JP2018048838A - プローブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コモンモードノイズ対策用の回路部品を別途付加することなくコモンモードノイズ抑制効果が得られるプローブ装置を実現すること。
【解決手段】ヘッドとケーブルとターミネーションとで構成され、測定装置の測定信号の入力手段として用いられるプローブ装置において、
前記ケーブルの外被として、フェライトがコンパウンドされた被覆層を設けたことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プローブ装置に関し、詳しくは、たとえばオシロスコープなどで測定信号の入力手段としてプローブ装置を用いた場合に、外部から混入するノイズの抑制改善に関するものである。

図５は、従来からオシロスコープの測定信号入力手段として用いられているパッシブ形のプローブ装置の一例を示す構成説明図であり、（Ａ）は外観図、（Ｂ）は（Ａ）のケーブルの破線円で示した部分Ｃの拡大断面図である。

図５に示すように、プローブ装置は、大きく分けて、ヘッド１５と、ケーブル１６と、ターミネーション１７と、接地用クリップ１８とで構成されている。ターミネーション１７の端部には、ＢＮＣ形のコネクタ１９が設けられている。

ヘッド１５は、その先端部分を測定対象の測定しようとする測定点に直接電気的に接触させて測定信号を測定するために、比較的小型に形成されている。

ケーブル１６は、測定対象の測定しようとする測定点とオシロスコープとを電気的に接続して取り回し（操作性）をよくするために、柔軟で細く、比較的長い（たとえば１ｍ以上）ものが用いられる。このケーブル１６は通常の高周波領域で使用される同軸線とは異なり、一般には抵抗線で構成されたカーマロイ同軸線が主流である。

ケーブル１６は、ケーブル１６の断面中心の心線として設けられているカーマロイ線（抵抗線）１６ａと、カーマロイ線１６ａの外周を同心円状に被覆する絶縁体１６ｂと、絶縁体１６ｂの外周をカーマロイ線１６ａを中心とする同心円状に被覆して接地電位点としても機能するシールド編組線１６ｃと、シールド編組線１６ｃの外周をカーマロイ線１６ａを中心とする同心円状に被覆して保護する外皮（シース）１６ｄとで構成されている。

ターミネーション１７は、オシロスコープとのマッチングを補正するための調整機構が組み込まれていて、補償ボックスとも称される。

図６は、図５に示したプローブ装置をオシロスコープの測定信号入力手段として用いたコモンモードノイズの測定状態の一例を示す説明図である。図６において、プローブ装置のターミネーション１７の端部に設けられたＢＮＣ形のコネクタ１９は、オシロスコープ２０に複数のチャンネル（図６では４チャンネル）に対応して複数個（図６では４個）設けられている測定入力端子２１の一つに嵌合接続されている。そして、プローブ装置の接地用クリップ１８で測定対象機器２２の接地端子２３を挟むとともに、ヘッド１５の先端部を測定対象機器２２の測定したい対象電子部品２４の所望の測定点に直接電気的に接触させる。

特許文献１には、被測定電子部品に電圧または電流を供給するときに、被測定電子部品の端子に発生する発振およびノイズを防止する技術が記載されている。

特開平６−３４６５７号公報

ところで、たとえばインバータなどのノイズ環境が厳しい状況で測定を行う場合には、コモンモードノイズによる測定波形への影響が大きくなって無視できなくなり、高精度の測定が困難になるという課題が発生する。

これは、たとえば図６に示すようにオシロスコープ２０と測定対象機器２２を接続して測定を行う場合には、オシロスコープ２０と測定対象機器２２との間で、オシロスコープ２０側の浮遊容量Ｃａと測定対象機器２２側の浮遊容量Ｃｂを介してコモンモード電流ＣＭＣが流れることが主要因と考えられる。

このコモンモードノイズは、周波数帯にも依存するが、たとえば図７に示すように、測定系を構成するプローブ装置のケーブル１６にフェライトコア２５、２６を取り付けることで抑制できる。

通常、コモンモードの周波数帯域は数ＭＨｚ以上といわれているが、発生しているノイズの性質がノーマルモードなのかコモンモードなのかを正しく理解把握したうえで、フェライトコア２５、２６をケーブル１６上のそれぞれのモードに応じた所定の適切な位置に取り付けなければならない。

