JP2016149675A - カプラ、及びこれを用いたワイヤーハーネス - Google Patents

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Abstract

【課題】感度を向上させつつ、外来ノイズの影響を低減することができるカプラ及びそれを用いたワイヤーハーネスを提供する。
【解決手段】内側に内部導体11が設けられ、内部導体11と静電結合する内部電極13と、内部電極13の外側に設けられ、内部電極13と静電結合し、一部が接地される外部電極15と、を備える。外部電極15には、複数の貫通孔が形成されている。
【選択図】図2

Description

本発明は、カプラ、及びこれを用いたワイヤーハーネスに関する。
車用通信信号を分岐するものとして、カプラがある。このようなカプラは、振動により外れることがある。また、このようなカプラの接続手法には、圧着等があるが、設置の際、手間が生じるものとなっている。
そこで、非接触型のカプラが利用されている(例えば、非特許文献1参照)。非特許文献1に記載の技術は、被測定ケーブルとの間の浮遊容量を利用することにより、非接触による非接触型のカプラを実現させている。この非接触型のカプラは、容量をリレーで変化させることにより、測定精度を向上させるものである。なお、非接触、すなわち直流的に絶縁させた回路構成を利用するものは各種提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2008−76337号公報
佐藤、桑原、「容量性電圧プローブの測定精度の改善」、信学技報、一般社団法人電子情報通信学会、2013年1月、EMCJ2012-107、p.31-36
しかしながら、非特許文献1に記載の技術は、測定精度を向上させるものの、感度を向上させつつ、外来ノイズの影響を低減させるものではない。よって、非特許文献1に記載の技術を用いたカプラにより、車用通信信号を分岐させたとしても、感度を向上させつつ、外来ノイズの影響を低減させることができない。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、感度を向上させつつ、外来ノイズの影響を低減させることができるカプラ及びこれを用いたワイヤーハーネスを提供することである。
本発明に係るカプラは、内側に内部導体が設けられ、該内部導体と静電結合する内部電極と、前記内部電極の外側に設けられ、前記内部電極と静電結合し、一部が接地される外部電極と、を備え、前記外部電極は、複数の貫通孔が形成されたことを特徴とする。
本発明に係るカプラによれば、感度を向上させつつ、外来ノイズの影響を低減させることができる。
また、本発明に係るカプラにおいて、前記内部電極と、前記外部電極との間の静電容量は、前記内部電極と、前記内部導体との間の静電容量と比べ、相対的に小さくなるものであることが好ましい。
このカプラによれば、利得を向上させることができる。
また、本発明に係るカプラにおいて、前記外部電極の形状は、該外部電極が遮断すべき周波数に基づいて決定されるものであることが好ましい。
このカプラによれば、遮断すべき周波数を遮断することができる。
本発明に係るワイヤーハーネスは、上記に記載のカプラを含むことを特徴とする。
本発明に係るワイヤーハーネスによれば、外来ノイズの影響が低減された車用通信信号を正確に伝送することができる。
本発明に係るカプラによれば、感度を向上させつつ、外来ノイズの影響を低減させることができる。また、本発明に係るワイヤーハーネスによれば、外来ノイズの影響が低減された車用通信信号を正確に伝送することができる。
実施形態1に係るカプラの概略構成の一例を示す図である。 図1のA−A’線に沿うカプラの断面形状の一例を示す図である。 図1のカプラ及び測定部31の等価回路図である。 図1のカプラにおける内部導体11と内部電極13との位置関係を示す図である。 利得S21の外来ノイズの影響を説明する図である。 外部電極15に設けられる貫通孔の占める割合に応じた利得S21の変移を説明する図である。 実施形態2に係る外部電極15の形状の一例を示す図である。 実施形態3に係る外部電極15の形状の一例を示す図である。 実施形態4に係る外部電極15の等価回路の一例を示す図である。 実施形態5に係る外部電極15の形状の一例を示す図である。
実施形態1.
