JP5187828B2 - 電圧プローブ - Google Patents

Description

本発明は、電圧プローブに関する。本発明の電圧プローブは、高電圧の高精度測定に好適に利用される。

電子加速器の高周波電源やエキシマーレーザーのパルス電源等においては、内部で使用される高電圧電源の電圧を精度良く制御することが重要となっている。
高電圧電源の電圧を精度良く制御するには、高電圧を高精度で計測するための高電圧プローブが必要である。高電圧プローブの出力信号によってフィードバック制御を行うため、高電圧電源システムの安定性は、最終的にプローブの到達精度によって決定される。高電圧において１００ｐｐｍまたはそれより良い安定性の電源を製作することは、加速器のみならず、他の分野に於いても重要な課題である。

従来は、高電圧プローブとして、抵抗値が１Ｇオーム以上の抵抗器を高電圧側に接続し、この抵抗器を流れる電流が低電圧側に配置された抵抗器を流れることによって低電圧側の抵抗器に発生する電圧を測定する抵抗分割方式のプローブが使用されてきた。

ここで問題となるのが、高電圧側の抵抗器周辺での放電と、抵抗器に流れる電流によるジュール発熱とこの発熱による抵抗値の変化、そして抵抗値が大きい抵抗器を使用することに伴う周波数レスポンスの悪さであった。

まず、高電圧放電の対策として従来はＳＦ₆ガスを高電圧プローブに封入することが行なわれてきた。しかし、ＳＦ₆ガスは熱伝達率が低いために、ジュール発熱によって高電圧側の抵抗器が温度上昇することが問題となる。そこで、抵抗値の温度係数が小さい抵抗器を用いることが行なわれてきた。しかし、抵抗値が大きい抵抗器において抵抗値の温度係数を１０ｐｐｍ／℃以下にすることは容易ではない。また、仮に温度係数が１０ｐｐｍ／℃の抵抗器を用いても、抵抗器の温度上昇が１０℃を超えると、抵抗値の変化率が１００ｐｐｍを超えてしまうという問題があった。

また、プローブの周波数特性を良くするには、すなわち、高い周波数成分に対しても正しく計測を行うには、電圧分割の抵抗値を小さくすれば良いが、残念なことに抵抗値を下げると抵抗を流れる電流が大きくなり、結果、ジュール発熱によって抵抗器が高温になってしまうという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高精度な電圧測定が可能な電圧プローブを提供するものである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の電圧プローブは、計測端子と、前記計測端子に電気的に接続され且つ筐体内に収容された抵抗器と、前記抵抗器に電気的に接続された出力端子とを備え、前記抵抗器は、前記筐体内において絶縁性の液相冷媒に浸漬されていることを特徴とする。

本発明では、抵抗器は筐体内において絶縁性の液相冷媒に浸漬されている。液相冷媒は一般に従来のＳＦ₆ガスに比べて桁違いに大きな熱伝達効率を持つので、抵抗器で発生したジュール熱は、液相冷媒によって速やかに除去される。従って、本発明によれば抵抗器の温度上昇を抑制することができ、従って、抵抗器の温度上昇に起因する測定値の変動を抑制することができる。

また、本発明によれば抵抗器の抵抗値を下げても抵抗器の温度上昇を抑えることができる。従って、本発明によれば、抵抗値が比較的小さい抵抗器を使用することができ、従って、周波数特性を向上させることができる。

また、液相冷媒は一般に従来のＳＦ₆ガスに比べて高い耐電圧特性を有しているため高電圧のコロナ放電やスパーク放電を防止することができ、従って、安全で安定な測定が可能になる。なお、スパーク放電に到らなくても微小なコロナ放電は、プローブの出力に不要なランダムノイズ信号として混入しシステムを不安定に至らしめるので、コロナ放電を防止することは重要である。

以上より、本発明によれば、高精度な電圧測定を行うことができる電圧プローブが提供される。

なお、本発明の電圧プローブは、測定対象の電圧が１０ｋＶ以上となるような用途（高電圧用途）に特に好適に用いられる。このような用途では抵抗器で大量のジュール熱が発生するのでそのジュール熱を速やかに除去する必要性が特に大きいからである。
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。

