WO2021182082A1 - クランプ式交流電圧プローブ - Google Patents

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正寛 川口
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Definitions

  • the present invention relates to a clamp type AC voltage probe that clamps a cable to be measured.
  • the detection target AC voltage is detected by generating a reference voltage so that the potential difference between the detection target AC voltage and the reference voltage is reduced, that is, by generating a reference voltage having the same voltage as the detection target AC voltage.
  • a voltage detector is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the detection target AC voltage is a high voltage such as several hundred to several thousand volts, such a high voltage is obtained. It will be necessary to provide a circuit that generates voltage. A circuit that generates such a high voltage is expensive, and it is not easy to reproduce the detected high voltage AC waveform. Twice
  • An object of the present invention is to provide a clamp type AC voltage probe that can easily measure a high voltage AC voltage.
  • the clamp-type AC voltage probe includes a clamp portion that clamps the cable to be measured, an electrode arranged so as to face the cable clamped by the clamp portion, a first capacitor, and a first capacitor.
  • a second capacitor having one end connected to the other end and the other end connected to the circuit ground and the one end or the other end of the parallel circuit are connected to the input terminal to amplify the signal input to the input terminal. It is equipped with an amplifier that outputs.
  • the clamp type AC voltage probe having such a configuration can easily measure a high voltage AC voltage.
  • FIG. 1 It is a perspective view which shows an example of the structure of the clamp type AC voltage probe which concerns on one Embodiment of this invention. It is a front view which showed the inside through see-through through the wall on the front side of a clamp arm and a housing shown in FIG. It is a circuit diagram which shows an example of the electric structure of the clamp type AC voltage probe shown in FIG. It is a circuit diagram which shows another example of the electrical structure of the clamp type AC voltage probe shown in FIG.
  • the clamp-type AC voltage probe 1 shown in FIG. 1 roughly includes a clamp portion 2 that clamps the cable CBL to be measured, and a substantially box-shaped housing 3 that is connected to the clamp portion 2.
  • the housing 3 is connected to a measuring device such as an oscilloscope or a data logger via a coaxial cable 4. Twice
  • the clamp portion 2 includes a pair of clamp arms 21 and 22.
  • the base end portion of the clamp arm 21 is pivotally supported by a shaft body 27 attached to the housing 3.
  • the clamp arm 21 is swingable around the shaft body 27. Holding grooves 211 and 221 into which the cable CBL is fitted are formed on the facing surfaces of the clamp arms 21 and 22. Twice
  • the clamp arm 21 is urged toward the clamp arm 22 by a torsion spring (not shown).
  • the urging force of the torsion spring clamps the cable CBL between the clamp arm 21 and the clamp arm 22. Twice
  • the clamp arm 22 is fixedly connected to the housing 3.
  • the clamp arm 22 may be swingable like the clamp arm 21. Twice
  • the clamp arms 21 and 22 and the housing 3 are made of an insulating material, for example, a resin material. Twice
  • a storage space 28 is provided inside the clamp arm 22.
  • the accommodation space 28 communicates with the internal space of the housing 3.
  • a substantially plate-shaped electrode E is arranged in the accommodation space 28.
  • the electrode E may be formed as a conductor pattern on a printed wiring board, for example, or may be a metal plate.
  • the electrode E is arranged so as to face or contact the inner wall surface of the holding groove 221 of the clamp arm 22. As a result, the electrodes E are arranged so as to face the cable CBL clamped by the clamp portion 2 via the wall of the holding groove 221 made of the insulating material. Twice
  • the circuit board 31 is housed in the housing 3.
  • the terminal T3 of the circuit board 31 and the electrode E are connected via the wiring W. Twice
  • the conductive layer 32 indicated by hatching is provided on the accommodation space 28 of the clamp arm 22 and the inner wall surface of the housing 3, except for a portion located between the cable CBL clamped by the clamp portion 2 and the electrode E. Is formed. Twice
  • the conductive layer 32 may be, for example, a metal foil such as an aluminum foil, may be coated with a conductive paint, may be a plating layer, or may be a metal plate. In the example shown in FIG. 2, the conductive layer 32 is not formed on the wall of the holding groove 221 located between the cable CBL clamped by the clamp portion 2 and the electrode E, and the peripheral portion of the electrode E. Twice
  • the outer wall surface of the clamp-type AC voltage probe 1 is made insulating, and between the cable CBL clamped by at least the clamp portion 2 on the inner wall surface of the housing 3 and the inner wall surface of the clamp arm 22, and the electrode E.
  • the part excluding the located part is considered to be conductive. Twice
  • the outer wall surface of the clamp type AC voltage probe 1 is insulated, for example, even if the conductor portion of the cable CBL is exposed, a current flows from the cable CBL to the electrode E and the circuit board 31 to clamp the cable CBL. The risk of damage to the AC voltage probe 1 is reduced. In addition, the safety of the user who operates the clamp type AC voltage probe 1 is improved. Twice
  • the electrode E is not necessarily limited to the example in which the electrode E is arranged inside the clamp portion 2 and is arranged so as to face the cable CBL via an insulating material.
  • the electrode E may be arranged so as to be exposed in, for example, the holding groove 221 and may be arranged so as to face each other in contact with the cable CBL. Twice
  • the clamp type AC voltage probe 1 detects the AC voltage of the cable CBL via the capacitance Cx generated by arranging the conductor wire of the cable CBL and the electrode E so as to face each other.
  • the capacitance Cx is inversely proportional to the facing distance d between the conductor wire of the cable CBL and the electrode E. Therefore, the shorter the facing distance d, the larger the capacitance Cx, and the easier it is to detect the AC voltage. Further, when the facing distance d changes, the voltage level obtained via the capacitance Cx fluctuates. Twice
