JP6502072B2 - Voltage detection device - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁材で被覆された検出対象の電圧をこの絶縁材を介して検出する非接触型の電圧検出装置に関するものである。 The present invention relates to a noncontact voltage detection device that detects a voltage of a detection target covered with an insulating material through the insulating material.
非接触型の電圧検出装置として、下記の特許文献1に開示された電圧検出装置(非接触式の静電圧フォロア)が知られている。この電圧検出装置は、電圧検出のためのプローブを備えている。このプローブは、測定されるべき静電量をもつ測定表面(検出対象の表面)に向けて配置される検出電極と、検出電極と測定表面間の容量結合を変調するために検出電極に作用連結された変調器ないし駆動手段と、検出電極と一致する測定表面の区域を照射するために測定表面に向けられた輻射線の通路を規定する手段とを含んでいる。
As a noncontact voltage detection device, a voltage detection device (noncontact static voltage follower) disclosed in
また、検出電極はハウジング内に収容されている。また、このハウジングには第1開口ないし窓が設けられ、この第1開口ないし窓を通して検出電極が測定表面に露呈される。また、検出電極は、ハウジング内に収容された増幅器(電流電圧変換用の演算増幅器)の加算入力端(反転入力端)に線によって接続され、この増幅器の非反転入力端は線によって基準単位となるハウジングに接続されている。また、変調器ないし駆動手段には、例えば圧電トランスデューサを用いることができ、変調器ないし駆動手段は、作用連結された検出電極を機械的に運動(振動)させることで、測定表面と検出電極との間に形成される容量(結合容量)を変調させる。 Also, the detection electrode is accommodated in the housing. The housing is also provided with a first opening or window through which the detection electrode is exposed to the measurement surface. The detection electrode is also connected by a wire to the summing input (inverting input) of an amplifier (operational amplifier for current-voltage conversion) contained in the housing, the non-inverting input of this amplifier being connected by a line to the reference unit Connected to the housing. In addition, for example, a piezoelectric transducer can be used as the modulator or drive means, and the modulator or drive means mechanically moves (vibrates) the detection electrodes connected in operation to obtain the measurement surface and the detection electrodes. Modulate the capacitance (coupling capacitance) formed between
このプローブを備えた電圧検出装置では、この容量の変調時に、この容量、および電流電圧変換用として増幅器の加算入力端(反転入力端)と出力端子との間に接続された抵抗を介して流れる電流に基づいて、測定表面の電圧を非接触で検出することが可能になっている。 In the voltage detection device provided with this probe, when modulating this capacitance, the current flows through the capacitance and a resistor connected between the summing input end (inverting input end) of the amplifier and the output terminal for current-voltage conversion. Based on the current, it is possible to contactlessly detect the voltage of the measuring surface.
ところが、上記の電圧検出装置には、以下のような解決すべき課題が存在している。すなわち、この電圧検出装置では、ハウジングに設けられた第1開口(ないし窓)を通して検出電極が測定表面に露呈されるようにプローブを測定表面に配置する必要がある。これは、第1開口を絶縁体で覆う構成とすると、絶縁体の表面にも理論的には測定表面の電圧の影響を受けて電荷が現れるが、絶縁体の表面に現れる電荷は容易に逃げて消失する。したがって、この電圧検出装置には、測定表面と検出電極との間に絶縁体が介在する場合には、測定表面の電圧を検出することができないという解決すべき課題が存在している。 However, the above-described voltage detection device has the following problems to be solved. That is, in this voltage detection device, it is necessary to arrange the probe on the measurement surface so that the detection electrode is exposed to the measurement surface through the first opening (or window) provided in the housing. This is because, if the first opening is covered with an insulator, charges appear theoretically on the surface of the insulator under the influence of the voltage of the measurement surface, but charges appearing on the surface of the insulator easily escape Disappear. Therefore, in this voltage detection device, there is a problem to be solved that when the insulator is interposed between the measurement surface and the detection electrode, the voltage of the measurement surface can not be detected.
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、検出対象と検出電極との間に絶縁体が存在する場合であっても、検出対象の電圧を非接触で検出し得る電圧検出装置を提供することを主目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and is a voltage detection that can detect the voltage of a detection object without contact even when an insulator is present between the detection object and the detection electrode. The main purpose is to provide a device.
