には各条
の側面高さ、すなわち，の両者を測定する
必要がある。すなわち線路の曲線部分では架台９
が傾斜して取付けられるため、図示の如く左右の
トロリー線１０が傾斜して摩耗することがあり、
また直線区間でも、かかる傾斜摩耗が生ずる可能
性がある。そのため本発明においてはレーザビー
ムによる走査測定をトロリー線の両側から双方独
立に行なつて、両側面，をそれぞれ別に測
定する。これから必要ならば摩耗面の傾斜角δを
算出できる。

第３図ｃ，ｄは本発明によりカテナリ式トロリ
ー線４の摩耗を測定する場合に対する説明図であ
る。図ｃに示す様に前記レーザビーム投光系のい
ずれか一方（図では右方）をそのまま使用してト
ロリー線４の側面を投光走査する。トロリー線４
により左方に設置した受光器へのレーザビーム１
１の入射が遮断されるから、その遮断時間を測定
する。すなわち受光側では光学系１２を介してレ
ーザビーム１１を光電変換器１３に入射させる。
光電変換器１３の出力信号は図ｄに示す様にな
り、トロリー線４の高さｗに対応する時間Ｔ_W
が、その期間出力零として検出される。走査速度
を一定としてＴ_Wからｗが算出できる。

上記剛体、軟式両トロリー線に対する測定に共
通して重要なことは、レーザビームがトロリー線
に対して正しく等速で平行移動するように投射さ
れること、及び受光方向を合理的に配置すること
である。

第４図ａは本発明の投光系の、トロリー線に直
交する面による断面図で、レーザ発振器１４から
のレーザビーム１１′はビーム変換器１５により
適当な直径のビーム１１″に変換されたのち、ス
キヤナ１６で一定角速度で方向を変えられながら
ハーフミラー１７に達し、ここで２分割される。
図右方に向う成分は、凹面鏡１９ａにより反射さ
れ、その際反射ビーム１１の中心軸が常に平行に
走査幅Ｗ内を移動する平行走査光となる。一方ハ
ーフミラー１７を透過した成分はミラー１８によ
り左方に向い、凹面鏡１９ｂにより反射されて平
行走査光となる。（なお２０ａ，２０ｂはポジシ
ヨンセンサで、その作用については後述する。）
こうしてトロリー線は左右両側から独立して平行
走査光に照射されることになる。なお平行走査光
を得るために、スキヤナ１６から凹面鏡１９ａ，
１９ｂまでの光路長は、それぞれ凹面鏡１９ａ，
１９ｂの焦点距離に等しくしてある。

以上に平行走査を行うレーザビーム１１の中心
線の平行性について述べたが、図ｂに示す如く凹
面鏡によりビーム１１はスポツトＰに絞り込まれ
る。ビーム変換器１５からの直径D₀のレーザビ
ーム１１″は凹面鏡によつて絞られ焦点距離ｆの
位置にスポツトＰを生ずる。この場合、スポツト
Ｐは幾何学的な点とはならず、強度がガウス分布
するレーザビームの場合は、Ｐの直径d₀は電磁波
動光学により次式で与えられる。

ただしλは波長いま、λ＝0.6328μｍのヘリウム
ネオンレーザを用い、ｆ＝500mm、D₀＝0.2mmとす
れば、πD²／４λｆ≒0.1≪１、d₀≒D₀である。
すなわち、この様な場合には、凹面鏡の集束作用
にかかわらず、レーザビームの回折限界によりス
ポツト径d₀は、レーザビーム１１″の径D₀とほと
んど等しく、したがつて第４図ａ，ｂにおいてト
ロリー線４または１０が偏位しても、常にほぼ一
定のスポツト径d₀で走査できるのである。ただ
し、このためにはD₀の値がある程度小さいこと
が必要である。一般のガスレーザ発振器出力ビー
ム径は0.8mm程度である。そのため本発明におい
ては第４図ｂに示すビーム変換器１５には、通常
エキスパンダと称されるビーム径拡大器を逆方向
にしてコンプレツサ（圧縮器）として用い、例え
ば拡大比４倍のエキスパンダを逆用して圧縮比1/
４とし、直径0.8mmのビームを径0.2mmにして用途
に適合させている。

第３図ｂ，ｄに関連して述べた様に、本発明に
おいてはレーザビーム走査速度が一様一定である
ことが必要である。第４図ａにおいて、凹面鏡１
９ａへの入射ビーム、反射ビームは凹面鏡の光軸
１９′に対していずれもある角度傾斜している。
凹面鏡を使用して平行走査を行う場合、スキヤナ
によるビームの振れの角速度が一定でも厳密には
平行走査速度は一定にならない。しかし、凹面鏡
として、例えば放物鏡と球面鏡のいずれを用いる
か、凹面鏡の軸中心を含む部分と軸中心を含まな
い部分のいずれかを用いるか、また上記傾斜角の
大きさをどの様にするか、更に測定範囲に対する
スキヤナによる走査角の大きさ、を適切に選定、
組合せることにより、レーザビームの平行移動走
査速度を実用上問題がない程度に一定化すること
は可能で、本出願人により本発明と同時に「レー
ザビーム走査方法」として出願されている方式に
よることができる。

