集電装置

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集電装置（しゅうでんそうち）とは、鉄道車両・トロリーバス（いわゆる電車）が動力用の電力を得るための装置をいう。集電器（しゅうでんき）とも呼ばれ、とりわけパンタグラフは、その主要なもののひとつである。

電車では通常、編成内の電動車に装備されるが、重量配分や取り付け位置の制約等の関係で無動力の制御車や付随車に取り付けられる事例^[1]もある。

[編集] 架空電車線方式

架空電車線方式では、通常、集電装置は車両の屋根上に設置される。

[編集] トロリーポール

関電トンネルトロリーバスのトロリーポール

トロリーポールを採用したアメリカ合衆国ヤキマバレーインタアーバンの297号電気機関車

上の車両のトロリーポール先端部

ダブルポールを採用していた1905年の東京市電

ヘッドライトの右側に付いているのがリトリーバー

イリノイ州の鉱山内で働く木製ポールの電気機関車(1939年)

トロリーポールとは、「ポール」または「電棍」（でんこん）とも呼ばれ、鉄道車両やトロリーバスの屋根上に取り付けられ、架線に接して電気を伝える金属製の棒のことである。なお、鉱山鉄道などでは事故防止の観点から、木製のポールに絶縁材で被覆された電源ケーブルを組み合わせたものも用いられた。

先端にはホイールと呼ばれる滑車状の車輪、またはスライダーと呼ばれる摺り板が取り付けられている。

黎明期には電気鉄道全般に幅広く使用されたが、重量が大きく剛性も低い（しなる）ため、架線追従性が非常に悪く離線が多い、分岐通過時各ポールに操作員（車掌）が必要で貫通路も使用しにくい、という問題があり、高速化、大出力化、長編成化には不向きであった。

そのため曲線や分岐が多く連結運転が多用された日本などでは、電気鉄道の発展に伴い1920年代以降パンタグラフへの移行が急速に進展したが、アメリカではインターアーバンを中心にその後もトロリーポールを使用する例が多数見られた。

また、日本でも構造が単純で製造コストも低く、架線の上下動や張力変動に強く、架線設置が簡単で済むため、その後も長きにわたり路面電車用として使われ続けた。

トロリーバスは道路状況によっては架線の直下を大きく外れて走る必要があるが、U字断面で自由に回転できるスライダーとポールの組み合わせはこの使用状況に向いており、いまだにポールが使われ続けている。

スライダー式はトロリーバス用として開発されたが、架線への追従性に優れていたため、鉄道でも高速運転を行う路線を中心に、ホイール式から変更された例がある。

ポールには進行方向に対して1本（シングルポール）のものと2本（ダブルポール）のものがある。戦前の日本では、大都市の路面電車を中心に、線路からの帰電が漏電して地下埋設した水道用の鉄管を腐食（電食）させる事例があり、これを防ぐために架線に帰電する方式としたため、2本となった。その後、水道管の材質が電気の影響の少ない鉛等に変更されたため、戦後はすべて1本に変更されている。トロリーバスの場合は、地面への帰電が不可能なため、架線に帰電する方式を採らざるを得ないことから、すべて2本となっている。

小型の電車では屋根の中央に1基が装備され、進行方向が変わる場合は乗務員が引き紐で旋回させていた。その後車両の大型化に伴い、進行方向ごとに1対を備えるようになり、2本ポールの場合は合計4本となる。この場合、常に後ろ側を使用し、終端部で乗務員が上げ下ろしを行っていた。ポールを上げるには組み込まれたバネの復元力を利用するが、引き紐を操り、正確に架線をつかむには熟練が必要であった。また、分岐、転線の際は、走行中の架け替えが必要となるため、乗務員は天候にかかわらず身を乗り出してポール操作を行わなくてはならず、大きな負担になった。

トロリーバスの場合は進行方向が一方のため、終端部には転回線が設けられており、途中に分岐を作らないことで、ポールの上げ下ろしは入出庫時や、電化区間の鉄道線の踏切をわたる場合以外は不要であった。

路面電車で分岐を自動化する機構も開発されたが、構造が複雑なこととビューゲルの普及により、一般化はしなかった。

車両の速度が向上するにつれ、架線を外れたポールが吊線（スパン ワイヤー）を切断する事故も増えたため、ぜんまいばねの働きで引き紐を巻き取り、ポールの跳ね上がりを防ぐ、リトリーバー（レトリーバー）が考案された。

日本の営業用鉄道におけるポールの使用状況は、ホイール式は1975年12月の京福電気鉄道嵐山本線・北野線、スライダー式は1978年10月の京福電気鉄道叡山本線・鞍馬線^[2]（現・叡山電鉄叡山本線・鞍馬線）を最後に使用する路線はなくなり、現在は明治村等の保存用鉄道でのみ用いられている。一方、トロリーバス向けスライダー式は、日本に2路線のみ現存するトロリーバス路線、すなわち立山黒部アルペンルート内に含まれる関西電力関電トンネルトロリーバスと、立山黒部貫光立山トンネルトロリーバスのみで使用されている。