上記目的を達成すべく請求項1記載の電圧検出装置は、絶縁体で被覆された検出対象に生じている検出対象電圧を検出する電圧検出装置であって、前記絶縁体に直接的または他の絶縁体を介在させた状態で間接的に接触して配設された検出電極と 前記検出対象に静磁界を印加しつつ当該検出対象における当該静磁界の印加部位に渦電流を発生させることによって当該印加部位の表面に対して交差する方向に振動する超音波を当該検出対象に励起させる超音波励起部と、前記検出対象に前記超音波が励起されている状態において、前記検出対象から前記検出電極を経由して基準電圧に流れると共に前記検出対象電圧と当該基準電圧との間の電位差に応じて振幅が変調された前記超音波に同期する検出電流を検出電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、前記電位差を示す検波出力を前記検出電圧信号から検出する検波回路とを備えている。
In order to achieve the above object, a voltage detection device according to
請求項2記載の電圧検出装置は、請求項1記載の電圧検出装置において、前記超音波励起部は、前記静磁界を発生させて前記検出対象に印加することによって当該検出対象における前記印加部位の内部に前記表面に沿った静磁界を発生させる磁石と、供給される交流電流に基づいて前記検出対象に前記渦電流を発生させるコイルとを備えて、前記印加部位の前記表面に対して直交する方向に振動する前記超音波を励起させる。
In the voltage detection device according to claim 2, in the voltage detection device according to
請求項3記載の電圧検出装置は、請求項2記載の電圧検出装置において、前記磁石は、前記印加部位側の磁極の近傍に前記コイルが配設された第1磁石と、それぞれの前記印加部位側の磁極が前記第1磁石の前記磁極とは異なる極性に着磁されると共に当該第1磁石の当該磁極を挟むように配設された第2磁石および第3磁石とを備えている。 The voltage detection apparatus according to claim 3 is the voltage detection apparatus according to claim 2, wherein the magnet is a first magnet in which the coil is disposed in the vicinity of the magnetic pole on the application site side, and the respective application sites. The magnetic pole on the side is magnetized with a polarity different from that of the magnetic pole of the first magnet, and is provided with a second magnet and a third magnet disposed so as to sandwich the magnetic pole of the first magnet.
請求項4記載の電圧検出装置は、請求項1から3のいずれかに記載の電圧検出装置において、前記検波回路は、前記検出電圧信号に同期した同期信号で当該検出電圧信号を同期検波して前記検波出力を検出する。
The voltage detection device according to claim 4 is the voltage detection device according to any one of
請求項5記載の電圧検出装置は、請求項1から4のいずれかに記載の電圧検出装置において、前記電流電圧変換回路は、第1の入力端子が前記基準電圧に規定され、第2の入力端子が前記検出電極に接続され、かつ当該第2の入力端子と出力端子との間に帰還回路が接続されて、当該帰還回路に流れる前記検出電流を前記検出電圧信号に変換する演算増幅器を有している。
The voltage detection device according to claim 5 is the voltage detection device according to any one of
請求項1記載の電圧検出装置では、超音波励起部が検出対象の内部に超音波を励起させることによって検出対象に振動を発生させ、この発生させた振動で検出電極を接触させた絶縁体を振動させることで、検出電流を発生させると共に、この検出電流に基づいて検出対象の検出対象電圧を検出する。したがって、この電圧検出装置によれば、検出対象と検出電極との間に絶縁体が存在する場合であっても、検出対象電圧を非接触で(検出電極を検出対象に直接接触させることなく)検出することができる。
In the voltage detection device according to
請求項2記載の電圧検出装置では、超音波励起部が、検出対象における静磁界の印加部位の内部にこの印加部位の表面に沿った静磁界を発生させる磁石と、供給される交流電流に基づいて検出対象に渦電流を発生させるコイルとを備え、この印加部位の表面に対して直交する方向(検出対象の深さ方向)に振動する超音波を検出対象内に励起させる。したがって、この電圧検出装置によれば、絶縁体の静電容量の容量値を最も効率良く変化させ得る方向の振動を検出対象および絶縁体に発生させることができるため、検出対象から検出電極を経由して基準電位に流れる検出電流のレベルを高めることができる結果、検出対象電圧の検出感度を十分に高めることができる。 In the voltage detection device according to claim 2, the ultrasonic excitation unit is based on a magnet that generates a static magnetic field along the surface of the application site within the application site of the static magnetic field in the detection target, and the supplied alternating current. And a coil for generating an eddy current in the detection target, and an ultrasonic wave vibrating in a direction (depth direction in the detection target) orthogonal to the surface of the application site is excited in the detection target. Therefore, according to this voltage detection device, the vibration in the direction in which the capacitance value of the capacitance of the insulator can be most efficiently changed can be generated on the detection target and the insulator, so the detection target passes through the detection electrode. As a result, the level of the detection current flowing to the reference potential can be increased, and the detection sensitivity of the voltage to be detected can be sufficiently enhanced.
