JP6453099B2

JP6453099B2 - カプラ、及びこれを用いたワイヤーハーネス

Info

Publication number: JP6453099B2
Application number: JP2015030263A
Authority: JP
Inventors: 山下　梨絵; 梨絵山下; 堀内　晴宏; 晴宏堀内
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2035-02-19
Also published as: JP2016152570A

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、前記内部電極に設けられた前記内部導体は、前記内部電極と非接触状態であり、該内部電極の中心から偏心した位置に配置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、前記内部導体と、前記内部電極との間の静電容量は、前記内部電極と、前記外部電極との間の静電容量、及び一部が前記内部電極に接続され、他の一部が接地され、前記内部導体に発生する電圧を測定する測定部の浮遊容量と比べ、相対的に大き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、前記内部電極と、前記内部導体との間に、フッ素樹脂又はポリエチレン樹脂で形成された誘電体が設けられることが好ましい。

このカプラによれば、内部導体と、内部電極との間の静電容量を相対的に大きくすることができる。したがって、利得を向上させることができる。

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。

本実施形態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Ｓ_２１の外来ノイズの影響を説明する図である。内部電極１３の内径と内部導体１１の外径との比に応じて、内部導体１１の位置を内部電極１３の中心から内部電極１３側に移動させた場合の利得Ｓ_２１の変移を説明する図である。内部電極１３の内径と内部導体１１の外径との比を固定させ、内部導体１１の位置を内部電極１３の中心から内部電極１３側に移動させた場合の利得Ｓ_２１の変移を説明する図である。本実施形態と異なるカプラの断面形状の一例を示す図である。本実施形態と異なるカプラの断面形状の一例を示す図である。

図１は、本実施形態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、後述するように、内部導体１１が内部電極１３の中心に対して偏心して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、内部電極１３に設けられた内部導体１１は、内部電極１３と非接触状態であり、内部電極１３の中心から偏心した位置に配置されたものである。

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る結合容量の増加を抑制している。

また、内部電極１３と、内部導体１１との間には、例えば治具が設けられていてもよい。治具は、内部電極１３の内側の予め想定した場所に、内部導体１１を固定するものであって、例えば発砲ゴムのような弾力性のある部材で形成されている。

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。また、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_ｃ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_ｃ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_ｃ、具体的には内部導体１１に発生する電圧Ｖ_ｃに比例する電圧Ｖ_ｍ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_ｃ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_ｉ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_ｓ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_ｐ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_ｐ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_ｍ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_ｃ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_ｉと、静電容量Ｃ_ｓとの直列回路から構成されるものである。静電容量Ｃ_ｓと、浮遊容量Ｃ_ｐ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_ｐと、抵抗Ｒ_ｐ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_ｃと電圧Ｖ_ｍ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_ｍ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となる。

また、利得Ｓ_２１は、電圧Ｖ_ｍと、電圧Ｖ_ｃ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Ｓ_２１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Ｓ_２１を向上させる必要がある。利得Ｓ_２１を向上させるには、式（４）に示すように、利得Ｓ_２１を０に近づける必要がある。利得Ｓ_２１を０に近づけるには、式（３）に示すように、電圧Ｖ_ｍと電圧Ｖ_ｃ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_ｓ及び浮遊容量Ｃ_ｐと比べ、静電容量Ｃ_ｉを相対的に大きくすることにより、電圧Ｖ_ｍと電圧Ｖ_ｃ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_ｉ及び静電容量Ｃ_ｓ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_ｓを求めることができる。

ここで、Ｓは、単位長さ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。

式（５）から明らかなように、静電容量Ｃ_ｉを相対的に大きくするには、ｄのパラメータが有効となるため、内部導体１１を、内部電極１３の中心から偏心した位置に配置させればよい。

このようにすれば、内部導体１１と、内部電極１３との間の静電容量Ｃ_ｉは、内部電極１３と、外部電極１５との間の静電容量Ｃ_ｓ及び測定部３１の浮遊容量Ｃ_ｐと比べ、相対的に大きくなるものである。換言すれば、カプラの感度特性は、内部導体１１の配置箇所に依存するものとなる。

また、内部電極１３と、内部導体１１との間に、フッ素樹脂又はポリエチレン樹脂で形成された誘電体が設けられてもよい。このようにすることで、静電容量Ｃ_ｉを相対的に大きくすることができるので、上記で説明したように、利得Ｓ_２１を向上させることができる。なお、フッ素樹脂又はポリエチレン樹脂等のような誘電体は、無極性プラスチックであって、有極性プラスチックと比べ、誘電正接の小さい樹脂である。特に、フッ素樹脂は、使用周波数が５００ＭＨｚ以上で使用できるものであるため、高周波関連機器に使用するのに適したものである。また、ポリエチレン樹脂は、使用周波数が３００〜５００ＭＨｚの範囲で使用できるものである。このような誘電正接の小さい樹脂であれば、有極性プラスチックと比べ、誘電体損失は小さいものとなるため、誘電体の温度の上昇が少なく、絶縁性を低下させにくく、材料の劣化を促進させにくいものとなる。