[編集] ビューゲル

ビューゲル
（写真は東京都電7504号）

ポールに代わる集電装置として、ドイツのエンジニア、ヴァルター・ライヒェル (Walter Reichel) が考案し、1887年に完成した。英語では"Bow collector"（ボウコレクター、ボウは弓の意味）と呼ばれる。日本でもそれらに倣い、弓型集電器と名づけられた。ビューゲルとはドイツ語で鐙（あぶみ）、取っ手、ハンドル、輪っかなどの意味のある言葉で、服を掛けるハンガーや糸鋸（いとのこ・ジグソー）もビューゲルの仲間である。リング状のパンであるベーグルも、最初は「あぶみ」を模したと伝わっていることから、ビューゲルが語源となっていると言う説がある。

枠は平面構成で関節を持たず、集電子の左右端が閉じていて、曲線を描いて枠とつながっているのが特徴で、その形状から、日本では「布団たたき」のあだながついた。枠の丸みは、架線が大きく偏倚した際の復元をスムーズにし、架線の損傷を防ぐ目的で設けられているが、枠が角形のものも存在する。

架線との接触部がポールの「点」から「線」へと拡大したことで、カーブでも架線から外れることが無くなり、運転中の監視や操作が不要となり、乗務員の負担は軽減された。

高速運転や大電流にも対応できるため、機関車から路面電車まで幅広く普及した。なんらかのばね装置で架線への押し付け力を得ており、日本の路面電車では回転軸と同軸にコイルばねを設置しているものが多い。

日本では路面電車で多く使用されていたが、最近では長崎電気軌道などの動態保存車に残っている程度である。

取り扱いが格段に簡便になったビューゲルではあったが、解決すべき問題もあった。

進行方向を逆転する際、車両を動かしながらの反転となるため、重い架線を持ち上げるストレスや、反転時にビューゲルが押し上げた架線に反発されて起こる離線の際のスパークは、ビューゲル、架線の双方に悪影響があると考えられていた。また、高速域の架線追従性が悪く、離線が多いことも欠点であった。

これらの課題を解決するため、関節を持つ、高速での架線追従性が良いパンタグラフが考案された。

[編集] Yゲル

ビューゲルの中でも形状がアルファベットの「Y」の字に似ているものは「Yゲル」と呼ばれていた。

ビューゲルと区別するため、このタイプのみを特に「ボウコレクター」と呼ぶ場合もある。

これは架線を張り替えてポール集電からビューゲルやパンタグラフへ移行する際に、既存のトロリーポールを加工し、先端部をY字状に分岐させてトラス構造を形成、スライダーシューを取り付けたもので、新品のビューゲルを購入するのと比較して大幅に低コストとなることから、南海電鉄阪堺線や阪神国道線、それに静岡鉄道秋葉線などで採用された。

なお、静岡鉄道秋葉線ではこのYゲルをさらに改造し、2つ組み合わせて途中に関節を設け、菱枠形のパンタグラフとする、という工事も実施している。

Yゲルは現在は日本での実用例はない。無車籍では、えちぜん鉄道のML6形がこれを備えている^[3]。

[編集] パンタグラフ

コイルばねの力や空気圧などによって架線に集電舟を押し付け、関節構造または伸縮構造を設けることで、架線高さの変化に追従させる形態の集電装置。近年まで架空電車線方式における集電装置としては最も一般的に使われていた。略してパンタ、またはパンと呼ばれることが多い。

その発明者が誰であったかについては現在に至るまで明らかとはなっていないが、アメリカ・サンフランシスコの対岸、オークランド周辺に路線網を形成していた^[4]、キーシステム(en:Key System)が1903年の開業時に既に菱枠形パンタグラフを装備した電車を就役させていたことが開業当日に撮影された写真で判明しており、同社工場のスタッフが考案した可能性が高いと見られている。

「パンタグラフ」の語源は、製図やフライス加工などで、複製のために用いられる、リンク機構を持つ菱形をつなげた形の道具である、パンタグラフ (Pantograph) に動作が似ていたため採られた名称である。現在では必ずしも菱形のもののみを指すのではなく、他の形状のものも含め、関節構造を備えた屋根上に装備する集電装置の総称となっている。

[編集] 菱形

PT43形。菱形パンタグラフ（東急8500系）

PT43形。横から見た菱形パンタグラフ（東急8500系）

PS13形。ラーメン構造・鋼板部材使用のパンタグラフ（銚子電気鉄道デハ801）

菱形の最も古典的かつ一般的な構造のもので、その形状と動作が絵を拡大または縮小して描くことのできるパンタグラフ（写図器）に似ていたことから、このタイプの集電装置がパンタグラフと呼ばれるようになった。厳密には菱形（四角形）ではなく、五角形である。一般的には鋼管をトラス構造に組立てたものであるが、一部にラーメン構造のものも見られた。

