(57)【要約】【課題】  配電線に高周波信号を重畳して信号伝送を行う電力線通信において、電力線との間で信号を授受するため、配電線の周囲に配置した強磁性体コアに巻いた巻線から信号を出し入れするシステムがある。配電線の大電流による磁気飽和を防ぐために、コアにはギャップを設けることが行われているが、ギャップを設けたことによって信号の注入・抽出効率が低下するという課題があった。【解決手段】  配電線１に信号を注入・抽出するための強磁性体コア３は、配電線１を流れる電流によって磁気飽和しないようにギャップ４が設けられている。このギャップ４の長さに応じて信号注入・抽出巻線２のターン数を変化させることで、注入・抽出効率を向上させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の弧状の強磁性体、これらの各弧状の強磁性体を内側に導体が貫通できる穴が形成されるよう互いに所定の間隙を隔てて保持する保持手段、
前記弧状の強磁性体に所定回数巻き付けた巻線、
前記巻線に接続した特性インピーダンスＺ０の信号伝送ケーブルを備え、
前記巻線の前記所定回数は、前記導線を貫通させ、前記空隙の間隔を所定の値に定めた状態における前記巻線のインピーダンスが、前記Ｚ０の１／２以上、２倍以下となる回数に調整されたことを特徴とする信号注入・抽出装置。
【請求項２】
複数個の棒状の強磁性体、これらの各棒状の強磁性体を内側に導体が貫通できる穴が形成されるよう互いに所定の間隙を隔てて保持する保持手段、
前記棒状の強磁性体に所定回数巻き付けた巻線、
前記巻線に接続した特性インピーダンスＺ０の信号伝送ケーブルを備え、
前記巻線の前記所定回数は、前記導線を貫通させ、前記空隙の間隔を所定の値に定めた状態における前記巻線のインピーダンスが、前記Ｚ０の１／２以上、２倍以下となる回数に調整されたことを特徴とする信号注入・抽出装置。
【請求項３】
前記導線は商用電源に接続された配電線であることを特徴とする請求項１又は２に記載の信号注入・抽出装置。
【請求項４】
前記巻線は複数の中間タップを備えたことを特徴とする請求項３に記載の信号注入・抽出装置。
【請求項５】
前記中間タップは０．５ターンごとに設けたことを特徴とする請求項４に記載の信号注入・抽出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、配電線にＭＨｚ帯域の高周波信号を注入・抽出する、信号注入・抽出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力を供給するための配電線に高周波信号を重畳して、信号伝送を行おうとするいわゆる電力線搬送通信（ＰＬＣとも言う）の開発が進められ、そのための技術が種々開示されている。特に、配電線は、その高周波特性が不明確であり、商用周波数の高電圧、大電流電力が通電されているので、きわめて微弱なＭＨｚ帯域（１〜３０ＭＨｚ）の搬送波を効率よく、即ち商用周波数のノイズを受けずに高周波信号だけを注入／抽出するめの技術は重要である。
従来、配電線にＭＨｚ帯域の信号を注入または、配電線から信号を抽出するための装置として、特許文献１に示すものが開示されている。特許文献１のものは、配電線に結合させた強磁性体コアを用いたＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）と類似する構造の装置が用いられている。この場合、配電線を流れる商用周波数の電流によって発生する磁界により、強磁性体コアが飽和してしまうため、信号線とは別に配電線を流れる電流による磁界を打ち消すための短絡巻線をコアに巻くか、あるいは打ち消し巻線をコアに巻き、この打ち消し巻線に打ち消し電流を流す電源装置を用いなければならない。打ち消し電流は商用ラインのアンペアターンと同じアンペアターンで逆位相とする必要があるので容易ではない。
強磁性体の磁気飽和を減らす技術としては、上記の他に、例えば特許文献２に開示されているように、コアを分割し、分割したコアの間にギャップを設けることで、磁気飽和を防ぐ方法が知られている。しかしながらこの場合には高周波信号によるコアの磁界も減少するので、信号の伝送効率が低下してしまうという課題があった。