図1は、実施形態1に係るカプラの概略構成の一例を示す図である。図1に示すように、カプラは、内部電極13と、外部電極15とを備えたものであり、内部導体11を介して伝送される車用通信信号を分岐するものである。
内部導体11は、表面が絶縁素材で被覆加工されたものであり、車用通信信号を伝送する部材として、例えば銅のような伝導性の高い部材で形成され、被測定対象として機能するものである。
内部電極13は、内側に内部導体11が設けられ、その内部導体11と静電結合するものである。具体的には、内部電極13は、円筒状に形成された電極であって、例えばアルミニウムのような導体で形成されている。
外部電極15は、内部電極13の外側に設けられ、内部電極13と静電結合し、一部が接地されるものである。具体的には、外部電極15は、円筒状に形成された電極であって、例えばアルミニウムのような導体で形成されている。
なお、内部導体11、内部電極13、及び外部電極15は、後述するように同心円状に配置された場合を想定するが、図1においては、概略構成を示すこととし、その配置構成の詳細についての図示は省略するものとする。
次に、内部導体11と、内部電極13と、外部電極15との位置関係及び外部電極15の構造について図2を用いて説明する。図2は、図1のA−A’線に沿うカプラの断面形状の一例を示す図である。図2に示すように、内部導体11と、内部電極13と、外部電極15とは、同心円状に配置されている。また、外部電極15は、複数の貫通孔が形成されたものである。外部電極15に形成された複数の貫通孔は、例えばメッシュ加工により実現されている。
換言すれば、外部電極15に形成された複数の貫通孔により、外部電極15の表面積は小さくなっている。
また、内部電極13と、外部電極15との間には、例えばスペーサが設けられていてもよい。スペーサは、内部電極13と、外部電極15との間を一定の距離で保つものであって、例えばプラスチックのような低誘電率の部材で形成されている。これにより、内部電極13と、外部電極15との間にスペーサが挿入されることにより結合容量の増加を抑制している。
このような配置構成を前提とすると、カプラの電極は、内部電極13と、外部電極15とで構成されるものである。カプラの電極のうち、内部電極13は、内部導体11と電気的に結合するものである。カプラの電極のうち、外部電極15は、外部に対する静電シールドとして機能するものであって、電位基準となる接地に接続されるものである。
ここで、内部導体11に電圧Vが発生した場合、内部導体11と、内部電極13との間の静電結合により、内部電極13に誘導電圧が発生する。このような誘導電圧は、内部導体11に発生した電圧Vに比例するものである。よって、内部電極13と、外部電極15との間の電位差を測定すれば、内部導体11に発生した電圧Vに比例した電圧を測定することができる。
そこで、図1に示すように、内部電極13に接続され、内部導体11を介して伝送される車用通信信号を検知するものとして、測定部31が設けられている。測定部31は、一部が内部電極13に接続され、他の一部が接地されるものである。測定部31は、内部導体11に発生する電圧V、具体的には内部導体11に発生する電圧Vに比例する電圧Vを測定するものである。
次に、カプラ及び測定部31の電気的構成について図3を用いて説明する。図3は、図1のカプラ及び測定部31の等価回路図である。電圧Vは、内部導体11に発生した被測定対象の電圧である。静電容量Cは、内部導体11と、内部電極13との間の静電結合による静電容量である。静電容量Cは、内部電極13と、外部電極15との間の静電結合による静電容量である。浮遊容量Cは、測定系全体の浮遊容量(基板、同軸ケーブルの取り回しの浮遊容量)である。抵抗Rは、測定部31の抵抗であって、測定部31の入力インピーダンスである。電圧Vは、測定部31の出力電圧であって、内部導体11に発生する電圧Vに比例する電圧である。
図3に示すように、内部導体11、内部電極13、及び外部電極15の等価回路は、静電容量Cと、静電容量Cとの直列回路から構成されるものである。静電容量Cと、浮遊容量Cとは、並列回路が構成されるものである。また、測定部31の等価回路は、浮遊容量Cと、抵抗Rとの並列回路から構成されるものである。