請求項3記載の電圧検出装置によれば、静磁界の印加部位における中央の第1磁石の磁極との対向部位を基準として、この対向部位の両側の内部に検出対象の表面に沿った静磁界を発生させることができるため、この対向部位の周囲に発生する渦電流に対してより多く静磁界を作用させることができる結果、より強い超音波、ひいてはより強い振動を検出対象の内部に発生させることができる。これにより、この電圧検出装置によれば、検出対象から検出電極を経由して基準電位に流れる検出電流のレベルを一層高めることができる結果、検出対象電圧の検出感度を一層高めることができる。 According to the voltage detection device of the third aspect, the static magnetic field along the surface of the detection target inside both sides of the opposing portion with respect to the opposing portion to the magnetic pole of the central first magnet in the applying portion of the static magnetic field. As a result, more static magnetic fields can be applied to the eddy current generated around the opposing part, and thus stronger ultrasonic waves and thus stronger vibrations are generated inside the detection target. be able to. As a result, according to this voltage detection device, the level of the detection current flowing from the detection target to the reference potential via the detection electrode can be further increased. As a result, the detection sensitivity of the detection target voltage can be further improved.
請求項4記載の電圧検出装置によれば、検波回路が検出電圧信号を同期信号で同期検波して検波出力を出力することにより、外乱の影響が少ない状態で検波出力を検出することができる。 According to the voltage detection device of the fourth aspect, the detection circuit synchronously detects the detection voltage signal with the synchronization signal and outputs the detection output, so that the detection output can be detected with less influence of the disturbance.
請求項5記載の電圧検出装置によれば、電流電圧変換回路を、演算増幅器および帰還抵抗を有する構成としたことにより、検出電流を感度よく検出して検出電圧信号に変換することができる。 According to the voltage detection device of the fifth aspect, the current-voltage conversion circuit includes the operational amplifier and the feedback resistor, so that the detection current can be detected with high sensitivity and converted into a detection voltage signal.
以下、電圧検出装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of a voltage detection device will be described with reference to the attached drawings.
最初に、電圧検出装置の構成について、図面を参照して説明する。 First, the configuration of the voltage detection device will be described with reference to the drawings.
図1に示す電圧検出装置としての電圧検出装置1は、非接触型の電圧検出装置であって、一例として、検出電極11、発振回路12、超音波励起部13、電流電圧変換回路14、バッファアンプ15、検波回路16、位相調整回路17および出力回路18を備え、絶縁体51で被覆された検出対象52に生じている電圧(検出対象電圧)V1を非接触で検出可能に構成されている。
The
この場合、検出対象52は、導電体であって、図1,3に示すように、その表面における一部の部位が絶縁体51で被覆されていてもよいし、図4に示すように、表面全域が絶縁体51で被覆されていてもよい(例えば、検出対象52は、外周面全域が絶縁被覆で覆われた被覆電線の芯線でもよい)。また、絶縁体51は、1種類の絶縁材料で構成された単層構造であってもよいし、それぞれ異なる種類の絶縁材料で構成された複数の層が積層されてなる多層構造であってもよい。
In this case, the
検出電極11は、後述する構成により、検出対象52を被覆する絶縁体51の表面に直接的に接触可能に配置されている。
