非接触型電圧電流プローブ装置とこれを用いた電圧電流測定方法
【課題】ケーブルにおける電圧と電流を高精度に測定できる非接触型電圧電流プローブ装置を提供する。
【解決手段】非接触型電圧電流プローブ装置は、筒形の内部コア１、内部コア１に巻回された内部導体線２を有するトロイダルコイル１Ａと、筒形の外部導体３と、内部コア１の内側に設けられた第１スペーサ４と、第１スペーサの内側に設けられ、ケーブル７を固定し且つ導電性を有する固定用電極５と、内部コア１と外部導体３との間に設けられ、内部コア１と外部導体３との間の距離を一定にする第２スペーサ６と、内部導体線２の両端間に挿入された終端抵抗８と、接続端子９を備えた金属収納箱１０と、終端抵抗８の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路１１ａと、終端抵抗８の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路１１ｂと、電位差同士の和を測定する加算器１３ａと、電位差同士の差を測定する減算器１３ｂとを備える。
【解決手段】非接触型電圧電流プローブ装置は、筒形の内部コア１、内部コア１に巻回された内部導体線２を有するトロイダルコイル１Ａと、筒形の外部導体３と、内部コア１の内側に設けられた第１スペーサ４と、第１スペーサの内側に設けられ、ケーブル７を固定し且つ導電性を有する固定用電極５と、内部コア１と外部導体３との間に設けられ、内部コア１と外部導体３との間の距離を一定にする第２スペーサ６と、内部導体線２の両端間に挿入された終端抵抗８と、接続端子９を備えた金属収納箱１０と、終端抵抗８の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路１１ａと、終端抵抗８の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路１１ｂと、電位差同士の和を測定する加算器１３ａと、電位差同士の差を測定する減算器１３ｂとを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーブルにおける電圧とケーブルに流れる電流を測定できる非接触型電圧電流プローブ装置とこれを用いた電圧電流測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信装置や電子・電気機器では、半導体技術の進歩とともに高密度、高集積、大容量、低消費電力化が進んできている。装置の構成も複雑になってきており、様々なケーブル等が接続されるようになってきている。また様々な伝送方式が考案され、通信に供される信号の種類が増加している。さらに、省電力化のためインバータ技術等が導入され、電源系統の電源高調波やそれによって発生する電磁妨害波等も増加している。
【０００３】
これらの状況では、信号の劣化による誤作動や故障、電源高調波による電源品質の劣化に伴う誤作動、様々な機器から発生した電磁妨害波が装置に接続されるケーブルに誘導され、ケーブルを伝わって他の装置の誤作動や故障を発生させるという現象が生じている。装置の大容量化によって、１回の故障が与える社会的影響は大きくなっており、このような原因による誤作動、故障を発生させないための技術が必要となっている。
【０００４】
上記のような事例においては、同一地点での信号の電圧や電流、高調波の電圧、電流、電磁妨害波の電圧、電流の測定が必要であるが、現状では、電圧、電流それぞれを検出するプローブが個別に必要である。これまで、電圧、電流の測定用として、様々なプローブが開発されている。たとえば、通常の電圧測定に用いられる電圧プローブでは、測定対象のケーブルの導体に接触する必要があり、ケーブルの切断や外皮の剥離といったことが必要であるため、実際に稼動いている装置に接続されているケーブルに適用することは困難であった。一方で、ケーブルとの電磁結合や静電結合を利用した非接触型の電圧プローブや電流プローブが開発されているが、それぞれ個別のプローブであり、様々なケーブルの径に同じように対応させることや必要な測定帯域をそろえる必要がある。物理的な大きさの制約や測定の際の影響等から、測定箇所が同一ではないなど、取り扱い上の課題があった。
【０００５】
さらにＥＭＣ(Electoromagnetic Compatibility 電磁両立性)の分野においては、電子装置からケーブルを伝わって外部に放射されるコモンモードの伝導性電磁妨害波の測定が必要であり、通常の電子装置の場合には、特定の試験サイトにおいて実施されている。しかしながら、試験用のサイトでは測定できないような大型の電子装置、例えばスタジアム等の大型ディスプレイや多数の機器から構成されるシステム等、においては、その伝導性妨害波をどのように測定するかが課題となっている。例えば、電圧、電流をそれぞれ個別に測定した場合には、被測定対象のコモンモードのインピーダンスが不明であるため、インピーダンスが低い場合の電圧測定、若しくはインピーダンスが高い場合の電流のみの測定等のように、発生している現象を正確に捉えられない可能性がある。したがって、この分野においても、電圧、電流を同時に同じ場所で測定する技術が求められている。
【０００６】
なお、非接触型の電圧プローブ装置に関する文献としては、非特許文献１、２がある。これらの文献で開示された構造では、内部を通るケーブルに発生した電圧を円筒形内部電極で検出し、その内部電極と、同軸円筒状に配置され、かつアースに接続された外部電極との間の電圧を検出することによって、ケーブルに発生している電圧を測定することが可能となっている。この構造においては、内部電極は電圧検出の役割を果たし、外部電極は、基準電位の提供と内部電極のシールドの役割を提供している。
【０００７】
また非接触型の電圧プローブのうち、電磁結合を利用しているものについては、非特許文献３に示すようなものが開発・販売されている。非特許文献３のような電磁結合を利用した電流プローブは、コア材に巻かれた内部導体線が低いインピーダンスで終端され、金属のシールド収納箱に納められた構造をしている。トロイダルコイルによって、ケーブルに流れる電流が作る磁界を検出し、電磁誘導によって終端のインピーダンスに発生した電圧は、ケーブルに流れる電流に比例するため、電流を測定することができる。多くの電流プローブでは金属のシールド収納箱内にトロイダルコイルが納められているが、これは、測定周囲の金属体との静電結合やケーブルとの静電結合による測定誤差を排除するためである。
【０００８】
これらの構造を考えると、ともに同軸状に構成された検出用の内部電極やトロイダルコイルを持ち、かつ外乱からの影響を排除するための静電シールドを備えている。
【非特許文献１】R.Kobayashi,Y,Hiroshima,H,Ito,H,Furuya,M.Hattori,and,Y.Tada:“A Novel Non-contact Capacitive Probe for Common-mode Voltage Measurement”,Trans.EB,Vol.E90-B,No.6,Jun,2007
【非特許文献２】広島，桑原、「容量性電圧プローブにおける側面シールドの効果」電子情報通信学会ソサイエティ大会講演論文集1999年通信ソサイエティ大会（講演論文集１），B-4-50,234,1999/08/16
【非特許文献３】ETS-EMCOカレント・プロ−ブ、[online]，インターネット<URL:http://www.astechcorp.co.jp/jp/electronics/Electronics/content/EMCO/current.htm>
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
さて、本発明の発明者らは、これらのプローブを一体化する技術を開発したが、測定対象であるケーブルがプローブ内部を貫通する際、その位置によって静電結合の大きさが変化してしまうことがわかった。そして、電磁結合においても、磁界の分布が変化する。これらの影響は測定誤差を生じさせるため、測定の精度を高めるためには改善が必要であった。
【００１０】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ケーブルにおける電圧とケーブルに流れる電流を高精度で測定できる非接触型電圧電流プローブ装置およびこれを用いた電圧電流測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するには、同軸状に構成されたトロイダルコイルとその外部のシールドのための外部導体とで形成される構造の内部にさらにケーブルを固定するための固定用電極を設ける。固定用電極の外径を一定とした場合、内部コアに巻かれたトロイダルコアと固定用電極の静電結合を一定とすることが可能となる。さらに、内部を通る測定対象のケーブルと固定用電極とを密結合させることによって、ケーブルと固定用電極間の静電結合を無視することができ、安定した測定結果を得ることが可能となり、上記の課題を解決することが可能となる。
【００１２】
これにより、上記課題であった同一地点の電圧電流の測定が可能になり、かつインピーダンスが不明な状態でも、電圧と電流の２つの物理量を同時に測定でき、正確な評価が可能となる。さらに取扱いの不便さが解消される。