図８は、図７に示すようにプローブ装置のケーブル１６にフェライトコア２５（２６）を取り付けた場合の効果の説明図である。フェライトコア２５（２６）は、ノイズ電流ＮＣが流れることにより発生する（Ａ）および（Ｂ）に示す大きさの磁束ＭＦを、（Ｂ）に示すようにフェライト２５（２６）の磁性体特性である透磁率により収束させて磁気エネルギーを熱エネルギーＨＴに変換して磁束ＭＦ’に減少させることにより、ノイズそのものを抑制する。

通常、１ターンで単純に貫通させる場合よりも２ターン、３ターンとフェライトコア２５（２６）にケーブル１６を複数回巻きつけることで、より大きなノイズの抑制効果が期待できる。フェライトコア２５（２６）にケーブル１６を複数回巻きつけることができない場合には、複数個のフェライトコアを接続して抑制効果を見込むこともある。

コモンモードノイズ抑制対策としてケーブル１６にフェライトコアを取り付けることは有効であり、パッシブプローブなどでもその効果を狙って、分割型のフェライトコアを数個取り付けて測定したり、ケーブル１６を巻き付けるターン数を稼ぐために比較的大きなトロイダル形状の貫通型のフェライトコアにパッシブプローブを巻きつけること等が行われている。

コモンモードノイズ対策としてパッシブプローブに分割型のフェライトコアを取り付けるのにあたり、フェライトコアの形状（大きさ）と効果（帯域特性）の関連性などから、フェライトコアを複数個レベルで取り付けなければならない場合もあるが、フェライトコアを複数個レベルで取り付けるとパッシブプローブのケーブルへの負荷が過大になってしまったり、フェライトコアが被測定点の負荷になってしまうこともある。

また、大きめのフェライトコアを用いてケーブルを複数回巻きつけることも考えられるが、パッシブプローブのケーブルにはそれぞれのケーブルの仕様規格に基づく最小曲げ半径が規定されていて、ケーブルに規定を超える曲げを与えるとケーブルを損傷するおそれもある。

いずれにしても、既存のパッシブプローブのケーブルにフェライトコアを後付けすることは、コモンモードノイズの抑制効果は得られるものの、機械的な損傷なども含めてパッシブプローブの負荷となってしまう。

そして、パッシブプローブのユーザーとしては、別途、コモンモードノイズ対策用にフェライトコアを購入しなければならず、経済的な負荷となってしまう。

本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、コモンモードノイズ対策用の回路部品を別途付加することなくコモンモードノイズ抑制効果が得られるプローブ装置を実現することにある。

このような課題を解決するために、請求項１の発明は、
ヘッドとケーブルとターミネーションとで構成され、測定装置の測定信号の入力手段として用いられるプローブ装置において、
前記ケーブルの外被として、フェライトがコンパウンドされた被覆層を設けたことを特徴とするプローブ装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載のプローブ装置において、
前記プローブ装置は、パッシブプローブであることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のプローブ装置において、
前記ケーブルは、柔軟性を有することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のプローブ装置において、
前記測定装置は、オシロスコープであることを特徴とする。

これらの構成により、プローブ装置を構成するケーブルにコモンモードノイズ対策用の回路部品を別途付加することなく、コモンモードノイズ抑制効果を有するプローブ装置を実現することができる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 被覆層にフェライトをコンパウンドした場合の効果原理説明図である。 測定モジュールの一例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 従来から用いられているパッシブ形プローブ装置の一例を示す構成説明図である。 図５に示したプローブ装置をオシロスコープの測定信号入力手段として用いたコモンモードノイズの測定状態の一例を示す説明図である。 測定系を構成するケーブルにフェライトコアを取り付けたプローブ装置の一例を示す構成説明図である。 プローブ装置のケーブルにフェライトコアを取り付けた場合の効果の説明図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、（Ａ）は外観図、（Ｂ）は（Ａ）の外観図におけるケーブルの破線円で示した部分Ａの拡大断面図である。

図１に示すように、本発明に基づくプローブ装置も、大きく分けて、ヘッド１と、ケーブル２と、ターミネーション３と、接地用クリップ４とで構成されている。ターミネーション３の端部には、ＢＮＣ形のコネクタ５が設けられている。

この図１の構成は、図５に示したパッシブプローブの外観図と比較すると、外観的な部分では変わりはない。ところが、コモンモードノイズ対策としてプローブ装置のケーブル１６に分割型のフェライトコア２５、２６を取り付けた図７の外観図と比較すると、図１に示す本発明に基づくプローブ装置はコモンモードノイズ対策機能が付加されているにもかかわらず、図１のケーブル２の外周には図７の外観図に設けられている物理的なフェライトコア２５、２６に相当する回路部品類が設けられていないことから、ケーブル２の外周は明らかにすっきりしている。

