JP5674369B2 - 非接触式直流電圧検出器 - Google Patents

Description

本発明は、直流の電圧を非接触によって検出する非接触式直流電圧検出器に関する。

従来、直流電圧を検出する方法として測定対象と基準点にそれぞれプローブを当接して電位差を測定することが行われている。また、交流電圧が印加された部分においてはこれから発生する電磁波を検出することにより、印加されている交流電圧の大きさを測定することが可能である。しかしながら、電流が流れていない直流電圧源からは電磁波が発生しないので、この電磁波を用いた測定ができないという問題がある。

とりわけ高電圧が印加されている場合は危険防止のために非接触による電圧計測を行うことが好ましいが、直流電圧のみが印加されている場合は電磁波による電圧計測を行うことはできないため、接触電極を用いることが行われている。例えば、鉄道の高圧き電線の点検やメンテナンスを行うためには、き電線への給電を停止した状態で作業を行うが、給電が確実に停止されていることを確認するために接触式の電圧計を用いることが行われている。

一方、特許文献１の液晶電界センサでは測定対象の近傍に電界に対して平衡に配置された液晶セルを用いて電界強度を測定することが考えられている。このように液晶セルは高絶縁で印加される電位差によって光の透過率を変化させるものであるから、これを用いて電界測定を行うことができる。

特開平８−８６８１５号公報

しかしながら、特許文献１の液晶電界センサのような構成では液晶セルを直接的に電界に曝すことによりその電界強度を測定するので、測定対象に近づける必要があり、危険防止のための非接触測定には向かなかった。また、電流を流さない状態で電圧が印加されたき電線から発生する電界と、静電気によって発生する電界を区別することは難しく、測定者自身の動作によって発生する静電気が測定の邪魔になり誤検知が発生するという問題がある。

本発明は上述の事柄を考慮に入れてなされたものであり、簡素な構成でありながら、電流が流れていない状態で印加されている電位を高効率に測定することができる非接触式直流電圧検出器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、二枚の電極の電位差によって光の透過率が変化する液晶素子と、この液晶素子の一方の電極に電気的に接続されて電界を受ける測定電極パネルと、前記液晶素子の他方の電極に電気的に接続された比較電極と、前記一方の電極側に配置された反射板と、前記他方の電極側に配置された発光素子と、前記他方の電極側に前記発光素子から直接光が入射しないように配置された受光素子と、受光素子によって測定した光の強度信号によって電界強度を測定する測定回路と、測定電極パネルに接点を介してバイアス電圧を印加させるためのバイアス印加部と、この測定電極パネルへのバイアス電圧の印加操作スイッチとを備え、前記測定電極パネルは静電気を溜めることができる程度の絶縁性を備える容器の表面に密着されており、測定電極パネルを、検出対象に対して基準となる箇所の近傍に近づけて前記操作スイッチを押した後に、検出対象のき電線、トロリ線などに近づけて電圧加圧状態を遠隔にて検出するものであることを特徴とする非接触式直流電圧検出器を提供する。（請求項１）

電界を受ける測定電極パネルが液晶素子の一方の電極に取り付けられているので、測定対象から発生する電界を離れた位置において効率よく受け止めることができ、この測定電極パネルに電気的に接続された液晶素子の一方の電極に前記電界の大きさに応じた量の電荷を蓄えることができ、液晶素子の両電極間に電界が生じるので、この電界内に配置された液晶素子は電界強度に合わせてその光の透過率が変化する。測定電極パネルは例えばアルミなどの導電性に優れた金属によって形成されていることが好ましく、その面積はより効率よく電界を受け止めるために大きく形成することが好ましく、例えば、非接触式直流電圧検出器の測定端のほぼ全面を覆う程度の大きさを備える。