一端が前記計測端子である導電体棒をさらに備え、前記導電体棒の他端は、前記抵抗器に電気的に接続され、前記筐体は、前記導電体棒を収容する空間を有し且つセラミック材料からなる絶縁ブッシングと、前記絶縁ブッシングの先端にロウ付けされ且つ前記導電体棒にロウ付け又は溶接された第１金属リングと、前記絶縁ブッシングの側面にロウ付けされた第２金属リングと、一端が第２金属リングにロウ付け又は溶接され且つ他端にフランジが設けられた胴体円筒と、前記胴体円筒の前記フランジに固定されたフランジ蓋とを備えてもよい。この構成の筐体では、セラミック材料からなる絶縁ブッシングに対して金属リングを介して胴体円筒がロウ付け又は溶接によって固定されているので、絶縁ブッシングと胴体円筒との間に隙間ができず、液相冷媒のリークが確実に抑制される。

前記液相冷媒を冷却する冷却部をさらに備えてもよい。前記冷却部は、前記筐体内部に配置されたらせん状の冷却パイプを備えてもよい。この場合、抵抗器からのジュール熱を受け取った液相冷媒が効率的に冷却される。
ここで例示した種々の実施形態は、互いに組み合わせることができる。

以下，本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す内容は，例示であって，本発明の範囲は，図面や以下の記述中で示すものに限定されない。

図１〜図３を用いて本発明の一実施形態の電圧プローブについて説明する。図１及び図２は、本実施形態の電圧プローブの構成を示す断面図及び分解斜視図である。図３は、本実施形態の電圧プローブの一例の外観を示す写真である。

１．電圧プローブの構成
まず、本実施形態の電圧プローブ１の構成について説明する。
本実施形態の電圧プローブ１は、計測端子２と、計測端子２に電気的に接続され且つ筐体３内に収容された抵抗器５と、抵抗器５に電気的に接続された出力端子７とを備える。抵抗器５は、筐体３内において絶縁性の液相冷媒９に浸漬されている。

導電体棒１１の一端が計測端子２であり、導電体棒１１の他端は、抵抗器５に電気的に接続されている。
筐体３は、導電体棒１１を収容する空間を有し且つセラミック材料（例：アルミナセラミック）からなる絶縁ブッシング１３と、絶縁ブッシング１３の先端にロウ付けされ且つ導電体棒１１にロウ付け又は溶接された第１金属リング１５と、絶縁ブッシング１３の側面にロウ付けされた第２金属リング１７と、一端が第２金属リング１７にロウ付け又は溶接され且つ他端にフランジ１９が設けられた胴体円筒（例：ステンレス製）２１と、胴体円筒２１のフランジ１９に固定されたフランジ蓋２３とを備えている。この構成の筐体３では、セラミック材料からなる絶縁ブッシング１３に対して金属リングを介して胴体円筒２１がロウ付け又は溶接によって固定されているので、絶縁ブッシング１３と胴体円筒２１との間からの液相冷媒９のリークが防止される。

第１及び第２金属リング１５，１７の材料は、特に限定されないが、絶縁ブッシング１３のセラミック材料と熱膨張係数が合致している金属が好ましく、例えば、コバールやモリブデン等である。

フランジ蓋２３は、フランジ１９とフランジ蓋２３の間にガスケット（例：銅ガスケット）を挟んだ状態でフランジ１９にボルト２４で固定されている。これによって、フランジ１９とフランジ蓋２３の間が真空封止されている。なお、フランジ１９とフランジ蓋２３の間の真空封止は、ガスケット以外の真空封止部材を用いて行ってもよく、フランジ１９とフランジ蓋２３をロウ付け又は溶接することによって行ってもよい。

抵抗器５の両端には、第１及び第２ソケット電極２５，２７がそれぞれ配置されている。第１ソケット電極２５は、導電体棒１１にネジ止めされている。

フランジ蓋２３には、出力端子７と、絶縁サポート３３を介して導電ベースプレート３５が取り付けられている。出力端子７は、一例では、真空気密仕様の同軸端子である。出力端子７と導電ベースプレート３５は、信号出力線３７を介して電気的に接続されている。抵抗器５は、第２ソケット電極２７を介して（又は直接）導電ベースプレート３５に電気的に接続されている。

液相冷媒９の種類は、特に限定されないが、例えば、フッ素系液体、絶縁油、シリコンオイル、超純水であり、耐電圧特性や熱伝導性等の観点からフッ素系液体が好ましい。フッ素系液体としては、例えば、フロリナートやノベックＨＦＥ（何れも住友スリーエム株式会社製）が挙げられる。ノベックＨＦＥは、表１に示す。ハイドロフルオロエーテルからなる。