  • the clamping force of the cable CBL is insufficient only by the urging force of the torsion spring shown in the drawing, and a gap is generated between the cable CBL and the holding groove 221 to increase the facing distance d.
  • the capacitance Cx may decrease. Further, the cable CBL may fluctuate, the facing distance d may fluctuate, and the capacitance Cx may fluctuate. Twice
  • the clamp arms 21 and 22 can be fastened with screws 25 to firmly clamp the cable CBL, so that the capacitance Cx can be reduced due to the increase in the facing distance d and the cable can be reduced. It is possible to reduce the possibility that the capacitance Cx fluctuates due to the shaking of the CBL. Twice
  • the nut 26 may be provided on the screw hole 23 side, and the screw 25 may be inserted through the screw hole 24. Further, a screw groove may be formed in the screw hole 23 or the screw hole 24 without providing the nut 26. Twice
  • the clamp type AC voltage probe 1 shown in FIG. 3 includes an electrode E, a parallel circuit 5, a resistor R2 (second resistor), a capacitor C2 (second capacitor), an amplifier A1, and terminals T1 and T2.
  • the parallel circuit 5 is a parallel circuit of the capacitor C1 (first capacitor) and the resistor R1 (first resistor).
  • the parallel circuit 5, the resistor R2, the capacitor C2, the amplifier A1, and the terminals T1 and T2 are formed on the circuit board 31. Twice
  • the electrode E is connected to one end P1 of the parallel circuit 5 via the wiring W shown in FIG. 2 and the terminal T3.
  • the other end P2 of the parallel circuit 5 is connected to the circuit ground via the capacitor C2. Further, the other end P2 of the parallel circuit 5 is connected to the circuit ground via the resistor R2.
  • the circuit ground is connected to the conductive layer 32. Twice
  • One end P1 of the parallel circuit 5 is connected to the input terminal of the amplifier A1.
  • the output terminal of the amplifier A1 is connected to the terminal T1.
  • Terminal T2 is connected to the circuit ground. Twice
  • the terminal T1 is connected to the core wire of the coaxial cable 4, and the terminal T2 is connected to the shielded wire of the coaxial cable 4.
  • the output signal of the amplifier A1 is output to a measuring device such as an oscilloscope or a data logger via the coaxial cable 4.
  • the output signal of the amplifier A1 is not limited to the example of being output via the coaxial cable, and may be a twisted pair cable, a multi-core cable, or the like. Further, the output signal line of the amplifier A1 and the operation power supply line of the amplifier A1 and the like may be included in one cable. From the viewpoint of reducing the influence of noise, it is more preferable that a cable for supplying an operating power source for the amplifier A1 or the like is provided separately from the cable for the output signal of the amplifier A1. Twice
  • the cable CBL is not particularly limited, but for example, a power cable for driving a motor of an electric vehicle is assumed.
  • the AC voltage of a square wave periodic waveform by PWM (Pulse Width Modulation) output from an inverter is the measurement target.
  • the assumed voltage is AC200V to 1000V
  • the measurement waveform is a pulse corresponding to a frequency of 1kHz to 1MHz. Twice
  • the AC voltage of the cable CBL is applied to one end P1 of the parallel circuit 5 via the capacitance Cx. Twice
  • a series circuit of the resistor R1 and the capacitor C2 is configured.
  • the series circuit of the resistor R1 and the capacitor C2 is a so-called integrator circuit, and functions as a low-pass filter for passing low frequency components. Twice
  • the series circuit of the resistor R1 and the capacitor C2 corresponds to the period of the square wave.
  • the low frequency component to be used can be input to the amplifier A1. Twice
  • a series circuit of the capacitor C1 and the resistor R2 is configured.
  • the series circuit of the capacitor C1 and the resistor R2 is a so-called differentiating circuit, and functions as a high-pass filter for passing high frequency components. Twice
  • the capacitor C1 and the resistor R are applied. According to the series circuit of 2, the high frequency component corresponding to the rising and falling edges of the rectangular wave can be input to the amplifier A1.
  • both the low frequency component corresponding to the period of the square wave and the high frequency component corresponding to the rise and fall of the square wave are superimposed and input to the input terminal of the amplifier A1. Therefore, the AC voltage waveform detected from the cable CBL can be accurately amplified by the amplifier A1 and output to the measuring device. Twice
  • the resistance value R 1 of the resistor R1 is much larger than the impedance of the capacitor C1.
  • the resistance value R 1 can be set to 1 M ⁇ to 1 G ⁇ .
  • Z of the capacitor C1 when the frequency f is 1 MHz. 1M ⁇ / 159 ⁇ 6300 times or more larger than
  • Va Vin ⁇ (CxC 2 + CxC 1 ) / (C 1 C 2 + CxC 2 + CxC 1 ) ... (1)
  • the capacitance of the capacitor C1 is C 1 and the capacitance of the capacitor C 2 is C 2. ..
  • the cable voltage Vin is divided and the input voltage Va whose voltage is reduced is input to the amplifier A1. Therefore, as described in Patent Document 1, it is high. It becomes easy to measure a high voltage AC voltage without providing a circuit for generating a voltage. Twice
  • the capacitance Cx can be 0.1 to 10 pF
  • the capacitance C 1 can be 0.1 to 10 nF
  • the capacitance C 2 can be 1 to 100 nF.
  • Va Vin ⁇ 0.001 according to the equation (1).
  • Va Vin ⁇ 0.001 according to the equation (1).
  • the input voltage Va whose cable voltage Vin is reduced to 1/1000 can be input to the amplifier A1.
  • the input voltage Va input to the amplifier A1 is 1 V, so that it is easy to measure the high voltage cable voltage Vin. Twice
  • the amplifier A1 is a so-called amplifier circuit that amplifies and outputs an input signal.
  • the amplifier A1 preferably has an element having a high input impedance, and for example, an amplifier configured by using FETs such as a junction FET (Field Effect Transistor) and a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) can be preferably used. .. Twice