図3に示す等価回路から、電圧Vと電圧Vとの関係は、次に表される式(1)により求めることができる。
ここで、ωは角周波数である。また、次式(2)が成立する周波数範囲では、式(1)は、式(3)で表される。
式(3)は、周波数に無関係に成立するものである。よって、式(2)が成立する周波数範囲では、式(3)に示すように、測定部31の電圧Vは、平坦な特性を示すので、全体として、周波数に無関係に一定の感度が得られるものである。
また、利得S21は、電圧Vと、電圧Vとの比により求めることができるものであり、式(4)に表されるものとなる。利得S21は、周波数特性のSパラメータのうち、順方向透過特性を示すものである。
ここで、感度を向上させるには、利得S21を向上させる必要がある。利得S21を向上させるには、式(4)に示すように、利得S21を0に近づける必要がある。利得S21を0に近づけるには、式(3)に示すように、電圧Vと電圧Vとの比を1に近づける必要がある。具体的には、静電容量Cと比べ、静電容量Cを相対的に小さくすることにより、静電容量Cを相対的に大きくすることができるため、電圧Vと電圧Vとの比を1に近づけることができる。
そこで、式(3)の等価回路を求めるために、静電容量C及び静電容量Cを求める必要がある。まず、内部電極13及び外部電極15で構成される円筒状の電極の半径に比べ、電極長は十分に長いものと仮定する。次に、図4を用いて円筒状の電極の各パラメータについて説明する。図4は、図1のカプラにおける内部導体11と内部電極13との位置関係を示す図である。
図4に示すように、2重円筒のうち、内側にある円筒の半径をa、外側にある円筒の半径をb、内側にある円筒の中心と、外側にある円筒の中心との距離をdとした場合、単位長当たりの結合容量を次式(5)により求める。次に、次式(5)で求めた結合容量に、電極長をかけることにより、全体の結合容量を求めることができる。
式(5)は、等角写像法による演算であり、2重円筒の静電容量を求めるものである。なお、dを0とすれば、2重円筒の中心が一致するため、静電容量Cを求めることができる。
ここで、Sは、単位長当たりの面積を示すものであるので、式(5)の演算結果に、電極長、具体的には、内部電極13及び外部電極15の長手方向の形状の長さをかければよい。
より具体的には、外部電極15に貫通孔が形成されるにつれ、外部電極15の表面積は小さくなるため、式(5)のSの大きさは小さくなる。これにより、Sの大きさは、式(5)で示したものよりも小さくなる。また、式(5)により、Sの大きさが小さくなるにつれ、静電容量Cも小さくなる。よって、外部電極15の表面積を小さくするにつれ、静電容量Cを小さくしていくことができる。
式(4)により、静電容量Cを相対的に小さくすれば、静電容量Cを相対的に大きくすることができる。よって、電圧Vと電圧Vとの比を1に近づけることができるため、利得S21を0に近づけることができる。これにより、利得S21を向上させることができるため、感度を向上させることができる。
換言すれば、上記で説明した外部電極15に複数の貫通孔が形成された状態になることは、内部電極13と、外部電極15との間の静電容量Cが、内部電極13と、内部導体11との間の静電容量Cと比べ、相対的に小さくなることに相当するものである。つまり、カプラの感度特性は、外部電極15の形状に依存するものとなる。
ただし、外部電極15に形成された貫通孔の大きさ、形状、及び数によっては、外来ノイズを遮断できないおそれがある。そこで、想定される外来ノイズにおいて、遮断すべき周波数を遮断できるように、遮断すべき周波数に基づいて、外部電極15の形状を決定する。
具体的には、外部電極15が遮断すべき周波数、すなわち遮断周波数は導波管と同様の原理で考えられる。例えば、断面形状が矩形の導波管の場合には、次式(6)により遮断周波数を表すことができる。
ここで、n及びmは0以上であり、モード数を示すものとする。また、a及びbは導波管の壁面の長さを示すものとする。
また、断面形状が円形の導波管の場合には、次式(7)により、TM01モード、すなわちモノポールモードの遮断周波数を表すことができる。
