JPH0983031A - 弾性波に基づく電圧計の変圧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 寸法が小さく、コストが低減でき、測定精度
が高く、オプテイアルフィアバーより電流分離の高い、
電圧計用の変圧器を提供する。 【構成】 変圧器が送信部２，受信部６，誘電体５，連
結装置４および自由選択可能な増幅ユニット７で構成さ
れ、機械的な（弾性）波を発生し、この波が一次回路の
電場を介して流れ誘電媒体を伝播し、二次回路の電気的
な波に変換され、圧電あるいは電気歪み材料に基づく送
信部２により機械的な波を発生し、送信部２により発生
した機械的な波を圧電材料による受信部６の部材により
変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、弾性波に基づく電圧
計に関し、弾性波（機械的な波）の発生に基づき、交流
電気回路中で電圧を測定するために使用される電圧計の
変圧器に関する。

【０００２】

【従来の技術】この装置は、送信部、受信部、誘電体お
よび機械的な接続部で構成されている。そして、この装
置は電圧計の製造に係わる産業に使用できる。電気変圧
器は電圧の増減を与えるために使用される。通常、これ
には一次回路の磁場中に電流変化を発生させることが伴
い、この変化は二次回路に影響を与え、電圧変化を発生
する。これ等の現象はマクスウェルの法則を用いて適切
に説明できる。

【０００３】一次回路の巻数と二次回路の巻数の比は、
入力電圧と出力電圧の比、あるいは真空中の変換比を決
める。これ等の変圧器を測定装置として利用すると、振
幅の変調に使用できるだけだなく、一次回路と二次回路
が電気的な接触なしに磁場で結合されるという事実の結
果から生じる電流絶縁も与えるので注目される。

【０００４】上に説明した理由により、変圧器は交流電
気回路中の電圧を測定するのに一般的に使用される装置
である。しかし、同時に測定すべき電圧が増加すると、
巻数、大地に対する巻線の絶縁が直線的に増加する。

【０００５】これは、回路網の規模（これは巻線比の結
果であり、電圧に応じて指数関数的に増加する），およ
び配電用の変電所を極度に増大させ、比例的でない経費
の増大をもたらすことを意味し、取り扱われる信号の出
力を配慮する必要がある。

【０００６】これ等に加えて、電気回路の平均電圧が世
界的規模で次第に増加することに注目される。従って、
この特別な分野で新しい代替品を開発することに最近大
きな興味がもたれいることは驚くことではない。

【０００７】最近の数十年の間に、多数の装置が提案さ
れいる。しかし、補助誘導変圧器を伴うコンデンサに基
づく変圧器を導入した高圧回路の分野でしか顕著な寄与
がなされていない。それでも、これ等の変圧器は嵩が大
きく、コストがかかるので、理想的な代替え品ではない
が、特別な価格ではない。

【０００８】疑いなく、研究の最も約束されている最近
の流れは、能動的および受動的なファイバーオプテック
スの分野に置かれている。ファイバーオプテックスは光
エネルギを伝送する誘電材料で作製されているので、効
率を高め、回路の電流分離を良好にする。同時に、誘電
材料も他のタイプのエネルギ、つまり機械的なエネルギ
を伝送できる。

【０００９】この分野の最近の問題に対する明確な解決
策は、ファイバーオプテックスに基づく装置より更に安
定であり、それにもかかわらず、付属電子回路の単純さ
に関してファイバーオプテックスと同じ利点を有する一
つまたは複数の変圧器を使用することである。今日、こ
のような適当な代替え品が存在していることは知られて
いない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】それ故、この発明の課
題は、寸法が小さく、コストが低減でき、測定精度が高
く、オプテイアルフィアバーより電流分離の高い、電圧
計用の変圧器を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、交流電気回路中の電圧を測定するために使用さ
れる、機械的な波に基づく電圧計の変圧器にあって、変
圧器が送信部２，受信部６，誘電体５，連結装置４およ
び自由選択可能な増幅ユニット７で構成され、機械的な
（弾性）波を発生し、この波が一次回路の電場を介して
流れ誘電媒体を伝播し、二次回路の電気的な波に変換さ
れ、圧電あるいは電気歪み材料に基づく送信部２により
機械的な波を発生し、送信部２により発生した機械的な
波を圧電材料による受信部６の部材により変換すること
によって解決されている。