特に低・中速での追従性能がよく、一時期、架空電車線方式の集電装置の主流を占めた。可動部の質量が大きくなる、高速時の空気抵抗が大きい、といった欠点がある。近年はシングルアーム型に取って代わられつつあり、現在の新造車にこれが装備されるケースは、ほとんどなくなっている。

[編集] 日本における主要形式

日本の鉄道で使用された主な菱形パンタグラフは下記の通り。

• 国鉄制式
  • PS2形：東洋電機製造C形を1923年に制式化。ばね上昇式で鋼管による上下枠を備え、上枠にX字状のたすき状支柱を取り付けて強度を向上している。従来機種と異なり主軸軸受にボールベアリングを採用し、摩擦軽減とこれに伴う追従性の向上を実現した。
  • PS10形：1930年にED16形以降の省制式電気機関車用として鉄道省と東洋電機製造・三菱電機をはじめとする各電機メーカーが共同で設計。基本となったのはウェスティングハウス・エレクトリック社製ED53形・EF51形に装着されていた省形式PS9で、空気圧上昇式で上枠だけではなく下枠にもX字状のたすき状支柱が取り付けられ、強度の向上が図られた。
  • PS11形：PS10の枠構造を基本として、ばね上昇式に変更したもの。省制式電車用として設計され、1932年製造開始のモハ40形などより採用された。
  • PS13形：1944年に工作の簡易化と資材の節約を最優先目的として設計。下枠に鋼板折り曲げ溶接によるラーメン構造を採用し、補強用のたすき状支柱を廃止、横方向の支持棒のみとし、さらには非鉄金属資源節約のためにカーボンスライダーを本格採用した。モハ63形やEF13形などに採用され、主軸軸受を平軸受としたことなどによる追従性の低下はあったが、構造の簡素さもあって取り扱いが容易で性能の低下も想定以下であった。このため、戦後も若干の改良の上でモハ90形試作車まで国鉄電車用標準集電装置として生産が継続した。
  • PS14形：戦後、電気機関車用としてPS10を基本に再設計。EF58形・EF15形に採用。空気圧上昇式。
  • PS15形：PS14を改良し、集電舟支え装置に平行リンク機構を組み込み、枠の幅を縮小することで追従性の向上と軽量化を図ったもの。EF58形およびEF15形の後期生産グループ、それにEH10形に採用。空気圧上昇式。比較的短期間で生産が終了したため、本形式搭載車の一部は後にこれをPS22Bへ交換している。
  • PS16形：当初は高速運転を実施する153系（旧91系）用として1957年に設計され、続く151系（旧20系）用PS16Aで集電舟の追従性改良が施されて一応の完成をみた。ばね上昇式で鋼管溶接構造に回帰し、下枠は支柱付加でM字状のトラス構造となっている。また、上枠もN字形の鋼管溶接構造として軽量化と高速追従性、それに強度の両立を図った。PS13に代わる新性能電車用標準集電装置として国鉄在来線電車全般に細部の仕様変更を重ねつつ約30年にわたって大量採用され、一部の旧型電車にも採用された。
  • PS17形：電気機関車用として、PS16を空気圧上昇式に変更して設計され、1958年よりED60・61形用として採用が開始され、後継となるPS22系下枠交差式パンタグラフへ切り替わるまで国鉄電気機関車用標準パンタグラフとして多用された。
  • PS18形：カニ22形用としてPS16を基本に設計。
  • PS19形：EF30形・EF80形などに採用。PS17を基本に交流対応としたもの。
  • PS21形：剛体架線を使用する地下鉄線乗り入れ対応車として設計された301系用として、PS16を基本にスライダーシューの舟支え装置部分の設計変更等を行って小ばねの追加を行ったもの。追従性能が優秀であったことから回生制動を行い離線が好ましくなかった201系にも採用されたほか、301系以降の各地下鉄線乗り入れ車にも採用された。
  • PS23形：中央線高尾以西などの狭小限界区間対策として、PS16を基本に集電船の小型化やイコライザーの台枠外への移設などの改良を行い、最小折りたたみ高さを縮小したモデル。
  • PS24形：PS23の集電船支え装置にPS21と同様の小ばねを追加して架線追従性能を向上させた改良後継機種。JR東日本在籍の201系電車の分割編成に搭載。
• 私鉄向け
  • 東洋電機製造：日本における集電装置製造の最大手として、トップシェアを握る。
    • A形：ゼネラル・エレクトリック社製パンタグラフの原図を元に1921年に阪神急行電鉄向けとしてデッドコピーしたもの。事実上、国産初の菱枠パンタグラフであったと見られている。ばね上昇・空気圧下降式。
    • C形：A形を基本に改良を施したもので、戦前の日本国内電気鉄道向けパンタグラフのデファクトスタンダードとして、改良を重ねつつ同社製品の顧客であった南海・京阪・阪和・名鉄などの各社に大量納入された。なお、鉄道省でも上述の通りPS2として初期モデルが制式採用されている。
    • PT42形：国鉄向けのPS16に対応する、戦後私鉄電車向け菱形パンタグラフのベストセラー。初号機は1955年に設計された。枠構造が同様のPT44形を含め、近鉄・阪急・京阪・東急・小田急・京王・西武など大手私鉄各社に大量に採用された。構造面ではPS16に類似するが、下枠がM字状ではなく上枠と同様のN字状となっており、また関節部に横方向の支柱が取り付けられている点で異なる。
    • PT43形：PT42系と並ぶ私鉄向けベストセラー。PT42の派生機種の一つで、よりも低い架線高の路線に対応すべく、最低高が400mmとPT42系に比して50mm低くなっている。PT42と比較して枠構造がPS16により近いが、外観上、PT42と同様に関節部に横方向の支柱が取り付けられている点で異なる。東急・京急・京成・新京成、それに阪急などの各社に採用された。
    • PT44形：PT42系のもう一つのバリエーションで剛体架線を使用する地下鉄に対応するモデル。集電舟部分のばね支持機構が異なり、地下線では作用高さの変動を最小限に抑える工夫が凝らされている。
    • PT45形：近鉄が1961年より製造を開始した奈良線820系用としてPT45-Qを採用。縮小車両限界に対応する小型モデルの一つ。
  • 三菱電機：主として近鉄や南海、それに神戸電鉄など自社製機器の納入先各社へ集電装置を販売していたが、現在では製造販売から撤退している。
    • S-514形：大阪電気軌道デボ1000・1300・1400形などに採用された機種。主に-Aというサフィックスを付与されたモデルが納入された。横型碍子を備え、上枠と下枠それぞれにX字状の支柱を備える。戦後も長く重用され、ク1560形を電装して近鉄初の高性能試作車であるモ1450形へ改造した際にもS-514-DCが搭載されている。
    • S-516形：S-514系の後継機種として近鉄モ2250形前期車などに採用。軽量化などに留意した設計となっている。
    • S-520形：S-516形の改良型。近鉄モ2250形後期グループに採用された。
    • S-710形：大阪線以上に車両限界の制約が厳しい近鉄奈良線や神戸電鉄向け車両に標準採用された機種。横型碍子の採用はS-514・516系と同様であるが、枠寸法が縮小され、また構造も簡素化されている。
    • S-750形：近鉄が奈良線モ800形用としてS-750-DCを採用した。
    • S-752形：神戸電鉄デ300形にS-752-Aを採用。N字状の上枠とM字状の下枠を組み合わせた構造で、横方向の支持棒を持たない。前後方向の横型碍子を備える。
    • P-900-A形：阪和（モタ300・モヨ100形）・東横・目黒蒲田（デハ510形の一部）などに採用。横型碍子で支持され、幅の広いスライダーシューを備える、ヨーロッパ風の空気圧上昇式大型パンタグラフ。Sで始まる型番を付与される通常の三菱電機製パンタグラフとは異なる番号体系に属する製品であり、愛好者の間では古くからスイス・ブラウンボベリ社（Brown Boveri & Co. Ltd：BBC社）からのOEM品であったと伝えられている^[5]が、その出自は未だ謎に包まれている。