ここで、rは導波管の半径を示すものである。また、χ01は一次の第1種ベッセル関数J(r)の解を示すものである。
また、断面形状が四角形の導波管の場合には、次式(8)により、TEmn波を伝送しようとするときの遮断波長λを表すことができる。
ここで、式(8)においては、管内の媒質の比誘電率をε、比透磁率をμ、導波管の長辺の長さをa[m]、導波管の短辺の長さをb[m]でそれぞれ示すものとする。
上記式(6)〜(8)のいずれかを用いることにより、遮断周波数に基づいて外部電極15の形状を決定することができる。これにより、形状が決定された外部電極15は、遮断周波数以下の外来ノイズを遮断するものとなる。
次に、上記の構成によるカプラの特性について、図5及び6を用いて説明する。図5は、利得S21の外来ノイズの影響を説明する図である。図5において、従来のカプラによる外来ノイズの影響を破線で示し、本実施形態に係るカプラの外来ノイズの影響を実線で示している。特に、従来のカプラにおいては、外来ノイズの周波数が100MHz以下の場合、外来ノイズの影響が大きかった。一方、本実施形態に係るカプラにおいては、外来ノイズの周波数が100MHz以下の場合であっても、外来ノイズの影響が低減されている。このことからも、本実施形態に係るカプラは、外来ノイズの影響を低減することができることが示される。
図6は、外部電極15に設けられる貫通孔の占める割合に応じた利得S21の変移を説明する図である。図6に示すように、外部電極15に設けられる孔の占める割合が多くなるにつれ、すなわち外部電極15における表面積の割合が小さくなるにつれ、利得S21は向上している。このことからも、外部電極15の表面積を小さくすることにより、利得S21を向上させることができることが示される。
以上の説明から、実施形態1に係るカプラによれば、感度を向上させつつ、外来ノイズの影響を低減させることができる。また、実施形態1に係るカプラは、感度を向上させつつ、外来ノイズの影響を低減できるため、そのようなカプラを含むワイヤーハーネスであれば、外来ノイズの影響が低減された車用通信信号を正確に伝送することができる。
実施形態2.
図7は、実施形態2に係る外部電極15の形状の一例を示す図である。実施形態2において、内部導体11、内部電極13、及び測定部31の構成及び機能については実施形態1と同様である。実施形態2において、実施形態1と同様の構成及び機能についてはその説明を省略する。実施形態2においては、外部電極15の形状が実施形態1と異なる。
図7に示すように、外部電極15の形状は、スパイラル加工されたものとなっている。このように、外部電極15がスパイラル加工され、スパイラル形状となっている。このような構成により、外部電極15の表面積を小さくしつつ、到来する外来ノイズが遮断される構成となる。これにより、特に顕著に、外来ノイズの影響を低減することができる。
以上の説明から、実施形態2に係るカプラによれば、外部電極15の形状をスパイラル形状とすることにより、特に顕著に、外来ノイズの影響を低減することができる。
実施形態3.
図8は、実施形態3に係る外部電極15の形状の一例を示す図である。実施形態3においては、内部導体11、内部電極13、及び測定部31の構成及び機能については実施形態1、2と同様である。実施形態3において、実施形態1、2と同様の構成及び機能についてはその説明を省略する。実施形態3においては、外部電極15の形状が実施形態1、2と異なる。
図8に示すように、外部電極15の形状は、Wスパイラル加工されたものとなっている。このように、外部電極15がWスパイラル加工され、Wスパイラル形状となることにより、スパイラル形状にした場合に比べ、外部電極15の表面積は大きくなるものの、到来する外来ノイズをさらに遮断する構造となる。これにより、スパイラル形状にした場合に比べ、特に顕著に、外来ノイズの影響を低減することができる。
以上の説明から、実施形態3に係るカプラによれば、外部電極15の形状をWスパイラル形状とすることにより、スパイラル形状にした場合に比べ、特に顕著に、外来ノイズの影響を低減することができる。
実施形態4.