The
発振回路12は、例えば、数十kHz(可聴域を超える周波数)〜数MHz程度の一定の周波数(所定周波数)の基準信号S1を生成して出力する。この場合、発振回路12は、この基準信号S1を作動中において連続的に出力する構成を採用することもできるし、一定時間ずつ断続して周期的に出力する構成を採用することもできるし、測定時にのみ単発的に一定時間だけ出力する構成を採用することもできる。また、発振回路12は、例えば、矩形波信号、三角波信号および正弦波信号などのいずれかの信号を基準信号S1として出力する。なお、発振回路12は、上記のように一定の周波数で基準信号S1を生成して出力する構成に代えて、例えば、予め規定された下限周波数および上限周波数の範囲内で周波数が時間と共に変化するスイープ信号として基準信号S1を生成して出力する構成や、周波数が時間と共にランダムに変化するランダム信号(ノイズ信号)として基準信号S1を生成して出力する構成を採用することもできる。
The
超音波励起部13は、図1に示すように、検出対象52に静磁界Mを印加しつつ、検出対象52における静磁界Mの印加部位に渦電流Iedを発生させることによって、この印加部位の表面に対して交差する方向(深さ方向)に振動する超音波USを検出対象52の内部に励起させる。本例では一例として、超音波励起部13は、図2,3に示すように、静磁界Mを発生させて検出対象52に印加することによってこの検出対象52における印加部位の内部に印加部位の表面に沿った静磁界Mを発生させる磁石21と、基準信号S1に基づいて基準信号S1と同じ周波数の交流電流Iacを生成する電流源回路22と、電流源回路22から交流電流Iacの供給を受けて検出対象52における上記の印加部位(印加部位の表面)に渦電流Iedを発生させるコイル23とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
本例では磁石21は、それぞれ柱状体(円柱体や、四角柱体などの多角柱体など。本例では一例として四角柱体)に形成されて、磁極としての両端部がそれぞれ異極に着磁された3つの磁石(本例では一例として永久磁石)21a,21b,21c(第2磁石としての磁石21a、第1磁石としての磁石21b、第3磁石としての磁石21c)を備えている。この磁石21a,21b,21cは、絶縁体24を介在させた状態で一列に並んで配設されている。また、各磁石21a,21b,21cの同じ一方側の端部(一方の端部。図1中の上端部であって、上記の印加部位側の端部)の極性は、中央の磁石21bの極性(本例では一例としてN極)が他の2つの磁石(両側の磁石)21a,21cの極性(本例では一例としてS極)と異なるように構成されている。
In this example, the
なお、各磁石21a,21b,21cは、永久磁石に代えて電磁石で構成することもできる。また、別体に形成された2つの磁石21a,21cを中央の磁石21bの両側に配設する構成(中央の磁石21bを挟むようにして2つの磁石21a,21cを配設する構成)に代えて、図示はしないが、2つの磁石21a,21cのうちの一方のみを中央の磁石21bの片側に配設する構成や、2つの磁石21a,21cを円筒状の1つの磁石として形成して、この円筒状の磁石の軸線上に磁石21bを配置する構成を採用することもできる。
In addition, each
また、本例では一例として、両側の磁石21a,21cは、それぞれの一方の端部の端面が同一の仮想平面W内に位置するように構成されている。また、中央の磁石21bおよびその両側に位置している絶縁体24は、それぞれの一方の端部(同図中の上端部)の端面が仮想平面W(両側の磁石21a,21cにおける一方の端部の端面)に対してほぼ同じ長さだけ凹む構成となっている。この構成により、両側の磁石21a,21cのそれぞれの一方の端部間には、ほぼ一定の深さの凹部Aが形成されている。
Further, in the present embodiment, as an example, the
コイル23は、一例として環状の平面コイルとして構成されて、磁石21bの一方の端部の近傍に配設されている。具体的には、コイル23は、磁石21bの一方の端部の近傍であって、その中心部(コイル23の中心に形成された孔部)から磁石21bの一方の端部の端面が覗く凹部A内の位置に、かつ仮想平面Wと平行になるように配設されている。
The
また、本例では一例として、検出電極11は、中央の磁石21bの一方の端部の端面上に絶縁体25を介在させた状態で配設されている。また、検出電極11は、凹部Aの深さ、絶縁体25の厚みおよび検出電極11の厚みのうちの少なくとも1つが調整されることで、その表面(図2,3中の検出電極11における上面)が仮想平面W内に位置する状態、または仮想平面Wから若干突出する状態のうちのいずれかの状態(本例では一例として前者の状態)になるように構成されている。
Further, in the present embodiment, as an example, the
この構成により、電圧検出装置1では、超音波励起部13を各磁石21a,21b,21cの一方の端部側から絶縁体51に近づけて接触させることで、検出電極11を絶縁体51の表面に直接的に接触させることが可能になっている。つまり、この超音波励起部13は、絶縁体51に対して(つまり、検出対象52の印加部位に対して)、各磁石21a,21b,21cを縦にした状態で配置する構成となっている。
With this configuration, in the
電流電圧変換回路14は、一例として、演算増幅器14aおよび帰還回路としての帰還抵抗14bを備えて構成されている。演算増幅器14aは、非反転入力端子(第1の入力端子)が基準電位(グランド)に接続されて基準電圧(ゼロボルト)に規定され、反転入力端子(第2の入力端子)が検出電極11に接続され、かつ反転入力端子と出力端子との間に帰還抵抗14bが接続されている。なお、本例では一例として、1個の帰還抵抗14bで帰還回路を構成しているが、複数の抵抗の直列回路または並列回路や、直列回路および並列回路を組み合わせた直並列回路で帰還回路を構成することもできる。