【００１２】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。

【００１３】

【作用】機械的な（弾性）波に基づく、ここに提案する
タイプの電圧計の変圧器にはこの分野で新規性がある。
これ等の変圧器は送信部、受信部、誘電部材と機械的な
接続部で構成されている。送信部は電圧変動を弾性波に
変換する。つまり、この波は機械的接続部により誘電部
材を経由して受信部に流れる。次いで、受信部は機械的
な波を電気信号に変換し、この電気信号が電子回路によ
り増幅される。

【００１４】電場から弾性波を発生させるため、および
弾性波から電気波を発生させるには圧電的なあるいは電
気歪み的な材料を使用する。構造に応じて、機械的な波
に基づく４つの異なるタイプの変圧器を形成できる。つ
まり、モノリシス（単品）装置、自己連結装置、直結装
置、および外部接続された装置である。

【００１５】より詳しくは、この発明で説明するタイプ
の変圧器にあって、一次回路の電圧変動は弾性波を発生
し、機械的出力の変動（材料の圧縮と膨張）が二次回路
に達し、そこで再び電圧変動に変換される。

【００１６】これ等の弾性波を発生するのに最も適した
部品は、高い電場に対して抵抗力があるということを考
慮して、比較的高い変換率を有する誘電材料で構成さ
れ、圧電材料（ガラス、磁器、高分子および「複合
体」）と電気歪み材料に基づく。これ等の材料は、電場
を印加すると圧縮や膨張する能力を持っていることで知
られている。

【００１７】逆に、圧縮や膨張の機械的な力が圧電材料
に印加されると、材料の両端の間に電気張力が発生する
ので、そのような材料を二次回路の受信材料に使用する
の適している。

【００１８】一般的にこの発明で説明する変圧器は下記
の部品で構成されている。つまり、 −送信部 −受信部 −回路の電流分離に使用される誘電部材 −接続部 である。

【００１９】送信部は電気的な波を機械的な波に変換
し、機械的な波は、接続部により、誘電部材を経由して
受信部に流れる。受信部は機械的な波を電気的な波に変
換する。

【００２０】接続部と誘電体は同じ部材であって、両方
の機能を実施する。一次電圧と二次電圧の比は以下の要
因に依存する。つまり、 −送信部と受信部内に使用されている材料の機械的およ
び電気的な特性 −材料の相対寸法 −接続部を介して実際に生じる送信部と受信部の変形比 である。

【００２１】この代わりに、受信信号を増幅するため電
子回路を使用することが必要であるかもしれない。何故
なら、受信信号は出力の低い信号であるからである。更
に、このユニットは、熱変化の結果であり、この装置で
正確な測定を可能にする変換比に影響を与える。

【００２２】

【実施例】以下、この発明を実施例に基づきより詳しく
説明する。図１は、機械的な波に基づく電圧計の変圧器
が送信部１，受信部６，回路５の電流分離のための誘電
体、および接続部４から成ることを示す。

【００２３】送信部２は電気的な波１を機械的な波３に
変換する。この機械的な波は接続部４により誘電体５を
経由して受信部６に伝播する。そして、この受信部６は
機械的な波３を電気的な波８に変換する。

【００２４】接続部４と誘電体５は二つの機能を有する
同じユニットを形成する。一次電圧と二次電圧の比は送
信部２と受信部６に使用されている材料の機械的と電気
的特性、および送信部２と受信部６の寸法や、接続部４
により実際に行われる両者の変形比に依存する。

【００２５】自由選択できる電子ユニット７は、受信部
６の信号が低出力の信号であるため、増幅するために必
要である。上に述べた電子ユニット７は、熱変化の結果
であり、この発明の場合、正確な測定を可能にする変換
比の変化を補償するためにある。

【００２６】この基本形の一つにあっては、機械的な波
に基づく電圧計の変圧器はモノリシス（単品、例えば平
行四辺形の単品）である。この場合には、送信部２，接
続部４，誘電体５および受信部６は全て圧電材料から成
る同じ構造体の中に組み込まれている。

【００２７】一次回路、送信部の電極９と９′は平行四
辺形の両側に位置するが、受信部の電極１０と１０′，
あるいは二次回路は他の両側の上にある。分極の方向
は、一次電極に交番波を印加すると、二次電極に交番波
が発生するようになるべきである。