【００１３】
請求項１の本発明は、ケーブルにおけるアースに対する電圧と前記ケーブルに流れる電流を測定するための非接触型電圧電流プローブ装置であって、前記ケーブルが貫通する空間が内側に形成される筒形の内部コア、前記内部コアに巻回された内部導体線を有するトロイダルコイルと、前記ケーブルが貫通し且つ前記トロイダルコイルが配置される空間が内側に形成される筒形の外部導体と、前記内部コアの内側に設けられた筒形の第１スペーサと、前記第１スペーサの内側に設けられ、前記ケーブルを固定し且つ導電性を有する固定用電極と、前記内部コアと前記外部導体との間に設けられ、前記内部コアと前記外部導体との間の距離を一定にする第２スペーサと、前記内部導体線の一方端と他方端との間に挿入された終端抵抗と、前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、アースに接続され、前記各電圧検出回路と前記終端抵抗とを収納する電磁シールド手段とを備えることを特徴とする非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１４】
請求項２の本発明は、前記電磁シールド手段に収納され、検出された前記電位差同士の和と検出された前記電位差同士の差を測定する電圧電流算出手段を備えることを特徴とする請求項１記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１５】
請求項３の本発明は、前記電圧電流算出手段は、検出された前記電位差同士の和を測定する加算器と、検出された前記電位差同士の差を測定する減算器とを備えることを特徴とする請求項２記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１６】
請求項４の本発明は、前記固定用電極は、金属の非磁性体で形成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１７】
請求項５の本発明は、前記内部コアは、前記電流の周波数に応じて選択された磁性体材料により形成されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１８】
請求項６の本発明は、前記固定用電極は、金属の円筒を螺旋状に切断したバネで構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１９】
請求項７の本発明は、前記第１スペーサは、低誘電率の誘電体でかつ低透磁率の磁性体または非磁性体でかつ可塑性を有するもので形成されたことを特徴とする請求項６記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００２０】
請求項８の本発明は、前記内部コアの端面に対向させて前記外部導体の端面に接続され、前記ケーブルが貫通する開口が内側に形成される導電板を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００２１】
請求項９の本発明は、ケーブルにおけるアースに対する電圧と前記ケーブルに流れる電流を測定するための非接触型電圧電流プローブ装置を用いた電圧電流測定方法であって、前記非接触型電圧電流プローブ装置は、前記ケーブルが貫通する空間が内側に形成される筒形の内部コア、前記内部コアに巻回された内部導体線を有するトロイダルコイルと、前記ケーブルが貫通し且つ前記トロイダルコイルが配置される空間が内側に形成される筒形の外部導体と、前記内部コアの内側に設けられた筒形の第１スペーサと、前記第１スペーサの内側に設けられ、前記ケーブルを固定し且つ導電性を有する固定用電極と、前記内部コアと前記外部導体との間に設けられ、前記内部コアと前記外部導体との間の距離を一定にする第２スペーサと、前記内部導体線の一方端と他方端との間に挿入された終端抵抗と、前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、アースに接続され、前記各電圧検出回路と前記終端抵抗とを収納する電磁シールド手段とを備え、前記電圧電流測定方法は、前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する前記電圧検出回路が当該電位差を検出する段階と、前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する前記電圧検出回路が当該電位差を検出する段階とを含むことを特徴とする非接触型電圧電流プローブ装置を用いた電圧電流測定方法をもって解決手段とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ケーブルにおける電圧とケーブルに流れる電流を高精度で測定できる非接触型電圧電流プローブ装置およびを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、各実施の形態では、基本的技術や実施の形態における特徴的な技術を述べるが、各実施の形態で述べた技術を適宜組み合わせて実施してもよい。
【００２４】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【００２５】
非接触型電圧電流プローブ装置は、ケーブル７におけるアースに対する電圧Ｖとケーブル７に流れる電流Ｉを測定するための非接触型電圧電流プローブ装置であって、ケーブル７が貫通する空間が内側に形成される筒形の内部コア１、内部コア１に巻回された内部導体線２を有するトロイダルコイル１Ａと、ケーブル７が貫通し且つトロイダルコイル１Ａが配置される空間が内側に形成される筒形の外部導体３と、内部コア１の内側に設けられた第１スペーサ４と、第１スペーサの内側に設けられ、ケーブル７を固定し且つ導電性を有する固定用電極５と、内部コア１と外部導体３との間に設けられ、内部コア１と外部導体３との間の距離を一定にする第２スペーサ６と、内部導体線２の一方端と他方端との間に挿入された終端抵抗８と、外部導体３をアースに接続する手段である接続端子９を備えた金属収納箱１０と、終端抵抗８の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路１１ａと、終端抵抗８の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路１１ｂと、検出された前記電位差同士の和を測定する加算器１３ａと、検出された前記電位差同士の差を測定する減算器１３ｂとを備える。第１スペーサ４と固定用電極５とにより、ケーブル７が内部導体線２に対して予め定めた距離以内に接近するのを防止している。
【００２６】
内部コア１は、電流Ｉの周波数に応じて選択された磁性体材料により形成されたものである。トロイダルコイル１Ａを空芯にしたい場合、内部コア１は、非磁性体で形成される。トロイダルコイル１Ａとケーブル７との結合性を高くし、トロイダルコイル１Ａのインダクタンスを大きくした場合、内部コア１は、高い透磁率を有する磁性体、例えばフェライトやアモルファスで形成される。このように内部コア１は、目的に応じた材料で形成すればよい。内部コア１は、円筒形であるが、トロイダルコイルを構成するためには筒形であればよく、横断面形状が例えば四角形のものであってもよい。
【００２７】
固定用電極５は、ケーブル７を固定し、かつ内部導体線２との静電結合を一定とするためのものであり、例えば、金属の非磁性体（アルミニウム等）で形成される。目的から明らかなように、固定用電極５は、非磁性の導電性材質であれば、いかなる材質のものでもよい。
【００２８】
第１スペーサ４および第２スペーサ６は、発泡性を有する材料、例えば発砲ゴム、発泡ウレタンで形成され、可塑性を有する。第１スペーサ４および第２スペーサ６により、固定用電極５は、内部コア１および外部導体３と同軸上に配置される。ケーブル７も同様に、固定用電極５、内部コア１および外部導体３と同軸上に配置される。
【００２９】
第１スペーサ４および第２スペーサ６は、低誘電率の誘電体でかつ低透磁率の磁性体または非磁性体である材料（例えば、プラスチック、シリコンコーキング剤など）で形成されたものである。これにより、高周波領域における測定の影響を少なくできる。
【００３０】
第２スペーサ６は、円柱状であるが、内部コア１と外部導体３との間の距離を一定にできれば、円筒形でもよい。また、第２スペーサ６は、内部コア１と外部導体３との間を上記材料で充填するものでもよい。
【００３１】
金属収納箱１０は導電性を有する電磁シールド手段であり、外部導体３および接続端子９に電気的および機械的に接続され、各電圧検出回路１１ａ、１１ｂと加算器１３ａと減算器１３ｂとを収納する。各電圧検出回路１１ａ、１１ｂは高い入力インピーダンスを有するものを使用する。
【００３２】
接続端子９をアースに接続することにより、金属収納箱１０と外部導体３とがアースと等電位になり、内部導体線２や金属収納箱１０内の回路が静電シールドされ、周囲の影響による測定の誤差が低減される。
【００３３】