図9は、実施形態4に係る外部電極15の等価回路の一例を示す図である。実施形態4においては、内部導体11、内部電極13、及び測定部31の構成及び機能については実施形態1〜3と同様である。実施形態4においては、外部電極15の構成及び機能については実施形態2、3と同様である。実施形態4においては、実施形態1〜3と同様の構成及び機能についてはその説明を省略する。実施形態4においては、実施形態2、3の何れかの外部電極15の形状を前提として、さらに共振周波数を想定した構成について説明する。
外部電極15の形状がスパイラル形状又はWスパイラル形状であれば、図9のような等価回路により外部電極15を示すことができる。この場合、共振周波数は、次式(9)により表される。
図9の等価回路は、並列回路であるため、形状の内側において、共振周波数となる周波数成分を含む外来ノイズを除去することができる。
以上の説明から、実施形態4に係るカプラによれば、共振周波数となる周波数成分を含む外来ノイズを除去することができる。
実施形態5.
実施形態5においては、内部導体11、内部電極13、及び測定部31の構成及び機能については実施形態1〜4と同様である。実施形態5において、実施形態1〜4と同様の構成及び機能については説明を省略する。実施形態5においては、外部電極15の形状が実施形態1〜4と異なる。そこで、外部電極15の形状について図10を用いて説明する。
図10は、実施形態5に係る外部電極15の形状の一例を示す図である。図10に示すように、外部電極15はルーバー形状で構成されているため、適宜、ルーバーの角度を調整することができる。
例えば、図10に示すように、B側からルーバーを見た場合の外部電極15の表面積と、B’側からルーバーを見た場合の外部電極15の表面積とは異なる。具体的には、B側の場合よりもB’側の場合の方が、紙面下方向を基準とした場合、ルーバーの角度は小さい。紙面下方向を基準とした場合、ルーバーの角度が小さい方が、外部電極15の表面積は大きくなる。このように、外部電極15の表面積は、ルーバーの角度を調整することにより、変更される。
つまり、紙面下方向を基準とした場合、ルーバーの角度が大きくなれば、外部電極15の表面積は減少する。一方、ルーバーの角度が小さくなれば、外部電極15の表面積は増加する。なお、紙面下方向を基準とした場合、ルーバーの角度が90度を超えれば、外部電極15の表面積は増加する。
換言すれば、紙面下方向を基準とした場合、ルーバーの角度が鋭角であれば、ルーバーの角度が大きくなるにつれ、外部電極15の表面積は小さくなる。一方、紙面下方向を基準とした場合、ルーバーの角度が鈍角であれば、ルーバーの角度が大きくなるにつれ、外部電極15の表面積は大きくなる。
以上の説明から、実施形態5に係るカプラによれば、外部電極15がルーバー形状で構成された場合、ルーバーの角度を調整することにより、外部電極15の表面積を変更することができる。これにより、利得S21を変更することができる。
以上の説明から、実施形態1〜5に係るカプラにおいて、内部電極13は、内側に内部導体11が設けられ、内部導体11とは静電結合するものである。外部電極15は、内部電極13の外側に設けられ、内部電極13と静電結合するものであり、一部が接地されるものである。このように、カプラは、内部電極13と、外部電極15との二重構造であり、外部電極15の一部が接地されている。これにより、カプラの外部とカプラとの間における浮遊容量の影響を回避させることができる。よって、外来ノイズの影響を低減させることができる。
また、外部電極15の形状は、その外部電極15が遮断すべき周波数に基づいて決定されるものである。よって、外部電極15は、遮断すべき周波数を遮断することができる。したがって、外来ノイズの周波数成分に含まれる周波数から遮断すべき周波数を決定すれば、外来ノイズの影響を特に顕著に低減させることができる。