【００２８】この種の変圧器の他の構造例は円管あるい
は中空円筒である。送信部２の電極９と９′は円管の上
部分と下部分にあるが、受信部６の電極１０と１０′は
円管の内面と外面にある。

【００２９】これ等の変圧器には、構造上単純で非常に
コンパクトであると言う利点がある。しかし、圧電体の
中の電場に一様な分布を構造的に発生させない。図２
は、機械的な波に基づく電圧計に対するモノリシス（単
品）形状の変圧器を示す。

【００３０】図３はこの発明の他の実施例を示す。自己
連結タイプの機械的な波に基づく電圧計の変圧器であ
る。ここでは、送信部２と受信部６の形状は両方の部材
の間で弾性波を直接伝達させることができる。例えば、
送信部２は円筒状で受信部６はリング状である。

【００３１】送信部２は受信部６に嵌まり、円筒２の外
径がリング６の内径より僅かに大きいなら、得られる構
造体は完全に中実で、シリンダの直径の増減がリング６
の膨張と収縮を与える。

【００３２】この発明の上記実施例によれば、誘電体を
使用するならば、送信部２と受信部６の間に嵌まる他の
リング形状となる。図４はこの発明の第三実施例、つま
り機械的な波に基づく電圧計の直結変圧器を示す。この
例では、受信部６が誘電体５により送信部２に直結し、
前記誘電体５は接続装置と連結体の両方（図４には誘電
体に参照符号を付けていない）として働く。

【００３３】図示のため、図４は両側に接着成分１１で
付けた電極を有する圧電材料の二つのディスクを示し、
直結構造体を有する単純な変圧器の形状をしている。圧
電材料の一方のディスクは送信部２であり、他方は受信
部６である。もっとも、送信部２は減極の恐れなしに高
い逆磁場とならないため電気歪み材料で作製することも
できることを指摘しておく。

【００３４】ディスク２と６が厚ければ、優先振動モー
ドは縦方向で、送信部２から受信部６に伝わる力は慣性
力の結果である。受信部６の片側が固定面に付けてある
と、送信部２の重力中心は電場の効果により交番移動す
る。

【００３５】他の場合では、送信部２の片側が固定され
ていると、送信部の膨張と収縮は受信部６を移動させ、
それ故全体の物質を移動させ、含まれるエネルギを増加
させるため、受信部に付加される。

【００３６】他方、ディスク２と６が薄く、それ等の直
径より十分薄ければ、曲げの力は剛体全体にわたり、デ
ィスクの優先振動モードは半径方向であり、送信部は凹
凸形状の間で振動し、交互に受信部を曲げる。

【００３７】図４で、参照符号９と９′は送信部２の電
極を表すが、参照符号１０と１０′は受信部６の電極を
表す。図５はこの発明の第四実施例を示し、この場合に
は外部接続変圧器である。作動構造は送信部２と受信部
６の間の接続を与える。例えば、接続部は円管で、送信
部２と受信部６は円管１３に挿入されるディスクあるい
は円筒体であり、同時に円管は誘電部材５を担持してい
る。

【００３８】円管１３は両端で閉じているが、一端には
移動可能に閉じる装置あるいはカバー１４がある。特別
には、この閉じる装置１４は上部にネジのある構造体と
して示してあり、内部の圧力を変えることができるた
め、このカバー１４を締め付けて送信部２と受信部６に
加わる圧力を増加させることができる。

【００３９】調節された圧力は、変圧器を使用している
時、能動内部部材が最大の収縮時に圧力を全て失わない
ようにすべきである。この種のユニオンは初期圧力を与
えて達成される。

【００４０】他のタイプのユニオンは外部年決構造体１
３に付ける固いアタッチメントに加えて能動部材（直
結）の間で達成されるので、送信部２が膨張すると受信
部６が収縮し、送信部２が収縮すると、初期圧力を必要
とすることなく、受信部６を膨張させる。

【００４１】閉じた円管１３の場合のように、能動部材
を完全に取り囲む外部構造体には、送信部２の電極９と
９′および受信部６の電極１０と１０′に通じる線材の
開口１２がある。