  • the AC current detected by the electrode E from the cable CBL flows through the series circuit of the capacitance Cx and the capacitors C1 and C2, so that the cable voltage Vin is divided and the input voltage Va is transferred to the amplifier A1. Entered. However, if the input impedance of the amplifier A1 is small, the detected alternating current flows into the amplifier A1, the current flowing through the series circuit of the capacitance Cx and the capacitors C1 and C2 decreases, and the input voltage Va decreases. Therefore, the detection accuracy of the cable voltage Vin may be lowered. Twice
  • the output signal of the amplifier A1 is output to the measuring device via the terminal T1 and the coaxial cable 4. This makes it possible to observe the AC voltage waveform of the cable CBL with a measuring device. Twice
  • the input terminal of the amplifier A1 may be connected to the other end P2 instead of one end P1.
  • the filter characteristics of a low-pass filter composed of a resistor R1 and a capacitor C2 and a high-pass filter composed of a capacitor C1 and a resistor R2 depending on the frequency and waveform of the signal to be detected.
  • the input terminal of the amplifier A1 is connected to the other end P2. If this is done, the detection level input to the amplifier A1 will change. Twice
  • the input terminal of the amplifier A1 when the input terminal of the amplifier A1 is once connected to P1, if the capacitance of the capacitors C1 and C2 is adjusted within the range where the series impedance of the capacitors C1 and C2 does not change, the detection level input to the amplifier A1 can be adjusted. It is possible to adjust the filter characteristics while suppressing changes. Therefore, the input terminal of the amplifier A1 may be connected to the other end P2, but it is more preferable to connect the input terminal to the other end P1. Twice
  • the clamp-type AC voltage probe includes a clamp portion that clamps the cable to be measured, an electrode arranged so as to face the cable clamped by the clamp portion, and a first capacitor.
  • the first resistor are connected in parallel, one end is connected to the electrode, and the second resistor, one end is connected to the other end of the parallel circuit and the other end is connected to the circuit ground, and the parallel A second capacitor having one end connected to the other end of the circuit and the other end connected to the circuit ground, and the one end or the other end of the parallel circuit connected to the input terminal and input to the input terminal. It is equipped with an amplifier that amplifies and outputs. Twice
  • the core wire of the cable and the electrode are arranged to face each other, and the electrode is electrostatically coupled to the core wire of the cable.
  • the AC voltage of the cable is applied to one end of the parallel circuit through the capacitance generated between the core wire of the cable and the electrode.
  • the first resistor and the second capacitor are connected in series to form a low-pass filter, and the first capacitor and the second resistor are connected in series to form a high-pass filter.
  • the basic frequency of the AC voltage to be measured is acquired by the low-pass filter, and the high-frequency components included in the waveforms such as the rising and falling edges of the AC voltage are acquired by the high-pass filter, so that the waveform to be measured is accurately obtained.
  • the input terminal of the amplifier is connected to the one end of the parallel circuit. Twice
  • the voltage division ratio of the voltage input to the amplifier is determined by the series impedance of the first capacitor and the second capacitor.
  • the voltage division ratio of the voltage input to the amplifier is determined by the impedance of the second capacitor. Therefore, if the capacitance of the second capacitor is changed in order to adjust the characteristics of the low-pass filter, the signal level input to the amplifier also changes.
  • the voltage division ratio of the voltage input to the amplifier is determined by the series impedance of the first capacitor and the second capacitor, so that the series impedance of the first and second capacitors is not changed within the range of the second capacitor.
  • the resistance value of the first resistor is preferably larger than the impedance of the first capacitor. Twice
  • the input terminal of the amplifier has a high impedance. Twice
  • the amplifier is configured by using FET. Twice
  • the input impedance of the FET is high impedance, it is suitable as the above-mentioned amplifier. Twice
  • the clamp portion is configured by using an insulating material, the electrodes are arranged inside the clamp portion, and are arranged so as to face the cable via the insulating material. Twice
  • a housing connected to the clamp portion and accommodating the parallel circuit, the second resistor, the second capacitor, and the amplifier is further provided, and the outer wall surface of the housing is insulating and the inner wall surface is conductive. It is preferable that the circuit ground is connected to the conductive inner wall surface. Twice
  • the outer wall surface of the housing touched by the user is made insulating to improve safety, and the conductive inner wall surface can reduce electromagnetic noise from the external environment. Twice
  • the clamp portion has a storage space for accommodating the electrode, the outer wall surface of the clamp portion is insulating, and the inner wall surface of the accommodation space is a portion located at least between the electrode and the cable. Except for this, it is considered to be conductive, and it is preferable that the circuit ground is connected to the conductive inner wall surface of the accommodation space. Twice
  • the outer wall surface of the clamp portion touched by the user is made insulating to improve safety, and the conductive portion of the inner wall surface can reduce electromagnetic noise from the external environment. Twice
  • the clamp portion clamps the cable by a pair of clamp arms, at least one base end portion of the pair of clamp arms is pivotally supported by a shaft body, and the at least one clamp arm holds the shaft body. It is preferable that a screw hole that can swing at the center and can accept a screw for fastening the pair of clamp arms is formed in the vicinity of the tips of the pair of clamp arms. Twice
  • the cable can be firmly clamped by the pair of clamp arms. Therefore, a gap is less likely to occur between the cable and the clamp arm, and the capacitance between the cable electrodes is stable. As a result, the cable voltage can be easily detected by the clamp type AC voltage probe.