前記液晶素子は内側面に光透過性の前記電極（透明電極）を転写させた一対のガラス機材と、これらのガラス機材によって挟み込まれて互いに９０°異なる偏向特性を備える一対の配向膜と、両配向膜の間にスペーサおよび液晶からなる液晶層を配置させた状態で液晶層を封入するシール材とを備えるものである。したがって、前記反射板は一方の電極ガラス基材の外側面に当接することにより、一方の電極側に配置されている。また、前記発光素子および受光素子は他方の電極ガラス基材の外側面に面するように配置されていることにより、他方の電極側に配置されている。

なお、比較電極は液晶素子の他の電極に電気的に接続されており、これが、基準電位となる。したがって、比較電極の電位は安定していることが好ましく、例えば、基準電圧の供給源として例えば前記発光素子、受光素子、測定回路などを設けた基盤の負極電源ラインまたは負極電源ラインに接続されたプレートである。

前記反射板は液晶素子の一方の電極側に配置されているので他方の電極側に配置された発光素子から生じ液晶素子を透過した光を反射して、再び液晶素子を透過させて受光素子に入射させることができる。なお、前記反射板は光の反射率の点で優れた鏡面体であることが好ましいが、さらに好ましくは、光の散乱を起こすために鏡面体と電極の間に紙や磨りガラスのような光拡散層を備えるものである。

また、液晶素子の一方の電極および反射板は液晶層以外の構成部材から物理的に浮いた状態で配置されることが好ましい。同様に、前記一方の電極に電気的に接続された前記測定電極パネルも適度な帯電性を得られるように他の部分から静電気をためることができる程度に絶縁されていることが好ましく、ＡＢＳ樹脂や塩化ビニールなどの適切な絶縁性を備える合成樹脂からなる絶縁性容器の表面に、アクリル樹脂（メタクリル酸樹脂の重合体）のプレートを密着させていることが好ましい。

前記発光素子は安定した光量の光を発光するものであり、効率の良い発光を行う発光ダイオード（ＬＥＤ）であることが好ましいが、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ：Organic light-emitting diode）や発光ポリマー（ＬＥＰ：Light Emitting Polymer）などの有機ＥＬを用いた発光素子であってもよい。

前記受光素子は発光素子から発光された光を受光してこれを電気信号に変換することができるものであればよく、例えばフォトレジスタ、フォトトランジスタ、フォトダイオードなどを用いることができる。なお、発光素子からの光が直接受光素子に入射しないように発光素子と受光素子の間に遮光板を設けることが好ましく、例えば、受光素子を円筒状のシリコンゴムからなる遮光筒に挿入して配置することが好ましい。

前記測定回路は前記受光素子によって測定した光の強度信号を用いて電界強度を測定するものであるが、電界強度が所定の閾値より大きくなったときに例えばブザーなどを用いて警告音などを出力するものであることが好ましい。しかしながら、測定回路は電界強度を電流または電圧などの電気信号に変換して出力するものであってもよい。

少なくとも、前記液晶素子、発光素子、受光素子の全体を覆う容器状に形成された電界遮蔽層を備える場合（請求項２）には、液晶素子およびその周辺部材が電界遮蔽層によって覆われているので、外乱の影響による動作不良を起こすことがない。電界の測定対象以外の方向からの電界の影響を受けにくくなる。つまり、作業者の動作に伴って生じる静電気の影響を受けることなく、測定対象の電位を測定することができる。なお、電界遮蔽層は測定電極パネルを容器形状にして形成してもよいが、電界遮蔽層として比較電極または電源ラインを用いてもよい。

また、前記液晶素子、発光素子、受光素子に加え、前記測定電極パネルおよび比較電極を備えるユニット化されたセンサ部を形成することにより、センサ部を独立構造にすることができるので、不要帯電の影響を減少させて、安定した電界測定を容易に実現できる。

図８は液晶素子の特性を示す図であり、液晶素子の両電極間の電位差と光の透過率の関係が直線的な比例関係ではないことを示している。このような特性の液晶素子に例えば１．２Ｖのバイアス電圧を印加して測定開始点をシフトさせることにより、電位差の変化に対する光透過率の変化が大となる範囲を活用して微小な電圧変化を検出することが可能となる。また、前記比較電極として基準電位電極の接続部が配置されているので、この接続部に例えばアース線を接続すると、大地電位が基準電位となるので、作業者の動作による静電気の発生による影響を受けないようにすることができる。棒体は長尺であるから、その上端部を高い位置にあるき電線にできるだけ近づけることができる。