【００４２】外部で連結する変圧器は機械的に最も複雑
であるが、最も強い二次回路信号を発生するの最適なも
のである。これは、ここに示すタイプの変圧器が広い範
囲の周波数や張力で使用できるが、最も重要な応用分野
は高圧を取り扱う電気エネルギの発生、輸送および分配
する分野に見られる。そして、測定精度の高レベルと共
に厳格な電流絶縁が要求される。

【００４３】この発明を測定器具として使用する場合、
使用される材料は熱安定性、長寿命および高い直線性を
持っている必要がある。更に、送信部２と受信部６の材
料に対して互いに反対の極性の熱係数を有する材料を選
んで、温度変化による変動を低減できる。

【００４４】このタイプの変圧器では、送信部２は、特
に高圧の電圧計の場合、受信部６より大きくなる傾向が
ある。大きさを低減するため、送信部は古くならず、減
極の恐れのない高電場に耐える材料で形成する。特に、
減極の恐れがある場合には、電気歪み材料が著しい利点
をもたらすことに留意する必要がある。

【００４５】送信部２を単品の中に組み入れるには大き
すぎるなら、ディスクあるいは中空円筒体を使用し、一
方を他方の上に積み、互いに装着して形成する。その結
果、各ディスクあるいは初期円筒体は一次回路に加わる
全圧の一部を持ち堪えるだけでよい。

【００４６】これ等の変圧器の利点の一つは、低い製造
コストで簡単な電気絶縁の可能性を提供することにあ
る。何故なら、一次回路と二次回路はコイルの巻線より
も単純な電極であるからである。

【００４７】更に、送信部２は非導電材料で形成されて
いるので、単相電圧計の変圧器に電流絶縁を行う誘電体
を必要としない。このような変圧器では、送信部２の電
極の一つは一方の相に接続され、他方の電極は接地さ
れ、この電極が受信部６からの一方の電極に接触してい
て、これも接地されている。両方の接地がとれていなく
ても、送信部の電気伝導度が低いのでショックの恐れは
ない。

【００４８】この点に関し、上記説明は十分詳しいの
で、当業者はこの発明の新規性とこの発明の提唱する利
点を十分理解できる。種々の部材の材料、形状、寸法お
よび外形は、この発明の核心を変えることなく、変更で
きる。この明細書に使用する用語はより広い解釈を制限
するものではない。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明による電
圧計用の変圧器を使用すれば、寸法が小さく、コストが
低減でき、測定精度が高く、オプテイアルフィアバーよ
り電流分離を高くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 機械的波に基づく電圧計の変圧器の要請を満
たすために働くこの発明による種々の部材のブロック図
である。

【図２】 モノリシス（単品）変圧器の断面図、平面
図、側面図である。

【図３】 自己連結変圧器の例となるこの発明の第二実
施例を示す図面である。

【図４】 直結変圧器として構成されたこの発明の断面
図である。

【図５】 外部接続部を伴う変圧器の第四実施例の断面
図である。

【符号の説明】

２ 送信部 ４ 連結装置 ５ 誘電体 ６ 受信部 ７ 自由選択できる増幅ユニット ９，９′ 送信部の電極 １０，１０′ 受信部の電極 １３ 外部構造体（円管） １３′ 可動端部