第４図ｃは剛体架線式トロリー線１０に対する
本発明受光系の水平面図、図ｄはカテナリ式トロ
リー線４に対する本発明受光系の水平面図であ
る。図ｃに示す様に、凹面鏡１９ａ，１９ｂによ
り、それぞれトロリー線１０の点Ｑ，Q′におい
て垂直方向にレーザビームによる平行走査が行な
われ、第３図ａ，ｂに関して述べたトロリー線の
形状急変部から生ずる散乱反射光が、それぞれ受
光レンズ２１ａ，２１ｂにより集光され、光電変
換器２２ａ，２２ｂに入射される。この場合、既
述の如くトロリー線は、「偏位」により例えば１
０′の位置に移動するので、最大偏位Ｄにおいて
も十分受光できるように、受光レンズ２１ａ，２
１ｂの視野角度を考慮しなければならない。第４
図ｄに示す場合は右方の凹面鏡１９ａのみを用い
ており、レーザビーム１１は平行走査を行うか
ら、トロリー線４の偏位には関係なく測定でき
る。この場合の受光レンズ２１ｃは第３図ｃに示
した走査幅Ｗの範囲を受光できなければならな
い。

第５図は本発明実施例センサ部２３などの外観
図で、筐体２４に、レーザ発振器１４、ビーム変
換器１５，スキヤナ１６，ハーフミラー１７，ミ
ラー１８，凹面鏡１９ａ，１９ｂ，ポジシヨンセ
ンサ２０ａ，２０ｂ，受光レンズ２１ａ，２１
ｂ，２１ｃ，光電変換器２２ａ，２２ｂ，２２ｃ
を、図示の如く配設してある。また、トロリー線
に対し直角方向におかれたそり形の接触板２５
ａ，２５ｂがトロリー線方向に間隔をおいて配置
され、これらの接触板がトロリー線４または１０
の底面に接触することにより、センサ部２３がト
ロリー線に対し正しい相対位置をとり、レーザビ
ームによるトロリー線の側面の走査および、その
結果生ずる散乱反射光や走査ビームの遮断などの
検出、測定が所期の如く行なわれるようになる。

測定光にはレーザビームを用いるので強度の強
いビームスポツトが得られ、外光の影響は少ない
が、必要な場合には光電変換器に光学フイルタを
取付けて外光をほとんど除去してしまえばよい。

第６図は、センサ部２３をパンタグラフ２７を
用いて、検測車２８の屋上に装着した状態を示
す。パンタグラフ２７の押上力により、前述の接
触板２５ａ，２５ｂの双方がトロリ線４または１
０に接触し、センサ部２３はトロリー線に対し正
しい相対位置をとる。

なお前記センサ部２３は、トロリー線４又は１
０に給電していない状態で測定するもので、従つ
てパンタグラフ等にも何等絶縁対策が施してな
い。もしトロリー線が活線状態で測定する場合に
は、パンタグラフ２７の絶縁は勿論、センサ部２
３からの信号系、センサへの給電系にも絶縁（通
常地下鉄では直流遮断）対策を行う必要がある。

第７図ａは本発明の受光系から得られた信号を
処理する信号処理回路のブロツク図、図ｂはその
中の各信号の波形図である。光電変換器２２ａの
出力信号は、第３図ｂに示したものと同様のも
ので、これを波形整形回路２９ａで整形して信号
とする。一方第４図ａに示したポジシヨンセン
サ２０ａによりレーザビームの走査開始時点の信
号がとらえられて波形整形回路２９ｂで信号に
整形され、これが単安定マルチ３０ａをトリガ
し、時間幅Ｔ_aの負電圧信号を作る。信号は
信号と共にアンドゲート３１ａに加えられ、パ
ルスａ，ｂは阻止される。時間幅Ｔ_aはパルスｃ
の時点でアンドゲート３１ａが開かれるように調
整される。ついでパルスｃによりフリツプフロツ
プ３２ａがセツトされ、セツト信号とフリツプ
フロツプ３４ａのリセツト信号により、クロツ
ク発振器３６からのクロツクパルスがアンドゲー
ト３５ａを通れるようになり、カウンタ４０ａで
カウントされる。次にパルスｄが入力するとフリ
ツプフロツプ３４ａがセツトされて信号がオフ
となり、クロツクパルスのカウントが停止され
る。すなわちパルスｃ，ｄ間の時間幅Ｔ_cdが計測
されたことになる。カウンタ４０ａのカウント数
値はＤ／Ａ変換器４１ａでアナログ量に変換さ
れ、トロリー線１０（剛体架線）の側面の計
測値として出力される。なお上記と全く同様な回
路が更に１組設けられており（波形整形回路以外
はすべて添字ｂ、信号にはダツシユ）、上記と反
対側からレーザビームを投光走査して得られた信
号に同様な処理が行なわれてＤ／Ａ変換器４１ｂ
から出力される。なお必要によりこれら２個のデ
ータ信号を演算回路４２に入力し、２条のトロリ
ー線１０の摩耗面の傾斜角δを算出させる。次に
カテナリ式トロリー線４の場合には、光電変換器
２２ｃからトロリー線４の高さｗに対応する時間
幅Ｔ_Wの間が負となる信号が得られる。これを
整形して信号としたのちアンドゲート３７に加
え、時間幅Ｔ_Wの間クロツクパルスがカウンタ
４０ａに加えられて時間幅Ｔ_Wが計測され更に
Ｄ／Ａ変換器４１ａでアナログ量に変換される。
ここで切換器３９は剛体架線式とカテナリ式の切
換を行うものである。なおカテナリ式の場合は単
１条の場合を対象にしている。