内部導体線２の両端は、貫通孔１４を通して金属収納箱１０の中に引き込まれ、終端抵抗８は、金属収納箱１０の中に配置されている。内部導体線２を金属収納箱１０の中に引き込むことで、内部導体線２と周囲と高周波領域での結合による寄生キャパシタンスの影響を最低限にできる。また、内部導体線２を金属収納箱１０の中に引き込むことで、引き込む部分の長さを最短にでき、高周波域での寄生インダクタンスの影響を最小限にできる。また、内部導体線２を金属収納箱１０の中に引き込むことで、各電圧検出回路１１ａ、１１ｂと加算器１３ａと減算器１３ｂの取り付けが容易になる。
【００３４】
各電圧検出回路１１ａ、１１ｂの出力は、加算器１３ａと減算器１３ｂに入力に接続されている。加算器１３ａと減算器１３ｂは、本発明の電圧電流算出手段に対応する。
【００３５】
加算器１３ａの出力は、金属収納箱１０に電気的および機械的に接続された出力端子１２ａに接続されている。減算器１３ｂの出力は、金属収納箱１０に電気的および機械的に接続された出力端子１２ｂに接続されている。
【００３６】
各電圧検出回路１１ａ、１１ｂと加算器１３ａと減算器１３ｂは、金属収納箱１０に収納されたバッテリ２５から電力供給を受けている。バッテリ２５の充電には、例えばニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを使用すればよい。なお、金属収納箱１０に電源端子を設け、外部から電力供給してもよい。
【００３７】
図１に示す電圧Ｖと電流Ｉを考えると、このとき、ケーブル７の周囲には、アンペアの法則に基づく磁界Ｂが発生する。トロイダルコイル１Ａを構成する内部導体線２には、電磁誘導により電流Ｉに比例する起電力が生じ、終端抵抗８に誘導起電力が印加される。
【００３８】
電圧検出回路１１ａが終端抵抗８の一方端のアースに対する電位差を検出し、電圧検出回路１１ｂが終端抵抗８の他方端のアースに対する電位差を検出し、減算器１３ｂが、検出された前記電位差同士の差を測定すると、その差は、終端抵抗８の両端の電位差となる。この電位差は、電流Ｉによって誘起されたもので、電流Ｉに比例する。つまり、電流Ｉに比例した出力が得られる。
【００３９】
一方、ケーブル７は、固定用電極５に対して静電誘導によって結合しており、固定用電極５は、内部導体線２に対して静電誘導によって結合しており、静電誘導電圧が生じる。また、内部導体線２は、外部導体３に対して静電誘導によって結合しており、内部導体線２と外部導体３の間に静電誘導電圧が生じる。外部導体３がアースに接続されていれば、ケーブル７〜固定用電極５〜内部導体線２〜外部導体３の間は、キャパシタンスで分圧されていることと等価である。したがって、内部導体線２と外部導体３の間の電位差を測定することにより、電圧Ｖを測定することができる。内部導体線２と外部導体３の間の電位差は、終端抵抗８の一方端とアースとの電位差と、終端抵抗８の他方端とアースとの電位差Ｖ２の平均（和の１／２）を測定することによって得ることができる。ケーブル７と固定用電極５の静電結合が大きい場合、ケーブル７〜固定用電極５〜内部導体線２の静電結合の大きさは、一定の範囲では、固定用電極５〜内部導体線２間の静電結合に等しくなる。
【００４０】
図２は、第１の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の等価回路を示す図である。
【００４１】
ケーブル７とプローブの検出部分は、ケーブル７のインダクタンスＬ１、内部コア１と内部導体線２で構成されるトロイダルコイル１ＡのインダクタンスＬ２、及びその間の相互インダクタンスＭ、内部導体線２とケーブル７との結合キャパシタンスＣ、Ｃ、内部導体線２と外部導体３との結合キャパシタンスＣｓ、Ｃｓ、終端抵抗８のインピーダンスＺで表される。
【００４２】
インピーダンスＺの一方端に接続された電圧検出回路１１ａは、高抵抗ＲｐとコンデンサＣｐの並列回路２０ａで与えられる。インピーダンスＺの他方端に接続された電圧検出回路１１ｂは、高抵抗ＲｐとコンデンサＣｐの並列回路２０ｂで与えられる。
【００４３】
高抵抗Ｒｐは通常１００ｋΩ〜数１０ＭΩの範囲であり、コンデンサＣｐは、通常数ｐＦ〜５０ｐＦ程度で与えられる。
【００４４】
図２の等価回路において、結合キャパシタンスＣfixとＣの関係を考えると、Ｃfix≫Ｃの範囲では、その合成キャパシタンスはＣに等しくなる。
【００４５】
図２において、電流Ｉ、電圧Ｖがもつ周波数の帯域におけるインダクタンスＬ１によるインピーダンスｊωＬ１が十分に小さく、かつ結合キャパシタンスＣ、Ｃによるインピーダンス１／ｊωＣが十分に大きい場合、電流Ｉによってトロイダルコイルに発生する電磁誘導電圧は、結合キャパシタンスＣ、Ｃによらず、かつインダクタンスＬ１の電位降下が十分小さければ内部導体線２に生じる静電誘導電圧は、コモンモード電圧のみに比例する。したがって、インピーダンスＺの両端の電位をＶ１，Ｖ２とすると、その電位差Ｖｄは、
Ｖｄ＝Ｖ１−Ｖ２ （１）
である。これは、インダクタンスＬ１及びインダクタンスＬ２、相互インダクタンスＭによって生じる電位であり、ケーブルを流れる電流Ｉに比例する。
【００４６】
一方、静電誘導によって内部導体線２に電位が生じるが、これは、ｊωＬ１での電位降下が十分に小さいと仮定できる場合には、インピーダンスＺの一方端とアースとの電位差Ｖ１と、インピーダンスＺの他方端とアースとの電位差Ｖ２の平均で与えられる。すなわち、平均電圧Ｖｃは、
Ｖｃ＝(Ｖ１＋Ｖ２)／２ （２）
として与えられる。このＶｃは、ケーブル７と内部導体線２との結合キャパシタンスＣ、Ｃと、内部導体線２と外部導体３の結合キャパシタンスＣｓ、Ｃｓ及び電圧検出回路１１ａ，１１ｂのインピーダンス２０ａ，２０ｂで定まる電圧であり、ケーブルに発生した電圧Ｖに比例する。
【００４７】
図２の等価回路より、以下の条件（Ａ)
（Ａ）ケーブルのインダクタンスＬ１のインピーダンスｊωＬ１が結合キャパシタンスＣ、Ｃのインピーダンス１／ｊωＣに比べ十分に小さい。
【００４８】
が成立する範囲では、電流Ｉはケーブルのみに流れるため、トロイダルコイルのインダクタンスＬ２の両端の電圧Ｖ１，Ｖ２の差は、電磁誘導によって発生する電圧Ｖｍになる。また、結合キャパシタンスＣ、Ｃとケーブルの接点の電位Ｖａ，ＶｂはインダクタンスＬ１の電位降下が十分に小さければ等しいと考えられる。そのため、トロイダルコイルのインダクタンスＬ２の両端の電圧Ｖ１，Ｖ２は、結合キャパシタンスＣ、Ｃと並列回路２０ａ，２０ｂ、内部導体線２と外部導体３の結合キャパシタンスＣｓ、Ｃｓの分圧によって生じる電位Ｖｃ分だけ底上げされることになる。したがって、トロイダルコイルのインダクタンスＬ２の両端の電位Ｖ１，Ｖ２は
Ｖ１＝Ｖｍ／２＋Ｖｃ （３）
Ｖ２＝−Ｖｍ／２＋Ｖｃ （４）
で与えられ、電圧検出回路１１ａ、１１ｂによって、トロイダルコイルの両端とアースの間の電圧を測定することにより、その差分（Ｖ１−Ｖ２）をとると、電流に比例した値、その和の平均（Ｖ１＋Ｖ２）／２をとると、電圧に比例した値となる。すなわち、条件（Ａ）が成立する範囲では、電圧Ｖ、電流Ｉに比例した出力を得ることができる。
【００４９】
また、第１の実施の形態にあっては、トロイダルコイル１Ａを構成する内部コア１の内側に第１スペーサ４を設け、第１スペーサ４の内側に、ケーブル７を固定し且つ導電性を有する固定用電極５を設けることで、ケーブル７とトロイダルコイル１Ａの距離の変化を少なくでき、両者間の静電結合や磁気結合の変化を少なくでき、よって、ケーブル７における電圧とケーブル７に流れる電流を高精度で測定することができる。
【００５０】
また、第１の実施の形態にあっては、内部コア１は、電流の周波数に応じて選択された磁性体材料により形成されているので、電流をより高精度で測定することができる。
【００５１】
［第２の実施の形態］
図３は、第２の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【００５２】
第２の実施の形態では、図１に示した第１の実施の形態とは異なり、金属収納箱１０の内部に加算器１３ａ及び減算器１３ｂを収納していない場合のものである。第１の実施の形態の場合、加算器１３ａと減算器１３ｂを収納することにより、回路構成が複雑となることが考えられる。そのため、加算器１３ａ、減算器１３ｂを無くし、終端抵抗８の両端で検出された電圧を個々に出力端子１２ａ，１２ｂに出力することによって、金属収納箱１０の内部構成を簡単なものとすることができる。さらに接続端子に繋がる測定機器にデジタルオシロスコープ等のデジタルデータを蓄積でき、かつ内部演算処理が可能なものを用いることによって、測定データの出力を任意に加工できる利点が得られる。
【００５３】
［第３の実施の形態］
図４は、第３の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【００５４】
第３の実施の形態では、図１に示した非接触型電圧電流プローブ装置の周囲に存在する外乱からのシールド性能を高めるべく、さらに円板状の導電板２４を設けたものである。導電板２４は、内部コア１の端面に対向させて外部導体３の端面に接続される。導電板２４には、ケーブル７が貫通する開口が内側に形成される。
【００５５】
図１の非接触型電圧電流プローブ装置では、内部導体線２がその周囲にある外乱要因（金属体、他のケーブル等）と結合する可能性が考えられる。そこで、第３の実施の形態の導電板２４を設けることによって、外部導体３により得られたシールド効果を高めることができる。
【００５６】
図５は、その概要を示す図である。