[編集] 下枠交差型

下枠交差型パンタグラフ
（写真は小田急20000形電車）

菱形の下枠を交差させることで、作用高さを損なうことなく（集電舟の可動範囲を狭めることなく）上枠を小型化でき、それによる軽量化で架線追従性の向上を図ったもの。

新幹線1000形電車で採用された試作型PS9009での試験を経て、1964年に新幹線0系電車において採用されたPS200形が量産形の初例である。

新幹線ではパンタ台を架線に近づけることで、さらにパンタグラフ全体を小型化し、上昇用バネやカギ外しシリンダ、平衡リンク等の台枠部分にある機器類全てを流線型のカバー内部に収容することによって空気抵抗と風切り音を減少させている。

その後普及した私鉄や在来線車両では、使用速度域が低いことと、前面投影面積が従来型とほとんど変わらないため、空気抵抗の面で利点は少ないものの、省スペース性から注目されることとなった。冷房装置などの搭載により屋根上搭載機器の増加した現代の鉄道車両に適合したため、東武鉄道等で採用された。

しかし、通勤形電車のように、起動、停止、加減速を繰り返す車両では、枠の可動部分が短くなるため菱形よりも架線追従性能が劣ることから、採用しなかった鉄道事業者（京王電鉄^[6]や名古屋鉄道等）も多い。新幹線は、最初からパンタグラフを軽量化することを前提に、架線の方でも対応している。国鉄では、新幹線の他は電気機関車（保守・交換用を含む）に多く使用されたが、電車では北海道地区の交流車両での採用にとどまった。