次に、上記の構成によるカプラの特性について、図５〜７を用いて説明する。図５は、利得Ｓ_２１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す。図５に示すように、本実施形態に係るカプラにおいては、外来ノイズの影響が低減されている。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、内部電極１３の内径と内部導体１１の外径との比に応じて、内部導体１１の位置を内部電極１３の中心から内部電極１３側に移動させた場合の利得Ｓ_２１の変移を説明する図である。図６において、内部電極１３の内径と、内部導体１１の外径との比が０．７の場合を実線で示し、内部電極１３の内径と、内部導体１１の外径との比が０．５の場合を一点鎖線で示し、内部電極１３の内径と、内部導体１１の外径との比が０．０４の場合を破線で示している。

図６に示すように、いずれの比の場合であっても、内部導体１１の位置を、内部電極１３の中心から内部電極１３側に移動させるにつれ、利得Ｓ_２１は向上している。このことからも、内部導体１１の位置を偏心させることにより、利得Ｓ_２１を向上させることができることが示される。

図７は、内部電極１３の内径と内部導体１１の外径との比を固定させ、内部導体１１の位置を内部電極１３の中心から内部電極１３側に移動させた場合の利得Ｓ_２１の変移を説明する図である。図７に示すように、内部導体１１の位置を、内部電極１３の中心から内部電極１３側に移動させるにつれ、利得Ｓ_２１は向上している。このことからも、内部導体１１の位置を偏心させることにより、利得Ｓ_２１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、本実施形態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２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Ｃ_ｐ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、内部導体１１は、内部電極１３とは非接触状態であり、内部電極１３の中心から偏心した位置に配置されるものである。このような配置構成は、内部導体１１と、内部電極１３との間の静電容量Ｃ_ｉを、内部電極１３と、外部電極１５との間の静電容量Ｃ_ｓ及び測定部３１の浮遊容量Ｃ_ｐと比べ、相対的に大き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_ｍと、カプラに入力される電圧Ｖ_ｃとの比を１に近づけることができる。したがって、利得Ｓ_２１を０に近づけることができるため、利得Ｓ_２１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、本実施形態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、内部電極１３に設けられた内部導体１１は、内部電極１３と非接触状態であり、該内部電極１３の中心から偏心した位置に配置されたものである。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、本実施形態に係るカプラにおいて、内部導体１１と、内部電極１３との間の静電容量Ｃ_ｉは、内部電極１３と、外部電極１５との間の静電容量Ｃ_ｓ、及び一部が内部電極１３に接続され、他の一部が接地され、内部導体１１に発生する電圧を測定する測定部３１の浮遊容量Ｃ_ｐと比べ、相対的に大きくなるものであることが好ましい。よって、利得Ｓ_２１を向上させることができる。

また、本実施形態に係るカプラにおいて、内部電極１３と、内部導体１１との間に、フッ素樹脂又はポリエチレン樹脂で形成された誘電体が設けられたことが好ましい。よって、内部導体１１と、内部電極１３との間の静電容量Ｃ_ｉを相対的に大きくすることができる。したがって、利得Ｓ_２１を向上させることができる。

また、本実施形態において、上記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であることが好ましい。これにより、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、カプラの形状を２重円筒とすることにより、カプラを構成するようにしたが、これに限らず、シート４１でカプラを覆い、内部導体１１を片側に寄せた形状にしてもよい。図８は、本実施形態と異なるカプラの断面形状の一例を示す図である。図８に示すように、外部電極１５をシート４１で覆い、さらに、外部からの圧力により、内部導体１１が片側に寄せられている。このような配置構成及び形状であっても、上記で説明した作用効果を奏することができる。

また、カプラの構成は上記構成に限らず、楕円形状で構成されてもよい。図９は、本実施形態と異なるカプラの断面形状の一例を示す図である。図９に示すように、内部電極１３及び外部電極１５を楕円形状に形成し、内部導体１１を、内部電極１３の内側の端に配置させてもよい。このような配置構成及び形状であっても、上記で説明した作用効果を奏することができる。

また、カプラの構成は上記構成に限らず、フラット形状で構成されてもよい。この場合、内部導体１１は、内部電極１３の内側の端に配置させればよい。このような配置構成及び形状であっても、上記で説明した作用効果を奏することができる。

また、カプラの構成は上記構成に限らず、内部導体１１を内部電極１３の内側に配置する際、例えばプラスチックのような誘電体でクリップすることにより配置させてもよい。このような配置構成及び形状であっても、上記で説明した作用効果を奏することができる。

また、上記で説明したカプラは、利得Ｓ_２１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Ｓ_２１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Ｓ_２１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
４１：シート

Claims

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、
前記内部電極に設けられた前記内部導体は、前記内部電極と非接触状態であり、該内部電極の中心から偏心した位置に配置されたことを特徴とするカプラ。
前記内部導体と、前記内部電極との間の静電容量は、前記内部電極と、前記外部電極との間の静電容量、及び一部が前記内部電極に接続され、他の一部が接地され、前記内部導体に発生する電圧を測定する測定部の浮遊容量と比べ、相対的に大き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。
前記内部電極と、前記内部導体との間に、フッ素樹脂又はポリエチレン樹脂で形成された誘電体が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のカプラ。
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。