前述したように、本発明によれば、測定対象から離れた位置においても電界を効果的に測定することができる。また、比較電極によって基準電位を定めることができるので、静電気などの周囲の外乱による影響を小さくすることができる。

加えて、電界遮蔽層を備えることにより、不必要な電界の影響を可能な限り抑制できるセンサ部のユニットを形成することができる。

本発明の基本的な構成を説明する参考例として示す非接触式直流電圧検出器の図である。 非接触式直流電圧検出器のセンサ部をユニット化した例を示す図である。 図２のセンサ部の構成を回路にして示す図である。 図２のセンサ部の電気特性を示す図である。 本発明の別の参考例である非接触式直流電圧検出器を示す図である。 本発明の実施形態である非接触式直流電圧検出器を示す図である。 前記非接触式直流電圧検出器の構成を回路にして示す図である。 液晶素子の特性を示す図である。

以下、図１を用いて、本発明の基本的な構成を説明する参考例として示す非接触式直流電圧検出器１の構成を説明する。本参考例の非接触式直流電圧検出器１は二枚の電極２Ａ，２Ｂの電位差によって光の透過率が変化する液晶素子２と、この液晶素子２の一方の電極２Ａに電気的に接続されて電界を受ける測定電極パネル３と、前記液晶素子２の他方の電極２Ｂに電気的に接続された比較電極４と、前記一方の電極２Ａ側に配置された反射板５と、前記他方の電極２Ｂ側に配置された発光素子６と、前記他方の電極２Ｂ側に前記発光素子６から直接光が入射しないように配置された受光素子７と、受光素子７によって測定した光の強度信号によって電界強度を測定する測定回路８と、この測定回路８の電源９とを備える。

前記液晶素子２は拡大図に示すように、内側面に光透過性の前記電極（透明電極）２Ａ，２Ｂを転写させた一対のガラス基材２Ａ１，２Ｂ１と、これらのガラス基材２Ａ１，２Ｂ１によって挟み込まれて互いに９０°異なる偏向特性を備える一対の配向膜２Ｃ，２Ｄと、両配向膜２Ｃ，２Ｄの間にスペーサおよび液晶からなる液晶層２Ｅを配置させた状態で液晶層２Ｅを封入するシール材２Ｆとを備えるものである。液晶層２Ｅは絶縁に優れており、両電極２Ａ，２Ｂの電位差によって編波面を所定角度ねじ曲げることができるものである。かつ、液晶層２Ｅはできるだけ低い電位差を検出できるように、その厚さｄはできるだけ薄く形成されている。

前記測定電極パネル３は測定対象から生じる電界の測定方向Ｘに対してほぼ垂直に配置された状態で電界に曝されるときに、できるだけ多くの電荷を受けることできるように、大きな面積を備える導電率の高いアルミニウムなど金属からなる板状体である。また、この測定電極パネル３は裏面にアクリル樹脂からなるプレート３Ａを密着させて、非接触式直流電圧検出器１の全体を覆う例えばＡＢＳからなるケース１Ａに取り付けられ、リード線３Ｂによって前記電極２Ａに電気的に同電位となるように接続される。

本参考例の比較電極４は測定電極パネル３とほぼ同じ形状であり、大きな面積を備える導電率の高いアルミニウムなどの金属からなる板状体（以下、板状の比較電極４を比較電極パネルともいう）を構成する。また、この比較電極パネル４の裏面には例えば塩化ビニールのプレート４Ａを介してケース１Ａに取り付けられ、リード線４Ｂによって前記電極２Ｂに電気的に接続される。