図５（ａ）に示すように、外乱要因は内部導体線２に直接結合し、測定結果に影響を与える。しかし、図５（ｂ）に示すように、導電板２４を設けることにより、内部導体線２と外乱要因との静電結合を減らし、測定の精度を向上させることが可能となる。第３の実施の形態では、外部導体３の形状に合わせて導電板２４を円板状としたが、ケーブル７が貫通する開口を備えれていればよく、例えば、四角形状としてもよい。
【００５７】
［第４の実施の形態］
図６は、第４の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【００５８】
第４の実施の形態では、図１に示した非接触型電圧電流プローブ装置に対して、内部コア１、外部導体３、第１スペーサ４、固定用電極５が分割されている。内部導体線２の一部は、分割で生じた内部コア１の一方の部分に巻回され、内部導体線２の他の一部は、分割で生じた内部コア１の他方の部分に巻回されている。これにより、ケーブルを容易に挟みこむことが可能となっている。また、第４の実施の形態では、導電板２４を設けて、これを分割しているが、導電板２４はなくてもよい。
【００５９】
外部導体３および導電板２４を電気的、機械的に確実に接続させかつ可動性をよくするため、分割された外部導体３の片側には電極固定用の止め金具２６が取り付けられており、その反対側は蝶番２７が取り付けられている。これにより、可動性の確保と、ケーブルを挟んだ後の電気的、機械的接続を確実にしている。本実施の形態では、止め金具２６は、外部導体３のみに取り付けられているが、より確実に接続するため、導電板２４に追加してもよい。このような構造にすることによって、ケーブルに対し非接触型電圧電流プローブ装置を容易に取り付けることができ、作業性の向上が図れる。
【００６０】
［第５の実施の形態］
図７は、第５の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【００６１】
第５の実施の形態では、固定用電極５は、金属の非磁性体の円筒を螺旋状に切断したバネで構成されている。これにより、固定用電極５の内径よりも大きなケーブルを密着して取り囲むことができる。また、固定用電極５の長さを長くすることで、ケーブルとの接触面積を広くできる。これにより、ケーブルとの結合キャパシタンスの値を安定させることができ、かつプローブ内部でのケーブルの位置を固定することができる。
【００６２】
なお、第１スペーサは、前述のように、低誘電率の誘電体でかつ低透磁率の磁性体または非磁性体でかつ可塑性を有するもので形成されたものなので、ケーブルの径により固定用電極５の外径が変化しても、固定用電極５を把持することができる。よって、ケーブルの電圧、電流を高精度で測定でき、特に、高周波領域における測定誤差を低減できる。
【００６３】
［第６の実施の形態］
これまで説明した実施の形態では、固定用電極５は、例えば、金属の非磁性体で形成したが、第６の実施の形態では、固定用電極５については、非磁性体あるいは低透磁率の導電性のある材質に、発泡等により可塑性を持たせた材料を使用する。材質は、導電性があればよく、プラスチックでも金属でもかまわない。可塑性の材質を使用することにより、第５の実施の形態のバネと同様に、固定用電極５の内径よりも大きなケーブルを密着して取り囲むことができる。また、かかる材質は、加工が容易であり、これにより効果が得られる場合がある。
【００６４】
図８は、２つの部分電極５ａで構成した固定用電極５を示す斜視図である。
この固定用電極５は、第４の実施の形態に対応すべく、２つの部分電極５ａで構成されている。これにより、これにより、ケーブルを容易に挟みこむことが可能となっている。また、加工が容易なので、内部コア１と同軸上に各溝５ｂを容易に設けることができ、これにより、溝５ｂ同士で挟み込まれるケーブルを内部コア１と同軸上に位置させることが容易に行える。
【００６５】
なお、図では、溝５ｂの断面を三角形としたが、断面が半円形、Ｕ字形の溝でケーブルを挟むようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の等価回路を示す図である。
【図３】第２の実施の形態に係る第１の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【図４】第３の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【図５】外部導体により得られたシールド効果を導電板により高めることの概要を示す図である。
【図６】第４の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【図７】第５の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【図８】第６の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の固定用電極５を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６７】
１…内部コア
１Ａ…トロイダルコイル
２…内部導体線
３…外部導体
４…第１スペーサ
５…固定用電極
６…第２スペーサ
７…ケーブル
８…終端抵抗
９…接続端子
１０…金属収納箱
１１ａ，１１ｂ…電圧検出回路
１３ａ…加算器
１３ｂ…減算器
２４…導電板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーブルにおける電圧とケーブルに流れる電流を測定できる非接触型電圧電流プローブ装置とこれを用いた電圧電流測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信装置や電子・電気機器では、半導体技術の進歩とともに高密度、高集積、大容量、低消費電力化が進んできている。装置の構成も複雑になってきており、様々なケーブル等が接続されるようになってきている。また様々な伝送方式が考案され、通信に供される信号の種類が増加している。さらに、省電力化のためインバータ技術等が導入され、電源系統の電源高調波やそれによって発生する電磁妨害波等も増加している。
【０００３】
これらの状況では、信号の劣化による誤作動や故障、電源高調波による電源品質の劣化に伴う誤作動、様々な機器から発生した電磁妨害波が装置に接続されるケーブルに誘導され、ケーブルを伝わって他の装置の誤作動や故障を発生させるという現象が生じている。装置の大容量化によって、１回の故障が与える社会的影響は大きくなっており、このような原因による誤作動、故障を発生させないための技術が必要となっている。
【０００４】
上記のような事例においては、同一地点での信号の電圧や電流、高調波の電圧、電流、電磁妨害波の電圧、電流の測定が必要であるが、現状では、電圧、電流それぞれを検出するプローブが個別に必要である。これまで、電圧、電流の測定用として、様々なプローブが開発されている。たとえば、通常の電圧測定に用いられる電圧プローブでは、測定対象のケーブルの導体に接触する必要があり、ケーブルの切断や外皮の剥離といったことが必要であるため、実際に稼動いている装置に接続されているケーブルに適用することは困難であった。一方で、ケーブルとの電磁結合や静電結合を利用した非接触型の電圧プローブや電流プローブが開発されているが、それぞれ個別のプローブであり、様々なケーブルの径に同じように対応させることや必要な測定帯域をそろえる必要がある。物理的な大きさの制約や測定の際の影響等から、測定箇所が同一ではないなど、取り扱い上の課題があった。
【０００５】
さらにＥＭＣ(Electoromagnetic Compatibility 電磁両立性)の分野においては、電子装置からケーブルを伝わって外部に放射されるコモンモードの伝導性電磁妨害波の測定が必要であり、通常の電子装置の場合には、特定の試験サイトにおいて実施されている。しかしながら、試験用のサイトでは測定できないような大型の電子装置、例えばスタジアム等の大型ディスプレイや多数の機器から構成されるシステム等、においては、その伝導性妨害波をどのように測定するかが課題となっている。例えば、電圧、電流をそれぞれ個別に測定した場合には、被測定対象のコモンモードのインピーダンスが不明であるため、インピーダンスが低い場合の電圧測定、若しくはインピーダンスが高い場合の電流のみの測定等のように、発生している現象を正確に捉えられない可能性がある。したがって、この分野においても、電圧、電流を同時に同じ場所で測定する技術が求められている。
【０００６】
なお、非接触型の電圧プローブ装置に関する文献としては、非特許文献１、２がある。これらの文献で開示された構造では、内部を通るケーブルに発生した電圧を円筒形内部電極で検出し、その内部電極と、同軸円筒状に配置され、かつアースに接続された外部電極との間の電圧を検出することによって、ケーブルに発生している電圧を測定することが可能となっている。この構造においては、内部電極は電圧検出の役割を果たし、外部電極は、基準電位の提供と内部電極のシールドの役割を提供している。
【０００７】