【特許文献１】特開２００１−３１９８１５公報「信号注入・抽出装置」
【特許文献２】特開平１１−３４５７１５号公報「小形電気巻線部品」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
配電線への従来の信号注入、抽出装置にあっては、強磁性体コアの磁気飽和を防ぐための短絡された巻線を巻くか、または打ち消し巻線とこの打ち消し巻線に電流を流すための電源装置が必要となり、装置が複雑となってコストが高くなるという課題があった。
また、強磁性体コアにギャップを設ける方法では、信号の注入／抽出効率が低下するので、その分コアの容量を増やす等の対策が必要となり、やはりコストが高くなるという課題があった。
【０００４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡単な構造で信号注入効率、抽出効率を向上させることができる信号注入／抽出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る信号注入・抽出装置は、複数個の弧状の強磁性体、これらの各弧状の強磁性体を内側に導体が貫通できる穴が形成されるよう互いに所定の間隙を隔てて保持する保持手段、
前記弧状の強磁性体に所定回数巻き付けた巻線、
前記巻線に接続した特性インピーダンスＺ０の信号伝送ケーブルを備え、
前記巻線の前記所定回数は、前記導線を貫通させ、前記空隙の間隔を所定の値に定めた状態における前記巻線のインピーダンスが、前記Ｚ０の１／２以上、２倍以下となる回数に調整されたものである。
【発明の効果】
【０００６】
この発明の信号注入／抽出装置によれば、きわめて簡単な構造でありながら、高い信号注入・抽出効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による信号注入、抽出装置を示す構成斜視図、図２は図１の断面図である。配電線１の周りを囲むように配置した（即ち内部に導線を貫通できる大きさの穴を持つ環状の形）弧状又は棒状の強磁性体コア３には、配電線１を流れる商用周波数の電流による磁気飽和を防ぐためにギャップ４を設け、２以上に分割できる。即ち強磁性体コア３は上コア３ｘと下コア３ｙとからなる（更に多数に分割されるものであっても良い）。図２では上コア３ｘと下コア３ｙとは互いに同じ形であるとして説明する。互いの形が異なるものは実施の形態３で説明する。ギャップ４の大きさは、配電線１を流れる商用周波数の電流の大きさにより決める。即ち、電流が大きいほどギャップ４の距離は大きくする。そしてギャップ４の間隔は図示しない保持手段によって任意の値に保持することが出来る。強磁性体コア３は、信号周波数（例えば５〜３０ＭＨｚ）において高い透磁率を有すると共に、低損失であるものを用いることが望ましい。強磁性体コア３には、信号注入・抽出巻線２を巻いておく。図示しない外部の送信装置から、この信号注入・抽出巻線２に高周波信号が送られると、信号電流によって、コア３の内部に磁界が発生する。その結果、配電線１にこの磁界強度と強磁性体コア３の透磁率に比例する信号電流が誘導される。
配電線１を伝送されてきた高周波信号を抽出する場合も、前記の信号注入の場合と同様に、配電線１を流れる信号電流によって、コア３に磁界が発生し、信号注入・抽出巻線２に、この磁界強度とコア３の透磁率に比例する信号電流が誘起される。
【０００８】
図３は、以下に説明する本装置の種々の特性の測定方法について説明する図である。十分に長い配電線１は、一端が図示しない商用電源に接続され、他端が図示しない負荷に接続されて大電流が流れている。互いに十分離れて（十分とは２つのコアが直接磁気的に結合しないと言う意味である）配置した２つの強磁性体コア３Ａ,３Ｂに、それぞれ信号注入巻線２Ａ、抽出巻線２Ｂを巻き付けてある。強磁性体コア３Ａ,３Ｂは同じ構造、寸法のものである。
巻線の巻数は各１ターン又は２ターン、又は３ターン巻きつけ、ギャップ長を変えてネットワークアナライザ１０によって注入・抽出効率（以下、単に注入効率という）を測定する系である。図３では、図示説明の都合上１ターンの場合のみを示している。