As one example, the current-
この電流電圧変換回路14は、超音波励起部13によって検出対象52内に発生させられた超音波USに基づいて検出対象52に生じる振動に起因して検出対象52と検出電極11との間に位置する絶縁体51の静電容量の容量値が変化しているときに、検出対象52の電圧V1と検出電極11の電圧(演算増幅器14aの各入力端子間がバーチャルショート状態のため、基準電圧)との電位差Vdi(本例では基準電圧はゼロボルトのため、電圧V1)に起因して、この電位差Vdiの大きさに応じた電流値(振幅)で検出対象52から検出電極11を経由して基準電位に流れる検出電流Iを検出電圧信号V2に変換して出力する。つまり、この電流電圧変換回路14では、検出対象52の電圧V1と、検出電極11の電圧(基準電圧)との間の電位差に応じて振幅が変調された検出電流I(検出対象52に生じる振動に同期する電流)を検出電圧信号V2に変換する。
The current-
この場合、検出電流Iは、検出対象52に生じる振動の周波数(つまり、超音波USの周波数、すなわち交流電流Iacおよび基準信号S1の各周波数と同じ周波数。以下では、「振動周波数」ともいう)で絶縁体51の静電容量の容量値が変化することに起因して発生するため、振動周波数と同じ周波数の交流信号であって、その振幅が上記した電位差Vdi(本例では電圧V1)に応じたレベルに変調された交流信号として発生する。このため、検出電圧信号V2もまた、振動周波数と同じ周波数の交流信号であって、その振幅が電位差Vdi(本例では電圧V1)に応じたレベルに変調された交流信号として電流電圧変換回路14から出力される。
In this case, the detection current I is the frequency of the vibration generated in the detection object 52 (that is, the frequency of the ultrasonic wave US, that is, the same frequency as each frequency of the alternating current Iac and the reference signal S1. Hereinafter, also referred to as “vibration frequency”) Is generated due to a change in the capacitance value of the capacitance of the
なお、電流電圧変換回路14は、一例として上記したように、演算増幅器14aおよび帰還抵抗14bを有する構成として、一般的にその振幅が極めて小さな(微弱な)検出電流Iを感度よく検出して検出電圧信号V2に変換し得るようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、より簡易な構成で電流電圧変換回路14を実現することが望まれる場合には、上記の構成に代えて、図示はしないが、検出電極11に一端が接続されると共に他端が基準電位(グランド)に接続された抵抗を有する構成を採用することもできる。この構成の電流電圧変換回路14では、この抵抗が、検出対象52から検出電極11を経由して基準電位(基準電圧)に流れる検出電流Iを検出電圧信号V2に変換する。そして、この抵抗の一端において変換された検出電圧信号V2が、後述するバッファアンプ15に出力される。
The current-
バッファアンプ15は、高入力インピーダンス、かつ低出力インピーダンスのアンプで構成されて、電流電圧変換回路14から出力される検出電圧信号V2を入力して低インピーダンスで出力する。検波回路16は、一例として同期検波回路で構成されて、バッファアンプ15から入力した検出電圧信号V2を、位相調整回路17から入力した同期信号S2で同期検波することにより、検出電圧信号V2の振幅成分(直流成分)を検出(抽出)して、検波出力(電圧信号)V3として出力する。この検波回路16は、乗算器、アナログスイッチで構成された切替スイッチ(マルチプレクサ)、および相関器のいずれかで構成されている。なお、検波回路16は、包絡線検波回路で構成することもでき、この構成を採用したときには、同期信号S2が不要となるため、位相調整回路17を省略することができる。
The
位相調整回路17は、発振回路12からの基準信号S1を入力すると共に遅延させて同期信号S2として出力する。位相調整回路17は、この基準信号S1に対する同期信号S2の遅延量を調整することが可能に構成されている。また、この遅延量は、検波回路16に入力される交流信号としての検出電圧信号V2の位相と、同期信号S2の位相とが一致するように予め調整されている。
The
出力回路18は、例えば、検波出力V3の電圧値を検出して表示する電圧計や、検波出力V3を入力して低インピーダンスで出力するバッファ回路や、検波出力V3をA/D変換してその電圧値を示す電圧データを出力するA/D変換器などで構成されている。
The
次いで、電圧検出装置1による検出対象52の電圧V1についての検出動作について説明する。なお、電圧V1は、直流電圧であってもよいし、交流電圧であってもよい。本例では一例として、電圧V1は直流電圧であるものとする。
Next, an operation of detecting the voltage V1 of the
まず、図1,3に示すように、検出対象52を被覆する絶縁体51の表面に超音波励起部13を構成する各磁石21a,21cの一方の端部の端面を接触(密着)させることにより、これらの端面と同じ仮想平面W内に位置している検出電極11を絶縁体51の表面に接触(密着)させる。この際には、絶縁体51と検出電極11との間の密着性を向上させるため、これらの部材間に他の絶縁体(例えば、絶縁シートやジェル状の絶縁体)を介在させてもよい。