Abstract

高電圧の交流電圧を測定することが容易なクランプ式交流電圧プローブを提供する。クランプ式交流電圧プローブ１は、測定対象のケーブルＣＢＬをクランプするクランプ部２と、クランプ部２によってクランプされたケーブルＣＢＬに対向するように配設された電極Ｅと、キャパシタＣ１と抵抗Ｒ１とが並列接続され、一端Ｐ１が電極Ｅと接続された並列回路５と、並列回路５の他端Ｐ２に一端が接続され、他端が回路グラウンドに接続された抵抗Ｒ２と、並列回路５の他端Ｐ２に一端が接続され、他端が回路グラウンドに接続されたキャパシタＣ２と、並列回路５の一端Ｐ１又は他端Ｐ２が入力端子に接続され、その入力端子に入力された信号を増幅して出力するアンプＡ１とを備える。

Description

クランプ式交流電圧プローブ
本発明は、測定対象のケーブルをクランプするクランプ式交流電圧プローブに関する。
従来より、検出対象交流電圧と基準電圧との間の電位差が減少するように基準電圧を生成する、すなわち検出対象交流電圧と同じ電圧の基準電圧を生成することによって、検出対象交流電圧を検出する電圧検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０１０－２５９１８号公報
しかしながら、上述の電圧検出装置によれば、検出対象交流電圧と同じ電圧の基準電圧を生成する必要があるので、例えば検出対象交流電圧が数百～千ボルトといった高電圧の場合、このような高電圧を生成する回路を設ける必要が生じる。このような高電圧を生成する回路は高コストであり、かつ検出された高電圧の交流波形を再現するのは容易でない。　
本発明の目的は、高電圧の交流電圧を測定することが容易なクランプ式交流電圧プローブを提供することである。
本発明の一例に係るクランプ式交流電圧プローブは、測定対象のケーブルをクランプするクランプ部と、前記クランプ部によってクランプされた前記ケーブルに対向するように配設された電極と、第一キャパシタと第一抵抗とが並列接続され、一端が前記電極と接続された並列回路と、前記並列回路の他端に一端が接続され、他端が回路グラウンドに接続された第二抵抗と、前記並列回路の他端に一端が接続され、他端が回路グラウンドに接続された第二キャパシタと、前記並列回路の前記一端又は前記他端が入力端子に接続され、前記入力端子に入力された信号を増幅して出力するアンプとを備える。
このような構成のクランプ式交流電圧プローブは、高電圧の交流電圧を測定することが容易である。
本発明の一実施形態に係るクランプ式交流電圧プローブの構成の一例を示す斜視図である。 図１に示すクランプアームと筐体の手前側の壁を透視して内部を示した正面図である。 図１に示すクランプ式交流電圧プローブの電気的構成の一例を示す回路図である。 図３に示すクランプ式交流電圧プローブの電気的構成の他の一例を示す回路図である。
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。　
図１に示すクランプ式交流電圧プローブ１は、大略的に、測定対象のケーブルＣＢＬをクランプするクランプ部２と、クランプ部２と連結された略箱状形状の筐体３とを備えている。筐体３は、同軸ケーブル４を介してオシロスコープやデータロガー等の測定装置に接続されている。　
クランプ部２は、一対のクランプアーム２１，２２を備えている。クランプアーム２１の基端部は、筐体３に取り付けられた軸体２７によって軸支されている。クランプアーム２１は、軸体２７を中心に揺動可能とされている。クランプアーム２１，２２の対向面には、ケーブルＣＢＬが嵌まり込む保持溝２１１，２２１が形成されている。　
クランプアーム２１は、図略のねじりばねによって、クランプアーム２２に向けて付勢されている。ねじりばねの付勢力により、クランプアーム２１とクランプアーム２２との間にケーブルＣＢＬをクランプするようになっている。　
図２を参照して、クランプアーム２２は筐体３に対して固定的に連結されている。なお、クランプアーム２２は、クランプアーム２１と同様に揺動可能であってもよい。　
クランプアーム２１，２２及び筐体３は、絶縁材料、例えば樹脂材料によって構成されている。　
クランプアーム２２の内部には、収容空間２８が設けられている。収容空間２８は、筐体３の内部空間と連通している。収容空間２８には、略板状形状の電極Ｅが配設されている。電極Ｅは、例えばプリント配線基板に導体パターンとして形成されていてもよく、金属板であってもよい。電極Ｅは、クランプアーム２２の保持溝２２１の内壁面と対向又は接触して配設されている。これにより、クランプ部２によってクランプされたケーブルＣＢＬに対して、絶縁材料で構成された保持溝２２１の壁を介して電極Ｅが対向配置されるようになっている。　
筐体３には、回路基板３１が収容されている。回路基板３１の端子Ｔ３と電極Ｅとが、配線Ｗを介して接続されている。　
クランプアーム２２の収容空間２８及び筐体３の内壁面には、少なくともクランプ部２によってクランプされたケーブルＣＢＬと電極Ｅとの間に位置する部分を除いて、ハッチングで示す導電性の導電層３２が形成されている。　
導電層３２は、例えばアルミ箔等の金属箔であってもよく、導電性の塗料が塗布されたものであってもよく、めっき層であってもよく、金属板であってもよい。図２に示す例では、クランプ部２によってクランプされたケーブルＣＢＬと電極Ｅとの間に位置する保持溝２２１の壁と、電極Ｅの周辺部には導電層３２が形成されていない。　
これにより、クランプ式交流電圧プローブ１の外壁面は絶縁性とされ、筐体３の内壁面、及びクランプアーム２２の内壁面における少なくともクランプ部２によってクランプされたケーブルＣＢＬと電極Ｅとの間に位置する部分を除く部分が導電性とされている。　
クランプ式交流電圧プローブ１の外壁面が絶縁性とされているので、例えばケーブルＣＢＬの導体部分が露出していた場合であっても、電極Ｅや回路基板３１にケーブルＣＢＬから電流が流れてクランプ式交流電圧プローブ１が損傷するおそれが低減される。また、クランプ式交流電圧プローブ１を操作するユーザの安全性が向上する。　