ケーブル２は、ケーブル２の断面中心の心線として設けられているカーマロイ線（抵抗線）２ａと、カーマロイ線２ａの外周を同心円状に被覆する絶縁体２ｂと、絶縁体２ｂの外周をカーマロイ線２ａを中心とする同心円状に被覆して接地電位点としても機能するシールド編組線２ｃと、シールド編組線２ｃの外周をカーマロイ線２ａを中心とする同心円状に被覆するフェライトがコンパウンド（混合）された被覆層２ｄと、被覆層２ｄの外周をカーマロイ線２ａを中心とする同心円状に被覆して保護する外皮（シース）２ｅとで構成されている。

ケーブル２の外被としてフェライトがコンパウンドされた被覆層２ｄを設けていてもプローブ装置の外観は従来とほとんど変わることはなく、ユーザーはノイズの環境下であっても、従来のコモンモードノイズ抑制のための外付けのフェライトコア２５、２６に代えてケーブル２の外被にフェライトがコンパウンドされた被覆層２ｄを設けていることを全く意識することなく、ノイズがない通常測定と同様の操作感覚で、コモンモードノイズの影響を抑制した状態における所望の信号測定が行える。

図２は、被覆層２ｄにフェライトをコンパウンドした場合の効果原理説明図である。ケーブル２の心線２ａにノイズ電流ＮＣが流れると、心線２ａの入力側で比較的大きな磁束Ｆａが発生する。ノイズ電流ＮＣがフェライトがコンパウンドされた被覆層２ｄおよびシース２ｅで覆われた領域に達すると、ノイズ電流ＮＣに含まれるコモンモード電流ＣＭＣは被覆層２ｄにコンパウンドされているフェライトとの電磁結合により熱Ｈを発生する。心線２ａから出力されるノイズ電流ＮＣは、フェライトとの電磁結合により熱Ｈを発生して減衰していることから比較的小さくなり、心線２ａの出力側に発生する磁束Ｆｂも比較的小さくなる。

このように、フェライトがコンパウンドされた被覆層２ｄで被覆された心線２ａにノイズ電流ＮＣを流すことにより、ノイズ電流ＮＣに含まれるコモンモード電流ＣＭＣは熱Ｈに変換されて減衰することになり、コモンモード電流ＣＭＣの影響を軽減できる。

ところで、ノイズ環境の厳しい状態で測定を行う場合には、コモンモードノイズやノーマルモードノイズの対策が重要となる。市販されている測定器では、たとえば図３に示すように、測定モジュールの測定信号入力部６、７のユーザーから見えない内部に、コモンモード対策としてリング状のフェライトコア８、９を取り付けることも行われている。

この場合、本発明に基づくケーブル２で構成されたプローブ装置を用いることで、コモンモード抑制効果をプローブ側に持たせることができ、測定モジュールの測定信号入力部６、７の内部側に設けられているフェライトコア８、９を取り外して不要にすることができる。

なお、図３に示す測定モジュールの測定信号入力部６、７には、プローブ装置以外に通常のＢＮＣケーブルを接続する可能性もある。この場合も、ＢＮＣケーブルにフェライトがコンパウンドされた被覆層を設ける構造とすることで、測定モジュールの内部に設けられているフェライトコア８、９を取り外して不要にすることができる。

高電圧を扱う現場では、ノイズ対策以外に温度上昇に対する対策を施すことも行われている。高電圧の取り扱いにあたっては、危険回避のために、被測定対象と測定器との間の距離を可能な限り離すことが行われている。その場合、ケーブルの外被に本発明に基づきフェライトがコンパウンドされた被覆層を設けたパッシブプローブを使用することで、コモンモードノイズの抑制効果が期待できる。

図４は本発明の他の実施例を示す構成説明図であり、温度上昇に対する保護対策を考慮した耐熱性を有するものであって、（Ａ）は外観図、（Ｂ）は（Ａ）の外観図におけるケーブルの破線円で示した部分Ｂの拡大断面図である。

図４に示すプローブ装置も、大きく分けて、ヘッド１０と、ケーブル１１と、ターミネーション１２と、接地用クリップ１３とで構成されている。ターミネーション１２の端部には、ＢＮＣ形のコネクタ１４が設けられている。