ネットワークアナライザ１０は、微弱な可変周波数の高周波信号を発信する送信回路１０Ａと受信回路１０Ｂとを備え、送信信号電力と受信信号電力との差からその間の伝送損失を測定することが出来る。
ネットワークアナライザ１０の送信回路１０Ａはコア３Ａの信号注入巻線２Ａに接続され、受信回路１０Ｂはコア３Ｂの信号抽出巻線２Ｂに接続している。
【０００９】
図４〜７に測定結果を示す。実用上、利用する信号周波数は５−３０ＭＨｚが多いので、この周波数範囲について測定した。
図４〜図７はギャップ４の距離を種々変化させたときの信号注入巻線２Ａと信号抽出巻線２Ｂ間の相対的伝送損失を、巻線のターン数と測定周波数とを変えて測定した特性図である。図の縦軸は伝送損失を示し、図の下方向ほど損失大となる。
図４はギャップ４の距離を０ｍｍ、即ちギャップなしとした場合の特性である。
図５はギャップ４の距離を１ｍｍとした場合の特性である。
図６はギャップ４の距離を５ｍｍとした場合の特性である。
図７はギャップ４の距離を１０ｍｍとした場合の特性である。
ターン数は各図において１、２、３ターンの３種類測定し、周波数は５、１０、１５，２０、２５、３０ＭＨｚの６通り測定した。
【００１０】
図４と図５から、ギャップ０ｍｍ及び１ｍｍでは利用するほとんどの周波数で、ターン数１の時に伝送ロスが最小となるが、ギャップ５ｍｍ及び１０ｍｍではターン数２の場合に伝送ロスが最小となる。このことをより客観的データで示すため、図４〜図７の各ギャップ毎のターン数別平均伝送ロスを求めて、図８に示した。
上記考察が正しいことは、例えば、図７は比較的大電流用のギャップ１０ｍｍの場合であり、この時２ターンにすることにより、１０ＭＨｚで１ターンの場合と比較して８ｄＢ程度、伝送効率が改善されていることからも裏付けられる。
すなわち、ギャップ４の長さによって最適なターン数が変わることがわかる。
【００１１】
以上の実験から得た特性を論理的に説明する。
ギャップ４が無い場合のコア３の磁気抵抗Ｒｍは式(１)、ギャップ４が有る場合の磁気抵抗Ｒｍは式(２)で示される。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
ここで、b：コアの磁路長、μ：コア透磁率、μ０：ギャップの透磁率、Ｓ：コア断面積、δ：ギャップ４の長さである。
一般にギャップ４がある場合、式(２)のμ０  が小さいため、二項が非常に大きな値となって磁気抵抗Ｒｍが高くなる。一方、コア＋巻線の自己インダクタンスLは、ターン数をＮとして式(３)で示されるので、磁気抵抗Ｒｍが高くなると、自己インダクタンスＬは低下する。即ちギャップ４の長さに反比例してLは小さくなる。
【００１４】
【数２】
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【００１５】
信号伝送効率は、信号伝送用ケーブル５の特性インピーダンス（Ｚ０）と式（４）に示すコア＋巻線部のインピーダンスＺにより大きい影響を受ける。ω＝２πｆ、
ｋ：結合係数、Ｑ＝μ’/μ”(透磁率μ=μ’+jμ”) とすれば、式（４）に示すように、インピーダンスの実数部は磁性体のＱとＬ、結合係数ｋによって決まる。すなわち、コア＋巻線部のインピーダンスＺは実数部も虚数部もＬに比例する。
ここで、図９〜図１２にギャップ４の長さを変えた時の巻線２の巻数が１、２，３ターンのそれぞれの場合のインピーダンスＺの測定値を示す。結果からギャップ長が長くなるにつれてインピーダンスＺが低下することがわかる。
よって、ギャップ長が長くなって小さくなったインピーダンスＺを高くするには、式（３）に示すインダクタンスＬが上がるようにターン数を増やす必要がある。
【００１６】
図４〜図７の結果において、ギャップ長を長くした場合にターン数を増やすとロスが減っているのは、発生する磁界は巻線２を流れる電流値で決まるため、ターン数を増やすことでコア＋巻線部のインピーダンスＺと、これに接続された信号伝送用ケーブル５の特性インピーダンスＺ０のインピーダンスマッチングがとれることで反射が減り、その分巻線２に信号電流が流れ安くなるので、全体としての伝送ロスが減るのである。