First, as shown in FIGS. 1 and 3, bringing the end face of one end of each of the
これにより、図3に示すように、磁石21a,21b,21cのうちの一対の磁石21a,21bの各一方の端部間(互いに異なる極性に着磁された端部間)に生じている静磁界M、および他の一対の磁石21b,21cの各一方の端部間(互いに異なる極性に着磁された端部間)に生じている静磁界Mが絶縁体51を介して検出対象52の印加部位に印加される。この場合、一対の磁石21a,21bの各一方の端部同士が絶縁体51の表面に沿って(「検出対象52の表面に沿って」でもある)離間して配置され、また一対の磁石21b,21cの各一方の端部同士も絶縁体51の表面に沿って(「検出対象52の表面に沿って」でもある)離間して配置される構成のため、同図に示すように、検出対象52における印加部位の内部での静磁界Mは、この印加部位の表面に沿った向きで生じている。
As a result, as shown in FIG. 3, static electricity is generated between one end of each of the pair of
また、この超音波励起部13では、磁石21bに対して、一方の端部の極性がこの磁石21bの一方の端部の極性と異なる磁石21a,21c(磁石21bとは別体の磁石)が、それぞれの一方の端部同士が近接するように配置されているため、強い静磁界Mを検出対象52の内部に発生させることが可能になっている。
Further, in the
この状態において、発振回路12から基準信号S1が出力されると、超音波励起部13では、電流源回路22が、基準信号S1に基づいて交流電流Iacを生成してコイル23に供給する。コイル23は、この交流電流Iacの供給を受けて、不図示の交番磁界を発生させる。コイル23は上記したように両側の磁石21a,21cの一方の端部間に形成されている凹部A内に、仮想平面Wと平行な状態で配設されている。このため、コイル23に発生している交番磁界は、検出対象52における静磁界Mの印加部位の表面に印加される。この交番磁界により、検出対象52におけるこの印加部位の表面には、渦電流Iedが発生する。
In this state, when the reference signal S1 is output from the
このようにして、この検出対象52における静磁界Mの印加部位(検出対象52の表面に沿った向きで静磁界Mが生じている部位)の表面に渦電流Iedが発生することから、この静磁界Mと渦電流Iedとに基づいて、白抜きの矢印で示すように、検出対象52のこの印加部位の表面に対して交差する方向(検出対象52の深さ方向。つまり、この印加部位の表面に対して直交する方向)に沿ってローレンツ力Fが発生する。このローレンツ力Fの向きは交流電流Iacの半周期毎に逆転するため、検出対象52の内部には、このローレンツ力Fに基づいて、この印加部位の表面に対して交差する方向(検出対象52の深さ方向)に沿って、交流電流Iacと同じ周波数の超音波USが励起される。また、この超音波USの発生に起因して、検出対象52には、印加部位の表面に対して交差する方向(検出対象52の深さ方向)の振動が交流電流Iacと同じ周波数で発生する。
Thus, since the eddy current Ied is generated on the surface of the portion to which the static magnetic field M is applied in the detection target 52 (the portion where the static magnetic field M is generated in the direction along the surface of the detection target 52) Based on the magnetic field M and the eddy current Ied, as shown by the white arrows, the direction (the depth direction of the
この振動(機械的振動)は検出対象52と接触している絶縁体51に伝わるため、絶縁体51も、検出対象52と同じ周波数(振動周波数)で振動する。この場合、検出対象52と検出電極11との間の距離または密度(絶縁体51の密度)が絶縁体51の振動周波数(検出対象52の振動周波数でもある)と同じ周波数で変化するため、検出対象52と検出電極11との間に位置する絶縁体51の静電容量の容量値もこの振動周波数と同じ周波数で変化する。また、この静電容量の容量値が変化するのに伴い、振幅が電位差Vdi(電圧V1)に応じたレベルに変調され、かつ振動周波数と同じ周波数の交流信号である検出電流Iが、検出対象52、検出電極11および電流電圧変換回路14の帰還抵抗14bを含む経路に流れる。
Since this vibration (mechanical vibration) is transmitted to the
電流電圧変換回路14は、この検出電流Iを検出電圧信号V2に変換して出力し、バッファアンプ15が、電流電圧変換回路14から出力されるこの検出電圧信号V2を入力して低インピーダンスで出力する。一方、位相調整回路17は、基準信号S1を入力すると共に遅延させることにより、同期信号S2を検波回路16に出力している。
The current-
検波回路16は、バッファアンプ15から出力されるこの検出電圧信号V2を、位相調整回路17から出力される同期信号S2で同期検波することにより、検出電圧信号V2の振幅成分(直流成分)を外乱の影響が少ない状態で検出して検波出力(電圧信号)V3として出力回路18に出力する。この場合、検波出力V3として検出された検出電圧信号V2の振幅成分(直流成分)は、上記した電位差Vdi(本例では電圧V1)に応じて、そのレベルが変化する。