ケーブル１１は、ケーブル１１の断面中心の心線として設けられているカーマロイ線（抵抗線）１１ａと、カーマロイ線１１ａの外周を同心円状に被覆する絶縁体１１ｂと、絶縁体１１ｂの外周をカーマロイ線１１ａを中心とする同心円状に被覆して接地電位点としても機能するシールド編組線１１ｃと、シールド編組線１１ｃの外周をカーマロイ線１１ａを中心とする同心円状に被覆するフェライトがコンパウンドされた被覆層１１ｄと、被覆層１１ｄの外周をカーマロイ線１１ａを中心とする同心円状に被覆して保護する外皮（シース）１１ｅとで構成されている。

ケーブル１１の外皮（シース）１１ｅとしては耐熱性の高い素材を用いる。耐熱性の高い素材としては、以下のようなものを用いることができる。
ａ）難燃性ＰＶＣ／−２０〜＋１０５℃
ｂ）ポリエステルエラストマー／−５０〜＋１５０℃
ｃ）フッ素樹脂（ＦＥＰ、ＰＦＡ）／−６５〜＋２００℃

図７に示した従来の構成では、プローブ装置のケーブル１６にフェライトコア２５、２６を後付けしていたが、本発明に基づくケーブル２は、その外周がカーマロイ線２ａを中心とする同心円状にフェライトがコンパウンドされた被覆層２ｄで被覆されているので、従来の構成で行われていたケーブル１６へのフェライトコア２５、２６の後付けは不要になる。

このようにフェライトコア２５、２６が不要になることから、フェライトコア２５、２６の部品コスト、管理コストおよびそれらの取付作業コストなどを削減でき、ケーブル１６に対するフェライトコア２５、２６の後付けに起因する機械的な負荷の増加や、ケーブル１６に分割型のフェライトコアを取り付けたり、トロイダルコアにケーブル１６を巻きつけたりすることによるケーブル１６の損傷を防ぐこともできる。

フェライトコアのコモンモードノイズ抑制効果は、その素材と質量、それにターン数により変わってくる。質量という観点だけから評価すると、分割型やトロイダル型のフェライトコアが有利である。しかし、本発明に基づくプローブ装置のケーブル外被の厚さは薄いものの、フェライトがコンパウンドされた被覆層の質量はケーブルの長さに比例して増加するので、ケーブルの長さをフェライトがコンパウンドされた被覆層の質量が所定の質量に達する長さにすることにより、分割型やトロイダル型と同等の効果を得ることができる。

また、オシロスコープで使用されるプローブのケーブル長は１ｍ以上のものも多く、たとえば２．５ｍと通常のパッシブプローブと比較してかなり長いケーブルも使用されている。このような長いケーブルに本発明を適用することにより、分割型やトロイダル型のフェライトコアと同等かそれ以上の効果が期待できる。

また、柔軟性の高い被覆素材にフェライトをコンパウンドすることで、従来のパッシブプローブが有している柔軟性を損なわずに実現できる。

そして、フェライトがコンパウンドされた被覆層は、フェライトコアと同等のコモンモードノイズ抑制効果を得ることができるので、このプローブを使用して観測されるノイズはノーマルモード（ｋＨｚ帯）が支配的になるかもしれない。その場合には、ノイズの切り分け効果も期待できる。

なお、上記実施例では、オシロスコープで用いるプローブ装置について説明したが、オシロスコープで用いるプローブ装置に限るものではなく、ケーブルを有する各種のプローブ装置全般に適用できる。

以上説明したように、本発明によれば、プローブ装置を構成するケーブルにコモンモードノイズ対策用の回路部品を追加付加することなくコモンモードノイズ抑制効果を得ることができるプローブ装置が実現でき、各種の信号測定に好適である。

１ ヘッド
２ ケーブル
２ａ カーマロイ線
２ｂ 絶縁体
２ｃ シールド編組線
２ｄ 被覆層
２ｅ 外皮（シース）
３ ターミネーション
４ 接地用クリップ
５ ＢＮＣ形コネクタ

Claims (4)

1. ヘッドとケーブルとターミネーションとで構成され、測定装置の測定信号の入力手段として用いられるプローブ装置において、
   前記ケーブルの外被として、フェライトがコンパウンドされた被覆層を設けたことを特徴とするプローブ装置。
2. 前記プローブ装置は、パッシブプローブであることを特徴とする請求項１に記載のプローブ装置。
3. 前記ケーブルは、柔軟性を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプローブ装置。
4. 前記測定装置は、オシロスコープであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のプローブ装置。

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