また非接触型の電圧プローブのうち、電磁結合を利用しているものについては、非特許文献３に示すようなものが開発・販売されている。非特許文献３のような電磁結合を利用した電流プローブは、コア材に巻かれた内部導体線が低いインピーダンスで終端され、金属のシールド収納箱に納められた構造をしている。トロイダルコイルによって、ケーブルに流れる電流が作る磁界を検出し、電磁誘導によって終端のインピーダンスに発生した電圧は、ケーブルに流れる電流に比例するため、電流を測定することができる。多くの電流プローブでは金属のシールド収納箱内にトロイダルコイルが納められているが、これは、測定周囲の金属体との静電結合やケーブルとの静電結合による測定誤差を排除するためである。
【０００８】
これらの構造を考えると、ともに同軸状に構成された検出用の内部電極やトロイダルコイルを持ち、かつ外乱からの影響を排除するための静電シールドを備えている。
【非特許文献１】R.Kobayashi,Y,Hiroshima,H,Ito,H,Furuya,M.Hattori,and,Y.Tada:“A Novel Non-contact Capacitive Probe for Common-mode Voltage Measurement”,Trans.EB,Vol.E90-B,No.6,Jun,2007
【非特許文献２】広島，桑原、「容量性電圧プローブにおける側面シールドの効果」電子情報通信学会ソサイエティ大会講演論文集1999年通信ソサイエティ大会（講演論文集１），B-4-50,234,1999/08/16
【非特許文献３】ETS-EMCOカレント・プロ−ブ、[online]，インターネット<URL:http://www.astechcorp.co.jp/jp/electronics/Electronics/content/EMCO/current.htm>
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
さて、本発明の発明者らは、これらのプローブを一体化する技術を開発したが、測定対象であるケーブルがプローブ内部を貫通する際、その位置によって静電結合の大きさが変化してしまうことがわかった。そして、電磁結合においても、磁界の分布が変化する。これらの影響は測定誤差を生じさせるため、測定の精度を高めるためには改善が必要であった。
【００１０】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ケーブルにおける電圧とケーブルに流れる電流を高精度で測定できる非接触型電圧電流プローブ装置およびこれを用いた電圧電流測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するには、同軸状に構成されたトロイダルコイルとその外部のシールドのための外部導体とで形成される構造の内部にさらにケーブルを固定するための固定用電極を設ける。固定用電極の外径を一定とした場合、内部コアに巻かれたトロイダルコアと固定用電極の静電結合を一定とすることが可能となる。さらに、内部を通る測定対象のケーブルと固定用電極とを密結合させることによって、ケーブルと固定用電極間の静電結合を無視することができ、安定した測定結果を得ることが可能となり、上記の課題を解決することが可能となる。
【００１２】
これにより、上記課題であった同一地点の電圧電流の測定が可能になり、かつインピーダンスが不明な状態でも、電圧と電流の２つの物理量を同時に測定でき、正確な評価が可能となる。さらに取扱いの不便さが解消される。
【００１３】
請求項１の本発明は、ケーブルにおけるアースに対する電圧と前記ケーブルに流れる電流を測定するための非接触型電圧電流プローブ装置であって、前記ケーブルが貫通する空間が内側に形成される筒形の内部コア、前記内部コアに巻回された内部導体線を有するトロイダルコイルと、前記ケーブルが貫通し且つ前記トロイダルコイルが配置される空間が内側に形成される筒形の外部導体と、前記内部コアの内側に設けられた筒形の第１スペーサと、前記第１スペーサの内側に設けられ、前記ケーブルを固定し且つ導電性を有する固定用電極と、前記内部コアと前記外部導体との間に設けられ、前記内部コアと前記外部導体との間の距離を一定にする第２スペーサと、前記内部導体線の一方端と他方端との間に挿入された終端抵抗と、前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、アースに接続され、前記各電圧検出回路と前記終端抵抗とを収納する電磁シールド手段とを備えることを特徴とする非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１４】
請求項２の本発明は、前記電磁シールド手段に収納され、検出された前記電位差同士の和と検出された前記電位差同士の差を測定する電圧電流算出手段を備えることを特徴とする請求項１記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１５】
請求項３の本発明は、前記電圧電流算出手段は、検出された前記電位差同士の和を測定する加算器と、検出された前記電位差同士の差を測定する減算器とを備えることを特徴とする請求項２記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１６】
請求項４の本発明は、前記固定用電極は、金属の非磁性体で形成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１７】
請求項５の本発明は、前記内部コアは、前記電流の周波数に応じて選択された磁性体材料により形成されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１８】
請求項６の本発明は、前記固定用電極は、金属の円筒を螺旋状に切断したバネで構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００１９】
請求項７の本発明は、前記第１スペーサは、低誘電率の誘電体でかつ低透磁率の磁性体または非磁性体でかつ可塑性を有するもので形成されたことを特徴とする請求項６記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００２０】
請求項８の本発明は、前記内部コアの端面に対向させて前記外部導体の端面に接続され、前記ケーブルが貫通する開口が内側に形成される導電板を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置をもって解決手段とする。
【００２１】
請求項９の本発明は、ケーブルにおけるアースに対する電圧と前記ケーブルに流れる電流を測定するための非接触型電圧電流プローブ装置を用いた電圧電流測定方法であって、前記非接触型電圧電流プローブ装置は、前記ケーブルが貫通する空間が内側に形成される筒形の内部コア、前記内部コアに巻回された内部導体線を有するトロイダルコイルと、前記ケーブルが貫通し且つ前記トロイダルコイルが配置される空間が内側に形成される筒形の外部導体と、前記内部コアの内側に設けられた筒形の第１スペーサと、前記第１スペーサの内側に設けられ、前記ケーブルを固定し且つ導電性を有する固定用電極と、前記内部コアと前記外部導体との間に設けられ、前記内部コアと前記外部導体との間の距離を一定にする第２スペーサと、前記内部導体線の一方端と他方端との間に挿入された終端抵抗と、前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、アースに接続され、前記各電圧検出回路と前記終端抵抗とを収納する電磁シールド手段とを備え、前記電圧電流測定方法は、前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する前記電圧検出回路が当該電位差を検出する段階と、前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する前記電圧検出回路が当該電位差を検出する段階とを含むことを特徴とする非接触型電圧電流プローブ装置を用いた電圧電流測定方法をもって解決手段とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ケーブルにおける電圧とケーブルに流れる電流を高精度で測定できる非接触型電圧電流プローブ装置およびを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、各実施の形態では、基本的技術や実施の形態における特徴的な技術を述べるが、各実施の形態で述べた技術を適宜組み合わせて実施してもよい。
【００２４】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【００２５】