The
出力回路18は、この検波出力(電圧信号)V3を入力して、例えば、アナログ電圧計で構成されているときには、検波出力V3の電圧値(電位差Vdi(電圧V1)と比例する電圧値)に基づいて、電位差Vdi(電圧V1)の電圧値を示す数値まで指針を移動させることで、電位差Vdi(電圧V1)の電圧値を目視し得る状態で出力する。また、出力回路18は、例えば、バッファ回路で構成されているときには、検波出力V3を入力して低インピーダンスで外部に出力する(外部の計測器などに対して、検波出力V3に基づいて、電位差Vdi(電圧V1)の電圧値を検出できるように出力する)。また、出力回路18は、例えば、A/D変換器で構成されているときには、検波出力V3を入力してその電圧値を示す電圧データ(電位差Vdi(電圧V1)の電圧値を示す電圧データでもある)を、内部に設けられた処理部(不図示)や外部の処理装置に出力する。
The
このように、この電圧検出装置1では、超音波励起部13が検出対象52の内部に超音波USを励起させることによって検出対象52に振動を発生させ、この発生させた振動で検出電極11を接触させた絶縁体51を振動させることで、検出電流Iを発生させると共に、この検出電流Iに基づいて検出対象52の電圧V1を検出する。したがって、この電圧検出装置1によれば、検出対象52と検出電極11との間に絶縁体51が存在する場合であっても、検出対象52の電圧V1を非接触で(検出電極11を検出対象52に直接接触させることなく)検出することができる。
As described above, in the
また、この電圧検出装置1では、超音波励起部13が、検出対象52における静磁界Mの印加部位の内部にこの印加部位の表面に沿った静磁界Mを発生させる磁石21と、供給される交流電流Iacに基づいて検出対象52に渦電流Iedを発生させるコイル23とを備え、この印加部位の表面に対して直交する方向(検出対象52の深さ方向)に振動する超音波USを検出対象52内に励起させる。したがって、この電圧検出装置1によれば、絶縁体51の静電容量の容量値を最も効率良く変化させ得る方向の振動を検出対象52および絶縁体51に発生させることができるため、検出対象52から検出電極11を経由して基準電位に流れる検出電流Iのレベルを高めることができる結果、検出対象52の電圧V1の検出感度を十分に高めることができる。
Further, in the
また、この電圧検出装置1では、磁石21が、印加部位側の磁極としての一方の端部の近傍にコイル23が配設された中央の磁石21bと、それぞれの印加部位側の磁極としての一方の端部が磁石21bの一方の端部とは異なる極性に着磁されると共に、磁石21bの一方の端部を挟むようにその両側に配設された2つの磁石21a,21cとを備えている。
Further, in the
したがって、この電圧検出装置1によれば、静磁界Mの印加部位における中央の磁石21bの一方の端部との対向部位を基準として、この対向部位の両側の内部に検出対象52の表面に沿った静磁界Mを発生させることができるため、この対向部位の周囲に発生する渦電流Iedに対してより多く静磁界Mを作用させることができる結果、より強い超音波US、ひいてはより強い振動を検出対象52の内部に発生させることができる。これにより、この電圧検出装置1によれば、検出対象52から検出電極11を経由して基準電位に流れる検出電流Iのレベルを一層高めることができる結果、検出対象52の電圧V1の検出感度を一層高めることができる。
Therefore, according to the
また、この電圧検出装置1によれば、検波回路16が検出電圧信号V2を同期信号S2で同期検波して検波出力V3を出力することにより、外乱の影響が少ない状態で検波出力V3を検出して出力することができる。
Further, according to the
また、この電圧検出装置1によれば、電流電圧変換回路14を、演算増幅器14aおよび帰還抵抗14bを有する構成としたことにより、検出電流Iを感度よく検出して検出電圧信号V2に変換することができる。
Further, according to the
なお、上記の例では、両側の磁石21a,21cのそれぞれの一方の端部間に凹部Aを形成して、この凹部A内に検出電極11を超音波励起部13に配設する(上記の例では、中央の磁石21bの一方の端部の端面上に絶縁体25を介在させた状態で配設する)構成を採用しているが、図4に示す超音波励起部13Aのように、検出電極11を分離する構成を採用することもできる。一例として、この超音波励起部13Aでは、同図に示すように、磁石21bの一方の端部の端面を仮想平面W内に位置するようにして、コイル23の中心に形成された孔部内に磁石21bのこの一方の端部を進入させる構成(この一方の端部の外周にコイル23を形成する構成)を採用しているが、上記した超音波励起部13と同様にして、磁石21bの一方の端部を仮想平面Wから凹ませる構成を採用することもできる。なお、上記の超音波励起部13と同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
In the above example, a recess A is formed between one end of each of the
この構成を採用することにより、図4において符号X,Yで示すように、絶縁体51の表面における静磁界Mの印加部位とは異なる位置(位置Xは印加部位と同じ側の位置、位置Yは印加部位とは逆側の位置)に配置することができる。 By adopting this configuration, as shown by reference numerals X and Y in FIG. 4, a position different from the application site of the static magnetic field M on the surface of the insulator 51 (a position X on the same side as the application site, position Y Can be arranged at the position opposite to the application site).