ところで、フッ素系液体は極めてリークしやすく、ブッシングと胴体円筒との間をＯ−リングで封止していた従来の構成ではＯ−リングからフッ素系液体がリークする。従って、液相冷媒９がフッ素系液体からなる場合、本発明のようなブッシング１３と胴体円筒２１との間をロウ付け又は溶接によって封止している構成の筐体３を採用するメリットが特に大きい。

液相冷媒９は、冷却部によって冷却される。冷却部の構成は、特に限定されないが、一例では、筐体３内部に配置されたらせん状の冷却パイプ（例：銅製、直径４ｍｍ）３９を備えた構成である。胴体円筒２１の側面には冷却パイプ導入部４１が２つ設けられている（図示の便宜上、図１及び図２には１つのみを示している）。冷却パイプ導入部４１は、筐体３内の真空気密が保持できる部材で構成され、一例では、スウェージロックチューブ継手で構成される。冷却パイプ３９の両端は、２つの冷却パイプ導入部４１にそれぞれ接続されており、冷却パイプ導入部４１の一方から導入された冷却水が冷却パイプ導入部４１の他方から排出される。このような構成により、抵抗器５からのジュール熱を受け取った液相冷媒９の効率的な冷却が可能になっている。冷却水は、温度制御によって一定の温度に保たれていることが好ましい。これによって、液相冷媒９の温度変動が抑制される。なお、冷却パイプ３９は、胴体円筒２１の外部に巻きつけてもよい。また、冷却部は、空冷ファンの付いたペルチェ素子を胴体円筒２１に貼り付けた構成であってもよい。

胴体円筒２１には、プローブ取り付け用フランジ４３と点検口４５も設けられている。プローブ取り付け用フランジ４３は、ボルト穴４４を有しており、電圧プローブ１の固定に用いられる。点検口４５は、液相冷媒９の液面の確認に用いられる。点検口４５は開閉可能なガラス窓４６を有している。電圧プローブ１の通常使用時にはガラス窓４６は閉じて筐体３内部を真空気密の状態にし、液相冷媒９を筐体３内に注入する際にはガラス窓４６を開いて点検口４５から筐体３内に液相冷媒９を注入する。

２．電圧プローブの製造方法
次に、本実施形態の電圧プローブ１の製造方法について説明する。以下に示す方法は、一例であって、本実施形態の電圧プローブ１は別の方法で形成してもよい。

まず、第１金属リング１５と第２金属リング１７を絶縁ブッシング１３にロウ付けする。次に、中心導体１１を絶縁ブッシング１３内に挿入し、その状態で中心導体１１を第１金属リング１５に溶接又はロウ付けする。

次に、胴体円筒２１に、フランジ１９、冷却パイプ３９、冷却パイプ導入部４１、プローブ取り付け用フランジ４３、点検口４５を溶接又はロウ付けする。

次に、胴体円筒２１を第２金属リング１７に溶接又はロウ付けする。これによって絶縁ブッシング１３と胴体円筒２１とが真空封止される。

次に、第１ソケット電極２５を中心導体１１にネジ固定する。

次に、フランジ蓋２３に絶縁ロッド３３を介してベースプレート３５を固定し、ベースプレート３５に第２ソケット電極２７を接続する。また、フランジ蓋２３に出力端子７を固定し、ベースプレート３５と出力端子７を信号出力線３７で電気的に接続する。

次に、抵抗器５の一端を第２ソケット電極２７に挿入し、抵抗器５の他端を胴体円筒２１の第１ソケット電極２５に挿入する。次に、ガスケットを間に挟んた状態でフランジ１９とフランジ蓋２３をボルト２４で締結して真空封止する。これによって真空気密の筐体３が形成される。

次に、点検口４５のガラス窓４６を開いて筐体３内に液相冷媒９を注入し、再びガラス窓４６を閉じ、本実施形態の電圧プローブ１の製造が完了する。

３．電圧プローブの使用方法
次に、本実施形態の電圧プローブ１の使用方法について説明する。
電圧プローブ１は、通常、出力端子７とＧＮＤとの間に抵抗器４７を配置した状態で利用される。高電圧側の抵抗器５の抵抗値をＲ₁、低電圧側の抵抗器４７の抵抗値をＲ₂とすると、計測端子２から入力される入力電圧Ｖ₁と出力端子７から出力される出力電圧Ｖ₂との間には以下の関係が成り立つ。
Ｖ₂＝Ｖ₁・｛Ｒ₂／（Ｒ₁＋Ｒ₂）｝