前記反射板５は液晶素子２の一方の電極２Ａ側に配置されているので他方の電極２Ｂ側に配置された発光素子６から生じ液晶素子２を透過した光Ｌ１を反射して、再び液晶素子を透過させて受光素子７に入射させることができる。なお、前記反射板５は光Ｌ１の反射率の点で優れた鏡面体５Ａと電極の間に紙などの光拡散層５Ｂを備える。

発光素子６はエネルギー変換効率の優れた発光ダイオードである。また、受光素子７はフォトレジスタであり、発光ダイオード６からの光が直接的に受光素子７に入射しないように、円筒状のゴムパッキン７Ａを介して電極２Ｂに密着するように接続される。

本参考例の制御回路８は、発光素子６および受光素子７が取り付けられる第１基盤８Ａと、この第１基盤８Ａと電気的に接続された第２基盤８Ｂと、これらの回路８Ａ、８Ｂに取り付けられて、受光素子７の測定値から電界を検出する検出回路８Ｃと、測定電極パネル３に印加するバイアス電圧を調整するバイアス電圧調整部８Ｄと、このバイアス電圧調整部８Ｄによって調整されたバイアス電圧を断続的に測定電極パネル３に印加させるバイアス電圧印加スイッチ８Ｅと、測定した電界強度の設定を行う閾値設定部８Ｆと、警告を音声またはブザー音によって出力するブザー８Ｇと、電源スイッチ８Ｈとを備える。なお、本参考例では測定回路８を２枚の基盤８Ａ，８Ｂに分けて形成しているが、これらを一つにまとめて形成してもよく、各信号処理を行う部分８Ｃ，８Ｄ，８ＦをＩＣ化して小型化してもよい。

前記電源９は例えばバッテリであり、これによって、非接触式直流電圧検出器１を小型化すると共に可搬性を備える。

前記非接触式直流電圧検出器１は電界の測定方向Ｘに対して測定電極パネル３と比較電極パネル４が垂直かつ所定の間隔をおいて配置されるときに、両電極パネル３，４によって電界を効果的に受けることができ、その間に電位差を発生させる。このとき、両電極パネル３，４はプレート３Ａ，４Ａによってケース１Ａに対して適度な絶縁性を保って接触するように構成しているので、帯電電荷が移動でき、その帯電性が向上する。

また、両電極パネル３，４が帯電することにより、これらに電気的に接続された液晶素子２の第１および第２の電極２Ａ，２Ｂ間には矢印Ｙ方向の電界が発生し、液晶層８Ｃはこの矢印Ｙ方向の電界に対して垂直に配置された状態でその電界強度に合わせた編波面のねじれを発生させ、電極２Ａ，２Ｂの偏向特性との組み合わせによって、液晶素子２全体としての光の透過率が測定対象の電界強度に合わせて変動する。とりわけ、第１の電極２Ａが液晶層２Ｅ以外の部分は完全に浮かせた状態で取り付けられているので、第２電極２Ｂに対して高絶縁を保つことができ、十分な感度を得ることができる。

前記測定回路８は発光素子６に安定した電力を供給して光Ｌ１を発光し、液晶素子２を透過した光Ｌ１は反射板５によって反射し、この反射光Ｌ２が受光素子７によって測定される。反射板５は鏡面体５Ａと光拡散層５Ｂを備えているので、光Ｌ１は効率よく反射するだけでなく拡散した反射光Ｌ２を発生させることができ、受光素子７は反射光Ｌ２を効率よく測定できる。

受光素子７によって測定された光の強度は、検出回路８Ｃによって電界強度に変換され、これが閾値設定部８Ｆによって設定値に達すると、ブザー８Ｇが警告音を発生させ、使用者に危険を知らせることができる。

前記測定電極パネル３は適度に絶縁を保つように取り付けられているので、この測定電極パネル３に何らかの外乱によって不要な電荷が蓄積されることも考えられるが、バイアス電圧印加スイッチ８Ｅによって測定電極パネル３にバイアス電圧を印加させることが可能であるから測定電極パネル３を用いた電界測定のための準備を速やかに行うことができる。