また、上記の超音波励起部13,13Aでは、検出対象52の印加部位の表面に対して、磁石21(磁石21a,21b,21c)を縦にした状態で配置する構成を採用しているが、図5に示す超音波励起部13Bのように、磁石21を横にした状態で配置する構成を採用することもできる。この構成では、検出対象52における印加部位の内部に発生させる静磁界Mの強さが上記の超音波励起部13,13Aと比較して弱くなるものの、この構成においても、同図に示すように、この印加部位の内部に印加部位の表面に沿った状態で静磁界Mを発生させることが可能である。したがって、この超音波励起部13Bにおいても、超音波USを検出対象52の深さ方向に沿って発生させることができるため、検出対象52を深さ方向(印加部位の表面と交差する方向。この例では直交する方向)に沿って振動させることができる。
Further, in the above-described
1 電圧検出装置
11 検出電極
13,13A,13B 超音波励起部
14 電流電圧変換回路
14a 演算増幅器
14b 帰還抵抗
16 検波回路
21,21a〜21c 磁石
23 コイル
51 絶縁体
52 検出対象
I 検出電流
Iac 交流電流
Ied 渦電流
M 静磁界
US 超音波
V1 電圧(検出対象電圧)
V2 検出電圧信号
V3 検波出力
Vdi 電位差
DESCRIPTION OF
I Detection current Iac AC current Ied Eddy current
M Static magnetic field US Ultrasonic wave V1 voltage (voltage to be detected)
V2 detection voltage signal V3 detection output Vdi potential difference
Claims (5)
前記絶縁体に直接的または他の絶縁体を介在させた状態で間接的に接触して配設された検出電極と
前記検出対象に静磁界を印加しつつ当該検出対象における当該静磁界の印加部位に渦電流を発生させることによって当該印加部位の表面に対して交差する方向に振動する超音波を当該検出対象に励起させる超音波励起部と、
前記検出対象に前記超音波が励起されている状態において、前記検出対象から前記検出電極を経由して基準電圧に流れると共に前記検出対象電圧と当該基準電圧との間の電位差に応じて振幅が変調された前記超音波に同期する検出電流を検出電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
前記電位差を示す検波出力を前記検出電圧信号から検出する検波回路とを備えている電圧検出装置。 A voltage detection device for detecting a detection target voltage generated in a detection target covered with an insulator, comprising:
A detection electrode disposed in direct contact with the insulator directly or in a state where another insulator is interposed,
While applying a static magnetic field to the detection target, an eddy current is generated at the application site of the static magnetic field in the detection target to excite an ultrasonic wave vibrating in a direction crossing the surface of the application site to the detection target An ultrasonic excitation unit to
In a state in which the ultrasonic wave is excited in the detection target, the current flows from the detection target to the reference voltage via the detection electrode, and the amplitude is modulated according to the potential difference between the detection target voltage and the reference voltage A current-voltage conversion circuit that converts a detected current synchronized with the ultrasonic wave into a detected voltage signal;
And a detection circuit for detecting a detection output indicating the potential difference from the detection voltage signal.
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