近年はより構造の簡便なシングルアーム型に取って代わられつつあるが、JR西日本等は一部例外^[7]を除き今も下枠交差型を採用しつづけている。

[編集] Z型・シングルアーム型

横から見たシングルアーム型パンタグラフ
（写真は小田急3000形電車）

シングルアーム型パンタグラフ
（写真は横浜高速鉄道Y500系電車）

Z型パンタグラフを搭載している伊予鉄道モハ2000形電車

シングルアーム型パンタグラフのSNCFBB 8608型（左）と菱型パンタグラフのレンフェ（スペイン国鉄）281 002-6型（中央）が並んだ光景

呼び名や外観は違えど、基本原理はどちらもまったく同じもの。「脚型」と呼ぶ国もある。日本国内でこのタイプが高速車両に普及していなかった頃は、欧州同様、「Zパンタ」と呼ばれていた。

メインビームは横から見ると「く」の字形をしており、ほかに集電舟の平衡とパンタグラフ全体の変形を防ぐリンクを持つ。摺動抵抗となる関節を減らし、枠の軽量化と高剛性化を両立し、高速時の架線追従性を向上させたもの。受風しにくく、着雪面積が小さい点も有利とされ、実際に降雪地域（特に日本海側の豪雪地帯）では離線防止の目的で換装する例もある。

シングルアームパンタグラフは1955年にフランスの大手鉄道用機器メーカーであるフェブレー社 (Faiveley S.A.) が開発し、特許を取得した。このため欧州では、路面電車から高速車両まで幅広く普及しており、特に高速化に熱心なフランス国鉄では1960年代後半以降標準的に採用されている。イタリア国鉄や西ドイツ国鉄の車両も、フランスへ乗り入れるものは架線高さの問題もあって、古くからシングルアームパンタグラフが採用されていた。

日本ではやはり1955年に東洋電機製造の子会社であり、路面電車用ビューゲル製造の大手であった泰平電鉄機械（現・泰平電機）が開発したZパンタが路面電車各社で使われ、高速電車では1971年にフェブレー社製シングルアームパンタグラフの純正品が京阪電鉄で試用されたが、これが高速電車や機関車で一般化したのは、同社の特許保護期間が終了し日本国内メーカーによる製造に制約が無くなった1980年代末以降である。日本で初めて本格的に採用した車両は1990年に落成したJR貨物EF200形である。

集電舟を支持する上枠は逆三角形で、前から見るとY字型をしたものが多かったが、近年さらに簡略化が進み、上枠、下枠とも1本の鋼管で済ませ、前後視ではT字型の形状のものが現れている。新幹線に採用されたタイプは、上枠、下枠が中空構造のパイプとなっており、中に平衡リンクを通すことによって外部に露出する構造物を最小限として、空気抵抗と風切り音の低減化を図っている。慣例で「枠」と呼んでいるが、すでに枠構造を持っておらず、当然、従来型パンタグラフのようなトラス構造にもなっていない。このタイプは、架線高さの上下に対応できる範囲が大きく、最低有効作用高や、折畳み高さが低い点は、地下鉄や狭小トンネルでは特に有利となるため、速度域がそれほど高くない日本では、高速性能より、この面の有用性が重視されている。

さらに、部品点数が少ないため、製造、保守コストともに安価であることから近年主流になりつつあり、コストメリットのため、事業者によっては、従来からの保有車両に取付けられていた菱形や下枠交差型のパンタグラフを全面的にこれに交換してしまうケースが見られるようになっている^[8]。
折りたたみ時の屋上の占有面積が菱形パンタグラフと比べ少なく済む事から、屋上に配置する空調やその他各種機器の配列の自由度が増す他、屋根上重量の軽減にも寄与する。近年路面電車で主流となりつつある超低床電車では、主要機器を床下に配置できないことから、占有面積も少なく軽いシングルアームパンタグラフが屋上の機器の配置がし易くなり、煩雑さを低減させている。

新幹線でも近年はシングルアームパンタグラフの採用例が増えている。新幹線の場合は架線への追随性のみならず、高速走行時に発生する「風切り音」の軽減に主力が置かれている。現在新幹線で主力となっているシングルアーム型は、通常露出しているイコライザーアームが全て中空構造となっている枠の中に収められ、側面から見ると完全な「く」の字型の一本アームとなっている。更にホーン部分に小さい穴を設けることにより、パンタグラフ自体から発生する風切り音を軽減している(後述の通り)。碍子とパンタグラフ基部を覆う車体前後に設けられたスロープ状のパンタグラフカバーと、側面の遮音版によって風切り音を抑える形態が騒音対策、空力抵抗軽減の主流であるが、近年はJR九州800系やJR東日本E2系1000番台の様に、碍子及びパンタグラフ基部に空力的な処理を施し、パンタグラフカバーそのものを廃しているケースもある。新幹線の場合はかつてはパンタグラフカバーによって騒音を低減するという考え方が主流だったが、カバー自体が騒音の元となることが、JR東海の955形"300X"で試用された「ワイングラス型」タイプや、JR東日本の952形・953形"STAR21"、JR西日本500系900番台"WIN350"といった高速試験車、そしてJR総研での風洞実験等で蓄積されたデータによって突き止められてきたことから、現在はカバーに頼ることなくパンタグラフ自体で騒音を軽減するという思想が主流となっている。