非接触型電圧電流プローブ装置は、ケーブル７におけるアースに対する電圧Ｖとケーブル７に流れる電流Ｉを測定するための非接触型電圧電流プローブ装置であって、ケーブル７が貫通する空間が内側に形成される筒形の内部コア１、内部コア１に巻回された内部導体線２を有するトロイダルコイル１Ａと、ケーブル７が貫通し且つトロイダルコイル１Ａが配置される空間が内側に形成される筒形の外部導体３と、内部コア１の内側に設けられた第１スペーサ４と、第１スペーサの内側に設けられ、ケーブル７を固定し且つ導電性を有する固定用電極５と、内部コア１と外部導体３との間に設けられ、内部コア１と外部導体３との間の距離を一定にする第２スペーサ６と、内部導体線２の一方端と他方端との間に挿入された終端抵抗８と、外部導体３をアースに接続する手段である接続端子９を備えた金属収納箱１０と、終端抵抗８の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路１１ａと、終端抵抗８の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路１１ｂと、検出された前記電位差同士の和を測定する加算器１３ａと、検出された前記電位差同士の差を測定する減算器１３ｂとを備える。第１スペーサ４と固定用電極５とにより、ケーブル７が内部導体線２に対して予め定めた距離以内に接近するのを防止している。
【００２６】
内部コア１は、電流Ｉの周波数に応じて選択された磁性体材料により形成されたものである。トロイダルコイル１Ａを空芯にしたい場合、内部コア１は、非磁性体で形成される。トロイダルコイル１Ａとケーブル７との結合性を高くし、トロイダルコイル１Ａのインダクタンスを大きくした場合、内部コア１は、高い透磁率を有する磁性体、例えばフェライトやアモルファスで形成される。このように内部コア１は、目的に応じた材料で形成すればよい。内部コア１は、円筒形であるが、トロイダルコイルを構成するためには筒形であればよく、横断面形状が例えば四角形のものであってもよい。
【００２７】
固定用電極５は、ケーブル７を固定し、かつ内部導体線２との静電結合を一定とするためのものであり、例えば、金属の非磁性体（アルミニウム等）で形成される。目的から明らかなように、固定用電極５は、非磁性の導電性材質であれば、いかなる材質のものでもよい。
【００２８】
第１スペーサ４および第２スペーサ６は、発泡性を有する材料、例えば発砲ゴム、発泡ウレタンで形成され、可塑性を有する。第１スペーサ４および第２スペーサ６により、固定用電極５は、内部コア１および外部導体３と同軸上に配置される。ケーブル７も同様に、固定用電極５、内部コア１および外部導体３と同軸上に配置される。
【００２９】
第１スペーサ４および第２スペーサ６は、低誘電率の誘電体でかつ低透磁率の磁性体または非磁性体である材料（例えば、プラスチック、シリコンコーキング剤など）で形成されたものである。これにより、高周波領域における測定の影響を少なくできる。
【００３０】
第２スペーサ６は、円柱状であるが、内部コア１と外部導体３との間の距離を一定にできれば、円筒形でもよい。また、第２スペーサ６は、内部コア１と外部導体３との間を上記材料で充填するものでもよい。
【００３１】
金属収納箱１０は導電性を有する電磁シールド手段であり、外部導体３および接続端子９に電気的および機械的に接続され、各電圧検出回路１１ａ、１１ｂと加算器１３ａと減算器１３ｂとを収納する。各電圧検出回路１１ａ、１１ｂは高い入力インピーダンスを有するものを使用する。
【００３２】
接続端子９をアースに接続することにより、金属収納箱１０と外部導体３とがアースと等電位になり、内部導体線２や金属収納箱１０内の回路が静電シールドされ、周囲の影響による測定の誤差が低減される。
【００３３】
内部導体線２の両端は、貫通孔１４を通して金属収納箱１０の中に引き込まれ、終端抵抗８は、金属収納箱１０の中に配置されている。内部導体線２を金属収納箱１０の中に引き込むことで、内部導体線２と周囲と高周波領域での結合による寄生キャパシタンスの影響を最低限にできる。また、内部導体線２を金属収納箱１０の中に引き込むことで、引き込む部分の長さを最短にでき、高周波域での寄生インダクタンスの影響を最小限にできる。また、内部導体線２を金属収納箱１０の中に引き込むことで、各電圧検出回路１１ａ、１１ｂと加算器１３ａと減算器１３ｂの取り付けが容易になる。
【００３４】
各電圧検出回路１１ａ、１１ｂの出力は、加算器１３ａと減算器１３ｂに入力に接続されている。加算器１３ａと減算器１３ｂは、本発明の電圧電流算出手段に対応する。
【００３５】
加算器１３ａの出力は、金属収納箱１０に電気的および機械的に接続された出力端子１２ａに接続されている。減算器１３ｂの出力は、金属収納箱１０に電気的および機械的に接続された出力端子１２ｂに接続されている。
【００３６】
各電圧検出回路１１ａ、１１ｂと加算器１３ａと減算器１３ｂは、金属収納箱１０に収納されたバッテリ２５から電力供給を受けている。バッテリ２５の充電には、例えばニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを使用すればよい。なお、金属収納箱１０に電源端子を設け、外部から電力供給してもよい。
【００３７】
図１に示す電圧Ｖと電流Ｉを考えると、このとき、ケーブル７の周囲には、アンペアの法則に基づく磁界Ｂが発生する。トロイダルコイル１Ａを構成する内部導体線２には、電磁誘導により電流Ｉに比例する起電力が生じ、終端抵抗８に誘導起電力が印加される。
【００３８】
電圧検出回路１１ａが終端抵抗８の一方端のアースに対する電位差を検出し、電圧検出回路１１ｂが終端抵抗８の他方端のアースに対する電位差を検出し、減算器１３ｂが、検出された前記電位差同士の差を測定すると、その差は、終端抵抗８の両端の電位差となる。この電位差は、電流Ｉによって誘起されたもので、電流Ｉに比例する。つまり、電流Ｉに比例した出力が得られる。
【００３９】
一方、ケーブル７は、固定用電極５に対して静電誘導によって結合しており、固定用電極５は、内部導体線２に対して静電誘導によって結合しており、静電誘導電圧が生じる。また、内部導体線２は、外部導体３に対して静電誘導によって結合しており、内部導体線２と外部導体３の間に静電誘導電圧が生じる。外部導体３がアースに接続されていれば、ケーブル７〜固定用電極５〜内部導体線２〜外部導体３の間は、キャパシタンスで分圧されていることと等価である。したがって、内部導体線２と外部導体３の間の電位差を測定することにより、電圧Ｖを測定することができる。内部導体線２と外部導体３の間の電位差は、終端抵抗８の一方端とアースとの電位差と、終端抵抗８の他方端とアースとの電位差Ｖ２の平均（和の１／２）を測定することによって得ることができる。ケーブル７と固定用電極５の静電結合が大きい場合、ケーブル７〜固定用電極５〜内部導体線２の静電結合の大きさは、一定の範囲では、固定用電極５〜内部導体線２間の静電結合に等しくなる。
【００４０】
図２は、第１の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の等価回路を示す図である。
【００４１】
ケーブル７とプローブの検出部分は、ケーブル７のインダクタンスＬ１、内部コア１と内部導体線２で構成されるトロイダルコイル１ＡのインダクタンスＬ２、及びその間の相互インダクタンスＭ、内部導体線２とケーブル７との結合キャパシタンスＣ、Ｃ、内部導体線２と外部導体３との結合キャパシタンスＣｓ、Ｃｓ、終端抵抗８のインピーダンスＺで表される。
【００４２】
インピーダンスＺの一方端に接続された電圧検出回路１１ａは、高抵抗ＲｐとコンデンサＣｐの並列回路２０ａで与えられる。インピーダンスＺの他方端に接続された電圧検出回路１１ｂは、高抵抗ＲｐとコンデンサＣｐの並列回路２０ｂで与えられる。
【００４３】
高抵抗Ｒｐは通常１００ｋΩ〜数１０ＭΩの範囲であり、コンデンサＣｐは、通常数ｐＦ〜５０ｐＦ程度で与えられる。
【００４４】
図２の等価回路において、結合キャパシタンスＣfixとＣの関係を考えると、Ｃfix≫Ｃの範囲では、その合成キャパシタンスはＣに等しくなる。
【００４５】
図２において、電流Ｉ、電圧Ｖがもつ周波数の帯域におけるインダクタンスＬ１によるインピーダンスｊωＬ１が十分に小さく、かつ結合キャパシタンスＣ、Ｃによるインピーダンス１／ｊωＣが十分に大きい場合、電流Ｉによってトロイダルコイルに発生する電磁誘導電圧は、結合キャパシタンスＣ、Ｃによらず、かつインダクタンスＬ１の電位降下が十分小さければ内部導体線２に生じる静電誘導電圧は、コモンモード電圧のみに比例する。したがって、インピーダンスＺの両端の電位をＶ１，Ｖ２とすると、その電位差Ｖｄは、
Ｖｄ＝Ｖ１−Ｖ２ （１）
である。これは、インダクタンスＬ１及びインダクタンスＬ２、相互インダクタンスＭによって生じる電位であり、ケーブルを流れる電流Ｉに比例する。
【００４６】
一方、静電誘導によって内部導体線２に電位が生じるが、これは、ｊωＬ１での電位降下が十分に小さいと仮定できる場合には、インピーダンスＺの一方端とアースとの電位差Ｖ１と、インピーダンスＺの他方端とアースとの電位差Ｖ２の平均で与えられる。すなわち、平均電圧Ｖｃは、
Ｖｃ＝(Ｖ１＋Ｖ２)／２ （２）
として与えられる。このＶｃは、ケーブル７と内部導体線２との結合キャパシタンスＣ、Ｃと、内部導体線２と外部導体３の結合キャパシタンスＣｓ、Ｃｓ及び電圧検出回路１１ａ，１１ｂのインピーダンス２０ａ，２０ｂで定まる電圧であり、ケーブルに発生した電圧Ｖに比例する。
【００４７】
図２の等価回路より、以下の条件（Ａ)
（Ａ）ケーブルのインダクタンスＬ１のインピーダンスｊωＬ１が結合キャパシタンスＣ、Ｃのインピーダンス１／ｊωＣに比べ十分に小さい。
【００４８】