巻線２と信号伝送用ケーブル５との接続点における反射係数（Ｓ１１）は、式（５）で示される。  図９〜図１２に示したインピーダンスでの信号伝送用ケーブル５（ここでは２００Ωの基準線路を用いた）に対する反射係数値を図１３〜図１６に示すが、ギャップ長を長くするにつれて、ターン数を増やすことで、反射が減っていくことがわかる。
【００１７】
【数３】
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最終的にはコイルを見た見かけのインピーダンスＺは、
（１／２）Ｚ０＜Ｚ＜２Ｚ０とするのが好ましい。
【００１８】
実施の形態２．
図３の構成において、信号注入・抽出巻線２Ａ、２Ｂのターン数は固定し、信号伝送用ケーブル５として、特性インピーダンスが信号注入・抽出巻線２Ａ,２Ｂ＋強磁性体コア３Ａ,３ＢのインピーダンスＺに近い値を持つケーブル、例えば、差動フィーダ線(特性インピーダンス２００Ω)を用いる。
この構成により、信号伝送用ケーブル５と信号注入・抽出巻線２Ａ,２Ｂ＋強磁性体コア３Ａ,３Ｂ間の反射が減るので、伝送効率が向上する。
また、巻線２は半ターンごとにタップを取り出しておき、最も効率の良い端子を選んで使用する用にしても良い。
【００１９】
実施の形態３．
実施の形態１の図１、図２ではギャップ４は２カ所に設けた例を示したが、１カ所でも、あるいは２カ所以上でもよい。また、上コア３Ｘと下コア３Ｙは対称な形として図示しているが、対称で無ければならぬと言う訳ではなく、異形、例えば上コアがコの字型で、下コアがＩ型などでも良い。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
この発明の信号注入・抽出装置は、例えば電力量計、水道メータ、ガスメータの測定データを関連会社に伝送する遠隔測定装置や、家庭内で使用している家電品のデータを伝送するシステムに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１による信号注入、抽出装置の構成を示す斜視図である。
【図２】図１のものの断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における測定の構成を示す図である。
【図４】図１の構成における、ギャップ０ｍｍ、ターン数１，２，３の測定結果を示す特性図である。
【図５】ギャップ１ｍｍ、ターン数１，２、３の測定結果を示す特性図である。
【図６】ギャップ５ｍｍ、ターン数１、２、３の測定結果を示す特性図である。
【図７】ギャップ１０ｍｍ、ターン数１、２、３の測定結果を示す特性図である。
【図８】図４〜図７の伝送損失平均値をギャップの変化に対して示した特性図である。
【図９】ギャップ０ｍｍ、ターン数１，２，３の信号注入・抽出装置のインピーダンス測定結果を示す図である。
【図１０】ギャップ１ｍｍ、ターン数１，２、３の信号注入・抽出装置のインピーダンス測定結果を示す図である。
【図１１】ギャップ５ｍｍ、ターン数１、２、３の信号注入・抽出装置のインピーダンス測定結果を示す図である。
【図１２】ギャップ１０ｍｍ、ターン数１、２、３の信号注入・抽出装置のインピーダンス測定結果を示す図である。
【図１３】図９に示すインピーダンスでの基準線路に対する反射係数(Ｓ１１)を示す図である。
【図１４】図１０に示すインピーダンスでの基準線路に対する反射係数(Ｓ１１)を示す図である。
【図１５】図１１におけるインピーダンスでの基準線路に対する反射係数(Ｓ１１)を示す図である。
【図１６】図１２におけるインピーダンスでの基準線路に対する反射係数(Ｓ１１)を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  配電線、    ２、２Ａ、２Ｂ  信号注入・抽出巻線、
３、３Ａ、３Ｂ  強磁性体コア、    ４  ギャップ、
５  信号伝送用ケーブル、      １０  ネットワークアナライザ、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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