最近ではN700系の様に、シングルアーム型の下枠を極端に短くし、基部ともに流線型のカバーに納めたもの（この場合は遮音板とスロープ状カバーを組み合わせている）や、JR東日本のE954形"FASTECH360"で試用された、関節の無い完全シングルアーム（実際は下枠が極端に短く、カバーに覆われている）のタイプが登場する等、空力と騒音対策の試行錯誤が続いている。

[編集] 石津式

石津式
櫓の中央部に錘が見える。

草軽電鉄のパンタグラフ

岡山電気軌道の第六代社長であった石津龍輔が1951年に考案した独自のパンタグラフで、社名から「岡電式」「岡軌式」とも呼ばれる。

通常のパンタグラフのように空気圧やバネの力で架線に追従させるのではなく、パンタグラフ下枠を主軸や台枠よりもさらに下に延長し、その下部に下枠交差式パンタグラフを上下ひっくり返したような小型のパンタグラフ機構を形成してその直下に錘をつり下げ、その重力による降下で得られた力でパンタグラフを押し上げ、架線に追随させるものである。

構造上、錘のための小型パンタグラフ機構が台枠の下に組み込まれていることから台枠を屋根上に碍子を介して直接固定することができず、800mm前後の高さの櫓を組んでそこに錘のための機構部を格納し（過去にはこの両側面に広告板を取り付けて運行された例もあった）、その上に台枠を置く必要がある。

枠構造の平衡維持のための機構が備わっておらず高速走行での追随性に難があり、離線も発生しやすいため、路面電車のような低速で走る車両にしか適さないが、ばねも空気配管も不要で保守しやすい長所を持つ。

その開発以来現在に至るまで、岡山電気軌道のみ（9200型「MOMO」を除く）が採用している。

なお、構造は異なるが、過去には草軽電気鉄道でやはり錘を上昇に用いる特異な形状のパンタグラフが使用されていた。

[編集] 翼型

翼型パンタグラフ
新幹線500系電車
表面のジグザグ模様が
微小渦発生モールド
基部キセにショーワのロゴが見える

関節構造を用いず、構造体（チューブ、ケース）の伸縮によって架線に追従させる構造となっており、前後視ではT字型、側面視ではI型に見え、使用時は屋根上に直立する形となる。関節構造を持たないため、正しくはパンタグラフの仲間ではない。

高速走行時の乱流による風切り騒音防止のため、音もなく滑空できるフクロウの羽根の構造を手本に開発された凸モールドがアウターチューブの表面にある（これはボルテックスジェネレータの一種といわれている）。特許の関係もありJR西日本の500系新幹線電車のみに採用されている。

これに用いられているダンパーは、F1用ショックアブソーバーの製作で300km/h以上でのデータとノウハウを数多く持つ、ショーワに依頼された。

なお長所としては可動部分がシンプルで軽量で且つ風きり騒音低減に有利であることだが、欠点としては製造維持コストが高いことと、構造上あまり大きく伸縮させることができないため架線の高さの変動幅の大きな在来線では使用できないことがあげられる。

また、後年にシングルアーム型において安価で高性能な新幹線用パンタグラフが開発されたために、500系を開発したJR西日本においてもその後の新型新幹線車両では翼型パンタグラフは採用されていない。「こだま」に転用改造された500系も、シングルアームパンタグラフに換装されている。

[編集] 枠

集電装置の基本をなす部品。鋼管を使用し、上枠と下枠からなる。高速時の離線を抑えるため、軽量であることと、十分な剛性と強度を持つことが必要となる。200 km/hを超える条件下で使用されるものは、空力も重要な設計用件となる。

[編集] スライダー

パンタグラフが架線と接触する部分をスライダー（すり板、摺り板）と呼ぶが、このスライダーは架線との接触状態を保った状態で走行するため、走行中は常に摩擦された状態になる。したがって使用しているうちに摩耗してくるので、定期的な交換が必要である。

スライダーの材質は現在ではカーボン（炭素繊維）や銅系の焼結合金が一般的であるが、摩耗を少なくするために鉄系の焼結合金にしたり、銅系の合金に油脂や二硫化モリブデンなどの潤滑剤を混ぜて造ることもある。ただし、スライダーに摩耗の少ない材料を使用する場合、架線の摩耗が早くなることを考慮する必要がある。