が成立する範囲では、電流Ｉはケーブルのみに流れるため、トロイダルコイルのインダクタンスＬ２の両端の電圧Ｖ１，Ｖ２の差は、電磁誘導によって発生する電圧Ｖｍになる。また、結合キャパシタンスＣ、Ｃとケーブルの接点の電位Ｖａ，ＶｂはインダクタンスＬ１の電位降下が十分に小さければ等しいと考えられる。そのため、トロイダルコイルのインダクタンスＬ２の両端の電圧Ｖ１，Ｖ２は、結合キャパシタンスＣ、Ｃと並列回路２０ａ，２０ｂ、内部導体線２と外部導体３の結合キャパシタンスＣｓ、Ｃｓの分圧によって生じる電位Ｖｃ分だけ底上げされることになる。したがって、トロイダルコイルのインダクタンスＬ２の両端の電位Ｖ１，Ｖ２は
Ｖ１＝Ｖｍ／２＋Ｖｃ （３）
Ｖ２＝−Ｖｍ／２＋Ｖｃ （４）
で与えられ、電圧検出回路１１ａ、１１ｂによって、トロイダルコイルの両端とアースの間の電圧を測定することにより、その差分（Ｖ１−Ｖ２）をとると、電流に比例した値、その和の平均（Ｖ１＋Ｖ２）／２をとると、電圧に比例した値となる。すなわち、条件（Ａ）が成立する範囲では、電圧Ｖ、電流Ｉに比例した出力を得ることができる。
【００４９】
また、第１の実施の形態にあっては、トロイダルコイル１Ａを構成する内部コア１の内側に第１スペーサ４を設け、第１スペーサ４の内側に、ケーブル７を固定し且つ導電性を有する固定用電極５を設けることで、ケーブル７とトロイダルコイル１Ａの距離の変化を少なくでき、両者間の静電結合や磁気結合の変化を少なくでき、よって、ケーブル７における電圧とケーブル７に流れる電流を高精度で測定することができる。
【００５０】
また、第１の実施の形態にあっては、内部コア１は、電流の周波数に応じて選択された磁性体材料により形成されているので、電流をより高精度で測定することができる。
【００５１】
［第２の実施の形態］
図３は、第２の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【００５２】
第２の実施の形態では、図１に示した第１の実施の形態とは異なり、金属収納箱１０の内部に加算器１３ａ及び減算器１３ｂを収納していない場合のものである。第１の実施の形態の場合、加算器１３ａと減算器１３ｂを収納することにより、回路構成が複雑となることが考えられる。そのため、加算器１３ａ、減算器１３ｂを無くし、終端抵抗８の両端で検出された電圧を個々に出力端子１２ａ，１２ｂに出力することによって、金属収納箱１０の内部構成を簡単なものとすることができる。さらに接続端子に繋がる測定機器にデジタルオシロスコープ等のデジタルデータを蓄積でき、かつ内部演算処理が可能なものを用いることによって、測定データの出力を任意に加工できる利点が得られる。
【００５３】
［第３の実施の形態］
図４は、第３の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【００５４】
第３の実施の形態では、図１に示した非接触型電圧電流プローブ装置の周囲に存在する外乱からのシールド性能を高めるべく、さらに円板状の導電板２４を設けたものである。導電板２４は、内部コア１の端面に対向させて外部導体３の端面に接続される。導電板２４には、ケーブル７が貫通する開口が内側に形成される。
【００５５】
図１の非接触型電圧電流プローブ装置では、内部導体線２がその周囲にある外乱要因（金属体、他のケーブル等）と結合する可能性が考えられる。そこで、第３の実施の形態の導電板２４を設けることによって、外部導体３により得られたシールド効果を高めることができる。
【００５６】
図５は、その概要を示す図である。
図５（ａ）に示すように、外乱要因は内部導体線２に直接結合し、測定結果に影響を与える。しかし、図５（ｂ）に示すように、導電板２４を設けることにより、内部導体線２と外乱要因との静電結合を減らし、測定の精度を向上させることが可能となる。第３の実施の形態では、外部導体３の形状に合わせて導電板２４を円板状としたが、ケーブル７が貫通する開口を備えれていればよく、例えば、四角形状としてもよい。
【００５７】
［第４の実施の形態］
図６は、第４の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【００５８】
第４の実施の形態では、図１に示した非接触型電圧電流プローブ装置に対して、内部コア１、外部導体３、第１スペーサ４、固定用電極５が分割されている。内部導体線２の一部は、分割で生じた内部コア１の一方の部分に巻回され、内部導体線２の他の一部は、分割で生じた内部コア１の他方の部分に巻回されている。これにより、ケーブルを容易に挟みこむことが可能となっている。また、第４の実施の形態では、導電板２４を設けて、これを分割しているが、導電板２４はなくてもよい。
【００５９】
外部導体３および導電板２４を電気的、機械的に確実に接続させかつ可動性をよくするため、分割された外部導体３の片側には電極固定用の止め金具２６が取り付けられており、その反対側は蝶番２７が取り付けられている。これにより、可動性の確保と、ケーブルを挟んだ後の電気的、機械的接続を確実にしている。本実施の形態では、止め金具２６は、外部導体３のみに取り付けられているが、より確実に接続するため、導電板２４に追加してもよい。このような構造にすることによって、ケーブルに対し非接触型電圧電流プローブ装置を容易に取り付けることができ、作業性の向上が図れる。
【００６０】
［第５の実施の形態］
図７は、第５の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【００６１】
第５の実施の形態では、固定用電極５は、金属の非磁性体の円筒を螺旋状に切断したバネで構成されている。これにより、固定用電極５の内径よりも大きなケーブルを密着して取り囲むことができる。また、固定用電極５の長さを長くすることで、ケーブルとの接触面積を広くできる。これにより、ケーブルとの結合キャパシタンスの値を安定させることができ、かつプローブ内部でのケーブルの位置を固定することができる。
【００６２】
なお、第１スペーサは、前述のように、低誘電率の誘電体でかつ低透磁率の磁性体または非磁性体でかつ可塑性を有するもので形成されたものなので、ケーブルの径により固定用電極５の外径が変化しても、固定用電極５を把持することができる。よって、ケーブルの電圧、電流を高精度で測定でき、特に、高周波領域における測定誤差を低減できる。
【００６３】
［第６の実施の形態］
これまで説明した実施の形態では、固定用電極５は、例えば、金属の非磁性体で形成したが、第６の実施の形態では、固定用電極５については、非磁性体あるいは低透磁率の導電性のある材質に、発泡等により可塑性を持たせた材料を使用する。材質は、導電性があればよく、プラスチックでも金属でもかまわない。可塑性の材質を使用することにより、第５の実施の形態のバネと同様に、固定用電極５の内径よりも大きなケーブルを密着して取り囲むことができる。また、かかる材質は、加工が容易であり、これにより効果が得られる場合がある。
【００６４】
図８は、２つの部分電極５ａで構成した固定用電極５を示す斜視図である。
この固定用電極５は、第４の実施の形態に対応すべく、２つの部分電極５ａで構成されている。これにより、これにより、ケーブルを容易に挟みこむことが可能となっている。また、加工が容易なので、内部コア１と同軸上に各溝５ｂを容易に設けることができ、これにより、溝５ｂ同士で挟み込まれるケーブルを内部コア１と同軸上に位置させることが容易に行える。
【００６５】
なお、図では、溝５ｂの断面を三角形としたが、断面が半円形、Ｕ字形の溝でケーブルを挟むようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の等価回路を示す図である。
【図３】第２の実施の形態に係る第１の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【図４】第３の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【図５】外部導体により得られたシールド効果を導電板により高めることの概要を示す図である。
【図６】第４の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【図７】第５の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の構成図である。
【図８】第６の実施の形態に係る非接触型電圧電流プローブ装置の固定用電極５を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６７】
１…内部コア
１Ａ…トロイダルコイル
２…内部導体線
３…外部導体
４…第１スペーサ
５…固定用電極
６…第２スペーサ
７…ケーブル
８…終端抵抗
９…接続端子
１０…金属収納箱
１１ａ，１１ｂ…電圧検出回路
１３ａ…加算器
１３ｂ…減算器
２４…導電板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーブルにおけるアースに対する電圧と前記ケーブルに流れる電流を測定するための非接触型電圧電流プローブ装置であって、
前記ケーブルが貫通する空間が内側に形成される筒形の内部コア、前記内部コアに巻回された内部導体線を有するトロイダルコイルと、
前記ケーブルが貫通し且つ前記トロイダルコイルが配置される空間が内側に形成される筒形の外部導体と、