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電気回路中の電圧を測定するために
   使用される、機械的な波に基づく電圧計の変圧器におい
   て、変圧器が送信部（２），受信部（６），誘電体
   （５），連結装置（４）および自由選択可能な増幅ユニ
   ット（７）で構成され、機械的な（弾性）波を発生し、
   この波が一次回路の電場を介して流れ誘電媒体を伝播
   し、二次回路の電気的な波に変換され、圧電あるいは電
   気歪み材料に基づく送信部（２）により機械的な波を発
   生し、送信部（２）により発生した機械的な波を圧電材
   料による受信部（６）の部材により変換することを特徴
   とする変圧器。
2. 【請求項２】 送信部（２），絶縁体（５），連結装置
   （４）および受信部（６）を圧電材料の同じ構造体の中
   に組み込んだモノリシス（単品）変圧器の形状であり、
   好ましくは一方の両側に送信部（２）の電極（９，
   ９′）を有して一次回路を形成し、他方の両側に受信部
   （６）の電極（１０，１０′）を有して二次回路を形成
   する平行四辺形の形状をしていることを特徴とする請求
   項１に記載の変圧器。
3. 【請求項３】 モノリシス（単品）変圧器のタイプであ
   り、送信部（２）の電極（９，９′）が円管の上部分と
   下部分にあり、受信部（６）の電極（１０，１０′）が
   円管の内面と外面にある円管あるいは中空円筒体の形状
   であることを特徴とする請求項２に記載の変圧器。
4. 【請求項４】 自己接続しているように構成され、送信
   部（２）と受信部（６）の形状が両方の部材の間で弾性
   波を直接伝播するようになっていて、送信部（２）は円
   筒体で、受信部（６）はリングであり、円筒体の直径が
   リングの内径より幾分大きくして、送信部（２）を受信
   部（６）に挿入でき、得られた構造体が完全に中実で、
   円筒体の直径の増減がリングの膨張と収縮を与え、誘電
   体（５）が送信部（２）と受信部（６）の間に挿入され
   たリングのような形状であることを特徴とする請求項１
   に記載の変圧器。
5. 【請求項５】 接着剤で直接付けた両側に電極を有する
   圧電材料の二つのディスクかな成る、接続とユニオン構
   造体として働く誘電体（５）により受信部（６）を送信
   部（２）に取り付けてある直結形状であり、一方のディ
   スクが減極の恐れなしに高い逆電場に耐える電気歪み材
   料を自由選択して形成される送信部（２）であり、他方
   のディスク（６）が受信部であることを特徴とする請求
   項１に記載の変圧器。
6. 【請求項６】 厚いデイスク（２）と（６）を用い、振
   動の優先モードが縦方向で送信部（２）から受信部
   （６）に送る力は慣性力の結果であり、受信部（６）の
   片側が固定面に付き、送信部（２）の重心が電場の効果
   のため交番的に移動することを特徴とする請求項５に記
   載の変圧器。
7. 【請求項７】 直結型であり、送信部（２）の片側が固
   定され、膨張と収縮が受信部（６）のモータ部材と、力
   を増幅するため受信部（６）に加わる接地部を形成し、
   同じようにディスク（２）と（６）が薄く、その直径よ
   りかなり薄く、曲げ力が慣性力より強く、これ等のディ
   スクの振動の優先形状が半径方向で、送信部（２）が凹
   凸形状の間を振動し、受信部（６）を交互に曲げること
   を特徴とする請求項５または６に記載の変圧器。
8. 【請求項８】 外部接続型であり、送信部（２）と受信
   部（６）を接続する独立構造体であり、この接続構造体
   が円管（１３）のように形成され、送信部（２）と受信
   部（６）が円管（１３）に挿入されるディスクあるいは
   円筒体であり、誘電体（５）が円管（１３）の内部にあ
   り、この円管（１３）が両端を閉じているが、キャップ
   のように可動端部（１３′）を有し、内部部材に加える
   圧力を調整するために上下にネジ込まれ、キャップがネ
   ジ込まれて下に移動すると、送信部（２）と受信部
   （６）の圧力が増加し、変圧器が使用され、内部能動部
   材が最大収縮している場合、圧力損失が全くないように
   調整されていることを特徴とする請求項１に記載の変圧
   器。
9. 【請求項９】 更に、初期圧力に耐えるため異なる部材
   の間にユニオンがあり、外部接続構造体に対する固いア
   タチメントに加えて能動部材の間にユニオンがあり、そ
   の結果、送信部の膨張が受信部の収縮となり、送信部の
   収縮が受信部の膨張となり、能動部材を完全に取り囲む
   外部構造体（１３）が送信部（２）の電極（９，９′）
   と受信部（６）の電極（１０，１０′）を貫通する線材
   用の開口（１２）を有することを特徴とする請求項８に
   記載の変圧器。
10. 【請求項１０】 一次回路と二次回路が電極であり、送
    信部（２）が非導電性材料であるため、単相変圧器で電
    流分離を与える誘電体を除去でき、送信部（２）の一方
    の電極（９）がその相の一方に接続され、送信部（２）
    の他方の電極（９′）が接地されいて、この電極
    （９′）が接地されている受信部（６）の電極（１０）
    に接触していることを特徴とする請求項１に記載の変圧
    器。