また、スライダーの磨耗点が一点に集中することを防ぐため、一般にパンタグラフ集電の路線においては直線部分の架線は緩いジグザグ状に張られている^[9]。

[編集] ローラーパンタグラフ

架線と接触する部分がローラーとなって回転する形態のパンタグラフで、接触部の磨耗を抑制する狙いがある。

日本では1914年に鉄道院デハ6340系電車に採用されたが、高速での離線トラブルを起こしがちであった(架線追随性が悪く、度々アーク放電を起こして架線を断線させた他、軌道の状況が悪い区間ではパンタグラフが激しく上下動してタンピングを引き起こしていた)ため、数ヶ月で通常のシュー式に改造された。低速での運行を行う坑内軌道ではその後も一部で用いられた。^[10]

[編集] ホーン

黄色い部分がホーン
写真は新幹線N700系電車用
シングルアーム形

スライダー両端の湾曲した部分で、ホーンとは角（つの）意味。架線の障害(通常走行時では分岐器等によって架線が交差する部分等)で偏寄が極端に大きくなった場合など、万一の際に集電装置の復元を助け、逸脱を防ぐ。車両やパンタグラフの形式によって、先端が一本のもの、二本のもの、先端が一本にまとまったＹ型など、形状も様々である。

新幹線用では、波線状に多数の長穴が開けられており、穴の中を抜ける気流により、カルマン渦を小さくし、高速時の「エオルス音（鈍音）」の発生を抑えている。

[編集] イコライザー

パンタグラフにおける「イコライザー」とは、走行時に働く力による、枠の変形とスライダーの傾きを防ぐ平衡装置を指す。

[編集] 鍵（かぎ）

留置時など、集電装置がばねの力で跳ね上がらないようにするためのフック状の留め金。

[編集] 碍子（がいし）

詳細は「がいし」を参照

横型がいしでの設置例
東洋電機製 PT-42形
近鉄モ610形

車両と集電装置の間に位置し、絶縁用に使われる部品。

交流用など電圧の高い場合は絶縁間隔確保のために段数が増え、海底トンネルや風の強い沿岸部で使われる場合、塩害を防ぐため、さらにシリコン系の絶縁材を塗布する場合がある。

通常は屋根上と集電装置の台枠の間に垂直に挿入して絶縁間隔を確保するが、トンネルなどの断面形状が小さく車両限界に制約がある場合には、碍子を横倒しに配置して台枠高さを可能な限り引き下げる例が近畿日本鉄道などで見られる。
また既述のとおり、近年登場した新幹線車輌には、碍子自体に空力的な形状処理を施し、騒音の軽減を図った碍子を採用するケースが増えている。碍子の形状は風洞実験によって決定され、車輌の外観上のアクセントともなっている。

[編集] 霜取りパンタ

先頭部に霜取り用パンタグラフを装備した東武6050系

寒期に車上の集電装置を使用し架線に付着した霜や氷などを掻き取るものを「霜取り用」、「除霜用」と称する。集電機能を持たない霜取り専用のものはもちろん、通常の集電装置を使う場合も、無用なスパークを防ぐため通電はしない。

[編集] 三相交流電化における集電装置

ユングフラウ鉄道の2つ並んだパンタグラフ

フランスLa Rhune鉄道の電気機関車

日本では新交通システムを除く一般鉄道で実用化されなかったが、ヨーロッパの一部では架空線の三相交流電化が行われている。 ポール集電におけるダブルポール同様に架線を並行して2本張り、集電装置も横に2つ並べて集電を行う。

[編集] 日本のメーカー

日本ではパンタグラフは現在、東洋電機製造と工進精工所で製造されている（ただし、工進精工所製は半数以上がJR各社への納入）。かつては日立製作所、東芝、三菱電機でも製造されていた。このうち日立製は相模鉄道、東芝製は阪急電鉄（神宝線管内のみ）、三菱製は神戸電鉄などで使用されていたが、いずれの会社も車両の経年廃車、パンタグラフ自体の更新などにより、現在は少数の事業用車を除き使われていない。

[編集] パンタグラフの押上力

パンタグラフの押上力は、摺り板の磨耗や架線への追従性を考慮して静止状態で50N（およそ5kgf）以下であり、湿った雪が積もった程度でも離線してしまうほどである。

[編集] 低屋根車両・装置移設車両

架空電車線方式では集電装置の高さと架線との高さ（建築限界・車両限界）などが異なる区間を走行する場合もままありうる。そういった区間を走行する場合には、通例高さが低い方に合わせる。これは他社の郊外路線と直通する地下鉄などが当てはまる。日本の旧国鉄では、電化工事の際、工期短縮と工費節減を目的として、明治時代に建設された設備（主にトンネル）を、大規模な改修を行わずにそのまま使用した箇所があり、これらの限界が他の線区より狭い。中央本線の高尾 ~ 中津川の山岳区間、篠ノ井線、私鉄を国有化した路線である身延線、民営化後に電化した予讃線の愛媛県内などの線区が知られている。飯田線も私鉄買収路線であるが、この事例には該当しない。