図２、図３は前記非接触式直流電圧検出器１のセンサ部Ｓｕの構成をユニット化した例を示す図である。このセンサ部Ｓｕは、前記液晶素子２、発光素子６、受光素子７をほぼ密封された合成樹脂からなる容器形状のケース１Ｂ内に収容し、このケース１Ｂの表面は測定電極パネル３によって覆われており、この測定電極パネル３によって電界遮蔽層Ｓを形成している。液晶素子２の一方の電極２Ａは前記測定電極パネル３、他方の電極２Ｂには発光素子６のコモン電源ラインを比較電極４として接続している。

前記電界遮蔽層Ｓによって覆われた容器内においては外部の電界の影響が及ばないので、液晶素子２の動作が安定する。また、電極２Ｂにはコモン（負極）電源ラインＣｏｍが比較電極４として接続されているので、その電位も安定し、測定電極パネル３によって受け止める電界を高精度に測定することができる。なお、Ｖｃｃは正極電源ライン、Ｓｉｇはセンサ信号出力部である。また、図３の回路は最もシンプルな検出回路８Ｃ（図１参照）を形成する例を示しているが、この検出回路８Ｃにはセンサ部Ｓｕ内に受光素子７の出力を用いて電界測定値を求めてこれをセンサ信号として出力する直線化演算部（リニアライザ）を含めてもよいことは言うまでもない。

図４は前記構成の非接触式直流電圧検出器１の電気的な特性を説明する図である。図４に示すように、測定対象の電位Ｐの変化に伴ってその電界の影響で測定電極パネル３が比較電極４に比べて正の電位となるとき、実線ｆ１に示すように、電界測定信号Ｆは電位Ｐの大きさに応じて大きな値を出力する。しかしながら、測定電極パネル３が比較電極４に対して負の電位となるにも、電界測定信号Ｆは破線ｆ２に示すように、正であるときと同様の測定信号Ｆを出力する。つまり、液晶素子２を用いた電界測定では、測定対象の電位Ｐに正負の区別がなく、両電極２Ａ，２Ｂの電位差の絶対値によって出力を得ることができる。

図５は本発明の別の参考例としての非接触式直流電圧検出器４０を示す図である。本参考例において、測定電極パネル３は棒体４１の一端側、比較電極パネル４は棒体４１の多端側に取り付けられて、棒体４１の両端部をそれぞれ覆うように取り付けられている。また、棒体４１の内部に前記液晶素子、発光素子、受光素子およびその周辺回路を備える測定回路４２を設けている。そのほかの構成については既に詳述したものと同じであるので、その詳細な説明を省略する。

本参考例のように電極パネル３，４間を棒体４１の両端部に設けることにより、作業者は棒体４１を電界の測定方向Ｘに向けることにより、両電極パネル３、４間の電位差が発生して、その電界強度（測定対象の電位）を測定することができる。

図６、図７は本発明の実施形態の非接触式直流電圧検出器５０を示す図である。この非接触式直流電圧検出器５０は棒体５１の先端部に前記センサ部Ｓｕと、このセンサ部Ｓｕの測定電極パネルにバイアス電圧を印加させるためのバイアス印加部５２とを備え、棒体５１の基端部に測定回路５３と、電源スイッチ５４と、増幅率調節部５７とを備える。また、この実施形態ではその他の構成は図１〜図５において既に詳述した構成と同じまたは同等の部材であるから、同一の符号を付すことにより、その詳細な説明を省略する。

前記棒体５１は例えば塩化ビニールからなる略１ｍの長さを備えるものであり、その内部に測定回路などを形成することができる筒体であることが好ましく、これは絶縁性を備えるものであれば紙筒であってもよい。

前記バイアス印加部５２は操作スイッチ５２ａと、操作スイッチ５２ａに直列に接続されたリレーコイル５２ｂと、このリレーコイル５２ｂに電流を流したときにオン状態になるリレー接点５２ｃと、リード線５２ｄとを備え、このリレー接点５２ｃおよびリード線５２ｄを介して電圧調整部１５によって調整されたバイアス電圧を測定電極パネル３に印加させるものである。このリレー接点５２ｃ（すなわち電磁リレーのリレーコイル５２ｂを含む）およびリード線５２ｄはできるだけセンサ部Ｓｕの近くに設け、可能な限り棒体５１の先端部に設けることが好ましく、棒体５１の基端部側の前記検出器回路５３と電源配線によって接続されることが好ましい。