また、導電層３２を備えることによって、外部環境からの電磁ノイズを低減することができる。　
なお、電極Ｅは、必ずしもクランプ部２の内部に配設され、絶縁材料を介してケーブルＣＢＬと対向するように配置される例に限らない。電極Ｅは、例えば保持溝２２１に露出して配置され、ケーブルＣＢＬと接触した状態で対向配置されてもよい。　
クランプアーム２１，２２の先端付近には、クランプアーム２１，２２が閉じた状態で、クランプアーム２１，２２を貫通するばか孔のネジ孔２３，２４が形成されている。クランプアーム２２のネジ孔２４の、クランプアーム２１とは逆側には、ナット２６が取り付けられている。これにより、ネジ孔２３側からネジ孔２４へネジ２５を挿入し、ネジ２５とナット２６とを締結することによって、ケーブルＣＢＬをクランプアーム２１，２２で強固にクランプすることができる。　
後述するように、クランプ式交流電圧プローブ１は、ケーブルＣＢＬの導体線と電極Ｅとを対向配置することにより生じる静電容量Ｃｘを介してケーブルＣＢＬの交流電圧を検出する。静電容量Ｃｘは、ケーブルＣＢＬの導体線と電極Ｅの対向距離ｄに反比例する。そのため、対向距離ｄが短いほど静電容量Ｃｘが増大し、交流電圧の検出が容易になる。また、対向距離ｄが変化すると、静電容量Ｃｘを介して得られる電圧レベルが変動する。　
一方、クランプアーム２１，２２は、図略のねじりばねの付勢力だけでは、ケーブルＣＢＬのクランプ力が不足してケーブルＣＢＬと保持溝２２１との間に隙間が生じて対向距離ｄが増大し、静電容量Ｃｘが減少するおそれがある。また、ケーブルＣＢＬが揺れて対向距離ｄが変動し、静電容量Ｃｘが変動するおそれがある。　
しかしながら、クランプ式交流電圧プローブ１は、クランプアーム２１，２２を、ネジ２５で締結してケーブルＣＢＬを強固にクランプすることができるので、対向距離ｄの増大による静電容量Ｃｘの減少や、ケーブルＣＢＬの揺れによる静電容量Ｃｘの変動が生じるおそれを低減することができる。　
なお、ナット２６をネジ孔２３側に設けてネジ孔２４からネジ２５を挿入してもよい。また、ナット２６を設けず、ネジ孔２３又はネジ孔２４に、ねじ溝を形成してもよい。　
図３に示すクランプ式交流電圧プローブ１は、電極Ｅ、並列回路５、抵抗Ｒ２（第二抵抗）、キャパシタＣ２（第二キャパシタ）、アンプＡ１、及び端子Ｔ１，Ｔ２を備えている。並列回路５は、キャパシタＣ１（第一キャパシタ）と、抵抗Ｒ１（第一抵抗）との並列回路である。並列回路５、抵抗Ｒ２、キャパシタＣ２、アンプＡ１、及び端子Ｔ１，Ｔ２は、回路基板３１に形成されている。　
図３では、ケーブルＣＢＬと電極Ｅとが対向することにより形成される静電容量を、静電容量Ｃｘで表している。　
電極Ｅは、図２に示す配線Ｗと端子Ｔ３とを介して並列回路５の一端Ｐ１に接続されている。並列回路５の他端Ｐ２は、キャパシタＣ２を介して回路グラウンドに接続されている。また、並列回路５の他端Ｐ２は、抵抗Ｒ２を介して回路グラウンドに接続されている。回路グラウンドは、導電層３２と接続されている。　
並列回路５の一端Ｐ１は、アンプＡ１の入力端子に接続されている。アンプＡ１の出力端子は、端子Ｔ１に接続されている。端子Ｔ２は回路グラウンドに接続されている。　
端子Ｔ１は同軸ケーブル４の芯線に接続され、端子Ｔ２は同軸ケーブル４のシールド線に接続されている。これにより、アンプＡ１の出力信号が、同軸ケーブル４を介してオシロスコープやデータロガー等の測定装置へ出力される。なお、アンプＡ１の出力信号は、同軸ケーブルを介して出力される例に限られず、ツイストペアケーブルや多芯ケーブル等であってもよい。また、アンプＡ１の出力信号ラインと、アンプＡ１等の動作用電源ラインとが、一本のケーブルに包含されていてもよい。ノイズの影響を低減する観点からは、アンプＡ１の出力信号用のケーブルとは別に、アンプＡ１等の動作用電源を供給するケーブルが設けられることが、より好ましい。　
ケーブルＣＢＬは、特に限定されないが、例えば電気自動車のモータ駆動用電源ケーブルが想定される。電気自動車のモータ駆動用電源ケーブルの場合、インバータから出力されたＰＷＭ(Pulse Width Modulation)による矩形波周期波形の交流電圧が、測定対象となる。この場合、想定される電圧はＡＣ２００Ｖ～１０００Ｖ、測定波形は周波数１ｋＨｚ～１ＭＨｚ相当のパルスとなる。　
ケーブルＣＢＬの交流電圧は、静電容量Ｃｘを介して並列回路５の一端Ｐ１に印加される。　
例えばＰＷＭによる矩形波周期波形の場合、矩形波の立ち上がり、立ち下がりに高周波成分が含まれるため、ケーブルＣＢＬの電圧波形を精度よく測定するためには矩形波の周期に対応する低周波成分と、矩形波の立ち上がり、立ち下がりに対応する高周波成分の両方を検出する必要がある。　
そこでクランプ式交流電圧プローブ１によれば、抵抗Ｒ１とキャパシタＣ２の直列回路が構成される。抵抗Ｒ１とキャパシタＣ２の直列回路は、いわゆる積分回路であり、低周波成分を通過させるローパスフィルタとして機能する。　
アンプＡ１の入力端子には、キャパシタＣ２の端子間電圧と、抵抗Ｒ１の端子間電圧とが加算されて印加されるから、抵抗Ｒ１とキャパシタＣ２の直列回路によれば、矩形波の周期に対応する低周波成分を、アンプＡ１に入力することができる。　
また、クランプ式交流電圧プローブ１によれば、キャパシタＣ１と抵抗Ｒ２の直列回路が構成される。キャパシタＣ１と抵抗Ｒ２の直列回路は、いわゆる微分回路であり、高周波成分を通過させるハイパスフィルタとして機能する。　
アンプＡ１の入力端子には、抵抗Ｒ２の端子間電圧と、キャパシタＣ１の端子間電圧とが加算されて印加されるから、キャパシタＣ１と抵抗Ｒ
２の直列回路によれば、矩形波の立ち上がり、立ち下がりに対応する高周波成分を、アンプＡ１に入力することができる。　
すなわち、アンプＡ１の入力端子には、矩形波の周期に対応する低周波成分と、矩形波の立ち上がり、立ち下がりに対応する高周波成分の両方が重畳されて入力される。従って、ケーブルＣＢＬから検出された交流電圧波形を精度よく、アンプＡ１で増幅し、測定装置へ出力することが可能となる。　