次にレーザビームのスキヤナ１６の駆動につい
て述べると、クロツク発振器３６からのクロツク
パルスをランプ電圧回路３８に加え、ランプ信号
を作り、スキヤナ１６を直線駆動する。これに
より、前記した走査光学系の構成とともに走査速
度の一様性を保つ。なお信号はフリツプフロツ
プ３２ａ，３４ａ，カウンタ４０ａのリセツトに
も用いられる。

以上説明した様に本発明によれば、剛体架線区
間、カテナリ式区間を通して同一装置によりトロ
リー線摩耗測定が可能であり、非接触光学式なの
で剛体架線接続点におけるセンサ付け替え等の非
能率，障害の発生の恐れなどは皆無となり、また
十分細くほぼ一定径のレーザビームを、極めて偏
差の小さい一様な速度で平行移動させて走査を行
うので精度良好な測定結果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂはカテナリ式トロリー線の説明
図、第２図ａ，ｂ，ｃ，ｄは剛体架線式トロリー
線の説明図、第３図ａ，ｂは本発明により剛体架
線式トロリー線測定を行う際の原理図、第３図
ｃ，ｄは本発明によりカテナリ式トロリー線測定
を行う際の原理図、第４図ａは本発明に係る投光
系図、ｂはビームスポツト説明図、ｃは本発明を
剛体架線式に適用する際の受光系図、ｄは本発明
をカテナリ式に適用する際の受光系図、第５図は
本発明センサ部の外観図、第６図は本発明装置の
検測車への取付け状態図、第７図ａは信号処理回
路ブロツク図、ｂは同回路中の信号波形図であ
る。 ４，１０…トロリー線、１１，１１′，１１″…
レーザビーム、１４…レーザ発振器、１５…ビー
ム変換器、１６…スキヤナ、１７…ハーフミラ
ー、１９ａ，１９ｂ…凹面鏡、２０ａ，２０ｂ…
ポジシヨンセンサ、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…受
光レンズ、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…光電変換
器、２３…センサ部、２４…筐体、２５ａ，２５
ｂ…接触板、２９ａ〜２９ｅ…波形整形回路、３
０ａ，３０ｂ…単安定マルチ、３６…クロツク発
振器、３２ａ，３２ｂ，３４ａ，３４ｂ…フリツ
プフロツプ、３８…ランプ電圧回路、４０ａ，４
０ｂ…カウンタ、４１ａ，４１ｂ…Ｄ／Ａ変換
器、４２…演算回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ トロリー線の側面にレーザビームを投射して
   トロリー線の高さ方向に走査させ、トロリー線の
   側面の高さ又は垂直断面高さを測定するトロリー
   線摩耗測定装置において、ａレーザ発振器と、レ
   ーザビーム径を測定に適した径に変換するビーム
   変換器と、走査のためにレーザビームの方向を変
   えるスキヤナと、このレーザビームを２分割する
   ハーフミラーと、２分割されたレーザビームをそ
   れぞれ反射して反射光を被測定トロリー線の両側
   面に投射しスキヤナの動きに応じた投射ビームの
   平行移動により走査を行う２個の凹面鏡と、２分
   割されたレーザビームそれぞれの走査開始位置を
   検出する２個のポジシヨンセンサとを備えた投光
   系と、ｂトロリー線の両側面を走査するレーザビ
   ームによりトロリー線の形状急変部から生ずる散
   乱反射光をトロリー線の両側で独立に受光する２
   組の受光器Ａ，Ｂと、ｃ前記２個の凹面鏡のうち
   のいずれか一方により投射、走査されるレーザビ
   ームを、トロリー線に対して該凹面鏡とは反対側
   対称位置で受光する受光器Ｃと、ｄ前記投光系お
   よび受光器Ａ，Ｂ，Ｃが取付けられ、トロリー線
   の底面に接触する２枚の接触板を介して前記投、
   受光系をトロリー線に対し所期の位置に保持する
   筐体と、ｅ前記受光器Ａ，Ｂ又はＣから得られた
   信号を処理する信号処理回路とを有することを特
   徴とするトロリー線摩耗測定装置。