前記内部コアの内側に設けられた筒形の第１スペーサと、
前記第１スペーサの内側に設けられ、前記ケーブルを固定し且つ導電性を有する固定用電極と、
前記内部コアと前記外部導体との間に設けられ、前記内部コアと前記外部導体との間の距離を一定にする第２スペーサと、
前記内部導体線の一方端と他方端との間に挿入された終端抵抗と、
前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、
前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、
アースに接続され、前記各電圧検出回路と前記終端抵抗とを収納する電磁シールド手段と
を備えることを特徴とする非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項２】
前記電磁シールド手段に収納され、検出された前記電位差同士の和と検出された前記電位差同士の差を測定する電圧電流算出手段
を備えることを特徴とする請求項１記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項３】
前記電圧電流算出手段は、
検出された前記電位差同士の和を測定する加算器と、
検出された前記電位差同士の差を測定する減算器と
を備えることを特徴とする請求項２記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項４】
前記固定用電極は、金属の非磁性体で形成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項５】
前記内部コアは、前記電流の周波数に応じて選択された磁性体材料により形成されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項６】
前記固定用電極は、金属の円筒を螺旋状に切断したバネで構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項７】
前記第１スペーサは、低誘電率の誘電体でかつ低透磁率の磁性体または非磁性体でかつ可塑性を有するもので形成されたことを特徴とする請求項６記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項８】
前記内部コアの端面に対向させて前記外部導体の端面に接続され、前記ケーブルが貫通する開口が内側に形成される導電板を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項９】
ケーブルにおけるアースに対する電圧と前記ケーブルに流れる電流を測定するための非接触型電圧電流プローブ装置を用いた電圧電流測定方法であって、
前記非接触型電圧電流プローブ装置は、
前記ケーブルが貫通する空間が内側に形成される筒形の内部コア、前記内部コアに巻回された内部導体線を有するトロイダルコイルと、
前記ケーブルが貫通し且つ前記トロイダルコイルが配置される空間が内側に形成される筒形の外部導体と、
前記内部コアの内側に設けられた筒形の第１スペーサと、
前記第１スペーサの内側に設けられ、前記ケーブルを固定し且つ導電性を有する固定用電極と、
前記内部コアと前記外部導体との間に設けられ、前記内部コアと前記外部導体との間の距離を一定にする第２スペーサと、
前記内部導体線の一方端と他方端との間に挿入された終端抵抗と、
前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、
前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、
アースに接続され、前記各電圧検出回路と前記終端抵抗とを収納する電磁シールド手段と
を備え、
前記電圧電流測定方法は、
前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する前記電圧検出回路が当該電位差を検出する段階と、
前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する前記電圧検出回路が当該電位差を検出する段階と
を含むことを特徴とする非接触型電圧電流プローブ装置を用いた電圧電流測定方法。
【請求項１】
ケーブルにおけるアースに対する電圧と前記ケーブルに流れる電流を測定するための非接触型電圧電流プローブ装置であって、
前記ケーブルが貫通する空間が内側に形成される筒形の内部コア、前記内部コアに巻回された内部導体線を有するトロイダルコイルと、
前記ケーブルが貫通し且つ前記トロイダルコイルが配置される空間が内側に形成される筒形の外部導体と、
前記内部コアの内側に設けられた筒形の第１スペーサと、
前記第１スペーサの内側に設けられ、前記ケーブルを固定し且つ導電性を有する固定用電極と、
前記内部コアと前記外部導体との間に設けられ、前記内部コアと前記外部導体との間の距離を一定にする第２スペーサと、
前記内部導体線の一方端と他方端との間に挿入された終端抵抗と、
前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、
前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、
アースに接続され、前記各電圧検出回路と前記終端抵抗とを収納する電磁シールド手段と
を備えることを特徴とする非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項２】
前記電磁シールド手段に収納され、検出された前記電位差同士の和と検出された前記電位差同士の差を測定する電圧電流算出手段
を備えることを特徴とする請求項１記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項３】
前記電圧電流算出手段は、
検出された前記電位差同士の和を測定する加算器と、
検出された前記電位差同士の差を測定する減算器と
を備えることを特徴とする請求項２記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項４】
前記固定用電極は、金属の非磁性体で形成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項５】
前記内部コアは、前記電流の周波数に応じて選択された磁性体材料により形成されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項６】
前記固定用電極は、金属の円筒を螺旋状に切断したバネで構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項７】
前記第１スペーサは、低誘電率の誘電体でかつ低透磁率の磁性体または非磁性体でかつ可塑性を有するもので形成されたことを特徴とする請求項６記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項８】
前記内部コアの端面に対向させて前記外部導体の端面に接続され、前記ケーブルが貫通する開口が内側に形成される導電板を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の非接触型電圧電流プローブ装置。
【請求項９】
ケーブルにおけるアースに対する電圧と前記ケーブルに流れる電流を測定するための非接触型電圧電流プローブ装置を用いた電圧電流測定方法であって、
前記非接触型電圧電流プローブ装置は、
前記ケーブルが貫通する空間が内側に形成される筒形の内部コア、前記内部コアに巻回された内部導体線を有するトロイダルコイルと、
前記ケーブルが貫通し且つ前記トロイダルコイルが配置される空間が内側に形成される筒形の外部導体と、
前記内部コアの内側に設けられた筒形の第１スペーサと、
前記第１スペーサの内側に設けられ、前記ケーブルを固定し且つ導電性を有する固定用電極と、
前記内部コアと前記外部導体との間に設けられ、前記内部コアと前記外部導体との間の距離を一定にする第２スペーサと、
前記内部導体線の一方端と他方端との間に挿入された終端抵抗と、
前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、
前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する電圧検出回路と、
アースに接続され、前記各電圧検出回路と前記終端抵抗とを収納する電磁シールド手段と
を備え、
前記電圧電流測定方法は、
前記終端抵抗の一方端のアースに対する電位差を検出する前記電圧検出回路が当該電位差を検出する段階と、
前記終端抵抗の他方端のアースに対する電位差を検出する前記電圧検出回路が当該電位差を検出する段階と
を含むことを特徴とする非接触型電圧電流プローブ装置を用いた電圧電流測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−８３３３（Ｐ２０１０−８３３３Ａ）
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７０４６８（Ｐ２００８−１７０４６８）
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]