また、抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１は、キャパシタＣ１のインピーダンスよりも非常に大きくされている。具体的には、例えば抵抗値Ｒ１を１ＭΩ～１ＧΩとすることができる。例えば、想定される周波数ｆを１ｋＨｚ～１ＭＨｚ、キャパシタＣ１を１ｎＦとすれば、キャパシタＣ１の１ｋＨｚに対するインピーダンス｜Ｚ｜は１／（２π×１０３×１０－９）＝１５９ｋΩ、キャパシタＣ１の１ＭＨｚに対するインピーダンス｜Ｚ｜は１／（２π×１０６×１０－９）＝１５９Ωとなる。　
これにより、抵抗値Ｒ１は、周波数ｆが１ｋＨｚのときのキャパシタＣ１のインピーダンス｜Ｚ｜に対して１ＭΩ／１５９ｋΩ＝６．３倍以上大きく、周波数ｆが１ＭＨｚのときのキャパシタＣ１のインピーダンス｜Ｚ｜に対して１ＭΩ／１５９Ω＝６３００倍以上大きい。そのため、ケーブルＣＢＬから検出される交流電流は、その大部分が、静電容量Ｃｘ、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列回路を流れる。　
その結果、抵抗Ｒ１に流れる電流を略無視することができるので、ケーブルＣＢＬのケーブル電圧Ｖｉｎは、静電容量Ｃｘ、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列回路で分圧され、アンプＡ１に入力される入力電圧Ｖａは、下記の式（１）で近似できる。　
Ｖａ＝Ｖｉｎ×（ＣｘＣ２＋ＣｘＣ１）／（Ｃ１Ｃ２＋ＣｘＣ２＋ＣｘＣ１）・・・（１）但し、キャパシタＣ１の静電容量をＣ１、キャパシタＣ２の静電容量をＣ２とする。　
このように、クランプ式交流電圧プローブ１によれば、ケーブル電圧Ｖｉｎは分圧され、電圧が低減された入力電圧ＶａがアンプＡ１に入力されるので、特許文献１に記載されているように高電圧を生成する回路を設けることなく、高電圧の交流電圧を測定することが容易となる。　
例えば、静電容量Ｃｘを０．１～１０ｐＦ、静電容量Ｃ１を０．１～１０ｎＦ、静電容量Ｃ２を１～１００ｎＦとすることができる。Ｃｘ＝０．１ｐＦ、Ｃ１＝０．１ｎＦ、Ｃ２＝１ｎＦのとき、式（１）によれば、Ｖａ＝Ｖｉｎ×０．００１となる。また、Ｃｘ＝１０ｐＦ、Ｃ１＝１０ｎＦ、Ｃ２＝１００ｎＦのとき、式（１）によれば、Ｖａ＝Ｖｉｎ×０．００１となる。　
すなわち、ケーブル電圧Ｖｉｎが１／１０００に低電圧化された入力電圧ＶａをアンプＡ１へ入力することができる。この場合、ケーブル電圧Ｖｉｎが１ｋＶであっても、アンプＡ１に入力される入力電圧Ｖａは１Ｖとなるから、高電圧のケーブル電圧Ｖｉｎを測定することが容易となる。　
アンプＡ１は、入力された信号を増幅して出力するいわゆる増幅回路である。アンプＡ１は、入力インピーダンスがハイインピーダンスである素子が好ましく、例えばジャンクションＦＥＴ(Field Effect Transistor)やＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor FET)等のＦＥＴを用いて構成されたアンプを好適に用いることができる。　
上述したように、ケーブルＣＢＬから電極Ｅによって検出された交流電流が、静電容量Ｃｘ、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列回路を流れることにより、ケーブル電圧Ｖｉｎが分圧されて入力電圧ＶａがアンプＡ１に入力される。しかしながら、アンプＡ１の入力インピーダンスが小さいと、検出された交流電流がアンプＡ１に流れ込み、静電容量Ｃｘ、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列回路を流れる電流が減少して入力電圧Ｖａが低下する。そのため、ケーブル電圧Ｖｉｎの検出精度が低下してしまうおそれがある。　
しかしながら、アンプＡ１の入力インピーダンスをハイインピーダンスとすることによって、アンプＡ１の入力端子に流れ込む電流を低減することができる。その結果、ケーブル電圧Ｖｉｎの検出精度が低下するおそれを低減することができる。　
アンプＡ１の出力信号は、端子Ｔ１及び同軸ケーブル４を介して測定装置へ出力される。これにより、ケーブルＣＢＬの交流電圧波形を測定装置で観測することが可能となる。　
なお、図４に示すように、アンプＡ１の入力端子を一端Ｐ１ではなく他端Ｐ２に接続してもよい。しかしながら、検出しようとする信号の周波数や波形によって、抵抗Ｒ１及びキャパシタＣ２からなるローパスフィルタ、キャパシタＣ１及び抵抗Ｒ２からなるハイパスフィルタのフィルタ特性を調整したい場合がある。このようなフィルタ特性の調整に伴いキャパシタＣ１，Ｃ２の回路定数が変更され、静電容量Ｃｘ、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列回路における分圧比が変化すると、アンプＡ１の入力端子を他端Ｐ２に接続した場合、アンプＡ１に入力される検出レベルが変化してしまう。　
一方、アンプＡ１の入力端子を一端Ｐ１に接続した場合、キャパシタＣ１，Ｃ２の直列インピーダンスが変化しない範囲内でキャパシタＣ１，Ｃ２の静電容量を調節すれば、アンプＡ１に入力される検出レベルの変化を抑制しつつ、フィルタ特性を調整することが可能となる。従って、アンプＡ１の入力端子を他端Ｐ２に接続してもよいが、一端Ｐ１に接続する方がより好ましい。　
すなわち、本発明の一例に係るクランプ式交流電圧プローブは、測定対象のケーブルをクランプするクランプ部と、前記クランプ部によってクランプされた前記ケーブルに対向するように配設された電極と、第一キャパシタと第一抵抗とが並列接続され、一端が前記電極と接続された並列回路と、前記並列回路の他端に一端が接続され、他端が回路グラウンドに接続された第二抵抗と、前記並列回路の他端に一端が接続され、他端が回路グラウンドに接続された第二キャパシタと、前記並列回路の前記一端又は前記他端が入力端子に接続され、前記入力端子に入力された信号を増幅して出力するアンプとを備える。　