国鉄時代、これらの「狭小トンネル」区間に使用または直通する車両は、パンタグラフの折りたたみ時の高さを通常より低くすること（国鉄の通常の直流区間向け車両では軌道上面から4000mm以上。中央本線は3980mm。身延線は3960mm。予讃線は3900mm）や、電気保安装置である避雷器など周辺装置、天井のヘッドライトなどの移設を行うことが求められ、既存車の改造や、既系列の新車を設計変更することで対応していた。特に移設装置で目立つものが避雷器であったことから、これらは避雷器移設工事車両といわれた。またパンタグラフ部の屋根を切り欠いて設置位置を低くしたものを低屋根車両と称する場合もあり、特に中央本線向けの車両は、勾配用に低められた電動車の歯数比との組み合わせで「山用電車」と呼ばれることもあった。これらの仕様は42系、71系、72系、80系、101系、115系、165系、JR東海の211系などに見られ、72系以降の該当車両には主に800番台などの番台区分がなされている。

しかし、元々重心を下げる目的で全高を抑えた設計の特急形電車や、国鉄民営化後に該当路線に投入された車両は、低屋根車両とは呼ばれない。また、交流型電車・交直流電車については、20,000Vの高圧電流を使用する交流電化区間でその保安上、架線およびパンタグラフの基部を直流区間の場合よりも高い位置に取る必要がある事、あわせて関連機器を屋根上にも装備するためのスペースを確保しなければならない事から、元より前述の低屋根に近い設計がなされている。このことから前述の低屋根車両には該当しない。

また中央本線については、最低作用高さと折りたたみ高さを低減したパンタグラフ（PS23形・PS24形、シングルアームのPS35形）が開発され、既存または新規の全高の高い車両もこれらのパンタグラフを搭載することで建築限界をクリアすることが可能になり、低屋根車両を製造する必要性がなくなった（対応車両は車番の前に◆のマークが付けられた）。それ以前に製造された低屋根車両は経年廃車が進み、数が減少している。ただし、身延線ではこれでも通れないため、パンタグラフ取り付け部を20mm下げた専用の低屋根車両（115系2600番台電車）が製造された。なお、JR東海の現在の新型車（373系・313系）は身延線を走行することを想定した屋根高さで設計されている。

予讃線の場合はさらに条件が悪いため、特別仕様のパンタグラフ（S-PS58形、S-PS59形）を装備し、新造車では屋根全体を低めている。

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[編集] 第三軌条集電方式

• 第三軌条方式の場合、台車の外側に集電靴（しゅうでんか：英 contact shoe）と称される装置を取り付け、これで軌道脇に設置された第三軌条と呼ばれる電気供給用のレールから集電する方式が一般的である。架線と異なり柔軟性がないため、高速運転には不向きであるが（日本での第三軌条区間最高速路線は近鉄けいはんな線の95km/h）、イギリスでは160km/h運転をしている区間がある。もっともユーロスターが通る区間はフランス国内の区間との速度差が大きいこともあり、架空線方式の高速新線 (CTRL) に順次切り替えている。

• 近年では、路面電車方式のライトレールで第三軌条を使用する例が表れている。ボルドーのLRTが使用するアルストム社が開発した"APS(Alimemtation par le Sol)"がそれである。レールの中央に給電用のレールを敷設し、車両側に取り付けられた集電靴で集電するシステムだが、そのままでは歩行者が集電レールを踏むと感電してしまう。そこで8mの集電セグメントと2mの絶縁セグメントに集電区間を区切り、絶縁セグメントの前後の給電セグメントを給電ボックスで区切って敷設し、車体側に取り付けた設置アンテナから信号を送ることにより、給電セグメントのON/OFFを走行しながら繰り返す、これにより、電流が流れている区間が電車と共に移動している事になり、感電などのトラブルが起こらないようになっている。建設コストが架空線方式よりも割高になるデメリットがあるが、架線を張ることによって都市景観を損ねないメリットがあるため、ボルドーでは景観保護を重点的にしている区間をAPSシステムとしている。今後は同じフランスのランス・アンジェ・オルレアンB線がこの方式を採用することを決定している。

• 第三軌条を使用した路面電車には、この他にも｢コンデュイット方式｣を採用したものが存在した。地中に埋設した給電線から、車体側に取り付けられている｢脚｣に取り付けられた集電靴で集電するものであった。しかし、敷設する為には地面を60cm程度掘削しなければならず、保守にも手間が掛かった事等様々な問題点があったことから、ボルドー、ロンドン、ニューヨーク等に存在したこの方式の路面電車は全て廃止され、現存している物は皆無となっている。現在ロンドンの鉄道博物館にこのシステムの解説が展示されている。

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[編集] 四軌条方式

ロンドン地下鉄では、世界でも非常に珍しい「四軌条方式」 (Four Rail System) を採用している。通常配置の第三軌条には直流+420V、走行用レールの間に置かれた「第四軌条」 (Fourth Rail) には直流-210Vがそれぞれ印加されており、トータルで630Vを得る仕組みとなっている。

[編集] 脚注

[編集] 関連項目

• 離線

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