また、外部電極15は、複数の貫通孔が形成されたものである。このような構成は、内部電極13と、外部電極15との間の静電容量Cを、内部電極13と、内部導体11との間の静電容量Cよりも相対的に小さくすることに相当するものである。よって、カプラで検知できる電圧Vと、カプラに入力される電圧Vとの比を1に近づけることができる。したがって、利得S21を0に近づけることができるため、利得S21を向上させることができる。この結果、カプラの感度を向上させることができる。
したがって、本実施形態に係るカプラは、感度を向上させつつ、外来ノイズの影響を低減させることができる。また、カプラは、感度を向上させつつ、外来ノイズの影響を低減できるため、そのようなカプラを含むワイヤーハーネスであれば、外来ノイズの影響が低減された車用通信信号を正確に伝送することができる。
このようにして、実施形態1〜5に係るカプラによれば、内側に内部導体11が設けられ、該内部導体11と静電結合する内部電極13と、内部電極13の外側に設けられ、内部電極13と静電結合し、一部が接地される外部電極15と、を備え、外部電極15は、複数の貫通孔が形成されたものである。よって、感度を向上させつつ、外来ノイズの影響を低減させることができる。
また、実施形態1〜5に係るカプラにおいて、内部電極13と、外部電極15との間の静電容量Cは、内部電極13と、内部導体11との間の静電容量Cと比べ、相対的に小さくなるものであることが好ましい。よって、利得S21を向上させることができる。
また、実施形態1〜5に係るカプラにおいて、外部電極15の形状は、該外部電極15が遮断すべき周波数に基づいて決定されるものであることが好ましい。よって、遮断すべき周波数を遮断することができる。
また、実施形態1〜5において、上記に記載のカプラを含むことが好ましい。よって、外来ノイズの影響が低減された車用通信信号を正確に伝送することができる。
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。
例えば、本実施形態では、内部電極13と、外部電極15とから構成されるカプラの断面形状を円形とした場合の一例について説明したが、これに限らず、カプラの断面形状を矩形又は四角形とした場合であってもよい。カプラの断面形状が矩形の場合には、上記で説明した式(6)に基づいて遮断すべき周波数を想定した形状を決定すればよい。また、カプラの断面形状が四角形の場合には、上記で説明した式(8)に基づいて遮断すべき周波数を想定した形状を決定すればよい。
また、上記で説明したカプラは、利得S21が極端に変化する条件で用いることにより、スイッチとして構成させてもよい。具体的には、車のエンジンスイッチ及びドアロック等のような構成に組み込んで使用してもよい。また、利得S21が極端に変化する条件として、電気自動車の充電用コネクタに組み込んで使用してもよい。また、利得S21が極端に変化する条件として、非接触給電用の伝送部材として使用してもよい。
11 :内部導体
13 :内部電極
15 :外部電極
31 :測定部

Claims (4)

  1. 内側に内部導体が設けられ、該内部導体と静電結合する内部電極と、
    前記内部電極の外側に設けられ、前記内部電極と静電結合し、一部が接地される外部電極と、
    を備え、
    前記外部電極は、複数の貫通孔が形成されたことを特徴とするカプラ。
  2. 前記内部電極と、前記外部電極との間の静電容量は、前記内部電極と、前記内部導体との間の静電容量と比べ、相対的に小さくなるものであることを特徴とする請求項1に記載のカプラ。
  3. 前記外部電極の形状は、該外部電極が遮断すべき周波数に基づいて決定されるものであることを特徴とする請求項1又は2に記載のカプラ。
  4. 請求項1から3のいずれかに記載のカプラを含むことを特徴とするワイヤーハーネス。
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JP2002277489A (ja) * 2001-03-16 2002-09-25 Nitto Electric Works Ltd 雷サージセンサおよび雷サージ測定装置
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