この構成によれば、ケーブルの芯線と電極とが対向配置され、電極がケーブルの芯線と静電結合する。その結果、ケーブルの芯線と電極との間に生じた静電容量を介してケーブルの交流電圧が並列回路の一端に印加される。また、第一抵抗と第二キャパシタとが直列接続されてローパスフィルタが構成され、第一キャパシタと第二抵抗とが直列接続されてハイパスフィルタが構成される。その結果、測定対象となる交流電圧の基本周波数をローパスフィルタで取得し、交流電圧の立ち上がり、立ち下がり等の波形に含まれる高周波成分をハイパスフィルタで取得することによって、測定対象の波形を精度よく検出することが容易になる。さらに、ケーブルと電極とは静電結合しているので、ケーブルからの直流電流は遮断され、電極から得られる電流は交流となる。その結果、アンプに入力される電圧は、ケーブル電極間の静電容量、第一キャパシタ、及び第二キャパシタによる分圧が支配的になる。そうすると、例えケーブルの電圧が高電圧であったとしても、アンプには、分圧されて低電圧化された電圧が入力される。従って、測定対象が高電圧であったとしても、特許文献１に記載されているように高電圧を生成する回路を設けることなく検出することができるから、このクランプ式交流電圧プローブを用いれば、高電圧の交流電圧を測定することが容易である。　
また、前記アンプの前記入力端子は、前記並列回路の前記一端と接続されることが好ましい。　
この構成によれば、第一キャパシタと第二キャパシタの直列インピーダンスによってアンプに入力される電圧の分圧比が決まる。これに対し、アンプの入力端子を並列回路の前記他端と接続した場合、第二キャパシタのインピーダンスによってアンプに入力される電圧の分圧比が決まる。そのため、ローパスフィルタの特性を調整するべく第二キャパシタの静電容量を変化させると、アンプに入力される信号レベルも変化する。一方、この構成によれば、第一キャパシタと第二キャパシタの直列インピーダンスによってアンプに入力される電圧の分圧比が決まるので、第一及び第二キャパシタの直列インピーダンスを変化させない範囲で第二キャパシタの静電容量を変化させることにより、アンプに入力される信号レベルの変化を抑制しつつ、第二キャパシタの静電容量を調節することが容易になる。　
また、前記第一抵抗の抵抗値は、前記第一キャパシタのインピーダンスよりも大きいことが好ましい。　
この構成によれば、第一キャパシタと第一抵抗の並列回路において、第一抵抗よりも第一キャパシタに多くの電流が流れる。その結果、ケーブル電極間の静電容量、第一キャパシタ、及び第二キャパシタによる分圧精度が向上する。　
また、前記アンプの前記入力端子は、ハイインピーダンスであることが好ましい。　
この構成によれば、電極からアンプの入力端子に流れ込む電流が低減されるので、ケーブル電極間の静電容量、第一キャパシタ、及び第二キャパシタによる分圧精度が向上する。　
また、前記アンプは、ＦＥＴを用いて構成されていることが好ましい。　
ＦＥＴの入力インピーダンスはハイインピーダンスであるから、上述のアンプとして適している。　
また、前記クランプ部は、絶縁材料を用いて構成され、前記電極は、前記クランプ部の内部に配設され、前記絶縁材料を介して前記ケーブルに対向するように配置されていることが好ましい。　
この構成によれば、ケーブルの芯線がクランプ部に接触した場合であっても、直接ケーブルの電圧が電極に印加されないので、クランプ式交流電圧プローブの安全性が向上する。　
また、前記クランプ部と連結され、前記並列回路、前記第二抵抗、前記第二キャパシタ、及び前記アンプを収容する筐体をさらに備え、前記筐体は、外壁面が絶縁性、内壁面が導電性とされ、前記導電性の内壁面に前記回路グラウンドが接続されていることが好ましい。　
この構成によれば、ユーザが触れる筐体の外壁面を絶縁性にして安全性を向上しつつ、導電性の内壁面によって、外部環境からの電磁ノイズを低減することができる。　
また、前記クランプ部は、前記電極を収容する収容空間を有し、前記クランプ部の外壁面は絶縁性、前記収容空間の内壁面は、少なくとも前記電極と前記ケーブルとの間に位置する部分を除いて導電性とされ、前記収容空間の導電性の内壁面に前記回路グラウンドが接続されていることが好ましい。　
この構成によれば、ユーザが触れるクランプ部の外壁面を絶縁性にして安全性を向上しつつ、内壁面の導電性にされた部分によって、外部環境からの電磁ノイズを低減することができる。　
また、前記クランプ部は、一対のクランプアームによって前記ケーブルをクランプし、前記一対のクランプアームのうち少なくとも一方の基端部は軸体で軸支され、前記少なくとも一方のクランプアームは前記軸体を中心に揺動可能であり、前記一対のクランプアームの先端近傍には、前記一対のクランプアームを締結するためのネジを受け入れ可能なネジ孔が形成されていることが好ましい。　
この構成によれば、ネジによって一対のクランプアームを締結することができるので、ケーブルを一対のクランプアームで強固にクランプすることができる。そのため、ケーブルとクランプアームとの間に隙間が生じにくくなり、ケーブル電極間の静電容量が安定する。その結果、クランプ式交流電圧プローブによるケーブル電圧の検出が容易になる。
１    クランプ式交流電圧プローブ２    クラ
ンプ部３    筐体４    同軸ケーブル５    並列回路２１，２２  クランプアーム２３，２４  ネジ孔２５  ネジ２６  ナット２７  軸体２８  収容空間３１  回路基板３２  導電層２１１，２２１    保持溝Ａ１  アンプＣ１  キャパシタ（第一キャパシタ）Ｃ２  キャパシタ（第二キャパシタ）ＣＢＬ      ケーブルＥ    電極Ｐ１  一端Ｐ２  他端Ｒ１  抵抗（第一抵抗）Ｒ２  抵抗（第二抵抗）Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３  端子Ｖａ  入力電圧Ｖｉｎ      ケーブル電圧Ｗ    配線