また、前記増幅率調節部５７は、例えば切替スイッチ５７ａと基本増幅率を定める可変抵抗５７ｂと、切替スイッチ５７ａによって選択されて互いに抵抗値の異なる複数の抵抗５７ｃとからなり、前記比較回路１７における入力側の増幅率を定めるものとなる。

作業者は電源スイッチ５４を操作して非接触式直流電圧検出器５０の先端部を測定対象に向けることにより、測定対象からの電界をセンサ部Ｓｕによって受けて、その電位Ｐをより正確に測定することができる。本実施形態のようにセンサ部Ｓｕのユニットを独立構造としたことにより、不要帯電の影響を少なくすることができ、より安定した測定を行うことができる。また、不要帯電の影響が大きくなったときには、棒体５１を測定対象に向けない状態で操作スイッチ５２ａを押してこれをオン状態にすることにより、リレーコイル５２ｂをＯＮ状態にしてリレー接点５２ｃを介してバイアス電圧を測定電極パネル３に印加させることにより、この状態をリセットすることができる。

また、作業者の衣服などによって発生する静電気の影響が大きな環境では前記切替スイッチ５７ａによって感度調整を行うことにより、環境変化による閾値の調整を行って不要動作を防止することが可能となる。本実施形態では３段階の感度調整を可能としているが、基本的に２段階目の感度によって操作し、電源投入をした後、検出対象に対して基準となる箇所、例えば、地面、レールなどの近傍に検出器の先端部を近づけてバイアス電圧印加の操作スイッチ５２ａを押した後に、検出器の先端部を検出対象のき電線、トロリ線などへ接近させて対象の電圧加圧状態を遠隔にて検出することができる。

なお、本実施形態ではバイアス印加部５２の接点を機械式のリレー接点５２ｃとすることにより帯電電荷のリークを避けながら、手元の操作スイッチ５２ａによるバイアス電圧の印加を可能とし、かつ、物理的な接点をユニット化して堅牢性および防水性を向上しているが、バイアス印加部５２は物理的に測定電極パネル３に接触可能な電極によって接点を形成するものであってもよい。

５０ 非接触式直流電圧検出器
２ 液晶素子
２Ａ，２Ｂ 電極
３ 測定電極パネル
４ 比較電極
５ 反射板
６ 発光素子
７ 受光素子
５２ バイアス印加部
５２ａ 接点
Ｓ 電界遮蔽層

Claims (2)

1. 二枚の電極の電位差によって光の透過率が変化する液晶素子と、
   この液晶素子の一方の電極に電気的に接続されて電界を受ける測定電極パネルと、
   前記液晶素子の他方の電極に電気的に接続された比較電極と、
   前記一方の電極側に配置された反射板と、
   前記他方の電極側に配置された発光素子と、
   前記他方の電極側に前記発光素子から直接光が入射しないように配置された受光素子と、
   受光素子によって測定した光の強度信号によって電界強度を測定する測定回路と、
   測定電極パネルに接点を介してバイアス電圧を印加させるためのバイアス印加部と、
   この測定電極パネルへのバイアス電圧の印加操作スイッチとを備え、
   前記測定電極パネルは静電気を溜めることができる程度の絶縁性を備える容器の表面に密着されており、
   測定電極パネルを、検出対象に対して基準となる箇所の近傍に近づけて前記操作スイッチを押した後に、検出対象のき電線、トロリ線などに近づけて電圧加圧状態を遠隔にて検出するものであることを特徴とする非接触式直流電圧検出器。
2. 少なくとも、前記液晶素子、発光素子、受光素子の全体を覆う容器状に形成された電界遮蔽層を備える請求項１に記載の非接触式直流電圧検出器。

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