本実施形態によれば、発熱による抵抗器５の抵抗値Ｒ₁の変動が抑えられ、従って、出力電圧Ｖ₂の変動も抑えられ、高精度な電圧測定が可能になる。なお、低電圧側の抵抗器４７は、筐体３内に配置してもよい。この場合、電圧プローブ１にはＧＮＤ端子が設けられ、抵抗器４７の一端が出力端子７に接続され、抵抗器４７の他端がＧＮＤ端子に接続される。

また、電圧プローブ１は、計測端子２が下向きの状態（高電圧側が下向きの状態）で使用することが好ましい。この場合、液相冷媒９の中に残った空気の気泡が筐体３内の上部にたまり、高電圧側を完全に液相冷媒９で満たすことができるからである。なお、液相冷媒９の液面は、点検口４５を通じて確認することが可能である。

また、筐体３の内部に大気部分を残さずに、筐体３の全体に液相冷媒９を充填するようにしてもよい。この場合、筐体３の内部に気泡が残っていないので、電圧プローブ１は、どの方位でも使用可能となる。但し、温度上昇に伴う液相冷媒９の熱膨張を考慮して、適宜、真空ベローズを使用した膨張部を設けることが望ましい。

また、電圧プローブ１の使用温度（使用時の液相冷媒９の温度）は、室温に近い温度（２０〜３０℃）であることが好ましい。この場合、胴体円筒２１からの熱の流入の影響が少ないためである。また、電圧プローブ１の使用温度を液相冷媒９の沸点より十分低い温度とすることによって、沸騰による内圧上昇や爆発の危険を回避することが重要である。

本発明の一実施形態の電圧プローブの構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態の電圧プローブの構成を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態の電圧プローブの一例の外観を示す写真である。

符号の説明

１：電圧プローブ ２：計測端子 ３：筐体 ５：抵抗器 ７：出力端子 ９：液相冷媒 １１：導電体棒 １３：絶縁ブッシング １５：第１金属リング １７：第２金属リング １９：フランジ ２１：胴体円筒 ２３：フランジ蓋 ２４：ボルト ２５：第１ソケット電極 ２７：第２ソケット電極 ３３：絶縁サポート ３５：導電ベースプレート ３７：信号出力線 ３９：冷却パイプ ４１：冷却パイプ導入部 ４３：プローブ取り付け用フランジ ４４：ボルト穴 ４５：点検口 ４６：ガラス窓 ４７：抵抗器

Claims (3)

1. 計測端子と、前記計測端子に電気的に接続され且つ筐体内に収容された抵抗器と、前記抵抗器に電気的に接続された出力端子とを備え、
   前記抵抗器は周波数レスポンスの向上を図るため、比較的低抵抗値であり、前記筐体内において高電圧印加によって発生するジュール熱の除去と微小なコロナ放電によるプローブ出力へのランダムノイズ信号の混入を防止するため、絶縁性の液相冷媒に浸漬され、一端が前記計測端子である導電体棒をさらに備え、前記導電体棒の他端は、前記抵抗器に電気的に接続され、前記筐体は、前記導電体棒を収容する空間を有し且つセラミック材料からなる絶縁ブッシングと、前記絶縁ブッシングの先端にロウ付けされ且つ前記導電体棒にロウ付け又は溶接された第１金属リングと、前記絶縁ブッシングの側面にロウ付けされた第２金属リングと、一端が第２金属リングにロウ付け又は溶接され且つ他端にフランジが設けられた胴体円筒と、前記胴体円筒の前記フランジに固定されたフランジ蓋とを備える電圧プローブ。
2. 前記抵抗器に生ずるジュール発熱により前記抵抗器が温度上昇することを抑制することができ、従って前記抵抗器の温度上昇に起因する測定値の変動を抑制するため、前記液相冷媒を冷却する冷却部をさらに備える請求項１に記載のプローブ。
3. 前記冷却部は、前記筐体内部に配置されたらせん状の冷却パイプを備える請求項２に記載のプローブ。