Claims (9)

  1. 測定対象のケーブルをクランプするクランプ部と、

    　前記クランプ部によってクランプされた前記ケーブルに対向するように配設された電極と、

    　第一キャパシタと第一抵抗とが並列接続され、一端が前記電極と接続された並列回路と、

    　前記並列回路の他端に一端が接続され、他端が回路グラウンドに接続された第二抵抗と、

    　前記並列回路の他端に一端が接続され、他端が回路グラウンドに接続された第二キャパシタと、

    　前記並列回路の前記一端又は前記他端が入力端子に接続され、前記入力端子に入力された信号を増幅して出力するアンプとを備えるクランプ式交流電圧プローブ。
  2. 前記アンプの前記入力端子は、前記並列回路の前記一端と接続される請求項１に記載のクランプ式交流電圧プローブ。
  3. 前記第一抵抗の抵抗値は、前記第一キャパシタのインピーダンスよりも大きい請求項１又は２に記載のクランプ式交流電圧プローブ。
  4. 前記アンプの前記入力端子は、ハイインピーダンスである請求項１～３のいずれか１項に記載のクランプ式交流電圧プローブ。
  5. 前記アンプは、ＦＥＴを用いて構成されている請求項４記載のクランプ式交流電圧プローブ。
  6. 前記クランプ部は、絶縁材料を用いて構成され、

    　前記電極は、前記クランプ部の内部に配設され、前記絶縁材料を介して前記ケーブルに対向するように配置されている請求項１～５のいずれか１項に記載のクランプ式交流電圧プローブ。
  7. 前記クランプ部と連結され、前記並列回路、前記第二抵抗、前記第二キャパシタ、及び前記アンプを収容する筐体をさらに備え、

    　前記筐体は、外壁面が絶縁性、内壁面が導電性とされ、前記導電性の内壁面に前記回路グラウンドが接続されている請求項１～６のいずれか１項に記載のクランプ式交流電圧プローブ。
  8. 前記クランプ部は、前記電極を収容する収容空間を有し、

    　前記クランプ部の外壁面は絶縁性、前記収容空間の内壁面は、少なくとも前記電極と前記ケーブルとの間に位置する部分を除いて導電性とされ、前記収容空間の導電性の内壁面に前記回路グラウンドが接続されている請求項７に記載のクランプ式交流電圧プローブ。
  9. 前記クランプ部は、一対のクランプアームによって前記ケーブルをクランプし、

    　前記一対のクランプアームのうち少なくとも一方の基端部は軸体で軸支され、

    　前記少なくとも一方のクランプアームは前記軸体を中心に揺動可能であり、

    　前記一対のクランプアームの先端近傍には、前記一対のクランプアームを締結するためのネジを受け入れ可能なネジ孔が形成されている請求項１～８のいずれか１項に記載のクランプ式交流電圧プローブ。
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